CN104768797A - 用于进入和脱离滑行状态的火车的一个或多个牵引系统的操作的优化控制 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种包括牵引系统的铁路车辆，该牵引系统包括异步电动机或由逆变器或斩波器型电子驱动系统可操作的同步DC电动机。所述铁路车辆还包括电子控制单元，该电子控制单元耦接至所述牵引系统并且被配置为：接收表示铁路车辆以及牵引系统的运行状态的信号/数据/命令；基于所接收的信号/数据/命令确定出现铁路车辆的滑行状态以及出现从铁路车辆的滑行状态脱离的状态(方框66)；如果确定出现铁路车辆的滑行状态，则控制电子驱动系统的操作以便使电动机经历磁通量减少(方框67)，并且在电动机的所述磁通量减少期间，监控电动机的磁通量(方框67)，确定电动机的磁通量是否减小为低于磁通量阈值(方框68)，并且如果确定电动机的磁通量减小为低于所述磁通量阈值，则断开电子驱动系统(方框69)；如果确定出现从铁路车辆的滑行状态脱离的状态，则确定电子驱动系统是打开还是关闭的(方框44)；如果确定出现从铁路车辆的滑行状态脱离的状态并且还确定电子驱动系统是打开的，则使电动机的扭矩开始增大(方框65)；如果确定出现从铁路车辆的滑行状态脱离的状态并且还确定电子驱动系统是关闭的，则接通电子驱动系统，控制电子驱动系统的操作使得电动机经历磁通量减少(方框63)，并且在电动机的所述磁通量减少期间，监控电动机的磁通量(方框63)，确定电动机的磁通量是否超过所述磁通量阈值(方框64)，并且如果确定电动机的磁通量超过所述磁通量阈值，则使电动机的扭矩开始增大(方框65)。

Description

用于进入和脱离滑行状态的火车的一个或多个牵引系统的操作的优化控制

技术领域

本发明涉及在铁路车辆(railway vehicle)或火车出现所谓的惯性滑行(freewheeling)或滑行状态时(即，在这个或这些牵引系统停止驱动铁路车辆或火车的驱动轮时)控制和管理所述铁路车辆或所述火车的一个或多个牵引系统的操作。

特别地，本发明有利地但非排他地用于控制和管理铁路车辆或火车的牵引系统的操作，其牵引系统包括由逆变器型电子驱动系统操作的异步电动机或者由斩波器型电子驱动系统操作的直流(DC)电动机。

在这方面，在不失一般性的前提下，在以下描述中明确提及控制和管理逆变器型驱动系统的操作，该逆变器型驱动系统用于操作用于牵引铁路车辆的异步电动机，将理解的是，本发明同样可以用于控制和管理斩波器型电子驱动系统的操作，该斩波器型电子驱动系统用于操作用于牵引铁路车辆的同步DC电动机(即，非永磁体型)，或者更一般地，用于基于任何类型的铁路车辆或火车的(非永磁体型)电动机控制和管理一个或多个牵引系统的操作。

此外，值得注意的是，本发明的特定方面可以有利地用于控制和管理任何类型的火车的多个牵引系统的操作，这些牵引系统还可以基于永磁电动机。

背景技术

永磁电动机的磁通量的控制技术是众所周知的。例如，欧洲专利申请EP 2 048 772 A1描述了一种系统，该系统包括：基于永磁体的电动机；逆变器，用于驱动所述电动机；以及磁化装置，用于生成磁化电流，用于控制永磁体的磁通量。所述永磁体是可变磁通磁体，磁通量密度根据逆变器提供的磁化电流而变化。磁化装置生成超过所使用的可变磁通的磁性材料的磁化饱和区域的磁化电流。根据EP 2 048 772 A1的所述系统允许提高可变磁通磁体的磁通量可重复性以及电动机扭矩的精确度。

此外，欧洲专利申请EP 2 192 684 A1描述了一种系统，该系统包括：具有可变通量电动机的可变磁通电动机，其是低矫顽力永磁体；逆变器，驱动所述可变磁通电动机；磁化单元，用于生成磁化电流并且控制可变磁通磁体的磁通量；以及助推单元，用于将输入的DC电压增大为预定的目标值并且将该电压提供给逆变器。根据EP 2 192 684 A1的所述系统允许获得缩减的尺寸和高的效率，同时在可变磁通磁体的磁通量控制期间确保供应磁化电流所需要的电压。

此外，日本专利申请JP 2001 103610 A描述了用于管理和控制在混合式电动机中的永磁电动机的磁通量的技术，以便限制电动机处于高速时的空载电压以及电池充电电流。

众所周知，在铁路领域中，铁路车辆在正常运行期间的能耗与主要部件(尤其是牵引系统)的运行状态密切相关，这些主要部件的功能、特征以及性能密切地取决于所使用的相应的控制算法。

目前，在火车的滑行阶段，火车的牵引力由通过逆变器操作的异步电动机形成，仅仅由于磁化电流，所述电动机在所有情况下仍经历磁通量，因此在逆变器中和电动机本身中存在磁通量损耗。

在速度增大达到在用于重型牵引车辆在全功率时出现的损耗的几乎50％时，这种损耗增大。

图1示出了表示用于操作用于牵引火车的的异步电动机的逆变器的操作的控制单元(整体上由数字10表示)的典型架构的功能方框图。

特别地，如图1中所示，控制单元10被设计为接收表示以下内容的输入信号和/或数据：

·表示输入滤波器电压的滤波器电压vFIL；

·应变参考(strain reference)rateRefIn(方便地由火车运行的主控制单元生成，为了简单说明而未示出在图1中)；

·火车的本地转向架(local bogie)loadX的重量；

·火车的非机动转向架的重量loadC；

·异步电动机的转子的电气旋转频率fmot；

·异步电动机的转子的旋转频率的加速度dfmot；以及

·火车速度carSpeed(方便地由火车速度控制单元计算，为了简单说明而未示出在图1中)；

方便地，控制单元10连接至火车的多功能车辆总线(MVB)，用于接收表示应变参考rateRefIn、本地转向架loadX的重量以及非机动转向架的重量loadC的输入信号和/或数据。

特别地，在图1中示出的控制单元10包括参考扭矩计算模块11，该参考扭矩计算模块被设计为：

·接收表示滤波器电压vFIL、应变参考rateRefIn、本地转向架loadX的重量、非机动转向架的重量loadC以及异步电动机的转子的旋转频率fmot的输入信号和/或数据；以及

·基于所接收的信号/数据计算异步电动机的第一扭矩参考值TorqueReq。

如已知的，借助于合适的速度传感器测量电动机的转子轴的旋转频率并且电动机的扭矩保持恒定直到达到最大功率。在电动机的旋转频率增大时，扭矩减小以便保持功率恒定。因此，功率通过线性的方式增大至最大功率，然后保持恒定，并且在某些情况下在更高的频率时减小。

此外，控制单元10还包括滑动(slip)或滑行(slide)控制模块12，该滑动或滑行控制模块被设计为：

·接收表示异步电动机的旋转频率fmot、异步电动机的旋转频率的加速度dfmot以及火车速度carSpeed的输入信号和/或数据；

·从参考扭矩计算模块11接收表示异步电动机的驱动扭矩的第一参考值TorqueReq的信号和/或数据；以及

·基于所接收的信号/数据计算异步电动机的第二扭矩参考值TorqueAsk。

此外，控制单元10还包括参考磁通量计算模块13，该参考磁通量计算模块被设计为：

·接收表示滤波器电压vFIL的输入信号和/或数据；

·还接收表示异步电动机的电源频率freal的输入信号和/或数据；以及

·基于所接收的信号/数据计算异步电动机的磁通量的参考值Fd。

特别地，在使用期间，参考磁通量计算模块13计算电动机的转子的磁通量的参考值，保持该参考值直至达到在电动机端子的最大电压值(六步模式(six step mode)或方波模式)。详细地说，在六步模式中，磁通量增大为1/freal，其中，如上所述，freal是电动机的基础电源频率。如果火车从停止启动，则在磁通量值达到预定标称值的20％时，扭矩开始增大。通常，在100ms内达到磁通量标称值的20％。

再次参考图1，控制单元10还包括逆变器向量控制模块14，该逆变器向量控制模块被设计为：

·分别从参考通量计算模块13和滑动/滑行控制模块12接收表示异步电动机的磁通量参考值Fd以及异步电动机的第二驱动扭矩参考值TorqueAsk的输入信号和/或数据；以及

·基于所接收的信号/数据计算：

-逆变器的控制电流的直流分量iDrif的参考值，这样使得促使异步电动机的磁通量采用上述参考值Fd，

-逆变器的控制电流的正交分量iQrif的参考值，这样使得促使异步电动机的磁通量采用上述第二参考值TorqueAsk，以及

-获得所需要的扭矩所需的滑差(slip frequency)fs。

如图1中所示，通过将滑差fs加入转子的旋转频率fmot中，获得异步电动机的电源频率freal。

此外，控制单元10还包括电流/电压转换器(I/V)15，该电流/电压转换器被设计为：

·从逆变器向量控制模块14接收表示逆变器的控制电流的直流分量iDrif以及正交分量iQrif的参考值的输入信号和/或数据；

·还接收表示电源频率freal的输入信号和/或数据；以及

·基于所接收的信号/数据计算：

-逆变器的控制电压的直流分量vD的参考值；以及

-逆变器的控制电压的正交分量vQ的参考值

再次参考图1，控制单元10还包括调制值计算模块16，该调制值计算模块被设计为：

·接收表示滤波器电压vFIL的输入信号和/或数据；

·从I/V转换器15接收表示逆变器控制电压的直流分量vD和正交分量vQ的参考值的输入信号和/或数据；以及

·基于所接收的信号/数据计算调制指数(modulation index)η的值，在六步模式中，该值限定为在逆变器输出电压的均方根(rms)与输出电压的均方根之间的比率，其中，η等于1(即，η＝1)；所述比率将滤波器电压vFIL考虑在内。

特别地，根据以下等式，调制值计算模块16计算调制指数η的值：

$\mathrm{\η}=\frac{\mathrm{\π}}{2}\·\frac{\sqrt{{\mathrm{vD}}^2+v{Q}^2}}{\mathrm{vFIL}}$

最后，控制单元10还包括调制器17，该调制器被设计为：

·接收表示电源频率freal的输入信号和/或数据；

·从调制值计算模块16接收调制指数值η；以及

·基于所接收的信号/数据，生成三相命令phaseA、phaseB以及phaseC以适当地操作逆变器，即，这样使得所述逆变器操作异步三相电动机，使得所述电极的磁通量采用参考值Fd并且所述电极的扭矩采用第二参考值TorqueAsk。

目前，在大多数情况下，在控制单元10从火车控制和监控系统接收滑行命令时，为了乘客的舒适性，应变曲线跟随限制最大急拉(jerk)的斜线上升(ramp)而被采用0，其中，急拉是加速度的衍生物。在这个阶段，参考电流仅减小至磁化电流值；此时，参考电流保持恒定直到控制单元10从火车运行的主控制单元接收到另一个命令。换言之，只要滑行状态持续，则逆变器就保持打开。

特别地，由控制单元10通过合适的软件逻辑实施上述操作。在这方面，图2为表示逆变器操作软件控制逻辑(总体上由参考数字20表示)的一个实例的流程图，而且在存在火车的滑行状态时，通过该控制逻辑使逆变器始终保持打开。

详细地，如图2中所示，通过实施控制逻辑20，控制单元10在使用期间执行以下操作：

·基于表示滤波器电压vFIL和异步电动机的电源频率freal的信号和/或数据，来计算异步电动机的方波磁通量值Fdoq(方框21)；

·基于方波磁通量值Fdoq和预定磁通量标称值FdNom计算异步电动机的磁通量参考目标值FdRif(方框22)；

·控制逆变器的操作使得电动机经历磁通量增大，即，使得磁通量的密度增大，并且同时基于参考目标值FdRif计算电动机的磁通量的当前值Fd(方框23)；

·检查当前磁通量值Fd是否高于参考目标值FdRif的20％(方框24)；

·如果磁通量的当前值Fd高于参考目标值FdRif的20％，则生成电动机扭矩斜线上升的释放命令(方框25)，即，使得电动机扭矩开始增大；然而，

·如果磁通量的当前值Fd不高于参考目标值FdRif的20％，则继续控制逆变器的操作使得电动机继续经历磁通量增大，并且同时继续计算电动机的磁通量的当前值Fd(方框23)。

更详细地，控制单元10指定该通量参考目标值FdRif(方框22)：

·如果方波通量值Fdoq低于标称磁通量值FdNom，则采用方波通量值(即，如果Fdoq<FdNom，则FdRif＝Fdoq)；或者

·如果方波通量值Fdoq高于所述标称值FdNom，则采用标称值(即，如果Fdoq>FdNom，则FdRif＝Fdoq)。

如上所述，通过使用逻辑20，逆变器还在存在火车的滑行状态时保持打开。因此，仅仅由于磁化电流，通过控制逻辑20而使电动机始终经历磁通量，而在逆变器中和电动机本身中存在磁通量损耗。

在这方面，图3示出了在存在火车的滑行状态时的图表，申请人通过实验测试获得该图表，并且该图表示出了通过使用逻辑20控制的逆变器操作的火车的异步电动机的特征量值的时间趋势。

特别地，图3示出了：

·从线路汲取的电流iLin的；

·滤波器电压vFIL的；

·由电动机汲取的电流Imot的；

·火车速度speed的；

·电动机扭矩Torque的；以及

·由控制单元10计算出的参考电流IRif的时间趋势。

在图3中的图表示出了在火车滑行期间，电动机扭矩值Torque如何成为0，而从线路中汲取的电流iLin、参考电流值IRif以及电动机电流Imot不是0。换言之，通过控制逻辑20，甚至在未生成扭矩时电动机也消耗能量。

更加演进的控制逻辑包括在滑行期间断开并且停止逆变器1秒。在这方面，图4为示出逆变器操作软件控制逻辑(总体上由参考数字40表示)的一个实例的流程图，在存在火车的滑行状态时，通过该控制逻辑断开并且停止逆变器1秒。

特别地，如图4中所示，通过实施控制逻辑40，控制单元10在使用期间执行前面描述的逻辑20的所有操作(在这方面，值得注意的是，在图4中所示的逻辑40的方框41、42、43、44以及45与在图2中所示的逻辑20的方框21至25相对应)，因此，由于以上描述适用，所以不会再次进行描述。

此外，通过实施控制逻辑40，控制单元10在使用期间还执行以下操作：

·基于表示火车的当前运行状态的所接收的命令/信号/数据，检查火车是否处于滑行状态(方框46)；

·如果火车不处于滑行状态，则控制逆变器的操作，使得电动机继续经历磁通量增大，并且同时计算电动机的当前磁通量值Fd(方框43)；然而，

·如果火车处于滑行状态，则生成逆变器的关闭命令并且停止逆变器1秒(方框47)。

在这方面，图5示出了在出现火车的滑行状态时的图表，申请人通过实验测试获得该图表，并且该图表示出了通过使用逻辑40控制的逆变器操作的火车的异步电动机的特征量值的时间趋势。

特别地，图5示出了：

·从线路汲取的电流iLin的；

·电动机电流Imot的；

·火车速度speed的；

·电动机扭矩Torque的；以及

·参考电流IRif的时间趋势。

在图5中的图表示出了在火车滑行期间电动机扭矩值Torque、从线路汲取的电流iLin、参考电流值IRif以及电动机电流Imot成为0的方式。换言之，通过控制逻辑40，在生成扭矩时电动机不消耗能量。

然而，虽然减少了由在逆变器中以及在电动机中的磁化电流造成的损耗，但是控制逻辑40显示了停止逆变器1秒的限制。因为这可以造成在电动机操作上的延迟，故非常难以进行这种限制。例如，如果在逆变器的停止期间，控制单元10接收制动命令，则必须使用机械制动，即，必须操作气动或液压制动系统，这造成火车的停止距离增大并且不恰当地消耗刹车片，还可能造成乘客不舒服的问题。因此，由于上述缺点，所以很少使用控制逻辑40。特别地，正因为上述缺点，所以控制逻辑40不能应用于有轨电车和地铁车辆中。

发明内容

本发明的目标在于，提供用于牵引铁路车辆或火车的电动机的电子驱动系统的操作的控制和管理逻辑，该逻辑能够至少部分地缓解所述缺点。

特别地，本发明的第一个目标在于提供一种用于牵引铁路车辆的(非永磁体型)电动机的逆变器或斩波器型电子驱动系统的操作的控制和管理逻辑，该逻辑允许在铁路车辆的滑行(或惯性滑行)阶段节省能量。

此外，本发明的第二个目标在于提供一种用于火车牵引的电动机的逆变器或斩波器型电子驱动系统的操作的控制和管理逻辑，该逻辑允许在火车巡航期间节省能量。

通过本发明达到上述目标在于本发明涉及在所附权利要求中限定的铁路车辆和火车。

特别地，本发明的第一方面涉及一种铁路车辆，包括：

·牵引系统，该牵引系统包括电子驱动系统可操作的电动机；其中，电动机是异步电动机并且电子驱动系统是逆变器型系统，或者电动机是同步直流电动机并且电子驱动系统是斩波器型系统；以及

·电子控制单元，耦接至该牵引系统；

其中，该电子控制单元被配置为：

·接收表示铁路车辆的以及牵引系统的运行状态的信号/数据/命令；

·基于所接收的信号/数据/命令确定出现铁路车辆的滑行(或惯性滑行)状态和出现从铁路车辆的滑行(或惯性滑行)状态脱离的状态；

·如果确定出现铁路车辆的滑行状态，则控制电子驱动系统的操作，以便使电动机减少磁通量，并且在电动机的所述磁通量减少期间：

-监控电动机的磁通量；

-确定电动机的磁通量是否减小为低于磁通量阈值；以及

-如果确定电动机的磁通量减小为低于所述磁通量阈值，则关

闭电子驱动系统；

-如果确定出现铁路车辆的滑行状态脱离的状态，则确定电子

驱动系统是打开还是关闭的；

·如果确定出现从铁路车辆的滑行状态脱离的状态并且还确定电子驱动系统是打开的，则使电动机的扭矩开始增大；

·如果确定出现从铁路车辆的滑行状态脱离的状态并且还确定电子驱动系统是关闭的，则接通电子驱动系统，控制电子驱动系统的操作使得电动机减少磁通量，并且在电动机的所述磁通量减少期间：

-监控电动机的磁通量；

-确定电动机的磁通量是否超过所述磁通量阈值；以及

-如果确定电动机的磁通量超过所述磁通量阈值，则使电动机的扭矩开始增大。

此外，本发明的第二方面涉及一种火车，包括：

·多个牵引系统，每个牵引系统包括可由相应的电子驱动系统操作的相应的电动机；其中，每个牵引系统的相应的电动机是异步电动机并且相应的电子驱动系统是逆变器系统，或者每个牵引系统的相应的电动机是同步直流电动机并且相应的电子驱动系统是斩波器型系统；

·对应于各个牵引系统的电子控制单元，该电子控制单元耦接至所述牵引系统并且被配置为根据前述权利要求中任一项所述的铁路车辆的电子控制单元；以及

·中央控制单元，连接至牵引系统的电子控制单元并且被配置为：

-接收表示用于火车的应变请求(strain request)和每个牵引系统的可用应变的量；

-基于所接收的量选择一个或多个牵引系统；

-将牵引命令发送至所选择的牵引系统的电子控制单元；以及

-将滑行命令发送至未选择的牵引系统的电子控制单元；

其中，每个牵引系统的每个电子控制单元进一步被配置为：

·如果从中央控制单元接收到滑行命令，则确定出现滑行状态；以及

·如果从中央控制单元接收到牵引命令，则确定出现从滑行状态脱离的状态。

值得注意的是，根据本发明的上述第二方面的各种牵引系统的控制逻辑还可以有利地用于基于永磁电动机的牵引系统的控制和管理。

附图说明

为了更好地理解本发明，仅仅通过非限制性实例并且参照附图(未按照比例)说明其某些优选的实施方式，在附图中：

图1图解地示出了用于控制驱动用于牵引火车的异步电动机的逆变器的操作的单元的典型架构；

图2图解地示出了根据现有技术控制用于操作用于牵引火车的异步电动机的逆变器的操作的第一控制逻辑；

图3示出了通过使用在图2中的逻辑控制的逆变器来操作的火车的异步电动机的特征量值的时间图；

图4图解地示出了根据现有技术控制用于操作用于牵引火车的异步电动机的逆变器的操作的第二控制逻辑；

图5示出了通过使用在图4中的逻辑控制的逆变器来操作的火车的异步电动机的特征量值的时间图；

图6图解地示出了根据本发明的优选实施方式控制用于操作用于牵引火车的异步电动机的逆变器的操作的控制逻辑；

图7示出了通过使用图6中的逻辑控制的逆变器来操作火车的异步电动机的特征量值的时间图；

图8示出了基于火车速度的性能降低的指数的趋势。

具体实施方式

提供了以下描述以允许本领域的技术人员实施和使用本发明。对于本领域的技术人员立即显而易见的是所说明的实施方式的各种变化，并且在不因此背离本发明的保护范围的前提下，一般原理可以适用于其他实施方式和应用。

因此，本发明不仅仅限于所描述和说明的实施方式，而是与在所附权利要求中显示和限定的原理和特征一致地为本发明提供最广泛的保护范围。在这方面，在以下描述中，在不失一般性的前提下，明确提及控制和管理逆变器型驱动系统的操作，该逆变器型驱动系统用于操作用于牵引铁路车辆的异步电动机，将理解的是，本发明可以用于控制和管理斩波器型电子驱动系统的操作，该斩波器型电子驱动系统用于操作用于牵引铁路车辆的同步DC电动机(即，非永磁体型)，或者更一般地，用于根据任何类型的铁路车辆或火车的(非永磁体型)电动机控制和管理一个或多个牵引系统的操作。

此外，值得注意的是，本发明的特定方面可以有利地用于控制和管理任何类型的火车的多个牵引系统的操作，这些牵引系统还可以基于永磁电动机。

鉴于对用于控制用于牵引铁路车辆的电动机的电子驱动系统的控制软件进行的适当的变形，本发明允许在出现铁路车辆的滑行(或惯性滑行)状态时断开电子驱动系统，并且在接收到牵引或制动命令时非常快速地切换回来。

更特别地，本发明的第一方面涉及一种控制逻辑，用于控制用于牵引铁路车辆的(非永磁体型)电动机的电子驱动系统的操作，该控制逻辑包括：

·在出现铁路车辆的滑行状态时，控制电动机的磁通量减少，以采用低于其标称值的20％的磁通量；然后，

·断开电动机的电子驱动系统。

除了节省能量以外，这种控制逻辑还允许在任何瞬间(还在通量减少期间)将扭矩重新施加于电动机中，并且在电子驱动系统关闭时，以这种方式尽可能地减少延迟。

在这方面，图6为示出根据本发明的第一方面的一个优选实施方式控制用于操作用于牵引火车的异步电动机的逆变器的操作的软件控制逻辑(整体上由参考数字60表示)的流程图。

特别地，根据本发明的第一方面的所述优选实施方式，由通过合适的软件和/或固件代码编程的控制单元实施控制逻辑60。这种控制单元的功能架构方便地与在图1中所示的并且在上面描述的控制单元10的功能架构相对应，然而其中，适当地修改参考流量计算模块13的操作软件逻辑。

如图6中所示，通过实施控制逻辑60，控制单元在使用期间执行在如上所述的图2中所示的逻辑20的所有操作(在这方面，值得注意的是，在图6中所示的逻辑60的方框61、62、63、64以及65与在图2中所示的逻辑20的方框21至25相对应)，因此，由于上面在这方面提供的描述依然适用，故不会再次进行描述。

此外，通过实施控制逻辑60，控制单元在使用期间还执行以下进一步操作：

·基于表示火车的当前运行状态的所接收的命令/信号/数据检查火车是否处于滑行(或惯性滑行)状态(方框66)；

·如果确定火车不处于滑行状态，则控制逆变器的操作使得电动机继续经历磁通量增大(即，使得电动机的磁通量的密度增大)，并且同时计算电动机的当前磁通量值Fd(方框63)；

·相反，如果确定火车处于滑行状态，则控制逆变器的操作使得电动机经历磁通量减少(即，以便电动机的磁通量的密度减小)，并且同时计算电动机的磁通量的当前值Fd(方框67)；

·检查当前磁通量值Fd是否低于参考目标值FdRif的20％(方框68)；

·如果确定磁通量的当前值Fd低于参考目标值FdRif的20％，则生成逆变器断开命令(方框69)；并且，

·相反，如果确定磁通量的当前值Fd不低于参考目标值FdRif的20％，则继续控制逆变器的操作使得电动机继续经历磁通量减少，并且同时，继续计算电动机的磁通量的当前值Fd(方框67)。

换言之，控制逻辑60包括在应变是0时将参考电流设定为0。在这个步骤中，称为磁通量减少，参考电流遵循指数型定律(exponential-typelaw)，并且在该值达到标称值的20％时，该电流被设定为0。从这一刻起，完全断开逆变器。

一旦关闭逆变器，在接收到牵引或制动命令时，控制单元就将逆变器切换回来，并且开始电动机磁通量增大步骤。在磁通量达到标称磁通量的20％时(即，在大约100ms之后)，开始使应变斜线上升至标称值。

如果在完全关闭逆变器之前从控制单元中接收到命令，则毫不迟疑地立即开始应变斜线上升。

换言之，控制逻辑60包括在磁通量减少为标称磁通量的20％时，控制电动机电流，使得如有要求则可以立即重新应用扭矩。如果不使用控制逻辑60，则不能立即应用扭矩，这是因为不了解转子磁通量的位置，并且这种状态会造成过电流，断开相应的逆变器直到通过火车驾驶员和/或火车逻辑重新设置保护。

因此，根据本发明的第一方面对参考通量计算模块进行的变化允许在滑行阶段期间，断开逆变器之后立即吸引逆变器电流。

根据以上描述，除了节省能量，控制逻辑60还允许在任何瞬间(在磁通量减少期间以及在关闭逆变器时)重新应用电动机扭矩，通过这种方式尽可能减少在过去不允许的延迟，以将关闭逆变器的滑行技术应用于有轨电车和地铁车辆中。因此，控制逻辑60还允许将关闭逆变器的滑行技术应用于有轨电车和地铁车辆中。

申请人估计，由于使用允许在滑行期间断开逆变器的控制逻辑60，可以获得等于区域运输服务的5％的在受电弓(pantograph，动臂装置)上汲取的总体能量的减少。

图7示出了在出现火车的滑行状态时的图表，申请人通过实验测试获得该图表，并且该图表示出了通过使用逻辑60控制的逆变器操作的火车的异步电动机的特征量值的时间趋势。

特别地，图7示出了：

·从线路汲取的电流iLin的；

·滤波器电压vFIL的；

·电动机电流Imot的；

·火车速度speed的；

·火车加速度accel的；

·电动机扭矩Torque的；

·参考电流IRif；

·表示逆变器可以实现的最大应变百分比的应变参考rifman；以及

·基于火车的重量以及应变参考rifman计算的应变DelivEff的时间趋势。

借助于两个椭圆形突出在图7中示出的图表的两个区域。

详细地，参照在左边突出的区域，值得注意的是，在接收到滑行信号/命令的第一时刻t₁，电动机扭矩Torque等于0，并且参考电流IRif开始减小，用于使电动机磁通量减少。此外，在控制单元接收到牵引信号/命令的第二时刻t₂，参考电流IRif和电动机扭矩Torque立即开始增大。在这种情况下，由于控制单元在完全断开整个逆变器之前接收到牵引信号/命令，所以未完全关闭逆变器。

此外，参照在右边突出的区域，值得注意的是，在接收到滑行信号/命令时，控制单元开始使电动机通量减少直到磁化电流成为0；此时，由于滑行状态持续着，所以逆变器完全断开。在接收牵引信号/命令时，立即打开逆变器；因此，开始电动机磁通量增大步骤。在磁通量达到标称值的20％时，电动机扭矩Torque开始增大至参考值。

上面描述的创新性铁路滑行管理逻辑还可以有利地扩展至考虑车载限速管理的铁路火车等级。实际上，在分布式牵引火车中，电子牵引电动机的电子驱动系统的操作的每个控制单元通常从铁路车辆运行控制系统接收牵引和制动命令、应变参考以及速度限制。因此，针对牵引力进行操作的电子驱动系统的操作的每个控制单元还根据速度限制调整应用在牵引力中的应变。通常，在火车速度高于限制速度减去3km/h时，通过在限制速度上并且对于更高的速度控制单元将在百分比步骤中的应变降低至0，如在图8中的图表中所示，在该图表中，veLim表示速度限制，并且性能降低指数表示针对请求而应用的应变百分比。

目前，为了保持限制速度，即使车辆所需要的总应变低于可用于单个电子驱动系统中的应变，所有电子驱动系统都打开。

因此，本发明的第二方面来源于申请人的想法，在火车巡航期间，还利用上面描述的电子驱动系统的创新性快速接通逻辑件来管理车辆的应变请求，以仅仅保持打开实际上需要的电子驱动系统。在这方面，值得注意的是，该算法适用于牵引，然而，不能用于制动以便不影响组合式气动或液压制动管理系统。

特别地，本发明的所述第二方面涉及一种控制系统，用于控制用于火车牵引的电动机的电子驱动系统的操作，该系统包括：

·用于每个电子驱动系统的相应的控制单元，该控制单元被设计为进行与根据本发明的第一方面的滑行状态的管理有关的如上所述的操作；以及

·中央控制单元，用于控制火车的操作，该中央控制单元连接至电子驱动系统的所有上述控制单元并且被配置为：

-根据表示作为相对于最大重量的火车的当前重量乘以应变百分比参考乘以最大应变所得出的乘积所计算出的火车的应变请求以及每个牵引系统的可用应变的量，来选择将进行操作的一个或多个牵引系统，这考虑了由电子驱动系统设置的最大扭矩和最大功率限制，以便保证考虑了热性能，而不使保护跳闸；

-将滑行命令发送至未选择的驱动系统的控制单元；以及

-将牵引命令发送至所选择的电子控制单元。

换言之，在使用期间，控制单元根据电子驱动系统中的每一个的应变请求和可用应变，计算要接通的电子驱动系统的量。例如，在具有四个电子驱动系统的火车上，如果需要低于25％的应变，则中央控制单元需要打开仅仅一个电子驱动系统，如果需要25％到50％的应变，则中央控制单元需要打开两个电子驱动系统，以此类推，在所需要的应变从75％到100％时，打开四个电子驱动系统。

此外，根据本发明的所述第二方面，每个电子驱动系统的控制单元还被配置为：

·如果从中央控制单元接收到滑行命令，则确定出现滑行状态；并且

·如果从中央控制单元接收到牵引命令，则确定出现从滑行状态脱离的状态。

因此，以这种方式，每个电子驱动系统的控制单元在接收中央控制单元的滑行命令时造成相应的电动机的磁通量减少，并且在磁通量减小为低于磁通量参考值的20％时，断开相应的电子驱动系统。

此外，在从中央控制单元接收到牵引命令时，每个电子驱动系统的控制单元执行以下操作中的一个(上面进行了描述)：

·如果相应的电子驱动系统是打开的，则生成增大相应的电动机的驱动扭矩的命令；

·如果相应的电子驱动系统是关闭的，则使相应的电动机的磁通量增大，并且在磁通量值超过磁通量参考值的20％时，生成增大相应的电动机的驱动扭矩的命令。

目前在任何铁路车辆上未实施的这种解决方案允许将在受电弓中消耗的功率减少3％(申请人通过在地下式车辆上进行的模拟所获得的数据)。

由于大量断开不需要的电子驱动系统，所以获得了这种节能，断开不需要的电子驱动系统允许大幅减少牵引转换器的损耗。

中央控制单元可以进一步控制电子驱动系统的周期性接通，通过这种方式减少每个电子驱动系统消耗的线路热电流，从而获得：

·减少所需要的冷却功率，这另外允许使用较小的冷却系统；以及

·由于减少了运行时间(等于铁路车辆的服务时间)，所以增大了电子驱动系统的平均故障间隔时间(MTBF)。

值得注意的是，根据本发明的所述第二方面的控制系统可以有利地用于控制和管理任何类型的火车的多个牵引系统的操作，这些牵引系统还可以基于永磁电动机。

从以上描述中，可以容易地理解本发明的优点。

特别地，值得再次注意的是，本发明允许在这种车辆的滑行阶段，通过消除在电动机的电子驱动系统中以及在电动机本身中的磁化电流损耗，来减少具有电气牵引系统的铁路车辆的能耗。

详细地，本发明允许获得以下技术优点：

·增大铁路车辆的电气牵引系统的操作效率；

·减少能耗，例如，减少由铁路车辆(例如，火车、地铁、有轨电车等)在受电弓中消耗的能量；

·减少声污染。

此外，通过使用如上所述的创新性控制软件技术，已经实施在车辆上存在的装置的优化管理以及在这些装置之间的能量通量，本发明允许获得更好的性能而不需要对车辆进行改变，因此，新型硬件技术的引入无需额外的成本或者开发时间。

值得再次强调的是，本发明的第一方面可以有利地用于控制和管理以下系统的操作：

·用于运行异步电动机的逆变器型驱动系统；以及

·用于运行同步直流电动机的斩波器型驱动系统。

在这方面，值得一提的是，在永磁同步电动机的情况下，使用本发明的第一方面并非特别有利，这是因为这种电动机已经内在地实施了自动磁通量控制。

相比之下，还是在永磁同步电动机的情况下使用本发明的第二方面特别有利。

此外，本发明可以有利地用于控制和管理电动机的电子驱动系统的操作，该电动机用于牵引任何类型的铁路车辆，例如，公共交通火车、动车组(EMU)火车、重型牵引火车、高速列车、长途列车、地铁、区域火车、具有或没有驾驶员的有轨电车等。

最后，显然可以对本发明进行大量改变，而所有这些改变均包含在由所附权利要求限定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种铁路车辆，包括：

·牵引系统，所述牵引系统包括能够由电子驱动系统操作的电动机；其中，所述电动机是异步电动机并且所述电子驱动系统是逆变器型系统，或者所述电动机是同步DC电动机并且所述电子驱动系统是斩波器型系统；以及

·电子控制单元，耦接至所述牵引系统，

其中，所述电子控制单元被配置为：

·接收表示所述铁路车辆和所述牵引系统的运行状态的信号/数据/命令；

·基于接收到的信号/数据/命令，确定出现所述铁路车辆的滑行状态以及出现从所述铁路车辆的滑行状态脱离的状态(方框66)；

·如果确定出现所述铁路车辆的滑行状态，则控制所述电子驱动系统的操作，以便使所述电动机经历磁通量减少(方框67)，并且在所述电动机的所述磁通量减少期间，

-监控所述电动机的磁通量(方框67)；

-确定所述电动机的磁通量是否减小为低于磁通量阈值(方框68)；以及

-如果检测到所述电动机的磁通量减小为低于所述磁通量阈值，则断开所述电子驱动系统(方框69)，

·如果确定出现从所述铁路车辆的滑行状态脱离的状态，则确定所述电子驱动系统是打开还是关闭的(方框64)；

·如果确定出现从所述铁路车辆的滑行状态脱离的状态并且还确定所述电子驱动系统是打开的，则使所述电动机的扭矩开始增大(方框65)；

·如果确定出现从所述铁路车辆的滑行状态脱离的状态并且还确定所述电子驱动系统是关闭的，则接通所述电子驱动系统，控制所述电子驱动系统的操作使得所述电动机经历磁通量增加(方框63)，并且在所述电动机的所述磁通量增加期间，

-监控所述电动机的磁通量(方框63)；

-确定所述电动机的磁通量是否超过所述磁通量阈值(方框64)；以及

-如果确定所述电动机的磁通量超过所述磁通量阈值，则使所述电动机的扭矩开始增大(方框65)。

2.根据权利要求1所述的铁路车辆，其中，所述电子控制单元进一步被配置为：

·如果确定所述电动机的磁通量超过所述磁通量阈值，则确定所述电子驱动系统是打开的；以及

·如果确定所述电动机的磁通量低于所述磁通量阈值，则确定所述电子驱动系统是关闭的。

3.根据权利要求1或2所述的铁路车辆，其中，所述电子控制单元进一步被配置为：

·计算磁通量参考目标值(FdRif)(方框62)；以及

·基于所述磁通量参考目标值(FdRif)计算所述磁通量阈值。

4.根据权利要求3所述的铁路车辆，其中，所述电子控制单元进一步被配置为：

·基于表示所述牵引系统的电源电压(vFIL)以及所述电动机的电源频率(freal)的量值计算方波磁通量值(Fdoq)(方框61)；

·基于所述方波磁通量值(Fdoq)和预定磁通量标称值(FdNom)计算所述磁通量参考目标值(FdRif)(方框62)。

5.一种火车，包括：

·多个牵引系统，每个所述牵引系统包括能够由相应的电子驱动系统操作的相应的电动机，其中，每个所述牵引系统的所述相应的电动机是异步电动机并且所述相应的电子驱动系统是逆变器系统，或者每个所述牵引系统的所述相应的电动机是同步DC电动机并且所述相应的电子驱动系统是斩波器型系统；

·对应于各个所述牵引系统的电子控制单元，所述电子控制单元耦接至所述牵引系统并且被配置为根据前述权利要求中任一项所述的铁路车辆的所述电子控制单元；以及

·中央控制单元，连接至所述牵引系统的所述电子控制单元并且被配置为：

-接收表示用于所述火车的应变请求以及用于每个所述牵引系统的可用应变的量；

-基于接收到的量选择一个或多个牵引系统；

-将牵引命令发送至所选择的牵引系统的电子控制单元；以及

-将滑行命令发送至未选择的牵引系统的电子控制单元，

其中，每个所述牵引系统的每个所述电子控制单元进一步被配置为：

·如果从所述中央控制单元接收到滑行命令，则确定出现滑行状态；以及

·如果从所述中央控制单元接收到牵引命令，则确定出现从所述滑行状态脱离的状态。

6.一种电子控制单元，被设计为耦接至铁路车辆的牵引系统；所述牵引系统包括能够由电子驱动系统操作的电动机；其中，所述电动机是异步电动机并且所述电子驱动系统是逆变器系统，或者所述电动机是同步DC电动机并且所述电子驱动系统是斩波器型系统；

所述电子控制单元被配置为根据权利要求1至4中任一项所述的铁路车辆的所述电子控制单元。

7.一种软件程序产品，包括被设计为由耦接至铁路车辆的牵引系统的电子控制单元执行的软件和/或固件代码部分，所述牵引系统包括能够由电子驱动系统操作的电动机；其中，所述电动机是异步电动机并且所述电子驱动系统是逆变器系统，或者所述电动机是同步DC电动机并且所述电子驱动系统是斩波器型系统；

当执行所述软件和/或固件代码部分时，使得所述电子控制单元被配置为根据权利要求1至4中任一项所述的铁路车辆的所述电子控制单元。

8.一种电子控制单元，被设计为安装在火车上，所述火车包括多个牵引系统，每个所述牵引系统包括能够由相应的电子驱动系统操作的相应的电动机，其中，每个所述牵引系统的所述相应的电动机是异步电动机并且所述相应的电子驱动系统是逆变器系统，或者每个所述牵引系统的所述相应的电动机是同步直流电动机并且所述相应的电子驱动系统是斩波器型系统；

所述电子控制系统包括：

·对应于各个所述牵引系统的第一电子控制单元，所述第一电子控制单元耦接至所述牵引系统并且被配置为根据权利要求5所述的火车的所述牵引系统的所述电子控制单元；以及

·第二电子控制单元，连接至所述第一电子控制单元并且被配置为根据权利要求5所述的火车的所述中央控制单元。

9.一种软件程序产品，包括被设计为由火车的电子控制单元执行的软件和/或固件代码部分，所述火车包括：

·多个牵引系统，每个所述牵引系统包括能够由相应的电子驱动系统操作的相应的电动机，其中，每个所述牵引系统的所述相应的电动机是异步电动机并且所述相应的电子驱动系统是逆变器系统，或者每个所述牵引系统的所述相应的电动机是同步直流电动机并且所述相应的电子驱动系统是斩波器型系统；

·对应于各个所述牵引系统的第一控制单元，所述第一控制单元耦接至所述牵引系统；以及

·第二电子控制单元，连接至所述第一电子控制单元；

所述软件和/或固件代码部分包括：

·第一软件和/或固件部分，被设计为由所述第一电子控制单元中的每一个执行并且在执行时使每个所述第一电子控制单元被配置作为根据权利要求5所述的火车的牵引系统的所述电子控制单元；以及

·第二软件和/或固件部分，被设计为由所述第二电子控制单元执行并且在执行时使所述第二电子控制单元被配置为根据权利要求5所述的火车的所述中央控制单元。