JPWO2013114549A1 - 電気車主回路システム - Google Patents

Abstract

架線２からの供給電力の種別に応じて電力の供給先を切り替える交直切替回路１２、入力交流電圧を降圧する変圧器１４、変圧器１４のタップ位置を切り替えるタップチェンジャ１５、タップチェンジャ１５の出力を直流電圧に変換するＣＮＶ１７、タップチェンジャ１５とＣＮＶ１７との間の電力供給経路を開閉するＡＣ接触器１６、ＣＮＶ１７の出力または架線２の出力を蓄積するＦＣ１８、ＦＣ１８の出力を昇圧するＣＨ２１、ＣＨ２１の出力を蓄積するＦＣ２２、ＦＣ２２の出力を所望の交流電圧に変換するＩＮＶ２４、交直切替回路１２、ＦＣ１８とＣＨ２１との間を接続する直流母線２０ａ，２０ｂとの間に接続され、交直切替回路１２とＣＨ２１との間の電力供給経路を開閉するＤＣ接触器１９ならびに、架線電圧の情報と外部指令情報とに基づいてタップチェンジャ１５、ＡＣ接触器１６、ＤＣ接触器１９、ＣＮＶ１７およびＣＨ２１を制御する制御部３０を備える。

Description

本発明は、電気車主回路システムに関する。

近年、海外（特に欧州市場）においては、鉄道ネットワークの欧州統合と環境意識の高まりとから様々な架線電圧（例えば、ＡＣ１５ｋＶ−１６.７Ｈｚ、ＡＣ２５ｋＶ−５０Ｈｚ、ＤＣ１.５ｋＶ、ＤＣ３.０ｋＶ）に対応できる電気車のニーズが提起され、このような多電源に対応可能な電気車主回路システムを装備することが要望されている。

一方、出願人は、上記のような交流および直流による複数の多電源、より詳細には、交流電源および直流電源の何れにも対応し、且つ、交流電源および直流電源のうちの少なくとも一方が複数である交直多電源に対応可能な電気車主回路システムに関する技術の文献調査を行ったが、関連技術を含め適切な文献を見出すには至っていない。なお、ここでいう複数とは、直流電源、交流電源共に架線電圧の異同によって区別することを意味する。

なお、上記の技術に関し、参考文献をあえて提示するとするならば、下記特許文献１，２などが挙げられる。特許文献１では、作業時間や故障時の復旧時間の短縮化を図るため、制御装置内の機器をユニット化する技術を開示している。特許文献２では、複数の製造者で製作される場合における誘導障害の問題を解決するため、制御装置内のユニット間の互換性を確保する技術を開示している。

特開平５−１９９６０１号公報 特開２００４−１８７３６８号公報

ところで、従来は、様々な複数の電源の組み合わせに対しては、その都度設計を行うのが一般的であった。このため、個々の設計にて構築される電気車主回路システムでは、部品の共通化が図れず、メンテナンスに必要な部品が電源の組み合わせの数だけあり、メンテナンス性において非常に非効率であった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、部品の共通化が図れ、メンテナンス性に優れた電気車主回路システム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、電気車駆動用の電動機を制御する電気車主回路システムであって、架線には、第１の交流電源による交流電力と、この第１の交流電源よりも出力電圧の高い第２の交流電源による交流電力と、第１の直流電源による直流電力とが供給される場合に、前記架線からの供給電力の種別に応じて電力の供給先を切り替える交直切替回路と、二次巻線側に２つのタップ位置を有し、入力された交流電圧を降圧して２つのタップ位置から所望の交流電圧を出力する変圧器と、前記変圧器のタップ位置を切り替えるタップチェンジャと、前記タップチェンジャが出力する交流電圧を所望の直流電圧に変換するコンバータと、前記タップチェンジャと前記コンバータとの間の電力供給経路を開閉する交流接触器と、前記コンバータが出力する直流電力または前記架線から供給される直流電力を蓄積するフィルタキャパシタと、前記フィルタキャパシタが出力する直流電圧を所望の交流電圧に変換するインバータと、前記交直切替回路と、前記コンバータと前記インバータとの間を電気的に接続する直流母線との間に接続され、前記交直切替回路と前記インバータとの間の電力供給経路を開閉する直流接触器と、前記架線の電圧に関する情報と外部からの指令情報とに基づいて前記タップチェンジャ、前記交流接触器、前記直流接触器および前記コンバータを制御する制御部と、備えたことを特徴とする。

この発明によれば、
交流電源および直流電源のうちの少なくとも一方が複数種である交直多電源からの電力供給を受けて動作することができるという効果を奏する。

図１は、実施の形態１に係る電気車主回路システムを含む電気車駆動システムの一構成例を示す図である。 図２は、第１の電源（ＡＣ１５ｋＶ−１６.７Ｈｚ）が供給電源とされるときの動作を説明する図である。 図３は、第２の電源（ＡＣ２５ｋＶ−５０Ｈｚ）が供給電源とされるときの動作を説明する図である。 図４は、第３の電源（ＤＣ１.５ｋＶ）が供給電源とされるときの動作を説明する図である。 図５は、第４の電源（ＤＣ３.０ｋＶ）が供給電源とされるときの動作を説明する図である。 図６は、図１のように構成された電気車主回路システムを車両の床下部や屋根上に搭載するときの車両上方または下方から見た配置例を示す図である。 図７は、第１〜第４の電源に対応する動作態様を表形式で一覧にした図である。 図８は、ＣＨ回路部を取り外したときの電気車主回路システムの配置例を示す図である。 図９は、ＣＮＶパワーユニットおよびタップチェンジャを取り外し、ＦＣユニットを小さくしたときの電気車主回路システムの配置例を示す図である。 図１０は、実施の形態２に係る水冷システムの一構成例を示す模式図である。 図１１は、実施の形態２に係る水冷システムの図１０とは異なる構成例を示す模式図である。 図１２は、実施の形態２に係る分配ブロックを電気車主回路システム側から見たときの斜視図である。 図１３は、実施の形態２に係る分配ブロックを水冷装置側から見たときの斜視図である。 図１４は、図１２のＡ−Ａ線に沿う矢視断面図である。 図１５は、図１２とは異なる構造の分配ブロックを電気車主回路システム側から見たときの斜視図である。 図１６は、図１２とは異なる構造の分配ブロックを水冷装置側から見たときの斜視図である。

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主回路システムについて説明する。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。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る電気車主回路システムを含む電気車駆動システムの一構成例を示す図である。図示のように、実施の形態１に係る電気車駆動システムは、電気車主回路システム１と、この電気車主回路システム１の周囲に配置される集電装置１１、交直切替回路１２、変圧器１４および、電気車駆動用の電動機（モータ）２８を備えて構成される。

電気車主回路システム１は、変圧器１４、タップチェンジャ（Tap Changer）１５、ＡＣ（交流）接触器１６、コンバータ（Converter、以下「ＣＮＶ」と表記）１７、第１のフィルタキャパシタ（Filter Capacitor、以下「ＦＣ」と表記）としてのＦＣ１８、ＤＣ（直流）接触器１９、昇圧チョッパ（Boost Chopper、以下「ＣＨ」と表記）２１、第２のＦＣとしてのＦＣ２２、ブレーキチョッパ（Brake Chopper、以下「ＢＣＨ」と表記）２３、インバータ（Inverter、以下「ＩＮＶ」と表記）２４および、補助電源装置（Auxiliary Power Supply、以下「ＡＰＳ」と表記）とバッテリチャージャ（Battery Charger、以下「ＢＣＧ」と表記）を搭載したＡＰＳ＆ＢＣＧ２５ならびに、これらの各機器または回路部を制御する制御部３０を備えて構成される。

集電装置１１と交直切替回路１２との間には、架線２の電圧を検出する電圧検出器２９が接続され、電気車主回路システム１の出力端に配置されるＩＮＶ２４にはモータ２８が接続されている。なお、モータ２８としては、誘導電動機や同期電動機が好適である。

交直切替回路１２は、架線２からの供給電力（供給電源）の種別に応じて電力の供給先を切り替える。より詳細に説明すると、架線２から交流電力（例えば、ＡＣ１５ｋＶ−１６.７Ｈｚ、ＡＣ２５ｋＶ−５０Ｈｚ）が供給される場合には出力先を変圧器１４とし、架線２から直流電力（例えば、ＤＣ１.５ｋＶ、ＤＣ３.０ｋＶ）が供給される場合には出力先をＤＣ接触器１９とする。なお、交直切替回路１２における電力供給先の切り替えは自動的に行われる。

変圧器１４は、一次巻線と二次巻線を有し、二次巻線にはタップ位置として２つの接点Ａ，Ｂを有しており、入力電圧を降圧して２つのタップ位置から所望の電圧を出力する。タップチェンジャ１５は、後述する制御部からの制御信号に基づき、供給電源の種別に応じて２つのタップ位置を切り替える。なお、タップ位置と供給電源の種別との関係については、後述する。

ＡＣ接触器１６は、タップチェンジャ１５とＣＮＶ１７との間に配置され、これらの構成部間の電力供給経路を開閉する。ＡＣ接触器１６の出力側にはＣＮＶ１７が設けられ、ＣＮＶ１７の出力側にはＦＣ１８が設けられる。ＣＮＶ１７は、交流電力（交流電圧）を所望の直流電力（直流電圧）に変換する電力変換部であり、ＣＮＶ１７が変換した直流電力は電荷としてＦＣ１８に蓄積される。

ＤＣ接触器１９は、ＦＣ１８（もしくはＣＮＶ１７）とＣＨ２１（もしくはＩＮＶ２４）との間を電気的に接続する正側直流母線２０ａと負側直流母線２０ｂとの間に接続される。この接続により、ＤＣ接触器１９は、交直切替回路１２とＣＨ２１との間の電力供給経路を開閉する。また、この接続により、ＤＣ接触器１９が閉路するとき、交直切替回路１２が出力する直流電力（直流電圧）は、ＣＨ２１に供給（印加）される。

ＣＨ２１は、ＤＣ接触器１９を介して印加される直流電圧を昇圧するための回路、すなわち、昇圧機能を有するＤＣ／ＤＣコンバータである。なお、ＣＨ２１が昇圧回路として動作する際には、ＣＨ２１に具備される図示しないスイッチング素子が動作する。一方、ＣＨ２１を機能させないときは、単なるスルー回路（他の回路動作に影響を与えずに電力を伝達する回路）として動作する。なお、ＣＨ２１の動作と供給電源の種別との関係については、後述する。

ＣＨ２１の出力は、直流電力としてＦＣ２２に蓄積される。ＦＣ２２の出力側にはＢＣＨ２３が設けられ、ＢＣＨ２３の出力側にはＩＮＶ２４が設けられる。ＩＮＶ２４は、直流電力（直流電圧）を所望電圧および所望周波数の交流電力（交流電圧）に変換する電力変換部である。ＩＮＶ２４が変換した電力はモータ２８に供給されてモータ２８が回転し、電気車に駆動力を与える。ＢＣＨ２３は、モータ２８が発電機として動作するときに架線２側に回生できない余剰電力を消費する回路である。

ＡＰＳ＆ＢＣＧ２５は、主電動機であるモータ２８以外の機器（例えば、ブレーキ装置、照明装置、ドア開閉装置、空調装置など、以下「補機」と称する）に電力を供給する電源（バッテリ）装置や、この電源装置を充電するための充電装置などを含む構成部であり、図１では、ＣＨ２１の出力電力を用いて動作するように構成されている。

制御部３０は、供給電源の種別を判定するため、電圧検出器２９の検出電圧を架線電圧情報ＶＧとして監視する。また、制御部３０には、運転台指令ＣＭＤとして指令者による運転指令、制御指令などの指令情報が入力される。制御部３０は、これらの架線電圧情報ＶＧおよび運転台指令ＣＭＤに基づいて、タップチェンジャ１５のタップ位置を切り替えるタップチェンジャ切替指令ＴＣＧ、ＡＣ接触器１６を開閉制御するＡＣ接触器開閉指令ＡＣＣＧ、ＤＣ接触器１９を開閉制御するＤＣ接触器開閉指令ＤＣＣＧ、ＣＮＶ１７に対するＣＮＶ動作指令ＧＳＣおよび、ＣＨ２１に対するＣＨ動作指令ＣＨＳＣを生成して各部を制御する。

つぎに、実施の形態１に係る電気車主回路システムの動作について説明する。なお、供給電力の種別としては、欧州において標準的な以下の４電源を一例として説明する。
（１）第１の電源：ＡＣ１５ｋＶ−１６.７Ｈｚ
（２）第２の電源：ＡＣ２５ｋＶ−５０Ｈｚ
（３）第３の電源：ＤＣ１.５ｋＶ
（４）第４の電源：ＤＣ３.０ｋＶ

まず、第１の電源が供給電源とされるときの動作について説明する。図２は、第１の電源（ＡＣ１５ｋＶ−１６.７Ｈｚ）が供給電源とされるときの動作を説明する図であり、詳細には、第１の電源の供給を受けて動作する部位（ユニット）を図１の構成図上に示した図である。図２において、実線にて示した部位が動作に関係する部位であり、破線にて示した部位が動作させない部位である。

第１の電源は交流電源であるため、第１の電源からの交流電力は変圧器１４に供給される。タップチェンジャ１５のタップ位置はＡ側に切り替えられ、ＯＮに制御されているＡＣ接触器１６を通じてＣＮＶ１７に供給される。破線にて示されているＤＣ接触器１９およびＣＨ２１のうち、ＤＣ接触器１９はＯＦＦに制御され、ＣＨ２１のチョッパ動作は停止される。ＣＨ２１がチョッパ動作を停止していることによりＣＨ２１はスルー動作となり、ＣＮＶ１７の出力は、ＦＣ１８，２２に蓄積されると共に、ＣＮＶ１７の出力電圧はＩＮＶ２４に印加される。ＩＮＶ２４は、ＦＣ１８，２２の蓄積電荷を用いて所要の電力をモータ２８に供給してモータ２８を駆動する。ＡＰＳ＆ＢＣＧ２５もＦＣ１８，２２の蓄積電荷を用いて所要の電力を補機に供給して補機を動作させる。

つぎに、第２の電源が供給電源とされるときの動作について説明する。図３は、第２の電源（ＡＣ２５ｋＶ−５０Ｈｚ）が供給電源とされるときの動作を説明する図であり、詳細には、第２の電源の供給を受けて動作する部位を図１の構成図上に示した図である。図３において、実線にて示した部位が動作に関係する部位であり、破線にて示した部位が動作させない部位である。

第２の電源も交流電源であるため、第２の電源からの交流電力は変圧器１４に供給される。タップチェンジャ１５のタップ位置はＢ側に切り替えられる。タップ位置がＢ側に切り替えられることにより、第１の電源よりも出力電圧の高い第２の電源が印加された場合でも、変圧器１４の二次巻線からの出力電圧が第１の電源が印加された場合と同等にすることができる。これにより、ＣＮＶ１７への印加電圧は第１の電源の場合と同等になり、ユニットの共用化が可能となる。なお、以後の動作は、第１の電源の場合と同等であり、詳細な説明は省略する。

なお、第１の電源と第２の電源との電源周波数の差は、例えば変圧器１４の構造の差異などに表れてくるが、変圧器１４としては電源周波数の低い第１の電源に対応させた設計をしておけばよく、このように設計された変圧器１４は、第２の電源に対しても使用可能である。

つぎに、第３の電源が供給電源とされるときの動作について説明する。図４は、第３の電源（ＤＣ１.５ｋＶ）が供給電源とされるときの動作を説明する図であり、詳細には、第３の電源の供給を受けて動作する部位を図１の構成図上に示した図である。図４において、実線にて示した部位が動作に関係する部位であり、破線にて示した部位が動作させない部位もしくは動作に関係ない部位である。

第３の電源は直流電源であるため、第３の電源からの直流電力はＯＮに制御されているＤＣ接触器１９を通じてＣＨ２１に供給される。破線にて示されているタップチェンジャ１５、ＡＣ接触器１６およびＣＮＶ１７において、タップチェンジャ１５のタップ位置は任意であり、ＡＣ接触器１６はＯＦＦに制御され、ＣＮＶ１７は動作しない。一方、ＣＨ２１はチョッパ動作を行って、入力された電圧を昇圧する。ＣＨ２１の出力は、ＦＣ２２に蓄積されると共に、ＣＨ２１の出力電圧はＩＮＶ２４に印加される。ＩＮＶ２４は、ＦＣ２２の蓄積電荷を用いて所要の電力をモータ２８に供給してモータ２８を駆動する。ＡＰＳ＆ＢＣＧ２５もＦＣ２２の蓄積電荷を用いて所要の電力を補機に供給して補機を動作させる。

最後に、第４の電源が供給電源とされるときの動作について説明する。図５は、第４の電源（ＤＣ３.０ｋＶ）が供給電源とされるときの動作を説明する図であり、詳細には、第４の電源の供給を受けて動作する部位を図１の構成図上に示した図である。図５において、実線にて示した部位が動作に関係する部位であり、破線にて示した部位が動作させない部位もしくは動作に関係ない部位である。

第４の電源も直流電源であるため、第４の電源からの直流電力もＯＮに制御されているＤＣ接触器１９を通じてＣＨ２１に供給される。破線にて示されているタップチェンジャ１５、ＡＣ接触器１６およびＣＮＶ１７の状態または動作は、第３の電源のときと同一である。一方、第４の電源の場合、特に動作させる必要がある場合を除き、ＣＨ２１は動作させずにスルー動作させる。これは、第４の電源の電圧が第３の電源の電圧よりも高いため、ＣＨ２１を昇圧動作させる必要が無いからである。このようなＣＨ２１の動作により、ＩＮＶ２４への印加電圧は第３の電源の場合と同等になり、ユニットの共用化が可能となる。なお、以後の動作は、第３の電源の場合と同等であり、詳細な説明は省略する。

上記の動作は、第１〜第４の電源に対する個々の動作であるが、運行路線において、これら第１〜第４の電源のうちの２つ以上が構築される架線であっても、一度に供給される電力は、これら第１〜第４の電源のうちの何れか一つであるため、全ての電源に対応することが可能である。

図６は、図１のように構成された電気車主回路システムを車両の床下部や屋根上に搭載するときの車両上方または下方から見た配置例を示す図である。図６に示す例では、例えば図１に示す電気車主回路システムを、第１〜第９の部位に区分して配置している。具体的に説明すると、第１の部位５１は水冷装置６１に対応し、第２の部位５２はＡＰＳ＆ＢＣＧパワーユニット６２に対応し、第３の部位５３は放電抵抗６３ＡおよびＡＰＳインダクタ６３Ｂに対応し、第４の部位５４は、ＩＮＶ＆ＢＣＨパワーユニット６４ＡおよびＣＮＶパワーユニット６４Ｂに対応し、第５の部位５５はＦＣユニット６５に対応し、第６の部位５６はＡＰＳ＆ＢＣＧ出力回路部６６に対応し、第７の部位５７は、タップチェンジャ６７Ａ、ＡＣ接触器６７ＢおよびＤＣ接触器６７Ｃに対応し、第８の部位５８には制御モジュール６８に対応し、第９の部位５９にはＣＨ回路部６９に対応している。

図６の構成において特徴的なことは、あるものは回路機能の一部を分離して配置し、あるものは複数の回路機能を統合して配置していることである。例えば、図１に示したＡＰＳ＆ＢＣＧ２５は、図６では、３つの回路部であるＡＰＳ＆ＢＣＧパワーユニット６２、ＡＰＳインダクタ６３ＢおよびＡＰＳ＆ＢＣＧ出力回路部６６に分離され、それぞれが異なる部位として配置されている。また、例えば、図１に示したタップチェンジャ１５、ＡＣ接触器１６およびＤＣ接触器１９は、図６では、タップチェンジャ６７Ａ、ＡＣ接触器６７ＢおよびＤＣ接触器６７Ｃとして、第７の部位５７に統合して配置されている。ＣＮＶ１７、ＩＮＶ２４およびＢＣＨ２３についても同様であり、ＩＮＶ＆ＢＣＨパワーユニット６４ＡおよびＣＮＶパワーユニット６４Ｂとして、第４の部位５４に統合して配置されている。

このように、回路機能の一部を分離して配置したり、複数の回路機能を統合して配置したりすることにより、車両床下部または屋根上部という限られた空間を有効に活用することが可能となる。

図７は、第１〜第４の電源に対応する動作態様を表形式で一覧にした図である。図７では、第１の電源（電源１）〜第４の電源（電源４）の何れに対応しているか否かで、ケース１〜ケース１５までの１５のケースに区分している。図中の黒丸印は、当該電源に対応していることを意味している。例えば、ケース１は、電源１〜４の全てに対応していることを意味している。また、ケース３は、２つの交流電源である電源１，２と直流電源の１つである電源４とに対応していること（裏を返せば、電源３には対応していないこと）を意味している。他のケースについても同様に説明できる。

また、図表の右半分には、ＡＣ接触器、ＤＣ接触器の状態、タップチェンジャのタップ位置ならびに、ＣＮＶ動作指令ＣＧＳＣおよびＣＨ動作指令の有無について示している。図２〜図５の図面を参照して説明したように、ＡＣ接触器は、交流電源である電源１，２で動作する場合にはＯＮに制御され、直流電源である電源３，４で動作する場合にはＯＦＦに制御される。よって、ケース６，１２，１３のように直流電源を有さないケースではＯＮに制御され、ケース１１，１４，１５のように交流電源を有さないケースではＯＦＦに制御され、その他のケースではＯＮ／ＯＦＦ何れかに切替制御される。

また、ＤＣ接触器は、ＡＣ接触器とは逆の関係にあり、ケース６，１２，１３のように直流電源を有さないケースではＯＦＦに制御され、ケース１１，１４，１５のように交流電源を有さないケースではＯＮに制御され、その他のケースではＯＮ／ＯＦＦの何れかに切替制御される。

以下、タップチェンジャのタップ位置、ＣＮＶ動作指令ＣＧＳＣおよびＣＨ動作指令ＣＨＳＣについても同様に説明する。

図２〜図５の図面を参照して説明したように、タップチェンジャのタップ位置は、電源が交流電源（電源１，２）である場合に意味を持つ。そのため、ケース１１，１４，１５のように交流電源を有さないケースでは、何れの位置にあっても構わない。また、交流電源である電源１，２のうちの何れか１つを有する場合には、タップ位置は固定される。例えば、ケース４，７，８，１２のように交流電源として電源１のみのケースではＡに固定され、ケース５，９，１０，１３のように交流電源として電源２のみのケースではＢに固定され、その他のケースではＡ／Ｂの何れかに切替制御される。

ＣＮＶ動作指令ＣＧＳＣは、電源が交流電源（電源１，２）である場合には適宜出力（ＯＮ）され、電源が直流電源（電源３，４）の場合には常時ＯＦＦとされる。すなわち、ＣＮＶ動作指令ＣＧＳＣは、ケース６，１２，１３の場合には出力され、ケース１１，１４，１５の場合には常時ＯＦＦとされ、その他のケースでは、常時ＯＦＦと適宜出力される場合とが切り替えられる。

ＣＨ動作指令ＣＨＳＣは、電源３の場合には適宜出力（ＯＮ）され、電源３以外の場合には常時ＯＦＦとされる。すなわち、ＣＨ動作指令ＣＨＳＣは、ケース１４の場合のみ常時ＯＦＦとなることなく適宜出力され、ケース３，６，８，１０，１２，１３，１５の場合には常時ＯＦＦとされ、その他のケースでは、常時ＯＦＦと適宜出力される場合とが切り替えられる。

なお、図７の各ケースを電源の種別という観点で整理すると以下の通りとなる。
（１）ケース１ ：交流２電源、直流２電源対応
（２）ケース２，３ ：交流２電源、直流１電源対応
（３）ケース４，５ ：交流１電源、直流２電源対応
（４）ケース６ ：交流２電源対応
（５）ケース７〜１０ ：交流１電源、直流１電源対応
（６）ケース１１ ：直流２電源対応
（７）ケース１２，１３：交流１電源対応
（８）ケース１４，１５：直流１電源対応

つぎに、電源の種別と電気車に対する要求（機能）との関連について説明する。

例えば電源１を使用する路線ａと、電源２を使用する路線ｂと、電源３を使用する路線ｃと、電源４を使用する路線ｄとの間を１つの仕様の電気車で運行したいとの要求がある場合に、図１に示した電気車主回路システムは、この要求を満足することになる。

また、図１に示した電気車主回路システムのように４種の電源にて動作するように設計された電気車は、種々の要求にも対応することが可能となる。例えば、電源１を使用する路線ａと、電源２を使用する路線ｂと、電源４を使用する路線ｄとの間を走行する電気車に適用したいとの要求がある場合を想定する。この場合、図１に示した電気車主回路システムをそのまま使用することもできるが、図１の構成からＣＨ２１を取り外すことができる。この場合、ＣＨ２１を外しても、ＦＣ１８とＦＣ２２との間の直流母線を電気的に接続するだけでよく、構造的な設計変更も軽微である。

なお、このような電源１、電源２および電源４の供給電力を受けて動作する電気車主回路システムを基本仕様として構築し、この基本仕様からの発展系として図７に示す各ケースを捉えてもよい。本ケースは、図７のケース３に対応するので、例えば、ケース３からケース１への拡張は、ＣＨ２１をＦＣ１８とＦＣ２２との間に追加し、制御部３０にＣＨ２１を制御する機能を付加するという考え方でシステムを発展させて行けばよい。

また、例えば、電源１を使用する路線ａと、電源２を使用する路線ｂとの間を走行する電気車に適用したいとの要求がある場合も想定される。この場合、上記の考えとは逆に、図１の構成から交直切替回路１２、ＤＣ接触器１９およびＣＨ２１を取り外すことができる。この場合、図６に示す電気車主回路システムの配置例は図８のように変更することができる。この図８では、破線部で示すように、ＤＣ接触器６７ＣおよびＣＨ回路部６９を取り外すことが可能となる。

なお、これらの構成部を取り外す場合であっても、構造的な設計変更は軽微でよい。また、交直切替回路１２、ＤＣ接触器１９およびＣＨ２１を取り外すことは、ユニットの数を減少させることであるため、システムの信頼性が低下するといった懸念も生じない。

さらに、例えば、電源３を使用する路線ｃと、電源４を使用する路線ｄとの間を走行する電気車に適用したいとの要求がある場合には、図１の構成から交直切替回路１２、タップチェンジャ１５、ＡＣ接触器１６、ＣＮＶ１７およびＦＣ１８を取り外すことができる。この場合、図６に示す電気車主回路システムの配置例は図９のように変更することができる。この図９では、破線部で示すように、ＣＮＶパワーユニット６４Ｂおよびタップチェンジャ６７Ａを取り外すことが可能になると共に、ＦＣユニット６５を小さくすることが可能となる。

なお、実施の形態１では、第１および第２の電源（電源１，２）という２種の交流電源と、第３および第４の電源（電源３，４）という２種の直流電源に対応可能な電気車主回路システムについて説明したが、実施の形態１の技術思想を適用することにより、さらに多種の交流電源や直流電源に対応させることも可能であることは言うまでもない。

以上説明したように、実施の形態１に係る電気車主回路システムは、様々な電源の組み合わせ（ケース１〜ケース１５）に対応できるシステム構成を提供することができるので、全てのケースについて部品の共通化が図れ、予備品の管理、メンテナンスの作業性が向上し、信頼性も増すという効果を奏する。また、その都度設計する必要がないため製品工期も短縮され、他の電源への変更も容易に対応できるという効果を奏する。

実施の形態２．
実施の形態２では、実施の形態１に係る電気車主回路システムに用いて好適な水冷システムについて説明する。図１０は、実施の形態２に係る水冷システムの一構成例を示す模式図であり、図１に示す電気車主回路システムに用いて好適な水冷システムの構成を示している。図１０において、水冷システム１００Ａは、ポンプ１０２、ブロワ１０３、熱交換器１０４を有する水冷装置１０１、この水冷装置１０１から電気車主回路システムを収納する筐体１１０内に引き通されて水冷装置１０１に戻るメイン水管１０６、筐体１１０側に設けられ、被冷却体である半導体素子１０５（１０５ａ〜ｄ）を搭載する水冷プレート１０８（１０８ａ〜ｄ）、水冷プレート１０８とメイン水管１０６とを接続するためのコネクタ１０９を各端部に有するフレクシブルチューブ１０７などを備えて構成される。

この水冷システム１００Ａでは、水冷プレート１０８が受熱した半導体素子１０５の発生熱を、ポンプ１０２によってメイン水管１０６内を循環させ、熱交換器１０４によって外部に放熱することで半導体素子１０５を冷却する。図示の一例を説明すると、水冷プレート１０８ａは、ＡＰＳ＆ＢＣＧパワーユニット６２に搭載される半導体素子１０５ａを冷却し、水冷プレート１０８ｂは、ＩＮＶ＆ＢＣＨパワーユニット６４Ａに搭載される半導体素子１０５ｂを冷却し、水冷プレート１０８ｃは、ＣＮＶパワーユニット６４ｂに搭載される半導体素子１０５ｃを冷却し、水冷プレート１０８ｄは、ＣＨ回路部６９に搭載される半導体素子１０５ｄを冷却する。

図１０の構成において、メイン水管１０６は、水冷プレート１０８に冷却水を分配するため比較的太く、且つ、強固な水管にする必要がある。このため、メイン水管１０６は、筐体１１０内において、多くのスペースを占有すると共に、配置の自由度も高くはない。しかしながら、図１に示す電気車主回路システムのように仕様が明確になっている装置に適用するような場合であれば、大きな問題になることはない。

一方、図１１は、実施の形態２に係る水冷システムの図１０とは異なる構成例を示す模式図である。図１１に示す水冷システム１００Ｂでは、図１０の構成では設けていたメイン水管１０６を取り外し、代わりに分配ブロック１２１を水冷装置１０１と筐体１１０との間に配置している。なお、分配ブロック１２１の構成例を図１２〜図１４に示す。

分配ブロック１２１における一方の面側には、水冷プレート１０８に冷却水を供給するための４つの出水孔１２３と、水冷プレート１０８の熱を受熱した冷却水を水冷装置１０１側に戻すための４つの入水孔１２４とが設けられている（図１２、１４参照）。また、分配ブロック１２１における他方の面側には、冷却水を分配ブロック１２１に導くための入水孔１２５と、分配ブロック１２１からの冷却水を水冷装置１０１に導く出水孔１２６とが設けられている（図１２、１３参照）。

出水孔１２３および入水孔１２４には、図１０に示すものよりも長いフレクシブルチューブ１１７がコネクタ１０９を用いて嵌め込まれている。フレクシブルチューブ１１７は、図１１に示すように折り曲げて配置することができるので、自由度が高く、且つ、柔軟性の高い配置が可能となる。

なお、ＣＨ２１が不要の場合、第９の部位のＣＨ回路部６９は不要であり、水冷システム１００Ｂの分配ブロック１２１より、水冷プレート１０８ｄと、この水冷プレート１０８ｄと分配ブロック１２１との間を繋ぐフレクシブルチューブ１１７を取り外す（対応する出水孔１２３、入水孔１２４はボルト等で塞ぐ）ことにより、筐体１１０内のスペースが広がり、メンテナンス性も向上する。

また、図１１に示す水冷システム１００Ｂは、実施の形態１で説明したような、システムに対する要求の一部が変更される場合に有効である。実施の形態１でも説明したが、例えば、第１〜第４までの４種の交直電源にて動作するように設計された電気車において、第３および第４の電源による２種の直流電源のみで動作する電気車を構成する場合には、タップチェンジャ１５、ＡＣ接触器１６、ＣＮＶ１７およびＦＣ１８を取り外すことができるので、空いたスペースに水冷装置１０１を配置することができる。

図１０に示す水冷システム１００Ａでは、メイン水管１０６を利用しているため、大幅な設計変更することなく水冷装置１０１を移動することは困難である。これに対し、図１１に示す水冷システム１００Ｂでは、分配ブロック１２１とフレクシブルチューブ１１７を利用しているため、上記のような仕様変更に対しても柔軟に対応することができ、車両の床下部や屋根上に設置される車両用制御装置内という限られた空間の有効活用が可能となる。また、メイン水管１０６よりも安価なフレクシブルチューブ１１７を用いるので、コスト削減にも寄与できる。

なお、図１１に示す分配ブロック１２１では、４つの出水孔１２３と４つの入水孔１２４とが直線状に縦１列で配設される構成を例示したが、図１５、１６に示す分配ブロック１２１Ａように４つの出水孔１２３と４つの入水孔１２４とを縦２列で配設するようにしてもよい。なお、図１２、１４、１５などに示す出水孔１２３および入水孔１２４の数は一例であり、これらの数が任意であることは言うまでもない。

また、以上の実施の形態１，２に示した構成は、本発明の内容の一例であり、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ことは言うまでもない。

以上のように、本発明は、複数種の交直多電源に対応可能な電気車主回路システムとして有用である。

１ 電気車主回路システム
２ 架線
１１ 集電装置
１２ 交直切替回路
１４ 変圧器
１５，６７Ａ タップチェンジャ
１６，６７Ｂ ＡＣ接触器
１７ ＣＮＶ（コンバータ）
１８ 第１のＦＣ（第１のフィルタキャパシタ）
１９，６７Ｃ ＤＣ接触器
２０ａ 正側直流母線
２０ｂ 負側直流母線
２１ ＣＨ（昇圧チョッパ）
２２ 第２のＦＣ（第２のフィルタキャパシタ）
２３ ＢＣＨ（ブレーキチョッパ）
２４ ＩＮＶ（インバータ）
２５ ＡＰＳ＆ＢＣＧ（補助電源装置＆バッテリチャージャ）
２８ モータ
２９ 電圧検出器
３０ 制御部
５１〜５９ 第１〜第９の部位
６１，１０１ 水冷装置
６２ ＡＰＳ＆ＢＣＧパワーユニット
６３Ａ 放電抵抗
６３Ｂ ＡＰＳインダクタ
６４Ａ ＩＮＶ＆ＢＣＨパワーユニット
６４Ｂ ＣＮＶパワーユニット
６５ ＦＣユニット
６６ ＡＰＳ＆ＢＣＧ出力回路部
６８ 制御モジュール
６９ ＣＨ回路部
１００Ａ，１００Ｂ 水冷システム
１０２ ポンプ
１０３ ブロワ
１０４ 熱交換器
１０５（１０５ａ〜ｄ） 半導体素子
１０６ メイン水管
１０７，１１７ フレクシブルチューブ
１０８（１０８ａ〜ｄ） 水冷プレート
１０９ コネクタ
１１０ 筐体
１２１ 分配ブロック
１２３，１２６ 出水孔
１２４，１２５ 入水孔

Claims (20)

1. 電気車駆動用の電動機を制御する電気車主回路システムであって、
   架線には、第１の交流電源による交流電力と、この第１の交流電源よりも出力電圧の高い第２の交流電源による交流電力と、第１の直流電源による直流電力とが供給される場合に、
   前記架線からの供給電力の種別に応じて電力の供給先を切り替える交直切替回路と、
   二次巻線側に２つのタップ位置を有し、入力された交流電圧を降圧して２つのタップ位置から所望の交流電圧を出力する変圧器と、
   前記変圧器のタップ位置を切り替えるタップチェンジャと、
   前記タップチェンジャが出力する交流電圧を所望の直流電圧に変換するコンバータと、
   前記タップチェンジャと前記コンバータとの間の電力供給経路を開閉する交流接触器と、
   前記コンバータが出力する直流電力または前記架線から供給される直流電力を蓄積するフィルタキャパシタと、
   前記フィルタキャパシタが出力する直流電圧を所望の交流電圧に変換するインバータと、
   前記交直切替回路と、前記コンバータと前記インバータとの間を電気的に接続する直流母線との間に接続され、前記交直切替回路と前記インバータとの間の電力供給経路を開閉する直流接触器と、
   前記架線の電圧に関する情報と外部からの指令情報とに基づいて前記タップチェンジャ、前記交流接触器、前記直流接触器および前記コンバータを制御する制御部と、
   備えたことを特徴とする電気車主回路システム。
2. 前記架線には、前記第１の交流電源、前記第２の交流電源および前記第１の直流電源のうちの前記第１の交流電源による交流電力または前記第２の交流電源による交流電力が供給される場合に、前記交直切替回路および前記直流接触器を取り外して構成することを特徴とする請求項１に記載の電気車主回路システム。
3. 前記架線には、前記第１の交流電源および前記第２の交流電源のうちの前記第１の交流電源による交流電力が供給される場合に、前記タップチェンジャのタップ位置を所定のタップ位置に固定して構成するか、または当該タップチェンジャを取り外して構成するかの何れかの構成とすることを特徴とする請求項２に記載の電気車主回路システム。
4. 前記架線には、前記第１の交流電源および前記第２の交流電源のうちの前記第２の交流電源による交流電力が供給される場合に、前記タップチェンジャのタップ位置を所定のタップ位置に固定して構成するか、または当該タップチェンジャを取り外して構成するかの何れかの構成とすることを特徴とする請求項２に記載の電気車主回路システム。
5. 前記架線には、前記第１の交流電源、前記第２の交流電源および前記第１の直流電源のうちの前記第１の交流電源による交流電力または前記第１の直流電源による直流電力が供給される場合に、前記タップチェンジャのタップ位置を所定のタップ位置に固定して構成するか、または当該タップチェンジャを取り外して構成するかの何れかの構成とすることを特徴とする請求項１に記載の電気車主回路システム。
6. 前記架線には、前記第１の交流電源、前記第２の交流電源および前記第１の直流電源のうちの前記第１の交流電源による交流電力が供給される場合に、前記交直切替回路および前記直流接触器を取り外して構成することを特徴とする請求項５に記載の電気車主回路システム。
7. 前記架線には、前記第１の交流電源、前記第２の交流電源および前記第１の直流電源のうちの前記第１の直流電源による直流電力が供給される場合に、前記交直切替回路および前記交流接触器を取り外して構成することを特徴とする請求項５に記載の電気車主回路システム。
8. 電気車駆動用の電動機を制御する電気車主回路システムであって、
   架線には、第１の交流電源による交流電力と、この第１の交流電源よりも出力電圧の高い第２の交流電源による交流電力と、第１の直流電源による直流電力とが供給される場合に、
   前記架線からの供給電力の種別に応じて電力の供給先を切り替える交直切替回路と、
   二次巻線側に２つのタップ位置を有し、入力された交流電圧を降圧して２つのタップ位置から所望の交流電圧を出力する変圧器と、
   前記変圧器のタップ位置を切り替えるタップチェンジャと、
   前記タップチェンジャが出力する交流電圧を所望の直流電圧に変換するコンバータと、
   前記タップチェンジャと前記コンバータとの間の電力供給経路を開閉する交流接触器と、
   前記コンバータが出力する直流電力または前記架線から供給される直流電力を蓄積する第１のフィルタキャパシタと、
   前記第１のフィルタキャパシタが出力する直流電圧を所望の直流電圧に昇圧するチョッパ回路と、
   前記チョッパ回路が出力する直流電力を蓄積する第２のフィルタキャパシタと、
   前記第２のフィルタキャパシタが出力する直流電圧を所望の交流電圧に変換するインバータと、
   前記交直切替回路と、前記コンバータと前記チョッパ回路との間を電気的に接続する直流母線との間に接続され、前記交直切替回路と前記チョッパ回路との間の電力供給経路を開閉する直流接触器と、
   前記架線の電圧に関する情報と外部からの指令情報とに基づいて前記タップチェンジャ、前記交流接触器、前記直流接触器、前記コンバータおよび前記チョッパ回路を制御する制御部と、
   備えたことを特徴とする電気車主回路システム。
9. 前記架線には、前記第１の交流電源、前記第２の交流電源および前記第１の直流電源のうちの前記第１の交流電源による交流電力または前記第１の直流電源による直流電力が供給される場合に、前記タップチェンジャのタップ位置を所定のタップ位置に固定して構成するか、または当該タップチェンジャを取り外して構成するかの何れかの構成とすることを特徴とする請求項８に記載の電気車主回路システム。
10. 電気車駆動用の電動機を制御する電気車主回路システムであって、
    架線には、第１の交流電源による交流電力と、この第１の交流電源よりも出力電圧の高い第２の交流電源による交流電力と、第１の直流電源による直流電力と、この第１の直流電源よりも出力電圧の高い第２の直流電源による直流電力と、が供給される場合に、
    前記架線からの供給電力の種別に応じて電力の供給先を切り替える交直切替回路と、
    二次巻線側に２つのタップ位置を有し、入力された交流電圧を降圧して２つのタップ位置から所望の交流電圧を出力する変圧器と、
    前記変圧器のタップ位置を切り替えるタップチェンジャと、
    前記タップチェンジャが出力する交流電圧を所望の直流電圧に変換するコンバータと、
    前記タップチェンジャと前記コンバータとの間の電力供給経路を開閉する交流接触器と、
    前記コンバータが出力する直流電力または前記架線から供給される直流電力を蓄積する第１のフィルタキャパシタと、
    前記第１のフィルタキャパシタが出力する直流電圧を所望の直流電圧に昇圧するチョッパ回路と、
    前記チョッパ回路が出力する直流電力を蓄積する第２のフィルタキャパシタと、
    前記第２のフィルタキャパシタが出力する直流電圧を所望の交流電圧に変換するインバータと、
    前記交直切替回路と、前記コンバータと前記チョッパ回路との間を電気的に接続する直流母線との間に接続され、前記交直切替回路と前記チョッパ回路との間の電力供給経路を開閉する直流接触器と、
    前記架線の電圧に関する情報と外部からの指令情報とに基づいて前記タップチェンジャ、前記交流接触器、前記直流接触器、前記コンバータおよび前記チョッパ回路を制御する制御部と、
    備えたことを特徴とする電気車主回路システム。
11. 前記架線には、前記第１の交流電源、前記第２の交流電源、前記第１の直流電源および前記第２の直流電源のうちの前記第１の交流電源による交流電力、前記第２の交流電源による交流電力または前記第２の直流電源による直流電力が供給される場合に、前記チョッパ回路を取り外して構成することを特徴とする請求項１０に記載の電気車主回路システム。
12. 前記架線には、前記第１の交流電源、前記第２の交流電源、前記第１の直流電源および前記第２の直流電源のうちの前記第１の交流電源による交流電力、前記第１の直流電源による直流電力または前記第２の直流電源による直流電力が供給される場合に、前記タップチェンジャのタップ位置を所定のタップ位置に固定して構成するか、または当該タップチェンジャを取り外して構成するかの何れかの構成とすることを特徴とする請求項１０に記載の電気車主回路システム。
13. 前記架線には、前記第１の交流電源、前記第２の交流電源、前記第１の直流電源および前記第２の直流電源のうちの前記第２の交流電源による交流電力、前記第１の直流電源による直流電力または前記第２の直流電源による直流電力が供給される場合に、前記タップチェンジャのタップ位置を所定のタップ位置に固定して構成するか、または当該タップチェンジャを取り外して構成するかの何れかの構成とすることを特徴とする請求項１０に記載の電気車主回路システム。
14. 前記架線には、前記第１の交流電源、前記第２の交流電源、前記第１の直流電源および前記第２の直流電源のうちの前記第１の交流電源による交流電力または前記第２の交流電源による交流電力が供給される場合に、前記交直切替回路、前記直流接触器および前記チョッパ回路を取り外して構成することを特徴とする請求項１０に記載の電気車主回路システム。
15. 前記架線には、前記第１の交流電源、前記第２の交流電源、前記第１の直流電源および前記第２の直流電源のうちの前記第１の交流電源による交流電力または前記第１の直流電源による直流電力が供給される場合に、前記タップチェンジャのタップ位置を所定のタップ位置に固定して構成するか、または当該タップチェンジャを取り外して構成するかの何れかの構成とすることを特徴とする請求項１０に記載の電気車主回路システム。
16. 前記架線には、前記第１の交流電源、前記第２の交流電源、前記第１の直流電源および前記第２の直流電源のうちの前記第１の交流電源による交流電力または前記第２の直流電源による直流電力が供給される場合に、前記タップチェンジャのタップ位置を所定のタップ位置に固定して構成するか、または当該タップチェンジャを取り外して構成するかの何れかの構成とし、且つ、前記チョッパ回路を取り外して構成することを特徴とする請求項１０に記載の電気車主回路システム。
17. 前記架線には、前記第１の交流電源、前記第２の交流電源、前記第１の直流電源および前記第２の直流電源のうちの前記第２の交流電源による交流電力または前記第１の直流電源による直流電力が供給される場合に、前記タップチェンジャのタップ位置を所定のタップ位置に固定して構成するか、または当該タップチェンジャを取り外して構成するかの何れかの構成とすることを特徴とする請求項１０に記載の電気車主回路システム。
18. 前記架線には、前記第１の交流電源、前記第２の交流電源、前記第１の直流電源および前記第２の直流電源のうちの前記第２の交流電源による交流電力または前記第２の直流電源による直流電力が供給される場合に、前記タップチェンジャのタップ位置を所定のタップ位置に固定して構成するか、または当該タップチェンジャを取り外して構成するかの何れかの構成とし、且つ、前記チョッパ回路を取り外して構成することを特徴とする請求項１０に記載の電気車主回路システム。
19. 前記架線には、前記第１の交流電源、前記第２の交流電源、前記第１の直流電源および前記第２の直流電源のうちの前記第１の直流交流電源による直流電力または前記第２の直流電源による直流電力が供給される場合に、前記交直切替回路、前記変圧器、前記タップチェンジャ、前記交流接触器および前記コンバータを取り外して構成することを特徴とする請求項１０に記載の電気車主回路システム。
20. 前記電気車主回路システムは、水冷装置からの冷却水を循環させて被冷却体を冷却する水冷システムとして構成されており、
    前記水冷装置と前記電気車主回路システムを搭載する筐体との間には前記水冷装置からの冷却水を被冷却体を搭載する水冷プレートに導き、且つ、冷却後の冷却水を前記水冷装置に戻すための分配ブロックが設けられると共に、前記分配ブロックと前記水冷プレートとの間がフレクシブルチューブにて接続されることを特徴とする請求項１に記載の電気車主回路システム。

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