(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-07-29
(45)【発行日】2024-08-06
(54)【発明の名称】直流発電システム及び鉄道車両用電力供給システム
(51)【国際特許分類】
H02P 9/48 20060101AFI20240730BHJP
H02P 9/04 20060101ALI20240730BHJP
H02P 103/20 20150101ALN20240730BHJP
H02P 101/40 20150101ALN20240730BHJP
H02P 101/25 20150101ALN20240730BHJP
【ＦＩ】
H02P9/48 A
H02P9/04 L
H02P103:20
H02P101:40
H02P101:25
【請求項の数】
2
(21)【出願番号】P 2021050397
(22)【出願日】2021-03-24
(65)【公開番号】P2022148644
(43)【公開日】2022-10-06
【審査請求日】2023-04-21
(73)【特許権者】
【識別番号】000173784
【氏名又は名称】公益財団法人鉄道総合技術研究所
(74)【代理人】
【識別番号】100124682
【弁理士】
【氏名又は名称】黒田 泰
(74)【代理人】
【識別番号】100104710
【弁理士】
【氏名又は名称】竹腰 昇
(74)【代理人】
【識別番号】100090479
【弁理士】
【氏名又は名称】井上 一
(72)【発明者】
【氏名】近藤 稔
【審査官】島倉 理
(56)【参考文献】
【文献】特開２００２－０８４７９５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００６－１７６０５７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１０－０２８９２１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２１－０４４９５４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１２－０６５５２１（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０２Ｐ ９／４８
Ｈ０２Ｐ ９／０４
Ｈ０２Ｐ １０３／２０
Ｈ０２Ｐ １０１／４０
Ｈ０２Ｐ １０１／２５
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
所定の補助電源の周波数に適合する動作周波数となるように回転数が一定に制御される突極性を有さない円筒形の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、
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所定の補助電源の電力として供給し、
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回路は、共振周波数が前記所定の補助電源の周波数に適合するように構成され、
前記動作周波数が前記共振周波数に対応する回転速度となるように動作制御されることで前記永久磁石同期発電機についてＭＴＰＡ（Max Torque Per Ampere）制御状態となり直流電圧源として動作する直流発電システム。
【請求項2】
請求項１に記載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一定の回転速度で駆動する内燃機関と、
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、
前記所定の補助電源は、前記鉄道車両の補助電源である、
鉄道車両用電力供給システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、直流発電システム等に関する。
【背景技術】
【0002】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開平１１－２３４９９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
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。
【0005】
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。
【0006】
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。
【0007】
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。
【課題を解決するための手段】
【0008】
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。
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。
【0009】
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。
【0010】
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。
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。
【0011】
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。
【0012】
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。
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。
【0013】
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。
【0014】
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。
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。
【0015】
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。
【0016】
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。
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。
【0017】
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。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【図1】直流発電システムの構成図。
【図2】永久磁石同期発電機の電流ベクトル図。
【図3】永久磁石同期発電機の等価回路。
【図4】直流発電システムの等価回路。
【図5】直流発電システムの電流ベクトル図。
【図6】直流発電システムの共振時の電流ベクトル図。
【図7】シミュレーションで用いたパラメータ値。
【図8】シミュレーション結果であるグラフ。
【図9】シミュレーション結果であるグラフ。
【図10】シミュレーション結果であるグラフ。
【図11】シミュレーション結果であるグラフ。
【図12】シミュレーション結果であるグラフ。
【図13】シミュレーション結果であるグラフ。
【図14】鉄道車両用電力供給システムの構成例。
【発明を実施するための形態】
【0019】
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。
【0020】
［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。
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
式（１）において、「ω」は永久磁石同期発電機３の角周波数（所定の回転速度に相当）、「Ｌｑ」は永久磁石同期発電機３のｑ軸インダクタンスである。
【数1】
【0024】
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。
【0025】
［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。
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。
【数2】
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【数3】
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
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。
【0037】
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。
（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。
【0038】
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。
【0039】
［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。
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。
【0040】
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。
【0041】
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。
【0042】
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。
【0043】
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。
【0044】
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。
【0045】
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。
【0046】
［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。
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。
【0047】
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。
【0048】
［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。
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。
【0049】
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。
【0050】
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。
【0051】
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。
【符号の説明】
【0052】
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
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
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】