JPWO2013018167A1

JPWO2013018167A1 - 電気車の推進制御装置

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Publication number: JPWO2013018167A1
Application number: JP2013526634A
Authority: JP
Inventors: 啓太畠中
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-07-29
Filing date: 2011-07-29
Publication date: 2015-02-23
Anticipated expiration: 2031-07-29
Also published as: US9145060B2; KR20140040277A; EP2738034A4; US20140207322A1; EP2738034A1; WO2013018167A1; IN2014CN00658A; CN103717437B; EP2738034B1; JP5542242B2; CN103717437A; KR101508104B1

Abstract

双方向の電力フロー制御が可能な電力変換部９，１０と、電力変換部９，１０の各交流端側に設けられるＡＣＬ１１と、電力変換部９，１０の各直流端に電力貯蔵装置１２および直流架線２のうちの何れかが接続されるように接続切替を行う切替器１４と、電力変換部９の交流端をＡＣＬ１１に接続するか、ＡＣモータ１３側に接続するかを切り替える切替器１５と、電力変換部１０の交流端をＡＣＬ１１に接続するか、ＡＣモータ１３側に接続するかを切り替える切替器１６と、ＡＣモータ１３の接続を電力変換部９側に接続するか、電力変換部１０側に接続するかを切り替える切替器１７と、電力変換部９，１０の動作および切替器１４〜１７の動作を制御する制御部４０と、を備える。

Description

本発明は、電力貯蔵装置を備えた電気車の推進制御装置に関する。

電力貯蔵装置を備えた従来の電気車の推進制御装置として、例えば、下記特許文献１に記載された推進制御装置（同文献では、充放電制御装置として開示）では、架線からの直流電圧を電力貯蔵装置の直流電圧に変換する双方向昇降圧チョッパと、直流電力を交流電力に変換してモータを駆動するインバータとによる２つの電力変換装置を搭載する構成が開示されている。

特開２００８−２２８４２０号公報（「０００７」、図１）

しかしながら、上記特許文献１に記載の推進制御装置では、双方向昇降圧チョッパとインバータとによる２つの電力変換部を搭載しているが、何れかの電力変換部が故障した場合には、車両が走行できないという課題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、一方の電力変換部が故障した場合でも他方の電力変換部にて車両走行を可能とする電気車の推進制御装置を提供す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に、本発明は、電力貯蔵装置および交流モータを有し、直流架線および前記電力貯蔵装置から供給される直流電力を用いて前記交流モータの推進制御を行う電気車の推進制御装置であって、双方向の電力フロー制御が可能であり、接続態様に応じて少なくとも昇圧チョッパ、降圧チョッパ、昇降圧チョッパおよびインバータのうちの何れか一つとして動作する第１、第２の電力変換部と、前記第１および第２の電力変換部の各交流端側に設けられる交流リアクトルと、前記第１および第２の電力変換部の各直流端に前記電力貯蔵装置および前記直流架線のうちの何れかが接続されるように接続切替を行う第１の切替器と、前記第１の電力変換部の交流端を前記交流リアクトルに接続するか、前記交流モータ側に接続するかを切り替える第２の切替器と、前記第２の電力変換部の交流端を前記交流リアクトルに接続するか、前記交流モータ側に接続するかを切り替える第３の切替器と、前記交流モータの接続を前記第１の電力変換部側に接続するか、前記第２の電力変換部側に接続するかを切り替える第４の切替器と、前記第１および第２の電力変換部の動作ならびに前記第１乃至第４の切替器の動作を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、一方の電力変換部が故障した場合でも他方の電力変換部にて車両走行が可能になるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態に係る推進制御装置の一構成例を示す図である。図２は、電力貯蔵装置を充電する場合の動作（充電動作１）を示す図である。図３は、直流架線の電力を用いてＡＣモータを駆動する場合の動作（モータ駆動１）を示す図である。図４は、電力貯蔵装置の電力を用いてＡＣモータを駆動する場合の動作（モータ駆動２）を示す図である。図５は、電力貯蔵装置を充電する場合の動作（充電動作２）を示す図である。図６は、直流架線の電力を用いてＡＣモータを駆動する場合の動作（モータ駆動３）を示す図である。図７は、電力貯蔵装置の電力を用いてＡＣモータを駆動する場合の動作（モータ駆動４）を示す図である。図８は、直流架線の電力を用いてＡＣモータを駆動する場合の動作（モータ駆動５）を示す図である。図９は、電力貯蔵装置の電力を用いてＡＣモータを駆動する場合の動作（モータ駆動６）を示す図である。図１０は、直流架線および電力貯蔵装置の双方の電力を用いて複数のＡＣモータを駆動する場合の動作（モータ駆動７）を示す図である。図１１は、直流架線および電力貯蔵装置の双方の電力を用いて複数のＡＣモータを駆動する場合の動作（モータ駆動８）を示す図である。図１２は、図２〜図１１に示した動作を表形式で一覧にした図である。

以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態に係る電気車の推進制御装置（以下、単に「推進制御装置」と称する）について説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の実施の形態に係る推進制御装置の一構成例を示す図である。図１において、本実施の形態の推進制御装置５０は、変電所などの直流電源１に接続された直流架線２から集電装置３を介して取り込む電力を入力電源とし、車両内に搭載される交流モータ（ＡＣモータ）１３を推進制御する装置として構成される。

推進制御装置５０は、装置内の各部を制御する制御部４０と、装置内の回路を開閉するためのスイッチ４１，４２，４３，４４，４５と、装置内の回路接続を切り替えるための切替器１４，１５，１６，１７と、ＬＣフィルタを構成するフィルタリアクトル（以下「ＦＬ」と表記）７およびフィルタコンデンサ（以下「ＦＣ」と表記）８と、複数のスイッチング素子により構成され、双方向の電力フロー制御が可能な電力変換機能を有し、接続態様に応じて昇圧チョッパ、降圧チョッパ、昇降圧チョッパ、インバータおよびコンバータのうちの何れか一つとして動作する第１の電力変換部としての電力変換部９および第２の電力変換部としての電力変換部１０と、電力変換部９または電力変換部１０によって駆動され車輪２１を回転させるＡＣモータ１３と、二次電池や電気二重層キャパシタ等の電力貯蔵デバイスにより構成された電力貯蔵装置１２と、バッテリフィルタコンデンサ（以下「ＢＦＣ」と表記）２９と、スイッチ４１を投入する際の過電流を防止する電流制限抵抗６と、スイッチ４４を投入する際の過電流を防止する電流制限抵抗２６と、電力貯蔵装置１２から供給された直流電圧を三相交流電圧に変換する補助電源装置（ＳｔａｔｉｃＩｎＶｅｒｔｅｒ：以下「ＳＩＶ」と表記）３２と、ＳＩＶ３２から電力供給を受けて動作する補機３３と、電力変換部９，１０における各入力端（註：電力変換部９，１０は双方向の電力フロー制御が可能であり、何れの側も入力端と成り得るが、ここでは便宜上、直流端側を入力端とし、交流端側を出力端とする）に接続され、各入力端に直流電源１および電力貯蔵装置１２のうちの何れかが接続されるように接続切替を行う第１の切替器としての切替器１４と、電力変換部９，１０における各出力端側に設けられる交流リアクトル（以下「ＡＣＬ」と表記）１１と、電力変換部９の出力をＡＣＬ１１に接続するか、ＡＣモータ１３側に接続するかを切り替える第２の切替器としての切替器１５と、電力変換部１０の出力端をＡＣＬ１１に接続するか、ＡＣモータ１３側に接続するかを切り替える第３の切替器としての切替器１６と、ＡＣモータ１３の接続を電力変換部９側に接続するか、電力変換部１０側に接続するかを切り替える第４の切替器としての切替器１７と、ＡＣモータ１３の回転速度を検出する速度検出器１８、電力変換部９の出力側に設けられ、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相の電流を検出するために少なくとも２相に設けられる電流検出器３５ａ，３５ｂと、電力変換部１０の出力側に設けられ、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相の電流を検出するために少なくとも２相に設けられる電流検出器３６ａ，３６ｂと、電力変換部９へ流入する電流および電力変換部９から流出する電流を検出する電流検出器２３と、電力貯蔵装置１２へ流入する電流および電力貯蔵装置１２から流出する電流を検出する電流検出器３７と、を備える。

なお、上記の構成について、一部補足する。補機３３は、車内の照明、空調、制御装置等の車両内負荷である。直流電源１は、燃料電池や太陽光電池のような直流電圧源でもよい。切替器１５〜１７は、上記の接続機能により、電力変換部９，１０同士をＡＣＬ１１を介して接続するか、電力変換部９をＡＣモータ１３に接続するか、電力変換部１０をＡＣモータ１３に接続するかの接続切替を行う第２の切替部として動作する。また、切替器１５〜１７は、図示のように、電力変換部９の出力側の接続を３相分纏めて切り替えるように構成される。

制御部４０は、電力貯蔵装置１２の電圧ＥＢＡＴ、電流検出器３７の電流検出値ＩＢＡＴ、直流架線２から供給される直流電圧ＥＳ、ＦＣ８の電圧ＥＦＣ、ＡＣモータ１３の回転速度ＲＺ、電流検出器２３の電流検出値ＩＳ、電流検出器３５ａ，３５ｂの電流検出値ＩＵ１，ＩＶ１，ＩＷ１（註：２相分の検出値から３相分の検出値が求められるため、ここでは３相分の検出値が出力されるとする、以下同じ）および、電流検出器３６ａ，３６ｂの電流検出値ＩＵ２，ＩＶ２，ＩＷ２を監視している。また、運転者もしくは運転台装置等からの運転指令（以下「ＧＣ」と表記）を受け取る。この運転指令には、例えば、電気車に対する運行操作（力行、ブレーキ、だ行、停車）を指示する指令情報や、電力貯蔵装置１２の受電開始操作を示す指令情報などが含まれる。制御部４０は、これらの監視結果および運転指令ＧＣに基づいて、スイッチ４１〜４５および切替器１４〜１７を制御するためのスイッチ指令ＳＣを生成してそれぞれに出力すると共に、電力変換部９，１０（より詳細には、電力変換部９，１０を構成している各スイッチング素子）を制御するためのスイッチング指令ＰＷＭ１，ＰＷＭ２を生成して出力する。なお、スイッチング指令ＰＷＭ１，ＰＷＭ２を生成する手法は公知であり、ここでの詳細な説明は省略する。

まず、本実施の形態の推進制御装置を備えた電気車は、図１に示す構成を採用したことにより、図２〜図１１に示すような制御動作が可能となる。図２〜図１１においては、図１に示した推進制御装置の主要部のみを記載し、電力の流れを一点鎖線で示している。なお、これらの各図面では、切替器１４の機能を１回路２接点のスイッチ（以下「ＳＷ」と表記）１〜３およびＳＷ６〜８を図示のように組み合わせて実現し、切替器１５〜１７の機能を１回路２接点のＳＷ４，５およびＳＷ９〜１１を図示のように組み合わせて実現しているが、これらの接続形態や接続構成に限定されるものではなく、以下に説明する各動作が可能な任意の接続形態や接続構成を採用することができることは言うまでもない。

（直流架線から電力貯蔵装置を充電：充電動作１）
図２は、電力貯蔵装置１２を充電する場合の動作（充電動作１）を示す図である。この充電動作１の場合、図示のように、ＳＷ１〜３の各接点をＡ側、ＳＷ４の接点をＢ側、ＳＷ５の接点をＡ側、ＳＷ６〜８の各接点をＢ側、ＳＷ９の接点をＡ側、ＳＷ１０の接点をＢ側に設定する。なお、ＳＷ１１の接点は任意である。また、図２では、図示を省略しているＳＷ４１〜４５もオンに設定する（以下、特に断らない限り、ＳＷ４１〜４５はオンに設定されているものとして説明する）。

上記のような接続状態において、直流架線２から、電力変換部９、ＡＣＬ１１および電力変換部１０を経由して電力貯蔵装置１２に至る電力供給経路が形成され、電力変換部９は、第１のチョッパ（直流架線２に近い側の電力変換部を「ＣＨ１」として表記、以下同じ）として動作し、電力変換部１０は、第２のチョッパ（電力貯蔵装置１２に近い側の電力変換部を「ＣＨ２」として表記、以下同じ）として動作して電力貯蔵装置１２を充電する。この図２に示す動作（電力貯蔵装置１２の充電動作）は、電気車が車両基地や駅で停車している状態、または電化区間でだ行運転を行っている状態において実施する。

直流架線２の電圧が電力貯蔵装置１２の電圧よりも高い場合、電力変換部９，１０は昇圧チョッパとして動作する。なお、ここで言う「昇圧チョッパ」の意味は、電力変換部９，１０の全体から見て昇圧チョッパとして動作することを意味し、電力変換部９，１０の双方が昇圧チョッパとして動作する必要があるという意味ではない。また、直流架線２の電圧が電力貯蔵装置１２の電圧よりも低い場合、電力変換部９，１０は、降圧チョッパとして動作する。ここで言う「降圧チョッパ」の意味も、電力変換部９，１０の全体から見て降圧チョッパとして動作することを意味し、電力変換部９，１０の双方が降圧チョッパとして動作する必要があるという意味ではない。

なお、図２では、電力貯蔵装置１２を充電する際に２つの電力変換部９，１０を共に用いる接続構成について説明したが、電力変換部９，１０の何れか一方のみを利用する接続構成とすることも可能である。例えば、ＳＷ７とＳＷ８との間に、例えば１回路２接点のスイッチを設け、このスイッチの一方の接点がＳＷ８の接点ＡおよびＳＷ１０の接点Ａを通じてＡＣＬ１１に接続される接続構成とすれば、電力変換部１０を使用せず、電力変換部９のみで電力貯蔵装置１２に対する充電を行うことができる。なお、同様な接続構成により、電力変換部９を使用せず、電力変換部１０のみで電力貯蔵装置１２に対する充電も可能となる。

（直流架線の電力を用いたモータ駆動：モータ駆動１）
図３は、直流架線２の電力を用いてＡＣモータ１３を駆動する場合の動作（モータ駆動１）を示す図である。このモータ駆動１の場合、図示のように、ＳＷ１〜４，１１の各接点をＡ側に設定する。なお、その他のＳＷ５〜１０の各接点は任意である。また、電力変換部１０は、動作を停止する。

上記のような接続状態において、直流架線２から電力変換部９を経由してＡＣモータ１３に至る電力供給経路が形成され、電力変換部９は、インバータとして動作し、直流架線２から供給された直流電圧を三相交流電圧に変換してＡＣモータ１３を駆動する。この図３に示す動作は、力行時、ブレーキ制御時等において実行される。

（電力貯蔵装置の電力を用いたモータ駆動：モータ駆動２）
図４は、電力貯蔵装置１２の電力を用いてＡＣモータ１３を駆動する場合の動作（モータ駆動２）を示す図である。このモータ駆動２の場合、図示のように、ＳＷ６〜９，１１の各接点をＢ側に設定する。なお、その他のＳＷ１〜５，１０の各接点は任意である。また、電力変換部９は、動作を停止する。

上記のような接続状態において、電力貯蔵装置１２から電力変換部１０を経由してＡＣモータ１３に至る電力供給経路が形成され、電力変換部１０は、インバータとして動作し、電力貯蔵装置１２から供給された直流電圧を三相交流電圧に変換してＡＣモータ１３を駆動する。この図４に示す動作は、図３のときと同様に、力行時、ブレーキ制御時等において実行される。

（直流架線から電力貯蔵装置を充電：充電動作２）
図５は、電力貯蔵装置１２を充電する場合の動作（充電動作２）を示す図であり、図２に示した充電動作１とは異なる電力供給経路にて電力貯蔵装置１２を充電する動作である。この充電動作２の場合、図示のように、ＳＷ１，２，４，８〜１０の各接点をＢ側、ＳＷ３，５〜７の各接点をＡ側に設定する。なお、ＳＷ１１の接点は任意である。

上記のような接続状態において、直流架線２から、電力変換部１０、ＡＣＬ１１および電力変換部９を経由して電力貯蔵装置１２に至る電力供給経路が形成され、電力変換部１０は、第１のチョッパ（ＣＨ１）として動作し、電力変換部９は、第２のチョッパ（ＣＨ２）として動作して電力貯蔵装置１２を充電する。この図５に示す動作（充電動作２）は、図２に示す動作（充電動作１）と同様に、電気車が車両基地や駅で停車している状態、または電化区間でだ行運転を行っている状態において実施される。

直流架線２の電圧が電力貯蔵装置１２の電圧よりも高い場合、電力変換部９，１０は、双方全体で昇圧チョッパとして動作する。また、直流架線２の電圧が電力貯蔵装置１２の電圧よりも低い場合、電力変換部９，１０は、双方全体で降圧チョッパとして動作する。

なお、図２では、電力貯蔵装置１２を充電する際に２つの電力変換部９，１０を共に用いる接続構成について説明したが、電力変換部９，１０の何れか一方のみを利用する接続構成とすることも可能である。例えば、ＳＷ１とＳＷ２との間に、例えば１回路２接点のスイッチを設け、このスイッチの一方の接点がＳＷ２の接点ＢおよびＳＷ５の接点Ｂを通じてＡＣＬ１１に接続される接続構成とすれば、電力変換部９を使用せず、電力変換部１０のみで電力貯蔵装置１２に対する充電を行うことができる。なお、同様な接続構成により、電力変換部１０を使用せず、電力変換部９のみで電力貯蔵装置１２に対する充電も可能となる。

（直流架線の電力を用いたモータ駆動：モータ駆動３）
図６は、直流架線２の電力を用いてＡＣモータ１３を駆動する場合の動作（モータ駆動３）を示す図であり、図３に示したモータ駆動１とは異なる電力供給経路および異なる電力変換部にてＡＣモータ１３を駆動する動作である。このモータ駆動３の場合、図示のように、ＳＷ１，８，９，１１の各接点をＢ側、ＳＷ７の接点をＡ側に設定する。なお、その他のＳＷ２〜６，１０の各接点は任意である。また、電力変換部９は、動作を停止する。

上記のような接続状態において、直流架線２から電力変換部１０を経由してＡＣモータ１３に至る電力供給経路が形成され、電力変換部１０は、インバータとして動作し、直流架線２から供給された直流電圧を三相交流電圧に変換してＡＣモータ１３を駆動する。この図６に示す動作は、図３に示す動作（モータ駆動１）などと同様に、力行時、ブレーキ制御時等において実行される。

（電力貯蔵装置の電力を用いたモータ駆動：モータ駆動４）
図７は、電力貯蔵装置１２の電力を用いてＡＣモータ１３を駆動する場合の動作（モータ駆動４）を示す図であり、図４に示したモータ駆動２とは異なる電力供給経路および異なる電力変換部にてＡＣモータ１３を駆動する動作である。このモータ駆動４の場合、図示のように、ＳＷ２，７の各接点をＢ側、ＳＷ３，４，６，１１の各接点をＡ側に設定する。なお、その他のＳＷ１，５，８〜１０の各接点は任意である。また、電力変換部１０は、動作を停止する。

上記のような接続状態において、電力貯蔵装置１２から電力変換部９を経由してＡＣモータ１３に至る電力供給経路が形成され、電力変換部９は、インバータとして動作し、電力貯蔵装置１２から供給された直流電圧を三相交流電圧に変換してＡＣモータ１３を駆動する。この図７に示す動作は、図４に示す動作（モータ駆動２）と同様に、力行時、ブレーキ制御時等において実行される。

（直流架線の電力を用いたモータ駆動：モータ駆動５）
図８は、直流架線２の電力を用いてＡＣモータ１３を駆動する場合の動作（モータ駆動５）を示す図であり、直流架線２の電圧を降圧した後にＤＣ／ＡＣ変換してＡＣモータ１３を駆動する動作である。このモータ駆動５の場合、図示のように、ＳＷ１〜３，５，８，１０の各接点をＡ側、ＳＷ４，９，１１の各接点をＢ側に設定する。なお、その他のＳＷ６，７の各接点は任意である。

上記のような接続状態において、直流架線２から電力変換部９、ＡＣＬ１１、電力変換部１０を経由してＡＣモータ１３に至る電力供給経路が形成される。電力変換部９は、降圧チョッパとして動作し、直流架線２から供給された直流電圧を電力変換部１０の動作に適した所望の直流電圧に変換する。電力変換部１０は、インバータとして動作し、電力変換部９にて変換された所望の直流電圧を三相交流電圧に変換してＡＣモータ１３を駆動する。この図８に示す動作は、図３に示す動作（モータ駆動１）などと同様に、力行時、ブレーキ制御時等において実行される。

なお、図８では、直流架線２から電力変換部９、ＡＣＬ１１、電力変換部１０を経由してＡＣモータ１３に至る電力供給経路を形成してＡＣモータ１３を駆動する例を示したが、直流架線２から電力変換部１０、ＡＣＬ１１、電力変換部９を経由してＡＣモータ１３に至る電力供給経路を形成してＡＣモータ１３を駆動することとしてもよい。この場合、電力変換部１０は、降圧チョッパとして動作し、電力変換部９は、インバータとして動作する。

（電力貯蔵装置の電力を用いたモータ駆動：モータ駆動６）
図９は、電力貯蔵装置１２の電力を用いてＡＣモータ１３を駆動する場合の動作（モータ駆動６）を示す図であり、電力貯蔵装置１２の電圧を降圧した後にＤＣ／ＡＣ変換してＡＣモータ１３を駆動する動作である。このモータ駆動６の場合、図示のように、ＳＷ３，５〜８，１０の各接点をＢ側、ＳＷ４，９，１１の各接点をＡ側に設定する。なお、その他のＳＷ１，２の各接点は任意である。

上記のような接続状態において、電力貯蔵装置１２から電力変換部１０、ＡＣＬ１１、電力変換部９を経由してＡＣモータ１３に至る電力供給経路が形成される。電力変換部１０は、降圧チョッパとして動作し、直流架線２から供給された直流電圧を電力変換部９の動作に適した所望の直流電圧に変換する。電力変換部９は、インバータとして動作し、電力変換部１０にて変換された所望の直流電圧を三相交流電圧に変換してＡＣモータ１３を駆動する。この図９に示す動作は、図３に示す動作と同様に、力行時、ブレーキ制御時等において実行される。

なお、図９では、電力貯蔵装置１２から電力変換部１０、ＡＣＬ１１、電力変換部９を経由してＡＣモータ１３に至る電力供給経路を形成してＡＣモータ１３を駆動する実施例を示したが、電力貯蔵装置１２から電力変換部９、ＡＣＬ１１、電力変換部１０を経由してＡＣモータ１３に至る電力供給経路を形成してＡＣモータ１３を駆動することとしてもよい。この場合、電力変換部９は、降圧チョッパとして動作し、電力変換部１０は、インバータとして動作する。

（直流架線および電力貯蔵装置の双方の電力を用いたモータ駆動：モータ駆動７）
上述したモータ駆動１〜６は、直流架線または電力貯蔵装置の何れかの電力を用いて１つのモータを駆動する実施の形態であった。一方、図１０は、直流架線および電力貯蔵装置の双方の電力を用いて複数のＡＣモータ１３ａ，１３ｂを駆動する場合の動作（モータ駆動７）を示す図である。図１０の例では、電力変換部９が直流架線２の電力を用いて第１のモータであるＡＣモータ１３ａを駆動し、電力変換部１０が電力貯蔵装置１２の電力を用いて第２のモータであるＡＣモータ１３ｂを駆動するように構成されている。なお、図２〜９の構成では設けられていたＳＷ１１は省略されている。このモータ駆動７の場合、図示のように、ＳＷ１〜４の各接点をＡ側、ＳＷ６〜９の各接点をＢ側に設定する。その他のＳＷ５，１０の各接点は任意である。

上記のような接続状態において、直流架線２から電力変換部９を経由して第１のモータであるＡＣモータ１３ａに至る第１の電力供給経路と、電力貯蔵装置１２から電力変換部１０を経由して第２のモータであるＡＣモータ１３ｂに至る第２の電力供給経路と、が形成される。電力変換部９は、インバータとして動作し、直流架線２から供給された直流電圧を三相交流電圧に変換してＡＣモータ１３ａを駆動する。電力変換部１０も、インバータとして動作し、電力貯蔵装置１２から供給された直流電圧を三相交流電圧に変換してＡＣモータ１３ｂを駆動する。これらＡＣモータ１３ａ，１３ｂを駆動する動作は、図３に示す動作（モータ駆動１）などと同様に、力行時、ブレーキ制御時等において実行される。

なお、図１０に示すＡＣモータ１３ａ，１３ｂは、それぞれが同一車両内に設けられるＡＣモータであってよいし、異なる車両に設けられるＡＣモータであっても構わない。肝要な点は、例えば図１０に示すように、駆動対象となるＡＣモータが切替器等によって所定の電力変換部に接続され、且つ、各車両の制御部同士が車両間において連携がとれていればよい。

（直流架線および電力貯蔵装置の双方の電力を用いたモータ駆動：モータ駆動８）
図１１は、直流架線および電力貯蔵装置の双方の電力を用いて複数のＡＣモータ１３ａ，１３ｂを駆動する場合の動作（モータ駆動８）を示す図である。図１０との差異は、直流電力供給源と電力変換部との組合せが異なる点のみである。すなわち、図１０では、直流架線２の電力が電力変換部９に供給され、電力貯蔵装置１２の電力が電力変換部１０に供給される接続構成であったが、図１１では、直流架線２の電力が電力変換部１０に供給され、電力貯蔵装置１２の電力が電力変換部９に供給される接続構成である。このモータ駆動８の場合、図示のように、ＳＷ１，２、８，９の各接点をＢ側に、ＳＷ３，４、６，７の各接点をＡ側に設定する。その他のＳＷ５，１０の各接点は任意である。

上記のような接続状態において、電力貯蔵装置１２から電力変換部９を経由して第１のモータであるＡＣモータ１３ａに至る第１の電力供給経路と、直流架線２から電力変換部１０を経由して第２のモータであるＡＣモータ１３ｂに至る第２の電力供給経路と、が形成される。電力変換部９は、インバータとして動作し、電力貯蔵装置１２から供給された直流電圧を三相交流電圧に変換してＡＣモータ１３ａを駆動する。電力変換部１０も、インバータとして動作し、直流架線２から供給された直流電圧を三相交流電圧に変換してＡＣモータ１３ｂを駆動する。これらＡＣモータ１３ａ，１３ｂを駆動する動作は、図３に示す動作（モータ駆動１）などと同様に、力行時、ブレーキ制御時等において実行される。なお、図１０に示すモータ駆動７と同様に、図１１に示すＡＣモータ１３ａ，１３ｂは、それぞれが同一車両内に設けられるＡＣモータであってよいし、異なる車両に設けられるＡＣモータであっても構わない。

図１２は、図２〜図１１に示した動作を表形式で一覧にした図であり、ＳＷ１〜１１の設定状態、電力変換部９，１０の動作状態、ＡＣモータ１３（１３ａ，１３ｂ）の動作状態および、上述した各図面との対応関係などを示している。図示の内容は、上述した通りであり、詳細な説明は省略する。

このように、本実施の形態の推進制御装置は、２つの電力変換部を設け、これら２つの電力変換部…こととしたので、一方の電力変換部が故障した場合でも他方の電力変換部にて車両走行が可能になるという効果が得られる。

なお、上記の実施の形態に示した構成は、本発明の構成の一例であり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能である。

例えば、本実施の形態の推進制御装置を搭載した車両（以下「ハイブリッド車両」と称する）が複数連結された場合に、各車両における電力貯蔵装置１２同士を並列に接続し、少なくとも１つのハイブリッド車両の電力変換部を双方向昇降圧チョッパとして動作させて電力貯蔵装置を充電すれば、架線下の電化区間では、電力貯蔵装置の電力を消費せずに走行することができる。この制御により、電化区間と非電化区間との双方を走行するハイブリッド車両として使用する場合に、非電化区間を走行するときの電力貯蔵装置容量に余裕ができ、電力貯蔵装置容量の低減に効果的である。

また、車両基地や駅に電力貯蔵装置（車両搭載のものとは異なる電力貯蔵装置）が設置されている場合において、これらの車両基地や駅で停車している間に、電力変換部９，１０のうちの少なくとも１つをＤＣ／ＤＣコンバータとして動作させ、自車両が備えている電力貯蔵装置１２の代わりに外部の電力貯蔵装置を充電するようにしてもよい。この制御により、低コストで充電することができ、さらには、車両基地や駅に電力貯蔵装置の充電設備が不要となる。さらに、夜間等電気料金の安い時間帯に充電するようにすれば、なお一層の低コスト化を図ることができる。

また、電化区間と非電化区間との双方を走行し、且つ、電化区間には直流電化区間と交流電化区間が存在する場合において、ハイブリッド車両を３両以上連結して編成し、各車両における電力貯蔵装置１２同士を並列に接続し、少なくとも１つのハイブリッド車両の電力変換部を双方向昇降圧チョッパとして動作させ、少なくとも１つのハイブリッド車両の電力変換部をコンバータとして動作させれば、直流電化区間と交流電化区間の双方において、架線からの電力を受電でき、架線下の電化区間では、電力貯蔵装置の電力を消費せずに走行することができる。この制御により、電化区間と非電化区間との双方を走行し、電化区間に直流電化区間と交流電化区間の双方が存在する場合であっても、非電化区間を走行するときの電力貯蔵装置容量に余裕ができ、電力貯蔵装置容量の低減に効果的である。

なお、上記の説明では、鉄道車両の推進制御装置の場合を例に説明したが、他の車両と連携する必要の無い実施の形態は、電力貯蔵装置（リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、電気二重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタ、フライホイール等）を搭載したハイブリッド移動体（自動車、自動２輪等）や、ハイブリッド建設機械（ダンプトラック、ブルドーザ、ショベルカー等）等への適用が可能であり、また、船舶の分野への適用も可能である。

以上のように、本発明に係る電気車の推進制御装置は、一方の電力変換部が故障した場合でも他方の電力変換部を用いての車両走行を可能にする発明として有用である。

１直流電源
２直流架線
３集電装置
６，２６電流制限抵抗
７ＦＬ（フィルタリアクトル）
８ＦＣ（フィルタコンデンサ）
９，１０電力変換部
１１ＡＣＬ（交流リアクトル）
１２電力貯蔵装置
１３，１３ａ，１３ｂ交流（ＡＣ）モータ
１４，１５，１６，１７切替器
１８速度検出器
２１車輪
２３，３５ａ，３５ｂ，３６ａ，３６ｂ，３７電流検出器
２９ＢＦＣ（バッテリフィルタコンデンサ）
３２ＳＩＶ（補助電源装置）
３３補機
４０制御部
４１，４２，４３，４４，４５スイッチ
５０推進制御装置

直流架線２の電圧が電力貯蔵装置１２の電圧よりも低い場合、電力変換部９，１０は昇圧チョッパとして動作する。なお、ここで言う「昇圧チョッパ」の意味は、電力変換部９，１０の全体から見て昇圧チョッパとして動作することを意味し、電力変換部９，１０の双方が昇圧チョッパとして動作する必要があるという意味ではない。また、直流架線２の電圧が電力貯蔵装置１２の電圧よりも高い場合、電力変換部９，１０は、降圧チョッパとして動作する。ここで言う「降圧チョッパ」の意味も、電力変換部９，１０の全体から見て降圧チョッパとして動作することを意味し、電力変換部９，１０の双方が降圧チョッパとして動作する必要があるという意味ではない。

上記のような接続状態において、電力貯蔵装置１２から電力変換部１０、ＡＣＬ１１、電力変換部９を経由してＡＣモータ１３に至る電力供給経路が形成される。電力変換部１０は、降圧チョッパとして動作し、電力貯蔵装置１２から供給された直流電圧を電力変換部９の動作に適した所望の直流電圧に変換する。電力変換部９は、インバータとして動作し、電力変換部１０にて変換された所望の直流電圧を三相交流電圧に変換してＡＣモータ１３を駆動する。この図９に示す動作は、図３に示す動作と同様に、力行時、ブレーキ制御時等において実行される。

Claims

電力貯蔵装置および交流モータを有し、直流架線および前記電力貯蔵装置から供給される直流電力を用いて前記交流モータの推進制御を行う電気車の推進制御装置であって、
双方向の電力フロー制御が可能であり、接続態様に応じて少なくとも昇圧チョッパ、降圧チョッパ、昇降圧チョッパおよびインバータのうちの何れか一つとして動作する第１、第２の電力変換部と、
前記第１および第２の電力変換部の各交流端側に設けられる交流リアクトルと、
前記第１および第２の電力変換部の各直流端に前記電力貯蔵装置および前記直流架線のうちの何れかが接続されるように接続切替を行う第１の切替器と、
前記第１の電力変換部の交流端を前記交流リアクトルに接続するか、前記交流モータ側に接続するかを切り替える第２の切替器と、
前記第２の電力変換部の交流端を前記交流リアクトルに接続するか、前記交流モータ側に接続するかを切り替える第３の切替器と、
前記交流モータの接続を前記第１の電力変換部側に接続するか、前記第２の電力変換部側に接続するかを切り替える第４の切替器と、
前記第１および第２の電力変換部の動作ならびに前記第１乃至第４の切替器の動作を制御する制御部と、
を備えたことを特徴とする電気車の推進制御装置。
前記制御部は、前記直流架線の電力を用いて前記電力貯蔵装置を充電する場合、前記第１の切替器を制御して前記直流架線の出力を前記第１の電力変換部の直流端側に接続し、且つ、前記第２の電力変換部の直流端を前記電力貯蔵装置側に接続し、前記第２の切替器を制御して前記第１の電力変換部の交流端を前記交流リアクトルに接続し、前記第３の切替器を制御して前記第２の電力変換部の交流端を前記交流リアクトルに接続すると共に、
前記第１および第２の電力変換部をチョッパ動作させて前記電力貯蔵装置を充電することを特徴とする請求項１に記載の電気車の推進制御装置。
前記制御部は、前記直流架線の電力を用いて前記電力貯蔵装置を充電する場合、前記第１の切替器を制御して前記直流架線の出力を前記第２の電力変換部の直流端側に接続し、且つ、前記第１の電力変換部の直流端を前記電力貯蔵装置側に接続し、前記第２の切替器を制御して前記第１の電力変換部の交流端を前記交流リアクトルに接続し、前記第３の切替器を制御して前記第２の電力変換部の交流端を前記交流リアクトルに接続すると共に、
前記第１および第２の電力変換部をチョッパ動作させて前記電力貯蔵装置を充電することを特徴とする請求項１に記載の電気車の推進制御装置。
前記制御部は、前記直流架線の電圧が前記電力貯蔵装置の電圧よりも高い場合には前記第１および第２の電力変換部のうちの少なくとも１つを昇圧チョッパ動作させて前記電力貯蔵装置を充電することを特徴とする請求項２または３に記載の電気車の推進制御装置。
前記制御部は、前記直流架線の電圧が前記電力貯蔵装置の電圧よりも低い場合には前記第１および第２の電力変換部のうちの少なくとも１つを降圧チョッパ動作させて前記電力貯蔵装置を充電することを特徴とする請求項２または３に記載の電気車の推進制御装置。
前記制御部は、前記直流架線の電力を用いて前記交流モータを駆動する場合、前記第１の切替器を制御して前記直流架線の出力を前記第１の電力変換部の直流端側に接続し、前記第２および第４の切替器を制御して前記第１の電力変換部の交流端を前記交流モータに接続すると共に、
前記第１の電力変換部をインバータ動作させて前記交流モータを駆動することを特徴とする請求項１に記載の電気車の推進制御装置。
前記制御部は、前記直流架線の電力を用いて前記交流モータを駆動する場合、前記第１の切替器を制御して前記直流架線の出力を前記第２の電力変換部の直流端側に接続し、前記第３および第４の切替器を制御して前記第２の電力変換部の交流端を前記交流モータに接続すると共に、
前記第２の電力変換部をインバータ動作させて前記交流モータを駆動することを特徴とする請求項１に記載の電気車の推進制御装置。
前記制御部は、前記電力貯蔵装置の電力を用いて前記交流モータを駆動する場合、前記第１の切替器を制御して前記電力貯蔵装置の出力を前記第１の電力変換部の直流端側に接続し、前記第２および第４の切替器を制御して前記第１の電力変換部の交流端を前記交流モータに接続すると共に、
前記第１の電力変換部をインバータ動作させて前記交流モータを駆動することを特徴とする請求項１に記載の電気車の推進制御装置。
前記制御部は、前記電力貯蔵装置の電力を用いて前記交流モータを駆動する場合、前記第１の切替器を制御して前記電力貯蔵装置の出力を前記第２の電力変換部の直流端側に接続し、前記第３および第４の切替器を制御して前記第２の電力変換部の交流端を前記交流モータに接続すると共に、
前記第２の電力変換部をインバータ動作させて前記交流モータを駆動することを特徴とする請求項１に記載の電気車の推進制御装置。
前記制御部は、前記直流架線の電力を用いて前記交流モータを駆動する場合、前記第１の切替器を制御して前記直流架線の出力を前記第１の電力変換部の直流端側に接続し、前記第２の切替器を制御して前記第１の電力変換部の交流端を前記交流リアクトルに接続し、前記第１および第３の切替器を制御して前記第２の電力変換部の直流端を前記交流リアクトルに接続し、前記第３および第４の切替器を制御して前記第２の電力変換部の交流端を前記交流モータに接続すると共に、
前記第１の電力変換部を降圧チョッパ動作させ、且つ、前記第２の電力変換部をインバータ動作させて前記交流モータを駆動することを特徴とする請求項１に記載の電気車の推進制御装置。
前記制御部は、前記直流架線の電力を用いて前記交流モータを駆動する場合、前記第１の切替器を制御して前記直流架線の出力を前記第２の電力変換部の直流端側に接続し、前記第３の切替器を制御して前記第２の電力変換部の交流端を前記交流リアクトルに接続し、前記第１および第２の切替器を制御して前記第１の電力変換部の直流端を前記交流リアクトルに接続し、前記第２および第４の切替器を制御して前記第１の電力変換部の交流端を前記交流モータに接続すると共に、
前記第２の電力変換部を降圧チョッパ動作させ、且つ、前記第１の電力変換部をインバータ動作させて前記交流モータを駆動することを特徴とする請求項１に記載の電気車の推進制御装置。
前記制御部は、前記電力貯蔵装置の電力を用いて前記交流モータを駆動する場合、前記第３の切替器を制御して前記電力貯蔵装置の出力を前記第２の電力変換部の直流端側に接続し、前記第３の切替器を制御して前記第２の電力変換部の交流端を前記交流リアクトルに接続し、前記第１および第２の切替器を制御して前記第１の電力変換部の直流端を前記交流リアクトルに接続し、前記第２および第４の切替器を制御して前記第１の電力変換部の交流端を前記交流モータに接続すると共に、
前記第２の電力変換部を降圧チョッパ動作させ、且つ、前記第１の電力変換部をインバータ動作させて前記交流モータを駆動することを特徴とする請求項１に記載の電気車の推進制御装置。
前記制御部は、前記電力貯蔵装置の電力を用いて前記交流モータを駆動する場合、前記第１の切替器を制御して前記電力貯蔵装置の出力を前記第１の電力変換部の直流端側に接続し、前記第２の切替器を制御して前記第１の電力変換部の交流端を前記交流リアクトルに接続し、前記第１および第３の切替器を制御して前記第２の電力変換部の直流端を前記交流リアクトルに接続し、前記第３および第４の切替器を制御して前記第２の電力変換部の交流端を前記交流モータに接続すると共に、
前記第１の電力変換部を降圧チョッパ動作させ、且つ、前記第２の電力変換部をインバータ動作させて前記交流モータを駆動することを特徴とする請求項１に記載の電気車の推進制御装置。
電力貯蔵装置および交流モータを有する電気車の推進制御装置であって、
双方向の電力フロー制御が可能な第１、第２の電力変換部と、
前記第１および第２の電力変換部の各交流端側に設けられる交流リアクトルと、
前記第１および第２の電力変換部の各直流端に前記電力貯蔵装置および前記直流架線のうちの何れかが接続されるように接続切替を行う第１の切替器と、
前記第１の電力変換部の交流端を前記交流リアクトルに接続するか、前記交流モータ側に接続するかを切り替える第２の切替器と、
前記第２の電力変換部の交流端を前記交流リアクトルに接続するか、前記交流モータ側に接続するかを切り替える第３の切替器と、
前記交流モータの接続を前記第１の電力変換部側に接続するか、前記第２の電力変換部側に接続するかを切り替える第４の切替器と、
前記第１および第２の電力変換部の動作ならびに前記第１乃至第４の切替器の動作を制御する制御部と、
を備えたことを特徴とする電気車の推進制御装置。
電力貯蔵装置ならびに、第１および第２の交流モータを有し、直流架線および前記電力貯蔵装置から供給される直流電力を用いて前記第１および第２の交流モータの推進制御を行う電気車の推進制御装置であって、
双方向の電力フロー制御が可能であり、接続態様に応じて少なくとも昇圧チョッパ、降圧チョッパ、昇降圧チョッパおよびインバータのうちの何れか一つとして動作する第１、第２の電力変換部と、
前記第１および第２の電力変換部の各交流端側に設けられる交流リアクトルと、
前記第１および第２の電力変換部の各直流端に前記電力貯蔵装置および前記直流架線のうちの何れかが接続されるように接続切替を行う第１の切替器と、
前記第１の電力変換部の交流端を前記交流リアクトルに接続するか、前記第１の交流モータに接続するかを切り替える第２の切替器と、
前記第２の電力変換部の交流端を前記交流リアクトルに接続するか、前記第２の交流モータに接続するかを切り替える第３の切替器と、
前記電力変換部の動作および前記第１乃至第３の切替器を動作を制御する制御部と、
を備えたことを特徴とする電気車の推進制御装置。
前記制御部は、
前記直流架線の電力を用いて前記第１の交流モータを駆動する場合、前記第１の切替器を制御して前記直流架線の出力を前記第１の電力変換部の直流端側に接続し、前記第２の切替器を制御して前記第１の電力変換部の交流端を前記第１の交流モータに接続すると共に、前記第１の電力変換部をインバータ動作させて前記第１の交流モータを駆動し、
前記電力貯蔵装置の電力を用いて前記第２の交流モータを駆動する場合、前記第１の切替器を制御して前記電力貯蔵装置の出力を前記第２の電力変換部の直流端側に接続し、前記第３の切替器を制御して前記第２の電力変換部の交流端を前記第２の交流モータに接続すると共に、前記第２の電力変換部をインバータ動作させて前記第２の交流モータを駆動する
ことを特徴とする請求項１５に記載の電気車の推進制御装置。
前記制御部は、
前記電力貯蔵装置の電力を用いて前記第１の交流モータを駆動する場合、前記第１の切替器を制御して前記電力貯蔵装置の出力を前記第１の電力変換部の直流端側に接続し、前記第２の切替器を制御して前記第１の電力変換部の交流端を前記第１の交流モータに接続すると共に、前記第１の電力変換部をインバータ動作させて前記第１の交流モータを駆動し、
前記直流架線の電力を用いて前記第２の交流モータを駆動する場合、前記第１の切替器を制御して前記直流架線の出力を前記第２の電力変換部の直流端側に接続し、前記第３の切替器を制御して前記第２の電力変換部の交流端を前記第２の交流モータに接続すると共に、前記第２の電力変換部をインバータ動作させて前記第２の交流モータを駆動する
ことを特徴とする請求項１５に記載の電気車の推進制御装置。