JP2009225630A - 負荷調整装置を有する電気車 - Google Patents

Abstract

【課題】電気ブレーキ使用時の回生電力の供給先を確保し、また車内負荷装置の負荷量を制御し、架線電圧を回生動作に適した値に維持することにより、回生効率を向上する。
【解決手段】本発明の電気車は、インバータ３３により駆動される交流電動機１３と、前記交流電動機のトルクを制御するトルク制御手段３３と、前記インバータの直流側電圧が供給される負荷２０と、前記電気車が前記トルク制御手段３３を使用して減速する場合、前記インバータの直流側電圧に応じて前記負荷の負荷量を調整する負荷量調整手段４２を具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、回生電力を有効に利用する電気車に関する。

インバータにより交流電動機を駆動して走行する電気車のブレーキ装置には、電気ブレーキと機械ブレーキがある。電気ブレーキはモータを発電機として動作させることにより、電気車の運動エネルギーを電気エネルギーとして回収できる。一方、機械ブレーキは摩擦力を用いて電気車を減速させるため、電気車の運動エネルギーは熱として放出されてしまい、回収することは困難である。よって電気車がブレーキを使用して減速する場合、省エネという観点では、電気ブレーキを出来るだけ多く使用することが望ましい。

一般に、架線からの電力を使用して走行する電気車が電気ブレーキを使用して減速しようとする場合、電気ブレーキの使用により発生する回生電力は、電気車に搭載されたエネルギー蓄積装置に供給されるか、架線を介して電気車の外部に送られる。

しかしながら、車両の速度や架線電圧、回生電力を消費する負荷車が自車の付近に存在するか等により、所望の回生動作が行えない場合もあり、回生効率が低下する。

一方、電気ブレーキを使用した回生動作が原因となり、架線電圧が上昇する場合がある。電気ブレーキ使用時に架線電圧が上昇した場合は、ブレーキ力を小さくして回生動作を継続する軽負荷回生を行う。しかしながら、軽負荷回生では、電気ブレーキによるブレーキ力が減少し、不足するブレーキ力を機械ブレーキで補うため、電気ブレーキのみで減速する場合と比べて、エネルギー効率が悪い。

また、インバータにより交流モータを駆動して走行する電気車が、電気ブレーキを使用して減速しようとする場合、ＶＶＶＦ制御を行うのが一般的である。ＶＶＶＦ制御では、モータから出力されるトルク(ブレーキ力)は、電気車の速度に応じた値に制限されている。さらに架線電圧が高い場合、モータ電圧を規定値（入力電圧許容最大値）以下に保つために、電気ブレーキのブレーキ力は制限される。このような場合、回生電力の発生は減少する。電気ブレーキだけでは不足するブレーキ力は機械ブレーキで補完される。

よって、所望のタイミングで回生動作が出来ず、電気車のエネルギー効率を低下させている。

本発明は、電気ブレーキ使用時の回生電力の供給先を確保し、また車内負荷装置の負荷量を制御し、架線電圧を回生動作に適した値に維持することにより、回生効率を向上することを目的とする。

本発明の一実施例に係る電気車は、インバータにより駆動される交流電動機と、
前記交流電動機のトルクを制御するトルク制御手段と、前記インバータの直流側電圧が供給される負荷と、前記電気車が前記トルク制御手段を使用して減速する場合、前記インバータの直流側電圧に応じて前記負荷の負荷量を調整する負荷量調整手段と、を具備する。

電気ブレーキ使用時の回生電力の供給先を確保し、また車内負荷装置の負荷量を制御し、架線電圧を回生動作に適した値に維持することにより、回生効率を向上する

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図１は本発明による負荷調整装置が適用される電気車の内部回路構成を示す図である。

集電器１０から供給される直流架線電圧は、リアクトル１１及びフィルタコンデンサ（ＦＣ）１４で構成されるＬＣフィルタによりノイズ除去され、ＶＶＶＦインバータ１２に提供される。インバータ制御部（トルク制御手段）３３は、軽負荷回生制御部３０から入力されるトルク指令、架線電圧等に基づいて、ＶＶＶＦインバータ１２に対するゲートゲート信号を生成する。ＶＶＶＦインバータ１２はインバータ制御部３３の制御の下に、入力直流電圧を三相交流電圧に変換し、交流モータ１３を駆動する。

軽負荷回生制御部３０は電圧検出器１５で検出された架線電圧（ＦＣ１４の端子間電圧）に応じて、入力されるトルク基準にトルク係数を乗算しトルク指令を生成する。

図２は、ＶＶＶＦ制御時のトルク基準（電気ブレーキ力）を示す図である。モータから出力されるトルクは、図２に示すように電気車の速度及び架線電圧に応じた値が設定されている。図２において、縦軸はトルク（ここではブレーキ力）、横軸は速度（車速またはモータ回転数）である。１００は架線電圧がＶ３（定格電圧）時の電気ブレーキ力特性、１０１は架線電圧がＶ１（Ｖ１＞Ｖ３）時の電気ブレーキ力特性である。ＦＢ１〜ＦＢ５は、運転台からのブレーキノッチ指令（ブレーキレバーの角度）に対応するトルクである。

例えば速度Ｂ１、架線電圧Ｖ３のとき、ブレーキノッチ指令がＦＢ１であれば、電気ブレーキとしてＦＢ１のトルクが発生するようにモータが制御される。又、速度Ｂ１、架線電圧Ｖ３のとき、ブレーキノッチ指令がＦＢ２以上の値であれば、電気ブレーキとしてＴｒｑ１のトルクが発生するようにモータが制御される。ここで、ブレーキノッチ指令がＦＢ４の場合、「ＦＢ４−Ｔｒｑ１」のトルクは機械ブレーキにより補完される。このように、速度、架線電圧、ブレーキノッチ指令に基づいて決定された電気ブレーキのトルク値がトルク基準として軽負荷回生制御部３０に供給される。

図３は、軽負荷回生制御部３０で演算されるトルク絞り係数を示すグラフである。

架線電圧が高い場合、モータ１３の入力側電圧を許容電圧最大値以下に保つために、電気ブレーキのブレーキ力は絞り込まれる。軽負荷回生制御部３０は、ＦＣ電圧（架線電圧）に応じて、トルク絞り係数を演算する。図３において、Ｖ３は定格電圧であって、例えば１５００Ｖである。Ｖ１は絞込みが開始する電圧であって、例えば定格電圧の１．１倍の１６５０Ｖである。架線電圧がＶ１を超えると、その超過量に応じてトルク絞り係数は１から減少し、電圧Ｖ２で０となる。電圧Ｖ２は例えば１８００Ｖである。軽負荷回生制御部３０は、このようにして演算したトルク絞り係数と、入力されるトルク基準とを乗算器３２にて乗算し、乗算結果をトルク指令としてインバータ制御部３３に供給する。

図１の説明に戻り、ＬＣフィルタによりノイズ除去された架線電圧は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８に供給される。ＤＣ／ＤＣコンバータ２８は、電流方向が互いに逆となるように接続されたダイオード３６ａとスイッチング素子３７ａの並列回路３４と、同様に接続されたダイオード３６ｂとスイッチング素子３７ｂの並列回路３５とから構成され、並列回路３４と並列回路３５は直列に接続されている。これら並列回路の接続ノードにはリアクトル３８の一端が接続されている。リアクトル３８の他端（ＤＣ／ＤＣコンバータ２８の出力端）は継電器２９を介して蓄電要素３９に接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ２８、継電器２９、蓄電要素３９は、蓄電手段を構成する。

負荷量調整部４１はスイッチング素子３７ａ、３７ｂ及び継電器２９のオン／オフを制御することにより、蓄電要素３９の充放電を制御する。蓄電要素３９を充電する場合、負荷量調整部４１は継電器２９をオン、スイッチング素子３７ｂをオフ、スイッチング素子３７ａをチョッパー制御つまりパルス列信号によりオン／オフ制御する。このパルス列信号の周波数は例えば数百Ｈｚで、そのデューティ比に応じて充電電流の大きさ及び蓄電要素に蓄電される電力の電圧が制御される。このときの充電電流はリアクトル３８により平滑化される。き電電圧が例えば１５００Ｖ程度の場合、蓄電要素３９の電圧は数百Ｖ〜１０００Ｖ程度に制御される。蓄電要素３９に蓄積された電力を保持する場合、負荷量調整部４１はスイッチング素子３７ａ、３７ｂ、継電器２９をオフする。

蓄電要素３９を放電する場合、負荷量調整部４１は継電器２９をオン、スイッチング素子３７ａをオフ、スイッチング素子３７ｂをチョッパー制御する。この結果、蓄電要素３９に蓄積されている電力の電圧はリアクトル３８により昇圧され、ダイオード３６ａ、ＬＣフィルタ２７、集電器１０等を介して架線４０に供給される。このとき、スイッチング素子３７ｂを制御するパルス列信号の周波数は充電時と同様に例えば数百Ｈｚで、そのデューティ比に応じて放電電流の大きさが制御される。

またＬＣフィルタによりノイズ除去された電圧は、補助電源（ＳＩＶ）２０に供給される。補助電源２０はインバータからなり、入力直流電圧を交流電圧に変換し、車両内に備えられたクーラー、暖房機器、あるいは空調機器、又は照明装置などの負荷に電力を変圧器２１を介して供給する。変圧器２１は、補助電源２０により発生された交流電圧を負荷２２に適した大きさの電圧に変換する。負荷量調整部４１は、電圧検出器１５にて検出した架線電圧に応じて、補助電源を構成するスイッチング回路２９に対するゲート指令のデューティ比を変更し、電流及び電圧の大きさ即ち電力を制御する。

ブレーキ動作時に、図１の負荷車４４のように力行している電気車が付近に存在すれば、電気ブレーキによって生じる回生電力は、該負荷車４４により効率よく消費される。しかし、力行している電気車が付近に存在しない場合、回生電力は消費されないので、架線電圧が上限値を超えてしまことになる。従って従来は、架線電圧が高い場合、図２のように、電気車の減速は電気ブレーキと機械ブレーキが併用された。つまり従来は、ブレーキ動作時に発生可能な回生電力を有効に利用することができない場合があった。

本発明では、負荷量調整部３５はブレーキ動作時に、架線電圧（ＦＣ電圧またはインバータ直流側電圧）の大きさに応じて、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８及び補助電源２９等の架線負荷の負荷量を調整する。負荷量調整部３５はこのような負荷量の調整をブレーキ動作期間中、繰り返し行う。車内負荷装置の負荷量（消費電力）を調整することで、架線電圧を回生動作に適した値で維持し、その結果、回生効率が向上する。

この負荷量の調整は、架線電圧が絞り込み開始電圧（図３参照）となるように行うと、エネルギー効率が向上する。従って負荷量調整部３５は、ブレーキ動作時に架線電圧が、絞込み開始電圧Ｖ１又は絞込み開始電圧Ｖ１を含む所定範囲の電圧より高いか否か判断する。架線電圧が絞込み開始電圧Ｖ１又は所定範囲の電圧より高い場合、負荷量調整部３５は負荷量を増大し、低い場合は負荷量を減少する。尚、上記負荷量の調整は、ブレーキ動作時のみではなく、架線電圧に基づいて常に行っても良い。

更に、このような負荷量の調整は、上記した架線電圧の他に、図１に示すように走行状況に応じて調整しても良い。つまり、電気車の力行時に負荷量を減少し、ブレーキ動作時に負荷量を増大しても良い。更に、モータ回転数あるいは車速等の速度に応じて負荷量を調整しても良い。例えばブレーキ動作時に、モータ回転数が所定値より高い場合は、低いときに比べ負荷量を増大しても良い。

次に本発明が適用される電気車における回生電力の流れについて説明する。

図４は回生電力が負荷量調整部４１の制御の下に、座席下部に設けられた暖房装置（ヒーター）２２ａ及び集電手段１０を介して架線４０に供給される様子を示している。この場合、負荷量調整部４１は暖房装置２２ａ及び架線４０に供給される回生電力の割合を制御する。

図５は回生電力が負荷量調整部４１の制御の下に、空調装置２２ｂ及び架線４０に供給される様子を示している。この場合、負荷量調整部４１は空調装置２２ｂ及び架線４０に供給される回生電力の割合を制御する。

図６は回生電力が負荷量調整部４１の制御の下に、空調装置２２ｂ、エネルギー蓄電装置３９及び架線４０に供給される様子を示している。この場合、負荷量調整部４１は空調装置２２ｂ、エネルギー蓄電装置３９及び架線４０に供給される回生電力の割合を制御する。

次に、本発明の第２実施例を図７を参照して説明する。

図７は架線電圧が交流電圧の場合に適用される本発明による電気車の内部回路構成を示す図である。図１と同一の構成要素には同一の参照符号が付され、詳細な説明は割愛する。

集電手段１０から供給される交流電圧は、変圧器４２を介してＡＣ／ＤＣコンバータ４３に供給される。変圧器４２の２次側端子には電圧検出器１６が接続され、電圧検出値は負荷量調整部４１に提供される。変圧器４２は集電手段１０から供給される電力の電圧を下げると共に、集電手段１０に接続されているき電系統と本電気車とを直流的に遮断する。ＡＣ／ＤＣコンバータ４３は、入力交流電圧を直流電圧に変換する。ＡＣ／ＤＣコンバータ４３より後段の回路構成は図１と同様である。

本実施例の場合、負荷量調整部４１は、電圧検出器１６にて検出された交流電圧検出値又は架線４０の交流き電電圧に基づいて、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８及び補助電源２９等の架線負荷の負荷量を調整する。第２実施例の場合も、第１実施例と同様な効果が得られる。

次に、本発明の第３実施例を説明する。

第３実施例では、ＡＴＯ(Automatic Train Operation：列車自動運転)車両に本発明による負荷量調整手段が適用される。ＡＴＯは、車両性能や路線データ、運行ダイヤにより作成された運転パターンを用いて列車の自動運転（速度制御、駅停止位置の制御）を行う。

ＡＴＯ車両は、上記第１実施例で説明した電気車のように、機械ブレーキ及び電気ブレーキを有している。ＡＴＯ車両が駅ホームの所定位置に停止する場合、ブレーキ動作開始時に例えば電気ブレーキのみが使用されるが、途中で架線電圧が上昇して回生電力が架線に吸収されなくなると、ブレーキ動作が機械ブレーキに切り替わる。このような場合、機械ブレーキへの切り替えには一般に遅れが生じる。この遅れにより、停止位置精度が著しく低下することがある。

本発明が適用されるＡＴＯ車両は、停止位置直前でブレーキ動作が機械ブレーキに切り替わることがないように、回生電力を吸収する車両内負荷の負荷量が同大される。

図８は本発明が適用されるＡＴＯ車両の内部回路構成を示す図である。

路線条件データ記憶手段５１は、列車の走行する線区の勾配データ（‰）、および曲線区間などにおける速度制限に関する情報等を有する。また、運行条件データ記憶手段５２は、列車種別ごとの駅間の標準走行時間等の情報を有する。また、図において、速度・位置検出手段５３は、位置補正手段６０にて補正されたＡＴＯ車上子５４からの車両位置情報およびＴＧ５５の発生するパルスから演算して得られた車両速度に関する情報を有する。車両特性推定手段５６は、路線条件データから車両の走行特性を推定し、データを保有する。制御指令算出手段５７は、路線条件データ、運行条件データ、列車の速度・位置データ、および上記車両特性データから、モータ及びブレーキ装置への制御指令を算出する。

駆動・制動制御装置５８は、制御指令算出手段５７からの制御指令に基づき、駆動・制動装置５９が指令どおりの動作を行うような制御信号を生成する。駆動・制動装置５９とは、モータ、インバータ、および機械式ブレーキ装置を含み、モータの発生するトルク、および機械式ブレーキ駆動・制動制御装置５８からのトルク指令、またはブレーキ指令に基づいて、列車を加速または減速させる。駆動・制動装置５９はモータのトルク（ここではブレーキ力）を検出するトルク検出器６１を含み、検出されたトルクは制御装置５８に供給される。負荷４５は、図１で示したようなＤＣ／ＤＣコンバータ２８、蓄積要素３９、補助電源２０、変圧器２１、負荷２２などを含む。

図９は第３実施例の動作を示すフローチャートであって、電気車停止時の制御動作を示す。

駆動・制動制御装置５８は、電気車が停止位置に近づくと、ブレーキ指令を出し（ＳＴ０１）、現在の車速が例えば１０ｋｍ／ｈ以下であるか判断する（ＳＴ０２）。車速が１０ｋｍ／ｈより大きい場合、上記第１実施例で説明した負荷量調整部４１によるブレーキ動作を行う（ＳＴ０３）。現在の車速が１０ｋｍ／ｈ以下であった場合、制御装置５８は負荷量調整部４１を用いて、負荷４５の負荷量を増大させる（ＳＴ１０４）。

ステップＳＴ０５で制御装置５８は、トルク検出部６１を用いて現在のトルク値（電気ブレーキ力）を検出し、その値を評価する。現在のトルク値Ｔｒｑが所望トルク値の例えば１０％〜９５％の値であった場合、フローはステップＳＴ０４に戻り、負荷４５の負荷量が更に増大される。現在のトルク値Ｔｒｑが所望トルク値の例えば９５％以上であった場合、制御装置５８は現在の車速が０か判断し（ＳＴ０６）、０でなければフローはステップＳＴ０５に移行し、現在のトルク値Ｔｒｑが再び評価される。ステップＳＴ０５、ＳＴ０６の処理は、電気車が停止するまで繰り返される。

ステップＳＴ０５で検出したトルク値Ｔｒｑが所望トルク値の１０％以下であった場合、制御装置５８はブレーキ動作を機械ブレーキに切り替えて電気車を停止させる（ＳＴ０７、ＳＴ０８）。

以上説明したように本実施例によれば、ＡＴＯ車両の停止時に負荷４５の負荷量が増大されるので、ブレーキ動作の途中で電気ブレーキから機械ブレーキに切り替わる可能性が著しく減少し、ＡＴＯ車両の停止位置精度が向上する。

以上の説明はこの発明の実施の形態であって、この発明の装置及び方法を限定するものではなく、様々な変形例を容易に実施することができるものである。

本発明による負荷調整装置が適用される電気車の内部回路構成を示す図である。 ＶＶＶＦ制御時のトルク基準（電気ブレーキ力）を示す図である。 軽負荷回生制御部３０で演算されるトルク絞り係数を示すグラフである。 本発明が適用される電気車における回生電力の流れの一例を示す図である。 本発明が適用される電気車における回生電力の流れ他の例を示す図である。 本発明が適用される電気車における回生電力の流れ更に他の例を示す図である。 本発明の第２実施例による電気車の内部回路構成を示す図である。 本発明の第３実施例によるＡＴＯ車両の内部回路構成を示す図である。 本発明の第３実施例の動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１０…リアクトル、１３…交流モータ、１４…フィルタコンデンサ、２１…変圧器、３２…乗算器、４０…架線、４２…変圧器、４３…コンバータ

Claims (5)

1. インバータにより駆動される交流電動機と、
   前記交流電動機のトルクを制御するトルク制御手段と、
   前記インバータの直流側電圧が供給される負荷と、
   前記電気車が前記トルク制御手段を使用して減速する場合、前記インバータの直流側電圧に応じて前記負荷の負荷量を調整する負荷量調整手段と、
   を具備することを特徴とする電気車。
2. 前記負荷とは前記電気車に搭載された空調又は冷房又は暖房装置であって、前記負荷量とは前記負荷の電力であることを特徴とする請求項１記載の電気車。
3. エネルギー蓄積装置を更に具備し、前記負荷量とは前記エネルギー蓄積装置の充電電力であることを特徴とする請求項１記載の電気車。
4. 前記負荷量調整手段は、前記インバータの直流側電圧が所定値より大きい場合、前記負荷量を増加することを特徴とする請求項１記載の電気車。
5. 自動運転を行うＡＴＯ車両であって、
   インバータにより駆動される交流電動機と、
   前記交流電動機のトルクを制御するトルク制御手段と、
   前記インバータの直流側電圧が供給される負荷と、
   前記電気車が前記トルク制御手段を使用して減速する場合、前記インバータの直流側電圧に応じて前記負荷の負荷量を調整する負荷量調整手段と、を具備し、
   前記負荷量調整手段は、車速が所定値以下となったとき、前記負荷量を増大することを特徴とするＡＴＯ車両。

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