(57)【要約】【課題】本発明は、単相交流を直流に変換し、この直流を交流に変換する電力変換器を有する電気車制御装置において、外部条件に左右されることなく、また安定的、かつ容易にコンデンサ容量の寿命予測を行うことを目的とする。【解決手段】単相交流を直流に変換する第１の電力変換器と直流を任意の周波数の交流に変換する第２の電力変換器と第２の電力変換器の直流側に並列接続されるコンデンサからなる電気車制御装置において、コンデンサの充電時間に基づき、コンデンサの寿命予測を行う手段を備えたことを特徴する電気車制御装置。【選択図】図１
2009131125.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単相交流を直流に変換する第１の電力変換器と直流を任意の周波数の交流に変換する第２の電力変換器と第２の電力変換器の直流側に並列接続されるコンデンサからなる電気車制御装置において、コンデンサの充電時間に基づき、コンデンサの寿命予測を行う手段を備えたことを特徴する電気車制御装置。
【請求項２】
単相交流を直流に変換する第１の電力変換器と直流を任意の周波数の交流に変換する第２の電力変換器と第２の電力変換器の直流側に並列接続されるコンデンサからなる電気車制御装置において、コンデンサの寿命予測を行う手段はコンデンサの劣化度と算出することを特徴とする電気車制御装置。
【請求項３】
単相交流を直流に変換する第１の電力変換器と直流を任意の周波数の交流に変換する第２の電力変換器と第２の電力変換器の直流側に並列接続されるコンデンサからなる電気車制御装置において、コンデンサの劣化度が予め定めた劣化度を越えたとき、コンデンサの劣化度を表示器に表示する手段を備えたことを特徴とする電気車制御装置。
【請求項４】
単相交流を直流に変換する第１の電力変換器と直流を任意の周波数の交流に変換する第２の電力変換器と第２の電力変換器の直流側に並列接続されるコンデンサからなる電気車制御装置において、コンデンサの劣化度が予め定めた劣化度を越えたとき電力変換器を停止することを特徴する電気車制御装置。
【請求項５】
単相交流を直流に変換する第１の電力変換器と直流を任意の周波数の交流に変換する第２の電力変換器と第２の電力変換器の直流側に並列接続されるコンデンサからなる電気車制御装置において、劣化度をメモリに記憶することを特徴とする電気車制御装置。
【請求項６】
単相交流を直流に変換する第１の電力変換器と直流を任意の周波数の交流に変換する第２の電力変換器と第２の電力変換器の直流側に並列接続されるコンデンサからなる電気車制御装置において、劣化度の変化履歴と使用頻度から寿命予測を行うことを特徴とする電気車制御装置。
【請求項７】
単相交流を直流に変換する第１の電力変換器と直流を任意の周波数の交流に変換する第２の電力変換器と第２の電力変換器の直流側に並列接続されるコンデンサからなる電気車制御装置において、メモリに記憶した劣化度から少なくとも３回分の履歴から寿命予測を行う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、電気車制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気車制御装置において、電力変換器の直流側に設置されている平滑用コンデンサと用いられるコンデンサは、経年劣化により容量が減少する性質を有する。従来の電気車制御装置ではコンデンサ容量を検出する手段を特に持っていないため、定期的な点検、検査で容量計を用いてコンデンサの容量の測定を行うことが必要で、その保守に手間がかかるという問題がある。このような問題を回避するために寿命予測を正確に行う試みが、種々提案されている（参考文献参照）。
【０００３】
特許文献１ではコンデンサの容量測定は初期充電時の電流検出値と電圧検出値からコンデンサ容量を推定する技術が提案されている。
【０００４】
上記従来技術では、電源電圧や充電用抵抗値の変化によりコンデンサへの充電時間が左右されるため、コンデンサ容量の高精度な検出には、回路の正確な検出が必要となる。
【０００５】
特許文献２ではコンデンサの電圧変動の大きさからコンデンサ容量を推定する技術が提
案されている。
【０００６】
上記従来技術においては、コンデンサの電圧変動の大きさ、及び変動周波数を正確に検出する必要があるため、やはり回路の正確な検出が必要なる。
【０００７】
従来例を図８に示す。図８は参考文献１に記載された従来の交流電気車の制御装置である。図８において、１は単相交流電圧電源である架線、２は単相交流電源電圧を適した電圧に変圧する変圧器、３は単相交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ、４はコンバータから出力される直流電圧を平滑する平滑コンデンサ、５は直流電圧を可変電圧可変周波数に変換するインバータ、６は負荷装置である主電動機である。
【０００８】
また７はコンバータ及びインバータの制御回路であり制御回路はメイン制御部７１、コンバータ制御部７２、インバータ制御部７３から構成される。メイン制御部７１からコンバータ制御部７２に直流電圧指令Ｅｄ＊及びゲートスタート指令ＧＳ１＊等を入力し、インバータ制御部７３にインバータ周波数指令Ｆｉ＊、出力電圧指令Ｅ＊及びゲートスタート指令ＧＳ２＊等を入力する。コンバータ制御部７２とインバータ制御部７３はゲート信号を出力する。
【０００９】
尚、ここでは通常の制御に用いる電圧や電流の検出値は省略している。
【００１０】
８は、コンデンサ容量判定回路であり、直流中間回路のコンデンサ電圧ｅｄからの交流成分を検出し、交流入力電流指令Ｉｓ＊と変調率aから容量推定部８２にてコンデンサ容量
を推定する。第１の比較器８３でコンデンサ容量推定値が基準値以下となったとき、コンデンサ容量が低下したと判断する。第２の比較器８４ではメイン制御を停止するか否かを判定する。
【００１１】
またコンデンサ容量推定値、交流入力電流指令値Ｉｓ＊、変調率ａの履歴をメモリに保存する。
【００１２】
次に動作を説明する。単相交流を電源とするコンバータでは、運転時に単相電源の２倍の周波数の交流変動が中間直流回路のコンデンサに発生する。
【００１３】
コンバータ出力電流ｉｄは、コンバータ入力電圧ｅｃが正弦波であるとすると交流成分ΔＩｄは
ΔＩｄ＝ａ×Ｉｓ／√２・・・式（１）
ここに、ａ：コンバータ変調率
Ｉｓ：コンバータ入力電流（基本波実効値）
で近似的に求められる。一方、コンデンサ電圧ｅｄはコンバータのスイッチングの起因した高調波成分を無視すると電圧変動ΔＥは
ΔＥ＝（ａ×Ｉｓ）／（２√２×ω×Ｃ）・・・式（２）
ここに、ω：電源角周波数
Ｃ：コンデンサ容量
で求められ、コンデンサ容量Ｃは
Ｃ＝（ａ×Ｉｓ）／（２√２×ΔＥ×ω）・・・式（３）
で演算することができる。
【特許文献１】特開平５−３０８７０１号公報
【特許文献２】特開平１０−１４０９７号公報
【特許文献３】特開平０６−１６３０８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、上記に述べたようなコンバータスイッチングに起因した高調波成分があり、コンデンサ電圧ｅｄの電圧変動Δｅｄは高精度で検出するには、外部回路条件に左右され現実的には困難を要する。
【００１５】
そこで、本発明は、単相交流を直流に変換し、この直流を交流に変換する電力変換器を有する電気車制御装置において、外部条件に左右されることなく、また安定的、かつ容易にコンデンサ容量の寿命予測を行うことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題は、単相交流を直流に変換する第１の電力変換器と直流を任意の周波数の交流に変換する第２の電力変換器と第２の電力変換器の直流側に並列接続されるコンデンサからなる電気車制御装置において、コンデンサの充電時間に基づき、コンデンサの寿命予測を行う手段を備えたことによって達成することが出来る。
【００１７】
上記課題は、単相交流を直流に変換する第１の電力変換器と直流を任意の周波数の交流に変換する第２の電力変換器と第２の電力変換器の直流側に並列接続されるコンデンサからなる電気車制御装置において、コンデンサの寿命予測を行う手段はコンデンサの劣化度と算出することによって達成することが出来る。
【００１８】
上記課題は、単相交流を直流に変換する第１の電力変換器と直流を任意の周波数の交流に変換する第２の電力変換器と第２の電力変換器の直流側に並列接続されるコンデンサからなる電気車制御装置において、コンデンサの劣化度が予め定めた劣化度を越えたときコンデンサの劣化度を表示器に表示する手段を備えることによって達成することが出来る。
【００１９】
上記課題は、単相交流を直流に変換する第１の電力変換器と直流を任意の周波数の交流に変換する第２の電力変換器と第２の電力変換器の直流側に並列接続されるコンデンサからなる電気車制御装置において、コンデンサの劣化度が予め定めた劣化度を越えたとき電力変換器を停止することによって達成することが出来る。
【００２０】
上記課題は、単相交流を直流に変換する第１の電力変換器と直流を任意の周波数の交流に変換する第２の電力変換器と第２の電力変換器の直流側に並列接続されるコンデンサからなる電気車制御装置において、劣化度をメモリに記憶することによって達成することが出来る。
【００２１】
上記課題は、単相交流を直流に変換する第１の電力変換器と直流を任意の周波数の交流に変換する第２の電力変換器と第２の電力変換器の直流側に並列接続されるコンデンサからなる電気車制御装置において、劣化度の変化履歴と使用頻度から寿命予測を行うことによって達成することが出来る。
【００２２】
上記課題は、単相交流を直流に変換する第１の電力変換器と直流を任意の周波数の交流に変換する第２の電力変換器と第２の電力変換器の直流側に並列接続されるコンデンサからなる電気車制御装置において、メモリに記憶した劣化度から少なくとも３回分の履歴から寿命予測を行うことによって達成することが出来る。
【発明の効果】
【００２３】
本発明により、単相交流を直流に変換し、この直流を交流に変換する電力変換器を有する電気車制御装置において、外部条件に左右されることなく、また安定的、かつ容易にコンデンサ容量の寿命予測を行うことが出来る電気車制御装置を提供することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
【００２５】
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施例の概略構成を示すブロック図である。単相交流電源１から、コンバータ及びインバータの制御回路７は上述した従来装置のものと同様である。
【００２６】
図１において、９３は充電抵抗器を挿入するための充電抵抗スイッチ、９４は充電抵抗器、９５は充電抵抗器を短絡するための充電抵抗短絡スイッチである。８２ａはコンデンサの充電時間を測定する充電時間測定部、８３ａはコンデンサの充電時間からコンデンサの劣化度を算出する劣化度演算部である。８５ａは過去のコンデンサの充電時間やコンデンサ劣化度の履歴を記録しておくメモリ、８４ａは過去の履歴からコンデンサの予測交換時期を算出する予測交換時期算出部である。９１はコンデンサ充電時間を乗務員に伝える表示器、９２は過去のコンデンサ充電時間、劣化度、予測交換時期をモニタするモニタ装置である。
【００２７】
次に動作について説明する。図２は充電時間測定部８２における初期充電時の動作を示した図である。まず、交流電気車の制御装置の起動時コンデンサを初期充電する際、充電抵抗挿入スイッチ投入する。充電が完了すると充電抵抗挿入スイッチを開放するとともに充電抵抗短絡スイッチを投入する。Ｔ１はそのときコンデンサ充電時間である。これをメモリに記憶するとともに劣化度演算部８３ａに入力する。劣化度演算部８３ａでは、基準充電時間と使用限界充電時間及び充電時間測定値Ｔ１から劣化度を算出する。例えば、基準充電時間が１秒で、設計上の使用限界の充電時間が０．９秒とした場合において、充電時間測定値が０．９７秒まで減少したとすると劣化度は
（１−０．９７）／（１−０．９）＝０．３・・・式（４）
と算出することができる。
【００２８】
メモリ８３ａの内部イメージ図を図３に示す。メモリは測定日、装置稼動時間、充電時間、劣化度、使用頻度及びメイン制御からの信号等の測定履歴をデータベースとして記憶する。また比較器８６ａは劣化度が所定の予め定めた設計上の限界値を超えたとき、コンデンサが異常状態となっている判断し、停止信号をメイン制御部へ出力し電力変換器を停止する。予測交換時期算出部８４ａでは、測定履歴データベースから予測交換時期を算出する。図４はメモリ内の測定日と装置稼動時間、充電時間、及び、劣化度を一覧にしたものである。図５は図４をもとに装置稼動時間をＸ軸に劣化度をＹ軸とした座標軸にグラフプロットし、予測寿命時間を表したのものである。図５での予測寿命時間は過去３回の測定点と稼動時間から劣化度変化率の中間値を算出しその変化率で変化した場合の残りの予測寿命時間を算出している。
【００２９】
例えば、２００７／５／７、２００７／０６／２０、２００７／７／１８の３回の測定では劣化度はそれぞれ、０、０．１、０．３である。また稼動時間はそれぞれ、０、５００、９５０時間である。劣化度変化率の中間値Ａは
Ａ＝（０．３−０）／（９５０−０）＝０．０００３１５７９・・・式（５）
となる。
【００３０】
劣化度変化率Ａと稼動時間から残り予測寿命時間Ｔaは
Ｔａ＝（１−０．３）／Ａ・・・式（６）
＝（１−０．３）／  ０．０００３１５７９
≒  ２２１７時間
と算出できる。
【００３１】
図６は図５の予測寿命時間から平均稼動時間を考慮して予測交換日を推定算出した図である。予測交換日の算出方法を説明する。充電時間とは別に毎日の装置稼働時間を測定し、測定数日前の装置稼動時間の平均から１日当たりの平均稼動時間Ｔｂを算出し、予測寿命時間Ｔaを１日当たりの平均稼動時間Ｔｂで除した日数を測定日に加算したものを予測交
換日として算出する。
【００３２】
１日当たりの平均稼動時間を１５時間とした場合の交換予測日は
交換予測日  ＝  ２００７年７月１８日  +  Ｔａ／Ｔｂ・・・式（７）
＝  ２００７年７月１８日  +  ２２１７／１５
＝  ２００７年７月１８日  ＋  １４７．８日
＝  ２００７年１２月１２日
となる。
【００３３】
上述した方法で、測定日に応じた予測交換日を算出すると図６に示すとおり ２００７／
６／２０と２００７／７／１８及び２００７／８／５からは、２００７年９月１１日となり、同様に測定日 ２００７／７／１８と２００７／８／５及び２００７／９／１０から
は、２００８年５月２９日となる。
【００３４】
上述のように、充電時間と最近の装置稼動時間が分かれば、使用頻度に応じた予測交換日を算出することができる。また参考文献３では回帰分析による技術があるが、回帰式では定期的または非定期的な多くの測定データが必要となり、本実施例によれば少なくとも３点の充電時間測定点と時期に応じた稼動時間があれば極めて単純な計算により、使用頻度に応じた予測交換日を容易に算出することができる。
【００３５】
単相交流を直流に変換する第１の電力変換器と直流を任意の周波数の交流に変換する第２の電力変換器と第２の電力変換器の直流側に並列接続されるコンデンサからなる本実施の形態の電気車制御装置において、コンデンサの劣化度が予め定めた劣化度を越えたとき表示器に９１にその旨を表示することが出来るので、乗務員にコンデンサの劣化を通知できる。
【００３６】
（第２の実施の形態）
図７は、本発明の第２の実施例の概略構成を示すブロック図である。
【００３７】
図１の第１の実施例とは、架線が単相交流電源でなく直流電源になった点と単相交流を直流に変換する電力変換器及びコンバータ制御部を削除した点が異なる。本実施例においても第１の実施例と同様に初期充電電圧ｅｄの充電時間を測定することで予測交換日を算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の第１の実施例を示すブロック図
【図２】初期充電時の動作図
【図３】メモリ８３ａの内部イメージ図
【図４】測定日と装置稼動時間、測定充電時間、及び、劣化度の一覧
【図５】稼動時間をＸ軸に劣化度Ｙ軸とした座標軸にグラフプロット
【図６】予測寿命時間から平均稼動時間を考慮して予測交換日を示した図
【図７】本発明の第２の実施例を示すブロック図
【図８】従来実施例
【符号の説明】
【００３９】
１・・・架線
２・・・変圧器
３・・・コンバータ
４・・・平滑コンデンサ
５・・・インバータ
６・・・主電動機
７・・・コンバータ及びインバータの制御回路
７１・・・メイン制御部
７２・・・コンバータ制御部
７３・・・インバータ制御部
８・・・コンデンサ容量判定回路
８１・・・交流成分検出部
８２・・・容量推定部
８３・・・第１の比較器
８４・・・第２の比較器
８５・・・メモリ
９１・・・表示器
９２・・・モニタ装置
９３・・・充電抵抗投入スイッチ
９４・・・充電抵抗器
９５・・・充電抵抗短絡スイッチ
８２ａ・・・充電時間測定部
８３ａ・・・劣化度演算部
８４ａ・・・予測交換時期算出部
８５ａ・・・メモリ
８６ａ・・・比較器
【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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