(57)【要約】      （修正有）【課題】負荷あるいはインバータが過温度状態となっても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。【解決手段】車両用制御装置１０のインバータ２３は、架線１５から供給された電力の供給を受けて、電力変換を行い、負荷Ｍに供給する。制御部２７は、負荷の温度及びイ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、インバータの動作状態を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
架線から供給された電力の供給を受けて、電力変換を行い、負荷に供給するインバータを備えた車両用制御装置であって、
前記負荷の温度及び前記イ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、前記イ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、前記負荷で有り、
前記制御部は前記負荷における電力損失が低減するように前記イ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、前記負荷の入力電流がより正弦波形に近づくように前記イ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、前記インバータで有り、
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、前記イ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、パルス数を低減させるように前記イ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】
架線から供給された電力の供給を受けて、電力変換を行い、負荷に供給するインバータを備えた車両用制御装置で実行される方法であって、
前記負荷の温度及び前記インバータの温度を監視する過程と、
前記負荷の温度及び前記イ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、前記インバータの動作状態を制御する過程と、
を備えた方法。
【発明の詳細な説明】
【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、負荷に対して安定した電力の供給を行っている。
【０００３】
例えば、負荷である三相交流モータに対し、インバータ（ＤＣ／ＡＣ変換回路）により安定した電圧を有する交流電力が供給される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１５１３９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した車両用制御装置においては、電力変換動作時に、負荷及びインバータは、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、負荷あるいはイ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、列車の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】
【０００６】
実施形態の車両用制御装置のインバータは、架線から供給された電力の供給を受けて、電力変換を行い、負荷に供給する。制御部は、負荷の温度及びイ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、インバータの動作状態を制御する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、実施形態の鉄道用の車両制御装置の概要構成ブロック図である。
【図２】図２は、コンバータの概要構成図である。
【図３】図３は、インバータの概要構成図である。
【図４】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】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。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
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、実施形態の鉄道用の車両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。
【０００９】
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。
【００１０】
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、パルスモードを切替え、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。
【００１１】
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。
【００１２】
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、三相交流モータＭの温度を検知し、モータ温度検知信号ＴＭを制御部２７に出力する第１温度センサ２８と、インバータ２３（特に後述するスイッチング素子）の温度を検知し、インバータ温度検知信号ＴＩ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、外部からモータ温度検知信号ＴＭを取り込むようにしても良い。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
次に第１実施形態の動作を説明する。
車両制御装置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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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の出力したモータ温度検知信号ＴＭに対応する三相交流モータＭの温度及び第２温度センサ２９の出力したインバータ温度検知信号ＴＩに対応するインバータ２３の温度を監視する（ステップＳ１１）。
【００２５】
次に制御部２７は、三相交流モータＭ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、三相交流モータＭの温度が許容値を超えそうな場合とは、例えば、三相交流モータＭの現在の温度から現在の温度上昇率が継続した場合に、所定時間後に三相交流モータＭ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、三相交流モータＭ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。
【００２６】
ステップＳ１２の判別において、三相交流モータＭ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、インバータ２３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、インバータ２３の温度に余裕があるか否かとは、例えば、インバータ２３のキャリア周波数あるいはパルス数を上げ、若しくは、パルス数切替周波数を下げる等の制御変更を行って、モータ電流を正弦波に近づけて、モータ電流の高調波成分を抑制し、三相交流モータＭにおける損失を低下し、三相交流モータＭの温度を低下させるようにインバータ２３を制御し続けた場合であっても、インバータ２３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）。
【００２７】
ステップＳ１３の判別において、想定されるインバータ２３の制御に移行した場合には、インバータ２３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。
【００２８】
ステップＳ１３の判別において、想定されるインバータ２３の制御に移行した場合に、インバータ２３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、当該想定したインバータ２３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）。
【００２９】
以上の説明のように、本第１実施形態によれば、三相交流モータＭの温度が許容値を超えそうな場合であって、インバータ２３の温度に余裕がある場合には、よりインバータ２３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下げる等のインバータ２３がより多くの負担を担う制御）を行うことにより、三相交流モータＭを流れるモータ電流の高調波成分を低下させて、三相交流モータＭにおける損失を低下させて駆動することが可能となるので、三相交流モータＭの過温度検出などにより、車両制御装置１０が停止したり、三相交流モータＭが短寿命化したり、三相交流モータＭ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。
【００３０】
［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、三相交流モータＭに余裕がある場合に、インバータ２３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の出力したモータ温度検知信号ＴＭに対応する三相交流モータＭの温度及び第２温度センサ２９の出力したインバータ温度検知信号ＴＩに対応するインバータ２３の温度を監視する（ステップＳ２１）。
【００３１】
次に制御部２７は、インバータ２３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、インバータ２３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。
【００３２】
ステップＳ２２の判別において、インバータ２３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、三相交流モータＭの温度に余裕があるか否か、すなわち、インバータ２３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上げるなど、インバータ２３の負荷が低下する方向に制御変更を行って、インバータ２３の温度を低下させるようにインバータ２３を制御可能か否かを判別する（ステップＳ２３）。
【００３３】
ステップＳ２３の判別において、想定されるインバータ２３の低負荷制御に移行した場合に、三相交流モータＭ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。
【００３４】
ステップＳ２３の判別において、想定されるインバータ２３の低負荷制御に移行した場合に、三相交流モータＭ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、当該想定したインバータ２３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）。
【００３５】
以上の説明のように、本第２実施形態によれば、インバータ２３の温度が許容値を超えそうな場合であって、負荷である三相交流モータＭの温度に余裕がある場合には、よりインバータ２３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上げる等、インバータ２３の負荷が低下するような制御）を行うことにより、インバータ２３の負荷を低減させて駆動することが可能となるので、インバータ２３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。
【００３６】
特に鉄道用車両に搭載される三相交流モータＭ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。
【００３７】
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。
例えば、以上の説明においては、交流架線から電力供給を受ける場合について説明したが、直流架線から電力供給を受ける場合であっても、交流／直流変換を行うためのコンバータを設ける必要がない点を除き、同様に適用が可能である。
【符号の説明】
【００３８】
１０    車両制御装置
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
【図１】
2016213941.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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