JP2005073314A

JP2005073314A - 鉄道車両用非常用電気ブレーキ装置

Info

Publication number: JP2005073314A
Application number: JP2003208919A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Kawaguchi; 清川口; Masamichi Ogasa; 正道小笠; Hiroshi Hata; 広秦; Michihiro Yamashita; 道寛山下
Original assignee: Railway Technical Research Institute
Current assignee: Railway Technical Research Institute
Priority date: 2003-08-27
Filing date: 2003-08-27
Publication date: 2005-03-17
Anticipated expiration: 2023-08-27
Also published as: JP3999172B2

Abstract

【課題】インバータが失効しても電気ブレーキを使用でき、非常用ブレーキとして機械ブレーキと電気ブレーキを協働させることができる鉄道車両用非常用電気ブレーキ装置を提供する。
【解決手段】鉄道車両用非常用電気ブレーキ装置において、常用ブレーキ装置と、同期電動機用インバータ２と、同期電動機５と、誘導電動機用インバータ６と、誘導電動機８〜１０と、同期電動機５と誘導電動機８〜１０の間に並列に接続可能な常用・非常用ブレーキ共用負荷装置１３と、前記インバータ２，６の負荷側であって前記同期電動機５と前記誘導電動機８〜１０とを並列に接続可能な非常ブレーキモード用スイッチ１４，１５とを備え、前記非常ブレーキモード用スイッチ１４，１５の投入により、前記常用ブレーキ用のブレーキ負荷装置と非常用ブレーキ負荷装置が接続される。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄道車両の電気ブレーキ装置に係り、特に、省スペースと大容量と低コスト化を実現し、保守を省力化することができる電気ブレーキ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、このような分野の技術としては以下に開示されるようなものがあった。
【０００３】
図５は従来の鉄道車両の電気ブレーキ装置の概略構成図（その１）である。
【０００４】
この図において、１００はパンタグラフ、１０１は常用ブレーキ装置であり、常用ブレーキ用チョッパ１０１Ａと常用ブレーキ用抵抗１０１Ｂからなる。１０２は配線、１０３〜１０６はインバータ（ＩＮＶ）、１０７〜１１０は同期電動機（ＳＭ）であり、通常は、例えば１台の車両に４台の同期電動機１０７〜１１０が配置されており、車両（図示なし）を駆動するようにしている。
【０００５】
また、常用ブレーキを作動する場合には、インバータ（ＩＮＶ）１０３〜１０６を動作させ、回生ブレーキとするか、またはインバータ（ＩＮＶ）１０３〜１０６を動作および常用ブレーキ装置１０１を動作させて発電ブレーキ、または回生／発電ブレンディングブレーキとする。すなわち、発電ブレーキ用チョッパ１０１Ａと抵抗１０１Ｂが投入されることにより、発電ブレーキ（常用ブレーキ）をかけることができる。
【０００６】
図６は従来の鉄道車両の電気ブレーキ装置の概略構成図（その２）である。
【０００７】
この図において、２００はパンタグラフ、２０１は常用ブレーキ装置であり、常用ブレーキ用チョッパ２０１Ａと常用ブレーキ用抵抗２０１Ｂからなる。
【０００８】
また、２０２はインバータ（ＩＮＶ）、２０４〜２０７は誘導電動機（ＩＭ）である。
【０００９】
これは、誘導電動機２０４〜２０７を用いた、一般的なＩＣ４Ｍと称する車両に適用される電気ブレーキ装置を示している。
【００１０】
この図においては、１台の車両に１台のインバータ２０２と４個の誘導電動機２０４〜２０７を有しており、常用ブレーキを作動する場合には、インバータ（ＩＮＶ）２０２を動作させ回生ブレーキとするか、またはインバータ（ＩＮＶ）２０２を動作および常用ブレーキ装置２０１Ａを動作させて、発電ブレーキまたは回生／発電ブレンディングブレーキとする。すなわち、発電ブレーキ用チョッパ２０１Ａと抵抗２０１Ｂが投入されることにより、発電ブレーキ（常用ブレーキ）をかけることができる。
【００１１】
一方、図５、図６に示す従来の鉄道車両において、非常ブレーキは基本的に制御レスの摩擦ブレーキ（図示なし）のみによっていた。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、図５及び図６に示した従来の鉄道車両の場合には、インバータが失効して電気ブレーキが使用できなくなった場合に備えて、非常ブレーキは電気回路では基本的には制御レスの摩擦ブレーキのみによっているが、インバータが失効した非常時にも機械的なブレーキと電気ブレーキを協働させることのできるブレーキシステムが望まれている。
【００１３】
本発明は、上記状況に鑑みて、インバータが失効しても電気ブレーキを使用でき、非常用ブレーキとして機械的なブレーキと電気ブレーキを協働させることができる鉄道車両用非常用電気ブレーキ装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕鉄道車両用非常用電気ブレーキ装置において、常用ブレーキ装置と、同期電動機用インバータと、同期電動機と、誘導電動機用インバータと、誘導電動機と、前記同期電動機と前記誘導電動機の間に並列に接続可能な常用・非常用ブレーキ共用負荷装置と、前記インバータの負荷側であって前記同期電動機と前記誘導電動機とを並列に接続可能な非常ブレーキモード用スイッチとを備え、この非常ブレーキモード用スイッチの投入により、前記常用ブレーキ用のブレーキ負荷装置と非常用ブレーキ負荷装置が接続されることを特徴とする。
【００１５】
〔２〕上記〔１〕記載の鉄道車両用非常用電気ブレーキ装置において、車両あたり、１台の同期電動機と１乃至３台の誘導電動機と２台のインバータを搭載し、前記常用・非常用ブレーキの共用負荷装置を有することを特徴とする。
【００１６】
〔３〕上記〔１〕記載の鉄道車両用非常用電気ブレーキ装置において、前記常用・非常用ブレーキ共用負荷装置がデルタ型またはスター型に接続される抵抗とキャパシタの直列回路に並列に接続される抵抗を有するＲＣ−Ｒ回路を具備することを特徴とする。
【００１７】
〔４〕上記〔１〕記載の鉄道車両用非常用電気ブレーキ装置において、前記常用・非常用ブレーキ共用負荷装置は、抵抗とキャパシタが並列接続されるＲ‖Ｃ回路がデルタ型またはスター型に接続される構成を具備することを特徴とする。
【００１８】
〔５〕上記〔１〕記載の鉄道車両用非常用電気ブレーキ装置において、前記常用・非常用ブレーキ共用負荷装置がデルタ型またはスター型に接続される抵抗とリアクトルＲ−Ｌ回路を具備することを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２０】
図１は本発明の実施例を示す鉄道車両の基本電気回路図である。
【００２１】
この図において、１はパンタグラフ、２は同期電動機用インバータ（ＩＮＶ）３は同期電動機用スイッチ（非常時のみオフ）、４は非常時用抵抗短絡器、５は同期電動機（ＳＭ）、６は誘導電動機用インバータ（ＩＮＶ）、７は誘導電動機用スイッチ（非常時のみオフ）、８〜１０は誘導電動機（ＩＭ）、１１は常用ブレーキ用チョッパ、１２は常用ブレーキ作動用スイッチ（通常走行時は常時オン、非常ブレーキ時のみオフ）、１３は常用・非常用ブレーキ共用負荷装置、１４，１５は非常時のみオンとなる非常ブレーキモード用スイッチ、１６は車輪、１７はレールを示している。なお、この図において、常用・非常用ブレーキ共用負荷装置１３はデルタ型となっているがスター型に接続するようにしてもよい。
【００２２】
このように、本発明では、３台の誘導電動機８〜１０と並列に１台の同期電動機５が配置されており、３台の誘導電動機８〜１０と１台の同期電動機５とを非常時に接続する非常ブレーキモード用スイッチ１４，１５は、インバータ２，６の負荷側であって、同期電動機５と誘導電動機用インバータ６の間にある。そして、この並列に接続可能な３台の誘導電動機８〜１０と１台の同期電動機５により、車両を駆動するようにしている。
【００２３】
非常ブレーキをかける場合には、同期電動機用スイッチ３、誘導電動機用スイッチ７、発電ブレーキ（常用ブレーキ）作動用スイッチ１２をオフして常用ブレーキ装置を失効させることにより、非常ブレーキモード用スイッチ１４，１５が投入される。そして、各電動機５及び８〜１０は発電モードとなるが、これによって、各電動機５及び８〜１０の各相に常用・非常用ブレーキ共用負荷装置１３が接続されることで負荷となるため、インバータ２，６が失効して、そのインバータ２，６からの回転磁界や励磁電圧が失効する非常ブレーキ時においても、電気ブレーキをかけることができる。
【００２４】
ここで、常用・非常用ブレーキ共用負荷装置１３の構成回路Ｚは抵抗Ｒ_１（０．１Ω）とキャパシタＣ（２００μＦ）の直列回路Ｒ，Ｃに並列に接続される抵抗Ｒ_２（４．０Ω）を有するＲＣ−Ｒ回路で構成されており、また、抵抗Ｒ（４．２Ω）とキャパシタ（８０μＦ）の並列回路Ｒ‖Ｃで構成されており、高速域における誘導電動機８〜１０のブレーキ特性が向上する。
【００２５】
また、非常時低速用抵抗挿入器４は通常は抵抗（１．０Ω）を有しており、通常短絡されているが、非常時の低速時のみその抵抗を開放するスイッチを有しているので、それにより、低速時における同期電動機５のブレーキ特性の向上を図ることができる。
【００２６】
このように、インバータレスでも非常時に電気ブレーキを機械ブレーキと併用することができるので、従来の機械ブレーキの省略化やブレーキ装置の大容量化、小型化が可能になる。
【００２７】
また、電気ブレーキを非常用ブレーキとして併用することが可能になるため、機械ブレーキの熱容量や摩耗部品の保守量を増加させることなく、新幹線などの一層の高速度化を図ることができる。
【００２８】
図２は図１に示す鉄道車両の電気ブレーキ装置を適用した場合の車両速度に対する電流・電圧・負荷吸収パワー特性を示す図であり、ここでは、非常時用抵抗短絡器４における抵抗Ｒは１．０Ω、常用・非常用ブレーキ共用負荷装置１３のＲＣ−Ｒ回路における直列抵抗Ｒ_１は０．１Ω、直列キャパシタＣは２００μＦ、並列抵抗Ｒ_２は４．０Ωの条件で、横軸に速度（ｋｍ／ｈ）、左縦軸に電流（Ａ）・電圧（Ｖ）・負荷吸収パワー（ｋＷ）、右縦軸に期待粘着係数μ（％）・すべり周波数（Ｈｚ）を示している。また、図２中のＩ_ＰＭ▲１▼は同期電動機〔永久磁石（突極機）〕の電流実効値、Ｖ_ＰＭ▲２▼は同期電動機〔永久磁石（突極機）〕の電圧実効値、Ｉ_ＩＭ▲３▼は誘導電動機の電流実効値、Ｗ_Ｒ▲４▼は負荷吸収パワー、ｆ_Ｓ▲５▼はすべり周波数、Ｔ_ＰＭ▲６▼同期電動機〔永久磁石（突極機）〕のトルク（期待粘着係数μ₋ＰＭ軸）、Ｔ_ＩＭ▲７▼は誘導電動機のトルク（期待粘着係数μ₋ＩＭ軸）、を示している。なお、期待粘着係数μはブレーキトルクに比例する。
【００２９】
新幹線の３００ｋｍ／ｈ以上の高速域における湿潤時の期待粘着係数μは、従来が３．０％程度である。一方、上記したように本発明では、システム構成は単純でありながら、特に、高速域において、２．５％以上の期待粘着係数μを電気ブレーキで分担することが可能である。これは、高速域において、大部分のブレーキエネルギーを電気ブレーキ側で負担できるということを示している。さらに、非常時低速用抵抗挿入器４のスイッチを開放することで、低速域におけるブレーキ力の増減が可能になる。
【００３０】
図３は本発明の常用ブレーキ用抵抗とチョッパ回路を別置するタイプの鉄道車両の電気ブレーキ装置の概略構成図である。
【００３１】
これらの図において、２１はパンタグラフ、２２は発電ブレーキ装置、２３は同期電動機用インバータ（ＩＮＶ）、２４は同期電動機（ＳＭ）、２５は誘導電動機用インバータ（ＩＮＶ）、２６〜２８は誘導電動機（ＩＭ）、２９は非常ブレーキモード用スイッチ、３０はデルタ型スイッチ付き抵抗器（スイッチＳＷと抵抗Ｒより構成される）、３１はデルタ型リアクトル、３２は同期電動機用スイッチ（非常時のみオフ）、３３は誘導電動機用スイッチ（非常時のみオフ）である。
【００３２】
なお、デルタ型スイッチ付き抵抗器３０及びデルタ型リアクトル３１はスター接続したスター型であってもよい。また、ここでは３台の誘導電動機２６〜２８を用いているが、１台や２台の誘導電動機を用いるようにしてもよい。
【００３３】
本発明では、３台の誘導電動機２６〜２８と並列に１台の同期電動機２４が配置されており、デルタ型スイッチ付き抵抗器３０とデルタ型リアクトル３１とを接続する非常ブレーキモード用スイッチ２９は、インバータ２３，２５の負荷側であって、同期電動機２４と誘導電動機２６〜２８の間にある。そして、デルタ型スイッチ付き抵抗器３０は同期電動機２４と並列に接続され、同期電動機２４と誘導電動機２６〜２８は非常ブレーキモード用スイッチ２９により並列に接続可能となっており、この並列に接続可能な３台の誘導電動機２６〜２８と１台の同期電動機２４により、車両を駆動するようにしている。
【００３４】
非常ブレーキをかける場合には、インバータ２３または２５または発電ブレーキ装置２２が失効した場合に、または失効させることにより、非常ブレーキモード用スイッチ２９とデルタ型スイッチ付き抵抗器３０内の各スイッチＳＷが投入される。そして、各電動機２４及び２６〜２８は発電モードとなるが、これによって、各電動機２４及び２６〜２８の各相にデルタ型リアクトル３１と抵抗Ｒが接続されることで負荷となり、インバータ２３，２５が失効して、そのインバータ２３，２５からの回転磁界や励磁電圧が失効する非常ブレーキ時においても、電気ブレーキをかけることができる。
【００３５】
このように、インバータレスでも非常時に電気ブレーキを機械ブレーキと併用することができるので、従来の機械ブレーキの省略化やブレーキ装置の大容量化、小型化が可能になる。
【００３６】
また、電気ブレーキを非常用ブレーキとして併用することが可能になるため、機械ブレーキの熱容量や摩耗部品の保守量を増加させることなく、新幹線などの一層の高速度化を図ることができる。
【００３７】
図４は本発明のブレーキ用抵抗とチョッパ回路を常用ブレーキと非常用ブレーキで共用するタイプの鉄道車両の電気ブレーキ装置の概略構成図である。
【００３８】
この図において、４１はパンタグラフ、４２は常用ブレーキ用チョッパ、４３は同期電動機用インバータ、４４は同期電動機、４５は誘導電動機用インバータ、４６〜４８は誘導電動機、４９は非常ブレーキ作動用スイッチ（常用ブレーキモードではオン、非常用ブレーキモードではオフ）、５０は同期電動機用常用ブレーキと非常用ブレーキとの切り換えスイッチ、５１は誘導電動機用常用ブレーキと非常用ブレーキとの切り換えスイッチ、５２はブレーキ用デルタ型抵抗器、５３〜５５は非常ブレーキ用リアクトルを示している。
【００３９】
この実施例では、切り換えスイッチ５０と５１を常用ブレーキモードＡ側に投入することにより、常用ブレーキをかけることができる。
【００４０】
また、非常ブレーキをかけるには、非常ブレーキ作動用スイッチ４９を開放し、切り換えスイッチ５０と５１を非常用ブレーキモードＢ側に切り換えるようにする。
【００４１】
なお、デルタ型抵抗器５２はスター型抵抗器であってもよい。
【００４２】
このように構成することにより、ブレーキ用抵抗５２を常用ブレーキと非常用ブレーキで共用することができる。
【００４３】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００４４】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００４５】
（Ａ）インバータレスでも電気ブレーキを機械ブレーキと併用して非常用ブレーキをかけることができるので、機械ブレーキの摩擦摩耗部品が省保守型のブレーキ装置を提供することができる。
【００４６】
（Ｂ）また、１台の同期電動機と１乃至３台の誘導電動機を用いており、同期電動機に比べると誘導電動機はその保守が極めて容易であり、かつ堅牢で、インバータも共用できるため、インバータの保守の回数を低減することができる。
【００４７】
（Ｃ）更に、インバータ数は従来の４台であったものが、２台で済むことになるので、コストや容積の低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す鉄道車両の基本電気回路図である。
【図２】本発明の鉄道車両の電気ブレーキ装置を適用した場合の車両速度に対する電流・電圧・負荷吸収パワー特性を示す図である。
【図３】本発明の常用ブレーキ用抵抗とチョッパ回路の別置タイプの鉄道車両の電気ブレーキ装置の概略構成図である。
【図４】本発明のブレーキ用抵抗の常用・非常用ブレーキ共用タイプの鉄道車両の電気ブレーキ装置の概略構成図である。
【図５】従来の鉄道車両の電気ブレーキ装置の概略構成図（その１）である。
【図６】従来の鉄道車両の電気ブレーキ装置の概略構成図（その２）である。
【符号の説明】
１，２１，４１パンタグラフ
２，２３，４３同期電動機用インバータ（ＩＮＶ）
３，３２同期電動機用スイッチ
４非常時低速用抵抗挿入器
５，２４，４４同期電動機（ＳＭ）
６，２５，４５誘導電動機用インバータ（ＩＮＶ）
７，３３誘導電動機用スイッチ
８〜１０，２６〜２８，４６〜４８誘導電動機（ＩＭ）
１１，４２常用ブレーキ用チョッパ
１２，４９常用ブレーキ作動用スイッチ
１３常用・非常用ブレーキ共用負荷装置
１４，１５，２９非常ブレーキモード用スイッチ
１６車輪
１７レール
２２発電ブレーキ装置
３０デルタ型スイッチ付き抵抗器
３１デルタ型リアクトル
５０同期電動機用常用ブレーキと非常用ブレーキとの切り換えスイッチ
５１誘導電動機用常用ブレーキと非常用ブレーキとの切り換えスイッチ
５２ブレーキ用デルタ型抵抗器
５３〜５５非常ブレーキ用リアクトル

Claims

（ａ）常用ブレーキ装置と、
（ｂ）同期電動機用インバータと、
（ｃ）同期電動機と、
（ｄ）誘導電動機用インバータと、
（ｅ）誘導電動機と、
（ｆ）前記同期電動機と前記誘導電動機の間に並列に接続可能な常用・非常用ブレーキ共用負荷装置と、
（ｇ）前記インバータの負荷側であって前記同期電動機と前記誘導電動機とを並列に接続可能な非常ブレーキモード用スイッチとを備え、
（ｈ）該非常ブレーキモード用スイッチの投入により、前記常用ブレーキ用のブレーキ負荷装置と非常用ブレーキ負荷装置が接続されることを特徴とする鉄道車両用非常用電気ブレーキ装置。
請求項１記載の鉄道車両用非常用電気ブレーキ装置において、車両あたり、１台の同期電動機と１乃至３台の誘導電動機と２台のインバータを搭載し、前記常用・非常用ブレーキ共用負荷装置を有することを特徴とする鉄道車両用非常用電気ブレーキ装置。
請求項１記載の鉄道車両用非常用電気ブレーキ装置において、前記常用・非常用ブレーキ共用負荷装置は、抵抗とキャパシタの直列回路に抵抗が並列に接続されるＲＣ−Ｒ回路がデルタ型またはスター型に接続される構成を具備することを特徴とする鉄道車両用非常用電気ブレーキ装置。
請求項１記載の鉄道車両用非常用電気ブレーキ装置において、前記常用・非常用ブレーキ共用負荷装置は、抵抗とキャパシタが並列接続されるＲ‖Ｃ回路がデルタ型またはスター型に接続される構成を具備することを特徴とする鉄道車両用非常用電気ブレーキ装置。
請求項１記載の鉄道車両用非常用電気ブレーキ装置において、前記常用・非常用ブレーキ共用負荷装置がデルタ型またはスター型に接続される抵抗とリアクトルよりなるＲ−Ｌ回路であることを特徴とする鉄道車両用非常用電気ブレーキ装置。