JP4977772B2

JP4977772B2 - 駆動制御装置及び電気車

Info

Publication number: JP4977772B2
Application number: JP2010151162A
Authority: JP
Inventors: 照沼　　睦弘; 豊田　　瑛一; 嶋田　　基巳; 正浩長洲
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2010-07-01
Filing date: 2010-07-01
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2027-04-27
Also published as: JP2010220474A

Description

本発明は、可変電圧、可変周波数インバータにより誘導電動機を駆動する電力変換器を制御する装置に係り、特に直流電源側に蓄電装置を有する直流電圧発生手段を備え、この直流電圧発生手段の発生する電力を利用して駆動する電力変換器の駆動制御装置及び電気車に関する。

可変電圧、可変周波数（ＶＶＶＦ）インバータ制御により誘導電動機を駆動する、いわゆるインバータ鉄道車両において、停止間際に空気ブレーキを使用せず電気力のみのブレーキ力で鉄道車両を停車させる、全電気停止ブレーキが実用化されている。

空気ブレーキに頼らず、電気力によるブレーキだけで停止力が得られることは、ブレーキシューの磨耗の抑制につながり車両のメンテナンスにとって効果があるとともに、空気ブレーキでの立ち上がり遅れがないため、停止精度の向上にも寄与する。

このように、従来使用していた空気ブレーキに対して、電気ブレーキだけで鉄道車両を停止させることに少なからずメリットがあることから、鉄道車両の全速度領域において空気ブレーキを電気ブレーキに置き換えることができれば、ブレーキシューの磨耗に対して大きなメリットを得ることが可能となる。

しかしながら、インバータ制御における誘導電動機の交流側の最大出力電圧は、直流側すなわちインバータの入力電圧で決定され、鉄道車両での誘導電動機は、図２、図３の実線で示すように、高速の領域は交流出力電圧が最大になった特性を使用していることから、電気力のブレーキだけでは所要のブレーキ力を得られない問題があった。

そのために、ブレーキ時に誘導電動機側の電圧を上昇させることで、ブレーキ力を増加させようとする試みがなされている。例えば抵抗やコンデンサなどのインピーダンスを挿入するものであるが、ブレーキ時の回生エネルギーを無駄に消費するだけでなく、電圧の連続性がとれない欠点がある。特許文献１に開示されている例では、回生エネルギーの無駄はないが電圧の連続性がない。

特開２００２−３６９３０４号公報

本発明の課題は、上記事情に鑑み、回生エネルギーを無駄にせずかつ電圧の連続性も保つことで必要な電気ブレーキ力を得る、鉄道車両の駆動制御装置を提供することにある。

上記課題は、蓄電装置をインバータの直流側電圧を上昇させる向きで前記インバータの接地側に直列接続し、蓄電装置からインバータへ印加する電圧を連続的に変化させることで達成できる。

本発明によれば、誘導電動機の特性を高速側に拡大できるので、電気ブレーキ範囲が拡大しブレーキシューの磨耗低減が図れる。またブレーキ力の増大は回生パワーの増大でもあり、電力の回生率が向上し結果として省エネルギー化が可能となる。さらに力行側の特性も高速側に拡大することで制御性能の向上が期待できる。インバータの接地側に直流電圧源を挿入することは、電圧源に使用する部品を架線電圧対応の高圧部品を使用しなくてもよいという効果もある。

図１は、本発明の実施例１の電力変換器の制御装置の説明図である。図２は、電力変換器の力行時の誘導電動機の特性を示す説明図である。図３は、電力変換器のブレーキ時の誘導電動機の特性を示す説明図である。図４は、電力変換器の架線電圧とインバータ入力電圧の関係を示す説明図である。図５は、本発明の実施例１の電力変換器の架線電圧と直流電圧源電圧とインバータ入力電圧の関係を示す説明図である。図６は、本発明の実施例１である直流発生電源装置を挿入した電力変換器の説明図である。図７は、図６の本発明の実施例１の電力変換器の力行時の動作説明図である。図８は、図７の電力変換器の各発生電圧の説明図である。図９は、図６の本発明の実施例１の電力変換器の回生ブレーキ時の動作説明図である。図１０は、図９の電力変換器の各発生電圧の説明図である。図１１は、本発明の実施例２の直流発生電源装置を挿入した電力変換器の説明図である。図１２は、図１１の本発明の実施例２の電力変換器の力行時の動作説明図である。図１３は、図１２の電力変換器の各発生電圧の説明図である。図１４は、図１１の本発明の実施例２の電力変換器の回生ブレーキ時の動作説明図である。図１５は、図１４の電力変換器の各発生電圧の説明図である。図１６は、本発明の実施例２の蓄電装置の容量の選定を示す説明図である。

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施例１の電力変換器の制御装置を示す。図１において架線１の直流電力をパンタグラフ２から集電し、フィルタリアクトルＦＬ３及びフィルタコンデンサＦＣ４を介してインバータ５に供給する。インバータ５で交流電力に変換し誘導電動機６を駆動する。インバータ５の接地側には蓄電装置１１を有する直流電圧源１０が挿入され、直流電圧を発生する。電流は車輪７を介し線路に戻される。以上の動作は鉄道車両の力行の場合であり、ブレーキの場合は、誘導電動機６が発電機として働き、電力を架線１側に回生することになる。従って、直流電圧源１０はインバータ５に流れる電流が流れ込むことになり、インバータの流入、流出両方向の電流を制御することになる。

鉄道車両での誘導電動機の一般的な特性を図２、図３に示す。図２は力行の場合、図３はブレーキの場合である。図３は力行と対比させるため逆向きの特性図としている。図４のように直流電圧源１０を挿入しない通常の電力変換器では、架線電圧Ｅｓ≒インバータ入力電圧Ｅｉであり、図２、図３の実線で示す特性となっている。

そこで、本発明の実施例１のように、インバータの入力側に直流電圧源１０を挿入して、図５に示すように直流電圧源１０の出力電圧Ｅｄを、架線電圧Ｅｓに加算するように制御すれば、インバータ入力電圧Ｅｉ＝Ｅｓ＋Ｅｄとなり、図２、図３の特性で点線に示すように、インバータへの入力電圧の上昇により誘導電動機６の発生する交流電圧はΔＥｍ分拡大し、結果的に電流・トルクの特性が高速側に拡大する。従って直流電圧を上昇させると、インバータの処理する電力も拡大することになり、ブレーキ時には通常より大きな回生パワーを得られることになる。

鉄道車両では、直流電圧源１０の出力電圧はゼロから連続的に制御できる方が都合がよい。このような直流電圧を出力する電圧源を用いた具体的例を図６に示す。

図６において、図１と共通するところは説明を省略する。図１では図示しなかったが、架線１と車輪７の間には、回生エネルギーを吸収する他の鉄道車両や変電所が存在し、これらを８であらわす。

蓄電装置１１は充放電可能な蓄エネルギー装置で、その正極側にはスイッチング素子２１、負極側にはスイッチング素子２２が接続されスイッチング素子２１と２２とは直列接続する。またスイッチング素子２１、２２それぞれにはフライホイールダイオード３１、３２が並列に接続される。スイッチング素子２１と２２の中点とフライホイールダイオード３１と３２との中点は接続され、リアクトル４１を介してインバータ５の接地側に接続される。蓄電装置１１の正極側は車輪７に接続される。

ここでスイッチング素子の一方を常にオフとし、もう一方のスイッチング素子をオン・オフのチョッピング動作させることで、スイッチング素子とダイオードとの中点にチョッピング電圧が発生する。このチョッピング電圧を平滑すれば直流電圧を得ることができ、この直流電圧は架線電圧と加算されインバータ５に印加することになる。直流電圧はスイッチング素子のチョッピング周期（通流率）を制御することで、ゼロから連続に可変できる。

図６の動作について以下詳細に説明する。図７に力行時の動作状態を示す。図７において、スイッチング素子２１を常にオフにして、スイッチング素子２２をオンさせると、実線で示すようにリアクトル４１、スイッチング素子２２、蓄電装置１１を介した経路で電流が流れ、（Ａ）点には図８に示す実線のように、蓄電装置１１の電圧（−）Ｅｂが出力される。

スイッチング素子２１をオフのままスイッチング素子２２をオフすると、リアクトル４１、フライホイールダイオード３１を介して点線で示すように電流が流れ、（Ａ）点の電位は図８の点線のようにゼロになる。このようにスイッチング素子２２のオンオフにより、蓄電装置１１の電圧Ｅｂの大きさのチョッピング電圧を発生させる。このチョッピング電圧をリアクトル４１、フィルタコンデンサ４により平滑された電圧Ｅｄは、架線電圧Ｅｓに加算されインバータ５の入力電圧Ｅｉとなる。この発生電圧Ｅｄは、スイッチング素子２２のチョッピングの通流率制御によりその大きさを連続に変えることができる。このため任意のタイミングで発生電圧の大きさや電圧の挿入・除去が可能になる。

図９にブレーキ時の動作状態を示す。ブレーキ時にはスイッチング素子２２を常にオフとする。ここでスイッチング素子２１をオフにすれば、蓄電装置１１からフライホイールダイオード３２、リアクトル４１を介して実線で示す経路で電流が流れ、（Ａ）点には図１０の実線で示すように電圧（−）Ｅｂがあらわれる。

次にスイッチング素子２１をオンさせると、電流はスイッチング素子２１、リアクトル４１、を介して点線で示すように流れ、（Ａ）点の電位は図１０の点線のようにゼロとなる。このようにブレーキの場合にはスイッチング素子２１のオンオフによって、図１０のようにチョッピング電圧を発生できる。

力行と同様にこの電圧もリアクトル４１、フィルタコンデンサ４で平滑されて電圧Ｅｄとなり、インバータ５の発生電圧に印加され、架線側への回生パワーが通常より増大し、より大きな電気ブレーキ力が得られることになる。なお、リアクトル４１はインバータ５側でも車輪７側でもどちらに接続しても効果は同じである。

ここで直流電圧源の発生する電圧Ｅｄとインバータ５への流入・流出電流の関係を求めてみる。蓄電装置１１の出力電圧をＥｂ、蓄電装置１１の電流をＩｂ、インバータ５の直流電流をＩｉ、スイッチング素子２１及び２２のチョッピング通流率をγであらわすと、

の関係になり、（１）、（２）より

となるので、チョッピング通流率γの制御により、インバータへ加算する電圧Ｅｄと蓄電装置の電流Ｉｂが選択される。

また、一般的に通流率γ≦１であるため、加算する電圧Ｅｄは蓄電装置１１の電圧Ｅｂ以下であり、

で制限されることになる。

蓄電装置１１の容量については、特性を拡大する速度範囲でのエネルギーに対して、蓄電装置で負担する比率を満たす容量であればよい。

図１６に示すように、拡大したい速度をｖｈ、蓄電装置による電圧の加算が必要ない速度をｖｌとする。ｖｈとｖｌ間のエネルギーＢｖは鉄道車両の重量をＭとすれば、

となる。蓄電装置で負担する電圧の最大値は、通流率≒１の場合を考えると、バッテリ電圧Ｅｂとしてよいので、蓄電装置の容量の最大値Ｂｂｍａｘは、

でほぼあらわせる。従って蓄電装置１１の容量は（６）式を満足する容量であればよい。

本実施例の他の特徴としては、スイッチング素子２１、２２の両端とフライホイールダイオード３１、３２の両端は、蓄電装置１１が接続されているので、これらの耐圧性能はインバータへの印加電圧ではなく、蓄電装置１１に対応した耐圧性能でよい。インバータの正極側に直流電圧源を挿入した場合には、直流電圧源に使用する素子はインバータと同じ耐圧性能が必要になる。しかし本実施例では、加算電圧に応じた素子の耐圧性能でよく、標準化や小型化が図れる効果もある。

本発明の他の実施例について説明する。図１１は直流電圧を出力可能な他の電圧源を用いた例である。図１１の直流電圧源の構成は図６とほぼ同様であるが、蓄電装置１１の正極側はインバータ５の接地側に接続され、スイッチング素子２１、２２とフライホイールダイオード３１、３２の中点からのリアクトル４１の出力端が車輪７へ接続されているのが異なっている。

図１１の動作について以下詳細に説明する。図１２は力行時の動作状態を示す。図１２において、スイッチング素子２２は常にオフとし、スイッチング素子２１をオンすると、実線で示すようにスイッチング素子２１、リアクトル４１を介した経路で電流が流れ、スイッチング素子２１をオフすれば、点線で示すように蓄電装置１１、フライホイールダイオード３２、リアクトル４１を介して電流が流れる。本実施例の場合でも、スイッチング素子２１のオンオフ動作により（Ａ）点には図１３に示すようにチョッピング電圧を得ることができる。

図１４にブレーキ時の動作状態を示す。ここではスイッチング素子２１を常にオフとする。スイッチング素子２２をオフとすれば、リアクトル４１、フライホイールダイオード３１を介して実線で示す経路で電流が流れ、スイッチング素子２２をオンさせると、リアクトル４１、スイッチング素子２２、蓄電装置１１を介して点線で示すように電流が流れる。従ってこの場合もチョッピング素子２２のオンオフによって、（Ａ）点には図１５に示すようにチョッピング電圧が得ることができる。よって図１１の実施例においても、図６の実施例と同様の効果を得ることができる。

以上説明してきたように、本実施例では車両性能の向上を図ることが可能となる。

１架線
２パンタグラフ
３フィルタリアクトル
４フィルタコンデンサ
５インバータ
６誘導電動機
７車輪
８他列車、変電所など
１０直流電圧源装置
１１蓄電装置
２１スイッチング素子
２２スイッチング素子
３１フライホイールダイオード
３２フライホイールダイオード
４１リアクトル

Claims

電気車の駆動用の電動機に回生電力を発生させて前記電気車を減速可能なインバータと、
前記インバータの直流側電圧を平滑化するコンデンサと、
前記インバータの直流側に、前記インバータの直流側電圧を上昇させる向きで直列に挿入された蓄電装置と、
前記蓄電装置と並列に接続されたスイッチ手段と、
前記電気車の減速時に、前記スイッチ手段のチョッピング動作の通流率を制御して、前記蓄電装置から前記インバータへ印加する電圧を連続的に変化させるチョッピング制御手段と、を備え、
前記蓄電装置及び前記スイッチ手段は、前記インバータの接地側に接続されたことを特徴とする駆動制御装置。
請求項１に記載の駆動制御装置において、
前記蓄電装置と前記スイッチ手段の接続点の前記インバータ側または他方側に接続されてチョッピング電圧を平滑するリアクトルを備えたことを特徴とする駆動制御装置。
電気車の駆動用の電動機に回生電力を発生させて前記電気車を減速可能なインバータと、
前記インバータの直流側電圧を平滑化するコンデンサと、
前記インバータの直流側に、前記インバータの直流側電圧を上昇させる向きで直列に挿入された蓄電装置と、
前記蓄電装置と直列に接続されたスイッチ手段と、
前記蓄電装置及び前記スイッチ手段と並列に接続されたバイパス回路と、
前記電気車の減速時に、前記スイッチ手段のチョッピング動作の通流率を制御して、前記蓄電装置から前記インバータへ印加する電圧を連続的に変化させるチョッピング制御手段と、を備え、
前記蓄電装置及び前記スイッチ手段及びバイパス回路は、前記インバータの接地側に配置されたことを特徴とする駆動制御装置。
請求項３に記載の駆動制御装置において、
前記蓄電装置と前記バイパス回路の接続点の前記インバータ側または他方側に接続されてチョッピング電圧を平滑するリアクトルを備えたことを特徴とする駆動制御装置。
電気車を駆動可能な電動機と、
前記電気車の減速時に、前記電動機に回生電力を発生させて電気ブレーキを掛けるインバータと、
前記インバータの直流側に、前記インバータの直流側電圧を上昇させる向きで直列に挿入された蓄電装置と、
前記蓄電装置に対して並列接続されたスイッチング素子と、を備え、
前記スイッチング素子のチョッピング動作の通流率を制御して、前記蓄電装置から前記インバータへ印加する電圧を連続的に変化させ、
前記蓄電装置及び前記スイッチング素子は、前記インバータの接地側に接続されたことを特徴とする電気車。
請求項５に記載の電気車において、
前記蓄電装置と前記スイッチング素子の接続点の前記インバータ側または他方側に接続されてチョッピング電圧を平滑するリアクトルを備えたことを特徴とする電気車。
電気車を駆動可能な電動機と、
前記電気車の減速時に、前記電動機に回生電力を発生させて電気ブレーキを掛けるインバータと、
前記インバータの直流側に、前記インバータの直流側電圧を上昇させる向きで直列に挿入された蓄電装置と、
前記蓄電装置に対して直列接続されたスイッチング素子と、
前記蓄電装置及び前記スイッチング素子に対して並列に接続されたバイパス回路と、を備え、
前記スイッチング素子のチョッピング動作の通流率を制御して、前記蓄電装置から前記インバータへ印加する電圧を連続的に変化させ、
前記蓄電装置及び前記スイッチング素子及び前記バイパス回路は、前記インバータの接地側に配置されたことを特徴とする電気車。
請求項７に記載の電気車において、
前記蓄電装置と前記バイパス回路の接続点の前記インバータ側または他方側に接続されてチョッピング電圧を平滑するリアクトルを備えたことを特徴とする電気車。