专利名称：功率变换器的控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及控制由电压可变、频率可变逆变器来驱动感应电动机的功 率变换器的装置，尤其涉及在直流电源侧具备具有蓄电装置的直流电压产 生机构，利用该直流电压产生机构所产生的功率来驱动的功率变换器的控 制装置。
背景技术：
在通过电压可变、频率可变(VVVF)逆变器控制来驱动感应电动机 的所谓逆变器铁道车辆中，在停止间隙不使用空气制动器(air brake)而 采用仅靠电能的制动力来使铁道车辆停止的全电气停止制动器已被实际 应用。
不依赖于空气制动器而仅通过电能的制动器来得到停止力这一点，随 着抑制制动靴(brake shoe)的磨耗而对于减少车辆的维修有效果，并且由 于没有空气制动器的上升延迟，因此也有助于停止精度的提高。
由此，相对于以往使用的空气制动器来说，仅通过电气制动器使铁道 车辆停止有很多优点，因此如果能在铁道车辆的所有速度区域中将空气制 动器置换为电气制动器，则能对制动靴的磨耗方面具有较大优点。
但是，逆变器控制中的感应电动机的交流侧的最大输出电压由直流侧 即逆变器的输入电压决定，铁道车辆中的感应电动机，如图2、图3的实 线所示，使用在高速的区域交流输出电压为最大的特性，因此仅通过电能 的制动会有得不到所需要的制动力的问题。
因此，通过在制动时使感应电动机侧的电压上升，从而进行使制动力 增加的试验。例如为插入电阻或电容器等的阻抗的装置，但存在不仅浪费 制动时的再生能量，而且也不能得到电压的连续性的缺点。在专利文献1 中所公开的例子中，没有再生能量的浪费，但也没有电压的连续性。
专利文献1:日本特开2002—369304号公报
发明内容
本发明的课题在于，鉴于上述情况，提供一种通过不使再生能量浪费 并且也保持电压的连续性而得到必要的电气制动力的铁道车辆的驱动控 制装置。
上述课题，能够通过将具有能够处理在逆变器中流入或流出的电流的 容量的蓄电装置的直流电压源串联地插入到逆变器的输入的接地侧，而实 现从零开始连续地控制所产生的输出电压。
通过本发明，由于能够在高速侧扩大感应电动机的特性，因此实现电 气制动范围扩大，制动靴的磨耗降低。此外制动力的增大也会产生再生能 量的增大，电能的再生率提高，结果可实现节省能量。进而动力运行侧的 特性也在高速侧扩大，从而能够期待控制性能的提高。在逆变器的接地侧 插入直流电压源，具有也可不使用与架线电压对应的高压部件作为使用于 电压源的部件的效果。
图1为本发明的实施例1的功率变换器的控制装置的说明图。
图2为表示功率变换器的动力运行(力行)时的感应电动机的特性的 说明图。
图3为表示功率变换器的制动时的感应电动机的特性的说明图。 图4为表示功率变换器的架线电压和逆变器输入电压之间的关系的说 明图。
图5为表示本发明的实施例1的功率变换器的架线电压和直流电压源 电压和逆变器输入电压之间的关系的说明图。
图6为插入本发明的实施例1的直流产生电源装置后的功率变换器的 说明图。
图7为图6的本发明的实施例1的功率变换器的动力运行时的工作说 明图。
图8为图7的功率变换器的各产生电压的说明图。
图9为图6的本发明的实施例1的功率变换器的再生制动时的工作说明图。
图10为图9的功率变换器的各产生电压的说明图。
图11为将本发明的实施例2的直流产生电源装置插入后的功率变换 器的说明图。
图12为图11的本发明的实施例2的功率变换器的动力运行时的工作 说明图。
图13为图12的功率变换器的各产生电压的说明图。 图14为图11的本发明的实施例2的功率变换器的再生制动时的工作 说明图。
图15为图14的功率变换器的各产生电压的说明图。
图16为表示本发明的实施例2的蓄电装置的容量的选定的说明图。
符号的说明
1架线
2 导电弓架(pantagraph)
3 滤波电抗器
4 滤波电容器 5逆变器
6感应电动机 7车轮
8其他列车、变电站等 10直流电压源装置 11蓄电装置 21开关元件 22开关元件
31 续流二极管(flywheel diode) 32续流二极管 41 电抗器
具体实施例方式
以下参照附图对本发明的实施方式进行说明。实施例1
图1表示本发明的实施例1的功率变换器的控制装置。图1中从导电
弓架2对架线1的直流电进行集电，经由滤波电抗器FL3及滤波电容器 FC4而供给到逆变器5。由逆变器5变换为交流电来驱动感应电动机6。 在逆变器5的接地侧插入具有蓄电装置11的直流电压源10，而产生直流 电压。电流经由车轮7返回到线路。以上的工作为铁道车辆的动力运行的 情况，在制动的情况下，感应电动机6作为发电机工作，在架线l侧再生 电能。因此，直流电压源10流入在逆变器5中流动的电流，来控制逆变 器的流入、流出两个方向的电流。
图2、图3中表示铁道车辆中的感应电动机的一般的特性。图2为动 力运行的情况，图3为制动的情况。图3为用于与动力运行对比的逆向的 特性图。如图4所示，在没有插入直流电压源IO的通常的功率变换器中， 架线电压Es —逆变器输入电压Ei，成为由图2、图3的实线所示的特性。
在此，如本发明的实施例l所示，在逆变器的输入侧插入直流电压源 10，如图5所示，如果按照将直流电压源10的输出电压Ed与架线电压 Es相加的方式进行控制，则逆变器输入电压Ei二Es + Ed，图2、图3的特 性如虚线所示，通过对逆变器的输入电压的上升而感应电动机6所产生的 交流电压扩大AEm量，结果电流*转矩的特性在高速侧扩大。因此，如果 使直流电压上升，则逆变器所处理的电能也扩大，在制动时得到比通常大 的再生能量。
在铁道车辆中，直流电压源10的输出电压能够从零开始连续地控制 是较好的。图6表示采用输出这种直流电压的电压源的具体的例子。
在图6中，对与图1相同的地方省略说明。在图1中虽然未图示，但 在架线1和车轮7之间，吸收再生能量的其他铁道车辆或变电站存在，其 标号为8。
蓄电装置11为可充放电的蓄能量装置，在其正极侧连接开关元件21， 在负极侧连接开关元件22，开关元件21和22串联连接。此外开关元件 21、 22分别并联连接续流二极管31、 32。开关元件21和22之间的中点 与续流二极管31和32之间的中点被连接，经由电抗器41与逆变器5的 接地侧连接。蓄电装置11的正极侧与车轮7连接。关元件的一方始终断开，另一方开关元件进行接通/ 断开的斩波工作，从而在开关元件和二极管之间的中点产生斩波电压。如 果平滑该斩波电压，则能得到直流电压，该直流电压与架线电压相加后， 施加到逆变器5。通过控制开关元件的斩波周期(通流率)而直流电压能 从零开始连续地可变。
以下详细说明图6的工作。图7表示动力运行时的工作状态。在图7 中，使开关元件21始终断开，使开关元件22接通时，如实线所示电流在 经由电抗器41、开关元件22、蓄电装置ll的路径中流动，在(A)点如 图8所示的实线那样，输出蓄电装置ll的电压(一)Eb。
如果开关元件21仍为断开且断开开关元件22，则如虚线所示那样电 流经由电抗器41、续流二极管31而流动，(A)点的电位如图8的虚线 那样为零。如上所述，通过开关元件22的接通断开，而产生蓄电装置ll 的电压Eb大小的斩波电压。通过电抗器41、滤波电容器4平滑该斩波电 压后的电压Ed与架线电压Es相加而成为逆变器5的输入电压Ei。该产生 电压Ed能够通过开关元件22的斩波的通流率控制而连续地改变其大小。 因此，能够在任意的定时进行产生电压的大小或电压的插入/除去。
图9表示制动时的工作状态。制动时开关元件22始终断开。在此， 如果开关元件21断开，则电流从蓄电装置11经由续流二极管32、电抗器 41以实线所示的路径流动，(A)点中如图10的实线所示出现电压(一) Eb。
接下来，使开关元件21接通时，电流经由开关元件21、电抗器41 如虚线所示那样流动，(A)点的电位如图IO的虚线所示为零。由此在制 动的情况下，通过开关元件21的接通断开而能够如图IO所示那样产生斩 波电压。
与动力运行同样该电压也由电抗器41 、滤波电容器4被平滑而成为电 压Ed，被施加到逆变器5的产生电压，对架线侧的再生能量比通常增大， 得到更大的电气制动力。另外，电抗器41不论在逆变器5侧还是车轮7 侧连接都得到相同的效果。
在此，尝试求出直流电压源所产生的电压Ed和对逆变器5的流入-流出电流的关系。设蓄电装置11的输出电压为Eb，蓄电装置11的电流为Ib，逆变器5的直流电流为Ii，开关元件21及22的斩波通流率为Y时， 具有
(式2)
Ed = TXEb ...................(2)
(式3)
I b二T x I i ...................(3)
的关系，根据(2) 、 (3)得到 (式4)
EdX I i = I bXEb ..............(4)
因此通过斩波通流率Y的控制来选择对逆变器相加的电压Ed和蓄电 装置的电流Ib。
此外， 一般由于通流率丫Sl，因此相加的电压Ed为蓄电装置11的电 压Eb以下，由下式限制。 (式5)
EdXI {IbXEb (最大允许值)} ......( 5 )
关于蓄电装置ll的容量，也可为相对于扩大特性的速度范围的能量， 由蓄电装置所负担的比率以下的容量。
如图16所示，设扩大的速度为vh，不需要蓄电装置的电压的相加的 速度为vl。如果设Vh和vl间的能量为Bv，铁道车辆的重量为M，则有 (式6)<formula>formula see original document page 10</formula>
考虑通流率—1的情况时，由蓄电装置所负担的电压的最大值也可为 电池电压Eb，因此蓄电装置的容量的最大值Bbmax大致可以由下式表示。 (式7)<formula>formula see original document page 10</formula>
因此，也可为Bbmax以下的容量的蓄电装置。
作为本实施例的其他特征，开关元件21、 22的两端和续流二极管31、
32的两端与蓄电装置11连接，因此它们的耐压性能不是对逆变器的施加
电压，也可为与蓄电装置11对应的耐压性能。在逆变器的正极侧插入直
流电压源的情况下，使用于直流电压源的元件需要具有与逆变器相同的耐
压性能。但是，在本实施例中，也可为与相加电压对应的元件的耐压性能， 也具有实现标准化和小型化的效果。
实施例2
对本发明的另一实施例进行说明。图11为采用能输出直流电压的其 他电压源的例子。图11的直流电压源的结构与图6大致相同，但在蓄电 装置11的正极侧与逆变器5的接地侧连接，来自开关元件21、 22和续流 二极管31、 32的中点的电抗器41的出力端向车轮7连接方面不同。
以下详细说明图U的工作。图12表示动力运行时的工作状态。在图 12中，开关元件22始终断开，而接通开关元件21时，如实线所示，电流 在经由开关元件21、电抗器41的路径中流动，如果断开开关元件21，则 如虚线所示电流经由蓄电装置11、续流二极管32、电抗器41而流动。在 本实施例的情况下，也能够通过开关元件21的接通断开工作在(A)点得 到如图13所示那样的斩波电压。
图14表示制动时的工作状态。在此始终断开开关元件21。如果断开 开关元件22，则电流经由电抗器41、续流二极管31在用实线表示的路径中流动，在使开关元件22接通时，电流经由电抗器41、开关元件22、蓄 电装置11如虚线所示那样流动。因此在这种情况下通过斩波元件22的接 通断开也能在(A)点得到图15所示那样的斩波电压。因此在图11的实 施例中也能得到与图6的实施例相同的效果。
如以上所说明那样，在本实施例中能够实现车辆性能的提高。
权利要求
1、一种功率变换器的控制装置，所述功率变换器通过具有主电路元件的电压可变、频率可变逆变器来驱动感应电动机，其特征在于，在该逆变器的输入侧插入具有蓄电装置的直流电压源。
2、 一种功率变换器的控制装置，所述功率变换器通过具有主电路元件的电压可变、频率可变逆变器来驱动感应电动机，其特征在于，在该逆变器的输入侧的接地侧插入具有蓄电装置的直流电压源，将该 直流电压源的输出电压与架线电压相加，并作为该逆变器的输入电压施 加。
3、 根据权利要求2所述的功率变换器的控制装置，其特征在于， 具有该蓄电装置的该直流电压源，为从零开始连续地控制电压并在两个方向控制流动的电流的降压斩波型装置。
4、 根据权利要求2所述的功率变换器的控制装置，其特征在于， 在设需要该直流电压源输出的该感应电动机的特性的转速为vh，不需要该直流电压源输出的该感应电动机的转速为vl，该功率变换器的重量为 M，该架线电压为Es，该蓄电装置的产生电压的最大值为Eb时，该蓄电 装置的容量Bb为将该逆变器的架线电压和该蓄电装置电压之比与该逆变 器的动能相乘后的由(1)式表示的最大能量Bbmax以下的容量。 (式l)<formula>formula see original document page 2</formula>
5、 根据权利要求3所述的功率变换器的控制装置，其特征在于， 该降压斩波型装置包括可充放电的蓄电装置；在该蓄电装置的正极和负极之间相对并连接的开关元件；与该开关元件并联连接的续流二极 管；和在该开关元件及该续流二极管的中性点连接的电抗器， 将该蓄电装置的正极与架线的接地侧连接。
6、 根据权利要求5所述的功率变换器的控制装置，其特征在于，按照在该逆变器中流入或流出的电流的方向，使该降压斩波型装置的 该开关元件的一方直接断开，控制另一方的开关元件的接通断开的通流 率，从而从零开始连续地输出直流电压。
7. 根据权利要求3所述的功率变换器的控制装置，其特征在于， 该降压斩波型装置包括可充放电的蓄电装置；在该蓄电装置的正极和负极之间相对并连接的开关元件；与该开关元件并联连接的续流二极 管；和在该开关元件及该续流二极管的中性点连接的电抗器， 将该蓄电装置的正极与该逆变器的接地侧连接。
8. 根据权利要求7所述的功率变换器的控制装置，其特征在于， 按照在该逆变器中流入或流出的电流的方向，使该降压斩波型装置的该开关元件的一方直接断开，控制另一方的开关元件的接通断开的通流 率，从而从零开始连续地输出直流电压。
全文摘要
本发明提供一种功率变换器的控制装置，在逆变器的输入的接地侧串联地插入具有能处理在逆变器中流入或流出的电流的容量的蓄电装置的直流电压源，从而从零开始连续地控制该输出电压并与架线电压相加后施加到逆变器。从而能够提供一种在由电压可变、频率可变逆变器来驱动感应电动机的功率变换器中，使逆变器所产生的交流电压上升来扩大感应电动机的高速侧的特性，实现动力运行以及再生制动的性能提高的驱动控制装置。
文档编号B60L7/12GK101295939SQ20081009570
公开日2008年10月29日 申请日期2008年4月24日 优先权日2007年4月27日
发明者丰田瑛一, 岛田基巳, 照沼睦弘, 长洲正浩 申请人:株式会社日立制作所