JP2014087116A - 鉄道車両駆動システム - Google Patents
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Abstract
【課題】低コストの鉄道車両駆動システムを提供する。
【解決手段】エンジン1により駆動される誘導発電機2と、誘導発電機2によって生成される交流電力を直流電力に変換するコンバータ3と、直列接続される複数の蓄電池4a,4b,・・・を有し、前記直流電力を充電又は放電するバッテリ4と、前記直流電力を交流電力に変換し、車輪駆動用の誘導電動機6に出力するインバータ5と、前記直流電力を交流電力に変換して補機Bに出力するサービス電源用インバータ8と、サービス電源用インバータ8と補機Bとの間に介在し、スター結線される三相コンデンサ10と、を備え、バッテリ4の中間電位が接地されるとともに、三相コンデンサ10の中性点が接地される。
【選択図】図1
【解決手段】エンジン1により駆動される誘導発電機2と、誘導発電機2によって生成される交流電力を直流電力に変換するコンバータ3と、直列接続される複数の蓄電池4a,4b,・・・を有し、前記直流電力を充電又は放電するバッテリ4と、前記直流電力を交流電力に変換し、車輪駆動用の誘導電動機6に出力するインバータ5と、前記直流電力を交流電力に変換して補機Bに出力するサービス電源用インバータ8と、サービス電源用インバータ8と補機Bとの間に介在し、スター結線される三相コンデンサ10と、を備え、バッテリ4の中間電位が接地されるとともに、三相コンデンサ10の中性点が接地される。
【選択図】図1
Description
本発明は、エンジン及びバッテリを備える鉄道車両駆動システムに関する。
近年、エンジンとバッテリとを組み合わせたハイブリッド鉄道車両の開発が進められている。ハイブリッド鉄道車両は、制動時に発生する回生エネルギをバッテリに充電し、力行時にバッテリから負荷に放電することで回生エネルギを再利用し、省エネルギ化を図っている。
例えば、特許文献1には、バッテリを複数個直列接続したものを1ユニットとし、複数の前記ユニットが並列接続されたバッテリ装置を備える鉄道車両駆動システムについて記載されている。
従来、鉄道車両内の補機(空調機器や照明機器など)とバッテリとの間に変圧器を設け、変圧器の一次側と二次側とを絶縁するとともに、二次側を接地して安全性を確保していた。
このような場合に用いられる変圧器は質量及び体積が大きく、変圧器を設置するためのスペースを鉄道車両に確保する必要があった。また、変圧器を設けるぶん、コストがかかるという問題があった。
このような場合に用いられる変圧器は質量及び体積が大きく、変圧器を設置するためのスペースを鉄道車両に確保する必要があった。また、変圧器を設けるぶん、コストがかかるという問題があった。
そこで、本発明は、低コストの鉄道車両駆動システムを提供することを課題とする。
前記課題を解決するために、本発明に係る鉄道車両駆動システムは、インバータと補機との間に介在し、スター結線される三相コンデンサを備え、バッテリの中間電位が接地されるとともに、前記三相コンデンサの中性点が接地されることを特徴とする。
本発明によれば、低コストの鉄道車両駆動システムを提供できる。
本発明の各実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
≪実施形態≫
<鉄道車両駆動システムの構成>
図1は、本発明の一実施形態に係る鉄道車両駆動システムの構成図である。図1に示す鉄道車両駆動システム100は、例えば、ハイブリッド型の鉄道車両に搭載されている。
ここで「ハイブリッド型」とは、エンジンにより駆動される発電機から供給される電力と、バッテリから供給される電力と、のうち少なくとも1つを用いて電動機などを駆動するシステムを意味している。なお、本実施形態に係る鉄道車両駆動システム100は、エンジン1を発電用として用いるため、シリーズハイブリッド方式に分類される。
<鉄道車両駆動システムの構成>
図1は、本発明の一実施形態に係る鉄道車両駆動システムの構成図である。図1に示す鉄道車両駆動システム100は、例えば、ハイブリッド型の鉄道車両に搭載されている。
ここで「ハイブリッド型」とは、エンジンにより駆動される発電機から供給される電力と、バッテリから供給される電力と、のうち少なくとも1つを用いて電動機などを駆動するシステムを意味している。なお、本実施形態に係る鉄道車両駆動システム100は、エンジン1を発電用として用いるため、シリーズハイブリッド方式に分類される。
鉄道車両駆動システム100は、エンジン1と、誘導発電機2と、コンバータ3と、バッテリ4と、インバータ5と、誘導電動機6と、減速機7と、サービス電源用インバータ8と、リアクトル9と、三相コンデンサ10と、制御装置11と、を備えている。
その他、鉄道車両駆動システム100は、コンデンサC1、抵抗器R1,R2,R3、開閉器Q1〜Q5などを備えている。
その他、鉄道車両駆動システム100は、コンデンサC1、抵抗器R1,R2,R3、開閉器Q1〜Q5などを備えている。
エンジン1は、例えば軽油を燃料とするディーゼルエンジンであり、制御装置11から入力されるエンジン出力指令信号Seに応じて駆動し、軸トルクを出力する。なお、エンジン出力指令信号Seは、加速、減速などの運転指令(図示せず)や、バッテリ4の充電量、車両の速度に応じて生成される。
誘導発電機2は、エンジン1の軸トルクを動力としてロータ(図示せず)を回転させ、三相交流電力を生成してコンバータ3に出力する。なお、誘導発電機2のステータ(図示せず)は、バッテリ4やインバータ5の回生動作などによって供給される電力により励磁される。
誘導発電機2は、エンジン1の軸トルクを動力としてロータ(図示せず)を回転させ、三相交流電力を生成してコンバータ3に出力する。なお、誘導発電機2のステータ(図示せず)は、バッテリ4やインバータ5の回生動作などによって供給される電力により励磁される。
コンバータ3は、誘導発電機2から入力される交流電力を直流電力に変換し、開閉器Q1,Q4を介してインバータ5に出力する。ちなみに、前記直流電力は、制御装置11から入力されるコンバータ出力指令信号Scに応じて調整される。
バッテリ4は、コンバータ3の二次側(直流側)に並列接続され、直流電力を充電又は放電するものである。バッテリ4は、複数の単電池(2次電池)4a,4b,・・・が直列接続された直列ユニットを複数有し、これら複数の直列ユニットが並列接続されている。このように、複数の直列ユニットを並列接続することで、バッテリ4の必要容量を確保するとともに冗長化している。
バッテリ4は、コンバータ3の二次側(直流側)に並列接続され、直流電力を充電又は放電するものである。バッテリ4は、複数の単電池(2次電池)4a,4b,・・・が直列接続された直列ユニットを複数有し、これら複数の直列ユニットが並列接続されている。このように、複数の直列ユニットを並列接続することで、バッテリ4の必要容量を確保するとともに冗長化している。
すなわち、いずれかの単電池に異常が生じた場合、セルコントローラ(図示せず)などによる異常信号に基づいて、制御装置11が当該単電池の属する直列ユニットを切り離し、他の直列ユニットから誘導電動機6に電力供給できるようになっている。
なお、単電池4a,4b,・・・として、例えば、リチウムイオン蓄電池を用いることができる。
なお、単電池4a,4b,・・・として、例えば、リチウムイオン蓄電池を用いることができる。
また、バッテリ4の中間電位は、抵抗器R1を介して接地されている。ここで、「中間電位」とは、バッテリ4が備えるそれぞれの直列ユニットの略中間の電位を意味している。図1に示すように、それぞれの直列ユニットの中間電位に相当する箇所M1,M2,・・・,Mnのうち、隣り合う箇所どうしが接続され、抵抗器R1を介して接地されている。ちなみに、当該接地は、例えば、鉄道車両の車体や車軸を介してレール(図示せず)に対して行われる。
単電池4a,4b,・・・の充放電は、前記したセルコントローラ(図示せず)などによる情報に基づき制御装置11によって制御される。また、セルコントローラは、単電池4a,4b,・・・の電圧、電流、温度などの情報に基づいて(符号Sp2を参照)、直列ユニット内の単電池4a,4b,・・・の電圧を均等化する(符号Sp1を参照)。
図1に示すように、バッテリ4の一端P1(最も電位の高い箇所)は、開閉器Q2を介して配線a1に接続され、他端P2(最も電位の低い箇所)は、開閉器Q3を介して配線a2に接続されている。
図1に示すように、バッテリ4の一端P1(最も電位の高い箇所)は、開閉器Q2を介して配線a1に接続され、他端P2(最も電位の低い箇所)は、開閉器Q3を介して配線a2に接続されている。
インバータ5(第1インバータ)は、配線a1,a2を介してコンバータ3及び/又はバッテリ4から入力される直流電力を三相交流電力に変換して誘導電動機6に出力する。すなわち、制御装置11から入力される制御信号Siに従って、インバータ5が有する複数のスイッチング素子(図示せず)のオン/オフが切り替わり、所定の振幅及び周波数の三相交流電力を誘導電動機6に出力するようになっている。
コンデンサC1は、コンバータ3から入力される電圧の脈動成分を除去するためのものであり、インバータ5の一次側に並列接続されている。
抵抗R2及び抵抗R3を含む直列ユニットは、開閉器Q4とコンデンサC1との間に並列接続されている。そして、抵抗R2,R3は互いに直列接続され、中間電位に相当する相互接続点が配線a3を介して接地されている。
このように、インバータ5の一次側(直流側)の中間電位を接地することで、従来の構成(最も電位の低い箇所(P2)を接地)と比較して、配線a1の電位が略半分になる。これにより、高絶縁の部品を用いる必要がなくなり、製造コストを削減できる。
抵抗R2及び抵抗R3を含む直列ユニットは、開閉器Q4とコンデンサC1との間に並列接続されている。そして、抵抗R2,R3は互いに直列接続され、中間電位に相当する相互接続点が配線a3を介して接地されている。
このように、インバータ5の一次側(直流側)の中間電位を接地することで、従来の構成(最も電位の低い箇所(P2)を接地)と比較して、配線a1の電位が略半分になる。これにより、高絶縁の部品を用いる必要がなくなり、製造コストを削減できる。
誘導電動機6は、力行運転時においてインバータ5から入力される三相交流電力を軸トルクに変換し、減速機7に出力するものであり、鉄道車両の車輪駆動用の電動機である。また、回生運転時において誘導電動機6は、力行運転時とは逆に発電機として機能する。なお、誘導電動機6のロータ(図示せず)は、減速機7の回転軸(図示せず)に固定されている。
減速機7は、異なる歯数の歯車の組み合わせなどを用いて誘導電動機6の回転速度を減速し、これによって増幅された軸トルクで輪軸Aを駆動して鉄道車両を加減速する。また、減速機7は、回生運転時において輪軸Aの回転を増速し、誘導電動機6に伝達する。
減速機7は、異なる歯数の歯車の組み合わせなどを用いて誘導電動機6の回転速度を減速し、これによって増幅された軸トルクで輪軸Aを駆動して鉄道車両を加減速する。また、減速機7は、回生運転時において輪軸Aの回転を増速し、誘導電動機6に伝達する。
サービス電源用インバータ8(第2インバータ)は、開閉器Q5を介してコンバータ3及び/又はバッテリ4から入力される直流電力を三相交流電圧に変換し、リアクトル9に出力する。なお、サービス電源用インバータ8から出力される三相交流電圧(サービス用電源電圧)は、制御装置11から入力される制御信号Ssに応じて、所定の振幅・周波数に調整される。
リアクトル9(9a,9b,9c)は、サービス電源用インバータ8の二次側(交流側)に直列接続されている。
三相コンデンサ10は、リアクトル9よりも補機B側に設置され、スター結線(Y結線)されている。すなわち、コンデンサ10aの一端はリアクトル9aに接続され、他端はコンデンサ10b,10cに接続されている。また、コンデンサ10bの一端はリアクトル9bに接続され、他端はコンデンサ10c,10aに接続されている。また、コンデンサ10cの一端はリアクトル9cに接続され、他端はコンデンサ10a,10bに接続されている。
三相コンデンサ10は、リアクトル9よりも補機B側に設置され、スター結線(Y結線)されている。すなわち、コンデンサ10aの一端はリアクトル9aに接続され、他端はコンデンサ10b,10cに接続されている。また、コンデンサ10bの一端はリアクトル9bに接続され、他端はコンデンサ10c,10aに接続されている。また、コンデンサ10cの一端はリアクトル9cに接続され、他端はコンデンサ10a,10bに接続されている。
そして、このようにスター結線されたコンデンサ10a,10b,10cの中性点は、配線a4を介して接地されている。
図1に示すように、リアクトル9a,9b,9c及びコンデンサ10a,10b,10cを設けることで、サービス電源用インバータ8から入力される交流電圧の高調波成分を抑制し、補機Bに正弦波状の交流電圧が供給される。
ちなみに、補機Bとは、例えば、鉄道車両に設置されている空調機器や電動空気圧縮機などであり、誘導電動機6よりも低い電圧で作動する。
図1に示すように、リアクトル9a,9b,9c及びコンデンサ10a,10b,10cを設けることで、サービス電源用インバータ8から入力される交流電圧の高調波成分を抑制し、補機Bに正弦波状の交流電圧が供給される。
ちなみに、補機Bとは、例えば、鉄道車両に設置されている空調機器や電動空気圧縮機などであり、誘導電動機6よりも低い電圧で作動する。
制御装置11は、鉄道車両駆動システム100全体の動作を統括制御し、コンバータ3、インバータ5、サービス電源用インバータ8、及び開閉器Q1〜Q5に制御信号を出力する。
例えば、コンバータ3を駆動して電力供給する場合、制御装置11は、開閉器Q1,Q4,Q5をオンにする制御信号Sbを出力する。また、制御装置11は、バッテリ4を充放電する場合、開閉器Q2,Q3をオンにする制御信号Sbを出力する。さらに、制御装置11は、インバータ5に異常が生じた場合、開閉器Q4をオンからオフに切り替える制御信号Sbを出力し、回路からインバータ5を切り離す。なお、サービス電源用インバータ8の場合も同様である。
例えば、コンバータ3を駆動して電力供給する場合、制御装置11は、開閉器Q1,Q4,Q5をオンにする制御信号Sbを出力する。また、制御装置11は、バッテリ4を充放電する場合、開閉器Q2,Q3をオンにする制御信号Sbを出力する。さらに、制御装置11は、インバータ5に異常が生じた場合、開閉器Q4をオンからオフに切り替える制御信号Sbを出力し、回路からインバータ5を切り離す。なお、サービス電源用インバータ8の場合も同様である。
<鉄道車両駆動システムの動作>
(1.エンジン起動時)
図2は、エンジンを起動させる際の電力供給を示す説明図である。なお、図2では、抵抗器R2,R3、コンデンサC1、開閉器Q1〜Q5、及び制御装置11の記載を省略している(図3〜図7も同様)。
制御装置11は、運転席の操作手段(図示せず)から鉄道車両駆動システム100の起動指令を受けた場合、エンジン1を起動させる。
(1.エンジン起動時)
図2は、エンジンを起動させる際の電力供給を示す説明図である。なお、図2では、抵抗器R2,R3、コンデンサC1、開閉器Q1〜Q5、及び制御装置11の記載を省略している(図3〜図7も同様)。
制御装置11は、運転席の操作手段(図示せず)から鉄道車両駆動システム100の起動指令を受けた場合、エンジン1を起動させる。
すなわち、制御装置11は、開閉器Q1〜Q3をオンにしてバッテリ4からコンバータ3に所定の直流電圧(例えば、DC340V)を供給する(破線矢印を参照)。そして、制御装置11は、コンバータ3をインバータ動作させて直流電圧を交流電圧に変換する。さらに、制御装置11は、当該交流電圧により誘導発電機2に交流電流を流入させてモータ駆動させ、エンジン1を起動(つまり、クランキング)する。
ちなみに、エンジン1の起動時において、制御装置11は開閉器Q4,Q5をオフとし、インバータ5及びサービス電源用インバータ8に電力供給されないようにしている。
制御装置11は、エンジン1を起動した後、バッテリ4やインバータ5の回生動作などによって供給される電力により誘導発電機2を励磁する。
ちなみに、エンジン1の起動時において、制御装置11は開閉器Q4,Q5をオフとし、インバータ5及びサービス電源用インバータ8に電力供給されないようにしている。
制御装置11は、エンジン1を起動した後、バッテリ4やインバータ5の回生動作などによって供給される電力により誘導発電機2を励磁する。
(2.充電時)
図3は、バッテリを充電する際の電力供給を示す説明図である。
図3に示すように、前記したエンジン1の起動後、バッテリ4を充電する。なお、本実施形態ではバッテリ4が十分な容量を有しているため、エンジン1の起動後、バッテリ4への充電を行わずに誘導電動機6及び補機Bへの電力供給を開始してもよい(図4参照)。
図3は、バッテリを充電する際の電力供給を示す説明図である。
図3に示すように、前記したエンジン1の起動後、バッテリ4を充電する。なお、本実施形態ではバッテリ4が十分な容量を有しているため、エンジン1の起動後、バッテリ4への充電を行わずに誘導電動機6及び補機Bへの電力供給を開始してもよい(図4参照)。
エンジン1の起動後にバッテリ4を充電する場合、制御装置11は、エンジン1を駆動して誘導発電機2のロータ(図示せず)を回転させる。これによって、誘導電動機2からコンバータ3に交流電力が出力される。そして、制御装置11は、誘導発電機2から入力される交流電力をコンバータ3によって直流電力に変換し、当該直流電力をバッテリ4に供給(充電)する(破線矢印を参照)。
(3.停車時)
図4は、鉄道車両の停車時における電力供給を示す説明図である。
鉄道車両が停車しているときにも、空調機器や照明機器を含む補機Bに電力供給する必要がある。したがって、制御装置11は、コンバータ3を用いて所定の直流電力の定電力発電を開始する。
図4は、鉄道車両の停車時における電力供給を示す説明図である。
鉄道車両が停車しているときにも、空調機器や照明機器を含む補機Bに電力供給する必要がある。したがって、制御装置11は、コンバータ3を用いて所定の直流電力の定電力発電を開始する。
そして、前記した直流電力が生成された後、制御装置11はサービス電源用インバータ8のスイッチング素子(図示せず)をオン/オフして直流電力を交流電力に変換し、リアクトル9及び三相コンデンサ10を介して補機Bに出力する。なお、リアクトル9及び三相コンデンサ10によって高調波成分が抑制され、正弦波状の電圧及び電流が補機Bに供給される。
(4.力行運転時)
図5は、力行運転を行う際の電力供給を示す説明図である。
また、制御装置11は、誘導電動機6及び補機Bで必要となる電力に応じてエンジン1の出力(エンジンノッチや回転速度)を制御する。なお、力行運転時において制御装置11は開閉器Q1〜Q5をオンにして誘導電動機6及び補機Bに電力供給するとともに、バッテリ4からも電力供給可能な状態にする。
図5は、力行運転を行う際の電力供給を示す説明図である。
また、制御装置11は、誘導電動機6及び補機Bで必要となる電力に応じてエンジン1の出力(エンジンノッチや回転速度)を制御する。なお、力行運転時において制御装置11は開閉器Q1〜Q5をオンにして誘導電動機6及び補機Bに電力供給するとともに、バッテリ4からも電力供給可能な状態にする。
運転席の操作手段(図示せず)から力行ノッチ指令が入力されると、制御装置11はエンジン1によって誘導発電機2を駆動し、誘導発電機2又はバッテリ4からの交流電力により誘導電動機6を力行運転するとともに、補機Bを駆動する。
この場合、制御装置11は、コンバータ3により前記した定電力発電を継続するとともに、コンバータ3又はバッテリ4から入力される直流電圧をインバータ5により3相交流電圧に変換する。そして、インバータ5から入力される3相交流電力により誘導電動機6を駆動し、輪軸Aを回転させる。また、制御装置11は、前記したサービス電源用インバータ8の動作を継続させ、リアクトル9及び三相コンデンサ10を介して補機Bに交流電力を供給する(図5の破線矢印を参照)。
なお、リアクトル9及び三相コンデンサ10によって高調波成分が抑制され、正弦波状の電圧及び電流が補機Bに供給される。
この場合、制御装置11は、コンバータ3により前記した定電力発電を継続するとともに、コンバータ3又はバッテリ4から入力される直流電圧をインバータ5により3相交流電圧に変換する。そして、インバータ5から入力される3相交流電力により誘導電動機6を駆動し、輪軸Aを回転させる。また、制御装置11は、前記したサービス電源用インバータ8の動作を継続させ、リアクトル9及び三相コンデンサ10を介して補機Bに交流電力を供給する(図5の破線矢印を参照)。
なお、リアクトル9及び三相コンデンサ10によって高調波成分が抑制され、正弦波状の電圧及び電流が補機Bに供給される。
(5.惰行運転時)
惰行運転時には誘導電動機6を駆動する必要がないため、バッテリ4又はエンジン1の駆動により生成される電力で補機Bを駆動する。したがって、惰行運転時における電力供給は、前記した停車時(図4参照)の場合と同様となる。
制御装置11は、コンバータ3を用いた定電力発電(例えば、DC680V)を継続するとともに、補機Bに給電可能な所定出力でエンジン1を駆動する。そして、エンジン1の駆動により誘導発電機2で生成される交流電力をコンバータ3で直流電力に変換し、サービス電源用インバータ8に出力する。
惰行運転時には誘導電動機6を駆動する必要がないため、バッテリ4又はエンジン1の駆動により生成される電力で補機Bを駆動する。したがって、惰行運転時における電力供給は、前記した停車時(図4参照)の場合と同様となる。
制御装置11は、コンバータ3を用いた定電力発電(例えば、DC680V)を継続するとともに、補機Bに給電可能な所定出力でエンジン1を駆動する。そして、エンジン1の駆動により誘導発電機2で生成される交流電力をコンバータ3で直流電力に変換し、サービス電源用インバータ8に出力する。
さらに、サービス電源用インバータ8において前記直流電力を交流電力に変換し、リアクトル9及び三相コンデンサ10を介して補機Bに出力する(図4の破線矢印を参照)。
なお、惰行運転時においてインバータ5には電力供給されず、誘導電動機6は停止状態となっている。
なお、惰行運転時においてインバータ5には電力供給されず、誘導電動機6は停止状態となっている。
(6.抑速ブレーキ時)
図6は、抑速ブレーキを行う際の電力供給を示す説明図である。
抑速ブレーキを行う際、制御装置11は誘導電動機6を発電機として動作させ、インバータ5を回生モードで動作させる。
図6は、抑速ブレーキを行う際の電力供給を示す説明図である。
抑速ブレーキを行う際、制御装置11は誘導電動機6を発電機として動作させ、インバータ5を回生モードで動作させる。
この場合、輪軸Aの慣性モーメントにより誘導電動機6のロータ(図示せず)を回転させ、交流電力を生成する。そして、制御装置11は、誘導電動機6からの前記交流電力を、インバータ5及びサービス電源用インバータ8により所定の位相・振幅・周波数の交流電力に変換し、リアクトル9及び三相コンデンサ10を介して補機Bに出力する(破線矢印を参照)。
また、制御装置11は、余剰電力をバッテリ4に供給し,バッテリ4がこれを吸収しきれない場合はエンジン1の出力をオフにし(つまり、アイドリング状態とし)、コンバータ3をインバータ動作させ、誘導発電機2をモータ動作させる。そうすると、当該モータ動作によりエンジン1の回転速度が上昇し、発電ブレーキ(エンジンブレーキ)を実行できる。
(7.停止ブレーキ時)
図7は、停止ブレーキを行う際の電力供給を示す説明図である。
駅で停車するために減速する際、制御装置11は誘導電動機6を発電機として動作させ、インバータ5を回生モードで動作させる。
この場合、制御装置11は、誘導電動機6を発電機として動作させることで得られる交流電力を、インバータ5及びサービス電源用インバータ8により所定の位相・振幅・周波数の交流電力に変換し、リアクトル9及び三相コンデンサ10を介して補機Bに出力する(破線矢印を参照)。
図7は、停止ブレーキを行う際の電力供給を示す説明図である。
駅で停車するために減速する際、制御装置11は誘導電動機6を発電機として動作させ、インバータ5を回生モードで動作させる。
この場合、制御装置11は、誘導電動機6を発電機として動作させることで得られる交流電力を、インバータ5及びサービス電源用インバータ8により所定の位相・振幅・周波数の交流電力に変換し、リアクトル9及び三相コンデンサ10を介して補機Bに出力する(破線矢印を参照)。
このとき、制御装置11は、回生失効時に備えてエンジン1を継続して駆動し、コンバータ3を定電圧制御(例えば、DC680V)する。また、制御装置11は、余剰電力をバッテリ4に供給して充電する。
なお、回生運転時に空気ブレーキ又はエンジンブレーキを併用して編成全体で所望の制動力を得ることが好ましい。
なお、回生運転時に空気ブレーキ又はエンジンブレーキを併用して編成全体で所望の制動力を得ることが好ましい。
<所望の出力電圧を得る方法>
図1に示すように、鉄道車両駆動システム1は、サービス電源用インバータ8と補機Bとの間に変圧器を設けず、その代わり三相コンデンサ10を設ける構成となっている。以下では、このように変圧器を設けない構成で所望の出力電圧VAC(図1参照)を得る方法について説明する。
図1に示すように、鉄道車両駆動システム1は、サービス電源用インバータ8と補機Bとの間に変圧器を設けず、その代わり三相コンデンサ10を設ける構成となっている。以下では、このように変圧器を設けない構成で所望の出力電圧VAC(図1参照)を得る方法について説明する。
(1.バッテリの電圧を設定する方法)
変圧器を設けない構成で所望の出力電圧VACを得るためには、サービス電源用インバータ8の入力電圧E1(図1参照)を適切に設定すればよい。
すなわち、三相コンデンサ10はスター結線されているため、所望の出力電圧VACに応じて、以下に示す(式1)の関係を満たすようにバッテリ4の電圧を設定する。当該設定は、例えば、バッテリ4を構成する単電池の電圧に応じて直列数を設定する。
変圧器を設けない構成で所望の出力電圧VACを得るためには、サービス電源用インバータ8の入力電圧E1(図1参照)を適切に設定すればよい。
すなわち、三相コンデンサ10はスター結線されているため、所望の出力電圧VACに応じて、以下に示す(式1)の関係を満たすようにバッテリ4の電圧を設定する。当該設定は、例えば、バッテリ4を構成する単電池の電圧に応じて直列数を設定する。
例えば、補機Bへの出力電圧VACを440Vにする場合、前記(式1)より入力電圧E1が718V以上となるようにバッテリ4の電圧を設定する。
ちなみに、リアクトル9での電圧降下や補機Bのインピーダンスなどを考慮し、入力電圧E1の値を10%程度高めに設定することが好ましい。この場合、入力電圧E1を790V以上とすれば、補機Bへの出力電圧VACとして440V以上を確保できる。
なお、前記の方法でバッテリ4の電圧を設定する他、公知の線間電圧変調を行うことで必要な入力電圧E1の値を15%程度下げることができる。このような線間電圧変調を行う場合、入力電圧E1を690V以上とすればよい。
ちなみに、リアクトル9での電圧降下や補機Bのインピーダンスなどを考慮し、入力電圧E1の値を10%程度高めに設定することが好ましい。この場合、入力電圧E1を790V以上とすれば、補機Bへの出力電圧VACとして440V以上を確保できる。
なお、前記の方法でバッテリ4の電圧を設定する他、公知の線間電圧変調を行うことで必要な入力電圧E1の値を15%程度下げることができる。このような線間電圧変調を行う場合、入力電圧E1を690V以上とすればよい。
(2.コンバータの制御を利用する方法)
次に、バッテリ4の電圧を設定する方法とは別の方法について説明する。図8は、制御装置のコンバータ制御部の入力信号及び出力信号を示す説明図である。なお、図8に示すコンバータ制御部11aは、制御装置11に含まれる。
コンバータ制御部11aには、発電電力指令値Wと、コンバータ出力電圧E2と、コンバータ出力電流I2と、SIV入力電圧設定値E0と、SIV入力電圧E1と、が入力される。
次に、バッテリ4の電圧を設定する方法とは別の方法について説明する。図8は、制御装置のコンバータ制御部の入力信号及び出力信号を示す説明図である。なお、図8に示すコンバータ制御部11aは、制御装置11に含まれる。
コンバータ制御部11aには、発電電力指令値Wと、コンバータ出力電圧E2と、コンバータ出力電流I2と、SIV入力電圧設定値E0と、SIV入力電圧E1と、が入力される。
なお、発電電力指令値Wは、運転席の操作手段(図示せず)から入力される運転指令やバッテリ4の充電量に基づいて、制御装置11により算出される。コンバータ出力電圧E2は、コンバータ3の二次側に設置されるフィルタコンデンサ(図示せず)の電圧を検出する電圧検出手段(図示せず)から入力される。コンバータ出力電流I2は、コンバータ3の2二次側の配線に設けられる電流検出手段(図示せず)から入力される。
また、SIV(サービス電源用インバータ8)の入力電圧設定値E0は予め設定され、記憶手段(図示せず)に格納されている。SIV入力電圧は、サービス電源用インバータ8の一次側に設置されるフィルタコンデンサ(図示せず)の電圧を検出する電圧検出手段(図示せず)から入力される。
また、SIV(サービス電源用インバータ8)の入力電圧設定値E0は予め設定され、記憶手段(図示せず)に格納されている。SIV入力電圧は、サービス電源用インバータ8の一次側に設置されるフィルタコンデンサ(図示せず)の電圧を検出する電圧検出手段(図示せず)から入力される。
そして、制御装置11は、予め設定されたプログラムに従って、定電力発電制御及び定電圧制御を実行する。例えば、通常の定電力発電制御中にサービス電源用インバータ8の入力電圧E1が低下した場合、制御装置11は、入力電圧E1が入力電圧設定値E0を下回らないようにエンジン1を駆動して発電機2で発電させ、コンバータ3のスイッチング素子(図示せず)にコンバータゲートパルス信号Pを出力する(図8参照)。
<効果>
本実施形態に係る鉄道車両駆動システム100によれば、サービス電源用インバータ8の二次側にリアクトル9を設置し、さらに三相コンデンサ10をスター結線している。これによって、サービス電源用インバータ8から入力される交流電圧から高調波成分をフィルタリングし、正弦波状の交流電圧を補機Bに供給できる。
また、図1に示すように、スター結線された三相コンデンサ10の中性点を接地している。これによって、従来、変圧器の2次側で設けていた接地点を3相コンデンサ10で設けることができ、安全性を確保することができる。
本実施形態に係る鉄道車両駆動システム100によれば、サービス電源用インバータ8の二次側にリアクトル9を設置し、さらに三相コンデンサ10をスター結線している。これによって、サービス電源用インバータ8から入力される交流電圧から高調波成分をフィルタリングし、正弦波状の交流電圧を補機Bに供給できる。
また、図1に示すように、スター結線された三相コンデンサ10の中性点を接地している。これによって、従来、変圧器の2次側で設けていた接地点を3相コンデンサ10で設けることができ、安全性を確保することができる。
図9に示す比較例は、インバータ5の一次側の構成、サービス電源用インバータ8の二次側の構成、及び、バッテリ4において接地される箇所が本実施形態と異なる。なお、その他の構成は本実施形態と同様であるから説明を省略する。
当該比較例では、リアクトル9が、それぞれサービス電源用インバータ8の出力側に接続され、デルタ結線された三相コンデンサ10Aを介して変圧器12が設けられている。
当該比較例では、リアクトル9が、それぞれサービス電源用インバータ8の出力側に接続され、デルタ結線された三相コンデンサ10Aを介して変圧器12が設けられている。
変圧器12の一次側はデルタ結線され、二次側はスター結線(Y結線)されて補機Bに接続されている。そして、スター結線された配線の中性点が配線a5を介して接地されている。
図9に示す構成では、補機Bに接続される変圧器12の二次側を接地するとともに、変圧器12の一次側と二次側とを絶縁している。この場合、鉄道車両に所定の質量及び体積を有する変圧器12を設置するためのスペースを確保する必要がある。また、変圧器12を設けるぶん、コストが増大する。
図9に示す構成では、補機Bに接続される変圧器12の二次側を接地するとともに、変圧器12の一次側と二次側とを絶縁している。この場合、鉄道車両に所定の質量及び体積を有する変圧器12を設置するためのスペースを確保する必要がある。また、変圧器12を設けるぶん、コストが増大する。
これに対して本実施形態に係る鉄道車両駆動システム100(図1参照)によれば、補機B側を接地及び絶縁するために変圧器を設ける必要がなく、スター結線された三相コンデンサ10の中性点をそのまま接地すればよい。したがって、変圧器12を設ける必要がなくなるぶん設置スペースを小さくでき、軽量かつ低コストの鉄道車両駆動システム100を提供できる。
また、図9に示す比較例では、バッテリ4の一端P4(最も電位の低い箇所)を接地して0Vとするので、そのぶん他端P3(最も電位の高い箇所)の電位が高くなる。例えば、3.6Vの単電池を190個直列に接続して直列ユニットを構成する場合、満充電の状態で他端P3は684Vとなる。
この方式は電位の低い箇所のスイッチ(図1に示すQ3)を省略できるメリットがある反面、絶縁用の部品を用いる必要が生じるため、鉄道車両駆動システム100A全体にかかるコストが増大する。
この方式は電位の低い箇所のスイッチ(図1に示すQ3)を省略できるメリットがある反面、絶縁用の部品を用いる必要が生じるため、鉄道車両駆動システム100A全体にかかるコストが増大する。
これに対して本実施形態に係る鉄道車両駆動システム100では、バッテリ4の中間電位に相当する箇所を接地しているため、各単電池の電位は、図1に示す接地箇所を基準とした値になる。例えば、3.6Vの単電池を190個直列に接続して直列ユニットとする場合、満充電の状態で一端P2(最も電位の低い箇所)の電位は−342Vになり、他端P1(最も電位の高い箇所)の電位は+342Vになる。
同様に、インバータ5の直流側(一次側)に並列接続された抵抗器の相互接続点(中間電位)を接地することで、インバータ5の直流側の電位を下げることができる。
このように、本実施形態に係る鉄道車両駆動システム100では、バッテリ4の電位及びインバータ5の直流側の電位を比較的低くするため、高耐圧の回路素子を用いる必要がなくなる。また、図9に示す比較例のように、変圧器12を設ける必要がないため、コストを大幅に削減できる。
このように、本実施形態に係る鉄道車両駆動システム100では、バッテリ4の電位及びインバータ5の直流側の電位を比較的低くするため、高耐圧の回路素子を用いる必要がなくなる。また、図9に示す比較例のように、変圧器12を設ける必要がないため、コストを大幅に削減できる。
また、バッテリ4の中間電位は、抵抗器R1を介して接地されている。したがって、バッテリ4の中間電位と接地点との間に電位差が生じた場合でも、大電流が流れることを防止できる。
また、図9に示す比較例では、鉄道車両の運転を終えた場合でも、インバータ5の一次側に設置されているコンデンサC1が充電されたままの状態になるため、何らかの放電手段を設ける必要がある。
これに対して、本実施形態に係る鉄道車両駆動システム100によれば、鉄道車両の運転を終えた際に、配線a3(図1参照)を介してコンデンサC1から放電される。したがって、本実施形態によれば、安全性の高い鉄道車両駆動システム100を提供できる。
これに対して、本実施形態に係る鉄道車両駆動システム100によれば、鉄道車両の運転を終えた際に、配線a3(図1参照)を介してコンデンサC1から放電される。したがって、本実施形態によれば、安全性の高い鉄道車両駆動システム100を提供できる。
また、本実施形態では、バッテリ4の電圧を設定したり、コンバータ3の制御を利用したりすることで、変圧器を設けない構成でも所望の出力電圧を得ることができる。したがって、簡単な回路構成でも補機Bを適切に駆動できる。
≪変形例≫
以上、本発明に係る鉄道車両駆動システム100について各実施形態により説明したが、本発明の実施態様はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変更などを行うことができる。
例えば、前記実施形態では、発電機として誘導発電機2を用い、バッテリ4からの電力により励磁される場合について説明したが、これに限らない。すなわち、誘導発電機が備えるステータが永久磁石を備える構成としてもよい。また、発電機として同期発電機を用いてもよい。
以上、本発明に係る鉄道車両駆動システム100について各実施形態により説明したが、本発明の実施態様はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変更などを行うことができる。
例えば、前記実施形態では、発電機として誘導発電機2を用い、バッテリ4からの電力により励磁される場合について説明したが、これに限らない。すなわち、誘導発電機が備えるステータが永久磁石を備える構成としてもよい。また、発電機として同期発電機を用いてもよい。
また、前記実施形態では、バッテリ4が複数の直列ユニットを備え、それぞれの直列ユニットが並列接続される場合について説明したが、これに限らない。すなわち、1つの直列ユニットによりバッテリを構成することとしてもよい。
また、前記実施形態では、直列接続された2個の抵抗器R2,R3が、インバータの一次側に並列接続される場合について説明したが、これに限らない。すなわち、コンデンサC1よりもコンバータ3側に並列接続される複数の抵抗器を備え、これら複数の抵抗器を相互に直列接続してもよい。この場合、抵抗器の相互接続点のうち中間電位に相当する箇所を接地することが好ましい。
また、前記実施形態では、シリーズハイブリッド方式の鉄道車両について説明したが、パラレルハイブリッド方式への適用も可能である。すなわち、図1においてエンジン1が出力する軸トルクと電動機が出力する軸トルクが変速機を介して車軸に入力される構成としてもよい。
また、エンジン1と、発電機2と、コンバータ3を省略し、バッテリ4の電力のみをインバータ5およびサービス電源用インバータ8に出力する構成としてもよい。
100 鉄道車両駆動システム
1 エンジン
2 誘導発電機(発電機)
3 コンバータ
4 バッテリ
4a,4b,・・・ 単電池
5 インバータ(第1インバータ)
6 誘導電動機
7 減速機
8 サービス電源用インバータ(第2インバータ)
9,9a,9b,9c リアクトル
10 三相コンデンサ
10a,10b,10c コンデンサ
11 制御装置
Q、Q1,Q2,Q3,Q4 開閉器
R1,R2,R3 抵抗器
A 輪軸
B 補機
1 エンジン
2 誘導発電機(発電機)
3 コンバータ
4 バッテリ
4a,4b,・・・ 単電池
5 インバータ(第1インバータ)
6 誘導電動機
7 減速機
8 サービス電源用インバータ(第2インバータ)
9,9a,9b,9c リアクトル
10 三相コンデンサ
10a,10b,10c コンデンサ
11 制御装置
Q、Q1,Q2,Q3,Q4 開閉器
R1,R2,R3 抵抗器
A 輪軸
B 補機
Claims (2)
- エンジンにより駆動される発電機と、
前記発電機によって生成される交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
前記コンバータの二次側に並列接続され、直流電力を充電又は放電するバッテリと、
前記コンバータ及び/又は前記バッテリから入力される直流電力を交流電力に変換し、車輪駆動用の電動機に出力する第1インバータと、
前記コンバータ及び/又は前記バッテリから入力される直流電力を交流電力に変換して補機に出力する第2インバータと、
前記第2インバータと前記補機との間に介在し、スター結線される三相コンデンサと、を備え、
前記バッテリの中間電位が接地されるとともに、前記三相コンデンサの中性点が接地されること
を特徴とする鉄道車両駆動システム。 - 前記コンバータと前記第1インバータとの間に並列接続される複数の抵抗器を備え、
前記複数の抵抗器は、相互に直列接続され、
前記抵抗器の相互接続点のうち中間電位に相当する箇所が接地されること
を特徴とする請求項1に記載の鉄道車両駆動システム。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012232569A JP2014087116A (ja) | 2012-10-22 | 2012-10-22 | 鉄道車両駆動システム |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012232569A JP2014087116A (ja) | 2012-10-22 | 2012-10-22 | 鉄道車両駆動システム |
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Publication Number | Publication Date |
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JP2014087116A true JP2014087116A (ja) | 2014-05-12 |
Family
ID=50789727
Family Applications (1)
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JP2012232569A Pending JP2014087116A (ja) | 2012-10-22 | 2012-10-22 | 鉄道車両駆動システム |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
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Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2017011966A (ja) * | 2015-06-26 | 2017-01-12 | 東日本旅客鉄道株式会社 | ハイブリッド鉄道車両の充電制御装置 |
CN107732934A (zh) * | 2017-11-28 | 2018-02-23 | 哈尔滨理工大学 | 一种容错型静止无功发生器以及其直流侧母线中点电位偏移的抑制方法 |
JP2019532605A (ja) * | 2017-09-01 | 2019-11-07 | スーチョウ ディーエスエム グリーン パワー リミテッド | 電気自動車の給電システム、制御方法及び電気自動車 |
WO2022059106A1 (ja) * | 2020-09-16 | 2022-03-24 | 三菱電機株式会社 | 電力変換装置および駆動制御装置 |
US20230086550A1 (en) * | 2020-05-27 | 2023-03-23 | Denso Corporation | Power supply system |
-
2012
- 2012-10-22 JP JP2012232569A patent/JP2014087116A/ja active Pending
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2017011966A (ja) * | 2015-06-26 | 2017-01-12 | 東日本旅客鉄道株式会社 | ハイブリッド鉄道車両の充電制御装置 |
JP2019532605A (ja) * | 2017-09-01 | 2019-11-07 | スーチョウ ディーエスエム グリーン パワー リミテッド | 電気自動車の給電システム、制御方法及び電気自動車 |
CN107732934A (zh) * | 2017-11-28 | 2018-02-23 | 哈尔滨理工大学 | 一种容错型静止无功发生器以及其直流侧母线中点电位偏移的抑制方法 |
US20230086550A1 (en) * | 2020-05-27 | 2023-03-23 | Denso Corporation | Power supply system |
WO2022059106A1 (ja) * | 2020-09-16 | 2022-03-24 | 三菱電機株式会社 | 電力変換装置および駆動制御装置 |
JPWO2022059106A1 (ja) * | 2020-09-16 | 2022-03-24 | ||
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