JP4166618B2 - 鉄道車両用誘導電動機の駆動システム - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、直流電力を発生する電源装置と直流電力を供給する電力蓄積装置とよりなる電力供給源を複数組有する鉄道車両用誘導電動機の駆動システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
ディーゼルエンジン式鉄道車両(以下、気動車と呼ぶ。)においては、騒音、排気等の環境問題への対応やシステムのメンテナンス性の向上のため、電気式鉄道車両(以下、電気車と呼ぶ。)と部品の共通化を図ったハイブリッド化が検討されている。
このシステムでは、エンジンで発電機を駆動して交流電力を発生し、これをコンバータ装置で一旦直流電力に変換する。この直流電力を更にインバータ装置で可変電圧、可変回転周波数の交流電力に再変換して誘導電動機を駆動する。
また、コンバータ直流出力部には並列に二次電池などの電力供給・蓄積が可能な電力蓄積装置を持ち、ブレーキ時の回生エネルギーの蓄積や、電力蓄積装置からの電力供給により、エンジン・発電機・コンバータからなる電力発生部分の瞬時ごとの電力発生量を車両の運転に必要な電力量発生に拘束せず、自由度のある運転を可能として電力の発生効率の向上を図ることが行われる。
このようなシステムとしてハイブリッド電気自動車用システムが報告されている(例えば、特許文献1)。
【0003】
【特許文献1】
特開平10−191503号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上記公知のシステムでは、電源側は1つのシステムであって、複数組の電源側装置を接続することは考慮されていない。
しかし、鉄道車両においては、1両でも電気自動車に対して10倍程度の電力が必要となる他、電源側に故障が発生すると、走行不能になるため、高信頼を期待される鉄道車両においては電源側を2系にしたいという要望も考えられる。
さらに、鉄道車両においては車両を連結し、複数の車両による編成使用を行うことは常用の手法である。このため、電気システムとして電源系が複数になることは十分に起こりうる。しかし、電源が複数系から構成されると、その一部の系は開放されたり、開放状態から再度システムに接続される等の操作も必要となることは高信頼度の確保や、車両の連結等の使用法の面より想定できる。
この際に、特に開放された電源系を開放状態から再度システムに接続するとき、それまでに個別に管理された電源系を接続することとなる。本システムにおいては大きなエネルギー源である電池等を内蔵しているので、電源系の接続時に、電源状態によっては例えば二次電池の充電状態が相互に大きく異なるなどの場合、大電流が流れ、機器を破損する可能性があるという問題がある。
また、電源系接続時に短時間抵抗器を挿入し、大電流が流れるのを防止する方法も考えられるが、この方法は、少なくとも鉄道車両を駆動する電動機を数秒〜数十秒間駆動できる程度のエネルギーが消耗されることとなり、相当容量の機器が必要となるばかりでなく、取扱的にも、省エネルギー的観点からも好ましくない。
【0005】
本発明の課題は、複数の電源系から構成されるハイブリッド型の鉄道車両において、複数の電源系を安全にかつ機器破損等を伴わずに接続することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、直流電力を発生する電源装置と、直流電力を供給・蓄積する電力蓄積装置からなる電力供給源を複数組有し、複数組の電力供給源を直流出力部にて個々に電力の供給を受けるインバータ装置と開閉制御可能なスイッチを介して接続し、複数組の電力供給源をインバータ装置とスイッチの間で相互に接続する鉄道車両用誘導電動機の駆動システムであって、複数組の電力供給源のうちの一部がスイッチによって電気的に開放状態にあり、この開放状態の電力供給源を接続相手側の電力供給源に接続するとき、開放状態の電力供給源の直流出力電圧と接続相手側の電力供給源の直流出力電圧とを監視し、両直流出力電圧の電圧差が所定の差電圧以下になっていないとき、開放状態の電力供給源または接続相手側の電力供給源の電力蓄積装置を充電し、開放状態の電力供給源を接続する。
【0007】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
図1は、本発明による鉄道車両用誘導電動機の駆動システムの一実施形態を示す。
【0008】
一方、制御部10は、電流検出器9aで検出したコンバータ出力電流Isと電圧検出器8aで検出した電源電圧Vd1、差電圧検出部12から出力される差電圧ΔVd1及び発電機回転周波数Frgによりコンバータ制御演算を実行し、コンバータ装置3に対してコンバータPWM制御信号Sgcを出力すると共に、スイッチ11の開閉信号Slbを出力する。
また、制御部10は、電流検出器9b,9c,9dで検出した電動機電流Iu,Iv,Iwと電圧検出器8bで検出した直流電圧Ecf及び電動機回転周波数Frmによりインバータ制御演算を実行し、インバータ装置4に対してインバータPWM制御信号Sgiを出力する。
更に、制御部10は、二次電池装置6から出力される二次電池電流Ib、二次電池電圧Vb及び二次電池温度Tbにより二次電池の稼動状態を監視し、コンバータの出力を制御することによって二次電池の充放電量の制御を行う。
【0009】
第2の駆動システム2000は、第1の駆動システム1000と同様に構成された駆動システムである。そして、これらの駆動システム1000及び2000は並列に運転する為、負荷であるインバータ装置4とインバータ装置4’の直流入力端を接続する。
差電圧検出部12は、第1,第2の駆動システム1000及び2000から出力される電源電圧Vd1,Vd2を入力として両駆動システム間の電圧差を求め、差電圧ΔVd1,ΔVd2を各制御部10,10’に出力する。
【0010】
次に、本実施形態の動作について説明する。
図2は、図1を簡略化したブロック図である。今、電力供給源102が開放されている状態とする。一方、負荷103,203は負荷群300として存在しており、電力供給源202より給電されているとする。電力供給源102の出力を出力電圧Vd1、電力供給源202の出力を出力電圧Vd2とし、その差を差電圧ΔV(ΔVd1又はΔVd2)とする。
スイッチ11を投入し、電力供給源102を接続すると、差電圧ΔVによる電流が電力供給源102,202の間に相互の電圧差をうめるように流れる。
ここで、図3に、二次電池の概略の等価回路を示す。近似的には二次電池は理想的な直流電圧源に内部抵抗Rを持つ直流源である。従って、上記のように電力供給源102を接続しようとするとき、電池6に入出力する電流は、最悪負荷群300及電力供給源102の合成インピーダンスが0Ωとしても、電池6の内部抵抗Rで制限される。即ち、図4に示すように、内部抵抗R及び差電圧ΔVで定まる電流ΔV/Rに制限される。従って、ΔVを電池に許される最大電流Imaxと内部抵抗Rの積以下に制御した状態で接続すれば、Imax以上の電流は流れない。
【0011】
そこで、図1において、出力電圧Vd1≦出力電圧Vd2とするとき、差電圧検出部12によって検出した差電圧ΔVd1を制御部10に入力する。制御部10では、コンバータ装置3を制御し、差電圧ΔVd1が二次電池6に許される最大電流Imaxと内部抵抗Rの積以下になるように二次電池6を充電する。
この充電によって出力電圧Vd1と出力電圧Vd2の差電圧ΔVd1が二次電池6の内部抵抗Rと入出力許容電流値Imaxの積によって設定する値以下になったとき、電力供給源102を電力供給源202に接続すれば、差電圧ΔVd1による大電流が流れることなく、機器破損等の事故を未然に防ぐことができる。
また、出力電圧Vd1≧出力電圧Vd2のときも同様である。すなわち、差電圧検出部12によって検出した差電圧ΔVd2を制御部10’に入力する。制御部10’では、コンバータ装置3’を制御し、差電圧ΔVd2が二次電池6’に許される最大電流Imaxと内部抵抗Rの積以下になるように二次電池6’を充電する。
この充電によって出力電圧Vd1と出力電圧Vd2の差電圧ΔVd2が二次電池6’の内部抵抗Rと入出力許容電流値Imaxの積によって設定する値以下になったとき、電力供給源102を電力供給源202に接続すれば、差電圧ΔVd2による大電流が流れることなく、機器破損等の事故を未然に防ぐことができる。
以上のように、本実施形態によれば、開放された電力供給源を負荷に接続するとき、差電圧ΔV(ΔVd1又はΔVd2)を監視し、制御することにより、第1の駆動システム1000と第2の駆動システム2000を安全に接続することが可能である。
【0012】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、開放されている電力供給源側と、接続先である負荷側の直流電圧を監視すると共に、その電圧差が所定の値以下であることを検出し、両電力供給源を接続するので、電力供給源間に大電流が流れることなく、機器破損等の事故を未然に防ぐことができ、複数の電源系を安全に接続することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による鉄道車両用誘導電動機の駆動システムの一実施形態
【図2】図1に示す実施形態の簡略ブロック図
【図3】二次電池の概略等価回路を示す図
【図4】本発明の許容差電圧を説明する図
Claims (5)
- 直流電力を発生する電源装置と、前記電源装置の出力と並列に接続され、直流電力を供給・蓄積する電力蓄積装置と、前記電源装置及び該電力蓄積装置から出力される直流電力を交流電力に変換するインバータ装置と、前記インバータ装置により駆動される交流電動機と、前記電源装置、前記インバータ装置及び前記電力蓄積装置を統括制御する統括制御装置から成る鉄道車両用誘導電動機の駆動システムであって、少なくとも前記電源装置と前記電力蓄積装置とよりなる電力供給源を複数組有し、前記複数組の電力供給源を直流出力部にて個々に電力の供給を受ける前記インバータ装置と開閉制御可能なスイッチを介して接続し、前記複数組の電力供給源を前記インバータ装置と前記スイッチの間で相互に接続することを特徴とする鉄道車両用誘導電動機の駆動システム。
- 請求項1において、前記複数組の電力供給源のうちの一部が前記スイッチによって電気的に開放状態にあり、この開放状態の電力供給源を接続相手側の電力供給源に接続するとき、前記開放状態の電力供給源の直流出力電圧と前記接続相手側の電力供給源の直流出力電圧とを監視し、前記両直流出力電圧の電圧差が所定の差電圧以下であるとき、前記開放状態の電力供給源を接続することを特徴とする鉄道車両用誘導電動機の駆動システム。
- 請求項2において、前記所定の差電圧は、前記開放状態の電力供給源側の電力蓄積装置の内部抵抗と入出力許容電流値の積によって設定することを特徴とする鉄道車両用誘導電動機の駆動システム。
- 請求項2において、前記開放状態の電力供給源の直流出力電圧が接続相手側の電力供給源の直流出力電圧より小さく、かつ、前記両直流出力電圧の電圧差が所定の差電圧以下になっていないとき、前記開放状態の電力供給源側の電力蓄積装置を当該電力供給源側の電源装置によって充電することを特徴とする鉄道車両用誘導電動機の駆動システム。
- 請求項2において、前記開放状態の電力供給源の直流出力電圧が接続相手側の電力供給源の直流出力電圧より大きく、かつ、前記両直流出力電圧の電圧差が所定の差電圧以下になっていないとき、前記接続相手の電力供給源側の電力蓄積装置を当該電力供給源側の電源装置によって充電することを特徴とする鉄道車両用誘導電動機の駆動システム。
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