CN1949661A - 用于保持dc/ac电压转换器的输入端上的直流电压的方法、用于该方法的记录介质以及电动车辆 - Google Patents
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Abstract
该方法保持DC/AC电压转换器的输入端上的直流电压从而保持异步电动机处于磁化状态，该转换器的输入端连接到电动车辆的直流供电母线，并且，在该车辆靠惯性滑行并且该母线与吊线断开连接的空转模式下，该方法包括：a)对该电动机进行磁化的步骤(76)，然后b)使该电动机作为交流电压发电机工作的步骤(78)，然后c)当该母线的直流电压达到上阈值时停止转换器的步骤(72)，然后d)只要该母线的直流电压保持高于该异步电动机的最小直流磁化电压就保持该转换器处于空闲状态的步骤(74)。
Description
本发明涉及用于保持DC/AC电压转换器的输入端上的直流电压从而保持异步电动机处于磁化状态的方法、用于该方法的记录介质以及电动车辆。
在该说明书中，术语“供电母线”用于指电动车辆的直流供电母线，其一方面可连接到吊线和与吊线断开连接，另一方面通过DC/AC转换器连接到异步电动机从而向该电动机供电。该母线装备有即使当吊线不再向其供电时仍临时保持母线上直流电压的单元。典型地，这些保持单元包括电容器和放电电阻器。
该直流供电母线也称为“直流母线”。
吊线不仅指悬浮的供电电缆(电动车辆的集电弓架沿其滑动)，而且还指放置在地上的供电轨道(电动车辆的轮子沿其滑动)。该供电轨道在铁路产业中也称为“第三轨道”。
通过使异步电动机作为发电机运行以及通过使产生的电能在电阻器或变阻器中耗尽来制动车辆是公知的。由于电气或变阻器制动能够使这些车辆上易损部件的维护费用最少，因此大多数厂商喜欢这种类型的电气或变阻器制动胜过机械制动。
在变阻器制动操作期间，如果直流母线连接到吊线，则向该吊线返回能量是可见的。对于一些用户来说，这种类型的能量返回是不可接受的。
另一方面，如果该直流母线与该吊线断开连接，则该母线上的直流电压逐渐减小并且变为不足以磁化电动机从而使得变阻器制动操作不再可行。
为了克服车辆靠惯性滑行(空转)和直流母线与吊线断开连接的空转模式中的这一问题，公知的方法通过执行预制动阶段来保持该直流母线上的直流磁化电压。
该预制动阶段包括：
a)利用母线上存在的直流电压对电动机进行磁化的步骤，然后
b)使电动机作为交流电压发电机工作以及使转换器作为交流电压整流器工作从而用直流电压对该母线进行再充电的步骤。
在公知的方法中，只要车辆靠惯性滑行并且直流母线与吊线断开连接，步骤b)就持续。因此电动机一直作为发电机运行从而保持直流母线上的磁化电压具有足够的电平。
即使电动车辆正在靠惯性滑行，这也具有持久向电动车辆施加减速的结果。
本发明的目的是提供一种方法来克服这个缺点，该方法能够使施加在电动车辆的减速最小从而保持直流母线上的磁化电压。
因此，本发明涉及用于保持直流母线上的直流磁化电压的方法，还包括步骤：
c)当母线的直流电压达到上阈值时停止变换器的步骤，然后
d)在返回步骤a)前，只要母线的直流电压保持高于异步电动机的最小直流磁化电压，就保持转换器处于空闲状态的步骤。
当电动机作为发电机运行时，转换器向直流母线提供对其充电的直流电压并且电动机制动车辆。
当转换器停止时，电动机不再作为发电机运行，由此不再制动该电动车辆。只要该转换器保持在空闲状态，直流母线上的电压就逐渐减小，例如这对应于直流母线的电容器的放电。因此，通过交替步骤a)、b)和c)、d)，可能在不使电动机持久作为发电机运行的情况下，保持该母线上的直流磁化电压。这使施加在处于空转模式的电动机上的减速最小。
此外，采用该方法，仅修改对转换器的控制，而不需要正好在变阻器制动操作前使用附加的装置对直流母线充电。
最后，停止转换器还能够使临时保持母线上的直流电压的单元进行放电，从而不需要使用针对该用途的辅助装置或变阻器。
该方法的实施例可以包括一个或多个下列特征：
-选择步骤b)期间电动机的滑动脉冲等于1/Tr，其中Tr是电动机的时间常数；
-选择上阈值小于辅助装置的最小供电电压，
-在步骤b)期间，控制该转换器以使得该电动机产生的能量大于补偿电动机发热引起的损耗所需要的最小能量并且小于该最小能量的1.05倍；
-只要该电动车辆以大于能对母线再充电的预定速度阈值的速度靠惯性滑行时，就重复步骤a)到d)。
用于保持直流磁化电压的方法的实施例还具有下列优点：
-施加等于1/Tr的滑动脉冲，其中Tr是电动机的时间常数，减小电动机发热引起的损耗并由此使车辆的减速最小；
-当车辆靠惯性滑行时，由于没有向连接到直流母线的辅助装置供电，所以这也使车辆的减速最小；
-当在步骤b)和d)之间交替时，仅使电动机产生最多等于补偿电动机发热引起损耗所需能量的1.05倍的电能，从而使制动操作相对于车辆的惯性变得可以忽略，由此避免司机或乘客感受到急剧变化的动作。
本发明还涉及包括有指令的数据记录介质，当电子处理器执行这些指令时，这些指令执行用于保持直流母线上异步电动机的直流磁化电压的方法。
本发明还涉及适于执行上述保持方法的电动车辆，该电动车辆装备有：
-至少一个异步电动机，用于旋转驱动主动轮，
-可控的DC/AC转换器，其能够作为直流电压逆变器运行从而向电动机供电，并且可选地作为直流电压整流器运行，
-直流供电母线，其可以连接到吊线和与吊线断开连接并且其通过转换器连接到电动机从而向该转换器提供直流电压，该母线装备有当母线与吊线断开连接时用于临时保持母线上直流电压的设备，以及
-处理器，其能够控制：
a)电动机的磁化，然后
b)在母线与吊线断开连接并且电动车辆正靠惯性滑行的空转模式期间，电动机作为发电机工作并且转换器作为整流器工作；
并且其中，处理器在空转模式下能够：
c)当母线的直流电压达到上阈值时，控制转换器停止，以及
d)在重复指令a)和b)前，只要母线的直流电压保持高于异步电动机的最小直流磁化电压，就保持转换器处于空闲状态。
该电动车辆的实施例可以包括下列特征：
-用于临时保持直流电压的设备至少包括一个电容器，当该母线与吊线断开连接时，其能够临时保持供电母线上的直流电压。
通过阅读下面仅作为实例给出的说明并参照附图，将可以更好地理解本发明，其中：
图1是装备有直流母线的电动车辆的结构示意图，以及；
图2是用于保持图1所示车辆的直流母线上的异步电动机的直流磁化电压的方法的流程图。
图1示出了电动车辆2，其装备有至少一个用于旋转驱动该车辆主动轮13的异步电动机。例如，该车辆是通过集电弓架6连接到吊线4的机车。
在该实例中，为了简化说明，仅示出了能够旋转驱动轮13的异步电动机10的供电系统。
例如，车辆2的异步电动机的其它供电系统与该实例中所述的相同。
电动机10的供电系统包括：
-可控的DC/AC转换器12，其能够向电动机10的定子绕组供电，
-直流母线14，其连接到转换器12从而向其提供直流电压，以及
-用于将母线14连接到吊线4的单元16。
转换器12能够作为直流电压逆变器运行从而向电动机10提供三相电压，并且可选地作为交流电压的整流器，从而当电动机10作为发电机运行时，将电动机10发出的三相电压产生的整流电压提供给母线14。
直流母线14包括两条电导线20、21。电导线20、21的末端连接到转换器12的相应输入端。电导线20、21的相对端连接到连接单元16的相应输出端。
母线14还包括至少一个用于临时保持导线20和21之间的直流电压的设备。在该实例中，为了简化说明，仅示出了用于临时保持直流电压的设备24。例如，设备24包括连接在导线20和21之间的电容器26以及与该电容器26的两个端子并联的放电电阻器28。例如，选择电阻器28以使电容器26的两个端子上出现的直流电压实现50V/s的减小。
母线14上的直流电压Vbus由电压表30测得。当母线14连接到吊线4时，电压Vbus等于1800VDC。
连接单元16使母线14电连接到吊线4以及与吊线4断开连接。为实现该目的，单元16的输入端通过集电弓架6连接到吊线4。如果向吊线4提供交流电压，则单元16例如含有断路器以及(可选的)电压整流器。
母线14还用于向车辆2的辅助装置供电，例如加热设备、通风设备或水泵。为了简化说明，仅示出了一个辅助装置40。装置40通过DC/AC转换器42连接到导线20和21。当电压Vbus低于预定阈值Sh时，该转换器42能够自动切断向装置40供电。例如，对于直流电压正常为1800VDC的母线14，选择阈值Sh等于900VDC，即是正常电压的一半。
母线14还通过可控开关48连接到变阻器46。
该变阻器旨在消耗电动机10在变阻器制动操作期间产生的能量。
车辆2还包括电子处理器50，其能够控制转换器12从而执行图2中保持磁化电压的方法。该处理器还能够控制开关48。
为了控制转换器12，处理器包括用于通过脉宽调制进行控制的常规模块52。该模块52有两个输入端，一个用于接收电动机的定子频率变量fs.cons，而另一个用于接收调制比Tx。
定子频率是在电动机10的内部磁场旋转的频率。该频率对应于同步速度。
为了执行图2的方法，处理器50连接到电压表30并且连接到传感器56以检测转子的机械频率。该机械频率对应于电动机10轴的旋转速度。
在该实例中，处理器50由常规的可编程处理器制成，其能够执行记录在数据记录介质58上的指令。为实现该目的，介质58包括多条指令，当这些指令由处理器50执行时，用于执行图2的方法。
现在将参照图2的方法介绍处理器50以及电动机10的供电系统的操作。
车辆2可以在三种下述操作模式之间切换：
-牵引模式62，在牵引模式62期间，电动机10旋转驱动主动轮13，
-空转模式63，在空转模式63期间，车辆靠惯性滑行并且母线14与吊线4断开连接，以及
-变阻器制动模式64，在变阻器制动模式64期间，车辆2减速。
在牵引模式下，母线14通过单元16连接到吊线4。在该牵引模式下，转换器12作为逆变器运行从而使用三相电压向电动机供电，该三相电压由母线14上存在的直流电压产生的。
当车辆2在需要使其逐渐减速的斜坡上行驶时，则将其切换到空转模式63是有利的。在该空转模式下，在步骤70期间，单元16将母线14与吊线4断开连接。然后，处理器50在步骤72期间停止转换器12。当转换器12停止时，电动机10不再有电源供应并且变为退磁。然后，只要电压Vbus大于电动机10的最小磁化电压Vmin，处理器就执行步骤74，以保持转换器12处于空闲状态。在步骤74期间，由于电容器26通过电阻器28放电，因此电压Vbus逐渐减小。
一旦电压表30测得的电压Vbus变成低于阈值Vmin，处理器就在步骤76期间控制转换器12从而用仍然在母线14上存在的电压Vbus对电动机进行磁化。
一旦电动机开始磁化并且不用等待电动机被完全磁化，处理器50就控制转换器，从而使电动机10在步骤78期间作为发电机运行。在步骤78期间，处理器50还控制转换器12，从而使其作为整流器运行。在步骤76和78期间，电动机10产生交流三相电压，转换器12对其整流，以使直流母线14由直流电压供电，从而能够对设备24进行再充电。
更精确地，在步骤78期间，选择频率变量Fs.cons等于传感器测得的机械频率减去一个滑动脉冲Fg。在该实施例中，选择脉冲Fg等于1/Tr，其中Tr是电动机的时间常数。由于选择该滑动脉冲，因此用于控制电动机10的直流Id和正交电流Iq相等，从而使发热引起的损耗最小。在该实例中，发热引起的损耗指由于焦耳效应的损耗和摩擦引起的损耗。
在步骤78期间，根据下面的关系确定送到模块52的调制比变量Tx：
Tx＝[0.78·Vbus]/Vac(I)
-“·”是乘法符号，
-“/”是“除法”符号，
-Vbus是母线14上的直流电压，
-Vac是电动机10产生的相间有效交流电压。
在步骤78期间，处理器通过转换器12控制电动机以使得电动机10产生的能量值正好高于补偿电动机10发热引起的损耗所需的最小能量值并且最多等于该最小能量的1.05倍。利用这种方式，电动机10产生的能量值相对于电动机10自身消耗的能量值略有剩余。
因此，该剩余的能量能够对电容器26进行充电。此外，当该剩余能量小时，其对应于电动机10的最小制动，这样当电动机10开始作为发电机运行时，车辆司机感受不到急剧变化的动作。
在步骤82期间，处理器50验证电压Vbus低于阈值Sh。如果是这种情况，那么在步骤78期间保持电动机作为发电机工作并且保持转换器12作为整流器工作。
否则，处理器返回步骤72。
利用这种方式，由于母线14上的电压不会超过阈值Sh，因此没有使用电源对辅助装置，例如装置40，进行供电，这样就能够限制电动机作为发电机工作所产生的能量值，并且由此能够限制车辆2的减速。
只要车辆以足够的速度靠惯性滑行以使电动机10在步骤78期间对电容器26进行再充电，就重复步骤72到82。例如，车辆2的速度必须大于预定的阈值10Km/h。当车辆2的速度不再足以对电容器26进行再充电时，例如车辆使用预制动阶段切换到常规工作模式。
在任何时候，在空转模式期间，车辆2的司机可以换到变阻器制动模式中。为实现该目的，例如司机移动制动手柄。响应该动作，处理器50执行步骤86以利用母线14上存在的电压Vbus对电动机10进行磁化。例如，该步骤86与步骤76相同。于是，一旦电动机10开始磁化，处理器50在步骤88期间就控制转换器12从而使电动机10作为发电机运行而使转换器12作为整流器运行。
并行地，在步骤92期间，处理器50控制开关48闭合从而使变阻器46与直流母线相连。在该工作状态中，变换器12将电动机产生的三相电压转换为直流母线上的直流电压。该直流电压以热的形式被变阻器46消耗，从而使车辆2制动。
只要司机保持该制动操作，步骤88和92就持续。
车辆2和图2的方法还可以有许多其它的实施例。在步骤82中，例如，可以将处理器50停止对母线14进行再充电的阈值选择为不同于阈值Sh。
Claims (8)
1、用于保持DC/AC电压转换器的输入端上的直流电压从而保持异步电动机处于磁化状态的方法，所述DC/AC转换器的所述输入端电连接到电动车辆的直流供电母线，所述供电母线能够连接到吊线以及与吊线断开连接从而向所述电动机供电，在所述车辆靠惯性滑行并且所述母线与所述吊线断开连接的空转模式下，该方法包括：
a)由所述母线上存在的直流电压对所述电动机进行磁化的步骤(76)，然后
b)使所述电动机作为交流电压发电机工作以及使所述转换器作为交流电压整流器工作从而用直流电压对所述母线再充电的步骤(78)，
其特征在于，在空转模式下，该方法还包括：
c)当所述母线的直流电压达到上阈值时停止所述转换器的步骤(72)，然后
d)在返回步骤a)前，只要所述母线的直流电压保持高于所述异步电动机的最小直流磁化电压，就保持所述转换器处于空闲状态的步骤(74)。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤b)期间，选择所述电动机的滑动脉冲等于1/Tr，其中Tr是所述电动机的时间常数。
3、根据权利要求1或权利要求2所述的方法，对于装备有至少一个辅助电气装置的电动车辆来说，当所述母线的直流电压下降到低于所述辅助装置的最小供电电压时，自动切断来自所述母线的供电，其特征在于，选择所述上阈值低于所述辅助装置的该最小供电电压。
4、根据上述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，在步骤b)期间，控制所述转换器，以使所述电动机产生的能量大于补偿所述电动机发热引起的损耗所需的最小能量并且小于所述最小能量的1.05倍。
5、根据上述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，只要所述电动车辆以大于能使所述母线再充电的预定速度阈值的速度靠惯性滑行，就仅重复步骤a)到d)。
6、数据记录介质，其特征在于包括有多条指令，当这些指令由电子处理器执行时，执行上述权利要求中任一项所述的方法。
7、电动车辆，装备有：
-至少一个异步电动机(10)，用于旋转驱动主动轮，
-可控的DC/AC转换器(12)，其能够作为直流电压逆变器运行从而向所述电动机供电，或者作为直流电压整流器运行，
-直流供电母线(14)，其可以连接到吊线以及与吊线断开连接并且其通过所述转换器连接到所述电动机从而向所述转换器提供直流电压，所述母线装备有当所述母线与所述吊线断开连接时用于临时保持所述母线上的直流电压的设备(24)，以及
-处理器(20)，其能够控制：
a)所述电动机的磁化，然后
b)在所述母线与所述吊线断开连接并且所述电动车辆靠惯性滑行的空转模式期间，所述电动机作为发电机工作并且所述转换器作为整流器工作；
其特征在于，所述处理器在空转模式期间还能够：
c)当所述母线的直流电压达到上阈值时，控制所述转换器停止，以及
d)在重复指令a)和b)前，只要所述母线的直流电压保持高于所述异步电动机的最小直流磁化电压，就保持所述转换器处于空闲状态。
8、根据权利要求7所述的电动车辆，其特征在于，用于临时保持直流电压的所述设备(24)至少包括一个电容器(26)，当所述母线与所述吊线断开连接时，其能够临时保持所述供电母线上的直流电压。
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