專利名稱：電力變換裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及適用于經(jīng)由架空線(包括第三軌等)等從直流電源獲取電力的電力機(jī)車的電力變換裝置。
背景技術(shù)：
通常，電力機(jī)車用集電裝置從架空線獲取電力，使用已集電的電力，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)來行駛。已知的電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制為，通過將已集電的電力由作為直流一交流變換電路的逆變器(inverter)變換為三相交流并向電動(dòng)機(jī)供給的電力變換裝置來進(jìn)行。
另外，近年來，由于二次電池、雙電層電容器等的蓄電元件(power storage element)的性能逐漸提高，所以，將它們搭載于電力機(jī)車，一起使用蓄電元件的電力和來自架空線的電力來驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行行駛的系統(tǒng)的開發(fā)正在不斷進(jìn)行(例如，參照專利文獻(xiàn)1)。 在這種系統(tǒng)中，為了控制架空線和蓄電元件之間的功率通量(power flow)而使用具有作為直流一直流變換電路的DC - DC變換器的電力變換裝置。
專利文獻(xiàn)1 特開2003 - 199204號(hào)公報(bào)。
在上述的稱作直流一交流變換電路或直流一直流變換電路的電力變換電路和直流電源之間，為使從電力變換電路向直流電源側(cè)流出的高次諧波電流衰減而設(shè)置由電抗器和電容器構(gòu)成的LC濾波電路。
但是，在適用于電力機(jī)車的電力變換裝置中，由于直流電源、架空線的電壓的變動(dòng)等導(dǎo)致在LC濾波電路中產(chǎn)生電振蕩。此時(shí)，當(dāng)作為產(chǎn)生了 LC濾波電路的電容器電壓的瞬態(tài)振蕩的結(jié)果使電容器成為過電壓時(shí)，存在電力變換裝置不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)或停止的情況。尤其是在直流電源等的電壓劇烈變動(dòng)的情況下，容易發(fā)生這種故障。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為解決上述課題而完成的，提供一種即使在直流電源等的電壓變動(dòng)的情況下，也能通過抑制LC濾波電路的電振蕩，并且抑制電容器電壓的瞬態(tài)振蕩，來維持正常運(yùn)轉(zhuǎn)的電力變換裝置。
本發(fā)明中的電力變換裝置，具有電力變換電路，從架空線接受電力，并經(jīng)由由電抗器和電容器構(gòu)成的LC濾波電路，輸出將來自架空線的電力變換后的變換電力；以及控制部，控制電力變換電路，控制部具備延遲處理部，該延遲處理部由生成時(shí)間常數(shù)的時(shí)間常數(shù)生成部和基于時(shí)間常數(shù)對(duì)電容器的電壓進(jìn)行延遲處理來生成第一控制信號(hào)的運(yùn)算部構(gòu)成， 從作為變換電力中的輸出電壓的大小的指令的第一輸出電壓指令和第一控制信號(hào)，生成第二輸出電壓指令，基于第二輸出電壓指令控制電力變換電路。
根據(jù)本發(fā)明，能提供一種電力變換裝置，即使在來自架空線的電壓變動(dòng)了的情況下，通過抑制LC濾波電路的電振蕩且抑制電容器電壓的瞬態(tài)振蕩，也能夠維持正常運(yùn)轉(zhuǎn)。


圖1是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1中的電力變換裝置的結(jié)構(gòu)例的圖；圖2表示在與直流電源連接的LC濾波器上連接有恒定功率負(fù)載的電路的圖； 圖3是表示圖2的系統(tǒng)的傳遞函數(shù)塊的圖；圖4是表示作為比較例在與直流電源連接的LC濾波器上連接有正電阻特性的負(fù)載的電路的圖；圖5是表示圖4的系統(tǒng)的傳遞函數(shù)跨塊的圖；圖6是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1和現(xiàn)有例中的輸入電容器電壓的波形例的圖； 圖7是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1中的延遲處理部的結(jié)構(gòu)例的圖； 圖8是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1中的延遲處理部的其它結(jié)構(gòu)例的圖； 圖9是表示本發(fā)明的實(shí)施方式2中的電力變換裝置的結(jié)構(gòu)的圖； 圖10是表示本發(fā)明的實(shí)施方式2中的電壓指令/ PWM信號(hào)生成部的結(jié)構(gòu)例的圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施方式1參照

實(shí)施方式1。圖1是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1中的電力變換裝置的結(jié)構(gòu)例的圖。電力變換裝置經(jīng)由集電裝置2與架空線1連接，并且，經(jīng)由車輪3與軌道4連接。 架空線1及軌道4與成為直流電源的變電所(未圖示)連接，集電裝置2從架空線1接受電力，車輪3作為返回電流的返回電路與軌道4連接。
電力變換裝置具有LC濾波電路，由電抗器5和電容器6構(gòu)成，用于抑制高次諧波電流流出到架空線1側(cè)；電壓檢測(cè)器7，檢測(cè)電容器6的直流電壓EFC ；電力變換電路10，與電容器6并聯(lián)連接，由上臂側(cè)開關(guān)元件11和下臂側(cè)開關(guān)元件12構(gòu)成；平滑電抗器20，一端連接于上臂側(cè)開關(guān)元件11和下臂側(cè)開關(guān)元件12的連接點(diǎn)，作為進(jìn)行電流脈動(dòng)的濾波的平滑濾波器；電流檢測(cè)器21，檢測(cè)平滑電抗器20的電流ISL ；成為負(fù)載的蓄電元件沈；電壓檢測(cè)器23，檢測(cè)輸出電壓BFC ；以及變換器控制部30，作為用于抑制LC濾波電路的電振蕩并抑制電容器電壓的瞬態(tài)振蕩的控制部。在此，電力變換電路10為直流一直流變換電路 (DC— DC變換器)。
作為蓄電元件沈，優(yōu)選鎳氫二次電池、鋰離子二次電池、雙電層電容器等，但不僅限于此，也可以是其它的蓄電元件。作為直流電源，以變電所為例進(jìn)行了說明，但是，也可以是除此之外的直流電壓源。
變換器控制部30包括減法器31，輸入平滑電抗器20的電流指令I(lǐng)SL*，取得平滑電抗器電流ISL的差；電流控制器32，輸入減法器31的輸出，進(jìn)行比例積分控制；加法器 33，取得電流控制器32的輸出和蓄電元件沈的電壓BFC的和，生成作為第一輸出電壓指令的電壓指令VREF，其中該第一輸出電壓指令是變換電力中的輸出電壓的大小的指令；除法器35，用作為第一控制信號(hào)的信號(hào)EFC2除電壓指令VREF，輸出作為第二輸出電壓指令的導(dǎo)通比M (conduction ratio)；以及調(diào)制電路37，基于導(dǎo)通比M和載波信號(hào)CAR，輸出向電力變換電路10的開關(guān)信號(hào)GSG。再有，導(dǎo)通比M也可以在電流控制器32的輸出上加上BFC / EFC2而生成。
若電流控制器32的輸出極少，則導(dǎo)通比M為與BFC / EFC(在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下，為EFC2 = EFC)大約相等的值，為0 1之間的值。例如，在電容器6的電壓EFC為1500V、蓄電元件沈的電壓BFC為600V的情況下，導(dǎo)通比M在0. 4附近。
載波信號(hào)CAR為取0 1的值的三角波、鋸齒波的載波。在調(diào)制電路37中，比較導(dǎo)通比M和載波信號(hào)CAR的大小關(guān)系，基于比較結(jié)果生成開關(guān)信號(hào)GSG。若導(dǎo)通KM >載波信號(hào)CAR，則使上臂側(cè)開關(guān)元件11導(dǎo)通，使下臂側(cè)開關(guān)元件12截止。另外，若導(dǎo)通比M <載波信號(hào)CAR，則使下臂側(cè)開關(guān)元件12導(dǎo)通，使上臂側(cè)開關(guān)元件11截止。像這樣，調(diào)整上臂側(cè)開關(guān)元件11的導(dǎo)通時(shí)間寬度和下臂側(cè)開關(guān)元件12的導(dǎo)通時(shí)間寬度來進(jìn)行控制。
信號(hào)EFC2為用延遲處理部34對(duì)電容器6的電壓EFC進(jìn)行延遲處理而獲得的信號(hào)。延遲處理部34對(duì)輸入的電壓EFC進(jìn)行例如一次滯后處理，生成作為第一控制信號(hào)的信號(hào)EFC2并輸出。該實(shí)施方式1的特征在于，基于由延遲處理部34生成的信號(hào)EFC2來生成導(dǎo)通比M。另外，電流控制器32優(yōu)選比例積分控制，但是，也可以是比例控制。均能用公知技術(shù)構(gòu)成。
在像這樣構(gòu)成的電力變換裝置中，將來自架空線1的電壓ES變換為規(guī)定的電壓值，施加在蓄電元件26的兩端，并且，對(duì)電力變換電路10的開關(guān)元件進(jìn)行導(dǎo)通截止控制，以使平滑電抗器電流ISL (與蓄電元件沈的電流相等)變?yōu)橐?guī)定的電流值的方式進(jìn)行調(diào)整。 即，電力變換裝置將平滑電抗器電流ISL控制為規(guī)定的電流值。
作為平滑電抗器電流ISL的指令值的平滑電抗器電流指令I(lǐng)SL*，是從未圖示的上位的控制系統(tǒng)中輸出的指令，在蓄電元件沈需要充電的情況下，將ISL*設(shè)為正值并作為從架空線1向蓄電元件26的功率通量來進(jìn)行充電動(dòng)作，在蓄電元件沈需要放電的情況下，將 ISL*設(shè)為負(fù)值并作為從蓄電元件沈向架空線1的功率通量來進(jìn)行放電動(dòng)作。在充電、放電都不需要的情況下，設(shè)ISL* = 0，將平滑電抗器電流ISL控制為零。像這樣，根據(jù)需要通過上位的控制系統(tǒng)來決定正、零、負(fù)的平滑電抗器的電流指令I(lǐng)SL*，成為能夠?qū)崿F(xiàn)任意的功率通量的結(jié)構(gòu)。
如上所述，在電力機(jī)車用的電力變換裝置中，為了使從電力變換電路10向架空線 1側(cè)流出的高次諧波電流衰減而設(shè)置由電抗器5和電容器6構(gòu)成的LC濾波電路，但是，因?yàn)榇嬖谠揕C濾波電路，所以有時(shí)會(huì)如下述那樣發(fā)生電振蕩。以下，簡單地說明在LC濾波電路中發(fā)生電振蕩的原理。
圖2是簡單地表現(xiàn)圖1所示的系統(tǒng)的圖，并且是表示在如下情況下的電路的圖在與模擬架空線1的直流電源70連接并由電抗器5和電容器6構(gòu)成的LC濾波器上，連接電力變換電路10、平滑電抗器20和蓄電元件沈，對(duì)平滑電抗器電流ISL進(jìn)行恒定電流控制。 如圖示那樣，電抗器5由電感部L、電阻部R構(gòu)成。電容器6的靜電容量為C。
電力變換電路10在平滑電抗器電流指令I(lǐng)SL*固定的情況下，以即使電容器6的電壓EFC變動(dòng)也能夠?qū)⒆鳛殡娏ψ儞Q電路的輸出的平滑電抗器電流ISL維持為固定的方式進(jìn)行控制。為此，電力變換電路10的通過功率變?yōu)楣潭ǎ噪娏ψ儞Q電路10相對(duì)于電容器6的電壓EFC的變動(dòng)成為恒定功率特性。即，以即使電壓EFC變動(dòng)，電力變換電路10的輸入功率PDC也不變化的方式進(jìn)行控制。根據(jù)以上的特性，將電力變換電路10、平滑電抗器 20和蓄電元件沈匯總作為LC濾波器的負(fù)載而表現(xiàn)的要素標(biāo)記為恒定功率負(fù)載80。
在像這樣構(gòu)成的圖2的系統(tǒng)中，從直流電源70側(cè)看到的恒定功率負(fù)載80為負(fù)電阻特性。負(fù)電阻特性是如下特性若電容器6的電壓EFC上升，則電力變換電路10的輸入電流IDC減少，若電容器6的電壓EFC減少，則電力變換電路10的輸入電流IDC增加。另外，作為常識(shí)已知通常的電阻呈正電阻特性，在正電阻特性中，若電壓上升則電流增加，若電壓減少則電流減少。
根據(jù)以上，圖2所示的系統(tǒng)的直流輸入部呈顯示負(fù)電阻特性，電容器6的電壓EFC 越上升，電力變換電路10的輸入電流IDC越減少，因此，成為促進(jìn)電容器6的電壓EFC增加的動(dòng)作，相反，電容器6的電壓EFC越減少，電力變換電路10的輸入電流IDC越增加，因此， 成為促進(jìn)電容器6的電壓EFC減少的動(dòng)作。因此，對(duì)于電容器6的電壓EFC的變動(dòng)制動(dòng)無效，LC濾波電路的電振蕩擴(kuò)大，電容器6的電壓EFC在LC濾波器的諧振頻率附近持續(xù)振蕩。 以上為定性說明。
下面，求圖2的系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，通過對(duì)此進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而定量說明以上所說明的現(xiàn)象。首先，求從直流電壓ES到電容器6的電壓EFC的傳遞函數(shù)。恒定功率負(fù)載80如上所述以其輸出為固定的方式進(jìn)行控制。在該情況下，電力變換電路10的輸入功率PDC和電容器6的電壓EFC、電力變換電路10的輸入電流IDC的關(guān)系式為下式(1)。
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權(quán)利要求
1.一種電力變換裝置，具有電力變換電路，從架空線接受電力，并經(jīng)由由電抗器和電容器構(gòu)成的LC濾波電路，輸出將來自所述架空線的電力變換后的變換電力；以及控制部，控制所述電力變換電路，其特征在于，所述控制部具備延遲處理部，該延遲處理部由生成時(shí)間常數(shù)的時(shí)間常數(shù)生成部和基于所述時(shí)間常數(shù)對(duì)所述電容器的電壓進(jìn)行延遲處理來生成第一控制信號(hào)的運(yùn)算部構(gòu)成，從作為所述變換電力中的輸出電壓的大小的指令的第一輸出電壓指令和所述第一控制信號(hào)， 生成第二輸出電壓指令，基于所述第二輸出電壓指令控制所述電力變換電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力變換裝置，其特征在于，時(shí)間常數(shù)生成部根據(jù)電力變換電路的狀態(tài)量生成時(shí)間常數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電力變換裝置，其特征在于，電力變換電路的狀態(tài)量是輸入側(cè)電壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電力變換裝置，其特征在于，電力變換電路的狀態(tài)量是負(fù)載量。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電力變換裝置，其特征在于，延遲處理部在輸入側(cè)電壓高于規(guī)定值時(shí)，生成與輸入側(cè)電壓低于規(guī)定值時(shí)相比小的時(shí)間常數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電力變換裝置，其特征在于，延遲處理部在負(fù)載量小于規(guī)定值時(shí)，生成與負(fù)載量大于規(guī)定值時(shí)相比小的時(shí)間常數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求廣6中任一項(xiàng)所述的電力變換裝置，其特征在于，電力變換電路是以直流為輸入來輸出交流的逆變器，控制部生成作為所述逆變器輸出的交流電力中的交流輸出電壓的大小的指令的第一輸出電壓指令，從所述第一輸出電壓指令和所述第一控制信號(hào)生成第二輸出電壓指令，生成作為所述交流輸出電壓的電壓相位的指令的電壓相位角，基于所述第二輸出電壓指令和所述電壓相位角控制所述逆變器。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于提供一種電力變換裝置，即使在直流電源等的電壓變動(dòng)了的情況下，也能夠通過抑制LC濾波電路的電振蕩且抑制電容器電壓的瞬態(tài)振蕩來維持正常運(yùn)轉(zhuǎn)。該電力變換裝置具有電力變換電路，經(jīng)由由電抗器和電容器構(gòu)成的LC濾波電路，輸出將來自架空線的電力變換后的變換電力；以及控制部，控制該電力變換電路，控制部具備延遲處理部，該延遲處理部對(duì)電容器的電壓進(jìn)行延遲處理來生成第一控制信號(hào)，從作為變換電力中的輸出電壓的大小的指令的第一輸出電壓指令和所述第一控制信號(hào)，生成第二輸出電壓指令，基于該第二輸出電壓指令控制電力變換電路。
文檔編號(hào)H02M3/155GK102511122SQ20108004333
公開日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2010年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月29日
發(fā)明者北中英俊 申請(qǐng)人:三菱電機(jī)株式會(huì)社