JP5361475B2

JP5361475B2 - 電気車の車両内電源確保制御装置

Info

Publication number: JP5361475B2
Application number: JP2009064488A
Authority: JP
Inventors: 伸一戸田; 洋介中沢; 育雄安岡
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2009-03-17
Filing date: 2009-03-17
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2029-03-17
Also published as: JP2010220399A

Description

この発明は、無電源区間を有する交流架線を電源にして運転される電気車の車両内電源確保のための制御装置に関し、特に車内照明器具などに電力供給する補助電源を備えた電気車の車両内電源確保制御装置に関する。

例えば特許文献１に開示されているように、交流架線を電源とする電気車では、交流架線からの交流電力を直流電力に変換するコンバータを備え、このコンバータからの直流電力をインバータにより交流に変換して誘導電動機である主電動機を駆動し車両を走行させる構成になっている。この構成において、コンバータは、これを構成しているスイッチング素子のゲート制御により直流出力電圧の制御が可能になっており、また、インバータはこれを構成しているスイッチング素子のゲート制御により出力交流電圧の値及び周波数を制御できるようになっている。

また、交流架線が変電所ごとに独立して給電されることから、異なる変電所間で交流架線に無電源区間が存在する。この区間は、長くても１００ｍ、その車両の１点の通過時間は２〜３秒である。車両がこの無電源区間を通過する間、交流架線からコンバータへの電力の供給が断たれ主電動機に電力が供給されず惰行運転になると共に、補助電源も停電状態になる。補助電源は、車両内照明器具、操作用などのための圧縮空気だめに圧縮空気を供給するコンプレッサ、空調機器などの補助機器に電力を供給するための車両内電源をなしており、この補助電源が停電状態になると車両に搭載された照明器具などの補助機器への電力供給が断たれる。無電源区間で補助機器への電力供給の中断を避けるために、従来は大容量コンデンサを車両に搭載し、常時コンバータから充電を受けて蓄電しておき、無電源区間の走行中はその放電電力を補助電源に供給し補助機器への給電を維持するようにしていた。

特開平８−７９９０１号公報

しかしながら、列車の編成車両数を考慮すると車両に搭載する照明器具、コンプレッサなど補助機器が膨大な数にのぼり、その消費電力もかなりのものになる。必然的に大容量コンデンサの個数も多くなってしまう実情にある。省資源が最も重要な課題となっている社会情勢の下、この大容量コンデンサを多数搭載しなければならないことはこれに逆行し、これを避ける方策が要望されていた。

この発明は、車両が交流架線の無電源区間を通過する間の補助電源への電力供給維持をコンデンサを利用することなく可能ならしめ、もって省資源を実現できる電気車の車両内電源確保制御装置を提供することを目的とする。

この発明の電気車の車両内電源確保制御装置は、交流架線からの交流電力を直流電力に変換するコンバータと、このコンバータの出力側に入力側が接続されその直流電力を交流電力に変換する電圧及び周波数制御可能なインバータと、このインバータからの交流電力を受けて車両を牽引する主電動機と、車両に搭載された補助機器に電力を供給するために前記インバータの入力側に接続された補助電源と、車両が交流架線の無電源区間を検出する無電源区間検出装置と、車両が交流架線の無電源区間を走行中前記インバータを通じて回生電力を前記補助電源の入力電力とするために前記無電源区間検出装置による無電源区間の判定に基づき前記コンバータの運転を停止すること及び前記インバータを回生運転モードに切り換えることを実行する運転モード制御装置とからなる。ここで、コンバータは直流電圧制御機能の有無は問われない。インバータは、主電動機の回生電力を入力側に伝達できる構成であれば電圧形或いは電流形の何れの構成でもよい。無電源区間検出装置による車両の無電源区間への進入及び通過終了の検出は、実際の進入及び通過終了ばかりでなく進入及び通過終了と扱い得る検出をも含む概念である。コンバータやインバータにより変換される交流電力、及び直流電力という用語は、交流電圧または電流の一方、及び直流電圧または電流の一方のみの場合も含む概念である。

この発明によれば、車両が交流架線の無電源区間を走行する間、インバータを回生モードで運転し、主電動機の回生電力をインバータの入力側から補助電源に供給するので、大容量コンデンサを使用することなく車両に搭載された照明器具やコンプレッサなどの補助機器に電力の供給を維持することできる。

この発明の第１実施例を示すもので、無電源区間の車両走行中におけるコンバータ及びインバータの制御を示すフローチャート。第１実施例における電気車走行路線の構成説明図。第１実施例における主電動機及び補助機器に交流架線電力を供給する構成を示すブロック図。第１実施例における制御指令の流れを示すブロック図。第１実施例に関し、惰行中に無電源区間に進入した場合の各部の動作を示すタイムチャート。第１実施例に関し、力行中に無電源区間に進入した場合の各部の動作を示すタイムチャート。第１実施例に関し、回生ブレーキ中に無電源区間に進入した場合の各部の動作を示すタイムチャート。第２実施例を示す図３相当図。

この発明の第１実施例について図１ないし図７を参照しながら説明する。図２に示すように、列車を編成する車両１はパンダグラフなどの集電器２を交流架線３に摺動或いは転がり接触させながら走行する。交流架線３は、その途中を相互に分断した無電源区間４が存在し、その両側で異なる変電所５及び６に接続され、交流架線電圧Ｖａに維持されている。この無電源区間４を検出する無電源区間検出装置７を構成する始端用非検出子Ｐ１及び終端用非検出子Ｐ２を軌道に沿う地上に無電源区間４の始端側及び終端側に夫々配置する。この実施例では始端より進行方向少し手前と終端より少し後方に配置している。これによって車両の特定位置例えば集電器３が無電源区間４に進入する直前から通過終了までの間の無電源区間検出信号が得られる。

列車に搭載の電源装置は、図３に示すように、主変圧器８の一次巻線に集電器２及び高速度遮断器９ａを介して交流架線３から交流電力を受け、その二次巻線電圧を接触器９ｂを介してコンバータ１０の入力側に印加する構成になっている。このコンバータ１０は、交流電力を直流電力に変換するようにスイッチング素子により構成し、その直流出力ライン１１に接続されたフィルタ用コンデンサ１２の両端にスイッチング素子のゲート制御により可変直流電圧（以下、必要に応じてＦＣ電圧という）を出力するようになっている。この直流出力ライン１１にスイッチング素子を３相ブリッジ接続してなるインバータ１３の入力側を接続しており、このインバータ１３の出力側に車両１を牽引するための三相誘導電動機である複数の主電動機１４を接続している。この構成により前記ＦＣ電圧はインバータ１３の入力側直流電圧でもあり、後述から理解されるように車両１が無電源区間４を走行している間はインバータ１３の回生モード運転によって維持される。

このインバータ１３は、コンバータ１０からの直流電力を三相交流電力に変換するもので、その交流出力である三相交流電圧は、そのスイッチング素子のゲート制御により電圧及び周波数を可変できるようになっており、これにより主電動機１４のトルク及び回転速度を制御できるようになっている。前記コンバータ１０の出力側すなわち前記インバータ１３の入力側である直流出力ライン１１に補助電源１５の入力側である直流入力端子を接続している。この補助電源１５は、コンバータ１０からＦＣ電圧を受けてこれを三相交流電圧に変換し、変圧器１６を通じて車両に搭載された照明器具やコンプレッサなどの補助機器１７に電力を供給するようになっている。詳細な図示は省略しているが、車両１には、地上に設けられた前記非検出子Ｐ１及びＰ２を検出する検出用車上子を無電源区間検出装置７の一部として備えている。また、図３に示す１９は、軌道に電気的に接触して走行する車両１の車輪である。

この実施例で車両の無電源区間４への進入とは、集電器２の進入直前または直後を含み、通過とは通過終了直前または直後を含む概念である。よって、非検出子Ｐ１とＰ２の間と無電源区間４とが制御可能に対応する関係にあればよく、幾何学的に一致することを要するものでない。また、回生トルク制御はブレーキトルク制御の一種であるが、この実施例では回生電力を補助電源１５に供給する制御では「回生トルク制御」の用語を用い、純粋にブレーキ制御を目的とする回生トルク制御では「ブレーキトルク制御」の用語を使用する。

この車両内電源確保制御装置には運転モード制御装置１８を備え、図１にフローチャーで示されたような制御を行う構成になっている。以下、これについて図１を参照しながら説明する。車両１が走行中に無電源区間４に進入したことを無電源区間検出装置７が検出すると、このときのインバータ１３の制御モードを確認し、その制御モードが力行中であればこのインバータ１３を力行モードから回生モードに切り換え、惰行中であればインバータ１３を回生モードで起動し、回生中であればそのモードを維持する（ステップＳ１〜Ｓ５）。その後、コンバータ１０の運転をそのゲートオフにより停止し（スイッチング素子がオフ状態）、必要に応じて高速度遮断器９ａも開路し、後述のような回生電力が主変圧器８を介して交流架線３側に帰還するのを阻止する（ステップＳ６〜Ｓ７）。車両が無電源区間４の走行中はインバータ１３が回生モードで制御されるので主電動機１４からの回生電力がインバータ１３の入力側である前記コンバータ１０の直流出力ライン１１にＦＣ電圧を生ずるように帰還され、その帰還電力すなわち回生電力が補助電源１５の入力電力となるので、照明器具などの補助機器１７に中断することなく電力の供給が維持される。車両の無電源区間走行中は、インバータ１３のゲートをＦＣ電圧を無電源区間以外の走行時である定常時の所定値に保持するように制御する。この制御は、インバータ１３による主電動機１４の回生トルク制御として行われる（ステップＳ８）。

車両１が無電源区間４を通過し終えたことを無電源区間検出装置７が検出すると、高速度遮断器９ａが閉路され、交流架線３から主変圧器８への給電が回復される（ステップＳ９〜Ｓ１０）。この回復後の制御は、車両の無電源区間４への進入が検出された時点（ステップＳ１、Ｓ２）でのインバータ１３の制御状態が力行モード中か、惰行モード中か、または回生モード中かに応じて次のようになされる。

力行モード中の場合は、コンバータ１０を起動し、このコンバータ１０によりＦＣ電圧を所定値に維持する制御を開始し、インバータ１３を回生モードから力行モードに切替えて力行トルクとしての主電動機トルクを制御する（ステップＳ１１〜Ｓ１４）。惰行モード中の場合は、コンバータ１０を起動し、インバータ１３を回生モードから停止に切替えて惰行運転を再開する（ステップＳ１５〜Ｓ１６）。また、回生モード中の場合は、コンバータ１０を起動し、このコンバータ１０によりＦＣ電圧を所定値に維持する制御を開始し、インバータ１３により主電動機１４のブレーキトルク制御を再開する（ステップＳ１７〜Ｓ１９）。このブレーキトルク制御による回生電力は主変圧器８及び高速度遮断器９ａを介して交流架線３に帰還される。

次に運転モード制御装置１８の上記のような動作に係わる制御指令の流れについて機能的ブロック図である図４及び図５のタイムチャートを参照しながら説明する。なお、図４に図１で述べたステップ記号を併記し、制御指令とステップとの関係を図示した。図４において、非検出子Ｐ１、Ｐ２と共に無電源区間検出装置７を構成するＲＳフリップフロップ２０は、車両が無電源区間４を通過している間、始端用非検出子Ｐ１の検出信号Ｓｇ１、終端用非検出子Ｐ２の検出信号Ｓｇ２に基づきＨレベルの無電源区間通過信号Ｓｇ３を出力し、トルク指令切換手段２１をＬ側からＨ側に切換えた状態にしている。力行・ブレーキ切換手段２２は、力行・ブレーキ指令手段２３が力行指令Ｈを出力したときＨ側に切換えられ、ブレーキ指令Ｌを出力したときＬ側に切換えられる。

これにより、無電源区間４以外の走行中、すなわちトルク指令切換手段２１がＬ側にある間は、力行・ブレーキ指令手段２２が力行状態であるＨ側にあるときは主電動機トルク制御部２４によって主電動機１４の力行トルク制御が行われ、ブレーキ指令状態であるＬ側にあるときは主電動機１４のブレーキトルク制御が行われる。この場合の力行トルク制御指令値Ｔｎは力行トルク指令発生部２５から力行ノッチ位置に応じた値で与えられ、ブレーキ制御指令値Ｂ０はブレーキトルク指令発生部２６からブレーキノッチ位置に応じた値で与えられる。ここで、前記主電動機トルク制御部２４は、前記インバータ１３のゲート制御回路を主たる構成要素としてなりたっている。

これに対して、トルク指令切換手段２１がＨ側に、すなわちＦＣ電圧維持回生トルク指令ライン２８に切換えられた無電源区間走行中は次のような制御指令になる。走行状態切換手段２７は、無電源区間４に進入する際の状態が回生ブレーキ中であれば、そのブレーキ中状態信号Ｓｇ４がＨレベルになってＨ側に切換えられ、そうではない状態すなわち力行または惰行運転中であればＬ側に切換えられる。無電源区間４の走行中、電源確保用回生トルク演算部２９は補助電源１５の出力電力最大値Ｐｍを主電動機１４の現在の回転速度ｎで除算する演算によって回生トルク指令値Ｔ０を出力し、演算部３０がこの回生トルク指令値Ｔ０に所定のブレーキトルク制限係数α（０≦α≦１）を乗じて制御用回生トルク指令値Ｔ１を出力する。

この制御用回生トルク指令値Ｔ１は、走行状態切換え手段２７がＬ側である力行または惰行を示しているときはこれを通じてＦＣ電圧維持回生トルク指令ライン２８に伝達され、主電動機１４の回生トルク制御が行われる。これにより補助電源１５に回生電力が供給されＦＣ電圧が定常時の所定値に維持される。無電源区間４に進入する際の状態が回生ブレーキ中であれば走行状態切換え手段２７がＨ側にあると共に、演算部３１がブレーキトルク指令値Ｂ０に所定のブレーキトルク制限係数αを乗じて制御用ブレーキトルク指令値Ｂ１を出力する。この新たな制御用ブレーキトルク指令値Ｂ１が走行状態切換え手段２７のＨ側を通じてＦＣ電圧維持回生トルク指令ライン２８に伝達され、主電動機１４の回生トルク制御が行われる。

前記ブレーキトルク制限係数αは、制限係数発生部３２から出力するようになっている。この制限係数発生部３２は前記演算部３０及び３１とでブレーキ力制限手段を構成する。この制限係数発生部３２のブラックボックス中に概略的に示すように、ＦＣ電圧に対する３つの参照値Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３（Ｖ１＜Ｖ２＜Ｖ３）を設定している。このうち、Ｖ１はコンバータ電圧指令値（定常時のＦＣ電圧）、Ｖ２は主電動機１４のブレーキトルク制限開始電圧、Ｖ３は主電動機１４のブレーキトルク制限最大電圧としている。ＦＣ電圧は、交流架線３から給電を受けている通常運転時はコンバータ１０のゲート制御により電圧指令値Ｖ１に維持されているが、高速度遮断器９ａ及び接触器９ｂが開路する無電源区間４への進入時から主電動機１４からの回生電力が交流架線３に回生されなくなることからＶ１から徐々に上昇する。この電圧変化状況が図５の「ＦＣ電圧」に示されている。

ＦＣ電圧がＶ１からＶ２の間ではブレーキトルク制限係数αを「１」とし、Ｖ１を超えた領域すなわちＶ２からＶ３へ上昇間では「１」から「０」に向け連続的に小さくなる傾斜特性（負の変化特性）にしている。このような特性のブレーキトルク制限係数αの特にＶ２からＶ３間の負の変化特性により、無電源区間４の走行中の回生トルクは、補助電源１５の現在の消費電力に相当する回生電力がＦＣ電圧を維持する状態でバランスする。このバランスは、ＦＣ電圧がＶ２を超えて上昇すると制限係数αが「１」から「０」方向に変化し制御用回生トルク指令値Ｔ１（または制御用ブレーキトルク指令値Ｂ１）が低下し、その結果として主電動機１４へのブレーキトルク指令が低下し回生電力が低下してＦＣ電圧の上昇を抑えるという制御が、補助電源１５の消費電力の変化に応じて行われるからである。

この実施例では、無電源区間走行中の回生トルク指令値を補助電源１５の出力電力最大値Ｐｍと主電動機１４の回転速度ｎとから演算して得る構成であるため、無電源区間では、回生電力によって車両に作用するブレーキ力が補助電源１５の出力電力最大値Ｐｍ相当を超えることのないように抑えられ、車両を無用に減速させずに済み、且つ、車両に与えるショックも緩和できる。また、ブレーキトルク制限係数αを得る上記参照電圧Ｖ１〜Ｖ３をＶ１＜Ｖ２＜Ｖ３の関係にしていることにより、無電源区間以外の走行中である定常時はαが「１」のため、ブレーキトルクは何ら制限を受けずに通常のブレーキ制御が可能である。なお、図４に切換え手段２１、２２、２７をスイッチ記号で示したのは説明の便宜のためである。

前記説明で使用した図５は、車両１が惰行中に無電源区間４に進入しこれを通過するまでの各部及び各信号の変化状況を示したものであるが、無電源区間４に力行中に進入した場合の状況を図６に、及び回生ブレーキ中に進入した場合の状況を図７に夫々示している。これら図５〜図７によれば、制御用回生トルク指令値Ｔ１及び制御用ブレーキトルク指令値Ｂ１に上記説明の通りの相違があることが視覚的に認めることできる。

次にこの発明の第２実施例について図８を参照して説明する。なお、図３と同一部分に同一符号を付すことによって、異なる部分のみ説明する。前記一台のインバータ１３に代えて複数台例えば４台のインバータ３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄを一台のコンバータ１１から直流電力を並列に受けるように設け、各インバータ３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄに主電動機２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄを一定個数例えば一台ずつ接続する構成にしている。図８では図示を省略しているが、図３に示したと同様の運転モード制御装置１８を備えている。この第２実施例では運転モード制御装置１８は、無電源区間走行中はこれら４台のインバータのいずれか１台のみを回生モードで運転し、更に異なる無電源区間を通過するごとに異なるインバータを回生モード運転するようにインバータを切換えるように構成している。

この第２実施例によれば、無電源区間の走行中は、コンバータ１１に接続された複数台のインバータ３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄ中の一台のみを回生運転するので、複数台同時運転のときに必要とされるインバータ間の同調制御などの複雑な回路が不要になる。また、異なる無電源区間に異なるインバータが割り当てられるので負担が分散され、素子寿命の協調を図ることができる。

図面中、１は車両、３は交流架線、４は無電源区間、７は無電源区間検出装置、８は主変圧器、９ａは高速度遮断器、１０はコンバータ、１３はインバータ、１４は主電動機、１５は補助電源、１７は補助機器、１８は運転モード制御装置、２４は主電動機トルク制御部、２５は力行トルク指令発生部、２６はブレーキトルク指令発生部、２９は電源確保用回生トルク演算部、３２は制限係数発生部。

Claims

交流架線からの交流電力を直流電力に変換するコンバータと、このコンバータの出力側に入力側が接続されその直流電力を交流電力に変換する電圧及び周波数制御可能なインバータと、このインバータからの交流電力を受けて車両を牽引する主電動機と、車両内照明器具などの補助機器に電力を供給するために前記インバータの直流入力端子に接続された補助電源と、車両が交流架線の無電源区間を走行中であることを検出して無電源区間通過信号を出力する無電源区間検出装置と、車両が交流架線の無電源区間を走行中前記インバータを通じて回生電力を前記補助電源の入力電力とするために前記無電源区間検出装置による無電源区間の判定に基づき前記コンバータの運転を停止すると共に前記インバータの制御モードを確認する運転モード制御装置とからなり、前記運転モード制御装置は前記無電源区間通過信号がその区間への進入を示すときの制御モードの確認結果が力行中であれば回生モードに切り換え、惰行中であれば回生モードで起動し、回生中であればそのモードを維持するように前記インバータを制御することを特徴とする電気車の車両内電源確保制御装置。
前記無電源区間の始端側及び終端側に夫々始端用非検出子及び終端用非検出子を設け、前記無電源区間検出装置は前記始端用非検出子及び終端用非検出子を検出することにより前記無電源区間通過信号を出力するようになっていることを特徴とする請求項１に記載の電気車の車両内電源確保制御装置。
一台のコンバータから直流電力受けるようにインバータが複数台備えられ、これら各インバータに少なくとも一台の主電動機が接続され、一台の補助電源が前記複数台のインバータの直流入力端子に共通に接続され、無電源区間走行中は前記運転モード制御装置が前記複数台のインバータのうち一台のインバータを回生モード運転することを特徴とする請求項１または２に記載の電気車の車両内電源確保制御装置。
前記運転モード制御装置は、異なる無電源区間を通過するごとに異なるインバータを回生モード運転するようにインバータを切換えることを特徴とする請求項３に記載の電気車の車両内電源確保制御装置。
前記運転モード制御装置は、無電源区間の走行中における回生トルクをインバータの直流入力端子に出力された電圧の変化に応じて調整するブレーキ力制限手段を備えていることを特徴とする請求項１ないし４の何れかひとつに記載の電気車の車両内電源確保制御装置。
前記ブレーキ力制限手段はブレーキノッチ位置に応じたブレーキトルク指令値を出力するブレーキトルク指令発生部と回生トルク指令値を出力する電源確保用回生トルク演算部を備え、並びに、前記運転モード制御装置は前記ブレーキトルク指令値及び回生トルク指令値にブレーキトルク制限係数を乗じて制御用回生トルク指令値及び制御用ブレーキトルク指令値に変換するための制限係数発生部を備え、前記ブレーキトルク制限係数にはインバータ入力側直流電圧（ＦＣ電圧）がコンバータ電圧指令値Ｖ１を超える領域で負の変化特性をもつように設定されていることを特徴とする請求項５に記載の電気車の車両内電源確保制御装置。
前記無電源区間への進入時に力行トルク指令発生部から出力される力行トルク指令値は、補助電源の出力電力最大値と主電動機の回転速度から求められた値であることを特徴とする請求項６に記載の電気車の車両内電源確保制御装置。