1

論文番号 ５０８

京成 3000 形電車適用 SiC インバータ装置 －プロパルジョンシステム全体の見直しによる省エネルギー効果－

京成電鉄株式会社 広瀬 昌己 東洋電機製造株式会社 藤本 和樹

東洋電機製造株式会社 飯田 哲史 東洋電機製造株式会社 伊藤 和樹

１．はじめに

京成電鉄株式会社（以下京成電鉄）3000 形電車は、2003

年より製造が開始され、最新の 13 次車まで合計 44 編成が

製作･運用されている。運用範囲は、6 両編成は主に京成電

鉄線内、8 両編成は京成電鉄線内をはじめ、スカイアクセ

ス線や東京都交通局殿浅草線、京浜急行電鉄本線・羽田空

港線に乗り入れ、羽田空港および成田空港のアクセス列車

に供されている。

走行制御装置は 3300V1200A 級 Si(Silicon)IGBT 素子に

よる 1C4M×2 群制御・ヒートパイプ式冷却器走行風自冷の

VVVF インバータを、6 両編成は 2 台、8 両編成は 3 台とし

て、床下にぎ装している(1)。

3000 形電車導入 13 年を経て、次期新型式車への展開を

想定した新技術として、3000形電車3003編成の成田方VVVF

インバータに、SiC(Silicon Carbide)素子（ハイブリッド

型：スイッチング素子は IGBT、還流ダイオードは SiC ダイ

オード、以下 SiC 素子)を適用した制御装置を新たに設計し

適用した。

筆者らは既に SiC 素子適用による直接的な効果は装置の

小型軽量化のみであり、消費電力の低減は直接的な効果で

はないことを論じている(2)(3)(4)(5)。

したがって、今回は主電動機、フィルタリアクトルを含め

たプロパルジョンシステム一式を再設計・製作、適用し、

小型化だけではなく省エネルギー化についても論じる。

図１ 車両外観

２. 適用に関する制約と設計方針

図１に 3000 形電車の外観，表１に主要諸元を示す

表１ 3000 形の主要諸元(6 両編成)

編成 M2c-M1-T-T-M1-M2c

18m 車体 4M2T

編成質量 186ton（M 車 33t、T車 27t）

電車線電圧 直流 1500V

制御電圧 直流 100V

最高速度 120km/h

加速度 0.972m/s2 (3.5km/h/s) 0-200%応荷重制御付

減速度 1.11 m/s2 (4.0km/h/s) 常用最大

1.25 m/s2 (4.5km/h/s) 非常

主電動機 三相かご形誘導電動機 TDK6174-A

1 時間定格 125kW 1100V 83A 2360min-1

制御装置 VVVF 装置 RG681-A-M

1C4M×2 群制御×2 台/編成

文献 2～5 で述べられているように、VVVF インバータ装

置の主回路半導体を SiC 化したのみによる省エネルギー効

果は、車両全体が使用するエネルギーに対して 0.2%程度で

ありごくわずかである。

図 2 にプロパルジョンシステムにおけるエネルギー損失の

概念図を示す。なお空気ブレーキ分に関しては、本来損失

ではないが回生ブレーキで負担すれば損失ではなくなるた

め損失と表現している。

図２ プロパルジョンシステムにおける損失の内訳例

図 2 に示すように車両全体の損失は走行抵抗および機械

ブレーキによる損失が大半を占める。また、主電動機の損

失も比較的大きい。従って機械ブレーキの負担率を低下さ

せる、すなわち回生ブレーキによるブレーキ力負担を増や

2

すことが省エネルギー化につながる。次に、主電動機、フ

ィルタリアクトルの高効率化(=低損失化)を行うことによ

り、全体のエネルギー消費を低下させることが可能である。

また、今回は既存編成への新技術適用なので、下記のよ

うな制約条件がある。

① 既存装置と完全取付互換が必須

② MT 比の変更がないため、粘着限界を変更しても省エ

ネルギー化の効果は限定的である。

以上からプロパルジョンシステムとしての設計方針は下記

2 点となる。

i. 主電動機を高効率なものに変更する。

同時に性能をアップし、変更するためトルク裕度及び

適用する主回路素子の電流限界まで回生定トルク領

域を伸ばして回生率の向上を図る。

ii. フィルタリアクトルを高効率化する。

iii. 回生ブレーキパターンを大きく取り、回生電力を最大

限活用することで、力行による消費電力を穴埋めする。

iv. 以上 3 点を満たしたうえで VVVF 装置を小型化する。

省エネルギー化については主電動機特性および主電動

機の高効率化による部分が大きい。

iv.に関しては主電動機のトルク限界近くまで回生ブレー

キを出力することにより、その効果を高める(6)。

一方、VVVF 装置小型化には文献(2)に示すように SiC 素

子の適用が望ましい。今回は電流増による冷却器大型化を

抑える意味でも SiC 素子を適用する。

３． フィルタリアクトルと主電動機の高効率化

３．１ フィルタリアクトルの高効率化

フィルタリアクトルを高効率化するには直流抵抗値を

下げることが有効である。現状の 3000 形のフィルタリアク

トル（L3027-A、508kg、2 回路入り、定格 235A）は巻線素

材がアルミニウム製で、8mH、約 70mΩ程度となっている。

ここで巻線素材を銅化すると単純計算で抵抗率が約 3 割下

がるため、約 40mΩとすることができ、損失も 30％低下す

る。

電流値を合わせて巻線素材をアルミニウム、銅それぞれ

設計すると質量、寸法、磁気シールド板の質量は表 2 のよ

うになる。

表２ フィルタリアクトル コイル材質による寸法/質量への影響

項 目 銅コイル アルミコイル

体積 1080×730×730mm 1600×730×730mm

質量 943kg 870kg

シールド板

質量 447kg 515kg

表２より、巻線材料を銅にすると寸法は小さくできるも

のの、比重がアルミニウムよりも大きいため、質量が大き

くなる。また寸法に比例してシールド板は軽くなるが、本

体の質量増大分でほぼ相殺される。最終的には巻線材料に

銅を使用すると占有体積で 3 分の 2 にすることができ、エ

ネルギー密度は 1.5 倍となる。

今回は省エネ効果、および大型化による軸重バランスへの

影響を最小限に抑えるために小型化するため巻線材料には

銅を選択した。

フィルタリアクトルの主な諸元を表 3 に、外観を図 3 に示

す。

表３ フィルタリアクトル(L3066-A)諸元

項 目 仕 様

定 格 DC1500V 235A 8.0mH×2 群

巻線材質 銅

冷却方式 乾式自然空冷

図３ フィルタリアクトル外観

３．２ 主電動機の高効率化

一般に誘導電動機は定格すべりを小さくし、すべり周波

数が低い領域で常用することにより高効率化が可能である。

具体的には適切なコイル巻回数の選定、スロット形状の変

更、回転子導体や鉄心に低損失材料を用いることなどがあ

げられる(7)。高効率化により損失(=発熱)が減るため、冷却

構造が簡素化でき、全閉外扇構造とすることができた。

今回は後述の回生トルクパターンの変更に伴い、主電動

機容量は 125kW から 140kW と大容量化している。

また、電動機の設計を磁気装荷型とすることにより最大ト

ルクを大きく取り、4 章で述べる回生トルクの増大に対応

している。

主電動機(TDK6179-A)の主な諸元を表 4 に、外観を図 4

に示す。

表 4 主電動機(TDK6179-A)主要諸元

定格(1 時間) TDK6179-A 既存 TDK6174-A

出力 140kW 125kW

電圧 1100V

電流 96A 83A

回転速度 2375min-1 2360min-1

周波数 80Hz

定格すべり 1.1% 1.7%

極数 4

効率 94.5% 92.5%

力率 81.5% 85.5%

冷却方式 全閉(外扇型) 開放型自冷

3

図４ 主電動機外観

フィルタリアクトルおよび主電動機の変更により、シミ

ュレーション上省エネルギー効果は 1%程度期待できる。

４． 回生トルクパターンの変更

2 章で述べたように機械ブレーキによるエネルギー損失

を減らすために回生定トルク領域の終端速度をできる限り

高い速度に設定する。図 5 に回生ブレーキパターンを示す

図 5 トルクパターンの比較(200%乗車μ=16%時)

図 5 に示すように、定トルク領域終端速度を 54km/h から

82km/h とすることにより、機械ブレーキでの負担を小さく

することができる。

一方後述するが、設計時点では VVVF インバータ装置に

3300V1200A級の SiC素子しか使用できなかった。このため、

定トルク領域終端速度はこの程度であるが、現在使用可能

な 3300V1800A 級の素子では更に定トルク領域終端速度を

高く設定することできる。しかしながら、エネルギーは引

張力と速度の積であり高い速度までブレーキ力を負担する

とその分エネルギーも増える。一方で回生ブレーキの負荷

となる十分な車両が存在しなければ軽負荷回生となりトル

ク絞り込みが発生し、ブレーキ力を負担できない。

また、主電動機のピーク電流も増えるため、装置が巨大化

する可能性も否めない。適用する線区の運行頻度や特性に

より定トルク領域終端速度の設定は特に注意する必要があ

る。今回適用した 3000 形の走行線区のうち、特に京成佐倉

駅以東は現状の 3000 形でも軽負荷回生、回生失効となるこ

とが多いため、定トルク領域終端速度は既存より 28km/h

アップの 82m/h とした。

この効果によりシミュレーション上、省エネルギー効果

は 18%程度期待できる。

５. インバータ装置の小型軽量化

3000形設計当初から 15年程度経過したこともあり、様々

な部品が小型軽量化している。

特に主回路半導体は従来と同じ定格の 3300V1200A1in1 パ

ッケージだが、従来は 190×140mm のパッケージ、SiC 化に

より130×140mmのパッケージとなり同一定格でも約3分の

2 となっている。すなわち損失が 3 分の 1 程度小さくなっ

たため放熱は 3 分の 2 でよく、その分冷却器も小型化でき

る。また、フィルタコンデンサも油冷式から乾式コンデン

サに置き換わり、フィルム厚も薄くなったことによって、

108kg×2回路分であったものが 45kg×2回路分となり大幅

に軽量化した。

インバータ装置の基本的な設計指針は文献 2～4 と同様

である。ただし、文献 2～4 と異なり、主電動機特性の変更

で既存システムより大電流化することとなった。

このため半導体素子に IGBT を適用した場合では冷却部

が構成できない。このため、SiC 素子を適用することとな

った。設計した 2016 年当時には、適用できる SiC 素子が

3300V1200A に留まったことから、VVVF インバータ側の最大

出力電流は素子定格 1200A の 2 倍の 2400A が瞬時電流限度

値となる。従い 4 章で述べたように回生トルクパターンン

の定トルク終端速度を 82km/h に制限する結果となった。

図 6 に VVVF 装置の外観を示す。

図６ VVVF インバータ装置(上：変更後、下：既存)

図６より大幅な小型化がなされていることがわかる。質量

も従来の 1028kg から 732kg と大幅に軽量化した。

既存の VVVF インバータ装置を 100 とした場合の質量、体

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00 120.00 140.00

ブレーキ引張力(kN/4MM)

速度(km/h)

変更後

既存

4

表 5 VVVF インバータ装置の比較

既存

(Si-IGBT)

変更後

(SiC)

質量 100 71.2

占有体積 100 79.9

出力密度 100 140

※従来の IGBT システムを 100 とした場合

積、出力密度の比較を表 5 に示す。

表 5 より，質量，体積，密度いずれも変更後の方が優れ

た結果となることがわかる。特に出力密度は既存システム

に比べて 1.4 倍である。

主回路半導体の差による占有体積減少は冷却器分 0.2m3

に留まる。大半の要因はフィルタコンデンサの小型軽量化

等による内蔵機器の小型軽量化により達成したものである。

６ 消費電力の比較

搭載前後の消費電力について検討した。3003 編成の上野

方 VVVF 装置は既存のシステムのままとしており、完全同一

運転パターンでの比較が可能である。消費電力の比較は

VVVF 装置の積算電力量計での比較とした。当該車両は 2017

年 1 月より長期試用に入っており、積算電力、回生率のモ

ニタリングを行っている。

走行シミュレーションおよび机上検討での消費電力低減

効果は主電動機の高効率化、回生定トルク領域の高速化、

主回路半導体の SiC 化と合わせて 20 弱%程度である。

ここで 2017 年 1月～9月までの営業運転中の消費電力量

計のデータから電力量を比較する。なお VVVF 装置搭載の積

算電力計の精度は積算値では 1%以上であり十分な精度を

有している(8)。図７に消費電力比較結果を示す。

図 7 消費電力の比較（2017 年 1 月～9 月）

図 7 より、力行時の消費電力量が 1.5%低下している。こ

れは主電動機、フィルタリアクトル、VVVF インバータ装置

のそれぞれの効率向上の結果である。3 章で示した主電動

機、フィルタリアクトルの効率向上による消費電力低減効

果 1%とよく一致する。

また回生電力量、消費電力量についてもシミュレーショ

ン結果の 18%向上と概ね一致する結果となった。

７．現車性能試験

2016 年 12 月に 3003 編成の電機品交換を行い，現車性能

試験を実施した。

性能試験中の代表的な測定チャートを図８に、上野→東

成田間走行時の温度チャートを図９に示す。

図８より，車両はスムースに加減速できており車両性能，

乗り心地は問題ないことがわかる。また図９より温度上昇

は１６Ｋ程度である。ここから発熱量は１５００Ｗ程度と

なり設計値とおおむね一致する結果となった。

８．まとめ

京成電鉄 3000 形電車に SiC 適用高効率化電機品を適用し

た。消費エネルギー削減を狙いインバータ、フィルタリア

クトル、主電動機を適用し従来装置と比較を行った。適用

の結果下記の結果が得られた

システム全体の省エネルギー設計により、18%程度の省

エネルギー化となった。

主回路システム全体の省エネルギー化には回生ブレー

キ特性の変更が最も効果的である。

試作装置を搭載した 3003 編成は 2017 年 12 月 26 日より運

用についており、長期データ取得中である。

＜参考文献＞

(1) 延命，可児，半田：「京成電鉄 3000 形電車」車両技術

225 号(2003),pp47-63

(2) 藤本，大久保，牧島，鈴木，畠山：「SiC 素子の適用に

よる鉄道用 VVVF インバータの小型軽量化」平成 29 年電気

学会産業応用部門大会,5-43

(3)S.Makishima, K.Fujimoto, K.Kondoh：” The Direct

Benefit of SiC Power Semiconductor Devices for Railway

Vehicle Traction Inverters” The 2018 International

Power Electronics Conference -ECCE Asia- (IPEC-Niigata

2018 ) ,22H3-2

(4) 堤、平本、藤本、大久保：「広島電鉄 3900 形更新車電

機品」、第 54 回日本サイバネティクスシンポジウム 512

(5) 峯吉,池田,小岩,名取,近藤,藤本,牧島：「鉄道車両の省エ

ネルギー化に向けたインバータの SiC 素子適用による電流

増加時の損失の特性解析」電気学会交通･電気鉄道研究

会,TER-18-027

(6)河野、岩崎、近藤：「車両の省エネ技術の適用と具体的

な効果」平成 28 年電気学会産業応用部門大会，5-S1-6

5

図９ 温度試験結果

(7)近藤，宮部，海老塚，花岡，山口：「鉄道車両用高効率

誘導電動機の開発」第 49 回日本サイバネティクスシンポジ

ウム 514

(8)長谷川，水間，竹内,藤本,古関：「車上電力量測定法に

関する考察」平成 27 年電気学会産業応用部門大会，5-53

図８ 性能試験結果

0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

12.00

14.00

16.00

18.00

13560.0 14560.0 15560.0 16560.0 17560.0 18560.0 19560.0

上野→東成田(京成本線経由)

FINU FINV FINW