JPWO2020208755A1 - 駆動制御装置および鉄道車両用駆動装置 - Google Patents

Abstract

駆動制御装置（１０）は、内燃機関（２）に駆動されると電力を発電して出力する自励発電機（１１）と、励磁された状態で、内燃機関（２）に駆動されると電力を発電して出力する他励発電機（１２）と、を備える。駆動制御装置（１０）はさらに、他励発電機（１２）から一次端子を介して供給される電力を直流電力に変換して二次端子から出力し、または、二次端子を介して供給される直流電力を他励発電機（１２）に供給するための電力に変換して一次端子から出力する第１電力変換部（１３）と、第１電力変換部（１３）の二次端子の間に接続されるコンデンサ（Ｃ１）と、を備える。

Description

この発明は、駆動制御装置および鉄道車両用駆動装置に関する。

鉄道車両を駆動する車両用駆動装置には、発電機および電動機を使用するタイプのものがある。この種の車両用駆動装置の一例が、特許文献１に開示されている。特許文献１に開示される車両用駆動装置は、内燃機関と、内燃機関に駆動される誘導発電機と、誘導発電機が発電した電力を用いて誘導電動機を駆動する電力変換器と、二次電池を含む蓄電装置とを備える。内燃機関に駆動されて誘導発電機が発電するためには、誘導発電機に電力を供給して、誘導発電機を励磁する必要がある。この車両用駆動装置では、蓄電装置から供給される直流電力を、電力変換器によって交流電力に変換して誘導発電機に供給する。これによって誘導発電機が励磁され、内燃機関に駆動された誘導発電機が電力を発電し、電力変換器に発電された電力が供給される。そして、電力変換器は、誘導発電機から供給される電力を、誘導電動機を駆動するための電力に変換し、変換した電力を誘導電動機に供給する。この結果、誘導電動機が駆動され、鉄道車両の推進力が得られる。

特開２００８−４９８１１号公報

蓄電装置は、二次電池の充放電を制御する充放電制御装置、二次電池の過電圧が生じているか否かを監視する監視装置、ならびに、二次電池、充放電制御装置、および監視装置を収容する筐体等を備える必要があり、装置が大きくなるという課題がある。

本発明は上述の事情に鑑みてなされたものであり、小型の駆動制御装置および鉄道車両用駆動装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の駆動制御装置は、自励発電機と、他励発電機と、第１電力変換部と、コンデンサとを備える。自励発電機は、内燃機関に連結され、内燃機関に駆動されて、電力を発電し、発電した電力を出力する。他励発電機は、内燃機関に連結され、励磁された状態で、内燃機関に駆動されて、電力を発電し、発電した電力を出力する。第１電力変換部は、他励発電機から一次端子を介して供給される電力を直流電力に変換して二次端子から出力し、または、二次端子を介して供給される直流電力を他励発電機に供給するための電力に変換して一次端子から出力する。コンデンサは、第１電力変換部の二次端子の間に接続される。自励発電機の出力端子は、コンデンサに接続される。

本発明によれば、第１電力変換部の二次端子の間に接続されるコンデンサに、自励発電機の出力端子が接続される。これにより、第１電力変換部は、自励発電機の出力端子が接続されたコンデンサから二次端子を介して供給される直流電力を他励発電機に供給するための電力に変換して一次端子から出力する。そして、他励発電機は、第１電力変換部から電力を供給されて励磁される。この結果、他励発電機を励磁するための電力を供給する蓄電装置を設ける必要がない。このため、駆動制御装置の小型化が可能となる。

本発明の実施の形態１に係る鉄道車両用駆動装置の構成を示すブロック図 実施の形態１に係る鉄道車両用駆動装置が行う他励発電機の励磁処理の動作を示すタイミングチャート 実施の形態１に係る鉄道車両用駆動装置における電流の流れの一例を示す図 本発明の実施の形態２に係る鉄道車両用駆動装置の構成を示すブロック図 実施の形態２に係る鉄道車両用駆動装置が行う他励発電機の励磁処理の動作を示すタイミングチャート 実施の形態２に係る鉄道車両用駆動装置における電流の流れの一例を示す図 本発明の実施の形態３に係る鉄道車両用駆動装置の構成を示すブロック図 実施の形態３に係る鉄道車両用駆動装置が行う他励発電機の励磁処理の動作を示すタイミングチャート 実施の形態１に係る鉄道車両用駆動装置における電流の流れの一例を示す図

以下、本発明の実施の形態に係る駆動制御装置および鉄道車両用駆動装置について図面を参照して詳細に説明する。なお図中、同一または同等の部分には同一の符号を付す。

（実施の形態１）
発電機および電動機を使用して鉄道車両を駆動する鉄道車両用駆動装置を図１に示す。鉄道車両用駆動装置（以下、駆動装置という）１は、動力源である内燃機関２と、内燃機関２を制御する内燃機関制御部３と、内燃機関２の回転数を検出する速度センサ４と、内燃機関２に駆動されることで発電した電力を電動機５に供給する駆動制御装置１０と、駆動制御装置１０から供給される電力によって駆動され、鉄道車両の推進力を発生させる電動機５と、を備える。

内燃機関２は、ディーゼルエンジン、ガソリンエンジン等から構成される。また内燃機関２は、セルモータを備える。内燃機関２の出力軸は、駆動制御装置１０が備える後述の自励発電機１１および他励発電機１２のそれぞれの入力軸に接続されている。これにより、内燃機関２は、回転することで、自励発電機１１および他励発電機１２のそれぞれを駆動して発電させる。

内燃機関制御部３には、図示しない運転台に設けられた始動スイッチから始動指令信号Ｓ１が供給され、運転台に設けられたマスターコントローラから運転指令信号Ｓ２が供給される。始動指令信号Ｓ１は、内燃機関２の始動を指示する信号である。内燃機関２を停止させておく場合、始動指令信号Ｓ１はＬ（Low）レベルであり、内燃機関２を始動する場合、始動指令信号Ｓ１はＨ（High）レベルにされる。また、運転指令信号Ｓ２は、鉄道車両の加速度を指示する力行ノッチ、鉄道車両の減速度を指示するブレーキノッチ等を示す信号とする。

内燃機関制御部３は、始動指令信号Ｓ１がＨレベルになると、内燃機関２を始動する。詳細には、内燃機関制御部３は、始動指令信号Ｓ１がＨレベルになると、セルモータに制御信号を送り、セルモータを始動させる。セルモータの回転力が内燃機関２に伝達されると、内燃機関２が始動する。
また内燃機関制御部３は、内燃機関２の始動後は、運転指令信号Ｓ２が示す力行ノッチに対応する目標回転数に基づき、速度センサ４から取得した内燃機関２の実回転数を目標回転数に近づけるように、内燃機関２を制御する。なお内燃機関制御部３は、各力行ノッチに対応する目標回転数の値を予め保持している。

速度センサ４は、内燃機関２に取り付けられたＰＧ（Pulse Generator：パルスジェネレーター）を備える。そして、速度センサ４は、ＰＧが出力するパルス信号から内燃機関２の回転数を算出し、内燃機関２の回転数を示す信号を出力する。具体的には、速度センサ４は、一定の時間間隔でパルス信号の立ち上がりをカウントし、一定の時間でのパルス数から内燃機関２の回転数を算出する。

電動機５は、三相誘導電動機から構成され、駆動制御装置１０が有する後述の主インバータ１４が出力する交流電力で駆動されて回転する。電動機５は、例えば、継手を介して車軸に連結されており、車軸に回転力を伝達する。

駆動制御装置１０は、内燃機関２に駆動されて回転することで直流電力を発電し、発電した直流電力を出力する自励発電機１１と、内燃機関２に駆動されて回転することで交流電力を発電し、発電した交流電力を出力する他励発電機１２と、を備える。駆動制御装置１０はさらに、他励発電機１２から一次端子を介して供給される交流電力を直流電力に変換し、二次端子から直流電力を出力する第１電力変換部１３と、第１電力変換部１３から一次端子を介して供給される直流電力を三相交流電力に変換し、三相交流電力を二次端子から出力する主インバータ１４と、第１電力変換部１３の二次端子間に接続されるコンデンサＣ１と、を備える。

また駆動制御装置１０は、第１電力変換部１３を制御する第１制御部１５と、主インバータ１４を制御するインバータ制御部１６と、をさらに備える。さらに駆動制御装置１０は、第１電力変換部１３の一次端子に接続され、他励発電機１２と第１電力変換部１３の間の回路を流れるＵ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれの相電流の値を測定する電流測定部ＣＴ１と、主インバータ１４から電動機５に流れるＵ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれの相電流の値を測定する電流測定部ＣＴ２と、コンデンサＣ１に並列に接続され、コンデンサＣ１の端子間電圧の値を測定する電圧測定部ＶＴ１と、を備える。

自励発電機１１は、直流発電機から構成される。自励発電機１１の入力軸は、内燃機関２の出力軸に連結されている。自励発電機１１は、内燃機関２に駆動されると、直流電力を発電し、発電した直流電力を出力する。自励発電機１１の出力端子は、コンデンサＣ１の両端に接続される。このため、他励発電機１２が励磁されておらず、発電していない状態では、自励発電機１１が直流電力を出力することで、コンデンサＣ１を充電する。
好ましくは、自励発電機１１の発電容量は、他励発電機１２の発電容量より小さい。

他励発電機１２は、第１電力変換部１３から供給される電力で励磁される。また他励発電機１２の入力軸は、内燃機関２の出力軸に連結されている。他励発電機１２は、励磁された状態で、内燃機関２に駆動されると、交流電力を発電し、発電した交流電力を出力する。

第１電力変換部１３は、その一次端子が他励発電機１２に、二次端子が主インバータ１４に接続されている。第１電力変換部１３は、第１制御部１５の制御に従って動作する。第１電力変換部１３は、内燃機関２の始動直後に充電されたコンデンサＣ１から、その二次端子を介して供給される直流電力を交流電力に変換して、その一次端子から他励発電機１２に供給し、他励発電機１２を励磁する。他励発電機１２が励磁されると、内燃機関２の回転により、他励発電機１２が発電を開始する。また、第１電力変換部１３は、第１制御部１５の制御に従って、他励発電機１２の発電開始後に、他励発電機１２から一次端子を介して供給される交流電力を直流電力に変換して、その二次端子から、主インバータ１４に直流電力を供給する。

主インバータ１４は、インバータ制御部１６の制御に従って、第１電力変換部１３が二次端子から出力する直流電力を三相交流電力に変換して、電動機５に出力する。これにより、電動機５は、主インバータ１４が出力する三相交流電力で駆動されて回転する。なお主インバータ１４は、ＶＶＶＦ（Variable Voltage Variable Frequency：可変電圧可変周波数）インバータから構成される。

速度センサ１７は、電動機５に取り付けられたＰＧを備える。なお速度センサ１７は、速度センサ４と同様に、ＰＧが出力するパルス信号から電動機５の回転数を算出し、電動機５の回転数を示す信号を出力する。

第１制御部１５には、始動指令信号Ｓ１および運転指令信号Ｓ２が供給される。また第１制御部１５は、電圧測定部ＶＴ１から、コンデンサＣ１の端子間電圧を取得する。さらに第１制御部１５は、電流測定部ＣＴ１から、他励発電機１２と第１電力変換部１３の間の回路を流れるＵ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれの相電流の値を取得する。
第１制御部１５は、始動指令信号Ｓ１および運転指令信号Ｓ２に従って、第１電力変換部１３の複数のスイッチング素子のオン・オフのタイミングを制御するスイッチング制御信号Ｓ３を出力する。具体的には、第１制御部１５は、第１電力変換部１３を、自励発電機１１が発電した直流電力で充電されたコンデンサＣ１から供給される直流電力を交流電力に変換するＤＣ（Direct Current：直流）−ＡＣ（Alternating Current：交流）コンバータ、または、他励発電機１２から供給される交流電力を直流電力に変換するＡＣ−ＤＣコンバータとして動作させる。

具体的に説明すると、第１制御部１５は、始動指令信号Ｓ１がＬレベルであって、運転指令信号Ｓ２がブレーキ指令を示すときには、第１電力変換部１３を停止させる。
また、第１制御部１５は、始動指令信号Ｓ１がＨレベルで、且つ、コンデンサＣ１の端子間電圧が、閾値電圧ＥＦＣ１に達すると、第１電力変換部１３を制御する。そして第１制御部１５は、第１電力変換部１３に、自励発電機１１が発電した直流電力で充電されたコンデンサＣ１から供給される直流電力を交流電力に変換して、他励発電機１２に供給させる。この結果、他励発電機１２が励磁される。なお閾値電圧ＥＦＣ１を、他励発電機１２を励磁することが可能となる電圧とする。第１制御部１５は、閾値電圧ＥＦＣ１を予め保持している。

第１制御部１５は、電流測定部ＣＴ１が測定した相電流の振幅が閾値振幅以上であるか否かを判別する。電流測定部ＣＴ１が測定した相電流の振幅が閾値振幅である場合、他励発電機１２が励磁されたとみなすことができる。なお閾値振幅は、励磁された他励発電機１２が出力する電流の振幅が取り得る値より小さい値に設定される。また第１制御部１５は、閾値振幅の値を予め保持している。

そして、第１制御部１５は、電流測定部ＣＴ１が測定した相電流の振幅が閾値以上であって、運転指令信号Ｓ２が力行ノッチを示す場合に、他励発電機１２の出力電圧および運転指令信号Ｓ２が示す力行ノッチに対応する目標電圧に基づき、第１電力変換部１３の出力電圧を目標電圧に近づけるため、第１電力変換部１３の複数のスイッチング素子のオン・オフのタイミングを制御する。なお第１制御部１５は、各力行ノッチに対応する目標電圧の値を予め保持している。

インバータ制御部１６には、運転指令信号Ｓ２が供給される。またインバータ制御部１６は、速度センサ１７から電動機５の回転数を取得する。さらにインバータ制御部１６は、電流測定部ＣＴ２から、電動機５に流れる相電流の値を取得する。そして、インバータ制御部１６は、運転指令信号Ｓ２と電動機５の回転数と電動機５に流れる相電流とに従って、主インバータ１４の複数のスイッチング素子のオン・オフのタイミングを制御するスイッチング制御信号Ｓ４を出力する。

具体的には、インバータ制御部１６は、運転指令信号Ｓ２が示す力行ノッチおよび速度センサ１７から取得した電動機５の回転数から、電動機５の目標トルクを算出する。また、インバータ制御部１６は、電流測定部ＣＴ２が測定した相電流の値から電動機５の実トルクを算出する。そして、インバータ制御部１６は、電動機５の実トルクを目標トルクに近づけるため、主インバータ１４の複数のスイッチング素子を制御する。

次に、上記構成を有する駆動装置１の動作を図２（Ａ）−（Ｆ）のタイミングチャートを参照して説明する。
内燃機関２の停止時は、図２（Ａ），（Ｂ）に示すように、始動指令信号Ｓ１はＬレベルであり、運転指令信号Ｓ２は、ブレーキノッチＢ１を示す。図２（Ｃ）に示すように、内燃機関２の停止時の回転数をＲＰＭ０とする。図２（Ｄ）に示すように、内燃機関２の停止時は、自励発電機１１は、停止している。図２（Ｅ）に示すように、内燃機関２の停止時にコンデンサＣ１は放電された状態であり、放電された状態のコンデンサＣ１の端子間電圧を電圧ＥＦＣ０とする。図２（Ｆ）に示すように、内燃機関２の停止時は、他励発電機１２は停止している。以降、始動指令信号Ｓ１がＬレベルからＨレベルになるタイミングを時刻Ｔ１とする。

図２（Ｃ）に示すように、始動指令信号Ｓ１が時刻Ｔ１においてＬレベルからＨレベルになったことに応答して、内燃機関制御部３は、内燃機関２を始動する。この結果、内燃機関２の回転数が回転数ＲＰＭ０から上昇し始める。その後、内燃機関２の回転数は回転数ＲＰＭ１に到達する。なお回転数ＲＰＭ１を、内燃機関２が始動されていて、運転指令信号Ｓ２がブレーキノッチを示している状態での内燃機関２の回転数とする。

また図２（Ｄ）に示すように、内燃機関２の回転数の上昇に伴って、内燃機関２に駆動される自励発電機１１が発電を開始する。この結果、図３に実線の矢印Ａ１で示すように、自励発電機１１から、コンデンサＣ１に電流が流れ、コンデンサＣ１が充電される。そして、図２（Ｅ）に示すように、自励発電機１１が発電した電力によってコンデンサＣ１が充電され、コンデンサＣ１の端子間電圧ＥＦＣが電圧ＥＦＣ０から上昇し始める。図２（Ｆ）に示すように、他励発電機１２は励磁されていないため、内燃機関２に駆動されても、発電を開始しない。

第１制御部１５は、電圧測定部ＶＴ１の出力信号により、コンデンサＣ１の端子間電圧をモニタしており、図２（Ｅ）に示すように、時刻Ｔ２において、端子間電圧ＥＦＣが閾値電圧ＥＦＣ１に到達したと判別する。第１制御部１５は、コンデンサＣ１の端子間電圧ＥＦＣが閾値電圧ＥＦＣ１に到達したと判別すると、第１電力変換部１３の複数のスイッチング素子のオン・オフの制御を開始し、第１電力変換部１３に、コンデンサＣ１から供給される直流電力を交流電力に変換して、他励発電機１２に供給させる。この結果、図３に実線の矢印Ａ２で示すように、第１電力変換部１３から他励発電機１２に電流が流れ、他励発電機１２が励磁される。そして、図２（Ｆ）に示すように、時刻Ｔ２において、他励発電機１２が励磁されると、内燃機関２に駆動される他励発電機１２は、発電を開始する。その後、他励発電機１２は、発電した交流電力を第１電力変換部１３に供給する。

また第１制御部１５は、電流測定部ＣＴ１の出力信号により、他励発電機１２と第１電力変換部１３との間に流れる電流の振幅をモニタしている。時刻Ｔ２において他励発電機１２が励磁されると、電流測定部ＣＴ１が測定した相電流の振幅は、閾値振幅以上となる。第１制御部１５は、電流測定部ＣＴ１が測定した相電流の振幅が閾値振幅以上であると判別した場合、第１電力変換部１３の複数のスイッチング素子を制御して、第１電力変換部１３に、他励発電機１２から供給される交流電力を直流電力に変換して、主インバータ１４に供給させる。

その後、マスターコントローラから力行ノッチが入力され、運転指令信号Ｓ２が力行ノッチＮ１を示すとする。なお、このタイミングを時刻Ｔ３とする。時刻Ｔ３以降、内燃機関制御部３は、内燃機関２の回転数を力行ノッチＮ１に対応する回転数ＲＰＭ２に近づけるように、内燃機関２を制御し、図２（Ｃ）に示すように、その回転数を回転数ＲＰＭ２まで上昇させる。内燃機関２の回転数の上昇に伴い、自励発電機１１および他励発電機１２の回転数も上昇し、その出力電圧も上昇する。

また、第１制御部１５は、力行ノッチＮ１を示す運転指令信号Ｓ２に応答して、第１電力変換部１３の出力電圧を力行ノッチＮ１に応じた一定電圧である電圧ＥＦＣ２、例えば６００Ｖに近づけるように、第１電力変換部１３の複数のスイッチング素子のオン・オフを制御する。詳細には、第１制御部１５は、速度センサ４から取得した内燃機関２の回転数および電流測定部ＣＴ１から取得した相電流の値から、他励発電機１２の出力電圧を算出する。そして、他励発電機１２の出力電圧および運転指令信号Ｓ２が示す力行ノッチに対応する目標電圧に基づき、第１制御部１５は、第１電力変換部１３の出力電圧を目標電圧に近づけるように、第１電力変換部１３の複数のスイッチング素子の通流率を制御する。

また、インバータ制御部１６は、電流測定部ＣＴ２から取得した、電動機５に流れる相電流の値から、電動機５の実トルクを算出する。そして、インバータ制御部１６は、実トルクを、力行ノッチＮ１に応じた目標トルクに近づけるように、主インバータ１４の複数のスイッチング素子のオン・オフを制御する。これにより、時刻Ｔ３以降、運転指令信号Ｓ２に応答して、電動機５が駆動され、鉄道車両の動力が得られる。なおインバータ制御部１６は、各力行ノッチに応じた目標トルクの値を予め保持している。

以上説明したとおり、本実施の形態１に係る駆動制御装置１０は、自励発電機１１が発電した電力によって充電されたコンデンサＣ１から供給される直流電力を第１電力変換部１３で交流電力に変換し、交流電力を他励発電機１２に供給することで、他励発電機１２を励磁する。このため、他励発電機１２を励磁するための蓄電装置を設ける必要がない。これにより、駆動制御装置１０および駆動装置１の小型化が可能となる。
自励発電機１１の発電容量を他励発電機１２の発電容量より小さくする場合、自励発電機１１は、他励発電機１２を励磁するための電力が得られる程度の小型の発電機から構成可能である。これにより、駆動制御装置１０および駆動装置１の更なる小型化が可能となる。

（実施の形態２）
駆動制御装置１０の回路構成は、自励発電機１１が発電した電力でコンデンサＣ１を充電し、コンデンサＣ１から供給される電力で他励発電機１２を励磁できれば、任意である。図４に示す実施の形態２に係る駆動制御装置２０は、一端が自励発電機１１の一方の出力端子に接続される接触器Ｑ１と、一端が接触器Ｑ１の他端に接続され、他端がコンデンサＣ１の一端に接続される抵抗Ｒ１と、接触器Ｑ１を制御する接触器制御部１８と、をさらに備える。駆動制御装置２０の構造は、接触器Ｑ１と、抵抗Ｒ１と、接触器制御部１８とを除いて、駆動制御装置１０の構造と同じである。

接触器Ｑ１は、直流電磁接触器から構成される。また接触器Ｑ１は、接触器制御部１８によって制御される。
接触器制御部１８が接触器Ｑ１を投入すると、接触器Ｑ１の一端と他端は互いに接続される。この結果、自励発電機１１と抵抗Ｒ１は互いに電気的に接続される。そして、コンデンサＣ１は、自励発電機１１が発電した電力で充電される。なお抵抗Ｒ１が設けられていることで、接触器Ｑ１の投入時に、コンデンサＣ１に突入電流が流れることが抑制される。
また接触器制御部１８が接触器Ｑ１を開放すると、接触器Ｑ１の一端と他端は絶縁される。この結果、抵抗Ｒ１は、自励発電機１１から電気的に切り離される。

接触器制御部１８は、接触器制御信号Ｓ５を接触器Ｑ１に送り、接触器Ｑ１を投入または開放する。なお接触器制御部１８は、速度センサ４から内燃機関２の実回転数を取得する。そして、接触器制御部１８は、内燃機関２の実回転数が閾値回転数に到達すると、接触器Ｑ１を投入する。なお閾値回転数は、例えば、内燃機関２が始動し、内燃機関２に駆動されて自励発電機１１が発電し始める際の内燃機関２の回転数に設定される。

また接触器制御部１８は、電圧測定部ＶＴ１からコンデンサＣ１の端子間電圧ＥＦＣを取得する。そして、接触器制御部１８は、接触器Ｑ１の投入後、コンデンサＣ１の端子間電圧ＥＦＣが、他励発電機１２を励磁することが可能となる電圧である閾値電圧ＥＦＣ１以上となると、接触器Ｑ１を開放する。この結果、自励発電機１１が出力する電力が、他励発電機１２が発電した交流電力を直流電力に変換して出力する第１電力変換部１３の出力の外乱となることが抑制される。

次に、上記構成を有する駆動装置１の動作を図５（Ａ）−（Ｇ）のタイミングチャートを参照して説明する。図５（Ａ）−（Ｆ）は、図２（Ａ）−（Ｆ）と同様である。図２と同様に、時刻Ｔ１において、始動指令信号Ｓ１が、ＬレベルからＨレベルになる。
図５（Ｃ）に示すように、始動指令信号Ｓ１が時刻Ｔ１においてＬレベルからＨレベルになったことに応答して、内燃機関制御部３は、内燃機関２を始動する。この結果、内燃機関２の回転数が回転数ＲＰＭ０から上昇し始める。そして、図５（Ｄ）に示すように、内燃機関２の回転数の上昇に伴って、内燃機関２に駆動される自励発電機１１が発電を開始する。また図５（Ｇ）に示すように、自励発電機１１が発電した電力でコンデンサＣ１を充電するため、接触器制御部１８は、時刻Ｔ１において、接触器Ｑ１を投入する。この結果、図６に実線の矢印Ａ３で示すように、自励発電機１１から、接触器Ｑ１を通って、コンデンサＣ１に電流が流れ、コンデンサＣ１が充電される。そして図５（Ｅ）に示すように、自励発電機１１が発電した電力によってコンデンサＣ１が充電され、コンデンサＣ１の端子間電圧ＥＦＣが電圧ＥＦＣ０から上昇し始める。図５（Ｆ）に示すように、他励発電機１２は励磁されていないため、内燃機関２に駆動されても、発電を開始しない。

図５（Ｅ）に示すように、時刻Ｔ２において、端子間電圧ＥＦＣが閾値電圧ＥＦＣ１に到達すると、第１制御部１５は、第１電力変換部１３の複数のスイッチング素子のオン・オフの制御を開始し、第１電力変換部１３に、コンデンサＣ１から供給される直流電力を交流電力に変換して、他励発電機１２に供給させる。この結果、図６に実線の矢印Ａ４で示すように、第１電力変換部１３から他励発電機１２に電流が流れ、他励発電機１２が励磁される。そして、図５（Ｆ）に示すように、時刻Ｔ２において、他励発電機１２が励磁されると、内燃機関２に駆動される他励発電機１２は、発電を開始する。その後、他励発電機１２は、発電した交流電力を第１電力変換部１３に供給する。

また時刻Ｔ２において、端子間電圧ＥＦＣが閾値電圧ＥＦＣ１に到達すると、図５（Ｇ）に示すように、接触器制御部１８は、接触器Ｑ１を開放する。後続の動作は、実施の形態１と同様である。

以上説明したとおり、本実施の形態２に係る駆動制御装置２０は、自励発電機１１が発電した電力によって充電されたコンデンサＣ１から供給される直流電力を第１電力変換部１３で交流電力に変換し、交流電力を他励発電機１２に供給することで、他励発電機１２を励磁する。このため、他励発電機１２を励磁するための蓄電装置を設ける必要がない。これにより、駆動制御装置２０および駆動装置１の小型化が可能となる。
自励発電機１１の発電容量を他励発電機１２の発電容量より小さくする場合、自励発電機１１は、他励発電機１２を励磁するための電力が得られる程度の小型の発電機から構成可能である。これにより、駆動制御装置２０および駆動装置１の更なる小型化が可能となる。

（実施の形態３）
駆動制御装置１０，２０の回路構成は、自励発電機１１が発電した電力でコンデンサＣ１を充電し、コンデンサＣ１から供給される電力で他励発電機１２を励磁する回路であれば、任意である。図７に示す実施の形態３に係る駆動制御装置３０は、自励発電機２１を備える。また駆動制御装置３０は、駆動制御装置２０の構成に加え、一次端子が自励発電機２１に接続され、二次端子の一方が接触器Ｑ１の一端に接続され、自励発電機２１から供給される交流電力を直流電力に変換して直流電力を出力する第２電力変換部２２と、第２電力変換部２２を制御する第２制御部２３と、をさらに備える。駆動制御装置３０の構造は、自励発電機２１と、第２電力変換部２２と、第２制御部２３とを除いて、駆動制御装置２０の構造と同じである。

自励発電機２１は、交流発電機から構成される。自励発電機２１の入力軸は、内燃機関２の出力軸に連結されている。自励発電機２１は、内燃機関２に駆動されると、交流電力を発電し、発電した交流電力を出力する。自励発電機２１の出力端子は、第２電力変換部２２の一次端子に接続される。

第２電力変換部２２は、一次端子を介して自励発電機２１から供給される交流電力を直流電力に変換し、二次端子から出力する。第２電力変換部２２が出力する電力によって、コンデンサＣ１が充電される。

第２制御部２３は、スイッチング制御信号Ｓ６を第２電力変換部２２に送り、第２電力変換部２２の複数のスイッチング素子のオン・オフのタイミングを制御する。具体的には、第２制御部２３は、速度センサ４から内燃機関２の実回転数を取得する。そして、第２制御部２３は、内燃機関２の実回転数が閾値回転数に到達すると、第２電力変換部２２の複数のスイッチング素子のオン・オフのタイミングを制御して、第２電力変換部２２に、一次端子から供給された交流電力を直流電力に変換させる電力変換の処理を開始させる。なお閾値回転数は、例えば、内燃機関２が始動し、内燃機関２に駆動されて自励発電機１１が発電し始める際の内燃機関２の回転数に設定される。

また第２制御部２３は、電圧測定部ＶＴ１からコンデンサＣ１の端子間電圧ＥＦＣを取得する。そして、第２制御部２３は、コンデンサＣ１の端子間電圧ＥＦＣが閾値電圧ＥＦＣ１以上となると、第２電力変換部２２の複数のスイッチング素子をオフにするスイッチング制御信号Ｓ６を出力し、第２電力変換部２２を停止させる。

次に、上記構成を有する駆動装置１の動作を図８（Ａ）−（Ｈ）のタイミングチャートを参照して説明する。図８（Ａ）−（Ｇ）は、図５（Ａ）−（Ｇ）と同様である。図５と同様に、時刻Ｔ１において、始動指令信号Ｓ１が、ＬレベルからＨレベルになる。
図８（Ｃ）に示すように、始動指令信号Ｓ１が時刻Ｔ１においてＬレベルからＨレベルになったことに応答して、内燃機関制御部３は、内燃機関２を始動する。この結果、内燃機関２の回転数が回転数ＲＰＭ０から上昇し始める。そして、図８（Ｄ）に示すように、内燃機関２の回転数の上昇に伴って、自励発電機２１が発電を開始する。この結果、図９に実線の矢印Ａ５で示すように、自励発電機２１から第２電力変換部２２に電流が流れる。

図８（Ｈ）に示すように、自励発電機１１が発電した電力でコンデンサＣ１を充電するため、第２制御部２３は、時刻Ｔ１において、第２電力変換部２２の複数のスイッチング素子のオン・オフのタイミングの制御を開始し、第２電力変換部２２に、自励発電機２１が発電した交流電力を直流電力に変換させる。また図８（Ｇ）に示すように、接触器制御部１８は、時刻Ｔ１において、接触器Ｑ１を投入する。この結果、図９に実線の矢印Ａ６で示すように、第２電力変換部２２からコンデンサＣ１に電流が流れ、コンデンサＣ１が充電される。そして、図８（Ｅ）に示すように、自励発電機１１が発電した電力によってコンデンサＣ１が充電され、コンデンサＣ１の端子間電圧ＥＦＣが電圧ＥＦＣ０から上昇し始める。図８（Ｆ）に示すように、他励発電機１２は励磁されていないため、内燃機関２に駆動されても、発電を開始しない。

図８（Ｅ）に示すように、時刻Ｔ２において、端子間電圧ＥＦＣが閾値電圧ＥＦＣ１に到達すると、第１制御部１５は、第１電力変換部１３の複数のスイッチング素子のオン・オフの制御を開始し、第１電力変換部１３に、コンデンサＣ１から供給される直流電力を交流電力に変換して、他励発電機１２に供給させる。この結果、図９に実線の矢印Ａ７で示すように、第１電力変換部１３から他励発電機１２に電流が流れ、他励発電機１２が励磁される。そして、図８（Ｆ）に示すように、時刻Ｔ２において、他励発電機１２が励磁されると、内燃機関２に駆動される他励発電機１２は、発電を開始する。その後、他励発電機１２は、発電した交流電力を第１電力変換部１３に供給する。

また時刻Ｔ２において、端子間電圧ＥＦＣが閾値電圧ＥＦＣ１に到達すると、図８（Ｈ）に示すように、第２制御部２３は、第２電力変換部２２の複数のスイッチング素子をオフにし、第２電力変換部２２を停止させる。また図８（Ｇ）に示すように、時刻Ｔ２において、接触器制御部１８は、接触器Ｑ１を開放する。
なお第２電力変換部２２を停止させてから、接触器Ｑ１を開放することが好ましい。この場合、接触器制御部１８は、スイッチング制御信号Ｓ６を取得し、第２制御部２３が第２電力変換部２２を停止させたことを検出してから、接触器Ｑ１を開放すればよい。
後続の動作は、実施の形態１と同様である。

以上説明したとおり、本実施の形態３に係る駆動制御装置３０は、交流電動機から構成される自励発電機２１が発電した電力によって充電されたコンデンサＣ１から供給される直流電力を第１電力変換部１３で交流電力に変換し、交流電力を他励発電機１２に供給することで、他励発電機１２を励磁する。このため、他励発電機１２を励磁するための蓄電装置を設ける必要がない。また自励発電機２１は、他励発電機１２を励磁するための電力が得られる程度の小型の発電機から構成可能である。これにより、駆動制御装置３０および駆動装置１の小型化が可能である。

本発明は、上述の実施の形態に限られない。上述の駆動制御装置１０，２０，３０の回路構成は一例であり、駆動制御装置１０，２０，３０の回路構成は、自励発電機１１または自励発電機２１が発電した電力で他励発電機１２を励磁する構成であれば、任意である。
一例として、駆動制御装置３０を、駆動制御装置１０と同様に、接触器Ｑ１を備えない構成とすることができる。
また駆動装置１が電力を供給する機器、換言すれば、主インバータ１４の二次端子に接続される負荷は、電動機５に限られず、空調機器、照明機器等の車載機器でもよい。この場合、主インバータ１４は、ＣＶＣＦ（Constant Voltage Constant Frequency：定電圧定周波数）インバータから構成されればよい。

また駆動制御装置２０，３０は、接触器Ｑ１に代えて、自励発電機１１または自励発電機２１とコンデンサＣ１とを電気的に接続、または、コンデンサＣ１を自励発電機１１または自励発電機２１から電気的に切り離す任意の素子を備えることができる。

また駆動制御装置３０は、第２電力変換部２２に代えて、自励発電機２１が出力する交流電力を全波整流するダイオードブリッジを備えてもよい。

第１制御部１５による制御は上述の例に限られない。一例として、第１制御部１５は、第１電力変換部１３の出力電流をフィードバックして、第１電力変換部１３の複数のスイッチング素子を調節してもよい。またインバータ制御部１６による制御は上述の例に限られない。駆動制御装置１０，２０，３０は、速度センサ１７を備えず、インバータ制御部１６は、ＡＴＣ（Automatic Train Control：自動列車制御装置）から電動機５の回転数を取得してもよい。そして、インバータ制御部１６は、電動機５の回転速度を推定するセンサレスベクトル制御を行ってもよい。

接触器制御部１８による制御は上述の例に限られない。一例として、接触器制御部１８は、内燃機関２の実回転数が閾値回転数に到達してから、定められた時間が経過した後に、接触器Ｑ１を投入してもよい。あるいは、接触器制御部１８は、始動指令信号Ｓ１を取得し、始動指令信号Ｓ１がＨレベルになってから定められた時間が経過した後に、接触器Ｑ１を投入してもよい。
また他の一例として、接触器制御部１８は、コンデンサＣ１の端子間電圧ＥＦＣが、閾値電圧ＥＦＣ１以上である時間が定められた時間以上継続した場合に、接触器Ｑ１を開放してもよい。

電流測定部ＣＴ１，ＣＴ２はＵ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれの相電流を検出する場合を説明したが、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のうち少なくとも２相の相電流を検出すればよい。

駆動制御装置１０，２０，３０は、内燃機関２と自励発電機１１とを機械的に接続し、または、自励発電機１１を内燃機関２から機械的に切り離すクラッチと、クラッチを制御するクラッチ制御部と、をさらに備えてもよい。この場合、クラッチ制御部は、電流測定部ＣＴ１が測定した相電流を取得し、相電流の振幅が閾値電流以上となると、内燃機関２と自励発電機１１とを機械的に切り離すようにクラッチを制御すればよい。その後、内燃機関２が停止した後に再び始動すると、クラッチ制御部は、内燃機関２と自励発電機１１とを機械的に接続するようにクラッチを制御すればよい。

本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。すなわち、本発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。

１ 鉄道車両用駆動装置、２ 内燃機関、３ 内燃機関制御部、４，１７ 速度センサ、５ 電動機、１０，２０，３０ 駆動制御装置、１１，２１ 自励発電機、１２ 他励発電機、１３ 第１電力変換部、１４ 主インバータ、１５ 第１制御部、１６ インバータ制御部、１８ 接触器制御部、２２ 第２電力変換部、２３ 第２制御部、Ｂ１ ブレーキノッチ、Ｃ１ コンデンサ、ＣＴ１，ＣＴ２ 電流測定部、ＥＦＣ 端子間電圧、ＥＦＣ０，ＥＦＣ２ 電圧、ＥＦＣ１ 閾値電圧、Ｎ１ 力行ノッチ、Ｑ１ 接触器、Ｒ１ 抵抗、ＲＰＭ０，ＲＰＭ１，ＲＰＭ２ 回転数、Ｓ１ 始動指令信号、Ｓ２ 運転指令信号、Ｓ３，Ｓ４，Ｓ６ スイッチング制御信号、Ｓ５ 接触器制御信号、ＶＴ１ 電圧測定部。

Claims (8)

1. 内燃機関に連結され、前記内燃機関に駆動されて、電力を発電し、発電した電力を出力する自励発電機と、
   前記内燃機関に連結され、励磁された状態で、前記内燃機関に駆動されて、電力を発電し、発電した電力を出力する他励発電機と、
   前記他励発電機から一次端子を介して供給される電力を直流電力に変換して二次端子から出力し、または、前記二次端子を介して供給される直流電力を前記他励発電機に供給するための電力に変換して前記一次端子から出力する第１電力変換部と、
   前記第１電力変換部の前記二次端子の間に接続されるコンデンサと、
   を備え、
   前記自励発電機の出力端子は、前記コンデンサに接続される、
   駆動制御装置。
2. 前記第１電力変換部が有するスイッチング素子を制御する第１制御部をさらに備え、
   前記第１制御部が前記スイッチング素子を制御することで、前記第１電力変換部は、前記自励発電機が出力する電力によって充電された前記コンデンサから前記二次端子を介して供給される直流電力を前記他励発電機に供給するための電力に変換して前記一次端子から前記他励発電機に供給し、
   前記他励発電機が前記第１電力変換部から電力を供給されて励磁された後に、前記第１制御部が前記スイッチング素子を制御することで、前記第１電力変換部は、前記他励発電機から前記一次端子を介して供給される電力を直流電力に変換して前記二次端子から出力する、
   請求項１に記載の駆動制御装置。
3. 前記自励発電機の発電容量は、前記他励発電機の発電容量より小さい、
   請求項１または２に記載の駆動制御装置。
4. 一端が前記自励発電機に接続され、他端が前記コンデンサに接続される接触器と、
   前記接触器を制御する接触器制御部と、をさらに備え、
   前記接触器制御部は、前記内燃機関の始動後に、前記接触器を投入する、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の駆動制御装置。
5. 前記接触器制御部は、前記コンデンサの端子間電圧が閾値電圧以上の場合に、前記接触器を開放する、
   請求項４に記載の駆動制御装置。
6. 前記自励発電機は、前記内燃機関に連結し、前記内燃機関に駆動されると、直流電力を発電し、発電した直流電力を出力する直流発電機から構成される、
   請求項１から５のいずれか１項に記載の駆動制御装置。
7. 前記自励発電機は、前記内燃機関に連結し、前記内燃機関に駆動されると、交流電力を発電し、発電した交流電力を出力する交流発電機から構成され、
   前記自励発電機から供給される交流電力を直流電力に変換し、変換した直流電力を前記コンデンサに供給する第２電力変換部をさらに備える、
   請求項１から５のいずれか１項に記載の駆動制御装置。
8. 内燃機関と、
   請求項１から７のいずれか１項に記載の駆動制御装置と、
   前記駆動制御装置が有するコンデンサが一次端子の間に接続され、前記コンデンサから前記一次端子を介して供給される直流電力を負荷に供給するための電力に変換し、変換した電力を二次端子から前記負荷に供給する主インバータと、
   を備える鉄道車両用駆動装置。

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