JP6972156B2 - 駆動制御装置および該駆動制御装置を搭載する編成列車 - Google Patents

Description

本発明は、電力用変換装置を備えた編成列車の駆動制御装置に関する。

電力用変換器を使用するインバータ駆動システムを搭載した鉄道車両を用いて編成される列車が普及している。その中にあって、電力用変換器に対して架線以外から電力供給できるように、エンジンなどの自己供給源を搭載している列車がある。このタイプの列車では、架線から電力が供給できない環境下において、自己供給源から得られる電力を列車の走行のために使用することができる。

例えば、特許文献１には、車両編成内に１つ以上のエンジンを搭載する構成が示され、また、車両走行の稼働率を高めるために、稼働系エンジンと待機系エンジンを備える点の開示もある。

特開２０１６−２３９３０号公報

架線から電力が供給できない環境下において、編成列車（以下、単に「編成」という場合がある）内の自己供給源を使用することで、走行性能を確保することは可能である。しかし、故障等で一定数の自己供給源からの電力供給が無くなり、その自己供給源から電力供給を受けていた駆動システムが動作不可になると、列車を走行させるために必要なトルクが確保されず、結果として、列車が立ち往生してしまう事態に陥る。立ち往生となるとその他の列車による牽引が必要となり、また、その他の列車の運行にも大きな影響を与えることになる。

本発明の目的は、編成内の自己供給源の数が減少し一定数の駆動システムが動作不可になった場合でも、列車が自走できるトルクを確保する方法を提供することである。

本発明に係る駆動制御装置は、第１の交流電力を直流電力へ変換するコンバータと当該直流電力を第２の交流電力に変換して電動機を駆動するインバータとから成る複数の電力変換装置と、１以上の電力変換装置のコンバータに対応して接続されて第１の交流電力を供給する１以上の自己供給源と、直流電力の供給を受ける補助電源装置と、電力変換装置毎の直流線路と補助電源装置とを接続する接続回路とを備え、補助電源装置は、１つの電力変換装置の直流線路と別の電力変換装置の直流線路とをそれぞれの接続回路を介して直接に接続する切替回路を有し、自己供給源に自らのコンバータが接続されている第１の電力変換装置と自己供給源に自らのコンバータが接続されていないまたは自己供給源に自らのコンバータが接続されているが当該自己供給源が動作不可である第２の電力変換装置とを接続する切替回路および当該切替回路に繋がる接続回路をオンにして、第１の電力変換装置のコンバータが変換する直流電力を第２の電力変換装置に供給することを特徴とする。

本発明によれば、編成内の自己供給源の数が減少し一定数の駆動システムが動作不可になった場合でも、１つの自己供給源から複数の駆動システムに電力を供給し、１台の駆動システムで得られるトルク以上のトルクを得ることができる。

自己供給源のエンジンを編成内に複数搭載している編成列車の構成例を示す図である。 １つのエンジンから供給される電力を２つの駆動システムに電力供給する場合の回路構成を示す図である。 １つのエンジンから供給される電力を２つの駆動システムに電力供給する場合に、切替えを行うための駆動制御装置と周辺装置を説明する図である。 １つのエンジンから供給される電力を２つの駆動システムに電力供給する場合の回路切替えの制御フローを説明する図である。 編成制御装置が有する指令選択テーブルのデータ内容を示す図である。 通常の回路構成における電力経路を説明する図である。 １つのエンジンから供給される電力を２つの駆動システムに電力供給する場合の電力供給を説明する図である。 本発明が奏する効果を説明する図である。 本発明の実施例２として、１つのエンジンから供給される電力を２つの駆動システムに電力供給する場合の回路構成が編成内に複数存在する例を示す図である。 本発明の実施例３として、１つのエンジンから供給される電力を３つの駆動システムに電力供給する場合の回路構成を示す図である。 図１０に示す回路構成における電力経路を説明する図である。 本発明の実施例４として、自己供給源のエンジンを編成内に１つだけ搭載する編成列車の構成例を示す図である。 本発明の実施例５として、１つのエンジンから供給される電力を２つの駆動システムに電力供給する場合の他の回路構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態として、実施例１〜５のそれぞれについて、図面を用いて説明する。

図１は、本発明の実施例１として、自己供給源としてエンジンを編成内に複数台搭載している編成列車の構成例を示す図である。ここで、自己供給源としてのエンジンは、エンジンの運転により発電機を駆動し交流電力を発生させるものである。

図１に示す編成は、５両から構成される車両編成であり、車両２、車両３および車両４を駆動車（電力変換装置を搭載する車両）、車両１および車両５を付随車（電力変換装置を搭載しない車両）として構成される。

駆動車（車両２、車両３および車両４）は、コンバータ１１、インバータ１３、フィルタコンデンサ１２およびコンバータ１１と補助電源装置５とを接続するための接触器（図示せず）を搭載した電力変換装置１、自己供給源であるエンジン６、主電動機４並びに前記電力変換装置を制御する駆動制御装置（図示せず）を搭載する。

また、付随車（車両１および車両５）は、集電装置３、主変圧器２および直流電力を交流電力に変換するインバータ（図示せず）と電力供給元である電力変換装置を切替えるための接触器（図示せず）を搭載した補助電源装置５を搭載する。

更に、編成内には、編成内の全ての電力変換装置１を制御する機能を持つ編成制御装置８が搭載されている。なお、電力変換装置１内のインバータ１３および主電動機４を合わせて、以下、「駆動システム」という。

図２は、１つのエンジンから供給される電力を２つの駆動システムに電力供給する場合の回路構成を示す図である。
電力を供給するエンジンを搭載する車両（号車）は、交流電力を供給するエンジン６、エンジン６から供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータ１１、エンジン６とコンバータ１１とを接続するための接触器１４、コンバータ１１の後段に接続されるフィルタコンデンサ１２、コンバータ１１から供給される直流電力を交流電力に変換するインバータ１３、インバータ１３から供給される交流電力で動作する主電動機４およびコンバータ１１と補助電源装置５とを接続する接触器１５を搭載する。また、電力が供給される車両（号車）も、電力を供給する車両（号車）と同様な装置を搭載する。

補助電源装置５は、電力供給元である電力変換装置１を切替えるための接触器５１と、直流電力を交流電力に変換するインバータ５２とを備える。

１つのエンジン６から供給される電力を２つの駆動システムに電力供給する場合の回路として、電力を供給するエンジンを搭載する車両（号車）では、エンジン６とコンバータ１１とを接続する接触器１４、コンバータ１１と補助電源装置５とを接続する接触器１５が投入され、エンジン６、コンバータ１１、インバータ１３および主電動機４が動作する。一方、電力が供給される車両（号車）では、コンバータ１１と補助電源装置５とを接続するための接触器１５が投入され、インバータ１３および主電動機４が動作する。また、補助電源装置５では、電力供給元である電力変換装置１を切り替えるための接触器５１が投入され、インバータ５２および負荷７が動作する。

図３は、１つのエンジンから供給される電力を２つの駆動システムに電力供給する場合に、切替えを行うための装置と周辺装置を説明する図である。
編成制御装置は、各駆動車（車両２、車両３および車両４）に搭載されているエンジンと電力変換装置のそれぞれの情報と、１つのエンジンから供給される電力を２つの駆動システムに電力供給するモードに切り替えるためのスイッチ（モード切替スイッチ）の状態とを入力信号とし、電力を供給するための動作信号、電力が供給されるための動作信号および停止する動作信号を出力信号とする。

また、各駆動車（車両２、車両３および車両４）が備える駆動制御装置は、編成制御装置からの出力信号、通電ボタンから出力される通電開始信号、主幹制御装置から出力される駆動開始信号およびモード切替スイッチの状態信号を入力信号とし、また、自号車の接触器への投入／釈放指令、コンバータへの動作／停止指令およびインバータへの動作／停止指令を出力信号とする。

更に、両先頭車が備える画面は、編成制御装置からの指令（操作ガイダンス表示信号）によって、運転手に対する操作ガイダンスを表示する。

図４は、１つのエンジンから供給される電力を２つの駆動システムに電力供給する場合の回路切替えの制御フローを説明する図である。
１つのエンジンから供給される電力を２つの駆動システムに電力供給するモードに切り替えるために、運転手がモード切替スイッチ（以下、単に「スイッチ」という）を操作してスイッチの状態が変化したとき、スイッチの状態変化を入力信号として編成内の全ての駆動制御装置が受信する。そうすると、各号車の駆動制御装置が自号車の電力変換装置の動作を停止させ、併せて、この電力変換装置の停止によって編成内の補助電源装置も停止する。

また、前記スイッチの状態変化を入力信号として受信する編成制御装置は、各号車の駆動制御装置に向けて、電力を供給するための動作信号、電力が供給されるための動作信号または停止する動作信号のいずれか１つを指令として送信する。各号車の駆動制御装置へ送信される指令は、図５に示す指令選択テーブルに基づいて決定される。この指令選択テーブルは、編成制御装置内に設けることが望ましい。

図５は、指令選択テーブルのデータ内容を示す図である。各駆動車（車両２、車両３および車両４）が搭載するエンジンと電力変換装置のそれぞれの情報を入力条件（編成制御装置の入力信号）とし、各駆動車（車両２、車両３および車両４）が備える駆動制御装置に送信する指令を出力結果とする。

例えば、車両２が搭載するエンジンと電力変換装置の両方が動作可能（健全）で、車両３と車両４が搭載するエンジンが動作不可（故障）で電力変換装置が動作可能である状態（図示するテーブルの一番上の行の場合）では、編成制御装置は、車両２に対して電力供給指令（電力を供給するための動作信号）を、車両３に対して電力被供給指令（電力が供給されるための動作信号）を、車両４に対して停止指令（停止するための動作信号）をそれぞれ送信する。

他の例として、車両２が搭載するエンジンが動作可能で電力変換装置が動作不可（故障）で、車両３が搭載するエンジンが動作不可（故障）で電力変換装置が動作可能で、車両４が搭載するエンジンと電力変換装置の両方が動作可能（健全）である状態（図示するテーブルの一番下の行の場合）では、編成制御装置は、車両４に対して電力供給指令（電力を供給するための動作信号）を、車両３に対して電力被供給指令（電力が供給されるための動作信号）を、車両２に対して停止指令（停止するための動作信号）をそれぞれ送信する。

編成制御装置が編成内の全ての電力変換装置が停止したことを認識すると、編成制御装置は、通電ボタンを押下することを促す操作ガイダンスを画面に表示させる。それに従い、運転手が通電ボタンを押下すると、通電ボタンを押下したことで出力される信号が全ての駆動制御装置に送信される。駆動制御装置は、これを入力信号として受信すると、編成制御装置から送信される指令（動作信号）に応じた動作を開始する。

具体的には、電力供給指令（電力を供給するための動作信号）を受信した号車の駆動制御装置は、自号車が搭載する装置の内、エンジンとコンバータとを接続する接触器およびコンバータと補助電源装置とを接続する接触器を投入する。

電力被供給指令（電力が供給されるための動作信号）を受信した号車の駆動制御装置は、自号車が搭載する装置の内、コンバータと補助電源装置とを接続する接触器を投入する。
停止指令（停止するための動作信号）を受信した号車の駆動制御装置は、自号車が搭載する装置の接触器を投入しない。

また、編成内の補助電源装置は、電力供給元である電力変換装置を切り替えるための接触器を投入する。
以上に記した各接触器の投入により、１つのエンジンから供給される電力を２つの駆動システムに電力供給する場合の回路切替えが完了となる。

図６は、通常の回路構成における電力経路を説明する図である。自号車が搭載するエンジンから供給される電力は、自号車が搭載するコンバータおよびインバータを経て、自号車の主電動機に供給され、主電動機を駆動する。

図７は、１つのエンジンから供給される電力を２つの駆動システムに電力供給する場合の電力供給を説明する図である。電力を供給する号車が搭載するエンジンから供給される電力は、電力を供給するエンジンを搭載する同号車においては、図６で示した電力経路と同様に主電動機に供給され、主電動機を駆動する。また、電力が供給される号車においては、電力を供給するエンジンを搭載する同じ号車に搭載されているコンバータ、このコンバータと補助電源装置とを接続する接触器、補助電源装置内に設置した電力供給元である電力変換装置を切替えるための接触器、電力が供給される号車が搭載するコンバータと前記補助電源装置とを接続する接触器、電力が供給される号車が搭載するインバータを経て、このインバータの出力段に接続されている主電動機に供給され、主電動機を駆動する。

図８は、本発明が奏する効果を説明する図である。本発明を適用せずに、１つのエンジンから供給される電力を１つの駆動システムに電力供給する回路により主電動機４台を駆動する場合は、図８の左図に示すトルクを得ることができる。一方、本発明を適用して、１つのエンジンから供給される電力を２つの駆動システムに電力供給する回路により主電動機８台を駆動する場合は、図８の右図に示すトルクを得ることができる。

具体的に、起動時の走行抵抗Ｒ_ｒｇｒａの勾配環境下を考えたとき、本発明を適用しない左図の場合は、Ｔ_Ａ＜Ｒ_ｒｇｒａとなり、起動抵抗以上のトルクが得られず起動できない。一方、本発明を適用する右図の場合は、Ｔ_Ｂ＞Ｒ_ｒｇｒａとなり、起動抵抗以上のトルクが得られるため起動できる。このように、起動時において、本発明に係る回路を構成して主電動機８台を駆動することで、主電動機４台を駆動する場合に得られるトルクよりも高いトルクを得ることが可能となる。

図９は、本発明の実施例２として、１つのエンジンから供給される電力を２つの駆動システムに電力供給する場合の回路構成が編成内に複数存在する例を示す図である。
車両４および車両８に搭載されている補助電源装置の入力部が接続されない編成構成であれば、車両１、車両２、車両３、車両４および車両５により本発明に係る回路を構成、車両６、車両７、車両８、車両９、車両１０および車両１１により本発明に係る回路を構成することが可能である。

図１０は、本発明の実施例３として、１つのエンジンから供給される電力を３つの駆動システムに電力供給する場合の回路構成を示す図である。
図１１は、図１０に示す回路構成における電力経路を説明する図である。図２に示す実施例１の回路構成に加えて、電力供給元である電力変換装置を切り替えるための接触器を備える補助電源装置と電力が供給される駆動システムとが編成内に別に存在する。ここで、２つの補助電源装置の入力段が接続されている場合は、１つのエンジンから供給される電力を３つの駆動システムに電力供給する回路を構成することが可能である。

以上のように、本発明においては、電力供給される駆動システムが２つであることは必須ではなく、１つのエンジンから供給される電力を２以上の複数の駆動システムに電力供給することが可能である。

図１２は、本発明の実施例４として、自己供給源のエンジンを編成内に１つだけ搭載する編成列車の構成例を示す図である。
図１２に示す編成は、５つの車両により編成を構成し、車両２、３および４を駆動車（電力変換装置を搭載する車両）、車両１および５を付随車（電力変換装置を搭載しない車両）とする。駆動車は、コンバータ１１、インバータ１３、フィルタコンデンサ１２およびコンバータと補助電源装置とを接続する接触器（図示せず）を備えた電力変換装置１を搭載する。ただし、車両２だけは、自己供給源であるエンジンを搭載する。また、車両１および５は、集電装置３、主変圧器２および直流電力を交流電力に変換するインバータと電力供給元である電力変換装置を切替えるための接触器とを備えた補助電源装置５を搭載する。図１２に示す編成構成であっても、編成内に１つ以上のエンジンがあれば本発明を適用することが可能である。

図１３は、本発明の実施例５として、１つのエンジンから供給される電力を２つの駆動システムに電力供給する場合の他の回路構成を示す図である。
先の実施例１では、補助電源装置が電力供給元である電力変換装置を切り替えるための接触器を備える構成を示したが、本発明は、この接触器を補助電源装置内に備える構成を必須とするものではない。２つの駆動システム内のコンバータを接続する接触器であれば、本発明による効果を奏することが可能である。

１…電力変換装置、２…主変圧器、３…集電器、４…主電動機、
５…補助電源装置、６…エンジン、７…負荷、８…編成制御装置、
９…２つのコンバータを接続する接触器、１１…コンバータ、
１２…フィルタコンデンサ、１３…インバータ（電力変換装置）、
１４…エンジンとコンバータとを接続する接触器、
１５…コンバータと補助電源装置とを接続する接触器、
５１…電力の供給元である電力変換装置を切り替えるための接触器、
５２…インバータ（補助電源装置）

Claims (6)

1. 第１の交流電力を直流電力へ変換するコンバータと当該直流電力を第２の交流電力に変換して電動機を駆動するインバータとから成る複数の電力変換装置と、
   １以上の前記電力変換装置の前記コンバータに対応して接続されて前記第１の交流電力を供給する１以上の自己供給源と、
   前記直流電力の供給を受ける補助電源装置と、
   前記電力変換装置毎の直流線路と前記補助電源装置とを接続する接続回路と
   を備え、
   前記補助電源装置は、１つの前記電力変換装置の前記直流線路と別の前記電力変換装置の前記直流線路とをそれぞれの前記接続回路を介して直接に接続する切替回路を有し、
   前記自己供給源に自らのコンバータが接続されている第１の前記電力変換装置と前記自己供給源に自らのコンバータが接続されていないまたは前記自己供給源に自らのコンバータが接続されているが当該自己供給源が動作不可である第２の前記電力変換装置とを接続する前記切替回路および当該切替回路に繋がる前記接続回路をオンにして、前記第１の電力変換装置の前記コンバータが変換する前記直流電力を前記第２の電力変換装置に供給する
   ことを特徴とする駆動制御装置。
2. 第１の交流電力を直流電力へ変換するコンバータと当該直流電力を第２の交流電力に変換して電動機を駆動するインバータとから成る複数の電力変換装置と、
   １以上の前記電力変換装置の前記コンバータに対応して接続されて前記第１の交流電力を供給する１以上の自己供給源と、
   任意の２台の前記電力変換装置のそれぞれの直流線路を接続する接続回路と
   を備え、
   前記自己供給源に自らのコンバータが接続されている第１の前記電力変換装置と前記自己供給源に自らのコンバータが接続されていないまたは前記自己供給源に自らのコンバータが接続されているが当該自己供給源が動作不可である第２の前記電力変換装置とを接続する前記接続回路をオンにして前記第１の電力変換装置の前記コンバータが変換した前記直流電力を前記第２の電力変換装置に供給する
   ことを特徴とする駆動制御装置。
3. 請求項１または２に記載の駆動制御装置であって、
   前記接続回路および前記切替回路をそれぞれオンまたはオフにするための操作指令は、前記電力変換装置および前記自己供給源の各動作状態に応じて決定される
   ことを特徴とする駆動制御装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の駆動制御装置を搭載する編成列車。
5. 請求項４に記載の編成列車であって、
   前記自己供給源は、エンジンを用いて構成される
   ことを特徴とする編成列車。
6. 請求項４または５に記載の編成列車であって、
   前記接続回路および前記切替回路それぞれは、接触器で構成される
   ことを特徴とする編成列車。

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