KR101434772B1 - 철도 차량의 구동 장치 - Google Patents

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아끼라 호리에
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가부시키가이샤 히타치세이사쿠쇼
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Abstract

일반적으로 철도 차량의 제어 장치에서는, 필터 콘덴서(3)의 양단부의 직류부 전압(Vfc)에 기초하여 인버터 장치(4)가 제어된다. 본 발명의 회로 구성의 경우, 후술하는 바와 같이 회생 시에 인버터 장치(4)에 인가되는 직류 전압은 전력 축적 장치(6)의 전압(Vb)과 가선 전압(Vs)의 합이 되므로, 직류부 전압(Vfc)을 검출한 것만으로는 전력 축적 장치(6)의 전압(Vb)과 가선 전압(Vs)을 분리할 수 없어 경부하 회생 상태인지의 여부를 판별할 수 없다. 축전 장치가 인버터 장치(4)에 직렬로 접속 가능한 회로 구성에 있어서, 집전 장치(1)와 접지점의 사이에 가선 전압(Vs)을 검출하는 전압 센서를 설치하여, 전압 센서의 검출 결과에 기초하여 전력 축적 장치를 제어한다.

Description

철도 차량의 구동 장치{DRIVE DEVICE FOR RAILWAY VEHICLE}
본 발명은 전력 축적 수단을 탑재한 철도 차량의 구동 장치에 관한 것이다.
철도 차량의 분야에서는, 브레이크 시에 주전동기를 발전기로서 동작시켜서 브레이크력을 얻음과 동시에 차량의 운동 에너지를 전기 에너지로 변환해서 가선으로 복귀시키는 회생 브레이크 제어가 널리 사용되고 있다. 회생 브레이크 제어에 의해 가선에 복귀된 전력은 다른 차량이 역행하는 전력으로서 이용할 수 있으므로, 소비 전력을 저감시킬 수 있다.
그러나, 회생 브레이크 제어에는 이하에 나타내는 2개의 과제가 있다.
첫번째 과제는, 주전동기나 인버터 장치의 성능에 의해 고속도 영역(정토크 종단부 속도 이상)에서는 회생 성능이 제한되어 충분한 브레이크력을 얻을 수 없는 점이다.
주전동기의 출력은 주전동기에 인가되는 전압과 주전동기에 흐르는 전류에 의해 결정된다. 일반적으로 전압은 가선으로부터 공급되는 전원 전압으로 결정되므로, 주전동기의 출력을 올리기 위해서는 전류를 증가할 필요가 있었다. 그러나, 전류를 증가하면 전동기나 인버터 장치의 발열이 증가하므로, 냉각 성능을 확보하기 위해서 주전동기의 체격을 크게 하거나, 인버터 장치의 냉각기를 크게 하거나 할 필요가 있다. 또한, 인버터 장치의 반도체 소자의 병렬수를 늘리지 않으면 안되는 경우도 있다. 이와 같이, 주전동기의 전류를 증가해서 고속 영역의 회생 브레이크력을 증대하는 방법은 장치의 대형화를 수반하여 중량이 증가하므로 소비 전력의 저감 효과를 작게 해버렸다.
두번째 과제는, 역행중인 다른 차량이 적은 경우에는 가선 전압의 상승을 억제해 인버터 장치를 보호하기 위해서 회생 브레이크력을 좁히지 않으면 안되는 점이다.
역행중인 다른 차량이 적은 경우, 회생 브레이크에 의해 가선에 복귀시킨 전력이 소비되지 않으므로 가선 전압이 상승한다(이하, 경부하 회생 상태라고 한다). 그 결과, 인버터 장치에 인가되는 전압이 허용값을 초과해서 인버터 장치를 파괴할 우려가 있으므로, 회생 브레이크력을 좁힘으로써 가선 전압의 상승을 억제할 필요가 있었다. 그 결과, 부족한 브레이크력을 공기 브레이크로 보충하게 되어 충분한 소비 전력의 저감 효과를 얻을 수 없었다.
이들의 과제를 해결하는 기술이, 예를 들어 특허 문헌 1에 기재되어 있다. 상기 특허 문헌 1에 기재된 철도 차량의 구동 장치는, 전동기와 전동기를 구동하는 인버터 장치와 충방전 가능한 전력 축적 수단을 구비하고, 전력 축적 수단을 인버터 장치와 직렬로 접속하거나(이하, 직렬형), 병렬로 접속하거나(이하, 병렬형)를 전환하는 스위치를 갖고 있다. 또한, 전력 축적 수단을 충방전시키기 위한 초퍼 회로를 갖고 있다. 이 구성에 의해, 상술한 과제 1과 2의 해결을 도모하고 있다.
과제 1의 고속 영역에서의 회생 브레이크력 부족에 대해서는, 인버터 장치와 전력 축적 수단을 직렬로 접속하도록 스위치를 조작하여 인버터 장치의 입력 전압을 전력 축적 수단의 전압분만큼 승압한다. 이에 의해 전동기에 인가되는 전압이 증가하여 전동기 출력을 증대할 수 있으므로, 전동기의 전류를 증가하지 않고 고속 영역에서의 회생 브레이크력을 증대할 수 있다(고속 영역 전기 브레이크 기능).
과제 2의 경부하 회생 상태에 대해서는, 인버터 장치와 전력 축적 수단을 병렬로 접속하도록 스위치를 조작하여 초퍼 회로를 동작시킴으로써, 회생 전력의 일부를 전력 축적 수단에 흡수한다(회생 흡수 기능).
또한, 역행 동작하는 경우에는 인버터 장치와 전력 축적 수단을 병렬로 접속하도록 스위치를 조작하여 초퍼 회로를 동작시킴으로써 전력 축적 수단에 흡수한 전력을 방출해서 인버터 장치에 공급할 수 있다.
일본 특허 출원 공개 제2009-183078호 공보
상기의 특허 문헌 1에 기재된 바와 같이, 일반적으로 철도 차량의 제어 장치에서는, 필터 콘덴서(3)의 양단부의 직류부 전압(Vfc)에 기초하여 인버터 장치(4)가 제어된다. 본 발명의 회로 구성의 경우, 후술하는 바와 같이 회생 시에 인버터 장치(4)에 인가되는 직류 전압은 전력 축적 장치(6)의 전압(Vb)과 가선 전압(Vs)의 합이 되므로, 직류부 전압(Vfc)을 검출한 것만으로는 전력 축적 장치(6)의 전압(Vb)과 가선 전압(Vs)을 분리할 수 없어 경부하 회생 상태인지의 여부를 판별할 수 없다. 경부하 회생 상태라고 판별되면 가선 전압의 상승을 억제해 인버터 장치를 보호하기 위해서 회생 브레이크력이 좁혀지므로, 원래 경부하 회생 상태가 아님에도 불구하고 경부하 회생 상태라고 판별되면 에너지 절약 효과가 저하되는 문제가 있었다.
따라서, 축전 장치가 인버터 장치(4)에 직렬로 접속 가능한 회로 구성에 있어서, 집전 장치(1)와 접지점의 사이에 가선 전압(Vs)을 검출하는 전압 센서를 설치하여 전압 센서의 검출 결과에 기초하여 전력 축적 장치를 제어한다.
본 발명에 의해, 가선 전압을 검출하는 전압 센서를 설치하고, 가선 전압에 의해 전력 축적 장치를 제어함으로써 철도 차량에 있어서의 에너지 절약 효과의 향상을 도모할 수 있다.
도 1은 본 발명의 철도 차량의 구동 장치에 있어서의 제1 실시 형태의 기본 구성을 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 철도 차량의 구동 장치에 있어서의 제2 실시 형태의 기본 구성을 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 철도 차량의 구동 장치에 있어서의 제3 실시 형태의 기본 구성을 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 철도 차량의 구동 장치에 있어서의 제4 실시 형태의 기본 구성을 도시하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 철도 차량의 구동 장치에 있어서의 제5 실시 형태의 기본 구성을 도시하는 제1 도면이다.
도 6은 본 발명의 철도 차량의 구동 장치에 있어서의 제5 실시 형태의 기본 구성을 도시하는 제2 도면이다.
도 7은 본 발명의 철도 차량의 구동 장치에 있어서의 제6 실시 형태의 기본 구성을 도시하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 철도 차량의 구동 장치에 있어서의 제7 실시 형태의 기본 구성을 도시하는 제1 도면이다.
도 9는 본 발명의 철도 차량의 구동 장치에 있어서의 제7 실시 형태의 기본 구성을 도시하는 제2 도면이다.
도 10은 본 발명의 철도 차량의 구동 장치에 있어서의 제5 및 제7 실시 형태에 있어서의 인버터 장치에 인가되는 전압의 설명도이다.
도 11은 본 발명의 철도 차량의 구동 장치에 있어서의 동작 모드(고속 영역 전기 브레이크 기능, 회생 흡수 기능, 통상 회생)를 결정하는 동작 모드 결정부를 도시하는 도면이다.
도 12는 본 발명의 철도 차량의 구동 장치에 있어서의 동작 모드(고속 영역 전기 브레이크 기능, 회생 흡수 기능, 통상 회생)를 결정하는 방법의 제1 실시 형태를 나타내는 제1 도면이다.
도 13은 본 발명의 철도 차량의 구동 장치에 있어서의 동작 모드(고속 영역 전기 브레이크 기능, 회생 흡수 기능, 통상 회생)를 결정하는 방법의 제1 내지 제3 실시 형태를 나타내는 제2 도면이다.
도 14는 본 발명의 철도 차량의 구동 장치에 있어서의 동작 모드(고속 영역 전기 브레이크 기능, 회생 흡수 기능, 통상 회생)를 결정하는 방법의 제1 실시 형태를 나타내는 제3 도면이다.
도 15는 본 발명의 철도 차량의 구동 장치에 있어서의 동작 모드(고속 영역 전기 브레이크 기능, 회생 흡수 기능, 통상 회생)를 결정하는 방법의 제2 실시 형태를 나타내는 제1 도면이다.
도 16은 본 발명의 철도 차량의 구동 장치에 있어서의 동작 모드(고속 영역 전기 브레이크 기능, 회생 흡수 기능, 통상 회생)를 결정하는 방법의 제2 실시 형태를 나타내는 제3 도면이다.
도 17은 본 발명의 철도 차량의 구동 장치에 있어서의 동작 모드(고속 영역 전기 브레이크 기능, 회생 흡수 기능, 통상 회생)를 결정하는 방법의 제3 실시 형태를 나타내는 제1 도면이다.
도 18은 본 발명의 철도 차량의 구동 장치에 있어서의 동작 모드(고속 영역 전기 브레이크 기능, 회생 흡수 기능, 통상 회생)를 결정하는 방법의 제3 실시 형태를 나타내는 제3 도면이다.
이하에, 본 발명의 실시 형태에 대해서 도면을 참조해서 설명한다.
도 1은 본 발명의 철도 차량의 구동 장치에 있어서의 제1 실시 형태의 기본 구성을 도시하는 도면이다.
직류 전압원으로부터 직류 전력을 얻는 집전 장치(1)와, 필터 리액터(FL)(2) 및 필터 콘덴서(FC)(3)로 구성하는 LC회로(필터 회로)와, 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 인버터 장치(4)와, 인버터 장치(4)에 의해 구동되는 적어도 1대 이상의 주전동기(5a 내지 5b)와, 인버터 장치(4)의 직류 전력측에 충방전이 가능한 전력 축적 장치(6)(일례로서, 축전지나 캐패시터 등의 전력 축적 수단과 승강압 초퍼로 구성)를 구비한 철도 차량의 구동 장치이며, 집전 장치(1)와 접지점의 사이에 집전 장치(1)로부터 공급되는 전압(이하, 가선 전압)(Vs)을 검출하는 전압 센서(DCPT)(7a)를 설치하고 있다. 여기에서는 인버터 장치(4)가 구동하는 주전동기가 2대인 경우를 나타내고 있지만, 본 발명으로서는 인버터 장치(4)가 구동하는 주전동기의 대수는 한정하지 않는다.
일반적으로 철도 차량의 제어 장치에서는, 필터 콘덴서(3)의 양단부의 직류부 전압(Vfc)에 기초하여 인버터 장치(4)를 제어하지만, 본 발명의 회로 구성의 경우, 후술하는 바와 같이 회생 시에 인버터 장치(4)에 인가되는 직류 전압은 전력 축적 장치(6)의 전압(Vb)과 가선 전압(Vs)의 합이 되므로, 직류부 전압(Vfc)을 검출한 것만으로는 전력 축적 장치(6)의 전압(Vb)과 가선 전압(Vs)을 분리할 수 없어 경부하 회생 상태인지의 여부를 판별할 수 없다. 경부하 회생 상태라고 판별되면 가선 전압의 상승을 억제해 인버터 장치를 보호하기 위해서 회생 브레이크력이 좁혀지므로, 원래 경부하 회생 상태가 아님에도 불구하고 경부하 회생 상태라고 판별되면 에너지 절약 효과가 저하된다.
따라서, 본 발명의 회로 구성과 같이 인버터 장치(4)에 인가되는 직류 전압이 전력 축적 장치(6)의 전압(Vb)과 가선 전압(Vs)의 합이 되는 바와 같은 회로 구성에서는, 도 1과 같이, 집전 장치(1)와 접지점의 사이에 가선 전압(Vs)을 검출하는 전압 센서(DCPT)(7a)를 설치하여 가선 전압(Vs)에 의해 경부하 회생 상태인지의 여부의 판별을 행하고, 인버터 장치(4) 및 전력 축적 장치(6)를 제어하는 것이 좋다.
본 발명의 실시 형태에 의해, 전력 축적 장치(6)를 사용함으로써 고속 영역 전기 브레이크 기능 및 회생 흡수 기능을 함께 실현할 수 있게 되는 것에 더하여, 가선 전압(Vs)을 검출하는 전압 센서(DCPT)(7a)를 설치하고, 가선 전압(Vs)에 의해 경부하 회생 상태인지의 여부의 판별을 적절하게 행함으로써 철도 차량에 있어서의 에너지 절약 효과의 향상을 도모할 수 있다.
도 2는 본 발명의 철도 차량의 구동 장치에 있어서의 제2 실시 형태의 기본 구성을 도시하는 도면이다.
직류 전압원으로부터 직류 전력을 얻는 집전 장치(1)와, 필터 리액터(FL)(2) 및 필터 콘덴서(FC)(3)로 구성하는 LC회로(필터 회로)와, 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 인버터 장치(4)와, 인버터 장치(4)에 의해 구동되는 적어도 1대 이상의 주전동기(5a 내지 5b)와, 인버터 장치(4)의 직류 전력측에 충방전이 가능한 전력 축적 장치(6)(일례로서, 축전지나 캐패시터 등의 전력 축적 수단과 승강압 초퍼로 구성)를 구비한 철도 차량의 구동 장치이며, 가선 전압(Vs)을 검출하는 전압 센서(DCPT)(7a), 전력 축적 장치(6)의 전압(Vb)을 검출하는 전압 센서(DCPT)(7b), 필터 콘덴서(3)의 양단부의 직류부 전압(Vfc)을 검출하는 전압 센서(DCPT)(7c) 중 적어도 2개 이상을 설치하고 있다. 여기에서는 인버터 장치(4)가 구동하는 주전동기가 2대인 경우를 나타내고 있지만, 본 발명으로서는 인버터 장치(4)가 구동하는 주전동기의 대수는 한정하지 않는다.
일반적으로 철도 차량의 제어 장치에서는, 필터 콘덴서(3)의 양단부의 직류부 전압(Vfc)에 기초하여 인버터 장치(4)를 제어하지만, 본 발명의 회로 구성의 경우, 후술하는 바와 같이 회생 시에 인버터 장치(4)에 인가되는 직류 전압은 전력 축적 장치(6)의 전압(Vb)과 가선 전압(Vs)의 합이 되므로, 직류부 전압(Vfc)을 검출한 것만으로는 전력 축적 장치(6)의 전압(Vb)과 가선 전압(Vs)을 분리할 수 없어 경부하 회생 상태인지의 여부를 판별할 수 없다.
따라서, 필터 콘덴서(3)의 양단부의 직류부 전압(Vfc)이 가선 전압(Vs)과 전력 축적 장치(6)의 전압(Vb)의 합인 것을 감안하여 가선 전압(Vs)을 검출하는 전압 센서(DCPT)(7a), 전력 축적 장치(6)의 전압(Vb)을 검출하는 전압 센서(DCPT)(7b), 필터 콘덴서(3)의 양단부의 직류부 전압(Vfc)을 검출하는 전압 센서(DCPT)(7c) 중 적어도 2개 이상을 설치하여, 필터 콘덴서(3)의 양단부의 직류부 전압(Vfc)과 전력 축적 장치(6)의 전압(Vb)과 가선 전압(Vs) 중 적어도 2개 이상의 전압값으로부터 가선 전압(Vs) 상당의 전압을 산출하고, 가선 전압(Vs)에 의해 경부하 회생 상태인지의 여부의 판별을 행하여 인버터 장치(4) 및 전력 축적 장치(6)를 제어하는 것이 좋다.
본 발명의 실시 형태에 의해, 전력 축적 장치(6)를 사용함으로써 고속 영역 전기 브레이크 기능 및 회생 흡수 기능을 함께 실현할 수 있게 되는 것에 더하여, 가선 전압(Vs)을 검출하는 전압 센서(DCPT)(7a), 전력 축적 장치(6)의 전압(Vb)을 검출하는 전압 센서(DCPT)(7b), 필터 콘덴서(3)의 양단부의 직류부 전압(Vfc)을 검출하는 전압 센서(DCPT)(7c) 중 적어도 2개 이상의 전압값으로부터 가선 전압(Vs) 상당의 전압을 산출하고, 가선 전압(Vs)에 의해 경부하 회생 상태인지의 여부의 판별을 적절하게 행함으로써 철도 차량에 있어서의 에너지 절약 효과의 향상을 도모할 수 있다.
도 3은 본 발명의 철도 차량의 구동 장치에 있어서의 제3 실시 형태의 기본 구성을 도시하는 도면이다.
직류 전압원으로부터 직류 전력을 얻는 집전 장치(1)와, 필터 리액터(FL)(2) 및 필터 콘덴서(FC)(3)로 구성하는 LC회로(필터 회로)와, 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 인버터 장치(4)와, 인버터 장치(4)에 의해 구동되는 적어도 1대 이상의 주전동기(5a 내지 5b)와, 인버터 장치(4)의 직류 전력측에 충방전이 가능한 전력 축적 장치(6)(일례로서, 축전지나 캐패시터 등의 전력 축적 수단과 승강압 초퍼로 구성)를 구비한 철도 차량의 구동 장치이며, 가선 전압(Vs)을 검출하는 전압 센서(DCPT)(7a), 전력 축적 장치(6)의 전압(Vb)을 검출하는 전압 센서(DCPT)(7b), 필터 콘덴서(3)의 양단부의 직류부 전압(Vfc)을 검출하는 전압 센서(DCPT)(7c) 중 적어도 2개 이상을 설치함과 함께, 스위치8a, 8b를 오프, 스위치8c를 온하고, 전력 축적 장치(6)를 인버터 장치(4)와 직렬로 접속하는 것도 혹은 스위치8c를 오프, 스위치8a, 8b를 온하고, 전력 축적 장치(6)를 인버터 장치(4)와 병렬로 접속하는 것도 가능하게 함으로써 고속 영역 전기 브레이크 기능과 회생 흡수 기능을 동시에 실현할 수 있는 것을 특징으로 하고 있다. 여기에서는 인버터 장치(4)가 구동하는 주전동기가 2대인 경우를 나타내고 있지만, 본 발명으로서는 인버터 장치(4)가 구동하는 주전동기의 대수는 한정하지 않는다.
일반적으로 철도 차량의 제어 장치에서는, 필터 콘덴서(3)의 양단부의 직류부 전압(Vfc)에 기초하여 인버터 장치(4)를 제어하지만, 본 발명의 회로 구성의 경우, 후술하는 바와 같이 회생 시에 인버터 장치(4)에 인가되는 직류 전압은 전력 축적 장치(6)의 전압(Vb)과 가선 전압(Vs)의 합이 되므로, 직류부 전압(Vfc)을 검출한 것만으로는 전력 축적 장치(6)의 전압(Vb)과 가선 전압(Vs)을 분리할 수 없어 경부하 회생 상태인지의 여부를 판별할 수 없다.
따라서, 본 발명의 회로 구성과 같이 인버터 장치(4)에 인가되는 직류 전압이 전력 축적 장치(6)의 전압(Vb)과 가선 전압(Vs)의 합이 되는 바와 같은 회로 구성에서는, 집전 장치(1)와 접지점의 사이에 집전 장치(1)로부터 공급되는 가선 전압(Vs)을 검출하는 전압 센서(DCPT)(7a)를 설치하여 가선 전압(Vs)에 의해 경부하 회생 상태인지의 여부의 판별을 행하고, 인버터 장치(4) 및 전력 축적 장치(6)를 제어하는 것이 좋다.
또는, 필터 콘덴서(3)의 양단부의 직류부 전압(Vfc)이 가선 전압(Vs)과 전력 축적 장치(6)의 전압(Vb)의 합인 것을 감안하여, 가선 전압(Vs)을 검출하는 전압 센서(DCPT)(7a), 전력 축적 장치(6)의 전압(Vb)을 검출하는 전압 센서(DCPT)(7b), 필터 콘덴서(3)의 양단부의 직류부 전압(Vfc)을 검출하는 전압 센서(DCPT)(7c) 중 적어도 2개 이상을 설치하여, 필터 콘덴서(3)의 양단부의 직류부 전압(Vfc)과 전력 축적 장치(6)의 전압(Vb)과 가선 전압(Vs) 중 적어도 2개 이상의 전압값으로부터 가선 전압(Vs) 상당의 전압을 산출하고, 가선 전압(Vs)에 의해 경부하 회생 상태인지의 여부의 판별을 행하고, 인버터 장치(4) 및 전력 축적 장치(6)를 제어하는 것이 좋다.
또한, 도 3의 회로 구성에서는, 고속 영역 전기 브레이크 기능과 회생 흡수 기능을 직렬형의 주회로 구성으로 할지 병렬형의 주회로 구성으로 할지로 전환하고 있지만, 고속 영역 전기 브레이크 기능과 회생 흡수 기능을 동시에 실현할 수 있는 회로 구성이면 어떤 회로 구성이어도 된다.
본 발명의 실시 형태에 의해, 전력 축적 장치(6)를 사용함으로써 고속 영역 전기 브레이크 기능 및 회생 흡수 기능을 함께 실현할 수 있게 되는 것에 더하여, 가선 전압(Vs)을 검출하는 전압 센서(DCPT)(7a), 전력 축적 장치(6)의 전압(Vb)을 검출하는 전압 센서(DCPT)(7b), 필터 콘덴서(3)의 양단부의 직류부 전압(Vfc)을 검출하는 전압 센서(DCPT)(7c) 중 적어도 2개 이상의 전압값으로부터 가선 전압(Vs) 상당의 전압을 산출하고, 가선 전압(Vs)에 의해 경부하 회생 상태인지의 여부의 판별을 적절하게 행함으로써 철도 차량에 있어서의 에너지 절약 효과의 향상을 도모할 수 있다.
도 4는 본 발명의 철도 차량의 구동 장치에 있어서의 제4 실시 형태의 기본 구성을 도시하는 도면이다.
집전 장치(1)로부터 급전한 직류 전력은 필터 리액터(FL)(2) 및 필터 콘덴서(FC)(3)로 구성하는 LC회로(필터 회로)에서 고주파수 영역의 변동을 제거한 후, 인버터 장치(4)에 입력된다. 인버터 장치(4)는 입력된 직류 전력을 가변 전압 가변 주파수(VVVF)의 3상 교류 전력으로 변환하여 주전동기(5a, 5b)를 구동한다. 여기에서는 인버터 장치(4)가 구동하는 주전동기가 2대인 경우를 나타내고 있지만, 본 발명으로서는 인버터 장치(4)가 구동하는 주전동기의 대수는 한정하지 않는다.
접지점(10)은 이 회로의 기준 전위를 정하고 있다.
스위칭 소자(11a, 11b)는 반도체 소자에 의한 전류 차단 수단이다. 스위칭 소자(11a, 11b)는 그 입출력 단자에 도통 방향과는 반대 방향으로 다이오드 소자(12a, 12b)를 병렬로 접속한다.
제1 평활 리액터(MSL)(13)는 스위칭 소자11a와 11b의 접속 위치와, 전력 축적 수단(9)의 정극 단자를 연결하는 전력선의 도중에 배치한다. 또한, 전력 축적 수단(9)의 부극 단자는 인버터 장치(4)의 저전위측 단자에 접속한다.
스위치(14a)는 접지점(10)과 전력 축적 수단(9)의 정극의 사이에 배치되고, 스위치(14b)는 접지점(10)과 전력 축적 수단(9)의 부극의 사이에 배치된다. 스위치(14a 및 14b)는 쌍방향에 흐르는 전류를 도통 또는 차단할 수 있는 것이며, 기계적 접점을 사용한 차단기이어도 되고, 반도체에 의한 전류 차단 수단과 다이오드 소자를 조합한 것이라도 된다.
여기서, 일반적으로 철도 차량의 제어 장치에서는, 필터 콘덴서(3)의 양단부의 직류부 전압(Vfc)에 기초하여 인버터 장치(4)를 제어하지만, 본 발명의 회로 구성의 경우, 후술하는 바와 같이 회생 시에 인버터 장치(4)에 인가되는 직류 전압은 전력 축적 수단(9)의 단자간 전압(Vb)과 가선 전압(Vs)의 합이 되므로, 직류부 전압(Vfc)을 검출한 것만으로는 전력 축적 수단(9)의 단자간 전압(Vb)과 가선 전압(Vs)를 분리할 수 없어 경부하 회생 상태인지의 여부를 판별할 수 없다.
따라서, 본 발명의 회로 구성과 같이 인버터 장치(4)에 인가되는 직류 전압이 전력 축적 수단(9)의 단자간 전압(Vb)과 가선 전압(Vs)의 합이 되는 바와 같은 회로 구성에서는, 집전 장치(1)와 접지점(10)의 사이에 집전 장치(1)로부터 공급되는 가선 전압(Vs)을 검출하는 전압 센서(DCPT)(7a)를 설치하여, 가선 전압(Vs)에 의해 경부하 회생 상태인지의 여부의 판별을 행하는 것이 좋다.
또는, 필터 콘덴서(3)의 양단부의 직류부 전압(Vfc)이 가선 전압(Vs)과 전력 축적 수단(9)의 단자간 전압(Vb)의 합인 것을 감안하여, 가선 전압(Vs)을 검출하는 전압 센서(DCPT)(7a), 전력 축적 수단(9)의 단자간 전압(Vb)을 검출하는 전압 센서(DCPT)(7b), 필터 콘덴서(3)의 양단부의 직류부 전압(Vfc)을 검출하는 전압 센서(DCPT)(7c) 중 적어도 2개 이상을 설치하여, 필터 콘덴서(3)의 양단부의 직류부 전압(Vfc)과 전력 축적 수단(9)의 단자간 전압(Vb)과 가선 전압(Vs) 중 적어도 2개 이상의 전압값으로부터 가선 전압(Vs) 상당의 전압을 산출하고, 가선 전압(Vs)에 의해 경부하 회생 상태인지의 여부의 판별을 행하는 것이 좋다.
본 발명의 회로 구성의 경우에는, Vfc와 Vb와 Vs의 값에 기초하여 경부하 회생 상태라고 판단하면, 인버터 장치(4)나 스위칭 소자(11a, 11b)를 제어하고, 회생 흡수 기능을 동작시킨다.
본 실시예에 있어서의 역행 시의 회로 동작에 대해서 설명한다. 본 발명의 회로 구성의 경우, 후술하는 바와 같이 회생 시에는 전력 축적 수단(9)이 충전되므로, 역행 시에는 다음 회생에 대비해서 전력 축적 수단(9)의 전력을 적극적으로 방전할 필요가 있다. 본 발명의 회로 구성의 경우, 역행 시에 있어서의 전력 축적 수단(9)의 방전은 2개의 방법(병렬형 및 직렬형)으로 실현할 수 있다.
우선 첫번째 방법에 대해서 설명한다. 첫번째 방법에서는, 스위치(14a)를 오프, 스위치(14b)를 온 한다. 이에 의해, 인버터 장치(4)의 접지점측의 단자와 전력 축적 수단(9)의 부극측이 접지점(10)에 접속된다. 이 때, 인버터 장치(4)에 인가되는 전압은 대강 집전 장치(1)로부터 공급되는 전압(Vs)에 일치하고, 인버터 장치(4)와 전력 축적 수단(9)은 병렬로 접속되는 구성이 된다.
여기서, 스위칭 소자(11b)를 주기적으로 온/오프 함으로써, 전력 축적 수단(9)의 전력을 방출해 인버터 장치(4)에 공급할 수 있다. 여기서, 제1 평활 리액터(13)는 전력 축적 수단(9)에 통류하는 전류의 변화율을 소정값 내로 억제하는 기능을 갖는다.
상술한 스위칭 소자(11b)를 소정 시간(Ton_b)만큼 온하면, 전력 축적 수단(9)의 정극측과 부극측은 단락되지만, 이 때, 제1 평활 리액터(13)는 그 전류 증가율을 일정값 내로 억제함과 동시에, Ton_b의 기간에 통류한 전류와, 전력 축적 수단(9)의 단자간 전압의 곱을 시간 적분한 전력 에너지를 축적한다. 그 후, 스위칭 소자(11b)를 소정 시간(Toff_b)만큼 오프하면, 제1 평활 리액터(13)에 축적된 전력 에너지는 다이오드 소자(12a)를 거쳐서 집전 장치(1)와 인버터 장치(4)의 사이의 직류 전력부에 방출된다.
이 방법에 따르면, 가선 문제(팬터그래프 이선이나 가선 정전) 등으로 가선으로부터 전력 공급을 할 수 없게 된 긴급 시에 있어서, 전력 축적 수단(9)의 전력에 의해 차량을 주행시키는 것도 가능해진다.
그러나, 역행 전력량의 일부 또는 전부를 전력 축적 수단(9)의 전력에 의해 공급함으로써 역행 전력량의 저감을 도모한다는 관점에서는, 스위칭 소자의 스위칭 손실분만큼 보충할 수 있는 전력량이 감소하므로 에너지 절약 효과가 저감된다.
계속해서, 두번째 방법에 대해서 설명한다. 두번째 방법에서는, 스위치(14a)를 온, 스위치(14b)를 오프한다. 이에 의해, 인버터 장치(4)의 접지점측의 단자와 전력 축적 수단(9)의 정극측이 접지점(10)에 접속되므로, 인버터 장치(4)와 전력 축적 수단(9)은 직렬로 접속되는 구성이 된다.
이 경우, 전력 축적 수단(9)의 단자간 전압(Vb)과 전력 축적 수단 통류 전류(Ib)(=가선 전류(Is))의 곱, Vb×Ib에 상당하는 전력이 전력 축적 수단(9)으로부터 방전된다. 또한, 상술한 바와 같은 스위칭 소자(11b)의 온/오프에 의한 방전을 행하지 않으므로, 스위칭 손실이 발생하지 않는다. 따라서, 상술한 스위칭 소자(11b)의 온/오프에 의한 방전 방법에 비해, 전력 축적 수단(9)에 의한 역행 전력량의 보충을 효율적으로 행하는 것이 가능해진다.
다음에, 회생 시의 회로 동작에 대해서 설명한다. 회생 시는 스위치(14a)를 온, 스위치(14b)를 오프한다. 이에 의해, 인버터 장치(4)의 저전위측 단자의 전압은, 접지점(10)을 기준으로 하여 전력 축적 수단(9)의 단자간 전압(Vb)만큼 내릴 수 있다. 한편, 인버터 장치(4)의 고전위측 단자의 전위는, 접지점(10)을 기준 전위라고 생각하면, 가선 전압(Vs)과 다름없다. 즉, 인버터 장치(4)의 입출력 단자간(정극 내지 부극)의 전위차는, 전력 축적 수단(9)의 단자간 전압(Vb)과, 가선 전압(Vs)의 합, Vb+Vs가 된다. 이와 같이 하여 인버터 장치(4)의 입출력 단자간(정극부터 부극)의 전위차를 전력 축적 수단(9)의 단자간 전압(Vb)만큼 끌어올림으로써, 인버터 장치(4)의 최대 통류 전류를 변하게 하지 않고 최대 회생 전력을 (Vb+Vs)/Vs만큼 확대할 수 있다. 또한, 이 때 전력 축적 수단(9)에는 단자간 전압(Vb)과, 전력 축적 수단 통류 전류(Ib)(=가선 전류(Is))의 곱, Vb×Ib에 상당하는 전력이 충전된다.
여기서, 경부하 회생 상태가 되면, 주회로 구성은 그대로(직렬형) 전압 센서(7a 내지 7c) 에 의해 얻어진 가선 전압에 따라서 스위칭 소자(11a)를 주기적으로 온/오프함으로써, 가선측에 되돌릴 수 없었던 회생 전력을 전력 축적 수단(9)에 충전한다. 여기서, 제1 평활 리액터(13)는 전력 축적 수단(9)에 통류하는 전류의 변화율을 소정값 내로 억제하는 기능을 갖는다.
상술한 스위칭 소자(11a)를 소정 시간(Ton_a)만큼 온하면, 상술한 집전 장치(1) 및 필터 콘덴서(3)의 양단부의 직류부 전압(Vfc)이 전력 축적 수단(9)의 단자간 전압(Vb)보다도 높을 때, 직류 전력부로부터 전력 축적 수단(9)의 방향으로 전류가 흐른다. 이 때, 제1 평활 리액터(13)는 그 전류 증가율을 일정값 내로 억제함과 동시에, Ton_a의 기간에 통류한 전류와, 전력 축적 수단(9)의 단자간 전압의 곱을 시간 적분한 전력 에너지를 축적한다. 그 후, 스위칭 소자(11a)를 소정 시간(Toff_a)만큼 오프하면, 제1 평활 리액터(13)에 축적된 전력 에너지는 전력 축적 수단(9)의 고전위측 단자로부터 저전위측 단자로 통하고, 스위칭 소자(11b)의 다이오드 소자(12b)를 거쳐서 제1 평활 리액터(13)에 복귀되는 일순의 회로가 구성된다. 즉, 스위칭 소자(11a)를 소정 시간(Toff_a)만큼 오프하고 있는 기간은, 제1 평활 리액터(13)에 축적된 전력 에너지가 전력 축적 수단(9)에 계속 충전되고, 제1 평활 리액터(13)에 축적된 전력 에너지가 방출됨에 따라서 충전 전류는 감쇠해 간다. 이에 의해 전력 축적 수단(9)으로부터, 단자간 전압(Vb)과, 전력 축적 수단 통류 전류(Ib)(=가선 전류(Is))의 곱, Vb×Ib에 상당하는 전력이 충전된다.
본 발명의 실시 형태에 의해, 역행 시에 있어서는, 직렬형의 회로 구성으로 함으로써 전력 축적 수단(9)에 의한 역행 전력량의 보충을 효율적으로 행함과 함께, 회생 시에 있어서는 주회로 구성을 전환하지 않고 고속 영역 전기 브레이크 기능과 회생 흡수 기능을 동시에 실현하는 것이 가능해지고, 회생시에 있어서는 고속 영역 전기 브레이크 기능을 기본 동작으로 하고, 경부하 회생 상태가 되면, 이음새 없음으로 회생 흡수 기능을 동작시킴으로써, 에너지 절약 효과의 최대화를 도모할 수 있다.
상기한 종래 기술에서는, 스위치에 의해 주회로 구성을 전환함으로써 고속 영역 전기 브레이크 기능과 회생 흡수 기능을 실현하는 구성이므로, 전환 시에 인버터 장치의 입력 전압이 전력 축적 수단의 전압분만큼 급격하게 변동해버리고, 인버터 장치의 입력 전압이 뛰어올라서 과전압 보호 기능이 동작할 가능성이 있을뿐만 아니라 전동기의 토크가 급변해서 승차감의 저하에도 연결된다.
따라서, 회생 시에 인버터 장치와 전력 축적 수단을 직렬로 접속하여 고속 영역 전기 브레이크 기능을 동작시키고 있는 상태에서 경부하 회생 상태로 된 경우, 한번 인버터 장치를 정지시켜서 인버터 장치와 전력 축적 수단을 병렬로 접속하도록 스위치를 전환할 필요가 있었다. 이 때문에, 연속적인 회생 동작을 행할 수 없게 되고, 브레이크력이 일시적으로 저하되어 제동 거리가 늘어나거나, 브레이크력 부족을 보충하기 위해서 공기 브레이크를 동작시킴으로써 에너지 절약 효과가 저하되는 등의 문제가 있었다.
또한, 역행 시에 있어서는, 병렬형의 회로 구성으로서 초퍼 회로에 의해 전력 축적 수단의 전압을 가선 전압 상당까지 승압함으로써 전력 축적 수단에 축적한 전력을 인버터 장치에 공급하고 있지만, 초퍼 회로의 스위칭 소자를 동작시키는 것에 의한 손실이 발생한다. 그 때문에, 종래 기술의 방법에서는, 스위칭 소자의 손실분만큼 인버터 장치에 공급할 수 있는 전력량이 감소해버려 에너지 절약 효과가 저하되는 등의 문제가 있었다.
실시예 4 내지 7에서 설명하는 회로 구성은, 역행 시에 전력 축적 수단에 의한 역행 전력의 공급을 효율적으로 행하는 효과와, 회생 시에 고속 영역 전기 브레이크 운전과 회생 흡수 운전의 전환 시의 인버터 장치의 입력 전압의 변동을 저감시키는 효과의 적어도 어느 한쪽을 달성하는 것이 가능하다.
도 5는 본 발명의 철도 차량의 구동 장치에 있어서의 제5 실시 형태의 기본 구성을 도시하는 도면이다.
제4 실시 형태의 기본 구성(도 4)과 상이한 점은, (1)전력 축적 수단(9)의 정극측과 부극측의 사이에 스위칭 소자(15a, 15b)를 접속하고, 그 입출력 단자에 도통 방향과는 반대 방향으로 다이오드 소자(16a, 16b)를 병렬로 접속한 점과, (2)스위치(14a)를 제2 평활 리액터(17)를 거쳐서 스위칭 소자(15a)와 스위칭 소자(15b)의 접속 위치에 접속한 점이다.
스위칭 소자(15a, 15b)과 다이오드 소자(16a, 16b)와 제2 평활 리액터(17)는 전력 축적 수단(9)을 전원으로 하는 강압 초퍼 회로를 구성하고 있다.
제4 실시 형태의 기본 구성(도 4)에서는, 회생 시에 전력 축적 수단(9)의 전압을 직류 전압원의 전압에 가산해서 인버터 장치(4)에 입력하지만, 전력 축적 수단(9)의 전압은 충전되어 있는 전하에 의해 변동되므로, 전력 축적 수단(9)의 전압은 충방전의 상태에 따라 시시각각 변화된다. 통상, 인버터 장치(4)의 직류측의 전압은 일정한 것이 바람직하다.
따라서, 본 실시예와 같이, 전력 축적 수단(9)을 전원으로 하는 강압 초퍼 회로를 구성하고, 전력 축적 수단(9)으로부터 인버터 장치(4)에 인가하는 전압을 일정값으로 제어함으로써, 직류 전압원의 전압 변동을 제외하고 일정하게 할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 스위칭 소자(15a, 15b)와 다이오드 소자(16a, 16b)와 제2 평활 리액터(17)로 구성되는 강압 초퍼 회로를 전력 축적 수단(9)에 대하여 접지점(10)측에 배치했지만, 도 6과 같이, 강압 초퍼 회로를 전력 축적 수단(9)에 대하여 인버터 장치(4)측에 배치하는 구성이어도 된다.
집전 장치(1)로부터 급전한 직류 전력은 필터 리액터(FL)(2) 및 필터 콘덴서(FC)(3)로 구성하는 LC회로(필터 회로)에서 고주파수 영역의 변동을 제거한 후, 인버터 장치(4)에 입력된다. 인버터 장치(4)는 입력된 직류 전력을 가변 전압 가변 주파수(VVVF)의 3상 교류 전력으로 변환하여 주전동기(5a, 5b)를 구동한다. 여기에서는 인버터 장치(4)가 구동하는 주전동기가 2대인 경우를 나타내고 있지만, 본 발명으로서는 인버터 장치(4)이 구동하는 주전동기의 대수는 한정하지 않는다.
접지점(10)은 이 회로의 기준 전위를 정하고 있다.
스위칭 소자(11a, 11b)는 반도체 소자에 의한 전류 차단 수단이다. 스위칭 소자(11a, 11b)는 그 입출력 단자에 도통 방향과는 반대 방향으로 다이오드 소자(12a, 12b)를 병렬로 접속한다.
제1 평활 리액터(MSL)(13)는 스위칭 소자(11a와 11b)의 접속 위치와, 전력 축적 수단(9)의 정극 단자를 연결하는 전력선의 도중에 배치한다. 또한, 전력 축적 수단(9)의 부극 단자는 인버터 장치(4)의 저전위측 단자에 접속한다.
스위칭 소자(15a, 15b)는 반도체 소자에 의한 전류 차단 수단이다. 스위칭 소자(15a, 15b)는 그 입출력 단자에 도통 방향과는 반대 방향으로 다이오드 소자(16a, 16b)를 병렬로 접속한다.
제2 평활 리액터(MSL)(17)는 스위칭 소자(15a와 15b)의 접속 위치와, 스위치(14a)의 사이의 전력선의 도중에 배치한다.
스위칭 소자(15a, 15b)와 다이오드 소자(16a, 16b)와 제2 평활 리액터(MSL)(17)는 전력 축적 수단(9)을 전원으로 하는 강압 초퍼 회로를 구성하고, 전압을 0부터 전력 축적 수단(9)의 전압값의 사이에서 연속적으로 제어한다.
스위치(14a)는 접지점(10)과 전력 축적 수단(9)의 정극의 사이에 배치되고, 스위치(14b)는 접지점(10)과 전력 축적 수단(9)의 부극의 사이에 배치된다. 스위치(14a 및 14b)는 쌍방향으로 흐르는 전류를 도통 또는 차단할 수 있는 것이며, 기계적 접점을 사용한 차단기이어도 되고, 반도체에 의한 전류 차단 수단과 다이오드 소자를 조합한 것이라도 된다.
여기서, 일반적으로 철도 차량의 제어 장치에서는, 필터 콘덴서(3)의 양단부의 직류부 전압(Vfc)에 기초하여 인버터 장치(4)를 제어하지만, 본 발명의 회로 구성의 경우, 후술하는 바와 같이 회생 시에 인버터 장치(4)에 인가되는 직류 전압은, 스위칭 소자(15a, 15b)와 다이오드 소자(16a, 16b)와 제2 평활 리액터(MSL)(17)로 구성되는 강압 초퍼 회로의 전압(Vchp)과 가선 전압(Vs)의 합이 되므로, 직류부 전압(Vfc)을 검출한 것만으로는 강압 초퍼 회로의 전압(Vchp)과 가선 전압(Vs)를 분리할 수 없어 경부하 회생 상태인지의 여부를 판별할 수 없다. 또한, 강압 초퍼를 동작시켜서 원하는 전압을 얻기 위해서는 전력 축적 수단(9)의 전압(Vb)이 필요하다.
따라서, 본 발명의 회로 구성과 같이 인버터 장치(4)에 인가되는 직류 전압이 강압 초퍼 회로의 전압(Vchp)과 가선 전압(Vs)의 합이 되는 바와 같은 회로 구성에서는, 집전 장치(1)와 접지점(10)의 사이에 집전 장치(1)로부터 공급되는 가선 전압(Vs)을 검출하는 전압 센서(DCPT)(7a)를 설치하여, 가선 전압(Vs)에 의해 경부하 회생 상태인지의 여부의 판별을 행하는 것이 좋다.
또는, 필터 콘덴서(3)의 양단부의 직류부 전압(Vfc)이 가선 전압(Vs)과 강압 초퍼 회로의 전압(Vchp)의 합인 것을 감안하여, 가선 전압(Vs)을 검출하는 전압 센서(DCPT)(7a), 전력 축적 수단(9)의 단자간 전압(Vb)을 검출하는 전압 센서(DCPT)(7b), 필터 콘덴서(3)의 양단부의 직류부 전압(Vfc)을 검출하는 전압 센서(DCPT)(7c) 중 적어도 2개 이상을 설치하여, 필터 콘덴서(3)의 양단부의 직류부 전압(Vfc)과 전력 축적 수단(9)의 단자간 전압(Vb)과 가선 전압(Vs) 중 적어도 2개 이상의 전압값으로부터 가선 전압(Vs) 상당의 전압을 산출하고, 가선 전압(Vs)에 의해 경부하 회생 상태인지의 여부의 판별을 행하는 것이 좋다.
본 발명의 회로 구성의 경우에는, Vfc와 Vb와 Vs의 값에 기초하여 경부하 회생 상태라고 판단하면, 인버터 장치(4)나 스위칭 소자(11a, 11b)를 제어하여 회생 흡수 기능을 동작시킨다.
본 실시예에 있어서의 역행 시의 회로 동작에 대해서 설명한다. 본 발명의 회로 구성의 경우, 후술하는 바와 같이 회생 시에는 전력 축적 수단(9)이 충전되므로, 역행 시에는 다음 회생에 대비하여 전력 축적 수단(9)의 전력을 적극적으로 방전할 필요가 있다.
본 발명의 회로 구성의 경우, 역행 시에 있어서의 전력 축적 수단(9)의 방전은 2개의 방법(병렬형 및 직렬형)으로 실현할 수 있다.
우선 첫번째 방법에 대해서 설명한다. 첫번째 방법에서는, 스위치(14a)를 오프, 스위치(14b)를 온한다. 이에 의해, 인버터 장치(4)의 접지점측의 단자와 전력 축적 수단(9)의 부극측이 접지점(10)에 접속된다. 이 때, 인버터 장치(4)에 인가되는 전압은 대강 집전 장치(1)로부터 공급되는 전압(Vs)에 일치하고, 인버터 장치(4)와 전력 축적 수단(9)은 병렬로 접속되는 구성으로 된다.
여기서, 스위칭 소자(11b)를 주기적으로 온/오프함으로써, 전력 축적 수단(9)의 전력을 방출해 인버터 장치(4)에 공급할 수 있다. 여기서, 제1 평활 리액터(13)는 전력 축적 수단(9)에 통류하는 전류의 변화율을 소정값 내로 억제하는 기능을 갖는다.
상술한 스위칭 소자(11b)를 소정 시간(Ton_b)만큼 온하면, 전력 축적 수단(9)의 정극측과 부극측은 단락되지만, 이 때, 제1 평활 리액터(13)는 그 전류 증가율을 일정값 내로 억제함과 동시에, Ton_b의 기간에 통류한 전류와 전력 축적 수단(9)의 단자간 전압의 곱을 시간 적분한 전력 에너지를 축적한다. 그 후, 스위칭 소자(11b)를 소정 시간(Toff_b)만큼 오프하면, 제1 평활 리액터(13)에 축적된 전력 에너지는 다이오드 소자(12a)를 거쳐서 집전 장치(1)와 인버터 장치(4)의 사이의 직류 전력부에 방출된다.
이 방법에 따르면, 가선 문제(팬터그래프 이선이나 가선 정전) 등으로 가선으로부터 전력 공급을 할 수 없게 된 긴급 시에 있어서, 전력 축적 수단(9)의 전력에 의해 차량을 주행시키는 것도 가능해진다.
그러나, 역행 전력량의 일부를 전력 축적 수단(9)의 전력에 의해 보충함으로써 역행 전력량의 저감을 도모한다는 관점에서는, 스위칭 소자의 스위칭 손실분만큼 보충할 수 있는 전력량이 감소하므로 에너지 절약 효과가 저감된다.
계속해서, 두번째 방법에 대해서 설명한다. 두번째 방법에서는, 스위치(14a)를 온, 스위치(14b)를 오프한다. 이에 의해, 인버터 장치(4)의 접지점측의 단자와 전력 축적 수단(9)의 정극측이 접지점(10)에 접속되므로, 인버터 장치(4)와 전력 축적 수단(9)은 직렬로 접속되는 구성으로 된다.
이 경우, 전력 축적 수단(9)의 단자간 전압(Vb)과 전력 축적 수단 통류 전류(Ib)(=가선 전류(Is))의 곱, Vb×Ib에 상당하는 전력이 전력 축적 수단(9)으로부터 방전된다. 또한, 상술한 바와 같은 스위칭 소자(11b)의 온/오프에 의한 방전을 행하지 않으므로, 스위칭 손실이 발생하지 않는다. 따라서, 상술한 스위칭 소자(11b)의 온/오프에 의한 방전 방법에 비해, 전력 축적 수단(9)에 의한 역행 전력량의 보충을 효율적으로 행하는 것이 가능해진다.
다음에, 회생 시의 회로 동작에 대해서 설명한다. 회생 시는 스위치(14a)를 온, 스위치(14b)를 오프한다. 이에 의해, 인버터 장치(4)의 저전위측 단자의 전압은, 도 10과 같이, 접지점(10)을 기준으로 하여 강압 초퍼 회로의 전압(Vchp)만큼 내릴 수 있다.
한편, 인버터 장치(4)의 고전위측 단자의 전위는, 접지점(10)을 기준 전위라고 생각하면, 가선 전압(Vs)과 다름없다. 즉, 인버터 장치(4)의 입출력 단자간(정극 내지 부극)의 전위차는, 가선 전압(Vs)과 강압 초퍼의 전압(Vchp)의 합(Vchp+Vs)이 된다. 이와 같이 하여, 인버터 장치(4)의 입출력 단자간(정극부터 부극)의 전위차를 전력 축적 수단(9)의 단자간 전압(Vchp)만큼 끌어올림으로써, 인버터 장치(4)의 최대 통류 전류를 변하게 하지 않고 최대 회생 전력을 (Vchp+Vs)/Vs만큼 확대할 수 있다. 또한, 이 때 전력 축적 수단(9)에는, 강압 초퍼의 전압(Vchp)과 강압 초퍼의 전류(Ichp)(=가선 전류(Is))의 곱, Vchp×Ichp에 상당하는 전력이 충전된다.
여기서, 경부하 회생 상태가 되면, 주회로 구성은 그대로(직렬형) 전압 센서(7a 내지 7c)에 의해 얻어진 가선 전압에 따라서 스위칭 소자(11a)를 주기적으로 온/오프 함으로써, 가선측에 되돌릴 수 없었던 회생 전력을 전력 축적 수단(9)에 충전한다. 여기서, 제1 평활 리액터(13)는 전력 축적 수단(9)에 통류하는 전류의 변화율을 소정값 내로 억제하는 기능을 갖는다.
상술한 스위칭 소자(11a)를 소정 시간(Ton_a)만큼 온하면, 상술한 집전 장치(1) 및 필터 콘덴서(3)의 양단부의 직류부 전압(Vfc)이 강압 초퍼의 전압(Vchp)보다도 높을 때, 직류 전력부로부터 전력 축적 수단(9)의 방향으로 전류가 흐른다. 이 때, 제1 평활 리액터(13)는 그 전류 증가율을 일정치 내로 억제함과 동시에, Ton_a의 기간에 통류한 전류와, 전력 축적 수단(9)의 단자간 전압의 곱을 시간 적분한 전력 에너지를 축적한다. 그 후, 스위칭 소자(11a)를 소정 시간(Toff_a)만큼 오프하면, 제1 평활 리액터(13)에 축적된 전력 에너지는 전력 축적 수단(9)의 고전위측 단자로부터 저전위측 단자로 통하고, 스위칭 소자(11b)의 다이오드 소자(12b)를 거쳐서 제1 평활 리액터(13)에 복귀되는 일순의 회로가 구성된다. 즉, 스위칭 소자(11a)를 소정 시간(Toff_a)만큼 오프하고 있는 기간은, 제1 평활 리액터(13)에 축적된 전력 에너지가 전력 축적 수단(9)에 계속 충전되고, 제1 평활 리액터(13)에 축적된 전력 에너지가 방출됨에 따라서 충전 전류는 감쇠해 간다. 이에 의해 전력 축적 수단(9)으로부터 강압 초퍼의 전압(Vchp)과 강압 초퍼의 전류(Ichp)(=가선 전류(Is))의 곱, Vchp×Ichp에 상당하는 전력이 충전된다.
본 발명의 실시 형태에 의해, 역행 시에 있어서는, 직렬형의 회로 구성으로 함으로써 전력 축적 수단(9)에 의한 역행 전력량의 보충을 효율적으로 행함과 함께, 회생 시에 있어서는 주회로 구성을 전환하지 않고 고속 영역 전기 브레이크 기능과 회생 흡수 기능을 동시에 실현하는 것이 가능해지고, 회생 시에 있어서는, 고속 영역 전기 브레이크 기능을 기본 동작으로 하여 경부하 회생 상태가 되면, 이음새 없음으로 회생 흡수 기능을 동작시킴으로써 에너지 절약 효과의 최대화를 도모할 수 있다.
도 7은 본 발명의 철도 차량의 구동 장치에 있어서의 제6 실시 형태의 기본 구성을 도시하는 도면이다.
제4 실시 형태의 기본 구성(도 4)과 상이한 점은, 스위치(14a)를 접지점(10)으로부터 전력 축적 수단(9)의 방향만 전류를 도통할 수 있는 다이오드 소자(14c)에서 치환한 점이다. 이에 의해, 제4 실시 형태의 기본 구성(도 4)과 같이, 역행 시에 전력 축적 수단(9)을 인버터 장치(4)와 직렬로 접속할 수는 없지만, 도 4에서는 도시하지 않고 있는 스위치(14a)를 온/오프시키는 회로가 불필요해지므로, 제4 실시 형태의 기본 구성(도 4)에 비해 구동 장치를 소형화할 수 있다.
역행 시에는 전류가 전력 축적 수단(9)의 부극측으로부터 접지점(10)으로 전류가 흐르도록 스위치(14b)를 온한다. 또한 스위칭 소자(11b)를 주기적으로 온/오프시킴으로써 전력 축적 수단(9)에 축적한 전력을 인버터 장치(4)에 공급할 수 있다.
또한, 회생 시에는 전류가 접지점(10)으로부터 다이오드 소자(14c)를 통해서 전력 축적 수단(9)의 정극측으로 흐르도록 스위치(14b)를 오프한다. 이에 의해, 상술한 실시 형태와 동일하도록 고속 영역 전기 브레이크 기능과 회생 흡수 기능을 동시에 실현할 수 있다.
집전 장치(1)로부터 급전한 직류 전력은, 필터 리액터(FL)(2) 및 필터 콘덴서(FC)(3)로 구성하는 LC회로(필터 회로)에서 고주파수 영역의 변동을 제거한 후, 인버터 장치(4)에 입력된다. 인버터 장치(4)는 입력된 직류 전력을 가변 전압 가변 주파수(VVVF)의 3상 교류 전력으로 변환하여 주전동기(5a, 5b)를 구동한다. 여기에서는 인버터 장치(4)가 구동하는 주전동기가 2대인 경우를 나타내고 있지만, 본 발명으로서는 인버터 장치(4)가 구동하는 주전동기의 대수는 한정하지 않는다.
접지점(10)은 이 회로의 기준 전위를 정하고 있다.
스위칭 소자(11a, 11b)는 반도체 소자에 의한 전류 차단 수단이다. 스위칭 소자(11a, 11b)는 그 입출력 단자에 도통 방향과는 반대 방향으로 다이오드 소자(12a, 12b)를 병렬로 접속한다.
제1 평활 리액터(MSL)(13)는 스위칭 소자(11a와 11b)의 접속 위치와, 전력 축적 수단(9)의 정극 단자를 연결하는 전력선의 도중에 배치한다. 또한, 전력 축적 수단(9)의 부극 단자는 인버터 장치(4)의 저전위측 단자에 접속한다.
다이오드 소자(14c)는 접지점(10)과 전력 축적 수단(9)의 정극의 사이에 배치되고, 접지점(10)으로부터 전력 축적 수단(9)의 정극측에 흐르는 전류만 도통시킨다.
스위치(14b)는 접지점(10)과 전력 축적 수단(9)의 부극의 사이에 배치된다. 스위치(14b)는 쌍방향으로 흐르는 전류를 도통 또는 차단할 수 있는 것이며, 기계적 접점을 사용한 차단기이어도 되고, 반도체에 의한 전류 차단 수단과 다이오드 소자를 조합한 것이라도 된다.
여기서, 일반적으로 철도 차량의 제어 장치에서는, 필터 콘덴서(3)의 양단부의 직류부 전압(Vfc)에 기초하여 인버터 장치(4)를 제어하지만, 본 발명의 회로 구성의 경우, 후술하는 바와 같이 회생 시에 인버터 장치(4)에 인가되는 직류 전압은 전력 축적 수단(9)의 단자간 전압(Vb)과 가선 전압(Vs)의 합이 되므로, 직류부 전압(Vfc)을 검출한 것만으로는 전력 축적 수단(9)의 단자간 전압(Vb)과 가선 전압(Vs)을 분리할 수 없어 경부하 회생 상태인지의 여부를 판별할 수 없다.
따라서, 본 발명의 회로 구성과 같이 인버터 장치(4)에 인가되는 직류 전압이 전력 축적 수단(9)의 단자간 전압(Vb)과 가선 전압(Vs)의 합이 되는 바와 같은 회로 구성에서는, 집전 장치(1)와 접지점(10)의 사이에 집전 장치(1)로부터 공급되는 가선 전압(Vs)을 검출하는 전압 센서(DCPT)(7a)를 설치하여, 가선 전압(Vs)에 의해 경부하 회생 상태인지의 여부의 판별을 행하는 것이 좋다.
또는, 필터 콘덴서(3)의 양단부의 직류부 전압(Vfc)이 가선 전압(Vs)과 전력 축적 수단(9)의 단자간 전압(Vb)의 합인 것을 감안하여, 가선 전압(Vs)을 검출하는 전압 센서(DCPT)(7a), 전력 축적 수단(9)의 단자간 전압(Vb)을 검출하는 전압 센서(DCPT)(7b), 필터 콘덴서(3)의 양단부의 직류부 전압(Vfc)을 검출하는 전압 센서(DCPT)(7c) 중 적어도 2개 이상을 설치하여, 필터 콘덴서(3)의 양단부의 직류부 전압(Vfc)과 전력 축적 수단(9)의 단자간 전압(Vb)과 가선 전압(Vs) 중 적어도 2개 이상의 전압값으로부터 가선 전압(Vs) 상당의 전압을 산출하고, 가선 전압(Vs)에 의해 경부하 회생 상태인지의 여부의 판별을 행하는 것이 좋다.
본 발명의 회로 구성의 경우에는, Vfc와 Vb와 Vs의 값에 기초하여 경부하 회생 상태라고 판단하면, 인버터 장치(4)나 스위칭 소자(11a, 11b)를 제어하여 회생 흡수 기능을 동작시킨다.
본 실시예에 있어서의 역행 시의 회로 동작에 대해서 설명한다. 역행 시는 스위치(14b)를 온한다. 이에 의해, 인버터 장치(4)의 접지점측의 단자와 전력 축적 수단(9)의 부극측이 접지점(10)에 접속된다. 이 때, 인버터 장치(4)에 인가되는 전압은 대강 집전 장치(1)로부터 공급되는 전압(Vs)에 일치하고, 인버터 장치(4)와 전력 축적 수단(9)은 병렬로 접속되는 구성이 된다.
여기서, 스위칭 소자(11b)를 주기적으로 온/오프함으로써, 전력 축적 수단(9)의 전력을 방출해 인버터 장치(4)에 공급할 수 있다. 여기서, 제1 평활 리액터(13)는 전력 축적 수단(9)에 통류하는 전류의 변화율을 소정값 내로 억제하는 기능을 갖는다.
상술한 스위칭 소자(11b)를 소정 시간(Ton_b)만큼 온하면, 전력 축적 수단(9)의 정극측과 부극측은 단락되지만, 이 때, 제1 평활 리액터(13)는 그 전류 증가율을 일정값 내로 억제함과 동시에, Ton_b의 기간에 통류한 전류와, 전력 축적 수단(9)의 단자간 전압의 곱을 시간 적분한 전력 에너지를 축적한다. 그 후, 스위칭 소자(11b)를 소정 시간(Toff_b)만큼 오프하면, 제1 평활 리액터(13)에 축적된 전력 에너지는 다이오드 소자(12a)를 거쳐서 집전 장치(1)와 인버터 장치(4)의 사이의 직류 전력부에 방출된다.
계속해서, 회생 시의 회로 동작에 대해서 설명한다. 회생 시는 스위치(14b)를 오프한다. 이에 의해, 인버터 장치(4)의 저전위측 단자의 전압은 접지점(10)을 기준으로 하여 전력 축적 수단(9)의 단자간 전압(Vb)만큼 내릴 수 있다. 한편, 인버터 장치(4)의 고전위측 단자의 전위는, 접지점(10)을 기준 전위라고 생각하면, 가선 전압(Vs)과 다름없다. 즉, 인버터 장치(4)의 입출력 단자간(정극 내지 부극)의 전위차는 전력 축적 수단(9)의 단자간 전압(Vb)과, 가선 전압(Vs)의 합, Vb+Vs가 된다. 이와 같이 하여, 인버터 장치(4)의 입출력 단자간(정극부터 부극)의 전위차를 전력 축적 수단(9)의 단자간 전압(Vb)만큼 끌어올림으로써, 인버터 장치(4)의 최대 통류 전류를 변하게 하지 않고 최대 회생 전력을 (Vb+Vs)/Vs만큼 확대할 수 있다. 또한, 이 때 전력 축적 수단(9)에는 단자간 전압(Vb)과, 전력 축적 수단 통류 전류(Ib)(=가선 전류(Is))의 곱, Vb×Ib에 상당하는 전력이 충전된다.
여기서, 경부하 회생 상태가 되면, 주회로 구성은 그대로(직렬형) 전압 센서(7a 내지 7c)에 의해 얻어진 가선 전압에 따라서 스위칭 소자(11a)를 주기적으로 온/오프함으로써, 가선측에 되돌릴 수 없었던 회생 전력을 전력 축적 수단(9)에 충전한다. 여기서, 제1 평활 리액터(13)는 전력 축적 수단(9)에 통류하는 전류의 변화율을 소정값 내로 억제하는 기능을 갖는다.
상술한 스위칭 소자(11a)를 소정 시간(Ton_a)만큼 온하면, 상술한 집전 장치(1) 및 필터 콘덴서(3)의 양단부의 직류부 전압(Vfc)이, 전력 축적 수단(6b)의 단자간 전압(Vb)보다도 높을 때, 직류 전력부로부터 전력 축적 수단(9)의 방향으로 전류가 흐른다. 이 때, 제1 평활 리액터(13)는 그 전류 증가율을 일정값 내로 억제함과 동시에, Ton_a의 기간에 통류한 전류와, 전력 축적 수단(9)의 단자간 전압의 곱을 시간 적분한 전력 에너지를 축적한다. 그 후, 스위칭 소자(11a)를 소정 시간(Toff_a)만큼 오프하면, 제1 평활 리액터(13)에 축적된 전력 에너지는 전력 축적 수단(9)의 고전위측 단자로부터 저전위측 단자로 통하고, 스위칭 소자(11b)의 다이오드 소자(12b)를 거쳐서 제1 평활 리액터(13)에 복귀되는 일순의 회로가 구성된다. 즉, 스위칭 소자(11a)를 소정 시간(Toff_a)만큼 오프하고 있는 기간은, 제1 평활 리액터(13)에 축적된 전력 에너지가 전력 축적 수단(9)에 계속 충전되고, 제1 평활 리액터(13)에 축적된 전력 에너지가 방출됨에 따라 충전 전류는 감쇠해 간다. 이에 의해 전력 축적 수단(9)으로부터 단자간 전압(Vb)과, 전력 축적 수단 통류 전류(Ib)(=가선 전류(Is))의 곱, Vb×Ib에 상당하는 전력이 충전된다.
본 발명의 실시 형태에 의해, 주회로 구성을 전환하지 않고 고속 영역 전기 브레이크 기능과 회생 흡수 기능을 동시에 실현하는 것이 가능해지고, 회생 시에 있어서는, 고속 영역 전기 브레이크 기능을 기본 동작으로 하여 경부하 회생 상태가 되면, 이음새 없음으로 회생 흡수 기능을 동작시킴으로써 에너지 절약 효과의 최대화를 도모할 수 있다.
도 8은 본 발명의 철도 차량의 구동 장치에 있어서의 제7 실시 형태의 기본 구성을 도시하는 도면이다.
제6 실시 형태의 기본 구성(도 7)과 상이한 점은, (1)전력 축적 수단(9)의 정극측과 부극측의 사이에 스위칭 소자(15a, 15b)를 접속하고, 그 입출력 단자에 도통 방향과는 반대 방향으로 다이오드 소자(16a, 16b)를 병렬로 접속한 점과, (2)다이오드 소자(14c)를 제2 평활 리액터(17)를 거쳐서 스위칭 소자(15a)와 스위칭 소자(15b)의 접속 위치에 접속한 점이다.
스위칭 소자(15a, 15b)와 다이오드 소자(16a, 16b)와 제2 평활 리액터(17)는 전력 축적 수단(9)을 전원으로 하는 강압 초퍼 회로를 구성하고 있다.
제6 실시 형태의 기본 구성(도 7)에서는, 회생 시에 전력 축적 수단(9)의 전압을 직류 전압원의 전압에 가산해서 인버터 장치(4)에 입력하지만, 전력 축적 수단(9)의 전압은 충전되어 있는 전하에 의해 변동하므로, 전력 축적 수단(9)의 전압은 충방전의 상태에 따라서 시시각각 변화된다. 통상, 인버터 장치(4)의 직류측의 전압은 일정한 것이 바람직하다.
따라서, 본 실시예와 같이, 전력 축적 수단(9)을 전원으로 하는 강압 초퍼 회로를 구성하고, 전력 축적 수단(9)으로부터 인버터 장치(4)에 인가하는 전압을 일정값으로 제어함으로써, 직류 전압원의 전압 변동을 제외하고 일정하게 할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 스위칭 소자(15a, 15b)와 다이오드 소자(16a, 16b)와 제2 평활 리액터(17)로 구성되는 강압 초퍼 회로를 전력 축적 수단(9)에 대하여 접지점(10)측에 배치했지만, 도 9와 같이, 강압 초퍼 회로를 전력 축적 수단(9)에 대하여 인버터 장치(4)측에 배치하는 구성이어도 된다.
역행 시에는 전류가 전력 축적 수단(9)의 부극측으로부터 접지점(10)으로 전류가 흐르도록 스위치(14b)를 온한다. 또한 스위칭 소자(11b)를 주기적으로 온/오프시킴으로써 전력 축적 수단(9)에 축적한 전력을 인버터 장치(4)에 공급할 수 있다.
또한, 회생 시에는 전류가 접지점(10)으로부터 다이오드 소자(14c)를 통해서 제2 평활 리액터(17)에 흐르도록 스위치(14b)를 오프한다. 이에 의해, 상술한 실시 형태와 동일하도록 고속 영역 전기 브레이크 기능과 회생 흡수 기능을 동시에 실현할 수 있다.
집전 장치(1)로부터 급전한 직류 전력은 필터 리액터(FL)(2) 및 필터 콘덴서(FC)(3)로 구성하는 LC회로(필터 회로)에서 고주파수 영역의 변동을 제거한 후, 인버터 장치(4)에 입력된다. 인버터 장치(4)는 입력된 직류 전력을 가변 전압 가변 주파수(VVVF)의 3상 교류 전력으로 변환하여 주전동기(5a, 5b)를 구동한다. 여기에서는 인버터 장치(4)가 구동하는 주전동기가 2대인 경우를 나타내고 있지만, 본 발명으로서는 인버터 장치(4)가 구동하는 주전동기의 대수는 한정하지 않는다.
접지점(10)은 이 회로의 기준 전위를 정하고 있다.
스위칭 소자(11a, 11b)는 반도체 소자에 의한 전류 차단 수단이다. 스위칭 소자(11a, 11b)는 그 입출력 단자에 도통 방향과는 반대 방향으로 다이오드 소자(12a, 12b)를 병렬로 접속한다.
제1 평활 리액터(MSL)(13)는 스위칭 소자 11a와 11b의 접속 위치와, 전력 축적 수단(9)의 정극 단자를 연결하는 전력선의 도중에 배치한다. 또한, 전력 축적 수단(9)의 부극 단자는 인버터 장치(4)의 저전위측 단자에 접속한다.
스위칭 소자(15a, 15b)는 반도체 소자에 의한 전류 차단 수단이다. 스위칭 소자(15a, 15b)는 그 입출력 단자에 도통 방향과는 반대 방향으로 다이오드 소자(16a, 16b)를 병렬로 접속한다.
제2 평활 리액터(MSL)(17)는 스위칭 소자 15a와 15b의 접속 위치와, 다이오드 소자(14c)를 전력선의 도중에 배치한다.
스위칭 소자(15a, 15b)와 다이오드 소자(16a, 16b)와 제2 평활 리액터(MSL)(17)는, 전력 축적 수단(9)을 전원으로 하는 강압 초퍼 회로를 구성하고, 전압을 0부터 전력 축적 수단(9)의 전압값의 사이에서 연속적으로 제어한다.
다이오드 소자(14c)는 접지점(10)과 제2 평활 리액터(17)의 사이에 배치되고, 접지점(10)으로부터 제2 평활 리액터(17)측에 흐르는 전류만 도통시킨다.
스위치(14b)는 접지점(10)과 전력 축적 수단(9)의 부극의 사이에 배치된다. 스위치(14b)는 쌍방향으로 흐르는 전류를 도통 또는 차단할 수 있는 것이며, 기계적 접점을 사용한 차단기이어도 되고, 반도체에 의한 전류 차단 수단과 다이오드 소자를 조합한 것이라도 된다.
여기서, 일반적으로 철도 차량의 제어 장치에서는, 필터 콘덴서(3)의 양단부의 직류부 전압(Vfc)에 기초하여 인버터 장치(4)를 제어하지만, 본 발명의 회로 구성의 경우, 후술하는 바와 같이 회생 시에 인버터 장치(4)에 인가되는 직류 전압은, 스위칭 소자(15a, 15b)와 다이오드 소자(16a, 16b)와 제2 평활 리액터(MSL)(17)로 구성되는 강압 초퍼 회로의 전압(Vchp)과 가선 전압(Vs)의 합이 되므로, 직류부 전압(Vfc)을 검출한 것만으로는 강압 초퍼 회로의 전압(Vchp)과 가선 전압(Vs)을 분리할 수 없어 경부하 회생 상태인지의 여부를 판별할 수 없다. 또한, 강압 초퍼를 동작시켜서 원하는 전압을 얻기 위해서는 전력 축적 수단(9)의 전압(Vb)이 필요하다.
따라서, 본 발명의 회로 구성과 같이 인버터 장치(4)에 인가되는 직류 전압이 강압 초퍼 회로의 전압(Vchp)과 가선 전압(Vs)의 합이 되는 바와 같은 회로 구성에서는, 집전 장치(1)와 접지점(10)의 사이에 집전 장치(1)로부터 공급되는 가선 전압(Vs)을 검출하는 전압 센서(DCPT)(7a)를 설치하여, 가선 전압(Vs)에 의해 경부하 회생 상태인지의 여부의 판별을 행하는 것이 좋다.
또는, 필터 콘덴서(3)의 양단부의 직류부 전압(Vfc)이 가선 전압(Vs)과 강압 초퍼 회로의 전압(Vchp)의 합인 것을 감안하여, 가선 전압(Vs)을 검출하는 전압 센서(DCPT)(7a), 전력 축적 수단(9)의 단자간 전압(Vb)을 검출하는 전압 센서(DCPT)(7b), 필터 콘덴서(3)의 양단부의 직류부 전압(Vfc)을 검출하는 전압 센서(DCPT)(7c) 중 적어도 2개 이상을 설치하여, 필터 콘덴서(3)의 양단부의 직류부 전압(Vfc)과 전력 축적 수단(9)의 단자간 전압(Vb)과 가선 전압(Vs) 중 적어도 2개 이상의 전압값으로부터 가선 전압(Vs) 상당의 전압을 산출하고, 가선 전압(Vs)에 의해 경부하 회생 상태인지의 여부의 판별을 행하는 것이 좋다.
본 발명의 회로 구성의 경우에는, Vfc와 Vb와 Vs의 값에 기초하여 경부하 회생 상태라고 판단하면, 인버터 장치(4)나 스위칭 소자(11a, 11b)를 제어하여 회생 흡수 기능을 동작시킨다.
본 실시예에 있어서의 역행 시의 회로 동작에 대해서 설명한다. 역행 시는 스위치(14b)를 온한다. 이에 의해, 인버터 장치(4)의 접지점측의 단자와 전력 축적 수단(9)의 부극측이 접지점(10)에 접속된다. 이 때, 인버터 장치(4)에 인가되는 전압은 대강 집전 장치(1)로부터 공급되는 전압(Vs)에 일치하고, 인버터 장치(4)와 전력 축적 수단(9)은 병렬로 접속되는 구성이 된다.
여기서, 스위칭 소자(11b)를 주기적으로 온/오프 함으로써, 전력 축적 수단(9)의 전력을 방출해 인버터 장치(4)에 공급할 수 있다. 여기서, 제1 평활 리액터(13)는 전력 축적 수단(9)에 통류하는 전류의 변화율을 소정값 내로 억제하는 기능을 갖는다.
상술한 스위칭 소자(11b)를 소정 시간(Ton_b)만큼 온하면, 전력 축적 수단(9)의 정극측과 부극측은 단락되지만, 이 때, 제1 평활 리액터(13)는 그 전류 증가율을 일정값 내로 억제함과 동시에, Ton_b의 기간에 통류한 전류와 전력 축적 수단(9)의 단자간 전압의 곱을 시간 적분한 전력 에너지를 축적한다. 그 후, 스위칭 소자(11b)를 소정 시간(Toff_b)만큼 오프하면, 제1 평활 리액터(13)에 축적된 전력 에너지는 다이오드 소자(12a)를 거쳐서 집전 장치(1)와 인버터 장치(4)의 사이의 직류 전력부에 방출된다.
계속해서, 회생 시의 회로 동작에 대해서 설명한다. 회생 시는 스위치(14b)를 오프한다. 이에 의해, 인버터 장치(4)의 저전위측 단자의 전압은, 도 10과 같이, 접지점(10)을 기준으로 하여 강압 초퍼 회로의 전압(Vchp)만큼 내릴 수 있다.
한편, 인버터 장치(4)의 고전위측 단자의 전위는, 접지점(10)을 기준 전위라고 생각하면, 가선 전압(Vs)과 다름없다. 즉, 인버터 장치(4)의 입출력 단자간(정극 내지 부극)의 전위차는 가선 전압(Vs)과 강압 초퍼의 전압(Vchp)의 합, Vchp+Vs가 된다. 이와 같이 하여, 인버터 장치(4)의 입출력 단자간(정극부터 부극)의 전위차를 전력 축적 수단(9)의 단자간 전압(Vchp)만큼 끌어올림으로써, 인버터 장치(4)의 최대 통류 전류를 변하게 하지 않고 최대 회생 전력을 (Vchp+Vs)/Vs만큼 확대할 수 있다. 또한, 이 때 전력 축적 수단(9)에는 강압 초퍼의 전압(Vchp)과 강압 초퍼의 전류(Ichp)(=가선 전류(Is))의 곱, Vchp×Ichp에 상당하는 전력이 충전된다.
여기서, 경부하 회생 상태가 되면, 주회로 구성은 그대로(직렬형) 전압 센서(7a 내지 7c)에 의해 얻어진 가선 전압에 따라서 스위칭 소자(11a)를 주기적으로 온/오프함으로써, 가선측에 되돌릴 수 없었던 회생 전력을 전력 축적 수단(9)에 충전한다. 여기서, 제1 평활 리액터(13)는 전력 축적 수단(9)에 통류하는 전류의 변화율을 소정값 내로 억제하는 기능을 갖는다.
상술한 스위칭 소자(11a)를 소정 시간(Ton_a)만큼 온하면, 상술한 집전 장치(1) 및 필터 콘덴서(3)의 양단부의 직류부 전압(Vfc)이 전력 축적 수단(9)의 단자간 전압(Vb)보다도 높을 때, 직류 전력부로부터 전력 축적 수단(9)의 방향에 전류가 흐른다. 이 때, 제1 평활 리액터(13)는 그 전류 증가율을 일정값 내로 억제함과 동시에, Ton_a의 기간에 통류한 전류와 전력 축적 수단(9)의 단자간 전압의 곱을 시간 적분한 전력 에너지를 축적한다. 그 후, 스위칭 소자(11a)를 소정 시간(Toff_a)만큼 오프하면, 제1 평활 리액터(13)에 축적된 전력 에너지는 전력 축적 수단(9)의 고전위측 단자로부터 저전위측 단자로 통하고, 스위칭 소자(11b)의 다이오드 소자(12b)를 거쳐서 제1 평활 리액터(13)에 복귀되는 일순의 회로가 구성된다. 즉, 스위칭 소자(11a)를 소정 시간(Toff_a)만큼 오프하고 있는 기간은, 제1 평활 리액터(13)에 축적된 전력 에너지가 전력 축적 수단(9)에 계속 충전되고, 제1 평활 리액터(13)에 축적된 전력 에너지가 방출됨에 따라 충전 전류는 감쇠해 간다. 이에 의해 전력 축적 수단(9)으로부터 강압 초퍼의 전압(Vchp)과 강압 초퍼의 전류(Ichp)(=가선 전류(Is))의 곱, Vchp×Ichp에 상당하는 전력이 충전된다.
본 발명의 실시 형태에 의해, 주회로 구성을 전환하지 않고 고속 영역 전기 브레이크 기능과 회생 흡수 기능을 동시에 실현하는 것이 가능해지고, 회생 시에 있어서는, 고속 영역 전기 브레이크 기능을 기본 동작으로 하여 경부하 회생 상태가 되면, 이음새 없음으로 회생 흡수 기능을 동작시킴으로써 에너지 절약 효과의 최대화를 도모할 수 있다.
도 12는 본 발명의 철도 차량의 구동 장치에 있어서의 동작 모드(고속 영역 전기 브레이크 기능, 회생 흡수 기능, 고속 영역 전기 브레이크 기능에서도 회생 흡수 기능이 아닌 통상의 회생(이하, 통상 회생))의 결정 방법의 제1 실시예를 나타내는 도면이다.
도 3에 도시하는 바와 같은, 직류 전압원으로부터 직류 전력을 얻는 집전 장치(1)와, 필터 리액터(FL)(2) 및 필터 콘덴서(FC)(3)로 구성하는 LC회로(필터 회로)와, 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 인버터 장치(4)와, 인버터 장치(4)에 의해 구동되는 적어도 1대 이상의 교류 전동기(5)와, 인버터 장치(4)의 직류 전력측에 충방전이 가능한 전력 축적 장치(6)(일례로서, 축전지나 캐패시터 등의 전력 축적 수단과 승강압 초퍼로 구성)를 구비한 철도 차량의 구동 장치이며, 가선 전압(Vs)을 검출하는 전압 센서(DCPT)(7a), 전력 축적 장치(6)의 전압(Vb)을 검출하는 전압 센서(DCPT)(7b), 필터 콘덴서(3)의 양단부의 직류부 전압(Vfc)을 검출하는 전압 센서(DCPT)(7c) 중 적어도 2개 이상을 설치함과 함께, 전력 축적 장치(6)를 인버터 장치(4)와 직렬 혹은 병렬로 접속함으로써 고속 영역 전기 브레이크 기능과 회생 흡수 기능을 동시에 실현할 수 있는 것을 특징으로 하는 철도 차량의 구동 장치에 있어서는, 도 11에 도시한 바와 같이, (1)전력 축적 장치(6)로부터의 축전량(SOC), (2)전압 센서(7a 내지 7c)로부터의 전압, 속도 센서(18)로부터의 속도, (3)운전석(19)으로부터의 노선마다의 운행 밀도, 운전 패턴을 저장한 데이터베이스의 정보 및 자차의 주행 위치·주행 시간을 입력 정보로 하고, 이들의 입력 정보 에 기초하여 동작 모드(고속 영역 전기 브레이크 기능, 회생 흡수 기능, 통상 회생)를 결정하는 동작 모드 결정부(20)를 갖는 것이 좋다.
또한, 도 3의 회로 구성에서는, 고속 영역 전기 브레이크 기능과 회생 흡수 기능을 직렬형의 주회로 구성으로 할지 병렬형의 주회로 구성으로 할지로 전환하고 있지만, 고속 영역 전기 브레이크 기능과 회생 흡수 기능을 동시에 실현할 수 있는 회로 구성이면 어떤 회로 구성이어도 된다.
본 실시예에서는, 고속 영역 전기 브레이크 기능, 회생 흡수 기능, 통상 회생의 동작 모드를 도 12에 도시한 바와 같이 동작 모드 결정부의 입력 정보 중, (1)전력 축적 수단의 축전량(SOC: State of Charge), 속도 및 (2)전압, 속도에 따라 선택하고 있다.
우선, 도 12 중의 동작 모드 결정부(A)에 있어서, 도 13에 도시한 바와 같이 축전량(SOC), 속도에 따라 동작 모드를 결정하는 것이 좋다.
구체적으로는, 전력 축적 수단의 과충전을 방지하고 안전성에 배려하기 위해서도, 축전량(SOC)의 상한값을 설정하고, 축전량(SOC)이 상한값 이하인 경우에는 고속 영역 전기 브레이크 기능 혹은 회생 흡수 기능에 의한 충전 동작을 허가하고, 축전량(SOC)이 상한값을 초과하면 고속 영역 전기 브레이크 기능 혹은 회생 흡수 기능에 의한 충전 동작을 정지해, 통상 회생으로 하는 것이 좋다. 이것은, 고속 영역 전기 브레이크 기능 혹은 회생 흡수 기능에 의한 충전 동작이 오랫동안 이어지면, 전력 축적 수단의 축전량(SOC)이 상승하고, 결국 과충전 상태가 되어 전력 축적 수단의 발화·파손으로 연결될 우려가 있기 때문이다. 이 때, 축전량 (SOC)의 상한값은 도 13에 도시한 바와 같이 속도가 높아짐에 따라 상한값을 내리는 것이 좋다. 이것은, 고속도 영역으로부터 회생할수록 회생 시간이 길어져 전력 축적 수단에 충전되는 전력량이 커지기 때문이다.
다음에, 상기 방법으로 축전량(SOC), 속도에 따라 고속 영역 전기 브레이크 기능 혹은 회생 흡수 기능에 의한 충전 동작이 허가된 경우에는, 도 12 중의 동작 모드 결정부(B)에 있어서, 도 14에 도시한 바와 같이 전압 센서(7a 내지 7c) 및 속도 센서(18)에 의해 얻어진 가선 전압 및 속도에 따라 동작 모드를 결정하는 것이 좋다.
구체적으로는, 가선 전압(Vs)을 검출하는 전압 센서(DCPT)(7a) 혹은, 가선 전압(Vs)을 검출하는 전압 센서(DCPT)(7a), 전력 축적 장치(6)의 전압(Vb)을 검출하는 전압 센서(DCPT)(7b), 필터 콘덴서(3)의 양단부의 직류부 전압(Vfc)을 검출하는 전압 센서(DCPT)(7c) 중 적어도 2개 이상의 전압 센서로부터의 전압값에 의해 가선 전압(Vs)을 산출하고, 가선 전압이 경부하 회생 상태라고 판단되는 전압값(이하, 경부하 회생 세트값(Vref[V]))보다 낮을 때는 고속 영역 전기 브레이크 기능에 의해 필터 콘덴서 전압을 목표값까지 승압하고, 가선 전압이 경부하 회생 세트값(Vref[V])보다 높을 때는 경부하 회생 상태라고 판별하고, 회생 흡수 기능에 의해 필터 콘덴서 전압을 목표치까지 강압하는 것이 좋다.
또한, 고속 영역 전기 브레이크 기능에 의한 승압 동작은 고속 영역(정토크 종단부 속도(Akm/ｈ) 이상)에서는 효과를 발휘하지만, 저속 영역(정토크 종단부 속도(Akm/ｈ) 이하)에서는 주전동기에 의한 회생 성능의 제한은 일어나지 않으므로 승압 동작에 의한 효과는 없다. 따라서, 고속 영역 전기 브레이크 기능을 동작시키는 것은, 속도가 정토크 종단부 속도(Akm/ｈ) 이상의 경우로 하여, 속도가 정토크 종단부 속도(Akm/ｈ) 이하가 되면 고속 영역 전기 브레이크 기능에 의한 승압 동작을 정지해, 통상 회생으로 하는 것이 좋다. 이에 의해, 저속 영역(정토크 종단부 속도(Akm/ｈ) 이하)에 있어서의 승압 동작을 정지함으로써, 전력 축적 수단으로의 쓸데없는 충전 동작을 없애고, 그만큼 전력 축적 수단의 장기 수명화를 도모하는 것이 가능해진다.
본 발명의 실시 형태에 의해, 가선 전압, 속도, 축전량(SOC)에 따라서 고속 영역 전기 브레이크 기능, 회생 흡수 기능, 통상 회생의 동작을 적절하게 관리하는 것이 가능해져 에너지 절약 효과의 최대화를 도모할 수 있음과 함께, 전력 축적 수단의 장기 수명화도 도모할 수 있다.
도 15는 본 발명의 철도 차량의 구동 장치에 있어서의 동작 모드(고속 영역 전기 브레이크 기능, 회생 흡수 기능, 고속 영역 전기 브레이크 기능에서도 회생 흡수 기능이 아닌 통상의 회생(이하, 통상 회생))의 결정 방법의 제2 실시예를 나타내는 도면이다.
도 3에 도시하는 바와 같은, 직류 전압원으로부터 직류 전력을 얻는 집전 장치(1)와, 필터 리액터(FL)(2) 및 필터 콘덴서(FC)(3)로 구성하는 LC회로(필터 회로)와, 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 인버터 장치(4)와, 인버터 장치(4)에 의해 구동되는 적어도 1대 이상의 교류 전동기(5)와, 인버터 장치(4)의 직류 전력측에 충방전이 가능한 전력 축적 장치(6)(일례로서, 축전지나 캐패시터 등의 전력 축적 수단과 승강압 초퍼로 구성)를 구비한 철도 차량의 구동 장치이며, 가선 전압(Vs)을 검출하는 전압 센서(DCPT)(7a), 전력 축적 장치(6)의 전압(Vb)을 검출하는 전압 센서(DCPT)(7b), 필터 콘덴서(3)의 양단부의 직류부 전압(Vfc)을 검출하는 전압 센서(DCPT)(7c) 중 적어도 2개 이상을 설치함과 함께, 전력 축적 장치(6)를 인버터 장치(4)와 직렬 혹은 병렬로 접속함으로써 고속 영역 전기 브레이크 기능과 회생 흡수 기능을 동시에 실현할 수 있는 것을 특징으로 하는 철도 차량의 구동 장치에 있어서는, 도 11에 도시한 바와 같이, (1)전력 축적 장치(6)로부터의 축전량(SOC), (2)전압 센서(7a 내지 7c)로부터의 전압, 속도 센서(18)로부터의 속도, (3)운전석(19)으로부터의 노선마다의 운행 밀도, 운전 패턴을 저장한 데이터베이스의 정보 및 자차의 주행 위치·주행 시간을 입력 정보로 하고, 이들의 입력 정보에 기초하여 동작 모드(고속 영역 전기 브레이크 기능, 회생 흡수 기능, 통상 회생)를 결정하는 동작 모드 결정부(20)를 갖는 것이 좋다.
또한, 도 3의 회로 구성에서는, 고속 영역 전기 브레이크 기능과 회생 흡수 기능을 직렬형의 주회로 구성으로 할지 병렬형의 주회로 구성으로 할지로 전환하고 있지만, 고속 영역 전기 브레이크 기능과 회생 흡수 기능을 동시에 실현할 수 있는 회로 구성이면 어떤 회로 구성이어도 된다.
본 실시예에서는, 고속 영역 전기 브레이크 기능, 회생 흡수 기능, 통상 회생의 동작 모드를 도 15에 도시한 바와 같이 동작 모드 결정부의 입력 정보 중, (1)전력 축적 수단의 축전량(SOC: State of Charge), 속도 및 (2)노선마다의 주행 위치 및 주행 시간에 대한 운행 밀도(이하, 운행 밀도), 노선마다의 주행 위치 및 주행 시간에 대한 속도(이하, 운전 패턴)를 저장한 데이터베이스의 정보 및 자차의 주행 위치·주행 시간에 따라 선택하고 있다.
우선, 도 15 중의 동작 모드 결정부(A)에 있어서, 도 13에 도시한 바와 같이 축전량(SOC), 속도에 따라 동작 모드를 결정하는 것이 좋다.
구체적으로는, 전력 축적 수단의 과충전을 방지해 안전성에 배려하기 위해서도, 축전량(SOC)의 상한값을 설정하고, 축전량(SOC)이 상한값 이하인 경우에는 고속 영역 전기 브레이크 기능 혹은 회생 흡수 기능에 의한 충전 동작을 허가하고, 축전량(SOC)이 상한값을 초과하면 고속 영역 전기 브레이크 기능 혹은 회생 흡수 기능에 의한 충전 동작을 정지해, 통상 회생으로 하는 것이 좋다. 이것은, 고속 영역 전기 브레이크 기능 혹은 회생 흡수 기능에 의한 충전 동작이 오랫동안 이어지면, 전력 축적 수단의 축전량(SOC)이 상승하고, 결국 과충전 상태가 되어 전력 축적 수단의 발화·파손으로 연결될 우려가 있기 때문이다. 이 때, 축전량(SOC)의 상한값은 도 13에 도시한 바와 같이 속도가 높아짐에 따라 상한값을 내리는 것이 좋다. 이것은, 고속도 영역으로부터 회생할수록 회생 시간이 길어져 전력 축적 수단에 충전되는 전력량이 커지기 때문이다.
다음에, 상기 방법으로 축전량(SOC), 속도에 따라 고속 영역 전기 브레이크 기능 혹은 회생 흡수 기능에 의한 충전 동작이 허가된 경우에는, 도 15 중의 동작 모드 결정부(B)에 있어서, 도 16에 도시한 바와 같이 노선마다의 운행 밀도, 운전 패턴을 저장한 데이터베이스의 정보 및 자차의 주행 위치·주행 시간에 따라 자차의 주행 위치 혹은 주행 시간에 대한 동작 모드를 미리 결정하는 것이 좋다.
구체적으로는, 노선마다의 운행 밀도와 운전 패턴을 저장한 데이터베이스를 설치함과 함께, 현재의 자차의 주행 위치·주행 시간을 상시 감시하는 기능을 설치한다. 데이터베이스 상의 운행 밀도 정보에 의해 경부하 회생 상태(운행 밀도가 있는 값(C)보다 낮으면 경부하 회생 상태라고 판단)가 되는 주행 위치 및 주행 시간을 미리 예측한다. 동시에, 데이터베이스 상의 운전 패턴 정보에 의해 속도가 정토크 종단부 속도(A) 이하가 되는 주행 위치 및 주행 시간을 미리 예측한다. 데이터베이스 상의 운행 밀도 정보와 현차의 자사의 주행 위치·주행 시간을 조합하여 경부하 회생 상태가 된다고 예측되는 주행 위치 및 주행 시간에서는 동작 모드로서 회생 흡수 기능을 선택하고, 경부하 회생 상태가 아니라고 예상되는 주행 위치 및 주행 시간에서는 동작 모드로서 고속 영역 전기 브레이크 기능을 선택하는 것이 좋다. 또한, 데이터베이스 상의 운행 밀도 정보로부터 동작 모드로서 고속 영역 전기 브레이크 기능을 선택할 경우에 있어서, 데이터베이스 상의 운전 패턴 정보와 현차의 자사의 주행 위치·주행 시간을 조합하여 속도가 정토크 종단부 속도 이하가 된다고 예상되는 주행 위치 및 주행 시간에서는 동작 모드로서 통상 회생을 선택하는 것이 좋다.
또한, 데이터베이스의 정보는 도 11과 같이 자차(운전대(19))에서 설치해도 되고, 차 밖으로부터 통신에 의해 취득해도 된다.
본 발명의 실시 형태에 의해, 데이터베이스, 자차의 주행 위치, 주행 시간 및 축전량(SOC), 속도에 따라서 고속 영역 전기 브레이크 기능, 회생 흡수 기능, 통상 회생의 동작을 적절하게 관리하는 것이 가능해져 에너지 절약 효과의 최대화를 도모할 수 있음과 함께, 전력 축적 수단의 장기 수명화도 도모할 수 있다.
도 17은 본 발명의 철도 차량의 구동 장치에 있어서의 동작 모드(고속 영역 전기 브레이크 기능, 회생 흡수 기능, 고속 영역 전기 브레이크 기능에서도 회생 흡수 기능이 아닌 통상의 회생(이하, 통상 회생))의 결정 방법의 제3 실시예를 나타내는 도면이다.
도 3에 도시하는 바와 같은, 직류 전압원으로부터 직류 전력을 얻는 집전 장치(1)와, 필터 리액터(FL)(2) 및 필터 콘덴서(FC)(3)로 구성하는 LC회로(필터 회로)와, 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 인버터 장치(4)와, 인버터 장치(4)에 의해 구동되는 적어도 1대 이상의 교류 전동기(5)와, 인버터 장치(4)의 직류 전력측에 충방전이 가능한 전력 축적 장치(6)(일례로서, 축전지나 캐패시터 등의 전력 축적 수단과 승강압 초퍼로 구성)를 구비한 철도 차량의 구동 장치이며, 가선 전압(Vs)을 검출하는 전압 센서(DCPT)(7a), 전력 축적 장치(6)의 전압(Vb)을 검출하는 전압 센서(DCPT)(7b), 필터 콘덴서(3)의 양단부의 직류부 전압(Vfc)을 검출하는 전압 센서(DCPT)(7c) 중 적어도 2개 이상을 설치함과 함께, 전력 축적 장치(6)를 인버터 장치(4)와 직렬 혹은 병렬로 접속함으로써 고속 영역 전기 브레이크 기능과 회생 흡수 기능을 동시에 실현할 수 있는 것을 특징으로 하는 철도 차량의 구동 장치에 있어서는, 도 11에 도시한 바와 같이, (1)전력 축적 장치(6)로부터의 축전량(SOC), (2)전압 센서(7a 내지 7c)로부터의 전압, 속도 센서(18)로부터의 속도, (3)운전석(19)으로부터의 노선마다의 운행 밀도, 운전 패턴을 저장한 데이터베이스의 정보 및 자차의 주행 위치·주행 시간을 입력 정보로 하고, 이들의 입력 정보에 기초하여 동작 모드(고속 영역 전기 브레이크 기능, 회생 흡수 기능, 통상 회생)를 결정하는 동작 모드 결정부(20)를 갖는 것이 좋다.
또한, 도 3의 회로 구성에서는, 고속 영역 전기 브레이크 기능과 회생 흡수 기능을 직렬형의 주회로 구성으로 할지 병렬형의 주회로 구성으로 할지로 전환하고 있지만, 고속 영역 전기 브레이크 기능과 회생 흡수 기능을 동시에 실현할 수 있는 회로 구성이면 어떤 회로 구성이어도 된다.
본 실시예에서는, 고속 영역 전기 브레이크 기능, 회생 흡수 기능, 통상 회생의 동작 모드를 도 17에 도시한 바와 같이 동작 모드 결정부의 입력 정보 중, (1)전력 축적 수단의 축전량(SOC: State of Charge), 속도 및, (2)전압, 속도 및 (3)노선마다의 주행 위치 및 주행 시간에 대한 운행 밀도(이하, 운행 밀도), 노선마다의 주행 위치 및 주행 시간에 대한 속도(이하, 운전 패턴)를 저장한 데이터베이스의 정보 및 자차의 주행 위치·주행 시간에 따라 선택하고 있다.
우선, 도 17 중의 동작 모드 결정부(A)에 있어서, 도 13에 도시한 바와 같이 축전량(SOC), 속도에 따라 동작 모드를 결정하는 것이 좋다.
구체적으로는, 전력 축적 수단의 과충전을 방지해 안전성에 배려하기 위해서도, 축전량(SOC)의 상한값을 설정하고, 축전량(SOC)이 상한값 이하인 경우에는 고속 영역 전기 브레이크 기능 혹은 회생 흡수 기능에 의한 충전 동작을 허가하고, 축전량(SOC)이 상한값을 초과하면 고속 영역 전기 브레이크 기능 혹은 회생 흡수 기능에 의한 충전 동작을 정지해, 통상 회생으로 하는 것이 좋다. 이것은, 고속 영역 전기 브레이크 기능 혹은 회생 흡수 기능에 의한 충전 동작이 오랫동안 이어지면, 전력 축적 수단의 축전량(SOC)이 상승하고, 결국 과충전 상태가 되어 전력 축적 수단의 발화·파손으로 연결될 우려가 있기 때문이다. 이 때, 축전량(SOC)의 상한값은 도 13에 도시한 바와 같이 속도가 높아짐에 따라 상한값을 내리는 것이 좋다. 이것은, 고속도 영역으로부터 회생할수록 회생 시간이 길어져 전력 축적 수단에 충전되는 전력량이 커지기 때문이다.
다음에, 상기 방법으로 축전량(SOC), 속도에 따라 고속 영역 전기 브레이크 기능 혹은 회생 흡수 기능에 의한 충전 동작이 허가되었을 경우에는, 도 17 중의 동작 모드 결정부(B)에 있어서, 도 18에 도시한 바와 같이 노선마다의 운행 밀도, 운전 패턴을 저장한 데이터베이스의 정보 및 자차의 주행 위치·주행 시간에 따라 자차의 주행 위치 혹은 주행 시간에 대한 동작 모드(동작 모드1)를 미리 결정함과 함께, 전압 센서(7a 내지 7c) 및 속도 센서(18)에 의해 얻어진 가선 전압과 속도로부터도 동작 모드(동작 모드2)를 결정하고, 데이터베이스의 정보 및 자차의 주행 위치·주행 시간에 따라 미리 결정한 동작 모드(동작 모드1)와 가선 전압과 속도에 따라 결정된 동작 모드(동작 모드2)를 비교하고, 상이한 경우에는 가선 전압과 속도에 따라 결정한 동작 모드(동작 모드2)를 우선해서 선택하는 것이 좋다.
실시예 9에서 나타낸 노선마다의 운행 밀도, 운전 패턴을 저장한 데이터베이스를 설치하고, 데이터베이스의 정보 및 자차의 주행 위치·주행 시간에 따라 자차의 주행 위치 및 주행 시간에 대한 동작 모드를 미리 결정하는 방법은 실제의 운행 밀도나 운전 패턴이 데이터베이스 상의 것과 다른 경우도 생각할 수 있고, 이 경우, 적절한 동작 모드의 선택을 할 수 없다.
따라서, 실시예 9에서 나타낸 데이터베이스의 정보 및 자차의 주행 위치·주행 시간에 따라 동작 모드를 미리 결정하는 방법 이외에, 실시예 8에서 나타낸 전압 센서(7a 내지 7c) 및 속도 센서(18)에 의해 가선 전압 및 속도에 따라 동작 모드를 결정하는 방법으로도 동작 모드의 판별을 행하고, 데이터베이스의 정보 및 자차의 주행 위치·주행 시간에 따라 미리 결정한 동작 모드(동작 모드1)와 가선 전압 및 속도(동작 모드2)로부터 결정되는 동작 모드를 비교하고, 비교한 동작 모드가 상이하면, 가선 전압 및 속도로부터 결정되는 동작 모드(동작 모드2)를 우선으로 선택하는 것이 좋다.
또한, 데이터베이스의 정보는 도 11과 같이 자차(운전대(19))에서 설치해도 되고, 차 밖으로부터 통신에 의해 취득해도 된다.
본 발명의 실시 형태에 의해, 가선 전압, 속도, 및 데이터베이스, 자차의 주행 위치, 주행 시간 및 축전량(SOC)에 따라서 고속 영역 전기 브레이크 기능, 회생 흡수 기능, 통상 회생의 동작을 적절하게 관리하는 것이 가능해져 에너지 절약 효과의 최대화를 도모할 수 있음과 함께, 전력 축적 수단의 장기 수명화도 도모할 수 있다.
1 : 집전 장치
2 : 필터 리액터
3 : 필터 콘덴서
4 : 인버터 장치
5a 내지 5b : 주전동기
6 : 전력 축적 장치
7a 내지 7c : 전압 센서
8a 내지 8c, 14a 내지 14b : 스위치
9 : 전력 축적 수단
10 : 접지점
11a 내지 11b, 15a 내지 15b : 스위칭 소자
12a 내지 12b, 14c, 16a 내지 16b : 다이오드 소자
13 : 제1 평활 리액터
17 : 제2 평활 리액터
18 : 속도 센서
19 : 운전석
20 : 동작 모드 결정부

Claims (18)

  1. 직류 전압원으로부터 직류 전력을 얻는 수단과,
    직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 인버터 장치와,
    상기 인버터 장치에 의해 구동되는 적어도 1대 이상의 교류 전동기와,
    상기 인버터 장치의 직류 전력측에 전력 축적 수단을 갖는 전력 축적 장치를 구비하고,
    상기 직류 전압원의 전압을 얻는 수단과, 상기 전력 축적 수단의 전압을 얻는 수단과, 상기 인버터 장치의 직류측의 전압을 얻는 수단 중 적어도 2개로부터 얻어진 전압값에 기초하여 상기 전력 축적 장치를 제어하는 철도 차량의 구동 장치에 있어서,
    상기 전력 축적 장치는, 상기 전력 축적 수단과, 상기 직류 전압원으로부터 상기 직류 전압원의 접지점의 방향으로의 전류를 도통 또는 차단할 수 있는 제1 스위칭 소자와 상기 제1 스위칭 소자와는 역방향으로만 전류를 도통할 수 있는 제2 다이오드 소자가 서로 직렬로 접속된 초퍼 회로를 적어도 구비하고,
    상기 전력 축적 수단의 정극 단자가 상기 직류 전압원의 접지점과 접속되고, 상기 전력 축적 수단의 부극 단자가 상기 인버터 장치의 부극측과 접속됨으로써, 상기 전력 축적 수단은, 상기 인버터 장치와 직렬 접속 가능하게 접속되어 있고,
    상기 전력 축적 수단이 상기 인버터 장치와 직렬 접속된 상태에서, 상기 제1 스위칭 소자를 스위칭 동작시키는 것을 특징으로 하는 철도 차량의 구동 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전력 축적 장치는, 상기 제1 스위칭 소자와 상기 제2 다이오드 소자의 접속점과, 상기 전력 축적 수단의 정극 단자의 사이에 접속되는 제1 리액터를 더 구비하고,
    상기 초퍼 회로는, 상기 제1 스위칭 소자와, 상기 제1 스위칭 소자에 병렬로 접속되어 상기 제1 스위칭 소자와는 역방향으로만 전류를 도통할 수 있는 제1 다이오드 소자와, 상기 제2 다이오드 소자와, 상기 제2 다이오드 소자에 병렬로 접속되어 상기 제2 다이오드 소자와는 역방향으로의 전류를 도통 또는 차단할 수 있는 제2 스위칭 소자를 구비하는 것을 특징으로 하는 철도 차량의 구동 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    회생 운전 시에, 상기 제1 스위칭 소자를 스위칭 동작시킴으로써, 회생 전력을 상기 전력 축적 수단에 충전하는 것을 특징으로 하는 철도 차량의 구동 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 전력 축적 장치는, 상기 전력 축적 수단의 정극측과 상기 직류 전압원의 접지점의 사이에 설치된 제1 전류 제어 수단과, 상기 전력 축적 수단의 부극측과 상기 직류 전압원의 접지점의 사이에 설치된 제2 전류 제어 수단을 더 갖는 것을 특징으로 하는 철도 차량의 구동 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전력 축적 장치는, 상기 전력 축적 수단의 정극측과 부극측의 사이에 서로 직렬 접속된 제5 전류 제어 수단과 제6 전류 제어 수단을 가짐과 함께,
    상기 제5 전류 제어 수단과 상기 제6 전류 제어 수단의 접속 위치와 상기 직류 전압원의 접지점의 사이에, 상기 제1 전류 제어 수단과 직렬 접속된 제2 리액터를 구비한 것을 특징으로 하는 철도 차량의 구동 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 전력 축적 장치는, 상기 전력 축적 수단의 정극측과 부극측의 사이에 서로 직렬 접속된 제5 전류 제어 수단과 제6 전류 제어 수단을 가짐과 함께,
    상기 제5 전류 제어 수단과 상기 제6 전류 제어 수단의 접속 위치와 상기 인버터 장치의 부극측의 사이에 접속된 제2 리액터를 구비한 것을 특징으로 하는 철도 차량의 구동 장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 제1 전류 제어 수단과 상기 제2 전류 제어 수단은, 기계 접점에 의해 구성되는 전류 차단 수단인 것을 특징으로 하는 철도 차량의 구동 장치.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 제1 전류 제어 수단은, 상기 직류 전압원의 접지점으로부터 상기 전력 축적 수단의 정극측의 방향으로의 전류를 도통 또는 차단할 수 있는 반도체 소자로 구성되는 전류 차단 수단과, 상기 전류 차단 수단과 역방향으로만 전류를 도통할 수 있는 전류 방향 제어 수단을 병렬 접속한 구성임과 함께,
    상기 제2 전류 제어 수단은, 상기 직류 전압원의 접지점으로부터 상기 전력 축적 수단의 부극측의 방향으로의 전류를 도통 또는 차단할 수 있는 반도체 소자로 구성되는 전류 차단 수단과, 상기 전류 차단 수단과 역방향으로만 전류를 도통할 수 있는 전류 방향 제어 수단을 병렬 접속한 구성인 것을 특징으로 하는 철도 차량의 구동 장치.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 제1 전류 제어 수단은, 상기 직류 전압원의 접지점으로부터 상기 전력 축적 수단의 정극측의 방향으로만 전류를 도통할 수 있는 반도체 소자로 구성되는 전류 방향 제어 수단임과 함께,
    제2 전류 제어 수단은, 기계 접점에 의해 구성되는 전류 차단 수단인 것을 특징으로 하는 철도 차량의 구동 장치.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 제1 전류 제어 수단은, 상기 직류 전압원의 접지점으로부터 상기 전력 축적 수단의 정극측의 방향으로만 전류를 도통할 수 있는 반도체 소자로 구성되는 전류 방향 제어 수단임과 함께,
    제2 전류 제어 수단은, 상기 직류 전압원의 접지점으로부터 상기 전력 축적 수단의 부극측의 방향으로의 전류를 도통 또는 차단할 수 있는 반도체 소자로 구성되는 전류 차단 수단과, 상기 전류 차단 수단과 역방향으로만 전류를 도통할 수 있는 전류 방향 제어 수단을 병렬 접속한 구성인 것을 특징으로 하는 철도 차량의 구동 장치.
  11. 제4항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    역행 시에, 상기 제2 전류 제어 수단을 도통 상태로 하여, 상기 전력 축적 수단과 상기 인버터 장치를 병렬 접속하는 것을 특징으로 하는 철도 차량의 구동 장치.
  12. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    역행 시에는, 상기 전력 축적 수단을 상기 인버터 장치와 병렬로 삽입해 상기 전력 축적 수단의 방전을 행하는 것도, 상기 전력 축적 수단을 상기 인버터 장치와 직렬로 삽입해 상기 전력 축적 수단의 방전을 행하는 것도 가능한 것을 특징으로 하는 철도 차량의 구동 장치.
  13. 제4항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    회생 시에는, 상기 전력 축적 수단을 상기 인버터 장치와 직렬로 삽입한 채, 상기 제1 스위칭 소자를 스위칭 동작시킴으로써, 상기 인버터 장치의 입력 전압을 가선 전압과 상기 전력 축적 수단의 단자간 전압분의 합으로서 회생 브레이크력을 증대하는 고속 영역 전기 브레이크 기능과 가선에 되돌릴 수 없는 회생 전력을 상기 전력 축적 수단에 흡수하는 회생 흡수 기능을 동시에 실현하는 것을 특징으로 하는 철도 차량의 구동 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 전력 축적 수단의 축전량, 가선 전압 및 속도, 노선마다의 운행 밀도 및 운전 패턴을 저장한 데이터베이스의 정보, 자차의 주행 위치 및 주행 시간 중 어느 하나에 따라 동작 모드를 결정하는 동작 모드 결정부를 갖는 것을 특징으로 하는 철도 차량의 구동 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    가선 전압과 속도에 따라 동작 모드의 결정을 행하는 것을 특징으로 하는 철도 차량의 구동 장치.
  16. 제14항에 있어서,
    노선마다의 운행 밀도, 운전 패턴을 저장한 데이터베이스를 설치하고, 상기 데이터베이스의 정보에 따라, 자차의 주행 위치 혹은 주행 시간에 대한 동작 모드가 미리 결정되어 있는 것을 특징으로 하는 철도 차량의 구동 장치.
  17. 제14항에 있어서,
    노선마다의 운행 밀도, 운전 패턴을 저장한 데이터베이스를 설치하고, 상기 데이터베이스의 정보에 따라, 자차의 주행 위치 혹은 주행 시간에 대한 동작 모드를 미리 결정함과 함께, 가선 전압과 속도로부터도 동작 모드를 결정하고, 상기 데이터베이스의 정보에 따라 미리 결정한 동작 모드와 가선 전압과 속도에 따라 결정한 동작 모드를 비교하고, 상이한 경우에는 가선 전압과 속도에 따라 결정한 동작 모드를 우선해서 선택하는 것을 특징으로 하는 철도 차량의 구동 장치.
  18. 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전력 축적 수단의 축전량이 충전 상한값 이하에서는, 고속 영역 전기 브레이크 기능 혹은 회생 흡수 기능을 동작 가능하게 하고, 상기 전력 축적 수단의 축전량이 충전 상한값을 초과하면 고속 영역 전기 브레이크 기능 혹은 회생 흡수 기능의 동작을 정지하는 것을 특징으로 하는 철도 차량의 구동 장치.
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