(57)【要約】【課題】鉄道車両の各部位の温度上昇を推定し、鉄道車両の部品の損傷を防ぎ、且つ、安全に運転することにある。【解決手段】運転台からの運転指令を受信し、その運転指令をトルク指令に変換するトルク指令部と、トルク指令に相当する電流値に変換する電流制御手段と、電流制御手段の出力により駆動される電動機を有する鉄道車両用制御装置において、トルク指令部１０で受けた電動機に流れる実電流を演算部１０−１に入力し、不完全積分器により実電流を一定時間積算し、時定数とゲインをモデル化により予め定数を与えておき、推定温度上昇値を得て、更に、演算部１０−２では予め計算で定めた温度上昇限度値と前述の推定温度値から推定余裕度を算出し、演算部１０−３ではこの余裕度がある程度少なくなった段階から指令低減値を決め、減算器１０−４によってもともと運転台から指令されたトルク指令値を強制的に低減し、トルク指令を出力する。【選択図】    図２
2004312917.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
運転台から指令される運転指令を受信し、その運転指令をトルク指令に変換するトルク指令手段と、前記トルク指令に相当する電流値に変換する電流制御手段と、前記電流制御手段の出力により駆動される電動機を有する鉄道車両用制御装置において、
前記電流制御手段から前記電動機に出力される実電流を検出し、前記実電流を一定時間積算し、この積算値に基づいて推定温度上昇値を求め、予め定めた温度上昇限度値と前記推定温度上昇値から推定余裕度を算出し、前記推定余裕度に基づいて指令低減値を決め、前記運転台から指令された運転指令を前記指令低減値によって強制的に低減してトルク指令とすることを特徴とする鉄道車両用制御装置。
【請求項２】
請求項１において、前記電流制御手段から前記電動機に出力される実電流を検出し、前記実電流を一定時間積算し、この積算値に基づいてそれぞれ異なる複数の推定温度上昇値を求め、予め定めたそれぞれ異なる複数の温度上昇限度値と前記それぞれ異なる複数の推定温度上昇値からそれぞれ異なる複数の推定余裕度を算出し、前記それぞれ異なる複数の推定余裕度に基づいてそれぞれ異なる複数の指令低減値を決め、前記それぞれ異なる複数の指令低減値の中で最大値の指令低減値を選択し、前記運転台から指令された運転指令を前記選択した最大値の指令低減値によって強制的に低減してトルク指令とすることを特徴とする鉄道車両用制御装置。
【請求項３】
運転台から指令される信号を受信し、その運転指令をトルク指令に変換するトルク指令手段と、そのトルク指令に相当するブレーキ力に変換し、機械式ブレーキを駆動するブレーキ制御手段を有する鉄道車両用制御装置において、
当該車両の速度を検知する速度検知手段を設け、前記検知した当該車両の速度と前記ブレーキ制御手段から前記機械式ブレーキに出力される実ブレーキ力を一定のルールに基づいて積算し、この積算値に基づいて推定温度上昇値を求め、予め定めた温度上昇限度値と前記推定温度上昇値から推定余裕度を算出し、前記推定余裕度に基づいて指令低減値を決め、前記運転台から指令された運転指令を前記指令低減値によって強制的に低減してトルク指令とすることを特徴とする鉄道車両用制御装置。
【請求項４】
運転台から指令される運転指令を受信し、その運転指令を電制トルク指令と空制トルク指令に変換するトルク指令手段と、前記電制トルク指令によって駆動される電動機と、前記空制トルク指令によって駆動される機械式ブレーキを有する鉄道車両用制御装置において、
前記電動機に出力される実電流を検出し、前記実電流を一定時間積算し、この積算値に基づいて推定温度上昇値を求め、予め定めた温度上昇限度値と前記推定温度上昇値から推定余裕度を算出し、前記推定余裕度に基づいて指令低減値を決め、前記運転台から指令された運転指令を前記指令低減値によって強制的に低減して電制トルク指令とし、
一方、当該車両の速度と前記機械式ブレーキに出力される実ブレーキ力を一定のルールに基づいて積算し、この積算値に基づいて推定温度上昇値を求め、予め定めた温度上昇限度値と前記推定温度上昇値から推定余裕度を算出し、前記推定余裕度に基づいて指令低減値を決め、前記運転台から指令された運転指令を前記指令低減値によって強制的に低減して空制トルク指令とし、
この際、前記電制トルク指令を前記空制トルク指令より優先させると共に、前記電制トルク指令を低減する前記指令低減値を前記強制的に低減した空制トルク指令に加えることを特徴とする鉄道車両用制御装置。
【請求項５】
請求項３または請求項４において、前記推定余裕度と当該車両の荷重に基づいて当該車両の所定速度から停止に至るまでに処理しなければならない運動エネルギーを計算し、前記推定余裕度に相当する運動エネルギーになる「速度」を計算し、当該「速度」を表示することを特徴とする鉄道車両用制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、鉄道車両用制御装置に係り、特に、熱的に余裕の無い状態で運転される車両を制御するための鉄道車両の制御技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のインバータ制御車両は、図９に示すように、運転台からの運転指令がインバータ制御装置１のトルク指令部１−１に伝えられ、このトルク指令に相当する電流目標値を電流制御器１−２によって定め、この電流をパワーユニット１−３の電力用半導体素子をオンオフすることによって制御し、主電動機２に流し、加速力、またはブレーキ力を得ている。電力用半導体素子は電流を制御する際に熱を発生する。この熱を逃がすために冷却器１−４が設置されており、この冷却器には温度リレーや温度センサー１−５が埋め込まれている。この温度センサー１−５により冷却器１−４が一定温度以上になった場合は、半導体素子を熱的な破壊から保護するために、電流を絞ったり、電流を止めるなどの保護を行っている。しかし、温度センサー１−５は冷却器にのみ埋め込まれており、主電動機や電線など、インバータ装置以外の装置には設置されていないのが通常である。したがって、冷却器１−４の温度過上昇は検出できても、他の機器の状態は検知できないのが実情であった。
また、鉄道車両の駆動系には同様に機械ブレーキ装置３も装備されているが、図１０に示すように、運転台からの運転指令がトルク指令部３−１に伝えられ、空気圧変換部３−２によってこのトルク指令に対応するブレーキシリンダ圧力（ＢＣ圧）に変換し、ブレーキシリンダ５によりブレーキシュー６を車輪４に押し付け、車輪４との摩擦を使用することによってブレーキ力を得ている。この力は最終的には熱となって車輪やシューに蓄積される。この部位の設計に際しては、必要な熱容量が確保され、走行風などによって冷却され、実用上問題の無い範囲以上の温度には上昇しないように設計されている。しかし、想定以上の運転が行われた場合、または、主電動機２による回生ブレーキが何らかの理由により使用できず、想定以上に機械ブレーキが使用されると、想定以上に温度が上昇し、部品に損傷を与える可能性もある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、鉄道車両の各部位の温度上昇を推定し、鉄道車両の部品の損傷を防ぎ、且つ、安全に運転するに好適な鉄道車両用制御装置を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、トルク指令に相当する電流値に変換する電流制御手段から電動機に出力される実電流を検出し、実電流を一定時間積算し、この積算値に基づいて推定温度上昇値を求め、予め定めた温度上昇限度値と推定温度上昇値から推定余裕度を算出し、推定余裕度に基づいて指令低減値を決め、運転台から指令された運転指令を指令低減値によって強制的に低減して電制トルク指令とする。
また、車両の速度を検知する速度検知手段を設け、検知した車両の速度とトルク指令に相当するブレーキ制御手段から機械式ブレーキに出力される実ブレーキ力を一定のルールに基づいて積算し、この積算値に基づいて推定温度上昇値を求め、予め定めた温度上昇限度値と推定温度上昇値から推定余裕度を算出し、推定余裕度に基づいて指令低減値を決め、運転台から指令された運転指令を指令低減値によって強制的に低減して空制トルク指令とする。
ここで、電制トルク指令と空制トルク指令を併用する場合、電制トルク指令を空制トルク指令より優先させると共に、電制トルク指令を低減する指令低減値を強制的に低減した空制トルク指令に加える。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
図１は、本発明による鉄道車両用装置の第１の実施形態を示す。
図１において、運転台からの運転指令の基づき、トルク指令部１０は運転台からの指令を具体的なトルク信号に変換して通常インバータ装置の一部に含まれる電流制御器１１に出力する。電流制御器１１ではこのトルク信号をそれに相当する電流値に変換し、この値を出力するように電力用半導体素子からなるパワーユニット１２にゲート信号を与える。主電動機２０はパワーユニット１２の出力によって制御される。電流制御器１１では実際に流れる電流を検出してフィードバック制御し、所望の電流を維持している。ここで、電流検出器１４により検出された実際の電流をトルク指令部１０に戻し、トルク指令部１０ではこの電流を受ける。
【０００６】
図２は、トルク指令部１０の構成を示す。
トルク指令部１０で受けた実電流は、トルク指令部１０に設けた演算部１０−１に入力する。演算部１０−１は、一例としては不完全積分器により実電流を一定時間積算し、時定数とゲインをモデル化により予め定数を与えておき、推定温度上昇値を得る。更に、演算部１０−２では、予め計算で定めた温度上昇限度値と前述の推定温度値から推定余裕度を算出する。そして、演算部１０−３では、この余裕度がある程度少なくなった段階から指令低減値を決め、減算器１０−４によってもともと運転台から指令されたトルク指令値を強制的に低減し、トルク指令を出力する。
このことにより、運転台からの指令に基づいた力を電動機が出せなくなる事態に至るが、機器の損傷保護の観点からこのような方針に基づいて制御を行うのである。
【０００７】
図３は、トルク指令部１０の演算部１０−１から１０−３が複数存在する形態を示す。
図３では、電気機器各部の熱的な特性が異なるため、各々のモデル化に適した定数を別々に与え、最終的にもっとも余裕の無い部位の結果、つまり、最大値の指令低減値を最大値選択１０−５によって選択し、運転台から指令された運転指令をこの最大値の指令低減値によって強制的に低減してトルク指令とし、保護する論理を採用している。
【０００８】
図４は、本発明の第２の実施形態を示す。
本実施形態はブレーキ時に使われる機器である機械ブレーキの場合に有効な実施形態である。運転台からの運転指令はトルク指令部３０に入力され、この指令部３０で運転指令に対応するトルク指令値をブレーキ制御装置３１に出力する。
ブレーキ制御装置３１では、指令されたトルクに対応する圧力の空気をシリンダ３３に送り、シリンダ３３はブレーキシュー３４を車輪３２に押し付け、ブレーキ力を得る。ブレーキ制御装置３１は自装置が出力したブレーキシリンダ圧力（ＢＣ圧）をトルク指令部３０に戻す。一方、車両の速度を検出する速度発電機３５から速度情報をトルク指令部３０に伝えている。
【０００９】
図５に、トルク指令部３０の構成を示す。
トルク指令部３０が受けた実ＢＣ圧と速度から演算部３０−４により温度上昇値を推定する。ブレーキシュー３４と車輪３２の間は摩擦によりブレーキ力を発生させており、この摩擦熱が温度上昇に寄与している。発生する熱量は摩擦力と速度の積に比例する。摩擦力は、ブレーキシリンダ３３がシュー３４を押し付ける力に比例している。演算部３０−４には実ＢＣ圧と速度を入力し、この積に不完全積分をほどこすことにより推定温度上昇値を得ることができる。時定数とゲインは予めモデル化により得られた値を用いる。更に、演算部３０−５では、予め計算で定めた限度値と前述の推定温度値から推定余裕度を算出する。そして、演算部３０−６では、この余裕度がある程度少なくなった段階から指令低減値を決め、減算器３０−７によってもともと運転台からの指令によって決定されるトルク指令値を強制的に低減し、空制トルク指令を出力する。
このことにより、運転台からの指令に基づいたブレーキ力によってブレーキ部品が熱的に損傷する事態に至る前に、性能を若干絞って制御を行うのである。
【００１０】
図６は、本発明の第３の実施形態を示す。本実施形態は、電気ブレーキと機械ブレーキを同時に使い得る時の合理的な手法を示す。
図６に示すトルク指令部４０は、図２，図５で示した両方の機能を有するものとなっている。一般に電気と機械の両ブレーキを同時にあるいは選択的に用いることができる場合は、まず優先的に電気ブレーキを用い、電気のみでは能力が不足する場合は、機械ブレーキを生かすようにしている。
この場合も、運転台からの指令に対し、トルク指令部４０は、まず電気ブレーキを有効にするようなトルク配分を行い、優先的に電気系の電源４２に接続された主回路制御装置４１（図１の電流制御器１１とパワーユニット１２の機能を有する。）に電制トルク指令を出す。主電動機４５は主回路制御装置４１の出力によって制御される。また、トルク指令部４０は、空気系の空気源４４に結合されたブレーキ制御装置４３に空制トルク指令を出す。ブレーキ制御装置４３からの出力によりシリンダ３３はブレーキシュー３４をレール４９上の車輪３２に押し付け、ブレーキ力を得る。
【００１１】
図７は、トルク指令部４０の構成を示す。
図７では、もし、電制トルクが先に述べた指令低減により、運転指令に対して低減してはならない場合は、この低減分を空制ブレーキで補うべく、空制トルク指令を出力するという論理を持たせている。
図７において、トルク指令部４０で受けた実電流は、演算部４０−１に入力する。演算部４０−１は、一例としては不完全積分器により、時定数とゲインをモデル化により予め定数を与えておき、推定温度上昇値を得る。更に、演算部４０−２では、予め計算で定めた限度値と前述の推定温度値から推定余裕度を算出する。そして、演算部４０−３では、この余裕度がある程度少なくなった段階から指令低減値を決め、減算器１０−７によってもともと運転台から指令されたトルク指令値を強制的に低減し、電制トルク指令を出力する。
また、トルク指令部４０で受けた実ＢＣ圧と速度は、演算部４０−４に入力する。演算部３０−４は、この積を不完全積分をほどこすことにより温度上昇値を推定する。時定数とゲインは予めモデル化により得られた値を用いる。更に、演算部４０−５では、予め計算で定めた限度値と前述の推定温度値から推定余裕度を算出する。そして、演算部４０−６では、この余裕度がある程度少なくなった段階から指令低減値を決め、加減算器４０−８によってもともと運転台からの指令によって決定されるトルク指令値を強制的に低減し、空制トルク指令を出力する。
ここで、電制トルクの指令低減により運転指令に対して低減してはならない場合は、演算部４０−３からの指令低減値を加減算器４０−８に入力し、この低減分を空制ブレーキで補うための空制トルク指令を出力する。
本実施形態によれば、電気機器が熱的に余裕の無いときに、自動的に空制ブレーキ力が増し、全体的には性能低下を補うことができる。
【００１２】
図８は、本発明の第４の実施形態を示す。
本実施形態において、トルク指令部５０は、実ＢＣ圧と速度から推定温度を計算し、余裕度を計算するところまでは、図５の実施形態と同様である。本実施形態では、演算部５０−７を設け、演算部５０−７において演算部５０−５で推定した推定余裕度と車両の荷重に基づいて車両のある速度から停止に至るまでに処理しなければならない運動エネルギーを計算し、この余裕度とこれに対応する運動エネルギーを有することになる「速度」を算出する。この「速度」を別に設けた表示手段６０によって運転士に指示し、運転士に注意を促す。もし、この速度以上で走行した場合、何らかの原因により車両を停止させなければならなくなった場合、停止までに余裕を超え、温度が限度以上に上昇してしまう可能性があり、危険である。
運動エネルギーは荷重によって変化するため、そのときの車両の重量、すなわち荷重と自重とを知ることが必要である。自重は変化しないため、予め定数として演算部５０−７に設定しておくことが可能である。荷重はそのときの車両に搭載している乗客数によって変化するので、空気バネの圧力などを検知して演算のパラメータとして用いることが望ましい。そのときの荷重を演算に加えることで精度はより向上する。
ここで、本実施形態の一事例を示す。温度推定した後、余裕の度合いは許容温度との差に現れる。ブレーキを作用させた場合、運動エネルギーは熱に変わる。
その熱は、各部品（車輪やシューやディスクなどの機械部品）に蓄えられる共に、空気中に放出される。短時間で放熱があまり期待できない使い方がなされた場合、熱は全て蓄えられると仮定し、もし、現在の推定温度と許容温度の差がΔθとすると、許容温度まで上昇するエネルギーＷｔは次式で表わせる。
Ｗｔ＝ｋＣ×Δθ                                                        （１）
ここで、Ｃは熱容量、Ｗｔの単位はジュール、ｋは換算定数である。一方、運動エネルギーＷｋは次式で表わせる。
Ｗｋ＝１／２×Ｍ×Ｖ２                                          （２）
ここで、Ｍは荷重、Ｖは速度を表わす。
従って、熱的な許容値に等しくなる運動エネルギーを持つ速度Ｖｍは、（１）式と（２）式から、
Ｖｍ＝√（Ｗｔ×２／Ｍ）                                    （３）
となる。
上記のような計算によりＶｍを求める。このＶｍは温度許容値に達する速度ということになり、安全上から速度がＶｍとなるように制御することを指標として運転士に示すことが有効である。
このように、本実施形態では、運転士に走行しても速度を指示することによって、運転士は機器の状態に応じた速度で安全に走行することが可能となる。
【００１３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、電動機に出力される実電流から推定温度上昇値を求め、指令低減値を決め、運転台から指令された運転指令をこの指令低減値によって強制的に低減してトルク指令とすることから、鉄道車両の機器の損傷を防ぎ、且つ、安全に運転することができる。
また、検知した車両の速度と機械式ブレーキに出力される実ブレーキ力から推定温度上昇値を求め、指令低減値を決め、運転台から指令された運転指令をこの指令低減値によって強制的に低減してトルク指令とすることから、運転台からの指令に基づいたブレーキ力によってブレーキ部品が熱的に損傷する事態に至る前に、性能を若干絞って制御を行うため、ブレーキ部品の損傷を防ぎ、且つ、安全に運転することができる。
また、電制トルクの指令低減により運転指令に対して低減してはならない場合つまり電気機器が熱的に余裕の無いときに、電制トルク指令の指令低減値を空制トルク指令に加えることにより、自動的に空制ブレーキ力が増し、全体的には性能低下を補うことができる。
また、本発明において算出した推定余裕度に相当する運動エネルギーになる「速度」を計算し、この「速度」を表示することによって、運転士にこの速度以上で走行した場合の温度上昇による危険性について注意を促すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による鉄道車両用装置の第１の実施形態
【図２】本発明の第１の実施形態にかかるトルク指令部の構成を示すブロック図
【図３】本発明の第１の実施形態にかかるトルク指令部の構成を示すブロック図
【図４】本発明の第２の実施形態
【図５】本発明の第２の実施形態にかかるトルク指令部の構成を示すブロック図
【図６】本発明の第３の実施形態
【図７】本発明の第３の実施形態にかかるトルク指令部の構成を示すブロック図
【図８】本発明の第４の実施形態
【図９】従来の電気系の装置の構成を説明する図
【図１０】従来の機械系の装置の構成を説明する図
【符号の説明】
１０，３０，４０，５０…トルク指令部、１１…電流制御器、１２…パワーユニット、１４…電流検出器、２０，４５…主電動機、３１…ブレーキ制御装置、３２，４６…車輪、３３，４７…シリンダ、３４，４８…ブレーキシュー、３５…速度発電機、４１…主回制御装置、４３…ブレーキ制御装置、６０…表示手段
１０−１，１０−２，１０−３…演算部、１０−４…減算器、１０−５…最大値選択、３０−４，３０−５，３０−６…演算部、３０−７…減算器、４０−１，４０−２，４０−３…演算部、４０−７…減算器、４０−４，４０−５，４０−６…演算部、３０−８…加減算器、５０−４，５０−５，５０−７…演算部
【図１】
2004312917.tif 000003
【図２】
2004312917.tif 000004
【図３】
2004312917.tif 000005
【図４】
2004312917.tif 000006
【図５】
2004312917.tif 000007
【図６】
2004312917.tif 000008
【図７】
2004312917.tif 000009
【図８】
2004312917.tif 000010
【図９】
2004312917.tif 000011
【図１０】
2004312917.tif 000012