JP2012222920A

JP2012222920A - 電気車駆動回路

Info

Publication number: JP2012222920A
Application number: JP2011085117A
Authority: JP
Inventors: Michio Iwabori; 道雄岩堀
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2011-04-07
Filing date: 2011-04-07
Publication date: 2012-11-12
Anticipated expiration: 2031-04-07
Also published as: JP5720384B2

Abstract

【課題】電動機とインバータだけでなく、チョッパ回路を含めた装置の総合効率を向上させ、ランニングコストを低減させる。
【解決手段】複数台設けられるインバータの、例えばインバータ６２の出力と交流電動機７との間にはスイッチ１１、インバータ６２の出力をリアクトル１３を介して蓄電装置９に接続する経路にはスイッチ１２をそれぞれ設け、電気車を駆動または制動させるのに必要な推進力またはブレーキ力が小さい区間では、スイッチ１１をオフ、１２をオンとすることにより、インバータ６２をチョッパとして動作させる。
【選択図】図１

Description

この発明は、直流電源と蓄電装置の双方から受電可能で、これらから供給される電力を入力とする複数台のインバータで交流電動機を駆動することにより、電気車を推進する電気車駆動回路に関する。

従来、この種の回路として、例えば特許文献１に開示のような回路が知られている。
この例では、その図１に示されているように、架線から集電装置（５０：文献図中の符号を示し、以下同様）を介して受電した直流電力をインバータ（５３）で交流電力に変換し、交流電動機（５４）を駆動する。また、チョッパ回路（１０６）をインバータの直流入力側に接続し、その出力側に蓄電装置（６５）を設けている。
そして、ブレーキ時に架線へ回生できない電力などを、チョッパ回路（１０６）を介して蓄電装置（６５）に蓄積し、力行時にその電力を使うことで省エネルギー化を図るとともに、架線の無い区間において蓄電装置（６５）の電力を用いた自力走行を可能にしている。

別の特許文献２には、同様な回路でインバータが故障した時などを考慮して、インバータを複数台（この文献中の図１ではインバータ４，５の２台）設け、交流電動機（７ａ，７ｂと８ａ，８ｂ）をそれぞれのインバータで駆動する例が示されている。この例では、インバータの故障などに備えて、故障したインバータを切り離す（ユニットカット）スイッチ（５０，５１）を設け、１台のインバータが故障しても、それを切り離して走行を継続することができる電気車駆動回路としている。

上記特許文献１，２から、例えば図５のような電気車駆動回路が考えられる。この回路は、架線１から集線装置２やフィルタリアクトル３、フィルタコンデンサ５を介してインバータ６へ給電し、交流電動機７を駆動している。そして、フィルタコンデンサ５と並列にチョッパ回路８を接続し、それに蓄電装置９を接続している。なお、スイッチ４は故障したインバータを切り離すために設けられる。これは、上記特許文献１に示すものに対しては、インバータの故障を考慮してインバータを複数台（２台）設けた場合に相当する。また、特許文献２に対しては、架線の定格電圧が固定の場合で、この電圧に応じて切り換える回路が不要であるが、架線電圧と蓄電装置の電圧が、例えばＤＣ７５０ＶとＤＣ３００Ｖというように大きく離れていて、蓄電装置の電力により架線が加圧されることがない場合に相当する。

図５の回路例の場合、電気車を駆動あるいは制動させるのに必要な推進力またはブレーキ力が小さい区間を走行時（例えば、乗客が少ないときで、ほぼ平坦な区間を定速で走行する際など）には、２台のインバータ６のうちの１台を停止し、残り１台のインバータで２台の電動機を駆動することによって、必要な推進力あるいはブレーキ力を得る方が、電動機７とインバータ６の両方を合わせた総合効率が高くなる場合があることが知られている（例えば、特開２００７-３２５３３８号公報参照）。この時、１台のインバータ６を停止することにより、電動機７とインバータ６の総合効率を上げることは可能であるが、蓄電池９との電力をやりとりするチョッパ回路８の効率を上げることができない、という問題がある。

上記の外に、特許文献３のように、現行車両の回路構成に変更を殆ど加えること無く、直流または交流の電力を蓄電部に充電できるようにするものもある。
これは、インバータをチョッパとして用いるようにした（１台でインバータ，コンバータまたはチョッパとして動作させる）例であるが、この場合のチョッパは蓄電部を充電するために用いられるものであり、回路効率を上げることについては何も記載されていない。

特開２００６−３４０５６１号公報特開２００８−２５３０８４号公報特開２０１０−１７２１９２号公報

従って、この発明の課題は、電動機とインバータだけでなく、チョッパ回路を含めた装置の総合効率を向上させ、ランニングコストの低減化を図ることにある。

上記課題を解決するため、請求項１の発明では、直流電源と蓄電装置の双方から受電可能で、これらから供給される電力を受電する複数台のインバータにより交流電動機を駆動して電気車を推進するとともに、前記蓄電装置の出力とインバータの直流入力との間にチョッパ回路を設け、蓄電装置が供給または吸収する電力を制御する電気車駆動回路において、
少なくとも１台のインバータ出力に、交流電動機を切り離すための第１のスイッチと、インバータ出力をリアクトルを介して蓄電装置へ接続する第２のスイッチとを設け、電気車を駆動または制動させるのに必要な推進力またはブレーキ力が小さい区間では、前記第１のスイッチによりインバータ出力を交流電動機から切り離すとともに、前記第２のスイッチによりインバータ出力をリアクトルを介して蓄電装置へ接続し、インバータをチョッパとして動作させることを特徴とする。

上記請求項１の発明においては、前記インバータ出力にリアクトルを介して蓄電装置へ接続する回路を設けるに当り、そのリアクトルをチョッパ回路内のリアクトルと共用することができる（請求項２の発明）。
上記請求項１または２の発明においては、前記直流電源として蓄電装置を充電する回路を用いて電気車が停止時に蓄電装置を充電し、この蓄電装置の電力で走行することができる（請求項３の発明）。

上記請求項１の発明によれば、チョッパ回路だけでなく、停止したインバータもチョッパ回路として動作させることにより、同じ電力を蓄電装置に供給あるいは吸収させる場合に、チョッパ回路内のスイッチング素子を流れる電流を低減することができる。これにより、スイッチング素子のオン電圧を下げることができるので、チョッパ回路だけを動作させた時より、停止したインバータもチョッパ回路として動作させた時の方が、これらの回路で発生する損失を低減でき、チョッパ回路を含めた総合効率の向上が可能になる。

上記請求項２の発明によれば、上記に加えインバータ出力をリアクトルを介して蓄電装置へ接続する回路のリアクトルとして、チョッパ回路内にあるリアクトルを用いることにより、上記の場合に比べて、リアクトルの数を減らすことができるだけでなく、小形化が可能になる。
上記請求項３の発明によれば、直流電源に代わる充電装置を設け、この充電装置を用いて電気車が停止中に前記蓄電装置を充電することにより、その充電電力で電気車を走行させることが可能となる。

この発明によれば、電動機とインバータだけでなく、チョッパ回路を含めた装置の総合効率を向上させることができるため、より少ない電力での電気車の運行が可能になり、ランニングコストの低減化が可能となる。これにより、走行中に電気車外部から給電されない電車（たとえば、駅で停止中に充電して、蓄電装置の電力のみで走行する架線レス電車）や、電気自動車への適用が可能となる。

この発明の実施の形態を示す構成図図１に示すスイッチ４，１１，１２の動作説明図この発明の別の実施の形態を示す構成図この発明のさらに別の実施の形態を示す構成図特許文献から想定される従来例を示す構成図

図１は、この発明の実施の形態を示すブロック図である。この例では、架線１から集電装置２、フィルタリアクトル３、フィルタコンデンサ５を介して２台のインバータ６１，６２の入力に接続している。スイッチ４は、インバータ６１，６２が故障した際に、そのインバータ６１，６２を切り離すためのスイッチである。また、インバータの直流入力側にはチョッパ回路８が設けられており、チョッパ回路８の出力には蓄電装置９が接続されている。この蓄電装置９としては、バッテリはもちろんのことキャパシタを用いることもできる。

また、インバータ６２の出力と交流電動機７との間には、両者を切り離すスイッチ１１が設けられている。さらに、インバータ６２の出力は、スイッチ１２とリアクトル１３の直列回路を介して、蓄電装置９に接続されている。この回路において、通常時と必要な推進力あるいはブレーキ力が小さい場合に、各スイッチ４，１１，１２を図２のように動作させる。通常時には、チョッパ回路８によって、蓄電装置９の電力がインバータ６１および６２に供給あるいは吸収され、所望の動作をさせることができる。

一方、必要な推進力あるいはブレーキ力が小さく、インバータ６１で駆動する２台の電動機７だけで推進力あるいはブレーキ力を発生することが可能であるが、インバータ６２を停止した方が、電動機とインバータを考えた総合効率が高くなる場合には、スイッチ１１をオフしてインバータ６２から交流電動機７を切り離すとともに、スイッチ１２をオンさせる。これにより、インバータ６２の３つの上アームと３つの下アームをそれぞれ並列接続し、それにリアクトル１３を組み合わせたチョッパ回路が構成される。

すなわち、チョッパ回路８と並列にリアクトル１３とインバータ６２からなるチョッパ回路が構成されるので、これら両方のチョッパ回路によって蓄電装置９の電力をコンデンサ５に供給あるいは吸収することができる。このとき、チョッパ回路８のスイッチング素子８ａやダイオード８ｂを流れる電流の一部はインバータ６２のスイッチング素子６ａやダイオード８ｂに分流させることができるため、その分だけスイッチング素子あるいはダイオードのオン電圧を低減することができ、チョッパ回路の損失を低減することができる。

なお、以上の例では、インバータ６２に対してのみスイッチ１１，１２やリアクトル１３を設けたが、インバータ６１にも同様な回路を設けても良い。また、リアクトル１３は、インバータ６２の三相出力に一括して接続する形になっているが、リアクトルを３台にし、各相個別に接続して３多重チョッパ回路として動作させることも可能である。図２にスイッチ４，１１，１２のオン,オフ状態と、通常動作時と必要推進力またはブレーキ力が小さい場合の関係を示す。

図３に、この発明の別の実施例を示す。この例は、リアクトル１３をチョッパ回路８内のリアクトル８ｃと共用するために、スイッチ１２の一方をチョッパ回路８内のリアクトル８ｃに接続した点で図１と異なっている。なお、動作自体は図１の場合と同様なので、説明は省略する。

図４に、この発明のさらに別の実施例を示す。これは、図３の架線１，集電装置２およびフィルタリアクトル３の代わりに、充電装置１４を設けた点が特徴である。この充電装置１４は、電気車の外部に設置され蓄電装置９を充電する際に接続するものである。そして、通常の走行時にはチョッパ回路８を介してインバータ６１，６２との電力のやりとりを行なう。そして、推進力あるいはブレーキ力が小さい区間ではインバータ６２をチョッパとして動作させ、チョッパ回路８と並列動作させてインバータ６１との間で電力のやりとりを行なう。

１…架線、２…集電装置、３…フィルタリアクトル、４，１１，１２…スイッチ、５…コンデンサ、６，６１，６２…インバータ、６ａ，８ａ…スイッチング素子、６ｂ，８ｂ…ダイオード、７…交流電動機、８…チョッパ回路、８ｃ，１３…リアクトル、９…蓄電装置、１４…充電装置。

Claims

直流電源と蓄電装置の双方から受電可能で、これらから供給される電力を受電する複数台のインバータにより交流電動機を駆動して電気車を推進するとともに、前記蓄電装置の出力とインバータの直流入力との間にチョッパ回路を設け、蓄電装置が供給または吸収する電力を制御する電気車駆動回路において、
少なくとも１台のインバータ出力に、交流電動機を切り離すための第１のスイッチと、インバータ出力をリアクトルを介して蓄電装置へ接続する第２のスイッチとを設け、電気車を駆動または制動させるのに必要な推進力またはブレーキ力が小さい区間では、前記第１のスイッチによりインバータ出力を交流電動機から切り離すとともに、前記第２のスイッチによりインバータ出力をリアクトルを介して蓄電装置へ接続し、インバータをチョッパとして動作させることを特徴とする電気車駆動回路。
前記リアクトルの代わりに、前記チョッパ回路内のリアクトルを共用することを特徴とする請求項１に記載の電気車駆動回路。
前記直流電源に代えて充電装置を設け、この充電装置を用いて電気車が停止中に前記蓄電装置を充電し、その充電電力で走行することを特徴とする請求項１または２に記載の電気車駆動回路。