CN102470763B - 电气列车的电力变换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电气列车的电力变换装置，包括：变换器部（10）(第一电力变换部)，输入直流电压，输出被控制为预定的值的直流电压；逆变器部（30）(第二电力变换部)，与所述变换器部（10）的输出侧连接，驱动电动机（40），其中，所述变换器部（10）具有变换器控制部（14）(第一控制部)，该变换器控制部（14）(第一控制部)基于其输入电压，生成操作所述变换器部（10）的输出电压的状态的控制指令即输出电压指令VREF。

Description

电气列车的电力变换装置
技术领域
本发明涉及供电气列车的推动控制用的电力变换装置。
背景技术
一般地，电气列车采用如下结构：利用集电装置导入来自架空线的电力，使用所导入的电力，利用逆变器装置等的电力变换装置驱动电动机来行驶。在对车辆施加制动时，使用使电动机再生运转而得到制动力的所谓的再生制动。此时产生的再生电力经由架空线或第三轨等向存在于本车附近的其他的动力运行车辆或车辆的负载供给，因此被消耗。
但是，在早晨、夜间或列车的运行个数少的闲散线区，产生在本车附近不存在其他车辆(再生负载不足)的情况，存在由再生制动产生的再生电力未被充分地消耗的情况。当本车的再生电力比被其他车辆消耗的电力大时，架空线电压上升，存在使与架空线连接的各种设备因过电压而跳闸（trip）或者破损的危险。
因此，电气列车所搭载的逆变器装置具有检测架空线电压等(架空线电压或者与架空线电压相当的例如逆变器装置的输入侧的滤波电容器电压)的电压检测器，在架空线电压等上升并超过了预定值的情况下，进行抑制再生制动力、抑制再生电力的产生的控制，使再生缩小控制进行工作，该再生缩小控制使架空线电压等不会上升到规定值以上。
此处，在作为第二电力变换部的逆变器装置的输入电压规格比架空线电压低的情况(例如，600V规格)下，可以考虑采用如下的主电路结构的情况：在逆变器装置的输入侧连接作为第一电力变换部的变换器装置，使用该变换器装置对架空线电压进行降压、恒压控制，向逆变器装置供给电压。
例如，在架空线电压的额定值为DC1500V的***中，存在如下结构：利用变换器装置将其输出电压降压到DC600V左右并进行恒压控制，并且将其输入到所述逆变器装置(例如下述专利文献1)。
在这样的主电路结构的***中，即使在再生负载不足、架空线电压上升了的情况下，也进行恒压控制以使变换器装置的输出电压被维持为固定，因此逆变器装置的输入电压不变化，再生缩小控制不工作。因此，再生电力过剩，变换器装置的输入电压上升，变换器装置的输入成为过电压，存在变换器装置对过电压进行感测而跳闸（trip）、或者损伤与架空线相连的设备的可能性。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2002-252902号公报。
发明内容
发明要解决的课题
但是，在上述专利文献1所示的***中，逆变器装置的输入是架空线电压，而在利用变换器装置将架空线电压降压并向逆变器装置输入时的再生缩小控制的方法却未公开。
本发明是鉴于上述情况而提出的，其目的在于得到一种在是如下这样的主电路结构的情况下能够进行适当的再生缩小控制的电气列车的电力变换装置：在逆变器装置的输入侧连接作为第一电力变换部的变换器装置，使用该变换器装置对架空线电压进行降压、恒压控制，向逆变器装置供给电压。
用于解决课题的手段
为了解决上述课题并实现目的，本发明提供一种电气列车的电力变换装置，包括：第一电力变换部，输入直流电压，输出被控制为预定的值的直流电压；以及第二电力变换部，与所述第一电力变换部的输出侧连接，驱动电动机，其特征在于，所述第一电力变换部具有第一控制部，该第一控制部基于其输入电压生成操作所述第一电力变换部的输出电压的状态的控制指令。
根据本发明，起到在是如下的主电路结构的情况下能进行适当的再生缩小控制的效果：在逆变器装置的输入侧连接作为第一电力变换部的变换器装置，使用该变换器装置对架空线电压进行降压、恒压控制，向逆变器装置供给电压。
附图说明
图1是示出本发明的实施方式1的电气列车的电力变换装置的结构例的图。
图2是示出本发明的实施方式1的变换器控制部的结构例的图。
图3是示出本发明的实施方式1的逆变器控制部的结构例的图。
图4是示出本发明的实施方式2的电气列车的电力变换装置的结构例的图。
图5是示出本发明的实施方式2的逆变器控制部的结构例的图。
具体实施方式
以下，基于附图，详细地对本发明的电气列车的电力变换装置的实施方式进行说明。并且，本发明不被该实施方式限定。
实施方式1
图1是示出本发明的实施方式1的电气列车的电力变换装置的结构例的图。如图1所示，将来自未图示的变电所的电力从架空线1经由集电装置2向作为第一电力变换部的变换器部10输入。来自变换器部10的返回（return）电流经由车轮3返回到与轨道4连接并且未图示的变电所的负侧。
变换器部10包括：由电抗器11和电容器12构成的输入滤波器、在输入滤波器的后级连接的变换器电路13、以及作为第一控制部的变换器控制部14。并且，优选变换器电路13是双向升降压斩波电路，其电路结构是公知的，因此省略。此外，通常在变换器电路13中包含用于使其输出电压或电流平滑化的由电抗器、电容器构成的输出滤波器电路。
向变换器控制部14输入变换器部10的输入电压ESD、电容器12的电压EFCD、变换器电路13的输出电压BES，变换器控制部14输出针对变换器电路13内部的开关元件的控制信号GD。
变换器控制部14以变换器电路13的输出电压BES成为预定的值的方式进行控制。详细情况在后面叙述。
作为第二电力变换部的逆变器部30与变换器部10的输出连接。逆变器部30包括：由电抗器31和电容器32构成的输入滤波器、在输入滤波器的后级连接的逆变器电路33、作为第二控制部的逆变器控制部34a。并且，优选逆变器电路33是电压型PWM逆变器电路，其电路结构是公知的，因此省略。
向逆变器控制部34a输入逆变器部30的输入电压ES、电容器32的电压EFC、逆变器电路33的输出电流IM，逆变器控制部34a输出针对逆变器电路33内部的开关元件的控制信号GI。
逆变器控制部34a以后面叙述的电动机40产生按照转矩指令的转矩的方式控制逆变器电路33的输出电流和输出电压。详细情况在后面叙述。
接着，对变换器控制部14的结构进行说明。图2是示出本发明的实施方式1的变换器控制部14的结构例的图。向变换器控制部14输入电容器电压EFCD或者输入电压ESD。变换器控制部14包括：电压指令运算部15，生成对第一电力变换部的输出电压的状态进行操作的控制指令即输出电压指令VREF；电压控制部16，基于输出电压指令VREF进行电压控制，使得变换器部10的输出电压BES与输出电压指令VREF一致。
电压指令运算部15例如在电容器电压EFCD为1750V以下的区域使输出电压指令VREF为通常值即作为第一设定值的600V。
此外，电压指令运算部15例如在电容器电压EFCD超过了1750V的情况下，使输出电压指令VREF从600V开始增加，当电容器电压EFCD为1800V时，使输出电压指令VREF增加到作为第二设定值的700V。
并且，各数值是一个例子，并不限定于此，只要是在电容器电压EFCD或者输入电压ESD超过了预定的值的情况下使输出电压指令VREF增加的结构即可。
接着，说明逆变器控制部34a的结构。图3是示出本发明的实施方式1的逆变器控制部34a的结构例的图。向逆变器控制部34a输入电容器电压EFC或者逆变器部30的输入电压ES。逆变器控制部34a包括：再生缩小量运算部35a，基于电容器电压EFC或者输入电压ES，生成转矩缩小量VDT；减法器36，从由未图示的外部的控制部生成的作为再生制动转矩的要求值的要求转矩PTRS中减去转矩缩小量VDT，作为转矩指令PTR进行输出；转矩控制部37，基于转矩指令PTR进行转矩控制，使得电动机40产生按照转矩指令PTR的再生转矩。
再生缩小量运算部35a例如在电容器电压EFC或者输入电压ES为650V以下的区域使转矩缩小量VDT为零。在该情况下，成为要求转矩PTRS=转矩指令PTR。
此外，再生缩小量运算部35a例如在电容器电压EFC或者输入电压ES超过650V的区域使转矩缩小量VDT增加，在电容器电压EFC或者输入电压ES成为700V的时刻，使转矩缩小量VDT增加到与要求转矩PTRS相等，使转矩指令PTR为零。并且，各数值是一个例子，并不限定于此，只要是在电容器电压EFC或者输入电压ES超过了预定的值的情况下使转矩缩小量VDT增加的结构即可。
接着，对工作进行说明。以电气列车进行再生制动的状态即逆变器部30使电动机40再生运转的情况进行说明。此时，来自电动机40的再生电力通过逆变器部30输入到变换器部10。变换器部10将其输出电压BES维持为一定的预定值，并且，使电力从变换器部10的输出侧流到输入侧，将再生电力向架空线1再生。
此时，在架空线1存在的其他加速中的车辆中断加速等，被消耗的再生电力(以下，记为再生负载)减少，再生负载比电动机40的再生电力小的情况下，变换器部10的输入电压ESD或者电容器电压EFCD上升。当保持该状态时，输入电压ESD或者电容器电压EFCD进一步上升，变换器部10进行过电压感测而跳闸、或者损伤与架空线1相连的设备。
通常，在架空线1的额定电压为DC1500V的电气铁路中，需要使架空线1的电压不超过1750V～1800V。因此，变换器控制部14的电压指令运算部15在电容器电压EFCD成为预定的值以上(图2中为1750V以上)的情况下，使输出电压指令VREF从作为通常的控制值的600V开始增加，在电容器电压EFCD为1800V的时刻，使输出电压指令VREF增加到700V。由此，变换器部10的输出电压BES从600V增加到700V。
这样，变换器控制部14使输出电压BES增加，由此，能够使电容器12的能量向变换器部10的输出侧移动，因此能够抑制电容器电压EFCD的上升。
此外，如以下那样，逆变器控制部34a以对再生电力进行抑制的方式进行工作，因此能够抑制电容器电压EFCD的上升。变换器部10的输出电压BES增加，由此，逆变器部30的输入电压ES或者电容器电压EFC增加。再生缩小量运算部35a基于电容器电压EFC或者输入电压ES的增加，生成转矩缩小量VDT，使转矩指令PTR变小(再生转矩缩小控制)。
在再生缩小量运算部35a中设定为在电容器电压EFC或者输入电压ES为700V的时刻转矩缩小量VDT与要求转矩PTRS相等，因此转矩指令PTR为零，电动机40的再生转矩被控制为零。由此，来自电动机40的再生电力为零，变换器部10的输入电压的上升被抑制。变换器部10的输入电压不会为1800V以上。
如以上所说明的那样，本实施方式的电气列车的电力变换装置在再生负载不足、架空线电压上升了的情况下，使变换器部10的输出电压BES上升，由此，使逆变器部30的输入电压上升，利用逆变器控制部34a进行再生转矩的缩小，由于以上述方式进行工作，所以，能够避免变换器部10的输入电压由于过剩的再生电力而上升且变换器部10成为过电压而使装置跳闸或者装置发生损伤的情况。
此外，在实施方式1的结构中，在变换器部10和逆变器部30之间，没有控制信号的交换，因此能够削减布线。
并且，变换器控制部14也可以以如下方式构成：仅在通过变换器部10的电力的方向为从变换器部10的输出侧朝向输入侧的方向时(电动机40再生运转时)，在变换器部10的输入电压增加了的情况下，使输出电压指令VREF增加。
如果这样构成，则例如在电动机40进行动力运行运转的情况下架空线1的电压上升时，也可以不使变换器部10的输出电压BES增加。由此，能够避免使电压增加所引起的逆变器部30的电路损失(在逆变器电路33中的开关损失)的增加。
此外，在以上的说明中，以操作作为控制指令的输出电压指令VREF的情况进行了说明，但是，除此以外，也可以是虽然未图示但操作例如变换器电路13的输出电流的指令即输出电流指令的结构。通过操作输出电流，从而也能够间接地操作输出电压BES。
实施方式2
图4是示出本发明的实施方式2的电气列车的电力变换装置的结构例的图。由于图4是以图1为基准的图，所以仅说明与图1的不同点。
图4所示出的方式与图1的方式比较，不同点在于采用如下结构：将变换器部10的输入电压ESD、变换器部10的电容器电压EFCD输入到逆变器部30的逆变器控制部34b。
接着，说明逆变器控制部34b的结构。图5是示出本发明的实施方式2的逆变器控制部34b的结构例的图。对逆变器控制部34b输入变换器部10的电容器电压EFCD或者输入电压ESD。逆变器控制部34b包括：再生缩小量运算部35b，基于电容器电压EFCD或者输入电压ESD，生成转矩缩小量VDT；减法器36，从由未图示的外部的控制部生成的作为再生制动转矩的要求值的要求转矩PTRS中减去转矩缩小量VDT，作为转矩指令PTR进行输出；转矩控制部37，基于转矩指令PTR进行转矩控制，使得电动机40产生按照转矩指令PTR的再生转矩。
再生缩小量运算部35b例如在电容器电压EFCD或者输入电压ESD为1750V以下的区域使转矩缩小量VDT为零。在该情况下，成为要求转矩PTRS=转矩指令PTR。
此外，再生缩小量运算部35b例如在电容器电压EFCD或者输入电压ESD超过1750V的区域使转矩缩小量VDT增加，在电容器电压EFCD或者输入电压ESD为1800V的时刻，使转矩缩小量VDT增加到与要求转矩PTRS相等，使转矩指令PTR为零。并且，各数值是一个例子，并不限定于此，只要是在电容器电压EFCD或者输入电压ESD超过了预定的值的情况下使转矩缩小量VDT增加的结构即可。
接着，对工作进行说明。以电气列车进行再生制动的状态即逆变器部30使电动机40再生运转的情况进行说明。此时，来自电动机40的再生电力通过逆变器部30输入到变换器部10。变换器部10将其输出电压BES维持为一定的预定值，并且，使电力从变换器部10的输出侧流到输入侧，将再生电力向架空线1再生。
此时，在架空线1存在的其他的加速中的车辆中断加速等，被消耗的再生电力(以下,记为再生负载)减少，再生负载比电动机40的再生电力小的情况下，变换器部10的输入电压ESD、电容器电压EFCD上升。当保持该状态时，输入电压ESD、电容器电压EFCD进一步上升，变换器部10进行过电压感测而跳闸、或者损伤与架空线1相连的设备。
在实施方式2的结构中，采用了将变换器部10的输入电压ESD或者电容器电压EFCD输入到逆变器控制部34b的结构，在再生缩小量运算部35b中，采用了如下结构：基于电容器电压EFCD或者输入电压ESD的增加，生成转矩缩小量VDT，使转矩指令PTR变小(再生转矩缩小控制)。
在再生缩小量运算部35b中，以在电容器电压EFCD或者输入电压ESD为1800V的时刻转矩缩小量VDT与要求转矩PTRS相等的方式进行设定，因此转矩指令PTR为零，电动机40的再生转矩被控制为零。由此，来自电动机40的再生电力为零，变换器部10的输入电压的上升被抑制。变换器部10的输入电压不会为1800V以上。
如以上说明的那样，本实施方式的电气列车的电力变换装置在再生负载不足、架空线电压上升了的情况下，以利用逆变器控制部34b进行再生转矩的缩小的方式进行工作，因此能够避免由于过剩的再生电力导致变换器部10的输入电压上升、变换器部10成为过电压而使装置跳闸或者装置发生损伤的情况。
此外，在实施方式2的结构中，在变换器部10和逆变器部30之间需要控制布线，但是，不需要是实施方式1中所需要的使变换器部10的输出电压BES增加的结构，因此能够简化变换器控制部14的结构。
并且，逆变器控制部34a也可以采用如下的结构：仅在通过逆变器部30的电力的方向为从逆变器部30的输出侧朝向输入侧的方向时(电动机40再生运转时)，在变换器部10的输入电压增加了的情况下，使转矩指令PTR变小。
如果这样构成，则例如在电动机40进行动力运行运转的情况下架空线1的电压上升时，能够避免逆变器部30的电路损失(在逆变器电路33中的开关损失)的增加。
实施方式3
在实施方式1、2中，针对在电动机40处于再生运转中架空线1的再生负载减少时抑制变换器部10的输入电压上升的情况进行了说明，但是，在电动机40处于动力运行运转中的情况下，存在以下的课题。
存在如下情况：向架空线1供给电力的未图示的变电所的容量小的情况、由于从变电所到电气列车的距离远所以在架空线1上的电压下降大的情况、电动机40处于动力运行运转中的架空线1的电压降低的情况。在该情况下，当维持电动机40的动力运行电力不变或者进而为了加速而消耗电力较多时，存在架空线1的电压过于降低而变换器部10的运转由于低电压而停止、或者从架空线1接收电力的其他车辆由于低电压而不能行驶的情况。因此，需要在架空线1的电压成为预定值以下的情况下降低电动机40的动力运行转矩、减少动力运行电力。
通常，在架空线1的额定电压为DC1500V的电气铁路中，需要使架空线1的电压不低于1100V。但是，变换器部10将其输出电压BES恒压控制为预定的电压，因此即使输入电压ESD或者电容器电压EFCD降低，也与输入电压无关地将输出电压BES控制为固定。因此，逆变器部30不能把握架空线1的电压降低，因此不能够进行减少电动机40的动力运行转矩等的控制，不能够抑制架空线1的电压下降。
因此，变换器控制部14采用如下结构：在电容器电压EFCD或者输入电压ESD为预定的值(例如1100V)以上的情况下，使输出电压指令VREF为作为第三设定值的通常的值(例如600V)，在电容器电压EFCD或者输入电压ESD低于预定的值(例如1100V)的情况下，基于降低量使输出电压指令VREF降低为比第三设定值小的第四设定值(例如500V)。
进而，逆变器控制部34a采用如下结构：在逆变器部30的输入电压ES或者电容器电压EFC与预定的值(例如550V)相比降低了的情况下，以基于降低量使电动机40的动力运行转矩指令降低，减少动力运行电力的方式进行控制。
如以上说明的那样，本实施方式的电气列车的电力变换装置在架空线1的电压下降时，使变换器部10的输出电压BES降低，利用逆变器部30抑制电动机40的动力运行转矩，因此能够减少电动机40的动力运行电力，能够抑制架空线1的电压下降，能够避免变换器部10的运转由于低电压而停止、或者从架空线1接收电力的其他车辆由于低电压而不能行驶的情况。
此外，在实施方式3的结构中，由于在变换器部10和逆变器部30之间没有控制信号的交换，所以，能够削减布线。
并且，变换器控制部14也可以以如下方式构成：仅在通过变换器部10的电力的方向为从变换器部10的输入侧朝向输出侧的方向时(电动机40动力运行运转时)，在变换器部10的输入电压降低了的情况下，使输出电压指令VREF降低。
如果这样构成，则例如在电动机40进行再生运转的情况下，在架空线1的电压降低了的情况下，不使变换器部10的输出电压BES降低也可以。由此，能够避免由于电压的降低而导致向电动机40的施加电压不足、再生转矩减少的情况。
此外，在以上的说明中，以操作作为控制指令的输出电压指令VREF的情况进行了说明，但是，除此以外，也可以采用虽然未图示但是例如操作变换器电路13的输出电流的指令即输出电流指令的结构。通过操作输出电流，从而也能够间接地操作输出电压BES。
实施方式4
实施方式4与实施方式2同样地是将变换器部10的输入电压ESD、变换器部10的电容器电压EFCD输入到逆变器部30的逆变器控制部34b的结构。
逆变器控制部34b在变换器部10的电容器电压EFCD或者输入电压ESD与预定值(例如1100V)相比降低了的情况下，以基于降低量减少电动机40的动力运行转矩(动力运行转矩减少控制)、抑制动力运行电力的方式进行工作。并且，各数值是一个例子，并不限定于此，只要是在电容器电压EFCD或者输入电压ESD低于预定的值的情况下，抑制电动机40的动力运行转矩的结构即可。
如以上说明的那样，本实施方式的电气列车的电力变换装置在架空线1的电压下降时，利用逆变器部30的逆变器控制部34b抑制电动机40的动力运行转矩，因此能够减少电动机40的动力运行电力，能够抑制架空线1的电压下降，能够避免变换器部10的运转由于低电压而停止、或者从架空线1接收电力的其他车辆由于低电压而不能行驶的情况。
并且，逆变器控制部34b也可以以如下方式构成：仅在通过变换器部10的电力的方向为从变换器部10的输入侧朝向输出侧的方向时(电动机40动力运行运转时)，在变换器部10的输入电压降低了的情况下，使电动机40的动力运行转矩降低。
如果这样构成，则例如在电动机40进行再生运转的情况下，在架空线1的电压降低了的情况下，能够避免不必要地减少电动机40的再生转矩的情况。
此外，在实施方式4的结构中，在变换器部10和逆变器部30之间需要控制布线，但是，不需要实施方式3中所需要的使变换器部10的输出电压BES降低的结构，因此能够简化变换器控制部14的结构。
在以上的实施方式中所示出的结构表示本发明的内容的一个例子，当然也能够与其他的公知技术进行组合，并且在不脱离本发明的主旨的范围内，也能够省略一部分等进行变更来构成。
产业上的可利用性
如上所述，本发明能够应用于供电气列车的推动控制用的电力变换装置，特别是作为能够进行适当的再生缩小控制的发明是有用的。
附图标记的说明
1 架空线；
2 集电装置；
3 车轮；
4 轨道；
10 变换器部(第一电力变换部)；
11、31 电抗器；
12、32 电容器；
13 变换器电路；
14 变换器控制部(第一控制部)；
15 电压指令运算部；
16 电压控制部；
30 逆变器部(第二电力变换部)；
33 逆变器电路；
34a、34b 逆变器控制部(第二控制部)；
35a、35b 再生缩小量运算部；
36 减法器；
37 转矩运算部；
40 电动机；
BES 输出电压；
EFC、EFCD 电容器电压；
ES、ESD 输入电压；
GD、GI 控制信号；
IM 输出电流；
PTR 转矩指令；
PTRS 要求转矩；
VDT 转矩缩小量；
VREF 输出电压指令。

Claims (3)

1.一种电气列车的电力变换装置，包括：第一电力变换部，输入直流电压，输出被控制为预定的值的直流电压；第二电力变换部，与所述第一电力变换部的输出侧连接，将来自所述第一电力变换部的直流电力变换为交流，对电动机进行驱动，其特征在于，
所述第一电力变换部具有第一控制部，该第一控制部基于在所述第一电力变换部的输入侧检测到的电压，生成作为所述第一电力变换部的输出电压的指令的控制指令，
所述第一控制部为如下结构：在所述第一电力变换部的输入侧检测到的电压增加了的情况下，以所述第一电力变换部的输出电压增加的方式操作所述控制指令，
所述第二电力变换部具有第二控制部，该第二控制部在所述第一电力变换部的输出侧检测到的电压与预定的值相比增加了的情况下，执行使所述电动机的转矩减少的再生转矩缩小控制。
2.如权利要求1所述的电气列车的电力变换装置，其特征在于，
所述第一控制部在所述第一电力变换部的输入侧检测到的电压为预定值以下的情况下，使所述控制指令为第一设定值，在所述第一电力变换部的输入侧检测到的电压超过了所述预定值的情况下，基于超过的量，使所述控制指令为比所述第一设定值大的第二设定值。
3.如权利要求1所述的电气列车的电力变换装置，其特征在于，
所述第一控制部为如下结构：仅在通过所述第一电力变换部的电力的方向为从所述第一电力变换部的输出侧朝向输入侧的方向时，在所述第一电力变换部的输入侧检测到的电压增加了的情况下，操作所述控制指令。
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