JP2015089194A - 鉄道車両の制御システム、制御方法、及び電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電制、力行、惰行のいずれの運転状態でデッドセクションに進入しても、急激な電流変動なくデッドセクションを通過することを可能とする。
【解決手段】電力変換装置１は、集電装置４から入力される電流値を検出する電流検出器１０と、集電装置４から入力される電圧値を検出する電圧検出器１６と、集電装置４により集電した電力を変換するインバータ２１と、インバータ２１に並列接続されるフィルタコンデンサ１８とを備える。制御装置２は、電流検出器１０にて検出された電流値に基づき、第１の電化区間からデッドセクションに進入したことを検知し、その後、電圧検出器１６にて検出された電圧値に基づき、デッドセクションから第２の電化区間に進入したことを検知すると、フィルタコンデンサ１８の電圧値が第２の電化区間のき電電圧値と等しくなるように制御する。
【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、制御方法、及び電力変換装置に関するものである。

き電電圧の異なる電化区間が存在する場合、デッドセクション（無電圧区間）を設けて異電位の電化区間を電気的に絶縁している。なお、デッドセクションはアースからも絶縁される。

鉄道車両の電力変換装置には、フィルタコンデンサが一般的に搭載されている。フィルタコンデンサは主回路の高速度遮断器及び単位スイッチを介して架線又は第三軌条（以下、単に架線という）に接続される。フィルタコンデンサは、電力変換装置の起動時には充電抵抗を経由して突入電流が発生しないように充電され、通常動作時には架線電圧と同電圧に充電されている。

ここで、フィルタコンデンサが架線電圧で充電され、かつ架線に接続された状態で、鉄道車両がデッドセクションを通過して異電位の電化区間に進入した場合について考える。フィルタコンデンサと架線は異なる電位であるため、フィルタコンデンサの電位が架線の電位よりも高い場合は、架線側へ急激に電流が流れる。すると、架線側では急激な負荷電流変化により変電所のトリップが発生し、架線への電力供給が停止してしまう。一方、架線の電位がフィルタコンデンサの電位よりも高い場合は、フィルタコンデンサ側へ急激に電流が流れる。すると、電力変換装置は高速度遮断器のトリップにより動作を停止させてしまう。

このため、鉄道車両がデッドセクションを通過する場合、惰行運転し、フィルタコンデンサと架線を単位スイッチにより切り離す。これにより、電力変換装置の電圧検出器がデッドセクションの無電圧を検知する。電力変換装置は、無電圧を検知後、フィルタコンデンサの電荷を放電し、デッドセクションを通過後に再度充電抵抗を介してフィルタコンデンサに充電することにより、急激な電流変動を防止する。

しかし、回生ブレーキ、あるいは回生ブレーキ及び発電ブレーキを併用する回生・発電ブレンディングブレーキを行う鉄道車両の場合、電制（回生ブレーキ又は発電ブレーキ）状態でデッドセクションに進入すると、電気車は電力を架線に回生させるためフィルタコンデンサと架線の間を接続したままの状態となる。そのため、電圧検出器はフィルタコンデンサの電圧を検出してしまい、デッドセクションによる無電圧を検知できない。その結果、デッドセクション進入前の架線の電圧をフィルタコンデンサが保持したままデッドセクションを通過し、次の異電位の電化区間に進入した瞬間に急激な電流変動が発生する。

また、鉄道車両が力行運転でデッドセクションに進入した場合には、電力変換装置はフィルタコンデンサの電荷を消費し、電圧検出器により検出されるフィルタコンデンサの電圧は低下する。すると、保護動作により電力変換装置の動作は停止し、惰行運転となる。あるいは、力行による消費電力が少なくフィルタコンデンサの電圧が保護検知レベルまで低下しない場合は、電制時と同様にフィルタコンデンサと架線の間が接続された状態で異電位の電化区間に進入するため、急激な電流変動が生じる。

したがって、鉄道車両が電制運転又は力行運転のいずれの状態でデッドセクションに進入した場合でも、急激な電流変動が発生しないようにする必要がある。

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を有する電化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、装置規模や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、電制、力行、惰行のいずれの運転状態でデッドセクションに進入しても、デッドセクションを自動的に検知し、急激な電流変動なく、つまり、高速遮断器及び変電所がトリップすることなく、デッドセクションを通過することが可能な鉄道車両の制御システム、制御方法、及び電力変換装置を特別な装置を追加することなく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、集電装置から入力される電流値を検出する電流検出器と、前記集電装置から入力される電圧値を検出する電圧検出器と、前記集電装置により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、を備える電力変換装置と、前記電流検出器にて検出された電流値に基づき、第１の電化区間からデッドセクションに進入したことを検知し、その後、前記電圧検出器にて検出された電圧値に基づき、前記デッドセクションから第２の電化区間に進入したことを検知すると、前記フィルタコンデンサの電圧値が前記第２の電化区間のき電電圧値と等しくなるように制御する制御装置と、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、前記集電装置と前記インバータの間に、充電抵抗が並列接続された第１のスイッチと、前記第１のスイッチに直列接続された第２のスイッチと、を備え、前記制御装置は、前記デッドセクションに進入したことを検知すると、前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチを開放し、前記フィルタコンデンサを放電させ、前記第２の電化区間に進入したことを検知すると、前記第２のスイッチを投入し、前記フィルタコンデンサを前記充電抵抗を介して充電させて前記第２の電化区間のき電電圧値と等しくなるように制御する。

また、上記課題を解決するため、本発明に係る鉄道車両の電力変換装置は、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電力変換装置であって、集電装置から入力される電流値を検出する電流検出器と、前記集電装置から入力される電圧値を検出する電圧検出器と、前記集電装置により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、第１の電化区間からデッドセクションを経て第２の電化区間に進入したときに前記第２の電化区間のき電電圧値と等しくなるように制御されるフィルタコンデンサと、を備える。

さらに、本発明に係る鉄道車両の電力変換装置において、前記集電装置と前記インバータとの間、充電抵抗が並列接続された第１のスイッチと、前記第１のスイッチに直列接続された第２のスイッチと、を備え、前記フィルタコンデンサは、前記デッドセクションに進入したときに、前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチを開放することによって放電され、前記第２の電化区間に進入したときに、前記第２のスイッチを投入することによって前記充電抵抗を介して充電される。

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、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、電力変換装置に入力される電流値に基づき、第１の電化区間からデッドセクションに進入したことを検知するステップと、前記電力変換装置に入力される電圧値に基づき、前記デッドセクションから第２の電化区間に進入したことを検知するステップと、前記第２の電化区間に進入したことを検知すると、前記電力変換装置のフィルタコンデンサの電圧値が前記第２の電化区間のき電電圧値と等しくなるように制御するステップと、を含む。

さらに、本発明に係る鉄道車両の制御方法において、前記デッドセクションに進入したことを検知すると、前記フィルタコンデンサを放電させるステップを含み、前記制御するステップは、前記第２の電化区間に進入したことを検知すると、前記フィルタコンデンサを充電抵抗を介して充電させて前記第２の電化区間のき電電圧値と等しくなるように制御する。

本発明によれば、電制、力行、惰行のいずれの運転状態でデッドセクションに進入しても、デッドセクションを自動的に検知し、急激な電流変動なく、つまり、高速遮断器及び変電所がトリップすることなく、デッドセクションを通過することができるようになる。また、本発明によれば、特別な装置の追加することなく、装置の規模やコストを増大させずに、上記を実現することができる。

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説明するタイミングチャートである。

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、電流検出器（ＣＴ）１０と、高速度遮断器（ＨＢ）１１と、単位スイッチ１２（ＬＢ１）と、単位スイッチ（ＬＢ２）１３と、充電抵抗（ＣＨＲ）１４と、フィルタリアクトル（ＦＬ）１５と、電圧検出器（ＤＣＰＴ１）１６と、電圧検出器（ＤＣＰＴ２）１７と、フィルタコンデンサ（ＦＣ）１８と、放電用スイッチ１９と、放電抵抗（ＤＣＨＲ）２０と、インバータ２１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、電流検出器１０、高速度遮断器１１、単位スイッチ１２，１３、及びフィルタリアクトル１５が接続され、単位スイッチ１２には並列に充電抵抗１４が接続される。

電流検出器１０は、集電装置４に直列接続され、集電装置４から電力変換装置１に入力される入力電流値Ｉ_Ｌを検出し、検出した電流値を制御装置２に通知する。本発明に係る電力変換装置１は電流検出器１０を備えているため、入力電流値Ｉ_Ｌが所定の閾値以下（例えば０Ａ）になったときに、デッドセクションに進入したと判断することができる。

高速度遮断器１１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。なお、制御装置２の制御により高速度遮断器１１の投入（通電）及び開放（遮断）を制御するようにしてもよい。

単位スイッチ１２は、充電抵抗１４と並列接続され、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及び開放を行う。単位スイッチ１３は、単位スイッチ１２と直列接続され、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及び開放を行う。

単位スイッチ１２及び単位スイッチ１３を開放すると、集電装置４にて集電した電力はフィルタコンデンサ１８及びインバータ２１に入力されなくなる。単位スイッチ１２のみ開放した場合には、集電装置４にて集電した電力は充電抵抗１４を介してフィルタコンデンサ１８及びインバータ２１に入力される。

電圧検出器１６は、電流検出器１０及び高速度遮断器１１の接続点と、接地点との間に設けられ、集電装置４をから電力変換装置１に入力される入力電圧値Ｖ_Ｌ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１８の端子間に並列して設けられ、フィルタコンデンサ１８の電圧値Ｖ_Ｃを検出し、検出した電圧値を制御装置２に通知する。フィルタコンデンサ１８は、インバータ２１に並列接続される。

放電用スイッチ１９は、制御装置２により投入及び開放が制御され、放電抵抗２０を介してフィルタコンデンサ１８に蓄積された電荷を放電させる。

インバータ２１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２１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、電流検出器１０にて検出された電流値に基づき、第１の電化区間からデッドセクションに進入したことを検知し、その後、電圧検出器１６にて検出された電圧値に基づき、前記デッドセクションから第２の電化区間に進入したことを検知すると、フィルタコンデンサ１８の電圧値が第２の電化区間のき電電圧値と等しくなるように制御する。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説明するタイミングチャートであり、第１の電化区間から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。ここでは、第１の電化区間の電圧値を７５０Ｖ、第２の電化区間の電圧値を１５００Ｖとして説明するが、この電圧値に限定されるものではない。

第１の電化区間では、電圧検出器１６により検出される入力電圧値Ｖ_Ｌは７５０Ｖであり、電圧検出器１７により検出されるコンデンサ電圧値Ｖ_Ｃも７５０Ｖである。また、電流検出器１０により検出される入力電流値Ｉ_Ｌは電制状態では負の値、力行状態では正の値である。

デッドセクションは完全に他の電化区間と絶縁されているため、電制状態で鉄道車両がデッドセクションに進入した場合、デッドセクション側に電流は流れず、入力電流値Ｉ_Ｌは０Ａとなる（タイミングａ）。また、力行運転状態でデッドセクションに進入した場合も、デッドセクション側からは電流が流れず、入力電流値Ｉ_Ｌは０Ａとなる（タイミングｂ）。そのため、制御装置２は、電制時又は力行時に電流検出器１０に検出される入力電流値Ｉ_Ｌが所定の閾値以下（例えば０Ａ）になると、鉄道車両がデッドセクションに進入したと判断する。そして、制御装置２は単位スイッチ１２及び単位スイッチ１３を開放する（タイミングｃ）。

すると、電圧検出器１６により検出される入力電圧値Ｖ_Ｌは０Ｖとなる（タイミングｄ）。制御装置２は電圧検出器１６により検出される入力電圧値Ｖ_Ｌが所定の閾値以下（例えば０Ｖ）になると、放電用スイッチ１９を投入し、放電抵抗２０を介してフィルタコンデンサ１８に蓄積された電荷を放電させる（タイミングｅ）。また、制御装置２は、入力電圧値Ｖ_Ｌが所定の閾値以下（例えば０Ｖ）になると、インバータ２１を制御して電制状態又は力行状態から惰行状態に切替え、鉄道車両はデッドセクションを惰行により通過する（タイミングｆ）。

その後、鉄道車両が第２の電化区間に進入すると、電圧検出器１６により検出される入力電圧値Ｖ_Ｌは１５００Ｖとなる（タイミングｇ）。制御装置２は、入力電圧値Ｖ_Ｌが所定の閾値以上（例えば１５００Ｖ）になると、第２の電化区間に進入したと判断する。

その後、制御装置２は、ノッチオン（力行又は電制）の指令をマスターコントローラーから受けると（タイミングｈ）、単位スイッチ１３を投入する（タイミングｉ）。すると、単位スイッチ１２は開放されているため、フィルタコンデンサ１８は充電抵抗１４を介して１５００Ｖまで、つまり第２の電化区間のき電電圧値と等しくなるように充電される（タイミングｊ）。このようにして、フィルタコンデンサ１８は充電する際に充電抵抗１４を経由するため、入力電流Ｉ_Ｌの急激な電流変化を防止することができる。

制御装置２は、単位スイッチ１３を投入後、所定のタイミングで単位スイッチ１２を投入する（タイミングｋ）。制御装置２は、フィルタコンデンサ１８が１５００Ｖに充電されるまで待ってから単位スイッチ１２を投入してもよいし、図２に示すように１５００Ｖに近づいた段階で単位スイッチ１２を投入してもよい。

このように、本発明では、電力変換装置１は、集電装置４から入力される電流値Ｉ_Ｌを検出する電流検出器１０と、集電装置４から入力される電圧値Ｖ_Ｃを検出する電圧検出器１６と、集電装置４により集電した電力を変換するインバータ２１と、インバータ２１に並列接続されるフィルタコンデンサ１８とを備える。制御装置２は、電流検出器１０にて検出された電流値Ｉ_Ｌに基づき、第１の電化区間からデッドセクションに進入したことを検知し、その後、電圧検出器１６にて検出された電圧値Ｖ_Ｃに基づき、デッドセクションから第２の電化区間に進入したことを検知すると、フィルタコンデンサ１８の電圧値が第２の電化区間のき電電圧値と等しくなるように制御する。

電力変換装置１は電流検出器１０を備えているため、電制、力行、惰行のいずれの運転状態でデッドセクションに進入しても、制御装置２はデッドセクションを自動的に検知可能となる。そのため、急激な電流変動なく、つまり、高速遮断器及び変電所がトリップすることなく、デッドセクションを通過することができるようになる。また、電力変換装置１の構成は従来の電力変換装置に標準的に搭載されている構成に電流検出器１０のみを追加したものであるため、装置の規模や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。

本発明によれば、電制、力行、惰行のいずれの運転状態でデッドセクションに進入しても、急激な電流変動なくデッドセクションを通過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 電流検出器
１１ 高速度遮断器
１２，１３ 単位スイッチ
１４ 充電抵抗
１５ フィルタリアクトル
１６，１７ 電圧検出器
１８ フィルタコンデンサ
１９ 放電用スイッチ
２０ 放電抵抗
２１ インバータ

Claims (6)

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、
   集電装置から入力される電流値を検出する電流検出器と、
   前記集電装置から入力される電圧値を検出する電圧検出器と、
   前記集電装置により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、
   を備える電力変換装置と、
   前記電流検出器にて検出された電流値に基づき、第１の電化区間からデッドセクションに進入したことを検知し、その後、前記電圧検出器にて検出された電圧値に基づき、前記デッドセクションから第２の電化区間に進入したことを検知すると、前記フィルタコンデンサの電圧値が前記第２の電化区間のき電電圧値と等しくなるように制御する制御装置と、
   を備える制御システム。
2. 前記電力変換装置は、前記集電装置と前記インバータの間に、充電抵抗が並列接続された第１のスイッチと、前記第１のスイッチに直列接続された第２のスイッチと、を備え、
   前記制御装置は、前記デッドセクションに進入したことを検知すると、前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチを開放し、前記フィルタコンデンサを放電させ、前記第２の電化区間に進入したことを検知すると、前記第２のスイッチを投入し、前記フィルタコンデンサを前記充電抵抗を介して充電させて前記第２の電化区間のき電電圧値と等しくなるように制御する、請求項１に記載の制御システム。
3. 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電力変換装置であって、
   集電装置から入力される電流値を検出する電流検出器と、
   前記集電装置から入力される電圧値を検出する電圧検出器と、
   前記集電装置により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、第１の電化区間からデッドセクションを経て第２の電化区間に進入したときに前記第２の電化区間のき電電圧値と等しくなるように制御されるフィルタコンデンサと、
   を備える電力変換装置。
4. 前記集電装置と前記インバータの間に、充電抵抗が並列接続された第１のスイッチと、前記第１のスイッチに直列接続された第２のスイッチと、を備え、
   前記フィルタコンデンサは、前記デッドセクションに進入したときに、前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチを開放することによって放電され、前記第２の電化区間に進入したときに、前記第２のスイッチを投入することによって前記充電抵抗を介して充電される、請求項３に記載の電力変換装置。
5. 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、
   電力変換装置に入力される電流値に基づき、第１の電化区間からデッドセクションに進入したことを検知するステップと、
   前記電力変換装置に入力される電圧値に基づき、前記デッドセクションから第２の電化区間に進入したことを検知するステップと、
   前記第２の電化区間に進入したことを検知すると、前記電力変換装置のフィルタコンデンサの電圧値が前記第２の電化区間のき電電圧値と等しくなるように制御するステップと、
   を含む制御方法。
6. 前記デッドセクションに進入したことを検知すると、前記フィルタコンデンサを放電させるステップを含み、
   前記制御するステップは、前記第２の電化区間に進入したことを検知すると、前記フィルタコンデンサを充電抵抗を介して充電させて前記第２の電化区間のき電電圧値と等しくなるように制御する、請求項５に記載の制御方法。
   

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