鐵道車輛用電力變換裝置的製作方法
2023-05-21 08:56:01
專利名稱：鐵道車輛用電力變換裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種通過將來自直流電源的直流電源電壓變換成交流並驅動交流電動機，來加速減速鐵道車輛的鐵道車輛用電力變換裝置，通過上述直流電源電壓中所包含有的波紋電壓，來抑制流入到上述鐵道車輛用電力變換裝置中的電流以及鐵道車輛用電力變換裝置自身所產生的流入到包含有上述直流電源的電源系統中的波紋電流，通過這樣，鐵道車輛用電力變換裝置，抑制給判斷鐵道車輛的存在與否的軌道電路、線路或鋪設在線路附近的信號機器以及通信機器所帶來的妨礙電流，確保鐵道系統的可靠性的技術。
背景技術：
參照圖4對直流電源與鐵道車輛之間的關係的一例進行說明。三相交流電41被整流器42變換成直流，該電壓通過布線43與布線46，加載在架線44與軌道45之間。電列(車輛)2，經集電裝置21與車輪23接收加載在架線44與軌道45之間直流電壓，得到用來驅動車輛2的電力以及車內電源。通常，整流器42的輸出中，伴隨著整流包含有三相交流電源41的電源頻率的6倍的波紋成分。除此之外，由於構成整流器42的圖中所未示出的半導體以及電抗器等之間的不平衡，還包含有三相交流電41的基本波的也即工頻成分。這裡，工頻是指一般所使用的電源頻率，日本為50Hz至60Hz，歐洲為50Hz，美國為60Hz。
接下來，參照圖5對鐵道車輛用電力變換裝置的一個構成例進行說明。圖5的鐵道車輛用電力變換裝置1，由多個半導體構成，具體的說，由將來自集電裝置21的直流電變換成交流電並驅動交流電動機22的逆變器13，以及由濾波電抗器11和濾波電容器12所構成的，防止伴隨著逆變器13的切換所產生的高頻成分流出電源系統，並且吸收輸入電源電壓中所包含的脈動成分，給逆變器提供穩定的直流電壓的濾波器電路所構成。
另外，安裝有判斷地面上的特定區間中有無列車的軌道電路。參照顯示有軌道電路的等價電路的圖6，對軌道電路的基本動作原理進行說明。使用電源51，從軌道521、522的一端給左右的線路加載電壓，在另一端測量軌道521-522之間的電壓，通過車輛檢測器53來檢測出軌道521、522所構成的區間有無列車。在該區間中沒有列車的情況下(圖6(A))，檢測端的車輛檢測器53中顯示出與電源電壓幾乎相同水平的電壓。在該區間中有列車的情況下(圖6(B))，由於列車的車輪61、62與輪軸63使得左右的線路521、522短路，因此，檢測端的車輛檢測器中不顯示電壓。根據該現象，車輛檢測器53在檢測端的電壓為預先設定的閾值以上的情況下，則判斷列車不存在，在為閾值以下的情況下，則判斷存在列車。此時，車輛檢測器53中，只通過濾波器電路檢測出電源51的頻率成分，判斷出車輛的有無，從而提高了軌道電路的可靠性，以及抗噪聲性。
另外，軌道電路中，根據車輛檢測器53的輸出，進行信號機的控制以及列車位置的檢測。軌道電路是確保鐵道安全的非常重要的裝置。作為軌道電路的電源，由於電源的構成容易，因此，以前很多是在通過交流電源來給列車供電的交流電區間中使用直流電源，在通過直流電源給列車供電的直流電區間中使用工業交流電源。最近，由於電力變換技術、信號放大技術的發達，使用更高頻的交流電源以及進行了調製的信號。
但是，在直流電區間中，用來得到如圖4所示的直流電源的三相交流電也是工頻，因此，架線電壓也會包含有由於上述的波紋的存在所引起的軌道電路所使用的頻率。因此，如果對應於電力變換裝置的工頻的輸入阻抗不特別高，則由於直流電壓中所包含的工頻的脈動成分，軌道中也會流動與軌道電路所使用的頻率相同的成分，有可能會使列車檢測器53誤動作。
也即，如圖6(c)所示，在使用圖5所述的鐵道用電力變換裝置1的情況下，鐵道用電力變換裝置1中，等價表示影響到軌道電路的噪聲成分的來自噪聲源64的高頻成分，作為妨礙電流55，流經車軸63→車輪61→軌道521→車輛檢測器53→軌道522→車輪62→車軸63，從而無法正確檢測出車輛的存在。
因此，對應於電力變換裝置的工頻的輸入阻抗必須足夠的大。作為實現這一條件的方法，可以舉出將圖5中所示的濾波電抗器11的電抗加大的方法。但是，從安裝空間以及重量的角度來看，增大該電抗來確保上述阻抗並不是一種適當的方法。另外，從逆變器13的控制的角度來看，提高濾波電抗器11與濾波電容器12所構成的LC濾波電路的阻抗也並不理想。
如上所述，在直流電方式中，用來得到直流電壓的整流器，由於其構成要素的不平衡，有時候交流電源頻率成分與直流輸出重疊。另外，該電源頻率有時候用作判斷有無列車的軌道電路的電源。如果對應於車輛中所安裝的電力變換器的電源頻率的阻抗較低，則包括軌道的電源系統中就流過電源頻率的電流，有時候會給軌道電路的動作帶來壞影響。為了解決這個問題，有人使用通過增加阻抗、追加濾波電路來增加阻抗的方法，但由於直流電源與構成電力變換器的逆變器之間的阻抗下降，因此，電源系統所流出的伴隨著逆變器的切換所產生的高頻電流也增加，存在無法適應使用高頻的軌道電路的問題。
也即，以前廣泛使用圖7中所述的方法，該方法不增大上述電抗器而能夠增加上述阻抗。也即，圖7的電路中，與構成LC濾波電路的濾波電抗器11並聯，連接阻抗增加濾波電路15，該阻抗增加濾波電路15由電抗器152與電容器153，或電抗器152與電容器153以及電阻151所構成，將對應於從電源側所看到的電力變換裝置的該工頻的阻抗增大，就能夠不增大濾波電抗器11的電抗而能夠增加對應於電力變換裝置1的工頻的輸入阻抗。
該方法中，由電阻151、電抗器152以及電容器153所構成的阻抗增加濾波電路15，與濾波電抗器11並聯，讓濾波電抗器11以及阻抗增加濾波電路15所構成的共振電路的共振頻率，與得到直流電源的工頻一致，通過構成並聯共振電路來增加對應於工頻的輸入阻抗。
圖8表示將有無阻抗增加濾波電路15作為參數，對應於頻率的從直流輸入電源所看到的電力變換裝置的輸入阻抗特性。實線為將圖7中所示的阻抗增加濾波電路15與濾波電抗器11並聯所得到的輸入阻抗特性，虛線為如圖5所示的沒有阻抗增加濾波電路15的電路的輸入阻抗特性。通過與濾波電抗器11並聯阻抗增加濾波電路15，如圖8的實線所示，即使直流電源電壓中包含有工頻成分，由於能夠增加對應於直流電源電壓中所包含的頻率的電力變換裝置的阻抗，因此，即使在直流電源電壓中重疊有工頻的脈動電壓，也能夠抑制軌道中所流動的工頻成分的電流，從而能夠排除對將工頻電作為電源的軌道電路的影響。
如上所述，以前軌道電路的電源中，使用工業電源或直流電源，最近由於電力變換技術、信號放大技術的發達，使用更高頻的交流電源或被調製了的電壓作為軌道電路的電源而利用。添加了阻抗增加濾波電路15的圖7的電路中，如圖8所示，與工頻相比，高頻側的阻抗特性下降。因此如圖3(C)所示，構成電力變換裝置1的逆變器13所產生的高頻成分中，向電源系統流出的電流成分(線路電流I1+I2)增加，有可能會給將高頻的交流電壓作為電源的軌道電路帶來壞影響。也即，圖7的電路中，雖然在使用將工頻電作為電源的軌道電路的區間，可以沒有問題地運行，但又產生了使用將高頻的交流電作為電源的軌道電路的區間無法運行這一新問題。
如上所述，圖7中所示的電路中，由於不能夠對應於多個軌道電路，因此必須根據軌道電路來分配使用車輛(濾波電路)，需要確保足夠多的車輛。另外，對於跨越這些區間乘車的乘客來說，必須要換乘，從而產生了降低了對乘客的服務這一問題。
發明內容
本發明的目的在於提供一種在將直流電源作為電源的電氣鐵道系統中，不會導致濾波電路的增大以及重量化的，能夠適用於使用工業電源的軌道電路，以及將高頻交流作為電源的軌道電路雙方的鐵道車輛用電力變換裝置。另外，本發明的另一目的在於，提供一種能夠提供通用性以及可靠性更高的鐵道車輛的鐵道車輛用電力變換裝置。
為解決上述問題，本發明將電阻器與電抗器以及電容器，或電抗器與電容器所構成的阻抗增加濾波電路，與由濾波電抗器和濾波電容器構成的LC濾波電路並聯，保持由逆變器、電源系統所構成的電路的阻抗與沒有增設濾波器的情況下相同，同時增加對應於工頻的阻抗。
也即，本發明在由與接收直流電壓的集電裝置相連接的第1濾波電路，以及經第1濾波電路將通過上述集電裝置所集電的直流電壓作為電壓源，將直流變換為交流，驅動交流電動機的逆變器裝置所構成的鐵道車輛用電力變換裝置中，將增加與作為上述直流電壓的電源的交流電源的電源頻率相對應的輸入阻抗的第2濾波器，與上述第1濾波器並聯。
作為優選方式，本發明在上述鐵道車輛用電力變換裝置中，上述第1濾波器，由第1電抗器與第1電容器構成，上述第1電抗器的一端與上述集電裝置相連接，上述第1電抗器的另一端與上述第1電容器的正極相連接，上述第1電容器的負極接地，將上述第1電容器的兩端電壓作為電抗器的直流電壓源。
作為優選方式，本發明在上述鐵道車輛用電力變換裝置中，上述第2濾波器，由電阻器、第2電抗器以及第2電容器串聯而構成，或者由第2電抗器與第2電容器串聯而構成。
作為優選方式，本發明在上述鐵道車輛用電力變換裝置中，使由上述第1電抗器、上述第1電容器、上述電阻器、上述第2電抗器以及上述第2電容器構成的共振電路的共振頻率，與上述交流電源的電源頻率一致。
作為優選方式，本發明在上述鐵道車輛用電力變換裝置中，使由上述第1電抗器、上述第1電容器、上述第2電抗器以及上述第2電容器構成的共振電路的共振頻率，與上述交流電源的電源頻率一致。
另外，作為優選方式，本發明在上述鐵道車輛用電力變換裝置中，上述第2濾波器，是通過與上述第1濾波器並聯，而具有增加上述鐵道車輛用電力變換裝置的與上述交流電源的電源頻率相對應的輸入阻抗的作用的電路。
發明效果如上所述，通過本發明，能夠提供一種在將直流電源作為電源的電氣鐵道系統中，不會導致濾波電路的增大以及重量化的，能夠適用於使用工業電源的軌道電路，以及將高頻交流作為電源的軌道電路雙方的鐵道車輛用電力變換裝置。另外，通過使用本發明的鐵道車輛用電力變換裝置，能夠提供通用性以及可靠性更高的鐵道車輛。由此，能夠給乘客提供更加優良的服務。
另外，還能夠提供在直流電區間中，能夠在使用工頻的軌道電路與使用高頻電源的軌道電路兩方的區間中運行的通用性較高的車輛，從而能夠抑制增加車輛所有數，並且還能夠提高對乘客的服務。
圖1為說明本發明所述的鐵道車輛用電力變換裝置的構成的圖。
圖2為說明鐵道車輛用電力變換裝置的逆變器、電源之間的阻抗特性的圖。
圖3為鐵道車輛用電力變換裝置的等價電路圖。
圖4為說明鐵道車輛用電源系統與電車之間的關係的圖。
圖5為說明以往的鐵道車輛用電力變換裝置的構成的圖。
圖6為說明電車與軌道電路之間的關係的圖。
圖7為說明以往的鐵道車輛用電力變換裝置的構成的圖。
圖8為說明從鐵道車輛用電力變換裝置的電源側所看到的阻抗特性的圖。
圖中11-濾波電抗器，12-濾波電容器，13-逆變器，14-阻抗增加濾波電路，141-阻抗，142-電抗器，143-電容器，15-阻抗增加濾波電路，151-電阻，152-電抗器，153-電容器，2-車輛，21-集電裝置，22-交流電動機，23-車輪，41-三相交流電源，42-整流裝置，43、46-電線，44-架線，45-軌道，51-軌道電路用電源，521、522-軌道，53-車輛檢測器，54-軌道電路電流，55-妨礙電流，61、62-車輪，63-輪軸，64-高頻源，I1、I2-線路電流具體實施方式
下面參照圖1對本發明所述的鐵道車輛用電力變換裝置1的實施方式的一例進行說明。如圖1所示，本發明所述的鐵道車輛用電力變換裝置1包括由濾波電抗器11與濾波電容器12所構成的LC濾波電路；驅動交流電動機22的逆變器13；和由電阻器141、電抗器142以及電容器143的串聯電路所構成的阻抗增加濾波電路14。濾波電抗器11串聯在集電裝置21與逆變器13的一方的輸入端之間，濾波電容器12與逆變器13的輸入並聯。
逆變器13由多個半導體所構成，將直流變換成交流來驅動交流電動機22。由濾波電抗器11與濾波電容器12所構成的LC濾波電路，防止伴隨著逆變器13的切換所產生的高頻成分流出到電源系統中，並且吸收輸入直流電壓中所包含的脈動成分，給逆變器供給穩定的直流電壓。由電阻器141、電抗器142以及電容器143構成的阻抗增加濾波電路14，與濾波電抗器11的輸入端以及濾波電容器12的負極(接地側)相連接，通過濾波電抗器11與濾波電容器12的組合，來增加對應於輸入側所見電力變換裝置的特定頻率的從輸入側所見的阻抗。
從圖1的輸入側所看到的阻抗特性，如圖2的實線所示，與圖5所示的電路的阻抗特性相同。此時，通過使濾波電抗器11、濾波電容器12、電抗器142、電容器143以及電阻器141所構成的共振電路的共振頻率與工業電源頻率一致，能夠使電力變換裝置1的對應於工頻的輸入阻抗飛躍增加。圖2的虛線為圖7中的電路的阻抗特性，與圖8的實線所示的阻抗特性相同。
圖7中所示的電路中，逆變器13經濾波電路15所產生的高頻成分，作為通過濾波電抗器11的線路電流I1與通過濾波電路15的線路電流I2，流入到電源系統中(圖3(C))。但是，圖1中所述的電路中，由於電源系統的阻抗與濾波電抗器11的阻抗相比非常小，因此可以忽略該阻抗。其結果是，圖7中所示的電力變換裝置的等價電路，如圖3(A)所示，由於濾波電路14變為由線路被短路的狀態，因此，等價電路與增設濾波電路14之前相同，與圖3(B)所示的電路等同，所以電力變換裝置1的輸入端、逆變器之間的阻抗特性，與圖5的電路的情況下(圖3(B))相同，可知追加輸入阻抗增加濾波電路15，沒有給逆變器所產生的高次諧波成分的流出量帶來影響。
這樣，通過本發明，能夠不增加逆變器所產生的高頻成分向電源系統的流出，而增加對應於從輸入側所看到的電力變換裝置的工頻的阻抗。
圖1的例子中，雖然阻抗增加濾波電路14由電阻器141、電抗器142以及電容器143構成，但只通過電抗器142、電容器143也能夠得到相同的效果。另外，構成阻抗增加濾波電路11的要素，如果是例如具有信號放大功能的電路等，具有與阻抗增加濾波電路11相同的阻抗特性的電路，就不必是電抗器142與電容器143的組合。
以上的例子中，以通過架線44從直流電源得到電力的方式為例，對本發明的實施方式、效果進行了說明，但本發明還可以採用在運行用軌道之外，另外在地面上鋪設第3軌道，車輛經該軌道從直流電源得到電力的這種第3軌道方式。
權利要求
1.一種鐵道車輛用電力變換裝置，由與接收直流電壓的集電裝置連接的第1濾波電路，經第1濾波電路將通過上述集電裝置所集電的直流電壓作為電壓源，將直流變換為交流，驅動交流電動機的逆變器裝置構成，其特徵在於將增加與作為所述直流電壓的電源的交流電源的電源頻率相對應的輸入阻抗的第2濾波器，與上述第1濾波器並聯。
2.根據權利要求1所述的鐵道車輛用電力變換裝置，其特徵在於所述第1濾波器，由第1電抗器與第1電容器構成，所述第1電抗器的一端與所述集電裝置連接，所述第1電抗器的另一端與所述第1電容器的正極連接，所述第1電容器的負極接地，將所述第1電容器的兩端電壓作為逆變器的直流電壓源。
3.根據權利要求2所述的鐵道車輛用電力變換裝置，其特徵在於所述第2濾波器，由電阻器、第2電抗器以及第2電容器串聯而構成。
4.根據權利要求2所述的鐵道車輛用電力變換裝置，其特徵在於所述第2濾波器，由第2電抗器與第2電容器串聯而成。
5.根據權利要求3所述的鐵道車輛用電力變換裝置，其特徵在於使由所述第1電抗器、所述第1電容器、所述電阻器、所述第2電抗器以及所述第2電容器構成的共振電路的共振頻率，與所述交流電源的電源頻率一致。
6.根據權利要求4所述的鐵道車輛用電力變換裝置，其特徵在於使由所述第1電抗器、所述第1電容器、所述第2電抗器以及所述第2電容器構成的共振電路的共振頻率，與所述交流電源的電源頻率一致。
7.根據權利要求2所述的鐵道車輛用電力變換裝置，其特徵在於所述第2濾波器，是通過與所述第1濾波器並聯，而具有增加所述鐵道車輛用電力變換裝置的與所述交流電源的電源頻率相對應的輸入阻抗的作用的電路。
全文摘要
本發明提供一種鐵道車輛用電力變換裝置。在鐵道車輛用電力變換裝置(1)中，其由與接收直流電壓的集電裝置(21)連接的濾波電抗器(11)和濾波電容器(12)構成的LC濾波電路，和將所集電的直流電壓經LC濾波電路作為電壓源，將直流變換為交流驅動交流電動機(22)的逆變器(13)構成，將阻抗增加濾波電路(14)與LC濾波電路並聯，該濾波電路(14)串聯電阻器(141)、電抗器(142)和電容器(143)，增加與作為上述直流電壓的電源的交流電源的電源頻率對應的輸入阻抗，並且使濾波電路(14)與LC濾波電路所構成的共振電路的共振頻率與交流電源頻率一致。
文檔編號B60L9/30GK1710796SQ20051006293
公開日2005年12月21日 申請日期2005年3月31日 優先權日2004年6月16日
發明者稻荷田聰, 大河原洋 申請人:株式會社日立製作所