鐵道車輛的驅動裝置的製作方法

2023-04-26 21:11:41 1

專利名稱：鐵道車輛的驅動裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及鐵道車輛的驅動裝置，尤其涉及將交流電力變換為直流電 力，再將該直流電力變換為交流電力、以驅動電動車的技術。
背景技術：
行駛在被交流電化的鐵道路線上的鐵道車輛，一般採取以下方式，即:. 將從電車線上獲取的交流電力通過變換器變換為直流電力，用逆變器變換
為交流電力來驅動交流電動機。圖9中示出利用一般的變換器/逆變器系 統的電動車驅動裝置的基本構成圖。由集電裝置13輸入的交流電力，通 過電壓變換裝置12降壓或升壓為規定的電壓，通過第1電力變換機構(變 換器裝置)3將其變換為直流電力。該直流電力，通過第2電力變換機構 (逆變器裝置)4將其變換為交流電力，驅動交流電動機5，並藉助減速 機6使車輪7旋轉，從而使鐵道車輛加速。
另外，對於圖9的系統而言，也可以考慮以下鐵道車輛的驅動裝置， 即取代集電裝置13及電壓變換裝置12，而在車輛上搭載引擎和交流發 電機，通過由引擎驅動的發電機獲得交流電力，即使是非電化的路線也能 行駛。
在將圖9所示的現有的變換器/逆變器系統適用於地方路線等不需要 大的搬運能力的鐵道車輛的情況下，多數情況下在一個編組中只需一臺變 換器/逆變器系統就足夠了。但是，這種系統的情況下，在變換器或逆變 器發生了故障的階段，存在著不能自激行駛的問題，若在營業路線上發生 故障，則不僅該車輛的運行中止，也招致運行時刻表的大幅度混亂。另外， 在車輛於隧道內或橋上拋錨的情況下，不能使乘客下車，存在著安全隱患。
該問題雖然可以通過分散變換器/逆變器、以提高系統的冗餘性來回 避，但是，這將導致系統成本的大幅度增加或導致大型化，除此之外，根 據情況的不同也存在著不能確保設備的設置空間的問題，處於難以實現的
4狀況。

發明內容
本發明的目的在於，提供一種具備變換器/逆變器系統的鐵道車輛的 驅動裝置，其即使在變換器或逆變器的任一個發生故障的情況下都能實現 自激行駛，將運行時刻表混亂降到最小，而不會拋錨。
在利用變換器/逆變器系統的鐵道車輛的驅動裝置中，具備連接變 換器和逆變器之間的直流部分的蓄電裝置，設置對變換器及逆變器的交流 側電路進行交替切換的切換機構，在變換器或逆變器的任一方發生故障的 情況下，使正常的變換器或逆變器作為變換器動作，以在蓄電裝置中蓄積 能量，在對鐵道車輛提供了加速指令的情況下，使正常的變換器或逆變器 作為逆變器動作，通過上述蓄積能量來驅動交流電動機。
綜上所述，根據本發明，在通過第1電力變換機構(變換器裝置)和 第2電力變換機構(逆變器裝置)的組合來驅動鐵道車輛的變換器/逆變 器系統中，在第1電力變換機構(變換器裝置)或第2電力變換機構(逆 變器裝置)中的任一個發生故障的情況下，通過利用健全的電力變換機構， 切換進行基於變換器動作的蓄電裝置充電動作和基於逆變器動作的加速 動作，從而能夠持續鐵道車輛的自激行駛。結果，將系統發生故障時運行 時間表的混亂抑制在最小限度，除此之外，也能防止隧道內或橋上的拋錨， 可以提供安全的鐵道車輛驅動系統。


圖1是本發明鐵道車輛的驅動裝置的第1實施方式的基本構成圖。
圖2是本發明第1實施方式的控制裝置的構成圖。 圖3是本發明第1實施方式的通常的加速動作說明圖。 圖4是本發明第1實施方式的逆變器裝置故障時的蓄電裝置充電動作 說明圖。
圖5是本發明第1實施方式的逆變器裝置故障時的加速動作說明圖。 圖6是本發明第1實施方式的變換器裝置故障時的蓄電裝置充電動作 說明圖。圖7是本發明第1實施方式的變換器裝置故障時的加速動作說明圖。
圖8是本發明的第2實施方式。
圖9是表示現有的電動車的基本構成的圖。
圖中l一引擎，2 —交流發電機，3 —第1電力變換機構(變換器裝
置)，4一第2電力變換機構(逆變器裝置)，5 —交流電動機，6 —減速機， 7 —車輪，8 —蓄電裝置，9一切換裝置，IO —斷路器，ll一控制裝置，12 一電壓變換裝置，13—集電裝置。
具體實施例方式
以下，利用附圖對本發明涉及的鐵道車輛的驅動裝置的實施方式加以 說明。
圖1是表示本發明涉及的鐵道車輛的驅動裝置的第1實施方式的基本
構成的圖。該鐵道車輛的驅動裝置構成為具有引擎l;由引擎l驅動的 交流發電機2;切換裝置9;可以將交流電力與直流電力相互變換且通常 作為變換器裝置運轉的第1電力變換機構3;可以將交流電力與直流電力 相互變換且通常作為逆變器裝置運轉的第2電力變換機構4;交流電動機 5;減速機6;車輪7和蓄電裝置8。
弓l擎1輸出基於圖示省略的控制裝置的指令的軸扭矩。交流發電機2
以引擎1的軸扭矩為輸入並將其變換為交流電力後輸出。切換裝置9通常 將交流發電機2連接到第1電力變換機構(變換器裝置)3的輸入。第1 電力變換機構(變換器裝置)3以從交流發電機2輸出的交流電力為輸入， 並將其變換為直流電力後輸出。第2電力變換機構(逆變器裝置)4以從 第1電力變換機構(變換器裝置)3輸出的直流電力為輸入，將其變換為 交流電力後輸出。切換裝置9通常將交流電動機5連接到第2電力變換機 構(逆變器裝置)4的輸出。交流電動機5以第2電力變換機構(逆變器 裝置)4輸出的交流電力為輸入，將其變換為軸扭矩後輸出。減速機6根 據轉速的減速將交流電動機5輸出的軸扭矩放大後輸出，以驅動車輪7， 對鐵道車輛進行加減速。
蓄電裝置8連接為從第1電力變換機構(變換器裝置)3和第2電 力變換機構(逆變器裝置)4之間的直流部輸入直流電力，或者對第1電力變換機構(變換器裝置)3和第2電力變換機構(逆變器裝置)4之間的直流部輸出直流電力。通過該構成能夠實現以下的動作。
在系統正常的情況下，對鐵道車輛提供加速指令時，通過引擎l及發電機2得到的交流電力，由作為變換器裝置運轉的第1電力變換機構3變換為直流電力。該直流電力和蓄電裝置8蓄積的直流電力一起，作為逆變器裝置運轉的第2電力變換機構4輸出交流電力，驅動交流電動機5，並藉助減速機6向車輪7提供旋轉力。
另一方面，在對鐵道車輛提供減速指令時，使交流電動機5實施發電機動作，使第2電力變換機構4作為變換器裝置運轉，將產生的交流電力變換為直流電力。用蓄電裝置8回收該直流電力，或者使第1電力變換機構3作為逆變器裝置運轉將其變換為交流電力，使交流發電機2作為電動機運轉，將引擎從發電機側開始驅動，起到熄滅引擎的作用，車輪7能夠得到制動力，鐵道車輛減速動作。
其次，對圖1中的第1電力變換機構(變換器裝置)3或第2電力變換機構(逆變器裝置)4發生了故障時的動作加以說明。
圖1中，正常時，作為變換器裝置的第1電力變換機構3及作為逆變器裝置的第2電力變換機構4，分別經由切換裝置9而連接交流發電機2和交流電動機5。在第1電力變換機構(變換器裝置)3或第2電力變換機構(逆變器裝置)4中的任一個發生了故障(故障時)的情況下，都使切換裝置9動作，第1電力變換機構3連接交流電動機5，第2電力變換機構4連接交流發電機2。因為第1電力變換機構3或第2電力變換機構4，無論哪個都有變換器和逆變器兩方的功能，所以無論第1電力變換機構3或第2電力變換機構4中的哪個發生故障的情況下，都可以將健全的電力機構連接交流發電機2，使其實施變換器動作，對蓄電裝置8進行充電。對鐵道車輛提供加速指令時，將上述健全的電力變換機構連接交流電動機5並使其實施逆變器動作，通過蓄積在蓄電裝置8中蓄積的能量來驅動交流電動機5，從而能夠使鐵道車輛加速。
圖2是表示本發明第1實施方式中的控制裝置的構成的圖。引擎1輸出基於控制裝置11的指令Seg的軸扭矩。交流發電機2以引擎1的軸扭矩為輸入，將其變換為交流電力後輸出。切換裝置9由兩組切換裝置9a、 9b組成，根據來自控制裝置11的切換指令Sse執行切換動作。控制裝置11監視切換裝置9的狀態信號Ssef，確認完成了切換動作之後進行各種控制的切換。通常動作中，向第1電力變換機構(變換器裝置)3提供變換器控制指令Sc，第1電力變換機構(變換器裝置)3以從交流發電機2輸出的交流電力為輸入，將其變換為直流電力後輸出。
向第2電力變換機構(逆變器裝置)4提供逆變器控制指令Si，第2電力變換機構(逆變器裝置)4，以從第1電力變換機構(變換器裝置)3及蓄電裝置8得到的直流電力為輸入，將其變換為交流電力後輸出。
交流電動機5以第2電力變換機構(逆變器裝置)4輸出的交流電力作為輸入，將其變換為軸扭矩後輸出。減速機6按照轉速的減速將交流電動機5的軸扭矩輸出放大後輸出，分別驅動車輪7，以對鐵道車輛進行加減速。
控制裝置11根據蓄電裝置8的充電狀態信號Schg進行系統的控制。並且，代替蓄電池的充電狀態信號Schg，也可以根據蓄電裝置的輸入輸出電流和直流部電壓來求出蓄電狀態。
斷路器10是為了切斷第1電力變換機構(變換器裝置)3、第2電力變換機構(逆變器裝置)4、蓄電裝置8之間的電路而設計的。無論在第1電力變換機構(變換器裝置)3、第2電力變換機構(逆變器裝置)4或者蓄電裝置8哪個發生故障的情況下，根據來自控制裝置的斷路器動作指令Scs都能夠打開與該設備連接的斷路器。在控制裝置ll中，監視斷路器的狀態信號Scsf，進行系統的控制。並且，圖2中切換裝置9a、 9b作為l個接點的開關，實際上需要所連接的交流發電機2、交流電動機5的交流相數份的接點。另外，可以使切換裝置9a、 9b連動，也能夠省略切換裝置9的狀態信號Scsf。
以下，對本發明的實際動作的一例進行說明。圖3是表示圖2的構成中鐵道車輛進行通常的加速動作的狀態的圖。圖3中，切換裝置9a置於"正常"位置，通過引擎1 感應發電機2得到的交流電力被輸入到第1電力變換機構(變換器裝置)3。斷路器10全是"開"的狀態，第1電力變換機構(變換器裝置)3變換後的直流電力被輸入到第2電力變換機構(逆變器裝置)4,再次被變換為交流電力。
並且，在上述第1電力變換機構(變換器裝置)3產生的直流電力遠遠小於使鐵道車輛加速所需的電力時，需要從蓄電裝置8補足直流電力。
切換裝置％置於"正常"位置，從第2電力變換機構(逆變器裝置)4輸出的交流電力被輸出到交流電動機5，交流電動機5藉助減速機6驅動車輪7，使鐵道車輛加速。
其次，對第1電力變換機構(變換器裝置)3或第2電力變換機構(逆變器裝置)4發生了故障時的動作進行說明。
首先，利用圖4及圖5對圖3中第2電力變換機構(逆變器裝置)4發生了故障的情況下的動作進行說明。圖4是表示在圖3中第2電力變換機構(逆變器裝置)4發生故障且蓄電裝置8處於蓄電量不足的狀態時的蓄電裝置充電動作的圖。圖5是表示圖3中第2電力變換機構(逆變器裝置)4發生故障且蓄電裝置8的蓄電量充足時的加速動作的圖。
圖4中，控制裝置ll基於來自蓄電裝置8的充電狀態信號Schg，在蓄電裝置8成為鐵道車輛能夠加速的充電狀態之前，向引擎1輸出指令Seg，向第1電力變換機構(變換器裝置)3輸出變換器控制指令Sc。結果，如圖4中的虛線箭頭所示，按照引擎1 交流發電機2 切換裝置9a 第1電力變換機構(變換器裝置)3~斷路器10b 斷路器10a 蓄電裝置8的線路對蓄電裝置8進行充電。此時，斷路器10c為"關"，向第2電力變換機構(逆變器裝置)4輸出逆變器無控制指令Soi，以使第2電力變換機構(逆變器裝置)4不動作。
圖5中，控制裝置11在蓄電裝置8處於足夠使鐵道車輛加速的充電狀態的情況下，向鐵道車輛提供加速的指令，按照指令Sse將切換開關9a切換為"故障"偵lj。其次，控制裝置11向第1電力變換機構(變換器裝置)3輸出逆變器控制指令Si，驅動交流電動機5。此時，控制裝置ll向引擎1輸出指令Segs，引擎停止或呈空轉狀態。結果，如圖5虛線箭頭所示，按照蓄電裝置8~斷路器10a 斷路器10b 第1電力變換機構(變換器裝置)3 切換裝置9a 交流電動機5 減速機6 車輪7的路線，蓄電裝置的蓄積能量被變換成車輪7的旋轉力，使鐵道車輛加速。
並且，雖然通過加速動作使得蓄電裝置8的蓄電量逐漸降低，在某個時刻將不能加速，但在有必要進一步加速的情況下，通過按照上述的圖4
所示的動作對蓄電裝置8進行充電，從而能夠實現再次加速。這樣，圖3中即使在第2電力變換機構(逆變器裝置)4發生故障時，通過使第1電力變換機構(變換器裝置)3執行逆變器動作或變換器動作，從而能夠防止車輛的拋錨。
接著，利用圖6及圖7，對圖3中的第1電力變換機構(變換器裝置)3發生故障的情況下的動作進行說明。圖6是表示圖3中第1電力變換機構(變換器裝置)3發生故障且蓄電裝置8的蓄電量處於不足狀態時的蓄電裝置充電動作的圖。圖7是表示圖3中的第1電力變換機構(變換器裝置)3發生故障且蓄電裝置8的蓄電量充足時的加速動作的圖。
圖6中，控制裝置ll基於來自蓄電裝置8的充電狀態信號Schg，在蓄電裝置8處於鐵道車輛能夠加速的充電狀態之前，按照指令Sse將切換開關9a切換為"故障"側，向引擎1輸出指令Seg，向第2電力變換機構(逆變器裝置)4輸出變換器控制指令Sc。結果，如圖6中的虛線箭頭所示，按照引擎1 交流發電機2 切換裝置9b 第2電力變換機構(變換器裝置)4 斷路器10c 斷路器10a 蓄電裝置8的線路，對蓄電裝置8進行充電。此時，斷路器10b為"關"，向第1電力變換機構(變換器裝置)3輸出變換器無控制指令Soc，以使第1電力變換機構(變換器裝置)3不動作。
圖7中，控制裝置11在蓄電裝置8處於足夠使得鐵道車輛加速的充電狀態的情況下，向鐵道車輛提供加速的指令，按照指令Sse將切換開關9a切換為"正常"側。其次，控制裝置11向第2電力變換機構(逆變器裝置)4輸出逆變器控制指令Si，驅動交流電動機5。另夕卜，控制裝置ll向引擎1輸出指令Segs，使引擎停止或處於空轉狀態。結果，如圖7的虛線箭頭所示，按照蓄電裝置8 斷路器10a 斷路器10c 第2電力變換機構(逆變器裝置)4~切換裝置9b 交流電動機5~減速機6 車輪7的路線，將蓄電裝置8的蓄積能量變換成車輪7的旋轉力，以使鐵道車輛加速。
雖然通過加速動作而使得蓄電裝置8的蓄電量逐漸降低，在某個時刻將不能加速，但在有必要進一步加速的情況下，通過按照上述的圖6所示的動作對蓄電裝置8進行充電，從而能夠實現再次加速。這樣，圖3中即
10使在第1電力變換機構(變換器裝置)3發生故障時，只要通過使第2電力變換機構(逆變器裝置)4執行逆變器動作或變換器動作，就能夠防止車輛的拋錨。
綜上所述，根據本發明，無論是第1電力變換機構(變換器裝置)或
第2電力變換機構(逆變器裝置)哪個發生故障的情況下，都能夠憑藉健
全的電力變換機構切換進行基於變換器動作的蓄電裝置充電動作和基於逆變器動作的加速動作，能夠持續鐵道車輛的自激行駛。
在實際的鐵道車輛運行中，例如在停止加速指令而因為慣性行駛的期
間內或停車期間內，若進行圖4或6所示的蓄電裝置的充電動作，則能夠減少運行時刻表的延遲，能夠將時刻表的混亂抑制在最小限度內。
另夕卜，在即使提供加速指令，蓄電裝置的蓄電量也降低而不能進行加速動作的情況下，通過使健全的電力變換裝置停止逆變器動作，而執行變換器動作對蓄電裝置進行充電，從而能夠抑制運行延遲。
圖8是表示本發明的鐵道車輛的驅動裝置的第2實施方式的圖。相對於圖3示出的實施方式而言，將引擎1和交流發電機2置換為集電裝置13和電壓變換器12。即使是在依靠電車線得到電力的電動車的系統中也能實現本發明，無論是第1電力變換機構(變換器裝置)3或第2電力變換機構(逆變器裝置)4中的哪一個發生故障的情況下，與圖3示出的實施方式一樣，通過使第1電力變換機構(變換器裝置)3或第2電力變換機構(逆變器裝置)4中的任一個健全的電力交換機構執行變換器動作或逆變器動作，從而可以防止車輛的拋錨。
ii
權利要求
1.一種鐵道車輛的驅動裝置，其具備由引擎驅動的交流發電機構；與交流發電機構連接，且能夠在交流電力和直流電力之間相互進行電力變換的第1電力變換機構；交流電動機；與交流電動機連接，且能夠在交流電力和直流電力之間相互進行電力變換的第2電力變換機構；對所述2個電力變換機構的交流側裝置互相進行切換的切換機構；和連接於所述2個電力變換機構的直流側的蓄電裝置，該驅動裝置具有在所述2個電力變換機構中的任一個發生故障的情況下通過健全的電力變換機構在所述蓄電裝置內蓄積能量的功能；和通過該蓄積能量來驅動所述交流發動機的功能。
2. —種鐵道車輛的驅動裝置，其具備用於通過電車線獲得交流電力的集電機構；與所述集電機構連接，且能夠在交流電力和直流電力之間相互進行電 力變換的第1電力變換機構； 交流電動機；與交流電動機連接，且能夠在交流電力和直流電力之間相互進行電力變換的第2電力變換機構；對所述2個電力變換機構的交流側裝置互相進行切換的切換機構；和 連接於所述2個電力變換機構的直流側的蓄電裝置， 該驅動裝置具有在所述2個電力變換機構中的任一個發生故障的情況下通過健全的電力變換機構在所述蓄電裝置內蓄積能量的功能；和通過該蓄積能量來驅動所述交流電動機的功能。
3. 根據權利要求1或2所述的鐵道車輛的驅動裝置，其特徵在於，根據蓄電裝置的蓄電狀態或對鐵道車輛的運轉指令來進行以下功能 的切換，S卩2個電力變換機構中的任一個發生故障的情況下健全的電力變換機構進行的在蓄電裝置內蓄積能量的功能；和利用所述蓄積能量的電 動機驅動功能。
全文摘要
本發明提供一種鐵道車輛的驅動裝置，其中藉助切換裝置(9)向第1電力變換機構(3)輸入交流發電機(2)產生的交流電力，將該直流電力通過第2電力變換機構(4)變換為交流電力，藉助切換裝置驅動交流電動機(5)，蓄電裝置(8)連接於第1電力交換機構和第2電力交換機構之間的直流部分，在任一電力交換機構發生故障的情況下，使執行交換器動作的健全的電力交換機構連接交流發電機，對蓄電裝置進行充電，在蓄電裝置處於足夠的蓄電狀態的情況下，使健全的電力交換機構執行逆變器動作，通過蓄電裝置的蓄電能量驅動交流電動機，使鐵道車輛加速。因此，當一方的電力變換機構發生故障時，能夠持續自激行駛並將運行時刻表的混亂抑制在最小限度。
文檔編號B60L9/16GK101549650SQ20091000836
公開日2009年10月7日 申請日期2009年2月26日 優先權日2008年4月1日
發明者豐田瑛一, 島田基巳, 金子貴志 申請人:株式會社日立製作所