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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Leistungsumsetzer für ein Schienenfahrzeug, der Leistung aus einer Gleichstromleitung erhält und einen Wechselstrom-Motor antreibt, und ein mit dem Leistungsumsetzer versehenes Schienenfahrzeug.
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2. Beschreibung des Stands der Technik
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In den letzten Jahren haben sich die Entwicklungen zum Verwirklichen von Energieeinsparungen durch Verwenden einer Energiespeichervorrichtung zum Kombinieren einer Energiespeichereinheit wie etwa einer Batterie oder eines elektrischen Doppelschicht-Kondensators mit einer Aufwärts-/Abwärts-Zerhackerschaltung in dem Schienenfahrzeug und durch Verbessern eines Wirkungsgrads einer Vorrichtung, die in dem Schienenfahrzeug enthalten ist, beschleunigt.
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Zum Beispiel legt
JP-5320452-B1 eine Technik offen, die ein Beschleunigungsleistungsvermögen und eine Nutzbremsleistung in einem Hochgeschwindigkeitsbereich durch Hochtransformieren einer Spannung auf einer Gleichstromseite einer Wechselrichtervorrichtung unter Verwendung einer Energiespeichervorrichtung erweitert.
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Dementsprechend wird das Beschleunigungs- und Verzögerungsleistungsvermögen verbessert und weitere Energieeinsparungen können dadurch verwirklicht werden, dass die Leistung, die in die Leitung zurückgeführt werden soll, durch Erweitern der Nutzbremsleistung erhöht wird. Da zudem der Einsatz einer Luftdruckbremse in dem Hochgeschwindigkeitsbereich verringert werden kann, wird die Abnutzung des Bremsschuhs verringert. Dementsprechend kann ein Effekt des Verringerns von Wartungskosten erzielt werden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Wenn wie oben beschrieben die Energieeinsparungen bei der von dem Schienenfahrzeug verbrauchten Leistung betrachtet werden, kann eine andere Verringerung von Verlusten, die durch eine Vorrichtung des Schienenfahrzeugs erzeugt werden, neben der Verbesserung der Leistung der Regenerativbremse wie in
JP-5320452-B1 erwogen werden.
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Bei der Vorrichtung, die in dem Schienenfahrzeug enthalten ist, gibt es eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass Verluste auftreten, die durch den Wechselstrom-Motor erzeugt werden. Wenn die durch den Wechselstrom-Motor erzeugten Verluste reduziert werden können, können weitere Energieeinsparungen realisiert werden.
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Die Verluste, die durch den Wechselstrom-Motor erzeugt werden, umfassen Verluste, die durch eine Grundschwingungskomponente eines Stroms verursacht werden, und Verluste, die durch eine Oberschwingungskomponente verursacht werden. Die Verluste, die von der Grundschwingungskomponente verursacht werden, hängen von der Menge des Stroms zum Erfüllen der Beschleunigungs- und Verzögerungsleistung des Fahrzeugs ab. Auf der anderen Seite kann bezüglich der Verluste, die von der Oberschwingungskomponente verursacht werden, dann, wenn die Schaltfrequenz der Wechselrichtervorrichtung die gleiche ist, die Oberschwingungsstromstärke des Wechselstrom-Motors gesenkt werden, wenn die Spannung auf einer Gleichstromseite der Wechselrichtervorrichtung geringer wird. Daher können dann, wenn die Spannung auf der Gleichstromseite der Wechselrichtervorrichtung verringert werden kann, die Verluste, die von dem Oberschwingungsstrom des Wechselstrom-Motors verursacht werden, reduziert werden.
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Jedoch kann bei der Struktur in
JP-5320452-B1 , obwohl die Spannung auf der Gleichstromseite der Wechselrichtervorrichtung herauftransformiert werden kann, die Spannung nicht herabtransformiert werden. Daher können die Verluste, die von dem Oberschwingungsstrom des Wechselstrom-Motors verursacht werden, nicht reduziert werden.
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Ein Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, sowohl eine Verbesserung eines Beschleunigungsleistungsvermögens in einem Hochgeschwindigkeitsbereich und eines Nutzbremsleistungsvermögens als auch eine Verringerung von Verlusten, die von einem Oberschwingungsstrom eines Wechselstrom-Motors in einem Leistungsumsetzer eines Schienenfahrzeugs verursacht werden, zu erreichen.
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Ein Leistungsumsetzer für ein Schienenfahrzeug gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfasst einen Aufwärts-/Abwärts-Zerhacker auf einer Gleichstromseite einer Wechselrichtervorrichtung. Wenn eine Ausgabe der Wechselrichtervorrichtung niedriger als ein Referenzwert ist, senkt der Aufwärts-/Abwärts-Zerhacker die Spannung auf der Gleichstromseite der Wechselrichtervorrichtung. Zudem erhöht der Aufwärts-/Abwärts-Zerhacker die Spannung auf der Gleichstromseite der Wechselrichtervorrichtung gemäß der Erhöhung der Ausgabe der Wechselrichtervorrichtung. Dementsprechend wird das obige Problem gelöst.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung kann sowohl ein Effekt des Verringerns der Verluste, die von dem Oberschwingungsstrom des Wechselstrom-Motors erzeugt werden, als auch ein Effekt des Verbesserns des Antriebsleistungsvermögens in dem Hochgeschwindigkeitsbereich und des Nutzbremsleistungsvermögens erzielt werden.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine Darstellung einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 ist eine Darstellung einer beispielhaften Struktur eines Aufwärts-/Abwärts-Zerhackers und einer Wechselrichtervorrichtung;
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3 ist eine erste Darstellung einer Beziehung zwischen einer Wechselrichter-Frequenz und einer Oberschwingungsstromstärke eines Wechselstrom-Motors;
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4 ist eine zweite Darstellung der Beziehung zwischen der Wechselrichter-Frequenz und der Oberschwingungsstromstärke des Wechselstrom-Motors;
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5 ist eine Darstellung einer ersten Struktur zum Anschließen einer Energiespeichervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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6 ist eine Darstellung einer zweiten Struktur zum Anschließen der Energiespeichervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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7 ist eine Darstellung einer ersten Struktur zum Anschließen einer Hilfsleistungsversorgung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
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8 ist eine Darstellung einer zweiten Struktur zum Verbinden der Hilfsleistungsversorgung gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Zunächst werden die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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Erste Ausführungsform
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Eine erste Ausführungsform eines Leistungsumsetzers für ein Schienenfahrzeug gemäß der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf 1 bis 4 beschrieben. Eine Struktur des Leistungsumsetzers für das Schienenfahrzeug und eines Aufwärts-/Abwärts-Zerhackers gemäß der vorliegenden Erfindung wird zuerst beschrieben. Danach wird ein Betrieb eines Aufwärts-/Abwärts-Zerhackers beschrieben.
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Die Struktur des Leistungsumsetzers für das Schienenfahrzeug gemäß der vorliegenden Erfindung wird beschrieben. 1 ist eine Darstellung einer Struktur der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Eine Gleichstrom-Leistungsversorgung 1, die in 1 von einer gestrichelten Linie umgeben ist, ist mit einem Aufwärts-/Abwärts-Zerhacker 4 über eine Filterschaltung, die einen ersten Induktor 2 und einen ersten Kondensator 3 umfasst, verbunden. Der Aufwärts-/Abwärts-Zerhacker 4 transformiert die Spannung der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 herauf/herab und gibt sie aus.
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Der Aufwärts-/Abwärts-Zerhacker 4 ist über einen zweiten Kondensator 5 mit einer Wechselrichtervorrichtung 6 verbunden. Die Wechselrichtervorrichtung 6 wandelt Gleichstrom, der von dem Aufwärts-/Abwärts-Zerhacker 4 erhalten wird, in Dreiphasen-Wechselstrom um und treibt einen Wechselstrom-Motor 7 an. Im Allgemeinen weist die Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 Folgendes auf: eine Struktur zum Verbinden mit einer Gleichstromleitung über einen Pantografen, der ein Stromabnehmer ist, eine Struktur zum Erhalten von Gleichstrom durch Verwenden eines Drittschienensystems oder eine Struktur zum Erhalten von Wechselstrom durch kontaktlose Leistungsübertragung und zum Umwandeln in Gleichstrom durch einen Gleichrichter. Ebenso werden als der Wechselstrom-Motor 7 ein Induktionsmotor und ein Synchronmotor vom Permanentmagnettyp verwendet. In 1 ist eine Struktur beschrieben, bei der die Wechselrichtervorrichtung 6 einen einzelnen Wechselstrom-Motor 7 antreibt. Die Wechselrichtervorrichtung 6 kann jedoch mehrere Wechselstrom-Motoren 7 antreiben.
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Zunächst werden die Strukturen des Aufwärts-/Abwärts-Zerhackers 4 und der Wechselrichtervorrichtung 6 beschrieben. In 2 sind beispielhafte Strukturen des Aufwärts-/Abwärts-Zerhackers 4 und der Wechselrichtervorrichtung 6 gezeigt.
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Zunächst wird die Struktur des Aufwärts-/Abwärts-Zerhackers 4 beschrieben. Der Aufwärts-/Abwärts-Zerhacker 4 weist eine erste Stromstärke-Steuereinheit 4A und eine zweite Stromstärke-Steuereinheit 4B, die ähnlich wie die erste Stromstärke-Steuereinheit ausgelegt ist, auf, die in Reihe geschaltet sind. In der ersten Stromstärke-Steuereinheit 4A ist ein Stromstärke-Steuerelement, das den Strom, der von einer Hochdruckseite zu einer Niederdruckseite fließt, leiten/unterbrechen kann, mit einer Diode, die den Strom in der Rückwärtsrichtung des Stromstärke-Steuerelements leiten kann, kombiniert. Eine Leistungsversorgungsleitung auf der Hochdruckseite der ersten Stromstärke-Steuereinheit 4A ist mit einem Verbindungspunkt zwischen dem ersten Induktor 2 und dem ersten Kondensator 3 verbunden und eine Leistungsversorgungsleitung auf der Niederdruckseite der zweiten Stromstärke-Steuereinheit 4b ist mit einer Leistungsversorgungsleitung auf der Niederdruckseite der Gleichstrom-Leistungsversorgung verbunden.
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Im Allgemeinen wird als das Stromstärke-Steuerelement ein Leistungshalbleiterelement wie beispielsweise ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) und ein Leistungs-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) verwendet. Diese Leistungshalbleiterelemente verwenden oft Silizium als Material. Doch in den letzten Jahren werden zunehmend Leistungshalbleiterelemente mit Siliciumcarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) eingesetzt, und dies trägt dazu bei, Verluste des Systems zu reduzieren. Daher kann das Stromstärke-Steuerelement SiC und GaN als Material verwenden. In ähnlicher Weise können die Stromstärke-Steuereinheiten, die in der Diode und der Wechselrichtervorrichtung 6 enthalten sind, Silizium verwenden. Jedoch können SiC und GaN für die Stromstärke-Steuereinheiten verwendet werden.
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Zudem sind eine dritte Stromstärke-Steuereinheit 4C und eine vierte Stromstärke-Steuereinheit 4D, die ähnlich wie die erste Stromstärke-Steuereinheit 4A ausgebildet sind, zwischen einer Leistungsversorgungsleitung auf der Hochdruckseite der Gleichstromseite der Wechselrichtervorrichtung 6 und einer Leistungsversorgungleitung auf der Niederdruckseite in Reihe geschaltet.
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Zusätzlich ist ein zweiter Induktor 4E zwischen einem Verbindungspunkt zwischen der ersten Stromstärke-Steuereinheit 4A und der zweiten Stromstärke-Steuereinheit 4B und einem Verbindungspunkt zwischen der dritten Stromstärke-Steuereinheit 4C und der vierten Stromstärke-Steuereinheit 4D angeschlossen.
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Durch eine derartige Auslegung des Aufwärts-/Abwärts-Zerhackers können ein Herauftransformationsbetrieb und ein Herabtransformationsbetrieb ohne Abhängigkeit von einer Richtung des Stromflusses zwischen dem Aufwärts-/Abwärts-Zerhacker und der Wechselrichtervorrichtung durchgeführt werden. Wenn der Strom beispielsweise von dem Aufwärts-/Abwärts-Zerhacker zu der Wechselrichtervorrichtung fließt, leitet das Stromstärke-Steuerelement der ersten Stromstärke-Steuereinheit 4A und das Stromstärke-Steuerelement der vierten Stromstärke-Steuereinheit 4D wird durch Umschalten seines Zustands zwischen einem Leitungszustand und einem Unterbrechungszustand betrieben. Dementsprechend kann die Spannung zwischen dem Aufwärts-/Abwärts-Zerhacker und der Wechselrichtervorrichtung herauftransformiert werden. Zudem leitet das Stromstärke-Steuerelement der vierten Stromstärke-Steuereinheit 4D und das Stromstärke-Steuerelement der ersten Stromstärke-Steuereinheit 4A wird durch Umschalten seines Zustands zwischen dem Leitungszustand und dem Unterbrechungszustand betrieben. Dementsprechend kann die Spannung zwischen dem Aufwärts-/Abwärts-Zerhacker und der Wechselrichtervorrichtung herabtransformiert werden.
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In ähnlicher Weise kann auch dann, wenn der Strom von der Wechselrichtervorrichtung zu dem Aufwärts-/Abwärts-Zerhacker fließt, die Spannung zwischen dem Aufwärts-/Abwärts-Zerhacker und der Wechselrichtervorrichtung herab-/herauftransformiert werden.
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Eine beispielhafte Struktur des Aufwärts-/Abwärts-Zerhackers ist in 2 dargestellt und die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Struktur in 2 beschränkt. Es ist bevorzugt, dass der Aufwärts-/Abwärts-Zerhacker den Herauftransformationsbetrieb und den Herabtransformationsbetrieb unabhängig von der Richtung des Stroms, der zwischen dem Aufwärts-/Abwärts-Zerhacker und der Wechselrichtervorrichtung fließt, durchführt.
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Als nächstes wird die Struktur der Wechselrichtervorrichtung beschrieben. Die Wechselrichtervorrichtung 6 umfasst eine siebte bis zwölfte Stromstärke-Steuereinheit 6A bis 6F, die ähnlich wie die erste Stromstärke-Steuereinheit 4A ausgebildet sind.
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Zunächst ist die siebte Stromstärke-Steuereinheit 6A mit der achten Stromstärke-Steuereinheit 6b in Reihe geschaltet und eine Leistungsversorgungsleitung auf der Hochdruckseite der siebten Stromstärke-Steuereinheit 6A ist mit einem Verbindungspunkt zwischen der Hochdruckseite des Aufwärts-/Abwärts-Zerhackers 4 und dem zweiten Kondensator 5 verbunden. Eine Leistungsversorgungsleitung auf der Niederdruckseite der achten Stromstärke-Steuereinheit 6B ist mit der Leistungsversorgungsleitung auf der Niederdruckseite der Gleichstrom-Leistungsversorgung verbunden.
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Ähnlich wie die siebte Stromstärke-Steuereinheit 6A und die achte Stromstärke-Steuereinheit 6B, ist die neunte Stromstärke-Steuereinheit 6C mit der zehnten Stromstärke-Steuereinheit 6D in Reihe geschaltet und die elfte Stromstärke-Steuereinheit 6E ist mit der zwölften Stromstärke-Steuereinheit 6F in Reihe geschaltet. Eine Leistungsversorgungsleitung auf der Hochdruckseite der neunten Stromstärke-Steuereinheit 6C und der elften Stromstärke-Steuereinheit 6E ist mit einem Verbindungspunkt zwischen der Hochdruckseite des Aufwärts-/Abwärts-Zerhackers 4 und dem zweiten Kondensator 5 verbunden und eine Leistungsversorgungsleitung auf der Niederdruckseite der zehnten Stromstärke-Steuereinheit 6D und der zwölften Stromstärke-Steuereinheit 6F ist auf der Niederdruckseite der Gleichstrom-Leistungsversorgung mit der Leistungsversorgungsleitung verbunden. Zusätzlich ist ein Verbindungspunkt zwischen der siebten Stromstärke-Steuereinheit 6A und der achten Stromstärke-Steuereinheit 6B mit einem Verbindungspunkt zwischen der neunten Stromstärke-Steuereinheit 6C und der zehnten Stromstärke-Steuereinheit 6d verbunden und ein Verbindungspunkt zwischen der elften Stromstärke-Steuereinheit 6E und der zwölften Stromstärke-Steuereinheit 6F mit dem Wechselstrom-Motor verbunden.
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Es ist hier beschrieben worden, dass die Wechselrichtervorrichtung eine zweistufige Struktur aufweist, bei der zwei Stromstärke-Steuereinheiten pro Phase in Reihe geschaltet sind. Jedoch kann eine Drei-Stufen-Struktur, bei der vier Stromstärke-Steuereinheiten pro Phase in Reihe geschaltet sind, verwendet werden.
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Als nächstes wird der Betrieb des Aufwärts-/Abwärts-Zerhackers beschrieben. 3 zeigt eine Beziehung zwischen der Wechselrichter-Frequenz, die eine Frequenz einer dreiphasigen Wechselspannung der Wechselrichtervorrichtung ist, und einem Oberschwingungsstromstärken-Effektivwert des Wechselstrom-Motors, der auf einer Spezifikation basiert, die einem Gleichstrom-Elektrowagen auf den herkömmlichen Leitungen entspricht. Die Wechselrichtervorrichtung arbeitet in einem asynchronen PWM-Modus und weist gleichzeitig eine konstante Schaltfrequenz auf. Zudem ist die Gleichstrom-Leistungsversorgung von 1500 V dargestellt.
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Unter vier Bedingungen, unter denen Spannungen auf der Gleichstromseite der Wechselrichtervorrichtung (die weiter unten als Eingangsspannung bezeichnet sind), die das Ergebnis sind, das durch Herab-/Herauftransformieren der Spannung der Gleichstrom-Leistungsversorgung durch den Aufwärts-/Abwärts-Zerhacker erhalten wird, jeweils 500 V, 1000 V, 1500 V, 2000 V betragen, ist die Oberschwingungsstromstärke des Wechselstrom-Motors in einem Bereich dargestellt, in dem eine Gesamtamplitude eines Befehlswerts der Dreiphasen-Wechselspannung der Wechselrichtervorrichtung (im Folgenden als Ausgangsspannung bezeichnet) die Eingangsspannung nicht überschreitet, d. h. einem Bereich, in dem ein Modulationssystem der Wechselrichtervorrichtung nicht zu Übermodulation wird.
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Aus 3 kann verstanden werden, dass die Oberschwingungsstromstärke des Wechselstrom-Motors niedriger wird, wenn die Eingangsspannung des Wechselrichters niedriger wird, und die Oberschwingungsstromstärke des Wechselstrom-Motors entsprechend der Erhöhung der Wechselrichter-Frequenz steigt. Obwohl dies nicht in 3 gezeigt ist, steigt zudem dann, wenn das Modulationssystem der Wechselrichtervorrichtung die Übermodulation ist, die Oberschwingungsstromstärke des Wechselstrom-Motors weiter.
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Verluste, die durch den Oberschwingungsstrom des Wechselstrom-Motors verursacht werden, sind mit der Menge des Oberschwingungsstroms korreliert, und wenn die Oberschwingungsstromstärke des Wechselstrom-Motors klein ist, werden die Verluste, die durch den Oberschwingungsstrom in dem Wechselstrom-Motor verursacht werden, kleiner.
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Wenn die Eingangsspannung der Wechselrichtervorrichtung von der Spannung, die niedriger als die der Gleichstrom-Leistungsversorgung ist, entsprechend der Erhöhung in der Ausgabe der Wechselrichtervorrichtung herauftransformiert wird, können die Verluste, die durch den Oberschwingungsstrom des Wechselstrom-Motors verursacht werden, verringert werden.
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Um die Verluste zu reduzieren, wenn die Wechselrichter-Frequenz kleiner oder gleich einer ersten Schwellenfrequenz F1 ist, wie sie durch eine gepunktete Linie in 3 dargestellt ist, transformiert der Aufwärts-/Abwärts-Zerhacker die Eingangsspannung auf einen ersten Spannungswert V1, der niedriger als die Gleichstrom-Leistungsversorgungsspannung ist, herab und gibt sie aus. Wenn die Wechselrichter-Frequenz höher als die erste Schwellenfrequenz F1 ist und in einem Bereich von der ersten Schwellenfrequenz F1 bis zu einem Wert, der kleiner oder gleich einer zweiten Schwellenfrequenz F2 ist, die größer als F1 ist, enthalten ist, wird die Eingangsspannung durch den Aufwärts-/Abwärts-Zerhacker proportional zu der Wechselrichter-Frequenz allmählich erhöht, so dass das Modulationssystem der Wechselrichtervorrichtung nicht zu der Übermodulation wird, und die Eingangsspannung wird durch den Aufwärts-/Abwärts-Zerhacker bei der zweiten Schwellenfrequenz F2 herauftransformiert, um einen zweiten Spannungswert V2, der höher als die Gleichstrom-Leistungsversorgungsspannung ist, zu erreichen, und wird ausgegeben. In diesem Bereich, in dem die Wechselrichter-Frequenz größer als die zweite Schwellenfrequenz F2 wird, transformiert der Aufwärts-/Abwärts-Zerhacker die Eingangsspannung auf den zweiten Spannungswert V2 herab und gibt sie aus. Die Wechselrichter-Frequenz regelt die Ausgangsspannung so, dass die Gesamtamplitude der Dreiphasen-Wechselspannung der Wechselrichtervorrichtung nicht die Spannung auf der Gleichstromseite der Wechselrichtervorrichtung übersteigt, d. h. so, dass das Modulationssystem nicht zu der Übermodulation wird.
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Die Eingangsspannung wird in 3 proportional zu der Wechselrichter-Frequenz erhöht. Jedoch kann die Eingangsspannung wie in 4 veranschaulicht in einer schrittweisen Form verändert werden.
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In 4 wird, bis die Wechselrichte-Frequenz einen unteren Frequenzgrenzwert F1 erreicht, die Eingangsspannung der Wechselrichtervorrichtung auf einen unteren Spannungsgrenzwert V1, der niedriger als die Gleichstrom-Leistungsversorgungsspannung ist, herabtransformiert. Wenn die Wechselrichterfrequenz F1 erreicht hat, wird die Eingangsspannung der Wechselrichtervorrichtung auf einen Spannungswert V1A, der höher als V1 ist, herauftransformiert.
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Ähnlich wird dann, wenn die Wechselrichter-Frequenz einen Frequenzwert F1A, der höher als F1 ist, erreicht hat, die Eingangsspannung des Wechselrichters auf einen Spannungswert V1B, der höher als V1A ist, herauftransformiert. Indem dies dann, wenn die Wechselrichter-Frequenz ein oberer Frequenzwert F2 ist, wiederholt wird, wird die Eingangsspannung der Wechselrichtervorrichtung herauftransformiert, um einen oberen Spannungswert V2, der höher als die Gleichstrom-Leistungsversorgungsspannung ist, zu erreichen.
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Die Eingangsspannung der Wechselrichtervorrichtung wird in 4 in vier Stufen von V1 auf V2 herauftransformiert. Die Anzahl der Stufen der vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht wie in 4 gezeigt auf vier beschränkt. Es ist bevorzugt, dass die Spannung auf der Eingangsseite der Wechselrichtervorrichtung in einer schrittweisen Form herauftransformiert wird, so dass das Modulationssystem der Wechselrichtervorrichtung nicht zu der Übermodulation wird.
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Zudem ist die Wechselrichterfrequenz beinahe proportional zu der Amplitude der Ausgangsspannung. Daher kann die Eingangsspannung proportional zu der Amplitude der Ausgangsspannung statt proportional zu der Wechselrichter-Frequenz oder der Eingangsspannung herab-/herauftransformiert werden oder kann in einer schrittweisen Form entsprechend der Amplitude der Ausgangsspannung verändert werden. In ähnlicher Weise ist die Wechselrichter-Frequenz beinahe die gleiche wie die Drehzahl des Wechselstrom-Motors. Daher kann die Eingangsspannung proportional zu der Drehzahl des Wechselstrom-Motors oder einer Geschwindigkeit des Schienenfahrzeuges, die eine proportionale Beziehung zu der Drehzahl des Wechselstrom-Motors aufweist, statt proportional zu der Wechselrichter-Frequenz herauf-/herabtransformiert werden.
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Auf diese Weise transformiert der Aufwärts-/Abwärts-Zerhacker die Wechselrichter-Eingangsspannung entsprechend der Wechselrichter-Frequenz, der Amplitude der Ausgangsspannung, der Drehzahl des Wechselstrom-Motors oder der Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs herauf/herab. Die Ausgangsspannung wird verringert, wenn die Wechselrichter-Frequenz, die Amplitude der Ausgangsspannung, die Drehzahl des Wechselstrom-Motors oder die Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs kleiner wird, und die Ausgangsspannung wird erhöht, wenn die Wechselrichter-Frequenz, die Amplitude der Ausgangsspannung, die Drehzahl des Wechselstrom-Motors oder die Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs größer wird. Dementsprechend können die Verluste, die durch den Oberschwingungsstrom des Wechselstrommotors verursacht werden, reduziert werden und zusätzlich können ein Antriebsleistungsvermögen und ein Nutzbremsleistungsvermögen des Fahrzeugs verbessert werden.
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Zusätzlich können, da die Verluste, die durch den Schaltvorgang der Wechselrichtervorrichtung verursacht werden, beinahe proportional zu der Spannung auf der Gleichstromseite der Wechselrichtervorrichtung sind, nicht nur die Verluste, die durch den Oberschwingungsstrom des Wechselstrom-Motors verursacht werden, sondern auch die Verluste, die durch den Schaltbetrieb der Wechselrichtervorrichtung verursacht werden, verringert werden.
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Zweite Ausführungsform
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Eine zweite Ausführungsform eines Leistungsumsetzers für ein Schienenfahrzeug gemäß der vorliegenden Erfindung ist unter Bezugnahme auf 5 und 6 beschrieben. In dem Schienenfahrzeug gibt es, um die Leistung durch eine Regenerativbremse zu absorbieren, den Fall, in dem eine Energiespeichervorrichtung angeschlossen ist, bei der eine Energiespeichereinheit wie beispielsweise eine Batterie und ein elektrischer Doppelschicht-Kondensator mit einer Aufwärts-/Abwärts-Zerhackerschaltung kombiniert ist. Eine Struktur, in der der Leistungsumsetzer für das Schienenfahrzeug in 1 mit einer Energiespeichervorrichtung 8 verbunden ist, ist in 5 und 6 dargestellt. Die anderen Komponenten neben der Energiespeichervorrichtung 8 sind die gleichen wie diejenigen der ersten Ausführungsform.
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In 5 ist ein Fall dargestellt, in dem die Energiespeichervorrichtung 8 mit Leistungsversorgungsleitungen auf der Hochdruckseite und der Niederdruckseite zwischen einem Aufwärts-/Abwärts-Zerhacker 4 und einem zweiten Kondensator 5 verbunden ist. Zu dieser Zeit umfasst die Energiespeichervorrichtung 8 eine fünfte Stromstärke-Steuereinheit 8A, eine sechste Stromstärke-Steuereinheit 8b, die ähnlich wie die fünfte Stromstärke-Steuereinheit ausgebildet ist, einen dritten Induktor 8C und eine Energiespeichereinheit 8D wie etwa die Batterie und den elektrischen Doppelschichtkondensator. In der fünften Stromstärke-Steuereinheit 8A ist ein Stromstärke-Steuerelement, das den Strom, der von einer Hochdruckseite zu einer Niederdruckseite fließt, leiten/unterbrechen kann, mit einer Diode kombiniert, die den Strom in der Rückwärtsrichtung des Stromstärke-Steuerelements leiten kann. Die Energiespeichereinheit 8D ist zwischen einem Verbindungspunkt zwischen der fünften Stromstärke-Steuereinheit 8a und der sechsten Stromstärke-Steuereinheit 8B und einer Leistungsversorgungsleitung auf der Niederdruckseite angeschlossen. Zudem ist der dritte Induktor 8C zwischen einem Verbindungspunkt zwischen der fünften Stromstärke-Steuereinheit 8a und der sechsten Stromstärke-Steuereinheit 8b und der Energiespeichereinheit 8D angeschlossen. Ähnlich wie in der ersten Ausführungsform können das Stromstärke-Steuerelement und die Diode Silizium verwenden. Jedoch können SiC und GaN für das Stromstärke-Steuerelement und die Diode verwendet werden.
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In der Ausführungsform, die in 5 gezeigt ist, ist die Energiespeichervorrichtung 8 zwischen dem Aufwärts-/Abwärts-Zerhacker 4 und dem zweiten Kondensator 5 angeschlossen. In einem Fall dieser Ausführungsform können die Drücke der Wechselrichtervorrichtung und der Energiespeichervorrichtung vereinheitlicht sein und die Wechselrichtervorrichtung kann in die Energiespeichervorrichtung integriert sein. Zudem gibt es, da eine Spannung, die an der Energiespeichervorrichtung angelegt ist, durch den Aufwärts-/Abwärts-Zerhacker bestimmt wird, den Vorteil, dass der Effekt der Schwankungen der Gleichstrom-Leistungsversorgungsspannung kaum erhalten wird.
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In 5 ist die Ausführungsform dargestellt, bei der die Energiespeichervorrichtung 8 zwischen dem Aufwärts-/Abwärts-Zerhacker 4 und dem zweiten Kondensator 5 angeschlossen ist. Andererseits ist in der Ausführungsform, die in 6 dargestellt ist, die Energiespeichervorrichtung 8 zwischen dem Aufwärts-/Abwärts-Zerhacker 4 und dem ersten Kondensator 3 angeschlossen. In einem Fall dieser Ausführungsform besteht der Vorteil, dass der Aufwärts-/Abwärts-Zerhacker und die Energiespeichervorrichtung einstückig ausgebildet sein können und es leicht ist, die Spezifikation der Energiespeichervorrichtung gemäß der Gleichstrom-Leistungsversorgungsspannung, die einen schmaleren Schwankungsbereich als den der Ausgangsspannung des Aufwärts-/Abwärts-Zerhackers aufweist, optimal anzupassen.
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5 und 6 weisen jeweils die Vorteile auf. Daher ist es bevorzugt, dass die optimale Struktur entsprechend dem Fahrzeug ausgewählt ist, an dem die vorliegende Erfindung montiert ist.
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Dritte Ausführungsform
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Eine dritte Ausführungsform eines Leistungsumsetzers für ein Schienenfahrzeug gemäß der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf 7 und 8 beschrieben. Es gibt einen Fall, in dem der Leistungsumsetzer für ein Fahrzeug eine Hilfsleistungsversorgung umfasst, die als eine Leistungsversorgung für eine Beleuchtung und eine Klimaanlage in dem Fahrzeug montiert ist. Strukturen, bei denen eine Hilfsleistungsversorgung 9 und ein Dreiphasen-Wechselstrom-Verbraucher 10, dem Strom von der Hilfsleistungsversorgung zugeführt wird, zu der ersten Ausführungsform, die in 1 veranschaulicht ist, hinzugefügt sind, sind in 7 und 8 veranschaulicht. Die anderen Komponenten neben der Hilfsleistungsversorgung 9 und dem Dreiphasen-Wechselstrom-Verbraucher 10 sind die gleichen wie diejenigen in der ersten Ausführungsform.
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In der Ausführungsform, die in 7 veranschaulicht ist, ist die Hilfsleistungsversorgung 9 mit Leistungsversorgungsleitungen auf der Hochdruckseite und der Niederdruckseite zwischen einem Aufwärts-/Abwärts-Zerhacker 4 und einem zweiten Kondensator 5 angeschlossen. In dieser Ausführungsform umfasst die Hilfsleistungsversorgung 9 einen Leistungsumsetzer 9A, einen Dreiphasen-Transformator 9B und einen dritten Kondensator 9C. Zudem ist eine Ausgangsseite des Dreiphasen-Transformators mit dem Dreiphasen-Wechselstrom-Verbraucher 10 der Beleuchtung und der Klimaanlage verbunden. Ebenso wie in der ersten Ausführungsform kann die Stromstärke-Steuereinheit, die in dem Leistungsumsetzer 9A enthalten ist, Silizium verwenden. Jedoch können SiC und GaN für die Stromstärke-Steuereinheit verwendet werden.
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Wenn die Hilfsleistungsversorgung 9 zwischen dem Aufwärts-/Abwärts-Zerhacker 4 und dem zweiten Kondensator 5 wie in 7 dargestellt angeschlossen ist, können, da die Drücke, die für die Wechselrichtervorrichtung und die Hilfsenergieversorgung erforderlich sind, die gleichen sind, die Spezifikationen von diesen vereinheitlicht werden. Darüber hinaus wird es einfach, die Wechselrichtervorrichtung und die Hilfsleistungsversorgung einstückig auszubilden. Zudem gibt es, da eine Spannung, die an die Hilfsleistungsversorgung angelegt ist, durch den Aufwärts-/Abwärts-Zerhacker bestimmt wird, den Vorteil, dass der Effekt der Schwankungen der Gleichstrom-Leistungsversorgungsspannung kaum erhalten wird.
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In 7 ist die Ausführungsform veranschaulicht, bei der die Hilfsleistungsversorgung 9 zwischen dem Aufwärts-/Abwärts-Zerhacker 4 und dem zweiten Kondensator 5 angeschlossen ist. Andererseits kann in der Ausführungsform, die in 6 veranschaulicht ist, die Hilfsleistungsversorgung 9 mit dem Verbindungspunkt zwischen dem ersten Induktor 2 und dem ersten Kondensator 3 und der Leistungsversorgungsleitung auf der Niederdruckseite der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 angeschlossen sein. In einem Fall dieser Ausführungsform gibt es den Vorteil, dass die Hilfsleistungsversorgung und die Energiespeichervorrichtung einstückig ausgebildet sein können, und es ist leicht, die Spezifikation der Hilfsleistungsversorgung gemäß der Gleichstrom-Leistungsversorgungsspannung, die einen schmaleren Schwankungsbereich als den der Ausgangsspannung des Aufwärts-/Abwärts-Zerhackers aufweist, optimal anzupassen.
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Die 7 und 8 weisen jeweils die Vorteile auf. Daher kann die optimale Struktur entsprechend dem Fahrzeug ausgewählt sein, an dem die vorliegende Erfindung montiert ist.
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Merkmale, Bestandteile und spezielle Einzelheiten der Strukturen der oben beschriebenen Ausführungsformen können vertauscht oder kombiniert werden, um weitere, für die jeweilige Anwendung optimierte Ausführungsformen zu bilden. Soweit diese Abwandlungen für einen Fachmann ohne weiteres ersichtlich sind, sollen sie, um der Kürze der vorliegenden Beschreibung willen, durch die obige Beschreibung unausgesprochen offenbart sein, ohne dass jede mögliche Kombination ausdrücklich angegeben ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 5320452 B1 [0003, 0005, 0008]
