專利名稱：用于保持dc/ac電壓轉換器的輸入端上的直流電壓的方法、用于該方法的記錄介質以及電 ...的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于保持DC/AC電壓轉換器的輸入端上的直流電壓從而保持異步電動機處于磁化狀態的方法、用于該方法的記錄介質以及電動車輛。
在該說明書中，術語“供電母線”用于指電動車輛的直流供電母線，其一方面可連接到吊線和與吊線斷開連接，另一方面通過DC/AC轉換器連接到異步電動機從而向該電動機供電。該母線裝備有即使當吊線不再向其供電時仍臨時保持母線上直流電壓的單元。典型地，這些保持單元包括電容器和放電電阻器。
該直流供電母線也稱為“直流母線”。
吊線不僅指懸浮的供電電纜(電動車輛的集電弓架沿其滑動)，而且還指放置在地上的供電軌道(電動車輛的輪子沿其滑動)。該供電軌道在鐵路產業中也稱為“第三軌道”。
通過使異步電動機作為發電機運行以及通過使產生的電能在電阻器或變阻器中耗盡來制動車輛是公知的。由于電氣或變阻器制動能夠使這些車輛上易損部件的維護費用最少，因此大多數廠商喜歡這種類型的電氣或變阻器制動勝過機械制動。
在變阻器制動操作期間，如果直流母線連接到吊線，則向該吊線返回能量是可見的。對于一些用戶來說，這種類型的能量返回是不可接受的。
另一方面，如果該直流母線與該吊線斷開連接，則該母線上的直流電壓逐漸減小并且變為不足以磁化電動機從而使得變阻器制動操作不再可行。
為了克服車輛靠慣性滑行(空轉)和直流母線與吊線斷開連接的空轉模式中的這一問題，公知的方法通過執行預制動階段來保持該直流母線上的直流磁化電壓。
該預制動階段包括a)利用母線上存在的直流電壓對電動機進行磁化的步驟，然后b)使電動機作為交流電壓發電機工作以及使轉換器作為交流電壓整流器工作從而用直流電壓對該母線進行再充電的步驟。
在公知的方法中，只要車輛靠慣性滑行并且直流母線與吊線斷開連接，步驟b)就持續。因此電動機一直作為發電機運行從而保持直流母線上的磁化電壓具有足夠的電平。
即使電動車輛正在靠慣性滑行，這也具有持久向電動車輛施加減速的結果。
本發明的目的是提供一種方法來克服這個缺點，該方法能夠使施加在電動車輛的減速最小從而保持直流母線上的磁化電壓。
因此，本發明涉及用于保持直流母線上的直流磁化電壓的方法，還包括步驟c)當母線的直流電壓達到上閾值時停止變換器的步驟，然后d)在返回步驟a)前，只要母線的直流電壓保持高于異步電動機的最小直流磁化電壓，就保持轉換器處于空閑狀態的步驟。
當電動機作為發電機運行時，轉換器向直流母線提供對其充電的直流電壓并且電動機制動車輛。
當轉換器停止時，電動機不再作為發電機運行，由此不再制動該電動車輛。只要該轉換器保持在空閑狀態，直流母線上的電壓就逐漸減小，例如這對應于直流母線的電容器的放電。因此，通過交替步驟a)、b)和c)、d)，可能在不使電動機持久作為發電機運行的情況下，保持該母線上的直流磁化電壓。這使施加在處于空轉模式的電動機上的減速最小。
此外，采用該方法，僅修改對轉換器的控制，而不需要正好在變阻器制動操作前使用附加的裝置對直流母線充電。
最后，停止轉換器還能夠使臨時保持母線上的直流電壓的單元進行放電，從而不需要使用針對該用途的輔助裝置或變阻器。
該方法的實施例可以包括一個或多個下列特征-選擇步驟b)期間電動機的滑動脈沖等于1/Tr，其中Tr是電動機的時間常數；-選擇上閾值小于輔助裝置的最小供電電壓，-在步驟b)期間，控制該轉換器以使得該電動機產生的能量大于補償電動機發熱引起的損耗所需要的最小能量并且小于該最小能量的1.05倍；-只要該電動車輛以大于能對母線再充電的預定速度閾值的速度靠慣性滑行時，就重復步驟a)到d)。
用于保持直流磁化電壓的方法的實施例還具有下列優點-施加等于1/Tr的滑動脈沖，其中Tr是電動機的時間常數，減小電動機發熱引起的損耗并由此使車輛的減速最小；-當車輛靠慣性滑行時，由于沒有向連接到直流母線的輔助裝置供電，所以這也使車輛的減速最小；-當在步驟b)和d)之間交替時，僅使電動機產生最多等于補償電動機發熱引起損耗所需能量的1.05倍的電能，從而使制動操作相對于車輛的慣性變得可以忽略，由此避免司機或乘客感受到急劇變化的動作。
本發明還涉及包括有指令的數據記錄介質，當電子處理器執行這些指令時，這些指令執行用于保持直流母線上異步電動機的直流磁化電壓的方法。
本發明還涉及適于執行上述保持方法的電動車輛，該電動車輛裝備有-至少一個異步電動機，用于旋轉驅動主動輪，-可控的DC/AC轉換器，其能夠作為直流電壓逆變器運行從而向電動機供電，并且可選地作為直流電壓整流器運行，-直流供電母線，其可以連接到吊線和與吊線斷開連接并且其通過轉換器連接到電動機從而向該轉換器提供直流電壓，該母線裝備有當母線與吊線斷開連接時用于臨時保持母線上直流電壓的設備，以及-處理器，其能夠控制a)電動機的磁化，然后b)在母線與吊線斷開連接并且電動車輛正靠慣性滑行的空轉模式期間，電動機作為發電機工作并且轉換器作為整流器工作；并且其中，處理器在空轉模式下能夠c)當母線的直流電壓達到上閾值時，控制轉換器停止，以及d)在重復指令a)和b)前，只要母線的直流電壓保持高于異步電動機的最小直流磁化電壓，就保持轉換器處于空閑狀態。
該電動車輛的實施例可以包括下列特征-用于臨時保持直流電壓的設備至少包括一個電容器，當該母線與吊線斷開連接時，其能夠臨時保持供電母線上的直流電壓。
通過閱讀下面僅作為實例給出的說明并參照附圖，將可以更好地理解本發明，其中
圖1是裝備有直流母線的電動車輛的結構示意圖，以及；圖2是用于保持圖1所示車輛的直流母線上的異步電動機的直流磁化電壓的方法的流程圖。
圖1示出了電動車輛2，其裝備有至少一個用于旋轉驅動該車輛主動輪13的異步電動機。例如，該車輛是通過集電弓架6連接到吊線4的機車。
在該實例中，為了簡化說明，僅示出了能夠旋轉驅動輪13的異步電動機10的供電系統。
例如，車輛2的異步電動機的其它供電系統與該實例中所述的相同。
電動機10的供電系統包括-可控的DC/AC轉換器12，其能夠向電動機10的定子繞組供電，-直流母線14，其連接到轉換器12從而向其提供直流電壓，以及-用于將母線14連接到吊線4的單元16。
轉換器12能夠作為直流電壓逆變器運行從而向電動機10提供三相電壓，并且可選地作為交流電壓的整流器，從而當電動機10作為發電機運行時，將電動機10發出的三相電壓產生的整流電壓提供給母線14。
直流母線14包括兩條電導線20、21。電導線20、21的末端連接到轉換器12的相應輸入端。電導線20、21的相對端連接到連接單元16的相應輸出端。
母線14還包括至少一個用于臨時保持導線20和21之間的直流電壓的設備。在該實例中，為了簡化說明，僅示出了用于臨時保持直流電壓的設備24。例如，設備24包括連接在導線20和21之間的電容器26以及與該電容器26的兩個端子并聯的放電電阻器28。例如，選擇電阻器28以使電容器26的兩個端子上出現的直流電壓實現50V/s的減小。
母線14上的直流電壓Vbus由電壓表30測得。當母線14連接到吊線4時，電壓Vbus等于1800VDC。
連接單元16使母線14電連接到吊線4以及與吊線4斷開連接。為實現該目的，單元16的輸入端通過集電弓架6連接到吊線4。如果向吊線4提供交流電壓，則單元16例如含有斷路器以及(可選的)電壓整流器。
母線14還用于向車輛2的輔助裝置供電，例如加熱設備、通風設備或水泵。為了簡化說明，僅示出了一個輔助裝置40。裝置40通過DC/AC轉換器42連接到導線20和21。當電壓Vbus低于預定閾值Sh時，該轉換器42能夠自動切斷向裝置40供電。例如，對于直流電壓正常為1800VDC的母線14，選擇閾值Sh等于900VDC，即是正常電壓的一半。
母線14還通過可控開關48連接到變阻器46。
該變阻器旨在消耗電動機10在變阻器制動操作期間產生的能量。
車輛2還包括電子處理器50，其能夠控制轉換器12從而執行圖2中保持磁化電壓的方法。該處理器還能夠控制開關48。
為了控制轉換器12，處理器包括用于通過脈寬調制進行控制的常規模塊52。該模塊52有兩個輸入端，一個用于接收電動機的定子頻率變量fs.cons，而另一個用于接收調制比Tx。
定子頻率是在電動機10的內部磁場旋轉的頻率。該頻率對應于同步速度。
為了執行圖2的方法，處理器50連接到電壓表30并且連接到傳感器56以檢測轉子的機械頻率。該機械頻率對應于電動機10軸的旋轉速度。
在該實例中，處理器50由常規的可編程處理器制成，其能夠執行記錄在數據記錄介質58上的指令。為實現該目的，介質58包括多條指令，當這些指令由處理器50執行時，用于執行圖2的方法。
現在將參照圖2的方法介紹處理器50以及電動機10的供電系統的操作。
車輛2可以在三種下述操作模式之間切換-牽引模式62，在牽引模式62期間，電動機10旋轉驅動主動輪13，-空轉模式63，在空轉模式63期間，車輛靠慣性滑行并且母線14與吊線4斷開連接，以及-變阻器制動模式64，在變阻器制動模式64期間，車輛2減速。
在牽引模式下，母線14通過單元16連接到吊線4。在該牽引模式下，轉換器12作為逆變器運行從而使用三相電壓向電動機供電，該三相電壓由母線14上存在的直流電壓產生的。
當車輛2在需要使其逐漸減速的斜坡上行駛時，則將其切換到空轉模式63是有利的。在該空轉模式下，在步驟70期間，單元16將母線14與吊線4斷開連接。然后，處理器50在步驟72期間停止轉換器12。當轉換器12停止時，電動機10不再有電源供應并且變為退磁。然后，只要電壓Vbus大于電動機10的最小磁化電壓Vmin，處理器就執行步驟74，以保持轉換器12處于空閑狀態。在步驟74期間，由于電容器26通過電阻器28放電，因此電壓Vbus逐漸減小。
一旦電壓表30測得的電壓Vbus變成低于閾值Vmin，處理器就在步驟76期間控制轉換器12從而用仍然在母線14上存在的電壓Vbus對電動機進行磁化。
一旦電動機開始磁化并且不用等待電動機被完全磁化，處理器50就控制轉換器，從而使電動機10在步驟78期間作為發電機運行。在步驟78期間，處理器50還控制轉換器12，從而使其作為整流器運行。在步驟76和78期間，電動機10產生交流三相電壓，轉換器12對其整流，以使直流母線14由直流電壓供電，從而能夠對設備24進行再充電。
更精確地，在步驟78期間，選擇頻率變量Fs.cons等于傳感器測得的機械頻率減去一個滑動脈沖Fg。在該實施例中，選擇脈沖Fg等于1/Tr，其中Tr是電動機的時間常數。由于選擇該滑動脈沖，因此用于控制電動機10的直流Id和正交電流Iq相等，從而使發熱引起的損耗最小。在該實例中，發熱引起的損耗指由于焦耳效應的損耗和摩擦引起的損耗。
在步驟78期間，根據下面的關系確定送到模塊52的調制比變量TxTx＝
/Vac(I)-“·”是乘法符號，-“/”是“除法”符號，-Vbus是母線14上的直流電壓，-Vac是電動機10產生的相間有效交流電壓。
在步驟78期間，處理器通過轉換器12控制電動機以使得電動機10產生的能量值正好高于補償電動機10發熱引起的損耗所需的最小能量值并且最多等于該最小能量的1.05倍。利用這種方式，電動機10產生的能量值相對于電動機10自身消耗的能量值略有剩余。
因此，該剩余的能量能夠對電容器26進行充電。此外，當該剩余能量小時，其對應于電動機10的最小制動，這樣當電動機10開始作為發電機運行時，車輛司機感受不到急劇變化的動作。
在步驟82期間，處理器50驗證電壓Vbus低于閾值Sh。如果是這種情況，那么在步驟78期間保持電動機作為發電機工作并且保持轉換器12作為整流器工作。
否則，處理器返回步驟72。
利用這種方式，由于母線14上的電壓不會超過閾值Sh，因此沒有使用電源對輔助裝置，例如裝置40，進行供電，這樣就能夠限制電動機作為發電機工作所產生的能量值，并且由此能夠限制車輛2的減速。
只要車輛以足夠的速度靠慣性滑行以使電動機10在步驟78期間對電容器26進行再充電，就重復步驟72到82。例如，車輛2的速度必須大于預定的閾值10Km/h。當車輛2的速度不再足以對電容器26進行再充電時，例如車輛使用預制動階段切換到常規工作模式。
在任何時候，在空轉模式期間，車輛2的司機可以換到變阻器制動模式中。為實現該目的，例如司機移動制動手柄。響應該動作，處理器50執行步驟86以利用母線14上存在的電壓Vbus對電動機10進行磁化。例如，該步驟86與步驟76相同。于是，一旦電動機10開始磁化，處理器50在步驟88期間就控制轉換器12從而使電動機10作為發電機運行而使轉換器12作為整流器運行。
并行地，在步驟92期間，處理器50控制開關48閉合從而使變阻器46與直流母線相連。在該工作狀態中，變換器12將電動機產生的三相電壓轉換為直流母線上的直流電壓。該直流電壓以熱的形式被變阻器46消耗，從而使車輛2制動。
只要司機保持該制動操作，步驟88和92就持續。
車輛2和圖2的方法還可以有許多其它的實施例。在步驟82中，例如，可以將處理器50停止對母線14進行再充電的閾值選擇為不同于閾值Sh。
權利要求
1.用于保持DC/AC電壓轉換器的輸入端上的直流電壓從而保持異步電動機處于磁化狀態的方法，所述DC/AC轉換器的所述輸入端電連接到電動車輛的直流供電母線，所述供電母線能夠連接到吊線以及與吊線斷開連接從而向所述電動機供電，在所述車輛靠慣性滑行并且所述母線與所述吊線斷開連接的空轉模式下，該方法包括a)由所述母線上存在的直流電壓對所述電動機進行磁化的步驟(76)，然后b)使所述電動機作為交流電壓發電機工作以及使所述轉換器作為交流電壓整流器工作從而用直流電壓對所述母線再充電的步驟(78)，其特征在于，在空轉模式下，該方法還包括c)當所述母線的直流電壓達到上閾值時停止所述轉換器的步驟(72)，然后d)在返回步驟a)前，只要所述母線的直流電壓保持高于所述異步電動機的最小直流磁化電壓，就保持所述轉換器處于空閑狀態的步驟(74)。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟b)期間，選擇所述電動機的滑動脈沖等于1/Tr，其中Tr是所述電動機的時間常數。
3.根據權利要求1或權利要求2所述的方法，對于裝備有至少一個輔助電氣裝置的電動車輛來說，當所述母線的直流電壓下降到低于所述輔助裝置的最小供電電壓時，自動切斷來自所述母線的供電，其特征在于，選擇所述上閾值低于所述輔助裝置的該最小供電電壓。
4.根據上述權利要求中的任一項所述的方法，其特征在于，在步驟b)期間，控制所述轉換器，以使所述電動機產生的能量大于補償所述電動機發熱引起的損耗所需的最小能量并且小于所述最小能量的1.05倍。
5.根據上述權利要求中的任一項所述的方法，其特征在于，只要所述電動車輛以大于能使所述母線再充電的預定速度閾值的速度靠慣性滑行，就僅重復步驟a)到d)。
6.數據記錄介質，其特征在于包括有多條指令，當這些指令由電子處理器執行時，執行上述權利要求中任一項所述的方法。
7.電動車輛，裝備有-至少一個異步電動機(10)，用于旋轉驅動主動輪，-可控的DC/AC轉換器(12)，其能夠作為直流電壓逆變器運行從而向所述電動機供電，或者作為直流電壓整流器運行，-直流供電母線(14)，其可以連接到吊線以及與吊線斷開連接并且其通過所述轉換器連接到所述電動機從而向所述轉換器提供直流電壓，所述母線裝備有當所述母線與所述吊線斷開連接時用于臨時保持所述母線上的直流電壓的設備(24)，以及-處理器(20)，其能夠控制a)所述電動機的磁化，然后b)在所述母線與所述吊線斷開連接并且所述電動車輛靠慣性滑行的空轉模式期間，所述電動機作為發電機工作并且所述轉換器作為整流器工作；其特征在于，所述處理器在空轉模式期間還能夠c)當所述母線的直流電壓達到上閾值時，控制所述轉換器停止，以及d)在重復指令a)和b)前，只要所述母線的直流電壓保持高于所述異步電動機的最小直流磁化電壓，就保持所述轉換器處于空閑狀態。
8.根據權利要求7所述的電動車輛，其特征在于，用于臨時保持直流電壓的所述設備(24)至少包括一個電容器(26)，當所述母線與所述吊線斷開連接時，其能夠臨時保持所述供電母線上的直流電壓。
全文摘要
該方法保持DC/AC電壓轉換器的輸入端上的直流電壓從而保持異步電動機處于磁化狀態，該轉換器的輸入端連接到電動車輛的直流供電母線，并且，在該車輛靠慣性滑行并且該母線與吊線斷開連接的空轉模式下，該方法包括a)對該電動機進行磁化的步驟(76)，然后b)使該電動機作為交流電壓發電機工作的步驟(78)，然后c)當該母線的直流電壓達到上閾值時停止轉換器的步驟(72)，然后d)只要該母線的直流電壓保持高于該異步電動機的最小直流磁化電壓就保持該轉換器處于空閑狀態的步驟(74)。
文檔編號H02M7/44GK1949661SQ20061014152
公開日2007年4月18日 申請日期2006年9月29日 優先權日2005年10月7日
發明者皮埃爾·沙納爾 申請人:阿爾斯通運輸公司