JP2023121223A - Railroad vehicle driving device and method therefor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、鉄道車両用駆動装置及びその方法に関する。 The present invention relates to a railway vehicle drive system and method thereof.
特許文献1には、二次電池出力を利用してエンジンの始動を行うことができるハイブリッド鉄道車両が開示されている。このハイブリット鉄道車両は、エンジンに軸結合された誘導機と、車両の駆動も可能な中電圧大容量の蓄電装置と、を主回路の直流部に接続している。誘導機は状況により発電機か電動機に使い分けられ、エンジンを始動するために、誘導電動機として機能するときは、蓄電装置のエネルギーで駆動され、誘導発電機として機能するときは、エンジンにより回転駆動されて発電出力する。
エンジン発電機は、ハイブリッド鉄道車両の駆動電力のほか、蓄電装置への充電電力も賄える。この構成のハイブリッド鉄道車両であれば、エンジン直結の誘導発電機を、エンジン始動用の誘導電動機としても兼用できる。このとき誘導電動機に必要な励磁電流は、主回路に接続された蓄電装置から供給される。 The engine generator can supply not only the driving power of the hybrid railway vehicle but also the charging power to the power storage device. In the hybrid railway vehicle of this configuration, the induction generator directly connected to the engine can also be used as the induction motor for starting the engine. At this time, the excitation current required for the induction motor is supplied from a power storage device connected to the main circuit.
特許文献2は、ハイブリッドでないエンジン発電式の鉄道電気車であって、蓄電装置は車両駆動用の大容量でなく、低電圧(例えば110V)小容量のものだけが具備されている。エンジン始動時には、小容量の蓄電装置であっても、その放電電力により、エンジン直結の誘導発電機を誘導電動機として駆動する。このような低電圧小容量の蓄電装置は、主用途が車上装置用であり、人の接触領域に近いところまで低電圧で配線されている。その低電圧の配線は、感電事故や制御機器の破損事故を防止するため、主回路直流部に対する絶縁対策が施されている。
特許文献2のハイブリッドでないエンジン発電式の鉄道電気車は、蓄電装置として、そもそも中電圧大容量のものでなく、低電圧小容量の1系統だけを具備するものである。したがって、低電圧の車上装置へ配電するために、中電圧系統と、低電圧系統と、の双方向で加減自在に電力融通する必要は無かった。より具体的な理由として、エンジン始動は、低電圧小容量そのままで足り、かつ、中電圧の回生電力を低電圧に変換して小容量の小型蓄電池に充電する機能を具備していないからである。
The non-hybrid, engine-powered railroad electric car of
一方、特許文献1のハイブリット鉄道車両で用いられる中電圧大容量の蓄電装置は、主回路直流部に接続されて、その対地電圧が架線レベルの高電圧に帯電することもある。したがって、これを降圧して低電圧の車上装置へ配電することは、保安上の観点から制限されていた。より具体的な理由として、車上装置は、制御用コンピュータのほか、近年では乗客用サービスコンセントも列挙されるが、これら脆弱な系統に架線レベルの高電圧が漏電した場合に生じる被害は小さくないからである。
On the other hand, the medium-voltage large-capacity power storage device used in the hybrid railway vehicle of
そのため、ハイブリット駆動方式で用いられる蓄電装置は、中電圧大容量と、低電圧小容量と、これら独立の2系統を絶縁して設ける無駄が避けられなかった。しかし、ハイブリット駆動方式では、主力電源として中電圧大容量の蓄電装置を具備している。そうであれば、大に小を兼ねさせるように、中電圧を降圧して、低電圧の車上装置へ配電する方が、設備効率の観点からは望ましい。本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、中電圧大容量の蓄電装置を低電圧小容量用にも、より安全に配電可能としたハイブリット駆動方式の鉄道車両用駆動装置を提供することにある。 Therefore, in the electric storage device used in the hybrid drive system, it is inevitable that the medium voltage large capacity system and the low voltage small capacity system are separated from each other and provided independently of each other. However, in the hybrid drive system, a medium-voltage large-capacity power storage device is provided as a main power source. If so, it is desirable from the viewpoint of facility efficiency to step down the medium voltage and distribute the power to the low voltage on-board equipment so that both the high and low voltages are combined. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and its object is to provide a hybrid drive railway vehicle capable of safely distributing electricity from a medium-voltage, large-capacity power storage device to a low-voltage, small-capacity power storage device. It is an object of the present invention to provide a driving device for
上記課題を解決する本発明は、ハイブリット方式の鉄道車両用駆動装置であって、エンジンと、エンジンに係合された誘導回転機と、一方で誘導回転機に交流で電力授受し、他方で主回路直流部に直流で連系する交直両方向変換可能な第1電力変換器と、第1電力変換器の直流側に接続された平滑コンデンサと、平滑コンデンサを直流電圧源として駆動用回転機を交流で駆動又は回生する交直両方向変換可能な第2電力変換器と、第2電力変換器が交流電力を授受して連系する駆動用回転機と、一方で主回路直流部に直流で連系し、他方で交流電力を授受する交直両方向変換可能な第3電力変換器と、第3電力変換器が交流電力を授受して一次側に入出力する変圧器と、一方で変圧器の二次側に交流電力を授受し、他方で直流電力を授受する交直両方向変換可能な第4電力変換器と、第4電力変換器の直流側に接続されて直流電力を授受する蓄電装置と、を備え、蓄電装置から第4電力変換器、変圧器及び第3電力変換器を介して平滑コンデンサへ充電する。 The present invention, which solves the above problems, is a hybrid railway vehicle drive system comprising: an engine; an induction rotating machine engaged with the engine; A first power converter capable of bi-directional conversion of AC and DC linked to the circuit DC part with DC, a smoothing capacitor connected to the DC side of the first power converter, and a driving rotating machine using the smoothing capacitor as a DC voltage source. A second power converter capable of bi-directional conversion of AC and DC that is driven or regenerated by the second power converter, a driving rotating machine that is interconnected by giving and receiving AC power, and a main circuit DC part that is interconnected with DC , on the other hand, a third power converter capable of bi-directional conversion of AC and DC that transfers and receives AC power, a transformer that transfers and receives AC power and inputs and outputs to the primary side, and a secondary side of the transformer on the other hand a fourth power converter capable of bi-directional AC/DC conversion that transfers AC power to and receives DC power from the other; and a power storage device that is connected to the DC side of the fourth power converter and transfers DC power, The power storage device charges the smoothing capacitor through the fourth power converter, the transformer, and the third power converter.
本発明によれば、中電圧大容量の蓄電装置を低電圧小容量用にも、より安全に配電可能としたハイブリット駆動方式の鉄道車両用駆動装置を提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide a railway vehicle drive system of a hybrid drive system that can more safely distribute electric power from a medium-voltage, large-capacity power storage device to a low-voltage, small-capacity power storage device.
以下、本発明の実施形態について、先に概略の説明した後で詳細を補完する。図1は、本装置19の概略構成を示すブロック回路図である。図1に示すように、ハイブリット駆動方式の本装置19は、不図示の鉄道車両(以下、「車両」ともいう)を駆動できる容量で中電圧(例えば、1500V)の蓄電装置6を備える。この蓄電装置6は、それに蓄えた電力を放電して主回路直流部に供給する。なお、ここでいう主回路直流部は、架線に最も近く接続される可能性の高い高電圧帯電部であり、PT1電力センサ13で計測可能な直流部と考えれば良い。
Hereinafter, the embodiments of the present invention will be supplemented in detail after the outline is described first. FIG. 1 is a block circuit diagram showing a schematic configuration of the
一方、車両の運転モードによっては、エンジン1が駆動する誘導発電機(誘導回転機)2の発電電力が、主回路直流部を経由して蓄電装置6に充電される。あるいは、運行状態に応じて、回生電力が主回路直流部を経由して蓄電装置6に充電される。このように蓄電装置6が充放電する経路には、変圧器10が介在する。この変圧器10の一次側コイルと二次側コイルとは、必要な絶縁耐圧が確保されている。なお、「誘導発電機2」及び「誘導電動機2」は、本発明でいう「誘導回転機」に該当する。
On the other hand, depending on the operation mode of the vehicle, the electric power generated by the induction generator (induction rotating machine) 2 driven by the
また、エンジン1を始動させる誘導電動機(誘導回転機)2を駆動する電力は、車両を駆動するために要する電力よりも、はるかに少なくて足りる。したがって、エンジン1の始動用ならば、小容量でも十分であるため、不図示の車上装置用といった低電圧小容量の小型蓄電池でも足りる。したがって、その用途には、大容量の蓄電装置6であれば、余り有る程に賄える。
Further, the electric power for driving the induction motor (induction rotating machine) 2 that starts the
しかし、「大小の2つ」よりも「大は小を兼ねる」という設備効率の観点から、小容量で足りるエンジン1の起動用についても、大容量の蓄電装置6で兼用させれば、小容量の小型蓄電池は不要となり、鉄道車両用駆動装置として、設備効率を高めることになる。この蓄電装置6の耐電圧性能は、一例として中電圧DC1500V出力相当で良く、架線電圧の一例として高電圧DC3000Vに相当する主回路直流部の電圧より、低い性能でも構わないし、同等性能に高くても良い。
However, from the viewpoint of equipment efficiency that "large and small are both large and small" rather than "large and small", even for starting the
図1の構成において、蓄電装置6は、主回路直流部に対し、絶縁確保しながら双方向の電力授受を可能に接続される。PT1電力センサ13で高電圧DC3000Vと計測される主回路直流部と、PT2電力センサ15で中電圧DC1500Vと計測される蓄電装置6と、の間は約1500Vの電圧差が有る。この電圧差は、変圧器10の一次側コイルと二次側コイルとの絶縁耐圧によって、絶縁維持されながら電力授受も可能である。
In the configuration of FIG. 1, the
また、ある運転モードにおいて、蓄電装置6に蓄えられた電力をいきなり主回路直流部へ供給すると過電流が流れ、スイッチング素子17~24(図3)をはじめとする回路素子を破壊する可能性がある。そこで、制御部(Controller)16は、徐々に電流を流すように、電力変換器8,9ほかを制御することで回路素子の破壊を回避させる。
Also, in a certain operation mode, if the electric power stored in the
以上、主回路直流部から絶縁された中電圧大容量の蓄電装置6に対し、ある運転モードではエンジン1で駆動する誘導機2の発電出力で充電しながら車両を駆動し、別の運転モードでは、蓄電装置6の電力で車両を駆動するほか、エンジン1も始動可能な本装置19の概略を説明した。
As described above, in one operation mode, the vehicle is driven while charging the medium-voltage large-capacity
以下、重複もあるが、本装置19をより詳細に説明する。図1に示すように、本装置19は、エンジン1と、そのエンジン1によって駆動される誘導発電機2と、その誘導発電機2から出力される交流電力を直流電力に変換するコンバータ(第1電力変換器)3と、そのコンバータ3から出力される直流電力を平滑して主回路直流部に接続する平滑コンデンサ5と、その平滑コンデンサ5を直流電圧源として交流電力に変換するインバータ装置(第2電力変換器)4と、そのインバータ装置4により駆動される電動機(駆動用回転機)11と、より構成される。
In the following, the
本装置19は、さらに、接触器7を介して大容量の蓄電装置6に並列接続された平滑コンデンサ14と、その平滑コンデンサ14の電圧を計測するPT2電圧センサ15と、平滑コンデンサ14の直流電力を交流に変換する電力変換器(第4電力変換器)9と、その電力変換器9の交流出力電圧を変圧する変圧器10と、その変圧器10の交流電力を直流に変換する電力変換器(第3電力変換器)8、その電力変換器8で変換された電力を平滑コンデンサ5に供給する接触器12と、その平滑コンデンサ5の電圧を計測するPT1電圧センサ13と、各センサからの情報を入力し、電力変換器8、及び電力変換器9を制御する制御部16と、を備える。
This
蓄電装置6は、誘導発電機2が発電した電力のほか、車両の減速時に電動機11が回生発電した電力を蓄電できる。また、車両の加速時において、蓄電装置6は、それに蓄電した電力を放電し、電動機11を駆動する電力を供給できる。なお、「電動機11」は、本発明でいう「駆動用回転機」に該当し、回生発電時には発電機として機能する。
The
つぎに、本装置19を適用する車両の起動時の状態推移を例示し、図2を用いて、本発明の実施形態に係る鉄道車両用駆動方法の手順を説明する。状態推移の一例として、エンジン1及び車両が共に停止状態から、誘導電動機2を駆動し、それに軸結合されたエンジン1を始動し、それにより誘導発電機2を駆動し、それにより発電した交流電力をコンバータ3で直流に整流し、その直流電力によりインバータ4が三相交流を生成し、それにより電動機11を駆動して不図示の車輪を回転駆動させて、車両を進行させる。
Next, the procedure of the railway vehicle driving method according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. As an example of the state transition, when both the
図2は、図1に示す本装置19の起動時における各部電圧や電流の変化を示すタイミングチャートである。図2では、横軸に共通の時間を示し、縦軸には、上から順に、バッテリ電流(Battery current)Ib、平滑コンデンサ14の電圧FC2、平滑コンデンサ5の電圧FC1、誘導発電機2の励磁電流(Excitation current of induction generator 2)Ig、誘導発電機2のトルク電流(Torque current of induction generator 2)It、及びインバータ装置4の起動状態(Inverter 4 startup status)、の6項目について、それぞれの過渡現象を示している。以下、図2におけるタイミング(1)~(5)に状態を説明する。
FIG. 2 is a timing chart showing changes in the voltage and current of each part when the
(1)FC2と同時にFC1を充電する(Charge FC1 at the same time as FC2)。つまり、制御部16は、平滑コンデンサ14を充電する際に、電力変換器9と電力変換器8を制御することで、同時に平滑コンデンサ5を充電させる。
(1) Charge FC1 at the same time as FC2. That is, when charging the smoothing
(2)コンバータ動作開始により励磁電流印加(Converter operation started → Excitation current applied)する。つまり、制御部16は、平滑コンデンサ5の電圧が誘導発電機2を励磁するために十分な電圧(A[V])以上とする。すなわち、制御部16は、コンバータ3を介して平滑コンデンサ5にエネルギーを蓄える。そのエネルギーは、誘導発電機2が発電に必要な励磁電流Ig及びトルク電流Itを発生し得る以上の電力である。それに到達したタイミング(2)において、コンバータ3は、平滑コンデンサ5の電圧を交流に変換し、誘導発電機2に励磁電流Igを流し始める。
(2) Excitation current is applied at the start of converter operation (Converter operation started→Excitation current applied). That is, the
(3)コンバータ定電圧動作開始(Converter constant Voltage operation started)する。すなわち、制御部16は、コンバータ3により誘導発電機2のトルク電流Itを立ち上げて、定電圧制御を開始させる。このようにして、誘導発電機2は発電開始する。それ以降、平滑コンデンサ5の電圧は、誘導発電機2の発電電力により、所定の電圧(B[V])に上昇して維持される。
(3) Converter constant voltage operation started. That is, the
(4)FC1充電完了(FC1 charge completed)する。つまり、制御部16は、平滑コンデンサ5の電圧が所定の電圧(B[V])に上昇した際に、コンバータ3を定電圧制御し、誘導発電機2のトルク電流Itを一定に制御する。その結果、平滑コンデンサ5の電圧は、B[V]に保たれる。
(4) FC1 charge completed (FC1 charge completed). That is, when the voltage of the smoothing
(5)インバータ4が起動開始(Inverter start)する。
(5)
ここで、蓄電装置6は、車上の制御機器に電源を供給するための低圧小容量の小型蓄電池ではなく、回生時に発生した中電力も蓄電できる中電圧大容量の蓄電池群に構成されている。
Here, the
変圧器10の巻き数比N(N=[一次側(主回路側)の巻数]/[二次側(蓄電池側)の巻数])を1以上とすることで、蓄電池電圧よりも高い電圧に平滑コンデンサ5を充電することが可能である。さらには、蓄電装置6の耐圧以上の電圧に平滑コンデンサ5を充電することも可能である。
By setting the turns ratio N (N = [number of turns on the primary side (main circuit side)]/[number of turns on the secondary side (battery side)]) of the
図3は電力変換器8,9、及び変圧器10の接続形態を詳細に示す回路図である。電力変換器8は、スイッチング素子17~20、電力変換器9はスイッチング素子21~24で、それぞれ構成されるフル・ブリッジ回路である。コイル26は、平滑コンデンサ14(図1)と併せて平滑作用する。
FIG. 3 is a circuit diagram showing in detail the connection form of the power converters 8, 9 and
スイッチング素子21~24をオンオフ制御することで、変圧器10の一次側に印加される電圧V1=V1u-V1V、二次側に印加される電圧V2=V2u-V2V、それぞれの電圧と位相を制御する。ここで変圧器10の巻き数比=N:1=1:Kである。
By controlling the on/off of the switching
図4は、図3に示す変圧器10の一次側V1と二次側K・V2を位相差α=0でスイッチングした場合の各部電圧波形のタイミングチャートである。図4において、相間の位相差は180°としている。一次電圧V1を二次側に換算したK・V1と、二次電圧V2と、両者間の電位差がなく、しかも位相差α=0の場合、一次側と二次側で変換される電力=0となり、蓄電装置6の充放電は行われない。なお、図4最下のグラフは、K・V1-V2=0のところ、説明の便宜上、振幅を小さく示している。
FIG. 4 is a timing chart of voltage waveforms of the
図5は、図4に対し、位相差α>0でスイッチングした場合の各部電圧波形のタイミングチャートである。すなわち、図5に示すように、変圧器10の一次側V1と、二次側K・V2と、を位相差α>0でスイッチングする。このとき、一次側から二次側に変換する電力は正となり、蓄電装置6が充電される。
FIG. 5 is a timing chart of voltage waveforms at each part when switching is performed with a phase difference α>0 with respect to FIG. That is, as shown in FIG. 5, the primary side V1 and the secondary side K·V2 of the
一方、位相差α<0とすると、一次側から二次側に変換する電力は負となり、蓄電装置6が放電される。このように位相差αの正負を変化させ、位相の進みと遅れを切り替えたり、加減したりすることで電流の方向や量を制御し、蓄電装置6の充放電をハイブリット駆動制御方式に都合良く行う。
On the other hand, if the phase difference α<0, the power converted from the primary side to the secondary side becomes negative, and the
鉄道車両を加減速する時に生ずるエネルギーの移動について説明する。まず加速時において、駆動用交流電動機11は、誘導発電機2で発電した電力、又は蓄電装置6から放電された電力の供給を受けて力行トルクを発生しながら、回転速度を上げる。このとき、制御部16は、電力電力変換器9,8を制御し、蓄電装置6から放電された電力を放電方向に移動させることで、駆動用交流電動機11へ供給する。すなわち、車両は、運転状況に応じて、発電電力と、放電電力と、少なくとも何れかで力行すれば良い。
The transfer of energy that occurs when accelerating or decelerating a railway vehicle will be described. First, at the time of acceleration, the driving
車両が加速以外の運転状況において、制御部16は、電力変換器8,9を制御し、誘導発電機2で発電して余剰となった電力、又は減速時の駆動用交流電動機11で発電した回生電力を充電方向に移動させて蓄電装置6に蓄電する。このように、制御部16は、誘導発電機2や駆動用交流電動機11で発電した電力を、電力変換器8、変圧器10、及び電力変換器9を介して大容量蓄電池6に充電させる。すなわち、制御部16は、車両の運転状況に応じて、発電電力と、回生電力と、少なくとも何れかで充電して良いが、エンジン停止しても良く、充電しないような選択しても良い。
In driving conditions other than acceleration of the vehicle, the
逆に、制御部16は、車両の運転状況に応じて、大容量蓄電池6を放電し、電力変換器9、変圧器10及び電力変換器8を介して、誘導発電機2や駆動用交流電動機11に駆動電力を供給させる。本装置19によれば、制御部16が位相差αを制御することで、主回路直流部と畜電装置6との相互間で効率良く電力融通できる。その結果、本装置19を適用した車両は、ハイブリット駆動方式の長所をより良く生かすことができる。
Conversely, the
本発明の実施形態に係る鉄道車両用駆動装置(本装置)は、次のように総括できる。
[1]図1に示す本装置19は、エンジン1と、誘導回転機2と、駆動用回転機11と、交直両方向変換可能な第1電力変換器3~第4電力変換器9と、平滑コンデンサ5と、変圧器10と、中電圧(例えば1500V)大容量の蓄電装置6と、を備える。
The railway vehicle driving device (this device) according to the embodiment of the present invention can be summarized as follows.
[1] The
誘導回転機2及び駆動用回転機11は、運転状況に応じて誘導発電機と誘導電動機と選択的に動作可能である。また、誘導回転機2は、エンジン1に軸結合されており、エンジン始動と、エンジン発電機と、何れかの状態に応じて、駆動力と電力を相互利用する関係である。
The
第1電力変換器3(コンバータ)は、一方で誘導回転機2に交流で電力授受し、他方で主回路直流部に直流で連系して交直両方向変換可能ある。平滑コンデンサ5は、第1電力変換器3の直流側に接続され、主回路直流部に直流で連系する。駆動用回転機11は、第2電力変換器(インバータ)4が交流電力を授受して連系する。この第2電力変換器4は、交直両方向変換可能であり、平滑コンデンサ5を直流電圧源として、駆動用回転機11を交流で駆動又は回生する。なお、主回路直流部に直流で連系すれば、架線電圧に近い直流電圧を共有して電力の相互融通できるように接続されたものとする。
The first power converter 3 (converter) exchanges AC power with the
第3電力変換器8は、交直両方向変換可能であり、一方で主回路直流部に直流で連系し、他方で交流電力を授受する。変圧器10は、第3電力変換器8が交流電力を授受して一次側に入出力を行う。第4電力変換器9は、交直両方向変換可能であり、一方で変圧器10の二次側に交流電力を授受し、他方で直流電力を授受する。蓄電装置6は、第4電力変換器9の直流側に接続されて直流電力を授受する。本装置19は、蓄電装置6から第4電力変換器9、変圧器10及び第3電力変換器8を介して平滑コンデンサ5への充電を行う。
The third power converter 8 is capable of bi-directional AC/DC conversion, and on the one hand is linked to the main circuit DC section by DC, and on the other hand it gives and receives AC power. In the
上記[1]の本装置19は、ハイブリット駆動用の中電圧大容量の蓄電装置6を、高電圧の主回路直流部に対し、変圧器10を介して絶縁する。したがって、変圧器10の二次側に接続された蓄電装置6は、変圧器10の一次側に接続される主回路直流部や架線の高電圧部(例えば3000V)から絶縁確保される。
The
その結果、本装置19の中電圧大容量の蓄電装置6は、最も危険な架線レベルの高電圧と直接に繋がる事態を避けられる。したがって、本装置19は、中電圧大容量の蓄電装置6から、低電圧小容量の用途にも、より安全に配電可能とした。なお、中電圧の蓄電装置6から低電圧の車上装置等への配電線については、図示を省略する。
As a result, the medium-voltage large-capacity
また、安全性の観点から、本装置19の蓄電装置6は、架線と直接接続されることが無いので、架線から異常な大電流が流入することを原因とする発火事故の可能性も無い。蓄電装置6は、容量が大きくなる程に、万が一にも発生した場合は、発火事故の被害が大きくなるので、それを防御し易い点でも、本装置19の技術的意義がある。
In addition, from the viewpoint of safety, since the
[2]上記[1]において、第3電力変換器8の電圧と、第4電力変換器9の電圧と、の位相差αを制御することで、変圧器10の一次側と二次側と相互間で電力移動の量と方向とを制御可能な制御部16をさらに備えた。この制御部16により、制動時の回生電力も蓄電装置6に充電可能である。
[2] In the above [1], by controlling the phase difference α between the voltage of the third power converter 8 and the voltage of the fourth power converter 9, the primary side and the secondary side of the transformer 10
このような本装置19によれば、主回路直流部と畜電装置6との相互間で効率良く電力融通できる。この電力融通は、エンジン1の駆動力による誘導発電機2の発電出力の余剰電力や回生電力を畜電装置6へ充電できるほか、平滑コンデンサ5,14への適宜充電についても、制御部16が位相差αを制御することで、自在に実現できる。
According to this
[3]上記[2]において、制御部16は、制御開始時の位相差αを0とする。位相差αが0であれば、変圧器10の一次側と二次側と相互間で電力移動の量が0に維持されるので、本装置19は、起動時の突入電流を緩和して、徐々に立ち上げることによる安定した制御開始を実現する。
[3] In [2] above, the
[4]上記[2]において、制御部16は、エンジン1の非動作時と動作時とで異なる制御する。制御部16は、架線等の外部電力を取得できない状態において、エンジン1の非動作時に、蓄電装置6から電力供給される第4電力変換器9が定電圧制御する。これにより、本装置19は、定電圧で電力を出力し、架線等の外部電力を取得できている状態を疑似的に形成することにより、鉄道車両を安定的に駆動させる。その結果、本装置19は、ハイブリット駆動方式の長所を生かして、より安定的な走行を実現できる。
[4] In [2] above, the
また、制御部16は、架線等の外部電力を取得できない状態において、それに代わるエンジン1の動作時に、第1電力変換器3が定電圧制御して、架線等の定格電圧に近い電圧の供給を維持する。これにより、鉄道車両は、走行に必要なだけの電力供給を受ける。制御部16は、余剰電力があれば、それを低電圧で第4電力変換器9に入力し、その第4電力変換器9が定電流制御して蓄電装置6に適切な充電電流を供給する。これにより、本装置19は、非電化区間を蓄電装置6のみでの長距離走行を可能にして、さらに燃費軽減できる。
Further, the
[5]上記[1]において、平滑コンデンサ5の絶縁耐圧は、蓄電装置6よりも高く設定されている。平滑コンデンサ5は、主回路直流部に接続されて、架線電圧相当の最高電圧に耐えられる。中電圧の蓄電装置6は、車両を駆動する容量があれば、その電圧は、架線や主回路直流部の半分以下でも良く、その電圧不足分は、変圧器10の一次側と二次側との巻き数比による電圧比で容易に調整できる。
[5] In [1] above, the breakdown voltage of the smoothing
[6]上記[2]において、図1において、制御部16は、第3電力変換器8と、第4電力変換器9と、それぞれの周波数を同一に揃えた条件下で、両者の位相差を加減する。これにより、両者それぞれに備わるスイッチング素子17~24のスイッチング頻度を均一化できる。その結果、全スイッチング素子17~24の寿命を均一化できる。
[6] In the above [2], in FIG. 1, the
[7]本発明の実施形態に係るハイブリット方式の鉄道車両用駆動方法(本方法)は、つぎの動作を有する。ただし、車両の運転状況により、動作手順は適宜変更される。まず、停止状態のエンジン1に軸結合された誘導回転機2が、誘導電動機として駆動することにより始動する場合がある。
[7] A hybrid railway vehicle driving method (this method) according to an embodiment of the present invention has the following operations. However, the operation procedure is changed as appropriate depending on the driving conditions of the vehicle. First, there is a case where the
また、駆動中のエンジン1に軸結合された誘導回転機2が、誘導発電機として交流発電する場合もある。また、交直両方向変換可能な第1電力変換器3が、一方で誘導回転機2に交流で電力授受し、他方で主回路直流部に連系する。また、平滑コンデンサ5が、第1電力変換器3の直流側及び主回路直流部に連系する。また、交直両方向変換可能な第2電力変換器4が、平滑コンデンサ5を直流電圧源として駆動用回転機11を交流で駆動又は回生する。
In some cases, the
また、交直両方向変換可能な第3電力変換器8が、一方で主回路直流部に直流で連系し、他方で変圧器10の一次側に交流電力を授受する。また、交直両方向変換可能な第4電力変換器9が、一方で変圧器10の二次側に交流電力を授受し、他方で直流電力を授受する。
A third power converter 8 capable of bi-directional conversion of AC and DC is connected to the DC part of the main circuit with DC on the one hand, and exchanges AC power with the primary side of the
また、蓄電装置6が、第4電力変換器9の直流側に連系して直流電力を授受する。また、蓄電装置6から第4電力変換器9、変圧器10及び第3電力変換器8を介して平滑コンデンサ5への充電を行う。このような本方法によれば、中電圧大容量の蓄電装置6を低電圧小容量用にも、より安全に配電できる。また、主回路直流部と畜電装置6との相互間で効率良く電力融通できる。
Also, the
1…エンジン、2…誘導発電機、3…コンバータ(第1電力変換器)、4…インバータ(第2電力変換器)、5…平滑コンデンサ、6…(大容量の)蓄電装置、7,12…接触器、8,9…第3、第4電力変換器(Power converter)、10…変圧器、11…電動機(駆動用回転機)、13,15…PT1,PT2電圧センサ、14…平滑コンデンサ、16…制御部(Controller)、17~24…スイッチング素子、Ib…バッテリ電流(Battery current)、電圧(Voltage)、α…位相差(Phase difference)、19…鉄道車両用駆動装置(本装置)
DESCRIPTION OF
Claims (12)
エンジンと、
該エンジンに係合された誘導回転機と、
一方で前記誘導回転機に交流で電力授受し、他方で主回路直流部に直流で連系する交直両方向変換可能な第1電力変換器と、
該第1電力変換器の直流側に接続された平滑コンデンサと、
該平滑コンデンサを直流電圧源として駆動用回転機を交流で駆動又は回生する交直両方向変換可能な第2電力変換器と、
該第2電力変換器が交流電力を授受して連系する駆動用回転機と、
一方で前記主回路直流部に直流で連系し、他方で交流電力を授受する交直両方向変換可能な第3電力変換器と、
該第3電力変換器が交流電力を授受して一次側に入出力する変圧器と、
一方で前記変圧器の二次側に交流電力を授受し、他方で直流電力を授受する交直両方向変換可能な第4電力変換器と、
該第4電力変換器の直流側に接続されて直流電力を授受する蓄電装置と、
を備え、
前記蓄電装置から前記第4電力変換器、前記変圧器及び前記第3電力変換器を介して前記平滑コンデンサへ充電する、
鉄道車両用駆動装置。 A hybrid railway vehicle drive device,
engine and
an induction rotating machine engaged with the engine;
a first power converter capable of bi-directional conversion of alternating current and direct current, which exchanges electric power with the induction rotating machine on the one hand and connects with the main circuit direct current part on the other hand with direct current;
a smoothing capacitor connected to the DC side of the first power converter;
a second power converter capable of bi-directional conversion of AC and DC for driving or regenerating a driving rotary machine with AC using the smoothing capacitor as a DC voltage source;
a driving rotating machine to which the second power converter exchanges and receives AC power and is interconnected;
a third power converter capable of bi-directional conversion of alternating current and direct current, which is connected to the main circuit direct current part by direct current on the one hand and exchanges alternating current power on the other hand;
a transformer through which the third power converter exchanges AC power and inputs/outputs the AC power to/from the primary side;
a fourth power converter capable of bi-directional conversion of alternating current and direct current, which exchanges alternating current power on the one hand with the secondary side of the transformer and exchanges direct current power on the other hand;
a power storage device connected to the DC side of the fourth power converter to exchange DC power;
with
charging the smoothing capacitor from the power storage device through the fourth power converter, the transformer and the third power converter;
Drive system for railway vehicles.
前記蓄電装置は、制動時の回生電力も蓄電可能である、
請求項1に記載の鉄道車両用駆動装置。 the amount of power transferred between the primary and secondary sides of the transformer by controlling the phase difference between the voltage of the third power converter and the voltage of the fourth power converter; It further comprises a control unit that can control the direction and
The power storage device can also store regenerated power during braking.
The railway vehicle drive system according to claim 1 .
請求項2に記載の鉄道車両用駆動装置。 The control unit has a phase difference of 0 at the start of control,
The railway vehicle drive system according to claim 2 .
前記エンジンの非動作時は、前記第4電力変換器が定電圧制御し、
前記エンジンの動作時は、前記第1電力変換器が定電圧制御し、前記第4電力変換器を定電流制御する、
請求項2に記載の鉄道車両用駆動装置。 The control unit
When the engine is not operating, the fourth power converter performs constant voltage control,
During operation of the engine, the first power converter is under constant voltage control, and the fourth power converter is under constant current control.
The railway vehicle drive system according to claim 2 .
請求項1に記載の鉄道車両用駆動装置。 The dielectric strength of the smoothing capacitor is set higher than that of the power storage device,
The railway vehicle drive system according to claim 1 .
請求項2に記載の鉄道車両用駆動装置。 The control unit adjusts the phase difference between the third power converter and the fourth power converter under the condition that the respective frequencies are the same.
The railway vehicle drive system according to claim 2 .
停止状態のエンジンが、該エンジンに係合された誘導回転機が誘導電動機として駆動することにより始動し、
駆動中の前記エンジンに係合された誘導回転機が、誘導発電機として交流発電し、
交直両方向変換可能な第1電力変換器が、一方で前記誘導回転機に交流で電力授受し、他方で主回路直流部に連系し、
前記第1電力変換器の直流側及び主回路直流部に平滑コンデンサが連系し、
交直両方向変換可能な第2電力変換器が、前記平滑コンデンサを直流電圧源として駆動用回転機を交流で駆動又は回生し、
交直両方向変換可能な第3電力変換器が、一方で前記主回路直流部に直流で連系し、他方で変圧器の一次側に交流電力を授受し、
交直両方向変換可能な第4電力変換器が、一方で前記変圧器の二次側に交流電力を授受し、他方で直流電力を授受し、
蓄電装置が、前記第4電力変換器の直流側に連系して直流電力を授受し、
前記蓄電装置から前記第4電力変換器、前記変圧器及び前記第3電力変換器を介して前記平滑コンデンサへ充電する、
鉄道車両用駆動方法。 A hybrid railway vehicle drive method comprising:
An engine in a stopped state is started by driving an induction rotating machine engaged with the engine as an induction motor,
an induction rotating machine engaged with the engine being driven generates alternating current as an induction generator;
a first power converter capable of bidirectional conversion of alternating current and direct current, on the one hand giving and receiving alternating current power to the induction rotating machine, and on the other hand connecting to the main circuit direct current part,
A smoothing capacitor is connected to the DC side of the first power converter and the main circuit DC part,
A second power converter capable of bi-directional conversion of AC and DC uses the smoothing capacitor as a DC voltage source to drive or regenerate a drive rotating machine with AC,
A third power converter capable of bi-directional conversion of alternating current and direct current is connected to the main circuit direct current part with direct current on the one hand, and exchanges alternating current power with the primary side of the transformer on the other hand,
A fourth power converter capable of bi-directional conversion of alternating current and direct current exchanges alternating current power with the secondary side of the transformer on the one hand, and exchanges direct current power on the other hand,
a power storage device linked to the DC side of the fourth power converter to exchange DC power;
charging the smoothing capacitor from the power storage device through the fourth power converter, the transformer and the third power converter;
A drive method for a railway vehicle.
前記蓄電装置は、制動時の回生電力も蓄電可能とする、
請求項7に記載の鉄道車両用駆動方法。 A control unit controls the phase difference between the voltage of the third power converter and the voltage of the fourth power converter, so that power is generated between the primary side and the secondary side of the transformer. By controlling the amount and direction of movement,
The power storage device can also store regenerated power during braking,
The railway vehicle driving method according to claim 7 .
請求項8に記載の鉄道車両用駆動方法。 The control unit sets the phase difference at the start of control to 0,
The railway vehicle driving method according to claim 8 .
前記エンジンの非動作時は、前記第4電力変換器が定電圧制御し、
前記エンジンの動作時は、前記第1電力変換器が定電圧制御し、前記第4電力変換器を定電流制御する、
請求項8に記載の鉄道車両用駆動方法。 The control unit
When the engine is not operating, the fourth power converter performs constant voltage control,
During operation of the engine, the first power converter is under constant voltage control, and the fourth power converter is under constant current control.
The railway vehicle driving method according to claim 8 .
請求項7に記載の鉄道車両用駆動方法。 The dielectric strength of the smoothing capacitor is set higher than that of the power storage device,
The railway vehicle driving method according to claim 7 .
請求項8に記載の鉄道車両用駆動方法。 The control unit adjusts the phase difference between the third power converter and the fourth power converter under the condition that the respective frequencies are the same.
The railway vehicle driving method according to claim 8 .
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