(57)【要約】  交流電気車の制御装置（５０）は、平滑コンデンサ（９）に生じる中間リンク電圧ＶＥＦＣをセット値Ａと比較する比較部（２３）と、中間リンク電圧ＶＥＦＣをセット値Ａよりも小さいセット値Ｂと比較する比較部（２４）と、比較部（２４）の出力が有意である場合に、比較部（２４）の出力を遅延させる遅延器（２６）と、を備える。比較部（２３）の出力と、遅延器（２６）の出力とのうちの少なくとも１つが有意である場合に平滑コンデンサ（９）の初期充電が完了したと判定される。
2019155588.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流架線からの交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、前記コンバータが出力する直流電圧を平滑化する平滑コンデンサとを有する交流電気車に搭載され、前記平滑コンデンサの初期充電を制御する交流電気車の制御装置であって、
前記平滑コンデンサに生じる電圧である中間リンク電圧を第１の閾値と比較する第１の比較部と、
前記中間リンク電圧を前記第１の閾値よりも小さい第２の閾値と比較する第２の比較部と、
前記第２の比較部の出力を遅延させる遅延器と、
を備え、
前記第１の比較部の出力と、前記遅延器の出力とのうちの少なくとも１つが有意である場合に前記平滑コンデンサの初期充電が完了したと判定する
ことを特徴とする交流電気車の制御装置。
【請求項２】
前記交流架線から出力される架線電圧の実効値を算出する実効値算出部を備え、
算出された前記架線電圧の実効値に基づいて、前記第１の閾値及び前記第２の閾値が設定されることを特徴とする請求項１に記載の交流電気車の制御装置。
【請求項３】
交流架線から出力され、主変圧器を介して印加される交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、前記コンバータが出力する直流電圧を平滑化する平滑コンデンサとを有する交流電気車に搭載され、前記平滑コンデンサの初期充電を制御する交流電気車の制御装置であって、
交流架線から出力される架線電圧のピーク値を算出するピーク値算出部と、
算出された前記架線電圧のピーク値と前記平滑コンデンサに生じる電圧である中間リンク電圧との差電圧を第１の閾値と比較する第１の比較部と、
を備え、
前記第１の比較部の出力が有意である場合に前記平滑コンデンサの初期充電が完了したと判定する
ことを特徴とする交流電気車の制御装置。
【請求項４】
前記第１の閾値は、架線電圧に依存しない一定のセット値であることを特徴とする請求項３に記載の交流電気車の制御装置。
【請求項５】
前記中間リンク電圧を第２の閾値と比較する第２の比較部と、
前記第２の比較部の出力を遅延させる遅延器と、
を備え、
前記第１の比較部の出力と、前記遅延器の出力とのうちの少なくとも１つが有意である場合に前記平滑コンデンサの初期充電が完了したと判定する
ことを特徴とする請求項３又は４に記載の交流電気車の制御装置。
【請求項６】
交流架線から出力され、主変圧器を介して印加される交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、前記コンバータが出力する直流電圧を平滑化する平滑コンデンサとを有する交流電気車に搭載され、前記平滑コンデンサの初期充電を制御する交流電気車の制御装置であって、
前記平滑コンデンサに生じる電圧である中間リンク電圧を第１の閾値と比較する第１の比較部と、
前記中間リンク電圧を前記第１の閾値よりも小さい第２の閾値と比較する第２の比較部と、
前記第２の比較部の出力を遅延させる遅延器と、
交流架線から出力される架線電圧のピーク値を算出するピーク値算出部と、
算出された前記架線電圧のピーク値と前記平滑コンデンサに生じる電圧である中間リンク電圧との差電圧を第３の閾値と比較する第３の比較部と、
を備え、
前記第１の比較部の出力と、前記遅延器の出力と、前記第３の比較部の出力とのうちの少なくとも１つが有意である場合に前記平滑コンデンサの初期充電が完了したと判定する
ことを特徴とする交流電気車の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流架線からの交流電力を受電して走行する交流電気車の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
交流電気車の制御装置は、コンバータと、平滑コンデンサと、インバータとを有する。交流架線から供給される交流電力は、コンバータにおいて直流電力に変換され、変換された直流電力は、平滑コンデンサに充電される。交流電気車の制御装置は、平滑コンデンサの充電電圧が起動電圧に達した場合、平滑コンデンサの充電完了を判定する。起動電圧は、初期充電の完了を判定する閾値電圧である。初期充電が完了すると、インバータが動作を開始し、交流電気車のモータが駆動される。以下、交流電気車のモータが動作を開始することを起動と呼ぶ。【０００３】
従来技術として、下記特許文献１には、平滑コンデンサを初期充電する際に、平滑コンデンサの充電電圧が起動電圧に達した場合でも、平滑コンデンサの充電電圧を監視し、交流架線の電圧である架線電圧の変動に応じて、平滑コンデンサの充電電圧を調整することにより、架線電圧の変動に見合った初期充電を実施する技術が開示されている。【０００４】
特許文献１によれば、架線電圧と平滑コンデンサの充電電圧との差電圧が一定に制御されるので、架線電圧が高いときでも、突入電流を抑制でき、また、過充電を防止できると記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平８−１６８１０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１の技術では、架線電圧の波形ひずみは考慮されていない。架線電圧の波形にひずみがある場合、波形にひずみがない場合に比して、平滑コンデンサの充電時間が長くなり、初期充電の完了時刻が遅延するという課題がある。【０００７】
また、上記特許文献１の技術では、架線電圧が上昇した場合、架線電圧の上昇値に応じて、平滑コンデンサの充電電圧も高電圧側に調整される。このことは、初期充電の完了を判定する起動電圧が、初期充電中に高電圧側に再設定されることを意味する。このとき、再設定した起動電圧が架線電圧の波形ひずみの程度に対応して適切に設定されない場合、平滑コンデンサの充電電圧が起動電圧に達することができず、初期充電が完了しないという懸念が生ずる。【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、架線電圧の波形にひずみがある場合でも、交流電気車の起動を迅速、且つ確実に実施することができる交流電気車の制御装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、交流架線からの交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、コンバータが出力する直流電圧を平滑化する平滑コンデンサとを有する交流電気車に搭載され、平滑コンデンサの初期充電を制御する交流電気車の制御装置である。交流電気車の制御装置は、平滑コンデンサに生じる電圧である中間リンク電圧を第１の閾値と比較する第１の比較部と、中間リンク電圧を第１の閾値よりも小さい第２の閾値と比較する第２の比較部と、第２の比較部の出力を遅延させる遅延器と、を備える。第１の比較部の出力と、遅延器の出力とのうちの少なくとも１つが有意である場合に平滑コンデンサの初期充電が完了したと判定される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る交流電気車の制御装置によれば、架線電圧の波形にひずみがある場合でも、交流電気車の起動を迅速、且つ確実に実施することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態１に係る交流電気車の制御装置を含む交流電気車の駆動システムの構成図
【図２】実施の形態１における演算部の構成を示すブロック図
【図３】実施の形態１におけるセット値Ａの決定方法に関する一例を示す図
【図４】図１の駆動システムにおける各部の電圧の挙動を示す図
【図５】実施の形態１の交流電気車の制御装置における突入電流の説明に供する第１の図
【図６】実施の形態１の交流電気車の制御装置における突入電流の説明に供する第２の図
【図７】実施の形態１の演算部において比較部２４を設ける理由の説明に供する第１の図
【図８】実施の形態１の演算部において比較部２４を設ける理由の説明に供する第２の図
【図９】実施の形態２における演算部の構成を示すブロック図
【図１０】実施の形態２における演算部の動作説明に供する図
【図１１】実施の形態３における演算部の構成を示すブロック図
【図１２】実施の形態１から３の各演算部におけるハードウェア構成の一例を示すブロック図
【図１３】実施の形態１から３の各演算部におけるハードウェア構成の他の例を示すブロック図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態に係る交流電気車の制御装置について詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により、本発明が限定されるものではない。また、以下の実施の形態では、電気的な接続と物理的な接続とを区別せずに、単に「接続」と称する。
【００１３】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る交流電気車の制御装置５０を含む交流電気車の駆動システム１００の構成図である。図１に示すように、実施の形態１に係る交流電気車の駆動システム１００は、パンタグラフ１と、遮断器２と、主変圧器３と、制御装置５０と、モータ１６と、交流電圧検出器１４とを含む。以下、交流電圧検出器１４は、「ＡＣＰＴ１４」と表記する。
【００１４】
図１において、パンタグラフ１には、交流架線１０１からの交流電力が入力される。主変圧器３の１次巻線３ａには、パンタグラフ１から供給される交流電力が入力される。交流電気車の制御装置５０には、主変圧器３の２次巻線３ｂに生じた交流電圧が印加される。パンタグラフ１と主変圧器３との間には、遮断器２が配置される。遮断器２は、パンタグラフ１と主変圧器３とを接続する電源ケーブルに配され、パンタグラフ１と主変圧器３との間に流れる電流を遮断可能な機器である。遮断器２の一例は、ＶＣＢ（Ｖａｃｕｕｍ  Ｃｉｒｃｕｉｔ  Ｂｒｅａｋｅｒ）である。モータ１６は、制御装置５０の制御対象であり、交流電気車の図示しない車軸を駆動する交流モータである。ＡＣＰＴ１４は、交流架線１０１が出力する架線電圧の瞬時値を検出する。図１では、ＡＣＰＴ１４による検出値を「ＶＡＣ１」と表記している。以下、架線電圧の瞬時値の検出値を「架線電圧瞬時値ＶＡＣ１」と呼ぶ。ＡＣＰＴ１４によって検出された架線電圧瞬時値ＶＡＣ１は、後述する制御部１２に入力される。
【００１５】
次に、制御装置５０の構成及び機能について説明する。制御装置５０は、図１に示すように、充電抵抗器４と、充電接触器５と、主接触器６と、コンバータ８と、平滑コンデンサ９と、直流電圧検出器１０と、インバータ１１と、制御部１２と、を含む。制御部１２は、演算部２０を有する。以下、直流電圧検出器１０は、「ＤＣＰＴ１０」と表記する。
【００１６】
充電接触器５及び主接触器６は、主変圧器３とコンバータ８との間において互いに並列に接続され、平滑コンデンサ９の充電経路に挿入される。充電接触器５及び主接触器６の開閉制御は、制御部１２によって行われる。充電接触器５は、平滑コンデンサ９の初期充電時には閉成され、初期充電の完了後には開成される接触器である。主接触器６は、平滑コンデンサ９の初期充電時には開成され、初期充電の完了後には閉成される接触器である。充電抵抗器４は、充電接触器５に直列に接続される。
【００１７】
コンバータ８は、ＰＷＭコンバータである。コンバータ８には、主変圧器３の２次巻線３ｂに生じた交流電圧が印加される。コンバータ８は、印加された交流電圧を直流電圧に変換する。平滑コンデンサ９は、コンバータ８が出力する直流電圧を平滑化する。平滑化された直流電圧は、平滑コンデンサ９において保持される。インバータ１１は、平滑コンデンサ９に保持される直流電圧を交流電圧に変換する。変換された交流電圧はモータ１６に印加され、モータ１６は駆動される。
【００１８】
ＤＣＰＴ１０は、平滑コンデンサ９の電圧を検出する。図１では、ＤＣＰＴ１０による検出値を「ＶＥＦＣ」と表記している。なお、平滑コンデンサ９は、コンバータ８とインバータ１１との間に位置することから、平滑コンデンサ９に生じる電圧は、中間リンク電圧と呼ばれることがある。このため、以下、平滑コンデンサ９の電圧の検出値を「中間リンク電圧ＶＥＦＣ」と呼ぶ。ＤＣＰＴ１０によって検出された中間リンク電圧ＶＥＦＣは、制御部１２に入力される。
【００１９】
次に、平滑コンデンサ９を充電する際の交流電気車の駆動システム１００の動作について、図１を参照して説明する。
【００２０】
交流架線１０１からの交流電圧は、パンタグラフ１を介して主変圧器３の１次巻線３ａに印加される。主変圧器３の１次巻線３ａに印加された交流電圧は、主変圧器３によって降圧され、降圧された交流電圧が２次巻線３ｂから出力される。交流電気車を起動する際には、最初に充電接触器５が閉成される。このとき、主接触器６は、開成状態である。従って、平滑コンデンサ９は、充電抵抗器４及び充電接触器５を介して充電される。
【００２１】
平滑コンデンサ９の初期充電時、コンバータ８に具備される図示しないスイッチング素子はスイッチング動作を行っていない。このため、平滑コンデンサ９を充電する充電電流は、コンバータ８に具備される図示しないダイオードを通じて流れる。すなわち、平滑コンデンサ９の初期充電時において、コンバータ８は、整流作用を行うダイオードコンバータとして動作する。
【００２２】
初期充電が完了すると、主接触器６は閉成され、充電接触器５は開成される。充電接触器５の開成は、主接触器６の閉成後に行われる。インバータ１１は動作を開始し、交流電気車は起動される。制御部１２は、中間リンク電圧ＶＥＦＣを監視し、モータ１６を駆動するための電力が、平滑コンデンサ９に常時保持されるように、コンバータ８を制御する。このとき、コンバータ８に具備される図示しないスイッチング素子は、制御部１２によってパルス幅変調（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：ＰＷＭ）制御される。すなわち、初期充電後の平滑コンデンサ９に対する充電制御において、コンバータ８は、スイッチングコンバータとして動作する。
【００２３】
次に、制御部１２に具備される演算部２０について、図２及び図３を参照して説明する。図２は、実施の形態１における演算部２０の構成を示すブロック図である。図３は、実施の形態１におけるセット値Ａの決定方法に関する一例を示す図である。
【００２４】
演算部２０は、架線電圧実効値算出部２１と、比較部２３，２４と、遅延器２６と、論理和回路２７とを有する。
【００２５】
架線電圧実効値算出部２１には、ＡＣＰＴ１４によって検出された架線電圧瞬時値ＶＡＣ１が入力される。架線電圧実効値算出部２１は、架線電圧瞬時値ＶＡＣ１を用いて架線電圧実効値ＶＳを算出する。架線電圧実効値ＶＳは、交流架線１０１から出力される架線電圧の実効値である。
【００２６】
比較部２３には、架線電圧実効値算出部２１によって算出された架線電圧実効値ＶＳと、ＤＣＰＴ１０によって検出された中間リンク電圧ＶＥＦＣと、起動指令ＳＣとが入力される。起動指令ＳＣは、交流電気車の起動を指示する信号である。起動指令ＳＣは、不図示の運転台、又は交流電気車に搭載された不図示の運行管理装置などから出力される。
【００２７】
比較部２３は、中間リンク電圧ＶＥＦＣを判定閾値であるセット値Ａと比較する。すなわち、比較部２３では、中間リンク電圧ＶＥＦＣとセット値Ａとの大小関係が比較される。中間リンク電圧ＶＥＦＣがセット値Ａよりも大きい場合、比較部２３の比較結果は有意であるとして、比較部２３は、論理演算上の「１」を論理和回路２７に出力する。一方、中間リンク電圧ＶＥＦＣがセット値Ａ以下である場合、比較部２３の比較結果は有意ではないとして、比較部２３は、論理演算上の「０」を論理和回路２７に出力する。
【００２８】
また、上記の説明では、中間リンク電圧ＶＥＦＣがセット値Ａよりも大きい場合に論理演算上の「１」を論理和回路２７に出力するとしているが、中間リンク電圧ＶＥＦＣがセット値Ａに等しい場合を含めて、論理演算上の「１」を論理和回路２７に出力してもよい。すなわち、中間リンク電圧ＶＥＦＣがセット値Ａ以上の場合に、論理演算上の「１」を論理和回路２７に出力してもよい。
【００２９】
セット値Ａは、架線電圧実効値ＶＳによって算出される。図３には、公称電圧２５ｋＶの交流架線におけるセット値Ａの決定方法の一例が示されている。図３の横軸には架線電圧実効値ＶＳが示され、図３の縦軸にはセット値Ａが示されている。公称電圧２５［ｋＶ］の交流架線の電圧は、負荷の状況に応じて、±十数％の変動が生じる。このため、図３の例では、架線電圧実効値ＶＳがＶＳ１［ｋＶ］より大きく、且つＶＳ２［ｋＶ］未満の場合には、架線電圧実効値ＶＳに比例して増加する値としている。また、架線電圧実効値ＶＳがＶＳ１［ｋＶ］以下の場合には、セット値Ａ＝Ａ１とし、架線電圧実効値ＶＳがＶＳ２［ｋＶ］以上の場合には、セット値Ａ＝Ａ２としている。なお、Ａ１とＡ２との間には、Ａ１＜Ａ２の関係がある。
【００３０】
図２に戻り、比較部２４には、架線電圧実効値ＶＳと、中間リンク電圧ＶＥＦＣと、起動指令ＳＣとが入力される。比較部２４は、中間リンク電圧ＶＥＦＣを判定閾値であるセット値Ｂと比較する。すなわち、比較部２４では、中間リンク電圧ＶＥＦＣとセット値Ｂとの大小関係が比較される。中間リンク電圧ＶＥＦＣがセット値Ｂよりも大きい場合、比較部２４の比較結果は有意であるとして、比較部２４は、論理演算上の「１」を遅延器２６に出力する。遅延器２６は、入力信号を一定時間遅延させて出力する遅れ時素を有する制御器である。遅延器２６は、論理演算上の「１」が入力されても直ぐには出力せず、一定時間遅延させて論理演算上の「１」を論理和回路２７に出力する。一方、中間リンク電圧ＶＥＦＣがセット値Ｂ以下である場合、比較部２４の比較結果は有意ではないとして、比較部２４は、論理演算上の「１」の出力を抑止する。
【００３１】
なお、上記の説明では、中間リンク電圧ＶＥＦＣがセット値Ｂよりも大きい場合に論理演算上の「１」を遅延器２６に出力するとしているが、中間リンク電圧ＶＥＦＣがセット値Ｂに等しい場合を含めて、論理演算上の「１」を遅延器２６に出力してもよい。すなわち、中間リンク電圧ＶＥＦＣがセット値Ｂ以上の場合に、論理演算上の「１」を遅延器２６に出力してもよい。
【００３２】
また、上記の説明では、中間リンク電圧ＶＥＦＣがセット値Ｂよりも大きい場合に、比較部２４は、論理演算上の「１」を出力するとしているが、必ずしも論理演算上の「１」である必要はない。「中間リンク電圧ＶＥＦＣがセット値Ｂよりも大きい」ことを遅延器２６が認識できるものであれば、どのような信号形式でもよい。
【００３３】
セット値Ｂは、架線電圧実効値ＶＳによって算出される。セット値Ａとセット値Ｂとの間には、Ａ＞Ｂの関係がある。セット値Ｂは固定値でもよいし、セット値Ａに対応して値を変更してもよい。セット値Ｂを有することの効果については、後述する。
【００３４】
前述の通り、論理和回路２７には、比較部２３の出力と、遅延器２６の出力とが入力される。論理和回路２７は、比較部２３の出力と、遅延器２６の出力とのうちの少なくとも１つが論理演算上の「１」である場合、平滑コンデンサ９の初期充電が完了したことを示す信号ＴＣを出力する。以下、信号ＴＣを「初期充電完了信号ＴＣ」と呼ぶ。論理和回路２７から初期充電完了信号ＴＣが出力されると、制御部１２は、上述した充電接触器５及び主接触器６に対する開閉制御を行う。
【００３５】
図４は、図１の駆動システム１００における各部の電圧の挙動を示す図である。図４の上段部、中段部及び下段部には、時刻ｔ０で起動指令が入力されたときの２次電圧、整流電圧及び中間リンク電圧ＶＥＦＣの時間変化波形が示されている。
【００３６】
図４の上段部に示される２次電圧は、主変圧器３の２次巻線３ｂに生じた交流電圧の波形である。図４の中段部に示される整流電圧は、コンバータ８がダイオードコンバータとして動作しているときのコンバータ８の出力電圧である整流電圧の波形である。整流電圧との呼称は、コンバータ８の出力側に平滑コンデンサ９が接続されていないことを意味している。一方、図４の下段部に示される中間リンク電圧ＶＥＦＣは、コンバータ８の出力側に平滑コンデンサ９が接続されている場合の波形である。コンバータ８の出力側に平滑コンデンサ９が接続されている場合、コンバータ８の出力電圧は、図４の下段部に示されるような、平滑化された波形になる。
【００３７】
図４の上段部、中段部及び下段部の各波形において、太実線は架線電圧にひずみがない場合の波形であり、太破線は架線電圧にひずみがある場合の波形である。また、図４の下段部には、図４の中段部における実線波形、すなわち架線電圧にひずみがない場合の整流電圧の波形を破線で示している。
【００３８】
図４の上段部の破線で示されるように、架線電圧のピーク値付近に落ち込みがあるひずみが架線電圧の波形に生じている場合、図４の下段部の破線で示されるように、架線電圧の波形にひずみがない場合に比して、中間リンク電圧ＶＥＦＣが小さくなる。
【００３９】
図５は、実施の形態１の交流電気車の制御装置５０における突入電流の説明に供する第１の図である。図６は、実施の形態１の交流電気車の制御装置５０における突入電流の説明に供する第２の図である。
【００４０】
前述の通り、ピーク値付近に落ち込みがあるひずみが架線電圧の波形に生じている場合、架線電圧にひずみがない場合に比して、中間リンク電圧ＶＥＦＣは小さくなる。このときの中間リンク電圧ＶＥＦＣ、すなわち平滑コンデンサ９の充電電圧を「Ｖ２」とし、コンバータ８から出力される整流電圧の実効値を「Ｖ１」とすると、平滑コンデンサ９を充電する際の充電回路の等価回路は簡略的に図５で表すことができる。図５において、直流電源４０の電圧Ｖ１は、整流電圧の実効値に対応し、平滑コンデンサ７の充電電圧Ｖ２は、中間リンク電圧ＶＥＦＣに対応する。そして、直流電源４０と平滑コンデンサ９とが、充電回路内の等価抵抗４２を介して接続される回路構成となる。電圧Ｖ１と充電電圧Ｖ２との差電圧が大きい場合、電圧Ｖ１が印加された直後では、図６に示されるように、電圧の変化が急激である。また、充電回路内の等価抵抗４２は非常に小さい値であるため、平滑コンデンサ９には、大きな突入電流が流れることになる。
【００４１】
図７は、実施の形態１の演算部２０において比較部２４を設ける理由の説明に供する第１の図である。図８は、実施の形態１の演算部２０において比較部２４を設ける理由の説明に供する第２の図である。
【００４２】
架線電圧の波形にひずみがある場合、セット値Ａによっては、図７に示すように中間リンク電圧ＶＥＦＣの値がセット値Ａに達することができない状況に陥ることが想定される。その一方で、前述した突入電流の問題から、セット値Ａは、Ｖ１とＶ２との差電圧が大きくならないように設定する必要があり、設定値を極端に下げることはできない。そこで、実施の形態１では、突入電流を抑制するセット値Ａの概念は変更せず、セット値Ａとは異なる概念のセット値Ｂを有する比較部２４を設けている。
【００４３】
図８には、図７と同一の中間リンク電圧ＶＥＦＣの波形が示されている。セット値Ａも同じ値である。また、図８には、時刻ｔ１のときに中間リンク電圧ＶＥＦＣがセット値Ｂに達し、時刻ｔ２のときに充電が完了する様子が示されている。時刻ｔ２と時刻ｔ１との差は、遅延器２６によって設定される遅れ時間である。
【００４４】
前述した架線電圧の波形のひずみの問題に対応するため、セット値Ｂは、架線電圧に波形のひずみがあった場合でも、充電完了の判定を確実に実施できる値に設定される。前述の通り、セット値Ａとセット値Ｂとの間には、Ａ＞Ｂの関係がある。一方、このような関係にあるセット値Ｂを単純に使用した場合、前述した突入電流の問題が生じる。しかしながら、実施の形態１の構成では、中間リンク電圧ＶＥＦＣがセット値Ｂに達した場合でも、遅延器２６の作用によって、遅れ時間の分だけ充電完了の判定は保留される。図７及び図８に示されるように、中間リンク電圧ＶＥＦＣの波形は、充電回路の時定数に従って上昇する波形となる。このため、まず、架線電圧の波形のひずみを考慮してセット値Ｂを決定し、決定したセット値Ｂに対して突入電流の許容値に基づいて遅延器２６の遅れ時間を決定すれば、突入電流を抑制した上で、中間リンク電圧ＶＥＦＣを確実に起動電圧に到達させることが可能となる。
【００４５】
以上説明したように、実施の形態１に係る交流電気車の制御装置によれば、中間リンク電圧とセット値Ａとの比較結果が有意である場合、又は、中間リンク電圧とセット値Ｂとの比較結果を遅延させた出力が有意である場合に、コンデンサの初期充電が完了したと判定している。これにより、平滑コンデンサへの突入電流を抑制しつつ、中間リンク電圧ＶＥＦＣを確実に起動電圧に到達させることができる。その結果、架線電圧の波形にひずみがある場合でも、交流電気車の起動を迅速、且つ確実に実施することが可能となる。
【００４６】
実施の形態２．
図９は、実施の形態２における演算部２０Ａの構成を示すブロック図である。図９に示す演算部２０Ａでは、図２に示す実施の形態１の演算部２０の構成において、比較部２３が比較部２５に変更されている。また、演算部２０Ａでは、図２に示す実施の形態１の演算部２０の構成に架線電圧ピーク値算出部２８と、加減算器２９とが追加され、加減算器２９の出力が比較部２５に入力されるように構成されている。その他の構成については、実施の形態１の構成と同一又は同等であり、同一又は同等の構成部には同一の符号を付して重複する説明は割愛する。
【００４７】
架線電圧ピーク値算出部２８には、架線電圧瞬時値ＶＡＣ１が入力される。架線電圧ピーク値算出部２８は、架線電圧瞬時値ＶＡＣ１を用いて架線電圧瞬時値ＶＡＣ１のピーク値である架線電圧ピーク値ＶＰを算出する。なお、架線電圧ピーク値ＶＰを直接的に算出せずに、架線電圧瞬時値のピーク値を保持して出力してもよい。
【００４８】
加減算器２９には、架線電圧ピーク値算出部２８によって算出された架線電圧ピーク値ＶＰと、ＤＣＰＴ１０によって検出された中間リンク電圧ＶＥＦＣとが入力される。加減算器２９は、架線電圧ピーク値ＶＰと中間リンク電圧ＶＥＦＣとの差電圧である電位差ΔＶを生成する。
【００４９】
比較部２５には、加減算器２９によって生成された電位差ΔＶと、起動指令ＳＣとが入力される。比較部２５は、電位差ΔＶを判定閾値であるセット値Ｃと比較する。すなわち、比較部２５では、電位差ΔＶとセット値Ｃとの大小関係が比較される。セット値Ｃは、セット値Ａとは異なり、架線電圧に依存しない一定のセット値である。電位差ΔＶがセット値Ｃよりも小さい場合、比較部２５の比較結果は有意であるとして、比較部２５は、論理演算上の「１」を論理和回路２７に出力する。一方、電位差ΔＶがセット値Ｃ以上である場合、比較部２５の比較結果は有意ではないとして、比較部２５は、論理演算上の「０」を論理和回路２７に出力する。
【００５０】
なお、上記の説明では、電位差ΔＶがセット値Ｃよりも小さい場合に論理演算上の「１」を論理和回路２７に出力するとしているが、電位差ΔＶがセット値Ｃに等しい場合を含めて、論理演算上の「１」を論理和回路２７に出力してもよい。すなわち、電位差ΔＶがセット値Ｃ以下の場合に、論理演算上の「１」を論理和回路２７に出力してもよい。
【００５１】
論理和回路２７には、比較部２５の出力と、遅延器２６の出力とが入力される。比較部２４及び遅延器２６の機能及び作用は、実施の形態１と同一又は同等である。論理和回路２７は、比較部２５の出力と、遅延器２６の出力とのうちの少なくとも１つが論理演算上の「１」である場合、平滑コンデンサ９の初期充電が完了したことを示す初期充電完了信号ＴＣを出力する。以降の動作は、実施の形態１と同一又は同等である。
【００５２】
図１０は、実施の形態２における演算部２０Ａの動作説明に供する図である。図１０には、加減算器２９から出力される電位差ΔＶの波形が示されている。また、図１０には、時刻ｔ３のときに電位差ΔＶがセット値Ｃに達する様子が示されている。
【００５３】
前述の通り、架線電圧の波形にひずみがある場合、架線電圧の波形にひずみがない場合に比して、中間リンク電圧ＶＥＦＣは小さくなる。このことは、架線電圧ピーク値ＶＰについても当てはまる。従って、架線電圧の波形にひずみがある場合には、架線電圧の波形にひずみがない場合に比して、架線電圧ピーク値ＶＰも小さくなる。これにより、中間リンク電圧ＶＥＦＣの変動と、架線電圧ピーク値ＶＰの変動との間には、相関性があると考えられる。このため、実施の形態２のように、架線電圧ピーク値ＶＰと中間リンク電圧ＶＥＦＣとの電位差ΔＶを、判定閾値であるセット値Ｃと比較することで、架線電圧の波形にひずみがある場合でも、中間リンク電圧ＶＥＦＣを確実に起動電圧に到達させることができる。これにより、架線電圧の波形にひずみがある場合でも、交流電気車の起動を迅速、且つ確実に実施することが可能となる。
【００５４】
なお、架線電圧ピーク値ＶＰと中間リンク電圧ＶＥＦＣとの電位差ΔＶをセット値Ｃと比較する実施の形態２の判定ロジックは、中間リンク電圧ＶＥＦＣとセット値Ａとの大小関係を比較する実施の形態１の判定ロジックよりも確実性が高い。このため、バックアップ的に設けられている比較部２４、遅延器２６及び論理和回路２７を、図９の構成から削除してもよい。この構成の場合、比較部２５の比較結果が有意である場合、平滑コンデンサ７の初期充電が完了したと判定することができる。
【００５５】
実施の形態３．
図１１は、実施の形態３における演算部２０Ｂの構成を示すブロック図である。図１１に示す演算部２０Ｂでは、図９に示す実施の形態２の演算部２０Ａの構成において、論理和回路２７が論理和回路２７Ｂに変更され、図２に示す実施の形態１の演算部２０における比較部２３が追加されている。すなわち、実施の形態３における演算部２０Ｂは、図２に示す実施の形態１における演算部２０と、図９に示す実施の形態２における演算部２０Ａとを組み合わせて構成したものである。なお、実施の形態１及び実施の形態２の構成と同一又は同等の構成部には同一の符号を付して重複する説明は割愛する。
【００５６】
論理和回路２７Ｂには、比較部２３の出力と、比較部２５の出力と、遅延器２６の出力とが入力される。論理和回路２７Ｂは、比較部２３の出力と、比較部２５の出力と、遅延器２６の出力とのうちの少なくとも１つが論理演算上の「１」である場合、平滑コンデンサ９の初期充電が完了したことを示す初期充電完了信号ＴＣを出力する。以降の動作は、実施の形態１及び２と同一又は同等である。
【００５７】
実施の形態３によれば、中間リンク電圧ＶＥＦＣとセット値Ａとの大小関係を比較する実施の形態１の判定ロジックの特徴と、架線電圧ピーク値ＶＰと中間リンク電圧ＶＥＦＣとの電位差ΔＶとセット値Ｃとの大小関係を比較する実施の形態２の判定ロジックの特徴とを相補的に活用することで、架線電圧の波形のひずみに依存しない判定ロジックを構築することが可能となる。例えば、架線電圧の波形に大きなひずみがない場合には、比較部２５よりも比較部２３の方が先に論理演算上の「１」を出力するようにセット値Ａを選ぶ。また、架線電圧の波形に、例えば図４に示すようなひずみがある場合には、比較部２３よりも比較部２５の方が先に論理演算上の「１」を出力するようにセット値Ｃを選ぶ。このようなセット値Ａ及びセット値Ｃを選ぶことにより、架線電圧の波形のひずみに大きな影響を受けない判定ロジックの構築が可能となる。
【００５８】
最後に、実施の形態１から３における各演算部の機能を実現するためのハードウェア構成について、図１２及び図１３の図面を参照して説明する。図１２は、実施の形態１から３の各演算部におけるハードウェア構成の一例を示すブロック図である。図１３は、実施の形態１から３の各演算部におけるハードウェア構成の他の例を示すブロック図である。
【００５９】
実施の形態１から３における各演算部の機能を実現する場合には、図１２に示すように、演算を行うプロセッサ２００、プロセッサ２００によって読みとられるプログラムが保存されるメモリ２０２、及び信号の入出力を行うインタフェース２０４を含む構成とすることができる。
【００６０】
プロセッサ２００は、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）、又はＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）といった演算手段であってもよい。また、メモリ２０２には、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  ＲＯＭ）、ＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ  ＥＰＲＯＭ）といった不揮発性又は揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ  Ｄｉｓｃ）、ＢＤ（Ｂｌｕ−ｒａｙ（登録商標）  Ｄｉｓｋ）を例示することができる。
【００６１】
メモリ２０２には、各演算部の機能を実行するプログラム及びプロセッサ２００によって参照されるテーブルが格納されている。プロセッサ２００は、インタフェース２０４を介して必要な情報を授受し、メモリ２０２に格納されたプログラムをプロセッサ２００が実行し、メモリ２０２に格納されたテーブルをプロセッサ２００が参照することにより、上述した演算処理を行うことができる。プロセッサ２００による演算結果は、メモリ２０２に記憶することができる。
【００６２】
また、図１２に示すプロセッサ２００及びメモリ２０２は、図１３のように処理回路２０３に置き換えてもよい。処理回路２０３は、単一回路、複合回路、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  Ｓｐｅｃｉｆｉｃ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）、又は、これらを組み合わせたものが該当する。
【００６３】
なお、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
【符号の説明】
【００６４】
１  パンタグラフ、２  遮断器、３  主変圧器、３ａ  １次巻線、３ｂ  ２次巻線、４  充電抵抗器、５  充電接触器、６  主接触器、８  コンバータ、９  平滑コンデンサ、１０  直流電圧検出器、１１  インバータ、１２  制御部、１４  交流電圧検出器、１６  モータ、２０，２０Ａ，２０Ｂ  演算部、２１  架線電圧実効値算出部、２３，２４，２５  比較部、２６  遅延器、２７，２７Ｂ  論理和回路、２８  架線電圧ピーク値算出部、２９  加減算器、４０  直流電源、４２  等価抵抗、５０  制御装置、１００  駆動システム、１０１  交流架線、２００  プロセッサ、２０２  メモリ、２０３  処理回路、２０４  インタフェース。
【図１】
2019155588.tif 000003
【図２】
2019155588.tif 000004
【図３】
2019155588.tif 000005
【図４】
2019155588.tif 000006
【図５】
2019155588.tif 000007
【図６】
2019155588.tif 000008
【図７】
2019155588.tif 000009
【図８】
2019155588.tif 000010
【図９】
2019155588.tif 000011
【図１０】
2019155588.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
2019155588.tif 000014
【図１３】
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【手続補正書】
【提出日】令和2年7月29日(2020.7.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流架線からの交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、前記コンバータが出力する直流電圧を平滑化する平滑コンデンサとを有する交流電気車に搭載され、前記平滑コンデンサの初期充電を制御する交流電気車の制御装置であって、
前記平滑コンデンサに生じる電圧である中間リンク電圧を第１の閾値と比較する第１の比較部と、
前記中間リンク電圧を前記第１の閾値よりも小さい第２の閾値と比較する第２の比較部と、
前記第２の比較部の出力を遅延させる遅延器と、
を備え、
前記第１の比較部の出力と、前記遅延器の出力とのうちの少なくとも１つが有意である場合に前記平滑コンデンサの初期充電が完了したと判定する
ことを特徴とする交流電気車の制御装置。
【請求項２】
前記交流架線から出力される架線電圧の実効値を算出する実効値算出部を備え、
算出された前記架線電圧の実効値に基づいて、前記第１の閾値及び前記第２の閾値が設定されることを特徴とする請求項１に記載の交流電気車の制御装置。
【請求項３】
交流架線から出力され、主変圧器を介して印加される交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、前記コンバータが出力する直流電圧を平滑化する平滑コンデンサとを有する交流電気車に搭載され、前記平滑コンデンサの初期充電を制御する交流電気車の制御装置であって、
交流架線から出力される架線電圧のピーク値を算出するピーク値算出部と、
算出された前記架線電圧のピーク値と前記平滑コンデンサに生じる電圧である中間リンク電圧との差電圧を第１の閾値と比較する第１の比較部と、
を備え、
前記平滑コンデンサの前記初期充電を行う時に、前記コンバータによるスイッチング動作を行うことなく、前記コンバータを整流作用を行うダイオードコンバータとして動作させ、
前記第１の比較部の出力が有意である場合に前記平滑コンデンサの前記初期充電が完了したと判定する
ことを特徴とする交流電気車の制御装置。
【請求項４】
前記第１の閾値は、架線電圧に依存しない一定のセット値であることを特徴とする請求項３に記載の交流電気車の制御装置。
【請求項５】
前記中間リンク電圧を第２の閾値と比較する第２の比較部と、
前記第２の比較部の出力を遅延させる遅延器と、
を備え、
前記第１の比較部の出力と、前記遅延器の出力とのうちの少なくとも１つが有意である場合に前記平滑コンデンサの初期充電が完了したと判定する
ことを特徴とする請求項３又は４に記載の交流電気車の制御装置。
【請求項６】
交流架線から出力され、主変圧器を介して印加される交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、前記コンバータが出力する直流電圧を平滑化する平滑コンデンサとを有する交流電気車に搭載され、前記平滑コンデンサの初期充電を制御する交流電気車の制御装置であって、
前記平滑コンデンサに生じる電圧である中間リンク電圧を第１の閾値と比較する第１の比較部と、
前記中間リンク電圧を前記第１の閾値よりも小さい第２の閾値と比較する第２の比較部と、
前記第２の比較部の出力を遅延させる遅延器と、
交流架線から出力される架線電圧のピーク値を算出するピーク値算出部と、
算出された前記架線電圧のピーク値と前記平滑コンデンサに生じる電圧である中間リンク電圧との差電圧を第３の閾値と比較する第３の比較部と、
を備え、
前記第１の比較部の出力と、前記遅延器の出力と、前記第３の比較部の出力とのうちの少なくとも１つが有意である場合に前記平滑コンデンサの初期充電が完了したと判定する
ことを特徴とする交流電気車の制御装置。
【国際調査報告】
2019155588.tif 000016
2019155588.tif 000017