(57)【要約】【課題】回生ブレーキ中に集電装置から電力線への電流経路が断たれたとき、瞬時に回生電力を蓄電装置で吸収する充電制御を開始し、またその後も連続的に蓄電装置による回生電力の吸収を可能とする。【解決手段】鉄道車両の駆動システムが、電力線から電力を得る集電手段と、電力線電力に基づく高圧直流電力を交流電力に変換するインバータ手段と、インバータ手段により駆動される電動機と、低圧直流電力を供給する電力蓄積手段と、高圧直流電力の部分と低圧直流電力の部分間の通流電流を調整制御するスイッチ手段と、通流電流を検出する手段と、高圧直流電力の電圧を検出する手段と、これらの各手段を制御する制御手段とを備えており、高圧直流電力の部分と低圧直流電力の部分問の通流電流を調整制御するスイッチ手段を、直流電力の電圧検出値の変化量と通電電流の検出値に基づいて制御する。【選択図】図１
2008228451.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力線から電力を得る集電手段と、前記電力線電力に基づく高圧直流電力を交流電力に変換するインバータ手段と、前記インバータ手段により駆動される電動機と、低圧直流電力を供給する電力蓄積手段と、前記高圧直流電力の部分と前記低圧直流電力の部分間の通流電流を調整制御するスイッチ手段と、前記通流電流を検出する手段と、前記高圧直流電力の電圧を検出する手段と、これらの各手段を制御する制御手段を備え、
前記高圧直流電力の部分と前記低圧直流電力の部分問の前記通流電流を調整制御するスイッチ手段を、前記直流電力の電圧検出値の変化量と、前記通電電流の検出値に基づいて制御することを特徴とする鉄道車両の駆動システム。
【請求項２】
電力線から電力を得る集電手段と、前記電力線電力に基づく高圧直流電力を交流電力に変換するインバータ手段と、前記インバータ手段により駆動される電動機と、低圧直流電力を供給する電力蓄積手段と、前記高圧直流電力の部分と前記低圧直流電力の部分間の通流電流を調整制御する第一のスイッチ手段と、前記通流電流を検出する手段と、前記高圧直流電力の電圧を検出する手段と、前記高圧直流電力を放電する抵抗手段と、前記抵抗手段の通流電流を調整制御する第二のスイッチ手段と、これらの各手段を制御する制御手段を備え、
前記抵抗手段の前記通流電流を調整制御する前記第二のスイッチ手段を、前記直流電力の電圧検出値の変化量に基づいて制御し、前記高圧直流電力の部分と前記低圧直流電力の部分間の前記通流電流を調整制御する前記第一のスイッチ手段を、前記通流電流の検出値に基づいて制御することを特徴とする鉄道車両の駆動システム。
【請求項３】
電力線から電力を得る集電手段と、前記電力線電力に基づく高圧直流電力を交流電力に変換する第一のインバータ手段と、前記第一のインバータ手段により駆動される電動機と、低圧直流電力を供給する電力蓄積手段と、前記電力蓄積手段の蓄電量を検出する手段と前記高圧直流電力部分と低圧直流電力部分間の通流電流を調整制御するスイッチ手段と、前記通流電流を検出する手段と、前記高圧直流電力の電圧を検出する手段と、これらの各手段を制御する制御手段を備え、前記電力蓄積手段の供給する低圧直流電力を交流電力に変換する第二のインバータ手段を備え、
前記高圧直流電力部分と低圧直流電力部分間の通流電流を調整制御するスイッチ手段を、前記高圧直流電力の電圧検出値の変化量と、前記通流電流の検出値と、前記蓄電量の検出値に基づいて制御することを特徴とする鉄道車両の駆動システム。
【請求項４】
電力線から電力を得る集電手段と、前記電力線電力に基づく高圧直流電力を交流電力に変換する第一のインバータ手段と、前記第一のインバータ手段により駆動される電動機と、低圧置流電力を供給する電力蓄積手段と、前記電力蓄積手段の蓄電量を検出する手段と、前記高圧直流電力部分と低圧直流電力部分間の通流電流を調整制御するスイッチ手段と、前記通流電流を検出する手段と、前記高圧直流電力の電圧を検出する手段と、前記高圧直流電力を放電する抵抗手段と、前記抵抗手段の通流電流を調整制御するスイッチ手段と、これらの各手段を制御する制御手段を備え、
前記電力蓄積手段の供給する低圧直流電力を交流電力に変換する第二のインバータ手段を備え、前記放電手段の通流電流を調整制御するスイッチ手段を、前記高圧直流電力の電圧検出値の変化量に基づいて制御し、前記高圧直流電力部分と低圧直流電力部分間の通流電流を調整制御するスイッチ手段を、前記通流電流の検出値と、前記蓄電量の検出値に基づいて制御することを特徴とする鉄道車両の駆動システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両の駆動装置に係り、特に、電力蓄積手段を設備してブレーキ時の発電エネルギの蓄電を可能とし、この蓄電エネルギを再利用して駆動装置に電力を供給する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄道車両は、鉄の車輪がレール面上を転がることにより走行するため、走行抵抗が自動車に比べて小さいことが特徴である。特に、最近の電気鉄道車両では、制動時に主電動機を発電機として作用させることで制動力を得ると同時に、制動時に主電動機で発生する電気的エネルギを架線に戻して他車両の力行エネルギとして再利用する回生ブレーキ制御を行っている。この回生ブレーキを備える電気鉄道車両は、回生ブレーキを備えていない電気鉄道車両に比べて、約半分のエネルギ消費で走行することが可能とされており、走行抵抗が小さい鉄道車両の特徴を生かした省エネ手法といえる。
【０００３】
ところで、鉄道車両で回生ブレーキが動作するとき、回生された電力を吸収する相手が必要である。これまでの一般的な鉄道車両は、回生ブレーキで発電した電力を、車両が備える集電装置を通して架線に戻し、その車両と同じ給電区間を走行する他の車両の力行電力として再利用する。同じ給電区間を複数の車両が走行しているときは、一車両の回生ブレーキが動作するタイミングで、力行する他車両が存在する確立が高い。逆に、同じ給電区間に一車両のみ走行しているときは、その車両の回生ブレーキが動作しても、その電力を吸収する力行車両がいない。このため、架線に戻る回生ブレーキ電流が僅少であるため、回生電力によりインバータ装置の直流電圧が大きくなる。この結果、インバータ装置の許容電圧を上回り、高電圧保護で回生ブレーキ失効が発生し、以降は回生ブレーキが動作せずに空気ブレーキだけで停車するので、回生ブレーキによる省エネルギ効果が得られない。
【０００４】
このように、回生ブレーキ電力を架線に戻すには、その電力を吸収する力行車両が必要という制限がある。しかし、回生ブレーキ電力の蓄電できる設備を儲けられるならば、他の力行車両の存在に関わらず、回生ブレーキによる省エネルギ効果を得られる。
【０００５】
蓄電装置を設ける位置は、おもに地上側の給電設備に併設する場合と、車上側のインバータ装置に併設する場合が考えられる。同じ給電区に走行する車両が多い場合、その車両全てに蓄電装置を設けるよりも、給電設備に蓄電装置を併設すほうがスケールメリットの面で低コストに実現できる。しかし、前述のように元々車両数が多いならば、他の力行車両で回生ブレーキ電力を吸収できる確立が高い。このため回生ブレーキ電力を吸収する蓄電装置が必要な場合では、蓄電装置を車上側のインバータ装置への併設を選択するケースが多くなると考えられている。
【０００６】
例えば、特許文献１には、回生電力を吸収する蓄電装置を車上側のインバータ装置に併設する車両用駆動制御装置の例が開示されている。図９に、回生電力を吸収する蓄電装置を車上側のインバータ装置に併設する場合の機器構成の一例を示す。
【０００７】
力行時、インバータ１０５は、蓄電装置１０２あるいは直流電源１０８と蓄電装置１０２から受電し、モータ１０６を駆動する。回生時は回生電力を蓄電装置１０２あるいは直流電源１０８と蓄電装置１０２へ回生する。また、停車、惰行時は、直流電源１０８で蓄電装置１０２を充電したり、蓄電装置１０２から直流電源１０８へ放電させる。蓄電装置１０２の充放電電流は、スイッチング素子１１１，１１２をスイッチングすることにより制御される。スイッチング素子１１１，１１２は、蓄電装置の充放電時の電流が、ある設定した電流よりも大きいとき、高いスイッチング周波数で動作し、電流が小さいときには、低いスイッチング周波数で動作する。また、蓄電装置１０２のみで力行・回生動作をする場合、スイッチング素子１１１，１１２のオン・オフの状態を固定する。
【０００８】
前述のように、回生ブレーキ電力を吸収する他のカ行車両がいない場合でも、自車両に搭載した蓄電装置で回生ブレーキ電力を吸収することで回生ブレーキをさせて省エネルギ効果を得ることが可能であり、その一例が特許文献１の車両用駆動制御装置である。
【特許文献１】特開２００５−２７８２６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、回生ブレーキを継続的に動作できない原因としては、前述した他のカ行車両がいない場合のほかに、架線から車両の集電装置が離別し、物理的に回生ブレーキ電力が架線に戻せなくなる状況がある。これは、架線と集電装置でダイナミクス系が異なるので、両者で固有振動数に違いがある。そのため、振動による瞬時的な離別が発生することがあり、「架線瞬断」あるいは「パンタ離線」とも呼ばれている。この架線瞬断によっても、架線に回生ブレーキ電流を戻せないので、架線瞬断が発生した瞬間にインバータ装置の直流電圧が急増し、過電圧保護による回生ブレーキ失効が発生する。
【００１０】
この架線瞬断の発生についても、蓄電装置を車上側のインバータ装置に併設し、回生ブレーキ電流を吸収することにより、回生ブレーキ失効を防止できる。しかし、架線瞬断が発生した場合、回生ブレーキ電流が瞬時的に断たれる一方で、インバータを流れる回生ブレーキ電流I_regenは、一時的にフィルタコンデンサに流入するので、静電容量Ｃの作用で直ちには零にならず、架線瞬断の発生を瞬間的には検知できない。しかし、その結果として、フィルタコンデンサ電圧、すなわちインバータ装置の直流電圧V_dcを押し上げる。架線瞬断中の回生ブレーキ電流I_regenとインバータ装置の直流電圧V_dcの関係は、フィルタコンデンサに静電容量Ｃを用いて次式で表わせる。
【００１１】
I_regen=C・(d/dt)V_dc            ・・・・・  式１
すなわち、回生ブレーキ電流I_regenからは架線瞬断の瞬間的に判断できないが、架線瞬断時は回生ブレーキ電流I_regenによりインバータ装置の直流電圧V_dcが急増することから、インバータ装置の直流電圧V_dcの時間変化率(d/dt)V_dcを求めることで、架線瞬断の検知が可能である。具体的には、インバータ装置の直流電圧の時間変化率(d/dt)V_dcが所定値を超えることにより、架線瞬断の発生を検知できる。
【００１２】
しかしながら、特許文献１の車両用駆動制御装置では、発明を実施するための最良の形態の欄の記載に示されるように、蓄電装置の充放電を制御するスイッチング素子１１１，１１２は、電流検出器１３で検出する蓄電装置１０２の充放電電流IS、電流検出器１４で検出するインバータ１０５に流れる負荷／回生電流ILなどの情報に基づいて制御されているが、スイッチング素子１１１，１１２をインバータ１０５の直流部電圧情報により制御することは開示されていない。
【００１３】
すなわち、特許文献１の車両用駆動制御装置では、回生ブレーキ電力を吸収する他のカ行車両がいない場合など、比較的低応答で回生ブレーキ電力の充電制御を始めればよいときには、充放電電流ＩＳ、インバータ１０５に流れる負荷／回生電流ＩＬに基づいてスイッチング素子１１１、のオン／オフによる充電制御により、回生ブレーキを継続できるけれども、架線瞬断が発生した場合など、高速に回生ブレーキ電力の充電制御を始めなければならないときには、架線瞬断を瞬時に検出できるインバータ１０５の直流電圧V_dcの情報を得られないため、確実な回生ブレーキの継続が難しいという問題点があった。
【００１４】
本発明の目的は、回生ブレーキ中に集電装置から電力線への電流経路が断たれたとき、インバータ直流部の電圧検出値の変化率に基づいて、瞬時に回生電力を蓄電装置で吸収する充電制御を開始し、またその後も連続的に蓄電装置による回生電力の吸収を可能とする、環境に優しい鉄道車両の駆動システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の鉄道車両の駆動システムは、電力線から電力を得る集電手段と、前記電力線電力に基づく高圧直流電力を交流電力に変換するインバータ手段と、前記インバータ手段により駆動される電動機と、低圧直流電力を供給する電力蓄積手段と、前記高圧直流電力の部分と前記低圧直流電力の部分間の通流電流を調整制御するスイッチ手段と、前記通流電流を検出する手段と、前記高圧直流電力の電圧を検出する手段と、これらの各手段を制御する制御手段とを備え、前記高圧直流電力の部分と前記低圧直流電力の部分問の前記通流電流を調整制御するスイッチ手段を、前記直流電力の電圧検出値の変化量と前記通電電流の検出値に基づいて制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、回生ブレーキ中の集電装置から電力線への電流経路が断たれたとき、インバータ直流部の電圧検出値の変化率に基づいて、瞬時に回生電力を蓄電装置で吸収する充電制御を開始し、またその後も連続的に蓄電装置による回生電力の吸収を可能とする、環境に優しい鉄道車両の駆動システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明していく。
【実施例１】
【００１８】
図１は、本発明の電気車の駆動システムにおける一実施形態の機器構成を示す図である。
【００１９】
集電装置１から給電した直流電流は、フィルタリアクトル２、およびフィルタコンデンサ３で構成するＬＣ回路（フィルタ回路）により高周波数域の変動分を除去した後、インバータ装置４に入力する。インバータ装置４は、入力された直流電力を可変電圧可変周波数（ＶＶＶＦ）の３相交電力に変換して、主電動機５ａ，５ｂを駆動する。なお、ここではインバータ装置４が駆動する主電動機が２台の場合を示しているが、インバータ装置４が駆動する主電動機の台数は限定しない。電圧センサ６ａは、フィルタコンデンサ３の両端の直流部電圧V_dcを検出する。電流センサ７ａ，７ｂ，７ｃは、インバータ装置４と、主電動機５ａ，５ｂの間の３相交流電力線を流れる電流を各相毎に検出して、インバータ装置に入力する。接地点１００はこの回路の基準電位を決めている。スイッチング素子８ａ，８ｂは、前述の集電装置１および接地点２００とインバータ装置４の間にある直流電力部のうち、高電位側と低電位側の間に直列配置する。電圧センサ６ｂは平滑リアクトル１１と電流センサ７ｄの電力間に配置して、後述の蓄電装置１２の端子間電圧V_btrを検出する。なお、電圧センサ６ｂは平滑リアクトル１１電流センサ７ｄの電力線間に配置しているが、これは蓄電装置１２と平滑リアクトル１１の電力線間に配置しても、蓄電装置１２の端子間電圧V_btrを検出できる。
【００２０】
制御装置１０は、インバータ装置４の回生電力P_inv、電圧センサ６ａの電圧検出値V_dc、電圧センサ６ｂの電圧検出値V_btr、電流センサ７ｄの電流検出値I_btrを入力とし、ゲートアンプ９ａ，９ｂにスイッチング素子８ａ，８ｂのオン／オフを指令するゲートパルス信号ＧＰ１，ＧＰ２を出力する。ゲートアンプ９ａ，９ｂは、ゲートパルス信号ＧＰ１，ＧＰ２を入力とし、これを基にスイッチング素子８ａ，８ｂをオン／オフ可能な電圧制御信号に変換し、スイッチング素子８ａ，８ｂをオン／オフ制御する。電圧センサ６ｂは後述の蓄電装置１２の端子間電圧を検出する。電流センサ７ｄは、後述の蓄電装置１２に入出力する電流を検出する。
【００２１】
蓄電装置１２としては、架線瞬断時吸収を優先に考えると、単位面積あたりの充放電入出力特性が高性能である電気二重層キャパシタ装置などの適用が考えられる。しかし、鉄道車両ではシステム冗長性の確保が重要であるため、停電状態でも安全な退避箇所まで自力走行を実現する要求が考えられる。このため、単位面積あたりの蓄電能力が高いリチウムイオン電池などで構成することが妥当と言える。
【００２２】
蓄電装置１２の充放電制御は、スイッチング素子８ａまたは８ｂを周期的にオン／オフすることで実現する。この充放電制御において、平滑リアクトル１１は、蓄電装置１２に通流する電流の変化率を所定値内に抑える力をもつ。
【００２３】
まずスイッチング素子８ｂを周期的にオン／オフすることにより、蓄電装置１２の電力を放電する制御について説明する。
【００２４】
前述のスイッチング素子８ｂを所定時間Ton_bだけオンすると、蓄電装置１２の出力端子間は短絡されるが、平滑リアクトル１１は、電流増加率を一定値内抑えると同時に、Ton_bの期間に通流した電流と、蓄電装置１２の端子電圧の積を時間積分した電力エネルギを蓄える。その後、スイッチング素子８ｂを所定時間Toft_bだけオフすると、直流電力部側に平滑リアクトル１１に蓄えられた電力エネルギは、スイッチング素子８ａのダイオード部を介して、前述の集電装置１および接地点１００とインバータ装置４の間にある直流電力部側に放出される。このとき、直流電力側で得られる電圧値V_dcは、蓄電装置１２の端子電圧V_btrを基準として、前述のスイッチング素子８ｂをオンする時間Ton_bと、オフする時間Toft_bの比率から次式で決定する。
【００２５】
V_dc＝V_btr×（(Ton_b＋Toft_b)／Toft_b）  ・・・・・  式２
次に、スイッチング素子８ａを周期的にオン／オフすることにより、蓄電装置１２に電力を充電する制御について説明する。
【００２６】
前述のスイッチング素子８ａを所定時間Ton_aだけオンすると、前述の集電装置１および接地点１００とインバータ装置４の間にある直流電力部の、接地点１００とインバータ装置４の間にある直流電力部の、接地点１００に対する電位V_dcが、蓄電装置１２の端子間電圧（接地点１００に対する電位）V_dcよりも高いとき（V_dc＞V_bc）、直流電力部から蓄電装置１２の向きに電流が流れる。このとき、平滑リアクトル１１は、その電流増加率を一定値内に抑えると同時に、Ton_aの期間に通流した電流と、蓄電装置１２の端子電圧の積を時間積分した電力エネルギを蓄える、その後、スイッチング素子８ａを所定時間Toft_aだけでオフすると、直流電力部側に平滑リアクトル１１に蓄えられた電力エネルギは、蓄電装置１２の高電位側端子から、低電位側端子に抜け、スイッチング素子８ｂのダイオード部を経て、平滑リアクトル１１に戻る一巡の回路が構成される。すなわち、スイッチング素子８ａを所定時間Toft_aだけオフしている期間は、平滑リアクトル１１に蓄えられた電力エネルギが放出されるに従い、放電電流は減衰していく。このとき、蓄電装置１２で得られる端子間電圧値V_btrは、直流電力側V_dcを基準として、前述のスイッチング素子８ａをオンする時間Ton_aとオフする時間Toft_aのｐ比率から次式で決定する。
【００２７】
V_btr＝V_dc×（Ton_a／(Ton_a＋Toft_a)）・・・・・  式３
以上の構成により、電圧センサ６ａの直流電圧検出値V_dcの時間変化率dV_dc/dtを制御装置１０で演算し、dv_dc/dtが所定値を超えたとき、電流センサ７ｄの電流検出値I_btrを、所定の充電電流指令値I_abs_cmb（図示しない）に追従するように、ゲートアンプ９ａ，９ｂの出力であるゲートパルス信号ＧＰ１，ＧＰ２を制御して、スイッチング素子８ａ，８ｂを駆動できる。
【００２８】
また、インバータ装置４の回生電力P_regenと蓄電装置１２の端子間電圧V_btrより、蓄電装置１２に充電可能な充電電流指令値I_regen_cmb（図示していない）を制御装置１０で演算し、電流センサ７ｄの電流検出値I_btrを、前述の充電電流指令値I_regen_cmbに追従するように、ゲートアンプ９ａ，９ｂの出力であるゲートパルス信号ＧＰ１，ＧＰ２を制御して、スイッチング素子８ａ，８ｂを駆動できる。
【００２９】
これにより、回生ブレーキ中の集電装置から電力線への電流経路が断たれたとき、インバータ直流部の電圧検出値の変化率に基づいて、瞬時に回生電力を蓄電装置で吸収する充電制御を開始し、またその後も連続的に蓄電装置による回生電力の吸収を可能とする、電気車の駆動システムを実現できる。
【００３０】
図２は、本発明の電気車の駆動システムの一実施形態における制御方式を示すブロック図である。
【００３１】
電圧センサ６ａの電圧検出値V_dcは、変化率演算部５１に入力され、所定期間(dt)内の電圧V_dcの変化量dV_dc／dtを算出する。
【００３２】
比較器５２ａは、変化率演算部で算出したdV_dc／dtを入力とし、架線瞬断時の充電電流の増加率と回復率を選択する指令である架線瞬断検知フラグflg_i_upを出力する。比較器５２ａは、初期の出力値「flg_i_up=0」の状態にして、dV_dc／dtの値が架線瞬断探知レベルdV_on以上となり、その状態を継続している間は「flg_i_up=１」を出力する。また。出力値「flg_i_up=１」を出力している状態からdV_dc／dtの値が架線瞬断探知レベルdV_on未満となったときには「flg_i_up=0」を出力する。選択器５３ａは比較器５２ａが出力する架線瞬断探知フラグflg_i_upに応じて、充電電流増加率ΔI_up(正値)、または充電電流回復率ΔI_down(負値)を選択し、充電電流指令値ΔI_aとして出力する。すなわち、電圧変化率dV_dc／dtが架線瞬断検知オンレベルdV_on以上となり、その状態を継続している「flg_i_up=１」の状態では、選択器５３ａの出力である充電電流変化量ΔI_aは、充電電流増加率ΔI_upに等しい。また、電圧変化率dV_dc／dtが架線瞬断検知レベルdV_on未満となり、その状態を継続している「flg_i_up=0」の状態では、選択器５３ａの出力は充電電流回復率ΔI_downに等しい。
【００３３】
倫理回路５４は比較器５２ａが出力した架線瞬断検知フラグflg_i_upと後述の比較器５２ｂの出力であるflg_i_zeroを入力とし。flg_i_upとflg_i_zeroの論理和演算結果そして、充電電流の増加率または回復率の積分演算を制御するflg_i_sumを出力する。また、選択器５３ｂは論理和回路５４の出力flg_i_sumに応じて、零出力または充電電流変化量ΔI_aを選択して、積分器５５に入力する。比較器５２ｂは比較器５５の出力結果である吸収電流指令値I_abs_cmbを入力とし、I_abs_cmbが零以下のとき「flg_i_zero=0」を出力し、I_abs_cmdが零より大きいとき「flg_i_zero=1」を出力する。
【００３４】
その結果このflg_i_zeroとflg_i_upを入力する論理和回路５４は、dV_dc／dtが架線瞬断検知オンレベルdV_onを上回り、その状態を継続しているとき（すなわちflg_i_up=1のとき）、また、積分器５５の出力I_abs_cmbが零より大きい状態のとき（すなわちflg_i_zero=1のとき）「flg_i_sum=1」を出力する。このとき、選択器５３ｂは充電電流変化量ΔI_aを出力として選択するが、選択器５３ａの作用により「flg_i_up=1」の状態では充電増加率ΔI_a(加算値)であり、「flg_i_up=0」の状態では、充電回復率ΔI_down(負値)に等しくなる。すなわち、積分器５５の出力はflg_i_sumとflg_i_upによりその加算/減算が制御される。「flg_i_up=1」のとき論理和回路５４の出力は「flg_i_sum=1」であり、積分器５５はΔI_up(正値)を積分するので、I_abs_cmbは零よりも大きい値に積算される。このとき、比較器５２ｂはI_abs_cmbが零より大きいので「flg_i_zero=1」を出力する。その後、「flg_i_up=0」となると、論理和回路５４の出力は「flg_i_zero=1」であることから引続き「flg_i_sum=1」であるが、積分器５５はΔI_down(負値)を積分するのでi_abs_cmbは減算される。I_abs_cmbの減算により零に達した時点で、比較器５２ｂの出力「flg_i_zero=0」となり、論理和回路５４の出力は「flg_i_sum=0」となる。すなわち、選択器５３ｂの出力は零となるので、積分器５５の出力であるI_abs_cmbは零に達した時点でそのまま零値を継続する。
【００３５】
低位選択器５６ａは積分器５５の出力である吸収電流指令値I_abs_cmbと、蓄電装置１２が許容する最大充電電流(瞬時値)Imax_btr_insのうち小さい方の値を選び、制限つき吸収電流指令値I_abs_cmb_lmtを出力する。
【００３６】
一方、フリップフロップ回路１０２は、比較器５２ａの出力である架線瞬断検知フラグflg_i_upをセット入力、運転台からのブレーキフラグB_flgを倫理反転器１０３で反転した信号を入力とする、リセット優先フリップフロップであり、架線瞬断発生以降はインバータ回生電力を蓄電装置１２に蓄電する蓄電回生有効フラグflg_regenを出力する。すなわち、「B_flg=0」の状態では、フリップフロップ回路１０２のリセット入力は「１」なので、架線瞬断検知フラグflg_i_upが「flg_i_up=1」でも、蓄電回生有効フラグflg_regenはセットされず、「B_regen_flg=0」である。運転台のブレーキ操作により「B_flg=1」の状態のとき、フリップフロップ回路１０２のリセット入力は「０」であり、架線瞬断検知フラグflg_i_upが「flg_i_up=1」になった時点で、蓄電回生有効フラグflg_regenは「flg_regen=1」にセットされる。乗算器５８、除算器５９は、インバータ回生電力P_regenから、蓄電装置電圧I_btrを割り算して、回生電流I_regen_0を算出する。選択器５３cはフリップフフロップ回路１０２の出力である、架線瞬断検知フラグflg_i_upに応じて、回生電流指令I_regen_cmdを出力する。すなわち、「flg_i_up=0」のとき回生電流指令I_regen_cmdは零、「flg_i_up=0」のときは、回生電流指令I_regen_cmdは前述の回生電流I_regen_0に等しくする。
【００３７】
flg_i_up=0のとき、I_regen_cmd=0
flg_i_up=1のとき、I_regen_cmd=I_regen_0(=P_regen/V_btr)
低位選択器５６ｂは選択器５３ｃの出力である。回生電流指令I_regen_cmdと、蓄電装置１２が許容する最大充電電流(定格値)Imax_btr_ratのうち、小さい値を選んで制限つき回生電流指令値I_abs_cmd_lmtと、制限つき回生電流指令値I_regen_cmd_lmtのうち、小さい値を選んで連続回生電流指令値I_brfree_cmdを出力する。
【００３８】
減算器６０は、連続回生電流指令値I_brfree_cmdから、蓄電装置電流I_btrを減算し、連続回生制御指令ΔI_bfree_cmdを出力する。安定化制御器６２は連続回生制御指令ΔI_brfree_cmdを入力とし、前述の連続回生電流指令値I_brfree_cmdと、蓄電装置電流I_btrの差分を速やかに一致させるための連続回生制御操作量Duty_brfree_manを出力する。低位選択器５６ｃと高位選択器５７ｂは、連続回生操作量Duty_brfree_manの下限値及び上限値を決定する。まず、高位選択器５７ｂは、連続回生制御操作量Duty_brfree_manと零のうち大きい値を選んで出力し、低位選択器５６ｃは、高位選択器５７ｂの出力値と、１つのうち小さい値を選んで出力する。すなわち、連続回生制御操作量Duty_brfree_manは、低位選択器５７ｂにより、その範囲を０から１に制限して、制限つき連続回生制御操作量Duty_brfree_man_lmtを出力する。ゲートパルス演算部６１は、制限つき連続回生操作量Duty_brfree_man_lmtをもとに、スイッチング素子８ｂのオン／オフを制御する、降圧チョッパゲートパルスGP_buckを出力する。
【００３９】
以上の構成により、電圧センサ６ａの直流部電圧検出値V_dcの時間変化率dV_dc/dtを制御装置１０で演算し、dV_dc/dtを超えたとき、電流センサ７ｄの電流検出値I_btrを、所定の充電電流指令値I_abs_cmdに追従するように、ゲートアンプ９ａ，９ｂの出力であるゲートパルス信号ＧＰ１，ＧＰ２を制御して、スイッチング素子８ａ，８ｂを駆動できる。
【００４０】
また、インバータ装置４の回生電力P_regenと、蓄電装置１２の端子間電圧V_btrより、蓄電装置１２の充電可能な充電指令値I_regen_cmd（図示していない）を制御装置１０で演算し、電流センサ７ｄの電流検出値I_btrを、前述の充電電流指令値I_regen_cmdを追従するように、ゲートアンプ９ａ，９ｂの出力であるゲートパルス信号ＧＰ１，ＧＰ２を制御して、スイッチング素子８ａ，８ｂを駆動できる。
【００４１】
これにより、回生ブレーキ中に集電装置から電力線への電流経路が断たれたとき、インバータ直流部電圧検出値の変化率に基づいて、瞬時に回生電力を蓄電装置で吸収する充電制御を開始し、またその後も連続的に蓄電装置による回生電力の吸収を可能とする、電気車の駆動システムを実現できる。
【００４２】
図３は、本発明の電気車の駆動システムの一実施形態における制御動作を示す波形図である。
【００４３】
図３の横軸は経過時間であり、縦軸は各信号の大きさを示している。
まず、時間t0で運転台の操作によりブレーキプラグB_flgがオンする。これにより、直流部回生電力P_brkが立ち上がることで減速が始まり、ロータ周波数Frが減少する。運転台からのブレーキ指令が同じと仮定とすると、VVVF制御の変調率が100%(最大電圧)で、かつ電動機の電流特性が飽和しない領域で、直流部回生電力P_brkは最大となる。図３では、時間t1からt4（ロータ周波数Fr1からFr4）までの間で直流部回生電力P_brkが最大である状態を示している。
【００４４】
通常時は、回生ブレーキにより発生した直流部回生電力P_brkは集電装置１から架線に戻すことで周囲を走行する車両が力行電力として利用する。しかし、架線と集電装置１がごく短時間だけ離別する架線瞬断が発生すると、直流部回生電力P_brkを吸収できないため、瞬時的に直流部の電圧が上昇し、過電圧保護動作による回生ブレーキ失効が発生する。本発明はこの架線瞬断時の回生失効を防止することをおもな目的としている。
【００４５】
いま、直流部回生電力P_brkが最大となる時間t1からt4の中間である時間t2において架線瞬断が発生して、ごく短時間経過したt3に復位した場合を考える。架線電圧検出値Esは、通常時は集電装置が架線に接してしるため、電圧値は実際の架線電圧Es0を示す。架線瞬断が発生する時間t2に架線電圧検出値Esは瞬間的に零となり、瞬断が解消する時間t3に再び本来の電圧値Es0に戻る。
【００４６】
架線瞬断が発生すると、直流回生電力P_brkは集電装置１から架線に戻せないため、その電力はフィルタコンデンサ３に充電される。フィルタコンデンサ３は、フィルタリアクトル２と組合せて、架線電流のリップルを除去するフィルタ回路の役目を果たす。このため、その時定数は10ms程度に設定する場合が多い。その一方で、フィルタリアクトル２は、架線短絡事故が発生したときの変電所機器保護のために電流変化率を所定値に抑える機能を兼ね備えている。したがって、フィルタコンデンサ３の静電容量と、フィルタリアクトル２のインダクタンス値は、トレードオフの関係にあり、フィルタコンデンサ３の静電容量Cは概ね0.01(F)程度とすることが多い。例えば、直流部回生電力P_brk=500kW、Ecf=1500Vのとき、架線瞬断時のフィルタコンデンサ電圧変化率の変化率は、dEcf/dt=(P_brk/Ecf)/C=(500*1000/1500)/0.01＝33333(V/s)である。すなわち、この仮定では架線瞬断時にフィルタコンデンサ電圧が１秒間に33kV電圧上昇する。
【００４７】
このように、架線瞬断が発生したときにフィルタコンデンサ電圧Ecf、すなわち直流部電圧V_dcが急増することに着目し、直流部電圧検出値V_dcの変化率dV_dc/dtが所定値を超えたとき、架線瞬断が発生したと判断して瞬断検知フラグflg_itrをオンすることにより、「瞬時電力吸収制御」を行う。
【００４８】
「瞬時電力吸収制御」では、瞬断検知フラグflg_itrがオンしている期間は、降圧チョッパ操作量I_abs_cmdを増加させて、直流部から蓄電装置１２への充電電流を瞬時に通流させる。これにより、フィルタコンデンサ電圧Ecfの増加は最小限に抑えられて、フィルタコンデンサ電圧変化率Ecfは減少していく。フィルタコンデンサ電圧変化率Ecfの減少により所定値を下回った時点で瞬断検知フラグflg_itrをオフし、降圧チョッパ操作量I_abs_cmdを零まで低減して、瞬時電力吸収制御を完了する。
【００４９】
一方、瞬時電力吸収制御を完了した後においても、架線瞬断が発生した原因が解消されているときは限らない。このため、瞬時電力吸収制御完了後は、「回生電力吸収制御」に移行して、回生ブレーキを継続させる、「回生電力吸収制御」では、直流部回生電力P_brkを、ちょうど蓄電装置１２に充電するための降圧チョッパ制御操作量I_regen_cmdを演算する。これに基づいてスイッチング素子８ａを制御することにより、ブレーキフラグB_flgのオンが継続している期間中の回生電力は、集電装置１から架線に戻すことなく蓄電装置１２に充電することで、架線瞬断の発生に影響されない、安定した連続回生ブレーキを実現する。
【００５０】
以上のように本発明の構成によれば、回生ブレーキ中に集電装置から電力線への電流経路が断たれたとき、インバータ直流部の電圧検出値の変化率に基づいて、瞬時に回生電力を蓄電装置で吸収する充電制御を開始し、またその後も連続的に蓄電装置による回生電力の吸収を可能とする、電気車の駆動システムを実現できる。
【実施例２】
【００５１】
図４は、本発明の電気車の駆動システムにおける第二の実施形態の機器構成を示す図である。
【００５２】
集電装置１から給電した直流電力は、フィルタリアクトル２、およびフィルタコンデンサ３で構成するＬＣフィルタリング回路により高周波数域の変動分を除去した後、インバータ装置４に入力する。インバータ装置４は、入力された直流電力を可変電圧可変周波数（ＶＶＶＦ）の３相交流電力に変換して、主電動機５ａ，５ｂを駆動する。なお、ここではインバータ装置４が駆動する主電動機が２台の場合を示しているが、インバータ装置４が駆動する主電動機の台数は限定しない。電圧センサ６ａは、フィルタコンデンサ３の両端の直流部電圧V_dcを検出する。電流センサ７ａ，７ｂ，７ｃは、インバータ装置４と、主電動機５ａ，５ｂの間の３相交流電力線を流れる電流を各相毎に検出して、インバータ装置４入力する。接地点１００はこの回路の基準電位を決めている。スイッチング素子８ａ，８ｂは、前述の集電装置１および接地点１００とインバータ装置４の間にある直流電力部のうち、高電圧側と低電圧側の間に直列配置する。また、スイッチング素子８ｃは、前述の集電装置１および接地点１００とインバータ装置４の間にある直流電力部のうち、高電位側と低電位側の間に、ブレーキ抵抗器１３と共に直列配置する。電圧センサ６ｂは平滑リアクトル１１と電流センサ７ｄの電力線間に配置して、後述の蓄電装置１２の端子間電圧V_btrを検出する。なお、電圧センサ６ｂは平滑リアクトル１１と電流センサ７ｄの電力線間に配置しているが、これは蓄電装置１２と平滑リアクトル１１の電力線間に配置しても、蓄電装置１２の端子間電圧V_btrを検出できる。
【００５３】
制御装置１０は、インバータ装置４の回生電力P_inv、電圧センサ６ａの電圧検出値V_dc電圧センサ６ｂの電圧検出値V_btr、電流センサ７ｄの電流検出値I_btrを入力とし、ゲートアンプ９ａ，９ｂ，９ｃにスイッチング素子８ａ，８ｂ，８ｃのオン／オフを指令するゲートパルス信号ＧＰ１，ＧＰ２，ＧＰ３を出力する。ゲートアンプ９ａ，９ｂ，９ｃは、ゲートパルス信号ＧＰ１，ＧＰ２，ＧＰ３を入力とし、これを基にスイッチング素子８ａ，８ｂ、８ｃをオン／オフ可能な電圧制御信号に交換し、スイッチング素子８ａ，８ｂ，８ｃをオン／オフ制御する。電圧センサ６ｂは後述の蓄電装置１２の端子間電圧を検出する。電流センサ７ｄは、後述の蓄電装置１２に入出力する電流を検出する。
【００５４】
蓄電装置１２としては、架線瞬断時の回生電力の瞬時吸収を優先に考えると、単位体積あたりの充放電入出力特性が高性能である電気二重層キャパシタ装置などの適用が考えられる。しかし、鉄道車両ではシステム冗長性の確保が重要であるため、停電状態でも安全な退避箇所までの自力走行を実現する要求が考えられる。このため、単位体積あたりの蓄電能力が高いリチウムイオン電池などで構成することが妥当と言える。
【００５５】
蓄電装置１２の充放電制御は、スイッチング素子８ａまたは８ｂを周期的にオン／オフすることで実現する。この充放電制御において、平滑リアクトル１１は、蓄電装置１２に通流する電流の変化率を所定値内に抑える機能を持つ。
【００５６】
まず、スイッチング素子８ｂをオン／オフすることにより、蓄電装置１２の放電する制御について説明する。
【００５７】
前述のスイッチング素子８ｂを所定時間Ton_bだけオンすると、蓄電装置１２の出力端子間は短絡されるが、平滑リアクトル１１は、その電流増加率を一定値内に抑ると同時に、Ton_bの期間に通流した電流と蓄電装置１２の端子電圧の積を時間積分した電力エネルギを蓄える。その後、スイッチング素子８ｂを所定時間Toff_bだけオフすると、直流電力部側に平滑リアクトル１１に蓄えられた電力エネルギは、スイッチング素子８ａのダイオード部を介して、前述の集電装置１および接地点１００とインバータ装置４の間にある直流電力部側に放出される。このとき、直流電力側で得られる電圧値V_dcは、蓄電装置１２の端子電圧V_btrを基準として、前述のスイッチング素子８ｂをオンする時間Ton_bと、オフする時間Toff_bの比率から次式で決定する。
【００５８】
V_dc=V_btr×((Ton_b+Toff_b)／Toff_b)・・・式２
次に、スイッチング素子８ｂをオン／オフすることにより、蓄電装置１２に電力に電力を充電する制御について説明する。
【００５９】
前述のスイッチング素子８ｂを所定時間Ton_aだけオンすると、前述の集電装置１および接地点１００とインバータ装置４の間にある直流電力部の、接地点１００に対する電位V_dcが、蓄電装置１２の端子間電圧（接地点１００に対する電位）V_bcよりも高いとき（V_dc>V_bc）、直流電力部から蓄電装置１２の向きに電流が流れる。このとき、平滑リアクトル１１は、その電流増加率を一定値内に抑えると同時に、Ton_aの期間に通流した電流と、蓄電装置１２の端子電圧の積を時間積分したエネルギを蓄える。その後、スイッチング素子８ｂを所定時間Toff_aだけオフすると、直流電力部側に平滑リアクトル１１に蓄えられた電力エネルギは、蓄電装置１２の高電位側端子から、低電位側端子に抜け、スイッチング素子８ｂのダイオード部を経て、平滑リアクトル１１に戻る一巡の回路が構成される。すなわちスイッチング素子８ａを所定時間Toff_aだけオフしている期間は、平滑リアクトル１１に蓄えられた電力エネルギが、蓄電装置１２に充電電流が流れ続け、平滑リアクトル１１に蓄えられた電力エネルギが放出されるに従い、充電電流は減衰していく。このとき、蓄電装置１２で得られる端子間電圧値V_btrは、直流電力側V_dcを基準として、前述のスイッチング素子８ａをオンする時間Ton_aと、オフする時間Toff_aの比率から次式で決定する。
【００６０】
V_btr=V_dc×(Ton_a／(Ton_a+Toff_a))・・・式３
さらに、スイッチング素子８ｃをオン／オフすることにより、ブレーキ抵抗器１３から直流部の電力を瞬時に熱エネルギに変換して放出する制御（ブレーキチョッパ制御）について説明する。
【００６１】
前述のスイッチング素子８ｃを所定時間Ton_cだけオンすると、その期間は前述の集電装置１および接地点１００とインバータ装置４の間にある直流電力部は、ブレーキ抵抗器１３に介して接続される。従って、インバータ装置４の回生ブレーキ運転中に、スイッチング素子８ｃのオン／オフを適切に制御すると、インバータ回生電力の一部または全てをブレーキ抵抗器１３で消費できる。集電装置１および接地点１００とインバータ装置４の間にある直流電力部側に放出される。このとき、ブレーキ抵抗器１３の通流電流I_brrは、回生ブレーキ電流I_inv_regenを基準として、前述のスイッチング素子８ｂをオンする時間Ton_cと、オフする時間Toff_cの比率から次式で決定する。
【００６２】
I_r_brk=I_inv_regen×(Ton_c／(Ton_c+Toff_c))    ・・・・・  式４
以上の構成により、電圧センサ６ｂの直流部電圧検出器V_dcの時間変化率dV_dc／dtを制御装置１０で演算し、dV_dc／dtが所定値を超えたとき、電流センサ７eの電流検出器I_brrを、所定の充電電流指令値I_abs_cmd（図示していない）に追従するように、ゲートアンプ９ｃの出力であるゲートパルス信号ＧＰ３を制御して、スイッチング素子８ｃを駆動できる。
【００６３】
また、インバータ装置４の回生電力P_invと、蓄電装置１２の端子間電圧V_btrより、蓄電装置１２に充電可能な充電電流指令値I_regen_cmd（図示していない）を制御装置１０で演算し、電流センサ７ｄの電流検出器I_btrを、前述の充電電流指令値I_regen_cmd_bに追従するように、ゲートアンプ９ａ，９ｂの出力であるゲートパルス信号ＧＰ１，ＧＰ２を制御して、スイッチング素子８ａ，９ｂを駆動できる。
【００６４】
これにより、回生ブレーキ中に集電装置から電力線への電流経路が断たれたとき、インバータ直流部の電圧検出値の変化率に基づいて、瞬時に回生電力を蓄電装置で吸収する充電制御を開始し、またその後も連続的に蓄電装置による回生電力の吸収を可能とする、電気車の駆動システムを実現できる。
【００６５】
図５は、本発明の電気車の駆動システムの第二の実施形態の制御方式を示すブロック図である。
【００６６】
電圧センサ６aの直流部電圧検出値V_dcは、変化率演算部５１に入力され、所定期間（dt）内の直流部電圧V_dcの変化量ΔV_dc／Δtを算出する。比較器５２aは、変化率演算部で算出したdV_dc／dtを入力とし、架線瞬断時の充電電流の増加率と回復率を選択する指令である架線瞬断検知フラグflg_i_upを出力する。比較器５２aは、初期の出力値「flg_i_up=0」の状態に対して、dV_dc／dtの値が架線瞬断検知レベルdV_on以上となりその状態を継続している間は「flg_i_up=1」を出力する。また、出力値「flg_i_up=1」を出力している状態から、dV_dc／dtの値が架線瞬断検知レベルdV_on未満となったときには「flg_i_up=0」を出力する。選択器５３aは、比較器５２aが出力する架線瞬断検知フラグflg_i_upに応じて、充電電流増加率ΔI_up（正値）、または、充電電流回復率ΔI_down（負値）を選択し、充電電流指令値ΔI_aとして出力する。すなわち、電圧変化率dV_dc／dtが架線瞬断検知オンレベルdV_on以上となり、その状態を継続している「flg_i_up=1」の状態では、選択器５３aの出力である充電電流変化率ΔI_aは、充電電流増加率ΔI_upに等しく、電圧変化率dV_dc／dtが架線瞬断検知レベルdV_on未満となり、その状態を継続している「flg_i_up=0」の状態では、選択器５３aの出力は充電電流回復率ΔI_downに等しい。論理和回路５４は比較器５２aが出力した架線瞬断検知フラグflg_i_upと、後述の比較器５２bの出力であるflg_i_zeroを入力とし、flg_i_upとflg_i_zeroの論理和の演算結果として、充電電流の増加率または回復率の積分演算を制御するflg_i_sumを出力する。また、選択器５３bは、論理和回路５４の出力flg_i_sumに応じて、零出力または充電電流変化量ΔI_aを選択して、積分器５５に入力する。比較器５２bは積分器５５の出力結果である吸収電流指令値I_abs_cmdを入力とし、I_abs_cmdが零以下のとき「flg_i_zero=0」を出力し、i_abs_cmdが零より大きいとき「flg_i_zero=1」を出力する。
【００６７】
その結果、このflg_i_zeroと、flg_i_upを入力する論理和回路５４は、dV_dc／dtが架線瞬断検知オンレベルdV_onを上回り、その状態を継続しているとき（すなわちflg_i_up=1のとき）、または、積分器５５の出力i_abs_cmdが零より大きい状態のとき（すなわちflg_i_zero=1のとき）「flg_i_sum=1」を出力する。このとき、選択器５３ｂは充電電流変化量ΔI_aを出力として選択するが、選択器５３ａの作用により「flg_i_up=1」の状態では、充電電流増加率ΔI_up（加算値）であり、「flg_i_up=0」の状態では、充電電流回復率ΔI_down（負値）に等しくなる。すなわち、積分器５５の出力はflg_i_sumとflg_i_upにより、その加算／減算が制御される。「flg_i_up=1」のとき、論理和回路５４の出力は「flg_i_sum=1」であり、積分器５５はΔ_up（正値）を積分するので、I_abs_cmdは零よりも大きい値に積算される。このとき、比較器５２ｂはI_abs_cmdは零より大きいので、「flg_i_zero=1」を出力する。その後、「flg_i_up=0」となると、論理和回路５４の出力は「flg_i_zero=1」であることから引続き「flg_i_sum=1」であるが、積分器５５はΔI_down（負値）を積分するのでi_abs_cmdは減算される。I_abs_cmdの減算により零に達した時点で、比較器５２ｂの出力「flg_i_zero=0」となり、論理和回路５４の出力は「flg_i_sum=0」となる。すなわち、選択器５３ｂの出力は零となるので、積分器５５の出力であるI_abs_cmdは例に達した時点でそのまま零値を継続する。低位選択器５６ａは、積分器５５の出力である吸引電流指令値I_abs_cmdと、蓄電装置１２が許容する最大充電電流（瞬時値）Imax_btr_insのうち小さい方の値を選び、制限つき吸収電流指令値I_abs_lmtを出力する。
【００６８】
減速器６０ａは、連続回生電流指令値I_abs_lmtから、ブレーキ抵抗器電流I_btrを減算し、連続回生制御指令ΔI_brfree_cmd_aを出力する。安定化制御器６２aは、連続回生制御指令ΔI_brfree_cmd_aを入力とし、前述の連続回生電流指令値I_brfree_cmd_aと、ブレーキ抵抗器電流I_brrの差分を速やかに一致させるための連続回生制御操作量Duty_brfree_man_aを出力する。低位選択器５６cと高位選択器５７ｂは、連続回生制御操作量Duty_brfree_man_aの下限値および上限値を決定する。まず、高位選択器５７ｂは、連続回生制御操作量Duty_brfree_man_aと、零のうち大きい値を選んで出力し、低位選択器５６ｃは、高位選択器５７ｂの出力値と、１のうち小さい値を選んで出力する。すなわち、連続回生制御操作量Duty_brfree_man_aは、低位選択器５６ｃと高位選択器５７ｂにより、その範囲を０から１に制限して、制限つき連続回生制御操作量Duty_brfree_man_a_lmtを出力する。ゲートパルス演算部６１ａは、制限つき連続回生制御操作量Duty_brfree_man_a_lmtをもとに、スイッチング素子８ａのオン／オフを制御する。降圧チョッパゲートパルスGP_bchを出力する。
【００６９】
一方、フリップフロップ回路１０２は、比較器５２ａの出力である架線瞬断検知フラグflg_i_upをセット入力、運転台からのブレーキフラグB_flgを論理反転器１０３で反転した信号を入力する、リセット優先フリップフロップであり、架線瞬断発生以降はインバータ回生電力を蓄電装置１２に蓄電する蓄電回生有効フラグflg_regenを出力する。すなわち、「B_flg=0」の状態では、フリップフロップ回路１０２のリセット入力は「１」なので、架線瞬断検知フラグflg_i_upが「flg_i_up=1」でも、蓄電回生有効フラグflg_regenはセットされず、「B_regen_flg=0」である。運転台のブレーキ操作により「B_flg=1」の状態のとき、フリップフロップ回路１０２のリセット入力は「０」であり、架線瞬断検知フラグflg_i_upが「flg_i_up=1」になった時点で、蓄電回生有効フラグflg_regenは「flg_regen=1」にセットされる。乗算器５８、除算器５９は、インバータ回生電力P_regenから、蓄電装置電圧I_btrを割り算して、回生電流I_regen_0を算出する。選択器５３ｃはフリップフロップ回路１０２の出力である、架線瞬断検知フラグflg_i_upに応じて、回生電流指令I_regen_cmdを出力する。すなわち、「flg_i_up=0」のときは、回生電流指令I_regen_cmdは零、「flg_i_up=1」のときは、回生電流指令I_regen_cmdは前述の回生電流I_regen_0に等しくする。
【００７０】
flg_i_up=0のとき、I_regen_cmd=0
flg_i_up=1のとき、I_regen_cmd= I_regen_0(=P_regen/V_btr）
低位選択器５６ｂは、選択器５３ｃの出力である、回生電流指令I_regen_cmdと、蓄電装置１２が許容する最大充電電流（定格値）Imax_btr_ratのうち、小さい値を選んで制限つき回生電流指令I_regen_cmd_lmtを出力する。高位選択器５７ａは、制限つき吸収電流指令値I_abs_cmd_lmtと、制限つき回生電流指令値I_regen_cmd_lmtのうち、小さい値を選んで連続回生電流指令値I_brfree_cmdを出力する。
【００７１】
減算器６０ｂは、連続回生電流指令値I_brfree_cmd_bから、蓄電装置電流I_btrを減算し、連続回生制御指令ΔI_brfree_cmd_bを出力する。安定化制御器２ｂは、連続回生制御指令ΔI_brfree_cmd_bを入力とし、前述の連続回生電流指令値I_brfree_cmd_bと、蓄電装置電流I_btrの差分を速やかに一致させるための連続回生制御操作量Duty_brfree_man_bを出力する。低位選択器５６ｄと高位選択器５７ｃは、連続回生制御操作量Duty_brfree_man_bの下限値及び上限値を決定する。まず、高位選択器５７ｂは、連続回生制御操作量Duty_brfree_man_bと、零のうち大きい値を選んで出力し、低位選択器５６ｄは、高位選択器５７ｃの出力値と、１のうち小さい値を選んで出力する。すなわち、連続回生制御操作量Duty_brfree_man_bは、低位選択器５６ｄと高位選択器５７ｃにより、その範囲を０から１に制限して、制限つき連続回生制御操作量Duty_brfree_man_lmtを出力する。ゲートパルス演算部６１ｂは、制限つき連続回生制御操作量Duty_brfree_man_lmtをもとに、スイッチング素子８ｂのオン／オフを制御する、降圧チョッパゲートパルスGP_buckを出力する。
【００７２】
以上の構成により、電圧センサ６ｂの直流部電圧検出値V_dcの時間変化率dV_dc/dtを制御装置１０で演算し、dV_dc/dtが所定値を超えたとき、電流センサ７ｅの電流検出値I_brrを、所定の充電電流指令値I_abs_cmdに追従するように、ゲートアンプ９ｃの出力であるゲートパルス信号ＧＰ３を制御して、スイッチング素子８ｃを駆動できる。
【００７３】
また、インバータ装置４の回生電力P_invと、蓄電装置１２の端子間電圧V_btrより、蓄電装置１２に充電可能な充電電流指令値I_regen_cmdを制御装置１０で演算し、電流センサ７ｄの電流検出値I_btrを、前述の充電電流指令値I_regen_cmd_bに追従するように、ゲートアンプ９ａ，９ｂの出力であるゲートパルス信号ＧＰ１，ＧＰ２を制御して、スイッチング素子８ａ，８ｂを駆動できる。
【００７４】
これにより、回生ブレーキ中に集電装置から電力線への電流経路が断たれたとき、インバータ直流部の電圧検出値の変化率に基づいて、瞬時に回生電力を蓄電装置で吸収する充電制御を開始し、またその後も連続的に蓄電装置による回生電力の吸収を可能とする、電気車の駆動システムを実現できる。
【００７５】
図６は、本発明の電気車の駆動システムの第二の実施形態の制御動作を示す波形図である。図６の横軸は経過時間であり、縦軸は各信号の大きさを示している。
【００７６】
まず、時間ｔ０で運転台の操作によりブレーキフラグB_flgがオンする。これにより、直流部回生電力P_brkが立ち上がることで減速が始まり、ロータ周波数Frが減少する。運転台からのブレーキ力指令が同じと仮定すると、VVVF制御の変調率が１００％（最大電圧）で、かつ電動機の電流特性が飽和しない領域で、直流部回生電力P_brkは最大となる。図６では、時間がｔ１からｔ４（ロータ周波数FrlからFr4）までの間で直流部回生電力P_brkが最大である状態を示している。
【００７７】
通常時は、回生ブレーキにより発生した直流部回生電力P_brkは、集電装置１から架線に戻すことで周囲を走行する車両が力行電力として利用する。しかし、架線と集電装置１がごく短時間だけ離別する架線瞬断が発生すると、直流部回生電力P_brkを吸収できないため、瞬時的に直流部の電圧が上昇し、過電圧保護動作による回生ブレーキ失効が発生する。本発明はこの架線瞬断時の回生失効を防止することをおもな目的としている。
【００７８】
いま、直流部回生電力P_brkが最大となる時間がt1からt4の中間である時間t2において架線瞬断が発生して、ごく短時間経過したt3に復位した場合を考える。架線電圧検出値Esは、通常時は集電装置が架線に接しているため、電圧値は実際の架線電圧Es0を示す。架線瞬断が発生する時間t2に架線電圧検出値Esが瞬間的に零となり、瞬断が解消する時間t3に再び本来の電圧Es0に戻る。
【００７９】
架線瞬断が発生すると、直流部回生電力P_brkは集電装置１から架線に戻せないため、その電力はフィルタコンデンサ３に充電される。フィルタコンデンサ３は、フィルタリアクトル２と組合せて、架線電流のリップルを除去するフィルタ回路の役目を果たす。このため、その時定数は10ms程度に設定する場合が多い。その一方で、フィルタリアクトル２は、架線短絡事故が発生したときの変電所機器保護のために電流変化率を所定値に抑える機能を兼ね備えている。したがって、フィルタコンデンサ３の静電容量と、フィルタリアクトル２のインダクタンス値は、トレードオフの関係にあり、フィルタコンデンサ３の静電容量Cは概ね0.01(F)程度とすることが多い。例えば、直流部回生電力P_brk＝500kW,Ecf=1500Vのとき、架線瞬断時のフィルタコンデンサ電圧変化率の変化率は、dEcf/dt(P_brk/Ecf)/C=(500*1000/1500)/0.1=33333(V/s)である。すなわち、この仮定では架線瞬断時にフィルタコンデンサ電圧が１秒間に33kV電圧上昇する。
【００８０】
このように、架線瞬断が発生したときにフィルタコンデンサ電圧Ecf、すなわち、直流部電圧V_dcが急増することに着目し、直流電圧検出値V_dcの変化率dV_dc/dｔが所定値を超えたとき、架線瞬断が発生したと判断して瞬断検知フラグflg_itrをオンすることにより、「瞬時電力吸収制御」を行う。
【００８１】
「瞬時電力吸収制御」では、瞬断検知フラグflg_itrがオンしている期間は、ブレーキチョッパ制御操作量I_brfree_cmd_aを増加させて、直流部から蓄電装置１２への充電電流を瞬時に通流させる。これにより、フィルタコンデンサ電圧Ecfの増加は最小限に抑えられて、フィルタコンデンサ電圧変化率Ecfは減少していく。フィルタコンデンサ電圧変化率Ecfの減少により所定値を下回った時点で瞬断検知フラグflg_itrをオフし、ブレーキチョッパ制御操作量I_brfree_cmd_aを零まで低減して、瞬時電力吸収制御を完了する。
【００８２】
一方、瞬時電力吸収制御を完了した後においても、架線瞬断が発生した原因が解消されているとは限らない。このため、瞬時電力吸収制御完了後は、「回生電力吸収制御」に移行して、回生ブレーキを継続させる。「回生電力吸収制御」では、直流部回生電力P_brkを、ちょうど蓄電装置１２に充電するための降圧チョッパ制御操作量I_brfee_cmd_bを演算する。これに基づいてスイッチング素子８aを制御することにより、ブレーキフラグB_flgのオンが継続している期間中の回生電力は、集電装置１から架線に戻すことなく蓄電装置１２に充電することで、架線瞬断の発生し影響されない、安定した連続回生ブレーキを実現する。
【００８３】
以上のように、本発明の構成によれば、回生ブレーキ中に集電装置から電力線への電流経路が断たれたとき、インバータ直流部の電圧検出値の変化率に基づいて、瞬時に回生電力を蓄電装置で吸収する充電制御を開始し、またその後も連続的に蓄電装置による回生電力の吸収を可能とする。電気車の駆動システムを実現できる。
【実施例３】
【００８４】
図７は、本発明の電気車の駆動システムにおける第三の実施形態の機器構成を示す図である。
【００８５】
集電装置１から給電した直流電力は、フィルタリアクトル２、およびフィルタコンデンサ３で構成するLC回路（フィルタ回路）により高周波数域の変動分を除去した後、インバータ装置４に入力する。インバータ装置４は、入力された直流電力を可変電圧可変周波数（VVVF）の３相直流電力に変換して、主電動機５a，５ｂを駆動する。なお、ここではインバータ装置４が駆動する主電動機が２台の場合を示しているが、インバータ装置４が駆動する主電動機の台数は限定しない。電圧センサ６aは、フィルタコンデンサ３の両端の直流部電圧V_dcを検出する。電流センサ７a，７b，７cは、インバータ装置４と、主電動機５a，５bの間の３相交流電力線を流れる電流を各相毎に検出して、インバータ装置４に入力する。接地点１００はこの回路の基準電位を決めている。スイッチング素子８a，８bは、前述の集電装置１および接地点１００とインバータ装置４の間にある直流電力部うち、高電位側と低電位側の間に直列配置する。電圧センサ６ｂは平滑リアクトル１１と電流センサ７ｄの電力線間に配置して、蓄電装置１２の端子間電圧V_btrを検出する。なお、電圧センサ６ｂは平滑リアクトル１１と電流センサ７ｄの電力線間に配置しているが、これは蓄電装置１２と平滑リアクトル１１の電力線間に配置しても、後述の蓄電装置１２の端子間電圧V_btrを検出できる。
【００８６】
制御装置１０は、インバータ装置４の回生電力P_inv、電圧センサ６ａの電圧検出値V_dc、電圧センサ６ｂの電圧検出値V_btr、電流センサ７ｄの電流検出値I_btrを入力とし、ゲートアンプ９ａ，９ｂにスイッチング素子８ａ，８ｂのオン／オフを指令するゲートパルス信号ＧＰ１，ＧＰ２を出力する。ゲートアンプ９ａ，９ｂは、ゲートパルス信号ＧＰ１，ＧＰ２を入力とし、これを基にスイッチング素子８ａ，８ｂをオン／オフ可能な電圧制御信号に変換し、スイッチング素子８ａ，８ｂをオン／オフ制御する。電圧センサ６ｂは後述の蓄電装置１２の端子間電圧を検出する。電流センサ７ｄは、後述の蓄電装置１２に入出力する電流を検出する。
【００８７】
蓄電装置１２としては、架線瞬断時の回生電力の瞬時吸収を優先に考えると、単位面積あたりの充放電入出力特性が高性能である電気二重層キャパシタ装置などの適用が考えられる。しかし、鉄道車両ではシステム冗長性の確保が重要であるため、停電状態でも安全な退避箇所までの自力走行を実現する要求が考えられる。このため、単位面積あたりの蓄電能力が高いリチウムイオン電池などで構成することが妥当と言える。
【００８８】
蓄電装置１２の充放電制御は、スイッチング素子８ａまたは８ｂを周期的にオン／オフすることで実現する。この充放電制御において、平滑リアクトル１１は、蓄電装置１２に通流する電流の変化率を所定値内に抑える機能をもつ。
【００８９】
まず、スイッチング素子８ｂを周期的にオン／オフすることにより、蓄電装置１２の電力を放電する制御について説明する。
【００９０】
前述のスイッチング素子８ｂを所定時間Ton_bだけオンすると、蓄電装置１２の出力端子間は短絡されるが、平滑リアクトル１１は、その電流増加率を一定値内に抑えると同時に、Ton_bの期間に通流した電流と、蓄電装置１２の端子間電圧の積を時間積分した電力エネルギを蓄える。その後、スイッチング素子８ｂを所定時間Toft_bだけオフすると、直流電力部側に平滑リアクトル１１に蓄えられた電力エネルギは、スイッチング素子８ａのダイオード部を介して、前述の集電装置１および接地点１００とインバータ装置４の間にある直流電力部側に放出される。このとき、直流電力側で得られる電圧値V_dcは、蓄電装置１２の端子電圧V_btrを基準として、前述のスイッチング素子８ｂをオンする時間Ton_bと、オフする時間Toft_bの比率から次式で決定する。
【００９１】
V_dc=V_btr×（(Ton_b+Toft_b)／Toft_b）  ・・・・・  式２
次に、スイッチング素子８ａを周期的にオン／オフすることにより、蓄電装置１２に電力を充電する制御について説明する。
【００９２】
前述のスイッチング素子８ａを所定時間Ton_aだけオンすると、前述の集電装置１および接地点１００とインバータ装置４の間にある直流電力部の、接地点１００に対する電位V_dcが、蓄電装置１２の端子間電圧（接地点１００に対する電位）V_dcよりも高いとき(V_dc＞V_bc)、直流電流部から蓄電装置１２の向きに電流が流れる。このとき、平滑リアクトル１１は、その電流増加率を一定値内に抑えると同時に、Ton_aの期間に通流した電流と、蓄電装置１２の端子電圧の積を時間積分した電力エネルギを蓄える。その後、スイッチング素子８ａを所定時間Toft_aだけオフすると、直流電流部側に平滑リアクトル１１に蓄えられた電力エネルギは、蓄電装置１２の高電位側端子から、低電位側端子に抜け、スイッチング素子８ｂのダイオード部を経て、平滑リアクトル１１に戻る一巡の回路が構成される。すなわち、スイッチング素子８ａを所定時間Toft_aだけオフしている期間は、平滑リアクトル１１に蓄えられた電力エネルギが、蓄電装置１２に充電電流が流れ続け、平滑リアクトル１１に蓄えられた電力エネルギが放出されるに従い、充電電流は減衰していく。このとき、蓄電装置１２で得られる端子間電圧値V_btrは、直流電力側V_dcを基準として、前述のスイッチング素子８ａをオンする時間Ton_aと、オフする時間Toft_aの比率から次式決定する。
【００９３】
V_btr=V_dc×（Ton_a／(Ton_a+Toft_a)）  ・・・・・  式３
補助電源装置１４は、蓄電装置１２の出力端子直近に接続し、蓄電装置１２に蓄えられた電力、架線から集電装置１を経て供給される電力、またはインバータ装置４から供給される電力をもとに、車両制御器の電源、証明の空調機のサービス機器に電源を供給する。前述のように、蓄電装置１２にはインバータ装置１４の回生制動電力より充電されるので、車両の停止中や力行中は、まず蓄電装置１２に蓄えられた電力により補助電源装置１４を駆動する。蓄電量が低下して、車両制御器やサービス機器に充分な電力を供給できないときは、前述のスイッチング素子９ａをオン／オフすることにより、架線から集電装置１を経て供給される電力、またはインバータ装置４から供給される電力を蓄電装置１２の電圧レベルにあわせて制御して補助電源装置１４に供給する。
【００９４】
以上の構成により、電圧センサ６ａの直流部電圧検出値V_dcの時間変化率dV_dc/dtを制御装置１０で演算し、dV_dc/dtが所定値を超えたとき、電流センサ７ｄの電流検出値I_btrを、所定の充電電流指令値I_abs_cmd（図示していない）に追従するように、ゲートアンプ９ａ、９ｂの出力であるゲートパルス信号ＧＰ１、ＧＰ２を制御して、スイッチング素子８ａ、８ｂを駆動できる。
【００９５】
また、インバータ装置４の回生電力P_regenと、蓄電装置１２の端子間電圧V_btrより、蓄電装置１２に充電可能な充電電流指令値I_regen_cmd（図示していない）を制御装置１０で演算し、電流センサ７ｄの電流検出値I_btrを、前述の充電電流指令値I_regen_cmdに追従するように、ゲートアンプ９ａ，９ｂの出力であるゲートパルス信号ＧＰ１，ＧＰ２を制御して、スイッチング素子８ａ，８ｂを駆動できる。
【００９６】
これにより、回生ブレーキ中に集電装置から電力線への電流経路が断たれたとき、インバータ直流部の電圧検出値の変化率に基づいて、瞬時に回生電力を蓄電装置で吸収する充電制御を開始、またその後も連続的に蓄電装置に回生電力の吸収を可能とする、電気車の駆動システムを実現できる。また、蓄電装置に吸収した回生電力は、車両制御器の電源、照明や空調機のサービス機器に常に電源を供給する補助電源装置の駆動に優先的に用いることで、スイッチング素子を動作させることなく、低損失に蓄電装置の放電を促進して回生電力の吸収余裕を確保できる。また、蓄電装置が接続された安定な直流電流により補助電源装置を駆動できるので、補助電源装置の入力電圧変動の許容範囲を小さく設定して、補助電源コストを抑えられる。
【実施例４】
【００９７】
図８は、本発明の電気車の駆動システムにおける第四の実施形態の機器構成を示す図である。
【００９８】
集電装置１から給電した直流電力は、フィルタリアクトル２、及びフィルタコンデンサ３で構成するＬＣフィルタリング回路により高周波数域の変動分を除去した後、インバータ装置４に入力する。インバータ装置４は、入力された直流電力を可変電圧可変周波数（ＶＶＶＦ）の３相交流電力に変換して、主電動機５ａ，５ｂを駆動する。なお、ここではインバータ装置４が駆動する主電動機が２台の場合を示しているが、インバータ装置４が駆動する主電動機の台数は限定しない。電圧センサ６ａは、フィルタコンデンサ３の両端の直流部電圧V_ｄｃを検出する。電圧センサ７a，７ｂ，７ｃは、インバータ装置４と、主電動機５a，５ｂの間の３相交流電力線を流れる電流を各相毎に検出して、インバータ装置４に入力する。接地点１００はこの回路の基準電位を決めている。スイッチング素子８a，８ｂは、前述の集電装置１および接地点１００とインバータ装置４の間にある直流電力部うち、高電位側と低電位側の間に直列配置する。また、スイッチング素子８ｃは、前述の集電装置１および接地点１００とインバータ装置４の間にある直流電力部うち、高電位側と低電位側の間に、ブレーキ抵抗器１３と共に直列配置する。電圧センサ６ｂは平滑リアクトル１１と電流センサ７ｄの電力線間に配置して、蓄電装置１２の端子間電圧V_btrを検出する。なお、電圧センサ６ｂは平滑リアクトル１１と電流センサ７ｄの電力線間に配置しているが、これは蓄電装置１２と平滑リアクトル１１の電力線間に配置しても、後述の蓄電装置１２の端子間電圧V_btrを検出できる。
【００９９】
制御装置１０は、インバータ装置４の回生電力P_inv、電圧センサ６ａの電圧検出値V_dc、電圧センサ６ｂの電圧検出値V_btr、電流センサ７ｄの電流検出値I_btrを入力とし、ゲートアンプ９ａ，９ｂ，９ｃにスイッチング素子８ａ，８ｂ，８ｃのオン／オフを指令するゲートパルス信号ＧＰ１，ＧＰ２，ＧＰ３を出力する。ゲートアンプ９ａ，９ｂ，９ｃは、ゲートパルス信号ＧＰ１，ＧＰ２，ＧＰ３を入力とし、これを基にスイッチング素子８ａ，８ｂをオン／オフ可能な電圧制御信号に変換し、スイッチング素子８ａ，８ｂ，８ｃをオン／オフ制御する。電圧センサ６ｂは後述の蓄電装置１２の端子間電圧を検出する。電流センサ７ｄは、後述の蓄電装置１２に入出力する電流を検知する。
【０１００】
蓄電装置１２としては、架線瞬断時の回生電力の瞬時吸収を優先に考えると、単体体積あたりの充放電入出力特性が高性能である電気二重層キャパシタ装置などの適用が考えられる。しかし、鉄道車両ではシステム冗長性の確保が重要でああるため、停電状態でも安全な退避箇所までの自力走行を実現する要求が考えられる。このため、単体面積あたりの蓄電能力が高いリチウムイオン電池などの構成することが妥当と言える。
【０１０１】
蓄電装置１２の充放電制御はスイッチング素子８ａ，８ｂを周期的にオン／オフすることで実現する。この充放電制御において、平滑リアクトル１１は、蓄電装置１２に通流する電流の変化率を所定値内に抑える機能をもつ。
【０１０２】
まず、スイッチング素子８ｂをオン／オフすることにより、蓄電装置１２の電力を放電する制御について説明する。
【０１０３】
前述のスイッチング素子８ｂを所定時間Ton_bだけオンすると、蓄電装置１２の出力端子間は短絡されるが、平滑リアクトル１１はその電流増加率を一定値内に抑ると同時に、Ton_bの期間に通流した電流の蓄電装置１２の端子電圧の積を時間積分した電力エネルギを蓄える。その後、スイッチング素子８ｂを所定時間Toft_bだけオフすると、直流電力部側に平滑リアクトル１１に蓄えられた電力エネルギはスイッチング素子８ａのダイオード部を介して、前述の集電装置１および接地点１００とインバータ装置４の間にある直流電力部側に放出される。このとき、直流電流側で得られる電圧値V_dcは、蓄電装置１２の端子電圧V_btrを基準として、前述のスイッチング素子８ｂをオンする時間Ton_bと、オフする時間Toft_bの比率から次式で決定する。
【０１０４】
V_dc=V_btr×（(Ton_b＋Toft_b)／Toft_b）  ・・・・・  式２
次に、スイッチイング素子８ａをオン／オフすることにより、蓄電装置１２に電力を充電する制御について説明する。
【０１０５】
前述のスイッチング素子８ａを所定の時間Ton_ａだけオンすると、前述の集電装置１および接地点１００とインバータ装置４の間にある直流電力部の、接地点１００に対する電位V_dcが、蓄電装置１２の端子間電圧（接地点１００に対する電位）V_dcよりも高いとき（V_dc＞V_bc）、直流電力部から蓄電装置１２の向きに電流が流れる。このとき、平滑リアクトル１１は電流増加率を一定値内に抑ると同時に、Ton_aの期間に通流した電流と、蓄電装置１２の端子電圧の積を時間積分した電力エネルギを蓄える。その後、スイッチング素子８ａを所定時間Toft_aだけオフすると、直流電力部側に平滑リアクトル１１に蓄えられた電力エネルギは蓄電装置１２の高電位側端子から、低電位側端子に抜け、スイッチング素子８ｂのダイオード部を経て、平滑リアクトル１１に戻り一巡の回路が構成される。すなわち、スイッチング素子８ａを所定時間Toft_aだけオフしている期間は平滑リアクトル１１に蓄えられた電力エネルギが蓄電装置１２に充電電流が流れ続け、平滑リアクトル１１に蓄えられた電力エネルギが放出されるに従い、充電電流は減衰していく。このとき、蓄電装置１２で得られる端子間電圧値V_btrは、直流電力側V_dcを基準として、前述のスイッチング素子８aをオンする時間Toft_aと、オフする時間Toft_aの比率から次式で決定する。
【０１０６】
V_btr=V_dc×（Ton_a／(Ton_a＋Toff_a)）  ・・・・・  式３
さらに、スイッチング素子８ｃをオン／オフすることにより、ブレーキ抵抗器１３から直流部の電力を瞬時に熱エネルギに変換して放出する制御（ブレーキチョッパ制御）について説明する。
【０１０７】
前述のスイッチング素子８ｃを所定時間Ton_cだけオンすると、その期間は前述の集電装置１および接点地１００とインバータ装置４の間にある直流電力部は、ブレーキ抵抗器１３を介して接続される。従って、インバータ装置４を回生ブレーキ運転中に、スイッチング素子８ｃのオン／オフを適切に制御すると、インバータ回生電力の一部または全てをブレーキ抵抗器１３で消費できる。集電装置１および接点地１００とインバータ装置４の間にある直流電力部側に放出される。このとき、ブレーキ抵抗器１３の通流電力I_brrは、回生ブレーキ電流I_inv_regenを基準として、前述のスイッチング素子８ｂをオンする時間Ton_bと、オフする時間Toff_bの比率から次式で決定する。
【０１０８】
I_r_brk=I_inv_regen×（Ton_a／（Ton_a＋Toff_a））  ・・・・・  式４
補助電源装置１４は、蓄電装置１２の出力端子に接続し、蓄電装置１２に蓄えられた電力、架線から集電装置１を経て供給される電力、またはインバータ装置４から供給される電力をもとに、車両制御器の電源、照明や空調機のサービス機器に電源を供給する。前述のように、蓄電装置１２にはインバータ装置１４の回生制電電力より充電されるので、車両の停止中や力行中は、まず蓄電装置１２に蓄えられた電力により補助電源装置１４を駆動する。蓄電量が低下して、車両制御器やサービス機器に充分な電力を供給できないときは、前述のスイッチング素子９ａをオン／オフすることにより、架線から集電装置１を経て供給される電力、またはインバータ装置４から供給される電力を蓄電装置１２の電圧レベルにあわせて制御して補助電源装置１４に供給する。
【０１０９】
以上の構成により、電圧センサ６ｂの直流部電圧検出値V_dcの時間変化率dV_dc/dtを制御装置１０で演出し、dV_dc/dtが所定値を超えたとき、電流センサ７ｅの電流検出値I_brrを、所定の充電電流指令値I_abs_cmd（図示していない）に追従するように、ゲートアンプ９ｃの出力であるゲートパルス信号ＧＰ３を制御して、スイッチング素子８ｃを駆動できる。
【０１１０】
また、インバータ装置４の回生電力P_invと、蓄電装置１２の端子間電圧V_btrより、蓄電装置１２に充電可能な充電電流指令値I_regen_cmd（図示していない）を制御装置１０で演算し、電流センサ７ｄの電流検出値I_btrを、前述の充電電流指令値I_regen_cmd_bに追従するように、ゲートアンプ９a，９ｂの出力であるゲートパルス信号ＧＰ１，ＧＰ２を制御して、スイッチング素子８a，８ｂを駆動できる。
【０１１１】
これにより、回生ブレーキ中に集電装置から電力線への電流経路が断たれたとき、インバータ直流部の電圧検出値の変化率に基づいて、瞬時に回生電力を蓄電装置で吸収する充電制御を開始し、またその後も連続的に蓄電装置による回生電力の吸収を可能とする、電気車の駆動システムを実現できる。また、蓄電装置に吸収した回生電力は、車両制御器の電源、照明や空調機のサービス機器に常に電源を供給する補助電源装置の駆動に優先的に用いることで、スイッチング素子を動作させることなく、低損失に蓄電装置の放電を促進して回生電力の吸収余裕を確保できる。また、蓄電装置が接続された安定な直流電源により補助電源装置を駆動できるので、補助電源装置の入力電圧変動の許容範囲を小さく設定して、補助電源装置のコストを抑えられる。
【図面の簡単な説明】
【０１１２】
【図１】本発明の実施例１の電気車の駆動システムの機器構成を示す図である。
【図２】本発明の実施例１の電気車の駆動システムの制御方式を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施例１の電気車の駆動システムの制御動作を示す波形図である。
【図４】本発明の実施例２の電気車の駆動システムの機器構成を示す図である。
【図５】本発明の実施例２の電気車の駆動システムの制御方式を示すブロック図である。
【図６】本発明の実施例２の電気車の駆動システムの制御動作を示す波形図である。
【図７】本発明の実施例３の電気車の駆動システムの機器構成を示す図である。
【図８】本発明の実施例４の電気車の駆動システムの機器構成を示す図である。
【図９】従来例の回生電力を吸収する蓄電装置を車上側のインバータ装置に併設する場合の機器構成の一例である。
【符号の説明】
【０１１３】
１    集電装置
２    フィルタリアクトル
３    フィルタコンデンサ
４    インバータ装置
５    主電動機
６    電圧センサ
７    電流センサ
８    スイッチング素子
９    ゲートアンプ
１０    制御装置
１１    平滑リアクトル
１２    蓄電装置
１３    ブレーキ抵抗器
１４    補助電源装置
５１    変化率演算部
５２    比較器
５３    選択器
５４    論理和回路
５５    積分器
５６    低位選択器
５７    高位選択器
５８    乗算器
５９    除算器
６０    加算器
６１    ゲートパルス演算部
６２    安定化制御器
１０１    リアクトル
１０２    蓄電装置
１０３    主スイッチ
１０４    平滑リアクトル
１０５    インバータ
１０６    モータ
１０７    平滑コンデンサ
１０８    直流電源
１１０    架線
１１１    スイッチング素子
１１３    電流検出器
１１４    電流検出器。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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