JP5474259B1

JP5474259B1 - 交流電気車の制御装置

Info

Publication number: JP5474259B1
Application number: JP2013505245A
Authority: JP
Inventors: 武郎松本; 光太郎松田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-06-28
Filing date: 2012-06-28
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2032-06-28
Also published as: US9333862B2; JPWO2014002233A1; US20150175007A1; CN104395133A; CN104395133B; EP2868514A1; EP2868514B1; EP2868514A4; WO2014002233A1

Abstract

主変圧器２を介して入力された交流電圧を直流電圧に変換するＣＯＮＶ３と、直流電圧を交流電圧に変換するＩＮＶ４との間の中間直流回路部４０にＳＩＶ７が接続される構成に適用される交流電気車の制御装置であって、車両停止時におけるコンバータ主回路素子の初期温度（Ｔｃｎｖの初期値）と、ＳＩＶ７の入力電流Ｉｓｉｖとに基づいて、車両停止時におけるコンバータ主回路素子の温度変動が小さくなるようにＣＯＮＶ３のキャリア周波数ｆｃを変化させる。

Description

本発明は、交流電気車の制御装置に関する。

交流電気車の制御装置では、推進制御装置である主変換装置（Converter-Inverter、以下必要に応じ「ＣＩ」と称する）の中間直流回路部（「中間リンク接続部」とも言う）に補助電源装置（Static-Inverter、以下必要に応じ「ＳＩＶ」と称する）が接続されるＣＩ／ＳＩＶ一体構成が近年よく用いられている。

これに対し、ＣＩとＳＩＶが独立した構成（ＣＩ／ＳＩＶ独立構成）の場合、車両停車時では、ＳＩＶはサービス機器（照明、空調など）に電力を供給するために継続動作する一方、ＣＩは負荷である主電動機（Main Motor：MM）が停止しているため、動作する必要が無く、コンバータ、インバータとも停止している。

ＣＩ／ＳＩＶ一体構成の場合、上述のようにコンバータの出力段にＳＩＶが接続されているため、ＳＩＶを継続動作させるためにはコンバータも動作させる必要が有る。すなわち、ＣＩ／ＳＩＶ一体構成の場合、車両停止時でもコンバータは動作している。その結果、ＣＩ／ＳＩＶ一体構成は、ＣＩ／ＳＩＶ独立構成と比較して、コンバータは通電期間が長くなることが判っている。

なお、コンバータの通電時間が長くなると、素子に加えられる電気的ストレスが増加するため、寿命的にも不利になると考えられている。

ここで、主回路素子の長寿命化を図る一つの手法として、例えば下記特許文献１に示されたものがある。この特許文献１では、主回路半導体の発生損失を抑制し、長寿命化を図るアプローチが採用されている。主回路半導体は、例えばモジュール構造である場合、内部にはんだ接合部を持ち、その部分が繰り返されるヒートサイクルに晒されて疲労破壊することが知られており、発生損失を抑制することで、ヒートサイクルによる影響を小さくできれば長寿命化に効果的と考えられる。

特開平１０−４６１０号公報

以上の説明のように、ＣＩ／ＳＩＶ一体構成の場合、コンバータは常に動作する必要があるため、装置の寿命はＣＩ／ＳＩＶ独立構成と比較して不利であることが予想される。この場合、上記特許文献１のように車両速度に応じてスイッチング周波数を低くするなど損失を低減できる手法が採用できればよいが、コンバータの入力側に接続される主変圧器の発生損失の制約などからスイッチング周波数をむやみに小さくすることはできず（スイッチング周波数が小さくなると主変圧器の出力電圧に重畳するリプル成分が大きくなる）、損失低減による寿命延伸は困難である。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ヒートサイクルによる影響を小さくして、コンバータ主回路素子の長寿命化を図ることができる交流電気車の制御装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、主変圧器を介して入力された交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、前記直流電圧を交流電圧に変換するインバータとの間の中間直流回路部に補助電源装置が接続される構成に適用される交流電気車の制御装置であって、車両停止時におけるコンバータ主回路素子の初期温度と、前記補助電源装置の入力電流とに基づいて、車両停止時におけるコンバータ主回路素子の温度変動が小さくなるように前記コンバータのキャリア周波数を変化させることを特徴とする。

この発明によれば、ヒートサイクルによる影響を小さくして、コンバータ主回路素子の長寿命化を図ることができる、という効果を奏する。

図１は、実施の形態１に係る交流電気車の制御装置の一構成例を示す図である。図２は、コンバータキャリア周波数参照テーブルの一例を示す図である。図３は、車両動作時および車両停止時におけるコンバータ主回路素子の挙動を模式的に示す図である。図４は、実施の形態２に係る交流電気車の制御装置の一構成例を示す図である。

以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態に係る交流電気車の制御装置について説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
（交流電気車の制御装置の構成）
図１は、本発明の実施の形態１に係る交流電気車の制御装置の一構成例を示す図である。実施の形態１に係る交流電気車の制御装置は、図１に示すように、交流架線からの交流電力が入力されるパンタグラフ１、パンタグラフ１から供給される交流電力を入力とする主変圧器２、主変圧器２の交流電圧が印加され交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ（以下「ＣＯＮＶ」と称する）３、ＣＯＮＶ３から出力される直流電圧を３相交流に変換するインバータ（以下「ＩＮＶ」と称する）４、中間直流回路部４０（ＩＮＶ４の直流出力側）に設けられＣＯＮＶ３の直流電圧を平滑化するフィルタコンデンサ（以下「ＦＣ」と称する）５、ＩＮＶ４の交流電圧で駆動する主電動機（ＭＭ）６、ＩＮＶ４と同様に中間直流回路部４０に接続されるＳＩＶ７、ＳＩＶ７の入力側に設けられ負荷電流の一部を検出する電流センサ８および、コンバータの主回路素子（コンバータ主回路素子）が取り付けられている取付面もしくは、それらの周辺部に設けられた温度センサ１１の出力（温度センサ出力）Ｔｃｎｖが入力される制御部５０を備えて構成される。また、制御部５０は、電流センサ８が検出した入力電流Ｉｓｉｖと温度センサ出力Ｔｃｎｖとに基づいて所望のコンバータキャリア周波数ｆｃを出力するための参照テーブル（コンバータキャリア周波数参照テーブル）９および、コンバータキャリア周波数ｆｃが入力され、コンバータキャリア周波数ｆｃを用いてコンバータ主回路素子をスイッチング駆動するためのゲートパルス信号を生成するコンバータ制御部１０を備えて構成される。

主変圧器２の一次側の一端は、パンタグラフ１を介して交流架線に接続され、他端は図示しない車輪およびレールを介して大地電位に接地される。すなわち、図示されていない変電所から送電された電力は、交流架線、パンタグラフ１、車輪およびレールを介して受電するように構成されている。電気車の力行時には、ＩＮＶ４が電力変換を行って主電動機６を駆動する。一方、ブレーキ時には、必要に応じて主電動機６を発電機として動作させることにより、主電動機６を電気車の回生ブレーキとして作用させる。

つぎに、実施の形態１における交流電気車の制御装置の要部動作について、図１〜図３の図面を参照して説明する。なお、図２は、コンバータキャリア周波数参照テーブルの一例を示す図である。同図では、コンバータ主回路素子の初期温度（例えば、車両停止直後の「温度センサ出力Ｔｃｎｖ」）をパラメータとするＳＩＶ入力電流Ｉｓｉｖに対するコンバータキャリア周波数ｆｃの関係を示している。また、図３は、車両動作時および車両停止時におけるコンバータ主回路素子の挙動を模式的に示す図である。同図では、コンバータ主回路素子の挙動を車両動作時および車両停止時におけるコンバータ主回路素子ジャンクション温度の時間変化という観点で示している。

まず、実施の形態１に係る交流電気車の制御装置では、ＳＩＶ７の入力電流Ｉｓｉｖが小さい程、コンバータキャリア周波数ｆｃを大きくする制御を行う。この制御により、ＳＩＶ７の入力電流Ｉｓｉｖが小さいときにコンバータ主回路素子における発生損失を増加させることができ、ＳＩＶ７の入力電流の大小によらず、コンバータ主回路素子の温度上昇を略一定に保つことが可能になる。また、上記で定義したコンバータ主回路素子の初期温度が大きい程、コンバータキャリア周波数ｆｃを大きくする制御を行う。この制御により、ンバータ主回路素子の初期温度に応じて、動作特性を変更することができ、運転状態の如何によらず、コンバータ主回路素子の温度上昇を略一定に保つことが可能となる。

つぎに、図２に示す制御の意味を図３を用いて詳細に説明する。図３において、まず、車両動作時は、車両動作に応じてコンバータ主回路素子ジャンクション温度（以下単に「素子温度」という）は変動する。一方、車両が一旦停止すると、ＣＩ／ＳＩＶ独立構成の場合の素子温度は、図中（ａ）のように単純減少するが、ＣＩ／ＳＩＶ一体構成の場合の素子温度は、図中(ｂ)のようにＳＩＶ７の動作状況に応じて増減を繰り返す。素子の寿命は、素子温度の変化幅（図中のΔＴ１（運転中の変動幅），ΔＴ２（初期温度からの変動幅））が大きくなる程、また、これらΔＴ１，ΔＴ２のような変動幅の大きい変動の回数が多い程、素子寿命が短くなることが知られている。このため、同図（ｂ）のような動作が繰り返されると、素子寿命の低下に繋がる。

一方、実施の形態１の構成では、車両停止時における素子温度もしくは素子温度に相当する温度（例えば冷却器の温度）の初期値を参照し、車両停止時のＳＩＶ電流が大きい場合にはコンバータキャリア周波数ｆｃを小さくする制御を行う一方で、車両停止時のＳＩＶ電流が小さい場合にはコンバータキャリア周波数ｆｃを大きくする制御構成としたので、素子温度の挙動を図中（ｃ）のような変動幅の小さいものに変更することができる。すなわち、実施の形態１に係る交流電気車の制御装置によれば、ヒートサイクルによる影響を小さくして、コンバータ主回路素子の長寿命化を図ることが可能となる。

また、図中（ｃ）のような制御が行われると、ＣＩ／ＳＩＶ独立構成の挙動である図中（ａ）と比べても素子温度の変化幅（ΔＴ１のみならずΔＴ２）についても大幅に低減される。すなわち、実施の形態１に係る交流電気車の制御装置は、ＣＩ／ＳＩＶ一体構成であるかＣＩ／ＳＩＶ独立構成であるかといった装置構成の如何によらず、長寿命化という観点において、非常に優れた制御方式であると言える。

なお、実施の形態１の制御において、ＣＯＮＶ３の制御に必要な温度センサ１１の出力は車両停止直後の温度センサ出力のみでよい。

以上説明したように、実施の形態１に係る交流電気車の制御装置によれば、車両停止時におけるコンバータ主回路素子の初期温度と、ＳＩＶ入力電流とに基づいて、車両停止時におけるコンバータ主回路素子の温度変動が小さくなるようにコンバータキャリア周波数を変化させることとしたので、ヒートサイクルによる影響を小さくして、コンバータ主回路素子の長寿命化を図ることが可能となる。

また、実施の形態１に係る交流電気車の制御装置によれば、コンバータ主回路素子の初期温度を参照し、車両停止時におけるＳＩＶ入力電流が大きい場合には、コンバータキャリア周波数を小さくする制御を行う一方で、車両停止時におけるＳＩＶ入力電流が小さい場合には、コンバータキャリア周波数を大きくする制御を行うこととしたので、ヒートサイクルによる影響を小さくして、コンバータ主回路素子の長寿命化を図ることが可能となる。

なお、コンバータ主回路素子の初期温度が大きいとき程、キャリア周波数を可変制御する際の初期値を大きく設定するようにすればより効果的である。

実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２に係る交流電気車の制御装置の構成を示す構成図である。同図の交流電気車の制御装置では、図１に示した実施の形態１の構成とは制御部５０の構成が異なる。具体的に説明すると、制御部５０は、コンバータキャリア周波数参照テーブル９を備える構成に代えて、車両停止直後の温度センサ出力Ｔｃｎｖを保持する温度センサ出力保持器１２、温度センサ出力保持器１２の出力とリアルタイムの温度出力である温度センサ出力Ｔｃｎｖとの差分値を演算する差分器１３および、差分器１３の出力に基づいてコンバータキャリア周波数ｆｃを生成する演算器としてのＰＩＤ演算器１４を備えて構成される。なお、その他の構成については、図１に示した実施の形態１の構成と同一または同等であり、これら共通の構成部には、同一の符号を付して示すとともに、その説明を省略する。

つぎに、実施の形態２に係る交流電気車の制御装置の制御手法について説明する。実施の形態１では、車両停止時のＳＩＶ入力電流をパラメータとしてキャリア周波数ｆｃを変更する制御を行っていたが、実施の形態２では車両停止時の素子温度を一定に保つように差分器１３の出力に基づいてコンバータキャリア周波数ｆｃを演算する。具体的に、車両停止直後の素子温度からの低下が大きい場合にはキャリア周波数ｆｃを大きくし、車両停止直後の素子温度からの低下が小さい場合にはキャリア周波数ｆｃを小さくする制御を行う。この制御により、図３中（ｃ）の挙動を得ることができ、実施の形態１に係る交流電気車の制御装置と同様な効果を得ることができる。

なお、コンバータキャリア周波数ｆｃを変更することは帰線電流に含まれる高調波ノイズ成分の挙動が変わり、地上信号機器への影響が懸念されるため、コンバータキャリア周波数ｆｃの変更は車両停車時に限定することが好ましい。ただし、地上信号機器への影響が懸念されない場合は、車両停車時に限定する必要はないことは言うまでもない。

以上説明したように、実施の形態２に係る交流電気車の制御装置によれば、車両停止時におけるコンバータ主回路素子の初期温度と、検出されるコンバータ主回路素子の温度との差分値に基づいて、コンバータ主回路素子の温度変動が小さくなるようにキャリア周波数を変化させることとしたので、ヒートサイクルによる影響を小さくして、コンバータ主回路素子の長寿命化を図ることが可能となる。

また、実施の形態２に係る交流電気車の制御装置によれば、上記差分値が大きい場合にはコンバータキャリア周波数を大きくする制御を行い、この差分値が小さい場合にはコンバータキャリア周波数を小さくする制御を行うこととしたので、コンバータ主回路素子の長寿命化をより効果的に行うことが可能となる。

なお、以上の実施の形態１，２に示した構成は、本発明の構成の一例であり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。

以上のように、本発明に係る交流電気車の制御装置は、ヒートサイクルによる影響を小さくして、コンバータ主回路素子の長寿命化を図ることができる発明として有用である。

１パンタグラフ
２主変圧器
３ＣＯＮＶ（コンバータ）
４ＩＮＶ（インバータ）
６主電動機（ＭＭ）
７ＳＩＶ（補助電源装置）
８電流センサ
９コンバータキャリア周波数参照テーブル
１０コンバータ制御部
１１温度センサ
１２温度センサ出力保持器
１３差分器
１４演算器（ＰＩＤ演算器）
４０中間直流回路部
５０制御部

Claims

主変圧器を介して入力された交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、前記直流電圧を交流電圧に変換するインバータとの間の中間直流回路部に照明、空調等の負荷に電力を供給する補助電源装置が接続される構成に適用される交流電気車の制御装置であって、
車両が停止した時点におけるコンバータ主回路素子の温度である初期温度と、前記補助電源装置の入力電流とに基づいて、前記車両を停止状態とした車両停止状態時における前記コンバータ主回路素子の温度変動が小さくなるように前記コンバータのキャリア周波数を変化させることを特徴とする交流電気車の制御装置。
前記初期温度を参照し、前記車両停止状態時の前記入力電流が大きい場合には前記キャリア周波数を小さくする制御を行う一方で、前記車両停止状態時の前記入力電流が小さい場合には前記キャリア周波数を大きくする制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の交流電気車の制御装置。
前記初期温度が大きいとき程、前記キャリア周波数を可変制御する際の初期値を大きく設定することを特徴とする請求項２に記載の交流電気車の制御装置。
主変圧器を介して入力された交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、前記直流電圧を交流電圧に変換するインバータとの間の中間直流回路部に照明、空調等の負荷に電力を供給する補助電源装置が接続される構成に適用される交流電気車の制御装置であって、
車両が停止した時点におけるコンバータ主回路素子の温度である初期温度と、検出されるコンバータ主回路素子の温度との差分値に基づいて、前記車両を停止状態とした車両停止状態時における前記コンバータ主回路素子の温度変動が小さくなるように前記コンバータのキャリア周波数を変化させることを特徴とする交流電気車の制御装置。
前記差分値が大きい場合には前記キャリア周波数を大きくする制御を行い、前記差分値が小さい場合には前記キャリア周波数を小さくする制御を行うことを特徴とする請求項４に記載の交流電気車の制御装置。
前記キャリア周波数の可変制御を前記車両停止状態時に限定することを特徴とする請求項４に記載の交流電気車の制御装置。