TW201834376A - 鐵道車輛、電力供給線電壓估算裝置、及估算電力供給線的電壓的方法 - Google Patents

鐵道車輛、電力供給線電壓估算裝置、及估算電力供給線的電壓的方法 Download PDF

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Abstract

本發明的一方案中的電力供給線電壓估算裝置係具有：電壓檢測部、電流檢測部、以及電壓算出部。前述電壓算出部構成為根據：藉由前述電壓檢測部所檢測的變壓器中的三次電壓的大小、藉由前述電流檢測部所檢測的前述變壓器中的輸出電流的大小、以及相關資訊而算出前述變壓器中的一次捲線從電力供給線接受的交流一次電壓的大小。前述相關資訊係表示電壓比率與前述輸出電流的前述大小間的相關關係，前述電壓比率係表示前述一次電壓的前述大小與前述三次電壓的前述大小間的比率。

Description

鐵道車輛、電力供給線電壓估算裝置、及估算電力供給線的電壓的方法
本發明係有關於估算電力供給線的電壓的大小的技術。
已知有以從電力供給線(例如架空線)接收交流電力且藉由該交流電力行駛的方式所構成的鐵道車輛。該種鐵道車輛係具有變壓器與電力變換裝置。變壓器係從電力供給線接收交流一次電壓，將該一次電壓變換為二次電壓及三次電壓。二次電壓係被輸入電力變換裝置。電力變換裝置係生成驅動馬達的電力。三次電壓係被輸入與電力變換裝置不同的負載。
在如上所述地所構成的鐵道車輛中，係考量於鐵道車輛的行駛中取得電力供給線電壓值，根據該電壓值而進行各種控制。
於日本特許第4568111號公報係揭露了以檢測交流母線的電壓值且根據該電壓值而將向負載供給的電力予以控制的方式所構成的電力變換裝置。
[先前技術文獻]
[專利文獻]
專利文獻1：日本特許第4568111號公報。
鐵道車輛中，為了於鐵道車輛行駛中檢測電力供給線的電壓值，可考慮例如檢測變壓器中的三次電壓值，藉由於所檢測的三次電壓值乘上變壓器中的一次捲線的捲數與三次捲線的捲數的比，而算出電力供給線的電壓值的方法。
但是，由於在變壓器發生的所謂調整(regulation)現象，故電力供給線的電壓值與三次電壓值間的比率並不必然一致於一次捲線的捲數與三次捲線的捲數間的捲數比。
就調整現象的一個情形而言，可舉出因被施加二次電壓的二次負載的變動而使三次電壓值變動的情形。於鐵道車輛所設置的具有二次捲線及三次捲線的變壓器係通常構成為二次捲線與三次捲線係磁性結合。因此，於該變壓器中，二次捲線與三次捲線之間係發生相互感應。若因該相互感應而二次負載變動且於二次捲線流動的二次電流變動，則三次電壓也會變動。於鐵道車輛中，尤其在運行時、煞車時等的二次電流容易大幅變動，因應於二次電流的大幅變動，三次電壓亦有可能大幅變動。
因此，在如上所述地根據所檢測的三次電壓值與捲數比而算出電力供給線的電壓值的方法中，難以獲得精度良好的電壓值。
本發明的一方案係較佳為可提供可以高精度地估算電力供給線的電壓的大小的技術。
本發明的一方案中的鐵道車輛係具有：組裝體、電力 變換裝置、電壓檢測部、電流檢測部、以及電壓算出部。
前述組裝體係具有台車以及車體。前述台車構成為將車軸可旋轉地保持。前述車體係設置於前述台車。
前述電力變換裝置係設置於前述組裝體。前述電力變換裝置構成為根據來自變壓器的輸出電力而生成將馬達驅動的電力。前述變壓器係具有一次捲線、二次捲線及三次捲線。前述一次捲線係構成為接受來自電力供給線的交流的一次電壓。前述二次捲線係構成為與前述一次捲線電磁性地結合且輸出前述輸出電力。前述輸出電力含有較前述一次電壓低的二次電壓與輸出電流。前述三次捲線係構成為與前述一次捲線電磁性地結合且輸出較前述二次電壓低的三次電壓。
前述電壓檢測部設置於前述組裝體且構成為檢測前述三次電壓的大小。
前述電流檢測部設置於前述組裝體且構成為檢測前述輸出電流的大小。
前述電壓算出部設置於前述組裝體。前述電壓算出部構成為根據藉由前述電壓檢測部所檢測的前述三次電壓的前述大小、藉由前述電流檢測部所檢測的前述輸出電流的前述大小、以及相關資訊而算出前述一次電壓的大小。前述相關資訊係表示電壓比率與前述輸出電流的前述大小間的相關關係。前述電壓比率係表示前述一次電壓的前述大小與前述三次電壓的前述大小間的比率。
本發明的另一方案中的電力供給線電壓估算裝置係具 有：電壓檢測部、電流檢測部、以及電壓算出部。
前述電壓檢測部構成為將從設置於鐵道車輛的變壓器輸出的特定的電壓的大小予以檢測。前述變壓器係具有一次捲線、二次捲線及三次捲線。前述一次捲線係構成為接受來自電力供給線的交流的一次電壓。前述二次捲線係構成為與前述一次捲線電磁性地結合且輸出較前述一次電壓低的二次電壓與輸出電流。前述三次捲線係構成為與前述一次捲線電磁性地結合且輸出較前述二次電壓低的三次電壓。前述特定的電壓係對應於前述三次電壓。
前述電流檢測部構成為檢測前述輸出電流的大小。
前述電壓算出部構成為根據藉由前述電壓檢測部所檢測的前述三次電壓的前述大小、藉由前述電流檢測部所檢測的前述輸出電流的前述大小、以及相關資訊而算出前述一次電壓的大小。前述相關資訊係表示電壓比率與前述輸出電流的前述大小間的相關關係。前述電壓比率係表示前述一次電壓的前述大小與前述三次電壓的前述大小間的比率。
如上所述地所構成的電力供給線電壓估算裝置中，係檢測前述三次電壓的前述大小與前述輸出電流的前述大小。然後，係根據所檢測的前述三次電壓的前述大小、所檢測的前述輸出電流的前述大小、以及前述相關資訊而算出一次電壓的大小(亦即，電力供給線的電壓的大小)。
因此，即使前述三次電壓的前述大小因應前述輸出電流的前述大小的變化而變化，仍可根據前述相關關係而將 前述一次電壓的大小高精度地算出。藉此，可由所檢測的前述三次電壓的前述大小以高精度地估算前述電力供給線的電壓的大小。
前述相關資訊亦可含有一次函數。前述一次函數亦可表示前述電壓比率與前述輸出電流的前述大小間的線性關係。前述電壓算出部亦可構成為根據前述一次函數而算出前述一次電壓的前述大小。
如上所述地所構成的電力供給線電壓估算裝置中，係根據前述三次電壓的前述大小、前述輸出電流的前述大小、以及前述一次函數而算出前述電力供給線的電壓的大小。藉此，可由所檢測的前述三次電壓的前述大小以高精度容易地估算前述電力供給線的電壓的大小。
前述線性關係亦可根據前述一次電壓的前述大小、前述三次電壓的前述大小、以及前述輸出電流的前述大小而近似線性。所謂前述一次電壓的前述大小、前述三次電壓的前述大小、以及前述輸出電流的前述大小亦可被實驗測定。例如，亦可在行駛的鐵道車輛中，將前述電力供給線的電壓的大小、前述三次電壓的大小、前述輸出電流的大小予以實驗測定(實測)。然後，亦可根據測定結果，將前述電壓比率與前述輸出電流的前述大小間的關係近似線性而導出前述一次函數。
使用根據測定結果所導出的前述一次函數，藉此成為可更高精度地估算前述電力供給線的電壓的大小。
前述三次電壓亦可被輸入第一負載，前述第一負載係 構成為藉由前述三次電壓動作。然後，所謂前述一次電壓的前述大小、前述三次電壓的前述大小、以及前述輸出電流的前述大小亦可在前述第一負載的狀態被維持在一定的條件下被實驗測定。
如上所述地所構成的電力供給線電壓估算裝置中，可根據將前述電壓比率與前述輸出電流的前述大小間的關係適切地反映的前述一次函數而估算前述電力供給線的電壓的大小。
前述電力供給線電壓估算裝置亦可更具有二次電壓算出部。前述二次電壓算出部亦可構成為根據前述一次捲線的捲數與前述二次捲線的捲數的比而由藉由前述電壓算出部所算出的前述一次電壓的前述大小算出前述二次電壓的大小。
如上所述地所構成的電力供給線電壓估算裝置中，前述二次電壓的大小可由藉由前述電壓算出部所算出的高精度的前述一次電壓的大小以數值計算而容易地求得。
前述二次電壓亦可被輸入第二負載，前述第二負載係構成為藉由前述二次電壓動作。然後，前述電力供給線電壓估算裝置亦可更具有電力算出部。前述電力算出部亦可構成為根據藉由前述二次電壓算出部所算出的前述二次電壓的前述大小、以及藉由前述電流檢測部所檢測的前述輸出電流的前述大小而將由前述第二負載所致使的消費電力算出。
如上所述地構成的電力供給線電壓估算裝置中，可將 由前述第二負載所致的消費電力容易且精度良好地算出。
前述電力供給線電壓估算裝置亦可構成為待搭載於鐵道車輛。
另外，前述電力供給線電壓估算裝置亦可構成為待搭載於具有至少一個鐵道車輛的列車。前述列車亦可具有前述變壓器。
另外，前述電力供給線電壓估算裝置係電力變換裝置亦可構成為待搭載於電力變換裝置。前述電力變換裝置亦可構成為待搭載於前述列車。前述電力變換裝置亦可構成為從前述變壓器接受含有前述二次電壓及前述輸出電流的輸出電力，根據藉由前述電壓算出部所算出的前述一次電壓的前述大小而由前述輸出電力生成將馬達驅動的電力。前述馬達亦可構成為產生使前述列車行駛的驅動力。
在搭載了如上所述地構成的電力供給線電壓估算裝置的前述電力變換裝置中，可容易地採用根據前述電力供給線的電壓的大小的控制方法，且使用該控制方法而生成對於馬達供給的電力。
前述電力供給線電壓估算裝置亦可更具有將前述相關資訊記憶的記憶部。前述電壓算出部亦可構成為根據記憶於前述記憶部的前述相關資訊算出前述一次電壓的大小。
本發明的更另一方案為估算電力供給線的電壓的方法，該方法係包含：將特定的電壓的大小予以檢測，係將從設置於鐵道車輛的變壓器輸出的前述特定的電壓的大小予以檢測，其中，前述變壓器係具有一次捲線、二次捲線 及三次捲線，前述一次捲線係構成為接受來自電力供給線的交流的一次電壓，前述二次捲線係構成為與前述一次捲線電磁性地結合且輸出較前述一次電壓低的二次電壓與輸出電流，前述三次捲線係構成為與前述一次捲線電磁性地結合且輸出較前述二次電壓低的三次電壓，前述特定的電壓係對應於前述三次電壓；檢測前述輸出電流的大小；以及算出前述一次電壓的大小，係根據所檢測的前述三次電壓的前述大小、所檢測的前述輸出電流的前述大小、以及相關資訊而算出前述一次電壓的大小，其中，前述相關資訊係表示電壓比率與前述輸出電流的前述大小間的相關關係，前述電壓比率係表示前述一次電壓的前述大小與前述三次電壓的前述大小間的比率。
10‧‧‧鐵道車輛
12‧‧‧主變壓器
13‧‧‧主變換裝置
14‧‧‧馬達
11‧‧‧集電弓
12a‧‧‧一次捲線
12b‧‧‧二次捲線
12c‧‧‧三次捲線
16‧‧‧三次電壓檢測部
17‧‧‧三次電流檢測部
18‧‧‧位置偵測部
20‧‧‧三次負載
31‧‧‧轉換器
32‧‧‧第一PWM迴路
33‧‧‧反相器
34‧‧‧第二PWM迴路
35‧‧‧電力變換控制裝置
36‧‧‧二次電流檢測部
37‧‧‧轉換器電壓檢測部
41‧‧‧控制部
42‧‧‧記憶部
80‧‧‧車體
81‧‧‧台車
82‧‧‧車輪
82a‧‧‧車軸
83‧‧‧車輪
83a‧‧‧車軸
91‧‧‧台車
92‧‧‧車輪
92a‧‧‧車軸
93‧‧‧車輪
93a‧‧‧車軸
200‧‧‧列車
201‧‧‧第一鐵道車輛
202‧‧‧第二鐵道車輛
203‧‧‧第三鐵道車輛
300‧‧‧軌道
I2‧‧‧二次電流值
I3‧‧‧三次電流檢測值
V1‧‧‧一次電壓值
V2‧‧‧二次電壓值
V3‧‧‧三次電壓值
Vcon‧‧‧直流電壓值
100‧‧‧電力供給線
以下，參照圖式而說明本發明的例示性的實施形態。
圖1係顯示實施形態的鐵道車輛的構成的說明圖。
圖2係用以說明將實施形態的換算係數f導出的方法的說明圖。
圖3係顯示實施形態的電壓及電力算出處理的流程圖。
圖4係顯示實施形態的列車的構成的說明圖。
[1.實施形態]
(1-1)鐵道車輛的概要
如圖1所示，本實施形態中的鐵道車輛10係構成為從 電力供給線100接受交流電力。電力供給線100係連接於未圖示的供電迴路，從該供電迴路供給有交流電力。本實施形態的電力供給線100係例如具有架空線。架空線係於鐵道車輛10的上部，沿著以鐵道車輛10可行駛的方式所構成的軌道300(例如鐵道線路)而設置在較鐵道車輛10的屋頂高的位置。於另一實施形態中，鐵道車輛10例如亦可以從鋪設在地面的與架空線100不同的電力供給線接受交流電力的方式構成。亦即，電力供給線100無論在任何場所以任何方法設置皆無妨。
如圖1所示，鐵道車輛10係具有：車體80、以及台車81、91。台車81係將車軸82a、83a可旋轉地保持。於車軸82a設有車輪82，於車軸83a設有車輪83。台車91係以與台車81同樣的方式構成。亦即，台車91係將車軸92a、93a可旋轉地保持。於車軸92a設有車輪92，於車軸93a設有車輪93。
車體80係設於台車81、91之上。車體80係具有：集電弓(pantograph)11、主變壓器12、主變換裝置13、馬達14、三次電壓檢測部16、三次電流檢測部17、位置偵測部18、以及三次負載20。設置於車體80的該等構成要件係設置於車體80中的任何位置皆可。例如，可設置於車體80的內部，亦可設置於車體80的外部(例如地板下)。
集電弓11係從電力供給線100接受交流電力。施加於電力供給線100的交流電壓於本實施形態中例如可為25kV。
主變壓器12係將從集電弓11輸入的交流的一次電壓(亦即，施加於電力供給線100的交流電壓)降壓為較該一次電壓低的二次電壓、以及較二次電壓低的三次電壓而輸出。從主變壓器12輸出的二次電壓係輸入主變換裝置13。從主變壓器12輸出的三次電壓係輸入三次負載20。
主變壓器12係具有：一次捲線12a、二次捲線12b、以及三次捲線12c。一次捲線12a係從集電弓11接受一次電壓。二次捲線12b係與一次捲線12a電磁性地結合，輸出二次電壓及二次電流。三次捲線12c係與一次捲線12a電磁性地結合，輸出三次電壓及三次電流。
三次電壓檢測部16係檢測三次電壓值V3，將因應於三次電壓值V3的電信號(以下亦稱「三次電壓檢測信號」)往主變換裝置13輸出。
三次電流檢測部17係檢測三次電壓值I3，將因應於三次電流值I3的電信號(以下亦稱「三次電流檢測信號」)往主變換裝置13輸出。
三次負載20係被輸入三次電壓，藉由該三次電壓而動作。三次負載20係例如亦可包含：空調裝置、照明裝置、門開閉裝置、通信裝置等。
位置偵測部18係偵測鐵道車輛10正行駛的位置，將顯示該偵測的位置的位置偵測信號往主變換裝置13輸出。
主變換裝置13係將從二次捲線12b輸入的電力(相當於本發明的輸出電力之一例)變換為將馬達14驅動的三相電力。該三相電力係往馬達14供給。主變換裝置13係具 有：轉換器(converter)31、第一PWM(pulse width modulation；脈寬調變)迴路32、反相器(inverter)33、第二PWM迴路34、電力變換控制裝置35、以及二次電流檢測部36。
本實施形態的轉換器31係將從二次捲線12b輸入的交流的二次電壓變換成直流電壓且往反相器33輸出。反相器33係將從轉換器31輸入的直流電壓變換成三相交流電壓且往馬達14輸出。本實施形態的反相器33亦可為所謂VVVF(Variable Voltage Variable Frequency；可變電壓可變頻率)反相器。
馬達14於本實施形態中亦可為三相感應電動機。本實施形態的馬達14係藉由供給的三相交流電壓而旋轉驅動。馬達14係以發生使鐵道車輛10行駛之驅動力的方式構成。亦即，若馬達14被旋轉驅動，則其旋轉驅動力傳達至未圖示的車輪，藉此鐵道車輛10行駛。
於轉換器31與反相器33之間設有轉換器電壓檢測部37。轉換器電壓檢測部37係檢測從轉換器31輸出的直流電壓的值(以下，亦稱為「直流電壓值Vcon」)。具體而言，轉換器電壓檢測部37係將因應於直流電壓值Vcon的轉換器電壓檢測信號往電力變換控制裝置35輸出。
二次電流檢測部36係檢測二次電流值I2，將二次電流值I2所因應的電信號(以下亦稱「二次電流檢測信號」)輸出。
三次電壓檢測信號、三次電流檢測信號、二次電流檢 測信號、以及位置偵測信號係在主變換裝置13內輸入電力變換控制裝置35。
電力變換控制裝置35係具有：控制部41、以及記憶部42。控制部41於本實施形態中亦可具有CPU(central processing unit；中央處理單元)。記憶部42亦可具有半導體記憶體。半導體記憶體係例如可為：ROM(read only memory；唯讀記憶體)、RAM(random access memory；隨機存取記憶體)、NVRAM(nonvolatile random access memory；不變性隨機存取記憶體)、快閃記憶體等。本實施形態的電力變換控制裝置35係例如亦可具有包含CPU及半導體記憶體的微電腦(microcomputer)。
控制部41係藉由將在非暫時性的實體的記錄媒體所保存的各種程式執行而達成各種機能。本實施形態中，記憶部42可相當於保存各種程式的非暫時性的實體的記錄媒體。記憶在記憶部42的各種程式係包含後述的圖3的電壓及電力算出處理的程式。
而且，該等各種機能的一部分或全部亦可由軟體代替，或以軟體加上將邏輯迴路、類比迴路等組合的硬體而安裝於電力變換控制裝置35。
更具體而言，電力變換控制裝置35為了安裝各種機能，亦可以微電腦代替，或亦可具有以微電腦加上個別的各種電子零件的組合，亦可具有特定應用積體電路(ASIC；Application Specified Integrated Circuit)，或亦可具有應用特定標準產品(ASSP；Application Specific Standard Product)， 例如亦可具有現場可程式閘陣列(FPGA；Field Programmable Gate Array)等的可程式邏輯器件(Programmable logic device)，或亦可具有該等之組合。
電力變換控制裝置35係根據三次電壓檢測信號而取得三次電壓值V3取得，根據三次電流檢測信號而取得三次電流檢測值I3，根據二次電流檢測信號而取得二次電流值I2，根據轉換器電壓檢測信號而取得直流電壓值Vcon。
然後，電力變換控制裝置35係根據所取得的三次電壓值V3、三次電流檢測值I3、二次電流值I2、及直流電壓值Vcon而生成用以驅動轉換器31的指令信號，將該指令信號往第一PWM迴路32輸出。
本實施形態的電力變換控制裝置35係例如使用功率因數1控制或進量功率因數控制而控制轉換器31。功率因數1控制係以使輸入轉換器31的無效電力成為零的方式控制的控制方法。而且，功率因數1控制亦可為使從集電弓11輸入的無效電力成為零的方式的控制方法。進量功率因數控制係以使輸入轉換器31的二次電流的相位成為相較於二次電壓成為進量相位的方式控制的控制方法。而且，進量功率因數控制亦可為使從集電弓11輸入的電流成為相較於一次電壓成為進量相位的方式的控制方法。
電力變換控制裝置35雖為了控制轉換器31而需要一次電壓值V1，但本實施形態的鐵道車輛10並不具有將一次電壓值V1直接檢測的檢測裝置。在此，本實施形態的電力變換控制裝置35係使用輸入的三次電壓值V3及二次 電流值I2而將一次電壓值V1估算(算出)。
電力變換控制裝置35係使用所估算一次電壓值V1、直流電壓值Vcon而生成用以控制轉換器31的指令信號。
第一PWM迴路32係根據從電力變換控制裝置35輸入的指令信號而往轉換器31輸出驅動信號，藉此驅動轉換器31。具體而言，第一PWM迴路32係將轉換器31中的未圖示的複數個切換(switching)元件依循指令信號而個別地導通(on)或關斷(off)，藉此驅動轉換器31。藉此，達成上述的功率因數1控制或進量相位控制等的所期望的控制。
另外，電力變換控制裝置35係生成用以控制反相器33的控制信號且往第二PWM迴路34輸出。第二PWM迴路34係根據從電力變換控制裝置35輸入的控制信號而往反相器33輸出驅動信號，藉此驅動反相器33。
(1-2)一次電壓值V1的估算方法
針對電力變換控制裝置35中的一次電壓值V1的估算方法進行說明。
由三次電壓值V3將一次電壓值V1求得的方法係包含於三次電壓值V3乘以三次捲數比a13。三次捲數比a13係一次捲線12a的捲數N1(以下，以「一次捲數N1」稱之)與三次捲線12c的捲數N3(以下，以「三次捲數N3」稱之)的比率。
但是，以該方法求得的一次電壓值V1存有受到因調整現象所致的三次電壓值V3的變動之影響而與實際的一次電壓值V1為不同的值的可能性。
在此，本實施形態的電力變換控制裝置35根據由三次電壓檢測部16所檢測的三次電壓值V3，採用不使用三次捲數比a13的特定的換算式，而將一次電壓值V1估算。
本申請之發明者們進行種種檢討的結果，發現了以下事項：於一次電壓值V1與三次電壓值V3的比率(以下，「V1/V3比率」稱之)存有與二次電流值I2間的相關關係。具體而言，本申請之發明者們發現了V1/V3比率係可用以二次電流值I2作為變數的函數表示，且更進一步可將該函數近似為一次函數。
亦即，V1/V3比率與二次電流值I2間的關係係可用係下述式(1)、式(2)表示。
V1(x)/V3(x)=f(I2)‧‧‧(1)
f(I2)=A‧I2(x)+B‧‧‧(2)
而且，「x」係表示地點，亦即在軌道300上行駛的鐵道車輛10於軌道300中的位置。另外，A、B係常數(例如特定的實數)。另外，f(I2)於以下以「換算係數」稱之。
使用預先導出的換算係數f(I2)、所檢測的三次電壓值V3，藉由下述式(3)，可將一次電壓值V1(x)算出。
V1(x)=V3(x)‧f(I2)‧‧‧(3)
接下來，針對換算係數f(I2)的導出方法進行說明。換算係數f(I2)亦可藉由實測一次電壓值V1、三次電壓值V3及二次電流值I2(亦即實驗測定)且將該實測的資料解析而導出。一次電壓值V1、三次電壓值V3及二次電流值I2亦可使鐵道車輛10或與鐵道車輛10不同的車輛在軌道300 上實際行駛並且於該行駛的車輛實測。
而且，亦可將用以實測一次電壓值V1的計測器等為了導出換算係數f(I2)的目的而暫時地搭載營業車輛，實測一次電壓值V1。因此，例如，亦可將測定一次電壓值V1的計測器暫時地搭載於鐵道車輛10，使鐵道車輛10實際行駛，於其行駛中，於各不同的地點x將一次電壓值V1、三次電壓值V3及二次電流值I2實測及記錄。而且，地點x亦可根據來自位置偵測部18的位置偵測信號而取得。
或，亦可藉由具有包含一次電壓值V1的計測機能在內的各種計測、檢査、實驗等之機能設備的專用實驗車輛而實測各地點x的一次電壓值V1。或例如，亦可使實驗車輛與營業車輛以於前後接近排列的方式行駛，於實驗車輛將一次電壓值V1實測及記錄，於營業車輛將三次電壓值V3及二次電流值I2實測及記錄。
本實施形態中，作為一例，在預定的行駛區間使實驗車輛與營業車輛並行並且於每個不同的地點x逐一將上述各值V1(x)、V3(x)、I2(x)實測及記錄。另外，實測中，係使檔速操作位置、車輛速度、三次負載20的動作狀態等的鐵道車輛10中的各部狀態成為接近實際營業運轉時所預想之狀態的狀態。亦即，在鐵道車輛10中係將實際營業運轉時的狀態再現而實測。
更進一步地，於實測上述各值V1(x)、V3(x)、I2(x)的期間係使二次負載變動。二次負載係被從主變壓器12供給二次電壓的負載，包含主變換裝置13及馬達14。本實施 形態中，於將上述各值V1(x)、V3(x)、I2(x)實測的期間，例如，係藉由使主變換裝置13中的電力消費量變動而將二次電流值I2(x)意圖性地變化。具體而言，例如藉由將檔速於不同的複數個階段切換等而使二次負載變動，藉此俾使所實測的二次電流值I2(x)分布於預定的數值幅度。
另一方面，於將上述各值V1(x)、V3(x)、I2(x)實測的期間係將三次負載20的狀態維持於一定。亦即，在三次負載20的狀態被維持於一定的條件下，換言之，將從三次捲線12c觀看三次負載20側全體時的阻抗(impedance)設定為一定，而將上述各值V1(x)、V3(x)、I2(x)實測。而且，在此所謂的一定可包含於所期望的精度之換算係數f(x)可導出求得的範圍內的變動。
將藉由如上所述的方式而將上述各值V1(x)、V3(x)、I2(x)實測及記錄的結果之一例顯示於圖2。圖2係顯示將於不同的複數個地點x的每個實測結果展點(plot)在二次元座標上的結果。圖2中，横軸表示I2，縱軸表示V1/V3比率。縱軸的值在圖2所直接表示的縱軸之範圍內全部為正的值。
而且，詳細解析資料的結果，明瞭了在二次電流值I2(x)連續地大幅變動的行駛區間中，因主變壓器12所具有的L成分而發生延遲至三次電壓值V3(x)追隨二次電流值I2(x)為止。因此，在如二次電流值I2(x)大幅變動的行駛區間所實測的資料並未在圖2所示的座標展點。
從圖2可以明瞭，將上述各值V1(x)、V3(x)、I2(x)實 測的結果歸納而發現V1/V3比率與二次電流值I2之間存有相關關係。另外，發現了該相關關係是大概具有線形性(線性關係)，藉此，二次電流值I2與V1/V3比率間的關係可藉由近似線性而以一次函數表現。
在此，根據圖2所示的分布，藉由例如最小平方法(least square method)、最大概似法(maximum likelihood method)等的種種方法而導出表示二次電流值I2與V1/V3比率間的關係的一次函數，亦即，上述式(2)的換算係數f(I2)。在此所導出的換算係數f(I2)係如圖2所例示，可用二次電流值I2越増加則V1/V3比率越線形増加的一次函數表現。然後，將導出的換算係數f(I2)預先記憶於鐵道車輛10中的記憶部42，成為於鐵道車輛10的行駛時(例如營業行駛時)，電力變換控制裝置35係可使用該換算係數f(I2)而根據上述式(3)將一次電壓值V1(x)估算(算出)。
而且，將根據使用了換算係數f(I2)的上述式(3)而算出的一次電壓值V1(x)、與實測的一次電壓值V1(x)比較，結果，確認兩者的差距小。亦即，可確認藉由使用了換算係數f(I2)的上述式(3)而算出的一次電壓值V1(x)的精度高。
而且，本實施形態中，可採用換算係數f(I2)與地點x無關地為相同的方式，或亦可採用於每個地點x使用不同的換算係數f(I2)的方式。具體而言，例如，亦可在進行實測的行駛區間來回行駛複數次並且對於相同的一個地點x對於不同的複數個二次電流值I2(x)實測一次電壓值V1及三次電壓值V3。然後，亦可採用將對於每個地點x實測的 結果如圖2所示地展點，而將對應於該地點x的換算係數f(x,I2)導出及記憶的方式。
或例如，亦可採用於每個一定的行駛區間個別地將該行駛區間用的換算係數f(區間，I2)導出及記憶的方式。
另外，亦可於每個不同的行駛條件個別地準備換算係數f(I2)。例如，亦可因應行駛速度v而使用不同的換算係數f(v,I2)。或例如，亦可因應行駛路的斜度rs而使用不同的換算係數f(rs,x)。
(1-3)電壓及電力算出處理
接下來，針對鐵道車輛10的行駛中，電力變換控制裝置35所執行的電壓及電力算出處理，使用圖3進行說明。控制部41係在控制部41的啟動後，將圖3所示的電壓及電力算出處理周期性地執行。然後，根據藉由該電壓及電力算出處理所算出的各值，進行包含控制轉換器31之處理的各種控制處理。
控制部41若開始電壓及電力算出處理，則於S110根據三次電壓檢測信號而取得三次電壓值V3(x)。而且，控制部41係在執行電壓及電力算出處理的期間，將鐵道車輛10的位置(地點x)根據來自位置偵測部18的位置偵測信號而例如周期性地取得。
S120中，根據二次電流檢測信號而取得二次電流值I2(x)。S130中，根據三次電流檢測信號而取得三次電流值I3(x)。
S140中，使用預先記憶在記憶部42的換算係數f(I2)， 根據上述式(3)將一次電壓值V1(x)算出。
S150中，使用以S140算出的一次電壓值V1(x)算出二次電壓值V2(x)。二次電壓值V2(x)亦可為使用二次捲線12b的捲數N2(以下，「二次捲數N2」稱之)與一次捲數N1的比率(亦即N2/N1)而根據下述式(4)算出。
V2(x)=V1(x)‧N2/N1‧‧‧(4)
S160中，取得二次電力P2(x)的功率因數cos φ(以下，「二次側功率因數cos φ」稱之)與三次電力P3(x)的功率因數cos θ(以下，「三次側功率因數cos θ」稱之)。二次電力P2(x)係二次負載的消費電力。三次電力P3(x)係三次負載20的消費電力。
二次側功率因數cos φ亦可因應轉換器31的控制方法而預先設定。例如，當轉換器31的控制方法為功率因數1控制時，二次側功率因數cos φ亦可設定為例如1或非常接近1的值。當轉換器31的控制方法為進量功率因數控制時，亦可預先設定為因應其進量功率因數控制中的相位的進量的二次側功率因數cos φ。三次側功率因數cos θ係例如亦可根據三次電壓值V3(x)與三次電流值I3(x)間的相位差而取得。
S170中，將二次電力P2(x)及三次電力P3(x)算出，個別於記憶部42記憶。亦即，於電壓及電力算出處理每次周期性地執行時，將該執行時的地點x中的二次電力P2(x)及三次電力P3(x)算出及記憶。
二次電力P2(x)及三次電力P3(x)係具體而言亦可藉由 下述的式(5)、式(6)算出。
P2(x)=V2(x)‧I2(x)‧cos φ‧‧‧(5)
P3(x)=V3(x)‧I3(x)‧cos θ‧‧‧(6)
如上所述，將每個地點x的二次電力P2(x)及三次電力P3(x)記憶於記憶部42，藉此在鐵道車輛10的行駛中及行駛結束後，可進行使用了該等各電力P2(x)、P3(x)的各種控制、電力管理、電力分析等。
(1-4)實施形態的功效
以上所說明的實施形態係可達成以下的(1a)至(1e)的功效。
(1a)本實施形態的電力變換控制裝置35中，表示V1/V3比率與二次電流值I2間的相關關係的相關資訊係被預先記憶於記憶部42。電力變換控制裝置35係檢測三次電壓值V3及二次電流值I2，根據所檢測的各值與上述相關資訊，將一次電壓值V1估算。
因此，即使因為起因於二次電流值I2的變化的調整現象而使三次電壓值V3變化，仍可根據上述相關資訊而導出與所檢測的二次電流值I2及三次電壓值V3對應的高精度的一次電壓值V1。
藉此，依據本實施形態的電力變換控制裝置35，不須將用以實測一次電壓值V1的計測器等安裝於鐵道車輛10，而仍可由三次電壓值V3及二次電流值I2的檢測結果以高精度估算一次電壓值V1。亦即，可以抑制鐵道車輛10的成本提升、大型化並且仍高精度地將一次電壓值V1 估算。
(1b)本實施形態的電力變換控制裝置35中，由於可將一次電壓值V1高精度地估算，故可使用該高精度的一次電壓值V1將轉換器31精度良好地控制。
(1c)本實施形態的相關資訊係表示二次電流值I2與V1/V3比率間的關係的一次函數，亦即包含上述式(2)的換算係數f(I2)。因此，電力變換控制裝置35係可由三次電壓值V3及二次電流值I2的檢測結果高精度地將一次電壓值V1容易地估算。
(1d)本實施形態的換算係數f(I2)係不能藉由紙上的理論計算導出。本實施形態的換算計數f(I2)係根據在車輛的行駛中所實測的一次電壓值V1、在車輛的行駛中所實測的三次電壓值V3及在車輛的行駛中所實測的二次電流值I2，藉由將V1/V3比率與二次電流值I2間的關係近似線性而導出。使用根據實測的資料而導出的換算係數f(I2)將一次電壓值V1算出，藉此成為可將一次電壓值V1更高精度地估算。
(1e)另外，為了導出換算係數f(I2)而使車輛行駛且實測一次電壓值V1、三次電壓值V3及二次電流值I2時，三次負載的狀態係維持於一定。因此，可抑制起因於三次負載之變動而使換算係數f(I2)的精度降低的情形，而可導出將V1/V3比率與二次電流值I2間的相關關係適切地反映的換算係數f(I2)。
車體80及台車81、91係相當於本發明中的組裝體之 一例。主變壓器12係相當於本發明中的變壓器之一例。主變換裝置13係相當於本發明中的電力變換裝置之一例。電力變換控制裝置35係相當於本發明中的電力供給線電壓估算裝置之一例。換算係數f(I2)係相當於本發明中的相關資訊之一例。控制部41係相當於本發明中的電壓算出部、二次電壓算出部、及二次電力算出部之一例。V1/V3比率係相當於本發明中的電壓比率之一例。二次電流係相當於本發明中的輸出電流的一例。
[2.其他的實施形態]
以上，雖針對本發明的實施形態說明，但本發明不被上述實施形態所限定，可進行種種變形而實施。
(2-1)換算係數f(I2)亦可為與一次函數不同的函數。換算計數f(I2)亦可為將V1/V3比率與二次電流值I2間的關係適切地表示的其他函數。
另外，相關資訊亦可不包含有定式化後的換算係數f(I2)。相關資訊係例如亦可包含二次電流值I2與V1/V3比率間的關係矩陣狀地展開的資料庫。然後，電力變換控制裝置35亦可使用該資料庫而將一次電壓值V1導出。
(2-2)三次電壓檢測部16、三次電流檢測部17及二次電流檢測部36亦可設於與圖1所示的位置不同的位置。另外，三次電壓值V3、二次電流值I2及三次電流值I3係以任何方法檢測皆可。
(2-3)本發明的電力變換裝置亦可與圖1所示的主變換裝置13不同。本發明的電力變換裝置係例如亦可構成為不 具有反相器而藉由來自轉換器的直流電壓而驅動直流馬達的方式。
(2-4)鐵道車輛亦可具有與主變換裝置13及馬達14不同的二次負載。另外，二次負載可具有複數個主變換裝置13，亦可具有複數個馬達14。
(2-5)引起三次電壓值V3的變動的調整現象的要因並不限於二次負載的變動(亦即二次電流值I2的變動)。例如，存有三次負載變動而使三次電流值I3變動的可能性，該三次電流值I3的變動亦會產生調整現象。
在此，相關資訊亦可為V1/V3比率、二次電流值I2及三次電流值I3的相關關係。亦即，亦可採用將該相關關係預先導出，根據該相關關係而亦使用三次電流值I3而將一次電壓值V1估算的方式。
針對使用V1/V3比率、二次電流值I2及三次電流值I3的相關關係而將一次電壓值V1估算的具體方法進行概略的說明。
本申請之發明者們進行種種檢討的結果，發現了V1/V3比率不僅有與二次電流值I2間的相關關係，亦有與三次電流值I3間的相關關係。具體而言，發現了V1/V3比率可用以三次電流值I3作為變數的函數表示，且更進一步發現了該函數可以一次函數近似。
亦即，V1/V3比率與三次電流值I3間的關係係可表示為下述式(7)、式(8)表示。
V1(x)/V3(x)=f3(I3)‧‧‧(7)
f3(I3)=C‧I3(x)+D‧‧‧(8)
而且，C、D為常數(例如特定的實數)。在此，為了將用已述的式(1)、(2)表示的f(I2)與上述f3(I3)區別而以「f2(I2)」稱之。
f3(I3)亦可根據實測的一次電壓值V1及三次電壓值V3而導出。亦可在實測一次電壓值V1及三次電壓值V3時，藉由在將二次負載維持為一定的狀態下，使三次負載意圖性地變動，藉此使三次電流值I3變化。然後，亦可一邊使三次電流值I3變化一邊將一次電壓值V1及三次電壓值V3實測。所實測的一次電壓值V1及三次電壓值V3係可以與將f2(I2)導出的方法相同的要領，在使横軸為I3，縱軸為V1/V3比率的二次元座標上展點。
然後，根據在該二次元座標上展點的點之分布，可歸納性地發現V1/V3比率與三次電流值I3之間亦存有相關關係。另外，對於該相關關係發現亦具有大致線形性，藉此，三次電流值I3與V1/V3比率間的關係亦可藉由近似線性而以一次函數表示。藉此，可藉由例如最小平方法、最大概似法等的種種方法而導出表示三次電流值I3與V1/V3比率間的關係的一次函數，亦即，可導出以上述式(8)表現的f3(I3)。
當將V1/V3比率以二次電流值I2及三次電流值I3的函數表示時，例如，亦可用如下方式表示。亦即，可將f2(I2)使用式「f2’(I2)=f2(I2)/B」而標準化(normalize)為f2’(I2)，將f3(I3)使用式「f3’(I3)=f3(I3)/D」而標準化為f3’ (I3)。f2(I2)及f3(I3)亦可個別以中心值大致成為1的方式標準化。然後，一次電壓值V1(x)亦可使用f2’(I2)及f3’(I3)而以下式(9)表示。
V1(x)=V3(x)‧k‧f2’(I2)‧f3’(I3)‧‧‧(9)
(其中，k為常數)。
而且，V1/V3比率、二次電流值I2、及三次電流值I3的相關關亦可用由一次/3比率的軸、二次電流值I2的軸、及三次電流值I3的軸所成的三次元空間座標表示。藉由於三次元空間座標上展點上述相關關係，且將該展點的結果例如近似線性，而可得到以上述式(9)表現的V1(x)的導出式。
以上述式(2)表現的f2(I2)係換言之，可視為將上述相關關係所展點的三次元空間座標變換為表示V1/V3比率與二次電流值I2間的關係的二次元平面座標，根據該二次元平面座標而導出。由三次元空間座標往二次元空間座標的變換係例如亦可藉由將在三次元空間座標上展點的結果以I2偏微分而進行，例如，亦可將在三次元空間座標上展點的結果藉由投影在I3為一定值的二次元平面上而進行。對於以上述式(8)表現的f3(I3)，亦可視為與f2(I2)同樣地將展點了上述相關關係的三次元空間座標變換為表示V1/V3比率與三次電流值I3間的關係的二次元平面座標，根據該二次元平面座標而導出。
在此，對於根據上述實施形態所示的式(3)而得的一次電壓值V1的精度進行補充說明。相對於考慮了二次電流 值I2及三次電流值I3之雙方的上述式(9)，上述實施形態所示的式(3)可稱為無視了三次電流值I3之影響的演算式。但是，即使使用不考慮三次電流值I3的影響的式(3)，仍可算出實用上有充分精度的一次電壓值V1。其理由在於，相較於二次電流值I2的影響，三次電流值I3的影響係相對地非常小。
例如，高速鐵道(例如，彈丸列車及新幹線等)的情形中，若將二次電流值I2的最大值I2max與三次電流值I3的最大值I3max比較；則最大值I2max相較於最大值I3max係非常大(亦即I2max>>I3max)。具體而言，例如I2max成為數百A之等級的大電流值，相對於此I3max成為例如數十A之等級的相對地非常小的電流值。另外，三次電流值I3的變動幅度係相較於二次電流值I2的變動幅度可謂非常小。具體而言，三次電流值I3的變動幅度係例如二次電流值I2的變動幅度的2至3%左右。
亦即，三次電壓值V3雖有因二次電流值I2及三次電流值I3的雙方的影響而變動的可能性，但三次電流值I3的影響所致的變動相較於二次電流值I2的影響所致的變動係極小。藉此，即使藉由未考慮到三次電流值I3而僅考慮二次電流值I2的上述式(3)，仍可將一次電壓值V1精度良好地求得。
(2-6)
電力變換控制裝置35亦可設置在具有複數個鐵道車輛的列車。圖4所示列車200係例如具有彼此連結的第一 鐵道車輛201、第二鐵道車輛202及第三鐵道車輛203。
集電弓11係例如可設置於第一鐵道車輛201。主變壓器12係例如可設置於第二鐵道車輛202。主變換裝置13係例如可設置於第三鐵道車輛203。
而且，在具有複數個鐵道車輛的列車中，集電弓11、主變壓器12、主變換裝置13、馬達14係個別設置在任一鐵道車輛皆可。例如，集電弓11、主變壓器12、主變換裝置13及馬達14亦可全部皆設置於相同的鐵道車輛。或例如，集電弓11、主變壓器12、主變換裝置13及馬達14之中至少有2個設置在相同的鐵道車輛。
(2-7)上述實施形態中的一個的構成要件所具有的複數個機能可藉由複數個構成要件實現，或亦可為一個構成要件所具有的一個機能係藉由複數個構成要件所實現。另外，具有複數個構成要件的複數個機能或亦可藉由一個構成要件實現，或亦可為使藉由複數個構成要件所實現的一個機能成為藉由一個構成要件而實現。另外，亦可省略上述實施形態的構成的一部分。另外，亦可將上述實施形態之中的任一個所具有的構成要件對於其他的任一個實施形態附加或置換。

Claims (12)

  1. 一種鐵道車輛，係具有：組裝體，係具有構成為將車軸可旋轉地保持的台車以及設置於前述台車的車體；電力變換裝置，設置於前述組裝體且構成為根據來自變壓器的輸出電力而生成將馬達驅動的電力，前述變壓器係具有一次捲線、二次捲線及三次捲線，前述一次捲線係構成為接受來自電力供給線的交流的一次電壓，前述二次捲線係構成為與前述一次捲線電磁性地結合且輸出前述輸出電力，前述輸出電力含有較前述一次電壓低的二次電壓與輸出電流，前述三次捲線係構成為與前述一次捲線電磁性地結合且輸出較前述二次電壓低的三次電壓；電壓檢測部，設置於前述組裝體且構成為檢測前述三次電壓的大小；電流檢測部，設置於前述組裝體且構成為檢測前述輸出電流的大小；以及電壓算出部，設置於前述組裝體且構成為：根據藉由前述電壓檢測部所檢測的前述三次電壓的前述大小、藉由前述電流檢測部所檢測的前述輸出電流的前述大小、以及相關資訊而算出前述一次電壓的大小，前述相關資訊係表示電壓比率與前述輸出電流的前述大小間的相關關係，前述電壓比率係表示前述一次電壓的前述大小與前述三次電壓的前述大小間的比率。
  2. 一種電力供給線電壓估算裝置，係具有： 電壓檢測部，構成為將從設置於鐵道車輛的變壓器輸出的特定的電壓的大小予以檢測，前述變壓器係具有一次捲線、二次捲線及三次捲線，前述一次捲線係構成為接受來自電力供給線的交流的一次電壓，前述二次捲線係構成為與前述一次捲線電磁性地結合且輸出較前述一次電壓低的二次電壓與輸出電流，前述三次捲線係構成為與前述一次捲線電磁性地結合且輸出較前述二次電壓低的三次電壓，前述特定的電壓係對應於前述三次電壓；電流檢測部，構成為檢測前述輸出電流的大小；以及電壓算出部，構成為根據：藉由前述電壓檢測部所檢測的前述三次電壓的前述大小、藉由前述電流檢測部所檢測的前述輸出電流的前述大小、以及相關資訊而算出前述一次電壓的大小，前述相關資訊係表示電壓比率與前述輸出電流的前述大小間的相關關係，前述電壓比率係表示前述一次電壓的前述大小與前述三次電壓的前述大小間的比率。
  3. 如請求項2所記載之電力供給線電壓估算裝置，其中，前述相關資訊係含有一次函數；前述一次函數係表示前述電壓比率與前述輸出電流的前述大小間的線性關係；前述電壓算出部係構成為根據前述一次函數而算出前述一次電壓的前述大小。
  4. 如請求項3所記載之電力供給線電壓估算裝置，其中前述線性關係係根據前述一次電壓的前述大小、前述 三次電壓的前述大小、以及前述輸出電流的前述大小而近似線性，所謂前述一次電壓的前述大小、前述三次電壓的前述大小、以及前述輸出電流的前述大小係被實驗測定。
  5. 如請求項4所記載之電力供給線電壓估算裝置，其中，前述三次電壓係被輸入第一負載，前述第一負載係構成為藉由前述三次電壓而動作；所謂前述一次電壓的前述大小、前述三次電壓的前述大小、以及前述輸出電流的前述大小係在前述第一負載的狀態被維持在一定的條件下被實驗測定。
  6. 如請求項2所記載之電力供給線電壓估算裝置，其中前述電力供給線電壓估算裝置係更具有二次電壓算出部，前述二次電壓算出部構成為根據前述一次捲線的捲數與前述二次捲線的捲數的比而由藉由前述電壓算出部所算出的前述一次電壓的前述大小算出前述二次電壓的大小。
  7. 如請求項6所記載之電力供給線電壓估算裝置，其中，前述二次電壓係被輸入第二負載，前述第二負載係構成為藉由前述二次電壓而動作；前述電力供給線電壓估算裝置係更具有電力算出部，前述電力算出部構成為根據藉由前述二次電壓算出部所算出的前述二次電壓的前述大小、以及藉由前述電流檢測部所檢測的前述輸出電流的前述大小而將由前述第二負載所致使的消費電力算出。
  8. 如請求項2所記載之電力供給線電壓估算裝置，其中前述電力供給線電壓估算裝置係構成為待搭載於鐵道車輛。
  9. 如請求項2所記載之電力供給線電壓估算裝置，其中前述電力供給線電壓估算裝置係構成為待搭載於具有至少一個鐵道車輛的列車，前述列車係具有前述變壓器。
  10. 如請求項9所記載之電力供給線電壓估算裝置，其中前述電力供給線電壓估算裝置係構成為待搭載於電力變換裝置，前述電力變換裝置係構成為待搭載於前述列車，且構成為從前述變壓器接受含有前述二次電壓及前述輸出電流的輸出電力，根據藉由前述電壓算出部所算出的前述一次電壓的前述大小而由前述輸出電力生成將馬達驅動的電力，前述馬達係構成為產生使前述列車行駛的驅動力。
  11. 如請求項2所記載之電力供給線電壓估算裝置，其中，前述電力供給線電壓估算裝置係更具有將前述相關資訊記憶的記憶部；前述電壓算出部係構成為根據記憶於前述記憶部的前述相關資訊算出前述一次電壓的大小。
  12. 一種估算電力供給線的電壓的方法，係包含：將特定的電壓的大小予以檢測，係將從設置於鐵道車輛的變壓器輸出的前述特定的電壓的大小予以檢測，其中，前述變壓器係具有一次捲線、二次捲線及三次捲線，前述一次捲線係構成為接受來自電力供給線的交流的一次電壓，前述二次捲線係構成為與前述 一次捲線電磁性地結合且輸出較前述一次電壓低的二次電壓與輸出電流，前述三次捲線係構成為與前述一次捲線電磁性地結合且輸出較前述二次電壓低的三次電壓，前述特定的電壓係對應於前述三次電壓；檢測前述輸出電流的大小；以及算出前述一次電壓的大小，係根據所檢測的前述三次電壓的前述大小、所檢測的前述輸出電流的前述大小、以及相關資訊而算出前述一次電壓的大小，其中，前述相關資訊係表示電壓比率與前述輸出電流的前述大小間的相關關係，前述電壓比率係表示前述一次電壓的前述大小與前述三次電壓的前述大小間的比率。
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