CN102639354B - 推进控制装置 - Google Patents

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Abstract

在辅助电源装置连接于主变换装置的中间环节电路连接的结构中，作为辅助电源装置的输入电压的中间环节电压依赖于作为主机的主变换装置而被设定为高电压，辅助电源装置的主电路元件产生的损失变大，因此存在必须将冷却器大型化的问题。主变换装置通过监视车辆速度，从而识别低速/停车时，根据车辆速度使中间环节电压变化，由此使冷却能力降低的低速/停车时的辅助电源装置的主电路元件产生的损失降低，谋求冷却器的小型/轻量化。

Description

推进控制装置
技术领域
本发明涉及交流电气列车的推进控制装置。
背景技术
在电气列车（electric motor vehicle）中通常具备用于向电气列车内的照明、空调等供给电力的辅助电源装置。对辅助电源装置的负载（照明、空调等）与车辆速度无关地使辅助电源装置的主电路元件产生热（损失）。因此需要冷却主电路元件，在辅助电源装置的主电路元件的冷却方式中有使用行驶风的自通风式和使用风扇的强制风冷式。
由于行驶风的强度依赖于车辆速度，所以在采用自通风式的情况下的冷却能力随着车辆速度变慢而降低，在不能期待行驶风的停车时变为最低。因此，为了保障在最差的条件下的冷却能力，以停车时的无风状态为设计条件来进行辅助电源装置的主电路元件的冷却设计。
另一方面，在交流电气列车的电力变换系统的结构中，在主变换装置（Converter-Inverter，变换器-逆变器）的中间环节连接部（intermediate link connection）连接辅助电源装置的结构的情况下，辅助电源装置的输入电压为主变换装置的中间环节电压（intermediate link voltage）。该电压由于通常依赖于作为主变换装置的负载的主电动机（车辆驱动用电动机），所以被设定为高电压，与从主变压器直接得到电力的结构相比有主电路元件产生的损失变大的趋势。
以往，作为减少电力变换系统中的主电路元件产生的损失的一个对策，已知如专利文献1所示那样根据负载电力、输入电力等控制直流-交流变换单元（逆变器）、交流-直流变换单元（变换器）的方法，作为一个例子，上下变更逆变器的输入电压的方法（例如，参照专利文献1）。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2006-121816号公报（第3-4页、第4图）。
发明内容
发明要解决的课题
可是，在如上述那样的在中间环节连接部连接辅助电源装置的结构的电力变换系统的情况下，由于将中间环节电压设定为高电压，所以辅助电源装置的主电路元件产生的损失变大。此外，由于该电压依赖于作为主机的主变换装置，所以也不能根据辅助电源装置的需要进行单纯地使用上述现有技术的逆变器的输入电压控制，存在为了使冷却能力提高而必须将冷却器大型化的问题。
本发明是为了解决上述那样的问题而完成的，其目的在于提供一种在主变换装置的中间环节连接部连接辅助电源装置的结构的情况下减少了辅助电源装置的主电路元件产生的损失的推进控制装置。
用于解决课题的方案
本发明的推进控制装置，具备：变换器，将交流变换成直流并输出；逆变器，将由所述变换器输出的直流变换成交流，在车辆速度为VVVF终端速度以下的情况下进行VVVF控制，在车辆速度比所述VVVF终端速度大的情况下进行CVVF控制，并向电动机供给；滤波电容器，设置在所述变换器和所述逆变器之间的中间环节连接部；以及辅助电源装置，与所述中间环节连接部连接并通过自通风方式进行冷却，所述推进控制装置的特征在于，具备：变换器控制部，被输入车辆速度的信息，基于该信息，在车辆速度信息所示的车辆速度为比所述VVVF终端速度小且比所述变换器的输入电流成为固定的车辆速度的区域的下限小的规定速度以下时，将所述中间环节连接部的电压降低到使所述辅助电源装置的温度上升为界限以下的那样的值。
发明效果
根据本发明，能够提供一种在主变换装置的中间环节连接部连接辅助电源装置的结构的情况下减少了辅助电源装置的主电路元件产生的损失的推进控制装置。
附图说明
图1是表示本发明实施方式1的电力变换系统的结构的例子的图。
图2是表示本发明实施方式1的辅助电源装置的输入电压和辅助电源装置的主电路元件中的逆变器损失的关系的一个例子的图表。
图3是表示一般的主变换装置的车辆速度和输出牵引力（a）以及输出电压（b）的关系的图表。
图4是表示能控制中间环节电压的区域的图表。
图5是本发明实施方式1中的逆变器控制部的结构图。
图6是表示一般的主变换装置的车辆速度和变换器输入电流的关系的图表。
图7是本发明实施方式1中的中间环节电压指令生成部的输出的例子。
图8是表示辅助电源装置的主电路元件产生的损失和温度上升的例子的图表。
具体实施方式
实施方式1.
图1是表示本发明实施方式1的电力变换系统的结构的例子的图。在图1中，电力变换系统搭载于交流电气列车，从发电站在架空线中输送来的交流电流从受电弓（pantograhp）1输入。主变压器2对受电弓1的输出电压进行变换并输出。
变换器3将主变压器2的输出从交流变换成直流。变换器3的输出电压为中间环节电压。逆变器4将变换器3的输出从直流变换成3相交流。滤波电容器（filter condenser）5设置在变换器3的直流输出侧，除去变换器3的输出的噪声并将中间环节电压平滑化。主电动机6从逆变器4输入3相交流来驱动电气列车。辅助电源装置7是连接于中间直流电路，向照明、空调等供给电力的电源。再有，逆变器4不依赖于中间环节电压输出与电气列车的速度对应的电力。
中间环节电压指令生成部8根据主电动机6的转子频率FM（相当于车辆速度），生成中间环节电压指令Vd*。变换器控制部9是根据电压指令Vd*生成实际对变换器3的主电路元件进行驱动的门脉冲（gate pulse）信号的变换器控制部。逆变器控制部10被输入主电动机6的转子频率FM，控制逆变器4。
在图1中，推进控制装置由以下部分构成：变换器3、逆变器4、滤波电容器5、中间环节电压指令生成部8、变换器控制部9和逆变器控制部10。
变换器控制部9从中间环节电压指令生成部8接收电压指令Vd*，例如，如以下那样工作。首先，变换器控制部9对使中间环节电压与从中间环节电压指令生成部8接收的电压指令Vd*一致的变换器电压指令值进行运算。
进而，变换器控制部9基于该电压指令值，生成对变换器3的主电路元件进行驱动的门脉冲信号，通过将该门脉冲信号向变换器3发送，从而控制变换器3。由此，对变换器3的输出进行控制以使中间环节电压Vd与电压指令Vd*一致。
以往的交流电气列车用的电力变换系统的变换器控制部通常以固定地保持中间环节电压的方式控制变换器3。相对于此，在本发明实施方式1的电力变换系统的变换器控制部9中，如后面叙述那样，由于电压指令Vd*根据车辆速度而变化，所以以与此对应地生成门脉冲信号，使中间环节电压Vd根据车辆速度而变化的方式控制变换器3。
本发明的实施方式1中的辅助电源装置7的冷却方式是自通风方式。辅助电源装置7的主电路元件被设置在导热板上，在导热板连接有散热片。通过将在主电路元件产生的热从导热板传至散热片，从散热片向空气中散热，从而进行冷却。
由于行驶风的强度依赖于车辆速度，所以该冷却器的冷却能力随着车辆速度变慢而降低，在不能期待行驶风的停车时变为最低。因此，为了保障在最差的条件下的冷却能力，以停车时的无风状态为设计条件来进行辅助电源装置7的主电路元件的冷却设计。作为使冷却能力提高的方法，可以考虑将冷却装置整体大型化，但是伴随着大型化，冷却装置的重量增加，需要确保更大的空间。此外，冷却器的成本也增大。
图2是表示辅助电源装置7的输入电压和辅助电源装置7的主电路元件中的逆变器损失的关系的一个例子的图表。在图2中，横轴是辅助电源装置7的输入电压，纵轴是辅助电源装置7的主电路元件中的逆变器损失。如图2中的箭头所示那样，当使辅助电源装置7的输入电压降低时，能使主电路元件中的逆变器损失减少。可是，在将中间环节电压作为辅助电源装置7的输入电压的本实施方式1的结构中，不能单纯地使辅助电源装置7的输入电压降低，不能减少产生的损失。
因此，在本发明的实施方式1的推进控制装置中，根据车辆速度使中间环节电压变化，由此使辅助电源装置7的主电路元件产生的损失降低。以下，针对此方面详细地进行说明。
图3是表示包含本实施方式1的主变换装置的一般的主变换装置中的、车辆速度和输出牵引力（a）以及输出电压（b）的关系的图表。横轴是车辆速度，曲线（a）表示主电动机6的输出牵引力，曲线（b）表示主变换装置的逆变器4的输出电压。在图3中，与A点相比的高速侧是CVVF（Constant Voltage Variable Frequency，恒压变频）区域，与A点相比的低速侧是VVVF（Variable Voltage Variable Frequency，变压变频）区域。将A点的车辆速度称为VVVF终端速度（limited speed）。
CVVF区域是为了使主电动机6输出规定的性能而使逆变器4以最大调制系数进行运转的区域，不论车辆速度如何，逆变器4的输出电压是固定的。由于在该区域中使中间环节电压变化等效于使逆变器4的输出电压变化，所以不被采纳。
另一方面，VVVF区域（车辆速度为VVVF终端速度以下的区域）是使逆变器4的调制系数可变来控制逆变器4的输出电压的区域，逆变器4的输出电压根据车辆速度而变化。由于在该区域中能使中间环节电压变化，所以有使中间环节电压变化的余地。
图4是表示车辆速度和中间环节电压的关系的图表。横轴是车辆速度，纵轴是中间环节电压。在图中，21表示逆变器调制的非同步模式，22表示同步模式。虽然在VVVF区域中有使中间环节电压变化的余地，但是进行该变化的方法在以下那样的条件下决定。
首先，控制器3能控制的中间环节电压的值存在下限，中间环节电压必须不低于该值。在图4中以直线（a）示出了该下限的例子。根据该制约，中间环节电压在图4中必须在直线（a）之上。
另一方面，VVVF区域中的逆变器4的输出调制系数根据调制模式（脉冲模式）来决定上限（例如，在非同步模式下为0.8~0.9左右，在同步模式下为0.98~0.99左右），中间环节电压存在用于输出如图3所示的（b）的输出电压的下限。在图4中以曲线（b）示出了该下限的例子。
在这些条件下，中间环节电压能在如图4中以斜线所示的区域20中被控制。
再有，对逆变器控制部10中的输出调制系数如以下说明的那样进行计算，控制逆变器4。图5是表示逆变器控制部10的结构的结构图。从主电动机6向图5所示的输出电压运算部11输入频率FM。在VVVF区域中，被输入了转子频率FM的输出电压运算部11以沿着图3的比例直线的方式运算逆变器4的输出电压，并对该输出电压进行输出。
校正量运算部12根据输出电流指令和输出电流反馈来运算校正量，并输出该校正量。在加法部13中将来自输出电压运算部11的输出电压和来自校正量运算部12的校正量相加，并将加法值输出至除法部14。在除法部14中将来自加法部13的加法值除以中间环节电压Vd的实际检测值来计算输出调制系数，以成为该输出调制系数的方式控制逆变器4的输出电压。
此外，即使改变中间环节电压Vd，输入至变换器3的电流也不会改变，而变换器输出电流（直流电流）Id会改变。图6是表示包含本实施方式1的主变换装置的一般的主变换装置中的车辆速度和变换器输入电流的关系的图表。横轴是车辆速度，曲线表示变换器输入电流。在图6所示的作为变换器输入电流是固定的区域的恒定功率区域23中，中间环节电压Vd和变换器输出电流Id的积为固定值。此外，通常，导体、端子等各部分以恒定功率区域23中的变换器输出电流Id为变换器输出电流Id的最大值的方式进行设计，因此在恒定功率区域23中通常不能使Id上升到该值以上。因此，在恒定功率区域23中通常不能降低中间环节电压Vd。
另一方面，在图6所示的恒定转矩区域24中，中间环节电压Vd和变换器输出电流Id的积随着车辆速度的减少而减少。因此，在恒定转矩区域24中，在变换器输出电流Id不超过最大值（恒定功率区域23中的变换器输出电流Id的值）的范围内有降低中间环节电压Vd的余地。
根据以上，在图3中在VVVF区域中能使中间环节电压变化，例如如图2所示，能使中间环节电压从工作点A阶段性地变化到工作点B。图7是本发明的实施方式1中的中间环节电压指令生成部8的输出的例子。横轴是车辆速度，纵轴是中间环节电压。对中间环节电压指令生成部8以在低速/停止时中间环节电压变低的方式进行设定。通过对图1的中间环节电压指令生成部8设定如图7所示那样的表，从而利用变换器3能在低速/停止时将中间环节电压控制得较低，能减少在辅助电源装置7中产生的损失。
在此，在图7所示的表中，以仅在如图4中以斜线所示的区域20中降低中间环节电压的方式控制该中间环节电压。
图8是表示辅助电源装置7的主电路元件产生的损失和温度上升的例子的图表。横轴是辅助电源装置7的主电路元件的逆变器损失，纵轴是温度上升值。直线（a）示出在未将冷却器大型化并且车辆速度为低速的情况下的工作，直线（b）示出在未将冷却器大型化并且车辆速度为高速的情况下的工作，直线（c）示出在将冷却器大型化并且车辆速度是与直线（a）相同的速度（低速）的情况下的工作，直线（d）示出在将冷却器与直线（c）同样地大型化并且车辆速度是与直线（b）相同的速度（高速）的情况下的工作。虚线（e）表示在图2的工作点B的逆变器损失线，虚线（f）表示在图2的工作点A的逆变器损失线。此外，虚线（g）表示主电路元件的温度上升的界限线。
在图8中，在能期待行驶风的自通风方式的冷却器的情况下，相对于同一逆变器损失，低速时比高速时温度上升值高。例如，在虚线（f）所示的工作点A进行工作的情况下，如直线（a）所示那样小型的冷却器在低速时温度上升值不能满足界限线（g），因此不得不如图8中的箭头（h）所示那样将冷却器大型化，进行如直线（c）所示那样的工作。与此相对地，在本发明中，如箭头（i）所示那样以使图2中的工作点A变为图2中的工作点B的方式用主变换装置进行控制来减少逆变器损失，由此在图8中即使是低速，也能利用小型的冷却器使其处于界限线（g）以下，不需要将冷却器大型化。
以上，在本发明的实施方式1的推进控制装置中，在主变换装置的中间环节连接部连接辅助电源装置7的结构的电力变换系统中，在辅助电源装置7的主电路半导体的冷却方式中采用自通风式的情况下，能减少辅助电源装置7的主电路元件产生的损失。
此外，不需要使冷却器不必要地大型化，能谋求小型/轻量化。
此外，能减少辅助电源装置7的壳体内的温度上升，能谋求部件的可靠性提高、寿命延长。
再有，虽然在实施方式1中作为车辆速度信息而使用了主电动机6的转子频率FM，但是代替其使用相当于车辆速度的其它信息也可。例如，使用在T转向架的保护装置中使用的车轴旋转数也可。
附图标记的说明：
1 受电弓；2 主变压器；3 变换器；4 逆变器；5 滤波电容器；6 主电动机；7 辅助电源装置；8 中间环节电压指令生成部；9 变换器控制部；10 逆变器控制部；11 输出电压运算部；12 校正量运算部；13 加法部；14 除法部。

Claims (6)

1.一种推进控制装置，具备：
变换器，将交流变换成直流并输出；
逆变器，将由所述变换器输出的直流变换成交流，在车辆速度为VVVF终端速度以下的情况下进行VVVF控制，在车辆速度比所述VVVF终端速度大的情况下进行CVVF控制，并向电动机供给；
滤波电容器，设置在所述变换器和所述逆变器之间的中间环节连接部；以及
辅助电源装置，与所述中间环节连接部连接并通过自通风方式进行冷却，
所述推进控制装置的特征在于，
具备：变换器控制部，被输入车辆速度的信息，基于该信息，在车辆速度信息所示的车辆速度为比所述VVVF终端速度小且比所述变换器的输入电流成为固定的车辆速度的区域的下限小的规定速度以下时，将所述中间环节连接部的电压降低到使所述辅助电源装置的温度上升为界限以下的那样的值。
2.一种推进控制装置，其中，具备：
变换器，将交流变换成直流并输出；
逆变器，将由所述变换器输出的直流变换成交流，在车辆速度为VVVF终端速度以下的情况下进行VVVF控制，在车辆速度比所述VVVF终端速度大的情况下进行CVVF控制，向电动机供给；
滤波电容器，设置在所述变换器的输出侧；
辅助电源装置，与所述滤波电容器并联连接并通过自通风方式进行冷却；以及
变换器控制部，被输入车辆速度的信息，基于该信息，在车辆速度信息所示的车辆速度为比所述VVVF终端速度小且比所述变换器的输入电流成为固定的车辆速度的区域的下限小的规定速度以下时，将所述变换器的输出电压降低到使所述辅助电源装置的温度上升为界限以下的那样的值。
3.根据权利要求1所述的推进控制装置，其特征在于，所述车辆速度的信息是所述电动机的转子频率。
4.根据权利要求2所述的推进控制装置，其特征在于，所述车辆速度的信息是所述电动机的转子频率。
5.根据权利要求1所述的推进控制装置，其特征在于，所述车辆速度的信息是车轴旋转数。
6.根据权利要求2所述的推进控制装置，其特征在于，所述车辆速度的信息是车轴旋转数。
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