JP2007325476A - 交流き電電気車制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ある変圧器が故障停止した場合でも、運転継続できなくなってしまうコンバータ・インバータ装置の台数を低減し、急勾配のある路線においても編成として十分な推進力で運転継続できる交流き電電気車制御装置を提供する。
【解決手段】本発明の交流き電電気車制御装置は、受電した交流電力を入力として変圧し、絶縁された複数の交流を出力する複数台の変圧器11,12と、複数台の変圧器それぞれの各交流出力に接続され、その出力側に接続された車両駆動用の交流電動機IMそれぞれに可変電圧可変周波数の３相交流を出力するコンバータ・インバータ装置21~27と、コンバータ・インバータ装置のうち少なくとも１台の入力側を、複数台の変圧器それぞれの交流出力のうちの１つずつに選択的に切り替えて接続する開放スイッチ34とを備えたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、交流電力を受電し、受電した電力を電力変換して車両駆動用の交流電動機に給電し編成車両を推進駆動する交流き電電気車制御装置に関する。

新幹線などの交流き電電気車においては、２０〜２５ｋＶの商用周波数単相交流をパンタグラフを通して受電し、絶縁と電圧低減の目的のために取り付けられた変圧器により１５００Ｖ程度の２次電圧にステップダウンされる。この２次電圧は、コンバータにより直流に変換されてインバータに入力され、このインバータによって所望の周波数振幅の３相交流に再変換され、この３相交流を３相誘導電動機に給電する。１台の変圧器からは通常３〜４つの２次巻線が出力され、それぞれに各１台ずつコンバータ・インバータ装置が接続される。

１つの編成には複数の変圧器が搭載される。１６両編成の新幹線で、そのうち１４両がモータ駆動台車付のシステムの場合を例にとると、３つの２次巻線が付いた変圧器２台と、４つの２次巻線が付いた変圧器２台の合計４台、コンバータ・インバータ装置は合計１４台が搭載される。

コンバータ・インバータ装置と、変圧器２次巻線との間には電気的に接続を切り離すことのできる開放スイッチが設置されており、１台のコンバータ・インバータ装置が故障した場合には、該当する開放スイッチを切り離して他の１３台のコンバータ・インバータ装置で、編成としての運転を継続し冗長性が確保されている。

変圧器の故障時には、変圧器とパンタグラフとの間にそれぞれ同様に設置された開放スイッチを開放して故障した変圧器を切り離し、該当変圧器に接続されたコンバータ・インバータ装置の動作を停止した状態で、他の１０台または１１台のコンバータ・インバータ装置で編成としての運転を継続する構成になっている。

ところで、整備新幹線などの建設が進み、必ずしも長編成での運転がなされない路線において、例えば図５に示すような７両編成の新幹線を組成しようとした場合、４つの２次巻線が付いた変圧器１１を１台、３つの２次巻線が付いた変圧器１２を１台の合計２台と、コンバータ・インバータ装置２１〜２７は合計７台が搭載された編成システムが組まれる。尚、図５において、コンバータ・インバータ装置２１〜２７それぞれの交流入力端にはコンバータ・インバータ開放スイッチ（ＣＩ開放スイッチ）３１〜３７が設置され、各変圧器１１，１２とパンタグラフ１との間には変圧器開放スイッチ（ＭＴｒ開放スイッチ）４１，４２が設置される。尚、図において、符号２は車輪である。

このような編成システムにおいては、変圧器１１，１２のうち１台、例えば４つの２次巻線が付いた変圧器１１の１台が、地絡故障などで動作継続が不可能になった場合、もう一方の３つの２次巻線が付いた変圧器１２の１台で、それに接続された３台のコンバータ・インバータ装置２５〜２７のみで７両編成の新幹線を加減速させなければならなくなる。このような状況でも運転を継続すると、急勾配のある路線においては、最悪の場合には坂を登ることができなくなり、公共性の高い新幹線の運行を阻害してしまうことが懸念されている。
特開２００５−３２８６１９号公報

本発明は、上述した従来技術の課題に鑑みてなされたもので、ある変圧器が地絡故障などで動作継続できなくなった場合でも、それに起因して運転継続できなくなってしまうコンバータ・インバータ装置の台数を低減し、急勾配のある路線においても編成として十分な推進力で運転継続できる交流き電電気車制御装置を提供することを目的とする。

本発明は、交流電力を受電し、受電した電力を電力変換して車両駆動用の交流電動機に給電して編成車両を推進駆動する交流き電電気車制御装置であって、受電した交流電力を入力として変圧し、絶縁された複数の交流を出力する複数台の変圧器と、前記複数台の変圧器それぞれの各交流出力に接続され、その出力側に接続された車両駆動用の交流電動機それぞれに可変電圧可変周波数の３相交流を出力するコンバータ・インバータ装置と、前記コンバータ・インバータ装置のうち少なくとも１台の入力側を、前記複数台の変圧器それぞれの交流出力のうちの１つずつに選択的に切り替えて接続する開放スイッチとを備えたことを特徴とする。

また本発明は、交流電力を受電し、受電した電力を電力変換して車両駆動用の交流電動機に給電して編成車両を推進駆動する交流き電電気車制御装置であって、受電した交流電力を入力として変圧し、絶縁された複数の交流を出力する複数台の変圧器と、前記複数台の変圧器それぞれの各交流出力に接続され、その出力側に接続された車両駆動用の交流電動機それぞれに可変電圧可変周波数の３相交流を出力するコンバータ・インバータ装置と、前記複数台の変圧器のうち異なる変圧器に接続された少なくとも２台のコンバータ・インバータ装置それぞれの入力側に接続された、通常時はオフであり外部からの指令によってオンに切り替わる開放スイッチとを備えたことを特徴とする。

さらに本発明は、交流電力を受電し、受電した電力を電力変換して車両駆動用の交流電動機に給電して編成車両を推進駆動する交流き電電気車制御装置であって、受電した交流電力を入力として変圧し、絶縁された複数の交流を出力する複数台の変圧器と、前記複数台の変圧器それぞれの各交流出力に接続され、その出力側に接続された車両駆動用の交流電動機それぞれに可変電圧可変周波数の３相交流を出力するコンバータ・インバータ装置と、前記複数台の変圧器のうち異なる変圧器に接続された少なくとも２台のコンバータ・インバータ装置それぞれの直流中間電圧部分の間に接続された、通常時にはオフであり外部からの指令によってオンに切り替わる開放スイッチとを備えたことを特徴とする。

本発明の交流き電電気車制御装置によれば、コンバータ・インバータ装置の接続されている一方の変圧器が地絡故障などで動作継続できなくなった時には他方の変圧器に接続切替できるので、変圧器に故障が発生しても運転継続できなくなってしまうコンバータ・インバータ装置の台数が少なく、急勾配のある路線においても列車編成として十分な推進力で運転継続できる。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。

（第１の実施の形態）本発明の第１の実施の形態の交流き電電気車制御装置について、図１、図２を用いて説明する。本実施の形態は、交流電力をパンタグラフ１にて受電し、受電した電力を電力変換して車両駆動用の交流電動機ＩＭに給電して編成車両を推進駆動する交流き電電気車制御装置であって、受電した交流電力を入力として変圧し、絶縁された複数の交流を出力する複数台の変圧器１１，１２と、複数台の変圧器１１，１２それぞれの各交流出力に接続され、その出力側に接続された車両駆動用の交流電動機ＩＭそれぞれに可変電圧可変周波数の３相交流を出力するコンバータ・インバータ装置２１〜２７と、コンバータ・インバータ装置２１〜２７のうち少なくとも１台のコンバータ・インバータ装置２４の入力側を、複数台の変圧器１１，１２それぞれの交流出力のうちの１つずつに選択的に切り替えて接続する開放スイッチ３４とを備えたことを特徴とする。

本実施の形態の交流き電電気車制御装置は、図２に示す通り、７両編成の編成車両として説明する。図１に示す通り、本実施の形態の交流き電電気車制御装置は、それぞれ４つの２次巻線を備えた２台の変圧器（１）１１、変圧器（２）１２と、７台のコンバータ・インバータ装置２１〜２７と、コンバータ・インバータ装置２１〜２７それぞれの交流入力端に設置されたコンバータ・インバータ開放スイッチ（ＣＩ開放スイッチ）３１〜３７と、各変圧器１１，１２とパンタグラフ１との間に設置された変圧器開放スイッチ（ＭＴｒ開放スイッチ）４１，４２とで構成されている。

７台のコンバータ・インバータ装置２１〜２７のうちの１台、コンバータ・インバータ装置（４）２４は、変圧器（１）１１の第４の２次巻線とＣＩ開放スイッチ３４の第１スイッチ３４−１を介して接続されると共に、変圧器（２）１２の第１の２次巻線とＣＩ開放スイッチ３４の第２スイッチ３４−２を介して接続されている。

通常時は、コンバータ・インバータ装置（４）２４は、変圧器（１）１１の第４の２次巻線につながり、他のコンバータ・インバータ装置２１〜２３と同様に負荷に接続された４台の誘導電動機ＩＭ（モータの種類は同期電動機でも同様である）を駆動制御する。このためにＣＩ開放スイッチ３４の第１スイッチ３４−１はオン、ＣＩ開放スイッチ３４の第２スイッチ３４−２はオフである。その他のＣＩ開放スイッチ３１〜３３，３５〜３７は、車両動作中はすべてオンである。

上記構成の本実施の形態の交流き電電気車制御装置による変圧器（１）１１に故障が発生した場合の切替動作について説明する。いま、変圧器（１）１１が地絡故障した場合にはその動作を停止し、この変圧器（１）１１の各２次巻線に接続されているコンバータ・インバータ装置２１〜２４も動作をいったん停止する。これと共に、ＭＴｒ開放スイッチ４１、ＣＩ開放スイッチ３１〜３３、ＣＩ開放スイッチ３４の第１スイッチ３４−１はすべてオフになる。

その後、運転席などからの故障部位開放スイッチが操作されると、ＣＩ開放スイッチ３４の第２スイッチ３４−２がオンとなり、コンバータ・インバータ装置（４）２４は運転を再開し、結果的に、４台のコンバータ・インバータ装置２４〜２７にて誘導電動機ＩＭを駆動するようになる。

以上の構成の本実施の形態の交流き電電気車制御装置では、変圧器故障時に従来であれば３台のコンバータ・インバータ装置２５〜２７だけで７両編成の車両を推進しなければならなかったものを、４台のコンバータ・インバータ装置２４〜２７で推進することができるようになり、急勾配などにおいても立ち往生することなく、十分な推進力で運転継続が可能になる。

尚、上記実施の形態では７両編成システムについて説明したが、編成車両台数がこれに限定されることはない。

（第２の実施の形態）本発明の第２の実施の形態の交流き電電気車制御装置について、図３を用いて説明する。本実施の形態は、交流電力をパンタグラフ１にて受電し、受電した電力を電力変換して車両駆動用の交流電動機ＩＭに給電して編成車両を推進駆動する交流き電電気車制御装置であって、受電した交流電力を入力として変圧し、絶縁された複数の交流を出力する複数台の変圧器１１，１２と、複数台の変圧器１１，１２それぞれの各交流出力に接続され、その出力側に接続された車両駆動用の交流電動機ＩＭそれぞれに可変電圧可変周波数の３相交流を出力するコンバータ・インバータ装置２１〜２６と、異なる変圧器１１，１２に接続された２台のコンバータ・インバータ装置２３，２４それぞれの入力側に接続された、通常時はオフであり外部からの指令によってオンに切り替わる３４開放スイッチ５０とリアクトル５１，５２とを備えたことを特徴とする。

本実施の形態の交流き電電気車制御装置では、６両編成で６台のコンバータ・インバータ装置２１〜２６が搭載されているものとする。尚、図３において、図１、図２に示した第１の実施の形態と共通する要素には同一の符号を付して示している。

変圧器（１）１１の第３の２次巻線に接続されたコンバータ・インバータ装置（３）２３と、変圧器（２）１２の第１の２次巻線に接続されたコンバータ・インバータ装置（４）２４とは、それらの交流入力部を、リアクトル５１，５２と３４開放スイッチ５０とを介して接続されている。３４開放スイッチ５０は通常運転時、オフとなっている。

上記構成の本実施の形態の交流き電電気車制御装置による変圧器（１）１１に故障が発生した場合の切替動作について説明する。

通常運転時には上述したように３４開放スイッチ５０はオフとなっている。いま、変圧器（１）１１が地絡故障した場合、この変圧器（１）１１の３つの２次巻線それぞれに接続されているコンバータ・インバータ装置２１〜２３は動作をいったん停止する。これと共に、ＭＴｒ開放スイッチ４１、ＣＩ開放スイッチ３１〜３３はすべてオフになる。

その後、運転席などからの故障部位開放スイッチが操作されると、３４開放スイッチ５０がオンとなり、第３のコンバータ・インバータ装置２３は、ＣＩ開放スイッチ３４と３４開放スイッチ５０を通じて変圧器（２）１２の２次巻線から給電され、運転を再開する。この結果として、１台の変圧器（１）１１の停止後にも４台のコンバータ・インバータ装置２４〜２７にて誘導電動機ＩＭを駆動するようになる。

以上の構成により、本実施の形態の交流き電電気車制御装置によれば、１台の変圧器４１が故障した時に、従来であれば３台のコンバータ・インバータ装置２４〜２６だけで６両編成の車両を推進しなければならなかったものを、４台のコンバータ・インバータ装置２３〜２６で推進することができるようになり、急勾配などにおいても立ち往生することなく、十分な推進力で運転継続が可能になる。

尚、上記実施の形態では６両編成システムについて説明したが、編成車両台数がこれに限定されることはない。

（第３の実施の形態）本発明の第３の実施の形態の交流き電電気車制御装置について、図４により説明する。本実施の形態は、交流電力をパンタグラフ１にて受電し、受電した電力を電力変換して車両駆動用の交流電動機ＩＭに給電して編成車両を推進駆動する交流き電電気車制御装置であって、受電した交流電力を入力として変圧し、絶縁された複数の交流を出力する複数台の変圧器１１，１２と、複数台の変圧器１１，１２それぞれの各交流出力に接続され、その出力側に接続された車両駆動用の交流電動機ＩＭそれぞれに可変電圧可変周波数の３相交流を出力するコンバータ・インバータ装置２１〜２６と、異なる変圧器１１，１２に接続された２台のコンバータ・インバータ装置２３，２４それぞれの直流中間電圧部分の間に接続された、通常時にはオフであり外部からの指令によってオンに切り替わる３４開放スイッチ５０とを備えたことを特徴とする。

本実施の形態の交流き電電気車制御装置では、６両編成で６台のコンバータ・インバータ装置２１〜２６が搭載されているものとする。尚、図４において、図１、図２に示した第１の実施の形態と共通する要素には同一の符号を付して示している。

変圧器（１）１１の第３の２次巻線に接続されたコンバータ・インバータ装置（３）２３と、変圧器（２）１２の第１の２次巻線に接続されたコンバータ・インバータ装置（４）２４とは、互いの直流リンク部を３４直流開放スイッチ５０を介して接続されている。この３４直流開放スイッチ５０は、通常運転時はオフとなっている。

上記構成の本実施の形態の交流き電電気車制御装置による変圧器（１）１１に故障が発生した場合の切替動作について説明する。

通常運転時には上述したように３４開放スイッチ５０はオフとなっている。いま、変圧器（１）１１が地絡故障した場合、この変圧器（１）１１の３つの２次巻線それぞれに接続されているコンバータ・インバータ装置２１〜２３は動作をいったん停止する。これと共に、ＭＴｒ開放スイッチ４１、ＣＩ開放スイッチ３１〜３３はすべてオフになる。

その後、運転席などからの故障部位開放スイッチが操作されると、３４直流開放スイッチ５０がオンとなり、コンバータ・インバータ装置（３）２３は運転を再開する。

以上のように、本実施の形態の交流き電電気車制御装置によれば、１台の変圧器４１が故障した時に、従来であれば３台のコンバータ・インバータ装置２４〜２６だけで６両編成の車両を推進しなければならなかったものを、４台のコンバータ・インバータ装置２３〜２６で推進することができるようになり、急勾配などにおいても立ち往生することなく、十分な推進力で運転継続が可能になる。

本発明の第１の実施の形態の交流き電電気車制御装置の回路図。 上記実施の形態の交流き電電気車制御装置が搭載された７両編成システムのブロック図。 本発明の第２の実施の形態の交流き電電気車制御装置の回路図。 本発明の第３の実施の形態の交流き電電気車制御装置の回路図。 従来の交流き電電気車制御装置の回路図。

符号の説明

１１，１２ 変圧器
２１〜２７ コンバータ・インバータ装置
３１〜３７ コンバータ・インバータ開放スイッチ（ＣＩ開放スイッチ）
４１，４２ 変圧器開放スイッチ（ＭＴｒ開放スイッチ）
ＩＭ 誘導電動機
３４−１ 第１のスイッチ
３４−２ 第２のスイッチ
５０ ３４開放スイッチ
５１，５２ リアクトル

Claims (3)

1. 交流電力を受電し、受電した電力を電力変換して車両駆動用の交流電動機に給電して編成車両を推進駆動する交流き電電気車制御装置であって、
   受電した交流電力を入力として変圧し、絶縁された複数の交流を出力する複数台の変圧器と、
   前記複数台の変圧器それぞれの各交流出力に接続され、その出力側に接続された車両駆動用の交流電動機それぞれに可変電圧可変周波数の３相交流を出力するコンバータ・インバータ装置と、
   前記コンバータ・インバータ装置のうち少なくとも１台の入力側を、前記複数台の変圧器それぞれの交流出力のうちの１つずつに選択的に切り替えて接続する開放スイッチとを備えたことを特徴とする交流き電電気車制御装置。
2. 交流電力を受電し、受電した電力を電力変換して車両駆動用の交流電動機に給電して編成車両を推進駆動する交流き電電気車制御装置であって、
   受電した交流電力を入力として変圧し、絶縁された複数の交流を出力する複数台の変圧器と、
   前記複数台の変圧器それぞれの各交流出力に接続され、その出力側に接続された車両駆動用の交流電動機それぞれに可変電圧可変周波数の３相交流を出力するコンバータ・インバータ装置と、
   前記複数台の変圧器のうち異なる変圧器に接続された少なくとも２台のコンバータ・インバータ装置それぞれの入力側に接続された、通常時はオフであり外部からの指令によってオンに切り替わる開放スイッチとを備えたことを特徴とする交流き電電気車制御装置。
3. 交流電力を受電し、受電した電力を電力変換して車両駆動用の交流電動機に給電して編成車両を推進駆動する交流き電電気車制御装置であって、
   受電した交流電力を入力として変圧し、絶縁された複数の交流を出力する複数台の変圧器と、
   前記複数台の変圧器それぞれの各交流出力に接続され、その出力側に接続された車両駆動用の交流電動機それぞれに可変電圧可変周波数の３相交流を出力するコンバータ・インバータ装置と、
   前記複数台の変圧器のうち異なる変圧器に接続された少なくとも２台のコンバータ・インバータ装置それぞれの直流中間電圧部分の間に接続された、通常時にはオフであり外部からの指令によってオンに切り替わる開放スイッチとを備えたことを特徴とする交流き電電気車制御装置。

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