JPH061926B2 - 電気車制動制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、電動機を発電機として動作させて電気ブレー
キを作用させ、下り勾配でほぼ一定速度で走行し得るよ
うにした電気車制動制御装置に関するものである。

（従来の技術） 比較的長い距離、たとえば約１kmを超えるような連続し
た距離の下り勾配がある場合、弱いブレーキをかけ続
け、ほぼ一定の速さで走行できるように制御するブレー
キを一般に抑速ブレーキと呼んでいる。この抑速ブレー
キの方法として、発電ブレーキの負荷抵抗値を主幹制御
器のノッチで選択するものや、電動機の界磁を連続制御
しているものなどがある。このような方法において、下
り勾配による列車の加速力と、ブレーキによる抵抗力と
がバランスすれば、列車は一定速度で運転され安全であ
る。

一定速度で運転する方法の一つとして電気車速度を車軸
回転数または減速歯車部で単位時間当たりの通過歯数計
測などで算出し、これと、運転士または自動運転装置か
ら指令される指令速度を比較する方式がある。この方式
の場合、電気車速度を一列車中のたとえば先頭車の１軸
分で検出する方法や、各制御装置のある車両ごとに検出
し、一番高い値として検出された速度を用いる方法など
がある。

しかし、一列車中に複数台の制御装置がある場合、それ
ぞれ独立に速度検出していると、実際は一列車はすべて
同一の速度であるにもかかわらず、車輪径の差によっ
て、車軸回転数にも差を生じ、車軸回転数によって速度
を算出する方法では車輪径差の影響を受け、制御装置ご
とに指令速度と、検出された列車速度の差をみると、あ
るものは指令速度より検出された列車速度が低く、ある
ものでは逆に指令速度より、検出された列車速度の方が
高いという不都合を生ずる。このため、指令速度と検出
された列車速度を比較する方式では、その差速度を算出
する際、種々の方法が考案され、列車編成ならびに故障
に対する考え方の相違などより選択され、実用化されて
いる。

たとえば、列車速度を１個所でしか検出しないもの、数
個所で検出し最高値を用いるもの、各制御装置ごとに差
速度を算出し、その平均をとるもの、あるいは、もっと
も安全側となるよう指令速度に対して列車速度を高目と
して差速度が算出されたものをとるものなどである。

第１図は、１個所でしか列車速度を検出しない従来方式
の制御系統図である。図中１は指令速度発生部、２は列
車速度検出用のパルス発生部、これは一般に速度発電部
といわれる（以下、速度発電部という）、３は周波数ま
たはパルス数を直流電圧に変換するＦ−DC変換器、４は
指令速度と列車速度を比較する比較器、５は増幅器、６
および７は編成中の制御装置、８は引通し線である。

制御装置６，７は、引通し線８の電圧を受けて、回生ブ
レーキ力などを加減するものである。

この第１図では省略しているが、電気車では、通常の力
行、惰行、ブレーキの制御のための引通し線や、主幹制
御器、ブレーキ弁など抑速ブレーキがなくても必要な機
器がある。これに対して抑速ブレーキ付電気車では、第
１図に示す如く機器が増設されるので価格上昇のほか、
引通し線８のようにアナログ量を引通し、ノイズに弱く
なるなどの欠点もあった。指令速度発生部１は運転台に
おかれるので、速度発電部２、Ｆ−DC変換器３、比較器
４なども運転台付の車両に設けられるのが配線が短くて
よい。しかし編成中に何個所も運転台がある場合、すな
わち、分割併合をよく行う列車では、数置数が増し、不
経済なものとなる。

第２図は直流直巻電動機を用いた電気車の簡略回路図で
ある。１０は界磁制御装置で、その一例としてサイリス
タ式のものを図示してあり、サイリスタ16A,16B、逆流
阻止ダイオード17A,17B、並列ダイオード18及び交流電
源15により構成されている。11は集電器、12は直流直巻
電動機であり、12Aはその電機子、12Bは同じく界磁、13
は接触器、14は分路リアクタ、19は電機子電流検出器、
20は界磁電流検出器、21はゲート制御器である。電機子
電流検出器19で検出された電機子電流をＩＡ、界磁電流
検出器20で検出された界磁電流をＩＦ、ゲート制御器21
の出力をG1,G2で示している。ゲート制御器の詳細（制
御フローチャート）を除き、第２図の簡略回路図は、従
来のものであると共に本発明にも適用される。

次で第２図の回路動作を説明する。

本図では、起動抵抗器は既に短絡された状態を示し、起
動抵抗器およびその短絡接触器は図示を省略してある。
交流電源15の電圧は界磁電流制御用のため電車線電圧よ
りはるかに低い値であるので、接触器13が開の状態では
電機子電流をサイリスタ16A,16Bの制御によって変化さ
せることはできず、電機子電流と界磁電流は等しく、並
列ダイオード18を通して電機子電流は流れ、特性として
は直巻電動機の全界磁特性となる。

接触器13を閉じたときに、サイリスタ16A,16Bを不導通
にしておくと、分路リアクタ14で電機子電流が分路さ
れ、弱界磁特性となる。接触器13を閉じた状態でサイリ
スタ16A,16Bのゲート位相を制御すると交流電源15より
逆流阻止ダイオード17Aまたは17B→分路リアクタ14→接
触器13→界磁12B→界磁電流検出器20→サイリスタ16Bま
たは16A→交流電源15の回路で、界磁電流を追加するこ
とが出来、この追加量を充分大きくすると、電機子の発
生電圧は、電車線電圧よりも高くして回生ブレーキ状態
とすることもできる。回生ブレーキ状態となったときに
は電機子電流は接地部→分路リアクタ14→接触器13→電
機子電流検出器19→電機子12A→集電器11と流れる。

ゲート制御器21は、界磁電流検出器20及び電機子電流検
出器19で検出された界磁電流ＩＦ及び電機子電流ＩＡを
受け、更に図示を省略した制御条件を受けて、ゲート信
号G1,G2を発し、電動機界磁電流を連続的に広範に制御
する。

第３図は上述の回路を有する電気車の電動機の特性曲線
である。縦軸は速度、横軸は電機子電流で、実線Ａ−
Ａ′は全界磁特性、Ｂ−Ｂ′は第２図の接触器13が閉じ
た弱界磁特性、一点鎖線は界磁電流をパラメータとして
示した電機子電流−速度特性であり、界磁電流を弱める
と上方のＦ−Ｆ′の方向に、強めるとＣ−Ｃ′方向に特
性は変わる。この第３図に着目すると回生ブレーキ中、
界磁電流一定にしておくと、速度が僅かに変わると電機
子電流が大きく変化し、抑速ブレーキのように、速度を
ほぼ一定に保ちたい場合に適した特性が界磁電流を一定
に保つことで得られることがわかる。

（発明が解決しようとする問題点） 第１図に示した既知の装置において、速度発電部２は、
振動の多い部分たとえば車軸端に設けられ、その配線を
含めて保守しにくいため、速度発電部２の不要な方式と
したい。速度発電部２がなくても、複数台の制御装置が
ばらばらな動きをして、負荷分担が不都合にならぬよう
にしなければならない。

引通し線８のようなアナログの引通し線はやめたい。

第２図、第３図で、制御装置が何台もある場合、各制御
装置によって制御される電動機が装荷されている台車の
車輪径値が最大10％程度異なることがあり、界磁電流一
定とした場合、列車速度は編成内同一であるにもかかわ
らず、電動機速度（回転数）には10％程度の差を生じ、
電機子電流には大きな差を生じてしまう。

界磁電流と電機子電流の比率を一定に制御すれば電機子
電流アンバランスは減るが、速度を一定に保つ作用は悪
くなる。

本発明はこれらの各問題を解決しようとするものであ
る。

（問題点を解決するための手段） まず、指令速度を与えることをやめ、抑速ブレーキ指令
を発したときの現状速度維持方式とする。これによって
少なくとも指令はディジタル化される。

抑速ブレーキ指令中も通常の減速に用いるブレーキ弁に
よって、有段階のブレーキ力指令を発し、このブレーキ
力がガイドラインとして各制御装置を作用させる。これ
によって負荷分担を適正化する。

すなわち、電機子電流のアンバランスを防ぐため、抑速
ブレーキ指令が発せられたら、あらかじめブレーキノッ
チに応じたブレーキ力になるように回生ブレーキ力を合
せ、その時の界磁電流値を検出し、各ゲート制御器で記
憶させる。この記憶値を界磁電流の指令値とする。こう
すれば、その時の列車速度にみあった界磁電流で回生ブ
レーキ力が、各電動機間でバランスしたことになり、車
輪径差による電機子電流の大きなアンバランスを避ける
ことが出来、速度発電部なしで抑速ブレーキによる定速
度運転が実用化できる。必要とされる抑速ブレーキ力の
範囲がせまい場合には、抑速ブレーキ指令のみで、一定
の回生ブレーキ力を一旦指令し、ブレーキノッチを省略
することは可能である。

（実施例の説明） 第４図は本発明の要点を説明するゲート制御器21の制動
制御フローチャートである。

図示していない運転台の主幹制御器、ブレーキ弁または
制御スイッチなど抑速ブレーキ指令器Ｙで、抑速ブレー
キ指令が発せられると、本フローチャートに示すよう
に、ブレーキノッチに応じたブレーキ力を算出し、これ
を仮にＢＥ_０として抑速ブレーキ力の下限値とする。

一方、第２図の界磁電流ＩＦ、電機子電流ＩＡより回生
ブレーキ力を算出し、これを仮にＲＢとする。この回生
ブレーキ力と、先に算出された抑速ブレーキ力の下限値
ＢＥ_０とを比較して界磁電流を制御する。抑速ブレーキ
中に勾配変動などによって必要なブレーキ力の下限値を
ブレーキ力の指令値ＢＥ_０と選び、所要変動幅をあらか
じめ求めてこれをＢＥ₀₀とする。ＢＥ₀₀は設計的に選び
うる値である。即ちＲＢ＜ＢＥ_０なら界磁電流ＩＦを増
し、ＲＢ＝ＢＥ_０の点で界磁電流ＩＦを一定にする。抑
速ブレーキ指令がきたときに既に強いブレーキが作用し
ており、ＲＢ＞ＢＥ₀＋ＢＥ₀₀であったならＲＢ＝ＢＥ
_０＋ＢＥ₀₀となるまで界磁電流ＩＦを減じ、ＲＢ＝ＢＥ
_０＋ＢＥ₀₀の点で界磁電流ＩＦを一定とする。すなわち
抑速ブレーキ力の上限値を（ＢＥ_０＋ＢＥ₀₀）とする。

勾配が大きく変化する場合には、ブレーキノッチを変え
て抑速ブレーキ力の下限値ＢＥ_０を変化させ、列車の加
速しすぎ、減速しすぎを防ぐようにすればよい。

第５図は、上の説明に対応した電機子電流制御特性であ
る。第３図と同様縦軸は、速度、横軸は電機子電流、Ｃ
−Ｃ′，Ｄ−Ｄ′，Ｅ−Ｅ′，Ｆ−Ｆ′，Ｆ₁−Ｆ₁′は
界磁電流をパラメータとした電機子電流−速度特性であ
る。第４図の説明における抑速ブレーキ力の下限値ＢＥ
_０すなわち回生ブレーキ力の制御下限値に相当する電機
子電流がＱ₁′−Ｑ₁、同じく回生ブレーキ力の制御上限
値（ＢＥ_０＋ＢＥ₀₀）に相当する電機子電流がＱ₂′−
Ｑ₂である。もし惰行中あるいは弱いブレーキ中、ある
いは、抑速ブレーキ力の下限値ＢＥ_０にみあったブレー
キが作用中S1の速度で抑速指令が発せられると、電機子
電流がＱ₁′−Ｑ₁上の点P1になるように界磁電流が強制
され、以後勾配の増加などで速度が僅かに増加すれば電
機子電流はＦ−Ｆ′の上を推移する。一方S1の速度で抑
速指令が発せられたとき、点P4以上の電機子電流が流れ
ている状態あるいはＱ₂′−Ｑ₂の線上でブレーキが作用
している状態では、まず電機子電流がＱ₂′−Ｑ₂上の点
P2になるように界磁電流が調整され、以後速度が僅かに
減少すれば電機子電流はＦ₁′−Ｆ₁の上を推移する。抑
速指令が発せられたとき、電機子電流がＱ₁−Ｑ₁′とＱ
₂−Ｑ₂′の間、即ち速度S1ではP1-P4の間にあれば、以
後そのときの界磁電流に対する電機子電流特性上を推移
する。勾配がゆるやかすぎれば抑速ブレーキ力の下限値
ＢＥ_０でも減速するし、勾配が急すぎれば抑速ブレーキ
力の上限値ＢＥ_０＋ＢＥ₀₀でも加速してしまうので、勾
配が大幅に変わる線区に投入される車両では、ブレーキ
ノッチによってＢＥ_０の値を数段選べるようにするか、
ＢＥ_０を小さくしてＢＥ₀₀の値を大きく選ぶ必要があ
る。ＢＥ₀₀を大きく選ぶと、第５図中のP3,P2に対応し
た速度の差は比較的大きくなる。

抑速指令が発せられてからＱ₁−Ｑ₁′あるいはＱ₂−
Ｑ₂′に電機子電流が移るように界磁電流が調整される
が、各ゲート制御器ごとに若干の時間差が或る分、僅か
に列車速度が異なり、それぞれのゲート制御器ごとに界
磁電流一定制御に入る時間は異なるが、これによる速度
のずれは僅かである。

（発明の効果） 第４図、第５図によって説明したように抑速ブレーキ指
令が発せられた時に回生ブレーキ力をあらかじめ計画さ
れた所定値に合せ、そのときの界磁電流を以後保つこと
によって抑速ブレーキに適した定速制御が速度計発電部
を用いることなく実現でき、しかも電機子電流の電動機
相互間の差も殆ど生じないようにすることができ、経済
的な抑速ブレーキ制御装置を提供できる。

以上説明した本発明は、定速制御中は界磁電流が一定値
になるものであるが、電車線電圧が変動した場合には、
電機子電流が下限値Ｑ₁−Ｑ₁′上限値Ｑ₂−Ｑ₂′をこえ
ようとするのを引き戻すことによって自動的に新しい界
磁電流に再設定される。なお、第３図及び第５図は電車
線電圧は一定として書かれている。

本発明の界磁電流の代わりに、電動機発生電圧、界磁電
流より速度を算出して用いること、あるいは界磁電流
や、今説明した速度の算出時点を、回生ブレーキ力を所
定値に合わせた時点とする代わりに、簡易化して、電機
子電流を所定値に合わせる方法も許容される。

更に、電車線電圧が高すぎて、回生ブレーキ力が所定の
下限値に達しない場合は空気ブレーキを補足することを
併用することもできる。

主電動機は直流直巻電動機ではなく、複巻電動機とする
ことも可能であることは当然である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来方式の制御系統図、 第２図は従来方式および本発明の簡略回路図、 第３図は従来方式の特性曲線、 第４図は本発明の制御フローチャート、 第５図は本発明の電機子電流制御特性である。 なお、第３図、第５図の一点鎖線は界磁電流をパラメー
タとした特性である。 １…指令速度発生部 ２…列車速度検出用のパルス発生部 ３…F-DC変換器 ４…比較器 6,7…制御装置 10…界磁制御装置 11…集電器 12…直流直巻電動機 12A…直流直巻電動機の電機子 12B…直流直巻電動機の界磁 13…接触器 14…分路リアクタ 15…交流電源 16A,16B…サイリスタ 17A,17B…逆流阻止ダイオード 18…並列ダイオード 19…電機子電流検出器 20…界磁電流検出器 21…ゲート制御器 ＩＡ…電機子電流 ＩＦ…界磁電流 ＲＢ…回生ブレーキ力 ＢＥ_０…抑速ブレーキ力の下限値 ＢＥ_０＋ＢＥ₀₀…抑速ブレーキ力の上限値

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】抑速ブレーキ指令器（Ｙ）と、電機子電流
   検出器(19)と、界磁電流検出器(20)と、ゲート制御器(2
   1)とを有する電気車制動制御装置であって、 電気車は、主電動機(12)と、ゲート制御器(21)によって
   制御される界磁制御装置(10)とを有して、力行および抑
   速回生ブレーキを含む制動制御を行うものであり、 ゲート制御器(21)は、抑速ブレーキ指令器（Ｙ）から与
   えられる抑速ブレーキ指令とブレーキノッチの信号と、
   電機子電流検出器(19)及び界磁電流検出器(20)の出力と
   を入力し、抑速ブレーキ力の下限値（ＢＥ₀）を、抑速
   ブレーキ指令器（Ｙ）から抑速ブレーキ指令を受けた時
   のブレーキノッチに応じてあらかじめ定められた値に設
   定し、抑速ブレーキ力の上限値を、抑速ブレーキ力の下
   限値（ＢＥ₀）にあらかじめ定められた抑速ブレーキ力
   の所要変動幅（ＢＥ₀₀）を加算した値に設定し、 回生ブレーキ力（ＲＢ）を算出し、その回生ブレーキ力
   （ＲＢ）の算出値と抑速ブレーキ力の上限値（ＢＥ₀＋
   ＢＥ₀₀）とを比較して、 （ＲＢ）＞ （ＢＥ₀＋ＢＥ₀₀）である時には、 界磁電流値を弱める指令を発し、 （ＲＢ）＝（ＢＥ₀＋ＢＥ₀₀）、または （ＲＢ）＜（ＢＥ₀＋ＢＥ₀₀）である時には、 界磁電流を変化させない指令を発し、 回生ブレーキ力（ＲＢ）と抑速ブレーキ力の下限値（Ｂ
   Ｅ₀）とを比較して、 （ＲＢ）＜（ＢＥ₀）である時には、 界磁電流値を強める指令を発し、 （ＲＢ）＝（ＢＥ₀）、または （ＲＢ）＞（ＢＥ₀）である時には、 界磁電流値を変化させない指令を発して、回生ブレーキ
   力（ＲＢ）を制御する 電気車制動制御装置。
2. 【請求項２】ゲート制御器(21)は、回生ブレーキ力（Ｒ
   Ｂ）が、 （ＲＢ）＝（ＢＥ₀＋ＢＥ₀₀）、または （ＲＢ）＝（ＢＥ₀）、または （ＢＥ₀＋ＢＥ₀₀）＞（ＲＢ）＞（ＢＥ₀） であるように制御された時に電気車の速度を計算し、そ
   の速度を維持し続けるよう回生ブレーキ力を制御する 特許請求の範囲第１項記載の電気車制動制御装置。