(57)【要約】【課題】電力変換装置が信号系周波数を検知したら、主回路を停止し、その後、停止する原因を究明することを可能とする鉄道車両駆動制御装置を提供する。【解決手段】集電器２で車内に取り込んだ供給電力をモータ５回転用電力に変換し、レールに帰線電流を流す電力変換器４を備える鉄道車両駆動制御装置において、帰線電流を計測する手段６と、帰線電流から信号系周波数帯域信号を抽出する手段７と、抽出した信号の電流レベルと規定値とを比較する手段８と、抽出した信号の電流レベルが規定値以上であるときに電力変換器４を停止させる手段９、１０とを備え、帰線電流に規定値以上の電流レベルの信号系周波数を検出したときに主回路をストップさせる保護機能を有する。帰線電流を計測する手段６にて観測された電流及び帰線電流から抽出した信号系周波数帯域をメモリ１３に記憶する手段を備え、モニタリング機能を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
集電器で車内に取り込んだ供給電力をモータ回転用電力に変換し、レールに帰線電流を流す電力変換器を備える鉄道車両駆動制御装置において、
前記帰線電流を計測する手段と、前記帰線電流から信号系周波数帯域信号を抽出する手段と、抽出した信号の電流レベルと規定値とを比較する手段と、抽出した信号の電流レベルが規定値以上であるときに前記電力変換器を停止させる手段とを備え、前記帰線電流に規定値以上の電流レベルの信号系周波数を検出したときに主回路をストップさせる保護機能を有することを特徴とする鉄道車両駆動制御装置。
【請求項２】
前記帰線電流を計測する手段にて観測された電流及び前記帰線電流から抽出した信号系周波数電流をメモリに記憶する手段を備え、モニタリング機能を有する請求項１記載の鉄道車両駆動制御装置。
【請求項３】
ソフト書込みタイミング信号を発生し前記メモリに出力するサンプリングタイミング発生器を備え、自己診断機能を有する請求項２に記載の鉄道車両駆動制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両駆動制御装置に関し、特に鉄道車両などで電力変換装置が流す電流を監視し、規定値以上の電流を検出すると、電力変換装置を停止させる鉄道車両駆動制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鉄道車両では、架線及び軌道を介して駆動に必要な電力を供給する場合が多い。さらに、軌道を用いて、地上の保安装置に必要な車両の在線検知を行う場合が多い。このため鉄道車両が軌道に流す帰線電流に含まれる交流成分が、在線検知に対して障害を及ぼす場合があり、障害を及ぼす交流成分を許容値以下に抑制する必要がある。
【０００３】
国内においては、軌道回路に電力変換部からの帰線電流成分が信号系（ＡＴＣ等）に悪影響を及ぼすことを防止する為、出荷試験及び現車試験にて調査し、周波数帯域をずらす等の調整しているものが大半である。また、特許文献１に開示された技術が知られている。
特許文献１の発明では、信号系統の誤動作を未然に防止できるため、電力変換装置から流出する高調波電流を検知し、あるいは高調波電流を抑制する装置を設けた。
ただし、従来の発明は高調周波数を検出したら、主回路をストップさせる機能や、誤検知なのか、正常に検出したかを判別できる機能が付いていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−３５７４４８号公報（要約、その他全体）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
電車に適用される電力変換部は、周囲の環境条件により、信号系周波数帯域以外で、誤検知することが多発である。誤検知によるものか、あるいは正常に検出したものか判断できないため、電車に不必要な停止をさせる。
【０００６】
本発明の目的は、電力変換装置が信号系周波数を検知したら、主回路を停止し、その後、停止する原因を究明することを可能とする鉄道車両駆動制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記の目的を達成するために、本発明のモニタリング機能付き電力変換装置は、架線を流れる電流をバンドパスフィルタで信号系周波数を抽出し、抽出した電流のレベルが規定の閾値より大きければ、電力変換装置を停止させる。また停止に至った原因を調べる為に、バンドパスフィルタで検出した信号系波周波数のアナログ信号、と全域のアナログ信号を解析情報としてメモリに保存する。さらに、検出装置を定期的に検証できるような自己診断回路を追加した。
【０００８】
すなわち、本発明は、集電器で車内に取り込んだ供給電力をモータ回転用電力に変換し、レールに帰線電流を流す電力変換器を備える鉄道車両駆動制御装置において、前記帰線電流を計測する手段と、前記帰線電流から信号系周波数帯域信号を抽出する手段と、抽出した信号の電流レベルと規定値とを比較する手段と、抽出した信号の電流レベルが規定値以上であるときに前記電力変換器を停止させる手段とを備え、前記帰線電流に規定値以上の電流レベルの信号系周波数を検出したときに主回路をストップさせる保護機能を有する鉄道車両駆動制御装置である。
【０００９】
また、本発明は、前記帰線電流を計測する手段にて観測された電流及び前記帰線電流から抽出した信号系周波数電流をメモリに記憶する手段を備え、モニタリング機能を有する鉄道車両駆動制御装置である。
【００１０】
そして、本発明は、ソフト書込みタイミング信号を発生し前記メモリに出力するサンプリングタイミング発生器を備え、自己診断機能を有する鉄道車両駆動制御装置である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明により、次の効果を奏することができる。
１．保安機器などの信号系に悪影響を及ぼす周波数帯域の信号レベルを検知し、電力変換装置を停止することにより保安機器への悪影響を防止できる。
２．メモリに保存されたデータを分析することにより、誤検出によるものか、正常に検出したものか、判別できる。
３．自己診断機能を追加したことにより、検出回路の機能確認を定期的に検証できるようになった。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施例の鉄道車両駆動制御装置の全体ブロック図。
【図２】実施例の鉄道車両駆動制御装置おける信号系周波数検出回路の説明図。
【図３】実施例の鉄道車両駆動制御装置におけるモニタ機能回路の説明図。
【図４．１】実施例の鉄道車両駆動制御装置におけるサンプリングタイミング発生器のセレクト１信号の説明図。
【図４．２】実施例の鉄道車両駆動制御装置におけるサンプリングタイミング発生器のセレクト２信号の説明図。
【図４．３】実施例の鉄道車両駆動制御装置におけるサンプリングタイミング発生器のメモリ書込みタイミング信号の説明図。
【図４．４】実施例の鉄道車両駆動制御装置におけるサンプリングタイミング発生器のアドレス信号の説明図。
【図５】実施例の鉄道車両駆動制御装置における自己診断回路の説明図。
【図６】実施例の鉄道車両駆動制御装置における図１の点ａ  において採取した全域生電流の説明図。
【図７】実施例の鉄道車両駆動制御装置における図１の点ｂ  において抽出した５０Ｈｚリップル電流の説明図。
【図８】実施例の鉄道車両駆動制御装置における５０Ｈｚ電流の検知信号の説明図。
【図９】実施例の鉄道車両駆動制御装置における図１の点ａ  において採取した全域生電流の説明図。
【図１０】実施例の鉄道車両駆動制御装置における図１の点ｂ  において抽出した５０Ｈｚ電流の説明図。
【図１１】実施例の鉄道車両駆動制御装置における５０Ｈｚ電流の検知信号の説明図。
【図１２】実施例の鉄道車両駆動制御装置における図８のｔ３〜ｔ４期間の拡大図。
【図１３】実施例の鉄道車両駆動制御装置における図９のｔ５〜ｔ６期間の拡大図。
【図１４】実施例の鉄道車両駆動制御装置におけるサンプリング周期電流の説明図。
【図１５】実施例の鉄道車両駆動制御装置における図５のｔ１〜ｔ２期間の拡大図。
【図１６】実施例の鉄道車両駆動制御装置における図６のｔ１〜ｔ２期間の拡大図。
【図１７】実施例の鉄道車両駆動制御装置におけるサンプリング周期電流の説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明を実施するための最良の形態を説明する。
以下、本発明の鉄道車両駆動制御装置の実施形態について、図面を用いて説明する。
図１にモニタリング機能付で、信号系周波数の信号が規定値以上であるときに電力変換部を停止させる鉄道車両駆動制御装置のシステム例を示す。図によりその構成を説明する。変電所から架線１あるいは第三軌条などの給電線により供給される電力をパンタグラフ等の集電器２で車内に取り込み、この電力を電力変換部４で電力変換し、モータ５を回転させて、車両を走らせる。電力変換部４は、モータ５を駆動するため、架線から取り込んだ直流電力を交流電力に変換する装置である。架線１から取り込んだ電流は直接に電力変換部４に流すと、ノイズの影響で電力変換部４を壊すので、フィルタコンデンサ３を備え、電圧を安定させて、ノイズを除去する。
【００１４】
帰線電流計６は電流を監視する装置である。フィルタコンデンサ３からレールへ流れる帰線電流をバンドパスフィルタ７で信号系周波数帯域信号を抽出し、この信号をレベル比較器８により、規定値と比較し、規定値より大きければ、検知信号を出力する。ＣＰＵ９は、検知信号を受け取ったら、電力変換部４を停止する停止信号をＰＷＭ１０に出し、電力変換部４を停止させる。Ａ／Ｄ変換１１は、バンドパスフィルタ７で抽出した商用周波数帯域信号をディジタル信号に変換する装置である。変換されたディジタル信号はメモリ１３に保存される。Ａ／Ｄ変換部１２はレールへ流れる帰線電流をディジタル信号に変換する装置である。変換されたディジタル信号をメモリ１３に保存する。Ｄ／Ａ変換部１４は、一次遅れ１９が発生した電流をアナログ信号に変換する装置である。信号系周波数発振器の機能については、図５を説明する際に説明する。
【００１５】
図２は、フィルタコンデンサ３からレールへ流れる帰線電流の信号系周波数帯域信号を検知し、電力変換部４を停止させる回路である。論理部内部のバンドパスフィルタ７を用いて信号系周波数帯域信号成分電流を抽出する。その後、レベル比較器８により、抽出した信号系周波数帯域信号成分電流の実効値が閾値１６よりも大きいか比較する。タイマー１５は、ノイズなどの影響による誤検出防止のために、ある時間以上で信号系周波数電流が検出され続けているかカウントし、検出が継続している時、検知信号をＣＰＵ９に出力し、ＣＰＵ９は、ゲットストップ信号をＰＷＭ１０に出力して電力変換部４を停止させる。
【００１６】
図３はモニタリング機能を実現する回路である。機能について次の動作説明で紹介する。
図４．１〜４．４はサンプリングタイミング発生器の信号図であり、図４．１はセレクト１信号の例であり、図４．２はセレクト２信号の例であり、図４．３はメモリ書込みタイミング信号の例であり、図４．４はメモリアドレスの例を示す。
【００１７】
図５は自己診断回路である。信号系周波数電流の正弦波を発生するため、まず三角波発生部１７で三角波を作成し、カウンタリミッタ制御部１８では、三角波に対しＣＰＵ９からの指示による振幅幅を設定することで台形波を生成する。この台形波はディジタル量であり、この値をＤ／Ａ変換部１４でアナログ量に変換したものをより正弦波に近づけるため１次遅れ回路１９を設けた。
【００１８】
次に、動作を説明する。保安装置信号系への悪影響を回避するため、海外においては信号系周波数成分の信号が規定値以上検出されると強制的に電力変換部を停止させることを仕様として盛り込まれるものがある。ただし、周囲の環境、例え、雪やパンタ離線の影響により誤検知することが多い。よって、誤検知なのか、正常に検知したのか、を判断できる機能の需要は生じてくる。
【００１９】
本発明は、信号系周波数成分を含んだ信号のレベル検知機能及び検知で強制的に電力変換部を停止させるシステムに、検出のもととなったアナログ信号のモニタリング機能と自己診断機能を追加した。以下で本発明の三つの機能について説明する。
１．主回路をストップさせる機能（回路図は図２示す）
帰線電流計６にて採取された信号から論理部内部のバンドパスフィルタ７を用いて信号系周波数電流成分を抽出する。そのあとで、抽出した信号系周波数電流の実効値が閾値よりも大きいか比較する。タイマー１５は、ノイズなどの影響による誤検出防止のために、ある時間以上で信号系周波数電流が検出され続けて初めてインバータ制御装置であるＰＷＭ１０を停止する。
【００２０】
以下で正常に検出した例と誤検知した例を挙げる。
図６〜図８は正常に検出した例を示す。図６は図１の点ａで取った電流を示す。横軸ｔは時間を表す。縦軸Ｖａは電圧を表す。信号系周波数電流の周波数は５０Ｈｚとする。電力変換装置を停止させる条件としては、５０Ｈｚ電流成分が規定値以上のレベルの検出である。図６により、ｔ１〜ｔ２期間は、帰線電流と、電力変換装置が動作することにより生じたリップル電流とが重畳した部分を表す。
【００２１】
図７は図１の点ｂで取った電流を示す。横軸ｔは時間を表す。縦軸Ｖｂは電圧を表す。図に示したように、ｔ１〜ｔ２の期間に、バンドパスフィルタ７により、リップル電流５０Ｈｚを抽出することができる。
【００２２】
図８は検知信号を示す。図７のｔ１〜ｔ２期間に検出された５０Ｈｚ電流のレベルは規定値以上であれば、検知信号は“Ｈ”レベルになる。
以上は正常に検出した例である。
【００２３】
図９〜図１１は誤検出した例を示す。符号の意味は図６〜図８と同じであるので、ここでの説明を省略する。図９のｔ３〜ｔ４期間の電流成分はパンタ離線などによるサージ電流により生じるノイズ成分電流である。図１０のｔ５〜ｔ６期間の電流成分はバンドパスでノイズ電流から抽出した５０Ｈｚ電流であり、規定値の検出レベル以上となっている。図１１は検知信号である。図１０のｔ５〜ｔ６期間に検出された５０Ｈｚ電流のレベルは規定値より大きいので、検知信号は“Ｈ”レベルになる。他の期間の５０Ｈｚ電流のレベルは検出レベル（閾値）より小さいため、検知信号は“Ｌ”レベルであり、検出できない。
以上は誤検知による例である
【００２４】
２．モニタ機能（回路図は図３に示す）
主回路を停止する原因を究明するため、本発明は、モニタ機能を追加している。モニタ機能とは帰線電流計にて観測された電流とバンドパスフィルタ７で抽出した信号系周波数電流を監視し記録することである。バンドパルスフィルタ７で抽出した信号系周波数信号も全域の生信号もアナログ電流であるので、解析情報として記録するため、Ａ／Ｄコンバータ１１、１２にてディジタル信号に変換し、サンプリングタイミング信号発生器２０の動作により、メモリ１３に格納する。サンプリングタイミング信号発生器２０の動作、つまりメモリに書き込みは、図４．１〜４．４に示す信号により行われる。セレクト１、２信号によりＡ／Ｄコンバータ１１、１２を交互に選択し、メモリ書込みタイミングに合うバンドパスフィルタで抽出した信号系周波数電流又は帰還電流の値がメモリ１３に記憶され、メモリアドレスは号４．４に一例を示している。
【００２５】
本発明によれば、強制的に主回路を停止することが発生した時、そのメモリ１３の内容を持ち帰って、保存されたデータを解析することにより、本当に信号系周波数を検出したのか、外部要因である電圧変動などにより発生した瞬間の信号系周波数電流を誤検出したのか判別することができる。
【００２６】
モニタリング機能のサンプリング周期はデータをメモリに保存する周期であり、サンプリング精度は採取したい周波数の１０倍以上を持たせる。ここで解析内容の一例を以下に示す。図１２は図９ｔにおける３〜ｔ４期間のノイズ電流の拡大図である。図１３は図１０の拡大図であり、ノイズ電流から抽出した５０ＨＺ成分電流を表す。図１４はサンプリング周期電流を表す。図１５は図６におけるｔ１〜ｔ２２期間の帰線電流とリップル電流が重畳した部分の拡大図である。図１６は図７におけるｔ１〜ｔ２２期間の拡大図であり、バンドパスで抽出した５０Ｈｚリップル電流を表す。図１７は図１４と同じであり、サンプリング周期電流を表す。
【００２７】
以上の図１２〜図１７に示すように、誤検知した場合と正常に検知した場合はサンプリング周期でメモリに記録したデータが違うので、それらのデータの違いにより、誤検知したか、正常に検知したかを判別できる。
【００２８】
３．自己診断機能（回路図は図５に示す）
本発明において、検出装置は経年劣化などにより、判定値の偏差が生じることを検出できるように自己診断機能を追加した。自己診断回路はシステムの検出機能の正常性を検証する回路として高調周波数信号を発生する機能を持っている。
【００２９】
図５に示す通り、ハードにてパターンを生成し、生成した３角波に対し、サップルピーク値の範囲の振幅信号を出力（台形波）出力し、ディジタル信号をアナログ信号に変換し、１次遅れ回路で調整して電流計６とバンドパスフィルタ７の接続部に入力する。フォトモスリレーにより模擬アナログ信号を入切できる。これにより、自己診断機能を追加することができる。
【符号の説明】
【００３０】
１…架線、２…集電器、３…フィルタコンデンサ、４…電力変換部、５…モータ、６…電流計、７…バンドパスフィルタ、８…レベル比較器、９…ＣＰＵ、１０…ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）、１１…Ａ／Ｄ変換１、１２…Ａ／Ｄ変換２、１３…メモリ、１４…Ｄ／Ａ変換、５…タイマー、１６…閾値、１７…三角波発生部、１８…カウンタリミッタ制御部、１９…一次遅れ、２０…サンプリングタイミング信号発生器。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４．１】
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【図４．２】
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【図４．３】
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【図４．４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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