CN106575931A - 车辆用电力转换装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种车辆用电力转换装置，能够抑制电磁噪声，提高车辆的车内以及车外的肃静性。实施方式所涉及的车辆用电力转换装置控制设置在电机设置台上的车辆行驶用的多个交流电动机，具备多个逆变电路与多个控制部。多个逆变电路向所述多个交流电动机中对应的交流电动机供给三相交流电力。多个控制部生成用于对所述逆变电路的所述多个开关元件进行通/断控制的控制信号，对所述多个逆变电路中对应的逆变电路进行PWM控制。所述多个控制部利用使用相位互不相同的载波而生成的控制信号，进行对所述对应的逆变电路的PWM控制，所述载波的相位差基于设置在所述电机设置台上的所述多个交流电动机的台数。

Description

车辆用电力转换装置
技术领域
本发明的实施方式涉及车辆用电力转换装置。
背景技术
近年来，随着电子电力技术的发展，使用将直流电力转换为交流电力的逆变器来控制交流电动机的方式，成为铁道车辆等的车辆驱动方式的主流。
然而，在进行逆变器控制的情况下，存在产生电磁噪声的技术问题。这是由将直流电力转换为交流电力时对逆变器进行PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)控制而引起的。在PWM控制中，在逆变器的开关元件的通/断控制中使用的脉冲电压为矩形波，在其上升与下降时会产生急剧的电压变化。
由于该急剧的电压变化，在逆变器的输出电流中，高次谐波总是叠加在基波上。在此，基波是指要向交流电动机输出的频率的交流成分。当向交流电动机接通合成有该基波与高次谐波的交流电流时，在交流电动机的定子或转子中会产生电流的频率成分所引起的物理振动。然后，产生依存于该物理振动的振动频率的电磁噪声(直接噪声)。
在交流电动机产生的电磁噪声中，除了上述直接噪声之外，还存在由于交流电动机的振动在安装有交流电动机的台车等电机设置台以及车体主体中传播而产生的个体传播噪声。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特许第3247539号
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是，提供一种车辆用电力转换装置，其能够抑制电磁噪声，提高车辆的车内以及车外的肃静性。
用于解决技术问题的方案
实施方式所涉及的车辆用电力转换装置是控制设置在电机设置台上的车辆行驶用的多个交流电动机的车辆用电力转换装置。该车辆用电力转换装置具备多个逆变电路与多个控制部。多个逆变电路构成为通过多个开关元件的通/断动作将直流电力转换为三相交流电力，向所述多个交流电动机中对应的交流电动机供给所述三相交流电力。多个控制部根据信号波与载波的比较结果，生成用于对所述逆变电路的所述多个开关元件进行通/断控制的控制信号，利用所述控制信号对所述多个逆变电路中对应的逆变电路进行PWM控制。所述多个控制部利用使用相位互不相同的载波而生成的控制信号，进行对所述对应的逆变电路的PWM控制，所述载波的相位差基于设置在所述电机设置台上的所述多个交流电动机的台数。
附图说明
图1是示出本发明的第一实施方式所涉及的车辆用电力转换装置1的概略性结构的图。
图2是示出为了生成逆变电路2、3的控制信号而使用的载波A、B的波形的图。
图3是示出对相间电压之和进行了频率分析的模拟结果的图。
图4是示出两个载波的相位差与通过频率分析得到的频谱成分的积分值之间关系的图表。
图5是示出本发明的第二实施方式所涉及的车辆用电力转换装置1A的概略性结构的图。
具体实施方式
下面，参照附图，对本发明所涉及的实施方式的车辆用电力转换装置进行说明。
(第一实施方式)
参照图1，对第一实施方式所涉及的车辆用电力转换装置进行说明。图1示出了第一实施方式所涉及的车辆用电力转换装置1的概略性结构。
车辆用电力转换装置1控制设置在同一电机设置台50上的车辆行驶用的交流电动机51、52。在此，电机设置台50是铁道车辆的台车，但是也可以是其他车辆的台车。另外，交流电动机51、52例如是永磁同步电动机(PMSM：Permanent Magnet Synchronous Motor)等的三相交流电机。此外，在铁道车辆用的情况下，车辆用电力转换装置1通常设置在铁道车辆本体上，而不是台车上。
如图1所示，车辆用电力转换装置1具备：逆变电路2、3，连接到交流电动机51、52；控制部4、5，向逆变电路2、3输出控制信号(栅极信号)；直流电源11，向逆变电路2、3供给直流电力；接触器12、13，用于向逆变电路2、3投入/断开直流电力；平滑电容器14、15；直流电压检测器16、17；以及交流电流检测器18a、18b、19a、19b。下面，对各结构要素进行详细说明。
如图1所示，逆变电路2、3具有开关元件Q1～Q6和并联连接到各开关元件的二极管D1～D6。逆变电路2、3构成为，通过开关元件Q1～Q6的通/断动作，将从直流电源11输入的直流电力转换为规定的频率以及电压的三相交流电力。经逆变电路2转换的三相交流电力，通过交流供给线21a、22a、23a被供给到交流电动机51。同样，经逆变电路3转换的三相交流电力，通过交流供给线21b、22b、23b被供给到交流电动机52。
此外，开关元件Q1～Q6是半导体开关元件，例如绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，但并不限于此，也可以是双极型晶体管或者MOSFET(金属氧化物半导体场效应电晶体)等。另外，逆变电路的结构不限于图1所示结构，只要将直流电力转换为交流电力，也可以是其他结构。
如图1所示，逆变电路2、3向多个交流电动机51、52中对应的交流电动机供给三相交流电力。即、逆变电路2向交流电动机51供给三相交流电力，逆变电路3向交流电动机52供给三相交流电力。
控制部4从直流电压检测器16输入被输入到逆变电路2的直流电压的电压值，并且从交流电流检测器18a、18b输入从逆变电路2输出的交流电流的电流值。同样，控制部5从直流电压检测器17输入被输入到逆变电路3的直流电压的电压值，并且从交流电流检测器19a、19b输入从逆变电路3输出的交流电流的电流值。此外，控制部4、5例如可以由一个处理器构成，也可以由各自单独的处理器构成。
控制部4、5生成用于对逆变电路2、3的开关元件Q1～Q6进行通/断控制的控制信号，并通过该控制信号对所对应的逆变电路进行PWM控制。即、控制部4对逆变电路2进行PWM控制，控制部5对逆变电路3进行PWM控制。
更加详细而言，控制部4、5通过使用相位互不相同的载波(载体)而生成的控制信号，进行对逆变电路2、3的PWM控制。后面将对载波的相位差进行详细说明。
对于控制信号的生成方法更加详细说明，控制部4、5根据信号波与载波的比较结果生成控制信号。在此，信号波是基于逆变电路的输入直流电压值(由直流电压检测器16、17计测的值)以及逆变电路的输出交流电流(由交流电流检测器18a、18b、19a、19b计测的值)而生成的。载波例如使用规定频率的三角波，但是也可以使用锯齿波等其他形状的波形。此外，相位互不相同的载波例如通过以下方式生成：将从一个振荡器输出的载波分支为两个，通过使用了运算放大器的移相电路或者延迟电路等相位调整单元，调整一个或者两个载波的相位。
接触器12电连接或者切断直流电源11与逆变电路2。同样，接触器13电连接或者切断直流电源11与逆变电路3。能够通过接触器12、13分别断开或者投入逆变电路2、3。由此，例如在逆变电路2发生故障的情况下，通过接触器12电切断直流电源11与逆变电路2，能够继续执行逆变电路3的电机控制。
平滑电容器14、15是用于使从直流电源11输出的电压平滑化的电容器，例如使用滤波电容器。
直流电压检测器16计测输入到逆变电路2的直流电压，计测的电压值被输出到控制部4。同样，直流电压检测器17计测输入到逆变电路3的直流电压，计测的电压值被输出到控制部5。
交流电流检测器18a设置在交流供给线21a上，计测流经交流电动机51的U相的交流电流。交流电流检测器18b设置在交流供给线23a上，计测流经交流电动机51的W相的交流电流。同样，交流电流检测器19a设置在交流供给线21b上，计测流经交流电动机52的U相的交流电流，交流电流检测器19b设置在交流供给线23b上，计测流经交流电动机52的W相的交流电流。此外，交流电流的计测既可以对U相、V相以及W相中任意的两相进行，或者也可以通过追加交流电流检测器对三相都进行。
接下来，参照图2，对控制部4、5为了生成控制信号而使用的载波的波形进行说明。图2示出了为了生成逆变电路2以及3的控制信号而使用的载波A、B的波形。在此，载波A用于生成逆变电路2的控制信号，载波B用于生成逆变电路3的控制信号。
如图2所示，载波A以及载波B的相位差为90°。该相位差基于设置在电机设置台50上的交流电动机的台数。此外，为了提升电磁噪声的降低效果，优选载波A以及载波B的频率大致相同。
在此，对本实施方式中的载波的相位差进行更详细说明。假设设置在电机设置台50上的交流电动机的台数为N台(N为2以上整数)。由于逆变电路对于各交流电动机分别设置，因此车辆用电力转换装置1上设置有N个逆变电路。当以N个逆变电路中规定的逆变电路为基准，并假设为了生成向该逆变电路输出的控制信号而使用的载波的相位为0°时，为了生成向其他N-1个逆变电路输出的控制信号而使用的载波的相位分别位于以(180/N)°、{2×(180/N)}°、{3×(180/N)}°、……、{(N—1)×(180/N)}°为中心的规定的角度范围内。
例如，在电机设置台50上设置有两台交流电动机的情况下，为了生成各逆变电路的控制信号而使用的载波的相位，是以0°、90°为中心的规定的角度范围内的值。另外，在电机设置台50上设置有4台交流电动机的情况下，为了生成各逆变电路的控制信号而使用的载波的相位，是以0°、45°、90°、135°为中心的规定的角度范围内的值。
在此，规定的角度范围是，例如与相邻的载波不重叠的范围、即±(90/N)°。
但是，起因于相间电压而产生脉动的电流，由于该脉动电流的产生而发生电磁噪声。即、相间电压成为车辆的电磁噪声的主要原因。因此，为了评价电磁噪声，分析相间电压是有效的。参照图3说明对相间电压进行了频率分析的结果。
图3示出了N＝2时的U相—V相间的相间电压之和的频率分析(FFT)的模拟结果。更加详细而言，示出了对从逆变电路2供给到交流电动机51的UV相间的相间电压、和从逆变电路3供给到交流电动机52的UV相间的相间电压两者之和的电压进行了频率分析的结果。
在图3中，虚线表示两个载波的相位差为0°时的相间电压的频谱，实线表示相位差为90°时的相间电压的频谱。此外，载波的频率均是频率为750Hz。另外，频谱成分示出了除去基波的可听频域(100Hz～20kHz)。另外，假设从逆变电路2、3输出的三相交流电力为同一相位的对称三相。
如图3所示，在相位差为0°的情况下，出现了在1.5kHz处峰值最高的频谱成分。与此相对，在相位差为90°的情况下，1.5kHz处的峰值消失。再者，在相位差为90°的情况下，4.5kHz附近的峰值也消失。对100Hz～20kHz的可听频域积分了频谱成分的值，在相位差为0°时是2.11，而在相位差为90°时是0.99，由此可知通过设置90°的相位差，积分值减少了一半以上。其理由如下。
即、通过设置载波的相位差，对开关元件Q1～Q6进行通/断控制的定时在逆变电路3与逆变电路3之间错开。其结果，各逆变电路生成的高次谐波成分相互抵消。由此，相间电压之和的电压的高次谐波峰值消失，频谱成分的积分值大幅减小。
接着，说明通过一边改变载波的相位差一边进行上述频率分析而得到的、相位差与积分值的关系。图4是示出N＝2时的两个载波的相位差与频谱成分的积分值之间关系的图表。如图4所示，当相对于一个载波的相位(0°)，另一个载波的相位为90°或者270°(即－90°)时，积分值几乎最小。在图4中，积分值在小于90°的相位差(约75°)处变得最小，是因为功率因数为0.85左右而不是理想值1等的影响。
此外，从图4可知，载波的相位优选以90°(或者270°)为中心，位于±30°的角度范围，进一步优选位于±15°的角度范围。
如上所述，在第一实施方式中，在同一个电机设置台50上设置有多个交流电动机51、52的情况下，当用分别分配给这些多个交流电动机51、52的逆变电路2、3进行PWM控制时，使用根据相位互不相同的载波而生成的控制信号。由此，在逆变电路2、3生成的高次谐波成分相互抵消。其结果，虽然设置在电机设置台50上的交流电动机51、52的振动不变，但是能容降低该振动在电机设置台50或车体本体中传播而产生的个体传播噪声。
由此，根据第一实施方式，能够抑制电磁噪声，提高铁道车辆等车辆的车内以及车外的肃静性。
(第二实施方式)
接着，说明本发明的第二实施方式。第二实施方式与第一实施方式之间的不同点之一在于，在第一实施方式中对于各逆变电路分别单独设置了控制部，而在第二实施方式中只设置了一个控制各逆变器的共通控制部。下面，以与第一实施方式的不同点为中心说明第二实施方式。
图5示出了第二实施方式所涉及的车辆用电力转换装置1A的概略性结构。在图5中，对于与第一实施方式具有相同功能的结构，赋予与图1相同的参照标记。
如图5所示，车辆用电力转换装置1A具备：逆变电路2、3；共通控制部6，向逆变电路2、3输出控制信号；直流电源11，向逆变电路2、3供给直流电力；平滑电容器14；直流电压检测器16以及交流电流检测器18a、18b、19a、19b。
直流电压检测器16计测输入到逆变电路2、3的直流电压。由直流电压检测器16计测的电压值被输出到共通控制部6。
共通控制部6从直流电压检测器16输入被输入到逆变电路2、3的直流电压，并且从交流电流检测器18a、18b、19a、19b输入从逆变电路2、3输出的交流电流。
共通控制部6对于多个逆变电路的每一个，根据信号波与载波的比较结果，生成用于对逆变电路的多个开关元件Q1～Q6进行通/断控制的控制信号。然后，共通控制部6利用生成的控制信号对多个逆变电路进行PWM控制。
这样，共通控制部6对于逆变电路2、3的每一个生成控制信号，并利用生成的这些控制信号对逆变电路2、3进行PWM控制。
而且，共通控制部6利用使用相位互不相同的载波而生成的控制信号，进行对多个逆变电路的PWM控制。与第一实施方式相同，载波的相位差是基于设置在电机设置台50上的交流电动机的台数的值。即、在N＝2的情况下，相位差为90°，通常为(180/N)°。其他与载波的相位差相关的特征与第一实施方式相同，不再重复说明。
在第二实施方式中，与第一实施方式同样，在用逆变电路2、3对多个交流电动机51、52进行PWM控制时，使用基于相位不同的载波而生成的控制信号。由此，在逆变电路2、3产生的高次谐波成分相互抵消。其结果，能够降低设置在电机设置台50上的交流电动机51、52的振动在电机设置台50或车体本体中传播时产生的个体传播噪声。
由此，根据第二实施方式，能够提高铁道车辆等车辆的车内以及车外的肃静性。
以上，虽然对本发明的几个实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为例子提示的，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，包含在权利要求书所记载的发明和其等同的保护范围内。
附图标记说明
1、1A：车辆用电力转换装置
2、3：逆变电路
4、5：控制部
6：共通控制部
11：直流电源
12、13：接触器
14、15：平滑电容器
16、17：直流电压检测器
18a、18b、19a、19b：交流电流检测器
21a、21b、22a、22b、23a、23b：交流供给线
50：电机设置台
51、52：交流电动机
A、B：载波
Q1～Q6：开关元件
D1～D6：二极管

Claims (10)

1.一种车辆用电力转换装置，控制设置在电机设置台上的车辆行驶用的多个交流电动机，其特征在于，具备：
多个逆变电路，构成为通过多个开关元件的通/断动作将直流电力转换为三相交流电力，并向所述多个交流电动机中对应的交流电动机供给所述三相交流电力；以及
多个控制部，根据信号波与载波的比较结果，生成用于对所述逆变电路的所述多个开关元件进行通/断控制的控制信号，利用所述控制信号对所述多个逆变电路中对应的逆变电路进行PWM控制；
所述多个控制部利用使用相位互不相同的载波而生成的控制信号，进行对所述对应的逆变电路的PWM控制，所述载波的相位差基于设置在所述电机设置台上的所述多个交流电动机的台数。
2.根据权利要求1所述的车辆用电力转换装置，其特征在于，
当所述多个交流电动机的台数为N台的情况下，假设为了生成向所述多个逆变电路中规定的逆变电路输出的控制信号而使用的载波的相位为0°时，为了生成向其他N-1个逆变电路输出的控制信号而使用的载波的相位，分别位于以(180/N)°、{2×(180/N)}°、{3×(180/N)}°、……、{(N-1)×(180/N)}°为中心的规定的角度范围内，其中N为2以上整数。
3.根据权利要求2所述的车辆用电力转换装置，其特征在于，
所述角度范围为±(90/N)°。
4.根据权利要求2所述的车辆用电力转换装置，其特征在于，
所述多个交流电动机的台数为2台，所述角度范围为±30°。
5.根据权利要求1所述的车辆用电力转换装置，其特征在于，
所述多个交流电动机设置在同一电机设置台上。
6.一种车辆用电力转换装置，控制设置在电机设置台上的车辆行驶用的多个交流电动机，其特征在于，具备：
多个逆变电路，构成为通过多个开关元件的通/断动作将直流电力转换为三相交流电力，并向所述多个交流电动机中对应的交流电动机供给所述三相交流电力；以及
共通控制部，对于所述多个逆变电路的每一个，根据信号波与载波的比较结果，生成用于对所述逆变电路的所述多个开关元件进行通/断控制的控制信号，利用所述控制信号对所述多个逆变电路进行PWM控制；
所述共通控制部利用使用相位互不相同的载波而生成的控制信号，进行对所述多个逆变电路的PWM控制，所述载波的相位差基于设置在所述电机设置台上的所述多个交流电动机的台数。
7.根据权利要求6所述的车辆用电力转换装置，其特征在于，
当所述多个交流电动机的台数为N台的情况下，假设为了生成向所述多个逆变电路中规定的逆变电路输出的控制信号而使用的载波的相位为0°时，为了生成向其他N-1个逆变电路输出的控制信号而使用的载波的相位，分别位于以(180/N)°、{2×(180/N)}°、{3×(180/N)}°、……、{(N-1)×(180/N)}°为中心的规定的角度范围内，其中N为2以上整数。
8.根据权利要求7所述的车辆用电力转换装置，其特征在于，
所述角度范围为±(90/N)°。
9.根据权利要求7所述的车辆用电力转换装置，其特征在于，
所述多个交流电动机的台数为2台，所述角度范围为±30°。
10.根据权利要求6所述的车辆用电力转换装置，其特征在于，
所述多个交流电动机设置在同一电机设置台上。
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