JP2004336833A - 鉄道車両用電力変換器の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の電源系から構成されるハイブリッド型の鉄道車両において、複数の電源系を安全にかつ機器破損等を伴わずに接続することにある。
【解決手段】直流電力を発生する電源装置１０１，２０１と、直流電力を供給・蓄積する二次電池６，６’からなる電力供給源１０２，２０１を有し、これらの電力供給源とインバータ４，４’をスイッチ１１，１１’を介して接続し、これらの電力供給源をインバータとスイッチの間で相互に接続するシステムであって、電力供給源１０２がスイッチによって開放状態にあり、この電力供給源１０２を電力供給源２０１に接続するとき、差電圧検出部１２によって両電力供給源１０２と２０１の直流出力電圧を検出し、その電圧差が所定の差電圧以下になっていないとき、制御部１０，１０’のコンバータ３，３’への指令によって電力供給源１０２または２０１の二次電池を充電し、両電力供給源を接続する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直流電力を発生する電源装置と直流電力を供給する電力蓄積装置とよりなる電力供給源を複数組有する鉄道車両用電力変換器の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジン式鉄道車両（以下、気動車と呼ぶ。）においては、騒音、排気等の環境問題への対応やシステムのメンテナンス性の向上のため、電気式鉄道車両（以下、電気車と呼ぶ。）と部品の共通化を図ったハイブリッド化が検討されている。
このシステムでは、エンジンで発電機を駆動して交流電力を発生し、これをコンバータ装置で一旦直流電力に変換する。この直流電力を更にインバータ装置で可変電圧、可変回転周波数の交流電力に再変換して誘導電動機を駆動する。
また、コンバータ直流出力部には並列に二次電池などの電力供給・蓄積が可能な電力蓄積装置を持ち、ブレーキ時の回生エネルギーの蓄積や、電力蓄積装置からの電力供給により、エンジン・発電機・コンバータからなる電力発生部分の瞬時ごとの電力発生量を車両の運転に必要な電力量発生に拘束せず、自由度のある運転を可能として電力の発生効率の向上を図ることが行われる。
このようなシステムとしてハイブリッド電気自動車用システムが報告されている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１０−１９１５０３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記公知のシステムでは、電源側は１つのシステムであって、複数組の電源側装置を接続することは考慮されていない。
しかし、鉄道車両においては、１両でも電気自動車に対して１０倍程度の電力が必要となる他、電源側に故障が発生すると、走行不能になるため、高信頼を期待される鉄道車両においては電源側を２系にしたいという要望も考えられる。
さらに、鉄道車両においては車両を連結し、複数の車両による編成使用を行うことは常用の手法である。このため、電気システムとして電源系が複数になることは十分に起こりうる。しかし、電源が複数系から構成されると、その一部の系は開放されたり、開放状態から再度システムに接続される等の操作も必要となることは高信頼度の確保や、車両の連結等の使用法の面より想定できる。
この際に、特に開放された電源系を開放状態から再度システムに接続するとき、それまでに個別に管理された電源系を接続することとなる。本システムにおいては大きなエネルギー源である電池等を内蔵しているので、電源系の接続時に、電源状態によっては例えば二次電池の充電状態が相互に大きく異なるなどの場合、大電流が流れ、機器を破損する可能性があるという問題がある。
また、電源系接続時に短時間抵抗器を挿入し、大電流が流れるのを防止する方法も考えられるが、この方法は、少なくとも鉄道車両を駆動する電動機を数秒〜数十秒間駆動できる程度のエネルギーが消耗されることとなり、相当容量の機器が必要となるばかりでなく、取扱的にも、省エネルギー的観点からも好ましくない。
【０００５】
本発明の課題は、複数の電源系から構成されるハイブリッド型の鉄道車両において、複数の電源系を安全にかつ機器破損等を伴わずに接続することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、直流電力を発生する電源装置と、直流電力を供給・蓄積する電力蓄積装置からなる電力供給源を複数組有し、複数組の電力供給源を直流出力部にて個々に電力の供給を受けるインバータ装置と開閉制御可能なスイッチを介して接続し、複数組の電力供給源をインバータ装置とスイッチの間で相互に接続するシステムであって、複数組の電力供給源のうちの一部がスイッチによって電気的に開放状態にあり、この開放状態の電力供給源を接続相手側の電力供給源に接続するとき、開放状態の電力供給源の直流出力電圧と接続相手側の電力供給源の直流出力電圧とを監視し、両直流出力電圧の電圧差が所定の差電圧以下になっていないとき、開放状態の電力供給源または接続相手側の電力供給源の電力蓄積装置を充電し、開放状態の電力供給源を接続する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
図１は、本発明による鉄道車両用電力変換器の制御装置の一実施形態を示す。
図１において、第１の駆動システム１０００は次のように構成する。
エンジン１及びエンジン１に軸によって直結された発電機２は３相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）の交流電力を発生し、コンバータ装置３はこの交流電力を直流電力に変換して出力する。即ち、エンジン１、発電機２及びコンバータ装置３により直流電源装置１０１を構成する。
インバータ装置４は、コンバータ装置３から出力される直流電力、或いは電力蓄電装置である二次電池装置６より出力される直流電力をスイッチ１１を介して入力し、可変電圧、可変周波数の３相交流電力に変換し、誘導電動機５に供給する。即ち、インバータ装置４、誘導電動機５は、直流電源装置１０１及び二次電池装置６よりなる電力供給源１０２の負荷１０３として構成する。
二次電池装置６は、コンバータ装置３の出力に並列に接続され、後述のように車両の起動時やインバータ装置４が使用する電力に比べ、直流電源装置１０１の出力が不足する時等に電力を補給する。また、逆にインバータ装置４が使用する電力に比べ、直流電源装置１０１の出力が過剰な時、或いはブレーキ時におけるインバータ装置６の回生電力等を充電蓄積する。
平滑コンデンサ７は、インバータ装置４の入力に並列に接続され、インバータ入力電圧の変動を抑制する。
【０００８】
一方、制御部１０は、電流検出器９ａで検出したコンバータ出力電流Ｉｓと電圧検出器８ａで検出した電源電圧Ｖｄ１、差電圧検出部１２から出力される差電圧ΔＶｄ１及び発電機回転周波数Ｆｒｇによりコンバータ制御演算を実行し、コンバータ装置３に対してコンバータＰＷＭ制御信号Ｓｇｃを出力すると共に、スイッチ１１の開閉信号Ｓｌｂを出力する。
また、制御部１０は、電流検出器９ｂ，９ｃ，９ｄで検出した電動機電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗと電圧検出器８ｂで検出した直流電圧Ｅｃｆ及び電動機回転周波数Ｆｒｍによりインバータ制御演算を実行し、インバータ装置４に対してインバータＰＷＭ制御信号Ｓｇｉを出力する。
更に、制御部１０は、二次電池装置６から出力される二次電池電流Ｉｂ、二次電池電圧Ｖｂ及び二次電池温度Ｔｂにより二次電池の稼動状態を監視し、コンバータの出力を制御することによって二次電池の充放電量の制御を行う。
【０００９】
第２の駆動システム２０００は、第１の駆動システム１０００と同様に構成された駆動システムである。そして、これらの駆動システム１０００及び２０００は並列に運転する為、負荷であるインバータ装置４とインバータ装置４’の直流入力端を接続する。
差電圧検出部１２は、第１，第２の駆動システム１０００及び２０００から出力される電源電圧Ｖｄ１，Ｖｄ２を入力として両駆動システム間の電圧差を求め、差電圧ΔＶｄ１，ΔＶｄ２を各制御部１０，１０’に出力する。
【００１０】
次に、本実施形態の動作について説明する。
図２は、図１を簡略化したブロック図である。今、電力供給源１０２が開放されている状態とする。一方、負荷１０３，２０３は負荷群３００として存在しており、電力供給源２０２より給電されているとする。電力供給源１０２の出力を出力電圧Ｖｄ１、電力供給源２０２の出力を出力電圧Ｖｄ２とし、その差を差電圧ΔＶ（ΔＶｄ１又はΔＶｄ２）とする。
スイッチ１１を投入し、電力供給源１０２を接続すると、差電圧ΔＶによる電流が電力供給源１０２，２０２の間に相互の電圧差をうめるように流れる。
ここで、図３に、二次電池の概略の等価回路を示す。近似的には二次電池は理想的な直流電圧源に内部抵抗Ｒを持つ直流源である。従って、上記のように電力供給源１０２を接続しようとするとき、電池６に入出力する電流は、最悪負荷群３００及電力供給源１０２の合成インピーダンスが０Ωとしても、電池６の内部抵抗Ｒで制限される。即ち、図４に示すように、内部抵抗Ｒ及び差電圧ΔＶで定まる電流ΔＶ／Ｒに制限される。従って、ΔＶを電池に許される最大電流Ｉｍａｘと内部抵抗Ｒの積以下に制御した状態で接続すれば、Ｉｍａｘ以上の電流は流れない。
【００１１】
そこで、図１において、出力電圧Ｖｄ１≦出力電圧Ｖｄ２とするとき、差電圧検出部１２によって検出した差電圧ΔＶｄ１を制御部１０に入力する。制御部１０では、コンバータ装置３を制御し、差電圧ΔＶｄ１が二次電池６に許される最大電流Ｉｍａｘと内部抵抗Ｒの積以下になるように二次電池６を充電する。
この充電によって出力電圧Ｖｄ１と出力電圧Ｖｄ２の差電圧ΔＶｄ１が二次電池６の内部抵抗Ｒと入出力許容電流値Ｉｍａｘの積によって設定する値以下になったとき、電力供給源１０２を電力供給源２０２に接続すれば、差電圧ΔＶｄ１による大電流が流れることなく、機器破損等の事故を未然に防ぐことができる。
また、出力電圧Ｖｄ１≧出力電圧Ｖｄ２のときも同様である。すなわち、差電圧検出部１２によって検出した差電圧ΔＶｄ２を制御部１０’に入力する。制御部１０’では、コンバータ装置３’を制御し、差電圧ΔＶｄ２が二次電池６’に許される最大電流Ｉｍａｘと内部抵抗Ｒの積以下になるように二次電池６’を充電する。
この充電によって出力電圧Ｖｄ１と出力電圧Ｖｄ２の差電圧ΔＶｄ２が二次電池６’の内部抵抗Ｒと入出力許容電流値Ｉｍａｘの積によって設定する値以下になったとき、電力供給源１０２を電力供給源２０２に接続すれば、差電圧ΔＶｄ２による大電流が流れることなく、機器破損等の事故を未然に防ぐことができる。
以上のように、本実施形態によれば、開放された電力供給源を負荷に接続するとき、差電圧ΔＶ（ΔＶｄ１又はΔＶｄ２）を監視し、制御することにより、第１の駆動システム１０００と第２の駆動システム２０００を安全に接続することが可能である。
【００１２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、開放されている電力供給源側と、接続先である負荷側の直流電圧を監視すると共に、その電圧差が所定の値以下であることを検出し、両電力供給源を接続するので、電力供給源間に大電流が流れることなく、機器破損等の事故を未然に防ぐことができ、複数の電源系を安全に接続することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による鉄道車両用電力変換器の制御装置の一実施形態
【図２】図１に示す実施形態の簡略ブロック図
【図３】二次電池の概略等価回路を示す図
【図４】本発明の許容差電圧を説明する図
【符号の説明】
１，１’…エンジン、２，２’…発電機、３，３’…コンバータ装置、４，４’…インバータ装置、５，５’…誘導電動機、６，６’…バッテリ（二次電池）装置、７，７’…平滑コンデンサ、８ａ，８ｂ，８ａ’，８ｂ’…電圧検出器、９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ，９ａ’，９ｂ’，９ｃ’，９ｄ’…電流検出器、１０，１０’…制御部、１１，１１’…スイッチ、１２…差電圧検出部、１０１，２０１…直流電源装置、１０２，２０２…電力供給源、１０３，２０３…負荷、１０００…第１の駆動システム、２０００…第２の駆動システム

Claims (5)

1. 直流電力を発生する電源装置と、前記電源装置の出力と並列に接続され、直流電力を供給・蓄積する電力蓄積装置と、前記電源装置及び該電力蓄積装置から出力される直流電力を交流電力に変換するインバータ装置と、前記インバータ装置により駆動される交流電動機と、前記電源装置、前記インバータ装置及び前記電力蓄積装置を統括制御する統括制御装置から成る鉄道車両用電力変換器の制御装置であって、少なくとも前記電源装置と前記電力蓄積装置とよりなる電力供給源を複数組有し、前記複数組の電力供給源を直流出力部にて個々に電力の供給を受ける前記インバータ装置と開閉制御可能なスイッチを介して接続し、前記複数組の電力供給源を前記インバータ装置と前記スイッチの間で相互に接続することを特徴とする鉄道車両用電力変換器の制御装置。
2. 請求項１において、前記複数組の電力供給源のうちの一部が前記スイッチによって電気的に開放状態にあり、この開放状態の電力供給源を接続相手側の電力供給源に接続するとき、前記開放状態の電力供給源の直流出力電圧と前記接続相手側の電力供給源の直流出力電圧とを監視し、前記両直流出力電圧の電圧差が所定の差電圧以下であるとき、前記開放状態の電力供給源を接続することを特徴とする鉄道車両用電力変換器の制御装置。
3. 請求項２において、前記所定の差電圧は、前記開放状態の電力供給源側の電力蓄積装置の内部抵抗と入出力許容電流値の積によって設定することを特徴とする鉄道車両用電力変換器の制御装置。
4. 請求項２において、前記開放状態の電力供給源の直流出力電圧が接続相手側の電力供給源の直流出力電圧より小さく、かつ、前記両直流出力電圧の電圧差が所定の差電圧以下になっていないとき、前記開放状態の電力供給源側の電力蓄積装置を当該電力供給源側の電源装置によって充電することを特徴とする鉄道車両用電力変換器の制御装置。
5. 請求項２において、前記開放状態の電力供給源の直流出力電圧が接続相手側の電力供給源の直流出力電圧より大きく、かつ、前記両直流出力電圧の電圧差が所定の差電圧以下になっていないとき、前記接続相手の電力供給源側の電力蓄積装置を当該電力供給源側の電源装置によって充電することを特徴とする鉄道車両用電力変換器の制御装置。

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