JP4722106B2 - 交流電気車の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、交流電気車の制御装置に関するものであり、特に、高調波電流の抑制を高精度に達成できるようにした交流電気車の制御装置に関するものである。

従来の交流電気車の制御装置では、編成内に複数組の電圧検出器が設けられ、これらの複数組の電圧検出器から出力されたゼロクロス信号のうち、所定の１台の電圧検出器から出力されたゼロクロス信号を共通のゼロクロス信号として入力し、これをタイミング基準として用いるように構成されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平８−９８３１７号公報（第３頁、図１）

従来の交流電気車の制御装置は、上記のように構成されているので、装置は故障していないにも関わらず、共通のゼロクロス信号の出力が異常となった場合、例えばゼロクロス信号出力段の切替回路や時素回路が異常となった場合は編成内で正常な位相差運転が行われず、本来相殺するべき高調波成分が打ち消されず、地上機器、線路上信号機器等に対し有害な高調波成分を発生させて安定走行を阻害するとともに、ときには架線電圧に大きなリップルを発生させ、保護動作を誤検知し、装置停止によって運用を阻害するなどの問題点があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、共通のゼロクロス信号の出力が異常になった場合でも、有害な高調波成分の発生を抑制し、安定走行や継続運用を確保する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、パンタグラフを介して交流架線から入力された交流電力を直流電力に変換するコンバータと、前記コンバータから出力される直流電力を所定の交流電力に変換するインバータと、前記コンバータに入力された交流電圧のゼロクロス点を検出し、そのタイミング信号であるゼロクロス信号を出力する電圧検出器と、前記ゼロクロス信号をタイミング基準にして作成した位相制御信号を前記コンバータへ送出して前記コンバータを制御する制御論理部と、を有する主変換器を編成車両内に複数個備えるとともに、前記各電圧検出器からのゼロクロス信号の中から予め設定された優先順位に基づき選択したゼロクロス信号を共通のゼロクロス信号として前記各制御論理部へ送出する同期信号選択回路を備えた交流電気車の制御装置において、前記各コンバータの電圧検出器によって検出された該各コンバータにおけるゼロクロス信号と、前記共通ゼロクロス信号との位相差に基づき該共通ゼロクロス信号の異常判定を前記各コンバータごとに行う共通ゼロクロス信号異常検出器をさらに備え、前記共通ゼロクロス信号異常検出器によって前記共通ゼロクロス信号の異常が判定された場合、異常が判定されたコンバータにおいては該共通ゼロクロス信号をタイミング基準とはせずに、自コンバータにおけるゼロクロス信号をタイミング基準として用い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、各コンバータの電圧検出器によって検出された各コンバータにおけるゼロクロス信号と、これらのゼロクロス信号の中から予め設定された優先順位に基づき選択されたゼロクロス信号である共通ゼロクロス信号との位相差に基づいて共通ゼロクロス信号の異常判定が各コンバータごとに実行され、共通ゼロクロス信号の異常が判定された場合に、異常が判定されたコンバータにおいては共通ゼロクロス信号をタイミング基準とはせず、自コンバータにおけるゼロクロス信号をタイミング基準として用いるようにしているので、共通のゼロクロス信号の出力が異常になった場合でも、有害な高調波成分の発生を抑制し、安定走行や継続運用を確保することができるという効果を奏する。

以下に、本発明にかかる交流電気車の制御装置の好適な実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる交流電気車の制御装置の構成を示すブロック図であり、列車１編成に３台の主変換装置１２ａ，１２ｂ，１２ｃを備えた構成を示すものである。図１において、交流電気車に交流電力を供給する、き電設備として、交流架線１、交流架線１に接触するパンタグラフ２（２ａ，２ｂ，２ｃ）、パンタグラフ２に接続された主変圧器３（３ａ，３ｂ，３ｃ）、交流架線１の電圧を降圧するための計器用変圧器（以下「ＰＴ」と表記）９（９ａ，９ｂ，９ｃ）などが設けられている。また、交流電気車側の装置として、主変換装置１２（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ）、主変換装置１２を制御するための制御信号を出力する同期信号選択回路１３、主変換装置１２の各出力側に接続された車両用電動機である誘導電動機８（８ａ，８ｂ，８ｃ）などが設けられている。

また、主変換装置１２は、パルス幅変調制御を行うコンバータ（以下「ＰＷＭコンバータ」という）４（４ａ，４ｂ，４ｃ），５（５ａ，５ｂ，５ｃ）、ＰＷＭコンバータ４，５に共通的に接続される直流中間回路である平滑用コンデンサ６、平滑用コンデンサ６に接続され、ＰＷＭコンバータ４，５から出力される直流電力を所定の交流電力に変換するインバータ７、ＰＴ９に接続される電圧検出器（以下「ＡＣＰＴ」と表記）１０（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ）、ＡＣＰＴ１０に接続される制御論理部１１（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ）などを備えて構成される。

ＡＣＰＴ１０は、入力された交流電圧のゼロクロス点を検出し、そのタイミング信号であるゼロクロス信号を出力する。同期信号選択回路１３は、各制御論理部１１を経由して入力された各ＡＣＰＴ１０からのゼロクロス信号Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃの中から、予め設定された優先順位に基づき選択された唯一の共通ゼロクロス信号Ｓ１を決定し、決定した共通ゼロクロス信号Ｓ１を生成して各制御論理部１１に送出する。制御論理部１１は、その出力端側がＰＷＭコンバータ４，５に接続されており、ＡＣＰＴ１０から出力されるゼロクロス信号、すなわち自車両のゼロクロス信号または同期信号選択回路１３から出力される共通ゼロクロス信号の何れかをタイミング基準にして作成した位相制御信号をＰＷＭコンバータ４，５へ送出してＰＷＭコンバータ４，５を制御する。このように、各制御論理部１１は、自車両のゼロクロス信号か同期信号選択回路１３によって決定された共通ゼロクロス信号の何れかをタイミング基準として作成した位相制御信号を用いて、各主変換装置間の位相差運転を実施することで、交流架線１に流れる高調波電流（以下「架線高調波電流」という）を抑制するための制御を実行する。

さらに、各制御論理部１１には、入力された共通ゼロクロス信号Ｓ１（もしくは共通ゼロクロス信号Ｓ１に応ずる制御信号）の異常検出を行う共通ゼロクロス信号異常検出器１４（１４ａ，１４ｂ，１４ｃ）が備えられており、本実施の形態における要部を構成する。なお、共通ゼロクロス信号異常検出器１４の詳細な動作については後述する。

図２は、共通ゼロクロス信号異常検出器１４の機能を説明するための説明図であり、主変換装置１２ａ内に設けられた制御論理部１１ａより得られたゼロクロス信号Ｓａが同期信号選択回路１３により共通ゼロクロス信号Ｓ１として設定され、制御論理部１１ｂに送出される場合を一例として示している。なお、図２に示す構成は、２台の制御論理部１１ａ，１１ｂと、これらの制御論理部１１ａ，１１ｂにそれぞれ接続される同期信号選択回路１３と、制御論理部１１ｂに設けられる共通ゼロクロス信号異常検出器１４ｂのみを図示する一方で、制御論理部１１ａに設けられる共通ゼロクロス信号異常検出器１４ａについては、図示を省略している。

つぎに、共通ゼロクロス信号異常検出器１４の機能について説明する。図２において、制御論理部１１ａ，１１ｂには、それぞれＡＰＣＴ１０ａ，１０ｂからの交流電圧信号が入力される。制御論理部１１ａ，１１ｂは、例えば図示するようなバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）およびコンパレータ（ＣＭＰ）などを用いて自車両のコンバータにおけるゼロクロス信号Ｓａ，Ｓｂを検出して同期信号選択回路１３に出力する。同期信号選択回路１３は、入力されたゼロクロス信号Ｓａ，Ｓｂの中から位相差運転に好適な共通ゼロクロス信号Ｓ１を決定し、制御論理部１１ａ，１１ｂに出力する。

制御論理部１１ｂに入力された共通ゼロクロス信号Ｓ１（＝Ｓａ）は、共通ゼロクロス信号異常検出器１４ｂに入力され、自車より得られたゼロクロス信号Ｓｂと比較され、両者の位相差（時間差と同義であり、図２の例では時間差Ｔｎで示している）が所定の閾値であるセット値以上の場合に共通ゼロクロス信号が異常であるとの判定を行う。共通ゼロクロス信号が異常であると判定した場合、制御論理部１１ｂは、共通ゼロクロス信号Ｓ１の代わりに、自車両のゼロクロス信号Ｓｂを使用することで、不適切な共通ゼロクロス信号を用いた位相差制御を行うことがなくなる。

すなわち、本構成は、共通ゼロクロス信号の送出元である制御論理部やコンバータ、インバータの故障を直接的に確認するのではなく、送出されてくるゼロクロス信号そのものを上記の手法を用いてチェックすることで、共通ゼロクロス信号送出側の制卸論理部の異常や同期信号選択回路の異常時に、共通ゼロクロス信号の出力異常を検出すると共に、共通ゼロクロス信号を自車両のゼロクロス信号に切替えることにより、架線高調波電流における有害な高調波成分の発生を抑制し、安定走行や継続運用の確保を可能とするものである。

図３は、各制御論理部１１で行われる実施の形態１にかかる共通ゼロクロス信号の異常検出制御のフローを示すフローチャートである。なお、図３に示すフローは、同期信号選択回路１３によって共通ゼロクロス信号が決定されると共に、決定された共通ゼロクロス信号が各制御論理部１１に送信されている状態からの動作を示すものである。

図３において、各制御論理部１１は、同期信号選択回路１３から送信された共通ゼロクロス信号を受信し（ステップＳ１０１）、例えば共通ゼロクロス信号の立ち上がり時間と自車両のゼロクロス信号の立ち上がり時間との時間差（Ｔｎ）を算出する（ステップＳ１０２）。なお、この時間差（Ｔｎ）は、図２に示すように、各主変換装置１２に入力される交流電圧の位相差を表すことになる。つぎに、各制御論理部１１は、ステップＳ１０２で得られた時間差（Ｔｎ）と所定の閾値であるセット値（Ｔｔｈ）とを比較する（ステップＳ１０３）。ここで、時間差（Ｔｎ）がセット値（Ｔｔｈ）よりも小さい場合には（ステップＳ１０４，Ｙｅｓ）、同期信号選択回路１３から送信された共通ゼロクロス信号を選択する（ステップＳ１０５）。一方、時間差（Ｔｎ）がセット値（Ｔｔｈ）を超えた場合には（ステップＳ１０４，Ｎｏ）、共通ゼロクロス信号に代えて自車両のゼロクロス信号を選択、すなわち自車両のゼロクロス信号を共通ゼロクロス信号として設定する。なお、これらのステップＳ１０１〜Ｓ１０６までの処理は、各車両ごと、すなわち、制御論理部１１ａ，１１ｂ，１１ｃにおいて実施されるので、例えば主変換装置１２ａおよび主変換装置１２ｃでは、共通ゼロクロス信号を用いた位相差運転が実施され、主変換装置１２ｂについては、自車両のゼロクロス信号を用いた運転が実施されることもあり得る。

つぎに、実施の形態１にかかる交流電気車の制御装置による効果について、図４〜図６の各図面を用いて説明する。ここで、図４は、共通ゼロクロス信号を用いたときの通常時における架線高調波電流の一例を示す図である。また、図５は、従来の制御装置を適用した場合の異常発生時における架線高調波電流の一例を示す図であり、図６は、実施の形態１にかかる制御装置を適用した場合の異常発生時における架線高調波電流の一例を示す図である。

まず、従来の制御装置を適用した場合において、共通ゼロクロス信号に何らかの異常が発生した場合には、図５に示すように、架線電流高調波は大きく乱れる。特に、同図の波線部Ｋ１，Ｋ２に示されるように、１．５ｋＨｚおよび２．５ｋＨｚ付近において、正常時（図４参照）の約１０倍もの高調波電流が流れることが分かる。したがって、従来の制御装置を適用した場合には、当該周波数帯を使用した信号機器などに障害を発生させてしまう可能性がある。

一方、実施の形態１にかかる制御装置を適用した場合には、図６に示すように、架線電流高調波は、図４に示す正常時とほぼ同程度に抑え込むことができる。すなわち、実施の形態１にかかる制御装置では、周辺機器に影響を及ぼすことなく、列車を安定、且つ、安全に走行させることが可能となる。

以上説明したように、実施の形態１にかかる交流電気車の制御装置によれば、複数の誘導電動機にそれぞれ設けられた主変換装置の制御論理部内に共通ゼロクロス信号の異常を検出する共通ゼロクロス信号異常検出器を備えるようにしているので、共通ゼロクロス信号の異常時には自車ゼロクロス信号を用いて安定走行を確保することができ、周辺機器に影響を及ぼすことなく、列車の安定走行および安全走行を確保することが可能となる。

なお、上記の実施態様では、共通ゼロクロス信号異常検出器は共通ゼロクロス信号と自車両のゼロクロス信号との位相差（立ち上がり時間の時間差）を比較することで共通ゼロクロス信号の異常を検出しているが、この実施態様に限定されるものではなく、例えば共通ゼロクロス信号と自車両のゼロクロス信号との周波数差、あるいは繰り返し周期の差などを比較することにより、共通ゼロクロス信号の異常を検出するようにしてもよい。

また、上記の構成では、主変換装置の台数を３台として説明したが、３台以外の複数台においても、同様な効果を得ることができる。また、また共通ゼロクロス信号を各制御論理部に供給する方式は、必ずしも図１に示すような同期信号選択回路を主変換装置の外部に備えて行う方式に限定されるものではない。例えば、同期信号選択回路が、主変換装置を代表する一の主変換装置の内部に具備されるような構成であっても構わない。

実施の形態２．
図７は、本発明の実施の形態２にかかる交流電気車の制御装置の構成を示すブロック図である。図１に示した実施の形態１にかかる交流電気車の制御装置では、共通ゼロクロス信号の異常検出を行う共通ゼロクロス信号異常検出器を主変換機内の各制御論理部に備えるように構成していたが、本実施の形態にかかる交流電気車の制御装置では、共通ゼロクロス信号の異常検出を行う共通ゼロクロス信号異常検出器を同期信号選択回路１３内に備える構成について示している。なお、その他の構成については、図１に示した実施の形態１にかかる制御装置と同一または同等であり、それらの同一または同等な部分には同一符号を付して示している。

図８は、同期信号選択回路１３で行われる実施の形態２にかかる共通ゼロクロス信号の異常検出制御のフローを示すフローチャートである。なお、図８に示すフローは、各制御論理部１１からのゼロクロス信号を同期信号選択回路１３が受信した後の動作を示すものである。

図８において、主変換装置を識別する“ｋ”の値が初期値（本実施例では、ｋ＝１）にセットされ（ステップＳ２０１）、同期信号選択回路１３は、各制御論理部１１からのゼロクロス信号に基づいて設定した共通ゼロクロス信号の立ち上がり時間と、各車両ごとのゼロクロス信号の立ち上がり時間との時間差（Ｔｎｋ）を算出し（ステップＳ２０２）、算出した時間差（Ｔｎｋ）と所定の閾値であるセット値（Ｔｔｈ）とを比較する（ステップＳ２０３）。ここで、時間差（Ｔｎｋ）がセット値（Ｔｔｈ）よりも小さい場合には（ステップＳ２０４，Ｙｅｓ）、同期信号選択回路１３から送信された共通ゼロクロス信号を選択する（ステップＳ２０５）。一方、時間差（Ｔｎ）がセット値（Ｔｔｈ）を超えた場合には（ステップＳ２０４，Ｎｏ）、同期信号選択回路１３から該当する制御論理部１１に対し、自車両のゼロクロス信号を使用する旨の制御信号が送信される（ステップＳ２０６）。その後、“ｋ”の値がインクリメントされ（ステップＳ２０７）、上記ステップＳ２０２〜Ｓ２０６までの処理が全ての主変換装置に対して実施される（ステップＳ２０８）。

以上説明したように、実施の形態２にかかる交流電気車の制御装置によれば、共通ゼロクロス信号の異常検出を行う共通ゼロクロス信号異常検出器を同期信号選択回路内に備えるようにしているので、共通ゼロクロス信号の異常時には自車ゼロクロス信号を用いて安定走行を確保することができ、周辺機器に影響を及ぼすことなく、列車の安定走行および安全走行を確保することが可能となる。

なお、上記ステップＳ２０６の処理では、同期信号選択回路１３から該当する制御論理部１１に対し、自車両のゼロクロス信号を使用する旨の制御信号を送信するようにしているが、この処理に限定されるものではない。例えば、同期信号選択回路１３からの信号を制御論理部１１が受信できないときには、自車両のゼロクロス信号を使用するものとする制御処理としても構わない。

また、上記の実施態様では、共通ゼロクロス信号異常検出器は共通ゼロクロス信号と自車両のゼロクロス信号との位相差（立ち上がり時間の時間差）を比較することで共通ゼロクロス信号の異常を検出しているが、この実施態様に限定されるものではなく、例えば共通ゼロクロス信号と自車両のゼロクロス信号との周波数差、あるいは繰り返し周期の差などを比較することにより、共通ゼロクロス信号の異常を検出するようにしてもよい。

また、上記の構成では、主変換装置の台数を３台として説明したが、３台以外の複数台においても、同様な効果を得ることができる。また、また共通ゼロクロス信号を各制御論理部に供給する方式は、必ずしも図１に示すような同期信号選択回路を主変換装置の外部に備えて行う方式に限定されるものではない。例えば、同期信号選択回路が、主変換装置を代表する一の主変換装置の内部に具備されるような構成であっても構わない。

以上のように、本発明にかかる交流電気車の制御装置は、共通のゼロクロス信号の出力が異常になった場合でも、有害な高調波成分の発生を抑制し、安定走行や継続運用の確保を可能とする発明として有用である。

本発明の実施の形態１にかかる交流電気車の制御装置の構成を示すブロック図である。 共通ゼロクロス信号異常検出器の機能を説明するための説明図である。 各制御論理部で行われる実施の形態１にかかる共通ゼロクロス信号の異常検出制御のフローを示すフローチャートである。 共通ゼロクロス信号を用いたときの通常時における架線高調波電流の一例を示す図である。 従来の制御装置を適用した場合の異常発生時における架線高調波電流の一例を示す図である。 実施の形態１にかかる制御装置を適用した場合の異常発生時における架線高調波電流の一例を示す図である。 本発明の実施の形態２にかかる交流電気車の制御装置の構成を示すブロック図である。 同期信号選択回路で行われる実施の形態２にかかる共通ゼロクロス信号の異常検出制御のフローを示すフローチャートである。

符号の説明

１ 交流架線
２ パンタグラフ
３ 主変圧器
４，５ ＰＷＭコンバータ
６ 平滑用コンデンサ
７ インバータ
８ 誘導電動機
９ ＰＴ
１０ ＡＣＰＴ
１１（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ） 制御論理部
１２（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ） 主変換装置
１３ 同期信号選択回路
１４（１４ａ，１４ｂ，１４ｃ） 共通ゼロクロス信号異常検出器

Claims (3)

1. パンタグラフを介して交流架線から入力された交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
   前記コンバータから出力される直流電力を所定の交流電力に変換するインバータと、
   前記コンバータに入力された交流電圧のゼロクロス点を検出し、そのタイミング信号であるゼロクロス信号を出力する電圧検出器と、
   前記ゼロクロス信号をタイミング基準にして作成した位相制御信号を前記コンバータへ送出して前記コンバータを制御する制御論理部と、
   を有する主変換器を編成車両内に複数個備えるとともに、
   前記各電圧検出器からのゼロクロス信号の中から予め設定された優先順位に基づき選択したゼロクロス信号を共通のゼロクロス信号として前記各制御論理部へ送出する同期信号選択回路を備えた交流電気車の制御装置において、
   前記各コンバータの電圧検出器によって検出された該各コンバータにおけるゼロクロス信号と前記共通ゼロクロス信号との位相差に基づき該共通ゼロクロス信号の異常判定を前記各コンバータごとに行う共通ゼロクロス信号異常検出器をさらに備え、
   前記共通ゼロクロス信号異常検出器によって前記共通ゼロクロス信号の異常が判定された場合、異常が判定されたコンバータにおいては該共通ゼロクロス信号をタイミング基準とはせずに、自コンバータにおけるゼロクロス信号をタイミング基準として用いることを特徴とする交流電気車の制御装置。
2. 前記共通ゼロクロス信号異常検出器が、前記各制御論理部内にそれぞれ設けられ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。
3. 前記共通ゼロクロス信号異常検出器が、前記同期信号選択回路内に設けられ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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