DE60027806T2

DE60027806T2 - Vorrichtung zum Antrieb eines Fahrzeugs unter Verwendung von umrichtergesteuerten Motoren und Getrieben

Info

Publication number: DE60027806T2
Application number: DE60027806T
Authority: DE
Inventors: Intellectual Property Division Yosuke Minato-ku Nakazawa
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1999-02-18
Filing date: 2000-02-10
Publication date: 2006-12-21
Anticipated expiration: 2020-02-11
Also published as: JP2000245005A; EP1029732A2; EP1029732A3; DE60027806D1; US6431297B1; EP1029732B1

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Antreiben eines Fahrzeugs durch unrichtergesteuerte Motoren über einen Getriebemechanismus.
2. Beschreibung des Standes der Technik
1 und 2 zeigen eine Vorrichtung zum Antreiben eines Fahrzeugs gemäß dem Stand der Technik. Die Vorrichtung hat ein großes Zahnrad 11, ein kleines Zahnrad 12, einen Wechselstrommotor 13, einen Umrichter 14, eine Filterdrossel 15 und ein Speisesystem 16. Das große Zahnrad 11 ist koaxial zu und direkt verbunden mit einer Radwelle 10 und ist mechanisch angeordnet, um in Eingriff zu stehen mit dem kleinen Zahnrad 12. Der Wechselstrommotor 13 erzeugt ein Drehmoment, welches um einen Verstärkungsfaktor verstärkt wird, der durch ein Untersetzungs- bzw. Getriebeverhältnis des kleinen Zahnrads 12 und des großen Zahnrads 11 definiert wird, hierdurch eine Beschleunigungs- oder Verlangsamungskraft zum Antreiben des Fahrzeugs bereitstellend. Auch ein Laufgestell 9 und ein Glättungskondensator 8 sind gezeigt.
Die Probleme des Standes der Technik werden erläutert. Zum Übertragen eines großen Drehmoments muss jeder Zahn jedes Zahnrads eine Größe (einen Bereich) haben, die größer ist als ein vorbestimmter Wert. Mechanische Festigkeit und ein begrenzter Unterbodenraum schränken die maximale Anzahl der Zahnräder von Getrieben ein, um ein maximales Zahnradverhältnis einzuschränken. Dies erlegt einem Drehmomentverstärkungsfaktor von Zahnrädern und der Geschwindigkeit eines Motors Begrenzungen auf. Der Stand der Technik schränkt nämlich die Geschwindigkeit des Motors der Fahrzeugantriebsvorrichtung ein und daher ist es unmöglich, die Größe, das Gewicht und die Kosten der Vorrichtung durch das Verwenden des Vorteiles des Betreibens des Motors bei hoher Geschwindigkeit zu reduzieren.
Zum Zuführen von Elektrizität zu Motoren zum Antreiben eines Fahrzeugs verwendete Umrichter arbeiten üblicherweise bei einer Eingangsgleichspannung von etwa 1500 V. Diese Spannung ist extrem hoch verglichen mit einer Eingangsgleichspannung von etwa 280 V für Standard-Industrieumrichter. Als ein Ergebnis verursachen die Umrichter für Fahrzeuge ein ernsthaftes Problem mit harmonischer Induktion. Zusätzlich sind die Umrichter für Fahrzeuge in Übereinstimmung mit speziellen Spezifikationen entworfen und involvieren daher hohe Kosten.
US 4 554 989 A offenbart ein modulares elektrisch angetriebenes Mehrmotorkraftzugsystem für turbinenbetriebene Fahrzeuge. Das System umfasst eine Vielzahl elektrischer Hochgeschwindigkeitsmotoren, die durch Elektroenergie-Erzeugungseinrichtung, d.h., Generatoren, versorgt werden, welche durch die Ausgangswelle der Turbine angetrieben werden. Die elektrischen Antriebsmotoren haben jeweils ein kleines Ritzelzahnrad, das in Eingriff steht mit einem großen direkt mit einer Radwelle verbundenen Zahnrad.
EP 0 401 057 A offenbart ein Variabelgeschwindigkeits-Antriebssystem für Drei-Phasen-Induktionsmotoren. Das System umfasst mindestens einen Motor mit mindestens zwei Primärwicklungen, die eine Potentialteilung der Eingangsgleichstromenergie ermöglichen, wobei jede durch einen in Serie verbundenen Umrichter gespeist wird. Um einen zufälligen Ausfall oder eine Überspannung in der Energieumsetzvorrichtung zu eliminieren, wird die Ausgangsleistung der Umrichter durch eine Vielzahl elektrischer Schaltungen gesteuert.
JP 63167678 A offenbart ein Energieversorgungssystem mit Umrichtern in Serie verbunden zum Antreiben eines Motors wie eines Linearmotors. Die Ströme zu den Primärwicklungen werden durch die Umrichter zugeführt. Kurzschlusseinheiten sind parallel mit den Umrichtern vorgesehen, wobei der Betrieb fortgesetzt werden kann, ohne Unterbrechen der betreibbaren Umrichter in dem Fall eines Fehlers irgendeines Umrichters.
DE 196 14 167 A offenbart ein Hochspannungsenergie-Umsetzsystem, das beispielsweise in einem Antriebssystem für ein Schienenfahrzeug verwendbar ist. Das Stromgleichrichtersystem umfasst eine Vielzahl von partiellen Gleitrichtersystemen für die Versorgung einiger Motoren eines Benutzersystems. Eine hohe Wechselspannung wird in einer Serienschaltung des Teilgleichrichtersystems zugeführt zum Vermeiden der Verwendung eines anderweitig erforderlichen hauptseitigen Transformators. Das System stellt auch eine Gleichspannungsversorgung bereit.
RESÜMEE DER ERFINDUNG
Ein erstes Ziel der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen einer Einrichtung zum Antreiben und Steuern eines Fahrzeugs, die imstande ist, ein Getriebeverhältnis zu erhöhen, das durch durch Wechselstrommotoren angetriebene kleine Zahnräder und ein direkt mit einer Radwelle verbundenen großen Zahnrad definiert wird. Die Vorrichtung ist klein, leicht und verursacht geringe Kosten, weil sie die Wechselstrommotoren bei hoher Geschwindigkeit betreiben kann. Das erste Ziel der vorliegenden Erfindung wird erreicht durch direktes Verbinden eines großen Zahnrads mit einer Radwelle, in Eingriff bringen des großen Zahnrads mit kleinen Zahnrädern, jeweiliges Verbinden der kleinen Zahnräder mit Wechselstrommotoren und Verbinden der Wechselstrommotoren mit Wechselstromseiten von Umrichtern. Diese Anordnung verteilt und reduziert ein auf die kleinen Zahnräder einwirkendes Drehmoment zum Verringern des durch jedes kleine Zahnrad übertragenen Drehmoments. Dies ermöglicht es, dass der Querschnittsbereich jedes Zahns jedes kleinen Zahnrads reduziert wird, hierdurch ermöglichend, dass ein durch die Zahnräder definiertes Getriebeverhältnis vergrößert wird.
Ein zweites Ziel der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen einer Einrichtung zum Antreiben eines Fahrzeugs, die imstande ist, eine Eingangsgleichspannung für einen Umrichter zum Antreiben eines Wechselstrommotors auf einen Stardardumrichterpegel zu reduzieren, das Problem der Harmonischen-Induktion zu minimieren und die Zuverlässigkeit durch Verwenden von preiswerten massenproduzierten Standard-Umrichtern zu verbessern. Das zweite Ziel der vorliegenden Erfindung wird erreicht durch jeweiliges Verbinden kleiner Zahnräder mit Wechselstrommotoren, das jeweilige Antreiben der Wechselstrommotoren durch Umrichter, das Verbinden der Gleichstromeingangsseiten der Umrichter in Serie in mehreren Stufen und das Zuführen von Energie dazu von einer Hochspannungsenergiequelle. Diese Anordnung reduziert eine Eingangsgleichspannung für jeden Umrichter auf einen Standard-Umrichterpegel.
Diese Ziele werden erreicht durch die Vorrichtung zum Antreiben und Steuern eines Fahrzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Genauer, eine Ausführung der vorliegenden Erfindung stellt eine Vorrichtung zum Antreiben und Steuern eines Fahrzeugs mit einem direkt mit einer Radwelle verbundenen großen Zahnrad, kleinen mit dem großen Zahnrad in Eingriff stehenden Zahnrädern, mit den kleinen Zahnrädern jeweils verbundenen Wechselstrommotoren und mit den Wechselstrommotoren jeweils verbundene Umrichtern zum Energiezuführen dazu bereit. Die Wechselstromeingangsseiten der Umrichter sind in Serie verbunden. Ein Plusanschluss eines in der ersten Stufe angeordneten Umrichters und ein Minusanschluss eines in der letzten Stufe angeordneten Umrichters sind mit einer Hochspannungsgleichstrom-Energiequelle verbunden.
Diese Vorrichtung verteilt Drehmoment zu den kleinen Zahnrädern zum Antreiben des großen Zahnrads, das direkt mit der Radwelle verbunden ist. Jedes kleine Zahnrad überträgt ein kleines Drehmoment und daher kann jeder Zahn jedes Zahnrads eine geringe mechanische Festigkeit haben. Dies bedeutet, dass der Querschnittsbereich jedes Zahns jedes kleinen Zahnrads reduziert sein kann, die Anzahl der Zähne der großen Zahnrads, das mit den kleinen Zahnrädern in Eingriff steht, erhöht werden kann, ein Getriebeverhältnis, das durch die kleinen und großen Zahnräder definiert wird, erhöht werden kann, und die Größe, das Gewicht und die Kosten der Vorrichtung reduziert werden können durch Betreiben des Motors bei hoher Geschwindigkeit. Gleichspannungseingangsanschlüsse des Umrichters sind in Serie verbunden zum Empfangen von Energie von der Hochspannungsgleichstrom-Energiequelle, während eine Eingangsgleichspannung zu jedem Umrichter auf einen Standard-Umrichterpegel reduziert wird. Dies minimiert das Problem der Harmonischen-Induktion. Da die Vorrichtung massenproduzierte Standard-Umrichter unverändert verwenden kann, ist sie mit geringen Kosten und hoher Zuverlässigkeit erzeugbar.
Jeder der Umrichter kann eine Umrichtersteuerung haben, die einen Quellengleichspannungswert erhält, der auf einer Energiequellenübertragungsleitung erfasst wird, und einen Eingangsspannungswert, der an dem Umrichter erfasst wird, eine Differenz zwischen dem Eingangsspannungswert und einem durch Dividieren des Quellengleichspannungswerts durch die Anzahl der in Reihe verbundenen Umrichter erhaltenen Quotienten, und einer Ausgangsdrehmomentführungsgröße für den Umrichter in Übereinstimmung mit der Differenz ausgibt. Diese Anordnung unterdrückt eine Gleichspannungsunausgewogenheit, die durch individuelle Differenzen der in Reihe verbundenen Umrichter bedingt ist und verhindert eine Eingangsüberspannung zu den Umrichtern, bedingt durch eine Gleichspannungs-Unausgewogenheit, die die Vorrichtung stoppen könnte.
Jeder der Umrichter kann einen Kurzschlussschalter zwischen seinen Positiv- und Negativ-Gleichspannungs-Eingangsanschlüssen haben zum Kurzschließen des Umrichters, wenn der Umrichter ausfällt, so dass die verbleibenden Umrichter fortgesetzt betrieben werden können. Selbst wenn einige Umrichter ausfallen, minimiert diese Anordnung die Drehmomentreduzierung und setzt den Betrieb des Fahrzeugs fort.
Die Vorrichtung kann einen Leistungsquellen-Unterbrechungsschalter haben zum Unterbrechen der Gleichstromenergiequelle von der Gleichspannungeingangsseite des Umrichters, wenn mindestens einer der Umrichter ausfällt, so dass das Fahrzeug mit den verbleibenden Umrichtern betrieben werden muss, und gleichzeitig, wenn der Wert der Gleichstromquellenspannung die Summe der zulässigen Eingangsgleichspannungswerte der verbleibenden Umrichter übersteigt. Wenn einige Umrichter aufallen, so dass das Fahrzeug mit den verbleibenden Umrichtern betrieben werden muss, und wenn gleichzeitig eine Gleichstromeingangsüberspannung, die oberhalb des Stehspannungswertes der verbleibenden Umrichter liegt, an die verbleibenden Umrichter angelegt wird, der Unterbrechungsschalter geöffnet wird zum Verhindern des Zerstörens der verbleibenden Umrichter.
Die Vorrichtung kann eine Umrichtersteuerung haben zum Vorbereiten einer Umrichterausgangsspannungs-Führungsgröße in Übereinstimmung mit einem zusammengesetzten Wert der Ausgangsströme der Umrichter, so dass die Umrichterimpulsmuster in Übereinstimmung mit derselben Spannungsführungsgröße bereitstehen können. Diese Anordnung gleicht automatisch Gleichspannung aus und setzt den Antriebsbetrieb des Fahrzeugs ohne spezielle Ausgleichssteuerung der Gleichspannung fort.
Ein Rahmen jedes Wechselstrommotors kann elektrisch mit einer Energiequellenmasse kurzgeschlossen werden. Die Vorrichtung kann eine Umrichtersteuerung haben zum Bereitstellen einer Phasendifferenz für eine Dreieckschwingung, die verwendet wird zum Bilden eines Pulsbreitenmodulations- bzw. PWM-Impulsmusters jedes Umrichters. Diese Anordnung minimiert einen Hochfrequenzleckstrom zur Masse bedingt durch das PWM-Schalten der Umrichter und bewahrt die Qualität der Signale und Kommunikation.
Die Vorrichtung kann eine Umrichtersteuerung haben für jeden der Umrichter zum Berechnen eines Ausgangseffektivleistungwerts in Übereinstimmung mit einem Eingangsgleichspannungswert und einem Eingangsgleichstromwert, die beide am Umrichter erfasst werden, zum Berechnen eines Effektivleistungssollwerts in Übereinstimmung mit einer Motordrehfrequenz und eines Drehmomentsollwerts, der sich auf den Umrichter bezieht, zum Berechnen einer Differenz zwischen dem Ausgangseffektivleistungswert und dem Effektivleistungssollwert und zum Korrigieren des Drehmomentsollwerts in Übereinstimmung mit der Differenz. Diese Anordnung unterdrückt eine Ausgangsdrehmoments-Unausgewogenheit, d.h., eine durch individuelle Differenzen des Permanentmagnetflusses der Motoren bedingten Gleichspannungs-Unausgewogenheit und vermeidet das Anhalten des Betriebs der Vorrichtung bedingt durch eine durch die Gleichspannungs-Unausgewogenheit verursachte Umrichtereingangsüberspannung.
Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt eine Vorrichtung zum Antreiben und Steuern eines Fahrzeugs bereit mit einem großen Zahnrad für jedes der mindestens zwei Radwellen des Fahrzeugs vorgesehen, wobei das große Zahnrad direkt verbunden ist mit der Radwelle, kleine Zahnräder mit dem großen Zahnrad in Eingriff stehen, Wechselstrommotoren mit den kleinen Zahnrädern jeweils verbunden sind, jeweils Umrichter mit den Wechselstrommotoren verbunden sind, um ihnen Energie zuzuführen, Gleichstromeingangsanschlüsse der Umrichter, die die Wechselstrommotoren antreiben, welche mit den unterschiedlichen Radwellen verbunden sind, in Serie in mehreren Stufen mit einer Gleichstromenergiequelle verbunden sind, und ein Energiequellen-Unterbrechungsschalter zur gleichzeitigen Unterbrechung der Gleichstromenergiequelle von allen Umrichtern vorgesehen ist.
Wenn einige Umrichter ausfallen und wenn gleichzeitig die Antriebskraft des Fahrzeugs beibehalten werden muss durch Erhöhen des Stroms und Drehmoments der einwandfrei funktionierenden Umrichter und Motoren, überträgt die Vorrichtung dieser Ausführungsform Drehmoment zu den Schienen über die beiden Radwellen. Dies reduziert das Risiko des Radleerlaufs auf den Schienen und stellt eine Beschleunigung des Fahrzeugs sicher.
Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt eine Vorrichtung zum Antreiben und Steuern eines Fahrzeugs bereit mit einem großen Zahnrad direkt mit einer Radachse verbunden, einem kleinen mit dem großen Zahnrad in Eingriff stehenden Zahnrad, einem 3-zu-n-Phasen-Drehstrommotor (n ist eine ganze Zahl gleich oder größer als 2), der mit dem kleinen Zahnrad verbunden ist, und n Umrichtern zum Zuführen von Energie zu dem Drehstrommotor. Die Gleichstromeingangsseiten der Umrichter sind in Serie in n Stufen mit einer Gleichstromenergiequelle verbunden.
Gleichstromeingangsanschlüsse der Umrichter sind in Serie verbunden zum Empfangen von Energie von einer Hochspannungsübertragungsleitung. Diese Anordnung reduziert eine Gleichstromeingansspannung der Umrichter auf einen Pegel eines Standard-Umrichters und minimiert das Problem der Harmonischen-Induktion. Diese Anordnung verwendet massenproduzierte Standard-Umrichter, da sie zum Reduzieren der Kosten und zum Verbessern der Zuverlässigkeit dienen.
Jeder der n Umrichter kann eine Umrichtersteuerung haben, die einen Quellengleichspannungswert empfängt, der an der Gleichstromenergiequelle erfasst wird, und einen Eingangsspannungswert, der an dem Umrichter erfasst wird, eine Differenz zwischen dem Eingangsspannungswert und einem durch Dividieren des Quellengleichspannungswerts mit n erhaltenen Quotienten findet und einen Ausgangsdrehmomentsollwert in Übereinstimmung mit der Differenz korrigiert. Diese Anordnung unterdrückt eine durch individuelle Differenzen der in Serie verbundenen Umrichter verursachte Gleichspannungs-Unausgewogenheit und verhindert eine durch eine Gleichspannungs-Unausgewogenheit bedingte Eingangsüberspannung an den Umrichtern, die die Vorrichtung stoppen könnte.
Jeder der n Umrichter kann einen Kurzschlussschalter zwischen den positiven und negativen Gleichstromeingangsanschlüssen davon haben zum Kurzschließen des Umrichters, wenn der Umrichter Probleme hat, so dass die verbleibenden Umrichter fortgesetzt betrieben werden können. Selbst wenn einige Umrichter ausfallen, minimiert diese Anordnung die Drehmomentreduzierung und setzt den Betrieb des Fahrzeugs fort.
Der Wechselstrommotor kann ein Permanentmagnet-Synchronmotor sein und die Vorrichtung kann eine Umrichtersteuerung haben. Wenn mindestens einer der Umrichter ausfällt, steuert die Umrichtersteuerung die verbleibenden einwandfrei arbeitenden Umrichter, um einen Strom in einer Richtung weiterzuleiten zum Auslöschen des Permanentmagnetflusses des Motors. Der Permanentmagnet-Synchronmotor hat eine hohe induktive Spannung zum Verbessern der Effizienz und Reduzieren der Größe der Vorrichtung.
Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt eine Vorrichtung zum Antreiben und Steuern eines Fahrzeugs bereit mit einem großen Zahnrad direkt mit einer Radachse verbunden, kleinen mit dem großen Zahnrad in Eingriff stehenden Zahnrädern, mit den kleinen Zahnrädern jeweils verbundene Wechselstrommotoren, mit den Wechselstrommotoren jeweils verbundene Umrichter, um ihnen Energie zuzuführen, jeweils mit den Gleichstromeingangsseiten der Umrichter verbundene Konverter mit Wechselstromeingangsanschlüssen in Serie in mehreren Stufen verbunden, und einem Transformator zum Empfangen von Energie von einer Wechselstromenergiequelle und Bereitstellen einer geeigneten Nenn-Wechselspannung zu den Konvertern.
Gemäß dieser Ausführungsform sind die Wechselstromeingangsanschlüsse der Umrichter in Serie über die Konverter verbunden, um Energie von einer Hochspannungsübertragungsleitung zu empfangen, so dass eine Eingangsgleichspannung zu den Umrichtern auf einen Pegel eines Standard-Umrichters reduziert wird. Dies minimiert das Problem der Harmonischen-Induktion. Die Umrichter dieser Ausführungsform können massenproduzierte Standard-Umrichter sein, um Kosten zu reduzieren und die Zuverlässigkeit zu verbessern. Diese Ausführungsform multiplexiert die Konverter in Serie zum Anlegen mehrerer pulsbreitenmodulierter Spannungsebenen an eine Sekundärwicklung des Transformators. Dies reduziert das Energiequellensystem verlassende Harmonische sowie durch die Harmonischen bedingte im Transformator verursachte Wärmeverluste und Rauschen.
Jeder der Konverter kann einen Kurzschlussschalter zwischen den Wechselstromeingangsanschlüssen des Konverters haben. Die Kurzschlussschaltung schaltet den Konverter kurz, wenn der Konverter oder der Umrichter, damit der Gleichspannungsausgangsseite des Konverters verbunden ist, ausfällt, so dass die verbleibenden Konverter und Umrichter den Betrieb fortsetzen können. Selbst wenn einige der Umrichter oder Konverter ausfallen, minimiert diese Anordnung eine Drehmomentreduzierung und setzt den Betrieb des Fahrzeugs fort.
Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt eine Vorrichtung bereit zum Antreiben und Steuern eines Fahrzeugs mit einem großen Zahnrad direkt mit einer Radachse verbunden, kleinen, mit dem großen Zahnrad in Eingriff stehenden Zahnrädern, jeweils mit den kleinen Zahnrädern verbundene Wechselstrommotoren, Umrichter, deren Wechselstromausgangsseiten jeweils mit den Wechselstrommotoren verbunden sind, um diesen Energie zuzuführen, wobei die Gleichstromeingangsseiten der Umrichter in Serie verbunden sind, einen Transformator zum Empfangen von Energie von einer Wechselstromenergiequelle und Bereitstellen einer geeigneten Nenn-Wechselspannung, einen Konverter, dessen Gleichstromausgangsseite mit einem positiven Anschluss eines der in der ersten Stufe angeordneten Umrichter verbunden ist und einem negativen Anschluss eines der Umrichter, der in der letzten Stufe angeordnet ist und dessen Wechselstromeingangsseite mit der Sekundärseite des Transformators verbunden ist, und jeweils mit den Umrichtern verbundene Kurzschlussschalter, wobei jeder zwischen den positiven und negativen Eingangsanschlüssen der entsprechenden Umrichter angeordnet ist. Jeder der Kurzschlussschalter ist geschlossen, wenn der entsprechende Umrichter ausfällt, so dass die verbleibenden Umrichter den Betrieb fortsetzen können.
Diese Ausführungsform verbindet die Gleichstromeingangs-Anschlüsse der Umrichter in Serie zum Empfangen von Energie von einer Hochspannungsübertragungsleitung über den gemeinsamen Konverter. Dies verringert eine Eingangsgleichspannung zu den Umrichtern auf einen Pegel eines Standard-Umrichters und minimiert das Problem der Harmonischen-Induktion. Die Umrichter dieser Ausführungsform können massenproduzierte Standard-Umrichter sein zum Reduzieren von Kosten und Verbessern der Zuverlässigkeit. Zusätzlich ordnet diese Ausführungsform die Kurzschlussschalter zwischen den positiven und negativen Gleichstromeingangsanschlüssen jedes Umrichters an. Selbst wenn einige Umrichter ausfallen, minimiert diese Anordnung die Drehmomentreduzierung und betreibt das Fahrzeug kontinuierlich.
Die Vorrichtung zum Antreiben und Steuern eines Fahrzeugs gemäß irgendeiner dieser Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist imstande, einen Gleichstrommotor und einen Umrichter mechanisch in einer Einheit zu integrieren und den Gleichstrommotor bei hoher Geschwindigkeit zu betreiben, um einen Raum in einem Drehgestell einzusparen. Dieser Raum wird verwendet zum Unterbringen der Motorumrichtereinheit. Dies eliminiert das Verdrahten zwischen dem Motor und dem Umrichter. Ferner eliminiert dies einen gemäß dem Stand der Technik für das Unterbringen eines Umrichters vorzubereitenden Unterbodenraum. Dies ermöglicht selbst ein Motorfahrzeug, das in einer Doppeldeckerweise aufgebaut ist, zu konstruieren, um mehr Passagiersitze unterzubringen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Es zeigt:
1 ein Blockdiagramm einer Struktur gemäß dem Stand der Technik;
2 ein Blockdiagramm einer Schaltung gemäß dem Stand der Technik;
3A und 3B Front- und Draufsichten eines Aufbaus gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 ein Blockdiagramm einer Schaltung gemäß der ersten Ausführungsform;
5 eine Draufsicht einer Struktur gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 ein Blockdiagramm einer Schaltung gemäß der zweiten Ausführungsform;
7 ein Blockdiagramm einer Schaltung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
8 eine Draufsicht eines Aufbaus gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung;
9 ein Blockdiagramm einer Schaltung gemäß der vierten Ausführungsform;
10 ein Blockdiagramm einer Schaltung gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
11 eine Draufsicht einer Struktur gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
12 ein Schwingungsformdiagramm eines Umrichter-PWM-Betriebs bzw. Umrichter-Pulsbreiten-Modulationsbetriebs gemäß der sechsten Ausführungsform;
13 eine Draufsicht einer Struktur gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
14 ein Blockdiagramm einer Schaltung gemäß der siebten Ausführungsform;
15 eine Draufsicht einer Struktur gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
16A und 16B eine Vorderabschnitt und eine Draufsicht einer Struktur gemäß einer neunten Ausführungsform;
17A und 17B Schnittansichten und Spulenwickeldiagramme, die einen 12-Phasen-Wechselstrommotor gemäß der neunten Ausführungsform zeigen;
18 eine Draufsicht einer Struktur gemäß einer zehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
19 ein Blockdiagramm einer Schaltung gemäß der zehnten Ausführungsform;
20 ein Blockdiagramm zum Zeigen einer Schaltung gemäß einer elften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
21 ein Blockdiagramm einer Schaltung gemäß der zwölften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
22 eine Draufsicht zum Zeigen einer Struktur gemäß einer dreizehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. 3 und 4 zeigen eine Vorrichtung zum Antreiben und Steuern eines Fahrzeugs in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung schließt ein großes Zahnrad 11 ein, vier kleine Zahnräder 121 bis 124, vier Wechselstrommotoren 131 bis 134, vier Umrichter 141 bis 144, eine Filterdrossel 15, ein Speisesystem 16 und vier flexible Anschlüsse 171 bis 174.
Das große Zahnrad 11 ist koaxial zu und direkt verbunden mit einer Radwelle 10 und ist mechanisch angeordnet, um in Eingriff zu stehen mit den kleinen Zahnrädern 121 bis 124. Das durch die Wechselstrommotoren 131 bis 134 erzeugte Drehmoment wird durch ein Getriebeverhältnis, das durch die kleinen Zahnräder 121 bis 124 und das große Zahnrad 11 definiert wird, verstärkt zum Drehen der Radachse 10 und Antreiben des Fahrzeugs.
Verglichen mit dem Stand der Technik, der Drehmoment zu einer Radachse und Rädern mit einem kleinen Zahnrad und einem großen Zahnrad überträgt, überträgt die erste Ausführungsform dasselbe Drehmoment zu der Radachse durch Aufteilen des Drehmoments auf vier kleine Zahnräder 121 bis 124, um hierdurch die für jeden Zahn jedes Zahnrads erforderliche mechanische Festigkeit zu reduzieren. Als ein Ergebnis ermöglicht die erste Ausführungsform es, dass jeder Zahn kleiner ist und das große Zahnrad mehr Zähne hat zum Realisieren eines größeren Getriebeverhältnisses.
Die kleinen Zahnräder 121 bis 124 sind mit Drehwellen der Wechselstrommotoren 131 bis 134 über die flexiblen Anschlüsse 171 bis 174 jeweils verbunden. Die flexiblen Anschlüsse 171 bis 174 übertragen durch die Wechselstrommotoren 131 bis 134 erzeugtes Drehmoment auf die kleinen Zahnräder 121 bis 124, selbst wenn das axiale Zentrum der Wechselstrommotoren 131 bis 134 auf einem Laufgestell 9 installiert ist, das von den axialen Zentren der kleinen Zahnräder 121 bis 124, die an der Radachse 10 befestigt sind, bedingt durch einen Federmechanismus des Laufgestells 9 abweichen.
Die Wechselstrommotoren 131 bis 134 sind jeweils ein 3-Phasen-Drehstommotor, der 3-Phasen-Energie von einem entsprechenden der Umrichter 141 bis 144 empfängt. Die Wechselstrommotoren 131 bis 134 können jeweils ein Permanentmagnetsynchronmotor sein, ein Induktionsmotor oder ein Reluktanzmotor.
Die Umrichter 141 bis 144 können jeweils ein Standard-3-Phasen-PWM-Umrichter bzw. Pulsbreitenmodulationsumrichter sein, der den Schaltbetrieb von Leistungshalbleiterelementen wie IGBTs (Bipolar-Transistoren mit isoliertem Gate bzw. insulated gate bipolar transistors) zum Bereitstellen einer erforderten 3-Phasen-Wechselspannung aus einem Konstantspannungsgleichstrom. Glättungskondensatoren 81 bis 84 sind zwischen positiven und negativen Gleichstromseingangsanschlüssen der Umrichter 141 bis 144 jeweils verbunden und sind in Serie in vier Stufen verbunden.
Das Speisesystem 16 ist ein Stromabnehmer, der mechanisch und elektrisch mit einer Übertragungsleistung in Kontakt kommt zum Empfangen von Gleichstromenergie davon. Das Speisesystem 16 ist elektrisch mit einem positiven Gleichstromeingangsanschluss des Umrichters 141 über die Filterdrossel 15 verbunden.
Die Filterdrossel 15 verhindert, dass durch das PWM-Schalten der Umrichter verursachte Harmonische in die Übertragungsleistung eindringen können und einen Kurzschlussstrom reduzieren, wenn irgendeiner der Umrichter einen Kurzschlussfehler verursacht.
Ein negativer Gleichstromeingangsanschluss des Umrichters 141 ist mit einem negativen Energiequellenanschluss über Räder und Schienen verbunden.
In der Vorrichtung der ersten Ausführungsform führt das Speisesystem 16 eine Gleichstromquellenspannung über die Filterdrossel 15 zu. Gleichstromquellenspannung wird durch vier dividiert und die die dividierte Spannung wird den serienverbundenen Umrichtern 141 bis 144 jeweils zugeführt. Die Umrichter stellen 3-Phasen-Wechselstromenergie einer erforderlichen Frequenz für die damit verbundenen Wechselstrommotoren 131 bis 134 bereit. Durch die Wechselstrommotoren 131 bis 134 erzeugtes Drehmoment dreht die kleinen Zahnräder 121 bis 124 über die flexiblen Anschlüsse 171 bis 174, hierdurch das große Zahnrad 11, das mit den kleinen Zahnrädern 121 bis 124 in Eingriff steht, in Drehbewegung versetzend und hierdurch die Radachse 10, die direkt mit dem großen Zahnrad 11 verbunden ist, drehend. Die Radachse 10 treibt Räder an.
Diese Anordnung verteilt und reduziert das Drehmoment, das von jedem der kleinen Zahnräder 121 bis 124 auszuhalten ist. Dies ermöglicht einen Querschnittsbereich jedes Zahns jedes Zahnrads, der reduziert ist, hierdurch ein erhöhtes Getriebeverhältnis ermöglichend. Das Erhöhen eines Getriebeverhältnisses führt zu dem Antreiben eines Motors bei hoher Geschwindigkeit. Dies führt zum reduzieren der Größe, des Gewichts und der Kosten der Vorrichtung.
Die Gleichstromeingangsseiten der Umrichter 141 bis 144 sind in Serie verbunden zum Empfangen von Hochspannungsenergie von einer Übertragungsleistung, d.h., dem Speisesystem 16. Dies Anordnung reduziert eine Gleichstromeingangsspannung für jeden Umrichter auf einen Standard-Umrichterpegel, hierdurch das Problem der Harmonischen-Induktion minimierend. Zusätzlich kann die Vorrichtung aus massenproduzierten Standard-Umrichtern erstellt werden, um die Kosten der Vorrichtung zu reduzieren und die Zuverlässigkeit davon zu erhöhen.
5 und 6 zeigen eine Vorrichtung zum Antreiben und Steuern eines Fahrzeugs gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Dieselben Teile wie jene der ersten Ausführungsform der 3 und 4 werden mit ähnlichen Bezugszeichen in 5 und 6 gekennzeichnet. Teile, die für die zweite Ausführungsform spezifisch sind, werden erläutert.
Ein Umrichter 141 ist mit einer Steuerung 211 versehen. Die Steuerung 211 empfängt eine Gleichstromeingangsspannung Vdc1 für den Umrichter 141, eine Gleichstromvollspannung Vdc, eine Drehmomentführungsgröße von einer Wagenführerkabine, einen U-Phasenausgangsstrom-Rückkopplungswert Iu, einen W-Phasenausgangsstrom-Rückkopplungswert Iw und einen Motordrehpositions-Rückkopplungswert θr und stellt 3-Phasen-PWM-Spannungsführungsgrößen VuPWM, VvPWM und VwPWM bereit. Die Details hiervon werden erläutert.
Eine Differenz wird zwischen der Gleichstromeingangsspannung Vdc1 und einem Quotienten berechnet, der erhalten wird durch Dividieren der Gleichstromvollspannung Vdc durch die Anzahl der serienverbundenen Umrichter (in dieser Ausführungsform vier). Die Differenz wird multipliziert mit einer Verstärkung G(s) s ist ein Laplace-Operator) zum Bereitstellen eines Drehmomentführungsgrößen-Korrekturwertes ΔTrqRef, der die Differenz wie folgt zu Null machen kann:
Die folgende Erläuterung wird gemacht unter der Annahme, dass Wechselstrommotoren 131 bis 134 jeweils ein Permanentmagnetsynchronmotor sind. Eine Stromführungsgrößeneinheit 221 empfängt eine Differenz zwischen dem Drehmomentführungsgrößen-Korrekturwert ΔTrqRef und einer Drehmomentführungsgröße TrqRef und verwendet die Differenz zum berechnen von d- und q-Achsenstromführungswerten IdRef und IqRef wie folgt: IdRef = O
wobei ΦPM der Permanentmagnetfluss ist und Po die Anzahl der Polpaare.
Eine Stromsteuerung 213 empfängt die d- und q-Achsen-Stromführungswerte IdRef und IqRef, die U- und W-Phasenausgangsstrom-Rückkopplungswerte Iu und Iw und den Motordrehpositions-Rückkopplungswert θr und stellt die 3-Phasen-Pulsbreitenmodulationsspannungs-Führungsgröße VuPWM, VvPWM und VwPWM wie unten erwähnt bereit.
Gemäß Iu, IW und θr werden die d- und q-Achsenstrom-Rückkopplungswerte Id und Iq in Übereinstimmung mit einem Standardkoordinaten-Umsetzungsverfahren folgendermaßen erhalten:
wobei θr eine Motorrotorphase mit synchron drehenden d- und q-Achsenkoordinaten ist.
Um eine Differenz zwischen dem d-Achsenstrom Id und der d-Achsenstromführungsgröße IdRef sowie eine Differenz zwischen dem q-Achsenstrom Iq und der q-Achsenstromführungsgröße IqRef auf Null zu setzen, wird ein Stromrückkopplungssteuerprozess bzw. Regelprozess ausgeführt und die d- und q-Achsenspannungsführungsgrößen Vd und Vq werden folgendermaßen berechnet:
wobei Kp eine Proportionalverstärkung ist und Ki eine Integralverstärkung.
Die d- und q-Achsenspannungsführungsgrößen Vd und Vq und der Motorrotorpositions-Rückkopplungswert θr werden verwendet zum Berechnen der 3-Phasen-Spannungsführungsgrößen VuPWM, VvPWM und VwPWM wie folgt:
VvPWM = –(VuPWM = VwPWM)
Gemäß den 3-Phasen-Spannungsführungsgrößen und einem Standarddreiecksschwingungsvergleichs-PWM-Verfahren schaltet der Umrichter 141 Halbleiterschaltelemente ein und aus zum Bereitstellen einer erforderlichen Ausgangsspannung.
Wie der Umrichter 141 ist jeder der Umrichter 142 bis 144 mit einer Steuerung (nicht gezeigt) versehen zum Ausführen derselben Steuerung und zum Bereitstellen einer erforderlichen Ausgangsspannung.
Zusätzlich zu der Wirkung der ersten Ausführungsform unterdrückt die zweite Ausführungsform mit den Umrichtern 141 bis 144 in Serie in mehreren Stufen verbunden eine durch die individuellen Differenzen von Stromerfassungsteilen verursachte Gleichspannungs-Unausgewogenheit und verhindert einen Betriebsstopp bedingt durch eine Überspannungseingangsgröße zu den Umrichtern, die durch die Gleichspannungs-Unausgewogenheit verursacht wird.
7 zeigt eine Vorrichtung zum Antreiben und Steuern eines Fahrzeugs gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Zusätzlich zu der ersten Ausführungsform der 3 und 4 verwendet die dritte Ausführungsform Gleichstromeingangs-Kurzschlussschalter 311 bis 314. Umrichter 141 bis 144 sind in Serie in vier Stufen verbunden und sind mit einer Gleichstromenergiequelle verbunden. Die Umrichter 141 bis 144 haben jeweils Glättungskondensatoren 81 bis 84. Die Kurzschlussschalter 311 bis 314 sind jeweils parallel zu den Kondensatoren 81 bis 84 angeordnet. Die anderen Teile der dritten Ausführungsform sind dieselben wie jene der ersten Ausführungsform und werden durch entsprechende Bezugszeichen gekennzeichnet, um eine wiederholte Erläuterung wegzulassen.
Wenn die Umrichter 141 bis 144 außerstande kommen, ihren Betrieb fortzusetzen, bedingt durch beispielsweise einen Kurzschlussausfall von Halbleiterelementen, schalten sich die Kurzschlussschalter 311 bis 314 selbst kurz. Wenn die Umrichter 141 bis 144 intakt sind, sind die Schalter 311 bis 314 offen.
Ein Speisesystem 16 führt eine Gleichstromquellenspannung von etwa 1500 V zu. Wenn die Umrichter 141 bis 144 aus Standard-Umrichtern erstellt sind, können sie eine Gleichstromeingangsstehspannung von etwa 500 V haben. Wenn einer der Uhr, beispielsweise der Umrichter 141, ausfällt, wird der parallel mit dem Umrichter 141 verbundene Schalter 311 kurzgeschlossen, so dass die verbleibenden Umrichter die Gleichstromquellenspannung von 1500 V gleichmäßig aufteilen und übernehmen zum Fortsetzen ihres Betriebs. In diesem Fall kann das Drehmoment auf 3/4 des vollen Drehmoments reduziert werden. Gemäß dem Stand der Technik jedoch verursacht ein Ausfall eines Umrichters einen Totalstopp eines entsprechenden Motors, obwohl das Fahrzeug durch Motoren anderer Radachsen fortgesetzt angetrieben wird. Anders als beim Stand der Technik minimiert die dritte Ausführungsform einen Drehmomentabfall, wenn ein Umrichter-Ausfall auftritt.
Zusätzlich zu der Wirkung der ersten Ausführungsform stellt die dritte Ausführungsform eine Wirkung des Minimierens eines Drehmomentabfalls und eines kontinuierlichen Fahrens des Fahrzeugs selbst wenn einige der Umrichter 141 bis 144 ausfallen, bereit.
8 und 9 zeigen eine Vorrichtung zum Antreiben und Steuern eines Fahrzeugs in Übereinstimmung mit der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Zusätzlich zu der dritten Ausführungsform der 7 verwendet die vierte Ausführungsform einen Energiequellenunterbrechungsschalter 32 zwischen einem Speisesystem 16 und einer Filterdrossel 15 zum Trennen einer Gleichstromeingangsenergiequelle von der Vorrichtung. Die anderen Teile der vierten Ausführungsform sind dieselben wie jene der dritten Ausführungsform und werden durch entsprechende Bezugszeichen gekennzeichnet, um wiederholte Erläuterungen wegzulassen.
Der Unterbrechungsschalter 32 wird während eines intakten Betriebs geschlossen gehalten und wird geöffnet zum Schützen von Schaltungselementen, wenn eine Abnormalität auftritt. Wenn einer der Umrichter 141 bis 144, beispielsweise der Umrichter 141 ausfällt, wird ein mit dem Umrichter 141 verbundener Gleichstromeingangs-Kurzschlussschalter 311 kurzgeschlossen, so dass die verbleibenden Umrichter den Betrieb fortsetzen. Wenn in diesem Zustand ein anderes Fahrzeug, das Energie von derselben Übertragungsleitung empfängt, eine regenerative Bremse verwendet, kann die Eingangsspannung an den Umrichtern 141 bis 144 einen spezifizierten Wert übersteigen. Denn, wenn jeder der Umrichter 141 bis 144 eine Gleichstromeingangssterspannung von 500 V hat und wenn eine Gleichstromeingangsspannung von dem Speisesystem 16 unter 1500 V liegt, werden die Umrichter fortgesetzt betrieben. Wenn die Gleichstromeingangsspannung von dem Speisesystem 16 ansteigt auf beispielsweise 1700 V, wird der Unterbrechungsschalter 32 geöffnet, um zu verhindern, dass die intakten Umrichter 142 bis 144 durch eine Gleichstromeingangsüberspannung zerstört werden.
Wenn einige der Umrichter 141 bis 144 ausfallen und wenn eine Gleichstromeingangsüberspannung an die verbleibenden intakten Umrichter angelegt wird, die fortgesetzt betrieben werden, öffnet die vierte Ausführungsform auf diese Weise den Unterbrechungsschalter 32, um zu verhindern, dass die intakten Umrichter zerstört werden.
10 zeigt eine Vorrichtung zum Antreiben und Steuern eines Fahrzeugs gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die fünfte Ausführungsform ist gekennzeichnet durch eine Umrichtersteuerung 41, die kollektiv eine Vielzahl von (in dieser Ausführungsform vier) Umrichtern 141 bis 144 steuert. Die anderen Teile der fünften Ausführungsform sind dieselben wie jene der ersten Ausführungsform der 3 und 4 und werden mit entsprechenden Bezugszeichen gekennzeichnet.
Die Umrichtersteuerung 41 empfängt eine U-Phasen-Stromsumme Iu für die vier Umrichter 141 bis 144, eine W-Phasen-Stromsumme Iw für die vier Umrichter, eine Rückkopplungswert θr von einem Motordrehpositionssensor 42, der an einem der vier Motoren angebracht ist, und einen Drehmomentführungsgrößenwert TrqRef für die vier Motoren und stellt den vier Umrichtern 141 bis 144 3-Phasen-Spannungsführungsgrößen VuPWM, VvPWM und VwPWM bereit. Dies wird detailliert erläutert.
Die Wechselstrommotoren 131 bis 134 sind jeweils ein Permanentmagnetsynchronmotor. Zahnräder müssen anfangs derart eingestellt sein, dass derselbe Drehwinkel θr festgelegt ist zwischen einem Rotor und einem Stator der U-Achse in allen vier Motoren.
Eine Stromführungsgrößeneinheit 411 verwendet die Drehmomentführungsgröße TrqRef zum Berechnen von d- und q-Achsenstromführungsgrößenwerten IdRef und IqRef wie folgt: IdRef = O
wobei ΦPM der Permanentmagnetfluss eines Motors ist und Po die Anzahl der Polpaare.
Eine Stromsteuerung 412 empfängt die d- und q-Achsenstromführungsgrößenwerte IdRef und IqRef, die U- und W-Phasenausgangsstromrückkopplungssummen Iu und Iw und den Motordrehpositions-Rückmeldungswert θr und berechnet die 3-Phasen-PWM-Spannungsführungsgrößen VuPWM, VvPWM und VwPWM wie unten erwähnt.
Gemäß Iu, Iw und θr werden d- und q-Achsenstromrückkopplungswerte Id und Iq in Übereinstimmung mit einem Standardkoordinaten-Umsetzungsverfahren folgendermaßen berechnet:
wobei θr eine Motorrotorphase mit synchron drehenden d- und q-Achsenkoordinaten ist.
Ein Stromregelungsprozess wird so ausgeführt, dass eine Differenz zwischen dem d-Achsenstrom Id und dem d-Achsenstromführungsgröße IdRef und eine Differenz zwischen dem q-Achsenstrom Iq und der q-Achsenstromführungsgröße IqRef zu Null gemacht wird, und die d- und q-Achsenspannungsführungsgrößen Vd und Vq werden folgendermaßen berechnet:
wobei Kp eine Proportionalverstärkung ist und Ki eine Integralverstärkung.
Die d- und q-Achsenspannungsführungsgrößen Vd und Vq und der Motordrehpositions-Rückkopplungswert θr werden verwendet zum Berechnen der 3-Phasen-Spannungsführungsgrößen VuPWM, VvPWM und VwPWM wie folgt:
VvPWM = –(VuPWM + VwPWM)
Gemäß den 3-Phasen-Spannungsführungsgrößen und dem Standard-Dreiecksschwingungsvergleichs-PWM-Verfahren schalten die Umrichter 141 bis 144 Halbleiterschaltelemente davon ein und aus zum Bereitstellen einer erforderlichen Ausgangsspannung.
Zusätzlich zu der Wirkung der ersten Ausführungsform stellt die fünfte Ausführungsform eine Wirkung des automatischen Ausgleichens einer Gleichspannung zum Fortsetzen des Kraftbetriebs des Fahrzeugs bereit ohne die spezielle Gleichspannungsausgleichssteuerung der zweiten Ausführungsform.
11 und 12 zeigen eine Vorrichtung zum Antreiben und Steuern eines Fahrzeugs gemäß der sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Eine Schaltungsstruktur der sechsten Ausführungsform ist dieselbe wie die der ersten Ausführungsform der 3 und 4. Die sechste Ausführungsform ist gekennzeichnet durch von Umrichtern 141 bis 144 bereitgestellten PWM-Impulsmustern. Beispielsweise wird ein durch den Umrichter 141 bereitgestelltes PWM-Impulsmuster durch Vergleichen von Spannungsführungsgrößen VuPWM, VvPWM und VwPWM mit einer Trägerdreieckschwingung TRI1 folgendermaßen bestimmt
wenn VuPWM > TRI1, dann gilt Vu1 = 1
wenn VuPWM < TRI1, dann gilt Vu1 = 0
wobei die Dreiecksschwingung TRI1 eine Amplitude von Vdc/2 hat mit einer Frequenz fTRI von beispielsweise 200 Hz.
Dreiecksschwingung TRI2 bis TRI4 für die Umrichter 142 bis 144 haben Phasenverschiebungen von 1/4, 2/4 bzw. 3/4 einer Dreiecksschwingungsfrequenz Tri (= 1/fTRI) in Bezug auf die Dreiecksschwingung TRI1 für den Umrichter 141.
Die Anzahl der serienverbundenen Umrichter dieser Ausführungsform ist vier. Diese Anzahl ist optional mit in entsprechender Weise bestimmten geeigneten Phasenverschiebungen.
Rahmen (Außengehäuse) von Gleichstrommotoren 131 bis 134 werden elektrisch miteinander kurzgeschlossen und sind elektrisch mit einem negativen Anschluss einer Energiequelle über Räder und Schienen verbunden.
Mit diesen Anordnungen reduziert die sechste Ausführungsform einen Horizontal-Führungsleckstrom zur Erde, der durch das PWM-Schalten der Umrichter verursacht wird, und behält die Qualität der Signale und Kommunikation bei.
13 und 14 zeigen eine Vorrichtung zum Antreiben und Steuern eines Fahrzeugs gemäß der siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dieselben Teile wie jene der ersten Ausführungsform der 3 und 4 werden durch ähnliche Bezugszeichen in 13 und 14 gekennzeichnet. Charakteristische Teile der siebten Ausführungsform werden erläutert.
Ein Umrichter 141 hat eine Steuerung 221. Die Steuerung 221 empfängt eine Gleichstromeingangsspannung Vdc1 für den Umrichter 141, einen Gleichstromeingangsstrom Idc1 für den Umrichter 141, eine Drehmomentführungsgröße TrqRef von einer Wagenführerkabine, U- und W-Phasenausgansstrom-Rückkopplungswerte Iu und Iw und einen Motordrehpositions-Rückkopplungswert θr und stellt 3-Phasen-Spannungsanweisungen VuPWM, VvPWM und VwPWM bereit. Dies wird detailiert erläutert.
Eine Ausgangseffektivleistungs-Führungsgröße PowerRef wird folgendermaßen berechnet:
Eine Ausgangseffektivleistung Power1 wird folgendermaßen berechnet: Power1 = Vdc1·Idc1
Die Drehmomentführungsgröße TrqRef wird so korrigiert, dass die Ausgangseffektivleistung Power1 der Ausgangseffektivleistungs-Führungsgröße PowerRef folgen kann. Ein Drehmomentführungsgrößen-Korrekturwert ΔTrqRef wird folgendermaßen berechnet: ΔTrqRef = G(s)·(PowerRef – Power1)
Um die Differenz zwischen der DC Effekivleistung Power1 und der Ausgangseffektivleistungs-Führungsgröße PowerRef zu Null zu machen, wird der Drehmomentführungsgrößen-Korrekturwert ΔTrqRef durch Multiplizieren der Differenz mit einer Verstärkung G(s) berechnet (s ist ein Laplace-Operator).
Die folgende Erläuterung wird gemacht unter der Annahme, dass Wechselstrommotoren 131 bis 134 jeweils ein Permanentmagnet-Synchronmotor sind. Eine Stromführungsgrößeneinheit 222 subtrahiert dem Drehmomentführungsgrößen-Korrekturwert ΔTrqRef von der Drehmomentführungsgröße TrqRef und verwendet die Differenz zum Berechnen von d- und q-Achsenstromführungsgrößenwerten IdRef und IqRef wie folgt: IdRef = O
wobei ΦPM Permanentmagnetfluss ist und Po die Anzahl der Polpaare.
Eine Stromsteuerung 223 empfängt die d- und q-Achsenstromführungsgrößenwerte IdRef und IqRef, die U- und W-Phasenausgangsstrom-Rückkopplungswerte Iu und Iw und den Motordrehpositionsrückkopplungswert θr und stellt die 3-Phasen-PWM-Spannungsführungsgrößen VuPWM, VvPWM und VwPWM wie unten erwähnt bereit.
Gemäß Iu, Iw, θr und einem Standardkoordinaten-Umwandlungsausdruck werden d- und q-Achsenstromrückkopplungswerte Id und Iq folgendermaßen erhalten:
wobei θr eine Motorrotorphase mit synchron drehenden d- und q-Achsenkoordinaten ist.
Ein Stromregelungsprozess wird ausgeführt, um eine Differenz zwischen dem d-Achsenstrom Id und der d-Achsenstromführungsgröße IdRef sowie eine Differenz zwischen dem q-Achsenstrom Iq und der q-Achsenstromführungsgröße IqRef zu Null zu machen, und d- und q-Achsenspannungsführungsgrößen Vd und Vq werden folgendermaßen berechnet:
wobei Kp eine Proportionalverstärkung ist und Ki eine Integralverstärkung.
Die d- und q-Achsenspannungsführungsgrößen Vd und Vq und der Motordrehpositions-Rückkopplungswert θr werden verwendet zum Berechnen der 3-Phasen-Spannungsführungsgrößen VuPWM, VvPWM und VwPWM wie folgt:
VvPWM = –(VuPWM = VwPWM)
Gemäß den 3-Phasen-Spannungsführungsgrößen und einem Stardarddreiecksschwingungsvergleichs-PWM-Verfahren schaltet der Umrichter 141 Halbleiterschaltelemente davon ein und aus und stellt eine erforderliche Ausgangsspannung bereit.
Die Umrichter 142 bis 144 haben jeweils dieselbe (nicht dargestellte) Steuerung wie die des Umrichters 141 zum Ausführen der entsprechenden Steuerung und stellen eine erforderliche Ausgangsspannung bereit.
Die siebte Ausführungsform verbindet die Umrichter 141 bis 144 in Serie in mehreren Stufen wie die zweite Ausführungsform. Zusätzlich zu der Wirkung der ersten Ausführungsform stellt die siebte Ausführungsform die Wirkungen des Unterdrückens einer durch die individuellen Differenzen von Stromerfassungsteilen verursachten Gleichspannungs-Unausgewogenheit bereit und das Verhindern eines Betriebsstopps bedingt durch eine Umrichtereingangsüberspannung, die durch die Gleichspannungs-Unausgewogenheit verursacht werden kann, wie die zweite Ausführungsform.
15 zeigt eine Vorrichtung zum Antreiben und Steuern eines Fahrzeugs gemäß der achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung schließt ein großes Zahnrad 111 ein, das direkt mit einer ersten Radachse 101 verbunden ist, ein großes Zahnrad 112, das direkt mit einer zweiten Radachse 102 verbunden ist, zwei kleine Zahnräder 121 und 122, die in Eingriff stehen mit dem großen Zahnrad 111, zwei kleine Zahnräder 122 und 124, die in Eingriff stehen mit dem großen Zahnrad 112, vier Wechselstrommotoren 131 bis 134, vier Umrichter 141 bis 144, ein Speisesystem 16, vier flexible Anschlüsse 171 bis 174 und zwei Energiequellentrennschalter 321 und 322.
Das große Zahnrad 111 ist koaxial zu und direkt verbunden mit der ersten Radachse 101 und ist mechanisch angeordnet, um in Eingriff zu stehen mit den kleinen Zahnrädern 121 und 122. Durch die Wechselstrommotoren 131 und 132 erzeugtes Drehmoment wird zu den kleinen Zahnrädern 121 und 122 übertragen und dann zu dem großen Zahnrad 111. Das Drehmoment wird durch das Getriebeverhältnis, das durch die Zahnräder definiert wird, verstärkt zum Antreiben der Räder.
Das große Zahnrad 112 ist koaxial und direkt verbunden mit der zweiten Radachse 102 und ist mechanisch angeordnet, um in Eingriff zu stehen mit den kleinen Zahnrädern 123 und 124. Ein Drehmoment, das durch die Wechselstrommotoren 133 und 134 erzeugt wird, wird zu den kleinen Zahnrädern 123 und 124 übertragen und dann zu dem großen Zahnrad 112. Das Drehmoment wird durch ein Getriebeverhältnis, das durch die Zahnräder definiert wird, verstärkt zum Antreiben der Räder.
Die kleinen Zahnräder 121 bis 124 sind mit Rotorwellen der Wechselstrommotoren 131 bis 134 jeweils über die flexiblen Anschlüsse 171 bis 174 verbunden. Die flexiblen Anschlüsse 171 bis 174 übertragen durch die Wechselstrommotoren 131 bis 134 erzeugtes Drehmoment zu den kleinen Zahnrädern 121 bis 124 selbst wenn das axiale Zentrum der Wechselstrommotoren 131 bis 134, die an einem Fahrgestell 9 (in 15 nicht dargestellt, siehe 3) installiert sind, von den axialen Zentren der kleinen Zahnräder 121 bis 124, die an den Radachsen 101 und 102 installiert sind, bedingt durch einen Federmechanismus des Laufgestells 9 abweichen.
Die Wechselstrommotoren 131 bis 134 sind jeweils ein 3-Phasen-Wechselstrommotor, der jeweils 3-Phasen-Energie von dem Umrichtern 141 bis 144 empfängt. Die Wechselstrommotoren 131 bis 134 können jeweils ein Permanentmagnetsynchronmotor sein, ein Induktionsmotor oder ein Reluktanzmotor.
Die Umrichter 141 bis 144 können jeweils ein Standard-3-Phasen-PWM-Umrichter sein, der den Schaltbetrieb von Leistungshalbleiterelementen wie IGBTs verwendet zum Bereitstellen einer erforderlichen 3-Phasen-Wechselspannung aus einem Konstantspannungsgleichstrom. Glättungskondensatoren 81 bis 84 (in 15 nicht gezeigt, sie 4) sind zwischen positiven und negativen Gleichstromeingangsanschlüssen der Umrichter 141 bis 144 jeweils verbunden. Ein negativer Anschluss des Umrichters 141 an der Radachse 101 ist mit einem positiven Anschluss des Umrichters 143 an der zweiten Radachse 102 in Serie verbunden. Ein negativer Anschluss des Umrichters 142 an der ersten Radachse 101 ist mit einem positiven Anschluss des Umrichters 144 an der zweiten Radachse 102 in Serie verbunden.
Das Speisesystem 16 ist ein Stromabnehmer, der mechanisch und elektrisch in Kontakt kommt mit einer Übertragungsleitung zum Aufnehmen von Gleichstromenergie davon. Das Speisesystem 16 ist mit einem positiven Gleichstromeingangsanschluss des Umrichters 141 über den Unterbrechungsschalter 121 verbunden sowie mit einem positiven Gleichstromeingangsanschluss des Umrichters 142 über den Unterbrechungsschalter 122.
Ein negativer Gleichstromanschluss jedes der Umrichter 143 bis 144 ist elektrisch mit einem negativen Anschluss der Energiequelle über Räder und Schienen verbunden.
Das Speisesystem 16 führt eine Gleichstromquellenspannung über die Unterbrechungsschalter 321 und 322 zu. Die Gleichstromquellenspannung wird halbiert und den Umrichtern 143 und 143, die in zwei Stufen in Serie verbunden sind, sowie den Umrichtern 142 und 144, die in zwei Stufen in Serien verbunden sind, zugeführt. Die Umrichter wandeln die Quellenspannung in 3-Phasen-Wechselstromenergie einer erforderlichen Frequenz um, die den jeweiligen Wechselstrommotoren 131 bis 134 zugeführt wird, um sie anzutreiben. Die Wechselstrommotoren 131 bis 134 drehen die kleinen Zahnräder 121 bis 124 durch die flexiblen Anschlüsse 171 bis 174 zum Drehen der großen Zahnräder 111 und 112, die mit den kleinen Zahnrädern jeweils in Eingriff stehen, um hierdurch die ersten und zweiten Radachsen 101 und 102, die direkt mit den großen Zahnrädern verbunden sind, und die beiden direkt mit den Radachsen verbundenen Räder zu drehen. Die beiden Räder empfangen gleiches Drehmoment (jedes Rad empfängt 1/2 des Drehmomentes der Ausführungsform). Diese Anordnung verteilt und reduziert das auf die kleinen Zahnräder 121 bis 124 angewendete Drehmoment. Als ein Ergebnis ermöglicht, wie die erste Ausführungsform, die achte Ausführungsform, dass der Querschnittsbereich jedes Zahns jedes kleinen Zahnrads reduziert wird zum Erhöhen eines Getriebeverhältnisses. Das Erhöhen eines Getriebeverhältnisses ermöglicht es, dass ein Motor bei hoher Geschwindigkeit dreht und hierdurch dass die Größe, das Gewicht und die Kosten der Vorrichtung reduziert werden.
Wenn beispielsweise der Umrichter 141 bedingt durch einen Halbleiterelemente-Kurzschlussausfall stoppt, wird nur der Unterbrechungsschalter 321 geöffnet und der Unterbrechungsschalter 322 bleibt geschlossen. In diesem Zustand werden die Umrichter 142 und 144 normal betrieben, so dass die beiden Radachsen 101 und 102 kontinuierlich angetrieben werden können, obwohl die Antriebskraft davon auf die Hälfte der Normalbedingung abfällt.
In diesem Zustand können der Strom und das Drehmoment der intakten Umrichter 142 und 144 und Wechselstrommotoren 132 und 134 erhöht werden zum Beibehalten der Antriebskraft des Fahrzeugs. Selbst in diesem Fall wird das Drehmoment auf die beiden Radachsen 101 und 102 verteilt. Daher reduziert das Übertragen desselben Drehmoments zu Schienen über Zweiradachsen verglichen mit dem Übertragen des Drehmoments zu Schienen über eine einzelne Radachse ein Risiko, die Räder zu veranlassen, auf den Schienen leer zu laufen, hierdurch eine Beschleunigung des Fahrzeugs sicherstellend.
16 und 17 zeigen eine Vorrichtung zum Antreiben und Steuern eines Fahrzeugs gemäß der neunten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung schließt ein großen Zahnrad 11 ein, ei kleines Zahnrad 12, einen 12-Phasen-Wechselstrommotor 13, d.h., einen 3-durch-n-Phasen-Wechselstrommotor, der auf einer 3-Phasen-Wechselstromeingangsgröße betrieben wird mit n = 4, n (= 4 in diesem Beispiel) Umrichter 141 bis 144, eine Filterdrossel 15, ein Speisesystem 16 und einen flexiblen Anschluss 17.
Der 12-Phasen-Wechselstrommotor 13 hat einen aus 12 Schlitzen erstellten Stator. Jeder der Schlitze nimmt identische Phasenwicklungen der vier Umrichter 141 bis 144 auf. Jeder Satz von 3-Phasen-Wicklungen, die mit den Umrichtern 141 bis 144 verbunden sind, wird kurzgeschlossen an einem neutralen Punkte und vier neutrale Punkte sind elektrisch voneinander isoliert.
Das kleine Zahnrad 12 ist mit einer Rotorwelle des Wechselstrommotors 13 über einen flexiblen Anschluss 17 verbunden und steht in Eingriff mit dem großen Zahnrad 11. Der flexible Anschluss 17 überträgt ein von dem Wechselstrommotor 13 erzeugtes Drehmoment auf das kleine Zahnrad 12, selbst wenn das Achszentrum des Wechselstrommotors 13, der an einem Laufgestell 9 installiert ist, von dem Achszentrum des kleinen Zahnrads 12, das an der Radachse 10 montiert ist, bedingt durch einen Federmechanismus des Laufgestells 9 abweicht.
Die Umrichter 141 bis 144 können jeweils ein Standard-3-Phasen-PWM-Umrichter sein, der den Schaltbetrieb von Leistungshalbleiterelementen wie IGBTs verwendet zum Bereitstellen einer erforderlichen 3-Phasen-Wechselspannung aus einem Konstantspannungsgleichstrom. Glättungskondensatoren 81 bis 84 (in 13 und 17 nicht gezeigt, siehe 4) sind zwischen Positiv- und Negativ-Gleichstromeingangsanschlüssen der Umrichter 141 bis 144 jeweils verbunden. Die Gleichstromeingangsseiten der Umrichter 141 bis 144 sind in vier Stufen in Serie verbunden.
Das Speisesystem 16 ist ein Stromabnehmer, der mechanisch und elektrisch in Kontakt kommt mit einer Übertragungsleistung zum Empfangen von Gleichstromenergie davon. Das Speisesystem 16 ist mit einem positiven Gleichstromeingangsanschluss des Umrichters 141 über die Filterdrossel 15 verbunden.
Die Filterdrossel 15 verhindert, dass durch PWM-Schaltvorgänge der Umrichter verursachte Harmonische zu der Übertragungsleistung durchdringen und reduziert einen Kurzschlussstrom, wenn irgendeiner der Umrichter einen Gleichstromkurzschlussfehler verursacht.
Ein negativen Gleichstromeingangsanschluss des Umrichters 144 ist elektrisch mit einem negativen Energiequellenanschluss über Räder und Schienen verbunden.
Das Speisesystem 16 führt eine Gleichstromquellenspannung über die Filterdrossel 15 zu. Die Gleichstromquellenspannung wird durch vier geteilt und die geteilten Spannungen werden den serienverbundenen Umrichtern 141 bis 144 jeweils zugeführt. Die Umrichter stellen 3-Phasen-Wechselstromenergie einer erforderlichen Frequenz für die Wicklungen des damit verbundenen Wechselstrommotors 13 bereit. Der Wechselstrommotor 13 treibt das kleine Zahnrad 12 über den flexiblen Anschluss 17 an zum Antreiben des großen Zahnrads 11, das mit dem kleinen Zahnrad 12 in Eingriff steht, um hierdurch die direkt mit dem großen Zahnrad verbundene Radachse und die Räder anzutreiben.
Die Gleichstromeingangsanschlüsse der Umrichter 141 bis 144 sind in Serie verbunden zum Empfangen von Energie von der Hochspannungsübertragungsleitung, um eine Gleichstrom-Eingangsspannung zu jedem Umrichter auf einen Standard-Umrichterpegel zu reduzieren, hierdurch das Problem der Harmonischen-Induktion minimierend. Die Umrichter 141 bis 144 können massenproduzierte Standard-Umrichter sein, um die Kosten der Vorrichtung zu reduzieren und die Zuverlässigkeit davon zu verbessern.
Die neunte Ausführungsform ist imstande, die Umrichter 141 bis 144 auf dieselbe Weise zu steuern wie die zweite Ausführungsform der 5 und 6. Da die neunte Ausführungsform einen einzelnen Wechselstrommotor antreibt, wird ein Motorpositions-Rückmeldungswert θr von dem einzelnen Wechselstrommotor 13 geholt. Mit den Umrichtern 141 bis 144 in Serie in mehreren Stufen verbunden wie bei der zweiten Ausführungsform, unterdrückt die neunte Ausführungsform eine durch die individuellen Differenzen der Stromerfassungsteile bedingte Gleichspannungs-Unausgewogenheit und verhindert einen Betriebsstopp bedingt durch eine Umrichtereingangsüberspannung, die durch die Gleichspannungs-Unausgewogenheit verursacht wird.
Wie bei der dritten Ausführungsform der 7, kann die neunte Ausführungsform Gleichstromeingangs-Kurzschlussschalter 311 bis 314 für die Umrichter 141 bis 144 jeweils bereitstellen. Wenn einer der Umrichter, beispielsweise der Umrichter 141, ausfällt, wird der Kurzschlussschalter 311 kurzgeschlossen und die verbleibenden intakten Umrichter 142 bis 144 arbeiten fortgesetzt. Selbst wenn einige der Umrichter ausfallen, minimiert diese Anordnung einen Drehmomentabfall und treibt kontinuierlich das Fahrzeug an.
Die neunte Ausführungsform kann den Energiequellenunterbrechungsschalter 32 der vierten Ausführungsform der 8 und 9 vergleichen. In diesem Fall ist ein Steuermodus der neunten Ausführungsform, der nur einen Wechselstrommotor antreibt, wie unten erwähnt.
Wenn der Wechselstrommotor 13 ein Permanentmagnetsynchronmotor ist, veranlasst der Motor eine Wechselstrominduktionsspannung, wenn er angetrieben wird, unabhängig von dem Betrieb des Umrichters. Wenn mindestens einer der Umrichter 141 bis 144 einen Kurzschlussfehler verursacht, wird der Betrieb des ausgefallenen Umrichters gestoppt. Selbst wenn der ausgefallene Umrichter gestoppt wird, erzeugt die motorinduzierte Spannung einen Kurzschlussdrehmomentstrom, der übermäßig den ausgefallenen Umrichter zerstören kann oder unerwünschte Bremskräfte erzeugen kann. Dies führt zu dem Gleiten und Schleifen von Rädern, was die Räder außerstande bringt, sich zu drehen. Um dies zu verhindern, wird der Unterbrechungsschalter 132 geöffnet, wenn einige Umrichter ausfallen. Gleichzeitig werden die verbleibenden intakten Umrichter gesteuert, wie unten erwähnt, um einen Strom in einer Richtung zu leiten, um die motorinduzierte Spannung auszulöschen.
Eine d-Achsenstromführungsgröße IdRef wird folgendermaßen festgelegt:
wobei Id ein d-Achsenstrom ist, ΦPM der Permanentmagnetfluss ist und Ld eine d-Achseninduktanz.
Um eine Gleichspannung zum Betreiben der Umrichter sicherzustellen, wird eine q-Achsenstromführungsgröße IqRef festgelegt auf einen Wert von –Iq0, der aus dem regenerativen Drehmoment erhalten wird, zum Beibehalten der Glättungskondensatoren 81 bis 84 in einem geladenen Zustand. IqRef = –Iq0
Es ist möglich, eine Rückkopplungsschleife bzw. Regelschleife auszubilden, die eine entsprechende der Gleichspannungskondenstorspannungen Vdc1 bis Vdc4 zurückführt und die q-Achsenstromführungsgröße IqRef abstimmt, um die Rückkopplungsspannung auf einem konstanten Wert zu halten.
Dieser Steuerprozess ermöglicht es, dass der Wechselstrommotor ein Permanentmagnetsynchronmotor ist mit einer hohen Induktionsspannung, einer hohen Effizienz und einer geringen Größe.
81 und 19 zeigen eine Vorrichtung zum Antreiben und Steuern eines Fahrzeugs gemäß der zehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung schließt ein großes Zahnrad 11 ein, vier kleine Zahnräder 121 bis 124, vier Wechselstrommotoren 131 bis 134, vier Umrichter 141 bis 144, ein Speisesystem 16, vier flexible Anschlüsse 171 bis 174 und vier Konverter 511 bis 514.
Die Strukturen und Betriebsabläufe des großen Zahnrades 11, der kleinen Zahnräder 121 bis 124, der flexiblen Anschlüsse 171 bis 174 und der Wechselstrommotoren 131 bis 134 sind dieselben wie jene der ersten Ausführungsform der 3 und 4.
Die Umrichter 141 bis 144 sind jeweils ein Standard-3-Phasen-PWM-Umrichter, der eine erforderliche 3-Phasen-Wechselspannung aus einem Konstantspannungsgleichstrom unter Verwendung des Schaltens von Leistungshalbleiterelementen wie IGBTs bereitstellt. Glättungskondensatoren 81 bis 84 sind sind zwischen Positiv- und Negativ-Gleichstromeingangsanschlüssen der Umrichter 141 bis 144 jeweils verbunden und sind jeweils mit Gleichstromausgangsanschlüssen der Konverter 511 bis 512 verbunden.
In ähnlicher Weise wie die Umrichter sind die Konverter 511 bis 514 jeweils ein Standardeinphasen-PWM-Konverter, der eine erforderliche Gleichspannung aus einer Einphasen-Wechselspannung unter Verwendung des Schaltens von Leistungshalbleiterelementen wie IGBTs bereitstellt. Gleichstromausgangsanschlüsse der Konverter 511 bis 514 sind mit Gleichstromeingangsanschlüssen der Umrichter 141 bis 144 jeweils verbunden. Ein V-Phasen-Wechselstromeingangsanschluss des Konverters 511 ist mit einem U-Phasen-Wechselstromeingangsanschluss des Konverters 512 verbunden. Ein V-Phasen-Wechselstromanschluss des Konverters 512 ist mit einem U-Phasen-Wechselstromeingangsanschluss des Konverters 513 verbunden. Ein V-Phasen-Wechselstromeingangsanschluss des Konverters 513 ist mit einem U-Phasen-Wechselstromeingangsanschluss des Konverters 514 verbunden.
Ein U-Phasen-Wechselstromeingangsanschluss des Konverters 511 ist mit einem Ende einer Niederspannungssekundärwicklung eines Transformators 52 verbunden. Ein V-Phasen-Wechselstromeingangsanschluss des Konverters 514 ist elektrisch mit dem anderen Ende derselben Sekundärwicklung des Transformators 52 verbunden.
Das Speisesystem 16 ist ein Stromabnehmer, der mechanisch und elektrisch in Kontakt kommt mit einer Wechselstromübertragungsleitung und Energie davon empfängt. Der Stromabnehmer wird elektrisch mit einem Ende einer Hochspannungsprimärwicklung des Transformators 52 verbunden. Das andere Ende der Hochspannungsprimärwicklung des Transformators 52 ist über Räder und Schienen geerdet.
Das Speisesystem 16 führt eine Wechselstromquellenspannung von der Übertragungsleitung zu dem Transformator 52 und eine Spannung von dem Transformator 52 wird durch die Konverter 511 bis 514 in Gleichströme mit einer vorbestimmten Spannung umgewandelt. Die Gleichströme werden den Umrichtern 141 bis 144 jeweils zugeführt. Die Umrichter 141 bis 144 stellen jeweils 3-Phasen-Wechselspannungsenergie einer erforderlichen Frequenz zum Antreiben der Wechselstrommotoren 131 bis 134 bereit.
Die Wechselstrommotoren 131 bis 134 treiben die kleinen Zahnräder 121 bis 124 über die flexiblen Anschlüsse 171 bis 174 an zum Antreiben des großen Zahnrades 11, das in Eingriff steht mit den kleinen Zahnrädern 131 bis 134. Das große Zahnrad 11 treibt die Radachse 10, die direkt mit dem großen Zahnrad 11 verbunden ist, und die Räder an.
Mit dieser Anordnung verteilt und reduziert die zehnte Ausführungsform das von jedem der kleinen Zahnräder 121 bis 124 ausgehaltene Drehmoment. Dies ermöglicht es, dass der Querschnittsbereich jedes Zahns jedes Zahnrads reduziert wird, hierdurch ein Getriebeverhältnis erhöhend. Das Erhöhen eines Getriebeverhältnisses ermöglicht es, dass ein Motor bei hoher Geschwindigkeit angetrieben wird. Dies macht die Vorrichtung klein, leichtgewichtig und preiswert. Hochspannungs-Wechselstromenergie von der Übertragungsleitung wird durch die serienverbundenen vier Konverter 511 bis 514 in Gleichstromenergie von 1/4 der Spannung umgewandelt, die den Umrichtern 141 bis 144 zugeführt wird. Die Eingangsgleichspannung jedes Umrichters wird nämlich auf einen Standard-Umrichterpgel reduziert, um das Problem der Harmonischen-Induktion zu minimieren. Zudem können die Umrichter 141 bis 144 massenproduzierte Standard-Umrichter werden, um die Kosten der Vorrichtung zu reduzieren und ihre Zuverlässigkeit zu verbessern.
Zusätzlich legen die Umrichter 141 bis 144, die serienverbunden sind, und multiplexiert werden, Mehrpegelpulsbreitenmodulationsspannungen an die Sekundärwicklungen des Transformators 52 an, um zu verhindern, dass Harmonische auf die Übertragungsleitung entweichen, die als eine Energiequelle dient. Dies reduziert die durch die Harmonischen bedingten Wärmeverluste und das Rauschen des Transformators 52.
20 zeigt eine Vorrichtung zum Antreiben und Steuern eines Fahrzeugs in Übereinstimmung mit der elften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der mechanische Aufbau der elften Ausführungsform ist derselbe wie der der zehnten Ausführungsform der 18, obwohl die elfte Ausführungsform nur einen Konverter verwendet. Die elfte Ausführungsform verwendet vier kleine Zahnräder 121 bis 124, vier Wechselstrommotoren 131 bis 134, vier flexible Anschlüsse 171 bis 174 zum jeweiligen Verbinden der kleinen Zahnräder 121 bis 124 mit den Wechselstrommotoren 131 bis 134, vier Umrichter 141 bis 144, Glättungskondensatoren 81 bis 84, Umrichtergleichstrom-Kurzschlussschalter 311 bis 314, den Konverter 51 zum Zuführen von Energie zu den Umrichtern 141 bis 144, einen Transformator 52 und ein Speisesystem 16.
Die Umrichter 141 bis 144 sind dieselben wie jene der zehnten Ausführungsform der 19. Der Konverter 51 ist ein Standard-Einphasen-PWM-Konverter, der eine erforderliche Gleichspannung aus einer Einphasen-Wechselspannung unter Verwendung des Schaltens von Leistungshalbleiterelementen wie z.B. IGBTs erzeugt. Ein U-Phasen-Wechselstromeingangsanschluss des Konverters 51 ist mit einem Ende einer Niederspannungssekundärwicklung des Transformators 52 verbunden und ein V-Phasen-Wechselstromeingangsanschluss des Konverters 51 ist mit dem anderen Ende der Sekundärwicklung des Transformators 52 verbunden.
Ein positiver Gleichstromausgangsanschluss des Konverters 51 ist mit einem positiven Gleichstromeingangsanschluss des Umrichters 141 verbunden und ein negativer Gleichstromausgangsanschluss des Konverters 51 ist mit einem negativen Gleichstromeingangsanschluss des Umrichters 144 verbunden. Die Gleichstromausgangsgröße des Konverters 51 ist nämlich mit den serienverbundenen vier Umrichtern 141 bis 144 verbunden.
Die Umrichter 141 bis 144 können jeweils eine Gleichstromeingangsstehspannung von etwa 500 V haben und in einem normalen Zustand wird die Gleichstromausgangsspannung des Konverters 51 auf 2000 V festgelegt, was viermal 500 V von jedem der vier in Serie verbundenen Umrichter ist. Wenn einer der Umrichter 141 bis 144, beispielsweise der Umrichter 141, ausfällt, wird der Gleichstromkurzschlussschalter 311 des Umrichters 141 kurzgeschlossen und die Gleichstromausgangsspannung des Konverters 51 wird auf 1500 V geändert, was dreimal 500 V von jedem der intakten Umrichter 142 bis 144 ist, die in Serie verbunden sind.
Diese Anordnung minimiert einen Ausgangsdrehmomentabfall auf 3/4 eines Normalpegels, wenn einer der Umrichter ausfällt. Andererseits setzt der Stand der Technik das Motordrehmoment für eine relevante Radachse auf Null, selbst wenn ein einzelner Umrichter ausfällt. Unter einer Normalbedingung betreibt die elfte Ausführungsform jeden Umrichter mit einer Gleichstromeingangsspannung von 500 V, um die Stehspannung jedes Umrichters vollständig auszunutzen und eine Leistungsbegrenzung in Bezug auf die erforderliche Ausgangsleistung zu minimieren.
21 zeigt eine Vorrichtung zum Antreiben und Steuern eines Fahrzeugs gemäß der zwölften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Zusätzlich zu der zehnten Ausführungsform der 18 und 19 verwendet die zwölfte Ausführungsform Wechselstromeingangskurzschlussschalter 531 bis 534 jeweils auf den Wechselstromeingangsseiten von vier Konvertern 511 bis 514. Die anderen Teile der zwölften Ausführungsform sind dieselben wie jene der zehnten Ausführungsform der 18 und 19.
Die Kurzschlussschalter 531 bis 534 sind zwischen Wechselstromeingangsanschlüssen der Konverter 511 bis 514 jeweils verbunden. Wenn irgendeiner der Konverter 511 bis 514 oder der Umrichter 141 bis 144 ausfällt, wird ein entsprechender der Kurzschlussschalter geschlossen zum Kurzschließen des Konverters, so dass die verbleibenden intakten Konverter und Inverter den Betrieb fortsetzen können.
Selbst wenn einige der Konverter oder Inverter ausfallen, minimiert die zwölfte Ausführungsform einen Drehmomentabfall und setzt den Betrieb des Fahrzeugs fort.
22 zeigt eine Ausführungsform zum Antreiben und Steuern eines Fahrzeugs gemäß der dreizehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die dreizehnte Ausführungsform ist gekennzeichnet durch eine mechanische Anordnung. Vier Umrichter 141 bis 144 und vier Wechselstrommotoren 131 bis 134 sind nämlich jeweils integriert. Die integrierten Einheiten werden in einem Raum in einem Laufgestell 9 (in 22 nicht gezeigt, siehe 3) untergebracht. Dieser Raum kann durch Erhöhen der Drehzahl der Wechselstrommotoren 131 bis 134 in Übereinstimmung mit irgendeiner der ersten bis zwölften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sichergestellt werden.
Beim Installieren der Umrichtermotoreinheiten an dem Laufgestell 9 ist keine Verdrahtungsarbeit erforderlich zwischen den Umrichtern und den Motoren. Da kein Unterbodenraum für die Umrichter erforderlich ist, kann selbst ein Motorfahrzeug in einer Doppeldeckerstruktur konstruiert werden, um mehr Passagiersitze unterzubringen.

Claims

Einrichtung zum Antreiben und Steuern eines Fahrzeugs, umfassend: ein direkt mit einer Antriebswelle (10) verbundenes großes Zahnrad (11); mit dem großen Zahnrad in Eingriff stehende kleine Zahnräder (121; 122; 123; 124); an die kleinen Zahnräder jeweils angeschlossene Wechselstrommotoren (131; 132; 133; 134); und an die Wechselstrommotoren jeweils angeschlossene Wechselrichter (141; 142; 143; 144), um diesen Energie zuzuführen, wobei Gleichspannungseingangsseiten der Wechselrichter in mehreren Stufen in Serie an eine Gleichspannungsenergiequelle verbunden sind; gekennzeichnet durch eine Wechselrichter-Steuerung (211) zum automatischen Entzerren von Gleichspannung durch Vorbereiten einer Wechselrichtereingangsspannungsführungsgröße in Übereinstimmung mit einem zusammengesetzten Wert aus Eingangsströmen der Wechselrichter derart, dass die Wechselrichter Impulsmuster in Übereinstimmung mit der selben Spannungsführungsgröße bereitstellen können.
Einrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend: einen Kurzschlussschalter (311; 312; 313; 314), der für jeden der Wechselrichter zwischen positiven und negativen Gleichspannungseingangsanschlüssen der Wechselrichter vorgesehen ist zum Kurzschließen des Wechselrichters, wenn der Wechselrichter ausfällt, so dass die verbleibenden Wechselrichter den Betrieb fortsetzen können.
Einrichtung nach Anspruch 2, ferner umfassend: einen Energiequellenunterbrechungsschalter (32) zum Unterbrechen der Gleichstromenergiequelle von der Gleichstromeingangsseite der Wechselrichter auf die Bedingung hin, dass mindestens einer der Wechselrichter ausfällt, so das die verbleibenden Wechselrichter den Betrieb fortsetzen, und dass eine Gleichstromquellenspannung von der Gleichstromenergiequelle die Summe der zulässigen Eingangsgleichspannungen der betriebenen Wechselrichter übersteigt.
Einrichtung nach Anspruch 1, wobei Rahmen der Wechselstrommotoren elektrisch mit einer Energiequellenmasse kurzgeschlossen werden und die Wechselrichtersteuerung angepasst ist zum Bereitstellen einer Phasendifferenz für eine Dreieckschwingung, die zum Bilden eines Pulsbreitenmodulationsimpulsmusters für jeden Wechselrichter verwendet wird.
Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die für jeden der Wechselrichter bereitgestellte Wechselrichtersteuerung angepasst ist zum Berechnen eines Ausgangseffektivleistungswertes in Übereinstimmung mit einem Eingangsgleichspannungswert und einem Eingangsgleichstromwert, die beide bei dem Wechselrichter erfasst werden, zum Berechnen eines Effektivleistungsführungsgößenwertes in Übereinstimmung mit einer Motorwinkelfrequenz und einem Drehmomentführungsgrößenwert, um eine Differenz zwischen dem Ausgangseffektivleistungswert und dem Effektivleistungsführungsgrößenwert zu berechnen und den Drehmomentführungsgrößenwert in Übereinstimmung mit dem Unterschied zu korrigieren.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder 3, wobei das große Zahnrad (11) für jede der mindestens zwei Radwellen (101; 103) des Fahrzeugs bereitgestellt wird, wobei das große Zahnrad direkt mit der Radwelle verbunden ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, wobei mindestens einer der Wechselstrommotoren ein 3-durch-n-Phasen-Wechselstrommotor (13) ist (n ist eine ganze Zahl gleich oder größer als 2), der an das kleine Zahnrad angeschlossen ist; und n Wechselrichter angepasst sind zum Zuführen von Energie zu dem mindestens einen 3-durch-n-Phasen-Wechselstrommotor, wobei Gleichstromeingangsseiten der Wechselrichter in Serie in n Stufen an eine Gleichstromenergiequelle angeschlossen sind.
Einrichtung nach Anspruch 1, wobei jeder der Wechselstrommotoren ein Permanentmagnetsynchronmotor ist, wobei die Wechselrichtersteuerung angepasst ist, um, wenn mindestens einer der Wechselrichter ausfällt, die verbleibenden Wechselrichter anzusteuern zum Führen eines Stroms in einer Richtung zum Auslöschen des Permanentmagnetflusses des Motors.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ferner umfassend: Umrichter (511; 512; 513; 514), die mit der Gleichspannungseingangsseite der Wechselrichter jeweils verbunden sind, und Wechselspannungseingangsanschlüsse in Serie in mehreren Stufen verbunden haben; und einen Transformator (52) zum Empfangen von Energie von einer Wechselstromenergiequelle und Bereitstellen einer in geeigneter Weise pegelangepassten Wechselspannung für die Umrichter.
Einrichtung nach Anspruch 9, ferner umfassend: einen Kurzschlussschalter (311; 312; 313; 314), der für jeden der Umrichter zwischen den Wechselspannungseingangsanschlüssen der Umrichter vorgesehen ist, um den Umrichter kurzzuschließen, wenn der Umrichter oder der Wechselrichter, der an die Gleichspannungsausgangsseite des Umrichters angeschlossen ist, ausfällt, so dass die verbleibenden Umrichter und Wechselrichter den Betrieb fortsetzen können.
Einrichtung nach Anspruch 9, wobei die Gleichspannungsausgangsseite der Umrichter mit einem positiven Anschluss von einem in der ersten Stufe angeordneten Wechselrichter und einem negativen Anschluss eines der in der letzten Stufe angeordnet Wechselrichter verbunden ist und dessen Wechselspannungseingangsseite mit einer Sekundärseite des Transformators verbunden ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, wobei jeder der Wechselstrommotoren und ein entsprechender der Wechselrichter mechanisch in einer Einheit integriert sind.