CN101295939B - 功率变换器的控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种功率变换器的控制装置，在逆变器的输入的接地侧串联地插入具有能处理在逆变器中流入或流出的电流的容量的蓄电装置的直流电压源，从而从零开始连续地控制该输出电压并与架线电压相加后施加到逆变器。从而能够提供一种在由电压可变、频率可变逆变器来驱动感应电动机的功率变换器中，使逆变器所产生的交流电压上升来扩大感应电动机的高速侧的特性，实现动力运行以及再生制动的性能提高的驱动控制装置。

Description

功率变换器的控制装置

技术领域

本发明涉及控制由电压可变、频率可变逆变器来驱动感应电动机的功率变换器的装置，尤其涉及在直流电源侧具备具有蓄电装置的直流电压产生机构，利用该直流电压产生机构所产生的功率来驱动的功率变换器的控制装置。 

背景技术

在通过电压可变、频率可变(VVVF)逆变器控制来驱动感应电动机的所谓逆变器铁道车辆中，在停止间隙不使用空气制动器(air brake)而采用仅靠电能的制动力来使铁道车辆停止的全电气停止制动器已被实际应用。 

不依赖于空气制动器而仅通过电能的制动器来得到停止力这一点，随着抑制制动靴(brake shoe)的磨耗而对于减少车辆的维修有效果，并且由于没有空气制动器的上升延迟，因此也有助于停止精度的提高。 

由此，相对于以往使用的空气制动器来说，仅通过电气制动器使铁道车辆停止有很多优点，因此如果能在铁道车辆的所有速度区域中将空气制动器置换为电气制动器，则能对制动靴的磨耗方面具有较大优点。 

但是，逆变器控制中的感应电动机的交流侧的最大输出电压由直流侧即逆变器的输入电压决定，铁道车辆中的感应电动机，如图2、图3的实线所示，使用在高速的区域交流输出电压为最大的特性，因此仅通过电能的制动会有得不到所需要的制动力的问题。 

因此，通过在制动时使感应电动机侧的电压上升，从而进行使制动力增加的试验。例如为插入电阻或电容器等的阻抗的装置，但存在不仅浪费制动时的再生能量，而且也不能得到电压的连续性的缺点。在专利文献1中所公开的例子中，没有再生能量的浪费，但也没有电压的连续性。 

专利文献1：日本特开2002-369304号公报 

发明内容

本发明的课题在于，鉴于上述情况，提供一种通过不使再生能量浪费并且也保持电压的连续性而得到必要的电气制动力的铁道车辆的驱动控制装置。 

上述课题，能够通过将具有能够处理在逆变器中流入或流出的电流的容量的蓄电装置的直流电压源串联地插入到逆变器的输入的接地侧，而实现从零开始连续地控制所产生的输出电压。 

本发明的功率变换器，从架线供给直流电力，通过具有主电路元件的电压可变、频率可变逆变器来驱动感应电动机，所述功率变换器的特征在于，具有直流电压源，该直流电压源具有插入到所述逆变器的输入侧的接地侧的可充电·放电的电力蓄电装置，该电力蓄电装置的电压施加方向与所述架线的电压施加方向相同，该直流电压源具有：在该电力蓄电装置的正极和负极间串联连接的开关元件；与该开关元件的每一个并联连接的续流二极管；和在该开关元件及该续流二极管的中点连接的电抗器，该电力蓄电装置的正极与所述架线的接地侧连接，所述电抗器与所述逆变器的输入侧的接地侧连接，按照流入到该逆变器或者从该逆变器流出的电流的方向，在使该开关元件的一方断开的状态下，通过对另一方的开关元件的接通断开的导通率进行控制，从而从零开始连续地控制该直流电压源的输出电压，控制流入到该逆变器或者从该逆变器流出的方向的电流，将该直流电压源的输出电压与该架线电压相加，作为该逆变器的输入电压进行施加。 

本发明的另一种功率变换器，从架线供给直流电力，通过具有主电路元件的电压可变、频率可变逆变器来驱动感应电动机，所述功率变换器的特征在于，具有直流电压源，该直流电压源具有插入到所述逆变器的输入侧的接地侧的可充电·放电的电力蓄电装置，该电力蓄电装置的电压施加方向与所述架线的电压施加方向相同，该直流电压源具有：在该电力蓄电装置的正极和负极间串联连接的开关元件；与该开关元件的每一个并联连接的续流二极管；和在该开关元件及该续流二极管的中点连接的电抗器，该电力蓄电装置的正极与所述逆变器的输入侧的接地侧连接，所述电抗器与所述架线的接地侧连接，按照流入到该逆变器或者从该逆变器流出的电流的方向，在使该开关元件的一方断开的状态下，通过对另一方的开关元件的接通断开的导通率进行控制，从而从零开始连续地控制该直流电压源的输出电压，控制流入到该逆变器或者从该逆变器流出的方向的电流，将该直流电压源的输出电压与该架线电压相加，作为该逆变器的输入电压进行施加。 

通过本发明，由于能够在高速侧扩大感应电动机的特性，因此实现电气制动范围扩大，制动靴的磨耗降低。此外制动力的增大也会产生再生能量的增大，电能的再生率提高，结果可实现节省能量。进而动力运行侧的特性也在高速侧扩大，从而能够期待控制性能的提高。在逆变器的接地侧插入直流电压源，具有也可不使用与架线电压对应的高压部件作为使用于电压源的部件的效果。 

附图说明

图1为本发明的实施例1的功率变换器的控制装置的说明图。 

图2为表示功率变换器的动力运行(力行)时的感应电动机的特性的说明图。 

图3为表示功率变换器的制动时的感应电动机的特性的说明图。 

图4为表示功率变换器的架线电压和逆变器输入电压之间的关系的说明图。 

图5为表示本发明的实施例1的功率变换器的架线电压和直流电压源电压和逆变器输入电压之间的关系的说明图。 

图6为插入本发明的实施例1的直流产生电源装置后的功率变换器的说明图。 

图7为图6的本发明的实施例1的功率变换器的动力运行时的工作说明图。 

图8为图7的功率变换器的各产生电压的说明图。 

图9为图6的本发明的实施例1的功率变换器的再生制动时的工作说明图。 

图10为图9的功率变换器的各产生电压的说明图。 

图11为将本发明的实施例2的直流产生电源装置插入后的功率变换器的说明图。 

图12为图11的本发明的实施例2的功率变换器的动力运行时的工作说明图。 

图13为图12的功率变换器的各产生电压的说明图。 

图14为图11的本发明的实施例2的功率变换器的再生制动时的工作说明图。 

图15为图14的功率变换器的各产生电压的说明图。 

图16为表示本发明的实施例2的蓄电装置的容量的选定的说明图。 

符号的说明 

1  架线 

2  导电弓架(pantagraph) 

3  滤波电抗器 

4  滤波电容器 

5  逆变器 

6  感应电动机 

7  车轮 

8  其他列车、变电站等 

10 直流电压源装置 

11 蓄电装置 

21 开关元件 

22 开关元件 

31 续流二极管(flywheel diode) 

32 续流二极管 

41 电抗器 

具体实施方式

以下参照附图对本发明的实施方式进行说明。 

【实施例1】 

图1表示本发明的实施例1的功率变换器的控制装置。图1中从导电弓架2对架线1的直流电进行集电，经由滤波电抗器FL3及滤波电容器FC4而供给到逆变器5。由逆变器5变换为交流电来驱动感应电动机6。在逆变器5的接地侧插入具有蓄电装置11的直流电压源10，而产生直流电压。电流经由车轮7返回到线路。以上的工作为铁道车辆的动力运行的情况，在制动的情况下，感应电动机6作为发电机工作，在架线1侧再生电能。因此，直流电压源10流入在逆变器5中流动的电流，来控制逆变器的流入、流出两个方向的电流。 

图2、图3中表示铁道车辆中的感应电动机的一般的特性。图2为动力运行的情况，图3为制动的情况。图3为用于与动力运行对比的逆向的特性图。如图4所示，在没有插入直流电压源10的通常的功率变换器中，架线电压Es≒逆变器输入电压Ei，成为由图2、图3的实线所示的特性。 

在此，如本发明的实施例1所示，在逆变器的输入侧插入直流电压源10，如图5所示，如果按照将直流电压源10的输出电压Ed与架线电压Es相加的方式进行控制，则逆变器输入电压Ei＝Es+Ed，图2、图3的特性如虚线所示，通过对逆变器的输入电压的上升而感应电动机6所产生的交流电压扩大ΔEm量，结果电流·转矩的特性在高速侧扩大。因此，如果使直流电压上升，则逆变器所处理的电能也扩大，在制动时得到比通常大的再生能量。 

在铁道车辆中，直流电压源10的输出电压能够从零开始连续地控制是较好的。图6表示采用输出这种直流电压的电压源的具体的例子。 

在图6中，对与图1相同的地方省略说明。在图1中虽然未图示，但在架线1和车轮7之间，吸收再生能量的其他铁道车辆或变电站存在，其标号为8。 

蓄电装置11为可充放电的蓄能量装置，在其正极侧连接开关元件21，在负极侧连接开关元件22，开关元件21和22串联连接。此外开关元件21、22分别并联连接续流二极管31、32。开关元件21和22之间的中点与续流二极管31和32之间的中点被连接，经由电抗器41与逆变器5的接地侧连接。蓄电装置11的正极侧与车轮7连接。 

在此，通过使开关元件的一方始终断开，另一方开关元件进行接通/断开的斩波工作，从而在开关元件和二极管之间的中点产生斩波电压。如果平滑该斩波电压，则能得到直流电压，该直流电压与架线电压相加后，施加到逆变器5。通过控制开关元件的斩波周期(通流率)而直流电压能从零开始连续地可变。 

以下详细说明图6的工作。图7表示动力运行时的工作状态。在图7中，使开关元件21始终断开，使开关元件22接通时，如实线所示电流在经由电抗器41、开关元件22、蓄电装置11的路径中流动，在(A)点如图8所示的实线那样，输出蓄电装置11的电压(-)Eb。 

如果开关元件21仍为断开且断开开关元件22，则如虚线所示那样电流经由电抗器41、续流二极管31而流动，(A)点的电位如图8的虚线那样为零。如上所述，通过开关元件22的接通断开，而产生蓄电装置11的电压Eb大小的斩波电压。通过电抗器41、滤波电容器4平滑该斩波电压后的电压Ed与架线电压Es相加而成为逆变器5的输入电压Ei。该产生电压Ed能够通过开关元件22的斩波的通流率控制而连续地改变其大小。因此，能够在任意的定时进行产生电压的大小或电压的插入/除去。 

图9表示制动时的工作状态。制动时开关元件22始终断开。在此，如果开关元件21断开，则电流从蓄电装置11经由续流二极管32、电抗器41以实线所示的路径流动，(A)点中如图10的实线所示出现电压(-)Eb。 

接下来，使开关元件21接通时，电流经由开关元件21、电抗器41如虚线所示那样流动，(A)点的电位如图10的虚线所示为零。由此在制动的情况下，通过开关元件21的接通断开而能够如图10所示那样产生斩波电压。 

与动力运行同样该电压也由电抗器41、滤波电容器4被平滑而成为电压Ed，被施加到逆变器5的产生电压，对架线侧的再生能量比通常增大，得到更大的电气制动力。另外，电抗器41不论在逆变器5侧还是车轮7侧连接都得到相同的效果。 

在此，尝试求出直流电压源所产生的电压Ed和对逆变器5的流入·流出电流的关系。设蓄电装置11的输出电压为Eb，蓄电装置11的电流 为Ib，逆变器5的直流电流为Ii，开关元件21及22的斩波通流率为γ时，具有： 

(式2) 

Ed＝γ×Eb  ...................(2) 

(式3) 

Ib＝γ×Ii  ...................(3) 

的关系，根据(2)、(3)得到 

(式4) 

Ed×Ii＝Ib×Eb    ..............(4) 

因此通过斩波通流率γ的控制来选择对逆变器相加的电压Ed和蓄电装置的电流Ib。 

此外，一般由于通流率γ≤1，因此相加的电压Ed为蓄电装置11的电压Eb以下，由下式限制。 

(式5) 

Ed×Ii≤{Ib×Eb(最大允许值)}......(5) 

关于蓄电装置11的容量，也可为相对于扩大特性的速度范围的能量，由蓄电装置所负担的比率以下的容量。 

如图16所示，设扩大的速度为vh，不需要蓄电装置的电压的相加的速度为vl。如果设Vh和vl间的能量为Bv，铁道车辆的重量为M，则有 

(式6) 

$\mathrm{Bv}=\frac{1}{2}({\mathrm{vh}}^2-{\mathrm{vl}}^2)\×M\·\·\·\·\left(6\right)$

考虑通流率≒1的情况时，由蓄电装置所负担的电压的最大值也可为电池电压Eb，因此蓄电装置的容量的最大值Bbmax大致可以由下式表示。 

(式7) 

因此，也可为Bbmax以下的容量的蓄电装置。 

作为本实施例的其他特征，开关元件21、22的两端和续流二极管31、32的两端与蓄电装置11连接，因此它们的耐压性能不是对逆变器的施加电压，也可为与蓄电装置11对应的耐压性能。在逆变器的正极侧插入直流电压源的情况下，使用于直流电压源的元件需要具有与逆变器相同的耐压性能。但是，在本实施例中，也可为与相加电压对应的元件的耐压性能，也具有实现标准化和小型化的效果。 

【实施例2】 

对本发明的另一实施例进行说明。图11为采用能输出直流电压的其他电压源的例子。图11的直流电压源的结构与图6大致相同，但在蓄电装置11的正极侧与逆变器5的接地侧连接，来自开关元件21、22和续流二极管31、32的中点的电抗器41的出力端向车轮7连接方面不同。 

以下详细说明图11的工作。图12表示动力运行时的工作状态。在图12中，开关元件22始终断开，而接通开关元件21时，如实线所示，电流在经由开关元件21、电抗器41的路径中流动，如果断开开关元件21，则如虚线所示电流经由蓄电装置11、续流二极管32、电抗器41而流动。在本实施例的情况下，也能够通过开关元件21的接通断开工作在(A)点得到如图13所示那样的斩波电压。 

图14表示制动时的工作状态。在此始终断开开关元件21。如果断开开关元件22，则电流经由电抗器41、续流二极管31在用实线表示的路径 中流动，在使开关元件22接通时，电流经由电抗器41、开关元件22、蓄电装置11如虚线所示那样流动。因此在这种情况下通过斩波元件22的接通断开也能在(A)点得到图15所示那样的斩波电压。因此在图11的实施例中也能得到与图6的实施例相同的效果。 

如以上所说明那样，在本实施例中能够实现车辆性能的提高。 

Claims (4)

1.一种功率变换器，从架线供给直流电力，通过具有主电路元件的电压可变、频率可变逆变器来驱动感应电动机，所述功率变换器的特征在于，

具有直流电压源，该直流电压源具有插入到所述逆变器的输入侧的接地侧的可充电·放电的电力蓄电装置，该电力蓄电装置的电压施加方向与所述架线的电压施加方向相同，

该直流电压源具有：

在该电力蓄电装置的正极和负极间串联连接的开关元件；

与该开关元件的每一个并联连接的续流二极管；和

在该开关元件及该续流二极管的中点连接的电抗器，

该电力蓄电装置的正极与所述架线的接地侧连接，所述电抗器与所述逆变器的输入侧的接地侧连接，

按照流入到该逆变器或者从该逆变器流出的电流的方向，在使该开关元件的一方断开的状态下，通过对另一方的开关元件的接通断开的导通率进行控制，从而从零开始连续地控制该直流电压源的输出电压，控制流入到该逆变器或者从该逆变器流出的方向的电流，

将该直流电压源的输出电压与该架线电压相加，作为该逆变器的输入电压进行施加。

2.根据权利要求1所述的功率变换器，其特征在于，

在设需要该直流电压源的输出电压的该感应电动机的特性的转速为vh，不需要该直流电压源的输出电压的该感应电动机的转速为vl，铁道车辆的重量为M，该架线电压为Es，该电力蓄电装置的输出电压的最大值为Eb时，该电力蓄电装置的容量Bb为该电力蓄电装置的输出电压的最大值Eb相对该架线电压Es和该电力蓄电装置的输出电压的最大值Eb的相加值的比与该铁道车辆的动能相乘后的由式(1)表示的最大能量Bbmax的容量，

3.一种功率变换器，从架线供给直流电力，通过具有主电路元件的电压可变、频率可变逆变器来驱动感应电动机，所述功率变换器的特征在于，

具有直流电压源，该直流电压源具有插入到所述逆变器的输入侧的接地侧的可充电·放电的电力蓄电装置，该电力蓄电装置的电压施加方向与所述架线的电压施加方向相同，

该直流电压源具有：

在该电力蓄电装置的正极和负极间串联连接的开关元件；

与该开关元件的每一个并联连接的续流二极管；和

在该开关元件及该续流二极管的中点连接的电抗器，

该电力蓄电装置的正极与所述逆变器的输入侧的接地侧连接，所述电抗器与所述架线的接地侧连接，

按照流入到该逆变器或者从该逆变器流出的电流的方向，在使该开关元件的一方断开的状态下，通过对另一方的开关元件的接通断开的导通率进行控制，从而从零开始连续地控制该直流电压源的输出电压，控制流入到该逆变器或者从该逆变器流出的方向的电流，

将该直流电压源的输出电压与该架线电压相加，作为该逆变器的输入电压进行施加。

4.根据权利要求3所述的功率变换器，其特征在于，

在设需要该直流电压源的输出电压的该感应电动机的特性的转速为vh，不需要该直流电压源的输出电压的该感应电动机的转速为vl，铁道车辆的重量为M，该架线电压为Es，该电力蓄电装置的输出电压的最大值为Eb时，该电力蓄电装置的容量Bb为该电力蓄电装置的输出电压的最大值Eb相对该架线电压Es和该电力蓄电装置的输出电压的最大值Eb的相加值的比与该铁道车辆的动能相乘后的由式(1)表示的最大能量Bbmax的容量，

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