Тяговая цепь транспортного средства, в частности, для железнодорожного транспортного средства и способ управления такой цепью

Тяговая цепь (10) для транспортного средства содержит электрический двигатель (12), содержащий вал (22), статор (24) и ротор (26); систему (14) питания, имеющую коэффициент модуляции (Tmod), равный амплитуде напряжения каждой фазы двигателя, поделенной на входное постоянное напряжение (U_DС); и датчик (20) сигнала скорости вращения (Vrotor) ротора. Тяговая цепь (10) содержит средства изменения коэффициента модуляции, выполненные с возможностью понижения коэффициента модуляции по сравнению с коэффициентом модуляции в отсутствие средств изменения коэффициента модуляции, когда скорость вращения (Vrotor) ротора принадлежит к первому интервалу значений, меньшему заранее определенного переходного значения, и с возможностью повышения коэффициента модуляции по сравнению с коэффициентом модуляции в отсутствие средств изменения коэффициента модуляции, когда скорость вращения (Vrotor) ротора принадлежит ко второму интервалу значений, превышающему заранее определенное переходное значение. Технический результат заключается в сокращении гармонических потерь в роторе. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Настоящее изобретение касается тяговой цепи для транспортного средства, в частности для железнодорожного транспортного средства, содержащей:

- электрический двигатель, содержащий вал, статор и ротор, при этом ротор выполнен с возможностью вращения относительно оси вала;

- систему питания, получающую входное постоянное напряжение и выдающую на двигатель многофазное напряжение, при этом система имеет коэффициент модуляции, равный амплитуде напряжения на каждой фазе двигателя, деленной на входное постоянное напряжение, и

- датчик сигнала, характеризующего скорость вращения ротора. Изобретение касается также транспортного средства, в частности железнодорожного транспортного средства, оборудованного такой тяговой цепью.

Изобретение касается также способа управления тяговой цепью для транспортного средства, в частности для железнодорожного транспортного средства, содержащей электрический двигатель, содержащий вал, статор и ротор, при этом ротор выполнен с возможностью вращения вокруг оси вала, при этом способ содержит следующие этапы:

- на двигатель подают многофазное напряжение при помощи системы питания, получающей входное постоянное напряжение и выдающей на двигатель многофазное напряжение, при этом система имеет коэффициент модуляции, равный амплитуде напряжения на каждой фазе двигателя, деленной на входное постоянное напряжение, и

- измеряют скорость вращения ротора.

Как правило, электрический двигатель тяговой цепи для транспортного средства питают многофазным напряжением через систему питания. Это многофазное напряжение модулируют по ширине импульса. Гармоники этого напряжения питания наводят гармонические токи в роторе.

Однако эти гармонические токи приводят к потерям в роторе за счет эффекта Джоуля и Фуко, что вызывает чрезмерный нагрев ротора.

Настоящее изобретение направлено на создание тяговой цепи, позволяющей уменьшить потери за счет эффекта Джоуля и Фуко.

В этой связи, объектом изобретения является тяговая цепь вышеуказанного типа. Тяговая цепь дополнительно содержит средства изменения коэффициента модуляции, выполненные с возможностью понижения коэффициента модуляции по сравнению с коэффициентом модуляции в отсутствие средств изменения коэффициента модуляции, когда скорость вращения ротора принадлежит к первому интервалу значений, меньших заранее определенного переходного значения, и выполненные с возможностью повышения коэффициента модуляции по сравнению с коэффициентом модуляции в отсутствие средств изменения коэффициента модуляции, когда скорость вращения ротора принадлежит ко второму интервалу значений, превышающих заранее определенное переходное значение.

Согласно другим вариантам выполнения тяговая цепь содержит один или несколько следующих признаков, взятых отдельно или в любых технически возможных комбинациях:

- ротор выполнен с возможностью генерирования собственного магнитного поля ротора в первом магнитном направлении и с возможностью прохождения через него другого магнитного поля, при этом магнитное поле ротора является суммой собственного магнитного поля ротора и другого магнитного поля, при этом собственное поле ротора создает собственный поток ротора, проходящий через ротор, и тяговая цепь содержит средства изменения потока магнитного поля ротора, проходящего через ротор, выполненные с возможностью уменьшения потока магнитного поля ротора по сравнению с собственным потоком ротора, когда скорость вращения ротора принадлежит к первому интервалу, и с возможностью увеличения потока магнитного поля ротора по сравнению с собственным потоком ротора, когда скорость вращения ротора принадлежит ко второму интервалу;

- система питания содержит первые средства генерирования главного многофазного тока, предназначенного для питания статора с целью создания главного магнитного поля статора, ориентированного во втором магнитном направлении, отличном от первого магнитного направления, и вторые средства генерирования дополнительного тока, смещенного по фазе по отношению к главному току и предназначенного для питания статора с целью создания вспомогательного магнитного поля статора, по существу ориентированного в первом магнитном направлении, при этом дополнительный ток имеет первый знак при уменьшении потока магнитного поля ротора по сравнению с собственным потоком ротора, и знак, противоположный первому знаку, при увеличении, потока магнитного поля ротора по сравнению с собственным потоком ротора;

- тяговая цепь содержит средства считывания сигнала, характеризующего крутящий момент двигателя, и сила дополнительного тока зависит от значения крутящего момента двигателя;

- абсолютное значение силы дополнительного тока ниже при повышенных значениях крутящего момента двигателя, чем при низких значениях крутящего момента двигателя;

- тяговая цепь содержит средства считывания сигнала, характеризующего крутящий момент двигателя, и коэффициент модуляции зависит от значения крутящего момента двигателя;

- заранее определенное переходное значение превышает значение скорости вращения ротора, соответствующей коэффициенту модуляции, равному 50% в отсутствие средств изменения коэффициента модуляции;

- тяговая цепь содержит средства считывания сигнала, характеризующего крутящий момент двигателя, и заранее определенное переходное значение зависит от значения крутящего момента двигателя;

- заранее определенное переходное значение ниже при повышенных значениях крутящего момента двигателя, чем при низких значениях крутящего момента двигателя;

- связь между первым интервалом и вторым интервалом является сопряженной;

- двигатель является синхронным двигателем;

- синхронный двигатель является синхронным двигателем с постоянным магнитом. Объектом изобретения является также транспортное средство, в частности железнодорожное транспортное средство, содержащее описанную выше тяговую цепь.

Объектом изобретения является также способ управления вышеуказанного типа.

Способ управления дополнительно содержит следующие этапы:

- снижают коэффициент модуляции по сравнению с коэффициентом модуляции в отсутствие средств изменения коэффициента модуляции, когда скорость вращения ротора принадлежит к первому интервалу значений, меньших заранее определенного переходного значения, и

- повышают коэффициент модуляции по сравнению с коэффициентом модуляции в отсутствие средств изменения коэффициента модуляции, когда скорость вращения ротора принадлежит ко второму интервалу значений, превышающих заранее определенное переходное значение.

Согласно другому варианту выполнения способ управления содержит следующий признак:

- ротор выполнен с возможностью генерирования собственного магнитного поля ротора в первом магнитном направлении и с возможностью наложения на него другого магнитного поля, при этом магнитное поле ротора является суммой собственного магнитного поля ротора и другого магнитного поля, при этом собственное поле ротора создает собственный магнитный поток ротора, проходящий через ротор, и способ управления содержит этапы, на которых:

- уменьшают магнитный поток ротора, проходящий через ротор, по сравнению с собственным магнитным потоком ротора, когда скорость вращения ротора принадлежит к первому интервалу, и

- увеличивают магнитный поток ротора по сравнению с собственным магнитным потоком ротора, когда скорость вращения ротора принадлежит ко второму интервалу.

Эти признаки и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного исключительно в качестве примера со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 - схема тяговой цепи в соответствии с настоящим изобретением для транспортного средства;

фиг.2 - блок-схема способа управления тяговой цепью в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.3 - схематичный вид кривых гармонических потерь в роторе двигателя тяговой цепи, показанной на фиг.1, коэффициента модуляции системы питания цепи, показанной на фиг.1, и смещенного по фазе дополнительного тока в зависимости от скорости ротора;

фиг.4 - совокупность кривых, характеризующих изменение смещенного по фазе дополнительного тока, показанных на фиг.3, в зависимости от скорости ротора при значениях заданного крутящего момента двигателя, изменяющихся от 0,5% до 100% с шагом в 10%;

фиг.5 - совокупность кривых, характеризующих изменение коэффициента модуляции, показанных на фиг.3, в зависимости от скорости ротора при заданных значениях крутящего момента двигателя, изменяющихся от 0,5% до 100% с шагом в 10%;

фиг.6 - совокупность кривых, характеризующих изменение гармонических потерь, согласно известным техническим решениям, в зависимости от скорости ротора при заданных значениях крутящего момента двигателя, изменяющихся от 0,5% до 100% с шагом в 10%;

фиг.7 - совокупность кривых, характеризующих изменение гармонических потерь, показанных на фиг.2, в зависимости от скорости ротора при заданных значениях крутящего момента двигателя, изменяющихся от 0,5% до 100% с шагом в 10%.

Тяговая цепь 10 для железнодорожного транспортного средства, показанная на фиг.1, содержит электрический двигатель 12 и систему 14 питания двигателя, соединенную с шиной 16 входного постоянного напряжения питания. Входное постоянное напряжение обозначено U_DC.

Тяговая цепь 10 содержит также средства 18 считывания сигнала, характеризующего крутящий момент двигателя, например сигнал заданного значения С крутящего момента двигателя, и датчик 20 измерения скорости вращения Vrotor ротора.

Электрический двигатель 12 содержит приводной вал 22, статор 24 и ротор 26, неподвижно соединенный с валом 22 и выполненный с возможностью вращения вокруг оси вала 22. Двигатель 12 является, например, трехфазным и синхронным двигателем. В варианте двигатель 12 является несинхронным двигателем.

Датчик 20 является либо оптическим датчиком, установленным на валу 22 двигателя, либо датчиком, извлекающим из электроники управления двигателем 12 информацию о скорости двигателя, в частности заданное значение скорости двигателя.

Вал 22 проходит вдоль оси симметрии двигателя 12.

Статор 24 содержит, например, три электромагнитные катушки 28. Каждая катушка 28 выполнена путем наматывания обмотки вокруг магнитного сердечника. Статор 24 выполнен с возможностью создания вращающегося поля Hs1, называемого также главным магнитным полем статора, соответствующим током питания 1р, называемого также главным трехфазным током.

Ротор 26 представляет собой, например, постоянный магнит с осью симметрии, совпадающей с осью вала 22, а двигатель 12 является синхронным двигателем с постоянным магнитом. В варианте ротор 26 содержит одну или несколько электромагнитных катушек, питаемых постоянным током.

Магнит ротора 26 предназначен для создания собственного магнитного поля ротора Нрr, ориентированного в первом магнитном направлении DM1, фиксированном относительно ротора 26. В варианте электромагнитная катушка или электромагнитные катушки ротора 26, питаемые постоянным током, выполнены с возможностью создания собственного магнитного поля Нр ротора r в первом магнитном направлении DM1.

Собственное магнитное поле Нрr ротора создает собственный магнитный поток Фрr ротора, проходящий через ротор 26, равный величине собственного магнитного поля Нрr ротора, пересекающего в течение одной секунды поперечное сечение ротора 26. Магнитный поток Фрr ротора записывают в виде скалярного произведения - вектора магнитного поля Нрr и вектора площади, соответствующей поперечному сечению ротора 26:

$$\phi pr=\overrightarrow{H}pr\cdot \overrightarrow{S}\text{ (1)}$$

Система 14 питания содержит инвертор 30 напряжения, выполненный с возможностью питания двигателя 12, и устройство 32 управления инвертором.

Инвертор 30 напряжения выполнен с возможностью преобразования входного постоянного напряжения, проходящего по входной шине 16, в выходное трехфазное напряжение, поступающее на двигатель 12. Для каждой выходной фазы инвертор 30 содержит, по меньшей мере, два управляемых выключателя, предназначенных для преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение. Каждый выключатель инвертора 30 является, например, биполярным транзистором с изолированным затвором, называемым также IGBT (от английского Insulated Gate Bipolar Transistor).

Устройство 32 управления соединено со средством 18 считывания для получения сигнала заданного значения крутящего С момента двигателя и с датчиком 20 измерения для получения сигнала измерения скорости вращения Vrotor ротора. Устройство 32 управления соединено с инвертором 30 для подачи сигнала 33 для управления, по меньшей мере, двумя выключателями инвертора 30.

Устройство 32 управления содержит блок обработки данных, представляющий собой, например, процессор 34 данных, связанный с памятью 36. Память 36 содержит первую программу 38 генерирования главного трехфазного тока Iр и вторую программу 40 генерирования смещенного по фазе дополнительного тока Id.

В одном варианте первые средства 38 генерирования и вторые средства 40 генерирования выполнены в виде программируемых логических компонентов или в виде выделенных интегральных схем.

Каждая из фаз главного трехфазного тока Iр, генерируемого первыми средствами 38, предназначена для питания соответствующей электромагнитного катушки 28 статора с целью создания магнитного поля катушки, при этом сумма трех полей катушек образует главное магнитное поле статора Hs1. Главное магнитное поле статора Hs1 является полем, вращающимся вокруг вала 22 двигателя и ориентированным во втором магнитном направлении DM2, отличном от первого магнитного направления DM1. Ориентация главного магнитного поля статора Hsl зависит от напряжения питания соответствующих электромагнитных катушек 28. Первое магнитное направление DM1 образует со вторым магнитным направлением DM2 угол θ, от которого зависит крутящий момент двигателя.

Дополнительный ток Id, генерируемый вторыми средствами 40 и смещенный по фазе относительно главного тока Iр, предназначен для питания статора 24 с целью создания вспомогательного магнитного поля Hs2 статора, по существу ориентированного в первом магнитном направлении DM1. Вспомогательное магнитное поле Hs2 статора имеет напряженность, меньшую напряженности собственного магнитного поля Нрr ротора.

Магнитное поле Нr ротора является векторной суммой собственного магнитного поля Нрr ротора и вспомогательного магнитного поля Hs2 статора, ориентированных в одинаковом первом магнитном направлении DM1, и его записывают в виде:

$$\overrightarrow{H}r=\overrightarrow{H}pr+\overrightarrow{H}s2\text{ (II)}$$

Иначе говоря, когда собственное магнитное поле Нрr ротора и вспомогательное магнитное поле Hs2 статора являются противоположными по направлению, напряженность магнитного поля Нr ротора является разностью между напряженностью собственного поля Нрr ротора и напряженностью вспомогательного магнитного поля Hs2 статора. Когда собственное магнитное поле Нрr ротора и вспомогательное магнитное поле Hs2 статора имеют одинаковое направление, напряженность магнитного поля Нr ротора является суммой напряженности собственного поля Нрr ротора и напряженности вспомогательного магнитного поля Hs2 статора.

Магнитное поле Нr ротора создает магнитный поток Фr ротора, называемый также потоком ротора, равный величине магнитного поля Нr ротора, пересекающего в течение одной секунды поперечное сечение ротора 26. Поток Фr ротора записывают в виде скалярного произведения вектора магнитного поля Нr ротора и вектора площади, соответствующей поперечному сечению ротора 26:

$$\phi r=\overrightarrow{H}r\cdot \overrightarrow{S}\text{ (III)}$$

Коэффициент модуляции Tmod равен амплитуде напряжения на каждой фазе трехфазного тока, поделенной на напряжение U_DC входного постоянного напряжения. Коэффициент модуляции Tmod зависит от напряжения питания двигателя 12, которое, в свою очередь, зависит от потока Фr ротора согласно уравнениям Парка.

На фиг.2 показан способ управления тяговой цепью 10.

На этапе 200 датчик 20 измерения тяговой цепи принимает сигнал измерения скорости Vrotor ротора.

На этапе 210 устройство 32 управления определяет, принадлежит ли измеренное значение скорости Vrotor ротора к первому интервалу INT1 значений, меньших заранее определенного переходного значения Vt. В случае необходимости, на этапе 220 средства изменения коэффициента модуляции Tmod уменьшают коэффициент модуляции Tmod по сравнению с коэффициентом модуляции в отсутствие средств изменения коэффициента Tmod модуляции. Относительное уменьшение коэффйциента модуляции производят например, при помощи средств изменения потока фг магнитного поля ротора. Иначе говоря, если скорость Vrotor ротора принадлежит к первому интервалу INT1, средства изменения потока уменьшают поток Фr магнитного поля ротора по сравнению с собственным потоком Фr ротора. В этом случае поток ϕг меньше собственного потока ϕг ротора.

Изменение коэффициента модуляции Tmod в зависимости от скорости Vrotor ротора показано на фиг.3. Скорость Vrotor ротора называют также роторной скоростью или скоростью вращения двигателя, поскольку ротор 26 является подвижным элементом двигателя 12. Роторную скорость Vrotor выражают в оборотах в минуту. При этом пунктирная кривая соответствует изменению коэффициента модуляции Tmod с применением средств изменения коэффициента модуляции для первого интервала INT1 и второго интервала INT2 значений, превышающих заранее определенное переходное значение Vt.

Пунктирная кривая содержит первый участок 50, для которого коэффициент модуляции Tmod является аффинной функцией роторной скорости Vrotor, при этом коэффициент модуляции меняется от 0% до 100%, и второй участок 52, на котором коэффициент модуляции Tmod является по существу постоянным и равным 100% при роторной скорости Vrotor, превышающей значение полной волны Vpo. Второй участок 52 называют также участком полной волны, и он соответствует работе двигателя 12 в режиме полной волны.

Сплошная кривая по существу совпадает с пунктирной волной для значений роторной скорости Vrotor, не принадлежащих к первому интервалу INT1 и ко второму интервалу INT2. Для значений роторной скорости Vrotor, принадлежащих к интервалу INT1, коэффициент модуляции Tmod содержит участок 54 ослабления потока, на котором коэффициент модуляции Tmod является по существу постоянным и меньше значений, соответствующих первому участку 50 пунктирной кривой.

Иначе говоря, этап 220 соответствует участку 54 ослабления потока.

В случае, когда измеренное значение роторной скорости Vrotor не принадлежит к первому интервалу значений INT1, устройство 32 управления переходит на этап 230, на котором оно определяет, принадлежит ли роторная скорость Vrotor ко второму интервалу значений INT2, превышающих заранее определенное переходное значение Vt. В случае необходимости, на этапе 240 средства изменения коэффициента модуляции Tmod повышают коэффициент модуляции Tmod по сравнению с коэффициентом модуляции в отсутствие средств изменения коэффициента модуляции. Относительное увеличение коэффициента модуляции Tmod получают, например, при помощи средств изменения потока ϕr магнитного поля ротора. Иначе говоря, когда скорость Vrotor ротора принадлежит ко второму интервалу INT2, средства изменения потока усиливают поток Фr магнитного поля ротора относительно собственного потока ϕрr ротора. В этом случае поток Фr больше собственного потока ϕрr ротора.

Этап 240 соответствует участку усиления потока 56 сплошной кривой, при котором коэффициент модуляции Tmod является по существу постоянным и превышает соответствующие значения первого участка 50 пунктирной кривой.

Если измеренное значение роторной скорости Vrotor не принадлежит ко второму интервалу значений INT2, устройство 32 управления не меняет коэффициент модуляции Tmod и возвращается на этап 200.

Участок 54 ослабления потока и участок 56 усиления потока сплошной кривой на фиг.3 соединены между собой по существу линейным и вертикальным участком 58. Соединительный участок 58 соответствует заранее определенному переходному значению Vt роторной скорости.

Заранее определенное переходное значение Vt превышает значение скорости вращения ротора V_{50%_sans}, соответствующее коэффициенту модуляции в 50% в отсутствие средств изменения коэффициента модуляции.

Для уменьшения потока Фr ротора по сравнению с собственным потоком Фрr ротора вторые средства 40 выполнены с возможностью генерирования дополнительного тока Id с первым знаком таким образом, чтобы создаваемое вспомогательное магнитное поле Hs2 статора имело направление, противоположное собственному полю Нрr ротора. Напряженность Нr магнитного поля ротора является разностью между напряженностью Нрr собственного поля ротора и напряженностью Hs2 вспомогательного магнитного поля, при этом поток Фr ротора меньше собственного потока Фрr ротора.

Для увеличения потока Фr ротора относительно собственного потока Фрr ротора вторые средства 40 выполнены с возможностью генерирования дополнительного тока Id с знаком, противоположным первому знаку, таким образом, чтобы создаваемое вспомогательное магнитное поле Hs2 статора и собственное поле Нрr ротора имели одинаковое направление. В этом случае напряженность Нr магнитного поля ротора является суммой напряженности собственного поля Нрr ротора и напряженности Hs2 вспомогательного магнитного поля, при этом поток Фr ротора больше собственного потока Фрr ротора.

Иначе говоря, дополнительный ток Id имеет первый

знак для значений роторной скорости, Vrotor принадлежащих к первому интервалу INT2, и дополнительный ток имеет знак, противоположный первому знаку, для значений скорости вращения Vrotor ротора, принадлежащих ко второму интервалу INT2. В примере выполнения, показанном на фиг.3, первый знак является отрицательным знаком.

Связь между первым интервалом INT1 и вторым интервалом INT2 является, например, сопряженной. В другом варианте первый интервал INT1 не сопрягается с вторым интервалом INT2.

Изменение гармонических потерь Pertes_harms в роторе 26 в зависимости от роторной скорости Vrotor показано на фиг.3, при этом пунктирная кривая соответствует изменениям гармонических потерь без применения средства изменения коэффициента модуляции, а сплошная кривая соответствует изменению гармонических потерь при применении средств изменения коэффициента модуляции.

Пунктирная кривая гармонических потерь Pertes_harms содержит первый участок 60 по существу в виде параболы для значений роторной скорости Vrotor, меньших значения полной волны Vpo, и второй по существу линейный и нисходящий участок 62 для значений роторной скорости Vrotor, превышающих значение полной волны Vpo. Первый участок 60 содержит максимальное значение Pertes_max_sans для соответствующего коэффициента модуляции Tmod, по существу равного 50%.

Сплошная кривая гармонических потерь Pertes_harms по существу совпадает с пунктирной кривой при значениях роторной скорости Vrotor, которые не принадлежат к интервалам INT1 и INT2. Сплошная кривая содержит участок 64 изменения потока, соответствующий значениям роторной скорости Vrotor, принадлежащим к интервалам INT1 и INT2. Участок 64 изменения потока является по существу линейным и нисходящим и содержит значения, меньшие значений соответствующего участка 60 пунктирной кривой. Сплошная кривая содержит максимальное значение Pertes_max_avec при значении роторной скорости Vrotor, соответствующем нижней границе интервала INT1. Максимальное значение Pertes_max_avec, показанное сплошной кривой, меньше максимального значения Pertes_max_sans, показанного пунктирной кривой.

На фиг.4 кривые 70-80 отображают изменение смещенного по фазе тока Id в зависимости от роторной скорости Vrotor для значений заданного крутящего момента двигателя С, изменяющихся от 0,5% до 100% с шагом в 10%. Таким образом, кривые 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79 и 80 соответствуют заданному значению крутящего момента двигателя С, соответственно равному 0,5%, 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90% и 100%.

Сила дополнительного тока Id зависит от заданного значения крутящего момента двигателя С. Абсолютное значение силы дополнительного тока Id меньше при высоких значениях крутящего момента двигателя С, чем при низких значениях крутящего момента двигателя С.

Заранее определенное переходное значение Vt зависит от заданного значения крутящего момента двигателя С. Заранее определенное переходное значение Vt меньше при высоких значениях крутящего момента двигателя С, чем при низких значениях крутящего момента двигателя С. Заранее определенное переходное значение Vt изменяется от минимального значения Vt_min при значении крутящего момента двигателя С, равном 100%, до максимального значения Vt_max, когда крутящий момент двигателя равен 0,5%. Минимальное значение Vt_min по существу равно 1100 об/мин, а максимальное значение Vt_max по существу равно 1800 об/мин. Иначе говоря, заранее определенное переходное значение Vt понижается с 1800 об/мин до 1100 об/мин, когда значение крутящего момента двигателя С увеличивается с 0,5% до 100%. Заранее определенное переходное значение Vt не показано на фиг.4 для значений крутящего момента двигателя С, равных 90% и 100%, так как в этом скоростном диапазоне дополнительный ток Id равен нулю.

Значение полной волны Vpo по существу не зависит от заданного значения крутящего момента двигателя С и по существу равно 2800 об/мин.

Первый интервал INT1 по существу соответствует значениям от 0 об/мин до 1500об/мин, а второй интервал INT2 по существу соответствует значениям, находящимся в пределах от 1500 об/мин до 3300 об/мин.

Показанные на фиг.5 кривые 90-100 отображают изменение выраженного в процентах коэффициента модуляции Tmod в зависимости от роторной скорости Vrotor для значений заданного крутящего момента двигателя С, изменяющихся от 0,5% до 100% с шагом в 10%. Таким образом, кривые 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99 и 100 соответствуют заданному значению крутящего момента двигателя С, соответственно равному 0,5%, 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90% и 100%.

Коэффициент модуляции Tmod зависит от заданного значения крутящего момента двигателя С. Наклон участка ослабления потока меньше при низких значениях заданного крутящего момента двигателя С, чем при высоких значениях заданного крутящего момента двигателя С. В частности, участки ослабления потока для кривых 90-98 по существу параллельны между собой и имеют слабый наклон, и изменение коэффициента модуляции Tmod меньше для интервала значений роторной скорости Vrotor от 500 об/мин до 1500об/мин. Для кривых 99-100 участок ослабления потока кривой коэффициента модуляции Tmod по существу является аффинной функцией роторной скорости Vrotor, и коэффициент модуляции Tmod меняется больше в интервале значений роторной скорости Vrotor от 500 об/мин до 1500 об/мин, чем для кривых 90-98. Это связано с дополнительным током Id, который является нулевым для кривых 99 и 100, в диапазоне скорости ниже 1500 об/мин.

Аналогично фиг.4 заранее определенное переходное значение Vt меняется между минимальным значением Vt_min, по существу равным 1100 об/мин при значении крутящего момента двигателя С, равном 100%, и максимальным значением Vt_max, по существу равным 1800 об/мин, при значении крутящего момента двигателя С, равном 0,5%.

Каждая из кривых 90-100 содержит горизонтальный участок 102, отличный от участка 56 ослабления потока, показанного на фиг.3, при котором значение коэффициента модуляции Tmod является по существу постоянным и равным 95%. Этот горизонтальный участок 102 позволяет соблюдать температурные условия, которые зависят от коммутационных потерь инвертора 30. Для кривых 90-98 горизонтальный участок 102 соответствует значениям роторной скорости Vrotor, находящимся в пределах примерно от 1900 об/мин до 2700 об/мин. Для кривой 99 горизонтальный участок 102 соответствует значениям роторной скорости Vrotor, находящимся в пределах примерно от 2000 об/мин до 2700 об/мин. Для кривой 100 горизонтальный участок 102 соответствует значениям роторной скорости Vrotor, находящимся в пределах примерно от 2300 об/мин до 2700 об/мин.

Каждая из кривых 90-100 содержит участок 52 полной волны, при котором значение коэффициента модуляции Tmod является по существу постоянным и равным 100%. Значение полной волны Vpo является по существу идентичным при всех заданных значениях крутящего момента двигателя С и по существу равно 2800 об/мин.

На фиг.6 кривые 110-120 отображают изменение гармонических потерь Pertes_harms в роторе двигателя из предшествующего уровня техники, выраженных в кВт, в зависимости от роторной скорости Vrotor при заданных значениях крутящего момента двигателя С, меняющихся от 0,5% до 100% с шагом 10%. Таким образом, кривые 110, 111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118, 119 и 120 соответствуют заданному значению крутящего момента двигателя С, соответственно равному 0,5%, 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90% и 100%.

Каждая из кривых 110-120 гармонических потерь Pertes_harms содержит по существу вертикальные участки для отдельных значений Vs1, Vs2, Vs3, Vs4 и Vs5 роторной скорости. Эти вертикальные участки соответствуют большим изменениям гармонических потерь Pertes_harms, в частности, для значений Vs3 Vs4 и Vs5 роторной скорости. Трехфазное напряжение, подаваемое на двигатель, модулируют, например, по ширине импульса. Пять отдельных значений Vs1, Vs2, Vs3, Vs4 и Vs5 роторной скорости соответствуют, каждое, изменению от одной широтно-импульсной модуляции к другой широтно-импульсной модуляции.

Кривые 110-120 являются по существу близкими друг к другу, и максимальное отклонение гармонических потерь между крайними кривыми 110 и 120 по существу меньше 2 кВт при любом значении роторной скорости ниже 2000 об/мин. Между 2000 об/мин и 2500 об/мин максимальное отклонение гармонических потерь между крайними кривыми 110 и 120 по существу находится в пределах от 2 кВт до 3 кВт. Сверх 2500 об/мин максимальное отклонение гармонических потерь между крайними кривыми 110 и 120 постепенно уменьшается от 2 кВт до по существу нулевого отклонения при значениях выше 3350 об/мин.

При значениях роторной скорости между Vs3 и Vs4 гармонические потери по существу составляют от 2,5 кВт до 3,5 кВт для кривой 110 и от 4,5 кВт до 5,75 кВт для кривой 120.

При значениях роторной скорости между Vs4 и Vs5 гармонические потери по существу составляют от 5 кВт для кривой 110 до 7 кВт для кривой 120.

Гармонические потери проходят через максимум, составляющий от 8,25 кВт для кривой 110 до 10 кВт для кривой 120, при значении роторной скорости, равном Vs5.

Значение полной волны Vpo зависит от заданного значения крутящего момента двигателя С, когда средства изменения коэффициента модуляции не применяют. Значение полной волны Vpo составляет примерно от 2600 об/мин при заданном значении крутящего момента двигателя С, равном 100%, и примерно до 3350 об/мин при заданном значении крутящего момента двигателя С, равном 0,5%. Для значений роторной скорости, превышающих наибольшее значение полной волны Vpo, кривые 110-120 по существу совпадают и имеют значения гармонических потерь Pertes_harms ниже 2 кВт.

На фиг.7 кривые 130-140 отображают изменение гармонических потерь Pertes_harms в роторе 26 двигателя, выраженных в кВт, в зависимости от роторной скорости Vrotor при заданных значениях крутящего момента двигателя С, меняющихся от 0,5% до 100% с шагом 10%, Таким образом, кривые 130, 131, 132, 133, 134, 135, 136, 137, 138, 139 и 140 соответствуют заданному значению крутящего момента двигателя С, соответственно равному 0,5%, 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90% и 100%.

Аналогично фиг.4 и 5, заранее определенное переходное значение Vt меняется от минимального значения Vt_min, по существу равного 1100 об/мин при значении крутящего момента двигателя, равном 100%, до максимального значения Vt_max, по существу равного 1800 об/мин при значении крутящего момента двигателя С, равном 0,5%. Значение полной волны Vpo по существу равно 2800 об/мин для всех кривых 130-140.

Для каждой из кривых 130-140 переходное значение Vt зависит от точки изгиба соответствующей кривой гармонических потерь. Значения гармонических потерь Pertes_harms уменьшаются в значительной степени для каждой из кривых 130-140, когда роторная скорость Vrotor превышает переходное значение Vt.

Аналогично фиг.6, каждая из кривых 130-140 гармонических потерь Pertes_harms содержит по существу вертикальные участки для пяти отдельных значений Vs1, Vs2, Vs3, Vs4 и Vs5 роторной скорости, каждое из которых соответствует изменению от одной широтно-импульсной модуляции к другой широтно-импульсной модуляции. Эти вертикальные участки соответствуют большим изменениям гармонических потерь Pertes_harms, в частности, при значениях Vs4 и Vs5 роторной скорости.

Максимальное отклонение гармонических потерь между крайними кривыми 130 и 140 по существу превышает 3 кВт при любом значении роторной скорости от Vs3 до Vt_max. При значениях роторной скорости, превышающих значение полной волны Vpo, кривые 130-140 по существу совпадают и имеют значения гармонических потерь Pertes_harms ниже 2 кВт.

При значениях роторной скорости между Vs3 и Vs4 гармонические потери по существу составляют от 2 кВт для кривой 130 до 4,5 кВт - 5,75 кВт для кривой 140.

При значениях роторной скорости между Vs4 и Vs5 гармонические потери по существу составляют от 2,25 кВт - 3 кВт для кривой 130, до 7 кВт для кривой 140.

Гармонические потери проходят через максимум, составляющий от 4 кВт для кривой 130 при значении роторной скорости, равном Vt_max, до 10 кВт для кривой 140 при значении роторной скорости, равном Vs5.

Гармонические потери, соответствующие кривым 120 и 140, являются по существу идентичными при всех значениях роторной скорости.

Гармонические потери, соответствующие кривой 130, значительно меньше потерь, соответствующих кривой 110.

Таким образом, гармонические потери при применении средств изменения коэффициента модуляции тем меньше, чем ниже заданное значение крутящего момента двигателя. Гармонические потери при применении средств изменения коэффициента модуляции сравнительно намного меньше, чем потери без применения средств изменения коэффициента модуляции как при низких значениях заданного крутящего момента двигателя, так и при высоких значениях заданного крутящего момента двигателя.

Таким образом тяговая цепь 10 в соответствии с настоящим изобретением позволяет уменьшать поток Фr магнитного поля ротора по сравнению с собственным потоком Фрr ротора, когда скорость вращения Vrotor ротора принадлежит к первому интервалу INT1. Это уменьшение потока ротора Фr приводит к понижению напряжения питания двигателя. Это понижение питания двигателя 12 приводит к более медленному изменению коэффициента модуляции Tmod на участке 54 ослабления потока. На этом участке 54 ослабления потока значение коэффициента модуляции Tmod ниже 50%, что позволяет сократить гармонические потери Pertes_harms. Действительно значение коэффициента модуляции Tmod, равное 50%, является по существу значением, которое создает наибольшие гармонические потери.

Тяговая цепь 10 в соответствии с настоящим изобретением позволяет также увеличивать магнитный поток Фr ротора по сравнению с собственным магнитным потоком Фрr ротора, когда значение скорости Vrotor ротора принадлежит ко второму интервалу INT2 значений, превышающих заранее определенное переходное значение Vt. Это увеличение магнитного потока Фr ротора приводит к повышению напряжения питания и, следовательно, к более быстрому изменению коэффициента модуляции Tmod на участке 56 усиления потока. Это более значительное изменение коэффициента модуляции Tmod не приводит к увеличению гармонических потерь Pertes_harms, так как участок 56 усиления потока следует за участком 54 ослабления потока, при котором избегают значения коэффициента модуляции, равного 50%, и соответствующего ему максимума гармонических потерь.

Таким образом, понятно, что тяговая цепь в соответствии с настоящим изобретением позволяет сократить потери, вызываемые в роторе эффектом Джоуля и Фуко.

Специалисту понятно, что в целом изобретение находит свое применение для инвертора 30 многофазного напряжения, предназначенного для питания многофазного двигателя 12.

1. Тяговая цепь (10) для транспортного средства, в частности для железнодорожного транспортного средства, содержащая:
электрический двигатель (12), содержащий вал (22), статор (24) и ротор (26), при этом ротор (26) выполнен с возможностью вращения относительно оси вала (22);
систему (14) питания, получающую входное постоянное напряжение (U_DC) и выдающую на двигатель (12) многофазное напряжение, при этом система (14) имеет коэффициент модуляции (Tmod), равный амплитуде напряжения каждой фазы двигателя, поделенной на входное постоянное напряжение (U_DC), и
датчик (20) сигнала, характеризующего скорость вращения (Vrotor) ротора,
отличающаяся тем, что содержит средства изменения коэффициента модуляции (Tmod), выполненные с возможностью понижения коэффициента модуляции (Tmod) по сравнению с коэффициентом модуляции в отсутствие средств изменения коэффициента модуляции, когда скорость вращения (Vrotor) ротора принадлежит к первому интервалу (INT1) значений, меньшему заранее определенного переходного значения (Vt), и с возможностью повышения коэффициента модуляции (Tmod) по сравнению с коэффициентом модуляции в отсутствие средств изменения коэффициента модуляции, когда скорость вращения (Vrotor) ротора принадлежит ко второму интервалу (INT2) значений, превышающему заранее определенное переходное значение (Vt).

2. Тяговая цепь (10) по п.1, отличающаяся тем, что ротор (26) выполнен с возможностью генерирования собственного магнитного поля (Нрr) ротора в первом магнитном направлении (DM1) и с возможностью наложения на него другого магнитного поля (Hs2), при этом магнитное поле (Нr) ротора является суммой собственного магнитного поля (Нрr) ротора и другого магнитного поля (Hs2), при этом собственное магнитное поле (Нрr) ротора создает собственный магнитный поток (ϕpr) ротора, проходящий через ротор (26), при этом тяговая цепь содержит средства изменения потока (ϕr) магнитного поля (Нr) ротора, проходящего через ротор (26), выполненные с возможностью уменьшения потока (ϕr) магнитного поля (Нr) ротора по сравнению с собственным магнитным потоком (ϕрr) ротора, когда скорость вращения (Vrotor) ротора принадлежит к первому интервалу (INT1), и с возможностью увеличения потока (ϕr) магнитного поля (Нr) ротора по сравнению с собственным магнитным потоком (ϕрr) ротора, когда скорость вращения (Vrotor) ротора принадлежит ко второму интервалу (INT2).

3. Тяговая цепь (10) по п.2, отличающаяся тем, что система (14) питания содержит первые средства (38) генерирования главного многофазного тока (Iр), предназначенного для питания статора (24) для создания главного магнитного поля (Hs1) статора, ориентированного во втором магнитном направлении (DM2), отличном от первого магнитного направления (DM1), и вторые средства (40) генерирования дополнительного тока (Id), смещенного по фазе по отношению к главному току (Iр) и предназначенного для питания статора (24) для создания вспомогательного магнитного поля (Hs2) статора, по существу ориентированного в первом магнитном направлении (DM1), при этом дополнительный ток (Id) имеет первый знак при уменьшении потока (ϕr) магнитного поля (Нr) ротора по сравнению с собственным магнитным потоком (ϕрr) ротора, и знак, противоположный первому знаку, при увеличении потока (ϕr) магнитного поля (Нr) ротора по сравнению с собственным магнитным потоком (ϕрr) ротора.

4. Тяговая цепь (10) по п.3, отличающаяся тем, что содержит средства (18) считывания сигнала, характеризующего крутящий момент двигателя (С), причем величина дополнительного тока (Id) зависит от значения крутящего момента двигателя (С).

5. Тяговая цепь (10) по п.4, отличающаяся тем, что абсолютное значение величины дополнительного тока (Id) ниже при повышенных значениях крутящего момента двигателя (С), чем при низких значениях крутящего момента двигателя (С).

6. Тяговая цепь (10) по п.1, отличающаяся тем, что содержит средства (18) считывания сигнала, характеризующего крутящий момент двигателя (С), причем коэффициент модуляции (Tmod) зависит от значения крутящего момента двигателя (С).

7. Тяговая цепь (10) по п.1, отличающаяся тем, что заранее определенное переходное значение (Vt) превышает значение скорости вращения (V_{50%_sans}) ротора, соответствующей коэффициенту модуляции, равному 50% в отсутствие средств изменения коэффициента модуляции.

8. Тяговая цепь (10) по п.1, отличающаяся тем, что содержит средства (18) считывания сигнала, характеризующего крутящий момент двигателя (С), причем заранее определенное переходное значение (Vt) зависит от значения крутящего момента двигателя (С).

9. Тяговая цепь (10) по п.8, отличающаяся тем, что заранее определенное переходное значение (Vt) более низкое при повышенных значениях крутящего момента двигателя (C), чем при низких значениях крутящего мoмeнтa двигaтeля (C).

10. Тяговая цепь (10) по п.1, отличающаяся тем, что связь между первым интервалом (INT1) и вторым интервалом (INT2) является сопряженной.

11. Тяговая цепь (10) по п.1, отличающаяся тем, что двигатель (12) является синхронным двигателем.

12. Тяговая цепь (10) по п.11, отличающаяся тем, что синхронный двигатель (12) является синхронным двигателем с постоянным магнитом.

13. Транспортное средство, в частности железнодорожное транспортное средство, характеризующееся тем, что содержит тяговую цепь (10) по любому из пп.1-12.

14. Способ управления тяговой цепью (10) для транспортного средства, в частности для железнодорожного транспортного средства, содержащей электрический двигатель (12), содержащий вал (22), статор (24) и ротор (26), при этом ротор (26) выполнен с возможностью вращения вокруг оси вала (22), характеризующийся тем, что содержит этапы, на которых:
на двигатель (12) подают многофазное напряжение при помощи системы (14) питания, получающей входное постоянное напряжение (U_DC) и выдающей на двигатель многофазное напряжение, при этом система (14) имеет коэффициент модуляции (Tmod), равный амплитуде напряжения каждой фазы двигателя, поделенной на входное постоянное напряжение (U_DC), и
измеряют скорость вращения (Vrotor) ротора,
при этом понижают коэффициент модуляции (Tmod) по сравнению с коэффициентом модуляции в отсутствие средств изменения коэффициента модуляции (Tmod), когда скорость вращения (Vrotor) ротора принадлежит к первому интервалу (INT1) значений, меньшему заранее определенного переходного значения (Vt), и
повышают коэффициент модуляции (Tmod) по сравнению с коэффициентом модуляции в отсутствие средств изменения коэффициента модуляции (Tmod), когда скорость вращения (Vrotor) ротора принадлежит ко второму интервалу (INT2) значений, превышающему заранее определенное переходное значение (Vt).

15. Способ управления по п.14, в котором ротор (26) выполнен с возможностью генерирования собственного магнитного поля (Нрr) ротора в первом магнитном направлении (DM1) и с возможностью наложения на него другого магнитного поля (Hs2), при этом магнитное поле (Нr) ротора является суммой собственного магнитного поля (Нрr) ротора и другого магнитного поля (Hs2), причем собственное магнитное поле (Нрr) ротора создает собственный магнитный поток (ϕрr) ротора, проходящий через ротор (26),
при этом уменьшают поток (ϕr) магнитного поля (Нr) ротора, проходящего через ротор (26), по сравнению c собственным магнитным потоком (ϕрr) ротора, когда скорость вращения (Vrotor) ротора принадлежит к первому интервалу (INT1), и
увеличивают поток (ϕr) магнитного поля (Нr) ротора по сравнению с собственным магнитным потоком (ϕрr) ротора, когда скорость вращения (Vrotor) ротора принадлежит ко второму интервалу (INT2).