JP2020061870A

JP2020061870A - 電力変換装置及び制御システム

Info

Publication number: JP2020061870A
Application number: JP2018191989A
Authority: JP
Inventors: 和樹藤本; Kazuki Fujimoto; 哲史飯田; Tetsushi Iida
Original assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Current assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Priority date: 2018-10-10
Filing date: 2018-10-10
Publication date: 2020-04-16
Anticipated expiration: 2038-10-10
Also published as: JP7163128B2

Abstract

【課題】鉄道車両の制動時における車輪の踏面の清掃、及び機械ブレーキの応答性の向上を実現する。【解決手段】電力変換装置１０は、主電動機４０の出力トルクに対する指令であるトルク指令を生成するトルク指令生成部１１と、主電動機４０の出力トルクがトルク指令と一致するように主電動機４０を制御する電力変換部１２と、主電動機４０に流れる電流の値から算出される実際の電気ブレーキ力よりも低い値を示す電気ブレーキ力フィードバック信号を出力する電気ブレーキ力通知部１３と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、鉄道車両用の電力変換装置及び制御システムに関するものである。

鉄道車両の主電動機は、車両の加速を行う電動機動作と、車両の減速を行う発電動作とを備えている。

鉄道車両のブレーキには、摩擦力により車輪の回転を抑制する機械ブレーキと、上記の主電動機の発電動作による電気ブレーキとの２種類がある。一般に、電気ブレーキは車両の速度状態やき電状態により、動作できない領域が存在する。そのため、特許文献１に開示されているように、車両として必要なブレーキ力から電気ブレーキで負担できる力を引いた力を機械ブレーキ力とすることが一般的である。

特開平９−１３５５０１号公報

一方、近年の半導体電力変換装置の高度化に伴い、電気ブレーキが高度化され、システムによっては機械ブレーキに頼らず停止まで電気ブレーキが負担し、速度が０となった時点で瞬間的に機械ブレーキが動作するようなシステムもある。このようなシステムの場合、車輪の踏面が制輪子（ブレーキシュー）に当たる時間及び力はごく僅かであり、特に制輪子により車輪踏面を削るような動作は行われない。また、急激に電気ブレーキが動作できなくなる回生失効状態に陥った場合、機械ブレーキが動作してブレーキ力を負担し始めるまでの応答遅れが発生する。

かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、ごく低速まで電気ブレーキが動作するシステムにおいて、機械ブレーキの制御を変更することなく電気ブレーキの制御を変更するだけで、車輪の踏面を清掃（研磨）するとともに、機械ブレーキの応答性を速めることが可能な電力変換装置及び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、本発明に係る電力変換装置は、鉄道車両に搭載される主電動機を制御する電力変換装置であって、前記主電動機の出力トルクに対する指令であるトルク指令を生成するトルク指令生成部と、前記主電動機の出力トルクが前記トルク指令と一致するように前記主電動機を制御する電力変換部と、前記電動機に流れる実際の電流の値から算出される電気ブレーキ力よりも低い値を示す電気ブレーキ力フィードバック信号を出力する電気ブレーキ力通知部と、を備えることを特徴とする。

さらに、本発明に係る電力変換装置において、前記電気ブレーキ力通知部は、前記電気ブレーキ力に０．５以上１未満の係数を乗じた値を示す電気ブレーキ力フィードバック信号を出力することを特徴とする。

さらに、本発明に係る電力変換装置において、前記電気ブレーキ力通知部は、前記鉄道車両の速度が閾値以上である場合には、前記電気ブレーキ力よりも低い値を示す電気ブレーキ力フィードバック信号を出力し、前記鉄道車両の速度が前記閾値未満である場合には、前記電気ブレーキ力の値を示す電気ブレーキ力フィードバック信号を出力することを特徴とする。

また、上記課題を解決するため、本発明に係る制御システムは、上記電力変換装置と、機械ブレーキ制御装置とを備える制御システムであって、前記機械ブレーキ制御装置は、前記電気ブレーキ力フィードバック信号に基づき、鉄道車両の制動に必要となる機械ブレーキ力を算出し、該機械ブレーキ力を示す機械ブレーキ力指令を、該機械ブレーキ力指令に従って制輪子を車輪の踏面に押し付けるブレーキ装置に出力することを特徴とする。

本発明によれば、鉄道車両の制動時における車輪の踏面の清掃、及び機械ブレーキの応答性の向上を実現することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る電力変換装置及び制御システムの概略構成を示す図である。

以下、本発明の一実施形態について、図１を参照して詳細に説明する。

図１は、制動時に機械ブレーキ及び電気ブレーキがブレンディングして動作する鉄道車両１の一例を示す図である。

制御システム２は、電力変換装置１０と、機械ブレーキ制御装置２０とを備え、主電動機４０を発電機動作させてブレーキ力を得る電気ブレーキと、摩擦力による機械ブレーキとの協調制御を行う。なお、図１では１つの電力変換装置１０が２つの電力変換部１２を備える例を示しているが、１つの電力変換装置１０が１つの電力変換部１２を備える構成であってもよい。

電力変換装置１０は、主電動機４０に電力を出力し、主電動機４０を制御する。電力変換装置１０は、トルク指令生成部１１と、電力変換部１２（１２−１，１２−２）と、電気ブレーキ力通知部１３とを備える。

機械ブレーキ制御装置２０は、ブレーキ装置５０を動作させ、車輪３０に対し制動動作を行う。機械ブレーキ制御装置２０は、電気ブレーキ力算出部２１と、機械ブレーキ力指令算出部２２とを備える。

電気ブレーキ力算出部２１は、主幹制御器（マスターコントローラー）からブレーキ指令が入力されると、主電動機４０を発電機動作させて鉄道車両１を制動するために必要となる電気ブレーキ力を算出し、電気ブレーキ力指令をトルク指令生成部１１及び機械ブレーキ力指令算出部２２に出力する。

トルク指令生成部１１は、鉄道車両１の車両速度と、電気ブレーキ力算出部２１から入力された電気ブレーキ力とに基づいて、主電動機４０の出力トルクに対する指令であるトルク指令を生成し、電力変換部１２に出力する。

電力変換部１２は、電力用半導体素子を有しており、電力用半導体素子をスイッチングすることにより、集電した直流電力を三相交流電力に変換して主電動機４０に出力する。その際、電力変換部１２は、主電動機４０の出力トルクが、トルク指令生成部１１から入力されたトルク指令と一致するように、主電動機４０を制御する。

主電動機４０は、台車６０に搭載される。主電動機４０により生成された回転力は、歯車装置及び車軸（図示は省略）を介して車輪３０に伝えられる。

電気ブレーキ力通知部１３は、主電動機４０に流れる電流の電流値を取得又は推定し、該電流値から実際の電気ブレーキ力Ｆｅを算出する。そして、電気ブレーキ力通知部１３は、算出した電気ブレーキ力Ｆｅよりも低い電気ブレーキ力Ｆｅ’を示す電気ブレーキ力フィードバック信号を機械ブレーキ制御装置２０に出力する。例えば、電気ブレーキ力通知部１３は、電気ブレーキ力Ｆｅ’の値を、電気ブレーキ力Ｆｅに１未満の係数Ｋを乗じた値とする。ここで、機械ブレーキよりも電気ブレーキの負担を主体とするため、係数Ｋは０．５以上（例えば０．９）とする。すなわち、電気ブレーキ力通知部１３は、電気ブレーキ力指令に対応する電気ブレーキ力よりも低い値を示す電気ブレーキ力フィードバック信号を機械ブレーキ制御装置２０に出力する。

電気ブレーキ力通知部１３は、電気ブレーキ力フィードバック信号が示す値を、電気ブレーキ力Ｆｅよりも常に低くする必要はない。例えば、電気ブレーキ力通知部１３は、鉄道車両１の速度が閾値以上である場合にのみ、電気ブレーキ力Ｆｅよりも低い電気ブレーキ力Ｆｅ’を示す電気ブレーキ力フィードバック信号を出力し、鉄道車両１の速度が閾値未満である場合には、電気ブレーキ力Ｆｅの値を示す電気ブレーキ力フィードバック信号を出力するようにしてもよい。

機械ブレーキ力指令算出部２２は、電気ブレーキ力通知部１３から入力された電気ブレーキ力フィードバック信号に基づき、鉄道車両１の制動に必要となる機械ブレーキ力を算出し、該機械ブレーキ力を示す機械ブレーキ力指令をブレーキ装置５０に出力する。具体的には、機械ブレーキ力指令算出部２２は、電気ブレーキ力算出部２１により算出された電気ブレーキ力と、電気ブレーキ力フィードバック信号により示される電気ブレーキ力Ｆｅ’との差分を、機械ブレーキ力とする。

ブレーキ装置５０は、制輪子５１を有する。ブレーキ装置５０は、機械ブレーキ力指令算出部２２から入力された機械ブレーキ力指令に従って、空気圧又は油圧で制輪子５１を車輪３０の踏面に押し付ける。

現代のインバータ制御の鉄道車両においては、電力変換装置で大半の電気ブレーキ力を負担することができるため、機械ブレーキは動作せず結果的に制輪子は停止直前の一瞬しか動作しないことが多くなる場合がある。比較的高速であれば機械ブレーキが動作して制輪子が車輪の踏面に当たることにより、踏面の清掃効果が得られるが、停止直前の一瞬の動作では車輪全体に制輪子が当たる前に車両が停止してしまい、踏面の清掃効果を得られない。その結果、騒音が発生したり、乗り心地に影響したりする場合がある。

一方、本発明に係る電力変換装置１０は、上述したように電力変換装置１０の電気ブレーキ力フィードバックを電気ブレーキ力指令よりも低くして出力する。そのため、機械ブレーキ力指令算出部２２が算出する機械ブレーキ力が０となることはなくなり、ブレーキ装置５０を動作させて制輪子５１が常に車輪３０の踏面に接触する状況を作り出し、車輪３０の踏面を清掃することができる。さらに、回生失効状態に陥った場合でも、既にブレーキ装置５０は動作しているため、ブレーキ装置５０の応答遅れを防止することができる。

また、制輪子５１は鋳鉄制輪子であることが好適である。鋳鉄制輪子は合成制輪子よりも粗さが大きため、制輪子５１を車輪３０の踏面に押し当てることにより、車輪３０の踏面を清掃すると同時に、踏面の粗さを適度に保ち、踏面の鏡面化を防ぐことができる。

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、実施形態の構成図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、鉄道車両に利用可能であり、機械ブレーキの搭載機能にかかわらず、一定の機械ブレーキの機能を電力変換装置の機能変更のみで再現することができる。

１鉄道車両
２制御システム
１０電力変換装置
１１トルク指令生成部
１２電力変換部
１３電気ブレーキ力通知部
２０機械ブレーキ制御装置
２１電気ブレーキ力算出部
２２機械ブレーキ力指令算出部
３０車輪
４０主電動機
５０ブレーキ装置
５１制輪子
６０台車

Claims

鉄道車両に搭載される主電動機を制御する電力変換装置であって、
前記主電動機の出力トルクに対する指令であるトルク指令を生成するトルク指令生成部と、
前記主電動機の出力トルクが前記トルク指令と一致するように前記主電動機を制御する電力変換部と、
前記主電動機に流れる電流の値から算出される実際の電気ブレーキ力よりも低い値を示す電気ブレーキ力フィードバック信号を出力する電気ブレーキ力通知部と、
を備えることを特徴とする電力変換装置。
前記電気ブレーキ力通知部は、前記電気ブレーキ力に０．５以上１未満の係数を乗じた値を示す電気ブレーキ力フィードバック信号を出力することを特徴とする、請求項１に記載の電力変換装置。
前記電気ブレーキ力通知部は、前記鉄道車両の速度が閾値以上である場合には、前記電気ブレーキ力よりも低い値を示す電気ブレーキ力フィードバック信号を出力し、前記鉄道車両の速度が前記閾値未満である場合には、前記電気ブレーキ力の値を示す電気ブレーキ力フィードバック信号を出力することを特徴とする、請求項１又は２に記載の電力変換装置。
請求項１から３のいずれか一項に記載の電力変換装置と、機械ブレーキ制御装置とを備える制御システムであって、
前記機械ブレーキ制御装置は、前記電気ブレーキ力フィードバック信号に基づき、鉄道車両の制動に必要となる機械ブレーキ力を算出し、該機械ブレーキ力を示す機械ブレーキ力指令を、該機械ブレーキ力指令に従って制輪子を車輪の踏面に押し付けるブレーキ装置に出力することを特徴とする制御システム。