(57)【要約】【課題】当該装置への入力電流を検出する手段を備えることなくブレーキ抵抗での無駄な電力消費をなくす制御ができる電気車駆動装置を提供する。【解決手段】電気車用電動機13の回生エネルギーを消費するブレーキ抵抗14と、ブレーキチョッパ15と、ＶＶＶＦインバータ12のフィルタコンデンサ11の電圧（ＦＣ電圧）を検出するＦＣ電圧検出器21と、ブレーキチョッパを与えられる通流率によって動作させるブレーキチョッパ制御手段20Aと、ブレーキチョッパの通流率を決める通流率パターン演算手段１と、回生時のパワーを演算する回生パワー演算手段３と、ブレーキチョッパの通流率の上限リミット値をＦＣ電圧を用いて演算する通流率リミット演算手段４と、通流率の上限リミット値で通流率パターン演算手段の出力する通流率に制限をかけてブレーキチョッパ制御手段に与える通流率リミッタ手段２を備えた電気車駆動装置。【選択図】図１
2007282379.tif 000002
【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消費するためのブレーキ抵抗と、
前記ブレーキ抵抗に流れる電流を制御するブレーキチョッパ装置と、
前記ＶＶＶＦインバータのフィルタコンデンサの電圧を検出するフィルタコンデンサ電圧検出器と、
前記ブレーキチョッパ装置を与えられる通流率によって動作させるブレーキチョッパ制御手段と、
前記ブレーキチョッパ装置の通流率を決める通流率パターン演算手段と、
回生時のパワーを演算する回生パワー演算手段と、
前記ブレーキチョッパ装置の通流率の上限リミット値を前記フィルタコンデンサの電圧を用いて演算する通流率リミット演算手段と、
前記通流率の上限リミット値で前記通流率パターン演算手段の出力する通流率に制限をかけて前記ブレーキチョッパ制御手段に与える通流率リミッタ手段とを備えたことを特徴とする電気車駆動装置。
【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消費するためのブレーキ抵抗と、
前記ブレーキ抵抗に流れる電流を制御するブレーキチョッパ装置と、
前記ＶＶＶＦインバータのフィルタコンデンサの電圧を検出するフィルタコンデンサ電圧検出器と、
前記ブレーキチョッパ装置を与えられる通流率によって動作させるブレーキチョッパ制御手段と、
前記電気車用電動機のブレーキ中に回生パワーを演算する回生パワー演算手段と、
前記ブレーキチョッパ装置の通流率の上限リミット値を前記フィルタコンデンサの電圧を用いて演算する通流率リミット演算手段と、
前記フィルタコンデンサの電圧変化に応じた通流率パターンを演算する補助通流率演算手段と、
前記通流率リミット演算手段の出力する通流率リミット値に対して前記補助通流率演算手段の出力するフィルタコンデンサの電圧変化に応じた通流率パターンを加算し、前記ブレーキチョッパ制御手段に与える加算手段とを備えたことを特徴とする電気車駆動装置。
【請求項３】
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消費するためのブレーキ抵抗と、
前記ブレーキ抵抗に流れる電流を制御するブレーキチョッパ装置と、
前記ＶＶＶＦインバータのフィルタコンデンサの電圧を検出するフィルタコンデンサ電圧検出器と、
前記ブレーキチョッパ装置を与えられる通流率によって動作させるブレーキチョッパ制御手段と、
前記電気車用電動機のブレーキ中に回生パワーを演算する回生パワー演算手段と、
前記ブレーキチョッパ装置の通流率の上限リミット値を前記フィルタコンデンサの電圧を用いて演算する通流率リミット演算手段と、
前記フィルタコンデンサの電圧変化に応じた通流率パターンを演算する補助通流率演算手段と、
前記通流率リミット演算手段の出力する通流率リミット値に対して前記補助通流率演算手段の出力するフィルタコンデンサの電圧変化に応じた通流率パターンを加算し、前記ブレーキチョッパ制御手段に与える加算手段と、
前記フィルタコンデンサの電圧が所定値以上に大きく上昇した場合に、前記フィルタコンデンサの過電圧保護に至らないように動作させるために必要な通流率パターンを最大動作パターンとして演算する最大動作パターン演算手段と、
前記加算手段の出力と前記最大動作パターン演算手段の出力とのうち大きい方の通流率を選択して前記ブレーキチョッパ制御手段に与える最大値選択手段とを備えたことを特徴とする電気車駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気車駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図６は、一般的な電気車駆動装置の構成を示しており、架線から電力を取り込むための集電器１６、グランドに接地する車輪１７、直流電源の切り入りを行う高速度遮断器９、フィルタリアクトル１０、ブレーキ抵抗１４とブレーキチョッパ装置１５、直流電力を交流電力に変換して電気車用交流電動機１３に出力して駆動するＶＶＶＦインバータ１２、直流電力電圧のためのフィルタコンデンサ１１、そして、電圧検出器２１、電流検出器２２の検出電圧、電流に基づきブレーキチョッパ装置１５、ＶＶＶＦインバータ１２、高速度遮断器９を制御する電気車制御装置２０を備えている。
【０００３】
このような構成の電気車駆動装置において、従来、ブレーキチョッパ装置１５の通流率制御は、電圧検出器２１が検出するＶＶＶＦインバータ１２のフィルタコンデンサ電圧に基づいて行っているが、このフィルタコンデンサ電圧は架線電圧が上昇するとそれに伴って上昇し、電気車用電動機１３からの回生エネルギーが小さくても高い通流率で動作する。このとき、ブレーキ抵抗１４に流れる電流は架線からの流入が大半を占め、ブレーキ抵抗１４で無駄な電力消費をしてしまい、架線からの電力が無駄になる問題点があり、同時に、ブレーキ抵抗１４の温度が上昇し、その劣化が進行する問題点もあった。また、ブレーキ抵抗１４の過温度上昇を検知してブレーキ抵抗１４の使用を制限する機能が付加されているが、それによるブレーキ過温度検知等によってブレーキ抵抗１４の使用頻度が制限される結果、本来の回生ブレーキ時にブレーキ抵抗１４を使用することができなくなるという問題点もあった。
【０００４】
特許第２８１１８１７号公報には、架線への回路電流を検出し、この回路電流が所定の設定値を超えたとき、ブレーキチョッパ装置１５の通流率を制御して回路電流を設定値以下に抑制する電流リミッタを備えた電気車制御装置が記載されている。しかしながら、この従来技術では、流れ込み電流の検知のために架線から電気車駆動装置への入力電流を測定する電流センサが必要であった。
【特許文献１】特許第２８１１８１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記のような従来の技術的課題に鑑みてなされたもので、当該装置への入力電流を検出する手段を備えることなくブレーキ抵抗での無駄な電力消費をなくす電気車制御装置を備えた電気車駆動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】
【０００６】
請求項１の発明の電気車駆動装置は、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消費するためのブレーキ抵抗と、前記ブレーキ抵抗に流れる電流を制御するブレーキチョッパ装置と、前記ＶＶＶＦインバータのフィルタコンデンサの電圧を検出するフィルタコンデンサ電圧検出器と、前記ブレーキチョッパ装置を与えられる通流率によって動作させるブレーキチョッパ制御手段と、前記ブレーキチョッパ装置の通流率を決める通流率パターン演算手段と、回生時のパワーを演算する回生パワー演算手段と、前記ブレーキチョッパ装置の通流率の上限リミット値を前記フィルタコンデンサの電圧を用いて演算する通流率リミット演算手段と、前記通流率の上限リミット値で前記通流率パターン演算手段の出力する通流率に制限をかけて前記ブレーキチョッパ制御手段に与える通流率リミッタ手段とを備えたことを特徴とするものである。
【０００７】
請求項２の発明の電気車駆動装置は、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消費するためのブレーキ抵抗と、前記ブレーキ抵抗に流れる電流を制御するブレーキチョッパ装置と、前記ＶＶＶＦインバータのフィルタコンデンサの電圧を検出するフィルタコンデンサ電圧検出器と、前記ブレーキチョッパ装置を与えられる通流率によって動作させるブレーキチョッパ制御手段と、前記電気車用電動機のブレーキ中に回生パワーを演算する回生パワー演算手段と、前記ブレーキチョッパ装置の通流率の上限リミット値を前記フィルタコンデンサの電圧を用いて演算する通流率リミット演算手段と、前記フィルタコンデンサの電圧変化に応じた通流率パターンを演算する補助通流率演算手段と、前記通流率リミット演算手段の出力する通流率リミット値に対して前記補助通流率演算手段の出力するフィルタコンデンサの電圧変化に応じた通流率パターンを加算し、前記ブレーキチョッパ制御手段に与える加算手段とを備えたことを特徴とするものである。
【０００８】
請求項３の発明の電気車駆動装置は、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消費するためのブレーキ抵抗と、前記ブレーキ抵抗に流れる電流を制御するブレーキチョッパ装置と、前記ＶＶＶＦインバータのフィルタコンデンサの電圧を検出するフィルタコンデンサ電圧検出器と、前記ブレーキチョッパ装置を与えられる通流率によって動作させるブレーキチョッパ制御手段と、前記電気車用電動機のブレーキ中に回生パワーを演算する回生パワー演算手段と、前記ブレーキチョッパ装置の通流率の上限リミット値を前記フィルタコンデンサの電圧を用いて演算する通流率リミット演算手段と、前記フィルタコンデンサの電圧変化に応じた通流率パターンを演算する補助通流率演算手段と、前記通流率リミット演算手段の出力する通流率リミット値に対して前記補助通流率演算手段の出力するフィルタコンデンサの電圧変化に応じた通流率パターンを加算し、前記ブレーキチョッパ制御手段に与える加算手段と、前記フィルタコンデンサの電圧が所定値以上に大きく上昇した場合に、前記フィルタコンデンサの過電圧保護に至らないように動作させるために必要な通流率パターンを最大動作パターンとして演算する最大動作パターン演算手段と、前記加算手段の出力と前記最大動作パターン演算手段の出力とのうち大きい方の通流率を選択して前記ブレーキチョッパ制御手段に与える最大値選択手段とを備えたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１の発明の電気車駆動装置によれば、電気車用電動機のブレーキ中に回生パワーを演算し、ブレーキチョッパ装置の通流率を回生パワーに応じて制限することで、架線電圧が高い状態でも架線からの流入電流を抑制し、回生パワーに応じた電力をブレーキ抵抗で消費することで、ブレーキ抵抗での無駄な電力消費を抑える制御ができる。
【００１０】
請求項２の発明の電気車駆動装置によれば、電気車用電動機のブレーキ中に回生パワーを演算し、ブレーキチョッパ装置の通流率を回生パワーに応じて制限し、架線電圧が高い状態でも架線からの流入電流を抑制し、回生パワーに応じた電力をブレーキ抵抗で消費することで、当該ブレーキ抵抗での無駄な電力消費を抑える機能と、フィルタコンデンサ電圧の急変時にはフィルタコンデンサ電圧の変化に応じてブレーキチョッパ装置の通流率を一時的に増加させる機能とを併せ持つことで、ブレーキ抵抗での無駄な電力消費を抑えて、さらに、回生ブレーキ中の架線電圧の急変時にもフィルタコンデンサ電圧の過電圧を防止する制御ができる。
【００１１】
請求項３の発明の電気車駆動装置によれば、電気車用電動機のブレーキ中に回生パワーを演算し、ブレーキチョッパ装置の通流率を回生パワーに応じて制限し、架線電圧が高い状態でも架線からの流入電流を抑制し、回生パワーに応じた電力をブレーキ抵抗で消費することで、ブレーキ抵抗での無駄な電力消費を抑える機能と、フィルタコンデンサ電圧の急変時にはフィルタコンデンサ電圧の変化に応じてブレーキチョッパ装置の通流率を一時的に増加させる機能と、フィルタコンデンサ電圧がある値を超えたときには強制的にブレーキチョッパ装置の通流率を上昇させる機能とを兼ね備えることで、ブレーキ抵抗での無駄な電力消費を抑え、さらに、回生ブレーキ中の架線電圧の急変時にもフィルタコンデンサ電圧の過電圧をより確実に防止する制御ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。
【００１３】
（第１の実施の形態）本発明の第１の実施の形態の電気車駆動装置は図６に示す構成であり、そのうちの電気車制御装置２０Ａは図１に示す内部構成を備えている。すなわち、フィルタコンデンサ１１の電圧を検出するフィルタコンデンサ電圧検出器２１の検出電圧（フィルタコンデンサ電圧：ＦＣ電圧）によりブレーキチョッパ装置１５の通流率を決める通流率パターン演算部１と、回生時のパワーを演算する回生パワー演算部３と、通流率の上限リミット値をＦＣ電圧を用いて演算する通流率リミット演算部４と、通流率リミット演算部４により演算された通流率の上限リミット値で通流率パターン演算部１の出力する通流率に制限をかける通流率リミッタ２を備えている。また、電気車制御装置２０Ａは、ＶＶＶＦインバータ１２のゲート制御のために、電流、電圧指令と電圧検出器２１の検出電圧、電流検出器２２の検出電流とを比較し、それらが一致するようにゲート制御するインバータ制御部２３を備えている。尚、回生パワー演算部３による回生パワーの演算は、図示構成のように電動機電流と電圧から演算する方法と、電動機トルクと速度から演算する方法とのいずれでもよい。
【００１４】
上記構成の電気車制御装置２０Ａは、ブレーキチョッパ装置１５を次のように制御する。通流率パターン演算部１は、電圧検出器２１によって検出されるフィルタコンデンサ電圧（ＦＣ電圧）に基づいてブレーキチョッパ通流率を演算する。一方、回生パワー演算部３は、電動機電流とインバータ出力電圧とから回生時のパワー（回生パワー）を演算する。つまり、回生パワーＰｒｂ＝（電動機電流）×（インバータ出力電圧）により簡易的に求める。しかしながら、より厳密な演算法により、それぞれの値をベクトル的に分解して電動機トルクを演算し、Ｐｒｂ＝（電動機トルク）×（電動機速度）×（電動機極数）によって求めたものを用いることもできる。
【００１５】
通流率リミット演算部４は、ＦＣ電圧と回生パワー演算部３の算出する回生パワーとよりブレーキチョッパ通流率の上限リミット値を演算する。通流率リミッタ２は、この通流率リミット演算部４により演算されたブレーキチョッパ通流率の上限リミット値にて、通流率パターン演算部１により演算されたブレーキチョッパ通流率に制限をかけ、その出力をブレーキチョッパ通流率とし、これにてブレーキチョッパ装置１５を制御する。
【００１６】
ここで、通流率リミット演算部４による通流率リミット演算は、回生パワー演算部３からの回生パワーと電圧検出器２１からのＦＣ電圧とから必要なブレーキ抵抗値を求め、設置されているブレーキ抵抗１４の抵抗値との比率からブレーキチョッパの通流率を演算する方法である。式（１）にその計算方法を示す。
【００１７】
ブレーキチョッパ通流率リミット値をα、ＦＣ電圧をＶＦＣ、回生パワーをＰＲＢ、ブレーキ抵抗値をＲとするとき、
α＝Ｒ／（ＶＦＣ２／ＰＲＢ）…（１）
とする。尚、ここで用いるＦＣ電圧は、ブレーキチョッパ装置１５を動作させる最低電圧Ｖ１で固定しても簡易的な計算は可能である。
【００１８】
本実施の形態の電気車駆動装置では、電気車制御装置２０Ａによる上記のブレーキチョッパ装置１５の制御により、次のような作用効果を奏する。図２において、回生ブレーキ中に架線側の回生負荷が急減した場合、ＦＣ電圧は急上昇する。そのとき通流率パターン演算部１によりＦＣ電圧の上昇に応じてブレーキチョッパ通流率は上昇し、回生パワーがブレーキ抵抗１４で消費されるためＦＣ電圧の急上昇は制限される。このとき、ブレーキチョッパ通流率は回生パワーから演算された上限リミット値Ａで制限される。このため、ＦＣ電圧が高い状態でも回生パワーに応じた通流率でブレーキチョッパ装置１５が動作し、動作点は通流率リミット線上に乗る。ここで、もしこの通流率リミッタがなければ、動作点は通流率パターン演算部１で演算された高い通流率Ｂとなる。これによりブレーキノッチが低く回生パワーが小さい状態で、き電側の架線電圧が高い場合でも、回生パワーに応じた通流率で制御することができ、架線からの無駄な電流流入をなくすことができる。
【００１９】
この結果、回生ブレーキ中の回生負荷急変によるＦＣ電圧の急上昇に対するブレーキチョッパ通流率の制御はブレーキチョッパ通流率パターン演算で行い、それによりＦＣ電圧の上昇を抑えることができ、ＶＶＶＦインバータ１２の直流電圧の急上昇を抑えることができる。加えて、回生パワーから演算した通流率リミット値によってブレーキチョッパ通流率に制限を加えることで、架線からの無駄な電流流入がなくなるため、ブレーキ抵抗１４で消費する電力を必要最低限にすることができ、ブレーキ抵抗１４の寿命を伸ばし、架線の無駄な電力消費はなくすことができる。
【００２０】
（第２の実施の形態）本発明の第２の実施の形態の電気車駆動装置における電気車制御装置２０Ｂの構成を図３に示す。本実施の形態では、電気車制御装置２０Ｂが、過渡的なＦＣ電圧上昇に対応する処理機能を備えたことを特徴とする。
【００２１】
図３に示すように、本実施の形態の電気車駆動装置における電気車制御装置２０Ｂは、第１の実施の形態と同様、回生パワーによってブレーキチョッパ通流率は制限するために、通流率パターン演算部１、通流率リミッタ２、回生パワー演算部３、通流率リミット演算部４を備えている。
【００２２】
本実施の形態の場合、電気車制御装置２０Ｂはさらに、通流率リミッタ２の出力する通流率リミット値に対して加算する、電圧変化に応じた通流率パターンを演算するためのＦＣ電圧変化率演算部５と補助通流率演算部６、そして加算器７を備え、また、ＦＣ電圧が大きく上昇した場合に動作し、ＦＣ電圧の過電圧保護に至らないように動作させるための最大動作パターンを演算する最大動作パターン演算部８と最大値選択器９を備えている。尚、ＦＣ電圧変化率演算部５の入力として、ＦＣ電圧から電圧Ｖ１を引き算した電圧値を入力するのは、電圧Ｖ１以上のＦＣ電圧で変化率演算を有効とするためである。それによりＦＣ電圧が電圧Ｖ１以上に急上昇した場合、その変化に応じて通流率を上昇させる動作となる。また、回生パワー演算の方法、通流率リミット値の演算方法については、第１の実施の形態と同様である。
【００２３】
次に、上記構成の電気車制御装置２０Ｂによる制御動作を、図４を用いて説明する。図４（ａ）に示すように、ブレーキチョッパ装置１５の通流率が回生パワーにより演算された上限で制限されるため、ＦＣ電圧が高い状態でも回生電力に応じた通流率でブレーキチョッパ装置１５が動作し、動作点は通流率リミッタ上に乗っている。
【００２４】
図４（ｂ）に示すように、フィルタコンデンサ電圧（ＦＣ電圧）が急上昇すると、ＦＣ電圧変化率演算部５でＦＣ電圧の急上昇の度合いに応じた値が出力され、その値によって電圧変化に応じたパターンが上昇し通流率が増加する。本実施の形態における電気車制御装置２０Ｂでは、ＦＣ電圧変化率演算部５を、現在のＦＣ電圧と一次遅れフィルタを通した値を引き算する、いわば擬似微分の形で構成している。したがって、図５に示すように、ＦＣ電圧が急上昇して、その後一定となった場合、本実施の形態の電圧変化に応じたパターンは、図４（ｂ）に示すようにＦＣ電圧変化率演算部５の内部の一次遅れフィルタ５Ａの時定数によってゼロに向かって減衰していく。この結果、図４（ｃ）に示すように、ブレーキチョッパ通流率も元の通流率制限値へ戻る。尚、ＦＣ電圧変化率演算部５は、ＦＣ電圧を時間微分して求めても同様の作用が得られる。
【００２５】
最大動作パターン演算部８の動作は、ＦＣ電圧がＶ３を超えた場合に強制的に通流率を上昇させるパターンであり、ＦＣ電圧の急変度合いが電圧変化に応じたパターンで制御できる範囲を超えた場合に動作し、架線電圧急変時のＦＣ過電圧を確実に防止する作用をする。
【００２６】
本実施の形態の電気車駆動装置によれば、回生ブレーキ中の回生負荷急変によるＦＣ電圧の急上昇に対するブレーキチョッパ通流率の制御を、ブレーキチョッパ通流率パターン演算で行い、さらにＦＣ電圧の変化に応じた通流率を加算する制御を加えることでＶＶＶＦインバータ１２の直流電圧の急上昇を確実に抑えることが可能となり、仮にＶＶＶＦインバータ１２の回生パワーが変化しているときに回生負荷が急変した場合でも、ＶＶＶＦインバータ１２からの通流率制限値の上昇が遅れてもＦＣ電圧の上昇は抑えることができる。また、本実施の形態によれば、回生パワーから演算した通流率に制限を加えているので、架線からの無駄な電流流入はなくなり、ブレーキ抵抗１４で消費する電力を必要最低限にすることができる。その結果、ブレーキ抵抗１４の寿命が増加し、架線の無駄な電力消費をなくすことができる。
【００２７】
尚、本実施の形態にあっては、最大動作パターン演算部８と最大値選択器９とは必要に応じて搭載するものであり、シンプルな構成のためには、これらの要素を省略した構成も可能であり、それによって、電気車用電動機１３のブレーキ中に回生パワーを演算し、ブレーキチョッパ装置１５の通流率を回生パワーに応じて制限し、架線電圧が高い状態でも架線からの流入電流を抑制し、回生パワーに応じた電力をブレーキ抵抗１４で消費することで、当該ブレーキ抵抗１４での無駄な電力消費を抑える機能と、フィルタコンデンサ電圧の急変時にはフィルタコンデンサ電圧の変化に応じてブレーキチョッパ装置１５の通流率を一時的に増加させる機能とを併せ持つことで、ブレーキ抵抗１４での無駄な電力消費を抑え、さらに、回生ブレーキ中の架線電圧の急変時にもフィルタコンデンサ電圧の過電圧を防止する制御ができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１の実施の形態の電気車駆動装置における電気車制御装置のブロック図。
【図２】上記実施の形態における電気車制御装置のブレーキチョッパ制御動作の説明図。
【図３】本発明の第２の実施の形態の電気車駆動装置における電気車制御装置のブロック図。
【図４】上記実施の形態における電気車制御装置のブレーキチョッパ制御動作の説明図。
【図５】上記実施の形態における電気車制御装置において、フィルタコンデンサ電圧（ＦＣ電圧）の変化に対する電圧変化に応じた通流率パターン、ブレーキチョッパ通流率制限値を示すブロック図。
【図６】一般的な電気車駆動装置のブロック図。
【符号の説明】
【００２９】
１：通流率パターン演算部、
２：通流率リミッタ、
３：回生パワー演算部、
４：通流率リミット演算部、
５：ＦＣ電圧変化演算部、
６：補助通流率演算部、
７：最大動作パターン演算部、
８：最大値選択器、
９：高速度遮断器、
１０：フィルタリアクトル、
１１：フィルタコンデンサ、
１２：ＶＶＶＦインバータ、
１３：電気車用電動機、
１４：ブレーキ抵抗、
１５：ブレーキチョッパ装置。
【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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