JP2007166885A - 電気車制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、電気車の惰行時に架線へ電力が回生することを防止でき、小型化することの出来る電気車制御装置を提供することを目的とする。
【解決手段】パンタグラフを介して供給される架線電力を可変電圧・可変周波数の交流電力に変換する半導体素子により構成されたインバータと、このインバータの交流電力側に接続された開放用接触器と、前記インバータと前記開放用接触器を介して接続され、前記インバータから供給される交流電力によって駆動し、最高運転速度時の誘起電圧が定格架線電圧以下である永久磁石式電動機とを備え、電気車の惰行時には前記インバータを停止させることを特徴とする電気車制御装置。
【選択図】図1

Description

本発明は、電気車制御装置に関する。
従来の電気車制御装置について、図を参照し詳細に説明する。図8は、従来の電気車制御装置のブロック図である。図9は、永久磁石式電動機の誘起電圧特性を示した図である。図10は、電気車の惰行時の電力の流れを示した図である。尚、図10中の矢印は、電力の流れを表している。
従来の電気車制御装置において、架線からパンタグラフ1を介して集電された直流電力は、断流器2、断流器3、断流器4及びフィルタリアクトル6を介してインバータ18に入力される。インバータ18は、入力された直流電力を、可変電圧・可変周波数の交流電力に変換し、通常は閉じている開放用接触器13を介して永久磁石式同期電動機14に供給する。永久磁石式同期電動機14は、永久磁石を内蔵しているため回転中は常に起電力を誘起する。力行時及び回生時には、インバータ18でこの誘起電圧とともに電動機電流を制御して、駆動トルクやブレーキトルクを発生させる。この永久磁石式同期電動機14の誘起電圧特性は、図5に示すように速度に比例して増大するため、高速領域でインバータ18の動作が停止する惰行モードになる誘起電圧が定格架線電圧を超えてしまい(図5の縦線の領域)、永久磁石式同期電動機14が発電機として作用する。永久磁石式同期電動機14により発電された電力は、図10の矢印で示すように、開放用接触器13、半導体素子7のダイオード、パンタグラフ1の順や、開放用接触器13、半導体素子9のダイオード、パンタフラフの順に流れ、架線に流れる。そのため、永久磁石式電動機14は、電気車の惰行時に回生ブレーキとして作用してしまう。
この現象を防止するために、一般的には永久磁石式電動機14の永久磁石の磁束を打ち消す方向の励磁電流をインバータ18の電流制御により永久磁石式電動機14に流し、永久磁石式電動機14の誘起電圧の大きさを制御している。
特開2005−117797号公報
しかしながら、従来の電気車制御装置では、インバータ18が故障した場合、永久磁石式電動機14の誘起電圧を制御することが出来ないので、開放用接触器13を開放するしかない。そのため、開放用接触器13には、非常に高い信頼性が求められ、万が一ひとつの開放用接触器13が固渋しても、もうひとつの開放用接触器13により回路を切り離し、電気車編成として運転が継続が可能なように、開放用接触器13を2個直列に配置した構成(開放用接触器郡131)となっている(図4参照)。
しかし、開放用接触器13を2個直列に配置すると、部品数が増加し、装置自体も大きくそして重くなってしまう。
そこで、本発明は、電気車の惰行時に架線へ電力が回生することを防止でき、小型化することの出来る電気車制御装置を提供することを目的とする。
上記課題は、直流電力を可変電圧・可変周波数の交流電力に変換するインバータと、このインバータの交流電力側に接続された開放用接触器と、前記インバータと前記開放用接触器を介して接続され、前記インバータから供給される交流電力によって駆動し、最高運転速度時の誘起電圧の直流換算値が定格架線電圧以下である永久磁石式電動機とを備えたことによって達成することが出来る。
上記課題は、直流電力を可変電圧・可変周波数の交流電力に変換するインバータと、前記インバータの直流端子間に設けられたフィルタコンデンサと、前記インバータと接続され、前記インバータから供給される交流電力によって駆動し、最高運転速度時の誘起電圧の直流換算値が前記フィルタコンデンサに印加される定格電圧以下である永久磁石式電動機とを備えたことによって達成することが出来る。
上記課題は、直流電力を可変電圧・可変周波数の交流電力に変換するインバータと、このインバータの交流電力側に接続された開放用接触器と、このインバータの直流端子間に設けられたフィルタコンデンサと、前記インバータと前記開放用接触器を介して接続され、前記インバータから供給される交流電力によって駆動し、電気車の最高運転速度時の誘起電圧の直流換算値が前記フィルタコンデンサに印加される定格電圧以下である永久磁石式電動機によって達成することが出来る。
本発明により、電気車の惰行時に架線へ電力が回生することを防止でき、小型化することの出来る電気車制御装置を提供することが出来る。
(第1の実施の形態)
本発明に基づく第1の実施の形態の電気車制御装置について図を参照し詳細に説明する。図1は、本発明に基づく第1の実施の形態の電気車制御装置のブロック図である。図2は、本発明に基づく第1の実施の形態の電気車制御装置の永久磁石式同期電動機と従来の永久磁石式同期電動機の誘起電圧及びモータ電流の特性図である。
本発明に基づく第1の実施の形態の電気車制御装置は、パンタグラフ1と、パンタグラフ1と接続された断流器2と、断流器2と接続された断流器3と、断流器3と接続された断流器4と、断流器4に並行に断流器3と接続された充電抵抗5と、断流器4と接続されたフィルタリアクトル6と、フィルタリアクトル6と接続されたインバータ18Aと、インバータ18Aと並行にフィルタリアクトル6と接続されたフィルタコンデンサ17と、インバータ18Aと接続され各相毎にひとつずつ設けられた開放用接触器13Aと、開放用接触器13Aと接続され、電気車の最高運転速度時の誘起電圧が定格架線電圧以下(フィルタコンデンサに印加される定格電圧以下)となる永久磁石式同期電動機14Aから構成され、開放用接触器13Aを直列に配列しない構成としている。
このように構成された電気車制御装置において、架線からパンタグラフ1を介して集電された直流電力(架線電力)は、断流器2、断流器3、断流器4及びフィルタリアクトル6を介してインバータ18に入力される。インバータ18は、入力された直流電力を、可変電圧・可変周波数の交流電力に変換し、通常は閉じている開放用接触器13を介して永久磁石式同期電動機14に供給する。永久磁石式同期電動機14は、インバータ18から供給された交流電力により回転し、電気車を駆動する。電気車が惰行時には、永久磁石式同期電動機14Aも回転しているが、電気車の最高運転速度時の誘起電圧の直流換算値が定格架線電圧以下となる特性を有しているため、架線側に電力が流れることがない。
永久磁石式同期電動機14Aの誘起電圧Emは、図2の(2)に示すように電気車の最高運転速度Vmaxで定格架線電圧を超えない。これを実現するためには、誘起電圧EmをEm≒K1*ωm*Φ(K1は電動機固有の定数、ωmは電動機回転数(速度))と近似し、磁束Φを下げれば良い。磁束Φを下げると、電動機発生トルクTqは、Tq≒K2*Im*Φ(K2は電動機固有の定数)で近似されるので、電動機電流Imが増加する(4)が、本実施の形態のインバータ18Aは永久磁石式同期電動機14Aを一台駆動する容量は、従来複数個の誘導電動機を駆動していた際のインバータ容量よりは小さくなり、十分余裕があるため、実用上問題はない。
このように構成された電気車制御装置において、永久磁石式同期電動機は、電気車の運転最高速度時誘起電圧が定格架線電圧よりも低いので、インバータ18Aが故障し、更に開放用接触器13Aが固渋した場合でも、通常の運転速度では永久磁石式同期電動機14Aの誘起電圧の直流換算値のほうが定格架線電圧よりも低くなり、インバータ18Aのダイオードは不導通となり架線側へ電力が回生されることはない。そのため、最小限の開放接触器数で、信頼性の高い永久磁石式同期電動機を用いたシステムを構成することが出来る。
このように構成された電気車制御装置は、従来二重直列に配置していた開放接触器をひとつずつとしているので小型化することが出来、電気車の運転最高速度時誘起電圧の直流換算値が定格架線電圧よりも低い永久磁石式同期電動機により、電気車の惰行時に架線へ電力が回生することを防止できる。
(第2の実施の形態)
本発明に基づく第2の実施の形態の電気車制御装置について図を参照し詳細に説明する。図3は、本発明に基づく第2の実施の形態の電気車制御装置のインバータへの制御部の一部の構成図である。
本発明に基づく第2の実施の形態の電気車制御装置は、電気車が惰行時にインバータを動作させないことを特徴のひとつとしている。機器の回路構成は、第1の実施の形態の電気車制御装置と同じものとなっている。
本発明に基づく第2の実施の形態の電気車制御装置において、インバータへの制御部には、OR論理21と、OR論理21と接続されたAND論理22と、OR論理21と接続された反転論理24と、反転論理24と接続されたONTD25と、AND論理22とセト側(S)が接続され、ONTD25とリセット側(R)が接続されたフリップフロップ23が設けられている。OR論理21は、力行指令若しくは回生指令が入力されている場合に「H」を出力する。AND論理22は、OR論理から「H」が入力され、断流器2、断流器3、断流器4がオンである場合のみ「H」を出力する。反転論理24は、OR論理から入力された「H」若しくは「L」の論理を反転させる。ONTD25は、一定時間以上「H」が入力された場合に「H」を出力する。フリップフロップ23は、セット側に「L」が入力された場合、ゲートスタート指令を出力し、リセット側に「L」が入力された場合、ゲートストップ指令を出力する。
このように構成された電気車制御装置において、力行時若しくは回生時には、OR論理21には力行指令若しくは回生指令が入力されるため、OR論理21は「H」をAND論理22及び反転論理24に出力する。力行時若しくは回生時には基本的には、断流器2、断流器3、断流器4は全てONとなっているため、AND論理22は、「H」をフリップフロップ23のセット側に出力する。その後、フリップフロップ23は、インバータゲートスタート指令を出力する。
それに対して惰行時は、力行指令及び回生指令がOR論理21に入力されないので、OR論理21は「L」を出力する。そのため、AND論理22は、「H」を出力しない。反転論理24は、OR論理21から入力された「L」を「H」に反転させ、ONTD25に出力する。ONTD25は、一定時間以上「H」の入力があるので、「H」をフリップフロップ23のリセット側に出力する。フリップフロップ23は、リセット側の入力を受けて、インバータゲートストップ指令を出力する。
このように構成された電気車制御装置は、従来の電気車制御装置や第1の実施の形態の電気車制御装置と異なり、惰行時はインバータを停止することが出来るので、惰行中にインバータ18の動作で発生する消費電力を低減することが出来、エネルギー効率を向上させることが出来る。
また、本実施の形態の電気車制御装置においても、従来二重直列に配置していた開放接触器をひとつずつとしているので小型化することが出来、電気車の運転最高速度時誘起電圧が定格架線電圧よりも低い永久磁石式同期電動機により、電気車の惰行時に架線へ電力が回生することを防止できる。
(第3の実施の形態)
本発明に基づく第3の実施の形態の電気車制御装置について、図を参照し詳細に説明する。図4は、本発明に基づく第3の実施の形態の電気車制御装置の構成図である。図5は、本発明に基づく第3の実施の形態の電気車制御装置の永久磁石式同期電動機と従来の永久磁石式同期電動機の誘起電圧及びモータ電流の特性図である。尚、図1及び図2に記載したものと同一の構造をとるものについては、同符号を付して説明を省略する。
本発明に基づく第3の実施の形態の電気車制御装置は、架線と接触し架線電力を受け取るパンタグラフ1と、パンタグラフ1とトランス(変圧器)32を介して接続される接触器26と、接触器26と接続されるコンバータ27と、コンバータ27と接続されるインバータ18Aと、インバータ18Aの直流入力端子間に接続されるフィルタコンデンサ17と、フィルタコンデンサ17と並列にインバータ18Aの直流入力端子間に接続される電圧検出器28、インバータ18Aと接続され各相に設けられた1重の接触器13A(2個直列等されていない)と、接触器13Aと接続され、電気車の最高運転速度時の誘起電圧がフィルタコンデンサに印加される定格電圧以下となる永久磁石式電動機14Bと、接触器13A及び接触器26を制御する制御部29から主に構成されている。
このように構成された第3の実施の形態の電気車制御装置において、パンタグラフ1は、架線を介して架線電力(交流電力)を受け取り、トランス32及び接触器26を介してコンバータ27に架線電力を供給する。コンバータ27は架線電力を直流電力に変換し、出力する。コンバータ27から出力された直流電力は、フィルタコンデンサ17、電圧検出器28、インバータ18Aに供給される。インバータ18Aは、コンバータ27から供給された直流電力を、可変電圧・可変周波数の交流電力に変換して、通常は閉じている接触器13Aを通して、永久磁石式同期電動機14Bに供給し、永久磁石式同期電動機14Bはインバータ18Aから供給された交流電力により駆動する。
永久磁石式同期電動機14Aの誘起電圧の直流換算値Emは、図5の(2)に示すように電気車の最高運転速度Vmaxで直流平滑コンデンサ(フィルタコンデンサ17)に印加される定格電圧を超えない。これを実現するためには、誘起電圧EmをEm≒K1*ωm*Φ(K1は電動機固有の定数、ωmは電動機回転数(速度))と近似し、磁束Φを下げれば良い。磁束Φを下げると、電動機発生トルクTqは、Tq≒K2*Im*Φ(K2は電動機固有の定数)で近似されるので、電動機電流Imが増加する(4)が、本実施の形態のインバータ18Aは永久磁石式同期電動機14Aを一台駆動する容量は、従来複数個の誘導電動機を駆動していた際のインバータ容量よりは小さくなり、十分余裕があるため、実用上問題はない。
このように構成された電気車制御装置が搭載された電気車が惰行時には、永久磁石式同期電動機14Aも回転しているが、電気車の最高運転速度時の誘起電圧の直流換算値がフィルタコンデンサに印加される定格架線電圧以下となる特性を有しているため、コンデンサ17へ電力が回生されることはない。
また、本実施の形態の電気車制御装置においても、従来二重直列に配置していた開放接触器をひとつずつとしているので小型化することが出来、電気車の運転最高速度時誘起電圧の直流換算値がフィルタコンデンサに印加される定格電圧よりも低い永久磁石式同期電動機により、電気車の惰行時に電動機にブレーキトルクがかかり、かつ架線へ電力が回生することを防止できる。
(第4の実施の形態)
本発明に基づく第4の実施の形態の電気車制御装置について、図を参照し詳細に説明する。図6は、本発明に基づく第4の実施の形態の電気車制御装置の制御部の部分構成図である。尚、図1乃至図5に記載したものと同一の構造をとるものについては、同符号を付して説明を省略する。
本発明に基づく第4の実施の形態の電気車制御装置は、接触器26が開いたときに接触器13Aも開き、フィルタコンデンサ(直流平滑コンデンサ)に過電圧が印加されるのを防止することを特徴のひとつとしている。
本発明に基づく第4の実施の形態の電気車制御装置は、図4に記載の第3の実施の形態の電気車制御装置と同じ構成であるが、制御部29の内部構造が異なる。
本発明に基づく第4の実施の形態の電気車制御装置の制御部29は、接触器8Aの開閉を制御する継電器30と、接触器26の補助接点31と、接触器13Aの励磁コイル33とにより構成されている。継電器30は、電気車制御装置の起動指令及び停止指令に連動して動作し、励磁コイル33を駆動して接触器13Aの開放を制御する。補助接点31は、接触器26の動きと連動して動作し、接触器26が開けば補助接点31も開き、接触器26が閉じれば補助接点31も閉じる。励磁コイル33は、接触器13Aを動作させるもので、励磁コイル33に電流が流れ励磁されている時には接触器13Aも閉じているが、励磁コイル33への電流が遮断され消磁されているときには接触器13Aが開く。
このように構成された電気車制御装置の制御部29において、接触器26が開いた場合、接触器26の補助接点31も開き、励磁コイル33を消磁させ、接触器28も開く。本実施の形態の電気車制御装置は、コンバータ27、インバータ18Aが動作中でも永久磁石
式同期電動機が14Bの誘起電圧によりフィルタコンデンサに過電圧が印加されることはない。
また、本実施の形態の電気車制御装置においても、従来二重直列に配置していた開放接触器をひとつずつとしているので小型化することが出来、電気車の運転最高速度時誘起電圧の直流換算値がフィルタコンデンサに印加される定格電圧よりも低い永久磁石式同期電動機により、電気車の惰行時に電動機にブレーキトルクがかかり、かつ架線へ電力が回生することを防止できる。
(第5の実施の形態)
本発明に基づく第5の実施の形態の電気車制御装置について図を参照し詳細に説明する。図7は、本発明に基づく第5の実施の形態の電気車制御装置のインバータの制御部の部分構成図である。尚、図1乃至図6に記載したものと同一の構造をとるものについては、同符号を付して説明を省略する。
本発明に基づく第5の実施の形態の電気車制御装置は、本発明に基づく第4の実施の形態の電気車制御装置と、制御部29の構成が異なる。
本発明に基づく第5の実施の形態の電気車制御装置の制御部29は、コンパレータ34、コンパレータ34からの出力信号を受け取る反転論理部35、反転論理35からの出力信号と停止指令を受け取るOR回路36、OR回路36からの出力信号をリセット側(R側)に入力され、システム起動指令をセット(S側)に入力されるフリップフロップ37と、フリップフロップ37からの出力信号をデジタル出力するデジタル出力38と、デジタル出力38と接続された継電器30、継電器30により励磁、消磁する励磁コイル33とから構成されている。
コンパレータ34は、永久磁石式同期電動機14Bの誘起電圧の直流換算値よりもフィルタコンデンサ電圧が低くなったら、LOWを出力し、永久磁石式同期電動機14Bの誘起電圧の直流換算値よりもフィルタコンデンサ電圧が高い場合にはHighを出力する。反転論理35は、コンパレータ34から入力された信号を反転させる。コンパレータ34から入力された信号がLowの場合は、Highに反転し、OR回路36に出力し、コンパレータ34から入力された信号がHighの場合は、Lowに反転しOR回路36に出力する。OR回路36では、停止指令が入力された場合、若しくはOR回路36からHighが入力された場合に、HighをフリップフロップのR側に出力する。フリップフロップ37は、S側にシステム起動指令が入力された後、Highを出力するが、R側にHighが入力されたら、Lowをデジタル出力38に出力する。デジタル出力38は、フリップフロップ37からHighが入力されている場合は継電器30を閉じ、励磁コイル33を励磁させるが、フリップフロップ38からLowが入力されている場合には継電器30を開き励磁コイル33を消磁させる。
このように構成された電気車制御装置の制御部29は、システム起動時には、フリップフロップ37のS側にシステム起動指令が入力され、継電器30を閉じさせ、励磁コイル33を励磁し、接触器13Aを閉じさせ、システムを動作させる。しかし、システムの停止指令がOR回路36に入力された場合、若しくはコンデンサ17へ印加される電圧が永久磁石式同期電動機14Bの誘起電圧よりも低い場合、OR回路36は、Highをフリップフロップ37のR側に出力する。フリップフロップ37は、R側にHighが入力されるとデジタル出力38にLOWを出力し、デジタル出力38は継電器30を開き、励磁コイル33を消磁させ、接触器13Aを開く。
このように構成された電気車制御装置は、電気車の惰行時に、永久磁石同期電動機の誘起電圧の直流換算値が、フィルタコンデンサ17の電圧よりも高い場合に、接触器13Aを開くことが可能であるので、永久磁石式同期電動機14Bの誘起電圧により回生電流が流れ、不要なブレーキトルクが作用することはない。
また、本実施の形態の電気車制御装置においても、従来二重直列に配置していた開放接触器をひとつずつとしているので小型化することが出来、電気車の運転最高速度時誘起電圧がフィルタコンデンサに印加される定格電圧よりも低い永久磁石式同期電動機により、電気車の惰行時に架線へ電力が回生することを防止できる。
尚、本発明に基づく第1の実施の形態及び第5の実施の形態の電気車制御装置の説明では、インバータ18Aと永久磁石式同期電動機14Aを電気的に切り離す手段として開放接触器で説明しているが、接触器以外の切り離し手段も考えられる、接触器以外の切り離し手段で本発明に基づく電気車制御装置を構成しても同様の効果が得られるので、本発明は、接触器のみに限定はされない。
本発明に基づく第1の実施の形態の電気車制御装置のブロック図である。 本発明に基づく第1の実施の形態の電気車制御装置の永久磁石式同期電動機と従来の永久磁石式同期電動機の誘起電圧及びモータ電流の特性図である。 本発明に基づく第2の実施の形態の電気車制御装置のインバータへの制御部の一部の構成図である。 本発明に基づく第3の実施の形態の電気車制御装置の構成図である。 本発明に基づく第3の実施の形態の電気車制御装置の永久磁石式同期電動機と従来の永久磁石式同期電動機の誘起電圧及びモータ電流の特性図である。 本発明に基づく第4の実施の形態の電気車制御装置の制御部の部分構成図である。 本発明に基づく第5の実施の形態の電気車制御装置の制御部の部分構成図である。 従来の電気車制御装置のブロック図である。 永久磁石式電動機の誘起電圧特性を示した図である。 電気車の惰行時の電力の流れを示した図である。
符号の説明
1 パンタグラフ
2 断流器
3 断流器
4 断流器
5 充電抵抗器
6 フィルタリアクトル
7 半導体素子
8 半導体素子
9 半導体素子
10 半導体素子
11 半導体素子
12 半導体素子
13 開放用接触器
14 永久磁石式同期電動機
17 フィルタコンデンサ
18 インバータ
21 OR論理
22 AND論理
23 フリップフロップ
24 反転論理
25 オン時素論理
26 接触器
27 コンバータ
28 電圧検出器
29 制御部
30 継電器
31 補助接点
32 変圧器
33 励磁コイル
34 コンパレータ
35 反転論理
36 OR回路
37 フリップフロップ
38 デジタル出力

Claims (8)

  1. 直流電力を可変電圧・可変周波数の交流電力に変換するインバータと、
    このインバータの交流電力側に接続された開放用接触器と、
    前記インバータと前記開放用接触器を介して接続され、前記インバータから供給される交流電力によって駆動し、最高運転速度時の誘起電圧の直流換算値が定格架線電圧以下である永久磁石式電動機とを備えたことを特徴とする電気車制御装置。
  2. 前記請求項1記載の電気車制御装置において、
    前記永久磁石式電動機は、最高運転速度時の誘起電圧の直流換算値が定格架線電圧以下となるように磁束を調整したことを特徴とする電気車制御装置。
  3. 前記請求項1記載の電気車制御装置において、
    電気車が惰行時には、前記インバータを動作させないことを特徴とする電気車制御装置。
  4. 直流電力を可変電圧・可変周波数の交流電力に変換するインバータと、
    前記インバータの直流端子間に設けられたフィルタコンデンサと、
    前記インバータと接続され、前記インバータから供給される交流電力によって駆動し、最高運転速度時の誘起電圧の直流換算値が前記フィルタコンデンサに印加される定格電圧以下である永久磁石式電動機とを備えたことを特徴とする電気車制御装置。
  5. 直流電力を可変電圧・可変周波数の交流電力に変換するインバータと、
    このインバータの交流電力側に接続された開放用接触器と、
    このインバータの直流端子間に設けられたフィルタコンデンサと、
    前記インバータと前記開放用接触器を介して接続され、前記インバータから供給される交流電力によって駆動し、電気車の最高運転速度時の誘起電圧の直流換算値が前記フィルタコンデンサに印加される定格電圧以下である永久磁石式電動機とを備えたことを特徴とする電気車制御装置。
  6. 前記請求項5記載の電気車制御装置において、
    交流架線に接続された電圧を変化させる変圧器と、
    交流電力を直流電力に変換し、前記インバータに直流電力を供給するコンバータと、
    前記変圧器と前記コンバータの間に設けられた接触器とを有し、
    前記変圧器と前記コンバータの間に設けられた接触器が開いた場合、前記開放用接触器も開くことを特徴とする電気車制御装置。
  7. 前記請求項5記載の電気車制御装置において、
    前記フィルタコンデンサの電圧を検出する電圧検出器とを有し、
    前記電圧検出値により検出される前記フィルタコンデンサの電圧が、前記永久磁石式同期電動機の誘起電圧の直流換算値よりも低くなった場合、前記開放用接触器を開くことを特徴とする電気車制御装置。
  8. 前記請求項1乃至請求項7記載の電気車制御装置において、
    前記開放用接触器は、各相にひとつづつ設けられたことを特徴とする電気車制御装置。
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