JP2012075209A - 鉄道車両の発電システム - Google Patents

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Abstract

【課題】エンジン制御系と発電制御系の間で電気的な制御情報のやり取りをすることなく、エンジン発電機の動作、あるいは発電電力を制御する鉄道車両の発電システムを提供する。
【解決手段】エンジンの出力を制御するエンジン制御装置は、エンジンに取り付けられた回転検出器の情報を基に、速度演算部で算出したエンジン回転速度信号を認識し、エンジン回転速度信号に応じてエンジン出力を制御する。また、発電機の発電電力を制御する発電機制御装置は、発電機に備えられた回転検出器の情報を基に速度演算部で算出した発電機回転速度信号を認識し、発電機回転速度信号に応じて発電電力を制御する。このため、エンジンと発電機制御間で情報をやり取りすることなくエンジン発電制御を実現できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、鉄道車両の発電システムに掛かり、特にエンジン制御系と発電制御系の間で電気的な制御情報のやり取りをすることなく、エンジン発電機の動作、あるいは発電電力を制御する鉄道車両の発電システムを実現する技術に関する。
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。
一方、輸送密度が小さい地方路線などは、架線，変電所等のインフラが要らない気動車（ディーゼルカー）により、きめ細かな乗客サービスを低コストに実現している。しかし、気動車は、架線など他車両にエネルギを渡す手段がないため、電気鉄道車両のような回生エネルギの再利用は行われていなかった。このため、気動車で省エネルギを実現するためには、低燃費エンジンの開発に頼らざるを得ないと考えられていた。
このような気動車についても省エネルギを推進するひとつの方法として、エンジンと蓄電装置を組み合わせたハイブリッド気動車が考案された。ハイブリッド気動車は蓄電装置を設けることにより、制動時に発生する回生エネルギを蓄電装置でいったん吸収することが可能となり、この吸収した回生エネルギを力行時に必要なエネルギの一部として再利用することにより省エネルギを実現することができる。ハイブリッド気動車については、例えば特許文献１の鉄道車両の駆動装置において述べられている。
図６に特許文献１の図２に示されている鉄道車両の駆動装置の機器構成図を示す。
エンジン５１は、エンジン制御器６９の燃料噴射量指令Ｆ_ｅｎｇに基づいて軸トルクを出力する。発電機５２は、エンジン５１の軸トルクを入力として、これを三相交流電力に変換して出力する。コンバータ装置５３は、発電機５２から出力される三相交流電力を入力としてこれを直流電力に変換して出力する。ここで、コンバータ装置５３は、システム統括制御部５９からの指令Ｓｃに基づいた直流電圧となるように、ＰＷＭ制御器（ベクトル制御演算器）７０の出力するゲート信号Ｖｐを介して電圧制御する。
システム統括制御部５９は、蓄電装置５８の内部状態信号Ｓｐ１を入力として、エンジン制御器６９に運転指令Ｓｅ、定電力制御器（電流指令発生器）７１に運転指令Ｓｃ、図示していないインバータ装置に運転指令Ｓｉ、図示していない遮断器６２ａ，６２ｂ，６２ｃ，６２ｄに動作指令Ｓｂ、蓄電装置５８内に配置する充放電制御装置への動作指令Ｓｐ２を出力し、蓄電装置５８の蓄電量を一定範囲内とするようにこれらの機器の総合的な動作状態を制御する。
速度センサ６３ａは発電機５２の回転速度を検出し、速度演算器６４ａにおいて発電機ロータ周波数Ｆｒ_ｃｎｖに変換する。フィルタコンデンサ６５は、コンバータ装置５３で変換された直流電力について、特に高周波数で変動する電圧成分を平滑化し、直流部の電圧を安定させる。電流センサ６６は、コンバータ装置５３からフィルタコンデンサ６５を介して直流部に流入、あるいは直流部から流出する電流を検出する。抵抗器６７は、直流部へ流入、あるいは直流部から流出する電流を分流し、電圧センサ６８は抵抗器６７の両端電圧は、抵抗器６７を流れる電流値に比例する原理により、直流部の電位差を検出する。
エンジン制御器６９は、システム統括制御部５９からの動作指令Ｓｅと、速度演算部６４ｂからの回転速度信号Ｆｒ_ｇｅｎを入力し、エンジン５１の出力を調整する燃料噴射量指令Ｆ_ｅｎｇを出力する。
定電力制御器７１は、システム統括制御部５９からの動作指令Ｓｃと、速度演算部６４ａからの回転速度信号Ｆ_ｃｎｖと、電流センサ６６からの直流部電流検出値Ｉｃｎｖ、電圧センサ６８からの直流部電圧検出値Ｖｃｎｖを入力とし、後述のＰＷＭ制御器７０の電圧制御量を決定する電圧指令Ｖｃ_ｃｎｖを出力する。
ＰＷＭ制御器７０は、定電圧制御器７１からの電圧指令Ｖｃ_ｃｎｖと、速度演算部６４ｂからのＦｒ_ｃｎｖを入力とし、コンバータ装置５３を構成する図示していないスイッチング素子のオン／オフによりＰＷＭ制御を駆動するためのスイッチング素子ゲート信号Ｖｐを出力する。
特開２００８−５４４０８号公報
特許文献１の鉄道車両の駆動装置は、システム統括制御部において、発電機の回転速度と、電動機の回転速度と、蓄電装置より得られる内部状態信号に基づいて、エンジンの発電電力の要否を判定して、エンジンへの運転指令、コンバータ装置への運転指令により発電状態を制御し、さらにエンジンの発電電力が不要な場合は、エンジン停止の可否を判定して、エンジンへの運転指令によりエンジンを停止させる指令を与える。
すなわち、エンジンの動作とコンバータ装置の動作はともにシステム統括制御部により制御される。特許文献１の鉄道車両の駆動装置は、シリーズハイブリッド方式によるハイブリッド気動車を対象としており、特に車両の走行性能にできるだけ影響を与えることなくアイドルストップ制御を実現するものである。すなわち、エンジンの起動／停止により、インバータ駆動装置および電動機が発生する駆動力が制限を受けることのないように、システム統括制御部において制御タイミングを厳密に管理している。このため、システム統括制御部によるエンジンの動作とコンバータ装置の動作の制御が必要となっている。システム統括制御部によるエンジンの動作とコンバータ装置の動作の制御には、システム統括制御部とエンジン間、システム統括制御部とコンバータ装置間の制御情報のやり取りが必要であり、それぞれアナログ線（ハードワイヤ）や制御情報伝送装置などの通信手段を設ける必要がある。
システム統括制御部とエンジン間の通信手段については、エンジン制御装置のインタフェース，通信手段がメーカ毎に異なることが多い、また、インタフェース，通信手段が同じであるとしても、情報伝送手順や、情報伝送書式が異なる場合がほとんどであるため、対応案件毎にシステム統括制御部とエンジン間の通信手段を設計することになり作業負担が大きい。
本発明は、エンジン制御系と発電制御系の間で電気的な制御情報のやり取りをすることなく、エンジン発電機の動作、あるいは発電電力を制御する鉄道車両の発電システムを提供することを目的とする。
エンジンの出力を制御するエンジン制御装置は、エンジンに取り付けられた回転検出器の情報を基に、速度演算部で算出したエンジン回転速度信号を認識し、エンジン回転速度信号に応じてエンジン出力を制御する。また、発電機の発電電力を制御する発電機制御装置は、発電機に備えられた回転検出器の情報を基に速度演算部で算出した発電機回転速度信号を認識し、発電機回転速度信号に応じて発電電力を制御する。ここで、エンジンと発電機は、駆動軸を介して結合されているため、エンジン回転速度と発電機回転速度信号は、エンジン発電機の動作、あるいは発電電力の制御に必要な信号精度の範囲においては同一と見なすことができる。このため、エンジン制御装置，発電機制御装置がそれぞれ速度を認識し、エンジン回転速度に対するエンジン出力特性と、発電機回転速度に対する発電負荷特性を、所定の回転速度においてバランスするように設定することにより、エンジンと発電機制御間で情報をやり取りすることなくエンジン発電制御を実現できる。
本発明によれば、エンジン制御系と発電制御系の間で電気的な制御情報のやり取りをすることない簡易な構成においても、エンジン発電機の動作、あるいは発電電力を制御できる鉄道車両の発電システムを提供できる。
本発明の鉄道車両エンジン制御システムにおける一実施形態の機器構成を示す図。 本発明の一実施形態におけるエンジン発電制御の方式を示す図。 本発明の一実施形態におけるエンジン制御装置と発電機制御装置の詳細を示す図。 本発明の一実施形態におけるエンジン停止判定部の詳細を示す図。 本発明の一実施形態におけるエンジン停止制御の動作タイムチャートを示す図。 従来の鉄道車両エンジン制御システムの構成を示す図。
図１は、本発明の鉄道車両エンジン制御システムにおける一実施形態の機器構成を示す図である。
エンジン１は、エンジン制御装置４の燃料噴射量指令Ｆ_ｅｎｇに基づいて軸トルクを出力する。発電機２は、エンジン１と駆動軸を介して結合されており、エンジン１の軸トルクを入力として、これを三相交流電力に変換して出力する。
コンバータ主回路３は、発電機２から出力される三相交流電力を入力として、これを直流電力に変換して出力する。コンバータ主回路３の直流側電圧は、図示していない蓄電装置や発電システムなどの直流電圧源により、一定の範囲の電圧値に調整される。
ベクトル制御演算器６は、交流電流検出器１１ａ，１１ｂ，１１ｃで検出した三相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗと、速度演算部１０ｂからの回転速度信号Ｆｒ_ｇｅｎと、直流電流検出器１２からの直流部電流検出値Ｉ_ｃｎｖと、電圧検出器１３からの直流部電圧検出値Ｖ_ｃｎｖと、発電機制御装置７により生成されたトルク電流指令値Ｉｑｐ０_ｃｎｖ、励磁電流指令値Ｉｄｐ０_ｃｎｖを入力として、コンバータ主回路３の電圧制御量を決定する電圧指令を演算し、これに応じてコンバータ主回路３を構成する図示していないスイッチング素子のオン／オフさせてＰＷＭ制御するためのスイッチング素子ゲート信号Ｖｐを出力する。
フィルタコンデンサ８は、コンバータ主回路３で変換された直流電力について、特に高周波数で変動する電圧成分を平滑化し、直流部の電圧を安定させる。
回転速度検出器９ａはエンジン１の回転速度を検出し、速度演算部１０ａにおいて発電機回転速度信号Ｆｒ_ｅｎｇに変換する。
回転速度検出器９ｂは発電機２の回転速度を検出し、速度演算部１０ｂにおいて発電機回転速度信号Ｆｒ_ｇｅｎに変換する。
直流電流検出器１２は、コンバータ主回路３からフィルタコンデンサ８を介して直流部に流入、あるいは直流部から流出する電流を検出する。
電圧検出器用抵抗器１４は、直流部へ流入あるいは直流部から流出する電流を分流する。電圧検出器１３は、抵抗器１４の両端電圧が抵抗器１４を流れる電流値に比例する原理を利用して直流部の電圧を検出する。
エンジン制御装置４は、運転指令装置５からの動作指令Ｃｍｄ_ｅｎｇと、速度演算部１０ａからの回転速度信号Ｆｒ_ｅｎｇを入力し、エンジン１の出力を調整する燃料噴射量指令Ｆ_ｅｎｇを出力する。
電流指令発生器７は、発電機回転速度信号Ｆｒ_ｇｅｎを入力として、コンバータ主回路３により発電機２の発電負荷を調整するためにベクトル制御演算器６に与えるトルク電流指令値Ｉｑｐ０_ｃｎｖ，励磁電流指令値Ｉｄｐ０_ｃｎｖを出力する。
この構成により、以下の動作を実現できる。
エンジン１の出力を制御するエンジン制御装置４は、回転検出器９ａの情報を基に速度演算部１０ａで算出した回転速度信号Ｆｒ_ｅｎｇを認識し、エンジン出力（駆動トルク）を制御する。また、発電機２の発電電力を制御する電流指令発生器７は、回転検出器９ｂの情報を基に速度演算部１０ｂで算出した回転速度信号Ｆｒ_ｇｅｎを認識して、発電電力の発電負荷トルクを制御する。ここで、エンジン１と発電機２は、駆動軸を介して結合されているため両者の回転速度は同じである（Ｆｒ_ｅｎｇ＝Ｆｒ_ｇｅｎ）。
この構成によれば、エンジンの出力（駆動トルク）と、発電機の発電負荷トルクとのバランスを、エンジンと発電機が駆動軸により結合することにより実現している。また、エンジン出力をエンジン回転速度に応じて、また発電機の発電負荷を発電機の回転速度に応じてそれぞれ決定する制御方式としている。エンジン回転速度と発電機回転速度は同一であるため、エンジン制御装置，発電機制御装置がそれぞれ速度を認識すれば、エンジン発電制御においてエンジンと発電機制御間で情報のやり取りは不要である。
すなわち、エンジン制御系と発電制御系の間で電気的な制御情報のやり取りをすることなく、エンジン発電機の動作、あるいは発電電力を制御する鉄道車両の発電システムを実現できる。つまり、エンジン制御系と発電制御系がそれぞれ独立して制御を行うことが可能となる。
図２は、本発明の一実施形態におけるエンジン発電制御の方式を示す図である。
エンジン１は、エンジン制御装置４の燃料噴射量指令Ｆ_ｅｎｇに基づいて軸トルクを出力する。発電機２は、エンジン１と駆動軸を介して結合されており、エンジン１の軸トルクを入力として、これを三相交流電力に変換して出力する。
コンバータ主回路３は、発電機２から出力される三相交流電力を入力として、これを直流電力に変換して出力する。
ベクトル制御演算器６は、交流電流検出器１１ａ，１１ｂ，１１ｃで検出した三相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗと、速度演算部１０ｂからの回転速度信号Ｆｒ_ｇｅｎと、図示していない直流部電流検出値Ｉ_ｃｎｖ、直流部電圧検出値Ｖ_ｃｎｖ、また、電流指令発生器７により生成されたトルク電流指令値Ｉｑｐ０_ｃｎｖ、励磁電流指令値Ｉｄｐ０_ｃｎｖを入力として、コンバータ主回路３の電圧制御量を決定する電圧指令を演算し、これに応じてコンバータ主回路３を構成する図示していないスイッチング素子のオン／オフさせてＰＷＭ制御するためのスイッチング素子ゲート信号Ｖｐを出力する。
回転速度検出器９ａはエンジン１の回転速度を検出し、速度演算部１０ａにおいてエンジン回転速度信号Ｆｒ_ｅｎｇに変換する。
回転速度検出器９ｂは発電機２の回転速度を検出し、速度演算部１０ｂにおいて発電機回転速度信号Ｆｒ_ｇｅｎに変換する。
エンジン制御装置４は、運転指令装置５からの動作指令Ｃｍｄ_ｅｎｇと、速度演算部１０ａからの回転速度信号Ｆｒ_ｅｎｇを入力し、エンジン１の出力を調整する燃料噴射量指令Ｆ_ｅｎｇを出力する。
ここで、エンジン１の出力で発電機２を駆動して電力を発生させるために、エンジン制御装置４、および電流指令発生器７で行う制御方式の一例を示す。
エンジン出力テーブル２８は、エンジン回転速度信号Ｆｒ_ｅｎｇを入力として、エンジン出力要求Ｐ_ｅｎｇを出力する。エンジン回転速度信号Ｆｒ_ｅｎｇと、エンジン出力要求Ｐ_ｅｎｇの関係は、特定の回転速度Ｆｆ０ｅで特定のエンジン出力要求Ｐ０を出力する特性とする。また、エンジン出力要求Ｐ_ｅｎｇは、エンジン回転速度信号Ｆｒ_ｅｎｇが増加するに従い減少する特性、あるいは、任意のエンジン出力要求Ｐ_ｅｎｇを、前記エンジン回転速度Ｆｆ０ｅにおいて出力する特性（定回転数制御特性）とする。エンジン出力制御部は、エンジン出力要求Ｐ_ｅｎｇを入力として、出力要求を満足するエンジンの燃料噴射量を決定し、燃料噴射量指令Ｆ_ｅｎｇを出力する。
電流指令発生器７は、発電機ロータ周波数Ｆｒ_ｇｅｎを入力として、コンバータ主回路３により発電機２の発電負荷を調整するためにベクトル制御演算器６に与えるトルク電流指令値Ｉｑｐ０_ｃｎｖ、励磁電流指令値Ｉｄｐ０_ｃｎｖを出力する。
発電機負荷テーブルは、発電機回転速度信号Ｆｒ_ｇｅｎを入力として、発電機負荷要求Ｐ_ｇｅｎを出力する。発電機回転速度信号Ｆｒ_ｇｅｎと、発電機負荷要求Ｐ_ｇｅｎの関係は、特定の回転速度Ｆｆ０ｇで特定の発電機負荷要求Ｐ０を出力する特性とする。また、発電機負荷要求Ｐ_ｇｅｎは、発電機回転速度信号Ｆｒ_ｅｎｇが増加するに従い増加する特性、あるいは、任意の発電機回転速度Ｆｆ０ｇＰ_ｇｅｎにおいて、前記発電機負荷要求Ｐ０出力する特性（定発電機負荷特性）とする。電流指令演算部は、発電機負荷要求Ｐ_ｇｅｎと、図示していない発電機回転速度信号Ｆｒ_ｇｅｎを入力として、ベクトル制御するための励磁電流指令Ｉｄｐ０_ｃｎｖ，Ｉｄｑ０_ｃｎｖに変換する。
この構成により、以下の動作を実現できる。
エンジン１の出力を制御するエンジン制御装置４は、回転検出器９ａの情報を基に速度演算部１０ａで算出した回転速度信号Ｆｒ_ｅｎｇを認識し、エンジン出力を制御する。また、発電機２の発電電力を制御する電流指令発生器７は、回転検出器９ｂの情報を基に速度演算部１０ｂで算出した回転速度信号Ｆｒ_ｇｅｎを認識して、発電電力を制御する。ここで、エンジン１と発電機２は、駆動軸を介して結合されているため両者の回転速度は同じである（Ｆｒ_ｅｎｇ＝Ｆｒ_ｇｅｎ）。また、エンジン出力テーブルでは、エンジン出力要求Ｐ_ｅｎｇは、エンジン回転速度信号Ｆｒ_ｅｎｇが増加するに従い減少する特性、あるいは、任意のエンジン出力要求Ｐ_ｅｎｇを、前記エンジン回転速度Ｆｆ０ｅにおいて出力する特性（定回転数制御特性）としているのに対して、発電機負荷テーブルでは、発電機負荷要求Ｐ_ｇｅｎは、発電機回転速度信号Ｆｒ_ｅｎｇが増加するに従い増加する特性、あるいは、任意の発電機回転速度Ｆｆ０ｇＰ_ｇｅｎにおいて、前記発電機負荷要求Ｐ０出力する特性（定発電機負荷特性）としている。このため、エンジン出力と発電機負荷は、特定の回転速度Ｐ０（エンジン，発電機共通）において、特定のエンジン出力Ｐ０，特定の発電機負荷Ｐ０がバランスして、安定した発電制御を継続できる。
この構成によれば、エンジンの出力と、発電機の発電負荷とのバランスを、エンジンと発電機が駆動軸により結合することにより実現している。また、エンジン出力をエンジン回転速度に応じて、また発電機の発電負荷を発電機の回転速度に応じてそれぞれ決定する制御方式としている。エンジン回転速度と発電機回転速度は同一であるため、エンジン制御装置，発電機制御装置がそれぞれ速度を認識すれば、エンジン発電制御においてエンジンと発電機制御間で情報のやり取りは不要である。
すなわち、エンジン制御系と発電制御系の間で電気的な制御情報のやり取りをすることなく、エンジン発電機の動作、あるいは発電電力を制御する鉄道車両の発電システムを実現できる。
エンジン制御装置，発電機制御装置がそれぞれ速度を認識し、エンジン回転速度に対するエンジン出力特性と、発電機回転速度に対する発電負荷特性を設定し、各々の回転速度に応じて制御することにより、エンジン制御系と発電制御系の間で電気的な制御情報のやり取りをすることない簡易な構成においても、エンジン発電機の動作、あるいは発電電力を制御できる鉄道車両の発電システムを提供できる。
図３は、本発明の一実施形態におけるエンジン制御装置と発電機制御装置の詳細を示す図である。
エンジン制御装置４は、エンジン動作指令ＣＭＤ_ｅｎｇと、エンジン回転速度信号Ｆｒ_ｅｎｇを入力として、燃料噴射装量Ｆ_ｅｎｇを出力する。燃料噴射量Ｆ_ｅｎｇは、エンジン１に入力して、エンジンの出力を制御する。
エンジン出力テーブル１５ａ，１５ｂは、エンジン回転速度信号Ｆｒ_ｇｅｎに対するエンジン出力指令値（０）Ｐ_ｅｎｇ_０，エンジン出力指令値（１）Ｐ_ｅｎｇ_１の関係を定義している。
エンジン出力テーブル１５ａは、エンジン回転速度信号Ｆｒ_ｇｅｎに対して、エンジン出力指令値（０）Ｐ_ｅｎｇ_０が常にゼロとなる関係を定義している。すなわち、エンジン出力テーブル１５ａが選択されているとき、エンジン１が停止状態にあるときはそのまま停止を維持し、動作状態にあるときは回転が徐々に低下して停止状態に移行する。
一方、エンジン出力テーブル１５ｂは、エンジン回転速度信号Ｆｒ_ｇｅｎに対して、エンジン出力指令値（１）Ｐ_ｅｎｇ_１が変化する（ゼロではない）関係を定義している。ここでは、エンジン回転速度信号Ｆｒ_ｇｅｎが増加するに従い、エンジン出力指令値（１）Ｐ_ｅｎｇ_１が低下する関係を示している。これに対して、発電機制御は、発電機回転速度信号Ｆｒ_ｇｅｎが増加するに従い、発電機発電電力が一定、あるいは増加させる制御とすれば、エンジン出力と発電機発電電力が駆動軸を介してバランスして、安定した発電制御を実現できる。
エンジン出力選択器１６は、エンジン出力指令値（０）Ｐ_ｅｎｇ_０と、エンジン出力指令値（１）Ｐ_ｅｎｇ_１をエンジン動作指令ＣＭＤ_ｅｎｇに応じて切り替えることで、エンジン出力指令値Ｐ_ｅｎｇを出力する。ここでは、ＣＭＤ_ｅｎｇ＝０のときエンジン出力指令値Ｐ_ｅｎｇ＝Ｐ_ｅｎｇ_０、ＣＭＤ_ｅｎｇ＝１のときエンジン出力指令値Ｐ_ｅｎｇ＝Ｐ_ｅｎｇ_０である。
エンジン出力制御部１７は、エンジン出力指令値Ｐ_ｅｎｇを入力として、所定のエンジン出力を得るための燃料噴射量Ｆ_ｅｎｇを算出する。
電流指令発生器７は、発電機回転速度信号Ｆｒ_ｇｅｎを入力として、トルク電流指令Ｉｑｐ０_ｃｎｖ、励磁電流指令Ｉｄｐ０_ｃｎｖを出力する。トルク電流指令Ｉｑｐ０_ｃｎｖ、励磁電流指令Ｉｄｐ０_ｃｎｖはベクトル制御演算器６に入力して、発電機の発電電力を制御する。
エンジン停止判定部１８は、発電機回転速度信号Ｆｒ_ｇｅｎを入力として、発電機の発電負荷でエンジン停止を促すエンジン停止制御の動作を指令するエンジン停止制御指令ＣＭＤ_ｅｎｇｓｔｐを算出する。トルク電流特性テーブル１９は、発電機回転速度信号Ｆｒ_ｇｅｎに対して、発電機の発電負荷でエンジン停止を促すためのトルク電流指令パターンＩｑｐ０_ｃｎｖ_１を定義する。ここでは、発電機回転速度信号Ｆｒ_ｇｅｎがゼロ近傍の所定値Ｆｒ０を基準として、Ｆｒ_ｇｅｎ＞Ｆｒ０のときは発電機回転速度Ｆｒ_ｇｅｎによらずにＩｑｐ０_ｃｎｖ_１＝Ｉｑｐ０一定、Ｆｒ_ｇｅｎ≦Ｆｒ０のときはＦｒ_ｇｅｎ＝０でＩｑｐ０_ｃｎｖ_１＝０、Ｆｒ_ｇｅｎ＝Ｆｒ０でＩｑｐ０_ｃｎｖ_１＝Ｉｑｐ０となるように変化する特性を示している。励磁電流出力テーブル２０は、発電機回転速度信号Ｆｒ_ｇｅｎに対して、発電機の発電負荷でエンジン停止を促すための励磁電流指令パターンＩｄｐ０_ｃｎｖ_１を定義する。ここでは、発電機回転速度信号Ｆｒ_ｇｅｎによらずに、トルク電流指令パターンＩｄｐ０_ｃｎｖ_１＝Ｉｄｐ０一定である特性を示している。
トルク電流選択器２１は、エンジン停止制御指令ＣＭＤ_ｅｎｇｓｔｐに応じて、トルク電流指令（０）Ｉｑｐ_ｃｎｖ_０＝０とトルク電流指令（１）Ｉｑｐ_ｃｎｖ_１を選択して、トルク電流指令値Ｉｑｐ１_ｃｎｖを出力する。ここでは、ＣＭＤ_ｅｎｇｓｔｐ＝０のときトルク電流指令値Ｉｑｐ１_ｃｎｖ＝Ｉｑｐ０_ｃｎｖ_０（＝０）、ＣＭＤ_ｅｎｇｓｔｐ＝１のときトルク電流指令値Ｉｑｐ１_ｃｎｖ＝Ｉｑｐ０_ｃｎｖ_１である。変化率リミッタ２３ａは、トルク電流指令値Ｉｑｐ１_ｃｎｖを入力として、Ｉｑｐ１_ｃｎｖの変化率を所定値にて制限することにより、トルク電流指令値Ｉｑｐ０_ｃｎｖを出力する。
励磁電流選択器２２は、遅延つきエンジン停止制御指令ＣＭＤ_ｅｎｇｓｔｐ_ｔｄに応じて、励磁電流指令（０）Ｉｄｐ_ｃｎｖ_０＝０と励磁電流指令（１）Ｉｄｐ_ｃｎｖ_１を選択して、励磁電流指令値Ｉｄｐ１_ｃｎｖを出力する。ここでは、ＣＭＤ_ｅｎｇｓｔｐ＝０のとき励磁電流指令値Ｉｄｐ１_ｃｎｖ＝Ｉｄｐ０_ｃｎｖ_０（＝０）、ＣＭＤ_ｅｎｇｓｔｐ＝１のとき励磁電流指令値Ｉｄｐ１_ｃｎｖ＝Ｉｄｐ０_ｃｎｖ_１である。変化率リミッタ２３ｂは、励磁電流指令値Ｉｄｐ１_ｃｎｖを入力として、Ｉｄｐ１_ｃｎｖの変化率を所定値にて制限することにより、励磁電流指令値Ｉｄｐ０_ｃｎｖを出力する。
信号立ち下げ遅延カウンタ２７は、エンジン停止制御指令ＣＭＤ_ｅｎｇｓｔｐを入力として、ＣＭＤ_ｅｎｇｓｔｐ＝１からＣＭＤ_ｅｎｇｓｔｐ＝０に移行する時間をＴＤだけ遅延することにより、遅延つきエンジン停止制御指令ＣＭＤ_ｅｎｇｓｔｐ_ｔｄを出力する。
この構成により、以下の動作を実現できる。
エンジン制御装置４は、エンジン動作指令ＣＭＤ_ｅｎｇと、エンジン回転速度信号Ｆｒ_ｅｎｇを入力として、エンジン１に対して燃料噴射量Ｆ_ｅｎｇを算出する。また、電流指令発生器７は、発電機回転速度Ｆｒ_ｇｅｎを入力として、ベクトル制御演算器に対してトルク電流指令値Ｉｑｐ０_ｃｎｖ、励磁電流指令値Ｉｄｐ_ｃｎｖを算出する。
この構成によれば、エンジン出力をエンジン回転速度に応じて、また発電機の発電負荷を発電機の回転速度に応じてそれぞれ決定する制御方式としている。エンジン回転速度と発電機回転速度は同一であるため、エンジン制御装置，発電機制御装置がそれぞれ速度を認識すれば、エンジン発電制御においてエンジンと発電機制御間で情報のやり取りは不要である。
すなわち、エンジン制御系と発電制御系の間で電気的な制御情報のやり取りをすることなく、エンジン発電機の動作、あるいは発電電力を制御する鉄道車両の発電システムを実現できる。
図４は、本発明の一実施形態におけるエンジン停止判定部の詳細を示す図である。
エンジン停止判定部は、発電機回転速度信号Ｆｒ_ｇｅｎを入力として、エンジン停止制御指令ＣＭＤ_ｅｎｇｓｔｐを算出する。
エンジン動作判定器２４は、発電機回転速度信号Ｆｒ_ｇｅｎがＦｒ１ａを超過し、その後Ｆｒ０ａを下回らない状態においては、エンジン動作中フラグＦＬＧ_ｅｎｇｏｐｒｖｅｌ＝１を出力する。また、発電機回転速度Ｆｒ_ｇｅｎがＦｒ０ａを下回り、その後Ｆｒ１ａを超過しない状態においては、エンジン動作中フラグＦＬＧ_ｅｎｇｏｐｒｖｅｌ＝０を出力する。エンジン動作中フラグＦＬＧ_ｅｎｇｏｐｒｖｅｌ＝１のときは、発電機回転速度信号Ｆｒ_ｇｅｎと等しいエンジン回転速度がＦｒ１ａを超過し、その後Ｆｒ０ａを下回らない範囲を維持していることから、エンジンは動作中と判断でき、エンジン動作中フラグＦＬＧ_ｅｎｇｏｐｒｖｅｌ＝０のときは、発電機回転Ｆｒ_ｇｅｎと等しいエンジン回転速度がＦｒ０ａを下回り、その後Ｆｒ０ａを超過しない範囲を維持していることから、エンジンは停止中と判断できる。
エンジン停止制御速度域判定器２５は、発電機回転速度信号Ｆｒ_ｇｅｎが、Ｆｒ０ｂ以上、かつＦｒ１ｂ以下の範囲にあるとき、エンジン停止制御速度域フラグＦＬＧ_ｅｎｇｓｔｐｖｅｌ＝１を出力する。また、発電機回転速度Ｆｒ_ｇｅｎが、Ｆｒ０ｂ未満、またはＦｒ１ｂよりも大きい範囲にあるとき、エンジン停止制御速度域フラグＦＬＧ_ｅｎｇｓｔｐｖｅｌ＝０を出力する。エンジン停止制御速度域フラグＦＬＧ_ｅｎｇｓｔｐｖｅｌ＝１のときは、発電機回転Ｆｒ_ｇｅｎと等しいエンジン回転速度が、エンジン停止制御を動作させる速度域であるＦｒ０ｂ以上かつＦｒ１ｂ以下の範囲であるため、発電機２の発電機負荷によりエンジンの停止を促す制御が必要と判定する。エンジン停止制御速度域フラグＦＬＧ_ｅｎｇｓｔｐｖｅｌ＝０のときは、発電機回転Ｆｒ_ｇｅｎと等しいエンジン回転速度が、エンジン停止制御を動作させる速度域であるＦｒ０ｂ以上かつＦｒ１ｂ以下の範囲にないため、発電機２はの発電負荷によりエンジンの停止を促す制御は不要と判定する。
論理積演算器２６は、エンジン動作中フラグＦＬＧ_ｅｎｇｓｔｐｖｅｌと、エンジン停止制御速度域フラグＦＬＧ_ｅｎｇｓｔｐｖｅｌの論理積を求め、エンジン停止制御指令ＣＭＤ_ｅｎｇｓｔｐを出力する。
図５は、本発明の一実施形態におけるエンジン停止制御の動作タイムチャートを示す図である。
時間ｔ０では、発電機回転速度信号Ｆｒ_ｇｅｎはＦｒ２（＞Ｆｒ１ａ）であり、エンジン動作中フラグＦＬＧ_ｅｎｇｏｐｒｖｅｌ＝１である。
時間ｔ１では、エンジンの出力が停止され、エンジン回転速度と等しい発電機回転速度Ｆｒ_ｇｅｎはＦｒ２から減少を始める。
時間ｔ２では、発電機回転速度信号Ｆｒ_ｇｅｎはＦｒ１ｂを下回り、エンジン停止制御速度域フラグＦＬＧ_ｅｎｇｓｔｐｖｅｌ＝１となる。このとき、エンジン動作中エンジン動作中フラグＦＬＧ_ｅｎｇｏｐｒｖｅｌと、エンジン停止制御速度域フラグＦＬＧ_ｅｎｇｓｔｐｖｅｌの論理積である、エンジン停止制御指令ＣＭＤ_ｅｎｇｓｔｐもＣＭＤ_ｅｎｇｓｔｐ＝１となる。エンジン停止制御指令ＣＭＤ_ｅｎｇｓｔｐ＝１となることにより、エンジン停止制御が開始され、コンバータ主回路３がゲートスタートするとともに、トルク電流指令値Ｉｑｐ０_ｃｎｖと、励磁電流指令値Ｉｄｐ０_ｃｎｖが所定の変化率でそれぞれＩｑｐ０，Ｉｄｐ０まで立ち上がる。これにより、発電機２の発電負荷が発生して、エンジンの停止を促すエンジン停止制御が行われる。
時間ｔ３では、発電機回転速度信号Ｆｒ_ｇｅｎはＦｒ０ｂを下回り、エンジン停止制御速度域フラグＦＬＧ_ｅｎｇｓｔｐｖｅｌ＝０となる。このとき、エンジン動作中エンジン動作中フラグＦＬＧ_ｅｎｇｏｐｒｖｅｌと、エンジン停止制御速度域フラグＦＬＧ_ｅｎｇｓｔｐｖｅｌの論理積である、エンジン停止制御指令ＣＭＤ_ｅｎｇｓｔｐもＣＭＤ_ｅｎｇｓｔｐ＝０となる。エンジン停止制御指令ＣＭＤ_ｅｎｇｓｔｐ＝０となることにより、トルク電流指令値Ｉｑｐ０_ｃｎｖが所定の変化率で０に立ち下がる。これにより、発電機２の発電負荷がゼロに立ち下がり、なお、トルク電流指令値Ｉｄｐ０_ｃｎｖは、遅れ時間ＴＤが経過した後、所定の変化率で０に立ち下がるとともに、コンバータ主回路３がゲートストップしてエンジンの停止を促すエンジン停止制御が終了する。
時間ｔ４では、発電機回転速度信号Ｆｒ_ｇｅｎはＦｒ０ａを下回り、エンジン動作中フラグＦＬＧ_ｅｎｇｏｐｒｖｅｌ＝０となり、発電機回転速度信号Ｆｒ_ｇｅｎ＝０となりエンジンが完全に停止する。
１，５１ エンジン
２ 発電機
３ コンバータ主回路
４ エンジン制御装置
５ 運転指令装置
６ ベクトル制御演算器
７ 電流指令発生器
８，６５ フィルタコンデンサ
９，６４ 速度検出器
１０ 速度演算部
１１ 交流電流検出器
１２ 直流電流検出器
１３ 電圧検出器
１４ 電圧検出器用抵抗器
１５，２８ エンジン出力テーブル
１６ エンジン出力選択器
１７ エンジン出力制御部
１８ エンジン停止判定部
１９ トルク電流特性テーブル
２０ 励磁電流出力テーブル
２１ トルク電流選択器
２２ 励磁電流選択器
２３ 変化率リミッタ
２４ エンジン動作判定器
２５ エンジン停止制御速度域判定器
２６ 論理積演算器
２７ 信号立ち下げ遅延カウンタ
２９ 発電機負荷テーブル
３０ 電流指令演算部
５２ 誘導発電機
５３ コンバータ装置
５８ 蓄電装置
５９ システム統括制御部
６３ 速度センサ
６６ 電流センサ
６７ 抵抗器
６８ 電圧センサ
６９ エンジン制御器
７０ ＰＷＭ制御器
７１ 定電力制御器
７２ 電流検出器

Claims (8)

  1. エンジンにより駆動される発電手段が発生する交流電力を直流電力に変換する直流電力発生手段と、前記エンジンの回転速度を検出する手段と、前記発電手段の回転速度を検出する手段と、前記エンジンの駆動出力を前記エンジンの回転速度に応じて調整する第一の制御手段と、前記発電手段の発電負荷出力を前記発電機の回転速度に応じて調整する第二の制御手段を備え、
    前記第一の制御手段は、前記エンジンの回転速度に基づき、前記第二の制御手段は前記発電機の回転速度に基づき、それぞれ独立して制御可能であることを特徴とする鉄道車両の発電システム。
  2. 請求項１の鉄道車両の発電システムにおいて、
    第一の制御手段は、前記エンジンが発生する駆動出力を前記エンジンの回転速度に応じて調整することを特徴とする鉄道車両の発電システム。
  3. 請求項１の鉄道車両の発電システムにおいて、
    第二の制御手段は、前記発電機が発生する発電負荷出力を前記発電機の回転速度に応じて調整することを特徴とする鉄道車両の発電システム。
  4. 請求項１の鉄道車両の発電システムにおいて、
    前記第二の制御手段は、前記発電機の回転速度が所定の範囲にあるとき、前記発電機に発電負荷を発生させて前記発電機の回転を低下させることを特徴とする鉄道車両の発電システム。
  5. エンジンにより駆動される発電手段が発生する交流電力を直流電力に変換する直流電力発生手段と、前記直流電力を交流電力に変換するインバータ手段と、前記インバータ手段により駆動される電動機と、前記エンジンの回転速度を検出する手段と、前記発電手段の回転速度を検出する手段と、前記エンジンの駆動トルクを前記エンジンの回転速度に応じて調整する第一の制御手段と、前記発電機の発電負荷トルクを前記発電機の回転速度に応じて調整する第二の制御手段を備え、
    前記第一の制御手段は、前記エンジンの回転速度をもとに、前記第二の制御手段は前記発電機の回転速度をもとに、それぞれ個別に動作可能であることを特徴とする鉄道車両の発電システム。
  6. 請求項４の鉄道車両の発電システムにおいて、
    第一の制御手段は、前記エンジンが発生する駆動トルクを前記エンジンの回転速度に応じて調整することを特徴とする鉄道車両の発電システム。
  7. 請求項４の鉄道車両の発電システムにおいて、
    第二の制御手段は、前記発電機が発生する発電負荷トルクを前記発電機の回転速度に応じて調整することを特徴とする鉄道車両の発電システム。
  8. 請求項１の鉄道車両の発電システムにおいて、
    前記第二の制御手段は、前記発電機の回転速度が所定の範囲にあるとき、前記発電機に発電負荷を発生させて前記発電機の回転を低下させることを特徴とする鉄道車両の発電システム。
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