JP5580160B2

JP5580160B2 - 電気車制御装置

Info

Publication number: JP5580160B2
Application number: JP2010223199A
Authority: JP
Inventors: 喜三男大内; 昇治恩田; 伸一戸田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2010-09-30
Filing date: 2010-09-30
Publication date: 2014-08-27
Anticipated expiration: 2030-09-30
Also published as: JP2012080662A

Description

本発明の実施形態は、電気車制御装置に関する。

架線からの電力を電源として走行する電気車において、電気車の走行時には、架線電力が電気車に搭載される電動機に供給される。電動機は、供給された電力から駆動力を生成し、電気車を走行させる。また、電気車の回生時には、上述した電気車を駆動するための電動機が発電機となり、回生エネルギーを生成する。電動機からの回生エネルギーは、架線へ過剰に逆流すると変電所等への重大な問題を引き起こす可能性もあるため、電気車に搭載されるブレーキチョッパ装置及び、ブレーキチョッパ抵抗器で架線への回生エネルギーを制限している。ブレーキチョッパ抵抗器は、回生エネルギーを熱エネルギーに変換することで架線への回生エネルギーを制限することが可能であり、またその変換率または制御値はブレーキチョッパ装置により制御されている。従来の発明では、架線から交流電力が供給される電気車において、コンバータの直流電圧制御と干渉することなく、ブレーキチョッパ装置およびブレーキチョッパ抵抗器を用いて架線への回生エネルギーを制限するブレーキチョッパ装置の制御装置が記載されている。

特開平１０−２２９６８３号公報

しかしながら、従来の電気車制御装置では、ブレーキチョッパ装置で使用する制御値の演算結果誤差が多いため、電動機からの回生エネルギーがブレーキチョッパ装置で消費されずに架線電流に流れてしまう、またはブレーキチョッパ装置がブレーキチョッパ抵抗器を過剰に使用する制御を行うことにより、本来、電動機の駆動力として使用されるはずの架線電流をブレーキチョッパ抵抗器で消費してしまう、というおそれがあった。

本発明が解決しようとする課題は、演算の精度を向上し、ブレーキチョッパ装置を有効に利用することができる電気車制御装置を提供することである。

実施形態の電気車制御装置は、交流電源に接続された集電器を介して供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータと、前記直流電力を電動機の駆動用交流電力に変換するインバータと、前記コンバータとインバータの間に接続され、電動機の回生エネルギーを消費するためのブレーキチョッパ抵抗器と、前記ブレーキチョッパ抵抗器に流れる電流を制御するブレーキチョッパ装置と、前記交流電源から供給される交流電力の電圧を検出する電圧検出器と、前記交流電源から供給される交流電力の電流を検出する電流検出器と、前記ブレーキチョッパ装置、前記電圧検出器、前記電流検出器と接続された制御部とを備え、前記制御部は、前記電圧検出器より検出される電圧に基づいて回生エネルギーによる電流のうち前記ブレーキチョッパ抵抗器に流す割合を定める第１通流率と前記電流検出器より検出される電流に基づいて回生エネルギーによる電流のうち前記ブレーキチョッパ抵抗器に流す割合を定める第２通流率それぞれを演算し、この演算によって得た前記第１流通率と前記第２流通率とを比較し、この比較の結果、前記第１通流率と前記第２通流率のうちの小さい流通率を、前記回生エネルギーによる電流のうち前記ブレーキチョッパ抵抗器に流す割合として前記ブレーキチョッパ装置に設定する。

第１の実施形態の電気車制御装置の全体構成を示す図。第１の実施形態の電気車制御装置の制御部部の動作を示すフローチャート。（ａ）第１の実施形態の電気車制御装置の第１通流率演算部の演算説明図。（ｂ）第１の実施形態の電気車制御装置の第２通流率演算部の演算説明図。（ａ）第２の実施形態の電気車制御装置の第３通流率演算部の演算説明図。（ｂ）第２の実施形態の電気車制御装置の第４通流率演算部の演算説明図。

以下、実施形態の制御装置について図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
第１の実施形態について図を参照し、詳細に説明する。図１は、第１の実施形態の電気車制御装置の全体構成を示す図である。図２は、第１の実施形態の電気車制御装置の制御部の動作を示すフローチャートである。図３（ａ）は、第１の実施形態の電気車制御装置の第１通流率演算部の演算説明図である。図３（ｂ）は、第１の実施形態の電気車制御装置の第２通流率演算部の演算説明図である。

（構成）
本実施形態の電気車制御装置について図１に示す。架線から交流電力を取り込むための集電器１は、変圧器２と、変圧器２を介して接地するための接地点１１と接続される。変圧器２は、集電器１からの交流電圧を降下する。変圧器１の一次側では、降下された電圧を検出する電圧検出器３が接続されている。また、一次側の電流を検出する電流検知器４が接続されている。集電器１は、電圧検出器３、電流検出器４、交流電力を直流電力に変換するコンバータ５、直流電力を交流電力に変換するインバータ６を介してインバータにより駆動される電動機７と接続される。また、コンバータ５とインバータ６の正負直流接続間には、車両の走行時に発生する回生エネルギーから熱エネルギーへの交換率を制御するブレーキチョッパ装置８及び、ブレーキチョッパ装置８と接続され、回生エネルギーを熱エネルギーに換えて車両の走行に対するブレーキとなるブレーキ抵抗器（負荷）９が接続される。このブレーキチョッパ装置８とブレーキ抵抗器（負荷）９を制御する制御部１０は、電圧検出器３と電流検出器４と接続され、電流検出部１０ａ、電圧検出部１０ｂ、第１通流率演算部２１、第２通流率演算部２２、比較部２０ｅを有している。

（作用）
制御部１０の動作について図２及び図３を用いて説明する。制御部１０では、架線電圧を検出する電圧検出器３からの架線電圧値が電圧検出部１０ａへ、コンバータの一次側の電流を検出する電流検出器４の入力電流値が電流検出部１０ｂへ入力される（Ｓ１）。

電圧検出部１０ａへ入力された架線電圧値は、第１通流率演算部２１へ入力され第１通流率（α）が演算される。電流検出部１０ｂへ入力された入力電流値は、第２通流率演算部２２へ入力され第２通流率（β）が演算部される（Ｓ２）。通流率とは、回生エネルギーに対してブレーキ抵抗器９に流す電流量の割合のことを指し、１００％に近づくほど回生エネルギーがブレーキ抵抗器９で熱交換されていることになる。図３（ａ）に示すように、第１通流率は、２７．５Ｖより上昇し、２９ｋｖの地点で９５％となる。あらかじめ決められた架線電圧値以上でブレーキチョッパ装置８の動作を開始し、電圧の上昇にあわせて通流率を増加させ、ある電圧以上では通流率を一定となるようにする。また、第２通流率演算部２２について図３（ｂ）に示す。電流検出器４による入力電流の値が力行である場合はプラス側（変圧器からコンバータ方向）、回生時にはマイナス側（コンバータから変圧器方向）に流れる為、プラスの場合には通流率にリミットをかけ、ブレーキチョッパ装置８を動作させないようにする。つまり、通流率リミット演算部２２により演算された第２通流率は、上限リミット値として使用されるため、回生している場合は−１００Ａまで通竜率１００％となり、０Ａまで下降して０Ａで０％の通流率となる。

上記のように演算された第１通流率と第２通流率を、第１通流率演算部２１と第２通流率演算部２２から比較部１０ｅへ入力する。比較部１０ｅでは、第１通流率と第２通流率を比較し、値を小さい選択する（Ｓ３）。また、選択された値は零より大きいかどうかが判断される（Ｓ４）。選択された値が零よりも大きい場合、選択された値はブレーキチョッパ装置８への制御値（通流率）として、比較部１０ｅからブレーキチョッパ装置８へ出力される（Ｓ５）。ブレーキチョッパ装置８は、この値をもとにブレーキチョッパ抵抗器９を制御する。また、選択された値が零以下の場合は、ブレーキチョッパ装置８を動作させる必要がないとして、ブレーキチョッパ装置８への出力はない（Ｓ６）。

（効果）
このように、検出される電流及び電圧の値から制御値として使用する通流率を導き出すため、制御値の演算誤差が出にくく制御精度は向上する。また、通流率の小さいほうを採用するため、ブレーキチョッパ装置８の過剰使用を回避することも可能となる。さらに、電気車が通常走行時には、ブレーキチョッパ装置８の制御より架線からの流れ込みを防止することができ、架線からの無駄な電流流入をなくすことができる。また本実施形態はコンバータ５の除き、インバータ６で構成し、直流電源に対応することも可能である。

以上述べた実施形態の制御装置によれば、２つの通流率の値の小さいほうを選択し、制御値として使用することにより、演算精度を向上しながらもブレーキチョッパ装置８及びブレーキチョッパ抵抗器９を有するブレーキチョッパの有効な利用を促進することのできる電気車制御装置を提供することが可能となる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態について図を参照し、詳細に説明する。図４（ａ）は、第２の実施形態の電気車制御装置の第３通流率演算部の演算説明図である。図４（ｂ）は、第２の実施形態の電気車制御装置の第４通流率演算部の演算説明図である。尚、図１乃至３と同一の構成をとるものについては、同符号を付して説明を省略する。

本実施形態は、第１の実施形態とは、第１通流率演算部２１と第２通流率演算部２２が異なっている。以下、その点について詳細に説明する。

（構成）
本実施形態の制御部１０は、電流検出部１０ａ、電圧検出部１０ｂ、第３通流率演算部２３と第４通流率演算部２４、比較部１０ｅで構成される。

（作用）
例えば、１７ｋｖ以下のように架線電圧が低くなった場合、負荷７からの回生エネルギーは、インバータ６からコンバータ５を介して架線へ戻ることになる。そのため、インバータ６の素子よりも性能の低いコンバータ５の素子は、過剰な負荷や使用によって寿命が短くなる可能があった。

本実施形態では、第３通流率演算部２３では、図４（ａ）に示すように、架線電圧の低い１７ｋＶ以下からブレーキチョッパ装置８及びブレーキチョッパ抵抗器９を動作させる。そのため、架線電圧が低い場合においても、負荷７から架線への電流の逆流を防止することができる。その他の場合については第１の実施形態と同様に作用する。

（効果）
以上述べた少なくともひとつの実施形態の制御装置によれば、２つの通流率の値の小さいほうを選択し、制御値として使用することにより、演算精度を向上しながらもブレーキチョッパ装置８及びブレーキチョッパ抵抗器９を有するブレーキチョッパの有効な利用を促進することのできる電気車制御装置を提供することが可能となる。さらに、ブレーキチョッパ装置８を有効利用することで、インバータ素子よりも性能の低いコンバータ素子を保護することが可能となる。

また、本実施形態では、回生時、架線のセクション通過による架線電圧消失時にもブレーキチョッパ装置８を継続動作させることにより、過電圧となることを防止することが可能となる。架線電圧消失時にはコンバータ５が停止するためインバータ６からの回生力により過電圧になりやすくなる。この時、ブレーキチョッパ装置８を継続動作させることにより回生力をブレーキ抵抗で消費させることができる。これにより架線電圧消失時の過電圧を防止し、回生動作を継続することが可能となる。

１集電器
２変圧器
３電圧検出器
４電流検出器
５コンバータ
６インバータ
７負荷
８ブレーキチョッパ装置
９ブレーキチョッパ抵抗器
１０制御部
１０ａ電流検出部
１０ｂ電圧検出部
２１第１通流率演算部
２２第２通流率演算部
１０ｅ比較部
２３第３通流率演算部
２４第４通流率演算部
１１接地

Claims

交流電源に接続された集電器を介して供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
前記直流電力を電動機の駆動用交流電力に変換するインバータと、
前記コンバータとインバータの間に接続され、電動機の回生エネルギーを消費するためのブレーキチョッパ抵抗器と、
前記ブレーキチョッパ抵抗器に流れる電流を制御するブレーキチョッパ装置と、
前記交流電源から供給される交流電力の電圧を検出する電圧検出器と、
前記交流電源から供給される交流電力の電流を検出する電流検出器と、
前記ブレーキチョッパ装置、前記電圧検出器、前記電流検出器と接続された制御部とを備え、
前記制御部は、
前記電圧検出器より検出される電圧に基づいて回生エネルギーによる電流のうち前記ブレーキチョッパ抵抗器に流す割合を定める第１通流率と前記電流検出器より検出される電流に基づいて回生エネルギーによる電流のうち前記ブレーキチョッパ抵抗器に流す割合を定める第２通流率それぞれを演算し、
この演算によって得た前記第１流通率と前記第２流通率とを比較し、
この比較の結果、前記第１通流率と前記第２通流率のうちの小さい流通率を、前記回生エネルギーによる電流のうち前記ブレーキチョッパ抵抗器に流す割合として前記ブレーキチョッパ装置に設定する
ことを特徴とする電気車制御装置。
前記第１流通率は、前記電圧検出器が検出する電圧が、第１の電圧値より小さいときに０％、第２の電圧値より大きいときに第１の所定の割合であり、更に、前記第１の電圧値から前記第２の電圧値に向かって大きくなることに伴って０％から前記第１の所定の割合に向かって増加し、
前記第２流通率は、前記電流検出器が検出する電流が、第１の電流値より小さいときは前記第２の所定の割合であり、第２の電流値から前記第１の電流値に向かって小さくなることに伴って０％から第２の所定の割合に向かって増加する
ことを特徴とする請求項１に記載の電気車制御装置。
前記第１流通率は、更に、前記電圧検出器が検出する電圧が、前記第１の電圧値より小さい第３の電流値より小さくなることに伴って０％から前記第１の所定の割合に向かって増加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。