CN105730238A - 头端电力模块控制系统 - Google Patents

Abstract

本公开涉及用于控制机车的电力模块的方法。该方法可包括在第一位置处逆变公共电力并且输出第一逆变电力。该方法可同样包括在第二位置处逆变公共电力并且输出第二逆变电力。该方法可进一步包括检索指示第一逆变电力的电力特征，以及基于所检索的电力特征选择性调节第二逆变电力以匹配第一逆变电力。

Description

头端电力模块控制系统

技术领域

本公开一般涉及控制系统，并且更特别地涉及用于头端电力模块的控制系统。

背景技术

旅客列车机车包括头端电力模块，用于产生在列车上诸如照明、120V电源以及其它电需求的辅助需求的电力。通常在机车前部或列车“头部”处的头端电力模块通常配备有驱动一个或多个发电机的至少一个内燃发动机。一些头端电力模块包括一个或多个电力逆变器，以将来自发电机的变化的输入DC链接电压逆变为恒定的输出AC电压。为了产生恒定电力来供应辅助需求，发电机通常一直以高RPM(通常为最高运行速度)运行。当列车停在车站时，以最高速度运行发电机可能声音很大并且可消耗很大量的燃料。

用于转换AC电力的系统的一个示例在2008年6月10日由Ahmad提交的美国专利No.7,385,372(“'372专利”)中描述。'372专利描述了一种系统，该系统包括并联设置的两个逆变器以从两个整流器接收DC电力。两个逆变器向一个或多个牵引电动机并且向辅助装置提供电力。通过使用两个逆变器，发电机可以以低速运行。

虽然'372专利可提供用于降低的发电机速度，但它仍然可能不是最优的。特别地，'372专利的系统可能难以控制。为了降低发电机的运行速度，两个电力逆变器必须并联配置。然而，两个电力逆变器的同步在较低的速度下可能是次优的，因为并联配置的两个逆变器的控制是困难的。特别地，由于不同发电机运行速度，两个变换器的输出在一起控制时难以同步。在没有电力逆变器的同步独立控制情况下，相关联的谐波含量可能不必要地高。

本公开的头端电力模块控制系统解决了上述的一个或多个问题和/或本领域的其它问题。

发明内容

在一方面，本公开涉及用于机车的电力模块的控制系统，该控制系统包括：第一电力逆变器；第二电力逆变器；第一控制器，其连接到第一电力逆变器；以及第二控制器，其连接到第二电力逆变器。第二控制器可以被配置成选择性移位第二电力逆变器的运行相位。控制系统可同样包括主机控制器，该主机控制器连接到第一控制器和第二控制器。

在另一方面，本公开涉及用于控制用于机车的电力模块的方法。该方法可包括在第一位置处逆变公共电力，并且输出第一逆变电力。该方法可同样包括在第二位置处逆变公共电力，并且输出第二逆变电力。该方法可进一步包括检索指示第一逆变电力的电力特征；以及基于所检索的电力特征，选择性调节第二逆变电力来匹配第一逆变电力。

在另一方面，本公开涉及用于机车的控制系统。控制系统可包括第一电力逆变器；第二电力逆变器，其与第一电力逆变器并联连接；以及第一控制器，其可运行地连接到第一电力逆变器并且被配置成控制第一电力逆变器。控制系统可同样包括第二控制器，其可运行地连接到第二电力逆变器并且被配置成控制第二电力逆变器。第二控制器可以被配置成从第一控制器检索电力特征，其中电力特征指示来自第一电力逆变器的电力。第二控制器可基于所检索的电力特征，控制第二电力逆变器的输出来匹配第一电力逆变器的输出；并且将第二电力逆变器的输出的运行相位选择性移位约180度。当将第二电力逆变器的输出移位时，第二控制器可发送指示运行准备的信号。主机控制器可以连接到第一控制器和第二控制器，并且可以包括机车控制器。机车控制器可以被配置成接收指示运行准备的信号，并且基于指示运行准备的信号以将列车线路负载连接到第一和第二电力逆变器的输出。

附图说明

图1是示例性公开的机车的示意说明；

图2是可结合图1的机车使用的示例性公开的头端电力模块的示意说明；

图3是可结合图2的头端电力模块使用的示例性公开的控制系统的示意说明；

图4是示出图3的控制系统的示例性运行的流程图。

具体实施方式

图1示出机车10，该机车10具有多个车轮12，基座平台14和一个或多个头端电力模块16(“电力模块”)，该车轮12被配置成接合轨道13，基座平台14由车轮12支撑，头端电力模块16被安装到基座平台14并且被配置成驱动车轮12。任何数量的电力模块16可以被包括在机车10内并且被运行以产生可转移到用于驱动车轮12的牵引电机(未示出)的电力，并向由机车10拖曳的客车厢(未示出)提供辅助电力服务。在图1中所示的示例性实施例中，机车10包括在沿着机车10的长度或行驶方向的基座平台14上对准的单个头端电力模块16。

头端电力模块16可至少部分地由外壳18覆盖，并且分成发电机部分20和位于发电机部分20的后方的发动机部分22。发电机部分20可以容纳由电源26(仅在图2中示出)驱动的发电机24，该电源26可以容纳在发动机部分22内。

电源26可以是内燃机，诸如柴油发动机、汽油发动机或燃烧燃料和空气的混合物以向发电机24产生机械输入的以气态燃料为动力的发动机。可以预期的是，头端电力模块16可以与诸如例如燃料电池的其它类型电源一起使用。

发电机24可连接到电源26。发电机24可以是三相永磁交变磁场型发电机、AC同步发电机，或者由电源26机械地驱动以产生电力的开关磁阻发电机。发电机24可以被配置成响应于来自电源26的旋转输入来产生电力输出。同样考虑的是，发电机24可以是开关磁阻发电机、同步交流发电机，或本领域中已知的任何其它适当类型的发电机。发电机24可以包括通过本领域中已知的任何手段(诸如例如通过直接曲轴连接，经由齿轮传动系统，通过液压回路或以任何其它适当的方式)可旋转地连接到电源26的转子(未示出)。随着转子在定子(未示出)内由电源26旋转，发电机24可以被配置成产生电力输出。

动态制动器27可与电力模块16相关联，并且可以包括连接到驱动车轮12的电动机(未示出)的阻力网格/风扇组合。在动态制动事件期间，电动机可以使用施加扭矩的车轮12运行为发电机并且产生电力。由车轮12施加的扭矩可以减缓机车10，而电力可以通过动态制动器27的阻力网格引导。一个或多个风扇32可用于通过网格吹空气，以冷却网格并且将热空气排出机车10。

图2示出可结合图1的机车10使用的示例性公开的头端电力模块16。如在图2中所示，电源26可以连接到发电机24以将电力供应给逆变器模块28。逆变器模块28可从发电机24接收电力，整流到DC的电力，并且向头端电力(HEP)列车线路48提供DC电力。

逆变器模块28可包括第一头端电力逆变器34(以下称为“逆变器34”)和第二头端电力逆变器36(以下称为“逆变器36”)。逆变器34和36可以连接到第一控制器38和第二控制器40中的相应一个控制器，并且由第一控制器38和第二控制器40中的相应一个控制器独立地控制。逆变器34和36可以并联连接，并且每一个逆变器可通过单独的线路滤波器44和46连接到变压器42的独立绕组。例如逆变器34可以通过第一初级绕组41连接到变压器42，而逆变器36可以通过第二初级绕组43连接到变压器42。变压器42可向头端电力列车线路48供应电力。

逆变器34和36可从一个或多个电源接收DC电力，诸如例如第三轨道系统(未示出)、电池(未示出)、氢动力燃料电池(未示出)、超级电容器(未示出)、制动系统(例如动态制动器27)和/或一个或多个发电机(例如发电机24)。电力逆变器34和36可以整流到三相480Vac输出的电力。三相输出可以提供给HEP列车线路48。逆变器34和36可以每个是单向或双向的牵引逆变器。电力逆变器34和36可以每个包括一个或多个固态装置，该固态装置包括一个或多个二极管(未示出)、一个或多个绝缘栅双极性晶体管(IGBT)(未示出)，和/或一个或多个DC总线电容器(未示出)。

控制器38和40可以分别与逆变器34和36通信。控制器38和40可以同样直接彼此连接，并且可以发送，接收和/或检索诸如例如与每个控制器所连接到的逆变器相关联的一个或多个电力特征的信息。控制器38和40中的每一个控制器可被配置成独立地控制它所连接到的逆变器。控制器38和40可以体现在单个微处理器或多个微处理器中，并且可以集成到逆变器34和36中的相应一个逆变器中。许多市售的微处理器可以适于执行控制器38和40的功能。例如控制器38和40可以是现场可编程门阵列(FPGA)。但是应当理解的是，控制器38和40可以很容易地体现在能够控制许多机车功能的通用机车微处理器中。

控制器38和40可每一个包括用于存储并比较信息并且控制机车10的运行参数的任何部件，诸如存储器、一个或多个数据存储装置，或可用于运行应用程序的任何其它组件。此外，尽管本公开的方面可以一般描述为存储在存储器中，但是本领域的技术人员将理解，这些方面可以存储在多种类型的计算机相关的产品或计算机可读介质上，或从多种类型的计算机相关的产品或计算机可读介质读取，诸如计算机芯片和二级存储装置，包括硬盘、软盘、光学介质、CD-ROM或其它形式的RAM或ROM。各种其它已知的电路可以与控制器38和40相关联，包括电源电路、信号调节电路、螺线管驱动电路、通信电路和其它适当的电路。

线路滤波器44和46可以分别从逆变器34和36接收AC电力。线路滤波器44和46可以是电感器-电容器(LC)型滤波器，所述电感器-电容器(LC)型滤波器被配置成过滤用于逆变器34和36中的每一个逆变器的电力输出的三相中的每一相。线路滤波器44和46的目的可以是减少在逆变器34和36的输出上的AC电压的总谐波失真。信号的总谐波失真或THD是存在的谐波失真的测量，并且被定义为所有谐波分量的电力之和与基本频率的电力之比。THD用于表征电力系统的电力质量。线路滤波器44可从逆变器34接收AC电力，从三相AC信号移除谐波含量，并连接到变压器42的第一初级绕组41。线路滤波器46可从逆变器36接收AC电力，从三相AC信号移除谐波含量，并连接到变压器42的第二初级绕组43。

变压器42可以是两个初级Δ-Δ-Y型三相变压器。变压器42的目的可以提供用于HEP列车线路48的隔离，并且将线路滤波器44和46的输出逐步下降到稳定和有用的电压。例如变压器42可以从线路滤波器44和46接收电力输出，并将电压步进到约480Vac。

图3示出用于控制头端电力模块16的控制系统50的示例性实施例。控制系统50可包括可与控制器38和40通信的主控制器52。如上所述，控制器38可以与逆变器34通信并且可以被配置成独立地控制逆变器34。控制器40可以与逆变器36通信并且可以被配置成独立地控制逆变器36。控制器38和40可以同样彼此通信，并且可以被配置成从另一个控制器检索一个或多个电力特征。例如控制器40可以被配置成从控制器38检索电压、电流、输出电力的运行相位等。控制器38和40可以同样被配置成从另一个控制器接收请求，以提供一个或多个电力特征。

主控制器52可包括输入/输出界面54(“界面54”)和机车控制器56。机车控制器56可被配置成控制机车10的运行方面，诸如例如制动、牵引控制等。主控制器52可以与感测头端电力模块16的各个方面的一个或多个传感器(未示出)通信。例如主控制器52可以被配置成确定公共DC输入、线路滤波器44和46的输入和输出，和/或变压器42的输入和输出的电力特征。主控制器52可被配置成监测由逆变器34和36逆变的电力的电力特征。例如主控制器52可以监测控制器38和40，并且检索指示输出电压、运行相位(例如逆变电力的基本频率)、电流等的信息。主控制器52可被配置成监测用于电力控制故障(诸如例如在公共DC输入上的过电流、在逆变器34和36的输出上的过电流、接地故障、硬件过电压/欠电压、变压器输出等)的控制器38和40。

主控制器52可以包括用于监测、记录、存储、索引、处理和/或通信机车10的各个运行方面的任何部件。这些部件可以包括诸如例如存储器、一个或多个数据存储装置、中央处理单元的组件或可用于运行应用程序的任何其它组件的组件。此外，尽管本公开的方面可以一般地描述为存储在存储器中，但是本领域的技术人员将理解，这些方面可以存储在不同类型的计算机程序产品或计算机可读介质上，或从不同类型的计算机程序产品或计算机可读介质读取，诸如计算机芯片和二级存储装置，包括硬盘、软盘、光学介质、CD-ROM或其它形式的RAM或ROM。

主控制器52可被配置成执行存储在计算机可读介质上的指令，以执行机车10的远程控制的方法。例如主控制器52可控制一个或多个牵引电动机(未示出)、电源26和/或在发动机部分22中的一个或多个发动机(未示出)的运行。主控制器52可包括输入/输出界面54，并且可以在操作上连接到机车控制器56和控制器38和40。主控制器52可被配置成从控制器38和/或40请求指示一个或多个电力特征的信息。另外和/或可替代地，主控制器52可从控制器38和/或40接收指示一个或多个电力特征的信息，和/或从控制器38和/或40接收指示用于负载连接(例如HEP列车线路48)的运行准备的一个或多个信号。

界面54可以包括接收用户输入(例如键盘、触摸屏等)和/或提供指示机车10(例如监测器，数字显示器等)的运行方面(包括头端电力模块16的运行)的输出的部件。例如界面54可以从控制器38和40中的一个或多个接收电力特征信息。界面54可输出电力特征的指示。

图4将在下面的部分中进一步讨论以更好地说明所公开的系统及其运行。

工业适用性

虽然所公开的电力模块可以应用到需要高质量(低谐波失真)AC电力生成的不同机器，但是所公开的电力模块可以找到与诸如通常以变化的电动机速度运行的机车的移动机器的特定适用性。所公开的电力模块可提供具有低谐波失真的电力，同时以较低的整体发动机RPM运行。

根据在图4中所示的一个方面，所公开的系统可以提供由电力控制系统50(“控制系统50”)执行以控制模块16的方法58。方法58可以包括从在诸如例如在逆变器34处的第一位置处的一个或多个DC电源(例如发电机24和/或动态制动器27)接收公共DC电力，并且将公共DC电力逆变为第一逆变电力(步骤60)。第一逆变电力可以是在特定电压处保持的AC电力。该方法可以同样包括从在诸如例如在逆变器36处的第二位置处的一个或多个DC电源接收公共DC电力，并且将公共DC电力逆变为第二逆变电力(步骤62)。第二逆变电力可以同样是在特定电压保持的AC电力。第二逆变电力的电压可以基本上是与第一逆变电力相同的电压。在另一个方面，第二逆变电力可具有与第一逆变电力不同的电压。由逆变器34和36从发电机24接收的DC电力可被认为是“公共电力”，因为逆变器34和逆变器36可以并联配置，并且公共DC电力可以并联逆变。

在步骤64，控制系统50可检索电力特征。特别地，控制器40可以从控制器38检索电力特征。更特别地，控制器38可确定第一逆变电力的一个或多个电力特征。电力特征可以是例如电压、电流、温度、总谐波失真(THD)，和/或与逆变器34输出的第一逆变电力相关联的其它特征。可以连接到并且控制逆变器36的控制器40可以监测在第一位置处的电力特征，并且基于所检索的电力特征来选择性调节第二逆变电力的电压。

控制器40可引导逆变器36基于电力特征来调节第二逆变电力以匹配第一逆变电力的电压(步骤66)。逆变器36可以调节例如第二逆变电力的电压和/或电流。控制器40可被配置成连续监测在第一位置处的电力特征，并且基于电力特征来选择性调节第二逆变电力的电压，以使得第二逆变电力的电压匹配输出的第一逆变电力的电压。

具有并联连接的两个电力逆变器的系统可受益于将在第二逆变器处的电力同步来匹配第一逆变器的基本频率，并且移位在第二逆变器的运行相位(更特别地，移位第二逆变电力的相位)。在一方面，由头端电力模块16产生的电力的整体质量可能由于较低的谐波含量而提高。根据一个方面，在步骤64，第二逆变电力的运行相位可被同步到第一逆变电力的运行相位，并且从第一逆变电力的运行相位移位约180度。通过移位第二逆变电力的运行相位，谐波含量(例如THD)可能降低。作为移位第二逆变电力的运行相位的结果，连接到HEP列车线路48的电力的总谐波失真(THD)可以包括小于5％的THD。在第二逆变电力移位之后，第一和第二逆变电力通过线路滤波器44和46，并且在变压器42处变换成变压电力。变压电力可被优化，并且作为第二逆变电力的相移和线路滤波器44和46的效应的结果，可操作地准备到辅助电力电路(例如HEP列车线路48)的连接。一个或多个控制器38和/或40可以向指示电力模块16的运行准备的主控制器52发送信号，以向HEP列车线路48供应电力。

对本领域的技术人员显而易见的是，可以对所公开的控制系统进行各种修改和变型而不脱离本公开的范围。通过考虑在此所公开的控制系统的说明书和实践，控制系统的其它实施例对于本领域的技术人员将是显而易见的。旨在说明书和示例被认为仅是示例性的，其中本公开的真实范围由下面的权利要求和它们的等同物指示。

Claims (20)

1.一种控制系统，用于机车的电力模块，所述控制系统包括：

第一电力逆变器；

第二电力逆变器；

第一控制器，其连接到所述第一电力逆变器；

第二控制器，其连接到所述第二电力逆变器并且被配置成选择性移位所述第二电力逆变器的运行相位；以及

主控制器，其连接到所述第一控制器和所述第二控制器。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其中所述第一电力逆变器与所述第二电力逆变器并联连接。

3.根据权利要求1所述的控制系统，其中所述第一控制器被配置成独立控制所述第一电力逆变器的运行。

4.根据权利要求1所述的控制系统，其中所述第二控制器被配置成独立控制所述第二电力逆变器的运行。

5.根据权利要求1所述的控制系统，其中所述第二控制器可操作地连接到所述第一电力逆变器并且被配置成从所述第一电力逆变器的输出确定电力特征。

6.根据权利要求1所述的控制系统，其中所述主控制器包括机车控制器以及与所述机车控制器通信的用户界面，所述用户界面被配置成输出电力特征的指示。

7.根据权利要求5所述的控制系统，其中所述第二控制器经由所述第一控制器可操作地连接到所述第一电力逆变器。

8.根据权利要求1所述的控制系统，其中所述第二控制器被配置成：

从所述第一控制器检索电力特征；

基于所检索的电力特征控制所述第二电力逆变器的输出以匹配所述第一电力逆变器的输出；以及

在检索所述电力特征之后，向所述主控制器发送指示运行准备的信号。

9.根据权利要求8所述的控制系统，其中在向所述主控制器发送指示运行准备的信号之前，所述第二控制器进一步被配置成基于所检索的电力特征选择性移位所述第二电力逆变器的输出的运行相位。

10.根据权利要求9所述的控制系统，其中所述第二运行相位从所述第一电力逆变器的输出的第一运行相位移位约180度。

11.一种方法，用于控制机车的电力模块，所述方法包括：

在第一位置处逆变公共电力并且输出第一逆变电力；

在第二位置处逆变公共电力并且输出第二逆变电力；

检索指示所述第一逆变电力的电力特征；以及

基于所检索的电力特征，选择性调节所述第二逆变电力以匹配所述第一逆变电力。

12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括在选择性调节所述第二逆变电力之后向主控制器发送指示运行准备的信号。

13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括基于所述信号选择性连接列车线路负载到所述主控制器。

14.根据权利要求11所述的方法，其中并联逆变在所述第一位置处的公共电力与在所述第二位置处的公共电力。

15.根据权利要求11所述的方法，其中所检索的电力特征可以是电压、电流和运行相位中的一个或多个。

16.根据权利要求11所述的方法，其中调节所述第二逆变电力包括选择性调节所述第二逆变电力的运行相位。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述第二逆变电力的运行相位从所述第一逆变电力的运行相位移位约180度。

18.根据权利要求11所述的方法，其中所述第一逆变电力和所述第二逆变电力包括小于5％的总谐波失真(THD)。

19.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：

监测在所述第一位置处的所述电力特征；以及

基于所监测的电力特征选择性调节所述第二逆变电力的电压，以使得所述第二逆变电力的电压匹配所述第一逆变电力的电压。

20.一种控制系统，用于控制机车，所述控制系统包括：

第一电力逆变器；

第二电力逆变器，其与所述第一电力逆变器并联连接；

第一控制器，其可操作地连接到所述第一电力逆变器并且被配置成控制所述第一电力逆变器；

第二控制器，其可操作地连接到所述第二电力逆变器并且被配置成控制所述第二电力逆变器，所述第二控制器被配置成：

从所述第一控制器检索电力特征，其中所述电力特征指示来自所述第一电力逆变器的电力；

基于所检索的电力特征，控制所述第二电力逆变器的输出以匹配所述第一电力逆变器的输出；

将所述第二电力逆变器的输出的运行相位选择性移位约180度；以及

当移位所述第二电力逆变器的输出时发送指示运行准备的信号；以及

主控制器，其连接到所述第一控制器和所述第二控制器，其中所述主控制器包括机车控制器，所述机车控制器被配置成接收所述指示运行准备的信号，并且基于所述指示运行准备的信号将列车线路负载连接到所述第一和第二电力逆变器的输出。