JP6159601B2 - 鉄道車両の制御システム及び制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両の制御システム及び制御方法に関するものである。

直流電化区間を走行する鉄道車両は、一般に架線、第三軌条、剛体架線等から集電装置により集電する。

一方で、き電系の管理状況に問題があったり、き電区間に切れ目（セクション）が存在したり、第三軌条、剛体架線における分岐箇所があったりすると、ギャップが存在することにより、鉄道車両への電力供給が瞬間的に断たれ、瞬停（瞬断）が発生することがある。

そのため、鉄道車両に集電装置を複数取り付けるなどして、電力供給の停止を防止している。また、き電電圧を監視し、瞬停が発生したと判断した場合には、駆動トルクを引き絞る等の対策を行い、瞬停が運行に与える影響を最小限に抑えている。

しかしながら、これらの方法は瞬停時間がごく短い場合のみを考慮している。離線距離が集電装置の間隔を超える場合や、瞬停時間がトルクの引き絞り時間を越える場合には、電力変換装置の低電圧保護機能が働き、運行を継続できなくなるおそれがある。

そこで、特許文献１に記載の電気車制御装置では、架線電圧中に含まれるリップル成分を検出し、リップル成分のレベルを基準値と比較することにより停電を検知している。

国際公開第２００６／０８００４６号

しかし、特許文献１に記載の方法では、架線電圧中に含まれるリップル成分を検出するために、新たにバンドパスフィルタや比較器を追加する必要があり、装置の構成や制御が複雑化し、コストが増大するという問題があった。

かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、新たな装置を追加することなく、瞬停及び瞬停からの復帰を高精度に自動検知することが可能な鉄道車両の制御システム及び制御方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係る鉄道車両の制御システムは、集電した電力を変換するインバータと、前記インバータに並列接続されるフィルタコンデンサと、前記フィルタコンデンサの電圧値を検出する電圧検出器と、を有する電力変換装置と、前記電圧検出器にて検出された電圧値に基づいて瞬停及び瞬停からの復帰を検知し、前記瞬停を検知すると前記インバータの設定値を瞬停時用の値に切り替え、前記瞬停からの復帰を検知すると前記インバータの設定値を前記瞬停の検知前の値に戻す制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記電圧検出器により検出された電圧値の低下率が第１の閾値以上である場合には、前記瞬停がエアセクション又はギャップ区間によるものと判断し、前記低下率が前記第１の閾値未満かつ第２の閾値以上である場合には、離線によるものと判断し、それぞれ前記インバータの設定値を異なる値とすることを特徴とする。

また、上記課題を解決するため、本発明に係る鉄道車両の制御方法は、電力変換装置と制御装置とを備える鉄道車両の制御方法であって、前記電力変換装置により、当該電力変換装置のインバータに並列接続されたフィルタコンデンサの電圧を検出する電圧検出ステップと、前記制御装置により、前記電圧検出ステップにて検出された電圧値に基づき、瞬停を検知する瞬停検知ステップと、前記制御装置により、前記瞬停検知ステップにて前記瞬停を検知すると、前記インバータの設定値を瞬停時用の値に切り替える切り替えステップと、前記制御装置により、前記コンデンサ電圧検出ステップにて検出された電圧値に基づき、瞬停からの復帰を検知する復帰検知ステップと、前記制御装置により、前記復帰検知ステップにて前記瞬停からの復帰を検知すると、前記インバータの設定値を前記瞬停の検知前の値に戻す復帰ステップと、を含み、前記瞬停検知ステップは、前記電圧検出ステップにて検出された電圧値の低下率が第１の閾値以上である場合には、前記瞬停がエアセクション又はギャップ区間によるものと判断し、前記低下率が前記第１の閾値未満かつ第２の閾値以上である場合には、離線によるものと判断し、前記切り替えステップは、前記瞬停検知ステップにて前記瞬停がエアセクション又はギャップ区間によるものと判断した場合と、離線によるものと判断した場合とで、それぞれ前記インバータの設定値を異なる値とすることを特徴とする。

本発明によれば、新たな装置を追加することなく瞬停及び瞬停からの復帰を検知することができる。そのため、従来セクションの存在を示す標識などによって運転士がセクションを検知していた行程を自動化でき、瞬停を高精度に検知し、乗り心地の急変を自動的に防止することができるようになる。

本発明の一実施形態に係る鉄道車両の制御システムの構成例を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る鉄道車両の制御方法を示すフローチャートである。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る鉄道車両の制御システムの構成例を示すブロック図である。図１に示す例では、制御システムは、電力変換装置１と、制御装置２とを備える。電力変換装置１は、高速度遮断器１０と、遮断器１１，１２と、充電抵抗１３と、ラインリアクトル１４と、フィルタコンデンサ１５と、電圧検出器（き電電圧検出器）１６と、電圧検出器（コンデンサ電圧検出器）１７と、放電回路１８と、インバータ１９とを備える。

図１に示す本実施形態では、集電装置４としてパンタグラフを用いて架線３から集電する架空電車線方式（架線集電方式）を示しているが、本発明は集電装置４として集電靴を用いて第三軌条から集電する第三軌条方式においても適用することができる。

電力変換装置１は、架空電車線方式又は第三軌条方式により集電した直流電力を三相交流電力に変換し、主電動機５に出力する。

集電装置４には直列に、高速度遮断器１０、遮断器１１，１２、及びラインリアクトル１４が接続され、遮断器１２には並列に充電抵抗１３が接続される。

高速度遮断器１０は、過電流が流れた場合に、電力変換装置１を保護するために自動的に開放し、過電流を遮断する。

遮断器１１，１２は、制御装置２の制御により、集電装置４にて集電した電力の投入（通電）及び開放（遮断）を行う。

電圧検出器１６は、高速度遮断器１０及び遮断器１１の接続点と、接地点との間に設けられ、集電装置４を経由してき電電圧値を検出し、検出した電圧値を制御装置２に通知する。

電圧検出器１７は、フィルタコンデンサ１５の端子間に並列して設けられ、フィルタコンデンサ１５の電圧値を検出し、検出した電圧値を制御装置２に通知する。

放電回路１８は、制御装置２の制御により、フィルタコンデンサ１５に蓄積された電荷を放電させる。

インバータ１９は、制御装置２の制御により、ＩＧＢＴやＧＴＯなどの電力用半導体素子をスイッチングして、集電した直流電力を三相交流電力に変換し、主電動機５に出力する。インバータ１９は一般的には、ＶＶＶＦ（Variable Voltage Variable Frequency）制御により、三相交流電力の電圧及び周波数を変化させる。

制御装置２は、鉄道車両が直流電化区間を走行している際に瞬停を検知すると、インバータ１９の設定値を通常運転時用の値から瞬停時用の値に自動的に切り替える。その後、瞬停から復帰し電力供給が回復したことを検知すると、インバータ１９の設定値を通常運転時用の値に戻す。ここで、インバータ１９の設定値とは、インバータ１９のスイッチングタイミングの設定値（つまり、インバータ１９の出力の設定値）などである。例えば、制御装置２は瞬停を検知すると、出力電流が一定時間減少するようにインバータ１９の設定値を変更する。これにより、フィルタコンデンサ１５の放電を防止する。以下に、制御装置２による鉄道車両の制御方法について説明する。

瞬停が発生する原因として以下のものが挙げられる。まず、き電区間の切り替わる区間には、異なる変電所のき電区間同士の短絡を防止するために、必ずエアセクションが存在する。エアセクションには架線が存在しないため、エアセクションを通過する際には瞬停が発生する。

また、剛体架線や第三軌条の場合、転てつ器等により架線の設置方法が複雑となるポイントにおいて、き電区間にギャップ生じることがある。ギャップ区間には架線が存在しないため、ギャップ区間を通過する際には瞬停が発生する。

また、パンタグラフ又は集電靴が架線又は第三軌条に対してバウンドすることにより離線が生じることがある。架線又は第三軌条が存在している区間であっても離線した際には瞬停が発生する。

図２は、本発明の一実施形態に係る鉄道車両の制御方法を示すフローチャートであり、瞬停を検知した際の制御方法を示している。

鉄道車両が直流電化区間を通常運転（力行運転又は惰行運転）モードで走行する際、制御部２はインバータ１９の設定値を通常運転用の値とする（ステップＳ１０１）。

制御装置２は、電圧検出器１７により検出されるフィルタコンデンサ１５の電圧値を常時監視しており、フィルタコンデンサ１５の電圧値の低下率が第１の閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ１０２）。瞬停が発生すると、き電系からの電力の入力はなくなり、フィルタコンデンサ１５の電圧は回生モードでない限り、急激に低下する。よって、フィルタコンデンサ１５の電圧値の低下率に基づいて、瞬停の発生を検知することができる。

エアセクション及びギャップ区間には架線が存在しないため、離線と比較すると、フィルタコンデンサ１５の電圧値の低下率が一般的に高くなると考えられる。そのため、フィルタコンデンサ１５の電圧値の低下率により、エアセクション又はギャップ区間による瞬停か、離線による瞬停かを区別することができる。

制御装置２は、フィルタコンデンサ１５の電圧値の低下率が第１の閾値以上である場合には（ステップＳ１０２−Ｙｅｓ）、エアセクション又はギャップ区間を走行中であると判断し、インバータ１９の設定値をエアセクション又はギャップ区間用の値に自動的に切り替える（ステップＳ１０３）。

一方、制御装置２は、フィルタコンデンサ１５の電圧値の低下率が第１の閾値未満かつ第２の閾値以上である場合には（ステップＳ１０４−Ｙｅｓ）、離線していると判断し、インバータ１９の設定値を離線用の値に自動的に切り替える（ステップＳ１０５）。フィルタコンデンサ１５の電圧値の低下率が第２の閾値未満である場合には（ステップＳ１０４−Ｎｏ）、瞬停は発生していないと判断する。

制御装置２は、瞬停を検知した後、フィルタコンデンサ１５の電圧値の上昇率が閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ１０６）。瞬停から復帰すると、フィルタコンデンサ１５の電圧は急激に上昇する。そのため、制御装置２は、フィルタコンデンサ１５の電圧値の上昇率が閾値以上である場合には（ステップＳ１０６−Ｙｅｓ）、瞬停から復帰したと判断し、インバータ１９の設定値を瞬停検知前の通常運転用の値に戻す（ステップＳ１０７）。

なお、ステップＳ１０６において、さらに電圧検出器１６により検出されたき電電圧値が定格範囲内であるか否かを判定し、フィルタコンデンサ１５の電圧値の上昇率が閾値以上であり、且つ、き電電圧値が定格範囲内である場合に（ステップＳ１０６−Ｙｅｓ）、瞬停から復帰したと判断するようにしてもよい。また、電圧値の低下率及び上昇率の判定は、電圧値が閾値以上であるか否かにより判定してもよいし、電圧値の微分値が閾値以上であるか否かにより判定してもよい。

このように、本発明では、電力変換装置１は、集電した電力を変換するインバータ１９と、インバータ１９に並列接続されるフィルタコンデンサ１５と、フィルタコンデンサ１５の電圧値を検出する電圧検出器１７と、を有する。制御装置２は、電圧検出器１７にて検出された電圧値に基づいて瞬停及び瞬停からの復帰を検知し、瞬停を検知するとインバータ１９の設定値を瞬停時用の値に切り替え、瞬停からの復帰を検知するとインバータ１９の設定値を瞬停の検知前の値に戻す。このような制御を行うことにより、瞬停及び瞬停からの復帰を高精度に自動検知することができ、スムーズな運転が可能となる。また、図１に示す電力変換装置１の各構成は標準的に搭載されているものであるため、本発明は新たに装置を追加したりコストを増大させたりすることなく、瞬停及び瞬停からの復帰を検知することができる。

また、制御装置２は、電圧検出器１７により検出された電圧値の低下率に応じて、瞬停がエアセクション又はギャップ区間によるものか、離線によるものかを区別し、それぞれインバータの設定値を異なる値とするのが好適である。例えば、制御装置２は、エアセクション又はギャップ区間による瞬停を検知した場合には、離線による瞬停を検知した場合よりも出力電流の減少率が大きくなるように、インバータ１９の設定値を変更する。

上述の実施形態は、代表的な例として説明したが、本発明の趣旨及び範囲内で、多くの変更及び置換ができることは当業者に明らかである。したがって、本発明は、上述の実施形態によって制限するものと解するべきではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。

本発明によれば、新たな装置を追加することなく、瞬停及び瞬停からの復帰を高精度に自動検知することが可能となるため、鉄道車両の制御に有用である。

１ 電力変換装置
２ 制御装置
３ 架線
４ 集電装置
５ 主電動機
１０ 高速度遮断器
１１，１２ 遮断器
１３ 充電抵抗
１４ ラインリアクトル
１５ フィルタコンデンサ
１６，１７ 電圧検出器
１８ 放電回路
１９ インバータ

Claims (2)

1. 集電した電力を変換するインバータと、
   前記インバータに並列接続されるフィルタコンデンサと、
   前記フィルタコンデンサの電圧値を検出する電圧検出器と、
   を有する電力変換装置と、
   前記電圧検出器にて検出された電圧値に基づいて瞬停及び瞬停からの復帰を検知し、前記瞬停を検知すると前記インバータの設定値を瞬停時用の値に切り替え、前記瞬停からの復帰を検知すると前記インバータの設定値を前記瞬停の検知前の値に戻す制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、前記電圧検出器により検出された電圧値の低下率が第１の閾値以上である場合には、前記瞬停がエアセクション又はギャップ区間によるものと判断し、前記低下率が前記第１の閾値未満かつ第２の閾値以上である場合には、離線によるものと判断し、それぞれ前記インバータの設定値を異なる値とすることを特徴とする鉄道車両の制御システム。
2. 電力変換装置と制御装置とを備える鉄道車両の制御方法であって、
   前記電力変換装置により、当該電力変換装置のインバータに並列接続されたフィルタコンデンサの電圧を検出する電圧検出ステップと、
   前記制御装置により、前記電圧検出ステップにて検出された電圧値に基づき、瞬停を検知する瞬停検知ステップと、
   前記制御装置により、前記瞬停検知ステップにて前記瞬停を検知すると、前記インバータの設定値を瞬停時用の値に切り替える切り替えステップと、
   前記制御装置により、前記コンデンサ電圧検出ステップにて検出された電圧値に基づき、瞬停からの復帰を検知する復帰検知ステップと、
   前記制御装置により、前記復帰検知ステップにて前記瞬停からの復帰を検知すると、前記インバータの設定値を前記瞬停の検知前の値に戻す復帰ステップと、
   を含み、
   前記瞬停検知ステップは、前記電圧検出ステップにて検出された電圧値の低下率が第１の閾値以上である場合には、前記瞬停がエアセクション又はギャップ区間によるものと判断し、前記低下率が前記第１の閾値未満かつ第２の閾値以上である場合には、離線によるものと判断し、
   前記切り替えステップは、前記瞬停検知ステップにて前記瞬停がエアセクション又はギャップ区間によるものと判断した場合と、離線によるものと判断した場合とで、それぞれ前記インバータの設定値を異なる値とすることを特徴とする鉄道車両の制御方法。

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