CN1154308A - 电力车辆控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种控制电力车辆的电力车辆控制系统，包括：一台用于接受来自架空电力线路的直流电力并将其转换为三相交流电力的逆变器；与逆变器相连以接受三相交流电力来驱动电力车辆的永磁同步电机，根据逆变器故障信号和操作指令中的一个产生断开信号的控制装置以及与控制装置相连以接收断开信号从而断开逆变器与永磁同步电机之间的连接的断开装置。

Description

电力车辆控制系统
本发明涉及一种电力车辆控制系统，特别是涉及一种对驱动电力车辆的永磁同步电机进行控制的电力车辆控制系统。
为了平稳地运行交流电机驱动的变压变频逆变器(以下称为逆变器)控制的电力车辆，电力车辆控制系统应以这样一种方式构成，即使逆变器万一发生故障，它也可以通过迅速断开故障部分而继续驱动电力车辆。
通常，电力车辆驱动电机典型的是三相感应电机。但是，最近研制出了一种由逆变器的三相交流电力分别向其供电的永磁同步电机(以下称为PM电机)驱动的电力车辆。PM电机可以大致分为两类。它们是具有永磁体贴于电机转子表面的表面磁体结构的PM电机以及具有永磁体埋入转子内的埋入磁体结构的PM电机。PM电机在可维护性、可控制性和对环境耐受能力方面具有优势，并且能够在高效及高功率因数状态下运行。因此，PM电机具备了电力车辆驱动电机所要求的特性和特点。
图2是用一台逆变器控制一台PM电机的现有技术的电力车辆控制系统的示意图。从架空电力线路(未画出)经受电弓1而来的直流电通过切换电流通和断的线路断路器。随后，直流电由逆变器3变换为变压变频的交流电力，并输送至PM电机5。控制装置4接收来自安装在逆变器3内的传感器(未画出)的信息P和诸如PM电机5转速和转角之类的信息R。接着。根据信息R，控制装置4计算出逆变器频率和电机电压，并将它们作为控制信号C输出。根据该控制信号C控制逆变器3。逆变器3由自关断半导体器件3a-3f组成。这里所说的自关断半导体可以是例如控制极可关断(GTO)晶闸管或绝缘栅双极晶体管(IGBT)，并且是控制装置4的控制信号C在任意时刻都能对其通电或不通电状态进行控制的半导体器件。二极管31分别与自关断半导体器件(以下称为半导体器件)3a-3f逆并联。
图3是表示图2所示现有技术的电力车辆控制系统在作为逆变器3组成部分的半导体器件3a-3f中半导体器件3a发生故障并处于恒定导通状态时的运行。
当半导体器件3a处于导通故障状态时，逆变器无法向PM电机5输送三相交流电力。当控制装置4从安装在逆变器3上的传感器来的信息P中检测到半导体器件3a发生故障时，控制装置向线路断路器2输出断开指令a1。因此，通过使线路断路器2处于断开状态而停止逆变器3操作。在这种情况下，一般分别通过其它无故障的电力车辆控制系统向其它的PM电机5输送三相交流电力继续运行电力车辆。但是，当电力车辆继续运行时，与发生故障的逆变器3相连的PM电机5的转子仍继续转动。由于PM电机5由永磁体组成，所以即使逆变器3不输送直流电力，PM电机5内部仍会产生磁通量，而PM电机5的运行如同一台发电机。此时，如果所有的半导体器件3a-3f都处于无故障状态，那么在这样的设计下PM电机5就不会继续输出电流。但是，当半导体器件3a发生导通故障时，短路电流就会沿图3中箭头所指路径在PM电机5的相间流动。由此引发的问题是，如果电力车辆继续在这种状态下运行，PM电机5就有可能因短路电流引起的过电流和过热而烧毁。
在如上所述的现有技术的电力车辆控制系统中，即使万一组成逆变器的任意一个半导体器件发生导通故障并且由线路断路器切断从架空电力线路到发生故障的逆变器的电力输送，电力车辆也将在其它无故障的电力机车控制系统的控制下继续运行。因此短路电流将经过发生故障的逆变器流入PM电机。由此带来烧毁PM电机的问题。这样，就会使电力车辆本身无法继续运行，从而不利于其商业应用。
因此，本发明的一个目标是提供一种即使在电力车辆控制系统的逆变器发生故障时也能继续运行电力车辆的电力车辆控制系统。
本发明的另一个目标是提供一种即使在电力车辆控制系统的逆变器发生故障时也能保护发生故障的逆变器和与发生故障的逆变器相连的驱动电力车辆用的PM电机的电力车辆控制系统。
本发明还有一个目标是提供一种在电力车辆运行期间至少有一个逆变器受操作指令控制而停止工作时防止不需要的电流流入逆变器的电力机车控制系统。
本发明的上述以及其他目标可以通过提供一种控制电力车辆的电力机车控制系统来实现。该电力车辆控制系统包括一台适于接受来自架空电力线路的直流电力并将其转换为三相交流电力的逆变器；与逆变器相连以从逆变器输入三相交流电力以驱动电力车辆的永磁同步电机；根据逆变器故障信号和操作指令中的一个产生断开信号的控制装置以及与控制装置相连以接收断开信号从而断开逆变器与永磁同步电机之间的连接的断开装置。
当采用上述部件时，如果逆变器发生故障或受外部断开指令控制而停止运行，那么可以只有与该逆变器相连的永磁同步电机在电气上断开。因此，电力机车可以在其他电力车辆控制系统的控制下继续运行。这样就避免了在商业应用上的困扰。而且三相电流之和总是为零。因此，即使在三相输出线路的至少两相上提供断开装置，也可以防止电流流入余下的那一相。
通过以下结合附图的详细描述，可以进一步理解本发明及其优点，其中：
图1是表示按照本发明一个实施例的电力车辆控制系统的示意图；
图2是表示现有技术的电力车辆控制系统的示意图；以及
图3表示图2所示电力车辆控制系统的运行。
以下将结合附图(这里，对于相同或对应的部分用同一标号表示)描述本发明。
图1是表示按照本发明一个实施例的电力车辆控制系统的示意图。在图1中，从架空电力线路(未画出)经受电弓1而来的直流电力通过切换电流通和断的线路断路器。随后，直流电力由逆变器3变换为变压变频的交流电力，并输送至PM电机5。控制装置4A接收来自安装在逆变器3中的传感器(未画出)的信息P和诸如PM电机5转速和转角之类的信息R。接着，根据信息R，控制装置4A计算出逆变器频率和电机电压，并将它们作为控制信号C输出。根据该控制信号C控制逆变器3。逆变器3由半导体器件3a-3f和分别与半导体器件3a-3f逆并联的二极管31组成。
与图2所示现有技术不同，PM电机5并不通过三相输出线路U，V和W直接与逆变器的三相交流输出端相连。触点6a和6b分别与三相输出线路U，V和W中的两相输出线路相连，比如与输出线路U和W相连。触点6a和6b一般是闭合的。它们在控制装置4A的断开指令(后面将要叙述)控制下断开。
如上所述，如果组成逆变器3的半导体器件3a-3f中的一个或多个发生导通故障时，即使逆变器不供电，PM电机5也象发电机那样工作。
以下叙述一个检测半导体器件3a-3f导通故障的例子。对于半导体器件3a-3f分别安装传感器(未画出)。每一传感器分别检测半导体器件3a-3f中一个的阴极和阳极之间的电压。传感器将检测到的电压作为P信息传送给控制装置4A。
控制装置4A接收信息P，并判断在控制极关断信号分别施加在半导体器件3a-3f上期间检测到的电压是否为零。当半导体器件3a-3f中任意一个的检测到的电压为零电压时，控制装置4A判定该半导体器件处于导通故障状态。
当控制装置4A由安装在逆变器3中的传感器来的信息P检测到半导体器件3a-3f发生导通故障时，控制装置4A向线路断路器2输出断开指令a1，向触点6a和6b输出断开指令a2。随后，线路断路器2断开。进而由触点6a和6b分别断开逆变器3与PM电机5之间的三相输出线路U和W。因此可以防止在PM电机5相间产生短路电流。
在本实施例中，触点6a和6b分别提供给逆变器3与PM电机5之间的三相线路U和W中。这是因为三相电流之和为零，如果三相输出线路U，V和W中有两相输出线路U和W分别被触点6a和6b断开，则电流也不会流入余下的一相输出线路V。也就是说，可以断开三相输出线路U，V和W中至少两相的输出线路。因此，毫无疑问，即使向所有的三相输出线路U，V和W提供诸如触点之类的断开装置，其效果也与本实施例的一样。
因此，当应用本实施例时，即使组成逆变器的半导体器件3a-3f中的一个或多个发生故障，也可以只断开由发生故障的逆变器驱动的PM电机5。这样，电力车辆可以在其它无故障的电力车辆控制系统的控制下继续运行。而且可以避免发生烧毁有故障的逆变器3及其与之相连的PM电机5等情况。
另外，触点6a和6b被用作断开连接PM电机5与逆变器3的三相输出线路U，V和W的装置。但是采用由半导体器件构成的非接触系统或过电流保险丝代替触点6a和6b预期也可达到同样的效果。
在上述实施例中，触点6a和6b分别与两相输出线路U和W连接。但本发明并不受该实施例限制。触点6a和6b也可以提供于PM电机5内部的两条线路U和W上。
另外，在本实施例中描述了由一台逆变器3控制一台PM电机5的电力车辆的情形。但本发明并不受该实施例限制。本发明涉及的是分立的PM电机。因此，本发明可用于由一台逆变器控制多台PM电机的电力车辆控制系统。在这种情形下，通过向各台PM电机分别提供断开装置可以达到同样的效果。
此外，在上述实施例中，只描述了逆变器3发生故障时的断开装置的操作。但本发明并不受该实施例限制。本发明也可用于在电力车辆运行期间受操作指令(未画出)控制而停止逆变器工作(例如滑行期间)的情形。本发明还可用于在小幅度加速或减速时受操作指令(未画出)控制而停止部分电力车辆控制系统工作的情形。在这些情形下，同样也能防止不需要的电流流入逆变器3。
采用如上所述的本发明可以提供一种即使在电力车辆控制系统的逆变器出现故障时电力车辆也能继续运转的电力车辆控制系统。
此外，可以提供一种即使在电力车辆控制系统的逆变器出现故障时也能保护出现故障的逆变器和与之相连的用作驱动电力车辆的PM电机的电力车辆控制系统。
还可以提供一种在电力车辆运行期间至少有一个逆变器受操作指令控制而停止工作时防止不需要的电流流入该逆变器的电力车辆控制系统。
显而易见的是，从上面的叙述出发可以对本发明作多种修改和变动。因此可以理解到，在本发明所附权利要求限定的范围内，还可以有其它不同于上面所述的实施方式。

Claims (9)

1.一种控制电力车辆的电力车辆控制系统，其特征在于包括：
用于接受来自架空电力线路的直流电力并将所述直流电力转换为三相交流电力的逆变器；
与所述逆变器相连以接受所述三相交流电力的驱动电力车辆用的永磁同步电机；
根据所述逆变器的故障信号和操作指令中的一个产生断开信号的控制装置；以及
与所述控制装置相连以接收所述断开信号从而断开所述逆变器与所述永磁同步电机之间的连接的断开装置。
2.如权利要求1所述的电力车辆控制系统，还包括传感器装置，其特征在于，
所述逆变器由三相桥式自关断半导体器件组成；
所述传感器装置包括多个分别检测自关断半导体器件导通状态并输出多个作为导通信息的所述导通状态的传感器；
所述控制装置与所述传感器装置相连以用来接收所述导通信息并且根据所述传感器检测到的所述导通状态判断所述自关断半导体器件中的任意一个是否处于导通故障状态，以及当判定所述自关断半导体器件中任意一个处于导通故障状态时输出所述逆变器的所述故障信号。
3.如权利要求1所述的电力车辆控制系统，其特征在于，
所述逆变器的三相输出端经过三相输出线路与所述永磁同步电机的三相输入端相连；
所述断开装置包括提供在所述三相输出线路的至少两相输出线路中的至少两个断开部件；以及
所述断开部件在所述控制装置的所述断开信号控制下断开，从而断开所述逆变器与所述永磁同步电机之间的连接。
4.如权利要求3所述的电力车辆控制系统，其特征在于，所述断开装置中的断开部件包括触点。
5.如权利要求3所述的电力车辆控制系统，其特征在于，所述断开装置中的断开部件包括由半导体器件组成的非接触型触点。
6.如权利要求3所述的电力车辆控制系统，其特征在于，所述断开装置中的断开部件包括过电流保险丝。
7.如权利要求1所述的电力车辆控制系统，其特征在于，
所述逆变器的三相输出端与所述永磁同步电机的三相输入端相连；
所述断开装置包括提供在所述三相输出线路的至少两相输出线路中的至少两个断开部件；以及
所述断开部件在所述控制装置的所述断开信号控制下断开，从而断开所述逆变器与所述永磁同步电机之间的连接。
8.如权利要求1所述的电力车辆控制系统，其特征在于，
所述控制装置在所述电力车辆处于滑行期间，当接收到停止所述逆变器工作的操作指令时产生所述的断开信号；以及
所述断开装置根据来自所述控制装置的所述断开信号断开所述逆变器与所述永磁同步电机之间的连接。
9.如权利要求1所述的电力车辆控制系统，其特征在于，
所述电力车辆由多个所述电力车辆控制系统组成；以及
其中第一组所述电力车辆控制系统的每个所述控制装置在所述电力机车运行并需略微加速或减速期间，当接收到停止所述逆变器工作的操作指令时产生所述的断开信号；
第二组所述电力车辆控制系统的每个所述控制装置在所述电力车辆运行并需略微加速或减速期间不产生所述的断开信号；
第一组所述电力车辆控制系统的每个所述断开装置根据来自所述控制装置的所述断开信号断开所述逆变器与所述永磁同步电机之间的连接；以及
第二组所述电力车辆控制系统的每个所述断开装置接通所述逆变器与所述永磁同步电机之间的连接。
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