KR101386739B1 - 철도 차량의 구동 시스템 - Google Patents

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Abstract

급유 설비 등의 새로운 설비를 설치하지 않고, 또한, 비전기 작동 구간과 전기 작동 구간을 의식하지 않고 양쪽 구간을 상호 직통 운전할 수 있는, 기동성이 높은 철도 차량 시스템을 제공한다. 외부 급전 수단, 내부 급전 수단, 축전 수단, 각 전력 변환 수단 및 전동기 구동 수단을 각각 제어하는 통괄 제어 장치를 구비하고, 차외에 설비된 선로 상의 지상자, 위성 항법 시스템(GPS) 등의 위치 정보 발신 수단으로부터 수신한 주행 위치 정보에 기초하여, 현재 주행하는 노선 구간이, 전기 작동 구간인지 비전기 작동 구간인지를 판정 혹은 예고하고, 비전기 작동 구간에서는 외부 전력원으로부터 절단하고, 전기 작동 구간에서는 외부 전력원과 접속하도록, 원활한 이행 제어를 행한다.

Description

철도 차량의 구동 시스템{DRIVING SYSTEM FOR RAILROAD VEHICLE}
본 발명은 철도 시스템의 구동 시스템에 관하여, 특히, 외부 급전 수단과 발전 수단과 전력 축적 수단을 설비하고, 이들의 수단에 의해 얻어지는 전력을 이용해서 철도 차량을 구동하는 기술에 관한 것이다.
철도 차량은, 철의 차륜이 레일면 상을 굴러감으로써 주행하기 때문에, 자동차에 비하여 주행 저항이 작은 것이 특징이다. 특히, 최근의 전기 철도 차량에서는, 제동 시에 주전동기를 발전기로서 작용시킴으로써 제동력을 얻는 동시에, 주전동기에서 발생되는 전기적 에너지를 가선에 복귀시켜서 타차량의 드라이빙 에너지로서 재이용하는 회생 브레이크 제어를 행하고 있다. 이 회생 브레이크를 구비하는 전기 철도 차량은, 회생 브레이크를 구비하고 있지 않은 전기 철도 차량에 비하여, 약 절반의 에너지 소비로 주행하는 것이 가능하게 되어 있어, 주행 저항이 작은 철도 차량의 특징을 살린 에너지 절약 방법이라고 말할 수 있다.
한편, 수송 밀도가 작은 지방 노선 등은, 가선, 변전소 등이 필요없는 기동차에 의한 세심한 승객 서비스를 저비용으로 실현하고 있다.
그러나, 기동차는 가선 등 타차량에 에너지를 전달하는 방법이 없기 때문에, 전기 철도 차량과 같은 회생 에너지의 재이용은 행해지지 않고 있어, 이로 인해 기동차에서 에너지 절약을 실현하기 위해서는, 저연비 엔진의 개발에 의지할 수 밖에 없었다.
따라서, 이러한 기동차에서 에너지 절약을 추진하는 방법 중 하나로서, 엔진과 축전 장치를 조합한 하이브리드 차량이 고안되었다. 하이브리드 차량은 축전 장치를 설치함으로써, 제동 시에 발생되는 회생 에너지를 축전 장치에서 일단 흡수하는 것이 가능해져, 이 흡수한 회생 에너지를 드라이빙 시에 필요한 에너지의 일부로서 재이용함으로써 에너지 절약을 실현한다.
이와 같이, 감속기를 통해서 엔진 출력을 윤축에 직접 전달해서 차량의 인장력을 얻는 종래의 기동차에 반해, 하이브리드 차량은 엔진 출력으로 발전기를 구동해서 직류 전력으로 변환하고, 이 직류 전력을 인버터 장치로 교류 전력으로 변환하여, 전동기를 구동해서 인장력을 발생시킨다. 한편, 브레이크 작동 시는 전동기에서 발전된 교류 전력을 인버터 장치로 직류 전력으로 변환하여, 직류 전력부에 접속된 축전 장치에 충전한다. 생각을 바꾸면 하이브리드 차량은, 전철의 구동 시스템에 전력을 발생시키는 엔진 발전기와, 회생 전력을 흡수하는 축전 장치를 부가한 시스템이라고 말할 수 있다.
하이브리드 차량의 구성, 제어 방식에 대해서는, 특허문헌 1의 철도 차량 구동 시스템에 설명되어 있다.
도 7에, 특허문헌 1의 도 1에 나타내어져 있는 철도 차량 구동 시스템의 기기 구성도를 나타낸다. 발전 수단(110)과 전력 변환 장치(120)와 구동 전동기와 전력 축적 수단(150)을 탑재한 제1 철도 차량(101)과, 전력 변환 장치(120)와 구동 전동기와 전력 축적 수단(150)을 탑재한 제2 철도 차량(102)과, 각 수단을 전력 전달 수단(140)에 의해 접속한 철도 차량 구동 시스템에 있어서, 발전 수단(110)의 발전 전력 및 전력 축적 수단(150)의 축전량을 제어하는 전력 관리 수단(200)을 구비하고, 전력 축적 수단(150)이, 발전 수단(110)이 발전하는 전력 및 회생 전력을 축적하고, 발전 수단(110)과 전력 축적 수단(150)을 전원으로서 전력 변환 장치(120)에 의해 구동 전동기를 구동하여 열차를 구동한다.
이와 같이, 특허문헌 1의 도 1에 나타내어져 있는 철도 차량 구동 시스템에서는, 발전 수단(110)을 구비한 제1 철도 차량으로부터, 전철과 마찬가지 구동 시스템인 전력 변환 장치(120)와 구동 전동기와 전력 축적 수단(150)을 구비한 제2 철도 차량(102)에 전력을 공급하여, 차량의 주행을 실현하고 있다.
일본 특허 제4184879호 공보
하이브리드 차량에는, 구동 시스템의 기본 구성은 전철과 동일하기 때문에, 전철과 동등한 주행 성능을 실현할 수 있는 것이 장점 중 하나이다. 종래의 기동차에서는, 주행 성능이 엔진 출력 특성에서 제한되기 때문에, 전철과는 주행 특성이 상이했다. 이로 인해, 기동차가 전기 작동 구간에 들어갔을 때에는, 기동차 전용 시각표를 짤 필요가 있었다. 그러나, 하이브리드 차량에서는 전기 작동 구간에 들어갔을 때에도, 전철과 동일한 주행 특성을 실현할 수 있으므로, 전철과 동일한 시각표로 운용할 수 있다.
그런데, 통상의 전철은 차량 바로 위의 공중에 설비된 가선으로부터 구동 시스템에 전력이 공급된다. 그러나, 종래의 하이브리드 차량에 있어서는, 전기 작동 구간에 들어갔을 때에도, 구동 시스템으로의 전력 공급은 엔진 발전 수단에 의해 행해지기 때문에, 엔진을 구동하는 연료(경유 등)가 필요해진다. 이로 인해, 하이브리드 차량이 들어가는 전기 작동 구간에서도, 차량의 연료 탱크가 바닥나는 것을 상정하여 급유 시설을 설치할 필요가 있다고 생각된다.
즉, 하이브리드 차량이 비전기 작동 구간과 전기 작동 구간을 직통하기 위해서는, 전기 작동 구간에 있어서도 새롭게 급유 시설 등의 설비 투자가 필요해지는 것이 과제라고 말할 수 있다.
본 발명의 목적은, 하이브리드 차량의 전력 공급을 전기 작동 구간, 비전기 작동 구간에서 최적으로 전환 제어함으로써, 전기 작동 구간에 급유 설비 등의 새로운 설비를 설치하지 않고, 또한, 비전기 작동 구간과 전기 작동 구간을 의식하지 않고, 양쪽 구간을 상호 직통 운전할 수 있는, 기동성이 높은 철도 차량 시스템을 실현하는데 있다.
본 발명의 철도 차량 시스템에서는, 차량 외부로부터 전력을 얻는 제1 급전 수단과, 차량 내부에서 전력을 발생시키는 제2 급전 수단과, 차량에 설비되어 축전 기능을 갖는 제3 급전 수단과, 제1 내지 제3 급전 수단으로부터의 전력을, 제1 전압값 레벨을 갖는 직류 전력으로 변환하는 전력 변환 수단과, 제1 전압값 레벨을 갖는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여, 상기 교류 전력에 의해 전동기를 구동하는 전동기 구동 수단을 구비함과 함께, 차외에 설비된 위치 정보 발신 수단으로부터 수신하는 위치 정보에 기초하여, 차량이 주행하는 구간이 차량 외부로부터의 전력 공급이 가능하게 되는 전기 작동 구간인지, 전력 공급이 불가능하게 되는 비전기 작동 구간인지를 판정하는 전기 작동 구간 판정 수단을 설치하고, 상기 전기 작동 구간 판정 수단의 판단에 기초하여, 전기 작동 구간으로부터 비전기 작동 구간으로의 이행 시에 상기 제1 급전 수단으로부터의 외부 전력원을 절단함과 함께, 비전기 작동 구간으로부터 전기 작동 구간으로의 이행 시에, 상기 제1 급전 수단으로부터의 외부 전력원을 접속함으로써, 외부 급전 수단인 제1 급전 수단, 내부 급전 수단인 제2 급전 수단, 축전 수단인 제3 급전 수단 중 어느 것으로부터도 전동기 구동 수단에 전력 공급 가능하게 하고, 전동기 구동 수단에서 발전된 전력을 외부 급전 수단인 제1 급전 수단, 내부 급전 수단인 제2 급전 수단, 축전 수단인 제3 급전 수단 중 적어도 하나로 흡수 가능한 구성으로 한다.
또한, 차량의 주행 위치 정보를, 선로 상의 지상자(地上子), 위성 항법 시스템(GPS) 등, 차외에 설비된 위치 정보 발신 수단으로부터 수신하는 위치 검출 수단을 구비하고, 수신한 주행 위치 정보에 기초하여 가선 등의 외부 전력원의 유무를 대조하여, 차량 외부로부터의 전력 공급의 가능·불가능, 즉, 현재 차량이 주행중인 구간이 전기 작동 구간인지 비전기 작동 구간인지 예측·판단하여, 비전기 작동 구간일 때, 외부 급전 수단인 제1 급전 수단은 외부 전력원으로부터 절단하고, 전기 작동 구간일 때, 제1 급전 수단은 외부 전력원과 접속하는 것이 가능해진다.
또한, 선두 차량에 복수의 차량이 편성된 철도 편성 차량의 구동 시스템에 있어서, 적어도 편성 차량 중 하나에 차량 외부로부터 전력을 얻는 제1 급전 수단을, 그리고, 선두 차량에 차량 내부에서 전력을 발생시키는 제2 급전 수단을 설비 함과 함께, 적어도 편성 차량 중 하나에, 축전 기능을 갖는 제3 급전 수단, 제1 내지 제3 급전 수단으로부터의 전력을, 제1 전압값 레벨을 갖는 직류 전력으로 변환하는 전력 변환 수단 및 제1 전압값 레벨을 갖는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하고, 상기 교류 전력에 의해 전동기를 구동하는 전동기 구동 수단을 배비하여, 각 차량에 상기 제1 내지 제3 급전 수단, 전력 변환 수단 및 전동기 구동 수단의 각 제어 정보를, 정보 제어 수단을 통해서 상호 수수하고, 상기 제1 내지 제3 급전 수단, 상기 전력 변환 수단 및 상기 전동기 구동 수단 각각을 통괄적으로 제어하는 시스템 통괄 제어 장치를 배비하고, 편성 차량에 있어서, 저비용화, 중량 배분 등의 관점에서, 분산 배비된 각 수단을 상호 연계시켜, 통괄적으로 제어함으로써, 전기 작동 구간, 비전기 작동 구간에 따라서, 편성 차량에 분산 배비된 각 수단을 통괄적으로 제어하는 구성으로 한다.
본 발명에 따르면, 전기 작동 구간에 급유 설비 등의 새로운 설비를 설치하지 않고, 또한, 비전기 작동 구간과 전기 작동 구간을 의식하지 않고 양쪽 구간을 상호 직통 운전할 수 있는, 기동성이 높은 철도 차량 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 철도 차량의 구동 시스템에 있어서의 일 실시 형태의 기기 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 있어서의 기기 구성의 상세를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 있어서의 기기 동작을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 있어서의 기기 동작을 실현하는 제어 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 있어서의 전기 작동 구간에서의 기기 출력 밸런스 제어를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 형태에 있어서의 비전기 작동 구간에서의 기기 출력 밸런스 제어를 나타내는 도면이다.
도 7은 종래의 철도 차량 구동 시스템을 도시하는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대해서, 도면을 사용하여 설명한다.
(실시예)
도 1은, 본 발명의 철도 차량의 구동 시스템에 있어서의 일 실시 형태의 기기 구성을 나타내는 도면이다.
차량(1a, 1b, 1c)은 열차 편성을 구성하는 차량의 일부이다. 제3 량째의 차량(1a)은 차간 연결기(11a, 1lb), 제2 량째의 차량(1b)은 차간 연결기(11c, 11d), 선두 차량의 차량(1c)은 차간 연결기(11e, 11f)를 각각 구비하고 있고, 차량(1a)과 차량(1b)은 차간 연결기(1lb)와 차간 연결기(11c)로, 차량(1b)과 차량(1c)은 차간 연결기(11d)와 차간 연결기(11e)로 연결되어 있다.
차량(1a)은, 대차(2a)를 통해서 윤축(3a, 3b)에 의해, 또한 대차(2b)를 통해서 윤축(3c, 3d)에 의해, 도시되어 있지 않은 레일면 상에 지지되어 있다. 차량(1b)은, 대차(2c)를 통해서 윤축(3e, 3f)에 의해, 또한 대차(2d)를 통해서 윤축(3g, 3h)에 의해, 도시되어 있지 않은 레일면 상에 지지되어 있다. 차량(1c)은, 대차(2e)를 통해서 윤축(3i, 3j)에 의해, 또한, 대차(2f)를 통해서 윤축(3k, 3l)에 의해, 도시되어 있지 않은 레일면 상에 지지되어 있다.
차량(1a)의 기기 구성에 대해서 설명한다.
차량(1a)에는, 선로 상에 배치된 지상자, 즉 위치 정보 발신 수단으로부터 위치 정보를 수신하는 지점 검지기(14), 제1 급전 수단인 집전 장치(18), 제1 전력 공급 수단인 외부 급전 컨버터 장치(19), 주변압기(20), 시스템 통괄 제어 장치(8a), 정보 통신 장치(9a), 정전 안테나(35)의 각 기기가 배치된다.
주변압기(20)는, 집전 장치(18)에 의해 공급되는 교류 전력에 기초하여, 외부 급전 컨버터 장치(19)의 사양에 적합한 전압으로 변환한다. 외부 급전 컨버터 장치(19)는, 주변압기(20)에 의해 변환된 전압을 갖는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여, 전력 전달 수단(7a)에 공급해서 편성 내의 타차량(1a, 1b)에 보내진다. 지점 검출기(14)는, 차외에 설비하는 지상자 등의 위치 정보 발신 수단(37)(도시하지 않음)으로부터 발신되는 지점 정보를 검출하여, 시스템 통괄 제어 장치(8a)에 보낸다. 위치 정보 발신 수단(37)으로서는, 정전 안테나(35)는, 가선의 유무 정보를 가선에 통류되는 교류 전류의 변동에 의해 검출하여, 시스템 통괄 제어 장치(8a)에 보낸다. 여기에서, 위치 정보 발신 수단(37)으로서는, 위성 항법 시스템(GPS)을 활용할 수도 있다.
시스템 통괄 제어 장치(8a)는, 외부 급전 컨버터 장치(19), 지점 검지기(14), 정전 안테나(35)와 접속하여, 각각 제어 요구 Dcnv_a, Dsen_a, Dant_a를 각 장치에 부여함과 함께, 각 장치의 상태 정보 Scnv_a, Ssen_a, Sant_a를 집약시킨다. 또한, 시스템 통괄 제어 장치(8a)는 지점 검지기(14), 외부 급전 컨버터 장치(19) 사이에서 수수한 정보 Dinf_a를 정보 통신 장치(9a)에 보내는, 정보 통신 장치(9a)는, 정보 전송 수단(10a, 10b, 10c)을 거쳐서, 편성 내의 타차량의 정보 통신 장치(9b, 9c) 사이에서 정보를 공유할 수 있다. 즉, 정보 통신 장치(9a)에서는, 열차 전체의 정보를 수집할 수 있고, 시스템 통괄 제어 장치(8a)는 이 중에서 지점 검지기(14), 외부 급전 컨버터 장치(19)의 제어에 필요한 정보 Sinf_a를 선택해서 수신한다.
또한, 차량(1a)은 편성 내의 타차량과 전력 전달 수단(7a)을 접속하기 위한 전력계 연결기(12a, 12b)를, 또한, 편성 내의 타차량과 정보 전송 수단(10a)을 접속하기 위한 정보계 연결기(13a, 13b)를 각각 설비하고 있다.
이어서, 차량(1b)의 기기 구성에 대해서 설명한다.
차량(1b)에는, 전동기 구동 수단인 인버터 장치(4a), DC/DC 컨버터 장치(5), 제3 급전 수단인 축전 장치(6), 시스템 통괄 제어 장치(8b), 정보 통신 장치(9b)의 각 기기가 배치된다.
인버터 장치(4)는 전력 전달 수단(7b)에 의해 공급되는 직류 전력에 기초하여, 이것을 3상 교류 전력으로 변환하여, 도시되어 있지 않은 전동기(27)를 구동한다. 전동기(27)의 출력은, 도시되어 있지 않은 동력 전달 수단을 개재함으로써, 윤축(3e, 3f, 3g, 3h) 중 모두, 또는 어느 하나를 구동하여, 차량(1b)에 가감속력을 부여한다.
초퍼 장치(5)는 입력측, 출력측에서 각각 단자 전압이 상이한 상태에 있어서, 입력측, 출력측 각각의 단자 전압에 따라서 전류를 통류시키는 기능을 갖는다. 여기에서는, 고전압측의 단자는 전력 전달 수단(7b)에, 저전압측의 단자는 축전 장치(6)에 접속된다. 즉, 초퍼 장치(5)는, 전력 전달 수단(7b)의 전력을 축전 장치(6)에 충전하고, 또한 축전 장치(6)를 방전해서 전력 전달 수단(7b)에 복귀시킬 수 있다.
시스템 통괄 제어 장치(8b)는, 인버터 장치(4), 초퍼 장치(5), 축전 장치(6)와 접속하여, 각각 제어 요구 Dinv_b, Dchp_b, Dbtr_b를 각 장치에 부여함과 함께, 각 장치의 상태 정보 Sinv_b, Schp_b, Sbtr_b를 집약시킨다. 또한, 시스템 통괄 제어 장치(8b)는, 인버터 장치(4), 초퍼 장치(5), 축전 장치(6) 사이에서 수수한 정보 Dinf_b를 정보 통신 장치(9b)에 보내는, 정보 통신 장치(9b)는, 정보 전송 수단(10a, 10b, 10c)을 거쳐서, 편성 내의 타차량의 정보 통신 장치(9a, 9c) 사이에서 정보를 공유할 수 있다. 즉, 정보 통신 장치(9b)에서는, 열차 전체의 정보를 수집할 수 있고, 시스템 통괄 제어 장치(8b)는, 이 중에서 인버터 장치(4), 초퍼 장치(5), 축전 장치(6)의 제어에 필요한 정보 Sinf_b를 선택해서 수신한다.
또한, 차량(1b)은, 편성 내의 타차량과 전력 전달 수단(7b)을 접속하기 위한 전력계 연결기(12c, 12d)를, 또한, 편성 내의 타차량과 정보 전송 수단(10b)을 접속하기 위한 정보계 연결기(13b, 13c)를 각각 설비하고 있다.
이어서, 선두 차량인 차량(1c)의 기기 구성에 대해서 설명한다.
차량(1c)에는, 엔진(15), 발전기(16), 엔진 발전 컨버터 장치(17), 시스템 통괄 제어 장치(8c), 정보 통신 장치(9c)의 각 기기가 배치된다.
엔진(15) 및 발전기(16)가 차량 내부에서 전력을 발생시키는 제2 급전 수단을 구성하고, 엔진(15)에 의해, 발전기(16)를 구동해서 3상 교류 전력을 발생시킨다. 이 3상 교류 전력은, 엔진 발전 컨버터 장치(17)에 의해 직류 전력으로 변환되어, 전력 전달 수단(7c)에 공급해서 편성 차량 내의 타차량(1a, 1b)에 보내진다.
시스템 통괄 제어 장치(8c)는, 엔진(15), 엔진 발전 컨버터 장치(17)와 접속하여, 각각 제어 요구 Deng_c, Dcnv_c를 부여함과 함께, 각 장치의 상태 정보 Seng_c, Scnv_c를 집약시킨다. 또한, 시스템 통괄 제어 장치(8c)는, 엔진(15), 엔진 발전 컨버터 장치(17) 사이에서 수수한 정보 Dinf_c를 정보 통신 장치(9c)에 보낸다. 정보 통신 장치(9c)는, 정보 전송 수단(10c)을 거쳐서, 편성 내의 타차량의 정보 통신 장치(9a, 9b) 사이에서 정보를 공유할 수 있다. 즉, 정보 통신 장치(9c)에서는, 열차 전체의 정보를 수집할 수 있고, 시스템 통괄 제어 장치(8c)는, 이 중에서 엔진(15), 엔진 발전 컨버터 장치(17)의 제어에 필요한 정보 Scnv_c를 선택해서 수신한다.
또한, 차량(1c)은, 편성 차량 내의 타차량과 전력 전달 수단(7c)을 접속하기 위한 전력계 연결기(12e)를, 또한, 편성 차량 내의 타차량과 정보 전송 수단(10c)을 접속하기 위한 정보계 연결기(13e)를 각각 설비하고 있다.
또한, 상기 외부 급전 컨버터(19), 엔진 발전 컨버터(17) 및 초퍼 장치(5)가, 제1 급전 수단인 집전 장치(18), 제2 급전 수단인 엔진(15) 및 발전기(1) 및 제3 급전 수단인 축전 장치(6)로부터의 전력을, 일정한 전압값 레벨을 갖는 직류 전력으로 변환하는 전력 변환 수단을 구성한다.
이 구성에 의하면, 수신한 주행 위치 정보에 기초하여 가선 등의 외부 전력원의 유무를 대조해서 차량 외부로부터의 전력 공급의 가능·불가능, 즉, 현재 주행하는 노선이 전기 작동 구간인지, 비전기 작동 구간인지를 판단하여, 차량 외부로부터 전력 공급이 불가능일 때 외부 급전 수단은 외부 전력원으로부터 절단하고, 차량 외부로부터 전력 공급이 가능일 때 외부 급전 수단은 외부 전력원과 접속하는 것이 가능하다.
또한, 집전 장치, 엔진 발전기, 축전 장치, 외부 급전 컨버터 장치, 엔진 발전 컨버터 장치, 인버터 장치를 각각 제어하는 시스템 통괄 제어 장치와, 시스템 통괄 제어 장치의 제어 정보를 상호 수수하는 정보 통신 장치를 구비함으로써 각 기기를 통합적으로 제어하고, 차량 외부로부터의 전력 공급이 가능일 때는 인버터 장치로의 주된 전력 공급은 집전 장치로부터의 급전 전력으로서 외부 급전 컨버터 장치에 의해 직류 전력부를 소정 전압값으로 제어하고, 집전 장치로부터의 전력 공급이 불가능일 때는 인버터 장치로의 주된 전력 공급은 엔진 발전기로부터의 급전 전력으로서 엔진 발전 컨버터에 의해 직류 전압부를 소정 전압값으로 제어할 수 있다.
즉, 전기 작동 구간에 급유 설비 등의 새로운 설비를 설치하지 않고, 또한, 비전기 작동 구간과 전기 작동 구간을 의식하지 않고 양쪽 구간을 상호 직통 운전할 수 있는, 기동성이 높은 철도 차량 시스템을 실현할 수 있다.
도 2는, 본 발명의 일 실시 형태에 있어서의 기기 구성의 상세를 나타내는 도면이다.
차량(1a)에는, 집전 장치(18), 주변압기(20), 외부 급전 컨버터 장치(19), 시스템 통괄 제어 장치(8a), 정보 통신 장치(9a), 위치 검출기(14), 정전 안테나(35)의 각 기기가 배치된다.
주변압기(20)는, 집전 장치(18)에 의해 공급되는 교류 전력에 기초하여, 외부 급전 컨버터 장치(19)의 사양에 적합한 전압으로 변환한다. 외부 급전 컨버터 장치(19)는, 주변압기(20)에 의해 변환된 전압을 갖는 교류 전력을 교류 전력으로 변환하여, 전력 전달 수단(7a)에 공급해서 편성 내의 타차량(1a, 1b)에 보내진다.
외부 급전 컨버터 회로(25)는, 주변압기(20)로부터 공급되는 교류 전력을, 외부 급전 컨버터 제어부(31)가 출력하는 스위칭 신호 GP_p에 기초하여, 도시되어 있지 않은 스위칭 소자를 제어함으로써, 직류 전력으로 변환한다. 또한, 전력 전달 수단(7a)으로부터의 공급 전압을 측정하기 위한 전압 검출기(22a), 공급 전류를 측정하기 위한 전류 검출기(23a), 주변압기로부터 공급되는 교류 전력의 전류를 측정하는 전류 검출기(23b)를 각각 배치한다. 필터 콘덴서(21a)는, 외부 급전 컨버터 회로(25)의 입력단에 병렬로 접속되고, 외부 급전 컨버터 회로(25)에 유입 혹은 유출되는 전류의 변동 성분을 제거한다.
지점 검출기(14)는, 차외에 설비하는 지상자 등의 위치 정보 발신 수단(37)(도시하지 않음)으로부터 발신되는 지점 정보를 검출하고, 시스템 통괄 제어 장치(8a)에 보낸다. 위치 정보 발신 수단(37)으로서는, 정전 안테나(35)는, 가선의 유무 정보를 가선에 통류되는 교류 전류의 변동에 의해 검출하고, 시스템 통괄 제어 장치(8a)에 보낸다. 여기에서, 위치 정보 발신 수단(37)으로서는, 위성 항법 시스템(GPS)을 활용할 수도 있다.
시스템 통괄 제어 장치(8a)는, 외부 급전 컨버터 제어부(31), 지점 검지 장치(14), 정전 안테나(35)와 접속하여, 각각 제어 요구 Dcnv_a, Dsen_a, Dant_a를 부여함과 함께, 각 장치의 상태 정보 Scnv_a, Ssen_a, Sant_a를 집약시킨다. 또한, 시스템 통괄 제어 장치(8a)는, 외부 급전 컨버터 제어부(31), 지점 검지 장치(14), 정전 안테나(35) 사이에서 수수한 정보 Dinf_a를 정보 통신 장치(9a)에 보내는, 정보 통신 장치(9a)는, 정보 전송 수단(10a)을 거쳐서, 편성 내의 타차량의 정보 통신 장치(9b, 9c) 사이에서 정보를 공유할 수 있다. 즉, 정보 통신 장치(9a)에서는, 열차 전체의 정보를 수집할 수 있고, 시스템 통괄 제어 장치(8a)는, 이 중에서 외부 급전 컨버터 제어부(31), 지점 검지 장치(14), 정전 안테나(35)의 제어에 필요한 정보 Sinf_c를 선택해서 수신한다.
차량(1b)에는, 인버터 장치(4), 전동기(27a, 27b), 초퍼 장치(5), 축전 장치(6), 시스템 통괄 제어 장치(8b), 정보 통신 장치(9b)의 각 기기가 배치된다.
인버터 장치(4)는 전력 전달 수단(7b)에 의해 공급되는 직류 전력에 기초하여, 이것을 3상 교류 전력으로 변환해서 전동기(27a, 27b)를 구동한다. 여기에서, 인버터 장치(4)에 의해 구동되는 전동기는, 전동기(27a, 27b)로 하고 있지만, 이것은 인버터 장치(4)가 구동하는 전동기의 대수를 한정하는 것은 아니다. 인버터 회로(26)는, 전술한 직류 부분의 전력을, 인버터 제어부(32)가 출력하는 스위칭 신호 GP_t에 기초하여, 도시되어 있지 않은 스위칭 소자를 제어함으로써, 전압 가변, 주파수 가변의 3상 교류 전력으로 변환하여, 전동기(27a, 27b)를 구동한다. 또한, 전력 공급 수단(7b)으로부터의 공급 전압을 측정하기 위한 전압 검출기(22b), 공급 전류를 측정하기 위한 전류 검출기(23c)를 각각 배치한다. 필터 콘덴서(2lb)는, 인버터 회로(26)의 입력단에 병렬로 접속되고, 인버터 회로(26)에 유입 혹은 유출되는 전류의 변동 성분을 제거한다.
초퍼 장치(5)는, 입력측, 출력측에서 각각 단자 전압이 상이한 접속으로도, 그 입력측, 출력측의 단자 전압에 따라서 전류를 통류시키는 기능을 갖는다. 여기에서는, 고전압측의 단자는 전력 전달 수단(7b)에, 저전압측의 단자는 축전 장치(6)에 접속된다. 축전 장치(6)와 초퍼 회로(28) 사이에는, 평활 리액터(24)가 접속되고, 후술하는 승강압 초퍼 동작에 있어서 초퍼 전류를 평활하는 역할과, 승압 초퍼 동작에 있어서 전기 에너지를 1차 축적하는 역할을 한다. 초퍼 회로(28)는, 초퍼 제어부(33)가 출력하는 스위칭 신호 GP_d에 기초하여, 도시되어 있지 않은 스위칭 소자를 제어함으로써, 전력 전달 수단(7b)에 접속된 고전압측의 단자와, 축전 장치(6)에 접속된 저전압측의 단자 사이를, 각각의 단자간 전압을 유지 또는 제어하면서, 전류를 통류시킨다. 또한, 축전 장치(6)로부터의 공급 전류를 측정하기 위한 전류 검출기(24)를 축전 장치(6)와 초퍼 회로(28) 사이에, 또한, 축전 장치(6)의 출력 전압을 측정하기 위해서 전압 측정기(22c)를 축전 장치(6)의 출력 단자 사이에 배치한다. 즉, 초퍼 장치(5)는, 전력 전달 수단(7b)의 전력을 바탕으로 축전 장치(6)에 충전되고, 또한 축전 장치(6)를 방전해서 전력 전달 수단(7b)에 복귀시킬 수 있다.
시스템 통괄 제어 장치(8b)는, 인버터 제어부(32), 초퍼 제어부(33), 축전 장치(6)와 접속하여, 각각 제어 요구 Dinv_b, Dbch_b, Dbtr_b를 부여함과 함께, 각 장치의 상태 정보 Sinv_b, Sbch_b, Sbtr_b를 집약시킨다. 또한, 시스템 통괄 제어 장치(8b)는, 인버터 제어부(32), 초퍼 제어부(33), 축전 장치(6) 사이에서 수수한 정보 Dinf_b를 정보 통신 장치(9b)에 보내는, 정보 통신 장치(9b)는, 정보 전송 수단(10a, 10b)을 거쳐서, 편성 내의 타차량의 정보 통신 장치(9a) 사이에서 정보를 공유할 수 있다. 즉, 정보 통신 장치(9b)에서는, 열차 전체의 정보를 수집할 수 있고, 시스템 통괄 제어 장치(8b)는, 이 중에서 인버터 제어부(32), 초퍼 제어부(33), 축전 장치(6)의 제어에 필요한 정보 Sinf_b를 선택해서 수신한다.
또한, 차량(1b)은, 편성 내의 타차량과 전력 전달 수단(7b)을 접속하기 위한 전력계 연결기(12c, 12d)를, 또한, 편성 내의 타차량과 정보 전송 수단(10b)을 접속하기 위한 정보계 연결기(13c, 13d)를 각각 설비하고 있다.
차량(1c)에는, 발전기(30), 엔진 발전 컨버터 장치(17), 시스템 통괄 제어 장치(8c), 정보 통신 장치(9c)의 각 기기가 배치된다.
발전기(30)는, 도시되어 있지 않은 엔진 등의 동력으로 구동되어서 3상 교류 전력을 발생시킨다. 엔진 발전 컨버터 장치(17)는, 발전기(30)에 의해 발생된 3상교류 전력에 기초하여, 이것을 직류 전력으로 변환하여, 전력 전달 수단(7c)에 공급한다.
엔진 발전 컨버터 회로(29)는, 발전기(30)에 의해 발생된 3상 교류 전력을, 엔진 발전 컨버터 제어부(34)가 출력하는 스위칭 신호 GP_e에 기초하여, 도시되어 있지 않은 스위칭 소자를 제어함으로써, 직류 전력으로 변환한다. 또한, 전력 전송 장치(7c)로부터의 공급 전압을 측정하기 위한 전압 검출기(22d), 공급 전류를 측정하기 위한 전류 검출기(23h), 발전기(30)에 의해 발생된 3상 교류 전력의 각 상의 전류를 측정하는 전류 검출기(23i, 23j, 23k)를 각각 배치한다. 필터 콘덴서(21c)는, 엔진 발전 컨버터 회로(29)의 입력단에 병렬로 접속되고, 엔진 발전 컨버터 회로(29)에 유입 혹은 유출되는 전류의 변동 성분을 제거한다.
시스템 통괄 제어 장치(8c)는, 엔진 발전 컨버터 제어부(34) 및 도시되어 있지 않은 엔진(15)과 접속하여, 각각 제어 요구 Deng_c, Dcnv_c를 부여함과 함께, 각 장치의 상태 정보 Scnv_c, Seng_c를 집약시킨다. 또한, 시스템 통괄 제어 장치(8c)는, 엔진 발전 컨버터 제어부(34) 및 도시되어 있지 않은 엔진(15) 사이에서 수수한 정보 Dinf_c를 정보 통신 장치(9c)에 보내는, 정보 통신 장치(9c)는, 정보 전송 수단(10c)을 거쳐서, 편성 내의 타차량의 정보 통신 장치(9a, 9b) 사이에서 정보를 공유할 수 있다. 즉, 정보 통신 장치(9c)에서는, 열차 전체의 정보를 수집할 수 있고, 시스템 통괄 제어 장치(8c)는, 이 중에서 엔진 발전 컨버터 장치(17) 및 도시되어 있지 않은 엔진(15)의 제어에 필요한 정보 Sinf_c를 선택해서 수신한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 이 구성에 의하면, 수신한 주행 위치 정보에 기초하여 가선 등의 외부 전력원의 유무를 대조해서 차량 외부로부터의 전력 공급의 가능·불가능, 즉 전기 작동 구간인지 비전기 작동 구간인지를 판단하여, 차량 외부로부터 전력 공급이 불가능일 때 외부 급전 수단은 외부 전력원으로부터 절단하고, 차량 외부로부터 전력 공급이 가능일 때 외부 급전 수단은 외부 전력원과 접속하는 것이 가능하다.
또한, 집전 장치, 엔진 발전기, 축전 장치, 외부 급전 컨버터 장치, 엔진 발전 컨버터 장치, 인버터 장치를 각각 제어하는 시스템 통괄 제어 장치와, 시스템 통괄 제어 장치의 제어 정보를 상호 수수하는 정보 통신 장치를 구비함으로써 각 기기를 통합적으로 제어하고, 차량 외부로부터의 전력 공급이 가능일 때는 인버터 장치로의 주된 전력 공급은 집전 장치로부터의 급전 전력으로서 외부 급전 컨버터 장치에 의해 직류 전력부를 소정 전압값으로 제어하고, 집전 장치로부터의 전력 공급이 불가능일 때는 인버터 장치로의 주된 전력 공급은 엔진 발전기로부터의 급전 전력으로서 엔진 발전 컨버터에 의해 직류 전압부를 소정 전압값으로 제어할 수 있다.
즉, 전기 작동 구간에 급유 설비 등이 새로운 설비를 설치하지 않고, 또한, 비전기 작동 구간과 전기 작동 구간을 의식하지 않고 양쪽 구간을 상호 직통 운전할 수 있는, 기동성이 높은 철도 차량 시스템을 제공할 수 있다.
도 3은, 본 발명의 일 실시 형태에 있어서의 기기 동작을 나타내는 도면이다.
여기에서는, 차량(1a, 1b, 1c)이, 비전기 작동 구간으로부터 전기 작동 구간에 진입할 때의 집전 장치(6), 외부 급전 컨버터 장치(19), 엔진 발전 컨버터 장치(17), 인버터 장치(4)의 각 기기의 동작, 동일하게 전기 작동 구간으로부터 비전기 작동 구간에 진입할 때의 집전 장치(6), 외부 급전 컨버터 장치(19), 엔진 발전 컨버터 장치(17), 인버터 장치(4)의 각 기기의 동작에 대해서 기술하고 있다.
우선, 비전기 작동 구간으로부터 전기 작동 구간에 진입할 때의 기기 동작에 대해서 설명한다.
차량(1a, 1b, 1c)이 비전기 작동 구간을 주행하고 있을 때, 팬터그래프(pantograph) 상승 허가 플래그 PTG_up_prm은 「0」이며, 이 때 집전 장치(6)는 하강 상태에 있다. 또한, 비전기 작동 구간에서는 집전 장치(6)로부터의 급전이 얻어지지 않기 때문에, 외부 급전 컨버터 게이트 스타트 허가 플래그 CNVA_gst_prm을 「0」, 즉, 외부 급전 컨버터 장치(19)에 있어서의 전력 변환을 정지 상태로 한다. 한편, 엔진 발전으로부터의 급전을 얻기 위해서 엔진 발전 컨버터 게이트 스타트 허가 플래그 CNVB_gst_prm을 「1」, 즉, 엔진 발전 컨버터 장치(17)에 있어서의 전력 변환을 동작 상태로 한다. 또한, 가속 시 또는 브레이크 작동 시는 인버터 게이트 스타트 허가 플래그 INV_gst_prm을 「1」, 즉, 인버터 장치(4)에 있어서의 전력 변환을 동작 상태로 한다.
차량(1a)에 탑재된 지점 검출기(14)가, 전기 작동 구간이 개시되는 지점보다도 비전기 작동 구간측에 설치되는 위치 정보 발신 수단(37a)으로부터 「전기 작동 구간 예고 신호」를 수신하면, 인버터 게이트 스타트 허가 플래그 INV_gst_prm을 「0」, 즉, 인버터 장치(4)에 있어서의 전력 변환을 정지 상태로 한다. 또한, 엔진 발전 컨버터 게이트 스타트 허가 플래그 CNVB_gst_prm을 「0」, 즉, 엔진 발전 컨버터 장치(17)에 있어서의 전력 변환을 정지 상태로 한다.
「전기 작동 구간 예고 신호」를 수신한 지점으로부터, 미리 설정하는 거리(L1)를 주행한 지점에 도달했을 때, 팬터그래프 상승 허가 플래그 PTG_up_prm을 「1」, 즉, 집전 장치(6)를 상승시켜서 급전 수단(36)과 접촉시킨다. 이에 의해, 차량(1a, 1b, 1c)은 급전 수단(36)으로부터 필요한 전력을 얻을 준비가 완료된다.
차량(1a)에 탑재된 지점 검출기(14)가, 전기 작동 구간이 개시되는 지점보다도 전기 작동 구간측에 설치되어서 차량(1a)이 전기 작동 구간을 주행하고 있는 것을 나타내는 위치 정보 발신 수단(37b)으로부터 「전기 작동 구간 확인 신호」를 수신하면, 외부 급전 컨버터 게이트 스타트 허가 플래그 CNVA_gst_prm을 「1」, 즉, 외부 급전 컨버터 장치(19)에 있어서의 전력 변환을 동작 상태로 한다. 이에 의해, 외부 급전 컨버터 장치(19)는 급전 수단(36)으로부터 얻어지는 교류 전력을 직류 전력으로 변환해서 인버터 장치(4)에 공급된다. 또한, 엔진 발전 컨버터 게이트 스타트 허가 플래그 CNVB_gst_prm을 「1」, 즉, 엔진 발전 컨버터 장치(17)에 있어서의 전력 변환을 동작 상태로 하고, 엔진 발전으로부터의 동력 공급을 가능하게 한다. 그 후, 인버터 게이트 스타트 허가 플래그 INV_gst_prm을 「1」, 즉, 인버터 장치(4)에 있어서의 전력 변환을 동작 상태로 한다.
이어서, 전기 작동 구간으로부터 비전기 작동 구간에 진입할 때의 기기 동작에 대해서 설명한다.
차량(1a, 1b, 1c)이 전기 작동 구간을 주행하고 있을 때, 팬터그래프 상승 허가 플래그 PTG_up_prm은 「1」, 즉, 집전 장치(6)는 상승 상태에서 급전 수단(35)과 접촉하고 있다. 또한, 전기 작동 구간에서는 집전 장치(6)로부터의 급전이 얻어지기 때문에, 외부 급전 컨버터 게이트 스타트 허가 플래그 CNVA_gst_prm을 「1」, 즉, 외부 급전 컨버터 장치(19)에 있어서의 전력 변환을 동작 상태로 한다. 이에 의해, 외부 급전 컨버터 장치(19)는 급전 수단(36)으로부터 얻어지는 교류 전력을 직류 전력으로 변환해서 인버터 장치(4)에 공급된다. 또한, 엔진 발전 컨버터 게이트 스타트 허가 플래그 CNVB_gst_prm을 「1」, 즉, 엔진 발전 컨버터 장치(17)에 있어서의 전력 변환을 동작 상태로 하고, 엔진 발전으로부터 인버터 장치(4)로의 전력 공급을 가능하게 한다. 또한, 가속 시 또는 브레이크 작동 시는 인버터 게이트 스타트 허가 플래그 INV_gst_prm을 「1」, 즉, 인버터 장치(4)에 있어서의 전력 변환을 동작 상태로 한다.
차량(1a)에 탑재된 지점 검출기(14)가, 비전기 작동 구간이 개시되는 지점보다 전기 작동 구간에 치우쳐서 설치되는 위치 정보 발신 수단(37c)으로부터 「비전기 작동 구간 예고 신호」를 수신하면, 인버터 게이트 스타트 허가 플래그 INV_gst_prm을 「0」, 즉, 인버터 장치(4)에 있어서의 전력 변환을 정지 상태로 한다. 이어서, 외부 급전 컨버터 게이트 스타트 허가 플래그 CNVA_gst_prm을 「0」, 즉, 외부 급전 컨버터(19)에 있어서의 전력 변환을 정지 상태로 한다. 또한, 엔진 발전 컨버터 게이트 스타트 허가 플래그 CNVB_gst_prm을 「0」, 즉, 엔진 발전 컨버터 장치(17)에 있어서의 전력 변환을 정지 상태로 한다.
「전기 작동 구간 예고 신호」를 수신한 지점으로부터, 미리 설정하는 거리(L2)를 주행한 지점에 도달했을 때, 팬터그래프 상승 허가 플래그 PTG_up_prm을 「0」, 즉, 집전 장치(6)를 하강시킨다. 이에 의해, 차량(1a, 1b, 1c)은 급전 수단(36)으로부터의 전력 공급을 종료하는 준비를 완료시킨다.
차량(1a)에 탑재된 지점 검출기(14)가, 전기 작동 구간이 개시되는 지점의 직전에 설치되는 위치 정보 발신 수단(36d)으로부터 「비전기 작동 구간 확인 신호」를 수신하면, 엔진 발전 컨버터 게이트 스타트 허가 플래그 CNVB_gst_prm을 「1」, 즉, 엔진 발전 컨버터 장치(17)에 있어서의 전력 변환을 동작 상태로 하고, 엔진 발전으로부터 인버터 장치(4)로의 전력 공급을 가능하게 한다. 또한, 가속 시 또는 브레이크 작동 시는, 인버터 게이트 스타트 허가 플래그 INV_gst_prm을 「1」, 즉, 인버터 장치(4)에 있어서의 전력 변환을 동작 상태로 한다.
도 4는, 본 발명의 일 실시 형태에 있어서의 기기 동작을 실현하는 제어 블록도이다.
논리 기억 회로(38a)는, 전기 작동 구간 예고 수신 플래그 SECT_ele_adv를 세트 입력, 전기 작동 구간 확인 수신 플래그 SECT_ele_fix를 리셋 입력으로 하는, 리셋 우선의 플립플롭 회로이며, 비전기 작동 구간→전기 작동 구간 이행중 플래그 FLG_nele2ele를 출력한다.
논리 기억 회로(38b)는, 비전기 작동 구간 예고 수신 플래그 SECT_nele_adv를 세트 입력, 비전기 작동 구간 확인 수신 플래그 SECT_nele_fix를 리셋 입력으로 하는, 리셋 우선의 플립플롭 회로이며, 전기 작동 구간→비전기 작동 구간 이행중 플래그 FLG_ele2nele를 출력한다.
논리 기억 회로(38c)는, 전기 작동 구간 확인 수신 플래그 SECT_nele_fix를 세트 입력, 비전기 작동 구간 확인 수신 플래그 SECT_nele_fix를 리셋 입력으로 하는, 리셋 우선의 플립플롭 회로이며, 전기 작동 구간 예비 플래그 FLG_ele_pro를 출력한다.
논리합 회로(39)는, 비전기 작동 구간→전기 작동 구간 이행중 플래그 FLG_nele2ele와, 전기 작동 구간→비전기 작동 구간 이행중 플래그 FLG_ele2nele를 입력으로 하여, 이들의 논리합인 전기 작동·비전기 작동 구간 이행중 플래그 FLG_shift를 출력한다.
논리 반전 회로(40)는 전기 작동·비전기 작동 구간 이행중 플래그 FLG_shift의 논리를 반전함으로써, 전기 작동·비전기 작동 구간 이행중은 인버터 장치(4), 외부 급전 컨버터 장치(19), 엔진 발전 컨버터 장치(17)의 게이트 스타트를 금지하는 게이트 스타트 금지 플래그 FLG_gst_phb를 출력한다.
논리 지연 회로(42a)는, 정전 안테나 전류 검지 플래그 PLINE_cur_dct를 입력하고, 플래그의 상승, 하강 중 어느 하나, 혹은 양쪽을 소정의 시간만큼 지연시킴으로써, 지연식 정전 안테나 전류 검지 플래그 PLINE_cur_td를 출력한다.
논리곱 회로(41a)는, 전기 작동 구간 예비 플래그 FLG_ele_pro와, 지연식 정전 안테나 전류 검지 플래그 PLINE_cur_td를 입력으로 하여, 이들의 논리곱인 전기 작동 구간 확정 플래그 FLG_ele_fix를 출력한다. 또한, 논리 지연 회로(42b)는, 전기 작동 구간 확정 플래그 FLG_ele_fix의 상승, 하강 중 어느 하나, 혹은 양쪽을 소정의 시간만큼 지연시킴으로써, 팬터그래프 상승 허가 플래그 PTG_up_prm을 출력한다.
논리곱 회로(4lb)는, 게이트 스타트 금지 플래그 FLG_gst_phb와, 전기 작동 구간 확정 플래그 FLG_ele_fix와, 외부 급전 컨버터 게이트 스타트 요구 플래그 CNVA_gst_req를 입력으로 하여, 이들의 논리곱인 외부 급전 컨버터 게이트 스타트 예비 플래그 CNVA_gst_pro를 출력한다. 또한, 논리 지연 회로(42c)는, 외부 급전 컨버터 게이트 스타트 예비 플래그 CNVA_gst_pro의 상승, 하강 중 어느 하나, 혹은 양쪽을 소정의 시간만큼 지연시킴으로써, 외부 급전 컨버터 게이트 스타트 허가 플래그 CNVA_gst_prm을 출력한다.
논리곱 회로(41c)는, 게이트 스타트 금지 플래그 FLG_gst_phb와, 인버터 게이트 스타트 요구 플래그 INV_gst_req를 입력으로 하여, 이들의 논리곱인 인버터 게이트 스타트 예비 플래그 INV_gst_pro를 출력한다. 또한, 논리 지연 회로(42d)는, 인버터 게이트 스타트 예비 플래그 INV_gst_pro의 상승, 하강 중 어느 하나, 혹은 양쪽을 소정의 시간만큼 지연시킴으로써, 인버터 게이트 스타트 허가 플래그 INV_gst_prm을 출력한다.
논리곱 회로(41d)는, 게이트 스타트 금지 플래그 FLG_gst_phb와, 엔진 발전 컨버터 게이트 스타트 요구 플래그 CNVB_gst_req를 입력으로 하여, 이들의 논리곱인 엔진 발전 컨버터 게이트 스타트 예비 플래그 CNVB_gst_pro를 출력한다. 또한, 논리 지연 회로(42e)는, 엔진 발전 컨버터 게이트 스타트 예비 플래그 CNVB_gst_pro의 상승, 하강 중 어느 하나, 혹은 양쪽을 소정의 시간만큼 지연시킴으로써, 엔진 발전 컨버터 게이트 스타트 허가 플래그 CNVB_gst_prm을 출력한다.
도 5는, 본 발명의 일 실시 형태에 있어서의 전기 작동 구간에서의 기기 출력 밸런스 제어를 나타내는 도면이다.
여기에서는, 기기 출력 밸런스 제어 중, 전기 작동 구간에 있어서의 드라이빙 시 및 제동 시의 제어 구성에 대해서 설명한다.
외부 급전 컨버터 제어부(31)에 구비된 전압 안정화 제어기(45a)는, 직류 전력부 기준 전압 V_p_ref, 전압 검출기(22a)로 검출된 외부 급전 컨버터 장치(19)의 직류측 단자 전압 V_p, 전류 검출기(23a)로 검출된 외부 급전 컨버터 장치(19)의 직류측 입출력 전류 I_p를 입력으로 하여, 직류측 단자 전압 V_p를 직류 전력부 기준 전압 V_p_ref에 추종시키기 위해서, 외부 급전 컨버터 장치(19)에 부여하는 제어 신호 GP_p를 연산해서 출력한다.
인버터 장치(4)는, 때때로 차량의 드라이빙, 또는 제동에 필요한 인버터 전력 P_t를 연산해서 출력한다. 차량의 드라이빙, 또는 제동에 필요한 인버터 전력 P_t 중, 외부 급전 컨버터 장치(19)만으로는 공급할 수 없는 전력을, 축전 장치(6)와 엔진(15)에 의해 보충한다. 초퍼 제어부(33)에 구비된 전력 명령 연산부(43)는, 인버터 전력 P_t와, 축전 장치(6)의 축전량 SOC를 입력으로 하여, 축전량 SOC에 따라서, 초퍼 장치(5)에 배분하는 보충 전력 명령 P_d_ref, 엔진 발전 컨버터 장치에 배분하는 보충 전력 명령 P_e_ref를 연산해서 출력한다.
초퍼 제어부(33)에 구비된 전력 안정화 제어기(44b)는, 초퍼 장치(5)로의 보충 전력 명령 P_d_ref, 전류 검출기(23d)로 검출된 축전 장치(6)의 입출력 전류 I_b, 전압 검출기(22c)로 검출된 축전 장치(6)의 단자 전압 V_d를 입력으로 하여, 축전 장치(6)의 입출력 전력 I_b×V_b를, 초퍼 장치(5)로의 보충 전력 명령 P_d_ref에 추종 제어시키기 위해서, 초퍼 장치(5)에 부여하는 제어 신호 GP_d를 출력한다.
엔진 발전 컨버터 제어부(34)에 구비되는 전력 안정화 제어기(44a)는, 엔진 발전 컨버터 장치(17)로의 보충 전력 명령 P_e_ref, 전류 검출기(23h)로 검출된 엔진 발전 컨버터 장치(17)의 입출력 전류 I_e, 전압 검출기(22d)로 검출된 엔진 발전 컨버터 장치의 직류측 단자 전압 V_e를 입력으로 하여, 엔진 발전 컨버터 장치(17)의 입출력 전력 I_e×V_e를, 엔진 발전 컨버터 장치(17)로의 보충 전력 명령 P_d_ref에 추종 제어시키기 위해서, 엔진 발전 컨버터 장치(17)에 부여되는 제어 신호 GP_e를 출력한다.
이상의 구성에 의해, 전기 작동 구간에서의 드라이빙 시는, 외부 급전 컨버터 장치(19)에 의해 직류 전력 부분(A)의 전압을 소정값으로 추종 제어함과 함께, 차량의 구동에 필요한 전력을 인버터 장치(4)에 공급한다. 차량의 구동에 필요한 전력을 외부 급전 컨버터 장치(19)만으로는 공급할 수 없을 때에는, 인버터 장치(4)는 부족 전력분을 추정하여, 적어도 상기 부족 전력보다도 큰 전력을 엔진 발전 컨버터 장치(17) 또는, 초퍼 장치(5)를 통해서 축전 장치(6)로부터, 직류 전력 부분(A)에 그 전압을 유지하면서 공급한다.
또한, 전기 작동 구간에서의 제동 시는, 외부 급전 컨버터 장치(19)에 의해 직류 전력 부분(A)의 전압을 소정값으로 추종 제어함과 함께, 인버터 장치(4)로부터 공급되는 차량의 제동으로 발생된 전력을 흡수한다. 인버터 장치(4)로부터 공급되는 차량의 제동으로 발생된 전력을 외부 급전 컨버터 장치(19)만으로는 흡수할 수 없을 때에는, 인버터 장치(4)는 부족 전력분을 추정하여, 적어도 상기 부족 전력보다도 큰 전력을 초퍼 장치(5)에 의해 흡수해서 축전 장치(6)에 축전한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 이 구성에 의하면, 수신한 주행 위치 정보에 기초하여 가선 등의 외부 전력원의 유무를 대조해서 차량 외부로부터의 전력 공급의 가능·불가능를 판단하고, 차량 외부로부터 전력 공급이 불가능일 때 외부 급전 수단은 외부 전력원으로부터 절단하고, 차량 외부로부터 전력 공급이 가능일 때 외부 급전 수단은 외부 전력원과 접속하는 것이 가능하다. 또한, 집전 장치, 엔진 발전기, 축전 장치, 외부 급전 컨버터 장치, 엔진 발전 컨버터 장치, 인버터 장치를 각각 제어하는 시스템 통괄 제어 장치와, 시스템 통괄 제어 장치의 제어 정보를 상호 수수하는 정보 통신 장치를 구비함으로써 각 기기를 통합적으로 제어하고, 차량 외부로부터의 전력 공급이 가능일 때는 인버터 장치로의 주된 전력 공급은 집전 장치로부터의 급전 전력으로서 외부 급전 컨버터 장치에 의해 직류 전력부를 소정 전압값으로 제어할 수 있다.
즉, 전기 작동 구간에 급유 설비 등의 새로운 설비를 설치하지 않고, 또한, 비전기 작동 구간과 전기 작동 구간을 의식하지 않고 양쪽 구간을 상호 직통 운전할 수 있는, 기동성이 높은 철도 차량 시스템을 제공할 수 있다.
도 6은, 본 발명의 일 실시 형태에 있어서의 비전기 작동 구간에서의 기기 출력 밸런스 제어를 나타내는 도면이다.
우선, 기기 출력 밸런스 제어 중, 비전기 작동 구간에 있어서의 드라이빙 시의 제어 구성에 대해서 설명한다.
엔진 발전 컨버터 제어부(34)에 구비된 전압 안정화 제어기(45b)는, 직류 전력부 기준 전압 V_e_ref, 전압 검출기(22d)로 검출된 엔진 발전 컨버터 장치(17)의 직류측 단자 전압 V_e, 전류 검출기(23h)로 검출된 외부 급전 컨버터 장치(17)의 직류측 입출력 전류 I_e를 입력으로 하여, 직류측 단자 전압 V_e를 직류 전력부 기준 전압 V_e_ref에 추종 제어시키기 위해서, 엔진 발전 컨버터 장치(17)에 부여하는 제어 신호 GP_e를 출력한다.
인버터 장치(4)는, 때때로 차량의 드라이빙에 필요한 인버터 전력 P_t를 연산해서 출력한다. 차량의 드라이빙에 필요한 인버터 전력 P_t 중, 외부 급전 컨버터 장치(19)만으로는 공급할 수 없는 전력을, 축전 장치(6)에 의해 보충한다. 초퍼 제어부(33)에 구비된 전력 명령 연산부(43)는, 인버터 전력 P_t와, 축전 장치(6)의 축전량 SOC를 입력으로 하여, 축전량 SOC에 따라서, 초퍼 장치(5)에 배분하는 보충 전력 명령 P_d_ref를 연산해서 출력한다.
초퍼 제어부(33)에 구비된 전력 안정화 제어기(44b)는, 초퍼 장치(5)로의 보충 전력 명령 P_d_ref, 전류 검출기(23d)로 검출된 축전 장치(6)의 입출력 전류 I_b, 전압 검출기(22c)로 검출된 축전 장치(6)의 단자 전압 V_d를 입력으로 하여, 축전 장치(6)의 입출력 전력 I_b×V_b를, 초퍼 장치(5)로의 보충 전력 명령 P_d_ref에 추종 제어시키기 위해서, 초퍼 장치(5)에 부여하는 제어 신호 GP_d를 출력한다.
이상의 구성에 의하면, 비전기 작동 구간에서의 드라이빙 시는, 엔진 발전 컨버터 장치(17)에 의해 직류 전력 부분(A)의 전압을 추종 제어함과 함께, 차량의 구동에 필요한 전력을 인버터 장치(4)에 공급한다. 차량의 구동에 필요한 전력을 엔진 발전 컨버터 장치(17)만으로는 공급할 수 없을 때는, 인버터 장치(4)는 부족 전력분을 추정하여, 적어도 상기 부족 전력보다도 큰 전력을 초퍼 장치(5)를 통해서 축전 장치(6)로부터 직류 전력 부분(A)에 그 전압을 유지하면서 공급한다.
이어서, 기기 출력 밸런스 제어 중, 비전기 작동 구간에 있어서의 제동 시의 제어 구성에 대해서 설명한다.
초퍼 제어부(33)에 구비된 전압 안정화 제어기(45)는, 직류 전력부 기준 전압V_b_ref, 전류 검출기(23d)로 검출된 축전 장치(6)의 입출력 전류 I_b, 전압 검출기(22c)로 검출된 축전 장치(6)의 단자 전압 V_d를 입력으로 하여, 초퍼 장치의 고압측 단자 전압 V_d를 직류 전력부 기준 전압 V_d_ref에 추종 제어시키기 위해서, 초퍼 장치(5)에 부여하는 제어 신호 GP_d를 출력한다.
인버터 장치(4)는, 때때로 차량의 제동에 필요한 인버터 전력 P_t를 연산해서 출력한다. 초퍼 제어부(33)에 구비된 전력 명령 연산부(43)는, 인버터 전력 P_t와, 축전 장치(6)의 축전량 SOC를 입력으로 하여, 차량의 구동에 필요한 전력 중, 외부 급전 컨버터 장치(19)만으로는 공급할 수 없는 전력을, 엔진(15)에 의해 보충하기 때문에, 엔진 발전 컨버터 장치(17)로의 보충 전력 명령 P_e_ref를 연산해서 출력한다. 전력 안정화 제어기(44a)는, 엔진 발전 컨버터 장치(17)로의 보충 전력 명령 P_e_ref, 전류 검출기(23h)로 검출된 엔진 발전 컨버터 장치(17)의 입출력 전류 I_e, 전압 검출기(22d)로 검출된 엔진 발전 컨버터 장치의 직류측 단자 전압 V_e를 입력으로 하여, 엔진 발전 컨버터 장치(17)의 입출력 전력 I_e×V_e를, 엔진 발전 컨버터 장치(17)로의 보충 전력 명령 P_e_ref에 추종 제어시키기 위해서, 엔진 발전 컨버터 장치(17)에 부여하는 제어 신호 GP_e를 출력한다.
이상의 구성에 의하면, 비전기 작동 구간에서의 제동 시는, 축전 장치(6)의 충방전을 초퍼 장치(5)로 조정함으로써, 직류 전력 부분(A)의 전압을 소정값으로 추종 제어함과 함께, 인버터 장치(4)로부터 공급되는 차량의 제동으로 발생된 전력을 흡수한다. 인버터 장치(4)로부터 공급되는 차량의 제동으로 발생된 전력을 초퍼 장치(5)만으로는 흡수할 수 없을 때는, 인버터 장치(4)는 부족 전력분을 추정하여, 적어도 상기 부족 전력보다도 큰 전력을 엔진 발전 컨버터 장치(17)에 의해 흡수한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 이 구성에 의하면, 수신한 주행 위치 정보에 기초하여 가선 등의 외부 전력원의 유무를 대조해서 차량 외부로부터의 전력 공급의 가능·불가능를 판단하여, 차량 외부로부터 전력 공급이 불가능일 때 외부 급전 수단은 외부 전력원으로부터 절단하고, 차량 외부로부터 전력 공급이 가능일 때 외부 급전 수단은 외부 전력원과 접속하는 것이 가능하다. 또한, 집전 장치, 엔진 발전기, 축전 장치, 외부 급전 컨버터 장치, 엔진 발전 컨버터 장치, 인버터 장치를 각각 제어하는 시스템 통괄 제어 장치와, 시스템 통괄 제어 장치의 제어 정보를 상호 수수하는 정보 통신 장치를 구비함으로써 각 기기를 통합적으로 제어하고, 집전 장치로부터의 전력 공급이 불가능일 때는 인버터 장치로의 주된 전력 공급은 엔진 발전기로부터의 급전 전력으로서 엔진 발전 컨버터에 의해 직류 전압부를 소정 전압값으로 제어할 수 있다.
즉, 전기 작동 구간에 급유 설비 등의 새로운 설비를 설치하지 않고, 또한, 비전기 작동 구간과 전기 작동 구간을 의식하지 않고 양쪽 구간을 상호 직통 운전할 수 있는, 기동성이 높은 철도 차량 시스템을 제공할 수 있다.
1: 차량
2: 대차
3: 윤축
4: 인버터 장치(전동기 구동 수단)
5: 초퍼 장치(전력 변환 수단)
6: 축전 장치(제3 급전 수단)
7: 전력 전송 수단
8: 구동 시스템 제어 장치
9: 정보 통신 장치
10: 정보 전송 수단
11: 차량 연결기
12: 전력계 연결기
13: 정보계 연결기
14: 지점 검지기
15: 엔진(제2 급전 수단)
16: 발전기(제2 급전 수단)
17: 엔진 발전 컨버터 장치(전력 변환 수단)
18: 집전 장치(제1 급전 수단)
19: 외부 급전 컨버터 장치(전력 변환 수단)
20: 주변압기
21: 필터 콘덴서
22: 전압 검출기
23: 전류 검출기
24: 평활 리액터
25: 외부 급전 컨버터 회로
26: 인버터 회로
27: 주전동기
28: 초퍼 회로
29: 엔진 발전 컨버터 회로
30: 발전기
31: 외부 급전 컨버터 제어부
32: 인버터 제어부
33: 초퍼 제어부
34: 엔진 발전 컨버터 제어부
35: 정전 안테나
36: 급전 수단
37: 위치 정보 발신 수단
38: 논리 기억 회로
39: 논리합 회로
40: 논리 반전 회로
41: 논리곱 회로
42: 논리 지연 회로
43: 전력 명령 연산부
44: 전력 안정화 제어기
45: 전압 안정화 제어기
101: 제1 철도 차량
102: 제2 철도 차량
110: 발전 수단
120: 전력 변환 장치
130: 구동륜
140: 전력 전달 수단
150: 축전 수단
200: 전력 관리 수단

Claims (6)

  1. 차량 외부로부터 전력을 얻는 제1 급전 수단과,
    차량 내부에서 전력을 발생시키는 제2 급전 수단과,
    상기 제1 급전 수단으로부터의 전력을, 제1 전압값 레벨을 갖는 직류 전력으로 변환하는 전력 변환 수단과,
    상기 제1 전압값 레벨을 갖는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하고, 상기 교류 전력에 의해 전동기를 구동하는 전동기 구동 수단을 구비함과 함께,
    차외에 설비된 위치 정보 발신 수단으로부터 수신하는 위치 정보에 기초하여, 상기 차량이 주행하는 구간이, 차량 외부로부터의 전력 공급이 가능하게 되는 전기 작동 구간인지, 전력 공급이 불가능하게 되는 비전기 작동 구간인지를 판정하는 전기 작동 구간 판정 수단을 설치하고,
    상기 전기 작동 구간 판정 수단의 판단에 기초하여,
    상기 차량이 전기 작동 구간으로부터 비전기 작동 구간에 이행되는 시점이 예고되었을 때는, 미리 상기 제2 급전 수단을 사전에 작동시킴과 함께, 비전기 작동 구간 이행 시에 상기 제1 급전 수단으로부터의 외부 전력원을 절단하고,
    상기 차량이 비전기 작동 구간으로부터 전기 작동 구간에 이행되는 시점이 예고되었을 때는, 미리 상기 제2 급전 수단을 정지 상태로 함과 함께, 전기 작동 구간 이행 시에 제1 급전 수단으로부터의 외부 전력원을 접속하는 것
    을 특징으로 하는, 철도 차량의 구동 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    전기 작동 구간과 비전기 작동 구간의 경계보다도 전기 작동 구간측에 설치된 상기 위치 정보 발신 수단으로부터 비전기 작동 구간 예고 정보를 상기 차량이 수신하는 경우에, 상기 전동기 구동 수단 및 상기 전력 변환 수단을 정지시켜 상기 제1 급전 수단으로부터의 전력에 의한 전동기의 구동을 정지하고, 상기 차량이 비전기 작동 구간에 진입한 후에, 상기 제2 급전 수단 및 상기 전동기 구동 수단을 작동시키는 것과 함께,
    비전기 작동 구간과 전기 작동 구간의 경계보다도 비전기 작동 구간측에 설치된 상기 위치 정보 발신 수단으로부터 전기 작동 구간 예고 정보를 상기 차량이 수신하는 경우에, 상기 전동기 구동 수단 및 상기 제2 급전 수단을 정지시켜 상기 제2 급전 수단으로부터의 전력에 의한 전동기의 구동을 정지하고, 상기 차량이 전기 작동 구간에 진입한 후에, 상기 전력 변환 수단 및 상기 전동기 구동 수단을 동작시키는 것
    을 특징으로 하는, 철도 차량의 구동 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 급전 수단은 전력 공급선과 접촉하여 전력을 받는 집전 장치이며,
    전기 작동 구간과 비전기 작동 구간의 경계보다도 전기 작동 구간측에 설치된 상기 위치 정보 발신 수단으로부터 비전기 작동 구간 예고 정보를 상기 차량이 수신하는 경우에,
    상기 전동기 구동 수단 및 상기 전력 변환 수단을 정지시킨 후에, 상기 집전 장치를 상기 전력 공급선으로부터 이선하고,
    비전기 작동 구간과 전기 작동 구간의 경계보다도 비전기 작동 구간측에 설치된 상기 위치 정보 발신 수단으로부터 전기 작동 구간 예고 정보를 상기 차량이 수신하는 경우에,
    상기 전동기 구동 수단 및 상기 제2 급전 수단을 정지시킨 후에, 상기 집전 장치를 상기 전력 공급선과 접촉시키는 것
    것을 특징으로 하는, 철도 차량의 구동 시스템.
  4. 선두 차량을 포함한 복수의 차량이 편성된 철도 편성 차량의 구동 시스템에 있어서,
    적어도 편성 차량 중 하나에 차량 외부로부터 전력을 얻는 제1 급전 수단을, 그리고, 상기 선두 차량에 차량 내부에서 전력을 발생시키는 제2 급전 수단을 설비 함과 함께,
    적어도 편성 차량 중 하나에, 상기 제1 급전 수단으로부터의 전력을, 제1 전압값 레벨을 갖는 직류 전력으로 변환하는 전력 변환 수단 및 상기 제1 전압값 레벨을 갖는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하고, 상기 교류 전력에 의해 전동기를 구동하는 전동기 구동 수단을 배비하고,
    상기 편성 차량의 각 차량에, 상기 제2 급전 수단, 상기 전력 변환 수단 및 상기 전동기 구동 수단의 각 수단의 제어 정보를, 정보 제어 수단을 통해서 상호 수수하고, 상기 제2 급전 수단, 상기 전력 변환 수단 및 상기 전동기 구동 수단의 각각을 통괄적으로 제어하는 시스템 통괄 제어 장치를 배비하고,
    상기 시스템 통괄 제어 장치는, 차외에 설비된 위치 정보 발신 수단으로부터 수신하는 위치 정보에 기초하여, 상기 편성 차량이 주행하는 구간이, 차량 외부로부터의 전력 공급이 가능하게 되는 전기 작동 구간인지, 전력 공급이 불가능하게 되는 비전기 작동 구간인지를 판정하는 전기 작동 구간 판정 수단을 구비하고,
    상기 전기 작동 구간 판정 수단의 판단에 기초하여,
    상기 편성 차량이 전기 작동 구간으로부터 비전기 작동 구간에 이행되는 시점이 예고되었을 때는, 미리 상기 제2 급전 수단을 사전에 작동시킴과 함께, 비전기 작동 구간 이행 시에 상기 제1 급전 수단으로부터의 외부 전력원을 절단하고,
    상기 편성 차량이 비전기 작동 구간으로부터 전기 작동 구간에 이행되는 시점이 예고되었을 때는, 미리 상기 제2 급전 수단을 정지 상태로 함과 함께, 전기 작동 구간 이행 시에 제1 급전 수단으로부터의 외부 전력원을 접속하는 것
    을 특징으로 하는, 철도 편성 차량의 구동 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    전기 작동 구간과 비전기 작동 구간의 경계보다도 전기 작동 구간측에 설치된 상기 위치 정보 발신 수단으로부터 비전기 작동 구간 예고 정보를 상기 차량이 수신하는 경우에, 상기 전동기 구동 수단 및 상기 전력 변환 수단을 정지시켜 상기 제1 급전 수단으로부터의 전력에 의한 전동기의 구동을 정지하고, 상기 차량이 비전기 작동 구간에 진입한 후에, 상기 제2 급전 수단 및 상기 전동기 구동 수단을 작동시키는 것과 함께,
    비전기 작동 구간과 전기 작동 구간의 경계보다도 비전기 작동 구간측에 설치된 상기 위치 정보 발신 수단으로부터 전기 작동 구간 예고 정보를 상기 차량이 수신하는 경우에, 상기 전동기 구동 수단 및 상기 제2 급전 수단을 정지시켜 상기 제2 급전 수단으로부터의 전력에 의한 전동기의 구동을 정지하고, 상기 차량이 전기 작동 구간에 진입한 후에, 상기 전력 변환 수단 및 상기 전동기 구동 수단을 작동시키는 것
    을 특징으로 하는, 철도 편성 차량의 구동 시스템.
  6. 삭제
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