JP5010645B2 - 電気車制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電気車を制御する電気車制御装置に関する。
一般に、交流同期発電機と、ダイオード整流器と、インバータと、補助電源装置とを備えた電気車制御装置が知られている。ダイオード整流器は、交流同期発電機により発電された交流電力を直流電力に変換する。インバータは、ダイオード整流器により変換された直流電力を交流電力に変換して、車両を走行させる車両駆動用電動機に供給する。ダイオード整流器の直流側とインバータの直流側は、直流リンクにより接続されている。補助電源装置は、直流リンクに接続されている。補助電源装置は、直流リンクから供給された直流電力を交流電力に変換して、補機又はＣＶＣＦ（constant voltage constant frequency）負荷に供給する（例えば、特許文献１参照）。
特開２００９−０６０７２３号公報
しかしながら、上述のような電気車制御装置については、更なる小型化又は低コスト化への要望がある。
そこで、本発明の目的は、小型化又は低コスト化することのできる電気車制御装置を提供することにある。
本発明の観点に従った電気車制御装置は、交流電力を発生させる交流発電機と、前記交流発電機と接続され、高調波に対する耐性がある第１の交流負荷と、前記交流発電機から発生した交流電力を直流電力に変換する第１の電力変換手段と、前記第１の電力変換手段と直流回路により接続され、前記第１の電力変換手段により変換された直流電力を変換し、電気車を駆動する動力源となる駆動用電動機に交流電力を供給する第２の電力変換手段と、前記第１の電力変換手段により変換された直流電力を変換し、第２の交流負荷に交流電力に供給する電源とを備えている。
本発明によれば、小型化又は低コスト化することのできる電気車制御装置を提供することができる。
本発明の第１の実施形態に係る電気車制御装置の構成を示す構成図。 本発明の第２の実施形態に係る電気車制御装置の構成を示す構成図。 本発明の第３の実施形態に係る電気車制御装置の構成を示す構成図。 本発明の第４の実施形態に係る電気車制御装置の構成を示す構成図。 本発明の第５の実施形態に係る電気車制御装置の構成を示す構成図。 本発明の第６の実施形態に係る電気車制御装置の構成を示す構成図。 本発明の第７の実施形態に係る電気車制御装置の構成を示す構成図。
以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る電気車制御装置１０の構成を示す構成図である。なお、以降の図における同一部分には同一符号を付してその詳しい説明を省略し、異なる部分について主に述べる。以降の実施形態も同様にして重複する説明を省略する。
電気車制御装置１０は、エンジン１と、交流同期発電機２と、コンバータ３と、充電抵抗４と、接触器５，６と、フィルタコンデンサ７と、インバータ８と、補機１２と、ＣＶＣＦ（constant voltage constant frequency）負荷１３と、補助電源装置（ＡＰＵ：Auxiliary Power Unit）２０とを備えている。インバータ８には、車両駆動用電動機９が接続されている。
エンジン１は、交流同期発電機２と接続されている。エンジン１は、交流同期発電機２を駆動する。
交流同期発電機２は、三相交流電力を出力する交流電源である。交流同期発電機２は、同期機の発電機である。交流同期発電機２は、エンジン１により駆動し、三相交流電力を発電する。交流同期発電機２は、補機１２及びコンバータ３と接続されている。力行時は、交流同期発電機２は、発電した交流電力を補機１２及びコンバータ３に供給する。
コンバータ３は、双方向コンバータ（電力変換器）である。コンバータ３は、例えば、ＰＷＭ(Pulse Width Modulation)コンバータ、ダイオード整流器、サイリスタ変換器などである。
力行時は、コンバータ３は、交流同期発電機２から供給された三相交流電力を直流電力に変換する。コンバータ３は、変換した直流電力をインバータ８及び補助電源装置２０に供給する。
回生時は、コンバータ３は、インバータ８から直流電力が供給される。コンバータ３は、インバータ８から供給された直流電力を三相交流電力に変換する。コンバータ３は、変換した三相交流電力を補機１２に供給する。
インバータ８は、双方向コンバータ（電力変換器）である。インバータ８の直流側は、コンバータ３の直流側と直流リンクＬＮにより接続されている。インバータ８の交流側は、車両駆動用電動機９に接続されている。インバータ８は、車両駆動用電動機９をＶＶＶＦ（可変電圧可変周波数：variable voltage variable frequency）制御をするＶＶＶＦインバータである。
力行時は、インバータ８は、コンバータ３から供給された直流電力を三相交流電力に変換する。インバータ８は、変換した三相交流電力を車両駆動用電動機９に供給する。
回生時は、インバータ８は、車両駆動用電動機９により発生した三相交流電力が供給される。インバータ８は、車両駆動用電動機９から供給された三相交流電力を直流電力に変換する。インバータ８は、変換した直流電力を補助電源装置２０及びコンバータ３に供給する。
車両駆動用電動機９は、インバータ８の交流側に接続されている。車両駆動用電動機９は、インバータ８から供給される三相交流電力により駆動する。車両駆動用電動機９は、電気車を走行させるための動力源である。回生時は、車両駆動用電動機９は、交流電力（回生電力）を発生させる。車両駆動用電動機９は、発生させた三相交流電力をインバータ８に供給する。
フィルタコンデンサ７は、直流リンクＬＮの正極と負極のそれぞれに端子を接続している。フィルタコンデンサ７は、直流リンクＬＮに流れる電流リプルを低減する。
接触器５，６は、直流リンクＬＮの正極側（又は負極側）の電気経路に挿入されている。接触器５，６を投入することで、コンバータ３からインバータ８に（又は、インバータ８からコンバータ３に）直流電力が供給される。接触器５，６を開放することで、コンバータ３からインバータ８へ（又は、インバータ８からコンバータ３へ）の直流電力の供給が停止する。
充電抵抗４は、接触器５と並列に接続されている。充電抵抗４は、接触器６を投入した時に、フィルタコンデンサ７に過電流が流れ込まないようにするために設けられている。
補機１２は、交流同期発電機２の交流に直結されている。補機１２は、コンバータ３からの高調波に耐えられる補助機器である。補助機器とは、車両駆動用電動機９以外の負荷となる機器である。補機１２は、補助回転機である。補機１２は、力行時は、交流同期発電機２から供給される交流電力により駆動する。補機１２は、回生時は、コンバータ３から供給される交流電力により駆動する。
補助電源装置２０は、直流リンクＬＮから供給される直流電力を交流電力に変換する。補助電源装置２０は、変換した交流電力をＣＶＣＦ負荷１３に供給する。
ＣＶＣＦ負荷１３は、例えば、交流１００Ｖの負荷や直流１００Ｖ負荷などである。交流負荷は、例えば、空調装置などである。直流負荷は、例えば、電気車照明や制御回路の電源などである。
補助電源装置２０は、補助電源用フィルタコンデンサ２１と、補助電源用インバータ２２と、変圧器２３とを備えている。
補助電源用インバータ２２は、直流リンクＬＮと接続されている。補助電源用インバータ２２は、直流リンクＬＮから供給される直流電力を交流電力に変換する。補助電源用インバータ２２は、変圧器２３を介して、変換した交流電力をＣＶＣＦ負荷１３に供給する。
補助電源用フィルタコンデンサ２１は、補助電源用インバータ２２の直流側の正極と負極のそれぞれに端子を接続している。補助電源用フィルタコンデンサ２１は、補助電源用インバータ２２の直流側に流れる電流リプルを低減する。
変圧器２３は、補助電源用インバータ２２から供給された交流電圧を変圧して、ＣＶＣＦ負荷１３に供給する。
本実施形態によれば、高調波に耐えられる補助機器である補機１２を交流同期発電機２の出力に直結することで、補助電源装置２０の負荷を減らすことができる。これにより、補助電源装置２０の定格容量を小さくすることができる。従って、電気車制御装置１０は、全体として、小型化と低コスト化をすることができる。
また、同期機である交流同期発電機２を用いることで、コンバータ３として選択する変換器の自由度を高くすることができる。これにより、小型化又は低コスト化に最適な変換器を選択することができる。
（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態に係る電気車制御装置１０Ａの構成を示す構成図である。
電気車制御装置１０Ａは、図１に示す第１の実施形態に係る電気車制御装置１０において、交流リアクトル１５をコンバータ３と補機１２とを接続する電気経路に挿入した構成である。その他の点は、第１の実施形態と同様である。
交流リアクトル１５は、三相交流の各相の線に挿入されている。交流リアクトル１５は、電流リプルを低減する交流フィルタである。力行時は、交流リアクトル１５は、コンバータ３に入力される入力電流のリプルを低減する。回生時は、交流リアクトル１５は、コンバータ３から出力される出力電流のリプルを低減する。
本実施形態によれば、第１の実施形態による作用効果に加え、以下の作用効果を得ることができる。
電気車制御装置１０Ａは、交流フィルタとして交流リアクトル１５をコンバータ３と補機１２との間に設けることで、コンバータ３と補機１２との間に流れる電流に発生するリプルを低減することができる。これにより、電気車制御装置１０Ａは、性能を向上させることができる。
（第３の実施形態）
図３は、本発明の第３の実施形態に係る電気車制御装置１０Ｂの構成を示す構成図である。
電気車制御装置１０Ｂは、図１に示す第１の実施形態に係る電気車制御装置１０において、蓄電装置１６を直流リンクＬＮに接続した構成である。その他の点は、第１の実施形態と同様である。
蓄電装置１６の正極端子及び負極端子は、それぞれ直流リンクＬＮの正極及び負極に接続されている。蓄電装置１６は、電気エネルギーを蓄えることのできる電源である。蓄電装置１６は、交流同期発電機２が運転中に、直流リンクＬＮの直流電力が充電される。蓄電装置１６は、交流同期発電機２の停止時に、直流電力を直流リンクＬＮに供給する。これにより、蓄電装置１６は、コンバータ３を介して、補機１２に電力を供給する。
本実施形態によれば、第１の実施形態による作用効果に加え、以下の作用効果を得ることができる。
電気車制御装置１０Ａは、蓄電装置１６を直流リンクＬＮに接続することで、交流同期発電機２が停止しても、コンバータ３を介して、蓄電装置１６から補機１２に電力を供給することができる。これにより、電気車制御装置１０Ａは、補機１２への電力供給に対して冗長性のある構成とすることができる。
（第４の実施形態）
図４は、本発明の第４の実施形態に係る電気車制御装置１０Ｃの構成を示す構成図である。
電気車制御装置１０Ｃは、図１に示す第１の実施形態に係る電気車制御装置１０において、第２の実施形態に係る交流リアクトル１５をコンバータ３と補機１２とを接続する電気経路に挿入し、第３の実施形態に係る蓄電装置１６を直流リンクＬＮに接続し、交流同期発電機２の代わりに交流同期発電機２Ｃを設け、ＣＶＣＦ負荷１３の代わりにＣＶＣＦ負荷１３Ｃを交流同期発電機２Ｃの出力側に直結し、補助電源装置２０を取り除いた構成である。その他の点は、第１の実施形態と同様である。
交流同期発電機２Ｃは、ＣＶＣＦ運転を行う。これにより、交流同期発電機２Ｃは、定電圧定周波数の電力を出力する。その他の点は、交流同期発電機２Ｃは、第１の実施形態に係る交流同期発電機２と同様である。
ＣＶＣＦ負荷１３Ｃは、交流同期発電機２Ｃの出力に直結されている。ＣＶＣＦ負荷１３Ｃは、交流同期発電機２Ｃと交流リアクトル１５との間の電気経路に接続されている。ＣＶＣＦ負荷１３Ｃは、力行時は、交流同期発電機２Ｃから交流電力が供給される。ＣＶＣＦ負荷１３Ｃは、回生時は、コンバータ３から交流電力が供給される。その他の点は、ＣＶＣＦ負荷１３Ｃは、第１の実施形態に係るＣＶＣＦ負荷１３と同様である。
本実施形態によれば、第１の実施形態、第２の実施形態及び第３の実施形態による作用効果に加え、以下の作用効果を得ることができる。
交流同期発電機２ＣをＣＶＣＦ運転させ、ＣＶＣＦ負荷１３Ｃを交流リアクトル１５を介して、コンバータ３の交流側と接続することで、補助機器（補機１２及びＣＶＣＦ負荷１３Ｃ）を全て交流同期発電機２Ｃに接続することができる。これにより、第１の実施形態では設けられていた補助機器用の電源である補助電源装置２０を取り除くことができる。従って、電気車制御装置１０は、全体として、第１の実施形態よりもさらに小型化と低コスト化をすることができる。
（第５の実施形態）
図５は、本発明の第５の実施形態に係る電気車制御装置１０Ｄの構成を示す構成図である。
電気車制御装置１０Ｄは、図４に示す第４の実施形態に係る電気車制御装置１０Ｃにおいて、コンバータ３をＰＷＭコンバータ３Ｄに代えている。その他の点は、第４の実施形態と同様である。
ＰＷＭコンバータ３Ｄは、ＰＷＭ制御されるコンバータである。ＰＷＭコンバータ３Ｄは、インバータ８からの回生電力又は蓄電装置１６からの電力により、補機１２又はＣＶＣＦ負荷１３Ｃに電力を供給する際には、ＣＶＣＦ運転をする。これにより、ＰＷＭコンバータ３Ｄは、直流リンクＬＮの直流電力を安定した定電圧定周波数の三相交流電力に変換して、補機１２又はＣＶＣＦ負荷１３Ｃに供給する。
本実施形態によれば、第４の実施形態による作用効果に加え、以下の作用効果を得ることができる。
電気車制御装置１０Ｄは、ＰＷＭコンバータ３Ｄを用いることにより、インバータ８からの回生電力又は蓄電装置１６からの電力により、補機１２又はＣＶＣＦ負荷１３Ｃに電力を供給する際に、安定した定電圧定周波数の三相交流電力を補機１２又はＣＶＣＦ負荷１３Ｃに供給する。これにより、電気車制御装置１０Ｄは、性能を向上させることができる。
（第６の実施形態）
図６は、本発明の第６の実施形態に係る電気車制御装置１０Ｅの構成を示す構成図である。
電気車制御装置１０Ｅは、図５に示す第５の実施形態に係る電気車制御装置１０Ｄにおいて、交流リアクトル１５と補機１２及びＣＶＣＦ負荷１３Ｃとの間にコンデンサ回路１７を設けた構成である。その他の点は、第５の実施形態と同様である。
コンデンサ回路１７は、交流フィルタ回路ＦＴを構成する回路である。交流フィルタ回路ＦＴは、交流リアクトル１５とコンデンサ回路１７とを含む構成である。この構成により、交流フィルタ回路ＦＴは、電流リプルを低減する。
コンデンサ回路１７は、電流リプルを低減させる効果を有する範囲内で、交流同期発電機２Ｃが進相運転にならないように、最小の静電容量となるように構成する。
本実施形態によれば、第５の実施形態による作用効果に加え、以下の作用効果を得ることができる。
電気車制御装置１０Ｅは、フィルタコンデンサとしてコンデンサ回路１７を設けることで、交流リアクトル１５をフィルタリアクトルとして、交流フィルタ回路ＦＴを構成する。これにより、ＰＷＭコンバータ３Ｄの交流側の電流リプルを、交流リアクトル１５のみによる場合よりも低減することができる。
また、交流同期発電機２Ｃは、コンデンサ負荷が接続されると、交流同期発電機２Ｃに進み電機子電流が流れる。この結果、発電機誘起電圧は上昇する。電気車制御装置１０Ｅでは、電流リプルを低減させる効果を有する範囲内で、コンデンサ回路１７を最小の静電容量とすることで、交流同期発電機２Ｃの進相運転を抑制することができる。
（第７の実施形態）
図７は、本発明の第７の実施形態に係る電気車制御装置１０Ｆの構成を示す構成図である。
電気車制御装置１０Ｆは、図５に示す第５の実施形態に係る電気車制御装置１０Ｄにおいて、交流同期発電機２Ｃを誘導発電機２Ｆに代えている。その他の点は、第５の実施形態と同様である。
誘導発電機２Ｆは、誘導機の発電機である。誘導発電機２Ｆは、ＣＶＣＦ運転を行う。これにより、誘導発電機２Ｆは、定電圧定周波数の電力を出力する。その他の点は、誘導発電機２Ｆは、第４の実施形態に係る交流同期発電機２Ｃと同様である。
本実施形態によれば、第５の実施形態による作用効果に加え、以下の作用効果を得ることができる。
電気車制御装置１０Ｆは、ＰＷＭコンバータ３Ｄを用いることで、交流同期発電機２Ｃの代わりに誘導発電機２Ｆを用いることができる。誘導発電機２Ｆは、交流同期発電機２Ｃでは必要な励磁制御が不要であり、制御が簡単である。従って、電気車制御装置１０Ｆは、誘導発電機２Ｆを用いることで、製造コストを低減することができる。
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
１…エンジン、２…交流同期発電機、３…コンバータ、４…充電抵抗、５，６…接触器、７…フィルタコンデンサ、８…インバータ、９…車両駆動用電動機、１０…電気車制御装置、１２…補機、１３…ＣＶＣＦ負荷、２０…補助電源装置。

Claims (10)

  1. 交流電力を発生させる交流発電機と、
    前記交流発電機と接続され、高調波に対する耐性がある第１の交流負荷と、
    前記交流発電機から発生した交流電力を直流電力に変換する第１の電力変換手段と、
    前記第１の電力変換手段と直流回路により接続され、前記第１の電力変換手段により変換された直流電力を変換し、電気車を駆動する動力源となる駆動用電動機に交流電力を供給する第２の電力変換手段と、
    前記第１の電力変換手段により変換された直流電力を変換し、第２の交流負荷に交流電力に供給する電源と
    を備えたことを特徴とする電気車制御装置。
  2. 前記第１の交流負荷と前記第１の電力変換手段との間に発生する電流リプルを低減する交流フィルタ
    を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電気車制御装置。
  3. 定電圧定周波数の交流電力を発生させる交流発電機と、
    前記交流発電機と接続され、高調波に対する耐性がある第１の交流負荷と、
    前記交流発電機と接続され、定電圧定周波数用の交流負荷である第２の交流負荷と、
    前記交流発電機から発生した交流電力を直流電力に変換する第１の電力変換手段と、
    前記第２の交流負荷と前記第１の電力変換手段との間に発生する電流リプルを低減する交流フィルタと、
    前記第１の電力変換手段と直流回路により接続され、前記第１の電力変換手段により変換された直流電力を変換し、電気車を駆動する動力源となる駆動用電動機に交流電力を供給する第２の電力変換手段と、
    を備えたことを特徴とする電気車制御装置。
  4. 前記交流フィルタは、フィルタコンデンサとフィルタリアクトルを含む回路により構成され、前記フィルタコンデンサは、電流リプルを低減する範囲内で、静電容量を最小とすること
    を特徴とする請求項２又は請求項３に記載の電気車制御装置。
  5. 前記直流回路に接続され、前記直流回路の直流電力を充電する充電手段と
    を備えたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電気車制御装置。
  6. 前記第１の電力変換手段は、前記直流回路の直流電力を定電圧定周波数の交流電力に変換し、交流側に出力すること
    を特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の電気車制御装置。
  7. 前記交流発電機は、同期発電機であること
    を特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の電気車制御装置。
  8. 前記交流発電機は、誘導発電機であること
    を特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の電気車制御装置。
  9. 交流電力を発生させる交流発電機と、
    前記交流発電機と接続され、高調波に対する耐性がある第１の交流負荷と、
    前記交流発電機から発生した交流電力を直流電力に変換する第１の電力変換手段と、
    電気車を駆動する動力源となる駆動用電動機と、
    前記第１の電力変換手段と直流回路により接続され、前記第１の電力変換手段により変換された直流電力を変換し、前記駆動用電動機に交流電力を供給する第２の電力変換手段と、
    前記第１の電力変換手段により変換された直流電力を変換し、第２の交流負荷に交流電力に供給する電源と
    を備えたことを特徴とする電気車。
  10. 定電圧定周波数の交流電力を発生させる交流発電機と、
    前記交流発電機と接続され、高調波に対する耐性がある第１の交流負荷と、
    前記交流発電機と接続され、定電圧定周波数用の交流負荷である第２の交流負荷と、
    前記交流発電機から発生した交流電力を直流電力に変換する第１の電力変換手段と、
    前記第２の交流負荷と前記第１の電力変換手段との間に発生する電流リプルを低減する交流フィルタと、
    電気車を駆動する動力源となる駆動用電動機と、
    前記第１の電力変換手段と直流回路により接続され、前記第１の電力変換手段により変換された直流電力を変換し、前記駆動用電動機に交流電力を供給する第２の電力変換手段と
    を備えたことを特徴とする電気車。
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