CN105493395A - 车辆用控制装置以及铁路车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施方式涉及的车辆用控制装置具备逆变器，该逆变器用于将直流电力变换成三相的交流电力，并供给至用于驱动车辆的电机。检测器用于检测逆变器与电机之间的电流值。控制部根据检测器检测出的电流值、速度指令信号以及电机的转子频率，对逆变器进行PWM控制。当转子频率小于等于规定值且PWM调制率大于等于规定值时，控制部判定为发生了异常。

Description

车辆用控制装置以及铁路车辆
技术领域
本发明的实施方式涉及车辆用控制装置以及铁路车辆。
背景技术
在铁路车辆上设置有电机和车辆用控制装置，所述电机用于驱动车辆，所述车辆用控制装置从架空输电线路接收电力，并变换成所需的电压、电流以供给至电机。车辆用控制装置中的电压、电流的变换主要通过逆变器装置进行。例如，从逆变器装置输出的三相交流电被供给至电机。
当发生用于驱动逆变器装置的指令线断线或者作为逆变器装置的输出的三相交流电缺相等异常时，无法使电机正常驱动。因此，尤其是在车辆的低速区内，希望及时地检测到缺相等异常。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特许第2980698号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种车辆用控制装置以及具备该车辆用控制装置的铁路车辆，其能够及时地检测到低速区内的异常的发生。
用于解决技术问题的方案
本发明的实施方式涉及的车辆用控制装置具备逆变器，该逆变器用于将直流电力变换成三相的交流电力，并供给至用于驱动车辆的电机。检测器用于检测逆变器与电机之间的电流值。控制部根据检测器检测出的电流值、速度指令信号以及电机的转子频率，对逆变器进行PWM控制。当转子频率小于等于规定值且PWM调制率大于等于规定值时，控制部判定为发生了异常。
附图说明
图1是本实施方式所涉及的车辆用控制装置的概略结构图。
图2是示出转子频率f与电机电压V之间关系的图。
图3是示出转子频率f与调制率之间关系的图。
图4是示出发生异常时的转子频率f与调制率之间关系的图。
图5是用于说明本实施方式所涉及的异常检测方法的流程图。
图6是基于变形例的车辆用控制装置的概略结构图。
图7是基于变形例的车辆用控制装置的概略结构图。
具体实施方式
下面，根据附图，对本发明的实施方式进行说明。
图1示出了本实施方式所涉及的车辆用控制装置的概略结构。车辆用控制装置4具备转换器5、逆变器6以及控制器(控制部)9。控制器9也可设置在车辆用控制装置4的外部。如图1所示，借助受电弓1从交流架线10上采集的交流电力经过断路器(VCB：VacuumCircuitBreaker：真空断路器)2、主变压器3被引入到转换器5。
转换器5将引入的交流电力变换成直流电力，并进行输出。转换器5例如是PWM(PulseWidthModulation：脉冲宽度调制)转换器，内置有IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor：绝缘栅双极晶体管)等半导体开关元件、以及与半导体开关元件并联连接的二极管或者钳位二极管等。通过控制器9控制半导体开关元件的导通/关断。
逆变器6将从转换器5输出的直流电力变换成交流电力，并生成相位彼此相差120°的U相、V相、W相的三相交流电。逆变器6是VVVF(VariableVoltageVariableFrequency：变压变频)逆变器，其内置有IGBT等半导体开关元件、以及与半导体开关元件并联连接的二极管或者钳位二极管等。逆变器6的半导体开关元件根据从控制器9输出的门信号进行导通/关断动作。即，控制器9对逆变器6的半导体开关元件进行控制，从而对从转换器5输出的直流电力进行基于PWM方式的调制。
逆变器6将生成的三相交流电供给至电机(三相感应电动机)8，并对铁路车辆进行驱动控制。电机8的转子(未图示)通过齿轮等与驱动用车轮的车轴连接，或者转子直接与驱动用车轮的车轴连接，从而驱动铁路车辆。另外，设置有用于检测转子的角度(位置)的旋转编码器等角度检测单元(未图示)，控制器9从角度检测单元取得检测结果。控制器9能够根据角度检测单元的检测结果计算出转子频率(电机速度)。
如图1所示，设置有电流检测器7a、7b，该电流检测器7a、7b用于检测从逆变器6输出的三相电流之中的两相的相电流值。控制器9取得电流检测器7a、7b检测出的电流值。在三相交流电中，将两相的电流值相加并将符号反转而获得的结果即为余下一相的电流值。因此，根据电流检测器7a、7b检测出的电流值，能够求出没有设置电流检测器7a、7b的相的相电流。
控制器9具有：速度控制部91，该速度控制部91对速度指令信号与当前的电机速度进行比较，以生成加速/减速的指令；电流控制部92，使用来自速度控制部91的指令以及根据由电流检测器7a、7b检测出的电流值求出的当前的电机电流，并生成电流指令值；以及PWM信号生成部93，用于生成PWM信号并发送到逆变器6，从而使与电流指令值相对应的电机电流流过。逆变器6的半导体开关元件根据PWM信号进行导通·关断动作。另外，PWM信号生成部93生成使转换器5的半导体开关元件进行导通·关断动作的PWM信号，并发送到转换器5。
另外，如图1所示，控制器9具有：速度判定部94，用于判定车辆速度是否处于小于等于规定值的低速区；调制率判定部95，用于判定逆变器6的PWM调制率(PWM的脉冲宽度的比例)是否大于规定值；以及电流判定部96。例如，当转子频率小于规定值时，速度判定部94判定为车辆速度处于低速区，当转子频率大于等于规定值时，速度判定部94判定为车辆速度不处于低速区。关于PWM调制率(在以下的说明中也简称为“调制率”)，将在下文中进行说明。
图2是示出通常情况(没有发生异常时)的转子频率f与电机电压V之间关系的图。如图2所示，在VVVF逆变器的向量控制中，在小于等于规定频率(图中为频率f1)的范围内，转子频率f与电机电压V存在比例关系。而且，当转子频率f大于等于频率f1时，将电机电压V控制为恒定在电压V1。
图3是示出通常情况的转子频率f与调制率之间关系的图。调制率例如能够通过以下的数学式计算出来。
调制率(％)＝当前的电机电压/电机最大电压
在此，电机最大电压相当于图2的电压V1。另外，当前的电机电压能够根据电流指令值计算出来。
如图2、图3所示，当电机电压V变为恒定时，调制率变为100％。另外，如图3所示，当转子频率较低时、即车辆速度较低时，调制率与转子频率f存在比例关系。
在此，当车辆用控制装置14中发生了某种异常时，转子频率f与调制率之间的关系将会变成图4中示出的曲线41那样。为了进行比较，通过虚线42示出了通常情况的转子频率f与调制率之间的关系。当发生异常而不再流过与电流指令值相对应的实际电流时，执行如下控制：提高调制率(电机电压)，以使所期望的电流流过。因此，与通常情况相比，发生异常时，在低速区(转子频率f较低的区域)内，电流指令值将会变大。也就是说，由于当前的电机电压升高，因此调制率会变大。
因此，在本实施方式中，利用这种特性，当在低速区内调制率超过规定阈值时，控制器9判断为车辆用控制装置4中发生了异常，并通知发生了异常。例如，将车辆的(通常运行时的)最高速度的30％以下视为低速区，当在转子频率f未达到0.3×f1的状态下调制率超过30％时，控制器9判断为发生了异常。
这样，通过利用调制率，能够在低速区内及时地检测到异常的发生。
进一步，控制器9在判断为发生了异常后，使用电流检测器7a以及电流检测器7b检测出的电流值，能够判定所发生的异常是否是缺相。当电流检测器7a检测出电流值、电流检测器7b检测出电流值、或者电流检测器7a以及电流检测器7b检测出的电流值之和小于规定阈值时，控制器9判断为所发生的异常是缺相。
利用图5中示出的流程图，对这样的异常以及缺相的检测方法进行说明。
(步骤S101)通过速度判定部94，判定车辆速度是否小于规定值。当车辆速度小于规定值时，速度判定部94向调制率判定部95发送判定请求信号(也就是前进到步骤S102)。当车辆速度大于等于规定值时，结束处理。在本实施方式中是为了对低速区内的异常(缺相)的发生进行检测。在此，也可以将车辆速度替换为转子频率f(电机速度)。
(步骤S102)被输入了来自速度判定部94的判定请求信号的调制率判定部95对PWM调制率是否大于规定值进行判定。当PWM调制率大于规定值时，判定为发生了异常，并从调制率判定部95向电流判定部96输出电流判定请求信号(也就是前进到步骤S103)。当PWM调制率小于等于规定值时，结束处理。此外，也可以以PWM调制率大于规定值的状态持续一定时间作为判定发生了异常的条件。
(步骤S103)由于不再流过与电流指令值相对应的实际电流，因此，判定为装置中发生了某种异常。
(步骤S104)被输入了来自调制率判定部95的电流判定请求信号的电流判定部96取得电流检测器7a、7b检测出的电流值。当电流检测器7a检测出的电流值、电流检测器7b检测出的电流值、或者电流检测器7a以及电流检测器7b检测出的电流值之和小于电流判定部96中预先设定的规定值时，判定为所发生的异常是缺相(也就是前进到步骤S105)。
(步骤S105)控制器9的电流判定部96判定为所发生的异常是缺相。例如，当电流检测器7a的检测值小于规定值时，判定为设置有电流检测器7a的配线发生了断线。另外，当电流检测器7b的检测值小于规定值时，判定为设置有电流检测器7b的配线发生了断线。另外，当电流检测器7a以及电流检测器7b的检测值之和小于规定值时，判定为没有设置电流检测器7a、7b的配线发生了断线。此时，根据需要也可向外部输出异常发生的信号，并通过外部显示器进行显示。
这样，通过利用调制率以及电流检测器7a、7b的检测结果，能够在车辆的低速区内准确地检测到缺相的发生。
此外，在步骤S104中，当电流检测器7a的检测值、电流检测器7b的检测值、电流检测器7a以及电流检测器7b的检测值之和大于等于规定值时，判定为发生了缺相之外的异常(故障)。
如图6所示，也可以构成为设置有两个电机8a、8b的结构。三相交流电所流经的配线通过分支点16分支成第一配线和第二配线，第一配线连接在电机8a上，第二配线连接在电机8b上。在图6所示的结构中，电流检测器7a、7b设置在逆变器6与分支点16之间，当在分支点16与电机8a、8b之间发生了缺相时，该结构能够检测到发生了异常，但是无法检测到是在哪一相发生了缺相。
因此，如图7所示，当设置两个电机8a、8b时，优选在分支点16与电机8a、8b之间分别设置电流检测器7a、7b。通过与各电机8a、8b相对应地设置电流检测器7a、7b，能够检测到是在哪一相发生了缺相。
在上述实施方式中，对设置用于检测流向逆变器6与电机8之间的三相电流之中的两相的相电流的电流检测器7a、7b的例子进行了说明，但是，也可以设置三个电流检测器，对各相的相电流进行检测。
在上述实施方式中，以架线10为交流架线(交流电源)的情况为例进行了说明，但是，也可以将架线10设成直流架线(直流电源)，在这种情况下，只要省略主变压器3和转换器5并设置由电抗器以及电容器组成的LC滤波器即可。
虽然对本发明的几个实施方式进行了说明，但是这些实施方式是作为例子提出的，并非旨在限定发明的保护范围。这些实施方式能够以其他各种方式实施，在不偏离发明宗旨的范围内，可以进行各种省略、替换、变更。这些实施方式或其变形包含在发明的保护范围或宗旨中，并且，包含在权利要求书中记载的发明和其等同的保护范围内。

Claims (7)

1.一种车辆用控制装置，其特征在于，具备：
逆变器，用于将直流电力变换成三相的交流电力，并供给至用于驱动车辆的电机；
检测器，用于检测所述逆变器与所述电机之间的电流值；以及
控制部，根据所述检测器检测出的电流值、速度指令信号以及所述电机的转子频率，对所述逆变器进行PWM控制；
当所述转子频率小于等于规定值且PWM调制率大于等于规定值时，所述控制部判定为发生了异常。
2.根据权利要求1所述的车辆用控制装置，其特征在于，
所述控制部在判定为发生了异常时，在所述检测器检测出的电流值小于规定值的情况下，判定为是因缺相导致的异常。
3.根据权利要求1所述的车辆用控制装置，其特征在于，
所述逆变器将所述三相的交流电力供给至用于驱动车辆的第一电机以及第二电机。
4.根据权利要求3所述的车辆用控制装置，其特征在于，
连接所述逆变器与所述第一电机以及第二电机的配线在分支点分支成第一配线以及第二配线，所述第一配线连接在所述第一电机上，所述第二配线连接在所述第二电机上，
所述检测器包括设置在所述第一配线上的第一检测器以及设置在所述第二配线上的第二检测器。
5.根据权利要求4所述的车辆用控制装置，其特征在于，
当所述第一检测器检测出的电流值、所述第二检测器检测出的电流值、或者所述第一检测器以及第二检测器检测出的两个电流值之和小于规定阈值时，所述控制部判定为是所述因缺相导致的异常。
6.一种铁路车辆，具备：
如权利要求1所述的车辆用控制装置；以及
电机，从所述逆变器被供给所述三相的交流电力。
7.一种铁路车辆，具备：
如权利要求3所述的车辆用控制装置；以及
第一电机及第二电机，从所述逆变器被供给所述三相的交流电力。
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