JP2015012728A - 鉄道車両の制御システム及び制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】特別な装置を追加することなく複電圧車を実現する。
【解決手段】鉄道車両の制御システムは、電力変換装置１と、制御装置２とを備える。電力変換装置１は、集電した電力を変換するインバータ１９と、インバータ１９に並列接続されるフィルタコンデンサ１５と、フィルタコンデンサ１５の電圧値を検出するコンデンサ電圧検出器１７と、を有する。制御装置２は、コンデンサ電圧検出器１７にて検出された電圧値に基づき、第１の電化区間から死電区間に突入したことを検知すると、インバータ１９の設定値を第１の電化区間用の値から死電区間の次に走行する第２の電化区間用の値に自動的に切り替える。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数のき電電圧を有する電化区間を走行可能な鉄道車両（複電圧車）の制御システム及び制御方法に関するものである。

直流電化区間における鉄道車両の電力変換装置は、き電電圧に応じて性能を決定することが一般的である。

一方で、異なる路線や鉄道事業者にまたがって直通運転する等の理由により、複数のき電電圧を有する電化区間を運転する必要が生じる場合がある。

このとき、き電電圧が変化すると、主電動機の特性もき電電圧に応じて変化させる必要がある。例えば、き電電圧が１５００Ｖの電化区間からき電電圧が７５０Ｖの電化区間に移動した場合、同一速度において同一の引張力を発生させるには出力電流を同一にしなければならず、電力変換装置の通流率を２倍にする必要がある。また、電力変換装置の保護機能の設定値も、き電電圧に応じて変更する必要がある。

そこで、インバータの前段に昇降圧チョッパ装置を設け、昇降圧チョッパ装置によって電圧を昇圧又は降圧することにより、インバータに印加される電圧を一定とし、２つの異なるき電電圧区間でスムーズな相互の乗り入れを可能とする方法が提案されている（特許文献１参照）。

特開２０１１−１３０５７９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法では、新たに昇降圧チョッパ装置を追加するため、装置の構成や制御が複雑化し、コストが増大するという問題があった。

かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、特別な装置を追加することなく複電圧車を実現することが可能な鉄道車両の制御システム及び制御方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係る鉄道車両の制御システムは、複数のき電電圧を有する電化区間を走行可能な鉄道車両の制御システムであって、集電した電力を変換するインバータと、前記インバータに並列接続されるフィルタコンデンサと、前記フィルタコンデンサの電圧値を検出するコンデンサ電圧検出器と、を有する電力変換装置と、前記コンデンサ電圧検出器にて検出された電圧値に基づき、第１の電化区間から死電区間に突入したことを検知すると、前記インバータの設定値を第１の電化区間用の値から死電区間の次に走行する第２の電化区間用の値に自動的に切り替える制御装置と、を備える。

さらに、本発明に係る鉄道車両の制御システムにおいて、前記電力変換装置は、前記集電した電力の投入及び開放を行う遮断器と、き電電圧値を検出するき電電圧検出器と、を備え、前記制御装置は、死電区間に突入したことを検知すると前記遮断器を開放し、前記き電電圧検出器にて検出された電圧値が前記第２の電化区間の電圧値に到達したことを検知すると、前記インバータの設定値を前記第１の電化区間用の値から前記第２の電化区間用の値に切り替えるとともに、前記遮断器を投入することを特徴とする。

また、上記課題を解決するため、本発明に係る鉄道車両の制御方法は、電力変換装置と制御装置とを備え、複数のき電電圧を有する電化区間を走行可能な鉄道車両の制御方法であって、前記電力変換装置により、当該電力変換装置のインバータに並列接続されたフィルタコンデンサの電圧値を検出するコンデンサ電圧検出ステップと、前記制御装置により、前記コンデンサ電圧検出ステップにて検出された電圧値に基づき、第１の電化区間から死電区間に突入したことを検知する死電検知ステップと、前記制御装置により、前記死電検知ステップにて前記死電区間に突入したことを検知すると、前記インバータの設定値を第１の電化区間用の値から死電区間の次に走行する第２の電化区間用の値に自動的に切り替える設定切り替えステップと、を含むことを特徴とする。

さらに、本発明に係る鉄道車両の制御方法において、前記電力変換装置により、き電電圧値を検出するき電電圧検出ステップを含み、前記設定切り替えステップは、集電した電力の投入及び開放を行う遮断器を開放するステップと、前記き電電圧検出ステップにて検出されたき電電圧値が前記第２の電化区間の電圧値に到達したことを検知する電化検知ステップと、前記電化検知ステップにて前記き電電圧値が前記第２の電化区間の電圧値に到達したことを検知すると、前記インバータの設定値を前記第１の電化区間用の値から前記第２の電化区間用の値に切り替えるとともに、前記遮断器を投入するステップと、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、特別な装置を追加することなく、複数のき電電圧を有する電化区間を走行することができるようになる。

本発明の一実施形態に係る鉄道車両の制御システムの構成例を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る鉄道車両の制御方法を示すフローチャートである。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る、複数のき電電圧を有する電化区間を走行可能な鉄道車両の制御システムの構成例を示すブロック図である。図１に示す例では、制御システムは、電力変換装置１と、制御装置２とを備える。電力変換装置１は、高速度遮断器１０と、遮断器１１，１２と、充電抵抗１３と、ラインリアクトル１４と、フィルタコンデンサ１５と、電圧検出器（き電電圧検出器）１６と、電圧検出器（コンデンサ電圧検出器）１７と、放電回路１８と、インバータ１９とを備える。

図１に示す本実施形態では、集電装置４としてパンタグラフを用いて架線３から集電する架空電車線方式（架線集電方式）を示しているが、本発明は集電装置４として集電靴を用いて第三軌条から集電する第三軌条方式においても適用することができる。

電力変換装置１は、架空電車線方式又は第三軌条方式により集電した直流電力を三相交流電力に変換し、主電動機５に出力する。なお、電力変換装置１は、き電電圧の高い電化区間の絶縁クラスを有し、かつ、き電電圧の低い電化区間で使用される電流値に耐えられるものとする。

集電装置４には直列に、高速度遮断器１０、遮断器１１，１２、及びラインリアクトル１４が接続され、遮断器１２には並列に充電抵抗１３が接続される。

高速度遮断器１０は、過電流が流れた場合に、電力変換装置１を保護するために自動的に開放し、過電流を遮断する。

遮断器１１，１２は、制御装置２の制御により、集電装置４にて集電した電力の投入（通電）及び開放（遮断）を行う。

電圧検出器１６は、高速度遮断器１０及び遮断器１１の接続点と、接地点との間に設けられ、集電装置４を介してき電電圧値を検出し、検出した電圧値を制御装置２に通知する。

電圧検出器１７は、フィルタコンデンサ１５の端子間に並列して設けられ、フィルタコンデンサ１５の電圧値を検出し、検出した電圧値を制御装置２に通知する。

放電回路１８は、制御装置２の制御により、フィルタコンデンサ１５に蓄積された電荷を放電させる。

インバータ１９は、制御装置２の制御により、ＩＧＢＴやＧＴＯなどの電力用半導体素子をスイッチングして、集電した直流電力を三相交流電力に変換し、主電動機５に出力する。インバータ１９は一般的には、ＶＶＶＦ（Variable Voltage Variable Frequency）制御により、三相交流電力の電圧及び周波数を変化させる。

制御装置２は、き電電圧値が第１の電圧値（例えば直流１５００Ｖ）である第１の電化区間から、死電区間（デッドセクション）を経由して、き電電圧値が第２の電圧値（例えば直流７５０Ｖ）である第２の電化区間を走行する場合に、インバータ１９の設定値を第１の電化区間用の値から第２の電化区間用の値に自動的に切り替える。ここで、インバータ１９の設定値とは、インバータ１９のスイッチングタイミングの設定値（つまり、インバータ１９の出力の設定値）や、インバータ１９の保護機能の設定値などである。以下に、制御装置２による鉄道車両の制御方法について説明する。

図２は、本発明の一実施形態に係る鉄道車両の制御方法を示すフローチャートであり、第１の電化区間から死電区間（デッドセクション）を経由して第２の電化区間を走行する際の制御方法を示している。鉄道車両が第１の電化区間を走行している時、制御装置２はインバータ１９の設定値を第１の電化区間用の値に設定している。

き電電圧が異なる電圧に切り替わる区間には、異なるき電電圧区間どうしの短絡を防止するために、必ず死電区間が存在する。この死電区間は一般に絶縁物などで構成されている。通常、鉄道車両が死電区間に突入する前に、運転士は惰行運転するように制御装置２に指示し、動力を使用しないで走行する（ステップＳ１０１）。

その後、制御装置２は、電圧検出器１７により検出されるフィルタコンデンサ１５の電圧値を監視し、フィルタコンデンサ１５の電圧値が閾値以下であるか否かを判定する（ステップＳ１０２）。フィルタコンデンサ１５の電圧値に基づき、鉄道車両が死電区間に突入したか否かを判定することができる。その理由は次の通りである。

鉄道車両が死電区間に突入すると、き電系への電力の入出力は無くなる。仮に鉄道車両に主電動機駆動用の電力変換装置１のみが搭載されているとすると、フィルタコンデンサ１５の電圧は電圧検出器１７によってほぼ一定と検出される。しかし、鉄道車両は主電動機駆動用の電力変換装置１のほかに、制御用やサービス用の電源を供給する補助電源装置等を搭載している。補助電源装置は、運転士からの指令状態にかかわらず電力を消費するため、一定の割合で必ず電力を消費する。

そのため、鉄道車両が死電区間に入った状態になると、フィルタコンデンサ１５に蓄積された電荷は補助電源装置によって使用され、電圧検出器１７が検出する電圧値は急激に減少していく。よって、制御装置２は、フィルタコンデンサ１５の電圧値を監視することにより、鉄道車両が死電区間に突入したか否かを判定することができる。

制御部２は、フィルタコンデンサ１５の電圧値が閾値以下となると（ステップＳ１０２−Ｙｅｓ）、鉄道車両が死電区間に突入したものとみなす。ただし、補助電源装置の電力変換装置１への接続点は遮断器１１，１２よりもき電側にあり、遮断器１１，１２は惰行運転でも開放しないものとする。なお、ステップＳ１０２において、フィルタコンデンサ１５の電圧値の微分値を算出し、この微分値が閾値以下であるか否かを判定するようにし、閾値以下となった場合に鉄道車両が死電区間に突入したものとみなしてもよい。

制御装置２は、フィルタコンデンサ１５の電圧値が閾値以下となり（ステップＳ１０２−Ｙｅｓ）、死電区間に突入したことを検知すると、遮断器１１，１２を開放して入力電流を遮断するとともに、放電回路１８を駆動し、フィルタコンデンサ１５に蓄積された電荷を放電させる（ステップＳ１０３）。この時、インバータ１９は、死電区間を抜けた後に走行する第２の電化区間への待機モードへと遷移する。

制御装置２は、電圧検出器１６により検出されるき電電圧値を監視し、き電電圧値が第２の電圧値に到達したか否かを判定する（ステップＳ１０４）。鉄道車両が惰行運電で死電区間を超え、第２の電化区間に移動すると、き電電圧値が第２の電圧値となる。き電電圧値が第２の電圧値に到達したか否かの判定は、例えば電圧検出器１６により検出されるき電電圧値と第２の電圧値との差分値の閾値判定により行う。

制御装置２は、き電電圧値が第２の電圧値に到達すると（ステップＳ１０４−Ｙｅｓ）、インバータ１９の設定値を第１の電化区間用の値から第２の電化区間用の値に自動的に切り替える（ステップＳ１０５）。

続いて、制御装置２は開放していた遮断器１１，１２を投入して、フィルタコンデンサ１５を充電させる（ステップＳ１０６）。

制御装置２は、電圧検出器１７により検出されたフィルタコンデンサ１５の電圧値が閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ１０７）。そして、制御装置２は、フィルタコンデンサ１５の電圧値が閾値以上となると（ステップＳ１０７−Ｙｅｓ）、主電動機５を駆動し、力行運転を再開する（ステップＳ１０８）。

このように、本発明では、電力変換装置１は、集電した電力を変換するインバータ１９と、インバータ１９に並列接続されるフィルタコンデンサ１５と、フィルタコンデンサ１５の電圧値を検出する電圧検出器１７と、を有する。制御装置２は、電圧検出器１７にて検出された電圧値に基づき、第１の電化区間から死電区間に突入したことを検知すると、インバータ１９の設定値を第１の電化区間用の値から死電区間の次に走行する第２の電化区間用の値に自動的に切り替える。このような制御を行うことにより、複数のき電電圧を有する電化区間を走行することができるようになる。また、図１に示す電力変換装置１の各構成は標準的に搭載されているものであるため、本発明は新たに装置を追加したりコストを増大させたりすることなく、複電圧車を実現することができる。

上述の実施形態は、代表的な例として説明したが、本発明の趣旨及び範囲内で、多くの変更及び置換ができることは当業者に明らかである。したがって、本発明は、上述の実施形態によって制限するものと解するべきではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。

例えば、第１の電化区間の第１の電圧値と、第２の電化区間の第２の電圧値とは、異なる直流値であればどのような電圧であってもよい。ただし、第１の電圧値と第２の電圧値のそれぞれの変動範囲が重複すると、実際と異なるき電電圧区間を走行しているモードになる可能性があるため、それぞれの変動範囲が重複しない必要がある。

本発明によれば、特別な検知回路や付加装置を設けることなく、死電区間を検知し、連続して複数のき電電圧区間を行き来することが可能になるため、複電圧車の制御に有用である。

１ 電力変換装置
２ 制御装置
３ 架線
４ 集電装置
５ 主電動機
１０ 高速度遮断器
１１，１２ 遮断器
１３ 充電抵抗
１４ ラインリアクトル
１５ フィルタコンデンサ
１６，１７ 電圧検出器
１８ 放電回路
１９ インバータ

Claims (4)

1. 複数のき電電圧を有する電化区間を走行可能な鉄道車両の制御システムであって、
   集電した電力を変換するインバータと、
   前記インバータに並列接続されるフィルタコンデンサと、
   前記フィルタコンデンサの電圧値を検出するコンデンサ電圧検出器と、
   を有する電力変換装置と、
   前記コンデンサ電圧検出器にて検出された電圧値に基づき、第１の電化区間から死電区間に突入したことを検知すると、前記インバータの設定値を第１の電化区間用の値から死電区間の次に走行する第２の電化区間用の値に自動的に切り替える制御装置と、
   を備えることを特徴とする鉄道車両の制御システム。
2. 前記電力変換装置は、
   前記集電した電力の投入及び開放を行う遮断器と、
   き電電圧値を検出するき電電圧検出器と、を備え、
   前記制御装置は、死電区間に突入したことを検知すると前記遮断器を開放し、前記き電電圧検出器にて検出された電圧値が前記第２の電化区間の電圧値に到達したことを検知すると、前記インバータの設定値を前記第１の電化区間用の値から前記第２の電化区間用の値に切り替えるとともに、前記遮断器を投入することを特徴とする、請求項１に記載の鉄道車両の制御システム。
3. 電力変換装置と制御装置とを備え、複数のき電電圧を有する電化区間を走行可能な鉄道車両の制御方法であって、
   前記電力変換装置により、当該電力変換装置のインバータに並列接続されたフィルタコンデンサの電圧値を検出するコンデンサ電圧検出ステップと、
   前記制御装置により、前記コンデンサ電圧検出ステップにて検出された電圧値に基づき、第１の電化区間から死電区間に突入したことを検知する死電検知ステップと、
   前記制御装置により、前記死電検知ステップにて前記死電区間に突入したことを検知すると、前記インバータの設定値を第１の電化区間用の値から死電区間の次に走行する第２の電化区間用の値に自動的に切り替える設定切り替えステップと、
   を含むことを特徴とする鉄道車両の制御方法。
4. 前記電力変換装置により、き電電圧値を検出するき電電圧検出ステップを含み、
   前記設定切り替えステップは、
   集電した電力の投入及び開放を行う遮断器を開放するステップと、
   前記き電電圧検出ステップにて検出されたき電電圧値が前記第２の電化区間の電圧値に到達したことを検知する電化検知ステップと、
   前記電化検知ステップにて前記き電電圧値が前記第２の電化区間の電圧値に到達したことを検知すると、前記インバータの設定値を前記第１の電化区間用の値から前記第２の電化区間用の値に切り替えるとともに、前記遮断器を投入するステップと、を含むことを特徴とする、請求項３に記載の鉄道車両の制御方法。

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