JP6567362B2 - 電力変換システム - Google Patents

Description

本発明は、エンジンに直結された発電機が発電した電力を変換して負荷に電力を供給する電力変換システムに関する。

一般に、ディーゼルエンジンやガソリンエンジンなどのエンジンは、高出力・高効率で運転可能な速度範囲が限られている。そのため、速度範囲の広い走行を行う鉄道車両や自動車などの車両にエンジンを適用するための方法として、機械式変速機、液体式変速機などの変速機を用いてエンジンの回転出力を変換する方法がある。また、別の方法として、エンジンと発電機とを直結し、エンジンにより発電機を駆動して、エンジンの回転出力を電気エネルギーに変換し、その電気エネルギーにより車両の主電動機（モータ）を駆動する方法がある。このような方法により駆動される鉄道車両は電気式ディーゼル機関車、もしくはディーゼル電気機関車と称され、例えば、非電化区間における使用を目的として、実用化が進められている。

非特許文献１には、ディーゼル電気機関車において、交流発電機が発生した交流電力をダイオード整流器により整流し、ダイオード整流器により得られた直流電圧を、コンデンサを備えた中間回路において保持し、中間回路で保持されている直流電圧（中間回路電圧Ｖｃ）によりＶＶＶＦ（可変電圧可変周波数）インバータでディーゼル電気機関車の駆動・制動用に主電動機を駆動する方法が開示されている。

また、特許文献１には、ディーゼル電気機関車において、交流発電機が発生した交流電力を直流電力に変換するＰＷＭ（Pulse Width Modulation）コンバータを用いて、交流発電機を制御する方法が開示されている。

特開２０１２−１８４６８７号公報

西田寛他、「ＤＦ２００形ディーゼル電気機関車」、第２９回 鉄道サイバネティクス利用国内シンポジウム、ｐ２９７−３０１、１９９２年

エンジンと発電機とが直結されている（エンジンと発電機の回転子とが機械的に直接接続されている）場合、エンジンが加速しようとするトルクと、発電機が発電時に回転を抑制しようとするトルクとが釣り合った状態で継続的に運転が可能である。これらのトルクに差があると、直結されたエンジン及び発電機の回転速度（以下、エンジン回転速度と称する）が変動してしまうため、エンジン回転速度が適切な値となるように、エンジンもしくは発電機の制御が必要となる。

ところで、発電機の発電電力は、発生トルクＴとエンジン回転速度を角速度に換算したエンジン角速度ωとの積で表わされる。発電機から出力された交流電力をダイオード整流器（非特許文献１）やコンバータ（特許文献１）により直流電力に変換する場合、ダイオード整流器あるいはコンバータにおける損失及び発電機による損失は微小であるため無視すると、中間回路電圧Ｖｃと、ダイオード整流器あるいはコンバータから中間回路に流れる電流Ｉとの間には、以下の式（１）の関係がある。なお、トルクＴはエンジン及び発電機の回転を抑制する方向を正とし、電流Ｉは中間回路に電力供給する方向を正とする。
Ｔ×ω＝Ｉ×Ｖｃ （１）

非特許文献１に開示されている方法のように、ダイオード整流器を用いる場合、トルクＴ及び電流Ｉは正の値のみをとる。すなわち、発電機から中間回路に電力を供給することのみ可能であり、また、トルクＴ及び電流Ｉの値は受動的に決まり、自由に制御することはできない。したがって、非特許文献１に開示されている方法では、発電電力の制御は、エンジン（エンジン回転速度）により行う必要がある。

一方、特許文献１に開示されている方法のように、コンバータを用いる場合、コンバータの制御により、トルクＴ及び電流Ｉは、正の値だけでなく負の値をとることができる。すなわち、発電機から中間回路に電力を供給するだけでなく、回生時には、中間回路から発電機に電力を供給して、発電機がエンジンを加速させるような運転も可能である。また、トルクＴ及び電流Ｉの値を自由に制御することができる。しかしながら、エンジン回転速度と中間回路電圧Ｖｃとが定まると、式（１）に従い、トルクＴ及び中間回路に出入りする電力の値は拘束される。

中間回路電圧Ｖｃは、コンバータあるいはダイオード整流器から流れる電流と、負荷が消費する電流とが釣り合うことにより、一定の値を維持することができる。すなわち、中間回路から出入りする電流が釣り合うことにより、中間回路電圧Ｖｃを一定の値に維持することができる。したがって、中間回路から出入りする電流の和がゼロでないと、中間回路が備えるコンデンサの電圧が変動し、中間回路電圧Ｖｃが変動してしまう。

中間回路は、車両内の様々な装置（空調装置、照明装置など）に電力を供給する補助電源装置の電源として用いられる場合がある。この場合、車両内の装置の電源を確保するために、補助電源装置が動作を停止することは望ましくない。中間回路電圧Ｖｃが低すぎると、補助電源装置の継続的な動作が困難となり、中間回路電圧Ｖｃが高すぎると、補助電源装置内の素子の破損などを招き、保護動作が発生して動作できなくなる。したがって、中間回路電圧Ｖｃを、負荷（補助電源装置やＶＶＶＦインバータ）が継続的に動作可能な範囲内に維持するような制御が必要であるとともに、エンジン回転速度を、発電機の発電電力と負荷の消費電力とのバランスが保たれる値とするような制御が必要である。

上述したように、非特許文献１に開示されている方法では、発電電力の制御は、エンジン（エンジン回転速度）により行う必要がある。しかしながら、エンジン回転速度が変動すると、式（１）より中間回路電圧Ｖｃも変動してしまう。そのため、適切な制御を行うためには、エンジン回転速度の制御をきめ細やかに行う必要がある。非特許文献１においては、大型の大出力エンジンを用いた大出力機関車を対象としており、そのような大型の大出力エンジンには、エンジン回転速度の制御を行うための回転速度制御機能の搭載も困難ではない。

一方、非特許文献１と同じ鉄道用途でも、客室の床下に小型のエンジンを搭載した鉄道車両である気動車では、小型のエンジンには回転速度制御機能が搭載されていないこともあるため、エンジン回転速度の制御をきめ細やかに行うことは困難であり、中間回路電圧Ｖｃの制御が困難となる。このように、非特許文献１に開示されている方法では、回転速度制御機能などを設けることなく、簡易な構成で、エンジン回転速度の制御及び中間回路電圧Ｖｃの制御の両方を実現することは困難である。

一方、特許文献１に開示されている方法では、コンバータを用いているため、トルクＴ及び電流Ｉは正の値及び負の値をとることができる（発電機から中間回路への電力の供給だけでなく、中間回路から発電機に電力を供給することも可能である）。また、トルクＴ及び電流Ｉの値を自由に制御することもできる。しかしながら、エンジン回転速度と中間回路電圧Ｖｃとが定まると、トルクＴ及び中間回路に出入りする電力の値は、式（１）に従い拘束される。

そのため、コンバータの制御により発電機の発生トルクを変化させてエンジン回転速度を制御とすると、中間回路電圧Ｖｃをコンバータで制御することはできない。一方、中間回路電圧Ｖｃをコンバータで制御すると、発電機の発生トルクが決まってしまうため、エンジン回転速度を制御することができない。すなわち、コンバータの制御だけで、エンジン回転速度の制御と中間回路電圧Ｖｃの制御とを両立することは困難であった。そのため、エンジンに燃料供給調整などによる回転速度制御機能を搭載してエンジンの回転制御を行い、コンバータにより中間回路電圧Ｖｃの制御を行うか、あるいは、負荷の消費電力を調整して中間回路電圧Ｖｃが一定になるようにした状態で、コンバータによりエンジン回転速度の調整を行う必要がある。

特許文献１に開示されている方法では、エンジンに回転速度調整機能を設けるとともに、エンジンの回転速度指令や、コンバータ及びインバータに対する指令を出力するための列車制御装置を設けている。

しかしながら、上述した列車制御装置のような制御システムは一般に、広範で大掛かりなものとなり、構築が困難な場合が多い。また、エンジン、コンバータ、インバータ間での信号通信により互いの状況を把握することで適切な制御を行うことも考えられるが、車両内での信号通信が困難な場合も多い。例えば、既存の液体式ディーゼル気動車を電気式ディーゼル気動車に変えたり、既存の電車にディーゼルエンジンを追加して電気式ディーゼル気動車を構築したりする場合には、上述した回転速度制御機能の構築が難しいだけでなく、広範囲の制御システムの構築、車両内の信号通信なども難しいことがある。

本発明の目的は、上述した課題を解決し、簡易な構成で、エンジンの回転速度の制御及び中間回路電圧の制御の両立を図ることができる電力変換システムを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係る電力変換システムは、エンジンに直結された発電機を制御して直流電圧を発生させるコンバータと、前記直流電圧を保持する中間回路と、前記中間回路から電力を供給される負荷と、を備え、前記中間回路は、前記コンバータ及び前記負荷のみの電力関係によって定まる前記直流電圧を保持し、前記コンバータは、前記発電機から入力される交流電圧を前記直流電圧に変換する電力変換回路と、前記中間回路の電圧指令である中間回路電圧指令を前記エンジンの回転速度のみに応じて生成する中間回路電圧指令生成部と、前記直流電圧が前記中間回路電圧指令に一致するように前記電力変換回路を制御する制御部と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る電力変換システムにおいて、前記中間回路電圧指令生成部は、前記中間回路電圧指令を、前記エンジンの回転速度が第１の閾値未満である場合には、前記中間回路電圧指令を第１の電圧基準値とし、前記エンジンの回転速度が前記第１の閾値以上であり第２の閾値未満である場合には、前記第１の電圧基準値から第２の電圧基準値の間で前記エンジンの回転速度に応じて増加させ、前記エンジンの回転速度が前記第２の閾値以上であり第３の閾値未満である場合には、第２の電圧基準値とし、前記エンジンの回転速度が前記第３の閾値以上であり第４の閾値未満である場合には、前記第２の電圧基準値から第３の電圧基準値の間で前記エンジンの回転速度に応じて増加させ、前記エンジンの回転速度が前記第４の閾値以上である場合には、第３の電圧基準値とすることを特徴とする。

また、本発明に係る電力変換システムにおいて、前記負荷は、電力の消費時において、前記中間回路電圧が前記第２の電圧基準値から前記第１の電圧基準値の間で低下している場合には、消費電力を低減させ、電力の回生時において、前記中間回路電圧が前記第２の電圧基準値から前記第３の電圧基準値の間で上昇している場合には、回生電力を低減させること特徴とする。

また、本発明に係る電力変換システムにおいて、前記負荷は、前記中間回路から供給された直流電圧を交流電圧に変換して、車両を駆動するモータに供給するインバータと、前記中間回路から供給された直流電圧を変換して、前記車両内の装置に供給する補助電源装置とからなり、前記インバータは、前記車両の加速時には、前記中間回路電圧が前記第１の電圧基準値まで低下する前に前記モータによる加速動作を停止させ、前記車両の減速時には、前記中間回路電圧が前記第３の電圧基準値まで上昇する前に前記モータによる回生動作を停止させ、前記補助電源装置は、前記第１の電圧基準値から前記第３の電圧基準値の間で動作を継続可能であることを特徴とする。

また、本発明に係る電力変換システムにおいて、前記中間回路電圧指令生成部は、前記エンジンの回転速度が前記第４の閾値の場合における前記エンジンの出力よりも、前記エンジンの回転速度が前記第３の閾値の場合における前記エンジンの出力のほうが大きくなり、前記エンジンの回転速度が前記第３の閾値の場合における前記エンジンの出力よりも、前記エンジンの回転速度が前記第１の閾値及び前記第２の閾値の場合における前記エンジンの出力のほうが大きくなるように、前記第１の閾値、前記第２の閾値、前記第３の閾値、及び前記第４の閾値を設定することを特徴とする。

また、本発明に係る電力変換システムにおいて、前記中間回路電圧指令生成部は、前記エンジンの出力がピークとなる前記エンジンの回転速度の近傍に、前記第１の閾値及び前記第２の閾値を設定することを特徴とする。

また、本発明に係る電力変換システムにおいて、前記中間回路電圧指令生成部は、前記第１の閾値及び前記第２の閾値を前記エンジンの状況に応じて設定することを特徴とする。

本発明に係る電力変換システムによれば、簡易な構成で、エンジンの回転速度の制御及び中間回路電圧の制御の両立を図ることができる。

本発明の一実施形態に係る電力変換システムの構成を示す図である。 図１に示す中間回路電圧指令生成部の動作を説明するための図である。 図１に示すＶＶＶＦインバータの力行時の動作を説明するための図である。 図１に示すＶＶＶＦインバータの回生時の動作を説明するための図である。 図１に示すエンジンの一般的な特性を示す図である。

以下、本発明の一実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る電力変換システム１０の構成を示す図である。本実施形態に係る電力変換システム１０は、ディーゼルエンジンやガソリンエンジンなどのエンジン２０と、エンジン２０に直結された誘導発電機や同期発電機などの交流発電機３０とを備える車両に搭載されるものであり、交流発電機３０の発電電力を直流電力に変換して車両内の負荷に電力を供給する。なお、エンジン２０は、ガスタービンや蒸気タービンなどの内燃機関・外燃機関であってもよい。

図１に示す電力変換システム１０は、コンバータ１１と、中間回路１２と、負荷１３とを備える。

コンバータ１１は、交流発電機３０の出力（三相交流電圧）を直流電圧に変換して中間回路１２に保持させる。コンバータ１１は、中間回路電圧指令生成部１１１と、制御部１１２と、電力変換回路１１３とを備える。

中間回路電圧指令生成部１１１は、中間回路１２にて保持される中間回路電圧Ｖｃを指令する中間回路電圧指令を生成し、制御部１１２に出力する。中間回路電圧指令の詳細については後述する。

制御部１１２は、中間回路電圧Ｖｃの検出値が入力され、中間回路電圧Ｖｃの検出値が中間回路電圧指令生成部１１１から出力された中間回路電圧指令に一致するような電流が交流発電機３０に流れるように電力変換回路１１３を制御する電流指令を生成する。例えば、制御部１１２は、中間回路電圧指令と中間回路電圧Ｖｃの検出値との差のＰＩ（比例・積分）制御などにより電流指令を生成する。そして、制御部１１２は、生成した電流指令を電力変換回路１１３に出力する。

電力変換回路１１３は、制御部１１２から出力された電流指令に従い、交流発電機３０と中間回路１２との間で電力変換を行う。ここで、電力変換回路１１３は、交流発電機３０から中間回路１２に電力を供給するだけでなく、中間回路１２から交流発電機３０に電力を供給することもできる。したがって、電流指令に従う電力変換回路１１３の動作に応じて、交流発電機３０の発電電力の方向及び大きさを制御することができる。ただし、交流発電機３０のトルク及び中間回路１２に出入りする電力は、式（１）に従い拘束される。

中間回路１２は、コンデンサ１２１を備え、コンデンサ１２１により電力変換回路１１３から出力された直流電圧を保持する。そして、中間回路１２は、保持している直流電圧を負荷１３に供給する。なお、上述したように、コンバータ１１（電力変換回路１１３）の動作によっては、中間回路１２から交流発電機３０に電力を供給することもある。

負荷１３は、ＶＶＶＦインバータ１３１を備え、必要に応じてＶＶＶＦインバータ１３１と並列に補助電源装置１３２を備える。

ＶＶＶＦインバータ１３１は、中間回路１２から供給された直流電圧を交流電圧に変換して、車両を駆動するモータ（不図示）に供給する。

補助電源装置１３２は、中間回路１２を電源とし、車両内の様々な装置（空調装置、照明装置など）に電力を供給する。

次に、本実施形態に係る電力変換システム１０の動作について説明する。

図２は、中間回路電圧指令生成部１１１が生成する中間回路電圧指令を示す図である。中間回路電圧指令生成部１１１は、エンジン回転速度に応じて中間回路電圧指令を生成する。コンバータ１１により交流発電機３０を制御する場合、コンバータ１１は交流発電機３０の回転速度を把握する必要があり、センサにより検出するか、コンバータ１１が出力する電圧及び電流から推定する。エンジン回転速度は交流発電機３０の回転速度と同じであるため、検出又は推定した交流発電機３０の回転速度を利用可能である。

具体的には、中間回路電圧指令生成部１１１は、図２に示すように、エンジン回転速度が第１の閾値Ｎ１（以下、Ｎ１と略する）未満である場合には、中間回路電圧指令（指令値）を第１の電圧基準値Ｖ１（以下、Ｖ１と略する）とする。また、中間回路電圧指令生成部１１１は、エンジン回転速度がＮ１以上であり第２の閾値Ｎ２（以下、Ｎ２と略する）未満である場合には、中間回路電圧指令をＶ１から第２の電圧基準値Ｖ２（以下、Ｖ２と略する）の間でエンジン回転速度に応じて増加させる。また、中間回路電圧指令生成部１１１は、エンジン回転速度がＮ２以上であり第３の閾値Ｎ３（以下、Ｎ３と略する）未満である場合には、中間回路電圧指令をＶ２とする。また、中間回路電圧指令生成部１１１は、エンジン回転速度がＮ３以上であり第４の閾値Ｎ４（以下、Ｎ４と略する）未満である場合には、中間回路電圧指令をＶ２から第３の電圧基準値Ｖ３（以下、Ｖ３と略する）の間でエンジン回転速度に応じて増加させる。また、中間回路電圧指令生成部１１１は、エンジン回転速度が第４の閾値Ｎ４（以下、Ｎ４と略する）以上である場合には、中間回路電圧指令Ｖ３とする。

図２において、Ｖ１〜Ｖ３は、補助電源装置１３２が動作を継続可能な電圧値であり、例えば、Ｖ１は４５０Ｖ、Ｖ２は６００Ｖ、Ｖ３は９００Ｖである。

図３は、力行時のＶＶＶＦインバータ１３１の動作を示す図である。図３に示すように、ＶＶＶＦインバータ１３１は、中間回路電圧ＶｃがＶ２以上である場合は、運転台制御装置（不図示）から出力された力行指令通りの運転を行う。一方、ＶＶＶＦインバータ１３１は、中間回路電圧ＶｃがＶ２未満（図３においては、Ｖ１とＶ２との間のある値未満）になると、中間回路電圧Ｖｃに依存して、運転台制御装置から出力された力行指令を低減し、中間回路電圧ＶｃがＶ１となるまでに（Ｖ１よりも若干高い値で）ゼロとする。すなわち、ＶＶＶＦインバータ１３１は、中間回路電圧ＶｃがＶ２未満になると、徐々に加速力を抑制し、中間回路電圧ＶｃがＶ１となる前に加速力をゼロとする（加速動作を停止させる）。

図４は、回生時のＶＶＶＦインバータ１３１の動作を示す図である。図４に示すように、ＶＶＶＦインバータ１３１は、中間回路電圧ＶｃがＶ２以下である場合は、運転台制御装置から出力された回生指令通りの運転を行う。一方、ＶＶＶＦインバータ１３１は、中間回路電圧ＶｃがＶ２より大きくなると（図４においては、Ｖ２とＶ３との間のある値より大きくなると）、中間回路電圧Ｖｃに依存して、運転台制御装置から出力された回生指令を低減し、中間回路電圧ＶｃがＶ３となるまでに（Ｖ３よりも若干低い値で）ゼロとする。すなわち、ＶＶＶＦインバータ１３１は、中間回路電圧ＶｃがＶ２より大きくなると、徐々にブレーキ力（回生ブレーキ）を抑制し、中間回路電圧ＶｃがＶ３となる前にブレーキ力をゼロとする（回生動作を停止させる）。

図５は、エンジン２０の一般的な特性を示す図である。図５において、横軸はエンジン回転速度を示し、縦軸はエンジン出力を示す。図５に示すように、エンジン２０には一般的に、あるエンジン回転速度（Ｎｐ）で出力がピークとなり、エンジン回転速度がＮｐより高い領域（以下、高回転領域と称する）では、エンジン回転速度が上昇すると、エンジン出力が低下し、エンジン回転速度が低下すると、エンジン出力が上昇するという特性がある。したがって、高回転領域では、負荷１３の消費電力の変動に応じて、受動的にエンジン回転速度がある値に定まる。

中間回路電圧指令生成部１１１は、エンジン２０の回転速度がＮ４の場合におけるエンジン２０の出力よりも、エンジン回転速度がＮ３の場合におけるエンジン２０の出力のほうが大きくなり、エンジン回転速度がＮ３の場合におけるエンジン２０の出力よりも、エンジン回転速度がＮ１及びＮ２の場合におけるエンジン２０の出力のほうが大きくなるように、Ｎ１〜Ｎ４を設定する。

特に、中間回路電圧指令生成部１１１は、エンジン２０の出力がピークとなるエンジン回転速度Ｎｐの近傍に、Ｎ１及びＮ２を設定するのが好適である。例えば、Ｎ１をＮｐとし、Ｎ２をＮ１よりも少し大きい値とする。例えば、Ｎｐを２０００ｒｐｍとすると、Ｎ２は２０２０ｒｐｍの程度の値である。また、Ｎ３及びＮ４は、エンジン出力がゼロとなるエンジン回転速度よりも低い値とする。

このようにＮ１〜Ｎ４を設定することで、エンジン回転速度がＮ２とＮ３との間にある場合は、エンジン回転速度は受動的に安定する。そのため、コンバータ１１は、図２に示すように、中間回路電圧ＶｃがＶ２となるような中間回路電圧指令を生成し、中間回路電圧ＶｃがＶ２に維持されるように制御を行う。この状態では、ＶＶＶＦインバータ１３１は、力行及び回生の両方が可能である。また、負荷１３（ＶＶＶＦインバータ１３１及び補助電源装置１３２）の消費電力に変動があっても、エンジン回転速度がＮ２とＮ３との間にある限り、負荷１３の消費電力とエンジン出力とがバランスを保つように、エンジン回転速度が変動する。

例えば、ＶＶＶＦインバータ１３１が力行を開始すると、ＶＶＶＦインバータ１３１は電力の消費を開始するため、中間回路電圧Ｖｃは低下しようとする。それに対して、コンバータ１１は、中間回路電圧ＶｃをＶ２に維持するように交流発電機３０に電流を流すため、エンジン２０の回転数（エンジン回転速度）が低下する方向にトルクが発生する。しかしながら、エンジン２０の回転数が低下しても、エンジン回転速度がＮｐより高い高回転領域であれば、エンジン回転速度の低下に伴いエンジン出力は増加するため、エンジン出力と負荷１３の消費電力とのバランスが保たれた状態に収束する。したがって、中間回路電圧Ｖｃを負荷１３が継続的に動作可能な範囲で一定の値に保つという制御と、エンジン回転速度を交流発電機３０の発電電力と負荷１３の消費電力とのバランスが保たれる値とするという制御とを両立することができる。

なお、エンジン２０に回転速度制御機能が搭載されている場合には、回転速度制御機能によりエンジン回転速度をＮ２とＮ３との間に設定することで同様の効果を得ることができる。

エンジン回転速度がＮｐ（≒Ｎ１）より低下すると、エンジン回転速度が低下してもエンジン出力は増加しなくなるので、負荷１３の消費電力の変動にエンジン回転速度が追従しなくなり、エンジン回転速度を維持できなくなる。そこで、エンジン回転速度がＮ２未満となると、コンバータ１１は、図２に示すように、エンジン回転速度に応じて、中間回路電圧ＶｃをＶ２からＶ１に徐々に低下させるような中間回路電圧指令を生成する。さらに、ＶＶＶＦインバータ１３１は、図３に示すように、中間回路電圧ＶｃがＶ２未満となると、力行指令を低減する。そのため、力行時の加速力（主電動機の消費電力）は低減する。すなわち、エンジン出力に応じて、ＶＶＶＦインバータ１３１の消費電力が調整される状態となり、エンジン出力と負荷１３（ＶＶＶＦインバータ１３１及び補助電源装置１３２）の消費電力とのバランスが保たれた状態となるように、エンジン回転速度及び中間回路電圧Ｖｃが収束する。

エンジン回転速度がＮ１より小さくなると、コンバータ１１は、図２に示すように、中間回路電圧ＶｃがＶ１となるような中間回路電圧指令を生成する。中間回路電圧ＶｃがＶ１となると、ＶＶＶＦインバータ１３１は、図３に示すように、加速力をゼロとする。通常、エンジン２０には、最低限の速度制御機能は搭載されており、大幅に速度が低下した際には、燃料供給を増加させて失速を予防する機能が搭載されている。そのため、エンジン回転速度はやがて上昇し、エンジン回転速度の上昇に伴って、ＶＶＶＦインバータ１３１が加速力を増加させ、力行が可能となる。エンジン回転速度が上昇するまでは加速力が低下するものの、補助電源装置１３２は中間回路電圧ＶｃがＶ１となっても動作を継続することができるので、車両システムとしての最低限の機能は保証される。

減速時は、ＶＶＶＦインバータ１３１は、回生ブレーキとして動作し、回生された電力を中間回路１２に供給して、中間回路電圧Ｖｃを上昇させようとする。コンバータ１１は、中間回路電圧Ｖｃを一定に維持するように制御を行うが、ＶＶＶＦインバータ１３１の回生電力が補助電源装置１３２の消費電力を上回ると、エンジン２０を加速させる方向に交流発電機３０がトルクを発生させるように制御を行い、中間回路１２から交流発電機３０を介してエンジン２０へエネルギーを移動させる。エンジン２０は、機械抵抗及び排気抵抗などによりエンジンブレーキとして動作可能であり、回生エネルギーを消費することができる。

しかしながら、エンジン２０は応答が遅いため、エンジン２０に燃料供給している状態からエンジンブレーキが立ち上がるまでには時間がかかる。エンジンブレーキが立ち上がる前に大きな回生電力が発生した際は、中間回路電圧Ｖｃを維持するために、コンバータ１１は、エンジン回転速度を高くするが、エンジン回転速度が高過ぎると、エンジン２０の機械的な破損を招く。また、エンジン回転速度が高過ぎると、コンバータ１１の制御が困難となる場合もあり、その場合、中間回路１２のエネルギーを移動させる先がなくなり、中間回路電圧Ｖｃが上昇してＶＶＶＦインバータ１３１や補助電源装置１３２の耐圧を超過してしまい、装置破壊を招くおそれもある。

本発明においては、エンジン回転速度が上昇して、Ｎ３以上となると、コンバータ１１は、図２に示すように、エンジン回転速度に応じて、中間回路電圧ＶｃをＶ２からＶ３に徐々に上昇させるような中間回路電圧指令を生成する。また、ＶＶＶＦインバータ１３１は、図４に示すように、回生指令を低減し、エンジン回転速度がＮ４に達すると、回生指令をゼロする。こうすることで、エンジン回転速度が回生ブレーキによりＮ４より高くなりにくくすることができる。

上述したように、補助電源装置１３２は、中間回路電圧ＶｃがＶ３であっても、動作を継続可能である。そのため、車両内の各種装置の電源を確保することができる。また、中間回路電圧ＶｃはＶ３よりは高くならないように制御されるので、ＶＶＶＦインバータ１３１や補助電源装置１３２の耐圧を超過することはない。

このように本実施形態においては、エンジン回転速度が高回転領域から外れそうになったり、エンジン回転速度が高回転領域から外れたりすると、エンジン回転速度に応じて中間回路電圧Ｖｃを制御して、エンジン回転速度が高回転領域内で維持されるようにする。そのため、中間回路電圧Ｖｃを負荷１３が継続的に動作可能な範囲で一定の値に保つという制御と、エンジン回転速度を交流発電機３０の発電電力と負荷１３の消費電力とのバランスが保たれる値とするという制御とを両立することができる。

なお、力行時は加速力が低下しても大きな問題とはならないが、減速時は回生ブレーキのブレーキ力が低下すると、制動距離の増加や非常時のブレーキ力の確保ができなくなり、問題となる場合が多い。しかしながら、鉄道車両では、電気ブレーキが低下した際は空気ブレーキが自動的に不足分を補償する構成が幅広く採用されているため、回生ブレーキを低下させてもブレーキ力を維持することができる。

なお、中間回路電圧の上昇を抑制するための回生ブレーキ時の電力消費の方法としては、エンジンブレーキを使う方法の他に、抵抗器などで電力を消費して、中間回路電圧の上昇を抑制する方法もある。本発明は、このような方法にも適用可能である。

このように本実施形態によれば、電力変換システム１０は、エンジン２０に直結された交流発電機３０を制御して直流電圧を発生させるコンバータ１１と、直流電圧を保持する中間回路１２と、中間回路１２から電力を供給される負荷１３とを備える。コンバータ１１は、交流発電機３０から入力される交流電圧を直流電圧に変換する電力変換回路１１３と、中間回路の電圧指令である中間回路電圧指令Ｖｃをエンジン２０の回転速度に応じて生成する中間回路電圧指令生成部１１１と、直流電圧が中間回路電圧指令に一致するように電力変換回路１１３を制御する制御部１１２と、を備える。

エンジン２０には一般に、あるエンジン回転速度Ｎｐにおいて出力が最大になり、エンジン回転速度がＮｐより大きい領域（高回転領域）では、エンジン回転速度が低下するとエンジン出力が増加し、エンジン速度が増加するとエンジン出力が低下する。そのため、エンジン回転速度に応じて中間回路電圧指令を生成することで、高回転領域では、エンジン回転速度は受動的にエンジン出力と負荷１３の消費電力とのバランスが保たれる値に収束し、また、中間回路電圧Ｖｃは負荷１３が継続的に動作可能な範囲の値を維持することができる。また、エンジン回転速度が高回転領域から外れそうになったり、エンジン回転速度が高回転領域から外れたりしても、エンジン回転速度に応じて中間回路電圧Ｖｃを制御して、エンジン回転速度が高回転領域内で維持されるようにする。そのため、エンジン回転速度をエンジン出力と負荷１３の消費電力とのバランスが保たれる値とするという制御と、中間回路電圧Ｖｃを負荷１３（ＶＶＶＦインバータ１３１や補助電源装置１３２）が継続的に動作可能な範囲内に維持するという制御との両立を図ることができる。

また、本発明においては、エンジン２０に回転速度調整機能を設けたり、エンジン２０、交流発電機３０、コンバータ１１などが互いに信号通信を行うための構成を設けたり、エンジン２０の回転速度指令や、コンバータ１１及びＶＶＶＦインバータ１３１に対する指令を出力するための列車制御装置を設けたりする必要が無いため、簡易な構成でエンジン回転速度の制御及び中間回路電圧Ｖｃの制御の両立を図ることができる。なお、本発明はエンジンの回転速度調整機能や列車制御装置を備えるシステムに対しても適用可能である。

また、本発明においては、力行・惰行・回生のいずれの状態においても、中間回路電圧Ｖｃの制御により、エンジン回転速度及び中間回路電圧Ｖｃを状況に応じて変化させている。そのため、制御系の切り替えが不要であり、制御系の切り替え時に過渡的な応答や、制御系の切り替えによる不安定さが生じることがない。

なお、本発明は、エンジン２０への燃料供給が一定の状態であっても適用可能である。ただし、加速・減速の指令や、アイドリング時の燃料消費削減などの観点から加速指令・ブレーキ指令などの運転台制御装置からの最低限の情報により燃料供給を制御することで、燃費の向上、加減速指令に対する追従性の向上を図ることができる。

また、アイドル状態において、エンジン回転速度がある値より低下すると、加速状態と判断してエンジンの燃料供給を増大させ、加速状態においてエンジン回転速度がある値を超過したら加速が終了した惰行状態と判断して燃料供給をアイドル状態とし、一方で、エンジン回転速度がある値より状態すると、回生状態と判断して燃料供給を遮断し、回生状態においてエンジン回転速度がある値より低下したら回生が終了したと判断してアイドル状態に戻すという制御も考えられる。このような制御では、運転台制御装置からの指令無しで、力行・惰行・ブレーキの状態それぞれに適切な切り替えが可能である。

なお、エンジン回転速度がＮ１とＮ２との間にある状態では、エンジン出力に応じて、ＶＶＶＦインバータ１３１が加速力を変動させる。この状態では極力、エンジン出力が最大の状態を維持することにより、加速力の低下を極力防ぐことができる。

そのため、Ｎ１及びＮ２をＮｐ近傍に設定することで、エンジン回転速度に応じた最大出力を確保することができる。しかしながら、エンジン２０の出力特性は様々な要因で変動するため、Ｎｐが変動することもある。そこで、エンジン２０の出力特性に応じて、Ｎ１及びＮ２の値を変化させることにより、常に最大出力を確保することができる。

Ｎ１及びＮ２の値を変化させる方法としては、例えば、事前にエンジン２０の燃料供給状態や温度などに応じた出力特性を求めており、実際の燃料供給状態や温度などに応じてＮ１及びＮ２を変化させという方法がある。

また、別の方法として、上述したようにコンバータ１１はエンジン回転速度及び出力トルクを推定可能であるため、エンジン回転速度と出力トルクとの関係からエンジン２０の出力がピークとなるエンジン回転速度Ｎｐを推定し、Ｎ１及びＮ２を変化させという方法がある。

本発明を図面及び実施形態に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形又は修正を行うことが容易であることに注意されたい。したがって、これらの変形又は修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各ブロックなどに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数のブロックを１つに組み合わせたり、あるいは分割したりすることが可能である。

１０ 電力変換システム
１１ コンバータ
１２ 中間回路
１３ 負荷
２０ エンジン
３０ 交流発電機
１１１ 電力変換回路
１１２ 制御部
１１３ 中間回路電圧指令生成部
１２１ コンデンサ
１３１ ＶＶＶＦインバータ
１３２ 補助電源装置

Claims (7)

1. エンジンに直結された発電機を制御して直流電圧を発生させるコンバータと、
   前記直流電圧を保持する中間回路と、
   前記中間回路から電力を供給される負荷と、を備え、
   前記中間回路は、前記コンバータ及び前記負荷のみの電力関係によって定まる前記直流電圧を保持し、
   前記コンバータは、
   前記発電機から入力される交流電圧を前記直流電圧に変換する電力変換回路と、
   前記中間回路の電圧指令である中間回路電圧指令を前記エンジンの回転速度のみに応じて生成する中間回路電圧指令生成部と、
   前記直流電圧が前記中間回路電圧指令に一致するように前記電力変換回路を制御する制御部と、
   を備えることを特徴とする電力変換システム。
2. 前記中間回路電圧指令生成部は、前記中間回路電圧指令を、
   前記エンジンの回転速度が第１の閾値未満である場合には、前記中間回路電圧指令を第１の電圧基準値とし、
   前記エンジンの回転速度が前記第１の閾値以上であり第２の閾値未満である場合には、前記第１の電圧基準値から第２の電圧基準値の間で前記エンジンの回転速度に応じて増加させ、
   前記エンジンの回転速度が前記第２の閾値以上であり第３の閾値未満である場合には、第２の電圧基準値とし、
   前記エンジンの回転速度が前記第３の閾値以上であり第４の閾値未満である場合には、前記第２の電圧基準値から第３の電圧基準値の間で前記エンジンの回転速度に応じて増加させ、
   前記エンジンの回転速度が前記第４の閾値以上である場合には、第３の電圧基準値とすることを特徴とする、請求項１に記載の電力変換システム。
3. 前記負荷は、電力の消費時において、前記中間回路電圧が前記第２の電圧基準値から前記第１の電圧基準値の間で低下している場合には、消費電力を低減させ、電力の回生時において、前記中間回路電圧が前記第２の電圧基準値から前記第３の電圧基準値の間で上昇している場合には、回生電力を低減させること特徴とする、請求項２に記載の電力変換システム。
4. 前記負荷は、前記中間回路から供給された直流電圧を交流電圧に変換して、車両を駆動するモータに供給するインバータと、前記中間回路から供給された直流電圧を変換して、前記車両内の装置に供給する補助電源装置とからなり、
   前記インバータは、前記車両の加速時には、前記中間回路電圧が前記第１の電圧基準値まで低下する前に前記モータによる加速動作を停止させ、前記車両の減速時には、前記中間回路電圧が前記第３の電圧基準値まで上昇する前に前記モータによる回生動作を停止させ、
   前記補助電源装置は、前記第１の電圧基準値から前記第３の電圧基準値の間で動作を継続可能であることを特徴とする、請求項２又は３に記載の電力変換システム。
5. 前記中間回路電圧指令生成部は、前記エンジンの回転速度が前記第４の閾値の場合における前記エンジンの出力よりも、前記エンジンの回転速度が前記第３の閾値の場合における前記エンジンの出力のほうが大きくなり、前記エンジンの回転速度が前記第３の閾値の場合における前記エンジンの出力よりも、前記エンジンの回転速度が前記第１の閾値及び前記第２の閾値の場合における前記エンジンの出力のほうが大きくなるように、前記第１の閾値、前記第２の閾値、前記第３の閾値、及び前記第４の閾値を設定することを特徴とする、請求項２から４のいずれか一項に記載の電力変換システム。
6. 前記中間回路電圧指令生成部は、前記エンジンの出力がピークとなる前記エンジンの回転速度の近傍に、前記第１の閾値及び前記第２の閾値を設定することを特徴とする、請求項５に記載の電力変換システム。
7. 前記中間回路電圧指令生成部は、前記第１の閾値及び前記第２の閾値を前記エンジンの状況に応じて設定することを特徴とする、請求項６に記載の電力変換システム

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