CN1037331C - 电动车辆的控制装置 - Google Patents

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Abstract

一种电动车辆控制装置包括一变换装置用于切换电力，变压器把第一AC电转换成第二AC电，一个第一开/闭装置，一个电力转换器用于把第二AC电转换成第二DC电，以及逆变器把第二DC电转换成第三AC电。第三AC电被用于驱动一台感应电机。该装置还包括第二开/闭装置，在AC电源区域内运行期间，第一开/闭装置闭合，第二开/闭装置打开，而在DC电源区域内运行期间第一开/闭装置打开，第二开/闭装置闭合。

Description

电动车辆的控制装置
本发明涉及一种电动车辆的控制装置，特别是涉及一种由交流电机作为驱动机的AC/DC两用电动车辆的控制装置，该车辆在一区域内穿梭运行，在该区域内从架空线上获得的电力是交流电或直流电。
图5示出了用于控制AC/DC电动车辆的一种公知的电车控制装置。这种现有技术的电车控制装置装备有：一个集电器1用于从架空线(未示出)上采集电力，一个用于电源断路的第一断路器22，一个变换装置3用于在AC和DC之间的变换，一个变压器4用来变换AC电源，一个接地刷5使AC原边电流接地，一个整流器6用于对来自变压器4副边输出侧的交流电整流，一个平滑电感器7连接在整流器6的输出侧，以及一个AC/DC转换器8用于在AC和DC之间变换，并且与上述变换器装置3联动。该装置中还进一步设有装在AC/DC转换器8输出侧的第二断路器9，以及一个驱动并控制电机10的电机控制电路11，其电源是由第二断路器9的输出侧获取的DC电源。此外，一个辅助电源装置12被并联连接在电机控制电路11的输入侧。进一步，为了检测AC电力部分中的电路接地故障。在变压器4的副边与地之间设有一个接地继电器13，该继电器13采用电压继电器。
在这一现有技术的电车控制装置中，在AC供电区域内，AC/DC变换装置3和AC/DC转换器8被置于AC侧a，从而，经集电器1和断路器2获取的AC电力由变压器4降压，整流器6整流，并且由平滑电感器7平流。然后，通过第二断路器9把平滑的电源供给电机控制电路11，并且同时不经过第二断路器9提供给辅助电源装置12。
在DC供电区域内，AC/DC变换装置3和AC/DC转换器8被变换到DC侧d，经集电器1和断路器2获取的DC电力通过第二断路器9被提供给电机控制电路11，并同时直接提供给辅助电源装置12，而不通过第二断路器9。另外，在这一DC电源区域内，借助于AC/DC变换装置3和AC/DC转换器8使变压器4与载流部分隔离，以防DC电经架空线流入变压器4。
类似上述图5所示的电动车辆控制装置曾发表于日本公开特许公报平3-89844号。
这种现有技术的电动车辆控制装置存在的问题是，为了实现AC和DC间的变换，AC/DC变换装置3和AC/DC转换器8需要两套变换机构。这样就不可避免地会增大电动车辆控制装置的设备尺寸，并且还使维修负担加重。
近年来，采用GTO晶闸管的脉宽调制变换器已逐渐取代使用二极管的整流电路，逆变装置被用于电机控制电路，而同时采用了感应电动机来作为电机，并且静止变换器构成了辅助电源装置。例如，日本公开特许昭60-66602号披露了一种交流电动车辆发电制动控制装置，其中，集电器采集的交流电力由变换器COV变换成直流电力，由逆变器INV可将直流电变换为交流电驱动感应电机IM。但是，在把这些装置用于AC/DC电动车辆控制装置时，一个重要的任务是选择最合适的AC/DC变换电路。
因此，本发明一个目的就是为利用感应电机作驱动电机，并可由交流电力或直流电力供电的AC/DC两用电动车辆提供一种既能缩小尺寸，又不会影响其控制和保护功能的电动车辆控制装置。
本发明的上述和其他目的可以由以下的电动车辆控制装置来实现，该装置包括用于从架空线取得电力的集电器和用于切断该电力的断路器，这种电力包括AC电源区域内的第一AC电力和DC电源区域内的DC电力，该装置还包括一个变换装置，用于变换电力，把第一AC电力加到AC侧，或把第一DC电力加到DC侧，一个连接在变换装置AC侧的变压器用于把第一AC电力转换成第二AC电力，一个第一开/闭装置，一个用于把第二AC电力转换成第二DC电力的电力转换器，以及一个用于第二DC电力转换成第三AC电力的逆变器。第三AC电力被用于驱动电动机。该装置进一步包括一个第二开/闭装置，一个滤波电抗器和一个滤波电容器连接在逆变器DC输入侧的正负端子之间。在AC电源区域内的运行期间，第一开/闭装置闭合，而第二开/闭装置打开，而在DC电源区域内的运行期间，第一开/闭装置被打开，并且使第二开/闭装置闭合。
在本发明的电动车辆控制装置中，在AC电源区域内变换装置被设置在AC侧，第一开/闭装置闭合，第二开/闭装置打开。因此，由集电器取得的AC电力经由变压器降压，并且其副边输出经第一开/闭装置提供给电力转换器，在那里转换成DC电力并通过滤波电容器提供给逆变装置，从而实现感应电机的电源控制。在DC电源区域内，变换装置被变换到DC侧，第一开/闭装置打开，而第二开/闭装置闭合。因此，由集电器取得的DC电力经由第二开/闭装置被直接提供给逆变装置，从而实现感应电机的电源控制。
这样，由转换装置产生的高频成分被滤波电抗器阻塞，并可以防止其流入架空线。
由此可以提供一种小型，可靠的电动车辆控制装置，在其中即使只设置一个AC/DC变换装置，由于滤波电抗器的存在，仍可以确保来自逆变装置的高频成分不可能流入架空张，并且可以限制故障电流，例如在辅助电源装置出现电源短路故障时限制故障电流。
通过以下结合附图的详细描述可以进一步认识和了解到本发明的意义以及许多其他附加优点。
图1表示按照本发明一个实施例的电动车辆控制装置的电路方框图；
图2是一个示意图，表示图1实施例在AC电源区域内运行时的电流通路；
图3是一个示意图，表示图1实施例在DC电源区域内运行的电流通路；
图4是一个电路方框图，表示图1实施例的电路结构的细节；以及
图5表示现有电车控制装置的电路方框图。
以下参照附图描述本发明的实施例，其中相同的标号表示各种形式下的相同或相应的部分。
图1是本发明一个实施例的电路框图。在图1中设有：用于从架空线(未示出)采集电力的集电器1，连接到集电器1上用于切断电力的断路器2，变换装置3用于在AC侧a和DC侧d之间变换通过集电器1和断路器2从架空线上获得的电力，连接到变换装置3的AC输出侧的变压器4。图中进一步还设有：一个装在变压器4的输出侧作为第一开/闭装置的接触器14，一个通过接触器14连接到变压器4的副边输出端的电力转换器15，用于把AC转换成DC电，以及一个连接到电力转换器15的直流输出端的VVVF逆变装置16。
进一步，一个用作第二开/闭装置的断路器17和一个滤波电抗器18串联连接在逆变装置16DC输入侧正端与上述AC/DC变换装置3的DC侧d之间，以及一个滤波电容器19连接在逆变装置16的直流输入侧的正/负端子之间。
此外，一个二极管D1的正极被连接到滤波电抗器18的一端，而另一二极管D2的正极被连接到滤波电抗器18的另一端。辅助电源装置12的正电源端子被连接到上述两个二极管D1和D2的负极的连接点上。辅助电源装置12的负电源端子被连接到车体的接地点上。
更进一步，一个电流检测器20被装在车体的接地点与电力转换器15DC输出侧负端子和逆变装置16DC输入侧负端子的连接点之间。(电流检测器20起到直流接地故障检测装置的作用，并且在AC电源区域内为辅助电源装置12起到输入过电流检测装置的作用。保护装置21被用于响应电流检测器20的检测信号而执行保护动作。
电机10是一台感应电动机，并且由逆变装置16的AC输出驱动。5是一个与现有技术中相同的接地刷。
接下来将参照图2和3解释具有上述结构的电动车辆控制装置中的电流通路。图2和3分别表示出在AC和DC电源区域内的电流通路。
在图2中，在集电器1和接地刷5之间的AC电流流经断路器2，AC/DC变换装置3的AC侧，以及变压器4的原边，如图中实线所示。DC电流从电力转换器15的DC输出侧正端流入逆变装置16DC输入侧的正端，并且从逆变装置16的DC输入侧负端流到电力转换器15DC输出侧的负端，如图中实线所示。
在供电运行期间，DC电流从电力转换器15DC输出侧的正端经二极管D2流到辅助电源装置12的正输入端，并且从辅助电源装置12的负输入端流到电力转换器15DC输出侧的负端，如图中虚线所示。
在再生制动运行期间，DC电流从逆变装置16的DC输入侧正端经二极管D2流到辅助电源装置12的正输入端，并且从辅助电源装置12的负端输入端流到电力转换器15DC输出侧的负端，如图中虚线所示。
在图3中，DC电流从集电器1经由断路器2，AC/DC变换装置3的DC侧d，断路器17以及滤波电抗器18流入逆变装置16DC输入侧的正端并且从逆变装置16DC输入侧的负端流到接地点，如实线所示。
在供电运行期间，DC电流从集电器1经过断路器2，AC/DC变换装置3的DC侧d，断路器17以及二极管D2流到辅助电源装置12的正输入端，并且从辅助电源装置12的负输入端流到地，如虚线所示。
在再生制动运行期间，DC电流从逆变装置16DC输入侧的正端经过二极管D2流向辅助电源装置12的正输入端，并且从辅助电源装置12的负输入端流到地，如虚线所示。
接下来要描述上述方式构成的电动车辆控制装置的操作。
在AC电源运行区域内，AC/DC变换装置3被置于AC侧a，并且接触器14被保持在闭合状态，与此相反，断路器17处于打开状态。经由集电器1和断路器2获得的AC电被变压器4降压，由电力转换器15转变成DC电，并且经滤波电容器19输入逆变装置16。逆变装置16把接收到的DC电转换成AC电，并且用VVVF控制方式驱动感应电机10。在这种情况下，电力转换器15如果采用一个四象限转换器，就同样有可能实现再生发电制动。
与此相反，在DC电源运行区域内，AC/DC变换装置3被切换到DC侧d，接触器14被打开，而断路器17则被闭合，从而使经集电器1和断路器2获得的DC电经由断路器17和滤波电抗器18输入到逆变装置16。滤波电抗器18能防止由逆变装置16的开关的动作所产生的高频成分流入架空线，并且在例如辅助电源装置12发生短路故障时限制故障电流。
因此，即使仅采用一个变换装置3来构成AC/DC变换机构，也可以实现对AC和DC电源的电力转换和电力控制。这样就有可能缩小构成电动车辆控制装置的设备的尺寸。
辅助电源装置12的作用是向空调设备和照明设备等等供电。由于辅助电源装置12的电力是通过连接在滤波电抗器18两端的两个二极管D1、D2获得的，无论在供电运行期间还是再生制动期间，也无论是在AC电源区域还是DC电源区域内，都不必经过滤波电抗器18。这样就使得辅助电源装置12电源侧的电路固定不变。这样做可以避免为了控制辅助电源装置12而对其电源侧的电路连接进行变换的额外设备。这样做还可以降低滤波电抗器18的电流容量。
在正常情况下，只有辅助电源装置12的电源电流会流入设在接地点与电力转换器15和逆变装置16的连接线负极一侧之间的电流互感器20。如果在电路的正确接地位置之外的某一位置发生接地故障，就会有大于上述电源电流的电流流过电流互感器20。如果电流互感器20在AC电源运行区域内检测到这种大电流，就认为是接地故障，使保护电路21动作，并且由断路器2执行断路动作，从而切断架空线的电力输入，达到保护电路的目的。
进一步，如果由于辅助电源装置12的故障使输入电流急剧增大，并且由电流互感器20检测到这种大电流时，也可以执行上述的保护，特别是对电力转换器15的保护。
在图4中示出了本实施例线路的进一步细节。其中与图1所示电路中相同的部分由相同的标号表示。在本实施例的电动车辆控制装置中，图示的电力转换器15是由二极管D和GTO晶闸管G构成的单相桥式电路，而逆变装置16也是由普通二极管D和GTO晶闸管G构成的三相桥式电路。并且本例中在变压器4的副边输出侧设有由接触器14构成的第一开/闭装置。此外还设有一个与接触器14相并联，并且由第二接触器23和电阻22组成的串联电路。电阻22和第二接触器23被用于滤波电容器19的初始充电；它们仅在AC区域内运行的起始段内起作用，接触器23接着就被置于闭合状态。
此外，辅助电源滤波电抗器24和滤波电容器25被设置在辅助电源装置12的输入侧，以避免电源高频成分的影响并且平滑DC电压。由于辅助电源装置12的电源是通过二极管D1或D2获得的，滤波电抗器18不可能与辅助电源滤波电抗器24形成串联。因此，无论是在AC电源区域或DC电源区域内，也无论是在供电供行或是再生制动运行方式下，都不必改变辅助电源装置12的控制线路。
根据从电流互感器20收到的检测信号使断路器2执行保护动作的保护电路21由以下部分构成：一个用于代表检测电流的电压信号的绝对值电路26；一个比较电路28把绝对值电路26的输出与来自基准电压设定器27的基准电压进行比较；以及一个与电路29按照AC电源区域状态信号SAC和比较电路28的输出的与逻辑向断路器2输出一个断路动作信号。
接着，如果有一个作为电流互感器20的电流检测结果的电压信号被输入到绝对值电路26，比较器电路28就把该输入电压信号的绝对值与基准电压比较，如果输入信号较大，并且这种情况出现在AC电源区域内，与电路29就向断路器2输出一个动作信号，使断路器2执行保护电路的断路动作。这样，仅采用一个变换装置3作为AC/DC变换装置的本实施例可以兼用于AC电源区域和DC电源区域，并且由此可以缩小构成电动车辆控制装置的设备尺寸。
因此，按照本发明，在AC电源区域内，感应电机的电源控制可以通过把变换装置设定在AC侧，闭合第一开/闭装置，并且打开第二开/闭装置的方式来实现，从而用变压器把集电器所提取的AC电降压，所获得的副边输出通过第一开/闭装置被提供给电力转换器，电力转换器将其转换成DC电，通过滤波电容器提供给逆变装置。在DC电源区域内，感应电机的电源控制可以通过把变换装置变换到DC侧，打开第一开/闭装置，并且闭合第二开/闭装置来实现，这样，由集电器提取的DC电经由第二开/闭装置被直接提供给逆变装置。因此，尽管仅采用了一个AC/DC变换装置，由于滤波电抗器的存在，来自逆变装置的高频成分不会流入架空线，并且可以使由辅助电源装置的电源短路故障造成的故障电流受到限制。由此可以获得一种小型但却可靠的电动车辆控制装置。
此外，按照本发明，由于有一个二极管的正极连接在滤波电抗器的一端，而另一二极管的正极被连接在滤波电抗器的另一端，并且辅助电源装置的一个电源端子连接到了这两个二极管负极的连接点上，这样就可以确保有一个稳定的辅助电源，因为在AC区域和DC区域内都可以不用经过滤波电抗器来提取辅助电源的电力。
同时，按照本发明，由于在电力转换器DC输出侧和逆变装置DC输入侧的负端连接点与车体的接地点之间设有一个电流传感器，它在AC电源区域内被用做电路接地故障检测装置以及辅助电源装置的输入过电流检测装置，可以实现电路的保护动作，该电流传感器在AC电源区域内能可靠地检测到接地故障电流和/或输入过电流。
显见易见，根据以上技术方案可以对本发明做出很多修改和变更。因此应该指出，在附加权利要求的范围内部可以实现本发明，而不仅限于上文所述的内容。

Claims (6)

1.一种电动车辆控制装置，包括：
一个用于从架空线提取电力的集电器；
上述电力包括AC电源区域的第一AC电力和DC电源区域内的第一DC电力；
一个连接到上述集电器的断路器用于切断上述电力；
一个连接到上述断路器的变换装置，用于变换由上述架空线通过上述集电器和上述断路器获得的上述电力，把上述第一AC电力加到AC侧，或把上述第一DC电力加到DC侧；
一个连接在上述变换装置的上述AC侧的变压器，用于把上述第一AC电力转换成第二AC电力；
连接到上述变压器副边输出的电力转换器，用于把上述第二AC电力转换成第二DC电力；
连接到上述电力转换器的DC输出侧接收上述第二DC电力的逆变器，用于把上述第二DC电力转换成第三AC电力；
上述第三AC电力被用于驱动一台电机；
一个滤波电容器连接在上述逆变器的上述DC输入侧的正负端子之间；
上述电力转换器的上述DC输出侧的正端子与上述逆变器的上述DC输入侧相连接；
上述电力转换器的上述DC输出侧的负端子与上述逆变器的上述DC输入侧相连接并且接地；
其特征在于所述电动车辆控制装置还包括：
连接在所述变压器副边输出与所述电力转换器交流输入侧之间的第一开/闭装置；以及
一个第二开/闭装置和一个滤波电抗器的串联电路，它连接在上述变换装置的上述DC侧与上述逆变器的DC输入侧之间；
其中在上述AC电源区域内运行期间，上述第一开/闭装置闭合，并且上述第二开/闭装置被打开，而在上述DC电源区域内的运行期间，上述第一开/闭装置被打开，并使上述第二开/闭装置闭合。
2.按照权利要求1的电动车辆控制装置，其特征是进一步包括：第一二极管，其正极连接到上述滤波电抗器的第一端；第二二极管，其正极连接到上述滤波电抗器的第二端；以及
一个辅助电源装置，其正端连接到上述第一和第二二极管的负极连接点上，并且其负端接地。
3.按照权利要求1或2的电动车辆控制装置，其特征是进一步包括：
一个电流传感器，用于检测在上述电力转换器的上述DC输出侧的上述负端子和上述逆变器的上述DC输入侧的上述负端子的连接点与接地点之间流过的电流；以及
连接到上述电流传感器，接收上述检测电流的保护装置，用于根据上述电流保护上述电动车辆控制装置，使其免受电路接地故障或上述辅助电源装置的输入过电流故障的损害。
4.按照权利要求1的电动车辆控制装置，其特征是：
上述电力转换器包括由一个二极管和一个GTO晶闸管并联电路构成的一个单相桥式电路。
5.按照权利要求1的电动车辆控制装置，其特征是：
上述逆变器包括一个三相桥式电路，该电路包括一个二极管和一个GTO晶闸管的并联电路，并且被用做一个VVVF逆变器。
6.按照权利要求3的电动车辆控制装置，其特征是上述保护装置包括：
一个给定装置，用于设定基准电流值；
一个比较电路，用于把上述电流传感器检测到的上述电流与上述基准电流值比较；以及
连接到上述比较电路的输出装置，如果由上述传感器检测到的上述电流大于上述基准电流值，并且上述电动车辆是处在上述AC电源区域内时，就产生一个保护信号；
上述保护信号被用于切断上述断路器。
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