(57)【要約】【課題】定期的な保守・点検が必要なく、故障発生後の運転についても信頼度が高い補助電源装置を提供する。【解決手段】補助電源装置１１，１２は、それぞれ入力側のコンタクタ３１，３２と出力側のコンタクタ４１，４２を備え、負荷３に対して並列に設置されている。制御装置４は、２つの電源制御部５，６と、それぞれに共通する運転指令部７および制御電源８を備えている。また、それぞれの電源制御部５，６は、補助電源装置１１，１２の運転制御およびコンタクタ３１，３２と４１，４２の入り切りを制御する制御指令発生部５１，６１と、故障発生時に故障履歴を記憶する故障情報記録部５２，６２と、それぞれの補助電源が運転していたか待機していたかの運転履歴を記録する運転情報記録部５３，６３とから構成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一の負荷に対して待機冗長機能を有する複数台の補助電源装置から電源供給を行うように構成された高信頼性補助電源装置において、
前記各補助電源装置の運転履歴を記憶する第１の記憶手段と、
前記各補助電源装置における故障発生時に故障履歴を記憶する第２の記憶手段と、
前記第１、第２の記憶手段に記憶された情報に基づいて運転指令を生成し、前記補助電源装置のいずれか１台に与えて制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする高信頼性補助電源装置。
【請求項２】
前記第１の記憶手段は、前記運転指令に応じて前記補助電源装置の運転情報、あるいは停止情報を前記運転履歴として書き換え可能に記憶するとともに、前記制御手段を駆動するための制御電源がオフされた後でもこれを保持するものであることを特徴とする請求項１記載の高信頼性補助電源装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記運転履歴として停止情報が記憶されている前記補助電源装置に対しては運転指令を、前記運転履歴として運転情報が記憶されている前記補助電源装置に対しては停止指令を与えて、それぞれを制御するものであって、
さらに、２台以上の前記補助電源装置について停止情報が記憶され、あるいはすべての前記補助電源装置について運転情報が記憶されているときには、あらかじめ定めた１台に対して前記運転指令を与えるようにしたことを特徴とする請求項２記載の高信頼性補助電源装置。
【請求項４】
前記第１の記憶手段では、前記補助電源装置のいずれかに前記運転指令が与えられたとき、他の前記補助電源装置の前記運転履歴を前記停止情報に書き換えるようにしたことを特徴とする請求項２記載の高信頼性補助電源装置。
【請求項５】
前記第２の記憶手段は、前記補助電源装置のそれぞれの故障履歴を記憶するとともに、前記制御手段を駆動するための制御電源がオフされた後でもこれを保持するものであって、
さらに、前記故障履歴に応じて故障していない前記補助電源装置のいずれか１台に前記運転指令を与えるようにしたことを特徴とする請求項１記載の高信頼性補助電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高信頼性補助電源装置に関し、とくに同一の負荷に対して待機冗長機能を有する複数台の補助電源装置から電源供給を行うように構成された高信頼性補助電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に鉄道車両には、主電動機を駆動するための電源が架線により給電されている。近年、鉄道車両の主電動機として、直流を交流に変換して電圧と周波数を変化させて制御するＶＶＶＦインバータ制御方式の誘導電動機が用いられるようになった。そして、架線からの電源としては、新幹線電車などに代表される高電圧の単相交流電源と、在来線電車のような直流電圧電源とがある。以下では、交流電源電車を交流車両といい、直流電源電車を直流車両という。
【０００３】
交流車両の電車駆動システムでは、高圧の交流電源電圧が変圧器により降圧され、ＡＣ／ＤＣコンバータで直流電圧に変換されてＶＶＶＦインバータの直流電圧入力とされる。これに対して直流車両においては、直流電源電圧がそのままＶＶＶＦインバータの直流電圧入力となる。また、電気車両にはＡＣ／ＤＣコンバータやＶＶＶＦインバータを制御するための制御装置や、車載のバッテリーに充電するための充電装置、空調装置などに低圧の電源を供給するための補助電源装置が備えられている。
【０００４】
上述した電車駆動システムの補助電源装置は、ＡＣ／ＤＣコンバータやＶＶＶＦインバータ、車両制御機器などへの電源供給を司るものであることから、高い信頼性が要求される。たとえば、ある補助電源装置が故障したとすると、補助電源装置から制御電源が供給されているＡＣ／ＤＣコンバータやＶＶＶＦインバータは動作しなくなる。そのため、これらにより駆動されていた車両が自力で走行できなくなり、あるいはＡＣ１００Ｖ電源が給電されていた車両シーケンス回路が動作不能になって、電車停止事故となる。
【０００５】
こうした理由から、従来から補助電源装置に対しては高い信頼度が要求されており、編成車両を構成する給電システムの信頼度を上げるために、複数台の補助電源装置による給電システムが構成されていた。また、複数台の補助電源装置からなる給電システムの信頼性を保証する方式としては、適用される電車駆動システムに対応して、延長給電方式、並列給電方式、および待機給電方式などが採用されている。
【０００６】
延長給電方式とは、複数台の補助電源装置のいずれかひとつが故障したとき、故障電源を切り離すとともに延長給電用接触器を投入して、故障電源が受け持つ負荷に対して健全な電源装置に切り換えて給電する方式である。この延長給電方式は信頼性保証の方式としては、“並列冗長方式”に対応する。また、並列給電方式とは、常時運転時には複数台の補助電源装置が並列接続され、それぞれ決められた受け持ち負荷に対して給電し、いずれかひとつが故障したとき、故障電源を切り離し、故障電源が受け持つ負荷に対して残りの健全な電源装置に切り換えて給電する方式である。この並列給電方式もまた、信頼性保証の方式としては“並列冗長方式”に相当するものである。
【０００７】
これに対して待機給電方式とは、常時運転する補助電源装置（運転中装置）とは別の電源装置（待機中装置）を備え、運転中装置が故障したときに、故障電源を切り離すとともに待機中装置に置き換えて、故障電源が受け持つ負荷に対して給電する方式である。この待機給電方式は、信頼性保証の方式としては“待機冗長システム”に相当するものであって、以下、この待機冗長システムである待機給電方式の適用上の特徴と、その問題点について説明する。
【０００８】
図５は、直流機電システムにおける従来の待機給電方式の車両用補助電源装置を示すブロック図である。ここでは、架線１０からそれぞれパンタグラフ１を介して２台の補助電源装置１１，１２に給電されている。２台の補助電源装置１１，１２は、それぞれ入力側のコンタクタ（接触器）３１，３２と出力側のコンタクタ４１，４２を備え、１つの負荷３に対して並列に設置されている。これらの補助電源装置１１，１２は、同時に運転しないようにインターロックがとられていて、どちらかから負荷３に給電される。
【０００９】
なお、交流機電システムの場合には、パンタグラフ１の後段に主変圧器が接続され、その主変圧器の３次巻線にコンタクタを介して補助電源装置が接続されることになるが、基本的な構成は、上述した直流機電システムの場合と同じである。
【００１０】
たとえば、運転中装置である補助電源装置１１が故障で停止した場合、この補助電源装置１１を入出力側のコンタクタ３１，４１をオフにして切り離し、運転していない待機中装置、すなわち補助電源装置１２の入出力側のコンタクタ３２，４２をオンに切り換えて、負荷３への給電を継続させることができる。ただし、常に負荷３に給電している補助電源装置１１は運転時には加圧状態にあるが、待機中装置は電源側（すなわち、入力側）のコンタクタ３２により電源電圧が不加圧の状態にある。そのため、長時間運転する間に電気的使用条件に関連する信頼性項目、すなわち初期不良期間、使用部品のストレス、メンテナンス必要部品（電解コンデンサ、ファンなど）の寿命などに起因して、２台の補助電源装置１１，１２の信頼度に差が出てくるから、待機中の装置について信頼度を保証するために、補助電源装置１１，１２の定期的な点検や通電試験などの対策が必要になる。
【００１１】
後述する特許文献１には、２群のインバータ構成に関して、部品点数の少ない構成で、冗長性の高い定電圧定周波インバータが実現できる電気車制御装置が示されている。この電気車制御装置では、運転中装置が故障した場合には直ちに運転中装置を切り離して待機中の補助電源装置に切り換え、同一の負荷への給電を継続することができる。ただし、故障発生で一旦切り換えられた電気車制御装置がオフしてシステム停止後、たとえば翌日に起動する場合には、この故障した補助電源装置を起動させないようにする必要がある。
【特許文献１】特開２００５−３３８８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
このように、待機冗長方式の補助電源装置では、待機している方の補助電源装置が通常運転時には不加圧状態にあるので、こうした待機装置の信頼度を保証するために、定期的な点検、通電などの対策を講じなければならなかった。また、故障などで切り換えられた補助電源装置は、次回のシステム起動時には選択しないようにする必要があって、誤って故障している装置を起動すると、再度同様の故障を発生し、装置損傷など状況を悪化させる可能性が高いという課題があった。
【００１３】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、定期的な保守・点検が必要なく、故障発生後の運転についても信頼度が高い補助電源装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明では、上記問題を解決するために、同一の負荷に対して待機冗長機能を有する複数台の補助電源装置から電源供給を行うように構成された高信頼性補助電源装置において、前記各補助電源装置の運転履歴を記憶する第１の記憶手段と、前記各補助電源装置における故障発生時に故障履歴を記憶する第２の記憶手段と、前記第１、第２の記憶手段に記憶された情報に基づいて運転指令を生成し、前記補助電源装置のいずれか１台に与えて制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする高信頼性補助電源装置が提供される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の高信頼性補助電源装置によれば、通常時運転において、運転中の補助電源装置と待機中の補助電源装置を、あらかじめ決められたルールに基づいて交互に入れ換えて使用することになるから、一定の間隔で複数台の装置の運転状況を順次に確認することができる。また、長期的な観点からすれば、各装置に加わる電圧の時間差が生じなくなるから、各装置を構成する部品に対する信頼度が等しくなるので、複数台の補助電源装置の信頼度も等しくなる。さらに、いずれかの補助電源装置が故障して、その制御手段を駆動するための制御電源がオフした後でも、その故障情報を保持できるように構成されているから、次回の起動時には故障した補助電源装置を起動させないようにできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、直流機電システムにおける２台の補助電源装置によって構成された待機給電方式の車両用補助電源装置の構成を示すブロック図である。
【００１７】
架線１０からは、それぞれパンタグラフ１を介して２台の補助電源装置１１，１２に給電されている。これらの補助電源装置１１，１２は、それぞれ入力側のコンタクタ３１，３２と出力側のコンタクタ４１，４２を備え、１つの負荷３に対して並列に設置されている。補助電源装置１１，１２は、それぞれの電源制御部５，６によって、補助電源装置１１，１２自体の起動や停止、および各コンタクタ３１，３２と４１，４２のオンオフが制御される。
【００１８】
制御装置４は、２つの電源制御部５，６と、それぞれに共通する運転指令部７および制御電源８を備えている。また、それぞれの電源制御部５，６は、補助電源装置１１，１２の運転制御およびコンタクタ３１，３２と４１，４２の入り切りを制御する制御指令発生部５１，６１と、故障発生時に故障履歴を記憶する故障情報記録部５２，６２（第２の記憶手段）と、それぞれの補助電源装置１１，１２が運転していたか、待機していたかの運転履歴を記録する運転情報記録部５３，６３（第１の記憶手段）とから構成される。
【００１９】
通常の制御装置は、これ以外の機能も有しているが、ここでは本発明に関係する部分だけを記載し、それらについて説明する。この運転指令部７は、各電源制御部５，６が記憶している故障履歴と運転履歴から、補助電源装置１１，１２のいずれかを次回運転すべきものとして判定し、それぞれに運転指令、あるいは停止指令を出力している。システム運転時には、制御電源８には運転中の補助電源装置１１，１２から電源供給され、ここから両方の電源制御部５，６に対して常に給電されている。また、故障情報記録部５２，６２および運転情報記録部５３，６３では、電源制御部５，６への電源がオフされたときでも、そこに記憶された故障履歴、および運転履歴を保持するように構成されている。
【００２０】
以上のように構成された車両用補助電源装置では、つぎに説明するような運転ルールに基づいて運転指令が生成され、補助電源装置１１，１２のいずれかを起動して負荷３への給電を行うようにしている。
【００２１】
図２は、車両用補助電源装置の運転方法を示す説明図である。ここで、故障履歴、前回運転履歴に関する情報は、２台の補助電源装置１１，１２のいずれを運転するかの判断をするための条件となっていて、これらの情報に基づいて運転指令部７から補助電源装置１１，１２に運転指令、あるいは停止指令のいずれかが出力されることになる。
【００２２】
たとえば、故障履歴情報が補助電源装置１１，１２ともに「正常」であると記録されていれば、補助電源装置１１，１２のうち、前回運転履歴として記録された情報が「前回停止」となっている側を選択して、「運転指令」が出力される。その結果、補助電源装置１１，１２は交互に入れ換えて使用されるため、それらの運転状況を順次に確認できる。ただし、この車両用補助電源装置が初回運転の場合、あるいは何らかの異常事態が生じた場合には、前回運転履歴がいずれも「前回停止」となっていることから、その場合にはあらかじめ定めてある補助電源装置１１を運転するようにしている。
【００２３】
また、電源制御部５，６の何らかの異常で、補助電源装置１１，１２の前回運転履歴がともに「前回運転」となっている場合もある。そのような前回運転履歴の情報が記録されているときには、あらかじめ定めてある補助電源装置１１を運転する。すなわち、前回運転履歴の情報が互いに矛盾するような場合、いずれの補助電源装置１１，１２も停止した状態のままとなってしまうことを防ぐため、あらかじめ補助電源装置１１を運転するものと定めたのである。
【００２４】
このような場合に、あらかじめ補助電源装置１２を運転するものと設定しておいてもかまわない。補助電源装置１１，１２がともに故障していなければ、たとえ運転履歴情報が誤っていたとしても、問題は発生しないからである。あるいは、いずれもが「前回停止」のとき補助電源装置１１を運転することとし、いずれもが「前回運転」のとき補助電源装置１２を運転するようにしてもよい。
【００２５】
なお、補助電源装置１１，１２の故障履歴情報がいずれか一方でも「故障」となっている場合、前回運転履歴の情報とは無関係に必ず正常な補助電源装置を選択して、「運転指令」が出力される。また、２台ともに故障しているような場合は、どちらの補助電源装置１１，１２にも「運転指令」が出されず、「停止指令」を出すことになる。
【００２６】
このような運転ルールを運転指令部７に設定しておくことにより、２台の補助電源装置１１，１２がともに正常である場合には、運転と停止のサイクルごとに、補助電源装置１１，１２が交互に切り換えて使用されることになる。また、いずれか一方の補助電源装置に故障が発生しているときは、故障情報が保持されているから、必ず故障していない装置を起動できる。
【００２７】
以上に説明した車両用補助電源装置は、２台の補助電源装置だけで構成されているものであったが、３台以上の補助電源装置を用いた場合であっても、同様に構成することができ、同様の作用効果を奏するものである。
【００２８】
つぎに、前回運転履歴および故障履歴に関する情報の記憶方法などについて説明する。
一般に、補助電源装置１１，１２の情報は制御装置４で記憶されており、通常、制御電源８がオフされると、制御装置４に記憶されていた情報はクリアされてしまう。ここでは、制御電源８がオフした後も、故障情報記録部５２，６２と運転情報記録部５３，６３に記録された情報が保持されるように構成されている。
【００２９】
（１）故障情報記録部５２，６２における故障履歴の記憶について
図３は、補助電源装置における故障情報記憶回路の一例を示すブロック図である。故障情報記憶回路９は、制御電源８から電源供給される故障検知回路９１および機械式ラッチリレー９２と、メンテナンス要員などが外部から操作するリセットボタン９３から構成されている。機械式ラッチリレー９２を用いたのは、故障が発生した場合に「故障」情報を機械的にラッチし、制御電源８がオフしても情報が保持されるようにするためである。
【００３０】
故障検知回路９１からの故障検知情報により、機械式ラッチリレー９２が動作して、ここで故障履歴が記憶される。この機械式ラッチリレー９２の状態は、制御電源８をオフしても保持される。次回に制御電源８を立ち上げて、補助電源装置１１，１２を起動する場合、この故障情報は機械的に保持されており、運転指令部７に対して故障履歴が入力できる。ここでは、故障時にはメンテナンス要員が調査して故障部位を除去したのち、リセットボタン９３を押すことによって「故障」情報がクリアされ、「正常」情報に置き換えるように構成している。
【００３１】
このように、補助電源装置１１，１２の故障履歴は、制御電源８がオフされたとしてもその故障状態が除去されるまでは確実に保持されているから、必ず故障していない装置を起動できる。また、故障部位が除去された場合には、リセットボタン９３を押すことで機械式ラッチリレー９２の「故障」情報がクリアされる。したがって、その後は運転指令部７に設定された運転ルールによって、２台の補助電源装置１１，１２を交互に運転することが可能となる。
【００３２】
（２）運転情報記録部５３，６３における前回運転履歴の記憶について
ここでは、運転情報記録部５３，６３は制御装置４内の制御電源８とは別に、バッテリバックアップされたＲＡＭ（Random Access Memory）によって構成され、これらのＲＡＭに補助電源装置１１，１２の前回運転履歴が記録されているものとする。
【００３３】
図４は、補助電源装置の運転履歴の記憶手順を示すフローチャートである。
最初（ステップＳ１）に、補助電源装置１１では前回運転履歴が「前回運転」、補助電源装置１２では「前回停止」となっているとする。このとき、制御電源８がオン状態になると、運転指令部７から補助電源装置１１には停止指令が、補助電源装置１２には運転指令が出される（ステップＳ２）。これにより、前回待機していた補助電源装置１２が起動され、前回運転されていた補助電源装置１１が待機（停止状態）することになる（ステップＳ３）。
【００３４】
その後、補助電源装置１１の運転情報記録部５３に記憶されていた「前回運転履歴」の情報は、補助電源装置１２が実際に起動したとき、「前回運転」から「前回停止」に書き換えられる（ステップＳ４）。なお、この運転情報記録部５３に相当するＲＡＭでは、補助電源装置１１が運転指令部７からの「停止指令」を受けたこと、あるいは補助電源装置１２に「運転指令」が出力されたことをもって、「前回運転履歴」の情報を切り換えてもかまわない。
【００３５】
つぎに、上位装置から停止指令が送られてくると、制御電源８のオフ指令を補助電源装置１２に出力する（ステップＳ５）。補助電源装置１２の運転を停止するとき（ステップＳ６）、その運転情報記録部６３に記憶されていた「前回運転履歴」の情報は、制御電源８がオフするタイミングで、「前回停止」から「前回運転」に書き換えられる（ステップＳ７）。
【００３６】
こうして停止された車両用補助電源装置では、たとえば翌日に制御電源８をオンにしたとき、上位装置から運転再開指令が送られてくると（ステップＳ８）、それぞれ補助電源装置１１側のＲＡＭからは前回運転履歴が「前回停止」の情報を、補助電源装置１２側のＲＡＭからは「前回運転」の情報を運転指令部７に読み出す（ステップＳ９）。すると、運転指令部７では、補助電源装置１１には運転指令が、補助電源装置１２には停止指令が出される（ステップＳ１０）。これにより、前回待機していた補助電源装置１１が起動され、前回運転されていた補助電源装置１２が待機（停止状態）することになる（ステップＳ１１）。
【００３７】
このようにして、上述した車両用補助電源装置では、制御電源８が入り切りされるごとに補助電源装置１１，１２を交互に切り換えて運転することができる。なお、ここでは制御電源８の入り切りによって運転を切り換える手順について説明したが、別の制御条件に応じて運転を切り換えるようにしてもよい。
【００３８】
以上では、直流機電システムに適用される補助電源装置について説明したが、交流機電システムに適用される補助電源装置の場合でも、まったく同様に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】直流機電システムにおける２台の補助電源装置によって構成された待機給電方式の車両用補助電源装置の構成を示すブロック図である。
【図２】車両用補助電源装置の運転方法を示す説明図である。
【図３】補助電源装置における故障情報記憶回路の一例を示すブロック図である。
【図４】補助電源装置の運転履歴の記憶手順を示すフローチャートである。
【図５】直流機電システムにおける従来の待機給電方式の車両用補助電源装置を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００４０】
１  パンタグラフ
３  負荷
４  制御装置
５，６  電源制御部
７  運転指令部
８  制御電源
９  故障情報記憶回路
１０  架線
１１，１２  補助電源装置
３１，３２  入力側のコンタクタ
４１，４２  出力側のコンタクタ
５１，６１  制御指令発生部
５２，６２  故障情報記録部
５３，６３  運転情報記録部
９１  故障検知回路
９２  機械式ラッチリレー
９３  リセットボタン
【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】
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