(57)【要約】  艤装スペースに制約がある場合に、搭載するエンジン発電機ユニットは、十分な熱容量が確保できないと、発電機の電流制限等の動作（運転）制限が必要となるため、駆動制御装置として、エンジンで駆動される発電機が生成する交流電力を直流電力に変換する電力変換回路と、電力変換回路のスイッチング動作をスイッチング動作モードに基づいて制御する制御部とを備え、制御部は、エンジンで駆動される発電機の回転速度に応じてスイッチング動作モードを変更することにより、発電機を駆動する交流電流の高調波成分の含有率を減少させ、延いては最小にする。
2020049767.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンで駆動される発電機が生成する交流電力を直流電力に変換する電力変換回路と、
前記電力変換回路のスイッチング動作をスイッチング動作モードに基づいて制御する制御部と
を備え、
前記制御部は、前記発電機の回転速度に応じて前記スイッチング動作モードを変更する
ことを特徴とする駆動制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の駆動制御装置であって、
前記スイッチング動作モードは、前記発電機に流れる交流電流の高調波成分の含有率を減少させるスイッチング動作である
ことを特徴とする駆動制御装置。
【請求項３】
請求項２に記載の駆動制御装置であって、
前記制御部は、前記発電機の回転速度に応じて前記スイッチング動作モードを変更して、前記発電機の全速度範囲にわたって前記発電機に流れる交流電流の高調波成分の含有率を最小にする
ことを特徴とする駆動制御装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の駆動制御装置であって、
前記制御部は、ＰＷＭ制御方式で前記スイッチング動作を制御し、前記スイッチング動作モードとして、前記発電機が低速度域では非同期ＰＷＭ制御を採用し、前記発電機が高速度域では同期ＰＷＭ制御を採用する
ことを特徴とする駆動制御装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の駆動制御装置であって、
前記制御部は、前記発電機の回転速度に替えて前記電力変換回路のスイッチング動作に伴う変調率を使用する
ことを特徴とする駆動制御装置。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の駆動制御装置であって、
前記制御部は、前記発電機の回転速度に替えて前記電力変換回路の動作周波数を使用する
ことを特徴とする駆動制御装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の駆動制御装置と、前記エンジンと、当該エンジンで駆動される発電機と、前記電力変換回路が変換した直流電力を電源として交流負荷を駆動する第２の電力変換回路と
を搭載する鉄道車両。
【請求項８】
エンジンで駆動される発電機が生成する交流電力を直流電力に変換する電力変換回路を駆動するためのスイッチング動作モードを制御する駆動制御方法であって、
前記発電機の回転速度を検出する第１のステップと、
検出した前記回転速度に応じて前記スイッチング動作モードを変更して前記発電機に流れる交流電流の高調波成分の含有率を減少させる第２のステップと、
変更した前記スイッチング動作モードに基づいて前記電力変換回路に駆動パルス信号を出力する第３のステップと
を有する駆動制御方法。
【請求項９】
請求項８に記載の駆動制御方法であって、
前記第２のステップは、前記発電機の全速度範囲にわたって前記発電機に流れる交流電流の高調波成分の含有率を最小にする前記スイッチング動作モードに変更する
ことを特徴とする駆動制御方法。
【請求項１０】
請求項８または９に記載の駆動制御方法であって、
前記第１のステップは、前記発電機の回転速度に替えて、前記電力変換回路のスイッチング動作に伴う変調率または前記電力変換回路の動作周波数を検出し、
前記第２のステップは、検出した前記回転速度に替えて、検出した前記変調率または検出した前記動作周波数に応じて前記スイッチング動作モードを変更する
ことを特徴とする駆動制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両等に搭載する電力変換回路に対する駆動制御装置および駆動制御方法、当該駆動制御装置を搭載する鉄道車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力変換回路を使用するインバータ駆動システムを搭載した鉄道車両を用いて編成される列車が普及している。その中にあって、電力変換回路に対して架線以外から電力供給できるように、エンジンなどの自己供給源を搭載する列車も開発されている。【０００３】
このタイプの列車として、例えば、特許文献１には、複数の交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換する電力変換回路を共有化し、駆動システムの小型化を実現することにより、駆動に必要なエンジン発電ユニット、コンバータ、電動機駆動用変換回路（インバータ）および主電動機を１車両内に搭載することができる構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−１４０２９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
駆動に必要な機器を搭載するに当たり、それらの機器を１車両内に納めるためには、駆動システムの小型化に加えて、同じ車両に搭載されるその他の機器に対しても小型化が要求される。例えば、その他の機器の１つとして、エンジンで駆動される発電機を備えたエンジン発電ユニットにおいては、艤装スペースの制約を満足できるエンジン発電ユニットを選定する必要がある半面で、熱容量の確保の面で不利が生じる。なぜならば、熱容量が確保できないと、発電機に電流制限等の動作（運転）制限が必要となるからである。
本発明の目的は、小型でかつ性能を満足するエンジン発電機ユニットを実現するために、発電機に流れる交流電流の高調波成分の含有率を減少させ、延いては最小にするコンバータのスイッチング動作モードを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る駆動制御装置は、エンジンで駆動される発電機が生成する交流電力を直流電力に変換する電力変換回路と、電力変換回路のスイッチング動作をスイッチング動作モードに基づいて制御する制御部とを備え、制御部は、エンジンで駆動される発電機の回転速度に応じてスイッチング動作モードを変更することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、発電機に流れる交流電流の高調波成分の含有率を減少させ、延いては最小にするために、コンバータのスイッチング動作モードを発電機の回転速度に応じて変更することで、発電機の損失を低減し、発電機の発熱量を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明に係る駆動システムの一例として、鉄道車両用駆動システムの全体構成を示す図である。
【図２】本発明の実施例１に係る、エンジンによる発電駆動システムの概略構成を示す図である。
【図３】実施例１に係る駆動制御装置を説明する図である。
【図４】ＰＷＭコンバータ制御におけるスイッチング動作モードの変更タイミングの一例を決定するグラフを示す図である。
【図５】駆動制御装置内のＰＷＭコンバータ制御部の動作を説明するフローチャートを示す図である。
【図６】本発明の実施例２に係る、エンジンによる発電駆動システムの概略構成を示す図である。
【図７】本発明の実施例３に係る、編成制御装置から各車両の駆動制御装置に対してスイッチング動作モードを命令する構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明を実施するための形態として、実施例１〜３について、図面を用いて説明する。
【００１０】
各実施例の説明に先立ち、本発明に係る駆動システムの基本構成について示す。
図１は、本発明に係る駆動システムの一例として、鉄道車両用駆動システムの全体構成を示す図である。
【００１１】
集電装置１は、単相交流電源である変電所と接続される架線（図示せず）から単相交流電力を取り込む。集電装置１に接続される主変圧器１１は、架線電圧を降圧し、低圧側に巻線を二つ配置し、各巻線には単相交流が供給される。
【００１２】
また、駆動システムは、各巻線それぞれから、接触器１２を介して単相交流を入力とする電源用電力変換回路２１および電源用電力変換回路２２は、自己消弧能力を有する半導体素子（例えば、ＩＧＢＴ）とダイオードとを逆並列に接続した接続体を二個直列接続して構成したスイッチング回路を二相分備え、単相交流電力を直流電力に変換する。
【００１３】
電源用電力変換回路２１および２２の直流出力側に接続され直流電圧を平滑する平滑コンデンサ３の両端の電圧を電圧源として、電動機駆動用変換回路４に直流電力が供給される。電動機駆動用電力変換回路４は、電源用電力変換回路２１および２２と同様のスイッチング回路を三相分備えて三相交流電力を出力し主電動機５を駆動する。
【００１４】
さらに、エンジンおよび該エンジンと連結した発電機から構成されるエンジン発電機ユニット６は、該発電機ユニット６から供給する三相交流電力を接触器１３を介して電源用電力変換回路２１および２２に供給する。
【００１５】
以上のように、図１に示す鉄道車両用駆動システムによると、集電装置１からの交流電力供給による運転モードと、エンジン発電機ユニット６からの交流電力供給による運転モードとのバイモードによる運転が可能になる。
【実施例１】
【００１６】
図２は、本発明の実施例１に係る、エンジンによる発電駆動システムの概略構成を示す図である。
エンジン発電機ユニット６、該ユニット６からの発電電力が供給される電源用電力変換回路２（先の電源用電力変換回路２１および２２に相当）、平滑コンデンサ３、主電動機駆動用インバータ４および該インバータ４により駆動される主電動機５によって、エンジンによる駆動システムを構成する。【００１７】
図３は、実施例１に係る駆動制御装置を説明する図である。
駆動制御装置７は、エンジン発電機ユニット６を制御するためのエンジン発電機ユニット制御部から送信されるエンジン発電機の回転速度（ＦＥＮＧ）を入力信号とし、コンバータ（電源用電力変換回路２）内に搭載されているスイッチング素子の動作信号となるＰＷＭパルス信号を出力信号とするＰＷＭコンバータ制御部を備える。【００１８】
ＰＷＭコンバータ制御部は、エンジン発電機ユニット６から入力される発電機の回転速度（ＦＥＮＧ）に応じて、スイッチング動作モードを変更して、そのスイッチング動作モードで動作するためのＰＷＭパルス信号をコンバータ（電源用電力変換回路２）に対して出力する。図３では、スイッチング動作モードとして、発電機の回転速度（ＦＥＮＧ）が、０〜Ｘ［Ｈｚ］までの範囲に対応するスイッチング動作モードＡ、Ｘ〜Ｙ［Ｈｚ］までの範囲に対応するスイッチング動作モードＢおよびＹ〜Ｚ［Ｈｚ］までの範囲に対応するスイッチング動作モードＣを有する場合を示している。【００１９】
図４は、ＰＷＭコンバータ制御におけるスイッチング動作モードの変更タイミングの一例を決定するグラフを示す図である。図４に示すグラフは、縦軸がエンジン発電機ユニットに流れる高調波電流［Ａ］であり、横軸がエンジン発電機の回転速度［Ｈｚ］である。ＰＷＭコンバータ制御部は、複数のスイッチング動作モードとして、「スイッチング動作モードＡ」、「スイッチング動作モードＢ」および「スイッチング動作モードＣ」を有するものとする。スイッチング動作モードの変更タイミングは、発電機の回転速度に応じて決定することになる。【００２０】
本発明は、スイッチング動作モードを変更するための発電機の回転速度を、発電機に流れる交流電流の高調波成分の含有率を減少させる、延いては最小にする、ように決定するものである。例えば、図４に示すように、各スイッチング動作モードＡ、ＢおよびＣは、発電機の回転速度（ＦＥＮＧ）に応じて、高調波電流（交流電流の高調波成分の含有率に相当）が変化することから、高調波電流を最小にするスイッチング動作モードの回転数の範囲を連結することにより、発電機の回転速度（ＦＥＮＧ）に対して採用するスイッチング動作モードを決定する。【００２１】
具体的には、発電機の回転速度（ＦＥＮＧ）が、スイッチング動作モードＡとスイッチング動作モードＢが交差するＸ［Ｈｚ］までは、高調波電流を最小にするスイッチング動作モードＡを採用し、Ｘ［Ｈｚ］からスイッチング動作モードＢとスイッチング動作モードＣが交差するＹ［Ｈｚ］までは、高調波電流を最小にするスイッチング動作モードＢを採用し、Ｙ［Ｈｚ］からＺ［Ｈｚ］までは、高調波電流を最小にするスイッチング動作モードＣを採用する。【００２２】
以上をまとめて、発電機の回転速度ＦＥＮＧの範囲と採用するスイッチング動作モード（Ａ、ＢおよびＣ）との関係は、以下のように決定されることになる。
０［Ｈｚ］≦ＦＥＮＧ＜Ｘ［Ｈｚ］  ：  スイッチング動作モードＡ
Ｘ［Ｈｚ］≦ＦＥＮＧ＜Ｙ［Ｈｚ］  ：  スイッチング動作モードＢ
Ｙ［Ｈｚ］≦ＦＥＮＧ≦Ｚ［Ｈｚ］  ：  スイッチング動作モードＣ
以上のスイッチング動作モードによるＰＷＭコンバータ制御により、図４に示すように、エンジン発電機の全速度域において高調波電流が少ない状態による運転が可能となる。【００２３】
本発明の適用により、発電機に流れる交流電流の高調波成分の含有率を減少させる、延いては最小にすることで、発電機の損失が低減し、発電機の発熱量を低減できる。
例えば、発電機が低速度域の動作点で回転しているとき（アイドリング状態）は、スイッチング動作モードとして非同期ＰＷＭ制御で動作させる。すなわち、上述した例では、スイッチング動作モードＡが非同期ＰＷＭ制御に対応することになる。
一方、発電機が高速度域の動作点で回転しているときは、スイッチング動作モードとして同期ＰＷＭ制御で動作させる。すなわち、上述した例では、スイッチング動作モードＢおよびＣが同期ＰＷＭ制御に対応することになる（スイッチング動作モードＢとＣとでは、パルス数が異なってくる）。【００２４】
ここで、交流電流の高調波成分の含有率を示す値としては、例えば、全高調波歪率（ＴＨＤ）を用いることが考えられる。
【数１】
2020049767.tif 000003
ＴＨＤ（Ｔｏｔａｌ  Ｈａｒｍｏｎｉｃ  ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ）：全高調波歪率
Ｉ１：元の信号成分の実効電流
Ｉ２、Ｉ３、・・・、Ｉｎ：元の信号成分の整数倍周波数の高調波成分の実効電流【００２５】
図５は、駆動制御装置内のＰＷＭコンバータ制御部の動作を説明するフローチャートを示す図である。
判断１において、発電機の回転速度ＦＥＮＧ［Ｈｚ］が、０［Ｈｚ］≦ＦＥＮＧ＜Ｘ［Ｈｚ］の条件を満足する場合（Ｙ）、処理１に移行して、ＰＷＭコンバータ制御におけるスイッチング動作モードＡを選択する。その後、処理２に移行して、スイッチング動作モードＡのスイッチング動作をするためのＰＷＭパルス信号を出力する。
前記条件を満たさない場合（Ｎ）、判断２に移行する。【００２６】
判断２において、発電機の回転速度ＦＥＮＧ［Ｈｚ］が、Ｘ［Ｈｚ］≦ＦＥＮＧ＜Ｙ［Ｈｚ］の条件を満足する場合（Ｙ）、処理３に移行して、ＰＷＭコンバータ制御におけるスイッチング動作モードＢを選択する。その後、処理４に移行して、スイッチング動作モードＢのスイッチング動作をするためのＰＷＭパルス信号を出力する。
前記条件を満たさない場合（Ｎ）、判断３に移行する。【００２７】
判断３において、発電機の回転速度ＦＥＮＧ［Ｈｚ］が、Ｙ［Ｈｚ］≦ＦＥＮＧ≦Ｚ［Ｈｚ］の条件を満足する場合（Ｙ）、処理５に移行して、ＰＷＭコンバータ制御におけるスイッチング動作モードＣを選択する。その後、処理６に移行して、スイッチング動作モードＣのスイッチング動作をするためのＰＷＭパルス信号を出力する。
前記条件を満たさない場合（Ｎ）、処理７に移行して、ＰＷＭパルス信号を出力しない。
【実施例２】
【００２８】
図６は、本発明の実施例２に係る、エンジンによる発電駆動システムの概略構成を示す図である。
図２で説明した実施例１は、主電動機５を駆動する主電動機駆動用インバータ４を有する鉄道車両用駆動システムであるのに対して、実施例２は、車内の空調や照明などの車内サービス用負荷１０に電力を供給するサービス電源用インバータ９を有する鉄道車両用駆動システムである。当該駆動システムに対して、本発明を適用することで、先に示した実施例１と同様な効果が得られる。
【実施例３】
【００２９】
図７は、本発明の実施例３に係る、編成制御装置から各車両の駆動制御装置に対してスイッチング動作モードを命令する構成を示す図である。
実施例３は、編成内に搭載されている機器の状態を統括している編成制御装置８が、各車両の駆動制御装置７にスイッチング動作モードを命令する構成である。編成制御装置８は、各車両内に搭載されているエンジン発電機ユニット６を制御するためのエンジン発電機ユニット制御部からそれぞれ送信される発電機の回転速度を入力信号とし、各車両の駆動制御装置７へのスイッチング動作モード信号を出力信号とする。スイッチング動作モード信号を入力とする各車両の駆動制御装置７は、図３と同様に、ＰＷＭコンバータ制御部からコンバータ（電源用電力変換回路２）に対してＰＷＭパルス信号を出力する。【００３０】
スイッチング動作モード信号は、各車両が搭載するエンジン発電機ユニット６の発電機回転速度情報を入力とする編成制御装置８が、図５に示すフローチャートと同様の処理を実行することによって選択される。【００３１】
本発明においては、実施例１または２のように、駆動制御装置内のＰＷＭコンバータ制御部自身が、エンジン発電機ユニット制御部から直接受信した発電機の回転速度情報に応じてスイッチング動作モードを変更することを必須の構成とするものではなく、実施例３のように、編成制御装置などの他機器からの制御信号に応じて駆動制御装置内のＰＷＭコンバータ制御部のスイッチング動作モードを変更する構成であっても構わない。要するに、発電機の回転速度に基づいてスイッチング動作モードを変更するに当たり、発電機に流れる交流電流の高調波成分の含有率を減少させる、延いては最小にするように、スイッチング動作モード変更時の回転速度が決定されていれば、実施例１〜３で示したように同様の効果が得られる。【００３２】
また、実施例１〜３においては、発電機の回転速度に応じてスイッチング動作モードを変更する構成を示したが、発電機の回転速度と線形関係にある、電源用電力変換回路（コンバータ）のスイッチング動作に伴う変調率または電源用電力変換回路（コンバータ）の動作周波数を発電機の回転速度に替えて採用し、上記変調率に応じて、または上記動作周波数に応じて、スイッチング動作モードを変更する構成を採用してもよい。
【符号の説明】
【００３３】
１…集電装置、２…電源用電力変換回路（コンバータ）、３…平滑コンデンサ、
４…電動機駆動用電力変換回路（主電動機駆動用インバータ回路）、
５…主電動機、６…エンジン発電ユニット、７…駆動制御装置、８…編成制御装置、
９…サービス電源用インバータ、１０…車内サービス用負荷、１１…主変圧器、
１２，１３…接触器、２，２１，２２…電源用電力変換回路、
２２１，２２２…電源用電力変換回路２２を構成する変換回路の一相分
【図１】
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【図２】
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【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】
2020049767.tif 000010
【国際調査報告】
2020049767.tif 000011
2020049767.tif 000012