JP4772718B2 - Railway vehicle drive system - Google Patents

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Description

本発明は、鉄道車両の駆動装置に係り、特に、電力蓄積手段を設備してブレーキ時の発電エネルギの蓄電を可能とし、この蓄電エネルギを再利用して駆動装置に電力を供給する技術に関する。   The present invention relates to a railway vehicle drive device, and more particularly, to a technology for providing electric power storage means to enable storage of power generation energy during braking, and reusing the stored energy to supply power to the drive device.

鉄道車両は、鉄の車輪がレール面上を転がることにより走行するため、走行抵抗が自動車に比べて小さいことが特徴である。特に、最近の電気鉄道車両では、制動時に主電動機を発電機として作用させることで制動力を得ると同時に、制動時に主電動機で発生する電気的エネルギを架線に戻して他車両の力行エネルギとして再利用する回生ブレーキ制御を行っている。この回生ブレーキを備える電気鉄道車両は、回生ブレーキを備えていない電気鉄道車両に比べて、約半分のエネルギ消費で走行することが可能とされており、走行抵抗が小さい鉄道車両の特徴を生かした省エネ手法といえる。   The railway vehicle is characterized by having a lower running resistance than that of an automobile because it travels when iron wheels roll on the rail surface. In particular, in a recent electric railway vehicle, a braking force is obtained by causing the main motor to act as a generator during braking, and at the same time, the electric energy generated by the main motor during braking is returned to the overhead line to be reused as the power running energy of other vehicles. Regenerative brake control is used. The electric railway vehicle equipped with this regenerative brake is capable of traveling with about half the energy consumption compared to an electric railway vehicle not equipped with a regenerative brake, taking advantage of the features of a railway vehicle with low running resistance. This is an energy-saving technique.

ところで、鉄道車両で回生ブレーキが動作するとき、回生された電力を吸収する相手が必要である。これまでの一般的な鉄道車両は、回生ブレーキで発電した電力を、車両が備える集電装置を通して架線に戻し、その車両と同じ給電区間を走行する他の車両の力行電力として再利用する。同じ給電区間を複数の車両が走行しているときは、一車両の回生ブレーキが動作するタイミングで、力行する他車両が存在する確立が高い。逆に、同じ給電区間に一車両のみ走行しているときは、その車両の回生ブレーキが動作しても、その電力を吸収する力行車両がいない。このため、架線に戻る回生ブレーキ電流が僅少であるため、回生電力によりインバータ装置の直流電圧が大きくなる。この結果、インバータ装置の許容電圧を上回り、高電圧保護で回生ブレーキ失効が発生し、以降は回生ブレーキが動作せずに空気ブレーキだけで停車するので、回生ブレーキによる省エネルギ効果が得られない。   By the way, when a regenerative brake operates in a railway vehicle, a partner that absorbs the regenerated electric power is required. Conventional general railway vehicles return electric power generated by a regenerative brake to an overhead line through a current collector provided in the vehicle, and reuse it as power running power for other vehicles traveling in the same power feeding section as the vehicle. When a plurality of vehicles are traveling in the same power feeding section, there is a high probability that there is another vehicle that is powered at the timing when the regenerative brake of one vehicle operates. On the contrary, when only one vehicle is traveling in the same power feeding section, there is no power running vehicle that absorbs the electric power even if the regenerative brake of the vehicle operates. For this reason, since the regenerative brake current returning to the overhead wire is very small, the DC voltage of the inverter device is increased by the regenerative power. As a result, the allowable voltage of the inverter device is exceeded, the regenerative brake is disabled due to high voltage protection, and thereafter, the regenerative brake does not operate and the vehicle is stopped only by the air brake, so that the energy saving effect by the regenerative brake cannot be obtained.

このように、回生ブレーキ電力を架線に戻すには、その電力を吸収する力行車両が必要という制限がある。しかし、回生ブレーキ電力の蓄電できる設備を儲けられるならば、他の力行車両の存在に関わらず、回生ブレーキによる省エネルギ効果を得られる。   Thus, in order to return the regenerative brake power to the overhead line, there is a limitation that a power running vehicle that absorbs the power is necessary. However, if a facility capable of storing regenerative brake power can be provided, the energy saving effect of the regenerative brake can be obtained regardless of the presence of other powering vehicles.

蓄電装置を設ける位置は、おもに地上側の給電設備に併設する場合と、車上側のインバータ装置に併設する場合が考えられる。同じ給電区に走行する車両が多い場合、その車両全てに蓄電装置を設けるよりも、給電設備に蓄電装置を併設すほうがスケールメリットの面で低コストに実現できる。しかし、前述のように元々車両数が多いならば、他の力行車両で回生ブレーキ電力を吸収できる確立が高い。このため回生ブレーキ電力を吸収する蓄電装置が必要な場合では、蓄電装置を車上側のインバータ装置への併設を選択するケースが多くなると考えられている。   The position where the power storage device is provided can be mainly in the case of being installed in the ground-side power supply facility or in the case of being installed in the inverter device on the upper side of the vehicle. When there are many vehicles traveling in the same power supply zone, it is possible to realize a lower cost in terms of economies of scale by providing a power storage device in the power supply facility than providing a power storage device in all the vehicles. However, as described above, if the number of vehicles is originally large, there is a high probability that regenerative braking power can be absorbed by other power running vehicles. For this reason, when a power storage device that absorbs regenerative brake power is required, it is considered that there are many cases where the power storage device is selected to be provided in the inverter device on the vehicle upper side.

例えば、特許文献1には、回生電力を吸収する蓄電装置を車上側のインバータ装置に併設する車両用駆動制御装置の例が開示されている。図9に、回生電力を吸収する蓄電装置を車上側のインバータ装置に併設する場合の機器構成の一例を示す。   For example, Patent Document 1 discloses an example of a vehicle drive control device in which a power storage device that absorbs regenerative power is provided alongside an inverter device on the vehicle upper side. FIG. 9 shows an example of a device configuration in the case where a power storage device that absorbs regenerative power is provided in the inverter device on the vehicle upper side.

力行時、インバータ105は、蓄電装置102あるいは直流電源108と蓄電装置102から受電し、モータ106を駆動する。回生時は回生電力を蓄電装置102あるいは直流電源108と蓄電装置102へ回生する。また、停車、惰行時は、直流電源108で蓄電装置102を充電したり、蓄電装置102から直流電源108へ放電させる。蓄電装置102の充放電電流は、スイッチング素子111,112をスイッチングすることにより制御される。スイッチング素子111,112は、蓄電装置の充放電時の電流が、ある設定した電流よりも大きいとき、高いスイッチング周波数で動作し、電流が小さいときには、低いスイッチング周波数で動作する。また、蓄電装置102のみで力行・回生動作をする場合、スイッチング素子111,112のオン・オフの状態を固定する。   During power running, inverter 105 receives power from power storage device 102 or DC power supply 108 and power storage device 102 and drives motor 106. During regeneration, regenerative power is regenerated to the power storage device 102 or the DC power source 108 and the power storage device 102. When the vehicle stops or coasts, the power storage device 102 is charged by the DC power supply 108 or discharged from the power storage device 102 to the DC power supply 108. The charge / discharge current of power storage device 102 is controlled by switching switching elements 111 and 112. Switching elements 111 and 112 operate at a high switching frequency when the current during charging / discharging of the power storage device is larger than a set current, and operate at a low switching frequency when the current is small. Further, when the power running / regenerative operation is performed only by the power storage device 102, the on / off states of the switching elements 111 and 112 are fixed.

前述のように、回生ブレーキ電力を吸収する他のカ行車両がいない場合でも、自車両に搭載した蓄電装置で回生ブレーキ電力を吸収することで回生ブレーキをさせて省エネルギ効果を得ることが可能であり、その一例が特許文献1の車両用駆動制御装置である。
特開2005−278269号公報
As mentioned above, even when there is no other power-carrying vehicle that absorbs regenerative braking power, it is possible to achieve regenerative braking by absorbing the regenerative braking power with the power storage device mounted on the host vehicle and obtain an energy saving effect. One example is the vehicle drive control device disclosed in Patent Document 1.
JP 2005-278269 A

ところで、回生ブレーキを継続的に動作できない原因としては、前述した他のカ行車両がいない場合のほかに、架線から車両の集電装置が離別し、物理的に回生ブレーキ電力が架線に戻せなくなる状況がある。これは、架線と集電装置でダイナミクス系が異なるので、両者で固有振動数に違いがある。そのため、振動による瞬時的な離別が発生することがあり、「架線瞬断」あるいは「パンタ離線」とも呼ばれている。この架線瞬断によっても、架線に回生ブレーキ電流を戻せないので、架線瞬断が発生した瞬間にインバータ装置の直流電圧が急増し、過電圧保護による回生ブレーキ失効が発生する。   By the way, the reason why the regenerative brake cannot be continuously operated is that, in addition to the case where there is no other traveling vehicle mentioned above, the current collector of the vehicle is separated from the overhead line, and the regenerative brake power cannot be physically returned to the overhead line. There is a situation. This is because there is a difference in the natural frequency between the overhead wire and the current collector because the dynamics system is different. For this reason, instantaneous separation due to vibration may occur, which is also referred to as “instant wire interruption” or “pantor separation”. Since the regenerative brake current cannot be returned to the overhead line even by the instantaneous interruption of the overhead wire, the DC voltage of the inverter device increases rapidly at the moment when the instantaneous interruption of the overhead wire occurs, and the regenerative brake expires due to overvoltage protection.

この架線瞬断の発生についても、蓄電装置を車上側のインバータ装置に併設し、回生ブレーキ電流を吸収することにより、回生ブレーキ失効を防止できる。しかし、架線瞬断が発生した場合、回生ブレーキ電流が瞬時的に断たれる一方で、インバータを流れる回生ブレーキ電流I_regenは、一時的にフィルタコンデンサに流入するので、静電容量Cの作用で直ちには零にならず、架線瞬断の発生を瞬間的には検知できない。しかし、その結果として、フィルタコンデンサ電圧、すなわちインバータ装置の直流電圧V_dcを押し上げる。架線瞬断中の回生ブレーキ電流I_regenとインバータ装置の直流電圧V_dcの関係は、フィルタコンデンサに静電容量Cを用いて次式で表わせる。   With respect to the occurrence of the instantaneous interruption of the overhead wire, the regenerative brake expiration can be prevented by providing the power storage device in the inverter on the upper side of the vehicle and absorbing the regenerative brake current. However, when an instantaneous interruption of the overhead wire occurs, the regenerative brake current is instantaneously interrupted, while the regenerative brake current I_regen flowing through the inverter temporarily flows into the filter capacitor, so that the capacitance C causes an immediate action. Does not become zero, and instantaneous occurrence of overhead wire breakage cannot be detected instantaneously. However, as a result, the filter capacitor voltage, that is, the DC voltage V_dc of the inverter device is pushed up. The relationship between the regenerative braking current I_regen and the DC voltage V_dc of the inverter device during the instantaneous interruption of the overhead line can be expressed by the following equation using the capacitance C as the filter capacitor.

I_regen=C・(d/dt)V_dc ・・・・・ 式1
すなわち、回生ブレーキ電流I_regenからは架線瞬断の瞬間的に判断できないが、架線瞬断時は回生ブレーキ電流I_regenによりインバータ装置の直流電圧V_dcが急増することから、インバータ装置の直流電圧V_dcの時間変化率(d/dt)V_dcを求めることで、架線瞬断の検知が可能である。具体的には、インバータ装置の直流電圧の時間変化率(d/dt)V_dcが所定値を超えることにより、架線瞬断の発生を検知できる。
I_regen = C ・ (d / dt) V_dc Equation 1
In other words, the instantaneous break of the overhead wire cannot be determined instantaneously from the regenerative brake current I_regen, but the DC voltage V_dc of the inverter device suddenly increases due to the regenerative brake current I_regen when the overhead wire breaks. By obtaining the rate (d / dt) V_dc, it is possible to detect an instantaneous interruption of the overhead line. Specifically, it is possible to detect the occurrence of the instantaneous interruption of the overhead wire when the rate of time change (d / dt) V_dc of the DC voltage of the inverter device exceeds a predetermined value.

しかしながら、特許文献1の車両用駆動制御装置では、発明を実施するための最良の形態の欄の記載に示されるように、蓄電装置の充放電を制御するスイッチング素子111,112は、電流検出器13で検出する蓄電装置102の充放電電流IS、電流検出器14で検出するインバータ105に流れる負荷/回生電流ILなどの情報に基づいて制御されているが、スイッチング素子111,112をインバータ105の直流部電圧情報により制御することは開示されていない。   However, in the vehicle drive control device disclosed in Patent Document 1, as shown in the description of the best mode for carrying out the invention, the switching elements 111 and 112 that control charging / discharging of the power storage device are current detectors. 13 is controlled based on information such as the charge / discharge current IS of the power storage device 102 detected at 13 and the load / regenerative current IL flowing through the inverter 105 detected by the current detector 14. It is not disclosed that the control is performed based on the DC section voltage information.

すなわち、特許文献1の車両用駆動制御装置では、回生ブレーキ電力を吸収する他のカ行車両がいない場合など、比較的低応答で回生ブレーキ電力の充電制御を始めればよいときには、充放電電流IS、インバータ105に流れる負荷/回生電流ILに基づいてスイッチング素子111、のオン/オフによる充電制御により、回生ブレーキを継続できるけれども、架線瞬断が発生した場合など、高速に回生ブレーキ電力の充電制御を始めなければならないときには、架線瞬断を瞬時に検出できるインバータ105の直流電圧V_dcの情報を得られないため、確実な回生ブレーキの継続が難しいという問題点があった。   That is, in the vehicle drive control device of Patent Document 1, when it is sufficient to start charging control of the regenerative brake power with a relatively low response, such as when there is no other power-carrying vehicle that absorbs the regenerative brake power, the charge / discharge current IS Although the regenerative brake can be continued by the charging control by turning on / off the switching element 111 based on the load / regenerative current IL flowing through the inverter 105, the charging control of the regenerative brake power is performed at a high speed when, for example, an overhead wire break occurs. When it is necessary to start the operation, the information on the DC voltage V_dc of the inverter 105 that can instantaneously detect the instantaneous interruption of the overhead wire cannot be obtained, and there is a problem that it is difficult to continue the regenerative braking reliably.

本発明の目的は、回生ブレーキ中に集電装置から電力線への電流経路が断たれたとき、インバータ直流部の電圧検出値の変化率に基づいて、瞬時に回生電力を蓄電装置で吸収する充電制御を開始し、またその後も連続的に蓄電装置による回生電力の吸収を可能とする、環境に優しい鉄道車両の駆動システムを提供することにある。   An object of the present invention is to charge a power storage device that instantaneously absorbs regenerative power based on the rate of change in the voltage detection value of the inverter DC section when the current path from the current collector to the power line is interrupted during regenerative braking. It is an object of the present invention to provide an environment-friendly railcar drive system that starts control and continuously allows regenerative power to be absorbed by a power storage device.

本発明の鉄道車両の駆動システムは、電力線から電力を得る集電手段と、前記電力線電力に基づく直流電力を交流電力に変換するインバータ手段と、前記インバータ手段の直流側に配置されるコンデンサと、前記インバータ手段により駆動される電動機と、電力を充放電可能な電力蓄積手段と、前記インバータ手段の直流側と前記電力蓄積手段の間の通流電流を調整制御するスイッチ手段と、前記コンデンサの電圧を検出する手段と、を備え、
前記コンデンサの電圧検出値の変化率に基づき前記集電手段から前記電力線への電流経路の瞬断を検知した場合に、前記スイッチ手段により前記通流電流の増加率と回復率を選択制御して前記インバータ手段の直流側から前記電力蓄積手段側へ電流を通流させて、前記電動機により発生した回生電力を前記電力蓄積手段で充電する瞬時電力吸収制御と前記瞬時電力吸収制御の完了後の前記通電電流の検出値に基づく回生電力吸収制御とを行うことを特徴とする。
The railway vehicle drive system of the present invention includes a current collecting means for obtaining power from a power line, inverter means for converting DC power based on the power line power to AC power, a capacitor disposed on the DC side of the inverter means, An electric motor driven by the inverter means, a power storage means capable of charging / discharging power, a switch means for adjusting and controlling a current flowing between the DC side of the inverter means and the power storage means, and a voltage of the capacitor And means for detecting
When the instantaneous interruption of the current path from the current collecting means to the power line is detected based on the change rate of the voltage detection value of the capacitor, the switch means selectively controls the increase rate and the recovery rate of the conduction current. Instantaneous power absorption control in which current is passed from the DC side of the inverter means to the power storage means side and regenerative power generated by the electric motor is charged by the power storage means, and after the completion of the instantaneous power absorption control Regenerative power absorption control based on the detected value of the energization current is performed .

本発明によれば、回生ブレーキ中の集電装置から電力線への電流経路が断たれたとき、インバータ直流部の電圧検出値の変化率に基づいて、瞬時に回生電力を蓄電装置で吸収する充電制御を開始し、またその後も連続的に蓄電装置による回生電力の吸収を可能とする、環境に優しい鉄道車両の駆動システムを提供することができる。   According to the present invention, when the current path from the current collector to the power line during regenerative braking is interrupted, charging that instantaneously absorbs regenerative power with the power storage device based on the rate of change in the voltage detection value of the inverter DC unit It is possible to provide an environment-friendly driving system for a railway vehicle that can start control and can continuously absorb regenerative power by the power storage device.

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明していく。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、本発明の電気車の駆動システムにおける一実施形態の機器構成を示す図である。   FIG. 1 is a diagram showing an apparatus configuration of an embodiment of an electric vehicle drive system according to the present invention.

集電装置1から給電した直流電流は、フィルタリアクトル2、およびフィルタコンデンサ3で構成するLC回路(フィルタ回路)により高周波数域の変動分を除去した後、インバータ装置4に入力する。インバータ装置4は、入力された直流電力を可変電圧可変周波数(VVVF)の3相交電力に変換して、主電動機5a,5bを駆動する。なお、ここではインバータ装置4が駆動する主電動機が2台の場合を示しているが、インバータ装置4が駆動する主電動機の台数は限定しない。電圧センサ6aは、フィルタコンデンサ3の両端の直流部電圧V_dcを検出する。電流センサ7a,7b,7cは、インバータ装置4と、主電動機5a,5bの間の3相交流電力線を流れる電流を各相毎に検出して、インバータ装置に入力する。接地点100はこの回路の基準電位を決めている。スイッチング素子8a,8bは、前述の集電装置1および接地点200とインバータ装置4の間にある直流電力部のうち、高電位側と低電位側の間に直列配置する。電圧センサ6bは平滑リアクトル11と電流センサ7dの電力間に配置して、後述の蓄電装置12の端子間電圧V_btrを検出する。なお、電圧センサ6bは平滑リアクトル11電流センサ7dの電力線間に配置しているが、これは蓄電装置12と平滑リアクトル11の電力線間に配置しても、蓄電装置12の端子間電圧V_btrを検出できる。   The direct current fed from the current collector 1 is input to the inverter device 4 after the fluctuation in the high frequency region is removed by an LC circuit (filter circuit) constituted by the filter reactor 2 and the filter capacitor 3. The inverter device 4 converts the input DC power into three-phase AC power having a variable voltage variable frequency (VVVF), and drives the main motors 5a and 5b. Although the case where two main motors are driven by the inverter device 4 is shown here, the number of main motors driven by the inverter device 4 is not limited. The voltage sensor 6 a detects the DC voltage V_dc across the filter capacitor 3. Current sensors 7a, 7b and 7c detect the current flowing through the three-phase AC power line between inverter device 4 and main motors 5a and 5b for each phase, and input the detected current to the inverter device. The ground point 100 determines the reference potential of this circuit. The switching elements 8 a and 8 b are arranged in series between the high potential side and the low potential side in the DC power unit between the current collector 1 and the grounding point 200 and the inverter device 4. The voltage sensor 6b is disposed between the electric power of the smoothing reactor 11 and the current sensor 7d, and detects a terminal voltage V_btr of the power storage device 12 described later. The voltage sensor 6b is arranged between the power lines of the smoothing reactor 11 and the current sensor 7d. However, even if this is arranged between the power line of the power storage device 12 and the smoothing reactor 11, the voltage V_btr between the terminals of the power storage device 12 is detected. it can.

制御装置10は、インバータ装置4の回生電力P_inv、電圧センサ6aの電圧検出値V_dc、電圧センサ6bの電圧検出値V_btr、電流センサ7dの電流検出値I_btrを入力とし、ゲートアンプ9a,9bにスイッチング素子8a,8bのオン/オフを指令するゲートパルス信号GP1,GP2を出力する。ゲートアンプ9a,9bは、ゲートパルス信号GP1,GP2を入力とし、これを基にスイッチング素子8a,8bをオン/オフ可能な電圧制御信号に変換し、スイッチング素子8a,8bをオン/オフ制御する。電圧センサ6bは後述の蓄電装置12の端子間電圧を検出する。電流センサ7dは、後述の蓄電装置12に入出力する電流を検出する。   The control device 10 receives the regenerative power P_inv of the inverter device 4, the voltage detection value V_dc of the voltage sensor 6a, the voltage detection value V_btr of the voltage sensor 6b, and the current detection value I_btr of the current sensor 7d, and performs switching to the gate amplifiers 9a and 9b. Gate pulse signals GP1 and GP2 for commanding on / off of the elements 8a and 8b are output. The gate amplifiers 9a and 9b receive the gate pulse signals GP1 and GP2 and convert the switching elements 8a and 8b into voltage control signals that can be turned on / off based on the gate pulse signals GP1 and GP2, thereby controlling the switching elements 8a and 8b on / off. . Voltage sensor 6b detects a voltage between terminals of power storage device 12, which will be described later. The current sensor 7d detects a current that is input to and output from the power storage device 12 described later.

蓄電装置12としては、架線瞬断時吸収を優先に考えると、単位面積あたりの充放電入出力特性が高性能である電気二重層キャパシタ装置などの適用が考えられる。しかし、鉄道車両ではシステム冗長性の確保が重要であるため、停電状態でも安全な退避箇所まで自力走行を実現する要求が考えられる。このため、単位面積あたりの蓄電能力が高いリチウムイオン電池などで構成することが妥当と言える。   As the power storage device 12, when priority is given to absorption at the time of instantaneous interruption of the overhead wire, application of an electric double layer capacitor device having high performance charge / discharge input / output characteristics per unit area can be considered. However, since it is important to ensure system redundancy in railway vehicles, there may be a demand to realize self-running to a safe retreat location even in a power outage. For this reason, it can be said that it is appropriate to use a lithium ion battery or the like having a high power storage capacity per unit area.

蓄電装置12の充放電制御は、スイッチング素子8aまたは8bを周期的にオン/オフすることで実現する。この充放電制御において、平滑リアクトル11は、蓄電装置12に通流する電流の変化率を所定値内に抑える力をもつ。   The charge / discharge control of the power storage device 12 is realized by periodically turning on / off the switching element 8a or 8b. In this charge / discharge control, the smoothing reactor 11 has a force to keep the rate of change of the current flowing through the power storage device 12 within a predetermined value.

まずスイッチング素子8bを周期的にオン/オフすることにより、蓄電装置12の電力を放電する制御について説明する。   First, control for discharging the electric power of the power storage device 12 by periodically turning on / off the switching element 8b will be described.

前述のスイッチング素子8bを所定時間Ton_bだけオンすると、蓄電装置12の出力端子間は短絡されるが、平滑リアクトル11は、電流増加率を一定値内抑えると同時に、Ton_bの期間に通流した電流と、蓄電装置12の端子電圧の積を時間積分した電力エネルギを蓄える。その後、スイッチング素子8bを所定時間Toft_bだけオフすると、直流電力部側に平滑リアクトル11に蓄えられた電力エネルギは、スイッチング素子8aのダイオード部を介して、前述の集電装置1および接地点100とインバータ装置4の間にある直流電力部側に放出される。このとき、直流電力側で得られる電圧値V_dcは、蓄電装置12の端子電圧V_btrを基準として、前述のスイッチング素子8bをオンする時間Ton_bと、オフする時間Toft_bの比率から次式で決定する。   When the aforementioned switching element 8b is turned on for a predetermined time Ton_b, the output terminals of the power storage device 12 are short-circuited, but the smoothing reactor 11 keeps the current increase rate within a certain value and at the same time the current passed during the Ton_b period. Then, the power energy obtained by time-integrating the product of the terminal voltages of the power storage device 12 is stored. After that, when the switching element 8b is turned off for a predetermined time Toft_b, the power energy stored in the smoothing reactor 11 on the DC power unit side passes through the diode part of the switching element 8a and the current collector 1 and the ground point 100. It is discharged to the DC power unit side between the inverter devices 4. At this time, the voltage value V_dc obtained on the DC power side is determined from the ratio of the time Ton_b to turn on the switching element 8b and the time Toft_b to turn off based on the terminal voltage V_btr of the power storage device 12 by the following equation.

V_dc=V_btr×((Ton_b+Toft_b)/Toft_b) ・・・・・ 式2
次に、スイッチング素子8aを周期的にオン/オフすることにより、蓄電装置12に電力を充電する制御について説明する。
V_dc = V_btr × ((Ton_b + Toft_b) / Toft_b) Equation 2
Next, control for charging power to the power storage device 12 by periodically turning on / off the switching element 8a will be described.

前述のスイッチング素子8aを所定時間Ton_aだけオンすると、前述の集電装置1および接地点100とインバータ装置4の間にある直流電力部の、接地点100とインバータ装置4の間にある直流電力部の、接地点100に対する電位V_dcが、蓄電装置12の端子間電圧(接地点100に対する電位)V_dcよりも高いとき(V_dc>V_bc)、直流電力部から蓄電装置12の向きに電流が流れる。このとき、平滑リアクトル11は、その電流増加率を一定値内に抑えると同時に、Ton_aの期間に通流した電流と、蓄電装置12の端子電圧の積を時間積分した電力エネルギを蓄える、その後、スイッチング素子8aを所定時間Toft_aだけでオフすると、直流電力部側に平滑リアクトル11に蓄えられた電力エネルギは、蓄電装置12の高電位側端子から、低電位側端子に抜け、スイッチング素子8bのダイオード部を経て、平滑リアクトル11に戻る一巡の回路が構成される。すなわち、スイッチング素子8aを所定時間Toft_aだけオフしている期間は、平滑リアクトル11に蓄えられた電力エネルギが放出されるに従い、放電電流は減衰していく。このとき、蓄電装置12で得られる端子間電圧値V_btrは、直流電力側V_dcを基準として、前述のスイッチング素子8aをオンする時間Ton_aとオフする時間Toft_aのp比率から次式で決定する。   When the aforementioned switching element 8a is turned on for a predetermined time Ton_a, the DC power unit between the grounding point 100 and the inverter device 4 of the current collector 1 and the grounding point 100 and the inverter device 4 described above. When the potential V_dc with respect to the ground point 100 is higher than the inter-terminal voltage of the power storage device 12 (potential with respect to the ground point 100) V_dc (V_dc> V_bc), a current flows from the DC power unit toward the power storage device 12. At this time, the smoothing reactor 11 stores the power energy obtained by time-integrating the product of the current passed during the Ton_a period and the terminal voltage of the power storage device 12 at the same time while keeping the current increase rate within a certain value. When the switching element 8a is turned off only for a predetermined time Toft_a, the power energy stored in the smoothing reactor 11 on the DC power unit side is discharged from the high potential side terminal of the power storage device 12 to the low potential side terminal, and the diode of the switching element 8b The circuit of the circuit which returns to the smoothing reactor 11 through this part is comprised. That is, the discharge current attenuates as the power energy stored in the smoothing reactor 11 is released during a period in which the switching element 8a is off for a predetermined time Toft_a. At this time, the inter-terminal voltage value V_btr obtained by the power storage device 12 is determined from the p ratio of the time Ton_a for turning on the switching element 8a and the time Toft_a for turning off, based on the DC power side V_dc.

V_btr=V_dc×(Ton_a/(Ton_a+Toft_a))・・・・・ 式3
以上の構成により、電圧センサ6aの直流電圧検出値V_dcの時間変化率dV_dc/dtを制御装置10で演算し、dv_dc/dtが所定値を超えたとき、電流センサ7dの電流検出値I_btrを、所定の充電電流指令値I_abs_cmb(図示しない)に追従するように、ゲートアンプ9a,9bの出力であるゲートパルス信号GP1,GP2を制御して、スイッチング素子8a,8bを駆動できる。
V_btr = V_dc x (Ton_a / (Ton_a + Toft_a))
With the above configuration, the time variation rate dV_dc / dt of the DC voltage detection value V_dc of the voltage sensor 6a is calculated by the control device 10, and when dv_dc / dt exceeds a predetermined value, the current detection value I_btr of the current sensor 7d is The switching elements 8a and 8b can be driven by controlling the gate pulse signals GP1 and GP2 output from the gate amplifiers 9a and 9b so as to follow a predetermined charging current command value I_abs_cmb (not shown).

また、インバータ装置4の回生電力P_regenと蓄電装置12の端子間電圧V_btrより、蓄電装置12に充電可能な充電電流指令値I_regen_cmb(図示していない)を制御装置10で演算し、電流センサ7dの電流検出値I_btrを、前述の充電電流指令値I_regen_cmbに追従するように、ゲートアンプ9a,9bの出力であるゲートパルス信号GP1,GP2を制御して、スイッチング素子8a,8bを駆動できる。   Further, a charging current command value I_regen_cmb (not shown) that can be charged to the power storage device 12 is calculated by the control device 10 from the regenerative power P_regen of the inverter device 4 and the inter-terminal voltage V_btr of the power storage device 12, and the current sensor 7d The switching elements 8a and 8b can be driven by controlling the gate pulse signals GP1 and GP2 output from the gate amplifiers 9a and 9b so that the current detection value I_btr follows the charging current command value I_regen_cmb.

これにより、回生ブレーキ中の集電装置から電力線への電流経路が断たれたとき、インバータ直流部の電圧検出値の変化率に基づいて、瞬時に回生電力を蓄電装置で吸収する充電制御を開始し、またその後も連続的に蓄電装置による回生電力の吸収を可能とする、電気車の駆動システムを実現できる。   As a result, when the current path from the current collector to the power line during regenerative braking is interrupted, charging control that instantly absorbs regenerative power with the power storage device is started based on the rate of change in the voltage detection value of the inverter DC section. In addition, a drive system for an electric vehicle that can continuously absorb regenerative power by the power storage device can be realized.

図2は、本発明の電気車の駆動システムの一実施形態における制御方式を示すブロック図である。   FIG. 2 is a block diagram showing a control method in an embodiment of the electric vehicle drive system of the present invention.

電圧センサ6aの電圧検出値V_dcは、変化率演算部51に入力され、所定期間(dt)内の電圧V_dcの変化量dV_dc/dtを算出する。   The voltage detection value V_dc of the voltage sensor 6a is input to the change rate calculation unit 51, and the change amount dV_dc / dt of the voltage V_dc within a predetermined period (dt) is calculated.

比較器52aは、変化率演算部で算出したdV_dc/dtを入力とし、架線瞬断時の充電電流の増加率と回復率を選択する指令である架線瞬断検知フラグflg_i_upを出力する。比較器52aは、初期の出力値「flg_i_up=0」の状態にして、dV_dc/dtの値が架線瞬断探知レベルdV_on以上となり、その状態を継続している間は「flg_i_up=1」を出力する。また。出力値「flg_i_up=1」を出力している状態からdV_dc/dtの値が架線瞬断探知レベルdV_on未満となったときには「flg_i_up=0」を出力する。選択器53aは比較器52aが出力する架線瞬断探知フラグflg_i_upに応じて、充電電流増加率ΔI_up(正値)、または充電電流回復率ΔI_down(負値)を選択し、充電電流指令値ΔI_aとして出力する。すなわち、電圧変化率dV_dc/dtが架線瞬断検知オンレベルdV_on以上となり、その状態を継続している「flg_i_up=1」の状態では、選択器53aの出力である充電電流変化量ΔI_aは、充電電流増加率ΔI_upに等しい。また、電圧変化率dV_dc/dtが架線瞬断検知レベルdV_on未満となり、その状態を継続している「flg_i_up=0」の状態では、選択器53aの出力は充電電流回復率ΔI_downに等しい。   The comparator 52a receives dV_dc / dt calculated by the change rate calculation unit and outputs an overhead wire interruption detection flag flg_i_up which is a command for selecting an increase rate and a recovery rate of the charging current at the time of the interruption of the overhead wire. The comparator 52a sets the initial output value “flg_i_up = 0” and outputs “flg_i_up = 1” while the dV_dc / dt value is equal to or higher than the instantaneous overhead wire detection level dV_on. To do. Also. When the output value “flg_i_up = 1” is output and the value of dV_dc / dt becomes less than the overhead wire breakage detection level dV_on, “flg_i_up = 0” is output. The selector 53a selects the charging current increase rate ΔI_up (positive value) or the charging current recovery rate ΔI_down (negative value) in accordance with the overhead wire break detection flag flg_i_up output from the comparator 52a, and sets it as the charging current command value ΔI_a. Output. That is, in the state of “flg_i_up = 1” in which the voltage change rate dV_dc / dt is equal to or higher than the instantaneous voltage break detection on-level dV_on, and the state continues “flg_i_up = 1” It is equal to the current increase rate ΔI_up. In addition, in the state of “flg_i_up = 0” where the voltage change rate dV_dc / dt is less than the instantaneous overhead wire break detection level dV_on and the state continues, the output of the selector 53a is equal to the charging current recovery rate ΔI_down.

倫理回路54は比較器52aが出力した架線瞬断検知フラグflg_i_upと後述の比較器52bの出力であるflg_i_zeroを入力とし。flg_i_upとflg_i_zeroの論理和演算結果そして、充電電流の増加率または回復率の積分演算を制御するflg_i_sumを出力する。また、選択器53bは論理和回路54の出力flg_i_sumに応じて、零出力または充電電流変化量ΔI_aを選択して、積分器55に入力する。比較器52bは比較器55の出力結果である吸収電流指令値I_abs_cmbを入力とし、I_abs_cmbが零以下のとき「flg_i_zero=0」を出力し、I_abs_cmdが零より大きいとき「flg_i_zero=1」を出力する。   The ethics circuit 54 receives the overhead wire break detection flag flg_i_up output from the comparator 52a and the flg_i_zero output from the comparator 52b described later. The logical sum operation result of flg_i_up and flg_i_zero and flg_i_sum for controlling the integral operation of the charging current increase rate or recovery rate are output. Further, the selector 53 b selects zero output or the charging current change amount ΔI_a according to the output flg_i_sum of the OR circuit 54 and inputs it to the integrator 55. The comparator 52b receives the absorption current command value I_abs_cmb which is the output result of the comparator 55, outputs “flg_i_zero = 0” when I_abs_cmb is less than or equal to zero, and outputs “flg_i_zero = 1” when I_abs_cmd is greater than zero. .

その結果このflg_i_zeroとflg_i_upを入力する論理和回路54は、dV_dc/dtが架線瞬断検知オンレベルdV_onを上回り、その状態を継続しているとき(すなわちflg_i_up=1のとき)、また、積分器55の出力I_abs_cmbが零より大きい状態のとき(すなわちflg_i_zero=1のとき)「flg_i_sum=1」を出力する。このとき、選択器53bは充電電流変化量ΔI_aを出力として選択するが、選択器53aの作用により「flg_i_up=1」の状態では充電増加率ΔI_a(加算値)であり、「flg_i_up=0」の状態では、充電回復率ΔI_down(負値)に等しくなる。すなわち、積分器55の出力はflg_i_sumとflg_i_upによりその加算/減算が制御される。「flg_i_up=1」のとき論理和回路54の出力は「flg_i_sum=1」であり、積分器55はΔI_up(正値)を積分するので、I_abs_cmbは零よりも大きい値に積算される。このとき、比較器52bはI_abs_cmbが零より大きいので「flg_i_zero=1」を出力する。その後、「flg_i_up=0」となると、論理和回路54の出力は「flg_i_zero=1」であることから引続き「flg_i_sum=1」であるが、積分器55はΔI_down(負値)を積分するのでi_abs_cmbは減算される。I_abs_cmbの減算により零に達した時点で、比較器52bの出力「flg_i_zero=0」となり、論理和回路54の出力は「flg_i_sum=0」となる。すなわち、選択器53bの出力は零となるので、積分器55の出力であるI_abs_cmbは零に達した時点でそのまま零値を継続する。   As a result, the logical sum circuit 54 that inputs flg_i_zero and flg_i_up has a dV_dc / dt that exceeds the overhead wire break detection on-level dV_on and continues that state (that is, when flg_i_up = 1). When the output I_abs_cmb of 55 is larger than zero (that is, when flg_i_zero = 1), “flg_i_sum = 1” is output. At this time, the selector 53b selects the charging current change amount ΔI_a as an output, but in the state of “flg_i_up = 1” due to the action of the selector 53a, the charging increase rate ΔI_a (addition value) is obtained, and “flg_i_up = 0” In the state, it becomes equal to the charge recovery rate ΔI_down (negative value). That is, the addition / subtraction of the output of the integrator 55 is controlled by flg_i_sum and flg_i_up. When “flg_i_up = 1”, the output of the OR circuit 54 is “flg_i_sum = 1”, and the integrator 55 integrates ΔI_up (positive value), so that I_abs_cmb is integrated to a value larger than zero. At this time, the comparator 52b outputs “flg_i_zero = 1” because I_abs_cmb is larger than zero. After that, when “flg_i_up = 0”, the output of the OR circuit 54 is “flg_i_zero = 1”, so that “flg_i_sum = 1” continues. However, since the integrator 55 integrates ΔI_down (negative value), i_abs_cmb Is subtracted. When zero is reached by subtraction of I_abs_cmb, the output of the comparator 52b is “flg_i_zero = 0”, and the output of the OR circuit 54 is “flg_i_sum = 0”. That is, since the output of the selector 53b becomes zero, I_abs_cmb, which is the output of the integrator 55, continues to have a zero value when it reaches zero.

低位選択器56aは積分器55の出力である吸収電流指令値I_abs_cmbと、蓄電装置12が許容する最大充電電流(瞬時値)Imax_btr_insのうち小さい方の値を選び、制限つき吸収電流指令値I_abs_cmb_lmtを出力する。   The low-order selector 56a selects the smaller one of the absorption current command value I_abs_cmb which is the output of the integrator 55 and the maximum charging current (instantaneous value) Imax_btr_ins allowed by the power storage device 12, and sets the limited absorption current command value I_abs_cmb_lmt. Output.

一方、フリップフロップ回路102は、比較器52aの出力である架線瞬断検知フラグflg_i_upをセット入力、運転台からのブレーキフラグB_flgを倫理反転器103で反転した信号を入力とする、リセット優先フリップフロップであり、架線瞬断発生以降はインバータ回生電力を蓄電装置12に蓄電する蓄電回生有効フラグflg_regenを出力する。すなわち、「B_flg=0」の状態では、フリップフロップ回路102のリセット入力は「1」なので、架線瞬断検知フラグflg_i_upが「flg_i_up=1」でも、蓄電回生有効フラグflg_regenはセットされず、「B_regen_flg=0」である。運転台のブレーキ操作により「B_flg=1」の状態のとき、フリップフロップ回路102のリセット入力は「0」であり、架線瞬断検知フラグflg_i_upが「flg_i_up=1」になった時点で、蓄電回生有効フラグflg_regenは「flg_regen=1」にセットされる。乗算器58、除算器59は、インバータ回生電力P_regenから、蓄電装置電圧I_btrを割り算して、回生電流I_regen_0を算出する。選択器53cはフリップフフロップ回路102の出力である、架線瞬断検知フラグflg_i_upに応じて、回生電流指令I_regen_cmdを出力する。すなわち、「flg_i_up=0」のとき回生電流指令I_regen_cmdは零、「flg_i_up=0」のときは、回生電流指令I_regen_cmdは前述の回生電流I_regen_0に等しくする。   On the other hand, the flip-flop circuit 102 is a reset priority flip-flop that receives the signal obtained by inverting the brake flag B_flg from the driver's cab with the ethical inverter 103 as a set input, which is an output of the comparator 52a. After the instantaneous interruption of the overhead wire, the storage regeneration valid flag flg_regen for storing the inverter regeneration power in the power storage device 12 is output. That is, in the state of “B_flg = 0”, the reset input of the flip-flop circuit 102 is “1”. Therefore, even if the overhead wire break detection flag flg_i_up is “flg_i_up = 1”, the storage regeneration valid flag flg_regen is not set, = 0 ”. When the state of “B_flg = 1” is set by the brake operation of the cab, the reset input of the flip-flop circuit 102 is “0”, and when the overhead wire break detection flag flg_i_up becomes “flg_i_up = 1”, the power regeneration The valid flag flg_regen is set to “flg_regen = 1”. The multiplier 58 and the divider 59 divide the power storage device voltage I_btr from the inverter regenerative power P_regen to calculate a regenerative current I_regen_0. The selector 53c outputs a regenerative current command I_regen_cmd according to the overhead wire break detection flag flg_i_up, which is the output of the flip-flop circuit 102. That is, when “flg_i_up = 0”, the regenerative current command I_regen_cmd is zero, and when “flg_i_up = 0”, the regenerative current command I_regen_cmd is equal to the above-described regenerative current I_regen_0.

flg_i_up=0のとき、I_regen_cmd=0
flg_i_up=1のとき、I_regen_cmd=I_regen_0(=P_regen/V_btr)
低位選択器56bは選択器53cの出力である。回生電流指令I_regen_cmdと、蓄電装置12が許容する最大充電電流(定格値)Imax_btr_ratのうち、小さい値を選んで制限つき回生電流指令値I_abs_cmd_lmtと、制限つき回生電流指令値I_regen_cmd_lmtのうち、小さい値を選んで連続回生電流指令値I_brfree_cmdを出力する。
I_regen_cmd = 0 when flg_i_up = 0
When flg_i_up = 1, I_regen_cmd = I_regen_0 (= P_regen / V_btr)
The low order selector 56b is the output of the selector 53c. A smaller value is selected from the regenerative current command I_regen_cmd and the maximum charging current (rated value) Imax_btr_rat allowed by the power storage device 12, and a smaller value is selected from the limited regenerative current command value I_abs_cmd_lmt and the limited regenerative current command value I_regen_cmd_lmt. Select to output the continuous regenerative current command value I_brfree_cmd.

減算器60は、連続回生電流指令値I_brfree_cmdから、蓄電装置電流I_btrを減算し、連続回生制御指令ΔI_bfree_cmdを出力する。安定化制御器62は連続回生制御指令ΔI_brfree_cmdを入力とし、前述の連続回生電流指令値I_brfree_cmdと、蓄電装置電流I_btrの差分を速やかに一致させるための連続回生制御操作量Duty_brfree_manを出力する。低位選択器56cと高位選択器57bは、連続回生操作量Duty_brfree_manの下限値及び上限値を決定する。まず、高位選択器57bは、連続回生制御操作量Duty_brfree_manと零のうち大きい値を選んで出力し、低位選択器56cは、高位選択器57bの出力値と、1つのうち小さい値を選んで出力する。すなわち、連続回生制御操作量Duty_brfree_manは、低位選択器57bにより、その範囲を0から1に制限して、制限つき連続回生制御操作量Duty_brfree_man_lmtを出力する。ゲートパルス演算部61は、制限つき連続回生操作量Duty_brfree_man_lmtをもとに、スイッチング素子8bのオン/オフを制御する、降圧チョッパゲートパルスGP_buckを出力する。   The subtractor 60 subtracts the power storage device current I_btr from the continuous regenerative current command value I_brfree_cmd, and outputs a continuous regenerative control command ΔI_bfree_cmd. The stabilization controller 62 receives the continuous regenerative control command ΔI_brfree_cmd and outputs a continuous regenerative control operation amount Duty_brfree_man for quickly matching the difference between the above-described continuous regenerative current command value I_brfree_cmd and the power storage device current I_btr. The low level selector 56c and the high level selector 57b determine the lower limit value and the upper limit value of the continuous regeneration operation amount Duty_brfree_man. First, the high level selector 57b selects and outputs a large value of the continuous regeneration control manipulated variable Duty_brfree_man and zero, and the low level selector 56c selects and outputs the output value of the high level selector 57b and one of the smaller values. To do. That is, the continuous regeneration control operation amount Duty_brfree_man is limited to a range from 0 to 1 by the low-order selector 57b, and the limited continuous regeneration control operation amount Duty_brfree_man_lmt is output. The gate pulse calculation unit 61 outputs a step-down chopper gate pulse GP_buck that controls on / off of the switching element 8b based on the limited continuous regenerative operation amount Duty_brfree_man_lmt.

以上の構成により、電圧センサ6aの直流部電圧検出値V_dcの時間変化率dV_dc/dtを制御装置10で演算し、dV_dc/dtを超えたとき、電流センサ7dの電流検出値I_btrを、所定の充電電流指令値I_abs_cmdに追従するように、ゲートアンプ9a,9bの出力であるゲートパルス信号GP1,GP2を制御して、スイッチング素子8a,8bを駆動できる。   With the above configuration, the time change rate dV_dc / dt of the DC voltage detection value V_dc of the voltage sensor 6a is calculated by the control device 10, and when dV_dc / dt is exceeded, the current detection value I_btr of the current sensor 7d is set to a predetermined value. The switching elements 8a and 8b can be driven by controlling the gate pulse signals GP1 and GP2 which are the outputs of the gate amplifiers 9a and 9b so as to follow the charging current command value I_abs_cmd.

また、インバータ装置4の回生電力P_regenと、蓄電装置12の端子間電圧V_btrより、蓄電装置12の充電可能な充電指令値I_regen_cmd(図示していない)を制御装置10で演算し、電流センサ7dの電流検出値I_btrを、前述の充電電流指令値I_regen_cmdを追従するように、ゲートアンプ9a,9bの出力であるゲートパルス信号GP1,GP2を制御して、スイッチング素子8a,8bを駆動できる。   Further, the control device 10 calculates a charge command value I_regen_cmd (not shown) that can charge the power storage device 12 from the regenerative power P_regen of the inverter device 4 and the inter-terminal voltage V_btr of the power storage device 12, and the current sensor 7d The switching elements 8a and 8b can be driven by controlling the gate pulse signals GP1 and GP2 which are the outputs of the gate amplifiers 9a and 9b so that the detected current value I_btr follows the charging current command value I_regen_cmd described above.

これにより、回生ブレーキ中に集電装置から電力線への電流経路が断たれたとき、インバータ直流部電圧検出値の変化率に基づいて、瞬時に回生電力を蓄電装置で吸収する充電制御を開始し、またその後も連続的に蓄電装置による回生電力の吸収を可能とする、電気車の駆動システムを実現できる。   As a result, when the current path from the current collector to the power line is interrupted during regenerative braking, charging control that instantly absorbs regenerative power with the power storage device is started based on the rate of change in the detected voltage value of the inverter DC section. In addition, it is possible to realize an electric vehicle drive system that can continuously absorb regenerative power by the power storage device.

図3は、本発明の電気車の駆動システムの一実施形態における制御動作を示す波形図である。   FIG. 3 is a waveform diagram showing a control operation in an embodiment of the electric vehicle drive system of the present invention.

図3の横軸は経過時間であり、縦軸は各信号の大きさを示している。
まず、時間t0で運転台の操作によりブレーキプラグB_flgがオンする。これにより、直流部回生電力P_brkが立ち上がることで減速が始まり、ロータ周波数Frが減少する。運転台からのブレーキ指令が同じと仮定とすると、VVVF制御の変調率が100%(最大電圧)で、かつ電動機の電流特性が飽和しない領域で、直流部回生電力P_brkは最大となる。図3では、時間t1からt4(ロータ周波数Fr1からFr4)までの間で直流部回生電力P_brkが最大である状態を示している。
In FIG. 3, the horizontal axis represents elapsed time, and the vertical axis represents the magnitude of each signal.
First, at time t0, the brake plug B_flg is turned on by operating the cab. As a result, the DC part regenerative electric power P_brk rises, so that deceleration starts and the rotor frequency Fr decreases. Assuming that the brake command from the cab is the same, the DC regenerative power P_brk is maximized in a region where the modulation rate of VVVF control is 100% (maximum voltage) and the current characteristics of the motor are not saturated. FIG. 3 shows a state in which the DC portion regenerative power P_brk is maximum between time t1 and t4 (rotor frequency Fr1 to Fr4).

通常時は、回生ブレーキにより発生した直流部回生電力P_brkは集電装置1から架線に戻すことで周囲を走行する車両が力行電力として利用する。しかし、架線と集電装置1がごく短時間だけ離別する架線瞬断が発生すると、直流部回生電力P_brkを吸収できないため、瞬時的に直流部の電圧が上昇し、過電圧保護動作による回生ブレーキ失効が発生する。本発明はこの架線瞬断時の回生失効を防止することをおもな目的としている。   At normal times, the DC portion regenerative power P_brk generated by the regenerative brake is returned from the current collector 1 to the overhead line so that the vehicle traveling around uses it as power running power. However, if there is an instantaneous interruption of the overhead line that separates the overhead line from the current collector 1 for a very short time, the DC part regenerative power P_brk cannot be absorbed, so the voltage of the DC part rises instantaneously and the regenerative brake is disabled due to the overvoltage protection operation. Occurs. The main object of the present invention is to prevent the regenerative invalidation at the time of the instantaneous interruption of the overhead wire.

いま、直流部回生電力P_brkが最大となる時間t1からt4の中間である時間t2において架線瞬断が発生して、ごく短時間経過したt3に復位した場合を考える。架線電圧検出値Esは、通常時は集電装置が架線に接してしるため、電圧値は実際の架線電圧Es0を示す。架線瞬断が発生する時間t2に架線電圧検出値Esは瞬間的に零となり、瞬断が解消する時間t3に再び本来の電圧値Es0に戻る。   Consider a case where an overhead wire break occurs at time t2 that is intermediate between time t1 and time t4 when the DC unit regenerative power P_brk is maximum, and is restored to t3 after a very short time. The overhead line voltage detection value Es normally indicates that the current collector is in contact with the overhead line, and therefore the voltage value indicates the actual overhead line voltage Es0. The overhead line voltage detection value Es instantaneously becomes zero at the time t2 when the instantaneous interruption occurs, and returns to the original voltage value Es0 again at the time t3 when the interruption is resolved.

架線瞬断が発生すると、直流回生電力P_brkは集電装置1から架線に戻せないため、その電力はフィルタコンデンサ3に充電される。フィルタコンデンサ3は、フィルタリアクトル2と組合せて、架線電流のリップルを除去するフィルタ回路の役目を果たす。このため、その時定数は10ms程度に設定する場合が多い。その一方で、フィルタリアクトル2は、架線短絡事故が発生したときの変電所機器保護のために電流変化率を所定値に抑える機能を兼ね備えている。したがって、フィルタコンデンサ3の静電容量と、フィルタリアクトル2のインダクタンス値は、トレードオフの関係にあり、フィルタコンデンサ3の静電容量Cは概ね0.01(F)程度とすることが多い。例えば、直流部回生電力P_brk=500kW、Ecf=1500Vのとき、架線瞬断時のフィルタコンデンサ電圧変化率の変化率は、dEcf/dt=(P_brk/Ecf)/C=(500*1000/1500)/0.01=33333(V/s)である。すなわち、この仮定では架線瞬断時にフィルタコンデンサ電圧が1秒間に33kV電圧上昇する。   When the overhead wire break occurs, the DC regenerative power P_brk cannot be returned from the current collector 1 to the overhead wire, and the power is charged in the filter capacitor 3. In combination with the filter reactor 2, the filter capacitor 3 serves as a filter circuit that removes the ripple of the overhead wire current. For this reason, the time constant is often set to about 10 ms. On the other hand, the filter reactor 2 also has a function of suppressing the current change rate to a predetermined value in order to protect the substation equipment when an overhead wire short circuit accident occurs. Therefore, the capacitance of the filter capacitor 3 and the inductance value of the filter reactor 2 are in a trade-off relationship, and the capacitance C of the filter capacitor 3 is often about 0.01 (F) in many cases. For example, when the DC regenerative power P_brk = 500kW and Ecf = 1500V, the rate of change of the filter capacitor voltage change rate at the time of instantaneous interruption of the overhead line is dEcf / dt = (P_brk / Ecf) / C = (500 * 1000/1500) /0.01=33333 (V / s). That is, under this assumption, the filter capacitor voltage rises by 33 kV per second when the overhead wire is interrupted.

このように、架線瞬断が発生したときにフィルタコンデンサ電圧Ecf、すなわち直流部電圧V_dcが急増することに着目し、直流部電圧検出値V_dcの変化率dV_dc/dtが所定値を超えたとき、架線瞬断が発生したと判断して瞬断検知フラグflg_itrをオンすることにより、「瞬時電力吸収制御」を行う。   Thus, paying attention to the fact that the filter capacitor voltage Ecf, that is, the DC part voltage V_dc rapidly increases when the overhead wire break occurs, when the rate of change dV_dc / dt of the DC part voltage detection value V_dc exceeds a predetermined value, “Instantaneous power absorption control” is performed by determining that an instantaneous interruption of the overhead line has occurred and turning on the instantaneous interruption detection flag flg_itr.

「瞬時電力吸収制御」では、瞬断検知フラグflg_itrがオンしている期間は、降圧チョッパ操作量I_abs_cmdを増加させて、直流部から蓄電装置12への充電電流を瞬時に通流させる。これにより、フィルタコンデンサ電圧Ecfの増加は最小限に抑えられて、フィルタコンデンサ電圧変化率Ecfは減少していく。フィルタコンデンサ電圧変化率Ecfの減少により所定値を下回った時点で瞬断検知フラグflg_itrをオフし、降圧チョッパ操作量I_abs_cmdを零まで低減して、瞬時電力吸収制御を完了する。   In “instantaneous power absorption control”, during the period when the instantaneous interruption detection flag flg_itr is on, the step-down chopper manipulated variable I_abs_cmd is increased, and the charging current from the DC unit to the power storage device 12 is allowed to flow instantaneously. As a result, the increase in the filter capacitor voltage Ecf is minimized, and the filter capacitor voltage change rate Ecf decreases. When the filter capacitor voltage change rate Ecf decreases below the predetermined value, the instantaneous interruption detection flag flg_itr is turned off, the step-down chopper manipulated variable I_abs_cmd is reduced to zero, and the instantaneous power absorption control is completed.

一方、瞬時電力吸収制御を完了した後においても、架線瞬断が発生した原因が解消されているときは限らない。このため、瞬時電力吸収制御完了後は、「回生電力吸収制御」に移行して、回生ブレーキを継続させる、「回生電力吸収制御」では、直流部回生電力P_brkを、ちょうど蓄電装置12に充電するための降圧チョッパ制御操作量I_regen_cmdを演算する。これに基づいてスイッチング素子8aを制御することにより、ブレーキフラグB_flgのオンが継続している期間中の回生電力は、集電装置1から架線に戻すことなく蓄電装置12に充電することで、架線瞬断の発生に影響されない、安定した連続回生ブレーキを実現する。   On the other hand, even after the instantaneous power absorption control is completed, the cause of the occurrence of instantaneous overhead wire breakage is not always solved. For this reason, after completion of the instantaneous power absorption control, the process shifts to “regenerative power absorption control” to continue the regenerative braking. In “regenerative power absorption control”, the direct current regenerative power P_brk is just charged to the power storage device 12. The step-down chopper control manipulated variable I_regen_cmd is calculated. By controlling the switching element 8a based on this, the regenerative electric power during the period when the brake flag B_flg is kept on is charged to the power storage device 12 without returning from the power collecting device 1 to the overhead wire. Realizes stable continuous regenerative braking that is not affected by instantaneous interruptions.

以上のように本発明の構成によれば、回生ブレーキ中に集電装置から電力線への電流経路が断たれたとき、インバータ直流部の電圧検出値の変化率に基づいて、瞬時に回生電力を蓄電装置で吸収する充電制御を開始し、またその後も連続的に蓄電装置による回生電力の吸収を可能とする、電気車の駆動システムを実現できる。   As described above, according to the configuration of the present invention, when the current path from the current collector to the power line is interrupted during regenerative braking, the regenerative power is instantaneously generated based on the rate of change in the voltage detection value of the inverter DC unit. It is possible to realize a drive system for an electric vehicle that starts charging control that is absorbed by the power storage device and that can continuously absorb regenerative power by the power storage device.

図4は、本発明の電気車の駆動システムにおける第二の実施形態の機器構成を示す図である。   FIG. 4 is a diagram showing a device configuration of the second embodiment in the electric vehicle drive system of the present invention.

集電装置1から給電した直流電力は、フィルタリアクトル2、およびフィルタコンデンサ3で構成するLCフィルタリング回路により高周波数域の変動分を除去した後、インバータ装置4に入力する。インバータ装置4は、入力された直流電力を可変電圧可変周波数(VVVF)の3相交流電力に変換して、主電動機5a,5bを駆動する。なお、ここではインバータ装置4が駆動する主電動機が2台の場合を示しているが、インバータ装置4が駆動する主電動機の台数は限定しない。電圧センサ6aは、フィルタコンデンサ3の両端の直流部電圧V_dcを検出する。電流センサ7a,7b,7cは、インバータ装置4と、主電動機5a,5bの間の3相交流電力線を流れる電流を各相毎に検出して、インバータ装置4入力する。接地点100はこの回路の基準電位を決めている。スイッチング素子8a,8bは、前述の集電装置1および接地点100とインバータ装置4の間にある直流電力部のうち、高電圧側と低電圧側の間に直列配置する。また、スイッチング素子8cは、前述の集電装置1および接地点100とインバータ装置4の間にある直流電力部のうち、高電位側と低電位側の間に、ブレーキ抵抗器13と共に直列配置する。電圧センサ6bは平滑リアクトル11と電流センサ7dの電力線間に配置して、後述の蓄電装置12の端子間電圧V_btrを検出する。なお、電圧センサ6bは平滑リアクトル11と電流センサ7dの電力線間に配置しているが、これは蓄電装置12と平滑リアクトル11の電力線間に配置しても、蓄電装置12の端子間電圧V_btrを検出できる。   The DC power fed from the current collector 1 is input to the inverter device 4 after the fluctuation in the high frequency region is removed by the LC filtering circuit constituted by the filter reactor 2 and the filter capacitor 3. The inverter device 4 converts the input DC power into three-phase AC power having a variable voltage variable frequency (VVVF), and drives the main motors 5a and 5b. Although the case where two main motors are driven by the inverter device 4 is shown here, the number of main motors driven by the inverter device 4 is not limited. The voltage sensor 6 a detects the DC voltage V_dc across the filter capacitor 3. Current sensors 7a, 7b, and 7c detect the current flowing through the inverter device 4 and the three-phase AC power line between the main motors 5a and 5b for each phase, and input to the inverter device 4. The ground point 100 determines the reference potential of this circuit. The switching elements 8 a and 8 b are arranged in series between the high voltage side and the low voltage side in the DC power unit between the current collector 1 and the ground point 100 and the inverter device 4. The switching element 8c is arranged in series with the brake resistor 13 between the high potential side and the low potential side of the DC power unit between the current collector 1 and the grounding point 100 and the inverter device 4 described above. . The voltage sensor 6b is disposed between the power lines of the smoothing reactor 11 and the current sensor 7d, and detects a terminal voltage V_btr of the power storage device 12 described later. The voltage sensor 6b is arranged between the power line of the smoothing reactor 11 and the current sensor 7d. However, even if it is arranged between the power line of the power storage device 12 and the smoothing reactor 11, the voltage V_btr between the terminals of the power storage device 12 is set. It can be detected.

制御装置10は、インバータ装置4の回生電力P_inv、電圧センサ6aの電圧検出値V_dc電圧センサ6bの電圧検出値V_btr、電流センサ7dの電流検出値I_btrを入力とし、ゲートアンプ9a,9b,9cにスイッチング素子8a,8b,8cのオン/オフを指令するゲートパルス信号GP1,GP2,GP3を出力する。ゲートアンプ9a,9b,9cは、ゲートパルス信号GP1,GP2,GP3を入力とし、これを基にスイッチング素子8a,8b、8cをオン/オフ可能な電圧制御信号に交換し、スイッチング素子8a,8b,8cをオン/オフ制御する。電圧センサ6bは後述の蓄電装置12の端子間電圧を検出する。電流センサ7dは、後述の蓄電装置12に入出力する電流を検出する。   The control device 10 receives the regenerative power P_inv of the inverter device 4, the voltage detection value V_dc of the voltage sensor 6a, the voltage detection value V_btr of the voltage sensor 6b, and the current detection value I_btr of the current sensor 7d, and inputs to the gate amplifiers 9a, 9b and 9c. Gate pulse signals GP1, GP2, GP3 for commanding on / off of the switching elements 8a, 8b, 8c are output. The gate amplifiers 9a, 9b, and 9c receive the gate pulse signals GP1, GP2, and GP3 as input, and switch the switching elements 8a, 8b, and 8c to voltage control signals that can be turned on / off based on the gate pulse signals GP1, GP2, and GP3. , 8c are controlled on / off. Voltage sensor 6b detects a voltage between terminals of power storage device 12, which will be described later. The current sensor 7d detects a current that is input to and output from the power storage device 12 described later.

蓄電装置12としては、架線瞬断時の回生電力の瞬時吸収を優先に考えると、単位体積あたりの充放電入出力特性が高性能である電気二重層キャパシタ装置などの適用が考えられる。しかし、鉄道車両ではシステム冗長性の確保が重要であるため、停電状態でも安全な退避箇所までの自力走行を実現する要求が考えられる。このため、単位体積あたりの蓄電能力が高いリチウムイオン電池などで構成することが妥当と言える。   As the power storage device 12, when priority is given to instantaneous absorption of regenerative power at the time of instantaneous interruption of an overhead wire, application of an electric double layer capacitor device having high-performance charge / discharge input / output characteristics per unit volume can be considered. However, since it is important to ensure system redundancy in a railway vehicle, there may be a demand for realizing self-running to a safe retreat location even in a power failure state. For this reason, it can be said that it is appropriate to use a lithium ion battery or the like having a high storage capacity per unit volume.

蓄電装置12の充放電制御は、スイッチング素子8aまたは8bを周期的にオン/オフすることで実現する。この充放電制御において、平滑リアクトル11は、蓄電装置12に通流する電流の変化率を所定値内に抑える機能を持つ。   The charge / discharge control of the power storage device 12 is realized by periodically turning on / off the switching element 8a or 8b. In this charge / discharge control, the smoothing reactor 11 has a function of suppressing the rate of change of the current flowing through the power storage device 12 within a predetermined value.

まず、スイッチング素子8bをオン/オフすることにより、蓄電装置12の放電する制御について説明する。   First, control for discharging the power storage device 12 by turning on / off the switching element 8b will be described.

前述のスイッチング素子8bを所定時間Ton_bだけオンすると、蓄電装置12の出力端子間は短絡されるが、平滑リアクトル11は、その電流増加率を一定値内に抑ると同時に、Ton_bの期間に通流した電流と蓄電装置12の端子電圧の積を時間積分した電力エネルギを蓄える。その後、スイッチング素子8bを所定時間Toff_bだけオフすると、直流電力部側に平滑リアクトル11に蓄えられた電力エネルギは、スイッチング素子8aのダイオード部を介して、前述の集電装置1および接地点100とインバータ装置4の間にある直流電力部側に放出される。このとき、直流電力側で得られる電圧値V_dcは、蓄電装置12の端子電圧V_btrを基準として、前述のスイッチング素子8bをオンする時間Ton_bと、オフする時間Toff_bの比率から次式で決定する。   When the above-described switching element 8b is turned on for a predetermined time Ton_b, the output terminals of the power storage device 12 are short-circuited. However, the smoothing reactor 11 suppresses the current increase rate within a certain value and simultaneously passes through the period of Ton_b. The power energy obtained by time-integrating the product of the flowing current and the terminal voltage of the power storage device 12 is stored. After that, when the switching element 8b is turned off for a predetermined time Toff_b, the power energy stored in the smoothing reactor 11 on the DC power unit side passes through the diode part of the switching element 8a and the current collector 1 and the grounding point 100 described above. It is discharged to the DC power unit side between the inverter devices 4. At this time, the voltage value V_dc obtained on the DC power side is determined from the ratio of the time Ton_b for turning on the switching element 8b and the time Toff_b for turning off based on the terminal voltage V_btr of the power storage device 12 by the following equation.

V_dc=V_btr×((Ton_b+Toff_b)/Toff_b)・・・式2
次に、スイッチング素子8bをオン/オフすることにより、蓄電装置12に電力に電力を充電する制御について説明する。
V_dc = V_btr × ((Ton_b + Toff_b) / Toff_b) Equation 2
Next, control for charging the power to the power storage device 12 by turning on / off the switching element 8b will be described.

前述のスイッチング素子8bを所定時間Ton_aだけオンすると、前述の集電装置1および接地点100とインバータ装置4の間にある直流電力部の、接地点100に対する電位V_dcが、蓄電装置12の端子間電圧(接地点100に対する電位)V_bcよりも高いとき(V_dc>V_bc)、直流電力部から蓄電装置12の向きに電流が流れる。このとき、平滑リアクトル11は、その電流増加率を一定値内に抑えると同時に、Ton_aの期間に通流した電流と、蓄電装置12の端子電圧の積を時間積分したエネルギを蓄える。その後、スイッチング素子8bを所定時間Toff_aだけオフすると、直流電力部側に平滑リアクトル11に蓄えられた電力エネルギは、蓄電装置12の高電位側端子から、低電位側端子に抜け、スイッチング素子8bのダイオード部を経て、平滑リアクトル11に戻る一巡の回路が構成される。すなわちスイッチング素子8aを所定時間Toff_aだけオフしている期間は、平滑リアクトル11に蓄えられた電力エネルギが、蓄電装置12に充電電流が流れ続け、平滑リアクトル11に蓄えられた電力エネルギが放出されるに従い、充電電流は減衰していく。このとき、蓄電装置12で得られる端子間電圧値V_btrは、直流電力側V_dcを基準として、前述のスイッチング素子8aをオンする時間Ton_aと、オフする時間Toff_aの比率から次式で決定する。   When the aforementioned switching element 8b is turned on for a predetermined time Ton_a, the potential V_dc of the DC power unit between the current collector 1 and the ground point 100 and the inverter device 4 with respect to the ground point 100 is between the terminals of the power storage device 12. When the voltage (potential with respect to the grounding point 100) is higher than V_bc (V_dc> V_bc), a current flows from the DC power unit toward the power storage device 12. At this time, the smoothing reactor 11 stores the energy obtained by time-integrating the product of the current passed during the Ton_a period and the terminal voltage of the power storage device 12 while keeping the current increase rate within a certain value. Thereafter, when the switching element 8b is turned off for a predetermined time Toff_a, the power energy stored in the smoothing reactor 11 on the DC power unit side is released from the high potential side terminal of the power storage device 12 to the low potential side terminal, and the switching element 8b A circuit that returns to the smoothing reactor 11 through the diode portion is formed. That is, during a period in which the switching element 8a is turned off for a predetermined time Toff_a, the electric energy stored in the smoothing reactor 11 continues to flow into the power storage device 12, and the electric energy stored in the smoothing reactor 11 is released. Accordingly, the charging current decays. At this time, the inter-terminal voltage value V_btr obtained in the power storage device 12 is determined from the ratio of the time Ton_a for turning on the switching element 8a and the time Toff_a for turning off based on the DC power side V_dc by the following equation.

V_btr=V_dc×(Ton_a/(Ton_a+Toff_a))・・・式3
さらに、スイッチング素子8cをオン/オフすることにより、ブレーキ抵抗器13から直流部の電力を瞬時に熱エネルギに変換して放出する制御(ブレーキチョッパ制御)について説明する。
V_btr = V_dc × (Ton_a / (Ton_a + Toff_a)) Equation 3
Further, control (brake chopper control) for instantaneously converting the electric power of the direct current portion from the brake resistor 13 to heat energy by turning on / off the switching element 8c will be described.

前述のスイッチング素子8cを所定時間Ton_cだけオンすると、その期間は前述の集電装置1および接地点100とインバータ装置4の間にある直流電力部は、ブレーキ抵抗器13に介して接続される。従って、インバータ装置4の回生ブレーキ運転中に、スイッチング素子8cのオン/オフを適切に制御すると、インバータ回生電力の一部または全てをブレーキ抵抗器13で消費できる。集電装置1および接地点100とインバータ装置4の間にある直流電力部側に放出される。このとき、ブレーキ抵抗器13の通流電流I_brrは、回生ブレーキ電流I_inv_regenを基準として、前述のスイッチング素子8bをオンする時間Ton_cと、オフする時間Toff_cの比率から次式で決定する。   When the aforementioned switching element 8c is turned on for a predetermined time Ton_c, the current collector 1 and the DC power unit between the grounding point 100 and the inverter device 4 are connected via the brake resistor 13 during that period. Therefore, when the ON / OFF of the switching element 8 c is appropriately controlled during the regenerative braking operation of the inverter device 4, part or all of the inverter regenerative power can be consumed by the brake resistor 13. It is discharged to the DC power unit side between the current collector 1 and the grounding point 100 and the inverter device 4. At this time, the conduction current I_brr of the brake resistor 13 is determined from the ratio of the time Ton_c to turn on the switching element 8b and the time Toff_c to turn off based on the regenerative brake current I_inv_regen as follows.

I_r_brk=I_inv_regen×(Ton_c/(Ton_c+Toff_c)) ・・・・・ 式4
以上の構成により、電圧センサ6bの直流部電圧検出器V_dcの時間変化率dV_dc/dtを制御装置10で演算し、dV_dc/dtが所定値を超えたとき、電流センサ7eの電流検出器I_brrを、所定の充電電流指令値I_abs_cmd(図示していない)に追従するように、ゲートアンプ9cの出力であるゲートパルス信号GP3を制御して、スイッチング素子8cを駆動できる。
I_r_brk = I_inv_regen × (Ton_c / (Ton_c + Toff_c)) Equation 4
With the above configuration, the time change rate dV_dc / dt of the DC voltage detector V_dc of the voltage sensor 6b is calculated by the control device 10, and when dV_dc / dt exceeds a predetermined value, the current detector I_brr of the current sensor 7e is The switching element 8c can be driven by controlling the gate pulse signal GP3, which is the output of the gate amplifier 9c, so as to follow a predetermined charging current command value I_abs_cmd (not shown).

また、インバータ装置4の回生電力P_invと、蓄電装置12の端子間電圧V_btrより、蓄電装置12に充電可能な充電電流指令値I_regen_cmd(図示していない)を制御装置10で演算し、電流センサ7dの電流検出器I_btrを、前述の充電電流指令値I_regen_cmd_bに追従するように、ゲートアンプ9a,9bの出力であるゲートパルス信号GP1,GP2を制御して、スイッチング素子8a,9bを駆動できる。   Further, a charging current command value I_regen_cmd (not shown) that can charge the power storage device 12 is calculated by the control device 10 from the regenerative power P_inv of the inverter device 4 and the inter-terminal voltage V_btr of the power storage device 12, and the current sensor 7d. Thus, the switching elements 8a and 9b can be driven by controlling the gate pulse signals GP1 and GP2 which are the outputs of the gate amplifiers 9a and 9b so that the current detector I_btr of the current follows the charging current command value I_regen_cmd_b.

これにより、回生ブレーキ中に集電装置から電力線への電流経路が断たれたとき、インバータ直流部の電圧検出値の変化率に基づいて、瞬時に回生電力を蓄電装置で吸収する充電制御を開始し、またその後も連続的に蓄電装置による回生電力の吸収を可能とする、電気車の駆動システムを実現できる。   As a result, when the current path from the current collector to the power line is interrupted during regenerative braking, charging control that instantly absorbs regenerative power with the power storage device based on the rate of change in the voltage detection value of the inverter DC section is started. In addition, a drive system for an electric vehicle that can continuously absorb regenerative power by the power storage device can be realized.

図5は、本発明の電気車の駆動システムの第二の実施形態の制御方式を示すブロック図である。   FIG. 5 is a block diagram showing a control method of the second embodiment of the electric vehicle drive system of the present invention.

電圧センサ6aの直流部電圧検出値V_dcは、変化率演算部51に入力され、所定期間(dt)内の直流部電圧V_dcの変化量ΔV_dc/Δtを算出する。比較器52aは、変化率演算部で算出したdV_dc/dtを入力とし、架線瞬断時の充電電流の増加率と回復率を選択する指令である架線瞬断検知フラグflg_i_upを出力する。比較器52aは、初期の出力値「flg_i_up=0」の状態に対して、dV_dc/dtの値が架線瞬断検知レベルdV_on以上となりその状態を継続している間は「flg_i_up=1」を出力する。また、出力値「flg_i_up=1」を出力している状態から、dV_dc/dtの値が架線瞬断検知レベルdV_on未満となったときには「flg_i_up=0」を出力する。選択器53aは、比較器52aが出力する架線瞬断検知フラグflg_i_upに応じて、充電電流増加率ΔI_up(正値)、または、充電電流回復率ΔI_down(負値)を選択し、充電電流指令値ΔI_aとして出力する。すなわち、電圧変化率dV_dc/dtが架線瞬断検知オンレベルdV_on以上となり、その状態を継続している「flg_i_up=1」の状態では、選択器53aの出力である充電電流変化率ΔI_aは、充電電流増加率ΔI_upに等しく、電圧変化率dV_dc/dtが架線瞬断検知レベルdV_on未満となり、その状態を継続している「flg_i_up=0」の状態では、選択器53aの出力は充電電流回復率ΔI_downに等しい。論理和回路54は比較器52aが出力した架線瞬断検知フラグflg_i_upと、後述の比較器52bの出力であるflg_i_zeroを入力とし、flg_i_upとflg_i_zeroの論理和の演算結果として、充電電流の増加率または回復率の積分演算を制御するflg_i_sumを出力する。また、選択器53bは、論理和回路54の出力flg_i_sumに応じて、零出力または充電電流変化量ΔI_aを選択して、積分器55に入力する。比較器52bは積分器55の出力結果である吸収電流指令値I_abs_cmdを入力とし、I_abs_cmdが零以下のとき「flg_i_zero=0」を出力し、i_abs_cmdが零より大きいとき「flg_i_zero=1」を出力する。   The DC part voltage detection value V_dc of the voltage sensor 6a is input to the change rate calculator 51, and the change amount ΔV_dc / Δt of the DC part voltage V_dc within a predetermined period (dt) is calculated. The comparator 52a receives dV_dc / dt calculated by the change rate calculation unit and outputs an overhead wire breakage detection flag flg_i_up which is a command for selecting an increase rate and a recovery rate of the charging current at the time of the wire breakage. The comparator 52a outputs “flg_i_up = 1” while the initial output value “flg_i_up = 0” is maintained when the value of dV_dc / dt is equal to or higher than the instantaneous disconnection detection level dV_on. To do. Further, when the output value “flg_i_up = 1” is output and the value of dV_dc / dt becomes less than the overhead wire breakage detection level dV_on, “flg_i_up = 0” is output. The selector 53a selects the charging current increase rate ΔI_up (positive value) or the charging current recovery rate ΔI_down (negative value) according to the overhead wire break detection flag flg_i_up output from the comparator 52a, and the charging current command value Output as ΔI_a. In other words, in the state of “flg_i_up = 1” where the voltage change rate dV_dc / dt is equal to or higher than the instantaneous voltage interruption detection on-level dV_on and the state continues, the charging current change rate ΔI_a that is the output of the selector 53a is In the state of “flg_i_up = 0” in which the voltage change rate dV_dc / dt is equal to the current increase rate ΔI_up and the voltage change rate dV_dc / dt is less than the overhead wire breakage detection level dV_on and continues that state, the output of the selector 53a is the charging current recovery rate ΔI_down be equivalent to. The OR circuit 54 receives the overhead wire break detection flag flg_i_up output from the comparator 52a and flg_i_zero, which is output from the comparator 52b described later, as an operation result of the OR of flg_i_up and flg_i_zero. Outputs flg_i_sum that controls the integration of the recovery rate. Further, the selector 53 b selects zero output or the charging current change amount ΔI_a according to the output flg_i_sum of the OR circuit 54 and inputs it to the integrator 55. The comparator 52b receives the absorption current command value I_abs_cmd, which is the output result of the integrator 55, and outputs “flg_i_zero = 0” when I_abs_cmd is less than or equal to zero, and outputs “flg_i_zero = 1” when i_abs_cmd is greater than zero. .

その結果、このflg_i_zeroと、flg_i_upを入力する論理和回路54は、dV_dc/dtが架線瞬断検知オンレベルdV_onを上回り、その状態を継続しているとき(すなわちflg_i_up=1のとき)、または、積分器55の出力i_abs_cmdが零より大きい状態のとき(すなわちflg_i_zero=1のとき)「flg_i_sum=1」を出力する。このとき、選択器53bは充電電流変化量ΔI_aを出力として選択するが、選択器53aの作用により「flg_i_up=1」の状態では、充電電流増加率ΔI_up(加算値)であり、「flg_i_up=0」の状態では、充電電流回復率ΔI_down(負値)に等しくなる。すなわち、積分器55の出力はflg_i_sumとflg_i_upにより、その加算/減算が制御される。「flg_i_up=1」のとき、論理和回路54の出力は「flg_i_sum=1」であり、積分器55はΔ_up(正値)を積分するので、I_abs_cmdは零よりも大きい値に積算される。このとき、比較器52bはI_abs_cmdは零より大きいので、「flg_i_zero=1」を出力する。その後、「flg_i_up=0」となると、論理和回路54の出力は「flg_i_zero=1」であることから引続き「flg_i_sum=1」であるが、積分器55はΔI_down(負値)を積分するのでi_abs_cmdは減算される。I_abs_cmdの減算により零に達した時点で、比較器52bの出力「flg_i_zero=0」となり、論理和回路54の出力は「flg_i_sum=0」となる。すなわち、選択器53bの出力は零となるので、積分器55の出力であるI_abs_cmdは例に達した時点でそのまま零値を継続する。低位選択器56aは、積分器55の出力である吸引電流指令値I_abs_cmdと、蓄電装置12が許容する最大充電電流(瞬時値)Imax_btr_insのうち小さい方の値を選び、制限つき吸収電流指令値I_abs_lmtを出力する。   As a result, the logical sum circuit 54 that inputs flg_i_zero and flg_i_up continues when dV_dc / dt exceeds the overhead wire break detection on-level dV_on (that is, when flg_i_up = 1), or When the output i_abs_cmd of the integrator 55 is greater than zero (that is, when flg_i_zero = 1), “flg_i_sum = 1” is output. At this time, the selector 53b selects the charging current change amount ΔI_a as an output, but in the state of “flg_i_up = 1” by the action of the selector 53a, the charging current increase rate ΔI_up (addition value) and “flg_i_up = 0” In the state of “”, the charging current recovery rate ΔI_down (negative value) is equal. That is, the addition / subtraction of the output of the integrator 55 is controlled by flg_i_sum and flg_i_up. When “flg_i_up = 1”, the output of the OR circuit 54 is “flg_i_sum = 1”, and the integrator 55 integrates Δ_up (positive value), so that I_abs_cmd is integrated to a value larger than zero. At this time, the comparator 52b outputs “flg_i_zero = 1” because I_abs_cmd is larger than zero. After that, when “flg_i_up = 0”, the output of the OR circuit 54 is “flg_i_zero = 1”, so that “flg_i_sum = 1” continues. However, since the integrator 55 integrates ΔI_down (negative value), i_abs_cmd Is subtracted. When it reaches zero by subtraction of I_abs_cmd, the output of the comparator 52b becomes “flg_i_zero = 0”, and the output of the OR circuit 54 becomes “flg_i_sum = 0”. That is, since the output of the selector 53b becomes zero, I_abs_cmd, which is the output of the integrator 55, continues to have a zero value when reaching the example. The low-order selector 56a selects the smaller one of the suction current command value I_abs_cmd that is the output of the integrator 55 and the maximum charging current (instantaneous value) Imax_btr_ins allowed by the power storage device 12, and the limited absorption current command value I_abs_lmt Is output.

減速器60aは、連続回生電流指令値I_abs_lmtから、ブレーキ抵抗器電流I_btrを減算し、連続回生制御指令ΔI_brfree_cmd_aを出力する。安定化制御器62aは、連続回生制御指令ΔI_brfree_cmd_aを入力とし、前述の連続回生電流指令値I_brfree_cmd_aと、ブレーキ抵抗器電流I_brrの差分を速やかに一致させるための連続回生制御操作量Duty_brfree_man_aを出力する。低位選択器56cと高位選択器57bは、連続回生制御操作量Duty_brfree_man_aの下限値および上限値を決定する。まず、高位選択器57bは、連続回生制御操作量Duty_brfree_man_aと、零のうち大きい値を選んで出力し、低位選択器56cは、高位選択器57bの出力値と、1のうち小さい値を選んで出力する。すなわち、連続回生制御操作量Duty_brfree_man_aは、低位選択器56cと高位選択器57bにより、その範囲を0から1に制限して、制限つき連続回生制御操作量Duty_brfree_man_a_lmtを出力する。ゲートパルス演算部61aは、制限つき連続回生制御操作量Duty_brfree_man_a_lmtをもとに、スイッチング素子8aのオン/オフを制御する。降圧チョッパゲートパルスGP_bchを出力する。   The reducer 60a subtracts the brake resistor current I_btr from the continuous regenerative current command value I_abs_lmt, and outputs a continuous regenerative control command ΔI_brfree_cmd_a. The stabilization controller 62a receives the continuous regeneration control command ΔI_brfree_cmd_a as an input, and outputs a continuous regeneration control manipulated variable Duty_brfree_man_a for quickly matching the difference between the above-described continuous regeneration current command value I_brfree_cmd_a and the brake resistor current I_brr. The low level selector 56c and the high level selector 57b determine the lower limit value and the upper limit value of the continuous regeneration control manipulated variable Duty_brfree_man_a. First, the high level selector 57b selects and outputs a continuous regeneration control manipulated variable Duty_brfree_man_a and a large value of zero, and the low level selector 56c selects an output value of the high level selector 57b and a small value of one. Output. That is, the range of the continuous regeneration control operation amount Duty_brfree_man_a is limited from 0 to 1 by the low level selector 56c and the high level selector 57b, and the limited continuous regeneration control operation amount Duty_brfree_man_a_lmt is output. The gate pulse calculation unit 61a controls on / off of the switching element 8a based on the limited continuous regeneration control operation amount Duty_brfree_man_a_lmt. Outputs step-down chopper gate pulse GP_bch.

一方、フリップフロップ回路102は、比較器52aの出力である架線瞬断検知フラグflg_i_upをセット入力、運転台からのブレーキフラグB_flgを論理反転器103で反転した信号を入力する、リセット優先フリップフロップであり、架線瞬断発生以降はインバータ回生電力を蓄電装置12に蓄電する蓄電回生有効フラグflg_regenを出力する。すなわち、「B_flg=0」の状態では、フリップフロップ回路102のリセット入力は「1」なので、架線瞬断検知フラグflg_i_upが「flg_i_up=1」でも、蓄電回生有効フラグflg_regenはセットされず、「B_regen_flg=0」である。運転台のブレーキ操作により「B_flg=1」の状態のとき、フリップフロップ回路102のリセット入力は「0」であり、架線瞬断検知フラグflg_i_upが「flg_i_up=1」になった時点で、蓄電回生有効フラグflg_regenは「flg_regen=1」にセットされる。乗算器58、除算器59は、インバータ回生電力P_regenから、蓄電装置電圧I_btrを割り算して、回生電流I_regen_0を算出する。選択器53cはフリップフロップ回路102の出力である、架線瞬断検知フラグflg_i_upに応じて、回生電流指令I_regen_cmdを出力する。すなわち、「flg_i_up=0」のときは、回生電流指令I_regen_cmdは零、「flg_i_up=1」のときは、回生電流指令I_regen_cmdは前述の回生電流I_regen_0に等しくする。   On the other hand, the flip-flop circuit 102 is a reset-priority flip-flop that inputs the signal obtained by inverting the brake flag B_flg from the cab with the logic inverter 103 as a set input, which is the output of the comparator 52a. Yes, after the occurrence of the instantaneous interruption of the overhead wire, a power regeneration valid flag flg_regen for storing the inverter regenerative power in the power storage device 12 is output. That is, in the state of “B_flg = 0”, the reset input of the flip-flop circuit 102 is “1”. Therefore, even if the overhead wire break detection flag flg_i_up is “flg_i_up = 1”, the storage regeneration valid flag flg_regen is not set, = 0 ”. When the state of “B_flg = 1” is set by the brake operation of the cab, the reset input of the flip-flop circuit 102 is “0”, and when the overhead wire break detection flag flg_i_up becomes “flg_i_up = 1”, the power regeneration The valid flag flg_regen is set to “flg_regen = 1”. The multiplier 58 and the divider 59 divide the power storage device voltage I_btr from the inverter regenerative power P_regen to calculate a regenerative current I_regen_0. The selector 53c outputs a regenerative current command I_regen_cmd according to the overhead wire break detection flag flg_i_up, which is the output of the flip-flop circuit 102. That is, when “flg_i_up = 0”, the regenerative current command I_regen_cmd is zero, and when “flg_i_up = 1”, the regenerative current command I_regen_cmd is equal to the above-described regenerative current I_regen_0.

flg_i_up=0のとき、I_regen_cmd=0
flg_i_up=1のとき、I_regen_cmd= I_regen_0(=P_regen/V_btr)
低位選択器56bは、選択器53cの出力である、回生電流指令I_regen_cmdと、蓄電装置12が許容する最大充電電流(定格値)Imax_btr_ratのうち、小さい値を選んで制限つき回生電流指令I_regen_cmd_lmtを出力する。高位選択器57aは、制限つき吸収電流指令値I_abs_cmd_lmtと、制限つき回生電流指令値I_regen_cmd_lmtのうち、小さい値を選んで連続回生電流指令値I_brfree_cmdを出力する。
I_regen_cmd = 0 when flg_i_up = 0
When flg_i_up = 1, I_regen_cmd = I_regen_0 (= P_regen / V_btr)
The low-order selector 56b selects a smaller value from the regenerative current command I_regen_cmd, which is the output of the selector 53c, and the maximum charging current (rated value) Imax_btr_rat allowed by the power storage device 12, and outputs a limited regenerative current command I_regen_cmd_lmt To do. The high level selector 57a selects a smaller value from the limited absorption current command value I_abs_cmd_lmt and the limited regenerative current command value I_regen_cmd_lmt, and outputs the continuous regenerative current command value I_brfree_cmd.

減算器60bは、連続回生電流指令値I_brfree_cmd_bから、蓄電装置電流I_btrを減算し、連続回生制御指令ΔI_brfree_cmd_bを出力する。安定化制御器2bは、連続回生制御指令ΔI_brfree_cmd_bを入力とし、前述の連続回生電流指令値I_brfree_cmd_bと、蓄電装置電流I_btrの差分を速やかに一致させるための連続回生制御操作量Duty_brfree_man_bを出力する。低位選択器56dと高位選択器57cは、連続回生制御操作量Duty_brfree_man_bの下限値及び上限値を決定する。まず、高位選択器57bは、連続回生制御操作量Duty_brfree_man_bと、零のうち大きい値を選んで出力し、低位選択器56dは、高位選択器57cの出力値と、1のうち小さい値を選んで出力する。すなわち、連続回生制御操作量Duty_brfree_man_bは、低位選択器56dと高位選択器57cにより、その範囲を0から1に制限して、制限つき連続回生制御操作量Duty_brfree_man_lmtを出力する。ゲートパルス演算部61bは、制限つき連続回生制御操作量Duty_brfree_man_lmtをもとに、スイッチング素子8bのオン/オフを制御する、降圧チョッパゲートパルスGP_buckを出力する。   The subtractor 60b subtracts the power storage device current I_btr from the continuous regenerative current command value I_brfree_cmd_b and outputs a continuous regenerative control command ΔI_brfree_cmd_b. The stabilization controller 2b receives the continuous regenerative control command ΔI_brfree_cmd_b and outputs a continuous regenerative control operation amount Duty_brfree_man_b for quickly matching the difference between the above-described continuous regenerative current command value I_brfree_cmd_b and the power storage device current I_btr. The low level selector 56d and the high level selector 57c determine the lower limit value and the upper limit value of the continuous regeneration control manipulated variable Duty_brfree_man_b. First, the high level selector 57b selects and outputs a continuous regeneration control manipulated variable Duty_brfree_man_b and a larger value of zero, and the low level selector 56d selects an output value of the high level selector 57c and a smaller value of one. Output. That is, the range of the continuous regeneration control operation amount Duty_brfree_man_b is limited to 0 to 1 by the low level selector 56d and the high level selector 57c, and the limited continuous regeneration control operation amount Duty_brfree_man_lmt is output. The gate pulse calculation unit 61b outputs a step-down chopper gate pulse GP_buck that controls on / off of the switching element 8b based on the limited continuous regeneration control operation amount Duty_brfree_man_lmt.

以上の構成により、電圧センサ6bの直流部電圧検出値V_dcの時間変化率dV_dc/dtを制御装置10で演算し、dV_dc/dtが所定値を超えたとき、電流センサ7eの電流検出値I_brrを、所定の充電電流指令値I_abs_cmdに追従するように、ゲートアンプ9cの出力であるゲートパルス信号GP3を制御して、スイッチング素子8cを駆動できる。   With the above configuration, the time change rate dV_dc / dt of the DC voltage detection value V_dc of the voltage sensor 6b is calculated by the control device 10, and when dV_dc / dt exceeds a predetermined value, the current detection value I_brr of the current sensor 7e is calculated. The switching element 8c can be driven by controlling the gate pulse signal GP3, which is the output of the gate amplifier 9c, so as to follow a predetermined charging current command value I_abs_cmd.

また、インバータ装置4の回生電力P_invと、蓄電装置12の端子間電圧V_btrより、蓄電装置12に充電可能な充電電流指令値I_regen_cmdを制御装置10で演算し、電流センサ7dの電流検出値I_btrを、前述の充電電流指令値I_regen_cmd_bに追従するように、ゲートアンプ9a,9bの出力であるゲートパルス信号GP1,GP2を制御して、スイッチング素子8a,8bを駆動できる。   Further, the control device 10 calculates a charging current command value I_regen_cmd that can be charged to the power storage device 12 from the regenerative power P_inv of the inverter device 4 and the inter-terminal voltage V_btr of the power storage device 12, and the current detection value I_btr of the current sensor 7d is calculated. The switching elements 8a and 8b can be driven by controlling the gate pulse signals GP1 and GP2 which are the outputs of the gate amplifiers 9a and 9b so as to follow the above-described charging current command value I_regen_cmd_b.

これにより、回生ブレーキ中に集電装置から電力線への電流経路が断たれたとき、インバータ直流部の電圧検出値の変化率に基づいて、瞬時に回生電力を蓄電装置で吸収する充電制御を開始し、またその後も連続的に蓄電装置による回生電力の吸収を可能とする、電気車の駆動システムを実現できる。   As a result, when the current path from the current collector to the power line is interrupted during regenerative braking, charging control that instantly absorbs regenerative power with the power storage device based on the rate of change in the voltage detection value of the inverter DC section is started. In addition, a drive system for an electric vehicle that can continuously absorb regenerative power by the power storage device can be realized.

図6は、本発明の電気車の駆動システムの第二の実施形態の制御動作を示す波形図である。図6の横軸は経過時間であり、縦軸は各信号の大きさを示している。   FIG. 6 is a waveform diagram showing a control operation of the second embodiment of the electric vehicle drive system of the present invention. In FIG. 6, the horizontal axis represents elapsed time, and the vertical axis represents the magnitude of each signal.

まず、時間t0で運転台の操作によりブレーキフラグB_flgがオンする。これにより、直流部回生電力P_brkが立ち上がることで減速が始まり、ロータ周波数Frが減少する。運転台からのブレーキ力指令が同じと仮定すると、VVVF制御の変調率が100%(最大電圧)で、かつ電動機の電流特性が飽和しない領域で、直流部回生電力P_brkは最大となる。図6では、時間がt1からt4(ロータ周波数FrlからFr4)までの間で直流部回生電力P_brkが最大である状態を示している。   First, at time t0, the brake flag B_flg is turned on by operating the cab. As a result, the DC part regenerative electric power P_brk rises, so that deceleration starts and the rotor frequency Fr decreases. Assuming that the brake force command from the cab is the same, the DC regenerative power P_brk is maximized in a region where the modulation rate of VVVF control is 100% (maximum voltage) and the current characteristics of the motor are not saturated. FIG. 6 shows a state in which the DC regenerative power P_brk is maximum between time t1 and t4 (rotor frequencies Frl to Fr4).

通常時は、回生ブレーキにより発生した直流部回生電力P_brkは、集電装置1から架線に戻すことで周囲を走行する車両が力行電力として利用する。しかし、架線と集電装置1がごく短時間だけ離別する架線瞬断が発生すると、直流部回生電力P_brkを吸収できないため、瞬時的に直流部の電圧が上昇し、過電圧保護動作による回生ブレーキ失効が発生する。本発明はこの架線瞬断時の回生失効を防止することをおもな目的としている。   At normal times, the DC part regenerative power P_brk generated by the regenerative brake is returned to the overhead line from the current collector 1 to be used as power running power by vehicles traveling around. However, if there is an instantaneous interruption of the overhead line that separates the overhead line from the current collector 1 for a very short time, the DC part regenerative power P_brk cannot be absorbed, so the voltage of the DC part rises instantaneously and the regenerative brake is disabled due to the overvoltage protection operation. Occurs. The main object of the present invention is to prevent the regenerative invalidation at the time of the instantaneous interruption of the overhead wire.

いま、直流部回生電力P_brkが最大となる時間がt1からt4の中間である時間t2において架線瞬断が発生して、ごく短時間経過したt3に復位した場合を考える。架線電圧検出値Esは、通常時は集電装置が架線に接しているため、電圧値は実際の架線電圧Es0を示す。架線瞬断が発生する時間t2に架線電圧検出値Esが瞬間的に零となり、瞬断が解消する時間t3に再び本来の電圧Es0に戻る。   Now, consider a case where an overhead wire break occurs at a time t2 in which the DC part regenerative power P_brk is maximum between t1 and t4, and the power is restored to t3 after a very short time. The overhead line voltage detection value Es normally indicates the actual overhead line voltage Es0 because the current collector is in contact with the overhead line. The overhead line voltage detection value Es instantaneously becomes zero at the time t2 when the instantaneous interruption occurs, and returns to the original voltage Es0 again at the time t3 when the instantaneous interruption is eliminated.

架線瞬断が発生すると、直流部回生電力P_brkは集電装置1から架線に戻せないため、その電力はフィルタコンデンサ3に充電される。フィルタコンデンサ3は、フィルタリアクトル2と組合せて、架線電流のリップルを除去するフィルタ回路の役目を果たす。このため、その時定数は10ms程度に設定する場合が多い。その一方で、フィルタリアクトル2は、架線短絡事故が発生したときの変電所機器保護のために電流変化率を所定値に抑える機能を兼ね備えている。したがって、フィルタコンデンサ3の静電容量と、フィルタリアクトル2のインダクタンス値は、トレードオフの関係にあり、フィルタコンデンサ3の静電容量Cは概ね0.01(F)程度とすることが多い。例えば、直流部回生電力P_brk=500kW,Ecf=1500Vのとき、架線瞬断時のフィルタコンデンサ電圧変化率の変化率は、dEcf/dt(P_brk/Ecf)/C=(500*1000/1500)/0.1=33333(V/s)である。すなわち、この仮定では架線瞬断時にフィルタコンデンサ電圧が1秒間に33kV電圧上昇する。   When the overhead wire break occurs, the DC part regenerative power P_brk cannot be returned from the current collector 1 to the overhead wire, and the power is charged to the filter capacitor 3. In combination with the filter reactor 2, the filter capacitor 3 serves as a filter circuit that removes the ripple of the overhead wire current. For this reason, the time constant is often set to about 10 ms. On the other hand, the filter reactor 2 also has a function of suppressing the current change rate to a predetermined value in order to protect the substation equipment when an overhead wire short circuit accident occurs. Therefore, the capacitance of the filter capacitor 3 and the inductance value of the filter reactor 2 are in a trade-off relationship, and the capacitance C of the filter capacitor 3 is often about 0.01 (F) in many cases. For example, when the DC regenerative power P_brk = 500 kW and Ecf = 1500 V, the rate of change of the filter capacitor voltage change rate when the overhead wire is instantaneously interrupted is dEcf / dt (P_brk / Ecf) / C = (500 * 1000/1500) / 0.1 = 33333 (V / s). That is, under this assumption, the filter capacitor voltage rises by 33 kV per second when the overhead wire is interrupted.

このように、架線瞬断が発生したときにフィルタコンデンサ電圧Ecf、すなわち、直流部電圧V_dcが急増することに着目し、直流電圧検出値V_dcの変化率dV_dc/dtが所定値を超えたとき、架線瞬断が発生したと判断して瞬断検知フラグflg_itrをオンすることにより、「瞬時電力吸収制御」を行う。   Thus, paying attention to the fact that the filter capacitor voltage Ecf, that is, the direct-current voltage V_dc rapidly increases when an overhead wire break occurs, when the rate of change dV_dc / dt of the DC voltage detection value V_dc exceeds a predetermined value, “Instantaneous power absorption control” is performed by determining that an instantaneous interruption of the overhead line has occurred and turning on the instantaneous interruption detection flag flg_itr.

「瞬時電力吸収制御」では、瞬断検知フラグflg_itrがオンしている期間は、ブレーキチョッパ制御操作量I_brfree_cmd_aを増加させて、直流部から蓄電装置12への充電電流を瞬時に通流させる。これにより、フィルタコンデンサ電圧Ecfの増加は最小限に抑えられて、フィルタコンデンサ電圧変化率Ecfは減少していく。フィルタコンデンサ電圧変化率Ecfの減少により所定値を下回った時点で瞬断検知フラグflg_itrをオフし、ブレーキチョッパ制御操作量I_brfree_cmd_aを零まで低減して、瞬時電力吸収制御を完了する。   In the “instantaneous power absorption control”, the brake chopper control operation amount I_brfree_cmd_a is increased and the charging current from the DC unit to the power storage device 12 is allowed to flow instantaneously while the instantaneous interruption detection flag flg_itr is on. As a result, the increase in the filter capacitor voltage Ecf is minimized, and the filter capacitor voltage change rate Ecf decreases. When the filter capacitor voltage change rate Ecf decreases below the predetermined value, the instantaneous interruption detection flag flg_itr is turned off, the brake chopper control operation amount I_brfree_cmd_a is reduced to zero, and the instantaneous power absorption control is completed.

一方、瞬時電力吸収制御を完了した後においても、架線瞬断が発生した原因が解消されているとは限らない。このため、瞬時電力吸収制御完了後は、「回生電力吸収制御」に移行して、回生ブレーキを継続させる。「回生電力吸収制御」では、直流部回生電力P_brkを、ちょうど蓄電装置12に充電するための降圧チョッパ制御操作量I_brfee_cmd_bを演算する。これに基づいてスイッチング素子8aを制御することにより、ブレーキフラグB_flgのオンが継続している期間中の回生電力は、集電装置1から架線に戻すことなく蓄電装置12に充電することで、架線瞬断の発生し影響されない、安定した連続回生ブレーキを実現する。   On the other hand, even after the instantaneous power absorption control is completed, the cause of the occurrence of the instantaneous interruption of the overhead line is not necessarily eliminated. For this reason, after the instantaneous power absorption control is completed, the process proceeds to “regenerative power absorption control” and the regenerative braking is continued. In the “regenerative power absorption control”, the step-down chopper control operation amount I_brfee_cmd_b for charging the power storage device 12 with the DC unit regenerative power P_brk is calculated. By controlling the switching element 8a based on this, the regenerative power during the period when the brake flag B_flg is kept on is charged to the power storage device 12 without returning from the current collector 1 to the overhead wire, thereby Realizes stable continuous regenerative braking that is not affected by instantaneous interruption.

以上のように、本発明の構成によれば、回生ブレーキ中に集電装置から電力線への電流経路が断たれたとき、インバータ直流部の電圧検出値の変化率に基づいて、瞬時に回生電力を蓄電装置で吸収する充電制御を開始し、またその後も連続的に蓄電装置による回生電力の吸収を可能とする。電気車の駆動システムを実現できる。   As described above, according to the configuration of the present invention, when the current path from the current collector to the power line is interrupted during regenerative braking, the regenerative power is instantaneously based on the rate of change in the voltage detection value of the inverter DC unit. Is started to be absorbed by the power storage device, and regenerative power can be continuously absorbed by the power storage device. An electric vehicle drive system can be realized.

図7は、本発明の電気車の駆動システムにおける第三の実施形態の機器構成を示す図である。   FIG. 7 is a diagram showing a device configuration of the third embodiment in the electric vehicle drive system of the present invention.

集電装置1から給電した直流電力は、フィルタリアクトル2、およびフィルタコンデンサ3で構成するLC回路(フィルタ回路)により高周波数域の変動分を除去した後、インバータ装置4に入力する。インバータ装置4は、入力された直流電力を可変電圧可変周波数(VVVF)の3相直流電力に変換して、主電動機5a,5bを駆動する。なお、ここではインバータ装置4が駆動する主電動機が2台の場合を示しているが、インバータ装置4が駆動する主電動機の台数は限定しない。電圧センサ6aは、フィルタコンデンサ3の両端の直流部電圧V_dcを検出する。電流センサ7a,7b,7cは、インバータ装置4と、主電動機5a,5bの間の3相交流電力線を流れる電流を各相毎に検出して、インバータ装置4に入力する。接地点100はこの回路の基準電位を決めている。スイッチング素子8a,8bは、前述の集電装置1および接地点100とインバータ装置4の間にある直流電力部うち、高電位側と低電位側の間に直列配置する。電圧センサ6bは平滑リアクトル11と電流センサ7dの電力線間に配置して、蓄電装置12の端子間電圧V_btrを検出する。なお、電圧センサ6bは平滑リアクトル11と電流センサ7dの電力線間に配置しているが、これは蓄電装置12と平滑リアクトル11の電力線間に配置しても、後述の蓄電装置12の端子間電圧V_btrを検出できる。   The DC power fed from the current collector 1 is input to the inverter device 4 after the fluctuation in the high frequency region is removed by an LC circuit (filter circuit) composed of the filter reactor 2 and the filter capacitor 3. The inverter device 4 converts the input DC power into three-phase DC power having a variable voltage variable frequency (VVVF), and drives the main motors 5a and 5b. Although the case where two main motors are driven by the inverter device 4 is shown here, the number of main motors driven by the inverter device 4 is not limited. The voltage sensor 6 a detects the DC part voltage V_dc across the filter capacitor 3. Current sensors 7a, 7b, and 7c detect the current flowing through the three-phase AC power line between inverter device 4 and main motors 5a and 5b for each phase, and input the detected current to inverter device 4. The ground point 100 determines the reference potential of this circuit. The switching elements 8a and 8b are arranged in series between the high potential side and the low potential side in the DC power unit between the current collector 1 and the ground point 100 and the inverter device 4 described above. The voltage sensor 6b is disposed between the power line of the smoothing reactor 11 and the current sensor 7d, and detects the inter-terminal voltage V_btr of the power storage device 12. The voltage sensor 6b is arranged between the power line of the smoothing reactor 11 and the current sensor 7d. However, even if it is arranged between the power line of the power storage device 12 and the smoothing reactor 11, the voltage between terminals of the power storage device 12 described later is used. V_btr can be detected.

制御装置10は、インバータ装置4の回生電力P_inv、電圧センサ6aの電圧検出値V_dc、電圧センサ6bの電圧検出値V_btr、電流センサ7dの電流検出値I_btrを入力とし、ゲートアンプ9a,9bにスイッチング素子8a,8bのオン/オフを指令するゲートパルス信号GP1,GP2を出力する。ゲートアンプ9a,9bは、ゲートパルス信号GP1,GP2を入力とし、これを基にスイッチング素子8a,8bをオン/オフ可能な電圧制御信号に変換し、スイッチング素子8a,8bをオン/オフ制御する。電圧センサ6bは後述の蓄電装置12の端子間電圧を検出する。電流センサ7dは、後述の蓄電装置12に入出力する電流を検出する。   The control device 10 receives the regenerative power P_inv of the inverter device 4, the voltage detection value V_dc of the voltage sensor 6a, the voltage detection value V_btr of the voltage sensor 6b, and the current detection value I_btr of the current sensor 7d, and performs switching to the gate amplifiers 9a and 9b. Gate pulse signals GP1 and GP2 for commanding on / off of the elements 8a and 8b are output. The gate amplifiers 9a and 9b receive the gate pulse signals GP1 and GP2 and convert the switching elements 8a and 8b into voltage control signals that can be turned on / off based on the gate pulse signals GP1 and GP2, thereby controlling the switching elements 8a and 8b on / off. . Voltage sensor 6b detects a voltage between terminals of power storage device 12, which will be described later. The current sensor 7d detects a current that is input to and output from the power storage device 12 described later.

蓄電装置12としては、架線瞬断時の回生電力の瞬時吸収を優先に考えると、単位面積あたりの充放電入出力特性が高性能である電気二重層キャパシタ装置などの適用が考えられる。しかし、鉄道車両ではシステム冗長性の確保が重要であるため、停電状態でも安全な退避箇所までの自力走行を実現する要求が考えられる。このため、単位面積あたりの蓄電能力が高いリチウムイオン電池などで構成することが妥当と言える。   As the power storage device 12, when priority is given to instantaneous absorption of regenerative power at the time of instantaneous interruption of an overhead wire, application of an electric double layer capacitor device having high performance charge / discharge input / output characteristics per unit area can be considered. However, since it is important to ensure system redundancy in a railway vehicle, there may be a demand for realizing self-running to a safe retreat location even in a power failure state. For this reason, it can be said that it is appropriate to use a lithium ion battery or the like having a high power storage capacity per unit area.

蓄電装置12の充放電制御は、スイッチング素子8aまたは8bを周期的にオン/オフすることで実現する。この充放電制御において、平滑リアクトル11は、蓄電装置12に通流する電流の変化率を所定値内に抑える機能をもつ。   The charge / discharge control of the power storage device 12 is realized by periodically turning on / off the switching element 8a or 8b. In this charge / discharge control, the smoothing reactor 11 has a function of keeping the rate of change of the current flowing through the power storage device 12 within a predetermined value.

まず、スイッチング素子8bを周期的にオン/オフすることにより、蓄電装置12の電力を放電する制御について説明する。   First, control for discharging the electric power of the power storage device 12 by periodically turning on / off the switching element 8b will be described.

前述のスイッチング素子8bを所定時間Ton_bだけオンすると、蓄電装置12の出力端子間は短絡されるが、平滑リアクトル11は、その電流増加率を一定値内に抑えると同時に、Ton_bの期間に通流した電流と、蓄電装置12の端子間電圧の積を時間積分した電力エネルギを蓄える。その後、スイッチング素子8bを所定時間Toft_bだけオフすると、直流電力部側に平滑リアクトル11に蓄えられた電力エネルギは、スイッチング素子8aのダイオード部を介して、前述の集電装置1および接地点100とインバータ装置4の間にある直流電力部側に放出される。このとき、直流電力側で得られる電圧値V_dcは、蓄電装置12の端子電圧V_btrを基準として、前述のスイッチング素子8bをオンする時間Ton_bと、オフする時間Toft_bの比率から次式で決定する。   When the above-described switching element 8b is turned on for a predetermined time Ton_b, the output terminals of the power storage device 12 are short-circuited. However, the smoothing reactor 11 keeps the current increase rate within a certain value and at the same time passes through the period Ton_b. Power energy obtained by time-integrating the product of the measured current and the voltage across the terminals of the power storage device 12 is stored. After that, when the switching element 8b is turned off for a predetermined time Toft_b, the power energy stored in the smoothing reactor 11 on the DC power unit side passes through the diode part of the switching element 8a and the current collector 1 and the ground point 100. It is discharged to the DC power unit side between the inverter devices 4. At this time, the voltage value V_dc obtained on the DC power side is determined from the ratio of the time Ton_b to turn on the switching element 8b and the time Toft_b to turn off based on the terminal voltage V_btr of the power storage device 12 by the following equation.

V_dc=V_btr×((Ton_b+Toft_b)/Toft_b) ・・・・・ 式2
次に、スイッチング素子8aを周期的にオン/オフすることにより、蓄電装置12に電力を充電する制御について説明する。
V_dc = V_btr × ((Ton_b + Toft_b) / Toft_b) Equation 2
Next, control for charging power to the power storage device 12 by periodically turning on / off the switching element 8a will be described.

前述のスイッチング素子8aを所定時間Ton_aだけオンすると、前述の集電装置1および接地点100とインバータ装置4の間にある直流電力部の、接地点100に対する電位V_dcが、蓄電装置12の端子間電圧(接地点100に対する電位)V_dcよりも高いとき(V_dc>V_bc)、直流電流部から蓄電装置12の向きに電流が流れる。このとき、平滑リアクトル11は、その電流増加率を一定値内に抑えると同時に、Ton_aの期間に通流した電流と、蓄電装置12の端子電圧の積を時間積分した電力エネルギを蓄える。その後、スイッチング素子8aを所定時間Toft_aだけオフすると、直流電流部側に平滑リアクトル11に蓄えられた電力エネルギは、蓄電装置12の高電位側端子から、低電位側端子に抜け、スイッチング素子8bのダイオード部を経て、平滑リアクトル11に戻る一巡の回路が構成される。すなわち、スイッチング素子8aを所定時間Toft_aだけオフしている期間は、平滑リアクトル11に蓄えられた電力エネルギが、蓄電装置12に充電電流が流れ続け、平滑リアクトル11に蓄えられた電力エネルギが放出されるに従い、充電電流は減衰していく。このとき、蓄電装置12で得られる端子間電圧値V_btrは、直流電力側V_dcを基準として、前述のスイッチング素子8aをオンする時間Ton_aと、オフする時間Toft_aの比率から次式決定する。   When the aforementioned switching element 8 a is turned on for a predetermined time Ton_a, the potential V_dc of the DC power unit between the current collector 1 and the ground point 100 and the inverter device 4 with respect to the ground point 100 is between the terminals of the power storage device 12. When the voltage is higher than the voltage (potential with respect to the grounding point 100) V_dc (V_dc> V_bc), a current flows from the direct current unit toward the power storage device 12. At this time, the smoothing reactor 11 stores the power energy obtained by time-integrating the product of the current passed during the Ton_a period and the terminal voltage of the power storage device 12 while keeping the current increase rate within a certain value. Thereafter, when the switching element 8a is turned off for a predetermined time Toft_a, the power energy stored in the smoothing reactor 11 on the direct current portion side is released from the high potential side terminal of the power storage device 12 to the low potential side terminal, and the switching element 8b A circuit that returns to the smoothing reactor 11 through the diode portion is formed. That is, during a period in which the switching element 8a is turned off for a predetermined time Toft_a, the electric energy stored in the smoothing reactor 11 continues to flow through the power storage device 12, and the electric energy stored in the smoothing reactor 11 is released. As the charging current increases, the charging current decays. At this time, the inter-terminal voltage value V_btr obtained in the power storage device 12 is determined from the ratio of the time Ton_a to turn on the switching element 8a and the time Toft_a to turn off based on the DC power side V_dc.

V_btr=V_dc×(Ton_a/(Ton_a+Toft_a)) ・・・・・ 式3
補助電源装置14は、蓄電装置12の出力端子直近に接続し、蓄電装置12に蓄えられた電力、架線から集電装置1を経て供給される電力、またはインバータ装置4から供給される電力をもとに、車両制御器の電源、証明の空調機のサービス機器に電源を供給する。前述のように、蓄電装置12にはインバータ装置14の回生制動電力より充電されるので、車両の停止中や力行中は、まず蓄電装置12に蓄えられた電力により補助電源装置14を駆動する。蓄電量が低下して、車両制御器やサービス機器に充分な電力を供給できないときは、前述のスイッチング素子9aをオン/オフすることにより、架線から集電装置1を経て供給される電力、またはインバータ装置4から供給される電力を蓄電装置12の電圧レベルにあわせて制御して補助電源装置14に供給する。
V_btr = V_dc × (Ton_a / (Ton_a + Toft_a)) Equation 3
The auxiliary power supply device 14 is connected in the immediate vicinity of the output terminal of the power storage device 12, and has the power stored in the power storage device 12, the power supplied from the overhead line via the current collector 1, or the power supplied from the inverter device 4. In addition, power is supplied to the vehicle controller power supply and certification air conditioner service equipment. As described above, since the power storage device 12 is charged by the regenerative braking power of the inverter device 14, the auxiliary power supply device 14 is first driven by the power stored in the power storage device 12 while the vehicle is stopped or powered. When the amount of power storage decreases and sufficient power cannot be supplied to the vehicle controller or service device, the power supplied from the overhead line via the current collector 1 by turning on / off the switching element 9a, or The electric power supplied from the inverter device 4 is controlled in accordance with the voltage level of the power storage device 12 and supplied to the auxiliary power supply device 14.

以上の構成により、電圧センサ6aの直流部電圧検出値V_dcの時間変化率dV_dc/dtを制御装置10で演算し、dV_dc/dtが所定値を超えたとき、電流センサ7dの電流検出値I_btrを、所定の充電電流指令値I_abs_cmd(図示していない)に追従するように、ゲートアンプ9a、9bの出力であるゲートパルス信号GP1、GP2を制御して、スイッチング素子8a、8bを駆動できる。   With the above configuration, the time change rate dV_dc / dt of the DC part voltage detection value V_dc of the voltage sensor 6a is calculated by the control device 10, and when dV_dc / dt exceeds a predetermined value, the current detection value I_btr of the current sensor 7d is calculated. The switching elements 8a and 8b can be driven by controlling the gate pulse signals GP1 and GP2 which are the outputs of the gate amplifiers 9a and 9b so as to follow a predetermined charging current command value I_abs_cmd (not shown).

また、インバータ装置4の回生電力P_regenと、蓄電装置12の端子間電圧V_btrより、蓄電装置12に充電可能な充電電流指令値I_regen_cmd(図示していない)を制御装置10で演算し、電流センサ7dの電流検出値I_btrを、前述の充電電流指令値I_regen_cmdに追従するように、ゲートアンプ9a,9bの出力であるゲートパルス信号GP1,GP2を制御して、スイッチング素子8a,8bを駆動できる。   Further, a charging current command value I_regen_cmd (not shown) that can charge the power storage device 12 is calculated by the control device 10 from the regenerative power P_regen of the inverter device 4 and the inter-terminal voltage V_btr of the power storage device 12, and the current sensor 7d. The switching elements 8a and 8b can be driven by controlling the gate pulse signals GP1 and GP2 that are the outputs of the gate amplifiers 9a and 9b so that the detected current value I_btr of the current follows the charging current command value I_regen_cmd.

これにより、回生ブレーキ中に集電装置から電力線への電流経路が断たれたとき、インバータ直流部の電圧検出値の変化率に基づいて、瞬時に回生電力を蓄電装置で吸収する充電制御を開始、またその後も連続的に蓄電装置に回生電力の吸収を可能とする、電気車の駆動システムを実現できる。また、蓄電装置に吸収した回生電力は、車両制御器の電源、照明や空調機のサービス機器に常に電源を供給する補助電源装置の駆動に優先的に用いることで、スイッチング素子を動作させることなく、低損失に蓄電装置の放電を促進して回生電力の吸収余裕を確保できる。また、蓄電装置が接続された安定な直流電流により補助電源装置を駆動できるので、補助電源装置の入力電圧変動の許容範囲を小さく設定して、補助電源コストを抑えられる。   As a result, when the current path from the current collector to the power line is interrupted during regenerative braking, charging control that instantly absorbs regenerative power with the power storage device based on the rate of change in the voltage detection value of the inverter DC section is started. In addition, it is possible to realize a drive system for an electric vehicle that can continuously absorb regenerative power in the power storage device. In addition, the regenerative power absorbed by the power storage device can be used preferentially for driving the auxiliary power supply that always supplies power to the vehicle controller power supply, lighting and air conditioner service equipment, without operating the switching element. In addition, it is possible to promote the discharge of the power storage device with low loss and to secure a regenerative power absorption margin. In addition, since the auxiliary power supply device can be driven by a stable direct current to which the power storage device is connected, the allowable range of the input voltage fluctuation of the auxiliary power supply device can be set small, and the auxiliary power supply cost can be suppressed.

図8は、本発明の電気車の駆動システムにおける第四の実施形態の機器構成を示す図である。   FIG. 8 is a diagram showing a device configuration of the fourth embodiment in the electric vehicle drive system of the present invention.

集電装置1から給電した直流電力は、フィルタリアクトル2、及びフィルタコンデンサ3で構成するLCフィルタリング回路により高周波数域の変動分を除去した後、インバータ装置4に入力する。インバータ装置4は、入力された直流電力を可変電圧可変周波数(VVVF)の3相交流電力に変換して、主電動機5a,5bを駆動する。なお、ここではインバータ装置4が駆動する主電動機が2台の場合を示しているが、インバータ装置4が駆動する主電動機の台数は限定しない。電圧センサ6aは、フィルタコンデンサ3の両端の直流部電圧V_dcを検出する。電圧センサ7a,7b,7cは、インバータ装置4と、主電動機5a,5bの間の3相交流電力線を流れる電流を各相毎に検出して、インバータ装置4に入力する。接地点100はこの回路の基準電位を決めている。スイッチング素子8a,8bは、前述の集電装置1および接地点100とインバータ装置4の間にある直流電力部うち、高電位側と低電位側の間に直列配置する。また、スイッチング素子8cは、前述の集電装置1および接地点100とインバータ装置4の間にある直流電力部うち、高電位側と低電位側の間に、ブレーキ抵抗器13と共に直列配置する。電圧センサ6bは平滑リアクトル11と電流センサ7dの電力線間に配置して、蓄電装置12の端子間電圧V_btrを検出する。なお、電圧センサ6bは平滑リアクトル11と電流センサ7dの電力線間に配置しているが、これは蓄電装置12と平滑リアクトル11の電力線間に配置しても、後述の蓄電装置12の端子間電圧V_btrを検出できる。   The DC power fed from the current collector 1 is input to the inverter device 4 after the fluctuation in the high frequency region is removed by the LC filtering circuit constituted by the filter reactor 2 and the filter capacitor 3. The inverter device 4 converts the input DC power into three-phase AC power having a variable voltage variable frequency (VVVF), and drives the main motors 5a and 5b. Although the case where two main motors are driven by the inverter device 4 is shown here, the number of main motors driven by the inverter device 4 is not limited. The voltage sensor 6 a detects the DC part voltage V_dc across the filter capacitor 3. The voltage sensors 7a, 7b, and 7c detect the current flowing through the three-phase AC power line between the inverter device 4 and the main motors 5a and 5b for each phase, and input the detected current to the inverter device 4. The ground point 100 determines the reference potential of this circuit. The switching elements 8a and 8b are arranged in series between the high-potential side and the low-potential side in the DC power unit between the current collector 1 and the ground point 100 and the inverter device 4 described above. The switching element 8c is arranged in series with the brake resistor 13 between the high potential side and the low potential side of the DC power unit between the current collector 1 and the grounding point 100 and the inverter device 4 described above. The voltage sensor 6b is disposed between the power line of the smoothing reactor 11 and the current sensor 7d, and detects the inter-terminal voltage V_btr of the power storage device 12. The voltage sensor 6b is arranged between the power line of the smoothing reactor 11 and the current sensor 7d. However, even if it is arranged between the power line of the power storage device 12 and the smoothing reactor 11, the voltage between terminals of the power storage device 12 described later is used. V_btr can be detected.

制御装置10は、インバータ装置4の回生電力P_inv、電圧センサ6aの電圧検出値V_dc、電圧センサ6bの電圧検出値V_btr、電流センサ7dの電流検出値I_btrを入力とし、ゲートアンプ9a,9b,9cにスイッチング素子8a,8b,8cのオン/オフを指令するゲートパルス信号GP1,GP2,GP3を出力する。ゲートアンプ9a,9b,9cは、ゲートパルス信号GP1,GP2,GP3を入力とし、これを基にスイッチング素子8a,8bをオン/オフ可能な電圧制御信号に変換し、スイッチング素子8a,8b,8cをオン/オフ制御する。電圧センサ6bは後述の蓄電装置12の端子間電圧を検出する。電流センサ7dは、後述の蓄電装置12に入出力する電流を検知する。   The control device 10 receives the regenerative power P_inv of the inverter device 4, the voltage detection value V_dc of the voltage sensor 6a, the voltage detection value V_btr of the voltage sensor 6b, and the current detection value I_btr of the current sensor 7d, and inputs the gate amplifiers 9a, 9b, 9c. In addition, gate pulse signals GP1, GP2, GP3 for commanding on / off of the switching elements 8a, 8b, 8c are output. The gate amplifiers 9a, 9b, and 9c receive the gate pulse signals GP1, GP2, and GP3 and convert the switching elements 8a and 8b into voltage control signals that can be turned on / off based on the gate pulse signals GP1, GP2, and GP3, and the switching elements 8a, 8b, and 8c. ON / OFF control. Voltage sensor 6b detects a voltage between terminals of power storage device 12, which will be described later. The current sensor 7d detects a current that is input to and output from the power storage device 12 described later.

蓄電装置12としては、架線瞬断時の回生電力の瞬時吸収を優先に考えると、単体体積あたりの充放電入出力特性が高性能である電気二重層キャパシタ装置などの適用が考えられる。しかし、鉄道車両ではシステム冗長性の確保が重要でああるため、停電状態でも安全な退避箇所までの自力走行を実現する要求が考えられる。このため、単体面積あたりの蓄電能力が高いリチウムイオン電池などの構成することが妥当と言える。   As the power storage device 12, when priority is given to instantaneous absorption of regenerative power at the time of instantaneous interruption of an overhead wire, application of an electric double layer capacitor device having high performance charge / discharge input / output characteristics per unit volume can be considered. However, since it is important to ensure system redundancy in a railway vehicle, there may be a demand for realizing self-running to a safe retreat location even in a power failure state. For this reason, it can be said that it is appropriate to configure a lithium ion battery or the like having a high power storage capacity per unit area.

蓄電装置12の充放電制御はスイッチング素子8a,8bを周期的にオン/オフすることで実現する。この充放電制御において、平滑リアクトル11は、蓄電装置12に通流する電流の変化率を所定値内に抑える機能をもつ。   The charge / discharge control of the power storage device 12 is realized by periodically turning on / off the switching elements 8a and 8b. In this charge / discharge control, the smoothing reactor 11 has a function of keeping the rate of change of the current flowing through the power storage device 12 within a predetermined value.

まず、スイッチング素子8bをオン/オフすることにより、蓄電装置12の電力を放電する制御について説明する。   First, control for discharging the electric power of the power storage device 12 by turning on / off the switching element 8b will be described.

前述のスイッチング素子8bを所定時間Ton_bだけオンすると、蓄電装置12の出力端子間は短絡されるが、平滑リアクトル11はその電流増加率を一定値内に抑ると同時に、Ton_bの期間に通流した電流の蓄電装置12の端子電圧の積を時間積分した電力エネルギを蓄える。その後、スイッチング素子8bを所定時間Toft_bだけオフすると、直流電力部側に平滑リアクトル11に蓄えられた電力エネルギはスイッチング素子8aのダイオード部を介して、前述の集電装置1および接地点100とインバータ装置4の間にある直流電力部側に放出される。このとき、直流電流側で得られる電圧値V_dcは、蓄電装置12の端子電圧V_btrを基準として、前述のスイッチング素子8bをオンする時間Ton_bと、オフする時間Toft_bの比率から次式で決定する。   When the above-described switching element 8b is turned on for a predetermined time Ton_b, the output terminals of the power storage device 12 are short-circuited, but the smoothing reactor 11 keeps the current increase rate within a constant value and at the same time flows in the Ton_b period. The power energy obtained by time-integrating the product of the terminal voltage of the power storage device 12 of the current thus obtained is stored. After that, when the switching element 8b is turned off for a predetermined time Toft_b, the power energy stored in the smoothing reactor 11 on the DC power unit side passes through the diode part of the switching element 8a, and the current collector 1 and the grounding point 100 and the inverter. It is discharged to the DC power unit side between the devices 4. At this time, the voltage value V_dc obtained on the direct current side is determined from the ratio of the time Ton_b to turn on the switching element 8b and the time Toft_b to turn off based on the terminal voltage V_btr of the power storage device 12 by the following equation.

V_dc=V_btr×((Ton_b+Toft_b)/Toft_b) ・・・・・ 式2
次に、スイッチイング素子8aをオン/オフすることにより、蓄電装置12に電力を充電する制御について説明する。
V_dc = V_btr × ((Ton_b + Toft_b) / Toft_b) Equation 2
Next, control for charging the power storage device 12 by turning on / off the switching element 8a will be described.

前述のスイッチング素子8aを所定の時間Ton_aだけオンすると、前述の集電装置1および接地点100とインバータ装置4の間にある直流電力部の、接地点100に対する電位V_dcが、蓄電装置12の端子間電圧(接地点100に対する電位)V_dcよりも高いとき(V_dc>V_bc)、直流電力部から蓄電装置12の向きに電流が流れる。このとき、平滑リアクトル11は電流増加率を一定値内に抑ると同時に、Ton_aの期間に通流した電流と、蓄電装置12の端子電圧の積を時間積分した電力エネルギを蓄える。その後、スイッチング素子8aを所定時間Toft_aだけオフすると、直流電力部側に平滑リアクトル11に蓄えられた電力エネルギは蓄電装置12の高電位側端子から、低電位側端子に抜け、スイッチング素子8bのダイオード部を経て、平滑リアクトル11に戻り一巡の回路が構成される。すなわち、スイッチング素子8aを所定時間Toft_aだけオフしている期間は平滑リアクトル11に蓄えられた電力エネルギが蓄電装置12に充電電流が流れ続け、平滑リアクトル11に蓄えられた電力エネルギが放出されるに従い、充電電流は減衰していく。このとき、蓄電装置12で得られる端子間電圧値V_btrは、直流電力側V_dcを基準として、前述のスイッチング素子8aをオンする時間Toft_aと、オフする時間Toft_aの比率から次式で決定する。   When the aforementioned switching element 8a is turned on for a predetermined time Ton_a, the potential V_dc of the DC power unit between the current collector 1 and the ground point 100 and the inverter device 4 with respect to the ground point 100 becomes the terminal of the power storage device 12. When the voltage is higher than the inter-voltage (potential with respect to the ground point 100) V_dc (V_dc> V_bc), a current flows from the DC power unit toward the power storage device 12. At this time, the smoothing reactor 11 stores the power energy obtained by time-integrating the product of the current passed during the Ton_a period and the terminal voltage of the power storage device 12 while suppressing the current increase rate within a certain value. Thereafter, when the switching element 8a is turned off for a predetermined time Toft_a, the power energy stored in the smoothing reactor 11 on the DC power unit side is released from the high potential side terminal of the power storage device 12 to the low potential side terminal, and the diode of the switching element 8b After that, the circuit returns to the smoothing reactor 11 to form a circuit. That is, as long as the switching element 8a is turned off for a predetermined time Toft_a, the power energy stored in the smoothing reactor 11 continues to flow through the power storage device 12, and the power energy stored in the smoothing reactor 11 is released. The charging current decays. At this time, the inter-terminal voltage value V_btr obtained by the power storage device 12 is determined from the ratio of the time Toft_a for turning on the switching element 8a and the time Toft_a for turning off based on the DC power side V_dc as follows.

V_btr=V_dc×(Ton_a/(Ton_a+Toff_a)) ・・・・・ 式3
さらに、スイッチング素子8cをオン/オフすることにより、ブレーキ抵抗器13から直流部の電力を瞬時に熱エネルギに変換して放出する制御(ブレーキチョッパ制御)について説明する。
V_btr = V_dc × (Ton_a / (Ton_a + Toff_a)) Equation 3
Further, control (brake chopper control) for instantaneously converting the electric power of the direct current portion from the brake resistor 13 to heat energy by turning on / off the switching element 8c will be described.

前述のスイッチング素子8cを所定時間Ton_cだけオンすると、その期間は前述の集電装置1および接点地100とインバータ装置4の間にある直流電力部は、ブレーキ抵抗器13を介して接続される。従って、インバータ装置4を回生ブレーキ運転中に、スイッチング素子8cのオン/オフを適切に制御すると、インバータ回生電力の一部または全てをブレーキ抵抗器13で消費できる。集電装置1および接点地100とインバータ装置4の間にある直流電力部側に放出される。このとき、ブレーキ抵抗器13の通流電力I_brrは、回生ブレーキ電流I_inv_regenを基準として、前述のスイッチング素子8bをオンする時間Ton_bと、オフする時間Toff_bの比率から次式で決定する。   When the aforementioned switching element 8c is turned on for a predetermined time Ton_c, the current collector 1 and the DC power unit between the contact point 100 and the inverter device 4 are connected via the brake resistor 13 during that period. Accordingly, when the inverter device 4 is appropriately controlled to turn on / off the switching element 8c during the regenerative brake operation, a part or all of the inverter regenerative power can be consumed by the brake resistor 13. It is discharged to the DC power unit side between the current collector 1 and the contact point 100 and the inverter device 4. At this time, the conduction power I_brr of the brake resistor 13 is determined from the ratio of the time Ton_b for turning on the switching element 8b and the time Toff_b for turning off based on the regenerative brake current I_inv_regen as follows.

I_r_brk=I_inv_regen×(Ton_a/(Ton_a+Toff_a)) ・・・・・ 式4
補助電源装置14は、蓄電装置12の出力端子に接続し、蓄電装置12に蓄えられた電力、架線から集電装置1を経て供給される電力、またはインバータ装置4から供給される電力をもとに、車両制御器の電源、照明や空調機のサービス機器に電源を供給する。前述のように、蓄電装置12にはインバータ装置14の回生制電電力より充電されるので、車両の停止中や力行中は、まず蓄電装置12に蓄えられた電力により補助電源装置14を駆動する。蓄電量が低下して、車両制御器やサービス機器に充分な電力を供給できないときは、前述のスイッチング素子9aをオン/オフすることにより、架線から集電装置1を経て供給される電力、またはインバータ装置4から供給される電力を蓄電装置12の電圧レベルにあわせて制御して補助電源装置14に供給する。
I_r_brk = I_inv_regen × (Ton_a / (Ton_a + Toff_a)) Equation 4
The auxiliary power supply device 14 is connected to the output terminal of the power storage device 12, and is based on the power stored in the power storage device 12, the power supplied from the overhead line via the current collector 1, or the power supplied from the inverter device 4. In addition, power is supplied to vehicle controller power supplies, lighting and air conditioner service equipment. As described above, since the power storage device 12 is charged by the regenerative control power of the inverter device 14, the auxiliary power supply device 14 is first driven by the power stored in the power storage device 12 when the vehicle is stopped or powered. . When the amount of power storage decreases and sufficient power cannot be supplied to the vehicle controller or service device, the power supplied from the overhead line via the current collector 1 by turning on / off the switching element 9a, or The electric power supplied from the inverter device 4 is controlled in accordance with the voltage level of the power storage device 12 and supplied to the auxiliary power supply device 14.

以上の構成により、電圧センサ6bの直流部電圧検出値V_dcの時間変化率dV_dc/dtを制御装置10で演出し、dV_dc/dtが所定値を超えたとき、電流センサ7eの電流検出値I_brrを、所定の充電電流指令値I_abs_cmd(図示していない)に追従するように、ゲートアンプ9cの出力であるゲートパルス信号GP3を制御して、スイッチング素子8cを駆動できる。   With the above configuration, the time change rate dV_dc / dt of the DC voltage detection value V_dc of the voltage sensor 6b is produced by the control device 10, and when the dV_dc / dt exceeds a predetermined value, the current detection value I_brr of the current sensor 7e is obtained. The switching element 8c can be driven by controlling the gate pulse signal GP3, which is the output of the gate amplifier 9c, so as to follow a predetermined charging current command value I_abs_cmd (not shown).

また、インバータ装置4の回生電力P_invと、蓄電装置12の端子間電圧V_btrより、蓄電装置12に充電可能な充電電流指令値I_regen_cmd(図示していない)を制御装置10で演算し、電流センサ7dの電流検出値I_btrを、前述の充電電流指令値I_regen_cmd_bに追従するように、ゲートアンプ9a,9bの出力であるゲートパルス信号GP1,GP2を制御して、スイッチング素子8a,8bを駆動できる。   Further, a charging current command value I_regen_cmd (not shown) that can charge the power storage device 12 is calculated by the control device 10 from the regenerative power P_inv of the inverter device 4 and the inter-terminal voltage V_btr of the power storage device 12, and the current sensor 7d. The switching elements 8a and 8b can be driven by controlling the gate pulse signals GP1 and GP2 that are the outputs of the gate amplifiers 9a and 9b so that the detected current value I_btr of the current follows the charging current command value I_regen_cmd_b.

これにより、回生ブレーキ中に集電装置から電力線への電流経路が断たれたとき、インバータ直流部の電圧検出値の変化率に基づいて、瞬時に回生電力を蓄電装置で吸収する充電制御を開始し、またその後も連続的に蓄電装置による回生電力の吸収を可能とする、電気車の駆動システムを実現できる。また、蓄電装置に吸収した回生電力は、車両制御器の電源、照明や空調機のサービス機器に常に電源を供給する補助電源装置の駆動に優先的に用いることで、スイッチング素子を動作させることなく、低損失に蓄電装置の放電を促進して回生電力の吸収余裕を確保できる。また、蓄電装置が接続された安定な直流電源により補助電源装置を駆動できるので、補助電源装置の入力電圧変動の許容範囲を小さく設定して、補助電源装置のコストを抑えられる。   As a result, when the current path from the current collector to the power line is interrupted during regenerative braking, charging control that instantly absorbs regenerative power with the power storage device based on the rate of change in the voltage detection value of the inverter DC section is started. In addition, a drive system for an electric vehicle that can continuously absorb regenerative power by the power storage device can be realized. In addition, the regenerative power absorbed by the power storage device can be used preferentially for driving the auxiliary power supply that always supplies power to the vehicle controller power supply, lighting and air conditioner service equipment, without operating the switching element. In addition, it is possible to promote the discharge of the power storage device with low loss and to secure a regenerative power absorption margin. In addition, since the auxiliary power supply can be driven by a stable DC power supply to which the power storage device is connected, the allowable range of input voltage fluctuation of the auxiliary power supply can be set small, and the cost of the auxiliary power supply can be suppressed.

本発明の実施例1の電気車の駆動システムの機器構成を示す図である。It is a figure which shows the apparatus structure of the drive system of the electric vehicle of Example 1 of this invention. 本発明の実施例1の電気車の駆動システムの制御方式を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the control system of the drive system of the electric vehicle of Example 1 of this invention. 本発明の実施例1の電気車の駆動システムの制御動作を示す波形図である。It is a wave form diagram which shows control operation of the drive system of the electric vehicle of Example 1 of this invention. 本発明の実施例2の電気車の駆動システムの機器構成を示す図である。It is a figure which shows the apparatus structure of the drive system of the electric vehicle of Example 2 of this invention. 本発明の実施例2の電気車の駆動システムの制御方式を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the control system of the drive system of the electric vehicle of Example 2 of this invention. 本発明の実施例2の電気車の駆動システムの制御動作を示す波形図である。It is a wave form diagram which shows the control action of the drive system of the electric vehicle of Example 2 of this invention. 本発明の実施例3の電気車の駆動システムの機器構成を示す図である。It is a figure which shows the apparatus structure of the drive system of the electric vehicle of Example 3 of this invention. 本発明の実施例4の電気車の駆動システムの機器構成を示す図である。It is a figure which shows the apparatus structure of the drive system of the electric vehicle of Example 4 of this invention. 従来例の回生電力を吸収する蓄電装置を車上側のインバータ装置に併設する場合の機器構成の一例である。It is an example of an apparatus structure in the case of attaching the electrical storage apparatus which absorbs the regenerative electric power of a prior art example to the inverter apparatus of a vehicle upper side.

符号の説明Explanation of symbols

1 集電装置
2 フィルタリアクトル
3 フィルタコンデンサ
4 インバータ装置
5 主電動機
6 電圧センサ
7 電流センサ
8 スイッチング素子
9 ゲートアンプ
10 制御装置
11 平滑リアクトル
12 蓄電装置
13 ブレーキ抵抗器
14 補助電源装置
51 変化率演算部
52 比較器
53 選択器
54 論理和回路
55 積分器
56 低位選択器
57 高位選択器
58 乗算器
59 除算器
60 加算器
61 ゲートパルス演算部
62 安定化制御器
101 リアクトル
102 蓄電装置
103 主スイッチ
104 平滑リアクトル
105 インバータ
106 モータ
107 平滑コンデンサ
108 直流電源
110 架線
111 スイッチング素子
113 電流検出器
114 電流検出器。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Current collector 2 Filter reactor 3 Filter capacitor 4 Inverter device 5 Main motor 6 Voltage sensor 7 Current sensor 8 Switching element 9 Gate amplifier 10 Control device 11 Smoothing reactor 12 Power storage device 13 Brake resistor 14 Auxiliary power supply device 51 Change rate calculation part 52 Comparator 53 Selector 54 OR Circuit 55 Integrator 56 Low Level Selector 57 High Level Selector 58 Multiplier 59 Divider 60 Adder 61 Gate Pulse Operation Unit 62 Stabilization Controller 101 Reactor 102 Power Storage Device 103 Main Switch 104 Smoothing Reactor 105 Inverter 106 Motor 107 Smoothing capacitor 108 DC power supply 110 Overhead wire 111 Switching element 113 Current detector 114 Current detector.

Claims (6)

電力線から電力を得る集電手段と、
前記電力線電力に基づく直流電力を交流電力に変換するインバータ手段と、
前記インバータ手段の直流側に配置されるコンデンサと、
前記インバータ手段により駆動される電動機と、
電力を充放電可能な電力蓄積手段と、
前記インバータ手段の直流側と前記電力蓄積手段の間の通流電流を調整制御するスイッチ手段と、
前記コンデンサの電圧を検出する手段と、を備え、
前記コンデンサの電圧検出値の変化率に基づき前記集電手段から前記電力線への電流経路の瞬断を検知した場合に、前記スイッチ手段により前記通流電流の増加率と回復率を選択制御して前記インバータ手段の直流側から前記電力蓄積手段側へ電流を通流させて、前記電動機により発生した回生電力を前記電力蓄積手段で充電する瞬時電力吸収制御と前記瞬時電力吸収制御の完了後の前記通電電流の検出値に基づく回生電力吸収制御を行うことを特徴とする鉄道車両の駆動システム。
Current collecting means for obtaining power from the power line;
Inverter means for converting DC power based on the power line power into AC power;
A capacitor disposed on the DC side of the inverter means;
An electric motor driven by the inverter means;
Power storage means capable of charging and discharging power;
Switch means for adjusting and controlling the current flowing between the DC side of the inverter means and the power storage means;
Means for detecting the voltage of the capacitor,
When the instantaneous interruption of the current path from the current collecting means to the power line is detected based on the change rate of the voltage detection value of the capacitor, the switch means selectively controls the increase rate and the recovery rate of the conduction current. Instantaneous power absorption control in which current is passed from the DC side of the inverter means to the power storage means side and regenerative power generated by the electric motor is charged by the power storage means, and after the completion of the instantaneous power absorption control drive system for a railway vehicle, characterized in that performing the regenerative power absorption control based on the detected value of the energizing current.
電力線から電力を得る集電手段と、
前記電力線電力に基づく直流電力を交流電力に変換するインバータ手段と、
前記インバータ手段の直流側に配置されるコンデンサと、
前記インバータ手段により駆動される電動機と、
電力を充放電可能な電力蓄積手段と、
前記インバータ手段の直流側と前記電力蓄積手段の間の通流電流を調整制御する第一のスイッチ手段と、
前記コンデンサの電圧を検出する手段と、
前記インバータ手段の直流側の電力を放電する抵抗手段と、
前記抵抗手段の通流電流を調整制御する第二のスイッチ手段と、
前記コンデンサの電圧検出値の変化率に基づき前記集電手段から前記電力線への電流経路の瞬断を検知した場合に、
前記第二のスイッチ手段を制御して前記電動機により発生した回生電力を前記抵抗手段で消費する制御を行い、
前記第一のスイッチ手段により前記通流電流の増加率と回復率を選択制御して前記インバータ手段の直流側から前記電力蓄積手段側へ電流を通流させて、前記電動機により発生した回生電力を前記電力蓄積手段で充電する瞬時電力吸収制御と前記瞬時電力吸収制御の完了後の前記通電電流の検出値に基づく回生電力吸収制御を行うことを特徴とする鉄道車両の駆動システム。
Current collecting means for obtaining power from the power line;
Inverter means for converting DC power based on the power line power into AC power;
A capacitor disposed on the DC side of the inverter means;
An electric motor driven by the inverter means;
Power storage means capable of charging and discharging power;
First switch means for adjusting and controlling a current flowing between the DC side of the inverter means and the power storage means;
Means for detecting the voltage of the capacitor;
Resistance means for discharging power on the DC side of the inverter means;
Second switch means for adjusting and controlling the current flowing through the resistance means;
When a momentary interruption of the current path from the current collector to the power line is detected based on the rate of change of the voltage detection value of the capacitor,
Performing control to control the second switch means to consume the regenerative power generated by the motor by the resistance means;
The first switch means selectively controls the increasing rate and the recovery rate of the flowing current to flow current from the DC side of the inverter means to the power storage means side, and the regenerative power generated by the motor is supplied. drive system for a railway vehicle, characterized in that performing the regenerative power absorption control based on the detected value of the instantaneous power absorbed and control the energizing current after completion of the instantaneous power absorbed controlling charging in the power storage means.
電力線から電力を得る集電手段と、
前記電力線電力に基づく直流電力を交流電力に変換する第一のインバータ手段と、
前記第一のインバータ手段の直流側に配置されるコンデンサと、
前記第一のインバータ手段により駆動される電動機と、
電力を充放電可能な電力蓄積手段と、
前記電力蓄積手段の蓄電量を検出する手段と、
前記第一のインバータ手段の直流側と前記電力蓄積手段の間の通流電流を調整制御するスイッチ手段と、
前記コンデンサの電圧を検出する手段と、
前記電力蓄積手段の供給する直流電力を交流電力に変換する第二のインバータ手段を備え、
前記コンデンサの電圧検出値の変化率に基づき前記集電手段から前記電力線への電流経路の瞬断を検知した場合に、
前記スイッチ手段により前記通流電流の増加率と回復率を選択制御して前記第一のインバータ手段の直流側から前記電力蓄積手段側へ電流を通流させて、前記電動機により発生した回生電力を前記電力蓄積手段で充電する瞬時電力吸収制御と前記瞬時電力吸収制御の完了後の前記通電電流の検出値に基づく回生電力吸収制御を行うことを特徴とする鉄道車両の駆動システム。
Current collecting means for obtaining power from the power line;
First inverter means for converting DC power based on the power line power into AC power;
A capacitor disposed on the DC side of the first inverter means;
An electric motor driven by the first inverter means;
Power storage means capable of charging and discharging power;
Means for detecting the amount of electricity stored in the power storage means;
Switch means for adjusting and controlling the current flowing between the DC side of the first inverter means and the power storage means;
Means for detecting the voltage of the capacitor;
Comprising second inverter means for converting DC power supplied by the power storage means into AC power;
When a momentary interruption of the current path from the current collector to the power line is detected based on the rate of change of the voltage detection value of the capacitor,
The switch means selectively controls the increase rate and recovery rate of the conduction current to flow current from the DC side of the first inverter means to the power storage means side, and the regenerative power generated by the motor is supplied. drive system for a railway vehicle, characterized in that performing the regenerative power absorption control based on the detected value of the instantaneous power absorbed and control the energizing current after completion of the instantaneous power absorbed controlling charging in the power storage means.
電力線から電力を得る集電手段と、
前記電力線電力に基づく直流電力を交流電力に変換する第一のインバータ手段と、
前記第一のインバータ手段の直流側に配置されるコンデンサと、
前記第一のインバータ手段により駆動される電動機と、
電力を充放電可能な電力蓄積手段と、
前記電力蓄積手段の蓄電量を検出する手段と、
前記第一のインバータ手段の直流側と前記電力蓄積手段の間の通流電流を調整制御する第一のスイッチ手段と、
前記コンデンサの電圧を検出する手段と、
前記第一のインバータ手段の直流側の電力を放電する抵抗手段と、
前記抵抗手段の通流電流を調整制御する第二のスイッチ手段と、
前記電力蓄積手段の供給する直流電力を交流電力に変換する第二のインバータ手段を備え、
前記コンデンサの電圧検出値の変化率に基づき前記集電手段から前記電力線への電流経路の瞬断を検知した場合に、
前記第一のスイッチ手段を前記通流電流の増加率と回復率を選択してオン/オフして、
前記第一のインバータ手段の直流側から前記電力蓄積手段側へ電流を通流させて、前記電動機により発生した回生電力を前記電力蓄積手段で充電する瞬時電力吸収制御と前記瞬時電力吸収制御の完了後は前記通電電流の検出値に基づく回生電力吸収制御を行い、
前記第二のスイッチ手段を制御して、前記電動機により発生した回生電力を前記抵抗手段で消費する制御を行うことを特徴とする鉄道車両の駆動システム。
Current collecting means for obtaining power from the power line;
First inverter means for converting DC power based on the power line power into AC power;
A capacitor disposed on the DC side of the first inverter means;
An electric motor driven by the first inverter means;
Power storage means capable of charging and discharging power;
Means for detecting the amount of electricity stored in the power storage means;
First switch means for adjusting and controlling a current flowing between the DC side of the first inverter means and the power storage means;
Means for detecting the voltage of the capacitor;
Resistance means for discharging electric power on the DC side of the first inverter means;
Second switch means for adjusting and controlling the current flowing through the resistance means;
Comprising second inverter means for converting DC power supplied by the power storage means into AC power;
When a momentary interruption of the current path from the current collector to the power line is detected based on the rate of change of the voltage detection value of the capacitor,
The first switch means is turned on / off by selecting an increase rate and a recovery rate of the conduction current ,
Completion of instantaneous power absorption control and instantaneous power absorption control in which current is passed from the DC side of the first inverter means to the power storage means side and regenerative power generated by the motor is charged by the power storage means after performs the regenerative power absorption control based on the detection value of the energizing current,
A railcar drive system characterized in that the second switch means is controlled so that the regenerative power generated by the electric motor is consumed by the resistance means.
請求項1または請求項のいずれかに記載の駆動システムにおいて、
前記スイッチ手段の通流電流を検出する手段を備え、
前記スイッチ手段は、前記通流電流の検出値が所定の充電電流指令値と一致するように制御されることを特徴とする鉄道車両の駆動システム。
The drive system according to claim 1 or claim 3,
Means for detecting a current flowing through the switch means;
The drive system for a railway vehicle, wherein the switch means is controlled so that a detected value of the conduction current matches a predetermined charging current command value .
請求項または請求項のいずれかに記載の駆動システムにおいて、
前記第一のスイッチ手段の通流電流を検出する手段を備え、
前記第一のスイッチ手段は、前記通流電流の検出値が所定の充電電流指令値と一致するように制御されることを特徴とする鉄道車両の駆動システム。
The drive system according to claim 2 or 4 ,
Means for detecting a current flowing through the first switch means;
The railway vehicle drive system, wherein the first switch means is controlled so that a detected value of the conduction current matches a predetermined charging current command value.
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