JP6242544B2

JP6242544B2 - 鉄道車両用制御装置

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Publication number: JP6242544B2
Application number: JP2017524523A
Authority: JP
Inventors: 泰隆今村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2015-06-25
Filing date: 2015-06-25
Publication date: 2017-12-06
Anticipated expiration: 2035-06-25
Also published as: WO2016208035A1; US10193433B2; DE112015006655B4; DE112015006655T5; JPWO2016208035A1; US20180138798A1

Description

この発明は、内燃機関を用いる鉄道車両に搭載される鉄道車両用制御装置に関する。

架線の設備がない非電化路線を走行する鉄道車両に搭載された鉄道車両用制御装置は、ディーゼルエンジンなどの内燃機関により駆動される発電機が生じさせる交流電力を変換して、変換した交流電力を主電動機に供給して主電動機を駆動させる。発電機として、回転によって起電力を生じさせる他励同期発電機が用いられる。また小型化、軽量化、および高効率化を図るために、永久磁石式同期発電機が用いられる場合や、メンテナンス性に優れる誘導発電機が用いられる場合もある。

特許文献１に開示される鉄道車両の駆動装置は、エンジンによって駆動される誘導発電機と、誘導発電機から出力される交流電力を直流電力に変換する第１の電力変換装置と、第１の電力変換装置から出力される直流電力を平滑する平滑コンデンサを有する。該鉄道車両の駆動装置は、車上の制御装置に電力を供給する蓄電手段により平滑コンデンサを充電し、平滑コンデンサに充電された電力を用いて誘導発電機に発電動作開始のための電力を供給する。

特許文献１には、エンジンが停止している状態で、誘導発電機を電動機として駆動させ、エンジンを始動させるための外力を加える方法が開示されている。また特許文献１には、エンジンが自立回転している状態において、誘導発電機の始動時に外部から発電開始のための電流を供給することで、誘導発電機を励磁することが開示されている。

特開２０１４−０１１８２８号公報

特許文献１に開示される鉄道車両の駆動装置においては、平滑コンデンサの充電および電力の逆流防止を目的として、蓄電手段と平滑コンデンサの間に設けられる接触器、および抵抗器などの減流手段を必要とする。そのため、該鉄道車両の駆動装置を構成する部品数が多くなり、信頼性の低下およびコストの増加という課題がある。鉄道車両の走行中は、平滑コンデンサの電圧は高電圧となるが、蓄電手段の電圧は低電圧である。そのため、該鉄道車両の駆動装置では、接触器が固渋した場合または接触器が誤投入された場合などに、高電圧回路と低電圧回路が混触する恐れがあり、また電力の逆流を防ぐことができないため、安全上の課題がある。

本発明は上述の事情に鑑みてなされたものであり、より簡易な構成で、高電圧回路と低電圧回路の混触を防止しながら、内燃機関に駆動される発電機を作動させるための電力を供給することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の鉄道車両用制御装置は、一次回路および二次回路を有する第１の電力変換装置と、制御部と、交流電動機が一次側に接続され、一次側と二次側との間の双方向の電力変換を行う第２の電力変換装置と、第２の電力変換装置の二次側の端子間に接続され、かつ、第１の電力変換装置の一次側の端子間に接続される平滑コンデンサと、第２の電力変換装置の二次側の端子間に平滑コンデンサと並列に接続されるインバータと、を備える。一次回路および二次回路は、それぞれがスイッチング素子を有し、スイッチング素子の駆動時には電力変換回路として動作し、スイッチング素子の停止時には整流回路として動作する。第１の電力変換装置は、一次側と二次側との間の双方向の電力変換を行う。制御部は、一次回路および二次回路のいずれか一方のスイッチング素子を駆動させる場合には、他方のスイッチング素子を停止させる制御を行う。第１の電力変換装置の一次側に設けられる、内燃機関によって駆動されて交流電力を出力する交流発電機の停止中に、制御部が、二次回路のスイッチング素子を駆動させ、一次回路のスイッチング素子を停止させることで、第１の電力変換装置は、二次側から入力される電力を変換して、交流発電機を作動させるための電力を供給する。交流発電機の作動中に、制御部が、一次回路のスイッチング素子を駆動させ、二次回路のスイッチング素子を停止させることで、第１の電力変換装置は、交流発電機から供給される電力を変換して二次側に出力する。制御部は、さらに第２の電力変換装置の制御を行い、交流発電機の停止中に、内燃機関の始動指令に応じて、二次回路のスイッチング素子を駆動させ、一次回路のスイッチング素子を停止させることで、第１の電力変換装置が、第１の電力変換装置の二次側の端子間に接続される蓄電装置に充電された電力を変換して平滑コンデンサを充電した後に、制御部が第２の電力変換装置の制御を行うことで、第２の電力変換装置は、平滑コンデンサに充電された電力を変換して交流発電機を作動させるための電力を供給し、第２の電力変換装置から電力を供給された交流発電機が出力するトルクによって内燃機関が始動し、内燃機関の始動が完了すると、一次回路および二次回路のスイッチング素子を停止させる。交流発電機の作動中に、制御部が第２の電力変換装置の制御を行うことで、第２の電力変換装置は、交流発電機から供給される電力を変換して平滑コンデンサを充電した後に、平滑コンデンサの電圧が閾値以上であり、インバータが起動可能な状態になった場合に、制御部は一次回路のスイッチング素子を駆動させ、二次回路のスイッチング素子を停止させることで、第１の電力変換装置は、第２の電力変換装置の二次側の端子間に供給される電力を変換して蓄電装置を充電する。

本発明によれば、第１の電力変換装置が有する一次回路および二次回路のいずれか一方のスイッチング素子を駆動させ、他方を停止させる制御を行うことで、より簡易な構成で、高電圧回路と低電圧回路の混触を防止しながら、内燃機関に駆動される発電機を作動させるための電力を供給することが可能となる。

本発明の実施の形態１に係る鉄道車両用制御装置の構成例を示すブロック図である。実施の形態１に係る制御部の構成例を示すブロック図である。実施の形態１に係る鉄道車両用制御装置が行う発電機の始動の動作を示すタイミングチャートである。本発明の実施の形態２に係る制御部の構成例を示すブロック図である。実施の形態２に係る鉄道車両用制御装置が行う発電機の始動の動作を示すタイミングチャートである。本発明の実施の形態に係る鉄道車両用制御装置の他の構成例を示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお図中、同一または同等の部分には同一の符号を付す。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る鉄道車両用制御装置の構成例を示すブロック図である。鉄道車両用制御装置１は、例えばディーゼルエンジンなどの内燃機関２の動力で駆動される鉄道車両に搭載される。実施の形態１においては、内燃機関２はセルモータなどの始動装置を有さない。鉄道車両用制御装置１が発電機３を電動機として作動させ、内燃機関２を回転させて始動する。内燃機関２が自立回転を開始することで、発電機３が発電動作を開始する。

鉄道車両用制御装置１は、第１の電力変換装置１１、発電機３と第１の電力変換装置１１の一次側との間に設けられ、発電機３が一次側に接続される第２の電力変換装置１４、第１の電力変換装置１１の出力電力および第２の電力変換装置１４の出力電力をそれぞれ平滑する平滑コンデンサ１５、第２の電力変換装置１４の二次側の端子間に平滑コンデンサ１５と並列に接続される負荷装置であるインバータ１６、および制御部１７を備える。発電機３は、交流発電機であり、同期発電機または誘導発電機である。

第１の電力変換装置１１は、それぞれがＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）などのスイッチング素子を有し、スイッチング素子の駆動時、すなわちスイッチング素子がスイッチング動作を行っている場合には電力変換回路として動作し、スイッチング素子の停止時には整流回路として動作する、一次回路１２および二次回路１３を有する。一次回路１２と二次回路１３は、電気的に接続されてもよいし、絶縁された状態で磁気的に接続されてもよい。一次回路１２と二次回路１３とを例えば変圧器を介して接続し、一次回路１２と二次回路１３とを絶縁した状態とすることで、より確実に平滑コンデンサ１５を含む高電圧回路と第１の電力変換装置１１の二次側に接続される低電圧回路との混触を防ぐことが可能となる。

図１の例において、第１の電力変換装置１１は、一次側と二次側との間の双方向の電力変換を行うＤＣ（Direct Current：直流）−ＤＣコンバータである。第２の電力変換装置１４は、一次側と二次側との間の双方向の電力変換を行うＡＣ（Alternative Current：交流）−ＤＣコンバータである。平滑コンデンサ１５は、第１の電力変換装置１１が出力する直流電力および第２の電力変換装置１４が出力する直流電力のそれぞれを平滑する。インバータ１６は、第２の電力変換装置１４の二次側の端子間に供給される直流電力を交流電力に変換し、交流電力を電動機４を作動させるための電力として供給する。

第１の電力変換装置１１の二次側に接続される電源は、例えば、図示しない車上の制御機器に電力を供給する蓄電装置である。蓄電装置の電圧は、一般的に、２４Ｖ、７２Ｖ、１００Ｖ、１１０Ｖなどである。車上の制御機器とは、例えば、ＡＴＣ（Automatic Train Control：自動列車制御装置）車上装置などの車上信号機器、運転台、編成内の機器と通信を行う中央制御装置、ブレーキ制御装置などの少なくともいずれかを含む。

制御部１７は、第１の電力変換装置１１が有する一次回路１２および二次回路１３、第２の電力変換装置１４、ならびにインバータ１６を制御する。制御部１７は一次回路１２および二次回路１３のいずれか一方のスイッチング素子を駆動する場合には、他方のスイッチング素子を停止させる制御を行う。制御部１７は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）および内部メモリなどから構成されるプロセッサ、およびＲＡＭ（Random Access Memory）およびフラッシュメモリなどから構成されるメモリを備える。制御部１７は、メモリに記憶されている制御プログラムを実行し、第１の電力変換装置１１、第２の電力変換装置１４、およびインバータ１６が有するスイッチング素子に制御信号を送って、第１の電力変換装置１１、第２の電力変換装置１４、およびインバータ１６の制御を行う。

第１の電力変換装置１１の二次側の端子間に蓄電装置が接続される場合を例にして、鉄道車両用制御装置１の動作について説明する。発電機３の停止中に、制御部１７が二次回路１３のスイッチング素子を駆動させ、一次回路１２のスイッチング素子を停止させることで、第１の電力変換装置１１は二次側に接続された蓄電装置に充電された電力を変換して平滑コンデンサ１５を充電する。平滑コンデンサ１５が充電された後に、制御部１７が第２の電力変換装置１４の制御を行うことで、第２の電力変換装置１４は、平滑コンデンサ１５に充電された電力を変換して発電機３を作動させるための電力を供給する。すなわち、発電機３の停止中に、制御部１７が二次回路１３のスイッチング素子を駆動させ、一次回路１２のスイッチング素子を停止させることで、第１の電力変換装置１１は二次側から入力される電力を変換して、発電機３を作動させるための電力を供給する。

発電機３を作動させるための電力とは、停止中の発電機３を電動機として回転させるために必要な電力を意味する。発電機３を電動機として動作させることで、内燃機関２が始動される。その後、内燃機関２の始動が完了して、自立回転が開始されると、発電機３が発電動作を開始することができる。内燃機関２の始動が完了すると、制御部１７は一次回路１２および二次回路１３のスイッチング素子を停止させる。

発電機３の作動中に、制御部１７が第２の電力変換装置１４の制御を行うことで、第２の電力変換装置１４は発電機３から供給される交流電力を直流電力に変換して平滑コンデンサ１５を充電する。平滑コンデンサ１５が充電された後に、制御部１７が一次回路１２のスイッチング素子を駆動させ、二次回路１３のスイッチング素子を停止させることで、第１の電力変換装置１１は、第２の電力変換装置１４の二次側の端子間に供給される電力を変換して蓄電装置を充電する。すなわち、発電機３の作動中に、制御部１７が一次回路１２のスイッチング素子を駆動させ、二次回路１３のスイッチング素子を停止させることで、第１の電力変換装置１１は、発電機３から供給される電力を変換して二次側に出力する。

図２は、実施の形態１に係る制御部の構成例を示すブロック図である。制御部１７の内、一次回路１２および二次回路１３の制御に関する部分を図２に示す。制御部１７は、内燃機関２の始動指令Ｅ１および内燃機関２の始動完了信号Ｅ２に基づいて駆動指令Ｄ２を出力する判別部２１、平滑コンデンサ１５の電圧ＦＣＶおよび閾値電圧Ｖ１に基づいて駆動指令Ｄ１を出力する比較部２２、判別部２１および比較部２２の出力に基づいて一次回路１２および二次回路１３への制御信号Ｓ１，Ｓ２を出力する演算部２３を備える。図３は、実施の形態１に係る鉄道車両用制御装置が行う発電機の始動の動作を示すタイミングチャートである。図２および図３を用いて、鉄道車両用制御装置１による発電機３の始動の動作について説明する。

第１の電力変換装置１１の二次側の端子間に接続される蓄電装置には、十分な電力が充電されている。時刻Ｔ１において、例えば乗務員のエンジン始動操作によって、鉄道車両用制御装置１による発電機３の始動の動作が開始される。判別部２１は、時刻Ｔ１において、例えば車上の制御機器から内燃機関２の始動指令Ｅ１を取得すると、二次回路１３のスイッチング素子の駆動を指示する駆動指令Ｄ２、例えばＨ（Ｈｉｇｈ）レベルの駆動指令Ｄ２を演算部２３に送る。演算部２３は、Ｈレベルの駆動指令Ｄ２を受け取った場合には、二次回路１３のスイッチング素子の駆動に必要な制御演算を行って、二次回路１３のスイッチング素子を駆動する制御信号Ｓ２を二次回路１３に送る。二次回路１３のスイッチング素子が駆動している間は、一次回路１２のスイッチング素子は停止状態に制御されている。制御部１７が上述のように一次回路１２および二次回路１３を制御することで、第１の電力変換装置１１が蓄電装置に充電された電力を変換して平滑コンデンサ１５を充電する。

時刻Ｔ２において平滑コンデンサ１５の初期充電が完了し、制御部１７が第２の電力変換装置１４を制御することで、第２の電力変換装置１４は平滑コンデンサ１５に充電された電力を変換して発電機３を作動させるための電力を供給する。時刻Ｔ２において、第２の電力変換装置１４から発電機３に励磁電流の供給が開始される。時刻Ｔ３において、発電機３の励磁電流が、安定して発電を開始できる電流値に達すると、第２の電力変換装置１４から発電機３にトルク電流が供給される。時刻Ｔ３において発電機３が電動機として回転を開始し、内燃機関２に力が加えられる。

時刻Ｔ４において内燃機関２の始動が完了し、内燃機関２が自立回転を開始すると、制御部１７は、発電機３のトルク電流が０になるように第２の電力変換装置１４を制御する。時刻Ｔ４において、判別部２１が車上の制御機器から内燃機関２の始動完了信号Ｅ２を取得すると、判別部２１は駆動指令Ｄ２をＬ（Ｌｏｗ）レベルに変更する。演算部２３は、駆動指令Ｄ２がＬレベルになると、二次回路１３のスイッチング素子を駆動する制御信号Ｓ２の出力を停止し、二次回路１３のスイッチング素子は停止される。なお一次回路１２のスイッチング素子は停止状態のままである。判別部２１は、内燃機関２の始動完了信号Ｅ２を取得する代わりに、内燃機関２の回転数、発電機３の回転数などに基づいて内燃機関２の始動が完了したか否かを判断してもよい。

時刻Ｔ５において、内燃機関２の回転数が安定すると、制御部１７が第２の電力変換装置１４を制御し、第２の電力変換装置１４が定電圧制御を開始する。時刻Ｔ６において、電圧ＦＣＶが閾値電圧Ｖ１以上となると、第２の電力変換装置１４の定電圧制御によりトルク電流が一定となり、平滑コンデンサ１５の電圧が一定に保たれる。閾値電圧Ｖ１は例えば、第２の電力変換装置１４またはインバータ１６などの特性に応じて定めることができる。

比較部２２には、平滑コンデンサ１５の電圧ＦＣＶと閾値電圧Ｖ１が入力される。比較部２２は、電圧ＦＣＶと閾値電圧Ｖ１を比較し、電圧ＦＣＶが閾値電圧Ｖ１以上である場合にはＨレベルであって、電圧ＦＣＶが閾値電圧Ｖ１未満である場合にはＬレベルである、一次回路１２のスイッチング素子の駆動を指示する駆動指令Ｄ１を演算部２３に送る。時刻Ｔ７において、比較部２２が出力する駆動指令Ｄ１はＬレベルからＨレベルに変化する。演算部２３は、Ｈレベルの駆動指令Ｄ１を受け取った場合には、一次回路１２のスイッチング素子の駆動に必要な制御演算を行って、一次回路１２のスイッチング素子を駆動する制御信号Ｓ１を一次回路１２に送る。一次回路１２のスイッチング素子が駆動している間は、二次回路１３のスイッチング素子は停止状態に制御されている。制御部１７が上述のように一次回路１２および二次回路１３を制御することで、第１の電力変換装置１１が第２の電力変換装置１４の二次側の端子間に供給される電力を変換して蓄電装置を充電する。

時刻Ｔ７において、インバータ１６が起動可能な状態となる。その後、乗務員の操作によって、力行指令が入力されると、インバータ１６が起動し、電動機４を駆動し、車両が走行を開始する。時刻Ｔ７以降、第１の電力変換装置１１によって、蓄電装置が充電されるため、平滑コンデンサ１５の充電のために低下した蓄電装置の電圧は、再び上昇し、発電機３の再始動が可能となる。

鉄道車両用制御装置１による発電機３の始動の手順は図３の例に限られず、平滑コンデンサ１５の初期充電の完了のタイミングと、発電機３への励磁電流の供給が開始されるタイミングは、互いに異なってもよい。第２の電力変換装置１４から発電機３に、励磁電流が供給されるタイミングと、トルク電流が供給されるタイミングとは、同じでもよい。内燃機関２が自立回転を開始するタイミングと、第２の電力変換装置１４が定電圧制御を開始するタイミングは同じでもよい。平滑コンデンサ１５の初期充電完了時の平滑コンデンサ１５の電圧は、閾値電圧Ｖ１と同じ値または閾値電圧Ｖ１以上の値としてもよい。また第２の電力変換装置１４が定電圧制御を開始した後は、任意のタイミングで第１の電力変換装置１１による蓄電装置の充電を開始することができる。

なお演算部２３は、一次回路１２および二次回路１３のスイッチング素子の駆動に必要な制御演算を行った後に、判別部２１および比較部２２の出力に基づいて、一次回路１２および二次回路１３のいずれのスイッチング素子を駆動するかを判定し、制御信号Ｓ１，Ｓ２を出力するようにしてもよい。

一次回路１２および二次回路１３のいずれか一方のスイッチング素子のみが駆動するため、第１の電力変換装置１１における電力伝送の向きを制御することができ、電力の逆流を防止することができる。また平滑コンデンサ１５を含む高電圧回路と、蓄電装置を含む低電圧回路との間に接触器を設ける必要がなく、構造が簡易である。

以上説明したとおり、本実施の形態１に係る鉄道車両用制御装置１によれば、より簡易な構成で、高電圧回路と低電圧回路の混触を防止しながら、内燃機関に駆動される発電機を作動させるための電力を供給することが可能となる。

（実施の形態２）
実施の形態２に係る鉄道車両用制御装置１の構成は、図１に示す実施の形態１に係る鉄道車両用制御装置１の構成と同じである。実施の形態２においては、内燃機関２がセルモータなどの始動装置を有する。内燃機関２の始動後、鉄道車両用制御装置１が誘導発電機である発電機３の励磁を行うことで、発電機３が発電動作を開始する。

第１の電力変換装置１１の二次側の端子間に蓄電装置が接続される場合を例にして、鉄道車両用制御装置１の動作について説明する。発電機３の停止中に、内燃機関２の始動が完了すると、制御部１７が二次回路１３のスイッチング素子を駆動させ、一次回路１２のスイッチング素子を停止させることで、第１の電力変換装置１１は蓄電装置に充電された電力を変換して平滑コンデンサ１５を充電する。平滑コンデンサ１５が充電された後に、制御部１７が第２の電力変換装置１４の制御を行うことで、第２の電力変換装置１４は、平滑コンデンサ１５に充電された電力を変換して発電機３を作動させるための電力を供給する。発電機３を作動させるための電力とは、発電機３の励磁に必要な電力である。

発電機３の作動中に、制御部１７が第２の電力変換装置１４の制御を行うことで、第２の電力変換装置１４は発電機３が出力する交流電力を直流電力に変換して平滑コンデンサ１５を充電する。平滑コンデンサ１５が充電された後に、制御部１７が一次回路１２のスイッチング素子を駆動させ、二次回路１３のスイッチング素子を停止させることで、第１の電力変換装置１１は、第２の電力変換装置１４の二次側の端子間に供給される電力を変換して蓄電装置を充電する。

図４は、本発明の実施の形態２に係る制御部の構成例を示すブロック図である。制御部１７の内、一次回路１２および二次回路１３の制御に関する部分を図４に示す。制御部１７は、内燃機関２の始動完了信号Ｅ２および平滑コンデンサ１５の充電指令Ｆ１を取得する判別部２４、平滑コンデンサ１５の電圧ＦＣＶおよび閾値電圧Ｖ１’が入力される比較部２５、判別部２４および比較部２５の出力に基づいて駆動指令Ｄ２を出力する判別部２６、平滑コンデンサ１５の電圧ＦＣＶおよび閾値電圧Ｖ２’に基づいて駆動指令Ｄ１を出力する比較部２７、判別部２６および比較部２７の出力に基づいて一次回路１２および二次回路１３への制御信号Ｓ１，Ｓ２を出力する演算部２８を備える。図５は、実施の形態２に係る鉄道車両用制御装置が行う発電機の始動の動作を示すタイミングチャートである。図４および図５を用いて、鉄道車両用制御装置１による発電機３の始動の動作について説明する。

第１の電力変換装置１１の二次側の端子間に接続される蓄電装置には、十分な電力が充電されている。時刻Ｔ１１において、例えば乗務員のエンジン始動操作によって、鉄道車両用制御装置１による発電機３の始動の動作が開始され、始動装置によって内燃機関２が始動する。始動装置は、鉄道車両用制御装置１の外部に設けられる装置であり、例えば内燃機関２に設けられたセルモータである。内燃機関２の始動が完了し、回転数が安定した後、時刻Ｔ１２において、判別部２４は、例えば車上の制御機器から内燃機関２の始動完了信号Ｅ２および平滑コンデンサ１５の充電指令Ｆ１を取得すると、Ｈレベルの信号Ｄ３を判別部２６に送る。内燃機関２の始動完了信号Ｅ２および平滑コンデンサ１５の充電指令Ｆ１の少なくともいずれかが取得できていない場合には、判別部２４はＬレベルの信号Ｄ３を判別部２６に送る。

判別部２４は、内燃機関２の始動完了信号Ｅ２を取得する代わりに、内燃機関２の回転数、発電機３の回転数などに基づいて内燃機関２の始動が完了したか否かを判断してもよい。また判別部２４は、平滑コンデンサ１５の充電指令Ｆ１を取得する代わりに、一定時間遅延させた内燃機関２の始動完了信号Ｅ２を平滑コンデンサ１５の充電指令Ｆ１として用いてもよい。

判別部２６は、Ｈレベルの信号Ｄ３を受け取った場合には、二次回路１３のスイッチング素子の駆動を指示する駆動指令Ｄ２、例えばＨレベルの駆動指令Ｄ２を演算部２８に送る。演算部２８は、Ｈレベルの駆動指令Ｄ２を受け取った場合には、二次回路１３のスイッチング素子の駆動に必要な制御演算を行って、二次回路１３のスイッチング素子を駆動する制御信号Ｓ２を二次回路１３に送る。二次回路１３のスイッチング素子が駆動している間は、一次回路１２のスイッチング素子は停止状態に制御されている。制御部１７が上述のように一次回路１２および二次回路１３を制御することで、第１の電力変換装置１１が蓄電装置に充電された電力を変換して平滑コンデンサ１５を充電する。

比較部２５には、平滑コンデンサ１５の電圧ＦＣＶと閾値電圧Ｖ１’が入力される。比較部２５は、電圧ＦＣＶと閾値電圧Ｖ１’を比較し、電圧ＦＣＶが閾値電圧Ｖ１’以上である場合にはＨレベルであって、電圧ＦＣＶが閾値電圧Ｖ１’未満である場合にはＬレベルである、信号Ｄ４を判別部２６に送る。閾値電圧Ｖ１’は例えば、発電機３の特性に応じて定められる。時刻Ｔ１３において平滑コンデンサ１５の初期充電が完了し、信号Ｄ４がＬレベルからＨレベルに変わると、判別部２６は、駆動指令Ｄ２をＬレベルに変更する。演算部２８は、駆動指令Ｄ２がＬレベルになると、二次回路１３のスイッチング素子を駆動する制御信号Ｓ２の出力を停止し、二次回路１３のスイッチング素子は停止される。なお一次回路１２のスイッチング素子は停止状態のままである。

一次回路１２および二次回路１３のスイッチング素子の停止後、時刻Ｔ１４において、制御部１７が第２の電力変換装置１４を制御することで、第２の電力変換装置１４は平滑コンデンサ１５に充電された電力を変換して発電機３を作動させるための電力を供給する。時刻Ｔ１４において、第２の電力変換装置１４から発電機３に励磁電流の供給が開始され、発電機３が励磁される。時刻Ｔ１５において、制御部１７が第２の電力変換装置１４を制御し、第２の電力変換装置１４は、定電圧制御を開始する。

時刻Ｔ１６において、電圧ＦＣＶが閾値電圧Ｖ２’以上となると、第２の電力変換装置１４の定電圧制御によりトルク電流が一定となり、平滑コンデンサ１５の電圧が一定に保たれる。比較部２７には、平滑コンデンサ１５の電圧ＦＣＶと閾値電圧Ｖ２’が入力される。比較部２７は、電圧ＦＣＶと閾値電圧Ｖ２’を比較し、電圧ＦＣＶが閾値電圧Ｖ２’以上である場合にはＨレベルであって、電圧ＦＣＶが閾値電圧Ｖ２’未満である場合にはＬレベルである、一次回路１２のスイッチング素子の駆動または停止を指示する駆動指令Ｄ１を演算部２８に送る。閾値電圧Ｖ２’は例えば、第２の電力変換装置１４またはインバータ１６などの特性に応じて定めることができる。

時刻Ｔ１７において、比較部２７が出力する駆動指令Ｄ１はＬレベルからＨレベルに変化する。演算部２８は、Ｈレベルの駆動指令Ｄ１を受け取った場合には、一次回路１２のスイッチング素子の駆動に必要な制御演算を行って、一次回路１２のスイッチング素子を駆動する制御信号Ｓ１を一次回路１２に送る。一次回路１２のスイッチング素子が駆動している間は、二次回路１３のスイッチング素子は停止状態に制御されている。制御部１７が上述のように一次回路１２および二次回路１３を制御することで、第１の電力変換装置１１が第２の電力変換装置１４の二次側の端子間に供給される電力を変換して蓄電装置を充電する。

時刻Ｔ１７において、インバータ１６が起動可能な状態となる。その後、乗務員の操作によって、力行指令が入力されると、インバータ１６が起動し、電動機４を駆動し、車両が走行を開始する。時刻Ｔ１７以降、第１の電力変換装置１１によって、蓄電装置が充電されるため、平滑コンデンサ１５の充電のために低下した蓄電装置の電圧は、再び上昇し、発電機３の再始動が可能となる。

なお演算部２８は、一次回路１２および二次回路１３のスイッチング素子の駆動に必要な制御演算を行った後に、判別部２６および比較部２７の出力に基づいて、一次回路１２および二次回路１３のいずれのスイッチング素子を駆動するかを判定し、制御信号Ｓ１，Ｓ２を出力するようにしてもよい。

以上説明したとおり、本実施の形態２に係る鉄道車両用制御装置１によれば、より簡易な構成で、高電圧回路と低電圧回路の混触を防止しながら、内燃機関に駆動される発電機を作動させるための電力を供給することが可能となる。

本発明の実施の形態は上述の実施の形態に限られない。図６は、本発明の実施の形態に係る鉄道車両用制御装置の他の構成例を示すブロック図である。図６の例では、発電機３の出力側に第１の電力変換装置１１および第２の電力変換装置１４が並列に接続されている。第１の電力変換装置１１は、ＡＣ−ＤＣコンバータである。図６に示す鉄道車両用制御装置１は、実施の形態１，２と同様に、発電機３を作動させるための電力を供給する。第１の電力変換装置１１は、発電機３と第２の電力変換装置１４との間の結線の内、２つの結線にのみ接続されてもよい。

実施の形態１のように、内燃機関２がセルモータなどの始動装置を有さない場合の、図６に示す鉄道車両用制御装置１の動作について説明する。発電機３の停止中に、制御部１７が二次回路１３のスイッチング素子を駆動させ、一次回路１２のスイッチング素子を停止させることで、第１の電力変換装置１１は二次側から入力される電力を変換して、発電機３に電力を供給する。制御部１７は、実施の形態１と同様に、内燃機関２の始動完了信号Ｅ２を取得すると、一次回路１２および二次回路１３のスイッチング素子を停止させる。発電機３の作動中に、例えば発電機３の出力電流が閾値電流より大きくなると、制御部１７が一次回路１２のスイッチング素子を駆動させ、二次回路１３のスイッチング素子を停止させることで、第１の電力変換装置１１は、発電機３が出力する交流電力を直流電力に変換し、例えば二次側に接続される蓄電装置を充電する。

内燃機関２がセルモータなどの始動装置を有する場合の、図６に示す鉄道車両用制御装置１の動作について説明する。発電機３の停止中に、内燃機関２の始動が完了すると、制御部１７が二次回路１３のスイッチング素子を駆動させ、一次回路１２のスイッチング素子を停止させることで、第１の電力変換装置１１は二次側から入力される電力を変換して、発電機３に電力を供給する。発電機３の励磁が完了した後、制御部１７は一次回路１２および二次回路１３のスイッチング素子を停止させる。制御部１７は、例えば発電機３の出力電流が第１の閾値電流以上となった場合に、発電機３の励磁が完了したと判断する。発電機３の作動中に、例えば発電機３の出力電流が第１の閾値電流より大きい第２の閾値電流以上となると、制御部１７が一次回路１２のスイッチング素子を駆動させ、二次回路１３のスイッチング素子を停止させることで、第１の電力変換装置１１は、発電機３が出力する交流電力を直流電力に変換し、例えば二次側に接続される蓄電装置を充電する。

本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。すなわち、本発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。

１鉄道車両用制御装置、２内燃機関、３発電機、４電動機、１１第１の電力変換装置、１２一次回路、１３二次回路、１４第２の電力変換装置、１５平滑コンデンサ、１６インバータ、１７制御部、２１，２４，２６判別部、２２，２５，２７比較部、２３，２８演算部。

Claims

それぞれがスイッチング素子を有し、前記スイッチング素子の駆動時には電力変換回路として動作し、前記スイッチング素子の停止時には整流回路として動作する、一次回路および二次回路を有し、一次側と二次側との間の双方向の電力変換を行う第１の電力変換装置と、
前記一次回路および前記二次回路のいずれか一方の前記スイッチング素子を駆動させる場合には、他方の前記スイッチング素子を停止させる制御を行う制御部と、
を備え、
前記第１の電力変換装置の一次側に設けられる、内燃機関によって駆動されて交流電力を出力する交流発電機の停止中に、前記制御部が、前記二次回路の前記スイッチング素子を駆動させ、前記一次回路の前記スイッチング素子を停止させることで、前記第１の電力変換装置は、二次側から入力される電力を変換して、前記交流発電機を作動させるための電力を供給し、
前記交流発電機の作動中に、前記制御部が、前記一次回路の前記スイッチング素子を駆動させ、前記二次回路の前記スイッチング素子を停止させることで、前記第１の電力変換装置は、前記交流発電機から供給される電力を変換して二次側に出力する、
鉄道車両用制御装置であって、
前記交流発電機が一次側に接続され、一次側と二次側との間の双方向の電力変換を行う第２の電力変換装置と、
前記第２の電力変換装置の二次側の端子間に接続され、かつ、前記第１の電力変換装置の一次側の端子間に接続される平滑コンデンサと、
前記第２の電力変換装置の二次側の端子間に前記平滑コンデンサと並列に接続されるインバータと、
をさらに備え、
前記制御部は、さらに前記第２の電力変換装置の制御を行い、前記交流発電機の停止中に、前記内燃機関の始動指令に応じて、前記二次回路の前記スイッチング素子を駆動させ、前記一次回路の前記スイッチング素子を停止させることで、前記第１の電力変換装置が、前記第１の電力変換装置の二次側の端子間に接続される蓄電装置に充電された電力を変換して前記平滑コンデンサを充電した後に、
前記制御部が前記第２の電力変換装置の制御を行うことで、前記第２の電力変換装置は、前記平滑コンデンサに充電された電力を変換して前記交流発電機を作動させるための電力を供給し、前記第２の電力変換装置から電力を供給された前記交流発電機が出力するトルクによって前記内燃機関が始動し、前記内燃機関の始動が完了すると、前記一次回路および前記二次回路の前記スイッチング素子を停止させ、
前記交流発電機の作動中に、前記制御部が前記第２の電力変換装置の制御を行うことで、前記第２の電力変換装置は、前記交流発電機から供給される電力を変換して前記平滑コンデンサを充電した後に、
前記平滑コンデンサの電圧が閾値以上であり、前記インバータが起動可能な状態になった場合に、前記制御部は前記一次回路の前記スイッチング素子を駆動させ、前記二次回路の前記スイッチング素子を停止させることで、前記第１の電力変換装置は、前記第２の電力変換装置の二次側の端子間に供給される電力を変換して前記蓄電装置を充電する、
鉄道車両用制御装置。
それぞれがスイッチング素子を有し、前記スイッチング素子の駆動時には電力変換回路として動作し、前記スイッチング素子の停止時には整流回路として動作する、一次回路および二次回路を有し、一次側と二次側との間の双方向の電力変換を行う第１の電力変換装置と、
前記一次回路および前記二次回路のいずれか一方の前記スイッチング素子を駆動させる場合には、他方の前記スイッチング素子を停止させる制御を行う制御部と、
を備え、
前記第１の電力変換装置の一次側に設けられる、内燃機関によって駆動されて交流電力を出力する交流発電機の停止中に、前記制御部が、前記二次回路の前記スイッチング素子を駆動させ、前記一次回路の前記スイッチング素子を停止させることで、前記第１の電力変換装置は、二次側から入力される電力を変換して、前記交流発電機を作動させるための電力を供給し、
前記交流発電機の作動中に、前記制御部が、前記一次回路の前記スイッチング素子を駆動させ、前記二次回路の前記スイッチング素子を停止させることで、前記第１の電力変換装置は、前記交流発電機から供給される電力を変換して二次側に出力する、
鉄道車両用制御装置であって、
前記交流発電機が一次側に接続され、一次側と二次側との間の双方向の電力変換を行う第２の電力変換装置と、
前記第２の電力変換装置の二次側の端子間に接続され、かつ、前記第１の電力変換装置の一次側の端子間に接続される平滑コンデンサと、
前記第２の電力変換装置の二次側の端子間に前記平滑コンデンサと並列に接続されるインバータと、
をさらに備え、
前記制御部は、さらに前記第２の電力変換装置の制御を行い、前記交流発電機の停止中に、外部の始動装置による前記内燃機関の始動が完了すると、前記二次回路の前記スイッチング素子を駆動させ、前記一次回路の前記スイッチング素子を停止させることで、前記第１の電力変換装置が、前記第１の電力変換装置の二次側の端子間に接続される蓄電装置に充電された電力を変換して前記平滑コンデンサを充電した後に、
前記平滑コンデンサの電圧が第１の閾値以上になると、前記制御部は、前記一次回路および前記二次回路の前記スイッチング素子を停止させ、前記スイッチング素子の停止後に前記第２の電力変換装置の制御を行うことで、前記第２の電力変換装置は、前記平滑コンデンサに充電された電力を変換して前記交流発電機を作動させるための電力を供給し、前記交流発電機を励磁し、
前記交流発電機の作動中に、前記制御部が前記第２の電力変換装置の制御を行うことで、前記第２の電力変換装置は、前記交流発電機から供給される電力を変換して前記平滑コンデンサを充電した後に、
前記平滑コンデンサの電圧が前記第１の閾値より大きい第２の閾値以上であり、前記インバータが起動可能な状態になった場合に、前記制御部は前記一次回路の前記スイッチング素子を駆動させ、前記二次回路の前記スイッチング素子を停止させることで、前記第１の電力変換装置は、前記第２の電力変換装置の二次側の端子間に供給される電力を変換して前記蓄電装置を充電する、
鉄道車両用制御装置。
それぞれがスイッチング素子を有し、前記スイッチング素子の駆動時には電力変換回路として動作し、前記スイッチング素子の停止時には整流回路として動作する、一次回路および二次回路を有し、一次側と二次側との間の双方向の電力変換を行う第１の電力変換装置と、
前記一次回路および前記二次回路のいずれか一方の前記スイッチング素子を駆動させる場合には、他方の前記スイッチング素子を停止させる制御を行う制御部と、
を備え、
前記第１の電力変換装置の一次側に設けられる、内燃機関によって駆動されて交流電力を出力する交流発電機の停止中に、前記制御部が、前記二次回路の前記スイッチング素子を駆動させ、前記一次回路の前記スイッチング素子を停止させることで、前記第１の電力変換装置は、二次側から入力される電力を変換して、前記交流発電機を作動させるための電力を供給し、
前記交流発電機の作動中に、前記制御部が、前記一次回路の前記スイッチング素子を駆動させ、前記二次回路の前記スイッチング素子を停止させることで、前記第１の電力変換装置は、前記交流発電機から供給される電力を変換して二次側に出力する、
鉄道車両用制御装置であって、
前記交流発電機が一次側に接続され、一次側と二次側との間の双方向の電力変換を行う第２の電力変換装置をさらに備え、
前記第１の電力変換装置は、前記一次側が前記交流発電機の出力側に接続されるＡＣ−ＤＣコンバータであり、
前記第１の電力変換装置および前記第２の電力変換装置は、前記交流発電機の出力側に並列に接続され、
前記交流発電機の停止中に、前記制御部が前記二次回路の前記スイッチング素子を駆動させ、前記一次回路の前記スイッチング素子を停止させることで、前記第１の電力変換装置は、前記第１の電力変換装置の二次側の端子間に接続される蓄電装置に充電された電力を変換して、前記交流発電機に供給し、
前記交流発電機の作動中に、前記制御部が前記一次回路の前記スイッチング素子を駆動させ、前記二次回路の前記スイッチング素子を停止させることで、前記第１の電力変換装置は、前記交流発電機が出力する電力の変換を行って前記蓄電装置を充電する、
鉄道車両用制御装置。
前記交流発電機の停止中に、前記制御部は、前記内燃機関の始動指令に応じて、前記二次回路の前記スイッチング素子を駆動させ、前記一次回路の前記スイッチング素子を停止させ、
前記第１の電力変換装置から電力を供給された前記交流発電機が出力するトルクによって前記内燃機関が始動し、前記内燃機関の始動が完了すると、前記制御部は、前記一次回路および前記二次回路の前記スイッチング素子を停止させ、
前記交流発電機の作動中に、前記交流発電機の出力電流が閾値以上となると、前記制御部は前記一次回路の前記スイッチング素子を駆動させ、前記二次回路の前記スイッチング素子を停止させる、
請求項３に記載の鉄道車両用制御装置。
前記交流発電機の停止中に、外部の始動装置による前記内燃機関の始動が完了すると、前記制御部は、前記二次回路の前記スイッチング素子を駆動させ、前記一次回路の前記スイッチング素子を停止させることで、前記交流発電機を励磁し、
前記交流発電機の励磁が完了すると、前記制御部は、前記一次回路および前記二次回路の前記スイッチング素子を停止させ、
前記交流発電機の作動中に、前記交流発電機の出力電流が閾値以上となると、前記制御部は前記一次回路の前記スイッチング素子を駆動させ、前記二次回路の前記スイッチング素子を停止させる、
請求項３に記載の鉄道車両用制御装置。