(57)【要約】  列車の走行のための動力を発生する複数の主電動機と、複数の主電動機を駆動するための駆動ユニットと、駆動ユニットに対して制御情報を送信可能な主制御装置と、を備える列車制御システムであって、主制御装置は、列車の現在の速度と列車に現在要するトルクとに基づいて稼働させる主電動機の数を決定し、複数の主電動機のうちの決定した数の主電動機にトルクを均等に配分するためのトルク指令を生成するようにした。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
列車の走行のための動力を発生する複数の主電動機と、前記複数の主電動機を駆動するための駆動ユニットと、前記駆動ユニットに対して制御情報を送信可能な主制御装置と、を備える列車制御システムであって、
前記主制御装置は、
前記列車の現在の速度と前記列車に現在要するトルクとに基づいて稼働させる主電動機の数を決定し、
前記複数の主電動機のうちの決定した数の主電動機に前記トルクを均等に配分するためのトルク指令を生成する、
ことを特徴とする列車制御システム。
【請求項２】
前記主制御装置は、前記複数の主電動機の各々の負荷が均等となるように、稼働させる主電動機と、休止させる主電動機とを周期的に交代させる、
ことを特徴とする請求項１に記載の列車制御システム。
【請求項３】
前記主制御装置は、前記複数の主電動機の各々の負荷が均等となるように、稼働させる主電動機と、休止させる主電動機とをランダムに割り振る、
ことを特徴とする請求項１に記載の列車制御システム。
【請求項４】
前記駆動ユニットは、前記列車に複数設けられ、
前記主制御装置は、前記複数の駆動ユニットのうち、稼働させる主電動機がない駆動ユニットに対してゲートストップの指令を出力して通電を中止させる、
ことを特徴とする請求項１に記載の列車制御システム。
【請求項５】
前記主制御装置は、前記列車の速度と前記列車に要するトルクとに対応付けて最も高い効率で稼働する主電動機の数の情報を含む主電動機数設定情報に基づいて、前記列車の現在の速度と前記列車に現在要するトルクとに対応する主電動機の数を決定する、
ことを特徴とする請求項１に記載の列車制御システム。
【請求項６】
列車の走行のための動力を発生する複数の主電動機と、前記複数の主電動機を駆動するための駆動ユニットと、前記駆動ユニットに対して制御情報を送信可能な主制御装置と、を備える列車制御システムにおける列車制御方法であって、
電動機数決定部が、前記列車の現在の速度と前記列車に現在要するトルクとに基づいて稼働させる主電動機の数を決定する第１のステップと、
トルク指令生成部が、前記複数の主電動機のうちの決定した数の主電動機に前記トルクを均等に配分するためのトルク指令を生成する第２のステップと、
を備えることを特徴とする列車制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は列車制御システムおよび列車制御方法に関し、例えば複数の主電動機を用いて列車を駆動する列車制御システムおよび列車制御方法に適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、鉄道車両において、編成中で健全に稼働している主電動機は常に稼働している。例えば、主制御装置から複数の駆動ユニットに対して、編成に必要なトルクを各車両の重量（空車質量＋積載重量）に応じて配分を調整したトルク指令値を出力している。【０００３】
近年、複数の駆動ユニットが出力可能な最大トルクよりもその時点で必要とするトルクが小さい場合、記憶装置に記憶されたユニットの効率データを基に、効率が高い動作条件を演算し、各主電動機に最適なトルクを再配分する技術が開示されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−２３６５４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、各車両の重量に応じて最適なトルクを演算するため、運転を制御するプログラムが複雑化してしまう問題がある。【０００６】
本発明は以上の点を考慮してなされたもので、主電動機に最適なトルクを容易に演算し得る列車制御システム等を提案しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
かかる課題を解決するため本発明においては、列車の走行のための動力を発生する複数の主電動機と、前記複数の主電動機を駆動するための駆動ユニットと、前記駆動ユニットに対して制御情報を送信可能な主制御装置と、を備える列車制御システムであって、前記主制御装置は、前記列車の現在の速度と前記列車に現在要するトルクとに基づいて稼働させる主電動機の数を決定し、前記複数の主電動機のうちの決定した数の主電動機に前記トルクを均等に配分するためのトルク指令を生成するようにした。【０００８】
また本発明においては、列車の走行のための動力を発生する複数の主電動機と、前記複数の主電動機を駆動するための駆動ユニットと、前記駆動ユニットに対して制御情報を送信可能な主制御装置と、を備える列車制御システムにおける列車制御方法であって、電動機数決定部が、前記列車の現在の速度と前記列車に現在要するトルクとに基づいて稼働させる主電動機の数を決定する第１のステップと、トルク指令生成部が、前記複数の主電動機のうちの決定した数の主電動機に前記トルクを均等に配分するためのトルク指令を生成する第２のステップとを設けるようにした。【０００９】
上記構成によれば、列車の現在の速度と列車に現在要するトルクとに基づいて決定した数の主電動機にトルクを均等に配分するためのトルク指令を生成することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、列車を適切に制御する列車制御システム等を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施の形態による列車制御システムの概略構成を示す図である。
【図２】第１の実施の形態による制御車両の構成の一例を示す図である。
【図３】第１の実施の形態によるトルクと速度との関係の一例を示す図である。
【図４】第１の実施の形態によるトルクの配分を決定する処理手順の一例を示す図である。
【図５】第１の実施の形態によるトルクの配分の一例を示す図である。
【図６】第１の実施の形態による主電動機数設定テーブルの一例を示す図である。
【図７】第１の実施の形態による主電動機数設定テーブルを作成する処理手順の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下図面について、本発明の一実施の形態を詳述する。
【００１３】
（１）第１の実施の形態
図１において、１は全体として第１の実施の形態による列車制御システムを示す。列車制御システム１は、複数の車両（制御車両２、電動車両３など）を含んで構成される。
【００１４】
制御車両２は、例えば先頭車両であり、運転台に設けられる運転操作指令器１０と、列車制御装置２０とを備える。
【００１５】
電動車両３は、例えば動力車両であり、複数の主電動機３０と、複数の主電動機３０を駆動するＶＶＶＦ（可変電圧可変周波数）制御方式のインバータなどからなる駆動ユニット４０と、列車制御装置２０からの指令を受けて駆動ユニット４０を制御するユニット制御装置５０と、駆動ユニット４０への給電を行う集電装置としてのパンタグラフ６０とを備える。なお、パンタグラフ６０は、複数の電動車両３にて共用する形態で設けられてもよい。この場合、パンタグラフ６０のない電動車両３が存在することになる。
【００１６】
運転操作指令器１０から出力される信号に応じて、列車制御装置２０は、各車両のユニット制御装置５０への出力指令値を演算し、トルク指令を与える。各ユニット制御装置５０は、列車制御装置２０からのトルク指令の出力に応じて、駆動ユニット４０のインバータを制御し、必要な加速力、制動力が得られるように主電動機３０に流す電流、電圧、周波数の制御を行う。主電動機３０は、駆動ユニット４０から電流、電圧を受けて動作する。
【００１７】
ここで、トルク指令は、運転台から運転操作指令器１０から与えるノッチと呼ばれる信号（ノッチ信号）に基づいて決定される。ただし、いずれかの駆動ユニット４０または主電動機３０が故障した場合は、故障に係る駆動ユニット４０を除いて制御が行われる。
【００１８】
なお、１編成の列車は、制御車両２、駆動ユニット４０を備える電動車両３、および駆動ユニット４０を備えない従動車両（付随車両）を連結して編成されてもよいし、制御車両２および電動車両３を連結して編成されてもよいし、その他の編成であってもよい。
【００１９】
図２は、制御車両２の構成の一例を示す図である。制御車両２は、運転操作指令器１０と、列車制御装置２０と、荷重センサ７０と、速度センサ８０と、車両重量などの車両に係る情報を含む車両情報９１と、主電動機数設定テーブル９２とを含んで構成される。
【００２０】
列車制御装置２０は、荷重センサ７０からの信号と、速度センサ８０からの信号と、車両情報９１と、主電動機数設定テーブル９２とに基づいて、運転操作指令器１０からの指令に対応する出力指令値を演算し、配分を調整したトルク指令を出力する。
【００２１】
より詳細には、列車制御装置２０は、電動機数決定部２１と、トルク指令生成部２２とを備える。電動機数決定部２１は、列車の現在の速度と列車に現在要するトルクとに基づいて稼働させる主電動機３０の数を決定する。トルク指令生成部２２は、電動機数決定部２１により決定された数の主電動機３０にトルクを均等に配分するためのトルク指令を生成する。
【００２２】
なお、列車制御装置２０の機能（電動機数決定部２１、トルク指令生成部２２等）は、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit）がＲＯＭ（Read  Only  Memory）に格納されたプログラムをＲＡＭ（Random  Access  Memory）に読み出して実行すること（ソフトウェア）により実現されてもよいし、回路等のハードウェアにより実現されてもよいし、ソフトウェアとハードウェアとが組み合わされて実現されてもよい。また、列車制御装置２０は、各種の装置を制御するための制御情報を生成して送信可能な主制御装置の一例である。
【００２３】
図３は、列車に搭載する主電動機３０におけるトルクと速度との関係（特性および効率）の一例を示す図である。図３において、楕円の一部を示す等高線２０１，２０２，２０３，２０４は、中心側ほど高い効率となることを示している。例えば、等高線２０１と等高線２０２との間の第１の領域は、主電動機３０の効率（主電動機効率）がηＡであり、等高線２０４内の第２の領域は、主電動機効率がηＢであり、第２の領域の方が第１の領域よりも中心側にあるため、効率は、ηＡ＜ηＢであることがわかる。
【００２４】
なお、曲線２０５は、列車が全力で走行するときの速度とトルクとの関係を示し、曲線２０６は、列車が荷重などに応じて調節されて走行するときの速度とトルクとの関係を示す。
【００２５】
ここで、定速走行時、速度を維持するために必要な主電動機３０のトルクは、起動時に比べて小さい。そのため、１台あたりの主電動機３０が出力するトルクが相対的に小さくなり、図３に示されるように、効率の低い点で動作することとなる。
【００２６】
例えば、図３に示すように、２Ｎ台の主電動機３０を稼働させるとき、主電動機３０一台あたりの効率は、ηＡとなる。一方で、同一の速度、同一の総トルクが必要な場合、稼働する主電動機３０をＮ台にすると、主電動機３０一台あたりのトルクは、２Ｎ台稼働時の２倍、効率は、ηＢとなる。したがって、主電動機効率ηＡで稼働する２Ｎ台稼起動より、ηＢで稼働するＮ台稼起動の方が高効率で列車を動作させることができる。つまり、基本的には、同一の速度、同一の総トルクのもとでは、主電動機３０一台あたりの効率は、主電動機３０の台数が少ない方が高くなる。
【００２７】
また、主電動機３０の効率は、速度およびトルクの２変数により決定されるため、高効率点で動作する主電動機３０の数は、列車の現在の速度、列車に現在要するトルクなどの走行状態に応じて変化する。
【００２８】
これらの点を勘案し、本列車制御システム１では、省エネ制御となるように、走行状態に応じた主電動機３０へのトルクの配分を決定する構成を採用している。
【００２９】
図４は、走行状態に応じた主電動機３０へのトルクの配分を決定する処理手順の一例を示す図である。
【００３０】
まず、列車制御装置２０は、省エネ制御が有効（「ＯＮ」）であるか否かを判定する（ステップＳ１１）。列車制御装置２０は、省エネ制御が有効であると判定した場合、ステップＳ１２に処理を移し、省エネ制御が有効でないと判定した場合、処理を終了する。
【００３１】
ステップＳ１２では、列車制御装置２０は、運転操作指令器１０からのノッチ信号を読み込む。
【００３２】
続いて、列車制御装置２０は、荷重条件（荷重センサ７０の値）、車両情報９１の車両重量などを読み込む（ステップＳ１３）。
【００３３】
続いて、列車制御装置２０は、読み込んだ値（入力値）から編成トルク条件（列車に現在要するトルク）を演算する（ステップＳ１４）。ここで、トルクには、列車の加速時における加速トルクの他、列車の減速時における制動トルク、主電動機３０の休止時における休止トルク「０」が含まれている。
【００３４】
続いて、列車制御装置２０は、編成トルク条件と、速度条件（速度センサ８０の値または推定した速度の値。すなわち、列車の現在の速度）とに基づいて、主電動機数設定テーブル９２から高効率点で稼働する主電動機３０の数（主電動機数）を決定する（ステップＳ１５）。
【００３５】
続いて、列車制御装置２０は、決定した主電動機数に従って、稼働させる主電動機３０と、稼働させない主電動機３０とを周期的に交代（循環であってもよい。）またはランダムに割り当てる（ステップＳ１６）。
【００３６】
続いて、列車制御装置２０は、通電制御を行う（ステップＳ１７）。例えば、列車制御装置２０は、ユニット制御装置５０を介して、稼働させる主電動機３０がない駆動ユニット４０にゲートストップの指令を出力して通電を中止させる。かかる処理によれば、列車の運転時の消費電力量を低減し、エネルギー効率を向上することができる。
【００３７】
続いて、列車制御装置２０は、稼働させる主電動機３０のトルクを均等に配分するようにトルク指令を生成し、ユニット制御装置５０に出力し（ステップＳ１８）、処理を終了する。
【００３８】
図５は、トルクの配分の一例を示す図である。例えば、主電動機３０一台あたりのトルクをトルク３０１，３０２，３０３，３０４のように配分していたものが、省エネ制御が有効である場合、トルク３０５，３０６のように編成全体（列車全体）のトルクを変更することなく、一部の主電動機３０のみ稼働させ、かつトルクを均等に配分するように調整が行われる。
【００３９】
図６は、高効率点で稼働する主電動機３０の数を設定するための主電動機数設定テーブル９２の一例を示す図である。主電動機数設定テーブル９２は、列車の速度と列車に要するトルクとに対応付けて最も高い効率で稼働する主電動機数の情報を含む主電動機数設定情報の一例である。
【００４０】
主電動機数設定テーブル９２では、編成の速度と編成のトルクとに対応付けて主電動機数が格納されている。例えば、主電動機数設定テーブル９２では、編成の速度がＶ１、編成のトルクがＴ１においては主電動機数としてＮ１１が規定されている。
【００４１】
図７は、主電動機数設定テーブル９２を作成する処理手順の一例（Ｎ１１を求める処理手順の一例）を示す図である。なお、主電動機数設定テーブル９２は、列車の運行前に、所定のコンピュータ（図示は省略する。）により事前に作成され、列車制御装置２０に格納される。
【００４２】
まず、コンピュータは、編成のトルクをＴ１、編成の速度をＶ１、最大の主電動機数をＮとする（ステップＳ２１）。
【００４３】
続いて、コンピュータは、変数ｘにＮを代入する（ステップＳ２２）。
【００４４】
続いて、コンピュータは、主電動機数ｘ台、すなわち主電動機３０一台あたりのトルクがＴ１／ｘで稼働したときの主電動機効率η（Ｔ１／ｘ，Ｖ１）と、ｘ−１台、すなわち主電動機３０一台あたりのトルクがＴ１／(ｘ−１)で稼働した場合の主電動機効率η（Ｔ１／（ｘ−１），Ｖ１）とを主電動機数効率テーブル９３から取得して比較する（ステップＳ２３）。なお、図示は省略するが、主電動機数効率テーブル９３には、主電動機３０一台あたりのトルクと編成の速度とに対応付けて主電動機効率が格納されている。
【００４５】
より具体的には、コンピュータは、主電動機数ｘの主電動機効率の方が高効率であるか否かを判定する。コンピュータは、主電動機数ｘの主電動機効率の方が高効率であると判定した場合、ステップＳ２５処理を移し、主電動機数ｘの主電動機効率の方が高効率でないと判定した場合、ステップＳ２４に処理を移す。
【００４６】
ステップＳ２４では、コンピュータは、ｘにｘ−１を代入し（主電動機数を１台減少させ）、ステップＳ２３に処理を移す。
【００４７】
例えば、コンピュータは、はじめに、Ｎ台で稼働した場合とＮ−１台で稼働した場合との主電動機効率を比較し、条件を満たさない場合は、次に、Ｎ−１台で稼働した場合とＮ−２台で稼働した場合との主電動機効率を比較する。コンピュータは、これを繰り返し、最大効率で稼働する主電動機数（理論限界の主電動機数）を求める。
【００４８】
ここで、主電動機３０には、特性領域、車両の粘着限界などの物理限界が存在するため、速度に応じた最大トルクが決められている。そのため、ステップＳ２５では、コンピュータは、ステップＳ２３およびステップＳ２４で求めた最大効率で稼働する主電動機３０のトルクが出力可能であるか否かを判定する（ステップＳ２５）。
【００４９】
より具体的には、コンピュータは、最大効率で稼働する主電動機数ｘのトルクＴ１／ｘと主電動機３０一台あたりの最大トルクとを比較する。コンピュータは、Ｔ１／ｘが主電動機３０一台あたりの最大トルクより小さいと判定した場合、ステップＳ２７に処理を移し、Ｔ１／ｘが主電動機３０一台あたりの最大トルクより小さくないと判定した場合、ステップＳ２６に処理を移す。
【００５０】
ステップＳ２６では、コンピュータは、ｘにｘ＋１を代入し（主電動機数を１台増加させ）、ステップＳ２５に処理を移す。
【００５１】
例えば、コンピュータは、はじめに、理論限界の主電動機数ｘ台で稼働した場合のトルクと一台あたりの最大トルクとを比較し、条件を満たさない場合は、次に、ｘ＋１台で稼働した場合のトルクと一台あたりの最大トルクとを比較する。コンピュータは、これを繰り返し、主電動機３０一台あたりのトルクが最大トルクを超えない範囲で効率が最大となる主電動機数（物理限界の主電動機数）を求める。
【００５２】
ステップＳ２７では、コンピュータは、求めたｘをＮ１１として主電動機数設定テーブル９２に格納し、処理を終了する。
【００５３】
なお、図６に示すＮ２１を求める場合は、編成のトルクをＴ２、編成の速度をＶ１とし、上記と同様の手順を用い、最大効率で稼働する主電動機数を求める。以下、Ｎ３１、…、Ｎｉ１、…、Ｎｉｊについても同様の手順を用い、主電動機数設定テーブル９２を作成する。
【００５４】
本実施の形態によれば、編成の速度、編成のトルク、および車両ごとの重量から各主電動機のトルクを演算する方式とは異なり、編成の速度および編成のトルクにより各主電動機のトルクを決定するので、主電動機のトルクの演算時間の短縮とプログラムの簡素化とが実現可能である。また、プログラムの簡素化により、ＶＶＶＦインバータに送信するトルク指令の演算時間を短縮する効果がある。また、編成のトルクと編成の速度とに応じた高効率で稼働させる主電動機数を規定した主電動機数設定テーブルを予め作成しておくことにより、主電動機数の演算時間を短縮することができる。
【００５５】
また、各車両の重量（空車質量＋積載重量）に応じたトルクを出力するため、稼働する頻度が高い主電動機は、寿命が短くなり、保守コストが増大してしまう問題がある。この点、本実施の形態によれば、各主電動機の負荷が均等となるよう、稼働させる主電動機と休止させる主電動機を周期的に交代またはランダムに割り振ることにより、寿命が均一化され、点検周期が長くなることから、保守性を向上することができる。
【００５６】
また、列車を運転する際、最も大きいトルクが発生、すなわち主電動機にトルク電流が必要となるのは起動から目標速度に到達するまでの期間である。そのため、主電動機の効率は、起動時のトルクに対して効率が高くなるよう設計されている。しかしながら、大きいトルクを必要としない場合、例えば定速走行中の再力行、通勤時間外の営業運転では、主電動機効率の高い点から外れた条件で動作するため、消費電力量の増大、エネルギー効率の低下が問題となる。この点、本実施の形態によれば、制御車両には、編成のトルクと編成の速度とに応じた高効率で稼働させる主電動機数が記憶されており、列車のトルクと速度とに応じて、効率が高いトルクで主電動機を稼働させることが可能となったので、列車の運転時の消費電力量を低減し、エネルギー効率を向上させることができる。
【００５７】
（２）他の実施の形態
なお上述の実施の形態においては、本発明を列車制御システム１に適用するようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、この他種々の列車制御システム、列車制御方法などに広く適用することができる。
【００５８】
また上述の実施の形態においては、ステップＳ１５では、主電動機数設定テーブル９２に基づいて主電動機の数を決定する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、主電動機数効率テーブル９３に基づいて主電動機の数を算出して決定するようにしてもよい。
【００５９】
また上述の実施の形態においては、制御車両２は、運転操作指令器１０および列車制御装置２０を備える場合について述べたが、本発明はこれに限らず、制御車両２は、ユニット制御装置５０を備えてもよいし、駆動ユニット４０および主電動機３０を備えてもよいし、その他の構成を備えてもよい。
【００６０】
また上述の実施の形態においては、列車制御装置２０が電動機数決定部２１およびトルク指令生成部２２を備える場合について述べたが、本発明はこれに限らず、ユニット制御装置５０と通信可能な他の装置（図示しないコンピュータであってもよい。）が電動機数決定部２１およびトルク指令生成部２２を備えるようにしてもよい。
【００６１】
上述した構成については、本発明の要旨を超えない範囲において、適宜に、変更したり、組み替えたり、組み合わせたり、省略したりしてもよい。
【符号の説明】
【００６２】
１……列車制御システム、２……制御車両、３……電動車両、１０……運転操作指令器、２０……列車制御装置、３０……主電動機、４０……駆動ユニット、５０……ユニット制御装置、６０……パンタグラフ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2019107016.tif 000007
【図６】
2019107016.tif 000008
【図７】
2019107016.tif 000009
【国際調査報告】
2019107016.tif 000010
2019107016.tif 000011