JP4634942B2 - 電気車制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電気車のブレーキ動作を交流電動機を発電制御して発電制動で行うようにした電気車制御装置に関する。
一般に、電気車の制御装置においては、ブレーキ制御時には交流電動機の回転エネルギーを電力変換器により直流電力に変換し、ブレーキ抵抗器でジュール熱として消費している。このような電気車制御装置では、ブレーキ抵抗器で消費するジュール熱が過大になったときはブレーキ抵抗器が高温となり、抵抗焼損あるいは発煙することがある。
そこで、ブレーキ抵抗の過温検知するようにしているが、温度検出器を設けることなくブレーキ抵抗の過温検知できるようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。すなわち、ブレーキ抵抗器に流れる電流値と、ブレーキ抵抗器の両端の電圧値とによりブレーキ抵抗器の抵抗値を算出し、算出された抵抗値と予め演算されているブレーキ抵抗器の許容温度における抵抗値とを比較して、抵抗値の方が大きい場合にブレーキ抵抗器の過温として検知するものである。
特開２００５−２７４５４号公報
しかしながら、ブレーキ抵抗に部分短絡が発生した場合には、正常時と同じ電力を消費させると通電部分が過負荷となり、ブレーキ抵抗焼損などの恐れがある。この場合、特許文献１ものでは、ブレーキ抵抗が過温となったことを検知するものであり、ブレーキ抵抗器の部分地絡を検知するものではない。
本発明の目的は、発電制動によるブレーキ動作時にブレーキ抵抗値の変化によりブレーキ動作時の部分地絡の検知を行い、焼損などの拡大故障を防止できる電気車制御装置を提供することである。
本発明の電気車制御装置は、直流電源を第１の開閉器を介してインバータに接続するとともにインバータの直流端子に第２の開閉器を介してブレーキ抵抗器を接続し、電気車を駆動するときは前記インバータにより直流電力を可変周波数可変電圧の３相交流電力に変換して交流電動機に入力し、電気車のブレーキ動作を行う際には前記第１の開閉器を開き前記第２の開閉器を閉じて交流電動機を発電機として制御しその発電電力を前記ブレーキ抵抗器で消費する電気車制御装置において、前記ブレーキ抵抗器に流れる電流値を検出する電流検出器と、前記インバータの直流端子または前記ブレーキ抵抗器の両端子間の電圧値を検出する電圧検出器と、前記電流検出器で検出された電流値および前記電圧検出器で検出された電圧値から前記ブレーキ抵抗器の抵抗値を算出するブレーキ抵抗計算部と、前記ブレーキ抵抗計算部で算出された抵抗値が所定値より小さいときにブレーキ動作の停止または異常表示を行うブレーキ抵抗部分地絡検出器とを備えたことを特徴とする。
本発明によれば、発電制動によるブレーキ動作時にブレーキ抵抗値の変化によりブレーキ動作時の部分地絡の検知を行い、焼損などの拡大故障を防止できる。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係わる電気車制御装置の構成図である。直流電源１１は、例えば、直流電車線（架線）あるいは車上のエンジン発電機で発電された電力を整流器で整流して得られる。直流電源１１は第１の開閉器１２を介してフィルタコンデンサ１３とインバータ１４とに接続される。インバータ１４の負荷は、直列に接続された交流電動機１５である。通常、交流電動機１５としては誘導電動機が用いられる。
また、インバータ１４の直流端子には第２の開閉器１６を介してブレーキ抵抗器１７が接続されている。電気車のブレーキ動作を行う際には、第１の開閉器１２を開き、第２の開閉器１６を閉じて交流電動機１５を発電機として制御し、その発電電力をブレーキ抵抗器１７で消費する。
ブレーキ抵抗器１７を流れる電流IBReは電流検出器１８によって検出され、ブレーキ抵抗計算部１９に入力される。また、フィルタコンデンサ１３の電圧Vdcは電圧検出器２０によって検出され、ブレーキ抵抗計算部１９に入力される。ブレーキ抵抗計算部１９は抵抗値BReS1を（１）式のように演算する。
BReS1 ＝Vdc ／IBRe …（１）
ブレーキ抵抗器１７が部分地絡中か否かは、ブレーキ抵抗計算部１９の出力である抵抗値BReS1とブレーキ抵抗器１７の定格値（所定値）BReとに基づき、ブレーキ抵抗部分地絡検出器２１によって、健全状態か部分地絡状態かを判断する。
例えば、抵抗値BReS1がブレーキ抵抗器１７の定格値（所定値）BReより小さいとき（BReS1＜BReのとき）に、ブレーキ抵抗器部分地絡検知信号GBRe（GBRe ＝1）を出力する。一方、抵抗値BReS1がブレーキ抵抗器１７の定格値（所定値）BRe以上であるとき（BReS1≧BReのとき）には、ブレーキ抵抗器部分地絡検知信号GBRe（GBRe ＝0）を出力する。ただし、ブレーキ抵抗部分地絡検知信号GBRe＝1は部分地絡状態を、GBRe＝0は健全状態を表す。
そして、ブレーキ抵抗部分地絡検出器２１は、ブレーキ抵抗計算部１９で算出された抵抗値BReSが所定値BReより小さいとき、つまり、ブレーキ抵抗器部分地絡検知信号GBReが１であるときにブレーキ動作の停止または異常表示を行う。
第１の実施の形態によれば、ブレーキ抵抗計算部１９により、電流検出器１８で検出された電流値および電圧検出器２０で検出された電圧値からブレーキ抵抗器１７の抵抗値を算出し、ブレーキ抵抗部分地絡検出器２１はブレーキ抵抗計算部１９で算出された抵抗値BReSが所定値BReより小さいときにブレーキ動作の停止または異常表示を行うので、ブレーキ抵抗器１７に短絡などの不具合を発生した状態においてもブレーキ抵抗器の焼損などを防止でき、運転を継続することが可能である。従って、システムの信頼性を向上することができる。
（第２の実施の形態）
図２は、本発明の第２の実施の形態に係わる電気車制御装置の構成図である。この第２の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、ブレーキ抵抗計算部１９において、ブレーキ抵抗器１７の電流値と電圧値とに代えて、ブレーキ電力とブレーキ抵抗器１７の電圧値とによりブレーキ抵抗器１７の抵抗値を算出するようにしたものである。図１と同一要素には、同一符号を付し重複する説明は省略する。
交流電動機（誘導電動機）１５のｕ相電流Iuは電流検出器２２で検出され、同様にｗ相電流Iwは電流検出器２３で検出され、座標変換部２４に入力される。座標変換部２４では、ｕ相電流Iu及びｗ相電流Iwに基づき、周知であるｄｑ軸変換演算により、トルク電流Iqと励磁電流Idとを算出し、トルク演算部２５に出力する。
トルク演算部２５は、座標変換部２４の出力であるトルク電流Iqと励磁電流Idをを入力し、トルクTrを（２）式により演算する。
Tr＝K1・Id・Iq …（２）
ただし、K1は相互インダクタンスとほぼ一致する係数である。
トルク演算部２５で演算された交流電動機１５のトルクTrは電力演算部２６に入力される。電力演算部２６は、トルク演算部２５の出力であるトルクTrと、速度センサ２７によって検出された交流電動機１５のモータ速度ωsとを入力し、ブレーキ電力PBを（３）式により演算する。
PB＝Tr・ωs …（３）
電力演算部２６で演算されたブレーキ電力PBはブレーキ抵抗計算部１９に入力される。
ブレーキ抵抗計算部１９は、電力演算部２６の出力であるブレーキ電力PBと、電圧検出器２０によって検出されたフィルタコンデンサ１３の電圧Vdcとを入力し、抵抗値BReS2を（４）式により計算する。
BReS2＝Vdc 2/PB …（４）
ブレーキ抵抗器１７が部分地絡中か否かは、ブレーキ抵抗計算部１９の出力である抵抗値BReS2とブレーキ抵抗器１７の定格値BReとに基づき、ブレーキ抵抗部分地絡検出器２１によって、健全状態か部分地絡状態かを判断する。ブレーキ抵抗部分地絡検出器２１による判断は、第１の実施の形態の場合と同様に、例えば、抵抗値BReS2がブレーキ抵抗器１７の定格値（所定値）BReより小さいとき（BReS2＜BReのとき）に、ブレーキ抵抗器部分地絡検知信号GBRe（GBRe ＝1）を出力する。一方、抵抗値BReS2がブレーキ抵抗器１７の定格値（所定値）BRe以上であるとき（BReS2≧BReのとき）には、ブレーキ抵抗器部分地絡検知信号GBRe（GBRe ＝0）を出力する。なお、ブレーキ抵抗部分地絡検知信号GBRe＝1は部分地絡状態を、GBRe＝0は健全状態を表す。
第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態のブレーキ抵抗器１７の電流値と電圧値とに代えて、ブレーキ電力とブレーキ抵抗器１７の電圧値とによりブレーキ抵抗器１７の抵抗値を算出するようにしても、第１の実施の形態と同様の効果が得られる。
（第３の実施の形態）
図３は、本発明の第３の実施の形態に係わる電気車制御装置の構成図である。この第３の実施の形態は、図２に示した第２の実施の形態に対し、インバータ１４の直流端子またはブレーキ抵抗器１７の両端子間の電圧値を検出する電圧検出器２０に代えて、ブレーキ抵抗器１７に流れる電流値を検出する電流検出器１８を備え、ブレーキ抵抗計算部１９は、電力演算部２６で算出されたブレーキ電力PBと電流検出器１８によって検出されたブレーキ抵抗器１７に流れる電流値IBReとにより、ブレーキ抵抗器１７の抵抗値BReS3を算出するようにしたものである。
ブレーキ抵抗計算部１９には、電力演算部２６の出力であるブレーキ電力PBと電流検出器１８によって検出されたブレーキ抵抗電流IBReとが入力され、抵抗値BReS3を（５）式のように計算する。
BReS3＝PB/IBRe2 …（５）
ブレーキ抵抗器１７が部分地絡中か否かは、ブレーキ抵抗計算部１９の出力である抵抗値BReS3とブレーキ抵抗器１７の定格値（所定値）BReとに基づき、ブレーキ抵抗部分地絡検出器２１によって、健全状態か部分地絡状態かを判断する。
例えば、抵抗値BReS3がブレーキ抵抗器１７の定格値（所定値）BReより小さいとき（BReS3＜BReのとき）に、ブレーキ抵抗器部分地絡検知信号GBRe（GBRe ＝1）を出力する。一方、抵抗値BReS3がブレーキ抵抗器１７の定格値（所定値）BRe以上であるとき（BReS3≧BReのとき）には、ブレーキ抵抗器部分地絡検知信号GBRe（GBRe ＝0）を出力する。ただし、ブレーキ抵抗部分地絡検知信号GBRe＝1は部分地絡状態を、GBRe＝0は健全状態を表す。
第３の実施の形態によれば、第２の実施の形態のインバータ１４の直流端子またはブレーキ抵抗器１７の両端子間の電圧値を検出する電圧検出器２０に代えて、ブレーキ抵抗器１７に流れる電流値を検出する電流検出器１８を設け、ブレーキ抵抗計算部１９により、電力演算部２６で算出されたブレーキ電力PBと電流検出器１８によって検出されたブレーキ抵抗器１７に流れる電流値IBReとにより、ブレーキ抵抗器１７の抵抗値BReS3を算出するようにしても、第２の実施の形態と同様の効果が得られる。
（第４の実施状態）
図４は、本発明の第４の実施の状態に係わる電気車制御装置の構成図である。この第４の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、ブレーキ抵抗器１７の温度を検出する温度検出器２８を設け、ブレーキ抵抗基準値計算部２９はブレーキの温度によりブレーキ抵抗器１７の計算基準値を算出するようにしたものである。図１と同一要素のは同一符号を付し重複する説明は省略する。
図４において、ブレーキ抵抗基準値計算部２９は、温度検出器２８によって検出されたブレーキ抵抗器１７の温度TＢＲｅを入力し、そのブレーキ抵抗器１７の温度TＢＲｅに基づき、計算基準値BReS4を（６）式により算出する。
BReS4=RTK+K2(TBRe-TK) …（６）
ただし、ＲＴＫは抵抗体が温度ＴＫの時の抵抗値、Ｋ２は温度係数である。
ブレーキ抵抗器１７が部分地絡中か否かは、ブレーキ抵抗基準値計算部２９の出力である計算基準値BReS4と（１）式により算出されたブレーキ抵抗計算部１９の出力である抵抗値BReS1に基づき、ブレーキ抵抗部分地絡検出器２１によって、健全状態か部分地絡状態かを判断する。
例えば、抵抗値BReS1が計算基準値BReS4より小さいとき（BReS1＜BReS4）に、ブレーキ抵抗器部分地絡検知信号GBRe（GBRe=1）を出力する。一方、抵抗値BReS1が計算基準値BReS4以上であるとき（BReS1≧BReS4）には、ブレーキ抵抗部分地絡検知信号GBRe（GBRe=0）を出力する。ただし、ブレーキ抵抗部分地絡検知信号GBRe=1は部分地絡状態を、GBRe=0は健全状態を表す。
第４の実施の状態によれば、第１の実施の形態のブレーキ抵抗器１７に流れる電流値とブレーキ抵抗器１７の電圧値とにより算出した抵抗値がブレーキ抵抗器１７の定格値との比較に代えて、ブレーキ抵抗器１７に流れる電流値とブレーキ抵抗器１７の電圧値とにより算出した抵抗値がブレーキ抵抗器１７の温度により算出した計算基準値と比較する。ブレーキ抵抗器の基準値が温度の変化に従って調整されるため、第１の実施の状態より検出精度を向上することができる。すなわち、ブレーキ抵抗器１７のより接地側端子に近い部分での地絡も検出可能となり、システムの信頼性をさらに向上することができる。
（第５の実施状態）
図５は、本発明の第５の実施の状態に係わる電気車制御装置の構成図である。この第５の実施の形態は、図４に示した第４の実施の形態に対し、ブレーキ抵抗計算部１９において、ブレーキ抵抗器１７の電流値と電圧値とに代えて、ブレーキ電力とブレーキ抵抗器１７の電圧値とによりブレーキ抵抗器１７の抵抗値を算出するようにしたものである。図４と同一要素のは同一符号を付し重複する説明は省略する。
ブレーキ抵抗器１７が部分地絡中か否かは、（６）式により算出されたブレーキ抵抗基準値計算部２９の出力である計算基準値BReS4と（４）式により算出されたブレーキ抵抗計算部１９の出力である抵抗値BReS2に基づき、ブレーキ抵抗部分地絡検出器２１によって、健全状態か部分地絡状態かを判断する。
例えば、抵抗値BReS2が計算基準値BReS4より小さいとき（BReS2＜BReS4）に、ブレーキ抵抗器部分地絡検知信号GBRe（GBRe=1）を出力する。一方、抵抗値BReS2が計算基準値BReS4以上であるとき（BReS2≧BReS4）には、ブレーキ抵抗部分地絡検知信号GBRe（GBRe=0）を出力する。ただし、ブレーキ抵抗部分地絡検知信号GBRe=1は部分地絡状態を、GBRe=0は健全状態を表す。
第５の実施の状態によれば、第４の実施の形態のブレーキ抵抗器１７の電流値と電圧値とに代えて、ブレーキ電力とブレーキ抵抗器１７の電圧値とによりブレーキ抵抗器１７の抵抗値を算出するようにしても、第４の実施の形態と同様の効果が得られる。
（第６の実施状態）
図６は、本発明の第６の実施の状態に係わる電気車制御装置の構成図である。この第６の実施の形態は、図４に示した第４の実施の形態に対し、ブレーキ抵抗計算部１９において、ブレーキ抵抗器１７の電流値と電圧値とに代えて、ブレーキ電力とブレーキ抵抗器１７の電流値とによりブレーキ抵抗器１７の抵抗値を算出するようにしたものである。図４と同一要素のは同一符号を付し重複する説明は省略する。
ブレーキ抵抗器１７が部分地絡中か否かは、（６）式により算出されたブレーキ抵抗基準値計算部２９の出力である計算基準値BReS4と（５）式により算出されたブレーキ抵抗計算部１９の出力である抵抗値BReS3に基づき、ブレーキ抵抗部分地絡検出器２１によって、健全状態か部分地絡状態かを判断する。
例えば、抵抗値BReS3が計算基準値BReS4より小さいとき（BReS3＜BReS4）に、ブレーキ抵抗器部分地絡検知信号GBRe（GBRe=1）を出力する。一方、抵抗値BReS3が計算基準値BReS4以上であるとき（BReS3≧BReS4）には、ブレーキ抵抗部分地絡検知信号GBRe（GBRe=0）を出力する。ただし、ブレーキ抵抗部分地絡検知信号GBRe=1は部分地絡状態を、GBRe=0は健全状態を表す。
第６の実施の状態によれば、第４の実施の形態のブレーキ抵抗器１７の電流値と電圧値とに代えて、ブレーキ電力とブレーキ抵抗器１７の電流値とによりブレーキ抵抗器１７の抵抗値を算出するようにしても、第４の実施の形態と同様の効果が得られる。
本発明の第１の実施の形態に係わる電気車制御装置の構成図。 本発明の第２の実施の形態に係わる電気車制御装置の構成図。 本発明の第３の実施の形態に係わる電気車制御装置の構成図。 本発明の第４の実施の形態に係わる電気車制御装置の構成図。 本発明の第５の実施の状態に係わる電気車制御装置の構成図。 本発明の第６の実施の状態に係わる電気車制御装置の構成図。
符号の説明
１１…直流電源、１２…第１の開閉器、１３…フィルタコンデンサ、１４…インバータ、１５…交流電動機、１６…第２の開閉器、１７…ブレーキ抵抗器、１８…電流検出器、１９…ブレーキ抵抗計算部、２０…電圧検出器、２１…ブレーキ抵抗部分地絡検出器、２２…電流検出器、２３…電流検出器、２４…座標変換部、２５…トルク演算部、２６…電力変換部、２７…速度センサ、２８…温度検出器、２９…ブレーキ抵抗基準値計算部

Claims (6)

  1. 直流電源を第１の開閉器を介してインバータに接続するとともにインバータの直流端子に第２の開閉器を介してブレーキ抵抗器を接続し、電気車を駆動するときは前記インバータにより直流電力を可変周波数可変電圧の３相交流電力に変換して交流電動機に入力し、電気車のブレーキ動作を行う際には前記第１の開閉器を開き前記第２の開閉器を閉じて交流電動機を発電機として制御しその発電電力を前記ブレーキ抵抗器で消費する電気車制御装置において、前記ブレーキ抵抗器に流れる電流値を検出する電流検出器と、前記インバータの直流端子または前記ブレーキ抵抗器の両端子間の電圧値を検出する電圧検出器と、前記電流検出器で検出された電流値および前記電圧検出器で検出された電圧値から前記ブレーキ抵抗器の抵抗値を算出するブレーキ抵抗計算部と、前記ブレーキ抵抗計算部で算出された抵抗値が所定値より小さいときにブレーキ動作の停止または異常表示を行うブレーキ抵抗部分地絡検出器とを備えたことを特徴とする電気車制御装置。
  2. 直流電源を第１の開閉器を介してインバータに接続するとともにインバータの直流端子に第２の開閉器を介してブレーキ抵抗器を接続し、電気車を駆動するときは前記インバータにより直流電力を可変周波数可変電圧の３相交流電力に変換して誘導電動機に入力し、電気車のブレーキ動作を行う際には前記第１の開閉器を開き前記第２の開閉器を閉じて誘導電動機を発電機として制御しその発電電力を前記ブレーキ抵抗器で消費する電気車制御装置において、前記インバータの直流端子または前記ブレーキ抵抗器の両端子間の電圧値を検出する電圧検出器と、前記誘導電動機の励磁電流とトルク電流とによって前記誘導電動機のトルクを算出するトルク演算部と、前記誘導電動機の速度と前記トルク演算部で算出されたトルクとにより前記誘導電動機のブレーキ電力を算出する電力演算部と、前記電力演算部で算出されたブレーキ電力と前記電圧検出器によって検出された前記ブレーキ抵抗器の電圧値とにより前記ブレーキ抵抗器の抵抗値を算出するブレーキ抵抗計算部と、前記ブレーキ抵抗計算部で算出された抵抗値が所定値より小さいときにブレーキ動作の停止または異常表示を行うブレーキ抵抗部分地絡検出器とを備えたことを特徴とする電気車制御装置。
  3. 前記インバータの直流端子または前記ブレーキ抵抗器の両端子間の電圧値を検出する電圧検出器に代えて、前記ブレーキ抵抗器に流れる電流値を検出する電流検出器を備え、前記ブレーキ抵抗計算部は、前記電力演算部で算出されたブレーキ電力と前記電流検出器によって検出された前記ブレーキ抵抗器に流れる電流値とにより、前記ブレーキ抵抗器の抵抗値を算出することを特徴とする請求項２記載の電気車制御装置。
  4. 直流電源を第１の開閉器を介してインバータに接続するとともにインバータの直流端子に第２の開閉器を介してブレーキ抵抗器を接続し、電気車を駆動するときは前記インバータにより直流電力を可変周波数可変電圧の３相交流電力に変換して交流電動機に入力し、電気車のブレーキ動作を行う際には前記第１の開閉器を開き前記第２開閉器を閉じて交流電動機を発電機として制御しその発電電力を前記ブレーキ抵抗器で消費する電気車制御装置において、前記ブレーキ抵抗器の温度を検出する温度検出器と、前記ブレーキ抵抗器の温度により前記ブレーキ抵抗器の計算基準値を算出するブレーキ抵抗基準値計算部と、前記ブレーキ抵抗器に流れる電流値と前記ブレーキ抵抗器両端子間の電圧値により算出された抵抗値が前記ブレーキ抵抗基準値計算部により算出された計算基準値より小さいときブレーキ動作の停止または異常表示を行うブレーキ抵抗部分地絡検出器とを揃えたことを特徴とする電気車制御装置。
  5. 前記ブレーキ抵抗器に流れる電流値と前記ブレーキ抵抗器両端子間の電圧値とにより算出された抵抗値に代えて、前記ブレーキ抵抗器両端子間の電圧値と前記電力演算部で算出されたブレーキ電力とにより算出した抵抗値が前記ブレーキ抵抗基準値計算部により算出された計算基準値より小さいときブレーキ動作の停止または異常表示を行うブレーキ抵抗部分地絡検出器とを揃えたことを特徴とする請求項４記載の電気車制御装置。
  6. 前記ブレーキ抵抗器に流れる電流値と前記ブレーキ抵抗器両端子間の電圧値とにより算出された抵抗値に代えて、前記ブレーキ抵抗器に流れる電流値と前記電力演算部で算出されたブレーキ電力とにより算出した抵抗値が前記ブレーキ抵抗基準値計算部により算出された計算基準値より小さいときブレーキ動作の停止または異常表示を行うブレーキ抵抗部分地絡検出器とを揃えたことを特徴とする請求項４記載の電気車制御装置。
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