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技術 車両用制御装置及び方法

出願人 株式会社東芝東芝インフラシステムズ株式会社
発明者 尾谷浩昭牧野友由内田寿幸
出願日 2015年5月1日 (4年10ヶ月経過) 出願番号 2015-094177
公開日 2016年12月15日 (3年3ヶ月経過) 公開番号 2016-213940
状態 特許登録済
技術分野 整流装置 車両の電気的な推進・制動 インバータ装置
主要キーワード 切替周波数 過温度状態 営業運転 高スイッチング周波数 負担割合 直流電源ライン 鉄道用車両 高速遮断器
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この項目の情報は公開日時点(2016年12月15日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (6)

課題

安定して鉄道車両走行を行わせることが可能な車両用制御装置を提供する。

解決手段

実施形態の車両用制御装置のトランスは、交流架線から交流電力の供給を受けて、電圧変換を行い交流電力としてコンバータに出力する。コンバータは、入力された交流電力の交流直流変換を行いインバータに出力する。インバータは、コンバータの出力を、直流交流変換を行って負荷に供給する。制御部は、トランスの温度及びコンバータの温度のいずれか一方が所定の許容温度超過しないように、いずれか他方の温度が所定の許容範囲内となる範囲で、コンバータの動作状態を制御する。

概要

背景

一般に、鉄道車両では、架線から供給される直流電力または交流電力を、搭載する動力用の電動機を駆動するために用いている。
架線から供給される電力は、そのままで用いられることは無く、鉄道車両に搭載された車両用制御装置電力変換装置)によって電力変換がなされて電動機に供給されることとなっていた。
この車両用制御装置は、複数のスイッチング素子を備えており、これらのスイッチング素子のスイッチング動作によって電力変換を行い、安定した電力の供給を行っている。

例えば、交流架線から受電するトランスを介してコンバータ(AC/DC変換回路)により安定した電圧を有する直流電力に変換される。

そして、可変電圧可変周波数インバータがコンバータの後段に接続されている。

概要

安定して鉄道車両の走行を行わせることが可能な車両用制御装置を提供する。実施形態の車両用制御装置のトランスは、交流架線から交流電力の供給を受けて、電圧変換を行い交流電力としてコンバータに出力する。コンバータは、入力された交流電力の交流直流変換を行いインバータに出力する。インバータは、コンバータの出力を、直流交流変換を行って負荷に供給する。制御部は、トランスの温度及びコンバータの温度のいずれか一方が所定の許容温度超過しないように、いずれか他方の温度が所定の許容範囲内となる範囲で、コンバータの動作状態を制御する。

目的

したがって、安定して鉄道車両の走行を行うことが可能な車両用制御装置が望まれていた

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

交流架線から交流電力の供給を受けて、電圧変換を行い交流電力として出力するトランスと、前記トランスから前記交流電力が入力され、交流直流変換を行うコンバータと、を備え、前記コンバータの出力をインバータにより、直流交流変換を行って負荷に供給する車両用制御装置であって、前記トランスの温度及び前記コンバータの温度のいずれか一方が所定の許容温度超過しないように、いずれか他方の温度が所定の許容範囲内となる範囲で、前記コンバータの動作状態を制御する制御部を備えた、車両用制御装置。

請求項2

前記いずれか一方は、前記トランスで有り、前記制御部は前記トランスの負荷が低減するように前記コンバータの動作状態の制御を行う、請求項1記載の車両用制御装置。

請求項3

前記制御部は、前記トランスの二次側の出力電流がより正弦波形に近づくように前記コンバータの動作状態の制御を行う、請求項2記載の車両用制御装置。

請求項4

前記いずれか一方は、前記コンバータで有り、前記制御部は前記コンバータの負荷が低減するように前記コンバータの動作状態の制御を行う、請求項1記載の車両用制御装置。

請求項5

前記制御部は、前記コンバータを駆動するためのキャリア周波数を低下させ、あるいは、出力パルス周波数を低減させるように前記コンバータの動作状態の制御を行う、請求項4記載の車両用制御装置。

請求項6

交流架線から交流電力の供給を受けて、電圧変換を行い交流電力として出力するトランスと、前記トランスから前記交流電力が入力され、交流/直流変換を行うコンバータと、を備え、前記コンバータの出力をインバータにより、直流/交流変換を行って負荷に供給する車両用制御装置で実行される方法であって、前記トランスの温度及び前記コンバータの温度を監視する過程と、前記トランスの温度及び前記コンバータの温度のいずれか一方が所定の許容温度を超過しないように、いずれか他方の温度が所定の許容範囲内となる範囲で、前記コンバータの動作状態を制御する過程と、を備えた方法。

技術分野

0001

本発明の実施形態は、車両用制御装置及び方法に関する。

背景技術

0002

一般に、鉄道車両では、架線から供給される直流電力または交流電力を、搭載する動力用の電動機を駆動するために用いている。
架線から供給される電力は、そのままで用いられることは無く、鉄道車両に搭載された車両用制御装置(電力変換装置)によって電力変換がなされて電動機に供給されることとなっていた。
この車両用制御装置は、複数のスイッチング素子を備えており、これらのスイッチング素子のスイッチング動作によって電力変換を行い、安定した電力の供給を行っている。

0003

例えば、交流架線から受電するトランスを介してコンバータ(AC/DC変換回路)により安定した電圧を有する直流電力に変換される。

0004

そして、可変電圧可変周波数インバータがコンバータの後段に接続されている。

先行技術

0005

特開2007−151392号公報

発明が解決しようとする課題

0006

上述した車両用制御装置においては、電力変換動作時に、トランス及びコンバータは、スイッチング損失等の各種損失により、それぞれ温度上昇を伴うこととなる。
ところで、トランスあるいはコンバータのいずれか少なくとも一方が温度上昇により、過温度状態となってしまうと、列車運行を継続することが困難になってしまう虞がある。
したがって、安定して鉄道車両の走行を行うことが可能な車両用制御装置が望まれていた。

課題を解決するための手段

0007

実施形態の車両用制御装置のトランスは、交流架線から交流電力の供給を受けて、電圧変換を行い交流電力としてコンバータに出力する。
コンバータは、入力された交流電力の交流直流変換を行いインバータに出力する。
インバータは、コンバータの出力を、直流交流変換を行って負荷に供給する。
このとき、制御部は、トランスの温度及びコンバータの温度のいずれか一方が所定の許容温度超過しないように、いずれか他方の温度が所定の許容範囲内となる範囲で、コンバータの動作状態を制御する。

図面の簡単な説明

0008

図1は、実施形態の鉄道用の車両用制御装置の概要構成ブロック図である。
図2は、コンバータの概要構成図である。
図3は、インバータの概要構成図である。
図4は、第1実施形態の制御部の処理フローチャートである。
図5は、第2実施形態の制御部の処理フローチャートである。

実施例

0009

以下、実施形態について図面を参照して説明する。
[1]第1実施形態
図1は、実施形態の鉄道車両に搭載される車両用制御装置の概要構成ブロック図である。
車両用制御装置10は、トランス20の二次側巻線20−2に接続され、トランス20を介して供給された交流電力を直流電力に変換するコンバータ21と、コンバータ21の出力端子間に設けられ、高調波電流を除去するためのフィルタコンデンサ22と、コンバータ21と直流回路を介して接続され、コンバータ21から入力された直流電力を三相交流電力に変換し、三相交流モータMに出力するインバータ23と、を備えている。

0010

トランス20の一次側巻線20−1は、パンタグラフ16、高速遮断器19、および線路17を介して接地低電位側電源)された車輪18と直列接続されており、パンタグラフ16で受けた交流架線(交流き電線)15(高電位側電源)からの交流電力は、高速遮断器19を介してトランス20の一次側巻線20−1に供給される。

0011

ここで、コンバータ21は、原則的には、高いキャリア周波数一定で動作するが、コンバータ21のトランス20との負荷の負担割合に応じてキャリア周波数、パルス数あるいはパルス切替周波数を変更可能に構成されている。コンバータ21におけるキャリア周波数、パルス数あるいはパルス切替周波数の制御は、動作状態の制御に相当する。
また、インバータ23は、三相交流モータの回転速度に応じて、パルスモード切替え、キャリア周波数が低い状態でも使用している。これは、勾配起動などの一時的に大電流が必要となる場合に対応するためである。

0012

さらに、トランス20の二次側巻線20−2には、交流遮断器24が直列に接続され、交流遮断器24と並列に、直列接続された充電抵抗25及び充電抵抗25をトランス20の二次側巻線20−2に電気的に接続するための充電抵抗接続用接触器26が設けられている。

0013

さらに車両用制御装置10は、車両用制御装置10の各部、特にコンバータ21及びインバータ23を制御する制御部27と、トランス20の温度を検知し、トランス温度検知信号TTを制御部27に出力する第1温度センサ28と、コンバータ21(特に後述するスイッチング素子)の温度を検知し、コンバータ温度検知信号TCを制御部27に出力する第2温度センサ29と、を備えている。なお、第1温度センサ28は、必ずしも車両用制御装置10に含める必要はなく、外部からトランス温度検知信号TTを取り込むようにしても良い。

0014

図2は、コンバータの概要構成図である。
上記構成において、コンバータ21は、図2に示すように、上アームを構成するスイッチング素子31H1、31H2及び下アームを構成するスイッチング素子31L1、31L2と、を備えている。ここで、スイッチング素子31H1、31H2及びスイッチング素子31L1、31L2は、シリコン(Si)と比較して、ワイドバンドギャップの材料であるシリコンカーバイド(SiC:炭化ケイ素半導体、あるいは、ガリウムナイトライド(GaN:窒化ガリウム)半導体で形成されている。
したがって、シリコンで形成された半導体と比較して、より高スイッチング周波数で動作でき、低騒音化を図ることが可能となる。

0015

さらにスイッチング素子31H1には、並列に逆導通ダイオード32H1が接続され、スイッチング素子31H2には、並列に逆導通ダイオード32H2が接続され、スイッチング素子31L1には、逆導通ダイオード32L1が接続され、スイッチング素子31L2には、逆導通ダイオード32L2が接続されている。
これらの逆導通ダイオード32H1、32H2、32L1、32L2も、シリコン(Si)と比較して、ワイドバンドギャップの材料であるシリコンカーバイド、あるいは、ガリウムナイトライドで形成されている。このため、これらの逆導通ダイオード32H1、32H2、32L1、32L2は、いわゆるフライホイールダイオードとして機能するのに際し、スイッチング素子31H1、31H2、31L1、31L2の遮断電流を大きくすることが可能となる。

0016

図3は、インバータの概要構成図である。
一方、インバータ23は、U相アーム部41U、V相アーム部41V及びW相アーム部41Wが高電位側直流電源ラインPHLと、低電位側直流電源ラインPLLとの間に並列に接続され、U相アーム部41U、V相アーム部41V及びW相アーム部41Wは、それぞれ、U相出力線23U、V相出力線23V及びW相出力線23Wを介して三相交流モータMに接続されている。

0017

U相アーム部41Uは、アッパースイッチング素子42UHと、このアッパースイッチング素子42UHに並列に接続された逆導通ダイオード43UHと、を有するU相アッパーアーム部44UUと、ロアスイッチング素子42ULと、このロアスイッチング素子42ULに並列に接続された逆導通ダイオード43ULと、を有するU相ロアアーム部44ULと、を備えている。

0018

V相アーム部41Vは、アッパースイッチング素子42VHと、このアッパースイッチング素子42VHに並列に接続された逆導通ダイオード43VHと、を有するV相アッパーアーム部44VUと、ロアスイッチング素子42VLと、このロアスイッチング素子42VLに並列に接続された逆導通ダイオード43VLと、を有するV相ロアアーム部44VLと、を備えている。

0019

W相アーム部41Wは、アッパースイッチング素子42WHと、このアッパースイッチング素子42WHに並列に接続された逆導通ダイオード43WHと、を有するW相アッパーアーム部44WUと、ロアスイッチング素子42WLと、このロアスイッチング素子42WLに並列に接続された逆導通ダイオード43WLと、を有するW相ロアアーム部44WLと、を備えている。

0020

上記構成において、コンバータ21及びインバータ23を構成している各スイッチング素子は、例えば、IGBTとして構成されている。

0021

次に第1実施形態の動作を説明する。
車両用制御装置10のトランス20の一次側巻線20−1に、パンタグラフ16及び高速遮断器19を介して交流架線15から交流電力が供給されると、制御部27は、交流遮断器34を閉状態オン状態)とするに先立って、充電抵抗接続用接触器36を閉状態(オン状態)とする。

0022

これにより、充電抵抗35を介して供給された交流電力の電流が、コンバータ21を構成する逆導通ダイオード32H1、32H2、32L1、32L2で全波整流され、フィルタコンデンサ22を充電する。
そしてフィルタコンデンサ22の充電が完了すると、交流電力の電流が微小または流れなくなる。この結果、交流遮断器24を閉状態(オン状態)にしても大電流が流れず、例えば、逆導通ダイオード32H1、32H2、32L1、32L2が破壊されるのを防止する。
この後、コンバータ21に交流架線(交流き電線)15からの大電力の供給が可能となり、コンバータ21には、トランス20の二次側巻線20−2から交流電力(例えば、1500V)が供給される。

0023

これによりコンバータ21は、入力された交流電力を直流電力に変換し出力端子から出力する。
コンバータ21の出力端子間に設けられたフィルタコンデンサ22は、コンバータ21が出力した直流電力から高調波電流を除去してインバータ23に出力する。

0024

インバータ23は、入力された直流電力を、三相交流電力に変換し、三相交流モータMを駆動することとなる。
より詳細には、制御部27の出力した図示しないPWM制御信号に基づく、電圧及び周波数を有する三相交流電力を三相交流モータMに出力する。

0025

図4は、第1実施形態の制御部の処理フローチャートである。
上記電力変換動作と並行して、制御部27は、第1温度センサ28の出力したトランス温度検知信号TTに対応するトランス20の温度及び第2温度センサ29の出力したコンバータ温度検知信号TCに対応するコンバータ21の温度を監視する(ステップS11)。

0026

次に制御部27は、トランス20の温度が許容値を超えそうか否かを判別する(ステップS12)。
ここで、トランス20の温度が許容値を超えそうな場合とは、例えば、トランス20の現在の温度から現在の温度上昇率が継続した場合に、所定時間後にトランス20の温度が所定の閾値温度(=許容値)を越えると予測される場合である(以下、同様)。
ステップS12の判別において、トランス20の温度が許容値を超えそうもない場合には(ステップS12;No)、制御部27は、処理を再びステップS11に移行して待機状態となり、以下、同様の処理を繰り返すこととなる。

0027

ステップS12の判別において、トランス20の温度が許容値を超えそうな場合には(ステップS12;Yes)、制御部27は、コンバータ21の温度に余裕があるか否かを判別する(ステップS13)。
ここで、コンバータ21の温度に余裕があるか否かとは、例えば、キャリア周波数、パルス数あるいはパルス数切替周波数を上げる等の制御変更を行って、トランス20における損失を低下し、トランス20の温度を低下させるようにトランス20の出力電流正弦波形に近づけるようにコンバータ21を制御し続けた場合であっても、コンバータ21の温度を所定の閾値温度以下に維持可能か否かということである(以下、同様)。

0028

ステップS13の判別において、想定されるコンバータ21の制御に移行した場合に、トランスの温度が許容値を超えそうな場合には(ステップS13;No)、制御部27は、処理を再びステップS11に移行して待機状態となり、以下、同様の処理を繰り返すこととなる。

0029

ステップS13の判別において、想定されるコンバータ21の制御に移行した場合に、トランスの温度が許容値を超えない場合には(ステップS13;Yes)、制御部27は、当該想定したコンバータ21の制御(キャリア周波数制御、パルス数制御あるいはパルス切替周波数制御等)を行って処理を終了する(ステップS14)。

0030

以上の説明のように、本第1実施形態によれば、トランス20の温度が許容値を超えそうな場合であって、コンバータ21の温度に余裕がある場合には、よりコンバータ21に負荷の高い制御(キャリア周波数を上げ、パルス数を上げ、あるいは、パルス切替周波数を上げる等のコンバータ21がより多くの負担を担い、トランス20の損失を低下させる制御)を行う事により、トランス20の出力電流を正弦波形に近づけ、トランス20の損失を低下させて駆動することが可能となるので、トランスの過温度検出などにより、車両用制御装置10が停止したり、トランスが短寿命化したり、トランスが故障したりするのを抑制して、走行を継続することが可能となる。

0031

[2]第2実施形態
図5は、第2実施形態の制御部の処理フローチャートである。
本第2実施形態が第1実施形態と異なる点は、第1実施形態とは逆に、トランスに余裕がある場合に、コンバータ21の負荷を低減する点である。
上記電力変換動作と並行して、制御部27は、第1温度センサ28の出力したトランス温度検知信号TTに対応するトランス20の温度及び第2温度センサ29の出力したコンバータ温度検知信号TCに対応するコンバータ21の温度を監視する(ステップS21)。

0032

次に制御部27は、コンバータ21の温度が許容値を超えそうか否かを判別する(ステップS22)。
ステップS22の判別において、コンバータ21の温度が許容値を超えそうもない場合には(ステップS22;No)、制御部27は、処理を再びステップS21に移行して待機状態となり、以下、同様の処理を繰り返すこととなる。

0033

ステップS22の判別において、コンバータ21の温度が許容値を超えそうな場合には(ステップS22;Yes)、制御部27は、トランス20の温度に余裕があるか否か、すなわち、コンバータ21のキャリア周波数あるいはパルス数を下げ、若しくは、パルス切替周波数を下げるなど、コンバータ21の負荷が低下する方向に制御変更を行って、コンバータ21の温度を低下させるようにコンバータ21を制御可能か否かを判別する(ステップS23)。

0034

ステップS23の判別において、想定されるコンバータ21の低負荷制御に移行した場合に、トランスの温度が許容値を超えそうな場合には(ステップS23;No)、制御部27は、処理を再びステップS21に移行して待機状態となり、以下、同様の処理を繰り返すこととなる。

0035

ステップS23の判別において、想定されるコンバータ21の低負荷制御に移行した場合に、トランス20の温度が許容値を超えない場合には(ステップS23;Yes)、制御部27は、当該想定したコンバータ21の制御(キャリア周波数制御、パルス数制御あるいは、パルス切替周波数制御等)を行って処理を終了する(ステップS24)。

0036

以上の説明のように、本第2実施形態によれば、コンバータ21の温度が許容値を超えそうな場合であって、トランス20の温度に余裕がある場合には、よりコンバータ21に負荷の低い制御(キャリア周波数を下げ、パルス数を下げ、あるいは、パルス切替周波数を下げる等、負荷が低下するような制御)を行う事により、コンバータ21の負荷を低減させて駆動することが可能となるので、コンバータ21の過温度検出などにより、走行停止の状態に至るのを抑制し、走行を継続することが可能となる。

0037

特に鉄道用車両に搭載されるトランス20は、他の車両(列車)の救援や、延長給電などにより営業運転の範囲内で余裕を持って設計されているので、本第2実施形態の制御が有効となる。

0038

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

0039

10車両用制御装置
15交流架線
16パンタグラフ
17線路
18車輪
19高速遮断器
20トランス
21コンバータ
22フィルタコンデンサ
23インバータ
24交流遮断器
25充電抵抗
26 充電抵抗接続用接触器
27 制御部
28 第1温度センサ
29 第2温度センサ
31H1スイッチング素子
31H2 スイッチング素子
31L1 スイッチング素子
31L2 スイッチング素子
32H1逆導通ダイオード
32H2 逆導通ダイオード
32L1 逆導通ダイオード
32L2 逆導通ダイオード
M三相交流モータ
TCコンバータ温度検知信号
TT トランス温度検知信号

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