JP2016012949A

JP2016012949A - 電気駆動車両、電力変換装置及び電動機制御方法

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Publication number: JP2016012949A
Application number: JP2014132012A
Authority: JP
Inventors: 達哉前川; Tatsuya Maekawa; 三島　彰; Akira Mishima; 彰三島; 勲古川; Isao Furukawa
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2014-06-27
Filing date: 2014-06-27
Publication date: 2016-01-21
Anticipated expiration: 2034-06-27
Also published as: JP6258136B2

Abstract

【課題】トロリーモードと非トロリーモードの切替えスイッチに断路器を使用した上で、電流遮断及び電流遮断後の電力線のP側N側両方の感電防止対策の実現。【解決手段】サーキットブレーカ１２が接続されている側の切替えスイッチ（１）１５を断路器、反対側の切替えスイッチ（２）を電磁接触器とする。このとき架線と繋ぐ際は、前記断路器のオン後に前記電磁接触器をオンする。逆に、架線から離脱する際は、前記電磁接触器のオフ後に前記断路器をオフする。以上により、断路器に突入電流や遮断電流が流れないように制御し、電流遮断を可能とする。ここで、通常遮断時は前記電磁接触器と前記断路器によりP側N側共に負荷側より切り離される。また、緊急遮断時は前記サーキットブレーカと前記電磁接触器によりP側N側共に負荷側より切り離される。そのため、P側N側それぞれで感電防止対策が可能となる。【選択図】図２

Description

本発明は、電気駆動車両、電力変換装置及び電動機制御方法に関する。

従来、ディーゼルエンジンからの電力供給と架線からの電力供給を切替えて電動機を駆動できる電気駆動車両が知られている。このような電気駆動車両としては、例えばトロリー式のダンプトラックがある。このダンプトラックは、ディーゼルエンジンと、このディーゼルエンジンの出力を電力に変換する発電機と、発電機又は架線から供給される電力を変換する電力変換機と、車輪を駆動する電動機とを備えている。

このようなダンプトラックが用いられる場面としては、例えば、露天掘りの採石場があり、平坦な道では、架線から電力の供給を受けずに、ディーゼルエンジンからの出力により発電機が発電した電力を電動機に供給してダンプトラックを動かしている。以下の説明では、架線から電力を受けずに、ディーゼルエンジンを動力源として用いるモードを、「非トロリーモード」と呼ぶ。

一方、ダンプトラック本体の重さに加え、荷台に積載した鉱石の重さは数十トンを超す場合があり、ディーゼルエンジンだけを動力源として用いると非常に燃費が悪いことに加え、エンジンに対し高い負荷がかかるため、保守点検をこまめに実施せねばならず、メンテナンスコストも多くなるといった問題があり、ここで、採石場においては、鉱床が現れるまで地表面を掘り下げているため、鉱石を積載したダンプトラックは、鉱床から地表面までの急な坂道を上り下りしているところ、坂道の上方に架線を張っておき、ダンプトラックが坂道を上る際には、架線から供給される電力により電動機を駆動させてダンプトラックを動かしている。架線から電力の供給を受けてダンプトラックを動かすモードを、「トロリーモード」と呼ぶ。

このようなトロリー式の電気駆動車両は、例えば、特開２００２−６７７７６号公報（特許文献１）に開示されている。

特開２００２−６７７７６号公報

ところで、トロリー式の電気駆動車両が非トロリーモードで走行する場合、エンジンにより駆動される発電機より電力を供給され、トロリーモードで走行する場合、架線からパンタグラフを介して電力を供給される。パンタグラフの出力のP側N側それぞれに切替えスイッチを入れ、架線と負荷（ダンプトラック）の接続・切り離しを行うことで、発電機からの電力と架線からの電力を切替える。一般的に、電流の緊急遮断用にP側N側のどちらか一方にサーキットブレーカを接続する。この切替えスイッチは電流遮断能力のある電磁接触器等を使用した場合、電磁接触器は高価であり、質量も重いという問題がある。

本発明の目的は、安価で質量が軽い電気駆動車両、電力変換装置及び電動機制御方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、原動機と、前記原動機により駆動される発電機と、前記発電機により出力される交流電力を直流電力に変換する整流器と、前記整流器に接続線を介して接続されて電力変換する変換器と、前記変換器に接続された電動機と、前記電動機に駆動される車輪と、架線に接続されるパンタグラフと、前記パンタグラフの出力を有し、前記パンタグラフは一方電位側パンタグラフと他方電位側パンタグラフからなり、前記接続線は一方電位側接続線と他方電位側接続線からなり、前記一方電位側パンタグラフと前記一方電位側接続線をむすぶ一方電位側接続路と、前記他方電位側パンタグラフと前記他方電位側接続線をむすぶ他方電位側接続路を有し、前記一方電位側接続路と前記他方電位側接続路のいずれかにサーキットブレーカと電流遮断能力のないスイッチを設けると共に、前記一方電位側接続路と前記他方電位側接続路の他方に電流遮断能力のあるスイッチを設ける。

具体的には、サーキットブレーカが接続されている側に断路器を使用し、反対側には電磁接触器を使用する。ただし、断路器は電流遮断能力が無く、負荷電流が流れている状態で断路器をオン・オフすると機器破損を起こしてしまう。そこで架線と繋ぐ際は、前記断路器のオン後に前記電磁接触器をオンする。逆に、架線から離脱する際は、前記電磁接触器のオフ後に前記断路器をオフする。以上により、断路器に突入電流や遮断電流が流れないように制御する。また、通常時は電磁接触器と断路器によりP側N側共に負荷側より切り離され、緊急時はサーキットブレーカと電磁接触器によりP側N側共に負荷側より切り離される。そのため、パンタグラフに発電機の出力電圧がかかることはなく、感電防止も可能となる。

本発明によれば、コスト削減・軽量化が可能となる。

本発明の一実施の形態例における非トロリーモード区間とトロリーモード区間の例を示す説明図である。本発明の一実施の形態例におけるトロリー式のダンプトラックの構成例を示すブロック図である。本発明の一実施の形態例における非トロリーモードとトロリーモードの切替え時における切替えスイッチ制御のタイミングを示す説明図である。本発明の一実施の形態例における非トロリーモードからトロリーモードへの切替え時における直流電圧及び切替えスイッチの制御例を示す説明図である。本発明の一実施の形態例におけるトロリーモードから非トロリーモードへの切替え時における直流電圧及び切替えスイッチの制御例を示す説明図である。

まず、図１によりトロリー式ダンプトラックの概要について説明する。トロリー式ダンプトラックは電気駆動車両の一例として用いられる。

図１において、トロリー式ダンプトラックは例えば平坦な道を走る区間は、非トロリーモードで走行する非トロリーモード区間となる。このとき、エンジンを駆動して、発電機を動かし、電力を供給することで走行する。

次に図１において、トロリー式ダンプトラックは急峻な坂道を走る区間は、トロリーモードで走行するトロリーモード区間となる。このような坂道では、エンジンの出力だけではダンプトラックの速度が遅くなってしまうため、架線１からパンタグラフ２を介して電力をダンプトラックに供給し、走行する。トロリーモード時のダンプトラックは、前記のエンジン及び前記の発電機を駆動しないで走行することが出来るため、燃料消費量の低減が図れる。その後、ダンプトラックが坂道を上りきり、平坦な道の走行になったとき、再び非トロリーモードへ切替わる。

図２はトロリー式ダンプトラックの構成の一実施例を示すブロック図である。

非トロリーモード時は、切替えスイッチ（１）１５及び切替えスイッチ（２）１６がオフであり、エンジン３により発電する発電機４は整流器５に接続し、整流器５は発電機４の出力する交流電力を直流電力に変換して出力する。出力された直流電力は電流検出器６及び電圧検出器７を介し、制御装置２０へ供給することで、過電圧・過電流の検出が可能となる。整流器５は直流コンデンサ１８を介して電力変換器８に接続し、電力変換器８は整流器５の出力する直流電力を交流電力に変換して出力する。電力変換器８は電動機９に接続し、電動機９を駆動する。電動機９はギア１０を介して車輪１１に接続し、電動機９が車輪１１を駆動することで前進あるいは後進し、車両が加速する。また、電動機が車輪内に設けられたインホイールモータとして用いられると、車輪を回転させるための車軸が不要となる。

また、トロリーモード時は、切替えスイッチ（１）１５及び切替えスイッチ（２）１６がオンであり、パンタグラフ２を架線１に接続し、直流電力を整流器５の出力とつながる接点１７を介して電力変換器８に供給する。電力変換器８はパンタグラフ２より供給される直流電力を交流電力に変換して出力する。電力変換器８は電動機９に接続し、電動機９を駆動する。電動機９はギア１０を介して車輪１１に接続し、電動機９が車輪１０を駆動することで前進し、車両が加速する。この時、エンジン３はアイドル状態であり、発電機４から交流電力を出力されない。架線供給電流は電流検出器１３、架線電圧は電圧検出器１４により検出する。

トロリーモードと非トロリーモードを切替える際に切替えスイッチ（１）１５及び切替えスイッチ（２）１６がオン・オフするため、従来は切替えスイッチ（１）１５及び切替えスイッチ（２）１６は共に電磁接触器のような電流遮断能力のある機器を使用していた。電力線のP側・N側共に電磁接触器を使用した場合、共に電流遮断可能であるため電力線の両切りが容易であり、かつ突入電流や遮断電流により機器破損することもない。ただし、電磁接触器は電流遮断するために主接点のインピーダンスが高く、かつ主接点オン時には駆動コイルに電流を流し続ける必要があるため発熱量が高い。また、電流遮断能力のない機器と比較すると部品サイズが大きく、重量であり、高価である。電流容量の大きいシステムではP側・N側のそれぞれに並列で電磁接触器を使用する場合もあるため、システムのサイズ、発熱共に大きくなってしまう。

電磁接触器とは、電磁石のコイル部と接点部により構成されたものである。コイル部に電流が流れると接点部が閉じ、コイル部の電流を切ると接点が開くことにより負荷の開閉を行う。また、電流遮断時に発生するアークを消弧室内の障壁での分断・冷却作用により消滅させる消弧構造も有している。

本実施例では、サーキットブレーカ１２が接続されている側で使用する切替えスイッチ（１）１５を電磁接触器ではなく、断路器としている。断路器は電流遮断しないため主接点のインピーダンスが低く、ワンパルス駆動であるため駆動コイルに電流を流し続ける必要がないため発熱量が小さい。また、電磁接触器と比較すると部品サイズが小さく、軽量であり、安価である。ただし断路器は電流遮断能力がないため負荷電流が流れている状態での開閉ができず、電力供給を切替える用途には用いることが困難である（本来断路器は保守点検用の安全装置として用いるのが一般的である）。

本実施例では、反対側の切替えスイッチ（２）１６を電流遮断能力のある電磁接触器とし、図３に示すように非トロリー走行からトロリー走行へ切替える際は先に断路器（切替えスイッチ（１）１５）をオンし、t₁後に電磁接触器（切替えスイッチ（２）１６）をオンさせる。トロリー走行から非トロリー走行へ切替える際は先に電磁接触器（切替えスイッチ（２）１６）をオフし、t₂後に断路器（切替えスイッチ（１）１５）をオフさせる。この制御により断路器（切替えスイッチ（１）１５）をオン・オフさせる際、回路は電磁接触器により開放されているため、負荷電流が流れていない状態で断路器（切替えスイッチ（１）１５）を動作させるこが可能となる。そのため断路器を使用した電力切替え装置が構成可能となる。

この断路器（ディスコネクトスイッチ）としては、例えば、鉄道分野で架線と負荷（車両）の接続・切り離しに用いられるものを使用できる。断路器は電磁接触器に比べ、サイズが小さく、軽量かつ安価であり発熱量も小さい。そのため、断路器を使用すれば、原価低減や装置の小型・軽量化が可能である。ただし、断路器には電流遮断能力がない。ダンプトラックは走行中に切替えスイッチをオン・オフさせるため電流遮断する必要がある。そのためダンプトラックで断路器を使用する場合、断路器の保護をしつつ、電流遮断可能なシステムとする。

断路器とは、電磁接触器同様に電磁石のコイル部と接点部により構成される。ただし、一度コイルを励磁し接点を閉じると、その接点は機械的に保持される構造となっている。そのため、コイルに電流を流し続ける必要はなく、短時間の励磁でよい。また、接点を開くときはコイルを再び短時間励磁する。これにより機械的なロックが解除され接点が開く。一方で、断路器は電流遮断時に発生するアークを消弧する機構がないため、電流遮断はできない構造となっている。

ここで、非トロリーモード時はP側の断路器（切替えスイッチ（１）１５）とN側の電磁接触器（切替えスイッチ（２）１６）が共にオフしているため、P側N側共に負荷側より切り離されており、感電防止対策が実施できる。

また、断路器は必ずサーキットブレーカ１２が接続されている側にて使用する。これにより緊急遮断時には、P側のサーキットブレーカ１２で電流遮断後、N側の電磁接触器（切替えスイッチ（２）１６）をオフすれば、P側N側共に負荷側から切り離すことが可能であり、感電防止が実施できる。

本実施例では電力変換器８の直流電力入力部に分圧抵抗器１９を接続している。これは、直流電圧を中性点接地することにより、直流回路の地絡検出ができるシステム構成としている。しかし、非トロリーモードからトロリーモードへ切替える際に、発電機４の出力電圧とパンタグラフ２から供給される架線電圧に大きな差がある場合は中性点がずれるため、地絡を誤検出してしまう。

上記の対策として、電圧検出器７及び１４より検出した電圧を制御装置２０にて比較し、各電圧が揃ったタイミングで切替わるように制御する。図４に非トロリーモードからトロリーモードへの切替え時の直流電圧の制御例を示す。非トロリーモードでの走行中の発電機４からの出力電圧は架線電圧と比べて小さい。そのため、トロリーモード切替え指令が出ると、まず発電機４の出力が上がる。発電機４の出力電圧と架線電圧が同等になってから、切替えスイッチ（１）１５をオンし、続いて切替えスイッチ（２）１６をオンすることで、地絡誤検出を防ぐことができる。

図５にトロリーモードから非トロリーモードへの切替え時の直流電圧の制御例を示す。トロリーモードでの走行中は発電機４の出力は零である。非トロリーモード切替え指令が出ると発電機４の出力が架線電圧と同等まで上がる。その後、切替えスイッチ（２）１６をオフし、続いて切替えスイッチ（１）１５をオフすることで、地絡誤検出を防ぐことができる。切替え後に発電機４の出力は通常出力値まで下がり、非トロリー走行を続ける。

１・・・架線
２・・・パンタグラフ
３・・・エンジン
４・・・発電機
５・・・整流器直流
６・・・電流検出器
７・・・電圧検出器
８・・・電力変換器
９・・・電動機車輪
１０・・・ギア制御装置
１１・・・車輪
１２・・・サーキットブレーカ
１３・・・電流検出器
１４・・・電圧検出器
１５・・・切替スイッチ（１）
１６・・・切替スイッチ（２）
１７・・・接点（整流器出力と架線出力の接点）
１８・・・コンデンサ
１９・・・分圧抵抗器
２０・・・制御装置

Claims

原動機と、前記原動機により駆動される発電機と、前記発電機により出力される交流電力を直流電力に変換する整流器と、前記整流器に接続線を介して接続されて電力変換する変換器と、前記変換器に接続された電動機と、前記電動機に駆動される車輪と、架線に接続されるパンタグラフと、前記パンタグラフの出力を有し、前記パンタグラフは一方電位側パンタグラフと他方電位側パンタグラフからなり、前記接続線は一方電位側接続線と他方電位側接続線からなり、前記一方電位側パンタグラフと前記一方電位側接続線をむすぶ一方電位側接続路と、前記他方電位側パンタグラフと前記他方電位側接続線をむすぶ他方電位側接続路を有し、前記一方電位側接続路と前記他方電位側接続路のいずれかにサーキットブレーカと電流遮断能力のないスイッチを設けると共に、前記一方電位側接続路と前記他方電位側接続路の他方に電流遮断能力のあるスイッチを設けることを特徴とする電気駆動車両。
請求項１に記載の電気駆動車両において、前記回電流遮断能力のないスイッチは断路器であることを特徴とする電気駆動車両。
請求項２に記載の電気駆動車両において、前記変換器に供給する電力を前記発電機の電力から前記架線からの電力へ切替える時は、先に前記断路器をオンし、その後反対側に接続している前記電流遮断能力のあるスイッチをオンすることを特徴とする電気駆動車両。
請求項２に記載の電気駆動車両において、前記変換器に供給する電力を前記架線の電力から前記発電機からの電力へ切替える時は、先に前記電流遮断能力のあるスイッチをオフし、その後反対側に接続している前記断路器をオフすることを特徴とする電気駆動車両。
原動機により駆動される発電機より出力される交流電力を直流電力に変換する整流器と、前記整流器に接続線を介して接続されて電力変換して電動機に電力を供給する電力変換器と、一方電位側のパンタグラフから一方電位側接続路を介して一方電位側の前記接続線に電力を供給し、他方電位側パンタグラフから他方電位側接続路を介して他方側電位側の前記接続線に電力を供給し、前記一方電位側接続路と前記他方電位側接続路のいずれかはサーキットブレーカと電流遮断能力のないスイッチにより導通・遮断され、前記一方電位側接続路と前記他方電位側接続路の他方に電流遮断能力のあるスイッチにより導通・遮断されることを特徴とする電力変換装置。
原動機により駆動される発電機より出力される交流電力を整流器で直流電力に変換し、前記整流器から接続線を介して供給される整流された電力を電力変換器で電力変換して電動機に供給することで制御し、一方電位側のパンタグラフから一方電位側接続路を介して一方電位側の前記接続線に電力を供給し、他方電位側パンタグラフから他方電位側接続路を介して他方側電位側の前記接続線に電力を供給し、前記一方電位側接続路と前記他方電位側接続路のいずれかをサーキットブレーカと電流遮断能力のないスイッチにより導通・遮断し、前記一方電位側接続路と前記他方電位側接続路の他方を電流遮断能力のあるスイッチにより導通・遮断する電動機制御方法。