KR101606271B1 - 철도 차량용 구동 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 과제는, 브레이크 초퍼를 탑재할 때에, 추가 기기를 억제하는 브레이크 초퍼 시스템을 제안하는 것이다. 교류 전력을 집전하는 집전 장치로부터 입력된 교류 전력을 변압하는 변압기와, 상기 변압기로 변압한 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 제1 전력 변환 장치와, 직류 전력을 3상 교류 전력으로 변환하는 제2 전력 변환 장치와, 상기 제1과 상기 제2 전력 변환 장치의 사이에 설치된 필터 콘덴서를 갖는 철도 차량용 구동 장치에 있어서, 상기 제1 전력 변환 장치와 상기 변압기의 사이에 설치되고, 상기 변압기로부터 상기 필터 콘덴서로 유입되는 충전 전류를 제한하는 충전 저항을 갖고, 상기 제1 전력 변환 장치는, 차량의 브레이크 시에 상기 3상 교류 모터에서 발생한 회생 전력을 상기 충전 저항에 공급하여, 상기 충전 저항에 의해 상기 회생 전력을 소비한다.

Description

철도 차량용 구동 장치{DRIVING APPARATUS FOR RAIL CAR}

본 발명은 철도 차량용의 구동 장치에 관한 것으로, 교류차 및 교직류차용의 구동 장치의 구동 방법에 관한 것이다.

교류 전화(電化) 구간을 주행하는 전기 철도 차량은, 가선으로부터 변압기를 통해 입력된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 제1 전력 변환 장치와, 직류 전력을 3상 교류 전력으로 변환하는 제2 전력 변환 장치를 포함하는 차량 구동 제어 장치를 탑재하고 있다. 상기 차량이 직류 구간을 주행하는 경우에는, 제1 전력 변환 장치와 제2 전력 변환 장치의 사이의 직류 출력부에 가선으로부터의 전력이 입력되는 구조로 되어 있다.

전기 철도 차량은, 가속 시에는, 교류 구간에서는 가선으로부터 변압기와 제1 전력 변환 장치와 제2 전력 변환 장치를 통해 3상 교류 전력이 모터에 공급되고, 직류 구간에서는 가선으로부터 제2 전력 변환 장치를 통해 3상 교류 전력이 모터에 공급되어, 모터를 구동하고 있다. 전기 철도 차량은, 감속 시에는, 모터에서 발생한 3상 교류 전력을, 교류 구간에서는 제2 전력 변환 장치와 제1 전력 변환 장치와 변압기를 통해 가선으로 복귀시키고, 직류 구간에서는 제2 전력 변환 장치를 통해 가선으로 전력을 복귀시킴으로써, 발전한 전력을 재이용하는 회생 브레이크를 사용한다.

그러나, 팬터그래프가 가선으로부터 이선하였을 때나 데드 섹션 통과 시와 같이 가선으로 전력을 복귀시킬 수 없는 경우나, 가선으로 전력을 복귀시키는 것이 허가되어 있지 않은 노선을 주행하는 경우, 또는 가선의 전압이 소정값 이상으로 상승하여 가선으로 전력을 복귀시킬 수 없는 경우에는, 공기 브레이크를 사용하여 차량을 감속시킨다. 공기 브레이크는 사용 빈도에 따라 브레이크 슈가 마모되기 때문에, 공기 브레이크의 사용 빈도가 높은 경우에는 마모가 진행되어, 브레이크 슈의 교환 주기가 짧아진다고 하는 과제가 있다. 따라서, 회생 브레이크를 사용할 수 없는 경우에, 모터에서 발생한 전력을 브레이크 저항이라고 불리는 저항기에서 소비함으로써 브레이크력을 얻는 브레이크 초퍼 시스템이 고안, 실용화되어 있다. 이 브레이크 초퍼 시스템에 의해 공기 브레이크의 사용 빈도를 줄일 수 있다.

한편, 브레이크 초퍼 시스템은, 제1 전력 변환 장치 및 제2 전력 변환 장치와는 별도로 초퍼 장치와 저항기와 리액터를 설치할 필요가 있어, 차량 구동 장치가 커진다고 하는 실장상의 과제가 있다.

이에 대해, 제1 전력 변환 장치를 초퍼 장치로서 사용함으로써, 브레이크 초퍼 시스템을 구성하는 기기를 줄이는 방법이 특허문헌 1에 기재되어 있다.

일본 특허 공개 제2004-312939호 공보

그러나, 특허문헌 1에서는, 초퍼 장치에는 기존의 기기를 유용하고 있지만, 리액터와 브레이크 저항은 별도로 필요하게 되므로, 장치 사이즈의 소형화의 효과가 작았다.

본 발명은 이들 종래 기술의 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 추가 기기를 줄인 브레이크 초퍼 시스템을 제안하는 것이다.

상기한 과제의 해결하기 위한 수단으로서, 교류 전력을 집전하는 집전 장치로부터 입력된 교류 전력을 변압하는 변압기와, 상기 변압기로 변압한 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 제1 전력 변환 장치와, 직류 전력을 3상 교류 전력으로 변환하는 제2 전력 변환 장치와, 상기 제1과 상기 제2 전력 변환 장치의 사이에 설치된 필터 콘덴서를 갖는 철도 차량 구동 장치에 있어서,

상기 제1 전력 변환 장치와 상기 변압기의 사이에 설치되고, 상기 변압기로부터 상기 필터 콘덴서로 유입되는 충전 전류를 제한하는 충전 저항을 갖고, 상기 제1 전력 변환 장치는, 차량의 브레이크 시에 상기 3상 교류 모터에서 발생한 회생 전력을 상기 충전 저항에 공급하여, 상기 충전 저항에 의해 상기 회생 전력을 소비한다.

본 발명에 따르면, 종래의 브레이크 초퍼 장치에 필요하였던 리액터나 브레이크 저항을 다른 기기와 공용함으로써 기기수를 삭감하여, 구동 장치의 부품수를 줄일 수 있어, 장치의 소형화·경량화를 도모하는 것 외에, 부품 개수의 저감에 의해 고장의 리스크를 줄여 신뢰성이 향상된다고 하는 효과가 있다.

도 1은 제1 실시예에 있어서의 시스템 구성을 도시하는 도면.
도 2는 제1 실시예에 있어서의 다른 시스템 구성을 도시하는 도면.
도 3은 제1 실시예, 제2 실시예, 제3 실시예에 있어서의 전류의 경로 1을 도시하는 도면.
도 4는 제1 실시예, 제2 실시예, 제3 실시예에 있어서의 전류의 경로 2를 도시하는 도면.
도 5는 제1 실시예, 제2 실시예, 제3 실시예에 있어서의 제어 논리를 도시하는 도면.
도 6은 제2 실시예에 있어서의 시스템 구성을 도시하는 도면.
도 7은 제3 실시예에 있어서의 시스템 구성을 도시하는 도면.
도 8은 제3 실시예에 있어서의 다른 시스템 구성을 도시하는 도면.
도 9는 제3 실시예에 있어서의 다른 시스템 구성을 도시하는 도면.

이하에 도면을 이용하여, 복수의 구체적인 실시예에 대해 설명한다.

제1 실시예

본 발명의 철도 차량용 구동 장치에 있어서의 제1 실시예를 도 1에 도시한다.

먼저, 기기의 구성에 대해 설명한다. 제1 전력 변환 장치(1)는 교류 가선용 팬터그래프(2)로부터 스위치(3)와 변압기(4)를 통해 공급된 교류 전력을, 직류 전력으로 변환하여 제2 전력 변환 장치(9)에 공급한다. 여기서, 제1 전력 변환 장치(1)는 스위칭 소자(1a∼1d)로 구성된다. 구체적으로는, 각 스위칭 소자(1a∼1d)는 IGBT 등의 트랜지스터와, 당해 트랜지스터와 역병렬로 접속된 다이오드로 구성되고, 참조 부호 1a와 1b, 1c와 1d가 각각 직렬로 접속되고, 참조 부호 1a와 1b의 직렬 회로와 참조 부호 1c와 1d의 직렬 회로가 병렬 접속되어 있다. 또한, 스위칭 소자(1a)와 스위칭 소자(1b)의 중간점은, 변압기의 2차측 권선의 일측과 접속되고, 스위칭 소자(1c)와 스위칭 소자(1d)의 중간점은, 변압기의 2차측 권선의 타측과 접속되어 있다.

스위치(3)는 전류의 차단이 가능한 진공 차단기이어도 되고, 전자석의 동작에 의해 전기 회로를 개폐하는 전자기 접촉기이어도 되고, 진공 차단기와 전자기 접촉기를 직렬로 접속한 구성이어도 된다. 제1 전력 변환 장치(1)와 변압기(4)의 사이에는 충전 저항(5)과 전자기 접촉기(6)가 병렬로 접속된 회로와 전자기 접촉기(12)가 직렬로 접속되어 있다. 충전 저항(5) 및 전자기 접촉기(6)와 전자기 접촉기(12)의 사이에는, 브레이크 리액터(14)가 변압기(4)에 대해 병렬로 접속되어 있고, 브레이크 리액터(14)의 미사용 시에는 전자기 접촉기(13)에서 개방되도록 되어 있다.

여기서, 도 1에서는 전자기 접촉기(12)는 변압기(4)와 충전 저항(5) 및 전자기 접촉기(6)와의 사이에 접속되어 있지만, 변압기(4)와 브레이크 리액터(14)의 사이에 접속되어 있으면 되고, 즉, 도 2와 같이 변압기(4)와 스위칭 소자(1c 및 1d)와의 사이에 전자기 접촉기(12)가 설치되어 있어도 되고, 변압기의 양단에 설치되어도 된다. 또한, 브레이크 리액터(14)를 개방하는 전자기 접촉기(13)도, 브레이크 리액터(14)의 어느 쪽에 설치되어도 되고, 브레이크 리액터(14)의 일단이 아니라 양단에 설치되어 있어도 된다.

제1 전력 변환 장치(1)와 제2 전력 변환 장치(9)의 사이는 직류 스테이지라고 불리고, 직류 스테이지에는 가선 전압 주파수의 2배의 정류 리플을 흡수하는 필터 회로(7)나 필터 콘덴서(8)가 설치되어 있다. 필터 회로(7)는 반드시 설치해야 할 필요가 있는 것은 아니다. 제2 전력 변환 장치(9)는 제1 전력 변환 장치(1)로부터 공급되는 직류를 3상 교류 전력으로 변환하여 3상 모터(10)를 구동한다. 제어 장치(11)는 제1 전력 변환 장치(1) 및 제2 전력 변환 장치(9)를 제어하는 신호(Pc와 Pi)를 출력한다.

다음으로, 구동 장치의 구체적인 동작에 대해 설명한다.

먼저, 충전 저항(5)을 사용하여 가선으로부터 필터 콘덴서(8)에 과전류가 유입되는 것을 방지하기 위한 동작에 대해 설명한다. 제어 장치(11)는 스위치(3)가 투입되어 있는 것을 확인하면, 스위치(12)만을 투입한다. 이때, 전류는 충전 저항(5)을 통해 필터 콘덴서(8)로 흐르기 때문에, 필터 콘덴서(8)가 충전되어 있지 않은 상태이어도, 과전류가 흐르는 것을 방지한다. 다음으로, 필터 콘덴서(8)의 전압이 소정의 값을 초과하였을 때에 스위치(6)를 투입한다. 스위치(6)를 투입하는 전압은 고정의 값으로 해도 되고, 변압기의 2차 전압에 따라 변화시켜도 된다.

다음으로, 회생 전력을 충전 저항(5)에서 소비시킬 때의 동작에 대해 설명한다. 제어 장치(11)는 차량이 회생 중에, 팬터그래프의 이선이나 데드 섹션 통과나 가선으로 전력을 복귀시키는 것이 허가되어 있지 않은 노선 주행이나 가선 전압의 소정값 이상의 상승 중 어느 하나를 검지한 경우에, 가선으로 회생 전력을 복귀시킬 수 없다고 판단하여, 제어 장치(11)는 전력 변환 장치(1)를 브레이크 초퍼로서 동작시키는 모드(이하, 브레이크 초퍼 모드)로 절환한다. 브레이크 초퍼 모드에서는, 먼저 제1 전력 변환 장치(1)와 제2 전력 변환 장치(9)를 정지시키고, 전자기 접촉기(12)와 전자기 접촉기(6)를 개방한다. 스위치(3)는 반드시 개방해야 할 필요가 있는 것은 아니지만, 팬터그래프(2)가 가선과 접촉하고 있는 경우에는 개방하는 것이 바람직하다. 이때, 스위치(3)가 진공 차단기와 전자기 접촉기를 직렬로 접속한 구성의 경우에는, 진공 차단기의 동작 횟수를 억제하기 위해 전자기 접촉기만을 개방한다. 이들 기기가 개방된 것을 확인한 후, 전자기 접촉기(13)를 투입하여 브레이크 리액터(14)를 주회로에 접속한다.

전자기 접촉기(13)가 투입되면, 제어 장치(11)는 제2 전력 변환 장치(9)를 다시 회생 동작시키고, 필터 콘덴서(8)의 전압이 일정해지도록 충전 저항(5)에 흐르는 전류를 제어하는 브레이크 초퍼로서 제1 전력 변환 장치(1)를 동작시킨다.

제1 전력 변환 장치(1)를 브레이크 초퍼로서 동작시키는 경우, 전류가 흐르는 경로로서는, 도 3과 같이 스위칭 소자(1a와 1d)를 경유하는 경로 1과, 도 4와 같이 스위칭 소자(1b와 1c)를 경유하는 경로 2가 생각되고, 전류를 어느 쪽의 경로로 흐르게 해도 된다.

여기서, 특허문헌 1의 기술에 의하면, 초퍼 장치에 유용하는 것은 제1 전력 변환 장치의 일부이기 때문에, 제1 전력 변환 장치의 일부의 스위칭 소자만이 빈번히 사용되어 열화가 진행되어, 제1 전력 변환 장치 전체로서의 신뢰성이 저하된다고 하는 과제가 있지만, 예를 들어, 제1 전력 변환 장치(1)를 구성하는 스위칭 소자(1a∼1d)의 열화 정도를 균일하게 하기 위해, 제1 전력 변환 장치(1)를 초퍼로서 동작시킬 때마다 경로 1과 경로 2를 교대로 교체하면 된다. 그 외, 제1 전력 변환 장치(1)를 초퍼 장치로서 동작시킨 횟수가 소정의 횟수에 도달하였을 때에 경로를 바꾸거나, 제1 전력 변환 장치를 초퍼 장치로서 동작시킨 시간이 소정의 시간에 도달하였을 때에 경로를 바꾸거나, 한쪽의 경로에 흐른 전류의 시간 적분값을 계산하여, 시간 적분값(즉, 전류의 총량)이 소정의 값에 도달하였을 때에 경로를 바꾸어도 된다. 전류 경로의 교체 시에는, 동상의 고압측의 스위칭 소자와 저압측의 스위칭 소자가 동시에 온하지 않도록, 일시적으로 전력 변환 장치를 정지시킨 후에 전류 경로를 교체하면 된다.

이와 같이, 제1 전력 변환 장치(1)를 종래의 브레이크 초퍼와 마찬가지로 동작시키는 경우에는, 제1 전력 변환 장치(1)의 제어 장치(11)에 대해 통상의 전력 변환 장치로서의 제어 시스템 외에, 브레이크 초퍼로 동작하는 제어 시스템을 탑재할 필요가 있다. 이들 제어는, 브레이크 초퍼 모드로 된 시점에서 절환하도록 하면 된다.

또한, 도 3 및 도 4에 있어서, 전류가 흐르는 경로 상에 없는 스위칭 소자는 고압측과 저압측이 단락하는 것을 방지하기 위해 상시 오프 상태로 할 필요가 있다. 그러나, 장치에 따라서는, 제어 장치(11) 내에 있어서 고압측의 스위칭 소자(예를 들어, 참조 부호 1a)의 제어 신호만을 연산하고, 저압측의 스위칭 소자(예를 들어, 참조 부호 1b)의 제어 신호는, 고압측의 제어 신호를 반전시켜 작성하는 경우가 있다. 이 경우, 고압측 또는 저압측의 스위칭 소자만 동작시키는 브레이크 초퍼 모드의 제어 신호를 생성할 수 없다. 따라서, 전류가 흐르는 경로마다 스위칭시키는 소자를 정해 두고, 그 소자 이외는 흐르는 경로에 따라 상시 온시키거나 상시 오프시키는 처리를 추가한다. 도 5에, 도 3 및 도 4의 구성에 있어서, 브레이크 초퍼의 제어 신호 생성을 실현하는 논리의 일례를 도시한다.

도 5의 논리에서는, 스위칭 소자(1a∼1d)의 제어 신호는 온 지령이 1과 오프 지령이 0의 디지털 신호로 하고, 그 외에 전류 경로를 나타내는 플래그와, 1이 허가, 0이 불허가를 나타내는 스위칭의 허가 신호(1aSW∼1dSW)를 사용한다. 예를 들어, 경로 1에 있어서 고압측의 스위칭 소자(1a)를 스위칭시키고, 스위칭 소자(1d)는 도통 상태, 스위칭 소자(1b)와 스위칭 소자(1c)는 상시 오프시키는 경우를 생각한다. 먼저, 전류는 경로 1을 흐르기 때문에, 경로 2의 플래그는 뜨지 않아 스위칭 소자(1b와 1c)의 제어 신호의 출력은 항상 0, 즉 오프 지령으로 된다. 다음으로, 1d의 스위칭의 허가 신호(1dSW)는 0으로 되기 때문에, 출력은 항상 1, 즉 온 지령으로 되고, 스위칭 소자(1a)에 대해서는, 제어 신호가 그대로 출력되도록 되어 있다. 즉, 필터 콘덴서(8)의 전압이 일정해지도록 스위칭 소자(1a)의 통류율을 제어하는 제어 신호에 기초하여, 스위칭 소자(1a)의 스위칭이 제어된다. 여기서, 차량의 전체 브레이크력을 충전 저항에서 소비하는 경우에는, 필터 콘덴서(8)의 전압이 일정해지도록 스위칭 소자의 통류율을 제어할 필요가 있지만, 차량의 브레이크력을 충전 저항과 공기 브레이크에 분담하는 경우에는, 스위칭 소자의 통류율은, 충전 저항에서 부담하는 만큼의 브레이크량에 따라서 정해진다.

또한, 스위칭시키는 소자는 고압측, 저압측의 어느 측이어도 되고, 전류 경로와 마찬가지로 제1 전력 변환 장치(1)를 초퍼로서 동작시킬 때마다, 스위칭시키는 소자를 고압측과 저압측에서 교대로 교체해도 된다. 그 외, 제1 전력 변환 장치(1)를 초퍼 장치로서 동작시킨 횟수가 소정의 횟수에 도달하였을 때에 경로를 바꾸거나, 제1 전력 변환 장치를 초퍼 장치로서 동작시킨 시간이 소정의 시간에 도달하였을 때에 경로를 바꾸거나, 한쪽의 경로에 흐른 전류의 시간 적분값을 계산하여, 시간 적분값이 소정의 값에 도달하였을 때에 스위칭시키는 소자를 고압측과 저압측에서 바꾸어도 된다.

제1 전력 변환 장치(1)를 브레이크 초퍼 장치로서 동작시키고 있을 때에, 가선에 대해 전력을 복귀시키게 된 경우, 먼저, 제1 전력 변환 장치(1)와 제2 전력 변환 장치(9)의 동작을 일단 정지시켜, 전자기 접촉기(13)를 개방한 후, 스위치(3)와 전자기 접촉기(6)와 전자기 접촉기(12)를 투입하는 각 기기의 투입 및 개방이 확인되면, 제2 전력 변환 장치(9)로부터 제1 전력 변환 장치(1)와 변압기(4)를 통해 가선으로 전력을 복귀시키는 통상의 회생 동작을 행한다.

이와 같이, 제1 전력 변환 장치(1)와 충전 저항(5)과 브레이크 리액터(14)를 사용하여 브레이크 초퍼를 구성함으로써, 충전 저항(5)을 필터 콘덴서(8)에의 과대한 충전 전류를 억제하는 저항 및 회생 전력을 소비하는 저항으로서 이용하는 것이 가능하게 되기 때문에, 종래의 브레이크 초퍼 시스템보다도 소형의 브레이크 초퍼 시스템을 실현할 수 있다. 제1 실시예의 도 1에서는 1대의 3상 모터를 구동하는 것으로 하여 도시하고 있지만, 복수대의 3상 모터를 구동하는 구성이어도 된다. 또한, 변압기(4)에 1대의 제1 전력 변환 장치가 접속되도록 도시하고 있지만, 복수대의 제1 전력 변환 장치가 접속되는 구성이어도 되고, 그 경우, 제1 전력 변환 장치마다 충전 저항과 전자기 접촉기의 병렬 회로와 브레이크 리액터가 접속되어 있으면 된다.

제2 실시예

본 발명의 철도 차량용 구동 장치에 있어서의 제2 실시예를 도 6에 도시한다. 제1 실시예와 상이한 점은, 브레이크 리액터(14)가 접속되어 있지 않은 점이다.

먼저, 기기의 구성에 대해 설명한다. 도 1과는 대략 동일한 구성이기 때문에, 상이한 점에 대해서만 설명한다. 제2 실시예에서는, 브레이크 리액터(14) 대신에 변압기(4)의 2차측 권선을 브레이크 리액터로서 사용하여 브레이크 초퍼 시스템을 구성하기 때문에, 도 1의 회로로부터 브레이크 리액터(14)와 전자기 접촉기(12와 13)가 철거되어 있지만, 전자기 접촉기(12)에 대해서는 설치되어 있어도 된다.

다음으로, 구동 장치의 구체적인 동작에 대해 설명한다. 제어 장치(11)는 차량이 회생 중에, 팬터그래프의 이선이나 데드 섹션 통과나 가선으로 전력을 복귀시키는 것이 허가되어 있지 않은 노선 주행이나 가선 전압의 소정값 이상의 상승 중 어느 하나를 검지한 경우에, 가선으로 회생 전력을 복귀시킬 수 없다고 판단하여, 브레이크 초퍼 모드로 되고, 먼저, 제1 전력 변환 장치(1)와 제2 전력 변환 장치(9)를 정지시키고, 스위치(3)와 전자기 접촉기(6)를 개방한다. 이때, 스위치(3)가 진공 차단기와 전자기 접촉기를 직렬로 접속한 구성의 경우에는, 진공 차단기의 동작 횟수를 억제하기 위해 전자기 접촉기만을 개방한다. 이들 기기가 개방된 것을 확인한 후, 제2 전력 변환 장치(9)를 다시 회생 동작시키고, 제1 전력 변환 장치(1)는 필터 콘덴서(8)의 전압이 일정해지도록 충전 저항(5)에 흐르는 전류를 제어하는 브레이크 초퍼로서 동작시킨다. 브레이크 초퍼로서의 동작은 제1 실시예와 동일한 동작으로 된다.

제1 전력 변환 장치(1)를 브레이크 초퍼 장치로서 동작시키고 있을 때에, 가선에 대해 전력을 복귀시키게 된 경우, 먼저, 제1 전력 변환 장치(1)와 제2 전력 변환 장치(9)의 동작을 일단 정지시켜, 스위치(3)와 전자기 접촉기(6)를 투입한 후에, 제2 전력 변환 장치(9)로부터 제1 전력 변환 장치(1)와 변압기(4)를 통해 가선으로 전력을 복귀시키는 통상의 회생 동작을 행한다. 또한, 변압기(4)의 2차측 권선을 브레이크 리액터로서 사용하는 경우, 사용 후에 변압기가 편자(偏磁)되어 있는 경우가 있기 때문에, 스위치(3)와 전자기 접촉기(6)를 투입하기 전에 변압기(4)에 저류된 자속을 없애도록 제1 전력 변환 장치(1)를 제어하면 된다. 예를 들어, 경로 1을 흐르는 전류에는 플러스, 경로 2를 흐르는 전류에는 마이너스라고 하는 부호를 부여하여 변압기(4)에 흐르는 전류를 시간 적산하고, 스위치(3)와 전자기 접촉기(6)를 투입하기 전에, 상기한 적산 결과가 0으로 되도록 변압기(4)에 전류를 흘리면 된다. 즉, 변압기(4)를 역방향으로 흐르는 전류의 적산량이 대략 동등해지도록 하면 된다.

이와 같이, 제1 전력 변환 장치(1)와 변압기(4)와 충전 저항(5)을 사용하여 브레이크 초퍼를 구성함으로써, 제1 실시예로부터 브레이크 리액터(14)와 전자기 접촉기(13)를 생략하여, 브레이크 초퍼 시스템을 더욱 소형화할 수 있다. 제2 실시예의 도 6에서는 1대의 3상 모터를 구동하는 것으로 하여 도시하고 있지만, 복수대의 3상 모터를 구동하는 구성이어도 된다. 또한, 변압기에 1대의 제1 전력 변환 장치가 접속되도록 도시하고 있지만, 복수대의 제1 전력 변환 장치가 접속되는 구성이어도 되고, 그 경우, 제1 전력 변환 장치마다 충전 저항과 전자기 접촉기가 병렬로 접속되어 있으면 된다.

제3 실시예

본 발명의 철도 차량용 구동 장치에 있어서의 제3 실시예를 도 7에 도시한다. 제1 실시예와 상이한 점은, 직류 가선 구간도 주행 가능한 교직류 차량인 점이다.

먼저 기기의 구성에 대해 설명한다. 도 1과 공통되는 기기에 대해서는, 설명을 생략한다. 직류 가선용 팬터그래프(15)는 직류 가선 구간을 주행할 때만 가선과 접하고 있고, 팬터그래프(15)로부터 고속 차단기(16)와 필터 리액터(19)를 통해, 직류 스테이지부에 직류 전력이 공급된다.

고속 차단기(16)와 필터 리액터(19)의 사이에는, 단류기(18)와 직류용 충전 저항(17)이 접속되어 있다. 여기서, 도 7에서는, 필터 리액터(19)의 출력측은 필터 회로(7)의 중간부에 접속되어 있지만, 이것은 필터 회로(7)를 구성하는 리액터에 필터 리액터(19)와 동일한 기능을 갖게 하기 위해서이고, 필터 리액터의 출력측이, 직류 스테이지의 고압측에 직접 접속되어 있어도 된다. 직류 가선 구간을 주행하는 경우에는, 스위치(3)와 전자기 접촉기(6과 12)가 개방되고, 전자기 접촉기(13)가 투입된다. 교류 가선 구간을 주행할 때는 고속 차단기(16)와 단류기(18)가 개방된다.

또한, 직류 가선용 팬터그래프(15)는 교류 가선용 팬터그래프(2)와 공통화되어 있어도 되고, 그 경우에는 도 8과 같이 팬터그래프(2)와 스위치(3) 및 고속 차단기(16)의 사이에, 스위치(20)를 설치하고, 교류 구간과 직류 구간에서 전류의 경로를 절환한다. 도 8과 같은 구성에서는, 직류 가선 구간을 주행하는 경우에는, 스위치(20)가 고속 차단기(16)측에 접속되고, 스위치(3)와 전자기 접촉기(6과 12)가 개방되고, 전자기 접촉기(13)가 투입된다. 교류 가선 구간을 주행할 때는 스위치(20)가 스위치(3)측에 접속되고, 고속 차단기(16)와 단류기(18)가 개방된다.

다음으로, 도 7 및 도 8에 도시한 구동 장치의 구체적인 동작에 대해 설명한다.

먼저, 교류 가선 구간을 주행하는 경우에 대해 설명한다. 교류 가선 구간을 주행하는 경우에는 차단기(16)와 단류기(18)가 개방되어 있고[또한, 도 8의 경우에는, 스위치(20)가 스위치(3)측에 접속되어 있고], 제1 실시예와 동일한 주회로 구성으로 되므로, 제1 실시예와 동일한 동작으로 된다. 여기서, 충전 저항(5)을 사용하여 가선으로부터 필터 콘덴서(8)로 과전류가 유입되는 것을 방지하기 위한 동작에 대해 설명한다. 제어 장치(11)는 스위치(3)가 투입되어 있는 것을 확인하면, 스위치(12)만을 투입한다. 이때, 전류는 충전 저항(5)을 통해 필터 콘덴서(8)로 흐르기 때문에, 필터 콘덴서(8)가 충전되어 있지 않은 상태이어도, 과전류가 흐르는 것을 방지한다. 다음으로, 필터 콘덴서(8)의 전압이 소정의 값을 초과하였을 때에 스위치(6)를 투입한다. 스위치(6)를 투입하는 전압은 고정의 값으로 해도 되고, 변압기의 2차 전압에 따라 변화시켜도 된다.

다음으로, 직류 가선 구간을 주행하는 경우에 대해 설명한다. 직류 가선 구간을 주행하는 경우에는, 제1 전력 변환 장치(1)는 항상 브레이크 초퍼 장치로서 동작할 수 있으므로, 브레이크 초퍼로서의 동작은 제1 실시예와 동일하다. 또한, 차량이 회생 중에 팬터그래프의 이선이나 데드 섹션 통과나 가선으로 전력을 복귀시키는 것이 허가되어 있지 않은 노선 주행 중 어느 하나를 검지한 경우이어도, 고속 차단기(16)와 단류기(18)에 대해서는, 개방하지 않아도 제1 전력 변환 장치(1)의 초퍼 동작에는 영향을 미치지 않기 때문에, 개방할 필요는 없다. 또한, 본 실시예와 같은 구성일 때는, 가선 전압의 소정값 이상의 상승을 검지한 경우에 제어 장치(11)가 경부하 회생 동작을 실시하는 경우가 있기 때문에, 고속 차단기(16)와 단류기(18)를 개방한 편이 좋다.

또한, 제2 실시예와 같이 변압기(4)의 2차측 권선을 브레이크 리액터로서 사용해도 되고, 이 경우의 회로 구성을 도 9에 도시한다. 전자기 접촉기(13)와 브레이크 리액터(14)가 없는 것 이외는, 도 7과 동일한 구성으로 된다.

직류 가선 구간의 경우, 규격에 의해 회생 브레이크에 의한 회생 전력을 가선에 송출하는 것이 허가되어 있지 않은 노선이 있다. 이와 같은 노선을 주행하고 있는 경우, 항상 가선으로 전력을 복귀시킬 수 없기 때문에, 브레이크 초퍼 모드라고 하는 것을 설치하고, 해당하는 구간에서는 제2 전력 변환 장치(9)가 브레이크 동작을 시작함과 동시에, 제1 전력 변환 장치(1)를 브레이크 초퍼 장치로서 동작시키도록 해도 된다.

이와 같이, 제1 전력 변환 장치(1)와 변압기(4)와 충전 저항(5)을 사용하여 브레이크 초퍼를 구성함으로써, 기기의 추가를 적게 하여, 브레이크 초퍼 시스템을 소형화할 수 있다. 제3 실시예의 도 7∼9에서는 1대의 3상 모터를 구동하는 것으로 하여 도시하고 있지만, 복수대의 3상 모터를 구동하는 구성이어도 된다. 또한, 변압기에 1대의 제1 전력 변환 장치가 접속되도록 도시하고 있지만, 복수대의 제1 전력 변환 장치가 접속되는 구성이어도 되고, 그 경우, 제1 전력 변환 장치마다 충전 저항과 전자기 접촉기가 병렬로 접속되어 있으면 된다.

1, 9 : 전력 변환 장치
2, 15 : 팬터그래프
3, 20 : 스위치
4 : 변압기
5, 17 : 충전 저항
6, 12, 13 : 전자기 접촉기
7 : 공진 필터
8 : 필터 콘덴서
10 : 3상 모터
11 : 제어 장치
14 : 브레이크 리액터
16 : 고속 차단기
18 : 단류기
19 : 필터 리액터
1a∼1d : 스위칭 소자
Pi, Pc : 제어 신호

Claims (10)

1. 교류 전력을 집전하는 집전 장치와,
   상기 집전 장치로부터 입력된 교류 전력을 변압하는 변압기와,
   상기 변압기로 변압한 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 제1 전력 변환 장치와,
   상기 제1 전력 변환 장치로부터 공급되는 직류 전력을 3상 교류 전력으로 변환하여 3상 교류 모터를 구동하는 제2 전력 변환 장치와,
   상기 제1 전력 변환 장치와 상기 제2 전력 변환 장치의 사이에 설치되고, 한쪽이 고압측에 다른 한쪽이 저압측에 접속되어 있는 필터 콘덴서를 갖는 철도 차량용 구동 장치에 있어서,
   상기 제1 전력 변환 장치와 상기 변압기의 사이에 설치되고, 상기 변압기로부터 상기 필터 콘덴서로 유입되는 충전 전류를 제한하는 충전 저항을 갖고,
   상기 제1 전력 변환 장치는, 차량의 브레이크 시에 상기 3상 교류 모터에서 발생한 회생 전력을 상기 충전 저항에 공급하여, 상기 충전 저항에 의해 상기 회생 전력을 소비하고,
   상기 충전 저항과 병렬로 접속된 제1 접촉기를 구비하고,
   차량의 브레이크 시에, 상기 제1 접촉기가 개방된 상태로 되고, 상기 충전 저항과 상기 변압기의 2차측 권선에 회생 전류가 흐르는 것을 특징으로 하는 철도 차량용 구동 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 충전 저항과 병렬로 접속된 제1 접촉기와,
   상기 변압기에 대해 병렬로 접속되어 있고, 브레이크 리액터와 제2 접촉기가 직렬 접속된 직렬 회로와,
   상기 직렬 회로와 상기 변압기와의 사이에 배치된 제3 접촉기를 구비하고,
   차량의 브레이크 시에, 상기 제2 접촉기가 투입되고, 상기 제1 및 제3 접촉기가 개방된 상태로 되고, 상기 충전 저항과 상기 브레이크 리액터에 회생 전류가 흐르는 것을 특징으로 하는 철도 차량용 구동 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 제1 전력 변환 장치는, 4개의 스위칭 소자를 갖고, 제1 스위칭 소자와 제2 스위칭 소자가 직렬 접속된 중간점은 상기 변압기의 2차측 권선의 일측과 접속되고, 제3 스위칭 소자와 제4 스위칭 소자가 직렬 접속된 중간점은 상기 변압기의 2차측 권선의 타측과 접속되고,
   상기 충전 저항은, 상기 제1 스위칭 소자와 제2 스위칭 소자가 직렬 접속된 중간점과, 상기 변압기의 2차측 권선의 일측과의 사이에 접속되고,
   상기 제1 전력 변환 장치는, 회생 전력을 상기 충전 저항에 공급할 때에, 상기 제1 및 제4 스위칭 소자를 통류시키는 제1 통류 경로와, 상기 제2 및 제3 스위칭 소자를 통류시키는 제2 통류 경로를 절환하는 수단을 갖고,
   상기 제1 전력 변환 장치가 상기 충전 저항으로 회생 전력을 공급한 동작 횟수, 또는 동작 시간, 또는 상기 충전 저항에 흐른 전류의 총량 중 적어도 하나가 소정값을 초과한 경우에, 상기 통류 경로를 절환하는 것을 특징으로 하는 철도 차량용 구동 장치.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 제1 전력 변환 장치는, 4개의 스위칭 소자를 갖고, 제1 스위칭 소자와 제2 스위칭 소자가 직렬 접속된 중간점은 상기 변압기의 2차측 권선의 일측과 접속되고, 제3 스위칭 소자와 제4 스위칭 소자가 직렬 접속된 중간점은 상기 변압기의 2차측 권선의 타측과 접속되고,
   상기 충전 저항은, 상기 제1 스위칭 소자와 제2 스위칭 소자가 직렬 접속된 중간점과, 상기 변압기의 2차측 권선의 일측과의 사이에 접속되고,
   상기 제1 전력 변환 장치는, 회생 전력을 상기 충전 저항에 공급할 때에, 상기 복수의 스위칭 소자 중 적어도 어느 하나의 통류율을 제어하여, 상기 충전 저항으로 공급되는 회생 전력을 조정하는 것을 특징으로 하는 철도 차량용 구동 장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 제1 전력 변환 장치는, 상기 제1 및 제4 스위칭 소자를 통류시키는 제1 통류 경로를 통해 회생 전력을 상기 충전 저항에 공급할 때에, 상기 제1 스위칭 소자를 스위칭시켜 통류율을 제어하는 제1 모드와, 제4 스위칭 소자를 스위칭시켜 통류율을 제어하는 제2 모드를 절환하는 수단을 갖고,
   한쪽의 상기 모드에 있어서, 상기 충전 저항으로 회생 전력을 공급한 동작 횟수, 또는 동작 시간, 또는 상기 충전 저항에 흐른 전류의 총량 중 적어도 하나가 소정값을 초과한 경우에, 상기 모드를 절환하는 것을 특징으로 하는 철도 차량용 구동 장치.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 제1 전력 변환 장치는, 차량의 브레이크 시에 있어서, 팬터그래프의 이선, 데드 섹션 통과나 가선으로 전력을 복귀시키는 것이 허가되어 있지 않은 노선 주행, 가선 전압의 소정값 이상의 상승 중 어느 하나를 검지한 경우에, 상기 3상 교류 모터에서 발생한 회생 전력을 상기 충전 저항에 공급하여, 상기 충전 저항에 의해 상기 회생 전력을 소비하는 것을 특징으로 하는 철도 차량용 구동 장치.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   직류 전력을 집전하는 직류 전력 집전 장치와,
   상기 제1 전력 변환 장치와 상기 제2 전력 변환 장치의 사이의 직류부와 상기 직류 전력 집전 장치의 사이에 설치되고, 상기 직류 전력 집전 장치로부터 상기 필터 콘덴서로 유입되는 충전 전류를 제한하는 제2 충전 저항을 구비하고,
   상기 차량이 교류 가선 구간을 주행하는 중에는, 상기 집전 장치를 통해 교류 전력을 도입하고, 상기 차량이 직류 가선 구간을 주행하는 중에는, 상기 직류 전력 집전 장치를 통해 직류 전력을 도입하는 것을 특징으로 하는 철도 차량용 구동 장치.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 집전 장치를 상기 제1 전력 변환 장치와 상기 제2 전력 변환 장치의 사이의 직류부와, 상기 변압기 중 어느 하나에 접속하는 스위치와,
   상기 직류부와 상기 스위치의 사이에 설치되고, 상기 스위치에 의해 상기 집전 장치와 상기 직류부가 접속된 경우에, 상기 집전 장치로부터 상기 필터 콘덴서로 유입되는 충전 전류를 제한하는 제2 충전 저항을 구비하고,
   상기 차량이 교류 가선 구간을 주행하는 중에는, 상기 스위치에 의해 상기 집전 장치와 상기 변압기가 접속되어, 상기 집전 장치를 통해 교류 전력이 상기 변압기에 공급되고, 상기 차량이 직류 가선 구간을 주행하는 중에는, 상기 스위치에 의해 상기 집전 장치와 상기 직류부가 접속되어, 상기 집전 장치를 통해 직류 전력이 상기 직류부로 공급되는 것을 특징으로 하는 철도 차량용 구동 장치.
9. 제1항 또는 제2항에 기재된 철도 차량용 구동 장치를 탑재한 철도 차량.
10. 삭제

Images