JP6498949B2 - 電気車制御装置 - Google Patents

Description

本発明による実施形態は、電気車制御装置に関する。

従来から電気車の主電動機（モータ）等の駆動システムを動作させるために電力変換を行う制御装置が用いられている。制御装置は、電気車の車輪を回転させるために、架線の電力を、駆動システムに必要な電力へ変換する。

このような制御装置は、電力変換にともなって発生する熱を発散させるために冷却器を備えている。冷却器は、実際に電気車が走行する路線情報および運転パターンに基づいて設計される。例えば、走行路線に、急勾配区間あるいは力行と回生との繰り返しが多い区間等がある場合、制御装置は、大きな電力を必要としあるいは大きな電力損失を生じる。さらにこのような場合、電気車は低速で走行する可能性もある。従って、電気車の走行中に、制御装置は多くの熱を発生し、かつ、冷却器（例えば、冷却フィンまたは冷却ブロア）の冷却性能が低下するおそれがある。そこで、従来から、急勾配等の特定の区間に適応した高い冷却性能を発揮できるように、冷却器は予め大型に設計されていた。

しかし、急勾配区間のような特定の区間は、全走行路線の一部である。従って、その他の通常区間（例えば、平坦な区間）では、大型冷却器の冷却性能は、過剰である場合が多い。また、急勾配区間のような特定の区間のために冷却器を大型化することは、制御装置自体を大型化することに繋がり、かつ、制御装置のコストアップにも繋がる。

特開２０１４−２３９５７６号公報

適切な冷却性能を有し、小型かつ低コストな電気車制御装置を提供する。

本実施形態による電気車制御装置は、電源からの電力を変換して電気車の負荷に該電力を供給する電気車制御装置であって、電源からの電力を変換し、電気車の負荷に該電力を供給するＶＶＶＦインバータと、ＶＶＶＦインバータを冷却する冷却部と、ＶＶＶＦインバータをＰＷＭ制御する制御部とを備え、電気車が走行路線のうち所定の区間に入ったときに、制御部は、ＰＷＭ制御のキャリア周波数を変更する。

第１の実施形態による電気車制御装置１等の構成の一例を示すブロック図。 或る電気車の速度Ｓｔおよびインバータ２０の半導体スイッチング素子の温度Ｔ２０を示すグラフ。 本実施形態による制御装置１の動作の一例を示すフロー図。

以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。

図１は、本実施形態による電気車制御装置１等の構成の一例を示すブロック図である。電気車制御装置（以下単に、制御装置とも言う）１は、鉄道等の電気車の車両の電力制御に用いられる装置であり、車両の床下または屋根上に配置される。

パンタグラフＰＧは、電源としての架線２と電気的に接触し、架線からの電力を制御装置１へ供給し、あるいは、回生電力を架線２へ供給する。パンタグラフＰＧからの電力は、断流器（ＶＣＢ（Vacuum Circuit Breaker））および変圧器４を介して制御装置１へ供給される。制御装置１は、変圧器４からの電力を変換してモータ（負荷）３へ供給する。

モータ３は、電気車を走行させるために電気車の車輪を駆動させる。モータ３は、例えば、三相交流モータ（三相誘導電動機）であり、ネオジム磁石等の強磁性体を用いた永久磁石同期電動機（ＰＭＳＭ）である。より詳細には、インバータ２０からの三相交流電力は、モータ３に供給され、モータ３が電気車を駆動する。モータ３は、ロータ（図示せず）を回転させ、それにより歯車等を介してあるいは直接に電気車の車輪の車軸を回転させる。

列車制御監視装置５は、複数の電気車で編成された列車に共通に設けられ、外部からの情報や各車両の情報を受けて、それらの情報を各車両の制御装置１に送信する。例えば、列車制御監視装置５は、外部のＡＴＳ（Automatic Train Stop）、ＡＴＣ（Automatic Train Control）からの情報、運転台からのノッチ指令、位置検出受信器９０、９１からの位置情報、および、他の車両の故障情報等を受けて各車両の制御装置１へ送信する。これにより、各車両は、外部の情報、他の車両の故障情報、自車両の位置情報等を得ることができる。これらの情報は、運転台の表示部７に表示させてもよい。

表示部７は、電気車の運転台に設けられており、各種情報を表示する。

制御装置１は、コンバータ１０と、インバータ２０と、コントローラ３０と、遮断機４０と、放熱フィン５０、５１と、接触器７０と、温度センサ８０、８１および８３と、位置検出受信機２３、２４とを備えている。

遮断器４０は、主電源スイッチ、重大な故障が生じたときに電力を遮断する高速度遮断器、ノッチをオフ状態にしたときに電力を遮断する遮断器等を含む。

コンバータ１０は、架線２からの交流電力を直流電力へ変換する。コンバータ１０は、例えば、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）コンバータであり、複数のＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＧＴＯ(Gate Turn Off Thyristor)等の半導体スイッチング素子や、半導体スイッチング素子に並列に接続されたダイオードあるいはクランプダイオード等の半導体素子で構成されている。コンバータ１０は、コントローラ３０の制御を受けて、半導体スイッチング素子をスイッチング制御（オン／オフ制御）することによって、交流電力を直流電力へ変換する。

インバータ２０は、コンバータ１０からの直流電力を交流電力へ変換し、その交流電力を接触器７０を介してモータ３へ供給する。例えば、インバータ２０は、直流電力を３相交流電力へ変換する。インバータ２０は、例えば、ＰＷＭ制御されるＶＶＶＦ（Variable Voltage Variable Frequency）インバータであり、複数のＩＧＢＴ、ＧＴＯ等の半導体スイッチング素子や、半導体スイッチング素子に並列に接続されたダイオードあるいはクランプダイオード等の半導体素子で構成されている。インバータ２０は、コントローラ３０の制御を受けて、半導体スイッチング素子をスイッチング制御（オン／オフ制御）することによって、直流電力を交流電力へ変換する。

放熱フィン５０、５１は、それぞれコンバータ１０およびインバータ２０に設けられている。コンバータ１０およびインバータ２０に用いられるＩＧＢＴやＧＴＯ等の半導体スイッチング素子は、スイッチングにより多くの損失（熱）を発生する。このため、制御装置１は、冷却装置を用いて冷却する必要がある。本実施形態では、冷却器の例として放熱フィン５０、５１を用いている。放熱フィン５０、５１は、コンバータ１０およびインバータ２０の底面から下方へ延出し電気車の走行風によって冷却される。これにより、放熱フィン５０、５１は、電気車の走行中において生じるコンバータ１０およびインバータ２０のスイッチング損失の熱を効率良く発散させることができる。尚、放熱フィンに代えて、放熱ブロアがコンバータ１０およびインバータ２０に設けられていてもよい。

温度センサ８０は、コンバータ１０内またはコンバータ１０の近傍に配置されており、コンバータ１０の半導体スイッチング素子の温度を検出する。温度センサ８１は、インバータ２０内またはインバータ２０の近傍に配置されており、インバータ２０の半導体スイッチング素子の温度を検出する。温度センサ８２は、電気車の外部に配置され、外気温を検出し、外気温を制御装置１へ送信する。温度センサ８３は、制御装置１の筐体内に配置されており、制御装置１の筐体内部の温度を検出する。

接触器７０は、モータ３とインバータ２０との間を電気的に接続し、あるいは、開放する電磁開閉器である。例えば、接触器７０は、モータ開放接触器（ＭＣＯＫ）でよい。

位置検出受信器９０、９１は、例えば、地上に接地された地上子と通信して位置情報（例えば、キロ程情報）を得る車上子、あるいは、ＧＰＳ（Global Positioning System）の受信機等のように自車両の位置を検出可能な装置である。

コントローラ３０は、運転台からの制御信号（例えば、ノッチ指令）、モータ３の回転数、列車制御監視装置５からの列車速度情報、乗車率情報、温度センサ８０〜８３からの温度情報、他の車両の故障情報、モータ３へ供給される電流値、架線の電圧値等の各種情報を受け取る。コントローラ３０は、それらの情報に基づいて、コンバータ１０やインバータ２０をスイッチング制御し、並びに、接触器７０の接続／開放を制御する。

また、コントローラ３０は、電気車の位置、コンバータ１０またはインバータ２０の温度、制御装置１の筐体内部の温度、外気温、または、列車の乗車率のいずれか少なくとも１つ以上のパラメータに基づいて、コンバータ１０またはインバータ２０のＰＷＭ制御のキャリア周波数、ＰＷＭ制御のキャリアのパルス数、または、コンバータ１０またはインバータ２０の出力電力を変更する。尚、コントローラ３０は、制御装置１の内部に設けてもよく、あるいは、その外部に設けてもよい。

例えば、電気車の位置をパラメータとした場合、電気車が勾配区間または力行・回生を繰り返す区間に差し掛かったときに、コンバータ１０およびインバータ２０は、大きな電力をモータ３へ供給し、且つ、スイッチング損失も大きくなる。この場合、コンバータ１０およびインバータ２０において大量の熱が発生する。しかも、走行区間が急勾配の場合には、消費電力が大きいにも関わらず、電気車の速度が比較的遅くなる場合もある。このため、放熱フィン５０、５１の冷却性能が低下する。

尚、コンバータ１０は、通常、架線２からの定電圧を受けて走行する。従って、コンバータ１０は、比較的大きな電流を必要とする高速走行中に多くの熱を発生する。逆に、低速走行においては、コンバータ１０は、あまり多くの熱を発生しないので、冷却性能が低下しても或る程度許容される。一方、インバータ２０は、低速走行において定トルクで走行し、高速走行において定電力で走行する。従って、インバータ２０は、低速走行であっても、比較的多くの熱を発生する。よって、インバータ２０は、低速走行においても、高い冷却性能を必要とする。このような状況を考慮すると、インバータ２０に設けられている放熱フィン５１の冷却性能がコンバータ１０に設けられている放熱フィン５０の冷却性能より重要である。従って、以下、コントローラ３０は、インバータ２０のＰＷＭ制御を変更するものとして記載する。しかし、コントローラ３０は、コンバータ１０およびインバータ２０のいずれか一方または両方のＰＷＭ制御を変更しても差し支えない。

図２は、或る電気車の速度Ｓｔおよびインバータ２０の半導体スイッチング素子の温度Ｔ２０を示すグラフである。横軸は時間を示し、右側の縦軸は電気車の速度Ｓｔを示し、並びに、左側の縦軸はインバータ２０の半導体スイッチング素子の温度Ｔ２０を示す。Ｌｓで示す区間は勾配区間を示す。Ｌｓ以外の区間は、平坦な通常区間を示す。電気車が勾配区間Ｌｓに差し掛かると、電気車の速度Ｓｔの上昇が遅くなり、それにともない、インバータ２０の半導体スイッチング素子の温度Ｔ２０が急激に上昇していることがわかる。これは、電気車の速度Ｓｔが遅いと、放熱フィン５１の冷却性能が低下するからである。このようなインバータ２０の半導体スイッチング素子の温度Ｔ２０の上昇は、インバータ２０の半導体スイッチング素子を破損させる原因となる。

勾配区間Ｌｓまたは力行・回生を繰り返す区間を想定して、予め大きな冷却性能を有するように放熱フィン５１を設計すると、放熱フィン５１のサイズは非常に大きくなってしまう。例えば、通常、放熱フィン５１は、インバータ２０の半導体スイッチング素子の許容温度、制御装置１の筐体内の許容温度、外気の許容度温、走行区間の勾配の最大傾斜、他の車両の牽引等のワーストケースを想定して設計される。この場合、例えば、電気車が外気温の高い時期に他の車両を牽引しながら急勾配区間を走行することを想定すると、冷却性能を強めるために、放熱フィン５１は非常に大きく設計される。これは、制御装置１のサイズを大きくし、かつ、コストを上昇させてしまう。

そこで、本実施形態による制御装置１では、電気車の位置が所定の区間（例えば、勾配区間または力行・回生を繰り返す区間）に入ったという条件をトリガとして、コントローラ３０がインバータ２０のＰＷＭ制御を変更する。これにより、制御装置１は、電気車の位置に基づいて電気車の走行パターンを切り換えることができる。例えば、電気車の位置が所定の区間に入った場合に、コントローラ３０は、インバータ２０のＰＭＷ制御のキャリア周波数を低下させ、あるいは、ＰＷＭ制御のキャリアのパルス数を少なくする。これにより、インバータ２０のスイッチング頻度が低下するので、スイッチング損失が低下し、熱の発生量が低下する。その結果、走行区間、半導体スイッチング素子の温度、制御装置１の筐体内の温度、外気の度温、走行区間の勾配、他の車両の牽引等のワーストケースを想定せずに放熱フィン５１を比較的小型に設計しても、勾配区間または力行・回生を繰り返す区間において、インバータ２０における過剰な発熱を抑制し、インバータ２０を保護することができる。放熱フィン５１が比較的小型になることによって、制御装置１自体の大きさが小さくなり、コストも低下する。

尚、ＰＷＭ制御のキャリア周波数またはキャリアのパルス数を低下させた場合、インバータ２０から出力される三相交流の電圧波形が荒くなり、所望の変調波からのずれ（なめらかな正弦波を中心とした凹凸）が大きくなる。しかし、インバータ２０からの出力電力自体はほとんど変わらないので、モータ３のトルクはほとんど変わらない。従って、本実施形態によれば、電気車の速度（走行性能）を低下させることなく、インバータ２０のスイッチング損失を低下させることができる。

コントローラ３０は、ＰＷＭ制御のキャリア周波数またはキャリアのパルス数を低下させることに代えて、インバータ２０の出力電力自体を低下させてもよい。この場合、電気車の速度（走行性能）が低下することを或る程度許容する必要がある。

上記例では、インバータ２０のＰＷＭ制御を変更するパラメータとして「電気車の位置」を用いているが、他のパラメータとして、インバータ２０の半導体スイッチング素子の温度、制御装置１の筐体内部の温度、外気温、列車内の他の車両の電気車制御装置の状態（停止／起動状態）または、電気車の乗車率等を用いてもよい。

また、上記例では、インバータ２０のＰＷＭ制御を変更する条件は、「電気車の位置が所定の区間に入ったこと」である。しかし、ＰＷＭ制御の変更条件は、パラメータに応じて他の条件でもよい。例えば、インバータ２０のＰＷＭ制御を変更する条件は、インバータ２０の半導体スイッチング素子の温度が所定温度以上になったこと、制御装置１の筐体内部の温度が所定温度以上になったこと、外気温が所定温度以上になったこと、列車内の他の車両の電気車制御装置が停止状態であること、電気車の乗車率が所定値以上になったこと等のいずれでもよい。さらに、これらのパラメータや条件のうち２つ以上を組み合わせて用いてもよい。

上記構成はパンタグラフＰＧを介して供給される電力が交流である場合を示しているが、供給される電力が直流であっても構わない。この場合、制御装置１はコンバータ１０が無い構成となる。

次に、本実施形態による制御装置１の動作を説明する。

図３は、本実施形態による制御装置１の動作の一例を示すフロー図である。まず、電気車は、比較的平坦な区間を通常走行する（Ｓ１０）。コントローラ３０は、パラメータが所定の条件に該当するか否かを周期的に判断する（Ｓ２０）。例えば、パラメータとしての電気車の位置は、位置検出受電器９０から直接または列車制御監視装置５を介して位置検出受信器９１から得ることができる。コンバータ１０またはインバータ２０の温度、制御装置１の筐体内部の温度、外気温は、温度センサ８０〜８３から得ることができる。他の車両の電気車制御装置の状態は、列車制御監視装置５を介して他の車両から得ることができる。列車の乗車率は、重量センサ（図示せず）等から得ることができる。

パラメータが所定の条件に該当しない場合（Ｓ２０のＮＯ）、コントローラ３０は、インバータ２０のＰＷＭ制御のキャリアを変更せず、かつ、インバータ２０の出力電力を変更しない。従って、電気車は、通常走行を継続する（Ｓ１０）。

パラメータが所定の条件に該当する場合（Ｓ２０のＹＥＳ）、コントローラ３０は、インバータ２０のＰＷＭ制御のキャリア周波数を低下させ、あるいは、インバータ２０のＰＷＭ制御のキャリアのパルス数を減少させる（Ｓ３０）。

例えば、電気車が勾配区間に入った場合、コントローラ３０は、インバータ２０の出力電力を上げる必要がある。一方、コントローラ３０は、コンバータ１０またはインバータ２０のＰＷＭ制御のキャリア周波数を低下させ、あるいは、インバータ２０のＰＷＭ制御のキャリアのパルス数を減少させる。これにより、インバータ２０の出力電力を上げつつ、インバータ２０のスイッチング損失（発熱）を抑制することができる。

力行と回生との繰り返しが多い区間に入った場合、コントローラ３０は、インバータ２０のＰＷＭ制御のキャリア周波数を低下させ、あるいは、インバータ２０のＰＷＭ制御のキャリアのパルス数を減少させる。これにより、インバータ２０のスイッチング損失（発熱）を抑制することができる。力行と回生との繰り返しが多い区間に入った場合、コントローラ３０は、インバータ２０の出力電力を下げることによって、インバータ２０の発熱を抑制してもよい。

また、例えば、インバータ２０の半導体スイッチング素子の温度が所定温度以上になった場合、制御装置１の筐体内部の温度が所定温度以上になった場合、あるいは、外気温が所定温度以上になった場合、コントローラ３０は、インバータ２０のＰＷＭ制御のキャリア周波数を低下させ、あるいは、インバータ２０のＰＷＭ制御のキャリアのパルス数を減少させる。これにより、インバータ２０のスイッチング損失（発熱）を抑制することができる。また、これらの場合、コントローラ３０は、インバータ２０の出力電力を下げることによって、インバータ２０の発熱を抑制してもよい。

さらに、例えば、列車内の他の車両の電気車制御装置が停止状態になった場合、あるいは、電気車の乗車率が所定値以上になった場合、コントローラ３０は、インバータ２０の出力電力を上げる必要がある。尚、他の車両の電気車制御装置が停止状態になった場合、自車両の制御装置１が他の車両の電気車制御装置を補填するために、出力電力を上げる必要がある。従って、コントローラ３０は、インバータ２０のＰＷＭ制御のキャリア周波数を低下させ、あるいは、インバータ２０のＰＷＭ制御のキャリアのパルス数を減少させることによって、インバータ２０のスイッチング損失（発熱）を抑制する。

ＰＷＭ制御のキャリア周波数を低下させ、あるいは、ＰＷＭ制御のキャリアのパルス数を減少させた場合（走行パターンを変更した場合）、コントローラ３０は、走行パターンを変更していることを運転士に示すために、運転台の表示部７へその旨更を表示する（Ｓ４０）。

その後、パラメータが所定の条件に該当しなくなった場合（Ｓ２０のＮＯ）、コントローラ３０は、走行パターンを元に戻し、電気車は通常走行に戻る（Ｓ１０）。

このように、本実施形態による制御装置１は、電気車の位置等のパラメータが所定条件になったことをトリガとして、インバータ２０のＰＷＭ制御のキャリア周波数またはパルス数を低下させる。これにより、インバータ２０のスイッチング頻度が低下するので、スイッチング損失が低下し、熱の発生量が低下する。

あるいは、制御装置１は、インバータ２０の出力電力を低下させる。これにより、インバータ２０の発熱量を低下させる。

その結果、通常走行区間（平坦区間等）を想定して放熱フィン５１を比較的小型に設計しても、制御装置１は、走行パターンを変更することによって、インバータ２０における過剰な発熱を抑制することができる。従って、走行区間、半導体スイッチング素子の温度、制御装置１の筐体内の温度、外気の度温、走行区間の勾配、他の車両の牽引等のワーストケースを想定せずに放熱フィン５１を比較的小型に設計することができる。これにより、制御装置１自体の大きさが小さくなり、コストを低下させることができる。

以上、インバータ２０および放熱フィン５１について記載したが、上述の通り、本実施形態は、コンバータ１０および放熱フィン５０についても同様のことが言える。

本実施形態において、上記条件のうち複数の条件を組み合わせてもよい。例えば、ステップＳ２０において電気車が所定の区間に入り、かつ、電気車の乗車率が所定値以上である場合に、コントローラ３０は、走行パターンを変更してもよい。

また、本実施形態において、ステップＳ３０において、コントローラ３０は、コンバータ１０またはインバータ２０のＰＷＭ制御のキャリア周波数またはキャリアのパルス数の変更と、コンバータ１０またはインバータ２０の出力電力を変更との両方を用いて走行パターンを変更してもよい。例えば、コントローラ３０は、ステップＳ３０において、ＰＷＭ制御のキャリア周波数またはキャリアのパルス数を低減させ、尚且つ、コンバータ１０またはインバータ２０の出力電力を低下させてもよい。このようにしても、本実施形態の効果は失われない。

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同様に、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ものである。

１・・・電気車制御装置、２・・・架線、３・・・モータ、５・・・列車制御監視装置、７・・・表示部、１０・・・コンバータ、２０・・・インバータ、３０・・・コントローラ、４０・・・遮断機、５０、５１・・・放熱フィン、７０・・・接触器、８０〜８３・・・温度センサ、２３、２４・・・位置検出受信機

Claims (4)

1. 電源からの電力を変換して電気車の負荷に該電力を供給する電気車制御装置であって、 前記電源からの電力を変換し、前記電気車の負荷に該電力を供給するＶＶＶＦ（Variable Voltage Variable Frequency）インバータと、
   前記ＶＶＶＦインバータを冷却する冷却部と、
   前記ＶＶＶＦインバータをＰＷＭ制御する制御部とを備え、
   前記電気車が走行路線のうち所定の区間に入ったときに、前記制御部は、前記ＰＷＭ制御のキャリア周波数を変更する、電気車制御装置。
2. 前記電気車が走行路線のうち所定の区間に入ったときに、前記制御部は、前記ＰＷＭ制御のキャリア周波数を低下させる、請求項１に記載の電気車制御装置。
3. 前記電気車が走行路線のうち所定の区間に入り、かつ、前記電気車の乗車率が所定値以上である場合に、前記制御部は、前記ＰＷＭ制御のキャリア周波数を低下させる、ことを特徴とする請求項１に記載の電気車制御装置。
4. 前記電気車が走行路線のうち所定の区間に入ったときに、前記制御部は、前記ＰＷＭ制御のキャリア周波数を変更し、かつ、前記ＶＶＶＦインバータの出力電力を低下させる、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の電気車制御装置。

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