(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気車用電動機を駆動するＶＶＶＦインバータと、
前記電気車用電動機の回生エネルギーを吸収するための電力貯蔵装置と、
前記ＶＶＶＦインバータの直流側に並列接続され、その変換出力が前記電力貯蔵装置に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記電力貯蔵装置に前記ＤＣ／ＤＣコンバータからの出力を入切する第１の接触器と、
前記回生エネルギーを消費するためのブレーキ抵抗と、
前記ＶＶＶＦインバータの直流側に、前記ＤＣ／ＤＣコンバータと共に並列接続され、その出力が前記ブレーキ抵抗に接続されたブレーキチョッパと、
前記ブレーキ抵抗に前記ブレーキチョッパからの出力を入切する第２の接触器と、
回生ブレーキ中に前記電力貯蔵装置が満充電状態になったときに前記ブレーキチョッパを動作させて前記ブレーキ抵抗で前記回生エネルギーを消費させる回生エネルギー吸収・消費制御を行う統括制御回路とを備え、
前記統括制御回路は、前記電力貯蔵装置の充電状態が満充電ではないときには前記第２の接触器を開き、かつ、前記第１の接触器を閉じて前記ＤＣ／ＤＣコンバータを通じて前記回生エネルギーを前記電力貯蔵装置に吸収させ、前記電力貯蔵装置の充電状態が満充電となったときには前記第１の接触器を開き、かつ、前記第２の接触器を閉じて前記ブレーキ抵抗で前記回生エネルギーを消費させ、車両電源がオフ状態になったときには前記第１の接触器と第２の接触器とを共に閉じて前記電力貯蔵装置に残ったエネルギを前記ブレーキ抵抗に放電させる制御をすることを特徴とする電気車制御装置。
【請求項２】
電気車用電動機を駆動するＶＶＶＦインバータと、
前記電気車用電動機の回生エネルギーを吸収するための電力貯蔵装置と、
前記ＶＶＶＦインバータの直流側に並列接続され、その変換出力が前記電力貯蔵装置に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記電力貯蔵装置に前記ＤＣ／ＤＣコンバータからの出力を入切する第１の接触器と、
前記回生エネルギーを消費するためのブレーキ抵抗と、
前記ＶＶＶＦインバータの直流側に、前記ＤＣ／ＤＣコンバータと共に並列接続され、その出力が前記ブレーキ抵抗に接続されたブレーキチョッパと、
前記ブレーキ抵抗に前記ブレーキチョッパからの出力を入切する第２の接触器と、
回生ブレーキ中に前記電力貯蔵装置が満充電状態になったときに前記ブレーキチョッパを動作させて前記ブレーキ抵抗で前記回生エネルギーを消費させる回生エネルギー吸収・消費制御を行う統括制御回路と、
前記第１の接触器と電力貯蔵装置との接続線と、前記第２の接触器とブレーキ抵抗との接続線との間に、車両電源がオフ状態になったときに自動的に閉じて前記電力貯蔵装置に残ったエネルギを前記ブレーキ抵抗に放電させる第３の接触器とを備え、
前記統括制御回路は、前記電力貯蔵装置の充電状態が満充電ではないときには前記第２の接触器を開き、かつ、前記第１の接触器を閉じて前記ＤＣ／ＤＣコンバータを通じて前記回生エネルギーを前記電力貯蔵装置に吸収させ、前記電力貯蔵装置の充電状態が満充電となったときには前記第１の接触器を開き、かつ、前記第２の接触器を閉じて前記ブレーキ抵抗で前記回生エネルギーを消費させる制御をすることを特徴とする電気車制御装置。
【請求項３】
前記統括制御回路は、前記電力貯蔵装置の充電状態を監視して、前記ＤＣ／ＤＣコンバータとブレーキチョッパとの回生エネルギー消費分担を統括制御することを特徴とする請求項１または２記載の電気車制御装置。
【請求項４】
前記統括制御回路は、前記電力貯蔵装置の充電状態が満充電となったときに、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの吸収電力指令値を減少させ、前記ブレーキチョッパの消費電力指令値を増加させる制御をすることを特徴とする請求項３に記載の電気車制御装置。
【請求項５】
前記ＤＣ／ＤＣコンバータとブレーキチョッパとに代えて、これらを兼用する電力変換器を備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の電気車制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気車制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に架線の直流電力をＤＣ／ＡＣ変換して電気車用電動機に供給して駆動する電気車駆動装置では可変電圧可変周波数インバータ（ＶＶＶＦインバータ）をＤＣ／ＡＣ変換装置として採用している。このＶＶＶＦインバータは可逆特性を有し、回生ブレーキ中には電動機の余剰エネルギーをＡＣ／ＤＣ変換して架線側に戻す働きができる。
【０００３】
ところが、架線側の回生エネルギーを吸収する負荷が不足する軽負荷回生状態が発生することがあり、そのような場合に備えて、架線電圧の上昇をＶＶＶＦインバータのフィルタコンデンサ電圧の上昇により検知し、その電圧値に応じて回生ブレーキ力を絞り込んで架線電圧の上昇を抑える、いわゆる回生リミッタ制御を行っている。この場合、回生ブレーキ力を絞り込むことで不足するようになるブレーキ力は機械ブレーキにより補足する。しかしながら、回生ブレーキ力を絞って機械ブレーキの補足が大きくなると省エネルギー効果が薄れるだけでなく、車輪が加熱し場合によっては車輪の金属疲労を起こす場合がある。
【０００４】
このような技術的課題に鑑み、従来から、図７に示す構成の電気車制御装置が開発されている。図７において、１はＤＣ／ＤＣコンバータ、３は例えば電気２重層のような電力貯蔵装置、５はリアクトル、１０は高速度遮断器、１１は充電抵抗、１２は充電抵抗短絡用接触器、１３は架線電力を取り込むためのパンタグラフ、１４は車輪、１５はＶＶＶＦインバータ、１６は電気車用電動機、１８はフィルタコンデンサである。
【０００５】
このような従来の電気車制御装置では、回生負荷が不足していた場合に架線側に返せない回生負荷不足分のエネルギーをＤＣ／ＤＣコンバータ１を介して電力貯蔵装置３へ吸収することによって架線電圧の上昇を抑え、回生ブレーキの利用率を増加させることで、機械ブレーキの使用率を抑えることができる。
【０００６】
しかしながら、電力貯蔵装置３の容量は限られているので、例えば下り勾配において長い時間継続的に回生ブレーキを動作させる状態においては、その回生エネルギーすべてを電力貯蔵装置３に吸収させることはできなくなる場合が起きる。そこで従来は、このように電力貯蔵装置３が満充電になり回生エネルギーを吸収できなくなった場合にはやはり回生ブレーキ力を絞り、機械ブレーキに切り替える制御を行っている。機械ブレーキは車輪踏面にブレーキシューを当てて機械的に動作させるブレーキであるため、頻繁に機械ブレーキを使用すると車輪温度が上昇して金属疲労やブレーキシュー磨耗の原因となる。このため、勾配の多い線区で長い時間継続的に回生ブレーキを動作させようとする用途においては電力貯蔵装置を用いたエネルギー貯蔵は不向きであり、その解決策が求められていた。
【特許文献１】特開２００３−１８７０２号公報
【特許文献２】特開２００３−１９９２０３号公報
【特許文献３】特開２００３−１９９３３２号公報
【非特許文献１】Ｒ＆Ｍ２００５年５月号、電気二重層キャパシタを適用した車両搭載型「電力貯蔵システム」の開発
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上述した従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、電気車が長い下り勾配を走行するときのように、回生エネルギーが多い走行状態において電力貯蔵装置が満充電になっても回生ブレーキ力を継続して使用することができ、機械ブレーキを使用しないでブレーキ制御が可能な電力貯蔵装置を備えた電気車制御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】
【０００８】
本発明の電気車制御装置は、電気車用電動機を駆動するＶＶＶＦインバータと、前記電気車用電動機の回生エネルギーを吸収するための電力貯蔵装置と、前記ＶＶＶＦインバータの直流側に並列接続され、その変換出力が前記電力貯蔵装置に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータと、前記電力貯蔵装置に前記ＤＣ／ＤＣコンバータからの出力を入切する第１の接触器と、前記回生エネルギーを消費するためのブレーキ抵抗と、前記ＶＶＶＦインバータの直流側に、前記ＤＣ／ＤＣコンバータと共に並列接続され、その出力が前記ブレーキ抵抗に接続されたブレーキチョッパと、前記ブレーキ抵抗に前記ブレーキチョッパからの出力を入切する第２の接触器と、回生ブレーキ中に前記電力貯蔵装置が満充電状態になったときに前記ブレーキチョッパを動作させて前記ブレーキ抵抗で前記回生エネルギーを消費させる回生エネルギー吸収・消費制御を行う統括制御回路とを備え、前記統括制御回路は、前記電力貯蔵装置の充電状態が満充電ではないときには前記第２の接触器を開き、かつ、前記第１の接触器を閉じて前記ＤＣ／ＤＣコンバータを通じて前記回生エネルギーを前記電力貯蔵装置に吸収させ、前記電力貯蔵装置の充電状態が満充電となったときには前記第１の接触器を開き、かつ、前記第２の接触器を閉じて前記ブレーキ抵抗で前記回生エネルギーを消費させ、車両電源がオフ状態になったときには前記第１の接触器と第２の接触器とを共に閉じて前記電力貯蔵装置に残ったエネルギを前記ブレーキ抵抗に放電させる制御をすることを特徴とするものである。
また、本発明の電気車制御装置は、電気車用電動機を駆動するＶＶＶＦインバータと、前記電気車用電動機の回生エネルギーを吸収するための電力貯蔵装置と、前記ＶＶＶＦインバータの直流側に並列接続され、その変換出力が前記電力貯蔵装置に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータと、前記電力貯蔵装置に前記ＤＣ／ＤＣコンバータからの出力を入切する第１の接触器と、前記回生エネルギーを消費するためのブレーキ抵抗と、前記ＶＶＶＦインバータの直流側に、前記ＤＣ／ＤＣコンバータと共に並列接続され、その出力が前記ブレーキ抵抗に接続されたブレーキチョッパと、前記ブレーキ抵抗に前記ブレーキチョッパからの出力を入切する第２の接触器と、回生ブレーキ中に前記電力貯蔵装置が満充電状態になったときに前記ブレーキチョッパを動作させて前記ブレーキ抵抗で前記回生エネルギーを消費させる回生エネルギー吸収・消費制御を行う統括制御回路と、前記第１の接触器と電力貯蔵装置との接続線と、前記第２の接触器とブレーキ抵抗との接続線との間に、車両電源がオフ状態になったときに自動的に閉じて前記電力貯蔵装置に残ったエネルギを前記ブレーキ抵抗に放電させる第３の接触器とを備え、前記統括制御回路は、前記電力貯蔵装置の充電状態が満充電ではないときには前記第２の接触器を開き、かつ、前記第１の接触器を閉じて前記ＤＣ／ＤＣコンバータを通じて前記回生エネルギーを前記電力貯蔵装置に吸収させ、前記電力貯蔵装置の充電状態が満充電となったときには前記第１の接触器を開き、かつ、前記第２の接触器を閉じて前記ブレーキ抵抗で前記回生エネルギーを消費させる制御をすることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の電気車制御装置によれば、電気車が長い下り勾配を走行する場合等、回生エネルギーが多い状態において電力貯蔵装置が満充電になっても回生ブレーキを継続して使用することができ、機械ブレーキを使用しないでブレーキ制御することができ、その結果として機械ブレーキの不必要な使用の回数を少なくすることができ、その機械的な寿命を延ばすことができる。加えて、電気車が車庫に入ってきたときなど、車両電源がオフ状態になれば、電力貯蔵装置に残ったエネルギーを安全のために放電させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。
【００１１】
（第１の実施の形態）図１は本発明の第１の実施の形態の電気車制御装置の回路構成を示し、図２は回生制御を統括する統括制御回路の構成を示している。図１、図２において、１はＤＣ／ＤＣコンバータ、２はブレーキチョッパ、３は例えば電気２重層のような電力貯蔵装置、４はブレーキ抵抗、５はリアクトル、１０は高速度遮断器、１１は充電抵抗、１２は充電抵抗短絡用接触器、１３はパンタグラフ、１４は車輪、１５は架線電源をＤＣ／ＡＣ変換するＶＶＶＦインバータ、１６は電気車用電動機、１７は統括制御回路、１８はフィルタコンデンサである。
【００１２】
本実施の形態の電気車制御装置は、電力貯蔵装置３へエネルギー供給するＤＣ／ＤＣコンバータ１とブレーキ抵抗４へエネルギー消費するブレーキチョッパ２とを併せ持ち、架線電圧の電圧値に応じて電力貯蔵装置３へのエネルギー供給とブレーキ抵抗４によるエネルギー消費とを切替制御する機能を備えたことを特徴とする。
【００１３】
電気車を走行させるために電気車用電動機１６を駆動するためには、パンタグラフ１３にて架線電力を取り込み、高速度遮断器１０、充電抵抗短絡用接触器１２をフィルタコンデンサ１８を充電し、このフィルタコンデンサ１８の両端電圧をＶＶＶＦインバータ１５にて可変電圧可変周波数のＤＣ／ＡＣ変換して電気車用電動機１６に給電する。尚、充電抵抗１１と充電抵抗短絡用接触器１２とは、起動時に架線から大きな突入電流が流入しないように充電抵抗短絡用接触器１２をオープンさせておいて突入電流を充電抵抗１１に流し、電流が落ち着けば充電抵抗短絡用接触器１２をクローズさせて安定した電流をＶＶＶＦインバータ１５に供給するために備えてある。
【００１４】
統括制御回路１７は、電力貯蔵装置３に蓄えられたエネルギー量が容量に満たない状態ではＤＣ／ＤＣコンバータ１を動作させて回生エネルギーを電力貯蔵装置３へ吸収させ、電力貯蔵装置３に蓄えられたエネルギー量が容量いっぱいになるとブレーキチョッパ装置２を動作させて回生エネルギーをブレーキ抵抗４で消費させる働きをする。
【００１５】
統括制御回路１７による制御動作を図３、図４を用いて説明する。ＶＶＶＦインバータ１５から回生エネルギー吸収指令αが指令される。統括制御回路１７はこの指令αを受けて、電力貯蔵装置吸収エネルギー指令βを、電力貯蔵装置３の瞬時吸収エネルギーと電力貯蔵装置３の電圧ＶＥにより回生エネルギー吸収指令αを制限して決定する。統括制御回路１７はまた、ブレーキ抵抗吸収エネルギー指令γを、回生エネルギー吸収指令αから電力貯蔵装置吸収エネルギー指令βを差し引いた値として決定する。すなわち、統括制御回路１７により、電力貯蔵装置３で吸収できなかったエネルギーをブレーキ抵抗で消費する制御をする。
【００１６】
本実施の形態によれば、電力貯蔵装置３に蓄えられたエネルギーは、エネルギー量がいっぱいになったときにはブレーキチョッパ２が動作するため、下り勾配等においてブレーキを継続的に動作させる場合においても、電力貯蔵装置３へのエネルギー吸収を行い、かつ、継続して回生ブレーキを使用し続けることができ、機械ブレーキを使用しないでブレーキ制御を行うことができる。
【００１７】
（第２の実施の形態）本発明の第２の実施の形態の電気車制御装置について説明する。本実施の形態の電気車制御装置の回路構成は図５に示すものであり、統括制御回路１７の機能構成は第１の実施の形態と同様に図２に示すものである。
【００１８】
本実施の形態の電気車制御装置は、図１に示した第１の実施の形態の構成に対して、電力貯蔵装置３に開放用の接触器ＥＫ７を、ブレーキ抵抗４に開放用の接触器ＢＫ８を取り付け、ＤＣ／ＤＣコンバータ１としての機能とブレーキチョッパ２としての機能を持つ電力変換器６をこれらに代えて備えたことを特徴としている。尚、図５において、図１に示した第１の実施の形態の回路要素と共通する要素について共通の符号を付して示してある。
【００１９】
本実施の形態の電気車制御装置では、電力貯蔵装置３に蓄えられたエネルギー量が容量に満たない状態では、統括制御回路１７が接触器ＥＫ７をオン状態にし、接触器ＢＫ８をオフ状態にすることで電力変換器６をＤＣ／ＤＣコンバータとして動作させ、回生エネルギーを電力貯蔵装置３へ吸収させる。電力貯蔵装置３に蓄えられたエネルギー量が容量いっぱいになると、統括制御回路１７が接触器ＥＫ７をオフ状態にし、接触器ＢＫ８をオン状態にすることで電力変換器６をブレーキチョッパとして動作させ、回生エネルギーをブレーキ抵抗４で消費させる。
【００２０】
本実施の形態の場合、さらに、統括制御回路１７によって接触器ＥＫ７と接触器ＢＫ８との両方を同時にオン状態にすることで、ブレーキ抵抗４を電力貯蔵装置３の放電抵抗として使用する。例えば、電気車が車庫に入ってきたときに電力貯蔵装置３に残ったエネルギーを安全のために放電させる場合に、このような制御をすることができる。
【００２１】
尚、電力貯蔵装置３に残ったエネルギーを放電させる手段としては、図６に示すように、電力貯蔵装置３とブレーキ抵抗４との間に、接触器ＨＫ９を挿入しその接触器ＨＫ９は、車両電源がオフとなると機械的にオン状態にする接触器を使用することで、車両電源がオフ状態の時には自動的にブレーキ抵抗４と電力貯蔵装置３が接続され放電することができる。
【００２２】
本実施の形態によれば、電力変換器６をＤＣ／ＤＣコンバータとして動作させて回生エネルギーを電力貯蔵装置３に蓄えさせ、電力貯蔵装置３のエネルギー量がいっぱいになったときには電力変換器６をブレーキチョッパとして動作させてブレーキ抵抗４にて回生エネルギーを消費させるようにしているため、下り勾配等においてブレーキを継続的に動作させる場合においても電力貯蔵装置３へのエネルギー吸収を行い、かつ、継続して回生ブレーキを使用し続けることができ、機械ブレーキを使用しないでブレーキ制御を行うことができる。加えて、本実施の形態では、電力変換器６にＤＣ／ＤＣコンバータ機能とブレーキチョッパ機能とを併せ持たせているために用品点数の削減が図れ、小型軽量化が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１の実施の形態の電気車制御装置の回路図。
【図２】上記実施の形態の電気車制御装置において回生エネルギー吸収制御を統括する統括制御回路の機能構成を示すブロック図。
【図３】上記実施の形態の電気車制御装置における統括制御回路の回生エネルギー吸収制御機能の説明図。
【図４】上記実施の形態の電気車制御装置における統括制御回路による回生エネルギー吸収制御動作の説明図。
【図５】本発明の第２の実施の形態の電気車制御装置の回路図。
【図６】上記実施の形態の電気車制御装置における回生エネルギー吸収・消費回路部分の変形例の回路図。
【図７】従来の電気車制御装置の回路図。
【符号の説明】
【００２４】
１  ＤＣ／ＤＣコンバータ
２  ブレーキチョッパ
３  電力貯蔵装置
４  ブレーキ抵抗
５  リアクトル
６  変換器
７  接触器ＥＫ
８  接触器ＢＫ
９  接触器ＨＫ
１０  高速度遮断器
１１  充電抵抗
１２  充電抵抗短絡接触器
１３  パンタグラフ
１４  車輪
１５  ＶＶＶＦインバータ
１６  電動機
１７  統括制御回路
１８  フィルタコンデンサ
【図１】
0004686394.tif 000002
【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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