專利名稱：鐵路列車操作控制系統和使用操作控制系統的鐵路列車的制作方法
背景技術：
本發明涉及鐵路列車操作控制系統和使用操作控制系統的鐵路列車，以致通過使用多個驅動裝置而實現目標操作。
通過操作多個并聯連接的功率驅動裝置使鐵路列車和飛機行駛或飛行。例如，鐵路列車包括數輛或十輛以上的機車車輛。通常，每節機車車輛包括3或4個逆變器驅動裝置。此外，把約2-4個馬達并聯地連接到每個逆變器驅動設備。還有，每個逆變器驅動裝置接收從機車車輛車頭提供的操作單元發送的轉矩輸出指令，并通過控制每個馬達的電流而控制逆變器驅動裝置，以致實際轉矩輸出等于指令的轉矩輸出。
傳統上，鐵路列車的行駛如下。從操作單元把轉矩輸出指令分配給每個逆變器驅動裝置，并應用數種巧計把所需要的轉矩輸出分配給每個逆變器驅動裝置。鐵路列車使用鐵制造的車輪在鐵制造的鐵路上行駛，同時受到加速或減速。由于摩擦系數較小，使鐵車輪趨向于空轉。還有，由于鐵的摩擦系數的變化與鐵路和車輪的表面狀態有關，所以摩擦系數受到潮濕或鐵路和車輪的銹蝕狀態的影響。
機車車輛車頭特別傾向于接收鐵路表面狀態的影響，而鐵路表面狀態又容易地導致空轉。相應地，把機車車輛車頭產生的轉矩設置為依次相連的機車車輛的轉矩的80-90％。此外，摩擦力與施加到車輪和鐵路之間的接觸表面的負載成正比。
因此，對于在機車車輛內乘客數目較少的機車車輛，通過降低這個機車車輛的轉矩而執行一個防止空轉的方法。即使發生空轉的問題，控制每個驅動裝置，以致通過降低每個驅動裝置的轉矩而防止它的空轉，并且使每個驅動裝置的轉矩逐漸回到它預定的轉矩。
此外，當電流在逆變器中流過時，電流傳導損耗使逆變器發熱，并且當電流切換時，產生切換損耗。如果逆變器單元的溫度增加到大于設計值，則熱使單元擊穿。因此，根據鐵路列車行駛的路線的行駛圖，以及切換單元的溫度特征來估計切換單元的增加值。通過使用估計結果，設計切換單元的電特征以及待使用的冷卻裝置的冷卻性能，以致即使在最惡劣的情況下切換單元也不會擊穿。最惡劣的情況是風不是完全地圍繞冷卻裝置而通過，或乘客的數目超過極限值。
汽車是通過與驅動鐵路列車相似的方法驅動的一種系統。在汽車中，在對道路的表面狀態進行自適應的同時，通過機械的功率分配設備把從一個功率源饋入的轉矩輸出最優化地分配給每個車輪，以便改進操作性能。
發明概要本發明針對一種系統，在所述系統中多個功率源并聯連接。相應地，本發明不針對諸如汽車之類其中只有一個功率源的系統，而且這種系統通過調節把驅動力從一個功率源發送到車輪的發送裝置的發送系數而得到較佳的驅動。
傳統的鐵路列車系統是這樣設計的，即使在最壞的情況下也不發生擊穿的問題，假定最壞情況是根據實際測量或經驗數據確定的。此外，即使發生任何問題，分別處理每個有問題的裝置。然而，如果獨立地處理在一個系統中的每個有問題裝置，則在這種傳統系統中有數個問題。
例如，在空轉中將發生下列問題。首先，為了停止空轉，降低空轉車輪的轉矩，在已經停止空轉之后，使車輪的轉矩返回到預定轉矩。
然而，由于分別處理每個裝置，如果發生空轉，則整個鐵路列車的加速能力降低。
此外，在逆變器的發熱問題中，發生下列問題。在當前的逆變器中，用半導體構成切換單元。由于當半導體切換單元的溫度變成較高時它的熱損耗增加，所以希望在低溫處使用半導體切換單元。在諸如長度約為300米的鐵路列車之類的大系統中，由于諸如自然窗戶，降雨等環境條件，每個逆變器的溫度是不同的。如果每個裝置在所分配的相同轉矩指令下操作(不控制)，則溫度高的逆變器導致大的損耗量而它們的溫度更加增加，轉而降低逆變器的能量轉換效率。
本發明的一個目的是防止諸如鐵路列車之類的大系統的劣化。
本發明的另一個目的是通過使逆變器的損耗最小而使能量轉換效率最高。
為了達到上述目的，本發明的鐵路列車包括設置在裝置上的至少一個監測單元，它執行監測每個裝置的操作狀態的監測功能；通信網絡；中央處理單元，用于把控制信息最優化地分配給每個裝置。
監測單元捕獲各個裝置的操作狀態的信息，并通過通信網絡把信息發送到中央處理單元。對于每個裝置，中央處理單元計算諸如轉矩、溫度等狀態變量的允許電平與相應的狀態變量的當前電平之間的差值，并把受控變量分配給每個裝置，以致每個差值大于預定的允許值。此外，如果某些裝置的當前受控變量電平(功率輸出)超過它的預定允許電平，則降低這個裝置的受控變量，把所降低的受控變量的量分配給其余的裝置。調節其余裝置的受控變量，并通過通信網絡把受控變量分配給各個裝置。即，根據中央處理單元再分配的受控變量來控制其余裝置。這里，通過使用事先測量的數據確定每個裝置的允許值(電平)，或可以根據監測裝置對每個裝置的監測結果而改變每個裝置的允許值(電平)。
如果發生空轉問題，這個問題的控制處理說明如下。通過通信網絡把每個逆變器的轉矩狀態以及每個空轉地點的狀態周期性地發送到中央處理單元。當中央處理單元從某些監測裝置接收到空轉問題發生的信息時，中央處理單元立即降低與空轉問題有關的有問題逆變器的轉矩，并發送指令把降低的轉矩再分配給其余逆變器。在這個分配中，分配降低的轉矩，以致所分配的每個轉矩小于在每個裝置處發生空轉的最大轉矩值。導致空轉的每個最大轉矩值是一個預定值，它是通過事先實際測量數據而預定的，但是通過對“新或舊”的鐵路情況、諸如氣候等的周圍環境、每個機車車輛的總重量等進行考慮，可以調節這個最大轉矩值，并且有可能靈活地調節每個最大轉矩，以及更合適地確定對其余逆變器的再分配。在發生空轉的某些情況中，還有可能依次改變每個車輪的最大轉矩。
逆變器溫度的控制處理說明如下。順序地測量每個逆變器的半導體切換單元的溫度，并通過通信網絡把所測量溫度值發送到中央處理單元。中央處理單元降低溫度高的逆變器中流過的電流，以致降低這個逆變器產生的轉矩，并把已降低的轉矩再分配給連接到其余逆變器的裝置，以致各逆變器的溫度幾乎相等。如果上述在其余逆變器中再分配已降低的轉矩不是不可能用于預期的加速性能，則改變半導體切換單元的驅動條件，以致降低切換損耗。如果不能找到這種驅動條件，則降低鐵路列車的加速度電平。
因此，在本發明中，始終把允許值與每個裝置的當前受控變量(功率輸出)進行比較，并在本說明中把允許值和當前功率輸出之間的差值定義為性能裕度。
附圖簡述
圖1A是示意方框圖，示出根據本發明實施例的操作控制系統的組成；圖1B是示意方框圖，示出圖1A所示的中央處理單元的組成；圖1C是示意方框圖，示出圖1A所示的中央處理單元的組成；圖2是圖1A所示的操作控制系統執行的控制處理的流程圖；圖3是示意方框圖，示出在根據本信息的另一個實施例中的操作控制系統的組成，所述操作控制系統具有位置信息監測功能；圖4是圖3所示的操作控制系統執行的控制處理的流程圖；圖5是根據本發明的另一個實施例的示意圖，示出把圖1A所示的操作控制系統應用于所述鐵路列車時鐵路列車的組成；圖6是根據本發明的另一個實施例的示意圖，示出把圖3所示的操作控制系統應用于所述鐵路列車時鐵路列車的組成；圖7是示意圖，示出位置檢測裝置裝置的組成；圖8是示意方框圖，示出每個驅動裝置的組成；圖9是示出每個驅動裝置的詳細組成圖；圖10是示意圖，示出示意電路組成，并說明降低切換損耗的原理；圖11A是逆變器馬達的示意圖；圖11B是在圖11A中所示的逆變器中的切換單元的集電極電壓和集電極電流中的變化的時間圖；圖11C是曲線圖，示出集電極電壓和集電極電流之間的關系；圖11D是曲線圖，示出切換頻率和切換損耗之間的關系；圖12是曲線圖，示出切換損耗與集電極電流的依賴性；圖13是曲線圖，示出切換損耗與集電極電流的測量的依賴性；圖14是與圖4所示的控制處理不同的控制處理的流程圖，也是通過圖3所示的操作控制系統執行的。
實施例的詳述圖1A-1C示出在操作控制系統中的每個主設備的組成，所述操作控制系統應用于圖5所示的鐵路列車。圖2是操作控制系統執行的控制處理的流程圖。操作控制系統包括至少一個中央處理單元S13，以及兩個或多個裝置S14。
如圖1B所示，中央處理單元S13包括存儲器S17、處理裝置S18、以及輸入/輸出處理裝置S19。還有，如圖1B所示，每個裝置S14包括輸入/輸出處理裝置S110、傳感器S111，以及驅動裝置S112。把傳感器S111附加到每個裝置S14，用于感測操作狀態，和檢測裝置S14的操作狀態。通過輸入/輸出處理裝置S15傳遞根據所檢測操作狀態的信息S15，并通過諸如通信網絡之類的傳輸線路把它發送到中央處理單元S13。
中央處理單元S13接收有關每個裝置的操作狀態的信息，并通過使用所接收信息執行必需的處理。此外，它把分配的功率輸出指令S16發送給每個裝置。當中央處理單元S13已經接收總功率輸出指令S11時，它執行處理，把用于這個總系統所需要的總功率輸出進行分割，并分配給各個裝置，它根據有關每個裝置的操作狀態的信息S15把總功率輸出分配給每個裝置。
通過使用在圖2中所示的流程圖，在下面更詳細地說明中央處理單元13執行的處理，所述處理是分配指令的總功率輸出。
在步驟S21和S25中，把總功率輸出指令S11和有關裝置的操作狀態的信息S15輸入中央處理單元S13。在步驟S23中，計算每個裝置的允許值(電平)和當前狀態變量(通常是功率輸出)之間的差值。把這個差值定義為性能裕度S。在步驟S24中，確定是否更新指令的總功率輸出。如果沒有指令更新總功率輸出，則在步驟S25中得到在所有性能裕度S值中的離散，并確定每個性能裕度S是否在性能裕度S中的離散的允許范圍ΔS(此后簡稱為允許離散范圍ΔS)之內。如果所有性能裕度S都在允許離散范圍ΔS中，則控制處理返回到步驟S21。同時，例如，對于所有性能裕度S，S≤ΔS的意思是(Smax-Smin)≤ΔS，其中，Smax和Smin分別表示所有裝置的性能裕度S中的當前最大值和最小值。
在步驟S24中，如果命令更新總功率輸出，則在步驟25中確定所有性能裕度S不在允許離散范圍ΔS之內，在步驟S27中，根據更新指令S11分配經更新的總功率輸出，以致所有裝置的性能裕度S相等，并把新的分配功率輸出指令發送到所有裝置。在步驟S29中，檢查所有裝置的性能裕度S，是否所有裝置的S值都是正的。如果所有裝置的S值都是正的，則在步驟213中，把確定的分配功率輸出指令S16發送到各個裝置，并使控制處理返回到步驟21。
如果在步驟S29中所有裝置的S值都不是正的，則在步驟210中對實現所有S值是正的的功率輸出分配方法進行搜索。如果存在實現所有S值是正的功率輸出分配方法，則在步驟S212中通過使用所搜索的分配條件實施功率輸出分配，并在步驟S213中把經調節的分配功率輸出指令發送到每個裝置。反之，如果不存在實現所有S值是正的的功率輸出分配方法，則在步驟211中對諸如實施可以增加有問題S值之類的控制條件進一步進行搜索。如果找到諸如實施可以增加有問題S值之類的控制條件，則在步驟S28中通過使用所找到的控制條件增加有問題裝置的性能裕度S，并使控制處理返回到步驟S29。反之，如果沒有找到諸如實施可以增加有問題S值之類的控制條件，則在步驟S26中降低總功率輸出，并使控制處理轉到步驟S27。
下面更詳細地說明通過上述處理得到的效果。在本發明中，操作控制系統根據狀態變量(輸出性能等)和每個裝置的性能裕度S(它定義為允許值和當前輸出性能(功率輸出)之間的差值)控制鐵路列車，分割和分配鐵路列車所需要的總的受控變量(功率輸出)，以致所有性能裕度S都在允許離散范圍ΔS中，而且所有狀態變量都不超過它們相應的允許值。例如，如果把上述控制方法施加到每個逆變器的溫度控制，則可以得到下述效果。在逆變器中使用的半導體單元的允許溫度是125℃，并規定在低于125℃的溫度下使用這些半導體單元。
在鐵路列車中使用的逆變器中，把半導體的允許溫度值設置為125℃。長度約為300米的電氣列車之類的系統通常包括3或4個逆變器。這些逆變器幾乎都是通過自然風冷卻的，而它們的冷卻效率極大地受到自然風的強度和行駛電氣列車外面的結構環境的影響。因此，即使控制到各個逆變器的指令以致輸出相同的功率，但是所有逆變器不工作于相同的溫度。由于當每個逆變器的溫度增加時它的損耗也增加，如果控制所有逆變器以致輸出相同的功率，則不管在各個逆變器中的溫度差值，系統的總損耗變成更大。此外，如果不通過自然風冷卻逆變器，則逆變器的溫度增加，而它們可能擊穿。
另一方面，在本發明中，把每個逆變器的允許值和它的當前溫度值之間的差值保持在預定范圍內。相應地，使所有逆變器的溫度相等，可以降低由逆變器引起的損耗。此外，由于控制所有逆變器的溫度以致不超過預定溫度125℃，逆變器不會擊穿。
圖3和圖4示出根據本發明的另一個實施例的操作控制系統，其中，檢測并使用鐵路列車的當前位置信息。與在圖1中示出的操作控制系統的不同點只在于把在鐵路列車的當前位置上的信息輸入S31輸入中央處理單元S13。如上所述，準備對于任何逆變器的擊穿的重復測量。然而，如果某一個逆變器擊穿或受到嚴重的損壞而不能夠繼續這個逆變器的操作，則停止這個逆變器的操作，并把這個逆變器曾經管理的受控變量(功率輸出)分配給其余逆變器。調整這個經變化的分配，以致每個裝置的性能裕度S在允許離散范圍ΔS內。下面參考在圖4中所示的流程圖對使用位置信息的系統的操作進行更詳細的說明。
首先，在步驟S41中，中央處理單元S13接收總功率指令和根據鐵路列車的位置的信息。其次，在步驟S42中，讀出事先已經準備并存儲的各個裝置的分配功率輸出指令的模式。此外，在步驟S43中，接收根據每個裝置的操作狀態的信息，并在步驟S44中計算每個裝置的性能裕度S。
此外，在步驟S46中，確定是否更新總輸出功率的指令。如果更新總輸出功率的指令，則在步驟S45中分割指令的新的總輸出功率，并根據所準備和存儲的功率輸出分配模式分配給每個裝置，并在步驟S47中，操作控制系統通過發送所計算的分配給每個裝置的輸出功率的指令而使鐵路列車運行。然后，控制處理轉到步驟S48，在該步驟中，確定所有裝置的性能裕度S是否都在允許離散范圍ΔS中。在步驟S46中，如果不更新總輸出功率的指令，則跳過步驟45和47，控制處理轉到步驟S48。
在步驟S48中，如果確定所有裝置的性能裕度S都在允許離散范圍ΔS中，則進一步在步驟S412中確定所有性能S是正的。反之，在步驟S48中發現某些裝置的性能裕度在允許離散范圍ΔS之外，則在步驟S411中，再調整更新的、指令的總輸出功率的分割和分配，以致使所有裝置的性能裕度都相等，并把經再調整的分配的功率輸出指令發送到每個裝置。此外，控制處理轉到步驟S412，在步驟S412中，如果所有性能裕度S都是正的，則控制處理返回到第一個步驟S41，否則，在步驟S413中，確定是否還存在用于所計算總輸出功率指令的任何分配方法，所述方法使所有裝置滿足條件S≥0。
在步驟S413中，如果存在實現上述問題的任何方法，則在步驟415中，建立諸如所有裝置滿足條件S≥0的新分配的功率輸出指令。此外，在步驟S416中，把新的分配的功率輸出指令發送到每個裝置。然后，控制處理返回到第一個步驟S41。
在步驟S413中，如果確定不存在用于所接收總輸出功率指令(其中，所有裝置滿足條件S≥0)的任何分配方法，則進一步在步驟S414中確定是否存在任何控制條件，諸如可以增加有問題裝置的性能裕度S的那些控制條件。如果存在實現上述目標的某些控制條件，則在步驟S410中把所發現的控制條件施加到有問題裝置，并使控制處理轉到步驟S411。如果不存在實現上述目標的任何控制條件，則在步驟S49中降低總輸出功率，并使控制處理轉到步驟S411。
使用鐵路列車位置信息帶來下列優點。在鐵路的操作中，事先確定它的行駛路線，事先已知在路線的行駛操作中的每個裝置的受控變量。因此，對于每個行駛操作的路線，在每個裝置的性能裕度S中的變化趨勢幾乎等于性能離散范圍ΔS。
相應的，對于標準行駛操作模式，準備和存儲相應于在總功率輸出指令中的每個變化的，用于各個裝置的一組分配的功率輸出指令的模式。在上述組中，性能裕度S中的任何一個都在允許離散范圍ΔS中，并且是正的。當通過使用分配的功率設置指令的上述經準備組執行鐵路列車的行駛操作時，可以減少分割和分配總輸出功率指令的更新的數目。
圖14示出根據本發明的又一個實施例的系統控制，其中，檢測并使用鐵路列車的位置信息。
在步驟S141中，接收到鐵路列車位置和總輸出功率指令，并在步驟S142中，獲得每個裝置的操作狀態變量。此外，在步驟S143中，計算每個裝置的性能裕度S。接著，在步驟144中確定有關位置的信息是否改變。如果改變位置，則在步驟145中讀出相應于總輸出功率中未來變化趨勢的一系列總輸出功率指令。
此外，在步驟S147中，建立各個裝置的預測分配的功率輸出指令模式，每個裝置的性能裕度S通過上述模式滿足性能裕度S的目標值。此外，控制處理轉到步驟S147，在該步驟中確定是否更新總功率輸出指令。在步驟S144中，如果確定沒有改變有關位置的信息，則不執行步驟145和146，并且使控制處理轉到步驟S147。在步驟S147中，如果確定更新總功率輸出指令，則使控制處理轉到步驟S148，在該步驟中調整在步驟146中得到的用于更新總功率指令的預測分配的功率模式以及所計算的分配的功率輸出指令。此外，在步驟149中，把新計算的功率輸出指令發送到各個裝置。然后，使控制處理轉到步驟S1410，在該步驟中所有性能裕度都在允許離散范圍內。
在步驟S147中，如果確定沒有更新總功率輸出指令，則使控制處理轉到步驟S1410。在步驟S1410中，如果所有性能裕度S在允許離散范圍(ΔS)內，則使控制處理轉到步驟S1414，在該步驟中確定所有性能裕度S是否都是正的。
在步驟S1410中，如果某些性能裕度不是在允許離散范圍ΔS之外，則在步驟1413中，再調整經更新的，指令的總功率輸出的分割和分配，以致使所有裝置的性能裕度S都相等，并使控制處理轉到步驟S1414，在該步驟中確定所有性能裕度S是否都是正的。在步驟S1414中，所有S都是正的，則使控制處理返回到第一個步驟S141。如果某些裝置的S是負的，則在步驟S1415中搜索是否存在對于所接收總功率輸出指令的任何分配方法，所述方法使所有裝置滿足條件S≥0。
在步驟S1415中，如果存在實現上述目標(諸如所有裝置滿足條件S≥0之類的新的分配的功率輸出指令)的任何方法，則把新的分配的功率輸出指令發送到各個裝置。然后，使控制處理返回步驟S141。反之，如果不存在實現上述目標的任何方法，則對是否存在諸如可以增加裝置的性能裕度之類的任何控制條件進行搜索。
在步驟S1416中，如果存在實現上述目標的任何控制條件，則調整裝置的控制條件，以致增加性能裕度S，并使控制處理返回步驟S1413。反之，如果不存在實現上述目標的任何控制條件，則在步驟S1411中，在降低總功率輸出的指令的值之后，使控制處理返回步驟S1413。
在圖14中的流程圖示出的控制中，結合新的控制方法，即，由于根據鐵路列車的當前位置估計未來總功率輸出指令的趨勢，所以可以建立達到鐵路列車的目標行駛的經最優化調整的分配的功率輸出指令，并把它發送到各個裝置。雖然確定鐵路列車行駛在其上的路線，并且由于每個裝置接收它的鐵路列車的周圍環境的影響而事先幾乎已知每個裝置的受控變量，但是即使每次行駛在同一路線上，每個裝置的受控變量不是始終相同的。
相應地，如果分配的功率輸出指令相應于總功率輸出指令(假定標準行駛模式而事先得到的)的變化，而且鐵路列車行駛而不調整預定的分配的功率輸出指令，則裝置的性能裕度S經常偏離它們的目標值。因此，由于本實施例包括根據每個裝置的當前操作狀態的信息預測和校正未來行駛模式的處理，所以可以顯著地降低用于總功率輸出指令的分割和分配的處理負載。通過在圖14中所示的上述控制方法使下列應用成為可能。即，對于從所檢測的當前位置到下一站位置的行駛時間間隔，從存儲器讀出標準分配的受控變量模式，并通過考慮當前行駛環境和每個裝置的性能裕度S的假定變化而事先調整各個裝置的標準分配的受控變量模式。因此，通過使用這個經調整的分配的受控變量模式而控制時間間隔中的每個裝置的受控變量。
圖5示出根據本發明的上述操作控制系統的鐵路列車的組成。把中央處理單元和鏈路發射機連接到網絡，并把多個網絡連接到每個裝置。網絡的布局并不限于圖5中所示，有可能使所有裝置連接到一個網絡。此外，可以把輔助電源、負載、驅動裝置等連接到每個網絡。此外，還把操作者使用的操作控制單元連接到網絡。
還有，還安裝用于把鐵路列車的行駛狀態發送到有關站(鐵路列車行駛管理設備等)的行駛信息通信單元，并把它連接到網絡。中央處理單元接收來自操作控制單元的總功率輸出指令，以及根據各個驅動裝置、負載等的操作狀態的信息。反之，中央處理單元把根據總功率輸出指令和根據每個裝置的操作狀態的信息建立的分配的功率輸出指令發送到各個裝置。通過在鐵路列車中安裝行駛-狀態信息-發送單元，有可能把操作和控制狀態發送到外部設備。行駛管理系統、鐵路保養系統等可以使用根據鐵路列車的操作和控制狀態的而發送的信息。
每個驅動裝置控制如下。中央處理單元計算每個裝置的當前性能(功率輸出)和作為裝置的性能裕度S定義的允許性能值的差值。接著，通過考慮每個裝置的性能裕度的量值而分配通過操作控制單元指令的總功率輸出，并把它發送到各個裝置。因此，可以防止性能裕度S的大的離散以及負的性能裕度S。例如，涉及裝置溫度的控制，有可能使各裝置的溫度相等，并防止由于超過裝置的允許溫度值而引起裝置的擊穿。
圖6示出安裝位置檢測器的鐵路列車的組成。同時，為了簡單起見，示意地示出所述組成。中央處理單元通過網絡接收根據鐵路列車的當前位置的信息、總功率輸出指令以及有關裝置的操作狀態的信息。在鐵路列車的操作中，由于鐵路列車行駛在固定路線上，所以可以估計每個裝置的性能裕度S的近似變化。因此，通過使用相應于事先準備和存儲的每個總功率輸出指令的分配的功率輸出指令作為初始分配的功率輸出指令模式，把性能裕度S調整到目標范圍內的次數可以減少，這轉而可以得到高速度控制。
圖7示出鐵路列車的更詳細的組成，其中安裝比圖6所示的位置檢測器更詳細說明的位置檢測設備。把天線、速度檢測器、位置檢測設備等連接到中央處理單元。例如，作為天線，GPS(全球定位系統)天線是廣泛地應用于車輛的。此外，使用通過速度檢測器得到的信息來校正天線得到的，有關鐵路列車的位置的信息，使更正確的位置檢測成為可能。還有，電氣車輛行駛在固定的軌道路線上。相應地，下列位置檢測方法是可能的。即，沿軌道提供路邊線圈。一個接收機用于接收從每個路邊線圈輸出的信號，把所述接收機安裝在電氣火車中接收來自每個路邊線圈的信號，就可以得到根據電氣火車的位置的信息。雖然可以獨立地使用上述位置檢測器，但是通過廣泛地使用從多個位置檢測器發送的位置信息來確定當前的位置。
圖8更詳細地示出在圖5和圖6中示出的每個驅動裝置的組成。每個驅動裝置包括驅動控制電路221、門電路224、切換單元M以及功率驅動設備81。通過網絡把分配的功率輸出指令S16發送到驅動控制電路221、門電路224。另一方面，通過網絡從驅動控制電路221、門電路224、切換單元M以及功率驅動設備81輸出根據每個裝置的操作狀態的信息。此外，有可能操作者總是通過集中和顯示所有裝置的操作信息(諸如各個裝置的受控變量等)來監測每個裝置。此外，還有可能把鐵路列車的行駛狀態發送到外部設備，并通過外部設備進行監測。通過在外部設備中提供上述監測功能，可以提供高度可靠性的鐵路列車系統。
把一個PWM(脈寬調制)信號發送到驅動控制電路，以致每個裝置可以根據分配的功率輸出指令S16輸出功率。門電路224根據PWM信號把選通信號發送到切換單元M以便使切換單元M接通/斷開。當電流在切換單元M中流過時，該單元處于導通狀態，反之亦然。通過切換單元M的這種通/斷操作，把間歇的電壓施加到驅動裝置81，通過它控制從每個驅動裝置輸出的功率。
監測切換單元M的溫度、流動的電流、電壓等，并通過門電路224或網絡把所檢測的數據發送到中央處理單元S13。有數類檢測系統的組成用于檢測切換單元M的溫度、電流、電壓。例如，在一種方法中，在切換單元M處一起提供檢測部分和讀出部分。在另一種方法中，在切換單元M處提供檢測部分，而在門電路224處提供讀出部分。還有，可以在驅動控制電路221處提供讀出部分。在門電路224處讀出根據門電路224的電源的電壓的信息、門電路224的輸出電壓等。在驅動控制電路221處，在功率驅動設備81中流過的電流、施加到切換單元M的電壓以及輸入切換單元M的電流等是待檢測的狀態變量。
圖9示出驅動電路8s的結構組成，參考更詳細的圖8進行說明，而圖10是在圖9中所示的組成的等效電路圖。下面說明切換單元M的結構。在金屬散熱板211上提供絕緣板29，并在金屬散熱板211上提供金屬板25。在金屬板35上安裝IGBT芯片和二極管芯片DF。通過金屬板25把IGBT芯片的集電極電極和二極管芯片DF的陰極電極連接到集電極端子C。
此外，通過導線28把IGBT芯片的發射極電極以及二極管芯片DF的陽極電極經由發射極電極板24連接到集電極端子Em。把為傳感器提供的發射極端子Es連接到發射極端子板24。主電流流過發射極端子Em。使用發射極端子Es通過用于控制IGBT的柵極的電流，通常主電流不通過這個發射極端子Es。
通過柵極電極板210把柵極端子G連接到IGBT的柵極電極。使上述驅動裝置的組成包含在一個塑料封裝212中，并把每個端子從塑料封裝引出。此外，把切換單元M固定在具有優良散熱能力的冷卻裝置230上。把溫度傳感器21安裝在冷卻裝置230處或安裝在安裝切換單元的金屬板25上。
此外，在切換單元M的集電極端子C和發射極端子Em之間串聯地連接直流(DC)電源23和切換單元M。在發射極端子Em之間提供電流傳感器22和電流檢測器，把在集電極端子C和發射極端子Em之間提供的溫度傳感器22連接到溫度檢測器222。
把電流檢測器222、電壓檢測器223、溫度檢測器225的輸出信號連接到驅動控制電路221。有可能把從電流檢測器222、電壓檢測器223、溫度檢測器225輸出的信號連接到門電路224，并把這些信號連接到驅動控制電路221。此外，把門電路224連接到為傳感器提供的發射極端子Es和柵極端子G，并把門電路224連接到驅動控制電路221。此外，驅動控制電路221通過網絡傳送根據每個裝置的操作狀態的信息以及每個裝置的分配的功率輸出指令。
雖然希望提供靠近IGBT的溫度傳感器21，但是有可能把溫度傳感器21安裝在散熱板230上。通常把允許的最高溫度設置為125℃。這個允許的電平是最低溫度電平中之一，把一般單元結構裝置設置在這個電平上。監測IGBT芯片溫度的目的在于監測切換單元M的溫度。如果把溫度傳感器21安裝在散熱板320上，則通過4個接觸面檢測IGBT的溫度，所述4個接觸面為IGBT和金屬板的接觸面、金屬板25和絕緣板29的接觸面、絕緣板29和散熱板211的接觸面以及散熱板211和冷卻裝置230的接觸面。
因此，在估計構成IGBT的部件的溫度中誤差變得較大。此外，存在另一種方法，其中，使由多晶硅制成的溫度傳感器形成在IGBT芯片上。這種方法是用于高度正確地檢測IGBT芯片的最佳方法。
圖10示出在圖9中所示的結構的等效電路，省略對它的說明。
根據本發明，可以降低切換單元的損耗。下面將說明損耗降低的原因。圖11A示出主要組成，而每個切換單元M執行通/斷操作以致控制功率驅動設備81，在這個實施例中，功率驅動設備81是一個馬達。把切換單元M的柵極端子G和發射極端子Es連接到控制電路。串聯地連接為傳感器提供的兩對切換單元M的柵極端子G和發射極端子Es，并構成三相逆變器的一相電路。此外，并聯地連接三相電路以致構成三相逆變器。把通過串聯地連接兩個切換單元M而構成的每個單相電路的的兩個端子連接到直流電源。把串聯地連接兩個切換單元M而構成的每個單相電路的中心連接點連接到三相感應馬達。進一步把柵極電路連接到級別較高的控制電路。
在這個電路中，切換單元M的切換操作引起損耗。圖11B示出損耗產生的原理，它指示當切換單元M截止時的電壓和電流的變化。當在切換單元M中流過電流時，存在某個時間周期，在該時間周期中，電流流過而同時減少，電壓增加。相應地，導致電流和電壓的積，即，損耗。每次切換操作導致損耗。因此，切換損耗正比于切換頻率而增加。圖11D示出切換損耗和切換頻率之間的關系。
圖11C示出切換單元的輸出特性以及集電極電壓Vc和集電極電流Ic之間的關系。當集電極電流Ic流過時，由于產生集電極電壓Vc而導致損耗。
從圖11C和圖11D可以清楚地看到，損耗隨在切換單元中流過的電流量和切換頻率而變化。通過使用上述現象，已知可以實施步驟S211和S26。即，如果降低集電極電流Ic，則逆變器的輸出也降低。如果只降低頻率，則可以降低損耗而不降低輸出功率。因此，至少可以通過降低切換頻率而實現步驟S211。還有，通過在切換操作中快速改變集電極電壓Vc和電流Ic有可能降低損耗而不降低輸出功率。
在圖11C中清楚地示出，通過降低集電極電流實現降低總功率輸出的指令的步驟S26。
圖12示出在逆變器的數個溫度點處，所測量集電極電壓和電流之間的關系。同時，為了便于了解趨勢，通過在25℃的溫度處的集電極電壓使集電極電流歸一化。此外，圖13示出在逆變器的數個溫度點處，所測量切換損耗和電流之間的關系。同時，通過在25℃的溫度處的集電極電壓和100A(安培)的集電極電流使切換損耗歸一化。這里，所測量得的切換的耐壓和額定電流分別是3.3kV和1200A。當集電極電流較大和溫度較高時，集電極電壓變得較高。就損耗來說，這個趨勢是相同的。
因此，從圖13可以看到，當切換單元在較低溫度處操作時，切換單元的損耗降低。在諸如鐵路列車之類的車輛中，由于使多個逆變器并聯地操作，所有逆變器的溫度難于變成相等。使溫度增加的逆變器的功率輸出降低，把所降低的功率輸出分配給溫度值不是如此高的逆變器。
還可以把上述控制方法的核心部分施加到運輸系統或設備，上述運輸系統或設備包括不是鐵路列車的多個驅動裝置，諸如飛機。
如上所述，在通過協調多個裝置而實現功能的一種設備中，通過連續地監測操作狀態，并保持各個裝置的狀態一致，就可以保持高性能的操作而不降低整個設備的功能。
逆變器的較高溫度狀態導致較高的損耗。抑制溫度高的逆變器的功率輸出，并把逆變器所降低的功率輸出分配給溫度電平不是如此高的其它逆變器。此外，通過監測每個驅動裝置的空轉發生，降低已經發生空轉的裝置的功率輸出。此外，把所降低的功率輸出分配給沒有發生空轉的其它驅動裝置，有可能提供總的加速度性能沒有降低的鐵路列車。
權利要求
1.一種鐵路列車操作控制系統，包括通過信息通信手段連接到多個并聯連接裝置的至少一個中央處理單元；所述多個所述裝置具有至少一種操作狀態監測功能，所述操作狀態監測功能把有關每個裝置的操作狀態的信息發送到所述中央處理單元；其中，所述系統所需要的總受控變量是根據從所述其操作狀態監測功能執行的監測結果所確定的操作狀態和性能裕度，通過把所述總控制變量基本上均等地分配給所述各個裝置而獲得的，性能裕度定義為每個裝置的允許功率輸出值和當前功率輸出值之間的差值；以致有可能在監測和反映各個裝置的所述性能裕度的同時，有可能實現對每個裝置的所述總控制變量的所述分配。
2.如權利要求1所述的鐵路列車操作控制系統，其特征在于進一步包括至少一個列車位置檢測器，和連接到所述信息通信手段的至少一個存儲器，以及其中對于預定的路線，針對所述鐵路列車，所述系統所需要的總的受控變量和所述各裝置的標準分配受控變量模式被存儲在通過所述列車位置檢測器檢測的每個位置處；其中，所述標準分配受控變量模式是根據每個裝置所監測的實際性能裕度來調整的。
3.如權利要求1所述的鐵路列車操作控制系統，其特征在于，從所述存儲器讀出從所檢測的當前位置到下一個停車位置的行駛時間間隔的標準分配的受控變量模式；所述標準分配的受控變量模式是通過考慮當前行駛環境和所述各個裝置的所述性能裕度的假設變化而事先調整的；以及在調整所述各個裝置的所述經調整的分配的受控變量的同時，控制每個裝置的受控變量以實現對所述時間間隔的行駛目標。
4.如權利要求1-3中任何一項所述的鐵路列車操作控制系統，其特征在于，把所述系統所需要的所述總受控變量分配給所述各個裝置，以致所述各個裝置的所述基本上均等地分配的性能裕度在預定的離散范圍中變化。
5.如權利要求1所述的鐵路列車操作控制系統，其特征在于，在所述裝置上要監測的項目之一是溫度。
6.如權利要求1所述的鐵路列車操作控制系統，其特征在于，在所述裝置上要監測的項目之一是每個車輪的空轉狀態。
7.如權利要求1所述的鐵路列車操作控制系統，其特征在于，至少一個所述裝置是功率轉換設備。
8.如權利要求1所述的鐵路列車操作控制系統，其特征在于，如果異常裝置是被檢測的所述裝置，則降低所述異常裝置的分配的受控變量，或把它從這個控制系統中斷開，并把所述異常裝置所降低的或管理的受控變量分配給不是所述異常裝置的其余裝置，以致所述其余裝置的所述性能裕度中的變化是在預定的離散范圍中，而且所述各個裝置的所述操作狀態的當前值不超過它們的預定允許電平。
9.如權利要求1所述的鐵路列車操作控制系統，其特征在于，在操作控制室處的單元中連續地顯示和監測所述各個裝置的當前操作狀態和性能裕度。
10.一種包括至少一個中央處理單元的鐵路列車，所述中央處理單元通過信息通信手段連接到多個并聯連接的驅動裝置，所述多個所述驅動裝置具有至少一種操作狀態監測功能，所述操作狀態監測功能把有關每個裝置的操作狀態的信息發送到所述中央處理單元；其中，把所述鐵路列車所需要的總的受控變量基本上均等地分配給所述各個驅動裝置，以致所述各個驅動裝置的所述基本上均等地分配的性能裕度在預定的離散范圍中變化。
11.如權利要求10所述的鐵路列車，其特征在于進一步包括至少一個列車位置檢測器和連接到所述信息通信手段的至少一個存儲器，以及其中，對于預定的路線，對于所述列車，把所述鐵路列車所需要的總的受控變量以及所述各個驅動裝置的標準分配的受控變量模式存儲在通過所述列車位置檢測器檢測的每個位置上，其中，根據每個驅動裝置所監測的實際性能裕度來調整所述標準分配的受控變量模式。
12.如權利要求10所述的鐵路列車，其特征在于，從所述存儲器讀出從所檢測的當前位置到下一個停車位置的行駛時間間隔的標準分配的受控變量模式；通過考慮當前行駛環境和性能裕度的假定變化而事先調整所述標準分配的受控變量模式；以及通過使用這個經調整的分配的受控變量模式，控制每個驅動裝置的受控變量，以實現對于所述時間間隔的行駛目標。
13.如權利要求10-13中任何一項所述的鐵路列車，其特征在于，把所述鐵路列車所需要的所述總的受控變量分配給所述各個驅動裝置，以致所述各個驅動裝置的所述性能裕度中的變化是在預定的離散范圍中，而且每個驅動裝置的所監測的操作狀態的當前值不超過預定的允許電平。
14.如權利要求10所述的鐵路列車，其特征在于，在所述驅動裝置上要監測的項目之一是溫度。
15.如權利要求10所述的鐵路列車，其特征在于，在所述驅動裝置上要監測的項目之一是車輪的空轉狀態。
16.如權利要求10所述的鐵路列車，其特征在于，至少一個所述驅動裝置是功率轉換設備。
17.如權利要求10所述的鐵路列車，其特征在于，如果在所述驅動裝置中檢測到異常驅動裝置，則降低所述異常驅動裝置的分配的受控變量，或把它從這個鐵路列車中斷開，并把所述異常驅動裝置所降低的或管理的受控變量分配給其它驅動裝置，以致所述其余驅動裝置的所述性能裕度中的變化在預定的離散范圍中，而且所述各個驅動裝置的所述當前操作狀態不超過它們的預定允許電平。
18.如權利要求10所述的鐵路列車操作控制系統，其特征在于，在操作控制室處的單元中連續地顯示和監測所述各個驅動裝置的當前操作狀態和性能裕度。
19.如權利要求10所述的鐵路列車操作控制系統，其特征在于進一步包括一通信單元，用于把所述各個驅動裝置的當前操作狀態和性能裕度發送到外部運行設施。
全文摘要
一種鐵路列車操作控制系統,包括通過信息通信手段連接到多個并聯連接裝置的至少一個中央處理單元,多個裝置具有至少一種操作狀態監測功能,所述操作狀態監測功能把根據每個裝置的操作狀態的信息發送到中央處理單元;其中,根據從操作狀態監測功能執行的監測結果所確定的操作狀態和性能裕度,通過把總控制變量分配給每個裝置而獲得系統所需要的總的受控變量,性能裕度定義為每個裝置的允許功率輸出值和當前功率輸出值之間的差值,而監測和反映每個裝置的性能裕度。
文檔編號B60T17/22GK1382606SQ0114385
公開日2002年12月4日 申請日期2001年12月14日 優先權日2001年4月25日
發明者長洲正浩, 佐藤裕, 木村新, 仲田清 申請人:株式會社日立制作所