专利名称：电动力系统可变电压极限控制的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及牵引车辆的电动力系统，更准确地说，涉及用于增强高速驱动的电力牵引车辆的驱动功率输出的方法和装置。
牵引车辆(例如，大型拖车)的电动力系统一般包含原动机驱动的发电装置，用以将电力提供给含有一对分别以驱动关系连接到车辆上对侧轮船的高马力电力牵引电动机的电负荷。原动机一般是柴油机，发电装置通常包含大型交流发电机，其交流(AC)输出端与电力整流桥路相连接，而牵引电动机通常为速度可调的，可逆转的直流(DC)电动机。车辆操作员通过操纵速度控制踏板和正、反向选择开关来控制车辆速度和行驶方向，即向前还是向后。该速度控制踏板适合于控制发动机速度(RPM)以决定交流发电力的功率输出，从而改变加到牵引电动机上的电压幅度。在驱动或“电动回转”操作方式时，电动机的旋转速度(从而车辆的线速度)主要取决于交流发电动输出电压的大小和电动场的强度。分开激励的电动机与其这样受控以使电动机场电流幅度为电枢电流幅度的预定函数的场激励共用使用，从而仿真具有系列场的直流电动机的所要求特性。
在牵引车辆动力系统的电动回转操作方式下，电动机速度可在很宽范围内变化。在允许速度范围低端附近，各牵引电动机的反向EMF会相当低，电枢电流高，所以电动机能产生当载很重有效负载的车辆从静止加速或爬陡坡时所需的很大扭矩。相反，当电动机速度高时(当负荷车辆行驶于几乎水平的道路中或车辆为空载时为真)反向EMF高而负载电流(以及扭矩)相当低。在全部速度范围内，交流发电机通过整流桥路加到电动机电枢绕组的电压大小取决于发动机速度、交流发电机场强和该交流发电机供给电枢绕组的电流的大小，而负载电流大小取决于电动机扭矩要求。
这种动力系统的特征是对任何给定发动机速度有三个不同操作区电动机速度相当低时电流极限区，即当负载电流大时;当电动机速度在可允许速度变化全范围的中间部分变化时的恒定马力(HP)区;速度高于中间区而低于最大允许速度时电压极限区，即负载电流幅度小时。
在对装载于大型拖车上的电动力系统的各部件考虑其大小时，涉及许多相关变量。由于重量和空间限制，使用足够大的交流发电机以便在电动回转操作方式下允许电动机速度(RPM)的整个范围内将发动机能产生的100%的最大额定功率提供给牵引电动机并不实际。这种动力系统通常设计并控制为100%功率利用率。只要交流发电机输出电压不高于一确定大小(该值低于交流发电机最大允许电压)而在其它情况下功率利用率小于100%。当交流发电机电压正好等于该大小时，每个牵引电动机的速度会等于确定的“拐点”速度。拐点速度是交流发电机能够将与发动机最大额定机械功率(较小内在损耗)等价的电功率确实提供给电动机的最大电动机速度。当电动机速度超过该拐点速度时，交流发电机在其场绕组电流未增加到该机器最大连续场额定电流以上时不能输出这种等价功率。拐点速度低于由牵引电动机物理或结构限定而形成的最大允许电动机速度。交流发电机和电动机的物理尺寸通常与发动机最大额定功率和或连续使用最大功率而不超出交流发电机和电动机预定工作极限的电动机速度范围的乘积成正比。对任何给定的拐点速度和最大允许速度来说，电动力系统功能量度变为牵引电动机最大速率时可获最大额定功率的百分比。
图1说明一对串联连接的直流牵引电动机实例性的扭矩对速度之间的特性曲线，将交流发电机的整流输出电压加到上述直流牵引电动机。该特定电动机的由机械设计限制决定的最大允许速度约为每分钟2320转。由于电动机速度在全部速度范围的中间部分变化，即在约300RPM到约1300RPM之间，动力系统将工作在其恒定功率区以便将电动机马力保持在所要求恒定极限上，并假定该极限等于驱动交流发电机的发动机可用的最大额定功率。这在图1中用点O和A之间的实线所图示，可以理解该功率正比于速度和扭矩的乘积。点A表示拐点速度。要在较高电动机速度下维持相同功率，交流发电机场电流须超过其最大连续额定值。点A到点B的虚线说明拐点速度和最大允许速度间电动机速度的O到A曲线的连续的恒定的功率。然而，实际上，操作电压极限区当电动机速率增加到拐点A以上而变得有效，电动机马力减小取代了跟随恒定的HP曲线。对先有技术动力系统这可由点A和点C间的实线来表示，其中交流发电机场电流大小从其最大额定值开始减小便将交流发电机输出电压维持在如同电动机速度增加到拐点A所得到的大小。点A到C实线与点A到B虚线之间的垂直差表示不希望有的原动力的大量减小。为使电动机速度高于拐点速度时使功率减小量最小，以及为利用最大允许电动机速率时最大额定功率的较高百分比，如果可能，则要求获得这两条线之间的特征曲线，如图1中点A到D虚线所示，而交流发电机场电流未超出其最大连续额定值，电动机电枢电流未增加到预定换向极限(正比于电动机速度和电枢电流大小的乘积)并且不违背交流发电机最大输出电压极限或电动机最小激励极限(换向降级到不可接受水平之下)，这些极限确定常规牵引车辆动力系统的高速操作范围。输出给最大电动机速度的牵引电动机的功率当交流发电机输出电压达到其最大极限，电动机电枢电流在电动机速度得到其最大允许速度的同时等于其换流极限时是最佳的。输出给最大速度电动机的功率越高，有负载车辆以相应高速可爬坡越陡，因此车辆生产率越高。
本发明的一般目的是为电力推进牵引车辆提供动力系统的方法和装置，用于使高速操作时驱动功率下降最小而不增加动力系统尺寸或成本。
本发明在轮装置电动力系统中是有用的。该系统一般包括机械上以驱动关系耦合到车轮的速度可调电力牵引电动机(例如，分开激励的直流电动机)，以供能关系电耦合到电动机电枢绕组的可控电功率源(例如，柴油发动机驱动的交流发电机加上不可控整流桥路)以及用于电动机场绕组的可控激励电流源(例如，由交流发电机辅助绕组激励的相控整流桥路)。配置分别用于导出代表源电压、电动机电枢电流、电动机场电流的反馈信号的装置。该系统包括响应电压和电枢电流反馈信号的控制装置用于以这样方式控制功率电源使得只要电动机速度不超过预定拐点速度和负载电流幅度小于所要求电流极限便可在电动机速度变化时将要求的恒定的功率量供给牵引电动机。当电动机速度超过拐点速度，功率控制装置可操作以防源电压大小大于所要求电压极限，从而减小电动机速度变化允许范围的高端时功率源供给电动机的功率量。该系统还包括响应电枢和场电流反馈信号的场控制装置，用这样方式控制激励电流源使电动机场电流按电枢电流预定函数变化，电动机场强度由场电流对电枢电流幅度的比率确定。
按照本发明，前述电压极限不是一个固定值而是作为电动机电枢电流大小的函数变化。所要求的电压极限有一预定的初始大小，该大小等于当把最大额定功率供给电动机而电动机速度等于拐点速度时的源电压大小。在这一点上，电枢电流有一预定阈值大小。当电动机速度从拐点速度增加，电枢电流将从前述阈值大小降到由最大允许电动机速度的电动机换向极限确定的较小幅度，且所要求的电压极限从其初始大小上升。电压极限高过其初始幅度的量，高达预定最大值的量，与电枢电流低于其前述阈值幅度的量成正比，因此可获电压极限增加而不使功率源过热，即不会超过交流发电机场绕组的热限。作为这种方式增加要求的电压极限的结果，提供给高速电动机的功率的减小显著小于电压极限保持在其初始幅度时的情况。为与前述电枢电流较低幅度同时获得最大电动机速度(从而使最大电动机速度时功率利用最优)，可适当减小电动机场强度。为此，这样编程电动机场控制装置使得当电枢电流低于前述阈值幅度(指出电动机速度超过拐点速度)，逐步减小场电流对负载电流幅度的比率，从而使当电枢电流等于前述较低幅度时，电动机场强较弱。
为更好理解本发明，可参考以下结合附图进行的细节描述，附图中图1说明一对串联连接的直流牵引电动机的作为举例的扭矩对速度的特征曲线;
图2是电力牵引车辆的作为举例的双电动机电动力系统的功能框图;
图3是图2功率控制块的框图;
图4说明作为例子的交流发电机负载电流对交流发电机负载电压的特征曲线，该特征曲线是叠加有最大额功率输出时恒定功率操作的交流发电机电压电流曲线的交流发电机电流的函数;
图5说明作为例子的画作分开激励的直流电力牵引电动机的负载电流对E/RPM的函数的负载饱和特征曲线;以及图6为图3框图形式所示可变电压(“Vari-volt”)补偿电路一种形式的示意性表示。
图2示出的电动力系统打算物理上置于自推进牵引车辆(未示)，例如大型越野拖车上。操作员控制的节流阀例如脚踏板(未示出)，用于控制原动机11(可以是例如柴油机)的旋转速度(每分转数)。在下文除非有指出假定操作者正请求最大的发动机额定速度。发动机输出轴12驱动耦合到交流电力发生器13下文称为交流发电机的转子，该发电机有一组三相电枢或主绕组(未示出)，一对辅助(第三)绕组14和15，以及场绕组16。将交流发电机13主绕组产生的三相通常为正弦波的交变电压借助于不可控的全波整流桥路17变换为直流电压。原动机驱动的交流发电机用作一对速度可调的直流牵引电动机M1和M2的可控激励源，所述电动机M1和M2的各个电枢绕组通过接插件P和线路18，19和20在整流桥路17的输出端之间彼此串联连接。电动机M1和M2分别有独立激励的场绕组F1和F2。这些电动机的转子分别通过合适的减速齿轮以驱动关系耦合到车辆相对侧分开的轮子(未示出)上。通过适当地控制发动机11速度和交流发电机及电动机场的激励，可借助正向或反向的电动机使车辆被推动(也叫“电动回转”)或动态地被减速(也称电力减速)。
在电动回转操作方式期间，电动机M1和M2各以最初取决于其场F1、F2的激励电流大小和加到其各个电枢绕组的电压大小两者的速度旋转。其中所述电压大小是交流发电机13驱动速度、负载电流量和交流发电机场16激励电流大小的函数。只要发动机速度恒定(假设)，则交流发电机13的整流输出电压的平均大小可通过控制交流发电机场激励电流来改变。交流发电机场电流由交流发电机13的辅助绕组14通过单相全波“相位控制”整流桥路22供给。其大小限决于从常规选通脉冲发生器25通过绕组23和24提供给整流器22的周期性点火信号的时序，所述选通脉冲发生器25连接到相关功率控制装置27的输出线路26。
功率控制装置27接收表示整流桥路17输出端电压VM的第一输入信号、代表连接到该桥的电负载电流的第二输入信号即电动机M1和M2电枢绕组的电流IA，随发动机11旋转速度VS而变化(来自端21)的第三输入信号以及图2所示的其它输入。电动回转方式时，该控制装置在线26上有效地产生其值通常表示正比于VM和IA乘积的功率反馈信号与作为发动机速度函数变化的负载基准信号之间任何幅度误差的输出信号。该负载基准信号限制该交流发电机功率输出而发动机11从空转速度加速到假设的最大额定速度，如果发动机11过载并开始“停顿”或减慢，该负载基准信号也可用来减小功率输出。出现相对高的VM、IA或电动机速度时，与这些参数一合适值成正比的基本反馈信号代替了功率反馈信号，而在动态减速操作方式期间，预选的恒定基准信号代替了前述负载基准信号。线路26上的输出信号控制选通脉冲发生器25的操作从而确定场16电流大小。结果，以将负载电压调节到可获得所要求运载能力的值的方式控制交流发电机场激励。
所说明的动力系统包括用于在与常规选通脉冲发生器29相连接的输出线路28上的产生独立可变的控制信号的电动机场控制装置(标以“MOT FLD CONTROLS”)。该发生器提供周期性点火信号给连接在交流发电机13次级辅助绕组15和电动机M1和M2的场F1和F2之间的另一单相、全波、相位可控整流桥30。这两个电动机场相互串联地通过线路32和33以及极性反转开关31连接到整流器30的直流电压输出端。这样，辅助绕组15、整流器30和相关选通脉冲发生器29构成分别可控制的电动机场F1和F2的激励电流源。该电流具有可变的平均幅度，该电流在电动机场中的方向取决于反相开关31的位置。对处于实线位置的开关，电流通过场绕组F2和F1从左流到右、如图1所示，而电动机以顺时钟方向旋转。另一方面，当开关31处于虚线位置时，电流通过场绕组从右流到左而电动机以相反方向即逆时钟方向旋转。
串联连接场绕组F1和F2中激励电流的平均大小取决于通过电动机控制装置的输出线路28供给选通脉冲发生器29的控制信号的值。电动机场控制装置分别接收七条不同线路36、38、40、41、50、52和54的输入信号。线路36的输入是其值随电动机场绕组F1和F2激励电流平均绝对大小(IF)而变化的场电流信号。要导出该信号，线路36通过适当装置37耦合到线路33中的常规电流换能器用于将电流换能器的双极性输出变换为单极性电压信号，即线路36上表示为IF的信号。更具体地说，线路36上电势相对于预定基准电势例如地进行测量，其大小正比于线路33中电流安培数，其极性不管换能器输出信号对地为正还是负而保持不变。
第二输入线路38上信号的值随电动机负载电流平均幅度而变化，为获得该信号，线路38通过较高幅度选择器39耦合到一对电流换能器;这一对电流换能器分别位于从线路20到电动机M1和M2的连线上。这些换能器监视驱动第一和第二车轮的牵引电动机对M1和M2的电枢绕组的电流，并导出分别代表这些电流平均幅度的反馈信号。因此，线路38的信号实际代表两电动机负载电流IA的较大平均幅度。
第三和第四输入线40和41的信号是分别代表较慢和较快电动机实际旋转速度的速度反馈信号。这些信号由速度逻辑装置42提供，该速度逻辑装置42通过线路43和44耦合到分别和两个电动机M1和M2转子相连的一对常规速度传感器45和46。速度传感器45的输出是其值随电动机M转子角速度而变化的信号W1，速度传感器46的输出是其值随电动机M2转子角速度而变化的信号W2。由于各电动机转子以驱动关系机械耦合到车轮，这些信号也分别代表第一和第二驱动轮的角速度。最好信号W1和W2中每一个实际为幅度、脉宽恒定但具有直接正比于相关车轮速度而变化的频率的离散脉冲弗，所述速度可表示为每单位时间旋转次数或线速度，例如轮胎周边每小时里。显而易见，线路41上较快电动机反馈信号W＞的值通常代表车辆实际速度。
第5输入线路50始自表示产生所要求值的速度基准信号W＊的适宜装置的块51，到电动机场控制装置的第6和第7输入线路52和54出自减速命令块55。后一块表示希望车辆动态减速时用于在线路52上产生预定命令信号的手控装置，该装置在线路54上产生其值取决于车辆操纵者所希望动态减速的程度的减速信号。该命令信号作为操纵者踩下车辆减速脚踏板(未示出)或电动机速度超出过速设置点的结果而产生。作为对此的响应，电动机场控制从电动回转操作方式转换，其中线路28上控制信号的值对减速方式代表IF和作为IA预定函数变化的基准幅度之间的差或误差，其中控制信号值代表IF和减速基准幅度之间极限内的任何误差，所述极限是IA和实际电动机速度的预定函数，所述误差通常由线路54上减速信号所决定。同时，常规起动装置(未示出)使一对同步的触点57和58闭合从而连接线路18和20间的第一制动电阻栅格59并同时连接线路19和20间的第二制动电阻栅格60。这些电阻栅格用于消耗在动态减速操作方式期间用作发电动的各自电动机M1和M2的电功率输出。
电动机场绕组激励电流IF的大小取决于电动机场控制装置输出线路28上控制信号的数值。在电动回转操作方式下，该控制信号值根据需要增加或减小，以便为电动机电枢电流IA幅度的预定函数的IF和基准幅度组的误差减小到零。备置适当装置对该功能“编程”使IF和IA关系的斜率以及激励牵引电动机的磁场的相对强度在所有IA幅度下并不完全是同一数值。换言之，IF和IA的比率在IA较高时和IA低时并不相同。电动机场电流和电枢电流之间所要求的关系参考图5在下文加以说明。
以上归纳的电源控制装置27的某些部分以简化形式在图3中示出，这里所述的某些部分包括用于最高正值选择器的极限值输出从线路64上负载基准值中减去的求和装置62。所述求和值之间的差可如补偿装置65所要求那样修改并用作交流发电机场电流贩误差信号输入。如果最高极限值小于线路64上负载基准值，交流发电机场控制器(未示出)就根据需要增加主交流发电机13的电输出，使产生的差最小，在电动回转操作方式期间，线路64通过双稳开关装置66连接到负载基准发电机67，该发电机67连接到端21使基准值由发动机速度VS决定，而在动态减速期间，该线路通过开关装置66交变地连接到预选恒定值K1的电源68。最高值选择器63有四个输入，电压极限值V;电流极限值I;功率极限值HP;和电动机速度过载极限值MSO。这些输入的前三个从代表所要求的增益和常规补偿电路的块69中导出，这些输入分别由VM、IA及其乘积决定。
最高值选择器63从求和装置70接收其第四极限值MSO，该求和装置70的第一和第二输入分别代表实际电动机速度和置位速度“B”，该置位速度“B”由使MSO高到足以影响被求和装置62导出的误差信号值的理想最小速度确定。所以MSO包含这两上输入值的代数和。第一输入值正比例于线路41上电动机速度反馈信号W＞的值。求和装置70通过代表理想增益的块71和只在电动回转方式闭合的开关72耦合到线路41。由求和装置70从第一输入值减去的第二输入值对应于通常略低于牵引电动机最大允许速度的置位速度B。选择相当高的增益71以使速度过载极限MSO升高到足够高的值。只要当电动机速度已从前述最小速度增至过速设置点，以将来自求和装置62的误差信号减至0，尽管线路64上负载基准值为高。
图1中从原点0到点C的实线扭矩速度曲线说明图2-3所说明车辆动力系统的典型工作特性曲线。为了改善在高电动机速度时系统性能，即提高功率利用率，最好将扭矩速度曲线上升到几乎接近从点A到B的实际恒定HP的特性曲线，例如沿图1中点A到点D的直线。我们通过使要求的电压极限在电动机速度超过拐点速度时与IA和预定阈值幅度(K2)之差成比例地增大，同时减小电动机场强度(FS)来达到该理想结果而不增加物理尺寸或超出动力系统工作极限。为此，再参考图3，线路38上负载电流反馈信号耦合到可变电压补偿电路73(“可变电压”)，该电路在其输出线路74上产生代表正比于低于阈值幅度的负载电流IA的量的偏量电压VC的补偿信号。由求和装置75从代表加到电动机负载的整流的交流发电机输出电压VM的电压所馈信号中减去该补偿信号。该求和装置75得到的合成信号代表等于VM-VC的电压VM′。将后一信号耦合到增益和补偿电路69，该信号确定最高值选择器63的四个输入中的一个的电压极限值V。除非实际负载电流IA低于前述阈值，在线路74上无补偿信号产生，即VC＝0。选择阈值幅度K2等于100%功率利用率并且电动机速度恰好等于拐点速度时的负载电流的幅度。在运行的恒定功率区内，IA超过该阈值并且VC＝0。但当该系统工作在其电压极限区即当电动机速度超过拐点时，IA低于阈值而产生补偿信号。此时，交流发电机场控制器的误差信号使交流发电机场电流具有使电压极限值V与线路64上负载基准值之间的差最小所需要的任何幅度。因为电压极限值V是由VM和VC之差确定，所以输出电压VM能增加到比任一给定负载基准值(假定恒定)的电压极限区内至此成立的值要高的电平。增加量等于可变偏置电压VC。线路74上补偿信号随减小IA(低于阀值K2)而增大，直到达到对应于VC＝K3的预定最大值，而补偿电路73适当进行布局以防止补偿信号当IA继续减小时增加到该幅度以上。只要该补偿信号嵌位于该最大值，所说明功率控制的调节作用能防止输出电压VM幅度的进一步增加。
参考图4，示出的一组曲线说明整流桥路17输出端负载电压平均幅度和负载电流平均幅度之间实例性关系，所述整流桥路17由恒定速度例如1900RPM的发动机11驱动的典型交流发电机13所供电，并由标在各曲线上各种不同大小的交流发电机场电流所激励。叠在图4这些曲线上的另一曲线76说明在典型交流发电机最大额定功率输出时恒定功率操作所需要的负载电压-电流幅度关系。对具体交流发电机来说，最大连续额定场电流为2.5安培并由曲线78指出。然而，对短时间周期容许较高场电流，而且当负载电流相当高时为获得车辆起动时的最佳性能，较高场电流是必须的。例如，交流发电机需木约325安培的场电流以在600伏特下产生2500安培的负载电流。为实现沿恒定功率曲线76的操作，功率控制装置使交流发电机场电流从起动时325安培变化到各牵引电动机速度接近其拐点(见图1中点A)的200安培左右。在图4中两曲线76和78交叉处E，交流发电机场电流实际幅度等于215安培的最大连续场额定电流，负载电压和电流具有指出的幅度而获得拐点速度。当电动机速度增大到拐点速度以上时，该交流发电机如果其场电流增加未超过215安培则不能继续输出同样量的功率即图4中曲线76所表示的量。连续过量场电流会使场绕组过热并损坏交流发电机。如前文说明，该问题通过将固定极限加在交流发电机输出电压上已获得解决，从而可防止最大负载电压超过交叉点E处获得的上拐点(UCP)幅度，这样的固定电压极限由图4中线80指出，从而引起偏离于图1的恒定功率曲线，如从点A到点C直线所示。
按照本发明，电动机高速度时理想的较高功率利用率可通过将交流发电机电压增加到UCP极限以上(该UCP极限在电动机速度正好等于拐点速度时得到)以及通过减小或减弱电动机场强度来获得。图4说明负载电压VM沿从点E到第二上拐点G的较高幅度的直线82增加而交流发电机场电流仍等于或小于其最大连续额定值。较高UCP幅度等于或小于交流发电机最大输出电压极限。对所说明实例，所要求的电压极限从1700伏特左右第一UCP增加到2000伏特左右的第二较高UCP。这第一和第二电压极限幅度之差(K3)为300伏，该差值为两电动机M1到M2等分。图4也示出负载电流IA沿直线82从点E处大约1000安培的第一阈值幅度(K2)下降到点G处530安培左右的第二较低阈值幅度(K4)。
增加电压极限的好处可通过比较分别在1700伏和2000伏时输出给两串联连接的牵引电动机M1、M2的功率量的差异而表现出来。在进行这种比较之前，参见图五，该图说明可实用的典型的分别激励的直流电牵引电动机的负载饱和特性。图5中，将电动机电枢电流IA(负载电流)作为每个电动机的电枢反负EMF对角速度比率(E/RPM)的函数绘出。上曲线84表示这些带完全(100%)电动机场强度(FS)的各变量之间的关系。较下曲线86表示其与最小FS即低于该值换向便不理想的电动机场激励的关系。典型的最小场强度约57%。虚线的居中曲线88对应于交流发电机输出电压VM(图4中点E)第一UCP幅度时的典型的弱的但安全的FS，大约为全部FS的80%。垂直线90指出IA可具有的而不超过当电动机运行在其最大允许速度时的电动机的换向极限的最大幅度。线90最好与负载电流IA的第二阈值幅度K4一致并确定电压VM的第二UCP幅度(图4中点G)。电动机通常在曲线84实线部分84a的右手侧处即在高的电流幅度和完全场强度处开始运行。当电动机速度和反向EMF(反电动势)增加时，IA下降，在电动机中开始维持场电流幅度与电枢电流幅度的所要求的恒定比率(IF/IA)，E/RMP和IA之间的关系如实线84a指出。当IA从线84a的确定的点92下降到图5中点93指出的较低幅度时，通过将IF/IA从其恒定的完全场比率下降到其给定小数例如0.8的较低比率而使该电动机场强度逐渐减弱，而E/RMP和IA之间的关系由互连两点92和93的线94指出。点93对应于电动机速度拐点(见图1中点A)和负载电压的第一UCP幅度(见图4中点E)。在其断点92处，IA的幅度例如是1150安培，允许将电动机场强度以所要求的恒定速率从点92的100%FS变化到较低的给定FS例如点93的80%FS。该实例中所用的80%FS可能对不同的电动机结构是不同的。当每个牵引电动机从拐点速度加速到其最大允许速度时，IA继续减小。按照本发明，当IA从点93下降到由图5中垂直线90指出的最大速度换向极限例如大约530安培时，通过逐步将IF/IA减到一个新的比率(为完全场比率的较小的预定小数)而将电动机场进一步减弱(但其变化速率小于IA从点92降到93场合下的速率)。选择新的IF/IA比率使得当IA等于其换向极限时，减弱的场具有预定强度，例如大约63%FS，可见低于点93给定的FS但不低于前述最小场强度(曲线86)。从点93到线90的E/RMP和IA之间关系用图5中线95指出。
在先有技术的动力系统中，当电动机速度增加到拐点速度以上、IA减小到图5中点93处其幅度以下时，该电动机场强度通常保持不变(跟踪虚的曲线88)，而将交流发电机输出电压嵌位在固定极限例如1700伏特。如果恒定场强度为80%而固定电压极限为每个电动机850伏特，则电动机速度在IA＝530安培时只能到达大约1635转/分。为了跟踪对最大允许电动机速度的80%FS特性，IA就要下降至330安培左右而电动机产生小许多的扭矩。并且可以看到，减小场强度以获得850伏特时最大电动机速度可导出FS低于最小可接受弱场激励的57%。点96表示在该点可以850伏和530安培获得最大速度的场强度(大约45%)。
为理解上述极限的效果，考虑将2350有效马力输出到交流发电机13的柴油发动机11、以80%场强度和2320转/分的最大允许速度下运行的一对直流牵引电动机以及保持80%FS并使电动机在IA等于大约330安培时产生最大速度的先有技术的电动力系统。交流发电机在最大速度时输出给两个电动机的最大功率正比于1700伏特和330安培的乘积，即大约561千瓦特(KW)。如将电压提高到2000伏特即对两个串联连接的电动机来说是每个电动机1000伏特，并且要是IA增加到最大速度时的530安培的换向极限时，便在在63%FS处获得该速度(高于最小允许弱场激励)而产生2000x530或约1060KW的功率输出，约为先有技术系统功率利用率的两倍。
如有要求，可仅通过提高交流发电机电压极限而不改变场强度来提高功率利用率。例如，对80%FS和2000伏特，可证明在390安培时得到最大电动机速度，而产生2000x390或780KW的功率输出。比先有技术的系统增加40%。如在将电压极限固定在1700伏的同时减小电动机场强度，由于场强度必须减小到低于最小极限的57%，所以不能在530安培时得到最大电动机速度。例如，对其特性如图5所示的电动机来说，530安培时的最大速度需大约45%的场强度。由于该场强度小于最小弱场激励57%，不允许将场强减少这样多。具有固定电压极限和最小场强度的最大速度比80%场强度的先有技术的系统的功率只增加33%。
再次参考图2-3，功率控制装置27中的交流发电机场调节器响应来自补偿装置65的误差信号以按需要改变电压VM幅度使该误差最小。该误差信号反映线64上负载基准值(假设恒定)与四个极限值V、HP、I和MSO中最大一个之间的差值。只要当电动机速度超过拐点速度并且不超过前述设置速度B，则极限值V会高于另三个，此刻该系统工作在其电压极限区使得VM不超过由负载基准值所确定的理想极限。在图4所示和上面讨论的实例中，当实际电动机速度等于拐点速度时理想极限为1700伏特，选择使VM幅度与电压极限值V有关连的增益使得当VM＝1700时V正好等于负载基准值。如果只由VM幅度确定V，如在本文公开的这种先有技术的动力系统那样，可将VM维持在通过电压极限区的该同一极限值。但是，本发明利用“可变电压”补偿电路73以导出负载电流相关的补偿信号，该补偿信号是用前面说明的方式从负载电压反馈信号中减去的，从而使VM提高到理想极限值，该理想极限值不是固定的但随电动机速度增加到拐点以上时而增加同时不使极限V增加到负载基准值以上。该增加的电压极限最好增加输出给其速度接近最大允许电动机速度的牵引电动机的最大额定功率的百分比。为有利于本发明的描述，尽管已假设运转电压极限区有效地通过拐点速度和最大速度之间的电动机速度变化范围，实际上如果前述设置速度B低于最大速度，交流发电机输出电压不能达到在最大电动机速度的较高UCP极限(VM＝2000)并实际上可通过电动机速度过载极限值MSO的作用减小到零。
可变电压补偿电路73的一种形式在图6中以简化原理表示加以示出。该电路一般需要的各种无源元件例如偏置和耦合电阻器和电容器对本领域技术人员是熟知故而已略去以简化描述。代表电动机负载电流IA的线路38上的输入信号耦合到求和装置100，在该装置中从线路102上的另一信号减去该输入信号。线路102上的信号从适宜装置103中导出，并且其预定的不变幅度对应于IA的前述阈值大小K2。所以从求和装置100得到的合成信号其幅度与IA和K2的差值成正比，其符号当IA大于K2时为负，当IA小于K2时为正。该信号加到反相放大器104，放大器104的输出端通过电阻器105和线路106耦合到另一反相放大器107的输入端。线路38的电流反馈信号也耦合到放大器108的第一输入端。备置有合适的装置109，用其预定的不变幅度对应于负载电流IA的第二阈值幅度K4的信号提供给放大器108的第二输入端。K4小于K2。只要IA大于K4，放大器108有一正输出，当IA减小到K4，其输出变成负的。将放大器108的输出通过电阻器110和二极管111耦合到线路106，该二极管111极性为该输出为负时导通。
将来自求和装置100的放大并反相的差值信号由第二放大器107再次反相并通过隔离二极管112送到线路113。将线路113连接到放大器114非反相输入端。将放大器114的输出端通过二极管116耦合到输出线74，在该线路上产生代表偏置电压VC的补偿信号。阻器117互连输出线路74和具有相对正的恒定电压的控制电源总线+V。只要二极管116处于导通状态，线路74上补偿信号值由放大器114的输出值确定。将零输出电压嵌位电路118连接到线路113以保证只要来自求和装置100的合成信号为负，即只要IA高于K2时，将放大器114的输入嵌位于基准电压例如零伏特。嵌位电路118包含反相放大器120。该放大器的非反相输入端连接到基准电压线路如地，其反相输入端直接连接到线路113，而输出端通过二极管122连接到相同线路113，该二极管在线路113的电压相对于地为正时处于非导通或阻塞状态。因此，只当IA小于K2时，在线路74上产生补偿信号，这时，补偿信号幅度跟踪IA和K2间的差量。
为了限制补偿信号的偏移为预定最大值，将最大值嵌位电路124连接到补充电路73的输出线74。嵌位电路124包含其非反相输入端连接到用于产生以应于可变偏置电压VC的理想最大幅度K3的预定的恒定数值的信号的适合装置128，其反相输入端直接连接到线路74、而其输出端通过二极管130连接到同一线路74。当放大器114的正输出值低于装置128提供的信号的预定的恒定值，即，当VC小于K3时，二极管130处于非导通或阻塞状态，否则二极管130导通，二极管116处于阻塞状态，线路74的补偿信号数值由放大器126的恒定输出值确定，而VC保持和K3相等。实际上，二极管116和130构成了一最小值选择器电路，该电路将相应放大器114和126的正输出值中较低的一个选作补偿信号。放大器114的输出达到当IA比K2低于一定量时启动上述嵌位动作的预定数值。选择前述第二阈值幅度K4，使之基本上等于K2减去该一定量。这样，IA实际上降到K4同时电路124的嵌位作用生效。作为IA降到K4的结果，放大器108的输出从正变化到负，二极管111从阻塞变化到导通状态，将一大的负信号加到反相放大器107的输入端，驱动该放大器的输出达到其饱和(最大)电平，放大器114的输出突然上升到启动嵌位动作的预定数值上。放大器114输出值的这种阶跃增加确保了二极管116一定处在阻塞状态，从而“锁入”(Latchingin)最大值嵌位电路。
为在动态制动时禁止补偿电路73工作，将NPN晶体管开关132连接在线路74和地之间。晶体管开关132的控制端连接到双稳态比较器134的输出端。提供合适的装置136，用于将对应于第三相当低的负载电流IA的阈值幅度K5的预定不变的正的数值信号提供给比较器134的第一输入端。K5低于K4。将表示IA的反馈信号耦合到该比较器另一输入端。如IA为正并低于K5，或如果IA为负(如在动态制动时)，比较器13会处于其输出为高或“1”的第一状态，因此晶体管开关132选通为导通。只要开关132为导通或“通路”，线路74为地电平并且设有补偿信号，即VC＝0。然而，如果IA为正并高于K5(如同在电动回转操作方式期间)，那么比较器135处于低或“0”输出状态，使开关132不导通。
总的说来，当动力系统运行在其电压极限区以提供允许电源电压VM理想极限从其第一UCP幅度(图4中点E)与负载电流IA降到低于其阈值幅度K2的量成比例(图4中点E及图5中点93)地增加到较高UCP幅度(图4中点G)的可变偏置电压VC时，上述可变电压功能起作用。如前所述，和将电压极限固定于第一UCP幅度的先有系统相比最好在电动机速度超过拐点速度时增加交流发电机输出到牵引电动机的最大额定功率的百分比。为在VM等于其较高UCP幅度时优化输出到电动机的功率量，安排电动机场控制装置以改变IF与IA的比率使得电动机场致发光中度从IA＝K2(图5中点93)时给定的FS改变为IA等于其第二个由在最大允许电动机速度时电动机换向极限建立的较低阈值幅度K4(图5中线90)时的预定的较弱FS。结果，该电动机在电源电压达到其较高UCP幅度的同时达到其最大速度。
尽管在说明性实施例中对本发明原理已作清楚说明，但对本领域技术人员来说，很显然的是在实施本发明时可对以上说明中的电路、布局和元件作许多变动，以开发出另外的适合于特定运行要求的实施例而不偏离以下权利要求书提出的本发明的实质和范围。
权利要求
1.一种用于增加在高速行驶时轮牵引车辆所用的牵引功率的方法，该车辆的电动力系统包括至少一个机械上以驱动关系耦合到该车轮的速度可调的电力牵引电动机，一个其输出以供能关系电耦合到电动机的可控电功率源，用于提供分别表示源电压和电动机负载电流的反馈信号的装置，用于响应反馈信号以这样方式控制功率源以便只要电动机速度不超过预定拐点以及负载电流幅度小于理想电流极限随电动机速度变化、将理想的恒定功率量提供给牵引电动机并使电源电压幅度在电动机速度超过拐点速度时不大于理想电压极限的控制装置，所述方法包括以下步骤如负载电流低于预定阈值幅度改变作为负载电流幅度的函数的理想电压极限使得电压极限与负载电流降到所述阈值幅度以下的量成比例地增加到第一预定幅度以上，防止理想电压极限增加到高于所述第一幅度的第二预定幅度以上。
2.如权利要求1的用于其电力源包含通过控制交流发电机场电流幅度来改变其输出电压的原动机驱动的交流发电机的动力系统，其特征在于电压极限改变步骤包括控制交流发电机场电流使得电源电压幅度跟踪变化的电压极限而不使交流发电机场电流超过其最大连续额定电流。
3.如权利要求1的方法，其特征在于当电动机速度等于拐点速度时，所述阈值幅度为负载电流的幅度。
4.如权利要求3的方法，其特征在于通过从电压反馈信号中减去与负载电流较低时负载电流幅度与所述阈值幅度之差值成正比的补偿信号来增加理想电压极限。
5.如权利要求3的方法，其特征在于当负载电流下降到等于最大允许电动机速度时牵引电动机换向极限的幅度时达到所述第二个较高理想电压极限。
6.一种为轮牵引车辆的电动力系统所使用的改进，所述电动力系统包含至少一个适合于机械上以驱动关系耦合到车辆轮子的速度可调的电力牵引电动机，连接的将电功率提供给牵引电动机的可控电力源，用于导出分别表示源电压和电动机负载电流的电压和电流反馈信号的装置，用于响应反馈信号以这样方式控制功率源以便只要电动机速度不超过预定拐点以及负载电流幅度小于理想电流极限时随电动机速度变化、将理想的恒定功率量提供给牵引电动机并使电源电压幅度在电动机速度超过拐点速度时不大于理想电压极限的控制装置，所述改进包括附加装置，该附加装置响应负载电流反馈信号用于当负载电流低于预定阈值幅度时自动改变作为负载电流幅度的函数的理想电压极限。
7.如权利要求6的为动力系统所用的改进，所述动力系统的牵引电动机具有连接到可控激励电流源的独立激励场绕组，所述动力系统包括用于导出代表电动机的场电流的第二电流反馈信号的装置，以及响应两个电流反馈信号以这样方式控制激励电流源使电动机场电流的幅度按负载电流幅度的预定函数变化的装置，电动机场强度由场电流与负载电流幅度的比率确定，所述改进的特征在于，当负载电流下降到所述预定阈值幅度以下时减小场电流与负载电流幅度的比率。
8.如权利要求6的改进，其特征在于所述附加装置对在第一预定幅度和较高预定幅度之间改变所述电压极限是有效的，高于所述第一幅度的变化量与负载电流下降到所述预定阈值幅度以下的量成正比。
9.如权利要求8的为动力系统所用的改进，该动力系统的牵引电动机具有高于拐点速度的预定最大允许速度以及在电动机运转于最大速度时建立负载电流极限的预定换向极限，所述改进的特征在于所述阈值幅度是电动机速度等于拐点速度时负载电流的幅度，并高于最大速度时电动机换向极限形成的负载电流极限，所述第一预定电压极限幅度为电动机速度等于拐点速度时电源电压的幅度，所述较高预定幅度为电动机速度最大时电源电压的幅度，并且负载电流等于所述上面提到的负载电流极限。
10.如权利要求8的为动力系统所用的改进，其中电流包含原动机驱动的交流发电要和将由功率控制装置确定的可变幅度的电流供给交流发电机场绕组的激励装置，所述改进的特征在于所述第一预定电压极限幅度等于交流发电机场电流等于其最大连续场额定时以及将所述理想恒定功率供给牵引电动机时交流发电机能够产生的电源电压的最大幅度。
11.如权利要求8的改进，其特征在于所述附加装置对防止所述电压极限增加到所述较高预定幅度以上是有效的。
12.如权利要求8的改进，其特征在于所述附加装置包含用于产生与负载电流低于所述阈值幅度的量成正比的补偿信号的装置，以及用于从电压反馈信号减去所述补偿信号以导出当电动机速度超过拐点速度时控制装置在执行其电压限制功能中所使用的差值的装置。
13.如权利要求12的改进，其特征在于所述补偿信号产生装置对防止所述补偿信号的值增加到超过对应于所述第一和所述电压极限的较高预定幅度之间差值的预定最大值是有效的。
14.如权利要求13的改进，其特征在于所述补偿信号产生装置包括导出随负载电流低于所述预定阈值大小的量而变化的第一数值的第一装置，用于提供和所述预定最大值相同的第二数值的第二装置，以及用于从所述第一和第二数值选择较小值用作所述补偿信号的第三装置。
15.如权利要求14的改进，其特征在于所述补偿信号产生装置还包括和所述第一装置相连以响应负载电流下降到低于其第一提及阈值幅度的预定第二阈值而进行所述第一电压的阶跃增加的装置。
16.如权利要求14的改进，其特征在于所述补偿信号产生装置与包括用于确保当负载电流高于其第一提及的阈值幅度时所述补偿信号数值为零的装置。
全文摘要
用于优化由原动力驱动电力交流发电机在高速运转期间输出到速度可调电牵引电动机的功率的方法和装置。适当控制该交流发电机以便当其输出电压未超过第一预定幅度时输出恒定功率否则限制该电压幅度。当电动机速度超过拐点速度，输入较小功率。高达预定最大量的电压的电压极限增加量正比于当电动机速度等于拐点速度时电动机负载电流低于其幅度的量。在该电压极限增大的同时，电动机场电流幅度与负载电流的比率减小，从而减弱了电动机场，使电动机以其最大允许速度运转而不会超过电动机换向极限。
文档编号B60L11/06GK1055328SQ9110208
公开日1991年10月16日 申请日期1991年3月27日 优先权日1990年3月30日
发明者保罗·R·霍肯松, 爱德华·S·马图列维奇 申请人:通用电气公司