JP5720385B2

JP5720385B2 - 電気車駆動回路

Info

Publication number: JP5720385B2
Application number: JP2011085118A
Authority: JP
Inventors: 岩堀　道雄; 道雄岩堀
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2011-04-07
Filing date: 2011-04-07
Publication date: 2015-05-20
Anticipated expiration: 2031-04-07
Also published as: JP2012222921A

Description

この発明は、直流電源と蓄電装置の双方から受電可能で、これらから供給される電力を入力とする複数台のインバータで交流電動機を駆動することにより、電気車を推進する電気車駆動回路に関する。

従来、この種の回路として、例えば特許文献１に開示のような回路が知られている。
この例では、その図１に示されているように、架線から集電装置（５０：文献図中の符号を示し、以下同様）を介して受電した直流電力をインバータ（５３）で交流電力に変換し、交流電動機（５４）を駆動する。また、チョッパ回路（１０６）をインバータの直流入力側に接続し、その出力側に蓄電装置（６５）を設けている。
そして、ブレーキ時に架線へ回生できない電力などを、チョッパ回路（１０６）を介して蓄電装置（６５）に蓄積し、力行時にその電力を使うことで省エネルギー化を図るとともに、架線の無い区間において蓄電装置（６５）の電力を用いた自力走行を可能にしている。

別の特許文献２には、同様な回路でインバータが故障した時などを考慮して、インバータを複数台（この文献中の図１ではインバータ４，５の２台）設け、交流電動機（７ａ，７ｂと８ａ，８ｂ）をそれぞれのインバータで駆動する例が示されている。この例では、インバータの故障などに備えて、故障したインバータを切り離す接触器（ユニットカット用スイッチ５０，５１）を設け、１台のインバータが故障しても、それを切り離して走行を継続することができる電気車駆動回路としている。

上記特許文献１，２から、例えば図５のような電気車駆動回路が考えられる。この回路は、架線１から集線装置２やフィルタリアクトル３、フィルタコンデンサ５を介してインバータ６へ給電し、交流電動機７を駆動している。そして、フィルタコンデンサ５と並列にチョッパ回路８を接続し、それに蓄電装置９を接続している。なお、スイッチ４は故障したインバータを切り離すために設けられる。これは、上記特許文献１に示すものに対しては、インバータの故障を考慮してインバータを複数台（２台）設けた場合に相当する。また、特許文献２に対しては、架線の定格電圧が固定の場合で、この電圧に応じて切り換える回路が不要であるが、架線電圧と蓄電装置の電圧が、例えばＤＣ７５０ＶとＤＣ３００Ｖというように大きく離れていて、蓄電装置の電力により架線が加圧されることがない場合に相当する。

図５の回路例の場合、電気車を駆動あるいは制動させるのに必要な推進力またはブレーキ力が小さい区間を走行時（例えば、乗客が少ないときで、ほぼ平坦な区間を定速で走行する際など）には、２台のインバータ６のうちの１台を停止し、残り１台のインバータで２台の電動機を駆動することによって、必要な推進力あるいはブレーキ力を得る方が、電動機７とインバータ６の両方を合わせた総合効率が高くなる場合があることが知られている（例えば、特開２００７-３２５３３８号公報参照）。この時、１台のインバータ６を停止することにより、電動機７とインバータ６の総合効率を上げることは可能であるが、蓄電池９との電力をやりとりするチョッパ回路８の効率を上げることができない、という問題がある。

上記の外に、特許文献３のように、現行車両の回路構成に変更を殆ど加えること無く、直流または交流の電力を蓄電部に充電できるようにするものもある。
これは、インバータをチョッパとして用いるようにした（１台でインバータ，コンバータまたはチョッパとして動作させる）例であるが、この場合のチョッパは蓄電部を充電するために用いられるものであり、回路効率の向上については何も記載されていない。

特開２００６−３４０５６１号公報特開２００８−２５３０８４号公報特開２０１０−１７２１９２号公報

従って、この発明の課題は、電動機とインバータだけでなく、チョッパ回路を含めた装置の総合効率を向上させ、ランニングコストの低減化を図ることにある。

このような課題を解決するため、請求項１の発明では、直流電源と蓄電装置の双方から受電可能で、これらから供給される電力を受電する複数台のインバータにより交流電動機を駆動し電気車を推進するとともに、前記蓄電装置の出力とインバータの直流入力との間にチョッパ回路を設け、蓄電装置が供給または吸収する電力を制御する電気車駆動回路において、
少なくとも１台の交流電動機巻線の中性点と蓄電装置との間にスイッチを設け、電気車を駆動または制動させるのに必要な推進力またはブレーキ力が小さい区間では、前記接続回路のスイッチをオンとし、前記交流電動機に接続されたインバータをチョッパとして動作させることを特徴とする。

上記請求項１の発明においては、前記スイッチの代わりに、スイッチとリアクトルとの直列接続回路を設けることができる（請求項２の発明）。この請求項１または２の発明においては、スイッチまたはスイッチとリアクトルとの直列接続回路を、交流電動機の巻線の中性点と蓄電装置との間に設ける代わりに、交流電動機巻線の中性点とチョッパ内のリアクトルとの間に設けることができる（請求項３の発明）。これら請求項１〜３のいずれかの発明においては、前記直流電源の代わりに充電装置を設け、これにより電気車が停止中に蓄電装置を充電し、蓄電装置の電力で走行することができる（請求項４の発明）。

請求項１の発明によれば、チョッパ回路だけでなく、停止したインバータもチョッパ回路として動作させることにより、同じ電力を蓄電装置に供給あるいは吸収させる場合に、チョッパ回路内のスイッチング素子を流れる電流を低減することができる。これにより、スイッチング素子のオン電圧を下げることができるので、チョッパ回路だけを動作させた時より、停止したインバータもチョッパ回路として動作させた時の方が、これらの回路で発生する損失を低減でき、チョッパ回路を含めた総合効率の向上が可能になる。なお、交流電動機の巻線をリアクトルとして活用することにより、リアクトルを特に追加することなく、チョッパ回路が構成できる。

請求項２の発明によれば、交流電動機の巻線のインダクタンスが小さい場合、インバータをチョッパ動作させる場合のスイッチング周波数を上げて、その出力電流リプルを低減する必要がある。これに対して、リアクトルをスイッチと直列に挿入することにより、スイッチング周波数を上げなくても、出力電流リプルを低減することができ、この回路をチョッパ動作させる時のスイッチング素子のスイッチング損失低減が実現でき、効率向上が可能である。この場合にも，上記と同様に、チョッパ回路だけを動作させた時より、停止したインバータもチョッパ回路として動作させた時の方が、この回路で発生する損失を低減でき、チョッパ回路を含めた総合効率の向上が可能になる。

請求項３の発明によれば、インバータ出力をリアクトルを介して蓄電装置へ接続する回路のリアクトルの一部として、チョッパ回路内にあるリアクトルを用いることにより、請求項２の発明の場合に比べて、リアクトルの数を減らすとともに、小形化が可能となる。
また、請求項４の発明によれば、走行中に電気車外部から給電されない電車（たとえば、駅で停止中に充電して、蓄電装置の電力のみで走行する架線レス電車）や、電気自動車への適用が可能になる。

この発明によれば、電動機とインバータだけでなく、チョッパ回路を含めた装置の総合効率を向上させることができるため、より少ない電力での電気車の運行が可能になり、ランニングコストの低減化を図ることができる。

この発明の実施の形態を示す構成図図１のスイッチ４，１１の動作説明図この発明の別の実施の形態を示す構成図この発明のさらに別の実施の形態を示す構成図図４の変形例を示す構成図従来例を示す構成図

図１はこの発明の実施の形態を示す構成図である。この例では、架線１から集電装置２、フィルタリアクトル３およびフィルタコンデンサ５を介して２台のインバータ６１，６２の入力に接続している。スイッチ４は、インバータ６１，６２が故障した際に、そのインバータを切り離すためのスイッチである。また、インバータ６１，６２の直流入力側にはチョッパ回路８が設けられており、チョッパ回路８の出力には蓄電装置９が接続されている。この蓄電装置９としては、バッテリはもちろんのことキャパシタを用いても良い。また、交流電動機７２の中性点と蓄電装置９の間には、スイッチ１１が設けられている。
この回路において、通常時と比べて必要な推進力あるいはブレーキ力が小さい場合は、各スイッチ４，１１を図２のように動作させる。すなわち、通常時には、チョッパ回路８によって蓄電装置９の電力がインバータ６１および６２に供給または吸収され、所望の動作をさせることができる。

一方、必要推進力あるいはブレーキ力が小さく、インバータ６１で駆動する交流電動機７１だけで推進力あるいはブレーキ力を発生することができ、インバータ６２を停止した方が電動機とインバータを考えた総合効率が高くなる場合には、スイッチ１１をオンしてインバータ６２の３つの上アームと３つの下アームをそれぞれ並列接続し、これと交流電動機７２の巻線とによってチョッパ回路を構成する。このチョッパ回路をチョッパ回路８と並列に動作させると、チョッパ回路８のスイッチング素子８ａやダイオード８ｂを流れる電流の一部は、インバータ６２のスイッチング素子６ａやダイオード６ｂに分流させることができるため、その分だけ、スイッチング素子あるいはダイオードのオン電圧を低減することができ、チョッパ回路の損失を低減することができる。
なお、この例では、交流電動機７２の中性点だけにスイッチ１１を設けたが、インバータ６１にも同様に設けるようにしても良い。

図３にこの発明の別の実施の形態を示す。
この例は、図１に示すものに対し、スイッチ１１と直列にリアクトル１２を設けた点が特徴である。なお、動作については図１と同様なので、説明は省略する。
図４にこの発明のさらに別の実施の形態を示す。これは、リアクトル１２の蓄電装置側の接続点を、チョッパ回路８内のリアクトル８ｃの一端にした点が相違する他は図３と同様で、動作自体も図３と同様である。なお、図１の構成で、スイッチ１１を、交流電動機巻線の中性点とチョッパ８内のリアクトル８ｃとの間に設けるようにしても良いのは勿論である。

図５は、図４の変形例を示す構成図である。すなわち、図４の架線１、集電装置２およびフィルタリアクトル３の代わりに、充電装置１３を設けた例である。充電装置１３は、電気車の外部に設置され、蓄電装置９を充電する際に接続する。そして、通常の走行時にはチョッパ回路８を介してインバータ６１，６２との間で電力のやりとりを行なう。そして、推進力あるいはブレーキ力が小さい区間ではインバータ６２をチョッパとして動作させ、チョッパ回路８と並列動作をさせて、インバータ６１との間で電力のやりとりを行なうものである。

１…架線、２…集電装置、３…フィルタリアクトル、４，１１…スイッチ、５…コンデンサ、６，６１，６２…インバータ、６ａ，８ａ…スイッチング素子、６ｂ，８ｂ…ダイオード、７，７１，７２…交流電動機、８…チョッパ回路、８ｃ，１２…リアクトル、９…蓄電装置、１３…充電装置。

Claims

直流電源と蓄電装置の双方から受電可能で、これらから供給される電力を受電する複数台のインバータにより交流電動機を駆動し電気車を推進するとともに、前記蓄電装置の出力とインバータの直流入力との間にチョッパ回路を設け、蓄電装置が供給または吸収する電力を制御する電気車駆動回路において、
少なくとも１台の交流電動機巻線の中性点と蓄電装置との間にスイッチを設け、電気車を駆動または制動させるのに必要な推進力またはブレーキ力が小さい区間では、前記スイッチをオンとし前記交流電動機に接続されたインバータをチョッパとして動作させることを特徴とする電気車駆動回路。
前記スイッチの代わりに、スイッチとリアクトルとの直列接続回路を設けることを特徴とする請求項１に記載の電気車駆動回路。
前記スイッチまたはスイッチとリアクトルとの直列接続回路を、交流電動機巻線の中性点と蓄電装置との間に設ける代わりに、交流電動機巻線の中性点とチョッパ内のリアクトルとの間に設けることを特徴とする請求項１または２に記載の電気車駆動回路。
前記直流電源に代えて充電装置を設け、この充電装置を用いて電気車が停止中に前記蓄電装置を充電し、その充電電力で走行することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の電気車駆動回路。