JP6716034B2

JP6716034B2 - 車両用制御装置および突入電流抑制方法

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Publication number: JP6716034B2
Application number: JP2019523228A
Authority: JP
Inventors: 道夫大坪
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2017-06-05
Filing date: 2017-06-05
Publication date: 2020-07-01
Anticipated expiration: 2037-06-05
Also published as: US20200171957A1; JPWO2018225137A1; WO2018225137A1; DE112017007607T5; US11161413B2

Description

この発明は、電気鉄道車両に搭載される車両用制御装置および突入電流抑制方法に関する。

電気鉄道車両が無電区間に進入した場合、集電装置が、架線、第三軌条等の電力供給線から離れた場合等において、電気鉄道車両に搭載される車両用制御装置に電力が供給されなくなる。その後、電気鉄道車両が電化区間に進入する際、集電装置が電力供給線に接触する際等に、車両用制御装置の入力電圧が急変すると、車両用制御装置の主回路、電動機等に突入電流が生じることがある。

特許文献１に開示される電気車制御装置は、フィルタコンデンサの電圧値が閾値以下となると、架線からの電力の供給がないと判断し、遮断器を開放する。遮断器を開放して、電気車制御装置を架線から切り離すことで、電気鉄道車両が電化区間に進入する際、集電装置が電力供給線に接触する際等に、車両用制御装置の主回路、電動機等において突入電流が生じることを抑制する。

特開２０１０−３５３３８号公報

電気鉄道車両の機械的振動に基づく外乱によって、フィルタコンデンサの電圧が振動することがある。特許文献１に開示される電気車制御装置では、フィルタコンデンサの電圧が振動した場合に、架線からの電力の供給がないと誤って判断することがある。この場合、架線からの電力の供給があるにもかかわらず、電気車制御装置を架線から切り離してしまい、負荷装置に電力が供給されないという問題が生じる。

本発明は上述の事情に鑑みてなされたものであり、突入電流抑制処理の精度を向上させることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の車両用制御装置は、電力変換部、第１電圧検出部、第２電圧検出部、および接触器制御部を備える。電力変換部は、電力供給源から、電力供給源に接続される電力供給線、および、第１接触器または第１接触器に並列に設けられる抵抗を介して入力される直流電力を変換して負荷装置に供給する。第１電圧検出部は、電力供給線の電圧である第１電圧を検出する。第２電圧検出部は、電力変換部の電力供給源の側の電圧である第２電圧を検出する。接触器制御部は、第１電圧および第２電圧に基づいて、第１接触器ならびに、第１接触器に並列に接続され、抵抗に直列に接続される位置、または第１接触器および抵抗より電力変換部の側で第１接触器および抵抗に直列に接続される位置に設けられる第２接触器を投入または開放する。接触器制御部は、第１接触器が投入され、第１接触器に電流が流れ得る状態において、第１の時間前から現時点までにおける第１電圧の減少量が第１閾値以上であり、かつ、第２の時間前から現時点までにおける第２電圧の減少量が第２閾値以上である場合に、第１接触器を開放する。第１接触器が開放された後に、接触器制御部は、第１接触器が開放された状態で、第２接触器が開放されている場合は第２接触器を投入し、第２接触器が投入されている場合は第２接触器が投入された状態を維持する。

本発明によれば、第１の時間前から現時点までにおける第１電圧の減少量が第１閾値以上であり、かつ、第２の時間前から現時点までにおける第２電圧の減少量が第２閾値以上である場合に、第１接触器を開放することで、突入電流抑制処理の精度を向上させることが可能である。

本発明の実施の形態に係る車両用制御装置の構成例を示すブロック図実施の形態における第１電圧の変化例を示す図実施の形態における第２電圧の変化例を示す図実施の形態における第１電圧の変動の例を示す図実施の形態における第２電圧の振動の例を示す図実施の形態に係る車両用制御装置が行う切り離し処理の一例を示すフローチャート実施の形態に係る車両用制御装置が行う投入処理の一例を示すフローチャート実施の形態に係る車両用制御装置の構成例を示すブロック図

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお図中、同一または同等の部分には同一の符号を付す。

図１は、本発明の実施の形態に係る車両用制御装置の構成例を示すブロック図である。車両用制御装置１は、フィルタコンデンサ１１、ならびに、フィルタコンデンサ１１の両端に一次側の正極端子および負極端子が接続され、入力される直流電力を変換して負荷装置に供給する電力変換部１２を備える。電力変換部１２は、例えばＶＶＶＦ（Variable Voltage Variable Frequency：可変電圧可変周波数）インバータである。図示しない電力変換部制御部が、電力変換部１２が有するスイッチング素子のオンオフを制御することで、電力変換部１２は、入力電力を変換して負荷装置に供給する。なお電力変換部１２は、双方向の電力変換を行ってもよい。

車両用制御装置１は、電気鉄道車両に搭載される。図１の例において、第１接触器４が投入され、第２接触器５が開放されている場合は、図示しない電力供給源から、架線２、集電装置３、第１接触器４、およびフィルタリアクトル７を介して車両用制御装置１に直流電力が入力される。集電装置３は、例えばパンタグラフである。電力供給源に接続される電力供給線は、架線２に限られず、例えば第三軌条でもよい。第三軌条から電力を取得する場合、集電装置３は、集電靴である。図１の例では、第１接触器４に並列に、第２接触器５および抵抗６が接続される。第２接触器５と抵抗６は、直列に接続される。第１接触器４が開放された状態で、第２接触器５が投入された場合は、電力供給源から、架線２、集電装置３、第２接触器５、抵抗６、およびフィルタリアクトル７を介して車両用制御装置１に直流電力が入力される。第２接触器５および抵抗６は、後述するように、電力変換部１２を電力供給源に電気的に接続する際に突入電流が発生することを抑制するために設けられている。図１の例では、車両用制御装置１が有する電力変換部１２は、負荷装置である電動機８に電力を供給する。

車両用制御装置１は、電力供給線の電圧である第１電圧を検出する第１電圧検出部１３、電力変換部１２の電力供給源の側の電圧である第２電圧を検出する第２電圧検出部１４、ならびに、第１電圧および第２電圧に基づいて、第１接触器４および第２接触器５を投入または開放する接触器制御部１５をさらに備える。図１の例では、第１電圧検出部１３は、第１接触器４の電力供給源の側の電圧である架線電圧を検出する。また第２電圧検出部１４は、フィルタコンデンサ１１の両端の電圧を検出する。接触器制御部１５は、第１接触器４が投入され、第１接触器４に電流が流れ得る状態において、第１の時間前から現時点までにおける第１電圧の減少量が第１閾値以上であり、かつ、第２の時間前から現時点までにおける第２電圧の減少量が第２閾値以上である場合に、第１接触器４を開放する。上記第１電圧の減少量は、第１の時間前における第１電圧から、現時点における第１電圧を減算した値である。上記第２電圧の減少量は、第２の時間前における第２電圧から、現時点における第２電圧を減算した値である。第１の時間の長さと第２の時間の長さとは同じでもよいし、異なってもよい。第１の時間および第２の時間の長さは、例えば数十ｍｓｅｃから数百ｍｓｅｃである。第１閾値および第２閾値は同じでもよいし、異なってもよい。第１閾値および第２閾値は、例えば数十Ｖから数百Ｖである。

例えば、電気鉄道車両の通常運転時には、第１接触器４が投入されていて、第２接触器５が開放されている。この場合に、実施の形態に係る車両用制御装置１が搭載される電気鉄道車両が無電区間に進入すると、第１接触器４が開放され、電力変換部１２は架線２から電気的に切り離される。その後、電気鉄道車両が電化区間に進入する際には、電力変換部１２は架線２から電気的に切り離されているため、電力変換部１２、電動機８等における突入電流の発生が抑制される。第１電圧および第２電圧の両方に基づいて、第１接触器４を投入または開放するため、突入電流抑制処理の精度が向上する。

図２は、実施の形態における第１電圧の変化例を示す図である。横軸が時間、縦軸が第１電圧ＥＳである。図３は、実施の形態における第２電圧の変化例を示す図である。横軸が時間、縦軸が第２電圧ＥＦＣである。図２および図３において現時点がｔ１である。図２および図３の例では、第１の時間の長さΔＴ１および第２の時間の長さΔＴ２は、同じである。現時点における第１電圧ＥＳがＥＳ１であり、第１の時間前における第１電圧ＥＳがＥＳ２である。したがって、第１の時間前から現時点までにおける第１電圧ＥＳの減少量ΔＥＳは、ＥＳ２−ＥＳ１である。また現時点における第２電圧ＥＦＣがＥＦＣ１であり、第２の時間前における第２電圧ＥＦＣがＥＦＣ２である。したがって、第２の時間前から現時点までにおける第２電圧ＥＦＣの減少量ΔＥＦＣは、ＥＦＣ２−ＥＦＣ１である。接触器制御部１５は、第１電圧ＥＳの減少量ΔＥＳが第１閾値Ｔｈ１以上であり、かつ、第２電圧ＥＦＣの減少量ΔＥＦＣが第２閾値Ｔｈ２以上である場合に、第１接触器４を開放する。

第１接触器４が開放された後に、接触器制御部１５は、第１接触器４が開放された状態で、第２接触器５が開放されている場合は第２接触器５を投入し、第２接触器５が投入されている場合は第２接触器５が投入された状態を維持する。第１接触器４が開放されていて、第２接触器５が投入されている状態において、集電装置３で取得された電力は、第２接触器５、抵抗６、およびフィルタリアクトル７を介して車両用制御装置１に入力される。抵抗６を通して車両用制御装置１に電力を供給することで、電力変換部１２を架線２に電気的に接続する際に、電力変換部１２、電動機８等における突入電流の発生が抑制される。

第１接触器４が開放された後に、接触器制御部１５は、第１電圧および第２電圧に基づいて、第１接触器４および第２接触器５の制御を行ってもよい。第１接触器４が開放された状態で、第１電圧検出部１３は、定められた間隔で第１電圧ＥＳを検出し、第２電圧検出部１４は、定められた間隔で第２電圧ＥＦＣを検出する。第１電圧ＥＳが第３閾値Ｔｈ３以上であり、かつ、第１電圧ＥＳから第２電圧ＥＦＣを減算した値が第４閾値Ｔｈ４以上である場合は、接触器制御部１５は、第１接触器４が開放された状態で、第２接触器５が開放されている場合は第２接触器５を投入し、第２接触器５が投入されている場合は第２接触器５が投入された状態を維持する。第１接触器４が開放されていて、第２接触器５が投入されている状態において、電力供給源から、架線２、集電装置３、第２接触器５、抵抗６、およびフィルタリアクトル７を介して車両用制御装置１に直流電力が入力される。抵抗６を通して車両用制御装置１に電力を供給することで、電力変換部１２を架線２に電気的に接続する際に、電力変換部１２、電動機８等における突入電流の発生が抑制される。その後、第１電圧ＥＳから第２電圧ＥＦＣを減算した値が第４閾値Ｔｈ４未満になると、接触器制御部１５は、第１接触器４を投入してから、第２接触器５を開放する。

第１電圧ＥＳが第３閾値Ｔｈ３以上であり、かつ、第１電圧ＥＳから第２電圧ＥＦＣを減算した値が第４閾値Ｔｈ４未満である場合は、接触器制御部１５は、第１接触器４を投入してもよい。すなわち、第１電圧ＥＳと第２電圧ＥＦＣとの電圧差が、突入電流が発生しない程度に小さい場合は、第２接触器５を投入することなく、第１接触器４を投入することができる。第２接触器５を投入することなく、第１接触器４を投入することで、電力供給源から、架線２、集電装置３、第１接触器４およびフィルタリアクトル７を介して車両用制御装置１に直流電力が入力される。第３閾値Ｔｈ３および第４閾値Ｔｈ４は、架線電圧の既定値、電力変換部１２の回路構成等に応じて定められる。

第１閾値Ｔｈ１は、例えば、電力供給源が一定の電力を供給しており、集電装置３が架線２に接触し、第１接触器４が投入されている状態において、第１電圧ＥＳにおいて生じる変動の最大幅より大きい。図４は、実施の形態における第１電圧の変動の例を示す図である。図の見方は、図２と同様である。架線電圧にノイズが含まれている場合、図４に示すように第１電圧ＥＳが変動する。第１閾値Ｔｈ１を、第１電圧ＥＳにおいて生じる変動の最大幅Ｖｆ１より大きく設定することで、突入電流抑制処理の精度を向上させることが可能である。Ｖｆ１は、例えば、試験走行、シミュレーション等に基づいて定めることができる。

第２閾値Ｔｈ２は、例えば、電力供給源が一定の電力を供給しており、集電装置３が架線２に接触し、第１接触器４が投入されている状態において、第２電圧ＥＦＣにおいて生じる変動の最大幅より大きい。図５は、実施の形態における第２電圧の振動の例を示す図である。図の見方は、図３と同様である。図５に示すように、電気鉄道車両の機械的振動に基づく外乱によって、フィルタコンデンサ１１の電圧が振動することがある。第２閾値Ｔｈ２を、第２電圧ＥＦＣにおいて生じる変動の最大幅Ｖｆ２より大きく設定することで、突入電流抑制処理の精度を向上させることが可能である。Ｖｆ２は、例えば、試験走行、シミュレーションなどに基づいて定めることができる。

図６は、実施の形態に係る車両用制御装置が行う切り離し処理の一例を示すフローチャートである。図６は、電力変換部１２を電力供給源から切り離す処理の一例を示す。第１接触器４が投入され、第１接触器４に電流が流れ得る状態において、第１電圧検出部１３は、第１電圧ＥＳを検出し、第２電圧検出部１４は、第２電圧ＥＦＣを検出する（ステップＳ１１）。第１の時間前から現時点までのΔＴ１における第１電圧ＥＳの減少量ΔＥＳが第１閾値Ｔｈ１以上であり、かつ、第２の時間前から現時点までのΔＴ２における第２電圧ＥＦＣの減少量ΔＥＦＣが第２閾値Ｔｈ２以上である場合に（ステップＳ１２；Ｙ）、接触器制御部１５は、第１接触器４を開放する（ステップＳ１３）。ステップＳ１３の処理が終わると、切り離し処理を終了する。ΔＥＳが第１閾値Ｔｈ１未満、またはΔＥＦＣが第２閾値Ｔｈ２未満である場合（ステップＳ１２；Ｎ）、ステップＳ１１に戻り、上述の処理を繰り返し行う。

図７は、実施の形態に係る車両用制御装置が行う投入処理の一例を示すフローチャートである。図７は、電力変換部１２を電力供給源に投入する処理の一例を示す。第１接触器４が開放された状態で、第１電圧検出部１３は、第１電圧ＥＳを検出し、第２電圧検出部１４は、第２電圧ＥＦＣを検出する（ステップＳ２１）。第１電圧ＥＳが第３閾値Ｔｈ３未満または第１電圧ＥＳから第２電圧ＥＦＣを減算した値が第４閾値Ｔｈ４未満である場合（ステップＳ２２；Ｎ）、ステップＳ２１に戻って、ステップＳ２１の処理を繰り返す。第１電圧ＥＳが第３閾値Ｔｈ３以上であって、第１電圧ＥＳから第２電圧ＥＦＣを減算した値が第４閾値Ｔｈ４以上である場合は（ステップＳ２２；Ｙ）、接触器制御部１５は、第１接触器４が開放された状態で、第２接触器５を投入する（ステップＳ２３）。第１電圧ＥＳから第２電圧ＥＦＣを減算した値が第４閾値Ｔｈ４以上である間は（ステップＳ２４；Ｙ）、ステップＳ２４の処理を繰り返す。第１電圧ＥＳから第２電圧ＥＦＣを減算した値が第４閾値Ｔｈ４未満になると（ステップＳ２４；Ｎ）、接触器制御部１５は、第１接触器４を投入する（ステップＳ２５）。

車両用制御装置１が、図６に示す切り離し処理、および図７に示す投入処理を行うことで、突入電流抑制処理の精度を向上させることが可能である。

図８は、実施の形態に係る車両用制御装置の構成例を示すブロック図である。車両用制御装置１の構成は、図１の例と同じである。第１接触器４および第２接触器５の配置は、図１の例に限られず、図８に示す位置に設けてもよい。図８の例において、第１接触器４および第２接触器５が投入されている場合は、電力供給源から、架線２、集電装置３、第１接触器４、第２接触器５、およびフィルタリアクトル７を介して車両用制御装置１に直流電力が入力される。接触器制御部１５は、第１接触器４が投入され、第１接触器４に電流が流れ得る状態で、第１の時間前から現時点までにおける第１電圧の減少量が第１閾値Ｔｈ１以上であり、かつ、第２の時間前から現時点までにおける第２電圧の減少量が第２閾値Ｔｈ２以上である場合に、第１接触器４および第２接触器５を開放する。図８の例において、第１接触器４が投入され、第１接触器４に電流が流れ得る状態とは、第１接触器４および第２接触器５が投入された状態である。上述の例と同様に、第１接触器４が開放された後に、接触器制御部１５は、第１接触器４が開放された状態で、第２接触器５を投入する。

第１接触器４が開放された後に、接触器制御部１５は、第１電圧および第２電圧に基づいて、第１接触器４および第２接触器５の制御を行ってもよい。第１接触器４および第２接触器５が開放された状態で、第１電圧ＥＳが第３閾値Ｔｈ３以上であり、かつ、第１電圧ＥＳから第２電圧ＥＦＣを減算した値が第４閾値Ｔｈ４以上である場合は、接触器制御部１５は、第１接触器４が開放された状態で、第２接触器５を投入する。第１接触器４が開放された状態で、第２接触器５を投入することで、電力供給源から、架線２、集電装置３、抵抗６、第２接触器５、およびフィルタリアクトル７を介して車両用制御装置１に直流電力が入力される。抵抗６を通して車両用制御装置１に電力を供給することで、電力変換部１２、電動機８等における突入電流の発生が抑制される。その後、第１電圧ＥＳから第２電圧ＥＦＣを減算した値が第４閾値Ｔｈ４未満になると、接触器制御部１５は、第１接触器４を投入する。

第１電圧ＥＳが第３閾値Ｔｈ３以上であり、かつ、第１電圧ＥＳから第２電圧ＥＦＣを減算した値が第４閾値Ｔｈ４未満である場合は、接触器制御部１５は、第１接触器４および第２接触器５を投入する。第１接触器４および第２接触器５を投入することで、電力供給源から、架線２、集電装置３、第１接触器４、第２接触器５、およびフィルタリアクトル７を介して車両用制御装置１に直流電力が入力される。

以上説明したとおり、本実施の形態に係る車両用制御装置１によれば、第１の時間前から現時点までにおける第１電圧の減少量が第１閾値以上であり、かつ、第２の時間前から現時点までにおける第２電圧の減少量が第２閾値以上である場合に、第１接触器４を開放することで、突入電流抑制処理の精度を向上させることが可能である。

本発明は、上述の実施の形態に限られない。上述の回路構成は一例である。

本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。すなわち、本発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。

１車両用制御装置、２架線、３集電装置、４第１接触器、５第２接触器、６抵抗、７フィルタリアクトル、８電動機、１１フィルタコンデンサ、１２電力変換部、１３第１電圧検出部、１４第２電圧検出部、１５接触器制御部。

Claims

電力供給源から、前記電力供給源に接続される電力供給線、および、第１接触器または前記第１接触器に並列に設けられる抵抗を介して入力される直流電力を変換して負荷装置に供給する電力変換部と、
前記電力供給線の電圧である第１電圧を検出する第１電圧検出部と、
前記電力変換部の前記電力供給源の側の電圧である第２電圧を検出する第２電圧検出部と、
前記第１電圧および前記第２電圧に基づいて、前記第１接触器ならびに、前記第１接触器に並列に接続され、前記抵抗に直列に接続される位置、または、前記第１接触器および前記抵抗より前記電力変換部の側で前記第１接触器および前記抵抗に直列に接続される位置に設けられる第２接触器を投入または開放する接触器制御部と、
を備え、
前記接触器制御部は、前記第１接触器が投入され、前記第１接触器に電流が流れ得る状態において、第１の時間前から現時点までにおける前記第１電圧の減少量が第１閾値以上であり、かつ、第２の時間前から前記現時点までにおける前記第２電圧の減少量が第２閾値以上である場合に、前記第１接触器を開放し、
前記第１接触器が開放された後に、前記接触器制御部は、前記第１接触器が開放された状態で、前記第２接触器が開放されている場合は前記第２接触器を投入し、前記第２接触器が投入されている場合は前記第２接触器が投入された状態を維持する、
車両用制御装置。
電力供給源から、前記電力供給源に接続される電力供給線、および、第１接触器または前記第１接触器に並列に設けられる抵抗を介して入力される直流電力を変換して負荷装置に供給する電力変換部と、
前記電力供給線の電圧である第１電圧を検出する第１電圧検出部と、
前記電力変換部の前記電力供給源の側の電圧である第２電圧を検出する第２電圧検出部と、
前記第１電圧および前記第２電圧に基づいて、前記第１接触器ならびに、前記第１接触器に並列に接続され、前記抵抗に直列に接続される位置、または、前記第１接触器および前記抵抗より前記電力変換部の側で前記第１接触器および前記抵抗に直列に接続される位置に設けられる第２接触器を投入または開放する接触器制御部と、
を備え、
前記接触器制御部は、前記第１接触器が投入され、前記第１接触器に電流が流れ得る状態において、第１の時間前から現時点までにおける前記第１電圧の減少量が第１閾値以上であり、かつ、第２の時間前から前記現時点までにおける前記第２電圧の減少量が第２閾値以上である場合に、前記第１接触器を開放し、
前記接触器制御部は、前記第１接触器が開放された後に、前記第１電圧が第３閾値以上であり、かつ、前記第１電圧から前記第２電圧を減算した値が第４閾値以上である場合に、前記第１接触器が開放された状態で、前記第２接触器が開放されている場合は前記第２接触器を投入し、前記第２接触器が投入されている場合は前記第２接触器が投入された状態を維持する、
車両用制御装置。
前記第１閾値は、前記電力供給源が一定の電力を供給しており、前記電力供給線から前記直流電力を取得する集電装置と前記電力供給線が接触し、前記第１接触器が投入されている状態において、前記第１電圧に生じる変動の最大幅より大きい、
請求項１または２に記載の車両用制御装置。
前記第２閾値は、前記電力供給源が一定の電力を供給しており、前記電力供給線から前記直流電力を取得する集電装置と前記電力供給線が接触し、前記第１接触器が投入されている状態において、前記第２電圧に生じる変動の最大幅より大きい、
請求項１から３のいずれか１項に記載の車両用制御装置。
電力供給源から、前記電力供給源に接続される電力供給線、および、第１接触器または前記第１接触器に並列に設けられる抵抗を介して直流電力が入力される電力変換部を有する車両用制御装置が行う突入電流抑制方法であって、
前記電力供給線の電圧である第１電圧を検出し、
前記電力変換部の前記電力供給源の側の電圧である第２電圧を検出し、
前記第１電圧および前記第２電圧に基づいて、前記第１接触器ならびに、前記第１接触器に並列に接続され、前記抵抗に直列に接続される位置、または、前記第１接触器および前記抵抗より前記電力変換部の側で前記第１接触器および前記抵抗に直列に接続される位置に設けられる第２接触器を投入または開放し、
前記第１接触器が投入され、前記第１接触器に電流が流れ得る状態において、第１の時間前から現時点までにおける前記第１電圧の減少量が第１閾値以上であり、かつ、第２の時間前から前記現時点までにおける前記第２電圧の減少量が第２閾値以上である場合に、前記第１接触器を開放し、
前記第１接触器が開放された後に、前記第１接触器が開放された状態で、前記第２接触器が開放されている場合は前記第２接触器を投入し、前記第２接触器が投入されている場合は前記第２接触器が投入された状態を維持する、
突入電流抑制方法。