JP2016086488A - 鉄道車両の駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】一定速度で制御されて走行する鉄道車両において，コンバータ装置の発生する高調波電流を減少させ，変圧器の高調波損失を低減する。【解決手段】車両が基準速度Ｖ１で一定となるように制御されて走行するとき，コンバータ装置のキャリア周波数を第１の基準周波数Ｆｃ１から第２の基準周波数Ｆｃ２に上昇させ，加減速指令で制御される場合には，キャリア周波数を第２の基準周波数から第１の基準周波数に減少させる。【選択図】図２

Description

本発明は，単相交流架線から電力を得て鉄道車両を駆動する鉄道車両の駆動装置に関する。

交流き電区間を走行する鉄道車両では，変圧器を介して単相交流架線から交流電力を受電し，コンバータ装置で直流電力に変換した後，インバータ装置で三相交流電力に変換して交流電動機を駆動する方式が広く用いられている。

コンバータ装置やインバータ装置は，パルス幅変調（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ，ＰＷＭ）に基づいて複数の半導体スイッチング素子をオンオフ制御して出力電圧を所望の値に制御する。

コンバータ装置を構成するスイッチング素子はコンバータ装置の直流側の電圧に応じた耐圧が要求される。鉄道車両の場合，特に高速鉄道や機関車といった大出力が要求される場合は，コンバータ装置の直流側の電圧は架線や車両の仕様によって３０００Ｖ以上で設定され，直流側の電圧が高いほど高耐圧のスイッチング素子が必要となる。

高耐圧のスイッチング素子は耐圧を満足するため，素子内部の半導体チップの厚みを増す必要があり，その結果，低耐圧のスイッチング素子に比べてスイッチング動作に伴う損失が増加する。よって，高耐圧のスイッチング素子を用いたコンバータ装置では，スイッチング素子の冷却装置の大型化を避けるため，スイッチング動作に伴う損失を抑制が必要となり，低いキャリア周波数を設定する。

通常，コンバータ装置は，交流側に流れる変圧器の二次電流が架線に電力を供給する電力系統と同程度の品質が要求されるため，その電流を正弦波状として架線に流れる高調波電流を低減させる必要がある。このため，コンバータ装置の冷却性能が許容する範囲で，キャリア周波数は高く設定される。しかしながら，前述のように高耐圧のスイッチング素子を使用する場合，スイッチング動作に伴う損失を抑制するためキャリア周波数を下げることが望ましい。

キャリア周波数を下げると，二次電流の高調波成分が増加して、架線に流れる電流の歪みが増加し，変圧器巻線での表皮効果による損失が増加し，機器効率の減少も引き起こす。

上記の高調波成分は，コンバータ装置の交流側電流のリップルとして現れるもので，その電流リップルはコンバータ装置で設定されたキャリア周波数と変圧器の定数，架線電圧とコンバータ装置出力側の直流電圧で一意に決定され，コンバータ装置の入出力電力には依存しない。すなわち，一定のキャリア周波数でコンバータを動作させているときには，コンバータ装置の入出力電力がどのような状態でも高調波電流成分の量は変化せずに，変圧器から一定量の高調波損失が発生し続ける。

主回路電力変換装置−インバータ・コンバータ− 社団法人 日本鉄道車両機械技術協会 監修 P189-203

変圧器巻線の高調波電流による損失は，コンバータ装置のキャリア周波数を上げることで低減することができるが，前述のように高耐圧の素子を用いる場合，スイッチング動作に伴う損失の制約からキャリア周波数を上げることは望ましくない。

ここで，一般に高速車両をはじめとした長距離を運転する車両では，長時間にわたり一定速度運転をすることが多い。このとき，車両の空気抵抗に代表される走行抵抗や勾配で発生する速度変化分の電力をコンバータ装置へ入出力すればよい。この場合の走行抵抗分や勾配で発生する速度変化分の電力は比較的小さいため，変圧器の電流の基本波成分は小さいが，リップル電流成分は上記理由によりコンバータ装置の入出力には依存せず，変圧器の高調波損失は変わらない。

その状態で長時間運転すると，コンバータ装置の入出力電流が小さいにも関わらず，変圧器の高調波損失が比較的大きい状態が継続し，主変換装置としての機器の効率が悪化する。

一方、コンバータ装置のスイッチング動作に伴う損失は，キャリア周波数と入出力電流に依存するため，上記のように車両を一定速度で運転する場合や交流電動機からの出力トルクが小さい運転を行う場合には，コンバータ装置の入出力電流は小さいため，該コンバータ装置のスイッチング動作に伴う損失は小さい状態となる。そのため，車両速度を一定もしくは交流電動機からの出力トルクが小さい制御を行う場合に限って考えれば，該コンバータ装置のキャリア周波数を上昇させ，変圧器巻線での表皮効果で発生する高調波損失を低減することが可能となり，消費電力量を減少させることが可能となる。このとき，該コンバータ装置のスイッチング動作が増加するためスイッチングにより損失は増加するが，該コンバータ損失はコンバータ装置の入出力電流の基本波電流成分に依存するから，該コンバータ装置のスイッチング動作に伴う損失増加は僅かである。

本発明に記載の鉄道車両の駆動装置は，鉄道車両の速度が目標速度の近傍の速度となるように制御される場合に，コンバータ装置のキャリア周波数を第１の基準周波数から，第１の基準周波数よりも周波数が高い第２の基準周波数に上昇させ，鉄道車両の速度を目標速度の近傍の速度となるように制御されない場合にキャリア周波数を第２の基準周波数から第１の基準周波数に減少させる。

または，コンバータ装置の直流側に接続され，鉄道車両の照明または空調に電力を給電する補助電源装置を更に備え，制御装置は，鉄道車両が停車状態の場合に，コンバータ装置のキャリア周波数を第１の基準周波数から，第１の基準周波数よりも周波数が高い第２の基準周波数に上昇させ，鉄道車両が停車状態から走行状態に移行した場合に，コンバータ装置のキャリア周波数を第２の基準周波数から第１の基準周波数に減少させる。

本発明によれば，変圧器巻線の表皮効果で発生する高調波損失とコンバータ装置のスイッチング動作に伴う損失を考慮した車両駆動装置の全体効率を上昇させることが可能となる。

加減速の頻度が少なく、所定速度範囲での運転が長時間にわたって続くことが多い高速車両や長距離列車においては，特に本発明の効果が顕著に表れる。

図１は，鉄道車両の駆動装置の構成例を示す図である。 図２は，車両の走行位置とコンバータ装置のキャリア周波数および車両速度の関係を示す図である。 図３は，車両の走行時間とコンバータ装置のキャリア周波数，車両速度，変圧器の二次電流の大きさの関係を示す図である。 図４は，車両の速度と車両の牽引力，列車の受ける走行抵抗および変圧器の二次電流の関係を示す図である。 図５は，車両の走行位置とコンバータ装置のキャリア周波数および車両速度の関係を示す図である。 図６は，車両の速度と車両の牽引力，列車の受ける走行抵抗および変圧器の二次電流の関係を示す図である。 図７は，車両の走行位置とコンバータ装置のキャリア周波数および車両速度の関係を示す図である。

次に本発明の実施形態について説明する。

本発明の鉄道車両の駆動装置における第１実施例について図１，２を用いて説明する。

図１に鉄道車両の駆動装置の構成例を示す。変圧器３はパンタグラフ２を介して交流架線１に接続され，架線電圧を降圧し，コンバータ装置５に単相交流電力を供給する。変圧器３の一端は車輪４を介してレールに接続されている。コンバータ装置５は変圧器３から得た単相交流電力を直流電力に変換する。コンバータ装置５の直流側は電圧を安定させるためのコンデンサ６を介してインバータ装置７と接続される。インバータ装置７はコンバータ装置５から出力される直流電力を３相交流電力に変換して交流電動機８を駆動する。

第１の電圧検出手段９は交流架線１から変圧器３に印加される電圧を検出し，変圧器３の巻線比に基づいて，コンバータ装置５の交流側の電圧（二次電圧）ｅｓに換算して出力する。なお，第１の電圧検出手段９は直接コンバータ装置５の交流側の二次電圧ｅｓを検出しても良い。第１の電流検出手段１０はコンバータ装置５の交流側に流れる二次電流ｉｓを検出して出力する。

第２の電圧検出手段１１はコンデンサ６の両端の電圧である直流ステージ電圧Ｅｃｆを検出して出力する。第２の電流検出手段１２は交流電動機８に流入する３相の交流電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを検出して出力する。速度検出手段１３は交流電動機８の回転速度Ｆｒを検出して出力する。

制御装置１４は，コンバータ装置５の直流側の電圧が所定の値となるようにコンバータ装置５を動作させると共に，交流電動機８の出力トルクが制御指令を満たす所定の値となるようにインバータ装置７を動作させるものであり，二次電圧ｅｓ，二次電流ｉｓ，直流ステージ電圧Ｅｃｆ，交流電動機８に流入する電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗおよび回転速度Ｆｒに基づいて，コンバータ装置５およびインバータ装置７を構成するスイッチング素子を動作させるためのゲート指令ＧｃおよびＧｉを出力する。

図２は走行距離とコンバータ装置のキャリア周波数の関係，および走行距離と車両速度の関係を示す図である。図２下側の走行距離と車両速度の関係を示す図では，停車地点から加速して第１の基準速度Ｖ１に達した後，一定速度制御運転を開始して、次の停車地点が近づいたら所定の位置に停車するため減速する運転曲線を示している。ここで言う停車地点は，駅でもよいし，信号所などでもよい。又，ここで言う一定速度制御運転とは，必ずしも速度を一定に保つ運転である必要はなく，車両速度を所定範囲内に保つ運転も含むものとする。

本発明では，図２のように，車両の速度が第１の基準速度Ｖ１で一定と制御され始めた時点Ｘ１で，コンバータ装置のキャリア周波数を第１のキャリア周波数Ｆｃ１から第１のキャリア周波数Ｆｃ１よりも周波数の高い第２のキャリア周波数Ｆｃ２へ上昇させる。このとき，一般的に鉄道車両ではコンバータ装置５のキャリア周波数を架線電圧の周波数の奇数倍として設定するため，Ｆｃ１とＦｃ２についても，それぞれ架線電圧の周波数の奇数倍として設定する。

ところで，第２のキャリア周波数Ｆｃ２を高く設定するとその電流は歪みのない正弦波に近づくから，前記変圧器３とコンバータ装置５の間に流れる電流の高調波成分が少なくなり，電流の高調波成分に起因して発生する変圧器巻線での表皮効果で発生する高調波損失を低減するためには，前記周波数Ｆｃ２は高いほどよい。一方，キャリア周波数を高く設定すると，コンバータ装置５のスイッチング周波数が増加するため，コンバータ装置５を構成する半導体のスイッチング損失が増加する。したがって，キャリア周波数，変圧器の定数，架線電圧とコンバータ装置出力側の直流電圧により一意に決まる変圧器巻線での高調波損失の減少分と，コンバータ装置５のスイッチング損失の増加分とを予め比較して，当該スイッチング損失の増加分が高調波損失の減少分よりも小さくなるように，予めキャリア周波数Ｆｃ２を設定する。また，キャリア周波数Ｆｃ２は第１の基準速度Ｖ１で一定速度制御された場合にコンバータ装置５が発生する総損失が，コンバータ装置５の冷却性能を超えないように設定する。

なお，車両の照明や空調に給電する補助電源装置がコンバータ装置５の直流側に接続されている場合は，補助電源装置で消費する電力分によってコンバータ装置５が発生する損失も考慮して第２のキャリア周波数Ｆｃ２を設定するのが望ましい。

このとき，車両速度が第１の基準速度Ｖ１で一定速度制御される方法としては，例えば，運転台から制御装置１４に一定速度制御指令が入力され，速度検出手段１３から得た交流電動機８の回転速度Ｆｒに基づいて車両の速度やその変化量を算出し，第１の基準速度Ｖ１で走行するために必要なトルクが演算され，そのトルク指令をインバータ装置７に指令する方法で実現できる。また，一定速度制御の状態を判断する方法としては，運転台から制御装置１４に一定速度制御指令が入力されたことにより判断することができる。または，回転速度Ｆｒに基づいて車両の速度の時間変化率が一定範囲内であることを条件としても良い。

一定速度制御される他の例として，列車の運転士によって一定速度を保つために必要な加速，減速信号が運転台から制御指令として前記制御装置１４に入力されることによっても一定速度制御を実施できる。この場合は，運転台から制御装置１４に入力される加減速信号が所定の加減速度以下であることを条件として，一定速度制御される状態を判断することができる。

その後，停車地点に向かって車両が減速した状態，すなわち車両速度が第１の基準速度Ｖ１で制御されない状態になった地点Ｘ２で，コンバータ装置５のキャリア周波数を第２のキャリア周波数Ｆｃ２から第１のキャリア周波数Ｆｃ１へ低下させる。

このように速度が一定に制御されて走行しているときに，コンバータ装置５のキャリア周波数を上げることで，変圧器に流れる電流の基本波成分に対して高調波成分の割合を低減することができる。その結果，コンバータ装置５のスイッチング損失は増加するものの，損失の大きな割合を占める変圧器の巻線で発生する高調波損失を抑えることができ，駆動装置全体の消費電力量を低減することができる。

また，本発明により速度が一定に制御されて走行している状態で，力率を改善し無効電力を低減する効果もあるため，変圧器３の損失低減および小型化も可能となる。

本発明の鉄道車両の駆動装置における第２の実施例について図３，４を用いて説明する。第１の実施例と異なるのは，コンバータ装置のキャリア周波数を変更する条件として，車両の速度に加えて変圧器の二次電流の大きさを用いる点である。

図３は上から走行距離とコンバータ装置のキャリア周波数の関係，走行距離と車両速度の関係，および走行距離と変圧器５の二次電流の関係を示す図である。図３では，停車地点から加速し第１の基準速度Ｖ１に達した後，一定速度制御運転を開始する。次の停車地点が近づいたら所定の位置に停車するため減速する運転曲線を示している。ここで言う停車地点は，駅でもよいし，信号所などでもよい。又，ここで言う一定速度制御運転とは，必ずしも速度を一定に保つ運転である必要はなく，車両速度を所定範囲内に保つ運転も含むものとする。

また，図４は車両の速度と牽引力の関係，車両の速度と走行抵抗の関係，および車両の速度と変圧器３の二次電流との関係を示す図である。図４において，牽引力のうち牽引力Ａは車両最大出力の牽引力と速度の関係であり，この時の変圧器３の二次電流を二次電流Ａで示している。同様に，牽引力Ｂは車両の出力を減少させた場合の牽引力特性の例であり，この時の変圧器３の二次電流を二次電流Ｂとして示す。

さらに，図４には列車走行中における２種類の走行抵抗として走行抵抗１と走行抵抗２を示す。一般的に走行抵抗は，車両の受ける空気抵抗，曲線通過時の曲線抵抗，勾配などがあり，それらの和として示される。ここでは例として，以下ではトンネル以外の平坦な区間での走行抵抗を走行抵抗１，トンネル内の平坦な区間での走行抵抗を走行抵抗２として説明する。ここで，基準速度Ｖ１における走行抵抗１での走行抵抗をＲ１とし，基準速度一定で走行するための変圧器３の二次電流の大きさをＩｔ１とする。同様に，基準速度Ｖ１における走行抵抗２での走行抵抗をＲ２とし，変圧器の二次電流の大きさをＩｔ２とする。

本発明では，図３のように，車両の速度が第１の基準速度Ｖ１で一定と制御され始めた時点Ｘ１で，コンバータ装置５のキャリア周波数を第１のキャリア周波数Ｆｃ１から第２のキャリア周波数Ｆｃ２へ上昇させる。ところが，基準速度Ｖ１で一定として速度制御されて走行しているときにトンネル区間に進入すると走行抵抗がＲ１からＲ２に増加し，基準速度Ｖ１を保って走行するためには変圧器３の二次電流をＩｔ１からＩｔ２へ増加させる必要がある。実際には，編成内の前方の車両から順にトンネルに入るため，該電流値はＩｔ１からＩｔ２へ連続的に変化する。

変圧器３の二次電流がＩｔ１からＩｔ２へ増加したとき，コンバータ装置５のキャリア周波数がＦｃ２に設定されていると，コンバータ装置５のスイッチング動作に伴う損失が増加するため，コンバータ装置５の冷却性能を超える恐れがある。そのため，前記電流値がＩｔ１からＩｔ２へ変化するときに基準電流値Ｉ１を超えた地点Ｘ２で，コンバータ装置５のキャリア周波数を第２のキャリア周波数Ｆｃ２から第１のキャリア周波数Ｆｃ１へ低下させる。

その後，列車がトンネル区間を通過すると，走行抵抗がＲ２からＲ１へ減少し基準速度Ｖ１を保って走行するため，必要な変圧器３の二次電流はＩｔ２からＩｔ１へ変化し，コンバータ装置５のスイッチング動作に伴う損失も減少する。そのため，前記電流値がＩｔ２からＩｔ１へ変化するときに基準電流値Ｉ２を下回った地点Ｘ３で，再びコンバータ装置５のキャリア周波数を第１のキャリア周波数Ｆｃ１から第２のキャリア周波数Ｆｃ２へ上昇させることで，変圧器３の高調波損失を減少させる。

キャリア周波数Ｆｃ２は，第１の基準速度Ｖ１で一定速度制御された場合に，コンバータ装置５のスイッチング損失の増加分が，変圧器巻線での高調波損失の減少分よりも小さくなるように，予め設定される。また，第１の基準速度Ｖ１で一定速度制御された場合に，コンバータ装置５が発生する総損失がコンバータ装置５の冷却性能を超えないようにキャリア周波数Ｆｃ２を設定するが，基準電流値Ｉ１，同Ｉ２の設定についても同様にコンバータ装置５の損失から決定すればよいし，車両の照明や空調に給電する補助電源装置がコンバータ装置５の直流側に接続されている場合は，補助電源装置で消費する電力分によってコンバータ装置５が発生する損失も考慮し，第２のキャリア周波数Ｆｃ２，基準電流値Ｉ１，同Ｉ２を設定するのが望ましい。

このように，車両の速度と二次電流に基づいてキャリア周波数の上昇を判断することで，線路条件による走行抵抗の違いにより，速度Ｖ１における二次電流が想定していたより大きくなり，キャリア周波数をＦｃ２に上昇させたときのコンバータ装置のスイッチング損失増加分が，変圧器巻線での高調波損失の減少分を超えてしまうことを防ぎつつ，また，コンバータ装置５の総損失がコンバータ装置５の冷却性能の許容値を超えてしまうことを防ぎながら，本発明の効果が得られる。

本実施例２では，一区間のトンネル走行のみを扱ったが，これはトンネル走行区間の数を限定するわけではない。さらには，走行抵抗が走行抵抗１から走行抵抗２に変化する原因としてトンネル区間を上げたが，上り下り勾配，曲線通過時の曲線抵抗，空気抵抗など他の原因よって走行抵抗が変化する区間であってもよい。

さらに，本実施例２では走行抵抗が走行抵抗１から走行抵抗２へ増加する方向に変化し，変圧器３の二次電流の大きさが増加する場合を示したが，これは走行抵抗が増加した場合に限定するものではない。例えば，下り勾配では走行抵抗が減少して負値となり，車両の速度が上昇するために，回生ブレーキを使用して減速した場合も，変圧器３の二次電流が流れる。その電流の大きさは，下り勾配によって変化する。

本発明の鉄道車両の駆動装置における第３の実施例について図５，６を用いて説明する。第１の実施例と異なるのは，一定制御される速度に応じて，コンバータ装置のキャリア周波数の変更を行わない場合を加える。

図５は走行距離とコンバータ装置のキャリア周波数の関係，走行距離と車両速度の関係を示す図である。図５では，停車地点から加速して第１の基準速度Ｖ１Ａに達した後，一定速度制御区間Ａ内は速度Ｖ１Ａで一定速度運転を行う。その後，次の第１の基準速度Ｖ１Ｂまで加速し，その速度Ｖ１Ｂで一定速度制御区間Ｂ内は一定速度運転をする。やがて次の停車地点が近づいたら，所定の位置に停車するため減速する運転曲線を示している。ここで言う停車地点は，駅でもよいし，信号所などでもよい。

また，図６は車両の速度と牽引力の関係，車両の速度と走行抵抗の関係，および車両の速度と変圧器３の二次電流との関係を示す図である。図４において，牽引力のうち牽引力Ａは車両最大出力の牽引力と速度の関係であり，この時の変圧器３の電流を二次電流Ａで示している。同様に，牽引力Ｂは車両の出力を減少させた場合の牽引力特性の例であり，この時の変圧器３の二次電流を二次電流Ｂとして示す。

一般的に車両の走行抵抗は，車両の受ける空気抵抗，曲線通過時の曲線抵抗，勾配などがあり，それらの和として示される。図６中に示すように，走行抵抗が走行抵抗１の速度特性で表される線路を走行しているとき，第1の基準速度Ｖ１Ａにおける走行抵抗をＲ１Ａとし，次の第1の基準速度Ｖ１Ｂにおける走行抵抗をＲ１Ｂとする。また，基準速度Ｖ１Ａで一定走行するための変圧器３の二次電流の大きさをＩｔＡとし，同様に基準速度Ｖ１Ｂで一定走行するための変圧器の二次電流の大きさをＩｔＢとする。

本発明では，図５のように，車両の速度が最初の第１の基準速度Ｖ１Ａで一定と制御され始めた時点Ｘ１から，コンバータ装置５のキャリア周波数を第１のキャリア周波数Ｆｃ１から第２のキャリア周波数Ｆｃ２へ上昇させる。基準速度Ｖ１Ａで一定として制御される一定速度制御区間Ａの終端である地点Ｘ２からさらに加速する。この時，車両の速度は一定に制御されないから，コンバータ装置５のキャリア周波数は第２のキャリア周波数Ｆｃ２から第1のキャリア周波数Ｆｃ１に設定する。

やがて，地点Ｘ３で車両は速度Ｖ１Ｂに達し，この速度で一定速度制御区間Ｂを走行する。ところが，基準速度Ｖ１Ａで一定制御されている場合の走行抵抗Ｒ１Ａと比較して，速度が基準速度Ｖ１Ｂと大きくなり，それに依存して走行抵抗も走行抵抗Ｒ１Ｂと増加する。したがって，基準速度Ｖ１Ｂを保って一定速度制御区間Ｂを走行する場合は，変圧器３の二次電流も電流ＩｔＡからＩｔＢに増加させる必要がある。変圧器３の二次電流がＩｔＡからＩｔＢへ増加したとき，コンバータ装置５のキャリア周波数がＦｃ２に設定されていると，コンバータ装置５のスイッチング素子の損失が増加するため，コンバータ装置５の冷却性能を超える恐れがある。そのため，一定速度制御区間Ｂにおいては，コンバータ装置５のキャリア周波数は第１のキャリア周波数Ｆｃ１に設定のまま走行する。

そこで，コンバータ装置５のキャリア周波数が第２のキャリア周波数Ｆｃ２に上昇して一定速度制御の走行が可能となる第２の基準速度をＶ２と設定し，一定で制御される速度が基準速度Ｖ２Ｂとした場合，基準速度Ｖ２Ｂが第２の基準速度Ｖ２以上の状態ではコンバータ装置５のキャリア周波数を変更せず走行し，速度Ｖ２Ｂが前記基準速度Ｖ２未満の状態ではキャリア周波数を第２のキャリア周波数Ｆｃ２に上昇させればよい。

キャリア周波数Ｆｃ２は，第２の基準速度Ｖ２で一定制御されているときに，コンバータ装置５のスイッチング損失の増加分が，変圧器巻線での高調波損失の減少分よりも小さくなるように，予め設定される。また，キャリア周波数Ｆｃ２で動作するコンバータ装置５が発生する損失がコンバータ装置５の冷却性能と等しくなるように決定すればよい。さらに，車両の照明や空調に給電する補助電源装置がコンバータ装置５の直流側に接続されている場合は，補助電源装置で消費する電力分によってコンバータ装置５が発生する損失も考慮し，第２のキャリア周波数Ｆｃ２を設定するのが望ましい。

このように，車両の速度に基づいてキャリア周波数の上昇を判断することで，一定に制御される速度よる走行抵抗の違いにより，基準速度Ｖ１Ｂにおける二次電流が想定していたより大きくなり，キャリア周波数をＦｃ２に上昇させたときのコンバータ装置５のスイッチング損失の増加分，変圧器巻線での高調波損失の減少分を超えてしまうことを防ぎつつ，また，コンバータ装置５の総損失がコンバータ装置５の冷却性能の許容値を超えてしまうことを防ぎながら，本発明の効果が得られる。

本実施例３では，第１の基準速度を２種類の速度Ｖ１Ａと速度Ｖ１Ｂで代表して説明したが，これは一定速度として制御される第１の基準速度の数を限定するものではない。

本発明の鉄道車両の駆動装置における第４の実施例について図７を用いて説明する。第１の実施例と異なるのは，コンバータ装置のキャリア周波数を変更する条件として，一定制御される車両の速度から基準速度変位も用いる点である。

図７は走行距離とコンバータ装置のキャリア周波数の関係，および走行距離と車両速度の関係を示す図である。図７では，停車地点から加速し第１の基準速度Ｖ１に達した後，一定速度制御区間において一定速度制御運転を開始する。次の停車地点が近づいたら所定の位置に停車するため減速する運転曲線を示している。ここで言う停車地点は，駅でもよいし，信号所などでもよい。

普通，車両が走行しているときの走行抵抗は速度や線路の条件によって時々刻々と変化する。特に勾配やトンネルといった走行抵抗が大きく変化する要因が多い路線では，その抵抗に依存して基準速度Ｖ１を目標速度して一定となるように制御装置１４がインバータ装置７を指令しているときでも，追従の遅れなどから車両の速度が変動する場合がある。図７では，車両は一定の基準速度Ｖ１を目標として制御されており，車両の速度は，一定速度制御区間で，基準速度変位ΔＶとしておおむね基準速度Ｖ１±ΔＶで制御されている。

本発明では，図７のように，車両の速度が第１の基準速度Ｖ１で一定として制御され始めた地点Ｘ１から，コンバータ装置５のキャリア周波数を第１のキャリア周波数Ｆｃ１から第２のキャリア周波数Ｆｃ２へ上昇させる。

ところで，地点Ｘ１から地点Ｘ２までを走行しているときは，基準速度Ｖ１に対して基準速度変位±ΔＶの範囲でのみ変動している。しかし，地点Ｘ２から地点Ｘ３の区間においては車両の速度Ｖ１＋ΔＶを超過する。一方，次の地点Ｘ３から地点Ｘ４での車両の速度はＶ１±ΔＶの範囲にあるが，その次の地点Ｘ４から地点Ｘ５にいては，車両の速度Ｖ１−ΔＶを下回る。同様に地点Ｘ５から地点Ｘ６では，車両の速度はＶ１±ΔＶの範囲となる。

基準速度で一定制御されているにもかかわらず車両の速度変動が大きい場合は，走行抵抗が大きく変化していることが原因の一つとして挙げられる。このとき，前記実施例２，３で述べたのと同様に走行抵抗が大きい場合には変圧器３の二次電流の大きさが増加するから，コンバータ装置５のキャリア周波数がＦｃ２に設定されていると，コンバータ装置５のスイッチング素子の損失が増加するため，コンバータ装置５の冷却性能を超える恐れがある。

このことから本発明では，車両の速度が一定として制御される地点Ｘ１から地点Ｘ６の一定速度制御区間では，コンバータ装置５のキャリア周波数が第２の基準周波数Ｆｃ２に設定するが，第1の基準速度Ｖ１から，基準変位±ΔＶ以上の差が発生したとき，例えば地点Ｘ２から地点Ｘ３，地点Ｘ４から地点Ｘ５，ではコンバータ装置５のキャリア周波数の設定を第２の基準周波数Ｆｃ２から第１の基準数周波数Ｆｃ１に設定する。

キャリア周波数Ｆｃ２は，制御目標である第１の基準速度Ｖ１に対して速度がＶ１±ΔＶに変動した場合も含めて，コンバータ装置５のスイッチング損失の増加分が，変圧器巻線での高調波損失の減少分よりも小さくなるように，予め設定される。また，コンバータ装置５で発生する損失がコンバータ装置５の冷却性能を超えないように設定すればよい。さらに，車両の照明や空調に給電する補助電源装置がコンバータ装置５の直流側に接続されている場合は，補助電源装置で消費する電力分によってコンバータ装置５が発生する損失も考慮し，キャリア周波数Ｆｃ２を設定するのが望ましい。

このように，車両の速度の変動にも基づいてキャリア周波数の上昇を判断することで，線路条件による走行抵抗の違いにより，変圧器３の二次電流が想定していたより大きくなり，キャリア周波数をＦｃ２に上昇させたときのコンバータ装置のスイッチング損失の増加分，変圧器巻線での高調波損失の減少分を超えてしまうことを防ぎつつ，また，コンバータ装置５の総損失がコンバータ装置５の冷却性能の許容値を超えてしまうことを防ぎながら，本発明の効果が得られる。

本実施例４では，一定速度制御区間内での速度変位超過区間として，車両の速度がＶ１＋ΔＶを超過するのは地点Ｘ１から地点Ｘ２の１区間，同速度がＶ１−ΔＶを下回るのは地点Ｘ４から地点Ｘ５の１区間を代表として述べたが，これは一定速度制御区間内での速度変位超過区間の数を限定するものではない。

鉄道車両の分野では，高効率モータや低損失ＩＧＢＴモジュールの採用などの機器単体の省エネルギー化の取り組みだけでなく，主回路を構成する機器全体での総合効率を高める効果的な制御方法についても検討が進んでいる。本発明は，架線の周波数によらず交流車に適用できる消費電力量削減手法であり，鉄道車両の省エネルギー化をさらに向上できる有用な技術である。

本発明の鉄道車両の駆動装置における第５の実施例について説明する。第１の実施例と異なるのは，車両が停車状態かどうかを，コンバータ装置のキャリア周波数を変更する条件として用いる点である。他の構成は，実施例１と同様であるものとする。

本実施例では，図１に記載の鉄道車両の駆動装置におけるコンバータ装置５の直流側に，車両の照明や空調に給電する補助電源装置が接続されている。このような駆動装置では，鉄道車両が駅などに停車している場合，交流電動機へ電力は供給しないが，照明や空調に電力を供給するための電力がコンバータ装置から補助電源装置へ供給される。

このコンバータ装置から補助電源装置へ供給される電力は，鉄道車両を駆動するためにコンバータ装置からインバータ装置へ供給される電力と比較すると小さい。そのため，この小さい電力がコンバータ装置から供給される鉄道車両の停車状態を判断して，コンバータ装置のキャリア周波数をキャリア周波数Ｆｃ１からキャリア周波数Ｆｃ２に上昇させる。さらに，鉄道車両が停車状態から走行状態に移行した場合には，コンバータ装置のキャリア周波数をキャリア周波数Ｆｃ２からキャリア周波数Ｆｃ１に減少させる。このようなキャリア周波数の切替により，変圧器に流れる電流の基本波成分に対して高調波成分の割合を低減することができる。その結果，コンバータ装置５のスイッチング損失は増加するものの，損失の大きな割合を占める変圧器の巻線で発生する高調波損失を抑えることができ，車両駆動装置の消費電力量を低減することができる。

ここで，鉄道車両の停車状態を判断する方法としては，交流電動機８の回転速度Ｆｒに基づいて車両の速度がゼロ近傍である場合に停車状態を判断しても良いし，運転台から乗降扉を開状態とする指令が出力されている場合に停車状態を判断しても良い。

キャリア周波数Ｆｃ２は，第１の基準速度Ｖ１で一定速度制御された場合に，コンバータ装置５のスイッチング損失の増加分が，変圧器巻線での高調波損失の減少分よりも小さくなるように，予め設定される。また，鉄道車両の停車状態の場合に，コンバータ装置５が発生する総損失がコンバータ装置５の冷却性能を超えないようにキャリア周波数Ｆｃ２を設定する。

このように，鉄道車両の停車状態が停車状態か否かに基づいてキャリア周波数の上昇を判断することで，キャリア周波数をＦｃ２に上昇させたときのコンバータ装置のスイッチング損失増加分が，変圧器巻線での高調波損失の減少分を超えてしまうことを防ぎつつ，また，コンバータ装置５の総損失がコンバータ装置５の冷却性能の許容値を超えてしまうことを防ぎながら，本発明の効果が得られる。

１ 交流架線
２ パンタグラフ
３ 変圧器
４ 車輪
５ コンバータ装置
６ コンデンサ
７ インバータ装置
８ 交流電動機
９ 第１の電圧検出手段
１０ 第１の電流検出手段
１１ 第２の電圧検出手段
１２ 第２の電流検出手段
１３ 速度検出手段
１４ 制御装置
ｅｓ 二次電圧
ｉｓ 二次電流
ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ 誘導電動機に流入する電流
Ｅｃｆ 直流ステージ電圧
Ｆｒ 誘導電動機の回転速度
Ｇｉ インバータ装置に対するゲート指令
Ｇｃ コンバータ装置に対するゲート指令
Ｆｃ１ 第１のキャリア周波数
Ｆｃ２ 第２のキャリア周波数
Ｖ１ 第１の基準速度
Ｖ２ 第２の基準速度
Ｉ１ 第１の基準電流
Ｉ２ 第２の基準電流
Ｉｔ１ 走行抵抗１における基準速度Ｖ１の速度一定運転に必要な変圧器の二次電流
Ｉｔ２ 走行抵抗２における基準速度Ｖ１の速度一定運転に必要な変圧器の二次電流
ＩｔＡ 走行抵抗１における基準速度Ｖ１Ａの速度一定運転に必要な変圧器の二次電流
ＩｔＢ 走行抵抗１における基準速度Ｖ１Ｂの速度一定運転に必要な変圧器の二次電流
Ｒ１ 走行抵抗１における基準速度Ｖ１での走行抵抗
Ｒ１Ａ 走行抵抗１における基準速度Ｖ１Ａでの走行抵抗
Ｒ１Ｂ 走行抵抗１における基準速度Ｖ１Ｂでの走行抵抗
Ｒ２ 走行抵抗２における基準速度Ｖ２での走行抵抗
Ｖ１ 第１の基準速度
Ｖ１Ａ 第１の基準速度１
Ｖ１Ｂ 第１の基準速度２
Ｖ２ 第２の基準速度
ΔＶ 基準速度変位
Ｘ１ 第１の基準位置
Ｘ２ 第２の基準位置
Ｘ３ 第３の基準位置
Ｘ４ 第４の基準位置
Ｘ５ 第５の基準位置
Ｘ６ 第６の基準位置

Claims (7)

1. 単相交流架線から得た交流電力を降圧して二次側へ出力する変圧器と，
   前記変圧器の二次側と接続され，前記変圧器を介して得た交流電力を直流電力に変換するコンバータ装置と，
   フィルタコンデンサを介して前記コンバータ装置の直流側と接続され，前記コンバータ装置によって変換された直流電力を三相交流電力に変換するインバータ装置と，
   前記コンバータ装置と前記インバータ装置にゲート指令を与える制御装置と，
   前記インバータ装置によって変換された三相交流電力によって駆動される少なくとも１台以上の交流電動機を備えた鉄道車両の駆動装置において，
   前記制御装置は，
   鉄道車両の速度が目標速度の近傍の速度となるように制御される場合に，前記コンバータ装置のキャリア周波数を第１の基準周波数から，前記第１の基準周波数よりも周波数が高い第２の基準周波数に上昇させ，鉄道車両の速度を前記目標速度の近傍の速度となるように制御されない場合にキャリア周波数を前記第２の基準周波数から前記第１の基準周波数に減少させることを特徴とする鉄道車両の駆動装置。
2. 請求項１に記載の鉄道車両の駆動装置において，
   前記制御装置は，
   鉄道車両の速度が前記目標速度の近傍の速度となるように制御される場合に，前記目標速度が基準速度より小さいときに，前記コンバータ装置のキャリア周波数を前記第１の基準周波数から前記第２の基準周波数に上昇させ，
   前記目標速度が前記基準速度以上のときは，前記コンバータ装置のキャリア周波数を第１の基準周波数と設定し，
   前記コンバータ装置のキャリア周波数が第２の基準周波数に設定された状態で，鉄道車両の速度を前記目標速度の近傍の速度となるように制御しないときに，キャリア周波数を第２の基準周波数から第１の基準周波数に減少させることを特徴とする鉄道車両の駆動装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の鉄道車両の駆動装置において，
   前記コンバータ装置は，キャリア周波数が前記第２の基準周波数に設定されて動作している場合に，前記コンバータ装置の交流側の電流または直流側の電流の大きさが第１の基準電流値以上となったときに，前記コンバータ装置のキャリア周波数を前記第２の基準周波数から前記第１の基準周波数に減少させ，
   前記コンバータ装置の交流側の電流または直流側の電流の大きさが前記第１の基準電流値よりも小さい第２の基準電流値以下となったときは，前記コンバータ装置のキャリア周波数を前記第１の基準周波数から前記第２の基準周波数に上昇させることを特徴とする鉄道車両の駆動装置。
4. 請求項１または請求項２に記載の鉄道車両の駆動装置において，
   キャリア周波数が第２の基準周波数に設定されて動作している場合に， 鉄道車両の速度が前記目標速度から所定速度変位内にあるときは，前記コンバータ装置は，前記コンバータ装置のキャリア周波数を第２の基準周波数に設定し，
   鉄道車両の速度が前記所定速度変位を超えたときは，前記コンバータ装置は，キャリア周波数を第２の基準周波数から第１の基準周波数に減少させることを特徴とする鉄道車両の駆動装置。
5. 単相交流架線から得た交流電力を降圧して二次側へ出力する変圧器と，
   前記変圧器の二次側と接続され，前記変圧器を介して得た交流電力を直流電力に変換するコンバータ装置と，
   フィルタコンデンサを介して前記コンバータ装置の直流側と接続され，前記コンバータ装置によって変換された直流電力を三相交流電力に変換するインバータ装置と，
   前記コンバータ装置と前記インバータ装置にゲート指令を与える制御装置と，
   前記インバータ装置によって変換された三相交流電力によって駆動される少なくとも１台以上の交流電動機を備えた鉄道車両の駆動装置において，
   前記駆動装置は，前記コンバータ装置の直流側に接続され，鉄道車両の照明または空調に電力を給電する補助電源装置を更に備え，
   前記制御装置は，
   鉄道車両が停車状態の場合に，前記コンバータ装置のキャリア周波数を第１の基準周波数から，前記第１の基準周波数よりも周波数が高い第２の基準周波数に上昇させ，鉄道車両が停車状態から走行状態に移行した場合に，前記コンバータ装置のキャリア周波数を第２の基準周波数から第１の基準周波数に減少させることを特徴とする鉄道車両の駆動装置。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の鉄道車両の駆動装置において，
   前記第１の基準周波数から前記第２の基準周波数へキャリア周波数を切り替えた場合の前記コンバータ装置のスイッチング損失の増加分が，前記変圧器での高調波損失の減少分よりも小さくなるように，前記第２の基準周波数が設定されることを特徴とする鉄道車両の駆動装置。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の鉄道車両の駆動装置において，
   前記第１の基準周波数と前記第２の基準周波数は，前記単相交流架線の基本波電圧の周波数に対して奇数倍の周波数であることを特徴とする鉄道車両の駆動装置。