JP2009296733A - 定位置自動停止制御手段を備えた電気車両の制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】従来の定位置自動停止制御では、回生ブレーキと空気ブレーキを合わせた一定ブレーキ力による一定減速パターンによって車両を目標位置に自動停止させていたため、車両の運動エネルギーを空気ブレーキにより無駄に消費していた。
【解決手段】電気車両の制御装置の定位置自動停止制御手段に、主電動機の電力回生によって得られるブレーキ力の範囲で減速を行うことが可能な、全電気ブレーキ減速パターンをあらかじめ持たせ、この全電気ブレーキ減速パターンに従って、車両を目標位置に停止させる。定位置自動停止制御を回生ブレーキのみで行うことで、空気ブレーキによる運動エネルギーの無駄な消費を避けることができ、さらに、空気ブレーキの使用頻度も減る為、ブレーキシューの磨耗を抑える事ができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉄道車両の定位置自動停止制御装置に関し、定位置自動停止制御手段を備えた電気車両の制御装置に関する。
車両を定位置に自動で止める事を目的とした定位置自動停止制御技術が知られている。定位置自動停止制御は車両のブレーキ力を自動制御して停止目標点（例えば駅における停止点）に車両を自動的に止める制御である。車両を定位置自動停止させる手法としては、図１０に示したように、停止点手前の所定の地点に地点信号発信機（地上子）を設置しこれを車両に搭載されたアンテナ（車上子）及び地点信号検知装置で検知し、車上でこの地点より図１０に示すような停止点に向かって目標点で速度が０となるような距離対速度パターン（停止パターン）を生成するとともに、地上子信号受信地点からの進行距離を速度積算などより求めて上記停止パターンとの照合より逐次の目標速度を得て、これに車両速度を追従させ目標点に車両を止めるなどの方法が取られている。
実際の例では、図１１に示すように停止位置の精度を向上する目的で、停止制御範囲に数個の地上子を設置するなどされる場合も多い。また、この停止に使われる停止パターンは高速域から低速域までは一定減速度を持つ第１の停止パターン、停止間際の最も停止精度に影響する部分で減速度を下げた第２の停止パターンなどを使い停止位置精度の向上を図った方法も採用されている。
車両として要求されるブレーキ力は図１２に示すように高速域まで所定のブレーキ力が要求されるが、多くの場合は、電動機が発生できるブレーキ力は高速側で弱まる特性になっているので、不足分は空気ブレーキなどの別系のブレーキ装置により補足され、所定のブレーキ力を確保するよう構成されている。
しかし、これまでの定位置自動停止制御はこのブレーキ特性について考慮されていない為、上記で述べたように、高速域から一定のブレーキ力を要求する一定ブレーキ減速制御を行っている。このため図１３のＡに示す部分に対応する運動エネルギー分が空気ブレーキなどにより無駄に消費されている。
この発明は、空気ブレーキによる運動エネルギーの無駄な消費を避ける事が可能な定位置自動停止制御装置を提供することを課題とする。
本発明の電気車両の制御装置は、電気車両を駆動する主電動機と、当該主電動機を駆動する電力変換装置と、前記電気車両を停止目標点に自動で停止するための定位置自動停止制御手段とを備えた電気車両の制御装置であって、前記定位置自動停止制御手段に、前記主電動機と前記電力変換装置によって決定されるブレーキ力パターンに基づいて生成した全電気ブレーキ減速パターンを備え、前記定位置自動停止制御手段によって前記電気車を自動停止する際に、前記減速パターンに追従して前記電気車を減速することを特徴とする。
本発明に係る定位置自動停止制御手段では、主電動機の発生できるブレーキ力の範囲で減速パターンを予め生成し、定位置自動停止制御を行う際は、この減速パターンにしたがって車両を停止目標点に停止させる。また、一定ブレーキ減速パターンと切り替えることが可能な構成とし、運行ダイヤで決められる通過時間に比べて余裕がある場合は全電気ブレーキ減速パターンによる定位置自動停止制御を行い、余裕が無い場合は一定ブレーキ力減速パターンによる定位置自動停止制御を行えるようにした。
さらに、曲線抵抗、勾配抵抗を加味して、各駅ごとに全電気ブレーキ減速パターンを生成し、車両装置に持たせてもよい。
本発明によれば、主電動機で発生できるブレーキ力の範囲で減速パターンを生成し、このパターンに従って定位置自動停止制御を行うことで、高速域から停止するまで回生ブレーキのみで車両を停止させる。これにより、空気ブレーキによる運動エネルギーの無駄な消費を避けることができ、回生率の向上が可能となる。
また、空気ブレーキの作用頻度も大幅に低減でき、これによりブレーキシューやブレーキパッドなどの消耗も大幅に低減できる。
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
まず、図１を用いて、直流車両を例にとって本発明の一実施例を説明する。図示のように、電車線と電気的に接続される集電装置１と、インバータ装置６がフィルタリアクトル２を介して接続される。このインバータ装置６の入力側にフィルタコンデンサ５が、インバータ装置６の出力側に主電動機９がそれぞれ接続される。電力変換装置３はフィルタリアクトル２と、インバータ装置６と、フィルタコンデンサ５で構成される。またインバータ装置６から主電動機９に流れるモータ電流を検出する電流検出器８ａ、８ｂ、８ｃと、減速機１０と、車輪１１の回転速度を検出する回転速度検出器１３を設けている。回転速度検出器１３は検出した回転速度検出値ｆを距離積算手段１７に送る。
さらに、線路上には駅などの目標停止点手前に地上子１６を設置し、地上子１６から送られる地点信号Ｐを検知するための車上子１５が車上に設けられる。車上子１５は距離積算手段１７に地点信号Ｐを送る。距離積算手段１７は、地上子１６から地点信号Ｐを受信してから車輪１１の回転速度検出値ｆを用いて速度積算を行うことで、車両が走行した分の積算距離Ｌを算出するとともに、この積算距離Ｌを全電気ブレーキ減速パターン発生器１８と一定ブレーキ減速パターン発生器１９に出力するよう構成される。
全電気ブレーキ減速パターン発生器１８と一定ブレーキ減速パターン発生器１９からは、地上子１６からの積算距離Ｌに応じた速度指令Ｖ１ ＊及びＶ２ ＊が出力される。全電気ブレーキ減速度パターン発生器１８と一定ブレーキ減速パターン発生器１９は運転切替スイッチ２０を介してブレーキ制御手段２１に接続されており、運転切替器１４から送られる切替信号Ｋによって、全電気ブレーキ減速パターンＶ１ ＊と一定ブレーキ減速パターンＶ２ ＊のいずれかを選択し速度指令Ｖ＊として、定位置自動停止制御を行うよう構成する。定位置自動停止制御装置２３は、車上子１５、距離積算手段１７、全電気ブレーキ減速パターン発生器１８、一定ブレーキ減速パターン１９、運転切替スイッチ２０、ブレーキ制御手段２１で構成される。
ブレーキ制御手段２１では入力された速度指令値Ｖ＊と車輪１１の回転速度ｆの差分に応じたブレーキ指令値Ｆｂ ＊を算出し、この算出したブレーキ指令値Ｆｂ ＊を空気ブレーキ装置２２へ送る。空気ブレーキ装置２２からは主電動機９による電気ブレーキ指令値Ｆｅｂ ＊がインバータ制御装置７に送られる。インバータ制御装置７では、この電気ブレーキ指令値Ｆｅｂ ＊に応じてモータ電流を流すためのゲートパルスＧｐが生成され、ゲートパルスＧｐがインバータ装置６へ送られる。また、インバータ制御装置７からは、主電動機９が発生した電気ブレーキ力Ｆｅｂが空気ブレーキ装置２２に送られ、空気ブレーキ装置２２ではブレーキ制御手段２１から送られるブレーキ力指令値Ｆｂ ＊とインバータ制御装置７から送られる電気ブレーキ力Ｆｅｂの差分から空気ブレーキによるブレーキ力Ｆｂを算出する。
図１に示した構成にすることで、本発明による全電気ブレーキ減速パターンＶ１ ＊もしくは、一定ブレーキ減速パターンＶ２ ＊を運転切替器１４と運転切替スイッチ２０によって切り替えて定位置自動停止制御を行う。この切替スイッチ２０により、全電気ブレーキ減速パターンＶ１ ＊を選択することで、高速域から停止するまで回生ブレーキのみで車両を停止させる事ができ、その結果、空気ブレーキによる運動エネルギーの無駄な消費を避け、回生率の向上が可能となる。
図２は交流区間での電力変換装置の構成例を示した図である。架線から交流電力が供給される場合、電力変換装置３は図２に示すようにコンバータ装置４と、フィルタコンデンサ５と、インバータ装置６で構成される。
図３は図１に示した全電気ブレーキ減速パターンＶ１ ＊を示す図で、横軸に地上子からの距離、縦軸に車両の速度指令値をとる。この全電気ブレーキ減速パターンＶ１ ＊は後述する全電気ブレーキ減速時のブレーキパターンに基づいて生成される減速パターンである。全電気ブレーキ減速パターンＶ１ ＊は、地上子１６から目標停止点までの距離をから算出し、あらかじめ車上装置に持たせておく。列車が地上子上を通過すると車上子がこれを検出し、距離積算手段が開始される。
これにより、地上子設置点からの積算距離Ｌが求められる。全電気ブレーキ減速度パターンには、定位置自動停止制御装置から地上子１３からの積算距離Ｌが入力され、積算距離Ｌに応じた速度指令値を出力する。この速度指令位置にしたがって、車両を減速させれば、回生ブレーキによって車両を停止させることができ、回生率の向上が可能となる。全電気ブレーキ減速度パターンＶ１ ＊の求め方を図４、図５を用いて以下に示す。
図４は主電動機９の一般的な特性を示す図である。図４は横軸に主電動機９の回転速度をとり、縦軸は主電動機９の電圧、電流、ブレーキ力の大きさをとっている。また、ａは主電動機電圧、ｂは主電動機電流を示し、ｃは主電動機が発生できる主電動機ブレーキ力を示している。ここで、図の一転鎖線で示した速度をブレーキ力低減開始速度とし、ブレーキ力低減開始速度より回転速度が高い領域を高速域、低い領域を低速域とする。図４に示したｃのように、主電動機９の発生できるブレーキ力は低速域では一定であるが、高速域では回転速度に従ってブレーキ力が減衰する特性となる。
図５は図４に示した主電動機９が発生できるブレーキ力と全電気ブレーキ減速時のブレーキ力のそれぞれの速度対ブレーキ力特性を示している。高速域では主電動機９が発生できるブレーキ力を全電気ブレーキ減速時のブレーキ力とし、低速域では一定ブレーキ制御と同等のブレーキ力を全電気ブレーキ減速時のブレーキ力とする。このように、全電気ブレーキ減速時のブレーキ力は主電動機９が出力できるブレーキ力以下とし、このブレーキ力に基づいて図３に示した全電気ブレーキ減速パターンＶ１ ＊を生成する。そして、全電気ブレーキ減速パターンＶ１ ＊に車両速度が追従するよう定位置自動停止制御を行えば、高速域から停止するまで回生ブレーキのみで車両を停止させる事ができる。
図５に示す速度制御の全電気ブレーキ減速時の速度対ブレーキ力特性をＦ［Ｎ］、車両質量をＭ［ｋｇ］とすると、車両に働く減速力は以下の式（１）で求められる。
Figure 2009296733
 この減速力と車両の最高速度Ｖ０を用いて、以下の式（２）から最高速度Ｖ０から速度０に至るまでの車両の全電気ブレーキ減速パターンＶ１ ＊を求めることができる。
Figure 2009296733
 また、地上子からの距離Ｌにおける目標速度Ｖｘとすると、距離Ｌは
Figure 2009296733
 以上の式（３）から求められるＬを横軸にとり、式（３）から求められる全電気ブレーキ減速パターンＶ１ ＊を縦軸にとって、距離対目標速度特性を示したのが図３の全電気ブレーキ減速パターンＶ１ ＊である。この全電気ブレーキ減速パターンＶ１ ＊をあらかじめ制御装置に持たせ、さらに目標停止点から、前記求めた停止までの走行距離Ｌｍａｘだけ離れた地点に地上子１６を設置する。地上子１６から送られる地点情報を検知した後、この全電気減速パターンＶ１ ＊に追従させて定位置停止制御を行えば、高速域から回生ブレーキのみで車両を停止させる事ができるので、空気ブレーキによる無駄な運動エネルギーの消費を避ける事ができる。
なお、実際は路線形状、勾配などの影響を受けるので、停止駅毎の全電気減速パターンを備えてもよい。曲線抵抗Ｆ１［Ｎ］と勾配抵抗Ｆ２［Ｎ］は、曲線半径ｒ［ｍ］、勾配ｎ［‰］、重力加速度をｇ［ｍ／ｓ２］とすると以下の式（４）、式（５）で求められる。
Figure 2009296733
Figure 2009296733
 ただし、ｄは車両特性に応じた定数で、ｄ＝８００が用いられる。式（４）、式（５）を式（１）に加算して以下の式（６）から減速力を算出する。
Figure 2009296733
 式（２）、式（３）、式（６）を用いて、各駅ごとに曲線抵抗、勾配を加味した全電気ブレーキ減速パターンＶ１ ＊を生成することができる。
図６に一定ブレーキ減速パターンＶ２ ＊とこれに追従させる場合の減速に要するブレーキ力を示し、図７に全電気ブレーキ減速パターンＶ１ ＊とこれに追従させる場合の減速に要するブレーキ力を示す。図６に示した一定ブレーキ減速パターンＶ２ ＊を用いる場合、一定減速であることより高速域から一定のブレーキ力を必要とするが、高速域では回生能力が限定されている為、Ａに相当する部分は空気ブレーキにより補足され、その分のエネルギーが無駄に消失し、回生されるエネルギーはＢに相当する部分のみとなる。
一方、図７に示す全電気ブレーキ減速パターンＶ１ ＊を用いる場合、電気系の能力範囲内で減速制御を行うことより高速域から減速に対応するブレーキ力はすべて電気系による回生能力の範囲である為、Ｃに相当する全エネルギーが回生エネルギーとして変換でき、空気ブレーキによる運動エネルギーの無駄な消費を避ける事ができる。
図８に一定ブレーキ制御と全電気ブレーキ制御のそれぞれにおける、地上子１６から地点信号Ｐを受信してから停止までの時間と速度パターンの関係を示す。図８より容易に推定できるように一定ブレーキ制御と比較すると、早い地点から減速を開始するので、地上子設置地点から停止目標点までに要する走行時分はｔ０だけ長くなる（最高速度１００ｋｍ／ｈ、ブレーキ力低減開始速度５０ｋｍ／ｈ程度の場合、地上子設置地点から停止目標点までの同区間における走行時分の長くなる分ｔ０＝５秒程度）。
したがって、運転士や地上の運行管理システムの判断にしたがって、運転切替装置１４によって走行時分に余裕のある場合は全電気ブレーキ制御方式、余裕がない場合は他の方式（例えば図６に示した一定ブレーキ力制御）を切り替えて使用してもよい。
図９は図１に示した運転切替器１４の構成例を示したブロック図である。地点信号Ｐが運転切替器１４に入力されると、運行ダイヤ上の地上子通過時刻ｔと地上子を通過した時刻ｔ１の差ｔ２が算出され、比較器２４に入力される。比較器２４は、図８に示したｔ０をあらかじめ有しており、比較器２４でｔ０とｔ２とが比較され、ｔ２がｔ０をよりも大きければ、走行時分に余裕があると判断して全電気ブレーキ減速パターン１８を用い、ｔ２がｔ０よりも小さければ走行時分に余裕がないと判断して、一定ブレーキ減速パターン１９を用いるように、運転切替器１４より切替信号Ｋを運転切替スイッチ２０に送る。これにより、走行時分に余裕のある場合は全電気ブレーキ制御方式、余裕がない場合は一定ブレーキ力制御に切り替えて使用することができる。なお、運転切替スイッチ２０は運転台から切替信号Ｋを送って切り替えられるように構成してもよい。
図１は、本発明の実施の形態を示す図である。 図２は、交流電力が供給される場合の電力変換装置の構成例を示す図である。 図３は、図１に示した全電気ブレーキ減速パターンを示す図である。 図４は、主電動機の一般的な特性を示す図である。 図５は、図２に示した全電気減速パターンを生成するための全電気ブレーキ力パターン示す図である。 図６は、一定ブレーキ減速パターンによる定位置自動停止制御を行った際の減速パターン、ブレーキ力パターン、空気ブレーキによる消失エネルギー、回生エネルギーを示す図である。 図７は、本発明による全電気ブレーキ減速パターンによる定位置自動停止制御を行った際の減速パターン、ブレーキ力パターン、回生エネルギーを示す図である。 図８は、一定ブレーキ減速パターンと全電気ブレーキ減速パターンの時間的関係を示す図である。 図９は、図１に示した運転切替器の構成例を示すブロック図である。 図１０は、従来例の一定ブレーキ減速パターンを示す図である。 図１１は、従来例の地上子を複数設置した場合の一定ブレーキ減速パターンを示す図である。 図１２は、従来例の車両としての要求ブレーキ力と要求ブレーキ力を得る為の電気ブレーキ力と空気ブレーキ力の割合を示す図である。 図１３は、従来例の一定ブレーキ減速パターンを生成する一定ブレーキ力を得る為の電気ブレーキ力と空気ブレーキ力の割合を示す図である。
符号の説明
１ 集電装置
２ フィルタリアクトル
３ 電力変換装置
４ コンバータ装置
５ フィルタコンデンサ
６ インバータ装置
７ インバータ制御装置
８ａ、８ｂ、８ｃ 電流検出器
９ 主電動機
１０ 減速機
１１ 車輪
１２ ブレーキシュー
１３ 回転速度検出器
１４ 運転切替器
１５ 車上子
１６ 地上子
１７ 距離積算手段
１８ 全電気ブレーキ減速パターン発生器
１９ 一定ブレーキ減速パターン発生器
２０ 運転切替スイッチ
２１ ブレーキ制御手段
２２ 空気ブレーキ装置
２３ 定位置自動停止制御装置
２４ 比較器
２５ タイマカウンタ

Claims (6)

  1. 電気車両を駆動する主電動機と、当該主電動機を駆動する電力変換装置と、前記電気車両を停止目標点に自動で停止するための定位置自動停止制御手段とを備えた電気車両の制御装置において、
    前記定位置自動停止制御手段に、前記主電動機と前記電力変換装置によって決定されるブレーキ力パターンに基づいて生成した減速パターンを備え、前記定位置自動停止制御手段によって前記電気車を自動停止する際に、前記減速パターンに追従して前記電気車を減速することを特徴とする電気車両の制御装置。
  2. 前記減速パターンを、最高速度から停止に至るまで電動機の出力できるブレーキ力のみで停止可能な、全電気ブレーキ減速パターンとしたことを特徴とする請求項１に記載の電気車両の制御装置。
  3. 前記定位置自動停止制御手段に、複数の減速パターンを有し、そのうちの一つは、前記主電動機と前記電力変換装置によって決定されるブレーキ力パターンに基づいて生成した減速パターンであり、一つは一定ブレーキ力パターンに基づいて生成した減速パターンとする事を特徴とする請求項１に記載の電気車両の制御装置。
  4. 前記定位置自動停止制御手段に有する複数の減速パターンは、主電動機と前記電力変換装置によって決定されるブレーキ力パターンに基づいて生成した減速パターンに、曲線抵抗、勾配抵抗による減速を加味した、各駅毎の減速パターンをとする事を特徴とする請求項３に記載の電気車両の制御装置。
  5. 運行状況に基づいて、減速パターンを切り替えられることを特徴とする請求項３または４に記載の電気車両の制御装置。
  6. 手動で減速パターンを切り替えられることを特徴とする請求項３または４に記載の電気車両の制御装置。
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