WO2024262124A1 - 鉄道車両用電力変換器の駆動制御システムおよび駆動制御方法 - Google Patents

鉄道車両用電力変換器の駆動制御システムおよび駆動制御方法 Download PDF

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邦彦 畑
基巳 嶋田
正登 安東
美佳 谷村
洸太郎 福井
秀一 寺門
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    • H02M7/53873—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration with automatic control of output voltage or current with digital control

Definitions

  • the present invention relates to a drive control system and a drive control method for a power converter that supplies power to a motor mounted on a railway vehicle.
  • Train cars are generally equipped under the floor with a power conversion device that controls the power supplied to the drive motor.
  • the power conversion device is equipped with a power converter made up of semiconductor elements that perform DC/AC power conversion by switching the current.
  • the semiconductor elements generate heat when electricity is applied and when switching. If the semiconductor elements become too hot due to this heat, there are concerns that the conversion efficiency will decrease and the elements will deteriorate, so the semiconductor elements must be cooled and controlled to stay within a specified temperature range.
  • Patent Document 1 discloses a configuration including a power conversion unit that converts power from a power source and supplies the power to a load on an electric vehicle, a cooling unit that cools the power conversion unit, and a control unit that PWM controls the power conversion unit, and the control unit changes the carrier frequency of the PWM control, the number of carrier pulses, or the output power of the power conversion unit based on at least one or more parameters of the position of the electric vehicle, the temperature of the power conversion unit, the internal temperature of the electric vehicle control device, the outside air temperature, or the occupancy rate of the electric vehicle.
  • This conventional technology is expected to have the effect of providing a small-sized, low-cost electric vehicle control device with appropriate cooling performance.
  • Patent Document 2 discloses the configuration of an electric vehicle control device that includes a power conversion circuit provided for each motor of an electric vehicle, with an inverter that converts the supply power into AC power that controls the motor, and a control unit that starts or stops each inverter based on the input current value of the power conversion circuit or the current value of the motor when the electric vehicle runs in constant speed operation mode.
  • This conventional technology is expected to have the effect of providing an electric vehicle control device that can more precisely control a highly efficient operating state while the vehicle is running.
  • control parameters of power conversion devices are set at the design stage so that under worst-case conditions on a representative line, the temperature of the semiconductor elements is below the tolerance value and the life span is longer than the planned operating period.
  • the operating history of the motor current, ambient temperature, occupancy rate, etc. of the railway vehicle is not under the worst-case conditions, and the temperature and damage level of the semiconductor elements may be well above their respective tolerance values.
  • an effective way to reduce the power consumption of railway vehicles is to increase the carrier frequency, which is one of the control parameters, to reduce harmonic losses in the drive motor.
  • the carrier frequency which is one of the control parameters.
  • the present invention was made in consideration of the above-mentioned problems, and aims to reduce the power consumption of railway vehicles according to actual operating conditions, without causing overheating or damage to semiconductor elements.
  • one representative drive control system of the present invention for a power converter that supplies power to a motor mounted on a railway vehicle includes a calculation device that outputs commands to drive and control a power converter composed of multiple semiconductor elements, and the calculation device calculates the current degree of damage to the semiconductor element based on the temperature history of the semiconductor element during actual operation, calculates a predicted value of the future temperature history of the semiconductor element and a predicted value of the future degree of damage to the semiconductor element based on the operating history of the railway vehicle during actual operation, and further selects control parameters based on the predicted value of the future temperature history of the semiconductor element, the current degree of damage to the semiconductor element, and the predicted value of the future degree of damage to the semiconductor element, and outputs commands using the control parameters.
  • FIG. 1 is a diagram showing an overview of an example of the configuration of a railway vehicle power conversion device according to a first embodiment of the present invention
  • 1 is a diagram showing a block configuration and a process flow of a drive control system for a railway vehicle power converter according to a first embodiment
  • FIG. 11 is a diagram showing a carrier pattern, which is one of the control parameters of the power converter in the first to third embodiments.
  • 11 is a diagram showing the relationship between the power consumption, the semiconductor element temperature, and the semiconductor element damage level, and the carrier frequency, in the first to third embodiments.
  • FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the carrier frequency and the power consumption, the semiconductor element temperature, and the degree of damage to the semiconductor element in the first to third embodiments.
  • FIG. 11 is a diagram showing a block configuration and a process flow of a drive control system for a railway vehicle power converter according to a second embodiment.
  • FIG. 11 is a diagram showing a block configuration and a process flow of a drive control system for a railway vehicle power converter according to a third embodiment.
  • FIG. 1 is a diagram showing an overview of an example of the configuration of a drive control system for a railway vehicle power converter according to a first embodiment of the present invention. Note that FIG. 1 omits components of the railway system that are not related to the present invention.
  • a power converter 2, a bogie 3, a motor 4, a transmission device 5, and a vehicle information device 6 are installed under the floor of the railway vehicle 1.
  • a calculation device 11 is installed in a location separate from the railway vehicle 1 (for example, in a ground facility).
  • the power converter 2 supplies AC power 7 to a motor 4 installed on a cart 3 to drive the motor 4.
  • the power converter 2 also transmits a semiconductor element temperature history 8 (T1) during actual operation to a transmission device 5.
  • the power converter 2 is composed of multiple semiconductor elements, for example, a bridge circuit. Since multiple semiconductor elements may be used as a semiconductor element module, the "semiconductor element" in the above “semiconductor element temperature history” and the “semiconductor element damage level” and “semiconductor element power consumption” described below also includes semiconductor element modules.
  • the vehicle information device 6 transmits an actual operation history 9 to the transmission device 5 .
  • the transmission device 5 transmits the semiconductor element temperature history 8 during actual operation and the operation history 9 during actual operation to the calculation device 11 .
  • the arithmetic device 11 transmits an optimum carrier pattern change command 10 to the transmission device 5 , and the transmission device 5 transmits this optimum carrier pattern change command 10 to the power converter 2 .
  • the calculation device 11 may be configured to be installed under the floor of the railway vehicle 1, in which case it receives the semiconductor element temperature history 8 during actual operation and the operation history 9 during actual operation directly from the power converter 2 and the vehicle information device 6, respectively, via wired connection, without going through the transmission device 5.
  • the semiconductor element temperature history 8 during actual operation may be transmitted to the transmission device 5 via the vehicle information device 6, and the driving history 9 during actual operation may be transmitted to the transmission device 5 via the power converter 2; the transmission path is not limited.
  • the power converter 2, the vehicle information device 6, and the transmission device 5 may be configured together as a single device.
  • FIG. 2 is a diagram showing the block configuration and processing flow of the drive control system for the railway vehicle power converter according to the first embodiment.
  • the computing device 11 receives the semiconductor element temperature history 8 (T1) during actual operation from the power converter 2 and the operation history 9 during actual operation from the vehicle information device 6 via the transmission device 5.
  • the calculation device 11 then calculates the current semiconductor element damage level 12 (D1) based on the semiconductor element temperature history 8 (T1) during actual operation.
  • the semiconductor element damage level refers to the degree of element degradation caused by stress due to heat (temperature rise).
  • the calculation device 11 also assumes that the operation history 9 during actual operation will be repeated during the planned operation period of the railway vehicle 1, and calculates the semiconductor element temperature history 14 (T2), semiconductor element damage degree 15 (D2), semiconductor element power consumption 16 (Ps), and motor power consumption 17 (Pm) as future predicted values based on the operation history 9 during actual operation.
  • the future predicted values of the semiconductor element temperature history 14 (T2), semiconductor element damage degree 15 (D2), semiconductor element power consumption 16 (Ps), and motor power consumption 17 (Pm) are abbreviated as the future semiconductor element temperature history 14 (T2), future semiconductor element damage degree 15 (D2), future semiconductor element power consumption 16 (Ps), and future motor power consumption 17 (Pm), respectively.
  • the period (cycle) of processing execution in the computing device 11 is assumed to be a processing cycle that is executed after a certain amount of time has elapsed, for example, once a month, once every three months, or once every six months.
  • carrier pattern judgment 18 is performed.
  • thresholds are set for the temperature and damage level of the semiconductor element so as not to cause element destruction within the planned operation period.
  • the conditions for carrier pattern judgment 18 are that the future semiconductor element temperature history 14 (T2) is "T2 ⁇ temperature threshold” for the judgment of the temperature of the semiconductor element, and the sum (D1+D2) of the current semiconductor element damage level 12 (D1) and the future semiconductor element damage level 15 (D2) is "D1+D2 ⁇ damage level threshold” for the judgment of the damage level of the semiconductor element, and the sum (Ps+Pm) of the future semiconductor element power consumption 16 (Ps) and the future motor power consumption 17 (Pm) is the minimum (“Ps+Pm: minimum").
  • the calculation device 11 If the changed carrier pattern 13 satisfies the above three judgment conditions (Yes), the calculation device 11 outputs an optimal carrier pattern change command 10 as the optimal control parameter and transmits it to the transmission device 5. If it does not satisfy the conditions (No), the carrier pattern is changed.
  • the transmission device 5 sends an optimal carrier pattern change command 10 to the power converter 2, and the power converter 2 outputs AC power 7 to the motor 4 using this optimal carrier pattern.
  • the semiconductor element temperature history 8 (T1) during actual operation may use output values from temperature sensors installed in the multiple semiconductor elements that make up the power converter 2, or may use values obtained by performing a predetermined calculation on output values from temperature sensors installed in other components such as a cooler (not shown) to which the semiconductor elements are attached.
  • the actual operation history 9 is a time history of the vehicle position, vehicle running speed, vehicle notch, vehicle outside temperature, vehicle occupancy rate, motor current mounted on the vehicle, and carrier frequency of a power converter mounted on the vehicle, etc., related to the railway vehicle 1.
  • the vehicle outside temperature may be detected using a temperature detection means installed on the railway vehicle 1, or observation data from a meteorological station may be used.
  • the vehicle occupancy rate may be obtained from another management system.
  • the frequency of outputting the optimum carrier pattern change command 10 is not limited.
  • FIG. 3 is a diagram showing the carrier pattern, which is one of the control parameters of the power converter 2 in Examples 1 to 3.
  • the changed carrier pattern 13 changes the carrier frequency in the asynchronous PWM region 20, and changes the modulation rate to change the number of pulses in the synchronous PWM region 21. This changes the carrier pattern.
  • the carrier pattern is changed within a range that does not cause induction interference or motor control failure.
  • Fig. 4 and Fig. 5 are diagrams showing the relationship between the power consumption, the semiconductor element temperature, and the degree of damage to the semiconductor element, respectively, and the carrier frequency in Examples 1 to 3.
  • the upper graph shows the power consumption
  • the middle graph shows the semiconductor element temperature
  • the lower graph shows the degree of damage.
  • the power consumption is the sum (Ps+Pm) of the future semiconductor element power consumption 16 (Ps) and the future motor power consumption 17 (Pm) (hereinafter referred to as "future power consumption (Ps+Pm)").
  • the carrier frequency increases, the number of switching times of the semiconductor elements increases, and the loss, i.e., the future semiconductor element power consumption 16 (Ps), increases.
  • the harmonic loss of the motor 4 decreases, and the future motor power consumption 17 (Pm) decreases.
  • the sum of the two, the future power consumption (Ps+Pm) is a minimum value for the carrier frequency.
  • the maximum value (max) of the future semiconductor element temperature history 14 (T2) and the sum (D1+D2) of the current and future semiconductor element damage degrees 12 and 15 increase with an increase in the carrier frequency, which corresponds to an increase in the loss of the semiconductor element.
  • threshold values hereinafter referred to as the "temperature threshold” and “damage threshold" are set for the temperature and damage degree of the semiconductor element so as not to cause element destruction within the planned operation period.
  • carrier frequency A at which future power consumption (Ps + Pm) is at a minimum value is a frequency that is lower than both the carrier frequency at which the maximum value (max) of future semiconductor element temperature history 14 (T2) coincides with the temperature threshold value, and the carrier frequency at which the sum (D1 + D2) of current and future semiconductor element damage levels 12 and 15 coincides with the damage level threshold value.
  • carrier frequency A at which future power consumption (Ps+Pm) is minimized becomes the optimal value for reducing future power consumption (Ps+Pm), and is output as optimal carrier pattern change command 10.
  • the carrier frequency at which the future power consumption (Ps+Pm) is a minimum is a frequency higher than carrier frequency B at which the sum (D1+D2) of the present and future semiconductor element damage levels 12 and 15 coincides with the damage level threshold.
  • carrier frequency B where the sum (D1+D2) of the present and future semiconductor element damage levels 12 and 15 matches the damage level threshold becomes the optimal value for reducing the future power consumption (Ps+Pm), and is output as optimal carrier pattern change command 10.
  • Example 1 the semiconductor element temperature, the semiconductor element damage level, and the power consumption can be calculated as future predicted values, and an optimal value can be calculated that reduces the power consumption within a threshold value that does not cause element failure. This makes it possible to reduce the power consumption of a railway vehicle according to the actual operating conditions, within a range that does not cause the semiconductor elements to overheat or become damaged. For example, even if the train runs under conditions that were not anticipated at the time of design, the control parameters can be optimized each time, thereby minimizing the power consumption within a range that does not cause failure during the operating period.
  • FIG. 6 is a diagram showing the block configuration and processing flow of a drive control system for a railcar power converter according to Example 2.
  • Example 2 when the calculation device 11 calculates future prediction values, a railcar operating condition change scenario 22 is additionally input.
  • the operation condition change scenario 22 may be, for example, at least one of the following for railroad vehicles: change in operating hours, fluctuation in passenger occupancy rate, change in route, change in driver, presence or absence of automated driving, and weather change. These changes in operating conditions are also reflected in the calculation of future predicted values.
  • the method according to the second embodiment makes it possible to reduce the power consumption of railway vehicles according to actual operating conditions, in response to anticipated future changes in operating conditions, without causing overheating or damage to semiconductor elements.
  • FIG. 7 is a diagram showing the block configuration and processing flow of a drive control system for a railway vehicle power converter according to a third embodiment.
  • the third embodiment also takes into consideration how to deal with the case where an appropriate solution is not obtained in the carrier pattern determination 18.
  • a semiconductor element replacement command 23 is output to the maintenance management system 24 to prompt replacement of the semiconductor element.
  • the number of times that the carrier pattern determination 18 is performed in one processing loop in the computing device 11 is limited to a predetermined number N, thereby making an output determination 25 of the semiconductor element replacement command 23.
  • the method of output determination is not limited to this.
  • the method according to the third embodiment makes it possible to replace semiconductor elements before they are damaged during operation, thereby making it possible to prevent unexpected failures.

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Abstract

電力変換器を構成する半導体素子の温度超過および損傷を発生させない範囲で、実稼働条件に応じて、電力変換器を最適に駆動制御し、鉄道車両の消費電力を低減するために、鉄道車両が搭載するモータに電力を供給する電力変換器の駆動制御システムとして、複数の半導体素子から構成される前記電力変換器を駆動制御する指令を出力する演算装置を備え、演算装置は、実稼働での半導体素子の温度履歴を基にして当該半導体素子の現在の損傷度を演算し、また、実稼働での鉄道車両の運行履歴を基にして半導体素子の将来の温度履歴予測値および半導体素子の将来の損傷度予測値を演算し、更に、半導体素子の将来の温度履歴予測値、半導体素子の現在の損傷度および半導体素子の将来の損傷度予測値に基づいて制御パラメータを選定し、当該制御パラメータを用いて指令を出力する。

Description

鉄道車両用電力変換器の駆動制御システムおよび駆動制御方法
　本発明は、鉄道車両が搭載するモータに電力を供給する電力変換器の駆動制御システムおよび駆動制御方法に関する。
　鉄道車両では、一般的に、その床下に、駆動用モータに供給する電力を制御する電力変換装置が搭載される。電力変換装置には、電流のスイッチングを行って直流／交流の電力変換を行う半導体素子から構成される電力変換器が設置される。半導体素子においては、通電時およびスイッチング時に熱が発生する。この熱により、半導体素子が高温になると、変換効率の低下や素子の劣化が懸念されるため、半導体素子を所定の温度範囲になるように、冷却、制御する必要がある。
　一方、鉄道車両の電力消費量の低減には、制御パラメータの一つであるキャリア周波数を高くして、駆動用モータの高調波損失を低減することが有効である。ここで、キャリア周波数を高くすると、電力変換器を構成する半導体素子の損失が上昇し、それに伴い半導体素子の温度が上昇する。さらに、半導体素子の温度サイクルにより繰り返し発生する熱応力による損傷が発生しやすくなる。
　鉄道車両に搭載される電力変換装置の例として、ここでは、特許文献１および特許文献２を挙げる。
　特許文献１には、電源からの電力を変換して電気車の負荷に電力を供給する電力変換部と、電力変換部を冷却する冷却部と、電力変換部をＰＷＭ制御する制御部を備え、制御部は、電気車の位置、電力変換部の温度、電気車制御装置の内部の温度、外気温又は電気車の乗車率のいずれか少なくとも１つ以上のパラメータに基づいて、ＰＷＭ制御のキャリア周波数、キャリアパルス数又は電力変換部の出力電力を変更する構成が開示されている。かかる従来技術によれば、適切な冷却性能を有し、小型かつ低コストな電気車制御装置を提供する効果が期待される。
　特許文献２には、電気車のモータごとに設けられ、供給電力をモータを制御する交流電力に変換するインバータを有する電力変換回路と、電気車が定速運転モードで走行する際、電力変換回路の入力電流値またはモータの電流値に基づいて、それぞれのインバータを起動または停止する制御部とを備えた電気車制御装置の構成が開示されている。かかる従来技術によれば、走行状態における高効率な運転状態を、よりきめ細かく制御することのできる電気車制御装置を提供する効果が期待される。
特開２０１６－１４０２０４号公報 特開２０１５－６０６３号公報
　一般的に、電力変換装置は、代表路線における最悪条件で半導体素子の温度が許容値以下、寿命が稼働予定期間以上となるように、設計段階において制御パラメータを設定している。しかしながら、実稼働においては、鉄道車両における、モータ電流、周囲温度、乗車率などの運行履歴が最悪条件ではなく、半導体素子の温度および損傷度がそれぞれの許容値に対し余裕がある場合がある。
　このような条件において、鉄道車両の消費電力を低減するには、制御パラメータの一つであるキャリア周波数を高くして駆動用モータの高調波損失を低減することが有効である。ただし、半導体素子の温度および損傷度がそれぞれの許容値を超えないようにする必要性があるため、キャリア周波数を変更した際の将来の温度および損傷度を予測する必要がある。
　そこで、本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、半導体素子の温度超過および損傷を発生させない範囲で、実稼働条件に応じて鉄道車両の消費電力を低減等することを目的とする。
　上記課題を解決するために、鉄道車両が搭載するモータに電力を供給する電力変換器に対して代表的な本発明の駆動制御システムの一つは、複数の半導体素子から構成される電力変換器を駆動制御する指令を出力する演算装置を備え、演算装置は、実稼働での半導体素子の温度履歴を基にして当該半導体素子の現在の損傷度を演算し、また、実稼働での鉄道車両の運行履歴を基にして半導体素子の将来の温度履歴予測値および半導体素子の将来の損傷度予測値を演算し、更に、半導体素子の将来の温度履歴予測値、半導体素子の現在の損傷度および半導体素子の将来の損傷度予測値に基づいて制御パラメータを選定し、当該制御パラメータを用いて指令を出力するものである。
　本発明によれば、電力変換器を構成する半導体素子の温度超過および損傷を発生させない範囲で、実稼働条件に応じて電力変換器を最適に駆動制御できる。好ましくは、実稼働条件に応じて鉄道車両の消費電力を低減できる。
　上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施をするための形態における説明により明らかにされる。
本発明の実施例１に係る鉄道車両用電力変換装置の構成の一例の概要を示す図である。 実施例１に係る鉄道車両用電力変換器の駆動制御システムのブロック構成および処理フローを示す図である。 実施例１から実施例３における、電力変換器の制御パラメータの一つであるキャリアパタンを示す図である。 実施例１から実施例３における、消費電力、半導体素子温度および半導体素子損傷度それぞれとキャリア周波数との関係を示す図である。 実施例１から実施例３における、消費電力、半導体素子温度および半導体素子損傷度それぞれとキャリア周波数との関係を示す図である。 実施例２に係る鉄道車両用電力変換器の駆動制御システムのブロック構成および処理フローを示す図である。 実施例３に係る鉄道車両用電力変換器の駆動制御システムのブロック構成および処理フローを示す図である。
　以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態として、実施例１から実施例３について説明する。なお、これら実施例により本発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一部分には同一の符号を付して示している。
　図１は、本発明の実施例１に係る鉄道車両用電力変換器の駆動制御システムの構成の一例の概要を示す図である。なお、図１では、本発明に関わらない鉄道システムの構成要素を省略している。
　鉄道車両１の床下には、電力変換器２、台車３、モータ４、伝送装置５および車両情報装置６が設置される。また、演算装置１１は、鉄道車両１とは別の場所（例えば、地上側設備）に設置される。
　電力変換器２は、台車３に設置されるモータ４に交流電力７を供給してモータ４を駆動する。また、電力変換器２は、実稼働での半導体素子温度履歴８（Ｔ１）を伝送装置５に送信する。ここで、電力変換器２は、複数の半導体素子から例えばブリッジ回路により構成される。複数の半導体素子は、半導体素子モジュールとして用いる場合も含むことから、先の「半導体素子温度履歴」、後述する「半導体素子損傷度」および「半導体素子消費電力」における「半導体素子」は、半導体素子モジュールも含むものである。
　車両情報装置６は、実稼働での運行履歴９を伝送装置５に送信する。
　伝送装置５は、実稼働での半導体素子温度履歴８および実稼働での運行履歴９を演算装置１１に送信する。
　演算装置１１は、伝送装置５に最適キャリアパタン変更指令１０を送信し、伝送装置５は、この最適キャリアパタン変更指令１０を電力変換器２に送信する。
　また、演算装置１１は、鉄道車両１の床下に設置する構成でもよく、その場合には、伝送装置５を介することなく、電力変換器２および車両情報装置６それぞれから直に、実稼働での半導体素子温度履歴８および実稼働での運行履歴９を有線により受信する。
　更に、実稼働での半導体素子温度履歴８が、車両情報装置６を介して伝送装置５に送信されてもよく、実稼働での運行履歴９が、電力変換器２を介して伝送装置５に送信されてもよく、送信経路を限定するものではない。また、電力変換器２、車両情報装置６および伝送装置５を、一つの装置としてまとめて構成してもよい。
　図２は、実施例１に係る鉄道車両用電力変換器の駆動制御システムのブロック構成および処理フローを示す図である。図において破線で囲む演算装置１１については、その処理態様の概要を機能ブロックのフローチャートで示している。
　演算装置１１は、伝送装置５を介して、電力変換器２から実稼働での半導体素子温度履歴８（Ｔ１）および車両情報装置６から実稼働での運行履歴９を受信する。
　そして、演算装置１１は、実稼働での半導体素子温度履歴８（Ｔ１）を基にして、現在の半導体素子損傷度１２（Ｄ１）を演算する。ここで、半導体素子損傷度とは、熱（温度上昇）による応力に伴う素子の劣化度合いを意味する。
　また、演算装置１１は、実稼働での運行履歴９を基にして、この運行履歴９が鉄道車両１の稼働予定期間中に繰り返される場合を想定し、将来の予測値として、半導体素子温度履歴１４（Ｔ２）、半導体素子損傷度１５（Ｄ２）、半導体素子消費電力１６（Ｐｓ）およびモータ消費電力１７（Ｐｍ）を演算する。以下では、将来の予測値である、半導体素子温度履歴１４（Ｔ２）、半導体素子損傷度１５（Ｄ２）、半導体素子消費電力１６（Ｐｓ）およびモータ消費電力１７（Ｐｍ）を、それぞれ、将来の半導体素子温度履歴１４（Ｔ２）、将来の半導体素子損傷度１５（Ｄ２）、将来の半導体素子消費電力１６（Ｐｓ）および将来のモータ消費電力１７（Ｐｍ）、と略していう。
　演算装置１１における処理実行の周期（サイクル）は、例えば、月に１回や、３月や６月に１回といった、ある程度の時間経過を置いて実行する処理サイクルを想定するものである。
　これらの演算結果から、キャリアパタン判定１８を行う。この判定に際しては、半導体素子の温度および損傷度に対して、稼働予定期間内に素子破壊を発生させないための閾値がそれぞれ設定される。キャリアパタン判定１８は、半導体素子の温度の判定として、将来の半導体素子温度履歴１４（Ｔ２）が「Ｔ２≦温度閾値」、かつ、半導体素子の損傷度の判定として、現在の半導体素子の損傷度１２（Ｄ１）と将来の半導体素子損傷度１５（Ｄ２）との合計（Ｄ１＋Ｄ２）が「Ｄ１＋Ｄ２≦損傷度閾値」を満たし、尚かつ、将来の半導体素子消費電力１６（Ｐｓ）と将来のモータ消費電力１７（Ｐｍ）との合計（Ｐｓ＋Ｐｍ）が最小（「Ｐｓ＋Ｐｍ：最小」）であることを判定条件とする。
　ここで、「Ｐｓ＋Ｐｍ：最小」であることを確認するために、異なる制御パラメータで上記の判定を繰り返す。本実施例１では、制御パラメータとして、キャリアパタンを変更することを想定し、変更キャリアパタン１３にて将来の予測値を繰り返し演算する。
　演算装置１１は、変更キャリアパタン１３が上記３つの判定条件を満たせば（Ｙｅｓ）、それを最適な制御パラメータとして最適キャリアパタン変更指令１０を出力し、伝送装置５に送信する。満たさない場合は（Ｎｏ）、キャリアパタンを変更する。
　伝送装置５から電力変換器２に最適キャリアパタン変更指令１０が送信され、この最適キャリアパタンを用いて電力変換器２は交流電力７をモータ４に出力する。
　ここで、実稼働での半導体素子温度履歴８（Ｔ１）は、電力変換器２を構成する複数の半導体素子に設置した温度センサーからの出力値を用いるか、または、それら半導体素子を取り付ける冷却器（図示せず）などの他の構成要素に設置した温度センサーからの出力値を所定演算した値を用いてもよい。
　また、実稼働での運行履歴９は、鉄道車両１に関する、車両の位置、車両の走行速度、車両のノッチ、車両の外気温度、車両の乗車率、車両が搭載するモータの電流および車両が搭載する電力変換器のキャリア周波数などの時間履歴である。その中で例えば、車両の外気温度に関しては、鉄道車両１に設置された温度検出手段を用いるか、あるいは、気象台による観測データを用いてもよい。車両の乗車率に関しては、別の管理システムから取得してもよい。
　そしてまた、最適キャリアパタン変更指令１０を出力する頻度は、限定されない。
　図３は、実施例１から実施例３における、電力変換器２の制御パラメータの一つであるキャリアパタンを示す図である。現行のキャリアパタン１９（実線）に対して、変更キャリアパタン１３（破線）は、非同期ＰＷＭ領域２０ではキャリア周波数を変更し、また、同期ＰＷＭ領域２１ではパルス数を変更する変調率を変更する。これにより、キャリアパタンを変更する。ただし、キャリアパタンは、誘導障害やモータ制御不良を発生させない範囲で変更するものである。
　図４および図５は、実施例１から実施例３における、消費電力、半導体素子温度および半導体素子損傷度それぞれとキャリア周波数との関係を示す図である。図４および図５において、上のグラフが消費電力、中のグラフが半導体素子温度、下のグラフが損傷度、の各特性を示す。
　ここで、消費電力は、将来の半導体素子消費電力１６（Ｐｓ）と将来のモータ消費電力１７（Ｐｍ）との合計（Ｐｓ＋Ｐｍ）である（以下、「将来の消費電力（Ｐｓ＋Ｐｍ）」という）。半導体素子は、キャリア周波数が大きくなるほどスイッチング回数が増え、損失すなわち将来の半導体素子消費電力１６（Ｐｓ）が増大する。一方、モータ４は、キャリア周波数が大きくなるほど高調波損失が低減するため、将来のモータ消費電力１７（Ｐｍ）は低減する。すなわち、双方を合計した将来の消費電力（Ｐｓ＋Ｐｍ）は、キャリア周波数に対し極小値をとる。
　一方、将来の半導体素子温度履歴１４（Ｔ２）の最大値（ｍａｘ）、および、現在と将来の半導体素子損傷度１２と１５との合計（Ｄ１＋Ｄ２）は、キャリア周波数が大きくなるほど半導体素子の損失の増大に伴い大きくなる。上述のとおり、半導体素子の温度および損傷度には、稼働予定期間内に素子破壊を発生させないための閾値（以下、「温度閾値」および「損傷度閾値」という）がそれぞれ設定される。
　図４では、将来の消費電力（Ｐｓ＋Ｐｍ）が極小値となるキャリア周波数Ａは、将来の半導体素子温度履歴１４（Ｔ２）の最大値（ｍａｘ）が温度閾値と一致するキャリア周波数、および、現在と将来の半導体素子損傷度１２と１５との合計（Ｄ１＋Ｄ２）が損傷度閾値と一致するキャリア周波数、それぞれよりも小さい周波数である。
　この場合には、将来の消費電力（Ｐｓ＋Ｐｍ）が極小値となるキャリア周波数Ａが、将来の消費電力（Ｐｓ＋Ｐｍ）を低減するための最適値となり、最適キャリアパタン変更指令１０として出力されることになる。
　一方、図５では、下のグラフに示すように、キャリア周波数に対する半導体素子損傷度の傾向が急峻である。この場合、将来の消費電力（Ｐｓ＋Ｐｍ）が極小値となるキャリア周波数は、現在と将来の半導体素子損傷度１２と１５との合計（Ｄ１＋Ｄ２）が損傷度閾値と一致するキャリア周波数Ｂよりも大きい周波数である。
　したがって、図５のように、将来の消費電力（Ｐｓ＋Ｐｍ）が極小値となるキャリア周波数では、将来の半導体素子損傷度が損傷度閾値よりも大きくなる。そのため、現在と将来の半導体素子損傷度１２と１５との合計（Ｄ１＋Ｄ２）が損傷度閾値と一致するキャリア周波数Ｂが、将来の消費電力（Ｐｓ＋Ｐｍ）を低減するための最適値となり、最適キャリアパタン変更指令１０として出力されることになる。
　最後に、実施例１の作用効果について説明する。実施例１によれば、将来の予測値として、半導体素子温度、半導体素子損傷度および消費電力を演算し、素子故障を発生させない閾値以内で消費電力を低減する最適値を演算することができる。これにより、半導体素子の温度超過および損傷を発生させない範囲で、実稼働条件に応じて鉄道車両の消費電力を低減することが可能となる。例えば、設計時に想定していなかった条件で走行したとしても、制御パラメータを都度最適化することで、稼働期間中に故障を発生させない範囲で消費電力を最小化できる。
　図６は、実施例２に係る鉄道車両用電力変換器の駆動制御システムのブロック構成および処理フローを示す図である。実施例２では、演算装置１１において将来の予測値を演算する際に、鉄道車両の運行条件変更シナリオ２２を追加入力する。
　ここで、運行条件変更シナリオ２２としては、例えば、鉄道車両に関して、運行時間の変更、乗車率の変動、走行路線の変更、運転士の変更および自動運転化の有無、並びに、気候の変動などの少なくともいずれか一つ以上である。これらの運行条件の変更も反映させて、将来の予測値を演算する。
　この実施例２に係る方法により、将来想定される運行条件の変更に応じて、半導体素子の温度超過および損傷を発生させない範囲で、実稼働の条件に応じて鉄道車両の消費電力を低減することが可能となる。
　図７は、実施例３に係る鉄道車両用電力変換器の駆動制御システムのブロック構成および処理フローを示す図である。実施例３は、キャリアパタン判定１８において適切な解が得られなかった場合の対処も考慮したものである。
　例えば、設計時に想定していた運行条件よりも実稼働での条件が厳しく、現在と将来の半導体素子損傷度１２と１５との合計（Ｄ１＋Ｄ２）＜損傷度閾値となるキャリアパタンが見つからなかった場合、半導体素子交換指令２３をメンテナンス管理システム２４に出力して半導体素子の交換を促す。
　ここで、実施例３では、演算装置１１での１回の処理ループの中でキャリアパタン判定１８を行う回数を、所定のＮ回に制限することで、半導体素子交換指令２３の出力判定２５を行う。ただし、出力判定の方法は、これに限定されるものではない。
　この実施例３に係る方法により、半導体素子が稼働中に損壊する前に半導体素子を交換することができ、予期せぬ故障を抑制することが可能となる。
　以上、本発明を実施するための形態として実施例１から実施例３について説明したが、本発明は、上述した実施例１から実施例３に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
１：鉄道車両、２：電力変換器、３：台車、４：モータ、５：伝送装置、６：車両情報装置、７：交流電力、８：実稼働での半導体素子温度履歴（Ｔ１）、９：実稼働での運行履歴、１０：最適キャリアパタン変更指令、１１：演算装置、１２：現在の半導体素子損傷度（Ｄ１）、１３：変更キャリアパタン、１４：将来の半導体素子温度履歴（Ｔ２）、１５：将来の半導体素子損傷度（Ｄ２）、１６：将来の半導体素子消費電力（Ｐｓ）、１７：将来のモータ消費電力（Ｐｍ）、１８：キャリアパタン判定、１９：現行のキャリアパタン、２０：非同期ＰＷＭ領域、２１：同期ＰＷＭ領域、２２：運行条件変更シナリオ、２３：半導体素子交換指令、２４：メンテナンス管理システム、２５：半導体素子交換指令の出力判定

Claims (13)

  1. 　鉄道車両が搭載するモータに電力を供給する電力変換器の駆動制御システムであって、
    　複数の半導体素子から構成される前記電力変換器を駆動制御する指令を出力する演算装置を備え、
    　前記演算装置は、
    　実稼働での前記半導体素子の温度履歴を基にして当該半導体素子の現在の損傷度を演算し、また、実稼働での前記鉄道車両の運行履歴を基にして前記半導体素子の将来の温度履歴予測値および前記半導体素子の将来の損傷度予測値を演算し、更に、
    　前記半導体素子の将来の温度履歴予測値、前記半導体素子の現在の損傷度および前記半導体素子の将来の損傷度予測値に基づいて制御パラメータを選定し、当該制御パラメータを用いて前記指令を出力する
    ことを特徴とする駆動制御システム。
  2. 　請求項１に記載の駆動制御システムであって、
    　前記演算装置は、
    　実稼働での前記鉄道車両の運行履歴を基にして前記半導体素子の将来の消費電力予測値および前記モータの将来の消費電力予測値を演算し、
    　前記半導体素子の将来の温度履歴予測値が所定の温度閾値以下で、かつ、前記半導体素子の現在の損傷度および前記半導体素子の将来の損傷度予測値に基づく前記半導体素子の損傷度が所定の損傷度閾値以下となる条件で、当該半導体素子の将来の消費電力予測値および前記モータの将来の消費電力予測値に基づいて前記制御パラメータを選定する
    ことを特徴とする駆動制御システム。
  3. 　請求項１または請求項２に記載の駆動制御システムであって、
    　前記演算装置を、地上側設備としてまたは前記鉄道車両の車上側に備え、前記地上側設備として備える場合には、当該演算装置と前記電力変換器との間のデータを送受する伝送装置を備える
    ことを特徴とする駆動制御システム。
  4. 　請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の駆動制御システムであって、
    　前記制御パラメータは、前記電力変換器を駆動するためのキャリアパタンである
    ことを特徴とする駆動制御システム。
  5. 　請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の駆動制御システムであって、
    　実稼働での前記鉄道車両の運行履歴は、当該鉄道車両に関して、位置、走行速度、ノッチ、外気温度、乗車率、前記モータの電流および前記電力変換器のキャリア周波数、の各時間履歴の内の所定数以上の時間履歴である
    ことを特徴とする駆動制御システム。
  6. 　請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の駆動制御システムであって、
    　実稼働での前記鉄道車両の運行履歴に対し、当該鉄道車両の運行条件が変更された場合の運行条件変更シナリオを用いて、前記半導体素子の将来の、温度履歴予測値、損傷度予測値および消費電力予測値、並びに前記モータの将来の消費電力予測値、を演算する
    ことを特徴とする駆動制御システム。
  7. 　請求項６に記載の駆動制御システムであって、
    　前記運行条件変更シナリオは、前記鉄道車両に関して、運行時間の変更、乗車率の変動、走行路線の変更、運転士の変更および自動運転化の有無、並びに、気候の変動、の内少なくとも一つ以上である
    ことを特徴とする駆動制御システム。
  8. 　請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の駆動制御システムであって、
    　前記演算装置は、前記制御パラメータを選定できない場合には、前記半導体素子の交換指令を生成する
    ことを特徴とする駆動制御システム。
  9. 　鉄道車両が搭載するモータに電力を供給する電力変換器の駆動制御方法であって、
    　複数の半導体素子から構成される前記電力変換器に対して、
    　実稼働での前記半導体素子の温度履歴を取得し、当該温度履歴を基にして前記半導体素子の現在の損傷度を演算し、
    　実稼働での前記鉄道車両の運行履歴を取得し、当該運行履歴を基にして前記半導体素子の将来の温度履歴予測値および前記半導体素子の将来の損傷度予測値を演算し、
    　前記半導体素子の将来の温度履歴予測値、前記半導体素子の現在の損傷度および前記半導体素子の将来の損傷度予測値に基づいて制御パラメータを選定し、
    　前記制御パラメータを用いて前記電力変換器を駆動制御する指令を出力する
    ことを特徴とする駆動制御方法。
  10. 　請求項９に記載の駆動制御方法であって、
    　前記運行履歴を基にして前記半導体素子の将来の消費電力予測値および前記モータの将来の消費電力予測値を演算し、
    　前記制御パラメータを、前記半導体素子の将来の温度履歴予測値が所定の温度閾値以下で、かつ、前記半導体素子の現在の損傷度および前記半導体素子の将来の損傷度予測値に基づく前記半導体素子の損傷度が所定の損傷度閾値以下となる条件で、当該半導体素子の将来の消費電力予測値および前記モータの将来の消費電力予測値に基づいて選定する
    ことを特徴とする駆動制御方法。
  11. 　請求項９または請求項１０に記載の駆動制御方法であって、
    　前記制御パラメータは、前記電力変換器を駆動するためのキャリアパタンである
    ことを特徴とする駆動制御方法。
  12. 　請求項９から請求項１１のいずれか１項に記載の駆動制御方法であって、
    　実稼働での前記鉄道車両の運行履歴に対し、当該鉄道車両の運行条件が変更された場合の運行条件変更シナリオを用いて、前記半導体素子の将来の、温度履歴予測値、損傷度予測値および消費電力予測値、並びに前記モータの将来の消費電力予測値、を演算する
    ことを特徴とする駆動制御方法。
  13. 　請求項９から請求項１２のいずれか１項に記載の駆動制御方法であって、
    　前記制御パラメータを選定できない場合には、前記半導体素子を交換する指令を生成する
    ことを特徴とする駆動制御方法。
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