CN101395032A - 电驱动车辆的驱动控制装置 - Google Patents

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Abstract

对于使用电制动的机车，为了实现在减速时即使发动机的转速不高也可以冷却功率变换装置(3)，设计了一种对由功率驱动的车辆进行驱动控制的电驱动车辆的驱动控制装置，该功率由内燃机(1)产生的动力发电而得到，该电驱动车辆的驱动控制装置包括：由功率变换装置(3)提供的由主旋转机(4)发电产生的功率进行消耗的制动电阻器(10)；由辅助发电机(6)发电提供频率与内燃机(1)的转速成比例的交流功率，可切换极数的风扇电动机(7)；由风扇电动机(7)驱动以产生冷却功率变换装置(3)的风的风扇(8)；切换风扇电动机(7)极数的极数切换开关(9)；以及控制内燃机(1)、功率变换装置(3)、制动电阻器(10)和极数切换开关(9)的控制部。

Description

电驱动车辆的驱动控制装置
技术领域
本发明涉及对利用功率驱动的车辆进行驱动控制的电驱动车辆的驱动控制装置，该功率是由内燃机所产生的动力进行发电而得到的。
背景技术
以往的柴油电机车，利用与柴油机直接相连的主发电机发电，并通过功率变换装置向行驶电动机提供功率。由于柴油机与主发电机会发热，所以利用与发动机机械地直接相连的发动机风扇进行冷却。另一方面，因为行驶电动机与功率变换装置也会发热，所以利用发动机风扇或者由与发动机直接相连的辅助发动机驱动的电动风扇进行冷却。
因为发动机风扇以与发动机相同的转速转动，所以其风量与发动机的转速大致成比例。另一方面，辅助发电机一般使用维修性良好的交流发电机，其输出频率与发动机转速成比例。电动风扇一般采用维修性能良好的感应电动机，其转速与电源频率大致成比例，所以风量与发动机转速也大致成比例。
当机车加速时，由于柴油机的输出能量经由主发电机和功率变换装置提供给行驶电动机，所以各设备的发热量与柴油机的输出能量大致成比例。因此，使得柴油机的转速与输出能量大致成比例，也使发动机风扇和电动风扇的风量与柴油机的转速大致成比例。如果柴油机以与输出能量成比例的转速运转，就可以提高燃料效率，因此能够在加速时得到高效率的系统。
另一方面，当机车减速时，机车及列车的动能通过行驶电动机与功率变换装置转换为功率，并利用制动电阻器消耗这部分功率。此时，虽然发动机几乎不产生动力，但由于行驶电动机与功率变换装置会发热，所以必须用发动机风扇或电动风扇进行冷却。为了使两种风扇都能以与发动机转速成比例的转速旋转，且风扇的风量与转速成比例，则在这些风扇进行充分冷却的同时，必须使发动机高速运转。
由于柴油电机车进入隧道等会降低冷却效率，所以抑制列车的速度，使得发热量控制在可冷却范围内。
特许文献1
特开平2000-203420号公报
在以往的柴油电机车中，为了在使用电制动的机车减速时用风扇对行驶电动机和功率变换装置进行冷却，即使发动机的输出能量几乎为零，也必须使发动机高速旋转。因此，减速时的燃料效率变得十分低。
在隧道等会降低冷却效率的环境中，会抑制速度。
发明内容
本发明的电驱动车辆的驱动控制装置，是一种对由功率驱动的车辆进行驱动控制的电驱动车辆的驱动控制装置，该功率是由内燃机产生动力进行发电而得到的，该驱动控制装置包括：产生动力的内燃机；由该内燃机提供动力以进行发电的主发电机和辅助发电机；由该主发电机发电提供功率以产生车辆驱动力，并在车辆减速时发电的主旋转机；转换上述主发电机发电产生的功率以提供给上述主旋转机，并且接受上述主旋转机发电提供的功率的功率变换装置；对由上述功率变换装置提供的由上述主旋转机发电产生的功率进行消耗的制动电阻器；由所述辅助发电机发电提供交流功率，可切换极数的风扇电动机，该交流功率的频率与所述内燃机的转速成比例；由该风扇电动机驱动的用于产生冷却上述功率变换装置的风的风扇；切换上述风扇电动机的极数的极数切换开关；以及控制上述内燃机、上述功率变换装置、上述制动电阻器与上述极数切换开关的控制部。
另外，对由功率驱动的车辆进行驱动控制的电驱动车辆的驱动控制装置，该功率是由内燃机产生动力进行发电而得到的，具有如下所述的特征，即包括：产生动力的内燃机；由该内燃机提供动力以进行发电的主发电机和辅助发电机；由该主发电机发电提供的功率以产生车辆驱动力的主旋转机；转换上述主发电机发电产生的功率以提供给上述主旋转机的功率变换装置；由所述辅助发电机发电提供交流功率，可切换极数的风扇电动机，该交流功率的频率与所述内燃机的转速成比例；由该风扇电动机驱动的用于产生冷却上述功率变换装置的风的风扇；切换上述风扇电动机的极数的极数切换开关；控制上述内燃机、上述功率变换装置、上述制动电阻器与上述极数切换开关的控制部；以及求出车辆位置并输出给上述控制部的定位部，当定位部求出车辆位置在隧道内时，控制上述极数切换开关，使得极数变小。
而且，对由功率驱动的车辆进行驱动控制的电驱动车辆的驱动控制装置，该功率是由内燃机产生动力进行发电而得到的，具有如下所述的特征，即包括：产生动力的内燃机；由该内燃机提供动力以进行发电的主发电机和辅助发电机；由该主发电机发电提供的功率以产生车辆驱动力的主旋转机；转换上述主发电机发电产生的功率以提供给上述主旋转机的功率变换装置；由所述辅助发电机发电提供交流功率，可切换极数的风扇电动机，该交流功率的频率与所述内燃机的转速成比例；由该风扇电动机驱动的用于产生冷却上述功率变换装置的风的风扇；切换上述风扇电动机的极数的极数切换开关；控制上述内燃机、上述功率变换装置、上述制动电阻器与上述极数切换开关的控制部；以及计测上述功率变换装置的温度并输出到上述控制部的温度计，当上述温度计计测到的温度在设定值以上时，控制上述极数切换开关，使得极数变小。
本发明的电驱动车辆的驱动控制装置，是一种对由功率驱动的车辆进行驱动控制的电驱动车辆的驱动控制装置，该功率是由内燃机产生动力进行发电而得到的，该驱动控制装置包括：产生动力的内燃机；由该内燃机提供动力以进行发电的主发电机和辅助发电机；由该主发电机发电提供的功率以产生车辆驱动力，并在车辆减速时发电的主旋转机；转换上述主发电机发电产生的功率以提供给上述主旋转机，并接受上述主旋转机发电提供的功率的功率变换装置；对由上述功率变换装置提供的由上述主旋转机发电产生的功率进行消耗的制动电阻器；由所述辅助发电机发电提供交流功率，可切换极数的风扇电动机，该交流功率的频率与所述内燃机的转速成比例；由该风扇电动机驱动的用于产生冷却上述功率变换装置的风的风扇；切换上述风扇电动机的极数的极数切换开关；以及控制上述内燃机、上述功率变换装置、上述制动电阻器与上述极数切换开关的控制部，因此，具有以下效果：使用电制动的电驱动车辆在减速时，即使发动机的转速不高也可以实现对功率变换装置与行驶电动机的冷却，从而提高发动机的燃料效率。
另外，电驱动车辆的驱动控制装置，是一种对由功率驱动的车辆进行驱动控制的电驱动车辆的驱动控制装置，该功率是由内燃机产生动力进行发电而得到的，具有如下所述的特征，即包括：产生动力的内燃机；由该内燃机提供动力以进行发电的主发电机和辅助发电机；由该主发电机发电提供的功率以产生车辆驱动力的主旋转机；转换上述主发电机发电产生的功率以提供给上述主旋转机的功率变换装置；由所述辅助发电机发电提供交流功率，可切换极数的风扇电动机，该交流功率的频率与所述内燃机的转速成比例；由该风扇电动机驱动的用于产生冷却上述功率变换装置的风的风扇；切换上述风扇电动机的极数的极数切换开关；控制上述内燃机、上述功率变换装置、上述制动电阻器与上述极数切换开关的控制部；以及求出车辆位置并输出给上述控制部的定位部，当定位部求出的车辆位置在隧道内时，控制上述极数切换开关使得极数变小，因此，具有以下效果：在隧道内为了实现冷却，也可以不降低电驱动车辆的速度。
而且，电驱动车辆的驱动控制装置，是一种对由功率驱动的车辆进行驱动控制的电驱动车辆的驱动控制装置，该功率是由内燃机产生动力进行发电而得到的，具有如下所述的特征，即包括：产生动力的内燃机；由该内燃机提供的动力以进行发电的主发电机和辅助发电机；由该主发电机发电提供的功率以产生车辆驱动力的主旋转机；转换上述主发电机发电产生的功率以提供给上述主旋转机的功率变换装置；所述辅助发电机发电提供交流功率，可切换极数的风扇电动机，该交流功率的频率与所述内燃机的转速成比例；由该风扇电动机驱动的用于产生上述冷却功率变换装置的风的风扇；切换上述风扇电动机的极数的极数切换开关；控制上述内燃机、上述功率变换装置、上述制动电阻器以及上述极数切换开关的控制部；以及计测上述功率变换装置的温度并输出到上述控制部的温度计，当上述温度计计测到的温度在设定值以上时，控制上述极数切换开关使得极数变小，因此具有以下效果：在隧道内为了实现冷却，也可以不降低电驱动车辆的速度。
附图说明
图1示出本发明实施形态1的将电驱动车辆的驱动控制装置应用于柴油电机车的情况的结构图。
图2示出本发明实施形态2的将电驱动车辆的驱动控制装置应用于柴油电机车的情况的结构图。
图3示出本发明实施形态3的将电驱动车辆的驱动控制装置应用于柴油电机车的情况的结构图。
符号说明
1. 柴油机(内燃机)
2. 主发电机
3. 功率变换装置
4. 行驶电动机(主旋转机)
5. 风扇
6. 辅助发电机
7. 可切换极数的感应电动机(风扇电动机)
8. 风扇
9. 极数切换开关
10. 制动电阻器
11. 11A.11B.控制器(控制部)
12. GPS装置(定位部)
13. 温度计
具体实施方式
实施形态1
图1示出本发明实施形态1的将电驱动车辆的驱动控制装置应用于柴油电机车的情况的结构图。图中，双线表示机械连接，粗线表示电连接，带箭头的直线表示信号的流向，另外，带箭头的波浪线则代表风向。
利用与作为内燃机的柴油机1机械地直接相连的主发电机2发电产生交流功率。通过功率变换装置3将发电产生的功率提供给作为主旋转机的行驶电动机4。行驶电动机4利用所提供的功率产生车辆驱动力。另外，在减速时，发电产生制动力。功率变换装置3接受行驶电动机4发电产生的功率。由此，在功率变换装置3与行驶电动机4之间双向地进行功率输送。
风扇5与发动机1机械地直接相连，从而冷却柴油机1与主发电机2。辅助发电机6也与发动机1机械地直接相连，发电产生频率与发动机转速成比例的交流功率。将辅助发电机6发电产生的功率提供给可切换极数如4极或8极的风扇电动机，即感应电动机7等。极数的切换可以通过将感应电动机7的一次绕组切换成三角型(delta)连线或星形连线来实现。也可以通过PAM(pole amplitude modulations：凸极调幅)的方式实现极数切换。
感应电动机7的转轴与风扇8直接相连，风扇8所输出的风对功率变换装置3和行驶电动机4进行冷却。风扇8的送风量与发动机1的转速成比例。
将输入到感应电动机7的交流功率的频率设为f(Hz)，感应电动机7的极数设为PP，感应电动机7的转速设为N(圈/秒)，如果忽略滑动的作用，则以下关系成立。
N＝2*(f/PP)                               (1)
根据式(1)，在相同频率f的条件下，极数PP值较大时，可知转速N较小。极数切换开关9是指在感应电动机7的极数的低速侧(8极)和高速侧(4极)之间进行切换的开关。这里，高速与低速，是指在同一频率的交流功率下，感应电动机7转速较大的情况称为高速，而转速较小的情况称为低速。另外，感应电动机7的极数，可以是2极、4极、6极、或8极等，也可以是切换不同的极数。可切换的极数之比可根据需求适当地决定。
制动电阻器10是指在机车减速时，输入机车以及列车的动能以消耗行驶电动机4发电产生的电能。制动电阻器10利用列车行驶时产生的风进行冷却。而且是制动电阻器10产生的热量对功率变换装置3和行驶电动机4的温度几乎没有任何影响的结构。使用制动电阻器的理由在于，使用电制动的同时，又能维持车辆的燃料消耗和加速能力等。另外，如果使用蓄电池存储电制动所产生的功率，具有所需电容的蓄电池很重，会增大车辆的重量。车辆重量增大时，会恶化行驶时的燃料消耗及加速能力等。
作为控制部的控制器11，控制发动机1、功率变换装置3、极数切换装置9和制动电阻器10。虽然图中并未示出，来自驾驶台的指令信号会输入到控制器11中。
下面说明工作情况。在机车加速时，使发动机1以规定的转速f1旋转，主发电机2和辅助发电机6发电。由主发电机2发电产生的功率通过功率变换装置3变换成具有规定频率与电压的功率，提供给行驶电动机4并产生规定的转矩。极数切换开关9位于低速侧(8极)，感应电动机7与风扇8以N1(＝f 1/4)的转速旋转。由此，发动机1、主发电机2、功率变换装置3和行驶电动机4中任何一个都以高效工作，且不需要冷却。
机车减速时，发动机1将以下述所决定的转速f2A旋转。主发电机2不再进行发电，而由辅助发电机6发电提供感应电动机7等使用的功率。功率变换装置3输出一定频率的交流电使得行驶电动机进行发电工作，行驶电动机4发电产生的功率通过功率变换装置3提供给制动电阻器10，制动电阻器10消耗这部分功率。极数切换开关9位于高速侧(4极)，感应电动机7和风扇8以N2(＝f 2 A/2)的转速旋转。转速N2是指风扇8产生能够冷却功率变换装置3和行驶电动机4所需的风的转速。极数切换开关9位于低速侧(8极)时，感应电动机7与风扇8的转速为N2，如果发动机的转速用f2B表示，f2A与f2B之间存在以下关系：
f 2 A＝2*N2＝f 2 B/2                               (2)
式(2)表示，减速时把极数切换开关9设置在高速侧(4极)，相比于在低速侧(8极)的情况，可以使得发动机1的转速减半。
由此，本发明的电驱动车辆的驱动控制装置中，采用了可切换极数的感应电动机与极数切换开关，具有以下效果：使用电制动的机车在减速时，即使发动机的转速不高也可以实现对功率变换装置和行驶电动机进行冷却，能提高发动机的燃料效率。虽然可切换极数的感应电动机的价格要比一般的感应电动机高，但并不需要价格昂贵的最新产品，因此也可能实现以低成本提高减速时的燃料效率。
在减速前的移动时，需按照以下步骤进行控制。
步骤1：将发动机1的转速降低到规定的转速f2A。
步骤2：功率变换装置3输出交流电压，以使行驶电动机4发电。
步骤3：制动电阻器10设置为消耗功率变换装置3提供的功率的状态。
步骤4：将极数切换开关9置于高速侧(4极)。
以下说明与减速时各控制步骤的先后关系有关的制约事项。步骤3与步骤2同时，或在规定的时间差内实施。步骤2完成后而步骤3未实施的状态A下，在行驶电动机4发电产生的功率没有被消耗的情况下，将其存储于功率变换装置3内部的平滑电容。为使平滑电容不被击穿，设定状态A的时间在规定时间以内。步骤3完成后而步骤2未实施的状态B下，主发电机2发电产生的功率将被制动电阻器10白白消耗。并不希望出现状态B，因此，步骤3不得超前步骤2于规定时间以上。另外，由于状态B的紧急度要低于状态A，步骤3超前时的规定时间可以设定为长于延后时的规定时间。
感应电动机7的转速有上限，如果在减速前发动机1的转速下，将极数切换开关9置于高速侧(4极)，则成为超过感应电动机7上限的状态C，此时步骤4必须在步骤1后实施。除此之外的情况下，步骤4可以在任意位置实施。
减速后的移动时，按以下步骤进行控制。
步骤5：将极数切换开关9置于低速侧(8极)。
步骤6：制动电阻器10设置为不消耗功率的状态。
步骤7：功率变换装置3输出行驶电动机4作为电动机工作时的交流电压。
步骤8：将发动机1的转速增加到规定的转速f1。
与各步骤的先后关系有关的制约事项，与减速前移动的情况相同。步骤6实施后且步骤7实施前的状态设为状态A，步骤7实施后且步骤6实施前的状态与状态B相同。为使状态A和状态B不超过所定时间，步骤7与步骤8同时或在规定的时间差内实施。即使涉及步骤5与步骤8，设定为不发生状态C的实施顺序。
本实施形态使用1个控制器11，用于控制发动机1、功率变换装置3与制动电阻器10，但也可以使用多个控制装置分担控制。此时，多个控制装置构成控制部。风扇8用于冷却功率变换装置3与行驶电动机4，但也可以只冷却功率变换装置3。此时，行驶电动机4的冷却，由液体冷却或由自身旋转时产生的冷却风等进行。
虽然以柴油机作为内燃机举例说明，但也可用汽油机等其他种类的内燃机。虽然在机车的情况下说明，但也适用于汽车或工程机械等。只要是由内燃机产生的动力发电而产生功率，从而获得驱动力的电驱动车辆，适用于任何车辆。
上述内容也同样适用于以下实施形态。
实施形态2
实施形态2是指，即使机车进入隧道等，为了实现冷却即使不抑制车速也可以进行，对运转风扇的电动机可进行极数切换的情况。另外，由于在隧道内发动机的排气会使得隧道内的空气温度升高，从风扇送出的空气温度也会升高，从而降低了冷却能力。因此，以往在隧道内，会降低机车的速度，使得发热量控制在可冷却范围内。
图2示出本发明实施形态2的将电驱动车辆的驱动控制装置应用于柴油电机车的情况的结构图。只说明与实施形态1的图1的不同点。增加了用于求出车辆位置的定位部的GPS(Global Positioning System：全球定位系统)装置12。GPS装置12的信号输入至控制部11A。
下面说明工作情况。当GPS装置12求出的机车的位置是通常冷却条件下的情况时，使发动机1以能够产生所需转矩的规定转速f1旋转，主发电机2和辅助发电机6进行发电。由主发电机2发电产生的功率经过功率变换装置3变换成规定频率与电压的功率，行驶电动机4产生规定的转矩。极数切换开关9置于低速侧(8极)，感应电动机7与风扇8以转速N1(＝f 1/4)旋转。由此，发动机1、主发电机2、功率变换装置3与行驶电动机4中任何一个都高效地工作，且不需要进行冷却。
当机车位于隧道等会降低冷却效率的环境时，控制器11A将极数切换开关9切换到高速侧(4极)。再者，发动机1的转速等根据线路的弯道、斜坡和车站的位置关系适当地进行控制。该点同样适用于行驶于隧道以外的情况。
如上所述，感应电动机7与风扇8的转速变为2倍，即2*N1＝(f 1/2)，送风量也变为2倍。由于不会出现隧道内的冷却效率减少到不足通常的50％的情况，所以如果送风量变为2倍，即使是隧道内也可以维持冷却能力。因此，具有如下效果：为了实现隧道内的冷却，即使不降低机车的速度也可以进行。另外，在隧道外行驶时产生过多的冷却，也不会白白浪费燃料。
如果通常将极数切换开关9置于高速侧(4极)，虽然在隧道内可以得到适当的送风量，但是在隧道外会产生风扇产生过剩的送风量的情况。进行过量送风，会导致燃料的白白浪费，应当避开这一点。
定位部，除了GPS装置以外，也可以与地面侧的装置交换信息，从而求出机车的位置。
在不使用电制动的情况下，也可以不配备制动电阻器。
上述情况也适用于下述的实施状态。
实施形态3
实施形态3中配备了计测功率变换装置温度的温度计，是指当功率变换装置的温度超过规定值时，将极数切换开关切换到高速侧以提高冷却能力的情况。
图3示出本发明实施形态3的将电驱动车辆的驱动控制装置应用于柴油电机车的情况的结构图。只说明与实施形态2的图2的不同点。用计测功率变换装置3的温度的温度计13，代替了GPS装置12。温度计13计测到的温度输入到控制部11中。
下面说明工作情况。当温度计13计测到的功率变换装置3的温度在规定值以下时，进行与实施形态2中机车在隧道外的情况相同的工作。
当温度计13计测到的温度超过规定值时，控制部11B将极数切换开关9切换到高速侧(4极)。于是，感应电动机7与风扇8的转速变为2倍，即2*N1＝(f1/2)，送风量也变为2倍。因为送风量即冷却能力变为2倍，所以功率变换装置3与行驶电动机4可以得到充分冷却。因此，功率变换装置3的温度下降，如果温度计13计测到的温度在规定值以下时，控制器11B将极数切换开关9切换到低速侧(8极)。
即使机车行驶在隧道内等会使冷却效率低下的环境时，具有如下效果，为了实现冷却即使不降低车速也可以进行。另外，一般情况下出现过冷却，也不会白白浪费燃料。
上述实施形态所示的结构是本发明内容的一个例子，也可以与其他的现有技术进行组合，在不脱离本发明主旨的范围内，也可以通过省略一部分等的变更来构成。

Claims (4)

1.一种电驱动车辆的驱动控制装置，是对由功率驱动的车辆进行驱动控制的电驱动车辆的驱动控制装置，该功率是由内燃机产生动力而发电得到的，其特征在于：具备
产生动力的内燃机；
由该内燃机提供的动力进行发电的主发电机和辅助发电机；
由该主发电机发电提供的功率产生驱动车辆的力，并在车辆减速时进行发电的主旋转机；
转换所述主发电机发电产生的功率以提供给所述主旋转机，并且接受所述主旋转机发电提供的功率的功率变换装置；
对所述功率变换装置提供的由所述主旋转机发电产生的功率进行消耗的制动电阻器；
由所述辅助发电机发电提供交流功率，可切换极数的风扇电动机，该交流功率的频率与所述内燃机的转速成比例；
由该风扇电动机驱动的用于产生冷却所述功率变换装置的风的风扇；
切换所述风扇电动机的极数的极数切换开关；以及
控制所述内燃机、所述功率变换装置、所述制动电阻器和所述极数切换开关的控制部。
2.如权利要求1所述的电驱动车辆的驱动控制装置，其特征在于：
当所述主旋转机发电时，控制所述极数切换开关，使得极数变小。
3.一种电驱动车辆的驱动控制装置，是对由功率驱动的车辆进行驱动控制的电驱动车辆的驱动控制装置，该功率是由内燃机产生动力而发电得到的，其特征在于：具备
产生动力的内燃机；
由该内燃机提供的动力进行发电的主发电机和辅助发电机；
由该主发电机发电提供的功率产生驱动车辆的力的主旋转机；
转换所述主发电机发电产生的功率以提供给所述主旋转机的功率变换装置；
由所述辅助发电机发电提供交流功率，可切换极数的风扇电动机，该交流功率的频率与所述内燃机的转速成比例；
由该风扇电动机驱动的用于产生冷却所述功率变换装置的风的风扇；
切换所述风扇电动机的极数的极数切换开关；
控制所述内燃机、所述功率变换装置和所述极数切换开关的控制部；以及
求出该车辆位置并输入到所述控制部的定位部，
当所述定位部求出的位置在隧道内时，控制所述极数切换开关，使得极数变小。
4.一种电驱动车辆的驱动控制装置，是对由功率驱动的车辆进行驱动控制的电驱动车辆的驱动控制装置，该功率是由内燃机产生动力而发电得到的，其特征在于：具备
产生动力的内燃机；
由该内燃机提供的动力进行发电的主发电机和辅助发电机；
由该主发电机发电提供的功率产生车辆驱动力的主旋转机；
转换所述主发电机发电产生的功率以提供给所述主旋转机的功率变换装置；
由所述辅助发电机发电提供交流功率，可切换极数的风扇电动机，该交流功率的频率与所述内燃机的转速成比例；
由该风扇电动机驱动的用于产生冷却所述功率变换装置的风的风扇；
切换所述风扇电动机的极数的极数切换开关；
控制所述内燃机、所述功率变换装置和所述极数切换开关的控制部；以及
计测所述功率变换装置的温度并输入到所述控制部的温度计，
当所述温度计计测到的温度高于规定值时，控制所述极数切换开关，使得极数变小。
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