JP6324631B2

JP6324631B2 - 鉄道車両用制御装置

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Publication number: JP6324631B2
Application number: JP2017534050A
Authority: JP
Inventors: 康介時任
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2015-08-10
Filing date: 2015-08-10
Publication date: 2018-05-16
Anticipated expiration: 2035-08-10
Also published as: US20180222328A1; EP3335923B1; EP3335923A1; WO2017026026A1; CN107848425A; EP3335923A4; US10913365B2; JPWO2017026026A1; CN107848425B

Description

この発明は、内燃機関を用いる鉄道車両に搭載される鉄道車両用制御装置に関する。

架線の設備がない非電化路線を走行する鉄道車両に搭載された鉄道車両用制御装置は、ディーゼルエンジンなどの内燃機関により駆動される発電機が生じさせる交流電力を変換して、変換した交流電力を主電動機に供給して主電動機を駆動させる。発電機として、回転によって起電力を生じさせる他励同期発電機が用いられる。また小型化、軽量化、および高効率化を図るために、永久磁石式同期発電機が用いられる場合もある。

特許文献１に開示される鉄道車両の駆動装置は、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を有する。該鉄道車両の駆動装置は、車上の制御装置に電力を供給する蓄電手段により平滑コンデンサを充電し、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力を供給し、誘導発電機を励磁する。

特開２０１４−０１１８２８号公報

特許文献１に開示される鉄道車両の駆動装置においては、蓄電手段と平滑コンデンサとの間に直列に接続された接触器および抵抗器が設けられており、蓄電手段と平滑コンデンサとは電気的に接続される。鉄道車両の走行中は、該鉄道車両の駆動装置において、平滑コンデンサの電圧は高電圧となるが、蓄電手段は低電圧である。該鉄道車両の駆動装置では、接触器が固渋した場合または接触器が誤投入された場合であっても、平滑コンデンサを含む高電圧回路と蓄電手段を含む低電圧回路との間の絶縁性を確保する必要がある。

内燃機関がセルモータを有さない場合、蓄電手段を用いて内燃機関を始動する。蓄電手段は一般的にＤＣ１００Ｖ以下の低電圧であるため、内燃機関の始動時に数１００Ａの大電流が必要となる。そのため、特許文献１に開示される鉄道車両の駆動装置の構成では、蓄電手段の内部抵抗により、端子電圧が一時的に著しく低下し、蓄電手段に接続されている車上の制御機器に悪影響を及ぼす可能性がある。

本発明は上述の事情に鑑みてなされたものであり、内燃機関を用いる鉄道車両に搭載される鉄道車両用制御装置における高電圧回路と低電圧回路の混触を防止しながら、内燃機関によって駆動される発電機に電力を供給することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の鉄道車両用制御装置は、第１の電力変換装置と、平滑コンデンサと、第２の電力変換装置と、第１の蓄電装置と、第１の接触器と、制御部と、第２の蓄電装置とを備える。第１の電力変換装置は、内燃機関によって駆動されて交流電力を生じさせる発電機が一次側に接続され、一次側と二次側との間の双方向の電力変換を行う。平滑コンデンサは第１の電力変換装置の二次側の端子間に接続される。第２の電力変換装置は、入力側と出力側とを絶縁した状態で、入力側に接続される電源から供給される電力を変換して出力する。第１の蓄電装置は、第１の電力変換装置の二次側の端子間に平滑コンデンサと並列に接続され、かつ、第２の電力変換装置の出力側の端子間に接続され、第２の電力変換装置が出力する電力によって充電される。第１の接触器は、平滑コンデンサと第１の蓄電装置との間の電路の開閉を行う。制御部は、第１の電力変換装置および第２の電力変換装置の制御を行う。第２の蓄電装置は、第１の電力変換装置の内部電源または第１の電力変換装置の二次側に接続される負荷装置の内部電源から電力の供給を受ける。第２の蓄電装置は、第２の電力変換装置の入力側に接続される電源である。第１の接触器の投入によって第１の蓄電装置に充電された電力で平滑コンデンサが充電された後に、制御部が第１の電力変換装置を制御することで、第１の電力変換装置は平滑コンデンサに充電された電力の電力変換を行い、変換した電力を発電機を作動させるための電力として供給する。

本発明によれば、鉄道車両用制御装置において、入力側と出力側とを絶縁した状態で電力変換を行う第２の電力変換装置によって充電される第１の蓄電装置を設け、第１の蓄電装置に充電された電力で平滑コンデンサを充電し、平滑コンデンサに充電された電力を変換して発電機に供給することで、高電圧回路と低電圧回路の混触を防止しながら発電機に電力を供給することが可能となる。

本発明の実施の形態１に係る鉄道車両用制御装置の構成例を示すブロック図である。実施の形態１に係る鉄道車両用制御装置の構成例を示すブロック図である。実施の形態１に係る鉄道車両用制御装置が行う内燃機関の始動の動作を示すタイミングチャートである。本発明の実施の形態２に係る鉄道車両用制御装置の構成例を示すブロック図である。本発明の実施の形態３に係る鉄道車両用制御装置の構成例を示すブロック図である。本発明の実施の形態４に係る鉄道車両用制御装置が行う内燃機関の始動の動作を示すタイミングチャートである。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお図中、同一または同等の部分には同一の符号を付す。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る鉄道車両用制御装置の構成例を示すブロック図である。鉄道車両用制御装置１は、例えばディーゼルエンジンなどの内燃機関２の動力で駆動される鉄道車両に搭載される。実施の形態１においては、内燃機関２はセルモータなどの始動装置を有さないため、鉄道車両用制御装置１が内燃機関２を始動させる。鉄道車両用制御装置１は、内燃機関２によって駆動されて交流電力を生じさせる発電機３が一次側に接続される第１の電力変換装置１１と、第１の電力変換装置の二次側の端子間に接続される平滑コンデンサ１２と、第１の電力変換装置の二次側の端子間に平滑コンデンサ１２と並列に接続される負荷装置であるインバータ１３と始動制御部１４とを備える。始動制御部１４は、第１の接触器１５を介して第１の電力変換装置１１の二次側の端子間に平滑コンデンサ１２と並列に接続される第１の蓄電装置１６と、第２の電力変換装置１７とを備える。

図１の例において、第１の電力変換装置１１は、一次側と二次側との間の双方向の電力変換を行うＡＣ（Alternative Current：交流）−ＤＣ（Direct Current：直流）コンバータである。平滑コンデンサ１２は、第１の電力変換装置１１が出力する直流電力および第１の蓄電装置１６から放電される電力のそれぞれを平滑する。インバータ１３は、平滑コンデンサ１２に充電された電力を直流電力から交流電力に変換し、交流電力を電動機４を作動させるための電力として供給する。第２の電力変換装置１７は、入力側と出力側とを絶縁した状態で、入力側に接続される電源から供給される電力を変換して、出力側の端子間に接続される第１の蓄電装置１６に変換した電力を供給する。図１の例において、第２の電力変換装置１７は、ＤＣ−ＤＣコンバータである。

第２の電力変換装置１７の入力側に接続される電源は、例えば、車上の制御機器に電力を供給する蓄電装置である。図２は、実施の形態１に係る鉄道車両用制御装置の構成例を示すブロック図である。図２の例では、第２の電力変換装置１７の入力側に接続される電源は、第２の蓄電装置１９である。第２の蓄電装置１９は、発電機３の駆動中に、入力側と出力側を絶縁した状態で、第１の電力変換装置１１の二次側の端子間に供給される電力の電力変換を行う伝達回路によって充電される。図２の例では、第２の蓄電装置１９は、ＳＩＶ（Static InVerter：静止形インバータ）２０が出力する電力によって充電される。また第２の蓄電装置１９は、図示しない車上の制御機器に電力を供給する。

制御部１８は、第１の電力変換装置１１、インバータ１３、および第２の電力変換装置１７を制御する。制御部１８は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）および内部メモリなどから構成されるプロセッサ、およびＲＡＭ（Random Access Memory）およびフラッシュメモリなどから構成されるメモリを備える。制御部１８は、メモリに記憶されている制御プログラムを実行し、第１の電力変換装置１１、インバータ１３、および第２の電力変換装置１７が有するスイッチング素子に制御信号を送って、第１の電力変換装置１１、インバータ１３、および第２の電力変換装置１７の制御を行う。

図３は、実施の形態１に係る鉄道車両用制御装置が行う内燃機関の始動の動作を示すタイミングチャートである。図３を用いて、鉄道車両用制御装置１による内燃機関２の始動について説明する。第２の蓄電装置１９には、十分な電力が充電されている。時刻Ｔ１において、例えば乗務員のエンジン始動操作によって、鉄道車両用制御装置１による内燃機関２の始動の動作が開始され、該始動操作に応じて、例えば制御部１８が出力する制御信号により第２の電力変換装置１７が起動する。制御部１８が第２の電力変換装置１７を制御し、第２の電力変換装置１７は第２の蓄電装置１９に充電された電力の電力変換を行い第１の蓄電装置１６に電力を供給する。第１の蓄電装置１６は、例えば定電圧充電方式で充電される。なお第２の蓄電装置１９の供給電力の制限または第２の電力変換装置１７の容量などに応じて、通電電流の制限を設けることが好ましい。

時刻Ｔ２において、第１の接触器１５が投入されると、第１の蓄電装置１６に充電された電力による平滑コンデンサ１２の充電が開始される。時刻Ｔ３において平滑コンデンサ１２の充電が完了した後、時刻Ｔ４において第１の電力変換装置１１が起動される。制御部１８が第１の電力変換装置１１を制御し、第１の電力変換装置１１は平滑コンデンサ１２に充電された電力の電力変換を行い、変換した電力を発電機３を作動させるための電力として供給する。電力の供給を受けた発電機３が出力するトルクによって内燃機関２が始動する。その後、時刻Ｔ５において内燃機関２の回転数が安定すると、第１の接触器１５が開放される。例えば内燃機関２の回転数の変動が一定の範囲内にあるか否かによって、内燃機関２の回転数が安定しているか否かを判断することができる。第１の接触器１５が開放されることで、平滑コンデンサ１２を含む高電圧回路と、第２の蓄電装置１９を含む低電圧回路とが、絶縁される。

第１の接触器１５が開放された後、時刻Ｔ６において、制御部１８が第１の電力変換装置１１を制御し、第１の電力変換装置１１は、平滑コンデンサ１２の電圧が一定値、例えばＤＣ６００Ｖとなるような発電機３から供給される電力の変換を開始する。これにより、時刻Ｔ７において、インバータ１３が起動可能な状態となる。その後、乗務員の操作によって、力行指令が入力されると、インバータ１３が起動し、電動機４を駆動し、車両が走行を開始する。

時刻Ｔ２以降、第２の電力変換装置１７によって、第１の蓄電装置１６が充電されるため、平滑コンデンサ１２の充電のために第１の蓄電装置１６の電圧が低下した場合でも、時刻Ｔ８において、第１の蓄電装置１６の電圧は、時刻Ｔ２における電圧と同程度まで上昇する。時刻Ｔ８以降は、内燃機関２の再始動が可能となる。

以上説明したとおり、本実施の形態１に係る鉄道車両用制御装置１によれば、平滑コンデンサ１２を含む高電圧回路と第２の蓄電装置１９を含む低電圧回路との間に第２の電力変換装置１７を設けることで、高電圧回路と低電圧回路の混触を防止しながら、発電機３に電力を供給し、内燃機関２を始動することが可能となる。また第１の蓄電装置１６に充電された電力によって平滑コンデンサ１２を充電し、平滑コンデンサ１２に充電された電力で内燃機関２を始動するため、内燃機関２の始動時に電圧降下が生じて第２の蓄電装置１９に接続される車上の制御機器に悪影響を及ぼすことを防止することができる。

（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２に係る鉄道車両用制御装置の構成例を示すブロック図である。実施の形態２に係る鉄道車両用制御装置１において、第２の蓄電装置１９は、第１の電力変換装置１１またはインバータ１３の内部電源２１から電力の供給を受ける。内部電源２１は、例えば第１の電力変換装置１１またはインバータ１３に含まれるスイッチング回路または制御用リレーを駆動するための電源などである。実施の形態２に係る鉄道車両用制御装置１の内燃機関２の始動の動作については、実施の形態１と同様である。内部電源２１は、一般的に実施の形態１に係る鉄道車両用制御装置１が備える、車上の制御機器に電力を供給する第２の蓄電装置１９より出力が低いため、第２の電力変換装置１７の容量を低くすることができ、鉄道車両用制御装置１の小型化が可能となる。

以上説明したとおり、本実施の形態２に係る鉄道車両用制御装置１によれば、第１の電力変換装置１１またはインバータ１３の内部電源２１から電力の供給を受ける第２の蓄電装置１９を用いることで、鉄道車両用制御装置１の小型化が可能となる。

（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３に係る鉄道車両用制御装置の構成例を示すブロック図である。実施の形態３に係る鉄道車両用制御装置１は、図１に示す実施の形態１に係る鉄道車両用制御装置１の構成に加え、第１の接触器１５と直列に接続される第２の接触器２２と、第２の接触器２２に並列に接続される抵抗器２３と、第１の蓄電装置１６の電圧を検出する電圧検出器２４とを備える。

抵抗器２３が並列に接続された第２の接触器２２を設けることで、第１の接触器１５および第２の接触器２２のいずれかに異常が生じた場合であっても、第１の蓄電装置１６が過電圧の状態になることを防ぐことができる。第１の電力変換装置１１およびインバータ１３が駆動して電動機４を駆動している間は、平滑コンデンサ１２は高電圧の状態である。この状態で、第２の接触器２２が誤投入された場合または第２の接触器２２が固渋した場合に、第１の接触器１５が正常に開放されていれば、第１の蓄電装置１６に高電圧が印加されることはない。また第１の接触器１５が誤投入された場合または第１の接触器１５が固渋した場合であっても、抵抗器２３が設けられているため、第１の蓄電装置１６に流れる電流は制限され、第１の蓄電装置１６の電圧が急激に上昇することはない。

電圧検出器２４を設け、電圧検出器２４で検出された第１の蓄電装置１６の電圧が定められた範囲を超えた場合には、制御部１８は、第１の接触器１５および第２の接触器２２に異常が生じたと判断し、第１の電力変換装置１１およびインバータ１３を停止し、平滑コンデンサ１２を放電するようにしてもよい。これにより、第１の蓄電装置１６を保護することが可能となる。上記範囲は、第１の蓄電装置１６の耐電圧性能に応じて任意に定めることができる。

実施の形態３に係る鉄道車両用制御装置１の内燃機関２の始動の動作については、実施の形態１と同様である。ただし、第１の蓄電装置１６に充電された電力によって平滑コンデンサ１２を充電する場合、すなわち図３の時刻Ｔ２から時刻Ｔ３までの間には、第１の接触器１５が投入された状態で、第２の接触器２２は開放された状態である。平滑コンデンサ４の充電が完了した後、すなわち図３の時刻Ｔ４において第２の接触器２２を投入し、第１の蓄電装置１６と平滑コンデンサ１２とを電気的に接続する。これにより、抵抗器２３における電圧降下が生じないため、第１の蓄電装置１６の定格電圧を下げることができ、抵抗器２３の定格電力を小さくすることができ、鉄道車両用制御装置１の小型化が可能となる。

その後、内燃機関２の回転数が安定すると、第１の接触器１５および第２の接触器２２は開放される。

鉄道車両用制御装置１が備える接触器の数は２つに限られない。また抵抗器２３を、抵抗器２３の投入および切り離しが可能な構成とし、平滑コンデンサ１２を充電する場合と、内燃機関２を始動する場合とで、抵抗器２３の投入条件を変えてもよい。

以上説明したとおり、本実施の形態３に係る鉄道車両用制御装置１によれば、抵抗器２３が並列に接続された第２の接触器２２を第１の接触器１５と直列に接続することで、第１の蓄電装置１６が過電圧となることを防ぐことが可能となる。

（実施の形態４）
実施の形態４に係る鉄道車両用制御装置１の構成は、図１に示す実施の形態１に係る鉄道車両用制御装置１の構成と同じである。実施の形態４においては、内燃機関２がセルモータなどの始動装置を有し、鉄道車両用制御装置１は、誘導発電機である発電機３の励磁を行う。

図６は、本発明の実施の形態４に係る鉄道車両用制御装置が行う内燃機関の始動の動作を示すタイミングチャートである。時刻Ｔ１１において、始動装置によって内燃機関２が始動する。内燃機関２の回転数が安定した後、時刻Ｔ１２において第２の電力変換装置１７が起動される。時刻Ｔ１３において第１の接触器１５が投入され、平滑コンデンサ１２の充電が開始される。時刻Ｔ１４において平滑コンデンサ１２の充電が完了すると、第１の接触器１５は開放される。時刻Ｔ１５において第１の電力変換装置１１が起動し、平滑コンデンサ１２に充電された電力の電力変換を開始し、発電機３を作動させるための電力として供給する。すなわち、第１の電力変換装置１１から発電機３に励磁電流が流れる。その後時刻Ｔ１６において第１の電力変換装置１１がトルク電流を立ち上げて定電圧制御を開始することで、発電機３の発電動作が開始される。制御部１８が第１の電力変換装置１１を制御し、第１の電力変換装置１１は、平滑コンデンサ１２の電圧が一定値となるような発電機３から供給される電力の変換を開始する。これにより、時刻Ｔ１７において、インバータ１３が起動可能な状態となる。実施の形態１と同様に、時刻Ｔ１８において、第１の蓄電装置１６の電圧は、時刻Ｔ１２における電圧と同程度まで上昇する。時刻Ｔ１８以降は、内燃機関２の再始動が可能となる。

以上説明したとおり、本実施の形態１に係る鉄道車両用制御装置１によれば、平滑コンデンサ１２を含む高電圧回路と第２の蓄電装置１９を含む低電圧回路との間に第２の電力変換装置１７を設けることで、高電圧回路と低電圧回路の混触を防止しながら、発電機３を励磁することが可能となる。

本発明の実施の形態は上述の実施の形態に限られず、上述の実施の形態のうち複数の形態を任意に組み合わせたもので構成してもよい。第１の電力変換装置１１および第２の電力変換装置１７の構成は上述の実施の形態に限られない。第２の電力変換装置１７は、入力側と出力側を絶縁した状態で電力変換を行うことができる任意の回路であり、例えば、ＡＣ−ＤＣコンバータであってもよい。

本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。すなわち、本発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。

１鉄道車両用制御装置、２内燃機関、３発電機、４電動機、１１第１の電力変換装置、１２平滑コンデンサ、１３インバータ、１４始動制御部、１５第１の接触器、１６第１の蓄電装置、１７第２の電力変換装置、１８制御部、１９第２の蓄電装置、２０ＳＩＶ、２１内部電源、２２第２の接触器、２３抵抗器、２４電圧検出器。

Claims

内燃機関によって駆動されて交流電力を生じさせる発電機が一次側に接続され、一次側と二次側との間の双方向の電力変換を行う第１の電力変換装置と、
前記第１の電力変換装置の二次側の端子間に接続される平滑コンデンサと、
入力側と出力側とを絶縁した状態で、入力側に接続される電源から供給される電力を変換して出力する第２の電力変換装置と、
前記第１の電力変換装置の二次側の端子間に前記平滑コンデンサと並列に接続され、かつ、前記第２の電力変換装置の出力側の端子間に接続され、前記第２の電力変換装置が出力する電力によって充電される第１の蓄電装置と、
前記平滑コンデンサと前記第１の蓄電装置との間の電路の開閉を行う第１の接触器と、
前記第１の電力変換装置および前記第２の電力変換装置の制御を行う制御部と、
前記第１の電力変換装置の内部電源または前記第１の電力変換装置の二次側に接続される負荷装置の内部電源から電力の供給を受ける第２の蓄電装置と、
を備え、
前記第２の蓄電装置は、前記第２の電力変換装置の入力側に接続される前記電源であり、
前記第１の接触器の投入によって前記第１の蓄電装置に充電された電力で前記平滑コンデンサが充電された後に、前記制御部が前記第１の電力変換装置を制御することで、前記第１の電力変換装置は前記平滑コンデンサに充電された電力の電力変換を行い、変換した電力を前記発電機を作動させるための電力として供給する、
鉄道車両用制御装置。
前記第１の電力変換装置から電力を供給された前記発電機が出力するトルクによって前記内燃機関が始動した後に、前記第１の接触器が開放され、前記制御部が前記第１の電力変換装置を制御することで、前記第１の電力変換装置は前記発電機から供給される電力を変換し、変換した電力を出力する請求項１に記載の鉄道車両用制御装置。
抵抗器が並列に接続された第２の接触器が、前記第１の接触器に直列に接続される請求項１に記載の鉄道車両用制御装置。
前記発電機は誘導発電機であり、
外部の始動装置によって前記内燃機関が始動した後に、前記第１の接触器が開放され、
前記第１の接触器が開放された状態で、前記制御部が前記第１の電力変換装置を制御することで、前記第１の電力変換装置は前記平滑コンデンサに充電された電力の電力変換を行い、変換した電力を前記発電機に供給し、前記発電機が励磁される、
請求項１に記載の鉄道車両用制御装置。