JP6983697B2 - 鉄道車両用空気調和装置 - Google Patents

Description

この発明は、鉄道車両用空気調和装置に関する。

鉄道車両用の空気調和装置は、熱媒体を圧縮機により圧縮することにより熱交換を可能とする。従来、圧縮機は一定速度で回転するものが主流であったが、近時では、インバータ装置を使って回転数を任意に変更できるものが多くなっている。

インバータ制御を採用することにより、車内の熱負荷が小さいときには、圧縮機運転周波数を下げることで消費電力を抑え、一方、車内の熱負荷が大きいときには、圧縮機の運転周波数を上げて、快適性を高めることができる。しかし、運転周波数によっては、圧縮機の運転による振動が車体と共振して車内振動及び共鳴音が大きくなり、快適性が低下することがある。

特開２００４−３８５４号公報（段落０００５）

共振を避けるため、特許文献１に記載の空気調和装置の運転方法では、運転パターンを設計するに際し、多数の測定ポイントにおいて共振が生じないことを確認し、共振が発生しない運転パターンを設定する。

しかし、この手法では、共振を避けることを主眼に運転パターンを設計するため、空気調和装置の成績係数、即ち、効率が低下してしまう虞がある。

また、従来のインバータ制御の空気調和装置の場合、各機器のインバータ装置が独立している。このため、例えば、室外送風機用のインバータ装置または圧縮機用インバータ装置が故障した場合には、他のインバータ装置が健全な状態であっても、空気調和装置を運転できなくなる。故障時のバックアップ用に新たにインバータ装置を追加する場合、空気調和装置の大型化、質量の増加、コストの増加を招いてしまう。

この発明は上記の課題を解決するためにされたものであり、インバータ装置健全時・故障時の双方において、必要な冷房能力を確保しつつ、車体との共振点を避けつつ効率の高い運転が可能な鉄道車両用空気調和装置を提供することを目的とする。

この発明に係る鉄道車両用空気調和装置は、室外送風機と、室外送風機をインバータ駆動する第１のインバータ装置と、第１の圧縮機と、第１の圧縮機をインバータ駆動する第２のインバータ装置と、第２の圧縮機と、第２の圧縮機をインバータ駆動する第３のインバータ装置と、第１のインバータ装置の故障時に、第２のインバータ装置が出力する電力を室外送風機に供給するために、第１のインバータ装置と室外送風機との間に配置され、回路を開閉する第１の接触器と、一端が室外送風機と第１の接触器との間の回路に接続され、他端が第２のインバータ装置に接続され、第２の接触器と過電流継電器との直列回路を備えるバックアップ用給電回路と、制御装置と、を備える。制御装置は、室外送風機の運転周波数と圧縮機の動作台数と圧縮機の運転周波数と空調能力との関係を示す第１の特性データ、室外送風機と第１の圧縮機とが同期運転するという条件で、室外送風機と第１の圧縮機の運転周波数と第２の圧縮機の運転周波数と空調能力との関係を示す第２の特性データ、圧縮機が１台のみ運転という条件で、室外送風機の運転周波数と運転する圧縮機の運転周波数と空調能力との関係を示す第３の特性データ、とを記憶する記憶部を備える。制御装置は、第１から第３のインバータ装置の健全時に、第１の接触器を閉じて、第２の接触器を開き、必要空調能力と第１の特性データと車体の共振周波数とエネルギ効率とに基づいて定められた第１の運転パターンを選択し、選択した第１の運転パターンに基づいて、第１から第３のインバータ装置を制御し、第１のインバータ装置が故障し、第２と第３のインバータ装置が健全な時には、第１の接触器を開いて、第２の接触器を閉じることにより、第２のインバータ装置から室外送風機に給電し、必要空調能力と第２の特性データと車体の共振周波数とエネルギ効率とに基づいて定められた第２の運転パターンを選択し、選択した第２の運転パターンに基づいて、第２と第３のインバータ装置を制御し、第１のインバータ装置が健全で、第２又は第３のインバータ装置が故障した時には、必要空調能力と第３の特性データと車体の共振周波数とエネルギ効率とに基づいて定められた第３の運転パターンを選択し、選択した第３の運転パターンに基づいて、第１から第３のインバータ装置を制御する。

本発明によれば、インバータ装置の健全時と故障時の双方において、必要な冷房能力を確保しつつ、車体との共振点および効率を考慮した運転パターンを個別に用意することで、省エネおよび快適性向上を図ることができる。また、インバータ故障時のバックアップ回路を構成したので、空調装置の寸法・質量を最小限に抑えることができる。

本発明の実施の形態に係る鉄道車両用空気調和装置のブロック図 図１に示す制御装置のブロック図 図２に示す記憶部に記憶された開閉テーブルを例示する図 （Ａ）は、図１に示す室外送風機の運転周波数と圧縮機の動作台数及び運転周波数と空調能力との関係を例示する図、（Ｂ）は、図１に示す圧縮機の運転周波数と振動の大きさの関係を例示する図、（Ｃ）は、図１に示す圧縮機の運転周波数と騒音の大きさの関係を例示する図、（Ｄ）は、図１に示す室外送風機の運転周波数と圧縮機の台数及び運転周波数と成績係数との関係を例示する図 （Ａ）は、図１に示す室外送風機と第１の圧縮機とが同期運転した場合の、第２の圧縮機の運転周波数と空調能力との関係を例示する図、（Ｂ）は、圧縮機が１台だけ運転する場合の圧縮機の運転周波数と空調能力との関係を例示する図 図２に示すプロセッサが実行する運転制御処理のフローチャート 図１に示す鉄道車両用空気調和装置の正常時の接触器の開閉状態と給電ルートを示す図 （Ａ）と（Ｂ）は運転パターンを求める手順の具体例を説明する図 （Ａ）と（Ｂ）は運転パターンを求める手順の具体例を説明する図 図１に示す第１のインバータ装置が故障した際の接触器の開閉状態と給電ルートを示す図 図１０に示す場合に、運転パターンを求める手順の具体例を説明する図 図１に示す第２のインバータ装置が故障した際の接触器の開閉状態と給電ルートを示す図 図１２に示す場合に、運転パターンを求める手順の具体例を説明する図 図１に示す第３のインバータ装置が故障した際の接触器の開閉状態と給電ルートを示す図

以下、本発明の実施形態に係る鉄道車両用空気調和装置について説明する。
本実施の形態に係る鉄道車両用空気調和装置１１は、図１に示すように、鉄道車両に設置されるものであり、１台の室内送風機２１と、１台の室外送風機２２と、第１と第２の圧縮機２３，２４と、交流を直流に変換するコンバータ３１と、直流を三相の交流に変換する第１〜第３のインバータ装置４１〜４３と、２台の開閉器ＣＢ１，ＣＢ２と、３台の接触器ＭＣ１〜ＭＣ３と、第１〜第３のインバータ装置４１〜４３の故障を検出する第１〜第３の故障検出センサ５１〜５３と、制御装置６１とを備える。

室内送風機２１は、交流モータにより駆動されるファンと熱媒体が流通する熱交換器とを備える。室内送風機２１は、ファンの回転により送風し、空気と熱交換器との間で熱交換を行って、空気を加熱又は冷却した上で、空調対象空間に送風する。室内送風機２１の交流モータには、車内電源より、開閉器ＣＢ１と接触器ＭＣ１との直列の回路を介して交流電力が供給される。車内電源は、例えば、６０Ｈｚに設定されている。

室外送風機２２は、三相誘導モータにより駆動されるファンと熱媒体が流通する熱交換器とを備える。室外送風機２２は、ファンの回転により外気を熱交換器に送風し、外気と熱交換器との間で熱交換を行う。熱媒体は、接続管を介して室内送風機２１の熱交換器と室外送風機２２の熱交換器との間を巡回する。

第１の圧縮機２３は、三相誘導モータにより駆動され、熱媒体を圧縮して高温・高圧の状態とし、また、熱媒体を室内送風機２１と室外送風機２２との間で循環させる。

第２の圧縮機２４は、三相誘導モータにより駆動され、熱媒体を圧縮して高温・高圧の状態とし、また、熱媒体を室内送風機２１と室外送風機２２との間で循環させる。なお、第１と第２の圧縮機２３，２４は、ピストン型、レシプロ型、ロータリ型等、任意の構造を採用可能である。

コンバータ３１は、接触器ＭＣ２を介して鉄道車両の交流電源に接続され、交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換して出力する。交流電源の周波数は、例えば、６０Ｈｚである。

第１のインバータ装置４１は、コンバータ３１が供給する直流電圧を三相交流電圧に変換して、接触器ＭＣ２を介して室外送風機２２の三相誘導モータに印加し、これを駆動する。即ち、第１のインバータ装置４１は、室外送風機２２をインバータ制御或いはインバータ駆動する。第１のインバータ装置４１の出力電圧の周波数は制御装置６１から供給される周波数指示信号ＳＦ１により制御される。

なお、以下の説明においては、室外送風機２２の運転周波数とは、室外送風機２２を構成するファンの１秒間の回転数を意味する。室外送風機２２の運転周波数は、第１のインバータ装置４１の出力する三相交流電圧の周波数とは、必ずしも一致しない。しかし、以下の説明では、理解を容易にするため、第１のインバータ装置４１の出力電圧の周波数と室外送風機２２の運転周波数は一致するものとする。

第２のインバータ装置４２は、コンバータ３１が供給する直流電力を三相の交流電力に変換して、第１の圧縮機２３を回転駆動する三相誘導モータに印加し、これを駆動する。即ち、第２のインバータ装置４２は、第１の圧縮機２３をインバータ制御或いはインバータ駆動する。第２のインバータ装置４２の出力電圧の周波数は制御装置６１から供給される周波数指示信号ＳＦ２により制御される。

第３のインバータ装置４３は、コンバータ３１が供給する直流電力を三相の交流電力に変換して、第２の圧縮機２４を回転駆動する三相誘導モータに印加し、これを駆動する。即ち、第３のインバータ装置４３は、第２の圧縮機２４をインバータ制御或いはインバータ駆動する。第３のインバータ装置４３の出力電圧の周波数は制御装置６１から供給される周波数指示信号ＳＦ３により制御される。

なお、第１と第２の圧縮機２３，２４の運転周波数とは、熱媒体の吸入行程、圧縮行程、吐出行程から構成される１サイクルが１秒間に何回実行されるかを示す。これは、第２のインバータ装置４２及び第３のインバータ装置４３が出力する三相交流電圧の周波数とは必ずしも一致しない。しかし、以下の説明では理解を容易にするため、第２、第３のインバータ装置４２，４３の出力する三相交流電圧の周波数と、第１と第２の圧縮機２３，２４の運転周波数は等しいものとする。

また、第１〜第３のインバータ装置４１〜４３は、例えば、第１と第２の圧縮機２３，２４の運転周波数を３０〜９０Ｈｚ、室外送風機２２の運転周波数を３０〜６０Ｈｚの範囲で制御するとする。

接触器ＭＣ２と室外送風機２２との接続ノードと、第２のインバータ装置４２の出力端とには、バックアップ用給電回路７２の一端と他端が接続されている。バックアップ用給電回路７２は、第１のインバータ装置４１が故障したときに、第２のインバータ装置４２から室外送風機２２に電力をバイパスしてバックアップ供給することにより、室外送風機２２をインバータ駆動可能とするためのものである。バックアップ用給電回路７２は、過電流継電器(OCR-Over Current Relay)７１と接触器ＭＣ３との直列回路を備える。過電流継電器７１は、電路の短絡、過負荷による過電流等を変流器(CT)により取り出し、その電流値の大きさによって動作する継電器である。バックアップ用給電回路７２は、他の保護装置等を備えていてもよい。

第１〜第３の故障検出センサ５１〜５３は、それぞれ、第１〜第３のインバータ装置４１〜４３に近接して配置される。第１〜第３の故障検出センサ５１〜５３は、第１〜第３のインバータ装置４１〜４３の故障の有無を検出し、故障を検出すると、故障検出信号ＳＤ１〜ＳＤ３を制御装置６１に出力する。

制御装置６１は、開閉器ＣＢ１，ＣＢ２及び接触器ＭＣ１〜ＭＣ３の開閉を制御する。また、制御装置６１は、第１〜第３の故障検出センサ５１〜５３の出力する故障検出信号ＳＤ１〜ＳＤ３に応答して、結果に従って、第１〜第３の接触器ＭＣ１〜ＭＣ３の開・閉を制御する。
また、制御装置６１は第１〜第３のインバータ装置４１〜４３に、出力電圧の周波数を指示する周波数指示信号ＳＦ１〜ＳＦ３を出力する。

次に、制御装置６１の詳細を図２を参照して説明する。
制御装置６１は、図２に示すように、バス１１５を介して相互に接続されたプロセッサ１１１と、メモリ１１２と、記憶部１１３と、Ｉ／Ｏポート１１４とを備える。

プロセッサ１１１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit)、マイクロプロセッサユニット等から構成され、メモリ１１２をワークエリアとして使用して、記憶部１１３に記憶された制御プログラムを実行することにより、図１に示す鉄道車両用空気調和装置１１の動作を制御する。

メモリ１１２は、ＲＡＭ(Random Access Memory）から構成され、プロセッサ１１１のワークメモリとして機能し、プログラム、データ等を記憶する。

記憶部１１３は、フラッシュメモリ、ハードディスク装置等の不揮発性記憶装置を備え、プロセッサ１１１が実行する制御プログラムを記憶する。記憶部１１３には、プロセッサ１１１が各部を制御して、この鉄道車両用空気調和装置１１の動作を制御するための制御プログラムを記憶する。制御プログラムの内容については、図６を参照して後述する。

制御装置６１は、接触器ＭＣ１〜ＭＣ３の開・閉を、接触器制御信号ＳＭ１〜ＳＭ３により制御する。このため、記憶部１１３には、状況に応じて、接触器ＭＣ１〜ＭＣ３をどのように開閉をすべきかを示す図３に示す開閉テーブルが格納されている。

記憶部１１３には、プロセッサ１１１が制御過程で参照するために、この鉄道車両用空気調和装置１１の特性を示す様々な特性データが格納されている。記憶されている特性データは、図４（Ａ）〜図５（Ｂ）に示す特性データを含む。

図４（Ａ）に例示する「圧縮機運転周波数と空調能力との関係」を示す特性データは、室外送風機２２の運転周波数と第１と第２の圧縮機２３，２４の動作台数及び運転周波数と空調能力との関係を特定するデータである。この特性データは、冷房用と暖房用が用意される。空調能力は、冷房と暖房でそれぞれ、８段階に設定され、室外送風機２２の運転周波数は３０〜６０Ｈｚの範囲で選択され、圧縮機の運転周波数はおおよそ３０〜９０Ｈｚの範囲に設定されている。

図４（Ｂ）に例示する「圧縮機運転周波数と車体の共振点との関係」を示す特性データは、第１と第２の圧縮機２３，２４の運転周波数と車体の共振振動の大きさとの関係を示す特性データである。振動が極大値を示す点が共振点であり、その運転周波数が共振周波数である。

図４（Ｃ）に例示する「圧縮機運転周波数と車両空洞共鳴との関係」を示す特性データは、第１と第２の圧縮機２３，２４の運転周波数と車両の空洞、即ち、客車内の共鳴による騒音の大きさとの関係を示す特性データである。騒音が極大値を示す点が共鳴点であり、その運転周波数が共鳴周波数である。

図４（Ｄ）に例示する「圧縮機運転周波数と成績係数との関係」を示す特性データは、室外送風機２２の運転台数及び運転周波数と第１と第２の圧縮機２３，２４の運転周波数とこの鉄道車両用空気調和装置１１の成績係数（ＣＯＰ[Coefficient Of Performance]）との関係を示す特性データである。この特性データは、冷房用と暖房用が用意される。

図５（Ａ）に例示する「室外送風機と第１の圧縮機が同期運転する場合の圧縮機運転周波数と空調能力との関係」を示す特性データは、図４（Ａ）に示す特性データの特例に相当するものであり、第１のインバータ装置４１が故障して、第２のインバータ装置４２からの電力で室外送風機２２と第１の圧縮機２３とを運転した場合の「圧縮機運転周波数と空調能力との関係」を示す特性データである。空調能力は、冷房と暖房でそれぞれ、８段階に設定され、室外送風機２２と第１の圧縮機２３の運転周波数は３０〜６０Ｈｚの範囲で選択され、第２の圧縮機２４の運転周波数はおおよそ３０〜９０Ｈｚの範囲に設定されている。

図５（Ｂ）に例示する「圧縮機１台運転時の圧縮機運転周波数と空調能力との関係」を示す特性データは、図４（Ａ）に示す特性データの特例に相当するものであり、第１と第２の圧縮機２３，２４の何れか一方のみが稼働する場合の「圧縮機運転周波数と空調能力との関係」を示す特性データである。空調能力は、冷房と暖房でそれぞれ、８段階に設定され、室外送風機２２の運転周波数は３０〜６０Ｈｚの範囲で選択され、圧縮機の運転周波数はおおよそ３０〜９０Ｈｚの範囲に設定されている。この特性データは、図４（Ａ）の健全時の特性データと比較して、第２の圧縮機２４を増速運転する形態となっている。

これらの特性データは、試験・実験により、予め求められていたものである。
また、特性データの記憶形態は任意であり、例えば、テーブル形式、関数の形式、グラフの形式などでよい。

図２に示すＩ／Ｏポート１１４は、プロセッサ１１１の制御に従って、外部装置に信号を送信し、また、外部装置から信号を受信し、プロセッサ１１１に提供する。具体的には、Ｉ／Ｏポート１１４は、プロセッサ１１１の制御に従って、ａ）開閉器ＣＢ１とＣＢ２に断続を指示する開閉器制御信号ＳＢ１，ＳＢ２を供給し、ｂ）接触器ＭＣ１〜ＭＣ３に開閉を指示する接触器制御信号ＳＭ１〜ＳＭ３を供給し、ｃ）第１〜第３のインバータ装置４１〜４３に、出力する交流電圧の周波数を指示する周波数指示信号ＳＦ１〜ＳＦ３を出力する。また、Ｉ／Ｏポート１１４は、ａ）第１〜第３の故障検出センサ５１〜５３から、第１〜第３のインバータ装置４１〜４３が故障したことを示す故障検出信号ＳＤ１〜ＳＤ３を受信して、プロセッサ１１１に通知し、ｂ）車両の空気バネの圧力などから車両の熱負荷を示す熱負荷指示信号ＳＬを受信し、プロセッサ１１１に通知する。

次に、上記構成を有する鉄道車両用空気調和装置１１の動作を、図６を参照しつつ説明する。
鉄道車両用空気調和装置１１が起動されると、プロセッサ１１１は、記憶部１１３に記憶されている制御プログラムを読み出し、制御動作を開始する。

プロセッサ１１１は、まず、Ｉ／Ｏポート１１４から、開閉器ＣＢ１とＣＢ２に開閉器制御信号ＳＢ１、ＳＢ２を送信し、これらを閉じる。これにより、コンバータ３１に電力が供給され、第１〜第３のインバータ装置４１〜４３、第１〜第３の故障検出センサ５１〜５３に動作用の電力が供給される。第１〜第３のインバータ装置４１〜４３は、それぞれ、デフォルトで定められた周波数の三相交流電圧を出力する。

続いて、プロセッサ１１１は、図６のフローチャートに示す運転制御処理を開始し、まず、熱負荷指示信号ＳＬをＩ／Ｏポート１１４を介して取り込み、必要な熱負荷を求める。次に、プロセッサ１１１は必要熱負荷に基づいて、必要な空調能力を求める（ステップＳ１１）。なお、空調能力は、例えば、冷房８段階、暖房８段階に設定され、予め設定された何れかの空調能力のうちから適切なものが選択されるものとする。

次に、プロセッサ１１１は、故障検出信号ＳＤ１〜ＳＤ３をＩ／Ｏポート１１４を介して取り込み、第１〜第３のインバータ装置４１〜４３が故障しているか否かを判別する（ステップＳ１２）。

ここでは、第１〜第３のインバータ装置４１〜４３は正常であり、故障は発生していないと仮定する。この場合、フローは、ステップＳ１３に進む。プロセッサ１１１は、記憶部１１３に記憶された図３に示す開閉テーブルから、正常時用の開閉パターンを読み出し、これに従って、図７に示すように、第１と第２の接触器ＭＣ１とＭＣ２とを閉状態とし、第３の接触器ＭＣ３を開状態とする（ステップＳ１３）。これにより、破線で模式的に示すように、室内送風機２１、室外送風機２２、第１と第２の圧縮機２３，２４に給電され、室外送風機２２と第１と第２の圧縮機２３、２４が、それぞれ、第１〜第３のインバータ装置４１〜４３によりインバータ駆動される。

プロセッサ１１１は、外部より供給される熱負荷指示信号ＳＬにより指示される熱負荷に基づいて、運転パターンを決定する。
具体的には、第１と第２の圧縮機２３，２４の運転台数と、室外送風機２２及び第１と第２の圧縮機２３，２４の運転周波数との組み合わせを、次の要件（１）〜（４）を満たすように決定する。

（１）必要空調能力を満足すること。
（２）車体の共振による振動を抑えること。
（３）車室空洞内の共鳴による騒音を抑えること。
（４）エネルギ効率を示す成績係数（COP）をできるだけ高くすること。
ここでは一例として、優先順位を（１）＞（２）＞（３）＞（４）とした場合を説明する。

まず、プロセッサ１１１は、（１）の条件を充足するため、必要な空調能力を得られるような、室外送風機２２と第１と第２の圧縮機２３，２４の組み合わせとその動作を求める（ステップＳ１４）。

このため、プロセッサ１１１は、記憶部１１３に記憶されている図４（Ａ）に例示した「圧縮機運転周波数と空調能力との関係」を示す特性データを読み出す。プロセッサ１１１は、図８（Ａ）に例示するように、この特性データにステップＳ１１で求めた必要空調能力を適用し、各特性曲線との交点を求め、交点で示される組み合わせを候補とする。この場合、ａ）室外送風機２２を運転速度３０Ｈｚで運転し、第１と第２の圧縮機２３，２４を運転周波数ｆ１で運転する候補１、ｂ）室外送風機２２を運転周波数６０Ｈｚで運転し、第１と第２の圧縮機２３，２４の一方のみを運転周波数ｆ２で運転する候補２、ｃ）室外送風機２２を運転周波数３０Ｈｚで運転し、第１と第２の圧縮機２３，２４の一方のみを運転周波数ｆ３で運転する候補３を組み合わせの候補として仮定する。なお、必要空調能力以上の空調能力が得られる組み合わせは、効率の低下に繋がるので、ここでは、必要空調能力と各特性曲線との交点での運転周波数のみを候補とする。

次に、（２）の条件を充足するため、プロセッサ１１１は、記憶部１１３から、図４（Ｂ）に例示した「圧縮機運転周波数と車体の共振点との関係」を示す特性データを読み出す。プロセッサ１１１は、図８（Ｂ）に例示するように、ステップＳ１４で得られた候補を特性データに適用し、各候補での振動の大きさを求め、共振による振動が大きくなるものを候補から除外する（ステップＳ１５）。この例では、候補３は車体共振点と合致またはその近傍にあり、共振による車体振動が大きくなるため、候補から除外される。従って、候補１，２だけが残る。なお、共振点にどの程度近いものを除外するかの基準は予め定めておく。例えば、振動が共振点での振動の大きさの１／ｐ以下となるような候補を選択し、それ以外の候補を除外する基準とする。なお、ｐは１より大きい実数である。

次に、（３）の条件を充足するため、プロセッサ１１１は、記憶部１１３から、図４（Ｃ）に例示した「圧縮機運転周波数と車両空洞共鳴との関係」を示す特性データを読み出す。プロセッサ１１１は、図９（Ａ）に例示するように、ステップＳ１４で得られた候補を特性データに適用し、各候補での騒音の大きさを求め、共鳴による騒音が大きくなるものを候補から除外する（ステップＳ１６）。この例では、候補３は共鳴点と合致またはその近傍にあり、共鳴による騒音が大きくなるため、候補から除外される。従って、候補１，２だけが残る。なお、共鳴点にどの程度近いものを除外するかの基準は予め定めておく。例えば、騒音が、共鳴点での騒音の大きさの１／ｑ以下となるような候補を選択し、それ以外の候補を除外する基準とする。なお、ｑは１より大きい実数である。なお、説明では、候補１〜３を特性データに適用したが、ステップＳ１５で残った、候補１と２のみを特性データに適用してもよい。

最後に、（４）の条件を充足する組み合わせを選択するため、プロセッサ１１１は、記憶部１１３から、図４（Ｄ）に例示した「圧縮機運転周波数と成績係数との関係」を示す特性データを読み出す。プロセッサ１１１は、図９（Ｂ）に示すように、残った候補を、読み出した特性データに適用し、最大の成績係数が得られる候補を選択し、選択した候補で特定される運転台数と運転周波数の組み合わせを、正常時用の第１の運転パターンとする（ステップＳ１７）。図９（Ｂ）の例では、候補１よりも候補２の方が成績係数が大きいため、エネルギ効率の観点からは、候補２の方が優れている。そこで、運転パターンとして候補２を採択し、これで特定される運転台数と運転周波数の組み合わせを、正常時用の第１の運転パターンとする。

続いて、プロセッサ１１１は、第１〜第３のインバータ装置４１〜４３に、ステップＳ１７で選択された候補に相当する運転周波数を指示する（ステップＳ１８）。

候補２が選択されたとすれば、プロセッサ１１１は、第１のインバータ装置４１に周波数６０Ｈｚを示す周波数指示信号ＳＦ１を送信し、第２のインバータ装置４２に周波数ｆ２を指示する周波数指示信号ＳＦ２を送信し、第３のインバータ装置４３に停止を指示する周波数指示信号ＳＦ３を送信する。なお、第３のインバータ装置４３に運転周波数ｆ２を指示する周波数指示信号ＳＦ３を送信し、第２のインバータ装置４２に停止を指示する周波数指示信号ＳＦ２を送信してもよい。

以後、第１〜第３のインバータ装置４１〜４３は、周波数指示信号ＳＦ１〜ＳＦ３で指示された周波数の三相交流信号を出力する。室外送風機２２のファンと、第１と第２の圧縮機２３，２４は、それぞれ、供給された交流電力で動作するため、結果的に、ステップＳ１７で選択された候補が指定する運転周波数で動作する。

候補２が選択されたとすれば、プロセッサ１１１は、第１のインバータ装置４１に周波数６０Ｈｚを示す周波数指示信号ＳＦ１を送信し、第２のインバータ装置４２に周波数ｆ２を指示する周波数指示信号ＳＦ２を送信し、第３のインバータ装置４３に停止を指示する周波数指示信号ＳＦ３を送信する。これにより、室外送風機２２は、運転周波数６０Ｈｚで、第１の圧縮機２３は運転周波数ｆ２で動作し、第２の圧縮機２４は停止する。これにより、必要な空調能力を充足し、振動及び騒音が少なく、エネルギ効率の高い運転パターンで鉄道車両用空気調和装置１１が運転される。従って、従来よりも省エネルギおよび快適性の向上を図ることができる。

プロセッサ１１１は、周期的に、図６に示す運転制御処理を実行する。

次に、図１０に示すように、第１のインバータ装置４１が故障したと仮定する。この場合、室外送風機２２への第１のインバータ装置４１からの電力の供給は停止する。第１の故障検出センサ５１は、これを検出し、故障検出信号ＳＤ１を出力する。プロセッサ１１１は、Ｉ／Ｏポート１１４を介して、故障検出信号ＳＤ１を取り込み、第１のインバータ装置４１が故障したと判別する。

プロセッサ１１１は、その後、図６の運転制御処理を開始すると、ステップＳ１２で、第１のインバータ装置４１が故障していると判別し、処理をステップＳ２１に進める。

ステップＳ２１において、プロセッサ１１１は、記憶部１１３に記憶された図３に示す開閉テーブルから、第１のインバータ装置４１が故障したとき用の開閉パターンを読み出し、これに従って、接触器ＭＣ１とＭＣ３を閉じ、接触器ＭＣ２を開く（ステップＳ２１）。これにより、破線で模式的に示すように、室内送風機２１、室外送風機２２、第１と第２の圧縮機２３，２４にそれぞれ給電され、室外送風機２２と第１の圧縮機２３が第２のインバータ装置４２によりインバータ駆動され、第２の圧縮機２４が第３のインバータ装置４３によりインバータ駆動される。

次に、プロセッサ１１１は、運転パターンを決定する。この状態では、室外送風機２２と第１の圧縮機２３とは共通の第２のインバータ装置４２から給電され、同期運転となる。このため、プロセッサ１１１は、図４（Ａ）に示す「圧縮機運転周波数と空調能力との関係」を示す特性データではなく、図５（Ａ）に例示した「室外送風機と第１の圧縮機が同期運転する場合の圧縮機運転周波数と空調能力との関係」を示す特性データを記憶部１１３から読み出す。プロセッサ１１１は、図１１に例示するように、読み出した特性データに、ステップＳ１１で特定した必要空調能力を適用し、組み合わせの候補を求める（ステップＳ２２）。

図１１の例では、運転周波数ｆ11〜ｆ13に相当する候補４〜候補６が求められる。
その後、フローは、前述のステップＳ１５に進み、以後、前述の共振に関する条件（２）、共鳴に関する条件（３）、エネルギ効率に関する条件（４）を満たす候補を選定する（ステップＳ１５〜Ｓ１７）。選択された候補で特定される運転台数と運転周波数の組み合わせを、第１のインバータ装置４１が故障したとき用の第２の運転パターンとする。続いて、第１〜第３のインバータ装置４１〜４３に出力電圧の周波数を指示し（ステップＳ１８）、運転を継続する。これにより、空調能力を確保しつつ、低振動及び低騒音で、且つ、高効率で鉄道車両用空気調和装置１１の運転が継続される。

次に、図１２に模式的に示すように、第２のインバータ装置４２が故障したときの動作を説明する。この場合、第１の圧縮機２３への第２のインバータ装置４２からの電力の供給は停止する。第２の故障検出センサ５２は、これを検出し、故障検出信号ＳＤ２を出力する。プロセッサ１１１は、故障検出信号ＳＤ２から、第２のインバータ装置４２が故障したと判別する。

プロセッサ１１１は、その後、図６の運転制御処理を開始すると、ステップＳ１２で、第２のインバータ装置４２が故障していると判別し、処理をステップＳ３１に進める。

ステップＳ３１において、プロセッサ１１１は、接触器ＭＣ１〜ＭＣ３に接触器制御信号ＳＭ１〜ＳＭ３を送信し、図１２に示すように、第１と第２の接触器ＭＣ１とＭＣ２を閉じ、第３の接触器ＭＣ３を開く。これにより、破線で示すように給電がされ、室外送風機２２が第１のインバータ装置４１によりインバータ駆動され、第２の圧縮機２４が第３のインバータ装置４３によりインバータ駆動される。

次に、プロセッサ１１１は、運転パターンを決定する。この状態では、第１の圧縮機２３は停止しており、圧縮機は１台のみの運転となる。このため、プロセッサ１１１は、図４（Ａ）に示す特性データではなく、図５（Ｂ）に例示した「圧縮機が１台のみ運転時の圧縮機運転周波数と空調能力との関係」を示す特性データを記憶部１１３から読み出す。プロセッサ１１１は、図１３に例示するように、読み出した特性データに、ステップＳ１１で特定した現在の必要空調能力を適用し、組み合わせの候補を求める（ステップＳ３２）。

図１３の例では、運転周波数ｆ21〜ｆ23に相当する候補７〜候補９が求められる。運転周波数ｆ21〜ｆ23は、健全時のステップＳ２２で選択される候補の運転周波数ｆ１〜ｆ３よりも相対的に高く、第２の圧縮機２４を増速運転するパターンとなっている。

その後、フローは、前述のステップＳ１５に進み、以後、前述の共振に関する条件（２）、共鳴に関する条件（３）、エネルギ効率に関する条件（４）を満たす候補が選定される（ステップＳ１５〜Ｓ１７）。選択された候補で特定される運転台数と運転周波数の組み合わせを、第２のインバータ装置４２が故障したとき用の第３の運転パターンとする。この運転パターンは、第２の圧縮機２４を増速運転するパターンとなっている。

続いて、第１〜第３のインバータ装置４１〜４３に出力電圧の周波数が指示され（ステップＳ１８）、運転が継続される。これにより、空調能力を確保しつつ、低振動及び低騒音で、且つ、高効率でこの鉄道車両用空気調和装置１１の運転が継続される。

次に、図１４に模式的に示すように、第３のインバータ装置４３が故障したときの動作を説明する。破線で示すように給電がされ、室外送風機２２が第１のインバータ装置４１によりインバータ駆動され、第１の圧縮機２３が第２のインバータ装置４２によりインバータ駆動され、第２の圧縮機２４は停止し、第１の圧縮機２３のみの運転となる。

プロセッサ１１１は、故障検出信号ＳＤ３から、第３のインバータ装置４３が故障したと判別する。プロセッサ１１１は、その後、図６の運転制御処理を開始すると、ステップＳ１２で、第３のインバータ装置４３が故障していると判別し、処理をステップＳ３１に進める。以後の処理は、第２のインバータ装置４２が故障した場合の処理と同様である。選択された候補で特定される運転台数と運転周波数の組み合わせを、第３のインバータ装置４３が故障したとき用の第３の運転パターンとする。このとき、第１の圧縮機２３は増速運転となる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、第１のインバータ装置４１の健全時には、第１のインバータ装置４１で室外送風機２２を駆動し、故障時には、第２のインバータ装置４２により室外送風機２２と第１の圧縮機２３とをインバータ駆動する。健全時と故障時、それぞれ、空調能力と車体の共振周波数とエネルギ効率とに基づいて定められた運転パターンに基づいて、第１から第３のインバータ装置４１〜４３を制御する。これにより、必要空調能力を充足しつつ、低振動低騒音化、さらに、高エネルギ効率で、省エネ型運転が可能な鉄道車両用空気調和装置１１を提供できる。

この発明は上記実施の形態に限定されず、種々の変形及び応用が可能である。
例えば、図１に示した鉄道車両用空気調和装置の構成は例示であり、適宜変更可能である。例えば、上記実施の形態においては、室内送風機２１には、インバータ装置を介さずに固定周波数の電力を供給したが、室内送風機２１にもインバータ装置から可変周波数の電力を供給してもよい。この場合、室内送風機２１の運転周波数を考慮した特性データを準備し、記憶部１１３に記憶しておけばよい。

コンバータ３１により、交流の車内電源を直流に変換してインバータ装置に供給する構成を例示したが、車内電源を直流としてもよい。

また、圧縮機の台数は２台に限定されず、１台でも３台以上でもよい。同様に、室内送風機の台数と室外送風機の台数も任意であり、２台以上でもよい。
また、バックアップ給電用の回路を他の構成部分に配置してもよい。

上記実施の形態においては、第１のインバータ装置４１の出力電圧の周波数と室外送風機２２の運転周波数が等しく、第２のインバータ装置４２の出力電圧の周波数と第１の圧縮機２３の運転周波数が等しく、第３のインバータ装置４３の出力電圧の周波数と第２の圧縮機２４の運転周波数が等しいとして、説明したが、これらは等しい値である必要はない。例えば、第１のインバータ装置４１の出力電圧のｒ周期で、室外送風機２２の１運転周期が成立するようにしてもよい。ｒは正の実数である。この場合、プロセッサ１１１は、第１のインバータ装置４１に必要とされる運転周波数のｒ倍の周波数を指示すればよい。また、プロセッサ１１１が、第１のインバータ装置４１に運転周波数を通知し、第１のインバータ装置４１が自己の出力電圧の必要な周波数を求めて、その周波数を有する電圧を出力するようにしてもよい。第２と第３のインバータ装置４２，４３についても同様である。

上記実施の形態においては、運転パターンを決定するに際し、充足すべき条件（１）〜（４）の優先順位を、（１）＞（２）＞（３）＞（４）としたが、適宜変更可能である。例えば、エネルギ効率を最優先とする場合には、（４）の条件を最優先し、以下、（１）〜（３）の条件の優先順位を適宜設定すればよい。
図６に示すフローチャートも一例であり、適宜変更可能である。

上記実施の形態においては、バックアップ用給電回路７２を、過電流継電器７１と接触器ＭＣ３との直列回路から構成したが、バックアップ時に、第２のインバータ装置４２から室外送風機２２への給電路が成立するならば、その構成は任意である。

また、上記実施の形態においては、圧縮機の台数は２台であったが、２台に限定されず、１台でも３台以上でもよい。

第１〜第３のインバータ装置４１〜４３の故障を第１〜第３の故障検出センサ５１〜５３で検出し、プロセッサ１１１が故障検出信号ＳＤ１〜ＳＤ３を制御に使用する例を説明した。この発明はこれに限定されない。第１〜第３のインバータ装置４１〜４３の故障を、ユーザがプロセッサ１１１に入力する形態とする等、適宜変更可能である。

第１〜第３のインバータ装置４１〜４３の出力を三相交流電圧、室内送風機２１と第１と第２の圧縮機２３、２４の駆動モータを三相誘導モータとする例を示したが、第１〜第３のインバータ装置４１〜４３の出力を単相交流電圧とし、モータを単相モータとしてもよい。また、モータを誘導モータ以外の構成としてもよい。

１１ 鉄道車両用空気調和装置、２１ 室内送風機、２２ 室外送風機、２３ 第１の圧縮機、２４第２の圧縮機、３１ コンバータ、４１〜４３ 第１〜第３のインバータ装置、５１〜５３ 第１〜第３の故障検出センサ、６１ 制御装置、７１ 過電流継電器、７２ バックアップ用給電回路、ＭＣ１〜ＭＣ３ 接触器、１１１ プロセッサ、１１２ メモリ、１１３ 記憶部 １１４ Ｉ／Ｏポート、１１５ バス

Claims (6)

1. 室外送風機と、
   前記室外送風機をインバータ駆動する第１のインバータ装置と、
   第１の圧縮機と、
   前記第１の圧縮機をインバータ駆動する第２のインバータ装置と、
   第２の圧縮機と、
   前記第２の圧縮機をインバータ駆動する第３のインバータ装置と、
   前記第１のインバータ装置の故障時に、前記第２のインバータ装置が出力する電力を前記室外送風機に供給するために、前記第１のインバータ装置と前記室外送風機との間に配置され、回路を開閉する第１の接触器と、一端が前記室外送風機と前記第１の接触器との間の回路に接続され、他端が前記第２のインバータ装置に接続され、第２の接触器と過電流継電器との直列回路を備えるバックアップ用給電回路と、
   制御装置と、
   を備えるインバータ駆動の鉄道車両用空気調和装置であって、
   前記制御装置は、前記室外送風機の運転周波数と前記圧縮機の動作台数と圧縮機の運転周波数と空調能力との関係を示す第１の特性データ、前記室外送風機と前記第１の圧縮機とが同期運転するという条件で、前記室外送風機と前記第１の圧縮機の運転周波数と前記第２の圧縮機の運転周波数と空調能力との関係を示す第２の特性データ、前記圧縮機が１台のみ運転という条件で、前記室外送風機の運転周波数と運転する前記圧縮機の運転周波数と空調能力との関係を示す第３の特性データ、とを記憶する記憶部を備え、
   前記第１から第３のインバータ装置の健全時に、前記第１の接触器を閉じて、前記第２の接触器を開き、必要空調能力と前記第１の特性データと車体の共振周波数とエネルギ効率とに基づいて定められた第１の運転パターンを選択し、選択した第１の運転パターンに基づいて、前記第１から第３のインバータ装置を制御し、
   前記第１のインバータ装置が故障し、前記第２と第３のインバータ装置が健全な時には、前記第１の接触器を開いて、前記第２の接触器を閉じることにより、前記第２のインバータ装置から前記室外送風機に給電し、必要空調能力と前記第２の特性データと車体の共振周波数とエネルギ効率とに基づいて定められた第２の運転パターンを選択し、選択した第２の運転パターンに基づいて、前記第２と第３のインバータ装置を制御し、
   前記第１のインバータ装置が健全で、前記第２又は第３のインバータ装置が故障した時には、必要空調能力と前記第３の特性データと車体の共振周波数とエネルギ効率とに基づいて定められた第３の運転パターンを選択し、選択した第３の運転パターンに基づいて、前記第１から第３のインバータ装置を制御する、
   鉄道車両用空気調和装置。
2. 前記制御装置の前記記憶部は、さらに、車両の空洞内の共鳴周波数に基づいて、前記第１の運転パターン、前記第２の運転パターン、及び前記第３の運転パターンを選択する、
   請求項１に記載の鉄道車両用空気調和装置。
3. 前記制御装置は、
   前記第１から第３のインバータ装置が健全な時に、必要空調能力と前記第１の特性データとに基づいて、前記室外送風機の運転周波数と圧縮機の動作台数と圧縮機の運転周波数との組み合わせの候補を複数個求め、車体の共振周波数とエネルギ効率と共鳴周波数とに基づいて、複数個の候補のうちから１つの組み合わせを選択し、選択した組み合わせに基づいて、前記第１から第３のインバータ装置を制御し、
   前記第１のインバータ装置が故障し、前記第２と第３のインバータ装置が健全な時には、必要空調能力と前記第２の特性データとに基づいて、前記室外送風機の運転周波数と圧縮機の運転台数と前記第２の圧縮機の運転周波数との組み合わせの候補を複数個求め、車体の共振周波数とエネルギ効率と共鳴周波数とに基づいて、複数個の候補のうちから１つの組み合わせを選択し、選択した組み合わせに基づいて、前記第２と第３のインバータ装置を制御し、
   前記第１のインバータ装置が健全で、前記第２又は第３のインバータ装置が故障した時には、必要空調能力と前記第３の特性データとに基づいて、前記室外送風機の運転周波数と運転する圧縮機の運転周波数との組み合わせの候補を複数個求め、車体の共振周波数とエネルギ効率と共鳴周波数とに基づいて、複数個の候補のうちから１つの組み合わせを選択し、選択した組み合わせに基づいて、前記第３又は第２インバータ装置を制御する、
   請求項２に記載の鉄道車両用空気調和装置。
4. さらに、室内送風機を備え、前記室内送風機には、固定周波数または第４のインバータからの可変周波数の電力が供給される、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の鉄道車両用空気調和装置。
5. 前記制御装置は、空調能力を冷房と暖房それぞれ８段階に制御する、請求項１から４のいずれか１項に記載の鉄道車両用空気調和装置。
6. 前記制御装置は、前記第１と第２の圧縮機の運転周波数を３０〜９０Ｈｚ、前記室外送風機の運転周波数を３０〜６０Ｈｚの範囲で制御する、請求項１から５のいずれか１項に記載の鉄道車両用空気調和装置。

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