JP2013046536A - 電気車制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 原動機が不調に陥った際に、原動機を保護しつつ車両の運行に最低限必要な設備の電力を確保できる電気車制御装置を提供する。
【解決手段】電気車制御装置は、補助電源回路、第１の電力変換部、第２の電力変換部、回転数検出器、制御装置を備える。前記補助電源回路は車両に搭載される設備への電力源である。前記第１の電力変換部は車両を走行させる動力源である主電動機と接続する原動機により駆動された発電機により発電された電力を、主電動機を駆動するための電力へ変換する。前記第２の電力変換部は前記発電機により発電された電力を、補助電源回路に接続された設備で利用するための電力へ変換する。前記回転数検出器は前記原動機の回転数を検出する。前記制御装置は前記回転数検出器により検出された回転数が予め設定された閾値を下回った場合、前記第１の電力変換部の動作を停止させる。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、電気車制御装置に関する。

例えば電気式ディーゼル機関車などの電気車は、原動機により駆動される発電機の電力を電力源としてモータなどの主電動機を動作して車輪を回転させて走行する。

この種の電気車には、モータ駆動用の電力変換器の他に、例えば車内照明、保安機器といった設備を動作させるための補助電源用の電力変換器が搭載されており、原動機により駆動される発電機によって全ての電力が賄われている。

ところで、各電力変換器は、いずれも定電流負荷として動作するため、原動機の不調などにより所定の回転数を維持できなくなっても、一定電流を取得しようとする。このため、原動機は過負荷状態となり動作性能に影響が生じる可能性がある。

また原動機の過負荷状態が継続すると、最終的には運転を維持できなくなり運転停止に陥り、主電動機と補助電源用の電力変換器の両方への電力供給が途絶えることになるため、この事態は避けねばならない。

そこで、原動機の過負荷状態を検知して電力変換器における負荷を軽減する技術が開発されてはいるものの、この技術は、一時的な原動機出力の低下に対する軽減策である（例えば特許文献１参照）。

したがって、定常的に起る原動機の出力低下の問題に対しては、電力変換器への入力電流の増減を繰り返すことになる。

特開２０１０−１４６２２２号公報

しかしながら、主電動機駆動用の電力変換器の入力電流の増減を繰り返すということは運転操作によって主電動機のトルクの増減を繰り返すことを意味し、車両の乗り心地の悪化に繋がるため、好ましくない。また補助電源用の電力変換器への入力電流が増減すると、車内照明、保安機器といった設備の動作に影響が出るため、これについても回避する必要がある。

本発明が解決しようとする課題は、原動機が不調に陥った際に、原動機を保護しつつ車両の運行に最低限必要な設備の電力を確保できる電気車制御装置を提供することにある。

実施形態の電気車制御装置は、補助電源回路、第１の電力変換部、第２の電力変換部、回転数検出器、制御装置を備える。前記補助電源回路は前記車両に搭載される設備への電力源である。前記第１の電力変換部は車両を走行させる動力源である主電動機と接続する原動機により駆動されて発電する発電機の電力を、前記主電動機を駆動するための電力へ変換して前記主電動機へ供給する。前記第２の電力変換部は前記補助電源回路と接続する原動機により駆動されて発電する発電機の電力を、前記補助電源回路に接続された車両に搭載される設備で利用するための電力へ変換して前記補助電源回路へ供給する。前記回転数検出器は前記補助電源回路及び前記主電動機に電力を供給する原動機または発電機の回転数を検出する。前記制御装置は前記回転数検出器により検出された回転数が予め設定された閾値を下回った場合、前記第１の電力変換部の動作を停止させる。

第１実施形態の電気車制御装置の構成を示す図である。 第１実施形態の原動機の回転数の低下を判定するための回路の一例を示す論理回路図である。 第２実施形態において主電動機駆動用電力変換器の入力電流と時間の関係を示したタイムチャート。 第３実施形態において主電動機駆動用電力変換器の動作が停止した後、開放接触器を開放する回路の一例を示す図である。

以下、図面を参照して実施形態を詳細に説明する。
（構成の説明）
図１は第１実施形態の構成を示す図である。
図１に示すように、この実施形態の電気車は、原動機１、発電機（ＭＡ）２、回転数検出器（ＰＧ）３、整流器４、メモリ５、第１の電力変換部６、第２の電力変換部７、主電動機（ＭＭ）８、補助電源回路９、制御装置１０を備える。

このうち、原動機１、発電機（ＭＡ）２、主電動機（ＭＭ）８などの機構系を除いた電気系統（回転数検出器（ＰＧ）３、整流器４、メモリ５、第１の電力変換部６、第２の電力変換部７、補助電源回路９、制御装置１０など）を電気車制御装置という。

主電動機（ＭＭ）８は、車両を走行させる電力源である。例えば鉄道の電気式ディーゼル機関車などの車両を直接的に走行させる電力源である。車両を直接的に走行させる動力源とは、例えば車輪の車軸を駆動するモータ等である。

補助電源回路９は、車両に搭載される設備（車両の走行に直接関与しない設備）への電力源となる。補助電源回路９には、車両の走行に直接関与しない設備として、例えば車両の保安機器、車載各機器の冷却用ファン、車内照明、ブレーキのエアーコンプレッサなどが接続されている。

原動機１は燃料で駆動する例えばディーゼルエンジンなどである。発電機（ＭＡ）２は原動機１により駆動されて発電する。

回転数検出器（ＰＧ）３は、原動機１の回転軸に設けられる。原動機１の回転軸の回転数の回転数を検出する。なお原動機１の回転軸は通常発電機（ＭＡ）２の回転軸と同じであるため、主電動機（ＭＭ）８及び補助電源回路９に電力を供給する発電機（ＭＡ）２の回転数を検出するのと同じである。

整流器４は、発電機（ＭＡ）２により発電された三相交流の電力を直流に変換、つまり整流する。
なお、この実施形態では、整流器４以降で第１電力変換部６と第２電力変換部７に回路を分岐させたが、第１電力変換部６と第２電力変換部７にそれぞれ整流器４を配置し、発電機（ＭＡ）２以降で第１電力変換部６と第２電力変換部７に回路を分岐してもよい。

この場合、第１電力変換部６および第２電力変換部７は、発電機（ＭＡ）２により発電された電力（交流）を整流して一旦直流に変換し、変換した直流の電力を交流に再変換することになる。

メモリ５には、回転数低下判定用の閾値が予め設定されている。原動機１の通常運転時の回転数が例えば１８００ｒｐｍ程度とした場合、１５００ｒｐｍを下回ると、運転に支障をきたす場合、回転数低下判定用の閾値としては、通常運転時の回転数の９割程度の値（１６２０ｒｐｍ）が設定される。

第１の電力変換部６は発電機（ＭＡ）２により発電された電力（直流）を、主電動機（ＭＭ）８を駆動するための電力（交流）へ変換して主電動機（ＭＭ）８へ供給する。
詳細には、第１の電力変換部６は主電動機（ＭＭ）８と接続する原動機１により駆動されて発電する発電機（ＭＡ）２の電力を、主電動機（ＭＭ）８を駆動するための電力へ変換して主電動機（ＭＭ）８へ供給する。

第１の電力変換部６は、開放接触器６ａ、フィルタコンデンサ６ｂ、主電動機駆動用電力変換器６ｃなどを有している。

開放接触器６ａは制御装置１０からの開放指令（制御）によって、発電機（ＭＡ）２により発電された電力が主電動機駆動用電力変換器６ｃへ供給されるのを阻止する。つまり主電動機駆動用電力変換器６ｃへの電流の経路を遮断する。

主電動機駆動用電力変換器６ｃは、例えば直流・交流変換器であり、発電機（ＭＡ）２により発電され、整流器４により整流された電力（直流）を、例えば三相交流などに変換して主電動機（ＭＭ）８へ供給し、主電動機（ＭＭ）８を駆動し車輪（図示せず）を回転させる。フィルタコンデンサ６ｂは、整流器４から第１の電力変換部６に入力される直流電圧に対してフィルタリングおよび平滑化を行う。

第２の電力変換部７は発電機（ＭＡ）２により発電された電力（直流）を、補助電源回路９に接続された設備に利用するための電力（交流）へ変換して補助電源回路９へ供給する。詳細には、補助電源回路９と接続する原動機１により駆動されて発電する発電機（ＭＡ）２の電力を、補助電源回路９に接続された車両に搭載される設備で利用するための電力へ変換して補助電源回路９へ供給する。

第２の電力変換部７は、開放接触器７ａ、フィルタコンデンサ７ｂ、補助電源用電力変換器７ｃなどを有している。

開放接触器７ａは制御装置１０からの開放指令（制御）によって、発電機（ＭＡ）２により発電された電力が補助電源用電力変換器７ｃへ供給されるのを阻止する。つまり補助電源用電力変換器７ｃへの電流の経路を遮断する。

フィルタコンデンサ７ｂは整流器４から第２の電力変換部７に入力される直流電圧に対してフィルタリングおよび平滑化を行う。

補助電源用電力変換器７ｃは、例えば直流・交流変換器であり、発電機（ＭＡ）２により発電され、整流器４により整流された電力（直流）を例えば三相交流などに変換し補助電源回路９へ供給し、その先に接続されている各種設備（車両の保安機器、車載各機器の冷却用ファン、車内照明、ブレーキのエアーコンプレッサなど）を動作させる。

制御装置１０は回転数検出器（ＰＧ）３により検出された回転数がメモリ５に予め設定された閾値を下回った場合、第１の電力変換部６の動作を停止させる。

以下詳細に説明するため、原動機の回転数の低下を判定するための回路の一例を示す論理回路図である図２を用いる。図２に示すように、制御装置１０には、比較器２２が設けられている。比較器２２は、回転数検出器（ＰＧ）３により検出された原動機１の回転数である原動機回転数（図２ではＰＧ回転数）２０と予めメモリ５に設定されていた回転数低下閾値２１とを比較し、原動機回転数２０が回転数低下閾値２１を下回った場合、主電動機駆動用電力変換器６ｃへ停止指令２３を出力する。この停止指令２３は主電動機駆動用電力変換器６ｃに対して出力されるものであり、第２電力変換部７（補助電源用電力変換器７ｃ）、原動機１、発電機２など）に対しては出力されない。

（作用の説明）
この第１実施形態の動作を説明する。
この第１実施形態の場合、回転数検出器（ＰＧ）３により原動機１の回転数が常に検出され、制御装置へ出力され、制御装置１０では、回転数検出器（ＰＧ）３からのＰＧ回転数２０と予めメモリ５に設定されていた回転数低下閾値２１とを比較器２２が比較している。

そして、原動機１が不調に陥り、原動機１の回転数が低下すると、原動機回転数２０が回転数低下閾値２１を下回る。この場合、比較器２２は、第１の電力変換部６の主電動機駆動用電力変換器６ｃへ停止指令２３を出力し、この停止指令２３を受けた主電動機駆動用電力変換器６ｃは動作を停止する。

これにより、原動機１の負荷は主発電機（ＭＡ）２と第２の電力変換部７になり原動機１の負荷が軽減され、原動機１を保護することができる。また第２の電力変換部７への電力供給は維持されるので、車両の運行に最低限必要な補助電源回路９への電力供給は確保（維持）される。

（効果の説明）
このようにこの第１実施形態によれば、原動機１の回転数低下が検出された場合、主電動機駆動用電力変換器６ｃの動作を停止させ、主発電機（ＭＡ）２および補助電源用電力変換器７ｃの動作は継続させることにより、原動機１を保護しながら、車両の運行に最低限必要な補助電源回路９への電力供給を確保することができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について図１，３を参照して詳細に説明する。
図３は主電動機駆動用電力変換器６ｃの入力電流と時間との関係を示す図である。

第１実施形態により、主電動機駆動用電力変換器６ｃが動作を停止させる際、主電動機８の電流を、即座に０となるよう主電動機駆動用電力変換器６ｃの動作を停止させると、主発電機（ＭＡ）２の出力電流が急減することになる。

主発電機（ＭＡ）２は一定電圧を出力するよう制御しているものの、出力電流の急減に対して電圧制御が追従できず、出力電流の変化率に比例した過電圧を出力することになる。

主発電機（ＭＡ）２の過電圧に対しては保護動作が作用するが、一度保護動作が作用すると、主発電機（ＭＡ）２の動作が停止し、これに伴って補助電源用電力変換器７ｃの動作も停止してしまう。

（構成の説明）
これを防止するため、第２実施形態では、制御装置１０を以下のように動作する構成とする。すなわち、制御装置１０は主電動機駆動用電力変換器６ｃへ停止指令２３を出力したとき、停止指令２３の値を徐々に減らし、入力電流２８を徐々に低下させるよう主電動機駆動用電力変換器６ｃを制御する。

（作用の説明）
この第２実施形態では、図３に示すように、停止指令２３を出力した後、例えば１００ｍｓｅｃ程度の間に入力電流が０になるように入力電流２８を徐々に低下させる。

（効果の説明）
このようにこの第２実施形態によれば、主電動機駆動用電力変換器６ｃへ停止指令２３を出力したとき、停止指令２３の値を徐々に減らし、入力電流２８を徐々に低下させるよう主電動機駆動用電力変換器６ｃを制御することで、主発電機（ＭＡ）２の出力電流が徐々に低下するようになる。すなわち、変化率が小さくなるため、主発電機（ＭＡ）２が過電圧を出力することはなくなり、この結果、主発電機（ＭＡ）２および補助電源用電力変換器７ｃの動作を安定して継続させることができる。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態について図１，４を参照して詳細に説明する。
図４は主電動機駆動用電力変換器６ｃの動作が停止した後、主電動機駆動用電力変換器６ｃが有する開放接触器６ａを開放する回路の一例を示す図である。

第２実施形態の動作により主電動機駆動用電力変換器６ｃの入力電流２８を減少させる際、入力電流２８が減衰中に開放接触器６ａを開放すると、開放接触器６ａは電流が流れた状態で、接点を切り離す（電流を遮断する）ことになる。一般に、開放接触器は電流を瞬時に遮断すると、接点部分に火花が発生しこの影響で接点が酸化し寿命が短くなる。

（構成の説明）
そこで、この第３実施形態では、制御装置１０を以下のように動作する構成とする。すなわち、図４に示すように、制御装置１０は、時素２６と遅延信号生成器２５を有する。時素２６は、例えばメモリ５に記憶された遅延時間である。

遅延信号生成器２５には、主電動機駆動用電力変換器６ｃへの停止指令２３が入力される。遅延信号生成器２５は、停止指令２３が入力されると、メモリ５に記憶された遅延時間の分だけ遅延させて開放接触器６ａへの開放指令２７を出力する。

つまり遅延信号生成器２５は第１の電力変換部６の動作が停止した後、第１の電力変換部６が有する開放接触器６ａを開放することで、第１の電力変換部６（主電動機駆動用電力変換器６ｃ）への電力供給を停止する。

（作用の説明）
この第３実施形態の場合、開放接触器６ａの開放指令２７の条件として、入力電流２９が減衰し、主電動機駆動用電力変換器６ｃの動作が停止し、さらに所定の時素２６の時間だけ経過した後、制御装置１０から第１の電力変換部６の開放接触器６ａへの開放指令２７を出力する。この開放指令２７を受けた開放接触器６ａは回路を開放（接点をオフ）する。このとき、既に整流器４から主電動機駆動用電力変換器６ｃへの電流は流れていないので、開放接触器６ａの接点で火花が飛ぶようなことはなく回路は安全に開放される。

なお、所定の時素２６としては、例えば５００ｍｓｅｃ程度とする。この遅延時間は原動機１や主発電機（ＭＡ）２の動作の応答時間に比べて遙かに短い時間であり、これらの機器へ影響が及ぶことはない。

（効果の説明）
このようにこの第３実施形態によれば、主電動機駆動用電力変換器６ｃの動作が停止し、さらに所定の時素２６の時間だけ経過した後、制御装置１０から開放接触器６ａへの開放指令２７を出力することで、回路を流れる電流を開放接触器６ａが遮断することがなくなり、開放接触器６ａの寿命の延伸を図ることができる。

すなわち、上述した各実施形態によれば、原動機１が不調に陥った際に、原動機１を保護しつつ車両の運行に最低限必要な補助電源回路９への電力を確保できるようになる。

本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

また上記実施形態に示した各構成要素を、コンピュータのハードディスク装置などのストレージにインストールしたプログラムで実現してもよく、また上記プログラムを、コンピュータ読取可能な電子媒体：ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｍｅｄｉａに記憶しておき、プログラムを電子媒体からコンピュータに読み取らせることで本発明の機能をコンピュータが実現するようにしてもよい。電子媒体としては、例えばＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体やフラッシュメモリ、リムーバブルメディア：Ｒｅｍｏｖａｂｌｅ ｍｅｄｉａ等が含まれる。さらに、ネットワークを介して接続した異なるコンピュータに構成要素を分散して記憶し、各構成要素を機能させたコンピュータ間で通信することで実現してもよい。

１…原動機、２…発電機、４…整流器、５…メモリ、６…第１の電力変換部、６ａ，７ａ…開放接触器、６ｂ，７ｂ…フィルタコンデンサ、６ｃ…主電動機駆動用電力変換器、７…第２の電力変換部、７ｃ…補助電源用電力変換器、８…主電動機、９…補助電源回路、１０…制御装置、２２…比較器、２５…遅延信号生成器。

Claims (3)

1. 車両に搭載される設備への電力源である補助電源回路と、
   車両を走行させる動力源である主電動機と接続する原動機により駆動されて発電する発電機の電力を、前記主電動機を駆動するための電力へ変換して前記主電動機へ供給する第１の電力変換部と、
   前記補助電源回路と接続する原動機により駆動されて発電する発電機の電力を、前記補助電源回路に接続された車両に搭載される設備で利用するための電力へ変換して前記補助電源回路へ供給する第２の電力変換部と、
   前記補助電源回路及び前記主電動機に電力を供給する原動機または発電機の回転数を検出する回転数検出器と、
   前記回転数検出器により検出された回転数が予め設定された閾値を下回った場合、前記第１の電力変換部の動作を停止させる制御装置と、
   を具備する電気車制御装置。
2. 前記制御装置は、
   前記第１の電力変換部への入力電流を徐々に減少させることで、前記第１の電力変換部の動作を停止させる請求項１記載の電気車制御装置。
3. 前記制御装置は、
   前記第１の電力変換部の動作が停止した後、前記第１の電力変換部が有する開放接触器を開放する請求項１または２記載の電気車制御装置。

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