(57)【要約】      （修正有）【課題】放電専用回路を有することなく、保護検知をした際に放電することが可能となり、装置の小型化に寄与することができる電気車制御装置および電気車システムを提供する。【解決手段】電気車制御装置３０は、電力変換部３６と、蓄電部３２と、電圧検出部３４と、制御部１００とを持つ。電力変換部３６は、架線Ｐからの電力を、電気車システム１の車輪Ｗに動力を伝達する誘導電動機２４を駆動するための電力に供給する。蓄電部３２は、電力変換部３６の入力側に設けられる。電圧検出部３４は、蓄電部３２の電圧を検出する。制御部１００は、電力変換部３６を制御し、電圧検出部３４により検出された電圧が第１の閾値を超える場合、誘導電動機２４をすべり制御するための第１の指令信号を電力変換部３６に送信する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
架線からの電力を、電気車の車輪に動力を伝達する誘導電動機を駆動するための電力に供給する電力変換部と、
前記電力変換部の入力側に設けられた蓄電部と、
前記蓄電部の電圧を検出する検出部と、
前記電力変換部を制御する制御部であって、前記検出部により検出された電圧が第１の閾値を超える場合、前記誘導電動機をすべり制御するための第１の指令信号を前記電力変換部に送信する制御部と、
を備える電気車制御装置。
【請求項２】
前記制御部は、
前記検出部により検出された電圧が第１の閾値を超える場合、前記誘導電動機を負荷均衡点よりも回転速度が高い制御領域で制御する、
請求項１に記載の電気車制御装置。
【請求項３】
前記制御部は、
前記検出部により検出された電圧が第１の閾値を超えない場合、前記誘導電動機をベクトル制御するための第２の指令信号を前記電力変換部に送信する、
請求項１または２に記載の電気車制御装置。
【請求項４】
前記制御部は、
前記検出部により検出された電圧が第１の閾値を超えた場合、前記架線と前記蓄電部とを接続する接触器を遮断状態にし、
前記検出部により検出された電圧が第１の閾値を超えた後、前記検出部により検出された電圧が第２の閾値以下となった場合、または前記第１の指令信号を送信してから所定時間が経過した後に、前記第１の指令信号の送信を停止するとともに、前記接触器を導通状態にする、
請求項１からの３のうち、いずれか１項に記載の電気車制御装置。
【請求項５】
前記制御部は、
前記検出部により検出された電圧が第１の閾値を超えた後、前記検出部により検出された電圧が第２の閾値以下となった場合、または前記第１の指令信号を送信してから所定時間が経過した後に、前記電力変換部の動作を停止させる、
請求項４に記載の電気車制御装置。
【請求項６】
前記制御部は、
前記第１の指令信号を、回生ブレーキの方向となる指令とする、
請求項１から５のうち、いずれか１項に記載に電気車制御装置。
【請求項７】
請求項１から６のうち、いずれか１項に記載された電気車制御装置と、
前記電気車制御装置により制御される誘導電動機と、
を備える電気車システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、電気車制御装置および電気車システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電気車に搭載されるモータを駆動するインバータを有する電気車制御装置には、過電圧等による保護の発生時に、装置内に充電した電荷を放電するために放電専用回路が設けられている。この放電専用回路には、例えば抵抗と回路のオン／オフを切り替えるＩＧＢＴ（Insulated  Gate  Bipolar  Transistor）等の半導体素子が使用される。しかしながら、放電専用回路は、過電圧等の保護時にしか使用しない回路のため、抵抗や半導体素子を設置するスペースが必要となり、装置の大型化に繋がる問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−５０８２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明が解決しようとする課題は、放電専用回路を有することなく、保護検知をした際に放電することが可能となり、装置の小型化に寄与することができる電気車制御装置および電気車システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態の電気車制御装置は、電力変換部と、蓄電部と、検出部と、制御部とを持つ。電力変換部は、架線からの電力を、電気車の車輪に動力を伝達する誘導電動機を駆動するための電力に供給する。蓄電部は、前記電力変換部の入力側に設けられる。検出部は、前記蓄電部の電圧を検出する。制御部は、前記電力変換部を制御する制御部であって、前記検出部により検出された電圧が第１の閾値を超える場合、前記誘導電動機をすべり制御するための第１の指令信号を前記電力変換部に送信する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】実施形態の電気車制御装置を搭載した電気車システムの概要構成図。
【図２】制御部１００の機能構成図。
【図３】モータの特性を説明するための図。
【図４】すべり制御によるコンデンサ３２の電圧変化を説明するための図。
【図５】制御部１００における制御処理の一例を示すフローチャート。
【図６】コンデンサ３２の充電処理の内容を説明するための図。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、実施形態の電気車制御装置および電気車システムを、図面を参照して説明する。
【０００８】
（第１の実施形態）
図１は、実施形態の電気車制御装置を搭載した電気車システムの概要構成図である。図１に示す電気車（鉄道車両）は、交流電力の供給源である架線Ｐに集電器１０が接触することにより、架線Ｐから電力供給を受けて走行する。電気車システム１は、主要な構成要素として、集電器１０と、遮断器１２と、車輪Ｗと、変圧器１６と、突入電流制限回路２０と、コンバータ２２と、モータ（誘導電動機）２４と、電気車制御装置３０とを備える。
【０００９】
集電器１０は、架線Ｐから交流電力を取得する。遮断器１２は、集電器１０と変圧器１６との間に直列に接続される。遮断器１２は、所定の条件下で変圧器１６への交流電力の供給を遮断する。変圧器１６は、集電器１０から出力された交流電力の電圧を所望の電圧に変換する。所望の電圧に変換された交流電力は、突入電流制限回路２０を介してコンバータ２２に出力される。コンバータ２２は、入力された交流電力を直流電力に変換して、電気車制御装置３０へ出力する。
【００１０】
突入電流制限回路２０は、接触器（第１の接触器）２０−１と、電流制限抵抗器２０−２と、電流制限抵抗用接触器（第２の接触器）２０−３とを設ける。接触器２０−１および電流制限抵抗用接触器２０−３は、制御部１００の制御により開閉する。接触器２０−１および電流制限抵抗用接触器２０−３はオン状態（導通状態）で変圧器１６から出力された交流電力をコンバータ２２へ出力する。電流制限抵抗器２０−２は、コンバータ２２への突入電流を制限するための抵抗器である。
【００１１】
ここで、突入電流制限回路２０の動作について説明する。例えば、電気車の運転士等が、操作盤１１０に設けられたマスタースイッチをオン状態にすると、制御部１００によって電流制限抵抗用接触器２０−３がオン状態に制御されるとともに、遮断器１２がオン状態に制御される。これにより、電流制限抵抗器２０−２と電流制限抵抗用接触器２０−３とを含んだ閉回路が実現される。その後、電流制限抵抗器２０−２により電圧降下が生じ、電流制限抵抗器２０−２の両端の電圧差が小さくなると、制御部１００によって接触器２０−１がオン状態に制御される。これにより、接触器２０−１の溶着が防止されるとともに、コンバータ２２への突入電流の発生が抑制された状態で、コンバータ２２に架線Ｐから交流電力が供給される。
【００１２】
電気車制御装置３０は、コンデンサ（蓄電部）３２と、電圧検出部（検出部）３４と、インバータ（電力変換部）３６と、制御部１００とを備える。コンデンサ３２は、コンバータ２２からインバータ３６に出力される電圧を平滑化する。電圧検出部３４は、コンデンサ３２の両端電圧（直流電圧）を検出し、検出結果を制御部１００へ出力する。インバータ３６は、コンバータ２２から出力された直流電力を、制御部１００から入力された制御信号（例えばＰＷＭ:Pulse  Width  Modulation）制御信号）に基づいて、所望の周波数や電圧等の三相交流（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）に変換し、変換した三相交流をモータ２４へ出力する。なお、電気車制御装置３０は、上記の構成に限定されるものではなく、例えば突入電流制限回路２０、コンバータ２２等を含んだ装置とすることも可能である。
【００１３】
モータ２４は、三相交流によってロータを回転させ、駆動力を出力する。モータ２４の出力する駆動力は、図示しない歯車等の連結機構を介して車輪Ｗに伝達され、伝達された駆動力により車輪Ｗを回転させることで、電気車を走行させる。モータ２４は、例えば、かご型三相誘導電動機である。なお、車輪Ｗは、線路Ｒを介して接地される。
【００１４】
また、電気車システム１は、操作盤１１０と、表示盤１２０とを備える。操作盤１１０は、例えば電気車の主電源であるマスタースイッチや、運転手が種々の操作を行うマスターコントローラ等を含む。マスターコントローラは、種々の対応を採用し得るが、例えば前方に押すことによって制動・減速を指示し、後方に引くことによって加速を指示することができる横軸型のマスターコントローラである。マスターコントローラに対してなされた操作量を示す信号、或いは操作に基づいて決定される制御信号は、制御部１００に入力される。表示盤１２０は、制御部１００の指示に基づいて、車両の速度等を含む車両に関する各種情報を表示する。
【００１５】
図２は、制御部１００の機能構成図である。図２に示す制御部１００は、比較部１０１と、切替部１０２と、すべり制御部１０３と、ベクトル制御部１０４と、ＰＷＭ制御部１０５とを有する。制御部１００の各機能部は、例えば、電気車制御装置３０が備えるＣＰＵ（Central  Processing  Unit）等のプロセッサがプログラムメモリに格納されたプログラムを実行することで機能するソフトウェア機能部である。また、制御部１００の各機能部のうち一部または全部は、ＬＳＩ（Large  Scale  Integration）やＡＳＩＣ（Application  Specific  Integrated  Circuit）等のハードウェア機能部であってもよい。
【００１６】
比較部１０１は、電気車に設けられた各種計器の計測結果や各種センサの検出結果と、予め設定されている閾値（セット値）とを比較し、電気車制御装置３０における異常状態の有無を判定する。比較部１０１は、例えば電圧検出部３４の検出結果と、予め設定された第１の閾値（過電圧セット値）とを比較し、検出結果の電圧が第１の閾値を超えている場合に、電気車制御装置３０を保護すべき異常状態（例えば、過電圧等）を検出したと判定する。また、検出結果が第１の閾値以下である場合は、保護すべき異常状態ではないと判定する。なお、比較部１０１における比較対象は、これに限定されるものではない。比較部１０１は、比較結果を切替部１０２に出力する。
【００１７】
切替部１０２は、比較部１０１からの比較結果で保護すべき異常が生じていると判定された場合、すべり制御部１０３に信号を出力し、モータ２４をすべり制御してコンデンサ３２の電圧を放電させるための制御を行わせる。また、切替部１０２は、比較部１０１からの比較結果で保護すべき異常が生じていないと判定された場合には、ベクトル制御部１０４に信号を出力し、モータ２４に所定の駆動をさせるための駆動制御を行わせる。
【００１８】
すべり制御部１０３は、モータ２４を介して放電させるためにインバータ３６に供給する放電用指令信号（第１の指令信号）を生成する。本実施形態では、放電用指令信号により、インバータ３６からモータ２４を過すべりさせるような駆動信号を与えることで、モータ２４による高速な放電を実現する。なお、放電用指令信号は、回生ブレーキの方向となる指令とすることが好ましい。すべり方向を回生ブレーキ側とすることで、例えば放電用指令信号による駆動力がモータ２４側に伝達された場合であっても制動に利用されるため、安全に制御することが可能となる。なお、本実施形態におけるすべり制御の具体例については、後述する。すべり制御部１０３は、生成した放電用指令信号をＰＷＭ制御部１０５に出力する。
【００１９】
ベクトル制御部１０４は、上述したすべり制御を行わない場合に、モータ２４の駆動制御を行う。例えば、ベクトル制御部１０４は、上述したマスターコントローラから入力された信号等に基づいて、ｄ軸電流指令ＩｄＲｅｆとｑ軸電流指令ＩｑＲｅｆとを生成する。ここで、ｄ軸電流とは、モータ２４の二次側磁束の方向（ｄ軸方向）に流れる電流であり、ｑ軸電流とは、ｄ軸と直交する方向（ｑ軸方向）に流れる電流である。また、これらの電流値は、インバータ３６やモータ２４から制御部１００に入力される。また、ベクトル制御部１０４は、生成したｄ軸電流指令ＩｄＲｅｆおよびｑ軸電流指令ＩｑＲｅｆと、入力されたｄ軸電流およびｑ軸電流とに基づいてｄ軸電圧指令ＶｄＲｅｆおよびｑ軸電圧指令ＶｑＲｅｆを生成し、生成したｄ軸電圧指令ＶｄＲｅｆおよびｑ軸電圧指令ＶｑＲｅｆをＵ相、Ｖ相、Ｗ相に対応する電圧指令Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに変換し、その指令信号（第２の指令信号）を、ＰＷＭ制御部１０５に出力する。
【００２０】
ＰＷＭ制御部１０５は、すべり制御部１０３およびベクトル制御部１０４により得られる指令信号に基づいて電流制御を行うためのＰＷＭ制御信号を生成し、生成したＰＷＭ制御信号をインバータ３６に出力する。例えば、ＰＷＭ制御部１０５は、予め設定された三角波と、上述した各相電圧指令Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗとを個別に比較して各相ゲート指令を生成してインバータ３６に出力することで、インバータ３６を構成する各相スイッチング素子等を制御する。また、ＰＷＭ制御部１０５は、上述した放電用指令信号に対応させて、モータ２４が所定の過すべり状態となるように各相電圧指令を制御する。
【００２１】
なお、制御部１００は、上記の他、突入電流制限回路２０における接触器２０−１および電流制限抵抗用接触器２０−３の開閉や、コンバータ２２に対する制御等の電気車の各部を制御する。
【００２２】
以下、本実施形態におけるすべり制御について説明する。図３は、モータの特性を説明するための図である。図３の例において、縦軸はトルク（回転力）を示し、横軸はトルクに基づくモータの回転速度を示す。本実施形態におけるモータ（誘導電動機）２４は、すべりによりトルクが発生し、発生したトルクに基づく回転を行う。図３の例において、始動トルクは、電力供給によりモータ２４が回り始める瞬間に出すトルクである。その後、モータ２４は、停動トルク（最大トルク）まで加速度的な回転を行うが、この区間は不安定な領域である。また、停動トルクからトルク＝０（同期速度）までは、回転が安定している安定領域であるため、使用可能な回転領域となる。なお、図３に示す負荷均衡点付近が定格速度、定格トルクとなるポイントである。
【００２３】
また、モータ２４を過すべり状態とすると発生トルクが０に近づく。この特性を用いて、トルクが０となるようなすべりを行うようにトルクを制御することで、トルクを発生させずに電流を流すことができる。したがって、すべり制御部１０３は、比較部１０１による比較結果から、放電が必要な保護レベルと判定された場合に、過すべり状態となる指令（放電用指令信号）をインバータ３６に出力する。すべり制御部１０３からの指令により、モータ２４が上述した負荷均衡点よりも回転速度が高い制御領域で制御される。インバータ３６は、制御部１００からの放電用指令信号に従って動作することにより、コンデンサ３２に蓄電された電荷を放電させることができる。これにより、従来のような放電専用回路を有することなく、保護検知をした際に放電することが可能となり、装置の小型化を実現することができる。
【００２４】
以下、すべり制御によるコンデンサ３２の電圧の変化について、図を用いて説明する。図４は、すべり制御によるコンデンサ３２の電圧変化を説明するための図である。図４において、縦軸は電圧検出部３４により検出される電圧Ｖを示し、横軸は時間Ｔを示す。図４の例において、コンデンサ３２は、コンバータ２２からの直流電力を用いて所定の目標電圧Ｖ＃となるまで充電を行い、目標電圧Ｖ＃に達した時点（図４に示すｔ０）で、平滑化された電圧をインバータ３６に出力し、インバータ３６を駆動させる。電気車が走行している間は、架線Ｐからの交流電力が供給されるため、ある程度一定電圧値のまま推移する。ここで、例えば、架線Ｐから供給される電力が急激に増加した場合や、電気車制御装置３０の各構成やモータ２４の一時的な異常動作等の影響で、電圧検出部３４からの電圧が予め設定された閾値電圧Ｖ１（第１の閾値）を超えた場合（図４に示すｔ１）、制御部１００は、過すべり状態となる指令をインバータ３６に出力し、出力した指令に対するインバータの制御によりコンデンサ３２に蓄電された電圧を放電させる。
【００２５】
また、制御部１００は、電圧検出部３４からの電圧値が予め設定された閾値電圧Ｖ２（第２の閾値）以下になった時点（図４に示すｔ２）で、再びコンデンサ３２の充電が行われ、目標値Ｖ＃となった時点（図４に示すｔ３）で、インバータ３６を駆動させる。ここで、閾値電圧Ｖ２は、０以上の所定値を設定することができるが、０であることが好ましい。例えば、放電制御においても電圧検出部３４からの電圧値が０にならず、放電が完了できない場合には、更に他の異常が存在している可能性があると判定することができる。また、Ｖ２＝０に設定しておくことで、例えば放電後に作業員等が電気車制御装置３０等を手で触れて点検する場合に、電流が流れることがないため、安全性を確保することができる。また、制御部１００は、過すべり状態となる指令（放電用指令信号）の発信から所定時間（図４に示すＴａ）を経過した場合に、上述したようにインバータ３６を駆動させる処理を行ってもよい。
【００２６】
以下、制御部１００における制御処理の内容を、フローチャートを用いて説明する。図５は、制御部１００における制御処理の一例を示すフローチャートである。なお、以下の説明では、制御処理の一例として電気車制御装置３０における放電制御処理について説明する。また、図５の例では、制御部１００は、電圧検出部３４から所定のタイミングで電圧を取得している状態であるものし、またインバータ３６も起動している状態であるとする。
【００２７】
図５の例において、比較部１０１は、電圧検出部３４からコンデンサ３２の電圧を取得し（ステップＳ１００）、取得した電圧が閾値電圧Ｖ１（第１の閾値）と超えたか否かを判定する（ステップＳ１０２）。取得した電圧が、閾値電圧Ｖ１を超える場合、すべり制御部１０３は、モータ２４を過すべりさせ、コンデンサ３２の放電を実施する（ステップＳ１０４）。なお、コンデンサ３２の放電を行う場合、例えば、すべり制御部１０３は、架線Ｐとコンデンサ３２とを接続する接触器（第１の接触器）２０−１、電流制限抵抗用接触器（第２の接触器）２０−３を遮断状態としておく。次に、すべり制御部１０３は、電圧検出部３４からの電圧が閾値電圧Ｖ２（第２の閾値）以下であるか、またはすべり制御を開始してから所定時間が経過したかを判定する（ステップＳ１０６）。電圧が閾値電圧Ｖ２以下であるか、またはすべり制御を開始してから所定時間が経過した場合、すべり制御部１０３は、インバータ３６を停止し（ステップＳ１０８）、接触器２０−１、または電流制限抵抗用接触器２０−３を導通状態にして、コンデンサ３２を充電する（ステップＳ１１０）。次に、比較部１０１は、電圧検出部３４からの電圧が目標電圧Ｖ＃を超えたか否かを判定する（ステップＳ１１２）。電圧が目標電圧Ｖ＃を超えた場合、インバータ３６を起動させる（ステップＳ１１４）。また、ステップＳ１０２において、閾値電圧Ｖ１を超えていない場合、ベクトル制御部１０４は、ＰＷＭ駆動信号を生成して、インバータ３６に出力して、モータ２４に所定の駆動制御を行う（ステップＳ１１６）。
【００２８】
次に、上述したステップＳ１１０におけるコンデンサ３２の充電処理について、図を用いて説明する。図６は、コンデンサ３２の充電処理を説明するための図である。図６の例において、縦軸はコンデンサ３２の電圧Ｖを示し、横軸は充電における時間Ｔを示す。コンデンサ３２を充電させる場合、上述した第２の接触器（電流制限抵抗用接触器）２０−３をオン（スイッチを閉じる）すると、コンデンサ３２に架線Ｐからの電流が供給され、コンデンサ３２の充電が開始される。この場合、コンバータ２２は、まだ稼働していない。ここで、コンデンサ３２の充電は、図６に示すように推移するため、架線電圧の９０％程度のところから蓄電効率が下がり、コンバータ２２をスタートさせるための架線電圧１００％を満たすのに時間がかかってしまう。そこで、電圧がある値（例えば、架線電圧の９０％）を超えた時点で、第２の接触器２０−３をオフにし、第１の接触器（接触器）２０−１をオンすることで、架線電圧１００％まで電圧を上げることができる。また、この状態でコンバータ２２をスタートさせることで、目標電圧Ｖ＃までコンデンサ３２の電圧を上げることができる。
【００２９】
なお、上述した実施形態では、図１に示すように、コンバータ２２とインバータ３６とを備えた電気車システム１における電気車制御装置３０について説明したが、例えば電源供給源が直流であり、コンバータ２２を備えていない電気車システム１の電気車制御装置３０についても同様に適用することができる。また、上述した実施形態において、電気車には、複数のモータを備えているため、そのうちの一部が上述した過すべりにより放電を行ったとしても電気車には影響がない。
【００３０】
以上説明した少なくとも一つの実施形態によれば、電気車制御装置３０が、架線Ｐからの電力を、電気車の車輪に動力を伝達する誘導電動機を駆動するための電力に供給する電力変換部（３６）と、前記電力変換部の入力側に設けられた蓄電部（３２）と、前記蓄電部の電圧を検出する検出部（３４）と、前記電力変換部を制御する制御部であって、前記検出部により検出された電圧が第１の閾値を超える場合、前記誘導電動機をすべり制御するための第１の指令信号を前記電力変換部に送信する制御部（１００）と、を備えることにより、放電専用回路を有することなく、保護検知をした際に放電することが可能となり、装置の小型化に寄与することができる。
【００３１】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００３２】
１…電気車システム、１０…集電器、１２…遮断器、１６…変圧器、２０…突入電流制限回路、２０−１…接触器（第１の接触器）、２０−２…電流制限抵抗器、２０−３…電流制限抵抗用接触器（第２の接触器）、２２…コンバータ、２４…モータ（誘導電動機）、３０…電気車制御装置、３２…コンデンサ（蓄電部）、３４…電圧検出部、３６…インバータ（電力変換部）、１００…制御部、１０１…比較部、１０２…切替部、１０３…すべり制御部、１０４…ベクトル制御部、１０５…ＰＷＭ制御部、Ｐ…架線、Ｗ…車輪
【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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