CN105431325B - 电力转换设备、紧急行驶系统及铁路车辆 - Google Patents

电力转换设备、紧急行驶系统及铁路车辆 Download PDF

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Abstract

根据一种实施例，电力转换设备包括将直流电力转换成交流电力并且将交流电力供应给铁路车辆的电气装置的逆变器、能够存储直流电力的电池、以及将交流电力转换成直流电力并且给电池充电的转换器。当外部电源未向逆变器供应电力时，电池向逆变器供应电力。

Description

电力转换设备、紧急行驶系统及铁路车辆
与相关申请的交叉引用
本申请基于在2013年8月29日提交的日本专利申请No.2013-178107，并要求该申请的优先权，该申请的全部内容通过引用的方式被并入本申请。
技术领域
本文所述的实施例涉及电力转换设备、紧急行驶系统、以及铁路车辆。
背景技术
铁路车辆配备有驱动铁路车辆(使其能够移动)的电机，以及车辆控制设备，所述车辆控制设备从架空线接收电力、将电力转换成具有电机操作所需要的电压和电流的电力、并且将具有所需要的电压和电流的电力供应给电机。当由于电力故障等造成架空线没有供应电力时，电机的操作停止，使得铁路车辆停止。另外，当由于受电弓离线(pantographbounce)等造成架空线暂时没有供应电力时，火车车厢中诸如空调系统或照明系统之类的电气装置停止，导致提供给火车上客户的服务的减少。鉴于这样的情况，存在即使在外部不供应电力，例如架空线不供应电力的时候，向诸如电机或车厢内的电气装置之类的铁路装置连续地供应电力的需求。
在其中执行车辆维护等的铁路站场(rail yard)中，安装有架空线和第三轨(third rail)。从架空线的建造和安装成本以及安全性的角度来看，存在消除铁路站场中的架空线的需求。从现场人员执行对第三轨的维护等的安全性的角度来看，还存在消除在铁路站场的地面或轨道级安装的第三轨的需求。
发明内容
技术问题
当外部未向铁路装置供应电力时，铁路装置停止。
问题的解决方案
根据一种实施例，提供了一种电力转换设备，其包括：将直流电力转换成交流电力并且将交流电力供应给铁路车辆的电气装置的逆变器，能够存储直流电力的电池，以及将交流电力转换成直流电力并且对电池充电的转换器。当外部电源未向逆变器供应电力时，电池向逆变器供应电力。
附图说明
图1是根据第一实施例的紧急行驶系统的示意性构造图。
图2是根据修改的紧急行驶系统的示意性构造图。
图3是根据第二实施例的紧急行驶系统的示意性构造图。
图4是根据第三实施例的紧急行驶系统的示意性构造图。
具体实施方式
根据实施例，提供了电力转换设备、紧急行驶系统、以及铁路车辆，即使在诸如架空线之类的外部未向铁路装置供应电力时，该紧急行驶系统可以继续向铁路装置供应电力。
通常，根据一种实施例，提供了一种电力转换设备，其包括：将直流电力转换成交流电力并且将交流电力供应给铁路车辆的电气装置的逆变器，能够存储直流电力的电池，以及将交流电力转换成直流电力并且向电池充电的转换器。当外部电源未向逆变器供应电力时，电池向逆变器供应电力。
在下文中，结合附图解释实施例。
示例1
(第一实施例)
图1示出根据第一实施例的紧急行驶系统的示意性构造。该紧急行驶系统包括：向驱动铁路车辆的电机10供应电力的车辆控制设备100；以及向诸如空调系统或照明系统之类的铁路车辆的电气装置20供应电力的电力转换设备200。该紧急行驶系统被提供以用于即使在由于电力故障或受电弓离线造成架空线1对电力的供应变得不可能的状态时，连续地向电机10和电气装置20供应电力，其中当架空线1与受电弓2之间的接触状态由于车辆的震动等而不能被维持时，受电弓离线发生。
车辆控制设备100包括高速断路器102、充电电路104、逆变器106和控制器(控制部分)108。控制器108可以配置在车辆控制设备100的外部。经由受电弓2从架空线1收集的直流电力通过高速断路器102和充电电路104被供应给逆变器106。
逆变器106将所供应的直流电力转换成交流电力，并且将交流电力输出到电机10。逆变器106包括多个半导体开关元件，例如每个半导体开关元件由绝缘栅双极晶体管(IGBT)、以及与半导体开关元件并联连接的二极管、钳位二极管等组成。半导体开关元件的闭合和断开由控制器108控制。通过变压变频(VVVF)控制，逆变器106将直流电力转换成具有与车辆速度相对应的频率和电压的三相交流电力。
如图1所示，直流电力通过二极管220和随后描述的紧急接触器(开关)222从电池218供应给逆变器106。例如，当发生电力故障使得电力不能从架空线1供应时，紧急接触器222进入导通状态，使得电力从电池218供应给逆变器106。对紧急接触器222的控制由随后描述的控制器224执行。
在电机的转子(附图未示出)通过齿轮等的方式连接到车辆的驱动轮的车轴或者转子直接连接到驱动轮的车轴的状态下，电机10驱动铁路车辆。控制器108基于转子的角度(位置)、逆变器106的输出电流值、速度命令等，执行逆变器106的开关元件的ON和OFF操作。
如图1所示，电力转换设备200包括高速断路器202、充电电路204、二极管206、逆变器208、绝缘变压器210、断路器212、电池充电变压器214、转换器216、电池218、二极管220、紧急接触器222和控制器(控制部分)224。控制器224可以配置在电力转换设备200的外部。
经由受电弓2从架空线1收集的直流电力通过高速断路器202、充电电路204和二极管206供应给逆变器208。逆变器208将所供应的直流电力转换成交流电力，并且经由绝缘变压器210将交流电力输出给电气装置20。
逆变器208包含多个半导体开关元件，例如每个半导体开关元件包括IGBT、与半导体开关元件并联连接的二极管或钳位二极管等，并且半导体开关元件的闭合和断开由控制器224控制。逆变器208是恒压恒频(CVCF)逆变器，它向电气装置20输出固定电压和固定频率的电力。
如图1所示，逆变器208的输出通过绝缘变压器210、处于导通状态的断路器212、和电池充电变压器214被供应给转换器216。转换器216将从逆变器208输出的交流电力转换成直流电力，并且用该直流电力给电池218充电。存储直流电力的电池218可以通过二极管220向逆变器208供应电力。例如，当电力故障或受电弓离线发生从而使得架空线1未供应电力时，从电池218向逆变器208供应电力。
优选的是控制器224控制转换器216，以使得电池218的电压等于或低于架空线的正常操作电压。通过这样的控制，架空电压通常比电池电压高，并且从而电力可以被供应给电气装置20，而不需要使用存储在电池218中的电力。另一方面，当电力故障或受电弓离线发生从而使架空线电压变得低于电池电压时，存储在电池218中的电力被供应给逆变器208，使得电力可以连续地供应给电气装置20。当电力从电池218供应给逆变器208时，控制器224使断路器212进入断开(打开)状态。
例如，控制器224执行在其中电池218的电压变得比额定的架空线电压低100V(伏)的控制。例如，当额定的架空线电压是1500V时，电池218被充电以将其电压维持在1400V或更低。
在车辆的正常、非电池操作期间，电池218中维持的最小电压可以是电力转换设备200的性能保证电压的最小值。例如，当电力转换设备200的性能保证电压是1300V至1800V时，在火车车辆的正常、非电池操作期间，电池218的电压可以被维持在1300V。
可替代地，电池218的电压可以维持在架空线的电压可变的范围的最小值。例如，当架空线电压的可变的范围的是1000V至2000V时，电池218的电压被维持在1000V。
当由于电力故障等架空线1未供应电力时，控制器224使紧急接触器222进入一种使得电力通过紧急接触器222从电池218供应给车辆控制设备10的逆变器106的状态，其中紧急接触器222是开关。
例如，控制器224基于来自驾驶室的指令使紧急接触器222进入导通状态。另外，当在电力转换设备200的内部提供的滤波电容器(附图未示出)的电压变得低于预定值时，控制器224确定架空线1对电力的供应停止或中断，并且控制器224可以使紧急接触器222进入导通状态。
在架空线电压的供应中断持续一段预定时间的状态下，控制器224可以使紧急接触器222进入导通状态，并且因而从电池218向逆变器106供应电力。也就是说，在架空线电压的供应暂时中断的状态下，就像受电弓离线的情况那样，不执行从电池218向逆变器106供应电力的切换。这是因为，当架空线1不供应电力的时间期间较短时，车辆可以行驶而不停止(由于惯性或滑行)。
以这种方式，根据这个实施例，通常，架空线1向逆变器106、208供应电力，并且电池218也被充电或正在充电。另一方面，当由于电力故障等造成架空线1不供应电力时，电力从电池218供应给逆变器106、208。因此，即使在架空线电压的供应中断的状态下，电机10可以继续操作，使得车辆可以连续地行驶而不停止。另外，电力向诸如空调系统或照明系统之类的电气装置20的供应可以继续，并且提供给客户的服务因此可以被维持在预期的水平。即使在既没有架空线也没有第三轨的铁路站场中，使用紧急备用系统的电池操作车辆是有可能的。
在将根据这个实施例的紧急行驶系统引入铁路车辆中，用根据这个实施例的电力转换设备200代替向诸如空调系统或照明系统之类的电气装置供应电力的电力转换设备，并且同时附加地对使紧急接触器222和充电电路104彼此连接的电线进行布置就足够了。因此，根据这个实施例的紧急行驶系统可以被容易地引入或改装到铁路车辆中。
在上面提到的实施例中，电池218的充电特性可以被设置为与电池充电变压器214的电压降特性相匹配。由于这样的匹配，可以执行对电池电压的充电控制，而不执行基于逆变器208的输出电压对电池电压的控制。
在上面提到的实施例中，电池218的电力经由充电电路104供应给逆变器106。但是，如图2所示，电池218的电力可以直接供应给逆变器106而不经由充电电路104。
在上面提到的实施例中，已经关于控制器224执行对紧急接触器222的控制的情况做出了解释。但是，控制器108可以执行对紧急接触器222的控制。另外，紧急接触器222可以被布置在车辆控制设备100的内部，并且紧急接触器222可以由控制器108控制。
示例2
(第二实施例)
图3示出了根据第二实施例的紧急行驶系统的示意性构造。在关于紧急接触器222被省略以及从电池218向车辆控制设备100的电力供应未被执行的方面上，根据这个实施例的紧急行驶系统与根据图1所示的第一实施例的紧急行驶系统有所不同。第二实施例的其它构造和操作方式基本上等同于上面提到的第一实施例的对应构造和操作方式，从而省略了对第二实施例的构造和操作方式的解释。
根据这个实施例，在架空线电压的供应中断的状态下，电力从电池218供应给逆变器208，使得诸如空调系统或照明系统之类的电气装置20的操作可以继续，从而维持提供给客户的服务。
示例3
(第三实施例)
图4示出了根据第三实施例的紧急行驶系统的示意性构造。在关于从二极管220到逆变器208的返回线被省略、以及电力不从电池218供应给逆变器208的方面上，根据这个实施例的紧急行驶系统与根据图1所示的第一实施例的紧急行驶系统有所不同。第三实施例的其它构造和操作方式基本上等同于上面提到的第一实施例的对应构造和操作方式，从而省略了对第三实施例的构造和操作方式的解释。
根据这个实施例，在架空线电压的供应中断的状态下，执行电力从电池218到逆变器106的供应，使得电机10可以被驱动，并且车辆可以继续行驶而不停止。
如上面所解释的那样，根据第一至第三实施例，即使在电力没有从外部被供应时，电力也被供应给诸如电机或车厢中的电气装置之类的铁路装置。
在上面提到的第一至第三实施例中，已经关于紧急行驶系统被应用到直流电气火车的示例做出解释。但是，紧急行驶系统可以适用于交流电气火车。在这种情况下，充电电路104、204被省略，并且可以提供主变压器，以及将交流电力转换成直流电力并且将直流电力供应给逆变器106、208的转换器。
虽然已经描述了某些实施例，但是这些实施例仅仅以示例的方式被呈现，而不意图限制本发明的范围。实际上，本文所述的新颖实施例可以以各种其它形式体现；此外，在不背离本发明的精神的情况下，可以对本文所述的实施例的形式进行各种省略、替代和改变。所附权利要求及其等效物意图涵盖将落入本发明的范围和精神内的这样的形式或修改。

Claims (12)

1.一种电力转换设备，包括：
逆变器，将直流电力转换成交流电力并且将交流电力供应给铁路车辆的电气装置；
电池，存储直流电力；以及
转换器，将所述交流电力转换成直流电力并且给所述电池充电，
其中当电力未从外部电源供应给所述逆变器时，电池向所述逆变器供应电力，
另外其中所述电池被充电到等于或小于所述外部电源的电压范围的下限值的电压，以及
其中当所述外部电源的电压范围在预定电压范围内时，从所述外部电源向所述逆变器供应电力，并且当所述外部电源的电压范围等于或小于下限时，从所述电池向所述逆变器供应电力。
2.如权利要求1所述的电力转换设备，还包括第二逆变器，其中，在来自所述外部电源的电力供应中断时，所述电池电连接到所述逆变器和所述第二逆变器。
3.如权利要求2所述的电力转换设备，其中，在由所述外部电源供应电力期间，所述外部电源连接到所述逆变器和第二逆变器，而电池从所述逆变器和第二逆变器断开连接。
4.如权利要求3所述的电力转换设备，其中所述逆变器连接到电机，而所述第二逆变器连接到除所述电机以外的负载。
5.一种用于被从外部源供应直流电力的铁路车辆的紧急行驶系统，包括：
第一逆变器，将来自外部源的直流电力转换成交流电力并且将所述交流电力供应给驱动铁路车辆的电机；
第二逆变器，将来自外部源的直流电力转换成交流电力并且将所述交流电力供应给铁路车辆的电气装置；
电池，存储直流电力；及
转换器，将从所述第二逆变器输出的交流电力转换成直流电力，以便给所述电池充电，其中
当外部电源既未向所述第一逆变器供应电力也未向所述第二逆变器供应电力时，所述电池向所述第一逆变器和所述第二逆变器当中的至少一个供应电力，
其中所述电池被充电到等于或低于所述外部电源的供应电压范围内的下限值的电压，以及
其中当所述外部电源的电压范围在预定电压范围内时，从所述外部电源向所述第一逆变器和所述第二逆变器供应电力，并且当所述外部电源的电压范围等于或小于下限时，从所述电池向所述第一逆变器和所述第二逆变器当中的至少一个供应电力。
6.如权利要求5所述的紧急行驶系统，其中所述铁路车辆包括附加的电气负载，并且所述第二逆变器向所述附加的电气负载供电。
7.如权利要求5所述的紧急行驶系统，还包括插在所述第二逆变器与所述电池之间的断路器，所述断路器被配置为，在外部电源既未向所述第一逆变器供应电力也未向所述第二逆变器供应电力时，断开所述电池并将所述电池与所述第二逆变器隔离开。
8.如权利要求5所述的紧急行驶系统，其中所述第一逆变器能够将由所述电池供应的直流电力转换成用于供应给所述电机的交流电力。
9.如权利要求5所述的紧急行驶系统，其中所述第二逆变器能够将由所述电池供应的直流电力转换成用于供应给所述铁路车辆的电气装置的交流电力。
10.如权利要求5所述的紧急行驶系统，还包括插在所述电池与所述第一逆变器之间的开关。
11.一种铁路车辆，包括：
紧急行驶系统，其包括：
车辆控制设备，具有将来自外部源的直流电力转换成交流电力并且将所述交流电力供应给驱动铁路车辆的电机的第一逆变器；以及
电力转换设备，具有将来自外部源的直流电力转换成交流电力并且将所述交流电力供应给所述铁路车辆的电气装置的第二逆变器、能够存储直流电力的电池、以及将从所述第二逆变器输出的所述交流电力转换成直流电力以便给所述电池充电的转换器，其中
当外部电源既未向所述第一逆变器供应电力也未向所述第二逆变器供应电力时，所述电池向所述第一逆变器和所述第二逆变器当中的至少一个供应电力，
其中所述电池被充电到等于或低于所述外部电源的供应电压范围内的下限值的电压，以及
其中当所述外部电源的电压范围在预定电压范围内时，从所述外部电源向所述第一逆变器和所述第二逆变器供应电力，并且当所述外部电源的电压范围等于或小于下限时，从所述电池向所述第一逆变器和所述第二逆变器当中的至少一个供应电力。
12.如权利要求11所述的铁路车辆，其中，当所述电池被用来向所述铁路车辆的所述电机供电时，所述电池从所述第二逆变器断开连接。
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