(57)【要約】【課題】  主電動機以外の負荷に電力を供給する補助電源装置により一定電圧一定周波数で電力を供給されている負荷のうち、消費電力の大半を占める空調コンプレッサ用モータを補助電源装置の負荷と分離し、直接可変電圧可変周波数駆動できる構成とする主電動機駆動用の電力変換装置を提供する。【解決手段】  電気車の車両に搭載された走行用主電動機に可変周波数可変電圧を出力し、駆動する電気車の電力変換装置１１であって、車両の走行状態に応じて、主電動機、空調コンプレッサ用モータ又はその両者を選択する選択手段４１、５１を介して可変周波数可変電圧の電力を出力する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気車の車両に搭載された走行用主電動機に可変周波数可変電圧を出力し、駆動する電気車の電力変換装置であって、
前記車両の走行状態に応じて、前記主電動機、空調コンプレッサ用モータ又はその両者を選択する選択手段を介して可変周波数可変電圧の電力を出力することを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
請求項１記載の電力変換装置において、
供給する電力を、空調コンプレッサ用モータを駆動するのに適切な電圧に昇圧又は降圧するための変圧器と空調コンプレッサ用モータをオン・オフ制御するための交流遮断機を備えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項２記載の電力変換装置において、
前記交流遮断機は、電力変換装置の前進・後進時に行われる３相の相順切替に対応して、常に一定の相順を空調コンプレッサ用モータに供給するための相順切替機能を有することを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
複数の車両を連結して一つの編成を成す電気鉄道用電車に艤装され、該電車を駆動するために台車に装備された主電動機に可変周波数可変電圧を出力し、駆動する電力変換装置において、
前記電車の停止又は惰行中には、前記主電動機に供給する電力と同じもしくは異なる可変周波数可変電圧の電力を空調コンプレッサ用モータに供給することを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
請求項４記載の電力変換装置において、
前記電車の力行又は回生ブレーキ中には、前記主電動機に供給する電力と同じ出力周波数の電力を前記空調コンプレッサ用モータに供給することを特徴とする電力変換装置。
【請求項６】
複数の車両を連結して一つの編成を成し、請求項１記載の電力変換装置を複数個具備する電気鉄道用電車において、
空調装置は１両内で多重構成とし、多重化された空調コンプレッサ用モータは、編成内で異なる電力変換装置より電力を供給するように構成することを特徴とする電気鉄道用電車。
【請求項７】
請求項６記載の電気鉄道用電車において、
前記空調コンプレッサ用モータに供給する電力以外に必要な電源を供給する補助電源供給機能を前記電力変換装置のハードウェア内に追加したことを特徴とする電気鉄道用電車。
【請求項８】
請求項７記載の電気鉄道用電車において、
編成内に複数台の前記追加された補助電源装置が存在する場合に、それらの補助電源装置の出力電圧や周波数及び位相を同期させた並列運転を行うことを特徴とする電気鉄道用電車。
【請求項９】
請求項７記載の電気鉄道用電車において、
前記空調コンプレッサ用モータに供給する電力以外に必要な電源を機能又は装置ごとに分割し、前記追加された補助電源装置についても同様に複数に分割して電力を供給することを特徴とする電気鉄道用電車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気車の車両に搭載された走行用主電動機と空調コンプレッサ用モータを電力変換装置により駆動制御する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気鉄道用電車の電力変換装置は、小型・軽量化、高効率化、低騒音化、省保守化等を目的とし、可変電圧可変周波数（ＶＶＶＦ）インバータによる主電動機駆動が主流となっている。一方、電気鉄道用電車に搭載されている主電動機以外の各種負荷に対しては、補助電源装置から一定電圧一定周波数（ＣＶＣＦ）の電力が供給されている。最近では補助電源装置は従来の回転型電動発電機から安定した電力を供給できる静止型ＣＶＣＦインバータに置き換えられており、万一、補助電源装置が故障した場合にも、主電動機駆動用の電力変換装置をＣＶＣＦ運転し、負荷に電力を供給することで冗長性を持たせたシステムや、補助電源装置の負荷が大きいときに主電動機駆動用の電力変換装置を補助電源装置と並列にＣＶＣＦ運転し、補助電源装置の容量を低減するシステム等があり、補助電源装置の高信頼化、小型・軽量化が図られている。
【０００３】
図９に従来の構成を示す。補助電源装置６１が空調（コンプレッサ）用モータ３１とそれ以外の負荷７１に一定電圧一定周波数（ＣＶＣＦ）の電力を供給し、電力変換装置１１は主電動機２１に可変電圧可変周波数（ＶＶＶＦ）の電力を供給する。図１０は、従来の第２の構成であり、補助電源装置６１が正常な場合には、主電動機２１は電力変換装置１１により可変電圧可変周波数（ＶＶＶＦ）制御され、主電動機２１以外の空調用モータ３１と負荷７１は、補助電源装置６１により一定電圧一定周波数（ＣＶＣＦ）制御される。補助電源装置６１が故障した場合には、故障信号８１によりスイッチ９１を主電動機２１から空調用モータ３１と負荷７１に切り替え、電力変換装置１１を可変電圧可変周波数駆動から一定電圧一定周波数駆動に変更して負荷７１に電力を供給し、システムの冗長性を確保している。図１１は、従来の第３の構成であり、ノッチ指令により、電力変換装置１１が動作していない時に、切替制御部１０がスイッチ９１を主電動機２１から空調用モータ３１と負荷７１に切り替え、電力変換装置１１を可変電圧可変周波数駆動から一定電圧一定周波数駆動に変更し、補助電源装置６１と並列運転する。補助電源装置６１の負荷である空調用モータ３１と負荷７１に対して電力変換装置１１からも電力を供給することで、補助電源装置６１の容量を小さくでき小型化を実現している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、電気鉄道用電車に搭載されている補助電源装置の負荷を従来のようにＣＶＣＦインバータにより駆動する場合、特に消費電力の大半を占める空調コンプレッサ用モータを最適な電圧・周波数で高性能・高効率に制御することが課題として残されている。また、車内温度が目標値と大きくかけ離れている場合でも、空調コンプレッサ用モータは一定電圧一定周波数で駆動されるため、車内温度が目標値と一致するまでに時間を要し、稼働時間が長くなるため消費電力量も大きくなる。さらに、空調コンプレッサ用モータ始動時には一般的に定格電流の５倍程度の突入電流が流れ、補助電源装置の容量を超えるため、空調の同時起動ができず時間差を設けて順次起動するシーケンス回路が必要である。一方、空調コンプレッサ用モータを一定電圧一定周波数の補助電源装置で高性能・高効率で駆動するためにはＶＶＶＦインバータを内蔵した空調を適用する必要があるため、空調装置の小型化、低コスト化が課題となる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、主電動機以外の負荷に電力を供給する補助電源装置により一定電圧一定周波数で電力を供給されている負荷のうち、消費電力の大半を占める空調コンプレッサ用モータを補助電源装置の負荷と分離し、主電動機駆動用の電力変換装置で直接可変電圧可変周波数駆動できる構成とする。
【０００６】
すなわち、本発明は、電気車の車両に搭載された走行用主電動機に可変周波数可変電圧を出力し、駆動する電気車の電力変換装置であって、前記車両の走行状態に応じて、前記主電動機、空調コンプレッサ用モータ又はその両者を選択する選択手段を介して可変周波数可変電圧の電力を出力する電力変換装置である。
【０００７】
また、本発明は、供給する電力を、空調コンプレッサ用モータを駆動するのに適切な電圧に昇圧又は降圧するための変圧器と空調コンプレッサ用モータをオン・オフ制御するための交流遮断機を備える電力変換装置である。
【０００８】
そして、本発明は、前記交流遮断機は、電力変換装置の前進・後進時に行われる３相の相順切替に対応して、常に一定の相順を空調コンプレッサ用モータに供給するための相順切替機能を有する電力変換装置である。
【０００９】
更に、本発明は、複数の車両を連結して一つの編成を成す電気鉄道用電車に艤装され、該電車を駆動するために台車に装備された主電動機に可変周波数可変電圧を出力し、駆動する電力変換装置において、前記電車の停止又は惰行中には、前記主電動機に供給する電力と同じもしくは異なる可変周波数可変電圧の電力を空調コンプレッサ用モータに供給する電力変換装置である。
【００１０】
また、本発明は、前記電車の力行又は回生ブレーキ中には、前記主電動機に供給する電力と同じ出力周波数の電力を前記空調コンプレッサ用モータに供給する電力変換装置である。
【００１１】
そして、本発明は、複数の車両を連結して一つの編成を成し、請求項１記載の電力変換装置を複数個具備する電気鉄道用電車において、空調装置は１両内で多重構成とし、多重化された空調コンプレッサ用モータは、編成内で異なる電力変換装置より電力を供給するように構成する電気鉄道用電車である。
【００１２】
更に、本発明は、前記空調コンプレッサ用モータに供給する電力以外に必要な電源を供給する補助電源供給機能を前記電力変換装置のハードウェア内に追加した電気鉄道用電車である。
【００１３】
また、本発明は、編成内に複数台の前記追加された補助電源装置が存在する場合に、それらの補助電源装置の出力電圧や周波数及び位相を同期させた並列運転を行う電気鉄道用電車である。
【００１４】
そして、本発明は、前記空調コンプレッサ用モータに供給する電力以外に必要な電源を機能又は装置ごとに分割し、前記追加された補助電源装置についても同様に複数に分割して電力を供給する電気鉄道用電車である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、電力変換装置は空調コンプレッサ用モータを最適かつ連続的な電圧・周波数で高性能・高効率に制御することができるため、主変換装置と補助電源装置のトータル容量を低減することで、装置の小型軽量化を実現することができる。また、コンプレッサの空気圧を連続的に制御できるため車内温度の変動を低減することができる。さらに車内温度と設定値に大きな差がある場合には、空調コンプレッサ用モータの高速回転による急速冷房運転により車内温度の設定値への追従性もよくなるため、車内環境の快適性を向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明を実施するための最良の形態を説明する。
本発明の電力変換装置及び電気鉄道用電車の実施例について、図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１７】
実施例１を説明する。図１に本発明の第一の実施例を示す。便宜上、空調コンプレッサ用モータを空調用モータと表記する。図１は電気鉄道用電車の電力変換装置１１により主電動機２１を制御するシステムにおいて、電力変換装置１１と主電動機２１を接続し開放するスイッチ４１と、電力変換装置１１と空調用モータ３１を接続し開放するスイッチ５１を有する構成である。
【００１８】
図２に示す電車の一般的な一連の運転状態である停止、力行、だ（惰）行、回生ブレーキの各状態において、スイッチ４１とスイッチ５１の動作を説明する。電車の停止時、電力変換装置１１は空調用モータ３１のみを駆動すればよいため、スイッチ４１をオフして主電動機２１を開放し、スイッチ５１をオンして電力変換装置１１と空調用モータ３１を接続する。このとき電力変換装置１１の負荷容量を考えると、例えば２Ｍ２Ｔの４両１編成の電車において電力変換装置１台で主電動機２台と空調用モータ２台を駆動する場合、主電動機の容量を１台あたり１３５ｋＶＡ、空調用モータを１台あたり１５ｋＶＡとすると、電力変換装置の負荷容量は全部で３００ｋＶＡとなり、そのうち空調用モータは３０ｋＶＡになるため、全体の負荷容量の１０％となる。コンプレッサの圧力が目標値に達すると、電力変換装置１１の運転を停止し、スイッチ５１をオフする。電車が加速している力行時にはスイッチ４１、スイッチ５１をともに接続しておき、電力変換装置１１は主電動機２１と空調用モータ３１を同時に駆動する。電車の加速中にコンプレッサの圧力が目標値に達した場合は、スイッチ５１をオフして空調用モータ３１を電力変換装置１１から切り離す。速度が目標値に達し、電車の惰行時には、停止時と同様に電力変換装置は空調用モータのみを駆動すればよいため、スイッチ４１をオフし主電動機２１を開放し、スイッチ５１をオンして電力変換装置１１と空調用モータ３１を接続する。コンプレッサの圧力が目標値に達すると、電力変換装置１１の運転を停止し、スイッチ５１をオフする。惰行中に速度が低下してきた場合は再度力行し、速度が目標値に達した場合は再度惰行するが、このときのスイッチ４１、５１の動作は前述の通りである。電車が減速する回生ブレーキ中にはスイッチ４１、スイッチ５１をともに接続しておき、主電動機３１が発生した電力を空調用モータ３１に直接供給し、余剰電力は電力変換装置１１を通して電源側に回生される。電車の停止以降は前述の動作を繰り返す。尚、電車の停止および惰行中に、コンプレッサ圧力が目標値に達していて空調用モータ３１の駆動が不要な場合は、電力変換装置１１の動作を停止し、スイッチ５１はオンのままでもよい。
【００１９】
図３に主電動機以外の負荷を駆動する補助電源装置で、空調用モータを駆動した場合に必要な負荷容量の一般的な従来例を示す。空調用モータ以外の負荷、例えば照明やブレーキ装置用コンプレッサのモータ、直流電源に変換するダイオード整流回路等の負荷Ａは電車の運転状態によらず常に４０％一定とし、空調コンプレッサ用負荷Ｂは電車の力行、惰行および回生ブレーキ中は３０％一定とし、電車の停止時にドアが開き、乗客が乗降する際に車内温度が外乱により温度設定値から大きく外れたときに空調が最大出力で運転し、このとき、２倍の６０％負荷になり、補助電源装置の容量の１００％に到達するとする。ドアが閉じたあと、力行し時間ｔ１後に車内温度が設定値と一致してからコンプレッサの駆動を停止する。
【００２０】
図４に、本実施例において、電車の停止時や惰行時に、空調用モータを電力変換装置で直接可変電圧可変周波数駆動し、最適で高効率な運転をした場合の負荷容量を示す。尚、力行時および回生時の消費電力は従来と同等とする。空調用モータの高速駆動による急冷運転により、空調用モータの動作時間を半減できると想定し、電車の停止時や惰行時の空調用モータの消費電力を５０％低減できるとすると、従来の補助電源装置の容量で必要だった最大６０％の空調用モータ負荷Ｂは半分の３０％の負荷になる。空調用モータ負荷Ｂは電力変換装置で直接駆動することにより、電力変換装置と補助電源装置のトータル負荷を低減でき、装置の小型・軽量化が実現できる。さらに、回生中は主電動機２１から空調用モータ３１に直接電力を供給するので、その分電力変換装置１１の発生損失を抑制することができる。
【００２１】
一方、空調用モータ３１の制御は主電動機２１を制御している電力変換装置１１のＣＰＵ演算処理能力の余力分を利用することで、空調内部にあった制御機能を省略できる。また、空調用モータを電力変換装置で０電圧から滑らかに駆動することによって、始動時の突入電流を抑制することができ、空調用モータの順次投入シーケンスを省略することができるため、空調装置の小型・軽量化も実現できる。
【００２２】
また、電力変換装置１１と空調用モータ３１の間に空調用モータを駆動するのに適切な所定の電圧に降圧する変圧器を設けた場合についても、図１と同様の効果が得られると同時にスイッチ５１を低圧用のものを用いることができるようになるため、より経済的である。また、電車の後進時には、スイッチ５１に三相の相順切替え機能をもたせることにより、空調用モータ３１の回転方向を常に同一方向に保つことができる。
【実施例２】
【００２３】
実施例２を説明する。図５に本発明の第二の実施例を示す。図５では、第１の車両で多重構成された複数台の空調用モータ３１、３２と第２の車両で多重構成された複数台の空調用モータ３３、３４のうち、第１の車両の電力変換装置１１から空調用モータ３１、３３に電力を供給し、第２の車両の電力変換装置１２から空調用モータ３２、３４に電力を供給する構成である。なお、車両及び空調用モータの数は、それぞれ３以上でも構成可能である。
【００２４】
この構成により、仮に第１の車両の電力変換装置１１が故障し、空調用モータ３１、３３が停止した場合でも、第２の車両の電力変換装置１２から空調用モータ３２、３４に電力を供給でき、第１及び第２の車両の空調機能をそれぞれ完全に停止する可能性が少なくなり、冗長性のあるシステムを構成することができる。また、１編成内の補助電源装置２台で空調用モータに電力を供給する従来の一般的なシステムと比較して、電力変換装置で空調用モータを直接駆動することにより、１編成内に電力変換装置が３台以上存在する場合には、空調用モータの電源の数が従来と比較して多くなるため、冗長性の高いシステムを構成することができる。
【実施例３】
【００２５】
実施例３を説明する。図６に本発明の第三の実施例を示す。図６では主電動機２１と空調用モータ３１以外の負荷７１に電力を供給する補助電源装置６１を電力変換装置１１のハードウェア内に追加した構成である。電力変換装置と補助電源装置がそれぞれ独立している現状のシステムでは、電車の給電電源が直流の場合には、電力変換装置と補助電源装置の電源ラインにそれぞれリアクトルや遮断器等が必要であるが、図６の構成により、補助電源装置のリアクトルや高圧遮断器等を電力変換装置のものと併用することができる。また、電車の給電電源が交流の場合には、これまで電力変換装置と補助電源装置の電源ラインにそれぞれトランスや交流遮断機が必要であったが、図６の構成により、これらを併用することができ、さらに交流から直流へ電力を変換する整流装置も併用することができる。また、補助電源装置用の高圧引き通し回路を電力変換装置と共通化することにより、従来のシステムでは補助電源装置のある先頭車に艤装されていた高圧引き通し回路を省略することができる。
【００２６】
従って図６の構成では、構成部品数を低減することができるため、システムの信頼性を向上させ、省保守化を実現することができる。電力変換装置が１編成内に３台以上ある場合は、従来の１編成内に２台の補助電源装置があるシステムと比較して補助電源装置の負荷に電力を供給できる電源の数が多くなるため、冗長性のあるシステムを構成することができる。
【実施例４】
【００２７】
実施例４を説明する。図７に本発明の第四の実施例を示す。図７は主電動機２１、２２と空調用モータ３１、３２以外の負荷を負荷７１１、７２１、７１２、７２２のように照明、空調用送風機、空気ブレーキ用コンプレッサ等の機能または装置ごとに分割し、補助電源装置も補助電源装置６１１、６２１、６１２，６２２のように複数に分割し、上記補助電源装置を電力変換装置１１、１２のハードウェア内にそれぞれ追加した構成である。
【００２８】
例えば補助電源装置６１１、６２１、６１２、６２２が必要な定格容量のそれぞれ２５％ずつを負担している場合を考える。補助電源装置が分割されていない場合、補助電源装置が故障すると、負荷７１１、７２１、７１２、７２２すべてに電力が供給できなくなり、他の健全な補助電源装置から延長給電しバックアップする場合は、自分の負荷１００％と合計して２００％の電力を供給する能力が必要であった。これに対し、図７の構成では、仮に１台の補助電源装置６１１が故障した場合でも、供給できる電力容量の低下を２５％に抑えることができ、不足している２５％の容量のみを残りの健全な補助電源装置で負担すればよいことになる。従って、負荷を分散し、それに合わせて補助電源装置も分割し、一つあたりの容量を小さくすることによって、補助電源装置故障時のバックアップに必要な容量を低減することができため、補助電源装置の小型軽量化を実現できる。また、補助電源装置６１１、６２１、６１２、６２２の出力電圧や周波数および位相を同期させた並列運転をすることにより、仮に補助電源装置６１１が故障した場合には残りの補助電源装置６２１、６１２、６２２で負荷７１１、７２１、７１２、７２２に電力を供給し続けることができるので、冗長性を持った信頼性の高いシステムを構成することができる。
【実施例５】
【００２９】
実施例５を説明する。図８に本発明の第五の実施例を示す。図８は電力変換装置１１と主電動機２１または空調用モータ３１のどちらかを接続するスイッチ９１を有する構成である。図８において、電車の停止時および惰行時には、スイッチ９１を空調用モータ３１側に接続することにより、電力変換装置１１は空調用モータ３１を直接可変電圧可変周波数駆動できる。電車の停止時および惰行時に、空調用モータ３１を電力変換装置１１で可変電圧可変周波数駆動できるため、図１と同様の効果が得られるのは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】実施例１の電力変換装置の説明図。
【図２】実施例１における実施方法を説明したタイムチャートの説明図。
【図３】従来の技術を説明した図。
【図４】実施例１における効果を示す説明図。
【図５】実施例２の電力変換装置の説明図。
【図６】実施例３の電力変換装置の説明図。
【図７】実施例４の電力変換装置の説明図。
【図８】実施例５の電力変換装置の説明図。
【図９】従来の技術を説明した構成図。
【図１０】従来の第２の技術を説明した構成図。
【図１１】従来の第３の技術を説明した構成図。
【符号の説明】
【００３１】
１１、１２  電力変換装置
２１、２２  主電動機
３１〜３４  空調用モータ
４１、４２、５１、５２、９１  スイッチ
６１、６１１、６１２、６２１、６２２  補助電源装置
７１、７１１、７１２、７２１、７２２  負荷
【図１】
2007049836.tif 000003
【図２】
2007049836.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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