JP5425849B2 - 鉄道車両の駆動制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力蓄積手段を搭載した鉄道車両の駆動制御装置に関し、特に回生ブレーキが動作する速度域を拡大する機能（以下、高速域電気ブレーキ機能という）を実現できるようにした鉄道車両の駆動制御装置に関する。

鉄道車両の分野では、ブレーキ時に主電動機を発電機として動作させて、ブレーキ力を得ると同時に車両の運動エネルギを電気エネルギに変換して架線へ戻す回生ブレーキ制御が広く用いられている。回生ブレーキ制御により架線に戻された電力は、他の車両が力行する電力として利用できるため、消費電力を低減することができる。
しかしながら、回生ブレーキ制御には、主電動機やインバータ装置の性能により高速度域（定トルク終端速度以上）では回生性能が制限され、十分なブレーキ力が得られないという課題がある。

この課題を解決する技術が、例えば特許文献１に記載されている。この鉄道車両の駆動制御装置は、電動機と、電動機を駆動するインバータ装置と、充放電可能な電力蓄積手段と、電力蓄積手段を電源とし、電流制御手段により構成されたチョッパ装置により出力電圧を調整する電圧調整手段を備え、電力蓄積手段をインバータ装置と直列に接続し、電圧調整手段により発生した電圧を直流電源電圧（架線電圧）に加算してインバータ装置に印加している。これにより電動機に印加される電圧が増加し、電動機出力を増大できるので、電動機の電流を増加することなく高速域での回生ブレーキ力を増大することができる。

特開２００８−２７８６１５号公報

しかし、上記特許文献１には、チョッパ装置の起動のタイミングについて、考察がなされておらず、チョッパ装置が動作停止している状態、すなわち、チョッパ装置のスイッチング素子（電流制御手段）がオフしている状態で、インバータ装置が回生動作すると、回生電流が電力蓄積手段に常時通流するため、電力蓄積手段の過充電となるという問題がある。
このとき、インバータ装置の直流部電圧には電力蓄積手段の端子間電圧が常に加算されるため、電力蓄積手段の端子間電圧がインバータ装置の耐圧から直流電源電圧（架線電圧）分を差し引いた電圧値以上となる電力蓄積手段を用いる場合には、インバータ装置の耐圧を超えてしまう。したがって、電力蓄積手段の端子間電圧がインバータ装置の耐圧から直流電源電圧（架線電圧）分を差し引いた電圧値以下となる電力蓄積手段を用いなければならないという設計上の制約がある。

また、チョッパ装置のスイッチング素子がオフしている状態のままで、インバータ装置が回生動作開始／停止する時点においては、インバータ装置の直流部電圧には直流電源電圧（架線電圧）に電力蓄積手段の端子間電圧が、そのまま瞬時に加算／減算されることになり、インバータ装置の過電圧や過電流にもつながるという問題もある。
そこで、本発明の目的は、インバータ装置が力行動作または回生動作を開始する際には、これに先んじて予めチョッパ装置を動作させておくと共に、インバータ装置が力行動作または回生動作を停止する際には、これに後れてチョッパ装置を停止させることで、少なくともインバータ装置の動作期間中は、チョッパ装置を確実に動作させることにより、電圧調整手段の出力電圧（電力蓄積手段に通流する電流）をチョッパ装置により調整して、電力蓄積手段の過放電あるいは過充電、さらにはインバータ装置の過電圧や過電流を防止することである。

この課題を解決するため、本発明の鉄道車両の駆動制御装においては、直流電圧源から直流電力を得る集電装置と、前記直流電力を交流電力に変換するインバータ装置と、前記インバータ装置により駆動される少なくとも１台以上の交流電動機と、充放電が可能な電力蓄積手段と、該電力蓄積手段の正極と負極の間に挿入され、正極側または負極側に接続を切り替える電流制御手段により出力電圧を調整する電圧調整手段を備え、前記電力蓄積手段を前記インバータ装置と直列に接続することで、前記直流電圧源の電圧に前記電圧調整手段の出力電圧を加算して、前記インバータ装置に印加される電圧を上昇させることで回生ブレーキ力を高めるようにした鉄道車両の駆動制御装置において、前記インバータ装置が力行動作または回生動作を開始する際には、前記インバータ装置が力行動作あるいは回生動作を開始するのに先立って予め前記電流制御手段を作動させておくと共に、前記インバータ装置が力行動作または回生動作を停止する際には、前記インバータ装置が力行動作あるいは回生動作を停止するのに後れて前記電流制御手段を停止させることで、少なくとも前記インバータ装置が力行動作あるいは回生動作している間は、前記電流制御手段を確実に動作させることにより、前記電圧調整手段の出力電圧（前記電力蓄積手段に通流する電流）を前記電流制御手段により調整することにより、力行時における前記電力蓄積手段の過放電あるいは回生時における記電力蓄積手段の過充電を防止するようにした。

本発明によれば、チョッパ装置が動作停止している状態でのインバータ装置の力行動作または回生動作を確実に回避することができ、電力蓄積手段の過放電あるいは過充電を防止することが可能となる。また、チョッパ装置により電圧調整手段の出力電圧を常に制御することで、電力蓄積手段の端子間電圧の制約がなくなり、選定する電力蓄積手段の自由度が向上する。さらには、インバータ装置が力行動作または回生動作を開始／停止する時点における、インバータ装置の直流部電圧の急減な変動を抑制でき、インバータ装置の過電圧や過電流を防止することも可能となる。

本発明に係る鉄道車両の駆動制御装置の第１実施例の基本構成を示す図。 第１実施例の回生時、力行時の電流の流れを示す図。 第１実施例の制御シーケンスを示す図。 第１実施例の動作を示す図。 本発明に係る鉄道車両の駆動制御装置の第２実施例の基本構成を示す図（チョッパ１相の場合）。 本発明に係る鉄道車両の駆動制御装置の第２実施例の基本構成を示す図（チョッパ２相の場合）。 本発明に係る鉄道車両の駆動制御装置の第２実施例の基本構成を示す図（チョッパ３相の場合）。 第２実施例の回生電流の流れを示す図。 第２実施例の制御シーケンスを示す図。 第２実施例の動作を示す図。 本発明に係る鉄道車両の駆動制御装置の第３実施例の基本構成を示す図（チョッパ１相の場合）。 本発明に係る鉄道車両の駆動制御装置の第３実施例の基本構成を示す図（チョッパ２相の場合）。 本発明に係る鉄道車両の駆動制御装置の第３実施例の基本構成を示す図（チョッパ３相の場合）。 第３実施例の力行電流の流れを示す図。 第３実施例の制御シーケンスを示す図。 第３実施例の動作を示す図。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

［実施例１］
図１は本発明の対象となる鉄道車両の駆動制御装置の第１実施例の基本構成を示し、図３はこの実施例における力行時、回生時の制御のシーケンスを示す。
本発明の対象となる鉄道車両の駆動制御装置は、図１に示すような、架線等の直流電圧源から直流電力を得る集電装置１、集電装置１で得た直流電力の高周波数域の変動を除去するフィルタリアクトル（ＦＬ）２及びフィルタコンデンサ（ＦＣ）３で構成するＬＣ回路（フィルタ回路）、直流電力を交流電力に変換するインバータ装置４、インバータ装置４により駆動される少なくとも１台以上の交流電動機５ａ〜５ｂ、充放電が可能な電力蓄積手段７（一例として、蓄電池やキャパシタ等）、そして、電力蓄積手段７を電源とし、電力蓄積手段７の正極と負極の間に挿入され、正極側または負極側に接続を切り替えるスイッチ９等の電流制御手段により構成されたチョッパ装置８により出力電圧を調整する電圧調整手段を備えている。

図１（ａ）では、電力蓄積手段７の負極側端子をインバータ装置４の低電位側端子に、また、スイッチ９の電力蓄積手段７に接続されていない側（Ａ点）を直流電圧源の接地点６に接続し、電力蓄積手段７とチョッパ装置８をインバータ装置４の低電位側端子と直流電圧源の接地点６の間に挿入して、インバータ装置４の直流部電圧を架線電圧と電圧調整手段の出力電圧の和として印加電圧を高めている。
また、図１（ｂ）では、電力蓄積手段７の正極側端子をインバータ装置４の高電位側端子に、また、スイッチ９の電力蓄積手段７に接続されていない側（Ａ点）をフィルタリアクトル（ＦＬ）２に接続し、電力蓄積手段７とチョッパ装置８を集電装置１とインバータ装置４の高電位側端子の間に挿入することで、インバータ装置４の直流部電圧を架線電圧と電圧調整手段の出力電圧の和として印加電圧を高めている。
図１（ａ）、（ｂ）により、インバータ装置４に印加される電圧を高めることで、回生ブレーキ力を増大することができる。
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、鉄道車両の型式等に応じて適宜選定され、限定されるものではない。
なお、以下、スイッチ９のオン／オフの定義を、スイッチ９により電流が電力蓄積手段７に通流する状態をオフ状態（図１の実線位置）、一方、スイッチ９により電流が電力蓄積手段７に通流しない状態をオン状態（図１の点線状態）と定義する。

図２（ａ）、（ｂ）には、図１（ａ）、（ｂ）にそれぞれ対応して、点線矢印で力行電流、実線矢印で回生電流の通流方向を示している。
前述のように図１の回路構成の場合、スイッチ９がオフ状態のままでインバータ装置が力行動作または回生動作すると、図２に示すように、点線矢印の力行電流または実線矢印の回生電流が電力蓄積手段７に常時通流するため、力行運転時には電力蓄積手段７の過放電、回生運転時には電力蓄積手段７の過充電が発生するという問題が生じる。

このとき、インバータ装置４の直流部電圧には、電力蓄積手段７の端子間電圧が常に加算されることになるため、電力蓄積手段７の端子間電圧がインバータ装置４の耐圧から直流電源電圧（架線電圧）分を差し引いた電圧値以上となる電力蓄積手段７を用いる場合にはインバータ装置４の耐圧を超えてしまう。したがって、電力蓄積手段７の端子間電圧がインバータ装置４の耐圧から直流電源電圧（架線電圧）分を差し引いた電圧値以下となる電力蓄積手段７を用いなければならないという設計上の制約が生じる。
また、スイッチ９がオフ状態のままで、インバータ装置４が回生動作開始／停止する時点においては、インバータ装置４の直流部電圧には直流電源電圧（架線電圧）に電力蓄積手段の端子間電圧が、そのまま瞬時に加算／減算されることになり、インバータ装置４の過電圧や過電流にもつながるという問題もある。

そこで、図１のような鉄道車両の駆動制御装置においては、力行時または回生時のインバータ装置４とチョッパ装置８の動作／停止シーケンスを図３に示すようなシーケンスとし、インバータ装置４が力行動作または回生動作している間は常にチョッパ装置８（スイッチ９）を動作させて、電圧調整手段の出力電圧（電力蓄積手段７に通流する電流）をチョッパ装置８により調整する。

図３（ａ）、（ｂ）はそれぞれ力行時の制御シーケンス、回生時の制御シーケンスを示し、上から順にインバータ直流部電圧、鉄道車両の速度、インバータの動作期間、チョッパの動作期間、チョッパ通流率を示している。ここで、チョッパ通流率とは、チョッパ装置８のスイッチ９のスイッチング周期に対するスイッチ９のオフ時間の割合である。また、図中のｔ１はインバータの動作開始とチョッパの動作開始の時間差、また、図中のｔ２はインバータの動作停止とチョッパの動作停止の時間差を示している。
図３（ａ）に示す力行時、図３（ｂ）に示す回生時においては、それぞれ、インバータ装置４の動作開始タイミングに対し、ｔ１の時間だけ先んじて、チョッパ装置８を動作させておき、インバータ装置４の動作停止時には、インバータ装置４の動作を停止させた後、ｔ２の時間経過後にチョッパ装置８を停止させることで、少なくともインバータ装置４の動作期間中は、チョッパ装置８を確実に動作させる。

具体的には、力行時または回生時において、インバータ装置４が力行動作または回生動作を開始する際は、インバータ装置４の動作開始タイミングに対し、時間ｔ１だけ先んじて、予めチョッパ装置８の動作を開始させ、力行電流、回生電流が電力蓄積手段７に通流しないような電流経路を形成するようにスイッチ９をオン（通流率０％）させるようにチョッパ装置８のスイッチ９を制御した上で、インバータ装置４の力行動作または回生動作を開始させる。これにより、図１（ａ）の回路構成に対応する図４（ａ）、図１（ｂ）の回路構成に対応する図４（ｂ）に示すように、インバータ装置４が動作を開始する際には、力行電流または回生電流が確実に電力蓄積手段７をまったく通流しない経路で流れる。その後、スイッチ９のオフ時間（通流率）を徐々に増やすようにチョッパ装置８のスイッチ９を制御し、力行電流または回生電流が電力蓄積手段７に通流する割合を徐々に増やし、電圧調整手段の出力電圧を緩やかに増加させるようにする。

一方、この実施例では、力行運転あるいは回生運転が終了し、インバータ装置４が力行動作または回生動作を停止する際は、インバータ装置４が停止する直前からスイッチ９のオン時間（通流率）を徐々に増やすようにチョッパ装置８のスイッチ９を制御することにより、力行電流または回生電流が電力蓄積手段７に通流する割合を徐々に減らし、電圧調整手段の出力電圧を緩やかに減少させた後、最終的には、力行電流または回生電流が電力蓄積手段７に通流しないような電流経路を形成するようにスイッチ９を常時オンにして通流率を０％に維持する。これにより、図１（ａ）の回路構成に対応する図４（ａ）、図１（ｂ）の回路構成に対応する図４（ｂ）に示すように、インバータ装置４が動作を停止する際には、力行電流または回生電流が確実に電力蓄積手段７をまったく通流しない経路で流れる。この状態でインバータ装置４の力行動作または回生動作を停止させた後、チョッパ装置８は、時間ｔ２経過後に、その動作を停止させる。

ここで、鉄道車両においては、運転台において、ノッチ操作により力行開始または回生開始の指令を出してから実際にインバータ装置４が力行動作または回生動作を開始するまでに、一般的には１０〜１００ｍｓ程度かかるため、ノッチ操作に同期してチョッパ装置８の動作を開始させれば、ｔ１として１０〜１００ｍｓを確保することができる。すなわち、ｔ１は力行開始または回生開始の指令を出してから実際にインバータ装置が力行動作または回生動作を開始するまでの時間以内であればよく、この間にチョッパ装置８の動作を開始しておけばよい。
一方、力行運転あるいは回生運転が終了し、インバータ装置４の動作を停止させる際には、力行電流、回生電流ともゼロに近い状態になっているので、チョッパ装置８を同期させて停止してもよいが、この実施例のように、ｔ２として数ｍｓ程度の余裕を持たせ、インバータ装置４の動作期間におけるチョッパ装置８の動作を確保することが好ましい。
以上、本実施例によれば、チョッパ装置８が動作停止している状態（スイッチ９がオフ状態）でのインバータ装置４の力行動作または回生動作を確実に回避することができ、電力蓄積手段７の過放電や過充電を防止することが可能となる。また、チョッパ装置８により電圧調整手段の出力電圧を常に制御することで、電力蓄積手段７の端子間電圧の制約がなくなり、選定する電力蓄積手段の自由度が向上する。さらには、インバータ装置４が回生動作開始／停止する時点における、インバータ装置４の直流部電圧の急減な変動を抑制でき、インバータ装置４の過電圧や過電流を防止することも可能となる。

［実施例２］
図５は本発明の対象となる鉄道車両の駆動制御装置の第２実施例の基本構成を示し、図９はこの実施例における回生時の制御シーケンスを示す。
この第２実施例と図１に示される第１実施例の基本構成との相違は、チョッパ装置８が、スイッチ９ではなく、半導体素子による電流遮断手段であるスイッチング素子１０ａ、１０ｂ、これらのスイッチング素子１０ａ、１０ｂの入出力端子にその導通方向とは反対向きに並列接続したダイオード素子１１ａ、１１ｂ、及び、平滑リアクトル（ＭＳＬ）１２で構成されていることである。そして、電力蓄積手段７とチョッパ装置８をインバータ装置４の低電位側端子と直流電圧源の接地点６の間に挿入している。

より詳細に説明すると、この第２実施例では、図５に示すように、架線等の直流電圧源から直流電力を得る集電装置１と、集電装置１で得た直流電力の高周波数域の変動を除去するフィルタリアクトル（ＦＬ）２及びフィルタコンデンサ（ＦＣ）３で構成するＬＣ回路（フィルタ回路）と、直流電力を交流電力に変換するインバータ装置４と、インバータ装置４により駆動される少なくとも１台以上の交流電動機５ａ〜５ｂと、充放電が可能な電力蓄積手段７（一例として、蓄電池やキャパシタ等）と、そして、電力蓄積手段７を電源とし、電力蓄積手段７の正極と負極の間に直列接続されたスイッチング素子１０ａ、スイッチング素子１０ｂと、これらのスイッチング素子１０ａ、１０ｂの入出力端子にスイッチング素子１０ａ、１０ｂの導通方向とは反対向きに並列接続したダイオード素子１１ａ、１１ｂ及び、スイッチング素子１０ａとスイッチング素子１０ｂの接続位置（以下、Ｂ点）に接続される平滑リアクトル（ＭＳＬ）１２で構成されるチョッパ装置８により出力電圧を調整する電圧調整手段を備えている。

そして、電力蓄積手段７の負極側端子をインバータ装置４の低電位側端子に、また、平滑リアクトル（ＭＳＬ）１２のＢ点ではない方の端子（Ｃ点）を直流電圧源の接地点６に接続し、電力蓄積手段７とチョッパ装置８をインバータ装置４の低電位側端子と直流電圧源の接地点６の間に挿入している。この構成により、インバータ装置４の直流部電圧を架線電圧と電圧調整手段の出力電圧の和として回生ブレーキ力を増大する機能を実現することができる。

なお、図５では、スイッチング素子は電力蓄積手段７の正極側に接続したものをスイッチング素子１０ａ、電力蓄積手段７の負極側に接続したものをスイッチング素子１０ｂとしている。
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、鉄道車両の型式等に応じて適宜選定され、限定さるものではない。
また、図５では、チョッパ装置８の上アームとしてスイッチング素子１０ａとダイオード素子１１ａ、下アームとしてスイッチング素子１０ｂとダイオード素子１１ｂで構成しているが、上アームはダイオード素子、下アームはスイッチング素子だけの構成であってもよい。

また、図５では、チョッパ装置８は上アームとしてスイッチング素子１０ａとダイオード素子１１ａ、下アームとしてスイッチング素子１０ｂとダイオード素子１１ｂで構成される１相チョッパとなっているが、バッテリ電流のリップル低減という関点からチョッパ装置８は２相（図６）或いは３相チョッパ（図７）としてもよい。
さらに、図５では、フィルタリアクトル（ＦＬ）２と平滑リアクトル（ＭＳＬ）１２の２つのリアクトルを用いているが、フィルタリアクトル（ＦＬ）２と平滑リアクトル（ＭＳＬ）１２は直流電圧源を介して直列に接続された構成であるため、平滑リアクトル（ＭＳＬ）１２を取り除いた構成としてもよい。

しかし、図５の回路構成の場合、チョッパ装置８が動作停止している状態、すなわち、スイッチング素子１０ａ、１０ｂがともにオフを保持している状態で、インバータ装置４が回生動作すると、図８の実線に示すように、回生電流がダイオード素子１１ａを介して電力蓄積手段７に常時通流するため、電力蓄積手段７の過充電が発生するという問題が生じる。
このとき、インバータ装置４の直流部電圧には、電力蓄積手段７の端子間電圧が常に加算されることになるため、電力蓄積手段７の端子間電圧がインバータ装置４の耐圧から直流電源電圧（架線電圧）分を差し引いた電圧値以上となる電力蓄積手段７を用いる場合にはインバータ装置４の耐圧を超えてしまう。したがって、前述のように、電力蓄積手段７の端子間電圧がインバータ装置４の耐圧から直流電源電圧（架線電圧）分を差し引いた電圧値以下となる電力蓄積手段７を用いなければならないという設計上の制約が生じる。
また、チョッパ装置８が動作停止状態のままで、インバータ装置４が回生動作開始／停止する時点においては、インバータ装置４の直流部電圧には直流電源電圧（架線電圧）に電力蓄積手段の端子間電圧が、そのまま瞬時に加算／減算されることになり、インバータ装置４の過電圧や過電流にもつながるという問題もある。

そこで、図５のような鉄道車両の駆動制御装置においては、回生時のインバータ装置４とチョッパ装置８の動作／停止シーケンスを図９に示すようなシーケンスとし、インバータ装置４が回生動作している間は常にチョッパ装置８のスイッチング素子１０ａ、１０ｂを動作させて、電圧調整手段の出力電圧（電力蓄積手段７に通流する電流）をチョッパ装置８により調整する。
図９は回生時のシーケンスを示し、上から順にインバータ直流部電圧、鉄道車両の速度、インバータの動作期間、チョッパの動作期間、チョッパ通流率を示している。ここで、チョッパ通流率とは、チョッパ装置８のスイッチング素子１０ａ、１０ｂのスイッチング周期に対するスイッチング素子１０ｂのオフ時間の割合である。また、図中のｔ１はインバータの動作開始とチョッパの動作開始の時間差、また、図中のｔ２はインバータの動作停止とチョッパの動作停止の時間差を示している。
図９に示すように、インバータ装置４の動作開始タイミングに対し、ｔ１の時間だけ先んじて、チョッパ装置８を動作させておき、インバータ装置４の動作停止時には、インバータ装置４の動作を停止させた後、ｔ２の時間経過後にチョッパ装置８を停止させることで、少なくともインバータ装置４の動作期間中は、チョッパ装置８を確実に動作させる。

具体的には、回生時において、インバータ装置４が回生動作を開始する際は、インバータ装置４の動作開始タイミングに対し、時間ｔ１だけ先んじて、予めチョッパ装置８の動作を開始させ、回生電流が電力蓄積手段７に通流しないような電流経路を形成するように、スイッチング素子１０ｂを常時オンにして全導通（通流率０％）させるようにチョッパ装置８のスイッチング素子１０ａ、１０ｂを制御した上で、インバータ装置４の回生動作を開始させる。これにより、インバータ装置４が動作を開始する際には、図１０の実線に示すように、回生電流が確実に電力蓄積手段７をまったく通流しない経路で流れる。その後、スイッチング素子１０ｂのオフ時間（通流率）を徐々に増やすようにチョッパ装置８のスイッチング素子１０ａ、１０ｂを制御し、回生電流が電力蓄積手段７に通流する割合を徐々に増やし、電圧調整手段の出力電圧を緩やかに増加させるようにする。

一方、この実施例では、回生運転が終了し、インバータ装置４が回生動作を停止する際には、インバータ装置４が停止する直前から、スイッチング素子１０ｂのオン時間（通流率）を徐々に増やすようにチョッパ装置８のスイッチング素子１０ａ、１０ｂを制御し、回生電流が電力蓄積手段７に通流する割合を徐々に減らし、電圧調整手段の出力電圧を緩やかに減少させた後、最終的には回生電流が電力蓄積手段７に通流しないような電流経路を形成するようにスイッチング素子１０ｂを常時オンにして全導通（通流率０％）させる。これにより、インバータ装置４が動作を停止する際には、図１０の実線に示すように、回生電流が確実に電力蓄積手段７をまったく通流しない経路で流れる。この状態でインバータ装置４の回生動作を停止させ後、チョッパ装置８は、時間ｔ２経過後に、その動作を停止させる。

ここで、鉄道車両においては、運転台において、ノッチ操作により回生開始の指令を出してから実際にインバータ装置４が回生動作を開始するまでに、一般的には１０〜１００ｍｓ程度かかるため、ノッチ操作に同期してチョッパ装置８の動作を開始させれば、ｔ１としては１０〜１００ｍｓを確保することができる。すなわち、ｔ１は回生開始の指令を出してから実際にインバータ装置が回生動作を開始するまでの時間以内であればよく、この間にチョッパ装置８の動作を開始しておけばよい。
一方、回生運転が終了し、インバータ装置４が回生動作を停止する際は、回生電流がほぼゼロに近い状態になっているので、チョッパ装置８をこれに同期させて停止してもよいが、この実施例のように、ｔ２として数ｍｓ程度の余裕を持たせ、インバータ装置４の動作期間におけるチョッパ装置８の動作を確保することが好ましい。

この第２実施例により、チョッパ装置８のスイッチング素子１０ａ、１０ｂが動作停止している状態、すなわち、スイッチング素子１０ａ、１０ｂが共にオフを保持している状態でのインバータ装置４の回生動作を確実に回避することができ、電力蓄積手段７の過充電を防止することが可能となる。
また、チョッパ装置８により電圧調整手段の出力電圧を常に制御することで、電力蓄積手段７の端子間電圧の制約がなくなり、選定する電力蓄積手段の自由度が向上する。さらには、インバータ装置４が回生動作開始／停止する時点における、インバータ装置４の直流部電圧の急減な変動を抑制でき、インバータ装置４の過電圧や過電流を防止することも可能となる。

［実施例３］
図１１は本発明の対象となる鉄道車両の駆動制御装置の第３実施例の基本構成を示し、図１５はこの実施例における力行時のシーケンスを示す。
図５に示す第２実施例の基本構成と異なる点は、電力蓄積手段７とチョッパ装置８をインバータ装置４の低電位側端子と直流電圧源の接地点６の間に挿入するのではなく、直流電圧源から直流電力を得る集電装置１とインバータ装置４の高電位側端子の間に挿入している点である。

より詳細に説明すると、この第３施例では、図１１に示すように、架線等の直流電圧源から直流電力を得る集電装置１と、集電装置１で得た直流電力の高周波数域の変動を除去するフィルタコンデンサ（ＦＣ）３と、直流電力を交流電力に変換するインバータ装置４と、インバータ装置４により駆動される少なくとも１台以上の交流電動機５ａ〜５ｂと、充放電が可能な電力蓄積手段７（一例として、蓄電池やキャパシタ等）と、そして、電力蓄積手段７を電源とし、電力蓄積手段７の負極と正極の間に直列接続されたスイッチング素子１０ａ（半導体素子による電流遮断手段）、スイッチング素子１０ｂ（半導体素子による電流遮断手段）と、これらのスイッチング素子１０ａ、１０ｂの入出力端子にスイッチング素子１０ａ、１０ｂの導通方向とは反対向きに並列接続したダイオード素子１１ａ、１１ｂ及び、スイッチング素子１０ａとスイッチング素子１０ｂの接続位置（以下、Ｄ点）に接続されるフィルタリアクトル（ＦＬ）２で構成されるチョッパ装置８により出力電圧を調整する電圧調整手段を備えている。

そして、電力蓄積手段７の正極側端子をインバータ装置４の高電位側端子に、また、フィルタリアクトル（ＦＬ）２のＤ点ではない方の端子（Ｅ点）を集電装置１に接続し、電力蓄積手段７とチョッパ装置８を集電装置１とインバータ装置４の高電位側端子の間に挿入している。この構成により、インバータ装置４の直流部電圧を架線電圧と電圧調整手段の出力電圧の和として回生ブレーキ力を増大する機能を実現することができる。
なお、図１１では、スイッチング素子は電力蓄積手段７の負極側に接続したものをスイッチング素子１０ａ、電力蓄積手段７の正極側に接続したものをスイッチング素子１０ｂとしている。
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、鉄道車両の型式等に応じて適宜選定され、限定しない。
また、図１１では、チョッパ装置８は上アームとしてスイッチング素子１０ａとダイオード素子１１ａ、下アームとしてスイッチング素子１０ｂとダイオード素子１１ｂで構成される１相チョッパとなっているが、バッテリ電流のリップル低減という観点からチョッパ装置８は２相（図１２）或いは３相チョッパ（図１３）としてもよい。

しかし、図１１の回路構成の場合、チョッパ装置８が動作停止している状態、すなわち、スイッチング素子１０ａ、１０ｂがともにオフを保持している状態で、インバータ装置４が力行動作すると、図１４の実線に示すように、力行電流がダイオード素子１１ａを介して電力蓄積手段７に常時通流するため、電力蓄積手段７の過放電が発生するという問題が生じる。
このとき、インバータ装置４の直流部電圧には、電力蓄積手段７の端子間電圧が常に加算されるため、電力蓄積手段７の端子間電圧がインバータ装置４の耐圧から直流電源電圧（架線電圧）分を差し引いた電圧値以上となる電力蓄積手段７を用いる場合にはインバータ装置４の耐圧を超えてしまう。したがって、前述のように、電力蓄積手段７の端子間電圧がインバータ装置４の耐圧から直流電源電圧（架線電圧）分を差し引いた電圧値以下となる電力蓄積手段７を用いなければならないという設計上の制約が生じる。
また、チョッパ装置８が動作停止状態のままで、インバータ装置４が力行動作開始／停止する時点においては、インバータ装置４の直流部電圧には直流電源電圧（架線電圧）に電力蓄積手段の端子間電圧が瞬時に加算／減算されることになりインバータ装置４の過電圧や過電流にもつながるという問題もある。

そこで、図１１のような鉄道車両の駆動制御装置においては、力行時のインバータ装置４とチョッパ装置８の動作／停止シーケンスを図１５に示すようなシーケンスとし、インバータ装置４が力行動作している間は常にチョッパ装置８のスイッチング素子１０ａ、１０ｂを動作させて、電圧調整手段の出力電圧（電力蓄積手段７に通流する電流）をチョッパ装置８により調整する。
図１５は、力行時のシーケンスを示し、上から順にインバータ直流部電圧、鉄道車両の速度、インバータの動作期間、チョッパの動作期間、チョッパ通流率を示している。ここで、チョッパ通流率とは、チョッパ装置８のスイッチング素子１０ａ、１０ｂのスイッチング周期に対するスイッチング素子１０ａのオン時間の割合である。また、図中のｔ１はインバータの動作開始とチョッパの動作開始の時間差、また、図中のｔ２はインバータの動作停止とチョッパの動作停止の時間差を示している。
図１５に示すように、インバータ装置４の動作開始タイミングに対し、ｔ１の時間だけ先んじて、チョッパ装置８を動作させておき、インバータ装置４の動作停止時には、インバータ装置４の動作を停止させた後、ｔ２の時間経過後にチョッパ装置８を停止させることで、少なくともインバータ装置４の動作期間中は、チョッパ装置８を確実に動作させる。

具体的には、力行時において、インバータ装置４が力行動作を開始する際は、インバータ装置４の動作開始タイミングに対し、時間ｔ１だけ先んじて、予めチョッパ装置８を動作させ、力行電流が電力蓄積手段７に通流しないような電流経路を形成するようにスイッチング素子１０ｂを常時オンにして全導通（通流率０％）させるようにチョッパ装置８のスイッチング素子１０ａ、１０ｂを制御した上で、インバータ装置４の力行動作を開始させる。これにより、図１６の実線に示すように、力行電流が確実に電力蓄積手段７をまったく通流しない経路で流れる。その後、スイッチング素子１０ｂのオフ時間（通流率）を徐々に増やすようにチョッパ装置８のスイッチング素子１０ａ、１０ｂを制御し、力行電流が電力蓄積手段７に通流する割合を徐々に増やし、電圧調整手段の出力電圧を緩やかに増加させるようにする。

一方、この実施例では、力行運転が終了し、インバータ装置４が力行動作を停止する際には、インバータ装置４が停止する直前から、スイッチング素子１０ｂのオン時間（通流率）を徐々に増やすようにチョッパ装置８のスイッチング素子１０ａ、１０ｂを制御し、力行電流が電力蓄積手段７に通流する割合を徐々に減らし、電圧調整手段の出力電圧を緩やかに減少させた後、最終的には力行電流が電力蓄積手段７に通流しないような電流経路を形成するようにスイッチング素子１０ｂを常時オンにして全導通（通流率０％）させる。
これにより、インバータ装置４が動作を停止する際には、図１６の実線に示すように、力行電流が確実に電力蓄積手段７をまったく通流しない経路で流れる。この状態でインバータ装置４の力行動作を停止させた後、チョッパ装置８は、時間ｔ２経過後に、その動作を停止させる。

ここで、鉄道車両においては、運転台において、ノッチ操作により力行開始の指令を出してから実際にインバータ装置が力行動作を開始するまでに、一般的には１０〜１００ｍｓ程度かかるため、ノッチ操作に同期してチョッパ装置８の動作を開始させれば、ｔ１としては１０〜１００ｍｓを確保することができる。すなわち、ｔ１は力行開始の指令を出してから実際にインバータ装置が力行動作を開始するまでの時間以内であればよく、この間にチョッパ装置８の動作を開始しておけばよい。
一方、力行運転が終了し、インバータ装置４が力行動作を停止する際は、力行電流がゼロに近い状態になっているので、チョッパ装置８をこれに同期させて停止してもよいが、この実施例のように、ｔ２として数ｍｓ程度の余裕を持たせ、インバータ装置４の動作期間におけるチョッパ装置８の動作を確保することが好ましい。

この第３実施例により、チョッパ装置８のスイッチング素子１０ａ、１０ｂが動作停止している状態、すなわち、スイッチング素子１０ａ、１０ｂが共にオフを保持している状態でのインバータ装置４の力行動作を確実に回避することができ、電力蓄積手段７の過放電を防止することが可能となる。
また、チョッパ装置８により電圧調整手段の出力電圧を常に制御することで、電力蓄積手段７の端子間電圧の制約がなくなり、選定する電力蓄積手段の自由度が向上する。さらには、インバータ装置４が回生動作開始／停止する時点における、インバータ装置４の直流部電圧の急減な変動を抑制でき、インバータ装置４の過電圧や過電流を防止することも可能となる。

以上説明したように本発明によればインバータ装置が力行動作または回生動作を開始する際には、これに先んじて予めチョッパ装置を動作させておくと共に、インバータ装置が力行動作または回生動作を停止する際には、これに後れてチョッパ装置を停止させることで、少なくともインバータ装置の動作期間中は、チョッパ装置を確実に動作させて、電圧調整手段の出力電圧（電力蓄積手段に通流する電流）をチョッパ装置により調整することにより、力行時の過放電あるいは回生時の過充電を防止でき、力蓄積手段の自由度を高め、鉄道車両の回生効率を最大限高める鉄道車両の駆動制御装置として広く採用されることが期待できる。

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、５ａ〜５ｂ…主電動機、６…接地点、７…電力蓄積手段、８…チョッパ装置、９…スイッチ、１０ａ〜１０ｂ…スイッチング素子、１１ａ〜１１ｂ…ダイオード素子、１２…平滑リアクトル

Claims (5)

1. 直流電圧源から直流電力を得る集電装置と、前記直流電力を交流電力に変換するインバータ装置と、前記インバータ装置により駆動される少なくとも１台以上の交流電動機と、充放電が可能な電力蓄積手段と、該電力蓄積手段の正極と負極の間に挿入され、正極側または負極側に接続を切り替える電流制御手段により出力電圧を調整する電圧調整手段を備え、前記直流電圧源の電圧に前記電圧調整手段の出力電圧を加算して、前記インバータ装置に印加される電圧を上昇させることで、回生ブレーキ力を高めるようにした鉄道車両の駆動制御装置において、
   前記インバータ装置が力行動作または回生動作を開始する際には、前記インバータ装置が力行動作あるいは回生動作を開始するのに先立って予め前記電流制御手段を作動させておくと共に、前記インバータ装置が力行動作または回生動作を停止する際には、前記インバータ装置が力行動作あるいは回生動作を停止するのに後れて前記電流制御手段を停止させることで、少なくとも前記インバータ装置が力行動作あるいは回生動作を継続している間は、前記電圧調整手段の出力電圧を調整することを特徴とする鉄道車両の駆動制御装置。
2. 請求項１に記載の鉄道車両の駆動制御装置において、
   前記インバータ装置が力行動作あるいは回生動作を開始する際には、前記交流電動機に流れる力行電流、あるいは前記交流電動機から流れる回生電流が、前記電力蓄積手段に通流しないような電流経路を形成するように、予め前記電流制御手段を動作させた上で、前記インバータ装置の力行動作あるいは回生動作を開始させることを特徴とする鉄道車両の駆動制御装置。
3. 請求項２に記載の鉄道車両の駆動制御装置において、
   前記インバータ装置が力行動作あるいは回生動作を開始する際には、予め力行電流あるいは回生電流が前記電力蓄積手段に通流しないような電流経路を形成する状態から、前記インバータ装置の力行動作あるいは回生動作の開始後から、力行電流あるいは回生電流が前記電力蓄積手段に通流する割合を徐々に増大させるように前記電流制御手段を制御し、前記電圧調整手段の出力電圧を緩やかに増加させることを特徴とする鉄道車両の駆動制御装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の鉄道車両の駆動制御装置において、
   前記インバータ装置が力行動作あるいは回生動作を停止する際には、力行電流あるいは回生電流が、前記電力蓄積手段に通流しないような電流経路を形成するように、予め前記電流制御手段を動作させた上で、前記インバータ装置の力行動作あるいは回生動作を停止させることを特徴とする鉄道車両の駆動制御装置。
5. 請求項４に記載の鉄道車両の駆動制御装置において、
   前記インバータ装置が力行動作あるいは回生動作を停止する際には、力行電流あるいは回生電流が前記電力蓄積手段に通流する割合を徐々に減らすように前記電流制御手段を制御し、前記電圧調整手段の出力電圧を緩やかに減少させ、最終的には力行電流あるいは回生電流が前記電力蓄積手段に通流しないような電流経路を形成するように前記電流制御手段を動作させることを特徴とする鉄道車両の駆動制御装置。

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