CN1181992C

CN1181992C - 内燃机型电力机车用控制装置

Info

Publication number: CN1181992C
Application number: CNB991064305A
Authority: CN
Inventors: 丸山高央
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1998-10-09
Filing date: 1999-04-30
Publication date: 2004-12-29
Anticipated expiration: 2019-04-30
Also published as: CN1250725A; JP2000115907A; US6087791A

Abstract

本发明揭示一种内燃机型电力机车用控制装置，该装置设置有协调控制单元(15)，其输人为从主控制器输出的档位信号(N)、对应于(N)的发动机转速指令值(n*)和发动机转速(n)以及感应电动机(17)的转速(fr)，在档位信号(N)变化时，在发动机转速控制响应时间内根据档位信号变化前后的转矩指令值计算对应于发动机转速(n)的转矩指令值(Tp)，在其他的情况下，计算与档位变化后的档位信号(N)对应的转矩指令值(Tp)，并将转矩指令值(Tp)输出到逆变器控制装置(20)中。

Description

内燃机型电力机车用控制装置

技术领域

本发明涉及内燃机型电力机车用控制装置，这种内燃机型电力机车用控制装置适用于使用由可变电压可变频率逆变器驱动的感应电动机作为车辆驱动用的电动机的内燃电力机车。

背景技术

内燃电力机车用交流发电机将内燃机的输出变换成三相交流电后，用三相二极管整流器将三相交流电变换成直流电，再用可变电压可变频率逆变器将该直流电再次变换成交流电，供给车辆驱动用的感应电动机进行驱动。

根据由主控制器的档位指令决定的发动机转速，决定内燃机的输出，对每个档位存在最佳输出。因此，必须对应于这种最佳输出不断对作为发动机负载的驱动用感应电动机的输出进行控制使其总是小于发动机的输出。如果对于发动机输出产生超负载，则最坏的场合发动机会陷入失速状态。

因此，一直在研究发动机输出及其负载的协调控制方法。作为这种协调控制方法，例如有日本特开平6-98412号公报所公开的方法。图9示出了进行协调控制的以往的内燃机型电力机车用控制装置的结构图。

在图9中，1是主控制器，输出档位信号N。2，3是函数发生器，函数发生器2以发动机转速信号n为变量，产生与规定的发动机输出相当的函数输出Pn，另一方面，函数发生器3以主控制器1的档位信号N为变量，产生与规定的发动机输出相当的函数输出PN。

4是低位优先选择器，输入来自函数发生器2的函数输出Pn和来自函数发生器3的函数输出PN，并选择函数输出小的一方进行输出。5是比较器，利用从发动机调节器输出的负载调整信号，修正低位优先选择器4的输出。

6是恒输出模式发生器，作为函数以驱动电动机的转子频率fr为变量，生成以发动机转速信号n或者主控制器1的档位信号N对应的比较器5的信号Pp为参数的电流模式Ip，这种电流模式Ip成为驱动控制驱动用电动机的逆变器控制装置的电流模式。

因以往装置是这样构成的，所以在主控制器1的档位信号N增加(档位上升)、即发动机转速和发动机输出增加时，虽然PN很快地成为档位信号变换后的值，但因要使发动机转速达到档位变化后的转速，存在一个发动机的控制响应时间，所以在这段时间内基于发动机转速的Pn比基于档位信号的PN小，因此作为低位优先选择器4的输出则选择Pn，对于发动机能避免成为超负载的状态。

相反地，在主控制器1的档位信号减小(档位下降)、即发动机转速和发动机输出减少时，虽然PN很快地成为档位信号变换后的值，但因要使发动机转速达到档位变化后的转速，存在一个发动机的控制响应时间，所以在这段时间内基于发动机转速的Pn比基于档位信号的PN大，因此作为低位优先选择器4的输出选择PN，此外，在档位下降时，因无论Pn还是PN都不会使其超负载，所以选择任一个都可以，在本例中选择PN。

如前所述，以往技术的内燃机电力机车用控制装置，虽然实现与发动机输出的协调控制，但因没有考虑充电器、空气压缩机、冷却用风扇等的辅机用功率的变化，所以在利用以往技术的控制装置中存在的问题是，对于发动机不一定处于最佳运转状态。

发明内容

本发明用于解决前述的问题，其目的是提供能考虑到辅机用功率以避免发动机处于超负载状态、同时能使发动机保持在最佳运转状态的内燃机型电力机车用控制装置。

与本发明第1发明相关的内燃机型电力机车用控制装置，用整流器将由发动机驱动的交流发电机的发电输出变换成直流电，并用逆变器将这种直流电变换成交流电，以驱动控制车辆驱动用的感应电动机，包括

输出决定发动机转速的档位信号的主控制器，

产生对应于所述档位信号的发动机转速指令值的发动机转速指令发生器，

输入从所述主控制器输出的档位信号、所述发动机转速指令值和发动机转速以及所述感应电动机的转速，并在所述档位信号变化的场合，在发动机转速控制响应时间内根据档位信号变化前后的转矩指令值计算与所述发动机转速对应的所述感应电动机的输出指令值，在其他的场合，则计算与档位变化后的档位信号对应的所述输出指令值的输出指令值运算手段，

将对应于这种输出指令值的输出控制信号输出到所述功率逆变器中的功率逆变器控制手段，

输出对应于发动机转速的最佳的发动机输出作为发动机输出指令的发动机输出指令发生器，

从所述发动机输出指令减去作为所述发动机的电气负载的辅机电路所消耗的辅机功率，并根据该减法值，生成所述感应电动机的输出限制值的输出限制值生成手段，以及

用这种生成的输出限制值限制用输出指令值运算手段运算后的输出指令值，并输出到功率逆变器控制手段中的输出指令限制手段。

与本发明第2发明相关的内燃机型电力机车用控制装置的输出指令值运算手段，在档位信号向增加方向变化的场合，在发动机转速控制响应时间内，根据档位信号变化前后的转矩指令值计算对应于所述发动机转速的输出指令值，在其他的场合，则计算与档位变化后的档位信号对应的所述输出指令值。

与本发明第3发明相关的内燃机型电力机车用控制装置的输出限制值生成手段，包括

从所述发动机输出指令减去作为所述发动机的电气负载的辅机电路所消耗的辅机功率的减法器，和

用所述感应电动机的角速度除以该值，生成作为输出限制值的转矩限制值，并输出到输出指令限制手段中的除法器。

与本发明第5发明相关的内燃机型电力机车用控制装置的输出限制值生成手段，包括将转矩限制值变换成电流限制值的转矩/电流变换手段，并以这种电流限制值作为输出限制值，输出到输出指令限制手段中。

附图说明

图1是基于本发明实施形态1的内燃机型电力机车用控制装置的结构图。

图2是用于说明对于每个档位信号N的作为感应电动机转速fr的函数具有的转矩指令值Tp(N，fr)的图。

图3是基于实施形态1的协调控制单元15的处理的通用流程图。

图4是表示辅机功率的取出形态的基于实施形态1的内燃机型电力机车用控制装置的结构图。

图5是表示辅机功率的取出形态的基于实施形态1的内燃机型电力机车用控制装置的结构图。

图6是基于实施形态2的协调控制单元15的处理的通用流程图。

图7是基于实施形态3的内燃机型电力机车用控制装置的关键部分的结构图。

图8是在直流电流部分中包含直流电抗器的场合的内燃机型电力机车用控制装置的结构图。

图9是用于说明以往的内燃机型电力机车用控制装置的动作的结构图。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的实施形态进行说明。

实施形态1

下面，参照附图对本发明的实施形态1进行说明。

图1是与本发明实施形态1相关的内燃机型电力机车用控制装置的结构图。在图1中，1是主控制器，7是按照由主控制器1输出的档位信号N、输出作为内燃机一种的例如内燃机的转速指令值n*的发动机转速指令发生器，8是内燃机，输入发动机的转速指令值n*，并将发动机的转速n调整成这种转速指令值n*。

9是按照由主控制器1输出的档位信号N、输出直流电压指令值Vdc*的直流电压指令发生器，10是将旋转轴与内燃机8直接连接的交流发电机，11是交流发电机10的励磁电路，输入由直流电压指令发生器9输出的直流电压指令值Vdc*和直流电压检测值Vdc，并控制励磁电流使交流输出达到与直流电压指令值Vdc*相应的值。

12是三相二极管整流器，将交流发电机10的交流输出变换成直流电。13是直流电压检测用的直流电压检测器，14是直流电压滤波用的电容器，15是输入作为主控制器1的输出的档位信号N、作为发动机转速指令发生器7的输出的发动机转速指令值n*和由内燃机8得到的发动机转速n以及感应电动机17的转速fr，并输出与发动机转速相符合的转矩指令值Tp的协调控制单元(输出指令值运算手段)。

16是将用电容器14滤波后的直流电变换成可变电压可变频率的交流电的逆变器电路(功率逆变器)，17是用逆变器电路16的输出驱动控制的车辆驱动用的感应电动机，18是检测逆变器电路16的输出电流的电流检测器，19是检测感应电动机17的转速fr的转速检测器，20是基于转矩指令值Tp、直流电压Vdc、感应电动机转速fr和逆变器输出电流iu、iv、iw决定并输出逆变器电路16的栅极信号的逆变器控制装置(功率逆变器控制手段)。

21是将旋转轴与内燃机8直接连接的辅机功率用的辅机发电机，22是由辅机发电机21供给功率的充电器、空气压缩机、冷却用风扇等的辅机电路，23是与发动机转速n相对应、输出最佳的发动机输出指令值Pe*的发动机指令发生器，24是由发动机指令发生器23的输出Pe*减去在辅机电路22消耗的辅机用功率Pa、输出电动机输出限制值Plim的减法器，25是用感应电动机17的转速fr上乘以2π的值除以电动机输出限制值Plim，将电动机输出限制值Plim变换成转矩限制值Tlim的除法器，26是输入由协调控制单元15输出的Tp和由除法器25输出的转矩限制值Tlim，在Tp≤Tlim时取Tm＝Tp、在Tp＞Tlim时取得Tm＝Tlim，并作为输出到逆变器控制装置20中的转矩指令值TM加以输出的转矩指令值限制器(输出指令值限制手段)。此外，由减法器24、除法器25构成输出限制值生成手段。

下面，以协调控制单元15的处理为中心对本实施形态的动作进行说明。

在协调控制单元15中，与以往例的恒输出模式发生器6相同，在未图示的存储器中，对于每个档位信号N以感应电动机17的转速fr为变量，将转矩指令值Tp的函数例如作为表格的形式。图2示出了这种关系。例如在档位信号为N1、感应电动机17的转速为fr1时，转矩指令值为Tp(N1，fr1)。

在从主控制器1输出的档位信号N为N1的场合，发动机转速指令发生器7输出对应于档位信号N1的发电机转速指令值n1*，发动机8将发动机转速n调整为指令值n1*。此外，由直流电压指令值发生器9输出对应于档位信号N1的直流电压指令值Vdc1*，并用励磁电路11调整交流发电机10的励磁电流，使直流电压Vdc成为直流电压指令值Vdc1*。

用三相二极管整流器12将交流发电机10的输出变换成直流电，用电容器14对直流电压进行滤波，并用直流电压检测器13检测直流电压。在协调控制单元15中输入档位信号N1、发动机转速指令值n1*、发动机转速n和感应电动机17的转速fr，输出转矩指令值Tp为Tp＝Tp(N1，fr)。将转矩指令值Tp输入到指令限制器26中。此外，将来自转矩指令限制器26的转矩指令值TM与直流电压检测值Vdc、逆变器输出电流iu、iv、iw和感应电动机17的转速fr一起输入到逆变器控制装置20中。逆变器控制装置20基于这些输入信号，输出逆变器电路16的栅极信号。

一旦从这种状态由主控制器1输出的档位信号N变化成N2，则发动机转速指令发生器7输出对应于档位信号N2的发动机转速指令值n2*，调整内燃机8，使发动机转速n成为指令值n2*，，但使发动机转速n达到指令值n2*，存在一个控制响应时间。在这种控制响应时间内在协调控制单元15利用以下的式(1)，求得与发动机转速n平衡的转矩指令值Tp。

Tp＝R×(Tp(N2，fr)-Tp(N1，fr))+Tp(N1，fr) ……(1)

其中，R是表示发动机转速n在发动机转速指令值n1*和n2*间靠近哪一边变量，并由以下的式(2)计算。

R＝(n-n1*)/(n2*-n1*) ……(2)

如前所述，用图2的关系得到Tp(N1，fr)和Tp(N2，fr)。

此外，能用式(2)的R求得发动机转速的控制响应时间。也就是说，由式(2)可知，R可取0到1之间的值，R＝1表示发动机转速n达到发动机转速指令值n2*。因此，用比1小的设定值RLM，在R＜RLM时，作为在发动机转速的控制响应时间内，输出用式(1)求得的转矩指令值Tp(N2，fr)。一旦R≥RLM，则作为控制响应时间已结束，输出Tp＝Tp(N2，fr)。

这样，在发动机转速n的控制响应时间内，能得到与发动机转速n相对应的转矩指令值Tp。

图3示出了协调控制单元15的处理的通用流程图。图3中，n*(-1)、N(-1)分别是1个控制周期前的发动机转速指令值和档位信号。CHG是表示是否在档位指令变化后的控制响应时间内的标记，CHG＝1表示在控制响应时间内，不为1表示在控制响应时间外。为与前述的说明相应，nB对应于n1*，NB对应于N1，n*，n*(-1)可分别取n1*或者n2*的任一个值，N，N(-1)可分别取N1或者N2的任一个值。

下面，参照图3的流程图详细地说明本实施形态的协调控制单元15的处理内容。在步骤S1中，输入当前的档位信号N、发动机转速指令值n*、发动机转速n和感应电动机17的转速fr。在步骤S2，将1个控制周期前保存在中间变量n0、N0中的发动机转速指令值和档位信号转移到1个控制周期前的发动机转速指令值n*(-1)和档位信号N(-1)中，在中间变量n0、N0中保存当前的发动机转速指令值n*和档位信号N。此外，在内燃机型电力机车起动时，作为初始值，由于分别设定n0为发动机的空载转速、N0是没有档位信号(档位切断信号)状态，所以设定为0。

在步骤S3中，利用当前的档位信号N和1个控制周期前的档位信号N(-1)的减法运算，求得表示档位变化的信号dN。即在dN＝0时表示档位不变，dN＜0时表示档位减小，dN＞0时表示档位增加。

步骤S4，是根据有无档位变化产生的分支，当无档位变化时进入到步骤S5中，当有档位变化时进入到步骤S9中。

步骤S5，是根据表示是否在档位信号变化后的控制响应时间内的标记CHG是否为1产生的分支，当CHG＝1时进入到步骤S11中，当不为1时进入到步骤S6中。

在步骤S6中，根据图2的关系，由当前的档位信号N和感应电动机17的转速fr，求得tp(N，fr)。

在步骤S7中，将Tp(N，fr)置为转矩指令值Tp，并在步骤S8中输出转矩指令值Tp。

与步骤S5相同，步骤S9，是根据表示是否在档位信号变化后的控制响应时间内的标记CHG是否为1产生的分支，当CHG＝1时进入到步骤S11中，当不为1时进入到步骤S10中。

在步骤S10中，是仅通过紧接着档位变化后的控制周期时的处理，一旦使CHG＝1，则同时分别将1个控制周期前的发动机转速指令值n*(-1)和档位信号N(-1)作为nb，Nb加以保存。

在步骤S11中，是用于防止在步骤S12中用0进行除法运算的处理单元，是根据当前的档位信号N和NB的减法运算结果是否为0产生的分支，当为0时进入到步骤S15中，当不为0时进入到步骤S12中。

在步骤S12中，利用式(3)，用当前的发动机转速n和发动机转速指令值n*以及nB，求得表示发动机转速n是靠近发动机转速指令值n*和nB间的哪一边的变量R。

R＝(n-nB)/(n*-nB) ……(3)

步骤S13，是根据R的区域产生的分支，当R＜0时进入到步骤S15中，当R不小于0时进入到步骤S14中。

步骤S14，是用比1小的设定值RLM判断是否在发动机转速的控制响应时间内的分支，当不是R＜RLM时进入到步骤S16中。

在步骤S15中，设定R为0。

在步骤S16中，因在控制响应时间以外，所以设定CHG为0。

在步骤S17中，由图2的关系从当前的档位信号N和感应电动机17的转速fr求出Tp(N，fr)，同样从NB和fr求出Tp(NB，fr)。

在步骤S18中，由下式(4)的运算求出转矩指令值Tp，并在步骤S8输出指令值Tp。

Tp＝R×(Tp(N，fr)-Tp(NB，fr))+Tp(NB，fr) ……(4)

另一方面，辅助发电机21通过辅机电路22供给辅机用功率Pa而与发动机转速无关。因辅机用功率Pa也是内燃机8的负载，所以为了避免内燃机8的超负载状态，也必须考虑辅机用功率Pa。此外，对于内燃机8，对应于发动机转速n，存在最佳燃料效率的发动机输出Pe*。因此，为了使发动机输出保持在Pe*以下，感应电动机17的输出必须限制为Pe*-Pa。在本发明中如下所述来实现。

用发动机转速n和最佳发动机输出Pe*的关系，在发动机输出指令发生器23输出与发动机转速对应的最佳的发动机输出指令值Pe*。由辅机电路22得到辅机用功率Pa、用减法器24进行Pe*-Pa的运算，求得感应电动机17的输出限制值Plim。为了将输出限制值Plim变换成转矩限制值Tlim，在除法器25中进行Tlim＝Plim/2πfr的运算，得到转矩限制值Tlim。接着，输入转矩指令限制值Tlim，在Tp≤Tlim时使Tm＝Tp，在Tp＞Tlim时使Tm＝Tlim，并将输出到逆变器控制装置20中的转矩指令值Tm输出。

因根据这种转矩指令值Tm控制逆变器控制装置20，所以对于发动机输出不会成为超负载，并能保持燃料效率最佳的发动机运转状态。

在前述的说明中，是对从发动机8直接得到的发动机转速n进行了说明，但是，如式(3)所示，检测交流发电机10的交流输出电压的频率，再用交流发电机的极对数除以其频率也能得到发动机转速n。

发动机转速＝交流电压的频率/极对数 ……(5)

关于感应电动机17的转速fr，也有的情况用电力机车的速度，代替图2的横坐标轴fr。

此外，发动机8为内燃机，但汽油发动机等其它的内燃机也同样能采用本发明。

对交流发电机10是利用根据励磁电路11实施直流电压控制的场合进行了说明，但用控制交流发电机10的交流输出电压也同样能采用本发明。

在图1中，是用辅助发电机21供给辅机用功率，但也可以是如图4、5所示的结构，这些结构也同样能采用本发明。

图4是由交流发电机10的交流输出供给辅机电路22的功率的场合的结构，图5是由三相二极管整流器12的直流输出供给辅机电路22的功率的场合的结构。

实施形态2

在实施形态1中，一旦档位信号N变化则在发动机转速控制响应时间内输出用式(1)求得的转矩指令值Tp，但是因在档位信号减小的方向上变化的场合，转矩指令值其档位信号变化后的Tp(N2，fr)比用式(1)求得的转矩指令值Tp小，所以对于发动机8用Tp(N2，fr)为佳。

因此，在本实施形态中，档位信号的变化方向仅在增加的方向的场合，输出用发动机转速控制响应时间内(1)式求得的转矩指令值Tp，在其他的场合，输出Tp(N2，fr)。图6示出了这种场合的协调控制单元15的流程图。在图6的步骤S4中，判断档位信号N的变化是不是正，如果是正，则用式(1)求得转矩指令值，如果不是正，则输出与这时的档位信号N和感应电动机17的转速fr对应的Tp(N，fr)作为转矩指令值Tp。

实施形态3

在实施形态1、2中，逆变器控制装置20的输入是作为转矩指令值，但是，因逆变器控制装置20的结构而异，有的情况也有用感应电动机17的电流指令值代替转矩指令值。这时，在协调控制单元15中，求得并输出电流指令值Ip代替转矩指令值Tp。

与图2相同，对于每个档位信号，供给电流指令值Ip作为感应电动机的转速fr的函数，档位信号N1在感应电动机17的转速为fr1时，电流指令值为Ip(N1，fr1)。如果图3、6的流程图也用Ip代替Tp，则用相同的结构也能得到电流指令值Ip，得到与实施形态1、2相同的效果。

另一方面，用除法器得到的转矩限制值Tlim，如图7所示，用转矩电流逆变器27，根据感应电动机17的特性，从转矩限制值Tlim变换成电流限制值。然后，转矩指令限制器26输入从协调控制单元15输出的Ip和从转矩电流逆变器27输出的电流限制值Ilim，在Ip≤Ilim时使Im＝Ip，在Ip＞Ilim时使Im＝Ilim，并将输出到逆变器控制装置20中的电流指令值Im输出。

此外，这种场合也能得到与实施形态1、2相同的效果。

实施形态4

在实施形态1、2、3中，是对直流电路由滤波电容器14和直流电压检测器13构成的情况进行了说明，但如图8所示，对三相二极管整流器12的正输出端串联增加直流电抗器28构成的场合，也同样能采用本发明并能得到同样的效果。

采用本发明第1发明，则因

内燃机型电力机车用控制装置，用整流器将由发动机驱动的交流发电机的发电输出变换成直流电，并用功率逆变器将这种直流电变换成交流电，驱动控制车辆驱动用的感应电动机，包括

输出决定发动机转速的档位信号的主控制器，

输入从所述主控制器输出的档位信号、所述发动机转速指令值和发动机转速以及所述感应电动机的转速，并在所述档位信号变化的场合，在发动机转速控制响应时间内根据档位信号变化前后的转矩指令值计算与所述发动机转速对应的所述感应电动机的输出指令值，在其他的场合，则计算与档位变化后的档位信号对应的所述输出指令值的输出指令值运算手段，和

将对应于这种输出指令值的输出控制信号输出到所述功率逆变器中的功率逆变器控制手段。

所以能得到与发动机转速相对应的感应电动机的输出指令值，并具有使发动机保持在最佳的运转状态的效果。

采用本发明第2发明，则因

内燃机型电力机车用控制装置，包括

从所述发动机输出指令减去作为所述发动机的电气负载的辅机电路所消耗的辅机功率，并根据该减法值，生成所述感应电动机的输出限制值的输出限制值生成手段，

所以能避免发动机的超负载状态，同时有使发动机保持在最佳的运转状态的效果。

采用本发明第3发明，则因

内燃机型电力机车用控制装置的输出指令值运算手段，在档位信号向增加方向变化的场合，在发动机转速控制响应时间内，根据档位信号变化前后的转矩指令值计算对应于所述发动机转速的输出指令值，在其他的场合，则计算与档位变化后的档位信号对应的所述输出指令值。

所以在发动机转速的控制响应时间内，能得到与发动机转速相对应的感应电动机的输出指令值，并具有使发动机保持在最佳的运转状态的效果。

采用本发明第4发明，则因

内燃机型电力机车用控制装置的输出限制值生成手段，包括

从所述发动机输出指令减去作为所述发动机的电气负载的辅机电路向消耗的辅机功率的减法器，和

采用本发明第5发明，则因

内燃机型电力机车用控制装置的输出限制值生成手段，包括将转矩限制值变换成电流限制值的转矩/电流变换手段，并以这种电流限制值作为输出限制值，输出到输出指令限制手段中。

所以能得到与功率逆变器的结构相应的感应电动机的输出指令值。

Claims

1.一种内燃机型电力机车用控制装置，用整流器将由发动机驱动的交流发电机的发电输出变换成直流电，并用逆变器将这种直流电变换成交流电，以驱动控制车辆驱动用的感应电动机，其特征在于，包括

输出决定发动机转速的档位信号的主控制器，

将对应于这种输出指令值的输出控制信号输出到所述功率逆变器中的功率逆变器控制手段

从所述发动机输出指令减去作为所述发动机的电气负载的辅机电路所消耗的辅机功率，并基于该减法值，生成所述感应电动机的输出限制值的输出限制值生成手段，以及

2.如权利要求1所述的内燃机型电力机车用控制装置，其特征在于，

输出指令值运算手段，在档位信号向增加方向变化的场合，在发动机转速控制响应时间内，根据档位信号变化前后的转矩指令值计算对应于所述发动机转速的输出指令值，在其他的场合，则计算与档位变化后的档位信号对应的所述输出指令值。

3.如权利要求1所述的内燃机型电力机车用控制装置，其特征在于，

输出限制值生成手段，包括

4.如权利要求3所述的内燃机型电力机车用控制装置，其特征在于，

输出限制值生成手段，包括将转矩限制值变换成电流限制值的转矩/电流变换手段，并以这种电流限制值作为输出限制值，输出到输出指令限制手段中。