CN1710796B - 铁道车辆用电力变换装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种铁道车辆用电力变换装置。在铁道车辆用电力变换装置(1)中，其由与接收直流电压的集电装置(21)连接的滤波电抗器(11)和滤波电容器(12)构成的LC滤波电路，和将所集电的直流电压经LC滤波电路作为电压源，将直流变换为交流驱动交流电动机(22)的逆变器(13)构成，将阻抗增加滤波电路(14)与LC滤波电路并联，该滤波电路(14)串联电阻器(141)、电抗器(142)和电容器(143)，增加与作为上述直流电压的电源的交流电源的电源频率对应的输入阻抗，并且使滤波电路(14)与LC滤波电路所构成的谐振电路的谐振频率与交流电源频率一致。

Description

铁道车辆用电力变换装置

技术领域

本发明涉及一种通过将来自直流电源的直流电源电压变换成交流并驱动交流电动机，来加速减速铁道车辆的铁道车辆用电力变换装置，通过上述直流电源电压中所包含有的波纹电压，来抑制流入到上述铁道车辆用电力变换装置中的电流以及铁道车辆用电力变换装置自身所产生的流入到包含有上述直流电源的电源系统中的波纹电流，通过这样，铁道车辆用电力变换装置，抑制给判断铁道车辆的存在与否的轨道电路、线路或铺设在线路附近的信号机器以及通信机器所带来的妨碍电流，确保铁道系统的可靠性的技术。 

背景技术

参照图4对直流电源与铁道车辆之间的关系的一例进行说明。三相交流电41被整流器42变换成直流，该电压通过布线43与布线46，加载在架线44与轨道45之间。电列(车辆)2，经集电装置21与车轮23接收加载在架线44与轨道45之间直流电压，得到用来驱动车辆2的电力以及车内电源。通常，整流器42的输出中，伴随着整流包含有三相交流电源41的电源频率的6倍的波纹成分。除此之外，由于构成整流器42的图中所未示出的半导体以及电抗器等之间的不平衡，还包含有三相交流电41的基本波的也即工频成分。这里，工频是指一般所使用的电源频率，日本为50Hz至60Hz，欧洲为50Hz，美国为60Hz。 

接下来，参照图5对铁道车辆用电力变换装置的一个构成例进行说明。图5的铁道车辆用电力变换装置1，由多个半导体构成，具体的说，由将来自集电装置21的直流电变换成交流电并驱动交流电动机22的逆变器13，以及由滤波电抗器11和滤波电容器12所构成的，防止伴随着逆变器13的切换所产生的高频成分流出电源系统，并且吸收输入电源电压中所包含的脉动成分，给逆变器提供稳定的直流电压的滤波器电路所构成。 

另外，安装有判断地面上的特定区间中有无列车的轨道电路。参照显示有轨道电路的等价电路的图6，对轨道电路的基本动作原理进行说明。使用电源51，从轨道521、522的一端给左右的线路加载电压，在另一端测量轨道521-522之间的电压，通过车辆检测器53来检测出轨道521、522所构成的区间有无列车。在该区间中没有列车的情况下(图6(A))，检测端的车辆检测器53中显示出与电源电压几乎相同水平的电压。在该区间中有列车的情况下(图6(B))，由于列车的车轮61、62与轮轴63使得左右的线路521、522短路，因此，检测端的车辆检测器中不显示电压。根据该现象，车辆检测器53在检测端的电压为预先设定的阈值以上的情况下，则判断列车不存在，在为阈值以下的情况下，则判断存在列车。此时，车辆检测器53中，只通过滤波器电路检测出电源51的频率成分，判断出车辆的有无，从而提高了轨道电路的可靠性，以及抗噪声性。 

另外，轨道电路中，根据车辆检测器53的输出，进行信号机的控制以及列车位置的检测。轨道电路是确保铁道安全的非常重要的装置。作为轨道电路的电源，由于电源的构成容易，因此，以前很多是在通过交流电源来给列车供电的交流电区间中使用直流电源，在通过直流电源给列车供电的直流电区间中使用工业交流电源。最近，由于电力变换技术、信号放大技术的发达，使用更高频的交流电源以及进行了调制的信号。 

但是，在直流电区间中，用来得到如图4所示的直流电源的三相交流电也是工频，因此，架线电压也会包含有由于上述的波纹的存在所引起的轨道电路所使用的频率。因此，如果对应于电力变换装置的工频的输入阻抗不特别高，则由于直流电压中所包含的工频的脉动成分，轨道中也会流动与轨道电路所使用的频率相同的成分，有可能会使列车检测器53误动作。 

也即，如图6(c)所示，在使用图5所述的铁道用电力变换装置1的情况下，铁道用电力变换装置1中，等价表示影响到轨道电路的噪声成分的来自噪声源64的高频成分，作为妨碍电流55，流经车轴63→车轮61→轨道521→车辆检测器53→轨道522→车轮62→车轴63，从而无法正确检测出车辆的存在。 

因此，对应于电力变换装置的工频的输入阻抗必须足够的大。作为实 现这一条件的方法，可以举出将图5中所示的滤波电抗器11的电抗加大的方法。但是，从安装空间以及重量的角度来看，增大该电抗来确保上述阻抗并不是一种适当的方法。另外，从逆变器13的控制的角度来看，提高滤波电抗器11与滤波电容器12所构成的LC滤波电路的阻抗也并不理想。 

如上所述，在直流电方式中，用来得到直流电压的整流器，由于其构成要素的不平衡，有时候交流电源频率成分与直流输出重叠。另外，该电源频率有时候用作判断有无列车的轨道电路的电源。如果对应于车辆中所安装的电力变换器的电源频率的阻抗较低，则包括轨道的电源系统中就流过电源频率的电流，有时候会给轨道电路的动作带来坏影响。为了解决这个问题，有人使用通过增加阻抗、追加滤波电路来增加阻抗的方法，但由于直流电源与构成电力变换器的逆变器之间的阻抗下降，因此，电源系统所流出的伴随着逆变器的切换所产生的高频电流也增加，存在无法适应使用高频的轨道电路的问题。 

也即，以前广泛使用图7中所述的方法，该方法不增大上述电抗器而能够增加上述阻抗。也即，图7的电路中，与构成LC滤波电路的滤波电抗器11并联，连接阻抗增加滤波电路15，该阻抗增加滤波电路15由电抗器152与电容器153，或电抗器152与电容器153以及电阻151所构成，将对应于从电源侧所看到的电力变换装置的该工频的阻抗增大，就能够不增大滤波电抗器11的电抗而能够增加对应于电力变换装置1的工频的输入阻抗。 

该方法中，由电阻151、电抗器152以及电容器153所构成的阻抗增加滤波电路15，与滤波电抗器11并联，让滤波电抗器11以及阻抗增加滤波电路15所构成的谐振电路的谐振频率，与得到直流电源的工频一致，通过构成并联谐振电路来增加对应于工频的输入阻抗。 

图8表示将有无阻抗增加滤波电路15作为参数，对应于频率的从直流输入电源所看到的电力变换装置的输入阻抗特性。实线为将图7中所示的阻抗增加滤波电路15与滤波电抗器11并联所得到的输入阻抗特性，虚线为如图5所示的没有阻抗增加滤波电路15的电路的输入阻抗特性。通过与滤波电抗器11并联阻抗增加滤波电路15，如图8的实线所示，即使直流电源电压中包含有工频成分，由于能够增加对应于直流电源电压中所包含的频率的电力变换装置的阻抗，因此，即使在直流电源电压中重叠有工频的脉 动电压，也能够抑制轨道中所流动的工频成分的电流，从而能够排除对将工频电作为电源的轨道电路的影响。 

如上所述，以前轨道电路的电源中，使用工业电源或直流电源，最近由于电力变换技术、信号放大技术的发达，使用更高频的交流电源或被调制了的电压作为轨道电路的电源而利用。添加了阻抗增加滤波电路15的图7的电路中，如图8所示，与工频相比，高频侧的阻抗特性下降。因此如图3(C)所示，构成电力变换装置1的逆变器13所产生的高频成分中，向电源系统流出的电流成分(线路电流I1+I2)增加，有可能会给将高频的交流电压作为电源的轨道电路带来坏影响。也即，图7的电路中，虽然在使用将工频电作为电源的轨道电路的区间，可以没有问题地运行，但又产生了使用将高频的交流电作为电源的轨道电路的区间无法运行这一新问题。 

如上所述，图7中所示的电路中，由于不能够对应于多个轨道电路，因此必须根据轨道电路来分配使用车辆(滤波电路)，需要确保足够多的车辆。另外，对于跨越这些区间乘车的乘客来说，必须要换乘，从而产生了降低了对乘客的服务这一问题。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种在将直流电源作为电源的电气铁道系统中，不会导致滤波电路的增大以及重量化的，能够适用于使用工业电源的轨道电路，以及将高频交流作为电源的轨道电路双方的铁道车辆用电力变换装置。另外，本发明的另一目的在于，提供一种能够提供通用性以及可靠性更高的铁道车辆的铁道车辆用电力变换装置。 

为解决上述问题，本发明将电阻器与电抗器以及电容器，或电抗器与电容器所构成的阻抗增加滤波电路，与由滤波电抗器和滤波电容器构成的LC滤波电路并联，保持由逆变器、电源系统所构成的电路的阻抗与没有增设滤波器的情况下相同，同时增加对应于工频的阻抗。 

也即，本发明在由与从对交流电源进行整流而构成的直流电源接收直流电压的集电装置相连接的第1滤波电路、以及经第1滤波电路将通过上述集电装置所集电的直流电压作为电压源并将直流变换为交流来驱动交流电动机的逆变器装置所构成的铁道车辆用电力变换装置中，所述第1滤波器电路，由第1电抗器与第1电容器构成，所述第1电抗器的一端与所述集电装置连接，所述第1电抗器的另一端与所述第1电容器的正极连接，所述第1电容器的负极接地，将所述第1电容器的两端电压作为逆变器装置的直流电压源，在所述第1滤波电路的所述第1电抗器的所述一端和所述集电装置之间与所述电容器的负极之间连接有第2无源滤波器电路，该第2无源滤波器电路通过串联连接增加与所述直流电压的电源即交流电源的电源频率相对应的输入阻抗的电阻器、第2电抗器、第2电容器而构成，使由所述第1电抗器、所述第1电容器、所述第2电抗器以及所述第2电容器构成的谐振电路的谐振频率，与所述交流电源的电源频率一致，所述第2滤波电路，是通过与所述第1滤波电路并联，而具有增加所述铁道车辆用电力变换装置的与所述交流电源的电源频率相对应的输入阻抗的作用的电路。 

作为优选方式，本发明在上述铁道车辆用电力变换装置中，上述第1滤波器，由第1电抗器与第1电容器构成，上述第1电抗器的一端与上述集电装置相连接，上述第1电抗器的另一端与上述第1电容器的正极相连接，上述第1电容器的负极接地，将上述第1电容器的两端电压作为电抗器的直流电压源。 

作为优选方式，本发明在上述铁道车辆用电力变换装置中，上述第2无源滤波器，由电阻器、第2电抗器以及第2电容器串联而构成，或者由第2电抗器与第2电容器串联而构成。 

作为优选方式，本发明在上述铁道车辆用电力变换装置中，使由上述第1电抗器、上述第1电容器、上述电阻器、上述第2电抗器以及上述第2电容器构成的谐振电路的谐振频率，与上述交流电源的电源频率一致。 

作为优选万式，本发明在上述铁道车辆用电力变换装置中，使由上述第1电抗器、上述第1电容器、上述第2电抗器以及上述第2电容器构成的谐振电路的谐振频率，与上述交流电源的电源频率一致。 

另外，作为优选方式，本发明在上述铁道车辆用电力变换装置中，上述第2滤波器，是通过与上述第1滤波器并联，而具有增加上述铁道车辆用电力变换装置的与上述交流电源的电源频率相对应的输入阻抗的作用的电路。 

本发明的铁道车辆，其具有铁道车辆用电力变换装置，该铁道车辆用电力变换装置由与从对交流电源进行整流而构成的直流电源接收直流电压的集电装置相连接的第1滤波器电路、经第1滤波器电路将通过上述集电装置所集电的直流电压作为电压源并将直流变换为交流采驱动交流电动机的逆变器装置构成，所述铁道车辆的特征在于：所述第1滤波器电路由第1电抗器与第1电容器构成，所述第1电抗器的一端与所述集电装置连接，所述第1电抗器的另一端与所述第1电容器的正极连接，所述第1电容器的负极接地，将所述第1电容器的两端电压作为逆变装置的直流电压源，将增加与所述变流电源的电源频率相对应的输入阻抗的第2无源滤波器电路连接在下述部分之间，即所述第1电容器的负极与、所述第1滤波器电路的所述第1电抗器的所述一端与所述集电装置的连接点之间，所述第2无源滤波器电路，通过与所述第1滤波器电路并联连接，而具有增加所述铁道车辆用电力变换装置的与所述变流电源的电源频率相对应的输入阻抗的作用，所述第2无源滤波器电路构成为将电阻器串联连接在第2电抗器和第2电容器的串联连接体上，使由所述第1电抗器、所述第1电容器、所述电阻器、所述第2电抗器、所述第2电容器构成的谐振电路的谐振频率与所述交流电源的电源频率一致。 

发明效果 

如上所述，通过本发明，能够提供一种在将直流电源作为电源的电气铁道系统中，不会导致滤波电路的增大以及重量化的，能够适用于使用工业电源的轨道电路，以及将高频变流作为电源的轨道电路双方的铁道车辆用电力变换装置。另外，通过使用本发明的铁道车辆用电力变换装置，能够提供通用性以及可靠性更高的铁道车辆。由此，能够给乘客提供更加优良的服务。 

另外，还能够提供在直流电区间中，能够在使用工频的轨道电路与使用高频电源的轨道电路两方的区间中运行的通用性较高的车辆，从而能够抑制增加车辆所有数，并且还能够提高对乘客的服务。 

附图说明

图1为说明本发明所述的铁道车辆用电力变换装置的构成的图。 

图2为说明铁道车辆用电力变换装置的逆变器、电源之间的阻抗特性的图。 

图3为铁道车辆用电力变换装置的等价电路图。 

图4为说明铁道车辆用电源系统与电车之间的关系的图。 

图5为说明以往的铁道车辆用电力变换装置的构成的图。 

图6为说明电车与轨道电路之间的关系的图。 

图7为说明以往的铁道车辆用电力变换装置的构成的图。 

图8为说明从铁道车辆用电力变换装置的电源侧所看到的阻抗特性的图。 

图中：11-滤波电抗器，12-滤波电容器，13-逆变器，14-阻抗增加滤波电路，141-阻抗，142-电抗器，143-电容器，15-阻抗增加滤波电路，151-电阻，152-电抗器，153-电容器，2-车辆，21-集电装置，22-交流电动机，23-车轮，41-三相交流电源，42-整流装置，43、46-电线，44-架线，45-轨道，51-轨道电路用电源，521、522-轨道，53-车辆检测器，54-轨道电路电流，55-妨碍电流，61、62-车轮，63-轮轴，64-高频源，I1、I2-线路电流 

具体实施方式

下面参照图1对本发明所述的铁道车辆用电力变换装置1的实施方式的一例进行说明。如图1所示，本发明所述的铁道车辆用电力变换装置1包括：由滤波电抗器11与滤波电容器12所构成的LC滤波电路；驱动交流电动机22的逆变器13；和由电阻器141、电抗器142以及电容器143的串联电路所构成的阻抗增加滤波电路14。滤波电抗器11串联在集电装置21与逆变器13的一方的输入端之间，滤波电容器12与逆变器13的输入并联。 

逆变器13由多个半导体所构成，将直流变换成交流来驱动交流电动机22。由滤波电抗器11与滤波电容器12所构成的LC滤波电路，防止伴随着逆变器13的切换所产生的高频成分流出到电源系统中，并且吸收输入直流电压中所包含的脉动成分，给逆变器供给稳定的直流电压。由电阻器141、 电抗器142以及电容器143构成的阻抗增加滤波电路14，与滤波电抗器11的输入端以及滤波电容器12的负极(接地侧)相连接，通过滤波电抗器11与滤波电容器12的组合，来增加对应于输入侧所见电力变换装置的特定频率的从输入侧所见的阻抗。 

从图1的输入侧所看到的阻抗特性，如图2的实线所示，与图5所示的电路的阻抗特性相同。此时，通过使滤波电抗器11、滤波电容器12、电抗器142、电容器143以及电阻器141所构成的谐振电路的谐振频率与工业电源频率一致，能够使电力变换装置1的对应于工频的输入阻抗飞跃增加。图2的虚线为图7中的电路的阻抗特性，与图8的实线所示的阻抗特性相同。 

图7中所示的电路中，逆变器13经滤波电路15所产生的高频成分，作为通过滤波电抗器11的线路电流I1与通过滤波电路15的线路电流I2，流入到电源系统中(图3(C))。但是，图1中所述的电路中，由于电源系统的阻抗与滤波电抗器11的阻抗相比非常小，因此可以忽略该阻抗。其结果是，图7中所示的电力变换装置的等价电路，如图3(A)所示，由于滤波电路14变为由线路被短路的状态，因此，等价电路与增设滤波电路14之前相同，与图3(B)所示的电路等同，所以电力变换装置1的输入端、逆变器之间的阻抗特性，与图5的电路的情况下(图3(B))相同，可知追加输入阻抗增加滤波电路15，没有给逆变器所产生的高次谐波成分的流出量带来影响。 

这样，通过本发明，能够不增加逆变器所产生的高频成分向电源系统的流出，而增加对应于从输入侧所看到的电力变换装置的工频的阻抗。 

图1的例子中，虽然阻抗增加滤波电路14由电阻器141、电抗器142以及电容器143构成，但只通过电抗器142、电容器143也能够得到相同的效果。另外，构成阻抗增加滤波电路11的要素，如果是例如具有信号放大功能的电路等，具有与阻抗增加滤波电路11相同的阻抗特性的电路，就不必是电抗器142与电容器143的组合。 

以上的例子中，以通过架线44从直流电源得到电力的方式为例，对本发明的实施方式、效果进行了说明，但本发明还可以采用在运行用轨道之外，另外在地面上铺设第3轨道，车辆经该轨道从直流电源得到电力的这种第3轨道方式。 

Claims (5)

1.一种铁道车辆用电力变换器，其由与从对交流电源进行整流而构成的直流电源接收直流电压的集电装置相连接的第1滤波器电路、经第1滤波器电路将通过上述集电装置所集电的直流电压作为电压源并将直流变换为交流来驱动交流电动机的逆变器装置构成，其特征在于：

所述第1滤波器电路，由第1电抗器与第1电容器构成，所述第1电抗器的一端与所述集电装置连接，所述第1电抗器的另一端与所述第1电容器的正极连接，所述第1电容器的负极接地，将所述第1电容器的两端电压作为逆变器装置的直流电压源，

将第2无源滤波器电路的一端连接到所述第1电抗器和所述集电装置之间的连接点，将所述第2无源滤波器电路的另一端与所述第1电容器的负极连接，

使由所述第1滤波器电路和所述第2无源滤波器电路构成的谐振电路的谐振频率与所述交流电源的电源频率一致。

2.根据权利要求1所述的铁道车辆用电力变换器，其特征在于：

所述第2无源滤波器电路具有使与所述交流电源的电源频率相对应的输入阻抗增加的功能。

3.根据权利要求1所述的铁道车辆用电力变换器，其特征在于：

所述第2无源滤波器电路构成为串联连接第2电抗器和第2电容器。

4.根据权利要求3所述的铁道车辆用电力变换器，其特征在于，

所述第2无源滤波器电路，除了所述第2电抗器和所述第2电容器之外，还串联连接电阻器而构成。

5.一种铁道车辆，其具有铁道车辆用电力变换装置，该铁道车辆用电力变换装置由与从对交流电源进行整流而构成的直流电源接收直流电压的集电装置相连接的第1滤波器电路、经第1滤波器电路将通过上述集电装置所集电的直流电压作为电压源并将直流变换为交流来驱动交流电动机的逆变器装置构成，所述铁道车辆的特征在于：

所述第1滤波器电路由第1电抗器与第1电容器构成，所述第1电抗器的一端与所述集电装置连接，所述第1电抗器的另一端与所述第1电容器的正极连接，所述第1电容器的负极接地，将所述第1电容器的两端电压作为逆变装置的直流电压源，

将增加与所述交流电源的电源频率相对应的输入阻抗的第2无源滤波器电路连接在下述部分之间，即所述第1电容器的负极与、所述第1滤波器电路的所述第1电抗器的所述一端与所述集电装置的连接点之间，

所述第2无源滤波器电路，通过与所述第1滤波器电路并联连接，而具有增加所述铁道车辆用电力变换装置的与所述交流电源的电源频率相对应的输入阻抗的作用，

所述第2无源滤波器电路构成为将电阻器串联连接在第2电抗器和第2电容器的串联连接体上，

使由所述第1电抗器、所述第1电容器、所述电阻器、所述第2电抗器、所述第2电容器构成的谐振电路的谐振频率与所述交流电源的电源频率一致。

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