車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供沿設(shè)置有提供第一單相交流電的第一電車線的路線和設(shè)置有提供頻率比第一單相交流電高的第二單相交流電的第二電車線的路線行駛的車輛的車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠通過如下結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)：第一電力變換裝置，將從第一電車線或第二電車線提供的單相交流電變換為直流電，并輸出到直流電力線；第二電力變換裝置，將輸出到直流電力線的直流電變換為三相交流電；車輛驅(qū)動(dòng)用的電動(dòng)機(jī)，被提供該三相交流電；諧振濾波器，與第一電力變換裝置并聯(lián)地連接于直流電力線，在第一單相交流電的二倍的頻帶具有諧振點(diǎn)；電壓檢測器，檢測直流電力線的電壓；脈動(dòng)抑制單元，根據(jù)電壓檢測器的檢測值來控制第二電力變換裝置的輸出，抑制疊加于三相交流電的脈動(dòng)。
【專利說明】
車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及車輛的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，特別是涉及抑制發(fā)生在交流電車的主變換器的跳動(dòng) (t''一卜)現(xiàn)象的控制技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 以從交流架線供給的電力為輸入的鐵道車輛的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由將單相交流電變換為 直流電的轉(zhuǎn)換器、將由轉(zhuǎn)換器所輸出的直流電變換為任意頻率的三相交流電的逆變器、以 及通過由逆變器輸出的交流電而驅(qū)動(dòng)的主電動(dòng)機(jī)構(gòu)成。此外，將連接轉(zhuǎn)換器與逆變器的直 流電路稱作直流級(jí)。
[0003] 直流級(jí)的電壓由于對(duì)從架線供給的單相交流電壓進(jìn)行全波整流而生成，因此具有 交流架線頻率的2倍的頻率疊加的性質(zhì)。另一方面，若由逆變器將直流電壓變換為交流電 壓，則在逆變器的輸出電壓中出現(xiàn)逆變器基波的頻率和所述直流電壓的振動(dòng)頻率的和與差 的分量。特別是關(guān)于頻率的差的分量，已知逆變器基波的頻率與直流電壓的振動(dòng)頻率越接 近則該差的頻率分量越低，與此相應(yīng)地主電動(dòng)機(jī)的阻抗也下降，因而主電動(dòng)機(jī)的電流在該 差的頻率下出現(xiàn)脈動(dòng)。該脈動(dòng)一般被稱為跳動(dòng)現(xiàn)象。
[0004] 作為抑制上述跳動(dòng)現(xiàn)象的方法，存在設(shè)置以交流架線的2倍的頻率為諧振點(diǎn)的諧 振濾波器的方法、通過逆變器的開關(guān)動(dòng)作控制對(duì)逆變器的輸出電壓的頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)來抑制 逆變器的輸出電壓的跳動(dòng)現(xiàn)象的頻率分量的無拍頻(beatless)控制等方法。設(shè)置諧振濾波 器的方法在專利文獻(xiàn)KEP1288060A)中已被公開，而關(guān)于無拍頻控制，在專利文獻(xiàn)2(JP特開 平11-164565)中公開了其構(gòu)成。
[0005] 專利文獻(xiàn)
[0006] 專利文獻(xiàn) 1:EP1288060A
[0007] 專利文獻(xiàn)2: JP特開平11-164565號(hào)公報(bào)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 但是上述各專利文獻(xiàn)1、2所記載的抑制跳動(dòng)現(xiàn)象的技術(shù)中存在以下所述的課題。
[0009] 首先，在使用專利文獻(xiàn)1所記載的諧振濾波器的情況下，沿由交流架線的頻率不同 的多個(gè)區(qū)間構(gòu)成的路線進(jìn)行行駛，以多個(gè)頻率的交流電為電源的交流電車需要搭載與各個(gè) 頻率相匹配的諧振濾波器，有車上設(shè)備(諧振濾波器)大型化這樣的問題。
[0010] 另一方面，在使用專利文獻(xiàn)2所記載的無拍頻控制的情況下，若在從頻率低的交流 電源接受電力供給時(shí)，不使直流級(jí)的對(duì)轉(zhuǎn)換器與逆變器進(jìn)行并聯(lián)連接的平滑電容器的靜電 電容足夠大，則不能抑制逆變器的輸出電壓的脈動(dòng)。因此，在從頻率低的交流電源接受電力 供給的情況下，為了使輸出的交流電壓穩(wěn)定，需要增大直流級(jí)的平滑電容器的靜電電容，有 車上設(shè)備(平滑電容器)大型化這樣的問題。
[0011] 用于解決課題的手段
[0012] 為了解決上述課題，采用專利請求范圍所記載的構(gòu)成。
[0013] -種車輛的車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，所述車輛沿設(shè)置有提供第一單相交流電的第一電車線 的路線、和設(shè)置有提供頻率比所述第一單相交流電的頻率高的第二單相交流電的第二電車 線的路線行駛，所述車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特征在于，具備:第一電力變換裝置，其將從所述第一 電車線或者所述第二電車線提供的單相交流電變換為直流電，并輸出到直流電力線;第二 電力變換裝置，其將輸出到所述直流電力線的所述直流電變換為三相交流電；車輛驅(qū)動(dòng)用 的電動(dòng)機(jī)，其被提供該三相交流電；諧振濾波器，其與所述第一電力變換裝置并聯(lián)地連接于 直流電力線，在所述第一單相交流電的二倍的頻帶具有諧振點(diǎn)；電壓檢測器，其檢測所述直 流電力線的電壓;和脈動(dòng)抑制單元，其根據(jù)所述電壓檢測器的檢測值來控制所述第二電力 變換裝置的輸出，抑制疊加于所述三相交流電的脈動(dòng)。
[0014] 發(fā)明效果
[0015] 根據(jù)本發(fā)明，能夠?qū)崿F(xiàn)使沿頻率不同的多個(gè)區(qū)間運(yùn)行的交流電車的車上設(shè)備小型 化。
【附圖說明】
[0016]圖1是表不第一實(shí)施例中的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成的圖。
[0017] 圖2是表示第二實(shí)施例的構(gòu)成的圖。
[0018] 圖3是表示第三實(shí)施例的構(gòu)成的圖。
[0019] 圖4是表示第一實(shí)施例中的電源頻率與平滑電容器靜電電容的關(guān)系的圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 以下，參照附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說明。
[0021] 【實(shí)施例1】
[0022]使用圖1來說明本發(fā)明中的第1實(shí)施例。圖1中示出本實(shí)施例中的車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的 構(gòu)成。
[0023] 1是集電裝置，2是變壓器，5是轉(zhuǎn)換器，構(gòu)成轉(zhuǎn)換器5的5&、513、5〇、5(1是轉(zhuǎn)換器5的開 關(guān)元件，6是諧振濾波器電路，構(gòu)成諧振濾波器電路6的6a是諧振電抗器，6b是諧振電容器，8 是平滑電容器，9是逆變器，構(gòu)成逆變器9的9&、％、9(：、9(1、％、9€是逆變器9的開關(guān)元件，11是 電動(dòng)機(jī)，21是車輪。
[0024] 此外，3是測量變壓器2的二次側(cè)電壓的電壓檢測器，4是測量變壓器2的二次側(cè)電 流的電流檢測器，7是測量平滑電容器8的兩端電壓的電壓檢測器，10是測量主電動(dòng)機(jī)11的 電流的電流檢測器。
[0025] 進(jìn)而，22是第一交流電源，23是頻率與第一交流電源22不同的第二交流電源，24是 將第一交流電源22的電力供給到車輛的第一電車線，25是將第二交流電源23的電力供給到 車輛的第二電車線，26是對(duì)第一電車線24和第二電車線25進(jìn)行絕緣的無電化區(qū)間，27是車 輛的軌道。
[0026] 在本實(shí)施例中，作為一例，轉(zhuǎn)換器5設(shè)為了 2電平單相全橋的電力變換裝置，逆變器 9設(shè)為了 2電平三相全橋的電力變換裝置，但轉(zhuǎn)換器以及逆變器也能夠由除此以外的形態(tài)的 電力變換裝置例如三電平電路來構(gòu)成。
[0027] 本驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是用于使車輛加速以及減速的裝置，車輛使從第一交流電源22供給的 交流電經(jīng)由電車線24和軌道27、或者從第二交流電源23供給的交流電經(jīng)由電車線25和軌道 27而從集電裝置1以及車輪21輸入。在加速時(shí)，將該輸入的交流電由主變壓器2進(jìn)行降壓，由 轉(zhuǎn)換器5變換為直流電。變換為直流的電力由平滑電容器8進(jìn)行平滑之后，由逆變器9逆變換 為交流電，供給到主電動(dòng)機(jī)11，由此通過可變速驅(qū)動(dòng)使車輛加速。
[0028] 此外在減速時(shí)，通過主電動(dòng)機(jī)11的再生制動(dòng)而產(chǎn)生的交流電由逆變器9變換為直 流電。變換為直流的電力由平滑電容器8進(jìn)行平滑之后，由轉(zhuǎn)換器5逆變換為交流電，由主變 壓器2升壓之后，從集電裝置返回到電車線24或者電車線25。
[0029]從該頻率不同的電車線24與電車線25的哪一方正在接受電力的供給的識(shí)別能夠 通過探測基于電壓檢測器3的電壓的頻率來進(jìn)行，此外也可以使用車輛的位置檢測技術(shù)。作 為該位置檢測單元，可以應(yīng)用使用了未圖示的軌道電路的檢測單元、使用了累計(jì)車輛的速 度信息而求得的行駛距離信息的檢測單元、或使用了 GPS的檢測單元。后述的基于諧振濾波 器以及無拍頻控制部的跳動(dòng)抑制功能，能夠根據(jù)通過這樣的電壓檢測器、位置檢測技術(shù)而 識(shí)別出的電源進(jìn)行切換。假設(shè)電車線24的電源頻率低于電車線25的電源頻率的情況下，在 判斷為從電車線25正在接受電力供給的情況下，使無拍頻控制部進(jìn)行動(dòng)作，進(jìn)行基于無拍 頻控制的脈動(dòng)抑制。此外，在判斷為從電車線24正在接受電力供給的情況下，通過諧振濾波 器來進(jìn)行脈動(dòng)抑制。在進(jìn)行基于諧振濾波器的脈動(dòng)抑制的情況下，由于不需要無拍頻控制， 因此可以使無拍頻控制停止，但也可以不停止而照舊使其動(dòng)作。
[0030] 接下來，該圖的100是進(jìn)行轉(zhuǎn)換器5的電力變換控制的轉(zhuǎn)換器控制裝置。101是電源 相位檢測器，102是正弦波產(chǎn)生器，103和106、108是減法器，104是電壓控制器，105是乘法 器，107是電流控制器，109是PWM控制器。
[0031] 轉(zhuǎn)換器控制裝置100由電壓檢測器3來檢測主變壓器2的二次側(cè)電壓，由電源相位 檢測器101來檢測其電氣角。正弦波產(chǎn)生器102基于該電氣角的信息以與電源電壓相同相位 生成振幅為1的正弦波。
[0032]與此并行地，由電壓檢測器7來檢測平滑電容器8的直流電壓Ed，由減法器103從直 流電壓指令Ed*中減去直流電壓Ed。電壓控制器104基于該減法運(yùn)算結(jié)果，生成用于使直流 電壓Ed與指令值Ed * -致的二次電流有效值指令I(lǐng)s *。由乘法器105對(duì)該指令I(lǐng)s *與正弦 波產(chǎn)生器102所產(chǎn)生的正弦波進(jìn)行相乘，生成主變壓器2的二次電流指令is*。該二次電流 指令is *與主變壓器2的二次電壓為同相位，由此控制轉(zhuǎn)換器5的輸入以使其成為功率因數(shù) 1〇
[0033] 然后，由減法器106對(duì)二次電流指令is *與由電流檢測器4檢測的二次電流is進(jìn)行 減法運(yùn)算。電流控制器107基于該減法運(yùn)算結(jié)果，生成交流電壓指令ec。然后，由減法器107 從二次電壓es中減去交流電壓指令ec，基于該減法運(yùn)算結(jié)果由PWM控制器109生成轉(zhuǎn)換器脈 沖指令Sc。
[0034] 將該轉(zhuǎn)換器脈沖指令Sc輸入到轉(zhuǎn)換器5,基于轉(zhuǎn)換器脈沖指令Sc使5a~5d進(jìn)行開 關(guān)動(dòng)作，由此將直流電壓Ed控制為恒定。
[0035] 進(jìn)而，該圖的200是進(jìn)行逆變器9的電力變換控制的逆變器控制裝置，201是坐標(biāo)變 換器，202和203是減法器，204是電流控制器，205是無拍頻控制器，206是加法器，207是PWM 控制器。
[0036] 逆變器控制裝置200將由電流檢測器10所檢測出的三相交流電流iu、iv、iw輸入到 坐標(biāo)變換器201而生成d軸電流Id和q軸電流Iq。由減法器202從d軸電流指令I(lǐng)d *中減去d軸 電流Id，由減法器203從q軸電流指令I(lǐng)q*中減去q軸電流Iq。電流控制器204基于由減法器 202和減法器203分別計(jì)算出的減法運(yùn)算結(jié)果，來計(jì)算主電動(dòng)機(jī)11的可變速運(yùn)轉(zhuǎn)所需要的調(diào) 制率Vc、輸出頻率Fi、輸出偏角δ。無拍頻控制器205基于由電壓檢測器7所檢測出的平滑電 容器8的直流電壓Ed來輸出輸出頻率的校正值△ Fi，加法器206將輸出頻率Fi與校正值Δ Fi 進(jìn)行相加來生成輸出頻率指令Fi *。然后，PWM控制器207基于調(diào)制率Vc、輸出頻率指令 Fi*、輸出偏角δ來生成逆變器脈沖指令Si，并輸入到逆變器9,由此使主電動(dòng)機(jī)11進(jìn)行驅(qū) 動(dòng)。
[0037] 在此，在搭載了與多個(gè)頻率的交流電的頻率相匹配的多個(gè)諧振濾波器的情況下， 存在車上設(shè)備（諧振濾波器)大型化這樣的課題，在使用無拍頻控制的情況下，需要準(zhǔn)備頻 率低的交流電源，增大直流級(jí)的平滑電容器的靜電電容，存在車上設(shè)備(平滑電容器)大型 化這樣的課題。此外，作為增大平滑電容器的靜電電容的情況下的其他問題，存在如下這樣 的問題，即在轉(zhuǎn)換器或逆變器的短路故障時(shí)流動(dòng)的放電電流變大，二次故障的風(fēng)險(xiǎn)增大。
[0038] 為此，詳細(xì)內(nèi)容在后面敘述，但本實(shí)施例的特征在于，在行駛于具有2種類以上的 電源頻率的路線的鐵道車輛中，為了抑制因疊加于直流電壓的交流電源電壓的2倍的頻率 的脈動(dòng)而引起的在主電動(dòng)機(jī)11的電流出現(xiàn)的跳動(dòng)現(xiàn)象，具備諧振濾波器6和無拍頻控制器 205的雙方，針對(duì)頻率最低的架線電壓，使用諧振點(diǎn)成為交流電源電壓的2倍的頻率的諧振 濾波器6來抑制疊加于直流電壓的交流電源電壓的2倍的頻率的脈動(dòng)，并且針對(duì)除此以外的 頻率的架線電壓，通過逆變器的開關(guān)動(dòng)作控制即無拍頻控制來抑制在主電動(dòng)機(jī)的電流產(chǎn)生 的脈動(dòng)。
[0039]作為一例，若考慮將本發(fā)明應(yīng)用于沿著作為交流電源而具有16.7Hz和50Hz這2種 的路線行駛的鐵道車輛的情況，則針對(duì)頻率較低的16.7Hz的交流電源，通過作為硬件的諧 振濾波器來抑制疊加于直流電壓的交流電源電壓的2倍的頻率的脈動(dòng)，并且針對(duì)頻率較高 的50Hz的架線電壓，通過作為軟件的無拍頻控制來抑制在主電動(dòng)機(jī)的電流產(chǎn)生的脈動(dòng)。 [0040]首先，以下對(duì)直流級(jí)中沒有諧振濾波器6的情況下的直流電壓Ed的脈動(dòng)進(jìn)行說明。 [0041 ]交流車的直流電壓Ed的脈動(dòng)有因轉(zhuǎn)換器5的整流所引起的脈動(dòng)和因逆變器9的電 壓變換而引起的脈動(dòng)。
[0042] 轉(zhuǎn)換器5的整流所引起的脈動(dòng)是由于單相交流的整流而產(chǎn)生的，該脈動(dòng)的主要頻 帶成為架線電壓的2倍的頻率。式（1)中示出此時(shí)的直流電壓Ed的脈動(dòng)與無拍頻控制所需要 的平滑電容器8的靜電電容的關(guān)系。
[0043]
[0044] 在此，AEcf是直流電壓的脈動(dòng)寬度，P是車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的最大電力，coc是架線電 壓的角頻率，Cf是平滑電容器8的靜電電容，Ecf是直流電壓的直流分量。
[0045] 從式(1)可知，直流電壓的脈動(dòng)寬度△ Ecf與架線電壓的交流頻率coc成反比例。
[0046] 另一方面，逆變器的電壓變換所引起的脈動(dòng)是由于將直流變換為三相交流而產(chǎn)生 的，該脈動(dòng)的主要頻帶成為逆變器的輸出頻率的6倍的頻率。式(2)中示出此時(shí)的直流電壓 的脈動(dòng)與無拍頻控制所需要的平滑電容器8的靜電電容的關(guān)系。
[0047]
[0048] 在此，coi是逆變器的輸出電力成為最大的點(diǎn)的角頻率。在直流級(jí)中沒有諧振濾波 器6的系統(tǒng)中，由于需要通過逆變器的無拍頻控制來抑制逆變器的交流輸出電壓的脈動(dòng)，因 此需要具有式(1)和式(2)所示的平滑電容器的靜電電容Cf。因此，在交流架線為2種的路線 例如交流架線的頻率為16.7Hz和50Hz的情況下，需要針對(duì)下述的3個(gè)直流電壓脈動(dòng)，使用無 拍頻控制來抑制逆變器的交流輸出電壓的脈動(dòng)。
[0049 ] (a)架線頻率16.7Hz的情況下的轉(zhuǎn)換器5的整流所引起的直流電壓脈動(dòng)
[0050] (b)架線頻率50Hz的情況下的轉(zhuǎn)換器5的整流所引起的直流電壓脈動(dòng)
[0051] (c)逆變器動(dòng)作中的直流電壓脈動(dòng)成為最大的條件下的直流電壓脈動(dòng)
[0052] 在此，所謂的逆變器動(dòng)作中的直流電壓脈動(dòng)成為最大的條件，是指逆變器9的輸出 電壓成為最大的情況。鐵道車輛的逆變器裝置為了提高電壓利用效率而以與額定速度的一 半程度相對(duì)應(yīng)的逆變器頻率Fi使輸出電壓飽和，在更高的速度時(shí)僅控制逆變器頻率Fi。將 該輸出電壓飽和的速度稱為V/f終端速度，在高于該終端速度的速度時(shí)逆變器的輸出電力 成為最大，直流電壓的脈動(dòng)寬度A Ecf也成為最大。
[0053] 以下對(duì)此時(shí)無拍頻控制所需要的平滑電容器8的靜電電容Cf進(jìn)行說明。
[0054]將疊加于直流電壓Ed的脈動(dòng)率設(shè)為k，想要使由于轉(zhuǎn)換器動(dòng)作而產(chǎn)生的脈動(dòng)寬度 成為△ Ecf以下的情況下的無拍頻控制所需要的平滑電容器8的靜電電容Cf成為式(3)。
[0055]
[0056] 此外，想要使由于逆變器動(dòng)作而產(chǎn)生的脈動(dòng)寬度成為△ Ecf以下的情況下的無拍 頻控制所需要的平滑電容器8的靜電電容Cf成為式(4)。
[0057]
[0058]例如，在諧振濾波器6未連接到直流級(jí)的車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，就對(duì)于成為P= 1630kW、 ECf· = 2400V、k<0.04的條件進(jìn)行了研究的情況而言，針對(duì)上述3個(gè)直流電壓脈動(dòng)(a)~(C)， 使用無拍頻控制來抑制逆變器的交流輸出電壓的脈動(dòng)所需要的平滑電容器的靜電電容Cf 如下所述。
[0059] (a)對(duì)于架線頻率為16.7Hz的情況而言，由于式⑶中的架線頻率為ω c = 2 X π X 16.7rad/s，因此針對(duì)架線頻率為16.7Hz的情況下的轉(zhuǎn)換器5的整流所引起的直流電壓脈 動(dòng)，使用無拍頻控制來抑制逆變器的交流輸出電壓的脈動(dòng)所需要的平滑電容器8的靜電電 容為 Cf>28800yF。
[0060] (b)對(duì)于架線頻率為50Hz的情況而言，由于式（3)中的架線頻率為c〇c = 2X 31 X 50rad/s，因此針對(duì)架線頻率為50Hz的情況下的轉(zhuǎn)換器5的整流所引起的直流電壓脈動(dòng)，使 用無拍頻控制來抑制逆變器的交流輸出電壓的脈動(dòng)所需要的平滑電容器8的靜電電容為Cf >9600uF〇
[0061] (c)對(duì)于逆變器動(dòng)作中的直流電壓脈動(dòng)成為最大的情況而言，在V/f終端的輸出電 力成為最大時(shí)，基于逆變器動(dòng)作的直流電壓脈動(dòng)A Ecf成為最大，式(4)中的逆變器動(dòng)作頻 率Fi為50Hz，各頻率為ω i = 2 X π X 50rad/s，因而針對(duì)基于逆變器動(dòng)作的直流電壓脈動(dòng)，使 用無拍頻控制來抑制逆變器的交流輸出電壓的脈動(dòng)所需要的平滑電容器的靜電電容為Cf >3200yF〇
[0062] 如上所述，針對(duì)在由轉(zhuǎn)換器將頻率較低的16.7Hz的交流電壓變換為直流電壓時(shí)產(chǎn) 生的直流電壓脈動(dòng)，使用無拍頻控制來抑制逆變器的交流輸出電壓的脈動(dòng)所需要的平滑電 容器8的靜電電容Cf最大，針對(duì)在隨后由轉(zhuǎn)換器將頻率50Hz的交流電壓變換為直流電壓時(shí) 產(chǎn)生的直流電壓脈動(dòng)，使用無拍頻控制來抑制逆變器的交流輸出電壓的脈動(dòng)所需要的平滑 電容器8的靜電電容Cf較大，針對(duì)由于逆變器動(dòng)作而產(chǎn)生的直流電壓脈動(dòng)成為最大的條件 下的直流電壓脈動(dòng)，使用無拍頻控制來抑制逆變器的交流輸出電壓的脈動(dòng)所需要的平滑電 容器8的靜電電容Cf最小。
[0063] 圖4中示出針對(duì)該直流電壓脈動(dòng)，使用無拍頻控制來抑制逆變器的交流輸出電壓 的脈動(dòng)所需要的電源頻率與平滑電容器8的靜電電容的關(guān)系。橫軸為電源頻率，縱軸為平滑 電容器8的靜電電容。該圖基于式(3)。針對(duì)疊加于直流電壓的脈動(dòng)分量，對(duì)使用無拍頻控制 來抑制逆變器的交流輸出電壓的脈動(dòng)所需要的平滑電容器的靜電電容進(jìn)行了估算。計(jì)算條 件使用了上述(a)和(b)的值。
[0064] 根據(jù)該結(jié)果可知，使用無拍頻控制來抑制由于轉(zhuǎn)換器動(dòng)作而產(chǎn)生的脈動(dòng)所需要的 平滑電容器8的靜電電容與電源的頻率成反比例關(guān)系。因此，針對(duì)交流架線的頻率較低的 16.7Hz的2倍的頻率(低頻率），通過調(diào)整諧振濾波器6的諧振特性，從而抑制直流電壓的脈 動(dòng)。另一方面，針對(duì)交流架線的頻率較高的50Hz的2倍的頻率(高頻），通過應(yīng)用無拍頻控制 而使直流電壓的脈動(dòng)A Ecf不傳到逆變器輸出側(cè)的主電動(dòng)機(jī)11。像這樣，通過具備諧振濾波 器6和無拍頻控制功能，使諧振濾波器6的諧振特性與頻率最低的直流電壓脈動(dòng)一致，從而 能夠如圖4所示那樣，將平滑電容器8所需要的靜電電容抑制為約1/3以下。
[0065] 在此，無拍頻控制所需要的靜電電容能夠由平滑電容器8和諧振濾波器6的諧振電 容器6b的靜電電容分擔(dān)，因而諧振電容器6b所需要的靜電電容成為式(5)。
[0066]
[0067] 在此，Clc是諧振電容器6b的靜電電容。
[0068] 進(jìn)而，諧振電抗器6a的電感以及諧振電容器6b的靜電電容的關(guān)系由于只要將諧振 濾波器6的諧振點(diǎn)規(guī)定為架線頻率16.7Hz的2倍即可，因此只要滿足式(6)的關(guān)系即可。
[0069]
[0070]在此，Lie是諧振電抗器6a的電感。
[0071] 因此，本實(shí)施例中的諧振電抗器6a的電感對(duì)式(6)進(jìn)行展開而由式(7)規(guī)定。
[0072]
[0073] 通過采用上述構(gòu)成，只要平滑電容器8的靜電電容Cf確定，便能夠確定諧振電容器 6b的靜電電容Clc和諧振電抗器6a的電感Lie，能夠?qū)崿F(xiàn)以多個(gè)頻率為電源的車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 的裝置容積與重量的小型化、最佳化。
[0074]另外，針對(duì)架線頻率為16.7Hz的情況下的轉(zhuǎn)換器5的整流所引起的直流電壓脈動(dòng)， 使用無拍頻控制來抑制逆變器的交流輸出電壓的脈動(dòng)所需要的平滑電容器8的靜電電容Cf >28800yF，與抑制架線頻率16.7Hz的2倍的脈動(dòng)分量所需要的諧振電容器6b的靜電電容、 針對(duì)50Hz的2倍的脈動(dòng)分量使用無拍頻控制來抑制逆變器的交流輸出電壓的脈動(dòng)所需要的 平滑電容器8的靜電電容Cf>9600yF相比非常大。因此，分別具備抑制架線頻率16.7Hz的2 倍的脈動(dòng)分量所需要的諧振電容器6b的靜電電容、以及針對(duì)50Hz的2倍的脈動(dòng)分量使用無 拍頻控制來抑制逆變器的交流輸出電壓的脈動(dòng)所需要的平滑電容器8的靜電電容Cf >9600 yF，能夠減小作為系統(tǒng)整體所需要的電容器的靜電電容。
[0075] 此外，在轉(zhuǎn)換器5或逆變器9發(fā)生了短路故障時(shí)，在故障部位由平滑電容器8蓄積的 電荷被放電，事故電流會(huì)流過故障部位，但根據(jù)上述構(gòu)成，由于能夠減小平滑電容器的靜電 電容，因此能夠抑制電流，能夠防止裝置的二次破壞。
[0076] 【實(shí)施例2】
[0077] 使用圖2來說明本發(fā)明中的第2實(shí)施例。圖2中示出本實(shí)施例的構(gòu)成。
[0078] 該圖中與圖1相同的部分以相同標(biāo)號(hào)表不，省略該部分的說明。
[0079] 該圖的12表示諧振濾波器，諧振濾波器12由諧振電抗器12a、與諧振電抗器12a串 聯(lián)連接的諧振電容器12b、與諧振電抗器12a并聯(lián)連接的接觸器12c構(gòu)成。
[0080] 諧振濾波器電路12具有如下特長:針對(duì)實(shí)施例1的諧振濾波器電路6,按照從外部 輸入的接通斷開指令來接通接觸器12c，由此能夠使諧振濾波器的電抗器短路。
[0081] 本實(shí)施例中的車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在行駛于具有2種以上的電源頻率的路線的鐵道車輛 中，為了抑制因疊加于直流電壓的電源頻率的2倍的頻率的脈動(dòng)而引起的在主電動(dòng)機(jī)11的 電流出現(xiàn)的跳動(dòng)現(xiàn)象，具備諧振濾波器電路12和無拍頻控制器205的雙方，在這一點(diǎn)上與實(shí) 施例1相同，但作為諧振濾波器12的構(gòu)成部件，除了包含諧振電抗器12a和諧振電容器12b以 外，還包含接觸器12c 〇
[0082] 在本實(shí)施例中，根據(jù)交流電源的電源頻率來切換直流級(jí)電壓的脈動(dòng)抑制的方式。 諧振濾波器12的諧振頻率與實(shí)施例1同樣地，按照多個(gè)交流電源中最低的頻率的2倍決定諧 振濾波器12(諧振電抗器12a與諧振電容器12b的串聯(lián)連接體)的諧振頻率來進(jìn)行脈動(dòng)抑制， 關(guān)于除此以外的交流電源的頻率，由無拍頻控制器205來抑制。
[0083] 無拍頻控制器205根據(jù)由電壓檢測器7測量出的疊加于平滑電容器8的電壓的脈動(dòng) 的頻率，來切換基于諧振濾波器12的脈動(dòng)抑制和基于無拍頻控制的抑制。
[0084]在接觸器12c接通的狀態(tài)下由電壓檢測器7檢測到與諧振濾波器12的諧振頻率相 同的脈動(dòng)的情況下，從無拍頻控制器205輸出接觸器的斷開指令，諧振濾波器12的接觸器 12c成為斷開狀態(tài)，通過諧振濾波器12來抑制直流級(jí)的脈動(dòng)。此外，在此情況下由于不需要 無拍頻控制，因此可以使無拍頻控制停止，但也可以照舊使無拍頻控制進(jìn)行動(dòng)作。
[0085] 另一方面，在接觸器12c斷開的狀態(tài)下由電壓檢測器7檢測到諧振濾波器12的諧振 頻率以外的脈動(dòng)的情況下，從無拍頻控制器205輸出接觸器的接通指令，諧振濾波器12的接 觸器12c被接通，通過無拍頻控制來抑制直流級(jí)的脈動(dòng)。此時(shí)，通過接通接觸器12c，從而諧 振電抗器12a的部分被短路，因此能夠?qū)⒅C振電容器12b用作直流級(jí)的平滑電容器。
[0086] 本實(shí)施例與實(shí)施例1相比較，抑制疊加于直流電壓的脈動(dòng)所需要的平滑電容器8的 靜電電容Cf不同。即，通過應(yīng)用本實(shí)施例，從而能夠?qū)⒅C振電容器12b作為平滑電容器的一 部分來利用，因此能夠減小為了抑制直流電壓的脈動(dòng)AEcf所需要的平滑電容器8的靜電電 容Cf，能夠使裝置小型化。此外在無拍頻控制中能夠降低在諧振電抗器6a產(chǎn)生的損耗。
[0087] 在本實(shí)施例中，示出了基于平滑電容器的電壓由無拍頻控制器205來控制接觸器 12c的接通斷開以及無拍頻控制的動(dòng)作停止的方式，但也可以與實(shí)施例1同樣地，基于由電 壓檢測器3所探測到的電壓、或由位置檢測單元所識(shí)別出的電源頻率，來控制接觸器12c的 接通斷開以及無拍頻控制的動(dòng)作停止。在該情況下，在判斷為從與諧振濾波器12的諧振頻 率一致的頻率的交流電源正在接受電力供給的情況下，輸出接觸器的斷開指令，諧振濾波 器12的接觸器12c成為斷開狀態(tài)，通過諧振濾波器12來抑制直流級(jí)的脈動(dòng)。此外，在判斷為 從與諧振濾波器12的諧振頻率不同的頻率的交流電源正在接受電力供給的情況下，輸出接 觸器的接通指令，諧振濾波器12的接觸器12c被接通，通過無拍頻控制來抑制直流級(jí)的脈 動(dòng)。
[0088] 另外，在本實(shí)施例中，也可以在轉(zhuǎn)換器控制裝置100內(nèi)，判斷平滑電容器8的電壓與 諧振濾波器12的諧振頻率是否相同，基于該判斷結(jié)果，向接觸器12c輸出接通斷開的控制指 令，向逆變器控制裝置200內(nèi)的無拍頻控制器205輸出無拍頻控制的開始停止的控制指令。
[0089] 【實(shí)施例3】
[0090] 使用圖3來說明本發(fā)明中的第3實(shí)施例。圖3中示出本實(shí)施例的構(gòu)成。
[0091 ]該圖中與圖1相同的部分以相同標(biāo)號(hào)表不，并具有與實(shí)施例1相同的功能，故省略 該部分的說明。
[0092] 該圖的諧振濾波器13具備諧振電抗器13a、與諧振電抗器13a串聯(lián)連接的諧振電容 器13b、以及與諧振電抗器13a進(jìn)一步串聯(lián)連接的接觸器13c，轉(zhuǎn)換器控制裝置100具備故障 檢測器110，逆變器裝置200具備輸出調(diào)整器208。
[0093] 諧振濾波器電路13具有如下特征:針對(duì)實(shí)施例1的諧振濾波器電路6，按照從外部 輸入的接通斷開指令，能夠自如地控制接觸器13c的接通與斷開。另外，在諧振濾波器13正 常動(dòng)作時(shí)諧振濾波器電路13的接觸器13c處于接通狀態(tài)。
[0094] 本實(shí)施例中的車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在諧振濾波器電路13的諧振電抗器13a或諧振電容器 13b發(fā)生了故障時(shí)，由故障檢測器110來檢測故障狀態(tài)。該檢測方法通過從由電壓檢測器7檢 測到的直流電壓Ed檢測諧振濾波器電路的諧振頻率來判別。
[0095] 在由電壓檢測器7檢測到諧振濾波器13的諧振頻率以外的脈動(dòng)的情況下、或者通 過實(shí)施例1所記載的電源頻率的識(shí)別功能而判斷為從頻率最低的電源正在接受電力供給的 情況下，執(zhí)行無拍頻控制，無拍頻控制器向HVM控制器207輸出用于抑制伴隨直流電壓振動(dòng) 的主電動(dòng)機(jī)11的跳動(dòng)現(xiàn)象的無拍頻控制指令△ Si。
[0096] 另一方面，在通過實(shí)施例1所記載的電源頻率的識(shí)別功能而判斷為從頻率最低的 電源正在接受電力供給的情況下，使無拍頻控制停止，通過諧振濾波器13來抑制疊加于直 流電壓的脈動(dòng)。在此，在使無拍頻控制停止而通過諧振濾波器13來抑制直流級(jí)的脈動(dòng)時(shí)，由 電壓檢測器7檢測到諧振濾波器電路的諧振頻率時(shí)，判斷為在諧振濾波器電路13發(fā)生了故 障，由故障檢測器110向諧振濾波器電路13的接觸器13c輸出接觸器斷開指令。由此，將發(fā)生 了故障的諧振濾波器電路13從電路中斷開，從而使其他電路不受到故障所帶來的影響。與 此同時(shí)，向無拍頻控制器205和輸出調(diào)整器208輸出故障探測信息。
[0097]無拍頻控制器205在諧振濾波器13處于正常動(dòng)作時(shí)停止，在接收到故障探測信息 時(shí)進(jìn)行動(dòng)作，向PWM控制器207輸出用于抑制伴隨直流電壓振動(dòng)的主電動(dòng)機(jī)11的跳動(dòng)現(xiàn)象的 無拍頻控制指令Δ Si。
[0098] 在設(shè)置有諧振濾波器13的車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，在諧振濾波器13發(fā)生故障而通過接觸 器13c將其從電路中斷開的情況下，由于平滑電容器8的靜電電容不足，因此難以進(jìn)行基于 控制的滿負(fù)荷下的振動(dòng)抑制。另一方面，由于直流電壓Ed的振動(dòng)與流過平滑電容器8的電流 成比例，所以若降低車輛的行駛速度來降低主電動(dòng)機(jī)11的負(fù)荷，則平滑電容器8的電流也相 應(yīng)成比例地變小，因而能夠減小直流電壓的振動(dòng)，還能夠進(jìn)行基于控制的主電動(dòng)機(jī)11的跳 動(dòng)現(xiàn)象抑制。因此故障檢測時(shí)，通過向輸出調(diào)整器208輸入故障探測信息，縮小電流指令，從 而能夠減少流過主電動(dòng)機(jī)11的電流，能夠進(jìn)行基于無拍頻控制的跳動(dòng)現(xiàn)象抑制，因此能夠 實(shí)現(xiàn)諧振濾波器故障時(shí)的車輛的繼續(xù)行駛。
[0099] 根據(jù)本實(shí)施例，除了能夠與其他實(shí)施例同樣地減小為了抑制直流電壓的脈動(dòng)Δ Ecf所需要的平滑電容器8的靜電電容Cf，使裝置小型化以外，還能夠通過將發(fā)生了故障的 諧振濾波器電路13從電路中斷開，從而使其他電路不受到故障所帶來的影響。進(jìn)而，通過在 諧振濾波器電路13的故障檢測時(shí)執(zhí)行無拍頻控制，從而即使在發(fā)生了諧振濾波器故障的情 況下也能夠?qū)崿F(xiàn)車輛的繼續(xù)行駛。
[0100] 在本實(shí)施例中，說明了在轉(zhuǎn)換器控制裝置100內(nèi)具備故障檢測器110的方式，但故 障檢測器110也可以設(shè)置在逆變器控制裝置200內(nèi)。
[0101] 符號(hào)說明
[0102] 1 集電裝置
[0103] 2 主變壓器
[0104] 3 電壓檢測器
[0105] 4 電流檢測器
[0106] 5 轉(zhuǎn)換器(第一電力變換單元）
[0107] 5a、5b、5c、5d 開關(guān)元件
[0108] 6 諧振濾波器
[0109] 6a 諧振電抗器
[0110] 6b 諧振電容器
[0111] 7 電壓檢測器
[0112] 8 平滑電容器
[0113] 9 逆變器(第二電力變換單元）
[0114] 9a、9b、9c、9d、9e、9f 開關(guān)元件
[0115] 1〇 電流檢測器
[0116] 11 主電動(dòng)機(jī)
[0117] 12 諧振濾波器
[0118] 12a 諧振電抗器
[0119] 12b 諧振電容器
[0120] 12c 接觸器
[0121] 13 諧振濾波器
[0122] 13a 諧振電抗器
[0123] 13b 諧振電容器
[0124] 13c 接觸器
[0125] 21 車輪
[0126] 22、23 交流電源
[0127] 24、25 電車線
[0128] 26 無電化區(qū)間
[0129] 27 軌道
[0130] 100 轉(zhuǎn)換器控制裝置
[0131] 101 電源相位檢測器
[0132] 102 正弦波產(chǎn)生器
[0133] 103 減法器
[0134] 1〇4 電壓控制器
[0135] 105 乘法器
[0136] 106 減法器
[0137] 107 電流控制器
[0138] 108 減法器
[0139] 1〇9 PTOl 控制器
[0140] 110 故障檢測器
[0141] 200 逆變器控制裝置
[0142] 201 坐標(biāo)變換器
[0143] 202 減法器
[0144] 203 減法器
[0145] 204 電流控制器
[0146] 205 無拍頻控制器
[0147] 206 加法器
[0148] 207 PTOl控制器
[0149] 208 輸出調(diào)整器
[0150] es 二次電壓
[0151] ec 交流電壓指令
[0152] Ed 直流電壓
[0153] Ed* 直流電壓指令
[0154] Fi 輸出頻率
[0155] id d軸電流
[0156] iq q軸電流
[0157] is 二次電流
[0158] iu u相電流
[0159] iv v相電流
[0160] iw w相電流
[0161] id* d軸電流指令
[0162] iq* q軸電流指令
[0163] is* 二次電流指令
[0164] Is* 二次電流有效值指令
[0165] Sc 轉(zhuǎn)換器脈沖指令
[0166] Si 逆變器脈沖指令
[0167] Δ Si 無拍頻控制指令
[0168] δ 輸出偏角
[0169] ω 電源角頻率
[0170] t 時(shí)間
[0171] P 電力變換裝置的最大電力
[0172] Ecf 直流電壓的直流分量
[0173] AEcf 直流電壓的脈動(dòng)分量
[0174] Cf 平滑電容器的靜電電容
[0175] ω〇 架線角頻率
[0176] ω? 輸出角頻率
[0177] k 脈動(dòng)率
[0178] Lie 諧振電抗器的電感
[0179] Clc 諧振電容器的靜電電容
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種車輛的車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，所述車輛沿設(shè)置有提供第一單相交流電的第一電車線的 路線、和設(shè)置有提供頻率比所述第一單相交流電的頻率高的第二單相交流電的第二電車線 的路線行駛，所述車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特征在于，具備： 第一電力變換裝置，其將從所述第一電車線或者所述第二電車線提供的單相交流電變 換為直流電，并輸出到直流電力線； 第二電力變換裝置，其將輸出到所述直流電力線的所述直流電變換為三相交流電； 車輛驅(qū)動(dòng)用的電動(dòng)機(jī)，其被提供該三相交流電； 諧振濾波器，其與所述第一電力變換裝置并聯(lián)地連接于直流電力線，在所述第一單相 交流電的二倍的頻帶具有諧振點(diǎn)； 電壓檢測器，其檢測所述直流電力線的電壓;和 脈動(dòng)抑制單元，其根據(jù)所述電壓檢測器的檢測值來控制所述第二電力變換裝置的輸 出，抑制疊加于所述三相交流電的脈動(dòng)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于， 所述諧振濾波器吸收疊加于所述直流電的所述第一單相交流電的二倍的頻率分量的 脈動(dòng)，并且， 所述脈動(dòng)抑制單元控制所述第二電力變換裝置的輸出，使得抑制疊加于所述三相交流 電的所述第二單相交流電的二倍的頻率分量的脈動(dòng)。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于， 所述車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具備電源判定單元，所述電源判定單元判斷從所述第一電車線和所 述第二電車線中的哪個(gè)正在接受電力提供， 在判斷為從所述第一電車線正在接受電力提供的情況下，停止脈動(dòng)抑制單元， 在判斷為從所述第二電車線正在接受電力提供的情況下，使脈動(dòng)抑制單元進(jìn)行動(dòng)作。4. 根據(jù)權(quán)利要求1~3中任一項(xiàng)所述的車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于， 所述車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)還具備平滑電容器，所述平滑電容器與所述第一電力變換裝置并聯(lián) 地連接于所述直流電力線，使所述直流電穩(wěn)定化， 所述諧振濾波器具備互相串聯(lián)連接的諧振電抗器和諧振電容器。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于， 所述諧振濾波器還具備接觸器，所述接觸器相對(duì)于所述諧振電抗器并聯(lián)連接， 在由所述電壓檢測器檢測到與所述諧振濾波器的諧振頻率相同的脈動(dòng)的情況下，斷開 所述接觸器， 在由所述電壓檢測器檢測到所述諧振濾波器的諧振頻率以外的脈動(dòng)的情況下，接通所 述接觸器。6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于， 所述諧振濾波器還具備接觸器，所述接觸器相對(duì)于所述諧振電抗器串聯(lián)連接， 在由所述電壓檢測器檢測到所述諧振濾波器的諧振頻率的脈動(dòng)時(shí)，斷開所述接觸器并 執(zhí)行無拍頻控制， 在由所述電壓檢測器沒有檢測到所述諧振濾波器的諧振頻率的脈動(dòng)時(shí)，接通所述接觸 器并且停止無拍頻控制。
【文檔編號(hào)】H02M7/48GK105897023SQ201610048369
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年1月25日
【發(fā)明人】杉浦徹, 野崎雄郎, 野崎雄一郎, 立原周, 立原周一, 綾田昌高
【申請人】株式會(huì)社日立制作所