JP5020420B2 - 電気車の制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電力貯蔵素子を備えた電気車に供される電気車の制御装置に関する。
一般に電気車は、架線からの電力を集電装置で取り入れ、取り入れた電力を使用してインバータ等の電力変換装置で電動機を駆動して走行する構成としている。
また、電気車では、車両にブレーキをかけるときは、電動機を回生運転してブレーキ力を得るいわゆる回生ブレーキが用いられる。このとき発生する回生電力は、架線や第三軌条等を介して、自車付近に存在する他の力行車両や車両の空調などの負荷へ供給され、そこで消費されることになる。
しかしながら、早朝、夜間や、列車の運行本数の少ない閑散線区では、自車付近に他の車両が存在しない（回生負荷が不足する）場合が発生し、回生ブレーキにより発生した回生電力が十分に消費されない場合が存在する。他の車両で消費される電力よりも自車の回生電力が大きくなると架線電圧が上昇することになり、架線に接続される種々の機器を過電圧でトリップさせたり、破損させたりする虞がある。
このため、架線電圧が上昇した場合、インバータ装置は、回生ブレーキを絞り込み、回生電力の発生を抑制する回生絞り込み制御を行う。この際、この回生絞り込み制御により回生ブレーキ力が減少するので、減少して不足したブレーキ力は、摩擦ブレーキで補う。
一方、摩擦ブレーキを使用することは、本来電力回生が可能である電気車の運動エネルギーの一部を熱として大気中に廃棄することに繋がるので、省エネ性の観点から好ましくない。
そこで、電気車に二次電池や電気二重層キャパシタのような電力貯蔵素子を搭載し、必要に応じて回生電力を電力貯蔵素子に貯蔵することで、回生負荷が不足するケースでも安定な回生ブレーキを得るシステムが開発されている。
また電気車が力行する際は、架線から供給する電力と電力貯蔵素子から放電する電力の配分を適切に制御しながら電気車を走行させることが可能であるので、省エネになる。
また、電力貯蔵素子を搭載した電気車が架線からの受電を行わない非電化区間を走行する場合は、電力貯蔵素子からの電力のみを使用して電動機を駆動して加速し、またブレーキ時に電動機が発生する回生電力はすべて電力貯蔵素子へ貯蔵することになる（例えば特許文献１参照）。
特開２００９−１７１７７２号公報
上記特許文献１に記載の発明では、架線からＤＣＤＣコンバータを介して受電した電力と、電力貯蔵素子であるバッテリの電力とを併用してインバータにより電動機を駆動する構成とされている。電気車が電化区間を走行する場合、インバータはＤＣＤＣコンバータと電力貯蔵素子とから最適な配分で電力を受電して電動機を駆動して走行する。またＤＣＤＣコンバータは電力貯蔵素子の充電量を非電化区間走行時に十分なように充電制御する。一方、電気車が非電化区間を走行する場合、インバータは電力貯蔵素子の電力のみを受電して電動機を駆動して走行する。このようなシステムは電化区間と非電化区間を相互直通運転する電気車に有用なシステムである。
ここで、ＤＣＤＣコンバータやインバータは、回路中の電圧や電流の過渡的な変動により、一時的に過電圧や過電流状態となることがある。そのため、このような事象が検出されると、ＤＣＤＣコンバータやインバータを一旦停止させる保護回路が具備されていることが一般的である。このような事象は外部要因（例えば架線電圧の変動）による一時的なものである場合が多いので、運転士によるリセット操作等により、ＤＣＤＣコンバータやインバータを再起動することにより正常動作への復帰が可能なように構成されている。
このようなシステムにおいては、電気車が電化区間を力行走行中にＤＣＤＣコンバータが故障等により異常停止した場合、それまでＤＣＤＣコンバータ経由で架線から受電していた電力がゼロとなるので、インバータへ供給される電力はすべて電力貯蔵素子から供給されることになる。電力貯蔵素子の容量が十分であり電気車を走行させるために必要な電力のすべてを電力貯蔵素子が供給できる場合、ＤＣＤＣコンバータの停止前後でインバータへ供給される電力は変化しないので、電動機は正常に運転され、電気車の力行走行はＤＣＤＣコンバータの停止前後で変わりなく継続される。
この状態で電気車が力行走行を継続した場合、電力貯蔵素子の充電量が低下してしまい、最終的には電力貯蔵素子が過放電となってインバータへの電力供給が不可能となり、電気車は走行不能となってしまうおそれがある。
また、インバータが架線からの電力供給または電力貯蔵素子からの電力供給を選択的に受けて電動機を駆動するとともに電化区間を走行中にＤＣＤＣコンバータを使用して電力貯蔵素子を充電するように構成した電気車では、ＤＣＤＣコンバータの停止に運転士が気付かない場合、電気車が電化区間から非電化区間に進入する時点で、非電化区間を走行するために必要な充電量が確保できずに非電化区間を走行することができなくなるトラブルが発生するおそれがある。
このようなトラブルの発生を防止するため、ＤＣＤＣコンバータが停止した場合、運転台の表示灯を点灯させたり、運転台にある機器監視モニタ装置にＤＣＤＣコンバータが停止している旨を表示させたりして運転士にＤＣＤＣコンバータの再起動を促す構成とすることが考えられる。しかしながら、運転士がこれらの表示に気づかず、力行走行を続けてしまうケースが考えられるため、上記トラブルの発生を十分に回避できているとは言い難く、さらなる防止策の提供が望まれる。
本発明は上記に鑑みてなされたものであって、架線からの電力と電力貯蔵素子からの電力を併用して電動機を駆動する電気車の制御装置において、ＤＣＤＣコンバータが停止した場合において運転士にＤＣＤＣコンバータの再起動を的確に促すことのできる電気車の制御装置を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる電気車の制御装置は、外部電源より入力された電圧を所定の値の直流に変換して電力貯蔵部へ出力する第一の電力変換部と、前記外部電源又は前記電力貯蔵部から任意の電力の供給を受けて所定の値の交流に変換する第二の電力変換部と、前記第一の電力変換部の異常状態を検知する異常検知部と、前記異常検知部による検知結果に基づいて前記第一の電力変換部の制御を行うとともに、当該検知結果に基づいて保護状態信号を生成する第一の制御部と、前記保護状態信号が入力され、当該保護状態信号が前記第一の電力変換部が異常状態であることを示している場合、異常時対応の制御を前記第二の電力変換部に対して実行する第二の制御部と、を備えることを特徴とする。
この発明によれば、第二の電力変換部の制御動作を第一の電力変換部の異常状態検知結果に応じて切り換えることとしたので、運転士に第一の電力変換部の停止を気づかせて、再起動を促すことができ、運転士が第一の電力変換部の停止に気づかずに電気車の運転を継続して、電力貯蔵部が過放電してしまうのを防止できる、という効果を奏する。また、電気車が電化区間から非電化区間に進入する時点で電力貯蔵部の充電量が不足してしまうトラブルを回避できる、という効果を奏する。
図１は、実施の形態１における電気車の制御装置の構成例を示す図である。 図２は、コンバータ回路の構成例を示す図である。 図３は、コンバータ制御部の構成例を示す図である。 図４は、インバータ制御部の構成例を示す図である。 図５は、実施の形態２における電気車の制御装置の構成例を示す図である。
以下に、本発明にかかる電気車の制御装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１における電気車の制御装置の構成例を示す図である。本実施の形態の電気車の制御装置は、主たる構成要素として、コンバータ部１０、主幹制御器４０、電力貯蔵部５０、インバータ部６０および電動機９０を備えている。図１に示すように、図示しない外部電源である変電所からの電力は、架線１から集電装置２を介して、例えばＤＣＤＣコンバータであるコンバータ部１０に入力される。コンバータ部１０からのリターン電流は、車輪３を経由してレール４に接続され、図示しない変電所の負側へ戻る。
コンバータ部１０は、直流／直流変換を行う主回路であり、第一の電力変換部として動作するコンバータ回路２０と、第一の制御部であるコンバータ制御部３０とを具備する。なお、コンバータ回路２０は、双方向昇降圧チョッパ回路が好適である。また、詳細については後述するが、コンバータ回路２０には、入力側と出力側に電圧や電流を平滑化するためのリアクトルやコンデンサからなるフィルタ回路を含む場合が一般的である。
コンバータ部１０の出力は２系統に分岐しており、その一方には、インバータ部６０が接続される。インバータ部６０は、直流／交流変換を行う主回路であり、第二の電力変換部として動作するインバータ回路７０と、第二の制御部であるインバータ制御部８０とを具備する。なお、インバータ回路７０は、電圧形ＰＷＭインバータ回路が好適であり、その回路構成は公知であるので説明を割愛する。またその入力側には、上記のコンバータ回路２０と同様に電圧や電流を平滑化するためのリアクトルやコンデンサからなるフィルタ回路を含む場合が一般的である。
インバータ部６０の交流出力側には、電動機９０が接続される。電動機９０は複数台を並列に接続してもよい。電動機９０は、車輪３を駆動し、電気車を走行させる。
コンバータ部１０の出力の２系統のうちのもう一方には、二次電池や電気二重層キャパシタのような電力貯蔵素子を直並列に接続して構成された電力貯蔵部５０が接続される。電力貯蔵部５０は、コンバータ部１０により所定の電流で充放電制御されるほか、インバータ部６０へ力行電力を供給したり、インバータ部６０からの回生電力を吸収したりする。
なお、インバータ部６０を、図示を省略している空調装置や車内の照明等の補機に対して電力供給を行う補助電源装置のインバータとしてもよい。この場合、図１において電動機９０を補機に置き換えた構成となる。これ以外の構成要素（コンバータ部１０など）の構成および接続関係は、インバータ部６０の目的によらず（電力の供給先によらず）同一となる。
主幹制御器４０は、電気車の運転台に設けられており、運転士がコンバータ部１０とインバータ部６０に運転制御指令を入力するためのスイッチやレバーを備えている。例えば、図示したように、電気車の力行加速力を調整するための力行加速レバー４１，ブレーキ力を調整するためのブレーキレバー４２，コンバータ部１０やインバータ部６０に異常が生じた際にリセットを行うためのリセットスイッチ４３を有している。その他のスイッチやレバー等については図示を省略している。
運転制御指令は、運転士のスイッチ操作により生成され、図示を省略している電気車の加速減速を調整するための力行指令、ブレーキ力指令、後述するリセット信号ＲＳＴ、中立位置（ニュートラル）信号ＮＯＦＦで構成される。
リセット信号ＲＳＴは、コンバータ部１０やインバータ部６０において過電圧や過電流等の異常が発生して装置の動作が一旦停止した場合に、運転士の判断により装置を再起動することにより生成される。具体的には、運転士がリセットスイッチ４３を操作した場合に生成される（状態が変化する）信号である。
中立位置（ニュートラル）信号ＮＯＦＦは、力行加速レバー４１を力行オフ位置（力行加速せず、惰行走行する場合に選択）とした場合やブレーキレバー４２をブレーキオフ位置（ブレーキを解除する場合に選択）とした場合に生成される（状態が変化する）信号である。
上記のリセット信号ＲＳＴおよび中立位置信号ＮＯＦＦは、コンバータ制御部３０とインバータ制御部８０に入力される。
なお、リセット信号ＲＳＴと中立位置信号ＮＯＦＦとは、図１の構成、すなわち、それぞれの信号を直接コンバータ制御部３０とインバータ制御部８０とに入力する構成のほか、どちらか一方の制御部のみに入力し、入力された制御部からもう一方の制御部へリセット信号ＲＳＴと中立位置信号ＮＯＦＦの状態を伝送する構成でもよい。
また、リセット信号ＲＳＴと中立位置信号ＮＯＦＦとを、コンバータ制御部３０とインバータ制御部８０の機能を包含した図示しない統括制御部へ入力する構成とし、入力されたリセット信号ＲＳＴと中立位置信号ＮＯＦＦとを、コンバータ制御部３０とインバータ制御部８０へ伝送する構成としてもよい。要は、リセット信号ＲＳＴと中立位置信号ＮＯＦＦとが、コンバータ制御部３０とインバータ制御部８０へ入力される構成であれば、どの様な構成としてもよい。
図２は、本発明の実施の形態１におけるコンバータ回路２０の構成例を示す図である。図２に示すように、コンバータ回路２０は、架線１から供給される電力の入力側に設けられた開閉部であるスイッチ２１と、電圧や電流を平滑化するためのフィルタリアクトル２２およびフィルタコンデンサ２３からなるフィルタ回路と、上アームスイッチング素子２４Ｈおよび下アームスイッチング素子２４Ｌからなるスイッチング回路２４と、スイッチング回路２４の二次側に接続された平滑リアクトル２５とにより構成される。このコンバータ回路２０は、上アームスイッチング素子２４Ｈと、下アームスイッチング素子２４Ｌとを適切にオンオフ制御することで、一次側から二次側へ、また二次側から一次側へ、任意の方向へ任意の大きさの電力を通過させることが可能である。
なお、コンバータ部１０の構成は、図２に示した以外の回路構成でもかまわない。たとえば、図１では架線１から直流電力が供給される場合の例を示したが、架線１から交流電力が供給される場合には、コンバータ回路２０は入力された交流電力を直流電力に双方向に変換可能な回路であるＰＷＭコンバータ回路が好適である。
また、本実施の形態では、コンバータ部１０、インバータ部６０および電力貯蔵部５０をそれぞれ１台ずつ備えた構成の制御装置について説明しているが、それぞれが複数台の場合であっても本発明を実施できる。コンバータ部１０やインバータ部６０が複数台の場合には、リセット信号ＲＳＴおよび中立位置信号ＮＯＦＦが各コンバータ部１０のコンバータ制御部３０と各インバータ部６０のインバータ制御部８０とに入力されるように構成すればよい。
次に、コンバータ制御部３０の構成について説明する。図３は、本発明の実施の形態１におけるコンバータ制御部３０の構成例を示す図である。図示したように、コンバータ制御部３０は、異常検知部３６と、ラッチ回路３１および３２と、論理和回路（ＯＲ回路）３３と、反転回路（ＮＯＴ回路）３４と、論理積回路（ＡＮＤ回路）３５とを備える。
コンバータ制御部３０において、異常検知部３６は、コンバータ部１０の電圧や電流等の異常状態を検出して異常信号ＦＬＴＡ１およびＦＬＴＢ１を生成する。
この異常検知部３６は、たとえば、回路中の電圧や電流を監視し、これらの電流や電圧が所定のしきい値を超えた場合には、過電圧あるいは過電流が発生したと判断して信号ＦＬＴＡ１をオン（Ｈレベル）とする。信号ＦＬＴＡ１がオンとなるケースは、外部の電源の電圧変動等の外乱により発生しうるものであり、機器の故障が発生した可能性が低い場合である。また、異常検知部３６は、回路の損傷につながる大きな異常を検出した場合は、信号ＦＬＴＢ１をオンとする。信号ＦＬＴＢ１がオンとなるケースは、たとえば上述した過電圧や過電流を短時間に複数回検出した場合や制御用のマイコンの異常を検出した場合など、外乱による一時的な事象ではなく、機器の故障が発生した可能性が高い場合である。
つまり、異常検知部３６は、軽い異常と分類される異常を検出した場合は信号ＦＬＴＡ１をオンとし、重い異常と分類される異常を検出した場合には信号ＦＬＴＢ１をオンとする。
ラッチ回路３１には信号ＦＬＴＡ１および信号ＮＯＦＦが入力され、異常状態信号ＨＯＧＡ１を出力する。このラッチ回路３１は、信号ＦＬＴＡ１が短時間でもオンとなれば、出力である信号ＨＯＧＡ１をオンとして、信号ＮＯＦＦがオフ（Ｌレベル）からオンになる瞬間までその状態を維持する。
ラッチ回路３２には信号ＦＬＴＢ１および信号ＲＳＴが入力され、異常状態信号ＨＯＧＢ１を出力する。このラッチ回路３２は、信号ＦＬＴＢ１が短時間でもオンとなれば、出力である信号ＨＯＧＢ１をオンとして、信号ＲＳＴがオフからオンになる瞬間までその状態を維持する。
信号ＮＯＦＦ（中立位置信号）の状態は、主幹制御器４０の力行加速レバー４１あるいはブレーキレバー４２を力行運転やブレーキ運転をやめて惰行運転とするためのＯＦＦ位置を選択した場合にオフからオンに変化する信号である。信号ＲＳＴ（リセット信号）の状態は、運転士がコンバータ部１０あるいはインバータ部６０の異常検知状態をリセットして再起動させるためにリセットスイッチ４３を操作した場合にオフからオンに変化する信号である。
このように、軽い異常が発生した場合にオンとなる異常状態信号ＨＯＧＡ１は、信号ＮＯＦＦがオンとなることでリセットされ、重い異常が発生した場合にオンとなる異常状態信号ＨＯＧＢ１は、信号ＲＳＴがオンとなることでリセットされる。すなわち、発生した異常の重大さにより、異常検出状態をリセットする手段が異なる。軽い異常が発生した場合は力行加速をオフとするかあるいはブレーキをオフとすれば異常状態信号ＨＯＧＡ１がリセットされ、重い異常が発生した場合は、特別にリセットスイッチ４３を取り扱わない限り異常状態信号ＨＯＧＢ１がリセットされない構成としている。
論理和回路３３には異常状態信号ＨＯＧＡ１および異常状態信号ＨＯＧＢ１が入力され、この論理和回路３３は、保護状態信号ＨＯＧを出力する。反転回路３４には保護状態信号ＨＯＧが入力され、この反転回路３４は、入力された保護状態信号ＨＯＧを論理反転して信号ＨＯＧＩとして出力する。論理積回路３５には信号ＨＯＧＩおよび外部からの入力信号である運転指令信号ＯＰ１が入力され、この論理積回路３５は、入力された信号の論理積をとり、その結果を信号ＧＤとして出力する。
なお、運転指令信号ＯＰ１は、外部の上位制御部（図示せず）で生成される信号であり、コンバータ回路２０のスイッチング素子のオンオフ動作を制御する信号である。従って、本実施の形態の電気車の制御装置では、運転指令信号ＯＰ１がオンで、かつ信号ＨＯＧＩがオン（コンバータ部１０が異常状態ではない）場合に信号ＧＤがオンとなり、コンバータ回路２０のスイッチング素子のオンオフ制御を行う。
次に、インバータ制御部８０の構成について説明する。図４は、本発明の実施の形態１におけるインバータ制御部８０の構成例を示す図である。図示したように、インバータ制御部８０は、異常検知部８６と、ラッチ回路８１および８２と、論理和回路（ＯＲ回路）８３と、反転回路（ＮＯＴ回路）８４および８７と、論理積回路（ＡＮＤ回路）８５と、カットアウト部８８とを備える。
インバータ制御部８０において、異常検知部８６は、インバータ部６０の電圧や電流等の異常状態を検出して異常信号ＦＬＴＡ２およびＦＬＴＢ２を生成する。
この異常検知部８６は、たとえば、回路中の電圧や電流を監視し、これらの電流や電圧が所定のしきい値を超えた場合には、過電圧あるいは過電流が発生したと判断して信号ＦＬＴＡ２をオンとする。信号ＦＬＴＡ２がオンとなるケースは、外部の電源の電圧変動等の外乱により発生しうるものであり、機器の故障が発生した可能性が低い場合である。また、異常検知部８６は、回路の損傷につながる大きな異常を検出した場合は、信号ＦＬＴＢ２をオンとする。信号ＦＬＴＢ２がオンとなるケースは、たとえば上述した過電圧や過電流を短時間に複数回検出した場合や制御用のマイコンの異常を検出した場合など、外乱による一時的な事象ではなく、機器の故障が発生した可能性が高い場合である。
つまり、異常検知部３６は、軽い異常と分類される異常を検出した場合は信号ＦＬＴＡ２をオンとし、重い異常と分類される異常を検出した場合には信号ＦＬＴＢ２をオンとする。
ラッチ回路８１には信号ＦＬＴＡ２および信号ＮＯＦＦが入力され、異常状態信号ＨＯＧＡ２を出力する。このラッチ回路８１は、信号ＦＬＴＡ２が短時間でもオンとなれば、出力である信号ＨＯＧＡ２をオンとして、信号ＮＯＦＦがオフからオンになる瞬間までその状態を維持する。
ラッチ回路８２には信号ＦＬＴＢ２および信号ＲＳＴが入力され、異常状態信号ＨＯＧＢ２を出力する。このラッチ回路８２は、信号ＦＬＴＢ２が短時間でもオンとなれば、出力である信号ＨＯＧＢ２をオンとして、信号ＲＳＴがオフからオンになる瞬間までその状態を維持する。
このように、軽い異常が発生した場合にオンとなる異常状態信号ＨＯＧＡ２は、信号ＮＯＦＦがオンとなることでリセットされ、重い異常が発生した場合にオンとなる異常状態信号ＨＯＧＢ２は、信号ＲＳＴがオンとなることでリセットされる。すなわち、発生した異常の重大さにより、異常検出状態をリセットする手段が異なる。軽い異常が発生した場合は力行加速をオフとするかあるいはブレーキをオフとすれば異常状態信号ＨＯＧＡ２がリセットされ、重い異常が発生した場合は、特別にリセットスイッチ４３を操作しない限り異常状態信号ＨＯＧＢ２がリセットされない構成としている。
論理和回路８３には異常状態信号ＨＯＧＡ２および異常状態信号ＨＯＧＢ２が入力され、この論理和回路８３は、保護状態信号ＨＯＧ２を出力する。反転回路８４には保護状態信号ＨＯＧ２が入力され、この反転回路８４は、入力された保護状態信号ＨＯＧ２を論理反転して信号ＨＯＧＩ２として出力する。論理積回路８５には、信号ＨＯＧＩ２、外部からの入力信号である運転指令信号ＯＰ２、および信号ＨＯＧＮ（詳細は後述する）が入力され、この論理積回路８５は、入力された信号の論理積をとり、その結果を信号ＧＩとして出力する。
上記の信号ＨＯＧＮは、コンバータ制御部３０から入力された保護状態信号ＨＯＧをカットアウト部８８経由で反転回路８７に入力させ、反転回路８７で論理反転させた信号である。また、カットアウト部８８は、カットアウト指令信号ＣＵＴがオン（Ｈレベル）の場合、コンバータ制御部３０からの入力信号ＨＯＧをカットし、信号ＨＯＧＣをオフ（Ｌレベル）とする。カットアウト指令信号ＣＵＴは外部（例えば運転台等）から運転士の操作（信号ＲＳＴをオンにするためのリセット操作とは異なる操作）等に従って入力される（状態がオンに変化する）信号である。
たとえばコンバータ部１０が故障して異常検知状態をリセットできず起動不能に陥った場合には、信号ＨＯＧがオンのままとなり信号ＨＯＧＮがオフとなるので、インバータ部６０が故障していない状態でもインバータ部６０の運転ができなくなる。しかしながら、インバータ制御部８０は、信号ＣＵＴをオンとすることで信号ＨＯＧをカットし、強制的に信号ＨＯＧＮをＨとしてインバータ部６０の運転を可能とするように構成されている。これにより、インバータ部６０を電力貯蔵部５０の電力でのみ駆動することができ、電力貯蔵部５０の充電量が十分あるにも係わらず電気車の運転が不可能となって立ち往生してしまうケースを回避できる。この場合（インバータ部６０を電力貯蔵部５０の電力でのみ駆動する場合）、信号ＨＯＧＣをオフのまま維持する必要があるので、カットアウト指令信号ＣＵＴをオンの状態に維持できるような機構、またはＨＯＧＣが一旦オフとなった後、オフの状態を維持できるような機構とする。たとえば、カットアウト指令信号ＣＵＴの状態を設定するための機械式スイッチを運転台に設けておく。
なお、運転指令信号ＯＰ２は、外部の上位制御部より生成される信号であり、インバータ回路７０のスイッチング素子のオンオフ動作を制御する信号である。従って、本実施の形態の電気車の制御装置では、運転指令信号ＯＰ２がオンで、かつ信号ＨＯＧＩ２がオン（インバータ部６０が異常状態ではない）で、かつ信号ＨＯＧＮがオン（コンバータ部１０が異常状態ではない、またはカットアウト指令信号ＣＵＴがオン）の場合に信号ＧＩがオンとなり、インバータ回路７０のスイッチング素子のオンオフ動作を行う。
次に、本実施の形態の電気車の制御装置の動作例について説明する。
（コンバータ部１０で軽度の異常が発生した場合の動作）
電気車が力行加速中にコンバータ部１０に外乱等により軽い異常が発生し、コンバータ部１０の運転が停止した場合を考える。この場合、図３に示したコンバータ制御部３０において、異常検知部３６は、軽い故障であることを検出して信号ＦＬＴＡ１をＨとする。したがって、ラッチ回路３１からの出力信号ＨＯＧＡ１がＨとなり、論理積回路３５への入力信号ＨＯＧＩがＬとなることから出力信号ＧＤはＬとなり、コンバータ回路２０の動作をオフとする。
同時にインバータ制御部８０への信号ＨＯＧがＨとなり、図４に示したインバータ制御部８０において、論理積回路８５への入力信号ＨＯＧＮがＬとなる。これにより、インバータ部６０で異常が発生していない場合においても、論理積回路８５からの出力信号ＧＩをＬとして、インバータ回路７０の動作をオフにする（異常時の動作）。この結果、電動機９０の発生トルクがゼロとなるので電気車の力行加速は中止され惰行運転となる。
運転士が主幹制御器４０の力行加速レバー４１をオフ（中立）位置としていないにも関わらず、電気車が加速を中止するため、運転士は異常に気づき、力行加速レバー４１を一旦オフ位置とする。これにより、信号ＮＯＦＦがＨとなり、ラッチ回路３１がリセットされ、ラッチ回路３１からの出力信号ＨＯＧＡ１がＬとなってコンバータ部１０の異常がリセットされる。その結果、信号ＨＯＧがＬとなり、コンバータ制御部３０からコンバータ回路２０への信号ＧＤとインバータ制御部８０からインバータ回路７０への信号ＧＩのオフ状態（Ｌレベル固定状態）が解除されてコンバータ部１０は再起動し、再度力行加速レバー４１を力行位置とすることでインバータ部６０の力行加速制御が再開される（通常時の動作に復帰する）。この結果、電気車は通常運転状態に復帰する。
このように、コンバータ部１０が軽い異常で停止した際に連動してインバータ部６０の動作を停止させることで、運転士にコンバータ部１０の停止（異常発生）を気づかせて、コンバータ部１０の再起動を促すことができる。これにより、運転士がコンバータ部１０の停止に気づかずに電気車の運転を継続して、電力貯蔵部５０を過放電させてしてしまうのを回避できる。
（コンバータ部１０で重度の異常が発生した場合の動作）
一方、コンバータ部１０に発生した異常が上述した重い異常である場合、コンバータ制御部３０において、異常検知部３６は、重い異常であることを検出して信号ＦＬＴＢ１をＨとする。したがって、ラッチ回路３２からの出力信号ＨＯＧＢ１がＨとなり、論理積回路３５への入力信号ＨＯＧＩがＬとなることから出力信号ＧＤはＬとなり、既に説明した軽度の異常が発生した場合と同様に、コンバータ回路２０の動作をオフとする。
同時にインバータ制御部８０への信号ＨＯＧがＨとなり、インバータ制御部８０の信号ＨＯＧＮがＬとなる。これにより、インバータ部６０で異常が発生していない場合においても、信号ＧＩをオフとして、インバータ回路７０の動作をオフにする（異常時の動作）。この結果、電動機９０の発生トルクがゼロとなるので、軽度の異常が発生した場合と同様に、電気車の力行加速は中止され惰行運転となる。
運転士が主幹制御器４０の力行加速レバー４１をオフ（中立）位置としていないにも関わらず、電気車が加速を中止するため、運転士は異常に気づき、力行加速レバー４１を一旦オフ位置とする。これにより、信号ＮＯＦＦがＨとなるが、ラッチ回路３２はリセットされず、出力信号ＨＯＧＢ１はＨのままとなるので、インバータ部６０の信号ＧＩはＬ（オフ）のままとなる。従って、運転士が力行加速レバー４１を再度加速位置としても、インバータ部６０は動作しないので、電気車は加速しない。これにより運転士は異常がリセットされていないこと、重い異常が発生したことに気づくことができる。
この場合、さらに、運転士は運転台にあるモニタ画面の表示灯類を確認して、事象の確認を行った後に、再起動を試みる場合にはリセットスイッチ４３を操作する。これにより、ラッチ回路３２への入力信号ＲＳＴがＨとなってラッチ回路３２がリセットされ、信号ＨＯＧＢ１がＬとなってコンバータ部１０の異常がリセットされる。これに伴い信号ＨＯＧがＬとなり、信号ＧＤと信号ＧＩのオフ状態が解除されてコンバータ部１０は再起動し（通常時の動作に復帰し）、再度力行加速レバー４１を力行位置とすることでインバータ部６０の力行加速制御が再開されて電気車は通常運転状態に復帰する。
なお、コンバータ部１０が故障し、リセットスイッチ４３を操作しても異常検知状態をリセットできず起動不能に陥った場合には信号ＨＯＧがオン（Ｈ）のままとなり信号ＨＯＧＮがオフ（Ｌ）となってインバータ部６０の運転ができなくなる。このような場合には、外部（例えば運転台等）から運転士の操作等によりカットアウト操作を行う。このカットアウト操作によりインバータ制御部８０への入力信号ＣＵＴがＨとなって信号ＨＯＧをカットし、強制的に信号ＨＯＧＮをＨとしてインバータ部６０の運転を再開させる（通常時の動作に復帰させる）ことを可能とする。これにより、インバータ部６０を電力貯蔵部５０の電力でのみ駆動することができ、電力貯蔵部５０の充電量が十分あるにも係わらず電気車の運転が不可能となって立ち往生してしまうケースを回避できる。
このように、コンバータ部１０が重い異常で停止した際に連動してインバータ部６０の動作を停止させることで、運転士にコンバータ部１０の停止を気づかせて、コンバータ部１０の再起動を促すことができる。また重い異常の場合には力行加速レバー４１をオフ（中立）にするだけではリセットされないため、異常事象の確認を促すことができる。またリセットスイッチ４３を操作することで、異常をリセットさせることが可能となる。このような動作が可能となるので、運転士がコンバータ部１０の停止に気づかずに電気車の運転を継続して、電力貯蔵部５０を過放電させてしまうのを回避できる。また、コンバータ部１０が故障して動作不可能となった場合には、運転士の操作によってインバータ部６０を電力貯蔵部５０の電力でのみ駆動するように構成することができ、電力貯蔵部５０の充電量が十分あるにも係わらず電気車の運転が不可能となって立ち往生してしまうケースを回避できる。
電気車が力行加速中にコンバータ部１０で異常が発生した場合の動作について示したが、電気車がブレーキ中に異常が発生した場合の動作の流れは、運転士が操作する力行加速レバー４１がブレーキレバー４２に変わるだけであり力行加速中と同等である。
なお、インバータ部６０は、電気車を駆動する電動機を制御するインバータ装置の他、電気車の空調や照明等の補機へ電力を供給するための補助電源装置であることを含むものとして考えても良い。
以上に説明したとおり、インバータ制御部８０は、前記保護状態信号である信号ＨＯＧがコンバータ部１０で異常が発生したことを示している（Ｈである）場合に、インバータ部６０の動作を停止できるように構成されたものである。
インバータ制御部８０は、信号ＨＯＧがコンバータ部１０で異常が発生したことを示している（Ｈである）場合に、上述したようにインバータ部６０をオフとする以外の方法として、電気車の加速度が低下するようにインバータ回路７０を制御する構成としてもよい。具体的には、電動機９０のトルクを通常値から減少（ゼロまで減少させることを含む）させるように制御可能な構成としてもよい。このように構成することで、コンバータ部１０で異常が発生した場合に電動機９０の発生トルクを徐々に減少させることが可能となるので、コンバータ部１０での異常発生を検出するとインバータ部６０をオフにする構成（上述した構成）を採用した場合に発生する「電動機９０のトルクが瞬時にゼロとなり車両に加速度の急変ショックが生じる事象」を回避でき、電気車の乗り心地が向上する。なお、電気車の加速度は通常時よりも低下するので、運転士は異常に気づくことができる。
また、インバータ制御部８０は、コンバータ部１０が異常状態から正常状態に復位したことを信号ＨＯＧが示した（Ｌとなった）時点もって、インバータ部６０の動作を元の運転状態に復帰させる構成とするのが好ましい。
信号ＨＯＧは、コンバータ部１０が異常状態である場合にＨレベルの信号となるように生成されることが望ましい。このように構成すれば、例えばコンバータ制御部３０とインバータ制御部８０の間の信号ＨＯＧを含む通信線が断線等で断たれた場合において、信号ＨＯＧＮはＨのままにできるので、インバータ部６０がオフすることなく電気車の運転を継続することとができる。
また、電気車の加速を操作するため力行加速レバー４１が少なくとも力行入および力行切のポジションを有する主幹制御器４０が備えられた場合であって、コンバータ部１０が異常状態となり停止している場合に、力行加速レバー４１を力行切のポジションとすることでコンバータ部１０の異常状態をリセットして再起動を可能に構成することが好ましい。このように構成することで、運転士は特別なスイッチ操作を必要とせずに力行加速レバー４１を操作することだけで、コンバータ部１０を再起動させることが可能となり、運転士の操作量を最小限とできる。
また、電気車のブレーキ力を操作するためブレーキレバー４２が少なくともブレーキ入およびブレーキ切のポジションを有する主幹制御器４０が備えられた場合であって、コンバータ部１０が異常状態となり停止している場合に、ブレーキレバー４２をブレーキ切のポジションとすることでコンバータ部１０の異常状態をリセットして再起動を可能に構成することが好ましい。このように構成することで、運転士は特別なスイッチ操作を必要とせずにブレーキレバー４２を操作することだけで、コンバータ部１０を再起動させることが可能となり、運転士の操作量を最小限とできる。
また、コンバータ制御部３０は、コンバータ部１０の主回路（コンバータ回路）が通電されて動作中の状態で、かつ異常検知部３６が異常状態を検知したときに限り、インバータ部６０への信号ＨＯＧをＨレベルとして出力する構成とすることが好ましい。コンバータ部１０の主回路が通電されていないとき、例えば非電化区間走行時などでコンバータ部１０の主回路には通電されずにコンバータ制御部３０のみに制御電源が入っている場合においては、異常検知部３６の動作をマスクしておくことが好ましい。このように構成すれば、例えば電気車が非電化区間を走行中などの理由で意図的にコンバータ部１０を停止させている場合に、外来ノイズや異常検知部３６の誤動作等によって誤ってインバータ部６０への信号ＨＯＧがＨとなってインバータ部６０がオフとなることを回避できる。このため、不要にインバータ部６０をオフする事象が発生する可能性をなくすることができるので、電気車の冗長性、信頼性を向上させることができる。
また、コンバータ部１０が外部電源との間に開閉部であるスイッチ２１を有した構成であるとき、コンバータ制御部３０は、スイッチ２１がオン状態であり、かつ異常検知部３６が異常状態を検知したときに限り、信号ＨＯＧをＨとしてインバータ制御部８０へ出力する構成とすることが好ましい。このように構成すれば、例えば電気車が非電化区間を走行中の場合等で意図してコンバータ部１０を停止させている場合（スイッチ２１がオフの場合）に、外来ノイズや異常検知部３６の誤動作等によって誤ってインバータ部６０への信号ＨＯＧがＨとなってインバータ部６０がオフとなることを回避できる。このため、不要にインバータ部６０をオフする事象が発生する可能性をなくすることができるので、電気車の冗長性、信頼性を向上させることができる。
また、コンバータ部１０に外乱等を要因として生じたと予想される軽い異常が発生した場合は、主幹制御器４０の力行加速レバー４１あるいはブレーキレバー４２を力行切あるいはブレーキ切のポジションとすることで、コンバータ部１０を再起動可能に構成し、装置の故障等により生じたと予想される重い異常が発生した場合には、リセットスイッチ４３を操作することでコンバータ部１０を再起動可能に構成することが好ましい。このように構成することで、頻繁に発生しうる外乱等を要因として生じる軽い異常が発生した場合、運転士は特別なスイッチ操作を必要とせずに力行加速レバー４１またはブレーキレバー４２を操作することだけで、コンバータ部１０を再起動させることが可能となり、運転士の操作量を最小限とできる。また装置の故障が予想される重い異常の場合には、運転士に異常事象の確認を促すことができる。また、正常状態に復帰させることが可能な事象の場合にはリセットスイッチを操作することで、異常をリセットさせることができる。
以上説明したように、本実施の形態にかかる電気車の制御装置によれば、コンバータ部１０が異常で停止した際に連動してインバータ部６０の動作を停止させるようにしたので、運転士にコンバータ部１０の停止を気づかせて、コンバータ部１０の再起動を促すことができる。このような動作が可能となるので、運転士がコンバータ部１０の停止に気づかずに電気車の運転を継続して、電力貯蔵部５０が過放電してしまうのを回避できる。また、電力貯蔵部５０の充電量が低下してしまうことで、電気車が電化区間から非電化区間に進入する時点で電力貯蔵部５０の充電量が不足してしまうトラブルを回避できる。
実施の形態２．
図５は、実施の形態２における電気車の制御装置の構成例を示す図である。この電気車の制御装置は、コンバータ部１０とインバータ部６０と電力貯蔵部５０の接続形態が図１に示した実施の形態１の構成と異なる他は、実施の形態１と同じである。
図５に示した構成では、電力貯蔵部５０が接続されたコンバータ部１０と、インバータ部６０とが集電装置２に並列関係に接続されている。
図示したとおり、インバータ部６０は、集電装置２を経由して架線１から得る電力と、コンバータ部１０を経由して電力貯蔵部５０から得る電力とを使用して電動機９０を駆動可能に構成されている。
コンバータ部１０は、電力貯蔵部５０の充電量が低下した場合は、集電装置２から得た電力で充電を行う。インバータ部６０からの回生電力で充電を行ってもよい。
このような構成のシステム（電気車の制御装置）においてコンバータ部１０に異常が生じて停止した場合、電力貯蔵部５０への充電，放電ができなくなる。しかしながら、インバータ部６０は集電装置２からの電力を受けて通常通り運転可能であるので、運転士はコンバータ部１０の異常の発生に気づかないおそれがある。この課題は実施の形態１に示したシステムと同じである。
特に電力貯蔵部５０への充電ができない状態が継続すると、例えば電気車が電化区間から非電化区間に進入する時点で電力貯蔵部５０の充電量が不足してしまう問題がある。したがって、コンバータ部１０に異常が発生して停止したことを運転士に確実に認識させる必要がある。
そのため、コンバータ制御部３０とインバータ制御部８０の構成を実施の形態１で示した構成と同一としている。これにより、コンバータ部１０に異常が発生して停止した場合にはインバータ部６０を停止させることができるので、運転士に異常の発生を認識させることができる。なお、そのほかの効果については実施の形態１に示したものと同じである。
上記の各実施の形態では、主幹制御器４０の操作やカットアウト操作を運転士が行うものとして説明したが、運転士の代わりに遠隔操作や自動運転システムが操作してもかまわない。
また、各実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。
以上のように、本発明にかかる電気車の制御装置は、架線からの電力と電力貯蔵素子からの電力を併用する電気車の制御装置において有用である。
１ 架線
２ 集電装置
３ 車輪
４ レール
１０ コンバータ部
２０ コンバータ回路（第一の電力変換部）
２１ スイッチ
２２ フィルタリアクトル
２３ フィルタコンデンサ
２４ スイッチング回路
２４Ｈ 上アームスイッチング素子
２４Ｌ 下アームスイッチング素子
２５ 平滑リアクトル
３０ コンバータ制御部（第一の制御部）
３１，３２，８１，８２ ラッチ回路
３３，８３ 論理和回路
３４，８４，８７ 反転回路
３５，８５ 論理積回路
３６，８６ 異常検知部
４０ 主幹制御器
４１ 力行加速レバー
４２ ブレーキレバー
４３ リセットスイッチ
５０ 電力貯蔵部
６０ インバータ部
７０ インバータ回路（第二の電力変換部）
８０ インバータ制御部（第二の制御部）
８８ カットアウト部
９０ 電動機

Claims (16)

  1. 外部電源より入力された電圧を所定の値の直流に変換して電力貯蔵部へ出力する第一の電力変換部と、
    前記外部電源又は前記電力貯蔵部から任意の電力の供給を受けて所定の値の交流に変換する第二の電力変換部と、
    前記第一の電力変換部の異常状態を検知する異常検知部と、
    前記異常検知部による検知結果に基づいて前記第一の電力変換部の制御を行うとともに、当該検知結果に基づいて保護状態信号を生成する第一の制御部と、
    前記保護状態信号が入力され、当該保護状態信号が前記第一の電力変換部が異常状態であることを示している場合、異常時対応の制御を前記第二の電力変換部に対して実行する第二の制御部と、
    を備えることを特徴とする電気車の制御装置。
  2. 前記第二の電力変換部は、電気車を駆動する電動機を制御するインバータ装置であることを特徴とする請求項１に記載の電気車の制御装置。
  3. 前記第二の電力変換部は、電気車の空調や照明等の補機へ電力を供給するための補助電源装置であることを特徴とする請求項１に記載の電気車の制御装置。
  4. 前記第二の制御部は、前記異常時対応の制御として、前記第二の電力変換部の動作を停止させる制御を実行することを特徴とする請求項１に記載の電気車の制御装置。
  5. 前記第二の制御部は、前記異常時対応の制御として、電気車の加速度を低下させる制御を実行することを特徴とする請求項１に記載の電気車の制御装置。
  6. 前記第二の制御部は、前記異常時対応の制御として、前記電動機の発生するトルクを減少させる制御を実行することを特徴とする請求項２に記載の電気車の制御装置。
  7. 前記第二の制御部は、前記保護状態信号が前記第一の電力変換部が正常状態に復位したことを示す場合、前記第二の電力変換部の動作を元の運転状態に復帰させることを特徴とする請求項１に記載の電気車の制御装置。
  8. 前記第一の制御部は、前記第一の電力変換部の異常状態を検出した場合に前記保護状態信号をＨレベルに変化させることを特徴とする請求項１に記載の電気車の制御装置。
  9. 電気車の加速を操作するための少なくとも力行入、力行切のポジションを選択可能な力行加速レバーを有する主幹制御器、
    をさらに備え、
    前記第一の電力変換部が異常状態となり停止している場合に、前記力行加速レバーを力行切のポジションとすることで前記第一の電力変換部を再起動させる構成としたことを特徴とする請求項１に記載の電気車の制御装置。
  10. 電気車のブレーキ力を操作するための少なくともブレーキ入、ブレーキ切のポジションを選択可能なブレーキレバーを有する主幹制御器、
    をさらに備え、
    前記第一の電力変換部が異常状態となり停止している場合に、前記ブレーキレバーをブレーキ切のポジションとすることで前記第一の電力変換部を再起動させる構成としたことを特徴とする請求項１に記載の電気車の制御装置。
  11. 前記第一の制御部は、前記第一の電力変換部が通電されて動作中の状態で、かつ前記異常検知部が異常状態を検知した場合に、前記保護状態信号が前記第一の電力変換部の異常状態を示す構成としたことを特徴とする請求項１に記載の電気車の制御装置。
  12. 前記第一の電力変換部が外部電源との間に開閉部を有し、
    前記第一の制御部は、前記開閉部がオン状態で、かつ前記異常検知部が異常状態を検知した場合に、前記保護状態信号が前記第一の電力変換部の異常状態を示す構成としたことを特徴とする請求項１に記載の電気車の制御装置。
  13. 電気車の加速を操作するための少なくとも力行入、力行切のポジションを選択可能な力行加速レバーと、電気車のブレーキ力を操作するための少なくともブレーキ入、ブレーキ切のポジションを選択可能なブレーキレバーと、のうち、少なくともいずれか一方を有する主幹制御器、
    をさらに備え、
    前記第一の電力変換部に所定の軽い異常が発生した場合、前記力行加速レバーを力行切のポジションとする、あるいは前記ブレーキレバーをブレーキ切のポジションとすることで前記第一の電力変換部を再起動させ、所定の重い異常が発生した場合には別途設けたリセットスイッチを操作することで前記第一の電力変換部を再起動させる構成としたことを特徴とする請求項１に記載の電気車の制御装置。
  14. 前記第二の制御部は、前記第一の制御部より入力される前記保護状態信号を別途入力されるカットアウト信号に基づいてカットアウトするカットアウト部を有し、前記保護状態信号によらず前記第二の電力変換部を通常動作させる制御を実施可能に構成したことを特徴とする請求項１に記載の電気車の制御装置。
  15. 外部電源に入力側が接続された前記第一の電力変換部の出力側に前記電力貯蔵部と前記第二の電力変換部とを並列に接続し、さらに、前記第二の電力変換部が前記外部電源から電力供給を受ける場合には前記第一の電力変換部経由で電力供給を受ける構成としたことを特徴とする請求項１に記載の電気車の制御装置。
  16. 外部電源に対して前記第一の電力変換部と前記第二の電力変換部とを並列に接続し、さらに、前記第一の電力変換部の出力側に前記電力貯蔵部を接続し、前記第二の電力変換部が前記電力貯蔵部から電力供給を受ける場合には前記第一の電力変換部経由で電力供給を受ける構成としたことを特徴とする請求項１に記載の電気車の制御装置。
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