CN105636819A - 电气机车的电力转换装置 - Google Patents

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Abstract

实施方式的电气机车的电力转换装置的绝缘变压器从交流架线接受高压交流电力的供给，进行高压/低压转换并输出低压交流电力。AC/DC转换器被输入低压交流电力，进行交流/直流转换并输出到逆变器。另一方面，PWM控制部向逆变器输出PWM控制信号，所述PWM控制信号具有用于从逆变器的输出中去除特定的高次谐波成分或者使特定的高次谐波成分衰减到规定级别以下的规定图形。而且，电压控制部对AC/DC转换器的输出直流电压进行控制。其结果是，逆变器被输入AC/DC转换器的输出信号，在电压控制部的控制下进行直流/交流转换，并供给到负载，因此，能够实现包含APU电路的电气机车的电力转换装置的小型化。

Description

电气机车的电力转换装置
技术领域
本发明的实施方式涉及电气机车的电力转换装置。
背景技术
从交流架线被供给电力的电气机车的电力转换装置主要具备：主电力转换装置，对驱动用电动机进行控制；以及辅助电力转换装置(辅助电源装置)，用于提供机车内的压缩机和冷却用的鼓风机等的电源。
主电力转换装置以及辅助电力转换装置在接受交流架线电力的主变压器中分别设置有各自的次级线圈，并由它们通过各自的转换器(AC/DC转换电路)转换成直流电力。
而且，在主电力转换装置中，在转换器的后段连接有可变电压-可变频率的逆变器。
另外，在辅助电力转换装置中，在转换器的后段连接有固定电压-固定频率的逆变器(APU：AuxiliaryPowerUnit，辅助动力单元)。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2007-151392号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
然而，在上述以往的辅助电力转换装置中，为了减少三相交流输出的高次谐波成分并形成接近正弦波的波形，设置有三相的LC共振滤波器(低通滤波器)。
在电气机车的情况下，该LC共振滤波器中的电抗器L为电感380μH左右，需要具有380V-50Hz、230kVA左右的负载能力。
因此，存在如下的技术问题，即、电抗器L的重量为400kg以上，相当大型，是导致包含该APU电路的电力转换装置大型化的一个原因。
用于解决技术问题的技术方案
实施方式的电气机车的电力转换装置的绝缘变压器从交流架线接受高压交流电力的供给，进行高压/低压转换并输出低压交流电力。
AC/DC转换器被输入低压交流电力，进行交流/直流转换并输出到逆变器。
另一方面，PWM控制部向逆变器输出PWM控制信号，所述PWM控制信号具有用于从逆变器的输出中去除特定的高次谐波成分或者使特定的高次谐波成分衰减到规定级别以下的规定图形。
而且，电压控制部对AC/DC转换器的输出直流电压进行控制。
其结果是，逆变器被输入AC/DC转换器的输出信号，在电压控制部的控制下进行直流/交流转换，并供给到负载。
附图说明
图1是第一实施方式的铁道车辆用电力转换装置的概要结构框图。
图2是PWM控制部输出的PWM控制信号的波形说明图。
图3是第一实施方式的变形例的铁道车辆用电力转换装置的概要结构框图。
图4是第二实施方式的铁道车辆用电力转换装置的概要结构框图。
具体实施方式
下面，参照附图，对具体实施方式进行说明。
[1]第一实施方式
图1是第一实施方式的铁道车辆用电力转换装置的概要结构框图。
在以下的说明中，高压以及低压设为遵从电技省令第3条规定的电压分类。
铁道车辆用电力转换装置10大体具备：辅助电力转换装置11，向搭载在铁道车辆上的各种设备供给电力；以及主电力转换装置13，驱动铁道车辆驱动用的三相交流电机12。
另外，铁道车辆用电力转换装置10在受电弓16与车轮18之间串联连接有高速断路器19、变压器20的初级侧线圈20-1，所述受电弓16从交流架线(交流电线)15(高电位侧电源)被供给交流电力，所述车轮18通过线路17接地(低电位侧电源)。
辅助电力转换装置11具备：第一转换器21，连接在变压器20的低压侧(低压交流电力侧)的第一次级侧线圈20-2L上，将所供给的低压交流电力转换成直流电力；滤波电容器22，设置在第一转换器21的输出侧端子间，用于去除高次谐波电流；第一逆变器23，与第一转换器21串联连接，将从第一转换器21输入的直流电力转换成三相交流电力；直流电压传感器24，与滤波电容器22并联连接，对滤波电容器22的两端电压、即第一转换器21的输出直流电压进行检测，并输出直流电压检测信号DCD；以及三相电抗器26，连接在第一逆变器23的输出端子上，用于抑制向负载25施加的施加电压的变化率。
另外，辅助电力转换装置11具备：交流电压传感器(电压转换器)27，对三相电抗器26的输出电压进行检测；电压控制部28，基于直流电压传感器24的输出以及交流电压传感器27的输出，进行第一转换器21的电流控制，从而间接地对第一逆变器23的输出电压进行控制；交流输入电流传感器29，对第一转换器21的输入电流进行检测，并输出交流输入电流检测信号ACIN；以及PWM控制部30，输出PWM控制信号SPWM，所述PWM控制信号SPWM具有用于从第一逆变器23的输出中去除特定的高次谐波成分或者使特定的高次谐波成分衰减到规定级别以下的规定图形。
在上述结构中，第一逆变器23发挥APU的功能。
电压控制部28具备：三相输出电压控制部31，比较交流电压传感器27的检测电压VAC与作为向负载25输出的输出电压的基准值的输出基准电压VREF，并输出直流电压指令值(直流电压指令信号)CDC；直流电压控制部32，根据直流电压指令值CDC以及直流电压检测信号DCD，输出用于对第一转换器21的直流侧输出电压进行控制的交流输入电流指令值(交流输入电流指令信号)CAC；以及转换器电流控制部33，根据交流输入电流检测信号ACIN以及交流输入电流指令值CAC，输出用于对第一转换器21的输出电压进行控制的转换器PWM输出信号CPWMC。
进一步，在变压器20的低压侧的第一次级侧线圈20-2L上串联连接有交流断路器34，并与交流断路器34并联地设置有串联连接的充电电阻35以及充电电阻连接用接触器36，所述充电电阻连接用接触器36用于使充电电阻35与变压器20的低压侧的第一次级侧线圈20-2L电连接。
主电力转换装置13具备：第二转换器(第二AC/DC转换器)41，连接在变压器20的第二次级侧线圈20-2H上，将通过输入部44供给的高压交流电力转换成直流电力；滤波电容器42，设置在第二转换器41的输出端子间，用于去除高次谐波电流；以及第二逆变器43，与第二转换器41串联连接，将从第二转换器41输入的直流电力转换成三相交流电力，并输出到三相交流电机12。
在上述结构中，输入部44设置有串联连接在第二次级侧线圈20-2H与第二转换器41之间的未图示的交流断路器，以及与该交流断路器并联地设置有串联连接的未图示的充电电阻和未图示的充电电阻连接用接触器，所述未图示的充电电阻连接用接触器用于使该充电电阻电与第二次级侧线圈20-2H电连接。这些交流断路器、充电电阻以及充电电阻连接用接触器具有与交流断路器34、充电电阻35以及充电电阻连接用接触器36同样的功能。
接下来，对第一实施方式的动作进行说明。
当经由受电弓16以及高速断路器19从交流架线15向铁道车辆用电力转换装置10的变压器20的初级侧线圈20-1供给交流电力时，辅助电力转换装置11在将交流断路器34设置成闭合状态(导通状态)之前，将充电电阻连接用接触器36设置成闭合状态(导通状态)。
由此，借助与构成第一转换器21的四个开关晶体管(例如IGBT)并联连接的二极管，对经由充电电阻35供给的交流电力的电流进行全波整流，并对滤波电容器22进行充电。
然后，当滤波电容器22的充电结束时，交流电力的电流变得微小或者不能流动。因此，辅助电力转换装置11通过将交流断路器34设置成闭合状态(导通状态)，能够防止交流断路器34闭合时流过瞬间大电流，防止交流断路器34的熔敷等。
此后，能够向第一转换器21供给来自交流架线15(交流电线)的大电力，从变压器20的低压侧(低压交流电力侧)的第一次级侧线圈20-2L向辅助电力转换装置11的第一转换器21供给低压交流电力(例如400V)。
由此，第一转换器21将所输入的低压交流电力转换成直流电力，并从输出端子输出。
设置在第一转换器21的输出端子间的滤波电容器22从第一转换器21输出的直流电力中去除高次谐波电流，并向第一逆变器23输出。
如将在下文中详细说明的那样，第一逆变器23根据PWM控制部30输出的具有规定图形的PWM控制信号SPWM，从输出信号中去除特定的高次谐波成分或者使特定的高次谐波成分衰减到规定级别以下，并且将从第一转换器21输入的直流电力转换成三相交流电力，并输出到三相电抗器26。
由此，三相电抗器26抑制与第一逆变器23输出的三相交流电力相对应的施加电压的变化率，并向负载25输出。构成该三相电抗器26的各电抗器的电感例如在向负载供给的供给电力为380V-50Hz、230kVA时，为40μH左右。
因此，通过连接三相电抗器26，形成20V/μsec左右的施加电压的斜度，即使直接向连接在发挥APU功能的第一逆变器23上的负载25施加与PWM控制信号SPWM相对应的PWM电压，也不会对负载25造成损伤。
由此，向负载25供给去除了特定的高次谐波成分或者使特定的高次谐波成分衰减到规定级别以下、并抑制了电压变化率的直流电力。因此，辅助电力转换装置11能够稳定地驱动负载25。
在此，在第一逆变器23中，对从输出信号中去除特定的高次谐波成分或者使特定的高次谐波成分衰减到规定级别以下的原理进行说明。
图2是PWM控制部输出的PWM控制信号的波形说明图。
图2中表示出从第一逆变器23的直流电力的输出信号(输出电压)中去除5次高次谐波成分、7次高次谐波成分、11次高次谐波成分、13次高次谐波成分以及17次高次谐波成分时的PWM控制信号SPWM的波形。
在本第一实施方式中，设为18次以后的高次谐波成分在负载25的动作中不会产生实际问题，无需在第一逆变器23的后段设置LC共振滤波器。
如图2所示，本实施方式的PWM控制信号具有相当于去除5次高次谐波成分、7次高次谐波成分、11次高次谐波成分、13次高次谐波成分以及17次高次谐波成分的、在基本波的一个周期中包括五个脉冲的PWM脉冲图形。
在图2中，PWM脉冲图形具有左右对称的形状，三个触发角度α1、α3、α5相当于使构成第一逆变器23的开关晶体管(例如IGBT)导通的时机，两个关断角度α2、α4相当于使构成第一逆变器23的开关晶体管关断的时机。
而且，在图2的示例的情况下，三个触发角度α1、α3、α5以及两个关断角度α2、α4作为整体形成去除5次高次谐波成分、7次高次谐波成分、11次高次谐波成分、13次高次谐波成分以及17次高次谐波成分的结构。
更加详细地说，触发角度α1＝11.349°，关断角度α2＝17.2616°，触发角度α3＝23.8017°，关断角度α4＝34.8708°，触发角度α5＝37.2567°。
这些触发角度α1、α3、α5以及关断角度α2、α4是根据与规定的电压以及频率(交流频率)相对应的特定的PWM脉冲图形，使用傅立叶级数展开理论解析计算出来的。因此，同样地，在去除对象的高次谐波成分的个数为n个时，生成具有在基本波的一个周期中包括n个脉冲的PWM脉冲图形的PWM控制信号。
然而，如上所述，与去除对象的高次谐波成分相应地，PWM脉冲图形是固定的，无法变更脉冲宽度(PulseWidth)。因此，与通常的PWM控制同样地无法变更第一逆变器23的输出电压。
因此，在本第一实施方式中，为了变更第一逆变器23的输出电压，采用对第一逆变器23的输入电压、即第一转换器21的输出电压进行控制的结构。
下面，详细说明对第一转换器的输出电压进行控制的结构。
为了对第一转换器21的输出电压进行控制，交流电压传感器27对三相电抗器26的输出电压进行检测，并输出到电压控制部28。
与此并行地，与滤波电容器22并联连接的直流电压传感器24对滤波电容器22的两端电压、即第一转换器21的输出直流电压进行检测，并输出到电压控制部28。
由此，电压控制部28根据三相电抗器26的输出电压、即表示负载25的输入电压的交流电压传感器27的输出，进行第一转换器21的电流控制。
此时，交流输入电流传感器29对第一转换器21的输入电流进行检测，并输出交流输入电流检测信号ACIN。
电压控制部28的三相输出电压控制部31比较交流电压传感器27的检测电压VAC与向负载25输出的输出基准电压VREF，并将直流电压指令值CDC输出到直流电压控制部32。
直流电压控制部32根据直流电压指令值CDC以及直流电压传感器24的检测电压DCD，将用于对第一转换器21的直流侧输出电压进行控制的交流输入电流指令值CAC输出到转换器电流控制部33。
转换器电流控制部33根据交流输入电流检测信号ACIN以及交流输入电流指令值CAC，将用于对第一转换器21的交流侧输出电压进行控制的转换器PWM输出信号CPWMC输出到第一转换器21。
其结果是，第一转换器21的输出电压被控制成，使向负载25供给的三相交流电压形成为规定值(例如380V)。
另一方面，与上述辅助电力转换装置11的动作并行地，主电力转换装置13的第二转换器(第二AC/DC转换器)41将从变压器20的第二次级侧线圈20-20H通过输入部44供给的高压交流电力转换成直流电力，并输出到第二逆变器43。
此时，滤波电容器42从第二转换器输出的直流电力中去除高次谐波电流。
然后，第二逆变器43将从第二转换器41输入的直流电力转换成三相交流电力，并输出到三相交流电机12，从而驱动三相交流电机12，以驱动未图示的电气机车。
如以上说明的那样，低次高次谐波(在本实施方式中为5次高次谐波成分、7次高次谐波成分、11次高次谐波成分、13次高次谐波成分以及17次高次谐波成分)从第一逆变器23的输出中消减，无需在第一逆变器23的输出(后段)上连接LC共振滤波器。
因此，对于输出电流，低次高次谐波也被消减，能够减轻高次谐波成分对连接在APU上的负载造成的影响。
在此，更详细地说明第一实施方式的效果。
根据本第一实施方式，如上所述，构成为不从第一逆变器23输出低次高次谐波，具体为不输出5次高次谐波、7次高次谐波、11次高次谐波、13次高次谐波、17次高次谐波的高次谐波成分，因此，即使在第一逆变器23的输出侧连接电抗器时，只要以抑制作为PWM的方形波输出电压波形的电压变化率的目的来连接该电抗器即可，能够大幅减小所连接的电抗器的电感。
另一方面，与现有技术同样地，如果想要通过使用了电抗器的LC共振滤波器去除5次高次谐波以上的成分，则必须将连接在第一逆变器23的输出侧的各相(U、V、W相)上的各电抗器与各电容器的共振频率设置成与5次高次谐波同样的频率、即电源频率的5倍的频率、即250(＝50×5)Hz。因此，在需要380V-50Hz、230kVA左右的电源的负载的情况下，电抗器的电感需要380μH左右，其重量为420kg左右。顺便说明一下，构成LC共振滤波器并与各相连接的电容器的电容量为300μF左右。
另外，本第一实施方式是如下的情形，即、对于比17次(高次谐波成分)更高次的高次谐波成分，作为所连接的负载25不会产生问题，无需在第一逆变器23的后段设置LC共振滤波器。
因此，如图1所示，只要在第一逆变器23的后段存在用于抑制逆变器输出电压的变化率的电抗器即可。
为此，在本第一实施方式中，在第一逆变器23的后段代替LC共振滤波器而设置有三相电抗器26。
如上所述，构成三相电抗器26所需的各电抗器的电感为40μH左右。因此，与通过使用电抗器的LC共振滤波器去除5次高次谐波以上的成分时所需的电抗器的电感、即380μH相比，能够设置成约1/8至1/10左右。
其结果是，根据本第一实施方式，无需在第一逆变器23的输出侧设置较大的电抗器，因此，能够实现辅助电力转换装置11乃至铁道车辆用电力转换装置10的小型化。
[1.1]第一实施方式的变形例
在以上的说明中，说明了18次以后的高次谐波成分在负载25的动作中不会产生实际问题的情形，但是，对于认为18次以后的高次谐波成分会对负载25的动作造成影响的情形，需要在第一逆变器23的后段设置LC共振滤波器。
图3是第一实施方式的变形例的铁道车辆用电力转换装置的概要结构框图。
在图3中，对与图1的第一实施方式相同的部分赋予相同的附图标记。
第一实施方式的变形例的铁道车辆用电力转换装置与第一实施方式的铁道车辆用电力转换装置的不同之处在于，代替三相电抗器26而具备电抗器以及电容器，为了构成去除18次以后的高次谐波成分的LC共振滤波器26X而设置有三相电抗器26XA以及三相电容器26XB。
然而，如在第一实施方式中说明的那样，在本第一实施方式的变形例中，构成为不从第一逆变器23输出低次高次谐波，具体为不输出5次高次谐波、7次高次谐波、11次高次谐波、13次高次谐波、17次高次谐波的高次谐波成分。
因此，即使在第一逆变器23的输出侧连接构成LC共振滤波器26X的三相电抗器26XA以及三相电容器26XB时，能够将具备三相电抗器26XA以及三相电容器26XB的LC共振滤波器26X的共振频率设置成与17次高次谐波成分相同的程度，因此，能够将构成LC共振滤波器26X的三相电抗器26XA的电感设置成250Hz/850Hz＝1/3.4、即380μH/3.4＝112μH左右。
其结果是，与通过LC共振滤波器去除5次高次谐波以上的成分时所需的电抗器的电感、即380μH相比，能够设置成约1/3.4左右，能够实现三相电抗器26XA的大幅小型化。
如以上说明的那样，根据本第一实施方式的变形例，即使在设置LC共振滤波器的情况下，也能够将断路频率设置成18次高次谐波成分的中心频率以上，因此，能够实现LC共振滤波器的小型化，能够实现辅助电力转换装置11乃至铁道车辆用电力转换装置10的小型化。
[2]第二实施方式
图4是第二实施方式的铁道车辆用电力转换装置的概要结构框图。
在图4中，对与图1的第一实施方式相同的部分赋予相同的附图标记。
第二实施方式的铁道车辆用电力转换装置10与第一实施方式的铁道车辆用电力转换装置10的不同之处在于，第一、未设置对三相电抗器26的输出电压进行检测的交流电压传感器(电压转换器)27。
第二、设置有具备直流电压指令运算部51的电压控制部28A，所述直流电压指令运算部51基于用于指定第一逆变器23的输出电压的输出电压指令信号VSET，对直流电压控制部32输出用于指定第一转换器21的输出电压的直流电压指令值CDC。
在这种情况下，根据连接对象的负载25适当地设定输出电压指令信号VSET。
本第二实施方式的动作与第一实施方式的动作的不同点在于电压控制部28A的动作，因此，下面以电压控制部28A的动作为中心进行说明，并且对于其他的动作援用第一实施方式的说明。
与第一实施方式同样地，在本第二实施方式中，为了对第一逆变器23的输出电压进行控制，也采用对第一逆变器23的输入电压、即第一转换器21的输出电压进行控制的结构。
下面，详细说明对第一转换器的输出电压进行控制的结构。
在这种情况下，预先设定了输出电压指令信号VSET。
由此，电压控制部28A的直流电压指令运算部51根据输出电压指令信号VSET进行运算，并对直流电压控制部32输出用于指定第一转换器21的输出电压的直流电压指令信号CDC。
直流电压控制部32根据直流电压指令值CDC以及直流电压传感器24的检测电压，将用于对第一转换器21的输出电压进行控制的交流输入电流指令值CAC输出到转换器电流控制部33。
转换器电流控制部33根据交流输入电流检测信号ACIN以及交流输入电流指令值CAC，将用于对第一转换器21的交流侧输出电压进行控制的转换器PWM输出信号CPWMC输出到第一转换器21。
其结果是，第一转换器21的直流侧输出电压被控制成，使向负载25供给的三相交流电压形成为规定值(例如380V)。
如以上说明的那样，根据本第二实施方式，通过降低三相电抗器26的电感，伴随着构成三相电抗器26的电抗器的小型化，能够忽略该电抗器的电压下降。因此，即使不进行反馈控制，也能够充分地确保精度，因而能够通过前馈控制获得与第一实施方式同样的效果。
因此，能够消除用于检测三相电抗器26XA的输出电压的交流电压传感器27以及反馈控制用的布线，能够使装置结构简化，能够实现装置的小型化以及制造成本的降低。
[3]实施方式的变形例
在以上的说明中，采用了去除第一逆变器23的输出电压中所包含的高次谐波成分之中的5次高次谐波成分、7次高次谐波成分、11次高次谐波成分、13次高次谐波成分以及17次高次谐波成分的结构，但是，可以构成为去除任意次数的高次谐波成分。
在这种情况下，在逆变器的输出交流中，如果将基本相数(脉动率)设为p，则高次谐波次数n表达为下式。
n＝k·p±1(k＝1、2、3、……)
即，在如第一逆变器23那样是三相交流输出逆变器的情况下，由于p＝6，因此n＝5、7、11、13、17、19、……。
因此，能够去除满足上式的n次高次谐波成分。
进一步，由于n次高次谐波成分的电压的大小为基本波的电压的1/n，因此，如果是在负载25中可以完全忽略不计的电压，则无需去除。
对本发明的几种实施方式进行了说明，但是这些实施方式是作为例子而提出的，并非旨在限定发明的保护范围。这些新颖的实施方式能够以其他各种方式实施，在不偏离发明宗旨的保护范围内能够进行各种省略、置换、变更。这些实施方式及其变形包含在发明的保护范围和宗旨中，并且包含在权利要求书中记载的发明及其等同的保护范围内。

Claims (9)

1.一种电气机车的电力转换装置，其特征在于，具备：
绝缘变压器，从交流架线接受高压交流电力的供给，进行高压/低压转换并输出低压交流电力；
AC/DC转换器，被输入所述低压交流电力，并进行交流/直流转换；
逆变器，被输入所述AC/DC转换器的输出，进行直流/交流转换并供给到负载；
PWM控制部，输出PWM控制信号，所述PWM控制信号具有用于从所述逆变器的输出中去除特定的高次谐波成分或者使特定的高次谐波成分衰减到规定级别以下的规定图形；以及
电压控制部，对所述AC/DC转换器的输出直流电压进行控制，并对所述逆变器的输出电压进行控制。
2.根据权利要求1所述的电气机车的电力转换装置，其特征在于，
所述电压控制部根据所述逆变器的输出电压，对所述AC/DC转换器的输出直流电压进行控制。
3.根据权利要求1所述的电气机车的电力转换装置，其特征在于，
所述电压控制部根据所述低压交流电力的输入电流，对所述AC/DC转换器的交流侧输出电压进行控制。
4.根据权利要求1所述的电气机车的电力转换装置，其特征在于，
具备滤波器部，所述滤波器部设置在所述逆变器的后段，抑制所述特定的高次谐波成分中的、具有超过中心频率最高的高次谐波成分的频率的成分，并向所述负载输出。
5.根据权利要求4所述的电气机车的电力转换装置，其特征在于，
所述滤波器部构成为具有电抗器以及电容器的LC滤波器。
6.根据权利要求1所述的电气机车的电力转换装置，其特征在于，
具备电抗器，所述电抗器设置在所述逆变器的后段，用于进行所述逆变器的输出的平滑化。
7.根据权利要求1所述的电气机车的电力转换装置，其特征在于，
所述特定的高次谐波成分为3次至13次高次谐波成分。
8.根据权利要求1所述的电气机车的电力转换装置，其特征在于，
PWM控制部生成并输出在基本波的一个周期中包含n个脉冲、并用于去除如下高次谐波成分或者使如下高次谐波成分衰减到规定级别以下的所述PWM控制信号，即、该高次谐波成分与各所述脉冲的开关触发角度所对应的n个中心频率相对应，其中，n为自然数。
9.根据权利要求1所述的电气机车的电力转换装置，其特征在于，
所述负载包括三相交流电机，
所述特定的高次谐波成分为5次高次谐波成分、7次高次谐波成分、11次高次谐波成分以及13次高次谐波成分。
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