273系特急形直流電車向け主回路システムの開発

1. はじめに

2. 主回路システム

2.1 概要

主回路システムは，321系以降のJR西日本主回路システムの基本構成である0.5 Mシステムを採用しており，2台の主電動機を一括して制御を行うVVVFインバータと， SIVを一体化した車両制御装置1台を，編成中のすべての車両に搭載している。1編成あたりの車両制御装置台数は4台，M車（電動車）とT車（付随車）の比率は，2M2Tの1:1とした。

VVVFインバータのパワーユニットには，フルSiCモジュールを適用し，省エネルギー化，小型軽量化を図った。またSIVのパワーユニットにもJR西日本では初となるフルSiCモジュールを適用し，車両制御装置のさらなる小型軽量化を図っている。

主電動機は，323系・227系1000台・271系同様に全閉式誘導電動機を採用し，車内静音化のほか，非分解での軸受交換を可能とし，メンテナンス性を向上させた。冷却方式も自冷式であるため，空気を取り込むための専用ブロワを必要とせず，車体風導も不要としている。

制御機能も321系以降同様に，VVVFインバータではベクトル制御と合わせて，VVVFインバータ内の無接点制御装置（論理部）にて車両速度（ロータ周波数）の演算を行う，速度センサーレス制御を採用している。これにより速度検出用のPG（Pulse Generator）センサーを主電動機に搭載する必要がなくなり，主電動機のメンテナンス性や小型大容量化を実現した。

2.2 速度センサーレス制御

2.2.1 原理

273系で採用した速度センサーレス制御の基本原理について述べる。

速度センサーレス制御方式については種々の方式が提案されているが，基本的にモータ内部に発生した誘起電圧を利用しているという点では多くの方式が共通している。モータに印加する周波数（インバータ周波数）と磁束指令の積に応じてモータへの印加電圧（インバータ出力電圧）を求め，これをモータに印加するとモータ内に磁束が発生し，磁束とロータ回転周波数の積による誘起電圧が生じる。インバータ出力電圧とこの誘起電圧の差に応じてトルク電流（≒ロータに流れる電流）が流れることから，逆にトルク電流を観測すればインバータ周波数とロータ回転周波数の差が分かる。すなわち，ロータ回転周波数の推定値（速度推定値）を得ることができる。

2.2.2 速度センサーレス制御の課題

一方で速度センサーレス制御は，モータの誘起電圧を利用して速度推定を行う原理上，ゼロ速度付近では相対的に出力電圧精度が低下して速度推定誤差が大きくなり，ゼロ速度を中心として速度推定困難な領域が存在する。このため，上り勾配区間において，停車状態からブレーキを緩解し，車両が後退した状態で力行ノッチを入れて力行起動（登坂）させる「後退起動」の制御調整に苦労している実態がある。安全で安定的な輸送のためには，急勾配におけるスムーズな後退起動は不可欠であり，321系において速度センサーレス制御を採用して以降，より高精度な速度センサーレス制御の開発を進めてきた。

後退起動に失敗した場合，車両速度を見失い車両が後退を続けることで保安装置が働き非常ブレーキが動作する，あるいは後退起動に成功した場合でも，推定速度と実際の車両速度との乖離が大きいと，VVVFインバータに必要以上の電流が流れてしまい過大な車体振動が発生する，といった事象が発生し，安全で安定的な輸送に支障をきたすこととなる。

今回273系が走行する伯備線は，曲線区間や急勾配区間が連続する山間部での走行が大部分を占めており，後退起動制御の制御性能向上がより一層重要となっている。

また速度センサーレス制御を採用した321系時の主電動機に比べ，昨今の主電動機は低すべり化が顕著であり，制御の難しさは年々増している状況にある。

2.2.3 後退起動制御への対応

勾配区間に車両が停車し，後退起動を実施する際，車両速度がマイナスの状態から制御が開始されるため，前述の速度推定困難な領域を通過することとなる。したがって後退起動時は，基本的にロータ角周波数の推定値をフィードフォワード的に生成することによって，ゼロ速度付近の速度推定困難領域を通過することとなるが，このとき所定のトルクを確保し，安定した力行駆動を実現するために増磁制御を行う仕様とした。

2.3 フルSiCモジュールの適用

273系ではVVVFインバータおよびSIVのパワーユニットに，SiCMOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）を搭載した，フルSiCモジュールを採用した。

フルSiCモジュールは高パワー密度化が可能であり，モジュール内に二つの半導体モジュールを実装した2in1モジュールを実現している。したがって，同容量のSi-IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）モジュールと比較して実装面積を約50％低減でき，フルSiCモジュールの適用により，車両制御装置の小型・軽量化が可能である。

また，素子スイッチングのデッドタイム（ターンオフ～ターンオンまでの時間）は，流れる電流の大きさによって変動するが，従来のIGBTモジュールに対し，フルSiCモジュールにはこの変動が小さいという特徴がある。

このため，小電流で速度推定を行う初期速度推定中において，デッドタイムの変動が大きいIGBTモジュールでは推定速度に誤差が生じやすかったのに対し，変動の小さいフルSiCモジュールでは速度推定に誤差が生じにくく，推定精度を向上できるというメリットを有している。

2.4 パワーユニット

273系では，271系などと同様にVVVFインバータパワーユニットにフルSiCモジュールを適用し，SIVのパワーユニットにもJR西日本としては初となるフルSiCモジュールを適用している。

さらに，273系以前に投入した271系などではVVVFインバータとSIVのパワーユニットを一体化する方式を採用していたが，273系ではVVVFインバータとSIVをそれぞれ個別のパワーユニットとする方式を採用した。これにより，冗長性の向上，ならびにパワーユニットの管理・保守性の向上を図った。なお，パワーユニットに搭載するフルSiCモジュールの容量は，VVVFインバータ用，SIV用としてそれぞれに最適化されているが，パワーユニットの基本的なハードウェア設計を共通化することにより，容量の大きいVVVFインバータ用パワーユニットを，SIV用パワーユニットとして使用することも可能としている（逆は不可である）。

2.5 車両制御装置の特徴と小型・軽量化効果

273系は曲線の多い伯備線走行に伴い，曲線での乗り心地向上ため振子式車両を採用している。これに伴う床下艤装面積の低減に対応するため，車両制御装置のレール方向および枕木方向の小型化が必要であった。

このため，前述のフルSiCモジュール適用による小型・軽量化だけでなく，運転台指令のデジタル化（制御伝送主体化）に伴う不要なメタル線の削除，ならびに，箱内ユニット機器の最適化（不要な機器や準備工事の削除を含む）によって，システムとしての最適化と，さらなる小型・軽量化を図った。一方で，高速度遮断器や断流器などの機器については，既存の271系などと共通化を図り，保守・運用性を確保している。

273系向けWPC19-（H）形車両制御装置の外観を図4に示す。

また，既存の271系向け車両制御装置との比較結果を表1に示す。同等のVVVF，SIV容量を有しつつ，筐体寸法として-15％，機器重量として-13％の小型軽量化を実現した。

2.6 主電動機

主電動機は台車装置内に艤装されるため，台車枠内に収まるように設計する必要がある。JR西日本では標準的に車輪径860 mm（最大時）の車輪を搭載しているが，273系の場合は振子台車であるため，車輪径810 mm（最大時）の小径車輪を採用する必要があり，艤装の寸法制約が厳しくなる。そのため，271系で採用した全閉式主電動機は艤装制約上そのまま搭載することができず，出力を維持したまま7％以上体格を小型化する必要があった。

出力を変えることなく主電動機を小型化する場合，出力÷質量を指針とする出力密度が増加することになる。一方で，同出力を出すための電流が増加することによる損失増加，体格が小さくなることによる冷却能力の低下などの影響により，主電動機の温度が上昇することが課題となる。そのため，主電動機は電気的効率を上げて損失自体を下げる，または冷却性能を上げて温度上昇を抑えるといった設計的な工夫が必要となる。今回本機においては，JR西日本として初採用となる対向流冷却を利用した全閉外扇方式を採用することによって冷却性能を引き上げ，日立標準の既存全閉式主電動機に対し25％の高出力密度化を達成し，振子台車に搭載可能な主電動機を実現した（図5参照）。

主電動機の主要項目の比較を表2に示す。

3. 性能評価

開発した主回路システムを273系に搭載し，本線走行試験で性能を評価した。

3.1 力行・ブレーキ試験結果

力行性能および回生ブレーキ性能が設計値どおりとなっていることを確認するため，力行・ブレーキ試験を実施した。この結果，力行，回生ブレーキともに，電流や電圧に異常な振動などが見られず，良好に制御されていることを確認した。

3.2 温度上昇確認結果

3.3 勾配起動（後退起動）試験結果

4. おわりに

273系の主回路システムの開発により以下の3点を実現した。

1. 車両制御装置のVVVFインバータ，SIVのパワーユニットへのフルSiCモジュール適用により，車体断面の小さい振子車体に適用可能な小型の車両制御装置を開発した。
2. 主電動機へ対向流冷却を利用した全閉外扇方式を採用することで，車輪径810 mmの小径車輪に対応した小型の主電動機を開発した。電気式気動車を含めた小径車輪搭載車両への展開も可能である。
3. 急勾配においても安定した後退起動が可能な高精度の速度センサーレス制御を開発し，安定した後退起動ができることを確認した。

273系は2024年4月から「やくも」での運用を開始しており，これまでにY1編成～Y11編成の計11編成が営業投入されている。伯備線での末長い活躍を期待したい。