CN101549650A - 铁道车辆的驱动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种铁道车辆的驱动装置，其中借助切换装置(9)向第1电力变换机构(3)输入交流发电机(2)产生的交流电力，将该直流电力通过第2电力变换机构(4)变换为交流电力，借助切换装置驱动交流电动机(5)，蓄电装置(8)连接于第1电力交换机构和第2电力交换机构之间的直流部分，在任一电力交换机构发生故障的情况下，使执行交换器动作的健全的电力交换机构连接交流发电机，对蓄电装置进行充电，在蓄电装置处于足够的蓄电状态的情况下，使健全的电力交换机构执行逆变器动作，通过蓄电装置的蓄电能量驱动交流电动机，使铁道车辆加速。因此，当一方的电力变换机构发生故障时，能够持续自激行驶并将运行时刻表的混乱抑制在最小限度。

Description

铁道车辆的驱动装置
技术领域
本发明涉及铁道车辆的驱动装置，尤其涉及将交流电力变换为直流电力，再将该直流电力变换为交流电力、以驱动电动车的技术。
背景技术
行驶在被交流电化的铁道路线上的铁道车辆，一般采取以下方式，即：将从电车线上获取的交流电力通过变换器变换为直流电力，用逆变器变换为交流电力来驱动交流电动机。图9中示出利用一般的变换器/逆变器***的电动车驱动装置的基本构成图。由集电装置13输入的交流电力，通过电压变换装置12降压或升压为规定的电压，通过第1电力变换机构(变换器装置)3将其变换为直流电力。该直流电力，通过第2电力变换机构(逆变器装置)4将其变换为交流电力，驱动交流电动机5，并借助减速机6使车轮7旋转，从而使铁道车辆加速。
另外，对于图9的***而言，也可以考虑以下铁道车辆的驱动装置，即：取代集电装置13及电压变换装置12，而在车辆上搭载引擎和交流发电机，通过由引擎驱动的发电机获得交流电力，即使是非电化的路线也能行驶。
在将图9所示的现有的变换器/逆变器***适用于地方路线等不需要大的搬运能力的铁道车辆的情况下，多数情况下在一个编组中只需一台变换器/逆变器***就足够了。但是，这种***的情况下，在变换器或逆变器发生了故障的阶段，存在着不能自激行驶的问题，若在营业路线上发生故障，则不仅该车辆的运行中止，也招致运行时刻表的大幅度混乱。另外，在车辆于隧道内或桥上抛锚的情况下，不能使乘客下车，存在着安全隐患。
该问题虽然可以通过分散变换器/逆变器、以提高***的冗余性来回避，但是，这将导致***成本的大幅度增加或导致大型化，除此之外，根据情况的不同也存在着不能确保设备的设置空间的问题，处于难以实现的状况。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种具备变换器/逆变器***的铁道车辆的驱动装置，其即使在变换器或逆变器的任一个发生故障的情况下都能实现自激行驶，将运行时刻表混乱降到最小，而不会抛锚。
在利用变换器/逆变器***的铁道车辆的驱动装置中，具备：连接变换器和逆变器之间的直流部分的蓄电装置，设置对变换器及逆变器的交流侧电路进行交替切换的切换机构，在变换器或逆变器的任一方发生故障的情况下，使正常的变换器或逆变器作为变换器动作，以在蓄电装置中蓄积能量，在对铁道车辆提供了加速指令的情况下，使正常的变换器或逆变器作为逆变器动作，通过上述蓄积能量来驱动交流电动机。
综上所述，根据本发明，在通过第1电力变换机构(变换器装置)和第2电力变换机构(逆变器装置)的组合来驱动铁道车辆的变换器/逆变器***中，在第1电力变换机构(变换器装置)或第2电力变换机构(逆变器装置)中的任一个发生故障的情况下，通过利用健全的电力变换机构，切换进行基于变换器动作的蓄电装置充电动作和基于逆变器动作的加速动作，从而能够持续铁道车辆的自激行驶。结果，将***发生故障时运行时间表的混乱抑制在最小限度，除此之外，也能防止隧道内或桥上的抛锚，可以提供安全的铁道车辆驱动***。
附图说明
图1是本发明铁道车辆的驱动装置的第1实施方式的基本构成图。
图2是本发明第1实施方式的控制装置的构成图。
图3是本发明第1实施方式的通常的加速动作说明图。
图4是本发明第1实施方式的逆变器装置故障时的蓄电装置充电动作说明图。
图5是本发明第1实施方式的逆变器装置故障时的加速动作说明图。
图6是本发明第1实施方式的变换器装置故障时的蓄电装置充电动作说明图。
图7是本发明第1实施方式的变换器装置故障时的加速动作说明图。
图8是本发明的第2实施方式。
图9是表示现有的电动车的基本构成的图。
图中：1-引擎，2-交流发电机，3-第1电力变换机构(变换器装置)，4-第2电力变换机构(逆变器装置)，5-交流电动机，6-减速机，7-车轮，8-蓄电装置，9-切换装置，10-断路器，11-控制装置，12-电压变换装置，13-集电装置。
具体实施方式
以下，利用附图对本发明涉及的铁道车辆的驱动装置的实施方式加以说明。
图1是表示本发明涉及的铁道车辆的驱动装置的第1实施方式的基本构成的图。该铁道车辆的驱动装置构成为具有：引擎1；由引擎1驱动的交流发电机2；切换装置9；可以将交流电力与直流电力相互变换且通常作为变换器装置运转的第1电力变换机构3；可以将交流电力与直流电力相互变换且通常作为逆变器装置运转的第2电力变换机构4；交流电动机5；减速机6；车轮7和蓄电装置8。
引擎1输出基于图示省略的控制装置的指令的轴扭矩。交流发电机2以引擎1的轴扭矩为输入并将其变换为交流电力后输出。切换装置9通常将交流发电机2连接到第1电力变换机构(变换器装置)3的输入。第1电力变换机构(变换器装置)3以从交流发电机2输出的交流电力为输入，并将其变换为直流电力后输出。第2电力变换机构(逆变器装置)4以从第1电力变换机构(变换器装置)3输出的直流电力为输入，将其变换为交流电力后输出。切换装置9通常将交流电动机5连接到第2电力变换机构(逆变器装置)4的输出。交流电动机5以第2电力变换机构(逆变器装置)4输出的交流电力为输入，将其变换为轴扭矩后输出。减速机6根据转速的减速将交流电动机5输出的轴扭矩放大后输出，以驱动车轮7，对铁道车辆进行加减速。
蓄电装置8连接为：从第1电力变换机构(变换器装置)3和第2电力变换机构(逆变器装置)4之间的直流部输入直流电力，或者对第1电力变换机构(变换器装置)3和第2电力变换机构(逆变器装置)4之间的直流部输出直流电力。通过该构成能够实现以下的动作。
在***正常的情况下，对铁道车辆提供加速指令时，通过引擎1及发电机2得到的交流电力，由作为变换器装置运转的第1电力变换机构3变换为直流电力。该直流电力和蓄电装置8蓄积的直流电力一起，作为逆变器装置运转的第2电力变换机构4输出交流电力，驱动交流电动机5，并借助减速机6向车轮7提供旋转力。
另一方面，在对铁道车辆提供减速指令时，使交流电动机5实施发电机动作，使第2电力变换机构4作为变换器装置运转，将产生的交流电力变换为直流电力。用蓄电装置8回收该直流电力，或者使第1电力变换机构3作为逆变器装置运转将其变换为交流电力，使交流发电机2作为电动机运转，将引擎从发电机侧开始驱动，起到熄灭引擎的作用，车轮7能够得到制动力，铁道车辆减速动作。
其次，对图1中的第1电力变换机构(变换器装置)3或第2电力变换机构(逆变器装置)4发生了故障时的动作加以说明。
图1中，正常时，作为变换器装置的第1电力变换机构3及作为逆变器装置的第2电力变换机构4，分别经由切换装置9而连接交流发电机2和交流电动机5。在第1电力变换机构(变换器装置)3或第2电力变换机构(逆变器装置)4中的任一个发生了故障(故障时)的情况下，都使切换装置9动作，第1电力变换机构3连接交流电动机5，第2电力变换机构4连接交流发电机2。因为第1电力变换机构3或第2电力变换机构4，无论哪个都有变换器和逆变器两方的功能，所以无论第1电力变换机构3或第2电力变换机构4中的哪个发生故障的情况下，都可以将健全的电力机构连接交流发电机2，使其实施变换器动作，对蓄电装置8进行充电。对铁道车辆提供加速指令时，将上述健全的电力变换机构连接交流电动机5并使其实施逆变器动作，通过蓄积在蓄电装置8中蓄积的能量来驱动交流电动机5，从而能够使铁道车辆加速。
图2是表示本发明第1实施方式中的控制装置的构成的图。引擎1输出基于控制装置11的指令Seg的轴扭矩。交流发电机2以引擎1的轴扭矩为输入，将其变换为交流电力后输出。
切换装置9由两组切换装置9a、9b组成，根据来自控制装置11的切换指令Sse执行切换动作。控制装置11监视切换装置9的状态信号Ssef，确认完成了切换动作之后进行各种控制的切换。通常动作中，向第1电力变换机构(变换器装置)3提供变换器控制指令Sc，第1电力变换机构(变换器装置)3以从交流发电机2输出的交流电力为输入，将其变换为直流电力后输出。
向第2电力变换机构(逆变器装置)4提供逆变器控制指令Si，第2电力变换机构(逆变器装置)4，以从第1电力变换机构(变换器装置)3及蓄电装置8得到的直流电力为输入，将其变换为交流电力后输出。
交流电动机5以第2电力变换机构(逆变器装置)4输出的交流电力作为输入，将其变换为轴扭矩后输出。减速机6按照转速的减速将交流电动机5的轴扭矩输出放大后输出，分别驱动车轮7，以对铁道车辆进行加减速。
控制装置11根据蓄电装置8的充电状态信号Schg进行***的控制。并且，代替蓄电池的充电状态信号Schg，也可以根据蓄电装置的输入输出电流和直流部电压来求出蓄电状态。
断路器10是为了切断第1电力变换机构(变换器装置)3、第2电力变换机构(逆变器装置)4、蓄电装置8之间的电路而设计的。无论在第1电力变换机构(变换器装置)3、第2电力变换机构(逆变器装置)4或者蓄电装置8哪个发生故障的情况下，根据来自控制装置的断路器动作指令Scs都能够打开与该设备连接的断路器。在控制装置11中，监视断路器的状态信号Scsf，进行***的控制。并且，图2中切换装置9a、9b作为1个接点的开关，实际上需要所连接的交流发电机2、交流电动机5的交流相数份的接点。另外，可以使切换装置9a、9b连动，也能够省略切换装置9的状态信号Scsf。
以下，对本发明的实际动作的一例进行说明。图3是表示图2的构成中铁道车辆进行通常的加速动作的状态的图。图3中，切换装置9a置于“正常”位置，通过引擎1～感应发电机2得到的交流电力被输入到第1电力变换机构(变换器装置)3。断路器10全是“开”的状态，第1电力变换机构(变换器装置)3变换后的直流电力被输入到第2电力变换机构(逆变器装置)4，再次被变换为交流电力。
并且，在上述第1电力变换机构(变换器装置)3产生的直流电力远远小于使铁道车辆加速所需的电力时，需要从蓄电装置8补足直流电力。切换装置9b置于“正常”位置，从第2电力变换机构(逆变器装置)4输出的交流电力被输出到交流电动机5，交流电动机5借助减速机6驱动车轮7，使铁道车辆加速。
其次，对第1电力变换机构(变换器装置)3或第2电力变换机构(逆变器装置)4发生了故障时的动作进行说明。
首先，利用图4及图5对图3中第2电力变换机构(逆变器装置)4发生了故障的情况下的动作进行说明。图4是表示在图3中第2电力变换机构(逆变器装置)4发生故障且蓄电装置8处于蓄电量不足的状态时的蓄电装置充电动作的图。图5是表示图3中第2电力变换机构(逆变器装置)4发生故障且蓄电装置8的蓄电量充足时的加速动作的图。
图4中，控制装置11基于来自蓄电装置8的充电状态信号Schg，在蓄电装置8成为铁道车辆能够加速的充电状态之前，向引擎1输出指令Seg，向第1电力变换机构(变换器装置)3输出变换器控制指令Sc。结果，如图4中的虚线箭头所示，按照引擎1～交流发电机2～切换装置9a～第1电力变换机构(变换器装置)3～断路器10b～断路器10a～蓄电装置8的线路对蓄电装置8进行充电。此时，断路器10c为“关”，向第2电力变换机构(逆变器装置)4输出逆变器无控制指令Soi，以使第2电力变换机构(逆变器装置)4不动作。
图5中，控制装置11在蓄电装置8处于足够使铁道车辆加速的充电状态的情况下，向铁道车辆提供加速的指令，按照指令Sse将切换开关9a切换为“故障”侧。其次，控制装置11向第1电力变换机构(变换器装置)3输出逆变器控制指令Si，驱动交流电动机5。此时，控制装置11向引擎1输出指令Segs，引擎停止或呈空转状态。结果，如图5虚线箭头所示，按照蓄电装置8～断路器10a～断路器10b～第1电力变换机构(变换器装置)3～切换装置9a～交流电动机5～减速机6～车轮7的路线，蓄电装置的蓄积能量被变换成车轮7的旋转力，使铁道车辆加速。
并且，虽然通过加速动作使得蓄电装置8的蓄电量逐渐降低，在某个时刻将不能加速，但在有必要进一步加速的情况下，通过按照上述的图4所示的动作对蓄电装置8进行充电，从而能够实现再次加速。这样，图3中即使在第2电力变换机构(逆变器装置)4发生故障时，通过使第1电力变换机构(变换器装置)3执行逆变器动作或变换器动作，从而能够防止车辆的抛锚。
接着，利用图6及图7，对图3中的第1电力变换机构(变换器装置)3发生故障的情况下的动作进行说明。图6是表示图3中第1电力变换机构(变换器装置)3发生故障且蓄电装置8的蓄电量处于不足状态时的蓄电装置充电动作的图。图7是表示图3中的第1电力变换机构(变换器装置)3发生故障且蓄电装置8的蓄电量充足时的加速动作的图。
图6中，控制装置11基于来自蓄电装置8的充电状态信号Schg，在蓄电装置8处于铁道车辆能够加速的充电状态之前，按照指令Sse将切换开关9a切换为“故障”侧，向引擎1输出指令Seg，向第2电力变换机构(逆变器装置)4输出变换器控制指令Sc。结果，如图6中的虚线箭头所示，按照引擎1～交流发电机2～切换装置9b～第2电力变换机构(变换器装置)4～断路器10c～断路器10a～蓄电装置8的线路，对蓄电装置8进行充电。此时，断路器10b为“关”，向第1电力变换机构(变换器装置)3输出变换器无控制指令Soc，以使第1电力变换机构(变换器装置)3不动作。
图7中，控制装置11在蓄电装置8处于足够使得铁道车辆加速的充电状态的情况下，向铁道车辆提供加速的指令，按照指令Sse将切换开关9a切换为“正常”侧。其次，控制装置11向第2电力变换机构(逆变器装置)4输出逆变器控制指令Si，驱动交流电动机5。另外，控制装置11向引擎1输出指令Segs，使引擎停止或处于空转状态。结果，如图7的虚线箭头所示，按照蓄电装置8～断路器10a～断路器10c～第2电力变换机构(逆变器装置)4～切换装置9b～交流电动机5～减速机6～车轮7的路线，将蓄电装置8的蓄积能量变换成车轮7的旋转力，以使铁道车辆加速。
虽然通过加速动作而使得蓄电装置8的蓄电量逐渐降低，在某个时刻将不能加速，但在有必要进一步加速的情况下，通过按照上述的图6所示的动作对蓄电装置8进行充电，从而能够实现再次加速。这样，图3中即使在第1电力变换机构(变换器装置)3发生故障时，只要通过使第2电力变换机构(逆变器装置)4执行逆变器动作或变换器动作，就能够防止车辆的抛锚。
综上所述，根据本发明，无论是第1电力变换机构(变换器装置)或第2电力变换机构(逆变器装置)哪个发生故障的情况下，都能够凭借健全的电力变换机构切换进行基于变换器动作的蓄电装置充电动作和基于逆变器动作的加速动作，能够持续铁道车辆的自激行驶。
在实际的铁道车辆运行中，例如在停止加速指令而因为惯性行驶的期间内或停车期间内，若进行图4或6所示的蓄电装置的充电动作，则能够减少运行时刻表的延迟，能够将时刻表的混乱抑制在最小限度内。
另外，在即使提供加速指令，蓄电装置的蓄电量也降低而不能进行加速动作的情况下，通过使健全的电力变换装置停止逆变器动作，而执行变换器动作对蓄电装置进行充电，从而能够抑制运行延迟。
图8是表示本发明的铁道车辆的驱动装置的第2实施方式的图。相对于图3示出的实施方式而言，将引擎1和交流发电机2置换为集电装置13和电压变换器12。即使是在依靠电车线得到电力的电动车的***中也能实现本发明，无论是第1电力变换机构(变换器装置)3或第2电力变换机构(逆变器装置)4中的哪一个发生故障的情况下，与图3示出的实施方式一样，通过使第1电力变换机构(变换器装置)3或第2电力变换机构(逆变器装置)4中的任一个健全的电力交换机构执行变换器动作或逆变器动作，从而可以防止车辆的抛锚。

Claims (3)

1.一种铁道车辆的驱动装置，其具备：
由引擎驱动的交流发电机构；
与交流发电机构连接，且能够在交流电力和直流电力之间相互进行电力变换的第1电力变换机构；
交流电动机；
与交流电动机连接，且能够在交流电力和直流电力之间相互进行电力变换的第2电力变换机构；
对所述2个电力变换机构的交流侧装置互相进行切换的切换机构；和
连接于所述2个电力变换机构的直流侧的蓄电装置，
该驱动装置具有：在所述2个电力变换机构中的任一个发生故障的情况下通过健全的电力变换机构在所述蓄电装置内蓄积能量的功能；和通过该蓄积能量来驱动所述交流发动机的功能。
2.一种铁道车辆的驱动装置，其具备：
用于通过电车线获得交流电力的集电机构；
与所述集电机构连接，且能够在交流电力和直流电力之间相互进行电力变换的第1电力变换机构；
交流电动机；
与交流电动机连接，且能够在交流电力和直流电力之间相互进行电力变换的第2电力变换机构；
对所述2个电力变换机构的交流侧装置互相进行切换的切换机构；和
连接于所述2个电力变换机构的直流侧的蓄电装置，
该驱动装置具有：在所述2个电力变换机构中的任一个发生故障的情况下通过健全的电力变换机构在所述蓄电装置内蓄积能量的功能；和通过该蓄积能量来驱动所述交流电动机的功能。
3.根据权利要求1或2所述的铁道车辆的驱动装置，其特征在于，
根据蓄电装置的蓄电状态或对铁道车辆的运转指令来进行以下功能的切换，即：2个电力变换机构中的任一个发生故障的情况下健全的电力变换机构进行的在蓄电装置内蓄积能量的功能；和利用所述蓄积能量的电动机驱动功能。
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