(57)【要約】  【課題】  回生エネルギをより有効に活用できるとともに、機械ブレーキの作動頻度を下げることのできる電気鉄道車両を提供する。  【解決手段】  電気鉄道車両１は、回生ブレーキ装置（電気ブレーキ）５０と、空気圧縮機１１及び圧縮機で圧縮された空気を貯蔵する元空気だめ１３や供給空気だめ１５、ブレーキシリンダ２０などを含む空圧系統と、を備える。回生ブレーキ失効時には、回生ブレーキ装置５０で発生した電気エネルギを架線に送ることなく空気圧縮機１１に送って圧縮器機１１を稼動させ、圧縮空気を元空気だめ１３に蓄圧する。つまり、車両の慣性エネルギを空気圧に変換することにより回生エネルギを有効利用できる。また、空気ブレーキをできるだけ作動させないようにできるので、空気ブレーキの部品の劣化などを抑えることができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回生ブレーキ装置と、
空気圧縮機及び該圧縮機で圧縮された空気を貯蔵する空気だめを含む空圧系統と、
を備える電気鉄道車両であって、
前記回生ブレーキ装置で発生した電気エネルギを架線に送ることができない場合、前記圧縮機に送って該圧縮器機を稼動させ、圧縮空気を前記空気だめに蓄圧することを特徴とする電気鉄道車両。
【請求項２】
回生ブレーキ失効時に、前記回生ブレーキ装置で発生した電気エネルギを架線に送ることができない場合、前記圧縮機に送って該圧縮機を稼動させ、圧縮空気を前記空気だめに蓄圧することを特徴とする請求項１記載の電気鉄道車両。
【請求項３】
前記空気だめの圧力が使用最高耐圧力の６０％以下となったときに、前記回生ブレーキ装置で発生した電気エネルギを架線に送ることができない場合、直接前記圧縮機に送って該圧縮機を稼動させることを特徴とする請求項１又は２記載の電気鉄道車両。
【請求項４】
前記空気だめに、予備の空気タンクが備えられていることを特徴とする請求項１、２又は３記載の電気鉄道車両。
【請求項５】
前記空気だめの圧力が使用最高耐圧力の８０％となったときに、前記予備空気タンクに圧縮空気が貯蔵されることを特徴とする請求項４記載の電気鉄道車両。
【請求項６】
回生ブレーキ装置と、
空調機器（エアコンディショナ）を備える電気鉄道車両であって、
前記回生ブレーキ装置で発生した電気エネルギを架線に送ることができない場合、前記空調機器に送って該空調機器を稼動させ、車両客室内温度を積極的に制御することを特徴とする電気鉄道車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回生ブレーキ装置を備えるブレーキシステムを備えた電気鉄道車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近の電気鉄道車両には回生ブレーキを備えるものが一般的である。ただし、このような回生ブレーキを有する電気鉄道車両にも、従来より用いられている空気ブレーキシステムが搭載されている。空気ブレーキ（機械ブレーキ）は、空気圧縮機で圧縮した空気を空気だめに溜めておき、この圧縮空気をブレーキ管や制御弁、供給空気だめを介してブレーキシリンダに送り、ブレーキシリンダを駆動して制輪子を車輪等と摩擦させることにより制動を行う。一方、電気ブレーキは、車軸を回転駆動させる電動機の軸の回転運動エネルギを電気エネルギに変換し、モータの軸の回転速度を低減させるものである。その内、発生した電気エネルギを抵抗器で熱として消費せずに架線に戻し、他の電気鉄道車両に利用したり変電所に返すものが回生ブレーキであり、省エネルギに有効な方法である。
【０００３】
しかしながら、このような回生ブレーキは、例えば、直流電化区間（１５００Ｖ）において、同区間内に力行車両が存在する場合は有効であるが、存在しない場合は架線電圧が例えば１７５０Ｖと高いため、回生ブレーキで発生した電気エネルギ（回生エネルギ）を架線に返すことができず、回生ブレーキが失効してしまう。すると、ブレーキ力の不足を補うために空気ブレーキが自動的に動作する。その結果、制輪子やブレーキライニング、車輪の踏面、ブレーキディスクの摩耗が顕著になるという問題点がある。
【０００４】
なお、回生ブレーキが失効する場合とは、例えばＶＶＶＦインバータに接続されたフィルタコンデンサ電圧が上昇した場合であり、き電線の電圧がゼロになり架線への回生ができない状態、その電車が走行している区間に他に力行車両が存在しない状態などである。この場合、架線電圧の異常な上昇を防ぐことと、車両の電気機器を保護するため、フィルタコンデンサ電圧が例えば１７００Ｖを越えると、１８３０Ｖとなるまで線形的に回生ブレーキ力を絞り込む（回生ブレーキ力が弱められる）。
【０００５】
図７は、回生ブレーキ失効状態の一例を示すグラフである。縦軸は回生ブレーキ率、ブレーキシリンダ圧及びフィルタコンデンサ電圧、横軸は時間を示す。
まず、時刻ｔ０からｔ１において、回生ブレーキが作用するまで空気ブレーキが作用し、図の□付き細実線で示すブレーキシリンダ圧が上昇する。その後、時刻ｔ１で回生ブレーキが作用し始め、時刻ｔ２で図の太実線で示す回生ブレーキ率が１００％に達する間、回生ブレーキ力の増加に反してブレーキシリンダ圧は下降する。そして、時刻ｔ２でフィルタコンデンサ圧が１７００Ｖを超えると回生ブレーキ力が絞り込まれて回生ブレーキ率が減少し始め、時刻ｔ３でフィルタコンデンサ電圧が１８３０Ｖに達すると回生ブレーキ率はゼロとなる。この回生ブレーキ率の減少を補うために空気ブレーキが作用し、ブレーキシリンダ圧は上昇する。
【０００６】
時刻ｔ４でフィルタコンデンサ圧が１８００Ｖから下降し始めると、回生ブレーキが再度動作し始め、回生ブレーキ率は再度上昇する。その結果、空気ブレーキが回生ブレーキ力の不足を補う必要がないため、ブレーキシリンダ圧は所定の値まで弱められる。
【０００７】
一方、回生エネルギを、コンデンサや二次電池、フライホイールの回転エネルギとして貯蔵する技術が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
【０００８】
【特許文献１】特開平１０−２９５００２
【特許文献２】特開２００３−２２０８５９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、回生エネルギをより有効に活用できるとともに、機械ブレーキの作動頻度を下げることのできる電気鉄道車両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】
【００１０】
本発明の電気鉄道車両は、  回生ブレーキ装置と、  空気圧縮機及び該圧縮機で圧縮された空気を貯蔵する空気だめを含む空圧系統と、を備える電気鉄道車両であって、  前記回生ブレーキ装置で発生した電気エネルギを架線に送ることができない場合、前記圧縮機に送って該圧縮器機を稼動させ、圧縮空気を前記空気だめに蓄圧することを特徴とする。
【００１１】
本発明においては、  回生ブレーキ失効時に、前記回生ブレーキ装置で発生した電気エネルギを架線に送ることができない場合、前記圧縮機に送って該圧縮機を稼動させ、圧縮空気を前記空気だめに蓄圧することが好ましい。
【００１２】
本発明によれば、回生ブレーキが失効する区間においても、回生エネルギを車載の空気圧縮機の稼動に利用することで電気ブレーキを作動させることができる。つまり、車両の慣性エネルギを空気圧に変換することにより回生エネルギを有効利用できる。また、空気ブレーキをできるだけ作動させないようにできるので、空気ブレーキの部品の劣化などを抑えることができる。回生エネルギで蓄圧された圧縮空気は、空気ブレーキの他に、ドアの駆動や空気ばねの高さ調整、パンタグラフの駆動などに使用できる。
【００１３】
なお、回生ブレーキが失効する区間とは、主に直流電化区間での架線電圧が高い区間（軽負荷回生区間）などのＶＶＶＦインバータに接続されたフィルタコンデンサ電圧が上昇した場合であり、き電線の電圧がゼロになり架線への回生ができない状態、その電車が走行している区間に他に力行車両が存在しない状態、電動機電流がまったく流れていない状態などを含む。
【００１４】
本発明においては、  前記空気だめの圧力が使用最高耐圧力の６０％（例えば５７６ｋＰａ）以下となったときに、前記回生ブレーキ装置で発生した電気エネルギを架線に送ることができない場合、直接前記圧縮機に送って該圧縮機を稼動させることが好ましい。
空気だめの圧力が高い場合は、同空気だめの耐圧力を考慮し、積極的に圧縮空気を空気だめに蓄圧しないことが好ましい。空気だめの圧力が、使用最高耐圧力の６０％（例えば５７６ｋＰａ）程度でさらに圧縮空気を蓄圧できる余裕がある場合のみ、圧縮機を稼動させて圧縮空気を蓄圧する。
【００１５】
本発明においては、  前記空気だめに、予備の空気タンクが備えられており、  前記空気だめの圧力が、例えば使用最高耐圧力の８０％（例えば７６８ｋＰａ）となったときに、前記予備空気タンクに圧縮空気が貯蔵されることがさらに好ましい。
【００１６】
この場合、より多くの圧縮空気を貯蔵できるので、圧縮機の稼動時間を長くすることができ、回生ブレーキの作動時間を長くすることができる。つまり、空気ブレーキの作動時間をより少なくすることができるとともに、空気ばねの高さ調整やドアの開閉駆動用に、より多くの圧縮空気を提供できる。また、既存の空気だめを大容量にする場合と比べると、予備空気タンクを既存の車両に取り付ける方が既存車体の改造が容易である。
【００１７】
本発明の他の態様の電気鉄道車両は、  回生ブレーキ装置と、  空調機器（エアコンディショナ）を備える電気鉄道車両であって、  前記回生ブレーキ装置で発生した電気エネルギを架線に送ることができない場合、前記空調機器に送って該空調機器を稼動させ、車両客室内温度を積極的に制御することを特徴とする。
【００１８】
本発明によれば、回生ブレーキが失効する区間において、回生エネルギを車載の空調機器の稼動に利用することで電気ブレーキを作動させることができる。
【発明の効果】
【００１９】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、回生エネルギを圧縮機や空調機器の駆動に使用することにより、回生エネルギを架線に戻すことができない時にも電気ブレーキを作動させることのできる電気鉄道車両を提供できる。これにより、空気ブレーキの作動頻度を下げることができ、空気ブレーキの寿命を延ばすことができる。なお、圧縮機で圧縮された圧縮空気は空気ブレーキだけでなく、ドアの駆動や空気ばねの高さ調整などにも使用できる。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る電気鉄道車両の構成を概念的に示すブロック図である。
図２は、図１の電気鉄道車両のブレーキ作動の一例を説明するフローチャートである。
図１に示すように、電気鉄道車両１には、ブレーキ装置として、空気ブレーキ装置１０と電気ブレーキ装置５０とが備えられている。また、車両１には変換器４が搭載されており、同変換器４で架線２からパンタグラフ３を介して供給されたＤＣ１５００Ｖの電流を、ＡＣ４４０Ｖに変換する。
【００２１】
空気ブレーキ装置１０は、圧縮機１１、元空気だめ１３、供給空気だめ１７やブレーキシリンダ２０などを含む空圧系統と、ブレーキシリンダ２０のピストンロッド２０ａに連結した制輪子２２などを備える。圧縮機１１は、例えば、１つのユニット（４両）に一台搭載されており、変換器１４から電力線を通して供給される電力を受けて駆動され、外部から取り入れた空気を圧縮して圧縮空気を生成する。生成された圧縮空気は空気配管１２を通して元空気だめ１３に蓄圧される。元空気だめ１３には圧力センサ１４が取り付けられている。同元空気だめ１３の最高耐圧力は、例えば９６０ｋＰａであり、圧力が一定の範囲内となるように調整されている。また、何らかの異常により圧力が設定値以上となった場合は、空気を大気開放し、所定の圧力以下となるように調整される。
【００２２】
元空気だめ１３に貯留されている圧縮空気は、途中に逆止弁１５が取り付けられた元空気管１６を通して各車両の供給空気だめ１７に送られて貯留される。供給空気だめ１７とブレーキシリンダ２０との間の配管１９には電磁弁１８が取り付けられている。電磁弁１８が開くと、所定の空気圧の圧縮空気が供給空気だめ１７からブレーキシリンダ２０に供給され、同シリンダ２０のピストンロッド２０ａにより制輪子２２が車輪８の踏面、又は、車輪８と連動するディスクなどに押し当てられて、車輪８にブレーキがかかる。
【００２３】
圧縮機１１や電磁弁１８は制御部６と信号線で接続しており、同制御部６で制御される。また、圧力センサ１４の検出値は制御部６に入力される。
【００２４】
電気ブレーキ装置５０は、車輪８を回転駆動させる誘導電動機５２を備える。変換器４には、高速度遮断器や接触器など（図示されず）を介して電力が供給されるＶＶＶＦインバータ４１が備えられている。このＶＶＶＦインバータ４１は制御部６と電気的に接続しており、可変電圧可変周波数制御を行って、誘導電動機５２を制御する。ＶＶＶＦインバータ４１の入力側にはフィルタコンデンサ（図示されず）が並列に接続されている。回生ブレーキが有効に作用しているかどうかは、ＶＶＶＦインバータ４１から制御部６内のブレーキ受量器６ａに送られる、回生有効信号と呼ばれるオンオフ信号や、回生フィードバック信号と呼ばれるアナログ信号、またはこれらの組合わせによって判断される。
【００２５】
誘導電動機５２の界磁が発生して回生ブレーキ力が発揮されると、車輪８の回転に伴う誘導電動機５２の回転運動エネルギが電気エネルギに変換され、パンタグラフ３を介して架線２に返されるとともに、これにより、車輪８の回転運動エネルギが電気エネルギに変換されて減少し、車輪８の回転速度を低減する。また、発生した回生ブレーキ力に応じた電気信号は、ブレーキ受量器６ａにフィードバックされる。
【００２６】
前述のような回生ブレーキ失効時には、架線電圧の異常な上昇を防ぐとともに、変換器４やパンタグラフ３などの電気部品を保護するために、回生ブレーキ力は制御部５によって弱められる。そして、回生有効信号又は回生フィードバック信号に基づいて、不足分のブレーキ力を空気ブレーキ１０で補うように制御される。
【００２７】
次に、図２を参照してブレーキ作動時の制御を説明する。
制御部６にブレーキ操作器７からブレーキ信号が入力されると、まず、ステップＳ１で、回生有効信号又は回生フィードバック信号に基づいて、回生ブレーキが有効に動作しているかどうかが判断される。回生ブレーキが有効に動作している間は、ステップ２に進んで電気ブレーキ装置５０を作動させる。一方、ステップＳ１で回生ブレーキが有効に動作していないと判断されれば、回生ブレーキ失効と判定され、ステップＳ３に進む。
【００２８】
ステップＳ３では、圧力センサ１４で検知された元空気だめ１３の圧力が、元空気だめ１３の最高耐圧力の６０％の圧力（この例では５７６ｋＰａ）以下かどうかを判断する。５７６ｋＰａ以下でなければ、元空気だめ１３の圧力はかなり高い状態であり、元空気だめの耐圧力を考慮して圧縮空気をさらに蓄圧させることは好ましくないと判定される。そして、ステップＳ４に進み、回生有効信号又は回生フィードバック信号に基づいて、不足分のブレーキ力を補うように空気ブレーキ装置１０を作動させる。
【００２９】
一方、ステップＳ３で元空気だめ１３の圧力が最高耐圧力の６０％の圧力（この例では５７６ｋＰａ）でなければ、元空気だめ１３にさらに圧縮空気を蓄圧できる余裕があると判定され、ステップＳ５に進んで電気ブレーキ装置５０を作動させる。そして、電気ブレーキ作動により誘導電動機５２で発生した電気エネルギをＶＶＶＦインバータ４１、変換器４を経て圧縮機１１に送り、圧縮機１１を稼動させる（ステップＳ６）。これらの操作を、ステップＳ７で元空気だめ１３の圧力が、最高耐圧力の８０％（この例では７６８ｋＰａ）となるまで繰り返す。ステップＳ７で元空気だめ１３の圧力が７６８ｋＰａ以上となると、元空気だめ１３の圧力がかなり高く、圧縮空気の蓄圧は好ましくないと判定され、ステップＳ８に進んで圧縮機１１の運転を停止する。
【００３０】
以上説明したように、元空気だめ１３が適正な圧力値（この例では５７６ＫＰａ）より低い場合には、回生ブレーキ失効区間であっても、空気ブレーキ装置１０ではなく電気ブレーキ装置５０を作動させることができる。なお、元空気だめ１３に蓄圧されている圧縮空気は空気ブレーキだけでなく、ドアの駆動や空気ばねの高さ調整にも使用できる。
【００３１】
図３は、図１の電気鉄道車両の変形例である。
図４は、図３の電気鉄道車両におけるブレーキ作動時の制御を説明するフローチャートである。
この例の鉄道車両には、元空気だめ１３に予備の空気タンク２５が備えられている。予備空気タンク２５は、最高耐圧力が例えば９６０ｋＰａであり、アンロード弁２８を介して空気配管２７により元空気だめ１３に接続している。元空気だめ１３の圧力が、最高耐圧力の８０％程度（この例では７６８ｋＰａ）を超えるとアンロード弁２８が動作し、空気配管２７を通って予備空気タンク２５に圧縮空気が送られる。アンロード弁２８の替わりに、主制御部６で開閉制御可能な電磁弁を設けてもよい。
【００３２】
予備空気タンク２５にも圧力センサ２６が取り付けられている。この圧力センサ２６の検出値は主制御部６に出力される。元空気だめ１３と予備空気タンク２５の各々は、途中にチェックバルブ２９、３０を備えた空気管１６で供給空気だめ１７に接続している。これらのチェックバルブ２９、３０により、元空気だめ１３と予備空気タンク２５の圧力の高い方から供給空気だめ１７に圧縮空気が送られる。
【００３３】
次に、図４を参照してブレーキ作動時の制御を説明する。
ステップＳ２１〜ステップＳ２７は、図２のフローチャートのステップＳ１〜ステップＳ７と同じであるため、説明を省略する。
【００３４】
ステップＳ２７で元空気だめ１３の圧力が、最高耐圧力の８０％（この例では７６８ｋＰａ）以上となると、ステップ２８に進んでアンロード弁２８が開き圧縮空気が元供給だめ１３から空気配管２７を通して予備空気タンク２５に送られる。アンロード弁２８の替わりに電磁弁が設けられている場合は、主制御部６から電磁弁を開くように制御する。この動作を、予備空気タンク２５の圧力が、最高耐圧力の８０％（この例では７６８ｋＰａ）となるまで繰り返す（ステップＳ２９）。ステップ２９で、予備空気タンク２５の圧力が７６８ｋＰａ以上となると、予備空気タンク２５の圧力がかなり高く、圧縮空気の蓄圧が好ましくないと判定され、ステップＳ３０に進んで圧縮機１１の運転を停止する。
【００３５】
以上説明したように、この例では、元空気だめ１３に加えて予備空気タンク２５を設けたので、図１の例に比べてより多くの圧縮空気を蓄圧できることとなり、圧縮機の稼動時間をより長くすることができる。つまり、空気ブレーキの作動時間をより少なくすることができるとともに、空気ばねの高さ調整やドアの開閉駆動用に、より多くの圧縮空気を提供できる。
【００３６】
次に、図３、４に示した電気鉄道車両のブレーキ制御方法におけるエネルギ回収効果を説明する。
図５は、電気鉄道車両の主電動機の回生ブレーキ特性の一例を示すグラフである。縦軸は回生ブレーキ力、横軸は車両速度を示す。
グラフに示すように、車両速度が９０ｋｍ／ｈ程度までは回生ブレーキエネルギ力は２３ｋＮ程度であるが、速度が９０ｋｍ／ｈを超えると徐々に減少し、速度が１３０ｋｍ／ｈでは１２ｋＮ程度となる。
【００３７】
次に、圧縮機駆動による蓄圧特性を説明する。
車両の速度が１３０ｋｍ／ｈの場合、ブレーキがかかってから停止するまでのブレーキ時間は、車輪・レール間の状態にもよるが、約２７秒である。このうち、回生ブレーキが有効である時間は約２６秒程度である。このとき、架線電圧が高いなどの原因により回生ブレーキが有効とならない場合、上述のように回生電力を用いて圧縮機を稼動させて元空気だめ又は予備空気タンクに蓄圧すると、理論的に図６に示すような蓄圧特性が得られることになる。
【００３８】
図６（Ａ）は、回生電力を用いた圧縮機駆動時の元空気だめの蓄圧特性を示すグラフである。縦軸は空気圧力、横軸は時間を示す。
元空気だめの初期の圧力を６００ｋＰａとすると、圧縮機駆動により徐々に蓄圧されて、２０秒後には８００ｋＰａに達する。
【００３９】
図６（Ｂ）は、回生電力を用いた圧縮機駆動時の予備空気タンクの蓄圧特性を示すグラフである。縦軸は空気圧力、横軸は時間を示す。
予備空気タンクは初期の圧力を０ｋＰａであり、圧縮機駆動により徐々に蓄圧されて、４０秒後には約６００ｋＰａに達する。
【００４０】
これらの結果より、本発明の電気鉄道車両のブレーキ制御システムによる回生エネルギ回収率は、所定の条件下で２．６１％という結果が得られる（従来システムでは０％）。
【００４１】
また、本発明においては、車両に空調機器が搭載されている場合、回生ブレーキ装置で発生した電気エネルギを架線に送ることができなときに、この電気エネルギを空調機器に送って同空調機器を稼動させることもできる。これにより、車両客室内温度を積極的に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施の形態に係る電気鉄道車両の構成を概念的に示すブロック図である。
【図２】図１の電気鉄道車両のブレーキ作動の一例を説明するフローチャートである。
【図３】図１の電気鉄道車両の変形例である。
【図４】図３の電気鉄道車両におけるブレーキ作動時の制御を説明するフローチャートである。
【図５】電気鉄道車両の主電動機の回生ブレーキ特性の一例を示すグラフである。
【図６】図６（Ａ）は、回生電力を用いた圧縮機駆動時の元空気だめの蓄圧特性を示すグラフであり、図６（Ｂ）は、回生電力を用いた圧縮機駆動時の予備空気タンクの蓄圧特性を示すグラフである。
【図７】回生ブレーキ失効状態の一例を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４３】
１  電気鉄道車両                          ２  架線
３  パンタグラフ                          ４  変換器
６  制御部                              ６ａ  ブレーキ受量器
７  ブレーキ操作器                      １０  空気ブレーキ
１１  空気圧縮機                          １２  空気配管
１３  元空気だめ                          １４  圧力センサ
１５  逆止弁                              １６  元空気管
１７  供給空気だめ                        １８  電磁弁
１９  配管                                ２０  ブレーキシリンダ
２０ａ  ピストンロッド                    ２２  制輪子
２７  空気配管                            ２５  予備空気タンク
２６  圧力センサ                          ２８、２９、３０  チェックバルブ
４１  ＶＶＶＦインバータ
５０  電気ブレーキ                        ５２  誘導電動機
【図１】
2009119963.tif 000003
【図２】
2009119963.tif 000004
【図３】
2009119963.tif 000005
【図４】
2009119963.tif 000006
【図５】
2009119963.tif 000007
【図６】
2009119963.tif 000008
【図７】
2009119963.tif 000009