JPWO2018016275A1 - 車両用電力変換装置および鉄道車両 - Google Patents

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Abstract

本発明の一実施形態に係る車両用電力変換装置は、エンジンの回転力により発電を行う発電機で発電された交流電力を直流電力に変換するコンバータ（４）と，直流電力を車両駆動用モータ（６）に供給する交流電力に変換する第１のインバータ（５）と，直流電力を補機（８）に供給するための交流電力に変換する第２のインバータ（７）と，第１のインバータ（５）の温度を測定する第１の温度センサ（１０２）と，第１の温度センサ（１０２）で測定した前記第１のインバータ（５）の温度が所定温度以上になった場合に、第２のインバータ（７）の出力電力を制限する制御装置（９）と，を備える。

Description

本発明は，車両に搭載される電力変換装置に関する。
近年，鉄道車両においてエンジンによって発電機を動作させ，その発電機によって出力された電力を電力変換装置によって変換し，モータなどの電車の車両駆動装置や空調や照明，バッテリ充電装置などの車上電気品に電力を供給するシステムが登場している。エンジン，発電機，電力変換装置などの装置は，多くの場合，鉄道車両の床下に艤装される。そのため，通常の電車システムと比較して，高温となったエンジンの排気により電力変換装置温度がさらに上昇する。また、一般的に鉄道車両は前後双方向に走行するため，電力変換装置がエンジン排気の影響を避けることが難しい。電力変換装置では，装置内温度上昇により電力変換用半導体素子や制御論理部の故障や寿命の低下を防ぐために，一般的に半導体素子や制御論理部に温度センサを設け，その温度センサの値が許容値以上になった場合に電力変換装置を停止させる機能を有している。エンジン及び発電機によって電力変換装置に電力を供給するシステムでは，エンジンの排気により電力変換装置が熱せられ，この停止機能により頻繁に電力変換装置が停止してしまう可能性がある。この解決策として，特許文献１には電力変換装置の負荷であるモータの出力を下げる方法が示されている。
特開２００５−２６９８１５号公報
特許文献１に記載の制御方法を鉄道車両に適用すると，所望のモータトルクより出力トルクを下げることになるため，時刻表通りに運転することができず，列車遅延の原因となる可能性がある。
本発明の目的は，時刻表通りの運転を維持しつつ，エンジンの出力排気温度を低減し，コンバータまたはインバータ温度が許容値を超えて、非常停止することを抑制する車両用電力変換装置を提供することである。
本発明は，エンジンの回転力により発電を行う発電機で発電された交流電力を直流電力に変換するコンバータと，直流電力を車両駆動用モータに供給する交流電力に変換する第１のインバータと，直流電力を補機に供給するための交流電力に変換する第２のインバータと，を備えた車両用電力変換装置において，第１のインバータの温度を測定する第１の温度センサと，第１の温度センサで測定した第１のインバータの温度が所定温度以上になった場合に、第２のインバータの出力電力を制限する制御装置と，を備えることを特徴とする。
本発明によれば，時刻表通りの運転を維持しつつ，補機の消費電力を制限することでエンジンの出力排気温度を低減し，コンバータまたはインバータ温度が許容値を超えて、非常停止することを抑制することができる。
図１は，本発明の実施例１に係る電力変換装置のシステム構成図である。 図２は，実施例１の素子過温度検知部９１による制御フローチャートを示す図である。 図３は，実施例２に係る電力変換装置のシステム構成図である。 図４は，実施例２の筐体内過温度検知部９３による制御フローチャートを示す図である。 図５は，実施例３に係る電力変換装置のシステム構成図である。 図６は，実施例３の制御装置過温度検知部９４による制御フローチャートを示す図である。
本発明の実施形態として，図面を参照しながら，実施例１〜実施例３について説明する。尚，各図および各実施例において，同一又は類似の構成要素には同じ符号を付し，重複するものについては説明を省略することがある。
図１は，本発明の実施例１に係る電力変換装置のシステム構成図である。まず，本システムの基本構成から説明する。エンジン１に発電機２が接続されており，この発電機２で発電される交流電力が電力変換装置３に取り込まれる。電力変換装置３は，取り込んだ交流電力をコンバータ４で直流電力に変換し，この直流電力を第１のインバータ５（モータ駆動用インバータ）にて三相交流電力に変換して交流モータ６から電車を駆動させる動力を発生させる。また，前述したコンバータ４によって作られた直流電力を基に第２のインバータ７(補助電源装置)により交流電力を作り出し，空調や照明，ブレーキコンプレッサなどの補機８に電力を供給している。補機８は電力変換装置３の制御装置９からの負荷低減指令を受けて，負荷を低減する機能を有する。また，制御装置９に関しては，補機８に対する負荷低減指令を作成する機能の他に，コンバータ４，第１のインバータ５，第２のインバータ７の制御を含むシステム全体を統括する機能，および，コンバータ４，第１のインバータ５，第２のインバータ７に過温度などの異常が認められた場合にシステムの停止・再起動を行う保護機能を有している。尚，図１では，制御装置９の中のコンバータ４，第１のインバータ５，第２のインバータ７の制御を含むシステム全体の統括を行う機能の詳細，および，コンバータ４，第１のインバータ５，第２のインバータ７の異常検知時にシステムの停止・再起動を行う保護機能の詳細については，図示を省略している。
次に，補機８に対する負荷低減指令を作成する制御装置９の処理態様について説明する。電力変換装置３のコンバータ４，第１のインバータ５，第２のインバータ７にはそれぞれ、スイッチング素子の温度を計測して、計測結果を素子温度情報として出力する温度センサを備える。制御装置９は，素子過温度検知部９１にて，コンバータ４，第１のインバータ５，第２のインバータ７のそれぞれに搭載される温度センサ１０１，１０２，１０３からの素子温度情報であるコンバータ素子温度情報１０１０、第１のインバータ素子温度情報１０２０、第２のインバータ素子温度情報１０３０から過温度検知信号９１０を生成し，負荷低減指令作成部９２に出力する。
図２は，図１の素子過温度検知部９１による制御フローチャートを示す図である。この制御フローチャートは，電力変換装置３における温度センサ１０１，１０２，１０３からのコンバータ素子温度情報１０１０、第１のインバータ素子温度情報１０２０、第２のインバータ素子温度情報１０３０から過温度検知信号９１０を作成するための基本的な制御の流れを示すものである。
ステップＳ００１で，素子過温度検知部９１（以下，「検知部」と略す）は処理を開始する。ステップＳ００２で，検知部は，第１のインバータの素子温度が所定温度以上であるか否かを判定する。第１のインバータ素子温度が所定温度以上であれば（Ｙｅｓ），ステップＳ００６にて過温度と判定して過温度検知信号９１０をＯＮし，ステップＳ００７にて処理を終了する。一方，ステップＳ００２にて第１のインバータ素子温度が所定温度未満であれば（Ｎｏ），ステップＳ００３に移行する。
ステップＳ００３で，検知部は，第２のインバータからの素子温度が所定温度以上であるか否かを判定する。第２のインバータ素子温度が所定温度以上であれば（Ｙｅｓ），ステップＳ００６にて過温度と判定して過温度検知信号９１０をＯＮし，ステップＳ００７にて処理を終了する。一方，ステップＳ００３にて第２のインバータ素子温度が所定温度未満であれば（Ｎｏ），ステップＳ００４に移行する。
ステップＳ００４で，検知部は，コンバータからの素子温度が所定温度以上であるか否かを判定する。コンバータ素子温度が所定温度以上であれば（Ｙｅｓ），ステップＳ００６にて過温度と判定して過温度検知信号９１０をＯＮし，ステップＳ００７にて処理を終了する。一方，ステップＳ００４にてコンバータ素子温度が所定温度未満であれば（Ｎｏ），ステップＳ００５にて過温度ではないと判定して過温度検知信号９１０をＯＦＦし，ステップＳ００７にて処理を終了する。
ここにおいて，所定温度は各素子の許容温度以下に設定する。具体的には各素子の許容温度の６０℃〜３０℃程度低い温度に設定する。これは，温度センサで測定できる素子温度は，パッケージ温度であるため，素子のジャンクション温度はパッケージ温度より高くなっているためである，また，許容値ぎりぎりに所定温度を設定すると，負荷を軽減して温度上昇を抑制する効果が現れる前に保護が働き，電力変換装置が停止してしまう。また，使用されている素子が異なれば，第１のインバータ，第２のインバータ，コンバータの所定温度は異なってもよい。また，ステップＳ００２，Ｓ００３，Ｓ００４の処理順序は，必ずしも図２に記載の順序である必要はなく，処理順番を入れ替えることも可能である。
また，上述した素子過温度検知部９１は，それらの一部又は全部を，制御装置９の構成要素として採用される集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよく，また，制御装置９が備えるプロセッサ（図示せず）が，それぞれの機能を実現するプログラムを解釈し実行することによりソフトウェアで実現してもよい。このプログラム等の情報は，メモリや，ハードディスク，ＳＳＤ等の記録装置，または，ＩＣカード，ＳＤカード，ＤＶＤ等の記録媒体に格納することができる。
図１に戻り，過温度検知信号９１０がＯＮとなった以降の処理態様について説明する。負荷低減指令作成部９２は，過温度検知信号９１０を基に負荷低減指令９２０を作成する。
この負荷低減指令９２０は，補機８の種類によって異なる。例えば，補機８が空調の場合は，運転させる空調の台数を低減させるための指令となる。また，補機８が照明の場合は，点灯する照明の台数を低減させるための指令となる。この指令を補機８に入力方法として，メタル線による伝送でも，図示しない制御情報処理装置を利用した伝送でもよい。
以上のように，実施例１の制御装置９では，素子過温度検知部９１が第１のインバータ，第２のインバータ，コンバータの素子温度を測定する各温度センサからの温度情報を基に所定温度（素子許容温度より６０℃〜３０℃程度低い温度）を超えた過温度状態にあるか否かを判定し，負荷低減指令作成部９２が補機８に対し，負荷低減指令９２０を出力する。
なお、図１では負荷低減指令９２０を補機８に出力し、補機の運転台数を低減させる実施形態を説明したが、負荷低減指令９２０を第２のインバータに出力し、補機へ供給する電力量を低減するように第２のインバータのスイッチング動作を制御することも可能である。
床下の搭載されたエンジンによって発電機を動作させ，その発電機によって出力された電力を同じく床下に搭載された電力変換装置によって変換し，モータなどの電車の車両駆動装置や空調や照明，バッテリ充電装置などの車上電気品に電力を供給する鉄道車両システムでは，エンジンからの高温な排気により電力変換装置が熱せられて過温度保護で停止する事態がある。このような状態に陥らないように，過温度保護が働く前に第２のインバータの出力電力を低減することにより，エンジンの出力を低減させ，それにともないエンジンの排気温度を低減させることが可能である。これによって，電力変換装置の温度上昇を抑制し，電力変換装置が過温度保護で停止するのを低減することができる。
図３は，本発明の実施例２に係る電力変換装置のシステム構成図である。実施例２は，先に説明した実施例１において，電力変換装置温度を素子温度から，装置筐体内温度に変更したものである。そのため，実施例２は，電力変換装置３の筐体内に温度センサ１０４が取り付けられ，筐体内過温度検知部９３を制御装置９に設けた点が実施例１と異なる。
実施例２において制御装置９が補機８に対する負荷低減指令９２０を作成する処理態様を以下に示す。制御装置９は，筐体内過温度検知部９３にて，電力変換装置３の筐体内に取り付けられた温度センサ１０４からの筐体内温度情報１０４０から過温度検知信号９３０を生成し，負荷低減指令作成部９２に出力する。
図４は，図３の筐体内過温度検知部９３による制御フローチャートを示す図である。この制御フローチャートは，電力変換装置３における温度センサ１０４からの筐体内温度情報１０４０から過温度検知信号９３０を作成するための基本的な制御の流れを示すものである。
ステップＳ１０１で，筐体内過温度検知部９３（以下，「検知部」と略す）は処理を開始する。ステップＳ１０２で，検知部は，筐体内温度が所定温度以上であるか否かを判定する。筐体内温度が所定温度以上であれば（Ｙｅｓ），ステップＳ１０４にて過温度と判定して過温度検知信号９３０をＯＮし，ステップＳ１０５にて処理を終了する。一方，ステップＳ１０２にて筐体内温度が所定温度未満であれば（Ｎｏ），ステップＳ１０３にて過温度ではないと判定して過温度検知信号９３０をＯＦＦし，ステップＳ１０５にて処理を終了する。
ここで，所定温度は筐体内に取り付けられた電力変換装置を構成する部品の許容温度以下に設定する。具体的には各部品の許容温度の２０℃〜１０℃程度低い温度に設定する。これは，許容値ぎりぎりに所定温度を設定すると，負荷を軽減して温度上昇を抑制する効果が現れる前に保護が働き，電力変換装置が停止してしまう状態を避けるためである。
過温度検知信号９３０がＯＮとなった場合の負荷低減指令作成部９２による処理態様については，実施例１と同じであるため説明を省略する。
以上のように，実施例２の制御装置９では，筐体内過温度検知部９３が電力変換装置の筐体内温度を測定する温度センサからの温度情報を基に所定温度（筐体内に取り付けられた電力変換装置を構成する部品の許容温度より２０℃〜１０℃程度低い温度）を超えた過温度状態にあるか否かを判定し，負荷低減指令作成部９２が補機８又は第２のインバータに対し，負荷低減指令９２０を出力する。
上記のシステムにより，エンジンによって発電機を動作させ，その発電機によって出力された電力を電力変換装置によって変換し，モータなどの電車の車両駆動装置や空調や照明，バッテリ充電装置などの車上電気品に電力を供給する鉄道車両システムで，エンジンからの高温な排気により電力変換装置が熱せられ、過温度保護で停止するのを低減することができる。
図５は，本発明の実施例３に係る電力変換装置のシステム構成図である。実施例３は，先に説明した実施例１において，電力変換装置温度を素子温度から，制御装置温度に変更したものである。そのため，実施例３は，電力変換装置３の制御装置９に温度センサ１０５が取り付けられ，制御装置過温度検知部９４を制御装置９に設けた点が実施例１と異なる。
実施例３において制御装置９が補機８に対する負荷低減指令９２０を作成する処理態様を以下に示す。制御装置９は，制御装置過温度検知部９４にて，制御装置９に取り付けられた温度センサ１０５からの制御装置温度情報１０５０から過温度検知信号９４０を生成し，負荷低減指令作成部９２に出力する。
図６は，図５の制御装置過温度検知部９４による制御フローチャートを示す図である。この制御フローチャートは，電力変換装置３における温度センサ１０５からの制御装置温度情報１０５０から過温度検知信号９４０を作成するための基本的な制御の流れを示すものである。
ステップＳ２０１で，制御装置過温度検知部９４（以下，「検知部」と略す）は処理を開始する。ステップＳ２０２で，検知部は，制御装置温度が所定温度以上であるか否かを判定する。制御装置温度が所定温度以上であれば（Ｙｅｓ），ステップＳ２０４にて過温度と判定して過温度検知信号９４０をＯＮし，ステップＳ２０５にて処理を終了する。一方，ステップＳ２０２にて制御装置温度が所定温度未満であれば（Ｎｏ），ステップＳ２０３にて過温度ではないと判定して過温度検知信号９４０をＯＦＦし，ステップＳ２０５にて処理を終了する。
ここにおいて，所定温度は制御装置９を構成する部品の許容温度以下に設定する。具体的には各部品の許容温度の２０℃〜１０℃程度低い温度に設定する。これは，許容値ぎりぎりに所定温度を設定すると，負荷を軽減して温度上昇を抑制する効果が現れる前に保護が働き，電力変換装置が停止してしまう。
図５に戻るが，過温度検知信号９４０がＯＮとなった以降の処理態様については，実施例１と同じであるため説明を省略する。
以上のように，実施例３の制御装置９では，制御装置過温度検知部９４が制御装置温度を測定する温度センサからの温度情報を基に所定温度（制御装置を構成する部品の許容温度より２０℃〜１０℃程度低い温度）を超えた過温度状態にあるか否かを判定し，負荷低減指令作成部９２が補機８又は第２のインバータに対し，負荷低減指令９２０を出力する。
上記のシステムにより，エンジンによって発電機を動作させ，その発電機によって出力された電力を電力変換装置によって変換し，モータなどの電車の車両駆動装置や空調や照明，バッテリ充電装置などの車上電気品に電力を供給する鉄道車両システムで，エンジンからの高温な排気により電力変換装置が過温度保護で停止するのを低減することができる。
以上，本発明の実施例１〜３について説明したが，これら各実施例の構成はあくまで一例であり，本発明は，技術思想を逸脱しない範囲内で適宜変更が可能である。例えば，実施例１〜３では，第１のインバータ５，第２のインバータ７およびコンバータ４は一つの制御装置９で制御されるように記載したが，それぞれ，個別の制御装置で制御してもよい。この場合，それぞれの制御装置で過温度検知し，負荷低減指令９２０を補機８に出力する。また，第１のインバータ５，第２のインバータ７およびコンバータ４は一つの筐体に格納しているように記載したが，例えば，第１のインバータ５と第２のインバータ７は別の筐体に格納されていてもよい。この場合も，それぞれの制御装置で過温度検知し，負荷低減指令を補機８に出力する。
１： エンジン， ２： 発電機， ３： 電力変換装置， ４： コンバータ， ５：
第１のインバータ， ６： 交流モータ， ７： 第２のインバータ， ８： 補機，
９： 制御装置， ９１： 素子過温度検知部， ９２： 負荷低減指令作成部， ９３： 筐体内過温度検知部， ９４： 制御装置過温度検知部， １０１，１０２，１０３，１０４，１０５ 温度センサ， ９１０，９３０，９４０： 過温度検知信号， ９２０： 負荷低減指令， １０１０： コンバータ素子温度情報， １０２０： 第１のインバータ素子温度情報， １０３０： 第２のインバータ素子温度情報， １０４０：
筐体内温度情報， １０５０： 制御装置温度情報

Claims (6)

  1. エンジンの回転力により発電を行う発電機で発電された交流電力を直流電力に変換するコンバータと，前記直流電力を車両駆動用モータに供給する交流電力に変換する第１のインバータと，前記直流電力を補機に供給するための交流電力に変換する第２のインバータと，を備えた車両用電力変換装置において，
    前記第１のインバータの温度を測定する第１の温度センサと，
    前記第１の温度センサで測定した前記第１のインバータの温度が所定温度以上になった場合に、前記第２のインバータの出力電力を制限する制御装置と，を備えることを特徴とする車両用電力変換装置。
  2. 請求項１に記載の車両用電力変換装置であって，
    前記第２のインバータの温度を測定する第２の温度センサと，前記コンバータの温度を測定する第３の温度センサを更に備え，
    前記制御装置は，前記第２又は第３の温度センサで測定した温度が所定温度以上となった場合に，前記第２のインバータの出力電力を制限することを特徴とする車両用電力変換装置。
  3. 請求項１に記載の車両用電力変換装置であって，
    前記第１の温度センサで計測される前記第１のインバータの温度とは，前記第１のインバータの筐体内温度であることを特徴とする車両用電力変換装置。
  4. 請求項１に記載の車両用電力変換装置であって，
    前記第１の温度センサで計測される前記第１のインバータの温度とは，前記制御装置の温度であることを特徴とする車両用電力変換装置。
  5. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の車両用電力変換装置であって，
    前記制御装置は，前記第１の温度センサで測定した前記第１のインバータの温度が所定温度以上になった場合に，前記補機の稼働台数を減少，もしくは前記第２のインバータのスイッチング動作を制御することにより，前記第２のインバータの出力電力を制限することを特徴とする車両用電力変換装置。
  6. 請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の車両用電力変換装置を床下に搭載した鉄道車両であって，
    前記エンジンと，前記発電機と，前記補機と，前記車両駆動用モータを更に備え，
    前記エンジンは床下に搭載されることを特徴とする鉄道車両。
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