JP7312322B2 - 電気車制御装置 - Google Patents

Description

本開示は、電気車に搭載される複数台の電動機を駆動制御する電気車制御装置に関する。

電気車は、車軸と一体に構成された車輪の回転によって走行するように構成される。車軸は、台車に搭載された電動機によって駆動されて回転する。電動機としては、一般的に誘導電動機又は同期電動機が用いられる。電動機を制御するため、電気車には、屋根上又は床下に、電動機に電力を供給するためのインバータ回路を含む電気車制御装置が搭載される。

電気車制御装置と複数の電動機とを含む電気車駆動システムは、インバータ回路と電動機との接続形態により、「一括制御システム」と「個別制御システム」とに大別される。一括制御システムは、複数台の誘導電動機を並列接続し、これらを一括してインバータ回路で駆動制御する構成である。一方、個別制御システムは、誘導電動機又は同期電動機一台に対して、それぞれ専用のインバータ回路を設けて駆動制御する構成である。一括制御システムが主流であるが、最近では個別制御システムも増えている。

インバータ回路を構成する半導体素子は、冷却器に搭載され、電力変換ユニットを構成する。冷却器における冷却方式は、冷却器に設けられたフィンに電気車の走行風を当てることで半導体素子を冷却する構成が一般的である。一括制御システムの場合は、一つの冷却器上に一つのインバータ回路を配置する構成が一般的である。そして、この構成では、一つのインバータ回路が１両分の４台の電動機を制御する構成が一般的である。一方、個別制御システムの場合は、一つの冷却器上に一つのインバータ回路を配置する場合と、一つの冷却器上に複数のインバータ回路を配置する場合とがある。一つの冷却器上に複数のインバータ回路を配置する構成は、電力変換ユニットを小型化できるという利点がある。

一括制御システムであっても個別制御システムであっても、通常運転時においては、複数ある各電動機の出力は同一になるように制御される。一方、個別制御システムの場合、各車軸の出力を個別に最適に制御することができる。このため、例えば車輪に空転滑走が発生した場合には、各車輪の状態に合わせて過渡的に電動機の出力を設定値から引き下げる調整が可能となる。従って、個別制御システムは、一括制御システムよりも、きめ細かい制御が可能となる。

また、一括制御システムでは、インバータ回路が故障すると、並列接続された複数台の電動機の運転が不可能となる。一方、個別制御システムの場合、インバータ回路が故障しても、当該インバータ回路が受け持つ電動機以外の電動機の運転は可能である。このため、個別制御システムは、一括制御システムよりも冗長性が高いシステムとすることが可能である。これらの利点が、個別制御システムが増えている理由でもある。下記特許文献１には、個別制御システムに適用される電気車制御装置が開示されている。

特開２００４－２０１５００号公報

しかしながら、個別制御システムを構成する場合にも幾つかの課題がある。例えば、小型化のために一つの冷却器上に複数のインバータ回路を配置する場合、複数のインバータ回路を効率よく冷却することが難しい。例えば冷却器の領域を走行風に対して風上と風下とに分けた場合、冷却器の風上の領域に配置したインバータ回路は、走行風が効率よく取り込まれることで冷却され易くなる。これに対し、冷却器の風下の領域に配置したインバータ回路は、走行風が取り込まれにくい上に、風上の領域に配置したインバータ回路の発熱のあおりを受けて温度が上がり気味となり、冷却条件が厳しくなる。

従って、風下側であっても十分に冷却が可能となるように、ヒートパイプを併用した高性能の冷却器又は大型の冷却器を適用することが必要となる。これにより、電気車制御装置が大型化し、製造コストが増加するといった課題が生じる。

また、通常運転とは異なる運転の実施形態として特殊運転があり、特殊運転の一つに救援運転がある。救援運転は、例えば、進行方向の前方で故障した別列車の電気車を救援するため、自列車の電気車を後方から推進する実施形態である。救援運転を実施する場合、通常運転時と比べて電気車の推進力を増大させる必要がある。この場合に、どのインバータ回路の出力を上げるのが良いかという課題が存在する。

本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、製造コストの増加を抑制しつつ、電気車の特殊運転に好適に対応可能な電気車制御装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本開示に係る電気車制御装置は、車両の前方の車輪である第一の車輪を駆動する第一の電動機と、車両の後方の車輪である第二の車輪を駆動する第二の電動機とを備えた台車を、車両の前方及び後方にそれぞれ第一の台車及び第二の台車として備えた電気車に搭載される電気車制御装置である。電気車制御装置は、第一及び第二の電動機を個別に制御する複数のインバータ回路と、複数のインバータ回路のうちの少なくとも一つを制御する制御部と、を備える。複数のインバータ回路は、第一の台車の第二の電動機に接続された第一のインバータ回路と、第一の台車の第一の電動機に接続された第二のインバータ回路と、第二の台車の第二の電動機に接続された第三のインバータ回路と、第二の台車の第一の電動機に接続された第四のインバータ回路と、から構成される。第一及び第二のインバータ回路は、車両の前方から後方に向かってこの順で配置される。第三及び第四のインバータ回路は、車両の前方から後方に向かってこの順で配置される。制御部は、第二の電動機の出力を、第一の電動機の出力よりも大きい値に制御することが可能に構成されている。

本開示に係る電気車制御装置によれば、製造コストの増加を抑制しつつ、電気車の特殊運転に好適に対応できるという効果を奏する。

実施の形態１に係る電気車制御装置を含む電気車駆動システムの構成例を示す図 実施の形態１に係る電気車制御装置の電気車である車両への搭載例を示す上面図 実施の形態１に係る電気車制御装置における制御例を示す図 実施の形態１の変形例に係る電気車制御装置の車両への搭載例を示す上面図 実施の形態１における統括制御部の機能を実現するハードウェア構成の一例を示すブロック図 実施の形態１における統括制御部の機能を実現するハードウェア構成の他の例を示すブロック図 実施の形態２に係る電気車制御装置を含む電気車駆動システムの構成例を示す図 実施の形態２に係る電気車制御装置における制御動作を示すフローチャート 実施の形態２に係る電気車制御装置における制御例を示す図

以下に添付図面を参照し、本開示の実施の形態に係る電気車制御装置について詳細に説明する。なお、添付図面においては、各構成部及び各構成部間の縮尺が実際とは異なる場合がある。各図面間においても同様である。また、以下では、電気的な接続と物理的な接続とを区別せずに、単に「接続」と称して説明する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る電気車制御装置１００を含む電気車駆動システム５００の構成例を示す図である。電気車駆動システム５００は、個別制御システムの構成である。

電気車駆動システム５００は、図１に示すように、スイッチ１０と、リアクトル１１と、電気車制御装置１００と、電動機２０１～２０４とを備える。電気車制御装置１００は、正側端子Ｐ及び負側端子Ｎを有する。正側端子Ｐは、リアクトル１１に接続される。負側端子Ｎは、車輪２を介してレール６に接続される。電気車制御装置１００は、電力変換ユニット８１，８２と、統括制御部３０とを有する。電力変換ユニット８１，８２は、架線１からの直流電力を、集電装置５、スイッチ１０、リアクトル１１及び正側端子Ｐを介して受電する。なお、図１の構成において、スイッチ１０及びリアクトル１１は、電気車制御装置１００に内蔵されていてもよい。また、図１では、架線１から直流電力を受電する場合の構成例を図示しているが、交流電力を受電する構成であってもよい。交流電力を受電する構成の場合、電力変換ユニット８１，８２の前段に交流直流変換回路が設けられる。

電力変換ユニット８１は、第一の制御部である制御部３１と、インバータ回路６１，６２とを備える。電力変換ユニット８２は、第二の制御部である制御部３２と、インバータ回路６３，６４とを備える。電力変換ユニット８１，８２は、同一の構成である。以下、電力変換ユニット８１で説明を行う。

インバータ回路６１は、電動機２０２に三相交流電力を供給する電力変換回路である。インバータ回路６１は、直流電圧を保持するコンデンサ５０を有する。インバータ回路６１において、コンデンサ５０は電圧源として動作する。インバータ回路６１は、コンデンサ５０の直流電圧を任意の電圧値を有する任意の周波数の三相交流電圧に変換して電動機２０２に印加する。なお、コンデンサ５０は、電力変換ユニット８１の外部に配置されていてもよい。

インバータ回路６１は、図１に示されるように、６つの半導体素子６０Ｕ，６０Ｖ，６０Ｗ，６０Ｘ，６０Ｙ，６０Ｚを有する。半導体素子６０Ｕ，６０Ｖ，６０Ｗ，６０Ｘ，６０Ｙ，６０Ｚは、ブリッジ接続されて三相ブリッジ回路を構成する。

インバータ回路６１において、半導体素子６０Ｕ，６０Ｖ，６０Ｗは、正側アームと呼ばれ、半導体素子６０Ｘ，６０Ｙ，６０Ｚは、負側アームと呼ばれる。また、直列に接続される正側アームと負側アームとの組は、レグと呼ばれる。半導体素子６０Ｕ，６０ＸはＵ相レグを構成し、半導体素子６０Ｖ，６０ＹはＶ相レグを構成し、半導体素子６０Ｗ，６０ＺはＷ相レグを構成する。

半導体素子６０Ｕ，６０Ｖ，６０Ｗ，６０Ｘ，６０Ｙ，６０Ｚとしては、図示のように、逆並列ダイオードが内蔵された絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＩＧＢＴ）素子が好適である。なお、ＩＧＢＴ素子に代えて、金属酸化膜半導体電界効果型トランジスタ（Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ－Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ－Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＭＯＳＦＥＴ）を用いてもよい。

また、図１では、インバータ回路６１は、三相２レベルの回路構成で示されているが、この構成に限定されない。インバータ回路６１は、三相３レベルの回路構成でもよい。

インバータ回路６１の後段には、インバータ回路６１で生成した三相交流電圧を電動機２０２に供給するための接続導体９１が配置される。接続導体９１は、ケーブルなどの電線、絶縁処置された導体板などが用いられる。接続導体９２～９４も同様に構成される。

前述したように、電力変換ユニット８１は、インバータ回路６２を有する。インバータ回路６２の内部構成は、インバータ回路６１と同一であるので、ここでの説明は省略する。インバータ回路６２で生成された三相交流電圧は、接続導体９２により電動機２０１に供給される。なお、図１では、接続導体９１，９２をまとめて、第一の接続導体９５と記載している。

制御部３１には、統括制御部３０から制御信号ＨＡが入力される。制御信号ＨＡには、少なくとも第１から第３の信号が含まれる。第１の信号は、インバータ回路６１，６２の出力指令となる信号である。第２の信号は、「加速」、「減速」及び「惰行」といった電気車の運転状態に関連する信号である。第３の信号は、電動機２０１，２０２が発生する出力又はトルクの大きさ及び方向の指令となる信号である。制御部３１は、入力された信号に基づいて、電動機２０１，２０２が発生する出力が所望の値となるように、インバータ回路６１，６２のスイッチング素子をオンオフする信号を生成して出力する。

なお、図１において、第一の制御部である制御部３１は、インバータ回路６１，６２の両方を制御するように構成されているが、これに限定されない。制御部３１は、インバータ回路６１，６２を個別に制御する２つの制御部に区分されて構成されていてもよい。第二の制御部である制御部３２についても同様である。

前述したように、電力変換ユニット８２も電力変換ユニット８１と同様に構成される。電力変換ユニット８２において、インバータ回路６３は、接続導体９３により電動機２０４に三相交流電圧を印加する。インバータ回路６４は、接続導体９４により電動機２０３に三相交流電圧を印加する。なお、図１では、接続導体９３，９４をまとめて、第二の接続導体９６と記載している。

統括制御部３０には、図示しない上位制御部から加速減速指令、運転方向指令及び特殊運転指令を含む指令信号ＣＭＤが入力される。統括制御部３０は、指令信号ＣＭＤに基づいて制御部３１，３２を制御する。上位制御部の例は、運転台の制御器、列車制御装置である。特殊運転は、前述した通りである。特殊運転指令は、特殊運転時に、電気車の推進力を普段の通常運行時と比べて増大させるための指令である。

統括制御部３０は、上位制御部から特殊運転指令が入力された場合、制御部３１，３２に対して、制御信号ＨＡにより、電動機２０１～２０４の力行トルクを通常時から設定値分増加させる指令を出力する。

図２は、実施の形態１に係る電気車制御装置１００の電気車である車両４への搭載例を示す上面図である。車両４には、台車３ａ，３ｂと、電気車制御装置１００と、が搭載されている。

図２に示すように、台車３ａは、進行方向に対してより前方側、即ち進行方向の前位側に配置されている。また、台車３ｂは、進行方向に対してより後方側、即ち進行方向の後位側に配置されている。電気車制御装置１００は、進行方向に沿って、台車３ａと台車３ｂとの間に挟まれるように車両４の中央部に配置されている。

台車３ａは、車輪２ａ，２ｂと、電動機２０１，２０２と、を含んでいる。台車３ａにおいて、車輪２ａは進行方向の前位側に位置する車輪であり、車輪２ｂは進行方向の後位側に位置する車輪である。電動機２０１は車輪２ａを駆動し、電動機２０２は車輪２ｂを駆動する。電動機２０１には接続導体９２を介して三相交流電力が供給され、電動機２０２には接続導体９１を介して三相交流電力が供給される。

同様に、台車３ｂは、車輪２ｃ，２ｄと、電動機２０３，２０４と、を含んでいる。台車３ｂにおいて、車輪２ｃは進行方向の前位側に位置する車輪であり、車輪２ｄは進行方向の後位側に位置する車輪である。電動機２０３は車輪２ｃを駆動し、電動機２０４は車輪２ｄを駆動する。電動機２０３には接続導体９４を介して三相交流電力が供給され、電動機２０４には接続導体９３を介して三相交流電力が供給される。

電気車制御装置１００の筐体１０１には、電力変換ユニット８１，８２が搭載される。電力変換ユニット８１において、インバータ回路６１，６２は、冷却器７１上に搭載される。冷却器７１は、アルミ又は銅で構成され、インバータ回路６１，６２と熱的に接続されたフィン７３を備える。フィン７３は、筐体１０１の外部に配置される。インバータ回路６１，６２は、車両４の走行風がフィン７３にあたることで冷却される。電力変換ユニット８２も同様の構成であり、インバータ回路６３，６４は、車両４の走行風が冷却器７２のフィン７４にあたることで冷却される。

次に、電動機２０１～２０４のそれぞれと、インバータ回路６１～６４のそれぞれとの間の搭載位置関係について説明する。

台車３ａにおいて、進行方向の前位側にある電動機２０１は、インバータ回路６２と接続されている。また、台車３ｂにおいて、進行方向の前位側にある電動機２０３は、インバータ回路６４と接続されている。インバータ回路６２は、電力変換ユニット８１において、進行方向の後位側に配置されている。また、インバータ回路６４は、電力変換ユニット８２において、進行方向の後位側に配置されている。即ち、インバータ回路６２，６４は、何れも走行風の風下側に配置されている。

台車３ａにおいて、進行方向の後位側にある電動機２０２は、インバータ回路６１と接続されている。また、台車３ｂにおいて、進行方向の後位側にある電動機２０４は、インバータ回路６３と接続されている。インバータ回路６１は、電力変換ユニット８１において、進行方向の前位側に配置されている。また、インバータ回路６３は、電力変換ユニット８２において、進行方向の前位側に配置されている。即ち、インバータ回路６１，６３は、何れも走行風の風上側に配置されている。

なお、図２から明らかなように、電動機２０１と電動機２０４、電動機２０２と電動機２０３、インバータ回路６１とインバータ回路６４、及びインバータ回路６２とインバータ回路６３の関係は、車両４の中央部における進行方向に直交する方向の軸に対して線対称の関係にある。このため、進行方向が図示と逆となる場合であっても、進行方向の前位側の電動機を駆動するインバータ回路は、進行方向の後位側、即ち風下側に位置することになる。また、進行方向の後位側の電動機を駆動するインバータ回路は、進行方向の前位側、即ち風上側に位置することになる。

電動機２０１～２０４は上記の関係にあることから、以下では、進行方向の前位側の車輪を「第一の車輪」と記載し、進行方向の後位側の車輪を「第二の車輪」と記載する場合がある。また、進行方向の前位側の台車を「第一の台車」と記載し、進行方向の後位側の台車を「第二の台車」と記載する場合がある。また、各台車３ａ，３ｂにおいて、進行方向の前位側の電動機を「第一の電動機」と記載し、進行方向の後位側の電動機を「第二の電動機」と記載する場合がある。また、進行方向の前位側の電力変換ユニットを「第一の電力変換ユニット」と記載し、進行方向の後位側の電力変換ユニットを「第二の電力変換ユニット」と記載する場合がある。また、各電力変換ユニット８１，８２において、進行方向の前位側のインバータ回路を「第一のインバータ回路」と記載し、進行方向の後位側のインバータ回路を「第二のインバータ回路」と記載する場合がある。

また、統括制御部３０は、電力変換ユニット８１と電力変換ユニット８２との間に配置される。このように配置することで、電力変換ユニット８１と電力変換ユニット８２との間隔を約１ｍ確保できる。これにより、進行方向の後位側の電力変換ユニット８２に対し、インバータ回路６３，６４を冷却するための実用上充分な冷却風を冷却器７２に当てることができる。

なお、電動機２０１～２０４及び電動機２０１～２０４の搭載位置関係を上記のように配置することで得られる利点については、後述する。

図３は、実施の形態１に係る電気車制御装置１００における制御例を示す図である。図３の横軸は時間を表している。縦軸には、各電動機２０１～２０４の出力であるトルクの大きさを表している。

図３では、通常運転から特殊運転に移行した場合に、電動機２０１～２０４のトルクが変化する様子が示されている。通常運転時は、各電動機２０１～２０４は、規定のトルクである１００％のトルクを出力するよう制御されている。規定のトルクは、上位制御部から指示された加減速要求に基づいて決定された値である。

特殊運転は、通常よりも高い推進能力が必要となる運転条件のときに上位制御部から指示される。図３の例では、特殊運転が指示されると、進行方向の後位側となる電動機２０２，２０４のトルクのみ、通常運転時のトルクより大きくなるように制御される。このように制御することで、電動機２０１～２０４の全体のトルクを増加させることができる。これにより、電気車全体の推進力を、通常運転時と比べて、増加させることができる。なお、ここで言うトルクは、出力と言い替えてもよい。

図３の制御において、電動機２０２のトルクの増加量又は増加比と、電動機２０４のトルクの増加量又は増加比とを等しくすれば、電動機２０１と電動機２０２との合計トルクと、電動機２０３と電動機２０４との合計トルクとが等しくなる。電動機２０１と電動機２０２との合計トルクは、進行方向の前位側の台車３ａの全体のトルクである。また、電動機２０３と電動機２０４との合計トルクは、進行方向の後位側の台車３ｂの全体のトルクである。

電気車が加速している際には、台車３ａ，３ｂにおける進行方向の後位側の車輪２ｂ，２ｄに重心が移動する。このため、後位側の車輪２ｂ，２ｄは、前位側の車輪２ａ，２ｃよりも荷重が掛かることになる。この場合、前位側の車輪２ａ，２ｃに空転が発生し易くなる。従って、図３の制御の例のように、後位側の電動機２０２，２０４のトルクを増加させて、後位側の車輪２ｂ，２ｄの駆動力を増加させる。このようにすれば、車輪の空転を抑制しつつ、電気車を効率よく加速させることができる。

なお、車両４全体の重心移動を考慮して、台車３ａの全体のトルクよりも台車３ｂの全体のトルクを大きくするという制御態様も考えられる。この制御態様の場合、進行方向が入れ替わることを考慮すると、進行方向によって制御を変える必要があり、制御が複雑化するというデメリットがある。また、進行方向によって制御を変えずに、インバータ回路６１～６４と電動機２０１～２０４との間の接続で実現する場合、接続導体同士が交差したり、接続導体長が長くなったりする。これにより、電気車の床下構造が複雑化し、占有スペースの増加を招く。このため、車両４全体の重心移動を考慮して、インバータ回路６１～６４と電動機２０１～２０４との間の接続構成を決めることは、適切な構成であるとは言い難い。

なお、進行方向後位側の電動機２０２，２０４のトルクを増大させることは、インバータ回路６１，６３に流す電流を増加させることと等価である。このため、インバータ回路６１，６３の発生損失が通常運転時よりも増加することになる。そこで、実施の形態１に係る電気車制御装置１００では、インバータ回路６１，６３を進行方向の前位側、即ち風上側に配置するようにしている。このように配置すれば、インバータ回路６２，６４よりも冷却性能を改善することが可能となる。また、このように構成することで、フィン７３，７４及び冷却器７１，７２を大型化したり、高性能化したりすることなく、特殊運転時における駆動力の増加要求に対応することができる。これにより、電気車制御装置１００を小型軽量化し、且つ、安価に構成することが可能となる。

また、実施の形態１に係る電気車制御装置１００によれば、図２に示すように、接続導体９１，９２からなる第一の接続導体９５と、接続導体９３，９４からなる第二の接続導体９６とが互いに交差しないように車両４に配置することが可能となる。補足すると、第一の接続導体９５と第二の接続導体９６とが必要とする断面の直径は、それぞれ２０ｃｍ程度である。このため、第一の接続導体９５と第二の接続導体９６とが互いに交差する配置とすると、車両４の床下に過剰なスペースを必要とする他、第一の接続導体９５及び第二の接続導体９６を収納する配線ダクトの形状が複雑化するデメリットがあり、適切な構成であるとは言い難い。

また、前述したように、実施の形態１に係る電気車制御装置１００では、電力変換ユニット８１と電力変換ユニット８２との間隔を約１ｍ開けることができる。このため、電力変換ユニット８１を台車３ａ側に最大限寄せることができると共に、電力変換ユニット８２を台車３ｂ側に最大限寄せることができる。この配置により、電気車制御装置１００の長手寸法、即ち進行方向の長さを適正化しつつ、第一の接続導体９５及び第二の接続導体９６の長さをより短くすることができる。これにより、ケーブルの重量を軽減することができる。また、車両４の床下におけるケーブルの敷設、及びケーブルの取り回しを簡素化できるので、工作性及びメンテナンス性を向上させることができる。

図４は、実施の形態１の変形例に係る電気車制御装置１００Ａの車両４Ａへの搭載例を示す上面図である。図４では、図２に示す車両４への搭載例の構成において、電気車制御装置１００が電気車制御装置１００Ａに置き換えられている。また、電気車制御装置１００Ａでは、電力変換ユニット８２が電力変換ユニット８２Ａに置き換えられている。

電力変換ユニット８２Ａでは、冷却器７２が、進行方向に直交する方向において、フィン７４の突出方向が、図２とは逆になるように取り付けられている。なお、その他の配置及び接続関係は、図２と同一であり、重複する説明は割愛する。

図２及び図４では、制御部３１，３２の図示が省略されている。図４の構成の場合、制御部３１，３２は、電力変換ユニット８１，８２Ａの上方又は下方の空間を利用して、配置することが可能である。図４の構成の場合、風下側に配置される冷却器７２のフィン７４への走行風は、風上側に配置される冷却器７１のフィン７３に遮られない。このため、図２の構成よりも、走行風を効率よく取り込むことができるという利点がある。

なお、図４では、電力変換ユニット８２Ａは、電力変換ユニット８１に対して、進行方向の後位側にずらして配置されているが、これに限定されない。例えば、進行方向の後位側にずらさずに、電力変換ユニット８１と横並びで、電力変換ユニット８２Ａが配置されていてもよい。この構成において、進行方向に直交する方向のスペースが確保できない場合には、電力変換ユニット８１と電力変換ユニット８２Ａとを上下方向にずらして配置してもよい。これらの何れの構成においても、上述した電気車制御装置１００の効果を得ることができる。

以上説明したように、実施の形態１に係る電気車制御装置によれば、複数のインバータ回路は、第一の台車の第二の電動機に接続された第一のインバータ回路と、第一の台車の第一の電動機に接続された第二のインバータ回路と、第二の台車の第二の電動機に接続された第三のインバータ回路と、第二の台車の第一の電動機に接続された第四のインバータ回路と、から構成される。第一及び第二のインバータ回路は、車両の前方から後方に向かってこの順で配置され、第三及び第四のインバータ回路は、車両の前方から後方に向かってこの順で配置されている。電気車が加速している際には、第一及び第二の台車における進行方向の後位側の車輪に重心が移動するので、後位側の車輪は前位側の車輪よりも荷重が掛かることになる。この動作態様に対し、実施の形態１に係る電気車制御装置は、第二の電動機の出力を、第一の電動機の出力よりも大きい値に制御することが可能である。これにより、通常よりも高い推進能力が必要となる運転条件が課された特殊運転時であっても、車輪の空転を抑制しつつ、電気車を効率よく加速させることができる。即ち、電気車の特殊運転に好適に対応することが可能となる。

また、実施の形態１に係る電気車制御装置によれば、第一から第四のインバータ回路のうち、第一のインバータ回路及び第三のインバータ回路は、常に風上側に位置している。第一のインバータ回路は、特殊運転時においてトルク又は出力が増大される第二の電動機に接続されるインバータ回路である。また、第三のインバータ回路は、特殊運転時においてトルク又は出力が増大される第四の電動機に接続されるインバータ回路である。即ち、特殊運転時において損失が増加する第一及び第三のインバータ回路は、常に風上側に位置している。従って、第一及び第三のインバータ回路は、第二及び第四のインバータ回路よりも冷却性能が改善される。このため、冷却器を大型化したり、高性能化したりする必要が無くなるので、製造コストの増加を抑制することができる。これにより、製造コストの増加を抑制しつつ、特殊運転時における駆動力の増加要求に対応することが可能となる。

また、実施の形態１に係る電気車制御装置によれば、第一の接続導体と、第二の接続導体とが互いに交差しないように車両に配置することが可能である。ここで言う第一の接続導体は、第一のインバータ回路と第一の台車の第二の電動機とを接続する接続導体と、第二のインバータ回路と第一の台車の第一の電動機とを接続する接続導体とが束ねられた接続導体群である。また、ここで言う第二の接続導体は、第三のインバータ回路と第二の台車の第二の電動機とを接続する接続導体と、第四のインバータ回路と第二の台車の第一の電動機とを接続する接続導体とが束ねられた接続導体群である。これにより、第一及び第二の接続導体の長さを短くできるので、第一及び第二の接続導体を含むケーブルの重量を軽減することができる。また、車両床下におけるケーブルの敷設、及びケーブルの取り回しを簡素化できるので、工作性及びメンテナンス性を向上させることが可能となる。

次に、実施の形態１における統括制御部３０の機能を実現するためのハードウェア構成について、図５及び図６の図面を参照して説明する。図５は、実施の形態１における統括制御部３０の機能を実現するハードウェア構成の一例を示すブロック図である。図６は、実施の形態１における統括制御部３０の機能を実現するハードウェア構成の他の例を示すブロック図である。

実施の形態１における統括制御部３０の機能の一部又は全部を実現する場合には、図５に示されるように、演算を行うプロセッサ３００、プロセッサ３００によって読みとられるプログラムが保存されるメモリ３０２、及び信号の入出力を行うインタフェース３０４を含む構成とすることができる。

プロセッサ３００は、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、又はＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）といった演算手段であってもよい。また、メモリ３０２には、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ＲＯＭ）、ＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ ＥＰＲＯＭ）といった不揮発性又は揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）を例示することができる。

メモリ３０２には、実施の形態１における統括制御部３０の機能を実行するプログラムが格納されている。プロセッサ３００は、インタフェース３０４を介して必要な情報を授受し、メモリ３０２に格納されたプログラムをプロセッサ３００が実行し、メモリ３０２に格納されたテーブルをプロセッサ３００が参照することにより、上述した処理を行うことができる。プロセッサ３００による演算結果は、メモリ３０２に記憶することができる。

また、実施の形態１における統括制御部３０の機能の一部を実現する場合には、図６に示す処理回路３０３を用いることもできる。処理回路３０３は、単一回路、複合回路、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ－Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、又は、これらを組み合わせたものが該当する。処理回路３０３に入力する情報、及び処理回路３０３から出力する情報は、インタフェース３０４を介して入手することができる。

なお、統括制御部３０における一部の処理を処理回路３０３で実施し、処理回路３０３で実施しない処理をプロセッサ３００及びメモリ３０２で実施してもよい。

実施の形態２．
図７は、実施の形態２に係る電気車制御装置１００Ｂを含む電気車駆動システム５００Ｂの構成例を示す図である。実施の形態２に係る電気車駆動システム５００Ｂでは、図１に示す実施の形態１に係る電気車駆動システム５００の構成において、電気車制御装置１００が電気車制御装置１００Ｂに置き換えられている。電気車制御装置１００Ｂでは、制御部３１，３２がそれぞれ制御部３１Ｂ，３２Ｂに置き換えられている。制御部３１Ｂにはインバータ回路６１，６２のそれぞれの温度Ｔ１，Ｔ２を示す信号が入力される。図示は省略しているが、制御部３２Ｂにもインバータ回路６３，６４のそれぞれの温度を示す信号が入力される。その他の構成は図１と同一又は同等であり、同一又は同等の構成部には同一の符号を付すと共に、重複する説明は割愛する。

制御部３１Ｂは、インバータ回路６１の温度Ｔ１とインバータ回路６２の温度Ｔ２とに基づいて、インバータ回路６１，６２の出力配分、即ち電動機２０２，２０１のトルク配分を調整する。

次に、実施の形態２に係る電気車制御装置１００Ｂにおける要部の動作について説明する。図８は、実施の形態２に係る電気車制御装置１００Ｂにおける制御動作を示すフローチャートである。

制御部３１Ｂは、温度Ｔ１，Ｔ２を比較する（ステップＳ１１）。温度Ｔ１は、風上側に位置するインバータ回路６１の温度である。温度Ｔ２は、風下側に位置するインバータ回路６２の温度である。

制御部３１Ｂは、温度差条件を判定する（ステップＳ１２）。具体的に、温度Ｔ２が温度Ｔ１以下であり、又は温度差Ｔ２－Ｔ１が予め設定された規定値Ｔｃ以下の場合（ステップＳ１２，Ｎｏ）、制御部３１Ｂは温度差条件未成立と判定し、トルク配分を変更せずに通常通りのトルク配分を行う（ステップＳ１３）。一方、温度Ｔ２が温度Ｔ１より大きく、且つ温度差Ｔ２－Ｔ１が規定値Ｔｃより大きい場合（ステップＳ１２，Ｙｅｓ）、制御部３１Ｂは、温度差条件成立と判定し、トルク配分を変更する（ステップＳ１４）。

なお、温度差Ｔ２－Ｔ１が規定値Ｔｃより大きくなる例としては、ダイヤ乱れなどの要因で、電気車の走行速度が通常運転時と比べて遅く、走行風の風量が減少して冷却器の冷却性能が不足する場合などが想定される。

なお、図８のフローチャートでは、制御部３１Ｂの制御動作について説明したが、制御部３２Ｂも同様な制御を行う。内容が重複するので、ここでの説明は割愛する。

次に、より具体的な制御動作について図９を参照して説明する。図９は、実施の形態２に係る電気車制御装置１００Ｂにおける制御例を示す図である。図９の横軸は時間を表している。縦軸には、各電動機２０１～２０４の出力であるトルクの大きさを表している。

図９では、温度差条件が未成立から成立に移行した場合に、電動機２０１～２０４のトルクが変化する様子が示されている。温度差条件が未成立である場合、各電動機２０１～２０４は、規定のトルクである１００％のトルクを出力するよう制御されている。規定のトルクは、上位制御部から指示された加減速要求に基づいて決定された値である。

図９の例では、温度差条件が成立した場合、温度が高いインバータ回路６２によって駆動制御される電動機２０１のトルクが１００％から９０％に連続的に変更されている。また、温度が低いインバータ回路６１によって駆動制御される電動機２０２のトルクが１００％から１１０％に連続的に変更されている。このように制御することで、温度が低いインバータ回路６１の損失を増加させ、温度の高いインバータ回路６２の損失を減少させることができる。なお、電動機２０１と電動機２０２の合計トルクは不変であるので、電気車の運行に支障は来たさない。

上記の制御を行えば、インバータ回路６２の温度Ｔ２とインバータ回路６１の温度Ｔ１との間の温度差Ｔ２－Ｔ１を小さくして規定値Ｔｃ以内とすることができる。これにより、風上と風下との温度差を解消させるための性能を冷却器７１又はフィン７３に持たせる必要がなくなる。このため、冷却器７１及びフィン７３の性能を適正化することが可能となる。その結果、電気車制御装置１００Ｂを小型軽量且つ安価に構成することができる。

なお、上記では、風下側に位置するインバータ回路６２の温度Ｔ２と風上側に位置するインバータ回路６１の温度Ｔ１との間の温度差Ｔ２－Ｔ１に基づいて電動機２０１，２０２のトルク配分を変更する制御動作について説明したが、これに限定されない。温度Ｔ２と温度Ｔ１との比率である温度比Ｔ２／Ｔ１に基づいて電動機２０１，２０２のトルク配分を変更する制御動作でもよい。

肝要な点は、風下側に位置するインバータ回路６２の温度Ｔ２と風上側に位置するインバータ回路６１の温度Ｔ１とが均一となる方向に制御されればよい。この制御が達成されるものであれば、電動機２０１，２０２のトルク又は出力がどのように制御されてもよい。

なお、上記では、電動機２０１，２０２のトルク配分について説明したが、電動機２０３，２０４のトルク配分についても同様な考え方で制御することができる。図９の下段部には、温度が高いインバータ回路６４によって駆動制御される電動機２０３のトルクが１００％から９０％に連続的に変更され、温度が低いインバータ回路６３によって駆動制御される電動機２０４のトルクが１００％から１１０％に連続的に変更される例が示されている。内容が重複するので、ここでの説明は割愛する。

以上説明したように、実施の形態２に係る電気車制御装置によれば、第一から第四のインバータ回路のうち、第一のインバータ回路及び第三のインバータ回路は、常に風上側に位置している。制御部は、第一から第四のインバータ回路の温度に基づいて複数の第一及び第二の電動機の各出力を変更することができ、且つ、第一のインバータ回路の出力が、第二のインバータ回路の出力よりも大きくなるように制御でき、且つ、第三のインバータ回路の出力が、第四のインバータ回路の出力よりも大きくなるように制御することが可能である。これにより、風上と風下との温度差を解消させるための性能を冷却器又はフィンに持たせる必要がなくなるので、冷却器及びフィンの性能を適正化することが可能となる。その結果、電気車制御装置を小型軽量且つ安価に構成することができる。

以上の実施の形態に示した構成は、一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、実施の形態同士を組み合わせることも可能であるし、要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

更に、本明細書では、電気車制御装置への適用を考慮して発明内容の説明を実施しているが、適用分野はこれに限られるものではなく、種々の関連分野への応用が可能であることも言うまでもない。

１ 架線、２，２ａ～２ｄ 車輪、３ａ，３ｂ 台車、４，４Ａ 車両、５ 集電装置、６ レール、１０ スイッチ、１１ リアクトル、３０ 統括制御部、３１，３１Ｂ，３２，３２Ｂ 制御部、５０ コンデンサ、６０Ｕ，６０Ｖ，６０Ｗ，６０Ｘ，６０Ｙ，６０Ｚ 半導体素子、６１～６４ インバータ回路、７１，７２ 冷却器、７３，７４ フィン、８１，８２，８２Ａ 電力変換ユニット、９１～９４ 接続導体、９５ 第一の接続導体、９６ 第二の接続導体、１００，１００Ａ，１００Ｂ 電気車制御装置、２０１～２０４ 電動機、３００ プロセッサ、３０２ メモリ、３０３ 処理回路、３０４ インタフェース、５００，５００Ｂ 電気車駆動システム、Ｎ 負側端子、Ｐ 正側端子。

Claims (5)

1. 車両の前方の車輪である第一の車輪を駆動する第一の電動機と、前記車両の後方の車輪である第二の車輪を駆動する第二の電動機とを備えた台車を、前記車両の前方及び後方に、それぞれ第一の台車及び第二の台車として備えた電気車に搭載される電気車制御装置であって、
   前記第一及び第二の電動機を個別に制御する複数のインバータ回路と、
   複数の前記インバータ回路のうちの少なくとも一つを制御する制御部と、
   を備え、
   複数の前記インバータ回路は、
   前記第一の台車の前記第二の電動機に接続された第一のインバータ回路と、
   前記第一の台車の前記第一の電動機に接続された第二のインバータ回路と、
   前記第二の台車の前記第二の電動機に接続された第三のインバータ回路と、
   前記第二の台車の前記第一の電動機に接続された第四のインバータ回路と、
   から構成され、
   前記第一から第四のインバータ回路は、前記車両の前方から後方に向かって前記第一、第二、第三及び第四のインバータ回路の順で配置され、且つ、前記第一から第四のインバータ回路の配置順序は、前記車両の進行方向が逆になっても維持され、
   前記制御部は、通常よりも高い推進能力が必要となる運転条件のときには、前記第二の電動機のトルクのみが通常運転時のトルクよりも大きくなるように制御する
   ことを特徴とする電気車制御装置。
2. 前記第一及び第二のインバータ回路を冷却する第一の冷却器を備え、前記第一及び第二のインバータ回路と、前記第一の冷却器とを搭載してなる第一の電力変換ユニットと、
   前記第三及び第四のインバータ回路を冷却する第二の冷却器を備え、前記第三及び第四のインバータ回路と、前記第二の冷却器とを搭載してなる第二の電力変換ユニットと、
   指令信号に基づいて前記制御部を制御する統括制御部を備え、
   前記第一及び第二のインバータ回路は、前記車両の前方から後方に向かってこの順で前記第一の冷却器に搭載されることで前記第一のインバータ回路は前記第二のインバータ回路に対して走行風の風上側に配置され、
   前記第三及び第四のインバータ回路は、前記車両の前方から後方に向かってこの順で前記第二の冷却器に搭載されることで前記第三のインバータ回路は前記第四のインバータ回路に対して走行風の風上側に配置され、
   前記第一の電力変換ユニット、前記統括制御部及び前記第二の電力変換ユニットは、前記車両の前方から後方に向かってこの順で筐体に配置され、前記筐体は前記電気車の床下に配置される
   ことを特徴とする請求項１に記載の電気車制御装置。
3. 前記制御部は、通常よりも高い推進能力が必要となる運転条件のときにおいて、複数の前記第一及び第二の電動機の全体の出力を増加させる際には、前記第一のインバータ回路の出力を前記第二のインバータ回路の出力よりも大きくなるように制御し、且つ前記第三のインバータ回路の出力を前記第四のインバータ回路の出力よりも大きくなるように制御する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の電気車制御装置。
4. 前記制御部は、前記第一から第四のインバータ回路の温度に基づいて複数の前記第一及び第二の電動機の各出力を変更することができ、且つ、前記第一のインバータ回路の出力が、前記第二のインバータ回路の出力よりも大きくなるように制御でき、且つ、前記第三のインバータ回路の出力が、前記第四のインバータ回路の出力よりも大きくなるように制御可能に構成されている
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の電気車制御装置。
5. 前記第一のインバータ回路と前記第一の台車の前記第二の電動機とを接続する接続導体と、前記第二のインバータ回路と前記第一の台車の前記第一の電動機とを接続する接続導体とを含む第一の接続導体と、
   前記第三のインバータ回路と前記第二の台車の前記第二の電動機とを接続する接続導体と、前記第四のインバータ回路と前記第二の台車の前記第一の電動機とを接続する接続導体とを含む第二の接続導体とが、
   互いに交差しないように前記車両に配置可能である
   ことを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の電気車制御装置。

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