TWI401876B - 在ｄｃ／ａｃ電壓轉換器之輸入處保持直流電壓之方法、此方法之資料記錄媒體及電力車 - Google Patents

Description

在DC/AC電壓轉換器之輸入處保持直流電壓之方法、此方法之資料記錄媒體及電力車

本發明與保持DC/AC電壓轉換器之輸入處的直流電壓，以便將非同步馬達保持在磁化狀態的方法、此方法的資料記錄媒體、及電力車有關。

在本描述中，"供電匯流排"指的是電力車的DC供電匯流排，其一方面可連接至架空線(catenary)或與其脫離，另一方面，可經由DC/AC轉換器連接到非同步馬達，以供電給此馬達。此匯流排配備有多個單元，即使當架空線不再供應其電力時，仍可暫時保持該匯流排上的直流電壓。典型上，這些保持單元是由電容器及放電電阻器構成。

DC供電匯流排也稱為"DC匯流排"。

架空線所指的不僅是電車滑座(electric vehicle slides)之受電弓沿行的懸吊供電電纜，同時也指的是鋪設於地面，供電車滑座之軌輪(runner)沿行的供電軌。此供電軌即是鐵道工業中所習知的"第三軌"。

吾人所知，煞車時是致使非同步馬達做為發電機，並將所產生的電力消耗在電阻器或變阻器中。大部分製造商選擇電氣或變阻器這類型煞車的意願超過機械式煞車，原因是其可使得保養車上這些磨耗零件的成本降至最低。

在變阻器煞車操作期間，若DC匯流排連接到懸吊線，很明顯會有能量朝向懸吊線回流。對某些使用者而言，此類型的能量回流不被接受。

另一方面，若DC匯流排脫離架空線，此匯流排上的直流電壓逐漸下降，且變得不足以磁化該馬達，使得變阻器煞車無法再操作。

為克服車輪自由轉動模式(free wheel mode)中的此問題，在車輛滑行(自由轉動中)且DC匯流排脫離架空線的期間，保持此DC匯流排上之直流磁化電壓的習知方法，是經由實行一預煞車階段。

此預煞車階段包含：a)以存在於匯流排上的直流電壓磁化馬達的步驟，接著b)將馬達當成交流發電機操作，並將轉換器當成交流電壓的整流器操作，以便用直流電壓對匯流排充電的步驟。

在習知方法中，只要車輛在滑行中且DC匯流排脫離該架空線，步驟b)即持續。因此，該馬達持續地做為發電機，以便保持DC匯流排上之磁化電壓的適當位準。

結果是即使電力車在滑行中，也一直地被減速。本發明的目的是提供克服此缺點的方法，該方法能夠保持DC匯流排上的磁化電壓，且使加諸於電力車之減速最小化。因此，本發明與保持DC匯流排上的直流磁化電壓有關，並包含：c)當匯流排的直流電壓到達上臨限值時，停止轉換器的步驟，接著d)在回到步驟a)之前，只要匯流排的直流電壓保持在高於非同步馬達之最小直流磁化電壓，即將轉換器保持在閒置狀態的步驟。

當馬達做為發電機時，轉換器提供直流電壓給DC匯流排，匯流排被充電，且馬達煞住車輛。

當轉換器停止時，馬達不再做為發電機，且因此不在煞住電力車。只要轉換器保持在閒置狀態，DC匯流排上的電壓逐漸下降，其例如對應於DC匯流排之電容器的放電。結果，經由交替步驟a)、b)及c)、d)，其可保持此匯流排上的直流磁化電壓，不會致使馬達永遠地做為發電機。此使得加諸於電力車在車輪自由轉動模式中的減速最小化。

此外，本方法只是按此方式修改轉換器的控制，亦即，不需為了在變阻煞車操作前對DC匯流排充電而使用額外的設備。

最後，轉換器的停止，也允許用來暫時保持匯流排上直流電壓的該些單元被放電，因此，不需要為此目的使用設備的輔助件或變阻器。

此方法的實施例可包含以下一或多項特性：－在步驟b)期間，馬達的滑動脈衝(slip pulse)被選擇等於1/T_r ，其中，T_r 是馬達的時間常數，－所選擇的上臨限值低於用於設備輔助件的最小供電電壓，－在步驟b)期間，轉換器被控制，以使馬達所產生的能量，大於補償馬達加熱造成之損失所需的最小能量，且低於此最小能量的1.05倍，－只有在電力車以比允許匯流排被充電之預定速率臨限值高的速率滑行時，步驟a)至d)才被重覆。

用來保持直流磁化電壓之方法的實施例另具有以下優點：－加諸的滑動脈衝等於1/T_r ，其中T_r 是馬達的時間常數，降低馬達加熱所造成的損失，且因此使車輛的減速度保持最小。－不供應電力給連接到DC匯流排之設備輔助件的事實，也使得當車輛滑行時的減速度保持最小。－僅致使馬達產生至多等於補償馬達加熱造成之損失所需能量的1.05倍，以允許煞車動作關於車輛的慣性可予忽略，且因此可避免當在步驟b)與d)間交替時，駕駛或乘客感覺到振動。

本發明也與資料記錄媒體有關，其包含當電子處理器實行保持DC匯流排上非同步馬達之直流磁化電壓之方法時所用的這些指令。

本發明也與適合實施上述保持方法的電力車有關，此電力配備：－至少一個非同步馬達，用來轉動帶動驅動輪；－一可控制的DC/AC轉換器，其可做為直流電壓反向器，以便供應馬達，且另可做為直流電壓整流器，－DC供電匯流排，其可連接至懸吊線或與其脫離，且其經由轉換器連接至馬達，以便供應直流電壓給轉換器，此匯流排上配備有當該匯流排脫離懸吊線時，暫時保持匯流排上直流電壓的裝置，以及－一處理器，其能夠控制：a)馬達的磁化，接著b)車輪自由轉動模式期間，將馬達當成發電機操作，且轉換器當成整流器操作，在此期間，匯流排脫離架空線，且電力車在滑行中，且其中該處理器在車輪自由轉動模式期間能夠：c)當匯流排的直流電壓到達上臨限值時，控制轉換器的停止，以及d)在重複命令a)及b)前，只要匯流排的直流電壓保持高於非同步馬達的最小直流磁化電壓，即保持轉換器在閒置狀態。

此電力車的實施例可包含以下特徵：－用來暫時保持直流電壓的裝置，是由至少一個電容器構成，當匯流排脫離懸吊線時，其能夠暫時保持供電匯流排上的直流電壓。

圖1說明的電力車2配備有至少一個非同步馬達，用來轉動驅動此電力車的驅動輪13。此電力車例如是經由受電弓6連接到懸吊線4的火車頭。

在此例中，為簡化說明，僅說明能夠轉動驅動車輪13之非同步馬達10所用的供電系統。

電力車2之非同步馬達所用的其它供電系統，例如與本例所描述的相同。

馬達10的供電系統包含：－可控制的DC/AC轉換器12，其能夠供電給馬達10之定子上的繞組，－DC匯流排14，其連接至轉換器12，以便供應其直流電壓，以及－連接單元16，用來將匯流排14連接至懸吊線4。

轉換器12能夠做為直流電壓反向器(inverter)，以便供應馬達10三相電壓，以及可做為交流電壓的整流器，當馬達10做為發電機時，將馬達所產生的三相電壓整流後供應給匯流排14。DC匯流排14是由兩個導電體20及21構成。導電體20、21的一端分別連接至轉換器12的輸入。導電體20、21的另一端分別連接至連接單元16的輸出。

匯流排14也包含至少一個用來暫時保持導電體20及21間直流電壓的裝置。在本例中，為簡化說明，僅說明一個用來暫時保持直流電壓的裝置24。該裝置24例如是由連接於導電體20及21間的電容器26，以及與電容器26兩端並聯之電容器的放電電阻器28構成。此電阻器28經過挑選，例如，允許存在於電容器26兩端的直流電壓每秒下降50伏。

匯流排14上的直流電壓V_{b u s} 是由一伏特計30測量。當匯流排14連接於懸吊線4時，該電壓V_{b u s} 等於1800V_{D C} 。

連接單元16允許匯流排14電氣連接至懸吊線4或與其脫離。為此目的，連接單元16的輸入經由受電弓6連接至懸吊線4。連接單元16例如包含電路斷路器，若懸吊線4被一交流電壓供電，還包含選用的電壓整流器。

匯流排14也用於供電給車輛2的輔助設備件，諸如加熱裝置、通風裝置，或水邦浦。為簡化說明，僅說明一個輔助設備件40。設備件40經由DC/DC轉換器42連接至導電體20及21。當電壓V_{b u s} 低於一預定的臨限值S_h 時，此轉換器42能自動地切斷供應給設備件40的電力。例如，以匯流排14上正常直流電壓為1800V_{d c} 而言，選擇該臨限電壓S_h 等於900V_{d c} ，易言之，等於正常電壓的一半。

匯流排14也經由可控制的開關48連接至變阻器46。

在變阻煞車操作期間，此變阻器意欲用來消散馬達10所產生的能量。

車輛2也包含一電子處理器50，其能夠控制轉換器12，以便實行圖2所示用來保持磁化電壓的方法。此處理器也能夠控制開關48。

為控制轉換器12，處理器包含一習用的模組52，用來經由脈衝寬度調變進行控制。此模組52設有兩個輸入，一個用來接收馬達之定子頻率變數f_s,cons ，另一個用來接收調變比T_x 。

定子頻率是馬達10內之磁場轉動的頻率。此頻率對應於一同步速率。

為實行圖2的方法，處理器50連接到伏特計30，以及用來偵測轉子之機械頻率的感應器56。機械頻率對應於馬達10之軸桿的轉速。

本例中的處理器50是用習知的可程式處理器製成，其能夠執行記錄在資料記錄媒體58上的指令。為此目的，當處理器50執行這些指令時，資料記錄媒體58包含用來實行圖2之方法的指令。

現將參考圖2描述處理器50及馬達10的電力供應系統的操作。

車輛2可在以下三個操作模式間切換：- 牽引模式62，在此期間，馬達10轉動地帶動驅動輪13，- 車輪自由轉動模式63，在此期間，電力車滑行且匯流排14脫離懸吊線4，以及- 變阻煞車模式64，在此期間，電力車2被減速。

在牽引模式中，匯流排14經由連接單元16連接到懸吊線4。在此牽引模式中，轉換器12的功能為反向器，以便供應由存在於匯流排14上之直流電壓所產生之3相電壓的電力給馬達。當車輛2在必須緩慢減速的斜坡上行駛時，其切換到車輪自由轉動模式63為有利。在此車輪自由轉動模式中，在步驟70期間，連接單元16使匯流排14脫離懸吊線4。接著，在步驟72期間，處理器50停止轉換器12。當轉換器12被停止時，不再供應電力給馬達10，且變為被去磁。接著，處理器實行步驟74，只要電壓V_{b u s} 高於馬達10的最小磁化電壓V_{m i n} ，即將轉換器12保持在閒置狀態。在步驟74期間，由於電容器26經由電阻器28放電，因此，電壓V_{b u s} 逐漸下降。

一旦伏特計30測量的電壓V_{b u s} 低於臨限值V_{m i n} ，在步驟76期間，處理器控制轉換器12，以便經由仍存在於匯流排14上的電壓V_{b u s} 磁化馬達10。此時，電壓V_{b u s} 例如等於臨限值V_{m i n} 。

在步驟78期間，一旦馬達的磁化開始且不等待馬達被完全磁化，處理器50控制該轉換器，以便轉換器致使馬達10做為發電機。在步驟78期間，處理器50也控制轉換器12，以使其做為整流器。在步驟76與78期間，馬達10產生交流三相電壓，該電壓被轉換器12整流，以供應直流電壓給DC匯流排14，其允許裝置24被充電。

更精確地說，在步驟78期間，選擇頻率變數F_{s . c o n s} 等於感應器56所測量的機械頻率減去一個滑移脈衝F_g 。在本實施例中，選擇脈衝F_g 等於1/T_r ，其中T_r 是馬達的時間常數。由於滑移脈衝做此種選擇，用來控制馬達的直流電流I_d 與正交電流I_q 相等，其使得加熱所造成的損失減至最小。在本例中，由加熱所造成的損失意欲是由於焦耳效應的損失以及摩擦所造成的損失。在步驟78期間，送至模組52的調變比變數T_x 是按照以下關係決定：T_x ＝[0.78．V_{b u s} ]/V_{a c} (I)－"．"是乘號，－"/"是除號，－V_{b u s} 是匯流排14上的直流電壓，－V_{A C} 是各階段間馬達10所產生的有效交流電壓。

在步驟78期間，處理器經由轉換器12控制馬達，以使得馬達10所產生之能量的量，正好高於補償馬達10加熱造成之損失所需之能量的最小量，且最多等於此最小量的1.05倍。按此方式，馬達10所產生之能量的量，稍超過馬達10本身所消耗之能量的量。

因此，此過剩的能量即允許電容器26被充電。此外，此過剩的小能量對應於馬達10的最小煞車，因此，當馬達10開始做為發電機時，車輛的駕駛不會感覺到振動的動作。

在步驟82期間，處理器50確認電壓V_{b u s} 低於臨限值S_h 。如果是此情況，在步驟78期間，即保持馬達做為發電機操作，且轉換器12做為整流器操作。

否則，處理器回到步驟72。

按此方式，由於匯流排14上的電壓不超過臨限值S_h ，並無電力供應給諸如設備件40的輔助設備件，此允許從當成發電機操作之馬達取得的能量量受到限制，並因此允許電力車2的減速度被限制。

只要電力車在足夠的速率中滑行，步驟72至82即被重複，即允許馬達10在步驟78期間對電容器26充電。例如，車輛2的速率必須高於預定的臨限10km/h。當車輛2的速率不足以再對電容器26充電時，該車即被切換到傳統的操作模式，例如，使用預煞車階段。

在任何時間，在車輪自由轉動模式期間，車輛2的駕駛都可移到變阻煞車模式。為此目的，例如，駕駛移動煞車桿。處理器50反應此移動，即實行步驟86，使用存在於匯流排14上的電壓V_{b u s} 將馬達10磁化。此步驟86例如與步驟76相同。接著，馬達10一旦開始被磁化，在步驟88期間，處理器50控制轉換器12，以便致使馬達10做為發電機，以及轉換器12做為整流器。

在步驟92期間，處理器50同時控制開關48關閉，以將變阻器46連接到DC匯流排。在此操作狀態中，馬達10所產生的三相電壓被轉換器12轉換成DC匯流排上的直流電壓。此直流電壓被變阻器46以熱的型式消散，其允許車輛2被煞車。

只要駕駛保持他的煞車動作，步驟88及92即被持續。

車輛2與圖2的方法還可有很多其它的實施例。在步驟82，例如，處理器50停止對匯流排14充電的臨限值，可選擇與臨限值S_h 不同的值。

2．．．電力車

13．．．驅動輪

6．．．受電弓

4．．．懸吊線

10．．．非同步馬達

12．．．DC/AC轉換器

14．．．DC匯流排

16．．．連接單元

20、21．．．導電體

24．．．保持直流電壓的裝置

26．．．電容器

28．．．電阻器

30．．．伏特計

40．．．輔助設備件

42．．．DC/DC轉換器

48．．．開關

46．．．變阻器

50．．．處理器

52．．．模組

56．．．機械頻率的感應器

58．．．資料記錄媒體

圖1是說明配備DC匯流排之電力車之架構的說明概圖，以及圖2是在圖1之電力車的DC匯流排上保持非同步馬達之直流磁化電壓之方法的流程圖。

Claims (8)

1. 一種方法，用於保持DC/AC電壓轉換器之輸入處的直流電壓，以便保持非同步馬達處於磁化狀態，該DC/AC轉換器的輸入被電氣地連接至電力車的DC供電匯流排，此供電匯流排能連接至懸吊線，或與該懸吊線脫離，以便供電給該馬達，在車輪自由轉動模式期間，該車輛滑行，且該匯流排與懸吊線脫離，該方法包含：a)磁化步驟(76)，用以從存在於該匯流排上的該直流電壓磁化該馬達，接著b)操作步驟(78)，將該馬達當成交流電壓發電機操作，以及，將該轉換器當成該交流電壓的整流器操作，以便用直流電壓對匯流排充電，其特徵在於，在車輪自由轉動模式中，該方法也包含：c)停止步驟(72)，當該匯流排的該直流電壓到達一上臨限值時，停止該轉換器，接著d)保持步驟(74)，在回到步驟a)之前，只要該匯流排保持高於該非同步馬達的最小直流磁化電壓，將該轉換器保持在閒置狀態。
2. 如申請專利範圍第1項的方法，其中，在步驟b)期間，選擇該馬達的滑移脈衝等於1/T_r ，其中T_r 是該馬達的時間常數。
3. 如申請專利範圍第1或2項的方法，關於配備有至少一輔助電氣設備件的電力車，當該匯流排的該直流電壓落至各該輔助設備件之最小供應電壓以下時，該輔助設備件來自該匯流排的供電被自動切斷，其中，所選擇的該上臨限值低於各該輔助設備件的該最小供應電壓。
4. 如申請專利範圍第1項的方法，其中，在步驟b)期間，該轉換器被控制，以使該馬達所產生的能量，大於補償該馬達加熱造成之損失所需的最小能量，且小於此最小能量的1.05倍。
5. 如申請專利範圍第1項的方法，其中，該步驟a)至d)只有在該電力車在大於允許該匯流排被充電之預定臨限速率的速率下滑行時才被重複。
6. 一種資料記錄媒體，其特徵在於當一電子處理器實行如前述申請專利範圍任一項之方法的指令時，該資料記錄媒體用來包含實行該方法的這些指令。
7. 一種電力車，配備：－至少一個非同步馬達(10)，用以轉動地驅動各驅動輪，－可控制的DC/AC轉換器(12)，其能夠做為直流電壓反向器，以便供電給該馬達，並選擇地做為直流電壓整流器，－DC供電匯流排(14)，其可連接至懸吊線，或從該懸吊線脫離，且經由該轉換器連接至該馬達，以便供應直流電壓給該轉換器，此匯流排配備有一裝置(24)，當該匯流排脫離該懸吊線時，該裝置用來暫時保持該匯流排上的直流電壓，以及－處理器(50)，該處理器能夠控制：a)該馬達的磁化，以及b)在車輪自由轉動模式期間，該馬達當成發電機操作以及該轉換器當成整流器操作，在該車輪自由轉動模式期間，該匯流排從該懸吊線脫離，且該電力車在滑行中；其中，該處理器在車輪自由轉動模式期間也能夠：c)當該匯流排的直流電壓到達上臨限值時，該處理器控制該轉換器的停止，以及d)在重複該命令a)及b)之前，只要該匯流排的直流電壓仍高於該非同步馬達的最小直流磁化電壓，將該轉換器保持在閒置狀態。
8. 如申請專利範圍第7項的電力車，其中，用來暫時保持一直流電壓的該裝置(24)是由至少一個電容器(26)構成，當此匯流排從該懸吊線脫離時，該電容器能夠在供電匯流排上暫時保持一直流電壓。