JP2011216718A

JP2011216718A - 電気車用電源装置

Info

Publication number: JP2011216718A
Application number: JP2010084343A
Authority: JP
Inventors: Hirotada Kira; 浩忠吉良
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2010-03-31
Filing date: 2010-03-31
Publication date: 2011-10-27

Abstract

【課題】省保守で冷却器の冷却能力を維持する電気車電源装置を提供する。
【解決手段】インバータ部８の温度を検出する第一のサーミスタ１７と、外気温を検出する第二のサーミスタ１９から演算した温度差の平均値を算出する。また、負荷電流を検出する電流検出器１８の検出値から算出した負荷電流の平均値に基づいて、インバータ部８に設置されるフィルタ１５が正常に機能している場合の温度を算出する。温度差の平均値とフィルタ１５が正常に機能している場合の温度の差分が、ある所定値以上である場合、フィルタ１５が目詰まりをし、インバータ部８からの熱を吸収する冷却器１４の冷却能力が低下したことを検知し、外部にアラームを出力することでメンテナンス時期を警告する。
【選択図】図２

Description

本発明は、電気車用電源装置に関する。

一般に、電気車用電源装置においては、架線から電力を受け取り、電気車に照明や空調装置などの電源を供給する。この電気車用電源装置は、ＩＧＢＴなどの半導体のスイッチングデバイスを高周波でスイッチングして、直流電圧を交流電圧に変換する。

このためスイッチングデバイスがスイッチング時に熱が発生するため、デバイスの破壊温度になる前に、冷却する必要がある。冷却する場合に、冷却効果を高める為に、風冷を行う場合がある。風冷の場合、デバイスが取り付けられている冷却部がフィン状になっている。このフィン部分にゴミが溜まって、冷却能力が低下しないように、風の取り込み口側にゴミを濾し取るためのフィルタが取り付けられるが、フィルタは、ゴミが溜まり、目詰まりを起こすことになる。実際の運用では、定期的にフィルタを掃除して、ゴミに拠る目詰まりを取り除いているが、汚れが激しい場合には、定期清掃前に目詰まりし、結果的にデバイスの温度保護などで、電源装置が停止してしまう場合もある。

そのため、図６に示すようにフィルタ目詰まりを視覚的に確認できるエアフィルタ２を設置することで、確実なメンテナンスを実施するようにした発明が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−７２０４５号公報

しかしながら、従来のような冷却方式では、定期的にエアフィルタの確認をし、目詰まりの状態を監視する必要があった。そのため、フィルタ等の冷却器が増加すればするほど保守労力を増加するといった問題があった。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、保守労力を削減し、かつ冷却器の汚損状態を監視することができる電気車電源装置を提供することを目的とする。

上記を解決するために、本発明による電気車電源装置は、一端が架線電力を授受するパンタグラフと接続され、他端が前記架線電力を駆動力として駆動する負荷が接続された電気車電源装置において、電力変換を行うためのスイッチングデバイスを内蔵するインバータ部と、前記インバータ部内のスイッチングデバイスが電力変換の際に発生する熱を吸収する冷却手段と、前記インバータ部の温度を検出する第一の温度検出手段と、外気の温度を検出する第二の温度検出手段と、前記負荷への入力電流を検出する電流検出手段と、前記第一の温度検出手段と前記第二の温度検出手段の検出値の差分から算出される実際の温度上昇値と、前記電流検出器の検出値より算出される推定の温度上昇値に基づき、前記冷却器の冷却能力の低下を判断する制御部とを有することを特徴としている。

本発明によれば、フィルタ等の目詰まりを防止し、かつ省保守化を実現することのできる電気車用電源装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態の回路構成図。本発明の第１の実施形態の第一の目詰まり検知手段図。本発明の第１の実施形態の変形例の回路構成図。本発明の第２の実施形態の回路構成図。本発明の第２の実施形態の変形例の回路構成図。従来の発明の電力変換装置の断面図。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
本実施形態の回路構成について説明する。図１は第１の実施形態の回路構成図である。図１は、架線１、パンタグラフ２、接触器３、直流フィルタリアクトル４、フィルタコンデンサ充電抵抗器５、フィルタコンデンサ充電抵抗器短絡スイッチ（ＣＨＳ）６、直流フィルタコンデンサ７、インバータ部（主回路）８、交流リアクトル９、交流フィルタ１０、変圧器１１、電気車用電源装置（ＳＩＶ）１２、冷却器１４、フィルタ１５、風冷用ファン１６、第一のサーミスタ１７、電流検出器１８、第二のサーミスタ１９、制御部２０で構成されている。

また制御部２０は、図２に示すように、第一の演算部４１、第二の演算部４２、第三の演算部４３、第四の演算部４４、比較論理部４５、第一の平均演算部４６、第二の平均演算部４７で構成されている。

（接続）
図１と図２に示すように、架線１とパンタグラフ２が接続され、パンタグラフ２は、接触器３、直流フィルタリアクトル４を介してフィルタコンデンサ充電抵抗器短絡スイッチ（ＣＨＳ）６と接続される。フィルタコンデンサ充電抵抗器短絡スイッチ（ＣＨＳ）６とフィルタコンデンサ充電抵抗器５は並列に接続され、フィルタコンデンサ充電抵抗器短絡スイッチ（ＣＨＳ）６とインバータ部（主回路）８は直流フィルタコンデンサ７を介して接続される。インバータ部（主回路）８の交流出力側では、交流リアクトル９、交流フィルタ１０、変圧器１１、電流検出器１８を介して負荷に接続される。インバータ部（主回路）８の内部には、第一のサーミスタ１７が設置され、外部には冷却器１４、フィルタ１５、風冷用ファン１６が設置される。制御部２０は、第一のサーミスタ１７、外部に設置される第二のサーミスタ１９、電流検出器１８、外部の表示装置に接続されている。

制御部２０の第一の演算部４１は、第一のサーミスタ１７と外部に設置される第二のサーミスタ１９と接続される。第一の演算部４１は、第一の平均演算部４６と接続される。電流検出器１８と第二の平均演算部４７を介して接続される第二の演算部４２と、第一の平均演算部４６は、第三の演算部４３と接続される。第三の演算部４３と第四の演算部４４は比較論理部４５と接続される。比較論理部４５は外部と接続される。

（基本動作）
このように各装置が接続された電気車用電源装置（ＳＩＶ）１２は、架線１からパンタグラフ２、接触器３、直流フィルタリアクトル４、フィルタコンデンサ充電抵抗器５、フィルタコンデンサ充電抵抗器短絡スイッチ（ＣＨＳ）６、直流フィルタコンデンサ７を介してインバータ部（主回路）８へ架線電力を供給される。インバータ部８に供給された架線電力は、インバータ部８に内臓されたスイッチングデバイスのスイッチング動作によって３相の交流電力に変換される。交流電力は、電圧交流リアクトル９、交流フィルタ１０を通過することによって整流され、さらに変圧器１１によって降下され、負荷へと供給される。この一連の負荷への電力供給の際に、インバータ部８ではスイッチングロスによって熱が生じる。その熱は、インバータ部８に隣接して設置されている冷却器１４へと伝導される。インバータ部８からの熱を吸収する冷却器１４は、フィルタ１５を通して伝わる風冷用ファン１６からの送風を受け、冷却される。

（発明作用）
上記のような冷却の際に、フィルタ１５が塵、ホコリ等で目詰まりを起こすと、冷却器１４の冷却能力が低下するため、制御部２０では、インバータ部８に設置される第一のサーミスタ１７、変圧器１１と負荷の間に設置される電流検出器１８及び、電気車用電源装置１２の外部に設置される第二のサーミスタ１９からの検出値に基づいてフィルタ目詰まりを検知する第一の目詰まり検知手段を有している。

第一の目詰まり検知手段ついて、図２の第１の実施形態の第一の目詰まり検知手段図を用いて説明する。図２に示すように、第一の演算部４１は、第一のサーミスタ１７が検出するインバータ部８の温度と、第二のサーミスタ１９が検出する外気温度を入力とし、２つの温度の差分から実際の温度上昇値（Ｔ）を算出する。第一の平均演算部４６は、第一の演算部４１で算出された実際の温度上昇値（Ｔ）を入力とし、所定の時間ごとに温度上昇値（Ｔ）検出し、その検出した温度上昇値（Ｔ）の平均値である実際の温度上昇平均値（Ｔ´）を算出する。

第二の演算部４２は、電流検出器１８が検出する負荷電流値（Ｉ）を用いて第二の平均演算部４７が、所定の時間ごとに負荷電流値（Ｉ）を検出し、その検出した負荷電流値（Ｉ）の平均値である負荷電流平均値（Ｉ´）を入力とする。第二の演算部４２は、フィルタ１５に汚損がなく冷却器１４が正常に機能している状態であると設定したときに、算出された負荷電流平均地（Ｉ´）に対応する推定の温度上昇平均値（ｔ´）をデータとしてあらかじめ所有している。

第三の演算部４３は、実際の温度上昇平均値（Ｔ´）と設定の推定の温度上昇平均値（ｔ´）の差分である、乖離温度上昇値（Ｔｔ＝Ｔ´―ｔ´）算出する。比較論理部４５は、第乖離温度上昇値（Ｔｔ）と第四の演算部４４が所有する基準値（α）を入力とし、２つの値を比較する。第四の演算部４４で算出される基準値（α）は、例えば、乖離温度上昇値（Ｔｔ）が基準値（α）以上になった場合は、フィルタ１５の状態が悪化し、冷却器１４の冷却能力が低下したため、実際の温度上昇値（Ｔ）が外気温と比較して非常に高くなっている状態を検知できるような値である。つまり、乖離温度上昇値（Ｔｔ）＞基準値（α）となった場合は、外部の表示装置等へアラームを出力し、フィルタ１５の目詰まり等による汚損を警告する。また、乖離温度上昇値（Ｔｔ）≦基準値（α）となった場合は、フィルタ１５は正常な状態で冷却器１４は正常に機能しているとしてアラームを出力しない。

（効果）
このような構成の電気車用電源装置１２は、周囲温度に対する冷却器１４の温度上昇値を算出し、その算出結果をもとに冷却器１４の状態をアラームとして外部へ警告することが可能である。アラーム警告の出力判断として温度上昇値を使用することで、負荷電流値の変化による素子温度の変化に影響されることなく、フィルタの汚損状態を把握することができる。そのため、フィルタ１５に必要なメンテナンスの時期を的確に検知し、過剰な保守労力を投入することなく、フィルタ１５の汚損を防止し、冷却器１４の冷却能力を維持することが可能となる。

また、図３は第１の実施形態のフィルタ１５及び、風冷用ファン１６が削除されている構成を示している。図２のような構成の電気車用電源装置１２は、図２と図３と同様の第一の冷却システムの作用により。冷却器１４内の冷媒や、冷却器１４の破損により冷却器１４の冷却能力が低下し、冷却器１４の温度が上昇したことを検知し、その状態をアラームとして外部へ警告する。

（第２の実施形態）
本発明に基づく第２の実施形態について図を参照し、詳細に説明する。図４は、本発明の第２の実施形態の回路構成図である。尚、図１乃至３と同一の構成をとるものについては、同符号を付して説明を省略する。

本実施形態は、第１の実施形態のフィルタ１５がロールフィルタ２１に変更されている点が異なっている。以下、その点について詳細に説明する。

（構成）
図４に示すように、インバータ部（主回路）８の外部には冷却器１４、ロールフィルタ２１、風冷用ファン１６が設置される。ロールフィルタ２１とは、巻物状に巻いた形状を有しているフィルタのことを示す。

（作用）
本実施形態の作用は、第一の目詰まり検知手段おいてアラームとして出されていた出力が、ロールフィルタ２１へ出力される。電気車電源装置１２の外気温度に対し、内部温度が上昇した場合にはロールフィルタ２１が巻き取られ、新たなフィルタを設定することで、冷却器の状態を正常に戻すことが可能である。

（効果）
このような構成の電気車電源装置１２は、第１の実施形態の効果を有する。また、長距離を無停止で走行しなければならず、定期的なメンテナンスが困難な車両に搭載することで、メンテナンス時期をずらし、冷却器１４の冷却能力を正常に保つことが可能である。

また、このようなメンテナンス時期をずらすことが可能な構成として図５に示すような電気車電源装置１２が挙げられる。図１に示した負荷側に、電動機等の重要負荷と証明、クーラー等の普通負荷の２系統を設ける。重要負荷と変圧器１１の間に重要負荷用接触器２２を設置し、普通負荷と変圧器１１の間に普通負用荷接触器２３を設置した構成となっている。図５のような構成の電気車電源装置１２は、フィルタ１５の目詰まりが進行し、冷却器１４の冷却能力が低下した場合には、図２で示したアラームの代わりに普通負荷用接触器２３を開放するように出力が外部へと送られる。重要負荷のみを稼動させ、冷却器１４の温度上昇を抑えることで、冷却器１４の冷却能力が低下した状態でも電気車電源装置１２の運転を継続させることが可能である。

１架線
２パンタグラフ
３接触器
４直流フィルタリアクトル
５フィルタコンデンサ充電抵抗器
６フィルタコンデンサ充電抵抗器短絡スイッチ（ＣＨＳ）
７直流フィルタコンデンサ
８インバータ部（主回路）
９交流リアクトル
１０交流フィルタ
１１変圧器
１２電気車用電源装置（ＳＩＶ）
１３交流フィルタコンデンサ
１４冷却器
１５フィルタ
１６風冷用ファン
１７第一のサーミスタ
１８電流検出器
１９第二のサーミスタ
２０制御部
２１ロールフィルタ
２２重要負荷用接触器
２３普通負荷用接触器
４１第一の演算部
４２第二の演算部
４３第三の演算部
４４第四の演算部
４５比較論理部
４６第一の平均演算部
４７第二の平均演算部

Claims

一端が架線電力を授受するパンタグラフと接続され、他端が前記架線電力を駆動力として駆動する負荷が接続された電気車電源装置において、
電力変換を行うためのスイッチングデバイスを内蔵するインバータ部と、
前記インバータ部内のスイッチングデバイスが電力変換の際に発生する熱を吸収する冷却手段と、
前記インバータ部の温度を検出する第一の温度検出手段と、
外気の温度を検出する第二の温度検出手段と、
前記負荷への入力電流を検出する電流検出手段と、
前記第一の温度検出手段と前記第二の温度検出手段の検出値の差分から算出される実際の温度上昇値と、前記電流検出器の検出値より算出される推定の温度上昇値に基づき、前記冷却器の冷却能力の低下を判断する制御部と、
を有することを特徴とする電気車電源装置。
前記制御部は、インバータ部の温度と外気温度の差分から算出される実際の温度上昇値を算出する第一の演算部と、
所定時間ごとに前記第１の演算部による演算された温度上昇値を保持し、前記所定時間後に演算した温度上昇値の平均値を算出する第一の平均演算部と、
電流検出手段により検出された電流値を所定時間ごとに保持し、前記所定時間後に演算した負荷電流の平均値を算出する第二の平均演算部と、
前記負荷電流平均値に対応し、冷却器の冷却能力が正常に機能していた場合の前記インバータ部の推定の温度上昇値を算出する第二の演算部と、
前記実際の温度上昇値と前記推定の温度上昇値との差分から得られる乖離温度上昇値を算出する第三の演算部と、
前記乖離温度上昇値が所定の値よりも低い場合は、前記冷却器の状態が異常であるとし、前記制御部の外部へとアラームを出力し、前記乖離温度上昇値が所定の値よりも高い場合は、前記冷却器の状態が正常であるとし、前記冷却器の冷却能力が前記制御部の外部へアラームを出力しないことを特徴とする請求項１記載の電気車電源装置。
前記制御部において、前記インバータ部に接続した負荷を普通負荷と重要負荷の２系統とし、前記普通負荷と前記インバータ部の間に普通負荷用接触器が設置され、前記重要負荷と前記インバータ部の間に重要負荷用接触器が設置され、前記制御部よりアラームが出力された際は、前記普通負荷用接触器が開放され、前記重要負荷が稼動を維持することを特徴した請求項１及び２記載の電気車電源装置。