JP2006176057A - 鉄道車両の駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 発電手段と電力蓄積手段を設備するハイブリッド方式気動車において、新たに静止型インバータ装置を装備することなくサービス機器用の電源を安定して供給する。
【解決手段】 電動機５を駆動する第１の電力変換手段４と、第１の電力変換手段を駆動する動力源である直流電力を発生する第２の電力変換手段３と、エンジン１の駆動により交流電力を発生する発電手段２と、第１の電力変換手段４を駆動するための第２の電力源である直流電力を充電および放電する機能を持つ電力貯蔵手段８と、サービス機器１０に電力を供給する第３の電力変換手段１１を備え、第２の電力変換手段３および第３の電力変換手段１１への電力の供給は、エンジン１の駆動により交流電力を発生する発電手段２による鉄道車両の駆動装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、鉄道車両の駆動装置に係り、特に、発電手段と電力蓄積手段を設備し、前記発電手段により得られる電力とその消費量の相違分を前記電力蓄積手段の作用により調整することにより、サービス機器への安定した電力確保を可能とするハイブリッド式気動車の制御技術に関する。

電気車においては、車両を駆動するために必要な電力を架線等の外部電力供給設備、車載の発電設備、あるいは蓄電設備により供給している。これら駆動用電力のほかに、電気車では照明、空調、情報機器など、乗客のためのサービス機器を動作させるための電力を必要とする。電気車を駆動するために必要な電力源としては、直流１５００Ｖ、７５０Ｖあるいは交流２０００Ｖ、２５００Ｖ（単相５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚ）が一般的であるのに対して、サービス機器を動作させるための電源としては、交流１００Ｖまたは２００Ｖ（単相または３相６０Ｈｚ）で商用電源であることが一般的である。したがって、電気車を駆動するための電力源をもとに、商用電源に交換するための装置を設備する必要がある。

一方、電気車の形態の一つとして、エンジン付き発電機等の発電設備、２次電池等の蓄電設備を備え、これらが供給する電力をもとに車両を駆動する動力を得るハイブリッド式気動車が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。

このようなハイブリッド方式気動車では、可能な限り従来の電車と機器を共通化することで、導入コストの低減、メンテナンスコストの低減を目指すことが重要であり、前述のサービス機器用の商用電力についても、最近の電車と同型の静止型インバータ装置により、直流部の駆動用電力を交流２００Ｖ（３相６０Ｈｚ）に変換する方式が一般的であると考えられる。

図６に従来のハイブリッド方式気動車の機器構成を示す。エンジン１は誘導発電機２を駆動し、誘導発電機２は３相交流電力を発生する。コンバータ装置３は誘導発電機２が発生した３相交流電力を直流電力に変換する。インバータ装置４はコンバータ装置３が変換した直流電力を誘導電動機５を駆動するために必要な電圧、周波数を備えた３相交流電力に変換する。誘導電動機５の出力は減速機６により車両の可減速に必要な駆動力とした上で輪軸７に伝達する。蓄電装置８をコンバータ装置３とインバータ装置４の間の直流電力部に接続し、逐電装置８は必要に応じて充放電を行う。また、静止型インバータ装置９は、コンバータ装置３とインバータ装置４の間の直流電力部に接続し、交流電力をサービス機器１０が必要とする電圧、交流周波数にあわせて電力変換する。
日立評論第８５巻８号（２００３年８月）ｐ５４９〜ｐ５５２、ハイブリッド動力システム

従来の気動車では、サービス機器用の電力はエンジン駆動軸を変速機により一定回転とし、交流発電機を駆動することにより発電していた。ハイブリッド式気動車においては、電車と機器共通化が可能とはいえ、新たに静止型インバータ装置を装備することは、必ずしもメンテナンスコストを低減しているとはいえない。

本発明は、発電手段と電力蓄積手段を装備するハイブリッド方式気動車において、新たに静止型インバータ装置を装備することなくサービス機器用の電源を供給することができる鉄道車両の駆動装置を提供することを目的とする。

発電手段は、サービス機器の周波数仕様を満たす電力を常時発電し、サービス機器用の負荷による電力増減分は、コンバータ装置動作周波数をサービス機器の周波数仕様を目標値に追従制御することで、エンジン発電電力の過不足に応じて電力蓄積手段の充放電を行うことを可能とし、安定したサービス機器用の電力を確保する。

すなわち、本発明は、ハイブリド式気動車（鉄道車両）の駆動装置において、電動機を駆動する第１の電力変換手段と、第１の電力変換手段を駆動する動力源である直流電力を発生する第２の電力変換手段と、エンジンの駆動により交流電力を発生する発電手段と、第１の電力変換手段を駆動するための第２の電力源である直流電力を充電および放電する機能を持つ電力貯蔵手段と、サービス機器に電力を供給する第３の電力変換手段を備え、前記第２の電力変換手段および前記第３の電力変換手段への電力の供給は、前記エンジンの駆動により交流電力を発生する発電手段によるようにした。

また、本発明は、ハイブリッド式気動車（鉄道車両）の駆動装置において、電動機を駆動する複数の第１の電力変換手段と、第１の電力変換手段それぞれを駆動する電力減である直流電力を発生する複数の第２の電力変換手段と、エンジンの駆動により交流電力を発生する複数の発電手段と、複数の第１の電力変換手段を駆動するための第２の電力源である直流電力を充電および放電する機能を持つ電力貯蔵手段と、サービス機器に電力を供給する第３の電力変換手段を備え、前記複数の第２の電力変換手段への電力の供給は、それぞれ前記エンジンの駆動により交流電力を発生する複数の発電手段により、前記第３の電力変換手段への電力の供給は、前記エンジンの駆動により交流電力を発生する複数の発電手段の一方によるようにした。

上記構成をとることによって、本発明は、発電手段と電力蓄積手段を装備するハイブリッド方式気動車の駆動装置において、新たに静止型インバータ装置を装備することなく変圧装置を用いてサービス機器用の電源を供給することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。図１は、本発明のハイブリッド式気動車（鉄道車両）の駆動装置における一実施形態の基本構成を示す図である。本発明にかかるハイブリッド式気動車（鉄道車両）の駆動装置は、エンジン１と、誘導電動機２と、コンバータ装置３と、インバータ装置４と、誘導電動機５と、減速器６と、輪軸７と、蓄電装置８と、サービス機器１０と、変圧装置１１とを有している。

鉄道車両の駆動装置は、エンジン１の軸出力により３相誘導発電機２を駆動することにより３相誘導発電機２が３相交流電力を発生する。ここで３相誘導発電機２については、特に発電機の相数を限定するものではない。

コンバータ装置３は、３相誘導発電機２が発生した３相交流電力を直流電力に変換する。インバータ装置４は、コンバータ装置３により変換した直流電力を、３相誘導電動機５を駆動するために必要な電圧および周波数を備えた３相交流電力に交換する。３相誘導電動機５の軸出力は減速機６により車両の加減速に必要な駆動力とした上で、輪軸７に伝達する。ここで３相誘導電動機５については、特に電動機の種類あるいは相数を限定するものではなく、３相同期電動機等を用いることで同様に機器を構成することが可能である。

蓄電装置８は、コンバータ装置３とインバータ装置４の間の直流電力部に接続され、必要に応じて充放電を行う。蓄電装置８としては、充電と放電を可能とする機能を備えた、２次電池、キャパシタ、フライホイール式蓄電装置等を想定している。

変圧装置１１の入力側は３相誘導発電機２とコンバータ装置３の間の３相交流電力部にそれぞれ接続し、変圧装置１１の出力はサービス機器１０に必要な電力を供給する。変圧装置１１の入力側および出力側はともに３相交流電力であり、変圧装置１１の変圧比をＮとすると、入力端子の実効電圧Ｖ０に対して、出力側の実効電圧をＮ・Ｖ０に変圧する。

この機器構成において、以下に記述する制御方式を実現する。まず、エンジン１はサービス機器１０の仕様周波数に相当する３相誘導発電機２の軸回転周波数にて、出力Ｐ０１を出力できるように、エンジン１の軸回転周波数および軸出力のバランス点を持つ特性を実現する。前述のエンジン１の軸回転周波数および軸出力のバランス点において、エンジン１の軸回転周波数が低下したとき、エンジン１の軸出力は増加し、エンジン１の軸回転周波数が増加したときはエンジン１の軸出力は減少とする。このエンジン特性を実現するための制御は、図示を省略したシステム制御装置で行う。

ここで、エンジン１の軸回転周波数と３相誘導発電機２の軸回転周波数は同一であるが、３相誘導発電機２の軸回転周波数とコンバータ装置３の動作周波数は必ずしも同一ではない。３相誘導発電機２の極対数と、３相誘導発電機２の仕様および制御状態で変化するすべり周波数により、エンジン１あるいは３相誘導発電機２の軸回転周波数と、コンバータ装置３の動作周波数の関係は下記（１）式により記述できる。

以下、図１の説明では説明を簡単にするため、（１）式における３相誘導発電機２の極対数が１の場合を例に挙げて記述するが、これは本発明における３相誘導発電機２の極対数を限定するものではない。

一方、コンバータ装置３は、コンバータ装置３の動作周波数がサービス機器１０の仕様周波数を目標として追従するように一定周波数制御する。すなわち、３相誘導発電機２の軸回転周波数とコンバータ装置３の動作周波数が同じとき、すなわち３相誘導発電機２のすべり周波数が零のときは、コンバータ装置３の発電電力は零である。

３相誘導発電機２の軸回転周波数がコンバータ装置３の動作周波数よりも大きいとき、すなわち３相誘導発電機２のすべり周波数が負値のときは、コンバータ装置３は３相誘導発電機２を制動動作し、エンジン１の軸出力からみて３相誘導電動機２の負荷が増加するため３相誘導電動機２の軸回転周波数は減少し、再びコンバータ装置３の動作周波数と３相誘導電動機２の軸回転周波数が一致した点、すなわち３相誘導発電機２のすべり周波数が零となる点でバランスする。

逆に、３相誘導発電機２の軸回転周波数がコンバータ装置３の動作周波数よりも小さいとき、すなわち３相誘導発電機２のすべり周波数が正値のときは、コンバータ装置３は３相誘導発電機２を駆動動作し、エンジン１の軸出力から見て誘導電動機２の負荷が減少するため誘導電動機２の回転速度は増加し、再びコンバータ装置３の動作周波数と３相誘導電動機２の軸回転周波数が一致した点、すなわち３相誘導発電機２のすべり周波数が零となる点でバランスする。このときに必要なコンバータ装置３の電力（３相誘導電動機２の駆動電力）は蓄電装置８から放電、もしくはインバータ装置４の回生電力で供給する。

この３相誘導発電機２のすべり周波数の増減による安定化制御は、本来３相誘導発電機２の特性として備わる機能であり、前述のコンバータ装置３の動作周波数をサービス機器１０の仕様周波数を目標値として追従する一定周波数制御と併用することで、より広範囲な制御量の変化に追従できる制御応答性の実現を可能とする。

このときに発生するコンバータ装置３の電力（３相誘導電動機２の発電電力）は、蓄電装置８に充電もしくはインバータ装置４の駆動電力として消費する。

以上のような、各機器の動作により、エンジン１の発電電力に対してサービス機器１０への供給電力が過剰な場合は、その過剰分を蓄電装置８に充電することにより蓄積し、逆にエンジン１の発電電力に対してサービス機器１０への供給電力が不足する場合は、その不足分を蓄電装置８の放電により供給することにより、サービス機器１０に安定した電力を供給できる。

図２を用いて、本発明の一実施の形態にかかるハイブリッド式気動車（鉄道車両）の駆動装置における制御信号の流れをを説明する。本発明にかかるハイブリッド式気動車（鉄道車両）の駆動装置は、エンジン１と、誘導電動機２と、コンバータ装置３と、インバータ装置４と、誘導電動機５と、減速器６と、輪軸７と、蓄電装置８と、サービス機器１０と、変圧装置１１と、複数の交流電流検出器１２ａ〜１２ｃ，１２ｄ〜１２ｆと、直流電流検出器１３ａ，１３ｂと、回転速度検出装置１４ａ、１４ｂと、直流電圧検出器１５と、システム制御装置１６を有している。

エンジン１の軸出力により３相誘導発電機２を駆動することにより３相誘導発電機２は３相交流電力を発生する。ここで３相誘導発電機２については、特に発電機の相数を限定するものではない。

コンバータ装置３は、３相誘導発電機２が発生した３相交流電力を直流電力に変換する。インバータ装置４は、コンバータ装置３により変換した直流電力を、３相誘導電動機５を駆動するために必要な電圧および周波数を備えた３相交流電力に変換する。３相誘導電動機５の軸出力は減速機６により車両の加減速に必要な駆動力とした上で輪軸７に伝達する。ここで３相誘導電動機５については、特に電動機の種類あるいは相数を限定するものではなく、３相同期電動機等を用いる事で同様に機器を構成することが可能である。

蓄電装置８は、コンバータ装置３とインバータ装置４の間の直流電力部に接続し、必要に応じて充放電を行う。蓄電装置８としては、充電と放電を可能とする機能を備えた、２次電池、キャパシタ、フライホイール式蓄電装置等を想定している。蓄電装置８は、蓄電量、入出力電流、端子間電圧等の電池内部情報Ｊｂをシステム制御装置１６に対して出力する機能を持つ。

変圧装置１１の入力側は、３相誘導発電機２とコンバータ装置３の間の３相交流電力部にそれぞれ接続し、変圧装置１１の出力はサービス機器１０に必要な電力を供給する。変圧装置１１の入力側および出力側はともに３相交流電力であり、変圧装置１１の変換比をＮとすると、入力端子の実効電圧Ｖ０に対して、出力側の実効電圧をＮ・Ｖ０に変圧する。

交流電流検出器１２ａ，１２ｂ，１２ｃは、３相誘導発電機２とコンバータ装置３の間の３相交流電力線のうち、変圧装置１１との接続点よりもコンバータ装置３に近い側に各々設備して、コンバータ装置３に入出力する交流電流値Ｉｕｇ、Ｉｖｇ、Ｉｗｇを検出してシステム制御装置１６に入力する。交流電流検出器１２ｄ、１２ｅ、１２ｆは、３相誘導電動機５とインバータ装置４の間の３相交流電力線に各々設備して、インバータ装置４に入出力する交流電流値Ｉｕｍ、Ｉｖｍ、Ｉｗｍを検出してシステム制御装置１６に入力する。

直流電流検出器１３ａは、コンバータ装置３とインバータ装置４の間の直流電力部のうち、蓄電装置８の接続点よりもコンバータ装置３に近い側の電力線に設備して、コンバータ装置３に入出力する交流電流値Ｉｓｇを検出してシステム制御装置１６に入力する。直流電流検出器１３ｂは、コンバータ装置３とインバータ装置４の間の直流電力部のうち、蓄電装置８の接続点よりもインバータ装置４に近い側の電力線に設備して、インバータ装置４に入出力する交流電流値Ｉｓｍを検出してシステム制御装置１６に入力する。

直流電圧検出器１５は、コンバータ装置３とインバータ装置４の間の直流電力部の、接地線と電力線の間に設備し、コンバータ装置３とインバータ装置４の直流電力部の電圧値Ｅｓを検出してシステム制御装置１６に入力する。

回転速度検出装置１４ａは、３相誘導発電機２の軸回転速度Ｆｒｇを検出してシステム制御１６に入力する。回転速度検出装置１４ｂは、３相誘導電動機５の軸回転速度Ｆｒｍを検出してシステム制御１６に入力する。

さらに、システム制御装置１６は、前述の交流電流値Ｉｕｇ，Ｉｖｇ，Ｉｗｇ，Ｉｕｍ，Ｉｖｍ，Ｉｗｍ、直流電流値Ｉｓｇ，Ｉｓｍ、直流電圧値Ｅｓ、軸回転速度Ｆｒｇ，Ｆｒｍ、電池内部情報Ｊｂをもとに、エンジン１に制御指令Ｎｅｎｇ、コンバータ装置３に電圧指令Ｖｄｇ、インバータ装置４に電圧指令Ｖｄｍを出力し、システム全体を統括制御する機能を持つ。

この機器構成において、以下に記述する制御方式を実現する。まず、エンジン１は、サービス機器１０の仕様周波数に相当する３相誘導発電機２の軸回転周波数にて、出力Ｐ０１を出力できるように、エンジン１の軸回転周波数および軸出力のバランス点を持つ特性を実現する。前述のエンジン１の軸回転周波数および軸出力のバランス点において、エンジン１の軸回転周波数が低下したとき、エンジン１の軸出力は増加し、エンジン１の軸回転周波数が増加したときはエンジン１の軸出力は減少とする。このエンジン特性を実現するための制御は、システム制御装置１６で行う。

ここで、エンジン１の軸回転周波数と３相誘導電気２の軸回転周波数は同一であるが、３相誘導発電機２の軸回転周波数とコンバータ装置３の動作周波数は必ずしも同一ではない。３相誘導発電機２の極対数と、３相誘導発電機２の仕様および制御状態で変化するすべり周波数により、エンジン１あるいは３相誘導発電機２の軸回転周波数と、コンバータ装置３の動作周波数の関係は、前記（１）により記述できる。

以下、図２の説明では説明を簡単にするため、（１）式における３相誘導発電機２の極対数が１の場合を例に挙げて記述するが、これは本発明における３相誘導発電機２の極対数を限定するものではない。

一方、コンバータ装置３は、コンバータ装置３の動作周波数がサービス機器１０の仕様周波数を目標値として追従するように一定周波数制御する。すなわち、３相誘導発電機２の軸回転周波数とコンバータ装置３の動作周波数が同じとき、すなわち３相誘導発電機２のすべり周波数が零のときは、コンバータ装置３の発電電力は零である。

３相誘導発電機２の軸回転周波数がコンバータ装置３の動作周波数よりも大きいとき、すなわち３相誘導発電機２のすべり周波数が負値のときは、コンバータ装置３は３相誘導発電機２を制動動作し、エンジン１の軸出力からみて３相誘導電動機２の負荷が増加するため３相誘導電動機２の軸回転周波数は減少し、再びコンバータ装置３の動作周波数と３相誘導電動機２の軸回転周波数が一致した点、すなわち３相誘導発電機２のすべり周波数が零となる点でバランスする。

逆に、３相誘導発電機２の軸回転周波数がコンバータ装置３の動作周波数よりも小さいとき、すなわち３相誘導発電機２のすべり周波数が正値のときは、コンバータ装置３は３相誘導発電機２を駆動動作し、エンジン１の軸出力から見て誘導電動機２の負荷が減少するため誘導電動機２の軸回転速度は増加し、再びコンバータ装置３の動作周波数と３相誘導電動機２の軸回転周波数が一致した点、すなわち３相誘導発電機２のすべり周波数が零となる点でバランスする。このときに必要なコンバータ装置３の電力（３相誘導電動機２）の駆動電力は蓄電装置８から放電、もしくはインバータ装置４の回生電力で供給する。

この３相誘導発電機２のすべり周波数により安定化する制御は、本来３相誘導発電機２の特性として備わる機能であり、前述のコンバータ装置３の動作周波数をサービス機会１０の仕様周波数を目標値として追従する一定周波数制御と併用することで、より広範囲な制御量の変化に追従できる制御応答性の実現を可能とする。

この時に発生するコンバータ装置３の電力（３相誘導電動機２の発電電力）は、蓄電装置８に放電もしくはインバータ装置４の回生電力で供給する。

この３相誘導発電機２のすべり周波数により安定化する制御は、本来３相誘導発電機２の特性として備わる機能であり、前述のコンバータ装置３の動作周波数をサービス機器１０の仕様周波数を目標値として追従する一定周波数制御と併用することで、より広範囲な制御量の変化に追従できる制御応答性の実現を可能とする。

この時に発生するコンバータ装置３の電力（３相誘導電動機２の発電電力）は、蓄電装置８に充電もしくはインバータ装置４の駆動電力として消費する。

以上のような、各機器の動作により、エンジン１の発電電力に対してサービス機器１０への供給電力が過剰な場合は、その過剰分を蓄電装置８に充電することにより蓄積し、逆にエンジン１の発電電力に対してサービス機器１０への供給電力が不足する場合は、その不足分を蓄電装置８の放電により供給することにより、サービス機器１０に安定した電力を供給できる。

図３は、本発明の電気車の制御装置の一実施形態における制御装置の制御方法を示す図である。この図は、本発明のシステム制御装置１６において、コンバータ装置３を動作させる電圧指令Ｖｐｇを生成するベクトル制御部の制御機能を記述したものである。

コンバータ動作周波数指令値Ｆｃｎｖｐと、後述のコンバータ動作周波数Ｆｃｎｖｆは、加算器１７ａにおいて下記（２）式に示す演算を行い、コンバータ動作周波数偏差ΔＦｃｎｖを導出する。

制御器１８は、コンバータ動作周波数偏差ΔＦｃｎｖを入力とし、これを最小化するトルク電流指令Ｉｑｐを演算して出力する。また、制御器１８は、操作量を周波数領域において限定する機能を備える。

電流制御部１９は、励磁電流指令値Ｉｄｐ、励磁電流検出値Ｉｄｆ，トルク電流指令値Ｉｑｐ、トルク電流検出値Ｉｑｆを入力とし、励磁電流Ｉｄ，トルク電流Ｉｑを出力する。

すべり周波数演算部２０は、励磁電流Ｉｄ、トルク電流Ｉｑを入力とし、３相誘導発電機２の制御定数（モータ定数）をもとにすべり周波数Ｆｓｇを演算して出力する。

３相誘導発電機２の軸回転速度Ｆｒｇと、３相誘導発電機２のすべり周波数Ｆｓｇは、加算器１７ｂにおいて下記（３）式に示す演算を行い、コンバータ動作周波数検出値Ｆｃｎｖｆを導出する。

電圧指令演算部２１は、直流部電圧値Ｅｓ、励磁電流Ｉｄ、トルク電流Ｉｑ、コンバータ動作周波数検出値Ｆｃｎｖｆを入力として、コンバータ装置３を動作させる電圧指令Ｖｐｇｕ，Ｖｐｇｕ，Ｖｐｇｕを出力する。

上記の制御機能により、コンバータ動作周波数指令値Ｆｃｎｖｐに、実際のコンバータ動作周波数検出値Ｆｃｎｖｆを一致させることを可能とし、前述の機器動作と合わせて、エンジン１の発電電力に対してサービス機器１０への供給電力が過剰な場合は、その過剰分を蓄電装置８に充電することにより蓄積し、逆にエンジン１の発電電力に対してサービス機器１０への供給電力が不足する場合は、その不足分を蓄電装置８の放電により供給することにより、サービス機器１０に安定した電力を供給できる。

図４は、本発明の電気車の制御装置の一実施形態における制御装置の信号波形を示す図である。この図は横軸に経過時間ｔ、縦軸に各信号の大きさを示した、時刻歴周波図である。

ここでは、説明を簡単にするため、インバータが動作していない状態を考える。したがって、インバータ消費電力Ｐｉｎｖは常時０ｋｗとする。ここで、インバータ消費電力Ｐｉｎｖは、インバータ直流電流Ｉｓｍと直流部電圧Ｅｓの積で表せる。

コンバータ動作周波数指令値Ｆｃｎｖｐは、サービス機器１０の仕様周波数を目標値として設定するが、ここでは商用周波数である６０Ｈｚとした場合を例に挙げる。

補機消費電力Ｐｓｕｂは、サービス機器１０が消費する電力であり、本来は交流電力として考える必要があるが、ここでは説明を簡単にするためコンバータ装置３とインバータ装置４の間の直流部の電力相当値に換算した電力として考える。いま、時間ｔ＝ｔ０で、補機消費電力ＰｓｕｂがＰ０１からＰ０２（Ｐ０１＜Ｐ０２）に変化したとする。

このとき、瞬間的には３相誘導発電機２の出力電力が増加し、エンジン１の軸出力側から見て負荷が増えるため、３層誘導発電機２の軸回転速度は低下する。

この時、コンバータ動作周波数指令値Ｆｃｎｖｐを目標値として一定周波数制御しているため、時間ｔ＝ｔ０にて、瞬時的に３相誘導発電機２のすべり周波数Ｆｓが増加して、コンバータ装置３は３相誘導発電機２を駆動する側に電力を供給し、補機消費電力Ｐｓｕｂの増加分を補填しようとする。

一方、コンバータ動作周波数検出値Ｆｃｎｖｆは、時間ｔ＜ｔ０ではコンバータ動作周波数指令値Ｆｃｎｖｐに追従する制御により、両者は概ね一致している。時間ｔ＝ｔ０に達した時点で、３相誘導発電機２に軸回転速度Ｆｒｇの低下により、コンバータ動作周波数検出値Ｆｃｎｖｆも低下する。これにより、コンバータ動作周波数指令値Ｆｃｎｖｐとコンバータ動作周波数検出値Ｆｃｎｖｆの差分であるコンバータ動作周波数偏差ΔＦｃｎｖは正値となり、図示していない制御器１８の作用により、コンバータ動作周波数偏差ΔＦｃｎｖを零とする操作量であるコンバータトルク電流指令Ｉｑｐを出力する。

コンバータ発電電力Ｐｃｎｖは、コンバータトルク電流指令値Ｉｑｐに基づいて、３相誘導発電機２を駆動する電力を出力する。ここで、コンバータ発電電力Ｐｃｎｖは、コンバータ直流電流Ｉｓｇと直流部電圧Ｅｓの積で表せる。

このコンバータ発電電力Ｐｃｎｖは、長期的には補機消費電力Ｐｓｕｂの増加分Ｐ０２−Ｐ０１を丁度補填する電力値に収束する。すなわち、時間ｔ＝ｔ０にて補機消費電力ＰｓｕｂがＰ０１からＰ０２に増加した直後は、３相誘導発電機２のすべり周波数Ｆｓが正値になることで、３相誘導発電機２が本来有する制御機能により、補機消費電力Ｐｓｕｂの増分を補填するが、ある程度時間を経過したとき、その補機消費電力Ｐｓｕｂの増加分を、コンバータ装置２およびシステム制御装置１６の制御機能が肩代わりするように制御切り換えているといえる。これにより、定常的には３相誘導発電機２のすべり周波数Ｆｓを零となるように制御できるため、３相誘導発電機２を特性範囲内で使用することができる。

図５は、本発明の電気車の制御装置の第２の実施形態を示す図である。エンジン１ａ，１ｂの軸出力により３相誘導発電機２ａ，２ｂをそれぞれ駆動することにより３相誘導発電機２ａ，２ｂは３相交流電力を発生する。ここで３相誘導発電機２ａについては、特に発電機の相数を限定するものではない。また３相誘導発電機２ｂについては、特に発電機の種類あるいは相数を限定するものではなく、３相同期発電機等を用いることで同様に機器を構成することが可能である。

コンバータ装置３ａ，３ｂは、３相誘導発電機２ａ，２ｂが発生した３相交流電力を直流電力に変換する。インバータ装置４ａ，４ｂは、それぞれコンバータ装置３ａ，３ｂにより変換した直流電力を、それぞれ３相誘導電動機５ａ，５ｂを駆動するために必要な電圧および周波数を備えた３相交流電力に変換する。３相誘導電動機５ａ，５ｂの軸出力は、それぞれ減速機６ａ，６ｂにより車両の加減速に必要な駆動力とした上で、それぞれ輪軸７ａ，７ｂに伝達する。ここで３相誘導電動機５ａ，５ｂについては、特に電動機の種類あるいは相数を限定するものではなく、３相同期電動機等を用いることで同様に機器を構成することが可能である。

蓄電装置８は、コンバータ装置３ａとインバータ装置４ａの間の直流電力部、およびコンバータ装置３ｂとインバータ装置４ｂの間の直流電力部に接続し、必要に応じて充放電を行う。蓄電装置８としては、充電と放電を可能とする機能を備えた、２次電池、キャパシタ、フライホイール式蓄電装置等を想定している。

変圧装置１１の入力側は３相誘導発電機２ａとコンバータ装置３ａの間の３相交流電力部にそれぞれ接続し、変圧装置１１の出力はサービス機器１０に必要な電力を供給する。変圧装置１１の入力側および出力側はともに３相交流電力であり、変圧装置１１の変換比をＮとすると、入力端子の実効電圧Ｖ０に対して、出力側の実効電圧をＮ・Ｖ０に変圧する。

この機器構成において、以下に記述する制御方式を実現する。まず、エンジン１ａはサービス機器１０の仕様周波数に相当する３相誘導発電機２の軸回転速度にて、出力Ｐ０１を出力できるように、エンジン１ａの軸回転速度および軸出力のバランス点を持つ特性を実現する。前述のエンジン１ａの軸回転速度および軸出力のバランス点において、エンジン１ａの軸回転速度が低下したとき、エンジン１ａの軸出力は増加し、エンジン１ａの軸回転速度が増加したときはエンジン１ａの軸出力は減少する。このエンジン特性を実現するための制御は、システム制御装置１６で行う。

ここで、エンジン１ａの軸回転速度と３相誘導発電機２ａの軸回転速度は同一であるが、３相誘導発電機２の軸回転速度とコンバータ装置３の動作周波数は必ずしも同一ではない。３相誘導発電機２の極対数と、３相誘導発電機２の仕様および制御状態で変化するすべり周波数により、エンジン１あるいは３相誘導発電機２の軸回転速度と、コンバータ装置３の動作周波数の関係は前記（１）式により記述できる。
以下、図５の説明では説明を簡単にするため、（１）式における３相誘導発電機２の極対数を１として記述する。

一方、コンバータ装置３ａは、コンバータ装置３ａの動作周波数がサービス機器１０の仕様周波数を目標値として追従するように一定周波数制御する。すなわち、３相誘導発電機２ａの軸回転速度とコンバータ装置３ａの動作周波数が同じとき、すなわち３相誘導発電機２ａのすべり周波数が零のときは、コンバータ装置３ａの発電電力は零である。

誘導発電機２ａの軸回転速度がコンバータ装置３ａの動作周波数よりも大きいとき、すなわち３相誘導発電機２ａのすべり周波数が負値のときは、コンバータ装置３は、３相誘導発電機２を制動動作し、エンジン１ａの軸出力からみて３相誘導電動機２ａの負荷が増加するため３相誘導電動機２ａの軸回転周波数は減少し、再びコンバータ装置３ａの動作周波数と３相誘導電動機２ａの軸回転速度が一致した点、すなわち３相誘導発電機２ａのすべり周波数が零となる点でバランスする。

逆に、誘導発電機２ａの軸回転速度がコンバータ装置３ａの動作周波数よりも小さいとき、すなわち３相誘導発電機２ａのすべり周波数が正値の時は、コンバータ装置３ａは３相誘導発電機２を駆動動作し、エンジン１ａの軸出力から見て誘導電動機２ａの負荷が減少するため誘導電動機２の軸回転速度は増加し、再びコンバータ装置３ａの動作周波数と３相誘導電動機２ａの軸回転速度が一致した点、すなわち３相誘導発電機２ａのすべり周波数が零となる点でバランスする。この時に必要なコンバータ装置３ａの電力（３相誘導電動機２ａの駆動電力）は蓄電装置８から放電、もしくはインバータ装置４ａ，４ｂの回生電力で供給する。

この３相の誘導発電機２のすべり周波数が零に安定化する制御は、３相誘導発電機２の特性として備わる機能であり、前述のコンバータ装置３ａの動作周波数をサービス機器１０の仕様周波数を目標値として追従する一定周波数制御と併用することで、より広範囲な制御量の変化に追従できる制御応答性の実現を可能とする。

この時に、発生するコンバータ装置３ａの電力（３相誘導電動機２の発電電力）は蓄電装置８に充電、もしくはインバータ装置４ａ，４ｂの駆動電力として消費する。

また、コンバータ装置３ｂについては、蓄電装置８の蓄電量を所定値とするように発電電力目標値を設定し、同時にエンジン１ｂに出力を調整することにより、エンジン１ｂの出力と３相誘導発電機２ｂの発電電力をバランスするように制御する。すなわち、エンジン１ａ，３相誘導発電機２ａ、コンバータ装置３ａによる発電手段は、サービス機器１０の消費電力を含めて、システムの平均的な消費電力を常時供給するように発電制御し、エンジン１ｂ，３相誘導発電機２ｂ、コンバータ装置３ｂによる発電手段は、蓄電装置８の蓄電電力を含めて、システムとしての消費電力の変動分を臨機応変に吸収するように発電制御する方法が考えられる。

以上のような、各機器の動作により、エンジン１ａの発電電力に対してサービス機器１０への供給電力が過剰な場合は、その過剰分を蓄電装置８に充電することにより蓄積し、逆にエンジン１の発電電力に対してサービス機器１０への供給電力が不足する場合は、その不足分を蓄電装置８の放電により供給することにより、サービス機器１０に安定した電力を供給できる。

本発明の電気車の駆動装置における一実施形態の基本構成を示す図。 本発明の電気車の駆動装置の一実施形態における制御信号を示す図。 本発明の電気車の制御装置の一実施形態における制御装置の制御方法を示す図。 本発明の電気車の制御装置の一実施形態における制御装置の信号波形を示す図。 本発明の電気車の制御装置の第二の実施形態を示す図。 従来の電気車の制御装置の構成を示す図。

符号の説明

１：エンジン、２：３相誘導発電機、３：コンバータ装置、４：インバータ装置、５：３相誘導電動機、６：減速機、７：輪軸、８：蓄電装置、９：静止型インバータ装置、１０：サービス機器、１１：変圧装置、１２：交流電流検出器、１３：直流電流検出器、１４：回転速度検出装置、１５：直流電圧検出器、１６：システム制御装置、１７：加算器、１８：制御器、１９：電流制御部、２０：すべり周波数演算部、２１：電圧指令部

Claims (2)

1. 電動機を駆動する第１の電力変換手段と、第１の電力変換手段を駆動する動力源である直流電力を発生する第２の電力変換手段と、エンジンの駆動により交流電力を発生する発電手段と、第１の電力変換手段を駆動するための第２の電力源である直流電力を充電および放電する機能を持つ電力貯蔵手段と、サービス機器に電力を供給する第３の電力変換手段を備え、
   前記第２の電力変換手段および前記第３の電力変換手段への電力の供給は、前記エンジンの駆動により交流電力を発生する発電手段によることを特徴とする鉄道車両の駆動装置。
2. 電動機を駆動する複数の第１の電力変換手段と、第１の電力変換手段それぞれを駆動する電力減である直流電力を発生する複数の第２の電力変換手段と、エンジンの駆動により交流電力を発生する複数の発電手段と、複数の第１の電力変換手段を駆動するための第２の電力源である直流電力を充電および放電する機能を持つ電力貯蔵手段と、サービス機器に電力を供給する第３の電力変換手段を備え、
   前記複数の第２の電力変換手段への電力の供給は、それぞれ前記エンジンの駆動により交流電力を発生する複数の発電手段により、前記第３の電力変換手段への電力の供給は、前記エンジンの駆動により交流電力を発生する複数の発電手段の一方によることを特徴とする鉄道車両の駆動装置。

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