专利名称：控制电力变换器的系统和方法
技术领域：
本发明涉及控制电力变换器(power converter)的系统和方法，更具体地涉及控制适用于铁路电力机车的电力变换器的系统和方法。
作为用于电力机车驱动系统的电力变换器，现有应用于交流电气铁路的AC-DC变换器或AC-DC变换器和DC-AC逆变器的组合和应用于直流电气铁路的DC-DC斩波器或AD-AC逆变器。
通常，人们往往通过停止施加门脉冲给用作电力变换器单元的逆变器或斩波器并同时断开插入主电路的线路断路器(line breaker)(LB)而获得电力机车的停止或惯性滑行。因而，在电力机车处于停止或惯性滑行时，即使门脉冲偶然提供给电力变换器单元，由于线路断路器保持断开也能防止电力机车失控。
顺便说，每当电力机车的电力运行或制动触点(notch)接通和断开时，线路断路器不断接入或断开，如果线路断路器有3，000，000次的寿命，则它能耐用约10年(300，000次/年)。因此，线路断路器的实用以其在每次电力机车的触点接通和断开时断路器相应接通和断开，而且必须要求具有高于1，000，000次的寿命为前提。
但是，可以想象，为了延长线路断路器的寿命，线路断路器可以保持闭合，即使当电力机车停止或滑行时，也只停止门脉冲的提供。但是，如果在线路断路器闭合时，门脉冲偶然提供，则就会引起电力机车失控的危险。
尤其是，在许多应用中，提供门脉冲据以产生的门控制信号的控制器，是由微机构成的，在该控制器数字输入口中失效和异常发生的可能性不能排除，结果，导致可能遭受电力机车失控的危险。
另一方面，电力变换器单元的操作开始命令一般是由电力机车的电池以100伏电压形式给出，这个操作开始命令在控制器内由100伏转换成5伏，然后提供给微机。
但是，与100伏相比，5伏要低得多，因此它易于受电噪声的干扰，从而具有引起控制器误动作而产生门控制信号的危险，使门驱动器错误地发出门脉冲。
JP-A-52-154017揭示了一项技术，它的目的在于即使在门脉冲放大器(门驱动器)中发生触点的熔合，也可以减少产生门脉冲的危险，通过操作禁止继电器触点的动作，切断门脉冲放大器的电源，此外，当跨接该继电器的电压消失时，门的截止也加到无触点的逻辑系统。
JP-A-63-276930揭示了一项技术，其中，对电力变换器除了开始/停止信号外还有一载波信号叠加在开始/停止信号上，同时在接收器中另外提供识别该载波的装置，从而改进可靠性。
根据JP-A-52-154017中揭示的技术，除了使用于操作/停止的继电器失电外，门驱动器提供双重截止给电源和逻辑系统，以防止提供给电力变换器门脉冲的产生。但是毫不夸张的说，通过门驱动器，确定门脉冲的禁止或允许是不可能实现的，尤其是在应用GTO和可控硅的电力变换器中，因为它招致那些元件的损坏。另外，此现有技术不检查提供给接通/断开开关S、用于操作继电器的命令本身，结果，例如，在产生提供给门驱动器的门控制信号(门脉冲根据它产生)的微机变得不正常或接收电力变换器开始/停止命令而动作的开关S被熔合时，仍存在即使没有开始/停止命令，门脉冲也会提供给电力变换器的危险性。
根据上述JP-A-63-276930中揭示的技术，从噪声中识别正常开始/停止信号的功能是能够得到保证的，但它不可能防止处于不正常或失误状态下的输入口，在识别正常开始/停止信号中产生错误，从而产生误动作。另外，发送器和接收器两者不可避免都是非常复杂的。
本发明的目的在于减少引起电力变换器错误动作的机会，当电力变换器开始命令被错误识别时，电力变换器的误操作就可能发生。
根据本发明的一个方面，提供两个输入装置，每个输入装置都接收电力变换器的开始命令;还提供当两个输入装置都确认接收到开始命令时，响应这一事实而产生门控制信号的装置，门脉冲信号是在门控制信号的基础上产生而提供给电力变换器的。
即使两个输入装置中有一个确认接收到开始命令，门控制信号(门脉冲信号是根据它提供给电力变换器的)也不产生，除非另一个输入装置也确认接收到开始命令。
因而，即使由于故障或噪声导致开始命令被错误识别，电力变换器也不会被错误启动，因而例如在铁路上电力机车的失控危险能显著减少。
图1是按照本发明的较佳实施例的电力机车控制系统的框图。
图2是该控制系统的门控制信号发生器(控制部分)的工作的流程图。
图3是说明该控制系统诊断部分的工作的流程图。
图4和图5是根据本发明的电力机车控制系统的其它实施例的框图。
下面参照附图通过最佳实施例对本发明加以详细描述。
图1是说明在直流电气铁路中，本发明应用于逆变器型电力机车或电动车辆的框图。
加到直流架空线1和轨道2的直流电压由导电弓架3和轮子4收集。该直流电压然后经在过电流或过电压等异常存在时能断开的线路断路器(LB)5和倒L型滤波器6，提供给使用GTO的可变电压、可变频率(VVVF)/脉宽调制(PWM)三相逆变器7。逆变器7的输出VVVF三相AC电流馈给主电动机8至11。
逆变器7接收来自门驱动器12的门脉冲信号13，以允许内部的GTO执行PWM控制。
门驱动器12根据由门控制信号发生器14提供的门控制信号15而工作，以放大用于在三相的每一相上和下GTO臂的门控制信号。
门控制信号发生器14包括一微机，微机中包括中央处理单元(CPU)141，存贮单元142，模拟输入口143，数字输入口144，门输出口145，串行传输单元146和计算机总线147。门控制信号发生器14的模拟输入口143接收与来自主控制器16的与触点位置成比例的直流电压触点信号17和正比于加载装置18的负载的直流电压的加载信号19。另一方面，数字输入口144(其输入方式在后面叙述)输入来自主控制器16的运行开始命令20和向前信号21或向后信号22。电动机转速信号，电动机电流信号和滤波器电容器(电源)电压信号也提供给门控制信号发生器14，以产生脉宽调制的门控制信号15(在整个已知的从VVVF到恒压变频(CVVF)控制的控制操作范围内)，这些信号与本发明没有直接关系，因而在图1中没有画出。
当用于提升导电弓架的开关23闭合时，用于提升导电弓架3的电磁阀的线圈24就由电池25供电，从而提升导电弓架。接着，当用于接通线路断路器5的开关26闭合时，接通线圈27通电，结果，线路断路器5接通而逆变器7连至电源。然后，只要与接通线圈串联的接点27不由于过电流或过电压而断开，该线路断路器5一直保持接通直到开关26在操作结束时被断开。
通过操纵换向器(未图示)，向前接点29(F)或向后接点30(R)接通，通过操纵主控制器16，电源运行或制动触点接通，致使继电器31能由运行开始命令信号20激励，继电器32能由向前信号激励，继电器33能由向后信号激励，由此，相应的接点31a、32a和33a被接通。在这时，命令信号从+5伏电源提供给门控制信号发生器14的数字输入口144。
在本实施例中，除上述结构外，还具有诊断部分34。该诊断部分34包括一微机，微机包括中央处理单元341，存贮单342，数字输入口343，数字输出口344，串行传输单元345和计算机总线346。
诊断部分34以下述方式诊断门控制信号发生器14的故障。
更具体地说，诊断部分34的数字输出口344在例如操作开始时，激励继电器35以打开其接点35b，由此使来自主控制器和换向器(未图示)的操作命令无效，以确保模拟命令信号36能提供给门控制信号发生器14的数字输入口144。这允许诊断部分34经其串行传输单元345接收来自发生器14的串行传输单元146的、门控制信号发生器14中的操作结果，并诊断门控制信号发生器是否正常。如果由诊断的结果确定，门控制信号发生器异常，则主电路中的线路断路器(LB)5切断。
另一方面，如前所述，在电动车主电路中的线路断路器5并不是在触点每次被主控制器接通和断开时均断开，而是在工作开始时接通并保持接通直到工作结束，除非发生例如过电流或过电压那样的异常。因此，存在这样的危险如果数字输入口144工作错误，门脉冲信号13即使在没有运行开始命令20时也会传送给逆变器7。
为了克服这个问题，在出现运行开始命令信号20时，继电器37接收该信号以闭合其触点37a，允许+5伏提供给诊断部分34的数字输入口343。接收到这个运行开始命令时，诊断部分34的CPU341工作以使串行传输单元345送出一个允许门控制信号产生的信号至门控制信号发生器14的串行传输单元146。这样，只有当接收提供给发生器14本身的运行开始命令信号和诊断部分34的许可信号时，门控制信号发生器14才被允许发出门控制信号15。
这样，甚至在没有运行开始命令信号时由于例如数字输入口144的故障而产生错误门脉冲13的机会显著减少，从而大大减少由于电力变换器(逆变器)7的错误启动而使电动车失控的危险。
图2是贮存在示于图1的门控制信号发生器14的存贮单元142中的、并由CPU141执行的程序的流程图。在步骤201，读出输入到数字输入口144的命令。接着，在步骤202，确定运行开始命令是否输入。如果没有输入运行开始命令，程序进至步骤203，在该步骤，输出-输出禁止命令至门输出口145。另一方面，如果运行开始命令被输入，程序进至步骤204，在该步骤，确定诊断部分34运行是否正常。有一类已知的监视器定时器(watchdog timer)可以令人满意的完成这个任务。如果诊断部分34功能不正常，则根据上述输入的运行开始命令，决定可以将输出许可命令提供给门输出口，程序进至步骤205。但如果诊断部分34被确定运行正常，则程序进至步骤206，在该步骤，读出由串行传输单元146接收的信号并在步骤207确定是否存在来自诊断部分34的串行传输单元345经发生器14的串行传输单元146接收的许可信号。如果确定的结果指示许可信号被输入，则程序进至上述步骤205，在该步骤，允许门控制信号的传送，但如果无许可信号输入，程序进至步骤203，在该步骤禁止门控制信号传送。
图3是表示贮存在示于图1的诊断部分34的存贮单元342并由CPU341执行的程序的流程图。
在步骤301，用作诊断接口的串行传输单元345和146以上述方式用于诊断门控制信号发生器14。如果在步骤302，确定门控制信号发生器14异常，则程序进至步骤303，在该步骤，主电路线路断路器(LB)5切断。这是因为只要LB保持接通，电源电压加到电力变换器7，如果在这个条件下，在门脉冲控制信号发生器14中发生异常，则存在由于错误的门脉冲错误起动电力变换器7而使电动车可能发生失控危险的很大的可能性。
如果，在步骤302，确定发生器14是正常的，则程序进至步骤304，在该步骤，读出提供给数字输入口343的命令。然后，在步骤305，确定是否输入运行开始命令20。如果无开始命令被输入，则不做任何事情且程序结束，但如果运行开始命令被输入，则程序进至步骤306，在该步骤许可信号经串行传输单元345传送至发生器14。
这样，即使数字输入口144例如工作错误且不管在图2的步骤202中已确定没有运行开始命令20的事实而错误地确定运行开始命令输入，在步骤207许可信号输入也会被拒绝，因而在步骤203给门输出口145以门停止的命令。于是，门脉冲信号13将不会意外地传送到逆变器7，从而防止电动车失控。诊断部分34具有诊断发生器或控制部分14的主要功能，但也可以只增加一个数字输入口的经济的方法增加防止电动车失控的功能。
图4表示本发明用于斩波型电动车的另一个实施例。这个实施例不同于图1的实施例之处在于，斩波器71代替逆变器用作电力变换器单元且直流电动机81、91、101和111用作电动机。
图5是本发明的又一个实施例，它与图1的实施例不同之处在于，变换器72用作电力变换器单元且电动机81、91、101和111被用作电动机。交流电源经线路断路器5和变压器50提供给变换器72。电抗器51、52、53和54插入变换器72和相应的直流电动机81、91、101和111之间以减少流经直流电动机的脉动成分。
如上所述，按照本发明，电源变换器的错误工作的可能性能显著减少。
权利要求
1.一种电力变换器控制系统，其特征在于，具有电力变换器，产生提供给所述电力变换器的控制信号的装置和对所述电力变换器产生开始命令的装置，所述控制系统还包括分别接收所述开始命令的两个输入装置；和响应所述两个输入装置均接收到所述开始命令的事实，允许所述控制信号加到所述电力变换器的装置。
2.如权利要求1所述的电力变换器控制系统，其特征在于，所述两个输入装置包括独立且不同的输入口。
3.一种电力变换器控制系统，其特征在于，它具有电力变换器，产生提供给所述电力变换器的控制信号的第一微机和将启动所述电力变换器的命令加给所述第一微机的装置，所述控制系统还包括一接收所述开始命令和当接收到所述开始命令时，允许所述第一微机提供所述控制信号的第二微机。
4.一种电力变换器控制系统，其特征在于，它具有电力变换器，产生提供给所述电力变换器的控制信号的第一微机和将启动所述电力变换器的命令加给所述第一微机的装置，所述控制系统还包括第二微机，所述第二微机提供模拟输入信号至所述第一微机，以根据响应所述模拟输入信号，所述第一微机提供的输出信号诊断所述第一微机并接收所述开始命令，在接收到所述开始命令时，允许所述第一微机提供所述控制信号。
5.一种电力变换器控制系统，其特征在于，它具有电力变换器，接收启动所述电力变换器的命令并据此产生提供给所述电力变换器的控制信号的装置，所述控制系统还包括，当接收所述开始命令时，允许将所述控制信号加到所述电力变换器的装置。
6.一种电力变换器控制系统，其特征在于它包括一电力变换器;和响应它接收到的启动所述电力变换器的命令、产生提供给所述电力变换器的控制信号的装置，所述控制信号产生装置包括当接收外部的许可信号时，允许提供所述控制信号的装置。
7.一种电力变换器控制系统，其特征在于，它具有电力变换器，产生提供给所述电力变换器的控制信号的装置和提供启动所述电力变换器的命令的装置，所述控制系统还包括在所述电力变换器的启动/停止的多次过程中，持续地把电源连接到所述电力变换器的主电路装置;两个独立地确认到所述开始命令的确认装置;和响应于两个所述确认装置均确认收到所述开始命令的事实，允许提供所述控制信号给所述电力变换器的装置。
8.一种电力机车控制系统，其特征在于，它具有电力变换器，由所述电力变换器馈电的驱动电动机、产生提供给所述电力变换器的控制信号的装置和在每当所述电力机车电力运行或制动发生时，产生启动所述电力变换器的命令的装置，所述控制系统还包括插入在所述电力变换器和电源之间的装置，该装置在工作开始时接通且通常地保持接通直到工作结束，但一旦发生异常，就切断主电路;双重确认收到启动所述电力变换器命令的装置;和响应双重确认的结果、允许提供所述控制信号至所述电力变换器的装置。
9.一种电力机车，其特征在于，它包括具有寿命为1，000，000次或小于它的主电路线路断路器;经所述线路断路器连接到电源的电力变换器;和具有错误脉冲传送防止装置的门控制器。
10.一种控制电力机车的方法，该电力机车具有一导电弓架、一线路断路器、具有电力变换器和与其串联的电动机的主电路、产生提供给所述电力变换器的控制信号的装置和启动/停止所述控制信号产生装置的主控制器;其特征在于，所述方法包括下列步骤提升所述导电弓架;接通所述线路断路器;使所述主控制器多次重复启动/停止所述控制信号产生装置，与此同时保持所述导电弓架提升和所述线路断路器接通;断开所述线路断路器;和降低所述导电弓架。
11.一种控制GTO型电力变换器的系统，其特征在于，它具有GTO型电力变换器，由所述电力变换器馈电的电动机，提供门脉冲信号至所述电力变换器的门驱动器，产生作为所述门脉冲基准的门控制信号的装置和提供启动所述电力变换器的命令至所述门控制信号发生装置的第一输入装置，所述系统还包括具有第二输入装置的、且能向所述门控制信号产生装置发送一个表示所述第二输入装置接收到所述开始命令这一事实的信号的装置;和设置在所述门控制信号产生装置中的、且响应于所述第一输入装置接收到所述开始命令和从所述发送装置接收到所述发送信号的这一事实，向所述门驱动器提供所述门控制信号的装置。
12.一种电力变换器控制系统，其特征在于包括分别接收同一输入信号的两个输入装置;和响应于所述两个输入装置均接收到所述输入信号这一事实、产生门控制信号的装置。
13.一种诊断控制装置异常的装置，其特征在于包括提供模拟输入信号至所述控制装置且接收所述控制装置的输出情况以诊断所述控制装置异常的、且接收与提供给所述控制装置的同样的开始命令的装置;和响应接收到的所述开始命令、允许所述控制装置发出输出控制信号的装置。
14.一种电力变换器控制系统，其特征在于，它具有电力变换器和产生提供给所述电力变换器的控制信号的装置，所述系统还包括在多次启动/停止所述电力变换器整个期间连续地把电源连接到所述电力变换器的主电路装置;和响应经诊断，所述控制信号产生装置被确定为异常这一事实，切断所述主电路装置的装置。
全文摘要
在一个主电路中，电源、线路断路器、电力变换器和电动机串联。该线路断路器在工作开始时接通并保持接通直到工作结束，除非由于例如过电流而被意外断开。一控制装置包括控制信号发生器和诊断部分。当操作者发出一个运行开始命令时，控制信号产生器和诊断部分分别接收该命令。当接收该命令时，诊断部分发送一个许可信号至控制信号产生器。在控制信号产生器本身接收到运行开始命令和许可信号的条件下，控制信号产生器才提供门信号至电力变换器。
文档编号B60L9/22GK1049940SQ9010740
公开日1991年3月13日 申请日期1990年8月29日 优先权日1989年8月30日
发明者坂本英雄, 冈松茂俊, 小竹一嘉 申请人:株式会社日立制作所