JP2014207831A - 電気機関車制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電源装置のサイズが低減された電気機関車制御装置を提供する。【解決手段】架線から供給される交流電力をコンバータにより直流電力に変換し、この直流電力をインバータにより駆動用電動機７ａを制御する交流電力に変換する主変換装置２ａと、直流電力の電圧を降圧する降圧回路４ａと、降圧された直流電力をインバータにより交流電力に変換して電気機関車内のコンプレッサーを含む設備に供給する補助電源回路５ａと、降圧された直流電力を電気機関車の牽引する客車内の空調装置を含む設備に供給する客車電源回路６ａとを備える電気機関車制御装置１００である。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、電気機関車制御装置に関する。

電気機関車には、交流架線から電力を供給されて電気機関車の各装置に所要形態の電力を供給するための電源装置である制御装置が搭載されている。例えば、駆動用電動機を制御するための主変換装置、電気機関車内のコンプレッサーや冷却用のブロワなどの電源を供給するための補助電源装置、及び電気機関車の牽引する客車へ空調装置などの電源を供給するための客車電源装置などが設けられている。

そして、電気機関車ごとに適宜の台数の電源装置を収めた複数の電力変換装置が設置されている。例えば、動軸を６軸もち駆動用電動機を６台もつ電気機関車の制御装置の場合、３台の主変換装置と１台の補助電源装置とを収納した電力変換装置を２台搭載し、更に客車電源装置２台を電気機関車内に設置していた。

特開２００９−７２０４９号公報

しかしながら、制御装置を構成する、これらの電力変換装置、電源装置はサイズが大きいため、設置するための広いスペースが必要となる。その結果、電力変換装置、電源装置を電気機関車の種類に応じた設置スペースに収めるために、装置の配置を再設計する必要が生ずる可能性があり、またメンテナンス作業が煩雑化するなどの原因ともなっている。さらに、ユーザからも設置スペースを小さくすることに対する要望がなされている。従って、電力変換装置、電源装置を小型化することに対する潜在的なニーズが存在する。

本願発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであって、電気機関車制御装置のサイズを低減された電気機関車制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明の実施の形態によれば、架線から供給される交流電力をコンバータにより直流電力に変換し、この直流電力をインバータにより駆動用電動機を制御する交流電力に変換する主変換装置と、前記直流電力の電圧を降圧する降圧回路と、前記降圧された直流電力をインバータにより交流電力に変換して電気機関車内のコンプレッサーを含む設備に供給する補助電源回路と、前記降圧された直流電力を電気機関車の牽引する客車内の空調装置を含む設備に供給する客車電源回路とを備える電気機関車制御装置が提供される。

第１の実施の形態の電気機関車制御装置の構成を示す図。 第１の実施の形態の電気機関車制御装置電力変換装置の詳細の回路構成を示す図。 第１の実施の形態の電気機関車制御装置の降圧チョッパの動作を制御する方法を説明するための図。 第１の実施の形態の電気機関車制御装置の切替装置の構成と動作を説明するための図。 バリエーションの形態の電気機関車制御装置１００の補助電源切替回路２１に設けられる割り当て回路の構成を示す図。 従来の電力変換装置及び電源装置の構成を模式的に示す図。

[第１の実施の形態]
第１の実施形態について図を参照し、詳細に説明する。なお、以下では主電動機を６台有する電気機関車について説明するが、本願はこの形態に限定されるものではない。

図１は、第１の実施の形態の電気機関車制御装置１００の構成を示す図である。
電気機関車制御装置１００は、電力変換装置（ＰＣＣ）１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、切替装置２０、及び制御部３０を備えている。

電力変換装置１０ａ（１０ｂ、１０ｃ）は、交流架線、トランスを介して取り入れた電力を変換して、それぞれ駆動用電動機７ａ、８ａ（７ｂ、８ｂ、７ｃ、８ｃ）の駆動動作を制御する。また電力変換装置１０ａ（１０ｂ、１０ｃ）は、交流架線、トランスを介して取り入れた電力を、補助電源用の電力及び客車電源用の電力に変換して出力する。

切替装置２０は、それぞれ電力変換装置１０ａ、１０ｂ、１０ｃから出力される補助電源用の電力１１ａ、１１ｂ、１１ｃの内の２つの電力を選択する。一方の電力は定電圧定周波数の電源としてコンプレッサーなどの定周波数負荷に供給される。他方の電力は可変電圧可変周波数の電源として冷却用のブロワなどの可変周波数負荷に供給される。

また、切替装置２０は、それぞれ電力変換装置１０ａ、１０ｂ、１０ｃから出力される補助電源用の電力１２ａ、１２ｂ、１２ｃの内の２つの電力を選択し、客車用電源として出力する。客車用の電源は牽引する客車に２系統の直流６００Ｖを供給する。

制御部３０は、切替装置２０の動作を制御する。切替装置２０の動作については後述する。

続いて、電力変換装置１０ａ、１０ｂ、１０ｃの構成と動作について説明する。なお、電力変換装置１０ａ、１０ｂ、１０ｃは同一の構成であるため、電力変換装置１０ａについて代表して説明する。

電力変換装置１０ａは、コントローラ１ａ、主変換装置２ａ、主変換装置３ａ、降圧回路４ａ、補助電源回路５ａ、及び客車電源回路６ａを備えている。

主変換装置２ａ、３ａは、それぞれ駆動用電動機７ａ、８ａの駆動動作を制御する。降圧回路４ａは、主変換装置２ａ、３ａの交流／直流コンバータから取り出した直流電力の電圧（例えば、１８００Ｖ）を所定の電圧値（例えば、６００Ｖ）まで降圧する。そして、降圧回路４ａは、降圧した直流電力を補助電源回路５ａと客車電源回路６ａとに出力する。

補助電源回路５ａは、直流電力をインバータを介して補助電源用交流電力に変換して切替装置２０に出力する。客車電源回路６ａは、直流電力を客車電源用直流電力に変換して切替装置２０に出力する。

コントローラ１ａは、電力変換装置１０ａの動作を統括して制御する。主変換装置２ａ、３ａの交流／直流コンバータとインバータ、補助電源回路５ａのインバータ、補助電源回路５ａと客車用電源回路６ａへ直流電力を供給する降圧回路４ａは、ＩＧＢＴなどのスイッチング素子で構成される。コントローラ１ａは、スイッチング素子を制御してそれぞれの装置及び回路の動作を制御する。

図２は、第１の実施の形態の電気機関車制御装置１００の電力変換装置１０ａの詳細の回路構成を示す図である。

電力変換装置１０ａ、１０ｂ、１０ｃは同一の構成であるため、電力変換装置１０ａについて代表して説明する。また、主変換装置２ａと主変換装置３ａとは同一の構成であるため、主変換装置２ａについて説明する。

架線（不図示）からパンタグラフ１０１を介して取り出された交流電力はトランス１０３の一次側に供給される。トランス１０３によって降圧された交流電力は、二次側に設けられた接触器１０４、充電抵抗接続用接触器１０５、充電抵抗１０６を介して交流／直流コンバータ１２０へ接続される。

運転手が運転台から開始の操作を行なうと、接触器１０５が動作し充電抵抗１０６を介して充電電流が主回路を流れ、回路のフィルタコンデンサ１０９を充電する。そしてそれに続くタイミングで接触器１０４が動作する。

コンバータ１２０は、入力される単相交流電圧を直流電圧（例えば、１８００Ｖ）に変換する変換器であり、コンバータ用の半導体素子１０７を組み合わせて構成されている。コントローラ１ａが、ゲートアンプ（不図示）を介してコンバータ用の半導体素子１０７を直接駆動することで、直流電圧が制御される。

コンバータ１２０の後段（トランス３と反対側）には、平滑回路１２５、フィルタコンデンサ１０９、降圧チョッパ１２６が接続されている。降圧チョッパ１２６は、半導体素子１１０ａ、ダイオード１１０ｂ、アース１１０ｃ、リアクトル１１０ｄ、コンデンサ１１３を有している。平滑回路１２５は、リアクトルとコンデンサとで構成され、フィルタコンデンサ１０９と共に、コンバータ１２０から出力される直流電圧の脈動成分を平滑化する。

ＶＶＶＦインバータ１２１は、６個の半導体素子１１５を有している。ＶＶＶＦインバータ１２１の入力側より供給される直流電圧を元に三相の交流電圧を生成する。ＶＶＶＦインバータ１２１は、直流の電圧を出力すべき交流電圧の振幅に応じた幅のパルスで刻む。コントローラ１ａが、ゲートアンプ（不図示）を介してＶＶＶＦインバータ用の半導体素子１１５を直接駆動することで、交流生成動作が実行される。そして、このようにして生成した三相交流の電力は駆動用電動機７ａに供給される。

主変換装置２ａ側の降圧チョッパ１２６では、半導体素子１１０ａとダイオード１１０ｂとが直列にグラウンド１１０ｃに接続されている。半導体素子１１０ａを動作させることによって、入力電圧（１８００Ｖ）は、半導体素子１１０ａのスイッチングにより降圧される。そして降圧した直流電圧（６００Ｖ）がコンデンサ１１３の両端に発生する。

主変換装置３ａ側の降圧チョッパ１２７も、半導体素子１１１ａとダイオード１１１ｂとが直列にグラウンド１１１ｃに接続されている。半導体素子１１１ａを動作させることによって、入力電圧（１８００Ｖ）は、半導体素子１１１ａのスイッチングにより降圧される。そして降圧した直流電圧（６００Ｖ）がコンデンサ１１３の両端に発生する。

このように、コンデンサ１１３の両端には、主変換装置２ａ側の降圧チョッパ１２６によって発生する電圧と、主変換装置３ａ側の降圧チョッパ１２７によって発生する電圧とが作用する。コントローラ１ａは、主変換装置２ａ側の直流電圧（１８００Ｖ）と、主変換装置３ａ側の直流電圧（１８００Ｖ）とが均等に配分されるように降圧チョッパ１２６、１２７の動作を制御する。この動作については後述する。

降圧チョッパの出力である直流電圧は、２つの系統に入力される。１つの系統では、インバータ１２８が３相交流の電力を生成する。生成された電力は、３相フィルタ回路１２９を介して補助電源用電力として出力する。なお、３相フィルタ回路１２９の後段に絶縁トランスを設けても良い。一方、もう一つの系統では、直流電圧を客車用電力として出力する。ここで、図示していないが、平滑回路を備えることができる。

なお、図１に示すブロックと図２に示す回路とは次のように対応する。

図１の主変換装置２ａには、図２に示す、接触器１０５、充電抵抗１０６、接触器１０４、コンバータ１２０、平滑回路１２５、フィルタコンデンサ１０９、ＶＶＶＦインバータ１２１が対応する。図１の降圧回路４ａは、図２に示す、降圧チョッパ１２６、１２７が対応する。

図１の補助電源回路５ａは、図２に示すインバータ１２８、３相フィルタ回路１２９が対応する。図１の客車電源回路６ａは、図２では、特に回路素子が設けられておらずコンデンサ１１３の出力である直流電力線として表されているが、上述のように、客車電源回路６ａは、平滑回路を備えることができる。

図３は、第１の実施の形態の電気機関車制御装置１００の降圧チョッパ１２６、１２７の動作を制御する方法を説明するための図である。

降圧チョッパ１２６に接続するリアクトルの後段には電流検知器１３０が設けられ電流値Ｉ１が検知される。降圧チョッパ１２７に接続するリアクトルの後段には電流検知器１３１が設けられ電流値Ｉ２が検知される。また、電圧検知器ＤＣＰＴ１１３ａによってコンデンサ１１３の両端の電圧Ｖが検知される。

コントローラ１ａは、降圧チョッパ１２６が出力する電力Ｗ１（＝Ｉ１×Ｖ）、および降圧チョッパ１２７が出力する電力Ｗ２（＝Ｉ２×Ｖ）を把握する。把握した電力Ｗ１、Ｗ２の合計値は、補助電源負荷と客車電源負荷とに供給されている電力である。そこで、それぞれの降圧チョッパ１２６、１２７が出力する電力を均等とするために、コントローラ１ａは、電力Ｗ１とＷ２の平均値（＝（Ｗ１＋Ｗ２）／２）を制御指令値として降圧チョッパ１２６、１２７の動作を制御する。

続いて切替装置２０の動作について説明する。上述のように、従来の構成例では、３台の主変換装置と１台の補助電源装置とを一つの筐体内に収納した電力変換装置（ＰＣＣ）を２台搭載し、更に客車電源装置２台を電気機関車内に設置していた。

これに対して、第１の実施の形態では、２台の主変換装置と１台の補助電源装置と１台の客車電源装置を一つの筐体内に収納した電力変換装置（ＰＣＣ）を３台搭載した構成である。従って、従来の構成と比較すると、１台の補助電源装置と１台の客車電源装置とが増加している。

第１の実施の形態では、増加する１台の補助電源装置と１台の客車電源装置とを運転に使用しない待機装置として扱う。即ち、電気機関車の運転時は、６台の主変換装置と２台の補助電源装置と２台の客車電源装置を稼動し、１台の補助電源装置と１台の客車電源装置とを待機状態に置く。そして、稼動状態にある電源装置が故障した場合などの所定の条件が成立したときは、待機状態にある電源装置を稼動状態にしてバックアップさせる。切替装置２０は、このような稼動状態と待機状態の切替を行うための装置である。

図４は、第１の実施の形態の電気機関車制御装置１００の切替装置の構成と動作を説明するための図である。図４（１）は、補助電源切替回路２１の構成を示す図であり、図４（２）は、客車電源切替回路２２の構成を示す図である。

以下、補助電源切替回路２１について説明する。

電力変換装置１０ａ、１０ｂから出力される補助電源用の電力１１ａ、１１ｂは、それぞれ遮断スイッチＢＲ１、ＢＲ２を介して、低周波数負荷、可変周波数負荷に供給される。一方、電力変換装置１０ｃから出力される補助電源用の電力１１ｃは、待機電力として扱われる。待機状態（無負荷）にある電力１１ｃは、第１の切替回路２１ｂを介して定周波数負荷に接続され、第２の切替回路２１ｃを介して可変周波数負荷に接続されている。第１の切替回路２１ｂ、第２の切替回路２１ｃには、断続接点が設けられ、通常では断続接点は開放されている。

定周波数負荷に電力を供給する電力変換装置１０ａが故障した際は、遮断スイッチＢＲ１が開放され、第１の切替回路２１ｂの断続接点が接続して待機状態にある電力変換装置１０ｃの電力が定周波数負荷に供給される。可変周波数負荷に電力を供給する電力変換装置１０ｂが故障した際は、遮断スイッチＢＲ２が開放され、第２の切替回路２１ｃの断続接点が接続して待機状態にある電力変換装置１０ｃの電力が可変周波数負荷に供給される。遮断スイッチＢＲ１、ＢＲ２、第１の切替回路２１ｂ及び第２の切替回路２１ｃの断続動作は、制御部３０によって自動で制御される。

図４（２）に示す、客車電源切替回路２２についても、上述の補助電源切替回路２１と同様の構成、動作である。なお、客車電源切替回路２２は、補助電源切替回路２１とは独立に動作する。

なお、バリエーションの形態として、電力変換装置１０ａ、１０ｂ、１０ｃと低周波数負荷、可変周波数負荷、無負荷（待機状態）との接続を適宜変更できるように電気機関車制御装置を構成しても良い。

図５は、バリエーションの形態の電気機関車制御装置１００の補助電源切替回路２１に設けられる回路２１ａの構成を示す図である。なお、説明を簡略化するために、三相配線を表す３本の線を一本の線で代表している。
割り当て回路２１ａには、遮断スイッチＢＲ１、ＢＲ２、ＢＲ３と切替スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３とが設けられている。

遮断スイッチＢＲ１、ＢＲ２、ＢＲ３は、それぞれ電力１１ａ、１１ｂ、１１ｃを断続する。遮断スイッチＢＲ１、ＢＲ２、ＢＲ３は、それぞれ電力変換装置１０ａ、１０ｂ、１０ｃが故障した際に、制御部３０によって、あるいはそれぞれコントローラ１ａ、１ｂ、１ｃによって自動で遮断される。また、遮断スイッチＢＲ１、ＢＲ２、ＢＲ３は、電気機関車の運転手の遮断操作によっても遮断されるようになされている。

切替スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３は、入力された一つの信号を、３つの端子Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３のいずれかの端子から出力する。それぞれの切替スイッチの出力は、それぞれの端子ごとに１つの信号線にまとめられる。図５では、端子Ｔ１は定周波数負荷に接続され、端子Ｔ２は可変周波数負荷に接続され、端子Ｔ３は待機状態（無負荷）に接続されている。なお、切替スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３は、制御部３０によって自動で切り替えるように構成しても良く、手動で切り替えるように構成しても良い。例えば、列車の電源投入時に電力変換装置１０ａ、１０ｂ、１０ｃの使用負荷が均等になるように切替スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３を切り替えることもできる。

なお、客車電源切替回路２２についても、上述の補助電源切替回路２１と同様の構成と動作を行う回路２２ａ（不図示）が設けられる。

続いて、第１の実施の形態の電気機関車制御装置の奏する効果について説明する。

[第１の効果：装置のサイズ低減]
図６は、従来の電力変換装置及び客車電源装置の構成を模式的に示す図である。

上述のように、従来は、３台の主変換装置と１台の補助電源装置とを収納した電力変換装置を２台搭載し、更に客車電源装置２台を電気機関車内に設置していた。これに対して、第１の実施の形態の電気機関車制御装置では、電力変換装置が２台から３台に増加するものの、補助電源装置のうちの交流／直流コンバータ、その入力に設けられる接触器、及び主変圧器の二次巻線が省略される。また、客車電源装置（直流整流回路、その入力に設けられる接触器、及び主変圧器の二次巻線）が省略される。

この結果、装置の容積が、一例として、約２０ｍ^３→１４ｍ^３となり、約３０％の小型化を実現することができる。

一例の内訳として、従来の構成では、電力変換装置２台＝１５．５ｍ３、３φフィルタ２台＝０．９ｍ^３、客車電源２台＝３．２７ｍ^３で合計容積＝１９．７ｍ^３であった。これに対して、本願の構成では、電力変換装置３台＝１４．０ｍ^３であった。

[第２の効果：保守性の向上]
上述のように電源装置は、スイッチング素子で構成されるが、ＩＧＢＴがスイッチングする際、または通電する際に発生する損失による発熱を抑える機構としては、従来は水を各冷却器に循環させて冷却する循環水冷、あるいは冷却ファンによる空冷を用いることができる。従来の構成では、電力変換装置は水冷であり、客車電源装置は空冷であった。この理由は、従来からこれらの装置が別体として、かつ異なる冷却方式で製造されてきたという歴史的な経緯によるものである。

ここで、空冷方式と水冷方式とを比較すると、保守性の観点からは、一般に水冷方式が簡便であると考えられる。空冷方式を採用する場合は、電源装置にフィンを設ける必要があり、また付着ダストの清掃が必要となるなど、水冷方式に比較すると保守作業が煩雑である。

これに対し、第１の実施の形態では、冷却方式は全て水冷方式に統一することができる。この形態では、従来用いてきた水冷管を延長するのみで良く、またメンテナンスも水冷用設備を対象に一本化することができ、更に、上述のように保守内容も簡便である。従って、保守性を向上することができる。

[第３の効果：信頼性の向上]
上述のように、補助電源装置と客車電源装置とは３式を設け、１式がバックアップ用とする待機システムを形成している。従って、装置の信頼性を向上することができる。更に、待機系には、３式のいずれかを任意に割り当てることができ、例えば、電源の使用率が均等になるように運用することができる。従って、装置の信頼性をさらに向上することができる。

[第４の効果：客車用電源入力力率の向上]
従来の客車電源装置では、図６に示すように直流整流回路が用いられていたため位相の制御のみが可能であり力率の制御ができなかった。これに対して、第１の実施の形態では客車用電源の交流側入力は主変換装置の交流／直流コンバータである。コンバータは、電流の制御が可能であるため、力率を制御することが可能である。原理的には力率は１に制御できるため客車用電源の効率を向上することができる。

以上述べた第１の実施の形態の電力変換装置、電源装置で構成することにより、電気機関車制御装置のサイズを小さくすることができ、更に種々の効果を得ることができる。

なお、サイズを小さくするための要素となる技術思想は、主変換装置２ａのコンバータ１２０から取り出した直流電力の電圧を所定の電圧値にまで降圧回路４ａを用いて降圧し、降圧した直流電圧を客車用電源負荷に供給し、また降圧した直流電圧をインバータを用いて交流に変換して補助用電源負荷に供給することである。

これによって、従来の補助電源装置、及び客車電源装置の少なくとも一部の構成を不要とすることができる。

また、主変換装置２ａ、降圧回路４ａ、少なくとも一部の構成を省略した補助電源装置と客車電源装置を一体として構成することで、サイズの低減を図ることができる。

尚、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。
上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

１…コントローラ、２、３…主変換装置、４…降圧回路、５…補助電源回路、６…客車電源回路、７、８…駆動用電動機、１０…電力変換装置、２０…切替装置、２１…補助電源切替回路、２１ａ…割り当て回路、２１ｂ…第１の切替回路、２１ｃ…第２の切替回路、２２…客車電源切替回路、２２ａ…割り当て回路、２２ｂ…第１の切替回路、２２ｃ…第２の切替回路、３０…制御部、１００…電気機関車制御装置、１２０…交流／直流コンバータ、１２１…ＶＶＶＦインバータ、１２５…平滑回路、１２６、１２７…降圧チョッパ、１２８…インバータ。

Claims (7)

1. 架線から供給される交流電力をコンバータにより直流電力に変換し、この直流電力をインバータにより駆動用電動機を制御する交流電力に変換する主変換装置と、
   前記直流電力の電圧を降圧する降圧回路と、
   前記降圧された直流電力をインバータにより交流電力に変換して電気機関車内のコンプレッサーを含む設備に供給する補助電源回路と、
   前記降圧された直流電力を電気機関車の牽引する客車内の空調装置を含む設備に供給する客車電源回路と
   を備える電気機関車制御装置。
2. 前記主変換装置、降圧回路、補助電源回路、及び客車電源回路は、一つの筐体内に設けられる、請求項１に記載の電気機関車制御装置。
3. 前記筐体内には、２台の前記主変換装置と２台の前記降圧回路とが設けられ、
   それぞれの前記降圧回路は、それぞれの前記主変換装置の直流電力の電圧を降圧し、
   それぞれの降圧回路から出力される前記降圧された電圧は、ともに前記補助電源回路と客車電源回路とに入力され、
   それぞれの降圧回路の出力電力は均等になるように制御される、請求項２に記載の電気機関車制御装置。
4. 前記筐体内には、前記主変換装置、降圧回路、補助電源回路のそれぞれのスイッチング素子の動作を制御するコントローラが設けられる、請求項３に記載の電気機関車制御装置。
5. 前記筐体は３台設けられ、
   前記それぞれの筐体の補助電源回路または客車電源回路から出力される３つの電力を異なる２つの供給系統とバックアップ用の待機系統とに割り当て、前記２つの供給系統のうち、一つの系統に供給される電力が異常になった際、当該系統に前記待機系統に割り当てられた電力を供給する切替回路とを備える、請求項４に記載の電気機関車制御装置。
6. 前記切替回路は、前記補助電源回路から出力される３つの電力と、前記客車電源回路から出力される３つの電力とをそれぞれ独立して切り替える、請求項５に記載の電気機関車制御装置。
7. 前記電気機関車制御装置の冷却は水冷方式のみを用いる、請求項３に記載の電気機関車制御装置。

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