JP6563264B2 - ハイブリッドシステム - Google Patents

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Description

本発明による実施形態は、ハイブリッドシステムに関する。
近年、鉄道等の電気車には、省エネ対策のためにハイブリッド車両が採用されている。ハイブリッド車両は、架線および蓄電装置からの電力を得て主電動機(モータ)等の駆動装置を動作させるハイブリッドシステムを有する。このようなハイブリッドシステムは、電気車の車輪を回転させるために、架線からの電力および/または蓄電装置からの電力を、駆動装置に必要な電力へ変換する。
しかし、従来、蓄電装置の電力は、架線の電力を変換するインバータにおいて架線の電力と同様に変換されていた。従って、もし、インバータが故障した場合、ハイブリッドシステムは、架線および蓄電装置のいずれの電力をも駆動装置へ供給することができなくなってしまうという問題があった。
特開第2014−107944号公報
インバータが故障しても、架線または蓄電装置のいずれか一方の電力を用いて駆動装置を駆動させることができるハイブリッドシステムを提供する。
本実施形態によるハイブリッドシステムは、第1インバータと、蓄電部と、第2インバータとを備える。第1インバータは、電源線からの第1電力を、電気車の負荷に供給される第2電力へ変換する。蓄電部は、電荷を蓄積または供給可能である。第2インバータは、蓄電部からの第3電力を第2電力へ変換する。第1接触器は、第1インバータと負荷との間の第1ノードと第1インバータとの間に電気的に接続されている。第2接触器は、第1ノードと負荷との間に電気的に接続されている。第3接触器は、第1ノードと第2インバータとの間に電気的に接続されている。
本実施形態によるハイブリッドシステム1の構成の一例を示す図。 電気車の力行時におけるシステム1の動作の一例を示す表。 電気車の電力回生時におけるシステム1の動作の一例を示す表。 架線2から蓄電部60への充電時におけるシステム1の動作の一例を示す表。
以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。
図1は、本実施形態によるハイブリッドシステム1(以下、システム1ともいう)の構成の一例を示す図である。システム1は、鉄道等の電気車の制御に用いられる制御システムである。システム1は、電源線としての架線2とグランドとしての線路5との間に電気的に接続されている。システム1は、架線2からパンタグラフ3を介して電力を受け、あるいは、蓄電部60からの電力を受け、この電力を変換してモータMへ供給する。また、システム1は、電気車の車輪4介してグランドとしての線路5に電気的に接続されている。
システム1は、第1インバータ10と、第2インバータ20と、第1〜第5接触器31〜36と、キャパシタ40と、フィルタリアクトル50と、充電抵抗55と、蓄電部60と、トランス70と、リアクトルRとを備えている。
負荷としてのモータMは、システム1の出力に接続されており、電気車を走行させるために電気車の車輪4を駆動させる。モータMは、例えば、三相交流モータであり、永久磁石同期電動機(PMSM)である。PMSMは、電力を供給することによってロータを回転させることができる。一方、PMSMは、永久磁石を用いているため、ロータを機械的に回転させることによって誘起電力(回生電力)を発生する。回生電力は、通常、自車内で消費されるか、架線へ回生されるか、あるいは、蓄電部60へ回生される。尚、モータMは、誘導電動機であってもよい。
第1インバータ10は、架線2とモータMとの間に介在している。第1インバータ10は、複数のゲート(トランジスタ)を備え、それらのゲートをスイッチング制御することによって、架線から得られた直流電力(第1電力)を交流電力(第2電力:例えば、三相交流電力)へ変換する。第1インバータ10において変換された交流電力は、モータMへ供給される。
第2インバータ20は、蓄電部60とモータMとの間に介在している。第2インバータ20は、複数のゲートを備え、それらのゲートをスイッチング制御することによって、蓄電部60から得られた直流電力(第3電力)を交流電力(第2電力)へ変換する。第2インバータ20において変換された交流電力も、モータMへ供給される。
第1接触器31は、第1インバータ10と第1ノードN1との間に電気的に接続されている。第1ノードN1は、第1インバータ10とモータMとの間にある接続ノードである。第1接触器31は、第1インバータ10と第1ノードN1との間の電気的接続を導通状態にし、あるいは、非導通状態とすることができる。
第2接触器32は、第1ノードN1とモータMとの間に電気的に接続されている。第2接触器32は、第1ノードN1とモータMとの間の電気的接続を導通状態にし、あるいは、非導通状態とすることができる。尚、第1および第2接触器31、32は、第1インバータ10とモータMとの間に直列に接続されていると言ってもよい。
第3接触器33は、第1ノードN1と第2インバータ20またはトランス70との間に電気的に接続されている。第3接触器33は、第1ノードN1と第2インバータ20またはトランス70との間の電気的接続を導通状態にし、あるいは、非導通状態とすることができる。
第4接触器34は、パンタグラフ3およびフィルタリアクトル50を介して架線2と第1インバータ10との間に電気的に接続されている。第4接触器34は、架線2またはパンタグラフ3と第1インバータ10との間の電気的接続を導通状態にし、あるいは、非導通状態とすることができる。
第5接触器35は、蓄電部60と第2インバータ20との間に電気的に接続されている。第5接触器35は、蓄電部60の正極端子と第2インバータ20との間の電気的接続を導通状態にし、あるいは、非導通状態とすることができる。
第6接触器36は、充電抵抗55に対して並列に接続されている。通常走行時において、第6接触器36は、導通状態になることによって充電抵抗55を介さずに架線2をキャパシタ40に電気的に接続する。これにより、キャパシタ40およびフィルタリアクトル50が高周波ノイズを除去するローパスフィルタとして機能することができる。また、電気車の起動時に、第6接触器36は、非導通状態になることによって充電抵抗55を介して架線2をキャパシタ40に電気的に接続する。これにより、キャパシタ40への突入電流を抑制しながら、キャパシタ40を充電することができる。尚、第1〜第6接触器31〜36は、例えば、電磁開閉器でよい。
キャパシタ40およびフィルタリアクトル50は、上述の通り、インバータ10に入力される直流電力を安定化させるためのローパスフィルタとして機能する。
蓄電部60は、電荷を蓄積または供給可能に構成されており、第2インバータに対して直流電力(第3電力)を供給する。また、蓄電部60は、第2インバータ20によって直流電力に変換されたモータMからの回生電力を受け、この回生電力によって充電され蓄電することができる。
トランス70は、第2インバータ20とモータMとの間に介在している。トランス70は、第2インバータ20と第3接触器33またはリアクトルRとの間に電気的に接続されている。トランス70は、蓄電部60が第1インバータ10およびモータMと直接接続されることを抑制する。これにより、第2インバータ20が短絡故障したときに、架線2が蓄電部60の負極端子に短絡することを防止する。また、第1インバータ10またはモータMが短絡故障した場合に、蓄電装置4の両端子が第1インバータ10またはモータMを介して短絡することを抑制し、システム1の他の故障を抑制することができる。
本実施形態によるシステム1は、第1〜第5接触器31〜35の導通状態を変更することによって、第1および第2インバータ10、20のいずれか一方またはそれらの両方を用いて電力を供給し、あるいは、電力を回生する。第1および第2インバータ10、20のいずれを用いるかの選択は、第1インバータ10側のシステムの状態、第2インバータ20側のシステム状態等に応じて行われる。例えば、第2インバータ20側のシステムが故障している場合には、第1インバータ10が架線2からの電力(第1電力)を用いてモータMへ電力供給し、あるいは、モータMからの電力を蓄電部60へ回生する。第1インバータ10側のシステムが故障している場合には、第2インバータ20が、蓄電部60からの電力(第3電力)を用いてモータMへ電力供給し、あるいは、モータMからの電力を架線2へ回生する。第1インバータ10側のシステムの状態および第2インバータ20側のシステム状態が両方とも良好である場合には、第1および第2インバータ10、20の両方が、架線2および蓄電部60の両方の電力を用いてモータMへ電力供給し、あるいは、モータMからの電力を架線2および蓄電部60へ回生すればよい。
以下、本実施形態によるシステム1の動作をより詳細に説明する。
図2は、電気車の力行時におけるシステム1の動作の一例を示す表である。図2の表は、第1および第2インバータ10、20の状況に応じた第1〜第4接触器31〜34の導通状態を示している。丸(○)は、第1〜第4接触器31〜34が導通状態であることを示す。クロス(×)は、第1〜第4接触器31〜34が非導通状態であることを示す。尚、電気車の通常の走行時においては、第6接触器36は、導通状態となっており、キャパシタ40およびフィルタリアクトル50が高周波ノイズフィルタとして機能している。従って、図2〜図4では、第6接触器36の導通状態については示していない。
例えば、第1および第2インバータ10、20が正常に動作しており、架線2および蓄電部60の両方からの電力が利用できる場合、システム1は、第1〜第5接触器31〜35を全て導通状態にする。これにより、第1インバータ10は、第4接触器34を介して架線2からの直流電力(第1電力)を得ることができる。第1インバータ10は、架線2からの直流電力(第1電力)を交流電力(第2電力)へ変換し、第1および第2接触器31、32を介して該交流電力をモータMへ供給する。一方、第2インバータ20は、第5接触器35を介して蓄電部60からの直流電力(第3電力)を得ることができる。第2インバータ20は、蓄電部60からの直流電力(第3電力)を交流電力(第2電力)へ変換し、第3および第2接触器33、32を介して該交流電力をモータMへ供給する。このように、第1および第2インバータ10、20がともに正常に動作する場合には、電力供給元は、架線2および蓄電部60の両方であり、システム1は、架線2および蓄電部60の両方の電力を用いてモータMを駆動させる。勿論、必要に応じて、システム1は、架線2または蓄電部60のいずれか一方の電力を用いてモータMを駆動してもよい。
もし、第1インバータ10が故障し、交流電力を第1インバータ10から供給できない(架線2からの電力を利用できない)場合、システム1は、第1および第4接触器31、34を電気的に非導通状態にし、第2、第3および第5接触器32、33、35を電気的に導通状態にする。これにより、第1インバータ10は、第4接触器34によって架線2から電気的に切断され、第1接触器31によって第1ノードN1(モータMおよび第2インバータ20)から電気的に切断される。その結果、架線2からの電力、および、蓄電部60からの電力は、第1インバータ10へ供給されない。例えば、第1インバータ10の故障が短絡故障である場合、このように第1および第4接触器31、34を非導通状態にすることによって、架線2からの電力、および、蓄電部60からの電力がグラントとしての線路5へ短絡しないようにすることができる。一方、第2、第3および第5接触器32、33、35は導通状態であるので、第2インバータ20は、蓄電部60からの直流電力を交流電力へ変換し、該交流電力をモータMへ供給することができる。このように、交流電力を第1インバータ10から供給できない場合、電力供給元は、蓄電部60となる。尚、第1インバータ10以外の部分(例えば、フィルタリアクトル50や充電抵抗55)の故障のより架線2からの電力を利用できない場合についても、同様に動作すればよい。
もし、第2インバータ20が故障し、交流電力を第2インバータ20から供給できない(蓄電部60からの電力を利用できない)場合、システム1は、第3および第5接触器33、35を電気的に非導通状態にし、第1、第2および第4接触器31、32、34を電気的に導通状態にする。これにより、第2インバータ20は、第5接触器35によって蓄電部60から電気的に切断され、第3接触器33によって第1ノードN1(モータMおよび第1インバータ10)から電気的に切断される。その結果、第1インバータ10からの電力は、第2インバータ20へ供給されない。例えば、第2インバータ20の故障が短絡故障である場合、このように第3接触器35を非導通状態にすることによって、架線2の電力がトランス70を介して第2インバータ20に印加されることを抑制することができる。また、第5接触器35を非導通状態にすることによって、蓄電部60の正極端子がその負極端子に短絡しないようにすることができる。一方、第1、第2および第4接触器31、32、34は導通状態であるので、第1インバータ10は、架線2からの直流電力を交流電力へ変換し、該交流電力をモータMへ供給することができる。このように、交流電力を第2インバータ20から供給できない場合、電力供給元は、架線2となる。尚、第2インバータ20以外の部分(例えば、トランス70)の故障により蓄電部60からの電力を利用できない場合についても、同様に動作すればよい。
図3は、電気車の電力回生時におけるシステム1の動作の一例を示す表である。図3の表は、図2と同様に、第1および第2インバータ10、20の状況に応じた第1〜第4接触器31〜34の導通状態を示している。
例えば、第1および第2インバータ10、20が正常に動作しており、モータMからの回生電力を架線2および蓄電部60の両方へ回生できる場合、システム1は、第1〜第5接触器31〜35を全て導通状態にする。これにより、第1インバータ10は、第1および第2接触器31、32を介してモータMからの回生電力を受け、該回生電力(交流電力)を直流電力へ変換する。第1インバータ10は、第4接触器34を介して該直流電力を架線2へ回生させることができる。一方、第2インバータ20は、第2接触器32、第3接触器33およびトランス70を介してモータMからの回生電力を受け、該回生電力を直流電力へ変換する。第2インバー20は、第5接触器35を介して該直流電力を蓄電部60へ回生させることができる。このように、第1および第2インバータ10、20がともに正常に動作する場合には、電力回生先は、架線2および蓄電部60の両方であり、システム1は、モータMからの回生電力を架線2および蓄電部60の両方へ回生させることができる。勿論、必要に応じて、システム1は、回生電力を架線2または蓄電部60のいずれか一方へ回生してもよい。
もし、第1インバータ10が故障し、モータMからの回生電力を架線2へ回生できない場合、システム1は、第1および第4接触器31、34を電気的に非導通状態にし、第2、第3および第5接触器32、33、35を電気的に導通状態にする。これにより、第1インバータ10は、第4接触器34によって架線2から電気的に切断され、第1接触器31によって第1ノードN1(モータMおよび第2インバータ20)から電気的に切断される。その結果、モータMからの回生電力は、第1インバータ10へ供給されない。例えば、第1インバータ10の故障が短絡故障である場合、このように第1および第4接触器31、34を非導通状態にすることによって、架線2からの電力および蓄電部60からの電力だけでなく、モータMからの回生電力もグラントとしての線路5へ短絡しないようにすることができる。一方、第2、第3および第5接触器32、33、35は導通状態であるので、第2インバータ20は、モータMからの回生電力を直流電力へ変換し、該直流電力を蓄電部60へ回生(蓄電)することができる。このように、モータMからの回生電力を架線2へ回生できない場合、電力回生先は、蓄電部60となる。尚、第1インバータ10以外の部分(例えば、フィルタリアクトル50や充電抵抗55)の故障により電力を架線2へ回生できない場合についても、同様に動作すればよい。
もし、第2インバータ20が故障し、モータMからの回生電力を蓄電部60へ回生できない場合、システム1は、第3および第5接触器33、35を電気的に非導通状態にし、第1、第2および第4接触器31、32、34を電気的に導通状態にする。これにより、第2インバータ20は、第5接触器35によって蓄電部60から電気的に切断され、第3接触器33によって第1ノードN1(モータMおよび第1インバータ10)から電気的に切断される。その結果、モータMからの回生電力は、第2インバータ20へ回生されない。例えば、第2インバータ20の故障が短絡故障である場合、このように第3接触器33を非導通状態にすることによって、モータMからの回生電力がトランス70を介して第2インバータ20に印加されることを抑制することができる。また、第5接触器35を非導通状態にすることによって、蓄電部60の正極端子がその負極端子に短絡しないようにすることができる。一方、第1、第2および第4接触器31、32、34は導通状態であるので、第1インバータ10は、モータMからの回生電力を直流電力へ変換し、該直流電力を蓄電部60へ回生(蓄電)することができる。このように、モータMからの回生電力を蓄電部60へ回生できない場合、電力回生先は、架線2となる。尚、第2インバータ20以外の部分(例えば、トランス70)の故障によりモータMからの回生電力を蓄電部60へ回生できない場合についても、同様に動作すればよい。
図4は、架線2から蓄電部60への充電時におけるシステム1の動作の一例を示す表である。図4の表は、蓄電部60の充電時における第1〜第5接触器31〜35の導通状態を示している。蓄電部60の電力が十分でない場合、架線2からの電力のみでモータMを駆動する必要がある。この場合に第1インバータ10が故障すると、電気車は走行することができなくなってしまう。そこで、システム1は、架線2の電力を用いて蓄電部60を充電する。
例えば、電気車の停車時に、架線2からの電力を用いて蓄電部60を充電する場合、システム1は、第2接触器32を電気的に非導通状態にし、第1、第3、第4および第5接触器31、33、34、35を電気的に導通状態にする。これにより、モータMは、第2接触器32によって第1ノードN1(第1および第2インバータ10、20)から電気的に切断される。その結果、架線2および蓄電部60からの電力は、モータMへ供給されず、モータMを駆動しない。一方、第1、第3、第4および第5接触器31、33、34、35は導通状態であるので、第1インバータ10は、第4接触器34を介して架線2からの直流電力を受け、該直流電力を交流電力へ変換することができる。さらに、第1インバータ10は、第1接触器31、第1ノードN1、第3接触器33を介して該交流電力を第2インバータ20へ供給する。第2インバータ20は、第1インバータ10からの交流電力を直流電力へ変換し、第5接触器35を介して該直流電力を蓄電部60へ蓄電する。このように、システム1は、モータMを駆動させることなく、架線2の電力を用いて蓄電部60を充電することができる。
以上のように、本実施形態によるシステム1は、架線2からの直流電力を交流電力へ変換して、該交流電力をモータMへ供給する第1インバータ10と、蓄電部60からの直流電力を交流電力へ変換して、該交流電力をモータMへ供給する第2インバータ20とを個別に備えている。また、システム1は、第1〜第5接触器31〜35を備えている。これにより、第1インバータ10が故障した場合には、第2インバータ20が蓄電部60からの電力をモータMへ供給し、あるいは、モータMからの回生電力を蓄電部60へ回生させることができる。第2インバータ20が故障した場合には、第1インバータ10が架線2からの電力をモータMへ供給し、あるいは、モータMからの回生電力を架線2へ回生させることができる。即ち、第1および第2インバータ10、20の一方が故障した場合であっても、その他方が電力を架線または蓄電装置のいずれか一方の電力を用いてモータMを駆動させることができる。
また、第2インバータ20とモータMとの間にトランス70が設けられているので、第1インバータ10またはモータMが短絡故障した場合に、蓄電装置4の正極端子と負極端子とが第1インバータ10またはモータMを介して短絡することを抑制することができる。これにより、電気車の安全性が向上する。
第1および第2インバータ10、20が正常である場合には、システム1は、架線2および蓄電部60の両方からの電力を用いてモータMを駆動することができる。
さらに、システム1は、第2接触器32を非導通状態とし、他の接触器31,33、34を導通状態にすることによって、架線2の電力をモータMへ供給すること無く、蓄電部60に供給することができる。即ち、電気車の停車時に、システム1は、架線2の電力を用いて、蓄電部60を充電することができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
1・・・システム、10・・・第1インバータ、20・・・第2インバータ、31〜36・・・第1〜第6接触器、40・・・キャパシタ、50・・・フィルタリアクトル、55・・・充電抵抗、60・・・蓄電部、70・・・トランス

Claims (10)

  1. 電源線からの第1電力を、電気車の負荷に供給される第2電力へ変換する第1インバータと、
    電荷を蓄積または供給可能な蓄電部と、
    前記蓄電部からの第3電力を前記第2電力へ変換する第2インバータと
    前記第1インバータと前記負荷との間の第1ノードと前記第1インバータとの間に電気的に接続された第1接触器と、
    前記第1ノードと前記負荷との間に電気的に接続された第2接触器と、
    前記第1ノードと前記第2インバータとの間に電気的に接続された第3接触器とを備えたハイブリッドシステム。
  2. 前記第2インバータと前記負荷との間に電気的に接続されているトランスをさらに備えた、請求項1に記載のハイブリッドシステム。
  3. 電源線からの第1電力を、電気車の負荷に供給される第2電力へ変換する第1インバータと、
    電荷を蓄積または供給可能な蓄電部と、
    前記蓄電部からの第3電力を前記第2電力へ変換する第2インバータと、
    前記第2インバータと前記負荷との間に電気的に接続されているトランスと、
    前記第1インバータと前記負荷との間の第1ノードと前記第1インバータとの間に電気的に接続された第1接触器と、
    前記第1ノードと前記負荷との間に電気的に接続された第2接触器と、
    前記第1ノードと前記トランスとの間に電気的に接続された第3接触器とを備えた、ハイブリッドシステム。
  4. 前記第1インバータが前記第2電力を供給できず、前記第2インバータが前記第2電力を供給できる場合、
    前記第1接触器は、電気的に非導通状態となり、
    前記第2および第3接触器は、電気的に導通状態となる、請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のハイブリッドシステム。
  5. 前記第1インバータが前記負荷からの電力を前記電源線へ回生できず、前記第2インバータが前記負荷からの電力を前記蓄電部へ回生できる場合、
    前記第1接触器は、電気的に非導通状態となり、
    前記第2および第3接触器は、電気的に導通状態となる、請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のハイブリッドシステム。
  6. 前記第1インバータが前記第2電力を供給でき、前記第2インバータが前記第2電力を供給できない場合、
    前記第3接触器は、電気的に非導通状態となり、
    前記第1および第2接触器は、電気的に導通状態となる、請求項1から請求項5のいずれか一項に記載のハイブリッドシステム。
  7. 前記第1インバータが前記負荷からの電力を前記電源線へ回生でき、前記第2インバータが前記負荷からの電力を前記蓄電部へ回生できない場合、
    前記第3接触器は、電気的に非導通状態となり、
    前記第1および第2接触器は、電気的に導通状態となる、請求項1から請求項6のいずれか一項に記載のハイブリッドシステム。
  8. 前記電源線からの前記第1電力を用いて前記蓄電部を充電する場合、
    前記第2接触器は、電気的に非導通状態となり、
    前記第1および第3接触器は、電気的に導通状態となり、
    前記第1インバータは、前記電源線からの前記第1電力を前記第2電力へ変換し、該第2電力を前記第2インバータへ供給し、
    前記第2インバータは、前記第2電力を前記第3電力へ変換し、該第3電力を前記蓄電部へ蓄電する、請求項1から請求項7のいずれか一項に記載のハイブリッドシステム。
  9. 前記第1および第2インバータがともに前記第2電力を前記負荷に供給する場合、
    前記第1から第3接触器は、電気的に導通状態となる、請求項1から請求項8のいずれか一項に記載のハイブリッドシステム。
  10. 前記第1インバータと前記電源線との間に接続された第4接触器と、
    前記第2インバータと前記蓄電部との間に接続された第5接触器とをさらに備え、
    前記第1インバータが前記第2電力を供給できず、前記第2インバータが前記第2電力を供給できる場合、並びに、前記第1インバータが前記負荷からの電力を前記電源線へ回生できず、前記第2インバータが前記負荷からの電力を前記蓄電部へ回生できる場合、前記第4接触器は、前記第1接触器とともに電気的に非導通状態となり、かつ、前記第5接触器は、前記第3接触器とともに電気的に導通状態となり、
    前記第1インバータが前記第2電力を供給でき、前記第2インバータが前記第2電力を供給できない場合、前記第1インバータが前記負荷からの電力を前記電源線へ回生でき、前記第2インバータが前記負荷からの電力を前記蓄電部へ回生できない場合、並びに、前記電源線からの前記第1電力を用いて前記蓄電部を充電する場合、前記第4接触器は、前記第1接触器とともに電気的に導通状態となり、かつ、前記第5接触器は、前記第3接触器とともに電気的に非導通状態となる、請求項1から請求項9のいずれか一項に記載のハイブリッドシステム。
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