JP5361475B2 - 電気車の車両内電源確保制御装置 - Google Patents

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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 (7)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
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