(57)【要約】      （修正有）【課題】駆動車をカットすることなくモータの最適動作点に近い動作をモータにさせる鉄道車両用制御装置を提供する。【解決手段】複数のモータ４を制御する鉄道車両用制御装置１０において、複数のモータ４と接続され、直流電力をモータ駆動用の三相交流電力に変換する電力変換回路１１と、複数のモータ４と電力変換回路１１を接続する各モータ線に接続される複数の交流遮断器１２と、運転台３からの運転制御指令に基づいて電力変換回路１１を制御する制御論理部１３と、運転台３からの運転制御指令により交流遮断器１２の開閉を制御する遮断器制御部１４とを備える。【選択図】図２
2018057185.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄道車両に搭載された複数のモータを制御する鉄道車両用制御装置において、
複数の前記モータと接続され、直流電力を前記モータの駆動用の三相交流電力に変換する電力変換回路と、
複数の前記モータと前記電力変換回路を接続する各モータ線に接続される複数の交流遮断器と、
運転台からの運転制御指令に基づいて前記電力変換回路を制御する制御論理部と、
前記運転台からの運転制御指令により前記交流遮断器の開閉を制御する遮断器制御部と
を備える
ことを特徴とする鉄道車両用制御装置。
【請求項２】
前記遮断器制御部は、
制御論理部と双方向に通信を行い、駆動車単位で動作させるモータ数を制御する
ことを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用制御装置。
【請求項３】
前記制御論理部は、
前記モータ線に設けられた電流センサの情報により算出される前記モータの推定温度と、駆動させた前記モータの状態遷移情報とにより、前記交流遮断器の劣化と、前記モータの温度上昇とを低減させる
ことを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用制御装置。
【請求項４】
前記制御論理部は、
前記交流遮断器を開放させる際の開放パタンを選択する
ことを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用制御装置。
【請求項５】
前記交流遮断器は半導体素子である
ことを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両用制御装置に関し、例えばインバータ装置に適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、大規模輸送が可能でありエネルギー効率の高い、鉄道車両が注目されている。鉄道車両は、高効率モータの導入、省エネ運転制御及びモータの効率に合わせた制御によって更なる省エネルギー化や効率の向上が期待されている。
【０００３】
この種の鉄道車両用制御装置の１つとして、例えば特許文献１には、モータの効率に合わせた制御として、モータの最適効率点に合わせ編成内で駆動車の駆動を停止する（以下、カットと呼ぶ）する発明が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２５４７７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、駆動車をカットする場合、駆動車単位でしか駆動するモータの個数を増減できないという問題がある。また、駆動車をカットする場合、駆動車が複数編成される長編成では駆動車をカットすることができるが、駆動車が１両しか編成されない短編成では駆動車をカットできないという問題がある。
【０００６】
また、駆動車をカットする場合、鉄道車両用制御装置を、編成全体を管理する車両情報制御装置と組み合わせる必要があるという問題がある。さらに、駆動車をカットする場合、カットの際に鉄道車両の動揺が発生しやすいという問題がある。
【０００７】
本発明は以上の点を考慮してなされたもので、駆動車をカットすることなくモータの最適動作点に近い動作をし得る鉄道車両用制御装置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】
【０００８】
複数のモータを制御する鉄道車両用制御装置において、複数のモータと接続され、直流電力をモータ駆動用の三相交流電力に変換する電力変換回路と、複数のモータと電力変換回路を接続する各モータ線に接続される複数の交流遮断器と、運転台からの運転制御指令に基づいて電力変換回路を制御する制御論理部と、運転台からの運転制御指令により交流遮断器の開閉を制御する遮断器制御部とを備えるようにした。
【０００９】
本鉄道車両用制御装置によれば、複数のモータを別個に制御でき、その時点の列車の運行に不要なモータが駆動しない。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、駆動車をカットすることなくモータの最適動作点に近い動作をモータにさせ得る鉄道車両用制御装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施の形態による鉄道車両を示す概念図である。
【図２】本実施の形態による鉄道車両用制御装置のブロック図である。
【図３】本実施の形態による識別コードの説明に供する概念図である。
【図４】本実施の形態による鉄道車両用制御装置が要求されるトルク特性を示す図である。
【図５】本実施の形態による駆動モータ数決定処理の処理手順を示すフローチャートである。
【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）本実施の形態による鉄道車両用制御装置の構成
図１において、１は全体として鉄道車両を示す。鉄道車両１は、駆動車Ｍ及び付随車Ｔを備える。鉄道車両１は、ノッチに関する指令（以下、ノッチ指令と呼ぶ）、トルクに関する指令（以下、トルク指令と呼ぶ）及び運転モードに関する指令（以下、運転モード指令と呼ぶ）などの運転制御指令を送信する運転台３を備える。
【００１４】
駆動車Ｍは複数のモータ（４Ａ、４Ｂ、４Ｃ及び４Ｄ）及び鉄道車両用制御装置１０を備え、鉄道車両１を駆動する。なお、モータ４は誘導電動機（Induction Motor）などとする。
【００１５】
付随車Ｔは、駆動車Ｍに付随する車両である。モータ（４Ａ、４Ｂ、４Ｃ及び４Ｄ）は、鉄道車両用制御装置１０によって制御され、架線からパンタグラフ２を介して供給される電力によって鉄道車両１を駆動する。
【００１６】
通常運転の際には、鉄道車両１Ａのように、駆動車（Ｍ１、Ｍ２及びＭ３）のモータ（４Ａ、４Ｂ、４Ｃ及び４Ｄ）は駆動している。駆動しているモータ４を図１中において斜線部としている。
【００１７】
従来通りに、鉄道車両１Ａの駆動車Ｍ２をカットし、鉄道車両１Ｂの付随車Ｔ２とし、鉄道車両１Ｂのような構成とすることもできるが、この場合、動力が分散せずに、一部に集中しているため、運転の際に、鉄道車両１Ｂの車両間の動揺が発生しやすくなる。鉄道車両１Ｂの付随車Ｔ２のモータ（４Ａ、４Ｂ、４Ｃ及び４Ｄ）の駆動は停止しており、図１中において、駆動が停止していることを表すため白抜きとしている。
【００１８】
駆動車Ｍのカット時と駆動させるモータ４の数を変えることなく、鉄道車両１Ｃのように、動力を分散させることで、鉄道車両１Ｃの車両間の動揺の発生を抑えるができる。駆動車Ｍ１の第３のモータ４Ｃ、駆動車Ｍ２の第２のモータ４Ｂ、駆動車Ｍ２の第３のモータ４Ｃ、駆動車Ｍ３の第２のモータ４Ｂの駆動を停止することで、鉄道車両１Ｃの車両間の動揺の発生を抑えるができる。
【００１９】
図２は、鉄道車両用制御装置１０のブロック図を示す。鉄道車両用制御装置１０は、架線からの直流電流をモータ４に供給する交流電流に変換するインバータなどの電力変換回路１１、モータ４への交流電流を遮断する半導体素子などの交流遮断器１２、電力変換回路１１を制御する制御論理部１３及び交流遮断器１２を制御する遮断器制御部１４を備える。
【００２０】
電力変換回路１１には、架線からの直流電流が、高速度遮断器、充電接触器、充電抵抗器、断流器、フィルタリアクトル、フィルタコンデンサ及びアースブラシを介して供給される。高速度遮断器は、異常な直流電流を高速度で検知し、高速度遮断器を開放することで異常電流を遮断する。
【００２１】
架線からの直流電流が供給される供給段階の初期は、充電接触器及び充電抵抗器が接続されている経路から電力変換回路１１へ直流電流が供給される。この際に、フィルタコンデンサは充電される。フィルタコンデンサが充電され、架線の電圧及びフィルタコンデンサの電圧が同等程度となると、充電接触器が開放され、断流器が接続されている経路から、直流電流が電力変換回路１１へ供給される。
【００２２】
フィルタリアクトルは、鉄道車両用制御装置１０から架線へ高調波などの電気ノイズを流さないために設けている。また架線からの直流電流は、アースブラシを介して線路へ流れる。鉄道車両１の運転開始時、運転停止時及び異常発生時に、制御論理部１３は断流器及び充電接触器の開閉指示を行い、鉄道車両用制御装置１０を保護する。
【００２３】
電力変換回路１１は、複数のスイッチング素子１１Ａを備え、架線からの直流電流を３組の単相交流（以下、三相交流と呼ぶ）に変換する。各単相交流は２つのスイッチング素子１１Ａを用いて変換される。また、電力変換回路１１は、各単相交流の電流を測定するため各単相交流のモータ線に設けられた電流センサ１１Ｂを備える。スイッチング素子１１ＡはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）のようなスイッチングを行う半導体である。
【００２４】
交流遮断器１２は、各単相交流が供給され、各モータ（４Ａ、４Ｂ、４Ｃ及び４Ｄ）にそれぞれ接続され、遮断器制御部１４のＯＮ／ＯＦＦの指示に応じて各モータ（４Ａ、４Ｂ、４Ｃ及び４Ｄ）への交流を遮断する。
【００２５】
遮断器制御部１４は、交流遮断器１２の開閉状態をフィードバック情報として取得し、駆動モータ選択演算処理部１３Ａへ送信する。また、遮断器制御部１４は、駆動モータ選択演算処理部１３Ａからの指令を受信し、交流遮断器１２を駆動する。
【００２６】
制御論理部１３は、各ゲートドライブを介して電力変換回路１１の各単相交流への変換を制御する。制御論理部１３は、駆動させるモータ４の数を決定する駆動モータ選択演算処理部１３Ａ、運転台３からのトルク指令を受信するトルク指令部１３Ｂ及びパルス幅変調を行うＰＷＭ制御部１３Ｃを備える。
【００２７】
各駆動車Ｍは、その荷重によって出力すべきトルクが異なるため、運転台３はそれぞれのトルクを決定し、各駆動車Ｍのトルク指令部１３Ｂにそれぞれトルク指令を送信する。駆動モータ選択演算処理部１３Ａは、トルク指令部１３Ｂを介して受信するトルク指令、運転台３から受信するノッチ指令及び運転モード指令を基に駆動させるモータ４の数を決定し、遮断器制御部１４へ指令を送信する。また、駆動モータ選択演算処理部１３Ａは、電流センサ１１Ｂの電力変換回路１１の出力電流情報及びモータ４に設けられた速度センサ４１の情報を、交流遮断器１２及び遮断器制御部１４を介して取得する。
【００２８】
ＰＷＭ制御部１３Ｃはトルク指令部１３Ｂを介して受信するトルク指令を基に、ゲートドライブへゲート信号を出力する。
【００２９】
駆動モータ選択演算処理部１３Ａは、運転台３からのノッチを上げるノッチ指令（以下、ノッチアップ指令とする）に対しては、交流遮断器１２の制御を追従させる。一方、駆動モータ選択演算処理部１３Ａは、運転台３からのノッチを下げるノッチ指令（以下、ノッチダウン指令とする）に対しては、一定の条件を満たしたときのみ交流遮断器１２の制御を追従させるなどし、交流遮断器１２の制御を追従させにくくする。ノッチダウン指令では交流遮断器１２を開放することがある。
【００３０】
駆動モータ選択演算処理部１３Ａは、ノッチアップ指令及びノッチダウン指令の制御に差分を設けることで、短時間のうちに過度にノッチ操作が行われた場合における、交流遮断器１２の不要な開閉を防ぐことができる。言い換えると、駆動モータ選択演算処理部１３Ａは、交流遮断器１２の開放が電力変換回路１１へ与える影響を最小限にするために交流遮断器１２の開放パタンを選択することができる。
【００３１】
図３を用いて駆動モータ選択演算処理部１３Ａが遮断器制御部１４を経由して交流遮断器１２を制御する際に用いる識別コードを説明する。識別コードは、６桁の数字（図３中のＸＸＹＹＺＺ）で構成され、上位二桁（図３中のＸＸ）が駆動車番号を示し、中二桁（図３中のＹＹ）がモータを駆動させる数を示し、下二桁（図３中のＺＺ）がタイプ番号を示す。駆動車番号は、駆動車の識別をする番号であり、タイプ番号とは、駆動させるモータの組み合わせを識別する番号である。
【００３２】
識別コードテーブルＴＢ３０は、第１のモータ４Ａを駆動させるかを○（駆動させる）及び×（駆動させない）で表す第１のモータ列ＴＢ３１を備える。第２のモータ４Ｂ、第３のモータ４Ｃ及び第４のモータ４Ｄに関しても駆動させるか否かを同様に第２のモータ列ＴＢ３２、第３のモータ列ＴＢ３３及び第４のモータ列ＴＢ３４で示している。識別コードテーブルＴＢ３０は、第２のモータ列ＴＢ３２、第３のモータ列ＴＢ３３及び第４のモータ列ＴＢ３４を備える。なお駆動モータ選択演算処理部１３Ａは識別コードテーブルＴＢ３０を備える。
【００３３】
各モータ４を駆動させるか否かの組み合わせには固有の識別コードが付されている。識別コードは識別コードテーブルＴＢ３０に備えられる識別コード列ＴＢ３５に格納される。なお、識別コードテーブルＴＢ３０は、各識別コードにおけるモータの駆動数を示す駆動数列ＴＢ３６を備えてもよい。また、図３中の○及び×は説明上のもので、１及び０などとしてもよいものとする。
【００３４】
駆動モータ選択演算処理部１３Ａは、遮断器制御部１４から伝送される識別コードを識別コードテーブルＴＢ３０に格納し参照することで、どのモータを駆動させるかを判断する。
【００３５】
遮断器制御部１４は、駆動モータ選択演算処理部１３Ａから駆動させるモータ４の数（識別コード中に含まれる）を受信するたびに、遮断器制御部１４が保持する識別コードに含まれるタイプ番号を、００、０１、０２、０３、００といったように、ローテーションする。このローテーションを行うことで、各交流遮断器１２の劣化を均一にすることができる。なお、このローテーションは、駆動させるモータ４の数が前回受信したものと同一の場合のみに行ってもよいものとする。
【００３６】
また駆動モータ選択演算処理部１３Ａは、駆動させたモータ４の状態遷移を示す識別コードの遷移情報、及び電流センサ１１Ｂから取得する電流情報に基づいて算出する各モータ４の温度推定値を基に、駆動させるモータ４が偏ることが無いようにし、モータ４の温度の上昇を低減することができる。
【００３７】
図４に鉄道車両用制御装置１０が要求されるトルク特性を示す。駆動車Ｍの速度（ｋｍ／ｈ）と駆動車Ｍのトルク（Ｎｍ）の関係を示しており、グラフ４０１は駆動車Ｍの速度に応じた最適トルクｔ＊に駆動させるモータ数ｎを乗じた値を示しており、グラフ４０２は駆動車Ｍの速度に応じた必要トルクＴを示している。駆動モータ選択演算処理部１３Ａは、駆動車Ｍの速度を、遮断器制御部１４を介して速度センサ４１から取得する。
【００３８】
なお最適トルクｔ＊及び必要トルクＴの値は、トルク指令部１３Ｂを介して駆動モータ選択演算処理部１３Ａが受信するトルク指令に基づく。なお、最適トルクは駆動車Ｍを駆動させる際に１つのモータ４に最適なトルクとし、必要トルクとは駆動車Ｍを駆動させるために必要なトルクとする。図４からわかるようにｔ＊×ｎ≧Ｔの関係を満たすときに、駆動させるモータ４の数を減らすことができる。
【００３９】
図５に駆動モータ選択演算処理部１３Ａが行う駆動モータ数決定処理の処理手順を示す。駆動モータ選択演算処理部１３Ａは、ｎに駆動車Ｍが搭載するモータ数を設定する（ＳＰ１１）。駆動モータ選択演算処理部１３Ａはｔ＊×ｎ≧Ｔか否かを判断する（ＳＰ１２）。駆動モータ選択演算処理部１３Ａは、この判断で否定結果を得ると駆動モータ数決定処理を終了する。
【００４０】
これに対して、駆動モータ選択演算処理部１３Ａは、ステップＳＰ１２で肯定結果を得ると、ｎ−１をｎとし（ＳＰ１３）、ステップＳＰ１２に戻り、ステップＳＰ１２で否定結果を得るまでステップＳＰ１２、ステップＳＰ１３の処理を繰り返す。
【００４１】
（２）本実施の形態の効果
以上のように本実施の形態の鉄道車両用制御装置１０では、トルクを必要としない運転をする際に、交流遮断器１２を開閉し、駆動させるモータ４の数を制御することができる。従って、本鉄道車両用制御装置１０によれば、駆動車Ｍをカットすることなくモータ４の最適動作点に近い動作をモータ４にさせることができる。なお鉄道車両用制御装置１０単体での最適トルクでの動作が可能であり、鉄道車両１としても省エネルギー化を実現し得る。
【符号の説明】
【００４２】
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ……鉄道車両、２……パンタグラフ、３……運転台、４……モータ、１０……鉄道車両用制御装置、１１……電力変換回路、１２……交流遮断器、１３……制御論理部、１４……遮断器制御部。
【図１】
2018057185.tif 000003
【図２】
2018057185.tif 000004
【図３】
2018057185.tif 000005
【図４】
2018057185.tif 000006
【図５】
2018057185.tif 000007