JP3647767B2 - 列車運転制御システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄道車両の駆動装置のように、複数の動力装置で、一つの目的動作を達成する列車運転制御システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
鉄道車両、あるいは航空機などは、並列接続された複数の動力装置を同時に動作することで、走行あるいは飛行している。たとえば、鉄道車両は、数両から十数両の車両が接続され、その中に通常３から４つのインバータ駆動装置、さらに各インバータ装置に２あるいは４つにモータが並列に接続された構成となっている。各インバータ装置は、先頭車両にある運転装置からのトルク指令を受け取り、モータのトルクが指令値と一致するように、モータ電流を制御している。
【０００３】
従来、鉄道車両の運行は、次のように行われている。運転装置からは各インバータへトルク指令が伝送されるが、各インバータへのトルク指令の分担にはいくつかの工夫が実施されている。鉄道は、鉄で作成された車輪とレールで加減速して運行する。鉄の摩擦係数は小さいため、車輪は空転しやすい状態にある。また、鉄の摩擦力は、表面状態や加重の大小により大きく変化し、降雨時の雨やさびの影響を受ける。
【０００４】
先頭車両は、レール面の影響を特に受けやすく、空転が発生しやすい。そのため、先頭車両のトルクは、後続車両のトルク値の80から90%になるようにあらかじめ低く設定される。また、摩擦力は車輪とレールの接触面にかかる加重に比例する。
【０００５】
このため、乗車人数が少ない車両は、トルク値を低減して空転を防止する等の処置が施されている。そして、仮に空転などの問題が発生した場合、各装置は独自にトルク量を低減して、空転を防止し、時間と共に規定のトルク量に戻す処置が行われている。
【０００６】
また、インバータは電流を流すときに発生する導通損失と電流をスイッチングするときに発生するスイッチング損失により発熱する。インバータ内のスイッチング素子が設計値以上の高温になると熱により破壊にいたる。このため、車両が走行する路線での運行パターンや素子の電気的特性から、素子の温度上昇を事前に見積もり、最悪条件下でも破壊に至らないようにスイッチング素子の電気特性や冷却装置の冷却性能を設計している。この時、冷却装置に風が全く当たらない、乗車率が最大であるなど、想定できる最も過酷な条件でシステムを設計している。
【０００７】
鉄道車両の駆動方法に類似のシステムとして自動車がある。自動車では一つの動力源からの出力を機械的な動力配分装置で、各タイヤへの駆動量を路面の状況に応じ最適に配分して運転性能の向上を図っている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、複数の動力源が並列に接続されたシステムを対象としている。したがって、自動車のように動力源が一つで、駆動力を伝達する伝達装置の伝達係数を調整することで走行するシステムは、対象外である。
さて、従来の鉄道システムは、実測で得られたデータから最悪条件を想定し、最悪条件でも破壊などの問題が発生しないように設計される。また、仮に問題が発生したときでも各装置単体で問題を解決するように作られている。しかし、各装置単体で独自に解決するシステムには、いくつかの問題点が発生する。
【０００９】
例えば、空転現象では以下のような問題が発生する。空転を防止するためにはトルク量を低減して空転を止め、再び規定のトルクへ戻すことが行われている。しかし、各装置が独自に実施するため、空転時が発生すると車両全体の加速性能が低下することになる。
【００１０】
また、インバータの発熱では、以下のような問題が発生する。近年のインバータには半導体で作成されたスイッチング素子が使用されている。半導スイッチング素子は、温度が高いほど損失が多くなるため、低い温度で使用することが望ましい。車両のように全長300mにもなる巨大なシステムでは、自然風や降雨などの環境条件によりインバータ装置の温度が同じになることはない。各装置を同じトルク指令で運行すると、温度の高いインバータは多くの損失を発生して更に高温になるため、エネルギー変換効率の低下を招くことになる。
【００１１】
本発明はこれらの問題を防止するもので、システムとしての性能低下を最小限に抑制するものである。例えば、鉄道車両での空転の場合は、車両全体の加速度の低下を防止する。また、インバータの損失ではエネルギー変換効率を最大にする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
これらの問題を解決するため、本発明は、各装置に装置の状態を監視する監視機能、監視機能の情報を伝送する通信ネットワーク、さらには各装置へ制御情報を最適配分する中央処理装置からなる。
【００１３】
各装置に設置された監視装置は、各装置からの情報を読み取り通信ネットワークを使用して、中央処理装置へ伝送する。中央処理装置では、各装置の許容性能と監視装置から送られた現状値との差をとり、この差があらかじめ規定した制限値以下になるように、各装置への制御量を調整する。また、各装置の現状値が許容性能を越えた場合は該当装置の制御量を低減し、低減分を他の装置へ振り分けて各装置の制御量を調整する。調整された制御量は、ネットワークを使用して各装置へ伝送され、各装置は、中央処理装置からの制御量に基づき動作する。ここで、各装置の許容性能は、事前の実測で得られたデータとしても、また各監視装置から伝送されてくる情報で更新する事も可能である。
【００１４】
空転制御の場合は、次のように処理する。各インバータのトルク状況と空転状況を、周期的にネットワークを通して中央処理装置へ伝送する。端末から、空転発生の連絡を受けた場合、中央装置は直ちに空転防止のため当該インバータのトルク量を低減するとともに、低減分を他の装置へ割り当て伝送する。この時、割り当てられた装置で空転が発生しないように、各装置で空転が発生する最大トルク値以下になるように振り分ける。空転が発生する最大トルク値は、事前に実測により準備した最大トルクを使用するが、線路状況や周囲環境を考慮したデータとすることで、少ない処理でより的確な配分が可能となる。また、空転の発生状況により、最大トルク値を順次更新しても良い。
【００１５】
また、インバータの温度制御の場合は、次のように実施する。各インバータの半導体スイッチング素子の温度を順次測定し、ネットワークを通して中央処理装置へ伝送する。中央処理装置では温度の高いインバータのトルク量を低減して温度の低いインバータへ振り分け、各インバータの温度が均一になるようにトルク量を配分する。予定加速性能を得るためのトルク配分ができない場合は、半導体スイッチング素子の駆動条件を変えてより低損失なスイッチング条件に変更したり、それでも不可能な場合は、車両の加速値を低減する。
【００１６】
以上のように、本発明では、順次各装置の許容値と現状値の比較を実施し、その差（余力値）が各装置で同等となるように、各制御装置への制御量を配分する。
尚、より詳細な構成や手段は、次に示す詳細な説明で明らかになる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１に本発明のシステムの構成図、図２に処理フローチャートを示す。尚、本発明は、少なくとも一つの中央処理装置S13と２つ以上の複数の装置S14から構成される。
【００１８】
図１（ｂ）のように、中央装置Ｓ１３は、少なくともメモリＳ１７、処理装置Ｓ１８、および入出力装置Ｓ１９からなる。また、図１（ｃ）のように、装置Ｓ１４は、入出力装置Ｓ１１０、センサーＳ１１１、および駆動装置Ｓ１１２からなる。装置Ｓ１４には、装置の状態を読み取るセンサーＳ１１１が取り付けられ、装置Ａ１４の状態を検出する。検出された装置状態情報Ｓ１５は入出力装置Ｓ１１０を通り、ネットワーク等の通信路を使用して中央処理装置Ｓ１３へ送られる。
【００１９】
中央処理装置S13は、入出力装置S19を通して装置状態情報S15を受け取り、処理の後、各装置が必要な分割出力指令S16を伝送する。中央処理装置S13では、システムとして必要な総出力指令S11を各装置へ振り分ける分割処理を実施するが、このとき総出力指令S11を各装置からの装置状態情報S15に応じて分割する。
【００２０】
図２のフローチャートを用いて、中央処理装置S13で実施する総出力指令S11の分割処理をより具体的に説明する。
【００２１】
総出力指令の入手処理S21と各装置の状態情報入手処理S15を実施し、各装置の許容値と状態情報S15との差（状態余力Ｓ）をもとめる。総出力指令の更新判定処理S24を実施し、更新がない場合はさらに状態余力Sのばらつき幅ΔＳの判定処理S25を実施し、ばらつき幅が許容値ΔS以下である場合は、総合出力指令の入手処理S21へ戻る。
【００２２】
総出力指令が更新されたとき、および総ての装置で状態余力SのばらつきがΔS以下にならないときは、各装置の状態余力Sが均等になるような総出力指令S11の分割処理S27を実施して分割出力指令を求める。引き続き、状態余力Sの判定処理S29を実施し、総ての装置で状態余力Sが０以上である場合は、分割出力指令の伝送処理S213により、分割出力指令S16を各装置へ伝送し、総合出力指令の入手処理S21へ戻る。
【００２３】
状態余力Sの判定処理S29で、総ての装置で状態余力Sが０以下にならない場合は、総ての装置で状態余力が０以下になる条件の導出処理S210を実施し、条件がある場合は、総ての装置で状態余力Sが０以下となる分割条件の作成処理S212を行い、結果を各装置へ伝送して、再び総合出力指令の入手処理S21へ戻る。導出処理S210で、総ての装置で状態余力Sが０以下になる条件が見つからない場合は、状態余力Sを増加させる制御条件の導出処理S211を実施し、制御条件がある場合は、状態余力Sの増加処理S28をした後、状態余力の判定処理S29へ戻る。状態余力Sの増加条件が見つからない場合は、総出力指令の低減処理S26を実施した後、状態余力の分割処理S27へ戻る。
【００２４】
上記の処理により得られる効果を、より具体的に説明する。本発明では各装置の許容値と現状値の差を状態余力とし、システムとして必要な制御量を、状態余力が規定されたばらつきの範囲で、かつ現状値が許容値を超えないように振り分ける制御をしている。例えばインバータの温度制御に、この制御方法を適用すると次のような効果が得られる。インバータに使用される半導体素子の許容温度は125℃で、これ以下で使用するように規定されている。
【００２５】
そこで、許容温度を125℃とする。電車のように全長300mにも及ぶシステムの場合、通常３から４台程度のインバータが設置されている。インバータの冷却は、風冷がほとんどで、冷却効率は自然界の風や、電車が走行する周辺の構造に大きな影響を受ける。そにため、同じパワーを各インバータに出力するように指示しても総てのインバータの温度が同じになることはない。インバータの損失は高温ほど大きくなるから、温度が違っているにもかかわらず同じパワーを出すように指示すると、全体での損失が増加してしまう。また、風が当たらないような状況が発生した場合、高温になりインバータが破壊するといった問題が発生する。
【００２６】
これに対し、本発明では、許容温度と現状温度との差が、規定の温度差以下になるよう制御される。そのため、総てのインバータの温度が平準化され、損失を低減することが可能である。また、温度が許容値125℃を越えないようにも制御されるため、インバータが破壊することはない。
【００２７】
図３と図４は、位置情報検出機能が加わった場合の発明である。図１と異なる点は、位置情報入力S31が中央処理装置S13へ入力される点だけである。図４のフローチャートを説明することで、本発明を具体的に説明する。
【００２８】
まず、位置情報と総出力指令の入手処理S41を実施する。次に、位置情報を元にあらかじめ準備しておいた各装置への出力分割パターンと制御条件の読み出し処理S42を実行する。その後、各装置の状態データ入手処理S43、各装置の状態余力Sの計算S44を実施する。
【００２９】
引き続き、総出力指令の変更判定処理S46を実施し、変更があった場合は、総出力指令を各装置への分割パターンで振り分ける分割処理S45と分割結果を各装置へ指示する伝送処理S47を実施した後、状態余力Sのばらつき判定処理S48へ移る。総出力指令の更新判定処理S46で更新がないときは、前記S45とS47の処理をしないで、状態余力Sのばらつき判定処理S48へ移行する。
【００３０】
ばらつき判定処理S48で、ばらつきは規定値ΔS以下であれば、状態余力Sが０以上であるかの判定処理S412へ移り、ばらつき判定処理S48でばらつきがΔS以上であった場合は、各装置の状態余力Sが均等になるように分割出力指令の配分調整処理S411を実施した後、状態余力Sの判定処理S412へ移行する。状態余力Sの判定処理S412で、総ての装置で状態余力Sが０以上である場合は、位置情報と総出力指令の入手処理S41へ戻り、０より小さい場合は、総ての装置で状態余力Sを０以上にする総出力指令の分割方法があるかの判定処理S413を実施する。
【００３１】
分割方法の判定処理S413で、分割方法がある場合は、総ての装置で状態余力Sを０以上にする総出力指令の分割処理S415、引き続き分割結果を各装置への伝送処理S416を実施した後、位置情報と総出力指令の入手処理S41へ戻る。
【００３２】
総出力指令の分割方法判定処理S413で状態余力Sを０以上にする分割方法がない場合は、状態余力Sを増加する制御条件の抽出処理S414を実施し、状態余力Sを増加する制御条件がある場合は、状態余力Sを増加させる制御条件の変更処理S410を実施した後、状態余力Sの分割処理S411へもどる。制御条件の抽出処理S414で状態余力Sを増加させる方法が見いだせない場合は、総出力指令の低減処理S49をした後、状態余力Sの分割処理S411へ戻る。
【００３３】
位置情報入力Ｓ１１があると次のようなメリットがあり。鉄道車両は、ほとんどの場合、運転する路線が決められており、走行時に必要とされる各装置の制御量は事前に分かっている。そのため、運転時の状態余力ＳやそのばらつきΔＳは、運転時に、同じ傾向で変化することが多い。
【００３４】
そこで、平均的な運転パターンを元に、状態余力SのばらつきΔSが規定値以下で、状態余力Sが０を越えないような総出力指令の分割値をあらかじめ準備しておき、これを使用して運行すれば、総出力指令の分割処理の回数を低減することができる。
【００３５】
次に、位置情報検出機能が加わった場合の更に異なる発明のフローを説明する。
【００３６】
位置情報と総出力指令の入手処理、各装置の状態データ入手処理、各装置の状態余力Ｓの計算を実施する。次に、位置情報の更新判定処理を実施し、位置情報が更新された場合は、位置情報を応じた今後の総出力指令動向の読み出し処理をおこなう。
【００３７】
引き続き、現状態と今後の総出力指令動向から状態余力Ｓが目的の制御状態になる予測分割出力パターンの生成処理を実施した後、総合出力指令の更新判定処理へ移行する。総出力指令の更新判定処理で変更がないときは、今後の総出力指令動向の読み出し処理と予測分割出力パターンの生成処理を実施せずに総合出力指令の更新判定処理へ移行する。総合出力指令の更新判定処理で、総出力指令に変更がある場合は、予測分割出力パターンの生成処理で導出した予測分割出力パターンで総出力指令を分割する分割処理および分割結果を各装置へ指示する伝送処理を実施し、その後、状態余力Ｓのばらつき判定処理へ移る。
【００３８】
総出力指令の更新判定処理で更新がないときは、前記分割処理と伝送処理の処理をせず、状態余力Ｓのばらつき判定処理へ移行する。ばらつき判定処理で、ばらつきが規定値ΔＳ以下であれば、状態余力Ｓが０以上であるかの判定処理へ移る。
【００３９】
ばらつき判定処理でばらつきがΔＳ以上であった場合は、各装置の状態余力Ｓが均等になるように分割出力指令の配分調整処理を実施した後、状態余力Ｓの判定処理へ移行する。状態余力Ｓの判定処理で、総ての装置で状態余力Ｓが０以上である場合は、位置情報と総出力指令の入手処理へ戻り、０より小さい場合は、総ての装置で状態余力Ｓを０以上にする総出力指令の分割方法があるかの判定処理を実施する。
【００４０】
分割方法の判定処理で、分割方法がある場合は、総ての装置で状態余力Ｓを０以上にする総出力指令の分割処理、引き続き分割結果を各装置への伝送処理を実施した後、位置情報と総出力指令の入手処理へ戻る。総出力指令の分割方法判定処理で状態余力Ｓを０以上にする分割方法がない場合は、状態余力Ｓを増加する制御条件の抽出処理を実施する。
【００４１】
状態余力Ｓを増加する制御条件の抽出処理で、状態余力Ｓを増加する制御条件がある場合は、状態余力Ｓを増加させる制御条件の変更処理を実施した後、分割出力指令の配分調整処理へもどる。制御条件の抽出処理で状態余力Ｓを増加させる方法が見いだせない場合は、総出力指令の低減処理を実施した後、分割出力指令の配分調整処理へ戻る。
【００４２】
このような処理フローでは、位置情報をもとに将来の総出力司令の動向を予測し、さらに各装置の現在の状態と予測した総出力司令の動向から、目的を達成するための分割出力パターンを導出する処理が加えられている。鉄道車両は、ほとんどの場合、運転する路線が決められており、走行時に必要とされる各装置の制御量は事前が分かっているが、各装置は周辺環境の影響を受けるため、必ず同じ状態とは限らない。
【００４３】
そのため、平均的な運転パターンで、事前に求めた総出力指令の分割出力パターンで運転すると、状態余力Ｓが目的の範囲からはずれることが多くなる。本実施例では、現状態から将来を予測する処理を含んでおり、総出力指令の分割処理を大幅に低減することが可能である。
【００４４】
図５は、鉄道車両における応用例である。中央処理装置と中継装置はネットワークでつながり、また各装置には複数のネットワークがつながっている。なお、ネットワークは、図５の構成に限定される必要はなく総ての装置が一本のネットワークに従属的につながった構成でもよい。ネットワークには補助電源、負荷、駆動装置等が、それぞれ複数接続される。また運転手が使用する運転制御装置もネットワークで接続される。
【００４５】
さらに、電車の状態を駅や運転管理装置などへ伝送するための車上情報伝送装置も接続される。中央処理装置は、運転装置からは総出力指令、駆動装置、負荷、駆動装置等からは、装置情報を受け取る。その一方、中央処理装置からは、総出力指令と装置情報を元に作成された分割出力指令を各装置へ伝送する。また、車上情報伝送装置を設けて、電車の制御状態を外部へ伝送し、運行管理システムや鉄道保守システムで利用することも可能である。
【００４６】
駆動装置の制御では、次のように行う。中央処理装置で、駆動装置からの装置情報をもとに各装置の許容値と現状値の差（状態余力Ｓ）計算する。次に、状態余力Sの大小に応じて、運転制御装置からの総出力指令を振り分け、各装置へ伝送する。その結果、状態余力Ｓのばらつきや状態余力Ｓが負になることを防止できる。温度制御を例に取ると、各装置の温度が均一になるとともに、温度が許容値を超えて駆動装置が破壊するのを未然に防止できる。
【００４７】
図６は、位置検知装置が付加された時の構成である。尚、図が複雑になるため、一部の装置は、図示していない。中央処理装置は、総出力指令や装置情報に加え、位置情報もネットワークを介して入手する。鉄道車両の場合、決まったルートを運転されるため、各装置の平均的な状態余力Ｓの変化が推定できる。したがって、位置情報をもとに、あらかじめ準備した総出力指令の分割方法を初期値とすると、状態余力Ｓを目的の範囲に設定する処理回数が低減でき、高速な制御が達成できる。
【００４８】
図７は、図６で示した位置検知装置のより具体的な構成を示している。演算装置にはアンテナ、速度検知器、検知器が接続される。アンテナは、例えば自動車で幅広く使用されているGPS（Global Positioning System）のアンテナである。また、速度検知器を用いてアンテナで得られた位置情報を補正することでより高精度な位置検出が可能となる。また、電車は、決まった軌道上を走行する。そのため、軌道上に地上子を設け、電車上で検知器を使用して検知することで、位置情報を得ることができる。これらの検出装置は個々に使用してもよいが、総合して処理することで、高精度な位置検知が達成できる。
【００４９】
図８は、図５、図６で示した鉄道車両の駆動装置の更に詳細な構成図である。駆動装置は、駆動制御回路221、ゲート回路224、スイッチング素子M、および動力装置81からなり、ネットワークを通して、分割出力指令S16が駆動制御回路221とゲート回路224へ伝送される。また駆動制御回路221、ゲート回路224、スイッチング素子M、動力装置81からは、各装置の状態情報S15がネットワークを通して出力される。
【００５０】
駆動制御回路221は、分割出力指令S16に基づき必要なパワーが得られるようにゲート回路224にPWM（Pulse Width Modulation）信号を出力する。ゲート回路224はPWM信号に基づきゲート信号をスイッチング素子Mに出力し、スイッチング素子Mをオン、オフする。ここで電流が流れるときがオン、流れないときがオフである。スイッチング素子Mのオン・オフにより、断続的な電圧が駆動装置81へ印加され、断続的な電圧の基本波（平均値）により駆動装置81からの出力が制御される。
【００５１】
スイッチング素子Mでは、素子の温度、電流、電圧などが検出され、ゲート回路224やネットワークを通して中央処理装置S13へ伝送される。ここで温度、電流、電圧の読み取りは、スイッチング素子Mに検出部と読み取り回路の両方を設ける方法、スイッチング素子Mに検出部、ゲート回路224に読み取り回路を設ける方法など、いくつかの構成構成が考えられる。また、読み取り部を駆動制御回路部221に設けても良い。ゲート回路224では、ゲート回路の電源や電圧、ゲート回路224の出力電圧等の情報が読み取られる。駆動制御回路221では、動力装置81の電流、スイッチング素子Mに加わる電源や電圧、等が検出の対象となる。
【００５２】
図９は、図８で説明した駆動装置81のさらに詳細な構成図、また図10は図9の等価回路である。スイッチング素子Mの構造は、次のようになっている。金属製のヒートシンク板211の上には絶縁板2９が設けられ、さらにその上には金属板25が設けられる。金属板25の上には、IGBTチップおよびダイオードチップDFが配置される。IGBTチップのコレクタ電極とダイオードチップDFのカソード電極は、共に金属板25を介してコレクタ端子Cに接続される。
【００５３】
また、配線28によりIGBTチップのエミッタ電極とダイオードチップDFのアノード電極は共にエミッタ電極板24を通してエミッタ端子Emに接続されている。センス用のエミッタ端子Esはエミッタ端子版に接続されている。エミッタ端子Emは主電流を通電するための端子である。一方、センス用のエミッタ端子Esは、IGBTのゲートを制御する電流を通電するために使用する端子で、通常は主電流を通電しない。
【００５４】
ゲート端子Gはゲート電極板210を通してIGBTチップのゲート電極に接続される。以上の構成がプラスチックパッケージ212に内蔵され、各端子はプラスチックパッケージ212の外部に取り出されている。そして、スイッチング素子Mは放熱性に優れた金属製の冷却装置230へ固定される。温度センサー21は、冷却装置230、あるいはスイッチング素子Mの金属板25上に設置されている。
【００５５】
スイッチング素子Mのコレクタ端子Cとエミッタ端子Emの間には、直流電源23とスイッチング素子Mの直列回路が接続されている。エミッタ端子Emと電源の間には電流のセンサー22が、電流検出器22には電流電流検出器222が、コレクタ端子Cとエミッタ端子Emの間には電圧検出器223が、温度センサー21は温度検出器225が接続されている。
【００５６】
電流検出器222、電圧検出器223、温度検出器225の出力は、駆動制御回路221へ接続されている。尚、電流検出器222、電圧検出器223、温度検出器225の出力は、ゲート回路に接続され、ゲート回路を通して各情報が駆動制御回路221へ伝送される構成でも良い。ゲート端子Gとセンス用のエミッタ端子Esの間にはゲート回路224が接続され、さらにゲート回路224は駆動制御回路221へ接続されている。また、駆動制御回路221は、ネットワークを介して、装置状態情報S15と分割出力指令S16の伝送を行う。
【００５７】
温度センサー21は、IGBTチップなどの近くへ設ける方が望ましいが、ヒートシンク230上であってもよい。IGBTの最大許容温度は、通常125℃と通常スイッチング素子の構造物の中で最も低い温度に制限されている。したがって、スイッチング素子の温度監視とはIGBTチップの温度を監視するのが目的である。温度センサーをヒートシンク上230上に設置すると、IGBTチップと金属板25、金属板25と絶縁板29、絶縁板29とヒートシンク板211、ヒートシンク板211と冷却装置230の接触面の４つの接触面が介在する。
【００５８】
そのため、IGBTチップの温度を各部材の熱抵抗を見積もる場合の誤差が大きくなる。また、IGBTチップ上にポリシリコン等の材料で温度センサーを作り込み、温度を検出する方法もある。この場所は、IGBTチップ温度高精度に測定する上で最も好ましい設置場所である。
図１０は図９の等価回路であり説明を省略する。
【００５９】
本発明の処理により、スイッチング素子の損失が低減できると先に述べた。次に、損失低減の原理を詳細に説明する。図１１(a)はインバータ回路の主要構成で、各スイッチング素子がオン、オフ動作をすることで、動力装置81（ここではモータ）の制御を行う。スイッチング素子Mのゲート端子G、センス用のエミッタ端子Esには制御回路が接続される。スイッチング素子Mとゲート回路からなる回路は二つ直列に接続され、三相インバータの一相を構成する。さらに三並列に接続され三相インバータが構成される。直列回路の一方と他方の端子間には直流電源が接続される。スイッチング素子Mが直列に接続された、中間の接続点は三相誘導電動機に接続される。ゲート回路はさらに、上位の制御回路へ接続される。
【００６０】
さて、本回路でスイッチング素子Mのスイッチング動作を行うと損失が発生する。図１１(b)は、損失発生の原理を説明するもので、スイッチング素子のターンオフ時の電流と電圧の波形を示している。スイッチング素子に流れていた電流を遮断するとき、電流が流れながら電圧が印加される期間が発生する。したがって、電流と電圧の積、つまり損失が発生する。損失は、スイッチング毎に発生する。そのため、スイッチング損失はスイッチング周波数に比例して増加することになる。図１１(d)はこの関係を示している。
【００６１】
図１１(c)はスイッチング素子の出力特性で、コレクタ電圧Vcとコレクタ電流Icの関係を示している。コレクタ電流Icが流れるとコレクタ電圧Vcが発生するために損失が発生する。
【００６２】
図１１(c)と(d)の関係から明らかなように、損失は、スイッチング素子の通電電流やスイッチング周波数によって変化する。この効果を利用すれば、図２のフローチャートの処理211やS26が実現できることが分かる。つまり、コレクタ電流Icを低減するとインバータの出力が低下するが、スイッチング周波数を低減するだけなら、出力を低減することなく損失を低減できる。したがって、処理S211は、少なくともスイッチング周波数を低減すれば達成できることが分かる。出力を低減することなく損失を低減する方法としては、スイッチング時のコレクタ電圧Vcやコレクタ電流Icの変化を急激にする方法などもある。
【００６３】
また、総出力指令の低減処理S26は、出力を低減すること、つまり電流を低減することで達成できることは、図１１(c)から明らかである。
図１２はコレクタ電圧と電流の実測で、温度をパラメータとしている。尚、説明の都合上、温度２５℃電流100Aの時のコレクタ電圧で規格化している。また図１３はスイッチング損失と電流の実測値で、温度25℃100Aの時の損失で規格化している。尚、測定に使用したスイッチング素子は、耐圧3.3kV定格電流1200AのIGBT素子である。コレクタ電圧は電流が大きく、また温度が高いほど大きくなる。この関係は、スイッチング損失でも同様である。
【００６４】
したがって、スイッチング素子は、温度が低い状態で使用する方が、より低損失であることが分かる。鉄道車両のように、複数のインバータで並列運転している場合、総てのインバータが同じ温度になることはない。温度が高くなったインバータの出力を低減し、その分を温度の低いインバータに分担させれば、車両のパワーを変えずに損失を低減できる。
【００６５】
【発明の効果】
以上ように、複数の装置が協調し合って一つの機能を実現する装置では、各装置の状態を常時監視して、装置の状態を均一に保つことで、装置全体としての機能を低下させることなく、高性能な運転を達成することができる。
【００６６】
インバータは高温になるほど多くの損失を発生する。高温なインバータの出力を抑制し、温度の低いインバータへ抑制分を負担させることで、各インバータの温度を均一にできると共に、装置全体のエネルギー変換効率を改善することができる。また、各装置の空転を監視し、空転が発生した駆動装置の出力を低減し、低減分を空転していない駆動装置へ振り分けることで、装置全体の加速性能を低減することのない鉄道車両を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例であるシステムの構成図。
【図２】本発明の第１の実施例の制御フローチャート。
【図３】本発明の第２の実施例である位置情報管理機能付きシステム構成図。
【図４】本発明の第２の実施例のフローチャート。
【図５】本発明の第３の実施例である鉄道車両へ応用した時のシステム構成図。
【図６】本発明の第４の実施例である位置情報管理機能付き鉄道車両システムの構成図。
【図７】位置検知装置の構成図。
【図８】駆動装置の構成図。
【図９】駆動装置の詳細な構成図。
【図１０】駆動装置の概略回路構成とスイッチング損失の低減原理を説明するための図。
【図１１】スイッチング素子の出力特性図。
【図１２】スイッチング損失の電流依存性を示す図。
【図１３】スイッチング損失の実測特性図。
【符号の説明】
Ｓ１１：総出力指令、Ｓ１２：システム状態通知、Ｓ１３：中央処理装置、Ｓ１４装置、Ｓ１５：装置状態情報、Ｓ１６：分割出力指令、Ｓ３１：位置情報、Ｓ：各装置の状態余力、ΔＳ：状態余力Ｓのばらつき許容値、２２１：駆動制御回路、２２４：ゲート回路、Ｍ：スイッチング素子、８１：動力装置、２２２：電流検出器、２２３：電圧検出器、２２５：温度検出器、２２：電流センサー、２５：温度センサー
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄道車両の駆動装置のように、複数の動力装置で、一つの目的動作を達成する列車運転制御システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
鉄道車両、あるいは航空機などは、並列接続された複数の動力装置を同時に動作することで、走行あるいは飛行している。たとえば、鉄道車両は、数両から十数両の車両が接続され、その中に通常３から４つのインバータ駆動装置、さらに各インバータ装置に２あるいは４つにモータが並列に接続された構成となっている。各インバータ装置は、先頭車両にある運転装置からのトルク指令を受け取り、モータのトルクが指令値と一致するように、モータ電流を制御している。
【０００３】
従来、鉄道車両の運行は、次のように行われている。運転装置からは各インバータへトルク指令が伝送されるが、各インバータへのトルク指令の分担にはいくつかの工夫が実施されている。鉄道は、鉄で作成された車輪とレールで加減速して運行する。鉄の摩擦係数は小さいため、車輪は空転しやすい状態にある。また、鉄の摩擦力は、表面状態や加重の大小により大きく変化し、降雨時の雨やさびの影響を受ける。
【０００４】
先頭車両は、レール面の影響を特に受けやすく、空転が発生しやすい。そのため、先頭車両のトルクは、後続車両のトルク値の80から90%になるようにあらかじめ低く設定される。また、摩擦力は車輪とレールの接触面にかかる加重に比例する。
【０００５】
このため、乗車人数が少ない車両は、トルク値を低減して空転を防止する等の処置が施されている。そして、仮に空転などの問題が発生した場合、各装置は独自にトルク量を低減して、空転を防止し、時間と共に規定のトルク量に戻す処置が行われている。
【０００６】
また、インバータは電流を流すときに発生する導通損失と電流をスイッチングするときに発生するスイッチング損失により発熱する。インバータ内のスイッチング素子が設計値以上の高温になると熱により破壊にいたる。このため、車両が走行する路線での運行パターンや素子の電気的特性から、素子の温度上昇を事前に見積もり、最悪条件下でも破壊に至らないようにスイッチング素子の電気特性や冷却装置の冷却性能を設計している。この時、冷却装置に風が全く当たらない、乗車率が最大であるなど、想定できる最も過酷な条件でシステムを設計している。
【０００７】
鉄道車両の駆動方法に類似のシステムとして自動車がある。自動車では一つの動力源からの出力を機械的な動力配分装置で、各タイヤへの駆動量を路面の状況に応じ最適に配分して運転性能の向上を図っている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、複数の動力源が並列に接続されたシステムを対象としている。したがって、自動車のように動力源が一つで、駆動力を伝達する伝達装置の伝達係数を調整することで走行するシステムは、対象外である。
さて、従来の鉄道システムは、実測で得られたデータから最悪条件を想定し、最悪条件でも破壊などの問題が発生しないように設計される。また、仮に問題が発生したときでも各装置単体で問題を解決するように作られている。しかし、各装置単体で独自に解決するシステムには、いくつかの問題点が発生する。
【０００９】
例えば、空転現象では以下のような問題が発生する。空転を防止するためにはトルク量を低減して空転を止め、再び規定のトルクへ戻すことが行われている。しかし、各装置が独自に実施するため、空転時が発生すると車両全体の加速性能が低下することになる。
【００１０】
また、インバータの発熱では、以下のような問題が発生する。近年のインバータには半導体で作成されたスイッチング素子が使用されている。半導スイッチング素子は、温度が高いほど損失が多くなるため、低い温度で使用することが望ましい。車両のように全長300mにもなる巨大なシステムでは、自然風や降雨などの環境条件によりインバータ装置の温度が同じになることはない。各装置を同じトルク指令で運行すると、温度の高いインバータは多くの損失を発生して更に高温になるため、エネルギー変換効率の低下を招くことになる。
【００１１】
本発明はこれらの問題を防止するもので、システムとしての性能低下を最小限に抑制するものである。例えば、鉄道車両での空転の場合は、車両全体の加速度の低下を防止する。また、インバータの損失ではエネルギー変換効率を最大にする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
これらの問題を解決するため、本発明は、各装置に装置の状態を監視する監視機能、監視機能の情報を伝送する通信ネットワーク、さらには各装置へ制御情報を最適配分する中央処理装置からなる。
【００１３】
各装置に設置された監視装置は、各装置からの情報を読み取り通信ネットワークを使用して、中央処理装置へ伝送する。中央処理装置では、各装置の許容性能と監視装置から送られた現状値との差をとり、この差があらかじめ規定した制限値以下になるように、各装置への制御量を調整する。また、各装置の現状値が許容性能を越えた場合は該当装置の制御量を低減し、低減分を他の装置へ振り分けて各装置の制御量を調整する。調整された制御量は、ネットワークを使用して各装置へ伝送され、各装置は、中央処理装置からの制御量に基づき動作する。ここで、各装置の許容性能は、事前の実測で得られたデータとしても、また各監視装置から伝送されてくる情報で更新する事も可能である。
【００１４】
空転制御の場合は、次のように処理する。各インバータのトルク状況と空転状況を、周期的にネットワークを通して中央処理装置へ伝送する。端末から、空転発生の連絡を受けた場合、中央装置は直ちに空転防止のため当該インバータのトルク量を低減するとともに、低減分を他の装置へ割り当て伝送する。この時、割り当てられた装置で空転が発生しないように、各装置で空転が発生する最大トルク値以下になるように振り分ける。空転が発生する最大トルク値は、事前に実測により準備した最大トルクを使用するが、線路状況や周囲環境を考慮したデータとすることで、少ない処理でより的確な配分が可能となる。また、空転の発生状況により、最大トルク値を順次更新しても良い。
【００１５】
また、インバータの温度制御の場合は、次のように実施する。各インバータの半導体スイッチング素子の温度を順次測定し、ネットワークを通して中央処理装置へ伝送する。中央処理装置では温度の高いインバータのトルク量を低減して温度の低いインバータへ振り分け、各インバータの温度が均一になるようにトルク量を配分する。予定加速性能を得るためのトルク配分ができない場合は、半導体スイッチング素子の駆動条件を変えてより低損失なスイッチング条件に変更したり、それでも不可能な場合は、車両の加速値を低減する。
【００１６】
以上のように、本発明では、順次各装置の許容値と現状値の比較を実施し、その差（余力値）が各装置で同等となるように、各制御装置への制御量を配分する。
尚、より詳細な構成や手段は、次に示す詳細な説明で明らかになる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１に本発明のシステムの構成図、図２に処理フローチャートを示す。尚、本発明は、少なくとも一つの中央処理装置S13と２つ以上の複数の装置S14から構成される。
【００１８】
図１（ｂ）のように、中央装置Ｓ１３は、少なくともメモリＳ１７、処理装置Ｓ１８、および入出力装置Ｓ１９からなる。また、図１（ｃ）のように、装置Ｓ１４は、入出力装置Ｓ１１０、センサーＳ１１１、および駆動装置Ｓ１１２からなる。装置Ｓ１４には、装置の状態を読み取るセンサーＳ１１１が取り付けられ、装置Ａ１４の状態を検出する。検出された装置状態情報Ｓ１５は入出力装置Ｓ１１０を通り、ネットワーク等の通信路を使用して中央処理装置Ｓ１３へ送られる。
【００１９】
中央処理装置S13は、入出力装置S19を通して装置状態情報S15を受け取り、処理の後、各装置が必要な分割出力指令S16を伝送する。中央処理装置S13では、システムとして必要な総出力指令S11を各装置へ振り分ける分割処理を実施するが、このとき総出力指令S11を各装置からの装置状態情報S15に応じて分割する。
【００２０】
図２のフローチャートを用いて、中央処理装置S13で実施する総出力指令S11の分割処理をより具体的に説明する。
【００２１】
総出力指令の入手処理S21と各装置の状態情報入手処理S15を実施し、各装置の許容値と状態情報S15との差（状態余力Ｓ）をもとめる。総出力指令の更新判定処理S24を実施し、更新がない場合はさらに状態余力Sのばらつき幅ΔＳの判定処理S25を実施し、ばらつき幅が許容値ΔS以下である場合は、総合出力指令の入手処理S21へ戻る。
【００２２】
総出力指令が更新されたとき、および総ての装置で状態余力SのばらつきがΔS以下にならないときは、各装置の状態余力Sが均等になるような総出力指令S11の分割処理S27を実施して分割出力指令を求める。引き続き、状態余力Sの判定処理S29を実施し、総ての装置で状態余力Sが０以上である場合は、分割出力指令の伝送処理S213により、分割出力指令S16を各装置へ伝送し、総合出力指令の入手処理S21へ戻る。
【００２３】
状態余力Sの判定処理S29で、総ての装置で状態余力Sが０以下にならない場合は、総ての装置で状態余力が０以下になる条件の導出処理S210を実施し、条件がある場合は、総ての装置で状態余力Sが０以下となる分割条件の作成処理S212を行い、結果を各装置へ伝送して、再び総合出力指令の入手処理S21へ戻る。導出処理S210で、総ての装置で状態余力Sが０以下になる条件が見つからない場合は、状態余力Sを増加させる制御条件の導出処理S211を実施し、制御条件がある場合は、状態余力Sの増加処理S28をした後、状態余力の判定処理S29へ戻る。状態余力Sの増加条件が見つからない場合は、総出力指令の低減処理S26を実施した後、状態余力の分割処理S27へ戻る。
【００２４】
上記の処理により得られる効果を、より具体的に説明する。本発明では各装置の許容値と現状値の差を状態余力とし、システムとして必要な制御量を、状態余力が規定されたばらつきの範囲で、かつ現状値が許容値を超えないように振り分ける制御をしている。例えばインバータの温度制御に、この制御方法を適用すると次のような効果が得られる。インバータに使用される半導体素子の許容温度は125℃で、これ以下で使用するように規定されている。
【００２５】
そこで、許容温度を125℃とする。電車のように全長300mにも及ぶシステムの場合、通常３から４台程度のインバータが設置されている。インバータの冷却は、風冷がほとんどで、冷却効率は自然界の風や、電車が走行する周辺の構造に大きな影響を受ける。そにため、同じパワーを各インバータに出力するように指示しても総てのインバータの温度が同じになることはない。インバータの損失は高温ほど大きくなるから、温度が違っているにもかかわらず同じパワーを出すように指示すると、全体での損失が増加してしまう。また、風が当たらないような状況が発生した場合、高温になりインバータが破壊するといった問題が発生する。
【００２６】
これに対し、本発明では、許容温度と現状温度との差が、規定の温度差以下になるよう制御される。そのため、総てのインバータの温度が平準化され、損失を低減することが可能である。また、温度が許容値125℃を越えないようにも制御されるため、インバータが破壊することはない。
【００２７】
図３と図４は、位置情報検出機能が加わった場合の発明である。図１と異なる点は、位置情報入力S31が中央処理装置S13へ入力される点だけである。図４のフローチャートを説明することで、本発明を具体的に説明する。
【００２８】
まず、位置情報と総出力指令の入手処理S41を実施する。次に、位置情報を元にあらかじめ準備しておいた各装置への出力分割パターンと制御条件の読み出し処理S42を実行する。その後、各装置の状態データ入手処理S43、各装置の状態余力Sの計算S44を実施する。
【００２９】
引き続き、総出力指令の変更判定処理S46を実施し、変更があった場合は、総出力指令を各装置への分割パターンで振り分ける分割処理S45と分割結果を各装置へ指示する伝送処理S47を実施した後、状態余力Sのばらつき判定処理S48へ移る。総出力指令の更新判定処理S46で更新がないときは、前記S45とS47の処理をしないで、状態余力Sのばらつき判定処理S48へ移行する。
【００３０】
ばらつき判定処理S48で、ばらつきは規定値ΔS以下であれば、状態余力Sが０以上であるかの判定処理S412へ移り、ばらつき判定処理S48でばらつきがΔS以上であった場合は、各装置の状態余力Sが均等になるように分割出力指令の配分調整処理S411を実施した後、状態余力Sの判定処理S412へ移行する。状態余力Sの判定処理S412で、総ての装置で状態余力Sが０以上である場合は、位置情報と総出力指令の入手処理S41へ戻り、０より小さい場合は、総ての装置で状態余力Sを０以上にする総出力指令の分割方法があるかの判定処理S413を実施する。
【００３１】
分割方法の判定処理S413で、分割方法がある場合は、総ての装置で状態余力Sを０以上にする総出力指令の分割処理S415、引き続き分割結果を各装置への伝送処理S416を実施した後、位置情報と総出力指令の入手処理S41へ戻る。
【００３２】
総出力指令の分割方法判定処理S413で状態余力Sを０以上にする分割方法がない場合は、状態余力Sを増加する制御条件の抽出処理S414を実施し、状態余力Sを増加する制御条件がある場合は、状態余力Sを増加させる制御条件の変更処理S410を実施した後、状態余力Sの分割処理S411へもどる。制御条件の抽出処理S414で状態余力Sを増加させる方法が見いだせない場合は、総出力指令の低減処理S49をした後、状態余力Sの分割処理S411へ戻る。
【００３３】
位置情報入力Ｓ１１があると次のようなメリットがあり。鉄道車両は、ほとんどの場合、運転する路線が決められており、走行時に必要とされる各装置の制御量は事前に分かっている。そのため、運転時の状態余力ＳやそのばらつきΔＳは、運転時に、同じ傾向で変化することが多い。
【００３４】
そこで、平均的な運転パターンを元に、状態余力SのばらつきΔSが規定値以下で、状態余力Sが０を越えないような総出力指令の分割値をあらかじめ準備しておき、これを使用して運行すれば、総出力指令の分割処理の回数を低減することができる。
【００３５】
次に、位置情報検出機能が加わった場合の更に異なる発明のフローを説明する。
【００３６】
位置情報と総出力指令の入手処理、各装置の状態データ入手処理、各装置の状態余力Ｓの計算を実施する。次に、位置情報の更新判定処理を実施し、位置情報が更新された場合は、位置情報を応じた今後の総出力指令動向の読み出し処理をおこなう。
【００３７】
引き続き、現状態と今後の総出力指令動向から状態余力Ｓが目的の制御状態になる予測分割出力パターンの生成処理を実施した後、総合出力指令の更新判定処理へ移行する。総出力指令の更新判定処理で変更がないときは、今後の総出力指令動向の読み出し処理と予測分割出力パターンの生成処理を実施せずに総合出力指令の更新判定処理へ移行する。総合出力指令の更新判定処理で、総出力指令に変更がある場合は、予測分割出力パターンの生成処理で導出した予測分割出力パターンで総出力指令を分割する分割処理および分割結果を各装置へ指示する伝送処理を実施し、その後、状態余力Ｓのばらつき判定処理へ移る。
【００３８】
総出力指令の更新判定処理で更新がないときは、前記分割処理と伝送処理の処理をせず、状態余力Ｓのばらつき判定処理へ移行する。ばらつき判定処理で、ばらつきが規定値ΔＳ以下であれば、状態余力Ｓが０以上であるかの判定処理へ移る。
【００３９】
ばらつき判定処理でばらつきがΔＳ以上であった場合は、各装置の状態余力Ｓが均等になるように分割出力指令の配分調整処理を実施した後、状態余力Ｓの判定処理へ移行する。状態余力Ｓの判定処理で、総ての装置で状態余力Ｓが０以上である場合は、位置情報と総出力指令の入手処理へ戻り、０より小さい場合は、総ての装置で状態余力Ｓを０以上にする総出力指令の分割方法があるかの判定処理を実施する。
【００４０】
分割方法の判定処理で、分割方法がある場合は、総ての装置で状態余力Ｓを０以上にする総出力指令の分割処理、引き続き分割結果を各装置への伝送処理を実施した後、位置情報と総出力指令の入手処理へ戻る。総出力指令の分割方法判定処理で状態余力Ｓを０以上にする分割方法がない場合は、状態余力Ｓを増加する制御条件の抽出処理を実施する。
【００４１】
状態余力Ｓを増加する制御条件の抽出処理で、状態余力Ｓを増加する制御条件がある場合は、状態余力Ｓを増加させる制御条件の変更処理を実施した後、分割出力指令の配分調整処理へもどる。制御条件の抽出処理で状態余力Ｓを増加させる方法が見いだせない場合は、総出力指令の低減処理を実施した後、分割出力指令の配分調整処理へ戻る。
【００４２】
このような処理フローでは、位置情報をもとに将来の総出力司令の動向を予測し、さらに各装置の現在の状態と予測した総出力司令の動向から、目的を達成するための分割出力パターンを導出する処理が加えられている。鉄道車両は、ほとんどの場合、運転する路線が決められており、走行時に必要とされる各装置の制御量は事前が分かっているが、各装置は周辺環境の影響を受けるため、必ず同じ状態とは限らない。
【００４３】
そのため、平均的な運転パターンで、事前に求めた総出力指令の分割出力パターンで運転すると、状態余力Ｓが目的の範囲からはずれることが多くなる。本実施例では、現状態から将来を予測する処理を含んでおり、総出力指令の分割処理を大幅に低減することが可能である。
【００４４】
図５は、鉄道車両における応用例である。中央処理装置と中継装置はネットワークでつながり、また各装置には複数のネットワークがつながっている。なお、ネットワークは、図５の構成に限定される必要はなく総ての装置が一本のネットワークに従属的につながった構成でもよい。ネットワークには補助電源、負荷、駆動装置等が、それぞれ複数接続される。また運転手が使用する運転制御装置もネットワークで接続される。
【００４５】
さらに、電車の状態を駅や運転管理装置などへ伝送するための車上情報伝送装置も接続される。中央処理装置は、運転装置からは総出力指令、駆動装置、負荷、駆動装置等からは、装置情報を受け取る。その一方、中央処理装置からは、総出力指令と装置情報を元に作成された分割出力指令を各装置へ伝送する。また、車上情報伝送装置を設けて、電車の制御状態を外部へ伝送し、運行管理システムや鉄道保守システムで利用することも可能である。
【００４６】
駆動装置の制御では、次のように行う。中央処理装置で、駆動装置からの装置情報をもとに各装置の許容値と現状値の差（状態余力Ｓ）計算する。次に、状態余力Sの大小に応じて、運転制御装置からの総出力指令を振り分け、各装置へ伝送する。その結果、状態余力Ｓのばらつきや状態余力Ｓが負になることを防止できる。温度制御を例に取ると、各装置の温度が均一になるとともに、温度が許容値を超えて駆動装置が破壊するのを未然に防止できる。
【００４７】
図６は、位置検知装置が付加された時の構成である。尚、図が複雑になるため、一部の装置は、図示していない。中央処理装置は、総出力指令や装置情報に加え、位置情報もネットワークを介して入手する。鉄道車両の場合、決まったルートを運転されるため、各装置の平均的な状態余力Ｓの変化が推定できる。したがって、位置情報をもとに、あらかじめ準備した総出力指令の分割方法を初期値とすると、状態余力Ｓを目的の範囲に設定する処理回数が低減でき、高速な制御が達成できる。
【００４８】
図７は、図６で示した位置検知装置のより具体的な構成を示している。演算装置にはアンテナ、速度検知器、検知器が接続される。アンテナは、例えば自動車で幅広く使用されているGPS（Global Positioning System）のアンテナである。また、速度検知器を用いてアンテナで得られた位置情報を補正することでより高精度な位置検出が可能となる。また、電車は、決まった軌道上を走行する。そのため、軌道上に地上子を設け、電車上で検知器を使用して検知することで、位置情報を得ることができる。これらの検出装置は個々に使用してもよいが、総合して処理することで、高精度な位置検知が達成できる。
【００４９】
図８は、図５、図６で示した鉄道車両の駆動装置の更に詳細な構成図である。駆動装置は、駆動制御回路221、ゲート回路224、スイッチング素子M、および動力装置81からなり、ネットワークを通して、分割出力指令S16が駆動制御回路221とゲート回路224へ伝送される。また駆動制御回路221、ゲート回路224、スイッチング素子M、動力装置81からは、各装置の状態情報S15がネットワークを通して出力される。
【００５０】
駆動制御回路221は、分割出力指令S16に基づき必要なパワーが得られるようにゲート回路224にPWM（Pulse Width Modulation）信号を出力する。ゲート回路224はPWM信号に基づきゲート信号をスイッチング素子Mに出力し、スイッチング素子Mをオン、オフする。ここで電流が流れるときがオン、流れないときがオフである。スイッチング素子Mのオン・オフにより、断続的な電圧が駆動装置81へ印加され、断続的な電圧の基本波（平均値）により駆動装置81からの出力が制御される。
【００５１】
スイッチング素子Mでは、素子の温度、電流、電圧などが検出され、ゲート回路224やネットワークを通して中央処理装置S13へ伝送される。ここで温度、電流、電圧の読み取りは、スイッチング素子Mに検出部と読み取り回路の両方を設ける方法、スイッチング素子Mに検出部、ゲート回路224に読み取り回路を設ける方法など、いくつかの構成構成が考えられる。また、読み取り部を駆動制御回路部221に設けても良い。ゲート回路224では、ゲート回路の電源や電圧、ゲート回路224の出力電圧等の情報が読み取られる。駆動制御回路221では、動力装置81の電流、スイッチング素子Mに加わる電源や電圧、等が検出の対象となる。
【００５２】
図９は、図８で説明した駆動装置81のさらに詳細な構成図、また図10は図9の等価回路である。スイッチング素子Mの構造は、次のようになっている。金属製のヒートシンク板211の上には絶縁板2９が設けられ、さらにその上には金属板25が設けられる。金属板25の上には、IGBTチップおよびダイオードチップDFが配置される。IGBTチップのコレクタ電極とダイオードチップDFのカソード電極は、共に金属板25を介してコレクタ端子Cに接続される。
【００５３】
また、配線28によりIGBTチップのエミッタ電極とダイオードチップDFのアノード電極は共にエミッタ電極板24を通してエミッタ端子Emに接続されている。センス用のエミッタ端子Esはエミッタ端子版に接続されている。エミッタ端子Emは主電流を通電するための端子である。一方、センス用のエミッタ端子Esは、IGBTのゲートを制御する電流を通電するために使用する端子で、通常は主電流を通電しない。
【００５４】
ゲート端子Gはゲート電極板210を通してIGBTチップのゲート電極に接続される。以上の構成がプラスチックパッケージ212に内蔵され、各端子はプラスチックパッケージ212の外部に取り出されている。そして、スイッチング素子Mは放熱性に優れた金属製の冷却装置230へ固定される。温度センサー21は、冷却装置230、あるいはスイッチング素子Mの金属板25上に設置されている。
【００５５】
スイッチング素子Mのコレクタ端子Cとエミッタ端子Emの間には、直流電源23とスイッチング素子Mの直列回路が接続されている。エミッタ端子Emと電源の間には電流のセンサー22が、電流検出器22には電流電流検出器222が、コレクタ端子Cとエミッタ端子Emの間には電圧検出器223が、温度センサー21は温度検出器225が接続されている。
【００５６】
電流検出器222、電圧検出器223、温度検出器225の出力は、駆動制御回路221へ接続されている。尚、電流検出器222、電圧検出器223、温度検出器225の出力は、ゲート回路に接続され、ゲート回路を通して各情報が駆動制御回路221へ伝送される構成でも良い。ゲート端子Gとセンス用のエミッタ端子Esの間にはゲート回路224が接続され、さらにゲート回路224は駆動制御回路221へ接続されている。また、駆動制御回路221は、ネットワークを介して、装置状態情報S15と分割出力指令S16の伝送を行う。
【００５７】
温度センサー21は、IGBTチップなどの近くへ設ける方が望ましいが、ヒートシンク230上であってもよい。IGBTの最大許容温度は、通常125℃と通常スイッチング素子の構造物の中で最も低い温度に制限されている。したがって、スイッチング素子の温度監視とはIGBTチップの温度を監視するのが目的である。温度センサーをヒートシンク上230上に設置すると、IGBTチップと金属板25、金属板25と絶縁板29、絶縁板29とヒートシンク板211、ヒートシンク板211と冷却装置230の接触面の４つの接触面が介在する。
【００５８】
そのため、IGBTチップの温度を各部材の熱抵抗を見積もる場合の誤差が大きくなる。また、IGBTチップ上にポリシリコン等の材料で温度センサーを作り込み、温度を検出する方法もある。この場所は、IGBTチップ温度高精度に測定する上で最も好ましい設置場所である。
図１０は図９の等価回路であり説明を省略する。
【００５９】
本発明の処理により、スイッチング素子の損失が低減できると先に述べた。次に、損失低減の原理を詳細に説明する。図１１(a)はインバータ回路の主要構成で、各スイッチング素子がオン、オフ動作をすることで、動力装置81（ここではモータ）の制御を行う。スイッチング素子Mのゲート端子G、センス用のエミッタ端子Esには制御回路が接続される。スイッチング素子Mとゲート回路からなる回路は二つ直列に接続され、三相インバータの一相を構成する。さらに三並列に接続され三相インバータが構成される。直列回路の一方と他方の端子間には直流電源が接続される。スイッチング素子Mが直列に接続された、中間の接続点は三相誘導電動機に接続される。ゲート回路はさらに、上位の制御回路へ接続される。
【００６０】
さて、本回路でスイッチング素子Mのスイッチング動作を行うと損失が発生する。図１１(b)は、損失発生の原理を説明するもので、スイッチング素子のターンオフ時の電流と電圧の波形を示している。スイッチング素子に流れていた電流を遮断するとき、電流が流れながら電圧が印加される期間が発生する。したがって、電流と電圧の積、つまり損失が発生する。損失は、スイッチング毎に発生する。そのため、スイッチング損失はスイッチング周波数に比例して増加することになる。図１１(d)はこの関係を示している。
【００６１】
図１１(c)はスイッチング素子の出力特性で、コレクタ電圧Vcとコレクタ電流Icの関係を示している。コレクタ電流Icが流れるとコレクタ電圧Vcが発生するために損失が発生する。
【００６２】
図１１(c)と(d)の関係から明らかなように、損失は、スイッチング素子の通電電流やスイッチング周波数によって変化する。この効果を利用すれば、図２のフローチャートの処理211やS26が実現できることが分かる。つまり、コレクタ電流Icを低減するとインバータの出力が低下するが、スイッチング周波数を低減するだけなら、出力を低減することなく損失を低減できる。したがって、処理S211は、少なくともスイッチング周波数を低減すれば達成できることが分かる。出力を低減することなく損失を低減する方法としては、スイッチング時のコレクタ電圧Vcやコレクタ電流Icの変化を急激にする方法などもある。
【００６３】
また、総出力指令の低減処理S26は、出力を低減すること、つまり電流を低減することで達成できることは、図１１(c)から明らかである。
図１２はコレクタ電圧と電流の実測で、温度をパラメータとしている。尚、説明の都合上、温度２５℃電流100Aの時のコレクタ電圧で規格化している。また図１３はスイッチング損失と電流の実測値で、温度25℃100Aの時の損失で規格化している。尚、測定に使用したスイッチング素子は、耐圧3.3kV定格電流1200AのIGBT素子である。コレクタ電圧は電流が大きく、また温度が高いほど大きくなる。この関係は、スイッチング損失でも同様である。
【００６４】
したがって、スイッチング素子は、温度が低い状態で使用する方が、より低損失であることが分かる。鉄道車両のように、複数のインバータで並列運転している場合、総てのインバータが同じ温度になることはない。温度が高くなったインバータの出力を低減し、その分を温度の低いインバータに分担させれば、車両のパワーを変えずに損失を低減できる。
【００６５】
【発明の効果】
以上ように、複数の装置が協調し合って一つの機能を実現する装置では、各装置の状態を常時監視して、装置の状態を均一に保つことで、装置全体としての機能を低下させることなく、高性能な運転を達成することができる。
【００６６】
インバータは高温になるほど多くの損失を発生する。高温なインバータの出力を抑制し、温度の低いインバータへ抑制分を負担させることで、各インバータの温度を均一にできると共に、装置全体のエネルギー変換効率を改善することができる。また、各装置の空転を監視し、空転が発生した駆動装置の出力を低減し、低減分を空転していない駆動装置へ振り分けることで、装置全体の加速性能を低減することのない鉄道車両を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例であるシステムの構成図。
【図２】本発明の第１の実施例の制御フローチャート。
【図３】本発明の第２の実施例である位置情報管理機能付きシステム構成図。
【図４】本発明の第２の実施例のフローチャート。
【図５】本発明の第３の実施例である鉄道車両へ応用した時のシステム構成図。
【図６】本発明の第４の実施例である位置情報管理機能付き鉄道車両システムの構成図。
【図７】位置検知装置の構成図。
【図８】駆動装置の構成図。
【図９】駆動装置の詳細な構成図。
【図１０】駆動装置の概略回路構成とスイッチング損失の低減原理を説明するための図。
【図１１】スイッチング素子の出力特性図。
【図１２】スイッチング損失の電流依存性を示す図。
【図１３】スイッチング損失の実測特性図。
【符号の説明】
Ｓ１１：総出力指令、Ｓ１２：システム状態通知、Ｓ１３：中央処理装置、Ｓ１４装置、Ｓ１５：装置状態情報、Ｓ１６：分割出力指令、Ｓ３１：位置情報、Ｓ：各装置の状態余力、ΔＳ：状態余力Ｓのばらつき許容値、２２１：駆動制御回路、２２４：ゲート回路、Ｍ：スイッチング素子、８１：動力装置、２２２：電流検出器、２２３：電圧検出器、２２５：温度検出器、２２：電流センサー、２５：温度センサー
Claims (13)
- 少なくとも一つの中央処理装置と、少なくとも一つの位置情報検出装置と、並列接続された複数の装置とが情報伝達手段で接続され、前記複数の装置は、少なくとも一つ以上の状態監視機能を有し、通信手段により前記中央処理装置へ装置の状態を伝送し、前記位置情報検出装置は、システムの現在位置を前記中央処理装置へ伝送し、位置情報に関係付けられた各装置の制御量を、前記情報伝達手段に繋がるいずれかの装置に保有され、位置情報に応じて前記複数の装置の制御量を呼び出して前記複数の装置の制御量の初期値とするシステムにおいて、システム全体として必要な制御量を、前記複数の装置における状態の許容値と現状値の差に依存させて分割することを特徴とする列車運転制御システム。
- 少なくとも一つの中央処理装置と、少なくとも一つの位置情報検出装置と、並列接続された複数の装置とが情報伝達手段で接続され、前記複数の装置は少なくとも一つ以上の状態監視機能を有し、通信手段を使用して前記中央処理装置へ前記複数の装置の状態を常時伝送し、前記位置情報検出装置は、システムの現在位置を前記中央処理装置へ常時伝送し、位置情報に関係付けられたシステム全体として必要な制御量が前記情報伝達手段に繋がるいずれかの装置に保有され、前記複数の装置における現在の状態と前記位置情報に関連付けられた制御量をもとに、前記複数の装置における許容値と現状値の差が目的の値となるように前記複数の装置における将来の制御量を計算し、前記計算値を前記複数の装置における制御量の初期値とするシステムにおいて、システム全体として必要な制御量を、各装置の状態の許容値と現状値の差に依存させて分割することを特徴とする列車運転制御システム。
- 請求項１、２のいずれか１項において、システム全体として必要な制御量の分割は、前記複数の装置における状態の許容値と現状値の差をあらかじめ規定された範囲以下になるように分割されることを特徴とする列車運転制御システム。
- 請求項１、２のいずれか１項において、システム全体として必要な制御量の分割は、前記複数の装置における状態の現状値が許容値を越えない範囲に分割することを特徴とする列車運転制御システム。
- 請求項１、２のいずれか１項において、システム全体として必要な制御量の分割は、前記複数の装置における状態の許容値と現状値の差があらかじめ規定された範囲以下になり、かつ各装置の状態の現状値が許容値を越えない範囲に分割することを特徴とする列車運転制御システム。
- 少なくとも一つの中央処理装置と、少なくとも一つの位置情報検出装置と、並列接続された複数の駆動装置とが情報伝達手段で接続され、前記複数の駆動装置は、少なくとも一つ以上の状態監視機能を有し、前記通信手段を使用して前記中央処理装置へ各駆動装置の状態を常時伝送し、前記位置情報検出装置は、鉄道車両の現在位置を前記中央処理装置へ伝送し、位置情報に関係付けられた各駆動装置の駆動量を、前記情報伝達手段に繋がるいずれかの装置に保有され、位置情報に応じて前記各駆動装置の制御量を呼び出して前記各駆動装置の制御量の初期値とする鉄道車両において、鉄道車両として必要な駆動量の分割は、前記複数の駆動装置における状態の許容値と現状値の差をあらかじめ規定された範囲以下になるように分割されることを特徴とする鉄道車両。
- 少なくとも一つの中央処理装置と、少なくとも一つの位置情報検出装置と、並列接続された複数の駆動装置とが情報伝達手段で接続され、前記複数の駆動装置は、少なくとも一つ以上の状態監視機能を有し、通信手段を使用して前記中央処理装置へ前記複数の駆動装置の状態を伝送し、前記位置情報検出装置は、鉄道車両の現在位置を前記中央処理装置へ伝送し、位置情報に関係付けられた鉄道車両として必要な駆動量が前記情報伝達手段に繋がるいずれかの装置に保有され、前記複数の駆動装置における現在の状態と前記位置情報に関連付けられた駆動量をもとに、前記複数の駆動装置における許容値と現状値の差が目的の値となるように前記複数の駆動装置における将来の駆動量を計算し、前記計算値を前記複数の駆動装置における駆動量の初期値とする鉄道車両において、鉄道車両として必要な駆動量の分割は、前記複数の駆動装置における状態の許容値と現状値の差をあらかじめ規定された範囲以下になるように分割されることを特徴とする鉄道車両。
- 請求項６、７のいずれか１項において、鉄道車両として必要な駆動量の分割は、前記複数の駆動装置における状態の許容値と現状値の差をあらかじめ規定された範囲以下になるように分割されることを特徴とする鉄道車両。
- 請求項６、７のいずれか１項において、鉄道車両として必要な駆動量の分割は、前記複数の駆動装置における状態の現状値が許容値を越えない範囲に分割することを特徴とする鉄道車両。
- 請求項６、７のいずれか１項において、鉄道車両として必要な駆動量の分割は、前記複数の駆動装置における状態の許容値と現状値の差があらかじめ規定された範囲以下になり、かつ各装置の状態の現状値が許容値を越えない範囲に分割することを特徴とする鉄道車両。
- 請求項６〜１０のいずれか１項において、状態監視の項目が温度であることを特徴とする鉄道車両。
- 請求項６〜１０のいずれか１項において、状態監視の項目が車輪の空転であることを特徴とする鉄道車両。
- 請求項６〜１０のいずれか１項において、駆動装置が電力変換装置であることを特徴とする鉄道車両。
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