DE60122112T2

DE60122112T2 - Betriebssteuerungssystem für ein Schienenfahrzeug und Schienenfahrzeug, bei dem das Betriebssteuerungssystem verwendet wird

Info

Publication number: DE60122112T2
Application number: DE60122112T
Authority: DE
Inventors: Masahiro Hitachinaka-shi Nagasu; Yutaka Hitachi-shi Sato; Shin Asahikawa-shi Kimura; Kiyoshi Nishiibaraki-gun Nakata
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-04-25
Filing date: 2001-12-06
Publication date: 2007-03-08
Anticipated expiration: 2021-12-07
Also published as: JP3647767B2; JP2002325313A; CN1382606A; EP1253059B1; KR20020082739A; EP1253059A1; CN1216758C; DE60122112D1; US20020161490A1; US6600978B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Betriebssteuerungssystem für ein Schienenfahrzeug und ein Schienenfahrzeug, bei dem das Betriebssteuerungssystem verwendet wird, um einen angestrebten Betrieb unter Verwendung mehrerer Antriebsvorrichtungen zu erreichen.
Ein Schienenfahrzeug bzw. ein Flugzeug fährt bzw. fliegt durch Betreiben mehrerer motorgetriebener Vorrichtungen, die parallel geschaltet sind. Beispielsweise besteht ein Schienenfahrzeug aus einigen oder mehr als zehn Wagen. Jeder Wagen weist gewöhnlich 3 oder 4 Wechselrichter-Antriebsvorrichtungen auf. Weiterhin sind etwa 2 bis 4 Motoren mit jeder Wechselrichter-Antriebsvorrichtung parallel geschaltet. Weiterhin empfängt jede Wechselrichter-Antriebsvorrichtung eine von einer Betriebseinheit, die am Wagen bereitgestellt ist, gesendete Drehmomentausgabevorschrift, welche so gesteuert wird, dass die tatsächliche Drehmomentausgabe gleich der vorgeschriebenen Drehmomentausgabe ist, indem jeder Motorstrom gesteuert wird.
Herkömmlicherweise wird ein Schienenfahrzeug folgendermaßen betrieben. Eine Drehmomentausgabevorschrift wird jeder Wechselrichter-Antriebsvorrichtung von der Betriebseinheit zugeordnet, und mehrere Vorschriften werden auf das Zuordnen der erforderlichen Drehmomentausgabe zu jeder Wechselrichter-Antriebsvorrichtung angewendet. Ein Schienenfahrzeug fährt unter Verwendung aus Eisen bestehender Räder auf einem aus Eisen bestehenden Schienenweg, während es beschleunigt oder verzögert. Weil der Reibungskoeffizient klein ist, neigt ein Eisenrad dazu, im Leerlauf zu fahren. Weil sich weiterhin der Reibungskoeffizient von Eisen, abhängig von Oberflächen zuständen eines Schienenwegs und der Räder, ändert, wird der Reibungskoeffizient durch nasse oder rostige Zustände der Schienen und des Rads beeinflusst.
Der vordere Wagen unterliegt besonders den Wirkungen der Oberflächenzustände des Schienenwegs, wodurch wiederum leicht ein Leerlauf hervorgerufen wird. Dementsprechend wird das vom Wagen erzeugte Drehmoment auf 80–90 % des Drehmoments der folgenden Wagen gelegt. Weiterhin ist die Reibungskraft proportional zu der auf die Kontaktfläche zwischen einem Rad und einer Schiene ausgeübten Last.
Daher wird für einen Wagen, in dem sich eine kleine Anzahl von Personen befindet, ein Weg zum Verhindern eines Leerlaufs durch Verringern des Drehmoments dieses Wagens gesucht. Selbst wenn Schwierigkeiten beim Leerlauf auftreten, wird jede Antriebsvorrichtung so gesteuert, dass der Leerlauf jeder Antriebsvorrichtung durch Verringern ihres Drehmoments verhindert wird, und das Drehmoment jeder Antriebsvorrichtung wird allmählich auf seinen vorgegebenen Wert zurückgeführt.
Weiterhin wird ein Wechselrichter durch einen Stromleitungsverlust, wenn Strom in ihm fließt, und einen Schaltverlust, wenn eine Stromschaltung ausgeführt wird, erwärmt. Falls die Temperatur des Wechselrichterelements über ihren Sollwert hinaus ansteigt, fällt das Element durch Wärme aus. Daher werden die ansteigenden Werte der Schaltelemente auf der Grundlage eines Fahrtmusters einer Strecke, auf der das Schienenfahrzeug fährt, und der Temperatureigenschaften der Schaltelemente geschätzt. Unter Verwendung der Ergebnisse dieser Schätzung werden die elektrischen Eigenschaften der Schaltelemente und die Kühlleistung der zu verwendenden Kühlvorrichtungen so ausgelegt, dass die Schaltelemente selbst im schlimmsten Fall nicht ausfallen. Der schlimmste Fall ist dann gegeben, wenn absolut kein Wind durch die Kühlvorrichtungen strömt oder die Anzahl der fahrenden Personen einen Grenzwert übersteigt.
Ein Auto ist ein System, das durch ein demjenigen eines Schienenfahrzeugs ähnliches Verfahren angetrieben wird. Bei einem Auto wird die von einer Leistungsquelle zugeführte Drehmomentausgabe durch eine mechanische Kraftverteilungsvorrichtung optimal auf alle Räder verteilt, während sie an Oberflächenzustände der Straße angepasst wird, um die Betriebsleistung zu verbessern.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein System, in dem mehrere Leistungsquellen parallel geschaltet sind. Dementsprechend betrifft die vorliegende Erfindung nicht ein System in der Art eines Autos, in dem es eine einzige Leistungsquelle gibt und welches durch Einstellen der Übertragungskoeffizienten einer Übertragungsvorrichtung zur Übertragung der Antriebskraft von der einen Leistungsquelle auf die Räder gut angetrieben wird.
Ein herkömmliches Schienenfahrzeugsystem ist so ausgelegt, dass Ausfallprobleme selbst im schlimmsten Fall nicht auftreten, wobei der schlimmste Fall auf der Grundlage tatsächlich gemessener oder erfahrener Daten bestimmt wird. Weiterhin wird selbst dann, wenn Schwierigkeiten auftreten, jede problematische Vorrichtung getrennt behandelt. Falls jedoch jede problematische Vorrichtung in einem System unabhängig behandelt wird, treten bei einem solchen herkömmlichen System mehrere Probleme auf.
Beispielsweise tritt in einem Leerlauf das folgende Problem auf. Zuerst wird das Drehmoment des im Leerlauf fahrenden Rads verringert, um den Leerlauf zu unterbrechen, und das Drehmoment für das Rad wird zum vorgegebenen Drehmoment zurückgeführt, nachdem der Leerlauf beendet wurde.
Weil jedoch jede Vorrichtung getrennt behandelt wird, ist die Beschleunigungsfähigkeit des gesamten Schienenfahrzeugs beeinträchtigt, falls ein Leerlauf auftritt.
Weiterhin tritt bei einer Erhitzung eines Wechselrichters das folgende Problem auf. In neueren Wechselrichtern besteht das Schaltelement aus einem Halbleiter. Weil der Wärmeverlust eines Halbleiter-Schaltelements zunimmt, wenn seine Temperatur ansteigt, ist es erwünscht, ein Halbleiter-Schaltelement bei einer niedrigen Temperatur zu verwenden. Bei einem großen System in der Art eines Schienenfahrzeugs, dessen Länge etwa 300 m beträgt, sind die Temperaturen der jeweiligen Wechselrichter infolge ihrer Umgebungsbedingungen in der Art natürlichen Winds, Regens usw. verschieden. Falls alle Vorrichtungen bei dem gleichen zugeordneten vorgeschriebenen Drehmoment (nicht gesteuert) arbeiten, bewirken die Wechselrichter, deren Temperatur hoch ist, einen hohen Verlust, so dass ihre Temperaturen weiter ansteigen, wodurch wiederum die Energieumwandlungswirksamkeit der Wechselrichter beeinträchtigt wird.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Beeinträchtigung eines großen Systems in der Art eines Schienenfahrzeugs zu verhindern.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Energieumwandlungswirksamkeit durch Minimieren des Verlusts der Wechselrichter zu maximieren.
Zum Lösen der vorstehend erwähnten Aufgaben weist ein Schienenfahrzeug gemäß der vorliegenden Erfindung auf: mindestens eine an Vorrichtungen bereitgestellte Überwachungseinheit, die eine Überwachungsfunktion zum Überwachen des Betriebszustands jeder Vorrichtung ausführt, ein Kommunikationsnetz und eine Zentraleinheit zum optimalen Verteilen von Steuerinformationen auf die jeweiligen Vorrichtungen.
Die Überwachungseinheiten erfassen Informationen über Betriebszustände der jeweiligen Vorrichtungen und senden die Informationen über das Kommunikationsnetz zur Zentraleinheit. Die Zentraleinheit berechnet die Differenz zwischen einem zulässigen Niveau einer Zustandsvariablen in der Art des Drehmoments, der Temperatur usw. und ein Stromniveau der entsprechenden Zustandsvariablen für jede Vorrichtung und ordnet eine Steuervariable jeder Vorrichtung zu, so dass alle Differenzen größer als ein vorgegebener zulässiger Wert sind. Falls das aktuelle Steuervariablenniveau (die Leistungs abgabe) in einer Vorrichtung das vorgegebene zulässige Niveau übersteigt, wird die Steuervariable dieser Vorrichtung verringert und der Betrag der verringerten Steuervariable auf die restlichen Vorrichtungen verteilt. Die Steuervariablen der restlichen Vorrichtungen werden angepasst und über das Kommunikationsnetz jeweiligen Vorrichtungen zugeordnet. Das heißt, dass die restlichen Vorrichtungen auf der Grundlage der von der Zentraleinheit umverteilten Steuervariablen gesteuert werden. Hier wird der zulässige Wert (das zulässige Niveau) jeder Vorrichtung unter Verwendung vorab gemessener Daten bestimmt, oder er kann auf der Grundlage der Ergebnisse der Überwachungsvorrichtung für jede Vorrichtung geändert werden.
Die Steuerverarbeitung für den Fall, in dem Leerlaufschwierigkeiten auftreten, wird nachstehend erklärt. Der Drehmomentzustand jedes Wechselrichters und der Zustand für jeden Ort, an dem ein Leerlauf auftritt, werden über das Kommunikationsnetz periodisch zur Zentraleinheit übertragen. Wenn die Zentraleinheit die Informationen über das Auftreten der Leerlaufschwierigkeiten von irgendeiner Überwachungsvorrichtung empfängt, verringert die Zentraleinheit sofort das Drehmoment des problematischen Wechselrichters in Bezug auf die Leerlaufschwierigkeiten und sendet die Anweisungen zur Neuzuweisung des verringerten Drehmoments zu den restlichen Wechselrichtern. Bei dieser Zuordnung wird das verringerte Drehmoment so zugeordnet, dass alle zugeordneten Drehmomente kleiner sind als das maximale Drehmoment, an dem an den jeweiligen Vorrichtungen ein Leerlauf auftritt. Jeder maximale Drehmomentwert, der einen Leerlauf hervorruft, ist ein vorgegebener Wert, der durch tatsächliche Messdaten vorab bestimmt wurde, dieser maximale Drehmomentwert wird jedoch unter Berücksichtigung der Schienenwegbedingungen "neu oder alt", der Umgebung in der Art des Klimas, des Gesamtgewichts jedes Wagens usw. eingestellt, und es ist möglich, jedes maximale Drehmoment flexibel einzustellen und in geeigneterer Weise die Neuzuordnung zu den restlichen Wechselrichtern festzulegen. In manchen Situationen, in denen ein Leerlauf auftritt, ist es auch möglich, wiederum das maximale Drehmoment jedes Rads zu ändern.
Die Steuerverarbeitung für die Wechselrichtertemperatur wird nachstehend erklärt. Die Temperaturen der Halbleiter-Schaltelemente aller Wechselrichter werden der Reihe nach gemessen, und die gemessenen Temperaturwerte werden über das Kommunikationsnetz zur Zentraleinheit gesendet. Die Zentraleinheit verringert den im Wechselrichter mit der hohen Temperatur fließenden Strom, um das vom Wechselrichter erzeugte Drehmoment zu verringern, und sie ordnet das verringerte Drehmoment der mit den restlichen Wechselrichtern verbundenen Vorrichtungen neu zu, so dass die Temperaturen der Wechselrichter fast gleich sind. Falls die erwähnte Neuzuordnung des verringerten Drehmoments in den restlichen Wechselrichtern für eine vorhergesagte notwendige Beschleunigungsleistung nicht möglich ist, werden die Antriebsbedingungen der Halbleiter-Schaltelemente geändert, so dass der Schaltverlust verringert wird. Falls solche Antriebsbedingungen nicht gefunden werden können, wird das Beschleunigungsniveau des Schienenfahrzeugs verringert.
Demgemäß wird gemäß der vorliegenden Erfindung der zulässige Wert stets mit einer aktuellen Steuervariablen (Leistungsausgabe) jeder Vorrichtung verglichen, und es wird die Differenz zwischen dem zulässigen Wert und der aktuellen Leistungsausgabe gebildet, welche in dieser Beschreibung als eine Leistungsreserve definiert ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1A ist ein schematisches Blockdiagramm des Aufbaus eines Betriebssteuerungssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
1B ist ein schematisches Blockdiagramm des Aufbaus der in 1A dargestellten Zentraleinheit,
1C ist ein schematisches Blockdiagramm des Aufbaus der in 1A dargestellten Zentraleinheit,
2 ist ein Flussdiagramm von Steuerprozessen, die von dem in 1A dargestellten Betriebssteuerungssystem ausgeführt werden,
3 ist ein schematisches Blockdiagramm des Aufbaus eines Betriebssteuerungssystems mit einer Positionsinformations-Überwachungsfunktion gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
4 ist ein Flussdiagramm von Steuerprozessen, die von dem in 3 dargestellten Betriebssteuerungssystem ausgeführt werden,
5 zeigt den Aufbau eines Schienenfahrzeugs gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, auf das das in 1A dargestellte Betriebssteuerungssystem angewendet wird,
6 zeigt den Aufbau eines Schienenfahrzeugs gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, auf das das in 3 dargestellte Betriebssteuerungssystem angewendet wird,
7 zeigt den Aufbau einer Positionserfassungsvorrichtung,
8 ist ein schematisches Blockdiagramm des Aufbaus der jeweiligen Antriebsvorrichtungen,
9 ist ein Diagramm des detaillierten Aufbaus der jeweiligen Antriebsvorrichtungen,
10 zeigt den schematischen Aufbau der Schaltung und erklärt das Prinzip zur Verringerung des Schaltverlusts,
11A ist ein schematisches Diagramm eines Wechselrichtermotors,
11B ist ein Zeitablaufdiagramm von Änderungen der Kollektorspannung und des Kollektorstroms eines Schaltelements in dem in 11A dargestellten Wechselrichter,
11C ist eine Graphik der Beziehung zwischen der Kollektorspannung und dem Kollektorstrom,
11D ist eine Graphik der Beziehung zwischen der Schaltfrequenz und dem Schaltverlust,
12 ist eine Graphik der Abhängigkeit des Schaltverlusts vom Kollektorstrom,
13 ist eine Graphik der gemessenen Abhängigkeit des Schaltverlusts vom Kollektorstrom, und
14 ist ein Flussdiagramm von Steuerprozessen, die von den in 4 dargestellten verschieden sind, welche auch von dem in 3 dargestellten Betriebssteuerungssystem ausgeführt werden.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die 1A–1C zeigen den Aufbau jeder Hauptvorrichtung in einem Betriebssteuerungssystem, das auf ein in 5 dargestelltes Schienenfahrzeug angewendet wird. 2 ist ein Flussdiagramm von durch das Betriebssteuerungssystem ausgeführten Steuerprozessen. Das Betriebssteuerungssystem weist mindestens eine Zentraleinheit S13 und zwei oder mehr Vorrichtungen S14 auf.
Wie in 1B dargestellt ist, beinhaltet die Zentraleinheit S13 einen Speicher S17, eine Verarbeitungsvorrichtung S18 und eine Ein-/Ausgabeverarbeitungsvorrichtung S19. Weiterhin beinhaltet, wie in 1B dargestellt ist, jede Vorrichtung S14 eine Ein-/Ausgabeverarbeitungsvorrichtung S110, einen Sensor S111 und eine Antriebsvorrichtung S112. Der Sensor S111 ist an jeder Vorrichtung S14 angebracht, um einen Betriebszustand zu erfassen, und er stellt den Betriebszustand der Vorrichtung S14 fest. Die Informationen S15 über den festgestellten Betriebszustand durchlaufen die Ein-/Ausgabeverarbeitungsvorrichtung S15 und werden über eine Übertragungsleitung in der Art eines Kommunikationsnetzes zur Zentraleinheit S13 gesendet.
Die Zentraleinheit S13 empfängt die Informationen über den Betriebszustand jeder Vorrichtung und führt die erforderliche Verarbeitung unter Verwendung der empfangenen Informationen aus. Sie sendet weiter eine Zugeordnete-Leistungsabgabe-Vorschrift S16 zu jeder Vorrichtung. Wenn die Zentraleinheit S13 eine Gesamtleistungsabgabe-Vorschrift S11 empfangen hat, führt sie die Verarbeitung des Teilens der für dieses Gesamtsystem erforderlichen Gesamtleistungsabgabe und des Zuordnens von dieser zu den jeweiligen Vorrichtungen aus und ordnet die Gesamtleistungsabgabe jeder Vorrichtung auf der Grundlage der Informationen S15 über den Betriebszustand jeder Vorrichtung zu.
Unter Verwendung des in 2 dargestellten Flussdiagramms wird nun die Verarbeitung des Zuordnens der vorgeschriebenen Gesamtleistungsabgabe, die von der Zentraleinheit S13 ausgeführt wird, in weiteren Einzelheiten erklärt.
In den Schritten S21 und S25 werden die Gesamtleistungsabgabe-Vorschrift S11 und die Informationen S15 über den Betriebszustand der Vorrichtung in die Zentraleinheit S13 eingegeben. In Schritt S23 wird die Differenz zwischen einem zulässigen Wert (Niveau) und einer aktuellen Zustandsvariable (gewöhnlich der Leistungsabgabe) jeder Vorrichtung berechnet. Diese Differenz ist als Leistungsreserve S definiert. In Schritt S24 wird bestimmt, ob die vorgeschriebene Gesamtleistungsabgabe erneuert wird. Falls die Erneuerung der Gesamtleistungsabgabe nicht vorgeschrieben wird, wird in Schritt S25 die Verteilung aller Leistungsreserven S erhalten, und es wird festgestellt, ob sich jede Leistungsreserve S innerhalb eines zulässigen Verteilungsbereichs ΔS der Leistungsreserve S befindet (nachstehend einfach als zulässiger Verteilungsbereich ΔS bezeichnet). Falls sich alle Leistungsreserven S in dem zulässigen Verteilungsbereich ΔS befinden, kehrt die Steuerverarbeitung zu Schritt S21 zurück. Dabei bedeutet S ≤ ΔS beispielsweise (S_max – S_min) ≤ ΔS für alle Leistungsreserven S, wobei S_max bzw. S_min den gegenwärtigen Maximalwert bzw. den gegenwärtigen Minimalwert der Leistungsreserven S für alle Vorrichtungen darstellt.
Falls in Schritt S24 die Erneuerung der Gesamtleistungsabgabe vorgeschrieben wird und in Schritt S25 festgestellt wird, dass nicht alle Leistungsreserven S innerhalb eines zulässigen Verteilungsbereichs ΔS liegen, wird in Schritt S27, ansprechend auf die erneuerte Vorschrift S11, die erneuerte Gesamtleistungsabgabe so zugeordnet, dass die Leistungsreserven. S aller Vorrichtungen gleich sind, und es werden Neue-zugeordnete-Leistungsabgabe-Vorschriften zu allen Vorrichtungen gesendet. Weiterhin wird in Schritt S29 die Leistungsreserve S aller Vorrichtungen in Hinblick darauf geprüft, ob die S-Werte aller Vorrichtungen positiv sind. Falls die S-Werte aller Vorrichtungen positiv sind, werden in Schritt S213 die Bestimmte-zugeordnete-Leistungsabgabe-Vorschriften S16 zu den jeweiligen Vorrichtungen gesendet, und die Steuerverarbeitung kehrt zu Schritt S21 zurück.
Falls in Schritt S29 nicht die S-Werte aller Vorrichtungen positiv sind, wird in Schritt S210 eine Möglichkeit der Leistungsabgabezuordnung gesucht, bei der alle S-Werte positiv sind. Falls es eine Möglichkeit der Leistungsabgabezuordnung gibt, bei der alle S-Werte positiv sind, wird in Schritt S212 die Leistungsabgabezuordnung unter Verwendung der gesuchten Zuordnungsbedingungen implementiert, und die angepasste Zugeordnete-Leistungsabgabe-Vorschrift wird in Schritt S213 zu jeder Vorrichtung gesendet. Falls umgekehrt die Leistungsabgabezuordnungsbedingungen nicht so sind, dass alle S-Werte positiv sind, werden in Schritt S211 weiter Steuerungsbedingungen gesucht, bei denen die problematischen S-Werte erhöht werden können. Falls Steuerungsbedingungen gefunden werden, bei denen die problematischen S-Werte erhöht werden können, werden in Schritt S28 die Leistungsreserven S der problematischen Vorrichtungen erhöht, indem die gefundenen Steuerungsbedingungen verwendet werden, und die Steuerverarbeitung kehrt zu Schritt S29 zurück. Falls umgekehrt keine Steuerungsbedingungen gefunden werden, die bewirken, dass die problematischen S-Werte erhöht werden können, wird in Schritt S26 die Gesamtleistungsabgabe verringert, und die Steuerverarbeitung geht zu Schritt S27.
Die Wirkungen, die durch die vorstehend beschriebene Verarbeitung erhalten werden, werden nachstehend in weiteren Einzelheiten erklärt. Gemäß der vorliegenden Erfindung steuert das Betriebssteuerungssystem ein Schienenfahrzeug, teilt die für ein Schienenfahrzeugsystem erforderliche Gesamtsteuervariable (Gesamtleistungsabgabe) auf der Grundlage der Zustandsvariable (Ausgangsleistung usw.) und der Leistungsreserve S jeder Vorrichtung und ordnet sie den jeweiligen Vorrichtungen zu, wobei die Leistungsreserve S als Differenz zwischen einem zulässigen Wert und einer aktuellen Ausgangsleistung (Leistungsabgabe) definiert ist, so dass alle Leistungsreserven S innerhalb eines zulässigen Verteilungsbereichs ΔS liegen und alle Zustandsvariablen ihre jeweiligen zulässigen Werte nicht überschreiten. Falls beispielsweise das vorstehend erwähnte Steuerverfahren auf die Temperatursteuerung jedes Wechselrichters angewendet wird, können die folgenden Wirkungen erhalten werden. Die zulässige Temperatur der in einem Wechselrichter verwendeten Halbleiterelemente beträgt 125°C, und es ist vorgeschrieben, dass sie bei einer Temperatur von weniger als 125°C verwendet werden.
Bei den in dem Schienenfahrzeug verwendeten Wechselrichtern ist die zulässige Temperatur der Halbleiter auf 125°C gelegt. Ein System in der Art eines Elektrozugs, dessen Länge etwa 300 m beträgt, weist gewöhnlich 3 oder 4 Wechselrichter auf. Diese Wechselrichter werden in erster Linie durch natürlichen Wind gekühlt, und ihre Kühlwirksamkeiten werden in hohem Maße durch die Stärke des natürlichen Winds und durch die strukturelle Umgebung außerhalb des fahrenden Elektrozugs beeinflusst. Selbst wenn die Steuerung die jeweiligen Wechselrichter anweist, die gleiche Leistung auszugeben, arbeiten daher nicht alle Wechselrichter bei der gleichen Temperatur. Weil der Verlust jedes Wechselrichters zunimmt, wenn seine Temperatur ansteigt, wird der Gesamtverlust des Systems größer, wenn alle Wechselrichter trotz Temperaturdifferenzen in den jeweiligen Wechselrichtern so gesteuert werden, dass sie die gleiche Leistung abgeben. Falls die Wechselrichter nicht durch natürlichen Wind gekühlt werden, steigt ihre Temperatur weiterhin an, und sie können ausfallen.
Andererseits wird gemäß der vorliegenden Erfindung die Differenz zwischen einem zulässigen Wert jedes Wechselrichters und seinem aktuellen Temperaturwert innerhalb eines vorgegebenen Bereichs gehalten. Dementsprechend werden die Temperaturwerte aller Wechselrichter angeglichen, und der durch die Wechselrichter hervorgerufene Verlust kann verringert werden. Weil weiterhin die Temperatur aller Wechselrichter so geregelt wird, dass sie die zulässige Temperatur von 125°C nicht übersteigt, fallen die Wechselrichter nicht aus.
Die 3 und 4 zeigen ein Betriebssteuerungssystem gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei aktuelle Positionsinformationen des Schienenfahrzeugs festgestellt und verwendet werden. Der Unterschied gegenüber dem in 1 dargestellten Betriebssteuerungssystem besteht lediglich darin, dass Informationen S31 über die aktuelle Position des Schienenfahrzeugs in die Zentralverarbeitungseinheit S13 eingegeben werden. Wie zuvor beschrieben wurde, werden Gegenmaßnahmen gegen das Ausfallen von Wechselrichtern getroffen. Falls jedoch einer der Wechselrichter ausfallen sollte oder erheblich beschädigt werden sollte und der Betrieb dieses Wechselrichters nicht fortgesetzt werden kann, wird der Betrieb dieses Wechselrichters unterbrochen, und die Steuervariable (Leistungsabgabe), die diesem Wechselrichter zugewiesen war, wird den restlichen Wechselrichtern zugeordnet. Diese geänderten Zuordnungen werden so eingestellt, dass die Leistungsreserve S jeder Vorrichtung in dem zulässigen Verteilungsbereich ΔS liegt. Der Betrieb des Systems, bei dem die Positionsinformationen verwendet werden, wird nachstehend detailliert anhand des in 4 dargestellten Flussdiagramms erklärt.
Zuerst werden in Schritt S41 die Gesamtleistungsvorschrift und die Informationen über die Position des Schienenfahrzeugs von der Zentraleinheit S13 empfangen. Als nächstes wird in Schritt S42 ein Muster der Zugeordnete-Leistungsabgabe-Vorschriften für die jeweiligen Vorrichtungen, das vorab vorbereitet und gespeichert wurde, ausgelesen. Weiterhin werden in Schritt S43 die Informationen über den Betriebszustand jeder Vorrichtung empfangen, und es wird in Schritt S44 die Leistungsreserve S jeder Vorrichtung berechnet.
Weiterhin wird in Schritt S46 bestimmt, ob die Vorschrift der Gesamtausgangsleistung erneuert wird. Falls die Vorschrift der Gesamtausgangsleistung erneuert wird, wird in Schritt S45 die vorgeschriebene neue Gesamtausgangsleistung geteilt und auf der Grundlage des vorbereiteten und gespeicherten Leistungsabgabe-Zuordnungsmusters jeder Vorrichtung zugeordnet, und das Betriebssteuerungssystem steuert ein Schritt S47 das Schienenfahrzeug durch Senden der Vorschrift der jeder Vorrichtung zugeordneten berechneten Ausgangsleistung. Dann geht die Steuerverarbeitung zu Schritt S48, in dem festgestellt wird, ob die Leistungsreserven S aller Vorrichtungen in dem zulässigen Verteilungsbereich ΔS liegen. Falls in Schritt S46 die Vorschrift der Gesamtausgangsleistung nicht erneuert wird, werden die Schritte S45 und S47 übersprungen, und die Steuerverarbeitung geht zu Schritt S48.
Falls in Schritt S48 festgestellt wird, dass die Leistungsreserven S aller Vorrichtungen in dem zulässigen Verteilungsbereich ΔS liegen, wird weiterhin in Schritt S412 festgestellt, ob alle Leistungsreserven S positiv sind. Falls umgekehrt in Schritt S48 herausgefunden wird, dass die Leistungsreserven einiger Vorrichtungen außerhalb des zulässigen Verteilungsbereichs ΔS liegen, werden in Schritt S411 das Teilen und Zuordnen der erneuerten vorgeschriebenen Gesamtausgangsleistung neu festgelegt, so dass die Leistungsreserven aller Vorrichtungen gleich sind, und die neu festgelegte Zugeordnete-Leistungsabgabe-Vorschrift wird zu jeder Vorrichtung gesendet. Weiterhin geht die Steuerverarbeitung zu Schritt S412. Falls in Schritt S412 alle Leistungsreserven S positiv sind, kehrt die Steuerverarbeitung zum ersten Schritt S41 zurück, und es wird andernfalls in Schritt S413 festgestellt, ob es eine Zuordnungsmöglichkeit für die empfangene Gesamtausgangsleistung gibt, bei der alle Vorrichtungen die Bedingung S ≥ 0 erfüllen.
Falls es in Schritt S413 eine Möglichkeit gibt, das vorstehend erwähnte Problem zu lösen, wird Schritt S415 ausgeführt, in dem neue Vorschriften für die zugeordnete Leistungsabgabe erzeugt werden, so dass alle Vorrichtungen die Bedingung S ≥ 0 erfüllen. Weiterhin wird in Schritt S416 die neue Vorschrift für die zugeordnete Leistungsabgabe zu jeder Vorrichtung gesendet. Dann kehrt die Steuerverarbeitung zum ersten Schritt S41 zurück.
In Schritt S413 wird festgestellt, ob es eine Zuordnungsmöglichkeit für die vorgeschriebene empfangene Gesamtausgangsleistung gibt, bei der alle Vorrichtungen die Bedingung S ≥ 0 erfüllen, und es wird weiter in Schritt S414 festgestellt, ob es Steuerungsbedingungen gibt, bei denen die Leistungsreserven der problematischen Vorrichtungen S erhöht werden können. Falls es Steuerungsbedingungen gibt, durch die sich dieses Ziel erreichen lässt, werden in Schritt S410 die gefundenen Steuerungsbedingungen auf die problematische Vorrichtung angewendet, und die Steuerverarbeitung geht zu Schritt S411. Falls es keine Steuerungsbedingungen für das Erreichen dieses Ziels gibt, wird in Schritt S49 die Gesamtausgangsleistung verringert, und die Steuerverarbeitung geht zu Schritt S411.
Die Verwendung der Positionsinformationen des Schienenfahrzeugs führt zu dem folgenden Vorteil. Beim Betrieb des Schienenfahrzeugs wird die Fahrstrecke vorab bestimmt, und die Steuervariable jeder Vorrichtung beim Fahrvorgang für die Strecke ist vorab bekannt. Daher ist die Tendenz von Änderungen in der Leistungsreserve S jeder Vorrichtung fast gleich dem Verteilungsbereich ΔS der Leistungsreserve für die Strecke für jeden Fahrvorgang.
Dementsprechend wird für ein Standard-Fahrvorgangsmuster ein Satz von Mustern von Vorschriften für die zugeordnete Leistungsabgabe für die jeweiligen Vorrichtungen, entsprechend allen Änderungen in der vorgeschriebenen Gesamtleistungsabgabe, vorbereitet und gespeichert. In dem erwähnten Satz liegen alle Leistungsreserven S in dem zulässigen Verteilungsbereich von S und sind positiv. Wenn der Fahrvorgang des Schienenfahrzeugs unter Verwendung des erwähnten präparierten Satzes der Vorschriften für die zugeordnete Leistungsabgabe ausgeführt wird, kann die Anzahl der Erneuerungen durch Teilen und Zuordnen der Gesamtausgangsleistung verringert werden.
14 zeigt eine Systemsteuerung einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei Positionsinformationen des Schienenfahrzeugs erfasst und verwendet werden.
In Schritt S141 werden die Position des Schienenfahrzeugs und die Gesamtausgangsleistung empfangen, und in Schritt S142 werden die Betriebszustandsvariablen jeder Vorrichtung erfasst. Weiterhin wird in Schritt S143 die Leistungsreserve S jeder Vorrichtung berechnet. Als nächstes wird in Schritt S144 festgestellt, ob sich die Informationen über die Position geändert haben. Falls sich die Position geändert hat, wird in Schritt S145 eine Reihe von Gesamtausgangsleistungs-Vorschriften, entsprechend der Tendenz künftiger Änderungen in der Gesamtausgangsleistung, ausgelesen.
Weiterhin wird in Schritt S147 ein Vorschriftsmuster der vorhergesagten zugeordneten Leistungsabgabe für die jeweiligen Vorrichtungen erzeugt, durch das die Leistungsreserve S jeder Vorrichtung ihren Zielwert erfüllt. Weiterhin geht die Steuerverarbeitung zu Schritt S147, in dem festgestellt wird, ob die vorgeschriebene Gesamtleistungsabgabe erneuert wird. Falls in Schritt S144 festgestellt wird, dass sich die Positionsinformationen nicht geändert haben, werden die Schritte S145 und S146 nicht ausgeführt, und die Steuerverarbeitung geht zu Schritt S147. Falls in Schritt S147 festgestellt wird, dass die vorgeschriebene Gesamtleistungsabgabe erneuert wurde, geht die Steuerverarbeitung zu Schritt S148, in dem das Muster der vorhergesagten zugeordneten Leistung für die erneuerte vorgeschriebene Gesamtleistung festgelegt wird und die berechneten Vorschriften der zugeordneten Leistungsabgabe, die in Schritt S146 erhalten wurden, eingestellt werden. Weiterhin werden in Schritt S149 die neuen berechneten Leistungsabgabevorschriften zu den jeweiligen Vorrichtungen gesendet. Dann geht die Steuerverarbeitung zu Schritt S1410, in dem alle Leistungsreserven innerhalb des zulässigen Verteilungsbereichs liegen.
Falls in Schritt S147 festgestellt wird, dass die vorgeschriebene Gesamtleistungsabgabe nicht erneuert wird, geht die Steuerverarbeitung zu Schritt S1410. Falls in Schritt S1410 alle Leistungsreserven S innerhalb des zulässigen Verteilungsbereichs (ΔS) liegen, geht die Steuerverarbeitung zu Schritt S1414, in dem festgestellt wird, ob alle Leistungsreserven S positiv sind.
Falls in Schritt S1410 einige Leistungsreserven außerhalb des zulässigen Verteilungsbereichs ΔS liegen, werden in Schritt S1413 das Teilen und Zuordnen der erneuerten vorgeschriebenen Gesamtleistungsabgabe wieder eingestellt, so dass die Leistungsreserven S aller Vorrichtungen gleich sind, und die Steuerverarbeitung geht zu Schritt S1414, in dem festgestellt wird, ob alle Leistungsreserven S positiv sind. Falls in Schritt S1414 alle Leistungsreserven S positiv sind, kehrt die Steuerverarbeitung zum ersten Schritt S141 zurück. Falls die Leistungsreserven einiger Vorrichtungen negativ sind, wird in Schritt S1415 ein Zuordnungsweg für die empfangene vorgeschriebene Gesamtleistungsabgabe gesucht, bei dem alle Vorrichtungen die Bedingung S ≥ 0 erfüllen.
Falls es in Schritt S1415 eine Möglichkeit gibt, dieses Ziel zu erreichen, werden die neuen Vorschriften der zugeordneten Leistungsabgabe, bei denen alle Vorrichtungen die Bedingung S ≥ 0 erfüllen, zu den jeweiligen Vorrichtungen gesendet. Dann kehrt die Steuerverarbeitung zu Schritt S141 zurück. Falls es umgekehrt keine Möglichkeit gibt, dieses Ziel zu erreichen, werden Steuerungsbedingungen gesucht, durch die die Leistungsreserven der Vorrichtungen erhöht werden können.
Falls in Schritt S1416 irgendwelche Steuerungsbedingungen dieses Ziel erreichen, werden die Steuerungsbedingungen der Vorrichtungen so eingestellt, dass die Leistungsreserven S erhöht werden, und die Steuerverarbeitung kehrt zu Schritt S1413 zurück. Falls es umgekehrt keine Steuerungsbedingungen gibt, durch die sich dieses Ziel erreichen lässt, kehrt in Schritt S1411, nachdem der vorgeschriebene Wert der Gesamtleistungsabgabe verringert wurde, die Steuerverarbeitung zu Schritt S1413 zurück.
Bei der durch das Flussdiagramm in 14 dargestellten Steuerung ist das neue Steuerverfahren aufgenommen. Das heißt, dass, weil der Trend der künftigen vorgeschriebenen Gesamtleistungsabgabe aufgrund der aktuellen Position des Schienenfahrzeugs geschätzt wird, die optimal eingestellten Vorschriften für die zugeordnete Leistungsabgabe zum Erreichen der Zielfahrt des Schienenfahrzeugs erzeugt werden können und sie zu den jeweiligen Vorrichtungen gesendet werden. Wenngleich die Strecke, auf der das Schienenfahrzeug fährt, festgelegt ist und die Steuervariablen jeder Vorrichtung bereits vorab fast bekannt sind, sind die Steuervariablen der jeweiligen Vorrichtungen nicht einmal auf derselben Strecke immer gleich, weil jede Vorrichtung den Einwirkungen ihrer Umgebung auf das Schienenfahrzeug unterliegt.
Falls dementsprechend die Vorschriften der zugeordneten Leistungsabgabe Änderungen der vorgeschriebenen Gesamtleistungsabgabe entsprechen, die vorab unter Annahme des standardmäßigen Fahrmusters erhalten wurden, und das Schienenfahrzeug fährt, ohne dass die Vorschriften der vorgegebenen zugeordneten Leistungsabgabe angepasst werden, weichen die Leistungsreserven S der Vorrichtungen häufig von ihren Zielwerten ab. Weil diese Ausführungsform die Verarbeitung enthält, die ein künftiges Fahrmuster auf der Grundlage von Informationen über den aktuellen Betriebszustand jeder Vorrichtung vorhersagt und korrigiert, kann die Verarbeitungsbelastung für das Teilen und Zuordnen der vorgeschriebenen Gesamtleistungsabgabe erheblich verringert werden. Durch das in 14 dargestellte vorstehend erwähnte Steuerverfahren ist die folgende Anwendung möglich. Das heißt, dass ein standardmäßiges Muster der zugeordneten Steuervariable für ein Fahrtintervall von der festgestellten aktuellen Position zur nächsten Halteposition aus dem Speicher ausgelesen wird und das standardmäßige Muster der zugeordneten Steuervariablen für die jeweiligen Vorrichtungen unter Berücksichtigung der gegenwärtigen Fahrtumgebung und unter Annahme von Änderungen einer Leistungsreserve S jeder Vorrichtung vorab eingestellt wird. Demgemäß wird eine Steuervariable jeder Vorrichtung gesteuert, um das Ziel des Fahrens für das Intervall unter Verwendung dieses eingestellten Musters der zugeordneten Steuervariablen zu erreichen.
5 zeigt den Aufbau eines Schienenfahrzeugs, für das das vorstehend beschriebene Betriebssteuerungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Die Zentraleinheit und Verbindungstransmitter sind mit einem Netzwerk verbunden, und mehrere Netzwerke sind mit jeder Vorrichtung verbunden. Die Anordnung der Netzwerke ist nicht auf die in 5 dargestellte beschränkt. Es ist möglich, dass alle Vorrichtungen mit einem Netzwerk verbunden sind. Weiterhin können Hilfsleistungsquellen, Lasten, Antriebsvorrichtungen usw. mit jedem Netzwerk verbunden werden. Weiterhin ist auch die von einem Bediener verwendete Operationssteuereinheit mit dem Netzwerk verbunden.
Weiterhin sind eine Fahrtinformations-Kommunikationseinheit zum Übertragen der Fahrtzustände des Schienenfahrzeugs zu den betreffenden Stationen, eine Schienen fahrzeugfahrt-Verwaltungsvorrichtung usw. installiert und mit dem Netzwerk verbunden. Die Zentraleinheit empfängt die Gesamtleistungsabgabe-Vorschrift von der Betriebssteuereinheit sowie Informationen über Betriebszustände der jeweiligen Antriebsvorrichtungen, der Lasten usw. Umgekehrt sendet die Zentraleinheit Vorschriften für die zugeordnete Leistungsabgabe, die auf der Grundlage der vorgeschriebenen Gesamtleistungsabgabe und der Informationen über den Betriebszustand jeder Vorrichtung erzeugt worden sind, zu den jeweiligen Vorrichtungen. Durch Installieren einer Fahrtzustandsinformations-Übertragungseinheit im Schienenfahrzeug ist es möglich, die Betriebs- und Steuerzustände zu den externen Einrichtungen zu übertragen. Die übertragenen Informationen über die Betriebs- und Steuerzustände des Schienenfahrzeugs können von einem Fahrtverwaltungssystem, einem Schienenstrecken-Wartungssystem usw. verwendet werden.
Jede Antriebsvorrichtung wird folgendermaßen gesteuert: Die Zentraleinheit berechnet eine Differenz zwischen der aktuellen Leistung (Leistungsabgabe) jeder Vorrichtung und der zulässigen Leistung, die als eine Leistungsreserve S der Vorrichtung definiert ist. Als nächstes wird die von der Betriebssteuereinheit vorgeschriebene Gesamtleistungsabgabe zugeordnet, indem der Betrag der Leistungsreserve jeder Vorrichtung berücksichtigt wird, und die Vorschriften für die zugeordnete Leistungsabgabe werden zu den jeweiligen Vorrichtungen gesendet. Daher können eine große Verteilung der Leistungsreserven S und eine negative Leistungsreserve S verhindert werden. Beispielsweise ist es in Bezug auf das Regeln der Vorrichtungstemperatur möglich, die Temperatur der Vorrichtungen gleich zu machen und zu verhindern, dass eine Vorrichtung durch Überschreiten ihres zulässigen Temperaturwerts ausfällt.
6 zeigt den Aufbau des Schienenfahrzeugs, in dem der Positionsdetektor installiert ist. Dabei ist der Aufbau zur Vereinfachung schematisch dargestellt. Die Zentraleinheit empfängt die Informationen über die aktuelle Position des Schienenfahrzeugs, die vorgeschriebene Gesamtleistungsabgabe und die Informationen über die Betriebszustände der Vorrichtungen über die Netzwerke. Weil das Schienenfahrzeug beim Betrieb auf einer festgelegten Strecke fährt, können Änderungen der Leistungsreserve S jeder Vorrichtung näherungsweise geschätzt werden. Daher kann durch die Verwendung der vorgeschriebenen zugeordneten Leistungsabgaben, die jeder vorgeschriebenen Gesamtleistungsabgabe entsprechen, welche vorab vorbereitet und gespeichert wurden, für das anfängliche Muster der vorgeschriebenen zugeordneten Leistungsabgabe die Häufigkeit des Einstellens der Leistungsreserve S, so dass sie innerhalb des Zielbereichs liegt, verringert werden, wodurch wiederum eine schnelle Steuerung erreicht werden kann.
7 zeigt den Aufbau des Schienenfahrzeugs, in dem die Positionserkennungsvorrichtung installiert ist, in größeren Einzelheiten als in 6. Eine Antenne, ein Geschwindigkeitsdetektor, eine Positionserkennungsvorrichtung usw. sind mit der Zentraleinheit verbunden. Als die Antenne kann beispielsweise eine GPS-(Global Positioning System)-Antenne verwendet werden, die weit verbreitet für Autos verwendet wird. Weiterhin wird es durch Korrigieren der von der Antenne erhaltenen Informationen über die Position des Schienenfahrzeugs unter Verwendung der vom Geschwindigkeitsdetektor erhaltenen Informationen möglich, die Position genauer festzustellen. Weiterhin fährt ein Elektrozug auf einer festgelegten Schienenstrecke. Dementsprechend ist das folgende Positionserkennungsverfahren möglich. Dabei sind wegseitige Spulen entlang der Schiene bereitgestellt. Ein im Elektrozug installierter Empfänger zum Empfangen eines von jeder Wegspule ausgegebenen Signals empfängt das Signal von jeder wegseitigen Spule, und die Informationen über die Position des Elektrozugs können erhalten werden. Weiterhin können die vorstehend erwähnten Positionsdetektoren getrennt verwendet werden, indem die aktuelle Position durch ausgiebiges Verwenden von den mehreren Positionsdetektoren gesendeter Positionsinformationen bestimmt wird.
8 zeigt den Aufbau jeder in den 5 und 6 dargestellten Antriebsvorrichtung in weiteren Einzelheiten. Jede Antriebsvorrichtung weist eine Antriebssteuerschaltung 221, eine Gatterschaltung 224, ein Schaltelement M und eine leistungsgetriebene Vorrichtung 81 auf. Die zugeordneten Ausgangsleistungs-Vorschriften S16 werden über die Netzwerke zur Antriebssteuerschaltung 221 und zur Gatterschaltung 224 gesendet. Andererseits werden die Informationen über den Betriebszustand jeder Vorrichtung von der Antriebssteuerschaltung 221, der Gatterschaltung 224, dem Schaltelement M und der leistungsgetriebenen Vorrichtung 81 über die Netzwerke ausgegeben. Weiterhin ist es möglich, dass ein Bediener stets jede Vorrichtung überwacht, indem er die Betriebsinformationen aller Vorrichtungen, wie die Steuervariablen der jeweiligen Vorrichtungen usw., betrachtet und anzeigt. Weiterhin ist es auch möglich, dass die Fahrtzustände des Schienenfahrzeugs zu einer externen Einrichtung übertragen werden und durch die externe Einrichtung überwacht werden. Durch Bereitstellen der vorstehend beschriebenen Überwachungsfunktion in der externen Einrichtung kann ein sehr zuverlässiges Schienenfahrzeugsystem bereitgestellt werden.
Ein PWM-(Pulsbreitenmodulations)-Signal wird zur Antriebssteuerschaltung gesendet, so dass jede Vorrichtung, entsprechend der zugeordneten Leistungsabgabe-Vorschrift S16 Leistung abgeben kann. Die Gatterschaltung 224 sendet ein Gattersignal auf der Grundlage des PWM-Signals zum Schaltelement M, um das Schaltelement M ein- bzw. auszuschalten. Wenn ein Strom in dem Schaltelement M fließt, befindet sich dieses Element im Einschaltzustand und umgekehrt. Durch diesen Ein-/Ausschaltvorgang des Schaltelements M wird die Zwischenspannung an die Antriebsvorrichtung 81 angelegt, wodurch die Leistungsabgabe für jede Antriebsvorrichtung gesteuert wird.
Die Temperatur, der fließende Strom, die Spannung usw. des Schaltelements M werden erfasst, und die erfassten Daten werden über die Gatterschaltung 224 oder die Netzwerke zur Zentraleinheit S13 gesendet. Es gibt mehrere Möglichkeiten des Aufbaus von Detektionssystemen zum Erfassen der Temperatur, des Stroms und der Spannung des Schaltelements M. Beispielsweise sind bei einem Verfahren ein Detektionsteil und ein Ausleseteil zusammen am Schaltelement M bereitgestellt. Bei einem anderen Verfahren ist der Detektionsteil am Schaltelement M bereitgestellt, und der Ausleseteil ist an der Gatterschaltung 224 bereitgestellt. Weiterhin kann der Ausleseteil an der Antriebssteuerschaltung 221 bereitgestellt werden. An der Gatterschaltung 224 werden Informationen über die Spannung einer Leistungsquelle von ihr, die Ausgangsspannung der Gatterschaltung 224 usw. ausgelesen. An der Antriebssteuerschaltung 221 sind der in der leistungsgetriebenen Vorrichtung 81 fließende Strom, die angelegte Spannung und der in das Schaltelement M eingegebene Strom usw. zu erfassende Zustandsvariablen.
9 zeigt den Aufbau der Antriebsschaltung 8s, welche mit Bezug auf 8 in weiteren Einzelheiten erklärt wird, und 10 ist ein Diagramm des Ersatzschaltbilds der in 9 dargestellten Anordnung. Der Aufbau des Schaltelements M wird nachstehend erklärt. Eine Isolationsplatte 29 ist an einer Wärmesenkenplatte 211 aus Metall bereitgestellt, und eine Metallplatte 25 ist an der Wärmesenkenplatte 211 aus Metall bereitgestellt. Ein IGBT-Chip und ein Diodenchip DF sind auf der Metallplatte 35 montiert. Der Kollektor des IGBT-Chips und die Kathode des Diodenchips DF sind über die Metallplatte 25 mit einem Kollektoranschluss C verbunden.
Weiterhin sind durch eine Verdrahtung 28 der Emitter des IGBT-Chips und die Anode des Diodenchips DF über eine Emitterplatte 24 mit einem Kollektoranschluss Em verbunden. Ein Emitteranschluss Es, der für Sensoren vorgesehen ist, ist mit einer Emitteranschlussplatte 24 verbunden. Ein Hauptstrom fließt durch den Emitteranschluss Em. Der Emitteranschluss Es wird verwendet, um Strom zum Steuern der Gate-Elektrode des IGBTs durchzulassen, und der Hauptstrom fließt gewöhnlich nicht durch diesen Emitteranschluss Es.
Ein Gate-Anschluss G ist über eine Gate-Elektrodenplatte 210 mit der Gate-Elektrode des IGBTs verbunden. Der vorstehend beschriebene Aufbau der Antriebsvorrichtung ist in einem Kunststoffgehäuse 212 enthalten, und jeder Anschluss ist aus dem Kunststoffgehäuse herausgeführt. Weiterhin ist das Schaltelement M an einer Kühlvorrichtung 230 befestigt, die eine ausgezeichnete Wärmeabfuhrfähigkeit aufweist. Der Temperatursensor 21 ist an der Kühlvorrichtung 230 oder der Metallplatte 25, woran das Schaltelement montiert ist, befestigt.
Weiterhin sind eine Gleichstromquelle 23 und ein Schaltelement M seriell zwischen den Kollektoranschluss C und den Emitteranschluss Em des Schaltelements M geschaltet. Der Stromsensor 22 und ein Stromdetektor sind zwischen dem Emitteranschluss Em bereitgestellt, und der Temperatursensor 22 ist mit dem Temperaturdetektor 222 verbunden, welche zwischen dem Kollektoranschluss C und dem Emitteranschluss Em bereitgestellt sind.
Die Ausgangssignale des Stromdetektors 222, des Spannungsdetektors 223 und des Temperaturdetektors 225 sind an die Antriebssteuerschaltung 221 angelegt. Es ist möglich, vom Stromdetektor 222, vom Spannungsdetektor 223 und vom Temperaturdetektor 225 ausgegebene Signale an die Gatterschaltung 224 anzulegen und diese Signale der Antriebssteuerschaltung 221 zuzuführen. Weiterhin ist die Gatterschaltung 224 an den Emitteranschluss Es angeschlossen, der für die Sensoren und den Gate-Anschluss G bereitgestellt ist, und die Gatterschaltung 224 ist an die Antriebssteuerschaltung 221 angeschlossen. Weiterhin überträgt die Antriebssteuerschaltung 221 die Informationen S15 über den Betriebszustand jeder Vorrichtung und die zugeordnete Leistungsabgabe-Vorschrift über die Netzwerke zu jeder Vorrichtung.
Wenngleich es erwünscht ist, den Temperatursensor 21 in der Nähe des IGBTs bereitzustellen, ist es möglich, den Temperatursensor 21 an einer Wärmesenke 230 zu montieren. Die zulässige Maximaltemperatur ist gewöhnlich auf 125°C gelegt. Dieses zulässige Niveau ist eines der niedrigsten Temperaturniveaus, auf das gewöhnliche Elementstrukturvorrichtungen gelegt werden. Die Überwachung der Temperatur des IGBT-Chips ist auf die Überwachung der Temperatur des Schaltelements M gerichtet. Falls der Temperatursensor 21 an der Wärmesenke 230 montiert ist, wird die Temperatur des IGBTs durch vier Kontaktflächen, nämlich eine Kontaktfläche des IGBTs und der Metallplatte, eine Kontaktfläche der Metallplatte 25 und der Isolationsplatte 29, eine Kontaktfläche der Isolationsplatte 29 und der Wärmesenkeplatte 211 und eine Kontaktfläche der Wärmesenkeplatte 211 und der Kühlvorrichtung 230 gemessen.
Daher werden Fehler beim Schätzen der Temperatur der Teile, welche den IGBT bilden, groß. Weiterhin gibt es ein anderes Verfahren, bei dem ein aus Polysilicium gebildeter Temperatursensor auf dem IGBT-Chip gebildet ist. Dieses Verfahren ist am besten zum sehr genauen Erfassen des IGBT-Chips.
10 zeigt ein Ersatzschaltbild der in 9 dargestellten Struktur, und es wird auf ihre Erklärung verzichtet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Verlust des Schaltelements verringert werden. Nachfolgend wird der Grund für die Verlustreduktion erklärt. 11A zeigt den Hauptaufbau, und jedes Schaltelement M implementiert Ein-/Ausschaltvorgänge, um die motorgetriebene Vorrichtung 81, die gemäß dieser Ausführungsform ein Motor ist, zu steuern. Der Gate-Anschluss G des Schaltelements M und der Emitteranschluss Es sind mit einer Steuerschaltung verbunden. Zwei Paare der Gate-Anschlüsse G der Schaltelemente M und der Emitteranschlüsse Es, die für die Sensoren bereitgestellt sind, sind seriell geschaltet und bilden eine Phasenschaltung eines dreiphasigen Wechselrichters. Weiterhin sind drei Phasenschaltungen parallel geschaltet, so dass sie den dreiphasigen Wechselrichter bilden. Beide Anschlüsse jeder Phasenschaltung, die durch serielles Schalten von zwei Schaltelementen M gebildet ist, sind an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen. Der zentrale Verbindungspunkt jeder Phasenschaltung, in der zwei Schaltelemente M seriell geschaltet sind, ist mit dem dreiphasigen Induktionsmotor verbunden. Die Gatterschaltung ist weiter mit einer höherrangigen Steuerschaltung verbunden.
Der Schaltvorgang des Schaltelements M in dieser Schaltung bewirkt Verlüste. 11B zeigt das Prinzip der Verlusterzeugung, welches Änderungen des Stroms und der Spannung angibt, wenn das Schaltelement ausschaltet. Wenn der Strom in dem Schaltelement fließt, gibt es irgendeine Periode, in der der Strom abnimmt, während die Spannung zunimmt. Entsprechend dem Produkt aus dem Strom und der Spannung wird der Verlust hervorgerufen. Der Verlust wird bei jedem Schaltvorgang hervorgerufen. Daher nimmt der Schaltverlust proportional zur Schaltfrequenz zu. 11D zeigt die Beziehung zwischen dem Schaltverlust und der Schaltfrequenz.
11C zeigt die Ausgangsmerkmale des Schaltelements und die Beziehung zwischen der Kollektorspannung Vc und dem Kollektorstrom Ic. Wenn der Kollektorstrom Ic fließt, wird, weil die Kollektorspannung Vc erzeugt wird, der Verlust erzeugt.
Wie in den 11C und 11D ersichtlich ist, ändert sich der Verlust abhängig vom Betrag des im Schaltelement fließenden Stroms und von der Schaltfrequenz. Bei Verwendung des vorstehend erwähnten Phänomens ist bekannt, dass die Schritte S211 und S26 implementiert werden können. Das heißt, dass, wenn der Kollektorstrom Ic verringert wird, auch die Ausgabe des Wechselrichters verringert wird. Falls nur die Frequenz verringert wird, kann der Verlust verringert werden, ohne dass eine Verringerung der Ausgangsleistung auftritt. Daher kann Schritt S211 zumindest durch Verringern der Schaltfrequenz erreicht werden. Weiterhin ist es möglich, den Verlust zu verringern, ohne die Ausgangsleistung zu verringern, indem die Kollektorspannung Vc und der Strom Ic beim Schaltvorgang schnell geändert werden.
Es ist in 11C klar dargestellt, dass der Schritt S26 des Vorschreibens der Verringerung der Gesamtleistungsabgabe durch Verringern des Kollektorstroms erreicht wird.
12 zeigt die Beziehung zwischen der gemessenen Kollektorspannung und dem Strom an mehreren Temperaturpunkten des Wechselrichters. Dabei ist der Kollektorstrom durch die Kollektorspannung bei der Temperatur 25°C und einen Kollektorstrom von 100 A normiert, um die Tendenz leicht verstehen zu können. Weiterhin zeigt 13 die Beziehung zwischen dem gemessenen Schaltverlust und dem Strom an mehreren Temperaturpunkten des Wechselrichters. Dabei ist der Schaltvorgang durch die Kollektorspannung bei der Temperatur 25°C und den Kollektorstrom 100 A normiert. Hier betragen die gemessene Haltespannung und der gemessene Nennstrom beim Schalten 3,3 kV bzw. 1200 A. Die Kollektorspannung wird höher, wenn der Kollektorstrom und die Temperatur zunehmen. Diese Tendenz ist in Bezug auf den Verlust die gleiche.
Daher kann 13 entnommen werden, dass der Verlust des Schaltelements niedriger ist, wenn das Schaltelement bei einer niedrigeren Temperatur betrieben wird. Weil bei dem Fahrzeug in der Art eines Schienenfahrzeugs mehrere Wechselrichter parallel betrieben werden, wird die Temperatur aller Wechselrichter kaum gleich. Durch Verringern der Leistungsabgabe des Wechselrichters, dessen Temperatur ansteigt, wird die verringerte Leistungsabgabe den Wechselrichtern zugeordnet, deren Temperaturwerte nicht so hoch sind.
Der Kernteil des vorstehend beschriebenen Steuerverfahrens kann auch auf ein anderes Transportsystem oder ein anderes Transportgerät als ein Schienenfahrzeug, das mehrere Antriebsvorrichtungen aufweist, angewendet werden, beispielsweise ein Flugzeug.
Wie vorstehend erwähnt wurde, kann bei einer Vorrichtung, welche eine Funktion durch Koordinieren mehrerer Vorrichtungen, durch kontinuierliches Überwachen von Betriebszuständen und durch Gleichmäßighalten der Zustände der jeweiligen Vorrichtungen erreicht, die hohe Leistungsfähigkeit aufrechterhalten werden, ohne die Funktion der Gesamtvorrichtung zu verschlechtern.
Ein höherer Verlust wird durch einen Zustand höherer Temperatur eines Wechselrichters hervorgerufen. Durch Verringern der Leistungsabgabe eines Wechselrichters, dessen Temperatur hoch ist, und durch Zuordnen der verringerten Leistungsabgabe des Wechselrichters zu den anderen Wechselrichtern, deren Temperaturniveaus nicht so hoch sind, durch Überwachen des Auftretens eines Leerlaufs jeder Antriebsvorrichtung, durch Verringern der Leistungsabgabe einer Vorrichtung, an der ein Leerlauf aufgetreten ist und weiter durch Zuordnen der verringerten Leistungsabgabe zu den anderen Antriebsvorrichtungen, an denen kein Leerlauf auftritt, ist es möglich, ein Schienenfahrzeug bereitzustellen, dessen Gesamtbeschleunigungsleistung nicht beeinträchtigt ist.

Claims

Betriebssteuerungssystem für ein Schienenfahrzeug mit mindestens einer Zentraleinheit, die über eine Informationsaustauscheinrichtung mit einer Mehrzahl von parallel geschalteten Geräten verbunden ist, die mindestens eine Betriebszustandsüberwachungsfunktion aufweisen, die den Betriebszustand jedes Gerätes an die Zentraleinheit übermittelt; wobei eine für das System benötigte Gesamtsteuervariable durch ihre im wesentlichen gleiche Verteilung auf die entsprechenden Geräte basierend auf aus der Überwachung durch die Betriebszustandsüberwachungsfunktionen ermittelten Betriebszuständen gewonnen wird und eine Leistungsreserve als Differenz zwischen der zulässigen Leistungsabgabe und der aktuellen Leistungsabgabe für jedes Gerät definiert ist; so daß die Zuordnung der Gesamtsteuervariablen zu jedem Gerät unter Überwachung und Auswertung der Leistungsreserve jedes Geräts möglich ist.
Betriebssteuerungssytem nach Anspruch 1, ferner mit mindestens einem Fahrzeugpositionsdetektor und mindestens einem mit der Informationsaustauscheinrichtung verbundenen Speicher, in dem eine für das System erforderliche Gesamtsteuervariable für eine vorgegebene Strecke und für jede von dem Fahrzeugpositionsdetektor erfaßte Position des Schienenfahrzeugs ein standardmäßig zugeordnetes Steuervariablenschema gespeichert werden; wobei das standardmäßig zugeordnete Steuervariablenschema auf Basis einer überwachten aktuellen Leistungsreserve jedes Geräts angepaßt wird.
Betriebssteuerungssytem nach Anspruch 1, wobei ein standardmäßig zugeordnetes Steuervariablenschema für eine Laufstrecke von der ermittelten aktuellen Position bis zur nächsten Halteposition aus dem Speicher gelesen wird; und das standardmäßig zugeordnete Steuervariablenschema im voraus durch die Einbeziehung der aktuellen Streckenumgebung und angenommener Änderungen der Leistungsreserven der zugehörigen Geräte angepaßt wird; und eine Steuervariable jedes Geräts mit dem Ziel gesteuert wird, die Laufstrecke unter Anpassung des zugeordneten Steuervariablenschemas der entsprechenden Geräte zu durchlaufen.
Betriebssteuerungssytem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die für das System erforderliche Gesamtsteuervariable den entsprechenden Geräten so zugeordnet wird, daß die im wesentlichen gleich verteilten Leistungsreserven der entsprechenden Antriebsgeräte innerhalb eines vordefinierten Verteilungsbereichs variieren.
Betriebssteuerungssytem nach Anspruch 1, wobei eine der an den Geräten überwachten Größen die Temperatur und/oder ein Leerlaufen jedes Rades ist.
Betriebssteuerungssytem nach Anspruch 1, wobei mindestens eines der Antriebsgeräte ein Stromrichter ist.
Betriebssteuerungssytem nach Anspruch 1, wobei nach Feststellung eines anomalen Geräts unter den Geräten die zugeordnete Steuervariable des anomalen Geräts reduziert oder vom Steuerungssystem getrennt wird, und die Steuervariable, die für das anomale Gerät reduziert wurde oder die es beansprucht hat, so auf die restlichen Geräte verteilt wird, daß Änderungen der Leistungsreserven dieser Geräte sich in einem vordefinierten Verteilungsbereich bewegen, und die aktuellen Werte der Betriebszustände der zugehörigen Geräte ihre vordefinierten zulässigen Niveaus nicht übersteigen.
Betriebssteuerungssytem nach Anspruch 1, wobei aktuelle Betriebszustände und Leistungsreserven der entsprechenden Geräte ständig blockweise in einem Betriebssteuerungsraum angezeigt und überwacht werden.
Schienenfahrzeug mit mindestens einer Zentraleinheit, die über eine Informationsaustauscheinrichtung mit einer Mehrzahl von parallel geschalteten Antriebsgeräten verbunden ist, die mindestens eine Betriebszustandsüberwachungsfunktion aufweisen, die den Betriebszustand jedes Geräts an die Zentraleinheit übermittelt; wobei die für das Schienenfahrzeug benötigte Gesamtsteuervariable im wesentlichen gleich verteilt auf die entsprechenden Antriebsgeräte ist, so daß die im wesentlichen gleich verteilten Leistungsreserven der entsprechenden Antriebsgeräte innerhalb eines vorbestimmten Verteilungsbereichs variieren.
Schienenfahrzeug nach Anspruch 9, ferner mit mindestens einem Fahrzeugpositionsdetektor und mindestens einem mit der Informationsaustauscheinrichtung verbundenen Speicher, in dem eine für das Schienenfahrzeug erforderliche Gesamtsteuervariable für eine vorgegebene Strecke und für jede von dem Fahrzeugpositionsdetektor erfaßte Position des Schienenfahrzeugs ein standardmäßig zugeordnetes Steuervariablenschema gespeichert werden; wobei das standardmäßig zugeordnete Steuervariablenschema auf Basis einer überwachten aktuellen Leistungsreserve jedes Geräts angepaßt wird.
Schienenfahrzeug nach Anspruch 9, wobei ein standardmäßig zugeordnetes Steuervariablenschema für eine Laufstrecke von der ermittelten aktuellen Position bis zur nächsten Halteposition aus dem Speicher gelesen wird; und das standardmäßig zugeordnete Steuervariablenschema im voraus durch die Einbeziehung der aktuellen Streckenumgebung und angenommener Änderungen der Leistungsreserve angepaßt wird; und eine Steuervariable jedes Antriebsgeräts mit dem Ziel gesteuert wird, die Laufstrecke unter Nutzung des angepaßten zugeordneten Steuervariablenschemas zu durchlaufen.
Schienenfahrzeug nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die für das Schienenfahrzeug erforderliche Gesamtsteuervariable den entsprechenden Antriebsgeräten zugeordnet wird, so daß Änderungen der Leistungsreserven der entsprechenden Antriebsgeräte in einem vordefinierten Verteilungsbereich liegen, und ein aktueller Wert eines überwachten Betriebszustands jedes Antriebsgeräts ein vordefiniertes zulässiges Niveau nicht überschreitet.
Schienenfahrzeug nach Anspruch 9, wobei eine der überwachten Größen der Antriebsgeräte die Temperatur und/oder ein Leerlauf von Rädern ist.
Schienenfahrzeug nach Anspruch 9, wobei mindestens eines der Antriebsgeräte ein Stromrichter ist.
Schienenfahrzeug nach Anspruch 9, wobei nach der Entdeckung eines anomalen Antriebsgeräts unter den Antriebsgeräten die zugeordnete Steuervariable des anomalen Geräts reduziert oder vom Schienenfahrzeug getrennt wird, und die Steuervariable, die für das anomale Gerät reduziert wurde oder die es beansprucht hat, so an die restlichen Antriebsgeräte verteilt wird, daß Änderungen der Leistungsreserven dieser Antriebsgeräte sich in einem vordefinierten Verteilungsbereich bewegen, und die aktuellen Werte der Betriebszustände der zugehörigen Antriebsgeräte ihre vordefinierten zulässigen Niveaus nicht übersteigen.
Schienenfahrzeug nach Anspruch 9, wobei aktuelle Betriebszustände und Leistungsreserven der entsprechenden Antriebsgeräte ständig blockweise in einem Betriebssteuerungsraum angezeigt und überwacht werden.
Schienenfahrzeug nach Anspruch 9, ferner mit einer Kommunikationseinheit zur Übermittlung aktueller Betriebszustände und Leistungsreserven der entsprechenden Antriebsgeräte an eine externe Betriebseinrichtung.