DE102016202419B4

DE102016202419B4 - Eisenbahnfahrzeug-antriebssystem

Info

Publication number: DE102016202419B4
Application number: DE102016202419.1A
Authority: DE
Inventors: Tetsu SUGIURA; Yuichiro Nozaki; Shuuichi Tachihara; Masataka Ayata
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2015-02-17
Filing date: 2016-02-17
Publication date: 2023-04-20
Anticipated expiration: 2036-02-18
Also published as: JP6349269B2; GB201602392D0; CN105897023B; DE102016202419A1; GB2537020A; GB2537020B; CN105897023A; JP2016152665A

Abstract

Fahrzeugantriebssystem für ein Fahrzeug, welches sowohl auf einem Schienenweg mit einer ersten Oberleitung (24), welche eine erste einphasige Wechselstromleistung liefert, als auch auf einem Schienenweg mit einer zweiten Oberleitung (25), welche eine zweite einphasige Wechselstromleistung mit einer höheren Frequenz als einer Frequenz der ersten einphasigen Wechselstromleistung liefert, fährt, wobei das Fahrzeugantriebssystem enthält:eine erste Stromrichtvorrichtung (5), welche so konfiguriert ist, dass sie eine aus der ersten Oberleitung (24) oder der zweiten Oberleitung (25) gelieferte einphasige Wechselstromleistung in eine Gleichstromleistung umwandelt und die Gleichstromleistung in eine Gleichstromleitung ausgibt;eine zweite Stromrichtvorrichtung (9), welche so konfiguriert ist, dass sie die Gleichstromleistung, welche in die Gleichstromleitung ausgegeben wurde, in eine dreiphasige Wechselstromleistung umwandelt;einen Motor (11) zum Antreiben des Fahrzeugs, wobei der Motor (11) mit der dreiphasigen Wechselstromleistung versorgt wird;eine Resonanzsperre (6; 12; 13), welche parallel zur ersten Stromrichtvorrichtung (5) in die Gleichstromleitung geschaltet ist, wobei die Resonanzsperre (6; 12; 13) einen Resonanzpunkt in einem Frequenzband hat, welches das Doppelte der Frequenz der ersten einphasigen Wechselstromleistung ist;einen Spannungsdetektor (7), welcher so konfiguriert ist, dass er eine Spannung der Gleichstromleitung erfasst; und eine Pulsierunterdrückungsvorrichtung, welche so konfiguriert ist, dass sie eine Ausgabe aus der zweiten Stromrichtvorrichtung (9) je nach einem durch den Spannungsdetektor (7) gewonnenen Erfassungswert (Ed) steuert, um ein der dreiphasigen Wechselstromleistung überlagertes Pulsieren zu unterdrücken.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Antriebssystem eines Eisenbahnfahrzeugs. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Steuerungstechnik zum Unterdrücken eines Schwebungsphänomens, welches in einem Hauptumrichter eines Wechselstrom-Elektrofahrzeugs auftritt.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Ein Antriebssystem eines Eisenbahnfahrzeugs, welches mit Eingangsleistung aus einer Wechselstrom-Oberleitung versorgt wird, enthält einen Umrichter zum Umwandeln einer einphasigen Wechselstromleistung in eine Gleichstromleistung, einen Wechselrichter zum Umwandeln der Gleichstromleistung, welche aus dem Umrichter ausgegeben wird, in eine dreiphasige Wechselstromleistung mit einer festgesetzten Frequenz und einen durch die Wechselstromleistung, welche aus dem Wechselrichter ausgegeben wird, angetriebenen Haupt-Elektromotor. Eine den Umrichter und den Wechselrichter verbindende Gleichstromschaltung wird als eine Gleichstromstufe bezeichnet.
Die Spannung in der Gleichstromstufe hat die Eigenschaft, dass eine Frequenz, welche das Doppelte der Frequenz einer Wechselstrom-Oberleitung ist, der Spannung in der Gleichstromstufe überlagert ist, da die Spannung in der Gleichstromstufe durch Vollwellengleichrichtung einer aus der Oberleitung gelieferten einphasigen Wechselspannung produziert wird. Unterdessen erscheinen, wenn der Wechselrichter eine Gleichspannung in eine Wechselspannung umwandelt, Komponenten der Summe der sowie der Differenz zwischen der Grundfrequenz des Wechselrichters und der Schwingungsfrequenz der Gleichspannung in der Ausgangsspannung des Wechselrichters. Insbesondere im Fall der Komponente der Differenz zwischen den obigen Frequenzen wird, da die Grundfrequenz des Wechselrichters und die Schwingungsfrequenz der Gleichspannung näher beieinander liegen, die Frequenzkomponente der Differenz niedriger. Demgemäß wird der Scheinwiderstand des Haupt-Elektromotors verringert. Infolgedessen pulsiert der Strom des Haupt-Elektromotors mit der Frequenz der Differenz. Ein solches Pulsieren ist bekannt und wird gewöhnlich als ein Schwebungsphänomen bezeichnet.
Als ein Beispiel eines Verfahrens zum Unterdrücken des oben beschriebenen Schwebungsphänomens gibt es ein Verfahren, in welchem eine Resonanzsperre vorgesehen ist, deren Resonanzpunkt bei einer Frequenz liegt, welche das Doppelte der Frequenz der Wechselstrom-Oberleitung ist. Ein weiteres Beispiel ist ein als schwebungsfreie Steuerung bezeichnetes Verfahren. Bei der schwebungsfreien Steuerung wird die Frequenzkomponente der Ausgangsspannung des Wechselrichters, welche das Schwebungsphänomen verursacht, durch Justieren der Frequenz der Ausgangsspannung des Wechselrichters durch Schaltsteuerung des Wechselrichters unterdrückt. Ein Verfahren zur Unterdrückung des Schwebungsphänomens mittels einer Resonanzsperre ist in EP 1 288 060 A1 offenbart. Eine Konfiguration der schwebungsfreien Steuerung ist in JP H11-164 565 A offenbart. US 4 978 894 A betrifft eine Leistungsumwandlungsvorrichtung, in die einphasige Wechselstromleistung eingegeben wird und einmal in Gleichstromleistung umgewandelt wird und darauf die Gleichstromleistung weiterhin umgewandelt wird in dreiphasige Wechselstromleistung unter Benutzung eines Gleichstrom-/Wechselstrominverters, um dadurch einen Induktionsmotor als Last anzutreiben, wobei das Vermeiden der Spannungsdetektion im Gleichspannungsbereich gelehrt wird und ferner gelehrt wird, dass die Kapazität des Glättungskondensators so groß wie möglich sein soll. DE 44 08 325 A1 betrifft ein Verfahren zum Ansteuern eines Umrichters, wobei die Spannung im Zwischenkreis auf einfache Weise für jede Periode des Wechselrichters gemessen werden soll.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Jedoch kranken die in EP 1 288 060 A1 und JP H11- 164 565 A beschriebenen Technologien zum Unterdrücken des Schwebungsphänomens an den folgenden Problemen.
Im Fall des Verwendens der in EP 1 288 060 A1 beschriebenen Resonanzsperre muss ein Wechsel-strom-Elektrofahrzeug, welches auf einem aus mehreren Abschnitten mit verschiedenen Oberleitungs-Wechselstromfrequenzen gebildeten Schienenweg fährt und deshalb mit Wechselstromleistung mit mehreren Frequenzen versorgt wird, mit Resonanzsperren für jede der Frequenzen ausgestattet sein. Dies verursacht ein Problem, weil das Volumen einer Vorrichtung an Bord des Fahrzeugs (der Resonanzsperre) unerwünscht zunimmt.
Im Fall des Verwendens der in JP H11- 164 565 A beschriebenen schwebungsfreien Steuerung wird ein Pulsieren der Ausgangsspannung des Wechselrichters, wenn das Fahrzeug mit Leistung aus einer Wechselstromversorgung niedriger Frequenz versorgt wird, nicht unterdrückt, wenn die Kapazität eines Glättungskondensators, welcher zum Umrichter und zum Wechselrichter in der Gleichstromstufe parallelgeschaltet ist, nicht groß genug ist. Aus diesem Grund muss der Glättungskondensator in der Gleichstromstufe, wenn das Fahrzeug mit Leistung aus einer Wechselstromversorgung niedriger Frequenz versorgt wird, eine große Kapazität haben, um eine aus dem Wechselrichter auszugebende Wechselspannung zu stabilisieren. Dies verursacht ein Problem, weil das Volumen einer Vorrichtung an Bord des Fahrzeugs (des Glättungskondensators) unerwünscht zunimmt.
Um die obigen Probleme zu lösen, werden in den Ansprüchen beschriebene Konfigurationen übernommen.
Die obigen Probleme lassen sich durch Vorsehen eines Fahrzeugantriebssystems für ein Fahrzeug lösen, welches sowohl auf einem Schienenweg mit einer ersten Oberleitung, welche eine erste einphasige Wechselstromleistung liefert, als auch auf einem Schienenweg mit einer zweiten Oberleitung fährt, welche eine zweite einphasige Wechselstromleistung mit einer höheren Frequenz als einer Frequenz der ersten einphasigen Wechselstromleistung liefert, wobei das Fahrzeugantriebssystem enthält: eine erste Stromrichtvorrichtung, welche so konfiguriert ist, dass sie eine aus der ersten Oberleitung oder der zweiten Oberleitung gelieferte einphasige Wechselstromleistung in eine Gleichstromleistung umwandelt und die Gleichstromleistung in eine Gleichstromleitung ausgibt; eine zweite Stromrichtvorrichtung, welche so konfiguriert ist, dass sie die Gleichstromleistung, welche in die Gleichstromleitung ausgegeben wurde, in eine dreiphasige Wechselstromleistung umwandelt; einen Motor zum Antreiben des Fahrzeugs, wobei der Motor mit der dreiphasigen Wechselstromleistung versorgt wird; eine Resonanzsperre, welche parallel zur ersten Stromrichtvorrichtung in die Gleichstromleitung geschaltet ist, wobei die Resonanzsperre einen Resonanzpunkt in einem Frequenzband hat, welches das Doppelte der Frequenz der ersten einphasigen Wechselstromleistung ist; einen Spannungsdetektor, welcher so konfiguriert ist, dass er eine Spannung der Gleichstromleitung erfasst; und eine Pulsierunterdrückungsvorrichtung, welche so konfiguriert ist, dass sie die Ausgabe aus der zweiten Stromrichtvorrichtung je nach einem durch den Spannungsdetektor gewonnenen Erfassungswert steuert, um ein der dreiphasigen Wechselstromleistung überlagertes Pulsieren zu unterdrücken.
Die vorliegende Erfindung verringert die Größe einer Vorrichtung an Bord eines Wechselstrom-Elektrofahrzeugs, welches in mehreren Abschnitten mit unterschiedlichen Frequenzen fährt.
Figurenliste

1 ist ein Schaltbild, welches eine Konfiguration des Antriebssystems in einer ersten Ausführungsform zeigt;
2 ist ein Schaltbild, welches eine Konfiguration des Antriebssystems in einer zweiten Ausführungsform zeigt;
3 ist ein Schaltbild, welches eine Konfiguration des Antriebssystems in einer dritten Ausführungsform zeigt; und
4 ist ein Schaubild, welches die Beziehung zwischen der Stromversorgungsfrequenz und der Kapazität des Glättungskondensators in der ersten Ausführungsform zeigt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben.
Erste Ausführungsform
Die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird anhand von 1 beschrieben. 1 zeigt eine Konfiguration des Fahrzeugantriebssystems in der vorliegenden Ausführungsform.
Das Antriebssystem enthält einen Stromabnehmer 1, einen Transformator 2, einen Umrichter 5, eine Resonanzsperrenschaltung 6, einen Glättungskondensator 8, einen Wechselrichter 9, einen Motor 11 und ein Rad 21. Der Umrichter 5 enthält seine Schaltelemente 5a bis 5d. Die Resonanzsperrenschaltung 6 enthält eine Resonanzdrossel 6a und einen Resonanzkondensator 6b. Der Wechselrichter 9 enthält seine Schaltelemente 9a bis 9f.
Das Antriebssystem enthält außerdem einen Spannungsdetektor 3 zum Messen der sekundärseitigen Spannung des Transformators 2, einen Stromdetektor 4 zum Messen des sekundärseitigen Stroms des Transformators 2, einen Spannungsdetektor 7 zum Messen einer Spannung über den Glättungskondensator 8 und einen Stromdetektor 10 zum Messen des Stroms des Haupt-Elektromotors 11.
Das Antriebssystem enthält außerdem eine erste Wechselstromversorgung 22, eine zweite Wechselstromversorgung 23 mit einer anderen Frequenz als derjenigen der ersten Wechselstromversorgung 22, eine erste Oberleitung 24 zum Versorgen des Fahrzeugs mit Leistung aus der ersten Wechselstromversorgung 22, eine zweite Oberleitung 25 zum Versorgen des Fahrzeugs mit Leistung aus der zweiten Wechselstromversorgung 23, einen nicht elektrifizierten Abschnitt 26 zum Isolieren der ersten Oberleitung 24 und der zweiten Oberleitung 25 voneinander und ein Gleis 27 für das Fahrzeug.
In der vorliegenden Ausführungsform werden, als Beispiel, eine zweistufige einphasige Vollbrücken-Stromrichtvorrichtung und eine zweistufige dreiphasige Vollbrücken-Stromrichtvorrichtung als der Umrichter 5 beziehungsweise der Wechselrichter 9 verwendet. Jedoch können der Umrichter und der Wechselrichter eine Stromrichtvorrichtung mit einer anderen Konfiguration als der oben beschriebenen sein. Zum Beispiel kann auch eine dreistufige Schaltung zum Bilden des Umrichters und des Wechselrichters verwendet werden.
Das vorliegende Antriebssystem ist eine Vorrichtung zum Beschleunigen und Verzögern eines Fahrzeugs. Eine Wechselstromleistung wird über den Stromabnehmer 1 und das Rad 21, über die Oberleitung 24 und das Gleis 27 im Fall einer aus der ersten Wechselstromversorgung 22 gelieferten Wechselstromleistung, und über die Oberleitung 25 und das Gleis 27 im Fall einer aus der zweiten Wechselstromversorgung 23 gelieferten Wechselstromleistung in das Fahrzeug eingegeben. Zur Zeit der Beschleunigung spannt der Haupttransformator 2 die Wechselstromleistung, welche eingegeben wurde, ab und wandelt der Umrichter 5 dann die Wechselstromleistung in eine Gleichstromleistung um. Die in die Gleichstromleistung umgewandelte Leistung wird durch den Glättungskondensator 8 geglättet. Danach wird die Gleichstromleistung durch den Wechselrichter 9 entgegengesetzt in eine Wechselstromleistung umgewandelt und dann an den Haupt-Elektromotor 11 geliefert, so dass das Fahrzeug durch einen Regelantrieb beschleunigt wird.
Zur Zeit einer Verzögerung wird eine durch eine generatorische Bremse des Haupt-Elektromotors 11 erzeugte Wechselstromleistung durch den Wechselrichter 9 in eine Gleichstromleistung umgewandelt. Die in die Gleichstromleistung umgewandelte Leistung wird durch den Glättungskondensator 8 geglättet. Danach wird die Gleichstromleistung durch den Umrichter 5 entgegengesetzt in eine Wechselstromleistung umgewandelt und dann durch den Haupttransformator 2 angehoben, um anschließend über den Stromabnehmer in die Oberleitung 24 oder 25 zurückgeleitet zu werden.
Der Spannungsdetektor 3 erfasst eine Frequenz der an das Fahrzeug gelieferten Spannung und ermittelt dadurch, aus welcher der sich in der Frequenz unterscheidenden Oberleitungen 24 und 25 das Fahrzeug mit Leistung versorgt wird. Eine weitere Möglichkeit zum Ermitteln der Oberleitung ist die Verwendung einer Technologie zum Erfassen der Fahrzeugposition. Als Positionserfassungsvorrichtung sind eine einen Gleisstromkreis, welcher nicht gezeigt ist, verwendende Erfassungsvorrichtung, eine eine durch Integrieren einer Geschwindigkeitsinformation des Fahrzeugs gewonnene Fahrtstreckeninformation verwendende Erfassungsvorrichtung und eine ein globales Positionierungssystem (GPS) verwendende Erfassungsvorrichtung verwendbar. Durch eine Resonanzsperre und einen Teil zur schwebungsfreien Steuerung, welche später noch beschrieben werden, ausgeführte Schwebungsunterdrückungsfunktionen werden je nach einer durch den Spannungsdetektor und die oben erwähnten Positionserfassungstechnologie identifizierten Stromversorgung zwischeneinander umgeschaltet. Wenn die Stromversorgungsfrequenz der Oberleitung 24 niedriger als diejenige der Oberleitung 25 ist und wenn zusätzlich festgestellt wird, dass das Fahrzeug mit Leistung aus der Oberleitung 25 versorgt wird, aktiviert das Antriebssystem den Teil zur schwebungsfreien Steuerung, so dass das Pulsieren durch die schwebungsfreie Steuerung unterdrückt werden kann. Wenn festgestellt wird, dass das Fahrzeug mit Leistung aus der Oberleitung 24 versorgt wird, wird das Pulsieren durch die Resonanzsperre unterdrückt. Wenn die Resonanzsperre so arbeitet, dass sie das Pulsieren unterdrückt, ist die schwebungsfreie Steuerung nicht erforderlich. Jedoch kann die schwebungsfreie Steuerung entweder deaktiviert werden oder kann sie stattdessen aktiviert gelassen werden.
Ferner zeigt 1 eine Umrichter-Steuereinheit 100, welche eine Steuerung des Stromrichtvorgangs im Umrichter 5 bereitstellt. Die Umrichter-Steuereinheit 100 enthält einen Stromversorgungsphasendetektor 101, einen Sinuswellengenerator 102, einen Subtrahierer 103, 106, 108, einen Spannungsregler 104, einen Multiplizierer 105, einen Stromregler 107 und eine Pulsbreitenmodulations-Steuerung 109.
In der Umrichter-Steuereinheit 100 erfasst der Spannungsdetektor 3 die sekundärseitige Spannung des Haupttransformators 2. Der Stromversorgungsphasendetektor 101 erfasst den Phasenwinkel der Spannung. Der Sinuswellengenerator 102 produziert auf der Grundlage von Informationen über den Phasenwinkel eine Sinuswelle, welche phasengleich mit der Stromversorgungsspannung ist und deren Amplitude 1 ist.
Parallel zum obigen erfasst der Spannungsdetektor 7 die Gleichspannung Ed des Glättungskondensators 8. Der Subtrahierer 103 subtrahiert die Gleichspannung Ed von einem Gleichspannungssollwert Ed*. Der Spannungsregler 104 produziert auf der Grundlage des Ergebnisses der Subtraktion einen Sekundärstromeffektivwert-Sollwert ls*, um die Gleichspannung Ed auf den Sollwert Ed* zu justieren. Der Multiplizierer 105 multipliziert den Sollwert ls* mit einer durch den Sinuswellengenerator 102 erzeugten Sinuswelle, um einen Sekundärstromsollwert is* des Haupttransformators 2 zu produzieren. Der Sekundärstromsollwert is* ist phasengleich mit der Sekundärspannung des Haupttransformators 2, wodurch eine Leistung, welche in den Umrichter 5 eingegeben wird, so gesteuert wird, dass der Leistungsfaktor des Umrichters 5 gleich 1 ist.
Anschließend subtrahiert der Subtrahierer 106 einen durch den Stromdetektor 4 erfassten Sekundärstrom is vom Sekundärstromsollwert is*. Der Stromregler 107 produziert auf der Grundlage des Ergebnisses der Subtraktion einen Wechselspannungssollwert ec. Anschließend subtrahiert der Subtrahierer 108 den Wechselspannungssollwert ec von einer Sekundärspannung es. Die Pulsbreitenmodulations-Steuerung 109 produziert auf der Grundlage des Ergebnisses der Subtraktion einen Umrichterimpuls-Sollwert Sc.
Der Umrichterimpuls-Sollwert Sc wird in den Umrichter 5 eingegeben. Das Schaltelement 5a bis 5d wird auf der Grundlage des Umrichterimpuls-Sollwerts Sc so ein- und ausgeschaltet, dass die Gleichspannung Ed so gesteuert wird, dass sie konstant ist.
Ferner zeigt 1 eine Wechselrichter-Steuereinheit 200, welche eine Steuerung des Stromrichtvorgangs im Wechselrichter 9 bereitstellt. Die Wechselrichter-Steuereinheit 200 enthält eine Koordinatentransformationseinrichtung 201, einen Subtrahierer 202, 203, einen Stromregler 204, eine schwebungsfreie Steuerung 205, einen Addierer 206 und eine Pulsbreitenmodulations-Steuerung 207.
Die Wechselrichter-Steuereinheit 200 gibt einen durch den Stromdetektor 10 erfassten dreiphasigen Wechselstrom iu, iv, iw in die Koordinatentransformationseinrichtung 201 ein, um einen d-Achsen-Strom Id und einen q-Achsen-Strom Iq zu produzieren. Der Subtrahierer 202 subtrahiert den d-Achsen-Strom Id von einem d-Achsen-Stromsollwert Id*. Der Subtrahierer 203 subtrahiert den q-Achsen-Strom Iq von einem q-Achsen-Stromsollwert lq*. Der Stromregler 204 berechnet auf der Grundlage des durch jeden der Subtrahierer 202 und 203 gewonnenen Ergebnisses der Subtraktion eine Modulationsgeschwindigkeit Vc, eine Ausgangsfrequenz Fi und ein Ausgangsargument δ, welche für einen Regelbetrieb des Haupt-Elektromotors 11 erforderlich sind. Die schwebungsfreie Steuerung 205 gibt auf der Grundlage der Gleichspannung Ed des Glättungskondensators 8, welche durch den Spannungsdetektor 7 erfasst wird, einen Korrekturwert ΔFi der Ausgangsfrequenz aus. Der Addierer 206 produziert durch Addieren der Ausgangsfrequenz Fi und des Korrekturwerts ΔFi miteinander einen Ausgangsfrequenzsollwert Fi*. Dann produziert die Pulsbreitenmodulations-Steuerung 207 auf der Grundlage der Modulationsgeschwindigkeit Vc, des Ausgangsfrequenzsollwerts Fi* und des Ausgangsarguments δ einen Wechselrichterimpuls-Sollwert Si. Die Pulsbreitenmodulations-Steuerung 207 gibt dann den Wechselrichterimpuls-Sollwert Si in den Wechselrichter 9 ein, um den Haupt-Elektromotor 11 anzutreiben.
Unterdessen nimmt das Volumen einer Vorrichtung an Bord des Fahrzeugs (der Resonanzsperren), wenn ein Fahrzeug mit einer Vielzahl von Resonanzsperren für verschiedene Frequenzen der Wechselstromleistung ausgestattet ist, unerwünscht zu. Wenn die schwebungsfreie Steuerung verwendet wird, muss der Glättungskondensator in der Gleichstromstufe eine große Kapazität haben, um für eine Wechselstromversorgung niedriger Frequenz gerüstet zu sein. Dies verursacht auch eine Zunahme der Größe einer Vorrichtung an Bord des Fahrzeugs (des Glättungskondensators). Darüber hinaus, als ein weiteres auftretendes Problem, fließt, wenn die Kapazität des Glättungskondensators größer wird, zur Zeit eines Kurzschlussfehlers des Umrichters oder des Wechselrichters ein großer Entladestrom, was eine Gefahr eines Folgedefekts erhöht.
I
In Anbetracht des obigen wird die vorliegende Ausführungsform in einem Eisenbahnfahrzeug, welches auf einem Schienenweg mit zwei (2) oder mehr Stromversorgungsfrequenzstufen fährt, bereitgestellt. Die Ausführungsform verfügt sowohl über die Resonanzsperre 6 als auch über die schwebungsfreie Steuerung 205, um ein Schwebungsphänomen zu unterdrücken, welches infolge eines Pulsierens einer der Gleichspannung überlagerten Frequenz, wobei die Frequenz das Doppelte der Wechselstromversorgungsspannung ist, in einem durch den Haupt-Elektromotor 11 fließenden Strom auftritt. Bei einer Oberleitungsspannung mit der niedrigsten Frequenz unterdrückt das Antriebssystem das Pulsieren einer der Gleichspannung überlagerten Frequenz, wobei die Frequenz das Doppelte der Wechselstromversorgungsspannung ist, mittels der Resonanzsperre 6, welche einen Resonanzpunkt bei der Frequenz hat, welche das Doppelte der Wechselstromversorgungsspannung ist. Bei einer Oberleitungsspannung mit einer anderen Frequenz als der niedrigsten Frequenz unterdrückt das Antriebssystem das Pulsieren, welches in einem durch den Haupt-Elektromotor fließenden Strom auftritt, durch die schwebungsfreie Steuerung, d.h., Schaltsteuerung, des Wechselrichters. Die Einzelheiten der vorliegenden Ausführungsform werden weiter unten erörtert.
Zum Beispiel wird die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung für ein Eisenbahnfahrzeug verwendet, welches auf einem Schienenweg mit zwei (2) Arten von Wechselstromstromversorgungen, welche jeweils eine Frequenz von 16,7 Hz und 50 Hz haben, fährt. Bei der Wechselstromversorgung einer niedrigen Frequenz von 16,7 Hz unterdrückt die Resonanzsperre, welche aus Hardware besteht, das Pulsieren einer der Gleichspannung überlagerten Frequenz, wobei die Frequenz das Doppelte der Wechselstromversorgungsspannung ist. Bei einer Oberleitungsspannung mit einer hohen Frequenz von 50 Hz unterdrückt die schwebungsfreie Steuerung, welche aus Software besteht, das Pulsieren, welches in einem durch den Haupt-Elektromotor fließenden Strom auftritt.
Zuerst wird nachfolgend das Pulsieren der Gleichspannung Ed zu der Zeit, zu welcher keine Resonanzsperre 6 in der Gleichstromstufe vorhanden ist, beschrieben.
Das Pulsieren der Gleichspannung Ed eines Wechselstromfahrzeugs wird durch Gleichrichtung im Umrichter 5 oder durch Spannungsumwandlung im Wechselrichter 9 verursacht.
Das durch die Gleichrichtung im Umrichter 5 verursachte Pulsieren wird durch die Gleichrichtung eines einphasigen Wechselstroms erzeugt. Ein Hauptfrequenzband des Pulsierens hat deshalb eine Frequenz, welche das Doppelte der Frequenz der Oberleitungsspannung ist. Die mathematische Formel (1) stellt die Beziehung in diesem Fall zwischen dem Pulsieren der Gleichspannung Ed und der Kapazität des Glättungskondensators 8, welche für die schwebungsfreie Steuerung erforderlich ist, dar. $| Δ E c f | = \frac{P}{2 \cdot ω c \cdot C f \cdot E c f}$
Darin ist die Pulsieramplitude der Gleichspannung mit ΔEcf bezeichnet, ist die maximale Leistung des Fahrzeugantriebssystems mit P bezeichnet, ist die Winkelgeschwindigkeit der Oberleitungsspannung mit ωc bezeichnet, ist die Kapazität des Glättungskondensators 8 mit Cf bezeichnet und ist eine Gleichstromkomponente der Gleichspannung mit Ecf bezeichnet.
Die mathematische Formel (1) zeigt, dass die Pulsieramplitude der Gleichspannung ΔEcf umgekehrt proportional zur Wechselstromfrequenz der Oberleitungsspannung wc ist.
Das durch die Spannungswandlung im Wechselrichter 9 verursachte Pulsieren wird durch die Umwandlung eines Gleichstroms in einen dreiphasigen Wechselstrom erzeugt. Ein Hauptfrequenzband des Pulsierens hat deshalb eine Frequenz, welche das Sechs- (6-) fache der Ausgangsfrequenz des Wechselrichters ist. Die mathematische Formel (2) stellt die Beziehung in diesem Fall zwischen dem Pulsieren der Gleichspannung und der Kapazität des Glättungskondensators 8, welche für die schwebungsfreie Steuerung erforderlich ist, dar. $| Δ E c f | = \frac{P}{6 \cdot ω i \cdot C f \cdot E c f}$
Darin ist die Winkelgeschwindigkeit eines Punkts, an welchem die Ausgangsleistung des Wechselrichters maximal ist, mit wi bezeichnet. In dem System, welches nicht über die Resonanzsperre 6 in der Gleichstromstufe verfügt, wird die schwebungsfreie Steuerung des Wechselrichters zur Unterdrückung des Pulsierens der Ausgangswechselspannung des Wechselrichters verwendet. Somit ist es erforderlich, dass der Glättungskondensator die in den mathematischen Formeln (1) und (2) angegebene Kapazität Cf hat. Demgemäß muss bei einem Schienenweg mit zwei (2) Arten von Wechselstrom-Oberleitungen wie Wechselstrom-Oberleitungen, welche jeweils eine Frequenz von 16,7 Hz und 50 Hz haben, das Pulsieren der Ausgangswechselspannung des Wechselrichters mittels der schwebungsfreien Steuerung bezüglich der folgenden drei (3) Arten von Gleichspannungspulsieren unterdrückt werden:

(a) des durch die Gleichrichtung im Umrichter 5 bei der Oberleitungsfrequenz von 16,7 Hz verursachten Gleichspannungspulsierens;
(b) des durch die Gleichrichtung im Umrichter 5 bei der Oberleitungsfrequenz von 50 Hz verursachten Gleichspannungspulsierens; und
(c) des Gleichspannungspulsierens unter der Bedingung, dass das Gleichspannungspulsieren im Betrieb des Wechselrichters maximal ist.

Die Bedingung, dass das Gleichspannungspulsieren im Betrieb des Wechselrichters maximal ist, bedeutet die Bedingung, dass die Ausgangsspannung des Wechselrichters 9 maximal ist. Eine Wechselrichtereinheit eines Eisenbahnfahrzeugs ist, um die Spannungsnutzung effizienter zu machen, bei einer Wechselrichterfrequenz Fi, welche etwa der Hälfte der Nenngeschwindigkeit des Eisenbahnfahrzeugs entspricht, mit einer Ausgangsspannung gesättigt. Bei einer höheren Geschwindigkeit als der obigen Geschwindigkeit wird deshalb nur die Wechselrichterfrequenz Fi gesteuert. Die Geschwindigkeit, bei welcher die Ausgangsspannung die Sättigung erreicht, wird als eine V/f-Endgeschwindigkeit bezeichnet. Bei einer höheren Geschwindigkeit als der Endgeschwindigkeit ist die Ausgangsleistung des Wechselrichters maximal, und demgemäß ist auch die Pulsieramplitude der Gleichspannung ΔEcf maximal.
Nun folgt eine Beschreibung der Kapazität Cf des Glättungskondensators 8, welche dabei für die schwebungsfreie Steuerung erforderlich ist.
Die mathematische Formel (3) stellt die Kapazität Cf des Glättungskondensators 8 dar, welche zu der Zeit, zu welcher die durch den Betrieb des Umrichters erzeugte Pulsieramplitude kleiner als die oder gleich der Pulsieramplitude der Gleichspannung ΔEcf sein soll, für die schwebungsfreie Steuerung erforderlich ist. in der mathematischen Formel (3) ist die Folgefrequenz des der Gleichspannung Ed überlagerten Pulsierens mit k bezeichnet. $\begin{array}{l} | Δ E c f | = k \cdot E c f > \frac{P}{2 \cdot ω c \cdot C f \cdot E c f} \\ C f > \frac{P}{2 \cdot ω c \cdot k \cdot E c f^{2}} \end{array}$
Die mathematische Formel (4) stellt die Kapazität Cf des Glättungskondensators 8 dar, welche zu der Zeit, zu welcher die durch den Betrieb des Wechselrichters erzeugte Pulsieramplitude kleiner als die oder gleich der Pulsieramplitude der Gleichspannung ΔEcf sein soll, für die schwebungsfreie Steuerung erforderlich ist. $\begin{array}{l} | Δ E c f | = k \cdot E c f > \frac{P}{6 \cdot ω i \cdot C f \cdot E c f} \\ C f > \frac{P}{6 \cdot ω i \cdot k \cdot E c f^{2}} \end{array}$
Zum Beispiel wird nachfolgend für das Fahrzeugantriebssystem, in welchem die Resonanzsperre 6 nicht mit der Gleichstromstufe verbunden ist, eine Bedingung, welche P = 1630 kW, Ecf = 2400 V und k < 0,04 erfüllt, erörtert. Das folgende ist die Kapazität Cf des Glättungskondensators 8, welche zum Unterdrücken des Pulsierens der Ausgangswechselspannung des Wechselrichters mittels der schwebungsfreien Steuerung erforderlich ist, für die vorher beschriebenen drei (3) Arten von Gleichspannungspulsieren (a) bis (c).

(a) Wenn die Oberleitungsfrequenz gleich 16,7 Hz ist, erhält man die Oberleitungsfrequenz wc in der mathematischen Formel (3) wie folgt: ωc = 2 × π × 16,7 rad/s. Demgemäß lautet die Kapazität Cf des Glättungskondensators 8, welche zum Unterdrücken des Pulsierens der Ausgangswechselspannung des Wechselrichters mittels der schwebungsfreien Steuerung erforderlich ist, für das durch die Gleichrichtung im Umrichter 5 im Fall der Oberleitungsfrequenz von 16,7 Hz verursachte Gleichspannungspulsieren wie folgt: Cf > 28800 µF.
(b) Wenn die Oberleitungsfrequenz gleich 50 Hz ist, erhält man die Oberleitungsfrequenz ωc in der mathematischen Formel (3) wie folgt: wc = 2 × π × 50 rad/s. Demgemäß lautet die Kapazität Cf des Glättungskondensators 8, welche zum Unterdrücken des Pulsierens der Ausgangswechselspannung des Wechselrichters mittels der schwebungsfreien Steuerung erforderlich ist, für das durch die Gleichrichtung im Umrichter 5 im Fall der Oberleitungsfrequenz von 50 Hz verursachte Gleichspannungspulsieren wie folgt: Cf > 9600 µF.
(c) Bei der Bedingung, dass das Gleichspannungspulsieren im Betrieb des Wechselrichters maximal ist, ist das durch den Betriebs des Wechselrichters verursachte Gleichspannungspulsieren ΔEcf bei der V/f-Endgeschwindigkeit, welche der Punkt ist, an welchem die Ausgangsleistung maximal ist, maximal. In der mathematischen Formel (4) ist deshalb die Wechselrichter-Betriebsfrequenz Fi 50 Hz und erhält man jede Frequenz wie folgt: wi = 2 × π × 50 rad/s. Demgemäß lautet die Kapazität Cf des Glättungskondensators 8, welche zum Unterdrücken des Pulsierens der Ausgangswechselspannung des Wechselrichters mittels der schwebungsfreien Steuerung erforderlich ist, für das durch den Betrieb des Wechselrichters verursachte Gleichspannungspulsieren wie folgt: Cf > 3200 µF.

Wie oben beschrieben, ist die Kapazität Cf des Glättungskondensators 8, welche zum Unterdrücken des Pulsierens der Ausgangswechselspannung des Wechselrichters mittels der schwebungsfreien Steuerung erforderlich ist, bezüglich des zu der Zeit, zu welcher der Umrichter die Wechselspannung einer niedrigen Frequenz von 16,7 Hz in eine Gleichspannung umwandelt, erzeugten Gleichspannungspulsierens die größte. Die Kapazität Cf ist die zweitgrößte bezüglich des zu der Zeit, zu welcher der Umrichter die Wechselspannung einer Frequenz von 50 Hz in eine Gleichspannung umwandelt, erzeugten Gleichspannungspulsierens. Die Kapazität Cf ist unter der Bedingung, dass das durch den Betrieb des Wechselrichters erzeugte Gleichspannungspulsieren maximal ist, die kleinste bezüglich des Gleichspannungspulsierens.
4 zeigt die Beziehung zwischen einer Stromversorgungsfrequenz und der Kapazität des Glättungskondensators 8, welche erforderlich sind, um das Pulsieren der Ausgangswechselspannung des Wechselrichters mittels der schwebungsfreien Steuerung zu unterdrücken, beim Gleichspannungspulsieren. Die Abszisse entspricht der Stromversorgungsfrequenz. Die Ordinate entspricht der Kapazität des Glättungskondensators 8. 4 zeigt ein Ergebnis einer auf der mathematischen Formel (3) beruhenden Schätzung der Kapazität des Glättungskondensators 8, welche zum Unterdrücken des Pulsierens der Ausgangswechselspannung des Wechselrichters mittels der schwebungsfreien Steuerung erforderlich ist, bei einer der Gleichspannung überlagerten Pulsierkomponente. in den oben beschriebenen Punkten (a) und (b) gegebene Werte werden als Berechnungsbedingungen verwendet.
Wie im Ergebnis gezeigt, ist die Kapazität des Glättungskondensators 8, welche zum Unterdrücken des durch den Betrieb des Wechselrichters erzeugten Pulsierens mittels der schwebungsfreien Steuerung erforderlich ist, umgekehrt proportional zur Stromversorgungsfrequenz. Deshalb wird bei einer Frequenz, welche das Doppelte der niedrigen Frequenz von 16,7 Hz der Wechselstrom-Oberleitung ist, (d.h., bei einer niedrigen Frequenz) das Pulsieren der Gleichspannung durch Justieren der Resonanzeigenschaften der Resonanzsperre 6 auf die Frequenz unterdrückt. Andererseits wird bei einer Frequenz, welche das Doppelte der hohen Frequenz von 50 Hz der Wechselstrom-Oberleitung ist, (d.h., bei einer hohen Frequenz) durch Verwenden der schwebungsfreien Steuerung verhindert, dass das Pulsieren der Gleichspannung ΔEcf sich bis zum Haupt-Elektromotor 11 auf der Ausgangsseite des Wechselrichters ausbreitet. Infolge des Vorsehens sowohl der Resonanzsperre 6 als auch der Funktion der schwebungsfreien Steuerung und des Justierens der Resonanzeigenschaften der Resonanzsperre 6 auf das Gleichspannungspulsieren bei der niedrigsten Frequenz, wie oben beschrieben, wird die für den Glättungskondensator 8 erforderliche Kapazität auf etwa ein Drittel (1/3) oder weniger verringert, wie in 4 gezeigt.
Die für die schwebungsfreie Steuerung erforderliche Kapazität kann aus der Kapazität sowohl des Glättungskondensators 8 als auch eines Resonanzkondensators 6b der Resonanzsperre 6 bereitgestellt werden. Die für den Resonanzkondensator 6b erforderliche Kapazität wird deshalb mit der folgenden mathematischen Formel (5) berechnet. $C l c > \frac{P}{2 \cdot ω c \cdot k \cdot E c f^{2}} - \frac{P}{6 \cdot ω i \cdot k \cdot E c f^{2}}$
Darin ist die Kapazität des Resonanzkondensators 6b mit Clc bezeichnet.
Ferner ist die Beziehung zwischen der Induktivität der Resonanzdrossel 6a und der Kapazität des Resonanzkondensators 6b so, dass der Resonanzpunkt der Resonanzsperre 6 auf die Frequenz eingestellt werden kann, welche das Doppelte der Oberleitungsfrequenz von 16,7 Hz ist, oder, anders ausgedrückt, so, dass die mathematische Formel (6) erfüllt ist, festgelegt. $ω c = \frac{1}{\sqrt{L l c \cdot C l c}}$
Darin ist die Induktivität der Resonanzdrossel 6a mit Llc bezeichnet.
Demgemäß ist die Induktivität der Resonanzdrossel 6a in der vorliegenden Ausführungsform durch die mathematische Formel (7) festgelegt, welche man durch Erweitern der mathematischen Formel (6) erhält. $L l l c = \frac{1}{ω c^{2} \cdot C l c}$
Bei der oben beschriebenen Konfiguration sind, wenn die Kapazität Cf des Glättungskondensators 8 festgelegt ist, die Kapazität Clc des Resonanzkondensators 6b und die Induktivität Llc der Resonanzdrossel 6a festgelegt. Infolgedessen werden Volumen und Gewicht der Vorrichtung des Fahrzeugantriebssystems mit mehreren Stromversorgungsfrequenzen verringert und wird die Vorrichtung optimiert.
Wie oben erwähnt, ist „Cf > 28800 µF“ die Kapazität des Glättungskondensators 8, welche zum Unterdrücken des Pulsierens der Ausgangswechselspannung des Wechselrichters mittels der schwebungsfreien Steuerung erforderlich ist, für das durch die Gleichrichtung im Umrichter 5 im Fall der Oberleitungsfrequenz von 16,7 Hz verursachte Gleichspannungspulsieren. Bei einer Pulsierkomponente, welche das Doppelte der Oberleitungsfrequenz von 50 Hz ist, ist die Kapazität von Cf > 28800 µF viel größer als sowohl die Kapazität des Resonanzkondensators 6b, welche zum Unterdrücken einer Pulsierkomponente, welche das Doppelte der Oberleitungsfrequenz von 16,7 Hz ist, erforderlich ist, als auch die Kapazität „Cf > 9600 µF“ des Glättungskondensators 8, welche zum Unterdrücken des Pulsierens der Ausgangswechselspannung des Wechselrichters mittels der schwebungsfreien Steuerung erforderlich ist. Dies bedeutet, dass bei einer Pulsierkomponente, welche das Doppelte der Oberleitungsfrequenz von 50 Hz ist, die Kapazität der Kondensatoren, welche für das System als Ganzes erforderlich ist, verringert wird, wenn das System getrennt mit der Kapazität des Resonanzkondensators 6b, welche zum Unterdrücken einer Pulsierkomponente, welche das Doppelte der Oberleitungsfrequenz von 16,7 Hz ist, erforderlich ist, und der Kapazität „Cf > 9600 µF“ des Glättungskondensators 8, welche zum Unterdrücken des Pulsierens der Ausgangswechselspannung des Wechselrichters mittels der schwebungsfreien Steuerung erforderlich ist, ausgestattet ist.
Unterdessen wird, wenn ein Kurzschlussfehler im Umrichter 5 und im Wechselrichter 9 auftritt, eine Ladung, welche im Glättungskondensator 8 gespeichert wurde, in einen fehlerhaften Teil entladen, was einen unerwünschten durch den fehlerhaften Teil fließenden Strom verursacht. Bei der obigen Konfiguration der Ausführungsform ist die Kapazität des Glättungskondensators so verringert, dass der Strom unterdrückt wird. Infolgedessen wird ein Folgeschaden an der Vorrichtung verhindert.
Zweite Ausführungsform
Nachfolgend wird anhand von 2 eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 2 zeigt eine Konfiguration der Ausführungsform.
in 2 ist eine Komponente, welche die gleiche wie diejenige in 1 ist, mit dem gleichen Bezugszeichen wie dem in 1 verwendeten bezeichnet und wird diese nicht wiederholt erklärt.
Eine Resonanzsperre 12 ist in 2 gezeigt. Die Resonanzsperre 12 enthält eine Resonanzdrossel 12a, einen Resonanzkondensator 12b, welcher mit der Resonanzdrossel 12a in Reihe geschaltet ist, und ein Schaltschütz 12c, welches zur Resonanzdrossel 12a parallelgeschaltet ist.
Ein Merkmal der Resonanzsperrenschaltung 12 ist, anders als bei der Resonanzsperrenschaltung 6 der ersten Ausführungsform, dass die Drossel der Resonanzsperre durch Schließen des Schaltschützes 12c in Reaktion auf einen von außen eingegebenen „Offnen-und-Schließen“-Befehl kurzgeschlossen wird.
Das Fahrzeugantriebssystem dieser Ausführungsform ist in einem Eisenbahnfahrzeug vorgesehen, welches auf einem Schienenweg mit zwei (2) oder mehr Stromversorgungsfrequenzstufen fährt. Die Ausführungsform verfügt sowohl über dieResonanzsperrenschaltung 12 als auch über die schwebungsfreie Steuerung 205, um ein Schwebungsphänomen zu unterdrücken, welches infolge eines der Gleichspannung überlagerten Pulsierens in einem durch den Haupt-Elektromotor 11 fließenden Strom auftritt, wobei das Pulsieren eine Frequenz hat, welche das Doppelte der Stromversorgungsfrequenz ist. In dieser Hinsicht ist das Antriebssystem der vorliegenden Ausführungsform das gleiche wie das Antriebssystem der ersten Ausführungsform, wobei die vorliegende Ausführungsform sich darin unterscheidet, dass sie das Schaltschütz 12c als einen Teil der Resonanzsperre 12 zusätzlich zur Resonanzdrossel 12a und zum Resonanzkondensator 12b enthält.
In der vorliegenden Ausführungsform wird das Verfahren zum Unterdrücken des Pulsierens der Gleichstromstufen-Spannung je nach der Stromversorgungsfrequenz der Wechselstromversorgung gewechselt. Um das Pulsieren zu unterdrücken, ist die Resonanzfrequenz der Resonanzsperre 12 wie in der ersten Ausführungsform auf eine solche Weise festgelegt, dass die Resonanzfrequenz der Resonanzsperre 12 (eines aus der Resonanzdrossel 12a und dem Resonanzkondensator 12b gebildeten Reihenschaltungs-Aufbaus) auf eine Frequenz justiert wird, welche das Doppelte der niedrigsten Frequenz unter den Frequenzen einer Vielzahl von Wechselstromstromversorgungen ist. Bei einer anderen Frequenz der Wechselstromversorgung als der niedrigsten Frequenz wird das Pulsieren durch die schwebungsfreie Steuerung 205 unterdrückt.
Die schwebungsfreie Steuerung 205 schaltet je nach der Frequenz des der Spannung des Glättungskondensators 8 überlagerten Pulsierens, welche durch den Spannungsdetektor 7 gemessen wird, zwischen Pulsierunterdrückung durch die Resonanzsperre 12 und Pulsierunterdrückung durch die schwebungsfreie Steuerung um.
Wenn der Spannungsdetektor 7 ein Pulsieren mit einer Frequenz, welche die gleiche wie die Resonanzfrequenz der Resonanzsperre 12 ist, bei geschlossenem Schaltschütz 12c erfasst, gibt die schwebungsfreie Steuerung 205 einen Befehl zum Öffnen des Schaltschützes aus. Das Schaltschütz 12c der Resonanzsperre 12 wird dann geöffnet, so dass die Resonanzsperre 12 das Pulsieren der Gleichstromstufe unterdrückt. In diesem Fall kann die schwebungsfreie Steuerung, obwohl die schwebungsfreie Steuerung nicht notwendig ist, entweder außer Kraft gesetzt werden oder in Betrieb gehalten werden.
Wenn der Spannungsdetektor 7 ein Pulsieren mit einer anderen Frequenz als der Resonanzfrequenz der Resonanzsperre 12 bei geöffnetem Schaltschütz 12c erfasst, gibt die schwebungsfreie Steuerung 205 einen Befehl zum Schließen des Schaltschützes aus. Das Schaltschütz 12c der Resonanzsperre 12 wird dann geschlossen, so dass das Pulsieren der Gleichstromstufe durch die schwebungsfreie Steuerung unterdrückt wird. Dabei wird die Resonanzdrossel 12a infolge des Schließens des Schaltschützes 12c kurzgeschlossen, was bewirkt, dass der Resonanzkondensator 12b als der Glättungskondensator der Gleichstromstufe fungiert.
In der vorliegenden Ausführungsform ist die Kapazität Cf des Glättungskondensators 8, welche zum Unterdrücken des der Gleichspannung überlagerten Pulsierens erforderlich ist, anders als in der ersten Ausführungsform. Anders ausgedrückt, bei der Konfiguration dieser Ausführungsform wird der Resonanzkondensator 12b als ein Teil des Glättungskondensators genutzt, was die Kapazität Cf des Glättungskondensators 8, welche zum Unterdrücken des Pulsierens der Gleichspannung ΔEcf erforderlich ist, verringert. Infolgedessen miniaturisiert dies die Vorrichtung und verringert dies außerdem einen in der Resonanzdrossel 6a in der schwebungsfreien Steuerung entstehenden Verlust.
Eine Konfiguration der vorliegenden Ausführungsform wurde beschrieben, bei welcher die schwebungsfreie Steuerung 205 das Öffnen und Schließen des Schaltschützes 12c und das Inkraftsetzen und Außerkraftsetzen der schwebungsfreien Steuerung auf der Grundlage der Spannung des Glättungskondensators steuert. Es ist auch möglich, dass die schwebungsfreie Steuerung 205 das Öffnen und Schließen des Schaltschützes 12c und das Inkraftsetzen und Außerkraftsetzen der schwebungsfreien Steuerung auf der Grundlage der durch den Spannungsdetektor 3 erfassten Spannung und der durch die Positionserfassungsvorrichtung ermittelten Stromversorgungsfrequenz steuert wie in der ersten Ausführungsform.
In diesem Fall wird, wenn ermittelt wird, dass das Fahrzeug mit Leistung aus der Wechselstromversorgung mit einer Frequenz, welche die gleiche wie die Resonanzfrequenz der Resonanzsperre 12 ist, versorgt wird, ein Befehl zum Öffnen des Schaltschützes ausgegeben und wird das Schaltschütz 12c der Resonanzsperre 12 geöffnet wird, so dass das Pulsieren der Gleichstromstufe durch die Resonanzsperre 12 unterdrückt wird. Wenn ermittelt wird, dass das Fahrzeug mit Leistung aus der Wechselstromversorgung mit einer Frequenz, welche von der Resonanzfrequenz der Resonanzsperre 12 verschieden ist, versorgt wird, wird ein Befehl zum Schließen des Schaltschützes ausgegeben und wird das Schaltschütz 12c der Resonanzsperre 12 geschlossen, so dass das Pulsieren der Gleichstromstufe durch die schwebungsfreie Steuerung unterdrückt wird.
In dieser Ausführungsform kann die Umrichter-Steuereinheit 100 eine Vorrichtung zum Ermitteln, ob die Spannung des Glättungskondensators 8 die gleiche wie die Resonanzfrequenz der Resonanzsperre 12 ist oder nicht, Ausgeben eines Steuerbefehls zum Öffnen oder Schließen des Schaltschützes 12c auf der Grundlage des Ergebnisses der obigen Ermittlung und Ausgeben eines Steuerbefehls zum Inkraftsetzen oder Außerkraftsetzen der schwebungsfreien Steuerung an die in der Wechselrichter-Steuereinheit 200 befindliche schwebungsfreie Steuerung 205 enthalten.
Dritte Ausführungsform
Nachfolgend wird eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anhand von 3 beschrieben. 3 zeigt eine Konfiguration der Ausführungsform.
In 3 ist eine Komponente, welche die gleiche wie diejenige in 1 ist, mit dem gleichen Bezugszeichen wie dem in 1 verwendeten bezeichnet und wird diese nicht wiederholt erklärt, da eine solche Komponente die gleiche Funktion wie diejenige in der ersten Ausführungsform hat.
Eine in 3 gezeigte Resonanzsperre 13 enthält eine Resonanzdrossel 13a, einen Resonanzkondensator 13b, welcher mit der Resonanzdrossel 13a in Reihe geschaltet ist, und ein Schaltschütz 13c, welches ferner mit der Resonanzdrossel 13a in Reihe geschaltet ist. Eine Umrichter-Steuereinheit 100 enthält einen Fehlerdetektor 110. Eine Wechselrichter-Steuereinheit 200 enthält einen Leistungsregler 208.
Ein Merkmal der Resonanzsperrenschaltung 13 ist, anders als bei der Resonanzsperrenschaltung 6 der ersten Ausführungsform, dass die Resonanzsperrenschaltung das Öffnen und Schlie-ßen des Schaltschützes 13c in Reaktion auf einen von außen eingegebenen „Öffnen-und-Schließen“-Befehl wie gewünscht steuern kann. Wenn die Resonanzsperre 13 einwandfrei arbeitet, ist das Schaltschütz 13c der Resonanzsperrenschaltung 13 geschlossen.
Im Fahrzeugantriebssystem der vorliegenden Ausführungsform erfasst der Fehlerdetektor 110, wenn die Resonanzdrossel 13a oder der Resonanzkondensator 13b der Resonanzsperrenschaltung 13 einen Fehler aufweist, den Fehler. Der Fehlerdetektor 110 ermittelt, ob der Fehler durch Erfassen der Resonanzfrequenz der Resonanzsperrenschaltung aus der Gleichspannung Ed, welche durch den Spannungsdetektor 7 erfasst wurde, aufgetreten ist.
Wenn der Spannungsdetektor 7 ein anderes Pulsieren als die Resonanzfrequenz der Resonanzsperre 13 erfasst oder wenn durch die Funktion des Identifizierens/Ermittelns der Stromversorgungsfrequenz, welche in der ersten Ausführungsform beschrieben ist, ermittelt wird, dass das Fahrzeug nicht mit Leistung aus der Stromversorgung mit der niedrigsten Frequenz versorgt wird, wird die schwebungsfreie Steuerung in Kraft gesetzt. Die schwebungsfreie Steuerung gibt einen Schwebungsfreie-Steuerung-Sollwert ΔSi an die Pulsbreitenmodulations-Steuerung 207 aus, um das Schwebungsphänomen im Haupt-Elektromotor 11, welches aus einer Gleichspannungsschwingung entsteht, zu unterdrücken.
Andererseits wird, wenn durch die Funktion des Identifizierens der Stromversorgungsfrequenz, welche in der ersten Ausführungsform beschrieben ist, ermittelt wird, dass das Fahrzeug mit Leistung aus der Stromversorgung mit der niedrigsten Frequenz versorgt wird, die schwebungsfreie Steuerung deaktiviert und wird das der Gleichspannung überlagerte Pulsieren durch die Resonanzsperre 13 unterdrückt. Wenn der Spannungsdetektor 7 die Resonanzfrequenz der Resonanzsperrenschaltung erfasst, wenn das Pulsieren in der Gleichstromstufe durch die Resonanzsperre 13 unterdrückt wird, während die schwebungsfreie Steuerung deaktiviert ist, ermittelt das Fahrzeugantriebssystem, dass ein Fehler in der Resonanzsperrenschaltung 13 aufgetreten ist. Der Fehlerdetektor 110 gibt dann einen Befehl, das Schaltschütz zu öffnen, an das Schaltschütz 13c der Resonanzsperrenschaltung 13 aus. Infolgedessen wird die fehlerhafte Resonanzsperrenschaltung 13 von den anderen Schaltungen getrennt, damit die anderen Schaltungen nicht durch den Fehler beeinträchtigt werden. Gleichzeitig gibt der Fehlerdetektor 110 eine Fehlererfassungsinformation an die schwebungsfreie Steuerung 205 und den Leistungsregler 208 aus.
Die schwebungsfreie Steuerung 205 ist deaktiviert, wenn die Resonanzsperre 13 einwandfrei arbeitet. Die schwebungsfreie Steuerung 205 beginnt bei Empfangen der Fehlererfassungsinformation zu arbeiten und gibt einen Schwebungsfreie-Steuerung-Sollwert ΔSi an die Pulsbreitenmodulations-Steuerung 207 aus, um das Schwebungsphänomen im Haupt-Elektromotor 11, welches aus einer Gleichspannungsschwingung entsteht, zu unterdrücken.
in dem mit der Resonanzsperre 13 ausgestatteten Fahrzeugantriebssystem gibt es, wenn die Resonanzsperre 13 einen Fehler aufweist und durch das Schaltschütz 13c von den anderen Schaltungen getrennt ist, nicht genug Kapazität im Glättungskondensator 8, was es bei Volllast erschwert, die Schwingung durch die Steuerung zu unterdrücken. Unterdessen nimmt die Schwingung der Gleichspannung Ed proportional zur Stärke des durch den Glättungskondensator 8 fließenden Stroms zu. Wenn deshalb die Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs verlangsamt wird, um die Last des Haupt-Elektromotors 11 zu verringern, geht der durch den Glättungskondensator 8 fließende Strom proportional zur Motorlast zurück. Dies verringert die Schwingung der Gleichspannung, was es ermöglicht, das Schwebungsphänomen im Haupt-Elektromotor 11 durch die Steuerung zu unterdrücken. Demgemäß wird, wenn ein Fehler erfasst wird, die Fehlererfassungsinformation in den Leistungsregler 208 eingegeben, um einen Stromsollwert zu begrenzen, so dass der durch den Haupt-Elektromotor 11 fließende Strom abnimmt. Dies ermöglicht es, das Schwebungsphänomen mittels der schwebungsfreien Steuerung zu unterdrücken, und versetzt infolgedessen das Fahrzeug in die Lage, selbst im Fall eines Fehlers der Resonanzsperre ununterbrochen zu arbeiten.
Die Konfiguration dieser Ausführungsform verringert, wie bei den anderen Ausführungsformen, die Kapazität Cf des Glättungskondensators 8, welche zum Unterdrücken des Pulsierens der Gleichspannung ΔEcf erforderlich ist. Infolgedessen wird die Vorrichtung miniaturisiert. Darüber hinaus wird bei dieser Konfiguration die fehlerhafte Resonanzsperrenschaltung 13 von den anderen Schaltungen getrennt, damit die anderen Schaltungen nicht durch den Fehler beeinträchtigt werden. Ferner wird bei dieser Konfiguration die schwebungsfreie Steuerung in Kraft gesetzt, wenn ein Fehler in der Resonanzsperrenschaltung 13 erfasst wird. Dies versetzt das Fahrzeug in die Lage, selbst dann ununterbrochen zu arbeiten, wenn ein Fehler in der Resonanzsperre auftritt.
Eine Konfiguration der vorliegenden Ausführungsform wurde beschrieben, bei welcher der Fehlerdetektor 110 in der Umrichter-Steuereinheit 100 angeordnet ist. Es ist jedoch auch möglich, den Fehlerdetektor 110 in der Wechselrichter-Steuereinheit 200 anzuordnen.

Claims

Fahrzeugantriebssystem für ein Fahrzeug, welches sowohl auf einem Schienenweg mit einer ersten Oberleitung (24), welche eine erste einphasige Wechselstromleistung liefert, als auch auf einem Schienenweg mit einer zweiten Oberleitung (25), welche eine zweite einphasige Wechselstromleistung mit einer höheren Frequenz als einer Frequenz der ersten einphasigen Wechselstromleistung liefert, fährt, wobei das Fahrzeugantriebssystem enthält: eine erste Stromrichtvorrichtung (5), welche so konfiguriert ist, dass sie eine aus der ersten Oberleitung (24) oder der zweiten Oberleitung (25) gelieferte einphasige Wechselstromleistung in eine Gleichstromleistung umwandelt und die Gleichstromleistung in eine Gleichstromleitung ausgibt; eine zweite Stromrichtvorrichtung (9), welche so konfiguriert ist, dass sie die Gleichstromleistung, welche in die Gleichstromleitung ausgegeben wurde, in eine dreiphasige Wechselstromleistung umwandelt; einen Motor (11) zum Antreiben des Fahrzeugs, wobei der Motor (11) mit der dreiphasigen Wechselstromleistung versorgt wird; eine Resonanzsperre (6; 12; 13), welche parallel zur ersten Stromrichtvorrichtung (5) in die Gleichstromleitung geschaltet ist, wobei die Resonanzsperre (6; 12; 13) einen Resonanzpunkt in einem Frequenzband hat, welches das Doppelte der Frequenz der ersten einphasigen Wechselstromleistung ist; einen Spannungsdetektor (7), welcher so konfiguriert ist, dass er eine Spannung der Gleichstromleitung erfasst; und eine Pulsierunterdrückungsvorrichtung, welche so konfiguriert ist, dass sie eine Ausgabe aus der zweiten Stromrichtvorrichtung (9) je nach einem durch den Spannungsdetektor (7) gewonnenen Erfassungswert (Ed) steuert, um ein der dreiphasigen Wechselstromleistung überlagertes Pulsieren zu unterdrücken.
Fahrzeugantriebssystem nach Anspruch 1, wobei die Resonanzsperre (6; 12; 13) ein Pulsieren mit einer Frequenzkomponente, welche das Doppelte der Frequenz der ersten einphasigen Wechselstromleistung ist, wobei das Pulsieren der Gleichstromleistung überlagert ist, absorbiert und die Pulsierunterdrückungsvorrichtung eine Ausgabe aus der zweiten Stromrichtvorrichtung (9) so steuert, dass sie ein Pulsieren mit einer Frequenzkomponente, welche das Doppelte der Frequenz der zweiten einphasigen Wechselstromleistung ist, unterdrückt, wobei das Pulsieren der dreiphasigen Wechselstromleistung überlagert ist.
Fahrzeugantriebssystem nach Anspruch 1 oder 2, enthaltend eine Stromversorgungsermittlungsvorrichtung (3), welche so konfiguriert ist, dass sie ermittelt, aus welcher der ersten und der zweiten Oberleitung (24, 25) das Fahrzeug mit Leistung versorgt wird, wobei, wenn die Stromversorgungsermittlungsvorrichtung (3) ermittelt, dass das Fahrzeug mit Leistung aus der ersten Oberleitung (24) versorgt wird, das Antriebssystem die Pulsierunterdrückungsvorrichtung deaktiviert, und wenn die Stromversorgungsermittlungsvorrichtung (3) ermittelt, dass das Fahrzeug mit Leistung aus der zweiten Oberleitung (25) versorgt wird, das Antriebssystem die Pulsierunterdrückungsvorrichtung aktiviert.
Fahrzeugantriebssystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, außerdem enthaltend einen Glättungskondensator (8), welcher parallel zur ersten Stromrichtvorrichtung (5) in die Gleichstromleitung geschaltet ist, wobei der Glättungskondensator (8) so konfiguriert ist, dass er die Gleichstromleistung stabilisiert, wobei die Resonanzsperre (6; 12; 13) eine Resonanzdrossel (6a; 12a; 13a) und einen Resonanzkondensator (6b; 12b; 13b), welche in Reihe miteinander geschaltet sind, enthält.
Fahrzeugantriebssystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Resonanzsperre (6; 12; 13) außerdem ein zur Resonanzdrossel (12a) parallelgeschaltetes Schaltschütz (12c) enthält, das Schaltschütz (12c) geöffnet wird, wenn der Spannungsdetektor (7) ein Pulsieren mit einer Frequenz erfasst, welche die gleiche wie die Resonanzfrequenz der Resonanzsperre (6; 12; 13) ist, und das Schaltschütz (12c) geschlossen wird, wenn der Spannungsdetektor (7) ein Pulsieren mit einer Frequenz erfasst, welche von der Resonanzfrequenz der Resonanzsperre (6; 12; 13) verschieden ist.
Fahrzeugantriebssystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Resonanzsperre (6; 12; 13) außerdem ein mit der Resonanzdrossel (13a) in Reihe geschaltetes Schaltschütz (13c) enthält, das Schaltschütz (13c) geöffnet wird und eine schwebungsfreie Steuerung (205) in Kraft gesetzt wird, wenn der Spannungsdetektor (7) ein Pulsieren von der Resonanzfrequenz der Resonanzsperre (6; 12; 13) erfasst, und das Schaltschütz (13c) geschlossen wird und die schwebungsfreie Steuerung (205) außer Kraft gesetzt wird, wenn der Spannungsdetektor (7) kein Pulsieren von der Resonanzfrequenz der Resonanzsperre (6; 12; 13) erfasst.