JP4973813B2 - 推進制御装置 - Google Patents

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Description

この発明は交流電気車の推進制御装置に関するものである。
電気車には、一般に、電気車内の照明や空調などに電力を供給するための補助電源装置が備えられている。補助電源装置に対する負荷（照明や空調など）は車両速度に関係なく補助電源装置の主回路素子に熱（損失）を発生させる。そこで主回路素子の冷却が必要になるが、補助電源装置の主回路素子の冷却方式には、走行風を用いる自己通風式と、ファンを用いる強制風冷式がある。
自己通風式を採用している場合の冷却能力は、走行風の強さが車両速度に依存するため、車両速度が遅くなるとともに低下し、走行風が期待できない停車時に最も低くなる。そこで、最悪の条件下での冷却能力を保障するためには、停車時の無風状態を設計条件として補助電源装置の主回路素子の冷却設計を行う。
一方、交流電気車の電力変換システムの構成において、主変換装置（Converter-Inverter）の中間リンク接続部に補助電源装置を接続する構成の場合、補助電源装置の入力電圧は主変換装置の中間リンク電圧となる。通常当該電圧は主変換装置の負荷である主電動機（車両駆動用モータ）に依存するため、高電圧に設定され、主変圧器より直接電力を得る構成に比べて主回路素子の発生損失が大きくなる傾向がある。
従来から、電力変換システムにおける主回路素子の発生損失を低減する一つの方策として、特許文献１に示すように直流−交流変換手段（インバータ）や交流−直流変換手段（コンバータ）を負荷電力や入力電力等に応じて制御する方法、一例としてインバータの入力電圧を上下変更する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００６-１２１８１６号公報（第３−４頁、第４図）
しかし、上記のような中間リンク接続部に補助電源装置を接続する構成の電力変換システムの場合、中間リンク電圧が高電圧に設定されることから、補助電源装置の主回路素子の発生損失が大きくなる。また、同電圧が主機である主変換装置に依存するため、補助電源装置の都合で上記従来技術を単純に用いたインバータの入力電圧制御を行うこともできず、冷却能力を向上させるためには冷却器を大型化しなければならないという問題があった。
この発明は、上記のような問題を解決するためになされたもので、主変換装置の中間リンク接続部に補助電源装置を接続する構成の場合に、補助電源装置の主回路素子の発生損失を低減した推進制御装置を提供することを目的とする。
この発明にかかる推進制御装置は、交流を直流に変換して出力するコンバータと、前記コンバータにより出力された直流を交流に変換し、車両速度がＶＶＶＦ終端速度以下ではＶＶＶＦ制御をし、車両速度が前記ＶＶＶＦ終端速度より大きい場合はＣＶＶＦ制御をして、電動機に供給するインバータと、前記コンバータと前記インバータとの間の中間リンク接続部に設けられたフィルタコンデンサと、前記中間リンク接続部に接続される自己通風方式により冷却が行われる補助電源装置と、を備えた推進制御装置において、車両速度の情報が入力され、その情報に基づき、車両速度の情報が示す車両速度が前記ＶＶＶＦ終端速度よりも小さく、かつ車両速度が変化しても前記コンバータの入力電流が一定になる領域の下限の車両速度よりも小さい所定速度以下のときに、前記中間リンク接続部の電圧を、前記補助電源装置の温度上昇が限界以下になるような値に、下げるコンバータ制御部を備えたことを特徴とするものである。
この発明によれば、主変換装置の中間リンク接続部に補助電源装置を接続する構成の場合に、補助電源装置７の主回路素子の発生損失を低減した推進制御装置を提供することができる。
この発明に係る実施の形態１に係る電力変換システムの構成の例を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る補助電源装置の入力電圧と補助電源装置の主回路素子におけるインバータ損失の関係の一例を示すグラフである。 一般的な主変換装置における車両速度と出力引張力(a)及び出力電圧(b)との関係を示すグラフである。 中間リンク電圧の制御可能な領域を示すグラフである。 この発明の実施の形態１におけるインバータ制御部の構成図である。 一般的な主変換装置における車両速度とコンバータ入力電流の関係を示すグラフである。 この発明の実施の形態１における中間リンク電圧指令生成部の例である。 補助電源装置の主回路素子の発生損失と温度上昇の例を示したグラフである。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る電力変換システムの構成の例を示す図である。図１において、電力変換システムは交流電気車に搭載され、発電所から架線を伝って送られてくる交流電流がパンタグラフ１から入力される。主変圧器２はパンタグラフ１の出力の電圧を変換して出力する。
コンバータ３は主変圧器２の出力を交流から直流に変換する。コンバータ３の出力電圧が中間リンク電圧である。インバータ４はコンバータ３の出力を直流から３相交流に変換する。フィルタコンデンサ５はコンバータ３の直流出力側に設けられ、コンバータ３の出力のノイズを除去し中間リンク電圧を平滑化する。主電動機６は、インバータ４から３相交流を入力され、電気車を駆動する。補助電源装置７は中間直流回路に接続されており、照明や空調などに電力を供給する電源である。なお、インバータ４は、中間リンク電圧に依らず、電気車の速度に応じた電力を出力する。
中間リンク電圧指令生成部８は主電動機６のロータ周波数ＦＭ（車両速度に相当）に応じて、中間リンク電圧指令Ｖｄ*を生成する。コンバータ制御部９は電圧指令Ｖｄ*により実際にコンバータ３の主回路素子を駆動するゲートパルス信号を生成するコンバータ制御部である。インバータ制御部１０は主電動機６のロータ周波数ＦＭを入力され、インバータ４を制御する。
図１において、推進制御装置は、コンバータ３と、インバータ４と、フィルタコンデンサ５と、電圧指令生成テーブル８と、コンバータ制御部９と、インバータ制御部１０とで構成される。
コンバータ制御部９は、中間リンク電圧指令生成部８から電圧指令Ｖｄ*受け、例えば、次のように動作する。まず、コンバータ制御部９は、中間リンク電圧が中間リンク電圧指令生成部８から受けた電圧指令Ｖｄ*に一致するようなコンバータ電圧指令値を演算する。
さらに、コンバータ制御部９は、この電圧指令値に基いて、コンバータ３の主回路素子を駆動するゲートパルス信号を生成し、このゲートパルス信号をコンバータ３へ送ることでコンバータ３を制御する。これにより、コンバータ３の出力は、中間リンク電圧Ｖｄが電圧指令Ｖｄ*に一致するように制御される。
従来の交流電気車用の電力変換システムのコンバータ制御部は、通常、中間リンク電圧を一定に保つようにコンバータ３を制御する。それに対し、この発明の実施の形態１に係る電力変換システムのコンバータ制御部９は、後述するように、電圧指令Ｖｄ*が車両速度によって変化するため、それに対応してゲートパルス信号を生成し、中間リンク電圧Ｖｄを車両速度によって変化させるようにコンバータ３を制御する。
この発明の実施の形態１における補助電源装置７の冷却方式は自己通風方式である。補助電源装置７の主回路素子は、導熱板上に設けられ、導熱板には放熱フィンが接続している。主回路素子で発生した熱は導熱板から放熱フィンへ伝わり、放熱フィンから大気中に放熱されることで、冷却が行われる。
この冷却器の冷却能力は、走行風の強さが車両速度に依存するため、車両速度が遅くなるとともに低下し、走行風が期待できない停車時に最も低くなる。そこで、最悪の条件下での冷却能力を保障するためには、停車時の無風状態を設計条件として補助電源装置７の主回路素子の冷却設計を行う。冷却能力を向上させる方法として、冷却装置全体を大型化することが考えられるが、大型化に伴い冷却装置の重量が増し、より大きなスペースの確保が必要になる。また、冷却器のコストも増大する。
図２は補助電源装置７の入力電圧と補助電源装置７の主回路素子におけるインバータ損失の関係の一例を示すグラフである。図２において、横軸は補助電源装置７の入力電圧であり、縦軸は補助電源装置７の主回路素子におけるインバータ損失である。図２中の矢印が示すように、補助電源装置７の入力電圧を低下させると主回路素子におけるインバータ損失を低減させることができる。しかし、中間リンク電圧を補助電源装置７の入力電圧とするこの実施の形態１の構成では、補助電源装置７の入力電圧を単純に低下させることはできず、発生損失を低減することはできない。
そこで、この発明の実施の形態１における推進制御装置においては、車両速度に応じて中間リンク電圧を変化させることで、補助電源装置７の主回路素子の発生損失を低下させる。以下、この点について詳細に説明する。
図３はこの実施の形態１に係る主変換装置を含む一般的な主変換装置における、車両速度と出力引張力(a)及び出力電圧(b)との関係を示すグラフである。横軸は車両速度であり、曲線(a)は主電動機６の出力引張力、曲線(b)は主変換装置のインバータ４の出力電圧を示している。図３において、Ａ点より高速側はＣＶＶＦ（Constant Voltage Variable Frequency）領域であり、Ａ点より低速側はＶＶＶＦ（Variable Voltage Variable Frequency）領域である。Ａ点における車両速度をＶＶＶＦ終端速度という。
ＣＶＶＦ領域は、主電動機６が所定の性能を出力するために、インバータ４を最大変調率で運転している領域であり、車両速度によらずインバータ４の出力電圧が一定である。この領域で中間リンク電圧を変化させることはインバータ４の出力電圧を変化させることと等価になり、受け入れられない。
一方、ＶＶＶＦ領域（車両速度がＶＶＶＦ終端速度以下の領域）は、インバータ４の変調率を可変にしてインバータ４の出力電圧を制御している領域であり、車両速度に応じてインバータ４の出力電圧が変化する。この領域では中間リンク電圧を変化させることができるため、中間リンク電圧を変化させる余地がある。
図４は、車両速度と中間リンク電圧の関係を示すグラフである。横軸が車両速度であり、縦軸が中間リンク電圧である。図中、２１はインバータ変調の非同期モード、２２は同期モードを示す。ＶＶＶＦ領域では中間リンク電圧を変化させる余地があるが、その変化のさせ方は以下のような条件下で決定する。
まず、コンバータ３が制御可能な中間リンク電圧の値には下限があり、中間リンク電圧がこの値を下回らないようにしなければならない。この下限の例を図４中に直線(a)で示した。この制約により、中間リンク電圧は、図４中において直線(a)より上でなければならない。
一方、ＶＶＶＦ領域におけるインバータ４の出力変調率は変調モード（パルスモード）に応じて上限が決まっており（例えば、非同期モードで０．８〜０．９、同期モードで０．９８〜０．９９程度）、中間リンク電圧には図３に示された(b)の出力電圧を出力するための下限が存在する。この下限の例を図４中に曲線(b)で示した。
これらの条件下では、中間リンク電圧は、図４中に斜線で示すような領域２０で制御できることになる。
なお、インバータ制御部１０における出力変調率は以下に説明するように計算され、インバータ４が制御されている。図５は、インバータ制御部１０の構成を示す構成図である。図５に示す出力電圧演算部１１には、主電動機６から周波数ＦＭが入力される。ＶＶＶＦ領域において、ロータ周波数ＦＭを入力された出力電圧演算部１１は、インバータ４の出力電圧を図３の比例直線に沿うように演算して、その出力電圧を出力する。
補正量演算部１２は、出力電流指令と出力電流フィードバックにより補正量を演算し、その補正量を出力する。加算部１３では、出力電圧演算部１１からの出力電圧と補正量演算部１２からの補正量を加算し、加算値を商算部１４に出力する。商算部１４では、加算部１３からの加算値を、中間リンク電圧Ｖｄの実際の検出値で割って出力変調率を計算し、その出力変調率となるようにインバータ４の出力電圧を制御する。
また、コンバータ３に入力される電流は中間リンク電圧Ｖｄを変えても変わらず、コンバータ出力電流（直流電流）Ｉｄが変わる。図６は、この実施の形態１に係る主変換装置を含む一般的な主変換装置における車両速度とコンバータ入力電流の関係を示すグラフである。横軸は車両速度であり、曲線はコンバータ入力電流を示している。図６に示したコンバータ入力電流が一定の領域である定パワー域２３においては、中間リンク電圧Ｖｄとコンバータ出力電流Ｉｄの積は一定値である。また、一般に、導体や端子など各部は、定パワー域２３におけるコンバータ出力電流Ｉｄがコンバータ出力電流Ｉｄの最大値であるとして設計を行うため、定パワー域２３においてＩｄをこれ以上上げることは一般にはできない。したがって、定パワー域２３では中間リンク電圧Ｖｄを下げることは一般にはできない。
一方、図６に示した定トルク域２４においては、中間リンク電圧Ｖｄとコンバータ出力電流Ｉｄの積は車両速度の減少とともに減少する。したがって、定トルク域２４においては、コンバータ出力電流Ｉｄが最大値（定パワー域２３におけるコンバータ出力電流Ｉｄの値）を超えない範囲で中間リンク電圧Ｖｄを下げる余地がある。
以上より、図３でＶＶＶＦ領域において中間リンク電圧を変化させることは可能であり、例えば図２に示した通り、中間リンク電圧を動作点Ａから動作点Ｂに段階的に変化させることが可能である。図７はこの発明の実施の形態１における中間リンク電圧指令生成部８の例である。横軸が車両速度であり、縦軸が中間リンク電圧である。中間リンク電圧指令生成部８は低速・停止時に中間リンク電圧が低くなるように設定されている。図７に示したようなテーブルを図１の中間リンク電圧指令生成部８に設定することで、コンバータ３によって、低速・停止時に中間リンク電圧が低く制御され、補助電源装置７で発生する損失を低減することができる。
ここで、図７に示したテーブルにおいては、図４中に斜線で示すような領域２０でのみ中間リンク電圧を下げて制御している。
図８は補助電源装置７の主回路素子の発生損失と温度上昇の例を示したグラフである。横軸は補助電源装置７の主回路素子のインバータ損失であり、縦軸は温度上昇値である。直線(a)は冷却器を大型化しないで車両速度が低速の場合、直線(ｂ)は冷却器を大型化しないで車両速度が高速の場合、直線(ｃ)は冷却器を大型化して車両速度が直線(a)と同じ速度（低速）の場合、直線(ｄ)は冷却器を直線(ｃ)と同様に大型化して車両速度が直線(ｂ)と同じ速度（高速）の場合、での動作をそれぞれ示している。破線(e)は図２の動作点Ｂでのインバータ損失線、破線(f)は図２の動作点Ａでのインバータ損失線をそれぞれ示している。また、点線(g)は主回路素子の温度上昇の限界線を示している。
図８において、走行風が期待できる自己通風方式の冷却器の場合、高速時に比べ、低速時は同一インバータ損失に対して温度上昇値が高くなる。例えば、破線(f)が示す動作点Ａで動作する場合は、直線(a)が示すように小型の冷却器では低速時に温度上昇値が限界線(g)を満足できないので、図２中の矢印(h)が示すように冷却器を大型化し、直線(c)が示すような動作をするようにせざるを得なかった。それに対し本発明においては、矢印(i)が示すように図２における動作点Ａを図２における動作点Ｂとなるように主変換装置にて制御してインバータ損失を低減することにより、図８において低速でも小型の冷却器によって限界線(g)以下にすることができ、冷却器を大型化する必要が無くなる。
以上、この発明の実施の形態１に係る推進制御装置は、主変換装置の中間リンク接続部に補助電源装置７を接続する構成の電力変換システムにおいて、補助電源装置７の主回路半導体の冷却方式に自己通風式を採用している場合に、補助電源装置７の主回路素子の発生損失を低減することができる。
また、不必要に冷却器を大型化させる必要が無く、小型・軽量化を図ることができる。
また、補助電源装置７のケース内の温度上昇を低減することができ、部品の信頼性向上や寿命延伸を図ることができる。
なお、実施の形態１においては、車両速度情報として主電動機６のロータ周波数ＦＭを用いたが、代わりに、車両速度に相当する他の情報を用いてもよい。例えば、Ｔ台車の保安装置で使用する車軸回転数を用いてもよい。
１ パンタグラフ、２ 主変圧器、３ コンバータ、４ インバータ、５ フィルタコンデンサ、６ 主電動機、７ 補助電源装置、８ 中間リンク電圧指令生成部、９ コンバータ制御部、１０ インバータ制御部、１１ 出力電圧演算部、１２ 補正量演算部、１３ 加算部、１４ 商算部。

Claims (6)

  1. 交流を直流に変換して出力するコンバータと、
    前記コンバータにより出力された直流を交流に変換し、車両速度がＶＶＶＦ終端速度以下ではＶＶＶＦ制御をし、車両速度が前記ＶＶＶＦ終端速度より大きい場合はＣＶＶＦ制御をして、電動機に供給するインバータと、
    前記コンバータと前記インバータとの間の中間リンク接続部に設けられたフィルタコンデンサと、
    前記中間リンク接続部に接続される自己通風方式により冷却が行われる補助電源装置と、を備えた推進制御装置において、
    車両速度の情報が入力され、その情報に基づき、車両速度の情報が示す車両速度が前記ＶＶＶＦ終端速度よりも小さく、かつ車両速度が変化しても前記コンバータの入力電流が一定になる領域の下限の車両速度よりも小さい所定速度以下のときに、前記中間リンク接続部の電圧を、前記補助電源装置の温度上昇が限界以下になるような値に、下げるコンバータ制御部を備えたことを特徴とする推進制御装置。
  2. 交流を直流に変換して出力するコンバータと、
    前記コンバータにより出力された直流を交流に変換し、車両速度がＶＶＶＦ終端速度以下ではＶＶＶＦ制御をし、車両速度が前記ＶＶＶＦ終端速度より大きい場合はＣＶＶＦ制御をして、電動機に供給するインバータと、
    前記コンバータの出力側に設けられたフィルタコンデンサと、
    前記フィルタコンデンサに並列に接続された自己通風方式により冷却が行われる補助電源装置と、
    車両速度の情報が入力され、その情報に基づき、車両速度の情報が示す車両速度が前記ＶＶＶＦ終端速度よりも小さく、かつ車両速度が変化しても前記コンバータの入力電流が一定になる領域の下限の車両速度よりも小さい所定速度以下のときに、前記コンバータの出力電圧を、前記補助電源装置の温度上昇が限界以下になるような値に、下げるコンバータ制御部と
    を備えた推進制御装置。
  3. 前記車両速度の情報は、前記電動機のロータ周波数であることを特徴とする請求項１に記載の推進制御装置。
  4. 前記車両速度の情報は、前記電動機のロータ周波数であることを特徴とする請求項２に記載の推進制御装置。
  5. 前記車両速度の情報は、車軸回転数であることを特徴とする請求項１に記載の推進制御装置。
  6. 前記車両速度の情報は、車軸回転数であることを特徴とする請求項２に記載の推進制御装置。
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