JP2018152931A - 鉄道用の車両制御装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鉄道用の車両制御装置における自己診断機能の一つとして過電圧抑制回路の健全性を確実に確認する。【解決手段】実施形態の鉄道用の車両制御装置は、インバータの前段の直流リンクに接続されたフィルタコンデンサと、フィルタコンデンサに並列に接続された第１放電抵抗と、フィルタコンデンサの電圧を検出する電圧検出部と、フィルタコンデンサが過電圧状態になった場合に、第１放電抵抗よりも抵抗値が低い第２放電抵抗をフィルタコンデンサに並列に接続する過電圧抑制回路と、記過電圧抑制回路の試験時に過電圧抑制回路の動作指令を出力し、所定時間経過後におけるフィルタコンデンサの電圧に基づいて過電圧抑制回路の異常を検出する異常検出部と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、鉄道用の車両制御装置及び方法に関する。

近年、鉄道車両に搭載されて架線から供給された直流電力あるいは交流電力を変換して電動機に供給する車両用電力変換装置において、当該車両用電力変換装置が正常であるか否かを自身で診断することが可能な自己診断機能を持たせることが要求されてきている。

車両用電力変換装置は、供給された電力を所望電圧を有する直流電力に変換するコンバータと、コンバータの出力電力を所望の電圧を有する三相交流電力に変換するインバータと、を備えており、コンバータとインバータとの間の中間直流部（直流リンク）には、高周波ノイズを低減するためにフィルタコンデンサが設けられている。

さらにこのフィルタコンデンサの過電圧を抑制するためにスイッチング素子と放電用の抵抗とを備えた過電圧抑制回路が設けられている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−２２３９９２号公報

ところで、過電圧抑制回路が故障した場合には、フィルタコンデンサばかりでなく、コンバータやインバータにも過電圧が印加され、これらの寿命低下を招き、ひいては故障してしまう虞があった。
そこで、自己診断機能の一つとして過電圧抑制回路の健全性を確実に確認することが望まれている。

実施形態の鉄道用の車両制御装置は、インバータの前段の直流リンクに接続されたフィルタコンデンサと、フィルタコンデンサに並列に接続された第１放電抵抗と、フィルタコンデンサの電圧を検出する電圧検出部と、フィルタコンデンサが過電圧状態になった場合に、第１放電抵抗よりも抵抗値が低い第２放電抵抗をフィルタコンデンサに並列に接続する過電圧抑制回路と、記過電圧抑制回路の試験時に過電圧抑制回路の動作指令を出力し、所定時間経過後におけるフィルタコンデンサの電圧に基づいて過電圧抑制回路の異常を検出する異常検出部と、を備える。

図１は、第１の実施形態の鉄道用の車両制御装置の概要構成ブロック図である。 図２は、コントローラにおける過電圧抑制回路のチェック時の機能ブロック図である。 図３は、第１の実施形態の動作処理フローチャートである。 図４は、第１の実施形態の動作状態を説明するためのタイミングチャートである。 図５は、第１の実施形態の鉄道用の車両制御装置の概要構成ブロック図である。 図６は、第１の実施形態の動作状態を説明するためのタイミングチャートである。

以下、実施形態の鉄道用の車両制御装置について図面を参照して説明する。
［１］第１実施形態
図１は、第１実施形態の鉄道用の車両制御装置の概要構成ブロック図である。
車両制御装置１０は、交流架線（交流き電線）１１から交流電力が供給されるパンタグラフ１２と、線路１３を介して接地された車輪１４と、の間に、遮断器（真空遮断器：ＶＣＢ）１５及びトランス１６の一次側巻線が直列に接続されている。

また、車両制御装置１０は、トランス１６の二次側巻線に入力部１７を介して接続され三相交流モータ２０に電力を供給する主電力変換装置３０と、車両制御装置１０全体を制御するコントローラ４０と、を備えている。

主電力変換装置３０は、供給された低圧交流電力を直流電力に変換するコンバータ３１と、コンバータ３１の出力端子間に設けられ、高調波電流を除去するためのフィルタコンデンサ３２と、フィルタコンデンサ３２と並列に接続されフィルタコンデンサ３２の過電圧を抑制するための過電圧抑制回路３３（３３Ａ、３３Ｂ）と、フィルタコンデンサ３２の端子間電圧を検出する電圧検出部３４（３４Ａ、３４Ｂ）と、通常電源遮断時にフィルタコンデンサ３２の蓄電電力を放電させるための第１放電抵抗３５（３５Ａ、３５Ｂ）と、コンバータ１８に直列に接続され、コンバータ１８から入力された直流電力を三相交流電力に変換し三相交流モータ２０に出力するインバータ３６と、を備えている。

上記構成において、入力部１７は、トランス１６の二次側巻線１６−２に直列に接続された交流遮断器２１と、交流遮断器２１と並列に接続され、互いに直列接続された充電抵抗２２及び充電抵抗接続用接触器２３が設けられている。ここで、充電抵抗２２は、車両制御装置１０の起動時にフィルタコンデンサ３２を所定時間かけて充電するために設けられ、車両制御装置１０の起動時に充電抵抗接続用接触器２３によりトランス１６の二次側巻線１６−２に電気的に接続される。

また、各過電圧抑制回路３３Ａ、３３Ｂは、それぞれ、第２放電抵抗５１と、第２放電抵抗と直列に接続されたスイッチング素子５２と、スイッチング素子５２に並列に接続された逆方向ダイオード５３と、を備えている。スイッチング素子５２は、例えば、ＩＧＢＴ(insulated gate bipolar transistor)である。

次にコントローラ４０について説明する。
図２は、コントローラにおける過電圧抑制回路のチェック時の機能ブロック図である。
コントローラ４０は、過電圧抑制回路３３Ａ及び過電圧抑制回路３３Ｂを駆動状態とするための駆動制御信号Ｃ（＝Ｃ１、Ｃ２）を過電圧抑制回路３３Ａ及び過電圧抑制回路３３Ｂにそれぞれ出力するとともに、駆動制御信号Ｃの出力タイミングに対応してタイミング信号Ｔを出力する過電圧抑制回路駆動制御部４１を備えている。

またコントローラ４０は、タイミング信号Ｔの入力タイミングから所定時間Δｔが経過した時点で電圧検出部３４Ａが出力した電圧検出信号Ｖ１に対応する電圧及び電圧検出部３４Ｂが出力した電圧検出信号Ｖ２に対応する電圧がそれぞれ所定の閾値電圧Ｖｔｈ（図４参照）以下となっているか否かを判別し、電圧検出信号Ｖ１に対応する電圧あるいは電圧検出信号Ｖ２に対応する電圧が閾値電圧Ｖｔｈを越えている場合には異常と判断する異常判断部４２を備えている。

次に実施形態の動作を説明する。
図３は、実施形態の動作処理フローチャートである。
まず、コントローラ４０の過電圧抑制回路駆動制御部４１は、過電圧抑制回路３３Ａ、３３Ｂが正常であるか否かをテストするための、テストタイミングとなったか否かを判別する（ステップＳ１１）。

この場合において、テストタイミングとしては、例えば、以下のようなタイミングが考えられる。
（１）運転台においてレバーサ（reverser:逆転器）を中立位置から前進位置あるいは後進位置に投入したタイミング。この場合には、通常フィルタコンデンサ３２（３２Ａ、３２Ｂ）は、充電状態にはないため、入力部１７を介して充電を行った後にテストを行う必要がある。

なお、運行日に複数回、レバーサを中立位置から前進位置あるいは後進位置に投入する場合には、運行日において、最初にレバーサを中立位置から前進位置あるいは後進位置に投入したタイミングでテストを行い、以降のタイミングではテストを行わないように構成することも可能である。

（２）車両の運行後に運転台においてレバーサを前進位置あるいは後進位置から中立位置に戻したタイミング。この場合にはフィルタコンデンサ３２（３２Ａ、３２Ｂ）は、充電状態にあるため、即座にテストが可能である。したがって、毎回テストを行うように構成することも可能である。

続いて、コントローラ４０は、フィルタコンデンサ３２（３２Ａ、３２Ｂ）がテストを行うのに十分な充電状態に有るか否かを判別する（ステップＳ１２）。
この場合には、コントローラ４０は、電圧検出部３４（３４Ａ、３４Ｂ）が検出した電圧に基づいてフィルタコンデンサ３２（３２Ａ、３２Ｂ）がテストを行うのに十分な充電状態に有るか否かを判別している。

ステップＳ１２の判別において、フィルタコンデンサ３２（３２Ａ、３２Ｂ）がテストを行うのに十分な充電状態にはない場合には、入力部１７の充電抵抗接続用接触器２３を閉状態（オン状態）として（ステップＳ１３）、充電抵抗２２を介してゆっくりとフィルタコンデンサ３２（３２Ａ、３２Ｂ）をテストを行うのに十分な充電状態まで充電し（ステップＳ１４）、処理を再びステップＳ１２に移行する。

ステップＳ１２の判別において、フィルタコンデンサ３２（３２Ａ、３２Ｂ）がテストを行うのに十分な充電状態にある場合には、さらなる充電が行われないように、入力部１７の交流遮断器２１及び充電抵抗接続用接触器２３を開状態（オフ状態）とする（ステップＳ１５）。

続いてコントローラ４０の過電圧抑制回路駆動制御部４１は、駆動制御信号Ｃ（＝Ｃ１、Ｃ２）を過電圧抑制回路３３Ａ及び過電圧抑制回路３３Ｂにそれぞれ出力して、過電圧抑制回路３３Ａ、３３Ｂのスイッチング素子５２を閉状態（オン状態）とするための指示を行うとともに（ステップＳ１６）、駆動制御信号Ｃの出力タイミングに対応してタイミング信号Ｔを異常判断部４２に出力する。

この結果、過電圧抑制回路３３Ａ、３３Ｂのスイッチング素子５２が正常に動作していれば、すなわち、過電圧抑制回路３３Ａ、３３Ｂが正常に動作していれば、過電圧抑制回路３３Ａ、３３Ｂの第２放電抵抗５１は、それぞれフィルタコンデンサ３２Ａ、３２Ｂに電気的に接続され、第２放電抵抗５１の抵抗値は、第１放電抵抗３５Ａ、３５Ｂよりも低抵抗値とされているので、フィルタコンデンサ３２Ａ、３２Ｂの放電電流は、第２放電抵抗を介して流れることとなる。このとき、フィルタコンデンサ３２Ａ及びフィルタコンデンサ３２Ｂの電圧が所定の電圧まで低下する時間は、第１放電抵抗３５Ａ、３５Ｂを介して放電する場合よりも短い時間となるはずである。

そこで、コントローラ４０の異常判断部は４２は、タイミング信号Ｔの入力タイミングから所定時間Δｔが経過したか否かを判別する（ステップＳ１７）。
図４は、実施形態の動作状態を説明するためのタイミングチャートである。
ここで、所定時間Δｔは、過電圧抑制回路３３Ａ、３３Ｂのスイッチング素子５２を閉状態（オン状態）とするための指示を行った時刻ｔ１から所定時間Δｔが経過した時刻ｔ２において、過電圧抑制回路３３Ａ、３３Ｂが正常に動作して第２放電抵抗５１を介して放電を行った場合には、フィルタコンデンサ３２Ａ、３２Ｂの電圧が所定の閾値電圧Ｖｔｈ以下となっているが、過電圧抑制回路３３Ａ、３３Ｂが正常に動作せず第１放電抵抗３５Ａ、３５Ｂを介して放電を行った場合には、フィルタコンデンサ３２Ａ、３２Ｂの電圧が所定の閾値電圧Ｖｔｈよりも高くなっている時間に設定されている。

ステップＳ１７の判別において、未だタイミング信号Ｔの入力タイミングから所定時間Δｔが経過していない場合には、待機状態となる。
ステップＳ１７の判別において、タイミング信号Ｔの入力タイミングから所定時間Δｔが経過した場合には、異常判断部４２は、電圧検出部３４Ａが出力した電圧検出信号Ｖ１及び電圧検出部３４Ｂが出力した電圧検出信号Ｖ２を取得する電圧測定を行う（ステップＳ１８）。

続いて異常判断部４２は、電圧検出部３４Ａが出力した電圧検出信号Ｖ１に対応する電圧及び電圧検出部３４Ｂが出力した電圧検出信号Ｖ２に対応する電圧がそれぞれ所定の閾値電圧Ｖｔｈ（図４参照）以下となっているか否かを判別する（ステップＳ１９）。

ステップＳ１９の判別において、電圧検出部３４Ａが出力した電圧検出信号Ｖ１に対応する電圧及び電圧検出部３４Ｂが出力した電圧検出信号Ｖ２に対応する電圧がそれぞれ所定の閾値電圧Ｖｔｈ以下となっている場合には（ステップＳ１９；Ｙｅｓ）、すなわち、図４に破線で示すように、時刻ｔ１において放電を開始したフィルタコンデンサ３２Ａ、３２Ｂの電圧が低下し、時刻ｔ２において、閾値電圧Ｖｔｈ以下となっている場合には、過電圧抑制回路３３Ａ、３３Ｂは正常であるとして処理を終了する。
この後、入力部１７を再投入し、通常運行状態に移行（主電力変換装置のゲートスタート条件成立）する。

ステップＳ１９の判別において、電圧検出部３４Ａが出力した電圧検出信号Ｖ１に対応する電圧あるいは電圧検出部３４Ｂが出力した電圧検出信号Ｖ２に対応する電圧の少なくともいずれか一方が所定の閾値電圧Ｖｔｈを越えている場合には（ステップＳ１９；Ｎｏ）、すなわち、図４に実線で示すように、時刻ｔ１において放電を開始したフィルタコンデンサ３２Ａ、３２Ｂの電圧が低下はしているが、時刻ｔ２において、閾値電圧Ｖｔｈを越えている場合には、過電圧抑制回路３３Ａ、３３Ｂは異常であるとして、図示しない運転台において警報表示を行うための警報信号を出力する等の異常時処理を行って処理を終了する（ステップＳ２０）。

以上の説明のように、本第１実施形態によれば、部品点数を増加させることなく簡易な構成で過電圧抑制回路３３Ａ、３３Ｂの異常（故障）検出を行うことができ、過電圧抑制回路３３Ａ、３３Ｂの健全性を確実に判断することが可能となる。

この結果、過電圧抑制回路３３Ａ、３３Ｂが正常に動作できない（オープン故障が発生した）場合には、テストタイミングにおいて確実に異常が通知されることとなるので、フィルタコンデンサ３２Ａ、３２Ｂに過電圧が印加されて、フィルタコンデンサ３２Ａ、３２Ｂ自身、ひいては、コンバータ３１あるいはインバータ３６に過電圧が印加されてこれらの故障を招くこともない。

［２］第２実施形態
次に第２実施形態の鉄道用の車両制御装置について図面を参照して説明する。
図５は、第２実施形態の鉄道用の車両制御装置の概要構成ブロック図である。
本第２実施形態が第１実施形態と異なる点は、電圧検出部３４がスイッチング素子５２に印加される電圧を検出している点である。

図６は、第２実施形態の動作状態を説明するためのタイミングチャートである。
まず、過電圧抑制回路３３が正常時であるときは、過電圧抑制回路３３のスイッチング素子の制御信号がオンになると、スイッチング素子５２はオン状態となるため、電圧検出部３４で検出される電圧は、瞬時に低下する。

これに対して、過電圧抑制回路３３が異常時であるときは、過電圧抑制回路のスイッチング素子の制御信号がオンとなったとしても、スイッチング素子５２はオン状態とはならずオフと同様の状態を継続するため、電圧検出部３４で検出される電圧は低下しない。

そこで、第２実施形態の異常判定部４２は、過電圧抑制回路のスイッチング素子の制御信号がオンとなった時刻ｔ１で、電圧検出部３４Ａが出力した電圧検出信号Ｖ１及び電圧検出部３４Ｂが出力した電圧検出信号Ｖ２を取得する電圧測定を行う。

続いて異常判断部４２は、電圧検出部３４Ａが出力した電圧検出信号Ｖ１に対応する電圧及び電圧検出部３４Ｂが出力した電圧検出信号Ｖ２に対応する電圧がそれぞれ所定の閾値電圧Ｖｔｈ以下となっているか否かを判別する。

そして、電圧検出部３４Ａが出力した電圧検出信号Ｖ１に対応する電圧及び電圧検出部３４Ｂが出力した電圧検出信号Ｖ２に対応する電圧がそれぞれ所定の閾値電圧Ｖｔｈ以下となっている場合には、図６に破線で示すように、時刻ｔ１においてスイッチング素子５２にかかる電圧が低下しているので、過電圧抑制回路３３Ａ、３３Ｂは正常であるとして処理を終了する。

この後、入力部１７を再投入し、通常運行状態に移行（主電力変換装置のゲートスタート条件成立）する。

一方、電圧検出部３４Ａが出力した電圧検出信号Ｖ１に対応する電圧あるいは電圧検出部３４Ｂが出力した電圧検出信号Ｖ２に対応する電圧の少なくともいずれか一方が所定の閾値電圧Ｖｔｈを越えている場合には、図６に実線で示すように、時刻ｔ１においてスイッチング素子５２にかかる電圧が低下していないので、過電圧抑制回路３３Ａ、３３Ｂは異常であるとして、図示しない運転台において警報表示を行うための警報信号を出力する等の異常時処理を行って処理を終了する。

以上の説明のように、本第２実施形態によれば、部品点数を増加させることなく簡易な構成で過電圧抑制回路３３Ａ、３３Ｂの異常（故障）検出を行うことができ、過電圧抑制回路３３Ａ、３３Ｂの健全性を確実に判断することが可能となる。

この結果、過電圧抑制回路３３Ａ、３３Ｂが正常に動作できない（オープン故障が発生した）場合には、テストタイミングにおいて確実に異常が通知されることとなるので、フィルタコンデンサ３２Ａ、３２Ｂに過電圧が印加されて、フィルタコンデンサ３２Ａ、３２Ｂ自身、ひいては、コンバータ３１あるいはインバータ３６に過電圧が印加されてこれらの故障を招くこともない。

本発明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。これら新規な実施形態は、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ともに、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。

例えば、以上の説明においては、交流架線から電力供給を受ける場合について説明したが、直流架線から電力供給を受ける場合であっても、交流／直流変換を行うためのコンバータを設ける必要がない点を除き、同様に適用が可能である。

また以上の説明においては、所定時間Δｔ経過後のフィルタコンデンサの電圧を閾値電圧と比較する場合について説明したが、フィルタコンデンサの電圧減少率を算出し、所定の電圧減少率未満の場合には過電圧抑制回路３３が異常であると判断するように構成することも可能である。

また以上の説明においては、コンバータ３１及びインバータ３６をそれぞれ、マルチレベルコンバータ及びマルチレベルインバータとして構成した場合について説明したが、通常の２レベルコンバータ及び２レベルインバータとして構成することも可能である。この場合には、過電圧抑制回路、フィルタコンデンサ及び第１放電抵抗を１組設けるようにすればよい。

１０ 車両制御装置
１２ パンタグラフ
１３ 線路
１４ 車輪
１６ トランス
１７ 入力部
１８ コンバータ
３０ 主電力変換装置
３１ コンバータ
３２、３２Ａ、３２Ｂ フィルタコンデンサ
３３、３３Ａ、３３Ｂ 過電圧抑制回路
３４、３４Ａ、３４Ｂ 電圧検出部
３５、３５Ａ、３５Ｂ 第１放電抵抗
３６ インバータ
４０ コントローラ
４１ 過電圧抑制回路駆動制御部
４２ 異常判断部
５１ 第２放電抵抗
５２ スイッチング素子
Ｃ 駆動制御信号
Ｔ タイミング信号
Ｖ１、Ｖ２ 電圧検出信号
Ｖｔｈ 閾値電圧
Δｔ 所定時間

Claims (9)

1. インバータの前段の直流リンクに接続されたフィルタコンデンサと、
   前記フィルタコンデンサに並列に接続された第１放電抵抗と、
   前記フィルタコンデンサの電圧を検出する電圧検出部と、
   前記フィルタコンデンサが過電圧状態になった場合に、前記第１放電抵抗よりも抵抗値が低い第２放電抵抗を前記フィルタコンデンサに並列に接続する過電圧抑制回路と、
   前記過電圧抑制回路の試験時に前記過電圧抑制回路の動作指令を出力し、所定時間経過後における前記フィルタコンデンサの電圧に基づいて前記過電圧抑制回路の異常を検出する異常検出部と、
   を備えた鉄道用の車両制御装置。
2. 前記異常検出部は、前記所定時間経過後の前記フィルタコンデンサの電圧を所定の閾値電圧と比較し、前記閾値電圧を超えている場合に、前記過電圧抑制回路が異常であると検出する、
   請求項１記載の鉄道用の車両制御装置。
3. 前記閾値電圧は、前記第１放電抵抗を介して前記フィルタコンデンサを前記所定時間放電させた場合の前記フィルタコンデンサの電圧と、前記第２放電抵抗を介して前記フィルタコンデンサを前記所定時間放電させた場合の前記フィルタコンデンサの電圧と、の間の電圧に設定されている、
   請求項１または請求項２記載の鉄道用の車両制御装置。
4. インバータの前段の直流リンクに接続されたフィルタコンデンサと、
   前記フィルタコンデンサに並列に接続された第１放電抵抗と、
   前記フィルタコンデンサが過電圧状態になった場合に、前記第１放電抵抗よりも抵抗値が低い第２放電抵抗と前記第２放電抵抗と直列接続されたスイッチング素子とを、前記フィルタコンデンサに並列に接続する過電圧抑制回路と、
   前記スイッチング素子の電圧を検出する電圧検出部と、
   前記過電圧抑制回路の試験時に前記過電圧抑制回路の動作指令を出力し、動作指令がスイッチング素子に与えられた後の前記スイッチング素子の電圧に基づいて前記過電圧抑制回路の異常を検出する異常検出部と、
   を備えた鉄道用の車両制御装置。
5. 前記試験時は、レバーサを中立状態から前進位置あるいは後進位置に投入したタイミングとされる、
   請求項１乃至請求項４のいずれか一項記載の鉄道用の車両制御装置。
6. 前記試験時は、レバーサを前進位置あるいは後進位置から中立状態したタイミングとされる、
   請求項１乃至請求項５のいずれか一項記載の鉄道用の車両制御装置。
7. 前記異常検出部は、異常検出時に鉄道用の車両の運転台にその旨を通知する、
   請求項１乃至請求項６のいずれか一項記載の鉄道用の車両制御装置。
8. インバータと、前記インバータの前段の直流リンクに接続されたフィルタコンデンサと、前記フィルタコンデンサに並列に接続された第１放電抵抗と、前記フィルタコンデンサの電圧を検出する電圧検出部と、前記フィルタコンデンサが過電圧状態になった場合に、前記第１放電抵抗よりも抵抗値が低い第２放電抵抗を前記フィルタコンデンサに並列に接続する過電圧抑制回路と、を備えた鉄道用の車両制御装置で実行される方法であって、
   前記過電圧抑制回路の試験時に前記過電圧抑制回路の動作指令を出力する過程と、
   前記動作指令が出力されてから、所定時間経過後における前記フィルタコンデンサの電圧を検出する過程と、
   検出された前記フィルタコンデンサの電圧に基づいて、前記過電圧抑制回路の異常を検出する過程と、
   を備えた方法。
9. インバータと、前記インバータの前段の直流リンクに接続されたフィルタコンデンサと、前記フィルタコンデンサに並列に接続された第１放電抵抗と、前記フィルタコンデンサが過電圧状態になった場合に、前記第１放電抵抗よりも抵抗値が低い第２放電抵抗と前記第２放電抵抗と直列接続されたスイッチング素子とを、前記フィルタコンデンサに並列に接続する過電圧抑制回路と、前記スイッチング素子の電圧を検出する電圧検出部と、を備えた鉄道用の車両制御装置で実行される方法であって、
   前記過電圧抑制回路の試験時に前記過電圧抑制回路の動作指令を出力する過程と、
   前記動作指令がスイッチング素子に与えられた後の前記スイッチング素子の電圧を検出する過程と、
   検出された前記スイッチング素子の電圧に基づいて前記過電圧抑制回路の異常を検出する過程と、
   を備えた方法。

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