JP2009183078A - 電気車の駆動システム - Google Patents

Abstract

【課題】電気車の回生ブレーキが作用する速度域を拡大するとともに、ブレーキ時の発電エネルギの蓄電と、蓄電エネルギによる駆動装置への電力の供給を適切に制御できる電気車の駆動システムを提供する。
【解決手段】電力蓄積手段１２を直流電圧取得手段１と同じ電圧印加方向に直列接続するか否かの切換えをする第一の電流制御手段１３と、直流電圧取得手段１と電力蓄積手段１２との間に電力蓄積手段１２を介して電力変換手段４に接続されるように接続される第二の電流制御手段８ａ、５１ａと、直流電圧取得手段１と接地点１０１の間に第二の電流制御手段８ａ、５１ａと直列に接続される第三の電流制御手段８ｂ、５１ｂとを設けることにより上記課題を解決する
【選択図】図１

Description

本発明は、鉄道車両の駆動システムに関し、特に、電気車の回生ブレーキが作用する速度域を拡大するとともに、ブレーキ時の発電エネルギの蓄電と、蓄電エネルギによる駆動装置への電力の供給を適切に制御できる電気車の駆動システムに関する。

鉄道車両は、鉄の車輪がレール面上を転がることにより走行するため、走行抵抗が自動車に比べて小さいことが特徴である。特に、最近の電気鉄道車両では、制動時に主電動機を発電機として作用させることで制動力を得ると同時に、制動時に主電動機で発生する電気的エネルギを架線に戻して他車両の力行エネルギとして再利用する回生ブレーキ制御を行っている。この回生ブレーキを備える電気鉄道車両は、回生ブレーキを備えていない電気鉄道車両に比べて、約半分のエネルギ消費で走行することが可能とされており、走行抵抗が小さい鉄道車両の特徴を生かした省エネ手法といえる。

ところで、鉄道車両で回生ブレーキを省エネ効果という面から見たとき、走行速度から停止までの全速度域で動作することが望ましい。しかし、実際には電動機の出力特性やこれを駆動するインバータ装置の仕様にともなう制限がある。このため、車両の減速に必要なブレーキ力の全てを回生ブレーキで負担することは、低速域では可能でも、高速域を含む全速度域で実現することは難しい。回生ブレーキの動作する速度域を拡大するには、電動機やインバータの出力を増強する必要がある。

通常、電動機やインバータ装置の駆動電圧は、架線から供給される電源電圧で決定される。このため、電動機やインバータの出力を増やすためには、機器を制御する電流量を増やす必要があった。しかし、電動機やインバータ装置に流れる電流量が増えると、機器からの発熱量が大きくなる。すなわち、電動機の出力増強は、熱容量を確保するための体格アップ、インバータ装置の出力増強はスイッチング素子を冷却するためのラジエータ能力向上や電線容量が必要だった。これらは、いずれも各機器の質量増加に繋がることから、回生ブレーキの動作速度を拡大するために、電動機やインバータ装置の出力を増強することは敬遠されていた。

以上のように、電動機やインバータの出力増強を、電源電圧を固定して、電流量の増加により実現することには、発熱量のアップと、それに伴う機器質量のアップという課題を伴う。

電動機やインバータの出力増強を、入力電圧を増やすことにより実現して、高速域から速度ゼロまで全速度域で回生ブレーキまたは電気ブレーキを動作させることにより、回生エネルギ効率を向上させる方法の例は、特許文献１の電気車の制御装置で述べられている。

図７に、特許文献１に示されている、蓄電装置により高速域から速度ゼロまで回生ブレーキまたは電気ブレーキを実現させるための機器構成を示す。

高速域において回生ブレーキ力が不足したとき、電流遮断器１１０を開放し、整流器１０８を通してインバータ装置１０３と直流電源１０９を直列に接続する。ここで、電源電圧Ｖａの向きと直流電源１０９の出力端電圧Ｖｂの向きが同じ向きとなるように接続する。このときインバータ装置の負側直流入力端子の電位は−Ｖｂとなり、インバータ入力電圧Ｖｃは電源電圧Ｖａと直流電源１０９の出力端電圧Ｖｂの和（Ｖｃ＝Ｖａ＋Ｖｂ）となる。これにより、インバータ入力電圧Ｖｃを増大できるため、高速域でのブレーキ力増強が可能になる。このとき、回生運転することにより、回生電流Ｉｂが流れるため、直流電源１０９にはＶａ×Ｉｂの電力が回生され、直流電源１０９にはＶｂ×Ｉｂの電力が充電される。
特開２００２−３６９３０４号公報

特許文献１の電気車の制御装置によれば、高速域において回生ブレーキ力が不足したとき、インバータ装置と直流電源（蓄電装置）を直列に接続して、インバータ入力電圧を増大することにより、高速域でのブレーキ力増強を可能としている。このとき、直流電源（蓄電装置）の出力端電圧Ｖｂと、回生電流Ｉｂの積Ｖｂ×Ｉｂの電力が充電される。

ところで、直流電源（蓄電装置）に蓄電された電力量は、次回のブレーキ動作時に備え回生電力を充電する領域を確保するため、速やかに放電しておく必要がある。この直流電源（蓄電装置）の放電について、特許文献１の電気車の制御装置では、架線等の外部電源の供給を断ち、直流電源（蓄電装置）に蓄電された電力量だけで、インバータ装置を駆動して車両を加速させることにより、直流電源（蓄電装置）を放電する方式が述べられている。

この方式によれば、車両が力行（加速）している期間は、直流電源（蓄電装置）に蓄電された電力量だけで、インバータ装置を駆動できる。しかし、直流電源（蓄電装置）に蓄電された電力量を使い切った場合は、架線等の外部電源からの電力供給に切替えて力行（加速）を続ける必要がある。

例えば、まず、直流電源（蓄電装置）の電力量で力行（加速）を始めるときは、電流遮断器（Ａ）１０２は開放しておき、その後、架線の電源電力による力行（加速）に切替えるときは、電流遮断器（Ａ）１０２を投入する。この際、インバータ装置１０３の入力電圧は、電流遮断器（Ａ）１０２の開放時は直流電源（蓄電装置）の出力端電圧Ｖｂ、電流遮断器（Ａ）１０２の投入時は電源電圧Ｖａである。すなわち、力行（加速）を続けながら電流遮断器（Ａ）１０２の開放／投入して、直流電源（蓄電装置）の電力量で力行（加速）から、架線の電源電力による力行（加速）に切替える場合は、インバータ装置１０３の入力電圧は大きく変化する。これは、インバータ装置１０３が駆動する電動機４の駆動力の急変を引き起こすことから、乗り心地悪化により乗客サービスを低下させる恐れがある。

さらに、この方式では、直流電源（蓄電装置）への充電電力は、電源電圧Ｖｂと回生電流Ｉｂの積Ｖｂ×Ｉｂの電力により決まる。仮に、回生電力を架線に戻せない状況では、上記回生電流Ｉｂは制限されるため、回生電力再利用による省エネルギ効果は得られない。

本発明の目的は、電気車の回生ブレーキが作用する速度域を拡大するとともに、ブレーキ時の発電エネルギの蓄電と、蓄電エネルギによる駆動装置への電力の供給を適切に制御できる電気車の駆動システムを提供することである。

上記目的を達成するため、本発明の電気車の駆動システムは、電気車の電動機を駆動する電力を変換する電力変換手段と、前記電力変換手段に電力を供給する直流電圧源または直流電圧取得手段と、充電と放電が可能な電力蓄積手段を備えた電気車の駆動システムにおいて、前記電力蓄積手段を前記直列電圧源または前記直流電圧取得手段と同じ電圧印加方向に直列接続するか否かの切換えをする第一の電流制御手段と、前記直列電圧源または前記直流電圧取得手段と前記電力蓄積手段との間に前記電力蓄積手段を介して前記電力変換手段に接続されるように接続される第二の電流制御手段と、前記直列電圧源または前記直流電圧取得手段と接地点の間に前記第二の電流制御手段と直列に接続される第三の電流制御手段とを設けることを特徴とする。

さらに本発明の電気車の駆動システムは、前記第一の電流制御手段は、機械接点により構成される電流遮断手段であることを特徴とする。さらに本発明の電気車の駆動システムは、前記第二の電流制御手段と、前記第三の電流制御手段は、半導体素子による電流遮断手段と、電流方向制御手段を並列接続した構成であることを特徴とする。さらに本発明の電気車の駆動システムは、前記第一の電流制御手段と、前記第二の電流制御手段と、前記第三の電流制御手段は、半導体素子による電流遮断手段と、電流方向制御手段を並列接続した構成であることを特徴とする。さらに本発明の電気車の駆動システムは、高速域からのブレーキ動作においては、前記第一の電流制御手段は電流を遮断し、前記第二および第三の電流制御手段は、前記電力変換装置の入力電圧に応じて電流の通流を制御することを特徴とする。さらに本発明の電気車の駆動システムは、電気車を加速させるときは、前記第一の電流制御手段は電流を導通し、前記第二および第三の電流制御手段は、前記電力変換装置の入力電流に応じて電流の通流を制御することを特徴とする電気車の駆動システム。

本発明によれば、電気車の回生ブレーキが作用する速度域を拡大するとともに、ブレーキ時の発電エネルギの蓄電と、蓄電エネルギによる駆動装置への電力の供給を適切に制御可能となる。

本発明の電気車の駆動システムでは、回生ブレーキが動作している期間は、回生ブレーキが不足する高速域で、インバータ装置の入出力端子に充・放電が可能な電力蓄積手段を、架線などの直流電圧取得手段により得られる電力と同一の電圧印加方向となるように直列接続する。さらに、回生電力を直接、電力蓄積手段に充電できるように、インバータ装置と電力蓄積手段が並列接続された回路に切替えるため、インバータ装置側ではない電力蓄積手段の入出力端子に電流制御手段を設ける。また、回生ブレーキが動作していない期間は、直流電圧取得手段に加えて、電力蓄積手段の放電による電力によりインバータ装置を駆動するため、電力蓄積手段の出力電圧を低圧側、直流電圧取得手段を高圧側とした昇降圧チョッパ回路を構成するものである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明していく。

図１は、本発明の電気車の駆動システムにおける一実施形態の基本構成を示す図である。

集電装置１から給電した直流電力は、フィルタリアクトル２、およびフィルタコンデンサ３で構成するＬＣ回路（フィルタ回路）で高周波数域の変動分を除去した後、インバータ装置４に入力する。インバータ装置４は、入力された直流電力を可変電圧可変周波数（ＶＶＶＦ）の３相交流電力に変換して、主電動機５ａ、５ｂを駆動する。なお、ここではインバータ装置４が駆動する主電動機が２台の場合を示しているが、本発明としてはインバータ装置４が駆動する主電動機の台数は限定しない。なお、集電装置１は、直流電圧源そのものであっても本発明な実現可能である。

接地点１０１はこの回路の基準電位を決めている。

スイッチング素子８ａ、８ｂは、半導体素子による電流遮断手段であり、集電装置１とインバータ装置４の高電位側端子の間にある直流電力部と、接地点１０１の間に直列に配置される。スイッチング素子８ａは、その入出力端に、導通方向とは反対向きに、ダイオード素子５１ａを並列に接続する。同じく、スイッチング素子８ｂは、その入出力端に、導通方向とは反対向きに、ダイオード素子５１ｂを並列に接続する。

平滑リアクトル１１は、スイッチング素子８ａとスイッチング素子８ｂの接続位置と、蓄電装置１２の正極端子を結ぶ電力線の途中に配置する。なお、蓄電装置１２の負極端子は、インバータ装置４の低電位側端子に接続する。

断流器１３は、機械接点により構成される電流遮断手段であり、スイッチング素子８ｂの接地点１０１側の端子と、インバータ装置４の低電位側端子を結ぶ電力線のうち、蓄電装置１２の負極端子の接続位置よりもスイッチング素子８ｂに近い側に配置する。

電圧センサ６ａは、フィルタコンデンサ３の両端の直流部電圧Ｖ＿ｆｃを検出する。電圧センサ６ｂは、蓄電装置１２の正極端子と負極端子を結ぶように配置して、蓄電装置１２の端子間電圧Ｖ＿ｂｔｒを検出する。なお、図では電圧センサ６ｂの高位側端子を、蓄電装置１２の正極端子に接続しているが、これを平滑リアクトル１１と、スイッチング素子８ａとスイッチング素子８ｂの接続位置を結ぶ電力線上に接続しても、蓄電装置１２の端子間電圧Ｖ＿ｂｔｒを検出できる。電圧センサ６ｃは、集電装置１と接地点１０１の間に設置し。集電装置１から供給される電力の電圧値Ｖ＿ｓを検出する。

電流センサ７ａ、７ｂ、７ｃは、インバータ装置４と、主電動機５ａ、５ｂの間の３相交流電力線を流れる各相の電流をＩ＿ｕ、Ｉ＿ｖ、Ｉ＿ｗを検出して、インバータ装置４に入力する。電流センサ７ｄは、集電装置１とインバータ装置４の高電位側端子の間にある直流電力部のうち、スイッチング素子８ａの接続点よりも、インバータ装置４に近い側に配置して、インバータ装置４の入出力電流を検出する。電流検出器７ｅは、蓄電装置１２と、スイッチング素子８ａとスイッチング素子８ｂの接続位置を結ぶ電力線上に配置して、蓄電装置１２の入出力電流を検出する。なお、電流検出器７ｅは、蓄電装置１２の負極端子の直近に配置しても蓄電装置１２の入出力電流を検出できる。

制御装置１０は、インバータ装置４の力行電力Ｐ＿ｐｗｒ、回生電力Ｐ＿ｒｅｇｅｎ、電圧センサ６ａの電圧検出値Ｖ＿ｆｃ、電圧センサ６ｂの電圧検出値Ｖ＿ｂｔｒ、電圧センサ６ｃの電圧検出値Ｖ＿ｓ、電流センサ７ｄの電流検出値Ｉ＿ｓ、電流センサ７ｅの電流検出値Ｉ＿ｂｔｒを入力とし、ゲートアンプ９ａ、９ｂにスイッチング素子８ａ、８ｂのオン／オフを指令するゲートパルス信号ＧＰ１、ＧＰ２、断流器１３の投入／開放を指令する信号ＬＢ＿ｏｎ＿ｃｍｄを出力する。ゲートアンプ９ａ、９ｂは、ゲートパルス信号ＧＰ１、ＧＰ２を入力とし、これを基にスイッチング素子８ａ、８ｂをオン／オフ可能な電圧制御信号に変換し、スイッチング素子８ａ、８ｂをオン／オフ制御する。

以下、断流器１３と、スイッチング素子８ａ、８ｂの制御動作について説明する。

まず、断流器１３のオン／オフによる、高速全電気ブレーキ制御について説明する。

電動機５ａ、５ｂが、電気車を加速させるトルクを発生するように、インバータ装置４を制御する期間は、断流器１３を投入状態のまま保持する。これにより、インバータ装置４には、接地点１０１を基準電位として、集電装置１から電圧値Ｖ＿ｓの電力が供給される。すなわち、インバータ装置４の入出力端子間（正極〜負極）の電圧は、概ね架線電圧Ｖ＿ｓに等しくなる。

一方、電動機５ａ、５ｂが、電気車を減速させるトルクを発生するように、インバータ装置４を制御する期間は、断流器１３を開放状態とする。これにより、インバータ装置４の低電位側端子の電位は、接地点１０１を基準電位として、蓄電装置１２の端子間電圧Ｖ＿ｂｔｒだけ引き下げられる。一方、インバータ装置４の高電位側端子の電位は、接地点１０１を基準電位と考えると、架線電圧Ｖ＿ｓに等しい。すなわち、インバータ装置４の入出力端子間（正極〜負極）の電位差は、蓄電装置１２の端子間電圧Ｖ＿ｂｔｒと、架線電圧Ｖ＿ｓの和、Ｖ＿ｂｔｒ＋Ｖ＿ｓとなる。このようにして、インバータ装置４の入出力端子間（正極〜負極）の電位差を蓄電装置１２の端子間電圧Ｖ＿ｂｔｒだけ引き上げることにより、インバータ装置４の最大通流電流を変えることなく、最大回生電力を（Ｖ＿ｂｔｒ＋Ｖ＿ｓ）／Ｖ＿ｓだけ拡大できる。また、このとき蓄電装置１２には、端子間電圧Ｖ＿ｂｔｒと、蓄電装置電流Ｉ＿ｂｔｒ（＝架線電流Ｉｓ）の積、Ｖ＿ｂｔｒ・Ｉ＿ｂｔｒに相当する電力が充電される。

次に、スイッチング素子８ａ、８ｂのオン／オフによる、蓄電装置１２の充放電制御について説明する。

蓄電装置１２の充放電は、断流器１３が投入されている期間に、スイッチング素子８ａまたは８ｂを周期的にオン／オフすることで独立に制御できる。この充放電制御では、平滑リアクトル１１は、蓄電装置１２に通流する電流の変化率を所定値内に抑える機能をもつ。

まず、スイッチング素子８ｂを周期的にオン／オフすることにより、蓄電装置１２の電力を放電する制御について説明する。

前述のスイッチング素子８ｂを所定時間Ｔｏｎ＿ｂだけオンすると、蓄電装置１２の出力端子間は短絡されるが、平滑リアクトル１１は、その電流増加率を一定値内に抑ると同時に、Ｔｏｎ＿ｂの期間に通流した電流と、蓄電池１２の端子電圧の積を時間積分した電力エネルギを蓄える。その後、スイッチング素子８ｂを所定時間Ｔｏｆｆ＿ｂだけオフすると、直流電力部側に平滑リアクトル１１に蓄えられた電力エネルギは、スイッチング素子８ａのダイオード部を介して、前述の集電装置１および接地点１０１とインバータ装置４の間にある直流電力部側に放出される。このとき、直流電力側で得られる電圧値Ｖ＿ｆｃは、蓄電装置１２の端子電圧Ｖ＿ｂｔｒを基準として、前述のスイッチング素子８ｂをオンする時間Ｔｏｎ＿ｂと、オフする時間Ｔｏｆｆ＿ｂの比率から次式で決定する。
Ｖ＿ｆｃ＝Ｖ＿ｂｔｒ×（（Ｔｏｎ＿ｂ＋Ｔｏｆｆ＿ｂ）／Ｔｏｆｆ＿ｂ）・・・（数式１）

次に、スイッチング素子８ａを周期的にオン／オフすることにより、蓄電装置１２に電力を充電する制御について説明する。

前述のスイッチング素子８ａを所定時間Ｔｏｎ＿ａだけオンすると、前述の集電装置１および接地点１０１とインバータ装置４の間にある直流電力部の、接地点１０１に対する電位Ｖ＿ｆｃが、蓄電池１２の端子間電圧（接地点１０１に対する電位）Ｖ＿ｂｔｒよりも高いとき（Ｖ＿ｆｃ＞Ｖ＿ｂｔｒ）、直流電力部から蓄電装置１２の向きに電流が流れる。このとき、平滑リアクトル１１は、その電流増加率を一定値内に抑えると同時に、Ｔｏｎ＿ａの期間に通流した電流と、蓄電池１２の端子電圧の積を時間積分した電力エネルギを蓄える。その後、スイッチング素子８ａを所定時間Ｔｏｆｆ＿ａだけオフすると、直流電力部側に平滑リアクトル１１に蓄えられた電力エネルギは、蓄電装置１２の高電位側端子から、低電位側端子に抜け、スイッチング素子８ｂのダイオード部を経て、平滑リアクトル１１に戻る一巡の回路が構成される。すなわち、スイッチング素子８ａを所定時間Ｔｏｆｆ＿ａだけオフしている期間は、平滑リアクトル１１に蓄えられた電力エネルギが、蓄電装置１２に充電電流が流れ続け、平滑リアクトル１１に蓄えられた電力エネルギが放出されるに従い。充電電流は減衰していく。このとき、蓄電装置１２で得られる端子間電圧値Ｖ＿ｂｔｒは、直流電力側Ｖ＿ｆｃを基準として、前述のスイッチング素子８ａをオンする時間Ｔｏｎ＿ａと、オフする時間Ｔｏｆｆ＿ａの比率から次式で決定する。
Ｖ＿ｂｔｒ＝Ｖ＿ｆｃ×（Ｔｏｎ＿ａ／（Ｔｏｎ＿ａ＋Ｔｏｆｆ＿ａ））・・・（数式２）

以上の構成により、インバータ装置４の回生電力Ｐ＿ｒｅｇｅｎと、蓄電装置１２の端子間電圧Ｖ＿ｂｔｒより、蓄電装置１２に充電可能な充電電流指令値を制御装置１０で演算し、電流センサ７ｄの電流検出値Ｉ＿ｂｔｒを、前述の充電電流指令値に追従するように、ゲートアンプ９ａ、９ｂの出力であるゲートパルス信号ＧＰ１、ＧＰ２を制御して、スイッチング素子８ａ、８ｂを駆動できる。

また、電圧センサ６ａの直流部電圧検出値Ｖ＿ｆｃが所定値を超えたとき、電流センサ７ｄの電流検出値Ｉ＿ｂｔｒを、直流部電圧検出値Ｖ＿ｆｃを所定の電圧指令値以下に抑えるように、ゲートアンプ９ａ、９ｂの出力であるゲートパルス信号ＧＰ１、ＧＰ２を制御して、スイッチング素子８ａ、８ｂを駆動できる。

すなわち、蓄電装置を設備して、インバータ装置の入力電圧を増加させて、高速域から速度ゼロまで回生ブレーキまたは電気ブレーキを動作させることにより、回生エネルギ効率を向上させる電気車の駆動システムにおいて、電気車の加速時など、回生ブレーキが動作していない期間は、蓄電装置に蓄電された電力を、電気車の性能に影響を与えることなく放電することを可能とし、かつ、回生ブレーキが動作している期間は、架線に戻せない回生電力を蓄電装置により吸収することにより、常に安定した回生ブレーキを実現する、電気車の駆動システムを提供できる。

なお、蓄電装置１２としては、回生電力吸収機能を優先に考えると、単位体積あたりの充放電入出力特性が高性能な電気二重層コンデンサ装置などの適用も考えられる。しかし、本発明では、さらに、高速域からの停止ブレーキを目的としたインバータ入力電圧の加算機能、停電状態のシステム冗長性確保を目的とした、安全な退避箇所までの自力走行機能を実現する必要がある。このため、蓄電装置１２としては、単位体積あたりの蓄電能力が高いリチウムイオン電池、ニッケル水素電池などで構成することが妥当と言える。

図２は、本発明の電気車の駆動システムの一実施形態における回生時ブレーキ時の制御方式を示すブロック図である。

まず、断流器１３の投入論理について説明する。

ブレーキフラグＢ＿ｆｌｇは、図示していない電気車の運転台よりブレーキ指令が発生したときに、図制御装置１０が受信する信号である。すなわち、電気車がブレーキ動作に入った時点でオン、ブレーキ動作中はオン状態を継続、ブレーキ動作が解除された時点でオフする。

一方、全電気ブレーキフラグＦＥＢ＿ｆｌｇは、インバータ装置４の入出力端子間の電位差を蓄電装置１２の端子間電圧Ｖ＿ｂｔｒだけ引き上げて最大回生電力を拡大する、高速全電気ブレーキ制御を許可する時に出力される。この全電気ブレーキフラグＦＥＢ＿ｆｌｇは、少なくとも、次の（ａ）〜（ｃ）の条件を全て満たしている時にオンとなる。
（ａ）制御装置１０が正常に機能していること。
すなわち、本発明の電気車の駆動システムを正常に制御する指令を与えられる状態であること。
（ｂ）制御装置１０は、インバータ装置４、蓄電装置１２が正常動作していると判断していること。
すなわち、高速全電気ブレーキ制御に必須の機器が正常動作していること。
（ｃ）蓄電装置１２の蓄電量は、所定値よりも小さいこと。
すなわち、高速全電気ブレーキ制御時に充電される電力量分を確保できていること。
（ｄ）電動機５ａ、５ｂの回転速度の絶対値は、所定値よりも大きいこと。
すなわち、電気車が前述の高速全電気ブレーキ制御が機能する速度域で走行していること。

以上のブレーキフラグＢ＿ｆｌｇ、および全電気ブレーキ有効信号ＦＥＢ＿ｆｌｇは、論理和回路２４に入力され、その出力を論理反転回路２２ａで論理反転することにより、全電気ブレーキＬＢオン指令信号ＦＥＢＬＢ＿ｏｎが生成される。

断流器１３の投入状態を示す信号である全電気ブレーキＬＢオン状態信号ＦＥＢＬＢは、論理反転回路２２ｂで論理反転をしたうえで、選択器２３に入力される。すなわち、断流器１３が投入状態のとき「ＦＥＢＬＢ＝１」であるが、このときの選択器２３は、フィルタコンデンサ電圧Ｖ＿ｆｃを電圧検出値Ｖ＿ｈｅｒｂとして出力する。一方、断流器１３が開放状態のとき「ＦＥＢＬＢ＝０」であるが、このときの選択器２３は、フィルタコンデンサ電圧Ｖ＿ｆｃから蓄電装置１２の端子間電圧Ｖ＿ｂｔｒを減算器１６ｃにより減算した「Ｖ＿ｆｃ−Ｖ＿ｂｔｒ」を電圧検出値Ｖ＿ｈｅｒｂとして出力する。高位選択器１４ａは、この選択器２３の出力と、架線電圧制限値Ｖ＿ｓ＿ｌｍｔ＿ｍａｘのうち大きい値を選んで、回生電圧制御目標値Ｖ＿ｈｅｒｂ＿ｃｍｄとして出力する。

減算器１６ａは、回生電圧制御目標値Ｖ＿ｈｅｒｂ＿ｃｍｄから、電圧検出値Ｖ＿ｈｅｒｂを減算して、回生電圧制御指標ΔＶ＿ｈｅｒｂを出力する。安定化制御器１８ａは、回生電圧制御指標ΔＶ＿ｈｅｒｂを入力とし、回生電圧制御目標値Ｖ＿ｈｅｒｂ＿ｃｍｄと、電圧検出値Ｖ＿ｈｅｒｂの差分を速やかに一致させるための充放電電流制御目標値Ｉ＿ｈｅｒｂ＿ｃｍｄを出力する。

減算器１６ｂは、充放電電流制御目標値Ｉ＿ｈｅｒｂ＿ｃｍｄから、蓄電装置電流Ｉ＿ｂｔｒを減算して、充放電電流制御指標ΔＩ＿ｈｅｒｂを出力する。安定化制御器１８ｂは、充放電電流制御指標ΔＩ＿ｈｅｒｂを入力とし、充放電電流制御目標値Ｉ＿ｈｅｒｂ＿ｃｍｄと、蓄電装置電流Ｉ＿ｂｔｒの差分を速やかに一致させるための蓄電装置１２の端子間電圧増減目標値ΔＶ＿ｂｔｒ＿ｃｍｄを出力する。

加算器１７は、蓄電装置１２の端子間電圧増減目標値ΔＶ＿ｂｔｒ＿ｃｍｄと、蓄電装置１２の端子間電圧Ｖ＿ｖｔｒを加算して、蓄電装置１２の端子間電圧制御目標値Ｖ＿ｂｔｒ＿ｃｍｄを出力する。

乗算器１９には、前述の蓄電装置１２の端子間電圧制御目標値Ｖ＿ｂｔｒ＿ｃｍｄを入力する。一方、除算器２０には、電圧検出値Ｖ＿ｈｅｒｂの最小値を、高位選択器１４ａで零より大きい所定の数値「ａ」に制限した制限付電圧検出値Ｖ＿ｈｅｒｂ＿ｌｍｔを入力する。これにより、次式に基づいて蓄電装置１２の端子間電圧操作量操作量Ｄｕｔｙ＿ｈｅｒｂを算出する。
Ｄｕｔｙ＿ｈｅｒｂ＝Ｖ＿ｂｔｒ＿ｃｍｄ／Ｖ＿ｈｅｒｂ＿ｌｍｔ・・・（数式３）

高位選択器１４ｂと低位選択器１５は、蓄電装置１２の端子間電圧操作量操作量Ｄｕｔｙ＿ｈｅｒｂの下限値および上限値を決定する。まず、高位選択器１４ｂは、蓄電装置１２の端子間電圧操作量操作量Ｄｕｔｙ＿ｈｅｒｂと、零のうち大きい値を選んで出力し、低位選択器１５は、高位選択器１４ｂの出力値と、１のうち小さい値を選んで出力する。すなわち、蓄電装置１２の端子間電圧操作量操作量Ｄｕｔｙ＿ｈｅｒｂは、高位選択器１４ｂと低位選択器１５により、その範囲を０から１に制限して、蓄電装置１２の制限つき端子間電圧操作量操作量Ｄｕｔｙ＿ｈｅｒｂ＿ｌｍｔを出力する。ゲートパルス演算部２１は、蓄電装置１２の制限つき端子間電圧操作量操作量Ｄｕｔｙ＿ｈｅｒｂ＿ｌｍｔをもとに、スイッチング素子８ａのオン／オフを制御する、降圧チョッパゲートパルスＧＰ＿ｈｅｒｂを算出する。

以上の構成によれば、蓄電装置を設備して、インバータ装置の入力電圧を増加させて、高速域から速度ゼロまで回生ブレーキまたは電気ブレーキを動作させることにより、回生エネルギ効率を向上させる電気車の駆動システムにおいて、回生ブレーキが動作している期間は、架線に戻せない回生電力を蓄電装置により吸収することにより、常に安定した回生ブレーキを実現する、電気車の駆動システムを提供できる。

図３は、本発明の電気車の駆動システムの一実施形態における力行時の制御方式を示すブロック図である。

乗算器１９ａには、インバータ力行電力Ｐ＿ｐｗｒを入力する。一方、除算器２０ａには、電圧検出値Ｖ＿ｈｅｒｂの最小値を、高位選択器１４ａで零より大きい所定の数値「ａ」に制限した蓄電装置１２の制限付端子間電圧Ｖ＿ｂｔｒ＿ｌｍｔを入力する。これにより、次式に基づいて放電電流指令Ｉ＿ｐｗｒを算出する。
Ｉ＿ｐｗｒｇ＝Ｐ＿ｐｗｒｇ／Ｖ＿ｂｔｒ＿ｌｍｔ・・・（数式４）

低位選択器１５ａは、放電電流指令Ｉ＿ｐｗｒと、蓄電装置１２が許容する最大放電電流Ｉｍａｘ＿ｐｗｒのうち、小さい値を選んで制限つき放電電流指令Ｉ＿ｐｗｒ＿ｃｍｄ＿ｌｍｔを出力する。減算器１６は、前述の制限つき放電電流指令Ｉ＿ｐｗｒ＿ｃｍｄ＿ｌｍｔから、蓄電装置電流Ｉ＿ｂｔｒを減算して、放電電流制御指標ΔＩ＿ｐｗｒを出力する。

安定化制御器１８は、放電電流制御指標ΔＩ＿ｐｗｒを入力とし、放電電流制御目標値Ｉ＿ｐｗｒ＿ｃｍｄと、蓄電装置電流Ｉ＿ｂｔｒの差分を速やかに一致させるための蓄電装置１２の端子間電圧増減目標値ΔＶ＿ｂｔｒ＿ｃｍｄを出力する。加算器１７は、蓄電装置１２の端子間電圧増減目標値ΔＶ＿ｂｔｒ＿ｃｍｄと、蓄電装置１２の端子間電圧Ｖ＿ｖｔｒを加算して、蓄電装置１２の端子間電圧制御目標値Ｖ＿ｂｔｒ＿ｃｍｄを出力する。

乗算器１９ｂには、前述の蓄電装置１２の端子間電圧制御目標値Ｖ＿ｂｔｒ＿ｃｍｄを入力する。一方、除算器２０ｂには、電圧検出値Ｖ＿ｐｗｒの最小値を、高位選択器１４ａで零より大きい所定の数値「ｂ」に制限した制限付電圧検出値Ｖ＿ｐｗｒｇ＿ｌｍｔを入力する。これにより、次式に基づいて蓄電装置１２の端子間電圧操作量Ｄｕｔｙ＿ｈｅｒｂを算出する。
Ｄｕｔｙ＿ｈｅｒｂ＝Ｖ＿ｂｔｒ＿ｃｍｄ／Ｖ＿ｈｅｒｂ＿ｌｍｔ・・・（数式５）

高位選択器１４ｂと低位選択器１５は、蓄電装置１２の端子間電圧操作量Ｄｕｔｙ＿ｐｗｒの下限値および上限値を決定する。まず、高位選択器１４ｂは、蓄電装置１２の端子間電圧操作量Ｄｕｔｙ＿ｐｗｒと、零のうち大きい値を選んで出力し、低位選択器１５は、高位選択器１４ｂの出力値と、１のうち小さい値を選んで出力する。すなわち、蓄電装置１２の端子間電圧操作量Ｄｕｔｙ＿ｐｗｒは、高位選択器１４ｂと低位選択器１５ｂにより、その範囲を０から１に制限して、蓄電装置１２の制限つき端子間電圧操作量操作量Ｄｕｔｙ＿ｐｗｒ＿ｌｍｔを出力する。ゲートパルス演算部２１は、蓄電装置１２の制限つき端子間電圧操作量Ｄｕｔｙ＿ｐｗｒ＿ｌｍｔをもとに、スイッチング素子８ｂのオン／オフを制御する、昇圧チョッパゲートパルスＧＰ＿ｐｗｒを出力する。

以上の構成によれば、蓄電装置を設備して、インバータ装置の入力電圧を増加させて、高速域から速度ゼロまで回生ブレーキまたは電気ブレーキを動作させることにより、回生エネルギ効率を向上させる電気車の駆動システムにおいて、電気車の加速時など、回生ブレーキが動作していない期間は、蓄電装置に蓄電された電力を、電気車の性能に影響を与えることなく放電することを可能とし、かつ、回生ブレーキが動作している期間は、架線に戻せない回生電力を蓄電装置により吸収することにより、常に安定した回生ブレーキを実現する、電気車の駆動システムを提供できる。

図４は、本発明の電気車の駆動システムの一実施形態の総合的な動作を示す波形図である。

図４の横軸は経過時間であり、縦軸は各信号の大きさを示している。

まず、時刻Ｔ０では、図示していない運転台からの操作により力行動作を開始する。すなわち、インバータ入出力電流Ｉ＿ｉｎｖ、インバータ消費電力Ｐ＿ｉｎｖが増加を始める。これにより、インバータ装置４で駆動制御された電動機５ａ、５ｂで発生する引張力により電気車が加速を始め、ロータ周波数Ｆｒが増加を始めている。なお、ロータ周波数Ｆｒは、電気車の走行速度に比例しているので、電気車の走行速度に等価な信号と考えてよい。

時刻Ｔ０からＴ１の期間では、乗り心地に影響するジャークを抑えるため、引張力を徐々に立ち上げている。時刻Ｔ１からＴ２の期間では、電気車が一定加速するように、インバータ装置４を制御する。このため、インバータ入出力電流Ｉ＿ｉｎｖ、インバータ消費電力Ｐ＿ｉｎｖは、ロータ周波数Ｆｒに比例して増加する。ところで、蓄電装置１２に蓄電された電力は、次の回生ブレーキ動作に備えて、電気車が加速する期間内で所定の蓄電量以下となるように放電制御する。このとき、蓄電装置充放電電流Ｉ＿ｂｔｒは、所定の電流値Ｉｍａｘ＿ｐｗｒ以下で放電することにより、蓄電装置１２の内部抵抗分による発熱を抑える。

時刻Ｔ２では、Ｖ／Ｆ制御（電動機５ａ、５ｂを駆動する３相交流電力の電圧振幅を、インバータ周波数に比例するように制御する）終端速度に達する。ただし、インバータ入出力電流Ｉ＿ｉｎｖは、インバータ装置４の仕様における最大電流値Ｉ＿ｉｎｖ＿ｍａｘで制約される。このため、時刻Ｔ２からＴ３の期間では、インバータ入出力電流Ｉ＿ｉｎｖを、最大電流値Ｉ＿ｉｎｖ＿ｍａｘと一致、または小さくなるように、インバータ装置４を制御する。このとき、インバータ入出力電流はＩ＿ｉｎｖ＿ｍａｘで一定制御され、さらにフィルタコンデンサ電圧Ｖ＿ｆｃが架線電圧Ｖ＿ｓに追従して一定ならば、インバータ入出力電流Ｐ＿ｉｎｖも一定となる。このとき、電動機５ａ、５ｂの引張力は車両速度（ロータ周波数Ｆｒ）に反比例するので、車両加速度は徐々に低下していく。

時刻Ｔ３では、さらに電動機５ａ、５ｂのロータ周波数が増えていき、電動機５ａ、５ｂの磁束特性により制約される速度域に達する。もしも、インバータ入出力電流がＩ＿ｉｎｖ＿ｍａｘで一定となるように、インバータ装置４を制御していくと、電動機５ａ、５ｂのすべりが飽和して引張力が得られなくなる。このため、時刻Ｔ３からＴ４では、インバータ入出力電流Ｉ＿ｉｎｖをロータ周波数に反比例して減少させ、電動機５ａ、５ｂの引張力を得られる最大すべり周波数以下となるようにインバータ装置４を制御する。

時刻Ｔ４では、ロータ周波数Ｆｒは最高運転速度であるＦｒ＿ａに達して、電気車は加速（力行）を終了している。すなわち、時刻Ｔ４からＴ５では、電気車は惰行運転している。

時刻Ｔ５では、運転台の操作によりブレーキ動作を開始し、ブレーキフラグＢ＿ｆｌｇがオンしている。このとき、全電気ブレーキ有効ＦＥＢ＿ｆｌｇがオンすることにより、図２に示した論理により全電気ブレーキＬＢは開放される。これにより、全電気ブレーキＬＢオン状態フラグＦＥＢＬＢは、オンからオフに変化している。

全電気ブレーキＬＢの開放により、フィルタコンデンサ電圧Ｖ＿ｆｃは、架線電圧Ｖ＿ｓに等しい「Ｖｏ」から、これに蓄電装置１２の端子間電圧Ｖ＿ｂｔｒを加算した「Ｖｏ＋Ｖ＿ｂｔｒ」に増加する。これにより、インバータ装置４の入出力端子間の電位差は、蓄電装置１２の端子間電圧Ｖ＿ｂｔｒだけ引き上げられるので、インバータ装置４の最大通流電流Ｉｉｎｖ＿ｍａｘを変えることなく、最大回生電力を（Ｖ＿ｂｔｒ＋Ｖｏ）／Ｖｏだけ拡大できる。すなわち、時刻Ｔ６では、最大回生電力「Ｐ＿ｉｎｖ＝（Ｖｏ＋Ｖ＿ｂｔｒ）×Ｉ＿ｂｔｒ」で減速できる。このとき蓄電装置１２には、端子間電圧Ｖ＿ｂｔｒと、蓄電装置電流Ｉ＿ｂｔｒ（＝架線電流Ｉｓ）の積、Ｖ＿ｂｔｒ・Ｉ＿ｂｔｒに相当する電力が充電される。

時刻Ｔ７では、回生負荷が低くなり、架線電圧Ｖ＿ｓがＶｏからＶｏ＋Ｖ１に上昇した状況を示している。このとき、スイッチング素子８ａによる降圧チョッパ機能が動作し、インバータ装置４の電流の一部を蓄電装置１２に通流させ、フィルタコンデンサ電圧Ｖ＿ｆｃが所定値を超えないように制御する。すなわち、全電気ブレーキＬＢの開放により、インバータ装置４の入出力端子間の電圧をＶ＿ｂｔｒだけ加算されるが、さらに架線電圧Ｖ＿ｓの上昇により、フィルタコンデンサ電圧Ｖ＿ｆｃがインバータ装置４の許容電圧を超える状況では、降圧チョッパ制御が機能して、フィルタコンデンサ電圧Ｖ＿ｆｃを適切な電圧まで低減するように制御している。

その後、時刻Ｔ８で車両の速度低下に伴い、インバータ装置４の回生電力も低下していくので、回生軽負荷回生状態は解消される。さらに電気車は減速を続けて、時刻Ｔ９で停止している。

図５は、本発明の電気車の駆動システムにおける第二の実施形態の機器構成を示す図である。

集電装置１から給電した直流電力は、フィルタリアクトル２、およびフィルタコンデンサ３で構成するＬＣ回路（フィルタ回路）で高周波数域の変動分を除去した後、インバータ装置４に入力する。インバータ装置４は、入力された直流電力を可変電圧可変周波数（ＶＶＶＦ）の３相交流電力に変換して、主電動機５ａ、５ｂを駆動する。なお、ここではインバータ装置４が駆動する主電動機が２台の場合を示しているが、本発明としてはインバータ装置４が駆動する主電動機の台数は限定しない。なお、集電装置１は、直流電圧源そのものであっても本発明な実現可能である。

接地点１０１はこの回路の基準電位を決めている。

スイッチング素子８ａ、８ｂは、半導体素子による電流遮断手段であり、集電装置１とインバータ装置４の高電位側端子の間にある直流電力部と、接地点１０１の間に直列に配置される。スイッチング素子８ａは、その入出力端に、導通方向とは反対向きに、ダイオード素子５１ａを並列に接続する。同じく、スイッチング素子８ｂは、その入出力端に、導通方向とは反対向きに、ダイオード素子５１ｂを並列に接続する。

平滑リアクトル１１は、スイッチング素子８ａとスイッチング素子８ｂの接続位置と、蓄電装置１２の正極端子を結ぶ電力線の途中に配置する。なお、蓄電装置１２の負極端子は、インバータ装置４の低電位側端子に接続する。

スイッチング素子８ｃは、半導体素子による電流遮断手段であり、スイッチング素子８ｂの接地点１０１側の端子と、インバータ装置４の低電位側端子を結ぶ電力線のうち、蓄電装置１２の負極端子の接続位置よりもスイッチング素子８ｂに近い側に配置する。また、スイッチング素子８ｃには、その入出力端に、導通方向とは反対向きに、ダイオード素子５１ｃを並列に接続する。

電圧センサ６ａは、フィルタコンデンサ３の両端の直流部電圧Ｖ＿ｆｃを検出する。電圧センサ６ｂは、蓄電装置１２の正極端子と負極端子を結ぶように配置して、蓄電装置１２の端子間電圧Ｖ＿ｂｔｒを検出する。なお、図では電圧センサ６ｂの高位側端子を、蓄電装置１２の正極端子に接続しているが、これを平滑リアクトル１１と、スイッチング素子８ａとスイッチング素子８ｂの接続位置を結ぶ電力線上に接続しても、蓄電装置１２の端子間電圧Ｖ＿ｂｔｒを検出できる。電圧センサ６ｃは、集電装置１と接地点１０１の間に設置し。集電装置１から供給される電力の電圧値Ｖ＿ｓを検出する。

電流センサ７ａ、７ｂ、７ｃは、インバータ装置４と、主電動機５ａ、５ｂの間の３相交流電力線を流れる各相の電流Ｉ＿ｕ、Ｉ＿ｖ、Ｉ＿ｗを検出して、インバータ装置４に入力する。電流センサ７ｄは、集電装置１とインバータ装置４の高電位側端子の間にある直流電力部のうち、スイッチング素子８ａの接続点よりも、インバータ装置４に近い側に配置して、インバータ装置４の入出力電流を検出する。電流検出器７ｅは、蓄電装置１２と、スイッチング素子８ａとスイッチング素子８ｂの接続位置を結ぶ電力線上に配置して、蓄電装置１２の入出力電流を検出する。なお、電流検出器７ｅは、蓄電装置１２の負極端子の直近に配置しても蓄電装置１２の入出力電流を検出できる。

制御装置１０は、インバータ装置４の力行電力Ｐ＿ｐｗｒ、回生電力Ｐ＿ｒｅｇｅｎ、電圧センサ６ａの電圧検出値Ｖ＿ｆｃ、電圧センサ６ｂの電圧検出値Ｖ＿ｂｔｒ、電圧センサ６ｃの電圧検出値Ｖ＿ｓ、電流センサ７ｄの電流検出値Ｉ＿ｓ、電流センサ７ｅの電流検出値Ｉ＿ｂｔｒを入力とし、ゲートアンプ９ａ、９ｂ、９ｃにスイッチング素子８ａ、８ｂ、８ｃのオン／オフを指令するゲートパルス信号ＧＰ１、ＧＰ２、ＧＰ３を出力する。ゲートアンプ９ａ、９ｂ、９ｃは、ゲートパルス信号ＧＰ１、ＧＰ２、ＧＰ３を入力とし、これを基にスイッチング素子８ａ、８ｂ、８ｃをオン／オフ可能な電圧制御信号に変換し、スイッチング素子８ａ、８ｂ、８ｃをオン／オフ制御する。

以下、スイッチング素子８ａ、８ｂ、８ｃの制御動作について説明する。
まず、スイッチング素子８ｃのオン／オフによる、高速全電気ブレーキ制御について説明する。

電動機５ａ、５ｂが、電気車を加速させるトルクを発生するように、インバータ装置４を制御する期間は、スイッチング素子８ｃをオン状態のまま保持する。これにより、インバータ装置４には、接地点１０１を基準電位として、集電装置１から電圧値Ｖ＿ｓの電力が供給される。すなわち、インバータ装置４の入出力端子間（正極〜負極）の電圧は、概ね架線電圧Ｖ＿ｓに等しくなる。

一方、電動機５ａ、５ｂが、電気車を減速させるトルクを発生するように、インバータ装置４を制御する期間は、スイッチング素子８ｃをオフ状態とする。これにより、インバータ装置４の低電位側端子の電位は、接地点１０１を基準電位として、蓄電装置１２の端子間電圧Ｖ＿ｂｔｒだけ引き下げられる。一方、インバータ装置４の高電位側端子の電位は、接地点１０１を基準電位と考えると、架線電圧Ｖ＿ｓに等しい。すなわち、インバータ装置４の入出力端子間（正極〜負極）の電位差は、蓄電装置１２の端子間電圧Ｖ＿ｂｔｒと、架線電圧Ｖ＿ｓの和、Ｖ＿ｂｔｒ＋Ｖ＿ｓとなる。このようにして、インバータ装置４の入出力端子間（正極〜負極）の電位差を蓄電装置１２の端子間電圧Ｖ＿ｂｔｒだけ引き上げることにより、インバータ装置４の最大通流電流を変えることなく、最大回生電力を（Ｖ＿ｂｔｒ＋Ｖ＿ｓ）／Ｖ＿ｂｔｒだけ拡大できる。また、このとき蓄電装置１２には、端子間電圧Ｖ＿ｂｔｒと、蓄電装置電流Ｉ＿ｂｔｒ（＝架線電流Ｉｓ）の積、Ｖ＿ｂｔｒ・Ｉ＿ｂｔｒに相当する電力が充電される。
次に、スイッチング素子８ａ、８ｂのオン／オフによる、蓄電装置１２の充放電制御について説明する。

蓄電装置１２の充放電は、スイッチング素子８ｃがオンしている期間に、スイッチング素子８ａまたは８ｂを周期的にオン／オフすることで独立に制御できる。この充放電制御において、平滑リアクトル１１は、蓄電装置１２に通流する電流の変化率を所定値内に抑える機能をもつ。

まず、スイッチング素子８ｂを周期的にオン／オフすることにより、蓄電装置１２の電力を放電する制御について説明する。

前述のスイッチング素子８ｂを所定時間Ｔｏｎ＿ｂだけオンすると、蓄電装置１２の出力端子間は短絡されるが、平滑リアクトル１１は、その電流増加率を一定値内に抑ると同時に、Ｔｏｎ＿ｂの期間に通流した電流と、蓄電池１２の端子電圧の積を時間積分した電力エネルギを蓄える。その後、スイッチング素子８ｂを所定時間Ｔｏｆｆ＿ｂだけオフすると、直流電力部側に平滑リアクトル１１に蓄えられた電力エネルギは、スイッチング素子８ａのダイオード部を介して、前述の集電装置１および接地点１０１とインバータ装置４の間にある直流電力部側に放出される。このとき、直流電力側で得られる電圧値Ｖ＿ｆｃは、蓄電装置１２の端子電圧Ｖ＿ｂｔｒを基準として、前述のスイッチング素子８ｂをオンする時間Ｔｏｎ＿ｂと、オフする時間Ｔｏｆｆ＿ｂの比率から次式で決定する。
Ｖ＿ｆｃ＝Ｖ＿ｂｔｒ×（（Ｔｏｎ＿ｂ＋Ｔｏｆｆ＿ｂ）／Ｔｏｆｆ＿ｂ）・・・（数式６）

次に、スイッチング素子８ａを周期的にオン／オフすることにより、蓄電装置１２に電力を充電する制御について説明する。

前述のスイッチング素子８ａを所定時間Ｔｏｎ＿ａだけオンすると、前述の集電装置１および接地点１０１とインバータ装置４の間にある直流電力部の、接地点１０１に対する電位Ｖ＿ｄｃが、蓄電池１２の端子間電圧（接地点１０１に対する電位）Ｖ＿ｂｔｒよりも高いとき（Ｖ＿ｆｃ＞Ｖ＿ｂｔｒ）、直流電力部から蓄電装置１２の向きに電流が流れる。このとき、平滑リアクトル１１は、その電流増加率を一定値内に抑ると同時に、Ｔｏｎ＿ａの期間に通流した電流と、蓄電池１２の端子電圧の積を時間積分した電力エネルギを蓄える。その後、スイッチング素子８ａを所定時間Ｔｏｆｆ＿ａだけオフすると、直流電力部側に平滑リアクトル１１に蓄えられた電力エネルギは、蓄電装置１２の高電位側端子から、低電位側端子に抜け、スイッチング素子８ｂのダイオード部を経て、平滑リアクトル１１に戻る一巡の回路が構成される。すなわち、スイッチング素子８ａを所定時間Ｔｏｆｆ＿ａだけオフしている期間は、平滑リアクトル１１に蓄えられた電力エネルギが、蓄電装置１２に充電電流が流れ続け、平滑リアクトル１１に蓄えられた電力エネルギが放出されるに従い。充電電流は減衰していく。このとき、蓄電装置１２で得られる端子間電圧値Ｖ＿ｂｔｒは、直流電力側Ｖ＿ｆｃを基準として、前述のスイッチング素子８ａをオンする時間Ｔｏｎ＿ａと、オフする時間Ｔｏｆｆ＿ａの比率から次式で決定する。
Ｖ＿ｂｔｒ＝Ｖ＿ｆｃ×（Ｔｏｎ＿ａ／（Ｔｏｎ＿ａ＋Ｔｏｆｆ＿ａ））・・・（数式７）

以上の構成により、インバータ装置４の回生電力Ｐ＿ｒｅｇｅｎと、蓄電装置１２の端子間電圧Ｖ＿ｂｔｒより、蓄電装置１２に充電可能な充電電流指令値を制御装置１０で演算し、電流センサ７ｄの電流検出値Ｉ＿ｂｔｒを、前述の充電電流指令値に追従するように、ゲートアンプ９ａ、９ｂの出力であるゲートパルス信号ＧＰ１、ＧＰ２を制御して、スイッチング素子８ａ、８ｂを駆動できる。

また、電圧センサ６ａの直流部電圧検出値Ｖ＿ｆｃが所定値を超えたとき、電流センサ７ｄの電流検出値Ｉ＿ｂｔｒを、直流部電圧検出値Ｖ＿ｆｃを所定の電圧指令値以下に抑えるように、ゲートアンプ９ａ、９ｂの出力であるゲートパルス信号ＧＰ１、ＧＰ２を制御して、スイッチング素子８ａ、８ｂを駆動できる。

すなわち、蓄電装置を設備して、インバータ装置の入力電圧を増加させて、高速域から速度ゼロまで回生ブレーキまたは電気ブレーキを動作させることにより、回生エネルギ効率を向上させる電気車の駆動システムにおいて、電気車の加速時など、回生ブレーキが動作していない期間は、蓄電装置に蓄電された電力を、電気車の性能に影響を与えることなく放電することを可能とし、かつ、回生ブレーキが動作している期間は、架線に戻せない回生電力を蓄電装置により吸収することにより、常に安定した回生ブレーキを実現する、電気車の駆動システムを提供できる。

なお、蓄電装置１２としては、回生電力吸収機能を優先に考えると、単位体積あたりの充放電入出力特性が高性能な電気二重層コンデンサ装置などの適用も考えられる。しかし、本発明では、さらに、高速域からの停止ブレーキを目的としたインバータ入力電圧の加算機能、停電状態のシステム冗長性確保を目的とした、安全な退避箇所までの自力走行機能を実現する必要がある。このため、蓄電装置１２としては、単位体積あたりの蓄電能力が高いリチウムイオン電池、ニッケル水素電池などで構成することが妥当と言える。

図６は、本発明の電気車の駆動システムにおける第三の実施形態の機器構成を示す図である。

集電装置１から給電した直流電力は、フィルタリアクトル２、およびフィルタコンデンサ３で構成するＬＣ回路（フィルタ回路）で高周波数域の変動分を除去した後、インバータ装置４に入力する。インバータ装置４は、入力された直流電力を可変電圧可変周波数（ＶＶＶＦ）の３相交流電力に変換して、主電動機５ａ、５ｂを駆動する。なお、ここではインバータ装置４が駆動する主電動機が２台の場合を示しているが、本発明としてはインバータ装置４が駆動する主電動機の台数は限定しない。なお、集電装置１は、直流電圧源そのものであっても本発明な実現可能である。

接地点１０１はこの回路の基準電位を決めている。

スイッチング素子８ａ、８ｂは、半導体素子による電流遮断手段であり、集電装置１とインバータ装置４の高電位側端子の間にある直流電力部と、接地点１０１の間に直列に配置される。スイッチング素子８ａは、その入出力端に、導通方向とは反対向きに、ダイオード素子５１ａを並列に接続する。同じく、スイッチング素子８ｂは、その入出力端に、導通方向とは反対向きに、ダイオード素子５１ｂを並列に接続する。

平滑リアクトル１１ａは、スイッチング素子８ａとスイッチング素子８ｂの接続位置と、蓄電装置１２ａの正極端子を結ぶ電力線の途中に配置する。なお、蓄電装置１２ａの負極端子は、インバータ装置４の低電位側端子に接続する。

断流器１３ａは、スイッチング素子８ｂの接地点１０１側の端子と、インバータ装置４の低電位側端子を結ぶ電力線のうち、蓄電装置１２ａの負極端子の接続位置よりもスイッチング素子８ｂに近い側に配置する。

スイッチング素子８ｃ、８ｄは、半導体素子による電流遮断手段であり、集電装置１とインバータ装置４の高電位側端子の間にある直流電力部と、接地点１０１の間に直列に配置される。スイッチング素子８ｃは、その入出力端に、導通方向とは反対向きに、ダイオード素子５１ｃを並列に接続する。同じく、スイッチング素子８ｄは、その入出力端に、導通方向とは反対向きに、ダイオード素子５１ｄを並列に接続する。

平滑リアクトル１１ｂは、スイッチング素子８ｃとスイッチング素子８ｄの接続位置と、蓄電装置１２ｂの正極端子を結ぶ電力線の途中に配置する。なお、蓄電装置１２ｂの負極端子は、インバータ装置４の低電位側端子に接続する。

断流器１３ｂは、スイッチング素子８ｂの接地点１０１側の端子と、インバータ装置４の低電位側端子を結ぶ電力線のうち、蓄電装置１２ｂの負極端子の接続位置よりもスイッチング素子８ｄに近い側に配置する。

電圧センサ６ａは、フィルタコンデンサ３の両端の直流部電圧Ｖ＿ｆｃを検出する。
電圧センサ６ｂは、蓄電装置１２ａの正極端子と負極端子を結ぶように配置して、蓄電装置１２ａの端子間電圧Ｖ＿ｂｔｒ１を検出する。なお、図では電圧センサ６ｂの高位側端子を、蓄電装置１２ａの正極端子に接続しているが、これを平滑リアクトル１１ａと、スイッチング素子８ａとスイッチング素子８ｂの接続位置を結ぶ電力線上に接続しても、蓄電装置１２の端子間電圧Ｖ＿ｂｔｒ１を検出できる。

電圧センサ６ｃは、蓄電装置１２ｂの正極端子と負極端子を結ぶように配置して、蓄電装置１２ｂの端子間電圧Ｖ＿ｂｔｒ２を検出する。なお、図では電圧センサ６ｃの高位側端子を、蓄電装置１２ｂの正極端子に接続しているが、これを平滑リアクトル１１ｂと、スイッチング素子８ｃとスイッチング素子８ｄの接続位置を結ぶ電力線上に接続しても、蓄電装置１２ｂの端子間電圧Ｖ＿ｂｔｒ２を検出できる。

電圧センサ６ｄは、集電装置１と接地点１０１の間に設置し。集電装置１から供給される電力の電圧値Ｖ＿ｓを検出する。

電流センサ７ａ、７ｂ、７ｃは、インバータ装置４と、主電動機５ａ、５ｂの間の３相交流電力線を流れる各相の電流をＩ＿ｕ、Ｉ＿ｖ、Ｉ＿ｗを検出して、インバータ装置４に入力する。電流センサ７ｄは、集電装置１とインバータ装置４の高電位側端子の間にある直流電力部のうち、スイッチング素子８ａの接続点よりも、インバータ装置４に近い側に配置して、インバータ装置４の入出力電流を検出する。電流検出器７ｅは、蓄電装置１２ａと、スイッチング素子８ａとスイッチング素子８ｂの接続位置を結ぶ電力線上に配置して、蓄電装置１２ａの入出力電流を検出する。なお、電流検出器７ｅは、蓄電装置１２ａの負極端子の直近に配置しても蓄電装置１２ａの入出力電流を検出できる。電流検出器７ｆは、蓄電装置１２ｂと、スイッチング素子８ｃとスイッチング素子８ｄの接続位置を結ぶ電力線上に配置して、蓄電装置１２ｂの入出力電流を検出する。なお、電流検出器７ｆは、蓄電装置１２ｂの負極端子の直近に配置しても蓄電装置１２ｂの入出力電流を検出できる。

制御装置１０は、インバータ装置４の力行電力Ｐ＿ｐｗｒ、回生電力Ｐ＿ｒｅｇｅｎ、電圧センサ６ａの電圧検出値Ｖ＿ｆｃ、電圧センサ６ｂの電圧検出値Ｖ＿ｂｔｒ１、電圧センサ６ｃの電圧検出値Ｖ＿ｂｔｒ２、電圧センサ６ｄの電圧検出値Ｖ＿ｓ、電流センサ７ｄの電流検出値Ｉ＿ｓ、電流センサ７ｅの電流検出値Ｉ＿ｂｔｒ１、電流センサ７ｆの電流検出値Ｉ＿ｂｔｒ２を入力とし、ゲートアンプ９ａ、９ｂにスイッチング素子８ａ、８ｂのオン／オフを指令するゲートパルス信号ＧＰ１１、ＧＰ１２、ゲートアンプ９ｃ、９ｄにスイッチング素子８ｃ、８ｄのオン／オフを指令するゲートパルス信号ＧＰ２１、ＧＰ２２、断流器１３ａの投入／開放を指令する信号ＬＢ＿ｏｎ＿ｃｍｄ１、断流器１３ｂの投入／開放を指令する信号ＬＢ＿ｏｎ＿ｃｍｄ２を出力する。

ゲートアンプ９ａ、９ｂは、ゲートパルス信号ＧＰ１１、ＧＰ１２を入力とし、これを基にスイッチング素子８ａ、８ｂをオン／オフ可能な電圧制御信号に変換し、スイッチング素子８ａ、８ｂをオン／オフ制御する。同じく、ゲートアンプ９ｃ、９ｄは、ゲートパルス信号ＧＰ２１、ＧＰ２２を入力とし、これを基にスイッチング素子８ｃ、８ｄをオン／オフ可能な電圧制御信号に変換し、スイッチング素子８ｃ、８ｄをオン／オフ制御する。

以下、断流器１３と、スイッチング素子８ａ、８ｂの制御動作について説明する。

まず、断流器１３のオン／オフによる、高速全電気ブレーキ制御について説明する。

電動機５ａ、５ｂが、電気車を加速させるトルクを発生するように、インバータ装置４を制御する期間は、断流器１３ａ、１３ｂを投入状態のまま保持する。これにより、インバータ装置４には、接地点１０１を基準電位として、集電装置１から電圧値Ｖ＿ｓの電力が供給される。すなわち、インバータ装置４の入出力端子間（正極〜負極）の電圧は、概ね架線電圧Ｖ＿ｓに等しくなる。

一方、電動機５ａ、５ｂが、電気車を減速させるトルクを発生するように、インバータ装置４を制御する期間は、断流器１３ａ、１３ｂを開放状態とする。これにより、インバータ装置４の低電位側端子の電位は、接地点１０１を基準電位として、蓄電装置１２ａ、１２ｂの平均端子間電圧Ｖ＿ｂｔｒ（蓄電装置１２ａ、１２ｂの端子間電圧Ｖ＿ｂｔｒ１、Ｖ＿ｂｔｒ２の平均値）だけ引き下げられる。一方、インバータ装置４の高電位側端子の電位は、接地点１０１を基準電位と考えると、架線電圧Ｖ＿ｓに等しい。すなわち、インバータ装置４の入出力端子間（正極〜負極）の電位差は、蓄電装置１２ａ、１２ｂの平均端子間電圧Ｖ＿ｂｔｒと、架線電圧Ｖ＿ｓの和、Ｖ＿ｂｔｒ＋Ｖ＿ｓとなる。このようにして、インバータ装置４の入出力端子間（正極〜負極）の電位差を蓄電装置１２ａ、１２ｂの平均端子間電圧Ｖ＿ｂｔｒだけ引き上げることにより、インバータ装置４の最大通流電流を変えることなく、最大回生電力を（Ｖ＿ｂｔｒ＋Ｖ＿ｓ）／Ｖ＿ｓだけ拡大できる。また、このとき蓄電装置１２ａ、１２ｂには、端子間電圧Ｖ＿ｂｔｒと、平均蓄電装置電流Ｉ＿ｂｔｒ（＝架線電流Ｉｓ、蓄電装置１２ａ、１２ｂの蓄電装置電流Ｉ＿ｂｔｒ１、Ｉ＿ｂｔｒ２の平均値）の積、Ｖ＿ｂｔｒ・Ｉ＿ｂｔｒに相当する電力が充電される。

次に、スイッチング素子８ａ、８ｂのオン／オフによる、蓄電装置１２ａの充放電制御、スイッチング素子８ｃ、８ｄのオン／オフによる、蓄電装置１２ｂの充放電制御について説明する。

ここで、スイッチング素子８ａ、８ｂと、スイッチング素子８ｃ、８ｄを並列接続としているのは、スイッチング素子８ａ、８ｂの直列群と、スイッチング素子８ｃ、８ｄの直列群を、それぞれ１８０度位相差で動作させて、直列群ごとのスイッチング素子のオン／オフで制御された電流のリップル成分を互いに打ち消すことで、集電装置１、あるいはインバータ装置４に流れる電流のリップル分を減らすことが第一の目的である。このため、スイッチング素子８ｃ、８ｄのオン／オフ動作周期は、スイッチング素子８ａ、８ｂに対して、１８０度の位相差を設けるが、基本的な動作はほぼ同じである。このため、以下ではスイッチング素子８ａ、８ｂのオン／オフによる充放電動作を中心に説明する。

蓄電装置１２ａの充放電は、断流器１３ａが投入されている期間に、スイッチング素子８ａまたは８ｂを周期的にオン／オフすることで独立に制御できる。この充放電制御では、平滑リアクトル１１ａは、蓄電装置１２ａに通流する電流の変化率を所定値内に抑える機能をもつ。

まず、スイッチング素子８ｂを周期的にオン／オフすることにより、蓄電装置１２ａの電力を放電する制御について説明する。

前述のスイッチング素子８ｂを所定時間Ｔｏｎ＿ｂだけオンすると、蓄電装置１２ａの出力端子間は短絡されるが、平滑リアクトル１１ａは、その電流増加率を一定値内に抑ると同時に、Ｔｏｎ＿ｂの期間に通流した電流と、蓄電池１２ａの端子電圧の積を時間積分した電力エネルギを蓄える。その後、スイッチング素子８ｂを所定時間Ｔｏｆｆ＿ｂだけオフすると、直流電力部側に平滑リアクトル１１ａに蓄えられた電力エネルギは、スイッチング素子８ａのダイオード部を介して、前述の集電装置１および接地点１０１とインバータ装置４の間にある直流電力部側に放出される。このとき、直流電力側で得られる電圧値Ｖ＿ｆｃは、蓄電装置１２ａの端子電圧Ｖ＿ｂｔｒ１を基準として、前述のスイッチング素子８ｂをオンする時間Ｔｏｎ＿ｂと、オフする時間Ｔｏｆｆ＿ｂの比率から次式で決定する。
Ｖ＿ｆｃ＝Ｖ＿ｂｔｒ１×（（Ｔｏｎ＿ｂ＋Ｔｏｆｆ＿ｂ）／Ｔｏｆｆ＿ｂ）・・・（数式８）

次に、スイッチング素子８ａを周期的にオン／オフすることにより、蓄電装置１２ａに電力を充電する制御について説明する。

前述のスイッチング素子８ａを所定時間Ｔｏｎ＿ａだけオンすると、前述の集電装置１および接地点１０１とインバータ装置４の間にある直流電力部の、接地点１０１に対する電位Ｖ＿ｆｃが、蓄電池１２ａの端子間電圧（接地点１０１に対する電位）Ｖ＿ｂｔｒよりも高いとき（Ｖ＿ｆｃ＞Ｖ＿ｂｔｒ）、直流電力部から蓄電装置１２ａの向きに電流が流れる。このとき、平滑リアクトル１１ａは、その電流増加率を一定値内に抑ると同時に、Ｔｏｎ＿ａの期間に通流した電流と、蓄電池１２ａの端子電圧の積を時間積分した電力エネルギを蓄える。その後、スイッチング素子８ａを所定時間Ｔｏｆｆ＿ａだけオフすると、直流電力部側に平滑リアクトル１１ａに蓄えられた電力エネルギは、蓄電装置１２ａの高電位側端子から、低電位側端子に抜け、スイッチング素子８ｂのダイオード部を経て、平滑リアクトル１１ａに戻る一巡の回路が構成される。すなわち、スイッチング素子８ａを所定時間Ｔｏｆｆ＿ａだけオフしている期間は、平滑リアクトル１１ａに蓄えられた電力エネルギが、蓄電装置１２ａに充電電流が流れ続け、平滑リアクトル１１ａに蓄えられた電力エネルギが放出されるに従い。充電電流は減衰していく。このとき、蓄電装置１２ａで得られる端子間電圧値Ｖ＿ｂｔｒは、直流電力側Ｖ＿ｆｃを基準として、前述のスイッチング素子８ａをオンする時間Ｔｏｎ＿ａと、オフする時間Ｔｏｆｆ＿ａの比率から次式で決定する。
Ｖ＿ｂｔｒ１＝Ｖ＿ｆｃ×（Ｔｏｎ＿ａ／（Ｔｏｎ＿ａ＋Ｔｏｆｆ＿ａ））・・・（数式９）

以上の構成により、インバータ装置４の回生電力Ｐ＿ｒｅｇｅｎと、蓄電装置１２の端子間電圧Ｖ＿ｂｔｒより、蓄電装置１２に充電可能な充電電流指令値を制御装置１０で演算し、電流センサ７ｄの電流検出値Ｉ＿ｂｔｒを、前述の充電電流指令値に追従するように、ゲートアンプ９ａ、９ｂの出力であるゲートパルス信号ＧＰ１１、ＧＰ１２を制御して、スイッチング素子８ａ、８ｂを駆動できる。

また、電圧センサ６ａの直流部電圧検出値Ｖ＿ｆｃが所定値を超えたとき、電流センサ７ｄの電流検出値Ｉ＿ｂｔｒを、直流部電圧検出値Ｖ＿ｆｃを所定の電圧指令値以下に抑えるように、ゲートアンプ９ａ、９ｂの出力であるゲートパルス信号ＧＰ１１、ＧＰ１２を制御して、スイッチング素子８ａ、８ｂを駆動できる。

すなわち、蓄電装置を設備して、インバータ装置の入力電圧を増加させて、高速域から速度ゼロまで回生ブレーキまたは電気ブレーキを動作させることにより、回生エネルギ効率を向上させる電気車の駆動システムにおいて、電気車の加速時など、回生ブレーキが動作していない期間は、蓄電装置に蓄電された電力を、電気車の性能に影響を与えることなく放電することを可能とし、かつ、回生ブレーキが動作している期間は、架線に戻せない回生電力を蓄電装置により吸収することにより、常に安定した回生ブレーキを実現する、電気車の駆動システムを提供できる。

ところで、前述したように本実施の形態は、スイッチング素子８ａ、８ｂと、スイッチング素子８ｃ、８ｄを並列接続することにより、スイッチング素子８ａ、８ｂの直列群と、スイッチング素子８ｃ、８ｄの直列群を、それぞれ１８０度位相差を設けて動作させることにより、集電装置１、あるいはインバータ装置４に流れる電流のリップル分を半減できる。しかし、スイッチング素子８ａ、８ｂの直列群、あるいはスイッチング素子８ｃ、８ｄの直列群のうち、一方だけを動作させることも可能である。この場合、集電装置１、あるいはインバータ装置４に流れる電流のリップル分低減はできないが、例えば、故障等により、スイッチング素子８ａ、８ｂの直列群を動作できないとき、スイッチング素子８ａ、８ｂの直列群に接続されている蓄電装置１２ａが充放電できないとき、あるいは断流器１３ａの遮断／投入動作が不全であるときは、スイッチング素子８ｃ、８ｄの直列群と断流器１３ｂのみを動作させることにより、前述の効果を実現できる。すなわち、本実施の形態によれば、システムの故障時を想定した冗長性を確保できる。

なお、蓄電装置１２ａ、１２ｂとしては、回生電力吸収機能を優先に考えると、単位体積あたりの充放電入出力特性が高性能な電気二重層コンデンサ装置などの適用も考えられる。しかし、本発明では、さらに、高速域からの停止ブレーキを目的としたインバータ入力電圧の加算機能、停電状態のシステム冗長性確保を目的とした、安全な退避箇所までの自力走行機能を実現する必要がある。このため、蓄電装置１２ａ、１２ｂとしては、単位体積あたりの蓄電能力が高いリチウムイオン電池、ニッケル水素電池などで構成することが妥当と言える。

本発明の電気車の駆動システムにおける一実施形態の基本構成を示す図。 本発明の電気車の駆動システムの一実施形態における回生時ブレーキ時の制御方式を示すブロック図。 本発明の電気車の駆動システムの一実施形態における力行時の制御方式を示すブロック図。 本発明の電気車の駆動システムの一実施形態の総合的な動作を示す波形図。 本発明の電気車の駆動システムにおける第二の実施形態の機器構成を示す図。 本発明の電気車の駆動システムにおける第三の実施形態の機器構成を示す図。 従来の技術を示す図。

符号の説明

１…集電装置、２…フィルタリアクトル、３…フィルタコンデンサ、４…インバータ装置、５…主電動機、６…電圧センサ、７…電流センサ、８…スイッチング素子、９…ゲートアンプ、１０…制御装置、１１…平滑リアクトル、１２…蓄電装置、１３…断流器、１４…高位選択器、１５…低位選択器、１６…減算器、１７…加算器、１８…安定化制御器、１９…乗算器、２０…除算器、２１…ゲートパルス演算器、２２…論理反転回路、２３…選択器、５１…ダイオード素子、１０１…直流電源（Ａ）、１０２…電流遮断器（Ａ）、１０３…インバータ装置、１０４…電動機、１０５…電力蓄積器、１０６…電流遮断器（Ｂ）、１０７…整流器、１０８…整流器、１０９…直流電源（Ａ）、１１０…電流遮断器（Ｃ）

Claims (6)

1. 電気車の電動機を駆動する電力を変換する電力変換手段と、前記電力変換手段に電力を供給する直流電圧源または直流電圧取得手段と、充電と放電が可能な電力蓄積手段を備えた電気車の駆動システムにおいて、
   前記電力蓄積手段を前記直列電圧源または前記直流電圧取得手段と同じ電圧印加方向に直列接続するか否かの切換えをする第一の電流制御手段と、
   前記直列電圧源または前記直流電圧取得手段と前記電力蓄積手段との間に前記電力蓄積手段を介して前記電力変換手段に接続されるように接続される第二の電流制御手段と、
   前記直列電圧源または前記直流電圧取得手段と接地点の間に前記第二の電流制御手段と直列に接続される第三の電流制御手段とを設けることを特徴とする電気車の駆動システム。
2. 請求項１に記載の電気車の駆動システムにおいて、
   前記第一の電流制御手段は、機械接点により構成される電流遮断手段であることを特徴とする電気車の駆動システム。
3. 請求項１又は請求項２に記載の電気車の駆動システムにおいて、
   前記第二の電流制御手段と、前記第三の電流制御手段は、半導体素子による電流遮断手段と、電流方向制御手段を並列接続した構成であることを特徴とする電気車の駆動システム。
4. 請求項１に記載の電気車の駆動システムにおいて、
   前記第一の電流制御手段と、前記第二の電流制御手段と、前記第三の電流制御手段は、半導体素子による電流遮断手段と、電流方向制御手段を並列接続した構成であることを特徴とする電気車の駆動システム。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の電気車の駆動システムにおいて、
   高速域からのブレーキ動作においては、前記第一の電流制御手段は電流を遮断し、前記第二および第三の電流制御手段は、前記電力変換装置の入力電圧に応じて電流の通流を制御することを特徴とする電気車の駆動システム。
6. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の電気車の駆動システムにおいて、
   電気車を加速させるときは、前記第一の電流制御手段は電流を導通し、前記第二および第三の電流制御手段は、前記電力変換装置の入力電流に応じて電流の通流を制御することを特徴とする電気車の駆動システム。

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