JP5830443B2 - 鉄道車両の駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は，エンジンにより駆動される誘導機を電力源とする鉄道車両用の駆動装置に関する。

非電化区間を走行する鉄道車両として，ディーゼルエンジン等の内燃機関により発電機を駆動することで交流電力を発生し，この交流電力を整流器やコンバータ装置により直流電力に変換した後，インバータ装置により交流電動機を駆動する鉄道車両用駆動装置が一般的に使用されている。発電機においては，回転することによって起電圧を得ることができる他励同期発電機が広く使用されている。また，最近では，電動機の小型・軽量化，高効率化の点で有利な永久磁石式同期発電機（ＰＭＧ）が使用されることが多くなってきた。

ところで，例えば，特開２００８−４９８１１（特許文献１）には，エンジンと誘導発電機と，誘導発電機からの交流を直流に変換するコンバータ装置と，直流を鉄道車両駆動用の交流に変換するインバータ装置と，主回路の直流部に接続される蓄電装置と，を備え，制動時の回生電力を有効利用することができるハイブリッド駆動方式が開示されている。さらに，主回路の直流部に接続された蓄電装置の電力によって，誘導発電機を電動機として駆動してエンジンを始動させることが開示されている。

また，誘導電動機は，同期電動機よりも小型，安価であるほかに同期電動機よりも構造がシンプルであり，スリップリングなどの接点を要さないため，信頼性が高いと言うメリットがある。

特開２００８−４９８１１号公報

主回路の直流部に蓄電装置を有さない通常の駆動システムでは，特許文献１に記載のようなハイブリッド駆動システムと異なり，誘導機の起動時に必要な励磁エネルギーを確保することができないため，同期機を使用する必要があり，小型，安価，高信頼の誘導機を，発電機として使用することができないという課題があった。

本発明は，駆動装置の直流部に蓄電装置を有さない駆動システムにおいても，発電機として誘導機を適用することを可能とすることを目的とする。

本発明は，上記した課題を解決するために，エンジンと，前記エンジンによって駆動される誘導発電機と，誘導発電機から出力される交流電力を直流電力に変換する第１の電力変換装置と，第１の電力変換装置から出力される直流電力を平滑する平滑コンデンサと，平滑コンデンサを直流電圧源として駆動用交流電動機を駆動する第２の電力変換装置を備えた鉄道車両の駆動装置において，前記第１の電力変換装置が定電圧制御を行う場合における前記平滑コンデンサの直流電圧よりも低電圧であり，前記第１の電力変換装置の制御回路，前記第２の電力変換装置の制御回路，車上信号機器，運転台，鉄道車両内の機器と通信を行う中央制御装置の少なくともいずれかを含む車上の制御機器に前記低電圧の電力を供給する蓄電手段と，蓄電手段と平滑コンデンサの間に接続された接触器と，を備え，接触器を閉じて蓄電手段により平滑コンデンサを充電し，前記平滑コンデンサの電圧が前記誘導発電機を励磁するために十分な所定電圧以上となった場合に前記接触器を開放して前記蓄電手段と前記平滑コンデンサの間の絶縁を確保し，前記接触器が開放された後に，平滑コンデンサに充電された電力を用いて誘導発電機に発電動作開始のための電流を供給する。

エンジンと機械的に連結した誘導機を電力源とし，ハイブリッド駆動システム等で利用される大容量の蓄電装置を有さない駆動システムにおいて，誘導機を発電機として使用することが可能となり，より安価，小型・軽量，高信頼の駆動装置を提供することができる。

本発明における実施例１の構成図を示す図である。 本発明の実施例１における動作を示す図である。 本発明における実施例２の構成図を示す図である。 本発明における実施例３の構成図を示す図である。

鉄道車両には，車上の制御用機器に電源を供給するための低圧の蓄電池が備えられている。たとえば，これらの電圧は２４Ｖ，７２Ｖ，１００Ｖ，１１０Ｖが広く使用される。この蓄電池から主回路の直流部に電力を供給することで，主回路の直流部に電圧を蓄えて，この電圧によって誘導機を起動させる。このとき，主回路の直流部には，コンバータ装置の損失なども考慮した誘導電動機を駆動させるのに十分な電力を供給する。また，主回路の直流部への電力供給が完了した後，接触器を開放することにより蓄電池は主回路の直流部から切り離す。これにより，誘導機による発電開始後には，直流部の電圧が数千Ｖに達する主回路と，車上の制御用機器に数十〜百Ｖ程度の比較的低い電圧を供給する蓄電池を有する電源回路との絶縁を確保する。

誘導機の起動後は，誘導機からの電力により，主回路の直流部の電圧を維持するとともにインバータ装置を介して，鉄道車両駆動用の電動機に電力を供給することが可能となる。

以上により，シンプルな回路構成で，小型，安価且つ高信頼の誘導機を発電機とする車両用駆動システムを提供することができる。

以下に，本発明の複数の実施の形態について，図面を参照してそれぞれ説明する。

図１は本発明の鉄道車両の駆動装置における第１の実施形態を示す図である。

図１に示す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誘導発電機２（以下，ＩＧ：Induction Generator）と，誘導発電機２から出力される交流電力を直流電力に変換するコンバータ装置３と，コンバータ装置３から出力される直流電力を平滑する平滑コンデンサ５（ＦＣ）と，平滑コンデンサ５を直流電圧源として交流電力に変換するインバータ装置４と，インバータ装置４により駆動される電動機１５と，を備えた鉄道車両の駆動装置において，コンバータ装置３とインバータ装置４の間の主回路直流部に接触器７及び減流要素１６を介して，車上の制御機器に電源を供給するための低圧の蓄電池６（ここでは，１１０Ｖとする）を接続し，低圧の蓄電池６から前記平滑コンデンサ５へ電力を供給可能とする構成である。ここで，減流要素１６は抵抗器などで構成される。また，車上の制御機器とは，インバータ装置４及びコンバータ装置３の制御回路，ＡＴＣ車上装置などの車上信号機器，運転台，編成内の機器と通信を行う中央制御装置，ブレーキ制御装置などの少なくとも何れかを含むものである。

次に，図２を用いて，図１の鉄道車両の駆動装置の動作を説明する。図２では，横軸を時間として，エンジン回転数，フィルタコンデンサ（ＦＣ）電圧，誘導発電機の励磁電流，誘導発電機のトルク電流，インバータ装置の起動状態，それぞれについての動作を示している。

（１）エンジンを始動し，その後，徐々にエンジンの回転が安定する。

（２）エンジンの回転数が安定した時に，接触器７を閉じ，減流要素１６を介して平滑コンデンサ５を蓄電池６で充電する。

（３）平滑コンデンサ５の電圧が，誘導発電機を励磁するために十分な電圧以上となった場合，つまり，平滑コンデンサ５に蓄えられるエネルギーが，コンバータ装置３を介して誘導発電機に励磁電流Ｉｄおよび発電を開始するのに必要なトルク電流Ｉｑを発生するのに必要な電力以上となった場合，接触器７を開き，主回路と制御用電源との絶縁を確保する。

（４）コンバータ装置３により平滑コンデンサ５の電圧を交流に変換し，誘導発電機２に励磁電流Ｉｄを流す。

（５）コンバータ装置３によりトルク電流Ｉｑを立ち上げて，定電圧制御を開始する。この結果，誘導発電機２による発電動作が開始される。その後，誘導発電機２の発電電力により，平滑コンデンサ５の電圧を所定の電圧（Ｂ［Ｖ］）に上昇させる。

（６）平滑コンデンサ５の電圧が所定の電圧（Ｂ［Ｖ］）に上昇した際に，コンバータ装置３の定電圧制御により，トルク電流が一定となり，平滑コンデンサ５の電圧がＢ［Ｖ］に保たれる。

（７）インバータ装置４を起動する。

図２では，エンジンの始動（１）と，平滑コンデンサ５の蓄電池６による充電開始（２）のタイミングを（１）（２）の順として説明したが，（１）（２）のタイミングは同時であっても良いし，（２）（１）の順であっても良い。いずれの場合であっても発電を開始できることは言うまでもない。

また，トルク電流Ｉｑの立上げ（５）は，励磁電流Ｉｄの立上げ（４）と同時でも良く，励磁電流Ｉｄの立上げ（４）の後に励磁電流Ｉｄが流れ始めた時点であっても良く，励磁電流ＩｄがＣ［Ａ］まで立上がり，安定してＣ［Ａ］流れるようになった時点であっても良い。さらに，インバータ装置４の起動（７）は，（５）と（６）の間に行うことが可能であることは言うまでもない。

ここで，車上の制御機器の電源電圧は１００Ｖ程度であるのに対し，主回路の電圧はこれよりも大きく，制御機器の電源に高電圧が掛かると制御機器に悪影響を及ぼす虞がある。そのため，接触器７の開放（３）は，少なくとも誘導発電機が発電動作を開始する（５）よりも前に行うと良い。

上記した実施例１により，シンプルな回路構成で，小型，安価且つ高信頼の誘導機を発電機とする車両用駆動システムを提供することができる。

図３は本発明の鉄道車両の駆動装置における別の実施形態を示す図である。図３に記載の実施形態は，主回路の直流部と接触器７の間に，蓄電池６の直流電圧を交流に変換する第二のインバータ装置９と，第二のインバータ装置９の交流出力電圧を変圧する変圧器１０，変圧器１０の二次電圧を直流に変換する整流器８を備える。そして，第二のインバータ装置９，変圧器１０，整流器８，を介して蓄電池６から平滑コンデンサ５に充電を行う。その他の機器構成は図１の駆動装置と同じであり，同じ機能を有する構成要素には図１と同じ記号を付してある。また，誘導発電機の始動時の動作については，実施例１における蓄電池６から減流要素１６を介して平滑コンデンサ５を充電する動作が，第二のインバータ装置９，変圧器１０，整流器８を介して蓄電池６から平滑コンデンサ５の充電する動作に置換わる。その他の動作及び構成は実施例１と同じである。

図３に示す本実施例では，変圧器１０を介して蓄電池６から平滑コンデンサ５を充電するため，平滑コンデンサ５を充電している期間においても，蓄電池６と主回路を絶縁することができる。つまり，接触器７が短絡故障した場合であっても，制御用電源に主回路の高電圧が掛かり，制御機器に悪影響を及ぼすことを防止できるというメリットがある。

また，変圧器１０の巻数比Ｎ（Ｎ＝［二次側（主回路側）の巻数］／［一次側（蓄電池側）の巻数］）を１以上とすることで，蓄電池電圧よりも高い電圧に平滑コンデンサ５を充電できるため，より安定して誘導発電機２を起動することができる。ところで，平滑コンデンサ５に蓄えられるエネルギーは，Ｃ×Ｖ²／２（Ｃは，平滑コンデンサ５の静電容量，Ｖは充電電圧）であるから，図１に示す実施例１では，Ｖは蓄電池電圧以下であるから誘導発電機２を起動するためには，平滑コンデンサ５の静電容量Ｃを十分大きくする必要があった。一方，図３に示す本実施例では，変圧器１０の巻数比により，平滑コンデンサ５の充電電圧Ｖを自由に設定できるので，平滑コンデンサ５の静電容量Ｃが小さい場合にも，誘導発電機２を起動するのに十分なエネルギーを平滑コンデンサ５に蓄えることができるというメリットが得られる。

図３に示す本実施例の回路では，変圧器１０の巻数比をより大きく取ることによってより多くのエネルギーを平滑コンデンサ５に蓄えることができる。エンジン１を起動するのに必要なエネルギーと誘導発電機２を起動するのに必要なエネルギーの和以上となるように平滑コンデンサ５を充電することで，エンジン１が停止している状態において，平滑コンデンサ５により誘導機２を駆動し，エンジン１起動することが可能となる。この結果，エンジン起動用のスターターモータが不要となり，システムを簡略化できるため，より信頼性の高い，駆動システムを提供できる。

図４は本発明の鉄道車両の駆動装置における別の実施形態を示す図である。
図４に示す駆動装置では，変圧器１０の出力をコンバータ装置３の交流入力端に接続した構成である。コンバータ装置３の有する整流機能により，変圧器１０の出力を整流して平滑コンデンサ５への充電を実施できるため，図３に示す実施例２において必要としていた整流器８を省略することができる。

蓄電池６から平滑コンデンサ５への充電時は，接触器１７を開き，接触器１８を閉じ，充電動作以外では接触器１７を閉じ，接触器１８を開く。この接触器１７，１８の動作を除き，充電のシーケンスは図３に示す実施例２と同じである。この実施例３の駆動装置によれば，整流器８を省略できる分，図３に示す実施例２よりもさらに小型，軽量，高信頼の駆動システムを提供することができる。

１ エンジン
２ 誘導発電機
３ コンバータ
４ インバータ
５ 平滑コンデンサ
６ 車上負荷用（低圧）蓄電池
７，１７，１８ 接触器
８ 交流・直流変換装置
９ 直流・交流変換装置
１０ 変圧器
１５ 電動機
１６ 減流要素

Claims (7)

1. エンジンと，前記エンジンによって駆動される誘導発電機と，前記誘導発電機から出力される交流電力を直流電力に変換する第１の電力変換装置と，前記第１の電力変換装置から出力される直流電力を平滑する平滑コンデンサと，前記平滑コンデンサを直流電圧源として駆動用交流電動機を駆動する第２の電力変換装置を備えた鉄道車両の駆動装置において，
   前記第１の電力変換装置が定電圧制御を行う場合における前記平滑コンデンサの直流電圧よりも低電圧であり，前記第１の電力変換装置の制御回路，前記第２の電力変換装置の制御回路，車上信号機器，運転台，鉄道車両内の機器と通信を行う中央制御装置の少なくともいずれかを含む車上の制御機器に前記低電圧の電力を供給する蓄電手段と，
   前記蓄電手段と前記平滑コンデンサの間に接続された接触器と，を備え，
   前記接触器を閉じて前記蓄電手段により前記平滑コンデンサを充電し，前記平滑コンデンサの電圧が前記誘導発電機を励磁するために十分な所定電圧以上となった場合に前記接触器を開放して前記蓄電手段と前記平滑コンデンサの間の絶縁を確保し，前記接触器が開放された後に，前記平滑コンデンサに充電された電力を用いて前記誘導発電機に発電動作開始のための電流を供給することを特徴とする鉄道車両用の駆動装置。
2. 請求項１の鉄道車両の駆動装置において，
   前記平滑コンデンサと前記蓄電手段との間に接続されて前記蓄電手段の電圧を交流に変換する第３の電力変換装置と，第３の電力変換装置からの交流電圧を一次側の入力とする変圧器と，前記変圧器の二次側の交流電圧を整流して前記平滑コンデンサに供給する整流器と，を備え，
   前記第３の電力変換装置及び前記変圧器及び前記整流器を介して前記蓄電手段から前記平滑コンデンサへ充電を行うことを特徴とした鉄道車両の駆動装置。
3. 請求項２の鉄道車両の駆動装置において，
   前記変圧器の二次側の巻数を一次側の巻数よりも多くすることを特徴とする鉄道車両の駆動装置。
4. 請求項２または請求項３の鉄道車両の駆動装置において，
   前記平滑コンデンサに充電された電力を用いて，前記第１の電力変換装置により前記誘導発電機を駆動することで，前記エンジンを起動することを特徴とする鉄道車両の駆動装置。
5. エンジンと，前記エンジンによって駆動される誘導発電機と，前記誘導発電機から出力される交流電力を直流電力に変換する第１の電力変換装置と，前記第１の電力変換装置から出力される直流電力を平滑する平滑コンデンサと，前記平滑コンデンサを直流電圧源として駆動用交流電動機を駆動第２の電力変換装置を備えた鉄道車両の駆動装置において，
   車上の制御機器に電力を供給する蓄電手段と，
   前記蓄電手段と前記平滑コンデンサの間に接続された接触器と，を備え，
   前記接触器を閉じて前記蓄電手段により前記平滑コンデンサを充電し，前記平滑コンデンサに充電された電力を用いて前記誘導発電機に発電動作開始のための電流を供給し、
   前記蓄電手段の電圧を交流に変換する第３の電力変換装置と，第３の電力変換装置からの交流電圧を一次側の入力とする変圧器と，を備え，
   前記変圧器の二次側の交流電圧を，前記第１の電力変換装置の交流入力端に接続し，前記第１の電力変換装置により交流電圧を整流することにより，前記蓄電手段によって前記平滑コンデンサを充電することを特徴とする鉄道車両の駆動装置。
6. 請求項５の鉄道車両の駆動装置において，
   前記変圧器の二次側の巻数を一次側の巻数よりも多くすることを特徴とする鉄道車両の駆動装置。
7. 請求項５または請求項６の鉄道車両の駆動装置において，
   前記平滑コンデンサに充電された電力を用いて，前記第１の電力変換装置により前記誘導発電機を駆動することで，前記エンジンを起動することを特徴とする鉄道車両の駆動装置。