电力机车控制装置和电力机车控制方法

电力机车控制装置和电力机车控制方法
【专利摘要】提供一种电力机车控制装置和电力机车控制方法，可以减小电源装置的尺寸。电力机车控制装置（100）包括：主变换装置（2a），利用变流器把从架空线供给的交流电力变换成直流电力，利用逆变器把该直流电力变换成控制驱动用电动机（7a）的交流电力；降压电路（4a），把直流电力的电压降压；辅助电源电路（5a），利用逆变器把降压得到的直流电力变换成交流电力，并供给到电力机车内的包括压缩机在内的设备；以及客车电源电路（6a），把降压得到的直流电力供给到电力机车牵引的客车内的包括空调装置在内的设备。
【专利说明】电力机车控制装置和电力机车控制方法
[0001](相关申请的引用）
[0002] 本申请基于并要求2013年4月16日提交的在先日本专利申请2013-085359的优 先权的权益，该申请的全部内容在此引入。

【技术领域】
[0003] 本实施方式涉及电力机车控制装置和电力机车控制方法。

【背景技术】
[0004] 在电力机车上搭载用来从交流架空线供给电力、向电力机车的各装置供给所要形 态的电力的电源装置即控制装置。例如，设置有用来控制驱动用电动机的主变换装置、用来 供给电力机车内的压缩机和冷却用的吹风机等的电源的辅助电源装置、和用来向电力机车 牵引的客车供给空调装置等的电源的客车电源装置等。
[0005] 而且，针对每个电力机车设置有收存了适当的台数的电源装置的多个电力变换装 置。例如，在具有6个动轴、六台驱动用电动机的电力机车的控制装置的情况下，搭载两台 收存了三台主变换装置和一台辅助电源装置的电力变换装置，进而在电力机车内设置了两 台客车电源装置。
[0006] 现有技术文献
[0007] 专利文献1 :日本特开2009-72049号公报


【发明内容】

[0008](发明要解决的问题）
[0009] 但是，构成控制装置的这些电力变换装置、电源装置尺寸大，所以需要用来设置的 大的空间。其结果，为了在与电力机车的种类对应的设置空间内收存电力变换装置、电源装 置，有可能需要对装置的配置再次设计，而且也成为维护保养作业复杂化等的原因。而且， 用户也希望减小设置空间。因此，存在对于使电力变换装置、电源装置小型化的潜在的需 求。
[0010](用来解决问题的方案）
[0011] 根据一实施方式，提供一种电力机车控制装置，包括：主变换装置，利用变流器把 从架空线供给的交流电力变换成直流电力，并利用逆变器把该直流电力变换成控制驱动用 电动机的交流电力；降压电路，把上述直流电力的电压降压；辅助电源电路，利用逆变器把 上述降压得到的直流电力变换成交流电力，并供给到电力机车内的包括压缩机在内的设 备；以及客车电源电路，把上述降压得到的直流电力供给到电力机车牵引的客车内的包括 空调装置在内的设备。
[0012] 根据上述的一实施方式，可以提供减小了电力机车控制装置的尺寸的电力机车控 制装置。

【专利附图】

【附图说明】
[0013] 图1是示出实施方式1的电力机车控制装置的构成的图。
[0014] 图2是示出实施方式1的电力机车控制装置电力变换装置的详细的电路构成的 图。
[0015] 图3是用来说明实施方式1的电力机车控制装置的降压斩波器的动作的控制方法 的图。
[0016] 图4是用来说明实施方式1的电力机车控制装置的切换装置的构成和动作的图。
[0017] 图5是示出变形例的电力机车控制装置100的辅助电源切换电路21中设置的分 配电路的构成的图。
[0018] 图6是示意性地示出现有的电力变换装置和电源装置的构成的图。
[0019] (附图标记说明）
[0020] 1 :控制器；2、3 :主变换装置；4 :降压电路；5 :辅助电源电路；6 :客车电源电路； 7、8 :驱动用电动机；10 :电力变换装置；20 :切换装置；21 :辅助电源切换电路；21a :分配电 路；21b :第一切换电路；21c :第二切换电路；22 :客车电源切换电路；22a :分配电路；22b : 第一切换电路；22c :第二切换电路；30 :控制部；100 :电力机车控制装置；120 :交流/直流 变流器；121 :VVVF逆变器；125 :平滑电路；126、127 :降压斩波器；128 :逆变器

【具体实施方式】
[0021] [实施方式1]
[0022] 参照附图详细说明实施方式1。另外，以下说明具有六台主电动机的电力机车，但 本申请不限于该方式。
[0023] 图1是示出实施方式1的电力机车控制装置100的构成的图。
[0024] 电力机车控制装置100包括：电力变换装置（PCC)lOa、10b、10c、切换装置20和控 制部30。
[0025] 电力变换装置10a( 10b、10c)，对经由交流架空线、变压器取入的电力进行变换，分 别控制驱动用电动机7a、8a (71^、813、7(3、8(3)的驱动动作。另外，电力变换装置10&(1013、 l〇c)把经由交流架空线、变压器取入的电力变换成辅助电源用的电力和客车电源用的电力 并输出。
[0026] 切换装置20选择分别从电力变换装置10a、10b、10c输出的辅助电源用的电力 11a、lib、11c内的两个电力。一个电力作为恒压恒频的电源供给到压缩机等的恒频负载。 另一个电力作为变压变频的电源供给到冷却用的吹风机等的变频负载。
[0027] 另外，切换装置20选择分别从电力变换装置10a、10b、10c输出的辅助电源用的电 力12a、12b、12c内的两个电力，作为客车用电源输出。客车用的电源向牵引的客车供给双 系统的直流600V。
[0028] 控制部30控制切换装置20的动作。切换装置20的动作见后述。
[0029] 然后，说明电力变换装置10a、10b、10c的构成和动作。另外，电力变换装置10a、 10b、10c是相同的构成，所以以电力变换装置10a为代表进行说明。
[0030] 电力变换装置10a包括：控制器la、主变换装置2a、主变换装置3a、降压电路4a、 辅助电源电路5a和客车电源电路6a。
[0031] 主变换装置2a、3a分别控制驱动用电动机7a、8a的驱动动作。降压电路4a把从 主变换装置2a、3a的交流/直流变流器取出的直流电力的电压(例如，1800V)降压到预定的 电压值(例如，600V)。然后，降压电路4a把降压得到的直流电力输出到辅助电源电路5a和 客车电源电路6a。
[0032] 辅助电源电路5a经由逆变器把直流电力变换成辅助电源用交流电力并输出到切 换装置20。客车电源电路6a把直流电力变换成客车电源用直流电力并输出到切换装置20。
[0033] 控制器la对电力变换装置10a的动作进行总体控制。主变换装置2a、3a的交流 /直流变流器和逆变器、辅助电源电路5a的逆变器、向辅助电源电路5a和客车用电源电路 6a供给直流电力的降压电路4a由IGBT等的开关元件构成。控制器la控制开关元件来控 制各个装置和电路的动作。
[0034] 图2是示出实施方式1的电力机车控制装置100的电力变换装置10a的详细的电 路构成的图。
[0035] 电力变换装置10a、10b、10c是相同的构成，所以以电力变换装置10a为代表进行 说明。另外，主变换装置2a和主变换装置3a是相同的构成，所以说明主变换装置2a。
[0036] 向变压器103的初级侧供给从架空线（未图示）经由动臂装置（pantograph,受电 弓）101取出的交流电力。被变压器103降压得到的交流电力经由设置在次级侧的接触器 104、充电电阻连接用接触器105、充电电阻106连接到交流/直流变流器120。
[0037] 如果驾驶员从驾驶台进行开始操作，则接触器105进行动作，充电电流经由充电 电阻106流过主电路，对电路的滤波电容器109充电。然后，接触器104在随后的定时进行 动作。
[0038] 变流器120是把输入的单相交流电压变换成直流电压(例如，1800V)的变换器，组 合变流器用的半导体元件107而构成。控制器la通过经由选通放大器(未图示）直接驱动 变流器用的半导体元件107,控制直流电压。
[0039] 在变流器120的后级（与变压器3相反的一侧）连接有平滑电路125、滤波电容器 109、降压斩波器126。降压斩波器126具有半导体元件110a、二极管110b、接地110c、电抗 器110d、电容器113。平滑电路125由电抗器、电容器构成，与滤波电容器109 -起把从变 流器120输出的直流电压的脉动成分平滑化。
[0040] VWF逆变器121具有6个半导体元件115。基于从VWF逆变器121的输入侧供 给的直流电压生成三相的交流电压。WVF逆变器121对直流电压以与应当输出的交流电 压的振幅对应的宽度的脉冲进行节取。控制器la通过经由选通放大器(未图示）直接驱动 VVVF逆变器用的半导体元件115,执行交流生成动作。然后，将这样生成的三相交流的电力 供给到驱动用电动机7a。
[0041] 在主变换装置2a侧的降压斩波器126中，半导体元件110a和二极管110b串联 连接到接地110C。通过使半导体元件ll〇a动作，利用半导体元件110a的开关把输入电压 (1800V)降压。然后，在电容器113的两端产生降压得到的直流电压（600V)。
[0042] 主变换装置3a侧的降压斩波器127也是，半导体元件111a和二极管111b串联 连接到接地111C。通过使半导体元件111a动作，利用半导体元件111a的开关把输入电压 (1800V)降压。然后，在电容器113的两端产生降压得到的直流电压（600V)。
[0043] 这样，由主变换装置2a侧的降压斩波器126产生的电压和由主变换装置3a侧的 降压斩波器127产生的电压作用到电容器113的两端。控制器la以均匀分配主变换装置 2a侧的直流电压（1800V)和主变换装置3a侧的直流电压（1800V)的方式控制降压斩波器 126U27的动作。该动作见后述。
[0044] 把降压斩波器的输出即直流电压输入两个系统。在一个系统中，逆变器128生成 三相交流电力。生成的电力经由三相滤波电路129作为辅助电源用电力输出。另外，也可 以在三相滤波电路129的后级设置绝缘变压器。而在另一个系统中，作为客车用电力输出 直流电压。在此，虽未图示，但可以包括平滑电路。
[0045] 另外，图1所示的框图和图2所示的电路如下对应。
[0046] 图1的主变换装置2a与图2所示的接触器105、充电电阻106、接触器104、变流器 120、平滑电路125、滤波电容器109、VVVF逆变器121对应。图1的降压电路4a与图2所 示的降压斩波器126、127对应。
[0047] 图1的辅助电源电路5a与图2所示的逆变器128、三相滤波电路129对应。图1 的客车电源电路6a在图2中不特别地设置电路元件，作为电容器113的输出即直流电力线 来表示，但像上述那样，客车电源电路6a可以包括平滑电路。
[0048] 图3是用来说明实施方式1的电力机车控制装置100的降压斩波器126、127的动 作的控制方法的图。
[0049] 在与降压斩波器126连接的电抗器的后级设置有电流检测器130,检测电流值II。 在与降压斩波器127连接的电抗器的后级设置有电流检测器131，检测电流值12。另外，通 过电压检测器DCPT113a检测电容器113的两端的电压V。
[0050] 控制器la控制降压斩波器126输出的电力W1 (=11 XV)和降压斩波器127输出 的电力W2 (=I2XV)。控制的电力W1、W2的合计值是供给到辅助电源负载和客车电源负载 的电力。于是，为了使各个降压斩波器126、127输出的电力均勻，控制器la把电力W1和W2 的平均值（=(W1+W2) /2)作为控制指令值来控制降压斩波器126U27的动作。
[0051] 接着说明切换装置20的动作。像上述那样，在现有的构成例中，搭载两台在一个 筐体内收存了三台主变换装置和一台辅助电源装置的电力变换装置（PCC)，进而在电力机 车内设置了两台客车电源装置。
[0052] 与此不同，在实施方式1中，是搭载三台在一个筐体内收存了两台主变换装置、一 台辅助电源装置和一台客车电源装置的电力变换装置（PCC)的构成。因此，与现有的构成 相比，增加了一台辅助电源装置和一台客车电源装置。
[0053] 在实施方式1中，增加的一台辅助电源装置和一台客车电源装置用作在驾驶中不 使用的待机装置。即，驾驶电力机车时，使六台主变换装置、两台辅助电源装置和两台客车 电源装置工作，一台辅助电源装置和一台客车电源装置处于待机状态。然后，在处于工作状 态的电源装置发生了故障时等的预定条件成立时，使处于待机状态的电源装置成为工作状 态而进行支持。切换装置20是用来进行这样的工作状态和待机状态的切换的装置。
[0054] 图4是用来说明实施方式1的电力机车控制装置100的切换装置的构成和动作的 图。图4 (1)是示出辅助电源切换电路21的构成的图，图4 (2)是示出客车电源切换电路 22的构成的图。
[0055] 以下，说明辅助电源切换电路21。
[0056] 从电力变换装置10a、10b输出的辅助电源用的电力11a、lib分别经由切断开关 BR1、BR2供给到低频负载、变频负载。另一方面，从电力变换装置10c输出的辅助电源用的 电力11c用作待机电力。处于待机状态(无负载）的电力11c经由第一切换电路21b与恒 频负载连接，经由第二切换电路21c与变频负载连接。在第一切换电路21b、第二切换电路 21c中设置有断续触点，通常断续触点是打开的。
[0057] 向恒频负载供给电力的电力变换装置10a发生故障时，切断开关BR1打开，第一切 换电路21b的断续触点连接，向恒频负载供给处于待机状态的电力变换装置10c的电力。 向变频负载供给电力的电力变换装置l〇b发生故障时，切断开关BR2打开，第二切换电路 21c的断续触点连接，向变频负载供给处于待机状态的电力变换装置10c的电力。切断开关 BR1、BR2、第一切换电路21b和第二切换电路21c的断续动作被控制部30自动控制。
[0058] 图4 (2)所示的客车电源切换电路22也是与上述辅助电源切换电路21同样的构 成、动作。另外，客车电源切换电路22与辅助电源切换电路21独立地动作。
[0059] 另外，作为变形例，也可以以可以适当变更电力变换装置10a、10b、10c和低频负 载、变频负载、无负载(待机状态）的连接的方式构成电力机车控制装置。
[0060] 图5是示出在变形例的电力机车控制装置100的辅助电源切换电路21中设置的 电路21a的构成的图。另外，为了简化说明，表示三相配线的三条线用一条线代表。
[0061] 在分配电路21a中设置有切断开关BR1、BR2、BR3和切换开关SW1、SW2、SW3。
[0062] 切断开关BR1、BR2、BR3分别使电力lla、llb、llc断续。分别在电力变换装置10a、 10b、10c发生故障时，切断开关BR1、BR2、BR3被控制部30或者说分别被控制器la、lb、lc 自动切断。另外，也可以通过电力机车的驾驶员的切断操作来切断切断开关BR1、BR2、BR3。
[0063] 切换开关SW1、SW2、SW3从三个端子T1、T2、T3中的某一个端子输出被输入的一个 信号。各个切换开关的输出在各个端子分别汇总成1个信号线。在图5中，端子Τ1与恒 频负载连接，端子Τ2与变频负载连接，端子Τ3连接为待机状态(无负载)。另外，切换开关 SW1、SW2、SW3可以构成为被控制部30自动切换，也可以构成为手动切换。例如，也可以在 列车接通电源时切换切换开关SW1、SW2、SW3,以使电力变换装置10a、10b、10c的使用负载 均匀。
[0064] 另外，关于客车电源切换电路22,也设置有进行与上述辅助电源切换电路21同样 的构成和动作的电路22a (未图示)。
[0065] 下面，说明实施方式1的电力机车控制装置起到的效果。
[0066][效果1 :装置的尺寸减小]
[0067] 图6是示意性地示出现有的电力变换装置和客车电源装置的构成的图。
[0068] 像上述那样，现有技术是，搭载两台收存了三台主变换装置和一台辅助电源装置 的电力变换装置，进而在电力机车内设置了两台客车电源装置。与此不同，在实施方式1的 电力机车控制装置中，电力变换装置从两台增加到三台，但是省略了辅助电源装置中的交 流/直流变流器、在其输入处设置的接触器、和主变压器的次级绕组。另外，省略了客车电 源装置(直流整流电路、在其输入处设置的接触器、和主变压器的次级绕组)。
[0069] 其结果，作为一例，装置的容积从约20m3减小到14m3,可以实现约30%的小型化。
[0070] 作为一例的具体情况，在现有的构成中，电力变换装置两台=15. 5m3、3(p滤波器两 台=0. 9m3、客车电源两台=3. 27m3,合计容积=19. 7m3。与此不同，在本申请的构成中，电力变 换装置三台=14. Om3。
[0071] [效果2:保养性提高]
[0072] 像上述那样，电源装置由开关元件构成，但作为抑制在IGBT开关时或通电时产生 的损失造成的发热的机构，现有技术中可以使用使水在各冷却器中循环而冷却的循环水 冷、或利用冷却风扇的空冷。在现有的构成中，电力变换装置是水冷，客车电源装置是空冷。 其理由是，一直以来，这些装置是作为分体、且以不同的冷却方式制造的这样的历史原因造 成的。
[0073] 在此，如果比较空冷方式和水冷方式，则从保养性的观点出发，一般水冷方式更简 便。在采用空冷方式时，需要在电源装置中设置风扇，而且需要清扫附着的灰尘等，与水冷 方式相比较，保养作业更麻烦。
[0074] 与此不同，在实施方式1中，可以把冷却方式全部统一成水冷方式。在该方式中， 只延长现有技术中使用的水冷管即可，而且维护保养也可以把水冷用设备作为对象而一体 地进行，而且，像上述那样，保养内容也更简便。因此，可以提高保养性。
[0075][效果3:可靠性提高]
[0076] 像上述那样，设置三套辅助电源装置和客车电源装置，形成一套作为备用的待机 系统。因此，可以提高装置的可靠性。而且，在待机系统中可以任意分配三套中的某一套， 例如，可以以使电源的使用率均匀的方式来使用。因此，可以进一步提高装置的可靠性。 [0077][效果4 :提高客车用电源输入功率]
[0078] 在现有的客车电源装置中，由于像图6所示那样使用直流整流电路，所以只可以 控制相位，不能进行功率因子的控制。与此不同，实施方式1中，客车用电源的交流侧输入 是主变换装置的交流/直流变流器。变流器可以控制电流，所以可以控制功率因子。从原 理上讲，功率因子可以控制为1，所以可以提高客车用电源的效率。
[0079] 通过由以上所述的实施方式1的电力变换装置、电源装置构成，可以减小电力机 车控制装置的尺寸，可以进一步得到各种效果。
[0080] 另外，作为用来减小尺寸的要素的技术思想，使用降压电路4a把从主变换装置2a 的变流器120取出的直流电力的电压降压到预定的电压值、向客车用电源负载供给降压 得到的直流电压、并使用逆变器把降压得到的直流电压变换成交流而供给到辅助用电源负 载。
[0081] 由此，现有的辅助电源装置和客车电源装置的至少一部分构成可以不要。
[0082] 另外，通过使主变换装置2a、降压电路4a、省略了至少一部分构成的辅助电源装 置和客车电源装置构成为一体，可以实现尺寸的减小。
[0083] 另外，本发明并不限定于上述实施方式本身，在实施阶段可以在不脱离其主要发 明构思的范围内使构成要素变形并具体化。
[〇〇84] 另外，可以利用上述实施方式中示出的多个构成要素的适当的组合形成各种发 明。例如，也可以从实施方式中示出的全部构成要素删除几个构成要素。而且，也可以把分 布在不同实施方式中的构成要素适当组合。
【权利要求】
1. 一种电力机车控制装置，其特征在于包括： 主变换装置，利用变流器把从架空线供给的交流电力变换成直流电力，利用逆变器把 该直流电力变换成控制驱动用电动机的交流电力； 降压电路，把上述直流电力的电压降压； 辅助电源电路，利用逆变器把上述降压得到的直流电力变换成交流电力，并供给到电 力机车内的包括压缩机在内的设备；以及 客车电源电路，把上述降压得到的直流电力供给到电力机车牵引的客车内的包括空调 装置在内的设备。
2. 如权利要求1所述的电力机车控制装置，其特征在于： 上述主变换装置、降压电路、辅助电源电路和客车电源电路设置在一个筐体内。
3. 如权利要求2所述的电力机车控制装置，其特征在于： 在上述筐体内设置有两台上述主变换装置和两台上述降压电路； 各个上述降压电路把各个上述主变换装置的直流电力的电压降压； 从各个降压电路输出的上述降压得到的电压一起输入到上述辅助电源电路和客车电 源电路； 进行控制以使各个降压电路的输出电力变得均匀。
4. 如权利要求3所述的电力机车控制装置，其特征在于： 在上述筐体内设置有控制上述主变换装置、降压电路、辅助电源电路的各个切换元件 的动作的控制器。
5. 如权利要求4所述的电力机车控制装置，其特征在于： 设置有三个上述筐体； 包括：切换电路，把从上述各个筐体的辅助电源电路或客车电源电路输出的三个电力 分配给不同的两个供给系统和备用的待机系统，在供给到上述两个供给系统中的一个系统 的电力变得异常时向该系统供给分配给上述待机系统的电力。
6. 如权利要求5所述的电力机车控制装置，其特征在于： 上述切换电路分别独立地切换从上述辅助电源电路输出的三个电力和从上述客车电 源电路输出的三个电力。
7. 如权利要求3所述的电力机车控制装置，其特征在于： 上述电力机车控制装置的冷却仅采用水冷方式。
8. -种电力机车控制方式，其特征在于： 利用变流器把从架空线供给的交流电力变换成直流电力，利用逆变器把该直流电力变 换成控制驱动用电动机的交流电力； 把上述直流电力的电压降压； 利用逆变器把上述降压得到的直流电力变换成交流电力，并供给到电力机车内的包括 压缩机在内的设备； 把上述降压得到的直流电力供给到电力机车牵引的客车内的包括空调装置在内的设 备。
【文档编号】B60L1/00GK104108319SQ201310529230
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2013年10月31日 优先权日:2013年4月16日
【发明者】户田伸一, 安冈育雄, 伊东正尚 申请人:株式会社东芝