JP6672017B2 - 電気車制御装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、電気車制御装置に関する。

従来、電気車には、交流架線から供給された電力を所望の形態の電力に変換して、変換した電力を駆動用電動機および他の車両を牽引する電気車に供給する制御装置が知られている。しかしながら、上述した制御装置とは別体に他車用に電力を供給する電源装置が設置されている場合があった。このため、制御装置および電源装置を、電気車に設置する場合、設置スペースの確保や、設置場所の設計が困難である場合があった。また、設置後にメンテナンス作業が煩雑である場合があった。

特開２００９−７２０４９号公報

本発明が解決しようとする課題は、利便性の高い電気車制御装置を提供することである。

実施形態の電気車制御装置は、主変換装置と、補助電源装置と、客車電源装置とをそれぞれが収容する第１の筐体と、第２の筐体とを有する。主変換装置は、架線から供給された交流電力を直流電力に変換し、前記変換した直流電力を駆動用電動機に用いる交流電流に変換する。客車電源装置は、前記主変換装置を介さずに前記架線から供給された交流電力を直流電力に変換し、前記変換した直流電力を第１の用途に用いる交流電流に変換する。客車電源装置は、前記主変換装置を介さずに前記架線から供給された交流電力を第２の用途に用いる直流電力に変換するＰＷＭコンバータを有する。前記第１の筐体に収容される前記客車電源装置と、前記第２の筐体に収容される前記客車電源装置とは、出力側で並列接続されている。

実施形態の電気車制御装置３０Ａおよび３０Ｂを搭載した電気車システム１の概要構成図。 主変換装置および補助電源装置と、客車電源装置とが別体に設けられた電気車制御装置の一例を示す図。 位相整流装置２１０の詳細を示す図。 第３コンバータ７０の一例を示す図。 電気車制御装置および客車電源装置が設けられた車両Ｍ１およびＭ２の一例を示す図。 電気車制御装置３０の冷却設備の一例を示す図 ２の実施形態の電気車システム１の概要構成を示す図。

以下、実施形態の電気車制御装置を、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、実施形態の電気車制御装置３０Ａおよび３０Ｂを搭載した電気車システム１の概要構成図である。電気車制御装置３０Ａおよび３０Ｂが搭載された電気車（例えば電気機関車）は、交流電力の供給源である架線Ｐに集電器１０が接触することにより、架線Ｐから電力供給を受けて走行する。

電気車システム１は、主要な構成要素として、車輪Ｗと、モータＭａからＭｄと、集電器１０と、変圧器２０と、電気車制御装置３０Ａおよび３０Ｂと、統合制御部１００と、第１制御部１１０と、第２制御部１２０とを備える。以下、電気車制御装置３０Ａおよび３０Ｂを、特別に区別しない場合は、単に「電気車制御装置３０」と称する。また、電気車制御装置３０Ａおよび３０Ｂの機能構成は同様であり、同様の数字の符号が付された名称は機能構成が同様である。

集電器１０には、架線Ｐから交流電力が供給される。変圧器２０は、集電器１０から出力された交流電力の電圧を所望の電圧に変換する。所望の電圧に変換された交流電力は、電気車制御装置３０に出力される。

統合制御部１００、第１制御部１１０、および第２制御部１２０は、例えば、電気車制御装置３０が備えるＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサがプログラムメモリに格納されたプログラムを実行することで機能するソフトウェア機能部である。また、統合制御部１００、第１制御部１１０、および第２制御部１２０の一部または全部は、ＬＳＩ（Large Scale Integration）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）等のハードウェア機能部であってもよい。

統合制御部１００は、通信線を介して第１制御部１１０および第２制御部１２０と通信する。図１に示す点線は通信線示す。統合制御部１００は、電気車の状態や、マスターコントローラ（不図示）から入力された信号（ノッチ数など）等に基づいて、電気車制御装置３０を制御するための制御信号を生成し、第１制御部１１０または第２制御部１２０に出力する。第１制御部１１０および第２制御部１２０は、例えば統合制御部１００から取得した制御信号に基づいて、電気車制御装置３０が有するコンバータや、インバータを制御するための信号を生成し、出力する。

電気車制御装置３０は、主変換装置、補助電源装置、および客車電源装置を備える。主変換装置、補助電源装置、および客車電源装置は、１つの筐体内に収容される。

（主変換装置）
主変換装置は、第１コンバータ３２ａおよび３２ｂと、フィルタコンデンサ３４ａおよび３４ｂと、第１インバータ３６ａおよび３６ｂと、第１コンバータ制御部４０ａおよび４０ｂと、第１インバータ制御部４２ａおよび４２ｂとを有する。主変換装置の機能構成の符号の後に付された「ａ」から「ｄ」の符号は、いずれのモータ（「モータＭａ」から「モータＭｄ」）に対して電力を供給するかを示す符号である。以下、各機能構成の数字の後に付した符号は省略して説明する。

第１コンバータ３２は、変圧器２０から供給される単相交流電圧を直流電圧に変換する。第１コンバータ３２は、例えばＰＷＭ（Pulse Width Modulation）コンバータである。第１コンバータ制御部４０は、第１制御部１１０（または第２制御部１２０）から取得した制御信号に基づいて、交流電圧を所望の直流電圧に変換させるための制御信号を第１コンバータ３２に出力する。フィルタコンデンサ３４は、第１コンバータ３２から出力された直流電圧の脈動成分を平滑化する。

第１インバータ３６は、第１コンバータ３２側から供給される直流電圧を用いて、三相の交流電圧を生成し、生成した交流電圧に応じた電力をモータＭに供給する。第１インバータ３６は、例えばＶＶＶＦインバータである。ＶＶＶＦインバータは、直流の電圧を、出力すべき交流電圧の振幅に応じてパルスの幅を決定する。第１インバータ制御部４２は、第１インバータ３６の半導体素子を制御することで、第１インバータ３６に所望の交流電圧を生成させる。

モータＭは、三相交流によってロータを回転させ、駆動力を出力する。モータＭの出力する駆動力は、図示しない歯車等の連結機構を介して車輪Ｗに伝達され、電気車を走行させる。モータＭは、例えば、かご型三相誘導電動機である。なお、車輪Ｗは、線路Ｒを介して接地される。

（補助電源装置）
補助電源装置は、第２コンバータ５０と、フィルタコンデンサ５２と、第２インバータ５４と、ＡＣフィルタ５６と、第２コンバータ制御部６０と、第２インバータ制御部６２とを有する。

第２コンバータ５０は、変圧器２０から供給される単相交流電圧を直流電圧に変換する。第２コンバータ５０は、例えばＰＷＭコンバータである。第２コンバータ制御部６０は、第１制御部１１０（または第２制御部１２０）から取得した制御信号に基づいて、交流電圧を所望の直流電圧に変換させるための制御信号を第２コンバータ５０に出力する。フィルタコンデンサ５２は、第２コンバータ５０から出力された直流電圧の脈動成分を平滑化する。

第２インバータ５４は、第２コンバータ５０側から供給される直流電圧を用いて、三相の交流電圧を生成し、生成した交流電圧に応じた電力をＡＣフィルタ５６に供給する。第２インバータ５４は、例えばＣＶＣＦインバータである。第２インバータ制御部６２は、第２インバータ５４の半導体素子を制御することで、第２インバータ５４に所望の交流電圧を生成させる。

ＡＣフィルタ５６は、例えばリアクトルと、コンデンサとを備える。ＡＣフィルタ５６は、第２インバータ５４から出力された電圧に含まれる高周波成分を減衰させて、正弦波状の交流波形にする。正弦波状の交流波形を有する電力は、電気機関車の電装品や、コンプレッサーを駆動するのに用いられる。

（客車電源装置）
客車電源装置は、第３コンバータ７０と、フィルタコンデンサ７２と、第３コンバータ制御部８０とを有する。第３コンバータ７０は、変圧器２０から供給される単相交流電圧を直流電圧に変換する。第３コンバータ７０は、例えばＰＷＮコンバータである。第３コンバータ制御部８０は、交流電力を所望の直流電力に変換させるための制御信号を第３コンバータ７０に出力する。フィルタコンデンサ７２は、第３コンバータ７０から出力された直流電圧の脈動成分を平滑化する。

第３コンバータ７０は、変換した直流電圧の電力を電気機関車が牽引する客車に出力する。第３コンバータ７０から出力された電力は、客車に備えられた空調装置を含む各種機器を駆動するために用いられる。電気車制御装置３０Ａの第３コンバータ７０と、電気車制御装置３０Ｂの第３コンバータ７０とは、出力側で共通化されている。このため、一方の客車電源装置が故障等した場合であっても、客車への電力の供給を維持することができる。

第１の実施形態の電気車システム１では、電気車制御装置３０は、例えば機関車内に２台搭載される。客車電源の交流側入力は変圧器の４次巻線からとっており電圧は３００Ｖ程度と低く、客車電源に必要な４００ｋＷ程度を取ろうとすると１巻線では大電流となり、主変圧器の巻線を構成するが難しくなる。このため、４次巻線を二巻線とし、一巻線当たりの電流を低く抑える。客車電源装置は、電気車制御装置３０（３０Ａおよび３０Ｂ）内に１台ずつ合計２台設けられる。客車電源装置は、直流側出力が並列接続され、客車電源装置から出力された電力は、客車用の電源として客車に供給される。このような構成するにすることにより、客車電源装置に含まれるコンバータを比較的小さく構成することが可能である。また、電気車制御装置３０に用いられる一系統の冷却システムを用いて、主変換装置、補助電源装置、および客車電源装置を冷却することができる（図６参照）。

ここで、主変換装置および補助電源装置と、客車電源装置とは、別体に設けられる場合がある。図２は、主変換装置および補助電源装置と、客車電源装置とが別体に設けられた電気車制御装置の一例を示す図である。図２に示す電気車制御装置１３０Ａおよび１３０Ｂは、主変換装置および補助電源装置を備え１つの筐体に収容されるが、客車電源装置２００は他の筐体に収容される。客車電源装置２００を制御する制御部が、客車電源装置２００に含まれるスイッチング素子の通流率を制御する。これにより、客車電源装置２００は、変圧器２０から供給された単相交流電圧を直流電圧に変換する。平滑回路は、変換された直流電圧を平滑化して、平滑化した直流電圧の電力を客車に供給する。

客車電源装置２００は、位相整流装置２１０と、位相整流側制御部２１５と、位相整流装置２１０の出力側にリアクトル２２０と、コンデンサ２３０とを含む平滑回路を備える。図３は、位相整流装置２１０の詳細を示す図である。位相整流装置２１０は、複数のサイリスタ等の素子２１２−１から２１２−４を有する。また、位相整流側制御部２１５は、例えば統合制御部１００と通信線で接続されている。位相整流側制御部２１５は、統合制御部１００からの指示に基づいて、自装置を制御する。

位相整流側制御部２１５は、素子２１２−１から２１２−４をオン状態にするときの位相については、任意に設定することができる。一方、位相整流側制御部２１５は、電流がゼロになったときのみ素子２１２−１から２１２−４をオフ状態にすることができるため、素子をオフ状態にするときの位相については、任意に設定することができない。また、位相整流装置２１０は、素子２１２−１から２１２−４のオン状態またはオフ状態の切り替え（スイッチング）は、電源の周波数６０［Ｈｚ］における半周期に一度だけとなるため、出力される直流電圧を細かく制御することができない。直流電圧のリップルを抑えるため、位相整流装置２１０の出力側には、大型のリアクトル２２０とコンデンサ２３０とを含む平滑回路が必要である。客車に供給する必要がある電力は、例えば４００［ｋＷ］程度の容量である。１台の客車電源装置２００が、この容量を客車に供給するため、位相整流装置２１０およびリアクトル２２０は、大型化する場合があった。更に、このリアクトル２２０を冷却するための専用の冷却装置が必要であった。

これに対して、本実施形態の電気車制御装置３０は、客車電源装置を含む。客車電源装置は、第３コンバータ７０を有する。第３コンバータ７０は、例えばＰＷＭコンバータである。図４は、第３コンバータ７０の一例を示す図である。第３コンバータ制御部８０は、ＰＷＭコンバータにはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の自己消弧型の素子７１−１から７１−４が用いられているため、電流の状態に関わらず、任意の位相角で素子７１−１から７１−４をオン状態またはオフ状態に制御することができる。これにより、第３コンバータ制御部８０は、電源周波数５０［Ｈｚ］の１周期において、４５回、第３コンバータ７０が有する素子７１−１から７１−４のスイッチングを行う。この結果、第３コンバータ制御部８０は、２２５０［Ｈｚ］のスイッチングができ、出力される直流電圧のリップルを抑えることができる。

本実施形態では、出力側には、リアクトルを設ける必要がなくなり、電気車制御装置３０の筐体内に客車電源装置を設けることができるようになった。また、リアクトルに対する専用の冷水装置を設ける必要がなくなったため、電気車制御装置３０に設けられる装置を一系統の冷却機構で冷却することができる。

図５は、電気車制御装置および客車電源装置が設けられた車両Ｍ１およびＭ２の一例を示す図である。図５（Ａ）は、客車電源装置２００と、主変換装置および補助電源装置を１つの筐体内に収容する電気車制御装置１３０Ａおよび１３０Ｂとが設けられた車両Ｍ１およびＭ２の一例を示す図である。車両Ｍ１およびＭ２は、他の車両を牽引する車両（電気機関車）であって、同じ列車の編成に含まれる車両である。客車電源装置２００および電気車制御装置１３０は、車両Ｍ１の床面Ｆ１上および車両Ｍ２の床面Ｆ２上に載置される。以下、車両Ｍ１およびＭ２を区別しない場合は、単に「車両Ｍ」と称し、床面Ｆ１および床面Ｆ２を区別しない場合は、単に「床面Ｆ」と称する。

電気車制御装置１３０Ａと、電気車制御装置１３０Ｂとは、床面Ｆの幅方向に並んで載置される。また、客車電源装置２００は、電気車制御装置１３０Ａの（例えば進行方向とは反対側の）長手方向側に載置される。この場合、床面Ｆにおける機器の載置状態が非対称となり、電気車に装置等を取り付けに対する利便性が低い場合があった。例えば、装置の取り付けの際の設計を共通化することができなかったり、装置を取り付ける部品を共有化することができなかったりするためである。

これに対して、本実施形態では、主変換装置、補助電源装置および客車電源装置を１つの筐体に収容した電気車制御装置３０が設けられた車両Ｍ１およびＭ２の床面に設けられるため、利用者の利便性を向上させることができる。図５（Ｂ）は、電気車制御装置３０が設けられた車両Ｍ１およびＭ２の一例を示す図である。電気車制御装置３０Ａおよび３０Ｂは、床面Ｆの幅方向に並んで載置される。この場合、床面Ｆにおける機器の載置状態が対称となり、装置の取り付けの際の設計を共通化することができたり、装置を取り付ける部品を共有化することができたりすることができる。この結果、電気車制御装置３０は、利用者の利便性を向上させることができる。

以下、より具体的に本実施形態の電気車制御装置３０の奏する効果について説明する。

（保守性の向上）
上述のように電気車制御装置３０のコンバータは、ＩＧＢＴがスイッチングする際、または通電する際に発生する損失による発熱する。従来から発熱を抑える機構として、水を各冷却器に循環させて冷却する循環水冷、あるいは冷却ファンによる空冷を用いている場合があった。従来の構成では、電気車制御装置は水冷であり、客車電源装置は空冷であった。この理由は、従来からこれらの装置が別体として、かつ異なる冷却方式で製造されてきたという歴史的な経緯によるものである。

ここで、空冷方式と水冷方式とを比較すると、保守性の観点からは、一般に水冷方式が簡便であると考えられる。空冷方式を採用する場合は、電源装置にフィンを設ける必要があり、また付着ダストの清掃が必要となるなど、水冷方式に比較すると保守作業が煩雑であるためである。

図６は、電気車制御装置３０の冷却設備の一例を示す図である。電気車制御装置３０は、流路４００および４１０と、ポンプＰを有する。ポンプＰは、熱交換器から供給された液体（媒体）を貯蓄するストレージタンクに貯まった液体を流路４００および４１０に吐出する。流路４００および４１０は、ポンプＰから吐出された液体を電気車制御装置３０内で循環させ、循環させた液体を熱交換器（不図示）に送る。また、流路４００および４１０は、主変換電源装置、補助電源装置、および客車電源装置内を循環する流路と連結されている。流路４００および４１０に連結された流路は、液体を循環させることにより、主変換装置、補助電源装置、および客車電源装置を冷却する。なお、主変換装置を冷却するための流路は、第１コンバータ３２を冷却する流路と、第１インバータ３６を冷却する流路とを含む。

第１の実施形態の電気車制御装置３０は、冷却方式を全て水冷方式に統一することができる。この形態では、従来用いてきた水冷管を延長するのみで良く、またメンテナンスも水冷用設備を対象に一本化することができ、更に、上述のように保守内容も簡便である。従って、保守性を向上することができる。

（客車用電源入力力率の向上）
従来の客車電源装置では、図３で示したように直流整流回路が用いられていたため位相の制御のみが可能であり力率の制御ができなかった。これに対して、第１の実施の形態では客車用電源装置の交流側入力は交流を直流に変換するＰＷＭコンバータである。ＰＷＭコンバータは、電流の制御が可能であるため、力率を制御することが可能である。力率を１に制御できるため客車用電源装置の効率を向上させることができる。

以上説明した第１の実施形態の電気車制御装置３０は、主変換装置、補助電源装置、および客車電源装置を１つの筐体内に収容することにより、利用者の利便性を向上させることができる。

（第２の実施形態）
以下、第２の実施形態について説明する。ここでは、第１の実施形態との相違点を中心に説明し、第１の実施形態との共通する機能等についての説明は省略する。第１の実施形態では、電気車システム１Ａは、電気車制御装置３０Ａおよび３０Ｂを備えるものとしたが、第２の実施形態の電気車システム１Ａは、電気車制御装置３０Ｂを備えず、電気車制御装置３０Ａを備える。

図７は、第２の実施形態の電気車システム１Ａの概要構成を示す図である。第２の実施形態の電気車システム１Ａは、電気車制御装置３０Ａ、統合制御部１００、および第１制御部１１０を備える。

従来は、駆動用の電動機を駆動する駆動用の交流を直流に変換するＰＷＭコンバータと、フィルタコンデンサと、ＶＶＶＦインバータと、電気機関車内のコンプレッサーなどの設備に電力を供給する補助電源装置とは同一装置内に搭載されていたが、客車電源装置は別装置となっていた。これに対して電気車制御装置３０に用いられるＰＷＭコンバータは、直流の出力側にリアクトルを設ける必要がないため、その分装置として小型化することが可能である。これにより、電気車制御装置３０内に客車電源装置を搭載することが可能となった。この結果、電気機関車に搭載する装置の数を減らすことが可能となり電気車システム全体の小型化を行うことができる。一例としては、従来、別装置として設けられていた客車電源装置は８００ｍｍ×１５５０ｍｍ×１０００ｍｍ＝１．２４ｍ^３程度の大きさがあったが、本実施形態の電気車制御装置３０内の客車電源装置部分は６００×２０５０×８６０＝１．０６ｍ^３であり容積として約２割削減される。これにより客車電源装置を主変換装置内に一体として収容した構成とすることが可能となった。

以上説明した第２の実施形態によれば、電気車制御装置３０Ａは、客車電源装置を含み、別体として客車電源装置を設ける必要がなくなったため、装置のサイズを低減させることができる。

なお、本実施形態では、電気車制御装置３０は、２つの主変換装置を含むものとして説明したが、電気車制御装置３０は、任意の数の主変換装置を含んでもよい。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、架線Ｐから供給された交流電力を直流電力に変換し、変換した直流電力をモータＭに用いる交流電流に変換する主変換装置と、架線Ｐから供給された交流電力を直流電力に変換し、変換した直流電力を第１の用途に用いる交流電流に変換する補助電源装置と、架線から供給された交流電力を第２の用途に用いる直流電力に変換する客車電源装置とを１つの筐体内に収容することにより、利便性の高い電気車制御装置を提供することができる。

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。

１，１Ａ…電気車システム、３０Ａ、３０Ｂ…電気車制御装置、３２ａ、３２ｂ…第１コンバータ、３６ａ、３６ｂ…第１インバータ、５０…第２コンバータ、５４…第２インバータ、７０…第３コンバータ

Claims (4)

1. 架線から供給された交流電力を直流電力に変換し、前記変換した直流電力を駆動用電動機に用いる交流電流に変換する主変換装置と、
   前記主変換装置を介さずに前記架線から供給された交流電力を直流電力に変換し、前記変換した直流電力を第１の用途に用いる交流電流に変換する補助電源装置と、
   前記主変換装置を介さずに前記架線から供給された交流電力を第２の用途に用いる直流電力に変換するＰＷＭコンバータを有する客車電源装置と、
   をそれぞれが収容する第１の筐体と、第２の筐体とを有し、
   前記第１の筐体に収容される前記客車電源装置と、前記第２の筐体に収容される前記客車電源装置とは、出力側で並列接続されている、
   電気車制御装置。
2. 前記主変換装置、前記補助電源装置、および前記客車電源装置に共通して用いられる媒体を循環させる循環路を、更に備える、
   請求項１記載の電気車制御装置。
3. 前記第１の用途は、他の車両を牽引する牽引車両に設けられたコンプレッサーを含む設備を駆動することであり、
   前記第２の用途は、前記他の車両に設けられた空調装置を含む設備を駆動することである、
   請求項１または請求項２記載の電気車制御装置。
4. 前記第１の筐体は、列車の幅方向に関する第１側に配置可能であり、
   前記第２の筐体は、前記列車の前記幅方向に関する第２側に配置可能である、
   請求項１から３のうちいずれか１項記載の電気車制御装置。

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