CN113243079A - 对借助至少一个至少三相的同步电机来驱动的特别是有轨车辆的逆变器的开关元件的操作 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于对车辆(10)的逆变器(16，18)的开关元件(20，22，24，26，28，30)进行操作的方法，该车辆借助三相的同步电机(12，14)驱动，其中，对于相(U1，V1，W1)，逆变器(16，18)具有由开关元件(20，22，24，26，28，30)构成的串联电路，其中，在借助同步电机(12，14)对车辆(10)进行制动时，依据同步电机(12，14)的相交流电流(iu，iv，iw)的频率，设置用于对开关元件(20，22，24，26，28，30)进行操作的时钟频率，使得将由同步电机(12，14)提供的电能馈送给直流电压中间电路(38)，其中，对应于相交流电流(iu，iv，iw)的频率来设置时钟频率，使得该时钟频率对应于由同步电机(12，14)提供的相应的相交流电流(iu，iv，iw)的频率，其中，确定相交流电流(iu，iv，iw)的零点，并且对开关元件(20，22，24，26，28，30)进行操作，使得在相交流电流(iu，iv，iw)中的相应的相交流电流与分别相关联的相交流电压(uu，uv，uw)之间设置预先给定的相位差。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于对的车辆、特别是有轨车辆的逆变器的开关元件进行操作的方法，该车辆借助至少一个至少三相的同步电机来驱动，其中，对于同步电机的相中的每一个，逆变器具有至少一个由开关元件构成的串联电路，以便将同步电机与连接到逆变器的直流电压中间电路电气耦合，其中，在借助同步电机对车辆进行制动时，依据由同步电机提供的相应的相交流电流的频率，设置用于对开关元件进行操作的时钟频率，使得将由同步电机提供的电能至少部分地馈送给直流电压中间电路。此外，本发明涉及一种用于对车辆、特别是有轨车辆进行制动的方法，该车辆借助至少一个至少三相的同步电机来驱动，其中，同步电机经由逆变器与连接到逆变器的直流电压中间电路电气耦合，该逆变器对于同步电机的相中的每一个具有至少一个由开关元件构成的串联电路，所述方法具有以下步骤：预先给定用于对车辆进行制动的制动功率；在借助同步电机对车辆进行制动时，依据由同步电机提供的相应的相交流电流的频率，设置用于对开关元件进行操作的时钟频率，使得将由同步电机提供的电能馈送给直流电压中间电路；以及借助连接到直流电压中间电路的电阻单元，将在借助同步电机进行制动时由其馈送给直流电压中间电路的电能转换为热能。此外，本发明涉及一种时钟发生器，该时钟发生器用于对车辆、特别是有轨车辆的逆变器的开关元件进行操作，该车辆可以借助至少一个至少三相的同步电机来驱动，其中，对于至少一个同步电机的相中的每一个，逆变器具有至少一个由开关元件构成的串联电路，以便将至少一个同步电机与连接到逆变器的直流电压中间电路电气耦合，其中，时钟发生器被构建为，在借助同步电机对车辆进行制动时，依据由同步电机提供的相应的相交流电流的频率，设置用于对开关元件进行操作的时钟频率，以便将由同步电机提供的电能至少部分地馈送给直流电压中间电路。最后，本发明还涉及一种可电气驱动的车辆、特别是有轨车辆，该车辆具有在行驶运行中用于驱动车辆的至少一个至少三相的同步电机；至少一个直流电压中间电路；至少一个连接到至少一个直流电压中间电路的逆变器，对于至少一个同步电机的相中的每一个，该逆变器具有至少一个由开关元件构成的串联电路，以便将至少一个同步电机与至少一个直流电压中间电路电气耦合，该开关元件用于连接到至少一个同步电机的相中的相应的相；连接到至少一个直流电压中间电路的电阻单元，该电阻单元被构建为，至少在借助同步电机对车辆进行制动时，将由其馈送给直流电压中间电路的电能转换为热能；以及时钟发生器，其用于对至少一个逆变器的开关元件进行操作，其中，时钟发生器被构建为用于在借助至少一个同步电机对车辆进行制动时，依据由至少一个同步电机提供的相应的相交流电流的频率，设置用于对开关元件进行操作的时钟频率，以便将由至少一个同步电机提供的电能至少部分地馈送给至少一个直流电压中间电路。
背景技术
时钟发生器、可电气驱动的车辆、特别是有轨车辆、用于对逆变器的开关元件进行操作的方法以及还有用于借助三相同步电机对车辆、特别是有轨车辆进行制动的方法实际上在现有技术中广泛已知，使得不需要对此的单独的书面证据。这类时钟发生器用于在开关操作中以预先给定的方式对逆变器的开关元件进行操作，使得可以借助逆变器实现所期望的能量转换功能。目前，这样的逆变器以多种方式使用，例如也在可电气驱动的车辆中使用，方式是，连接到直流电压中间电路的电气能量源提供电能，该电能在使用逆变器的情况下以对于车辆的驱动功能来说可预先给定的方式提供给同步电机。
电气驱动装置的使用、特别是在通常包括至少一个同步电机和逆变器的有轨车辆中的使用已经在针对常规驱动功能性、即车辆加速或车辆制动等的现有技术中经受住考验。因此例如可以借助车辆自身的能量源、例如蓄电池等来为车辆的电气驱动装置供应电能，以用于车辆的按规定的行驶运行。然而，特别是在有轨车辆的情况下，更常见的是使用布置在铁道的两个基本上平行布置的轨道上方的架空线，该架空线用于向有轨车辆馈送电能。实际上，当然也可以为不带轨道的可电气驱动的机动车辆设置类似的构造。在此，铁道是针对有轨车辆的行车路径，由此实现沿着铁道引导车辆。
然而，特别是时钟发生器或这类方法的使用不限于在可电气驱动的车辆中使用。此外，在电气动力总成中、特别是在货物和/或类似物的加工设备、制造过程中，还可以设置多种在不带轨道的可电气驱动的机动车辆中的使用。
为了驱动车辆，通常使用通常三相构建的同步电机。然而，根据应用，也可以设置同步电机具有多于三个的相，例如四个相、五个相等。逆变器被对应地匹配地构建，同步电机的相连接到该逆变器的由开关元件构成的串联电路。
对于按规定的驱动功能，逆变器从能量源中汲取电能，并将该电能以合适的方式提供给同步电机，使得可以实现所期望的驱动功能。驱动功能例如可以是车辆加速、车辆制动、设置特定速度和/或诸如此类。
逆变器是能量转换器的一种形式，其将直流电压中间电路在能量技术上与交流电网耦合，使得可以在交流电网与直流电压中间电路之间交换电能。为此目的，通常规定，为交流电网的相应的相设置由至少两个开关元件构成的串联电路，该串联电路与直流电压中间电路电气耦合。交流电网的相应的相可以连接到串联电路的中心抽头。在直流电压中间电路经由逆变器与同步电机耦合的情况下，同步电机的相应的相接头(简称为相)连接到串联电路的相应的中心抽头。通过由时钟发生器控制开关元件，可以实现逆变器的所期望的转换功能，使得可以实现同步电机的所期望的驱动功能。为此目的，开关元件一般以预先给定的时钟频率运行，该时钟频率明显大于同步电机的相交流电流的频率。然后，借助诸如脉冲宽度调制(PMW)等的特定控制方法，可以建立所期望的能量技术上的耦合。为此目的，时钟发生器优选地为逆变器的开关元件中的每一个提供特定的开关信号，使得可以在开关运行中以期望的方式对开关元件进行操作。通过这种对开关元件的操作，在中心抽头处提供对应的基本上方波形的相电压，同步电机的相应的相接头被施加以该相电压。结果是，例如依据调制度来设置相应的相电流。因此，在这种控制方法的情况下，相电压的频率明显大于相电流的频率。例如在Steffen Bernet的“Selbstgeführte StromrichteramGleichspannungszwischenkreis:Funktion,Modulation und Regelung(直流电压中间电路上的自换向变流器：功能、调制和控制)”，Springer Verlag BerlinHeidelberg 2012,DOI 1007/978-3-540-68861-7 2)中公开了这种控制方法。
由此，通过由时钟发生器提供的用于开关元件的开关信号的合适的脉冲模式，可以实现车辆加速、制动等。在车辆制动时，由同步电机提供的电能可以被馈送到中间电路，然后在那里电能例如被输送到所连接的能量供应网或所连接的能量存储器，或者必要时还附加地馈送到制动电阻，以便将能量至少部分地转化为热能。
出于操作安全的原因，特别是在按规定的行驶运行期间，可电气驱动的车辆通常还具有至少一个机械制动装置，该机械制动装置例如可以被构建为摩擦制动器等。因此除了别的之外，该制动装置也是必要的，以便确保在电能供应或电气能量汇点在制动时发生故障的情况下能够安全地对车辆进行制动，或者能够安全地将车辆停车。因此，应当对应地构造机械制动装置。实际上，目前已经证明电气驱动装置是如此可靠，以至于通常仅对于将车辆保持在静止状态尚还需要机械制动装置。仅在快速制动情况下或者还有在紧急制动情况下需要机械制动装置。
出于操作安全的原因，如今提出的是，机械制动装置不仅具有简单且清楚的结构，而且其作用原理也能够易于理解。特别是针对快速制动情况或者还有针对紧急制动情况，必须能够证明安全制动的可靠性。这可以通过简单且清楚的结构来实现。利用现有技术的电气驱动装置来实现这一点是非常高成本的，在某些情况下甚至是不可能的。因此，特别是在有轨车辆中，仍然需要机械制动装置。
此外，已经证明不利的是，必须定期维护机械制动装置。机械制动装置的维护是非常高成本的，尤其是在机械制动装置无法从操作安全脱身的情况下。
然而，实际上，电气驱动装置或借助逆变器驱动的同步电机也可以用来可靠地对车辆进行制动。通过时钟发生器对开关元件进行的控制允许借助该时钟发生器通过逆变器和与其连接的同步电机来实现对制动功率的高度灵活的设置，并且因此来实现还有对制动转矩的高度灵活的设置。然而，已经证明不利的是，由于众多影响开关信号的控制参量以及内部信号处理过程，由时钟发生器控制逆变器极其复杂。由于该原因，在车辆快速制动或紧急制动的情况下，很难提供高的无故障的可靠性的证据。由于该原因，车辆的电气驱动装置通常仅用作由机械制动装置补充的操作驱动装置。在该意义上，DE 101 60 612 A1公开了一种牵引驱动器，其具有牵引变流器和永久励磁的同步电机。此外，US 2012/0043817 A1公开了一种驱动系统，其用于与绝缘的交流电网一起使用。
从WO 2016/107707 A1中已知一种用于同步电机的电气制动。为此目的，WO 2016/107707 A1教导了将同步电机连接到相切换装置，借助该相切换装置，同步电机的相可以在第一开关状态下被短路，并且可以在第二开关状态下连接到相应的电阻。通过相切换装置的这两个运行状态之间的占空比，可以设置电阻特性曲线，使得由此得到可设置的制动功率，并因此还得到可对应设置的制动转矩。
即使这种教导已经证明了自己，仍然还存在改进需求。即，WO 2016/107707 A1的教导仅非常有限地适用于快速制动情况或紧急制动情况。此外，需要考虑的是，在某些情况下，车辆中的机械制动装置并不总是足以能够针对快速制动情况或紧急制动情况实现安全的制动效果。已证明特别不利的是，限制了对于制动功率或制动转矩的可设置的范围。此外，WO 2016/107707 A1的教导仅适用于在单独的电机的情况下的应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，对电气驱动装置进行扩展，该电气驱动装置包括经由逆变器连接至直流电压中间电路的同步电机，以使得可以以更高的灵活度以及更简单的方式来设置制动功率或制动转矩以进行制动。优选地，还应当能够在共同的直流电压中间电路上操作多个电机。
作为解决方案，本发明提出了根据独立权利要求的一种方法、一种时钟发生器以及一种可电气驱动的车辆。
有利的扩展方案由从属权利要求的特征得出。
关于用于对逆变器的开关元件进行操作的这类方法，特别提出，对应于相交流电流的频率地设置时钟频率，使得时钟频率基本上对应于由同步电机提供的相应的相交流电流的频率，其中，确定相交流电流的零点或过零，并且对开关元件进行操作，使得在相交流电流中的相应的相交流电流与分别相关联的相交流电压之间设置预先给定的相位差。
关于用于对车辆进行制动的方法，该车辆借助至少一个至少三相的同步电机来驱动，特别提出，根据本发明的方法对开关元件进行操作，其中，依据制动功率来设置相交流电流中的相应的相交流电流与分别相关联的相交流电压之间的相位差。
关于这类时钟发生器，特别提出，时钟发生器被构建为用于对应于相交流电流的频率地设置时钟频率，使得该时钟频率基本上对应于由同步电机提供的相应的相交流电流的频率；确定相交流电流的零点并且对开关元件进行操作，使得在相交流电流中的相应的相交流电流与分别相关联的相交流电压之间设置预先给定的相位差。
关于这类可电气驱动的车辆，特别提出，时钟发生器根据本发明来构建，并且进一步被构建为用于依据可预先给定的制动功率来设置相交流电流中的相应的相交流电流与分别相关联的相交流电压之间的相位差。
本发明基于以下想法：借助至少包括至少一个逆变器和至少一个同步电机的驱动装置，结合电阻单元，即使对于快速制动情况或紧急制动情况也可以实现车辆制动。在此，逆变器和电阻单元经由直流电压中间电路彼此电气耦合。替换地或附加地，对于电阻单元，当然也可以设置对应合适的能量存储单元，该能量存储单元被构建为用于接收并存储在车辆制动期间产生的电能。然而，通常更适宜的是，在此时使用电阻单元，尤其是在短时间段期间产生大量能量的量的情况下。
而由至少一个同步电机提供制动功率或制动转矩通常规定，在车辆制动期间，将用于车辆的按规定的行驶运行的电气能量源从直流电压中间电路电气分离。由此存在如下可能性，避免电气能量源(例如能量供应网等)的不希望的影响，该不希望的影响必要时可能干扰制动。在有轨车辆的情况下(该有轨车辆通常经由架空线从能量供应网供应以电能，并且为了将架空线与直流电压中间电路耦合，该能量供应网包括电网逆变器或者整流器)，至少在制动期间将这些单元从直流电压中间电路电气分离。这可以借助开关元件、例如接触器等来实现。
通过以至少在制动过程期间取决于由至少一个同步电机所提供的相交流电流的时钟频率来对开关元件进行操作，特别是如果该时钟频率对应于该相交流电流的话，可以影响由至少一个同步电机所输出的电气功率。通过在至少一个同步电机的相交流电流中的相应的相交流电流与分别相关联的相交流电压之间设置取决于制动功率的相位差，可以实现该影响。相位差(例如根据针对电压和/或电流的极性约定)特别是从零或180°偏离。由此可以实现能够对应于预先给定的制动功率来设置对由至少一个同步电机所输出的电气功率的减小或者还有增加，这在现有技术中通过对由至少一个同步电机所提供的相交流电流的整流不可能或仅能非常有限地实现。在此因此特别地，未预先给定相位差，因为在正常整流中该相位差可能对应地自由地自动地设置并且也不能够被改变。
因此，利用本发明可以显著改善在制动功率或制动转矩方面的灵活性，因为例如可以根据预先给定的制动功率来进行对相位差的对应的预先给定。在此，可以利用以下知识：由同步电机所提供的制动功率取决于预先给定的相移。因此，所提供的制动功率既可以大于现有技术中的制动功率，也可以小于现有技术中的制动功率，由此，不仅可以实现明显改善的可调节性，而且还可以实现对制动过程的更好的优化，特别是在打滑和/或诸如此类方面。为此目的，时钟发生器例如可以包括制动功率控制单元，该制动功率控制单元具有用于上级设置的车辆控制器的制动功率信号或制动转矩信号的输入接头，以及依据该制动功率信号或制动转矩信号预先给定用于待设置的相移的相位信号。然后，时钟发生器可以补充地依据相位信号提供开关信号。
在此，本发明使用以下想法：至少一个同步电机的相交流电压可以在其幅度的值方面受到影响，使得必要时还可以据此改变中间电路电压。这允许还以高度灵活的方式利用电阻单元将由至少一个同步电机馈送到直流电压中间电路的功率以适当的方式转换为热能。因此，关于功率到热能的转换，可以利用本发明显著地增加可设置的范围，使得可以实现尤其针对快速制动情况或紧急制动情况的使用。
同时，本发明使得可以通过预先给定制动功率或制动转矩来显著改善紧急制动情况或快速制动情况，即因为可以实现在车辆方面的最大制动效果，其中，在使用对应的防滑控制的同时，在关于车辆车轮与行车路径之间的机械耦合的不同的边界条件下，可以实现对车辆的特别快速作用的以及可靠的制动。此外，利用本发明还可以以简单的方式对最大可能的制动功率或最大可能的制动转矩的调整作出反应，方式是，在制动期间以合适的方式将最大可能的制动功率或最大可能的制动转矩调整为预先给定的制动功率或预先给定的制动转矩。由此，对于快速制动情况或紧急制动情况，可以在非常短的路径上实现特别快速的制动。
因此，与WO 2016/107707 A1中不同，利用本发明可以实现的制动功率或制动转矩还显著大于利用WO 2016/107707 A1可以实现的制动功率或制动转矩。在此，本发明允许仅利用少量的控制开销就可以实现这一点。只有由此，已经存在于车辆中的电气驱动装置才适合于可以在紧急制动情况下或在快速制动情况下使用。
因此，本发明不针对常规的按规定的行驶运行(其中设置了车辆的加速、制动或者车辆在预先给定的速度下运行)，本发明而是特别地涉及能够实现车辆的快速制动或紧急制动，更确切地说优选地在很大程度上避免了现有技术中惯用的机械制动装置。这允许减少或者甚至省去机械制动装置。
在本公开的意义上，开关元件在此优选地是可控电子开关元件，例如可控电子半导体开关，诸如在开关运行下运行的晶体管、晶闸管、其组合电路(优选地具有并联连接的反向二极管)、栅极截止晶闸管(GTO)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、其组合等。然而，实际上，开关元件也可以由场效应晶体管、特别是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)形成。
为了通过逆变器提供所期望的能量转换功能，开关元件在开关运行下运行。对于使用晶体管的半导体开关，开关运行是指，在接通的开关状态下，在形成开关路径的晶体管接头之间提供非常小的电阻，使得可以实现在残留电压非常小的情况下高的电流流动。反之，在关断的开关状态下，晶体管的开关路径是高欧姆的，即，开关路径提供了高电阻，使得即使在将高电压施加在开关路径上的情况下基本上也不存在或者仅存在非常小的、尤其是可忽略的电流流动。与此不同的是晶体管的情况下的线性运行，但是在这种类型的逆变器的情况下，通常不使用线性运行。
为了实现控制功能，开关元件分别具有至少一个控制接头，在该控制接头上，开关元件可以被施加以由时钟发生器所提供的开关信号，使得可以实现开关元件的所期望的开关功能。开关信号可以是二进制的开关信号，其可以呈现两个状态值，以便能够提供开关元件的所期望的开关功能。例如，开关信号可以由脉冲序列形成，借助该脉冲序列可以向控制接头施加。这对于晶闸管和GTO尤其适合。此外，在晶体管的情况下可以规定开关信号是方波信号，其中可以将开关元件的相应的开关状态与方波信号的电势中的一个相关联。这种信号例如对于晶体管、特别是对于双极晶体管、场效应晶体管等是适合的。
时钟发生器提供用于产生开关信号的功能。通过时钟发生器还可以实现另外的功能，尤其是关于逆变器的功能，例如监视功能、安全性功能和/或诸如此类。为此目的，时钟发生器可以包括硬件电路和/或程序控制的计算机单元等。当然，时钟发生器可以被构建为单独的组件。然而，时钟发生器也可以至少部分地被车辆的上级设置的车辆控制器所包括。
至少一个逆变器是电子硬件电路，与至少一个同步电机的相的数量相对应地，其具有优选地分别由两个开关元件构成的串联电路。串联电路通常并联连接地连接到至少一个直流电压中间电路。然而，在替换的设计方案中也可以规定，串联电路中的一些还连接到单独的直流电压中间电路。串联电路的相应的中心抽头提供接头，至少一个同步电机的相的相应的相接头可以连接到这些中心抽头。通过用于对开关元件进行开关的开关信号的合适的脉冲模式，可以实现直流电压中间电路与至少一个同步电机之间的所期望的能量技术上的耦合。在此，在这方面的基本操作方法是已知的，因此在这方面对此不进一步进行说明。对于按规定的行驶运行，通常，开关信号的时钟频率明显大于至少一个同步电机的相交流电流的频率。如果根据本发明进行制动，则尽可能快地改变时钟频率，使得时钟频率优选地基本上对应于至少一个同步电机的相交流电流的频率。
同步电机是当前至少针对三相运行而设计的电机。然而，在特定应用中，也可以规定同步电机具有多于三个的相。同步电机优选是永久励磁的同步电机。然而，其也可以被构建为他励的同步电机等。当然，也可以设置这些的组合，以便例如能够实现特定的控制可能性，该特定的控制可能性旨在影响磁通量。
车辆可以被构建为有轨车辆或机动车辆。优选地，车辆包括具有至少一个同步电机的电气驱动装置。如果设置多个同步电机，则优选为同步电机中的每一个设置单独的逆变器。此外，还可以为同步电机设置单独的直流电压中间电路。此外，可以规定，在多个同步电机的情况下，逆变器连接到共同的直流电压中间电路。
时钟频率对应于由时钟发生器提供的用于开关元件的开关信号的频率。在此可以规定，与时钟频率同步地，用于控制各个开关元件的脉冲提供针对开关元件的接通时间段和关断时间段。因此，对于车辆制动，优选地规定，时钟频率优选对应于由至少一个同步电机所提供的相交流电流的频率。因此，对于制动的操作，时钟频率也不需要具有恒定的频率，而是优选地，该时钟频率直接取决于至少一个同步电机的相交流电流的频率。由此得出，时钟频率当然也可以特别地取决于至少一个同步电机的转子轴的瞬时转速。
为了能够确定相交流电流的零点，例如设置电流传感器，该电流传感器连接到时钟发生器或者连接到与该时钟发生器连接的上级设置的控制器。通过对电流传感器的传感器信号的适当分析，然后可以确定对应的相交流电流的零点。
相位差对应于在相交流电流的零点与相交流电压的零点之间出现的时间段。由于在三相或多相电网的情况下其通常是时间上等距的交流电流，因此通常可以将时间段指定为对于所有相位都具有相同大小的角度。因此，相位差对应于相交流电流中的相应的相交流电流与相交流电压中的分别相关联的相交流电压之间的角度。
现在为了设置相位差，对应地相对于所确定的相交流电流的零点时间上错开地控制开关元件。由此，可以实现控制相交流电压中的相应的相交流电压，使得其零点位于相应的相交电流的零点之前或者之后的预先给定的角度或时间段、即相位差。因此，相对于相交流电流，相移是正的或负的。为了能够实现增大制动功率，可以设置滞后的相交流电压，即，相位差为负。反之，如果期望减小制动功率，则可以设置超前的相交流电压，使得设置正的相位差。
由此可以看到，如何能够在制动期间以简单的方式设置功率，即，制动功率，并且由此还设置制动转矩。在此，已经证明有利的是，实际上不需要复杂的调节器或控制器来执行制动。由此，也可以以简单的方式实现关于操作安全性的要求和/或对此进行验证。因此，利用本发明可以实现的是，可以在没有机械制动装置的条件下实现可靠的安全的快速制动或紧急制动。
为了能够实现尽可能宽的针对根据本发明的使用的可靠的设置范围，此外有利的是，直流电压中间电路不与另外的能量源电气耦合。在有轨车辆的情况下，能量源例如可以包括借助架空线等的能量馈送。但是，能量源也可以包括例如布置在车辆上的电能存储器、例如蓄电池等。通过能量源例如借助开关设备与直流电压中间电路电气分离，能量源优选地从直流电压中间电路退耦。开关单元可以由接触器等形成。因此，直流电压中间电路的中间电路直流电压不再取决于能量源，尤其不再由能量源来确定，并且因此针对制动可以根据需要来进行设置。由此，存在以下可能性：针对制动以最优的方式在直流电压中间电路上设置中间电路直流电压，使得能够以高度灵活的方式实现所期望的功率转换，并且因此还能够以高度灵活的方式实现所期望的能量汇点。
对应于相交流电流的频率来设置时钟频率。因此，在这种情况下，时钟频率具有与相交流电流大致相同的频率。优选地，在制动期间对应于相交流电流的当前或瞬时频率来设置时钟频率。由此可以以简单的方式考虑至少一个同步电机的转子的转速的变化。由此，时钟频率优选地基本上对应于由同步电机所提供的相应的相交流电流的频率。
根据有利的扩展方案提出，仅与直流电压中间电路的两个中间电路电势中的同一电势直接耦合的开关元件至少部分地同时被激活。由此可以实现仅激活至少一个逆变器的相应的串联电路的开关元件，这些开关元件与相同的中间电路电势电气上直接耦合。对于相关的开关元件，激活可以基本上同时进行。但是也可以规定，开关元件不同时激活，而是仅在预先给定的时间段期间至少同时地激活。因此，不需要为所有相关的开关元件强制设置相同的开关时间点。该扩展方案可以用于能够在该可预先给定的时间段内使至少一个同步电机的相短路，更确切地说优选地经由分别使用的中间电路电势来使至少一个同步电机的相短路。由此，可以实现关于本发明的使用的进一步的灵活性。以该方式可以可靠地实现高的制动功率或高的制动转矩，尤其是在至少一个同步电机的转子的转速低的情况下。
补充地，可以规定，依据相交流电流的瞬时相位来选择中间电路电势。因此可以规定，选择中间电路电势中的如下的那个中间电路电势：对于该中间电路电势，必须主动接通串联电路中的开关元件中的最少的开关元件。当然，也可以使用其他标准，以便选择合适的中间电路电势。此外可以规定，适当的中间电路电势根据需要被改变，以便能够以特别有利的方式实现预先给定的边界条件。该改变可以取决于相交流电流的瞬时相位如何变化。特别地，可以考虑同步机以何种运行模式运行，例如该同步电机是以发电机模式运行还是以电动机模式运行。例如在三相情况下可以规定，如果两个相电流在相同的电流方向上施加相同的中间电路电势，则直接与该中间电路电势连接的开关元件被激活。
根据扩展方案提出，依据直流电压中间电路的瞬时中间电路电压来确定预先给定的相位差。这可以考虑以下事实：用于提供预先给定的制动功率的中间电路直流电压应当具有对应相关联的电压值。为了能够实现这一点，可以预先给定针对中间电路电压的值。此外，中间电路直流电压的值当然也可以取决于以何种方式对电阻单元施加以电压以将所馈入的电能转换为热能。当然，该扩展方案也可以与以上所描述的设计方案相结合的方式进行结合。例如可以规定，在中间电路直流电压的值接近直流电压中间电路的额定电压的情况下，可以将相移选择为小的，以避免直流电压中间电路的电压过载。反之，如果中间电路直流电压的值明显小于额定电压，则可以规定，可以为相移预先给定大的值，因为相对于额定电压存在对应的电压储备。对应地，可以考虑另外的条件。
关于车辆的制动，特别提出，还依据同步电机的当前转速来预先给定相位差。这可以考虑以下事实：导致可以设置预先给定的制动功率或预先给定的制动转矩的相位差可以取决于至少一个同步电机当前或瞬时以何种转子转速运行。由此可以考虑至少一个同步电机的特定特性和/或还有最大瞬时可能的制动转矩的特性。例如可以考虑以下事实：最大可能的制动转矩可以取决于车辆的速度。总的来说，可以进一步改善灵活性和可靠性。
此外提出，依据瞬时最大可能的制动功率来确定预先给定的制动功率。该设计方案使得可以实现防滑控制，以便能够在车辆制动时实现尽可能短的制动路径。此外，还可以使用另外的边界条件或方面来确定预先给定的制动功率。例如，也可以考虑关于车辆本身的方面，该方面以最大可能的制动功率或最大可能的制动转矩提供制动，以便足够可靠地确保例如车辆在行驶运行期间、例如在转弯等时的稳定性。因此，瞬时最大可能的制动功率不是可预先给定的制动功率，而是事实上由于运行情况而产生的制动功率。因此，瞬时最大可能的制动功率例如是利用车辆制动在当前的现有运行条件下、例如由于环境条件(如湿度、热量、摩擦系数和/或诸如此类)可以最大实现的制动功率。瞬时最大可能的制动功率可以借助合适的确定装置来确定，例如在防滑系统、防抱死系统等的范围内。
附图说明
本发明的其他优点和特征按照根据所附附图对实施例的以下描述来给出。附图中，相同的附图标记表示相同的特征和功能。
附图中：
图1示出了可电气驱动的有轨车辆的驱动装置的示意性简化电路图；
图2示出了在制动运行中根据图1的逆变器上的三相同步电机的相电流和相关联的相电压的示意性线图图示；
图3示出了如图2的示意性线图图示，然而在该示意性线图图示中，对于同步电机的相中的单相，借助曲线图仅示出了如何在短路同步电机的相接头与将能量馈入到根据图1的直流电压中间电路之间进行切换；
图4示出了如图3的针对根据图1的同步电机的单相的在制动情况下的示意性线图图示，其中，借助以时间上同步叠加的方式示出的电压信号，示出了相交流电流与相关联的相交流电压之间的相移，该电压信号用于逆变器的相关联的串联电路中的开关元件；以及
图5示出了针对依据根据图4所阐述的相位差可实现的制动转矩的示意性线图图示。
具体实施方式
图1中以简化示意性电路图示出了未进一步示出的可电气驱动的有轨车辆10的电气装置的结构。当前，车辆10包括两个三相同步电机12、14，其用于在行驶运行中驱动车辆10。为此目的，同步电机12、14的未示出的转子与同样未示出的车辆10的对应驱动轴机械耦合。
此外，车辆10包括直流电压中间电路38以及连接到直流电压中间电路38的两个逆变器16、18，其中，同步电机12连接到逆变器16，并且同步电机14连接到逆变器18。每个逆变器16、18对于同步电机12、14的相U1、V1、W1中的每一个具有由开关元件20、22、24、26、28、30构成的相应的串联电路，这些开关元件用于将相应的同步电机12、14的相应的相U1、V1、W1连接到串联电路的相应的中心抽头32、34、36。由此，同步电机12、14与直流电压中间电路38电气耦合。
直流电压中间电路38被施加以中间电路直流电压uz，该中间电路直流电压包括中间电路电势52、54。
此外，在直流电压中间电路38上连接两个电阻单元42，该电阻单元被构建为用于在车辆10借助同步电机12、14制动时由这些电阻单元将馈送到直流电压中间电路38的电能转换为热能。电阻单元42可以具有电阻，该电阻在其效率方面被对应地构建，并且能够借助未进一步示出的开关元件根据需要与直流电压中间电路电气耦合，以便控制功率消耗。在图1中，开关元件由未示出的IGBT形成，在开关操作中由以下还将描述的时钟发生器56以合适的方式对IGBT进行操作。此外，反向二极管直接与电阻单元42的电阻并联连接，该反向二极管用于提供续流路径，以便能够补偿寄生电感等的影响。
此外，直流电压中间电路38包括两个中间电路电容器40，这些中间电路电容器支持逆变器16、18的运行，并且必要时还可以被设计为用于另外的支持功能。
此外，车辆10包括时钟发生器56，该时钟发生器用于对逆变器16、18中的相应的逆变器的开关元件20、22、24、26、28、30进行操作。时钟发生器56被构建为用于在按规定的行驶运行期间借助对应的开关信号来控制开关元件20、22、24、26、28、30。对于按规定的行驶运行，在此，用于开关信号的时钟频率显著大于两个同步电机12、14的相电流的频率。时钟频率在此例如可以大于大约5kHz，例如是大约10kHz。
在此，车辆10的制动不列入按规定的行驶运行。当前，制动尤其涉及快速制动或紧急制动。为了借助同步电机12、14对车辆10进行制动，借助时钟发生器56，依据由同步电机12、14提供的相交流电流iu、iv、iw的频率，设置用于对开关元件20、22、24、26、28、30进行操作的时钟频率，以便将由同步电机12、14所提供的电能至少部分地馈送到直流电压中间电路38，并且因此也馈送到电阻单元42。当前，该时钟频率对应于相交流电流iu、iv、iw的频率，并且例如可以在大约小于500Hz的频率范围内。
由此，时钟发生器56除了别的之外还用于对逆变器16、18的开关元件20、22、24、26、28、30进行操作。如还将在下面进一步阐述的，时钟发生器56被构建为用于确定相交流电流iu、iv、iw的零点并且对开关元件20、22、24、26、28、30进行操作，使得在相交流电流iu、iv、iw中的相应的相交流电流与分别相关联的相交流电压uu、uv、uw之间设置预先给定的相位差。此外，时钟发生器56被构建为用于依据预先给定的制动功率或预先给定的制动转矩来设置相交流电流iu、iv、iw中的相应的相交流电流与分别相关联的相交流电压uu、uv、uw之间的相位差。当前，相对于中间电路电势54采集相交流电压uu、uv、uw。然而，对于本发明的呈现，用于相交流电压uu、uv、uw的特定参考电势在此并不重要。
可预先给定的制动功率或可预先给定的制动转矩由车辆10的上级设置的车辆控制器提供，该车辆控制器当前在附图中未示出。车辆10的车辆控制器尤其用于以按规定的行驶运行来驾驶或操作车辆10。当前，按规定的行驶运行至少包括在预先给定速度等的情况下加速、制动、驾驶车辆10。
为了能够借助同步电机12、14实现针对快速制动情况或紧急制动情况的制动，规定由上级设置的车辆控制器对应地提供制动功率。在此，提供制动功率，使得将瞬时最大可能的制动功率被提供为预先给定的制动功率。该最大可能的瞬时制动功率可以随时间变化，并且例如可以取决于车辆10的速度、关于行车路径的天气状况和/或诸如此类。由此，在本设计方案中，最大可能的瞬时制动功率取决于能够实现尽可能短的制动路径，为该目的，上级设置的车辆控制器还包括防滑控制器。依据此，确定最大可能的瞬时制动功率。
在按规定的行驶运行中，借助时钟发生器56以适当的方式控制开关元件20、22、24、26、28、30，使得可以实现在驾驶车辆方面所期望的功能性。反之，如果设置了对车辆10的制动，则与由同步电机12、14所提供的相交流电流iu、iv、iw的频率相对应地设置用于对开关元件20、22、24、26、28、30进行操作的时钟频率，即，改变为不同于在按规定的行驶运行情况下的设置。这可以根据图2看出，图2示出了示意性线图图示，在该示意性线图图示中，借助曲线图58、60、62示出了相电流iu、iv、iw，其中，相电流iu、iv、iw与曲线图对应地相关联。因此，将根据图2的线图的纵坐标与以安培为单位的电流相关联，而将线图的横坐标与以秒为单位的时间相关联。在图2中的图示中，相交流电流iu、iv、iw的频率为大约285Hz。
此外从图1可以看出，直流电压中间电路38与电网逆变器46电气耦合，对该电网逆变器在此不进行进一步阐述。电网逆变器46与中间电路电容器44相关联。电网逆变器46建立与交流电压源50的能量技术上的耦合，该交流电压源作为用于按规定的行驶运行的能量源。交流电压源50经由接触器48与电网逆变器46电气耦合。在按规定的行驶运行期间，接触器48处于接通的开关状态，使得可以在直流电压中间电路38与交流电压源50之间交换电能。然而，在车辆10的制动期间，接触器48处于关断的开关状态。如果车辆10处于按规定的行驶运行之外、例如处于停车状态下等，则然后也可以为接触器48设置关断的开关状态。
此外，图2中以曲线图64、66、68示出了对应的相电压uu、uv、uw，然而相电压在此仅被示意性地叠加地并且彼此错开地示出，以便能够在线图中将彼此的时间上的位置可视化。因此，图2中没有以真实比例的方式示出电压的幅度。如从图2根据曲线图58至68可以看出的，相电流iu、iv、iw以及对应相关联的相电压uu、uv、uw彼此在时间上同步，使得相电流与相关联的相电压之间的相移大约为零。在该运行情况下，由同步电机12、14所提供的电能仅借助逆变器16、18被整流地馈送到直流电压中间电路38，使得该能量可以借助电阻单元42被转化为热能。然而，如还将根据图5所示的，由此可以实现的制动效果受到限制，使得该制动效果通常不适用于快速制动情况或紧急制动情况。
相电压uu、uv、uw在逆变器16、18的串联电路的中心抽头32、34、36处提供，并且可以借助合适的电压传感器来采集。电压传感器可以包括在逆变器16、18中。当前，对应的传感器信号被传输到时钟发生器56。
图3以如图2的示意性线图图示示出了关于针对相中的单个相、即相U1对车辆10进行制动的控制可能性的扩展方案。针对相V1和相W1对应地适用。在此，频率同样再次约为285Hz。根据图3可以看出，在相电流iu的最大幅度的范围中，在时间点t1对开关元件中的对应的开关元件、即开关元件22进行短时接通。对应的相电压uu再次以曲线图64示出，其中对应的相电流iu借助曲线图58示出。相电压uu在其幅度方面仅示意性地示出。
借助曲线图70、72示出了半导体开关20、22的对应的控制信号，以便说明相应的开关。图2的线图中的纵坐标方面，曲线图70、72未按照真实比例来绘制，以便简化地示出时间上的关联性。可以看出，在时间点t1附近的时间范围内，其中相电流iu的幅度达到其最大负值，短时接通开关元件22。在此，对应的开关元件20保持关断。对于相电流iu的正的最大幅度，对应地在时间点t2附近的时间范围内进行，在该时间范围内如借助曲线图70所示，开关元件20在短的时间段内接通。在此，开关元件22现在保持在关断的开关状态下。由此，相对于根据图2的功能，可以实现的是，通过可以减小制动效果，可以在制动效果方面改变根据图2示出的制动。尽管这适合于车辆10的正常制动操作，但是该功能性不足以能够用于快速制动或紧急制动。
现在，图4以如图3的示意性线图图示，针对图3中所示的情况，示出了如何能够借助设置相交流电流iu、iv、iw与相关联的相交流电压uu、uv、uw之间的相位差来实现增强的制动效果。图4中示出了相电压滞后的情况，该情况对与先前根据图2和图3所阐述的情况相比制动功率的增加进行了阐述。
可以看出，曲线图70和72表示用于开关元件20、22的对应的控制信号。在此，从现在起，首先借助时钟发生器56确定相电流iu的零点，为该目的，时钟发生器56具有对应的分析单元，该分析单元连接到未示出的电流传感器。根据所确定的相电流iu的零点，然后确定开关时间点t3和t5，这些开关时间点代表针对开关元件20的接通开关状态的开关时间段。开关时间段包围时间点t4，在该时间点t4处相电流iu为零。
随着开关元件20的关断，以曲线图64表示的相电压uu然后从其最大值跳到其最小值。时间点t4与t5之间的时间段对应于相电流iu与相关联的相电压uu之间的相移或相位差。当前该相位差为负，从而可以实现增加的制动功率。对于在时间t7处的相电流iu的第二零点，根据曲线图72以等效方式示出了用于开关元件22的控制信号。以对应的方式确定接通时间段，该接通时间段由时间点t6和t8形成。时间点t7与t8之间的时间差从现在起又是针对相位差的量度。在此，该相位差与先前所确定的关于时间点t4和t5的相位差基本大小相同。
反之，如果应当实现制动功率的减小，则可以对应地选择相移为正。总的来说，可以看出，通过同步电机12、14可以实现对制动功率的简单控制以及因此还实现对制动转矩的简单控制，使得在此还可以实现操作安全性。
下面按照根据图5的示意图来阐述依据相移对应于制动功率设置制动转矩的可能性。图5中的线图的纵坐标与以Nm为单位的制动转矩M相关联。横坐标与以Hz为单位的频率相关联。在此，频率涉及相应的相交流电流iu、iv、iw的频率，如瞬时由同步电机12、14所提供的相交流电流。该频率还确定了用于开关元件20、22、24、26、28、30的开关信号的时钟频率。
借助曲线图74至86示例性地示出了所选择的设置可能性。在此，曲线图74对应于在同步电机12、14的相U1、V1、W1短路的情况下可以实现的制动转矩。可以看出，即使在同步电机12、14的相交流电流的频率大约为20Hz的情况下，制动效果也显著降低。
利用曲线图82示出了电阻制动，该电阻制动可以通过以下来实现：将由同步电机12、14所提供的能量馈送到中间电路38，并且通过电阻单元42将其转换为热能。在该情况下，逆变器16、18仅用作整流器。
利用曲线图76示出了针对制动效果的走向，该制动效果可以通过以下来实现：通过由时钟在这些操作模式之间进行切换，在根据曲线图82的电阻制动与根据曲线图74的相U1、V1、W1的短路之间进行切换。占空比在此约为50％。因此，利用曲线图76示出了制动转矩的取决于频率的走向，其中，在根据曲线图74、82的功能之间以大约百分之五十来进行时钟触发。然而，可以看出，在根据曲线图74、76和82的操作中的最大可能的制动转矩然而总是大致相同的。但是，这对于快速制动情况或紧急制动情况通常是不够的。
利用曲线图78和80以及84和86示出了可以通过设置相移来实现的可实现的制动转矩。为此目的，使用了根据图4所阐述的通过时钟发生器56的控制方法。
曲线图78、80、84和86涉及制动转矩走向，其可以借助根据图4的控制方法来实现。在此，曲线图78示出了针对+30°的相移的走向。曲线图80涉及+15°的相移。曲线图84涉及-15°的相移。曲线图86涉及-30°的相移。可以看出，按照根据本发明的控制设计，可以依据相移以非常灵活的方式设置最大制动效果或最大制动转矩。由此，本发明的方法也可以用于快速制动或用于紧急制动。反之，根据曲线图74、76和82得到，最大制动转矩可以基本上不受影响。
同时，本发明允许能够通过特别简单的控制设计来设置制动转矩，使得在快速制动情况下或者在紧急制动情况下也可以可靠地实现在操作安全性方面的要求。总的来说，实施例示出了如何能够实现以简单的方式灵活地设置制动功率或制动转矩，特别是能够设置高的制动效果。在此，可以动用车辆10的现有装置，使得本发明也可以以简单的方式事后集成到已经存在的车辆中。
实施例仅用于阐述本发明，而不应当限制本发明。
Claims (9)
1.一种用于对车辆(10)、特别是有轨车辆的逆变器(16，18)的开关元件(20，22，24，26，28，30)进行操作的方法，所述车辆借助至少一个至少三相的同步电机(12，14)来驱动，在所述方法中，对于同步电机(12，14)的相(U1，V1，W1)中的每一个，所述逆变器(16，18)具有至少一个由开关元件(20，22，24，26，28，30)构成的串联电路，以便将所述同步电机(12，14)与连接到所述逆变器(16，18)的直流电压中间电路(38)电气耦合，其中，在借助所述同步电机(12，14)对车辆(10)进行制动时，依据由所述同步电机(12，14)提供的相应的相交流电流(iu，iv，iw)的频率，设置用于对所述开关元件(20，22，24，26，28，30)进行操作的时钟频率，使得将由所述同步电机(12，14)提供的电能至少部分地馈送给所述直流电压中间电路(38)，
其特征在于，
对应于相交流电流(iu，iv，iw)的频率地设置所述时钟频率，使得所述时钟频率对应于由所述同步电机(12，14)提供的相应的相交流电流(iu，iv，iw)的频率，其中，确定相交流电流(iu，iv，iw)的零点，并且对所述开关元件(20，22，24，26，28，30)进行操作，使得在相交流电流(iu，iv，iw)中的相应的相交流电流与分别相关联的相交流电压(uu，uv，uw)之间设置预先给定的相位差。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，仅与直流电压中间电路(38)的两个中间电路电势(52，54)中的同一电势直接耦合的开关元件(20，22，24，26，28，30)至少部分地同时被激活。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，依据相交流电流(iu，iv，iw)的瞬时相位来选择所述中间电路电势(52，54)。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，依据直流电压中间电路(38)的瞬时中间电路电压(uz)来确定所述预先给定的相位差。
5.一种用于对车辆(10)、特别是有轨车辆进行制动的方法，所述车辆借助至少一个至少三相的同步电机(12，14)来驱动，在所述方法中，所述同步电机(12，14)经由逆变器(16，18)与连接到所述逆变器(16，18)的直流电压中间电路(38)电气耦合，所述逆变器对于同步电机(12，14)的相(U1，V1，W1)中的每一个具有至少一个由开关元件(20，22，24，26，28，30)构成的串联电路，所述方法具有以下步骤：
-预先给定用于对车辆(10)进行制动的制动功率，
-在借助同步电机(12，14)对车辆(10)进行制动时，依据由所述同步电机(12，14)提供的相应的相交流电流(iu，iv，iw)的频率，设置用于对开关元件(20，22，24，26，28，30)进行操作的时钟频率，使得将由所述同步电机(12，14)提供的电能馈送给所述直流电压中间电路(38)，以及
-借助连接到所述直流电压中间电路(38)的电阻单元(42)，将在借助同步电机(12，14)进行制动时由所述同步电机馈送给所述直流电压中间电路(38)的电能转换为热能，
其特征在于，
根据上述权利要求中任一项所述的方法对所述开关元件(20，22，24，26，28，30)进行操作，其中，依据所述制动功率来设置相交流电流(iu，iv，iw)中的相应的相交流电流与分别相关联的相交流电压(uu，uv，uw)之间的相位差。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还依据同步电机(12，14)的当前转速来预先给定所述相位差。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，依据瞬时最大可能的制动功率来确定预先给定的制动功率。
8.一种用于对车辆(10)、特别是有轨车辆的逆变器(16，18)的开关元件(20，22，24，26，28，30)进行操作的时钟发生器(56)，所述车辆能够借助至少一个至少三相的同步电机(12，14)来驱动，在所述时钟发生器中，对于至少一个同步电机(12，14)的相(U1，V1，W1)中的每一个，所述逆变器(16，18)具有至少一个由开关元件(20，22，24，26，28，30)构成的串联电路，以便将至少一个同步电机(12，14)与连接到所述逆变器(16，18)的直流电压中间电路(38)电气耦合，其中所述时钟发生器(56)被构建为，在借助所述同步电机(12，14)对车辆(10)进行制动时，依据由所述同步电机(12，14)提供的相应的相交流电流(iu，iv，iw)的频率，设置用于对开关元件(20，22，24，26，28，30)进行操作的时钟频率，以便将由所述同步电机(12，14)提供的电能至少部分地馈送给所述直流电压中间电路(38)，
其特征在于，
所述时钟发生器(56)被构建为，对应于相交流电流(iu，iv，iw)的频率地设置所述时钟频率，使得所述时钟频率对应于由所述同步电机(12，14)提供的相应的相交流电流(iu，iv，iw)的频率；确定相交流电流(iu，iv，iw)的零点，并且对所述开关元件(20，22，24，26，28，30)进行操作，使得在相交流电流(iu，iv，iw)中的相应的相交流电流与分别相关联的相交流电压(uu，uv，uw)之间设置预先给定的相位差。
9.一种能够电气驱动的车辆(10)、特别是有轨车辆，所述车辆具有
-至少一个至少三相的同步电机(12，14)，用于在行驶运行中驱动所述车辆(10)，
-至少一个直流电压中间电路(38)，
-至少一个连接到至少一个直流电压中间电路(38)的逆变器(16，18)，对于至少一个同步电机(12，14)的相(U1，V1，W1)中的每一个，所述逆变器具有至少一个由开关元件(20，22，24，26，28，30)构成的串联电路，以便将至少一个同步电机(12，14)与至少一个直流电压中间电路(38)电气耦合，所述开关元件用于连接到至少一个同步电机(12，14)的相(U1，V1，W1)中的相应的相，
-至少一个连接到至少一个直流电压中间电路(38)的电阻单元(42)，所述电阻单元被构建为，至少在借助同步电机(12，14)对车辆(10)进行制动时，至少部分地将由所述同步电机馈送给所述直流电压中间电路(38)的电能转换为热能，以及
-时钟发生器(56)，所述时钟发生器用于对至少一个逆变器(16，18)的开关元件(20，22，24，26，28，30)进行操作，其中，所述时钟发生器(56)被构建为用于在借助至少一个同步电机(12，14)对车辆(10)进行制动时，依据由至少一个同步电机(12，14)提供的相应的相交流电流(iu，iv，iw)的频率，设置用于对开关元件(20，22，24，26，28，30)进行操作的时钟频率，以便将由至少一个同步电机(12，14)提供的电能至少部分地馈送给至少一个直流电压中间电路(38)，
其特征在于，
所述时钟发生器(56)根据权利要求8来构建，并且进一步被构建为依据能够预先给定的制动功率来设置相交流电流(iu，iv，iw)中的相应的相交流电流与分别相关联的相交流电压(uu，uv，uw)之间的相位差。
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