JP2006055000A - 電気車制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】回生エネルギーの有効利用を充分に図ること。
【解決手段】平滑コンデンサ５についての電圧基準信号ＶdcRefと電圧検出信号Ｖdcとの偏差に基づき、電流基準出力回路１７は電気２重層コンデンサ１０の流入電流又は流出電流についての基準信号を出力する。電圧指令出力回路２０は、電流基準信号ＩchRefと電流検出信号Ｉchとの間の偏差に基づき電圧指令信号ＶchRefを出力する。ＰＷＭ出力回路１５は、このＶchRefの入力に基づきＤＣ／ＤＣコンバータ９のスイッチング素子Ｓ1，Ｓ2の制御を行う。
【選択図】図２

Description

本発明は、電気車の回生エネルギーを利用することが可能な電気車制御装置に関するものである。
電気車では回生ブレーキをかけたときに回生電力が得られるようになっているが、この回生電力は何らかのエネルギー消費手段を用いて消費する必要がある。そこで、自車両付近の位置に他の力行運転車両が存在する場合は、回生電力を架線に返してこの力行運転車両に回生電力を消費させていた。しかし、必ずしも常時力行運転車両が存在するとは限らないが、そのような場合は回生ブレーキ力を小さくし、その代わりに機械的な摩擦ブレーキ力を大きくしたり、ブレーキチョッパと呼ばれる抵抗器を用いて、得られた回生エネルギーを熱放出するようにしていた(例えば、特許文献１参照)。
特開平６−２５３４０５号公報
しかし、回生ブレーキ力を小さくし、その代わりに機械的な摩擦ブレーキ力を大きくすることは、折角得られるエネルギーを充分に活用しないばかりか、機械的ブレーキ機構を多用する結果としてその寿命を短くすることになる。また、抵抗器を用いて回生エネルギーを熱放出するに至っては、回生エネルギーを全く利用しないばかりか、電気車の運転には積極的に寄与しない抵抗器を設けて余分なスペースを確保しなければならず、列車設計上の自由度を小さくする結果ともなっている。このように、従来の電気車制御装置は、回生ブレーキにより得られる回生エネルギーを充分に活用しているとは言い難い状況であり、省エネルギー化にもそぐわない結果となっている。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、回生エネルギーの有効利用を充分に図ることが可能な電気車制御装置を提供することを目的としている。
上記課題を解決するための手段として、請求項１記載の発明は、架線からの直流電圧を平滑化する平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサにより平滑化された直流電圧を入力し、可変電圧可変周波数制御した交流電力を駆動モータに出力するインバータ、又は固定電圧固定周波数制御した交流電力を補助機器に出力するインバータと、を備えた電気車制御装置において、スイッチング素子を有するＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記平滑コンデンサに対して並列接続され、回生時には前記インバータからの直流電流を蓄積し、力行時又は惰行時にはこの蓄積された直流電流を前記架線側又は自車の前記インバータ側に供給することが可能な電気２重層コンデンサと、前記電気２重層コンデンサの直流電流の蓄積又は供給が所定の特性に従って行われるように、所定の信号の入力に基づき前記ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング素子に対して制御信号を出力するコンバータ制御装置と、を備えており、前記コンバータ制御装置が入力する所定の信号は、前記平滑コンデンサに対して予め設定された電圧基準信号ＶdcRef、及びその電圧検出信号Ｖdcであり、前記電圧基準信号ＶdcRefと前記電圧検出信号Ｖdcとの間の偏差に基づき前記スイッチング素子に対する制御信号の出力を行うものであって、前記電圧基準信号ＶdcRefは、前記インバータの運転最大電圧付近に設定されている、ことを特徴とする。
請求項２記載の発明は、架線からの直流電圧を平滑化する平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサにより平滑化された直流電圧を入力し、可変電圧可変周波数制御した交流電力を駆動モータに出力するインバータ、又は固定電圧固定周波数制御した交流電力を補助機器に出力するインバータと、を備えた電気車制御装置において、スイッチング素子を有するＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記平滑コンデンサに対して並列接続され、回生時には前記インバータからの直流電流を蓄積し、力行時又は惰行時にはこの蓄積された直流電流を前記架線側又は自車の前記インバータ側に供給することが可能な電気２重層コンデンサと、前記電気２重層コンデンサの直流電流の蓄積又は供給が所定の特性に従って行われるように、所定の信号の入力に基づき前記ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング素子に対して制御信号を出力するコンバータ制御装置と、を備えており、前記コンバータ制御装置は、前記電気２重層コンデンサの直流電流の蓄積時又は供給時に、電気２重層コンデンサの電圧Ｖ_EDLCが上限値以上又は下限値以下にならないように制限するリミット回路を有するものであり、しかも、前記リミット回路は、前記電気２重層コンデンサの電圧Ｖ_EDLCの上限値方向への許容変化分を、所定値に増加するまでは一定にすると共に、所定値を超えると次第に減少してゼロとなるようにし、一方、前記電気２重層コンデンサの電圧Ｖ_EDLCの下限値方向への許容変化分を、所定値に減少するまでは一定にすると共に、所定値を下回ると次第に減少してゼロとなるようにするものである、ことを特徴とする。
本発明によれば、回生エネルギーの有効利用を充分に図ることが可能な電気車制御装置を提供することができる。
電気２重層コンデンサ（以下、本明細書では、適宜、ＥＤＬＣと略すことがある。ＥＤＬＣ：Electric Double-Layer Capacitor）は、非常に大きな容量を有しており、近年注目を集めているコンデンサである。このＥＤＬＣは、桁外れに大きな容量を有するという長所がある反面、コストが高く、更に規定範囲外の電圧で使用した場合には故障したり寿命に大きな影響を及ぼすという短所があるため、いまのところ電気自動車など一部の分野でのみしか使用されていないのが現状である。本発明は、このＥＤＬＣに着目し、これをエネルギー蓄積手段として用いることにより従来の課題を解決しようとするものである。
ＥＤＬＣを用いたエネルギー貯蔵装置を車両に搭載することにより、他の力行車がない場合にも安定に回生ブレーキをかけることができる。また、ＥＤＬＣを用いて回生ブレーキ時に蓄えたエネルギーを、力行加速時に再利用することで、エネルギーの有効利用を図ることができる。
しかし、ＥＤＬＣ及びその他の電気機器には電圧絶対定格がある。回生ブレーキをかけ始める状態において既にＥＤＬＣにエネルギーが満タンに貯まっている（ＥＤＬＣ電圧が最大電圧に近い値になっている）状態では、回生エネルギーをＥＤＬＣで吸収すると、ＥＤＬＣ電圧が絶対定格を超えて故障してしまう。回生ブレーキをかけ始めるときには、ＥＤＬＣ電圧は低い状態に（放電されている状態）になっていなければならない。一方、力行加速時においてＥＤＬＣにエネルギーが殆ど貯まっていない状態では、ＥＤＬＣからエネルギーを放出しようとするとＥＤＬＣが空っぽになってしまい、ＥＤＬＣがないときと同じように架線を介して変電所からの電力を消費することとなり、変電所容量の低減、架線での電流損失低減に寄与できない。このように、ＥＤＬＣのエネルギー蓄積状態（ＥＤＬＣ電圧の大きさ）は、これからどのような運転をするかによって最適な値が決まる。
また、列車がある速度Ｖelで走行している状態から停止（速度がゼロ）まで回生ブレーキで停止する場合、列車の運動エネルギー（速度の２乗に比例）を全てＥＤＬＣに吸収することが基本的に必要となる。速度が高ければ高いほどたくさんの運動エネルギーがＥＤＬＣに戻ってくるため、速度に応じてＥＤＬＣ電圧を低く（より多くの充電ができる状態）しておけば、未来の運転状況を予知しなくても、ＥＤＬＣの最適電圧設定が可能になり、回生時のエネルギー吸収と力行時のエネルギー放出が有効にできるようになる。以下に、本発明の各実施形態を図に基づき説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態の構成図である。変電所の直流電源１からDC１５００Vの直流電圧が架線２を介して電気車に印加されるようになっており、架線２からパンタグラフ３を介して電流Isがリアクトル４に流れるようになっている。架線２及びレール間に印加される直流電圧は平滑コンデンサ５により平滑化されてインバータ６に入力されるようになっており、インバータ６はこの直流電圧の入力に基づきＶＶＶＦ（可変電圧可変周波数）制御された交流電力を駆動モータ７に供給するようになっている。駆動モータ７は、このような交流電力により可変速制御されるようになっている。そして、駆動モータ７に直結された駆動軸には速度センサ８が取り付けられており、速度検出信号Ｖelが得られるようになっている。また、リアクトル４に流れる電流Ｉs、及び平滑コンデンサ５に印加される電圧Ｖdcも検出できるようになっている。
なお、図面の都合上、図１では図示していないが、可変電圧可変周波数制御が可能なインバータ６の他に補助機器用インバータを設置することもある。すなわち、補助機器用インバータの入力側を平滑コンデンサ５の両端に接続すると共に、出力側を車内照明灯や空調機等の補助機器に接続し、これらの補助機器に対し固定電圧固定周波数制御された交流電力を供給できるようにしてもよい。
平滑コンデンサ５には、チョッパとして機能するＤＣ／ＤＣコンバータ９を介して電気２重層コンデンサ１０が並列接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ９は、直列接続された２つのスイッチング素子Ｓ1，Ｓ2と、これらに逆並列接続されたダイオードＤ1，Ｄ2と、スイッチング素子Ｓ1，Ｓ2及びダイオードＤ1，Ｄ2の共通接続点に一端側（正側）が接続され且つ他端側（負側）が電気２重層コンデンサ１０の一端側に接続されたリアクトルＬ1と、で構成されている。そして、電気２重層コンデンサ１０の電圧Ｖ_EDLCと、リアクトルＬ1を流れる電流Ｉch（電気２重層コンデンサ１０の流入電流又は流出電流）とが検出できるようになっており、ダイオードＤ2の電圧Ｖchがコンバータ制御装置１１Ａからの信号により制御されるようになっている。
上記のＤＣ／ＤＣコンバータ９は、コンバータ制御装置１１Ａにより制御されるようになっている。コンバータ制御装置１１Ａは、電圧基準出力回路１２、減算器１３、電圧指令出力回路１４、及びＰＷＭ出力回路１５を含んで構成されている。電圧基準出力回路１２は、速度センサ８からの速度検出信号Ｖelを入力し、予め定められた特性すなわち検出速度が最小（ゼロ）のときに最大となり、検出速度が最大のときに最小（ゼロ）となる電圧基準信号Ｖ_EDLCrefを出力するようになっている。減算器１３は、この電圧基準信号Ｖ_EDLCrefと電圧検出信号Ｖ_EDLCとの間の偏差を電圧指令出力回路１４に出力し、電圧指令出力回路１４はこの偏差の入力に基づきＰＩ制御を行い、電圧指令信号ＶchRefをＰＷＭ出力回路１５に出力するようになっている。そして、ＰＷＭ出力回路１５は、この電圧指令信号ＶchRefの入力に基づきＤＣ／ＤＣコンバータ９のスイッチング素子Ｓ1，Ｓ2に対してスイッチング制御信号を出力するようになっている。
次に、図１の動作につき説明する。いま、電気車がある駅に向かって走行中であり、駅が近づいてきたので回生ブレーキをかけた状態であるとする。このとき、電圧基準出力回路１２が入力する速度検出信号Ｖelは最大速度から次第に低下していくため、電圧基準出力回路１２は最小値から次第に増加していく電圧基準信号Ｖ_EDLCrefを出力する。減算器１３は、このように増加していく電圧基準信号Ｖ_EDLCrefと電圧検出信号Ｖ_EDLCとの間の偏差を電圧指令出力回路１４に出力し、電圧指令出力回路１４はこの入力に基づく電圧指令信号ＶchRefをＰＷＭ出力回路１５に出力する。そして、ＰＷＭ出力回路１５はこの電圧指令信号ＶchRefに基づくＰＷＭ信号をＤＣ／ＤＣコンバータ９に出力する。これにより、インバータ６からの回生電流がＤＣ／ＤＣコンバータ９を介して電気２重層コンデンサ１０に蓄積され、充電が行われる。
すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ９のスイッチング素子Ｓ1がオン、スイッチング素子Ｓ2がオフの状態ではインバータ６からの直流電流がスイッチング素子Ｓ1を通り、更にリアクトルＬ1を電流Ｉchが図示の矢印方向に通って電気２重層コンデンサ１０に流入する。次いで、スイッチング素子Ｓ1がオフ、スイッチング素子Ｓ2がオンの状態になると、電気２重層コンデンサ１０の正側からの電流Ichが図示の矢印とは逆方向に流れ、スイッチング素子Ｓ2を通って負側に流れ込む。したがって、スイッチング素子Ｓ1のオン期間が長く、スイッチング素子Ｓ2のオフ期間が短いほど電気２重層コンデンサ１０に蓄積される電流量は大きくなる。このように、スイッチング素子Ｓ1，Ｓ2のデューティを調節することにより電気２重層コンデンサ１０に蓄積される電流量つまり電圧Ｖ_EDLCを制御することができる。
電気車が回生ブレーキにより減速され、やがて完全に停止すると電気２重層コンデンサ１０に対する充電は停止される。そして、電気車が次の駅に向かって再び走行を開始し加速した場合には、電圧基準出力回路１２は最初は最大であり次第に減少していく電圧基準信号Ｖ_EDLCrefを出力する。これにより、電気２重層コンデンサ１０に蓄積されている電流がリアクトルＬ1及びダイオードＤ1を通ってインバータ６側に供給される。すなわち、当初スイッチング素子Ｓ1，Ｓ2がオフの状態では、平滑コンデンサ５の電圧Ｖdcの方が電気２重層コンデンサ１０の電圧Ｖ_EDLCよりも高いために、電気２重層コンデンサ１０からの電流がダイオードＤ1を通ってインバータ６側に供給されることはない。しかし、スイッチング素子Ｓ2をオンにすると、電気２重層コンデンサ１０の正側からの電流がリアクトルＬ1及びダイオードＤ2を通って負側に流れる状態になるが、この状態でスイッチング素子Ｓ2をオフにすると、それまでリアクトルＬ1を図示の矢印方向とは逆に流れていた電流Ｉchは行き場を失って、ダイオードＤ1を通ってインバータ６側に向かわざるを得なくなる。このように、スイッチング素子Ｓ2のオンオフにより電気２重層コンデンサ１０に蓄積されていた電流をインバータ６側に供給することができる。
ここで、電圧基準出力回路１２が出力する電圧基準信号Ｖ_EDLCrefは下式（１）により求めることができる。
Ｖ_EDLCref＝（Ｖ_EDLCmax）＊（ＶelMAX−Ｖel）／（ＶelMAX） … （１）
但し、
Ｖ_EDLCmax：電圧検出信号Ｖ_EDLCの最大値、
ＶelMAX：速度検出信号Ｖelの最大値、
である。
図２は、本発明の第２の実施形態の構成図である。この実施形態では、他の力行車など架線につながったエネルギー消費手段が有る場合には、積極的にエネルギーを供給する（架線側に返す）制御を行うことを想定している。なお、この実施形態以降では、図１において説明済みの構成要素については重複した説明を省略する。
図２が図１と異なる点は、コンバータ制御装置１１Ａの代わりにコンバータ制御装置１１Ｂを用いている点である。コンバータ制御装置１１Ｂは、減算器１６、電流基準出力回路１７、反転回路１８、減算器１９、電圧基準出力回路２０、及びＰＷＭ出力回路１５を含んで構成されている。
減算器１６の正側入力端子には、平滑コンデンサ５について予め設定された固定の電圧基準信号ＶdcRefが入力されるようになっており、一方、負側入力端子には、平滑コンデンサ５の電圧検出信号Ｖdcが入力されるようになっている。減算器１６は両者間の偏差を電流基準出力回路１７に出力し、電流基準出力回路１７はこれに基づきリアクトルＬ1を流れる電流（電気２重層コンデンサ１０の流入電流又は流出電流）についての基準信号を反転回路１８に出力するようになっている。反転回路１８は、この入力した信号を反転させ、この反転させた信号を電流基準信号ＩchRefとして減算器１９の正側入力端子に出力する。減算器１９の負側入力端子には、リアクトルＬ1の電流検出信号Ｉchが入力されるようになっている。
減算器１９は、この電流基準信号ＩchRefと電流検出信号Ｉchとの間の偏差を電圧指令出力回路２０に出力し、電圧指令出力回路２０はこの偏差の入力に基づき電圧指令信号ＶchRefをＰＷＭ出力回路１５に出力するようになっている。そして、ＰＷＭ出力回路１５は、この電圧指令信号ＶchRefの入力に基づきＤＣ／ＤＣコンバータ９のスイッチング素子Ｓ1，Ｓ2に対してスイッチング制御信号を出力するようになっている。なお、本実施形態では、減算器１６の正側入力端子に入力される電圧基準信号ＶdcRefが１８００Vとなっており、架線電圧１５００Vよりも３００V高くなっているが、このように平滑コンデンサ５の電圧を高くするのは、回生エネルギーを架線２側に対して返しやすくするためである。
次に、図２の動作につき説明する。いま、ある電気車が走行中であり、線路上にはこの電気車以外の他の電気車も力行運転中であるとすると、平滑コンデンサ５の電圧検出信号Ｖdcが１８００Vを下回ることになる。それ故、減算器１６の出力信号の極性は正であり、電流基準出力回路１７の出力信号の極性も正となるが、反転回路１８により極性が反転されて、負の極性の電流基準信号ＩchRefが減算器１９の正側入力端子に入力される。負の極性の電流基準信号ＩchRefとは、リアクトルＬ1に流れる電流Ｉchを図示の方向とは逆の方向に流すことを指令する信号である。したがって、この負の電流基準信号ＩchRefにより、電気２重層コンデンサ１０側から架線２側に向けて電流が供給されることになる。
一方、力行運転中の他の電気車が全く存在しないような場合には、平滑コンデンサ５の電圧検出信号Ｖdcは１８００Vを上回ることになる。それ故、減算器１６の出力信号の極性が負となるため、電流基準出力回路１７の出力信号の極性も負となり、反転回路１８により極性が反転されて、正の極性の電流基準信号ＩchRefが減算器１９の正側入力端子に入力される。正の極性の電流基準信号ＩchRefとは、リアクトルＬ1に流れる電流Ｉchを図示の方向と同じ方向に流すことを指令する信号である。したがって、この正の電流基準信号ＩchRefにより、架線２側からの電流が電気２重層コンデンサ１０に蓄積されることになる。
このように、この実施形態では平滑コンデンサ５についての電圧基準信号ＶdcRefを、１８００VなどＶＶＶＦインバータやＥＤＬＣチョッパなどの電気品などの運転最大電圧に近い高い値に設定することにより、架線へのエネルギー回生率を最大にすることができる。その結果、ＥＤＬＣの分担すべき回生エネルギーの吸収量を最小化することができるので、車載ＥＤＬＣの容量低減による低コスト化、重量低減、小型化等を図ることが可能になる。
この場合、ＥＤＬＣのエネルギー放出優先の動作であるため（この先、自車が力行加速によりエネルギーを大きく消費することが分かっていたとしても、可能な限りエネルギーを放出してエネルギーを架線側に返してしまう）、ＥＤＬＣは常に空っぽに近い状態にあり、回生エネルギーをいつでも充分に吸収することができる。なお、本実施形態では、電圧基準信号ＶdcRefの値を１８００Vの固定値としているが、各種の条件を考慮してこの値を変化させることはもちろん可能である。
図３は、本発明の第３の実施形態の構成図である。既述したように、ＥＤＬＣには電圧絶対定格があり、この電圧絶対定格を超えて使用すると、故障するか寿命が著しく損なわれることになる。したがって、上限値及び下限値（ＥＤＬＣは、マイナスの電圧値になると寿命が著しく損なわれるため、下限値は通常ゼロＶかそれよりやや大きな値である）が定められているのが通常である。本実施形態は、図２に示した第２の実施形態において、電気２重層コンデンサ１０の電圧Ｖ_EDLCが上限値と下限値との間の値に維持されるようにリミット機能を付加したものである。
すなわち、図３におけるコンバータ制御装置１１Ｂ1は、図２のコンバータ制御装置１１Ｂにリミット回路２１、上限リミット回路２２、及び下限リミット回路２３を付加したものである。
上限リミット回路２２は電圧検出信号Ｖ_EDLCの値に応じた上限値方向への許容変化分（Ｖ_EDLCが所定値に増加するまでこの許容変化分は一定であり、所定値を超えるとこの許容変化分は次第に減少してついにはゼロとなる）をリミット回路２１に出力するようになっている。また、下限リミット回路２３は電圧検出信号Ｖ_EDLCの値に応じた下限値方向への許容変化分（Ｖ_EDLCが所定値に減少するまでこの許容変化分は一定であり、所定値を下回るとこの許容変化分は次第に減少してついにはゼロとなる）をリミット回路２１に出力するようになっている。
リミット回路２１は、上限リミット回路２２及び下限リミット回路２３から入力する許容変化分に基づき、反転回路１８からの電流基準信号ＩchRefに対する上限値及び下限値が最適になるように設定を行っている。このようなリミット機能により、電気２重層コンデンサ１０が電圧絶対定格を超えて使用されることを有効に防止することができる。
なお、図面の都合上、以降の図４〜図６、及び図８〜図１０では図示を省略しているが、これらの図に係る実施形態においても本実施形態と同様に、これらリミット回路２１、上限リミット回路２２、及び下限リミット回路２３が設けられているものとする。
図４は、本発明の第４の実施形態の構成図である。本実施形態は、架線からの供給電力に頼ることなく回生エネルギーのみで自車走行のための電力をまかなうことを企図するものである。したがって、本実施形態では、他に力行運転車両が存在しても、回生エネルギーを全て自車で消費することを前提としている。
本実施形態のコンバータ制御装置１１Ｃは、電流基準出力回路２４、反転回路１８、減算器１９、電圧指令出力回路２０、及びＰＷＭ出力回路１５を含んで構成されている。
電流基準出力回路２４は、リアクトル４を流れる電流Ｉsの検出信号を入力し、これに基づきリアクトルＬ1を流れる電流Ｉchについての電流基準信号を出力する。反転回路１８は、反転回路１８は、この入力した信号を反転させ、この反転させた信号を電流基準信号ＩchRefとして減算器１９の正側入力端子に出力する。減算器１９の負側入力端子には、リアクトルＬ1の電流検出信号Ｉchが入力されるようになっている。
減算器１９は、この電流基準信号ＩchRefと電流検出信号Ｉchとの間の偏差を電圧指令出力回路２０に出力し、電圧指令出力回路２０はこの偏差の入力に基づき電圧指令信号ＶchRefをＰＷＭ出力回路１５に出力するようになっている。そして、ＰＷＭ出力回路１５は、この電圧指令信号ＶchRefの入力に基づきＤＣ／ＤＣコンバータ９のスイッチング素子Ｓ1，Ｓ2に対してスイッチング制御信号を出力するようになっている。
次に、図４の動作につき説明する。電気車がある駅を発車して加速走行中であるとすると、電流Isが大きくなろうとするが、電流基準出力回路２４がその電流検出信号Ｉsを入力し、これに応じた電流基準を出力する。そして、反転回路１８がこの電流基準を反転させた負の極性の電流基準信号ＩchRefを出力するため、電気２重層コンデンサ１０からの電流Ｉchが図示とは逆向きに流れることになる。したがって、インバータ６に入力されるエネルギーは殆ど電気２重層コンデンサ１０からのものとなり、架線２側からの電流Isはほぼゼロとなる。
そして、電気車が次の駅に接近したので、回生ブレーキをかけて減速をはじめると、インバータ６側からの電流が架線２側に向けて流れようとするので、電流Ｉsの向きは図示の状態とは逆となり、反転回路１８から出力される電流基準信号ＩchRefは正の極性となる。つまり、インバータ６からの電流が電気２重層コンデンサ１０に蓄積されるように、コンバータ制御装置１１ＣがＤＣ／ＤＣコンバータ９の制御を行う。
このように、本実施形態では、インバータ６や駆動モータ７の電気的損失及び走行抵抗などの機械的損失を無視すれば、回生ブレーキ時に電気２重層コンデンサ１０に蓄えたエネルギーを力行加速時に用いることで加速及び減速を繰り返すことができる。したがって、架線２からは電気的及び機械的な損失分に相当する僅かな電流だけが供給されれば足りることになる。それ故、架線又は変電所側から見れば電気車への供給電力は最小化され、変電所容量の低減や架線における導通損失の最小化などを図ることができる。
図５は、本発明の第５の実施形態の構成図である。本実施形態は、電気２重層コンデンサによるエネルギーの供給又は放出により、架線電圧の変動を極力抑制して安定化を図ろうとするものである。
本実施形態のコンバータ制御装置１１Ｄは、電流基準出力回路２５、減算器１６、電流指令出力回路２６、反転回路１８、減算器１９、電圧指令出力回路２０、及びＰＷＭ出力回路１５を含んで構成されている。
ここで、架線２の電圧安定化を図るためには、架線２の電圧を検出する必要がある。架線２の電圧を直接的に検出する手段を新たに設けることももちろん可能であるが、本実施形態では既存の機器のうち架線２の電圧を最も忠実に反映する平滑コンデンサ５を利用し、その電圧検出信号Ｖdcを架線２の電圧検出信号として代用する構成としている。
そして、電流基準出力回路２５は、電圧検出信号Ｖdcの値に応じた電流Ｉsについての電流基準信号IｓRefを出力するようになっている。この電流基準出力回路２５のIｓRef−Ｖdc特性は、そのブロック内に図示してあるように、Ｖdcが１５００V以下ではIｓRefの極性が負であり（電流Ｉsの流れる方向が図示方向とは逆）、Ｖdcが１５００Vを超えるとＩsRrefの極性が正となる（電流Ｉsの流れる方向が図示方向と同じ）。また、１５００Vから所定値に低減するまでIｓRefは一定の勾配で低減するが、所定値に低減した後は一定のIｓRefとなる。
次に、図５の動作につき説明する。電気車が走行中に架線２の電圧が上昇し、電圧検出信号Ｖdcが１５００Vを超えると、電流基準出力回路２５は正極性の電流基準信号IｓRef（電流Ｉsの向きは図示方向と同じ）を出力する。減算器１６はIｓRefとＩsとの偏差を電流指令出力回路２６に出力し、電流指令出力回路２６はこの入力に基づき正極性の電流基準信号を出力する。この電流基準信号は反転回路１８により反転されて負極性の電流基準信号IｓRefとなる。したがって、ＤＣ／ＤＣコンバータ９のリアクトルＬ1を流れる電流Ｉchの向きは図示の方向と同じとなり、架線２側からの電流が電気２重層コンデンサ１０に蓄積される。これにより、架線２の電圧上昇は抑制されることになる。また、架線２の電圧が下降し電圧検出信号Ｖdcが１５００V以下になると、電流基準出力回路２５は負極性の電流基準信号IｓRef（電流Ｉsの向きは図示方向と逆）を出力するので、反転回路１８からの電流基準信号ＩchRefは負極性（電流Ｉchの向きは図示方向と逆）となり、電気２重層コンデンサ１０に蓄積されている電流が架線２側に供給される。これにより、架線２の電圧下降は抑制されることになる。
このように、本実施形態によれば、架線電圧が高くなった場合にはＥＤＬＣに電力を吸収させるようにし、また、架線電圧が低くなった場合にはＥＤＬＣから電力を放出することにより、架線電圧系統の安定化を図ることができる。
図６は、本発明の第６の実施形態の構成図である。本実施形態は、変電所側から供給を受ける電力の最大値を低く抑えることにより、電力会社との間の受電契約容量をより小さなものとし、電力料金の増加を抑制してランニングコストの低減化に寄与しようとするものである。
本実施形態のコンバータ制御装置１１Ｅは、超過電流分出力回路２７、電流基準出力回路２４、反転回路１８、減算器１９、電圧指令出力回路２０、及びＰＷＭ出力回路１５を含んで構成されている。超過電流分出力回路２７は、検出信号Ｉsを入力し、このＩsが所定値以上又は以下となったときに超過電流分ＩsOVERを電流基準出力回路２４に出力するものである。なお、電流基準出力回路２４以降の構成は図４のコンバータ制御装置１１Ｃと同様である。
次に、図６の動作を図７のタイムチャートを参照しつつ説明する。図７において、加速中における列車速度Ｖelは次第に上昇していくが、これに対応するように、架線２側からリアクトル４に流れる電流Ｉsも次第に上昇していく。そして、電流ＩsのレベルがＩsOVERを超えようとすると、超過電流分出力回路２７が超過電流分信号ＩsOVERを電流基準出力回路２５に出力する。これにより、電気２重層コンデンサ１０に蓄積されていた電流がインバータ６側に供給される。したがって、図７の上側チャート図に示すように、架線２側から自車に供給される電流ＩsはＩsOVERのレベル以上には上昇することがない。つまり、本来は、一点鎖線で示した超過分の電流も架線２側から供給されるはずであったが、本実施形態ではこの超過分が電気２重層コンデンサ１０に蓄積されていた電流によってまかなわれることになる。そして、電力会社に対して支払う電力料金（基本料金）は、この架線２側からのＩsの最大値が低くなるほど安価になるため、本実施形態を採用することにより電力料金の増加を抑制することができる。なお、列車減速中における超過分の説明は上昇と下降が入れ代わるだけのものであるため重複した説明を省略する。
このように、本実施形態によれば、架線２側から流入流出する電流を検出し、その絶対値が一定値以内になるようにＤＣ／ＤＣコンバータ９を制御することで、変電所側から供給を受ける電力の最大値を小さくすることができ、電力料金を節減することができる。また、変電所側にとっても変電所の最大電力低減につながり、変電所容量低減に伴う設備費用の低コスト化を期待できるというメリットがある。
図８は、本発明の第７の実施形態の構成図である。本実施形態は、自車の力行走行時に必要な有効電力分を求め、この有効電力分を全て電気２重層コンデンサ１０に蓄えられたエネルギーによりまかなおうとするものである。
本実施形態のコンバータ制御装置１１Ｆは、乗算回路２８、除算回路２９、反転回路１８、減算器１９、電圧指令出力回路２０、及びＰＷＭ出力回路１５を含んで構成されている。
本実施形態の動作を説明すると、まず、乗算回路２８は速度センサ８から速度検出信号Ｖelを入力すると共に、図示を省略してあるインバータ制御装置からトルク指令Ｔcを入力する。そして、乗算回路２８は、両者を乗算することにより有効電力Powerを除算回路２９に出力する。除算回路２９は、電気２重層コンデンサ１０の電圧検出信号Ｖ_EDLCも入力しており、PowerをＶ_EDLCで除算することにより、Ｉchの電流基準を出力する。以降の動作は、これまでに説明した実施形態と同様であるため重複した説明を省略する。
このように、本実施形態によれば、自車の駆動モータ７の運転に必要な殆どの電力を電気２重層コンデンサ１０から供給することが可能となる。したがって、架線側又は変電所側から見れば、列車への供給電力が最小化されるので、変電所容量の低減化、及び架線での導通損失最小化を図ることができる。
なお、本実施形態では、速度検出信号Ｖel及びトルク指令Ｔcから有効電力を求める例につき説明したが、有効電力を求める方法はこれに限定されるものではなく、その他の方法により有効電力を求めるようにしてもよい。例えば、平滑コンデンサ５の電圧Ｖdcと、インバータ６に入力される電流（電流ＩsからＤＣ／ＤＣコンバータ９側に流れる分を差し引いた電流）とから有効電力を求めることができる。
図９は、本発明の第８の実施形態の構成図である。本実施形態は、線路条件情報（線路の勾配に関する情報や、減速区間等に関する情報）を予め調べておき、これらの情報に基づいてＥＤＬＣのエネルギーの吸収・放出を制御しようとするものである。
本実施形態のコンバータ制御装置１１Ｇは、線路条件情報回路３０、減算器１３、電圧指令出力回路１４、及びＰＷＭ出力回路１５を含んで構成されている。このコンバータ制御装置１１Ｇは、図１におけるコンバータ制御装置１１Ａの電圧基準出力回路１２を線路条件情報回路３０に置き換えたものとほぼ同様の構成である。
線路条件情報回路３０は、線路の勾配や減速区間等に関する情報を記憶しており、位置情報ＰDの入力に基づき電圧基準信号Ｖ_EDLCrefを出力する。位置情報ＰDは電気車の現在位置を示す情報であり、これは線路上の所定地点に設けられているセンサを列車が通過したときに与えられる情報である。
このように、本実施形態では、線路条件情報に基づきＤＣ／ＤＣコンバータ９の制御を行っているので、列車の運転環境に沿った電気２重層コンデンサ１０の充放電に関する制御を行うことができる。
また、線路条件情報回路３０の代わりに、自動運転パターン回路を用いるようにし、自動運転における今後の運転パターンに基づき得られる電圧基準信号Ｖ_EDLCrefをこの自動運転パターン回路に出力させる構成を採用することができる。これが本発明の第９の実施形態となる。このような構成によれば、自動運転においても、電気２重層コンデンサ１０の充放電に関する制御を的確に行うことが可能になる。
図１０は、本発明の第１０の実施形態の構成図である。本実施形態は、図１及び図２の各コンバータ制御装置１１Ａ，１１Ｂを組み合わせて構成したものである。
すなわち、図１０において、コンバータ制御装置１１Ａ，１１Ｂの出力信号は切換回路３１を介してＤＣ／ＤＣコンバータ９に出力されるようになっている。そして、切換回路３１の接点の切り換えは、運転台に設けられている主幹制御器（マスコン）からの操作信号によって行われるようになっている。
電気車の運転士は、力行運転時又は惰行運転時には切換回路３１の接点をａ側に切り換えてコンバータ制御装置１１ＡによりＤＣ／ＤＣコンバータ９の制御を行うようにし、また、回生運転時には切換回路３１の接点をｂ側に切り換えてコンバータ制御装置１１ＢによりＤＣ／ＤＣコンバータ９の制御を行うようにする。これにより、それぞれのコンバータ制御装置の特性を活かした効率的且つ実用的な制御を行うことができる。
本発明の第１の実施形態の構成図。 本発明の第２の実施形態の構成図。 本発明の第３の実施形態の構成図。 本発明の第４の実施形態の構成図。 本発明の第５の実施形態の構成図。 本発明の第６の実施形態の構成図。 図６における超過電流分ＩsOVERについての説明図。 本発明の第７の実施形態の構成図。 本発明の第８の実施形態の構成図。 本発明の第１０の実施形態の構成図。
符号の説明
１ 直流電源
２ 架線
３ パンタグラフ
４ リアクトル４
５ 平滑コンデンサ
６ インバータ
７ 駆動モータ
８ 速度センサ
９ ＤＣ／ＤＣコンバータ
Ｓ1，Ｓ2 スイッチング素子
Ｄ1，Ｄ2 ダイオード
Ｌ1 リアクトル
１０ 電気２重層コンデンサ
１１Ａ〜１１Ｇ コンバータ制御装置
１２ 電圧基準出力回路
１３ 減算器
１４ 電圧指令出力回路
１５ ＰＷＭ出力回路
１６ 減算器
１７ 電流基準出力回路
１８ 反転回路
１９ 減算器
２０ 電圧指令出力回路
２１ リミット回路
２２ 上限リミット回路
２３ 下限リミット回路
２４ 電流基準出力回路
２５ 電流基準出力回路
２６ 電流指令出力回路
２７ 超過電流分出力回路
２８ 乗算回路
２９ 除算回路
３０ 線路条件情報回路
３１ 切換回路
Ｉs 架線と自車側との間に流れる電流
Ｖdc 平滑コンデンサの検出電圧
Ｖel 速度
Ｉch 電気２重層コンデンサの流入電流又は流出電流
Ｖch ダイオードＤ2の電圧
Ｖ_EDLC 電気２重層コンデンサの検出電圧
Ｖ_EDLCref 電気２重層コンデンサの電圧基準
ＶchRef 電圧Ｖchの電圧指令
ＶdcRef 平滑コンデンサの電圧基準
ＩchRef 電流Ｉchの電流基準
ＩsRef 電流Ｉsの電流基準
ＩsOVER 超過電流分
ＰD 位置情報

Claims (2)

  1. 架線からの直流電圧を平滑化する平滑コンデンサと、
    前記平滑コンデンサにより平滑化された直流電圧を入力し、可変電圧可変周波数制御した交流電力を駆動モータに出力するインバータ、又は固定電圧固定周波数制御した交流電力を補助機器に出力するインバータと、
    を備えた電気車制御装置において、
    スイッチング素子を有するＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記平滑コンデンサに対して並列接続され、回生時には前記インバータからの直流電流を蓄積し、力行時又は惰行時にはこの蓄積された直流電流を前記架線側又は自車の前記インバータ側に供給することが可能な電気２重層コンデンサと、
    前記電気２重層コンデンサの直流電流の蓄積又は供給が所定の特性に従って行われるように、所定の信号の入力に基づき前記ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング素子に対して制御信号を出力するコンバータ制御装置と、
    を備えており、
    前記コンバータ制御装置が入力する所定の信号は、前記平滑コンデンサに対して予め設定された電圧基準信号ＶdcRef、及びその電圧検出信号Ｖdcであり、
    前記電圧基準信号ＶdcRefと前記電圧検出信号Ｖdcとの間の偏差に基づき前記スイッチング素子に対する制御信号の出力を行うものであって、
    前記電圧基準信号ＶdcRefは、前記インバータの運転最大電圧付近に設定されている、
    ことを特徴とする電気車制御装置。
  2. 架線からの直流電圧を平滑化する平滑コンデンサと、
    前記平滑コンデンサにより平滑化された直流電圧を入力し、可変電圧可変周波数制御した交流電力を駆動モータに出力するインバータ、又は固定電圧固定周波数制御した交流電力を補助機器に出力するインバータと、
    を備えた電気車制御装置において、
    スイッチング素子を有するＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記平滑コンデンサに対して並列接続され、回生時には前記インバータからの直流電流を蓄積し、力行時又は惰行時にはこの蓄積された直流電流を前記架線側又は自車の前記インバータ側に供給することが可能な電気２重層コンデンサと、
    前記電気２重層コンデンサの直流電流の蓄積又は供給が所定の特性に従って行われるように、所定の信号の入力に基づき前記ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング素子に対して制御信号を出力するコンバータ制御装置と、
    を備えており、
    前記コンバータ制御装置は、前記電気２重層コンデンサの直流電流の蓄積時又は供給時に、電気２重層コンデンサの電圧Ｖ_EDLCが上限値以上又は下限値以下にならないように制限するリミット回路を有するものであり、
    しかも、前記リミット回路は、前記電気２重層コンデンサの電圧Ｖ_EDLCの上限値方向への許容変化分を、所定値に増加するまでは一定にすると共に、所定値を超えると次第に減少してゼロとなるようにし、一方、前記電気２重層コンデンサの電圧Ｖ_EDLCの下限値方向への許容変化分を、所定値に減少するまでは一定にすると共に、所定値を下回ると次第に減少してゼロとなるようにするものである、
    ことを特徴とする電気車制御装置。
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