(57)【要約】【課題】架線電圧が車両側に印加されなくなった場合であっても、車両用電源装置を動作させることができる交流電気車制御システムを提供することである。【解決手段】実施形態の交流電気車制御システムは架線から遮断器を介して交流電力が供給される駆動用インバータ装置と車両用電源装置との各々にコンバータとインバータを持つ。実施形態の交流電気車制御システムは、交流電気車を駆動させる交流電気車制御システムである。実施形態の交流電気車制御システムは、第１の制御部と第２の制御部を持つ。第１の制御部は、無電区間に進入した際に、前記遮断器を開放し、前記駆動用インバータ装置のコンバータを回生動作させるとともに、駆動用インバータ装置から車両用電源装置に前記回生動作を示す回生信号を出力する。第２の制御部は、前記回生信号に基づいて前記車両用電源装置のコンバータを整流器として駆動させ、前記回生動作により発生した電力を整流させる。【選択図】図１
2015128353.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
架線から遮断器を介して交流電力が供給される駆動用インバータ装置と車両用電源装置との各々にコンバータとインバータが備えられ、交流電気車を駆動させる交流電気車制御システムであって、
無電区間に進入した際に、前記遮断器を開放し、前記駆動用インバータ装置のコンバータを回生動作させるとともに、駆動用インバータ装置から車両用電源装置に前記回生動作を示す回生信号を出力する第１の制御部と、
前記回生信号に基づいて前記車両用電源装置のコンバータを整流器として駆動させ、前記回生動作により発生した電力を整流させる第２の制御部と、
を有する交流電気車制御システム。
【請求項２】
前記第１の制御部は、前記車両用電源装置のコンバータが前記整流器として駆動する場合に、前記車両用電源装置のコンバータの出力電圧が、所定の電圧となるように、前記駆動用インバータ装置内のコンバータの回生電圧を制御する請求項１に記載の交流電気車制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、交流電気車制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
架線から直流電力を供給し、鉄道車両を走行させる直流電気車制御システムがある。このようなシステムでは、無電区間などにおいて架線電圧が車両側に印加されなくなった場合に、モータの回生電力で車両用電源装置を動作させることができるものもある。
【０００３】
しかしながら、交流電気車制御システムにおいては、車両用電源装置を架線の電圧、位相に同期して動作させており、無電区間などで架線電圧が車両側に印加されない場合、架線の電圧と位相を検出できないため、回生電力を使用することができず、車両用電源装置を動作させることができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１４８５３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、架線電圧が車両側に印加されなくなった場合であっても、車両用電源装置を動作させることができる交流電気車制御システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態の交流電気車制御システムは、架線から遮断器を介して交流電力が供給される駆動用インバータ装置と車両用電源装置との各々にコンバータとインバータを持つ。実施形態の交流電気車制御システムは、交流電気車を駆動させる交流電気車制御システムである。実施形態の交流電気車制御システムは、第１の制御部と第２の制御部を持つ。第１の制御部は、無電区間に進入した際に、前記遮断器を開放し、前記駆動用インバータ装置のコンバータを回生動作させるとともに、駆動用インバータ装置から車両用電源装置に前記回生動作を示す回生信号を出力する。第２の制御部は、前記回生信号に基づいて前記車両用電源装置のコンバータを整流器として駆動させ、前記回生動作により発生した電力を整流させる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】実施形態の交流電気車制御システムを示すブロック図である。
【図２】実施形態の交流電気車制御システム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】
【０００８】
以下、実施形態の交流電気車制御システムを、図面を参照して説明する。図１は、実施形態の交流電気車制御システムを示すブロック図である。
図１に示すように、交流電気車制御システムは、架線１、パンタグラフ２、交流用遮断器３、メイントランス４、電圧センサ５、駆動用インバータ装置６、車両用電源装置７、モータ１６、補助回路１５を備えている。交流電気車制御システムは、架線１から交流電力をパンタグラフで受電し、交流電気車制御システムを備える交流電気車を走行させる。
パンタグラフ２は、一端が架線１に接続され、交流電力を受電する。また、パンタグラフ２は、他端が電圧センサ５と交流用遮断器３にそれぞれ接続されている。パンタグラフ２により架線１から受電された電力は、交流用遮断器３を介してメイントランス４の１次側巻線の一端側に供給される。
【０００９】
電圧センサ５は、パンタグラフ２の他端に接続され、架線１から供給される交流電圧の電圧と位相を測定する。また、電圧センサ５は、駆動用インバータ装置６と車両用電源装置７の各々に接続されている。電圧センサ５は、一定周期毎に測定した交流電圧の電圧と位相とを検出した検出結果を電圧・位相信号として駆動用インバータ装置６と車両用電源装置７の各々に出力する。
交流用遮断器３は、メイントランス４の１次側巻線４１の一端に接続される。また、交流用遮断器３は、駆動用インバータ装置６に接続されている。交流用遮断器３は、駆動用インバータ装置６からの制御信号に基づいて、パンタグラフ２とメイントランス４の１次側巻線との間の経路を開閉する。
【００１０】
メイントランス４は、１次側巻線４１、２次側巻線４２、２次側巻線４３を備えている。
メイントランス４の１次側巻線４１は、一端が交流用遮断器３に接続され、他端が車輪を通して交流電気車が走行する走行レールに接地される。これにより、メイントランス４の１次側巻線４１は、メイントランス４の１次側巻線４１の他端側と変電所との間で帰線回路が構成され、メイントランス４の２次側巻線４２、４３から、それぞれ駆動用インバータ装置６、車両用電源装置７に適合した電圧に降圧された電力を取出すことが可能になる。
【００１１】
駆動用インバータ装置６は、駆動用インバータ内コンバータ８、駆動用インバータ内インバータ９、第１の制御部１０、フィルタコンデンサ１７を備えている。
駆動用インバータ内コンバータ８は、２次側巻線４２から入力される単相交流電力を直流電力に変換する整流器である。また、駆動用インバータ内コンバータ８は、複数のスイッチング素子とスイッチング素子に並列に接続された転流ダイオ―ドを組み合わせた電力変換回路として構成される。スイッチング素子は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を用いることができる。
【００１２】
駆動用インバータ内コンバータ８は、スイッチング素子のゲート端子が第１の制御部１０に接続されており、第１の制御部１０から出力される第１の駆動信号によりスイッチング素子の通電状態が制御される。駆動用インバータ内コンバータ８は、例えばＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御を適用することができる。駆動用インバータ内コンバータ８は、メイントランス４の２次側巻線４２から供給された交流電力を直流電力に変換するコンバータとしての動作と、駆動用インバータ内インバータ９からの直流電力を交流電力に変換するインバータとしての動作が可能である。
【００１３】
フィルタコンデンサ１７は、駆動用インバータ内コンバータ８から出力される直流電圧の脈動成分を平滑化する。
【００１４】
駆動用インバータ内インバータ９は、駆動用インバータ内コンバータ８から供給される直流電力を元に三相の交流電力を生成する。駆動用インバータ内インバータ９は、複数のスイッチング素子とスイッチング素子に並列に接続された転流ダイオ―ドを組み合わせた電力変換回路として構成される。スイッチング素子は、例えばＩＧＢＴを用いることができる。
【００１５】
駆動用インバータ内インバータ９は、スイッチング素子のゲート端子が第１の制御部１０に接続されている。駆動用インバータ内インバータ９は、第１の制御部１０から出力される第２の駆動信号によりスイッチング素子の通電状態が制御される。実施形態ではスイッチング素子の制御方式としてＰＷＭ制御を適用することができる。
駆動用インバータ内インバータ９は、スイッチング素子が高速でオン（通電状態）／オフ（非通電状態）を繰り返すことで、直流から三相交流を発生させる。駆動用インバータ内インバータ９は、発生させた三相交流電力をモータ１６に供給する。また、駆動用インバータ内インバータ９は、モータ１６からの回生電力を直流電力に変換するコンバータとしても動作可能である。
【００１６】
モータ１６は、駆動用インバータ内インバータ９から三相交流電力が供給されることで車軸を回転駆動するモータであり、例えば三相交流誘導モータである。また、モータ１６は、回生運転時には、発生した回生電力を駆動用インバータ内インバータ９に供給する。
【００１７】
第１の制御部１０は、駆動用インバータ内コンバータ８と駆動用インバータ内インバータ９の動作を制御する。具体的には、第１の制御部１０は、第１の駆動信号を生成し、駆動用インバータ内コンバータ８のスイッチング素子のゲート端子に出力することで駆動用インバータ内コンバータ８のスイッチング素子の通電時間を制御する。また、第１の制御部１０は、第２の駆動信号を生成し、駆動用インバータ内インバータ９のスイッチング素子のゲート端子に出力することで、駆動用インバータ内インバータ９のスイッチング素子の通電時間を制御する。
【００１８】
第１の制御部１０は、給電区間において、モータ１６を駆動する場合、電圧センサ５から出力される電圧・位相信号に基づいて第１の駆動信号と第２の駆動信号とを生成し、出力する。
第１の制御部１０は、無電区間において、モータ１６が回生運転する場合、第２の制御部１４（後述）にモータ１６が回生運転中であることを示す信号（以下、「回生信号」という。）を出力する。なお、回生信号の出力は、架線１からの交流電圧の供給が停止した際に行われるものであり、例えば、交流電気車が架線１の無電区間に進入した場合に行われる。
【００１９】
また、第１の制御部１０は、交流用遮断器３に制御信号を出力することで、交流用遮断器３を開放させ、パンタグラフ２からメイントランス４の１次側巻線までの経路を電気的に遮断する。
【００２０】
車両用電源装置７は、車両用電源装置内コンバータ１１、車両用電源装置内インバータ１２、交流フィルタ１３、第２の制御部１４、フィルタコンデンサ１８を備えている。
車両用電源装置内コンバータ１１は、２次側巻線４３から入力される単相交流電力を直流電力に変換する整流器である。また、車両用電源装置内コンバータ１１は、複数のスイッチング素子とスイッチング素子に並列に接続された転流ダイオ―ドを組み合わせた電力変換回路として構成される。スイッチング素子は、例えばＩＧＢＴを用いることができる。
【００２１】
車両用電源装置内コンバータ１１は、スイッチング素子のゲート端子が第２の制御部１４に接続されており、第２の制御部１４から出力される第３の駆動信号によりスイッチング素子の通電状態が制御される。車両用電源装置内コンバータ１１は、例えばＰＷＭ制御を適用することができる。
【００２２】
フィルタコンデンサ１８は、車両用電源装置内コンバータ１１からの直流電圧の脈動成分を平滑化する。
車両用電源装置内インバータ１２は、車両用電源装置内コンバータ１１から供給される直流電力を元に定電圧かつ定周波数の三相の交流電力を生成する。車両用電源装置内インバータ１２は、例えば静止形インバータ（所謂ＳＩＶ）である。
【００２３】
交流フィルタ１３は、入力が車両用電源装置内インバータ１２に接続され、出力が補助回路１５に接続されている。交流フィルタ１３は、交流リアクトル、交流コンデンサを有している。交流フィルタ１３は、車両用電源装置内コンバータ１１からの出力を正弦波に波形整形するフィルタである。
【００２４】
第２の制御部１４は、車両用電源装置内コンバータ１１と車両用電源装置内インバータ１２の動作を制御する。具体的には、第２の制御部１４は、第３の駆動信号を生成し、車両用電源装置内コンバータ１１のスイッチング素子のゲート端子に出力することで通電時間を制御する。また、第２の制御部１４は、予め設定された第４の駆動信号を車両用電源装置内インバータ１２のスイッチング素子のゲート端子に出力することで通電時間を制御する。これにより、第２の制御部１４は、メイントランス４の２次側巻線４３からの交流電力を定電圧かつ定周波数の正弦波に変換し、補助回路１５に供給する。
また、第２の制御部１４は、第１の制御部１０から回生信号を受信した場合、車両用電源装置内コンバータ１１に第３駆動信号を出力することを停止する。
【００２５】
補助回路１５は、交流電気車の交流空調装置やブロア、蛍光灯などである。補助回路１５は、正弦波の交流電圧が供給されることで駆動する。
【００２６】
次に、実施形態の交流電気車制御システムの動作について、図面を参照して説明する。図２は、実施形態の交流電気車制御システムの動作を示すフローチャートを示す図である。
ステップＳ１００において、第１の制御部１０は、交流電気車が無電区間を走行しているか否かを判定する（後述する）。交流電気車が無電区間を走行している場合（ステップＳ１００：ＹＥＳ）、ステップＳ１０１に進む。一方、交流電気車が無電区間を走行していない場合（ステップＳ１００：ＮＯ）、再度ステップＳ１００の処理を実行する。第１の制御部１０は、一定時間毎にステップＳ１００の処理を行う。
【００２７】
無電区間を走行しているか否かの判定方法は、例えば、電圧センサ５が測定した架線１からの交流電圧が予め設定してある閾値未満になった場合、第１の制御部１０は、交流電気車が無電区間を走行していると判定する。一方、電圧センサ５が測定した架線１からの交流電圧が予め設定してある閾値以上になった場合、第１の制御部１０は、交流電気車が無電区間を走行していないと判定する。
ただし、実施形態は、これに限定されるものではない。例えば、交流電気車が無電区間に進入することを検知する無電区間検知システムからの検知結果を表す検知信号に基づいて、第１の制御部１０は、そのシステムから検知信号を受信することで交流電気車が無電区間を走行していると判定する。一方、第１の制御部１０は、無電区間検知システムから検知信号を受信しない場合、交流電気車が無電区間を走行していないと判定する。
【００２８】
ステップＳ１０１において、交流電気車が無電区間に突入することで、架線１からメイントランス４の１次側巻線の一端に対する交流電力の供給が停止すると、モータ１６は、自身の慣性により回生運転を行い、発電機として動作する。
第１の制御部１０は、交流用遮断器３に制御信号を出力し、交流用遮断器３を開放状態にする。これにより、パンタグラフ２からメイントランス４の１次側巻線までの経路は電気的に遮断される。
【００２９】
ステップＳ１０２において、モータ１６の回生運転により発生した交流電力が駆動用インバータ内インバータ９に入力される。駆動用インバータ内インバータ９は、回生された交流電力を直流電力に電力変換し、フィルタコンデンサ１７を介して直流電力を駆動用インバータ内コンバータ８に供給する。駆動用インバータ内コンバータ８は、第１の制御部１０によりＰＷＭインバータとして動作することで、駆動用インバータ内インバータ９からの直流電力を交流電力に変換する。この場合、第１の制御部１０は、第１の駆動信号のデューティ比を設定し、駆動用インバータ内コンバータ８のスイッチング素子に出力する。
【００３０】
ステップＳ１０３において、第１の制御部１０は、第２の制御部１４に回生信号を出力する。第２の制御部１４は、第１の制御部１０から回生信号を受信すると、第３の駆動信号を出力することを停止し、車両用電源装置内コンバータ１１のスイッチング素子を常にオフ状態（通電しない状態）とする。
【００３１】
交流電気車が無電区間を走行する場合において、実施形態の交流電気車制御システムでは、上述したステップＳ１０１〜ステップＳ１０３の処理が行われる。以下に、交流電気車が無電区間を走行している場合の流れを説明する。
【００３２】
無電区間を走行していると判定されると、モータ１６の回生運転により発生した交流電力が駆動用インバータ内インバータ９により直流電力に変換され、この直流電力が駆動用インバータ内コンバータ８により交流電力に変換される。
駆動用インバータ内コンバータ８で変換された交流電力は、メイントランス４に入力されるが、すでに交流用遮断器３が開放されているため、架線１には供給されず、メイントランス４の２次側巻線４３に供給される。
【００３３】
車両用電源装置内コンバータ１１は、メイントランス４の２次側巻線４３から交流電力が供給される。車両用電源装置内コンバータ１１のスイッチング素子は、上述したように、オフ状態であるため、車両用電源装置内コンバータ１１は、整流回路として動作する。具体的には、車両用電源装置内コンバータ１１は、スイッチング素子のスイッチ動作を行わず、供給された交流電圧を転流ダイオードで整流する。整流された電力は、フィルタコンデンサ１８において、脈動成分が平滑化され、車両用電源装置内インバータ１２に供給される。
【００３４】
車両用電源装置内インバータ１２は、車両用電源装置内コンバータ１１から供給される直流電力を元に定電圧かつ定周波数の三相の交流電力を生成し、交流フィルタ１３を介して補助回路１５に出力する。ここで、車両用電源装置内コンバータ１１の出力電圧、即ちフィルタコンデンサ１８の電圧を制御したい場合は、駆動用インバータ内コンバータ８のデューティ比を制御することで可能であり、フィルタコンデンサ１８の電圧を高く設定したい場合、第１の制御部１０は、第１の駆動信号のデューティ比を高く設定する。一方、フィルタコンデンサ１８の電圧を低く設定したい場合、第１の制御部１０は、第１の駆動信号のデューティ比を低く設定する。例えば、フィルタコンデンサ１８の電圧が、架線電圧が印加されているときと同じ電圧になるように、デューティ比を制御することも可能である。
上述したように、交流電気車は、無電区間において、回生電力を車両用電源装置内インバータ１２に供給することができる。よって、交流電気車は、無電区間においても車両用電源装置の動作を継続することができる。
【００３５】
ステップＳ１０４において、第１の制御部１０は、交流電気車が給電区間を走行しているか否かを判定する。第１の制御部１０は、交流電気車が給電区間を走行している場合（ステップＳ１０４：ＹＥＳ）、ステップＳ１０５に進む。一方、第１の制御部１０は、交流電気車が給電区間を走行していない場合（ステップＳ１０４：ＮＯ）、ステップＳ１０２に戻り、ステップＳ１０２〜ステップＳ１０４の処理を行う。
【００３６】
ステップＳ１０５において、第１の制御部１０は、交流用遮断器３に制御信号を出力し、交流用遮断器３を投入状態、即ちパンタグラフ２からメイントランス４の１次側巻線までの経路は電気的に接続される。これにより、架線１からの交流電力は、メイントランス４を介して、駆動用インバータ内コンバータ８と車両用電源装置内コンバータ１１の各々に供給される。
【００３７】
ステップＳ１０６において、第１の制御部１０は、駆動用インバータ内コンバータ８をＰＷＭインバータとしての動作を停止する。また、第１の制御部１０は、電圧センサ５から電圧・位相信号を取得し、ＰＷＭ制御により、第１の駆動信号のデューティ比を設定し、第１の駆動信号を出力する。これにより、第１の制御部１０は、駆動用インバータ内コンバータ８をＰＷＭコンバータとして動作させる。駆動用インバータ内コンバータ８の出力は、フィルタコンデンサ１７で脈動成分を平滑化された後、駆動用インバータ内インバータ９に供給される。駆動用インバータ内インバータ９は、供給された直流電力を三相交流電力に変換し、モータ１６を駆動する。
【００３８】
ステップＳ１０７において、第１の制御部１０は、第２の制御部１４に対する回生信号の出力を停止する。これにより、第２の制御部１４は、転流ダイオードのみの整流動作を停止する。また、第２の制御部１４は、電圧センサ５から電圧・位相信号を取得し、ＰＷＭ制御により、第３の駆動信号のデューティ比を設定し出力する。これにより、第２の制御部１４は、車両用電源装置内コンバータ１１をＰＷＭコンバータとして動作させる。車両用電源装置内コンバータ１１の出力は、フィルタコンデンサ１８で脈動成分を平滑化された後、車両用電源装置内インバータ１２に供給される。車両用電源装置内インバータ１２は、供給された直流電力を元に定電圧かつ定周波数の三相の交流電力に変換し、交流フィルタ１３に出力する。交流フィルタ１３は、供給された電力を正弦波に波形整形し、補助回路１５に供給する。
【００３９】
次に実施形態の効果について説明する。
実施形態によれば、無電区間において、駆動用インバータ装置は、交流用遮断器を開放した状態でモータの回生動作により生成された電力をメイントランス４に供給する。また、駆動用インバータ装置は、車両用電源装置に対して回生していることを示す回生信号を送る。車両用電源装置は、回生信号を受信することで、架線１から供給される交流電圧の位相に基づいて動作することを停止する。つまり、車両用電源装置は、交流用遮断器を開放した状態で第３の駆動信号をスイッチング素子のゲート端子に出力することを停止する。
【００４０】
これにより、車両用電源装置は、スイッチング素子に並列接続されている転流ダイオードで交流電力を整流し、整流された直流電力を三相の交流電力に変換し補助回路１５に出力する。よって、実施形態の交流電気車制御システムは、無電区間においても車両用電源装置の運転を継続することができ、交流電気車の補助回路１５に電力を供給することができる。
【００４１】
以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、無電区間において、交流用遮断器を開放し、駆動用インバータ装置のコンバータを回生動作させるとともに、駆動用インバータ装置から車両用電源装置に回生信号を出力する。また、車両用電源装置は、その回生信号により車両用電源装置のコンバータを整流器と動作させることにより、無電区間などで架線電圧が車両側に印加されない場合に車両用電源装置を動作させることができる。
【００４２】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００４３】
１…架線  ２…パンタグラフ  ３…交流用遮断器  ４…メイントランス  ５…電圧センサ  ６…駆動用インバータ装置  ７…車両用電源装置  ８…駆動用インバータ内コンバータ  ９…駆動用インバータ内インバータ  １０…第１の制御部  １１…車両用電源装置内コンバータ  １２…車両用電源装置内インバータ  １３…交流フィルタ  １４…第２の制御部  １５…補助回路  １７、１８…フィルタコンデンサ
【図１】
2015128353.tif 000003
【図２】
2015128353.tif 000004