JP5207908B2 - 電気車制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、電気車制御装置に関するものであり、特に、電気ブレーキ時に発生する回生電力の一部を消費するブレーキチョッパ装置の制御を行う電気車制御装置に関するものである。

電気車に搭載される電力変換装置は、力行運転の場合、パンタグラフ（pantograph）やフィルタ回路などを介して供給された直流電力を、所定出力の交流電力に変換し、電動機を制御する。一方、電気ブレーキを動作させた場合、電力変換装置は、電動機が発生した交流電力を所定の直流電力に変換する。当該直流電力は、電気車の回生負荷、例えば、電気車に搭載されるエアコンなどを駆動する補助電源装置（ＳＩＶ：Static InVerter）や、同じ電車線下における他の電気車などで消費される。ここで、回生負荷で消費できる電力を超えた電力分は余剰電力となる。この余剰電力は、電力変換装置に並列接続されてフィルタ回路を構成するフィルタキャパシタの両端電圧を上昇させ、回生負荷の故障原因となりうる。そのため、余剰電力が発生しフィルタキャパシタ電圧が所定の値に達した場合、ブレーキチョッパに直列接続されるブレーキ抵抗器に供給される直流電力の通流率を演算し、回生負荷に印加される過剰な電圧を抑制する電気車制御装置が、従来から採用されていた。

従来、例えば下記特許文献１に示される電気車制御装置は、回生動作中に発生した余剰電力を抑制できるだけでなく、力行時に電車線の電圧が急激に上昇した場合にもブレーキチョッパ装置を動作させ、電力変換装置や電動機への過電流を防ぐことができるように構成されている。

特開２００１‐２０４１０１号公報

しかしながら、上記特許文献１に示される電気車制御装置は、回生動作中において、電車線の敷設状態や電気車の走行状況に伴い、電車線とパンタグラフとの間の電気的接触が途切れた場合、あるいは変電所と変電所の切れ目でパンタグラフと電車線との電気的接続が途切れた場合（以下「離線」という）、電車線に供給されずに行き場を失った回生電力をブレーキ抵抗器で消費させることができないという問題があった。すなわち、パンタグラフ点電圧が急激に上昇した場合、余剰電力がブレーキ抵抗器で消費される前に補助電源装置の過電圧保護機能が作動し、補助電源装置の意図しない機能停止を防止することができないという課題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、補助電源装置の意図しない機能停止を防止することができる電気車制御装置を得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制御装置は、電動機から回生された交流電力を直流電力に変換する電力変換装置に接続され、回生電力を消費可能なブレーキ抵抗器を具備したブレーキチョッパ装置を制御する電気車制御装置において、前記電力変換装置に並列接続されるフィルタキャパシタと前記電力変換装置との接続端におけるフィルタキャパシタ電圧を検出する第１の電圧検出器と、前記フィルタキャパシタとパンタグラフとの間に挿入されるリアクトルと、電気車に搭載される補助電源装置との接続端におけるパンタグラフ点電圧を検出する第２の電圧検出器と、前記ブレーキ抵抗器に消費させる回生電力に対する余剰電力の比率として、前記第１の電圧検出器で取得されたフィルタキャパシタ電圧とこのフィルタキャパシタ電圧の閾値を示す第１の閾値とに基づいて決定される通流率であって、前記フィルタキャパシタ電圧と前記第１の閾値との差分値が所定の下限値を超える場合、この差分値に所定のゲインを掛け合わせた第１の通流率を生成するとともに、前記ブレーキ抵抗器に消費させる回生電力に対する余剰電力の比率として、前記第２の電圧検出器で取得されたパンタグラフ点電圧と前記第１の閾値より大きい値に設定された第２の閾値とに基づいて決定される通流率であって、前記パンタグラフ点電圧と前記第２の閾値との前記差分値が所定の下限値を超える場合、この差分値に所定のゲインを掛け合わせた第２の通流率を生成する通流率演算器と、を備え、前記通流率演算器は、前記第１の通流率および前記第２の通流率に基づいて、前記第１の通流率に前記第２の通流率を加算して通流率を求めて、この通流率で前記ブレーキチョッパ装置を制御すること、を特徴とする。

本発明にかかる電気車制御装置によれば、パンタグラフ点電圧を検出する第２の電圧検出器と、第２の電圧検出器で取得された電圧に基づいて第２の通流率を生成する第２の通流率演算器とを備え、回生動作中に電車線とパンタグラフとの間で離線が発生した場合、補助電源装置の過電圧保護機能が動作しないようにブレーキチョッパ装置を制御するようにしたので、補助電源装置の意図しない機能停止を防止することができるという効果を奏する。

以下に、本発明にかかる電気車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．
図１は、本実施の形態にかかる電気車制御装置を搭載する電気車の構成の一例を示す図である。図１に示す電気車１００は、主たる構成部として、電動機９、電力変換装電７、電気車制御装置３０、補助電源装置８、ブレーキチョッパ５、ブレーキ抵抗器６、リアクトル２、フィルタキャパシタ３、およびパンタグラフ１０を有して構成されている。なお、ブレーキチョッパ５とブレーキ抵抗器６とでブレーキチョッパ装置を構成する。

電気車制御装置３０は、フィルタキャパシタ電圧検知器４、パンタグラフ点電圧検知器１、および通流率演算部２０を有して構成されている。通流率演算部２０は、フィルタキャパシタ電圧１Ｄにより通電率を演算する通流率演算器２２、パンタグラフ点電圧４Ｄにより通電率を演算する通流率演算器２１、加算器２３、および通流率リミッタ２４を有して構成されている。

電動機９は、誘導電動機等の交流用電動機であり、電気車１００を駆動する。電車線１１は、パンタグラフ１０を介して電気車１００に電力を供給する。電力変換装置７は、電車線１１から供給された直流電力を交流電力に変換し電動機９に供給する。また、電気車１００が電気ブレーキを発生した場合、電力変換装置７は、電動機９から出力された交流電力を直流電力に変換し、電車線１１および補助電源装置８などの回生負荷に、変換させた直流電力を供給する。補助電源装置８は、電車線１１または電力変換装置７から供給された直流電力を取り込み、電気車に搭載され、快適な運行に必要な設備、例えばエアコンや電灯などを駆動する交流電力を出力する。

リアクトル２およびフィルタキャパシタ３はフィルタ回路を構成するものである。リアクトル２から電力変換装置７に向かう直流母線には、回生電力を消費可能なブレーキ抵抗器６とブレーキチョッパ５とが直列に接続されたブレーキチョッパ装置が、フィルタキャパシタ３と共に、並列に接続されている。

フィルタキャパシタ電圧検知器（以下「第１の電圧検出器」という）４は、電力変換装置７に並列接続されるフィルタキャパシタ３と電力変換装置７との接続端におけるフィルタキャパシタ電圧１Ｄを検出する。

パンタグラフ点電圧検知器（以下「第２の電圧検出器」という）１は、フィルタキャパシタ３とパンタグラフ１０との間に挿入されるリアクトル２と、補助電源装置８との接続端におけるパンタグラフ点電圧４Ｄを検出する。

通流率演算部２０は、ブレーキ抵抗器６に消費させる回生電力に対する余剰電力の比率として第１の電圧検出器４で取得されたフィルタキャパシタ電圧１Ｄに基づいて決定される第１の通流率３Ｄを生成する。さらに、通流率演算部２０は、ブレーキ抵抗器６に消費させる回生電力に対する余剰電力の比率として、第２の電圧検出器１で取得されたパンタグラフ点電圧４Ｄに基づいて決定される第２の通流率６Ｄを生成する。以下、通流率演算部２０の構成および動作を詳細に説明する。

第１の通流率演算器２２は、第１の電圧検出器４で取得されたフィルタキャパシタ電圧１Ｄに基づいて決定される第１の通流率３Ｄを生成する。第１の通流率３Ｄは、ブレーキ抵抗器６で消費される電力消費量の程度を示している。なお、第１の通流率３Ｄは、フィルタキャパシタ電圧１Ｄに応じて上昇するように構成されている。

第２の通流率演算器２１は、第２の電圧検出器１で取得されたパンタグラフ点電圧４Ｄに基づいて決定される第２の通流率６Ｄを生成する。第２の通流率６Ｄは、第１の通流率３Ｄと同様に、ブレーキ抵抗器６で消費される電力消費量の程度を示している。例えば、電気ブレーキが動作中に離線が発生し、パンタグラフ点電圧４Ｄが所定の値に達した場合、第２の通流率演算器２１は、パンタグラフ点電圧４Ｄに対応する第２の通流率６Ｄを生成する。なお、回生電力が大きく、またリアクトル２の値が大きいほど、パンタグラフ点電圧４Ｄが高くなるため、第２の通流率６Ｄは、パンタグラフ点電圧４Ｄに応じて上昇するように構成されている。

ブレーキチョッパ５は、第１の通流率３Ｄおよび第２の通流率６Ｄに基づいてブレーキ抵抗器６に流れる電流量（電流の大きさ、および電流を流す時間に比例する量、以下同じ）を調節する。例えば、回生負荷が無い場合や回生負荷で回生電力を十分消費できない場合において、ブレーキチョッパ５は、フィルタキャパシタ電圧１Ｄおよびパンタグラフ点電圧４Ｄの値に応じて生成された第１の通流率３Ｄおよび第２の通流率６Ｄに基づき、ブレーキ抵抗器６に流す電流量を調節する。

加算器２３は、第１の通流率演算器２２から出力された第１の通流率３Ｄおよび第２の通流率演算器２１から出力された第２の通流率６Ｄを加算する。通流率リミッタ２４は、加算された通流率の合計を、例えば最大１００％に制限するためのものである。その結果、電気車制御装置３０は、電気ブレーキ力を減少させることなく、かつ、補助電源装置８の過電圧保護機能が動作しないように、ブレーキチョッパ５を制御することができる。なお、通流率リミッタ２４における通流率の制限値を１００％として説明したが、この値は一例であり、任意に設定可能である。

このように、電気車制御装置３０は、第１の通流率３Ｄおよび第２の通流率６Ｄに基づいてブレーキチョッパ５を制御し、余剰電力をブレーキ抵抗器６で適切に消費するように構成されている。そのため、電気ブレーキの動作中に離線が発生した場合であっても、電気車制御装置３０は、回生負荷の故障につながる過剰電圧の上昇を抑制し、補助電源装置８の動作停止を防ぐことができる。以下、第１の通流率演算器２２および第２の通流率演算器２１の詳細について説明する。

図２は、通流率演算器の構成の一例を示す図である。第１の通流率演算器２２は、第１の減算器２２ａ、第１の制限部２２ｂ、および第１のゲイン部２２ｃを有して構成されている。第２の通流率演算器２１は、第２の減算器２１ａ、第２の制限部２１ｂ、および第２のゲイン部２１ｃを有して構成されている。

第１の通流率演算器２２において、第１の減算器２２ａは、第１の電圧検出器４で検出されたフィルタキャパシタ電圧１Ｄを取り込み、予め設定されたフィルタキャパシタ電圧１Ｄの閾値を示す第１の閾値２Ｄとフィルタキャパシタ電圧１Ｄとの差分値を出力する。

第１の制限部２２ｂは、例えば２つのダイオードの並列回路で構成され、第１の通流率３Ｄの下限値を規制し、第１の減算器２２ａから出力された差分値が前記下限値を超える場合、第１の減算器２２ａから出力された差分値を出力する。第１のゲイン部２２ｃは、差分値に所定のゲインを掛け合わせ第１の通流率３Ｄを生成する。なお、下限値には、例えば“０”を設定する。

例えば、フィルタキャパシタ電圧１Ｄが第１の閾値２Ｄ未満の場合、差分値が“０”より小さいため、第１の制限部２２ｂは“０”を出力する。一方、フィルタキャパシタ電圧１Ｄが第１の閾値２Ｄを越える場合、第１の制限部２２ｂは上述した差分値を出力する。第１のゲイン部２２ｃは、差分値に所定のゲインを掛け合わせ第１の通流率３Ｄを生成する。

第２の通流率演算器２１において、第２の減算器２１ａは、電気ブレーキが動作中にパンタグラフが電車線１１から離線した場合、第２の電圧検出器１で検出されたパンタグラフ点電圧４Ｄを取り込み、パンタグラフ点電圧４Ｄと第１の閾値２Ｄより大きい値に設定された第２の閾値５Ｄとの差分値を出力する。第２の閾値５Ｄが第１の閾値２Ｄより大きい値に設定されるのは、離線が発生した場合、パンタグラフ点電圧４Ｄがフィルタキャパシタ電圧１Ｄに比して高い値を示すためである。例えば、第１の閾値２Ｄを１７００ｖに設定し、第２の閾値５Ｄを１８００ｖに設定する。

第２の制限部２１ｂは、例えば２つのダイオードの並列回路で構成され、第２の通流率６Ｄの下限値を規制し、第２の減算器２１ａから出力された差分値が前記下限値を超える場合、第２の減算器２１ａから出力された差分値を出力する。第２のゲイン部２１ｃは、差分値に所定のゲインを掛け合わせ第２の通流率６Ｄを生成する。なお、この下限値には、例えば“０”を設定する。

例えば、パンタグラフ点電圧４Ｄが第２の閾値５Ｄ未満の場合、差分値が“０”より小さいため、第２の制限部２１ｂは“０”を出力する。一方、パンタグラフ点電圧４Ｄが第２の閾値５Ｄを越える場合、第２の制限部２１ｂは上述した差分値を出力する。第２のゲイン部２１ｃは、差分値に所定のゲインを掛け合わせ第２の通流率６Ｄを生成する。

なお、これらの設定値は、上述した値に限定されるものではなく、例えば、第１の制限部２２ｂおよび第２の制限部２１ｂに下限値として“０”が設定されているが、任意に設定可能である。

以下、具体的な数値を用いて電気車制御装置３０の動作を説明する。例えば、第１の閾値２Ｄを１７００ｖに設定し、第２の閾値５Ｄを１８００ｖに設定した場合において、第１の減算器２２ａに１７５０ｖのフィルタキャパシタ電圧１Ｄが印加されたとき、第１の減算器２２ａの出力は＋５０ｖである。第１の減算器２２ａに取り込まれたフィルタキャパシタ電圧１Ｄが第１の閾値２Ｄを越えているため、第１の制限部２２ｂは、差分値である＋５０ｖに所定のゲインを掛け合わせた第１の通流率３Ｄ、例えば３０％を出力する。

第２の減算器２１ａに１７５０ｖのパンタグラフ点電圧４Ｄが印加されたとき、第２の減算器２１ａの出力は−５０ｖである。第２の減算器２１ａに取り込まれたパンタグラフ点電圧４Ｄが第２の閾値５Ｄ未満であるため、第２の制限部２１ｂは、差分値である−５０ｖを出力せず、下限値である“０”を出力する。

離線が発生し、パンタグラフ点電圧４Ｄが、例えば１８５０ｖに上昇した場合、第２の減算器２１ａの出力は＋５０ｖである。第２の減算器２１ａに取り込まれたパンタグラフ点電圧４Ｄが第２の閾値５Ｄを超えているため、第２の制限部２１ｂは、差分値である＋５０ｖに所定のゲインを掛け合わせた第２の通流率６Ｄ、例えば５０％を出力する。

加算器２３は、第１の通流率３Ｄが３０％、第２の通流率６Ｄが５０％の場合、これらを加算し、通電率を８０％とする。通流率リミッタ２４は、加算された通流率の合計が１００％を越えていないので、８０％をブレーキチョッパ５に出力する。なお、上述した所定のゲインは、パンタグラフ点電圧４Ｄが、補助電源装置８の過電圧保護機能が動作する値より低く、かつ、負荷の動作に影響を与えない値になるように設定する。

このように、離線が発生していない場合、ブレーキチョッパ５は、第１の通流率３Ｄに基づいて動作する。また、離線が発生した場合、ブレーキチョッパ５は、第１の通流率３Ｄおよび第２の通流率６Ｄに基づいて動作する。従って、パンタグラフ点電圧４Ｄが急激に上昇した場合であっても、補助電源装置８の過電圧保護機能が動作する前にブレーキ抵抗器６で余剰電力が消費され、快適な運行に必要なエアコンなどの機能停止を防ぐことができる。

以上説明したように、本実施の形態にかかる電気車制御装置３０によれば、フィルタキャパシタ電圧１Ｄおよびパンタグラフ点電圧４Ｄによって導出された第１の通流率３Ｄおよび第２の通流率６Ｄに基づいてブレーキチョッパ５を制御し、余剰電力をブレーキ抵抗器６で消費するようにしたので、回生動作中にパンタグラフ１０が電車線１１から離線したとき、行き場を失った回生電力によりパンタグラフ点電圧４Ｄが急激に上昇しても、補助電源装置８の過電圧保護機能が動作する前に余剰電力を抑制可能である。その結果、電気車制御装置３０は、補助電源装置８を停止させることなく、快適な運行を維持することが可能である。また、補助電源装置８の再起動に伴う起動電力が抑制されるため、電気車制御装置３０は、回生負荷のエネルギー消費量を低減できる。また、補助電源装置８の再起動の頻度が低減されるため、電気車制御装置３０は、回生負荷の長期使用を実現可能である。さらに、電気ブレーキ力を減少させることなく余剰電力を防ぐことができるため、電気車制御装置３０は、図示しない制輪子の磨耗を抑制できるだけでなく、ブレーキ装置のライフサイクルを伸ばすこともできる。

以上のように、本発明にかかる電気車制御装置は、電気車の電気ブレーキ時に動作するブレーキチョッパ装置を制御する電気車制御装置に有用である。

本実施の形態にかかる電気車制御装置を搭載する電気車の構成の一例を示す図である。 通流率演算器の構成の一例を示す図である。

符号の説明

１ パンタグラフ点電圧検出器（第２の電圧検出器）
１Ｄ フィルタキャパシタ電圧
２ リアクトル
２Ｄ 第１の閾値
３ フィルタキャパシタ
３Ｄ 第１の通流率
４ フィルタキャパシタ電圧検出器（第１の電圧検出器）
４Ｄ パンタグラフ点電圧
５ ブレーキチョッパ
５Ｄ 第２の閾値
６ ブレーキ抵抗器
６Ｄ 第２の通流率
７ 電力変換装置
８ 補助電源装置
９ 電動機
１０ パンタグラフ
１１ 電車線
２０ 通流率演算器
２１ 第２の通流率演算器
２１ａ 第２の減算器
２１ｂ 第２の制限部
２１ｃ 第２のゲイン部
２２ 第１の通流率演算器
２２ａ 第１の減算器
２２ｂ 第１の制限部
２２ｃ 第１のゲイン部
２３ 加算器
２４ 通流率リミッタ
３０ 電気車制御装置
１００ 電気車

Claims (3)

1. 電動機から回生された交流電力を直流電力に変換する電力変換装置に接続され、回生電力を消費可能なブレーキ抵抗器を具備したブレーキチョッパ装置を制御する電気車制御装置において、
   前記電力変換装置に並列接続されるフィルタキャパシタと前記電力変換装置との接続端におけるフィルタキャパシタ電圧を検出する第１の電圧検出器と、
   前記フィルタキャパシタとパンタグラフとの間に挿入されるリアクトルと、
   電気車に搭載される補助電源装置との接続端におけるパンタグラフ点電圧を検出する第２の電圧検出器と、
   前記ブレーキ抵抗器に消費させる回生電力に対する余剰電力の比率として、前記第１の電圧検出器で取得されたフィルタキャパシタ電圧とこのフィルタキャパシタ電圧の閾値を示す第１の閾値とに基づいて決定される通流率であって、前記フィルタキャパシタ電圧と前記第１の閾値との差分値が所定の下限値を超える場合、この差分値に所定のゲインを掛け合わせた第１の通流率を生成するとともに、
   前記ブレーキ抵抗器に消費させる回生電力に対する余剰電力の比率として、前記第２の電圧検出器で取得されたパンタグラフ点電圧と前記第１の閾値より大きい値に設定された第２の閾値とに基づいて決定される通流率であって、前記パンタグラフ点電圧と前記第２の閾値との前記差分値が所定の下限値を超える場合、この差分値に所定のゲインを掛け合わせた第２の通流率を生成する通流率演算器と、
   を備え、
   前記通流率演算器は、前記第１の通流率および前記第２の通流率に基づいて、前記第１の通流率に前記第２の通流率を加算して通流率を求めて、この通流率で前記ブレーキチョッパ装置を制御すること、
   を特徴とする電気車制御装置。
2. 前記通流率演算器は、
   前記第１の通流率を演算する第１の通流率演算器と、
   前記第２の通流率を演算する第２の通流率演算器と、
   前記第１の通流率演算器から出力された前記第１の通流率と前記第２の通流率演算器から出力された前記第２の通流率とを加算する加算器と、
   前記加算器から出力された通流率の値を所定の値に制限するリミッタと、
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電気車制御装置。
3. 前記第１の通流率演算器は、
   前記フィルタキャパシタ電圧と前記第１の閾値との差分値を出力する第１の減算器と、
   前記第１の通流率の下限値を規制し、前記第１の減算器から出力された前記差分値が前記下限値を超える場合、前記第１の減算器から出力された前記差分値を出力し、前記差分値に所定のゲインを掛け合わせ第１の通流率を生成する第１の制限部と、
   を有し、
   前記第２の通流率演算器は、
   電気ブレーキが動作中にパンタグラフが電車線から離線した場合、前記パンタグラフ点電圧と前記第２の閾値との差分値を出力する第２の減算器と、
   前記第２の通流率の下限値を規制し、前記第２の減算器から出力された前記差分値が前記下限値を超える場合、前記第２の減算器から出力された前記差分値を出力し、前記差分値に所定のゲインを掛け合わせ第２の通流率を生成する第２の制限部と、
   を有すること、
   を特徴とする請求項２に記載の電気車制御装置。

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