TW201804697A - 電力轉換系統 - Google Patents

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岡田茂和
小田耕太郎
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藤田常仁
尾谷浩昭
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Abstract

一種電力轉換系統包括AC至DC轉換電路、電壓偵測器、降壓截波器電路、用於輔助電源之電力轉換裝置、及控制單元。AC至DC轉換電路將從架空電線經由變壓器所供應的AC電力轉換成DC電力。電壓偵測器偵測從變壓器所供應的AC電力的電壓。降壓截波器電路降低透過AC至DC轉換電路的轉換而產生的DC電力的電壓。用於輔助電源之電力轉換裝置將降壓截波器電路所降壓的DC電力轉換成用於驅動安裝在電動車中之負載的電力並供應該電力至負載。控制單元控制AC至DC轉換電路及降壓截波器電路而使由電壓偵測器所偵測的AC電力之電壓趨近參考電壓。

Description

電力轉換系統
本發明之實施例有關於電力轉換系統。
電力轉換裝置將架空電線供應的交流電力轉換成直流電力，並基於經轉換之電力供應電力至安裝在電動車中的負載。在這種電力轉換裝置中，當架空電線所供應的交流電力變化時，經轉換的直流電力也會變化，因此需要在考量到直流電力變化下選擇其構成部件。日本未審查專利申請案首次公開第2010-215014號揭露相關技術之一種電力轉換裝置。
1‧‧‧電力轉換系統
100‧‧‧用於輔助電源之電力轉換裝置
102‧‧‧負載的繞組
110‧‧‧AC至DC轉換電路
110a、110b、110c、110d‧‧‧切換元件
120‧‧‧降壓截波器電路
122‧‧‧開關部
124‧‧‧線圈
126‧‧‧電容器
130‧‧‧AC負載用的DC至AC轉換電路
132‧‧‧電容器
140‧‧‧負載電力控制單元
142‧‧‧切換控制單元
144‧‧‧電壓偵測器
152‧‧‧線圈
154‧‧‧電容器
156、158‧‧‧變壓器
160‧‧‧DC負載用的DC至AC轉換單元
162‧‧‧電容器
164、166‧‧‧變壓器
170‧‧‧DC負載用的AC至DC轉換單元
172‧‧‧線圈
174‧‧‧電容器
200‧‧‧電池裝置
400‧‧‧電力收集器
500‧‧‧負載的繞組
第1圖為顯示根據一實施例的電力轉換系統1之範例的圖。
第2圖為顯示根據該實施例的交流電至直流電轉換電路和降壓截波器電路之範例的圖。
第3圖為顯示根據實施例之該交流電至直流電轉換電路及該降壓截波器電路120的操作範例之流程圖。
【發明內容】及【實施方式】
此後參照附圖說明根據實施例的一種電力轉換系統。
實施例
第1圖為顯示根據一實施例的電力轉換系統1之範例的圖。電力轉換系統1例如安裝在鐵路車輛中。鐵路車輛為電動車的一個範例。從架空電線經由電力收集器400及變壓器之負載的繞組500和102供應交流(AC)電力至電力轉換系統1。電力轉換系統1將AC電力轉換成負載的AC電力並供應負載的AC電力至AC負載LAC。亦透過另一個變壓器供應高電壓AC電力至電力轉換系統1，並且電力轉換系統1接著轉換高電壓AC電力並供應經轉換的電力至移動馬達(travel motor)。這讓電力轉換系統1得以令行走馬達產生移動轉矩，致能鐵路車輛的移動。供應至變壓器102的AC電力的電壓低於該高電壓AC電力。在實施例中，AC負載LAC為非移動馬達的鐵路車輛之負載，且例如為以100V的AC電壓操作之電子裝置或之類。另外，電力轉換系統1將低電壓AC電力轉換成負載的直流(DC)電力並供應負載的DC電力至DC負載LDC。這讓電力轉換系統1得以驅動DC負載LDC。在實施例，DC負載LDC為非移動馬達的鐵路車輛之負載，且例如為以DC電壓操作之電子裝置。
電力轉換系統1包括例如用於輔助電源之電力轉換裝置100及電池裝置200。
用於輔助電源之電力轉換裝置100包括例如AC至DC轉換電路110、降壓截波器電路120、AC負載用的DC至AC轉換電路130、負載電力控制單元140、切換控制單元142、DC負載用的DC至AC轉換單元160、及DC負載用的AC至DC轉換單元170。
AC至DC轉換電路110將架空電線所供應的AC電力經由變壓器轉換成DC電力。降壓截波器電路120降低由AC至DC轉換電路110之轉換而產生的DC電力之電壓。第2圖為顯示AC至DC轉換電路110和降壓截波器電路120之範例的圖。
AC至DC轉換電路110包括例如切換元件110a、110b、110c、及110d。切換元件110a、110b、110c、及110d連接在正電極線和負電極線之間。切換元件110a、110b、110c、及110d例如為結合反並聯連接之二極體的絕緣柵雙極電晶體(IGBT)。切換元件110a、110b、110c、及110d亦可為其他類型的切換元件。
降壓截波器電路120包括例如開關部122、線圈124、及電容器126。開關部122可為機械開關，但本發明不限於此且開關部122亦可為IGBT。線圈124與開關部122串聯連接。電容器126連接在正電極線和負電極線之間。
AC負載用的DC至AC轉換電路130為包括橋接在正電極線和供應電力至其的負電極線之間的複數切換元件的切 換電路。AC負載用的DC至AC轉換電路130也稱為反向器(inverter)。切換元件例如為IGBT。亦可使用其他類型的切換元件作為該切換元件。在負載電力控制單元140的控制下，AC負載用的DC至AC轉換電路130將切換元件任意切換於導電狀態與非導電狀態之間以將DC電力轉換成負載的AC電力。
電容器132在AC至DC轉換電路110的側連接至AC負載用的DC至AC轉換電路130並與AC至DC轉換電路110和AC負載用的DC至AC轉換電路130並聯。電容器132的電容設定在讓AC負載用的DC至AC轉換電路130得以供應穩定電力至AC負載LAC的位準。換言之，電容器132的電容不需設定太高，使其能夠在當鐵路車輛行進於電力收集器400停止供應AC電力之非電性區段中時補償供應至AC負載LAC的負載之AC電力的缺乏。例如在鐵路車輛行進的區段中預定距離的間隔提供非電性區段。
經由線圈152、電容器154、及變壓器156和158供應由AC負載用的DC至AC轉換電路130之轉換的AC電力至AC負載LAC。
AC至DC轉換電路110及降壓截波器電路120如第2圖中所示般連接到負載電力控制單元140、切換控制單元142、及電壓偵測器144。電壓偵測器144偵測降壓截波器電路120與AC負載用的DC至AC轉換電路130之間的DC鏈路之電壓。
切換控制單元142依據從負載電力控制單元140供應的 命令電壓來提供閘極信號至切換元件110a、110b、110c、及110d的閘極並提供開/關控制信號至開關部122。這允許切換控制單元142使用AC至DC轉換電路110來將AC電力轉換至DC電力。切換控制單元142亦使用降壓截波器電路120來降低由AC至DC轉換電路110之轉換所產生的DC電力的電壓。
由執行儲存在程式記憶體中的程式之諸如中央處理單元(CPU)的處理器來實現負載電力控制單元140。另外，可藉由硬體來實現這些功能單元的一些或全部，諸如大型積體電路(LSI)、特殊應用積體電路(ASIC)、現場可編程閘陣列(FPGA)、或類似者。負載電力控制單元140例如透過由用於輔助電源之電力轉換裝置100的轉換所產生的100V的操作電力的供應來操作。負載電力控制單元140控制AC至DC轉換電路110、降壓截波器電路120、AC負載用的DC至AC轉換電路130、DC負載用的DC至AC轉換單元160、及DC負載用的AC至DC轉換單元170。
與上述的AC負載用的DC至AC轉換電路130類似，DC負載用的DC至AC轉換單元160為包括橋接在正電極線和供應電力至其的負電極線之間的複數切換元件的切換電路。DC負載用的DC至AC轉換單元160藉由將切換元件切換於導電狀態與非導電狀態之間來將DC電力轉換成AC電力。
電容器162在降壓截波器電路120的側連接至DC負載用的DC至AC轉換單元160。電容器162的電容設定在讓DC負載用的DC至AC轉換單元160得以供應穩定電力至其下游 的DC負載用的AC至DC轉換單元170之位準。電容器162的電容可與電容器132的相同或不同。
經由變壓器164和166供應由DC負載用的DC至AC轉換單元160所轉換的AC電力至DC負載用的AC至DC轉換單元170。變壓器164和166例如降低由DC負載用的DC至AC轉換單元160所轉換的AC電力之電壓至約100V。
DC負載用的AC至DC轉換單元170將從DC負載用的DC至AC轉換單元160所供應的AC電力經由變壓器164和166轉換成DC電力。例如，DC負載用的AC至DC轉換單元170將AC電力轉換成DC電力。與AC至DC轉換電路110類似，可如上述第2圖所示般配置DC負載用的AC至DC轉換單元170。
經由線圈172及電容器174供應透過DC負載用的AC至DC轉換單元170之轉換而產生的DC電力至DC負載LDC。
電池裝置200連接至電力線，其連接降壓截波器電路120的DC電力輸出端子及AC負載用的DC至AC轉換電路130和DC負載用的DC至AC轉換單元160兩者的DC電力輸入端子。電池裝置200例如為具有低絕緣隔離電壓的電池。電池裝置200例如為貯存電池部，其中諸如鋰離子電池之貯存電池單元串聯或並聯式連接。
當從降壓截波器電路120供應至AC負載用的DC至AC轉換電路130與DC負載用的DC至AC轉換單元160的DC電力減少時，電池裝置200相應於DC電力的減少而釋放電力。這讓電池裝置200得以在鐵路車輛行經非電性區段時 供應該釋放電力至AC負載用的DC至AC轉換電路130及DC負載用的DC至AC轉換單元160。
第3圖為顯示根據實施例之AC至DC轉換電路110及降壓截波器電路120的操作範例之流程圖。在鐵路車輛行進當中重複執行此流程圖的程序。首先，電壓偵測器144偵測DC鏈路的電壓(步驟S100)。負載電力控制單元140接著判斷由電壓偵測器144偵測到的電壓V是否高於參考電壓Vref(步驟S102)。參考電壓Vref由鐵路車輛的設計者設定成負載L的額定電壓。參考電壓Vref例如設定在400V作為當從變壓器102所供應之AC電力的電壓在200V至500V的範圍間變化時負載L之額定電壓。
亦可依據負載L的額定電壓以及AC負載用的DC至AC轉換電路130之切換元件的崩潰電壓來判定參考電壓Vref。例如，參考電壓Vref設定在用於限制供應至AC負載用的DC至AC轉換電路130之DC電力的電壓而使切換元件的絕緣隔離電壓不過高的值。
當DC鏈路的電壓V高於參考電壓Vref時，負載電力控制單元140降低AC至DC轉換電路110之輸出電壓，使其趨近參考電壓Vref。當僅僅在AC至DC轉換電路110的控制下DC鏈路的電壓V未到達參考電壓Vref即使其已趨近參考電壓Vref時，負載電力控制單元140進一步控制降壓截波器電路120以降低AC電力的電壓使其趨近參考電壓Vref(步驟S104)。
當DC鏈路的電壓V等於或小於參考電壓Vref時，負載 電力控制單元140允許AC至DC轉換電路110將變壓器102所供應的AC電力轉換成DC電力(步驟S106)。在此情況中，負載電力控制單元140控制AC至DC轉換電路110以升高AC電力的電壓使其趨近參考電力Vref。
根據上述的電力轉換系統1，控制AC至DC轉換電路110及降壓截波器電路120使得DC鏈路的電壓趨近參考電壓並因此得以使從架空電線所供應的電力更穩定。因此，根據電力轉換系統1，可輕易選擇從降壓截波器電路120供應DC電力至其之AC負載用的DC至AC轉換電路130及DC負載用的DC至AC轉換單元160的切換元件。換言之，根據電力轉換系統1，AC負載用的DC至AC轉換電路130及DC負載用的DC至AC轉換單元160的切換元件無須相應於從變壓器102所供應的AC電力之電壓的變化範圍。另外，根據電力轉換系統1，可將從穩定的DC電力轉換而來的AC電力供應至負載L並因此得以讓負載L穩定地操作。此外，根據電力轉換系統1，可將穩定的DC電力供應至電池裝置200並因此得以防止過電壓供應到電池裝置200，藉此保護電池裝置200。
例如，在其中從電力收集器400所供應的AC電力的電壓在200V至500V的範圍間變化的情況中，在不提供變壓器102下必須設計AC負載用的DC至AC轉換電路130及DC負載用的DC至AC轉換單元160的切換元件、AC負載LAC、DC負載LDC、及電池裝置200使其正常操作於500V。另一方面，根據電力轉換系統1，在AC負載的AC至DC轉換電 路110之外還提供變壓器102，因此可設計AC負載用的DC至AC轉換電路130及DC負載用的DC至AC轉換單元160的切換元件、AC負載LAC、DC負載LDC、及電池裝置200使其正常操作於高達400V。
此外，根據電力轉換系統1，當DC鏈路的電壓低於參考電壓時，可使用AC至DC轉換電路110來升高DC鏈路的電壓使其趨近參考電壓。另外，根據電力轉換系統1，當DC鏈路的電壓高於參考電壓時，可使用降壓截波器電路120來降低將由AC至DC轉換電路110的轉換所產生的DC鏈路的電壓使其趨近參考電壓。因此，根據電力轉換系統1，無論當DC鏈路的電壓高於參考電壓時或當DC鏈路的電壓低於參考電壓時，可供應穩定的DC電力至AC負載用的DC至AC轉換電路130及DC負載用的DC至AC轉換單元160。
根據上述的實施例之至少一者，提供配置成將透過變壓器102所供應的AC電力轉換成DC電力之AC至DC轉換電路110；配置成降低透過AC至DC轉換電路110之轉換所產生的DC電力的電壓之降壓截波器電路120；以及配置成控制AC至DC轉換電路110和降壓截波器電路120使得DC鏈路的電壓趨近參考電壓之負載電力控制單元140，因此得以使架空電線所供應的電力更穩定。
雖已描述本發明之一些實施例，提出這些實施例作為範例而不旨在限制本發明的範疇。可以各種其他形式實作這些實施例，且可做出各種省略、替換、及改變而不背離 本發明之本質。實施例和其修改係包括在本發明的範疇與本質內並類似地包括在申請專利範圍中所述之本發明及其等效範圍中。
1‧‧‧電力轉換系統
100‧‧‧用於輔助電源之電力轉換裝置
102‧‧‧負載的繞組
110‧‧‧AC至DC轉換電路
120‧‧‧降壓截波器電路
130‧‧‧AC負載用的DC至AC轉換電路
132‧‧‧電容器
140‧‧‧負載電力控制單元
142‧‧‧切換控制單元
152‧‧‧線圈
154‧‧‧電容器
156、158‧‧‧變壓器
160‧‧‧DC負載用的DC至AC轉換單元
162‧‧‧電容器
164‧‧‧變壓器
170‧‧‧DC負載用的AC至DC轉換單元
172‧‧‧線圈
174‧‧‧電容器
200‧‧‧電池裝置
400‧‧‧電力收集器
500‧‧‧負載的繞組

Claims (6)

  1. 一種電力轉換系統，包含：變壓器，配置成降壓來自架空電線的電力；交流電至直流電轉換電路，配置成將經由該變壓器的次級繞組所供應的交流電力轉換成直流電力；電壓偵測器，配置成偵測從該變壓器所供應的交流電力之電壓；降壓截波器電路，配置成降低透過該交流電至直流電轉換電路的轉換而產生之該直流電力的電壓；用於輔助電源之電力轉換裝置，包括交流電負載用之電力轉換單元，其配置成將由該降壓截波器電路所降壓的該直流電力轉換成用於驅動安裝在電動車中的交流電負載之交流電力並供應該交流電力至該交流電負載，以及直流電負載用之電力轉換單元，其配置成將由該降壓截波器電路所降壓的該直流電力轉換成用於驅動安裝在該電動車中的直流電負載之直流電力並供應該直流電力至該直流電負載；以及控制單元，配置成控制該交流電至直流電轉換電路及該降壓截波器電路，使得由該電壓偵測器所偵測的該交流電力之該電壓趨近參考電壓。
  2. 如申請專利範圍第1項之電力轉換系統，其中該控制單元配置成當由該電壓偵測器所偵測的該交流電力之該電 壓低於該參考電壓時，使用該交流電至直流電轉換電路來升壓從該架空電線經由該變壓器所供應的該交流電力而使該交流電力的該電壓趨近該參考電壓。
  3. 如申請專利範圍第2項之電力轉換系統，其中該控制單元配置成當由該電壓偵測器所偵測的該交流電力之該電壓高於該參考電壓時，使用該降壓截波器電路來降低透過該交流電至直流電轉換電路的轉換而產生的該直流電力的該電壓而使該直流電力的該電壓趨近該參考電壓。
  4. 如申請專利範圍第1項之電力轉換系統，其中該交流電至直流電轉換電路包括切換電路，其包括複數切換元件和與該複數切換元件反並聯連接之二極體，該降壓截波器電路包括開關部、線圈、及電容器，以及該控制單元配置成將該複數切換元件的各者及該開關部切換於導電狀態與非導電狀態之間，以使用該交流電至直流電轉換電路來升壓從該架空電線經由該變壓器所供應的該交流電力而使該交流電力的該電壓趨近該參考電壓，並且使用該降壓截波器電路來降低透過該交流電至直流電轉換電路的轉換而產生的該直流電力的該電壓而使該直流電力的該電壓趨近該參考電壓。
  5. 如申請專利範圍第1項之電力轉換系統，其中該交流 電負載用之電力轉換單元及該直流電負載用之電力轉換單元的各者包括複數切換元件，以及依據該複數切換元件的崩潰電壓及該負載中的至少一個負載之額定電壓來判定該參考電壓。
  6. 如申請專利範圍第1至5項的任一項之電力轉換系統，進一步包含連接至電力線的電儲存裝置，該電力線連接該降壓截波器電路的直流電力輸出端子及該交流電負載用之電力轉換單元及該直流電負載用之電力轉換單元的直流電力輸入端子，該電儲存裝置配置成當發生從該變壓器供應至該交流電至直流電轉換電路的直流電力減少時相應於該直流電力的減少而釋放電力。
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