CN104953922A

CN104953922A - 驱动系统

Info

Publication number: CN104953922A
Application number: CN201510013110.6A
Authority: CN
Inventors: 立原周一; 野崎雄一郎; 绫田昌高
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2014-03-28
Filing date: 2015-01-09
Publication date: 2015-09-30
Also published as: JP2015192515A; EP2923878A1

Abstract

本发明提供一种驱动系统，在停车车站附近行驶的情况下，减少伴随转换器装置的动作的变压器的电磁噪音。在车辆的速度成为第1基准速度以下的情况下，将所述转换器装置的载波频率从第1基准频率变更为第2基准频率，在车辆的行驶速度成为第2基准速度以上的情况下，将载波频率从第2基准频率变更为第1基准频率。

Description

驱动系统

技术领域

本发明涉及驱动装置，特别涉及从单相交流架线获得电力来驱动铁道车辆的铁道车辆的驱动装置。

背景技术

在行驶于交流馈电区间的铁道车辆中，以下方式被广泛使用：经由变压器从单相交流架线接受交流电力，在由转换器装置转换为直流电力后，由逆变器装置转换为三相交流电力来驱动交流电动机。

转换器装置、逆变器装置基于脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)对多个开关元件进行接通断开控制来将输出电压控制为希望的值。

构成转换器装置的开关元件要求与转换器装置的直流侧的电压相应的耐压。例如在铁道车辆的情况下，转换器装置的直流侧的电压根据架线、车辆的规格而存在于1800V至3000V左右，直流侧的电压越高则越需要高耐压的开关元件。

高耐压的开关元件为了满足耐压规格，则需要增加元件内部的半导体芯片的厚度，其结果，与低耐压的开关元件相比，伴随开关动作的损耗会增加。由此，在使用了高耐压的开关元件的转换器装置中，为了抑制伴随开关动作的损耗而希望降低载波(carrier)的频率。

在先技术文献

非专利文献1：主电路电力转换装置-逆变器/转换器-社团法人日本铁道车辆机械技术协会监修

通常，在转换器装置中，为了减少流向交流侧的二次电流作为正弦波状而流过架线的高次谐波电流，在转换器装置的冷却性能所允许的范围内较高地设定载波频率。但是，在如前所述那样使用高耐压的开关元件的情况下，为了抑制伴随开关动作的损耗而要求降低载波频率。如果降低载波频率，则不仅二次电流的高次谐波分量增加，流过架线的高次谐波电流增加，也会成为变压器、交流电动机的电磁噪音的原因。

特别是在铁道车辆的情况下，由于在刚刚在车站停车之前、刚刚从车站发车之后，对车辆输入输出的电流较小，因此相对于变压器的电流的基波分量，伴随开关动作的高次谐波分量的比例会增加。其结果，存在变压器的电磁噪音增加，成为车站及其周边的噪音的原因的问题。

发明内容

为了解决上述课题，例如采用权利要求书所述的结构。本申请包括多个解决上述课题的手段，如果列举其中一个例子，则是车辆的驱动系统，该车辆的驱动系统具备：转换器装置，其经由变压器来将单相交流电力转换为直流电力；逆变器装置，其经由滤波电容器来与转换器装置连接，将通过转换器装置转换后的直流电力转换为三相交流电力；和交流电动机，其由通过逆变器装置转换后的三相交流电力来驱动，该车辆的驱动系统进行以下变更的至少任意一个：在车辆的行驶速度成为第1基准速度以下的情况下，将转换器装置的载波频率从第1基准频率变更为第2基准频率；或者在车辆的行驶速度成为第2基准速度以上的情况下，将载波频率从第2基准频率变更为第1基准频率。

发明效果

根据本发明，能够降低高次谐波分量相对于流过变压器的电流的基波分量的比例，并能够减少车站站台附近的电磁噪音。

附图说明

图1是表示铁道车辆的驱动装置的结构例的图。

图2是表示车辆的行驶位置与转换器装置的载波频率以及车辆速度的关系的图。

图3是表示车辆的行驶时间与转换器装置的载波频率以及车辆速度的关系的图。

图4是表示车辆的行驶位置与转换器装置的载波频率、二次电流以及车辆速度的关系的图。

图5是表示车辆的行驶时间与转换器装置的载波频率、二次电流以及车辆速度的关系的图。

具体实施方式

接下来，说明本发明的实施方式。

【实施例1】

使用图1～3来对将本发明的驱动装置应用于铁道车辆的情况下的第1实施例进行说明。

图1表示铁道车辆的驱动装置的结构例。变压器3经由导电弓2与交流架线1连接，向转换器装置5提供交流电力。变压器3的一端经由车轮4与轨道连接。转换器装置5将从变压器3得到的交流电力转换为直流电力。转换器装置5的直流侧经由用于稳定电压的电容器6来与逆变器装置7连接。逆变器装置7将从转换器装置5输出的直流电力转换为三相交流电力来驱动交流电动机8。

第1电压检测部件9对从交流架线1施加至变压器3的电压进行检测，基于变压器3的绕组比来换算为二次电压es并输出。第1电流检测部件10检测流过转换器装置5的交流侧的二次电流is并输出。

第2电压检测部件11检测电容器6的两端的电压即直流阶段电压Ecf并输出。第2电流检测部件12检测流入至交流电动机8的三相的交流电流iu、iv、iw并输出。速度检测部件13检测交流电动机8的旋转速度Fr并输出。

控制装置14使转换器装置5进行动作以使得转换器装置5的直流侧的电压成为规定的值，并且使逆变器装置8进行动作以使得交流电动机的转矩成为规定的值，控制装置14基于二次电压es、二次电流is、直流阶段电压Ecf、流入至交流电动机8的电流iu、iv、iw以及旋转速度Fr，输出用于使构成转换器装置5以及逆变器装置7的开关元件进行动作的选通指令Gc以及Gi。

图2是表示行驶距离与转换器装置的载波频率的关系、以及行驶距离与车辆速度的关系的图。在图2中，表示在朝向停车车站减速并停车后，从停车车站发车并加速的运转。

在本发明中，如图2这样，在车辆的速度成为第1基准速度V1以下的时间点使转换器装置的载波频率从第1载波频率Fc1上升至第2载波频率Fc2。一般来讲，在铁道车辆中，由于将转换器装置的载波频率设定为架线电压的频率的奇数倍，所以Fc1和Fc2也分别设定为架线电压的频率的奇数倍。

虽然第2载波频率Fc2越高越好，但是如果载波频率变高则在转换器装置中产生的损耗会增加。在车辆朝向停车车站减速的情况下，除了车辆速度减少以外，转换器装置的二次电流也减少。由此，将第1基准速度V1设定成，使在以第2载波频率Fc2使转换器装置进行动作时产生的损耗不超过转换器装置的冷却性能。

另外，在向车辆的照明、空调供电的辅助电源装置被设置于转换器装置的直流侧的情况下，只要也考虑由辅助电源装置消耗的电力量的二次电流来设定第2载波频率Fc2即可。

车辆的速度是否是第1基准速度V1以下的判断，是通过基于从速度检测部件13得到的交流电动机8的旋转速度Fr计算出车辆的速度来进行判断，或者基于路线信息和从GPS等得到的车辆的行驶位置，根据车辆距停车车站的距离低于第1基准距离X1来进行判断。

车辆在车站停车后发车，在车辆的速度成为第2基准速度V2以上的时间点，使转换器装置的载波频率从第2载波频率Fc2降低至第1载波频率Fc1。

在车辆从停车车站出发进行加速的情况下，除了车辆速度增加以外，转换器装置的二次电流会增加。由此，将第2基准速度V2设定成，使在以第2载波频率Fc2使转换器装置进行动作时产生的损耗不超过转换器装置的冷却性能。

车辆的速度是否是第2基准速度V2以上的判断，是通过基于从速度检测部件13得到的交流电动机8的旋转速度Fr计算出车辆的速度来进行判断，或者基于路线信息和从GPS等得到的车辆的行驶位置根据车辆距停车车站的距离超过第2基准距离X2来进行判断。

在图2中表示距停车车站的距离与车辆速度的关系，但是由于铁道车辆确定了运行时间表，因此可以如图3这样取代使用第1基准距离X1和第2基准距离X2，而在至到达停车车站的到达时刻为止的时间低于第1基准时间T1的时间点，使转换器装置的载波频率上升至Fc2，在从由停车车站出发起的时间超过第2基准时间T2的时间点，使载波频率降低至Fc1。

这样，在从靠近停车车站至离开停车车站的期间，通过提高转换器装置的载波频率，能够相对于流过变压器的电流的基波分量，降低高次谐波分量的比例。其结果，能够抑制从变压器产生的电磁噪音，实现人所聚集的车站站台附近的静音化。

此外，由于通过本发明也具有改善停车车站附近的功率因数并降低无效功率的效果，所以也能够实现变压器的损耗降低以及小型化。这是，特别在铁道车辆的情况下，当刚刚在车站停车之前、刚刚从车站发车之后，车辆的速度低，对车辆输入输出的电流小，所以与车辆速度高的情况相比，伴随转换器装置的开关动作的损耗小。由此，如果只考虑车辆速度低的情况，则能够提高转换器装置的载波频率并减少变压器的电磁噪音。

另外，虽然在实施例1中以在车站停车的情况为例进行了说明，但在停车于车站以外的情况下也能够获得相同的效果。此外，即使不设想为在车站停车和出发，即使仅在停车或者出发的任意一种情况下进行转换器的载波频率控制，也能够获得本发明的效果本身。

进一步地，作为集电手段，可以不从导电弓供电而从第三轨道等另外的供电部件供电，不限定于铁道车辆，即使在具备该转换器装置的移动体停车于规定的位置的情况下、从该停车位置出发的情况下应用本发明也能够获得效果。

【实施例2】

使用图4、5来对本发明的铁道车辆的驱动装置的第2实施例进行说明。与第1实施例不同之处在于：作为变更转换器装置的载波频率的条件，除了车辆的速度以外还使用转换器装置的二次电流的大小。

图4是表示行驶距离与转换器装置的载波频率的关系、行驶距离与二次电流的关系、以及行驶距离与车辆速度的关系的图。在图4中，表示在朝向停车车站减速并停车后，从停车车站发车并加速的情况。

在本发明中，如图4这样，在车辆的速度成为第1基准速度V1以下，转换器装置的二次电流成为第1基准电流I1以下的时间点，使转换器装置的载波频率从第1载波频率Fc1上升至第2载波频率Fc2。一般来讲，在铁道车辆中，由于将转换器装置的载波频率设定为架线电压的频率的奇数倍，所以Fc1和Fc2也分别设定为架线电压的频率的奇数倍。

另外，在向车辆的照明、空调供电的辅助电源装置被设置于转换器装置的直流侧的情况下，也考虑由辅助电源装置消耗的电力量的二次电流来设定第2载波频率Fc2。

此外，如果仅根据车辆的速度与第1基准速度V1的比较来变更转换器装置的载波频率，则恐怕由于运转操作的差异、辅助电源装置的动作状态，在转换器装置中产生的损耗会超过转换器装置的冷却性能。因此，将第1基准电流I1设定成，使在以载波频率Fc2使转换器装置进行动作时产生的损耗不超过转换器装置的冷却性能。

这样，通过基于车辆的速度和二次电流来判断载波频率的上升，能够防止由于运转操作的差异而使速度V1下的二次电流比设想的大从而使载波频率上升至Fc2时的转换器装置的损耗超过允许值的情况。

车辆的速度是否是第1基准速度V1以下的判断，是通过基于从速度检测部件13得到的交流电动机8的旋转速度Fr计算出车辆的速度来进行判断，或者基于路线信息和从GPS等得到的车辆的行驶位置根据车辆距停车车站的距离低于第1基准距离X1来进行判断。

车辆在车站停车后发车，在速度成为第2基准速度V2以上，或者转换器装置的二次电流成为第2基准电流I2以上的时间点，使转换器装置的载波频率从第2载波频率Fc2降低至第1载波频率Fc1。

在车辆从停车车站出发并进行加速的情况下，除了车辆速度增加以外，转换器装置的二次电流会增加。由此，将第2基准速度V2设定成，使在以第2载波频率Fc2使转换器装置进行动作时产生的损耗不超过转换器装置的冷却性能。

此外，与第1基准电流I1同样地，将第2基准电流I2设定成，使在以载波频率Fc2使转换器装置进行动作时产生的损耗不超过转换器装置的冷却性能。

这样，通过基于车辆的速度和二次电流来判断载波频率的降低，能够与停车时同样地防止使载波频率上升至Fc2时的转换器装置的损耗超过允许值。

在图4中表示距停车车站的距离与车辆速度之间的关系，但是由于铁道车辆确定了运行时间表，所以可以如图5这样取代第1基准距离X1和第2基准距离X2，而在至到达停车车站的到达时刻为止的时间低于第1基准时间T1的时间点，使转换器装置的载波频率上升至Fc2，在从由停车车站出发起的时间超过第2基准时间T2的时间点，使载波频率降低至Fc1。

此外，在实施例2中虽然使用流过转换器装置的交流侧的二次电流来变更载波频率，但是也可以使用转换器装置的直流侧的电流。

这样，在从靠近停车车站至离开停车车站的期间，通过提高转换器装置的载波频率，能够相对于流过变压器的电流的基波分量而降低高次谐波分量的比例。其结果，能够抑制从变压器产生的电磁噪音，并能够实现人所聚集的车站站台附近的静音化。

此外，由于通过本发明也具有改善停车车站附近的功率因数并降低无效功率的效果，所以也能够实现变压器的损耗降低以及小型化。

进一步地，作为变更载波频率的条件，通过使用车辆的行驶位置与停车车站间的距离以及转换器装置的二次电流的大小，能够防止由于运转操作的差异等而使载波频率上升时的转换器装置的损耗超过冷却性能的情况。

另外，实施例2也与实施例1同样地，不仅在停车于车站的情况下，也能够在停车于车站以外的情况下获得相同的效果。

符号说明：

1 交流架线

2 导电弓

3 变压器

4 车轮

5 转换器装置

6 电容器

7 逆变器装置

8 交流电动机

9 第1电压检测部件

10 第1电流检测部件

11 第2电压检测部件

12 第2电流检测部件

13 速度检测部件

14 控制装置

es 二次电压

is 二次电流

iu、iv、iw 流入至感应电动机的电流

Ecf 直流阶段电压

Fr 感应电动机的旋转速度

Gi 针对逆变器装置的选通指令

Gc 针对转换器装置的选通指令

Fc1 第1载波频率

Fc2 第2载波频率

V1 第1基准速度

V2 第2基准速度

X1 第1基准位置

X2 第2基准位置

I1 第1基准电流

I2 第2基准电流

T1 第1基准时间

T2 第2基准时间

Claims

1.一种车辆的驱动系统，具备：

转换器装置，其经由变压器来将单相交流电力转换为直流电力；

逆变器装置，其经由滤波电容器来与所述转换器装置连接，将通过所述转换器装置转换后的直流电力转换为三相交流电力；和

交流电动机，其由通过所述逆变器装置转换后的三相交流电力来驱动，

该车辆的驱动系统的特征在于，进行以下变更的至少任意一个：

在所述车辆的行驶速度成为第1基准速度以下的情况下，将所述转换器装置的载波频率从第1基准频率变更为第2基准频率；或者

在所述车辆的行驶速度成为第2基准速度以上的情况下，将所述载波频率从所述第2基准频率变更为所述第1基准频率。

2.根据权利要求1所述的驱动系统，其特征在于，

在所述转换器装置的交流侧的电流或者直流侧的电流是第1基准电流值以下，且所述车辆的行驶速度成为所述第1基准速度以下的情况下，将所述载波频率从所述第1基准频率变更为所述第2基准频率，

在所述转换器装置的交流侧的电流或者直流侧的电流成为第2基准电流值以上，或者所述车辆的行驶速度成为所述第2基准速度以上的情况下，将所述载波频率从所述第2基准频率变更为所述第1基准频率。

3.根据权利要求1或2所述的驱动系统，其特征在于，

在所述车辆的行驶速度成为所述第1基准速度以下时，判断为距停车位置的距离成为第1基准距离以下，

在所述车辆的行驶速度成为所述第2基准速度以上时，判断为距所述停车位置的距离成为第2基准距离以上。

4.根据权利要求3所述的驱动系统，其特征在于，

基于从路线数据得到的所述停车位置与所述车辆的行驶位置的关系，

在所述停车位置与所述车辆的行驶位置的距离成为所述第1基准距离以下时，判断为所述车辆的行驶速度成为所述第1基准速度以下，

在所述停车位置与所述车辆的行驶位置的距离成为所述第2基准距离以上时，判断为所述车辆的行驶速度成为所述第2基准速度以上。

5.根据权利要求3或4所述的驱动系统，其特征在于，

基于所述车辆到达所述停车位置的到达时刻和当前时刻，

在至到达所述停车位置为止的时间成为第1基准时间以下时，判断为所述车辆的行驶速度成为所述第1基准速度以下，

在所述车辆从由所述停车位置发车起的时间成为第2基准时间以上时，判断为所述车辆的行驶速度成为所述第2基准速度以上。

6.根据权利要求1～5中任意一项所述的驱动系统，其特征在于，

所述第2基准频率比所述第1基准频率高。

7.根据权利要求1～6中任意一项所述的驱动系统，其特征在于，

所述第1基准频率和所述第2基准频率相对于所述单相交流电力的基波电压的频率是奇数倍的频率。

8.根据权利要求1～7中任意一项所述的驱动系统，其特征在于，

所述第1基准频率被设定成，使在以所述第1基准频率对所述转换器装置进行驱动时的产生损耗不超过所述转换器装置的冷却性能，

所述第2基准频率被设定成，使在以所述第2基准频率对所述转换器装置进行驱动时的产生损耗不超过所述转换器装置的冷却性能。

9.一种驱动系统，权利要求1～8的任意一项所述的所述变压器、所述转换器装置、所述逆变器装置、和所述交流电动机被搭载于铁道车辆，

在所述铁道车辆的行驶速度成为所述第1基准速度以下的情况下，将所述载波频率从所述第1基准频率变更为所述第2基准频率，然后所述铁道车辆在车站停车，

所述铁道车辆在停车过程中，所述载波频率维持在所述第2基准频率，所述铁道车辆从所述车站出发后，在所述行驶速度成为所述第2基准速度以上的情况下，将所述载波频率从所述第2基准频率变更为所述第1基准频率。