JP5017163B2 - 鉄道車両の駆動装置 - Google Patents

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Description

本発明は鉄道車両の駆動装置に係り、特に、交流電力を直流電力に変換し、この直流電力を交流電力に変換して電気車を駆動する技術に関する。
交流電化された鉄道路線を走行する鉄道車両においては、電車線から取り込んだ交流電力をコンバータにより直流電力に変換し、インバータで交流電力に変換して交流電動機を駆動する方式が一般的となっている。図９に一般的なコンバータ／インバータシステムによる電気車の駆動装置の基本構成図を示す。集電装置１３より入力された交流電力は、電圧変換装置１２により所定の電圧に降圧または昇圧され、第１の電力変換手段（コンバータ装置）３により直流電力に変換される。この直流電力は、第２の電力変換手段（インバータ装置）４により交流電力に変換され、交流電動機５を駆動し減速機６を介して車輪７を回転させ鉄道車両を加速させる。
また、図９のシステムに対し、集電装置１３および電圧変換装置１２の代わりに車両にエンジンと交流発電機を搭載し、エンジンにより駆動された発電機より交流電力を得て、非電化の路線でも走行可能な鉄道車両の駆動装置も考えられている。
図９に示す従来のコンバータ／インバータシステムを、地方路線など大きな運搬能力を必要としない鉄道車両に適用する場合、１つの編成中に１台のコンバータ／インバータシステムで十分な場合が多い。しかし、このようなシステムの場合、コンバータまたはインバータに故障が発生した段階で自力走行不能に陥ってしまい、営業路線上で故障が発生すると、当該車両の運転中止のみならず、運転ダイヤの大幅な乱れを招く。また、車両がトンネル内や橋上で立ち往生した場合には、乗客を車両から降ろすことができず、安全面での問題も発生する。
この問題は、コンバータおよびインバータを分散化してシステムの冗長性を高めることで回避可能であるが、これはシステムの大幅なコストアップ、大型化を招く他、場合によっては機器の設置スペースが確保できないといった問題があり、実現が難しい状況にある。
本発明は、コンバータ／インバータシステムを備えた鉄道車両の駆動装置において、コンバータまたはインバータのいずれかに故障が発生した場合にも、立ち往生することなく自力走行することが可能で、運転ダイヤの乱れを最小限に留めることが可能な鉄道車両の駆動装置を提供することを目的とする。
コンバータ／インバータシステムによる鉄道車両の駆動装置において、コンバータとインバータの間の直流部分に接続される蓄電装置を備え、コンバータおよびインバータの交流側回路を入れ替える切換手段を設け、コンバータまたはインバータのいずれか一方が故障した場合に、正常なコンバータまたはインバータをコンバータとして動作させて蓄電装置にエネルギを蓄積し、鉄道車両に加速の指令が与えられた場合には正常なコンバータまたはインバータをインバータとして動作させ、前記蓄積エネルギにより交流電動機を駆動することで実現できる。
以上説明した通り、本発明によれば、第１の電力変換手段（コンバータ装置）と第２の電力変換手段（インバータ装置）の組合せにより鉄道車両を駆動するコンバータ／インバータシステムにおいて、第１の電力変換手段（コンバータ装置）または第２の電力変換手段（インバータ装置）のいずれかに故障が発生した場合にも、健全な電力変換手段により、コンバータ動作による蓄電装置充電動作と、インバータ動作による加速動作を切換えながら行うことで、鉄道車両の自力走行を継続することができる。この結果、システムに故障が発生した場合の運転ダイヤの乱れを最小限に抑えることができる他、トンネルや橋上での立ち往生を防ぐことができ、安全な鉄道車両の駆動システムを提供することが可能である。
以下、本発明にかかる鉄道車両の駆動装置の実施の形態を、図面を用いて説明していく。
図１は、本発明にかかる鉄道車両の駆動装置における第１の実施形態の基本構成を示す図である。この鉄道車両の駆動装置は、エンジン１と、エンジン１によって駆動される交流発電機２と、切換装置９と、交流電力と直流電力とを相互にに変換でき通常はコンバータ装置として働く第１の電力変換手段３と、交流電力と直流電力を相互に変換でき通常はインバータ装置として働く第２の電力変換手段４と、交流電動機５と、減速機６と、車輪７と、蓄電装置８とを有して構成される。
エンジン１は、図示を省略した制御装置の指令に基づいた軸トルクを出力する。交流発電機２は、エンジン１の軸トルクを入力としてこれを交流電力に変換して出力する。切換装置９は、通常は第１の電力変換手段（コンバータ装置）３の入力に交流発電機２を接続している。第１の電力変換手段（コンバータ装置）３は、交流発電機２から出力される交流電力を入力としてこれを直流電力に変換して出力する。第２の電力変換手段（インバータ装置）４は、第１の電力変換手段（コンバータ装置）３から出力される直流電力を入力としてこれを交流電力に変換して出力する。切換装置９は、通常は第２の電力変換手段（インバータ装置）４の出力に交流電動機５を接続している。交流電動機５は、第２の電力変換手段（インバータ装置）４が出力する交流電力を入力としてこれを軸トルクに変換して出力する。減速機６は、交流電動機５の軸トルク出力を回転数の減速により増幅して出力し、車輪７を駆動して鉄道車両を加減速する。
蓄電装置８は、第１の電力変換手段（コンバータ装置）３と第２の電力変換手段（インバータ装置）４間の直流部から直流電力を入力、あるいは第１の電力変換手段（コンバータ装置）３と第２の電力変換手段（インバータ装置）４間の直流部に対して直流電力を出力するように接続する。この構成により、以下の動作を実現できる。
システムが正常な場合、鉄道車両に加速指令が与えられたときは、エンジン１および発電機２により得られた交流電力が、コンバータ装置として働く第１の電力変換手段３により直流電力に変換される。この直流電力と蓄電装置８に蓄積されていた直流電力をもとに、インバータ装置として働く第２の電力変換手段４が交流電力を出力し、交流電動機５を駆動し、減速機６を介して車輪７に回転力を与える。
一方、鉄道車両に減速指令が与えられた場合には、交流電動機５を発電機動作させ、発生した交流電力を第２の電力変換手段４をコンバータ装置として働かせて直流電力に変換する。この直流電力を蓄電装置８で回収するか、または第１の電力変換手段３をインバータ装置として働かせて交流電力に変換し、交流発電機２を電動機として動作させ、エンジンを発電機側から駆動してエンジンブレーキを作用させることで、車輪７は制動力を得ることができ、鉄道車両は減速動作する。
次に、図１における第１の電力変換手段（コンバータ装置）３または第２の電力変換手段（インバータ装置）４に故障が発生した場合の動作について、説明する。
図１において、通常時は、コンバータ装置として働く第１の電力変換手段３およびインバータ装置として働く第２の電力変換手段４は、それぞれ切換装置９を介して交流発電機２、交流電動機５に接続される。第１の電力変換手段（コンバータ装置）３、第２の電力変換手段（インバータ装置）４のいずれかに故障が発生した（故障時）場合、切換装置９を動作させ、第１の電力変換手段３に交流電動機５を接続、第２の電力変換手段４に交流発電機２を接続する。第１の電力変換手段３または第２の電力変換手段４は、いずれもコンバータとインバータの両方の機能を持つことができるので、第１の電力変換手段３または第２の電力変換手段４のいずれかに故障が発生した場合には、健全な電力変換手段を交流発電機２に接続し、これをコンバータ動作させて蓄電装置８を充電する。鉄道車両に加速指令が与えられた場合には、前記健全な電力変換手段を交流電動機５に接続してインバータ動作させ、蓄電装置８に蓄積されたエネルギにより交流電動機５を駆動し、鉄道車両を加速させることができる。
図２は、本発明の第１の実施形態における制御装置の構成を示す図である。エンジン１は、制御装置１１の指令Ｓｅｇに基づいた軸トルクを出力する。交流発電機２は、エンジン１の軸トルクを入力としてこれを交流電力に変換して出力する。
切換装置９は、２組の切換装置９ａ、９ｂから成り、制御装置１１からの切換指令Ｓｓｅにより切換動作を行う。制御装置１１は、切換装置９の状態信号Ｓｓｅｆを監視し、切換動作が完了したことを確認してから各種制御の切換を行う。通常動作中は第１の電力変換手段（コンバータ装置）３にはコンバータ制御指令Ｓｃが与えられ、第１の電力変換手段（コンバータ装置）３は交流発電機２から出力される交流電力を入力としてこれを直流電力に変換して出力する。
第２の電力変換手段（インバータ装置）４にはインバータ制御指令Ｓｉが与えられ、第２の電力変換手段（インバータ装置）４は、第１の電力変換手段（コンバータ装置）３および蓄電装置８から得られる直流電力を入力としてこれを交流電力に変換して出力する。
交流電動機５は、第２の電力変換手段（インバータ装置）４が出力する交流電力を入力としてこれを軸トルクに変換して出力する。減速機６は、交流電動機５の軸トルク出力を回転数の減速により増幅して出力し、それぞれ車輪７を駆動して鉄道車両を加減速する。
制御装置１１は、蓄電装置８の充電状態信号Ｓｃｈｇに基づきシステムの制御を行う。尚、蓄電池の充電状態信号Ｓｃｈｇの代わりに、蓄電装置の入出力電流と直流部電圧から蓄電状態を求めてもよい。
遮断器１０は、第１の電力変換手段（コンバータ装置）３、第２の電力変換手段（インバータ装置）４、蓄電装置８の間の回路遮断のために設けている。第１の電力変換手段（コンバータ装置）３、第２の電力変換手段（インバータ装置）４または蓄電装置８のいずれかに故障が発生した場合には、制御装置からの遮断器動作指令Ｓｃｓにより、当該機器に接続される遮断器を開放できるようにしている。制御装置１１では、遮断器の状態信号Ｓｃｓｆを監視しシステムの制御を行う。尚、図２において切換装置９ａ、９ｂは１接点のスイッチとしているが、実際には接続される交流発電機２、交流電動機５の交流の相数分の接点が必要である。また、切換装置９ａと９ｂは連動させても良く、切換装置９の状態信号Ｓｓｅｆは省略することも可能である。
以下、本発明における実際の動作の一例を説明する。図３は、図２の構成において、鉄道車両が通常の加速動作を行っている状態を示す図である。図３において、切換装置９ａは「通常」位置になっており、エンジン１〜誘導発電機２により得られた交流電力は第１の電力変換手段（コンバータ装置）３に入力される。遮断器１０は全て「入」の状態となっており、第１の電力変換手段（コンバータ装置）３により変換された直流電力が第２の電力変換手段（インバータ装置）４に入力され、再度交流電力に変換される。
尚、鉄道車両を加速するのに必要な電力が前記第１の電力変換手段（コンバータ装置）３による直流電力だけでは不足する場合には、蓄電装置８から直流電力を補足する。切換装置９ｂは「通常」位置になっており、第２の電力変換手段（インバータ装置）４より出力された交流電力は交流電動機５に出力され、交流電動機５が減速機６を介して車輪７を駆動し、鉄道車両を加速させる。
次に、第１の電力変換手段（コンバータ装置）３または第２の電力変換手段（インバータ装置）４に故障が発生した場合の動作について説明する。
まず、図３において第２の電力変換手段（インバータ装置）４に故障が発生した場合の動作について、図４および図５を用いて説明する。図４は、図３において第２の電力変換手段（インバータ装置）４に故障が発生し、蓄電装置８の蓄電量が不十分な状態にある場合の蓄電装置充電動作を示したものである。図５は、図３において第２の電力変換手段（インバータ装置）４に故障が発生し、蓄電装置８の蓄電量が十分な場合の加速動作を示したものである。
図４において、制御装置１１は、蓄電装置８からの充電状態信号Ｓｃｈｇに基づき、蓄電装置８が、鉄道車両が加速できるだけの充電状態になるまで、エンジン１に指令Ｓｅｇを出力し、第１の電力変換手段（コンバータ装置）３にコンバータ制御指令Ｓｃを出力する。この結果、図４中に破線矢印で示すように、エンジン１〜交流発電機２〜切換装置９ａ〜第１の電力変換手段（コンバータ装置）３〜遮断器１０ｂ〜遮断器１０ａ〜蓄電装置８の経路で、蓄電装置８を充電する。この時、遮断器１０ｃは「切」とし、第２の電力変換手段（インバータ装置）４にはインバータ無制御指令Ｓｏｉを出力し、第２の電力変換手段（インバータ装置）４が動作しないようにしておく。
図５において、制御装置１１は、蓄電装置８が、鉄道車両が加速するのに十分な充電状態である場合には、鉄道車両に加速の指令が与えられると、指令Ｓｓｅにより切換スイッチ９ａを「故障」側に切換える。次に制御装置１１は第１の電力変換手段（コンバータ装置）３にインバータ制御指令Ｓｉを出力し交流電動機５を駆動する。このとき制御装置１１は、エンジン１には指令Ｓｅｇｓを出力し、エンジンを停止またはアイドリング状態にする。この結果、図５中に破線矢印で示すように、蓄電装置８〜遮断器１０ａ〜遮断器１０ｂ〜第１の電力変換手段（インバータ動作）３〜切換装置９ａ〜交流電動機５〜減速機６〜車輪７の経路で、蓄電装置の蓄積エネルギが車輪７の回転力に変換され鉄道車両を加速させる。
尚、加速動作により蓄電装置８の蓄電量は次第に低下し、ある時点で加速不能になるが、更に加速する必要がある場合には、前述の図４に示した動作により蓄電装置８を充電することにより、再度加速することが可能になる。このように、図３において、第２の電力変換手段（インバータ装置）４に故障が発生した場合にも、第１の電力変換手段（コンバータ装置）３を、インバータ動作またはコンバータ動作させることにより、車両の立ち往生を防ぐことが可能である。
次に、図６および図７を用いて、図３において第１の電力変換手段（コンバータ装置）３に故障が発生した場合の動作について説明する。図６は、図３において第１の電力変換手段（コンバータ装置）３に故障が発生し、蓄電装置８の蓄電量が不十分な状態にある場合の蓄電装置充電動作を示したものである。図７は、図３において第１の電力変換手段（コンバータ装置）３に故障が発生し、蓄電装置８の蓄電量が十分な場合の加速動作を示したものである。
図６において、制御装置１１は、蓄電装置８からの充電状態信号Ｓｃｈｇに基づき、蓄電装置８が、鉄道車両が加速できるだけの充電状態になるまで、指令Ｓｓｅにより切換スイッチ９ａを「故障」側に切換え、エンジン１に指令Ｓｅｇを出力し、第２の電力変換手段（インバータ装置）４にコンバータ制御指令Ｓｃを出力する。この結果、図６中に破線矢印で示すように、エンジン１〜交流発電機２〜切換装置９ｂ〜第２の電力変換手段（コンバータ動作）４〜遮断器１０ｃ〜遮断器１０ａ〜蓄電装置８の経路で、蓄電装置８を充電する。この時、遮断器１０ｂは「切」とし、第１の電力変換手段（コンバータ装置）３にはコンバータ無制御指令Ｓｏｃを出力し、第１の電力変換手段（コンバータ装置）３が動作しないようにしておく。
図７において、制御装置１１は、蓄電装置８が、鉄道車両が加速するのに十分な充電状態である場合には、鉄道車両に加速の指令が与えられると、指令Ｓｓｅにより切換スイッチ９ａを「通常」側に切換える。次に、制御装置１１は、第２の電力変換手段（インバータ動作）４にインバータ制御指令Ｓｉを出力し、交流電動機５を駆動する。また制御装置１１は、エンジン１に指令Ｓｅｇｓを出力し、エンジンを停止またはアイドリング状態にする。この結果、図７中に破線矢印で示すように、蓄電装置８〜遮断器１０ａ〜遮断器１０ｃ〜第２の電力変換手段（インバータ動作）４〜切換装置９ｂ〜交流電動機５〜減速機６〜車輪７の経路で、蓄電装置８の蓄積エネルギが車輪７の回転力に変換され鉄道車両を加速させる。
加速動作により蓄電装置８の蓄電量は次第に低下し、ある時点で加速不能になるが、更に加速する必要がある場合には、前述の図６に示した動作により蓄電装置８を充電することにより、再度加速することが可能になる。このように、図３において、第１の電力変換手段（コンバータ装置）３に故障が発生した場合にも、第２の電力変換手段（インバータ装置）４をコンバータ動作またはインバータ動作させることにより、車両の立ち往生を防ぐことが可能である。
上記の通り、本発明によれば、第１の電力変換手段（コンバータ装置）または第２の電力変換手段（インバータ装置）いずれかに故障が発生した場合にも、健全な電力変換手段を、コンバータ動作による蓄電装置充電動作と、インバータ動作による加速動作を切換えながら行うことができ、鉄道車両の自力走行を継続することができる。
実際の鉄道車両の運転扱いにおいて、例えば加速指令がオフされて惰性で走行している期間や停車している間に、図４や図６に示す蓄電装置の充電動作を行うようにすれば、運転ダイヤの遅延を少なくすることができ、ダイヤの乱れを最小限に抑えることができる。
また、加速指令が与えられていても、蓄電装置の蓄電量が低下し、それ以上の加速動作が不可能な状態になった場合には、健全な電力変換装置をインバータ動作を停止しコンバータ動作させて蓄電装置を充電することで、運転遅延を抑えることができる。
図８は、本発明の鉄道車両の駆動装置における第２の実施形態を示す図である。図３に示した実施形態に対して、エンジン１と交流発電機２を集電装置１３と電圧変換装置１２に置き換えたものである。電車線より電力を得る電気車のシステムにおいても本発明を実施することが可能であり、第１の電力変換手段（コンバータ装置）３または第２の電力変換手段（インバータ装置）４いずれかに故障が発生した場合には、図３に示した実施形態同様に第１の電力変換手段（コンバータ装置）３または第２の電力変換手段（インバータ装置）４のいずれか健全な電力変換手段をコンバータ動作またはインバータ動作させることによって、車両の立ち往生を防ぐことが可能となる。
本発明による鉄道車両の駆動装置の第１の実施形態の基本構成図。 本発明の第１の実施形態における制御装置の構成図。 本発明の第１の実施形態における通常の加速動作説明図。 本発明の第１の実施形態におけるインバータ装置故障時の蓄電装置充電動作説明図。 本発明の第１の実施形態におけるインバータ装置故障時の加速動作説明図。 本発明の第１の実施形態におけるコンバータ装置故障時の蓄電装置充電動作説明図。 本発明の第１の実施形態におけるコンバータ装置故障時の加速動作説明図。 本発明の第２の実施形態。 従来の電気車の基本構成を示す図。
符号の説明
１ エンジン
２ 交流発電機
３ 第１の電力変換手段（コンバータ装置）
４ 第２の電力変換手段（インバータ装置）
５ 交流電動機
６ 減速機
７ 車輪
８ 蓄電装置
９ 切換装置
１０ 遮断器
１１ 制御装置
１２ 電圧変換装置
１３ 集電装置

Claims (3)

  1. エンジンにより駆動される交流発電手段と、
    交流発電手段に接続され交流電力と直流電力の間で相互に電力変換可能な第１の電力変換手段と、
    交流電動機と、
    交流電動機に接続され交流電力と直流電力の間で相互に電力変換可能な第２の電力変換手段と、
    前記第１の電力変換手段及び前記第２の電力変換手段の交流側を、前記交流発電手段及び前記交流電動機に互いに切り換えて接続する切換手段と、
    前記第１の電力変換手段及び前記第２の電力変換手段の直流側に遮断機を介して接続される蓄電装置を備え、
    前記第１の電力変換手段及び前記第２の電力変換手段のいずれかが故障した場合であって、
    鉄道車両が惰行もしくは停車しているときには、前記遮断機により故障した電力変換手段を前記蓄電装置と遮断して、前記切換手段により健全な電力変換手段を前記交流発電手段に接続して、この健全な電力変換手段をコンバータ動作させて前記蓄電装置にエネルギを蓄積し、
    鉄道車両の加速指令が与えられたときには、前記遮断機により故障した電力変換手段を前記蓄電装置と遮断して、前記切換手段により健全な電力変換手段を前記交流電動機に接続して、前記蓄電装置に蓄電されたエネルギにより前記交流電動機を駆動することを特徴とする鉄道車両の駆動装置。
  2. 電車線より交流電力を取り込むための集電手段と、
    前記集電装置に接続され、交流電力と直流電力の間で相互に電力変換可能な第１の電力変換手段と、
    交流電動機と、
    交流電動機に接続され交流電力と直流電力の間で相互に電力変換可能な第２の電力変換手段と、
    前記第１の電力変換手段及び前記第２の電力変換手段の交流側を、前記集電手段及び前記交流電動機に互いに切り換えて接続する切換手段と、
    前記第１の電力変換手段及び前記第２の電力変換手段の直流側に遮断機を介して接続される蓄電装置を備え、
    前記第１の電力変換手段及び前記第２の電力変換手段のいずれかが故障した場合であって、
    鉄道車両が惰行もしくは停車しているときには、前記切換手段により健全な電力変換手段を前記集電装置に接続して、この健全な電力変換手段をコンバータ動作させて前記蓄電装置にエネルギを蓄積し、
    鉄道車両の加速指令が与えられたときに、前記切換手段により健全な電力変換手段を前記交流電動機に接続して、前記蓄電装置に蓄電されたエネルギにより前記交流電動機を駆動することを特徴とする鉄道車両の駆動装置。
  3. 請求項１または請求項２の鉄道車両の駆動装置において、
    ２つの電力変換手段の内のいずれか一方が故障した場合の、健全な電力変換手段による蓄電装置への前記エネルギ蓄積動作と、健全な電力変換手段による前記蓄積エネルギを使った前記電動機駆動動作の切換えを、蓄電装置の蓄電状態及び鉄道車両への運転指令に応じて行うことを特徴とする鉄道車両の駆動装置。
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