JP2018007446A

JP2018007446A - 補助電源装置及び補助電源制御システム

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Publication number: JP2018007446A
Application number: JP2016132608A
Authority: JP
Inventors: 康隆大谷; Yasutaka Otani
Original assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Current assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Priority date: 2016-07-04
Filing date: 2016-07-04
Publication date: 2018-01-11
Anticipated expiration: 2036-07-04
Also published as: JP6750971B2

Abstract

【課題】誘導負荷の起動時に生じる、補助電源装置の出力電圧波形の歪みを低減する。【解決手段】制御装置１４は、誘導負荷２０を起動する際に、補助継電器１３に補助接点の投入を指示する補助接点投入信号を出力し、補助継電器１３は、補助接点投入信号が入力されると補助接点を投入し、三相接触器１２に主接点の投入を指示する主接点投入信号を出力するとともに、補助電源装置１１に起動通知信号を出力し、三相接触器１２は、主接点投入信号が入力されると投入時間の経過後に主接点を投入し、補助電源装置１１を誘導負荷２０に接続し、補助電源装置１１は、起動通知信号が入力されると誘導負荷２０の起動を事前に検知し、フィードバック制御の制御ゲインを所定時間大きくする。【選択図】図１

Description

本発明は、電気車に搭載される補助電源装置及び補助電源制御システムに関するものである。

補助電源装置は、集電装置から供給される直流電力を電力変換スイッチング素子で交流電力に変換し、該交流電力や、該交流電力を更に整流回路等で変換した直流電力を、電気車に搭載された電機機器に供給している。

補助電源装置が電力を供給する電機機器には、車内照明、案内表示器、空調装置、空気圧縮機（コンプレッサー）などがある。車内照明や案内表示器などの機器では、電源起動後の消費電力の変動は少ない。

一方、空気圧縮機は元空気ダメの空気圧を圧力センサで監視し、一定の圧力まで低下すると空気圧縮機が起動して、空気圧を上昇させる。また、空気圧が一定の圧力まで上昇すると、空気圧縮機は停止する。圧縮空気は、ドアの開閉動作や空気ブレーキを掛ける際などに使用される。そのため、運転中は絶えず、元空気ダメ内の空気圧が一定の圧力範囲になるよう、空気圧縮機は起動／停止を繰り返す。

空気圧縮機は誘導電動機で駆動される誘導負荷のため、起動時に突入電流が流れ、補助電源装置の負荷は急変する。補助電源装置では、出力電圧、出力電流やインバータ電流を監視し、負荷の変動に対して出力電圧を一定とするようフィードバック制御を行っている。しかし、監視要素は負荷変動により変化するため、負荷変動が大きい場合、フィードバック制御により出力電圧を一定とするまでの数制御周期の間、出力電圧波形に歪みが生じてしまう。出力電圧波形の歪みは、補助電源装置の出力に接続された他の機器へ影響を与える。特に車内照明においては、ちらつきの原因となる。

そこで、ドアの開閉時に、補助電源装置に対する電圧指令値を変更し、補助電源装置が初期設定値よりも高い電圧を出力するように制御する車両制御装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１３−００５５４６号公報

しかし、特許文献１に記載の発明では、ドアを開閉する際に補助電源装置に対する電圧指令値を高く設定するため、補助電源装置は定格よりも高い電圧を出力するおそれがある。

かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、誘導負荷の起動時の突入電流による出力電圧波形の歪み及び車内照明のちらつきを、電圧指令値を変えることなく抑制することが可能な補助電源装置及び補助電源制御システムを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係る補助電源制御システムは、フィードバック制御により交流電力を生成する補助電源装置と、三相接触器と、補助継電器と、制御装置とを備える補助電源制御システムであって、前記制御装置は、誘導負荷を起動する際に、前記補助継電器に補助接点の投入を指示する補助接点投入信号を出力し、前記補助継電器は、前記補助接点投入信号が入力されると補助接点を投入し、前記三相接触器に主接点の投入を指示する主接点投入信号を出力するとともに、前記補助電源装置に誘導負荷の起動を通知する起動通知信号を出力し、前記三相接触器は、前記主接点投入信号が入力されると投入時間の経過後に主接点を投入し、前記補助電源装置を前記誘導負荷に接続し、前記補助電源装置は、前記起動通知信号が入力されると前記誘導負荷の起動を事前に検知し、フィードバック制御の制御ゲインを所定時間大きくすることを特徴とする。

また、上記課題を解決するため、本発明に係る補助電源制御システムは、フィードバック制御により交流電力を生成する補助電源装置と、三相接触器と、補助継電器と、制御装置とを備える補助電源制御システムであって、前記制御装置は、誘導負荷を起動する際に、前記補助継電器に補助接点の投入を指示する補助接点投入信号を出力するとともに、前記補助電源装置に誘導負荷の起動を通知する起動通知信号を出力し、前記補助継電器は、前記補助接点投入信号が入力されると補助接点を投入し、前記三相接触器に主接点の投入を指示する主接点投入信号を出力し、前記三相接触器は、前記主接点投入信号が入力されると投入時間の経過後に主接点を投入し、前記補助電源装置を前記誘導負荷に接続し、前記補助電源装置は、前記起動通知信号が入力されると前記誘導負荷の起動を事前に検知し、フィードバック制御の制御ゲインを所定時間大きくすることを特徴とする。

また、上記課題を解決するため、本発明に係る補助電源制御システムは、フィードバック制御により交流電力を生成する補助電源装置と、三相接触器と、制御装置とを備える補助電源制御システムであって、前記制御装置は、誘導負荷を起動する際に、前記三相接触器に主接点の投入を指示する主接点投入信号を出力するとともに、前記補助電源装置に誘導負荷の起動を通知する起動通知信号を出力し、前記三相接触器は、前記主接点投入信号が入力されると投入時間の経過後に主接点を投入し、前記補助電源装置を前記誘導負荷に接続し、前記補助電源装置は、前記起動通知信号が入力されると前記誘導負荷の起動を事前に検知し、フィードバック制御の制御ゲインを所定時間大きくすることを特徴とする。

また、上記課題を解決するため、本発明に係る補助電源装置は、誘導負荷に電力を供給する前に、誘導負荷の起動を通知する起動通知信号を入力する補助電源装置であって、フィードバック制御の制御ゲインを設定するゲイン設定部と、前記制御ゲインを切り替える切替部と、前記起動通知信号が入力されると、前記切替部に前記制御ゲインを切り替えるよう指示するゲイン切替信号を出力するゲイン切替指示部とを備え、前記切替部は、前記ゲイン切替信号が入力されると、前記制御ゲインを所定時間大きくなるように切り替えることを特徴とする。

本発明によれば、誘導負荷の起動を事前に検知することができる。また、誘導負荷の起動時の突入電流による出力電圧波形の歪み及び車内照明のちらつきを、電圧指令値を変えることなく抑制することができる。

本発明の第１の実施形態に係る補助電源制御システムの概略構成を示すブロック図である。本発明の第１の実施形態に係る補助電源装置の概略構成を示すブロック図である。従来の補助電源装置の出力電圧波形のシミュレーション結果を示す図である。本発明に係る補助電源装置の出力電圧波形のシミュレーション結果を示す図である。本発明の第２の実施形態に係る補助電源装置を搭載する電気車の概略構成を示すブロック図である。本発明の第３の実施形態に係る補助電源装置を搭載する電気車の概略構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る補助電源制御システム１の概略構成を示すブロック図である。図１に示す例では、補助電源制御システム１は、補助電源装置１１と、三相接触器１２と、補助継電器１３と、制御装置１４とを備える。

補助電源装置１１は、フィードバック制御により交流電力を生成し、補助電源装置１１に接続される車内照明、案内表示器、空調装置、誘導負荷である空気圧縮機（コンプレッサー）などの各電機機器に出力する。図１では電機機器として空気圧縮機（誘導負荷）２０のみ示す。補助電源装置１１は、三相接触器１２を介して空気圧縮機２０と接続する。

圧力センサ４０は、元空気ダメ３０の空気圧を検出し、検出した圧力を示す圧力情報を制御装置１４に出力する。

制御装置１４は、圧力センサ４０により検出された圧力が所定の閾値よりも低くなると、補助継電器１３に補助接点１３２の投入を指示する補助接点投入信号を出力する。すなわち、コイル１３１に電圧を印加する。なお、本明細書において、信号を出力するとは、信号をアクティブにすることを意味し、信号を停止するとは、信号を非アクティブにすることを意味する。

補助継電器１３は、補助接点投入信号が入力されてコイル１３１に電圧が印加されると、補助接点１３２を投入（オン）し、三相接触器１２に主接点１２２の投入を指示する主接点投入信号を出力するとともに、補助電源装置１１に誘導負荷の起動を通知する起動通知信号を出力する。すなわち、三相接触器１２のコイル１２１、及び補助電源装置１１に電圧を印加する。主接点投入信号と起動通知信号は同一の信号としてもよい。

三相接触器１２は、主接点投入信号が入力されてコイル１２１に電圧が印加されると、投入時間の経過後に主接点１２２を投入し、補助電源装置１１により生成された三相交流電圧を空気圧縮機２０に印加する。

ここで、補助電源装置１１は補助継電器１３から起動通知信号が入力されることにより、三相接触器１２の主接点１２２が投入される前に、空気圧縮機２０を起動させようとしていることを検知することができる。

空気圧縮機２０は、三相交流電圧が印加されると運転を開始する。すると、元空気ダメ３０の空気圧が上昇する。

制御装置１４は、圧力センサ４０により検出された圧力が所定の閾値以上になると、補助接点投入信号を停止する。すなわち、補助継電器１３のコイル１３１への電圧の印加を停止する。

補助継電器１３は、コイル１３１への電圧の印加が停止されると、補助接点１３２を開放（オフ）し、主接点投入信号及び起動通知信号を停止する。すなわち、三相接触器１２のコイル１２１への電圧の印加を停止するとともに、補助電源装置１１への電圧の印加を停止する。

三相接触器１２は、主接点投入信号が停止されてコイル１２１への電圧の印加が停止されると、開極時間の経過後に主接点１２２を開放し、補助電源装置１１から空気圧縮機２０へ供給されていた三相交流電圧を遮断する。

ここで、補助電源装置１１は補助継電器１３から電圧の印加が停止されることにより、三相接触器１２の主接点１２２が開放される前に、空気圧縮機２０を停止させようとしていることを検知することができる。

空気圧縮機２０は、三相交流電圧の印加が停止されると、運転を停止する。すると、元空気ダメ３０の空気圧の上昇が停止する。

次に、補助電源装置１１の動作について説明する。補助電源装置１１の出力に接続される負荷は、無負荷状態から最大負荷状態まで変化するため、無負荷状態から最大負荷状態まで安定した制御を行う必要がある。通常、フィードバック制御の制御ゲインの安定限界は、最大負荷状態に比べ無負荷状態で小さいため、無負荷状態において安定となる制御ゲインを選定する必要がある。しかし、無負荷状態で調整した制御ゲインは、負荷投入による負荷変動が大きくなると制御応答性が低下する。

特に、空気圧縮機２０は誘導負荷であるため、起動時に突入電流が流れ、補助電源装置１１の負荷が急激に増大する。その結果、制御応答が追いつかずに出力電圧波形に歪が生じ、車内照明が一瞬ちらついてしまうことがある。一方、負荷が大きい場合は、無負荷状態に比べ制御ゲインを大きくしても、安定した制御を行うことが可能である。

そこで、補助電源装置１１は、起動通知信号が入力されると、事前にフィードバック制御の制御ゲインを大きい値に切り替える。これにより制御応答性を高め、出力電圧波形の歪みを低減することができる。

次に、補助電源装置の構成について説明する。図２は、補助電源装置１１の概略構成を示すブロック図である。図２に示す例では、補助電源装置１１は、減算部１１１（１１１−１，１１１−２）と、ゲイン切替指示部１１２と、切替部１１３と、ゲイン設定部１１４と、加算部１１５（１１５−１，１１５−２）と、二相三相変換部１１６と、電力変換器１１７と、三相二相変換部１１８とを備える。

減算部１１１−１は、ｄ軸指令値と、三相二相変換部１１８から入力されたｄ軸フィードバックｆ_ｄとの誤差値ｅ_ｄを求め、切替部１１３に出力する。減算部１１１−２は、ｑ軸指令値と、三相二相変換部１１８から入力されたｑ軸フィードバックｆ_ｑとの誤差値ｅ_ｑを求め、切替部１１３に出力する。

ゲイン切替指示部１１２は、起動通知信号が入力されると、切替部１１３に制御ゲインを切り替えるように指示するゲイン切替信号を出力する。ゲイン切替指示部１１２は、時素リレーを用いることにより、ゲイン切替信号を出力した後、所定時間（例えば、数十〜数百ｍｓｅｃ）が経過した時点で、起動通知信号の停止を待たずにゲイン切替信号を停止するようにしてもよい。

切替部１１３は、ゲイン切替指示部１１２からゲイン切替信号が入力されると、制御ゲインを所定時間大きくなるように切り替え、ゲイン切替信号が停止されると、制御ゲインを元に戻す。

ゲイン設定部１１４は、フィードバック制御の制御ゲインを設定する。例えばＰＩＤ制御を行う場合には、比例、積分、微分の制御ゲインがそれぞれ設定される。デフォルト状態ではそれぞれＫ_ｐ１１，Ｋ_ｐ１２，Ｋ_ｉ１１，Ｋ_ｉ１２，Ｋ_ｄ１１，Ｋ_ｄ１２が選択される。起動通知信号が入力されると、切替部１１３により、比例、積分、微分の制御ゲインがそれぞれＫ_ｐ２１，Ｋ_ｐ２２，Ｋ_ｉ２１，Ｋ_ｉ２２，Ｋ_ｄ２１，Ｋ_ｄ２２に切り替えられる。ここで、Ｋ_ｐ２１＞Ｋ_ｐ１１，Ｋ_ｐ２２＞Ｋ_ｐ１２，Ｋ_ｉ２１＞Ｋ_ｉ１１，Ｋ_ｉ２２＞Ｋ_ｉ１２，Ｋ_ｄ２１＞Ｋ_ｄ１１，Ｋ_ｄ２２＞Ｋ_ｄ１２である。なお、図中の表記「ｓ」はラプラス演算子である。

切替部１１３は、制御ゲインを切り替え後、ゲイン切替信号が停止されると、それぞれの制御ゲインをＫ_ｐ１１，Ｋ_ｐ１２，Ｋ_ｉ１１，Ｋ_ｉ１２，Ｋ_ｄ１１，Ｋ_ｄ１２に切り替え、デフォルト状態に戻す。

加算部１１５−１は、誤差値ｅ_ｄに対して制御ゲインを用いて比例、積分、微分の演算を行った結果を加算し、二相三相変換部１１６に出力する。加算部１１５−２は、誤差値ｅ_ｑに対して制御ゲインを用いて比例、積分、微分の演算を行った結果を加算し、二相三相変換部１１６に出力する。

二相三相変換部１１６は、加算部１１５から入力された指令値を回転座標から静止座標に座標変換した後、位相差９０°の二相交流を位相差１２０°の三相交流に変換して電圧指令値を生成し、電力変換器１１７に出力する。

電力変換器１１７は、二相三相変換部１１６から入力された電圧指令値に基づいて、直流電力を三相交流電力に変換し、三相二相変換部１１８及び外部に出力する。

三相二相変換部１１８は、電力変換器１１７から入力された位相差１２０°の三相交流を位相差９０°の二相交流に変換した後、静止座標を回転座標に変換してｄ軸フィードバックｆ_ｄ及びｑ軸フィードバックｆ_ｑを生成し、減算部１１１に出力する。

上述したように、本発明では、誘導負荷（空気圧縮機２０）の起動前に補助電源装置１１に起動通知信号が入力されるため、補助電源装置１１は誘導負荷の起動を事前に検知し、フィードバック制御の制御ゲインを所定時間大きくする。かかる構成により、誘導負荷の起動時の突入電流による出力電圧波形の歪み及び車内照明のちらつきを、電圧指令値を変えることなく抑制することができる。

図３は、従来の補助電源装置の出力電圧波形のシミュレーション結果を示す図である。これは、無負荷から最大負荷の範囲で負荷変動が発生した場合に安定した制御を行える制御ゲインで、無負荷状態から最大負荷を投入した時の出力電圧波形であり、制御ゲインの切り替えは行っていない。負荷投入により、図中のＡ，Ｂに示すように出力電圧波形が定格値以下となるため、車内照明のちらつきの原因となる。

図４は、本発明に係る補助電源装置の出力電圧波形のシミュレーション結果を示す図である。これは、負荷投入直前に制御ゲインを切り替えて、図３の制御ゲインよりも大きくした時の出力電圧波形である。この波形から、負荷変動時の応答性が向上し、負荷投入による出力波形の歪が図３と比較して早期に解消されていることが分かる。よって、車内照明のちらつきを抑制することができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る補助電源制御システム２について説明する。図５は、補助電源制御システム２の概略構成を示す図である。図５に示す例では、補助電源制御システム２は、補助電源装置１１と、三相接触器１２と、補助継電器１３と、制御装置１４とを備える。以下、補助電源制御システム２が補助電源制御システム１と相違する点についてのみ説明する。

制御装置１４は、圧力センサ４０により検出された圧力が所定の閾値よりも低くなると、補助継電器１３に補助接点１３２の投入を指示する補助接点投入信号を出力するとともに、補助電源装置１１に誘導負荷の起動を通知する起動通知信号を出力する。すなわち、補助継電器１３のコイル１３１、及び補助電源装置１１に電圧を印加する。補助接点投入信号と起動通知信号は同一の信号としてもよい。

補助継電器１３は、補助接点投入信号が入力されてコイル１３１に電圧が印加されると、補助接点１３２を投入し、三相接触器１２に主接点１２２の投入を指示する主接点投入信号を出力する。

また制御装置１４は、圧力センサ４０により検出された圧力が所定の閾値以上になると、補助接点投入信号及び起動通知信号を停止する。すなわち、補助継電器１３のコイル１３１、及び補助電源装置１１への電圧の印加を停止する。

かかる構成により、第１の実施形態と同様に、誘導負荷の起動時の突入電流による出力電圧波形の歪み及び車内照明のちらつきを、電圧指令値を変えることなく抑制することができる。また、制御装置１４が補助電源装置１１に起動通知信号を直接出力するため、補助電源装置１１はより早く誘導負荷の起動を事前に検知することができる。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態に係る補助電源制御システム３について説明する。図６は、補助電源制御システム３の概略構成を示す図である。図６に示す例では、補助電源制御システム３は、補助電源装置１１と、三相接触器１２と、制御装置１４とを備える。以下、補助電源制御システム３が補助電源制御システム１と相違する点についてのみ説明する。

補助電源制御システム３は、補助継電器を備えない。そのため、制御装置１４は、圧力センサ４０により検出された圧力が所定の閾値よりも低くなると、三相接触器１２に主接点１２２の投入を指示する主接点投入信号を出力するとともに、補助電源装置１１に誘導負荷の起動を通知する起動通知信号を出力する。すなわち、三相接触器１２のコイル１２１、及び補助電源装置１１に電圧を印加する。主接点投入信号と起動通知信号は同一の信号としてもよい。

また制御装置１４は、圧力センサ４０により検出された圧力が所定の閾値以上になると、主接点投入信号及び起動通知信号を停止する。すなわち、三相接触器１２のコイル１２１、及び補助電源装置１１への電圧の印加を停止する。

かかる構成により、第１の実施形態と同様に、誘導負荷の起動時の突入電流による出力電圧波形の歪み及び車内照明のちらつきを、電圧指令値を変えることなく抑制することができる。また、三相接触器１２の主接点１２２の投入に必要な電流を制御装置１４から直接供給できる場合には、本実施形態に示すように補助継電器１３を省略することができ、コストを削減することができる。

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、実施形態に記載の複数の構成ブロックを１つに組み合わせたり、あるいは１つの構成ブロックを分割したりすることが可能である。

本発明は、誘導負荷に電力を供給する電気車に有用である。

１，２，３補助電源制御システム
１１補助電源装置
１２三相接触器
１３補助継電器
１４制御装置
２０空気圧縮機（誘導負荷）
３０元空気ダメ
４０圧力センサ
１１１減算部
１１２ゲイン切替指示部
１１３切替部
１１４ゲイン設定部
１１５加算部
１１６二相三相変換部
１１７電力変換器
１１８三相二相変換部
１２１コイル
１２２主接点
１３１コイル
１３２補助接点

Claims

フィードバック制御により交流電力を生成する補助電源装置と、三相接触器と、補助継電器と、制御装置とを備える補助電源制御システムであって、
前記制御装置は、誘導負荷を起動する際に、前記補助継電器に補助接点の投入を指示する補助接点投入信号を出力し、
前記補助継電器は、前記補助接点投入信号が入力されると補助接点を投入し、前記三相接触器に主接点の投入を指示する主接点投入信号を出力するとともに、前記補助電源装置に誘導負荷の起動を通知する起動通知信号を出力し、
前記三相接触器は、前記主接点投入信号が入力されると投入時間の経過後に主接点を投入し、前記補助電源装置を前記誘導負荷に接続し、
前記補助電源装置は、前記起動通知信号が入力されると前記誘導負荷の起動を事前に検知し、フィードバック制御の制御ゲインを所定時間大きくする
ことを特徴とする補助電源制御システム。
フィードバック制御により交流電力を生成する補助電源装置と、三相接触器と、補助継電器と、制御装置とを備える補助電源制御システムであって、
前記制御装置は、誘導負荷を起動する際に、前記補助継電器に補助接点の投入を指示する補助接点投入信号を出力するとともに、前記補助電源装置に誘導負荷の起動を通知する起動通知信号を出力し、
前記補助継電器は、前記補助接点投入信号が入力されると補助接点を投入し、前記三相接触器に主接点の投入を指示する主接点投入信号を出力し、
前記三相接触器は、前記主接点投入信号が入力されると投入時間の経過後に主接点を投入し、前記補助電源装置を前記誘導負荷に接続し、
前記補助電源装置は、前記起動通知信号が入力されると前記誘導負荷の起動を事前に検知し、フィードバック制御の制御ゲインを所定時間大きくする
ことを特徴とする補助電源制御システム。
フィードバック制御により交流電力を生成する補助電源装置と、三相接触器と、制御装置とを備える補助電源制御システムであって、
前記制御装置は、誘導負荷を起動する際に、前記三相接触器に主接点の投入を指示する主接点投入信号を出力するとともに、前記補助電源装置に誘導負荷の起動を通知する起動通知信号を出力し、
前記三相接触器は、前記主接点投入信号が入力されると投入時間の経過後に主接点を投入し、前記補助電源装置を前記誘導負荷に接続し、
前記補助電源装置は、前記起動通知信号が入力されると前記誘導負荷の起動を事前に検知し、フィードバック制御の制御ゲインを所定時間大きくする
ことを特徴とする補助電源制御システム。
誘導負荷に電力を供給する前に、誘導負荷の起動を通知する起動通知信号を入力する補助電源装置であって、
フィードバック制御の制御ゲインを設定するゲイン設定部と、
前記制御ゲインを切り替える切替部と、
前記起動通知信号が入力されると、前記切替部に前記制御ゲインを切り替えるよう指示するゲイン切替信号を出力するゲイン切替指示部とを備え、
前記切替部は、前記ゲイン切替信号が入力されると、前記制御ゲインを所定時間大きくなるように切り替えることを特徴とする補助電源装置。