JP2017046468A - 鉄道車両用の電力変換装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】蓄電装置の少ない蓄電容量によっても鉄道車両の高速度域における加速性能と回生ブレーキ力を向上させる。
【解決手段】鉄道車両用の電力変換装置は、直流電源と蓄電装置の少なくとも一方から直流電力を得てそれを三相交流電力に変換して交流電動機を駆動するインバータ装置を備え、交流電動機の回転速度が基準周波数より低い場合には、直流電源から直流電力を得て三相交流電力に変換し、交流電動機の回転速度が前記基準周波数より高い場合には、直流電源と蓄電装置から直流電力を得て三相交流電力に変換して、交流電動機を駆動する。
【選択図】図1

Description

本発明は、直流電源と蓄電装置の少なくとも一方から電力を得て交流電動機を駆動する鉄道車両用の電力変換装置に関する。
近年、鉄道車両において、蓄電池や電気二重層キャパシタなどのエネルギ蓄積手段で構成されたエネルギ蓄積装置を活用したり、鉄道車両を構成する機器の効率向上により更なる省エネルギ化を実現する動きが活発となっている。
エネルギ蓄積装置を活用する方法の一つに、回生能力の拡大がある。回生ブレーキでは、交流電動機の誘起電圧が電源電圧以下である必要があるため、誘起電圧が電源電圧よりも高くなる高速度域では、界磁を弱め誘起電圧が電源電圧以下となるように制御している。このため、高速度域では電気制動力が不足し、空気ブレーキによる補足が行われている。
これに対し、直流電源とエネルギ蓄電装置を直列に接続し、インバータ装置の直流側の電圧を昇圧することで高速度域における加速性能および回生ブレーキ力を向上する技術が非特許文献1で報告されている。
この技術を鉄道車両に適用することで、車両の加減速性能を向上させるとともに、回生ブレーキ力を拡大することで架線に戻す電力を増加させることにより更なる省エネルギ化を実現できる。また、高速度域における空気ブレーキの使用量を抑えることができるため、ブレーキシューの磨耗が減りメンテナンス費を削減する効果も得られる。
嶋田ほか2名:「直流入力側に蓄電素子を直列接続した不均等電圧形3レベルインバータの基礎特性」 IEEJapan MD−11−14 RM−11−35 2011
鉄道車両は、線路形状による制限がない限り、一回の加速で最高速度まで達し、一回のブレーキで停止する。よって、エネルギ蓄積装置からの放電時間または充電時間が長くなるため、エネルギ蓄積装置を有効活用するためには、搭載する容量を十分大きくする必要がある。
しかしながら、鉄道車両では機器を艤装する制約上、搭載できるエネルギ蓄積装置の容量に制限がある。そのため、非特許文献1の技術を鉄道車両に適用する場合、少ない蓄電容量で高い効果を得るように蓄電装置の充放電を制御する必要がある。このような課題に対して、非特許文献1では具体的な記述はない。
本発明に係る鉄道車両用の電力変換装置は、直流電源と蓄電装置の少なくとも一方から直流電力を得てそれを三相交流電力に変換して交流電動機を駆動するインバータ装置を備え、交流電動機の回転速度が基準周波数より低い場合には、直流電源から直流電力を得て三相交流電力に変換し、交流電動機の回転速度が前記基準周波数より高い場合には、直流電源と蓄電装置から直流電力を得て三相交流電力に変換して、交流電動機を駆動することを特徴とする。
本発明係る鉄道車両用の電力変換装置によれば、蓄電装置の少ない蓄電容量によっても鉄道車両(交流電動機)の高速度域における加速性能と回生ブレーキ力を向上させることができる。
図1は、実施例1に係る電力変換装置の構成図である。 図2は、実施例1および2の低速時における変調波Vcと三角波状のキャリアとの関係を示す図である。 図3は、実施例1および2の高速時における変調波Vcと三角波状のキャリアとの関係を示す図である。 図4は、実施例1および2の高速時における変調波Vcと三角波状のキャリアとの関係の別態様を示す図である。 図5は、実施例2に係る電力変換装置の構成図である。 図6は、実施例3に係る電力変換装置の構成図である。 図7は、実施例3の低速時における変調波Vcと三角波状のキャリアとの関係を示す図である。 図8は、実施例3の高速時における変調波Vcと三角波状のキャリアとの関係を示す図である。 図9は、実施例4に係る電力変換装置の構成図である。 図10は、実施例4に係る別の電力変換装置の構成図である。 図11は、実施例4の運転時における変調波Vcと三角波状のキャリアとの関係を示す図である。
以下に、本発明の実施形態として、実施例1〜実施例4について図を用いて説明する。
本発明の実施例1に係る鉄道車両用の電力変換装置について、図1〜図4を用いて説明する。始めに、本発明の鉄道車両用の電力変換装置の構成について説明し、その後、電力変換装置の動作について説明する。
図1は、本発明の実施例1に係る電力変換装置の構成図である。図1の破線で囲まれたインバータ装置1は、直流電源2ならびに蓄電装置3から出力された直流電力を三相交流電力に変換して交流電動機5を駆動する。
一般的に、直流電源2としては、集電装置であるパンタグラフを介して直流架線に接続する構成、又は第三軌条方式により直流電力を得る構成、又は非接触電力伝送により交流電力を得て整流器により直流電力に変換する構成などが用いられる。
また、交流電動機5としては、誘導電動機や永久磁石型同期電動機が用いられる。図1は、インバータ装置1が1台の交流電動機5を駆動する構成であるが、インバータ装置1が複数台の交流電動機5を駆動する構成であってもよい。
蓄電装置3は、2次電池またはキャパシタで構成され、車両力行時に電力を放出し、車両回生時に電力を充電する。この蓄電装置3の電圧Ebは、直流電源2の電圧Esよりも低い値に設定する。
インバータ装置1は、第1の電流制御手段4Aから第12の電流制御手段4Lにより構成され、各電流制御手段は、高圧側から低圧側に流れる電流を導通または遮断できる電流制御素子と、この電流制御素子と逆方向に電流を導通できるダイオードの組み合わせにより構成される。
一般的に、電流制御素子としては、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)やパワーMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ)などのパワー半導体素子が用いられる。
これらのパワー半導体素子は、材料としてシリコンを用いて製造されるものが多いが、近年になって、SiC(炭化珪素)やGaN(窒化ガリウム)を用いて製造されるワイドバンドギャップ半導体も増加し、システムの低損失化に貢献している。そのため、電流制御素子は、SiCやGaNで製造されるワイドバンドギャップ半導体を用いたものでもよい。
次に、インバータ装置1の動作態様について説明する。
まず、交流電動機5の回転速度Frが基準周波数Fr0より低い場合の動作態様について、図2を用いて説明する。図2は、3相交流のうち1相分について、交流電圧指令値を電力変換装置の直流側の電圧で正規化した変調波Vcと三角波状のキャリア(A、B)との関係を示している。
図1のインバータ装置1を構成する電流制御手段4Aから4Lに対しては、変調波Vcとキャリアとの大小関係に基づいて、変調波Vcがキャリアより大きい場合はオン指令となり、変調波Vcがキャリアより小さい場合はオフ指令となる。このうち、変調波Vcと振幅を直流電源2の電圧EsとするキャリアAとの比較によって、電流制御手段4B、4D、4F、4H、4Jおよび4Lを制御し、変調波Vcと振幅を蓄電装置3の電圧EbとするキャリアBとの比較によって、電流制御手段4A、4C、4E、4G、4Iおよび4Kを制御する。
通常、3レベルの電力変換装置の変調波Vcは、入力電圧の中心値すなわち直流電源2の電圧Esと蓄電装置3の電圧Ebとの合計電圧の半分である、(Es+Eb)/2を中心に生成される。この場合に、変調波Vcの振幅が(Es+Eb)/2を超えると蓄電装置3の充放電を開始するため、動作時間が長くなってしまう。
そこで、本発明では、交流電動機5の回転速度Frが基準周波数Fr0より低い場合、直流電源2の電圧Esの半分Es/2を中心に変調波を生成し、変調波VcはキャリアAの範囲内に収まるように作成する。これにより、変調波Vcの振幅がEs/2を超えるまでは、直流電源2からの電力供給のみで交流電動機5を駆動することができる。
次に、交流電動機5の回転速度Frが基準周波数Fr0より高い場合の動作態様について、図3を用いて説明する。図3も、3相交流のうち1相分について、変調波Vcと三角波状のキャリア(A、B)との関係を示している。
前述のとおり、3レベルの電力変換装置の変調波は、入力電圧の中心値すなわち直流電源2の電圧Esと蓄電装置3の電圧Ebとの合計電圧の半分である、(Es+Eb)/2を中心に生成される。これにより、インバータ装置1の入力電圧が、直流電源2の電圧Esよりも高くなるため、交流電動機5の誘起電圧の上限値を高くすることでき、高速度域における加速性能と回生ブレーキ性能の向上が可能となる。
ここで、交流電動機5において、その回転速度Frが基準周波数Fr0より低い場合を状態A、その回転速度Frが基準周波数Fr0より高い場合を状態Bとし、状態Aから状態Bへの移行について説明する。
基準周波数Fr0は、変調波Vcの振幅がEs/2以下となるように設定する。この時、基準周波数Fr0を直流電源2の電圧Esによって連続的に変動させてもよい。例えば、交流電動機5の回転速度Frが基準周波数Fr0を超え、状態Aから状態Bへと移行した直後に、直流電源2の電圧Esが上昇したとする。この時、基準周波数Fr0も高くなるため、回転速度Frが基準回転速度Fr0よりも小さくなる場合があり、状態Bから状態Aへと戻ることになる。このように、直流電源2の電圧Esの変動によっては、状態Bと状態Aを短い周期で繰り返すことも考えられ、これにより動作が不安定になる可能性がある。
そこで、この不安定を解消するために、回転速度Frが基準周波数Fr0を超えて状態Aから状態Bへと移行した後に状態Bから状態Aへ戻る場合は、回転速度Frが基準周波数Fr0よりも低い基準周波数Fr1を下回った場合というように、基準周波数にヒステリシスを持たせてもよい。
あるいは、図4に示すように、変調波Vcの振幅がEs/2となったのち、変調波Vcの中心軸が交流電動機5の回転速度Frに依存して変動するようにしてもよい。この時、変調波Vcの振幅が(Es+Eb)/2となる交流電動機5の回転速度をFr2とすると、交流電動機5の回転速度Frが基準周波数Fr0とFr2の間にあるとき、変調波Vcの中心軸を交流電動機5の回転速度Frに応じて直線的に変動させてもよい。また、交流電動機5の回転速度Frが基準周波数Fr0とFr2の間にあるとき、変調波Vcの中心軸を階段状に変化させてもよい。この時の階段の段数については限定しない。
ここで、交流電動機の回転速度Frは、インバータ周波数とほぼ同一の値となるため、交流電動機の回転速度Frの代わりに、インバータ周波数または交流電動機の回転周波数と比例関係にある鉄道車両の速度に応じて、制御してもよい。
以上のように、実施例1に係る鉄道車両用の電力変換装置によれば、蓄電装置の使用量を最小限に抑制しながら、少ない蓄電容量で高速度域における加速性能と回生ブレーキ力を向上させることが可能となる。
図5は、本発明の実施例2に係る鉄道車両用の電力変換装置の構成図である。本発明では、定速度域では直流電源2からの電力供給、高速度域では直流電源2と蓄電装置3の両方からの電力供給を受けることになり、速度によって電力供給源が異なるために、インバータ装置1に3レベル回路を使用している。また、インバータ装置1が駆動する交流電動機5は、図5では1台としているが複数台であってもよい。
3レベル回路には、図1に示すT字型の回路構成の他に、電流制御手段を4つ直列に接続する3レベルの回路構成がある。図5は、図1に示す鉄道車両用のインバータ装置1において電流制御手段を4つ直列に接続した3レベルインバータを使用した場合の構成を示す図である。図5に示す構成では、インバータ装置1内に、クランプダイオード6A〜6Fを設けている。また、変調波Vc、振幅を直流電源2の電圧EsとするキャリアAおよび振幅を蓄電装置3の電圧EbとするキャリアB、これらの比較結果によって制御する電流制御手段との関係は、実施例1の場合と同じである。
図5に示す構成では、インバータ装置1の各相の出力部と入力部のN側との間には電流制御手段2つが直列に接続される。そのため、実施例2において直流電源2からの電力供給のみで交流電動機5を駆動する場合、電流制御手段4B、4Fおよび4Jと連動して制御される電流制御手段4D、4Hおよび4Lがオン状態となるとき、電流制御手段4C、4Gおよび4Kも同時にオンする必要がある。これに対し、電流制御手段4C、4Gおよび4Kは、電流制御手段4A、4Eおよび4Iが連動して制御されるため、電流制御手段4C、4Gおよび4Kがオフの時に電流制御手段4A、4Eおよび4Iがオンとなるため、蓄電装置3からも電力供給されてしまう事態が生じる。そこで、電流制御手段4C、4Gおよび4Kについては、直流電源2からの電力供給のみで交流電動機5を駆動する場合においてのみ、常時導通状態とすることが望ましい。
また、直流電源2から供給される電力は、クランプダイオード6A、6Cおよび6Eを介して供給されることにより、ダイオードの順電圧による電圧降下が発生する。そのため、基準周波数Fr0を設定する時には、この順電圧による電圧降下を考慮して設定してもよい。
以上の実施例2に係る鉄道車両用の電力変換装置によれば、蓄電装置の使用量を最小限に抑制しながら、少ない蓄電容量で高速度域における加速性能と回生ブレーキ力を向上させることが可能となる。
図6は、本発明の実施例3に係る鉄道車両用の電力変換装置の構成図である。蓄電装置3の接続方法としては、図1に示す実施例1のように直流電源2の正極側に接続する方法の他に、負極側に接続する方法もある。図6に示す実施例3では、蓄電装置3を直流電源2の負極側に接続する構成であり、蓄電装置3の接続位置以外は図1に示す実施例1と同じである。
直流電源2の負極側は一般的に接地されているため、図6に示すインバータ装置1のN側は、対地電位がマイナスとなる。これによって、対地絶縁の基準となる電圧が小さくなるという利点がある。
図6に示すインバータ装置1の回路構成は、図1と同じくT字型の回路構成としているが、図5に示す実施例2のように電流制御手段を4つ直列に接続する回路構成であってもよい。また、インバータ装置1が駆動する交流電動機5は、図6では1台としているが複数台であってもよい。
次に、インバータ装置1の動作態様については、このインバータ装置1の構成が図1に示す実施例1と同様の構成であり、その動作態様も実施例1で説明した内容と同様である。
したがって、交流電動機5の回転速度Frが基準周波数Fr0より低い場合の動作態様について、および、交流電動機5の回転速度Frが基準周波数Fr0より高い場合の動作態様についての各説明は、実施例1と同様となるので省略する。対応する実施例1の説明記載は、上記[0021]〜[0031]である。
ただし、図7(交流電動機5の回転速度Frが基準周波数Fr0より低い場合)および図8(交流電動機5の回転速度Frが基準周波数Fr0より高い場合)は、3相交流のうち1相分について、交流電圧指令値を電力変換装置の直流側の電圧で正規化した変調波Vcと三角波状のキャリア(A、B)との関係を示しているが、実施例1の場合(図2および図3)とは、直流電源2と蓄電装置3の接続方法の違いにより、電位関係(直流電源2の電圧Esと蓄電装置3の電圧Eb)が異なっている。
以上のとおり、実施例3に係る鉄道車両用の電力変換装置によっても、蓄電装置の使用量を最小限に抑制しながら、少ない蓄電容量で高速度域における加速性能と回生ブレーキ力を向上させることが可能となる。加えて、対地絶縁の基準となる電圧を小さくできる利点がある。
図9は、本発明の実施例4に係る鉄道車両用の電力変換装置の構成図である。図9に示す実施例4では、直流電源2が接続されずに開放状態とする構成であり、それ以外は図1に示す実施例1と同じである。
鉄道システムでは、いくつかの要因によって、直流電源2からの電力供給が行われず開放状態となる場合がある。例えば、直流架線や第三軌条方式、又は非接触電力伝送において電力供給側で停電が発生した場合や、パンタグラフを介して直流架線に接続する構成において、車両がエアセクションに停車した時に車両が搭載しているすべてのパンタグラフを下げた場合などが挙げられる。
この時、通常の鉄道車両は車両の走行が不可能となるが、蓄電装置3を搭載している本発明では、蓄電装置3からの電力供給によって車両の走行が可能という利点がある。
図9に示すインバータ装置1の回路構成は、図1と同じくT字型の回路構成としているが、図10に示すように電流制御手段を4つ直列に接続する回路構成であってもよい。あるいは、図6で示したようにインバータ装置1のN側の対地電位がマイナスとなるように蓄電装置3が接続される構成でもよい。また、インバータ装置1が駆動する交流電動機5は、図6では1台としているが複数台であってもよい。
次に、インバータ装置1の動作態様について説明する。実施例1〜実施例3では交流電動機5の回転速度Frが基準周波数Fr0より低い場合は直流電源2からの電力供給のみで、交流電動機5の回転速度Frが基準周波数Fr0より高い場合は直流電源2と蓄電装置3からの電力供給で交流電動機5を動作させるが、実施例4では、交流電動機5の回転速度Frの状態によらず蓄電装置3から直流電力を供給する。
図9に示すインバータ装置1を用いた場合の動作態様について、図11を用いて説明する。
電流制御手段4Aから4Lに対しては、図1に示す実施例1の場合と同様に、変調波Vcとキャリアとの大小関係に基づいて、変調波Vcがキャリアより大きい場合はオン指令となり、変調波Vcがキャリアより小さい場合はオフ指令となる。
実施例4では、変調波Vcと振幅を蓄電装置3の電圧EbとするキャリアBとの比較によって、電流制御手段4A、4C、4E、4G、4Iおよび4Kを制御する。そして、蓄電装置3の電圧Ebの半分Eb/2を中心に変調波を生成し、変調波VcはキャリアBの範囲内に収まるように作成される。これにより、蓄電装置3からの電力供給のみで交流電動機5を駆動することができる。この時、電流制御手段4B、4D、4F、4H、4Jおよび4Lについては、変調波Vcが常にキャリアAよりも大きいとしてオン指令とオフ指令を出力するか、または、すべてオフとしてもよい。
以上の実施例4に係る鉄道車両用の電力変換装置によれば、直流電源2からの電力供給が停止した場合においても、蓄電装置3からの電力供給によって車両を走行させることが可能となる。
1 インバータ装置、2 直流電源、3 蓄電装置、4A 第1の電流制御手段、4B 第2の電流制御手段、4C 第3の電流制御手段、4D 第4の電流制御手段、4E 第5の電流制御手段、4F 第6の電流制御手段、4G 第7の電流制御手段、4H 第8の電流制御手段、4I 第9の電流制御手段、4J 第10の電流制御手段、4K 第11の電流制御手段、4L 第12の電流制御手段、5 交流電動機、6A 第1のクランプダイオード、6B 第2のクランプダイオード、6C 第3のクランプダイオード、
6D 第4のクランプダイオード、6E 第5のクランプダイオード、6F 第6のクランプダイオード

Claims (7)

  1. 直流電源と蓄電装置とを直列接続して構成する電源回路と、
    直流電力を三相交流電力に変換して交流電動機を駆動するインバータ装置と
    を備え、
    前記インバータ装置は、
    前記交流電動機の回転速度が基準周波数より低い場合に、前記直流電源から直流電力を得て三相交流電力に変換し、
    前記交流電動機の回転速度が前記基準周波数より高い場合に、前記電源回路から直流電力を得て三相交流電力に変換する
    ことを特徴とする鉄道車両用の電力変換装置。
  2. 請求項1に記載の鉄道車両用の電力変換装置であって、
    前記電源回路は、前記蓄電装置の低圧側と前記直流電源の高圧側とを接続した
    ことを特徴とする鉄道車両用の電力変換装置。
  3. 請求項1に記載の鉄道車両用の電力変換装置であって、
    前記電源回路は、前記蓄電装置の高圧側と前記直流電源の低圧側とを接続した
    ことを特徴とする鉄道車両用の電力変換装置。
  4. 請求項1ないし3のいずれか1項に記載の鉄道車両用の電力変換装置であって、
    前記インバータ装置は、
    前記直流電源から直流電力が供給されなくなった場合には、前記交流電動機の回転速度によらず、前記蓄電装置からの直流電力を前記三相交流電力に変換する
    ことを特徴とする鉄道車両用の電力変換装置。
  5. 請求項1ないし4のいずれか1項に記載の鉄道車両用の電力変換装置であって、
    前記電源回路は、高圧側を第1の電位、低圧側を第2の電位および前記直流電源と前記蓄電装置の接続点を第3の電位をし、
    前記インバータ装置は、一方を前記第1の電位から前記第3の電位の内の1つの電位に接続し他方を前記交流電動機に接続する電流制御手段を前記第1の電位から前記第3の電位毎に各々設け、前記電流制御手段を前記第1の電位から前記第3の電位の内の2つの電位間に選択的に接続して、当該2つの電位間にてオンオフのパルス幅を制御することにより三相交流電力に変換する
    ことを特徴とする鉄道車両用の電力変換装置。
  6. 請求項5に記載の鉄道車両用の電力変換装置であって、
    前記電流制御手段は、一方向に流れる電流を導通または遮断する電流制御素子および当該電流制御素子と並列に接続されて当該電流制御素子に流れる電流と逆方向の電流を導通させる整流素子を組み合わせて構成する
    ことを特徴とする鉄道車両用の電力変換装置。
  7. 請求項6に記載の鉄道車両用の電力変換装置であって、
    前記電流制御素子および前記整流素子の少なくとも1つ以上の素子は、炭化珪素または窒化ガリウムで製造されるワイドバンドギャップ半導体である
    ことを特徴とする鉄道車両用の電力変換装置。
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