(57)【要約】【課題】入力電流検出手段を設置せずに、架線電圧が高い場合の架線から抵抗器への電流の流れ込みを低減することにより、抵抗器の省スペース、低コスト化、架線電圧が高い時の電気ブレーキの有効利用を図ることのできる電気車制御装置を提供する。【解決手段】直流架線から集電された直流を交流に変換して、電気車を駆動する交流電動機９に供給する可変電圧可変周波数インバータ８と、この可変電圧可変周波数インバータ装置の直流側の正負端子間に直列に接続された抵抗器５及びスイッチング手段６とを備える電気車の制御装置において、少なくとも可変電圧可変周波数インバータ装置８の出力電流信号と直流架線１の架線電圧信号とに基づいて、ブレーキ時に交流電動機９が発生する電気ブレーキエネルギーを推定し、この電気ブレーキエネルギーより大きいエネルギーが抵抗器５に流れないように、スイッチング手段６の通流率を制限する通流率制限手段（２０，３０）を備える。【選択図】  図２
2004364383.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流架線から集電された直流を交流に変換して、電気車を駆動する交流電動機に供給する可変電圧可変周波数インバータ装置と、この可変電圧可変周波数インバータ装置の直流側の正負端子間に直列に接続された抵抗器及びスイッチング手段とを備え、前記スイッチング手段の通流率を制御することによって前記抵抗器で消費される電気ブレーキエネルギーを制御する電気車の制御装置において、
少なくとも前記可変電圧可変周波数インバータ装置の出力電流信号と前記直流架線の架線電圧信号とに基づいて、ブレーキ時に前記交流電動機が発生する電気ブレーキエネルギーを推定し、この電気ブレーキエネルギーより大きいエネルギーが前記抵抗器に流れないように、前記スイッチング手段の通流率を制限する通流率制限手段を備えた、ことを特徴とする電気車制御装置。
【請求項２】
前記通流率制限手段は、前記可変電圧可変周波数インバータの出力電流を検出するインバータ出力電流検出手段及び前記直流架線の電圧を検出する架線電圧検出手段の各出力信号に基づいて通流率を制限するパターンを演算する、ことを特徴とする請求項１に記載の電気車制御装置。
【請求項３】
前記通流率制限手段は、前記可変電圧可変周波数インバータの出力電流を検出するインバータ出力電流検出手段、車両の速度を検出する車両速度検出手段及び前記直流架線の電圧を検出する架線電圧検出手段の各出力信号に基づいて通流率を制限するパターンを演算する、ことを特徴とする請求項１に記載の電気車制御装置。
【請求項４】
過渡的な外乱等により前記直流架線の電圧が急峻に変動したとき、前記通流率制限手段による制限パターンに優先して、通流率を急峻に変更する通流率変更手段を備えた、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電気車の制御装置。
【請求項５】
過渡的な外乱等により前記直流架線の電圧が所定値を超えたとき、前記通流率制限手段による制限パターンに優先して通流率を許容最大値に変更する通流率変更手段を備えた、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電気車の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電気車制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気車駆動用の電動機に電力を供給するための可変電圧可変周波数インバータ装置（以下、単にインバータと略称する）と、インバータの直流側の正負端子間にスイッチング手段及びそれに直列に接続された抵抗器を備えた電気車制御装置では、スイッチング手段を制御することによって抵抗器での電気ブレーキエネルギーの消費量を制御している（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
図１０はこの種の電気車制御装置の主回路構成を示す回路図である。同図において、直流架線１から直流電力を集電する直流電力集電器２には、遮断器３及びフィルタリアクトル４を介して、インバータ８の直流側端子の正側が接続されている。このインバータ８の直流側端子の負側は接地装置１０を介してレール１１に接続されている。インバータ８の正側端子と負側端子との間に、抵抗器５及びスイッチング手段６の直列接続回路、フィルタコンデンサ７、並びに架線電圧検出手段１３が接続されており、さらに、遮断器３とフィルタリアクトル４との間の直流経路に入力電流検出手段１２が設けられている。インバータ８の交流側端子、すなわち、３相交流端子に電気車駆動用の交流電動機９が接続され、さらに、交流電動機９には車両の速度を検出する車両速度検出手段１４が設けられている。
【０００４】
上記の主回路構成に対して、図１０では図示を省略した制御回路が、入力電流検出手段１２、架線電圧検出手段１３及び車両速度検出手段１４の各出力信号に基づいて、インバータ８及びスイッチング手段６を制御するが、本発明に関連する制御動作について以下に説明する。
【０００５】
電気ブレーキエネルギーの消費量を制御する機能は、正側及び負側の直流経路間に直列に接続された抵抗器５及びスイッチング手段６によって実現される。すなわち、電気ブレーキ動作中には、交流電動機９で発生した電気ブレーキエネルギーがインバータ８により直流に変換され、架線電圧を上昇させる。この架線電圧は架線電圧検出手段１３によって検出され、その大きさに応じて、スイッチング手段６のスイッチング周期に対する周期内のオン時間の割合、すなわち、通流率を変化させることにより、抵抗器５に流れる電流を調整し、抵抗器５で消費される電気ブレーキエネルギー量を制御している。通流率が大きい時には、抵抗器５に流れる平均電流は大きくなるため、抵抗器５で消費されるエネルギーも大きくなる。
【０００６】
図３は架線電圧（Ｖ）と通流率（％）との関係を示す線図であり、一般的には通流率はパターン２１のように、架線電圧に応じて制御される。電圧Ｖ１からＶ２（＞Ｖ１）まで通流率を０から許容最大値αｍａｘまで直線的に増大させ、架線電圧がＶ２を超える範囲では許容最大値αｍａｘに保持している。一般に、同一架線内に力行車両等のエネルギーを消費する負荷車両が走行している場合には、大きな電気ブレーキエネルギーが発生しても、そのエネルギーが直流電力集電器２及び直流架線１を通じて負荷車両に回生されるため、架線電圧が上昇し過ぎることはない。その場合、スイッチング手段６は回生されない余剰なエネルギー分のみを抵抗器５が消費するように制御される。
【０００７】
この制御方法では、変電所からの架線に対する送り出し電圧が高い場合や、他車両の走行により架線電圧が上昇している場合、ブレーキ時に交流電動機９で発生する電気ブレーキエネルギーが大きくない場合でもスイッチング手段６が動作し、直流架線１から抵抗器５に電流が流れ込む現象が発生する。この現象により、抵抗器５には想定した値以上のエネルギーが流れ込み、抵抗器５が過温状態になる可能性があった。
【０００８】
この対策として、図示したように、直流架線１からの電力入力部に入力電流検出手段１２を設置しているシステムでは、この入力電流検出手段１２により入力電流を監視し、ブレーキ動作中に直流架線１から電気車制御装置に電流が流れ込んでいる場合に、スイッチング手段６の通流率を制限する制御を行っていた。
【０００９】
一方、直流架線１からの電力入力部に入力電流検出手段を設置していないシステムでは、架線電圧が高い状態が続いた場合に抵抗器５が過温状態になるのを防止するために、抵抗器５の温度上昇を監視しているものもある。この場合には、抵抗器５の温度が許容範囲を超えた時に、スイッチング手段６の通流率を制限するか、あるいは、スイッチングを停止する制御を行っていた。
【００１０】
【特許文献１】
特開平０５−２１９６０５号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
電気車制御装置の電力入力部に入力電流検出手段１２を設置して通流率を制限する方法では、この入力電流検出手段１２の検出信号を入力して所定の信号に変換する信号入力手段を設けなければならなかった。また、長期的に見た場合、それらのメンテナンスも必要であった。
【００１２】
一方、入力電流検出手段を用いない場合には、架線電圧が高い時に架線から流れ込む電流、すなわち、交流電動機９で発生する電気ブレーキエネルギー以外のエネルギーを抵抗器５で消費することになる。この場合、電気車制御装置が本来の電気ブレーキ性能を発揮するためには、電気車制御装置が備えているブレーキ性能以上の容量が抵抗器５に要求されることになり、抵抗器の外形の増大化、高コスト化につながっていた。
【００１３】
そのため、抵抗器の温度上昇を検出又は推定し、温度が許容範囲を超えた場合にスイッチング手段６の通流率を制限するか、あるいは、スイッチングを停止する制御を行っている。この場合には、抵抗器５が過温度になることは防止できるが、負荷車両が存在しない場合には電気ブレーキエネルギーを消費することができないため、電気ブレーキ性能そのものを制限もしくは停止することになる。その結果として、車両全体では、電気ブレーキの利用率が低下し、電気ブレーキ力の不足を摩擦ブレーキ力によって補うことになり、ブレーキシューの摩耗を早める可能性があった。
【００１４】
本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので、入力電流検出手段を設置せずに、架線電圧が高い場合の架線から抵抗器への電流の流れ込みを低減することにより、抵抗器の省スペース、低コスト化、架線電圧が高い時の電気ブレーキの有効利用を図ることのできる電気車制御装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、
直流架線から集電された直流を可変電圧可変周波数の交流に変換して、電気車を駆動する交流電動機に供給する可変電圧可変周波数インバータ装置と、この可変電圧可変周波数インバータ装置の直流側の正負端子間に直列に接続された抵抗器及びスイッチング手段とを備え、スイッチング手段の通流率を制御することによって抵抗器で消費される電気ブレーキエネルギーを制御する電気車の制御装置において、
少なくとも可変電圧可変周波数インバータ装置の出力電流信号と直流架線の架線電圧信号とに基づいて、ブレーキ時に交流電動機が発生する電気ブレーキエネルギーを推定し、この電気ブレーキエネルギーより大きいエネルギーが抵抗器に流れないように、スイッチング手段の通流率を制限する通流率制限手段を備えた、ことを特徴とするものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る電気車制御装置の第１の実施形態の主回路構成を示す回路図であり、図中、従来装置を説明した図１０と同一の符号を付したものはそれぞれ同一の要素を示している。この実施形態は図１０に示した入力電流検出手段１２を除去した構成になっている。
【００１７】
図２は図１の主回路構成に対応する制御部のうち、特に、スイッチング手段６を制御する部分の構成を示すブロック図であり、主に、制限パターン演算部３０、通流率通常パターン演算部１９及び最小値選択部２０を備えている。
【００１８】
このうち、制限パターン演算部３０はインバータ８の出力電流及び車両速度から交流電動機９で発生する電気ブレーキ出力トルクを推定する出力トルク推定部１５と、推定した電気ブレーキトルクからブレーキエネルギーを計算するブレーキエネルギー演算部１６と、抵抗器５に流すべき平均電流を計算する抵抗器平均電流参照値演算部１７と、計算された平均電流参照値からスイッチング手段６の通流率制限パターンを計算する通流率制限パターン演算部１８とで構成されている。
【００１９】
通流率通常パターン演算部１９は架線電圧を入力し、前述した通流率通常パターン２１を求めるものであり、最小値選択部２０は通流率制限パターン演算部１８及び通流率通常パターン演算部１９の各出力を入力し、値の小さい一方を選択してスイッチング手段６に対する通流率を出力するものである。なお、図２に示した最小値選択部２０及び制限パターン演算部３０が本発明の通流率制限手段に対応している。
【００２０】
上記のように構成された本実施形態の動作について以下に説明する。先ず、出力トルク推定部１５では、インバータ８の出力電流及び車両速度から交流電動機９で発生した電気ブレーキ出力トルクＴを計算する。ブレーキエネルギー演算部１６は次式によって交流電動機９で発生した電気ブレーキエネルギーＰを計算する。
Ｐ＝Ｔ×Ｖ                    …（１）
ただし、
Ｐ：電気ブレーキエネルギー［Ｗ］
Ｔ：電気ブレーキ出力トルク［Ｎ］
Ｖ：電気車の速度［ｍ／ｓ］
である。
【００２１】
抵抗器平均電流参照値演算部１７では、ブレーキエネルギー演算部１６で計算して得られた電気ブレーキエネルギーＰを抵抗器５で全て消費すると仮定した場合、抵抗器５に流すべき平均電流の参照値Ｉａｖｅを次式によって計算する。
Ｉａｖｅ＝（Ｐ×η×ｋ）／Ｖｆｃ  …（２）
ただし、
Ｉａｖｅ：抵抗器５に流すべき平均電流の参照値［Ａ］
η    ：インバータ効率、交流電動機と車軸との間に介装されたギヤのロス分を総合的に考慮した効率［％］
ｋ    ：抵抗器５の抵抗値の変動を考慮したマージン［−］
Ｖｆｃ  ：架線電圧［Ｖ］
である。
【００２２】
通流率制限パターン演算部１８では、抵抗器平均電流参照値演算部１７で計算した平均電流の参照値Ｉａｖｅからスイッチング手段６の通流率を制限するパターンを次式によって計算する。
2004364383.tif 000003
ただし、
αｅｓｔ  ：スイッチング手段６の通流率（％）
Ｉｉｎｓ  ：抵抗器５に流すことが可能な瞬時電流値［Ａ］
Ｒ    ：抵抗器の抵抗値（定格値）［Ω］
である。
【００２３】
一方、通流率通常パターン演算部１９は図３の線図で示した通流率通常パターン２１に従って、そのときの架線電圧に応じた通流率αを出力する。最小値選択部２０は通流率制限パターン演算部１８で計算された通流率αｅｓｔと、通流率通常パターン演算部１９から出力される通流率αとを入力し、両者を比較することによって値の小さい一方を選択して出力する。
【００２４】
図３は通流率通常パターン演算部１９が架線電圧に従って通流率を決定するための通流率通常パターン２１と、制限パターン演算部３０がインバータの出力電流信号、電気車の速度信号及び架線電圧信号に基づいて演算した通流率制限パターン２２とを併せて示した線図である。この図３から明らかなように、架線電圧がＶｅよりも低い範囲では通流率通常パターン２１に従った通流率が採用され、架線電圧がＶｅよりも高い範囲では通流率制限パターン２２に従った通流率が採用される。なお、通流率制限パターン２２は交流電動機９で発生する電気ブレーキエネルギー量によって上下に変化する。
【００２５】
このように、最小値選択部２０によって、スイッチング手段６の通流率を、通流率通常パターン２１及び通流率制限パターン２２のうちの、値の小さい一方の通電率を選択することによって、交流電動機９で発生する電気ブレーキ以外のエネルギーが、直流架線１から抵抗器５に流れ込むことを防ぐことが可能になる。図４は図２に示した制限パターン演算部３０を構成する出力トルク推定部１５、ブレーキエネルギー演算部１６及び抵抗器平均電流参照値演算部１７が、それぞれの演算を実行するための信号入力部を示したブロック図である。ここで、出力トルク推定部１５は、図１では図示を省略したインバータ出力電流検出手段２６のインバータ出力電流信号Ｉｏｕｔと車両速度検出手段１４の速度信号Ｖとに基づいて、交流電動機９で発生した電気ブレーキ出力トルクＴを周知の計算式によって計算する。ブレーキエネルギー演算部１６は電気ブレーキ出力トルクＴと、車両速度検出手段１４の速度信号Ｖとに基づき、（１）式に従って電気ブレーキエネルギーＰを演算する。抵抗器平均電流参照値演算部１７は電気ブレーキエネルギーＰと架線電圧検出手段１３によって検出された架線電圧信号Ｖｆｃとに基づき、（２）式に従って抵抗器５に流すべき平均電流の参照値Ｉａｖｅを計算する。通流率制限パターン演算部１８は平均電流の参照値Ｉａｖｅを入力し、（３）式に従ってスイッチング手段６の通流率αｅｓｔを計算する。上述したインバータ出力電流検出手段２６、車両速度検出手段１４及び架線電圧検出手段１３は通常、インバータを制御するために設けてあるものであり、これらの制御を実施するための新たな信号検出手段を必要とはしない。
【００２６】
かくして、本発明の第１の実施形態によれば、交流電動機９で発生する電気ブレーキエネルギーを推定し、この電気ブレーキエネルギーに応じてスイッチング手段６の通流率に制限をかけるので、入力電流検出手段を設置せずに、架線電圧が高い場合の架線から抵抗器への電流の流れ込みを低減することができ、これによって、抵抗器の省スペース、低コスト化、架線電圧が高い時の電気ブレーキの有効利用を図ることができる。
【００２７】
また、本提案による通流率の制限方法は、交流電動機９が発生する電気ブレーキ力に全く影響を与えない。また、ブレーキ抵抗への流入電力が低減されるためブレーキ抵抗の過温度により、電気ブレーキ力自体が制限されることがないため、電気ブレーキを最大限に活用することができ、これにより、長期的には摩擦ブレーキで補足するブレーキ力が低減されることになり、ブレーキシューの摩耗を低減することができるという効果も得られる。
【００２８】
図５は本発明に係る電気車制御装置の第２の実施形態の制御部の構成を示すブロック図であり、図中、第１の実施形態を示す図４と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。この実施形態は第１の実施形態で用いた車両速度検出手段１４を用いないで、その代わりにインバータ出力電流検出手段２６の電流検出信号に基づいて、速度推定部２７が車両の速度Ｖを推定するものである。速度推定の手法は近年実用化されている速度センサレス制御に用いられているように、インバータ８の出力周波数を推定し、この出力周波数の値を速度の概算値とする。
【００２９】
かくして、本発明の第２の実施形態によれば車両速度検出手段１４が不要化される。厳密には交流電動機９として誘導電動機を用いた場合、この誘導電動機にはすべりが存在するため、インバータ周波数とロータ周波数（車両速度相当）は異なるが、本実施形態ではマージンの範囲内と考えられ、第１の実施形態と同様な効果が得られる。
【００３０】
図６は本発明に係る電気車制御装置の第３の実施形態の制御部の構成を示すブロック図であり、図中、第１の実施形態を示す図２と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。この実施形態は図２に示す構成要素に対して、架線電圧の急峻な変動を検出し、その変動が大きいときにこれを打ち消すように、通流率αｄｉｓを急峻に変化させるための通流率演算部２３と、この通流率演算部２３の出力と最小値選択部２０の出力とを比較し、値の大きい一方を選択して出力する最大値選択部２４とを新たに付加した点が第１の実施形態と構成を異にしている。なお、急峻な変動とは電圧の時間変化率が所定値を超えることを意味しており、微分手段と比較手段とで実現することができる。
【００３１】
この実施形態によれば、架線電圧が過渡的に急激に上昇した場合には、図７中に通流率部分増大パターン２８に従って通流率αｄｉｓを求め、通流率制限パターン２２を超えて通流率を変化させることができる。
【００３２】
この第３の実施形態によれば、第１の実施形態の効果に加えて、通流率の制限中に外乱等により架線電圧が急峻に変動する場合に、通電率の制限範囲を超えて即応性良く架線電圧を制御することができるため、架線が瞬間的に過電圧になることを防止することができるという効果も得られる。
【００３３】
図８は本発明に係る電気車制御装置の第４の実施形態の制御部の構成を示すブロック図であり、図中、第３の実施形態を示す図６と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。この実施形態は図６中の通流率演算部２３に代えて、架線電圧が定格電圧よりも高く設定した制限値を超えて大幅に上昇したとき、通流率制限パターン２２に従って制限するのではなく、通流率通常パターン２１の許容最大値αｍａｘに変更する高架線時通流率パターン演算部２５を設けた点が図６と構成を異にしており、これ以外は全て図６と同一に構成されている。
【００３４】
図９は高架線時通流率パターン演算部２５が通流率αｕｐを算出する高架線時通流率パターン２９を示し、架線電圧がＶ２以下の範囲にあるときは通流率制限パターン演算部１８の通電率αｅｓｔと通流率通常パターン演算部１９の通電率αのうちいずれか小さい値が採用されるが、架線電圧がＶ２を超えてからＶ３に到達するまで次第に増大し、架線電圧がＶ３を超えた範囲では最大値αｍａｘになる高架線通電率αｕｐが採用される。
【００３５】
この第４の実施形態によれば、外乱等により架線電圧が大幅に上昇するような場合にも、スイッチング手段６による架線電圧抑制機能が働き、架線が過電圧になることを防止することが可能になるという効果も得られる。
【００３６】
【発明の効果】
以上の説明によって明らかなように、本発明によれば、入力電流検出手段を設置せずに、架線電圧が高い場合の架線から抵抗器への電流の流れ込みを低減することにより、抵抗器の省スペース、低コスト化、架線電圧が高い時の電気ブレーキの有効利用を図ることのできる電気車制御装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電気車制御装置の第１の実施形態の主回路構成を示す回路図。
【図２】図１の主回路に対応する制御部のうち、スイッチング手段の制御部の構成を示すブロック図。
【図３】図２に示した制御部の動作を説明するために、架線電圧と通流率との関係を示した線図。
【図４】図２に示す制御部の信号入力部の詳細を示すブロック図。
【図５】本発明に係る電気車制御装置の第２の実施形態のスイッチング手段の制御部の構成を示すブロック図。
【図６】本発明に係る電気車制御装置の第３の実施形態のスイッチング手段の制御部の構成を示すブロック図。
【図７】図６に示した制御部の動作を説明するために、架線電圧と通流率との関係を示した線図。
【図８】本発明に係る電気車制御装置の第４の実施形態のスイッチング手段の制御部の構成を示すブロック図。
【図９】図８に示した制御部の動作を説明するために、架線電圧と通流率との関係を示した線図。
【図１０】従来の電気車制御装置の概略を説明するために、その主回路構成を示した回路図。
【符号の説明】
１  直流架線
２  直流電力集電器
５  抵抗器
６  スイッチング手段
８  可変電圧可変周波数インバータ
９  交流電動機
１３  架線電圧検出手段
１４  車両速度検出手段
１５  出力トルク推定部
１６  ブレーキエネルギー演算部
１７  抵抗器平均電流参照値演算部
１８  通流率制限パターン演算部
１９  通流率通常パターン演算部
２０  最小値選択部
２３  通流率演算部
２４  最大値選択部
２５  高架線時通流率パターン演算部
２６  インバータ出力電流検出手段
２７  速度推定部
３０  制限パターン演算部
【図１】
2004364383.tif 000004
【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】
2004364383.tif 000009
【図７】
2004364383.tif 000010
【図８】
2004364383.tif 000011
【図９】
2004364383.tif 000012
【図１０】
2004364383.tif 000013