JP2012253931A - 多電源式鉄道車両用の空調電源システム - Google Patents

多電源式鉄道車両用の空調電源システム Download PDF

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Abstract

【課題】多電源式鉄道車両であっても艤装線を共有化（１系統）して鉄道車両側の質量増加を抑えると共に、それに対応できる空気調和機を提供でき、また、補助電源装置の軽量化、省スペース化を図ることのできる多電源式鉄道車両用の空調電源システムを提供する。
【解決手段】電源の異なる区間を跨がる架線３からの電圧がトランス４により降圧されたときに低圧の直流電圧に変換し、架線３からの電圧が直流のときには直接取り込んで前記直流電圧と同じ低圧の直流電圧に変換する補助電源装置５と、補助電源装置５からの直流電圧を交流電圧に変換し、冷凍サイクル装置の駆動部に供給するインバーター装置を有する空気調和機１０とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、多電源式の鉄道車両に搭載される空気調和機の空調電源システムに関するものである。
従来、架線の多電源化に対応するために、鉄道車両用の補助電源システムで空気調和機への電源として４００Ｖ級の三相交流電圧を供給していたが、その際、補助電源側の軽量化や省スペース化を図るために、出力部の絶縁トランスを省き非絶縁形の電源を供給している。この場合、補助電源から供給される電源波形の波高値が６００Ｖ級の矩形波となる。空気調和機は、補助電源から離れた所に艤装されるため、補助電源から空気調和機に供給される電源用の艤装線が、長いものでは４０ｍ以上になるため、空気調和機に供給される電源波形のピーク値が６００Ｖ級（波高値）の２倍以上になる可能性があることが分かっている。これは、空気調和機に使用されている電動機の巻線の絶縁破壊を助長し寿命に悪影響を与える可能性がある。
従来、空気調和機に内蔵されたインバーター装置の入力側に交流電源入力端子と直流電源入力端子を設けて２電源（交流電源/直流電源）に対応しているものがある。この場合、空気調和機に供給される電源が交流の場合、空気調和機に内蔵された整流部を経てインバーター装置から空気調和機内の電動機に供給される。また、電源が直流の場合は、インバーター装置から空気調和機内の電動機に供給されるため、電源波形のピーク値が６００Ｖ級（波高値）の２倍以上になることはなくなり、電動機の巻線の寿命に対する影響は小さくなっている（例えば、特許文献１参照）。
実公平５−１０４８１号公報（第２頁、図１）
しかしながら、前述した特許文献１に記載の技術では、艤装線が交流電源用と直流電源用の２系統を艤装する必要があり、そのため、鉄道車両側の質量増加となり悪影響を与える虞があった。
本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、多電源式鉄道車両であっても艤装線を共有化（１系統）して鉄道車両側の質量増加を抑えると共に、それに対応できる空気調和機を提供でき、また、補助電源装置の軽量化、省スペース化を図ることのできる多電源式鉄道車両用の空調電源システムを提供することを目的とする。
本発明に係る多電源式鉄道車両用の空調電源システムは、電源の異なる区間を跨がる架線からの電圧がトランスにより降圧されたときに低圧の直流電圧に変換し、前記架線からの電圧が直流のときには直接取り込んで前記直流電圧と同じ低圧の直流電圧に変換する補助電源装置と、補助電源装置からの直流電圧を交流電圧に変換し、冷凍サイクル装置の駆動部に供給するインバーター装置を有する空気調和機とを備えたものである。
本発明によれば、補助電源装置は、電源の異なる区間を跨がる架線からの電圧がトランスにより降圧されたときに低圧の直流電圧に変換し、前記架線からの電圧が直流のときには直接取り込んで前記直流電圧と同じ低圧の直流電圧に変換し、空気調和機のインバーター装置は、その直流電圧を交流電圧に変換し、冷凍サイクル装置の駆動部に供給する。これにより、補助電源装置にインバーター装置が不要になり、補助電源装置の軽量化、省スペース化に寄与できる。また、補助電源装置から出力される直流電圧が系統であるため、従来の複数系統と比べ艤装線の減少による鉄道車両の軽量化を図ることができる。
実施の形態１に係る多電源式鉄道車両用の空調電源システムを示すブロック図である。 図１に示す空気調和機の概略ブロック構成図である。 実施の形態２に係る多電源式鉄道車両用の空調電源システムを示すブロック図である。 図３に示す空気調和機の概略ブロック構成図である。
実施の形態１．
図１は実施の形態１に係る多電源式鉄道車両用の空調電源システムを示すブロック図である。
図１において、鉄道車両１にパンタグラフ２を介して電源を供給する架線３は、例えばＤＣ１５００Ｖ、ＤＣ３０００Ｖ、ＡＣ１５０００Ｖ、ＡＣ２５０００Ｖの各区間を跨がる４電源となっている。
鉄道車両１の空調電源システムは、鉄道車両１がＤＣ１５００Ｖ、ＤＣ３０００Ｖの直流電圧を電源として走行しているときにその直流電圧を直接取り込んで低圧の直流電圧（例えば、ＤＣ６００Ｖ級の直流電圧）に変換し、また、鉄道車両１がＡＣ１５０００Ｖ、ＡＣ２５０００Ｖの交流電圧を電源として走行しているときに、トランス４により降圧された交流電圧（例えば、単相８００Ｖ級の交流電圧）を前記直流電圧と同じ低圧の直流電圧に変換する補助電源装置５と、鉄道車両１の例えば各屋根に搭載され、補助電源装置５と１系統の艤装線６を介して接続された複数の空気調和機１０を備えている。
補助電源装置５は、ＤＣ１５００Ｖ、ＤＣ３０００Ｖの直流電圧が入力されたときに、低圧のＤＣ６００Ｖ級の直流電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバーター、単相８００Ｖ級の交流電圧が入力されたときには、低圧のＤＣ６００Ｖ級に変換するＡＣ／ＤＣコンバーター等を備えている。補助電源装置５により変換されたＤＣ６００Ｖ級の直流電圧は、鉄道車両１に艤装された艤装線６を介して空気調和機１０に供給される。艤装線６は、空気調和機１０毎に渡り配線となっている。
図２は図１に示す空気調和機の概略ブロック構成図である。
空気調和機１０は、艤装線６が接続された２入力端子１１、インバーター装置１２、冷凍サイクル装置等を備えている。冷凍サイクル装置は、例えば、圧縮機１３、送風機１５を有する凝縮熱交換器１４、キャピラリチューブよりなる減圧装置１６、送風機１８を有する蒸発熱交換器１７等が冷媒管１９により順次に接続されて構成されている。なお、圧縮機１３の吐出側に四方弁を設けて冷房運転と暖房運転の切替可能な冷凍サイクル装置でもよい。前述のインバーター装置１２は、ＤＣ６００Ｖ級の直流電圧を所定の三相交流電圧に変換し、冷凍サイクル装置の駆動部である圧縮機１３、送風機１５、１８の各電動機に供給する。
前記のように構成された空調電源システムにおいては、例えば、鉄道車両１がＤＣ１５００Ｖ、ＤＣ３０００Ｖの各区間を走行しているときには、補助電源装置５は、その直流電圧を直接取り込んで、ＤＣ／ＤＣコンバーターにより低圧のＤＣ６００Ｖ級に変換し、艤装線６を介して複数の空気調和機１０に供給する。また、鉄道車両１が直流区間からＡＣ１５０００Ｖ、ＡＣ２５０００Ｖの交流区間を走行しているときには、トランス４がその交流電圧を単相８００Ｖ級の交流電圧に降圧して補助電源装置５に供給する。この時、補助電源装置５は、単相８００Ｖ級の交流電圧をＡＣ／ＤＣコンバーターによりＤＣ６００Ｖ級の直流電圧に変換し、艤装線６を介して複数の空気調和機１０に供給する。この場合、艤装線６では直流電圧の渡しとなるため、艤装線６内で電源電圧に異常なピーク電圧の発生がなくなる。
一方、各空気調和機１０のインバーター装置１２は、２入力端子１１を介して入力されるＤＣ６００Ｖ級の直流電圧を所定の交流電圧に変換し、冷凍サイクル装置の圧縮機１３、送風機１５、１８の各電動機に供給する。
なお、交流区間としてＡＣ１５０００Ｖ、ＡＣ２５０００Ｖとしたが、ＡＣ１２５００Ｖ／２５Ｈｚと周波数が低い交流区間の場合もある。鉄道車両１がその交流区間を走行しているときには、トランス４が単相８００Ｖ級の交流電圧に降圧し、補助電源装置５が単相８００Ｖ級の交流電圧をＤＣ６００Ｖ級の直流電圧に変換し、艤装線６を介して複数の空気調和機１０に供給する。
以上のように実施の形態１によれば、鉄道車両１が電源の異なる区間（交流区間／直流区間）を走行していても、補助電源装置５からＤＣ６００Ｖ級の直流電圧を空気調和機１０に供給し、インバーター装置１２により三相交流化している。そのため、三相電源で発生する電圧のピーク値の異常な増幅を抑えることが可能になり、空気調和機１０用の電動機の絶縁にやさしい電源を供給することが可能になっている。
補助電源装置５からＤＣ６００Ｖ級の直流電圧を空気調和機１０に出力するようにしているので、補助電源装置５内のインバーター装置が不要になり、小型軽量化に寄与できる。また、艤装線６が１系統で共有化しているため、鉄道車両１の軽量化に寄与できる。
また、空気調和機１０内にＤＣ６００Ｖ級の直流電圧対応のインバーター装置１２を備えているため、空気調和機１０内の圧縮機１３や熱交換器１４、１７の送風機１５、１８の電動機の回転数を制御し省エネ運転やきめ細かな温度制御を行うことが可能になり、鉄道車両１内の快適性の向上に寄与できる。架線３がＡＣ１２５００Ｖ／２５Ｈｚと周波数が低い交流区間の場合も含め架線３の電源状況にかかわらず、電動機の周波数を６０Ｈｚ以上に上げることで空調能力を大きくできるため、空気調和機１０の小型軽量化に寄与できる。
実施の形態２．
図３は実施の形態２に係る多電源式鉄道車両用の空調電源システムを示すブロック図である。
図３において、鉄道車両１にパンタグラフ２を介して電源を供給する架線３は、実施の形態１と同様に、ＤＣ１５００Ｖ、ＤＣ３０００Ｖ、ＡＣ１５０００Ｖ、ＡＣ２５０００Ｖの各区間を跨がる４電源となっている。
鉄道車両１の空調電源システムは、鉄道車両１がＤＣ１５００Ｖ、ＤＣ３０００Ｖの直流電圧を電源として走行しているときにその直流電圧を直接取り込んで低圧の直流電圧（例えば、ＤＣ６００Ｖ級の直流電圧）に変換し、また、鉄道車両１がＡＣ１５０００Ｖ、ＡＣ２５０００Ｖの交流電圧を電源として走行しているときに、トランス４により降圧された交流電圧（例えば、単相４００Ｖ級の交流電圧）が入力されたときにはその交流電圧を出力する補助電源装置５と、鉄道車両１の例えば各屋根に搭載され、補助電源装置５と艤装線６を介して接続された複数の空気調和機１０を備えている。
補助電源装置５は、ＤＣ１５００Ｖ、ＤＣ３０００Ｖの直流電圧が入力されたときに、低圧のＤＣ６００Ｖ級の直流電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバーターを備えている。また、補助電源装置５は、前述したように、単相４００Ｖ級の交流電圧が入力されたときには、その交流電圧を空気調和機１０に出力する。補助電源装置５により変換されたＤＣ６００Ｖ級の直流電圧、又は単相４００Ｖ級の交流電圧は、鉄道車両１に艤装された艤装線６を介して空気調和機１０に供給される。艤装線６は、空気調和機１０毎に渡り配線となっている。
図４は図３に示す空気調和機の概略ブロック構成図である。
空気調和機１０は、艤装線６が接続された３入力端子１１、インバーター装置１２、冷凍サイクル装置等を備えている。冷凍サイクル装置は、実施の形態１と同様に、圧縮機１３、送風機１５を有する凝縮熱交換器１４、キャピラリチューブよりなる減圧装置１６、送風機１８を有する蒸発熱交換器１７等が冷媒管１９により順次に接続されて構成されている。なお、圧縮機１３の吐出側に四方弁を設けて冷房運転と暖房運転の切替可能な冷凍サイクル装置でもよい。
前述のインバーター装置１２は、整流部１２ａと周波数可変部１２ｂを備えている。整流部１２ａは、例えば三相全波整流回路と、三相全波整流回路からの出力を所定の直流電圧に変換する回路を備えている。その整流部１２ａは、例えば、３入力端子１１のうち両端の端子間に直流電圧が入力されたときには所定の直流電圧に変換し、同端子に単相４００Ｖ級の交流電圧が入力されたときには全波整流して所定の直流電圧に変換し、３入力端子１１に三相交流電圧が入力されたときには全波整流して所定の直流電圧に変換する。その三相交流電圧は、補助電源装置５以外の外部電源からの供給であっても良い。その外部電源は、例えば空気調和機１０を鉄道車両１に搭載する前の工場での運転試験を行うときの電源である。
前記のように構成された空調電源システムにおいては、例えば、鉄道車両１がＤＣ１５００Ｖ、ＤＣ３０００Ｖの各区間を走行しているときには、補助電源装置５は、その直流電圧を直接取り込んで、ＤＣ／ＤＣコンバーターにより低圧のＤＣ６００Ｖ級に変換し、艤装線６を介して複数の空気調和機１０に供給する。また、鉄道車両１が直流区間からＡＣ１５０００Ｖ、ＡＣ２５０００Ｖの交流区間を走行しているときには、トランス４がその交流電圧を単相４００Ｖ級の交流電圧に降圧して補助電源装置５に供給する。この時、補助電源装置５は、単相４００Ｖ級の交流電圧をそのまま艤装線６を介して複数の空気調和機１０に供給する。この場合、艤装線６では直流電圧と交流電圧の渡しとなり、矩形波電源電圧渡しではないため、艤装線６内で電源電圧に異常なピーク電圧の発生がなくなる。
一方、各空気調和機１０の整流部１２ａは、３入力端子１１のうち両端の端子間に直流電圧が入力されたときにはさらに整流すると共に、その出力を所定の直流電圧に変換して周波数可変部１２ｂに出力する。また、同端子に単相４００Ｖ級の交流電圧が入力されたときには全波整流すると共に、所定の直流電圧に変換して周波数可変部１２ｂに出力する。周波数可変部１２ｂは、整流部１２ａからの直流電圧を三相の交流電圧に変換し、冷凍サイクル装置の駆動部である圧縮機１３及び送風機１５、１８に供給する。
なお、交流区間には、実施の形態１と同様に、ＡＣ１２５００Ｖ／２５Ｈｚと周波数が低い区間の場合もある。鉄道車両１がその交流区間を走行しているときには、トランス４が単相４００Ｖ級の交流電圧に降圧し、補助電源装置５がその単相４００Ｖ級の交流電圧を艤装線６を介して複数の空気調和機１０に供給する。
以上のように実施の形態２によれば、補助電源装置５は、鉄道車両１が直流区間を走行しているとき、出力をＤＣ６００Ｖ級の直流電圧とし、また、鉄道車両１が交流区間を走行しているときには、トランス４により降圧された単相４００Ｖ級の交流電圧をそのまま出力するようにしている。これにより、補助電源装置５内のインバーター装置が不要になり、また、単相電源を直流にするＡＣ／ＤＣコンバーターが不要になるため、補助電源装置５をより小型軽量化できる。
また、空気調和機１０に内蔵されたインバーター装置１２の整流部１２ａを、直流電源にも単相交流電源、３相交流電源にも対応可能としているため、１つの３入力端子１１だけで済む。これにより、艤装線６を１系統で共有化でき、鉄道車両１の軽量化に寄与できる。
また、整流部１２ａに三相全波整流回路を設けているので、工場での例えば３相４００Ｖの交流電圧を接続可能になり、保守時の電源を準備する必要がなくなるメリットがある。
さらに、空気調和機１０内にインバーター装置１２を内蔵しているため、空気調和機１０内の圧縮機１３や熱交換器１４、１７の送風機１５、１８の電動機の回転数を制御し省エネ運転やきめ細かな温度制御を行うことが可能になり、鉄道車両１内の快適性の向上に寄与できる。架線３がＡＣ１２５００Ｖ／２５Ｈｚと周波数が低い交流区間の場合も含め架線３の電源状況にかかわらず、電動機の周波数を６０Ｈｚ以上に上げることで空調能力を大きくできるため、空気調和機１０の小型軽量化に寄与できる。
なお、実施の形態２では、空気調和機１０に３入力端子１１を設け、さらに、整流部１２ａに三相全波整流回路を設けて、外部電源からの三相交流電圧も整流できるようにしたが、三相全波整流回路に代えて単相全波整流回路としても良い。その場合、外部電源からの三相交流電圧を入力できなくなるが、前述したように、補助電源装置５をより小型軽量化、艤装線６の１系統による鉄道車両１の軽量化に寄与できる。
１ 鉄道車両、２ パンタグラフ、３ 架線、４ トランス、５ 補助電源装置、６ 艤装線、１０ 空気調和機、１１ 入力端子又は３入力端子、１２ インバーター装置、１２ａ 整流部、１２ｂ 周波数可変部、１３ 圧縮機、１４ 凝縮熱交換器、１５ 送風機、１６ 減圧装置、１７ 蒸発熱交換器、１８ 送風機、１９ 冷媒管。

Claims (4)

  1. 電源の異なる区間を跨がる架線からの電圧がトランスにより降圧されたときに低圧の直流電圧に変換し、前記架線からの電圧が直流のときには直接取り込んで前記直流電圧と同じ低圧の直流電圧に変換する補助電源装置と、
    前記補助電源装置からの前記直流電圧を交流電圧に変換し、冷凍サイクル装置の駆動部に供給するインバーター装置を有する空気調和機と
    を備えたことを特徴とする多電源式鉄道車両用の空調電源システム。
  2. 電源の異なる区間を跨がる架線からの電圧がトランスにより降圧されたときにその交流電圧を出力し、前記架線からの電圧が直流のときには直接取り込んで低圧の直流電圧に変換する補助電源装置と、
    前記補助電源装置からの前記直流電圧が入力されたときに所定の直流電圧に変換し、前記補助電源装置からの前記交流電圧が入力されたときに前記直流電圧と同じ所定の直流電圧に変換する整流部、及び前記整流部からの直流電圧を交流電圧に変換し、冷凍サイクル装置の駆動部に供給する周波数可変部を有する空気調和機と
    を備えたことを特徴とする多電源式鉄道車両用の空調電源システム。
  3. 前記整流部は、前記補助電源装置以外の外部電源からの三相交流電圧が入力されたときに所定の直流電圧に変換し、前記周波数可変部に供給することを特徴とする請求項２記載の多電源式鉄道車両用の空調電源システム。
  4. 前記補助電源装置と該補助電源装置に近い空気調和機、及び空気調和機の間は、鉄道車両に艤装された１系統の艤装線により接続されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の多電源式鉄道車両用の空調電源システム。
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