(57)【要約】【課題】電力変換器の制御装置において、高速域における電気ブレーキ作用範囲の拡大を安定した制御で且つ低コストで実現すること。【解決手段】回生運転時に誘導電動機１５の端子電圧を上昇させるため、直流架線１とフィルタコンデンサ１１の間に挿入した、並列接続のされた断流器８と充電抵抗器７の断流器８を開放して、充電抵抗器７を挿入する断流器制御手段１８を設け、また、インバータ装置１２の入力電圧と誘導電動機の回転速度の比を一定とするため、チョッパ装置９，１０及びチョッパ制御装置１８を設けた。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フィルタリアクトルとフィルタコンデンサから成る平滑回路と、該平滑回路を介して架線から供給される直流電力を可変電圧、可変周波数の交流電力に変換するインバータ装置と、該インバータ装置により駆動される誘導電動機を備えた車両用電力変換器の制御装置において、
車両の回生運転時に、前記インバータ装置の入力電圧を上昇させる手段と、該インバータ装置の入力電圧が前記誘導電動機の回転速度と一定の関係になるように制御する手段を備えたことを特徴とする車両用電力変換器の制御装置。
【請求項２】
請求項１において、前記架線とフィルタコンデンサの間に、並列に接続された断流器と抵抗器を挿入し、車両が力行運転時には前記断流器を閉じ、回生運転時には断流器を開放状態にして回生電力を前記フィルタコンデンサに充電することにより、インバータ装置の入力電圧を上昇させることを特徴とする車両用電力変換器の制御装置。
【請求項３】
請求項１において、前記フィルタコンデンサと並列にチョッパ装置を接続し、前記インバータ装置の入力電圧と前記誘導電動機の回転速度の比が一定となるように、前記チョッパ装置を制御することを特徴とする車両用電力変換器の制御装置。
【請求項４】
請求項１において、前記インバータ装置の入力電圧を上昇させる手段と、前記インバータ装置の入力電圧を制御する手段は、インバータ装置が最大電圧を出力する１パルス領域でのみ作動するようにしたことを特徴とする車両用電力変換器の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両用電力変換器の制御装置に関し、特に車両の高速域における電気ブレーキ作用範囲の拡大に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近の鉄道車両においては空気ブレーキによるブレーキシュー磨耗を低減するため、電気ブレーキ作用範囲の拡大が検討されており、低速域で停止直前まで電気ブレーキを作用させる全電気停止ブレーキが実用化されつつある。
しかしながら、ブレーキシュー磨耗の大半は高速域における電気ブレーキ力不足を補うための空気ブレーキにより発生しており、高速域における電気ブレーキ作用範囲を拡大することが課題となっている。
鉄道車両では架線電圧を最大限に利用するため、高速域では鉄道車両特有の１パルスモードが存在する。しかしながら、１パルスモードでは電圧が最大出力となっているため、速度に反比例して励磁電流が減少し、これに伴い電気ブレーキ力も減少していた。
【０００３】
これに対して、従来は、下記非特許文献１に記載のように回生運転時にインバータ装置の３相出力に抵抗器を挿入して、誘導電動機に印加する電圧を上昇させる方式や、上記文献に記載のように、架線とインバータ装置の間に双方向チョッパ装置を挿入して誘導電動機に印加する電圧を連続的に制御する方式等が提案されている。
また、下記特許文献１に記載の電気車制御装置では回生運転時に従来のフィルタコンデンサ充電電流抑制用抵抗器（以下、充電抵抗器と略称する）を挿入し、その電圧降下により誘導電動機に印加する電圧を上昇させるようにしている。
【０００４】
【非特許文献１】
平成１３年度電気学会全国大会論文５−２５１−１
【特許文献１】
特開２００１−２３１１０４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記非特許文献１に記載の抵抗器挿入方式では、インバータ装置と誘導電動機間に、並列に接続された断流器と抵抗器を３相各々に挿入し、１パルスモードでは断流器を開放状態にして抵抗器の負担分だけ誘導電動機の端子電圧を上昇させて電気ブレーキ作用範囲を拡大していた。
しかしながら、この方式では安定な制御を行うために、３相各々に挿入された断流器の開閉タイミングを同一にしなければならないといった問題や、開閉前後で誘導電動機の一次抵抗値が変化するため、制御装置側の定数をタイミング良く切り替えなければならないといった問題がある。
また、上記文献に記載の双方向チョッパ方式では、インバータ装置と同規模の双方向チョッパ装置が必要なため、装置が大型化し、コスト及び実装上の問題がある。
【０００６】
更に、上記特許文献１に記載の電気車制御装置では従来と同一主回路接続により、低コストで電気ブレーキ力を増大することは可能であるが、回生電流の大きさや、閑散地区走行、朝夕の軽負荷時に電気ブレーキ力が安定しないなど、制御的な問題がある。
本発明は、上記従来技術に鑑み成されたものであり、高速域における電気ブレーキ作用範囲の拡大を安定した制御と低コストで実現することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の車両用電力変換機の制御装置においては、概略、誘導電動機１５の端子電圧を上昇させるため、前記充電抵抗器７と並列に接続された断流器８を回生運転時に開放する断流器制御手段１８と、インバータ装置の入力電圧と誘導電動機の回転速度の比を一定とするためのフィルタコンデンサ電圧目標値発生手段１４、及びこの目標電圧に制御するためのチョッパ装置（９，１０）及びチョッパ制御装置１８を設けたことを特徴とする。
【０００８】
具体的には、先ずフィルタリアクトル６とフィルタコンデンサ１１から成る平滑回路と、該平滑回路を介して架線から供給される直流電力を可変電圧、可変周波数の交流電力に変換するインバータ装置１２と、該インバータ装置により駆動される誘導電動機１５を備えた車両用電力変換器の制御装置において、車両の回生運転時に、前記インバータ装置１２の入力電圧を上昇させる手段（７，８，１８）と、該インバータ装置１２の入力電圧が前記誘導電動機１５の回転速度と一定の関係になるように制御する手段（９，１０，１８）を備えたことを特徴とする。
【０００９】
また、上記において、前記架線１とフィルタコンデンサ１１の間に、並列に接続された断流器８と抵抗器７を挿入し、車両が力行運転時には前記断流器５を閉じ、回生運転時には断流器５を開放状態にして１回生電力を前記フィルタコンデンサ１１に充電することにより、インバータ装置１２の入力電圧を上昇させることを特徴とする。
【００１０】
さらに、上記において、前記フィルタコンデンサ１１と並列にチョッパ装置（９，１０）を接続し、前記インバータ装置の入力電圧と前記誘導電動機１５の回転速度の比が一定となるように、前記チョッパ装置（９，１０）を制御することを特徴とする。
【００１１】
さらに、上記において、前記インバータ装置１２の入力電圧を上昇させる手段（７，８，１８）と、前記インバータ装置１２の入力電圧を制御する手段（９，１０，１８）は、インバータ装置１２が最大電圧を出力する１パルス領域でのみ作動するようにしたことを特徴とする。
【００１２】
前記断流器制御手段は、力行運転時には断流器を閉じて充電抵抗器を短絡し、回生運転時には断流器を開放して充電抵抗器を挿入するように作用する。
これにより、回生運転時には回生電力をフィルタコンデンサに充電することが可能となり、インバータ装置の入力電圧、すなわち、誘導電動機の端子電圧を上昇させることができる。
また、チョッパ装置は、フィルタコンデンサに充電された電荷をチョッパ制御装置の指令に応じて放電するように作用する。
チョッパ制御装置は、回生運転時に１パルスモードであることを検知して前記断流器を開放すると共に、フィルタコンデンサの電圧と誘導電動機の回転速度の比が一定、すなわちＶ／ｆ一定となるようにフィルタコンデンサの電圧を制御する。
【００１３】
【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、本発明の一実施形態による交流電動機の駆動装置を示す。
パンタグラフ１の出力は高速遮断器２及び断流器３を介して並列に接続された充電抵抗器４と断流器５の一方の端子に接続される。
並列に接続された充電抵抗器４と断流器５のもう一方の端子はフィルタリアクトル６の一端に接続され、フィルタリアクトル６の他端は並列に接続された抵抗器７と断流器８の一方の端子に接続される。並列に接続された抵抗器７と断流器８のもう一方の端子はインバータ装置１２に接続される。
なお、インバータ装置１２の入力には抵抗９とスイッチング素子１０から成るチョッパ装置と、フィルタコンデンサ１１が並列に接続される。
【００１４】
上記インバータ装置１２の出力は誘導電動機１５に接続され、この誘導電動機１５に備え付けられたパルス発生器１６から出力される速度パルス信号ＳＰＧが速度信号変換部１７でロータ周波数Ｆｒに変換される。
インバータ制御部１３には電流検出器１９ａ，１９ｂ，１９ｃで検出した３相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗと前記ロータ周波数Ｆｒ及び前記フィルタコンデンサ１１の電圧Ｅｃｆが入力され、前記インバータ装置１２を駆動するＰＷＭパルス信号ＳＰＷＭとインバータ周波数Ｆｉが出力される。
【００１５】
Ｅｃｆ基準値発生部１４には前記インバータ周波数Ｆｉが入力され、これに応じた基準電圧Ｅｃｆ＊が出力される。また、断流器及びチョッパ制御部１８には前記フィルタコンデンサ１１の電圧Ｅｃｆと前記Ｅｃｆ基準値発生部１４から出力される基準電圧Ｅｃｆ＊が入力され、前記高速遮断器２及び前記断流器３，５，８をオン／オフする駆動信号ＨＢＲ，ＬＢ１Ｒ，ＬＢ２Ｒ，ＬＢ３Ｒと、前記スイッチング素子１０をオン／オフするスイッチング信号ＳＣＨが出力される。
【００１６】
以下、上記実施例の動作を説明する。
システムリセット時に、駆動信号ＨＢＲにより高速遮断器２及び断流器８が投入され、装置が従来と同じ構成で稼動可能な状態となる。
その後、最初の力行運転時には、まず、駆動信号ＬＢ１Ｒにより断流器３が投入され、抵抗器４、フィルタリアクトル６及び断流器８を介してフィルタコンデンサ１１が充電される。
【００１７】
次に、フィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆが所定の電圧まで充電されると、駆動信号ＬＢ２Ｒにより断流器５が投入されると共に、インバータ制御部１３からＰＷＭ信号ＳＰＷＭが出力され、インバータ装置１２から３相交流電力が出力される。
これにより、誘導電動機１５が起動され、速度信号変換部１７から式１に示すような誘導電動機１５の回転数に応じた速度信号Ｆｒが出力される。以降、力行または回生にかかわらず、何らかの保護動作が発生するまで、高速遮断器２、断流器３，５は投入状態を保持する。
【００１８】
【数１】
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【００１９】
Ｅｃｆ基準値発生部１４は、図２に示すように、インバータ周波数Ｆｉに応じて基準電圧Ｅｃｆ＊を変化させ、断流器及びチョッパ制御部１８ではこれに応じて実際のフィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆが基準電圧Ｅｃｆ＊と等しくなるようにチョッパ装置のスイッチング素子１０をオン／オフ制御する。
【００２０】
本実施例において、高速域の電気ブレーキ作用範囲を拡大する方法について、以下、説明する。
鉄道車両におけるインバータ周波数と出力電圧の特性、いわゆるＶ／ｆ特性と出力トルク及び基準電圧Ｅｃｆ＊の関係を図２に示す。
図中点線で示すように、従来はインバータ周波数がＦｉ０の時出力電圧が最大となり、これ以降はトルクが減衰し、電気ブレーキ力が低下していた。
【００２１】
そこで、本実施例では回生運転時にインバータ周波数がＦｉ０以上の領域では断流器８を開放して抵抗器７を回路に挿入する。これにより、フィルタコンデンサ１１の電圧Ｅｃｆを抵抗器７の負担分だけ上昇させることが可能となる。
この電圧を図示のＥｃｆ基準値発生部１４から出力される基準電圧Ｅｃｆ＊と等しくなるようにスイッチング素子１０を制御することにより図示実線で示すようにＶ／ｆ特性領域をインバータ周波数Ｆｉ０〜Ｆｉ１の期間だけ、従来より拡大可能となり、同図に示す定トルク領域も同様に拡大することができる。
なお、基準電圧Ｅｃｆ＊の最大値はフィルタコンデンサ１１、インバータ装置１２、誘導電動機１５等の主回路部品の耐圧を考慮した値に設定する必要がある。
また、本実施例では、抵抗器７と断流器８を新たに追加したが、従来の設備である抵抗器４及び断流器５の容量等を見直すことにより流用することも可能である。
【００２２】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば制御的に安定に車両の高速域における電気ブレーキ作用範囲を拡大することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による交流電動機の駆動装置を示す図。
【図２】インバータ周波数と出力電圧の特性の関係を示す図。
【符号の説明】
１  直流架線
２  高速遮断器
３，５，８  断流器
４，７  充電抵抗器
６  フィルタリアクトル
９，１０  チョッパ装置
１１  フィルタコンデンサ
１２  インバータ装置
１３  インバータ制御部
１４  Ｅｃｆ基準値発生部
１５  誘導電動機
１６  パルス発生器
１６  速度信号変換部
１８  断流器及びチョッパ制御部
１９ａ，１９ｂ，１９ｃ  電流検出器
【図１】
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【図２】
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