JP4243321B1 - 交流電気車の制御装置 - Google Patents

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Abstract

力行および回生運転が可能であり、交流電力を供給する交流架線における停電を検出することができる交流電気車の制御装置において、交流架線における停電検出を迅速かつ確実に行うこと。電気車制御装置８に具備される停電検知器１４は、主変圧器出力電流検出信号７から特定周波数設定値２６に相当する電流成分を抽出し、抽出した信号を特定周波数電流信号１８として出力する特定周波数信号演算部１６と、特定周波数電流信号１８から主変圧器出力電流検出信号７を減算し、その減算結果を電流偏差２０として出力する減算器１９と、電流偏差２０と所定の停電検知設定値２２とを比較して電流偏差２０が停電検知設定値２２よりも大きいときに停電検知信号１５を出力する停電検知部２３と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、交流電動機で駆動される交流電気車の制御装置に関するものであり、特に、交流電力を供給する架線（以下「交流架線」という）における停電検知機能を有する交流電気車の制御装置に関するものである。
従来技術による交流電気車の制御装置では、先ず、変電所から交流架線に印加される、ある特定周波数成分の電流信号について、主変圧器の入力側の検波器を用いて、変電所で重畳した特定の周波数成分の有無を検出する。そして、き電系の遮断器の開放等により、当該検波器が検出しているある特定周波数成分の電流信号を検出できなかったことにより停電検知を行っている（例えば、特許文献１参照）。
特開平６−１９７４０１号公報（第３頁、図２）
しかしながら、上記特許文献１に代表されるような従来技術にかかる交流電気車の制御装置では、主変圧器の入力側に設けられた検波器に流れるある特定周波数の電流検出結果の有無を停電検知の判定値としているため、複数の電気車が変電所の負荷として接続されている場合に、検波器の電流値が大きいことによる停電検知の誤検知によって、電気車の運行に遅延が発生し、電気車の円滑な運行に支障が生じるという問題点があった。
一方、この従来手法において、停電検知設定値を変更して誤検知の確率を低くするような値に設定することも考えられるが、この場合には、き電回路遮断時の停電検知が遅れて、条件によっては変電所等の地上設備に過大電流が流れ、装置の故障を招く可能性があるという問題点があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、電流信号を用いて停電検知を行う場合に、従来技術よりも迅速かつ確実な停電検知を行うことができる交流電気車の制御装置を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる交流電気車の制御装置は、交流架線より変圧器を介して入力された交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、前記コンバータの直流電圧を交流電圧に変換して交流電動機に出力するインバータと、前記変圧器の出力電流を検出する電流検出器と、前記電流検出器が検出した検出電流信号に基づくゲート許可信号に応じて前記コンバータの出力を制御するコンバータ制御器および、該検出電流信号に基づいて前記交流架線に生じた停電を検出する停電検知器を具備する制御部と、を備えた交流電気車の制御装置において、前記停電検知器は、前記検出電流信号から所定の特定周波数設定値に相当する電流成分を抽出し、該抽出した信号を特定周波数電流信号として出力する特定周波数信号演算部と、前記特定周波数電流信号から前記検出電流信号を減算し、その減算結果を電流偏差として出力する減算器と、前記電流偏差と所定の停電検知設定値とを比較して該電流偏差が該停電検知設定値よりも大きいときに停電検知信号を出力する停電検知部と、を備え、前記コンバータ制御器は、入力された前記停電検知信号に基づいて前記ゲート許可信号を停止させることによりして前記コンバータの動作を停止させることを特徴とする。
本発明にかかる交流電気車の制御装置によれば、力行および回生運転が可能であり、交流電力を供給する交流架線における停電を検出することができる交流電気車の制御装置において、変圧器の出力電流を検出した検出電流信号から所定の特定周波数設定値に相当する電流成分を特定周波数電流信号として抽出するととともに、この抽出された特定周波数電流信号から検出電流信号を減算した減算結果である電流偏差が所定の停電検知設定値よりも大きいときに停電検知信号を出力するようにしているので、交流架線における停電検出を迅速かつ確実に行うことができるという効果を奏する。
以下に、本発明の好適な実施の形態にかかる交流電気車の制御装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。
（交流電気車の構成）
図１は、本発明の好適な実施の形態にかかる交流電気車の駆動系および制御系の構成を示す図である。同図において、交流電気車の駆動系では、交流電力を入力とする主変圧器３、主変圧器３の交流出力を入力とするＰＷＭコンバータ４、ＰＷＭコンバータ４の直流出力を入力とするインバータ１０、およびインバータ１０の交流出力によって駆動される１台以上の電動機１３を備えて構成される。なお、電動機１３としては、誘導電動機や同期電動機が好適である。
一方、交流電気車の制御系では、主変圧器３の出力電流を検出する電流検出器６および電流検出器６の出力である主変圧器出力電流検出信号７に基づいてＰＷＭコンバータ４を制御する電気車制御装置８を備えて構成される。また、電気車制御装置８は、コンバータ制御器９および停電検知器１４を備えており、主変圧器出力電流検出信号７が、コンバータ制御器９および停電検知器１４の双方に入力されるように構成されている。
また、主変圧器３の一次側の一端は集電器２を介して交流架線１に接続され、他端は車輪３１を介して大地電位であるレール３２に接続されている。すなわち、変電所（図示省略）からの送電電力は、交流架線１、集電器２、車輪３１およびレール３２を介して受電するように構成されている。
（交流電気車の動作）
つぎに、交流電気車の動作について、通常時（非停電時）の動作および停電時における停電検出時の動作に分けて説明する。
（通常時の動作）
まず、通常時（非停電時）の動作について説明する。交流架線１から集電器２を介して集電された交流電力が主変圧器３に供給されると、主変圧器３は、降圧した交流電圧を主変圧器出力電圧５としてＰＷＭコンバータ４に出力する。ＰＷＭコンバータ４は、入力された主変圧器出力電圧５を所望の直流電圧に変換し、変換した直流電圧を直流出力電圧１１としてインバータ１０に出力する。一方、電流検出器６は、主変圧器３とＰＷＭコンバータ４を接続する母線間に流れる電流を検出するとともに、検出した信号を主変圧器出力電流検出信号７として電気車制御装置８のコンバータ制御器９および停電検知器１４に出力する。コンバータ制御器９は、主変圧器出力電流検出信号７に基づき、ＰＷＭコンバータ４が主変圧器出力電圧５を用いて生成する直流出力電圧１１を一定値に維持するためのゲート許可信号１２の出力制御を行う。すなわち、ＰＷＭコンバータ４からインバータ１０に出力される直流出力電圧１１は、コンバータ制御器９から出力されるゲート許可信号１２によって、その出力レベルが制御される。インバータ１０は、入力された直流出力電圧１１を所望周波数および所望電圧の交流電圧に変換して電動機１３に出力する。電動機１３は、入力された交流電圧を用いて電気車の走行を制御する。
なお、電気車の力行時（加速制御時）には、上記のような電力変換を行って電動機１３を加速させるが、ブレーキ時（減速時）には電動機１３を発電機として作用させる。このとき、インバータ１０はコンバータ動作を行い、ＰＷＭコンバータ４はインバータ動作を行って交流電力回生ブレーキを作用させる。
（停電検出時の動作）
つぎに、停電検出時の動作について説明するが、その前に停電検出を確実かつ迅速に行わなければならない理由について説明する。いま、地上設備などの事故で変電所の遮断器がオフとなった場合を考える。このとき、交流電力回生ブレーキを作用させている車両もあれば、力行している車両もあるので、電気車に供給される電力が、電力的にバランスしてしまう可能性があり、地上装置側での停電検出が遅れる。このため、停電時には、地上装置側だけでなく、電気車側においても、停電の検出を迅速かつ確実に行って、回生ブレーキ動作を速やかに停止する必要がある。
なお、停電検出の確実性（安定性）を求めようとすると停電検出に遅れが発生し、逆に、停電検出の速度を上げようとすると精度が維持されない結果となる。従来技術では、これらの観点を両立させた制御を行うことができなかったが、本実施の形態の制御装置では、停電検出の確実性と迅速性とを両立させた制御を可能とするものである。
図１に戻り、交流架線１の停電が発生した場合には、停電検知器１４からコンバータ制御器９に対して停電検知信号１５が出力される。なお、この停電検知信号１５は、電流検出器６が検出した主変圧器出力電流検出信号７を用いて生成される。コンバータ制御器９は、入力された停電検知信号１５に基づいてゲート許可信号１２の出力を完全に停止させる。
（停電検知器の細部構成）
つぎに、停電検知器１４の構成について説明する。図２は、図１に示す停電検知器１４の細部構成を示す図である。
図２において、停電検知器１４は、特定周波数を表す設定値（以下「特定周波数設定値」という）２６を出力する特定周波数設定部２５、停電を電流値レベルで判定するための閾値となる停電検知設定値２２を出力する停電検知設定部２１、主変圧器出力電流検出信号７および特定周波数設定値２６を入力信号とする特定周波数信号演算部１６、主変圧器出力電流検出信号７および特定周波数信号演算部１６の出力信号である特定周波数電流信号１８を入力信号とする減算器１９ならびに、停電検知設定値２２および減算器１９の出力信号である電流偏差２０を入力信号とする停電検知部２３を備えており、停電検知部２３の出力が上述した停電検知信号１５として出力される。
なお、特定周波数設定部２５が出力する特定周波数設定値２６および停電検知設定部２１が出力する停電検知設定値２２については、き電設備における使用周波数や供給電力、同時に運行される車両編成数、編成車両のタイプなどに応じて任意の値に設定することが可能である。
（停電検知器の動作）
つぎに、停電検知器１４の動作について図１および図２を参照して説明する。特定周波数信号演算部１６は、電流検出器６から出力された主変圧器出力電流検出信号７から、特定周波数設定値２６に相当する電流成分を抽出し、当該電流成分を特定周波数電流信号１８として減算器１９に出力する。減算器１９は、特定周波数電流信号１８から主変圧器出力電流検出信号７を減算し、その減算結果を電流偏差２０として停電検知部２３に出力する。
停電検知部２３では、電流偏差２０と停電検知設定値２２の大きさが比較される。電流偏差２０が停電検知設定値２２よりも大きい場合には、停電と判断され、停電検知信号１５がコンバータ制御器９に出力される。一方、電流偏差２０が停電検知設定値２２よりも小さい場合には、停電ではないと判断され、停電検知信号１５は出力されない。
このように、本実施の形態にかかる交流電気車の制御装置では、電気車制御装置８に備えられた停電検知器１４が交流架線１の停電を迅速かつ確実に検出し、停電が検出された場合にはＰＷＭコンバータ４の動作を停止させるので、交流架線１から電力の供給を受けている電気車の回生ブレーキ動作は機能しない。その結果、交流架線１に流れる交流電力は低下し、地上装置側における停電検出も、迅速かつ確実に行われる。
また、図２に示す停電検知器１４では、主変圧器３の出力に流れる電流信号（主変圧器出力電流検出信号７）を特定周波数設定値２６と比較するとともに、その比較出力をさらに自身の出力、すなわち主変圧器出力電流検出信号７で減算処理しているので、非停電時と停電時の場合の出力差を大きくすることができる（非停電時の場合には減算器の出力は小さく、停電時の場合には減算器の出力は大きくなる）。このため、停電検知のための閾値（停電検知設定値２２）を大きく設定することができ、検出感度や検出精度を向上させることができる。その結果、複数車両の運転による誤検知および停電検知遅れを抑止することが可能となり、変電所等の地上設備の障害防止および、車両運行の安定化を実現することが可能となる。
以上のように、本発明にかかる交流電気車の制御装置は、電流信号を用いて停電検知を行う場合に、迅速かつ確実な停電検知を行うことができる発明として有用である。
本発明の好適な実施の形態にかかる交流電気車の駆動系および制御系の構成を示す図である。 図１に示した停電検知器の細部構成を示す図である。
符号の説明
１ 交流架線
２ 集電器
３ 主変圧器
４ ＰＷＭコンバータ
５ 主変圧器出力電圧
６ 電流検出器
７ 主変圧器出力電流検出信号
８ 電気車制御装置
９ コンバータ制御器
１０ インバータ
１１ 直流出力電圧
１２ ゲート許可信号
１３ 電動機
１４ 停電検知器
１５ 停電検知信号
１６ 特定周波数信号演算部
１８ 特定周波数電流信号
１９ 減算器
２０ 電流偏差
２１ 停電検知設定部
２２ 停電検知設定値
２３ 停電検知部
２５ 特定周波数設定部
２６ 特定周波数設定値
３１ 車輪
３２ レール

Claims (2)

  1. 交流架線より変圧器を介して入力された交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、
    前記コンバータの直流電圧を交流電圧に変換して交流電動機に出力するインバータと、
    前記変圧器の出力電流を検出する電流検出器と、
    前記電流検出器が検出した検出電流信号に基づくゲート許可信号に応じて前記コンバータの出力を制御するコンバータ制御器および、該検出電流信号に基づいて前記交流架線に生じた停電を検出する停電検知器を具備する制御部と、
    を備えた交流電気車の制御装置において、
    前記停電検知器は、
    前記検出電流信号から所定の特定周波数設定値に相当する電流成分を抽出し、該抽出した信号を特定周波数電流信号として出力する特定周波数信号演算部と、
    前記特定周波数電流信号から前記検出電流信号を減算し、その減算結果を電流偏差として出力する減算器と、
    前記電流偏差と所定の停電検知設定値とを比較して該電流偏差が該停電検知設定値よりも大きいときに停電検知信号を出力する停電検知部と、
    を備え、
    前記コンバータ制御器は、入力された前記停電検知信号に基づいて前記ゲート許可信号を停止させることによりして前記コンバータの動作を停止させる
    ことを特徴とする交流電気車の制御装置。
  2. 前記停電検知器は、前記特定周波数設定値および前記停電検知設定値が可変可能であるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の交流電気車の制御装置。
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