CN105189187B - 电力机车控制装置和电力机车控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种即使在向客车供给电源的电源装置发生了故障的情况下也能够避免对乘客的服务质量降低的电力机车控制装置。电力机车控制装置(100)具备：多个第一转换装置(2a、3a……)，其供给对客车·货车牵引用电力机车的驱动电动机(7a、8a……)进行控制的电力；多个第二转换装置(6a、6b)，其供给客车用的电力；电力转换电路(21)，其将特定的第一转换装置的电力经由隔离变压器(24)转换成所述客车用的电力；以及控制部(30)，其进行控制，以便在一台所述第二转换装置发生了故障时，将所述第一转换装置中的一台从所述驱动电动机断开并连接到所述电力转换电路，以作为代替来使用。

Description

电力机车控制装置和电力机车控制方法

相关申请的引用

本申请以2013年4月17日申请的在先日本专利申请第2013-87570号的优先权的权利为基础，且要求该权利，其整体内容通过引用而包含于此。

技术领域

本技术方案涉及电力机车控制装置和电力机车控制方法。

背景技术

在电力机车中，搭载有作为从交流架线被供给电力并用于向电力机车的各装置供给所需方式的电力的电源装置的控制装置。例如，设置有用于对驱动用电动机进行控制的主转换装置，用于供给电力机车内的压缩机、冷却用的鼓风机等的电源的辅助电源装置，以及用于向电力机车所牵引的客车供给空调装置等的电源的客车电源装置等。

而且，在每辆电力机车设置有收纳了适当台数的电源装置的多个电力转换装置。例如，在具有6个旋转主轴并具有6台驱动用电动机的电力机车的控制装置的情况下，搭载有2台收纳了3台主转换装置和1台辅助电源装置的电力转换装置，并且在电力机车内设置有2台客车电源装置。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2009-72049号公报

发明内容

发明要解决的课题

另外，在上述的控制装置的结构中，对驱动用电动机进行交流驱动的主转换装置是6台，与此相对地，向客车供给直流电力的客车电源装置是2台。因此，在1台客车电源装置发生了故障时，能够供给的电力会不足，所以不得不减少在客车侧消耗的电力，结果，导致减少在客车内运转的空调机的数量等降低对乘客的服务质量。

用于解决课题的手段

本实施方式提供一种电力机车控制装置，其具备：多个第一转换装置，其供给对客车·货车牵引用电力机车的驱动电动机进行控制的电力；多个第二转换装置，其供给客车用的电力；电力转换电路，其设置在所述第一转换装置与所述客车之间，能够将特定的第一转换装置的电力经由隔离变压器转换成所述客车用的电力；至少一个开关，其能够从所述电力转换电路向所述客车进行接通或断开电力的切换；以及控制部，其进行控制，以便在一台所述第二转换装置发生了故障时，将所述第一转换装置中的一台从所述驱动电动机断开并连接到所述电力转换电路，以作为代替来使用。

根据本实施方式，能够提供一种即使在向客车供给电源的电源装置发生了故障的情况下也能够避免对乘客的服务质量降低的电力机车控制装置。

附图说明

图1是表示第一实施方式的电力机车控制装置的结构的图。

图2是表示第一实施方式的电力机车控制装置的备用装置的详细的电路结构的图。

图3是表示第一实施方式的电力机车控制装置在客车电源故障时的动作的时序图。

图4是表示使用于主转换装置的逆变器的PWM控制的3个脉冲的电压波形的图。

图5是表示第二实施方式的电力机车控制装置的结构的图。

具体实施方式

[第一实施方式]

参照附图，详细说明第一实施方式。此外，下面说明了有6台驱动用电动机的电力机车，但本申请并不限定于该方式。

图1是表示第一实施方式的电力机车控制装置100的结构的图。

电力机车控制装置100具备：电力转换装置(PCC)10a、10b，客车电源装置6a、6b，断续电路13a、13b，备用装置20，切换电路25，以及控制部30。

电力转换装置10a(10b)对经由交流架线、变压器导入的电力进行转换，并分别对驱动用电动机7a、8a、9a(7b、8b、9b)的驱动动作进行控制。另外，电力转换装置10a(10b)将经由交流架线、变压器导入的电力转换成辅助电源用的电力并输出。

客车电源装置6a(6b)将经由交流架线、变压器导入的交流电力转换成直流电力，并供给到客车。断续电路13a(13b)分别对从客车电源装置6a(6b)供给的电力进行通断。

备用装置20将从驱动用电动机7a、8a、9a(7b、8b、9b)的控制电力中选择的1个电力转换成直流电力，上述驱动用电动机7a、8a、9a(7b、8b、9b)的控制电力分别从电力转换装置10a、10b输出。切换电路25切换电路，以便将从备用装置20输出的直流电力作为从客车电源装置6a(6b)输出的电力的备用电力来供给。

控制部30控制客车电源的备用动作。即，控制部30对备用装置20、断续电路13a、13b和切换电路25的动作进行控制。该备用动作在后面阐述。

接下来，说明电力转换装置10a、10b和备用装置20的结构和动作。

电力转换装置10a具备控制器1a、主转换装置2a、主转换装置3a、主转换装置4a和辅助电源装置5a。

主转换装置2a、3a、4a分别对驱动用电动机7a、8a、9a的驱动动作进行控制。此外，主转换装置4a的输出被向备用装置20输出。驱动用电动机9a经由备用装置20接收主转换装置4a的输出并被驱动。来自辅助电源装置5a的电力被供给到压缩机等定频负载。

控制器1a统括控制电力转换装置10a的动作。主转换装置2a、3a、4a的交流/直流变换器和逆变器、辅助电源装置5a的交流/直流变换器和逆变器具有IGBT等半导体元件。控制器1a通过控制半导体元件来控制各个装置和电路的动作。

电力转换装置10b具备控制器1b、主转换装置2b、主转换装置3b、主转换装置4b和辅助电源装置5b。

主转换装置2b、3b、4b分别对驱动用电动机7b、8b、9b的驱动动作进行控制。此外，主转换装置2b的输出被向备用装置20输出。驱动用电动机7b经由备用装置20接收主转换装置2b的输出并被驱动。来自辅助电源装置5b的电力被供给到冷却用的鼓风机等变频负载。

控制器1b统括控制电力转换装置10b的动作。主转换装置2b、3b、4b的交流/直流变换器和逆变器、以及辅助电源装置5b的交流/直流变换器和逆变器具有IGBT等半导体元件。控制器1b通过控制半导体元件来控制各个装置和电路的动作。

备用装置20具备交流/直流转换电路21、选择开关22a、选择开关22b和隔离变压器24。

选择开关22a选择向驱动用电动机9a或交流/直流转换电路21供给主转换装置4a的输出电力。选择开关22b选择向驱动用电动机7b或交流/直流转换电路21供给主转换装置2b的输出电力。隔离变压器24生成绝缘了电力转换装置侧和客车侧的交流电力。交流/直流转换电路21将被输入的交流电力转换成直流电力并输出。

切换电路25将被输入的直流电力切换到来自客车电源装置6a或客车电源装置6b的输出电力线并输出。此外，切换电路25能够切换3个输出状态(向客车电源装置6a输出、向客车电源装置6b输出、不向任意一方输出)。

此外，控制部30在电力转换装置10a、10b、客车电源装置6a、6b和驾驶台(未图示)之间进行信号的发送接收，控制备用装置20、断续电路13a、13b、切换电路25的动作。

图2是表示第一实施方式的电力机车控制装置100的备用装置20的详细的电路结构的图。

在备用装置20中，除了选择开关22a、选择开关22b、隔离变压器24、交流/直流转换电路21，还设置有接地检测电能运算器23。

而且，交流/直流转换电路21具备：三相全波整流电路21a、电抗21b、电容器21c、电压检测传感器21d、21f和电流检测传感器21e。

三相全波整流电路21a将被输入的交流电力转换成直流电力。电抗21b、电容器21c构成平滑电路，并且电容器21c的两端电压成为输出电压。电压检测传感器21d检测全电压。电压检测传感器21f检测车体与大地之间的电压。

接地检测电能运算器23用电流检测传感器21e和两个电压检测传感器21d、21f检测接地。例如，即使电压检测传感器21d所检测到的全电压是通常的电压值，在电压检测传感器21f所检测到的车体与大地之间的电压较大程度地偏离了全电压的1/2时，也判断为输出接地。另外，在由电流检测传感器21e检测出的电流值超过了规定的阈值时，也检测出接地。这些检测出接地的信息向称为TCMS的车辆监测装置传输。

接下来，说明对于第一实施方式的电力机车控制装置的结构的基本观点。

第一实施方式的电力机车以客车·货车牵引电力机车为对象。即，第一实施方式的电力机车是以使用于仅牵引客车的情况和仅牵引货车的情况这两种情况为条件确定了其能力规格。

一般来说，客车比货车轻。因此，客车·货车牵引电力机车，在牵引货车的情况下，必须将其能力发挥到电力机车的驱动容量极限来进行牵引，但在牵引客车的情况下，驱动容量仍有富裕，例如，客车牵引时的牵引能力只要有货车牵引时的大致一半以下的牵引能力就足够了。另一方面，在牵引客车的情况下，需要向客车内的空调、照明供给电力，需要使电力机车内设有的向客车进行供给的电源电路发挥到其能力的极限，但货车牵引时货车内没有空调、照明，或者即便有空调、照明，若与客车比较也是非常小的容量。

第一实施方式的电力机车利用该特征来解决课题。在本实施方式的电力机车控制装置中，在客车牵引时，不需要使对驱动用电动机进行驱动的主转换装置的所有6个电路都进行动作。因此，在1组客车电源发生了故障时，将对驱动用电动机进行驱动的主转换装置的6个电路中的1个电路从驱动用电动机断开，经由隔离变压器向客车电源连接，并使其作为客车电源进行动作来供给电力。由此，在客车电源发生了故障时也不需要降低向客车供给的电源容量，能够避免减少客车内的空调等乘客的服务质量降低。

下面，说明在1组客车电源发生了故障时的动作。

图3是表示第一实施方式的电力机车控制装置100在客车电源故障时的动作的时序图。在图3中，记载了如下的情况：由于客车电源装置6a发生了故障，所以驱动主转换装置4a作为AC/DC变换器来向客车电源供给电力。

在由6台主转换装置照常驱动6台驱动用电动机并由2组客车电源装置供给客车电源的过程中，在例如构成客车电源装置6a的AC/DC变换器发生了故障时，按以下的顺序执行动作。

(步骤1)客车电源装置6a从运转状态转化成停止状态。

(步骤2)控制部30使断续电路13a从通状态→断状态，使故障的AC/DC变换器从客车电源电路断开。

(步骤3)停止主转换装置4a的动作。

(步骤4)控制部30使选择开关22a动作，将连接到驱动用电动机9a的主转换装置4a的电力线连接到备用装置20的客车电源供给侧。

(步骤5)主转换装置4a产生客车电源供给用的交流电力。

(步骤6)交流/直流转换电路21产生客车电源供给用的直流电力。控制部30使切换电路25动作，将产生的直流电力供给到来自客车电源装置6a的电力线。

此外，上述的步骤1～6不限定于自动执行所有步骤的方式，也可以构成为根据电力机车的驾驶员的指示来执行适当的步骤。

另外，在上述的实施方式中，对每个电力转换装置10a、10b选定了进行备用的1个主转换装置，但不限定于本实施方式。也可以从所有电力转换装置中选定至少1台主转换装置作为备用用。而且，也可以构成为在任意的时刻，例如在每天的驾驶开始时，驾驶员选定备用用的主转换装置。被选定的主转换装置被分配成通过切换而能够连接到驱动用电动机和备用装置。

下面，说明步骤5记载的、主转换装置4a产生客车电源供给用的交流电力的动作。

在使对驱动用电动机进行驱动的主转换装置作为供给客车电源的DC/AC变换器进行动作时，如上所述，需要用于隔绝主转换装置侧与客车电源装置侧的隔离变压器24。隔离变压器24优选为根据电力机车内的设置空间的要求而尽可能小。

为了使隔离变压器24尽可能小，在本实施方式中，使作为DC/AC变换器进行动作的主转换装置的逆变器以比驱动用电动机的驱动时高的基波频率动作。但是，在使主转换装置的逆变器以更高的基波频率动作的情况下，需要消除以下的问题点。

[由发热带来的限制]

在使主转换装置的逆变器以更高的基波频率动作的情况下，需要根据每基波一周期的开关次数的限制来确定逆变器的开关频率。一般来说需要每基波一周期3个脉冲左右的脉冲数，若使逆变器的开关频率的极限为1KHz左右则逆变器的基波频率为1KHz/3≈330Hz。

逆变器的开关频率的极限根据由半导体元件的产生损失导致的发热和冷却性能来确定。对驱动用电动机进行驱动时的开关频率约是400Hz，客车电源供给时的输出电流是驱动用电动机驱动时的输出电流的一半以下。由此可认为，客车电源供给时的开关频率能够提高到1KHz，1KHz是对驱动用电动机进行驱动时的开关频率的2倍左右的频率。在第一实施方式中，示出基于上述的研究在客车电源供给时的开关频率是1KHz的例子。

此外，能够提高的驱动频率是如上所述在向客车供给电力时主转换装置所容许的最大频率以下的频率。能够提高的驱动频率，即容许的最大频率也可以设定为预设值。

[高次谐波的减少]

主转换装置的逆变器输出被输入到隔离变压器24。此时，需要使流通到隔离变压器24的电流所包含的高次谐波尽可能减少。因此，主转换装置的逆变器的输出通过PWM(Pulse Width Modulation)控制而成为如图4所示的3个脉冲的电压波形，从而成为尽可能不产生高次谐波的电压波形。在图4所示的例子中，作为半导体元件的开关频率，通过使用330Hz的基本频率而实现了1KHz。

[第一实施方式的效果]

根据第一实施方式的电力机车控制装置，在客车电源装置的AC/DC变换器发生了故障时，能够切换对驱动用电动机进行驱动的主转换装置而使其发挥构成客车电源装置的AC/DC变换器的作用。因此，不会减少客车电源的输出容量，所以能够避免造成客车的空调等的服务质量降低。

[第二实施方式]

在第二实施方式中，在电力机车控制装置中没有设置客车电源装置这一点与第一实施方式不同。对与第一实施方式相同的部位标注相同的附图标记并省略其详细的说明。

图5是表示第二实施方式的电力机车控制装置100的结构的图。

在第二实施方式中，与第一实施方式相比，没有设置客车电源装置、断续电路和切换电路。而且，主转换装置4a或主转换装置2b任意一方的交流电力通过交流/直流转换电路21被转换成直流电力，并被供给到客车。即，在第二实施方式中，能够由1台主转换装置向客车供给电力。

在此情况下，在电力机车牵引客车时，一台主转换装置必须作为客车用电源进行动作，因此，有一台驱动用电动机无法产生驱动力，但因为如上所述在客车牵引时，牵引力还有富余，所以即便1台电动机不驱动也无碍。

另外，在向客车供给电力的主转换装置发生了故障的情况下，通过控制部30、控制器进行切换，以使其他的主转换装置向客车供给电力。因此，实现了对于向客车的电力供给的备用。

[第二实施方式的效果]

根据第二实施方式的电力机车控制装置，能够避免对乘客的服务质量降低，并且由于不需要客车电源装置(2台)，所以能够减小电力机车控制装置的尺寸。

此外，本发明不原封不动地限定于上述实施方式，而是能够在实施阶段在不脱离其主旨的范围内对构成要素进行变形而具体化。

能够通过上述实施方式公开的多个构成要素的适当的组合来形成各种发明。例如，也可以从实施方式所示的所有构成要素中删除若干构成要素。并且，也可以将不同的实施方式中的构成要素进行适当组合。

附图标记说明

1a、1b控制器，2a～4a、2b～4b主转换装置，5a、5b辅助电源装置，6a、6b客车电源装置，7a～9a、7b～9b驱动用电动机，10a、10b电力转换装置，20备用装置，21交流/直流转换电路，24隔离变压器，30控制部，100电力机车控制装置。

Claims (15)

1.一种电力机车控制装置，其特征在于，具备：

多个第一转换装置，其向电力机车的驱动电动机供给电力；

多个第二转换装置，其向至少一个客车供给电力；

电力转换电路，其设置在所述第一转换装置与所述客车之间，能够将经由隔离变压器供给的至少一个所述第一转换装置的电力向所述客车的电力转换；以及

至少一个开关，其能够从所述电力转换电路向所述客车进行接通或断开电力的切换。

2.根据权利要求1所述的电力机车控制装置，其特征在于，

还具备控制部，所述控制部与至少一个所述开关连接，并使所述开关动作，以便在一台所述第二转换装置发生了故障时，将至少一个所述第一转换装置从所述驱动电动机断开，将至少一个所述第一转换装置向所述客车连接。

3.根据权利要求1所述的电力机车控制装置，其特征在于，

还具备备用装置，

所述备用装置设置在所述第一转换装置与所述开关之间，

所述备用装置具备至少一个选择性的开关、隔离变压器和转换电路，

所述选择性的开关能够将电力从至少一个使发动机驱动的所述第一转换装置向所述隔离变压器和转换电路接通或断开，

并且，所述转换电路能够将电力向所述客车提供。

4.根据权利要求2所述的电力机车控制装置，其特征在于，

所述控制部作为将电力供给到所述客车的所述第一转换装置的逆变器的PWM控制，使该转换装置内的半导体元件的开关频率增加。

5.根据权利要求4所述的电力机车控制装置，其特征在于，

所述控制部将所述开关频率控制在所述第一转换装置供给所述客车用的电力时的容许最大频率以下。

6.根据权利要求2所述的电力机车控制装置，其特征在于，

作为代替来使用的所述第一转换装置能够在故障前预先指定。

7.一种电力机车控制装置，其特征在于，具备：

多个第一转换装置，其供给对客车和电力机车的驱动电动机进行控制的电力；

电力转换电路，其将特定的第一转换装置的电力经由隔离变压器转换成所述客车用的电力；以及

控制部，其进行控制，以便将所述第一转换装置中的一台从驱动电动机断开并连接到所述电力转换电路，以将电力使用于客车。

8.根据权利要求7所述的电力机车控制装置，其特征在于，

所述控制部作为所述转换装置的逆变器的PWM控制，使连接到所述电力转换电路的所述转换装置内的半导体元件的开关频率增加。

9.根据权利要求8所述的电力机车控制装置，其特征在于，

所述控制部将所述开关频率控制在所述第一转换装置供给所述客车用的电力时的容许最大频率以下。

10.根据权利要求7所述的电力机车控制装置，其特征在于，

所述电力转换电路能够选择性地与所述特定的第一转换装置和其他的第一转换装置连接，

所述控制部进行控制，以便在所述特定的第一转换装置发生了故障时，将所述其他的第一转换装置从所述驱动电动机断开并连接到所述电力转换电路来使用。

11.一种电力机车控制方法，其特征在于，

从多个转换装置向电力机车的驱动用电动机供给电力，

在附挂车的电力的流动发生了故障时，从至少一个驱动用电动机经由隔离变压器向附挂车转换电力的流动。

12.根据权利要求11所述的电力机车控制方法，其特征在于，

作为所述转换装置的逆变器的PWM控制，使被开关的所述转换装置内的半导体元件的开关频率增加。

13.根据权利要求12所述的电力机车控制方法，其特征在于，

在所述转换装置向附挂车供给电力时，所述开关频率在容许最大频率以下。

14.根据权利要求11所述的电力机车控制方法，其特征在于，

所述转换装置能够选择性地连接，

在特定的转换装置发生了故障时，将其他的转换装置从所述驱动用电动机断开并使用于供给所述附挂车用的电力。

15.一种电力机车控制方法，其特征在于，

在客车电源装置发生了故障时，将客车电源装置从运转状态改变成停止状态，

使从所述客车电源电路向客车供电的电路为断开状态，

停止多个连接到驱动用电动机的转换装置中的一台转换装置的动作，

通过选择开关将动作被停止的一台所述转换装置的电力线连接到备用装置的客车电源供给侧，

所述转换装置产生客车电源供给用的交流电力，

通过交流/直流转换电路，产生客车电源供给用的直流电力，

通过切换电路，将产生的直流电力供给到来自所述客车电源装置的所述电力线。