JP3178536U - 電動車両の動力制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】直流分巻電動機の短時倍電圧定格による電動・回生のトルク特性を倍速域に拡張し、動力制御回路構成を更に簡潔化し、倍速拡張のトルク特性と車輪の限界粘着曲線との交差域の空転・滑走を防止する電動車両の動力制御装置を提供する。
【解決手段】直列接続の運転正極側、減速用、加速用及び運転負極側の主回路接触器に、還流ダイオード、主回路チョッパ及びリアクトルによる同一電流極性の降圧・昇圧直流変圧回路と電動機群の電機子回路を組合わせて同一電圧極性の電機子制御系を、前後進用接触器と励磁チョッパによる励磁制御回路を電機子群の界磁回路と組合わせて界磁制御系をそれぞれ構成する。直列電機子組の接続点に均圧線及び電圧差センサを配して主回路チョッパに連携し、空転・滑走車輪の駆動電機子による按分電圧急変を抑え且つ再粘着させる。
【選択図】図１

Description

本考案は、電気鉄道における電動客車及び電気機関車などの電動車両の動力制御装置に係るものである。

本考案が対象とする従来の電動車両においては、直流直巻電動機又は直流複巻電動機を使用し、複数の電動機群の電機子直・並列接続切替と抵抗制御による定トルク加速、界磁特性による垂下トルク加速、無電圧惰行及び空気圧車輪制動から始まり、電気制動を経て回生制動に進化、更にチョッパなどの電子制御で運転性能の向上に至っているが、その速度−トルク特性は電動機の全電圧連続定格の範囲内であり、高速域の垂下トルクのため、各駅停車運転では加速作動が次駅直前まで長引き、電気制動や回生制動では直巻界磁の極性反転など複雑な主回路構成を要し、運転効率や電力効率が低い。

最近の電子技術進歩に伴い、上記のチョッパ制御は勿論、インバータの可変周波数による交流電動機の速度制御や交流電化による車両動力の性能向上が行われているが、国内電気鉄道網の大半を占める直流電化区間においては、上記の直流電動車両が多数運行されている。

上述の背景技術における諸条件及び諸問題に鑑み、本考案においては、既発明「特許第4200512：電動車両の動力装置」（以下、既発明１と呼ぶ）における直流分巻電動機の倍電圧短時定格による電動・回生とも速度―トルク特性の倍速度域拡張を、更に簡潔な動力制御装置で実現し、運転性能・効率の向上を図ると共に、直流電化区間の旧車両の車体、台車などを利用して動力制御機能の活性化と既存資源の活用を期する。

図６の速度−トルク特性曲線において、点線図示の従来の全電圧加速・減速トルクTa1、Tb1（定トルク、定出力・垂下トルク、但し直巻電動機の減速トルクは仮想トルク）が実線図示の倍電圧加速・減速トルクTa2、Tb2（定トルク・定出力）のように倍速度域に拡張されて高速域の加速・減速トルクが著しく強化され、高速運転において乗客の加速度感増加なく平均加速度・減速度が増大する反面で、図７の車輪粘着率曲線のように定トルク域上限付近において、高速運転域で低下する限界粘着率曲線と交差して空転域及び滑走域を齎し、その対策として再粘着制御が必要になる。

一般に電動客車では、全４軸駆動の動力車（以下、M車と呼ぶ）に無動力の付随車（以下、T車と呼ぶ）を連結して１M１Tの2両編成、２M２Tの４両編成や４M４Tの8両編成が多く、従来の全電圧加速・減速のトルク特性Ta1、Tb1では半数軸駆動で車輪の空転・滑走は起こらなかったが、既発明１の倍電圧加速・減速のトルク特性Ta2、Tb2により、定トルク域と定出力域との境界付近で限界粘着率を超えるに及び、その対策が必要になる訳である。

なお、直流電気機関車では、整流子の全電圧定格750Vの電機子直列のため、何れかの車輪空転・滑走による按分電圧不平衡を検知して再粘着制御するので、限度粘着率は幾分強化されたが、図７のように従来の全電圧加速・減速では、交流電気機関車より低い値を採っており、多数の客車や貨車の牽引により牽引・制動トルクが増大し、期待粘着率が限界粘着率を超えて、動輪の空転・滑走が起こる。

既発明１の倍電圧加速・減速において全電機子を並列接続し、交流電気機関車と同等に限界粘着率の向上を図るに当り、本考案の動力制御装置で再粘着制御機能を確立する。

［動力制御］ 直流1500V架線より受電系の正・負極線間に、還流ダイオード（Dm）及び主回路チョッパ（Chm）の直列回路と、主回路接触器群の運転用正極側接触器（Dp）、減速用接触器（B）、加速用接触器（A）及び運転用負極側接触器（Dn）の直列回路とを並列に配し、環流ダイオード（Dm）と主回路用チョッパ（Chm）の接続点（DC）と、減速用接触器（B）と加速用接触器（A）の接続点（AB）との間に直流変圧用リアクトル（Lm）を配し、正極側接触器（Dp）と減速用接触器（B）との接続点（DB）と、負極側接触器（Dn）と加速用接触器（A）との接続点（DA）の間に電機子群を配して電機子制御系を、励磁チョッパ（Chf）及び正・逆転用接触器（F）、（R）による励磁回路に電動機群の界磁回路を接続して界磁制御系を、車軸に配した速度センサを該電機子制御系及び該界磁制御系に連携した速度制御系をそれぞれ構成し、正極側及び加速用の接触器（Dp）、（A）の「接」にて電機子制御系の降圧チョッパ作動による定トルク加速を、負極用及び減速用の接触器（Dn）、（B）の「接」にて電機子制御系の昇圧チョッパ作動による定トルク減速を、正極用及び負極用の接触器（Dp）、（Dn）の「接」にて界磁制御系の励磁チョッパ（Chf）作動による定出力加速・減速及び定速走行のそれぞれ制御機能を成すよう、電動車両の動力制御装置を構成する。

［加速・減速］ 電機子制御系は、主回路電流センサ（Im）で主回路チョッパを制御し、リアクトル（Lm）を経て加速時には降圧、減速時には昇圧の同一電流極性の直流変圧作用により、同一電圧極性且つ速度に比例の可変電圧と定電流を電機子群に与え電動・回生とも定トルク作動し、界磁制御系は定トルク域において定励磁電流を与え、定トルク域上限を超える速度域においては該主回路電流センサ（Im）で励磁チョッパ（Chf）を制御し速度に反比例の励磁電流を界磁に与え、同一電圧極性の定電圧の下で定電流を電機子群に与え電動・回生とも定出力作動する。

上記の定電流制御は、その減少方向には瞬時の、増加方向には幾らかの（0.5秒程度）のそれぞれ時定数を与え、緩衝すると共に車輪空転・滑走時の再粘着を容易にする。

［定常走行］ 速度センサによる速度制御系で、後述の定常走行ノッチに入れたときの記憶速度に保つよう、定トルク域では主回路チョッパを制御して電機子電圧を、定出力域では励磁チョッパ（Chf）を制御して励磁電流をそれぞれ自動的に調整する。

定常走行は、定出力域の界磁制御系による中・高速域での定速制御を主とし、正極側及び負極側の接触器（Dp）、（Dn）により電機子群に直接給電され、軌道勾配変化による正・負（電動牽引・回生抑速）両域に跨る負荷変動に静的・自動的に対応し、定トルク域の電機子制御による低速・徐行では軌道勾配による加速・減速傾向を速度制御系で検知し正極側・加速用接触器対（Dp）・（A）又は負極側・減速用接触器対（Dn）・（B）を選択作動し、負荷変動に動的・自動的に対応する。

主回路チョッパ（Chm）はGTO（Gate Turn-Off Thyristor）などの高速サイリスタで構成し、その作動速度に余裕を与えた高周波数（例えば1000Hz）で転流損失を抑え且つリアクトル（Lm）の電力密度を高めて小型軽量化し、平滑コンデンサ（Cm）を配して脈流を抑制し、励磁回路に還流ダイオードを配して分巻界磁の高リアクタンスと協働し界磁の脈流を抑制する。

［電動客車の電動機群］ 電機子定格全電圧375Vの電動機4台（M1、M2、M3、M4）で全４軸個別駆動の電動客車では、２電機子づつ永久直列の電機子組の2組（M1・M2とM3・M4）を接触器（Sr）で直列接続して架線電圧1500Vの下で全電圧連続定格で中・高速の定常走行に供し、接触器（Pr）で並列接続して倍電圧短時定格で加速・減速に供する。

界磁は全直列で、架線の許容電圧降下においても電機子制御の定トルク加速・減速時の過励磁を与える定格電圧のものとし、界磁用チョッパ（Chf）は、該過励磁から高速定常走行時の弱め界磁に亘り励磁制御範囲を持つものとし、接触器（F）、（R）で界磁極性を変え前・後進切替を行う。

［車輪空転・滑走対応］ 電機子組の並列接続の際に各電機子組の永久直列接続点を接触器（Pr）で共通に結ぶ均圧線を配し、加速・減速時に何れかの車輪が軌道との粘着限度を超えて空転増速・滑走減速した時、軌道との摩擦が粘着摩擦より半減の動摩擦すなわち該車輪を駆動の電機子の電流半減で直列電機子組の按分電圧不平衡による電機子電圧の急昇・降を抑制する。

電機子群に並列において、等分中点付抵抗器及び該中点と均圧線との差電圧センサを配し、上記の車輪空転・滑走による按分電圧不平衡を検知し、主回路チョッパ（Chm）が減電流作動して警報し且つ全電機子が減トルク状態に至る時定数の間に該車輪が再粘着して復帰作動し、主幹制御器ノッチ調整しながら加速を継続する。

なお、減速時に何れかの車輪が軌道との粘着限度を超えて滑走減速した時は、均圧線により該直列電機子組の按分電圧不平衡を抑制すると共に、該均圧線で並列他方の電機子の起電力で滑走減速の電機子が加速側に作動し、軌道に自動的に再粘着し減速を継続する。

［直並列接続切替］ 直列電機子組毎に電圧センサを配し、電機子接続切替の際に、接触器（Sr）、（Pr）両者とも「断」の状態において励磁チョッパ（Chf）で励磁電流を調整し、該電機子組起電力（Ea）が速度センサ（TG）の検知速度に見合う該電機子組の想定起電力（Ev）（定トルク域では速度に比例、定出力域では架線電圧）の1／2に達した時に直列用接触器（Sr）の、（Ev）に達した時に並列用接触器（Pr）のそれぞれ「接」を可能とし、無電流投入すなわち無トルク（無衝撃）で電機子組の直・並列切替作動の後、直ちに電機子定電流による加速・減速或いは全電圧界磁制御による中・高速や電機子電圧制御による低速のそれぞれ定速定常走行に移行する。

［動力車2両の永久編成］ 電動客車の2両永久編成（2M、2M2Tなど）の場合は、並列接続における電機子組の永久直列接続点の均圧線を2両分に共通として、何れかの車輪空転・滑走による電圧按分不平衡を更に抑制し、且つ、2両の全電機子組を車間直列・並列接続接触器（Sro）、（Pro）を配し、全電機子の直列で定格の半電圧で作動させ界磁制御の定常走行速度範囲を低速側に拡張することができる。

［電気機関車の電機子群］ 電機子定格全電圧750Vの電動機4台（M1、M2、M3、M4）で全４軸個別駆動の電気機関車においては、電動機の単機容量が電動客車のものの4倍すなわち動力容量が４倍もあるので、電子制御素子の単器容量限度によっては主回路チョッパ（Chm）、リアクトル（Lm）及び還流ダイオード（Dm）を各々２個で２相回路の電機子制御系を構成する場合があるが、基本的な動力制御機能は上述の電動客車の場合と同様である。

励磁用チョッパ（Chf）及び正逆転切替接触器（F）、（R）による界磁制御系及び速度センサによる速度制御系は上述の電動客車の場合と同様に構成する。

電機子４台の全並列接続で倍電圧短時作動の電機子制御及び界磁制御で加速・減速に、２台直列接続の２電機子組の並列接続（以下、直並列接続と呼ぶ）で全電圧連続作動の中・高速の定速定常走行に、全電機子４台の直列接続（以下、全直列と呼ぶ）で半電圧作動の低速の定速定常走行にそれぞれ供する。

［車輪空転・滑走対応］ 加速・減速では全電機子が並列のため、何れかの車輪の空転加速あっても、界磁制御での定出力域では、架線直接の電機子電圧のため電源インピーダンスが小さく該空転・滑走車輪の電機子の電流急変は電機子電圧に影響せず、電機子制御の定トルク域ではチョッパ（Chm）とリアクトル（Lm）による直流変圧作用への影響は、高周波数作動のリアクトル（Lm）や脈動平滑用コンデンサ（Cm）による電機子制御系の時定数が小さいので瞬時的であり、空転・滑走車輪は直ちに再粘着するので、交流電気機関車の変圧器タップ制御に近い牽引・制動性能を発揮する。

［運転操作］ 電動客車、電気機関車とも運転制御器には、左手操作の直交操作機構の運転操作ハンドル及び右手操作の前後進切替レバー軸を配し、運転士は後者の中立位置でレバーを挿着して前進に入れ、前者のハンドルの左倒で「切」ノッチ、右に倒して中立の「入」ノッチで微速発進、後に引いて加速１、２、３ノッチ、前に押して減速１、２、３ノッチ、中立ノッチに戻してその時の速度で定速定常走行、左倒の「切」ノッチで惰行とし、減速ノッチでは回生制動から停車寸前の発電制動に移行、右手操作の制動空気弁（制動−保持−解除）で停車する。

加速・減速とも、１、２、３ノッチに弱（100％）、中（150%）、強（200%）トルクを当て、乗車率及び軌道勾配に見合うノッチで適正な加速・減速度を与える。

［通信線障害防止］ 架線集電子に続く受電回路に、リアクトル（Lt）とコンデンサ（Ct）よりなる濾波回路を配し、チョッパ（Chm）、（Chf）の制御作動で発生する脈流を濾波し、架線に併設及び近接の通信線の障害を防止する。

［蓄電回路］ 静電蓄電要素など急速且つ高充放電効率の車載蓄電装置を設置すれば、加速・減速の運動のエネルギを上述の動力制御装置で電動・回生の電気エネルギに変換し、受電回路にダイオード（Dt）を挿入して架線への逆流出を阻止し突入電力を車内処理することができ、架線系統は短時の該突入電力の車内処理に伴う抵抗損失と定常走行の電力を一方向流（回生時は無電流）で給電する（1500V級且つ車載寸法の静電蓄電要素の出現待ち）。

上記の蓄電装置は、夜間運転休止時などの集電器切離しの間の蓄電要素内の漏洩が不可避のため、始発前に本発明の動力制御装置の主回路チョッパ（Chm）による限流機能を利用し補充電可能とする。

［動力制御］ 主回路の４個の接触器（Dp）、（B）、（A）、（Dn）で以って、発進、電動加速、定常走行、回生減速、停止の一連の運転サイクルにおいて、電機子制御のチョッパ（Chm）及びリアクトル（Lm）の同一電流極性及び電動機群の電機子回路の同一電圧極性で動力制御するので、主回路は頗る簡潔となり（従来の直巻電動機の直巻界磁の極性反転が不要になる）且つ励磁電流が小さい分巻界磁の励磁制御要素（チョッパ及び還流ダイオード）は小容量のもので充分である。

電機子制御系において、チョッパ（Chm）は回路要素GTOの作動速度に十分余裕を持たせた高周波数を選び、該要素の転流損失を抑えリアクトル（Lm）を直流変圧作動の高電力密度で小型軽量化し且つ制御系の時定数を短縮して車輪空転・滑走時の電機子電流急変に対応した減電流の瞬時作動と定電流復帰の緩作動で電機子の全並列と同様な再粘着を可能とする。

上記の電機子制御系の高周波数作動は、受電回路の濾波器｛リアクトル（Lt）及びコンデンサ（Ct）｝の小型・軽量化を可能とする。

電動機群における電機子の直列・並列接続切替は、直列用接触器（Sr）が１接点、並列接触器（Pr）が２接点（電動客車では均圧線を含み３接点）の標準的な回路構成で頗る簡潔である。

既発明１による倍電圧加速・減速トルク特性の倍速域拡張において、動力車（以下M車と呼ぶ）と（付随車（以下、T車と呼ぶ）との編成（例えば2M2T編成）では軌道の湿潤状態により定トルク上限付近の高速域（60〜80km／ｈ）において車輪粘着限度を超える場合があるので、本発明の動力制御装置では下記の機能で対応する。

１動力車2電機子組の並列接続では、永久直列の電機子組において、車輪の粘着摩擦を超えた加速トルクで空転した時、約半分の動摩擦で該車輪駆動の電機子が半電流に急変し、電機子組の按分電圧は1000V：500V（2：1）となり所定の750Vに対し1.33：0.67すなわち急変値は33%に達するが、均圧線により１車2電機子組の並列では857V：643V（4：3）、1.14：0.86すなわち急変値は14%に低減され、永久連結の2動力車４電機子組の並列では800V：700V（8：7）、1.067：0.933すなわち6.7%、一般式では、永久直列電機子組の並列数ｎで、2＊ｎ：（2＊ｎ−１）の均圧効果が得られる。

車輪空転の電機子電流急減に伴う按分電圧不平衡の差電圧センサでチョッパ（Chm）が瞬時に減流作動して電動機群全体の電圧を下げ、空転車輪駆動の電機子電圧急昇を抑制するので、空転車輪は増速せず動摩擦以下のトルクで以って軌道に再粘着し、主回路電流センサ（Im）による緩復帰の定電流制御で加速を継続する。

4軸４電機子の電気機関車では、全電圧定格750Vの電機子を全並列接続して倍電圧で加速・減速するので、何れかの車輪が粘着限度を超えて空転・滑走を生じた時は、電源インピーダンスによる電圧急昇値は無視してよく、電機子制御系のリアクトル（Lm）の直流変圧回路の瞬時インピーダンスによる電圧急昇あるもチョッパ（Chm）の減流瞬時作動で抑制され、粘着摩擦の半分の動摩擦以下にトルクを低下して再粘着し、定電流制御の緩復帰作動に至るので、交流電気機関車の主変圧器タップ切替と同様な再粘着条件になり、牽引力を向上する。

定常走行では、全電圧定格（電動客車では電機子375Vの全直列接続で、電気機関車では電機子750Vの直並列接続）で界磁制御で以って主回路の制御損失なく中・高速運転し、加速・減速では、倍電圧による短時鉄損増加のみで銅損増加なく、総合的には全電圧定格と同等な動力効率を取る。

6軸6電機子の電気機関車では、全並列接続して倍電圧で加速・減速、２電機子直列の３組並列の全電圧、3電機子直列の3組並列の2／3電圧及び6電機子直列の1／6電圧で界磁制御による定常走行の範囲を低速域まで拡張し、定常走行の全速度域に亘り鉄・銅損失協調による高効率運転に供する。

最近、鉄心材料の改良により、高磁束密度においても鉄損が著しく低減しており、倍電圧作動においても鉄損増加（電圧の2乗に比例）が軽減され、銅損増加しないため電機子効率は更に高くなる。

［過電圧耐力］ 下り勾配抑速や減速制動に発電制動が導入され、電機子の過電圧定格が200%に強化されてから久しく、回生作動には更に125%の上積みが必要であるが、在来線の最高運転速度（100〜120km／h）での倍電圧加速・減速は高加速度の電動客車では加速60秒、減速50秒以内、全電圧以下の定トルク域前半を除き過電圧域は加速36秒、減速30秒以内の頗る短時、長大編成列車の中加速度の電気機関車ではそれぞれの約1.5倍の短時であり、整流子周りの尖絡防止などの対策で短時250%の過電圧は技術的に充分可能と思考する。

［熱的債務］ 降坂抑速や減速を全て回生作動を含み全面的に電気的操作を行うことにより、界磁の過励磁を含み電動機の熱的債務が倍増するが、従来の部分的な電気的操作において絶縁等級強化（F種など）や強制通風で対処されて来ており、各駅停車の過酷な運転サイクルに従来機の寸法内で充分対応可能と思考する。

［運転操作］ 運転は、主幹制御器のハンドルの左手操作で、緩発進、電動加速、定常走行、回生減速、停止寸前の発電制動を全て電気的に行うので長大編成においても時間遅れなく、定常走行ではハンドル中立ノッチで軌道勾配に応じ静的・自動的に電動・回生に移行し、停止は制動空気弁の右手操作で行うので頗る容易であり、危険察知の際は制動空気弁による全車輪の非常制動も従来方式どおり可能である。

高速域のトルク強化で乗客に加速度感増加なく加速・減速時間の著しい短縮と定速定常走行により駅間運転時間が短縮され、更に、中・高速域では小駅通過の長距離列車も同様に、途中の曲線及び通過駅前後の減速・再加速時間短縮は顕著である。

［旧車両の活性化］ 本考案を適用して旧車両を活性化するに当たり、改造及び流用部分を下記に挙げる。

［改造部分］ 改造部分は、電動台車では電動機だけであり、界磁の継鉄・鉄心は流用、直巻巻線を分巻巻線に取替え、補極巻線は流用し、電機子は倍電圧短時定格に伴う整流子の耐電圧及び絶縁耐熱強化を施し、軸端側鏡蓋は流用、整流子点検蓋は整流子周りの尖絡防止材付加などに伴う最小限の改造に留め、台車との連結部及び油浴減速歯車は流用可能である。

台車の構造・機構部分は半永久寿命部品として車体一切と共に点検・整備して流用可能である。

本発明の動力制御装置に係る電気部品は、濾波器（リアクトル・コンデンサ）、正極・負極の主接触器Dp、Dn、加速・減速用接触器A、Bは短時倍電流定格品に替え、直列・並列接触器Sr、Pr、Sro、Proは全電流定格品で十分であり整備・流用可能、界磁回路用接触器F、Rは分巻界磁用として新設、電子化動力系の主回路チョッパChm、還流ダイオードDm、直流変圧リアクトルLmは短時過負荷の高周波数作動高電力密度の小型軽量とし、界磁回路チョッパChf及び還流ダイオードDfや制御器及び比較器等の制御品一切を新替えする。

その他、照明、信号、非常電源などは整備流用可能である。

［架線給電系］ 本考案適用の主な対象として、主に各駅停車の電動客車及び長編成の客車や貨車用の直流電気機関車に係り、架線給電系では加速・減速における両方向の短時尖頭電力の処理を要するが、3000〜4000kWのシリコン整流器は120%2時間、300%1分間、逆変換器もそれに見合う過負荷耐と、4M4T編成の電動客車1920kWの短時（1分間）倍電圧160％の高加速・減速での尖頭電力6144kWや6軸電気機関車2880kWの短時（1.5分）倍電圧120%での加速・減速で尖頭電力6912ｋWを比較すれば、現設の給電系の過負荷耐力より著しく逸脱するものではなく、駅での上り・下り線の同時到着・発進による電力集中、運転密度、変電所配置（並列による負荷分散）、回生電力による電力系統への影響などを確率的手法を含み総合的に検討・確認する。

幹線鉄道の都市部線区では、短編成（2M2Tなど）の電動客車は、長編成列車牽引の電気機関車（4M、6M）の半容量であり、倍電圧加速・減速の短時突入電力は現状の給電設備で充分処理可能であり、運転密度が低い支線区や地方線区では、全電圧加速と倍電圧弱トルク減速で尖頭電力を緩和することができ、或いは、従来のように全電圧加速と車輪ブレーキ併用の減速も可能である。

直流電気鉄道において、ほぼ全ての変電所が旧来の回転変流機両方向流からシリコン整流器の一方向流に更新されて久しく、その後、回生電力処理のため半導体逆変換器が追設されており、特に既発明１による回生電力効率向上に対応が必要である。

私鉄などの回転変流機が残っている旧線区では、その両方向流電力処理機能を利用し、改良強化するのがよく、最近の鉄心などの電機材料や制御技術の進歩もあり、運転密度によっては、回転変流機方式で以って高効率・高過負荷耐量且つ保守容易な給電設備の活性化も可能と考える。

［蓄電装置の併用］ 最近、低電圧中容量の静電蓄電要素が出現し、小規模気動車両に適用例もあり、技術進歩により架線電圧の1500V級が出現すれば、その高効率・急速全充放電（30秒〜数分）を繰返し、半永久的寿命の蓄電装置として、架線給電系に併設、更に進んで車載可能になれば、架線及び電力系統は一方向流の頗る低損失で、本発明の電力回生効率を著しく高めることが可能である。

本考案の電動車両の動力制御装置における電動客車の主要回路図 本考案の電動車両の動力制御装置における電動客車の電動機群の回路図 本考案の電動車両の動力制御装置における電気機関車の電機子制御系の回路図 本考案の電動車両の動力制御装置における電気機関車の電動機群の回路図 本考案の電動車両の動力制御装置における運転制御器の姿図 既発明１に係る電動車両の動力装置の牽引・制動力特性曲線 既発明１に係る電動車両の動力装置の車輪粘着率曲線

本考案の電動車両の動力制御装置の電動客車への適用を実施例として図面を参照し説明する。

［主動力回路］ 図１において、直流1500Vの架線１から車上の集電子２で受電し、受電母線３で連結動力車（図示省略）と結び、回路遮断器CBt、濾波リアクトルＬtを経て正極線P、濾波コンデンサＣtを経て負極線Nに至る受電系４を構成する。

負極線Ｎは接地母線５で連結動力車（図示省略）と結び、車軸集電子６で車軸７、車輪８を経て軌道９に電気的に結び、接地系１０を構成する。

［電機子制御系］ 受電系４からのの正極線Ｐと負極線Ｎとの間に、還流ダイオードDmと主回路チョッパChmの直列回路と、正極側接触器Dp、減速接触器B、加速接触器A、負極側接触器Dnの直列回路とを並列に配し、ダイオードDmとチョッパChmの接続点DCと接触器B、Aの接続点ABとの間に直流変圧リアクトルLmを、該接続点ABと負極線Nとの間に平滑コンデンサCｍをそれぞれ配し、接触器Dp、Bの接続点DBと接触器Dn、Aの接続点DAとの間に電動機群１１の電機子MA（代表符号）と電流センサImを直列に接続し、電機子制御系１２を構成する。

［界磁制御系］ 正極線Pから回路遮断器CBfで分岐して、前進接触器F及び後進接触器Rを、負極線Nに励磁チョッパChfをそれぞれ配して該接触器F、Rの極性切替接点群に電動機群１１の界磁MF（代表符号）及び励磁電流センサIfを接続して界磁制御系１３を構成し、なお、該極性切替接点群に並列に還流ダイオードDfを配する。

［速度制御系］ 車軸７に走行速度センサTGを配し、運転制御器１５を介し電機子制御系１２と界磁制御系１３に連携の速度制御系１４を構成する。

運転制御器１５は各接触器Dp、B、A、Dn、F、Rの操作選択と、電機子電流センサIm、界磁電流センサIf及び速度センサTGの各出力信号によりチョッパChm、Chfを制御する。

［運転制御］ 接触器Dp、Aが「接」にて正極線P−接触器Dp−電動機群１１の電機子MA−接触器A−リアクトルLm−チョッパChm−負極線Nの回路が通じ、降圧チョッパ作動で電流センサImにより定電流の電機子制御で定トルク加速し、定トルク上限速度に達した時チョッパChmが全通し、以後はチョッパChfで速度に半比例の励磁電流に制御して電流センサImによる定電流制御で定出力トルク加速する。

定出力トルク加速の途中で接触器Dn投入しラップ時間（Rap Time）を採って接触器Aを「断」として定電流制御を継続し、所定の運転速度ｖ[km／h]に達した時に電動機群１１の電機子接続切替（後述）と速度センサTGの出力信号ｖを記憶してチョッパChfの励磁電流制御で界磁制御の定速定常走行に移行する。

次駅手前の所定の減速開始点において、電機子接続切替（後述）とチョッパChfの励磁電流制御で界磁を強めると電機子の起電力が架線電圧より高くなって回生制動となり、電流センサImによりチョッパChfを制御して電機子MAに定電流を与え定出力減速し、その減速途中で接触器Bを投入しラップ時間を採って接触器Dpを「断」にして、負極線N−接触器Dn−電流センサIm−電機子MA−接触器B−リアクトルLm−還流ダイオードDm−正極線Pの回路に回生電流を移行して定出力減速を継続し、定出力トルク下限（すなわち定トルク上限で過励磁界磁）に達した時チョッパChmが作動開始して昇圧チョッパ作動の定電流・定トルク減速に移行する。

次駅に到着し停止前の低速において回生制動から発電制動に移行し、停止寸前の微速において接触器Dn、Bを「断」にして惰走にし、所定停車位置で制動空気弁１８（図５参照）による車輪ブレーキで停車する。

電機子MAの短時倍電圧作動による電動加速・回生減速のトルク特性の倍速拡張に伴い定トルク域と定主力域の境界付近は車輪と軌道との粘着限界を超えることがあるので、その速度域では定出力域でも接触器A、Bの「接」に保持し、車輪の空転・滑走にチョッパChmの減流で対応可能にする（詳細後述）。

［電動機群回路］ 図２において、電動機群１１の主回路端子MP、MN間に電機子MA（図１での代表符号）として永久直列接続の電機子組M1・M2とM3・M4を接触器Srの１接点で直列接続し、接触器Prの２接点で並列接続且つ両電機子組の永久直列接続点を該接触器Prの残り１接点により均圧線で結ぶ。

各電機子M1〜M4に直列の補極AP巻線は、電機子反作用補償用である。

各電機子組M1・M2、M３・M4にはそれぞれ電圧センサVaを、主回路端子MP、MN間に２等分点タップ付き抵抗器Rdを、該２等分点RCと均圧線ECとの間に電圧差センサVdをそれぞれ配し、比較器１６を経て図１の運転制御器１５に接続する。

電動機群１１の界磁回路端子FP、FNに界磁FA（図１での代表符号）として、上記電機子M1〜M4に対応の界磁F1、F2、F3、F4を直列に配する。

電機子接続切替は、両接触器Sr、Prとも「断」において、図１のチョッパChfで励磁電流Ifを調整し、電機子組の起電力Ea（電圧センサVaで検知）が、図１の速度センサTG検知の走行速度ｖに見合う電機子群端子MP〜MN間の想定電圧Eｖの1／2に達した時に接触器Srを無電流投入して直列接続し、該想定電圧Eｖに達した時に接触器Prを無電流投入して並列接続とし、以後直ちに、直列接続では図1の速度センサTGによる速度制御で定速定常走行し、並列接続では電流センサImによる定電流制御で加速・減速する。

速度センサTGによる走行速度ｖに見合う電機子群想定起電力Evは、並列接続では定トルク域で速度ｖに比例し0〜1500V、定出力域で定電圧の架線電圧Vt＝1500V、直列接続では定トルク域では速度ｖの1／2に比例し0〜750V、定出力域ではVt／2＝750Vであり、図1の運転制御器１５が電機子組の接続の接触器Sr、Prと該想定電圧Evを選択してチョッパChfで励磁電流Ifを調整し、比較器１６が電圧センサVaで検知した電機子組起電力Eaと比較・確認し、選択された接触器SrまたはPrを無電流投入する。

［蓄電系］ 図1に点線記載のように、車載の蓄電要素Capを配し、減流リアクトルLc、充放電電流センサIc及び切替スイッチScoを付し、電源母線５に蓄電流出阻止ダイオードDtを挿入して蓄電系１７を構成し、車両の電動加速、回生減速において蓄電要素Capの放充電により車両の運動のエネルギを処理し、電機子含む主回路の損失電力と定常走行電力を架線１から受電し、全回生電力は蓄電要素Capに充電するので、架線１及び給電系統は電力一方向流の頗る軽負荷となって銅量及びシリコン整流器の容量節減が可能で、車内短電路と相まって電力損失は著しく低減し、回生失効なく全電気的操作特に回生抑速・減速の信頼性が著しく向上する（1500V級の静電蓄電要素の出現待ち）。

夜間休止時などの集電子２切離しのため、蓄電要素Capの自己漏洩放電に対応し、始動前に切替スイッチScoを補充電に切替え、チョッパChm、リアクトルLm及び緩流ダイオードDmによる限流作用を利用して蓄電要素Capを架線電圧まで補充電し、切替スイッチScoを戻して回路遮断器３を投入する。

本考案の電動車両の動力制御装置の電機機関車への適用を実施例２として図面を参照し説明する。

一般に電気機関車は、電動客車1両分の動力容量を1軸1電動機とし、4軸4電動機個別駆動で2軸2台車及び6軸6電動機個別駆動の3軸2台車の台車構成であり、以下主に前者の4軸車について説明する。

［主動力回路］ 架線１から集電し受電系４を経て正極線P及び負極線Nに至り、負極線Nより車軸集電し軌道９に至る接地系１０は実施例１の図1と同様である。

［電機子制御系］ 電気機関車は電動客車の４倍（4軸車）〜6倍（6軸車）の動力容量を持ち、主回路要素の容量限度を考慮し、図3において、還流ダイオードDm1、Dm2、チョッパChm1、Chm2、リアクトルLm1、Lm2で以って位相差１８０度の２相回路とし、平滑コンデンサCmは共通１個として接触器Dp、B、A、Dnの直列接触器列に、実施例１の図１と同様に、電動機群１１と共に接続して電機子制御系１２を構成する。

［界磁制御系等］ 界磁は分巻のため励磁電流は小さいので、実施例１の図１と同様に界磁制御系１３を構成し、速度センサTGによる速度制御系及び各制御系と連携する運転制御器１５も実施例１の図１と同様である。

［電動機群回路］ 図４において、電動機群１１の端子MP、MN間に電機子M1、M2、M3、M4を２組に分け、電機子組M1・M2とM3・M4に接触器Sro、Proを配して１接点の接触器Sroで直列すなわち全直列接続し、３接点の接触器Proの2接点で並列すなわち直並列接続し、各電機子組（M1・M2組とM3・M4）組毎に接触器Sr、Prを配して２接点の接触器Srの各１接点で各電機子組の直列接続、残り各１接点で均圧線ECに接続、２接点の接触器Prで各電機子組の並列接続すなわち全並列接続する。

各電機子組の接触器Sr、Prは電磁コイルなどのアクチュエータを共通としそれぞれ４接点の接触器に集約してもよい。

各電機子には補極巻線APを直列に持ち、電機子反作用を補償する

各電機子M1、M2、M3、M4には電圧センサVaを配して比較器１６に接続、速度センサTGによる走行速度ｖにおける電機子群端子MP、MN間の想定電圧Evと該電圧センサVaが検知の電機子起電力Eaとを比較し、図１の運転制御器１５に従い、チョッパChfの励磁電流で各電機子の起電力Eaを調整し、Ea＝Evを確認して接触器Pro、Prを無電流投入し全並列接続、Ea＝Ev／2を確認してPro、Srを無電流投入し直並列接続、Ea＝Ev／4を確認してSro、Srを無電流投入して全直列接続、以後直ちに図1の電流センサImによる定電流制御で加速・減速、速度センサTGによる定速定常走行に移行する。

電機子全並列では、定出力域では架線電圧、定トルク域でもリアクトルLmによる直流変圧回路の短時定数のため電動機群１１から見た電源インピーダンスが小さいので、空転・滑走車輪に係る電機子電圧の急変は頗る小さく、交流電気機関車の主変圧器タップ制御と同様な再粘着作動で牽引力を発揮する。

架線回路容量が小さい支線区などで電機子の全並列で倍電圧短時の加速・減速が不可能の場合は、電機子直並列で加速・減速し、全直列で低・中速の定速定常走行を行い、或いは、電機子直並列の全電圧垂下トルクで加速し、減速の定主力域上限近く（ｖ＝80km／h：図６参照）で定速定常走行を行い、定出力域の定電流制御で減速することもでき、その直並列接続においては、均圧線ECにより実施例１と同様に何れかの車輪空転・滑走時の電機子電流急変による按分電圧不平衡を抑制し、チョッパChmによる減流作動で該車輪の再粘着を可能とする。

［界磁回路］ 実施例１と同様に、電動機群１１の界磁回路端子FP、FN間に界磁F1、F2、F3、F4を直列に配し、図1のチョッパChfで励磁電流制御する。

［運転制御器］ 本考案の電動車両の動力制御装置の運転制御器を実施例３として、図面を参照し説明する。

図５において、運転制御器１５の盤面左側に直交機構の運転操作ハンドル151を、右側に前後進切替レバー152をそれぞれ配し、その右側に制動空気弁１８を配する。

操作ハンドル151の左倒にて「切」、右起しで「入」、手前に引いて加速１、２、３ノッチ、前に押して減速１、２、３ノッチとし、それぞれ1ノッチは弱トルク（100%）、２ノッチは中トルク、３ノッチは強トルクとし、切替レバー152は前に回して前進１、２ノッチ
手前に回して後進１、２ノッチとし、それぞれ１ノッチは低速運転用、２ノッチは高速運転用とし、制動空気弁１８は右に回して空気圧を上げ制動、手前中立に戻して空気圧保持、左に回して空気圧抜き解除の機能を持つ。

運転に際しては、切替レバー152を前進２ノッチに入れ、操作ハンドル151を右倒すると電機子MA（代表符号）が直列接続、界磁は定格励磁で電機子制御系１２が微速（歩行速度）に働き緩発進、乗車率や軌道勾配により適切な加速ノッチ１、２又は３に引くと電機子MAが並列接続に替わり倍電圧定トルク続いて界磁制御系１３に替わり定出力（図６のTa2）で電動加速、操作ハンドル151を「入」に戻すと、その時の速度ｖを記憶して、電機子MAが直列接続に替わり界磁制御系１２が速度センサTGにより定速定常走行、操作レバー151を適切な減速ノッチに押すと電機子MAが並列接続に替わり、界磁制御系１３による倍電圧定出力続いて電機子制御系１２による定トルクで回生減速、微速に近づき発電制動に移行し停車寸前の微速に至る。

操作ハンドル151を左倒して「切」で微速惰走、停車位置で制動空気弁１８を「制動」に入れ車輪ブレーキ８ｂで停止、「保持」に戻して車輪ブレーキ８ｂを保持し、次発進信号を待つ。

レバー152をノッチ１にして、図6の全電圧トルクTa1、Tb1で中速域までの加速・減速が可能である。

加速・減速中及び定常走行中に、操作ハンドル151を左倒「切」に戻せば惰走し、右倒して「入」とすればその時の惰走速度を記憶して定速定常走行に移行する。

軌道勾配が緩い（＋3〜−3）場合は、切替レバー152ノッチ１にて、操作ハンドル151の加速ノッチ１で小加速して左倒し「切」に戻し、低速（走行抵抗は僅少）の惰走で徐行が容易に可能である。

運転士の左手で運転制御器１５の操作ハンドル151の操作で微速〜高速〜微速の全速度域で全電気的作動し、右手操作の制動空気弁１８は微速からの制動・停止で済み、非常制動と共に車輪ブレーキ系は独立である。

１ 架線 ２ 集電子
３ 受電母線 ４ 受電系
５ 接地母線 ６ 車軸集電子
７ 車軸 ８ 車輪
８b 車輪ブレーキ ９ 軌道
１０ 接地系
１１ 電動機群回路 １２ 電機子制御系
１３ 界磁制御系 １４ 速度制御系
１５ 運転制御器 １６ 比較器
151 運転操作ハンドル 152 前後進切替レバー
１７ 蓄電系 １８ 制動空気弁
Lt 濾波リアクトル Ct 濾波コンデンサ
P 正極線 N 負極線
Dm 還流ダイオード Chm チョッパ、主回路チョッパ
DC 還流ダイオードとチョッパの接続点
Lm リアクトル、直流変圧リアクトル
Cm 平滑コンデンサ
Dp 接触器、運転接触器、正極側接触器
Dn 接触器、運転接触器、負極側接触器
B 接触器、減速用接触器 A 接触器、加速用接触器
DB 正極側接触器と減速用接触器の接続点
DA 負極側接触器と加速用接触器の接続点
AB 加速用接触器と減速用接触器の接続点
MP、MN 電機子回路端子 FP、FN 界磁回路端子
Im 主回路電流、電流センサ If 励磁電流、電流センサ
F 接触器、前進用接触器 R 接触器、後進用接触器
Df 還流ダイオード Chf チョッパ、励磁用チョッパ
TG 速度センサ
MA 電動機群の電機子（代表符号） MF 電動機群の界磁（代表符号）
M1、M2、M3、M4 電機子 AP 補極
F1、F2、F3、F4 界磁
Sr 接触器、直列用接触器 Pr 接触器、並列用接触器、全並列用接触器
Sro 接触器、全直列用接触器 Pro 接触器、直並列用接触器
M1・M2 電機子組、永久直列接続電機子組
M3・M4 電機子組、永久直列接続電機子組
EC 均圧線 Vd 電圧差センサ
Va 電圧センサ Rd 電圧等分抵抗器
Ev 電機子想定起電力 Ea 電機子起電力
Dm1、Dm2 還流ダイオード Chm1、Chm2 チョッパ、主回路チョッパ
Lm1、Lm2 リアクトル、直流変圧リアクトル
M1、M2、M3、M4、M5、M6 電機子
F1、F2、F3、F4、F5、F6 界磁
M1・M2、M3・M4、M5・M6 電機子組
Dt 蓄電流出阻止ダイオード Lc リアクトル、緩流リアクトル
Cap 蓄電要素、静電蓄電要素 Ic 電流センサ
Sco 切替スイッチ

Claims (4)

1. 直流電源の正・負極間に、還流ダイオード（Dm）と主回路チョッパ（Chm）の直列回路及び主回路接触器（Dp）、（B）、（A）、（Dn）の直列回路を並列に配し、環流ダイオード（Dm）とチョッパ（Chm）の接続点（DC）と、接触器（B）と（A）の接続点（AB）との間にリアクトル（Lm）を、接触器（Dp）と（B）の接続点（DB）と、接触器（Dn）と（A）の接続点（DA）との間に電動機群の電機子を接続して電機子制御系を、励磁チョッパ（Chf）及び正逆転接触器（F）、（R）を配して電動機群の界磁を接続して界磁制御系を、車軸に配した速度センサを該電機子制御系及び界磁制御系に連携させて速度制御系をそれぞれ構成し、接触器（Dp）、（A）の「接」において降圧チョッパ作動の電機子制御で定トルク加速し、接触器（Dn）、（B）の「接」において昇圧チョッパ作動の電機子制御で定トルク減速し、接触器（Dp）及び（Dn）の「接」において励磁チョッパ作動の界磁制御で定出力加速・減速及び定速走行するそれぞれ運転制御機能を、常に同一電圧極性且つ降圧・昇圧チョッパ作動を同一電流極性で為すよう構成した、電動車両の動力制御装置。
2. 電機子定格全電圧375Vの電動機群を成す２組の永久直列接続の電機子組（M1）・（M2）と（M3）・（M4）の直・並列接続切替接触器（Sr）、（Pr）を配し、電機子組毎の電圧センサ及び速度センサの出力信号比較器を配し、励磁電流を調整して電機子組の起電力（Ea）が運転速度に見合う電機子群想定起電力（Ev）の1／2に等しい時に直列接触器（Sr）を、電機子群想定起電力（Ev）に等しい時に並列接触器（Pr）をそれぞれ無電流投入し、直ちに請求項１の電機子制御及び界磁制御による加・減速に、速度制御による定速定常走行に移行する制御機能を為すよう構成した、電動車両の動力制御装置。
3. 請求項２の複数組の永久直列接続電機子組の並列接続の時に、各永久直列接続点を均圧線に並列接触器（Pr）で結び且つ該電機子組端間抵抗器の等分点と該均圧線との電圧差センサを配し、何れか１台の電機子に係る車輪が空転・滑走した時の該電機子の電流急変に伴う電機子組の按分電圧急昇を該均圧線で抑制し且つ該電圧差センサにより主回路チョッパ（Chm）が減電流・復帰作動して該車輪が再粘着するよう構成した、請求項１の電動車両の動力制御装置。
4. 電機子定格全電圧750Vの電動機群において、電機子全並列接続での倍電圧短時作動の加・減速において空転・滑走車輪の再粘着性能を向上し、直並列接続で全電圧連続の高速及び全直列接続で半電圧連続の低速のそれぞれ定常走行に供するよう構成した請求項１の電動車両の動力制御装置。