JP2016127752A - 電気車制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】より確実にコンデンサからの放電を行うことができる電気車制御装置を提供することである。【解決手段】実施形態の電気車制御装置は、インバータと、コンデンサと、コンデンサを放電させる放電部と、制御部とを持つ。インバータは、電気車の車輪を駆動するモータに対し交流電力を出力する。コンデンサは、前記インバータの直流側に設けられる。放電部は、前記コンデンサから供給される電力に基づき、前記制御部から入力された放電信号の状態を維持する自己保持回路を有し、前記コンデンサに蓄えられた電力を放電させる。制御部は、前記インバータを制御すると共に、設定条件に基づいて前記コンデンサに蓄えられた電力を放電させる放電信号を前記放電部に出力する。【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。
従来、制御電源を喪失したり、制御手段が故障したりした場合、開閉スイッチが閉じることで放電回路が閉じられ、コンデンサに蓄積された電荷を放電する放電回路が知られている。しかしながら、従来の技術では、放電回路を含む装置の回路の状態を適切に制御することができず、コンデンサからの放電を確実に行うことができない場合があった。
本発明が解決しようとする課題は、より確実にコンデンサからの放電を行うことができる電気車制御装置を提供することである。
実施形態の電気車制御装置は、インバータと、コンデンサと、コンデンサを放電させる放電部と、制御部とを持つ。インバータは、電気車の車輪を駆動するモータに対し交流電力を出力する。コンデンサは、前記インバータの直流側に設けられる。放電部は、前記コンデンサから供給される電力に基づき、前記制御部から入力された放電信号の状態を維持する自己保持回路を有し、前記コンデンサに蓄えられた電力を放電させる。制御部は、前記インバータを制御すると共に、設定条件に基づいて前記コンデンサに蓄えられた電力を放電させる放電信号を前記放電部に出力する。
以下、実施形態の電気車制御装置を、図面を参照して説明する。
(第1の実施形態)
図1は、実施形態の電気車制御装置30を搭載した電気車システム1の概要構成図である。電気車制御装置30が搭載された電気車(鉄道車両)は、交流電力の供給源である架線Pに集電器10が接触することにより、架線Pから電力供給を受けて走行する。電気車システム1は、主要な構成要素として、集電器10と、遮断器12と、車輪Wと、変圧器16と、突入電流制限回路20と、コンバータ26と、モータ28と、電気車制御装置30とを備える。
図1は、実施形態の電気車制御装置30を搭載した電気車システム1の概要構成図である。電気車制御装置30が搭載された電気車(鉄道車両)は、交流電力の供給源である架線Pに集電器10が接触することにより、架線Pから電力供給を受けて走行する。電気車システム1は、主要な構成要素として、集電器10と、遮断器12と、車輪Wと、変圧器16と、突入電流制限回路20と、コンバータ26と、モータ28と、電気車制御装置30とを備える。
集電器10は、架線Pから交流電力を取得する。遮断器12は、集電器10と変圧器16との間に直列に接続される。遮断器12は、所定の条件下で変圧器16への交流電力の供給を遮断する。変圧器16は、集電器10から出力された交流電力の電圧を所望の電圧に変換する。所望の電圧に変換された交流電力は、突入電流制限回路20を介してコンバータ26に出力される。コンバータ26は、入力された交流電力を直流電力に変換して、電気車制御装置30へ出力する。
突入電流制限回路20は、接触器22と、電流制限抵抗器23と、電流制限抵抗用接触器24とを設ける。接触器22および電流制限抵抗用接触器24は、制御部100の制御により開閉する。接触器22および電流制限抵抗用接触器24はオン状態(導通状態)で変圧器16から出力された交流電力をコンバータ26へ出力する。電流制限抵抗器23は、コンバータ26への突入電流を制限するための抵抗器である。
突入電流制限回路20の動作について説明する。運転士等が、操作盤150に設けられたマスタースイッチをオン状態にすると、制御部100によって電流制限抵抗用接触器24がオン状態に制御されると共に、遮断器12がオン状態に制御される。これにより、電流制限抵抗器23と電流制限抵抗用接触器24とを含んだ閉回路が実現される。その後、電流制限抵抗器23により電圧降下が生じ、電流制限抵抗器23の両端の電圧差が小さくなると、制御部100によって接触器22がオン状態に制御される。これにより、接触器22の溶着が防止されると共に、コンバータ26への突入電流の発生が抑制された状態でコンバータ26に架線Pから交流電力が供給される。
電気車制御装置30は、第1の抵抗32と、電圧検出部34と、インバータ36と、コンデンサ50と、放電部60と、制御部100とを備える。第1の抵抗32は、コンデンサ50の電力を緩やかに放電させるための比較的抵抗値が大きい抵抗である。電圧検出部34は、コンバータ26からインバータ36に出力される電圧を検出し、検出結果を制御部100へ出力する。なお、電気車制御装置30は上記構成に限定されるものではなく、コンバータ26、突入電流制御回路20等を含んだ装置とすることも可能である。
インバータ36は、コンバータ26から出力された直流電力を、制御部100から入力された制御信号(例えばPWM:Pulse Width Modulation)に基づいて、所望の周波数や電圧などの三相交流に変換し、変換した三相交流をモータ28へ出力する。モータ28は、三相交流によってロータを回転させ、駆動力を出力する。モータ28の出力する駆動力は、図示しない歯車等の連結機構を介して車輪Wに伝達され、電気車を走行させる。モータ28は、例えば、かご型三相誘導電動機である。なお、車輪Wは、線路Rを介して接地される。
コンデンサ50は、コンバータ26からインバータ36に出力される電圧を平滑化する。放電部60は、制御部100から信号が入力されてからコンデンサ50の両端電圧が所定電圧未満に低下するまでの間、コンデンサ50に蓄えられた電力を放電させる。ここで所定電圧とは、例えば放電部60が動作可能な電圧(例えば15[V])や、電気車制御装置30における安全電圧(例えば50[V])などである。なお、放電部60の動作によりコンデンサ50に蓄えられた電力が放電する仕組みについては後述する。
また、電気車システム1は、操作盤150と、表示盤160とを備える。操作盤150は、例えば電気車の主電源であるマスタースイッチや、運転手が種々の操作を行うマスターコントローラなどを含む。マスターコントローラは、種々の対応を採用し得るが、例えば前方に押すことによって制動・減速を指示し、後方に引くことによって加速を指示することができる横軸型のマスターコントローラである。マスターコントローラに対してなされた操作量を示す信号、或いは操作に基づいて決定される制御信号は、制御部100に入力される。表示盤160は、制御部100の指示に基づいて、車両の速度などを含む車両に関する各種情報を表示する。
図2は、制御部100の機能構成図である。制御部100は、インバータ制御部110と、制御判定部120と、信号発信部130とを備える。制御部100の各機能部は、例えば、電気車制御装置30が備えるCPU(Central Processing Unit)等のプロセッサがプログラムメモリに格納されたプログラムを実行することで機能するソフトウェア機能部である。また、制御部100の各機能部のうち一部または全部は、LSI(Large Scale Integration)やASIC(Application Specific Integrated Circuit)等のハードウェア機能部であってもよい。
インバータ制御部110は、例えばマスターコントローラから入力された信号(ノッチ数など)に基づいて、PWM制御信号を生成し、生成したPWM制御信号をインバータ36へ出力する。制御判定部120は、電気車に設けられた各種計器の計測結果や、各種センサの検出結果が設定条件を満たしているかを判定する。設定条件は、例えば、電圧検出部34の検出結果が所定電圧(過電圧セット値)を超えていること、各種センサが電気車制御装置30を保護すべき異常状態を検出したこと等である。信号発信部130は、制御判定部120により、設定条件のうちいずれかが満たされたと判定された場合に、コンデンサ50に蓄えられた電力を放電させることを指示する放電信号を生成し、生成した放電信号を放電部60へ出力する。また、制御部100は、上記の他、突入電流制限回路20や、コンバータ26などの制御を含む電気車の各部を制御する。
図3は、放電部60の機能構成を示す図である。放電部60は、放電信号が入力された後にのみ放電動作を行い、放電動作が解除された後は、放電信号が入力されるまで放電動作を停止した状態を維持することができる。放電部60は、切替スイッチ62と、第2の抵抗64と、駆動部70とを備える。切替スイッチ62は、駆動部70から出力された信号に基づいて、オン状態とオフ状態(遮断状態)が切り替わる。切替スイッチ62がオン状態となると、コンデンサ50に蓄えられた電力は放電され、第2の抵抗64を介してグランド側に電流が流れる。切替スイッチ62がオフ状態となると、コンデンサ50に蓄えられた電力の放電が停止される。第2の抵抗64は、コンデンサ50から放電された電力を消費させるための比較的抵抗値が小さい抵抗であり、短時間でコンデンサ50から放電された電力を消費させることができる。なお、抵抗値の大きさは、第2の抵抗64<第1の抵抗32の関係である。
駆動部70は、信号受信部72と、電源生成部74と、自己保持回路80とを備える。信号受信部72は、例えば電気的に絶縁しながら信号を入出力することができるフォトカプラや、変圧器などを備える。信号受信部72は、制御部100により出力された放電信号を受信すると、一次ゲートオン信号を自己保持回路80へ出力する。信号受信部72と、自己保持回路80とは、絶縁のために、例えば信号受信部72が備えたフォトカプラやトランスなどを介して信号を入出力する。信号受信部72は低圧で動作する制御部100と、自己保持回路80は、コンバータ26により出力された直流電力が流れる高圧回路と、それぞれ接続されているからである。
電源生成部74には、コンデンサ50により放電された電力が入力される。電源生成部74は、例えばDC−DCコンバータを有し、入力された電力の電圧を所定の電圧(例えば15ボルト[V])に変換し、自己保持回路80に供給する。また、電源生成部74は、分圧抵抗によって入力された電圧を低下させるものであってもよい。
自己保持回路80は、入力された一次ゲートオン信号の出力を保持する機能(自己保持機能)を有する回路である。自己保持回路80は、信号受信部72から信号が入力されると、切替スイッチ62に対して二次ゲートオン信号を継続的に出力する。自己保持回路80は、信号受信部72から一次ゲートオン信号が入力された後、電源生成部74から電力が供給されている間、二次ゲートオン信号の出力を継続する。
図4は、自己保持回路80の一例を示す図である。自己保持回路80は、例えば、一次ゲートオン信号が入力されると閉状態となる接点82と、接点82と直列に接続されるリレーコイル84とを備える。リレーコイル84が加圧されると、リレー接点86およびリレー接点89が閉状態となる。接点82と並列にリレー接点86と接点88とが接続され、リレー接点86の一端は、接点82とリレーコイル84との間に接続される。リレー接点86は、リレーコイル84によって閉状態となる。接点88は、b接点(NC接点)とし、一次ゲートオン信号が入力される前から、閉状態に維持されている。リレー接点86が閉状態になると、電源生成部74によりリレーコイル84が加圧されるため、リレーコイル84は、リレー接点86を閉状態とし続ける。また、電源生成部74と切替スイッチ62の間に、リレー接点89が設けられている。リレー接点89は、リレーコイル84が加圧されることによって閉状態となり、電源生成部74から入力される電圧を、二次ゲートオン信号として切替スイッチ62へ出力する。このような仕組みによって、自己保持回路80は、一次ゲートオン信号が入力されると、電源生成部74から電圧供給が継続している間、二次ゲートオン信号を切替スイッチ62へ出力し続けることができる。
これにより、放電部60は、放電信号が入力されると、コンデンサ50から供給される電圧が、電源生成部74の動作可能電圧以上である間、切替スイッチ62をオン状態とすることができる。そして、コンデンサ50に蓄えられた電力が放電され、コンデンサ50の両端電圧が低下する。コンデンサ50から供給される電圧が電源生成部74の動作可能電圧未満になると、電源生成部74の自己保持回路80への電力の供給は停止する。この結果、放電部60は、電源生成部74からリレーコイル84への加圧が停止することで、二次ゲートオン信号の出力を停止し、切替スイッチ62をオフ状態にする。このように、コンデンサ50に蓄えられた電力は、放電信号が放電部60に入力されてから、コンデンサ50の両端電圧が電源生成部74の動作可能電圧未満に低下するまでの間、放電される。
なお、自己保持回路80は、制御部100から自己保持解除信号が入力されると接点88を開状態とし、これによって接点82、リレー接点86、リレー接点89が開状態となる。制御部100は、例えば放電信号を自己保持回路80に出力してから所定時間経過後に、自己保持解除信号を自己保持回路80へ出力する。所定時間は、例えば上記説明した放電動作が完了するのに必要な時間(放電信号の出力から切替スイッチ62がオフ状態になるまでの時間)よりも若干長い時間に設定される。例えば制御部100は、放電部60による放電動作が完了した後、初期状態(接点82、リレー接点86、リレー接点89が全て開)に戻すために、放電信号の出力を停止すると共に、自己保持解除信号を自己保持回路80へ出力してもよい。
なお、上記説明では、電源生成部74は、コンデンサ50から供給される電圧が電源生成部74の動作可能電圧未満になることで、自己保持回路80への電力供給を停止し、これによって二次ゲートオン信号の出力が停止されるものとして説明したが、電源生成部74は、コンデンサ50から供給される電圧が低下して電源生成部74の動作可能電圧付近になると、自発的に自己保持解除信号を自己保持回路80へ出力してもよい。
図5は、放電部60の制御状態とコンデンサ50の蓄電状態の時間的変化の一例を示すタイミングチャートである。時刻t1において、コンデンサ50は十分に充電されており、電源生成部74には十分な電圧が供給されているものとする。時刻t1において、接点82に制御部100から放電信号が入力されると、上記説明した自己保持回路80の仕組みによって、リレーコイル84が加圧され、二次ゲートオン信号が切替スイッチ62へ出力される。これにより、切替スイッチ62がオン状態となる。切替スイッチ62がオン状態となると、コンデンサ50に蓄えられた電力は放電され、コンデンサ50の両端電圧は徐々に低下していく。
時刻t2において、コンデンサ50から電源生成部74に入力される電力の電圧が所定電圧(例えば図5、Th)以下に低下すると、電源生成部74は、自己保持回路80への電力の供給を停止する。この結果、リレーコイル84への電流の入力は停止し、リレー接点89は開状態となる。これにより切替スイッチ62へ出力されていた二次ゲートオン信号は停止し、切替スイッチ62はオフ状態となり、コンデンサ50の放電は抵抗32による放電のみとなる。
以上説明した第1の実施形態に係る電気車制御装置30によれば、放電部60は、制御部100から放電信号が入力されると、放電信号が途絶した場合であっても、コンデンサ50により供給された電力によりコンデンサ50を放電させる動作を行うことが可能である。これにより、放電部60は、コンデンサ50の両端電圧が所定電圧未満に低下するまでの間、コンデンサ50に蓄えられた電力を放電させることができる。この結果、電気車制御装置30は、例えば、機器等の異常や、過電圧等により制御部100の信号の出力が停止した場合であっても、バックアップ用のコンデンサ等を用いることなく、より確実にコンデンサ50からの放電を行うことができる。また、切替スイッチ62は、コンデンサ50の両端電圧が所定電圧以上の場合はオン状態を維持することで、高電圧時、すなわち切替スイッチ62へ大きな電流が流れている状態において切替スイッチ62がオン状態からオフ状態に切り替わることを回避できるため、切替スイッチ62の故障を防止することができる。
なお、本実施形態では、コンデンサ50と、放電部60とを1つずつ並列に備えた2レベル回路を一例として説明したが、2つのコンデンサ50、50aと2つの放電部60、60aとを並列に備える3レベル回路に電気車制御装置30を適用してもよい。図6は、3レベル回路の一例を示す図である。3レベル回路は、コンデンサ50と直列に接続されたコンデンサ50−aと、放電部60と直列に接続された放電部60−aと、電圧検出部34と直列に接続された電圧検出部34−aとを備える。また、コンデンサ50と並列にインバータ36に出力する電力を平滑化するための第2のコンデンサ33および第2のコンデンサ33-aを備える。第2のコンデンサ33と第2のコンデンサ33-aとは直列に接続されている。また、図示するように、各部の間にコンバータ26とインバータ36とを導通させるように電力線ELを設け、電力線ELをグランド端子EAに接続している。グランド端子EAは、例えば線路Rに電気的に接続される。このような3レベル回路によれば、当該回路の中間電位となる電力線ELを接地しているため、回路における最大の絶縁耐圧を低くすることができる。このため、回路を構成する部品の選定がより簡易であると共に、部品を小型化できるため回路を小型化できる。また、インバータ36に3つの端子を介して信号が入力されるため、2つの端子を介して信号が入力される場合に比べて、インバータ36は、より形の整った正弦波を出力することができる。なお、第2のコンデンサ33および第2のコンデンサ33-aを省略してもよい。
(第2の実施形態)
以下、第2の実施形態に係る電気車システムについて説明する。ここでは、第1の実施形態との相違点を中心に説明し、第1の実施形態と共通する機能等についての説明は省略する。
以下、第2の実施形態に係る電気車システムについて説明する。ここでは、第1の実施形態との相違点を中心に説明し、第1の実施形態と共通する機能等についての説明は省略する。
図7は、第2の実施形態に係る放電部60−bの機能構成を示す図である。放電部60−bは、制御電源検出部76を備える。制御電源検出部76は、例えば制御部100への電力供給線と導通しており、制御部100に電源が供給されて正常に動作しているか否かを判定可能となっている。制御電源検出部76は、制御部100への電力供給がなされている場合にオフ信号を、制御部100への電力供給が途絶した場合にオン信号をゲート駆動部80−bに出力する。制御電源検出部76は、絶縁のために、例えばフォトカプラやトランスなどの絶縁部を備えてもよい。なお、制御電源検出部76は、構成を簡易化するために絶縁部を備えずに、信号受信部72を介して検出結果をゲート駆動部80−bへ出力してもよい。
ゲート駆動部80−bは、第1の実施形態と同様に自己保持回路80を含むものであってもよいし、マイクロコンピュータを備えてもよい。ゲート駆動部80−bは、信号受信部72から一次ゲートオン信号が入力されている場合、または、制御電源検出部76からオン信号が入力されている場合に、二次ゲートオン信号を切替スイッチ62に出力する。これによって、第2の実施形態に係る放電部60−bは、制御部100から放電信号が入力されていなくても、制御部100への電力供給が途絶したことが判明した場合には、コンデンサ50の放電を行うことができる。この結果、制御部100への電力供給が途絶した場面、すなわち第1の実施形態ではコンデンサ50からの放電が制御できない場面においてもコンデンサ50を放電することができるため、より安全にコンデンサ50を制御することができる。
図8は、第2の実施形態における電気車制御装置30により実行される処理の流れを示すフローチャートである。なお、このフローチャートは、ゲート駆動部80−bがマイクロコンピュータを備えることを前提としている。まず、制御部100が、第1の実施形態と同様に、電圧検出部34により検出された電圧が所定電圧を超えるか否かを判定する(ステップS100)。電圧検出部34により検出された電圧が所定電圧を超えない場合、ゲート駆動部80−bは、制御部100からの放電信号の受信がないことから、二次ゲート信号を出力せず、切替スイッチ62をオフ状態に維持し(ステップS110)、本フローチャートの処理の1ルーチンが終了する。
電圧検出部34により検出された電圧が所定電圧を超えている場合、制御部100からの放電信号を受信することから、この放電信号の受信に基づいて、ゲート駆動部80−bは切替スイッチ62がオン状態であるか否かを判定する(ステップS102)。切替スイッチ62がオン状態である場合、ゲート駆動部80−bは、切替スイッチ62のオン状態を維持する(ステップS104)。切替スイッチ62がオフ状態である場合、ゲート駆動部80−bは、信号受信部72からの一次ゲートオン信号、制御電源検出部76からのオン信号のいずれかが入力されているか否かを判定する(ステップS106)。いずれの信号も入力されていない場合、ゲート駆動部80−bは、二次ゲート信号を出力せず、切替スイッチ62をオフ状態に維持し(ステップS110)、本フローチャートの処理の1ルーチンが終了する。
いずれかの信号が入力されている場合、ゲート駆動部80−bは、二次ゲートオン信号を出力して、切替スイッチ62をオン状態に制御する(ステップS108)。これにより本フローチャートの処理の1ルーチンが終了する。
なお、図8のフローチャートの処理は、ゲート駆動部80−bがマイクロコンピュータを備えることを前提としているものとしたが、ゲート駆動部80−bは、オアゲート等の論理回路を備え、信号受信部72からの一次ゲートオン信号、制御電源検出部76からのオン信号のいずれかが入力された場合に、内部の自己保持回路にオン信号を供給する構成であってもよい。
以上説明した第2の実施形態に係る電気車制御装置30よれば、第1の実施形態と同様の効果を奏するのに加え、制御部100への電力供給が途絶したことが判明した場合にも、コンデンサ50の放電を行うことができる。この結果、制御部100への電力供給が途絶した場面、すなわち第1の実施形態ではコンデンサ50からの放電が制御できない場面においてもコンデンサ50を放電することができるため、より安全にコンデンサ50を制御することができる。
以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、電気車の車輪を駆動するモータに対し交流電力を出力するインバータ(36)と、インバータの直流側に設けられたコンデンサ(50)と、コンデンサに蓄えられた電力を放電させる放電部(60)と、インバータを制御すると共に、設定条件に基づいてコンデンサに蓄えられた電力を放電させる放電信号を放電部に出力する制御部(100)とを持ち、放電部は、コンデンサから供給される電力に基づき、制御部から入力された放電信号の状態を維持する自己保持回路を有するため、より確実にコンデンサからの放電を行うことができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。これら実施形態は、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同様に、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ものである。
28…モータ、30…電気車制御装置、32…第1の抵抗、34…電圧検出部、36…インバータ、50…コンデンサ、60…放電部、62…切替スイッチ、64…第2の抵抗、70…駆動部、72…信号受信部、74…電源生成部、76…制御電源検出部、80…自己保持回路、80−b…ゲート駆動部、100…制御部、W…車輪
Claims (3)
- 電気車の車輪を駆動するモータに対し交流電力を出力するインバータと、
前記インバータの直流側に設けられたコンデンサと、
前記コンデンサに蓄えられた電力を放電させる放電部と、
前記インバータを制御すると共に、設定条件に基づいて前記コンデンサに蓄えられた電力を放電させる放電信号を前記放電部に出力する制御部と、
を備え、
前記放電部は、前記コンデンサから供給される電力に基づき、前記制御部から入力された放電信号の状態を維持する自己保持回路を有する、
電気車制御装置。 - 前記放電部は、前記コンデンサの両端電圧が所定電圧未満に低下したときに、前記コンデンサの放電を停止する、
請求項1に記載の電気車制御装置。 - 前記放電部は、前記制御部から自己保持解除信号が入力されると、前記自己保持回路の状態をリセットする、
請求項1または2に記載の電気車制御装置。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2018098875A (ja) * | 2016-12-12 | 2018-06-21 | 株式会社東芝 | 車両用制御装置 |
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- 2015-01-07 JP JP2015001519A patent/JP2016127752A/ja active Pending
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A711 | Notification of change in applicant |
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