JP2015047047A - 電力変換装置、非常用走行システム、及び鉄道車両 - Google Patents

電力変換装置、非常用走行システム、及び鉄道車両 Download PDF

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Abstract

【課題】架線等の外部からの給電が行われない場合でも鉄道用機器に給電を続けることができる電力変換装置、非常用走行システム、及び鉄道車両を提供することである。【解決手段】実施形態の電力変換装置は、直流電力を交流電力に変換して、鉄道車両の電気機器に供給するインバータと、直流電力を蓄積可能なバッテリと、前記交流電力を直流電力に変換して前記バッテリを充電するコンバータと、を備える。外部電源から前記インバータへの給電が行われない場合に、前記バッテリは前記インバータへの給電を行う。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置、非常用走行システム、及び鉄道車両に関する。
鉄道車両には、車両を駆動するモータと、架線から電力を受け取り、必要な電圧・電流に変換してモータに供給する車両制御装置とが設けられている。停電等で架線から給電されなくなった場合、モータの動作が停止し、鉄道車両は停止する。また、離線等の瞬間的な架線電圧給電不能状態では、車内の空調や照明等の電気機器が停止し、顧客サービスの低下につながる。そのため、架線等の外部からの給電が行われない場合においても、モータや車内電気機器等の鉄道用機器に給電を続けることが求められている。
また、車両の点検等を行う車両基地内には架線や第三軌条が設置されているが、車両基地内の天井面の配線される架線は、設置の際に建設上の観点より、車両基地内の床面に設置される第三軌条は、点検等を行う管理者の安全上の観点より、なくすことが求められている。
特開２０１２−２３９０３号公報
本発明が解決しようとする課題は、架線等の外部からの給電が行われない場合でも鉄道用機器に給電を続けることができる電力変換装置、非常用走行システム、及び鉄道車両を提供することである。
実施形態の電力変換装置は、直流電力を交流電力に変換して、鉄道車両の電気機器に供給するインバータと、直流電力を蓄積可能なバッテリと、前記交流電力を直流電力に変換して前記バッテリを充電するコンバータと、を備える。外部電源から前記インバータへの給電が行われない場合に、前記バッテリは前記インバータへの給電を行う。
第１の実施形態に係る非常用走行システムの概略構成図である。 変形例による非常用走行システムの概略構成図である。 第２の実施形態に係る非常用走行システムの概略構成図である。 第３の実施形態に係る非常用走行システムの概略構成図である。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
（第１の実施形態）図１は、第１の実施形態に係る非常用走行システムの概略構成を示している。非常用走行システムは、鉄道用車両を駆動するモータ１０への給電を行う車両制御装置１００と、鉄道車両の空調や照明等の電気機器２０に給電を行う電力変換装置２００とを備え、停電が発生したり、車両動揺等の影響により架線１とパンダグラフ２との接触状態が保たれずに離線が発生したりして、架線電圧給電不能状態となった場合でも、モータ１０や電気機器２０に継続して給電を行うものである。
車両制御装置１００は、高速度遮断器１０２、充電回路１０４、インバータ１０６、及びコントローラ（制御部）１０８を備えている。コントローラ１０８は、車両制御装置１００の外部に設けられていてもよい。架線１からパンタグラフ２を介して集電された直流電力が、高速度遮断器１０２及び充電回路１０４を通してインバータ１０６に取り込まれる。
インバータ１０６は、取り込んだ直流電力を交流電力に変換してモータ１０へ出力する。インバータ１０６は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等の半導体スイッチング素子や、半導体スイッチング素子に並列に接続されたダイオード又はクランプダイオード等を内蔵しており、半導体スイッチング素子のオン／オフはコントローラ１０８により制御される。インバータ１０６は、直流電力を車両の速度に応じた周波数、電圧の三相交流にＶＶＶＦ（Variable Voltage Variable Frequency）制御する。
また、図１に示すように、インバータ１０６は、後述するダイオード２２０及び非常走行用接触器２２２を介して、バッテリ２１８から直流電力が供給されるようになっている。例えば、停電が発生し、架線１から給電されなくなった場合、非常走行用接触器２２２が導通状態になり、バッテリ２１８からインバータ１０６への給電が行われる。非常走行用接触器２２２の制御は、後述するコントローラ２２４により行われる。
モータ１０は、そのロータ（図示せず）が歯車などを介して駆動用車輪の車軸と接続されるか、またはロータが駆動用車輪の車軸と直接接続されて、鉄道車両を駆動する。コントローラ１０８は、ロータの角度（位置）、インバータ１０６の出力電流値、速度指令等に基づいて、インバータ１０６のスイッチング素子をオン・オフ動作させる。
図１に示すように、電力変換装置２００は、高速度遮断器２０２、充電回路２０４、ダイオード２０６、インバータ２０８、絶縁トランス２１０、遮断器２１２、バッテリ充電トランス２１４、コンバータ２１６、バッテリ２１８、ダイオード２２０、非常走行用接触器２２２、及びコントローラ（制御部）２２４を備えている。コントローラ２２４は、電力変換装置２００の外部に設けられていてもよい。
架線１からパンタグラフ２を介して集電された直流電力が、高速度遮断器２０２、充電回路２０４、及びダイオード２０６を通してインバータ２０８に取り込まれる。インバータ２０８は、取り込んだ直流電力を交流電力に変換し、絶縁トランス２１０を介して電気機器２０へ出力する。
インバータ２０８は、ＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子や、半導体スイッチング素子に並列に接続されたダイオード又はクランプダイオード等を内蔵し、半導体スイッチング素子のオン／オフはコントローラ２２４により制御される。インバータ２０８は、電気機器２０に対して一定電圧かつ一定周波数の電力を出力するＣＶＣＦ（Constant Voltage Constant Frequency）インバータである。
また、図１に示すように、インバータ２０８の出力は、絶縁トランス２１０、導通状態となっている遮断器２１２、及びバッテリ充電トランス２１４を介してコンバータ２１６に供給されるようになっている。コンバータ２１６は、インバータ２０８から出力された交流電力を直流電力に変換し、バッテリ２１８を充電する。直流電力を蓄積したバッテリ２１８は、ダイオード２２０を介してインバータ２０８に給電を行うことができる。例えば、停電や離線が発生し、架線１から給電されなくなった場合、バッテリ２１８からインバータ２０８への給電が行われるようにする。
コントローラ２２４は、バッテリ２１８の電圧を、架線電圧が通常下がらない電圧以下となるようにコンバータ２１６を制御することが好ましい。このような制御により、通常は、架線電圧の方がバッテリ電圧より高くなり、バッテリ２１８に蓄えられた電力を使用することなく、電気機器２０への給電を行うことができる。一方、停電や離線が発生し、架線電圧の方がバッテリ電圧より低くなった場合は、バッテリ２１８に蓄えられた電力がインバータ２０８に供給され、電気機器２０への給電を継続して行うことができる。なお、コントローラ２２４は、バッテリ２１８からインバータ２０８への給電を行う場合、遮断器２１２を遮断状態にする。
例えば、バッテリ２１８の電圧が、定格架線電圧より１００Ｖ（ボルト）低くなるような制御が行われる。例えば、定格架線電圧が１５００Ｖの場合、バッテリ２１８の電圧は１４００Ｖ以下となるように制御される。
また、バッテリ２１８の電圧を、電力変換装置２００の性能保証電圧の最低値となるようにしてもよい。例えば、電力変換装置２００の性能保証電圧が１３００Ｖ〜１８００Ｖである場合、バッテリ２１８の電圧が１３００Ｖとなるように制御される。
あるいはまた、バッテリ２１８の電圧を、架線電圧の変動範囲の最低値となるようにしてもよい。例えば、架線電圧の変動範囲が１０００Ｖ〜２０００Ｖである場合、バッテリ２１８の電圧が１０００Ｖとなるように制御される。
コントローラ２２４は、停電等により架線１から給電されなくなった場合、非常走行用接触器２２２を導通状態にして、バッテリ２１８から車両制御装置１０のインバータ１０６への給電が行われるようにする。
例えば、コントローラ２２４は、運転台からの指示に基づいて、非常走行用接触器２２２を導通状態にする。また、コントローラ２２４は、電力変換装置２００内に設けられている図示しないフィルタコンデンサの電圧が所定値未満となった場合に、架線１から給電されなくなった（架線電圧給電不能状態になった）と判断し、非常走行用接触器２２２を導通状態にしてもよい。
ここで、コントローラ２２４は、架線電圧給電不能状態が所定時間続いた場合に、非常走行用接触器２２２を導通状態にして、バッテリ２１８からインバータ１０６への給電を行うようにしてもよい。すなわち、離線等の瞬間的な架線電圧給電不能状態の際には、バッテリ２１８からインバータ１０６への給電を行わないようにする。これは、架線１から給電されない時間が短い場合、車両は停止することなく（惰性で）走行できるためである。
このように、本実施形態によれば、通常時は、インバータ１０６及び２０８に架線１から給電されるとともにバッテリ２１８が充電され、停電等により架線１から給電されなくなった場合は、バッテリ２１８からインバータ１０６及び２０８に給電される。そのため、架線電圧給電不能状態においても、モータ１０を駆動でき、車両を停止させることなく、継続して走行することができる。また、空調や照明等の電気機器２０への給電を継続できるため、顧客サービスを向上させることができる。また、架線や第三軌条のない車庫内においても車両を走行させることができる。
既存の鉄道車両に本実施形態による非常用走行システムを導入する場合、空調や照明等の電気機器に給電を行う電力変換装置を本実施形態による電力変換装置２００に交換するとともに、非常走行用接触器２２２と充電回路１０４とを接続する配線を追加配設すればよい。そのため、既存の鉄道車両に本実施形態による非常用走行システムを容易に導入することができる。
上記実施形態において、バッテリ２１８の充電特性を、バッテリ充電トランス２１４の電圧降下特性に合わせるようにしてもよい。このことにより、インバータ２０８の出力電圧によるバッテリ電圧の制御を行わなくても、バッテリ電圧の充電制御が可能となる。
上記実施形態では、バッテリ２１８の電力が充電回路１０４を介してインバータ１０６に供給されていたが、図２に示すように、充電回路１０４を介さずにインバータ１０６に直接供給されるようにしてもよい。
上記実施形態では、コントローラ２２４が非常走行用接触器２２２の制御を行う例について説明したが、コントローラ１０８が非常走行用接触器２２２の制御を行ってもよい。また、非常走行用接触器２２２を車両制御装置１０内に設け、コントローラ１０８が制御を行うようにしてもよい。
（第２の実施形態）図３に第２の実施形態による非常用走行システムの概略構成を示す。本実施形態による非常用走行システムは、図１に示す第１の実施形態と比較して、非常走行用接触器２２２を省略し、バッテリ２１８から車両制御装置１００への給電が行われない点で相違する。他の構成並びに動作は上記第１の実施形態と同様であるため、説明を省略する。
本実施形態によれば、架線電圧給電不能状態において、バッテリ２１８からインバータ２０８への給電が行われ、空調や照明等の電気機器２０の動作を継続でき、顧客サービスを向上させることができる。
（第３の実施形態）図４に第３の実施形態による非常用走行システムの概略構成を示す。本実施形態による非常用走行システムは、図１に示す第１の実施形態と比較して、ダイオード２２０からインバータ２０８への還流線を省略し、バッテリ２１８からインバータ２０８への給電が行われない点で相違する。他の構成並びに動作は上記第１の実施形態と同様であるため、説明を省略する。
本実施形態によれば、架線電圧給電不能状態において、バッテリ２１８からインバータ１０６への給電が行われ、モータ１０を駆動でき、車両を停止させることなく、継続して走行することができる。
上記第１〜第３の実施形態は非常用走行システムを直流電車に適用する例について説明したが、交流電車に適用してもよい。この場合、充電回路１０４、２０４を省略し、メイントランスや、交流電力を直流電力に変換してインバータ１０６、２０８に供給するコンバータが設けられる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
１ 架線
２ パンタグラフ
１０ モータ
２０ 電気機器
１００ 車両制御装置
１０２ 高速度遮断器
１０４ 充電回路
１０６ インバータ
１０８ コントローラ
２００ 電力変換装置
２０２ 高速度遮断器
２０４ 充電回路
２０６ ダイオード
２０８ インバータ
２１０ 絶縁トランス
２１２ 遮断器
２１４ バッテリ充電トランス
２１６ コンバータ
２１８ バッテリ
２２０ ダイオード
２２２ 非常走行用接触器
２２４ コントローラ

Claims (5)

  1. 直流電力を交流電力に変換して、鉄道車両の電気機器に供給するインバータと、
    直流電力を蓄積可能なバッテリと、
    前記交流電力を直流電力に変換して前記バッテリを充電するコンバータと、
    を備え、
    外部電源から前記インバータへの給電が行われない場合に、前記バッテリは前記インバータへの給電を行うことを特徴とする電力変換装置。
  2. 前記バッテリは、前記外部電源の電圧変動範囲の下限値以下の電圧で充電されることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
  3. 直流電力を交流電力に変換して、鉄道車両を駆動するモータに供給する第１インバータを有する車両制御装置と、
    直流電力を交流電力に変換して、前記鉄道車両の電気機器に供給する第２インバータ、直流電力を蓄積可能なバッテリ、及び前記第２インバータから出力される交流電力を直流電力に変換して前記バッテリを充電するコンバータを有する電力変換装置と、
    を備え、
    外部電源から前記第１インバータ及び前記第２インバータへの給電が行われない場合に、前記バッテリは、前記第１インバータ及び前記第２インバータの少なくともいずれか一方に対して給電を行う非常用走行システム。
  4. 前記バッテリは、前記外部電源の電圧変動範囲の下限値以下の電圧で充電されることを特徴とする請求項３に記載の非常用走行システム。
  5. 請求項３又は４に記載の非常用走行システムと、
    前記第１インバータから交流電力が供給されるモータと、
    前記第２インバータから交流電力が供給される電気機器と、
    を備える鉄道車両。
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