JP2013115892A - 主回路制御装置及び電気車制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 設置スペースを有効利用でき、メンテナンス作業の効率を向上させ、さらにコストを低減することのできる主回路制御装置及び電気車制御装置を提供する。
【解決手段】 架線（１）からの電力を交流電力に変換する主回路（１０１）を制御する主回路制御装置において、主回路のうち架線からの電力を処理してインバータに供給する直流電力を生成する第１の回路を制御するシーケンス制御部（１０）と、主回路のうち第１の回路と異なる、インバータを含む第２の回路に指令を出力して電動機を駆動する交流電力の生成を制御するインバータ制御部（１４）とを有し、シーケンス制御部とインバータ制御部とは別体で構成され、シーケンス制御部とインバータ制御部とは通信手段を介して制御のための情報を授受する主回路制御装置である。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、主回路制御装置及び電気車制御装置に関する。

電気車制御装置は、インバータと、このインバータにより駆動される電動機を備えている。近年では、使用される半導体素子の電圧定格、電流定格がアップしたことなどによって、大容量のインバータが製造できるようになり。この結果、大容量のインバータを搭載した電気車が数多く生産されるようになってきた。

このように電気車に搭載されるインバータの大容量化に伴って、種々の形態の電気車制御装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

このような電気車制御装置は、コントローラーとなる制御ユニットを内蔵している。この制御ユニットは、インバータの電力変換動作を制御するためインバータ素子や電流、電圧センサ等と接続され、また接触器の開閉動作を制御するため接触器や電流センサや電圧センサ等と接続している。またその他にも数多く存在するリレーとの接続することで、電車が安全に滞りなく走行することが可能となっている。

特開２００５−２７４９９号公報

しかしながら、上記のように電気車制御装置内の制御ユニットが様々な機器と接続することで配線数が多く、また配線自体が長くなってしまっていた。このため、配線数が多いことで作業数が多くなる、また配線が長いことで作業が複雑化してしまう、という問題が生じていた。

本発明が解決しようとする課題は、作業の容易性を向上することができる主回路制御装置及び電気車制御装置を提供することである。

上記課題を解決するための本発明の実施の形態によれば、架線からの電力を交流電力に変換する主回路を制御する主回路制御装置において、前記主回路のうち架線からの電力を処理してインバータに供給する直流電力を生成する第１の回路を制御するシーケンス制御部と、前記主回路のうち前記第１の回路と異なる、前記インバータを含む第２の回路に指令を出力して電動機を駆動する交流電力の生成を制御するインバータ制御部とを有し、前記シーケンス制御部とインバータ制御部とは別体で構成され、前記シーケンス制御部とインバータ制御部とは通信手段を介して制御のための情報を授受することを特徴とする主回路制御装置が提供される。

第１の実施形態の電気車制御装置の主回路構成と制御ユニットとの接続を示す図。 第１の実施形態の電気車制御装置の概略の配置を示す図。 従来の実施の形態の電気車制御装置の主回路構成と制御ユニットとの接続を示す図。 従来の実施形態の電気車制御装置の筐体内の配置を示す図。 第１の実施の形態のシーケンス制御部とインバータ制御部との構成、及び授受信号を示す図。

[第１の実施の形態]
第１の実施形態について図を参照し、詳細に説明する。
図１は、第１の実施形態の電気車制御装置の主回路構成と制御ユニットとの接続を示す図である。

直流電力が架線（不図示）から集電装置１を介して電気車制御装置１００に取り込まれる。電気車制御装置１００は、取り込んだ直流電力を交流に変換し、その交流電力を交流電動機１７に供給することによって電気車を走行させる。ここで、架線は、例えば定格が直流電圧１５００Ｖの直流電力を供給する。集電装置１は、架線と電気的に接触するようになされる、例えばパンタグラフである。

電気車制御装置１００は、主回路１０１、制御ユニット１０２、交流電動機１７、電流検出器１５及び速度検出器１８を備えている。
交流電動機１７は、電気車を走行させる動力源である。主回路１０１は、集電装置１を介して取り込んだ直流電力を交流電力に変換して交流電動機１７に出力する。制御ユニット１０２は、主回路１０１の電力変換動作、シーケンス動作を制御する。電流検出器１５は、交流電動機１７に供給される電流を検出する。速度検出器１８は、交流電動機１７の回転速度を検出する。

主回路１０１には、高速度遮断器２、充電抵抗３、接触器４、接触器５、フィルタリアクトル６、過電圧抑制回路１９、電圧検出器８、フィルタコンデンサ７及びインバータ９が設けられている。

高速度遮断器２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。接触器４及び接触器５は、集電装置１とインバータ９とを接続する電気経路を切断又は接続する。充電抵抗３は、接触器４の両端を短絡するように接続されて、接触器４及び接触器５を投入したときに、急激な電流が発生することを抑制する。

フィルタリアクトル６は、集電装置１とインバータ９とを接続する電気経路の間に直列に設けられている。フィルタコンデンサ７は、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。フィルタリアクトル６及びフィルタコンデンサ７は、インバータ９に入力される直流電力のフィルタ回路を構成する。

インバータ９は、ＶＶＶＦ（Variable Voltage Variable Frequency）インバータである。インバータ９は、集電装置１を介して供給された直流電力を交流電力に変換して交流電動機１７に出力する。

電圧検出器８は、集電装置１を介して供給された直流電圧を検出する。過電圧抑制回路１９は、主回路１０１の電圧が所定値以上に上昇することを防止するための回路である。

制御ユニット１０２は、シーケンス制御部１０及びインバータ制御部１４を備えている。そして、シーケンス制御部１０とインバータ制御部１４とは、通信線１１と信号線１２とで互いに情報の授受が可能である。ここで、通信線１１は、伝送により情報の授受を行うためのラインである。信号線１２は、情報毎に相互に直接接続される配線である。

シーケンス制御部１０は、高速度遮断器２、接触器４、接触器５、過電圧抑制回路１９、電圧検出器８と接続され、それぞれからの情報を取得している。そのためシーケンス制御部１０は、それぞれの検知器が検知した情報、主回路１０１を構成する機器の状態などの情報に基づいて主回路１０１のシーケンス動作を制御し、またインバータ制御部１４に処理情報を出力する。インバータ制御部１４は、入力された処理情報と、電流検出器１５及び速度検出器１８の検出情報とに基づいてゲート指令をインバータ９のインバータ素子１６に出力してインバータ９を駆動し、またシーケンス制御部１０に処理情報を出力する。

なお、図１に示すように、インバータ制御部１４はインバータ９の近傍に配置され、またインバータ９とインバータ制御部１４とは、インバータユニット１３として構成されている。

図２は、第１の実施形態の電気車制御装置１００の概略の配置を示す図である。
図２の（１）は、電気車の車体を側面から見た概略図である。電気車制御装置１００は、電気車の床面に設けられた筐体内に格納される。

図２の（２）は、筐体内の電気車制御装置１００の配置を示す、車体の側面方向から見た平面図である。主回路１０１と、シーケンス制御部１０とは離れた位置に配置されている。インバータ９とインバータ制御部１４とはインバータユニット１３として構成され、主回路１０１側に配置されている。そして、シーケンス制御部１０とインバータ制御部１４との間に通信線１１と複数の信号線１２とが設けられている。また、シーケンス制御部１０と主回路１０１とを接続する複数の信号線２０が設けられている。

図３は、従来の実施の形態の電気車制御装置の主回路構成と制御ユニットとの接続を示す図である。従来の電気車制御装置１００では、制御ユニット１０２には、シーケンス・インバータ制御部３０が設けられていた。シーケンス・インバータ制御部３０は、上述のシーケンス制御部１０とインバータ制御部１４との機能を一体として備えた構成である。

図４は、従来の実施形態の電気車制御装置１００の筐体内の配置を示す図である。
従来の実施の形態では、シーケンス・インバータ制御部３０と主回路１０１とが離れた位置に配置され、その間が複数の信号線２０、３１で接続されている。ここで、信号線２０は、図２に示すシーケンス制御部１０と主回路１０１とを接続する複数の信号線２０と同一である。信号線３１は、図２に示すインバータ制御部１４とインバータ９とを接続する信号線である。

図２に示す第１の実施の形態の電気車制御装置１００の筐体内の配置と、図４に示す従来の実施の形態の電気車制御装置１００の筐体内の配置とを比較すると、従来の形態では多数の信号線３１を用いていたのに対して、第１の実施の形態では通信線１１と、より少ない本数の信号線１２が用いられている。即ち、第１の実施の形態では、それぞれの機器を接続する信号線の数を低減することができている。

図５は、第１の実施の形態のシーケンス制御部１０とインバータ制御部１４との構成、及び授受信号を示す図である。

[シーケンス制御部の構成]
シーケンス制御部１０には、ＨＢ・接触器制御部１０ａ、ＯＶＴ制御部１０ｂ、起動・停止シーケンス制御部１０ｃ、保護シーケンス制御部１０ｄ及び電流パターン演算制御部１０ｅが設けられている。

ＨＢ・接触器制御部１０ａは、高速度遮断器（ＨＢ：High speed circuit Breaker）２、接触器４及び接触器５に対する動作指令を出力する。ＯＶＴ制御部１０ｂは、電圧検出器８の出力に基づいて過電圧抑制回路１９の動作を制御する。起動・停止シーケンス制御部１０ｃは、電気車制御装置１００の起動時及び停止時の主回路の各部の動作シーケンスを制御する。保護シーケンス制御部１０ｄは、異常発生時に安全を確保するための主回路１０１（インバータ９関連を除く）まわりの動作を制御する。電流パターン演算制御部１０ｅは、電気車の運転時に交流電動機１７に出力するモータ電流のパターンを演算する。

これら各部の動作に必要な入力情報及び動作結果として得られる出力情報は、インバータ制御部１４との間の通信線１１と信号線１２、及び主回路１０１との間の信号線２０を介して授受される。

[インバータ制御部の構成]
インバータ制御部１４には、駆動制御部１４ａ、保護シーケンス制御部１４ｂ及び故障記録部１４ｃが設けられている。

駆動制御部１４ａは、インバータ９のスイッチング動作を制御する。保護シーケンス制御部１４ｂは、異常発生時に安全を確保するためのインバータ９に関連した動作を制御する。故障記録部１４ｃは、インバータ９に関連した故障情報をロギング（保存）する。

[授受信号の種類]
シーケンス制御部１０とインバータ制御部１４との授受信号は、２つに機能を分割したことに伴うものである。通信線１１を介して相互に情報の授受を行う信号には、「シーケンス信号」、「インバータ制御信号」、「保護信号」、「保護記録信号（データ）」、「制御プログラム信号（データ）」、「ＴＵＮＥ信号（データ）」が設けられている。

「シーケンス信号」は、電気車制御装置１００の起動・運転・停止に関する動作シーケンスの指令及び実績を表す信号である。「インバータ制御信号」は、インバータ９に対する電流パターンを指示する信号である。「保護信号」は、異常状態であることを相互に連絡するための信号である。「保護記録信号（データ）」は、異常状態でのロギングデータである。「制御プログラム信号（データ）」は、メンテナンス作業でのプログラム書き込みのためのデータ信号である。「ＴＵＮＥ信号（データ）」は、試験運転時における各部の制御定数を指定するためのデータ信号である。

なお、上述の授受信号のうち「保護信号」は、信号線１２を介しても授受可能に２重構成されている。これは、「保護信号」は重要な信号であるため、確実に情報授受が行われるようになされたものである。

続いて、電気車制御装置１００の動作のうち主な動作について説明する。

運転手が運転台から走行開始の操作を行なうと、シーケンス制御部１０では、起動・停止シーケンス制御部１０ｃが起動し、接触器４，５を動作させる信号を主回路１０１に出力する。そして、電流パターン演算制御部１０ｅが、交流電動機１７に対する電流パターンを演算して「インバータ制御信号」として通信線１１に出力する。

インバータ制御部１４では、駆動制御部１４ａが起動して、送信された電流パターンと速度検出器１８で検出した速度情報及び電流検出器１５で検出した電流値とからインバータ素子１６にゲート指令を出力して交流電動機１７を駆動する。

また、電気車の制動時においても上述と同様の制御動作が実行される。
一方、電気車の制動時は、交流電動機１７によって発電される電力が、上述の動きとは逆方向に作用する。過電圧抑制回路１９は、このような場合において、主回路１０１の電圧が所定値以上に上昇することを防止する。

シーケンス制御部１０のＯＶＴ制御部１０ｂは、信号線２０を介して取得した電圧検出器８の検出信号から主回路１０１の電圧を監視する。電圧値が所定の値以上となったとき、ＯＶＴ制御部１０ｂは、過電圧抑制回路１９の半導体素子を駆動するゲート信号を信号線２０を介して出力する。これによって、過電圧は過電圧抑制回路１９に設けた放電抵抗を介して放電する。

高速度遮断器２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。ＨＢ・接触器制御部１０ａは、接触器４及び接触器５に対して遮断指令を出力して、集電装置１とインバータ９とを接続する電気経路を切断する。このとき、ＨＢ・接触器制御部１０ａは、「保護信号」を信号線１２に出力し、更に「保護信号」を通信線１１を介してインバータ制御部１４に送信する。シーケンス制御部１０及びインバータ制御部１４のそれぞれの保護シーケンス制御部１０ｄ、１４ｂが、それぞれ異常発生時に安全を確保するための主回路１０１まわりの動作を制御する。

このように「保護信号」を信号線１２を介してインバータ制御部１４に出力するように構成することで、シーケンス制御部１０とインバータ制御部１４とに機能を分離した場合においても異常時において高速に処理することができる。更に、通信線１１を介して「保護信号」を出力することで、信号の欠落を防止して安全の確保を信頼性高く図ることが可能となっている。但し、通信線１１と信号線１４とが共に同一の「保護信号」を扱うことは、本願での必須の事項ではない。したがって、「保護信号」を信号線１４のみに割り当てるように構成しても良い。

なお、「保護信号」以外の信号についても欠落を防止するために、通信線１１を複数本（例えば、２本）備え、送信側で同一の信号を重複して送信するようにしても良い。受信側では、同一の信号が送信されたときはその情報を採用し、異なる信号が送信されたときは再送信を要求することより、欠落の無い情報取得を図ることができる。

[効果]
以上説明した本実施の形態によれば、従来、一体として構成されていた制御ユニットを、インバータ駆動に関する制御機能を備えた装置と、それ以外の制御機能を備えた装置に分離する。そして、それぞれの装置間は伝送ラインによって情報の授受を行うようにする。またインバータを制御する装置は、インバータの近傍に配置する。

この構成によれば、伝送ラインを使用できることにより、分離した装置間を接続する配線の本数を削減することができる。またインバータを制御する装置をインバータの近傍に配置することにより配線長を短縮することができる。
このため、本実施の形態の電気車制御装置では、作業の容易性を向上した主回路制御装置及び電気車制御装置を提供することが可能となる。さらに、分割した装置により車両床下のスペースを有効利用することが可能となっている。また、それに加え、メンテナンス作業の効率を向上させ、さらにコストを低減することが可能である。また、それぞれの装置間を伝送ラインのみでなく重要な信号については信号線を用いることによって分離した場合であっても動作の信頼性を確保することができる。

なお、上述の実施の形態では、直流架線から電力を供給されているが、交流架線から電力を供給される方式であっても同様に制御ユニットをシーケンス制御部とインバータ制御部とに分離して構成することができる。

尚、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。
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み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。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

１…集電装置、２…高速度遮断器、３…充電抵抗、４…接触器、５…接触器、６…フィルタリアクトル、７…フィルタコンデンサ、８…電圧検出器、９…インバータ、１０…シーケンス制御部、１０ａ…ＨＢ・接触器制御部、１０ｂ…ＯＶＴ制御部、１０ｃ…起動・停止シーケンス制御部、１０ｄ…保護シーケンス制御部、１０ｅ…電流パターン演算制御部、１１…通信線、１２…信号線、１３…インバータユニット、１４…インバータ制御部、１４ａ…駆動制御部、１４ｂ…保護シーケンス制御部、１４ｃ…故障記録部、１４…信号線、１５…電流検出器、１６…インバータ素子、１７…交流電動機、１８…速度検出器、１９…過電圧抑制回路、２０…信号線、３１…信号線、１００…電気車制御装置、１０１…主回路、１０２…制御ユニット。

Claims (6)

1. 架線からの電力を電動機に供給するための電力に変換する主回路と、
   前記主回路のうち架線からインバータまでの第１の回路を制御するシーケンス制御部と、
   前記主回路のうち前記第１の回路と異なる、前記インバータを含む第２の回路を制御するインバータ制御部と、
   前記シーケンス制御部と前記インバータ制御部とは別体で構成され、
   前記シーケンス制御部とインバータ制御部とは通信手段を介して制御のための情報を授受する主回路制御装置。
2. 前記シーケンス制御部とインバータ制御部のそれぞれが異常状態にあることを示す信号を授受するための信号線を更に備えた請求項１に記載の主回路制御装置。
3. 前記通信手段が重複して備えられている請求項１に記載の主回路制御装置。
4. 前記架線から直流電力が供給される請求項１に記載の主回路制御装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の主回路制御装置と、前記主回路とを有する電気車制御装置において、
   前記主回路と前記シーケンス制御部とが離隔されて配置され、前記インバータの近傍に前記インバータ制御部を配置したことを特徴とする電気車制御装置。
6. 前記インバータと前記インバータ制御部とが一体として構成されることを特徴とする請求項５に記載の電気車制御装置。

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