交流电动车辆的电源设备的制作方法

本发明涉及用于AC(交流)电动车辆的电源设备，并且特别地涉及用于使电动车辆通过不同电源之间的区段的电源切换系统。

背景技术：

由于诸如新干线(Shinkansen)的AC(交流)电动车辆是单相的，因此AC电源作为三相从电力公司接收到，并且被转换为单相，并且通过利用三相单相转换器馈送到AC电动车辆。作为这种三相单相转换器，有在次级侧配备有两个单相电源(M座和T座)的斯科特(Scott)变压器和在次级侧配备有两个单相电源(A座和B座)的Woodbridge变压器等。

由此，电动车辆运行通过其相位彼此不同的电源，并且在变电站和馈电分段点处提供不同电源彼此面对的区段，以防止不同相之间的短路。在常规的铁路线中，在其中不同电源彼此面对的这一区段处提供死区(dead section)，并且在新干线中，提供作为切换区段的中央区段，并且切换电源。

在新干线中采用的中央区段采用转换开关。但是，在这种系统中存在许多问题。在下文中，示出了主要问题。

在中央区段中，执行转换开关的打开/关闭，以每当电动车辆通过时切换电源。因此，需要能够经受频繁打开/关闭的设备。在现有技术中，每当执行50,000次打开/关闭时需要检查设备，每当执行100,000次时需要更换真空阀，并且每当执行200,000次时需要更换转换开关，因此，运行成本变高。

此外，经常发生由转换开关的打开/关闭电涌和电极之间绝缘的劣化引起的电极之间的短路故障。因此，馈电系统的可靠性变差，并且由于例如提供故障检测继电器而使得系统变得复杂。作为针对转换开关的打开/闭合电涌的措施，存在其中在中央区段处提供电容器C和电阻器R的业务运营商。

此外，需要检测电动车辆处于中央区段中的轨道上，以执行转换开关的打开/关闭，并且需要用于电动车辆轨上检测的轨道电路来检测该电动车辆处于中央区段中的轨道上。

当电源被切换时，瞬时停电发生大约300±50ms，并且因此采取以下措施(1)至(3)。但是，利用这些措施(1)至(3)，成本增加。

(1)在车辆中，当停电恢复时，自动执行逆变器的停止和重启，并且因此车辆驱动系统变得复杂。此外，海外制造商的车辆不能通过日本的切换区段。

(2)发生由电源的切换引起的瞬时停电，并且冲击电流反复地流到板载变压器。作为针对这一点的措施，需要在车辆上安装被设计为强健的板载变压器。因此，降低变压器的尺寸和重量变得困难，并且与车辆重量的降低相反。

(3)在东海道新干线中，由于当发生瞬时停电时乘坐的舒适度变差，因此在中央区段中发生停电之前关闭凹口一段时间，并且在停电恢复之后打开凹口一段时间，从而改善由瞬时停电引起的乘坐舒适度的变差。但是，为了做到这一点，需要采用具有高列车检测精度的ATC(自动列车控制)系统。

如上所述，在用于AC电动车辆的电源设备中，本发明解决了执行电源的相位切换而不在中央区段中引起瞬时停电的问题。

现有技术参考

专利文献

专利文献1：日本专利No.4082033

专利文献2：日本专利No.4207640

专利文献3：日本专利No.4396606

技术实现要素：

本发明是考虑这种常规问题做出的。关于其一个方面，在用于AC电动车辆的电源设备中，其中在入口侧电源和出口侧电源的不同电源彼此面对的区段处提供中央区段，所述中央区段具有在其两端处提供的入口侧空气区段和出口侧空气区段，用于AC电动车辆的电源设备包括：相位转换器，其具有：在中央区段处的第一抽头切换变压器，其初级绕组连接到入口侧电源并且次级绕组具有切换抽头；在中央区段处的第二抽头切换变压器，其初级绕组连接到出口侧电源并且次级绕组具有切换抽头；以及在中央区段处的第三变压器，其第一绕组的两端分别连接到第一抽头切换变压器的切换抽头和第二抽头切换变压器的切换抽头，并且第二绕组连接到中央区段中的电车线和轨道，其中相位转换器将第一抽头切换变压器的抽头位置设置为大输出位置，并且将第二抽头切换变压器的抽头位置设置为小输出位置，直到电动车辆的所有受电弓通过入口侧空气区段，其中在电动车辆的前受电弓到达出口侧空气区段之前，在电动车辆的所有受电弓通过入口侧空气区段之后，相位转换器将第二抽头切换变压器的抽头位置逐渐切换到输出增加方向，同时第一抽头切换变压器的抽头位置在输出减少方向上切换，以及其中在电动车辆的所有受电弓通过出口侧空气区段之后，相位转换器将第一抽头切换变压器的抽头位置设置为大输出位置，并且将第二抽头切换变压器的抽头位置设置为小输出位置。

此外，本发明的一个方面是用于AC电动车辆的电源设备，其中相位转换器在第一抽头切换变压器的抽头位置被设置为大输出位置并且第二抽头切换变压器的抽头位置被设置为小输出位置时与入口侧电源之间具有可检测的电源相位差，其中相位转换器在第一抽头切换变压器的抽头位置被设置为小输出位置并且第二抽头切换变压器的抽头位置被设置为大输出位置时与出口侧电源之间具有可检测的电源相位差，其中通过当电动车辆的受电弓通过入口侧空气区段时使入口侧电源和中央区段之间的电源相位差变为设定值或小于设定值来检测到电动车辆的受电弓处于通过入口侧空气区段期间，其中通过当电动车辆的受电弓通过出口侧空气区段时使出口侧电源和中央区段之间的电源相位差变为设定值或小于设定值来检测到电动车辆的受电弓处于通过出口侧空气区段期间，以及其中基于电动车辆的受电弓处于通过入口侧空气区段期间的检测和电动车辆的受电弓处于通过出口侧空气区段期间的检测来判断电动车辆处于中央区段的轨道上。

此外，本发明的另一方面是用于AC电动车辆的电源设备，其中相位转换器的输出电压在第一抽头切换变压器的抽头位置被设置为大输出位置并且第二抽头切换变压器的抽头位置被设置为小输出位置时与入口侧电源的电压之间具有可检测的电压差，其中相位转换器的输出电压在第一抽头切换变压器的抽头位置被设置为小输出位置并且第二抽头切换变压器的抽头位置被设置为大输出位置时与出口侧电源的电压之间具有可检测的电压差，其中通过在电动车辆的受电弓通过入口侧空气区段时使入口侧电源和中央区段之间的电压差变为设定值或小于设定值来检测到电动车辆的受电弓处于通过入口侧空气区段期间，其中通过在电动车辆的受电弓通过出口侧空气区段时使出口侧电源和中央区段之间的电压差变为设定值或小于设定值来检测到电动车辆的受电弓处于通过出口侧空气区段期间，及其中基于电动车辆的受电弓处于通过入口侧空气区段期间的检测和电动车辆的受电弓处于通过出口侧空气区段期间的检测来判断电动车辆处于中央区段中的轨道上。

此外，第一抽头切换变压器的初级绕组和第二抽头切换变压器的初级绕组可以与在用于AC电动车辆的电源设备处提供的自耦变压器共享。

根据本发明，在用于AC电动车辆的电源设备中，执行电源的相位切换而不在中央区段中引起瞬时停电变得可能。

附图说明

图1是示出斯科特变压器的示意图。

图2是示出实施例中的相位转换器的示意图。

图3是示出抽头切换变压器的抽头切换的例子的示意图。

图4是示出相位转换器的输出电压向量的图。

图5是示出实施例4中用于AC(交流)电动车辆的电源设备的示意图。

具体实施方式

在下文中，基于图1至图5说明根据本发明的用于AC(交流)电动车辆的电源设备的实施例1至4。

[实施例1]

为了容易理解，将斯科特变压器作为例子来说明实施例1。图1是示出斯科特变压器1的示意图。如图1所示，M座和T座在斯科特变压器1的次级侧提供。M座和T座之间的相位相差90度。电车线T、馈线F和轨道R从次级侧的M座和次级侧的T座中的每一个引出。

如图2所示，相位转换器5在不同电源彼此面对的中央区段处提供。相位转换器5具有第一抽头切换变压器2、第二抽头变压器3和变压器4。

对于第一抽头切换变压器2，初级绕组在斯科特变压器1的M座(入口侧电源)中连接到电车线T和连接到馈线F。此外，对于第二抽头切换变压器3，初级绕组在斯科特变压器1的T座(出口侧电源)中连接到电车线T和连接到馈线F。第一抽头切换变压器2具有与斯科特变压器1的M座(入口侧电源)相同的相位，并且第二抽头切换变压器3具有与斯科特变压器1的T座(出口侧电源)相同的相位。

转换相位的切换抽头提供给第一抽头切换变压器2的第二绕组和第二抽头切换变压器3的第二绕组中的每一个。例如，如图2和图3所示，第一抽头切换变压器2和第二抽头切换变压器3中的每一个的抽头的步数被设置为13个抽头(0至12)，并且相邻抽头之间的相位差被设置在大约7.5度。

变压器4的初级绕组的两端连接到第一抽头切换变压器2和第二抽头切换变压器3的抽头。变压器4的第二绕组的两端连接到中央区段的电车线T和轨道R。

存在两组中央区段，其中一个用于上行线路并且另一个用于下行线路。因此，相位转换器5在上行线路和下行线路中的每一个处提供。

此外，在电车线T中的中央区段(通常为1,000m)的两端设有空气区段D1和空气区段D2(通常为50m)。

当完成电动车辆到中央区段中的进入时，相位转换器5在通过控制部件(在图中未示出)彼此链接的同时切换抽头切换变压器2和3的抽头。即，如图4所示，中央区段的第一抽头切换变压器2的抽头位置在输出减小方向上切换，中央区段的第二抽头切换变压器3的抽头位置在输出增加方向上切换。

图4是示出相位转换器5的输出电压向量的图。如上所述，第一抽头切换变压器2的抽头位置在输出减小方向上切换，并且第二抽头切换变压器3的抽头位置在输出增加方向上切换。由此，有可能实现将相位转换器5的输出电压向量从电动车辆的入口侧电源的相位逐渐切换到电动车辆的出口侧电源的相位，同时使相位转换器5的输出电压保持恒定。因此，电动车辆能够在电力运行而不引起停电的情况下通过中央区段。

当通过晶闸管开关被加载时，抽头的切换根据抽头切换变压器的原理成为相位输入系统，并且抽头之间桥接时的电流可以被抑制。(晶闸管型抽头切换变压器已在AC架空线电压补偿装置ACVR中投入实际使用)。

接下来，说明本实施例1中用于AC电动车辆的电源设备的操作的例子。在本实施例1中，存在来自用于电动车辆轨上检测的轨道电路等的电动车辆处于中央区段中的轨道上的条件信号。这里，作为例子，说明其中电动车辆在上行线路中从M座(左)到T座(右)运行的情况。

(1)在初始状态(电动车辆进入到中央区段中之前的状态)中，第一抽头切换变压器2的抽头位置被设置为大输出位置，并且第二抽头切换变压器3的抽头位置被设置为小输出位置(例如，0-0')，并且中央区段和M座被设置为具有相同的相位。

(2)当电动车辆完全进入到中央区段中时，“电动车辆存在”的信号被输入到控制部件。利用“电动车辆存在”的信号，控制部件在一定的时间段(大约一秒种的短时间)内顺序地将第一抽头切换变压器2的抽头位置切换到输出减小方向并且将第二抽头切换变压器3的抽头位置切换到输出增加方向(从0-0'，1-1'，2-2'到12-12')。以这种方式，通过切换抽头，中央区段的相位从M座的相位切换到T座的相位，同时使相位转换器5的输出电压保持恒定。中央区段具有与T座相同的相位，因此，在电力运行而没有停电的情况下使电动车辆从中央区段运行到T座变得可能。

(3)在电动车辆通过中央区段之后，“电动车辆不存在”的信号被输入到控制部件。“电动车辆不存在”的信号输入到其的控制部件将第一抽头切换变压器2的抽头位置返回到大输出位置并且将第二抽头切换变压器3的抽头位置返回到小输出位置(例如0-0')，并且然后在中央区段已与M座相位相同的状态下等待下一辆电动车辆的进入。

如上所示，根据本实施例1中用于AC电动车辆的电源设备，中央区段的相位可以从入口侧电源的相位切换到出口侧电源的相位，同时使中央区段的电压保持恒定，因此，可以防止电动车辆通过中央区段时电动车辆的瞬时停电。

此外，根据本实施例1中用于AC电动车辆的电源设备，转换开关变得不必要，此外，转换开关的更换也变得不必要。

此外，由于防止了电极之间的短路故障，因此用于不同相位之间的短路的保护系统变得不必要，因此，用于AC电动车辆的电源设备系统的可靠性提高。

此外，防止了由转换开关的打开/关闭引起的过大的电涌电压，因此，诸如车载装置的电涌对策装置变得不必要。

此外，防止了由转换开关的打开/关闭引起的冲击电流，因此，简化用于AC电动车辆的电源系统变得可能。

此外，根据本实施例1中用于AC电动车辆的电源设备，在中央区段中，执行连续载流并且不发生瞬时停电，因此，针对在电动车辆通过中央区段时的瞬时停电的对策系统变得不必要。此外，防止了当电动车辆通过中央区段时的加速度变化，因此，乘坐舒适度的改进对策变得不必要，并且此外，由于防止了由停电引起的加速度变化，因此提高了乘坐舒适度。

此外，通过提供变压器4并且将第一和第二抽头切换变压器2和3设置为与晶闸管的标准电压和标准电流匹配的抽头切换变压器，可以经济地构建系统。

[实施例2]

对于实施例1中用于AC电动车辆的电源设备，需要从用于电动车辆轨上检测的轨道电路输入“电动车辆存在”和“电动车辆不存在”的条件信号。但是，本实施例2中用于AC电动车辆的电源设备自主地检测电动车辆处于通过空气区段期间并且基于该通过检测判断电动车辆处于中央区段中的轨道上。在下文中，解释检测的方法。

对于本实施例2中用于AC电动车辆的电源设备，在其中第一抽头切换变压器2的抽头位置被设置为大输出位置并且第二抽头切换变压器3的抽头位置被设置为小输出位置的情况下的相位转换器5与入口侧电源之间设置可检测的相位差。另外，与此类似，在其中第一抽头切换变压器2的抽头位置被设置为小输出位置并且第二抽头切换变压器3的抽头位置被设置为大输出位置的情况下的相位转换器5与出口侧电源之间设置可检测的相位差。

在电动车辆的受电弓通过入口侧空气区段D1时，中央区段和入口侧电源被短路，因此，当电动车辆通过入口侧空气区段D1时，入口侧电源的电压具有与中央区段的电压相同的相位。因此，在其中入口侧电源和中央区段具有相同相位的情况下，可以检测到电动车辆的受电弓处于通过入口侧空气区段D1期间。与此类似，在其中中央区段和出口侧电源具有相同相位的情况下，可以检测到电动车辆的受电弓处于通过出口侧空气区段D2期间。

在诸如新干线的电动车辆中存在各种类型的受电弓构造。但是，可以基本上分为以下三种类型。

(1)其中在电动车辆上提供一个受电弓的构造。

(2)其中在电动车辆上提供多个受电弓并且这些受电弓在电动车辆中彼此连接的构造。

(3)其中在电动车辆上提供多个受电弓并且这些受电弓不彼此连接的构造。

在构造(1)的情况下，当电动车辆的受电弓通过入口侧空气区段D1或出口侧空气区段D2时，入口侧电源和中央区段或中央区段和出口侧电源被短路，并且变为相同相位。

在构造(2)的情况下，当在电动车辆的前侧提供的受电弓通过入口侧空气区段D1时，入口侧电源和中央区段被短路，并且变为相同相位。

在其中在电动车辆的前侧提供的受电弓通过入口侧空气区段D1之后，在电动车辆的后侧提供的受电弓到达入口侧空气区段D1之前的情况下，中央区段通过电动车辆中的连接电缆通过从前受电弓到后受电弓的路线连接到入口侧电源。因此，入口侧电源和中央区段变为相同相位。

入口侧电源和中央区段被短路，并且变为相同相位，同时后受电弓通过入口侧空气区段D1。

以这种方式，在(2)的受电弓的构造的情况下，在前受电弓进入到空气区段之后，直到后受电弓通过空气区段，入口侧电源的电压具有与中央区段的电压相同的相位。在出口侧空气区段D2的情况下，它也与入口侧空气区段D1的情况相同。

在构造(3)的情况下，只在每个受电弓都通过入口侧空气区段D1时，入口侧电源的电压才具有与中央区段的电压相同的相位。

在本实施例2中用于AC电动车辆的电源设备的操作利用其中提供电动车辆的多个受电弓并且这些受电弓在电动车辆中彼此连接的(2)的情况作为例子来说明。

<<1>>第一和第二抽头切换变压器2和3的抽头位置分别被设置为“1”和“1'”(1-1')。在本实施例2中，对于1-1'，设置为“1”的第一抽头切换变压器2的抽头位置被定义为大输出位置，并且设置为“1'”的第二抽头切换变压器3的抽头位置被定义为小输出位置。由此，在相位转换器5的输出和入口侧电源之间产生可检测的相位差。

<<2>>当电动车辆的受电弓进入到入口侧空气区段D1中时，入口侧电源和中央区段变为连接状态，并且中央区段的相位和入口侧电源的相位变得相同。由此，例如，当中央区段和入口侧电源之间的相位差变为设定值或小于设定值时，可以检测到电动车辆的受电弓处于通过入口侧空气区段D1期间。

<<3>>当电动车辆的所有受电弓在通过入口侧空气区段D1之后完全进入到中央区段时，中央区段和入口侧电源之间的相位差变为初始设置状态(1-1')。因此，可以识别出电动车辆处于中央区段中的轨道上(其中电动车辆已存在的状态)。

<<4>>识别出电动车辆处于中央区段中的轨道上，并且第一和第二抽头切换变压器2和3的抽头在短时间段内(大约一秒)从1-1'切换到11-11'，从而将中央区段的电压相位从入口侧电源的电压相位切换到出口侧电源的电压相位。这时，在11-11'的抽头时中央区段的电压与出口侧电源之间存在可检测的相位差。在本实施例2中，对于11-11'，“11”被设置为第一抽头切换变压器2的小输出位置并且“11'”被设置为第二抽头切换变压器3的大输出位置。此外，在一秒内相位改变90度基本上等于在50Hz中频率改变0.5％，因此对系统没有影响。

<<5>>当电动车辆运行通过中央区段并且进入到出口侧空气区段D2时，中央区段和出口侧电源变为连接状态，然后中央区段的电源相位变得与出口侧电源的相位相同。因此，例如，当中央区段和出口侧电源之间的电源相位差变为设定值或小于设定值时，可以识别出受电弓处于通过出口侧空气区段D2期间。

<<6>>在电动车辆的所有受电弓通过出口侧电源的空气区段D2之后，中央区段和出口侧电源之间的相位差变为初始设置状态，因此，可以识别出电动车辆从中央区段出来。

<<7>>在检测到中央区段和出口侧电源之间的这个相位差之后，抽头返回到1-1'，然后等待下一辆火车。

在受电弓构造(3)的情况下，只有当每个受电弓都通过入口侧空气区段D1时，入口侧电源的电压才具有与中央区段的电压相同的相位。在前受电弓通过入口侧空气区段D1之后并且直到后受电弓到达入口侧空气区段D1的情况下，入口侧电源的电压不具有与中央区段的电压相同的相位。由此，可以考虑通过确认受电弓的数量并且将这些受电弓的数量传达给控制部件来判断电动车辆处于通过空气区段期间的方法。

如上所示，本实施例2中用于AC电动车辆的电源设备执行与实施例1相同的效果。此外，根据本实施例2，通过入口侧电源和中央区段之间的相位差或者中央区段和出口侧电源之间的相位差，检测到电动车辆处于通过空气区段D1和D2期间，并且因此可以判断电动车处于中央区段中的轨道上。因此，用于电动车辆轨上检测以便切换中央区段的电源的轨道电路变得不必要。

[实施例3]

相位转换器5也在其中在变电站之间不同电源彼此面对的区段处提供。对于其中在变电站之间不同电源彼此面对的这一区段，还存在其中M座的电源和M座的电源彼此面对或者T座的电源和T座的电源彼此面对的区段。以这种方式，在其中不同电源彼此面对的区段中，在其中M座和M座彼此面对或T座和T座彼此面对的情况下，其相位差为0或近似为0。因此，即使抽头切换变压器2的抽头位置被设置为大输出位置并且第二抽头切换变压器3的抽头位置被设置为小输出位置(例如，1-1')，入口侧电源和中央区段之间的相位差也小，这类似于实施例2。此外，与此类似，即使第一抽头切换变压器2的抽头位置被设置为小输出位置并且第二抽头切换变压器3的抽头位置被设置为大输出位置(例如，11-11')，中央区段和出口侧电源之间的相位差也小。因此，不可能像实施例2那样基于相位差来判断电动车辆处于中央区段中的轨道上。

因此，在本实施例3中，基于入口侧电源和中央区段之间的电压差以及中央区段和出口侧电源之间的电压差，检测到电动车辆的受电弓是否处于通过空气区段期间。

为了检测它，直到电动车辆的所有受电弓都通过入口侧空气区段，例如，第一抽头切换变压器2的抽头位置被设置为“1”(大输出位置)，并且第二抽头切换变压器3的抽头位置被设置为“0'”(小输出位置)，并且入口侧电源和相位转换器5的输出之间的电压差被设置。

此外，在等待电动车辆进入到出口侧空气区段D2中时，第一抽头切换变压器2的抽头位置被设置为“12”(小输出位置)，并且第二抽头切换变压器3的抽头位置被设置为“11'”(大输出位置)，并且相位转换器5的输出和出口侧电源之间的电压差被设置。

当电动车辆的受电弓通过空气区段时，入口侧电源和中央区段或中央区段和出口侧电源被短路，因此，入口侧电源和中央区段或中央区段和出口侧电源具有相同的电压。由此，例如，当入口侧电源和中央区段之间的电压差变为设定值或小于设定值时，有可能检测到电动车辆的受电弓处于通过入口侧空气区段D1期间。与此相似，当中央区段和出口侧电源之间的电压差变为设定值或小于设定值时，有可能检测到电动车辆的受电弓处于通过出口侧空气区段D2期间。

以这种方式，通过检测电动车辆的受电弓是否处于通过空气区段期间，判断电动车辆处于中央区段中的轨道上变得可能。

因此，根据本实施例3中用于AC电动车辆的电源设备，它执行与实施例2相同的效果。此外，在其中其之间具有小相位差的电源彼此面对的切换区段中，也有可能判断电动车辆处于中央区段中的轨道上。

[实施例4]

如图5所示，本实施例4是其中实施例1至3中任何一个的相位转换器5的抽头切换变压器2和3的初级绕组与变电站的自耦变压器AT共享的实施例。相位转换器5变为其中使用三个变压器和两组抽头切换变压器的大型设备，并且因此，考虑到作为单个系统的可能性，存在经济上的问题。

在本实施例4中，通过将第一和第二抽头切换变压器2和3的初级绕组与自耦变压器AT共享，降低总成本变得可能。

当电动车辆处于中央区段之外时，对于第一和第二抽头切换变压器2和3，只有初级侧绕组充当正常的自耦变压器AT。当电动车辆进入到中央区段中时，第一和第二抽头切换变压器2和3充当双绕组变压器，并且电源通过变压器4提供给中央区段。此外，当电动车辆通过空气区段时，第一和第二抽头切换变压器2和3表现出自耦变压器AT和双绕组变压器两者的功能。

如上所示，根据本实施例4中用于AC电动车辆的电源设备，它执行与实施例1、2或3相同的工作效果。此外，除了在实施例1、2或3中所描述的工作效果之外，通过将第一和第二抽头切换变压器2和3的初级绕组与自耦变压器AT共享，提高经济性也变得可能。

如上所述，在本发明中，仅详细说明了上述具体例子，但是，对本领域技术人员显而易见的是，在本发明的技术思想的范围内，各种变化和修改是可能的。此外，自然地，这些变化和修改属于权利要求的范围。

除了应用到新建变电站之外，通过适当地连接电车线T和用于馈电的馈线F，本发明的相位转换器5还可以应用到现有的斯科特变压器、屋顶三角(roof-delta)变压器和Woodbridge变压器。此外，还在具有不同相位的区段、其中馈电通过国外通常采用的单相馈电系统和V连接系统执行的区段的情况下，相位转换器5是能够通过类似构造被应用的高通用系统。