JPWO2011074045A1 - 電気車の駆動制御装置 - Google Patents

Abstract

課題 回生ブレーキ作動中に回生負荷が不足した場合であっても、電気車の減速度の変動を小さくし、乗り心地を改善すること。解決手段 この発明に係る電気車の駆動制御装置１は、直流電力の接続又は開放を行う開閉部４と、入力側の２端子間に開閉部を介して直流電力が入力され、スイッチング動作により直流電力を交流電力に変換して、出力側に接続された交流回転機１３を駆動する電力変換部５と、前記２端子間の電圧を検出する電圧検出部１５とを備えている。また、電圧検出部の検出電圧が所定の開放電圧を超えた時に、開閉部を開とし、０より長いランプ低減期間を有する所定の低減パターンにて交流回転機による回生ブレーキ力を低減させるように電力変換部を制御する電力制御部１４を備えたことを特徴とする。選択図 図１

Description

この発明は、電気車の推進制御に供される駆動制御装置に関するものである。

一般に電気車は、架線からの電力を集電装置で取り入れ、この取り入れた電力を使用してインバータ回路等を用いた駆動制御装置で交流回転機を駆動して走行する構成としている。また、車両にブレーキをかけるときは、交流回転機を回生運転してブレーキ力を得るいわゆる回生ブレーキが用いられる。このとき発生する回生電力は、架線や第三軌条を介して、自車付近に存在する他の力行車両や自車車両の負荷へ供給され、そこで消費されることになる。

しかし、早朝、夜間や、列車の運行本数の少ない閑散線区では、自車付近に他の車両が存在しない場合もあり、この場合には回生負荷が不足するため回生ブレーキにより発生した回生電力が十分に消費されないことがある。他の車両で消費される電力よりも自車の回生電力が大きくなると架線電圧が上昇することになり、架線に接続される種々の機器を過電圧でトリップさせ、又は破損する恐れがある。

従って電気車に搭載されるインバータ回路は架線電圧等（架線電圧又は架線電圧に相当する例えばインバータ回路の入力側のフィルタコンデンサ電圧）を検出する電圧検出部を有しており、またインバータ回路の入力側に過電圧抑制部であるスイッチング素子及び過電圧抑制抵抗が接続された主回路構成となっており、架線電圧等が上昇して所定値を超過した場合に、インバータ回路の動作を停止させ、架線と接続する開閉部を開にすると同時に、過電圧抑制部のスイッチング素子を連続導通状態としてフィルタコンデンサに充電された電荷を放電する制御を行い、機器の過電圧保護を行っていた（例えば、特許文献１）。

特開２００８−１８９１９８（３−５頁、図２）

このような主回路構成のシステムの動作について、図５に基づいて説明する。回生負荷の不足により架線電圧等（ＥＦＣ）が所定の開放電圧（Ｖ３）を超えた時にインバータ回路（ＩＮＶ）の動作が即座に停止（ＯＦＦ）され、断流器（ＬＢ）を開（ＯＦＦ）として架線と切り離すと同時に、過電圧抑制部のスイッチング素子（ＳＷ）を連続導通状態（ＯＮ）とし、フィルタコンデンサに充電された電荷が放電される。回生ブレーキ（ＢＴ）は架線電圧等が規定値を超えるまでは作用しているが、この規定値を超えた時にインバータ回路（ＩＮＶ）が動作を停止するため、交流回転機の電流（ＩＭ）、及び回生ブレーキ力（ＢＴ）が瞬間的に喪失される。

電気車は回生ブレーキを優先して使用し、運転台からのブレーキ指令に対して回生ブレーキで不足する場合は、この不足量を計算し機械ブレーキ（ＢＭ）がこの不足量を補う仕組みとなっている。しかしながら、機械ブレーキは空気圧によりブレーキシューを車輪等に押し当てて摩擦力によりブレーキ力を得る構成であるので、機械ブレーキが十分に作用するまでに時間を要する。通常の電気車の運転において、回生ブレーキをオフして機械ブレーキに移行するときは、回生ブレーキ力を徐々に減少させ、この間に機械ブレーキ力が徐々に立ち上がることにより、電気車としてのブレーキ力がほぼ一定になるように保つことができるが、上記のように瞬間的に回生ブレーキ力が喪失された場合には、機械ブレーキが作用するまでの間に電気車の総合ブレーキ力（Ｂｔｏｔａｌ）が不足するため、減速度が急激に低下する現象が発生する。このような場合、減速度の変動により車両の乗り心地が悪化したり、制動距離が伸びたりするという問題があった。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、回生ブレーキ作動中に回生負荷が不足した場合であっても、電気車の減速度の変動を小さくし、乗り心地を改善することができる電気車の駆動制御装置を提供するものである。

この発明に係る電気車の駆動制御装置は、直流電力の接続又は開放を行う開閉部と、入力側の２端子間に開閉部を介して直流電力が入力され、スイッチング動作により直流電力を交流電力に変換して、出力側に接続された交流回転機を駆動する電力変換部と、前記２端子間の電圧を検出する電圧検出部とを備えている。
また、電圧検出部の検出電圧が所定の開放電圧を超えた時に、開閉部を開とし、０より長いランプ低減期間を有する所定の低減パターンにて交流回転機による回生ブレーキ力を低減させるように電力変換部を制御する電力制御部を備えたことを特徴とする。

この発明に係る電気車の駆動制御装置によると、電力制御部は電圧検出部の検出電圧が所定の開放電圧を超えた時に、０より長いランプ低減期間を有する所定の低減パターンにて交流回転機による回生ブレーキ力を低減させるように電力変換部を制御するので、この低減期間において機械ブレーキによるブレーキ力が立ち上がることができるため、回生ブレーキ作動中に回生負荷が不足した場合であっても、電気車の減速度の変動を小さくし、乗り心地を改善することができる。

本発明の実施の形態１による電気車の駆動制御装置の構成例を示す図である。 本発明の実施の形態１による電気車の駆動制御装置において、電力制御部の構成例を示す図である。 本発明の実施の形態１による電気車の駆動制御装置において、検出電圧（ＥＦＣ）上昇時の各機器の動作を示す図である。 回生ブレーキ（ＢＴ）のランプ低減期間を変えた場合の回生ブレーキ力（ＢＴ）、機械ブレーキ力（ＢＭ）、及び総合ブレーキ力（Ｂｔｏｔａｌ）の動作を示す図である。 従来の電気車の駆動制御装置において、検出電圧（ＥＦＣ）上昇時の各機器の動作を示す図である。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る電気車の駆動制御装置１の構成例を示す図である。図１に示すように、図示しない変電所からの直流電力は、架線２に集電装置３を接触させて駆動制御装置１に入力される。この直流電力の接続又は開放を行う開閉部である断流器４を介して、前記直流電力は電力変換部であるインバータ回路５に入力される。駆動制御装置１からのリターン電流は車輪６を経由してレール７に流れ、図示しない変電所の負側に戻る。

駆動制御装置１には、リアクトル８とフィルタコンデンサ９からなる入力フィルタと、回生ブレーキ作動中に回生負荷が不足して入力電圧が異常に上昇した場合にインバータ回路５を保護すると同時に、入力電圧上昇時に断流器４を開にした場合であってもインバータ回路５が動作しうる電圧を保持するためのコンデンサ電圧調整部１０が設けられており、このコンデンサ電圧調整部１０は、リアクトル８の後段に接続されたスイッチング素子１１と放電抵抗器１２とから構成される。

また、電力変換部であるインバータ回路５としては、電圧形ＰＷＭインバータ回路が好適であるが、その回路構成は公知であるので詳細な説明は割愛する。インバータ回路５はスイッチング動作により直流電力を交流電力に変換して、出力側に接続された交流回転機１３を駆動する。また、インバータ回路５と交流回転機１３との組み合わせは、交流回転機１３を発電機として作動させて運動エネルギーを電気エネルギーに変換して回収することにより、電気車に制動をかける回生ブレーキとしても用いることができる。

駆動制御装置１には電力制御部１４が設けられており、電圧検出部１５から出力されるフィルタコンデンサ９に印加されている検出電圧ＥＦＣ、及び交流回転機１３の電流ＩＭが少なくとも入力され、断流器４の制御信号ＬＯＮ、スイッチング素子１１への制御信号ＯＶ、インバータ回路５の内部のスイッチング素子への制御信号ＧＩ、ブレーキ制御部１６への回生ブレーキ力信号ＢＴを出力する。ここで、フィルタコンデンサ９に印加されている電圧ＥＦＣはインバータ回路５の入力端子間電圧に等しい。また、回生ブレーキ力信号ＢＴは、回生ブレーキを動作させている期間における交流回転機１３の出力状態を示すものである。スイッチング素子１１への制御信号ＯＶ及びインバータ回路５の内部のスイッチング素子への制御信号ＧＩの生成方法については、後に詳細に説明する。

ブレーキ制御部１６は図示しない外部の運転台からのブレーキ力指令信号ＢＲＥＦと電力制御部１４からの回生ブレーキ力信号ＢＴとを用いて、運転台からのブレーキ力指令信号ＢＲＥＦに対して回生ブレーキ力信号ＢＴが不足する場合には、不足するブレーキ力を計算し、機械ブレーキによって車輪６への機械ブレーキ力を作用させる。機械ブレーキは空気圧を使用して作用するため、ブレーキ力が十分に立ち上がるには空気配管内を空気圧の変化が伝播する時間を要するのが一般的である。この時間は空気配管の長さ等により変化するが、通常２００ミリ秒〜２秒程度である。

次に本発明の特徴である電力制御部１４の構成を詳細に説明する。図２は本実施の形態に係る電気車の駆動制御装置１における電力制御部１４の構成例を示す図である。まずこの電力制御部１４の中で、フィルタコンデンサ９に印加される電圧ＥＦＣ、すなわちインバータ回路５の入力側端子間に印加される電圧の調整に関する構成について説明する。図２に示すように電圧検出部１５で検出された検出電圧ＥＦＣは、電力制御部１４の電圧判定部１７に入力される。電圧判定部１７は第１の比較器１８と第２の比較器１９とで構成される。

ここで本実施の形態に係る電気車の駆動制御装置１にとって、特徴的な電圧について定義しておく。電力制御部１４は検出電圧ＥＦＣが第１の電圧（Ｖ１）以上で第２の電圧（Ｖ２）以下となるようにコンデンサ電圧調整部１０のスイッチング素子１１を制御するが、ここでＶ１としては電力変換部であるインバータ回路５が動作を行える動作下限電圧を用い、Ｖ２としてはこのインバータ回路５の最高使用電圧を用いることができる。動作下限電圧及び最高使用電圧は使用するインバータ回路５によって予め定められた電圧であるが、架線２の公称電圧がＤＣ１５００Ｖである電気鉄道に用いられるインバータ回路５としては、例えば動作下限電圧としては典型的なものは９００Ｖ、最高使用電圧としては１９００Ｖを例示することができる。

また、後に詳細に説明するがフィルタコンデンサ９には回生ブレーキが作動完了した時点で全ての電荷が放電されずにある一定量の電荷が充電されていることになるが、このときの充電電圧を第３の電圧Ｖ３（保持電圧）とする。Ｖ３は第１の電圧Ｖ１（インバータ回路５の動作下限電圧）を上回り、第２の電圧Ｖ２（最高使用電圧）未満である必要があり、回生ブレーキの性能が確保できる電圧を目安に設定され、例えば１８００Ｖとすることができる。本実施の形態では、第３の電圧Ｖ３は断流器４を開とする開放電圧としても使用しているが、もちろんこの開放電圧を第３の電圧Ｖ３とは別に定めてもよい。

電圧検出部１５からの検出電圧ＥＦＣは第１の比較器１８に入力され、第３の電圧Ｖ３と比較される。ＥＦＣ＞Ｖ３であれば、出力信号ＣＭ１をハイレベル（第１の状態）とする。同時に検出電圧ＥＦＣは第２の比較器１９にも入力され、第２の電圧Ｖ２と比較される。ＥＦＣ＞Ｖ２であれば、出力信号ＣＭ２をハイレベル（第２の状態）とする。

信号ＣＭ１、ＣＭ２はスイッチング素子制御信号生成部２０に入力される。このスイッチング素子制御信号生成部２０では、コンデンサ電圧調整部１０のスイッチング素子１１を断続制御するためのオンオフ制御信号ＯＶが生成され、ＣＨ制御器２１、ＯＮ制御器２２、ＯＲ回路２３から構成される。スイッチング素子制御信号生成部２０のＣＨ制御器２１には第１の比較器１８からのＣＭ１信号と通流率Ｍとが入力されＣＨ信号が出力される。また、ＯＮ制御器２２には第２の比較器１９からのＣＭ２信号と異常信号ＥＲＲとが入力されＯＮ信号が出力される。更に、ＣＨ制御器２１からのＣＨ信号とＯＮ制御器２２からのＯＮ信号はＯＲ回路２３に入力され、両信号の論理和をとってＯＶ信号として出力される。

ＣＨ制御器２１は、ＣＭ１信号がハイレベル（第１の状態）であることを条件として、スイッチング信号（オンオフ信号）であるＣＨ信号を生成する。ＣＨ信号はＰＷＭ制御の一周期において占めるオン時間の比率が通流率Ｍ（０≦Ｍ≦１）で指定された値となるように生成される。本実施の形態においては、通流率Ｍは例えば下記の式により定めることができる。
（ａ）ＥＦＣ≦Ｖ３の時、Ｍ＝０
（ｂ）ＥＦＣ＞Ｖ３の時、Ｍ＝Ｇ（ＥＦＣ−Ｖ３）＝Ｇ・ΔＶ
ここで、Ｇ：ゲイン、ΔＶ＝ＥＦＣ−Ｖ３：電圧偏差。
なお、Ｍは上式に限らなくても、ＥＦＣ≦Ｖ３でＭ＝０であり、ＥＦＣ＞Ｖ３の場合には、電圧偏差（ΔＶ）が大きくなるに連れて通流率（Ｍ）が大きくなるように定めたものであってもよい。

ＯＮ制御器２２に入力される異常信号ＥＲＲは、駆動制御装置１内の制御電源電圧が規定値よりも低下した場合や、インバータ回路５を構成する図示しないスイッチング素子が異常である場合に、図示しない保護回路により生成される信号である。この異常信号ＥＲＲが生成された場合には、インバータ回路５の内部のスイッチング素子が破壊される恐れがあるために、速やかにスイッチング素子にかかる電圧（すなわち、フィルタコンデンサ９に印加される電圧ＥＦＣ）を減じなければならない。

ＯＮ制御部２２は、ＣＭ２信号、又はＥＲＲ信号がハイレベルであることを条件として、ＯＮ信号を生成する。ＯＮ信号は、時間的にオンオフを繰り返す信号ではなく、信号ＣＭ２又はＥＲＲ信号がハイレベルの間はオン状態を継続する信号である。

ＯＲ回路２３において断続信号ＣＨと連続信号ＯＮとの論理和をとったＯＶ信号を生成し、このＯＶ信号によりスイッチング素子１１を制御することにより、スイッチング素子１１の制御態様は検出電圧ＥＦＣに応じて下記のように場合分けされる。
（ａ）ＥＦＣ≦Ｖ３の時、連続開放状態。
（ｂ）Ｖ３＜ＥＦＣ＜Ｖ２の時、通流率Ｍに応じた断続制御状態。
（ｃ）ＥＦＣ≧Ｖ２、連続導通状態。

次に、電力制御部１４の中で、交流回転機１３のトルク制御に関連する構成について説明する。第１の比較器１８から出力されるＣＭ１信号は分岐されて、スイッチ２４の切替にも使用される。図示しない運転台からの指令に基づき外部の制御系で演算され、交流回転機１３への要求トルクである基本トルク指令ＰＴＲ０が、スイッチ２４の一方の端子に入力され、他方の端子には０（ゼロ）が入力される。なおゼロでなくとも、運転台からの基本トルク指令ＰＴＲ０に対して十分に小さな値でもかまわない。

本実施の形態においては、以下に述べるように所定の低減パターンにて前記交流回転機１３による回生ブレーキのトルクを低減させることとなるが、このスイッチ２４の入力値（ＰＴＲ０又はゼロ）はこの低減パターンにて低減した後の目標値（目標トルク）となるものである。従って、ＣＭ１信号がハイレベルの時はその出力がゼロになるようにスイッチ２４が選択されることにより、回生ブレーキのトルクは初期トルクＰＴＲ０からゼロへと所定の低減パターンに従って低減することになる。一方、信号ＣＭ１がローレベルのときはその出力が基本トルク指令ＰＴＲ０となるようにスイッチ２４が選択されることにより、回生ブレーキのトルクは初期トルクＰＴＲ０のまま一定に保たれることになる。

スイッチ２４の出力はランプ処理部２５に入力される。ランプ処理部２５には、回生ブレーキのトルクを低減させる時のランプ低減期間ＲＭＰＬ（＞０）が入力され、このランプ低減期間ＲＭＰＬに渡って、初期トルクであるＰＴＲ０から目標トルクであるゼロまでトルクを低減させる。このときの低減パターンについては、初期トルクから目標トルクまで直線的にトルクを低減させてもよいし、あるいは指数関数等のように曲線状にトルクを低減させてもよい。以上のようにランプ処理部２５では、０より長いランプ低減期間ＲＭＰＬを有する所定の低減パターンに従ってトルクが徐々に低減されるように、時々刻々の交流回転機１３の出力トルク指令値であるトルク指令ＰＴＲ（ｋ）［ｋ＝１〜ｎ］をデータ列として出力する。

時々刻々のトルク指令ＰＴＲ（ｋ）のデータ列はトルク制御部２６に入力される。トルク制御部はトルク指令ＰＴＲ（ｋ）と交流回転機１３の電流ＩＭとに基づき、交流回転機１３がトルク指令ＰＴＲ（ｋ）と一致したトルクを出力する電圧と電流をインバータ回路５が出力するように、インバータ回路５に内蔵されたスイッチング素子の制御信号であるＧＩを生成して出力する。なお、トルク制御部２６は交流回転機１３の電流ＩＭに基づき交流回転機１３が出力しているトルクを演算して、回生ブレーキ力信号ＢＴを出力する。

トルク指令ＰＴＲ（ｋ）は比較器２７に入力され、比較器２７ではトルク指令ＰＴＲ（ｋ）と予め設定したゲートオフレベルＧＯＦＬとを比較し、ＰＴＲ（ｋ）＜ＧＯＦＬ（１＜ｋ＜ｎ）である場合に、出力信号ＴＣＴをハイレベルとしてＯＲ回路２８に出力する。これによりトルク指令がＰＴＲ（ｋ）＜ＧＯＦＬとなるまで減少してから、スイッチ２９をオフとして、制御信号ＧＩをオフとしてインバータ回路５の動作を停止する。ここで、ゲートオフレベルＧＯＦＬは、通常トルク指令ＰＴＲ（ｋ）の最大値の１０％以下程度の値としておく。尚、ＣＭ２信号もＯＲ回路２８に入力され、ＣＭ２信号がハイレベル、すなわち検出電圧ＥＦＣが第２の電圧Ｖ２を上回った場合においても、スイッチ２９をオフとして制御信号ＧＩをオフとすることにより、インバータ回路５の動作を停止する。

以上をまとめると、インバータ回路５による交流回転機１３のトルク制御態様は、検出電圧ＥＦＣに応じて下記のように場合分けされる。
（ａ）ＥＦＣ≦Ｖ３の時
トルク指令値は初期トルクＰＴＲ０のままで、制御信号ＧＩをインバータ回路５に出力。
（ｂ）Ｖ３＜ＥＦＣ＜Ｖ２の時
所定の低減パターンに従ってトルク指令ＰＴＲ（ｋ）［ｋ＝１〜ｎ］を生成。ＰＴＲ（ｋ）＜ＧＯＦＬとなるまで、制御信号ＧＩをインバータ回路５に出力。
（ｃ）ＥＦＣ≧Ｖ２の時
制御信号ＧＩをオフ、インバータ回路５を停止。

最後に、電力制御部１４の中で、断流器４の制御に関連する構成について説明する。上位の制御系で生成され、断流器４における直流電力を接続するための断流器投入基本指令ＬＯＮ１がスイッチ３０に入力される。ＯＲ回路３１で生成されたＣＭ１信号とＣＭ２信号との論理和の信号によりスイッチ３０は選択され、論理和がハイレベルの時にスイッチ３０はオフとなり、断流器４の制御信号であるＬＯＮ信号をオフ、すなわち断流器を開とする。つまり、ＥＦＣ（検出電圧）＞Ｖ３（第３の電圧）のとき、又はＥＦＣ＞Ｖ２（第２の電圧）のときに断流器は開となるが、Ｖ２＞Ｖ３であるため、結局ＥＦＣ＞Ｖ３の場合に断流器４は開となり、架線２から駆動制御装置１が切り離される。

以上のように構成された電気車の駆動制御装置１の動作を次に説明する。電気車が回生ブレーキを掛けている状態、すなわち駆動制御装置１が交流回転機１３を回生運転している場合で説明する。交流回転機１３からの回生電力は、駆動制御装置１から入力側に流れ回生電力を架線２へと回生する。

このとき、架線２に存在している別の加速中の車両が加速を中断する等して、消費される回生電力（回生負荷）が減少し、交流回転機１３の回生電力よりも回生負荷のほうが小さくなった場合、駆動変換装置１の入力電圧である検出電圧ＥＦＣが上昇することになる。図３は本発明の実施の形態１における検出電圧上昇時の動作例を示す図である。

図３に示すように検出電圧（ＥＦＣ）が所定の開放電圧である第３の電圧（Ｖ３）を超えると、断流器４（ＬＢ）を開（ＯＦＦ）として、スイッチング素子１１（ＳＷ）を通流率Ｍに応じて断続（ＯＮ／ＯＦＦ）制御を行う。電圧偏差ΔＶ（＝ＥＦＣ−Ｖ３）が０の時は通流率Ｍは０であり、ΔＶが大きくなるに連れて通流率Ｍが大きくなるように定められているため、当初インバータ回路５（ＩＮＶ）から出力される回生電流（ＩＭ）の大半はフィルタコンデンサ９を充電することになり、ＥＦＣは更に上昇を続ける。

その後電圧偏差ΔＶが大きくなってくると通流率Ｍも大きくなるため、フィルタコンデンサ９に流れ込む電流が減少して、放電抵抗器１２に流れる電流の割合が増え、また回生ブレーキ力（ＢＴ）が所定の低減パターンで低減されるに伴い回生電流総量も減少するため、大半の回生電流は放電抵抗器１２に流れ込むようになる。その後相対的に高電圧となったフィルタコンデンサ９からも充電された電荷が放電されるようになりＥＦＣは減少に転ずる。回生ブレーキ力、回生電流が所定の低減パターンに従って０に近づくにつれ、通流率Ｍは０に、ＥＦＣはＶ３に漸近する。

スイッチング素子１１を断続制御する期間に、交流回転機１３のトルク指令ＰＴＲ（ｋ）［ｋ＝１〜ｎ］を０より長いランプ低減期間ＲＭＰＬを有する所定の低減パターンに従ってゼロまで低減させる。これに伴い回生ブレーキ力信号（ＢＴ）も低減する。回生ブレーキ力を絞り込んだ後はインバータ回路５（ＩＮＶ）はオフとされるが、通流率Ｍは０であるためスイッチング素子１１はＯＦＦとなり、ＥＦＣは第３の電圧Ｖ３に保たれる。

本実施の形態では、回生ブレーキ力（ＢＴ）は所定の低減パターンに従って徐々に低減されるため、機械ブレーキ（ＢＭ）によるブレーキ力が十分に追従でき、電気車全体のブレーキ力（Ｂｔｏｔａｌ）が不足したり、ブレーキ減速度が低下したりする現象は発生しない。従って、減速度の変動により車両の乗り心地が悪化したり、ブレーキ距離が伸びたりすることはない。

図４には、運転台からのブレーキ指令まで機械ブレーキ（ＢＭ）が立ち上がる時間に対して、回生ブレーキ（ＢＴ）のランプ低減期間ＲＭＰＬを変化させた場合の電気車の総合ブレーキ力（Ｂｔｏｔａｌ）、すなわち減速度の変動（ΔＢ）の様子を示したものである。機械ブレーキが立ち上がる期間より短くてもＲＭＰＬが０より長い期間を有すれば、その期間に機械ブレーキがいくらか立ち上がることができて（図４ｂ参照）、回生ブレーキが瞬間的に喪失される場合（図４ａ参照）と比較すると減速度の変動（ΔＢ）を小さくすることができる。しかし、機械ブレーキが立ち上がる時間よりＲＭＰＬを長い時間に設定すると、回生ブレーキが低減した分を機械ブレーキで確実に補うことができるようになるため、減速度の変化をほとんどなくすことができる（図４ｃ参照）。機械ブレーキの応答は空気回路の構成にもよるが、２００ミリ秒〜２秒程度であるので、ランプ低減期間ＲＭＰＬも２００ミリ秒から２秒に設定するのが好ましい。

なお、回生負荷が不足せずに通常に電気車を停止する場合においても、回生ブレーキ力が十分得られなくなった場合、回生ブレーキをランプ状に絞り、機械ブレーキで補足する構成となっているが、この際のランプ低減期間（通常時のランプ低減期間と定義）と、本実施の形態におけるランプ低減期間（ＲＭＰＬ）とは別の値として設定できるようにしておく方が好ましい。これは以下のような理由によるものである。ブレーキシューと車輪との摩擦係数が温度によって変化するため機械ブレーキの応答時間にばらつきを生じる。このような機械ブレーキの応答時間のばらつきによる減速度変動の影響を低減するため、通常時のランプ低減期間は余裕を持たせて長い目に設定する。

一方、本実施の形態におけるＲＭＰＬを長くすると、その期間に渡って放電抵抗器１２に断続的に通電が行われるため放電抵抗器１２の容量を大きくしなければならない。配置スペースの制約等から放電抵抗器１２の容量には制限があるため、本実施の形態におけるＲＭＰＬは通常時のランプ低減期間よりも短く設定されることとなり、通常時のランプ低減期間と本実施の形態におけるＲＭＰＬとは別の値として設定できるようにしておいたほうがよい。なお、上述の通りＲＭＰＬを２００ミリ秒から２秒に設定にした場合には回生電力量は小さく、放電抵抗器１２の容量は従来のものと比較して大きくなることはない。

前述の通り、検出電圧ＥＦＣが第３の電圧Ｖ３を上回った場合には、電圧偏差ΔＶ（ＥＦＣ−Ｖ３）が大きくなるに連れて通流率（Ｍ）が大きくなるように定めてあるため、フィルタコンデンサ９の充電量が過大になった場合には、スイッチング素子１１を介して放電抵抗器１２側に回生電流が流れ込むことができる。従って検出電圧ＥＦＣは第２の電圧Ｖ２を上回ることはなく、Ｖ３を若干上回る程度の電圧で済むはずである。このように本実施の形態による電気車の駆動制御装置によると、回生ブレーキ作動中に回生負荷が不足した場合であっても、検出電圧ＥＦＣを第２の電圧に至らないように制御ができるため、電気車全体のブレーキ力が不足したり、ブレーキ減速度が低下したりする現象は発生しない。従って、減速度の変動により車両の乗り心地が悪化し、あるいはブレーキが伸びるという問題は発生しない。

しかし、なんらかの要因により検出電圧ＥＦＣが更に上昇し、第２の電圧Ｖ２を上回った場合、又は、異常信号ＥＲＲが発生した場合（駆動制御装置１内の制御電源電圧が規定値よりも低下した場合、もしくは、インバータ回路５を構成する図示しないスイッチング素子が異常である場合）は、インバータ回路５内のスイッチング素子を破壊する恐れがあるため、速やかにインバータ回路５に印加される電圧ＥＦＣを減じなければならない。

以上のとおり本実施の形態に係る電気車の駆動制御装置１によると、電力制御部１４は電圧検出部１５の検出電圧ＥＦＣが所定の開放電圧Ｖ３を超えた時に、０より長いランプ低減期間ＲＭＰＬを有する所定の低減パターンにて交流回転機１３による回生ブレーキ力ＢＴを低減させるように電力変換部であるインバータ回路５を制御するので、この低減期間において機械ブレーキによるブレーキ力ＢＭが立ち上がることができるため、回生ブレーキ作動中に回生負荷が不足した場合であっても、電気車の減速度の変動ΔＢを小さくし、乗り心地を改善することができる。

また、本実施の形態にかかる電気車の駆動制御装置１によると、インバータ回路５の入力側の２端子間に接続されたフィルタコンデンサ９と、前記フィルタコンデンサ９と並列に前記２端子間に接続され、スイッチング素子１１を有するコンデンサ電圧調整部１０とを備え、電力制御部１４は、ランプ低減期間ＲＭＰＬに渡って、前記検出電圧ＥＦＣが第１の電圧Ｖ１以上であって、第２の電圧Ｖ２以下となるように、前記スイッチング素子１１を断続制御して前記フィルタコンデンサ９の充電量を調整するため、駆動制御装置１が架線２とは遮断されたランプ低減期間ＲＭＰＬ中であってもインバータ回路５を作動させることにより、交流回転機１３の電流をインバータ回路５を介して直流変換して消費することができて、このランプ低減期間ＲＭＰＬに渡って安定的に回生ブレーキを作動させることができる。

尚、本実施の形態においては、フィルタコンデンサ９とコンデンサ電圧調整部１０との並列回路をインバータ回路５の入力部に接続することにより、インバータ回路５の入力電圧を第１の電圧Ｖ１以上であり第２の電圧Ｖ２以下に制御可能な回路構成を例示したが、インバータ回路５から出力される回生電流を利用することにより、インバータ回路５の入力電圧をＶ１以上Ｖ２以下に制御可能な回路であれば、例えば蓄電池等を用いた別の形態のものであっても同様な効果を奏することは言うまでもない。

更に、本実施の形態にかかる電気車の駆動制御装置１によると、電力制御部１４は、第１の電圧Ｖ１を上回り第２の電圧Ｖ２未満である第３の電圧Ｖ３を検出電圧ＥＦＣから差し引いた電圧偏差ΔＶが０又は負である場合には、スイッチング素子１１の通流率Ｍを０とし、電圧偏差ΔＶが正の場合には電圧偏差が大きくなるに連れて通流率Ｍが大きくなるように制御するため、フィルタコンデンサ９の充電量が過大になった場合には、スイッチング素子１１を介して放電抵抗器１２側に回生電流が流れ込むことができ、検出電圧ＥＦＣは第２の電圧Ｖ２を上回ることはなく、インバータ回路５を安定的に動作させることができる。更に、ＥＦＣがＶ３以下になるまでフィルタコンデンサ９に充電された電荷が放電されることはなく、フィルタコンデンサ９にはＶ３に溜まった電荷を保持できるため、放電抵抗器１２に流れる電流を制限でき、放電抵抗器１２の容量を小さいものを採用することができる。

本実施の形態にかかる電気車の駆動制御装置１によると、電力制御部１４は、検出電圧ＥＦＣが前記第２の電圧Ｖ２以上の場合には、前記通流率Ｍが１となるように制御し、又は、駆動制御装置１内の制御電源電圧が規定値よりも低下した場合、又はインバータ回路５を構成するスイッチング素子が異常である場合に、前記通流率が１となるように制御するため、インバータ回路５内のスイッチング素子を破壊する恐れがなく、信頼性の高い駆動制御装置１を提供することができる。

本実施の形態にかかる電気車の駆動制御装置１によると、交流回転機１３の出力状態を示す回生ブレーキ力信号ＢＴとブレーキ力指令ＢＲＥＦが入力され、ブレーキ力指令ＢＲＥＦに対して回生ブレーキ力信号ＢＴが不足する場合には、この不足する量を補うように機械ブレーキ力ＢＭを制御するブレーキ制御部１６を備えているため、電気車全体のブレーキ力の不足、及びブレーキ減速度の低下を抑制することができる。また、電力制御部１４は、前記機械ブレーキ力ＢＭが前記ブレーキ指令ＢＲＥＦまで立ち上がるのに要する時間よりも前記ランプ低減期間ＲＭＰＬが長いことを特徴とするため、回生ブレーキが低減した分を機械ブレーキで確実に補うことができるようになるため、減速度の変化をほとんどなくすことができる。

実施の形態２．
本実施の形態にかかる電気車の駆動制御装置は、コンデンサ電圧調整部１０の放電抵抗器１２に替えて、蓄電池を用いたものである。これ以外の機器の構成、動作については、実施の形態１と同様であるため、記載を省略する。本実施の形態にかかる電気車の駆動制御装置によると、実施の形態１の駆動制御装置１の奏する効果に加えて、回生ブレーキを作動中に回生負荷が不足した場合には、回生電流によって蓄電池が充電されることになり、この蓄電池に充電された電力は電気車を力行運転する場合に使用できるため、電気車運転時のエネルギー利用効率を高めることができるという効果がある。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、直流回転機を用いた電気車への適用や本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。

１ 駆動制御装置
４ 断流器（開閉部）
５ インバータ回路（電力変換部）
９ フィルタコンデンサ
１０ コンデンサ電圧調整部
１１ スイッチング素子
１２ 放電抵抗器
１３ 交流回転機
１４ 電力制御部
１５ 電圧検出部
１６ ブレーキ制御部
１７ 電圧判定部
１８ 第１の比較器
１９ 第２の比較器
２０ スイッチング素子制御信号生成部
２１ ＣＨ制御器
２２ ＯＮ制御器
２３ ＯＲ回路
２４ スイッチ
２５ ランプ処理部
２６ トルク制御部

この発明は、電気車の推進制御に供される駆動制御装置に関するものである。

一般に電気車は、架線からの電力を集電装置で取り入れ、この取り入れた電力を使用してインバータ回路等を用いた駆動制御装置で交流回転機を駆動して走行する構成としている。また、車両にブレーキをかけるときは、交流回転機を回生運転してブレーキ力を得るいわゆる回生ブレーキが用いられる。このとき発生する回生電力は、架線や第三軌条を介して、自車付近に存在する他の力行車両や自車車両の負荷へ供給され、そこで消費されることになる。

しかし、早朝、夜間や、列車の運行本数の少ない閑散線区では、自車付近に他の車両が存在しない場合もあり、この場合には回生負荷が不足するため回生ブレーキにより発生した回生電力が十分に消費されないことがある。他の車両で消費される電力よりも自車の回生電力が大きくなると架線電圧が上昇することになり、架線に接続される種々の機器を過電圧でトリップさせ、又は破損する恐れがある。

従って電気車に搭載されるインバータ回路は架線電圧等（架線電圧又は架線電圧に相当する例えばインバータ回路の入力側のフィルタコンデンサ電圧）を検出する電圧検出部を有しており、またインバータ回路の入力側に過電圧抑制部であるスイッチング素子及び過電圧抑制抵抗が接続された主回路構成となっており、架線電圧等が上昇して所定値を超過した場合に、インバータ回路の動作を停止させ、架線と接続する開閉部を開にすると同時に、過電圧抑制部のスイッチング素子を連続導通状態としてフィルタコンデンサに充電された電荷を放電する制御を行い、機器の過電圧保護を行っていた（例えば、特許文献１）。

特開２００９−１８９１９８（３−５頁、図２）

このような主回路構成のシステムの動作について、図５に基づいて説明する。回生負荷の不足により架線電圧等（ＥＦＣ）が所定の開放電圧（Ｖ３）を超えた時にインバータ回路（ＩＮＶ）の動作が即座に停止（ＯＦＦ）され、断流器（ＬＢ）を開（ＯＦＦ）として架線と切り離すと同時に、過電圧抑制部のスイッチング素子（ＳＷ）を連続導通状態（ＯＮ）とし、フィルタコンデンサに充電された電荷が放電される。回生ブレーキ（ＢＴ）は架線電圧等が規定値を超えるまでは作用しているが、この規定値を超えた時にインバータ回路（ＩＮＶ）が動作を停止するため、交流回転機の電流（ＩＭ）、及び回生ブレーキ力（ＢＴ）が瞬間的に喪失される。

電気車は回生ブレーキを優先して使用し、運転台からのブレーキ指令に対して回生ブレーキで不足する場合は、この不足量を計算し機械ブレーキ（ＢＭ）がこの不足量を補う仕組みとなっている。しかしながら、機械ブレーキは空気圧によりブレーキシューを車輪等に押し当てて摩擦力によりブレーキ力を得る構成であるので、機械ブレーキが十分に作用するまでに時間を要する。通常の電気車の運転において、回生ブレーキをオフして機械ブレーキに移行するときは、回生ブレーキ力を徐々に減少させ、この間に機械ブレーキ力が徐々に立ち上がることにより、電気車としてのブレーキ力がほぼ一定になるように保つことができるが、上記のように瞬間的に回生ブレーキ力が喪失された場合には、機械ブレーキが作用するまでの間に電気車の総合ブレーキ力（Ｂｔｏｔａｌ）が不足するため、減速度が急激に低下する現象が発生する。このような場合、減速度の変動により車両の乗り心地が悪化したり、制動距離が伸びたりするという問題があった。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、回生ブレーキ作動中に回生負荷が不足した場合であっても、電気車の減速度の変動を小さくし、乗り心地を改善することができる電気車の駆動制御装置を提供するものである。

この発明に係る電気車の駆動制御装置は、直流電力の接続又は開放を行う開閉部と、入力側の２端子間に開閉部を介して直流電力が入力され、スイッチング動作により直流電力を交流電力に変換して、出力側に接続された交流回転機を駆動する電力変換部と、前記２端子間の電圧を検出する電圧検出部とを備えている。
また、電圧検出部の検出電圧が所定の開放電圧を超えた時に、開閉部を開とし、０より長いランプ低減期間を有する所定の低減パターンにて交流回転機による回生ブレーキ力を低減させるように電力変換部を制御する電力制御部を備えたことを特徴とする。

この発明に係る電気車の駆動制御装置によると、電力制御部は電圧検出部の検出電圧が所定の開放電圧を超えた時に、０より長いランプ低減期間を有する所定の低減パターンにて交流回転機による回生ブレーキ力を低減させるように電力変換部を制御するので、この低減期間において機械ブレーキによるブレーキ力が立ち上がることができるため、回生ブレーキ作動中に回生負荷が不足した場合であっても、電気車の減速度の変動を小さくし、乗り心地を改善することができる。

本発明の実施の形態１による電気車の駆動制御装置の構成例を示す図である。 本発明の実施の形態１による電気車の駆動制御装置において、電力制御部の構成例を示す図である。 本発明の実施の形態１による電気車の駆動制御装置において、検出電圧（ＥＦＣ）上昇時の各機器の動作を示す図である。 回生ブレーキ（ＢＴ）のランプ低減期間を変えた場合の回生ブレーキ力（ＢＴ）、機械ブレーキ力（ＢＭ）、及び総合ブレーキ力（Ｂｔｏｔａｌ）の動作を示す図である。 従来の電気車の駆動制御装置において、検出電圧（ＥＦＣ）上昇時の各機器の動作を示す図である。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る電気車の駆動制御装置１の構成例を示す図である。図１に示すように、図示しない変電所からの直流電力は、架線２に集電装置３を接触させて駆動制御装置１に入力される。この直流電力の接続又は開放を行う開閉部である断流器４を介して、前記直流電力は電力変換部であるインバータ回路５に入力される。駆動制御装置１からのリターン電流は車輪６を経由してレール７に流れ、図示しない変電所の負側に戻る。

駆動制御装置１には、リアクトル８とフィルタコンデンサ９からなる入力フィルタと、回生ブレーキ作動中に回生負荷が不足して入力電圧が異常に上昇した場合にインバータ回路５を保護すると同時に、入力電圧上昇時に断流器４を開にした場合であってもインバータ回路５が動作しうる電圧を保持するためのコンデンサ電圧調整部１０が設けられており、このコンデンサ電圧調整部１０は、リアクトル８の後段に接続されたスイッチング素子１１と放電抵抗器１２とから構成される。

また、電力変換部であるインバータ回路５としては、電圧形ＰＷＭインバータ回路が好適であるが、その回路構成は公知であるので詳細な説明は割愛する。インバータ回路５はスイッチング動作により直流電力を交流電力に変換して、出力側に接続された交流回転機１３を駆動する。また、インバータ回路５と交流回転機１３との組み合わせは、交流回転機１３を発電機として作動させて運動エネルギーを電気エネルギーに変換して回収することにより、電気車に制動をかける回生ブレーキとしても用いることができる。

駆動制御装置１には電力制御部１４が設けられており、電圧検出部１５から出力されるフィルタコンデンサ９に印加されている検出電圧ＥＦＣ、及び交流回転機１３の電流ＩＭが少なくとも入力され、断流器４の制御信号ＬＯＮ、スイッチング素子１１への制御信号ＯＶ、インバータ回路５の内部のスイッチング素子への制御信号ＧＩ、ブレーキ制御部１６への回生ブレーキ力信号ＢＴを出力する。ここで、フィルタコンデンサ９に印加されている電圧ＥＦＣはインバータ回路５の入力端子間電圧に等しい。また、回生ブレーキ力信号ＢＴは、回生ブレーキを動作させている期間における交流回転機１３の出力状態を示すものである。スイッチング素子１１への制御信号ＯＶ及びインバータ回路５の内部のスイッチング素子への制御信号ＧＩの生成方法については、後に詳細に説明する。

ブレーキ制御部１６は図示しない外部の運転台からのブレーキ力指令信号ＢＲＥＦと電力制御部１４からの回生ブレーキ力信号ＢＴとを用いて、運転台からのブレーキ力指令信号ＢＲＥＦに対して回生ブレーキ力信号ＢＴが不足する場合には、不足するブレーキ力を計算し、機械ブレーキによって車輪６への機械ブレーキ力を作用させる。機械ブレーキは空気圧を使用して作用するため、ブレーキ力が十分に立ち上がるには空気配管内を空気圧の変化が伝播する時間を要するのが一般的である。この時間は空気配管の長さ等により変化するが、通常２００ミリ秒〜２秒程度である。

次に本発明の特徴である電力制御部１４の構成を詳細に説明する。図２は本実施の形態に係る電気車の駆動制御装置１における電力制御部１４の構成例を示す図である。まずこの電力制御部１４の中で、フィルタコンデンサ９に印加される電圧ＥＦＣ、すなわちインバータ回路５の入力側端子間に印加される電圧の調整に関する構成について説明する。図２に示すように電圧検出部１５で検出された検出電圧ＥＦＣは、電力制御部１４の電圧判定部１７に入力される。電圧判定部１７は第１の比較器１８と第２の比較器１９とで構成される。

ここで本実施の形態に係る電気車の駆動制御装置１にとって、特徴的な電圧について定義しておく。電力制御部１４は検出電圧ＥＦＣが第１の電圧（Ｖ１）以上で第２の電圧（Ｖ２）以下となるようにコンデンサ電圧調整部１０のスイッチング素子１１を制御するが、ここでＶ１としては電力変換部であるインバータ回路５が動作を行える動作下限電圧を用い、Ｖ２としてはこのインバータ回路５の最高使用電圧を用いることができる。動作下限電圧及び最高使用電圧は使用するインバータ回路５によって予め定められた電圧であるが、架線２の公称電圧がＤＣ１５００Ｖである電気鉄道に用いられるインバータ回路５としては、例えば動作下限電圧としては典型的なものは９００Ｖ、最高使用電圧としては１９００Ｖを例示することができる。

また、後に詳細に説明するがフィルタコンデンサ９には回生ブレーキが作動完了した時点で全ての電荷が放電されずにある一定量の電荷が充電されていることになるが、このときの充電電圧を第３の電圧Ｖ３（保持電圧）とする。Ｖ３は第１の電圧Ｖ１（インバータ回路５の動作下限電圧）を上回り、第２の電圧Ｖ２（最高使用電圧）未満である必要があり、回生ブレーキの性能が確保できる電圧を目安に設定され、例えば１８００Ｖとすることができる。本実施の形態では、第３の電圧Ｖ３は断流器４を開とする開放電圧としても使用しているが、もちろんこの開放電圧を第３の電圧Ｖ３とは別に定めてもよい。

電圧検出部１５からの検出電圧ＥＦＣは第１の比較器１８に入力され、第３の電圧Ｖ３と比較される。ＥＦＣ＞Ｖ３であれば、出力信号ＣＭ１をハイレベル（第１の状態）とする。同時に検出電圧ＥＦＣは第２の比較器１９にも入力され、第２の電圧Ｖ２と比較される。ＥＦＣ＞Ｖ２であれば、出力信号ＣＭ２をハイレベル（第２の状態）とする。

信号ＣＭ１、ＣＭ２はスイッチング素子制御信号生成部２０に入力される。このスイッチング素子制御信号生成部２０では、コンデンサ電圧調整部１０のスイッチング素子１１を断続制御するためのオンオフ制御信号ＯＶが生成され、ＣＨ制御器２１、ＯＮ制御器２２、ＯＲ回路２３から構成される。スイッチング素子制御信号生成部２０のＣＨ制御器２１には第１の比較器１８からのＣＭ１信号と通流率Ｍとが入力されＣＨ信号が出力される。また、ＯＮ制御器２２には第２の比較器１９からのＣＭ２信号と異常信号ＥＲＲとが入力されＯＮ信号が出力される。更に、ＣＨ制御器２１からのＣＨ信号とＯＮ制御器２２からのＯＮ信号はＯＲ回路２３に入力され、両信号の論理和をとってＯＶ信号として出力される。

ＣＨ制御器２１は、ＣＭ１信号がハイレベル（第１の状態）であることを条件として、スイッチング信号（オンオフ信号）であるＣＨ信号を生成する。ＣＨ信号はＰＷＭ制御の一周期において占めるオン時間の比率が通流率Ｍ（０≦Ｍ≦１）で指定された値となるように生成される。本実施の形態においては、通流率Ｍは例えば下記の式により定めることができる。
（ａ）ＥＦＣ≦Ｖ３の時、Ｍ＝０
（ｂ）ＥＦＣ＞Ｖ３の時、Ｍ＝Ｇ（ＥＦＣ−Ｖ３）＝Ｇ・ΔＶ
ここで、Ｇ：ゲイン、ΔＶ＝ＥＦＣ−Ｖ３：電圧偏差。
なお、Ｍは上式に限らなくても、ＥＦＣ≦Ｖ３でＭ＝０であり、ＥＦＣ＞Ｖ３の場合には、電圧偏差（ΔＶ）が大きくなるに連れて通流率（Ｍ）が大きくなるように定めたものであってもよい。

ＯＮ制御器２２に入力される異常信号ＥＲＲは、駆動制御装置１内の制御電源電圧が規定値よりも低下した場合や、インバータ回路５を構成する図示しないスイッチング素子が異常である場合に、図示しない保護回路により生成される信号である。この異常信号ＥＲＲが生成された場合には、インバータ回路５の内部のスイッチング素子が破壊される恐れがあるために、速やかにスイッチング素子にかかる電圧（すなわち、フィルタコンデンサ９に印加される電圧ＥＦＣ）を減じなければならない。

ＯＮ制御部２２は、ＣＭ２信号、又はＥＲＲ信号がハイレベルであることを条件として、ＯＮ信号を生成する。ＯＮ信号は、時間的にオンオフを繰り返す信号ではなく、信号ＣＭ２又はＥＲＲ信号がハイレベルの間はオン状態を継続する信号である。

ＯＲ回路２３において断続信号ＣＨと連続信号ＯＮとの論理和をとったＯＶ信号を生成し、このＯＶ信号によりスイッチング素子１１を制御することにより、スイッチング素子１１の制御態様は検出電圧ＥＦＣに応じて下記のように場合分けされる。
（ａ）ＥＦＣ≦Ｖ３の時、連続開放状態。
（ｂ）Ｖ３＜ＥＦＣ＜Ｖ２の時、通流率Ｍに応じた断続制御状態。
（ｃ）ＥＦＣ≧Ｖ２、連続導通状態。

次に、電力制御部１４の中で、交流回転機１３のトルク制御に関連する構成について説明する。第１の比較器１８から出力されるＣＭ１信号は分岐されて、スイッチ２４の切替にも使用される。図示しない運転台からの指令に基づき外部の制御系で演算され、交流回転機１３への要求トルクである基本トルク指令ＰＴＲ０が、スイッチ２４の一方の端子に入力され、他方の端子には０（ゼロ）が入力される。なおゼロでなくとも、運転台からの基本トルク指令ＰＴＲ０に対して十分に小さな値でもかまわない。

本実施の形態においては、以下に述べるように所定の低減パターンにて前記交流回転機１３による回生ブレーキのトルクを低減させることとなるが、このスイッチ２４の入力値（ＰＴＲ０又はゼロ）はこの低減パターンにて低減した後の目標値（目標トルク）となるものである。従って、ＣＭ１信号がハイレベルの時はその出力がゼロになるようにスイッチ２４が選択されることにより、回生ブレーキのトルクは初期トルクＰＴＲ０からゼロへと所定の低減パターンに従って低減することになる。一方、信号ＣＭ１がローレベルのときはその出力が基本トルク指令ＰＴＲ０となるようにスイッチ２４が選択されることにより、回生ブレーキのトルクは初期トルクＰＴＲ０のまま一定に保たれることになる。

スイッチ２４の出力はランプ処理部２５に入力される。ランプ処理部２５には、回生ブレーキのトルクを低減させる時のランプ低減期間ＲＭＰＬ（＞０）が入力され、このランプ低減期間ＲＭＰＬに渡って、初期トルクであるＰＴＲ０から目標トルクであるゼロまでトルクを低減させる。このときの低減パターンについては、初期トルクから目標トルクまで直線的にトルクを低減させてもよいし、あるいは指数関数等のように曲線状にトルクを低減させてもよい。以上のようにランプ処理部２５では、０より長いランプ低減期間ＲＭＰＬを有する所定の低減パターンに従ってトルクが徐々に低減されるように、時々刻々の交流回転機１３の出力トルク指令値であるトルク指令ＰＴＲ（ｋ）［ｋ＝１〜ｎ］をデータ列として出力する。

時々刻々のトルク指令ＰＴＲ（ｋ）のデータ列はトルク制御部２６に入力される。トルク制御部はトルク指令ＰＴＲ（ｋ）と交流回転機１３の電流ＩＭとに基づき、交流回転機１３がトルク指令ＰＴＲ（ｋ）と一致したトルクを出力する電圧と電流をインバータ回路５が出力するように、インバータ回路５に内蔵されたスイッチング素子の制御信号であるＧＩを生成して出力する。なお、トルク制御部２６は交流回転機１３の電流ＩＭに基づき交流回転機１３が出力しているトルクを演算して、回生ブレーキ力信号ＢＴを出力する。

トルク指令ＰＴＲ（ｋ）は比較器２７に入力され、比較器２７ではトルク指令ＰＴＲ（ｋ）と予め設定したゲートオフレベルＧＯＦＬとを比較し、ＰＴＲ（ｋ）＜ＧＯＦＬ（１＜ｋ＜ｎ）である場合に、出力信号ＴＣＴをハイレベルとしてＯＲ回路２８に出力する。これによりトルク指令がＰＴＲ（ｋ）＜ＧＯＦＬとなるまで減少してから、スイッチ２９をオフとして、制御信号ＧＩをオフとしてインバータ回路５の動作を停止する。ここで、ゲートオフレベルＧＯＦＬは、通常トルク指令ＰＴＲ（ｋ）の最大値の１０％以下程度の値としておく。尚、ＣＭ２信号もＯＲ回路２８に入力され、ＣＭ２信号がハイレベル、すなわち検出電圧ＥＦＣが第２の電圧Ｖ２を上回った場合においても、スイッチ２９をオフとして制御信号ＧＩをオフとすることにより、インバータ回路５の動作を停止する。

以上をまとめると、インバータ回路５による交流回転機１３のトルク制御態様は、検出電圧ＥＦＣに応じて下記のように場合分けされる。
（ａ）ＥＦＣ≦Ｖ３の時
トルク指令値は初期トルクＰＴＲ０のままで、制御信号ＧＩをインバータ回路５に出力。
（ｂ）Ｖ３＜ＥＦＣ＜Ｖ２の時
所定の低減パターンに従ってトルク指令ＰＴＲ（ｋ）［ｋ＝１〜ｎ］を生成。ＰＴＲ（ｋ）＜ＧＯＦＬとなるまで、制御信号ＧＩをインバータ回路５に出力。
（ｃ）ＥＦＣ≧Ｖ２の時
制御信号ＧＩをオフ、インバータ回路５を停止。

最後に、電力制御部１４の中で、断流器４の制御に関連する構成について説明する。上位の制御系で生成され、断流器４における直流電力を接続するための断流器投入基本指令ＬＯＮ１がスイッチ３０に入力される。ＯＲ回路３１で生成されたＣＭ１信号とＣＭ２信号との論理和の信号によりスイッチ３０は選択され、論理和がハイレベルの時にスイッチ３０はオフとなり、断流器４の制御信号であるＬＯＮ信号をオフ、すなわち断流器を開とする。つまり、ＥＦＣ（検出電圧）＞Ｖ３（第３の電圧）のとき、又はＥＦＣ＞Ｖ２（第２の電圧）のときに断流器は開となるが、Ｖ２＞Ｖ３であるため、結局ＥＦＣ＞Ｖ３の場合に断流器４は開となり、架線２から駆動制御装置１が切り離される。

以上のように構成された電気車の駆動制御装置１の動作を次に説明する。電気車が回生ブレーキを掛けている状態、すなわち駆動制御装置１が交流回転機１３を回生運転している場合で説明する。交流回転機１３からの回生電力は、駆動制御装置１から入力側に流れ回生電力を架線２へと回生する。

このとき、架線２に存在している別の加速中の車両が加速を中断する等して、消費される回生電力（回生負荷）が減少し、交流回転機１３の回生電力よりも回生負荷のほうが小さくなった場合、駆動変換装置１の入力電圧である検出電圧ＥＦＣが上昇することになる。図３は本発明の実施の形態１における検出電圧上昇時の動作例を示す図である。

図３に示すように検出電圧（ＥＦＣ）が所定の開放電圧である第３の電圧（Ｖ３）を超えると、断流器４（ＬＢ）を開（ＯＦＦ）として、スイッチング素子１１（ＳＷ）を通流率Ｍに応じて断続（ＯＮ／ＯＦＦ）制御を行う。電圧偏差ΔＶ（＝ＥＦＣ−Ｖ３）が０の時は通流率Ｍは０であり、ΔＶが大きくなるに連れて通流率Ｍが大きくなるように定められているため、当初インバータ回路５（ＩＮＶ）から出力される回生電流（ＩＭ）の大半はフィルタコンデンサ９を充電することになり、ＥＦＣは更に上昇を続ける。

その後電圧偏差ΔＶが大きくなってくると通流率Ｍも大きくなるため、フィルタコンデンサ９に流れ込む電流が減少して、放電抵抗器１２に流れる電流の割合が増え、また回生ブレーキ力（ＢＴ）が所定の低減パターンで低減されるに伴い回生電流総量も減少するため、大半の回生電流は放電抵抗器１２に流れ込むようになる。その後相対的に高電圧となったフィルタコンデンサ９からも充電された電荷が放電されるようになりＥＦＣは減少に転ずる。回生ブレーキ力、回生電流が所定の低減パターンに従って０に近づくにつれ、通流率Ｍは０に、ＥＦＣはＶ３に漸近する。

スイッチング素子１１を断続制御する期間に、交流回転機１３のトルク指令ＰＴＲ（ｋ）［ｋ＝１〜ｎ］を０より長いランプ低減期間ＲＭＰＬを有する所定の低減パターンに従ってゼロまで低減させる。これに伴い回生ブレーキ力信号（ＢＴ）も低減する。回生ブレーキ力を絞り込んだ後はインバータ回路５（ＩＮＶ）はオフとされるが、通流率Ｍは０であるためスイッチング素子１１はＯＦＦとなり、ＥＦＣは第３の電圧Ｖ３に保たれる。

本実施の形態では、回生ブレーキ力（ＢＴ）は所定の低減パターンに従って徐々に低減されるため、機械ブレーキ（ＢＭ）によるブレーキ力が十分に追従でき、電気車全体のブレーキ力（Ｂｔｏｔａｌ）が不足したり、ブレーキ減速度が低下したりする現象は発生しない。従って、減速度の変動により車両の乗り心地が悪化したり、ブレーキ距離が伸びたりすることはない。

図４には、運転台からのブレーキ指令まで機械ブレーキ（ＢＭ）が立ち上がる時間に対して、回生ブレーキ（ＢＴ）のランプ低減期間ＲＭＰＬを変化させた場合の電気車の総合ブレーキ力（Ｂｔｏｔａｌ）、すなわち減速度の変動（ΔＢ）の様子を示したものである。機械ブレーキが立ち上がる期間より短くてもＲＭＰＬが０より長い期間を有すれば、その期間に機械ブレーキがいくらか立ち上がることができて（図４ｂ参照）、回生ブレーキが瞬間的に喪失される場合（図４ａ参照）と比較すると減速度の変動（ΔＢ）を小さくすることができる。しかし、機械ブレーキが立ち上がる時間よりＲＭＰＬを長い時間に設定すると、回生ブレーキが低減した分を機械ブレーキで確実に補うことができるようになるため、減速度の変化をほとんどなくすことができる（図４ｃ参照）。機械ブレーキの応答は空気回路の構成にもよるが、２００ミリ秒〜２秒程度であるので、ランプ低減期間ＲＭＰＬも２００ミリ秒から２秒に設定するのが好ましい。

なお、回生負荷が不足せずに通常に電気車を停止する場合においても、回生ブレーキ力が十分得られなくなった場合、回生ブレーキをランプ状に絞り、機械ブレーキで補足する構成となっているが、この際のランプ低減期間（通常時のランプ低減期間と定義）と、本実施の形態におけるランプ低減期間（ＲＭＰＬ）とは別の値として設定できるようにしておく方が好ましい。これは以下のような理由によるものである。ブレーキシューと車輪との摩擦係数が温度によって変化するため機械ブレーキの応答時間にばらつきを生じる。このような機械ブレーキの応答時間のばらつきによる減速度変動の影響を低減するため、通常時のランプ低減期間は余裕を持たせて長い目に設定する。

一方、本実施の形態におけるＲＭＰＬを長くすると、その期間に渡って放電抵抗器１２に断続的に通電が行われるため放電抵抗器１２の容量を大きくしなければならない。配置スペースの制約等から放電抵抗器１２の容量には制限があるため、本実施の形態におけるＲＭＰＬは通常時のランプ低減期間よりも短く設定されることとなり、通常時のランプ低減期間と本実施の形態におけるＲＭＰＬとは別の値として設定できるようにしておいたほうがよい。なお、上述の通りＲＭＰＬを２００ミリ秒から２秒に設定にした場合には回生電力量は小さく、放電抵抗器１２の容量は従来のものと比較して大きくなることはない。

前述の通り、検出電圧ＥＦＣが第３の電圧Ｖ３を上回った場合には、電圧偏差ΔＶ（ＥＦＣ−Ｖ３）が大きくなるに連れて通流率（Ｍ）が大きくなるように定めてあるため、フィルタコンデンサ９の充電量が過大になった場合には、スイッチング素子１１を介して放電抵抗器１２側に回生電流が流れ込むことができる。従って検出電圧ＥＦＣは第２の電圧Ｖ２を上回ることはなく、Ｖ３を若干上回る程度の電圧で済むはずである。このように本実施の形態による電気車の駆動制御装置によると、回生ブレーキ作動中に回生負荷が不足した場合であっても、検出電圧ＥＦＣを第２の電圧に至らないように制御ができるため、電気車全体のブレーキ力が不足したり、ブレーキ減速度が低下したりする現象は発生しない。従って、減速度の変動により車両の乗り心地が悪化し、あるいはブレーキが伸びるという問題は発生しない。

しかし、なんらかの要因により検出電圧ＥＦＣが更に上昇し、第２の電圧Ｖ２を上回った場合、又は、異常信号ＥＲＲが発生した場合（駆動制御装置１内の制御電源電圧が規定値よりも低下した場合、もしくは、インバータ回路５を構成する図示しないスイッチング素子が異常である場合）は、インバータ回路５内のスイッチング素子を破壊する恐れがあるため、速やかにインバータ回路５に印加される電圧ＥＦＣを減じなければならない。

以上のとおり本実施の形態に係る電気車の駆動制御装置１によると、電力制御部１４は電圧検出部１５の検出電圧ＥＦＣが所定の開放電圧Ｖ３を超えた時に、０より長いランプ低減期間ＲＭＰＬを有する所定の低減パターンにて交流回転機１３による回生ブレーキ力ＢＴを低減させるように電力変換部であるインバータ回路５を制御するので、この低減期間において機械ブレーキによるブレーキ力ＢＭが立ち上がることができるため、回生ブレーキ作動中に回生負荷が不足した場合であっても、電気車の減速度の変動ΔＢを小さくし、乗り心地を改善することができる。

また、本実施の形態にかかる電気車の駆動制御装置１によると、インバータ回路５の入力側の２端子間に接続されたフィルタコンデンサ９と、前記フィルタコンデンサ９と並列に前記２端子間に接続され、スイッチング素子１１を有するコンデンサ電圧調整部１０とを備え、電力制御部１４は、ランプ低減期間ＲＭＰＬに渡って、前記検出電圧ＥＦＣが第１の電圧Ｖ１以上であって、第２の電圧Ｖ２以下となるように、前記スイッチング素子１１を断続制御して前記フィルタコンデンサ９の充電量を調整するため、駆動制御装置１が架線２とは遮断されたランプ低減期間ＲＭＰＬ中であってもインバータ回路５を作動させることにより、交流回転機１３の電流をインバータ回路５を介して直流変換して消費することができて、このランプ低減期間ＲＭＰＬに渡って安定的に回生ブレーキを作動させることができる。

尚、本実施の形態においては、フィルタコンデンサ９とコンデンサ電圧調整部１０との並列回路をインバータ回路５の入力部に接続することにより、インバータ回路５の入力電圧を第１の電圧Ｖ１以上であり第２の電圧Ｖ２以下に制御可能な回路構成を例示したが、インバータ回路５から出力される回生電流を利用することにより、インバータ回路５の入力電圧をＶ１以上Ｖ２以下に制御可能な回路であれば、例えば蓄電池等を用いた別の形態のものであっても同様な効果を奏することは言うまでもない。

更に、本実施の形態にかかる電気車の駆動制御装置１によると、電力制御部１４は、第１の電圧Ｖ１を上回り第２の電圧Ｖ２未満である第３の電圧Ｖ３を検出電圧ＥＦＣから差し引いた電圧偏差ΔＶが０又は負である場合には、スイッチング素子１１の通流率Ｍを０とし、電圧偏差ΔＶが正の場合には電圧偏差が大きくなるに連れて通流率Ｍが大きくなるように制御するため、フィルタコンデンサ９の充電量が過大になった場合には、スイッチング素子１１を介して放電抵抗器１２側に回生電流が流れ込むことができ、検出電圧ＥＦＣは第２の電圧Ｖ２を上回ることはなく、インバータ回路５を安定的に動作させることができる。更に、ＥＦＣがＶ３以下になるまでフィルタコンデンサ９に充電された電荷が放電されることはなく、フィルタコンデンサ９にはＶ３に溜まった電荷を保持できるため、放電抵抗器１２に流れる電流を制限でき、放電抵抗器１２の容量を小さいものを採用することができる。

本実施の形態にかかる電気車の駆動制御装置１によると、電力制御部１４は、検出電圧ＥＦＣが前記第２の電圧Ｖ２以上の場合には、前記通流率Ｍが１となるように制御し、又は、駆動制御装置１内の制御電源電圧が規定値よりも低下した場合、又はインバータ回路５を構成するスイッチング素子が異常である場合に、前記通流率が１となるように制御するため、インバータ回路５内のスイッチング素子を破壊する恐れがなく、信頼性の高い駆動制御装置１を提供することができる。

本実施の形態にかかる電気車の駆動制御装置１によると、交流回転機１３の出力状態を示す回生ブレーキ力信号ＢＴとブレーキ力指令ＢＲＥＦが入力され、ブレーキ力指令ＢＲＥＦに対して回生ブレーキ力信号ＢＴが不足する場合には、この不足する量を補うように機械ブレーキ力ＢＭを制御するブレーキ制御部１６を備えているため、電気車全体のブレーキ力の不足、及びブレーキ減速度の低下を抑制することができる。また、電力制御部１４は、前記機械ブレーキ力ＢＭが前記ブレーキ指令ＢＲＥＦまで立ち上がるのに要する時間よりも前記ランプ低減期間ＲＭＰＬが長いことを特徴とするため、回生ブレーキが低減した分を機械ブレーキで確実に補うことができるようになるため、減速度の変化をほとんどなくすことができる。

実施の形態２．
本実施の形態にかかる電気車の駆動制御装置は、コンデンサ電圧調整部１０の放電抵抗器１２に替えて、蓄電池を用いたものである。これ以外の機器の構成、動作については、実施の形態１と同様であるため、記載を省略する。本実施の形態にかかる電気車の駆動制御装置によると、実施の形態１の駆動制御装置１の奏する効果に加えて、回生ブレーキを作動中に回生負荷が不足した場合には、回生電流によって蓄電池が充電されることになり、この蓄電池に充電された電力は電気車を力行運転する場合に使用できるため、電気車運転時のエネルギー利用効率を高めることができるという効果がある。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、直流回転機を用いた電気車への適用や本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。

１ 駆動制御装置
４ 断流器（開閉部）
５ インバータ回路（電力変換部）
９ フィルタコンデンサ
１０ コンデンサ電圧調整部
１１ スイッチング素子
１２ 放電抵抗器
１３ 交流回転機
１４ 電力制御部
１５ 電圧検出部
１６ ブレーキ制御部
１７ 電圧判定部
１８ 第１の比較器
１９ 第２の比較器
２０ スイッチング素子制御信号生成部
２１ ＣＨ制御器
２２ ＯＮ制御器
２３ ＯＲ回路
２４ スイッチ
２５ ランプ処理部
２６ トルク制御部

Claims (14)

1. 直流電力の接続又は開放を行う開閉部と、
   入力側の２端子間に前記開閉部を介して前記直流電力が入力され、スイッチング動作により前記直流電力を交流電力に変換して、出力側に接続された交流回転機を駆動する電力変換部と、
   前記２端子間の電圧を検出する電圧検出部と、
   前記電圧検出部の検出電圧が所定の開放電圧を超えた時に、前記開閉部を開とし、０より長いランプ低減期間を有する所定の低減パターンにて前記交流回転機による回生ブレーキ力を低減させるように前記電力変換部を制御する電力制御部と、
   を備えた電気車の駆動制御装置。
2. 前記２端子間に接続されたフィルタコンデンサと、
   前記フィルタコンデンサと並列に前記２端子間に接続され、スイッチング素子を有するコンデンサ電圧調整部とを備え、
   前記電力制御部は、前記ランプ低減期間に渡って、前記検出電圧が第１の電圧以上であって、第２の電圧以下となるように、前記スイッチング素子を断続制御して前記フィルタコンデンサの充電量を調整することを特徴とする
   請求項１記載の電気車の駆動制御装置。
3. 前記電力制御部は、前記第１の電圧は前記電力変換部の動作下限電圧であり、前記第２の電圧は前記電力変換部の最高使用電圧であることを特徴とする
   請求項２記載の電気車の駆動制御装置。
4. 前記電力制御部は、前記第１の電圧を上回り前記第２の電圧未満である第３の電圧を前記検出電圧から差し引いた電圧偏差が０又は負である場合には、前記スイッチング素子の通流率を０とし、前記電圧偏差が正の場合には前記電圧偏差が大きくなるに連れて前記通流率が大きくなるように制御することを特徴とする
   請求項２記載の電気車の駆動制御装置。
5. 前記電力制御部は、
   前記検出電圧が前記第２の電圧以上の場合には、前記通流率が１となるように制御することを特徴とする
   請求項４記載の電気車の駆動制御装置。
6. 前記電力制御部は、前記駆動制御装置内の制御電源電圧が規定値よりも低下した場合、又は前記電力変換部を構成するスイッチング素子が異常である場合に、前記通流率が１となるように制御することを特徴とする
   請求項４記載の電気車の駆動制御装置。
7. 前記電力制御部は、
   前記検出電圧が前記第３の電圧以上である場合に第１の状態であるＣＭ１信号を生成する第１の比較器と、前記検出電圧が前記第２の電圧以上である場合に第２の状態であるＣＭ２信号を生成する第２の比較器とを有する電圧判定部と、
   前記ＣＭ１信号が前記第１の状態である場合には前記通流率に応じて開となる断続信号であるＣＨ信号を生成するＣＨ制御器と、前記ＣＭ２信号が前記第２の状態である場合にはＯＮ信号を生成するＯＮ制御器と、前記ＣＨ信号と前記ＯＮ信号との論理和信号を生成するＯＲ回路とを有するスイッチング素子制御信号生成部とを備え、
   前記論理和信号により前記スイッチング素子を制御することを特徴とする
   請求項５記載の電気車の駆動制御装置。
8. 前記電力制御部は、
   前記検出電圧が前記第３の電圧以下の場合は、前記交流回転機のトルク出力が運転台から指令された初期トルクを維持するように前記電力変換部を制御し、
   前記検出電圧が前記第３の電圧を上回り前記第２の電圧未満の場合は、前記交流回転機のトルク出力が前記所定の低減パターンに従って前記初期トルクから低減するように前記電力変換部を制御し、
   前記検出電圧が前記第２の電圧以上の場合は、前記電力変換部を停止することを特徴とする
   請求項４記載の電気車の駆動制御装置。
9. 前記電力制御部は、
   前記検出電圧に応じて、目標トルクの選択が行われるスイッチと、
   前記ランプ低減期間が入力され、前記所定の低減パターンに従って前記初期トルクから前記目標トルクに低減するトルク指令を生成するランプ処理部と、
   前記交流回転機の電流ＩＭが入力され、この電流ＩＭに基づき前記交流回転機が前記トルク指令と一致したトルクを出力するように電力変換部に対する制御信号を生成するトルク制御部とを備え、
   前記制御信号により前記電力変換部を制御することを特徴とする
   請求項８記載の電気車の駆動制御装置。
10. 前記コンデンサ電圧調整部は、前記スイッチング素子と放電抵抗器との直列体を有することを特徴とする
    請求項２に記載の電気車の駆動制御装置。
11. 前記コンデンサ電圧調整部は、前記スイッチング素子と蓄電池との直列体を有することを特徴とする
    請求項２に記載の電気車の駆動制御装置。
12. 前記前記交流回転機の出力状態を示す回生ブレーキ力信号とブレーキ力指令とが入力され、前記ブレーキ力指令に対して前記回生ブレーキ力信号が不足する場合には、この不足する量を補うように機械ブレーキ力を制御するブレーキ制御部を備えたことを特徴とする
    請求項２に記載の電気車の駆動制御装置。
13. 前記電力制御部は、前記機械ブレーキ力が前記ブレーキ指令の値まで立ち上がるのに要する時間よりも長い前記ランプ低減期間が入力されることを特徴とする
    請求項１２に記載の電気車の駆動制御装置。
14. 前記電力制御部は、２００ミリ秒以上２秒以下である前記ランプ低減期間が入力されることを特徴とする
    請求項１３に記載の電気車の駆動制御装置。

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