JP5525999B2 - 電気車制御装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、電気車制御装置に関する。

電気車を駆動する電動機の制御装置として、第三軌条または架線などの電車線から直流電力を集電装置により集電し、誘導電動機を駆動する電気車制御装置がある。電気車制御装置は、第三軌条または架線などから集電した直流電力を電力変換器（インバータ）に送り、交流電力に変換する。電気車制御装置は、変換した交流電力により誘導電動機を駆動する。

上記した電気車制御装置は、電気車を加速させる必要がなくなった場合、インバータを停止させ、惰行走行を行う。電気車制御装置は、インバータと第三軌条または架線などの電車線との間の電流を遮断する接触器を備える。電気車制御装置は、惰行走行を行う場合、この接触器をＯＦＦし、送電路からの電流を遮断する。しかし、惰行走行を行う度に接触器を動作させる必要がある為、接触器の寿命が短くなる。そこで、接触器をＯＦＦせずに、惰行走行を行う電気車制御装置が一般的に知られている。

しかし、電力変換器の停止中も接触器の投入状態を維持する方式の場合、常に電車線と平滑用のフィルタコンデンサとが接続された状態となる。特に、電車線の停電区間（デッドセクション）を惰行走行にて通過した場合、フィルタコンデンサの電圧は、デッドセクション進入後も徐々に低下しながら保持される。このため、デッドセクション通過後、集電装置が電車線に再着線した際に、電車線の電圧とフィルタコンデンサの電圧の差電圧により、電車線からフィルタコンデンサに対して突入電流が発生する。

これを防ぐ為に、集電装置に接続される電圧検出器により、集電装置がデッドセクションに進入することを検知する場合、接触器を開放することが考えられる。しかし、集電装置がデッドセクションに進入しても、電力を蓄えたフィルタコンデンサにより電圧検出装置が加圧される為、電圧検出装置によりデッドセクションを検知することが出来ない。この為、適切なタイミングで接触器を開放することができない。

特開２００７−１６６８８５号公報

より安定して動作する電気車制御装置を提供することを目的とする。

一実施形態に係る電気車制御装置は、電気車を力行させる電動機を駆動する電力変換部と、電車線から電力を集電し前記電力変換部に供給する第１の集電部と、前記電力変換部と前記第１の集電部との間に設けられる接触器と、を備え、前記接触器を投入した状態で惰行走行を開始する電気車制御装置であって、前記第１の集電部より前記電気車の進行方向において前方に設置され、前記電車線から電力を集電する第２の集電部と、前記第２の集電部における停電を検知する停電検知部と、前記停電検知部により前記第２の集電部の出力に基づいて停電を検知する場合、前記接触器を開放する制御部と、を具備する。

図１は、一実施形態に係る電気車制御装置の構成例について説明するための説明図である。 図２は、一実施形態に係る電気車制御装置の構成例について説明するための説明図である。 図３は、一実施形態に係る電気車制御装置の構成例について説明するための説明図である。 図４は、一実施形態に係る電気車制御装置の構成例について説明するための説明図である。 図５は、一実施形態に係る電気車制御装置の構成例について説明するための説明図である。 図６は、一実施形態に係る電気車制御装置の構成例について説明するための説明図である。 図７は、一実施形態に係る電気車制御装置の構成例について説明するための説明図である。 図８は、一実施形態に係る電気車制御装置の構成例について説明するための説明図である。

以下、図面を参照しながら、一実施形態に係る電気車制御装置について詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１は、一実施形態に係る電気車制御装置１００の構成例について説明するための説明図である。
図１に示すように、電気車制御装置１００は、線路と平行して設置される第三軌条または架線などの電車線１から電力を受けて動作する。なお、電車線１には、送電所からの電力の供給が途絶える区間（デッドセクション）１０が存在する。

電気車制御装置１００は、集電装置２ａ、２ｂ、及び２ｃ、電圧検出器（ＤＣＰＴ）３ａ及び３ｂ、高速度遮断器４、開放接触器５、フィルタコンデンサ６、電力変換器（インバータ）７、主電動機（ＭＭ）８、接地ブラシ９、母線引き通し１１、母線接触器１２、並びに制御部１５を備える。

集電装置２ａ、２ｂ、及び２ｃは、電車線１から電力を集電する。電圧検出器３ａ及び３ｂは、供給される電圧の電圧値を検出する。高速度遮断器４は、問題発生時に電車線１からの電力の供給を遮断する保全装置である。開放接触器５は、制御部１５の制御に基づいて、フィルタコンデンサ６及び電力変換器７と電車線１との間の回路を開放する。フィルタコンデンサ６は、電力を保持し、電力変換器７に安定して平滑な電力を供給する。

電力変換器７は、供給される直流電力を交流電力（例えば三相交流）に変換する。主電動機８は、電力変換器７によって変換された交流電力に応じて動作し、軸を回転させる。接地ブラシ９は、電気車制御装置１００を異常電圧から保護するアースである。

集電装置２ａ及び２ｂは、電車線１から電力を集電する。集電装置２ａは、車両の進行方向において集電装置２ｂと離隔されて設置される。例えば、集電装置２ａは、車両の進行方向において集電装置２ｂより前方に離隔されて設置される。集電装置２ａは、集電した電力を電圧検出器３ａに供給する。電圧検出器３ａは、供給される電圧の値を検出する。電圧検出器３ａは、検出した電圧値を制御部１５に伝送する。

集電装置２ｂは、集電した直流電力を電力変換器７及び電圧検出器３ｂに供給する。電圧検出器３ｂは、供給される電圧の値を検出する。電圧検出器３ｂは、検出した電圧値を制御部１５に伝送する。

電力変換器７は、集電装置２ｂから供給される直流電力を交流電力に変換する。電力変換器７は、変換した交流電力を主電動機８に供給する。主電動機８は、電力変換器７によって変換された交流電力に応じて動作し、軸を回転させる。

制御部１５は、電気車制御装置１００の全体の制御を司るものである。制御部１５は、例えば、ＣＰＵ、バッファメモリ、プログラムメモリ、不揮発性メモリ、及び種々の演算を行う各種のハードウエアなどを備える。ＣＰＵは、種々の演算処理を行う。バッファメモリは、ＣＰＵにより演算結果を一時的に記憶する。プログラムメモリ及び不揮発性メモリは、ＣＰＵが実行する種々のプログラム及び制御データなどを記憶する。

制御部１５は、ＣＰＵによりプログラムメモリに記憶されているプログラムを実行することにより、種々の処理を行うことができる。

制御部１５は、電圧検出器３ａから伝送される電圧値と、予め設定される閾値とを比較する。電圧値が予め設定される閾値未満である場合、制御部１５は、集電装置２ａが設置されている位置における電車線１がデッドセクション１０であると判定する。即ち、制御部１５は、電圧検出器３ａにより集電装置２ａの設置位置における電車線１の停電を検知する。

また、制御部１５は、電圧検出器３ｂから伝送される電圧値と、予め設定される閾値とを比較する。電圧値が予め設定される閾値未満である場合、制御部１５は、集電装置２ｂが設置されている位置における電車線１がデッドセクション１０であると判定する。即ち、制御部１５は、電圧検出器３ｂにより集電装置２ｂの設置位置における電車線１の停電を検知する。

電気車制御装置１００は、電車線１が途切れても電力変換器７へ電力の供給を継続するために、母線引き通し１１、母線接触器１２、及び母線引き通し１１に接続される集電装置２ｃを備える。

集電装置２ｃは、車両の進行方向において集電装置２ｂと離隔されて設置される集電装置である。例えば、集電装置２ｃは、車両の進行方向において集電装置２ｂより後方に離隔されて設置される。母線引き通し１１は、集電装置２ｃと集電装置２ｂとを電気的に接続する。これにより、集電装置２ｂの位置において電車線１が途切れても、集電装置２ｃの位置において電車線１に電力が供給されていれば、電気車制御装置１００は、電力変換器７への電力の供給を継続することができる。

また、母線接触器１２は、集電装置２ｃと集電装置２ｂとの間の回路、即ち母線引き通し１１を開放する。例えば、デッドセクション１０の手前の電車線１ｂが電力が供給されている加圧区間であり、デッドセクション１０の先の電車線１ａが電力が供給されていない停電区間である場合、電気車制御装置１００は、母線引通し１１を介して電車線１ｂの電圧により電車線１ａを加圧する。

これを避ける為に、制御部１５は、電圧検出器３ａにより停電区間（デッドセクション）１０を検知する場合、母線接触器１２を開放する。これにより、電気車制御装置１００は、停電区間である電車線１ａに対する加圧を防止することができる。

制御部１５は、図示しない運転台端末からの信号（操作者による操作に応じた制御信号）などに基づいて、電力変換器７、開放接触器５、母線接触器１２、及び他のモジュールを制御する。

例えば、惰行走行を行う制御信号が運転台端末から入力される場合、制御部１５は、電力変換器７を停止させ、惰行走行を行う。また、開放接触器５を開放する制御信号が運転台端末から入力される場合、制御部１５は、開放接触器５を開放する。

なお、本実施形態に係る電気車制御装置１００は、惰行走行を行う場合、開放接触器５を開放（ＯＦＦ）せずに、惰行走行を行う。即ち、電気車制御装置１００は、惰行走行を行う制御信号が運転台端末から入力される場合、自動的に開放接触器５を開放しないように動作する。

図２、図３、及び図４は、電気車制御装置１００を搭載する車両がデッドセクション１０を通過する例について示す説明図である。
図２は、電気車制御装置１００の集電装置２ａがデッドセクション１０に進入した例を示す図である。図３は、電気車制御装置１００の集電装置２ｂがデッドセクション１０に進入した例を示す図である。図４は、電気車制御装置１００の集電装置２ｃがデッドセクション１０に進入した例を示す図である。

図５は、一実施形態に係る電気車制御装置１００の制御部１５の動作について説明する為の説明図である。
図５に示すように、制御部１５は、開放を要する回路動作２１と、電圧検出器３ａから伝送される電圧値による停電検知２２との論理和２３に基づいて、開放接触器５の開放指令２４を出力する。

即ち、制御部１５は、例えば電力変換器７を構成する半導体スイッチの故障の検知など、開放接触器５を開放する必要があることが図示しないセンサなどにより検知される場合、または、電圧検出器３ａから伝送される電圧値により停電を検知する場合、開放接触器５を開放するように制御する。なお、電圧検出器３ａが観測する電圧は、集電装置２ａの電圧であり、電力変換器７が電源として使用する集電装置２ｂとは異なる。また、集電装置２ａ及び電圧検出器３ａは、母線接触器１２の開放用として用いられるものを兼用することができる。

また、集電装置２ａ及び２ｂは、電車線１ａまたは１ｂを介して接続される。この為、図２に示すように、集電装置２ａが電車線１ｂから離線する場合、集電装置２ａは、フィルタコンデンサ６から回路的に切り離される。

この構成によると、車両がデッドセクション１０を惰行にて通過する場合、集電装置２ａが無加圧となる為、電圧検出器３ａにより検出する電圧値に基づいて制御部１５により停電が検知される。この場合、制御部１５は、開放接触器５を開放する。これにより、電気車制御装置１００は、集電装置２ｂがデッドセクション１０を通過する前に、フィルタコンデンサ６と集電装置２ｂとを切り離すことができる。

即ち、集電装置２ｂがデッドセクション１０を通過し、電車線１ａに再着線する場合であっても、開放接触器５が開放されているため、電気車制御装置１００は、フィルタコンデンサ６への突入電流の発生を防ぐことができる。

上記したように、電気車制御装置１００は、開放接触器５の投入を維持したまま惰行走行を行う場合であっても離線後の再着線時に突入電流が発生することを防ぐことができる。これにより、突入電流による高速度遮断器トリップ及び誘導障害などの防止と、開放接触器５の動作頻度の低減とを両立することができる。この結果、より安定して動作する電気車制御装置を提供することができる。

（第２の実施形態）
第１の実施形態において開放接触器５が開放された後、集電装置２ｂがデッドセクション１０を通過している間に、力行指令、または電気ブレーキ指令が運転台端末から制御部１５に入力される場合、制御部１５は、開放接触器５を再び投入してしまう。

この場合、集電装置２ａは、既に電車線１ａに再着線している。このため、電圧検出器３ａにより停電検知２２が行われない為、制御部１５は、開放接触器５の開放を行わない。この結果、電車線１ａからフィルタコンデンサ６への突入電流が発生する。

これを防止するために、電気車制御装置１００は、惰行運転中に集電装置２ｂが電車線１ｂを離線してから所定時間、開放接触器５を開放させる構成であってもよい。

図６は、第２の実施形態に係る電気車制御装置１００の制御部１５の動作について説明する為の説明図である。なお、第１の実施形態と同じ構成には同じ参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。

図６に示すように、制御部１５は、図５に示す回路動作２１と、停電検知２２と、さらに論理積２８の出力との論理和２３に基づいて、開放接触器５の開放指令２４を出力する。

制御部１５は、予め設定される時素２７を備える。時素２７は、例えば、時間を示す情報が格納されるメモリなどにより構成される。シングルショット２６は、１パルスの信号を出力する。シングルショット２６には、停電検知２２と、時素２７とが入力される。即ち、シングルショット２６は、停電検知２２が入力される場合、時素２７から入力される時間に対応した長さのパルスを出力する。

論理積２８は、シングルショット２６の出力と、運転台端末から入力される惰行運転（惰行走行指令）２５との論理積の結果を出力する。

即ち、電気車制御装置１００は、惰行運転中に電圧検出器３ａにより停電が検知される場合、時素２７により設定される所定時間の間、開放接触器５を強制的に開放するように制御する。制御部１５は、電圧検出器３ａにより停電を検知してから、時素２７が示す時間が経過する場合、開放接触器５を再び投入するように制御する。

これにより、デッドセクション１０通過中に開放接触器５が投入されても、上記の制御によりすぐに開放接触器５が開放される。この為、電気車制御装置１００は、フィルタコンデンサ６への突入電流の発生を防ぐことができる。この結果、より安定して動作する電気車制御装置を提供することができる。

（第３の実施形態）
開放接触器５の開放を維持する時間を短くする為に、電気車制御装置１００は、走行速度に応じて開放接触器５の開放を維持する時間を変更する構成であってもよい。

図７は、第３の実施形態に係る電気車制御装置１００の制御部１５の動作について説明する為の説明図である。なお、第１及び第２の実施形態と同じ構成には同じ参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。

図７に示すように、制御部１５は、時素２７の代わりとして、関数３０を備える。また、制御部１５は、車両の車輪の回転、または、主電動機８の軸の回転に応じて車両速度２９を検出する速度検出器を備える。

関数３０は、予め設定される論理に基づいて演算を行う処理部である。関数３０は、例えば、速度と時間とが対応付けられているテーブル、一次関数、または他の関数を記憶する。関数３０は、速度検出器により検出される車両速度２９に応じて演算を行い、時間を出力する。

シングルショット２６には、停電検知２２と、関数３０から出力される時素２７とが入力される。即ち、シングルショット２６は、停電検知２２が入力される場合、関数３０から出力される時素２７が示す時間に対応した長さのパルスを出力する。

論理積２８は、シングルショット２６の出力と、運転台端末から入力される惰行運転（惰行走行指令）２５との論理積の結果を出力する。

即ち、電気車制御装置１００は、惰行運転中に電圧検出器３ａにより停電が検知される場合、関数３０により算出される時間の間、開放接触器５を強制的に開放するように制御する。制御部１５は、電圧検出器３ａにより停電を検知してから、時素２７が示す時間が経過する場合、開放接触器５を再び投入するように制御する。

車両速度２９が速いほど、集電装置２ｂがデッドセクション１０に入ってから電車線１ａに再着線するまでの時間が短くなる。即ち、関数３０により車両速度２９に応じて時素２７を算出することにより、論理積２８が成立する時間を短くすることができる。これにより、電気車制御装置１００は、開放接触器５の動作を最小限に抑え、且つフィルタコンデンサ６への突入電流の発生を防ぐことができる。この結果、より安定して動作する電気車制御装置を提供することができる。

（第４の実施形態）
開放接触器５の開放を維持する時間を短くする為に、電気車制御装置１００は、電圧検出器３ｂによる停電検知に応じて開放接触器５を制御する構成であってもよい。

図８は、第４の実施形態に係る電気車制御装置１００の制御部１５の動作について説明する為の説明図である。なお、第１乃至第３の実施形態と同じ構成には同じ参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。

図８に示すように、制御部１５は、図５に示す回路動作２１と、停電検知２２と、さらに論理積２８の出力との論理和２３に基づいて、開放接触器５の開放指令２４を出力する。

上記したように、開放接触器５が投入されている間に集電装置２ｂがデッドセクション１０に進入する場合、フィルタコンデンサ６に保持された電圧により電圧検出器３ｂが加圧される。この為、制御部１５は、電圧検出器３ｂにより集電装置２ｂがデッドセクション１０に進入したことを検知することが出来ない。

しかし、本実施形態によると、集電装置２ａがデッドセクション１０に進入した場合、制御部１５は、電圧検出器３ａにより検出する電圧値に基づいて停電を検知する。この場合、図５に示したように、制御部１５は、開放接触器５を開放する。これにより、フィルタコンデンサ６と電圧検出器３ｂとが電気的に切り離される。この結果、制御部１５は、電圧検出器３ｂにより検出電圧値に基づいて、集電装置２ｂがデッドセクション１０に進入することを検知することができる。

さらに、制御部１５は、電圧検出器３ｂにより検出電圧値に基づいて、集電装置２ｂがデッドセクション１０を通過して加圧区間である電車線１ａに着線することを検知することができる。即ち、制御部１５は、集電装置２ｂが加圧区間に再着線することを検知することができる。

論理積２８は、電圧検出器３ｂから伝送される電圧値による停電検知３１と、運転台端末から入力される惰行運転（惰行走行指令）２５との論理積の結果を出力する。

即ち、制御部１５は、運転台端末から入力される惰行運転（惰行走行指令）２５が入力されており、且つ、電圧検出器３ｂから伝送される電圧値により停電を検知する場合、開放接触器５を開放するように制御する。

ここで、集電装置２ｂが電車線１ａに再着線する場合、電車線１ａから電圧が電圧検出器３ｂに印加される。この場合、論理積２８の出力が切り替わる為、制御部１５は、開放接触器５を再び投入するように制御する。

即ち、電気車制御装置１００は、電圧検出器３ｂにより停電を検知している間、開放接触器５を開放するように制御することができる。この為、論理積２８が成立する時間を短くすることができる。これにより、電気車制御装置１００は、開放接触器５の動作を最小限に抑え、且つフィルタコンデンサ６への突入電流の発生を防ぐことができる。この結果、より安定して動作する電気車制御装置を提供することができる。

なお、さらに時素２７を組み合わせてもよい。即ち、図８に示す論理積２８の出力と、図６または図７に示す論理積２８の出力とを論理和２３に入力することにより、電気車制御装置１００は、さらに安定して動作することができる。この構成によると、電圧検出器３ａにより停電を検知してから、電圧検出器３ｂにより停電を検知するまでの間に力行指令、または電気ブレーキ指令が運転台端末から制御部１５に入力される場合であっても、制御部１５は、時素２７が示す時間の間、開放接触器５を強制的に開放することができる。この結果、さらに安定して動作する電気車制御装置を提供することができる。

なお、上述の各実施の形態で説明した機能は、ハードウエアを用いて構成するに留まらず、ソフトウエアを用いて各機能を記載したプログラムをコンピュータに読み込ませて実現することもできる。また、各機能は、適宜ソフトウエア、ハードウエアのいずれかを選択して構成するものであっても良い。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

１…電車線、２ａ…集電装置、２ｂ…集電装置、２ｃ…集電装置、３ａ…電圧検出器、３ｂ…電圧検出器、４…高速度遮断器、５…開放接触器、６…フィルタコンデンサ、７…電力変換器、８…主電動機、９…接地ブラシ、１０…デッドセクション、１１…母線引き通し、１２…母線接触器、１５…制御部、１００…電気車制御装置。

Claims (4)

1. 電気車を力行させる電動機を駆動する電力変換部と、電車線から電力を集電し前記電力変換部に供給する第１の集電部と、前記電力変換部と前記第１の集電部との間に設けられる接触器と、を備え、前記接触器を投入した状態で惰行走行を開始する電気車制御装置であって、
   前記第１の集電部より前記電気車の進行方向において前方に設置され、前記電車線から電力を集電する第２の集電部と、
   前記第２の集電部の出力に基づいて停電を検知する停電検知部と、
   前記停電検知部により前記第２の集電部における停電を検知する場合、前記接触器を開放する制御部と、
   を具備する電気車制御装置。
2. 前記制御部は、前記接触器を開放してから予め設定される時間が経過するまで、惰行走行中は前記接触器を開放する、請求項１に記載の電気車制御装置。
3. 前記制御部は、前記電気車の走行速度を検出し、検出した速度に応じて時間を決定し、前記接触器を開放してから前記決定した時間が経過するまで、惰行走行中は前記接触器を開放する、請求項１に記載の電気車制御装置。
4. 前記第１の集電部が停電区間に進入し、加圧区間に再着線することを検知する再着線検知部をさらに具備し、
   前記制御部は、前記停電検知部により前記第２の集電部の出力に基づいて停電を検知する場合、前記接触器を開放し、前記再着線検知部により前記第１の集電部の出力に基づいて加圧区間に再着線したことを検知するまで、惰行走行中は前記接触器を開放する、請求項１に記載の電気車制御装置。

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