JP2010035338A - 電気車制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 インバータの直流電力側に供給される電力が無くなった後、電力が復帰したときに、電動機にトルクショックを発生させない制御をする電気車制御装置を提供することにある。
【解決手段】 インバータ９の直流電力側にフィルタコンデンサ８が接続され、集電装置２から取り込まれ、遮断器Ｌ１，Ｌ２を介して、インバータ９の直流電力側に供給された電力を変換して電気車１の電動機１０に供給し、無電区間に進入した場合、遮断器Ｌ１，Ｌ２を開放し、インバータ９を制御してフィルタコンデンサ８の電圧を定格電圧にし、無電区間を抜けた場合、インバータ９を制御してフィルタコンデンサ８の電圧を架線電圧に一致させ、遮断器Ｌ１，Ｌ２を投入する電気車制御装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電気車を制御する電気車制御装置に関する。

一般的に、永久磁石式同期電動機を駆動源とする電気車が知られている。例えば、電動機が許容最高回転数以上で駆動される場合でも、インバータの破損防止をすることのできる電気車が開示されている（例えば、特許文献１参照）。また、電気車において、インバータリレーの再投入動作が終了するまで、バッテリからインバータのパワー素子へ充電電流が流れ込まないようにするために、インバータの正側又は負側に接続されたパワー素子を導通させることが開示されている（例えば、特許文献２参照）。
特開平９−３２２３０２号公報 特開平９−２９４３０１号公報

しかしながら、永久磁石式同期電動機を電気鉄道車両に用いた場合、以下のような問題が生じる。

永久磁石式同期電動機は、回転中に永久磁石により誘起電圧が発生する。この誘起電圧は、インバータ素子のダイオードにより整流され、インバータの直流側に直流電圧として発生する。

ここで、電動機の回転速度が高速域においては、この誘起電圧は、架線電圧による出力可能なインバータ出力電圧を超えることがある。このとき、この誘起電圧によりインバータの直流側に発生する直流電圧は、架線から供給される電圧を超える。このため、この直流電圧は、架線側に回生電流として流れ込む。回生電流が架線側に流れると、電動機にはブレーキ側にトルクがかかる。即ち、惰行中にもかかわらず、電気車は、減速する方向に力を受けることになる。

このような事態を防止するために、電気車は、インバータから同期電動機に弱め磁束電流を流して同期電動機の磁束を弱める制御を行う。これにより、誘起電圧は、架線電圧による出力可能なインバータ出力電圧以下に抑えられる。このため、電気車の惰行時も、インバータは、ゲートを出力し、同期電動機の誘起電圧に応じたインバータ電圧を出力する。このようにして、電気車は、誘起電圧により電動機からインバータ側に電流が流れ込みブレーキトルクが発生することを防止する。

しかし、電動機に弱め磁束電流を流す制御は、走行中のパンタグラフの瞬時離線により架線からインバータに供給される電圧がゼロとなった場合、または地下鉄等によくある架線電圧のない無電区間に電気車が進入した場合は行うことができない。さらに、架線電圧急変等の外乱によってインバータ直流電圧の過電圧に至ったような場合はインバータを保護するためにインバータゲートを止めなくてはならない。

このような場合は、同期電動機とインバータの間に設けられた負荷接触器を開いて、電動機の誘起電圧をインバータの出力側にかからないようにする。このようにして、電動機の誘起電圧による直流電圧が架線電圧を超えることを防止する。しかし、走行中にインバータゲートを止めた後、電気車は、負荷接触器を再び閉じて再起動する。このとき、電動機の高速回転領域では、誘起電圧はインバータで出力可能な最大電圧を超えていることがある。このような場合、インバータ出力電圧と電動機から発生した誘起電圧との間に差が生じた状態で起動することになる。従って、負荷接触器を閉じて弱め磁束電流を流すまでの間は、その差に応じた短絡電流が流れることになる。この短絡電流により、電動機からトルクショックが発生する。このトルクショックは、電気車の乗り心地を悪化させる。

このような状況は、電気車が力行中に無電区間に進入した場合も同様である。電気車が無電区間に進入すると、インバータに供給される架線電圧はゼロとなる。このため、インバータと電動機間に設けられた負荷接触器を開く。その後の再起動時には、負荷接触器を閉じて再起動する。この場合も電動機とインバータ出力電圧との間に生じる電圧差に応じた短絡電流により、トルクショックが発生する。これにより、電気車の乗り心地は悪化する。

一方、直流架線の電気車においては、架線電圧は走行区間、走行時間帯、他車の走行状態によりその電圧値が大きく変化する。１５００Ｖ架線の標準的な電気鉄道では、９００Ｖから１８００Ｖまで変化する可能性がある。地下鉄における第三軌条の電圧は、平均的な６００Ｖまたは７５０Ｖ架線の鉄道では、４００Ｖから９００Ｖ程度まで変化する可能性がある。さらに、電気車の集電は、台車に設けられた集電靴により行われる。この集電靴は電力を供給する第三軌条との間で走行中離線が多く発生する。また、地下鉄の場合、路線のあちこちに無電区間が存在する。その無電区間に、電車が力行または回生のまま侵入することもある。これらの事情により、ＶＶＶＦ(Variable Voltage Variable Frequency)インバータは、走行中にかなり頻繁に供給電圧がゼロとなる状態がある。その後、供給電圧が復活してインバータを再起動するときに、前述したトルクショックが毎回発生すると、電車としてはかなり乗り心地の悪いものとなる。

そこで、本発明の目的は、インバータの直流電力側に供給される電力が無くなった後、電力が復帰したときに、電動機にトルクショックを発生させない制御をする電気車制御装置を提供することにある。

本発明の観点に従った電気車制御装置は、電車線から遮断器を介して供給された直流電力を、フィルタコンデンサが直流電力側に接続された電力変換装置により変換して、電動機に供給し、前記電動機の駆動により走行する電気車の制御をする電気車制御装置であって、前記電車線から電力の供給が無いことを検知する無電検知手段と、前記無電検知手段により検知した場合、前記遮断器を開放する開放手段と、前記開放手段により前記遮断器が開放された場合、前記インバータを制御して、前記フィルタコンデンサの電圧を前記インバータの許容する電圧に制御する無電時フィルタコンデンサ電圧制御手段と、前記無電検知手段による検知後、前記電車線から電力の供給が復帰したことを検知する電力復帰検知手段と、前記電力復帰検知手段により電力の供給が復帰したことを検知した場合、前記インバータを制御して、前記フィルタコンデンサの電圧を前記電車線の電圧に一致させる制御をする復帰時フィルタコンデンサ電圧制御手段と、前記復帰時フィルタコンデンサ電圧制御手段による制御後に、前記遮断器を投入する投入手段とを備えている。

本発明によれば、インバータの直流電力側に供給される電力が無くなった後、電力が復帰したときに、電動機にトルクショックを発生させない制御をする電気車制御装置を提供することができる。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る電気車１の構成を示す構成図である。なお、以降の図における同一部分には、同一符号を付してその詳しい説明を省略し、異なる部分について主に述べる。以降の実施形態も同様にして重複する説明を省略する。

電気車１は、集電装置２と、高速度遮断器３と、充電抵抗器４と、車輪５と、フィルタリアクトル６と、負荷接触器７と、フィルタコンデンサ８と、ＶＶＶＦインバータ９と、永久磁石式同期電動機１０と、制御装置２０と、直流電圧検出器ＤＰ１，ＤＰ２と、遮断器Ｌ１，Ｌ２とを備えている。

電気車１は、直流架線から直流電力の供給を受けて走行する電気鉄道車両である。

集電装置２は、直流架線と電気的に接触するように設けられている。集電装置２は、高速度遮断器３、遮断器Ｌ１、リアクトル６、遮断器Ｌ２を順次に介して、ＶＶＶＦインバータ９の直流電力側の正極端子に接続されている。集電装置２は、直流架線から電気車１に直流電力を取り込む装置である。集電装置２は、例えばパンタグラフである。集電装置２は、永久磁石式同期電動機１０を駆動するために、取り込んだ直流電力をＶＶＶＦインバータ９に供給する。

高速度遮断器３は、異常な直流電流を高速度で検知し、故障電流を遮断する遮断器である。

充電抵抗器４は、遮断器Ｌ１の両端を短絡するように設けられている。充電抵抗器４は、遮断器Ｌ２を投入した時に、フィルタコンデンサ８に過電流が流れ込まないようにするために設けられている。

車輪５は、ＶＶＶＦインバータ９の直流電力側の負極端子に接続されている。車輪５は、電気車１が走行するための車輪である。車輪５は、レールと電気的に接触する。車輪５は、ＶＶＶＦインバータ９の直流電力側の負極となる。

フィルタリアクトル６は、フィルタコンデンサ８と共に、フィルタ回路を構成する機器である。

負荷接触器７は、ＶＶＶＦインバータ９と永久磁石式同期電動機１０との電気的な接続又は切離しを行うための機器である。

フィルタコンデンサ８は、ＶＶＶＦインバータ９の直流電力側の正極端子と負極端子との間に設けられている。フィルタコンデンサ８は、フィルタリアクトル６と共に、フィルタ回路を構成する機器である。

ＶＶＶＦインバータ９は、架線から供給された直流電力を交流電力に変換し、永久磁石式同期電動機１０に交流電力を供給する。ＶＶＶＦインバータ９は、永久磁石式同期電動機１０から発生した交流電力を直流電力に変換し、直流架線に直流電力を供給する。

永久磁石式同期電動機１０は、電気車１が走行するための動力源である。

直流電圧検出器ＤＰ１は、一方の端子を高速度遮断器３と遮断器Ｌ１との間の電線に接続し、もう一方の端子をＶＶＶＦインバータ９の直流電力側の負極端子と同電位の箇所に接続している。直流電圧検出器ＤＰ１は、高速度遮断器３と遮断器Ｌ１との間の箇所の対地間の電圧を検出する。即ち、直流電圧検出器ＤＰ１は、架線電圧を検出する。

直流電圧検出器ＤＰ２は、ＶＶＶＦインバータ９の直流電力側の正極端子と負極端子との間に、フィルタコンデンサ８と並列に接続されている。直流電圧検出器ＤＰ２は、フィルタコンデンサ８の電圧を検出する。

遮断器Ｌ１は、投入されると、充電抵抗器４を短絡する。

遮断器Ｌ２は、直流架線とＶＶＶＦインバータ９との電気的な接続及び切離しを行う機器である。

制御装置２０は、電気車１を全般的に制御する。

制御装置２０は、接触器開閉制御部２１と、ＦＣ電圧制御部２４と、電動機トルク制御部２６と、切替器２７とを備えている。

接触器開閉制御部２１は、直流電圧検出器ＤＰ２により検出された電圧信号を受信する。接触器開閉制御部２１は、受信した電圧信号に基づいて、遮断器Ｌ１，Ｌ２の投入及び開放を行う。接触器開閉制御部２１は、受信した電圧信号に基づいて、切替器２７の切り替えをする。

ＦＣ電圧制御部２４は、直流電圧検出器ＤＰ１，ＤＰ２のそれぞれにより検出された電圧信号を受信する。ＦＣ電圧制御部２４は、フィルタコンデンサ電圧が所定の電圧になるように、ＶＶＶＦインバータ９を制御する。

電動機トルク制御部２６は、直流電圧検出器ＤＰ１により検出された電圧信号を受信する。電動機トルク制御部２６は、ＶＶＶＦインバータ９を制御して、永久磁石式同期電動機１０のトルクを制御する。

切替器２７は、ＶＶＶＦインバータ９の制御をするために、ＦＣ電圧制御部２４又は電動機トルク制御部２６のいずれか一方を選択する。従って、ＶＶＶＦインバータ９の制御方式は、切替器２７により切り替えられる。

図２は、本実施形態に係る制御装置２０による力行時の制御手順を示すフローチャートである。図３は、本実施形態に係る電気車１の力行時における各構成機器の状態の変化を示すグラフ図である。（ａ）は、直流電圧検出器ＤＰ１により検出された電圧を示すグラフ図である。（ｂ）は、直流電圧検出器ＤＰ２により検出された電圧を示すグラフ図である。（ｃ）は、遮断器Ｌ１の状態を示すグラフ図である。（ｄ）は、遮断器Ｌ２の状態を示すグラフ図である。（ｅ）は、負荷接触器７の状態を示すグラフ図である。（ｆ）は、ＶＶＶＦインバータ９へのゲート信号の状態を示すグラフ図である。（ｇ）は、永久磁石式同期電動機１０のトルクを示すグラフ図である。

図２及び図３を参照して、制御装置２０による電気車１の力行時の制御について説明する。具体的には、電気車１が力行時に無電区間に進入してから抜けるまでの間の制御について説明する。

制御装置２０は、無電区間に進入する前の力行時の電気車１の制御を、電動機トルク制御部２６により行う。

電気車１が無電区間に進入すると、電気車１に直流電力が取り込まれなくなる（図３の時刻ｔ１１）。従って、直流電圧検出器ＤＰ１により検出される架線電圧はゼロになる。

電気車１に直流電力が取り込まれなくなると、フィルタコンデンサ８に蓄えられた電荷は、永久磁石式同期電動機１０の駆動により消費される。このため、フィルタコンデンサ８の電圧は低下する。従って、直流電圧検出器ＤＰ２により検出される電圧値は低下する（図３の時刻ｔ１１から時刻ｔ１２間）。

直流電圧検出器ＤＰ２により検出される電圧値が閾値以下となると（図２のステップＳ１０１）、接触器開閉制御部２１は、遮断器Ｌ１及び遮断器Ｌ２を開放する（図２のステップＳ１０２、図３の時刻ｔ１２）。このとき、制御装置２０は、インバータゲート及び負荷接触器７を開放しない。同時に、接触器開閉制御部２１は、切替器２７により、電動機トルク制御部２６からＦＣ電圧制御部２４による制御に切り替える（図２のステップＳ１０３）。

ＦＣ電圧制御部２４は、直流電圧検出器ＤＰ２により検出される電圧値を、ＶＶＶＦインバータ９の力行時の定格電圧になるように、ＶＶＶＦインバータ９を制御する（図２のステップＳ１０４、図３の時刻ｔ１２）。例えば、この定格電圧は、１５００Ｖ架線のシステムであれば１５００Ｖ、６００Ｖ架線のシステムであれば６００Ｖである。この制御により、ＶＶＶＦインバータ９は、直流電力を消費させないように制御されるため、永久磁石式同期電動機１０のトルクは減少し、ゼロになる。

電気車１は、無電区間を抜けると、直流架線による直流電力の供給を受ける。制御装置２０は、直流電圧検出器ＤＰ１により、架線電圧の復帰を検出する（図２のステップＳ１０５、図３の時刻ｔ１３）。

ＦＣ電圧制御部２４は、架線電圧の復帰を検出すると、直流電圧検出器ＤＰ２により検出される電圧値を、直流電圧検出器ＤＰ１により検出される電圧値になるように、ＶＶＶＦインバータ９を制御する（図２のステップＳ１０６）。即ち、ＦＣ電圧制御部２４は、フィルタコンデンサ８の電圧を架線電圧に一致させるように制御する。

接触器開閉制御部２１は、直流電圧検出器ＤＰ２により検出される電圧値と直流電圧検出器ＤＰ１により検出される電圧値とが一致すると、遮断器Ｌ１及び遮断器Ｌ２を投入する（図２のステップＳ１０７、図３の時刻ｔ１４）。同時に、接触器開閉制御部２１は、切替器２７により、ＦＣ電圧制御部２４から電動機トルク制御部２６による制御に切り替える（図２のステップＳ１０８）。

電動機トルク制御部２６は、永久磁石式同期電動機１０のトルクを、乗り心地を害しない傾きで上昇させて力行トルクを復活させる（図２のステップＳ１０９、図３の時刻ｔ１４）。これにより、電動機トルク制御部２６は、電気車１のトルク制御による力行運転を再開する。

図４は、本実施形態に係る制御装置２０による回生時の制御手順を示すフローチャートである。図５は、本実施形態に係る電気車１の回生時における各構成機器の状態の変化を示すグラフ図である。（ａ）は、直流電圧検出器ＤＰ１により検出された電圧を示すグラフ図である。（ｂ）は、直流電圧検出器ＤＰ２により検出された電圧を示すグラフ図である。（ｃ）は、遮断器Ｌ１の状態を示すグラフ図である。（ｄ）は、遮断器Ｌ２の状態を示すグラフ図である。（ｅ）は、負荷接触器７の状態を示すグラフ図である。（ｆ）は、ＶＶＶＦインバータ９へのゲート信号の状態を示すグラフ図である。（ｇ）は、永久磁石式同期電動機１０のトルクを示すグラフ図である。

図４及び図５を参照して、制御装置２０による電気車１の回生時の制御について説明する。具体的には、電気車１が回生時に無電区間に進入してから抜けるまでの間の制御について説明する。

制御装置２０は、無電区間に進入する前の回生時の電気車１の制御を、電動機トルク制御部２６により行う。

電気車１が無電区間に進入すると、永久磁石式同期電動機１０から発生した回生電力の行き場がなくなる（図５の時刻ｔ２１）。このとき、直流電圧検出器ＤＰ１により検出される架線電圧はゼロになる。

回生電力の行き場が失われると、回生電力は、フィルタコンデンサ８に蓄電される。このため、フィルタコンデンサ８の電圧は上昇する。従って、直流電圧検出器ＤＰ２により検出される電圧値は上昇する（図５の時刻ｔ２１から時刻ｔ２２間）。

直流電圧検出器ＤＰ２により検出される電圧値が閾値以上となると（図４のステップＳ２０１）、接触器開閉制御部２１は、遮断器Ｌ１及び遮断器Ｌ２を開放する（図４のステップＳ２０２、図５の時刻ｔ２２）。このとき、制御装置２０は、インバータゲート及び負荷接触器７を開放しない。同時に、接触器開閉制御部２１は、切替器２７により、電動機トルク制御部２６からＦＣ電圧制御部２４による制御に切り替える（図４のステップＳ２０３）。

ＦＣ電圧制御部２４は、直流電圧検出器ＤＰ２により検出される電圧値を、ＶＶＶＦインバータ９の力行時の定格電圧になるように、ＶＶＶＦインバータ９を制御する（図４のステップＳ２０４、図５の時刻ｔ２２）。例えば、この定格電圧は、１５００Ｖ架線のシステムであれば１５００Ｖ、６００Ｖ架線のシステムであれば６００Ｖである。この制御により、ＶＶＶＦインバータ９は、直流電圧が下がらないように制御されるため、永久磁石式同期電動機１０のトルクは減少し、ゼロになる。

電気車１は、無電区間を抜けると、集電装置２に直流架線が電気的に接触する。制御装置２０は、直流電圧検出器ＤＰ１により、架線電圧の復帰を検出する（図４のステップＳ２０５、図５の時刻ｔ２３）。

ＦＣ電圧制御部２４は、架線電圧の復帰を検出すると、直流電圧検出器ＤＰ２により検出される電圧値を、直流電圧検出器ＤＰ１により検出される電圧値になるように、ＶＶＶＦインバータ９を制御する（図４のステップＳ２０６）。即ち、ＦＣ電圧制御部２４は、フィルタコンデンサ８の電圧を架線電圧に一致させるように制御する。

接触器開閉制御部２１は、直流電圧検出器ＤＰ２により検出される電圧値と直流電圧検出器ＤＰ１により検出される電圧値とが一致すると、遮断器Ｌ１及び遮断器Ｌ２を投入する（図４のステップＳ２０７、図５の時刻ｔ２４）。同時に、接触器開閉制御部２１は、切替器２７により、ＦＣ電圧制御部２４から電動機トルク制御部２６による制御に切り替える（図４のステップＳ２０８）。

電動機トルク制御部２６は、永久磁石式同期電動機１０のトルクを、乗り心地を害しない傾きで上昇させてブレーキトルクを復活させる（図４のステップＳ２０９、図５の時刻ｔ２４）。これにより、電動機トルク制御部２６は、電気車１のトルク制御による回生運転を再開する。

本実施形態によれば、電気車１が無電区間に進入し、集電装置２に架線電圧が印加されなくなっても、ＶＶＶＦインバータ９と永久磁石式同期電動機１０との間に設けられた負荷接触器７は、遮断されない。このため、架線電圧の復活による負荷接触器７の再投入という操作がない。よって、負荷接触器７の再投入時に、ＶＶＶＦインバータ９の出力電圧と永久磁石式同期電動機１０の誘起電圧との電圧差により流れる短絡電流により、永久磁石式同期電動機１０のトルクショックが生じるという問題は発生しない。即ち、電気車１の無電区間の通過による負荷接触器７の再投入により、トルクショックが生じて、電気車１の乗り心地の悪化を招くという問題は発生しない。

（第２の実施形態）
図６は、本発明の第２の実施形態に係る電気車１Ａの構成を示す構成図である。

電気車１Ａは、図１に示す第１の実施形態に係る電気車１に、集電装置２Ａ、車輪５Ａ、及び直流電圧検出器ＤＰ０を追加して設け、制御装置２０を制御装置２０Ａに置き換えた構成である。その他の点は、電気車１と同様の構成である。

集電装置２Ａは、ＶＶＶＦインバータ９に直流電力を供給するための集電装置２よりも電気車１Ａの進行方向に対して前方に設けられている。集電装置２Ａは、直流架線の電圧を検出するための装置である。集電装置２Ａは、例えばパンタグラフである。

車輪５Ａは、車輪５よりも電気車１Ａの進行方向に対して前方に設けられている。車輪５Ａは、電気車１Ａが走行するための車輪である。車輪５Ａは、レールと電気的に接触する。車輪５Ａは、集電装置２Ａ側を正極とする直流電力の負極となる。

直流電圧検出器ＤＰ０は、一方の端子を集電装置２Ａに接続し、もう一方の端子を車輪５Ａに接続している。直流電圧検出器ＤＰ０は、集電装置２Ａを正極とし、車輪５Ａを負極とする直流電圧を検出する。即ち、直流電圧検出器ＤＰ０は、架線電圧を検出する。

制御装置２０Ａは、電気車１Ａを全般的に制御する。

制御装置２０Ａは、接触器開閉制御部２１Ａと、ＦＣ電圧制御部２４Ａと、電動機トルク制御部２６Ａと、切替器２７Ａとを備えている。

接触器開閉制御部２１Ａは、直流電圧検出器ＤＰ０，ＤＰ１，ＤＰ２のそれぞれにより検出された電圧信号を受信する。接触器開閉制御部２１Ａは、直流電圧検出器ＤＰ０から受信した電圧信号に基づいて、遮断器Ｌ１，Ｌ２の開放を行う。接触器開閉制御部２１Ａは、直流電圧検出器ＤＰ１から受信した電圧信号に基づいて、遮断器Ｌ１，Ｌ２の投入を行う。接触器開閉制御部２１Ａは、直流電圧検出器ＤＰ０又は直流電圧検出器ＤＰ１から受信した電圧信号に基づいて、切替器２７の切り替えをする。

ＦＣ電圧制御部２４Ａは、直流電圧検出器ＤＰ０，ＤＰ１，ＤＰ２のそれぞれにより検出された電圧信号を受信する。ＦＣ電圧制御部２４Ａは、フィルタコンデンサ電圧が所定の電圧になるように、ＶＶＶＦインバータ９を制御する。

電動機トルク制御部２６Ａは、直流電圧検出器ＤＰ０により検出された電圧信号を受信する。電動機トルク制御部２６Ａは、ＶＶＶＦインバータ９を制御して、永久磁石式同期電動機１０のトルクを制御する。

切替器２７Ａは、ＶＶＶＦインバータ９の制御をするために、ＦＣ電圧制御部２４Ａ又は電動機トルク制御部２６Ａのいずれか一方を選択する。従って、ＶＶＶＦインバータ９の制御方式は、切替器２７Ａにより切り替えられる。

図７は、本実施形態に係る制御装置２０Ａによる制御手順を示すフローチャートである。図８は、本実施形態に係る電気車１Ａの各構成機器の状態の変化を示すグラフ図である。（ａ）は、直流電圧検出器ＤＰ０により検出された電圧を示すグラフ図である。（ｂ）は、直流電圧検出器ＤＰ１により検出された電圧を示すグラフ図である。（ｃ）は、直流電圧検出器ＤＰ２により検出された電圧を示すグラフ図である。（ｄ）は、遮断器Ｌ１の状態を示すグラフ図である。（ｅ）は、遮断器Ｌ２の状態を示すグラフ図である。（ｆ）は、負荷接触器７の状態を示すグラフ図である。（ｇ）は、ＶＶＶＦインバータ９へのゲート信号の状態を示すグラフ図である。（ｈ）は、永久磁石式同期電動機１０のトルクを示すグラフ図である。

図７及び図８を参照して、制御装置２０Ａによる電気車１Ａの制御について説明する。具体的には、電気車１Ａが無電区間に進入してから抜けるまでの間の制御について説明する。制御装置２０Ａは、力行時の制御と回生時の制御とは同様に行う。

制御装置２０Ａは、無電区間に進入する前の電気車１Ａの制御を、電動機トルク制御部２６Ａにより行う。

電気車１Ａの集電装置２Ａが無電区間に進入すると、直流電圧検出器ＤＰ０により検出される電圧はゼロになる（図７のステップＳ３０１、図８の時刻ｔ３１）。これにより、ＶＶＶＦインバータ９に供給される直流電力（直流電圧検出器ＤＰ１により検出される電圧）が無くなる前に、制御装置２０Ａは、無電区間に進入することを検知する。

電動機トルク制御部２６Ａは、直流電圧検出器ＤＰ０により無電区間に進入することを事前に検知すると、永久磁石式同期電動機１０のトルクを絞る制御をする（図７のステップＳ３０２、図８の時刻ｔ３１）。

接触器開閉制御部２１Ａは、電動機トルク制御部２６Ａがトルクを絞りきった後に、遮断器Ｌ１及び遮断器Ｌ２を開放する（図７のステップＳ３０３、図８の時刻ｔ３２）。例えば、接触器開閉制御部２１Ａは、直流電圧検出器ＤＰ０による無電区間の検出から所定時間後に、遮断器Ｌ１及び遮断器Ｌ２を開放する。このとき、制御装置２０Ａは、インバータゲート及び負荷接触器７を開放しない。同時に、接触器開閉制御部２１Ａは、切替器２７Ａにより、電動機トルク制御部２６ＡからＦＣ電圧制御部２４Ａによる制御に切り替える（図７のステップＳ３０４）。

ＦＣ電圧制御部２４Ａは、直流電圧検出器ＤＰ２により検出される電圧値を、ＶＶＶＦインバータ９の定格電圧になるように、ＶＶＶＦインバータ９を制御する（図７のステップＳ３０５、図８の時刻ｔ３２）。例えば、この定格電圧は、１５００Ｖ架線のシステムであれば１５００Ｖ、６００Ｖ架線のシステムであれば６００Ｖである。

その後、電気車１Ａの集電装置２が無電区間に進入する。よって、ＶＶＶＦインバータ９に供給される直流電力が無くなる。即ち、直流電圧検出器ＤＰ１により検出される電圧がゼロになる（図８の時刻ｔ３３）。このとき、既に、永久磁石式同期電動機１０のトルクは、ゼロに絞られている。また、ＶＶＶＦインバータ９の直流電力側は、定格電圧に制御されている。

電気車１Ａが無電区間を通過する際、最初に集電装置２Ａが無電区間を抜ける。このとき、直流電圧検出器ＤＰ０は、架線電圧の復帰を検出する（図８の時刻ｔ３４）。次に集電装置２が無電区間を抜ける。このとき、直流電圧検出器ＤＰ１は、架線電圧の復帰を検出する。（図７のステップＳ３０６、図８の時刻ｔ３５）。制御装置２０Ａは、直流電圧検出器ＤＰ０，ＤＰ１により、架線電圧の復帰を検出する。

ＦＣ電圧制御部２４は、直流電圧検出器ＤＰ１により架線電圧の復帰を検出すると、直流電圧検出器ＤＰ２により検出される電圧値を、直流電圧検出器ＤＰ１により検出される電圧値になるように、ＶＶＶＦインバータ９を制御する（図７のステップＳ３０７）。即ち、ＦＣ電圧制御部２４Ａは、フィルタコンデンサ８の電圧を架線電圧に一致させるように制御する。

接触器開閉制御部２１Ａは、直流電圧検出器ＤＰ２により検出される電圧値と直流電圧検出器ＤＰ１により検出される電圧値とが一致すると、遮断器Ｌ１及び遮断器Ｌ２を投入する（図７のステップＳ３０８、図８の時刻ｔ３６）。同時に、接触器開閉制御部２１Ａは、切替器２７Ａにより、ＦＣ電圧制御部２４Ａから電動機トルク制御部２６Ａによる制御に切り替える（図７のステップＳ３０９、図８の時刻ｔ３６）。

電動機トルク制御部２６Ａは、永久磁石式同期電動機１０のトルクを、乗り心地を害しない傾きで上昇させてトルクを復活させる（図７のステップＳ３１０、図８の時刻ｔ３６）。これにより、電動機トルク制御部２６Ａは、電気車１のトルク制御による運転を再開する。

本実施形態によれば、第１の実施形態による作用効果に加え、以下の作用効果を得ることができる。

ＶＶＶＦインバータ９に直流電力を供給する集電装置２の進行方向の前方に設けられた集電装置２Ａに印加される架線電圧を検出することで、制御装置２０Ａは、事前に、集電装置２が無電区間に進入することを検出することができる。このような構成により、制御装置２０Ａは、ＶＶＶＦインバータ９に供給される直流電力が無くなる前に、永久磁石式同期電動機１０のトルクを絞ることができる。このため、電気車１Ａは、無電区間の進入時においても、急激なトルク減少を防止することができる。従って、電気車１Ａは、無電区間の進入時において、第１の実施形態に係る電気車１よりも、乗り心地を向上させることができる。

なお、第１の実施形態において、電気車１は、直流架線からの直流電力の供給により、走行する構成としたがこれに限らない。例えば、電気車１は、第三軌条により直流電力が供給され、走行する構成としてもよい。この場合において、集電装置２は、架空線式に主に用いられるパンタグラフなどを、第三軌条式に主に用いられる集電靴などに置き換えた構成とすることができる。同様に、第２の実施形態においても、図９に示すように、電気車１Ａは、第三軌条ＴＲにより直流電力が供給される構成としてもよい。この場合において、集電装置（集電靴）２Ａを、集電装置（集電靴）２が設けられた近傍の車輪よりも進行方向に対して前方の車輪近傍に設けることで、電気車１Ａを構成することができる。このとき、直流電圧検出器ＤＰ０は、集電装置２Ａと集電装置２Ａの近傍の車輪との間の電圧を検出するように設けることができる。

また、各実施形態において、ＦＣ電圧制御部２４は、無電区間におけるフィルタコンデンサ８の電圧を、直流架線の定格電圧となるように制御したが、定格電圧以外の他の電圧に制御してもよい。この制御の基準となる電圧は、ＶＶＶＦインバータ９の主回路の許容する範囲内の電圧であれば、任意に設定してよい。

さらに、各実施形態において、ＶＶＶＦインバータ９への供給電力が無くなる場合を、説明の便宜上、無電区間を通過する場合として説明したが、他の原因による場合も同様に制御することができる。例えば、他の原因としては、電車線の電圧の大きな変動、集電装置の電車線からの離線などである。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の第１の実施形態に係る電気車の構成を示す構成図。 第１の実施形態に係る制御装置による力行時の制御手順を示すフローチャート。 第１の実施形態に係る電気車の力行時における各構成機器の状態の変化を示すグラフ図。 第１の実施形態に係る制御装置による回生時の制御手順を示すフローチャート。 第１の実施形態に係る電気車の回生時における各構成機器の状態の変化を示すグラフ図。 本発明の第２の実施形態に係る電気車の構成を示す構成図。 第２の実施形態に係る制御装置による制御手順を示すフローチャート。 第２の実施形態に係る電気車の各構成機器の状態の変化を示すグラフ図。 第２の実施形態に係る電気車を第三軌条式に適用した構成を示す構成図。

符号の説明

１…電気車、２…集電装置、３…高速度遮断器、４…充電抵抗器、５…車輪、６…フィルタリアクトル、７…負荷接触器、８…フィルタコンデンサ、９…ＶＶＶＦインバータ、１０…永久磁石式同期電動機、２０…制御装置、２１…接触器開閉制御部、２４…ＦＣ電圧制御部、２６…電動機トルク制御部、２７…切替器、ＤＰ１，ＤＰ２…直流電圧検出器、Ｌ１，Ｌ２…遮断器。

Claims (8)

1. 電車線から遮断器を介して供給された直流電力を、フィルタコンデンサが直流電力側に接続された電力変換装置により変換して、電動機に供給し、前記電動機の駆動により走行する電気車の制御をする電気車制御装置であって、
   前記電車線から電力の供給が無いことを検知する無電検知手段と、
   前記無電検知手段により電力の供給が無いことを検知した場合、前記遮断器を開放する開放手段と、
   前記開放手段により前記遮断器が開放された場合、前記インバータを制御して、前記フィルタコンデンサの電圧を前記インバータの許容する電圧に制御する無電時フィルタコンデンサ電圧制御手段と、
   前記無電検知手段により電力の供給が無いことを検知した後、前記電車線から電力の供給が復帰したことを検知する電力復帰検知手段と、
   前記電力復帰検知手段により電力の供給が復帰したことを検知した場合、前記インバータを制御して、前記フィルタコンデンサの電圧を前記電車線の電圧に一致させる制御をする復帰時フィルタコンデンサ電圧制御手段と、
   前記復帰時フィルタコンデンサ電圧制御手段による制御後に、前記遮断器を投入する投入手段と
   を備えたことを特徴とする電気車制御装置。
2. 前記無電時フィルタコンデンサ電圧制御手段は、前記インバータの定格電圧に制御して、前記インバータの許容する電圧とすること
   を特徴とする請求項１に記載の電気車制御装置。
3. 前記無電検知手段は、力行時は前記フィルタコンデンサの電圧が第１の閾値以下になったときを電力の供給が無いとして検知し、回生時は前記フィルタコンデンサ電圧が第２の閾値以上になったときを電力の供給が無いとして検知すること
   を特徴とする請求項１に記載の電気車制御装置。
4. 電車線から遮断器を介して供給された直流電力を、フィルタコンデンサが直流電力側に接続された電力変換装置により変換して、電動機に供給し、前記電動機の駆動により走行する電気車の制御をする電気車制御装置であって、
   前記インバータの直流電力側に供給される電力が無くなることを事前に検知する無電事前検知手段と、
   無電事前検知手段により検知した場合、前記インバータを制御して、前記電動機のトルクを減少させる電動機トルク減少制御手段と、
   前記電動機トルク減少制御手段による制御後、前記遮断器を開放する開放手段と、
   前記開放手段により前記遮断器が開放された場合、前記インバータを制御して、前記フィルタコンデンサの電圧を前記インバータの許容する電圧に制御する無電時フィルタコンデンサ電圧制御手段と、
   前記無電事前検知手段による検知後、前記電車線から電力の供給が復帰したことを検知する電力復帰検知手段と、
   前記電力復帰検知手段により電力の供給が復帰したことを検知した場合、前記インバータを制御して、前記フィルタコンデンサの電圧を前記電車線の電圧に一致させる制御をする復帰時フィルタコンデンサ電圧制御手段と、
   前記復帰時フィルタコンデンサ電圧制御手段による制御後に、前記遮断器を投入する投入手段と
   を備えたことを特徴とする電気車制御装置。
5. 前記投入手段による前記遮断器の投入後、前記インバータを制御して、乗り心地を害さないように前記電動機のトルクを増加させる電動機トルク増加制御手段を備えたこと
   を特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電気車制御装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の電気車制御装置を備えたこと
   を特徴とする電気車。
7. 電車線から遮断器を介して供給された直流電力を、フィルタコンデンサが直流電力側に接続された電力変換装置により変換して、電動機に供給し、前記電動機の駆動により走行する電気車の制御をする電気車制御方法であって、
   前記電車線から電力の供給が無いことを検知する無電検知手順と、
   前記無電検知手順により電力の供給が無いことを検知した場合、前記遮断器を開放する開放手順と、
   前記開放手順により前記遮断器が開放された場合、前記インバータを制御して、前記フィルタコンデンサの電圧を前記インバータの許容する電圧に制御する無電時フィルタコンデンサ電圧制御手順と、
   前記無電検知手順による検知後、前記電車線から電力の供給が復帰したことを検知する電力復帰検知手順と、
   前記電力復帰検知手順により電力の供給が復帰したことを検知した場合、前記インバータを制御して、前記フィルタコンデンサの電圧を前記電車線の電圧に一致させる制御をする復帰時フィルタコンデンサ電圧制御手順と、
   前記復帰時フィルタコンデンサ電圧制御手順による制御後に、前記遮断器を投入する投入手順と
   を含むことを特徴とする電気車制御方法。
8. 電車線から遮断器を介して供給された直流電力を、フィルタコンデンサが直流電力側に接続された電力変換装置により変換して、電動機に供給し、前記電動機の駆動により走行する電気車の制御をする電気車制御方法であって、
   前記インバータの直流電力側に供給される電力が無くなることを事前に検知する無電事前検知手順と、
   無電事前検知手順により検知した場合、前記インバータを制御して、前記電動機のトルクを減少させる電動機トルク減少制御手順と、
   前記電動機トルク減少制御手順による制御後、前記遮断器を開放する開放手順と、
   前記開放手順により前記遮断器が開放された場合、前記インバータを制御して、前記フィルタコンデンサの電圧を前記インバータの許容する電圧に制御する無電時フィルタコンデンサ電圧制御手順と、
   前記無電事前検知手順による検知後、前記電車線から電力の供給が復帰したことを検知する電力復帰検知手順と、
   前記電力復帰検知手順により電力の供給が復帰したことを検知した場合、前記インバータを制御して、前記フィルタコンデンサの電圧を前記電車線の電圧に一致させる制御をする復帰時フィルタコンデンサ電圧制御手順と、
   前記復帰時フィルタコンデンサ電圧制御手順による制御後に、前記遮断器を投入する投入手順と
   を含むことを特徴とする電気車制御方法。

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