WO2014170931A1 - 電気機関車制御装置および電気機関車制御方法 - Google Patents

Abstract

客車に電源を供給する電源装置が故障した場合であっても、乗客に対するサービス低下を回避することのできる電気機関車制御装置を提供する。 【解決手段】客車・貨車牽引用電気機関車の駆動電動機（７ａ、８ａ、・・・）を制御する電力を供給する複数の第１の変換装置（２ａ、３ａ、・・・）と、客車用の電力を供給する複数の第２の変換装置（６ａ、６ｂ）と、特定の第１の変換装置の電力を、絶縁トランス（２４）を介して、前記客車用の電力に変換する電力変換回路（２１）と、一台の前記第２の変換装置が故障した際に、前記第１の変換装置のうちの一台を前記駆動電動機から切り離して前記電力変換回路に接続して、代替として使用するように制御する制御部（３０）と、を備える電気機関車制御装置（１００）である。

Description

電気機関車制御装置および電気機関車制御方法 関連出願の引用

　本出願は、２０１３年４月１７日に出願した先行する日本国特許出願第２０１３－８７５７０号による優先権の利益に基礎をおき、かつ、その利益を求めており、その内容全体が引用によりここに包含される。

本実施形態は、電気機関車制御装置および電気機関車制御方法に関する。

　電気機関車には、交流架線から電力を供給されて電気機関車の各装置に所要形態の電力を供給するための電源装置である制御装置が搭載されている。例えば、駆動用電動機を制御するための主変換装置、電気機関車内のコンプレッサーや冷却用のブロワなどの電源を供給するための補助電源装置、及び電気機関車の牽引する客車へ空調装置などの電源を供給するための客車電源装置などが設けられている。

　そして、電気機関車ごとに適宜の台数の電源装置を収めた複数の電力変換装置が設置されている。例えば、動軸を６軸もち駆動用電動機を６台もつ電気機関車の制御装置の場合、３台の主変換装置と１台の補助電源装置とを収納した電力変換装置を２台搭載し、更に客車電源装置２台を電気機関車内に設置していた。

特開２００９－７２０４９号公報

　ところで、上述の制御装置の構成では、駆動用電動機を交流駆動する主変換装置が６台であるのに対して、客車へ直流電力を供給する客車電源装置は、２台で構成されていた。そのため１台の客車電源装置が故障したときは、供給できる電力が不足するため、客車側で消費する電力を低減せざるを得ず、その結果、客車内で稼動する空調機の数を減らすなどの乗客に対するサービスを低下させることとなっていた。

　本実施形態は、客車・貨車牽引用電気機関車の駆動電動機を制御する電力を供給する複数の第１の変換装置と、客車用の電力を供給する複数の第２の変換装置と、特定の第１の変換装置の電力を、絶縁トランスを介して、前記客車用の電力に変換する電力変換回路と、一台の前記第２の変換装置が故障した際に、前記第１の変換装置のうちの一台を前記駆動電動機から切り離して前記電力変換回路に接続して、代替として使用するように制御する制御部と、を備える電気機関車制御装置を提供する。

　本実施形態によれば、客車に電源を供給する電源装置が故障した場合であっても、乗客に対するサービス低下を回避することのできる電気機関車制御装置を提供可能できる。

第１の実施の形態の電気機関車制御装置の構成を示す図。 第１の実施の形態の電気機関車制御装置のバックアップ装置の詳細の回路構成を示す図。 第１の実施の形態の電気機関車制御装置の客車電源故障時における動作を示すタイムチャート。 主変換装置のインバータのＰＷＭ制御に使用する３パルスの電圧波形を示す図。 第２の実施の形態の電気機関車制御装置の構成を示す図。

　　[第１の実施の形態]　
　第１の実施形態について図を参照し、詳細に説明する。なお、以下では駆動用電動機を６台有する電気機関車について説明するが、本願はこの形態に限定されるものではない。

　図１は、第１の実施の形態の電気機関車制御装置１００の構成を示す図である。　
　電気機関車制御装置１００は、電力変換装置（ＰＣＣ）１０ａ、１０ｂ、客車電源装置６ａ、６ｂ、断続回路１３ａ、１３ｂ、バックアップ装置２０、切替回路２５、及び制御部３０を備えている。

　電力変換装置１０ａ（１０ｂ）は、交流架線、トランスを介して取り入れた電力を変換して、それぞれ駆動用電動機７ａ、８ａ、９ａ（７ｂ、８ｂ、９ｂ）の駆動動作を制御する。また電力変換装置１０ａ（１０ｂ）は、交流架線、トランスを介して取り入れた電力を、補助電源用の電力に変換して出力する。

　客車電源装置６ａ（６ｂ）は、交流架線、トランスを介して取り入れた交流電力を直流電力に変換して、客車に供給する。断続回路１３ａ（１３ｂ）は、それぞれ客車電源装置６ａ（６ｂ）から供給される電力を断続する。

　バックアップ装置２０は、それぞれ電力変換装置１０ａ、１０ｂから出力される駆動用電動機７ａ、８ａ、９ａ（７ｂ、８ｂ、９ｂ）の制御電力のうちから選択した１つの電力を直流電力に変換する。切替回路２５は、バックアップ装置２０から出力される直流電力を客車電源装置６ａ（６ｂ）から出力される電力のバックアップ電力として供給するように回路を切り替える。

　制御部３０は、客車電源のバックアップ動作を制御する。即ち、制御部３０は、バックアップ装置２０、断続回路１３ａ、１３ｂ、及び切替回路２５の動作を制御する。このバックアップ動作については後述する。

　続いて、電力変換装置１０ａ、１０ｂ、及びバックアップ装置２０の構成と動作について説明する。

　電力変換装置１０ａは、コントローラ１ａ、主変換装置２ａ、主変換装置３ａ、主変換装置４ａ、及び補助電源装置５ａを備えている。

　主変換装置２ａ、３ａ、４ａは、それぞれ駆動用電動機７ａ、８ａ、９ａの駆動動作を制御する。なお、主変換装置４ａの出力は、バックアップ装置２０に出力される。駆動用電動機９ａは、バックアップ装置２０を介して、主変換装置４ａの出力を受け取り、駆動される。補助電源装置５ａからの電力は、コンプレッサー等の定周波数負荷に供給される。

　コントローラ１ａは、電力変換装置１０ａの動作を統括して制御する。主変換装置２ａ、３ａ、４ａの交流／直流コンバータとインバータ、補助電源装置５ａの交流／直流コンバータとインバータは、ＩＧＢＴなどの半導体素子で構成される。コントローラ１ａは、半導体素子を制御してそれぞれの装置及び回路の動作を制御する。

　電力変換装置１０ｂは、コントローラ１ｂ、主変換装置２ｂ、主変換装置３ｂ、主変換装置４ｂ、及び補助電源装置５ｂを備えている。

　主変換装置２ｂ、３ｂ、４ｂは、それぞれ駆動用電動機７ｂ、８ｂ、９ｂの駆動動作を制御する。なお、主変換装置２ｂの出力は、バックアップ装置２０に出力される。駆動用電動機７ｂは、バックアップ装置２０を介して、主変換装置２ｂの出力を受け取り、駆動される。補助電源装置５ｂからの電力は、冷却用のブロワ等の可変周波数負荷に供給される。

　コントローラ１ｂは、電力変換装置１０ｂの動作を統括して制御する。主変換装置２ｂ、３ｂ、４ｂの交流／直流コンバータとインバータ、及び補助電源装置５ｂの交流／直流コンバータとインバータは、ＩＧＢＴなどの半導体素子で構成される。コントローラ１ｂは、半導体素子を制御してそれぞれの装置及び回路の動作を制御する。

　バックアップ装置２０は、交流／直流変換回路２１、選択スイッチ２２ａ、選択スイッチ２２ｂ、及び絶縁トランス２４を備えている。

　選択スイッチ２２ａは、主変換装置４ａの出力電力を駆動用電動機９ａまたは交流／直流変換回路２１へ選択して供給する。選択スイッチ２２ｂは、主変換装置２ｂの出力電力を駆動用電動機７ｂまたは交流／直流変換回路２１へ選択して供給する。絶縁トランス２４は、電力変換装置側と客車側とを絶縁した交流電力を生成する。交流／直流変換回路２１は、入力される交流電力を直流電力に変換して出力する。

　切替回路２５は、入力される直流電力を、客車電源装置６ａまたは客車電源装置６ｂからの出力電力線に切り替えて出力する。なお、切替回路２５は、３つの出力状態（客車電源装置６ａへの出力、客車電源装置６ｂへの出力、いずれにも出力しない）を切り替えることができる。

　なお、制御部３０は、電力変換装置１０ａ、１０ｂ、客車電源装置６ａ、６ｂ、及び運転台（不図示）との間で信号の授受を行って、バックアップ装置２０、断続回路１３ａ、１３ｂ、切替回路２５の動作を制御する。

　図２は、第１の実施の形態の電気機関車制御装置１００のバックアップ装置２０の詳細の回路構成を示す図である。

　バックアップ装置２０には、選択スイッチ２２ａ、選択スイッチ２２ｂ、絶縁トランス２４、交流／直流変換回路２１に加え、地絡検知電力量演算器２３が設けられている。

　そして、交流／直流変換回路２１は、三相全波整流回路２１ａ、リアクタンス２１ｂ、コンデンサ２１ｃ、電圧検知センサ２１ｄ、２１ｆ、及び電流検知センサ２１ｅを備えている。

　三相全波整流回路２１ａは、入力される交流電力を直流電力に変換する。リアクタンス２１ｂ、コンデンサ２１ｃは、平滑回路を構成すると共に、コンデンサ２１ｃの両端電圧が出力電圧となる。電圧検知センサ２１ｄは、全電圧を検出する。電圧検知センサ２１ｆは、車体アースとの間の電圧を検出する。

　地絡検知電力量演算器２３は、電流検知センサ２１ｅと二つの電圧検知センサ２１ｄ、２１ｆを用いて地絡を検出する。例えば、電圧検知センサ２１ｄが検知した全電圧が通常の電圧値であっても、電圧検知センサ２１ｆが検知した車体アースとの電圧が全電圧の１／２から大きく外れたときは出力が地絡していると判断する。また電流検知センサ２１ｅで検出する電流値が所定の閾値を超えたときも地絡と検出する。それら地絡検出の情報はＴＣＭＳと呼ばれる車両モニタ装置へ伝送される。

　続いて、第１の実施の形態の電気機関車制御装置の構成についての基本的な考え方を説明する。

　第１の実施の形態の電気機関車は、客車・貨車牽引電気機関車を対象としている。即ち、第１の実施の形態の電気機関車は、客車のみを牽引するケースと、貨車のみを牽引するケースの両方のケースに使用されることを条件としてその能力仕様が決定されている。

　一般に、客車のほうが貨車より軽い。そのため、客車・貨車牽引電気機関車は、貨車を牽引する場合は電気機関車の駆動容量限界までその能力を発揮して牽引しなければならないが、客車を牽引する場合は駆動容量に余裕があり、例えば、客車牽引時は貨車牽引時のほぼ半分以下の牽引能力で十分である。一方で、客車を牽引する場合は客車内の空調や照明への電力供給が必要で、電気機関車内に備えられた、客車へ供給する電源回路をその能力の限界まで発揮する必要があるが、貨車牽引時は貨車には空調や照明がないか、あっても客車に比較すれば非常に小さい容量である。

　第１の実施の形態の電気機関車はこの特徴を利用して、課題を解決する。本実施の形態の電気機関車制御装置では、客車牽引時には、駆動用電動機を駆動する主変換装置の６回路すべてを動作させる必要はない。そこで、客車電源が１群故障したとき、駆動用電動機を駆動する主変換装置の６回路のうち１回路を駆動用電動機から切り離し、絶縁トランスを介して客車電源へ接続し、客車電源として動作させて電力を供給する。これによって、客車電源が故障した際にも客車へ供給する電源容量を下げる必要はなく、客車内の空調を減らすなど乗客のサービス低下を回避することができる。

　次に、客車電源が１群故障した際の動作について説明する。

　図３は、第１の実施の形態の電気機関車制御装置１００の客車電源故障時における動作を示すタイムチャートである。図３では、客車電源装置６ａが故障したため、主変換装置４ａをＡＣ／ＤＣコンバータとして駆動させて客車電源に電力を供給するケースを記載している。

　６台の主変換装置で通常に６台の駆動用電動機を駆動し、２群の客車電源装置で客車電源を供給中に、例えば客車電源装置６ａを構成するＡＣ／ＤＣコンバータが故障したとき、次のシーケンスで動作が行われる。　
　（手順１）客車電源装置６ａは、稼動状態から停止状態に遷移する。　
　（手順２）制御部３０は、断続回路１３ａを入状態→切状態として、故障したＡＣ／ＤＣコンバータを客車電源回路より切り離す。　
　（手順３）主変換装置４ａの動作を停止する。

　（手順４）制御部３０は、選択スイッチ２２ａを動作させて、駆動用電動機９ａに接続されている主変換装置４ａの電力線をバックアップ装置２０の客車電源供給側に接続する。　
　（手順５）主変換装置４ａは客車電源供給用の交流電力を発生する。　
　（手順６）交流／直流変換回路２１は、客車電源供給用の直流電力を発生する。制御部３０は、切替回路２５を動作させて、発生した直流電力を客車電源装置６ａからの電力線に供給する。

　なお、上述の手順１～６は、全手順が自動で実行される形態に限られず、適宜の手順が電気機関車の運転手の指示に従って実行されるように構成しても良い。

　また、上述の実施の形態では、電力変換装置１０ａ、１０ｂごとにバックアップを行う１つの主変換装置を選定したが、この実施の形態に限定されない。全電力変換装置から少なくとも１台の主変換装置をバックアップ用として選定しても良い。そして、任意の時点で、例えば、毎日の運転開始時に、運転手がバックアップ用の主変換装置を選定するように構成しても良い。選定された主変換装置は、駆動用電動機とバックアップ装置とに切り替えによって接続可能に割り付けられる。

　次に、手順５に記載した、主変換装置４ａが客車電源供給用の交流電力を発生する動作について説明する。

　駆動用電動機を駆動する主変換装置を、客車電源を供給するＤＣ／ＡＣコンバータとして動作させる際には、前述のとおり、主変換装置側と客車電源装置側とを絶縁するための絶縁トランス２４が必要となる。絶縁トランス２４は、電気機関車内の設置スペースの要請からできるだけ小さいことが望ましい。

　絶縁トランス２４をできるだけ小さくするため、本実施の形態では、ＤＣ／ＡＣコンバータとして動作させる主変換装置のインバータを駆動用電動機の駆動時よりも高い基本波周波数で動作させる。しかし主変換装置のインバータをより高い基本波周波数で動作させる場合は、次の問題点を解消する必要がある。

　[発熱による制約]　
　主変換装置のインバータをより高い基本波周波数で動作させる場合、基本波一周期あたりのスイッチング回数の制約からインバータのスイッチング周波数を決める必要がある。一般的に基本波一周期あたり３パルス程度のパルス数が必要で、インバータのスイッチング周波数の限界を１ＫＨｚ程度とするとインバータの基本波周波数は、１ＫＨｚ／３≒３３０Ｈｚとなる。

　インバータのスイッチング周波数の限界は、半導体素子の発生損失による発熱と冷却性能とから決まる。駆動用電動機を駆動するときのスイッチング周波数は約４００Ｈｚであり、客車電源供給時の出力電流は、駆動用電動機駆動時の出力電流の半分以下である。このことから、客車電源供給時のスイッチング周波数は、駆動用電動機を駆動するときのスイッチング周波数の２倍程度の周波数である１ＫＨｚまで上げることが可能と考えられる。第１の実施の形態では、上述の検討に基づいて、客車電源供給時のスイッチング周波数が１ＫＨｚである例を示す。

　なお、アップ可能な駆動周波数は、上述のように、客車に電力を供給する際に主変換装置に許容される最大周波数以下の周波数である。アップ可能な駆動周波数、即ち、許容される最大周波数は予め設定値として定められてもよい。

　[高調波の低減]　
　主変換装置のインバータ出力が絶縁トランス２４に入力する。この際、絶縁トランス２４に流れる電流に含まれる高調波はできるだけ低減する必要がある。そのため、主変換装置のインバータの出力は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御として、図４に示すような３パルスの電圧波形とすることで、できるだけ高調波の生じない電圧波形とする。図４に示す例では、３３０Ｈｚの基本周波数を用いることで、半導体素子のスイッチング周波数として１ｋＨｚを実現している。

　[第１の実施の形態の効果]　
　第１の実施の形態の電気機関車制御装置によれば、客車電源装置のＡＣ／ＤＣコンバータが故障したとき、駆動用電動機を駆動する主変換装置を、客車電源装置を構成するＡＣ／ＤＣコンバータとして切り換えて機能させることができる。従って、客車電源の出力容量を減少させることがなくなるため、客車の空調などのサービス低下を招くことを回避することができる。

　　[第２の実施の形態]　
　第２の実施の形態では、電気機関車制御装置に客車電源装置が設けられていない点が、第１の実施の形態と異なっている。第１の実施の形態と同一の部位には同一の符号を付してその詳細の説明は省略する。

　図５は、第２の実施の形態の電気機関車制御装置１００の構成を示す図である。　
　第２の実施の形態では、第１の実施の形態に比して、客車電源装置、断続回路、及び切替回路が設けられていない。そして、主変換装置４ａまたは主変換装置２ｂのいずれか一方の交流電力が、交流／直流変換回路２１によって直流電力に変換されて、客車に供給されている。即ち、第２の実施の形態では、１台の主変換装置で客車に電力を供給することが可能である。

　この場合、電気機関車が客車を牽引するときは、主変換装置一台は必ず客車用電源として動作するため、駆動用電動機一台は駆動力を発生させることができないが、上述したとおり客車牽引時には、牽引力に余裕があることから１台の電動機を駆動しなくても問題はない。

　また、客車に電力を供給している主変換装置が故障した場合は、他の主変換装置が客車に電力を供給するように制御部３０、コントローラによって切り替えられる。従って、客車への電力供給についてバックアップが図れている。

　[第２の実施の形態の効果]　
　第２の実施の形態の電気機関車制御装置によれば、乗客に対するサービス低下が回避できるとともに、客車電源装置（２台）が不要となるため、電気機関車制御装置のサイズを低減することができる。

　尚、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。　
　上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

　１ａ、１ｂ…コントローラ、２ａ～４ａ、２ｂ～４ｂ…主変換装置、５ａ、５ｂ…補助電源装置、６ａ、６ｂ…客車電源装置、７ａ～９ａ、７ｂ～９ｂ…駆動用電動機、１０ａ、１０ｂ…電力変換装置、２０…バックアップ装置、２１…交流／直流変換回路、２４…絶縁トランス、３０…制御部、１００…電気機関車制御装置。

Claims (17)

1. 　電気機関車の駆動電動機へ電力を供給する複数の第１の変換装置と、
   　少なくとも一つの客車に電力を供給する複数の第２の変換装置と、
   　前記第一の変換装置と前記客車の間に設置され、少なくとも一つの前記第一の変換装置から前記客車へ電力をスイッチ可能な、少なくとも一つのスイッチと、
   　を備える電気機関車制御装置。
   
2. 　前記第一の変換装置と前記客車の間に設置され、少なくとも一つの前記第一の変換装置の電力を前記客車の電力へ変換可能な、電力変換回路とを、
   　さらに備えた、請求項１に記載の電気機関車制御装置。
   
3. 　少なくとも一つの前記スイッチと接続され、
   　一台の前記第二の変換装置が故障したとき、前記駆動電動機から少なくとも一つの前記第一の変換装置を切り離して、少なくとも一つの前記第一の変換装置を前記客車へ接続するために、前記スイッチを動作させる制御部を、
   　さらに備えた、請求項１に記載の電気機関車制御装置。
   
4. 　前記第一の変換装置と前記スイッチとの間に設けられ、
   　少なくとも一つの選択的なスイッチと、絶縁トランスと、変換回路を備え、
   　前記選択的スイッチは、電力を、少なくとも一つの、モーターを駆動させる前記第一の変換装置から前記絶縁トランスと変換回路へスイッチ可能であり、
   　さらに、前記変換回路は、電力を前記客車へ提供可能である、
   バックアップ装置を、
   　さらに備えた、請求項１に記載の電気機関車制御装置。
   
5. 　前記制御部は、電力を前記客車に供給する、前記第１の変換装置のインバータのＰＷＭ制御として、当該変換装置内の半導体素子のスイッチング周波数を増加させる、
   　請求項１に記載の電気機関車制御装置。
   
6. 　前記制御部は、
   　前記増加されるスイッチング周波数を、前記第１の変換装置が前記客車用の電力を供給する際の許容最大周波数以下に制御する、
   　請求項２に記載の電気機関車制御装置。
   
7. 　前記代替として使用される前記第１の変換装置は、故障前に予め指定可能になされる、
   　請求項３に記載の電気機関車制御装置。
   
   
8. 　客車と電気機関車の駆動電動機を制御する電力を供給する複数の第１の変換装置と、
   　特定の第１の変換装置の電力を、絶縁トランスを介して、前記客車用の電力に変換する電力変換回路と、
   　前記第１の変換装置のうちの一台を駆動電動機から切り離して前記電力変換回路に接続して、電力を客車に使用するように制御する制御部と、
   　を備える電気機関車制御装置。
   
9. 　前記制御部は、
   　前記変換装置のインバータのＰＷＭ制御として、前記電力変換回路に接続した前記変換装置内の半導体素子のスイッチング周波数を増加させる、
   　請求項８に記載の電気機関車制御装置。
   
10. 　前記制御部は、
    　前記増加されるスイッチング周波数を、前記第１の変換装置が前記客車用の電力を供給する際の許容最大周波数以下に制御する、
    　請求項９に記載の電気機関車制御装置。
    
11. 　前記電力変換回路は、前記特定の第１の変換装置と他の第１の変換装置とを選択的に接続可能になされ、
    　前記制御部は、前記特定の第１の変換装置が故障した際、前記他の第１の変換装置を前記駆動電動機から切り離して前記電力変換回路に接続して使用するように制御する、
    　請求項８に記載の電気機関車制御装置。
    
    
12. 　複数の変換装置から電気機関車の駆動用電動機へ供給し、
    　付随車の電力の流れが故障したときに、少なくとも一つの駆動用電動機から付随車へ、電力の流れを変換する
    　ことを特徴とする電気機関車制御方法。
    
13. 　絶縁トランスを介して、前記付随車への電力を変換する
    　ことを特徴とする請求項１２に記載の電気機関車制御方法。
    
    
14. 　前記変換装置のインバータのＰＷＭ制御として、スイッチされた前記変換装置内の半導体素子のスイッチング周波数を増加させる、
    　ことを特徴とする請求項１２に記載の電気機関車制御方法。
    
15. 　前記スイッチング周波数は、前記変換装置が付随車に電力を供給する際、許容最大周波数以下にである
    　ことを特徴とする請求項１４に記載の電気機関車制御方法。
    
16. 　前記変換装置は、選択的に接続可能であり、
    　前記特定の変換装置が故障した際、他の変換装置を前記駆動電動機から切り離して前記付随車用の電力として供給して使用する、
    　請求項１２に記載の電気機関車制御方法。
    
    
17. 　客車電源装置が故障したとき、客車電源装置を稼動状態から停止状態に変化させ、　
    　前記客車電源回路から客車への回路を開放状態にし、
    　複数の変換装置のうちの一台の変換装置の動作を停止し、
    　動作が停止させられ、駆動用電動機に接続されている一台の前記変換装置の電力線を、選択スイッチによりバックアップ装置の客車電源供給側に接続し、
    　前記変換装置は客車電源供給用の交流電力を発生し、
    　交流／直流変換回路により、客車電源供給用の直流電力を発生し、
    　切替回路により、発生した直流電力を前記客車電源装置からの前記電力線に供給することを特徴とする電気機関車制御方法。

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