JP2014039474A - 電気車の制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】たとえ架線からの受電が停止もしくは不安定になっても自力走行できる。
【解決手段】電気車3の制御装置において、直流電力を蓄積するための蓄電器18と、インバータ9の平滑コンデンサ6側端の直流電力の一部を蓄電器18に充電し、蓄電器に蓄積された直流電力をインバータの平滑コンデンサ側端に放電する充放電回路14と、車両7の通常運転時に充放電回路14を充電制御し、車両の異常運転時に充放電回路を放電制御して蓄電器に蓄積された直流電力をインバータを介して交流電動機12に供給させる充放電制御部21とを備えている。
【選択図】 図1
【解決手段】電気車3の制御装置において、直流電力を蓄積するための蓄電器18と、インバータ9の平滑コンデンサ6側端の直流電力の一部を蓄電器18に充電し、蓄電器に蓄積された直流電力をインバータの平滑コンデンサ側端に放電する充放電回路14と、車両7の通常運転時に充放電回路14を充電制御し、車両の異常運転時に充放電回路を放電制御して蓄電器に蓄積された直流電力をインバータを介して交流電動機12に供給させる充放電制御部21とを備えている。
【選択図】 図1
Description
本発明は、架線からパンタグラフ等の受電装置を介して受電した電力を電圧型PWM(パルス幅変調)制御型のインバータを介して交流電動機に供給する電気車の制御装置に関する。
一般に電気車の制御装置においては、誘導電動機のインバータ制御が適用されている(例えば非特許文献1参照)。この方式の特徴は、保守の大幅低減、粘着性能向上、駆動電動機の高出力・小型軽量化、回生ブレーキの速度範囲の拡大、信頼性向上などがあり、電圧型PWM制御型のインバータが広く使われている。
図23は電圧型PWM制御のインバータが組込まれた電気車の制御装置の概略構成図である。例えば、直流変電所1から架線2へ出力された直流電力は、電気車3の受電装置としてのパンタグラフ4で受電される。パンタグラフ4で受電された直流電力はフィルタリアクトル5で受電時の高周波が吸収された後、平滑コンデンサ6の一端に印加される。平滑コンデンサ6の他端は、この電気車3の車両7を介してレール8に接続されている。
平滑コンデンサ6は、両端に印加された直流電力の電圧リップルを平滑化して、次の電圧型PWM制御型のインバータ9へ印加する。この電圧型PWM制御型のインバータ9は、スイッチング素子10とダイオード11との並列回路を三相ブリッジ構成に接続したものであり、平滑コンデンサ6側から入力された直流電力を三相の可変電圧可変周波数(VVVF)の交流電力に変換して、三相の交流電動機12へ送出する。
交流電動機12には電気車3の車両7が連結されている。また、交流電動機12の回生運転時には、交流電動機12で発電された交流の回生電力は、この電圧型PWM制御型のインバータ9で直流の回生電力に変換して、インバータ9の平滑コンデンサ6側端に出力する。
インバータ制御部13は、運転席からの速度指令を含む各種の運転指令に応じて、インバータ9へゲート信号を送出して、インバータ9を制御する。
また、特許文献1には、電気車にエネルギー蓄積装置を搭載し、電気車がデッドセクション通過時にエネルギー蓄積装置に蓄積された電力をインバータを介して、誘導電動機に供給する技術が開示されている。
電気学会編「電気工学ハンドブック(第6版)」オーム社 2001年2月20日 第1688頁
しかしながら、図23に示した従来の電気車の制御装置においては、架線2からの電力供給が停止もしくは不安定なとき、またはパンタグラフ4等の受電装置が故障して架線2から受電できないとき、さらには、レール8が破断して、このレール8に通電できないときは、架線2から電気車3の交流電動機12を駆動するのに十分な電力を得ることができず、電気車3は停止してしまう。
また、特許文献1に記載された電気車においては、電気車がデッドセクション通過時にエネルギー蓄積装置に蓄積された電力を誘導電動機に供給すると、直流電圧が変動して、電源回路が不安定となる懸念がある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、電気車に直流電力を蓄積可能な蓄電器及びこの蓄電器に対する充放電回路を搭載し、たとえ架線からの受電が停止もしくは不安定になっても、電気車を自力走行でき、電気車の信頼性を向上できる電気車の制御装置を提供することを目的とする。
本発明は、架線から交流電力を受電する受電装置と、この受電装置で受電した交流電力の電圧を変換する変圧器と、この変圧器で電圧変換された交流電力を直流電力に変換するコンバータと、このコンバータで変換された直流電力の電圧リプルを平滑化する平滑コンデンサと、この平滑コンデンサで平滑化された直流電力を可変電圧可変周波数の交流電力に変換するインバータと、このインバータで変換された交流電力で駆動される交流電動機と、車両運転指令に応じてインバータを制御するインバータ制御部とを有する電気車の制御装置に適用される。
そして、上記課題を解消するために、本発明の電気車の制御装置においては、直流電力を蓄積するための蓄電器と、インバータの平滑コンデンサ側端の直流電力の一部を蓄電器に充電し、蓄電器に蓄積された直流電力をインバータの平滑コンデンサ側端に放電する充放電回路と、車両の通常運転時に充放電回路を充電制御し、車両の異常運転時に充放電回路を放電制御して蓄電器に蓄積された電力をインバータを介して交流電動機に供給させる充放電制御部とを備えている。
このように構成された電気車の制御装置においては、車両の通常運転時に例えば架線から供給される交流電力はコンバータで直流電力に変換されてその一部は充放電回路を介して蓄電器に蓄積される。
また別の発明は、上述した発明の電気車の制御装置において、平滑コンデンサの端子電圧を検出する電圧検出器を設けている。そして、充放電制御部は、インバータの平滑コンデンサ側電圧が予め設定された電圧指令値となるように充放電回路を充放電制御する。
このような構成においては、蓄電器に対する充放電期間においても、インバータの平滑コンデンサ側電圧が一定値に制御されるので、インバータを介して交流電動機を精度よく運転制御できる。
また別の発明は、上述した発明の電気車の制御装置において、蓄電器に対する充放電電流を検出する電流検出器を設けている。そして、充放電制御部は、インバータの平滑コンデンサ側電圧が予め設定された電圧指令値となるように、充放電回路を介して蓄電器に対する充放電電流を制御する。
このような構成においても、蓄電器に対する充放電期間においても、インバータの平滑コンデンサ側電圧が一定値に制御されるので、インバータを介して交流電動機を精度よく運転制御できる。
また別の発明は、上述した発明の電気車の制御装置において、受電装置の受電不可状態を検出する受電不可検出器を設けている。そして、充放電制御部は、受電不可検出器の受電不可状態の検出に応じて、充放電回路を放電制御して蓄電器に蓄積された電力をインバータを介して交流電動機に供給させる。
このように構成された電気車の制御装置においては、例えば変電所の停電、架線故障、受電装置故障、レール破断等に起因して、受電装置から電力が受電できなかった状態においては、この電気車は蓄電器に蓄積された電力で自力走行する。
また別の発明は、上述した発明の電気車の制御装置において、受電不可検出器は、受電装置の受電不可状態を検出すると、蓄電器に蓄積された電力受電装置を架線から切り離す。
このように、電気車が蓄電器に蓄積された電力で自力走行期間中は、受電装置を架線から切り離すことにより、蓄電器に蓄積された電力が受電装置を介して架線へ流れることが未然に防止される。
このように、電気車が蓄電器に蓄積された電力で自力走行期間中は、受電装置を架線から切り離すことにより、蓄電器に蓄積された電力が受電装置を介して架線へ流れることが未然に防止される。
また別の発明は、上述した発明の電気車の制御装置において、蓄電器に蓄積された直流電力の蓄積エネルギー量を検出する蓄積エネルギー量検出手段を設けている。そして、インバータ制御部は、蓄電器から電力受給時において、交流電動機の回転速度が検出された蓄積エネルギー量に対応した速度になるように、インバータを制御する。
このように構成することにより、蓄電器に蓄積された直流電力の蓄積エネルギー量に応じて自力走行期間中における速度が定まる。
このように構成することにより、蓄電器に蓄積された直流電力の蓄積エネルギー量に応じて自力走行期間中における速度が定まる。
また別の発明は、上述した発明の電気車の制御装置において、充放電制御部は、受電装置の受電不可状態において、車両の回生運転時に充放電回路を充電制御するとともに車両の力行運転時に充放電回路を放電制御する。
このように構成することにより、たとえ、受電装置の受電不可状態で電気車が自力走行期間中であっても、電気車が下り勾配を走行中は交流電動機は回生運転が可能なので、この回生運転時に生じる回生電力を蓄電器に蓄積可能である。この蓄電器に蓄積された回生電力は次回の力行運転時に使用可能であるので、受電不可状態における電気車の自力走行距離を増大できる。
また別の発明は、上述した発明の電気車の制御装置において、蓄電器として、二次電池や電気二重層キャパシタを採用している。
本発明の電気車の制御装置においては、電気車に直流電力を蓄積可能な蓄電器、この蓄電器に対する充放電回路、及びこの充放電回路の充放電動作を制御する充放電制御部を搭載している。したがって、たとえ架線からの受電が停止もしくは不安定になっても、電気車を自力走行でき、電気車の信頼性を向上できる。
以下、本発明の各実施形態を図面を用いて説明する。
(第1実施形態)
図1は本発明の第1実施形態に係わる電気車の制御装置の概略構成図である。図23に示す従来の電気車の制御装置と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明を省略する。
図1は本発明の第1実施形態に係わる電気車の制御装置の概略構成図である。図23に示す従来の電気車の制御装置と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明を省略する。
例えば、直流変電所1から架線2へ出力された直流電力は、電気車3の受電装置としてのパンタグラフ4で受電される。パンタグラフ4で受電された直流電力はフィルタリアクトル5で受電時の高周波が吸収された後、平滑コンデンサ6の一端に印加される。平滑コンデンサ6の他端は、この電気車3の車両7を介してレール8に接続されている。
平滑コンデンサ6は、両端に印加された直流電力の電圧リップルを平滑化して、次の電圧型PWM制御型のインバータ9へ印加する。この電圧型PWM制御型のインバータ9は、スイッチング素子10とダイオード11との並列回路を三相ブリッジ構成に接続したものであり、平滑コンデンサ6側から入力された直流電力を三相の可変電圧可変周波数(VVVF)の交流電力に変換して、三相の交流電動機12へ送出する。
交流電動機12には電気車3の車両7が連結されている。また、交流電動機12の回生運転時には、交流電動機12で発電された交流の回生電力は、この電圧型PWM制御型のインバータ9で直流の回生電力に変換されて、インバータ9の平滑コンデンサ6側端に出力する。インバータ制御部13は、運転席からの速度指令を含む各種の運転指令に応じて、インバータ9へゲート信号を送出して、インバータ9を制御する。
平滑コンデンサ6の両端子間に充放電回路14が接続されている。この充放電回路14においては、スイッチング素子15aとダイオード16aとの並列回路と、スイッチング素子15bとダイオード16bとの並列回路とが直列接続されている。スイッチング素子15bの両端子間に直流リアクトル17を介して蓄電器18が接続されている。この充放電回路14は充放電制御部21にて制御される。
蓄電器18においては、例えば図2(a)に示すように、複数の単位セルとしての二次電池19が直列に積層されている。さらに、この直列に積層された複数の単位セルが並列に接続されている。なお、例えば図2(b)に示すように、単位セルとして電気二重層キャパシタ20を採用することが可能である。
このように構成された第1実施形態の電気車の制御装置における充放電回路14及び充放電制御部21の動作を説明する。
例えばコンピュータで構成された充放電制御部21は、この電気車の運転状況を図示しない運転台における運転制御部からの情報を監視している。そして、車両が正常に運転されている状態においては、充放電制御部21は充放電回路14のスイッチング素子15aを一定周期でオン・オフを繰り返す充電制御を行う。この状態においては、架線2からパンタグラフ4を介して供給された直流電力の一部は、スイッチング素子15a及び直流リアクトル17を介して蓄電器18に蓄積される。
また、例えば直流変電所1の停電、架線2の故障、パンタグラフ4の故障、レール8の破断等に起因して、パンタグラフ4から正常に電力が電気車3に供給されなくて、車両が正常に運転されていない状態においては、充放電制御部21は充放電回路14のスイッチング素子15bを一定周期でオン・オフを繰り返す放電制御を行う。この状態においては、蓄電器18に蓄積されている直流電力は、直流リアクトル17及びダイオード16aを介してインバータ9の平滑コンデンサ6側端子に放電される。そして、この放電された直流電力はインバータ9で三相の可変電圧可変周波数(VVVF)の交流電力に変換されて、三相の交流電動機12へ送出される。
このように、架線2からの電力供給が停止もしくは不安定なときでも電気車3を自力走行させることができる。
また、充放電制御部21は、運転台における運転制御部から運転情報から交流電動機12の運転状態を監視し、力行運転時には蓄電器18の電力を放電してインバータ9を介して交流電動機12に供給し、回生運転時には交流電動機12の回生電力をインバータ9を介して蓄電器18へ蓄積する。なお、力行運転時には、架線2からの電力もインバータ9を介して交流電動機12に供給されている。このように、回生電力を有効に使用できる。
次に、蓄電器18について述べる。図2(a)に示す二次電池19は定格電圧と使用電流に制約があるので、電気車3に使用する場合には二次電池19の単位セルを直列もしくは並列に接続して蓄積エネルギー量を大きくする。二次電池19は家電や自動車の蓄電素子として広く利用され、蓄積エネルギー量が大きい、コストが安いといった利点を持つことから、大きな蓄積エネルギー量の充電もしくは放電を行う蓄電器18の場合、この蓄電器18を小型かつ低コストに構成することができる。これにより、蓄積エネルギー量が大きくとも、蓄電器18の構成を小さくして電気車3を容易に自力走行することができる。
図2(b)に示す電気二重層キャパシタ20は定格電圧と使用電流に制約があるので、電気車3の蓄電器18として使用する場合には電気二重層キャパシタ20を直列もしくは並列に接続して蓄積エネルギー量を大きくする。電気二重層キャパシタ20は大きな電流で充放電することを得意とし、繰り返して使用した場合でも劣化が少ないので、電気車3での大電流の充放電用途や高使用頻度に適しており、またメンテナンスフリーで長寿命といった利点を持つ。これにより、大電流・高使用頻度の使用条件でも蓄電器18の構成を小さくして電気車3を効率的に自力走行することができる。
(第2実施形態)
図3は本発明の第2実施形態に係わる電気車の制御装置の概略構成図である。図1に示す第1実施形態の電気車の制御装置と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明を省略する。
図3は本発明の第2実施形態に係わる電気車の制御装置の概略構成図である。図1に示す第1実施形態の電気車の制御装置と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明を省略する。
例えば、交流変電所22から架線2へ出力された交流電力は、電気車3の受電装置としてのパンタグラフ4で受電される。パンタグラフ4で受電された交流電力は変圧器23で電圧がこの電気車3に使用に適した電圧に変換されたのち、スイッチング素子25及びダイオードをブリッジ回路に接続したコンバータ24に印加される。変圧器23の他端は、この電気車3の車両7を介してレール8に接続されている。コンバータ24はコンバータ制御部26にて制御される。
コンバータ24は入力された交流電力を直流電力に変換して、平滑コンデンサ6の一端に印加する。平滑コンデンサ6は、両端に印加された直流電力の電圧リップルを平滑化してインバータ9へ印加する。インバータ9は平滑コンデンサ6側から入力された直流電力を交流電力に変換して交流電動機12へ送出する。
平滑コンデンサ6の両端子間に充放電回路14が接続されている。この充放電回路14におけるスイッチング素子15bの両端子間に直流リアクトル17を介して蓄電器18が接続されている。この充放電回路14は充放電制御部21にて制御される。
このように構成された第2実施形態の電気車の制御装置における充放電回路14及び充放電制御部21の動作を説明する。
充放電制御部21は、この電気車の運転状況を図示しない運転台における運転制御部からの情報を監視している。そして、車両が正常に運転されている状態においては、充放電制御部21は充放電回路14を充電制御して、架線2からパンタグラフ4を介して供給されコンバータ24で電力変換された直流電力の一部を蓄電器18に蓄積させる。
また、車両が正常に運転されていない状態においては、充放電制御部21は充放電回路14を放電制御して、蓄電器18に蓄積されている直流電力をインバータ9を介して交流電動機12へ送出する。
このように、架線2からの電力供給が停止もしくは不安定なときでも電気車3を自力走行させることができるので、先に説明した第1実施形態の電気車の制御装置とほぼ同じ効果が得られる。
(第3実施形態)
図4は本発明の第3実施形態に係わる電気車の制御装置の概略構成図である。図1に示す第1実施形態の電気車の制御装置と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明を省略する。
図4は本発明の第3実施形態に係わる電気車の制御装置の概略構成図である。図1に示す第1実施形態の電気車の制御装置と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明を省略する。
この第3実施形態に係わる電気車の制御装置においては、平滑コンデンサ6の端子電圧、すなわちコンデンサ電圧を検出する電圧検出器27が設けられている。電圧検出器27で検出されたコンデンサ電圧は、充放電制御部21aへ入力される。
充放電制御部21a内には、図5に示すように、減算器28、PI(比例積分)制御部29、及びPWM制御部30が組込まれている。電圧検出器27で検出されたコンデンサ電圧は電圧検出値として減算器28で電圧設定値から引算される。この引算結果はPI制御部29に入力され、PI制御ののちにPWM制御部30に入力され、自己消弧形素子のゲート信号を生成する。このゲート信号が充放電回路14のスイッチング素子15a、15bに印加される。
このように、充放電制御部21aは、インバータ9の平滑コンデンサ6側電圧が予め設定された電圧指令値となるように充放電回路14を充放電制御する。したがって、蓄電器18に対する充放電期間においても、インバータ9の平滑コンデンサ6側電圧が一定値に制御されるので、インバータ9を介して交流電動機12を精度よく運転制御できる。
(第4実施形態)
図6は本発明の第4実施形態に係わる電気車の制御装置の概略構成図である。図4に示す第3実施形態の電気車の制御装置と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明を省略する。
図6は本発明の第4実施形態に係わる電気車の制御装置の概略構成図である。図4に示す第3実施形態の電気車の制御装置と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明を省略する。
この第4実施形態に係わる電気車の制御装置においては、平滑コンデンサ6の端子電圧、すなわちコンデンサ電圧を検出する電圧検出器27が設けられている。電圧検出器27で検出されたコンデンサ電圧は、充放電制御部21bへ入力される。さらに、蓄電器18に対する充放電電流を検出する電流検出器31が設けられている。電流検出器31で検出された充放電電流は充放電制御部21bへ入力される。
充放電制御部21b内には、図7に示すように、減算器28、28a、PI制御部29、29a及びPWM制御部30が組込まれている。電圧検出器27で検出されたコンデンサ電圧は電圧検出値として減算器28で電圧設定値から引算される。この引算結果はPI制御部29に入力され、PI制御ののちに電流指令値を出力する。電流指令値は電流検出器31から得られた電流検出値と減算器28aで引算され、PI制御部29aでPI制御されたのちにPWM制御部30に入力され自己消弧形素子のゲート信号を生成する。このゲート信号が充放電回路14のスイッチング素子15a、15bに印加される。
このように、充放電制御部21bは、インバータ9の平滑コンデンサ6側電圧が予め設定された電圧指令値となるように、充放電回路14を介して、蓄電器18に対する充放電電流を制御する。したがって、蓄電器18に対する充放電期間においても、インバータ9の平滑コンデンサ6側電圧が一定値に制御されるので、インバータ9を介して交流電動機12をより一層精度よく運転制御できる。
(第5実施形態)
図8は本発明の第5実施形態に係わる電気車の制御装置の概略構成図である。図1に示す第1実施形態の電気車の制御装置と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明を省略する。
図8は本発明の第5実施形態に係わる電気車の制御装置の概略構成図である。図1に示す第1実施形態の電気車の制御装置と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明を省略する。
この第5実施形態に係わる電気車の制御装置においては、直流変電所1から直流電力が供給される架線2とレール8との間に充放電回路14aと蓄電器18aとが組込まれた電力蓄積装置32が設けられている。
このような構成の電気車の制御装置において、常時は電力蓄積装置32の蓄電器18aには、直流変電所1から架線2を介して直流電力が蓄積されている。そして、電気車3が電力蓄積装置32の接続された架線2のエリアに入ってくると、電気車3の充放電制御部21cが起動して、電力蓄積装置32から、架線2及びパンタグラフ4を介して電力を受電し、充放電回路14を介して蓄電器18に充電させる。
これにより、直流変電所1の電源容量が小さいときでも電力蓄積装置32から電力を高速に蓄電器18に蓄積することができ、電気車3は長時間停止して充電をすることなく自力走行させることができる。
(第6実施形態)
図9は本発明の第6実施形態に係わる電気車の制御装置の概略構成図である。図3に示す第2実施形態の電気車の制御装置と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明を省略する。
図9は本発明の第6実施形態に係わる電気車の制御装置の概略構成図である。図3に示す第2実施形態の電気車の制御装置と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明を省略する。
この第6実施形態に係わる電気車の制御装置においては、交流変電所22から交流電力が供給される架線2とレール8との間に、変圧器23a、コンバータ24a、充放電回路14aと蓄電器18aとが組込まれた電力蓄積装置32aが設けられている。
このような構成の電気車の制御装置において、常時は電力蓄積装置32aの蓄電器18aには、交流変電所22から架線2を介して出力された交流電力がコンバータ24aで直流に変換された直流電力が蓄積されている。そして、電気車3が電力蓄積装置32aの接続された架線2のエリアに入ってくると、電気車3の充放電制御部21cが起動して、電力蓄積装置32aからコンバータ24aで交流に変換された電力を、架線2及びパンタグラフ4を介して受電し、充放電回路14を介して蓄電器18に充電させる。
これにより、交流変電所22の電源容量が小さいときでも電力蓄積装置32aから電力を高速に蓄電器18に蓄積することができ、電気車3は長時間停止して充電をすることなく自力走行させることができる。
(第7実施形態)
図10は本発明の第7実施形態に係わる電気車の制御装置の概略構成図である。図1に示す第1実施形態の電気車の制御装置と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明を省略する。
図10は本発明の第7実施形態に係わる電気車の制御装置の概略構成図である。図1に示す第1実施形態の電気車の制御装置と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明を省略する。
この第7実施形態に係わる電気車の制御装置においては、パンタグラフ4に、このパンタグラフ4の受電不可状態を検出する電圧検出器からなる、受電不可検出器33が設けられている。この受電不可検出器33は、受電不可状態を検出すると電気車3の充放電制御部21dに通知する。充放電制御部21dは、受電不可検出器33の受電不可状態の検出に応じて、充放電回路14を放電制御して蓄電器18に蓄積されている直流電力をインバータ9を介して交流電動機12に供給させる。
このように構成された電気車の制御装置においては、正常状態においては、蓄電器18に直流変電所1から供給された直流電力の一部が蓄積される。そして、例えば直流変電所1の停電、架線2の故障、パンタグラフ4の故障、レール8の破断等に起因して、パンタグラフ4から電力が受電できなかった状態においては、この電気車3は蓄電器18に蓄積された電力で自力走行する。
(第8実施形態)
図11は本発明の第8実施形態に係わる電気車の制御装置の概略構成図である。図10に示す第7実施形態の電気車の制御装置と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明を省略する。
図11は本発明の第8実施形態に係わる電気車の制御装置の概略構成図である。図10に示す第7実施形態の電気車の制御装置と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明を省略する。
この第8実施形態に係わる電気車の制御装置においては、パンタグラフ4とフィルタリアクトル5との間に、スイッチ34が介挿されている。このスイッチ34は通常状態においては閉鎖されている。そして、受電不可検出器33は、受電不可状態を検出すると充放電制御部21dに通知すると同時に、スイッチ34を開放する。
このように構成された電気車の制御装置においては、前述した図10に示す第7実施形態の電気車の制御装置と同様に、直流変電所1の停電、架線2の故障、パンタグラフ4の故障、レール8の破断等に起因して、パンタグラフ4から電力が受電できなかった状態においては、この電気車3は蓄電器18に蓄積された電力で自力走行する。
さらに、スイッチ34がない場合で、自力走行している期間において、受電不可状態の原因が架線2の電圧地絡だとすると、事故点に再び電流が流れて事故が拡大する可能性があり危険である。また直流変電所1で電圧を停止していても実際は架線2に電圧が印加されてしまうので、誤って架線2に触ると感電事故等が発生する恐れがある。
そこでパンタグラフ4を下げて直流電圧と架線を分離、またスイッチ34を開放した状態で蓄電器18から直流電力をインバータ9を介して交流電動機12に供給することで、架線2に電圧を印加することなく電気車3を自力走行することができる。
(第9実施形態)
図12は本発明の第9実施形態に係わる電気車の制御装置の概略構成図である。図11に示す第8実施形態の電気車の制御装置と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明を省略する。
図12は本発明の第9実施形態に係わる電気車の制御装置の概略構成図である。図11に示す第8実施形態の電気車の制御装置と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明を省略する。
この第9実施形態の電気車の制御装置においては、電気車3の蓄電器18の端子電圧、すなわち充電電圧を検出する電圧検出器35が設けられている。電圧検出器35は、検出した充電電圧を電気車3の充放電制御部21eへ送出する。充放電制御部21eは、充電電圧及び蓄電器18の容量を用いて、蓄電器18に蓄積されている直流電力の蓄積エネルギーを算出して、インバータ制御部13へ送出する。
充放電制御部21eは、受電不可検出器33の受電不可状態の検出に応じて、充放電回路14を放電制御して蓄電器18に蓄積されている直流電力をインバータ9を介して交流電動機12に供給させる。さらに、インバータ制御部13は、蓄電器18から電力受給時である自力走行期間中に、図13に示すように、交流電動機12の回転速度が蓄積エネルギー量に対応した速度になるように、インバータ9を制御する。
このように、蓄電器18の蓄積エネルギー量が多い時には電気車3の高速運転を許可し、蓄積エネルギー量が少ないときには電気車3を低速で運転するよう速度制限することで、蓄電器18の蓄積エネルギー量が減少しても残りのエネルギーで交流電動機12を駆動することが可能となる。これにより、蓄積エネルギー量が空になるまで電気車3を自力走行させることができる。
(第10実施形態)
図14は本発明の第10実施形態に係わる電気車の制御装置の概略構成図である。図11に示す第8実施形態の電気車の制御装置と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明を省略する。
図14は本発明の第10実施形態に係わる電気車の制御装置の概略構成図である。図11に示す第8実施形態の電気車の制御装置と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明を省略する。
この実施形態においては、パンタグラフ4が故障すると受電不可検出器33は、受電不可状態を検出し、スイッチ34を開放する。その状態で、蓄電器18から直流電圧を出力することで、架線2からの受電が停止しても直流電圧を維持して電気車を駆動することができる。
(第11実施形態)
図15は本発明の第11実施形態に係わる電気車の制御装置の概略構成図である。図11に示す第8実施形態の電気車の制御装置と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明を省略する。
図15は本発明の第11実施形態に係わる電気車の制御装置の概略構成図である。図11に示す第8実施形態の電気車の制御装置と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明を省略する。
この実施形態においては、レール8に破断8aが発生すると受電不可検出器33は、受電不可状態を検出し、パンタグラフ4を下げ、スイッチ34を開放する。その状態で、蓄電器18から直流電圧を出力することで、架線2からの受電が停止しても直流電圧を維持して電気車を駆動することができる。
(第12実施形態)
図16は本発明の第12実施形態に係わる電気車の制御装置の動作を示す図である。この実施形態において、停電等に起因して、電気車3が線路上で停止すると、通常乗客や乗務員は電気車3内で電気車3が動くまで待っている。また、ドアを開けて乗客や乗務員が移動するにしても、線路上の安全確認やダイヤの復旧に時間が必要となるなど大きな混乱を生ずる。そこで、蓄電器18の蓄積エネルギーを用いて、電気車3を自立走行することで停車場36まで動かす。これにより、乗客や乗務員を安全に電気車3外へ降ろすことが可能となる。
図16は本発明の第12実施形態に係わる電気車の制御装置の動作を示す図である。この実施形態において、停電等に起因して、電気車3が線路上で停止すると、通常乗客や乗務員は電気車3内で電気車3が動くまで待っている。また、ドアを開けて乗客や乗務員が移動するにしても、線路上の安全確認やダイヤの復旧に時間が必要となるなど大きな混乱を生ずる。そこで、蓄電器18の蓄積エネルギーを用いて、電気車3を自立走行することで停車場36まで動かす。これにより、乗客や乗務員を安全に電気車3外へ降ろすことが可能となる。
(第13実施形態)
図17は本発明の第13実施形態に係わる電気車の制御装置の動作を示す図である。この実施形態において、停電等に起因して、電気車3が踏切り37上で停止すると、踏切り37が閉じたままとなり自動車や歩行者等の通行が遮断される。そこで蓄電器18の蓄積エネルギーを用いて、電気車3を自力走行することで踏切り37の外まで電気車を動かす。これにより、自動車や歩行者は安全に踏切りを通行することができるようになる。
図17は本発明の第13実施形態に係わる電気車の制御装置の動作を示す図である。この実施形態において、停電等に起因して、電気車3が踏切り37上で停止すると、踏切り37が閉じたままとなり自動車や歩行者等の通行が遮断される。そこで蓄電器18の蓄積エネルギーを用いて、電気車3を自力走行することで踏切り37の外まで電気車を動かす。これにより、自動車や歩行者は安全に踏切りを通行することができるようになる。
(第14実施形態)
図18は本発明の第14実施形態に係わる電気車の制御装置の動作を示す図である。この実施形態において、停電等に起因して、電気車3がトンネル38内で停止すると、通常乗客や乗務員は電気車3内で電気車3が動くまで待っている。電気がストップして照明やエアコンが停止すると、電気車3内は不安な環境となる。またトンネル38内は暗くて危険なため、簡単には電気車3外へ乗客や乗務員を移動することができない。そこで蓄電器18の蓄積エネルギーを用いて、電気車3を自力走行することでトンネル38の外まで動かす。これにより、乗客や乗務員を安全に電気車3の外へ降ろすことが可能となる。
図18は本発明の第14実施形態に係わる電気車の制御装置の動作を示す図である。この実施形態において、停電等に起因して、電気車3がトンネル38内で停止すると、通常乗客や乗務員は電気車3内で電気車3が動くまで待っている。電気がストップして照明やエアコンが停止すると、電気車3内は不安な環境となる。またトンネル38内は暗くて危険なため、簡単には電気車3外へ乗客や乗務員を移動することができない。そこで蓄電器18の蓄積エネルギーを用いて、電気車3を自力走行することでトンネル38の外まで動かす。これにより、乗客や乗務員を安全に電気車3の外へ降ろすことが可能となる。
(第15実施形態)
図19は本発明の第15実施形態に係わる電気車の制御装置の動作を示す図である。この実施形態において、停電等に起因して、電気車3が橋梁39上で停止すると、通常乗客や乗務員は電気車3内で電気車3が動くまで待っている。橋梁39上は地面から高く、足場が不安定で危険なため、簡単には電気車3外へ乗客や乗務員を移動することができない。そこで蓄電器18の蓄積エネルギーを用いて、電気車3を自力走行することで橋梁39の外まで動かす。これにより、乗客や乗務員を安全に電気車3の外へ降ろすことが可能となる。
図19は本発明の第15実施形態に係わる電気車の制御装置の動作を示す図である。この実施形態において、停電等に起因して、電気車3が橋梁39上で停止すると、通常乗客や乗務員は電気車3内で電気車3が動くまで待っている。橋梁39上は地面から高く、足場が不安定で危険なため、簡単には電気車3外へ乗客や乗務員を移動することができない。そこで蓄電器18の蓄積エネルギーを用いて、電気車3を自力走行することで橋梁39の外まで動かす。これにより、乗客や乗務員を安全に電気車3の外へ降ろすことが可能となる。
(第16実施形態)
図20は本発明の第16実施形態に係わる電気車の制御装置の動作を示す図である。この実施形態において、停電等に起因して、図11に示すように、充放電制御部21dは、受電不可検出器33の受電不可状態の検出に応じて、充放電回路14を放電制御して蓄電器18に蓄積されている直流電力をインバータ9を介して交流電動機12に供給させる。
図20は本発明の第16実施形態に係わる電気車の制御装置の動作を示す図である。この実施形態において、停電等に起因して、図11に示すように、充放電制御部21dは、受電不可検出器33の受電不可状態の検出に応じて、充放電回路14を放電制御して蓄電器18に蓄積されている直流電力をインバータ9を介して交流電動機12に供給させる。
さらに、充放電制御部21dは、電気車3の自力走行時において、車両の回生運転時に充放電回路14を充電制御するとともに車両の力行運転時に充放電回路14を放電制御する。
このように構成することにより、たとえ、電気車3が自力走行期間中であっても、電気車3が下り勾配を走行中は交流電動機12は回生運転が可能なので、この回生運転時に生じる回生電力を蓄電器18に蓄積可能である。この蓄電器18に蓄積された回生電力は次回の力行運転時に使用可能であるので、受電不可状態における電気車3の自力走行距離を増大できる。
(第17実施形態)
図21は本発明の第17実施形態に係わる電気車の制御装置の動作を示す図である。架線2を支柱39aで吊ると、吊った場所の架線2の位置はレール8から見て高くなる。架線位置がパンタグラフ4よりも高くなると架線2とパンタグラフ4は離れて離線が発生する。離線がおこるとパンタグラフ4は架線2から受電できなくなる。
図21は本発明の第17実施形態に係わる電気車の制御装置の動作を示す図である。架線2を支柱39aで吊ると、吊った場所の架線2の位置はレール8から見て高くなる。架線位置がパンタグラフ4よりも高くなると架線2とパンタグラフ4は離れて離線が発生する。離線がおこるとパンタグラフ4は架線2から受電できなくなる。
そこで、受電不可検出器33及び充放電制御部21dが起動して、蓄電器18の蓄積エネルギーを用いて、交流電動機12を駆動する。これにより、離線が発生しても電気車3は自力走行することができる。
(第18実施形態)
図22は本発明の第18実施形態に係わる電気車の制御装置の動作を示す図である。雨や雪が降り、架線2に付着したのちに凍結すると、架線2は氷40で覆われてしまう(雨氷現象)。この状態で電気車3が走行すると、架線2とパンタグラフ4の間に氷40が入り、パンタグラフ4は氷40を介して架線2から受電することになる。
図22は本発明の第18実施形態に係わる電気車の制御装置の動作を示す図である。雨や雪が降り、架線2に付着したのちに凍結すると、架線2は氷40で覆われてしまう(雨氷現象)。この状態で電気車3が走行すると、架線2とパンタグラフ4の間に氷40が入り、パンタグラフ4は氷40を介して架線2から受電することになる。
氷40はインピーダンスを持っているので、架線2の架線電圧が適正であっても氷40を介して受電した直流電圧は大きく変動して電気車3が走行できなくなる問題が発生する。そこで、雨氷現象発生時に受電不可検出器33及び充放電制御部21dが起動して、蓄電器18の蓄積エネルギーを用いて、交流電動機12を駆動する。これにより、離線が発生しても電気車3は自力走行することができる。
1…直流変電所、2…架線、3…電気車、4…パンタグラフ、5…フィルタリアクトル、6…平滑コンデンサ、7…車両、8…レール、9…インバータ、12…交流電動機、13…インバータ制御部、14,14a…充放電回路、18,18a…蓄電器、19…二次電池、20…電気二重層キャパシタ、21,21a〜21e…充放電制御部、22…交流変電所、23,23a…変圧器、24…コンバータ、26…コンバータ制御部、27,35…電圧検出器、32,32a…電力蓄積装置、33…受電不可検出器、34…スイッチ、36…停車場、37…踏切り、38…トンネル、39…橋梁、39a…支柱、40…氷
Claims (10)
- 架線から交流電力を受電する受電装置と、この受電装置で受電した交流電力の電圧を変換する変圧器と、この変圧器で電圧変換された交流電力を直流電力に変換するコンバータと、このコンバータで変換された直流電力の電圧リプルを平滑化する平滑コンデンサと、この平滑コンデンサで平滑化された直流電力を可変電圧可変周波数の交流電力に変換するインバータと、このインバータで変換された交流電力で駆動される交流電動機と、車両運転指令に応じて前記インバータを制御するインバータ制御部とを有する電気車の制御装置において、
直流電力を蓄積するための蓄電器と、
前記インバータの平滑コンデンサ側端の直流電力の一部を前記蓄電器に充電し、前記蓄電器に蓄積された直流電力を前記インバータの平滑コンデンサ側端に放電する充放電回路と、
車両の通常運転時に前記充放電回路を充電制御し、車両の異常運転時に前記充放電回路を放電制御して前記蓄電器に蓄積された電力を前記インバータを介して前記交流電動機に供給させる充放電制御部とを備えたことを特徴とする電気車の制御装置。 - 前記平滑コンデンサの端子電圧を検出する電圧検出器を設け、
前記充放電制御部は、前記インバータの平滑コンデンサ側電圧が予め設定された電圧指令値となるように前記充放電回路を充放電制御することを特徴とする請求項1記載の電気車の制御装置。 - 前記蓄電器に対する充放電電流を検出する電流検出器を設け、
前記充放電制御部は、前記インバータの平滑コンデンサ側電圧が予め設定された電圧指令値となるように、前記充放電回路を介して前記蓄電器に対する充放電電流を制御することを特徴とする請求項2記載の電気車の制御装置。 - 前記充放電制御部は、架線に接続され変電所から該当架線に供給される電力の一部を蓄積する電力蓄積装置から、架線及び前記受電装置を介して受電した電力を、前記充放電回路を介して前記蓄電器に充電させることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項記載の電気車の制御装置。
- 前記受電装置の受電不可状態を検出する受電不可検出器を設け、
前記充放電制御部は、前記受電不可検出器の受電不可状態の検出に応じて、前記充放電回路を放電制御して前記蓄電器に蓄積された電力を前記インバータを介して前記交流電動機に供給させることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項記載の電気車の制御装置。 - 前記受電不可検出器は、前記受電装置の受電不可状態を検出すると、前記受電装置を前記架線から切り離すことを特徴とする請求項5記載の電気車の制御装置。
- 前記蓄電器に蓄積された直流電力の蓄積エネルギー量を検出する蓄積エネルギー量検出手段を設け、
前記インバータ制御部は、前記蓄電器から電力受給時において、前記交流電動機の回転速度が前記検出された蓄積エネルギー量に対応した速度になるように、前記インバータを制御することを特徴とする請求項5又は6記載の電気車の制御装置。 - 前記充放電制御部は、前記受電装置の受電不可状態において、車両の回生運転時に前記充放電回路を充電制御するとともに車両の力行運転時に前記充放電回路を放電制御することを特徴とする請求項5から7のいずれか1項記載の電気車の制御装置。
- 前記蓄電器は二次電池であることを特徴とする請求項1から8のいずれか1項記載の電気車の制御装置。
- 前記蓄電器は電気二重層キャパシタであることを特徴とする請求項1から8のいずれか1項記載の電気車の制御装置。
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