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Hintergrund der Erfindung
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebseinheit eines Schienenfahrzeugs zum Antreiben eines Schienenfahrzeugs dadurch, dass ihm von einer Einphasenwechselstrom-Oberleitung Strom zugeführt wird.
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Beschreibung des Standes der Technik
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Bei einem Schienenfahrzeug, das auf einer Strecke mit einer Wechselstromspeisung fährt, wird häufig von einem System Gebrauch gemacht, wobei von einer Einphasenwechselstrom-Oberleitung über einen Transformator Wechselstrom geliefert wird und dann der Wechselstrom mittels einer Stromrichtervorrichtung in Gleichstrom gewandelt wird, bevor der Wechselstrom mittels einer Wechselrichtervorrichtung in Drehstrom gewandelt wird, um den Drehstrommotor anzutreiben.
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Die Stromrichtervorrichtung und die Wechselrichtervorrichtung führen eine Steuerung aus, um mehrere Halbleiterschaltelemente auf der Grundlage einer Pulsweitenmodulation (PWM) ein- und auszuschalten und die Ausgangsspannung auf einen Sollwert zu steuern.
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Die Schaltelemente, aus denen der Stromrichter aufgebaut ist, müssen einen Standhaltedruck aufweisen, welcher der gleichstromseitigen Spannung der Stromrichtervorrichtung entspricht. Bei einem Schienenfahrzeug, besonders bei Hochgeschwindigkeitsbahnen und Lokomotiven, bei denen eine hohe Leistung gefordert ist, ist die gleichstromseitige Spannung des Stromrichters auf 3000 V oder höher, je nach der Spezifikation der Oberleitung oder des Fahrzeugs, festgelegt, und die Schaltelemente müssen eine höhere Stehspannung aufweisen, wenn die gleichstromseitige Spannung höher ist.
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Die Schaltelemente mit hoher Stehspannung müssen darin angeordnete Halbleiterchips mit größerer Dicke aufweisen, um der Stehspannung zu genügen, was dazu führt, dass der Verlust, mit dem der Schaltvorgang einhergeht, höher als bei Schaltelementen mit niedriger Stehspannung ist. Deshalb muss bei einer Stromrichtervorrichtung, die Schaltelemente mit hoher Stehspannung verwendet, der mit dem Schaltvorgang einhergehende Verlust niedrig gehalten werden, um die Größenzunahme einer Kühlvorrichtung der Schaltelemente zu vermeiden, sodass die Trägerfrequenz niedrig festgelegt werden muss.
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Normalerweise muss bei einer Stromrichtervorrichtung der Sekundärstrom eines Transformators, der auf der Wechselstromseite fließt, die gleiche Güte wie das Strom an die Oberleitung liefernde Stromversorgungssystem haben, derart, dass der Strom in Sinuswellenform sein muss, um den in der Oberleitung fließenden Oberschwingungsstrom zu verringern. Deshalb muss die Trägerfrequenz innerhalb des Bereiches, den die Kühlleistung der Stromrichtervorrichtung zulässt, hoch festgelegt werden. Wenn jedoch Schaltelemente mit einer hohen Stehspannung, wie oben beschrieben, verwendet werden, ist es wünschenswert, die Trägerfrequenz herabzusetzen, um den mit dem Schaltvorgang einhergehenden Verlust niedrig zu halten.
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Wenn die Trägerfrequenz herabgesetzt wird, nimmt die harmonische Komponente des Sekundärstroms zu, wodurch die Verzerrung von in der Oberleitung fließenden Strömen zunimmt und der Verlust, der durch einen Skin-Effekt in einer Transformatorwicklung hervorgerufen wird, erhöht wird, was zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrades des Traktionssystems führt.
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Die vorstehend beschriebene harmonische Komponente tritt als Welligkeit im wechselstromseitigen Strom der Stromrichtervorrichtung in Erscheinung, und diese Oberwellen im Strom sind ausschließlich durch die Trägerfrequenz und die in der Stromrichtervorrichtung festgelegte Wandlerkonstante, die Oberleitungsspannung und die Gleichspannung an der Abgabeseite der Stromrichtervorrichtung bestimmt und hängt nicht von der Eingangs-/Abgabeleistung der Stromrichtervorrichtung ab. Das heißt, bei Betrieb des Stromrichters mittels einer konstanten Trägerfrequenz wird sich der Anteil der harmonischen Stromkomponenten unabhängig vom Zustand der Eingangs-/Abgabeleistung der Stromrichtervorrichtung nicht ändern, und vom Transformator wird weiterhin ein konstanter Anteil Oberschwingungsverluste generiert.
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Anführungen
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Nichtpatentliteratur
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- [NPL 1] Main Circuit Power Conversion System-Inverter / Converter, S. 189–203, unter der Aufsicht der Japan Railway Rolling Stock & Machinery Association
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Kurzdarstellung der Erfindung
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Der Verlust, der durch den Oberschwingungsstrom der Transformatorwicklung hervorgerufen wird, kann durch Anheben der Trägerfrequenz der Stromrichtervorrichtung verringert werden; wenn jedoch Elemente mit einer hohen Stehspannung verwendet werden, wie an früherer Stelle beschrieben, ist es unter dem Gesichtspunkt einer Beschränkung des durch den Schaltvorgang hervorgerufenen Verlusts ungünstig, die Trägerfrequenz anzuheben.
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Im Allgemeinen werden Hochgeschwindigkeitsbahnen oder andere Fahrzeuge, die große Entfernungen zurücklegen, oft über einen langen Zeitraum mit einer konstanten Geschwindigkeit angetrieben. Dabei sollte die Leistung, die der Änderung der Geschwindigkeit, die durch einen Fahrwiderstand, wie etwa den Luftwiderstand des Fahrzeugs, und Steigungen bzw. Gefälle hervorgerufen wird, entspricht, durch die Stromrichtervorrichtung aufgenommen oder abgegeben werden. Die Leistung, die der Änderung der Geschwindigkeit entspricht, die durch den Fahrwiderstand und Steigungen bzw. Gefälle hervorgerufen wird, ist verhältnismäßig klein, sodass die Grundwellenkomponente des Stroms des Transformators klein ist; da aber die Oberwellenstromkomponente aus dem vorstehend beschriebenen Grund nicht von der Leistungsaufnahme und -abgabe der Stromrichtervorrichtung abhängt, ändert sich der Oberschwingungsverlust des Transformators nicht.
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Dadurch, dass das Fahrzeug eine lange Zeit in diesem Zustand gefahren wird, hält ein Zustand an, in dem der Oberschwingungsverlust des Transformators verhältnismäßig hoch ist, obwohl der Eingangs-/Ausgangsstrom der Stromrichtervorrichtung niedrig ist, und der Wirkungsgrad der Vorrichtung als Traktionssystem verschlechtert sich.
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Andererseits hängt der Verlust, mit dem der Schaltvorgang der Stromrichtervorrichtung einhergeht, von der Trägerfrequenz und dem Eingangs-/Ausgangsstrom ab, sodass, wenn ein Fahrzeug mit konstanter Geschwindigkeit gefahren wird oder das Fahrzeug mit einem kleinen Abtriebsdrehmoment vom Drehstrommotor, wie vorstehend beschrieben, betrieben wird, der Eingangs-/Ausgangsstrom der Stromrichtervorrichtung niedrig ist, sodass der durch den Schaltvorgang der Stromrichtervorrichtung hervorgerufene Verlust gering ist. Daher wird es bei Betrachtung eines besonderen Falls, in dem die Fahrzeuggeschwindigkeit stabilisiert bzw. auf eine konstante Geschwindigkeit geregelt wird oder in dem das Abtriebsmoment des Drehstrommotors klein ist, möglich, die Trägerfrequenz der Stromrichtervorrichtung zu erhöhen, den durch den Skin-Effekt in der Transformatorwicklung hervorgerufenen Oberschwingungsverlust zu verringern und dadurch die Leistungsaufnahme zu reduzieren. Dabei erhöht sich die Anzahl der Schaltvorgänge der Stromrichtervorrichtung und auch der durch das Schalten hervorgerufene Verlust nimmt zu, doch weil der Stromrichterverlust von der Grundwellenstromkomponente des Eingangs-/Ausgangsstroms der Stromrichtervorrichtung abhängt, ist die Verlustzunahme durch den Schaltvorgang der Stromrichtervorrichtung sehr gering.
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Um die Probleme zu lösen, schafft die vorliegende Erfindung eine Antriebseinheit eines Schienenfahrzeugs, wobei, wenn die Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs auf eine Geschwindigkeit nahe einer Sollgeschwindigkeit geregelt wird, eine Trägerfrequenz einer Stromrichtervorrichtung von einer ersten Referenzfrequenz auf eine zweite Referenzfrequenz angehoben wird, wodurch eine Frequenz erhalten wird, die höher als die erste Referenzfrequenz ist, und wenn die Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs nicht auf eine Geschwindigkeit nahe der Sollgeschwindigkeit geregelt wird, die Trägerfrequenz von der zweiten Referenzfrequenz auf die erste Referenzfrequenz herabgesetzt wird.
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In einem anderen Beispiel der vorliegenden Erfindung umfasst die Antriebseinheit ferner eine Hilfsstromquelle, die an die Gleichstromseite der Stromrichtervorrichtung angeschlossen ist und Strom für die Beleuchtung oder Klimatisierung des Schienenfahrzeugs liefert, wobei, wenn das Schienenfahrzeug in einem gestoppten Zustand ist, die Steuereinheit eine Trägerfrequenz der Stromrichtervorrichtung von einer ersten Referenzfrequenz auf eine zweite Referenzfrequenz anhebt, wodurch eine Frequenz erhalten wird, die höher als die erste Referenzfrequenz ist, und wenn das Schienenfahrzeug aus dem gestoppten Zustand in einen Fahrzustand übergegangen ist, die Trägerfrequenz der Stromrichtervorrichtung von der zweiten Referenzfrequenz auf die erste Referenzfrequenz herabgesetzt wird.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird es möglich, durch Berücksichtigen des durch den Skin-Effekt der Transformatorwicklung und den Schaltvorgang der Stromrichtervorrichtung hervorgerufenen Oberschwingungsverlusts den Gesamtwirkungsgrad der Antriebseinheit des Fahrzeugs zu erhöhen.
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Im Besonderen wird die Wirkung der vorliegenden Erfindung bei Schnellbahnen und Fernzügen deutlich, wo Beschleunigung und Abbremsung weniger häufig sind und ein Fahren innerhalb eines vorgegebenen Geschwindigkeitsbereiches über einen langen Zeitraum fortgesetzt wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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1 ist eine Darstellung, die ein Ausgestaltungsbeispiel für eine Antriebseinheit eines Schienenfahrzeugs zeigt.
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2 ist eine Darstellung, die eine Beziehung zwischen Fahrposition des Fahrzeugs, Trägerfrequenz einer Stromrichtervorrichtung und Fahrzeuggeschwindigkeit zeigt.
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3 ist eine Darstellung, die eine Beziehung zwischen der Fahrtzeit des Fahrzeugs, der Trägerfrequenz der Stromrichtervorrichtung, der Fahrzeuggeschwindigkeit und einem Sekundärstrom des Transformators zeigt.
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4 ist eine Darstellung, die eine Beziehung zwischen Geschwindigkeit des Fahrzeugs, Antriebskraft des Fahrzeugs, Fahrwiderstand, den der Zug erfährt, und dem Sekundärstrom des Transformators zeigt.
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5 ist eine Darstellung, die eine Beziehung zwischen der Fahrposition des Fahrzeugs, der Trägerfrequenz der Stromrichtervorrichtung und der Fahrzeuggeschwindigkeit zeigt.
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6 ist eine Darstellung, die eine Beziehung zwischen der Geschwindigkeit des Fahrzeugs, der Antriebskraft des Fahrzeugs, dem Fahrwiderstand, den der Zug erfährt, und dem Sekundärstrom des Transformators zeigt.
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7 ist eine Darstellung, die eine Beziehung zwischen der Fahrposition des Fahrzeugs, der Trägerfrequenz der Stromrichtervorrichtung und der Fahrzeuggeschwindigkeit zeigt.
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Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
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Nun werden die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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Ausführungsform 1
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Eine erste Ausführungsform einer Antriebseinheit eines Schienenfahrzeugs gemäß der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf 1 und 2 beschrieben.
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1 veranschaulicht ein Ausgestaltungsbeispiel für eine Antriebseinheit eines Schienenfahrzeugs. Ein Transformator 3 ist über einen Stromabnehmer 2 mit einer Oberleitung 1 in Verbindung, um die Oberleitungsspannung herunterzutransformieren und eine Stromrichtervorrichtung 5 mit Einphasenwechselstrom zu versorgen. Ein Ende des Transformators 3 ist über Räder 4 mit einer Schiene in Verbindung. Die Stromrichtervorrichtung 5 wandelt die vom Transformator 3 erhaltene Einphasenwechselstromleistung in Gleichstromleistung um. Die Gleichstromseite der Stromrichtervorrichtung 5 ist über einen Kondensator 6 zur Spannungsstabilisierung an eine Wechselrichtervorrichtung 7 angeschlossen. Die Wechselrichtervorrichtung 7 wandelt die Gleichstrom-Abgabeleistung von der Stromrichtervorrichtung 5 in Drehstromleistung um und treibt einen Drehstrommotor 8 an.
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Ein erstes Spannungserfassungsmittel 9 erfasst die von der Oberleitung 1 an den Transformator 3 angelegte Spannung, wandelt die Spannung auf der Grundlage des Wicklungsverhältnisses des Transformators 3 in eine wechselstromseitige Spannung (Sekundärspannung) es der Stromrichtervorrichtung 5 um und gibt dieselbe aus. Das erste Spannungserfassungsmittel 9 kann die wechselstromseitige Sekundärspannung es der Stromrichtervorrichtung 5 auch direkt erfassen. Ein erstes Stromerfassungsmittel 10 erfasst den Sekundärstrom, der auf der Wechselstromseite der Stromrichtervorrichtung 5 fließt und gibt diesen aus.
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Ein zweites Spannungserfassungsmittel 11 erfasst eine Gleichspannung Ecf, nämlich die Spannung an beiden Enden des Kondensators 6, und gibt diese aus. Ein zweites Stromerfassungsmittel 12 erfasst die Drehstromanteile iu, iv und iw, die zum Drehstrommotor 8 fließen, und gibt diese aus. Ein Drehzahlerfassungsmittel 13 erfasst die Drehfrequenz Fr des Drehstrommotors 8.
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Eine Steuereinheit 14 betreibt die Stromrichtervorrichtung 5 so, dass die gleichstromseitige Spannung der Stromrichtervorrichtung 5 auf einen vorgegebenen Wert eingestellt wird, und betreibt gleichzeitig die Wechselrichtervorrichtung 7 so, dass ein Abtriebsmoment des Drehstrommotors 8 auf einen vorgegebenen Wert eingestellt wird, der dem Steuerbefehl entspricht, und basierend auf der Sekundärspannung es, dem Sekundärstrom is, der Gleichspannung Ecf, den Strömen iu, iv und iw, die in den Drehstrommotor 8 fließen, und der Drehfrequenz Fr gibt die Steuereinheit Gate-Ansteuerbefehle Gc und Gi zum Betätigen der Schaltelemente aus, aus denen der Stromrichter 5 bzw. der Wechselrichter 7 aufgebaut ist.
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2 ist eine Darstellung, die eine Beziehung zwischen Fahrstrecke und Trägerfrequenz einer Stromrichtervorrichtung, und eine Beziehung zwischen Fahrstrecke und Fahrzeuggeschwindigkeit zeigt. Die Darstellung der Beziehung zwischen Fahrstrecke und Fahrzeuggeschwindigkeit im unteren Teil von 2 zeigt eine Betriebskennlinie, bei der, nachdem das Fahrzeug ab einem Haltepunkt beschleunigt und eine erste Referenzgeschwindigkeit V1 erreicht hat, eine Geschwindigkeitsstabilisierungsoperation gestartet wird, und dann, wenn sich das Fahrzeug dem nächsten Haltepunkt nähert, das Fahrzeug abbremst, damit es an einer vorgegebenen Position anhält. Der hier verwendete Begriff Haltepunkt verweist auf einen Bahnhof, eine Zugangsstelle usw. Der hier verwendete Begriff Geschwindigkeitsstabilisierungsoperation verweist nicht zwangsläufig auf eine Operation zum Beibehalten einer konstanten Geschwindigkeit, sondern kann eine Operation einschließen, bei der die Fahrzeuggeschwindigkeit in einem vorgegebenen Bereich gehalten wird.
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Bei der vorliegenden Erfindung, wie in 2 gezeigt, wird zu einem Zeitpunkt X1, zu dem begonnen wird, die Geschwindigkeit des Fahrzeugs auf eine konstante Geschwindigkeit zu regeln, die bei der ersten Referenzgeschwindigkeit V1 liegt, eine Trägerfrequenz der Stromrichtervorrichtung von einer ersten Trägerfrequenz Fc1 auf eine zweite Trägerfrequenz Fc2 angehoben, wodurch eine Frequenz erhalten wird, die höher als die erste Trägerfrequenz ist. Bei einem Schienenfahrzeug wird dabei im Allgemeinen die Trägerfrequenz der Stromrichtervorrichtung 5 auf ein ungeradzahliges Vielfaches der Frequenz der Oberleitungsspannung festgelegt, sodass Fc1 und Fc2 ebenfalls jeweils als ungeradzahlige Vielfache der Frequenz der Oberleitungsspannung festgelegt werden.
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Übrigens, wenn die zweite Trägerfrequenz Fc2 hoch festgelegt wird, nähert sich der Strom einer verzerrungsfreien Sinuswelle an, sodass harmonische Komponenten im Stromfluss zwischen dem Transformator 3 und der Stromrichtervorrichtung 5 klein werden; und um den Oberschwingungsverlust zu verringern, der, verursacht durch die harmonischen Komponenten im Strom, durch einen Skin-Effekt in einer Transformatorwicklung auftritt, sollte die Frequenz Fc2 so hoch wie möglich sein. Andererseits erhöht sich die Schaltfrequenz der Stromrichtervorrichtung 5, wenn die Trägerfrequenz hoch festgesetzt wird, sodass der Schaltverlust des die Stromrichtervorrichtung 5 bildenden Halbleiters zunimmt. Deshalb wird der Betrag der durch den Oberschwingungsverlust in der Transformatorwicklung hervorgerufenen Verringerung, die ausschließlich durch die Trägerfrequenz, die Wandlerkonstante, die Oberleitungsspannung und die Gleichspannung an der Abgabeseite der Stromrichtervorrichtung bestimmt ist, vorab mit dem Betrag der Erhöhung durch den Schaltverlust in der Stromrichtervorrichtung 5 verglichen, und die Trägerfrequenz Fc2 wird vorab so festgelegt, dass der Betrag der Zunahme durch den entsprechenden Schaltverlust kleiner als der Betrag der Verringerung durch den Oberschwingungsverlust wird. Ferner wird die Trägerfrequenz Fc2 so festgelegt, dass der Gesamtverlust durch die Stromrichtervorrichtung 5 bei Durchführung einer Geschwindigkeitsstabilisierung bei der ersten Referenzgeschwindigkeit V1 nicht die Kühlleistung der Stromrichtervorrichtung 5 übersteigt.
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Ferner ist es dann, wenn die Hilfsstromquelle, die Strom für die Beleuchtung oder Klimatisierung des Fahrzeugs liefert, an die Gleichstromseite der Stromrichtervorrichtung 5 angeschlossen ist, vorzuziehen, die zweite Trägerfrequenz Fc2 unter zusätzlicher Berücksichtigung des durch die Stromrichtervorrichtung erzeugten Verlustes, der vom Betrag der Leistungsaufnahme der Hilfsstromquelle abhängt, festzulegen.
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Dabei kann beispielsweise ein Verfahren zum Durchführen einer Geschwindigkeitsstabilisierung der Fahrzeuggeschwindigkeit bei der ersten Referenzgeschwindigkeit V1 realisiert werden, beispielsweise durch ein Verfahren, bei dem von einem Führerstand aus ein Geschwindigkeitsstabilisierungsbefehl in die Steuereinheit 14 eingegeben wird und die Geschwindigkeit des Fahrzeugs und der Betrag der Änderung davon anhand der Drehfrequenz Fr des Drehstrommotors 8, von den Drehzahlerfassungsmitteln 13 erhalten, berechnet wird, darauf basierend berechnet wird, welches Drehmoment erforderlich ist, um mit der ersten Referenzgeschwindigkeit V1 zu fahren, und auf der Grundlage des berechneten Werts ein Drehmomentbefehl an die Wechselrichtervorrichtung 7 gesendet wird. Ferner kann der Zustand der Geschwindigkeitsstabilisierung daran festgestellt werden, ob vom Führerstand aus ein Geschwindigkeitsstabilisierungsbefehl in die Steuereinheit 14 eingegeben wurde oder nicht. Ferner kann als Bedingung festgelegt werden, ob die zeitliche Änderung der Geschwindigkeit des Fahrzeugs innerhalb eines vorgegebenen Bereiches, basierend auf der Drehfrequenz Fr, liegt.
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Als ein anderes Beispiel für eine Durchführung einer Geschwindigkeitsstabilisierung: Die Geschwindigkeitsstabilisierung kann auch so ausgeführt werden, dass es Beschleunigungs- und Bremssignale gibt, die erforderlich sind, um eine von einem Lok- bzw. Triebwagenführer vom Führerstand aus als Handsteuerungsbefehl in die Steuereinheit 14 eingegebene konstante Geschwindigkeit beizubehalten. In diesem Fall kann der Zustand, in dem die Geschwindigkeitsstabilisierung durchgeführt wird, anhand der Bedingung bestimmt werden, dass die vom Führerstand aus in die Steuereinheit 14 eingegebenen Beschleunigungs- und Bremssignale kleiner oder gleich einer vorgegebenen Beschleunigung und Abbremsung sind.
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Danach, an einem Punkt X2, an dem das Fahrzeug zum Haltepunkt hin abbremst, d. h. wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit in einem Zustand ist, in dem sie nicht auf die erste Referenzgeschwindigkeit V1 geregelt wird, wird die Trägerfrequenz der Stromrichtervorrichtung 5 von der zweiten Trägerfrequenz Fc2 auf die erste Trägerfrequenz Fc1 herabgesetzt.
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Wie beschrieben kann durch Anheben der Trägerfrequenz der Stromrichtervorrichtung 5, wenn das Fahrzeug mit einer auf einen konstanten Wert geregelten Geschwindigkeit fährt, das Verhältnis der harmonischen Komponenten zu den Grundwellenkomponenten des im Transformator fließenden Stroms verringert werden. Das hat zur Folge, dass der Schaltverlust der Stromrichtervorrichtung 5 zunimmt, jedoch der Oberschwingungsverlust, der im Wickeldraht des Transformators auftritt und einen großen Anteil des Verlusts ausmacht, niedrig gehalten werden kann und die Leistungsaufnahme der gesamten Antriebseinheit verringert werden kann.
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Ferner bewirkt die vorliegende Erfindung eine Verbesserung des Leistungsfaktors und eine Verringerung der Blindleistung in einem Zustand, in dem die Geschwindigkeit des fahrenden Fahrzeugs auf einen konstanten Wert geregelt wird, sodass eine Verringerung der Verluste und eine Verkleinerung des Transformators 3 ermöglicht werden.
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Ausführungsform 2
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Eine zweite Ausführungsform einer Antriebseinheit eines Schienenfahrzeugs gemäß der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf 3 und 4 beschrieben. Die vorliegende Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform 1 in dem Punkt, dass neben der Geschwindigkeit des Fahrzeugs der Betrag des Sekundärstroms des Transformators als Bedingung für ein Ändern der Trägerfrequenz der Stromrichtervorrichtung verwendet wird.
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3 zeigt, oben beginnend, die Beziehung zwischen Fahrstrecke und Trägerfrequenz einer Stromrichtervorrichtung, die Beziehung zwischen der Fahrstrecke und der Fahrzeuggeschwindigkeit und die Beziehung zwischen der Fahrstrecke und einem Sekundärstrom des Transformators 5. Die Betriebskennlinie in 3 zeigt ein Beispiel, in dem, nachdem das Fahrzeug ab dem Haltepunkt beschleunigt und die erste Referenzgeschwindigkeit V1 erreicht hat, eine Geschwindigkeitsstabilisierungsoperation gestartet wird. Danach wird das Fahrzeug, wenn es sich dem nächsten Haltepunkt nähert, abgebremst, damit es an einer vorgegebenen Position anhält. Der Begriff Haltepunkt kann auf einen Bahnhof, eine Zugangsstelle usw. verweisen. Der Begriff Geschwindigkeitsstabilisierungsoperation verweist nicht zwangsläufig auf eine Operation zum Beibehalten einer konstanten Geschwindigkeit, sondern kann eine Operation einschließen, bei der die Fahrzeuggeschwindigkeit in einem vorgegebenen Bereich gehalten wird.
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4 veranschaulicht eine Beziehung zwischen der Geschwindigkeit des Fahrzeugs und der Antriebskraft, die Beziehung zwischen der Geschwindigkeit des Fahrzeugs und der Fahrstrecke und die Beziehung zwischen der Geschwindigkeit des Fahrzeugs und dem Sekundärstrom des Transformators 3. In 4 zeigt, was die Antriebskraft anbelangt, Antriebskraft A eine Beziehung zwischen der Antriebskraft und der Geschwindigkeit, die der Höchstleistung des Fahrzeugs entspricht, wobei der Sekundärstrom des Transformators 3 zu dieser Zeit als Sekundärstrom A veranschaulicht ist. Genauso veranschaulicht Antriebskraft B ein Beispiel für eine Antriebskraftkennlinie in einem Fall, in dem die Leistung des Fahrzeugs gedrosselt worden ist, wobei der Sekundärstrom des Transformators 3 zu dieser Zeit als Sekundärstrom B veranschaulicht ist.
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Ferner veranschaulicht 4 einen Fahrwiderstand 1 und einen Fahrwiderstand 2 als die zwei Typen von Fahrwiderständen, während der Zug fährt. Im Allgemeinen verweist „Fahrwiderstand“ auf eine Summe aus einem Luftwiderstand des Fahrzeugs, einem Kurvenwiderstand, während das Fahrzeug eine Kurve durchfährt, und beispielsweise einer Steigung bzw. einem Gefälle. In der vorliegenden Beschreibung wird ein Beispiel erläutert, in dem der Fahrwiderstand auf einer ebenen Strecke, die von einem Tunnel verschieden ist, als Fahrwiderstand 1 bezeichnet wird und der Fahrwiderstand auf einer ebenen Strecke in einem Tunnel als Fahrwiderstand 2 bezeichnet wird. In diesem Beispiel wird ein Fahrwiderstand des Fahrwiderstandes 1 bei der Referenzgeschwindigkeit V1 mit R1 bezeichnet, und die Stärke des Sekundärstroms des Transformators 3, damit das Fahrzeug mit einer konstanten Referenzgeschwindigkeit fährt, wird mit It1 bezeichnet. Genauso wird ein Fahrwiderstand des Fahrwiderstandes 2 bei einer Referenzgeschwindigkeit V1 mit R2 bezeichnet, und die Stärke des Sekundärstroms des Transformators wird mit It2 bezeichnet.
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Bei der vorliegenden Erfindung, wie in 3 gezeigt, wird zu einem Zeitpunkt X1, wenn die Geschwindigkeit des Fahrzeugs beginnt, konstant auf die erste Referenzgeschwindigkeit V1 geregelt zu werden, die Trägerfrequenz der Stromrichtervorrichtung 5 von der ersten Trägerfrequenz Fc1 auf die zweite Trägerfrequenz Fc2 angehoben. Wenn jedoch das Fahrzeug, das einer Geschwindigkeitsreglung unterworfen ist und mit einer konstanten Referenzgeschwindigkeit V1 fährt, in einen Tunnel einfährt, erhöht sich der Fahrwiderstand von R1 auf R2, sodass für ein Fahren bei Beibehaltung der Referenzgeschwindigkeit V1 der Sekundärstrom des Transformators 3 von It1 auf It2 erhöht werden muss. Übrigens, da die Wagen einer Zugzusammenstellung beginnend mit dem vorderen Wagen nacheinander in den Tunnel einfahren, ändert sich der entsprechende Stromwert allmählich von It1 auf It2.
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Wenn sich der Sekundärstrom des Transformators 3 von It1 auf It2 erhöht, wenn die Trägerfrequenz der Stromrichtervorrichtung 5 auf Fc2 gesetzt wird, nimmt der durch den Schaltvorgang der Stromrichtervorrichtung 5 hervorgerufene Verlust zu und kann die Kühlleistung der Stromrichtervorrichtung 5 übersteigen. Deshalb wird, wenn sich der Stromwert von It1 auf It2 ändert, im Punkt X2, bei dem der Vergleichsstromwert I1 überschritten wird, die Trägerfrequenz der Stromrichtervorrichtung 5 von der zweiten Trägerfrequenz Fc2 auf die erste Trägerfrequenz Fc1 abgesenkt.
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Danach, wenn der Zug eine Tunnelstrecke durchfährt, verringert sich der Fahrwiderstand von R2 auf R1 und der Zug behält während der Fahrt die Referenzgeschwindigkeit V1 bei, sodass sich der erforderliche Sekundärstrom des Transformators 3 von It2 zu It1 ändert und der Verlust, mit dem der Schaltvorgang der Stromrichtervorrichtung 5 einhergeht, ebenfalls verringert wird. Deshalb wird im Punkt X3, wo der Stromwert, der sich von It2 zu It1 geändert hatte, unter den Vergleichsstromwert I2 absinkt, die Trägerfrequenz der Stromrichtervorrichtung 5 wieder von der ersten Trägerfrequenz Fc1 auf die zweite Trägerfrequenz Fc2 angehoben, wodurch der Oberschwingungsverlust des Transformators 3 verringert wird.
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Die Trägerfrequenz Fc2 wird vorab so festgelegt, dass der Betrag einer Zunahme des Schaltverlusts der Stromrichtervorrichtung 5, die auftritt, wenn eine Geschwindigkeitsstabilisierung bei der ersten Referenzgeschwindigkeit V1 erfolgt, kleiner als der Betrag der durch den Oberschwingungsverlust in der Transformatorwicklung verursachten Verringerung wird. Ferner wird bei Durchführung einer Geschwindigkeitsstabilisierung bei der ersten Referenzgeschwindigkeit V1 die Trägerfrequenz Fc2 so festgelegt, dass der Gesamtverlust, der in der Stromrichtervorrichtung 5 auftritt, nicht die Kühlleistung der Stromrichtervorrichtung 5 übersteigt, und wenn die Vergleichsstromwerte I1 und I2 festgelegt werden, sollten sie ebenso gemäß dem Verlust der Stromrichtervorrichtung 5 festgelegt werden. Wenn eine Hilfsstromquelle, die Strom für die Beleuchtung oder Klimatisierung des Fahrzeugs liefert, an die Gleichstromseite der Stromrichtervorrichtung 5 angeschlossen ist, dann ist es vorzuziehen, die zweite Trägerfrequenz Fc2 und die Vergleichsstromwerte I1 und I2 unter Berücksichtigung des Verlusts festzulegen, der entsprechend dem Betrag der von der Hilfsstromquelle aufgenommenen Leistung in der Stromrichtervorrichtung 5 auftritt.
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Wie beschrieben, wird es durch Beurteilen des Anstiegs der Trägerfrequenz auf der Grundlage der Geschwindigkeit und des Sekundärstroms des Fahrzeugs möglich zu verhindern, dass der Sekundärstrom bei der Geschwindigkeit V1 aufgrund der Gleisbedingungen größer als gemäß dem Unterschied beim Fahrwiderstand angenommen wird und dass der Betrag der Zunahme des Schaltverlusts der Stromrichtervorrichtung, wenn die Trägerfrequenz auf Fc2 angehoben wird, den Betrag der Verringerung des Oberschwingungsverlusts in der Transformatorwicklung übersteigt, und außerdem zu verhindern, dass der Gesamtverlust der Stromrichtervorrichtung 5 die Toleranz der Kühlleistung der Stromrichtervorrichtung 5 übersteigt, während die Wirkung der vorliegenden Erfindung erzielt wird.
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Ausführungsform 2 beschreibt einen Fall, in dem das Fahrzeug nur eine Tunnelstrecke durchfährt, jedoch ist die Anzahl der Tunnelstrecken, die das Fahrzeug durchfährt, nicht auf eine beschränkt. Die Tunnelstrecke wurde als Ursache für die Änderung des Fahrwiderstandes vom Fahrwiderstand 1 zum Fahrwiderstand 2 dargestellt, jedoch können auch andere Ursachen, wie Steigungen oder Gefälle, Kurvenwiderstand beim Durchfahren einer Kurve, Luftwiderstand usw. eine Änderung des Fahrwiderstandes bewirken.
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Ferner beschreibt Ausführungsform 2 einen Fall, in dem sich der Fahrwiderstand durch Zunahme von einem ersten Fahrwiderstand 1 zu einem Fahrwiderstand 2 ändert und die Stärke des Sekundärstroms des Transformators 3 zunimmt, jedoch ist die vorliegende Ausführungsform nicht auf das Beispiel beschränkt, in dem sich der Fahrwiderstand erhöht. Beispielsweise bei einem Gefälle nimmt der Fahrwiderstand ab und fällt auf einen negativen Wert, sodass, wenn das Fahrzeug unter Verwendung einer regenerativen Bremse abgebremst wird, um die Fahrzeuggeschwindigkeit zu erhöhen, der Sekundärstrom des Transformators 3 weiterhin fließt. Der Betrag des Stroms wird in Reaktion auf das Gefälle geändert.
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Ausführungsform 3
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Eine dritte Ausführungsform einer Antriebseinheit eines Schienenfahrzeugs gemäß der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf 5 und 6 beschrieben. Ausführungsform 3 unterscheidet sich von Ausführungsform 1 darin, dass ein Fall hinzugenommen wurde, in dem die Trägerfrequenz der Stromrichtervorrichtung nicht gemäß der konstant geregelten Geschwindigkeit geändert wird.
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5 ist eine Darstellung, die die Beziehung zwischen der Fahrstrecke und der Trägerfrequenz der Stromrichtervorrichtung sowie die Beziehung zwischen der Fahrstrecke und der Fahrzeuggeschwindigkeit zeigt. 5 stellt eine Betriebskennlinie dar, bei der nach einem Beschleunigen des Fahrzeugs ab dem Haltepunkt auf die erste Referenzgeschwindigkeit V1A bei der Geschwindigkeit V1A über eine Geschwindigkeitsstabilisierungsstrecke A eine Geschwindigkeitsstabilisierung durchgeführt wird. Danach wird das Fahrzeug auf die nächste erste Referenzgeschwindigkeit V1B beschleunigt und bei der Geschwindigkeit V1B wird über eine Geschwindigkeitsstabilisierungsstrecke B eine Geschwindigkeitsstabilisierung durchgeführt. Anschließend wird das Fahrzeug, wenn es sich dem nächsten Haltepunkt nähert, abgebremst, um es an der vorgegebenen Position anzuhalten. Der hier beschriebene Haltepunkt kann ein Bahnhof, eine Zugangsstelle usw. sein.
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6 ist eine Darstellung, die die Beziehung zwischen Geschwindigkeit und Antriebskraft des Fahrzeugs, die Beziehung zwischen Geschwindigkeit und Fahrwiderstand des Fahrzeugs und die Beziehung zwischen Geschwindigkeit des Fahrzeugs und einem Sekundärstrom des Transformators 3 zeigt. In 4 zeigt, was die Antriebskraft anbelangt, Antriebskraft A die Beziehung zwischen der maximalen Antriebskraft und der Geschwindigkeit des Fahrzeugs, wobei der Strom des Transformators 3 zu dieser Zeit als Sekundärstrom A bezeichnet ist. Genauso veranschaulicht Antriebskraft B ein Beispiel für eine Zugkraftkennlinie in dem Fall, in dem die Leistung des Fahrzeugs gedrosselt worden ist, wobei der Sekundärstrom des Transformators 3 zu dieser Zeit als Sekundärstrom B bezeichnet ist.
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Im Allgemeinen verweist „Fahrwiderstand eines Fahrzeugs“ auf eine Summe aus einem Luftwiderstand des Fahrzeugs, einem Kurvenwiderstand, während das Fahrzeug eine Kurve durchfährt, und beispielsweise einer Steigung bzw. einem Gefälle. Wie in 6 gezeigt, wenn das Fahrzeug auf einem Gleis fährt, dessen Fahrwiderstand durch eine Geschwindigkeitskennlinie beim Fahrwiderstand 1 dargestellt ist, ist der Fahrwiderstand bei der ersten Referenzgeschwindigkeit V1A als R1A bezeichnet und der Fahrwiderstand bei der darauffolgenden ersten Referenzgeschwindigkeit V1B ist als R1B bezeichnet. Außerdem ist ein Betrag des Sekundärstroms des Transformators 3 bei konstantem Fahren mit der Referenzgeschwindigkeit V1A als ItA bezeichnet, und genauso ist ein Betrag des Sekundärstroms des Transformators bei konstantem Fahren mit der Referenzgeschwindigkeit V1B als ItB bezeichnet.
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Bei der vorliegenden Erfindung wird, wie in 5 gezeigt, zum Zeitpunkt X1, zu dem die Geschwindigkeitsstabilisierung des Fahrzeugs bei der anfänglichen, ersten Referenzgeschwindigkeit V1A beginnt, die Trägerfrequenz der Stromrichtervorrichtung 5 von der ersten Trägerfrequenz Fc1 auf die zweite Trägerfrequenz Fc2 angehoben. Im Punkt X2, der dem Ende der Geschwindigkeitsstabilisierungsstrecke A entspricht, bei der konstant auf die Referenzgeschwindigkeit V1a geregelt wird, wird das Fahrzeug nochmal beschleunigt. Dabei wird die Geschwindigkeit des Fahrzeugs nicht auf einen konstanten Wert geregelt, sodass die Trägerfrequenz der Stromrichtervorrichtung 5 von der zweiten Trägerfrequenz Fc2 auf die erste Trägerfrequenz Fc1 gesetzt wird.
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Danach, im Punkt X3, erreicht das Fahrzeug die Geschwindigkeit V1B, und das Fahrzeug fährt mit dieser Geschwindigkeit über die Geschwindigkeitsstabilisierungsstrecke B. Im Vergleich zum Fahrwiderstand R1A, wobei das Fahrzeug konstant auf die Referenzgeschwindigkeit V1a geregelt wird, ist jedoch die Geschwindigkeit auf die Referenzgeschwindigkeit V1B erhöht und in Abhängigkeit davon ist auch der Fahrwiderstand auf den Fahrwiderstand R1B erhöht. Dementsprechend muss auch der Sekundärstrom des Transformators 3 vom Strom ItA auf ItB erhöht werden, wenn das Fahrzeug die Geschwindigkeitsstabilisierungsstrecke B unter Beibehaltung der Referenzgeschwindigkeit V1B durchfährt. Wenn sich der Sekundärstrom des Transformators 3 von ItA auf ItB erhöht, wenn die Trägerfrequenz der Stromrichtervorrichtung 5 auf Fc2 gesetzt wird, nimmt der Verlust des Schaltelements der Stromrichtervorrichtung 5 zu und kann die Kühlleistung der Stromrichtervorrichtung 5 übersteigen. Deshalb fährt das Fahrzeug auf der Geschwindigkeitsstabilisierungsstrecke B mit einer Trägerfrequenz der Stromrichtervorrichtung 5, die noch auf die erste Trägerfrequenz Fc1 festgelegt ist.
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Deshalb sollte in einem Fall, in dem eine zweite Referenzgeschwindigkeit, bei der es dem Fahrzeug möglich ist, mithilfe einer Geschwindigkeitsstabilisierung zu fahren, nachdem die Trägerfrequenz der Stromrichtervorrichtung 5 auf die zweite Trägerfrequenz Fc2 angehoben worden ist, auf V2 festgelegt ist und die stabilisierte Geschwindigkeit auf eine Referenzgeschwindigkeit V2B festgelegt ist, das Fahrzeug ohne Änderung der Trägerfrequenz der Stromrichtervorrichtung 5 in einem Zustand fahren, in dem die Referenzgeschwindigkeit V2B größergleich der zweiten Referenzgeschwindigkeit V2 ist, und das Fahrzeug sollte mit der auf die zweite Trägerfrequenz Fc2 angehobenen Trägerfrequenz fahren und zwar in einem Zustand, in dem die Geschwindigkeit V2B kleiner als die Referenzgeschwindigkeit V2 ist.
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Die Trägerfrequenz Fc2 wird vorab so festgelegt, dass dann, wenn die Geschwindigkeit bei der zweiten Referenzgeschwindigkeit V2 stabilisiert wird, die Zunahme des Schaltverlusts der Stromrichtervorrichtung 5 kleiner als der Betrag der Verringerung des Oberschwingungsverlusts in der Transformatorwicklung wird. Ferner sollte der Verlust, der durch die bei der Trägerfrequenz Fc2 arbeitende Stromrichtervorrichtung 5 entsteht, so eingestellt werden, dass er der Kühlleistung der Stromrichtervorrichtung 5 entspricht. Außerdem, wenn die Hilfsstromquelle, die Strom für die Beleuchtung oder Klimatisierung des Fahrzeugs liefert, an die Gleichstromseite der Stromrichtervorrichtung 5 angeschlossen ist, sollte die zweite Trägerfrequenz Fc2 unter Berücksichtigung des Verlusts festgelegt werden, der durch die Stromrichtervorrichtung 5 entsprechend dem Betrag der von der Hilfsstromquelle aufgenommenen Leistung entsteht.
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Wie beschrieben, wird es durch Beurteilen des Anstiegs der Trägerfrequenz auf der Grundlage der Geschwindigkeit des Fahrzeugs möglich, während der Referenzgeschwindigkeit V1B zu verhindern, dass der Sekundärstrom größer wird als angenommen, nämlich aufgrund der Änderung beim Fahrwiderstand bei der konstant geregelten Geschwindigkeit, und den Betrag der Zunahme des Schaltverlusts der Stromrichtervorrichtung 5 übersteigt, wenn die Trägerfrequenz auf Fc2 angehoben wird, d. h. den Betrag der Verringerung des Oberschwingungsverlusts in der Transformatorwicklung übersteigt, und ferner zu verhindern, dass der Gesamtverlust der Stromrichtervorrichtung 5 die Toleranz der Kühlleistung der Stromrichtervorrichtung 5 übersteigt, während die Wirkung der vorliegenden Erfindung erzielt wird.
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In Ausführungsform 3 wurde die erste Referenzgeschwindigkeit als zwei verschiedene Geschwindigkeiten, nämlich Geschwindigkeit V1A und Geschwindigkeit V1B, umfassend beschrieben, doch die Anzahl erster Referenzgeschwindigkeiten, die als konstante Geschwindigkeiten geregelt werden, ist nicht darauf beschränkt.
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Ausführungsform 4
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Eine vierte Ausführungsform einer Antriebseinheit eines Schienenfahrzeugs gemäß der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf 7 beschrieben. Der Unterschied zwischen Ausführungsform 4 und Ausführungsform 1 ist, dass auch eine Referenzgeschwindigkeitsabweichung von einer konstant geregelten Geschwindigkeit eines Fahrzeugs als Bedingung für ein Ändern der Trägerfrequenz der Stromrichtervorrichtung verwendet wird.
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7 ist eine Darstellung, die die Beziehung zwischen Fahrstrecke und Trägerfrequenz der Stromrichtervorrichtung sowie die Beziehung zwischen Fahrstrecke und Fahrzeuggeschwindigkeit zeigt. 7 zeigt eine Betriebskennlinie, bei der, nachdem das Fahrzeug ab dem Haltepunkt die erste Referenzgeschwindigkeit V1 erreicht hat, im Rahmen der Geschwindigkeitsstabilisierungsstrecke eine Geschwindigkeitsstabilisierung gestartet wird. Wenn es sich dem nächsten Haltepunkt nähert, bremst das Fahrzeug, um an einer vorgegebenen Position anzuhalten. Der Begriff Haltepunkt kann auf einen Bahnhof, eine Zugangsstelle usw. verweisen.
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Normalerweise ändert sich, wenn das Fahrzeug fährt, ständig der Fahrwiderstand in Abhängigkeit von Geschwindigkeit und Gleisbedingungen. Vor allem bei einem Gleis mit vielen Steigungs- bzw. Gefällstrecken und Tunneln, die Ursachen von signifikanten Änderungen des Fahrwiderstandes sind, kann, auch wenn die Steuereinheit 14 Befehle an die Wechselrichtervorrichtung 7 sendet, um eine konstante Referenzgeschwindigkeit V1 als Sollgeschwindigkeit zu verwirklichen, in Abhängigkeit von diesen Widerständen die Geschwindigkeit des Fahrzeugs aufgrund der Verzögerung bei darauf folgenden Befehlen usw. verschieden sein. In 7 wird das Fahrzeug mit einer als Soll festgelegten konstanten Bezugsgeschwindigkeit V1 geregelt, wobei die Geschwindigkeit des Fahrzeugs auf der Geschwindigkeitsstabilisierungsstrecke im Wesentlichen auf die Referenzgeschwindigkeit V1 ± ΔV, bei einer Referenzgeschwindigkeitsabweichung ΔV, geregelt wird.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung, wie in 7 gezeigt, wird im Punkt X1, dem die Geschwindigkeitsstabilisierung des Fahrzeugs bei der anfänglichen, ersten Referenzgeschwindigkeit V1 beginnt, die Trägerfrequenz der Stromrichtervorrichtung 5 von der ersten Trägerfrequenz Fc1 auf die zweite Trägerfrequenz Fc2 angehoben.
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Übrigens, wenn das Fahrzeug vom Punkt X1 zum Punkt X2 fährt, weicht die Geschwindigkeit nur innerhalb des Bereiches der Referenzgeschwindigkeitsabweichung ± ΔV von der Referenzgeschwindigkeit V1 ab. Auf der Strecke vom Punkt X2 zum Punkt X3 ist jedoch die Geschwindigkeitsabweichung des Fahrzeugs so groß, dass V1 + ΔV überschritten wird. Dagegen ist auf der nachfolgenden Strecke vom Punkt X3 zum Punkt X4 die Geschwindigkeit des Fahrzeugs innerhalb des Bereiches V1 ± ΔV, doch was die nächste Strecke vom Punkt X4 zum Punkt X5 anbelangt, so fällt die Geschwindigkeit unter die Fahrzeuggeschwindigkeit V1 – ΔV. Ebenso wird auf der nächsten Strecke vom Punkt X5 zum Punkt X6 die Geschwindigkeit des Fahrzeugs so geregelt, dass sie innerhalb des Bereiches V1 ± ΔV ist.
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Wenn die Geschwindigkeitsschwankung des Fahrzeugs signifikant ist, obwohl das Fahrzeug konstant auf Referenzgeschwindigkeit geregelt wird, kann eine mögliche Ursache sein, dass sich der Fahrwiderstand signifikant ändert. In diesem Fall wird, wenn der Fahrwiderstand hoch ist, ähnlich dem Fall der vorhergehenden Ausführungsformen 2 und 3, der Sekundärstrom des Transformators 3 zunehmen, sodass, wenn die Trägerfrequenz der Stromrichtervorrichtung 5 auf Fc2 gesetzt wird, der Verlust des Schaltelements der Stromrichtervorrichtung 5 zunimmt und die Kühlleistung der Stromrichtervorrichtung 5 übersteigen kann.
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Deshalb wird gemäß der vorliegenden Erfindung auf der Geschwindigkeitsstabilisierungsstrecke vom Punkt X1 zum Punkt X5, wo die Geschwindigkeit des Fahrzeugs auf einen konstanten Wert geregelt werden soll, die Trägerfrequenz der Stromrichtervorrichtung 5 auf eine zweite Referenzfrequenz Fc2 gesetzt; wenn jedoch ein Unterschied auftritt, der größergleich der Referenzabweichung ± ΔV von der ersten Referenzgeschwindigkeit V1 ist, beispielsweise vom Punkt X2 bis zum Punkt X3 und vom Punkt X4 bis zum Punkt X5, wird die Einstellung der Trägerfrequenz von der zweiten Referenzfrequenz Fc2 auf die erste Referenzfrequenz Fc1 geändert.
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Die Trägerfrequenz Fc2 wird vorab so festgelegt, dass der Betrag einer Zunahme des Schaltverlusts der Stromrichtervorrichtung 5 kleiner als der Betrag der Verringerung des Oberschwingungsverlusts in der Transformatorwicklung wird, und zwar auch in einem Fall, in dem sich die Geschwindigkeit auf V1 ± ΔV in Bezug auf die erste Referenzgeschwindigkeit V1, den Sollwert der Regelung, ändert. Ferner sollte der Verlust, der in der Stromrichtervorrichtung 5 auftritt, so eingestellt sein, dass er die Kühlleistung der Stromrichtervorrichtung 5 nicht übersteigt. Des Weiteren sollte, wenn die Hilfsstromquelle, die Strom für die Beleuchtung oder Klimatisierung des Fahrzeugs liefert, an die Gleichstromseite der Stromrichtervorrichtung 5 angeschlossen ist, die Trägerfrequenz Fc2 unter Berücksichtigung des Verlusts festgelegt werden, der in der Stromrichtervorrichtung 5 durch den Betrag der von der Hilfsstromquelle aufgenommenen Leistung entsteht.
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Wie beschrieben, wird es durch Festlegen des Anstiegs der Trägerfrequenz auf der Grundlage auch der Schwankung der Fahrzeuggeschwindigkeit möglich zu verhindern, dass der Sekundärstrom des Transformators 3 größer wird als angenommen, nämlich aufgrund des Unterschieds bei den Fahrwiderständen durch Gleisbedingungen, und den Schaltverlust der Stromrichtervorrichtung, wenn die Trägerfrequenz auf Fc2 angehoben wird, übersteigt und den Betrag der Verringerung des Oberschwingungsverlusts der Transformatorwicklung übersteigt, und ferner zu verhindern, dass der Gesamtverlust der Stromrichtervorrichtung 5 die Toleranz der Kühlleistung der Stromrichtervorrichtung 5 übersteigt, während die Wirkung der vorliegenden Erfindung erzielt wird.
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In Ausführungsform 4 wurde als Strecke mit übermäßiger Geschwindigkeitsabweichung im Rahmen der Geschwindigkeitsstabilisierungsstrecke eine Strecke vom Punkt X1 zum Punkt X2 stellvertretend für die Strecke beschrieben, bei der die Geschwindigkeit des Fahrzeugs V1 + ΔV übersteigt, und eine Strecke vom Punkt X4 zum Punkt X5 wurde stellvertretend für die Strecke beschrieben, in der die Geschwindigkeit des Fahrzeugs unter V1 – ΔV fällt, doch dies beschränkt nicht die in der Geschwindigkeitsstabilisierungstrecke enthaltene Anzahl Strecken mit übermäßiger Geschwindigkeitsabweichung.
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Im technischen Bereich Schienenfahrzeuge kommen Untersuchungen nicht nur zur Einsparung von Energie bei den entsprechenden Vorrichtungen voran, wie etwa durch Einführen eines Hochfrequenzmotors oder eines verlustarmen IGBT-Moduls, sondern auch zu einem effektiven Steuerungsverfahren zur Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades sämtlicher Vorrichtungen, die den Hauptstromkreis bilden. Die vorliegende Erfindung betrifft ein Mittel zum Reduzieren der Leistungsaufnahme, das unabhängig von der Frequenz der Oberleitung bei Wechselstromfahrzeugen angewendet werden kann, was eine nützliche Technik zur weiteren Verbesserung hinsichtlich Energieeinsparung bei Schienenfahrzeugen ist.
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Ausführungsform 5
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Es wird nun eine fünfte Ausführungsform der Antriebseinheit eines Schienenfahrzeugs gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Der Unterschied zwischen Ausführungsform 5 und Ausführungsform 1 besteht darin, dass als Bedingung für eine Änderung der Trägerfrequenz der Stromrichtervorrichtung verwendet wird, ob sich das Fahrzeug in einem Stoppzustand befindet. Die übrigen Ausgestaltungen sind die gleichen wie in Ausführungsbeispiel 1.
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In der vorliegenden Ausführungsform ist eine Hilfsstromquelle, die Strom für die Beleuchtung oder Klimatisierung des Fahrzeugs liefert, in der in 1 gezeigten Antriebseinheit eines Schienenfahrzeugs an die Gleichstromseite der Stromrichtervorrichtung 5 angeschlossen. Bei einer solchen Antriebseinheit wird, wenn das Schienenfahrzeug an einem Bahnhof u. Ä. hält, der Drehstrommotor nicht mit Strom versorgt, jedoch wird die für Beleuchtung und Klimatisierung benötigte Leistung von der Stromrichtervorrichtung an die Hilfsstromquelle geliefert.
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Die von der Stromrichtervorrichtung an die Hilfsstromquelle abgegebene Leistung ist verglichen mit der von der Stromrichtervorrichtung an die Wechselrichtervorrichtung abgegebene Leistung zum Antreiben des Schienenfahrzeugs verhältnismäßig gering. Deshalb wird diese geringe Leistung verwendet, um den Stoppzustand des von der Stromrichtervorrichtung gespeisten Schienenfahrzeugs festzustellen, und die Trägerfrequenz der Stromrichtervorrichtung wird von der Trägerfrequenz Fc1 auf die Trägerfrequenz Fc2 angehoben. Ferner wird in dem Stadium, in dem das Schienenfahrzeug aus dem Stoppzustand in den Fahrzustand übergeht, die Trägerfrequenz der Stromrichtervorrichtung von der Trägerfrequenz Fc2 auf die Trägerfrequenz Fc1 herabgesetzt. Durch derartiges Schalten der Trägerfrequenz kann das Verhältnis der harmonischen Komponenten zur Grundwellenkomponente des zum Transformator fließenden Stroms verringert werden. Das hat zur Folge, dass der Schaltverlust der Stromrichtervorrichtung 5 zunimmt, jedoch der Oberschwingungsverlust, der im Wickeldraht des Transformators entsteht und einen großen Anteil des Verlusts ausmacht, niedrig gehalten werden kann und die Leistungsaufnahme der Antriebseinheit des Fahrzeugs verringert werden kann.
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Hier kann der Stoppzustand des Schienenfahrzeugs festgestellt werden, wenn die Geschwindigkeit des Fahrzeugs nahe null ist, nämlich auf der Grundlage der Drehzahl Fr des Drehstrommotors 8, oder der Stoppzustand kann festgestellt werden, wenn der Befehl zum Versetzen der Tür in einen geöffneten Zustand vom Führerstand aus ausgegeben wird.
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Die Trägerfrequenz Fc2 wird vorab so festgelegt, dass der Betrag einer Zunahme des Schaltverlusts der Stromrichtervorrichtung 5 kleiner als der Betrag der Verringerung des Oberschwingungsverlusts in der Transformatorwicklung wird, wenn das Fahrzeug bei der ersten Referenzgeschwindigkeit V1 stabilisiert bzw. auf eine konstante Geschwindigkeit geregelt wird. Ferner wird die Trägerfrequenz Fc2 so festgelegt, dass dann, wenn sich das Schienenfahrzeug in einem Stoppzustand befindet, der Gesamtverlust durch die Stromrichtervorrichtung 5 nicht die Kühlleistung der Stromrichtervorrichtung 5 übersteigt.
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Wie beschrieben, kann durch Festlegen der Erhöhung der Trägerfrequenz basierend darauf, ob sich das Schienenfahrzeug in einem Stoppzustand befindet oder nicht, verhindert werden, dass der Betrag der Erhöhung des Schaltverlusts der Stromrichtervorrichtung, wenn die Trägerfrequenz auf Fc2 erhöht wird, den Betrag der Verringerung des Oberschwingungsverlusts in der Transformatorwicklung übersteigt, und es kann verhindert werden, dass der Gesamtverlust der Stromrichtervorrichtung 5 die Toleranz der Kühlleistung der Stromrichtervorrichtung 5 übersteigt, während die Wirkung der vorliegenden Erfindung erzielt wird.
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Merkmale, Komponenten und spezifische Einzelheiten der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen können ausgetauscht oder kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen zu bilden, die für die jeweilige Anwendung optimiert sind. Soweit diese Abwandlungen für einen Fachmann offensichtlich sind, sollen sie als durch die vorstehende Beschreibung implizit offenbart gelten, ohne dass explizit jede mögliche Kombination angegeben wurde.
