(57)【要約】【課題】インバータ周波数が零以下となる期間におけるブレーキチョッパ回路の動作を停止または制限することにより、ブレーキ力に寄与しない電力の消費を抑制できる電気車制御装置を提供することである。【解決手段】電気車を停止させる際に回生運転により電気ブレーキ制御を行うとともに、架線に回生エネルギーを戻すことができない状態のときはブレーキチョッパ回路によりブレーキ抵抗器で回生エネルギーを消費して電気車をブレーキ制御する電気車制御装置であり、電気車を駆動する主電動機１４に印加する電圧の周波数が零以下になった時点で、ブレーキチョッパ回路１５に対して動作停止指令を与え、主電動機１４に印加される電圧の周波数が零以下になる領域におけるブレーキチョッパ回路１５の動作を停止させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気車を停止させる際に回生運転により電気ブレーキ制御を行うとともに、架線に回生エネルギーを戻すことができない状態のときはブレーキチョッパ回路によりブレーキ抵抗器で回生エネルギーを消費して電気車をブレーキ制御する電気車制御装置において、前記電気車を駆動する主電動機に印加する電圧の周波数が零以下になった時点で、ブレーキチョッパ回路に対して動作停止指令を与え、前記主電動機に印加される電圧の周波数が零以下になる領域におけるブレーキチョッパ回路の動作を停止させることを特徴とする電気車制御装置。
【請求項２】
電気車を停止させる際に回生運転により電気ブレーキ制御を行うとともに、架線に回生エネルギーを戻すことができない状態のときはブレーキチョッパ回路によりブレーキ抵抗器で回生エネルギーを消費して電気車をブレーキ制御する電気車制御装置において、前記電気車を駆動する主電動機に印加する電圧の周波数が零以下になった時点で、ブレーキチョッパ回路に対してチョッパ通流率低減指令を与え、前記主電動機に印加される電圧の周波数が零以下になる領域においてはチョッパ通流率を低減することを特徴とする電気車制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気車を停止させる際に電気ブレーキ制御とともにブレーキチョッパ回路を用いて電気車を電気ブレーキのみで停止させる電気車制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、電気車を停止させる場合には、電気ブレーキ制御により回生運転を行い回生エネルギーを架線に戻してブレーキ力を発生させ、電気車の速度が低速になると機械ブレーキを動作させて電気車を停止させるようにしている。電気車の低速領域で機械ブレーキを用いるのは、電気車の低速領域では電気ブレーキ制御が困難となるからである。
【０００３】
一方、近年においては、電気車の停止まで電気ブレーキのみを用いる電気ブレーキ制御が広く行われるようになっている。電気車の停止までの電気ブレーキ制御は、電気車の車両が停止するまで電気ブレーキを有効に作用させるものであり、回生電力量の拡大および機械ブレーキのブレーキシューの交換周期の延長といった利点があり普及が進んでいる。
【０００４】
図５は、電気車の停止まで電気ブレーキ制御を行う場合の電気車の力行運転時の電力の流れを示す電気車制御装置の構成図である。架線１１からパンタグラフ１２を介して得られた力行直流電力Ｐ１はＶＶＶＦインバータ１３に入力され、ＶＶＶＦインバータ１３で力行交流電力Ｐ２に変換されて電気車を駆動する主電動機１４に入力される。つまり、力行運転時は架線１１から取り入れた直流力行電力Ｐ１をＶＶＶＦインバータ１３により主電動機１４が必要とする力行交流電力Ｐ２に変換する。ここで、ＶＶＶＦインバータ１３の直流側にはブレーキチョッパ回路１５およびブレーキ抵抗器１６が設けられている。また、主電動機は三相誘導電動機である。
【０００５】
図６は電気車の停止まで電気ブレーキ制御を行う場合の電気車の回生運転時の電力の流れを示す電気車制御装置の構成図である。回生運転時は、主電動機１４で発生した回生交流電力Ｐ３をＶＶＶＦインバータ１３で回生直流電力Ｐ４に変換し、パンタグラフ１２を介して架線１１に戻す。この場合、架線１１の電圧が所定値よりも上昇している場合は、架線１１が回生直流電力Ｐ４を十分に受け入れることができない場合がある。その場合には、ブレーキチョッパ回路１５を動作させて、架線１１に戻せなかった回生直流電力をブレーキ抵抗器１６により消費するようにしている。
【０００６】
図７は電気車の停止まで電気ブレーキ制御を行う場合の電気車の回生運転時にブレーキチョッパ回路１５が動作している場合の電力の流れを示す電気車制御装置の構成図である。ＶＶＶＦインバータ１３で得られた回生直流電力Ｐ４のうち架線１１に戻される回生直流電力Ｐ４’は、パンタグラフ１２を介して架線１１に戻され、架線１１に戻せなかった回生直流電力Ｐ４”はブレーキチョッパ回路１５を介してブレーキ抵抗器１６に供給されブレーキ抵抗器１６で消費される。
【０００７】
ブレーキチョッパ回路１５に流す電流の調整は、ＶＶＶＦインバータ１３の直流側に接続された図示省略のフィルタコンデンサの電圧ＶＦに応じ、チョッパ通流率αＦを制御して行うのが一般的である。架線１１の電圧はＶＶＶＦインバータ１３の直流側に接続されたフィルタコンデンサの電圧ＶＦに比例するので、図８に示すように、フィルタコンデンサの電圧ＶＦが所定値ＶＦ１よりも大きくなると、そのフィルタコンデンサの電圧ＶＦに応じてチョッパ通流率αＦを変化させる。フィルタコンデンサの電圧ＶＦの電圧が所定値ＶＦ２となるとチョッパ通流率αＦは１となる。これにより、架線１１に戻せなかった回生直流電力をブレーキ抵抗器１６により消費するようにしている。
【０００８】
ここで、電気車の停止までの電気ブレーキ制御を実現する主な手法としては、主電動機に印加される電圧の周波数（以後、インバータ周波数と称する）が零になった後は周波数を負側に切替えることでブレーキ力を得る方法（逆進力行方式、逆相モード方式ともいう）や、停止寸前でインバータ周波数を零に固定することでブレーキ力を得る方法（直流励磁方式）がある（例えば、非特許文献１、２参照）。
【非特許文献１】「鉄道車両と技術」誌  Ｎｏ．７４  ２〜８頁
【非特許文献２】電気車研究会刊「インバータ制御電車概論」１８３〜１８５頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところが、非特許文献１、２に示す逆進力行方式や直流励磁方式は、電気車の速度が零でないにもかかわらずインバータ周波数が零以下となる期間が存在し、そのインバータ周波数が零以下となる期間もフィルタコンデンサ電圧ＶＦに応じた通流率αＦの制御が行われるので、主電動機１４を停止させるために必要な電力に加え、ブレーキチョッパ回路１５に流れ込む電力が架線１１から供給されることになる。
【００１０】
すなわち、逆進力行方式や直流励磁方式の両者に共通することは、図９に示すように、電気車の速度ｖが零でないにもかかわらず、インバータ周波数ｆｉが零以下（ｆｉ≦０）となる期間Ｔが存在する。電気車の速度ｖはインバータ周波数ｆｉよりすべり周波数ｆｓだけ遅れているので、時点ｔ１でインバータ周波数ｆｉが零となっても電気車の速度ｖは零とはならない。電気車の速度ｖは時点ｔ２で零となる。従って、時点ｔ１から時点ｔ２の期間はインバータ周波数ｆｉが零以下（ｆｉ≦０）となる。この期間Ｔにおいても、フィルタコンデンサ電圧ＶＦに応じた通流率αＦの制御が行われるので、ブレーキチョッパ回路１５に流れ込む電力が架線１１から供給されることになる。
【００１１】
図１０は電気車の停止まで電気ブレーキ制御を行う場合のインバータ周波数ｆｉが零以下となる期間Ｔにおける電力の流れを示す電気車制御装置の構成図である。インバータ周波数ｆｉが零以下となる期間Ｔは、電力が架線１１からＶＶＶＦインバータ１３に向かう方向に流れる。架線１１からパンタグラフ１２を介して直流電力Ｐ５が流入し、直流電力Ｐ５は主電動機１４を停止させるための直流電力Ｐ６とブレーキチョッパ回路１５に流入する直流電力Ｐ７とに分流する。主電動機１４を停止させるための直流電力Ｐ６はＶＶＶＦインバータ１３で主電動機１４を停止させるための交流電力Ｐ８に変換され主電動機１４に入力される。
【００１２】
このように、ブレーキチョッパ回路１５を有する電気車制御装置に電気車の停止までの電気ブレーキ制御を適用した場合、インバータ周波数ｆｉが零以下となる期間Ｔもフィルタコンデンサ電圧ＶＦに応じた通流率αＦの制御が行われるため、期間Ｔにて主電動機１４を停止させるために必要な電力Ｐ６の他に、フィルタコンデンサ電圧ＶＦに応じた電力Ｐ７がブレーキチョッパ回路１５に流れ込むことになる。この電力Ｐ７はブレーキ力には全く寄与せずにブレーキ抵抗器１６で消費されるだけの電力であるため、ブレーキチョッパ回路１５を有さない電気車制御装置に比べ電力消費が増大する問題点がある。
【００１３】
本発明の目的は、上記の課題を解決するため、インバータ周波数が零以下となる期間におけるブレーキチョッパ回路の動作を停止または制限することにより、ブレーキ力に寄与しない電力の消費を抑制できる電気車制御装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に係わる電気車制御装置は、電気車を停止させる際に回生運転により電気ブレーキ制御を行うとともに、架線に回生エネルギーを戻すことができない状態のときはブレーキチョッパ回路によりブレーキ抵抗器で回生エネルギーを消費して電気車をブレーキ制御する電気車制御装置において、前記電気車を駆動する主電動機に印加する電圧の周波数が零以下になった時点で、ブレーキチョッパ回路に対して動作停止指令を与え、前記主電動機に印加される電圧の周波数が零以下になる領域におけるブレーキチョッパ回路の動作を停止させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、インバータ周波数が零以下となる期間におけるブレーキチョッパ回路の動作を停止または制限することにより、ブレーキ力に寄与しない電力の消費を抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
（実施の形態）
図１は本発明の実施の形態に係わる電気車制御装置の構成図である。電気車の力行運転時には架線１１からパンタグラフ１２を介して力行直流電力が供給され、電気車の回生運転時にはパンタグラフ１２から架線１１に回生直流電力が戻される。パンタフラフ１２には、高速度遮断器１７および断流器１８、さらにはフィルタリアクトル１９およびフィルタコンデンサ２０を介して主電動機１４を駆動制御するＶＶＶＦインバータ１３が接続されている。ＶＶＶＦインバータ１３の入力側に並列接続されたフィルタコンデンサ２０は接地ブラシ２６により接地されている。
【００１７】
そして、フィルタコンデンサ２０の電圧ＶＦはブレーキチョッパ回路１５に入力される。ブレーキチョッパ回路１５は、フィルタコンデンサ２０の電圧ＶＦが所定値ＶＦ１よりも大きくなると、そのフィルタコンデンサの電圧ＶＦに応じてチョッパ通流率αＦを変化させて、架線１１の電圧が所定値よりも上昇している場合に、架線１１に戻せなかった回生直流電力をブレーキ抵抗器１６により消費させるようにしている。
【００１８】
ＶＶＶＦインバータ１３は制御装置２１により制御される。制御装置２１は電気車の制御モードを判定する制御モード判定部２２を有し、制御モード判定部２２により力行制御モードであると判定されたときは力行制御部２３により力行運転が行われる。この場合は、主電動機１４はＶＶＶＦインバータ１３で得られた交流電力により駆動制御される。一方、制御モード判定部２２により電気ブレーキ制御モードであると判定されたときは、電気ブレーキ制御部２４により回生運転が行われる。この場合は、主電動機１４を発電機として制御し、ＶＶＶＦインバータ１３は主電動機１４の回転により発生する交流電力を直流電力に変換して架線１１に戻す。
【００１９】
また、チョッパ制御部２５は回生運転時に、フィルタコンデンサ２０の電圧ＶＦが所定値ＶＦ１よりも大きくなると、そのフィルタコンデンサの電圧ＶＦに応じてチョッパ通流率αＦを変化させる。そして、前述のように、架線１１の電圧が所定値よりも上昇している場合に、架線１１に戻せなかった回生直流電力をブレーキ抵抗器１６により消費させる。
【００２０】
図２はチョッパ制御部２５で制御されるブレーキチョッパ回路１５の動作を許可する論理回路図である。ブレーキチョッパ回路１５は、回生運転状態であること、力行運転状態でないこと、保護動作状態でないこと、およびインバータ周波数ｆｉが零以下（ｆｉ≦０）となる期間Ｔの状態でないことの４条件が成立したときに動作が許可される。
【００２１】
すなわち、ブレーキチョッパ回路１５の動作許可条件として、図９で示したインバータ周波数ｆｉが零以下（ｆｉ≦０）となる期間Ｔではないことの条件が追加されている。この条件の追加により、インバータ周波数ｆｉが零以下（ｆｉ≦０）となる期間Ｔでは、図３に示すように、チョッパ通流率αＦが零となる。従って、ブレーキチョッパ回路１５の動作を停止させることができる。
【００２２】
以上の説明では、インバータ周波数ｆｉが零以下（ｆｉ≦０）となる期間Ｔでブレーキチョッパ回路１５の動作を停止させるようにしたが、インバータ周波数ｆｉが零以下（ｆｉ≦０）となる期間Ｔで、図４に示すように、チョッパ通流率を低減させるようにしてもよい。すなわち、インバータ周波数ｆｉが零以下（ｆｉ≦０）となる期間Ｔで、ブレーキチョッパ回路１５に対してチョッパ通流率の低減指令を与えチョッパ通流率を低減する。
【００２３】
本発明の実施の形態よれば、インバータ周波数ｆｉが零以下（ｆｉ≦０）となる期間Ｔでは、ブレーキチョッパ回路１５の動作停止、またはチョッパ通流率を低減するので、回生動作時においてブレーキチョッパ回路１５およびブレーキ抵抗器１６での無駄な電力消費を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施の形態に係わる電気車制御装置の構成図。
【図２】本発明の実施の形態におけるチョッパ制御部で制御されるブレーキチョッパ回路の動作を許可する論理回路図。
【図３】本発明の実施の形態におけるブレーキチョッパ回路のチョッパ通流率の制御状態の一例を示すタイムチャート。
【図４】本発明の実施の形態におけるブレーキチョッパ回路のチョッパ通流率の制御状態の他の一例を示すタイムチャート。
【図５】電気車の停止まで電気ブレーキ制御を行う場合の電気車の力行運転時の電力の流れを示す電気車制御装置の構成図。
【図６】電気車の停止まで電気ブレーキ制御を行う場合の電気車の回生運転時の電力の流れを示す電気車制御装置の構成図。
【図７】電気車の停止まで電気ブレーキ制御を行う場合の電気車の回生運転時にブレーキチョッパ回路が動作している場合の電力の流れを示す電気車制御装置の構成図。
【図８】ブレーキチョッパ回路の典型的な通流率制御方法を示したパターン図。
【図９】停止までの電気ブレーキ制御を行う場合のインバータ周波数とモータ周波数との関係を示した模式図。
【図１０】電気車の停止まで電気ブレーキ制御を行う場合のインバータ周波数ｆｉが零以下となる期間Ｔにおける電力の流れを示す電気車制御装置の構成図。
【符号の説明】
【００２５】
１１…架線、１２…パンタグラフ、１３…ＶＶＶＦインバータ、１４…主電動機、１５…ブレーキチョッパ回路、１６…ブレーキ抵抗器、１７…高速度遮断器、１８…断流器、１９…フィルタリアクトル、２０…フィルタコンデンサ、２１…制御装置、２２…制御モード判定部、２３…力行制御部、２４…電気ブレーキ制御部、２５…チョッパ制御部、２６…接地ブラシ
【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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【図１０】
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