JP2001037005A

JP2001037005A - 電気車駆動システム

Info

Publication number: JP2001037005A
Application number: JP11209564A
Authority: JP
Inventors: Shiroji Yamamoto; 城二山本
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1999-07-23
Filing date: 1999-07-23
Publication date: 2001-02-09

Abstract

(57)【要約】【課題】車両性能に大きく影響するＶＶＶＦインバータ
の小形・軽量化を実現し、編成全体の質量増／艤装の困
難を伴なうことなく電動車比率を高めること。【解決手段】１編成が少なくとも３台の車両が連結され
てなり、直流を電源として駆動される電気車の駆動シス
テムにおいて、少なくとも３台の車両が連結された１編
成内の複数台の車両に主電動機５を搭載し、所定台数の
主電動機５毎に、当該主電動機５を駆動制御するＶＶＶ
Ｆインバータ４を接続し、入力と出力との間が絶縁さ
れ、直流電源の電圧をＶＶＶＦインバータ４用の直流電
圧ヘ降圧変換する機能、およびＶＶＶＦインバータ用の
直流電圧を直流電源の電圧へ昇圧変換する機能を有する
電力変換装置３を備え、電力変換装置３により直流電源
電圧から変換された直流電圧を、主電動機駆動用のＶＶ
ＶＦインバータ４への共通入力として供給する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、１編成が少なくと
も３台の車両が連結されてなり、直流を電源として駆動
される電気車の駆動システムに係り、特に車両性能に大
きく影響する主電動機駆動用のＶＶＶＦインバータの小
形・軽量化を実現できるようにした電気車駆動システム
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図２は、従来の電気車駆動システムの構
成例を示すブロック図である。

【０００３】図２において、パンタグラフ１から入力さ
れた直流１５００Ｖ（以下、１５００Ｖｄｃと称する）
の直流電力は、断流器２を介して、１編成中全てのＶＶ
ＶＦインバータ４に供給される。

【０００４】各々のＶＶＶＦインバータ４は、１５００
Ｖｄｃを入力して、これが交流電力に変換され、このＶ
ＶＶＦインバータ４に接続された主電動機５に供給され
て、主電動機５がそれぞれ駆動される。

【０００５】しかしながら、このような従来の電気車駆
動システムにおいては、絶縁耐圧５４００Ｖａｃを満足
するように、空間距離、沿面距離ともに相応に設計され
ており、システム外形も大きなものになっている。

【０００６】また、従来のシステム構成では、ＶＶＶＦ
インバータ４は、例えば１５００Ｖｄｃ電源の場合、耐
圧が５４００Ｖａｃと大きいことから、システムは例え
小容量のものであっても、最低限必要な絶縁距離を確保
するため、小形化には限度がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】以上のような理由によ
り、例えば全車両に小容量の主電動機５を搭載し、各主
電動機５は各々１台ずつのＶＶＶＦインバータ４で制御
するシステム構成とすることにより、雨天時粘着特性の
改善による定時運行ダイヤの確保、あるいは乗り心地の
改善、センサレスベクトル制御等の信頼性向上、および
制御方式の簡素化等、多くのメリットが期待される全電
動車システムを構築するには困難な点が多い。

【０００８】また、上記架線電圧は、１５００Ｖｄｃと
は言っても電圧変動が大きく、通常でも、およそ１００
０〜１８００Ｖｄｃの範囲で変動する。そのため、ＶＶ
ＶＦインバータ４を構成する各スイッチング半導体素
子、および周辺電気品の電圧定格は、上記電圧変動範囲
の最大値に合わせて選定しなければならないため、無駄
が多いものとなっている。

【０００９】本発明の目的は、車両性能に大きく影響す
る主電動機駆動用のＶＶＶＦインバータの小形・軽量化
を実現して、編成全体の質量増、あるいは艤装の困難を
伴なうことなく電動車比率を高めることが可能な高性能
の電気車駆動システムを提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１の発明では、１編成が少なくとも３台の
車両が連結されてなり、直流を電源として駆動される電
気車の駆動システムにおいて、少なくとも３台の車両が
連結された１編成内の複数台の車両に主電動機を搭載
し、所定台数の主電動機毎に、当該主電動機を駆動制御
する可変電圧可変周波数（ＶＶＶＦ）インバータを接続
し、入力と出力との間が絶縁され、直流電源の電圧をＶ
ＶＶＦインバータ用の直流電圧ヘ降圧変換する機能、お
よびＶＶＶＦインバータ用の直流電圧を直流電源の電圧
へ昇圧変換する機能を有する電力変換装置を備え、電力
変換装置により直流電源電圧から変換された直流電圧
を、主電動機駆動用のＶＶＶＦインバータへの共通入力
として供給するようにしている。

【００１１】従って、請求項１の発明の電気車駆動シス
テムにおいては、入力に対して出力が絶縁された電力変
換装置により、例えば架線等からの直流電源の電圧が、
絶縁耐圧の小さいＶＶＶＦインバータ用の直流電圧、す
なわち汎用電力変換装置で多数使われている２５００Ｖ
ａｃ絶縁耐圧の電気品が適用される電圧、例えば６００
Ｖｄｃの電圧ヘ変換され、この直流電圧が新たな電源と
して、主電動機を駆動制御するＶＶＶＦインバータに共
通に供給され、このＶＶＶＦインバータに接続された主
電動機がそれぞれ駆動される。これにより、各々のＶＶ
ＶＦインバータは絶縁耐圧が低くなるため、ＶＶＶＦイ
ンバータを小形・軽量化して、編成全体の質量増、ある
いは艤装の困難を伴なうことなく電動車比率を高めるこ
とができる。

【００１２】また、請求項２の発明では、上記請求項１
の発明の電気車駆動システムにおいて、電力変換装置
は、定電圧出力制御機能を有するものとしている。

【００１３】従って、請求項２の発明の電気車駆動シス
テムにおいては、電力変換装置に定電圧出力制御機能を
持たせることにより、電力変換装置の出力は一定電圧に
制御されるため、ＶＶＶＦインバータのスイッチング半
導体素子、あるいはその周辺電気品の電圧定格も、それ
に見合った電圧定格にしておけばよく、素子の利用率を
向上することができる。

【００１４】さらに、請求項３の発明では、上記請求項
２の発明の電気車駆動システムにおいて、電力変換装置
の出力電圧は、ＶＶＶＦインバータを構成するスイッチ
ング半導体素子あるいは高圧部絶縁耐力に対して小形化
に最適な値となるように設定している。

【００１５】従って、請求項３の発明の電気車駆動シス
テムにおいては、電力変換装置の出力電圧を、ＶＶＶＦ
インバータのスイッチング半導体素子、あるいは高圧部
絶縁耐力に対して小形化に最適な値に設定することによ
り、上記請求項２の発明の作用を、より一層顕著に奏す
ることができる。

【００１６】一方、請求項４の発明では、上記請求項１
の発明の電気車駆動システムにおいて、電力変換装置
は、少なくとも３台の車両が連結された１編成中に少な
くともｎ台（ｎは２以上の整数）備えられ、ｎ台のうち
１台の電力変換装置が故障した場合には、残りの（ｎ−
１）台の電力変換装置にて電力を供給し続けるように、
ｎ台の電力変換装置から出力される直流電圧を互いに突
き合わせる構成としている。

【００１７】従って、請求項４の発明の電気車駆動シス
テムにおいては、電力変換装置を１編成中に２台以上備
え、各々の電力変換装置から出力される直流電圧を互い
に突き合わせることにより、万一１台の電力変換装置が
故障したとしても、その後は残りの電力変換装置によっ
て給電が継続されるため、高い冗長性を得ることができ
る。

【００１８】また、請求項５の発明では、上記請求項４
の発明の電気車駆動システムにおいて、ｎ台の電力変換
装置のうち、ある電力変換装置が故障した場合には、負
荷となる複数台のＶＶＶＦインバータの一部をゲートブ
ロックするようにしている。

【００１９】従って、請求項５の発明の電気車駆動シス
テムにおいては、２台以上の電力変換装置のうち、ある
電力変換装置が故障した場合に、負荷となるＶＶＦイン
バータの一部をゲートブロックすることにより、上記請
求項４の発明の作用を、より一層顕著に奏することがで
きる。

【００２０】さらに、請求項６の発明では、上記請求項
１の発明の電気車駆動システムにおいて、ＶＶＶＦイン
バータ、および当該ＶＶＶＦインバータに接続される主
電動機を、少なくとも３台の車両が連結された１編成中
全ての車両のうち、少なくとも半数以上の車両に搭載す
るようにしている。

【００２１】従って、請求項６の発明の電気車駆動シス
テムにおいては、ＶＶＶＦインバータ、および主電動機
を、１編成中の少なくとも半数以上の車両に搭載するこ
とにより、上記請求項１の発明の作用を、より一層顕著
に奏することができる。特に、ＶＶＶＦインバータ、お
よび主電動機を、１編成中の全ての車両に搭載した場合
には、各主電動機が各々１台ずつのＶＶＶＦインバータ
で制御されるため、空転による運転ダイヤの遅延、ある
いは雨天時空転時の乗り心地の悪化等がなくなり、スム
ーズな乗り心地を確保することができる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態につ
いて図面を参照して詳細に説明する。

【００２３】図１は、本実施の形態による電気車駆動シ
ステムの構成例を示すブロック図であり、図２と同一要
素には同一符号を付して示している。

【００２４】図１において、本実施の形態の電気車駆動
システムは、１編成が少なくとも３台（本例では４台）
の車両が連結されてなり、パンタグラフ１から入力され
た１５００Ｖｄｃの直流電力を直流電源として、断流器
２を介して駆動される。

【００２５】また、４台の車両が連結された１編成中の
うち、少なくとも半数以上の車両（本例では全ての車
両）に、主電動機５を搭載している。

【００２６】さらに、所定台数の主電動機５毎（本例で
は各主電動機５毎）に、この主電動機５を駆動制御する
可変電圧可変周波数（ＶＶＶＦ）インバータ４を接続し
ている。

【００２７】さらにまた、４台の車両が連結された１編
成中における少なくとも２台（本例では２台）の車両に
は、断流器２と各ＶＶＶＦインバータ４との間に、電力
変換装置３を設けている。

【００２８】ここで、電力変換装置３は、入力と出力と
の間が絶縁され、上記直流電源の電圧をＶＶＶＦインバ
ータ４用の直流電圧ヘ降圧変換する機能、ＶＶＶＦイン
バータ４用の直流電圧を上記直流電源の電圧へ昇圧変換
する機能、および定電圧出力制御機能を有している。

【００２９】また、電力変換装置３は、その出力電圧
が、ＶＶＶＦインバータ４を構成するスイッチング半導
体素子あるいは高圧部絶縁耐力に対して小形化に最適な
値、例えば６００Ｖｄｃとなるように設定している。

【００３０】さらに、電力変換装置３は、２台のうち１
台の電力変換装置３が故障した場合には、残りの１台の
電力変換装置３にて電力を供給し続けるように、２台の
電力変換装置３から出力される直流電圧を互いに突き合
わせる構成としている。

【００３１】さらにまた、電力変換装置３は、２台の電
力変換装置３のうち、ある電力変換装置３が故障した場
合には、負荷となる複数台のＶＶＶＦインバータ３の一
部をゲートブロックするようにしている。

【００３２】以上により、電力変換装置３により直流電
源電圧から変換された直流電圧を、主電動機駆動用のＶ
ＶＶＦインバータ４への共通入力として供給するように
している。

【００３３】次に、以上のように構成した本実施の形態
の電気車駆動システムの作用について説明する。

【００３４】なお、電力変換装置３は、当然入出力可逆
変換機能を有するため、力行時は降圧用、回生時は昇圧
用として働くので、ここでは力行時の架線電圧から降圧
する場合について述べる。

【００３５】図１において、ＤＣ１５００Ｖ架線から、
パンタグラフ１、断流器２を通った直流電力は、電力変
換装置３により変換、絶縁され、ＤＣ６００Ｖが出力さ
れる。この出力電圧は、定電圧制御されている。

【００３６】また、電力変換装置３は、１編成中に２台
設けられており、ここでは両先頭車に各１台ずつ設けら
れて、各々の変換された直流出力は互いに突き合わされ
ており、１編成内の新たな直流電源として引き通されて
いる。

【００３７】ここで作られた６００Ｖｄｃラインには、
車両駆動用のＶＶＶＦインバータ４が、ここでは各主電
動機５に対して各１台ずつ接続されており、電力変換装
置３により変換された直流電圧が、ＶＶＶＦインバータ
４へ共通の入力として供給される。

【００３８】一方、絶縁耐圧のレベルは、直流電源電圧
によって異なり、当然電圧値が大きければ大きい程、装
置を構成するに当たっては、導電部対箱枠の空間距離あ
るいは沿面距離等が大きくなり、外形上も制御容量以上
の比率で大きくなり、編成全体としては構成上無駄が多
くなる。

【００３９】この場合、絶縁耐圧の値は、直流電源電圧
の値によっても異なるが、例えば架線電圧１５００Ｖｄ
ｃと電力変換装置３により絶縁されて降圧された６００
Ｖｄｃとでは、負荷となる機器の絶縁耐圧の値は、次の
ように大きく異なる。

【００４０】すなわち、（ａ）１５００Ｖｄｃの場合２．２５＊１５００＋２０００＝５３７５Ｖａｃ（ｂ）６００Ｖｄｃの場合２．００＊６００＋１０００＝２２００Ｖａｃとなる。

【００４１】よって、本実施の形態のように、６００Ｖ
ｄｃを電源として構成した場合には、２２００Ｖａｃと
装置構成上もはるかに小形化が可能となり、また一般産
業用機器の２５００Ｖａｃの電気品もそのまま採用でき
る等、構成上のバリエーシヨンが大きく広がる。

【００４２】また、使用するスイッチング半導体素子の
他、周辺のコンデンサ、その他電気品等の定格電圧も低
くなるため、これらも小形化することができる。

【００４３】さらに、電力変換装置３の出力は、一定電
圧に制御されるため、上記スイッチング半導体素子、あ
るいはその周辺電気品の電圧定格も、その値、すなわち
この場合６００Ｖｄｃに見合った電圧定格にしておけば
よいため、素子の利用率が向上する。

【００４４】このため、従来では、各主電動機５毎に１
台のＶＶＶＦインバータ４を搭載すべくＶＶＶＦインバ
ータ４の制御容量を小さくしても、装置としての小形化
には限度があったが、本実施の形態では、汎用電気品の
採用も含めて、各主電動機５毎に小形のＶＶＶＦインバ
ータ４を配置することができる。

【００４５】一方、電力変換装置３は、最低限１編成に
１台あれば、機能的には目標とする機能を達成すること
はできるが、この場合、万一電力変換装置３に不具合が
生じると、ＶＶＶＦインバータ４はもちろん、補助電源
装置も停止してしまうため、車両は走行を継続できなく
なってしまう。

【００４６】そのため、救援車なしで運転を継続するこ
とが要求されるシステムにおいては、１編成内の車両の
台数にもよるが、電力変換装置３を１編成内に少なくと
も２台以上設置して、それらの出力を互いに突合わせて
いる。このようにすることにより、万一１台の電力変換
装置３が故障したとしても、その後は残りのもう１台の
電力変換装置３により給電を継続して、高い冗長性を得
ることができる。

【００４７】なお、この時、各電力変換装置３の容量の
決め方にもよるが、１台の電力変換装置３の容量が１編
成分の全負荷容量に満たないような場合には、負荷の低
減を行なう。

【００４８】上述したように、本実施の形態の電気車駆
動システムでは、１編成内に、絶縁の上、安定な６００
Ｖｄｃの電源が引き通されると、これにぶら下る各ＶＶ
ＶＦインバータ４は、前述のように小形化設計が可能と
なる。

【００４９】このため、従来では、小容量であるのに大
きな外形、質量のＶＶＶＦインバータ４により各主電動
機５を駆動することは、外形上も、またコスト的にも不
利であったのに対して、本実施の形態によってかかる問
題点を解決することができる。

【００５０】これにより、１編成内の全ての車両に小容
量の主電動機５を搭載し、さらに各々の主電動機５はそ
れぞれ１台づつの小形のＶＶＶＦインバータ４で制御さ
れるように構成されるため、これまでの電動車と付随車
との比率が、例えば２：２程度以下の比率の電気車の編
成に見られた空転による運転ダイヤの遅延、あるいは雨
天時空転時の乗り心地の悪化等が一切なくなり、スムー
ズな乗り心地を確保することが可能となる。

【００５１】また、１編成中の主電動機５の数が多くな
るため、たとえ１台のＶＶＶＦインバータ４が故障して
も、このＶＶＶＦインバータ４を開放してやることによ
り、他の健全な主電動機５だけで十分運転が可能なよう
に構成することができ、高い冗長性を確保することが可
能となる。

【００５２】さらに、各方面から多くの期待が寄せられ
ているセンサレスベクトル制御についても、これまでは
空転動作が頻繁に起こるため、センサレスにすることに
よる制御応答の遅れと、１編成に占める主電動機５の数
が少ないことによる空転が起こった時の影響度が大きか
ったことから、実現が困難であったのに対して、本実施
の形態のように、全軸を駆動輪とした場合には、各軸の
トルクが小さくなるため、空転が生じ難くなり、またた
とえ小さな空転が一瞬生じたとしても、乗り心地その他
に対する影響度は殆ど無視できるため、センサレスベク
トル制御を適用することが可能となり、主電動機５は速
度センサが不要となった分だけさらに小形化することが
可能となると共に、メンテナンス性の改善も期待するこ
とが可能となる。

【００５３】さらにまた、最近では、メンテナンス上の
理由から、主電動機５として、従来の開放形から全密閉
形のものを使いたいという要求が多くなっているが、主
電動機５の外形は、放熱上の関係から従来の開放形のも
のに対して大きいため、例えば１００ｋＷ以上程度の容
量になってくると、台車内への艤装が困難であったのに
対して、本実施の形態のような全軸駆動のシステムで
は、各主電動機５の容量は１００ｋＷ以下に収まるた
め、全閉形を採用することができるようになり、メンテ
ナンス上さらに有利となる。

【００５４】以上により、車両性能に大きく影響する主
電動機駆動用のＶＶＶＦインバータ４の小形・軽量化を
実現して、編成全体の質量増、あるいは艤装の困難を伴
なうことなく電動車比率を高めることが可能な高性能の
電気車駆動システムを得ることができる。

【００５５】尚、上記実施の形態では、バンタグラフか
ら直流電源である直流電力を取り入れて主電動機５を駆
動する場合について説明したが、これに限らず、回生ブ
レーキ時には、電力変換装置３は昇圧変換を行なって架
線側に回生電力を変換することは言うまでもない

【００５６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の電気車駆
動システムによれば、各ＶＶＶＦインバータは、絶縁耐
圧が低くなるため、小形化設計が可能となる。

【００５７】これにより、１編成内の所定台数の軸毎に
小容量の主電動機を搭載し、各々１台ずの小形のＶＶＶ
Ｆインバータで制御されるように構成できるため、空転
による運転ダイヤの遅延、あるいは雨天時空転時の乗り
心地の悪化等がなくなり、スムーズな乗り心地を確保す
ることができる。

【００５８】また、１台のＶＶＶＦインバータが故障し
ても、このＶＶＶＦインバータを開放してやれば、他の
健全な主電動機だけで運転を継続することができるた
め、高い冗長性を得ることができる。

【００５９】さらに、全軸を駆動輪とした場合には、空
転が生じ難くなるため、センサレスベクトル制御の適用
が可能となり、主電動機をさらに小形化することができ
ると共に、メンテナンス性の改善も期待することができ
る。

【００６０】また、各主電動機が小容量となるため全密
閉形のものが十分適用できるようになり、メンテナンス
上さらに有利となる。

【００６１】以上により、車両性能に大きく影響する主
電動機駆動用のＶＶＶＦインバータの小形・軽量化を実
現して、編成全体の質量増、あるいは艤装の困難を伴な
うことなく電動車比率を高めることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による電気車駆動システムの一実施の形
態を示すブロック図。

【図２】従来の電気車駆動システムの構成例を示すブロ
ック図。

【符号の説明】１…パンタグラフ２…断流器３…電力変換装置４…ＶＶＶＦインバータ５…主電動機。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】１編成が少なくとも３台の車両が連結さ
れてなり、直流を電源として駆動される電気車の駆動シ
ステムにおいて、前記少なくとも３台の車両が連結された１編成内の複数
台の車両に主電動機を搭載し、所定台数の前記主電動機毎に、当該主電動機を駆動制御
する可変電圧可変周波数（ＶＶＶＦ）インバータを接続
し、入力と出力との間が絶縁され、前記直流電源の電圧を前
記ＶＶＶＦインバータ用の直流電圧ヘ降圧変換する機
能、および前記ＶＶＶＦインバータ用の直流電圧を前記
直流電源の電圧へ昇圧変換する機能を有する電力変換装
置を備え、前記電力変換装置により前記直流電源電圧から変換され
た直流電圧を、前記主電動機駆動用のＶＶＶＦインバー
タへの共通入力として供給するようにしたことを特徴と
する電気車駆動システム。
【請求項２】前記請求項１に記載の電気車駆動システ
ムにおいて、前記電力変換装置は、定電圧出力制御機能を有すること
を特徴とする電気車駆動システム。
【請求項３】前記請求項２に記載の電気車駆動システ
ムにおいて、前記電力変換装置の出力電圧は、前記ＶＶＶＦインバー
タを構成するスイッチング半導体素子あるいは高圧部絶
縁耐力に対して小形化に最適な値となるように設定して
いることを特徴とする電気車駆動システム。
【請求項４】前記請求項１に記載の電気車駆動システ
ムにおいて、前記電力変換装置は、少なくとも３台の車両が連結され
た１編成中に少なくともｎ台（ｎは２以上の整数）備え
られ、前記ｎ台のうち１台の電力変換装置が故障した場合に
は、残りの（ｎ−１）台の電力変換装置にて電力を供給
し続けるように、前記ｎ台の電力変換装置から出力され
る直流電圧を互いに突き合わせる構成としたことを特徴
とする電気車駆動システム。
【請求項５】前記請求項４に記載の電気車駆動システ
ムにおいて、前記ｎ台の電力変換装置のうち、ある電力変換装置が故
障した場合には、負荷となる複数台のＶＶＶＦインバー
タの一部をゲートブロックするようにしたことを特徴と
する電気車駆動システム。
【請求項６】前記請求項１に記載の電気車駆動システ
ムにおいて、前記ＶＶＶＦインバータ、および当該ＶＶＶＦインバー
タに接続される主電動機を、前記少なくとも３台の車両
が連結された１編成中全ての車両のうち、少なくとも半
数以上の車両に搭載するようにしたことを特徴とする電
気車駆動システム。