JPWO2017037795A1 - 鉄道車両、車両用電力変換装置及び方法 - Google Patents

Abstract

トランスは、架線に一次巻線が電気的に接続され、被冷却装置としての電力変換装置は、トランスの二次巻線に接続され、被冷却装置としての駆動用モータは、電力変換装置に接続され、冷却装置は、トランスの三次巻線に接続され、電力変換装置により昇圧された駆動用モータの回生電力が、架線からの電力にトランスを介して重畳されて供給され、被冷却装置の冷却動作を行うので、鉄道車両において、車載装置の停止あるいは出力制御を招くことを抑制することができる。

Description

本発明の実施形態は、鉄道車両、車両用電力変換装置及び方法に関する。

従来、架線から供給される電力を受けて走行する鉄道車両が知られている。
このような鉄道車両においては、電圧変換器、電力変換器及び駆動装置等の車載装置の温度が所定の基準温度よりも高くなった場合等には、温度上昇を抑制して車載装置の保護を図るため、各車載装置を停止させたり、出力制御を行ったりする必要があった。

特開平８−６５８１１号公報

しかしながら、従来技術においては、車載装置の停止あるいは出力制御がなされるため、編成全体の出力が低下し、鉄道車両の定時運行に支障が出る虞もあった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、車載装置の停止あるいは出力制御を招くことを抑制することが可能な鉄道車両、車両用電力変換装置及び方法を提供することを目的としている。

実施形態の鉄道車両のトランスは、架線に一次巻線が電気的に接続され、被冷却装置としての電力変換装置は、トランスの二次巻線に接続され、被冷却装置としての駆動用モータは、電力変換装置に接続され、冷却装置は、トランスの三次巻線に接続され、電力変換装置により昇圧された駆動用モータの回生電力が、架線からの電力にトランスを介して重畳されて供給され、被冷却装置の冷却動作を行う。

図１は、第１実施形態にかかる鉄道車両の電気系統の概要構成図である。 図２は、架線電圧と三次巻線電圧の関係説明図である。 図３は、回生電力重畳の概念説明図である。 図４は、第１実施形態の変形例の説明図である。 図５は、第２実施形態にかかる鉄道車両の電気系統の概要構成図である。 図６は、第３実施形態にかかる鉄道車両の電気系統の概要構成図である。 図７は、第４実施形態にかかる鉄道車両の電気系統の概要構成図である。

次に図面を参照して、好適な実施形態について説明する。
［１］第１実施形態
図１は、第１実施形態にかかる鉄道車両の電気系統の概要構成図である。
第１実施形態の鉄道車両（電気車）１０は、図１に示すように、架線（き電線）１１から交流電力が供給されるパンタグラフ１２と、線路１３を介して接地された車輪１４と、の間に、遮断器１５及びトランス１６の一次巻線（一次コイル）１６Ａが直列に接続されている。

トランス１６の二次巻線（二次コイル）１６Ｂには、車両用制御装置１７を介して駆動用のモータ１８が接続されている。このモータ１８は、回生ブレーキ時に発電機として回生電力を供給する電力源となる。

トランス１６の三次巻線（三次コイル）１６Ｃには、低圧車載機器群１９が接続されている。この三次巻線１６Ｃには、三次巻線１６Ｃの出力電圧を測定し、検出電圧を後述する制御部２３に出力するための電圧検出器（ＰＴ：Potential transformer）２７が設けられている。

上記構成において、遮断器１５は、車両用制御装置１７により制御される。
また、車両用制御装置１７は、架線１１からトランス１６の一次巻線１６Ａ、二次巻線１６Ｂを介して変圧された交流電力を直流電力に変換するコンバータ２１と、コンバータ２１が出力した直流電力を再び交流電力に変換するインバータ２２と、車両制御部３０の制御下で、コンバータ２１及びインバータ２２を制御する制御部２３と、を備えている。

また低圧車載機器群１９は、複数並列接続され、それぞれがコンバータ２１、インバータ２２あるいはモータ１８等の被冷却装置を冷却する冷却装置としての冷却用ブロワ（Ｂｌｏｗｅｒ）２５を備えている。

上記構成において、コンバータ２１及びインバータ２２は、制御部２３の制御下でモータ１８から供給される回生電力の電力変換を行って、トランス１６の二次巻線１６Ｂを介し、三次巻線１６Ｃに架線１１から供給される電力に回生電力を重畳して供給する。

次に第１実施形態の動作を説明する。
この場合において、遮断器１５は、車両制御部３０により閉状態（オン状態）とされているものとする。

鉄道車両（電気車）１０のパンタグラフ１２に架線（き電線）１１から交流電力が供給されると、遮断器１５及びトランス１６の一次巻線１６Ａを介して、車輪１４に向けて電流が流れる。

この結果、トランス１６の二次巻線１６Ｂには、一次巻線１６Ａとの巻線比に応じた電圧が発生する。さらにトランス１６の三次巻線１６Ｃには、一次巻線１６Ａとの巻線比に応じた電圧が発生する。
このとき、二次巻線１６Ｂに供給された交流電力は、コンバータ２１により一旦、直流電力に変換されてインバータ２２に供給される。

インバータ２２は、コンバータ２１が出力した直流電力を再び交流電力に変換して、モータ１８に供給され、モータ１８により車輪１４が駆動されて、鉄道車両１０は走行することとなる。

図２は、架線電圧と三次巻線電圧の関係説明図である。
図２に示すように、架線電圧と、三次巻線電圧とは比例関係にある。
このとき、冷却用ブロワ２５の回転数は、三次巻線１６Ｃの電圧に比例している。
従って、冷却用ブロワ２５の回転数は、架線電圧に比例して増減することとなる。
また、冷却用ブロワ２５は、架線電圧の想定される電圧範囲で動作可能な設計とされているが、当該電圧範囲内で電圧が高いほど、内蔵する冷却ファンの回転数が増加し、冷却能力は高くなる。
逆に言えば、架線電圧が下がると、冷却用ブロワ２５の冷却ファンの回転数が減少し、冷却能力は低くなるということである。
そこで、本第１実施形態においては、回生ブレーキ時に、モータ１８から供給される回生電力を、コンバータ２１及びインバータ２２により電力変換し、トランス１６の二次巻線１６Ｂを介して、三次巻線１６Ｃに架線１１から供給される電力に重畳することにより、冷却用ブロワに供給される電圧を高くして、冷却用ブロワ２５の冷却能力を高くしているのである。

図３は、回生電力重畳の概念説明図である。
図３の例は、架線１１の電圧が、２０ｋＶ〜３０ｋＶの範囲で変動することが想定される場合である。

図３中、太実波線で示すように、架線１１の電圧が変動している場合であって、時刻ｔ２〜時刻ｔ３、時刻ｔ４〜時刻ｔ５、時刻ｔ６〜時刻ｔ７の時間帯のようにモータ１８が回生ブレーキ動作を行っている場合には、制御部２３は、電圧検出器２７の検出電圧を監視することにより、三次巻線１６Ｃの出力電圧が冷却用ブロワ２５の定格入力電圧の許容範囲を超えないように、モータ１８から供給される回生電力を、コンバータ２１及びインバータ２２に電力変換させて二次巻線１６Ｂに供給させる。

これにより、回生電力は、図３に斜線領域として示すように、架線１１から供給される電力に重畳されて、三次巻線１６Ｃから出力される。
すなわち、三次巻線１６Ｃに接続された冷却用ブロワ２５に供給される電圧を高くすることができる。

この結果、本第１実施形態によれば、冷却用ブロワ２５が内蔵する冷却ファンの回転数が増加し、冷却用ブロワ２５の冷却能力が向上し、電圧変換器、電力変換器及び駆動装置等の被冷却装置である車載装置の温度が所定の基準温度よりも高くなることを抑制し、ひいては、車載装置の停止あるいは出力制御を回避できる。

また、被冷却装置である車載装置の停止が余儀なくされた場合であっても、温度上昇量を抑制でき、早期に冷却が可能となって停止時間を短縮することができる。
よって、編成全体の出力の低下をすることもなく、鉄道車両の定時運行をより確実に行える。

［１．１］第１実施形態の変形例
以上の説明においては、回生ブレーキ時には、常時、冷却用ブロワ２５に印加する電圧を高くしていたが、本変形例は、被冷却装置である車載装置（コンバータ２１、インバータ２２及びモータ１８）の温度計測を行い、車載装置の温度が所定の基準温度よりも高くなると予測される場合に冷却用ブロワ２５に印加する電圧を高くする場合のものである。

図４は、第１実施形態の変形例の説明図である。
図４において、図１と同様の部分に同一の符号を付すものとする。
図４において、図１と異なる点は、コンバータ２１の温度を測定して制御部２３に通知する温度センサＴＳ１、インバータ２２の温度を測定して制御部２３に通知する温度センサＴＳ２及びモータ１８の温度を測定して制御部２３に通知する温度センサＴＳ３を、設けた点である。

上記構成によれば、コンバータ２１、インバータ２２あるいはモータ１８の温度が、それぞれに対応する所定の基準温度を超えると予測される場合にのみ、冷却用ブロワ２５に印加する電圧を高くして、冷却能力を高くする。

したがって、本変形例によれば、第１実施形態の効果に加えて、冷却用ブロワ２５に印加される電圧が必要以上に高くなるのを抑制できるので、冷却用ブロワ２５の寿命を延ばすことができる。

［２］第２実施形態
図５は、第２実施形態にかかる鉄道車両の電気系統の概要構成図である。
図５において、図１と同様の部分には、同一の符号を付すものとする。
第２実施形態の鉄道車両（電気車）１０は、図５に示すように、架線（き電線）１１から交流電力が供給されるパンタグラフ１２と、線路１３を介して接地された車輪１４と、の間に、遮断器１５及びトランス１６の一次巻線（一次コイル）１６Ａが直列に接続されている。

トランス１６の二次巻線（二次コイル）１６Ｂには、車両用制御装置１７を介して駆動用のモータ１８が接続されている。
トランス１６の三次巻線（三次コイル）１６Ｃは、複数（図５の例の場合３個）のタップＴＰ１〜ＴＰ３を備え、タップ切替器２８を介して低圧車載機器群１９が接続されている。さらに三次巻線１６Ｃには、三次巻線１６Ｃの出力電圧を検出し、検出電圧を制御部２３に出力する電圧検出器２７が設けられている。

タップ切替器２８は、タップ切替を行うタップ切替スイッチ２８Ａを有し、制御部２３の制御下でタップＴＰ１〜ＴＰ３のうちからいずれか一つのタップを選択して接続する。

次に第２実施形態の動作を説明する。
この場合において、遮断器１５は、車両制御部３０により閉状態（オン状態）とされているものとする。

鉄道車両（電気車）１０のパンタグラフ１２に架線（き電線）１１から交流電力が供給されると、遮断器１５及びトランス１６の一次巻線１６Ａを介して、車輪１４に向けて電流が流れる。

この結果、トランス１６の二次巻線１６Ｂには、一次巻線１６Ａとの巻線比に応じた電圧が発生する。さらにトランス１６の三次巻線１６Ｃには、一次巻線１６Ａとの巻線比に応じた電圧が発生することとなるので、初期状態において、制御部２３は、タップ切替スイッチ２８Ａを制御して最も電圧が低くなるタップＴＰ１を選択している。これは、三次巻線１６Ｃの出力電圧が必要以上に高くならないようにするためである。

そして、制御部２３は、第１実施形態と同様に、回生ブレーキ時に、モータ１８から供給される回生電力を、コンバータ２１及びインバータ２２により電力変換を行い、トランス１６の二次巻線１６Ｂを介して、三次巻線１６Ｃに架線１１から供給される電力に重畳して、冷却用ブロワに供給される電圧を高くする。

このとき制御部２３は、三次巻線１６Ｃの出力電圧が所定の閾値電圧よりも低い場合には、タップ切替スイッチ２８Ａを制御してタップＴＰ２を選択させる。
さらに制御部２３は、タップＴＰ２を選択しても、三次巻線１６Ｃの出力電圧が所定の閾値電圧よりも低い場合には、タップ切替スイッチ２８Ａを制御してタップＴＰ３を選択させる。

これにより、回生電力は、図３に斜線領域として示したように、架線１１から供給される電力に重畳されて、三次巻線１６Ｃから出力されることとなるが、可能な限り三次巻線１６Ｃに接続された冷却用ブロワ２５に供給される電圧が高くなるように、制御部２３は、タップ切替スイッチ２８Ａの制御を行うこととなる。

この結果、本第２実施形態によれば、第１実施形態の効果に加えて、より広い電圧範囲において冷却用ブロワ２５の冷却能力を向上させることができ、電圧変換器、電力変換器及び駆動装置等の車載装置の温度が所定の基準温度よりも高くなることを抑制し、ひいては、車載装置の停止あるいは出力制御を回避できる。
本第２実施形態においても、第１実施形態の変形例と同様の適用が可能である。

［３］第３実施形態
本第３実施形態は、三次巻線１６Ｃの出力電圧を静止型インバータ（ＡＰＵ:Auxiliary Power Unit）により回生電力も有効利用しつつ、一定電圧に昇圧して、常に冷却用ブロワを高冷却状態に維持する実施形態である。

図６は、第３実施形態にかかる鉄道車両の電気系統の概要構成図である。
図６において、図１と同様の部分には、同一の符号を付すものとする。
第６実施形態の鉄道車両（電気車）１０は、図６に示すように、架線（き電線）１１から交流電力が供給されるパンタグラフ１２と、線路１３を介して接地された車輪１４と、の間に、遮断器１５及びトランス１６の一次巻線（一次コイル）１６Ａが直列に接続されている。

トランス１６の二次巻線（二次コイル）１６Ｂには、車両用制御装置１７を介して駆動用のモータ１８が接続されている。
トランス１６の三次巻線（三次コイル）１６Ｃは、静止型インバータ４０を介して低圧車載機器群１９が接続されている。

次に第３実施形態の動作を説明する。
この場合において、遮断器１５は、車両制御部３０により閉状態（オン状態）とされているものとする。

鉄道車両（電気車）１０のパンタグラフ１２に架線（き電線）１１から交流電力が供給されると、遮断器１５及びトランス１６の一次巻線１６Ａを介して、車輪１４に向けて電流が流れる。

この結果、トランス１６の二次巻線１６Ｂには、一次巻線１６Ａとの巻線比に応じた電圧が発生する。
さらに、トランス１６の三次巻線１６Ｃには、一次巻線１６Ａとの巻線比に応じた電圧の電力が出力される。また、回生ブレーキ時には制御部２３の制御下でモータ１８から供給される回生電力の電力変換を行って、トランス１６の二次巻線１６Ｂを介し、三次巻線１６Ｃに架線１１から供給される電力に回生電力を重畳した電圧が出力される。
そして、静止型インバータ４０は、印加された電圧を冷却用ブロワ２５の許容最大印加電圧あるいは許容最大印加電圧に対して、所定の電圧変動を見込んだ所定電圧低い一定電圧に昇圧して、冷却用ブロワ２５に供給する。
したがって、本第３実施形態によっても、第２実施形態と同様に、第１実施形態と比較してより広い電圧範囲で、冷却用ブロワ２５の冷却能力を向上させることができ、電圧変換器、電力変換器及び駆動装置等の車載装置の温度が所定の基準温度よりも高くなることを抑制し、ひいては、車載装置の停止あるいは出力制御を回避できる。
本第３実施形態においても、第１実施形態の変形例と同様の適用が可能である。

［４］第４実施形態
上記各実施形態においては、架線が交流架線の場合であったが、本第４実施形態は、架線が交流架線あるいは直流架線のいずれであっても対応可能な実施形態である。
図７は、第４実施形態にかかる鉄道車両の電気系統の概要構成図である。
図７の第４実施形態が図１の第１実施形態と異なる点は、遮断器１５と排他的に閉状態とされる遮断器５０を、コンバータ２１とインバータ２２とを電気的に接続する高電位側電流線ＬＰに接続し、コンバータ２１とインバータ２２とを電気的に接続する低電位側電流線ＬＭを車輪１４及び線路１３を介して接地した点である。

上記構成において、架線１１が交流架線の場合には、遮断器５０を開状態（オフ状態）とし、遮断器１５を閉状態（オン状態）とすることにより、第１実施形態と同一の動作をすることとなる。
したがって、以下においては、架線１１が直流架線の場合について、動作を説明する。
この場合において、遮断器１５は、車両制御部３０により開状態（オフ状態）とされ、遮断器５０は、閉状態（オン状態）とされる。

この結果鉄道車両（電気車）１０のパンタグラフ１２に架線（き電線）１１から直流電力が供給されると、遮断器５０を介して、インバータとして機能するコンバータ２１及びインバータ２２に直流電流が流れ込む。

これにより通常状態においては、インバータ２２は、コンバータ２１が出力した直流電力を再び交流電力に変換して、モータ１８に供給し、モータ１８により車輪１４が駆動されて、鉄道車両１０は走行することとなる。

これと並行して、コンバータ２１は、制御部２３の制御下で、直流架線としての架線１１から供給される直流電力の電力変換を行って、交流電力をトランス１６の二次巻線１６Ｂ及び一次巻線１６Ａを介し、三次巻線１６Ｃに供給する。
この結果、三次巻線１６Ｃに接続された冷却用ブロワ２５に交流電力が供給され、冷却用ブロワ２５は被冷却装置の冷却を行うこととなる。

また、回生ブレーキ時には制御部２３の制御下でモータ１８から供給される回生電力は、インバータ２２は、電力変換を行って、直流電力を直流架線である架線１１からの供給直流電力に重畳して、インバータとして機能するコンバータ２１に供給する。

この結果、トランス１６の二次巻線１６Ｂを介し、三次巻線１６Ｃに架線１１から供給される電力に回生電力を重畳した電圧が出力される。
すなわち、回生ブレーキ時には、三次巻線１６Ｃに接続された冷却用ブロワ２５に供給される電圧を高くすることができる。

この結果、本第４実施形態によれば、直流架線を走行する場合でも、回生ブレーキ時には、冷却用ブロワ２５が内蔵する冷却ファンの回転を増加させることができる。
したがって、冷却用ブロワ２５の冷却能力が向上し、圧変換器、電力変換器及び駆動装置等の被冷却装置である車載装置の温度が所定の基準温度よりも高くなることを抑制し、ひいては、車載装置の停止あるいは出力制御を回避できる。

また、被冷却装置である車載装置の停止が余儀なくされた場合であっても、温度上昇量を抑制でき、早期に冷却が可能となって停止時間を短縮することができる。
よって、編成全体の出力の低下をすることもなく、鉄道車両の定時運行をより確実に行える。
本第４実施形態においても、第１実施形態の変形例と同様の適用が可能である。

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。これら新規な実施形態は、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ともに、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。

Claims (11)

1. 架線に一次巻線が電気的に接続されるトランスと、
   前記トランスの二次巻線に接続された被冷却装置としての電力変換装置と、
   前記電力変換装置に接続された被冷却装置としての駆動用モータと、
   前記トランスの三次巻線に接続され、前記電力変換装置により昇圧された前記駆動用モータの回生電力が、前記架線からの電力に前記トランスを介して重畳されて供給され、前記被冷却装置の冷却動作を行う冷却装置と、
   を備えた鉄道車両。
2. 前記被冷却装置の温度を検出する温度検出装置を有し、
   前記電力変換装置は、前記被冷却装置の温度が所定の基準温度を超えた場合に、前記駆動用モータの回生電力を昇圧する、
   請求項１記載の鉄道車両。
3. 架線に一次巻線が電気的に接続されるトランスと、
   前記トランスの二次巻線に接続された被冷却装置としての電力変換装置と、
   前記電力変換装置に接続された被冷却装置としての駆動用モータと、
   前記トランスの三次巻線は、複数のタップを有し、前記三次巻線の出力電圧が所定の基準電圧に近づくように前記タップが切り替えられて、前記駆動用モータの回生電力が、前記架線からの電力に前記トランスを介して重畳されて供給され、前記被冷却装置の冷却動作を行う冷却装置と、
   を備えた鉄道車両。
4. 前記被冷却装置の温度を検出する温度検出装置を有し、
   前記トランスは、前記被冷却装置の温度が所定の基準温度を超えた場合に、前記タップが切り替えられる、
   請求項３記載の鉄道車両。
5. 前記トランスの三次巻線の出力電圧を検出する電圧検出装置と、
   前記電圧検出装置の検出結果に基づいて前記タップを切り替えるタップ切替部と、
   を備えた請求項４記載の鉄道車両。
6. 架線に一次巻線が電気的に接続されるトランスと、
   前記トランスの二次巻線に接続された被冷却装置と、
   前記被冷却装置の温度を検出する温度検出装置と、
   前記被冷却装置の冷却動作を行う冷却装置と、
   前記トランスの三次巻線と前記冷却装置との間に電気的に接続され、前記被冷却装置の温度が所定の基準温度を超えた場合に、前記三次巻線の電圧を所定の電圧に昇圧して供給する電力変換装置と、
   を備えた鉄道車両。
7. 前記被冷却装置としての駆動用モータを有し、
   前記電力変換装置は、前記駆動用モータの回生電力が、前記架線からの電力に前記トランスを介して重畳されて供給される、
   請求項６記載の鉄道車両。
8. 架線に一次巻線が電気的に接続され、二次巻線に被冷却装置が接続され、三次巻線に前記被冷却装置を冷却する冷却装置が接続されるトランスと、前記トランスの二次巻線に接続されて、鉄道車両の駆動用モータが接続される電力変換装置と、を備えた車両用電力変換装置であって、
   前記電力変換装置は、前記二次巻線及び前記三次巻線を介して、前記駆動用モータの回生電力を前記架線からの電力に重畳して前記冷却装置に供給する、
   車両用電力変換装置。
9. 架線に一次巻線が電気的に接続され、二次巻線に被冷却装置が接続され、三次巻線に前記被冷却装置を冷却する冷却装置が接続されるトランスと、前記トランスの二次巻線に接続されて、鉄道車両の駆動用モータが接続される電力変換装置と、を備えた車両用電力変換装置であって、
   前記トランスの三次巻線は、複数のタップを有し、
   前記電力変換装置は、前記三次巻線の出力電圧が所定の基準電圧に近づくように前記タップを切り替え、前記駆動用モータの回生電力を、前記架線からの電力に前記トランスを介して重畳されて前記冷却装置に供給する、
   車両用電力変換装置。
10. 架線に一次巻線が電気的に接続され、二次巻線に被冷却装置が接続され、三次巻線に前記被冷却装置を冷却する冷却装置が接続されるトランスと、前記トランスの二次巻線に接続されて、鉄道車両の駆動用モータが接続される電力変換装置と、を備えた車両用電力変換装置で実行される方法であって、
    前記駆動用モータの回生電力を前記冷却装置の駆動電力に変換する過程と、
    前記二次巻線及び前記三次巻線を介して、前記駆動電力を前記架線からの電力に重畳して前記冷却装置に供給する過程と、
    を備えた方法。
11. 架線に一次巻線が電気的に接続され、二次巻線に被冷却装置が接続され、三次巻線に前記被冷却装置を冷却する冷却装置が接続されるトランスと、前記トランスの二次巻線に接続されて、鉄道車両の駆動用モータが接続される電力変換装置と、を備えた車両用電力変換装置で実行される方法であって、
    前記トランスの三次巻線は、複数のタップを有し、
    前記駆動用モータの回生電力を前記冷却装置の駆動電力に変換する過程と、
    前記三次巻線の出力電圧が所定の基準電圧に近づくように前記タップを切り替える過程と、
    前記二次巻線及び前記三次巻線を介して、前記駆動電力を前記架線からの電力に重畳して前記冷却装置に供給する過程と、
    を備えた方法。

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