JP2022148644A - Dc power generation system and railway vehicle power supply system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、直流発電システム等に関する。 The present invention relates to a DC power generation system and the like.
電気式気動車やシリーズハイブリッド車両等で用いられる直流発電システムとして、エンジン等の内燃機関により駆動される発電機と、発電機の交流出力を直流に変換する整流器とを備える構成が知られている。直流発電システムの一例として、特許文献1には、永久磁石同期発電機を発電機として用いた構成が開示されている。 2. Description of the Related Art As a direct-current power generation system used in electric railcars, series hybrid vehicles, and the like, there is known a configuration that includes a generator driven by an internal combustion engine such as an engine, and a rectifier that converts the alternating-current output of the generator to direct current. As an example of a DC power generation system, Patent Literature 1 discloses a configuration using a permanent magnet synchronous generator as a power generator.
直流発電システムを鉄道の電気式気動車等に用いようとする場合、車両における設置スペースに制約があること等から、システム全体の小型化・大出力化が要求されている。永久磁石同期発電機は、誘導発電機に比べて高効率で且つ小型である。そこで、永久磁石同期発電機をダイオードのみの簡素な構成でなる全波整流器と組み合わせることで、高効率・小型の直流発電システムを低コストで実現できる可能性がある。 When a direct-current power generation system is to be used in an electric railcar or the like, there are restrictions on the installation space in the vehicle, and so there is a demand for miniaturization and high output of the entire system. Permanent magnet synchronous generators are more efficient and smaller than induction generators. Therefore, by combining a permanent magnet synchronous generator with a full-wave rectifier consisting of a simple diode configuration, it may be possible to realize a highly efficient and compact DC power generation system at low cost.
しかし、特許文献1に開示されている発電システムは、励磁巻線を付加した特殊な構造の永久磁石同期発電機を用いており、低コスト化が困難である。また、全波整流器が動作するまで励磁巻線に通電されないため、実質的に永久磁石同期発電機の開放電圧以上の電圧での動作ができず、発電機の小形大出力化はできない。そのため、特許文献1に開示されている技術を採用することはできない。 However, the power generation system disclosed in Patent Document 1 uses a permanent magnet synchronous generator with a special structure to which an excitation winding is added, and it is difficult to reduce the cost. In addition, since the excitation winding is not energized until the full-wave rectifier operates, it is practically impossible to operate at a voltage higher than the open-circuit voltage of the permanent magnet synchronous generator, and it is not possible to increase the size and output of the generator. Therefore, the technology disclosed in Patent Document 1 cannot be adopted.
かといって、特許文献1に開示されているような特殊な構造をしていない通常の永久磁石同期発電機は、その特性として永久磁石が発生する磁束が決まっているため、永久磁石の磁束による誘起電圧以上の出力電圧を得ることができない。そのため、永久磁石同期発電機をPWMコンバータと組み合わせて大出力を得る手法が考えられるが、PWMコンバータは全波整流器と比べて遙かに高価であり、且つ、大きな設置スペースが必要となる。 On the other hand, a normal permanent magnet synchronous generator, which does not have a special structure as disclosed in Patent Document 1, has a characteristic that the magnetic flux generated by the permanent magnet is determined. An output voltage higher than the induced voltage cannot be obtained. Therefore, it is conceivable to combine a permanent magnet synchronous generator with a PWM converter to obtain a large output, but the PWM converter is far more expensive than a full-wave rectifier and requires a large installation space.
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、永久磁石同期発電機と全波整流器とを組み合わせた直流発電システムにおいて、小型化・大出力化を図ることができる技術を提供することである。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and its object is to reduce the size and increase the output of a DC power generation system that combines a permanent magnet synchronous generator and a full-wave rectifier. It is to provide technology that can
上記課題を解決するための第1の発明は、
永久磁石同期発電機と、
前記永久磁石同期発電機から出力される交流を直流に全波整流する整流器と、
前記整流器の直流出力段に設けられた平滑コンデンサと、
前記永久磁石同期発電機と前記整流器とを結ぶ交流ラインの各相に挿入されたコンデンサを有するコンデンサ回路部と、
を備える直流発電システムである。
A first invention for solving the above problems is
a permanent magnet synchronous generator;
a rectifier for full-wave rectifying the alternating current output from the permanent magnet synchronous generator to direct current;
a smoothing capacitor provided in the DC output stage of the rectifier;
a capacitor circuit unit having a capacitor inserted in each phase of an AC line connecting the permanent magnet synchronous generator and the rectifier;
A DC power generation system comprising
第1の発明によれば、永久磁石同期発電機と整流器とを結ぶ交流ラインの各相にコンデンサを挿入することで永久磁石同期発電機の動作点を変えることができ、永久磁石同期発電機を誘起電圧以上の電圧で動作させることが可能となる。これにより、直流発電システムの小型化・大出力化を図ることが可能となる。また、平滑コンデンサの電圧がシステムの出力電圧となり、直流発電システムを直流電圧源として動作させることができる。 According to the first invention, by inserting a capacitor in each phase of the AC line connecting the permanent magnet synchronous generator and the rectifier, the operating point of the permanent magnet synchronous generator can be changed. It is possible to operate with a voltage higher than the induced voltage. As a result, it is possible to reduce the size and increase the output of the DC power generation system. Also, the voltage of the smoothing capacitor becomes the output voltage of the system, and the DC power generation system can be operated as a DC voltage source.
第2の発明は、第1の発明において、
前記永久磁石同期発電機は、突極性を有さない、
直流発電システムである。
A second invention is based on the first invention,
The permanent magnet synchronous generator has no saliency,
It is a DC power generation system.
第2の発明によれば、突極性を有さない永久磁石同期発電機では、電流位相角によるインダクタンスの変化を無視することができるため、直流発電システムの設計が容易となる。 According to the second invention, in a permanent magnet synchronous generator having no saliency, the change in inductance due to the current phase angle can be ignored, which facilitates the design of the DC power generation system.
第3の発明は、第1又は第2の発明において、
前記永久磁石同期発電機は、回転速度が一定に制御される、
直流発電システムである。
A third invention is the first or second invention,
The permanent magnet synchronous generator is controlled to have a constant rotational speed,
It is a DC power generation system.
第3の発明によれば、永久磁石同期発電機の回転速度を一定に制御されるため、永久磁石同期発電機を高効率に動作させることが可能となる。また、永久磁石同期発電機の回転子を回転させる動力源も一定の回転速度となるため、当該動力源を高効率に運転することが可能となる。 According to the third invention, since the rotation speed of the permanent magnet synchronous generator is controlled to be constant, it is possible to operate the permanent magnet synchronous generator with high efficiency. Further, since the power source for rotating the rotor of the permanent magnet synchronous generator also has a constant rotational speed, it is possible to operate the power source with high efficiency.
第4の発明は、第1~第3の何れかの発明において、
前記永久磁石同期発電機は、前記永久磁石同期発電機のリアクタンスと前記コンデンサとで構成されるLC回路の共振周波数に対応する回転速度で動作制御される、
直流発電システムである。
A fourth invention is, in any one of the first to third inventions,
The permanent magnet synchronous generator is operated and controlled at a rotational speed corresponding to the resonance frequency of an LC circuit composed of the reactance of the permanent magnet synchronous generator and the capacitor,
It is a DC power generation system.
第4の発明によれば、永久磁石同期発電機のリアクタンスと、コンデンサ回路部のコンデンサとがLC共振回路を形成するような回転速度で永久磁石同期発電機が動作しているときは、整流器の交流側に印加される電圧が永久磁石同期発電機の誘起電圧と等しくなる。これにより、永久磁石同期発電機を誘起電圧以上の電圧で動作させることが可能となり、高効率の直流発電システムとすることができる。 According to the fourth invention, when the permanent magnet synchronous generator is operating at such a rotational speed that the reactance of the permanent magnet synchronous generator and the capacitor of the capacitor circuit form an LC resonance circuit, the rectifier The voltage applied to the AC side becomes equal to the induced voltage of the permanent magnet synchronous generator. As a result, the permanent magnet synchronous generator can be operated at a voltage equal to or higher than the induced voltage, and a highly efficient DC power generation system can be obtained.
第5の発明は、
第1~第4の何れかの発明の直流発電システムと、
前記永久磁石同期発電機の回転子を駆動する内燃機関と、
前記交流ラインにおける前記コンデンサ回路部と前記整流器との間に接続され、変圧した交流を外部出力する変圧器と、
を備え、
前記整流器の直流出力を鉄道車両の主電源の電力として供給し、
前記変圧器の外部出力を前記鉄道車両の補助電源の電力として供給する、
鉄道車両用電力供給システムである。
The fifth invention is
A DC power generation system according to any one of the first to fourth inventions;
an internal combustion engine that drives the rotor of the permanent magnet synchronous generator;
a transformer connected between the capacitor circuit section and the rectifier in the AC line and outputting the transformed AC to the outside;
with
supplying the DC output of the rectifier as power for the main power supply of the railway vehicle;
Supplying the external output of the transformer as power for the auxiliary power supply of the railway vehicle;
It is a power supply system for railway vehicles.
第5の発明によれば、直流発電システムは直流電圧源として動作するため、整流器の直流出力を鉄道車両の主電源の電力として供給するとともに、変圧器の外部出力を鉄道車両の補助電源の電力として供給することができる。この場合、補助電源用のインバータは不要となるので、小型化・低コスト化を図った鉄道車両用電力供給システムを実現することができる。 According to the fifth invention, since the DC power generation system operates as a DC voltage source, the DC output of the rectifier is supplied as power for the main power supply of the railway vehicle, and the external output of the transformer is used as power for the auxiliary power supply of the railway vehicle. can be supplied as In this case, since an auxiliary power supply inverter is not required, it is possible to realize a power supply system for railway vehicles that is compact and low in cost.
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態の一例について説明する。なお、以下に説明する実施形態によって本発明が限定されるものではなく、本発明を適用可能な形態が以下の実施形態に限定されるものでもない。また、図面の記載において、同一要素には同一符号を付す。 An example of a preferred embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, the present invention is not limited by the embodiments described below, and the forms to which the present invention can be applied are not limited to the following embodiments. Also, in the description of the drawings, the same reference numerals are given to the same elements.
[構成]
図1は、本実施形態における直流発電システム1の構成例である。本実施形態の直流発電システム1は、鉄道における電気式気動車に用いることを想定しており、図1に示すように、永久磁石同期発電機3と、コンデンサ回路部5と、全波整流器7と、平滑コンデンサ9とを備える。
[Constitution]
FIG. 1 is a configuration example of a DC power generation system 1 according to this embodiment. The DC power generation system 1 of the present embodiment is assumed to be used for an electric railroad car, and as shown in FIG. , and a smoothing
永久磁石同期発電機3は、エンジン等の内燃機関10から供給される動力によって駆動されて三相交流電力を生成する。また、本実施形態では、永久磁石同期発電機3は、突極性を有さない、いわゆる円筒機とする。コンデンサ回路部5は、永久磁石同期発電機3と全波整流器7とを結ぶ三相交流ラインの各相に挿入されたコンデンサを有する。全波整流器7は、例えばダイオードを用いた三相ブリッジ整流器であり、永久磁石同期発電機3から出力される三相交流電力を全波整流して直流電力に変換する。
The permanent
平滑コンデンサ9は、全波整流器7の直流出力段(直流側)に設けられている。平滑コンデンサ9は、全波整流器7の整流動作に伴う直流側電流の急激な変化を吸収し、直流発電システム1をほぼ定電圧の直流電源として動作させるために設けられている。本実施形態の直流発電システム1は電気式気動車に用いることを想定しており、負荷として、主電動機に電力を供給するインバータ等の電流源が接続されることが想定される。平滑コンデンサ9を設けずインバータにもフィルタコンデンサが無い場合、或いは、平滑コンデンサ9を設けずインバータの直流側にフィルタコンデンサ及びフィルタリアクトルが接続されていてフィルタリアクトルが全波整流器7に接続されている場合には、永久磁石同期発電機3のリアクタンスが誘導性負荷(主電動機又はフィルタリアクトル)と直列に接続されることになり、全波整流器7の整流動作に伴いサージ電圧が発生する可能性がある。これを防止するために、全波整流器7の直流出力段に平滑コンデンサ9を設け、永久磁石同期発電機3の出力電流が整流された時の直流側電流の急激な変化を吸収して全波整流器7の直流側の電圧を一定に保つようにしているのである。
A smoothing
直流発電システム1において、永久磁石同期発電機3は、永久磁石同期発電機3のリアクタンスと、コンデンサ回路部5が有するコンデンサとで構成されるLC回路の共振周波数に対応する回転速度で動作制御される。動作制御は内燃機関10とそれを制御する不図示の制御装置によってなされる。コンデンサ回路部5が有するコンデンサのキャパシタンス(容量)Cは、永久磁石同期発電機3が所定の回転速度で動作制御されたときに、永久磁石同期発電機3のリアクタンスとコンデンサ回路部5が有するコンデンサとで構成されるLC回路がLC共振回路を形成するよう、次式(1)で与えられる値に定められている。
所定の回転速度で動作制御されているときの全波整流器7の交流側の電圧は、負荷電流の大きさに関わらず、永久磁石同期発電機3の無負荷時の誘起電圧(開放電圧)に等しくなる。そして、本実施形態の直流発電システム1では、永久磁石同期発電機3を誘起電圧よりも大きな電圧で動作させることが可能である。これは、永久磁石同期発電機3と全波整流器7との間にコンデンサ回路部5を設けるとともに、このコンデンサ回路部5が有するコンデンサと永久磁石同期発電機3のリアクタンスとがLC共振回路を形成するように構成したことによる。以下、その理由を説明する。
The voltage on the AC side of the full-
[解析]
先ず、永久磁石同期発電機3の特性について説明する。永久磁石同期発電機3の基本特性は、二反作用法に基づくd-q軸モデルを用いて次式(2)~(5)によって表現される。なお、簡単のため、電機子巻線抵抗等の損失を無視している。また、電圧や電流、インダクタンスは、全て1相あたりの量としている。
First, the characteristics of the permanent
上式(2)~(5)において、「T」はトルク、「m」は相数、「p」は永久磁石の極対数、「φα」は永久磁石による電機子鎖交磁束、「Id」はd軸電流(電機子電流のd軸成分)、「Iq」はq軸電流、「Ld」はd軸インダクタンス、「Lq」はq軸インダクタンス、「P」は電力、「E(=ωφα)」は永久磁石による誘起電圧、「Xd」(=ωLd)はd軸リアクタンス、「Xq」(=ωLq)はq軸リアクタンス、「Vd」はd軸電圧、「Vq」はq軸電圧、「δ」は電圧負荷角、である。 In the above formulas (2) to (5), “T” is the torque, “m” is the number of phases, “p” is the number of pole pairs of the permanent magnet, “φ α ” is the magnetic flux linkage of the armature by the permanent magnet, “I d ” is d-axis current (d-axis component of armature current), “I q ” is q-axis current, “L d ” is d-axis inductance, “L q ” is q-axis inductance, “P” is power, and “ E (=ωφ α )” is the voltage induced by the permanent magnet, “X d ” (=ωL d ) is the d-axis reactance, “X q ” (=ωL q ) is the q-axis reactance, and “V d ” is the d-axis voltage. , “V q ” is the q-axis voltage, and “δ” is the voltage load angle.
図2は、この特性モデルに対応する永久磁石同期発電機3の電流ベクトル図である。永久磁石同期発電機3ではリラクタンストルクを有効利用するために弱め界磁制御を行うことが一般的であることから、図2の電流ベクトル図において、d軸電流Idを負値としている。
FIG. 2 is a current vector diagram of the permanent
図3は、永久磁石同期発電機3の等価回路である。この等価回路は、式(2)~(5)で表現される特性モデルに基づく1相あたりの等価回路である。一般的に、永久磁石同期発電機3等の回転機の等価回路は、有効電力を表現する抵抗と無効電力を表現するリアクタンス等との回路要素の組み合わせで表現される。図3では、永久磁石同期発電機3の直列インピーダンス(=RS+jXS)による等価回路を示している。「RS」は、リラクタンストルクによる有効電力を表す抵抗要素であり、「XS」は、永久磁石同期発電機3のリアクタンスである。この等価回路における回路要素と、式(2)~(5)で表現される特性モデルの機器定数との関係を、次式(6)~(9)に示す。
続いて、上述の永久磁石同期発電機3の特性を前提とした直流発電システム1の動作を解析する。図4は、直流発電システム1の1相あたりの等価回路を示す図である。図3に示した永久磁石同期発電機3の等価回路も1相あたりの等価回路である。また、コンデンサ回路部5は、永久磁石同期発電機3の各相にコンデンサを挿入した回路である。このため、図3に示す永久磁石同期発電機3の等価回路に1相分のコンデンサ(キャパシタンスC)を直列に接続することで、直流発電システム1の1相あたりの等価回路を、図4に示すように表現することができる。また、全波整流器7及びその先の負荷については、動作状態に応じてその抵抗値が変化する可変抵抗器(コンダクタンスBL)として表現している。これは、全波整流器7がほぼ力率100%で動作することによる。
Next, the operation of the DC power generation system 1 based on the characteristics of the permanent
図4に示す直流発電システム1の等価回路では、全ての回路要素が直列接続されており、各回路要素に流れる電流(電流ベクトルI)は等しい。そして、電圧源(電圧ベクトルE)以外の回路要素は、有効電力を生じる抵抗器(コンダクタンスRS,BL)と、無効電力を生じるコンデンサ(キャパシタンスC)及びリアクトル(リアクタンスXS)とに分類される。そのため、ある電流(電流ベクトルI)が流れたときには、コンデンサ(キャパシタンスC)及びリアクトル(リアクタンスXS)で発生する電圧と、電圧源(電圧ベクトルE)の無効電圧成分との和がゼロになる必要があることから、電流源(電流ベクトルIm)と電圧(電圧ベクトルV)との位相差である電圧負荷角δが決定される。 In the equivalent circuit of the DC power generation system 1 shown in FIG. 4, all circuit elements are connected in series, and currents (current vectors I) flowing through the circuit elements are equal. Circuit elements other than the voltage source (voltage vector E) are classified into resistors (conductances R S and B L ) that generate active power, and capacitors (capacitance C) and reactors (reactance X S ) that generate reactive power. be done. Therefore, when a certain current (current vector I) flows, the sum of the voltage generated by the capacitor (capacitance C) and reactor (reactance X S ) and the reactive voltage component of the voltage source (voltage vector E) becomes zero. Because of the need, the voltage load angle δ, which is the phase difference between the current source (current vector I m ) and the voltage (voltage vector V), is determined.
そして、電圧負荷角δのときの電圧源Eの有効電圧成分と、抵抗器(コンダクタンスRS,BL)で発生する電圧との和がゼロとなるように可変抵抗器のコンダクタンスBLを決定すれば、その電流(電流ベクトルI)における直流発電システム1の動作状態が決まる。 Then, the conductance B L of the variable resistor is determined so that the sum of the effective voltage component of the voltage source E at the voltage load angle δ and the voltage generated by the resistors (conductance R S , B L ) becomes zero. Then, the operating state of the DC power generation system 1 at that current (current vector I) is determined.
直流発電システム1を、車両システムの主電動機への電力供給源として適用する場合には、全波整流器7の直流側に負荷としてインバータが接続され、車両の走行に伴い負荷電流が決定され、それに応じて動作状態が決まる。従って、上記の解析手順は、この適用形態に近いものになっている。
When the DC power generation system 1 is applied as a power supply source to a traction motor of a vehicle system, an inverter is connected as a load to the DC side of the full-
図5は、永久磁石同期発電機3が発電動作している状態での直流発電システム1の電流ベクトル図である。図5は、永久磁石同期発電機3は突極性を有さない円筒形であり、電流位相角βによるインダクタンスの変化を無視することができるので、抵抗器(コンダクタンスRS)を省略することができる。図5に示す電流ベクトル図に示すように、永久磁石同期発電機3が発電動作をしている状態では、q軸電流Iqは負となる。また、永久磁石同期発電機3は弱め界磁制御が行われることが一般的であるため、d軸電流Idを負としている。また、負荷となる可変抵抗器(コンダクタンスBL)に印加される電圧VLは、リアクトル(リアクタンスXS)及びコンデンサ(キャパシタンスC)に印加される電圧と直交する。
FIG. 5 is a current vector diagram of the DC power generation system 1 when the permanent
従って、永久磁石同期発電機3を電圧ベクトルVで運転させるためには、先ず、電圧ベクトルVから電圧ベクトルEを減算して、リアクトル(リアクタンスXS)に印加される電圧ベクトルXSIを求める。次いで、電圧ベクトルVに、コンデンサ(キャパシタンスC)に印加される電圧ベクトルCIを加算して、可変抵抗器(コンダクタンスBL)に印加される電圧ベクトルVLを求める。そして、この電圧ベクトルVLが電流ベクトルIに直交するように、コンデンサのキャパシタンス(容量)Cの値を定めればよい。このようにすることで、任意の動作点で永久磁石同期発電機3を発電動作させることができる。
Therefore, in order to operate the permanent
図4に示した直流発電システム1の等価回路において、リアクトル(リアクタンスXS)とコンデンサ(キャパシタンスC)とはLC直列回路を形成している。発電動作時の回転速度においてLC直列回路が共振回路となるようにコンデンサのキャパシタンスCを選定することで、このLC直列回路を共振回路として形成させることができる。共振時には、コンデンサ(キャパシタンスC)に印加される電圧と、リアクトル(リアクタンスXS)に印加される電圧との大きさが等しく、位相は逆位相になる。共振時における電流ベクトル図は、図6に示すようになる。 In the equivalent circuit of the DC power generation system 1 shown in FIG. 4, a reactor (reactance X S ) and a capacitor (capacitance C) form an LC series circuit. This LC series circuit can be formed as a resonant circuit by selecting the capacitance C of the capacitor so that the LC series circuit becomes a resonant circuit at the rotational speed during power generation operation. At resonance, the voltage applied to the capacitor (capacitance C) and the voltage applied to the reactor (reactance X S ) are equal in magnitude and opposite in phase. A current vector diagram at the time of resonance is as shown in FIG.
図6は、共振時における直流発電システム1の電流ベクトル図である。共振時においては、可変抵抗器(コンダクタンスBL)に印加される電圧VLは、負荷電流(電流ベクトルI)の大きさに関わらず、永久磁石同期発電機3の誘起電圧Eと等しくなる。そして、誘起電圧Eよりも高い電圧Vで、永久磁石同期発電機3を動作させることが可能となる。また、可変抵抗器(コンダクタンスBL)に印加される電圧VLは全波整流器7の交流側に印加される電圧であり、全波整流器7の直流側(直流出力段)に設けられている平滑コンデンサ9の電圧は電圧VL(=永久磁石同期発電機3の誘起電圧E)に応じた直流電圧となる。従って、直流発電システム1は直流電圧源として動作する。
FIG. 6 is a current vector diagram of the DC power generation system 1 during resonance. At resonance, the voltage V L applied to the variable resistor (conductance B L ) becomes equal to the induced voltage E of the permanent
またこのとき、永久磁石同期発電機3はq軸電流Iqのみが流れている。一般に巻線温度上昇限度の制約下で永久磁石同期発電機3の出力を最大化するためには、MTPA
(Max Torque Per Ampere:最大トルク/電流)制御の電流ベクトルで動作制御することが望ましい。図6に示す電流ベクトル図は、MTPA制御による動作状態に近い状態であり、大出力化の観点からも望ましい運転点といえる。
At this time, only the q -axis current Iq is flowing through the permanent
(Max Torque Per Ampere: maximum torque/current) It is desirable to control the operation with the current vector of control. The current vector diagram shown in FIG. 6 is a state close to the operating state under MTPA control, and can be said to be a desirable operating point from the viewpoint of increasing the output.
従って、負荷時の動作点で、コンデンサ(キャパシタンス)Cと永久磁石同期発電機3のリアクトル(リアクタンスXS)とでなるLC直列回路が共振回路を形成するように、コンデンサのキャパシタンスCは、上式(1)に示したように定められる。共振時においては、電流による誘起電圧XSIを発生させるのはq軸電流Iqであるので、式(1)においては、q軸リアクタンスXq(=ωLq)を永久磁石同期発電機3のリアクトルとしている。
Therefore, at the operating point under load, the capacitance C of the capacitor is increased so that the LC series circuit composed of the capacitor (capacitance) C and the reactor (reactance X S ) of the permanent
[シミュレーション結果]
続いて、直流発電システム1のシミュレーション結果を示す。シミュレーションは、直流発電システム1を電気式気動車に用いる場合を想定して行った。つまり、内燃機関10として鉄道用のディーゼルエンジンを永久磁石同期発電機3に直結して用いる場合である。シミュレーションでは、ディーゼルエンジンの代わりに、所定の回転速度を永久磁石同期発電機3のシャフトに入力した。また、全波整流器7の直流側には、平滑コンデンサ9を接続するとともに、負荷としてインバータ駆動電動機等を想定した定電流源を配置した。
[simulation result]
Next, simulation results of the DC power generation system 1 are shown. The simulation was performed assuming that the DC power generation system 1 is used in an electric railcar. In other words, this is the case where a railroad diesel engine is directly connected to the permanent
図7に、シミュレーションに用いたパラメータ値として、永久磁石同期発電機3の機器定数、及び、直流発電システム1の設計値を示す。シミュレーションでは、エンジンの最大出力が得られる回転数「2100rpm」において共振周波数となるように、コンデンサ回路部5のコンデンサ(共振コンデンサ)の容量を設計した。また、エンジンの回転数「2100rpm」における永久磁石同期発電機3の開放電圧が端子間のピーク値で「622V」となることから直流電圧が「600V」程度になると想定されるため、発電電力が「180kW」程度になるように、直流電流は「300A」とした。また、負荷電流がゼロの状態で最初の4秒間(0秒から4秒まで)で、エンジンの回転数を「0rpm」から「2100rpm」まで加速し、その後は一定の回転速度を保つようにした。次いで、「5秒から9秒まで」の期間で、負荷電流を「0A」から「300A」まで直線的に増加させ、その後一定に保つようにした。
FIG. 7 shows device constants of the permanent
図8~図13は、シミュレーション結果を示すグラフである。図8、図9は、シミュレーションの最後の0.1秒間(9.9秒から10.0秒まで)についてのグラフであり、図10~図13は、シミュレーションの全期間(0秒から10秒まで)についてのグラフである。 8 to 13 are graphs showing simulation results. 8 and 9 are graphs for the last 0.1 seconds of the simulation (from 9.9 seconds to 10.0 seconds), and FIGS. up to).
図8は、横軸を時間として、永久磁石同期発電機3の電圧V及び電流Iと、全波整流器7の入力電圧(交流側の電圧)と、を示している。図8によれば、永久磁石同期発電機3の電流Iと、全波整流器7の入力電圧(交流側の電圧)との位相が逆位相となっている。なお、全波整流器7の入力電流は永久磁石同期発電機3の電流Iに等しい。つまり、永久磁石同期発電機3と全波整流器7との間にコンデンサ回路部5を設けても、設けない場合と同様に、力率がほぼ100%の交流電力が全波整流器7に入力されていることが確認された。なお、永久磁石同期発電機3の出力電圧Vと出力電流Iとは位相が大きくずれており力率は低いが、これは、大電流を流して大出力の運転点で運転しているために電機子反作用が大きいことによる。
FIG. 8 shows the voltage V and current I of the permanent
図9は、横軸を時間として、平滑コンデンサ9の電圧(直流発電システム1の出力電圧となる)と、負荷電流と、永久磁石同期発電機3の回転速度と、永久磁石同期発電機3の出力トルク(永久磁石同期機トルク)とを示している。永久磁石同期発電機3の出力トルク(永久磁石同期機トルク)は負値として示している。永久磁石同期発電機3の入力トルクは正値でありその平均値は「770Nm」、平滑コンデンサ9の電圧の平均値は「534V」であり、永久磁石同期発電機3の発電電力は「約160kW」である。図9に示すように、全波整流器7の動作に起因して電圧に高調波成分が加わり、これに伴うトルク脈動が生じている。そして、平滑コンデンサ9の電圧にも、同じ周波数の細かな脈動が生じていることがわかる。
9 shows the voltage of the smoothing capacitor 9 (which is the output voltage of the DC power generation system 1), the load current, the rotation speed of the permanent
図10は、横軸を時間として、永久磁石同期発電機3の電圧Vの実効値を示している。図11は、横軸を時間として、全波整流器7の入力電圧(交流側の電圧)の実効値を示している。図12は、横軸を時間として、永久磁石同期発電機3の電流Iの実効値を示している。図13は、横軸を時間として、負荷電流と、平滑コンデンサ9の電圧と、全波整流器7の入力電圧(交流側の電圧)の実効値と、永久磁石同期発電機3のトルクと、永久磁石同期発電機3の回転速度とを示している。
FIG. 10 shows the effective value of the voltage V of the permanent
図10~図13によれば、無負荷時(0秒から4秒までの期間)では、永久磁石同期発電機3の回転速度の増大に伴い、永久磁石同期発電機3の電圧、全波整流器7の入力電圧、平滑コンデンサ9の電圧が増加してゆく。そして、永久磁石同期発電機3の回転速度が「2100rpm」に達して一定とされた後に、負荷電流を増加させると(5秒から10秒までの期間)、永久磁石同期発電機3の電圧は増加してゆくが、全波整流器7の入力電圧(交流側の電圧)はほぼ一定に保たれている。つまり、負荷電流に関わらず、全波整流器7の入力電圧は一定である。なお、平滑コンデンサ9の電圧については、負荷電流が流れ始めると(5秒)、全波整流器7の動作のために低下するが、その後(5秒から10秒までの期間)は、負荷電流を増加させても一定の電圧となっている。
10 to 13, when there is no load (period from 0 seconds to 4 seconds), as the rotation speed of the permanent
[適用例]
本実施形態の直流発電システム1は、例えば、鉄道車両に搭載され、鉄道車両の主電源及び補助電源の電力を供給するための鉄道車両用電力供給システムに適用することができる。図14は、鉄道車両用電力供給システム100の構成例である。図14に示すように、鉄道車両用電力供給システム100は、直流発電システム1と、永久磁石同期発電機3の回転子を駆動する内燃機関10と、直流発電システム1の交流ラインにおけるコンデンサ回路部5と全波整流器7との間に接続された変圧器11とを備える。変圧器11は、全波整流器7の交流側の電圧を変圧し、変圧した交流電圧を外部出力する。鉄道車両用電力供給システム100は、全波整流器7の直流出力を、鉄道車両の主電動機の電源となる主電源の電力として供給し、変圧器11の外部出力(交流出力)を、鉄道車両の補機の電源となる補助電源の電力として供給する。従来、補機の電源には、SIV(静止形インバータ:Static Inverter)が必要であったが、これを変圧器11で代替する。これにより、コストの低減及び設置スペースの低減を図った鉄道車両用電力供給システム100とすることができる。永久磁石同期発電機3の共振時の動作周波数を商用周波数(50/60Hz)になるように設計すると、補助電源の周波数に適合させることができるため、より好適である。
[Application example]
The DC power generation system 1 of the present embodiment can be applied to, for example, a railroad vehicle power supply system that is mounted on a railroad vehicle and supplies electric power to a main power source and an auxiliary power source of the railroad vehicle. FIG. 14 is a configuration example of a
なお、直流発電システム100の交流ラインの電圧(全波整流器7の交流側の電圧)が補機用の電圧となるように直流発電システム100を設計することで、この交流ラインに直接補機を接続して変圧器11を不要とすることができる。この場合、全波整流器7の交流側の電圧は矩形波状であるので(図8の「整流器入力電圧」を参照)、フィルタ回路を介して補機を接続すると好適である。
By designing the DC
[作用効果]
このように、本実施形態の直流発電システム1によれば、永久磁石同期発電機3と全波整流器7とを結ぶ交流ラインの各相にコンデンサを挿入することで永久磁石同期発電機3の動作点を変えることができ、永久磁石同期発電機3を誘起電圧以上の電圧で動作させることが可能となる。また、平滑コンデンサ9の電圧が直流発電システム1の出力電圧となり、直流発電システム1を直流電圧源として動作させることができる。また、永久磁石同期発電機3を永久磁石同期発電機3のリアクタンスとコンデンサ回路部5のコンデンサとで構成されるLC回路の共振周波数に対応する回転速度で動作制御することで、全波整流器7の入力側の電圧が永久磁石同期発電機3の誘起電圧と等しくなり、負荷電流が変化しても出力される直流電圧を一定に保つことができる。これにより、直流発電システム1の小型化・大出力化を図ることが可能となる。
[Effect]
Thus, according to the DC power generation system 1 of the present embodiment, by inserting a capacitor in each phase of the AC line connecting the permanent
また、永久磁石同期発電機3の回転速度は一定に制御すれば良いため、永久磁石同期発電機3を高効率に動作させることが可能となる上、永久磁石同期発電機3の回転子を回転させる動力源(内燃機関10)も一定の回転速度で済むため、当該動力源をも高効率に運転することが可能となる。すなわち、内燃機関10の燃費効率に合わせて直流発電システム1を設計することが可能といえる。或いは、永久磁石同期発電機3の回転速度に対応する速度が所定の燃費性能の内燃機関10を採用することも可能である。これにより、内燃機関10及び直流発電システム1を含めたシステム全体としての燃費性能を向上させることが可能である。
In addition, since the rotational speed of the permanent
なお、本発明の適用可能な実施形態は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能なのは勿論である。 It goes without saying that the embodiments to which the present invention can be applied are not limited to the above-described embodiments, and can be changed as appropriate without departing from the scope of the present invention.
上述した本実施形態では、直流発電システム1を、鉄道車両の主電動機への電力供給源として適用する場合について主に説明した。しかし、直流発電システム1が適用可能な形態は上述した実施形態に限定されない。例えば、全波整流器7の直流出力段(直流側)に、鉄道車両の補助電源の供給ラインを接続して、鉄道車両の補助電源への電力供給源として直流発電システム1を適用することとしてもよい。また、鉄道車両のみならず、他の大型車両や船舶等への電力供給源や、産業用途の電力供給源として、直流発電システムを適用することとしてもよい。
In the present embodiment described above, the case where the DC power generation system 1 is applied as a power supply source to the main motor of a railway vehicle has been mainly described. However, the form to which the DC power generation system 1 can be applied is not limited to the embodiment described above. For example, the direct current output stage (direct current side) of the full-
1…直流発電システム
3…永久磁石同期発電機
5…コンデンサ回路部
7…全波整流器
9…平滑コンデンサ
11…変圧器
10…内燃機関
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... DC
Claims (5)
前記永久磁石同期発電機から出力される交流を直流に全波整流する整流器と、
前記整流器の直流出力段に設けられた平滑コンデンサと、
前記永久磁石同期発電機と前記整流器とを結ぶ交流ラインの各相に挿入されたコンデンサを有するコンデンサ回路部と、
を備える直流発電システム。 a permanent magnet synchronous generator;
a rectifier for full-wave rectifying the alternating current output from the permanent magnet synchronous generator to direct current;
a smoothing capacitor provided in the DC output stage of the rectifier;
a capacitor circuit unit having a capacitor inserted in each phase of an AC line connecting the permanent magnet synchronous generator and the rectifier;
DC power generation system.
請求項1に記載の直流発電システム。 The permanent magnet synchronous generator has no saliency,
The DC power generation system according to claim 1.
請求項1又は2に記載の直流発電システム。 The permanent magnet synchronous generator is controlled to have a constant rotational speed,
The DC power generation system according to claim 1 or 2.
請求項1~3の何れか一項に記載の直流発電システム。 The permanent magnet synchronous generator is operated and controlled at a rotational speed corresponding to the resonance frequency of an LC circuit composed of the reactance of the permanent magnet synchronous generator and the capacitor,
The DC power generation system according to any one of claims 1 to 3.
前記永久磁石同期発電機の回転子を駆動する内燃機関と、
前記交流ラインにおける前記コンデンサ回路部と前記整流器との間に接続され、変圧した交流を外部出力する変圧器と、
を備え、
前記整流器の直流出力を鉄道車両の主電源の電力として供給し、
前記変圧器の外部出力を前記鉄道車両の補助電源の電力として供給する、
鉄道車両用電力供給システム。 A DC power generation system according to any one of claims 1 to 4,
an internal combustion engine that drives the rotor of the permanent magnet synchronous generator;
a transformer connected between the capacitor circuit section and the rectifier in the AC line and outputting the transformed AC to the outside;
with
supplying the DC output of the rectifier as power for the main power supply of the railway vehicle;
Supplying the external output of the transformer as power for the auxiliary power supply of the railway vehicle;
Power supply system for railway vehicles.
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