JP4643355B2 - 電気車制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電気車制御装置に関する。
従来の技術では、ＶＶＶＦインバータは回生ブレーキ中に架線側の回生エネルギーを吸収する負荷が不足する軽負荷回生状態において、架線電圧の上昇を、ＶＶＶＦインバータのフィルタコンデンサ電圧の上昇により検知し、フィルタコンデンサ電圧値に応じて回生ブレーキ力を絞り込んで架線電圧の上昇を抑える、いわゆる回生リミッタ制御を行っている。回生ブレーキ力を絞ると不足したブレーキ力は機械ブレーキにより補足される。
さらに、電力貯蔵装置の充電制御を行うＤＣ／ＤＣコンバータは、ブレーキ中にＤＣ／ＤＣコンバータのフィルタコンデンサ電圧の上昇により、軽負荷回生状態を検知し、フィルタコンデンサ電圧の上昇を抑えるように、電力貯蔵装置への充電電流を制御している。ＤＣ／ＤＣコンバータによる電力貯蔵装置への電力吸収量とＶＶＶＦインバータの回生リミッタ制御による回生ブレーキ力の絞込み制御量はそれぞれのフィルタコンデンサ電圧で決まり、直接的にはやり取りをしていない。
また、ＶＶＶＦインバータの入力電流とＤＣ／ＤＣコンバータの入力電流が等しくなるように制御する、または、架線への入力電流がゼロとなるように制御している（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。
特開２００３−１８７０２号公報。 平成１５年電気学会産業応用部門大会 ３−３２ 「鉄道車両における電気二重層キャパシタ直列接続の検討」
しかし、上述した技術であると、
電力貯蔵装置の充電制御を行うＤＣ／ＤＣコンバータは、ブレーキ中にＤＣ／ＤＣコンバータのフィルタコンデンサ電圧の上昇により、軽負荷回生状態を検知し、フィルタコンデンサ電圧の上昇を抑えるように、電力貯蔵装置への充電電流を制御している。このとき、ＤＣ／ＤＣコンバータによる電力貯蔵装置への電力吸収量とＶＶＶＦインバータの回生リミッタ制御による回生ブレーキ力の絞込み制御量はそれぞれのフィルタコンデンサ電圧で決まり、直接的にはやり取りをしていない。このため、それぞれのフィルタコンデンサ電圧の検出誤差、電圧の違いにより、吸収エネルギーが回生負荷不足分のエネルギーに対して、不足したり過大となったりして、効果的に吸収できない場合がある。
また、ＶＶＶＦインバータの入力電流とＤＣ／ＤＣコンバータの入力電流が等しくなるように制御する、または、架線への入力電流がゼロとなるように制御しているが、この方法では、架線側の負荷状態の判別が困難であり、架線側へ返せる回生エネルギーもＤＣ／ＤＣコンバータを通して電力貯蔵装置で吸収してしまう場合が懸念される。
回生負荷不足分のエネルギーに対し吸収エネルギーが不足すると架線電圧が上昇しＶＶＶＦインバータの回生リミッタ制御が動作し回生ブレーキ力を絞ってしまい機械ブレーキの補足が入ってしまう。逆に吸収エネルギーが過大となると本来架線側へ返せるエネルギーも電力貯蔵装置で吸収してしまい、電力貯蔵装置の吸収容量が限られているため、吸収を継続することが出来ない。
上述したどちらの場合も電力貯蔵装置の容量を最大限利用することが出来ずに、効果的な吸収ができないこととなる。
以上の点を鑑み本発明の目的は、回生負荷不足分のエネルギーと吸収エネルギーのバランスをとって電力貯蔵装置へ効果的に吸収することが可能な電気車制御装置を提供することである。
上記目的を達成するために、本願発明の一態様によれば、電気車の電動機を駆動するインバータと、電動機のエネルギーを蓄積するための貯蔵手段と、この貯蔵手段に接続されたコンバータとを有し、前記インバータは前記電動機の電力値を検出する検出手段と、この検出手段によって検出された電力値を前記コンバータに送信する送信手段とを備え、前記コンバータは、前記貯蔵手段から当該貯蔵手段の充電電圧値を受信するとともに、前記送信手段によって送信された前記電動機の電力値を受信し、前記電動機の電力値を前記貯蔵手段の充電電圧値で除算することにより、前記貯蔵手段の吸収電流値を算出する算出手段と、この算出手段によって算出された吸収電流値を吸収電流指令として前記貯蔵手段に出力することにより、前記貯蔵手段の電力吸収量を制御する制御手段とを備えることを特徴とする電気車制御装置が提供される。
本発明によれば、回生負荷不足分のエネルギーと吸収エネルギーのバランスをとって電力貯蔵装置へ効果的に吸収することができる。
以下図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る電気車制御装置を備えたで電気車を示した外観図である。
図１に示すように、電気車１０は、架線２１からパンタグラフ１を介して電気を取り込む。取り込まれた電気は、電気車制御装置２０に入る。
図２は、電気車制御装置２０の構成を示したブロック図である。
電気車制御装置２０は、パンタグラフ１、接触器２、フィルタリアクトル３、ＶＶＶＦインバータ４、ＤＣ／ＤＣコンバータ６、電動機７、リアクトル８、車輪９、電力貯蔵装置１１により構成されている。また、ＶＶＶＦインバータ４、ＤＣ／ＤＣコンバータ６、電力貯蔵装置１１のそれぞれの電圧を、ＶＦ、ＶＤ、ＶＥとし、ＤＣ／ＤＣコンバータ６から電力貯蔵装置１１に流れる電流をＩＥとする。
このように構成された電気車制御装置２０において、電気車制御装置２０の動作について説明する。
図３は、ＶＶＶＦインバータ４およびＤＣ／ＤＣコンバータ６の構成と信号の処理を示したブロック図である。
ＶＶＶＦインバータ４は、検出・制御装置４ａを備えている。検出・制御装置４ａには、ＶＶＶＦインバータフィルタコンデンサ電圧値１００、電気車の速度情報、モータのトルク情報、回生ブレーキ指令１０５等が入力される。検出・制御装置４ａは、入力された情報から回生ブレーキ力絞り量情報１０３を算出し、回生ブレーキ指令１０５から回生ブレーキ力絞り量情報１０３を減算した値を電動機トルク指令１０６として電動機７に出力し、電動機７を制御する。
また、検出・制御装置４ａは、入力された情報から、例えば、図４に示すように、以下の式を用いて、電力Ｐを算出する。
（モータのトルク）＊（電気車の速度）＝電力Ｐ
検出・制御装置４ａは、この電力Ｐを電力Ｐ情報１０２としてＤＣ／ＤＣコンバータ６が備える検出・制御装置６ａに出力する。また、ＤＣ／ＤＣコンバータフィルタコンデンサ電圧値１０１が検出・制御装置６ａに入力される。さらに、電力貯蔵装置１１から電力貯蔵装置１１の充電電圧値１１０が入力される。
検出・制御装置６ａは、入力された情報から、例えば、図５に示すように、以下の式を用いて、吸収電流Ｉを算出する。
（電力Ｐ）／（電力貯蔵装置の充電電圧）＝吸収電流Ｉ
吸収電流Ｉを算出した検出・制御装置６ａは、吸収電流Ｉを吸収電流指令１０４として、電力貯蔵装置１１に出力し、電力貯蔵装置１１の制御を行う。
以上より、ＶＶＶＦインバータにより検出された各種情報に対応して、ＤＣ／ＤＣコンバータを動作させることにより、回生負荷不足分のエネルギーと吸収エネルギーのバランスをとって電力貯蔵装置へ効果的に吸収することができる。
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る電気車制御装置について図６〜図８を参照して説明する。なお、第１の実施形態と同様の構成箇所は、同符号を付し、詳細な説明は前述に譲る。
第２の実施形態の第１の実施形態との相違点は、ＶＶＶＦインバータ４の検出・制御装置４ａからＤＣ／ＤＣコンバータ６の検出・制御装置６ａに情報が出力されることはなく、ＶＶＶＦインバータフィルタコンデンサ電圧値１００の動作開始電圧設定値（回生リミッタ制御開始電圧値）Ｖ１に対し、ＤＣ／ＤＣコンバータフィルタコンデンサ電圧値１０１の電力貯蔵装置１１への電力吸収制御開始電圧値Ｖ３を、Ｖ１と同じ値になるように予め設定しておく点である。
ＶＶＶＦインバータ４の検出・制御装置４ａでは、回生ブレーキ力絞り量αとＶＶＶＦインバータフィルタコンデンサ電圧値１００の動作開始電圧設定値（回生リミッタ制御開始電圧値）Ｖ１との関係は、図７に示すようになる。また、第１実施形態と同様に、ＤＣ／ＤＣコンバータフィルタコンデンサ電圧値１０１が検出・制御装置６ａに入力される。
一方、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の検出・制御装置６ａは、図８に示す、ＤＣ／ＤＣコンバータフィルタコンデンサ電圧値１０１の電力貯蔵装置１１への電力吸収制御開始電圧値Ｖ３を、Ｖ１と同じ値になるように設定する。そして、ＤＣ／ＤＣコンバータフィルタコンデンサ電圧値１０１に基づいて、吸収電流Ｉを算出し、吸収電流指令１０４として電力貯蔵装置１１に出力することにより、電力貯蔵装置１１を制御する。
以上より、ＶＶＶＦインバータの回生エネルギーとＤＣ／ＤＣコンバータによる吸収電力がバランスし協調をとることができ、吸収エネルギーの不足、過大といった問題を解決することができる。
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係る電気車制御装置について図９、図１０を参照して説明する。なお、第１の実施形態と同様の構成箇所は、同符号を付し、詳細な説明は前述に譲る。
第３の実施形態の第１の実施形態との相違点は、ＶＶＶＦインバータ４の検出・制御装置４ａからＤＣ／ＤＣコンバータ６の検出・制御装置６ａに出力される情報が、回生ブレーキ力絞り量情報１０３となる点である。
ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、所定値検知部６ｂをさらに備えている。所定値検知部６ｂは、入力された回生ブレーキ力絞り量情報１０３に基づいて、電力吸収制御開始電圧値Ｖ３をＶ３’に補正する補正指令をＤＣ／ＤＣコンバータ６の検出・制御装置６ａに出力する（図１０参照）。所定値検知部６ｂには、例えば、α＞０（回生ブレーキ力絞り量α）となった場合に、補正指令をＤＣ／ＤＣコンバータ６の検出・制御装置６ａに出力するように設定する。
ＶＶＶＦインバータ４の検出・制御装置４ａは、回生ブレーキ力絞り量αを回生ブレーキ力絞り量情報１０３としてＤＣ／ＤＣコンバータ６の検出・制御装置６ａに出力する。また、同時に動作開始電圧設定値Ｖ１もＤＣ／ＤＣコンバータ６の検出・制御装置６ａに出力する。また、第１実施形態と同様に、ＤＣ／ＤＣコンバータフィルタコンデンサ電圧値１０１が検出・制御装置６ａに入力される。
ＤＣ／ＤＣコンバータ６の検出・制御装置６ａは、入力された回生ブレーキ力絞り量情報１０３、動作開始電圧設定値Ｖ１、ＤＣ／ＤＣコンバータフィルタコンデンサ電圧値１０１に基づいて、ＤＣ／ＤＣコンバータフィルタコンデンサ電圧値１０１の電力貯蔵装置１１への電力吸収制御開始電圧値Ｖ３を、Ｖ１と同じ値になるように設定する。また、ＤＣ／ＤＣコンバータフィルタコンデンサ電圧値１０１に基づいて、吸収電流Ｉを設定し、吸収電流指令１１２として電力貯蔵装置１１に出力し、電力貯蔵装置１１の制御を行う。
以上の状態で、所定値検知部６ｂに入力された回生ブレーキ力絞り量情報１０３に基づいて、所定値検知部６ｂは、例えば、α＞０（回生ブレーキ力絞り量α）となったと判別すると、電力吸収制御開始電圧値Ｖ３をＶ３’に補正する補正指令をＤＣ／ＤＣコンバータ６の検出・制御装置６ａに出力する。補正指令が入力されたＤＣ／ＤＣコンバータ６の検出・制御装置６ａは、図１０に示すように、電力吸収制御開始電圧値Ｖ３からＶ３’に補正する。
すなわち、ＶＶＶＦインバータ４のフィルタコンデンサ電圧が上昇して回生リミッタ制御が開始されると、ＶＶＶＦインバータ４は、回生ブレーキ力絞り量情報１０３をＤＣ／ＤＣコンバータ６へ出力する。ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、回生ブレーキ力絞り量の値が所定値を超えると、吸収開始電圧Ｖ３をＶ３’に低下するように補正する。すると、ＤＣ／ＤＣコンバータ６のフィルタコンデンサ電圧を下回り、ＤＣ／ＤＣコンバータ６が動作を開始し、電力貯蔵装置１１への吸収が開始される。
以上より、ＶＶＶＦインバータのフィルタコンデンサ電圧がＤＣ／ＤＣコンバータのフィルタコンデンサ電圧より高かった場合に、ＶＶＶＦインバータの回生リミッタ制御のみ動作しＤＣ／ＤＣコンバータによる電力吸収が行われないことを防止することができ、ＶＶＶＦインバータの回生リミッタ制御動作と、ＤＣ／ＤＣコンバータの電力吸収制御動作を同期させて電力吸収の不足をなくすことができる。
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４実施形態に係る電気車制御装置について図１１、図１２を参照して説明する。なお、第３の実施形態と同様の構成箇所は、同符号を付し、詳細な説明は前述に譲る。
第４の実施形態の第３の実施形態との相違点は、ＶＶＶＦインバータ４の検出・制御装置４ａからＤＣ／ＤＣコンバータ６の検出・制御装置６ａに出力される回生ブレーキ力絞り量情報１０３がデジタル信号となる点である。
このため、ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、所定値検知部６ｂは備えておらす、逆に、ＶＶＶＦインバータ４に、所定値検知部４ｂを備えている。
以上のような構成により、ＶＶＶＦインバータ４からＤＣ／ＤＣコンバータ６へ、デジタル信号として動作指令１２０を送信することとなる。
すなわち、ＶＶＶＦインバータ４のフィルタコンデンサ電圧が上昇して回生リミッタ制御が開始されると、ＶＶＶＦインバータ４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６へ所定値検知部４ｂを介してデジタル信号として動作指令１２０を送信する。ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、動作指令１２０を受けると、図１２に示すように、吸収電流Ｉ２を設定し、吸収電流指令１１４として電力貯蔵装置１１に出力し、電力貯蔵装置１１の制御を行う。
以上より、ＶＶＶＦインバータ４の回生リミッタ制御の開始と、ＤＣ／ＤＣコンバータ６による電力吸収の開始の同期をとることができ、電力吸収の不足を防止することができる。また、動作指令１２０をデジタル信号とすることで、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の構成を簡易なものとすることができる。
（第５の実施形態）
次に、本発明の第５実施形態に係る電気車制御装置について図１３を参照して説明する。
第５の実施形態では、図１３に示すように、第１の実施形態の吸収電流指令１０４および第４の実施形態の吸収電流指令１１４の両方の指令を用いるものである。
吸収電流指令１０４および吸収電流指令１１４は、切り換え器１１６を用いて切り換えて出力吸収電流指令１３０として出力することができる。例えば、切り換え器１１６により、吸収電流指令１０４に切り換えられた場合には、出力吸収電流指令１３０は力行指令となり、切り換え器１１６により、吸収電流指令１１４に切り換えられた場合には、出力吸収電流指令１３０は回生指令となる。そして、出力吸収電流指令１３０を電力貯蔵装置１１に出力し、電力貯蔵装置１１の制御を行う。
以上より、第１、第５の実施形態の効果に加えて、力行と回生との実施形態を切り換えて電力貯蔵装置を制御することができる。
（第６の実施形態）
次に、本発明の第６実施形態に係る電気車制御装置について図１４を参照して説明する。
第６の実施形態では、図１４に示すように、第１の実施形態の吸収電流指令１０４および第２の実施形態の吸収電流指令１１２の両方の指令を用いるものである。
吸収電流指令１０４および吸収電流指令１１２は、加算器１１８を用いて加算処理して出力吸収電流指令１４０として出力する。そして、出力吸収電流指令１４０を電力貯蔵装置１１に出力し、電力貯蔵装置１１の制御を行う。
以上より、第１、第２の実施形態の効果に加えて、第１、第２の実施形態の吸収電流指令に基づいて電力貯蔵装置を制御することができる。
また、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
本発明の第１実施形態に係る電気車制御装置を備えたで電気車を示した外観図。 電気車制御装置の構成を示したブロック図。 ＶＶＶＦインバータおよびＤＣ／ＤＣコンバータの構成と信号の処理を示したブロック図。 電気車のモータトルク、速度、電力の関係を示した模式図。 吸収電流と電力との関係を示した模式図。 本発明の第２実施形態に係る電気車制御装置のＶＶＶＦインバータとＤＣ／ＤＣコンバータとの構成を示したブロック図。 回生ブレーキ力絞り量αとフィルタコンデンサ電圧値の動作開始電圧設定値（回生リミッタ制御開始電圧値）Ｖ１との関係を示した模式図。 吸収電流とＤＣ／ＤＣコンバータフィルタコンデンサ電圧との関係を示した模式図。 本発明の第３実施形態に係る電気車制御装置のＶＶＶＦインバータとＤＣ／ＤＣコンバータとの構成を示したブロック図。 吸収電流とＤＣ／ＤＣコンバータフィルタコンデンサ電圧との関係を示した模式図。 本発明の第４実施形態に係る電気車制御装置のＶＶＶＦインバータとＤＣ／ＤＣコンバータとの構成を示したブロック図。 吸収電流とＤＣ／ＤＣコンバータフィルタコンデンサ電圧との関係を示した模式図。 本発明の第５実施形態に係る電気車制御装置の構成を示した模式図。 本発明の第６実施形態に係る電気車制御装置の構成を示した模式図。
符号の説明
１…パンタグラフ、２…接触器、３…フィルタリアクトル、４…ＶＶＶＦインバータ、４ａ…検出・制御装置、４ｂ…所定値検知部、６…ＤＣ／ＤＣコンバータ、６ａ…検出・制御装置、６ｂ…所定値検知部、７…電動機、８…リアクトル、９…車輪、１０…電気車、１１…電力貯蔵装置、２０…電気車制御装置、２１…架線、１００…ＶＶＶＦインバータフィルタコンデンサ電圧値、１０１…ＤＣ／ＤＣコンバータフィルタコンデンサ電圧値、１０２…電力Ｐ情報、１０３…回生ブレーキ力絞り量情報、１０４…吸収電流指令、１０５…回生ブレーキ指令、１１０…充電電圧値、１１２…吸収電流指令、１１４…吸収電流指令、１１６…切り換え器、１１８…加算器、１２０…動作指令、１３０…出力吸収電流指令、１４０…出力吸収電流指令。

Claims (5)

  1. 電気車の電動機を駆動するインバータと、電動機のエネルギーを蓄積するための貯蔵手段と、この貯蔵手段に接続されたコンバータとを有し、
    前記インバータは前記電動機の電力値を検出する検出手段と、この検出手段によって検出された電力値を前記コンバータに送信する送信手段とを備え、
    前記コンバータは、前記貯蔵手段から当該貯蔵手段の充電電圧値を受信するとともに、前記送信手段によって送信された前記電動機の電力値を受信し、前記電動機の電力値を前記貯蔵手段の充電電圧値で除算することにより、前記貯蔵手段の吸収電流値を算出する算出手段と、この算出手段によって算出された吸収電流値を吸収電流指令として前記貯蔵手段に出力する制御手段とを備えることを特徴とする電気車制御装置。
  2. 請求項１に記載の電気車制御装置において、
    前記検出手段は、前記電気車の速度情報と前記電動機のモータトルク情報とから前記電動機の電力値を検出することを特徴とする電気車制御装置。
  3. 電気車の電動機を駆動するインバータと、電動機のエネルギーを蓄積するための貯蔵手段と、この貯蔵手段に接続されたコンバータとを有し、
    前記コンバータは、当該コンバータのフィルタコンデンサにおける前記貯蔵手段の電力吸収制御の動作開始電圧の設定値を、前記インバータのフィルタコンデンサにおける回生リミッタ制御の動作開始電圧の設定値と同じ値になるように設定する設定手段と、当該コンバータのフィルタコンデンサの電圧値に応じて決定される前記貯蔵手段の吸収電流値を吸収電流指令として前記貯蔵手段に出力する制御手段とを備えることを特徴とする電気車制御装置。
  4. 請求項３に記載の電気車制御装置において、
    前記コンバータは、前記インバータから得られる回生リミッタ制御のための回生ブレーキ力絞り量が所定値を超えたときに、前記コンバータのフィルタコンデンサにおける前記貯蔵手段の電力吸収制御の動作開始電圧の設定値が低下するように補正することを特徴とする電気車制御装置。
  5. 請求項３に記載の電気車制御装置において、
    前記コンバータは、前記インバータから得られる回生リミッタ制御のための回生ブレーキ力絞り量が所定値を超えたときに、前記吸収電流値を所定値に設定することを特徴とする電気車制御装置。
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