WO2007032073A1 - 電気車のブレーキ制御装置及びブレーキ制御方法 - Google Patents

Abstract

　回生負荷が少ない状況でも、運転台からのブレーキ力指令に対して応答遅れの少ない電気車の制御装置及びブレーキ制御方法を提供する。 ブレーキ指令に応じて電気ブレーキ力指令を演算すると共に、機械ブレーキ指令を生成するブレーキ装置と、このブレーキ装置からの電気ブレーキ力指令とブレーキ指令とに基づき、電気ブレーキ力を演算し、電力変換器を制御する制御回路を備え、制御回路は、電気ブレーキ力を演算し、電力変換器を制御する制御演算部と、ブレーキ指令と電力変換器の入力電圧を検出する電圧センサの出力とに基づき、ブレーキ起動時に電気ブレーキ力を補完する仮想ブレーキ力を演算する仮想ブレーキ力演算部と、制御演算部の演算出力と仮想ブレーキ力演算部の演算出力とを加算する加算器を含み、加算器の出力によりブレーキ装置からの機械ブレーキ指令を変化させる。

Description

明 細 書

電気車のブレーキ制御装置及びブレーキ制御方法

技術分野

[0001] この発明は、電動機による電気ブレーキと、空気ブレーキなど機械ブレーキとを併 用して用いる電気車のブレーキ制御装置及びブレーキ制御方法に関するものである 背景技術

[0002] 電動機による電気ブレーキと、空気ブレーキなど機械ブレーキとを併用して用いる 電気車では、ブレーキ時において、電気ブレーキを優先し、車両全体のブレーキ力 に対して電気ブレーキ力で不足したブレーキ力を機械ブレーキにて補足するブレー キシステムが一般的に用いられている。ところが、電動機による電気ブレーキと、空気 ブレーキなど機械ブレーキではそれぞれブレーキ指令に対しての応答速度が異なる ため、特にブレーキ起動時において、乗り心地を損なわないようにするために、仮想 的に電気ブレーキ力を出力し、機械ブレーキの動作を抑制し、過大なブレーキ力に ならないようにして、スムーズにブレーキ起動するようにしている。（例えば、特許文献 1参照)。

[0003] 特許文献 1 :特開平 6— 253407号公報（図 1)

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0004] しかし、従来の電気車のブレーキ制御装置では、ブレーキ起動時に出力している 仮想ブレーキ力は、実際の電気ブレーキ力、つまり回生ブレーキ力に応じて出力さ れていないため、回生負荷がない場合において、ブレーキ起動から、実際のブレー キが力かり始めるまで無駄時間が発生し、電気車にて運転士がブレーキ操作をして いるにも関わらず、車両としてブレーキが力からない空走時間が発生する問題があつ た。

[0005] この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、ブレーキ起動時 において、回生負荷が少ない場合には、仮想ブレーキ力の大きさを変化させるように し、回生負荷が少ない状況でも、運転台からのブレーキ力指令に対して応答遅れの 少な 、電気車のブレーキ制御装置及びブレーキ制御方法を提供することを目的とす るものである。

課題を解決するための手段

[0006] この発明は、直流架線電圧から給電される電力変換器により交流電動機を駆動す ると共に、運転台からのブレーキ指令に応じて前記電力変 を制御し前記交流電 動機による電気ブレーキを作用させ、不足分を機械ブレーキで補足する電気車のブ レーキ制御装置において、前記ブレーキ指令に応じて電気ブレーキ力指令を演算 すると共に、機械ブレーキ指令を生成するブレーキ装置と、このブレーキ装置からの 電気ブレーキ力指令と前記ブレーキ指令とに基づき、電気ブレーキ力を演算し、前 記電力変換器を制御する制御回路を備え、前記制御回路は、前記電気ブレーキ力 を演算し、前記電力変換器を制御する制御演算部と、前記ブレーキ指令と前記電力 変換器の入力電圧を検出する電圧センサの出力とに基づき、ブレーキ起動時に前 記電気ブレーキ力を補完する仮想ブレーキ力を演算する仮想ブレーキ力演算部と、 前記制御演算部の演算出力と前記仮想ブレーキ力演算部の演算出力とを加算する 加算器を含み、前記加算器の出力により前記ブレーキ装置からの機械ブレーキ指令 を変化させるようにしたものである。

[0007] また、この発明は、直流架線電圧から給電される電力変換器により交流電動機を駆 動すると共に、運転台からのブレーキ指令に応じて前記電力変 を制御し前記交 流電動機による回生ブレーキを作用させ、不足分を機械ブレーキで補足する電気車 のブレーキ制御方法において、ブレーキ起動時に前記回生ブレーキ力を補完する 仮想ブレーキ力を演算し、回生負荷が少ない場合には、前記ブレーキ指令に対して 応答遅れが少なくなるように前記仮想ブレーキ力を変化させると共に、この仮想ブレ ーキ力の変化に伴って上記機械ブレーキ指令を変化させるようにしたものである。 発明の効果

[0008] この発明によれば、電気ブレーキと、機械ブレーキとを併用して用いる電気車に対 し、ブレーキ起動時において、回生負荷が少ない状況でも、運転台からのブレーキ 力指令に対して応答遅れが少ないブレーキ制御を行うことができる。 発明を実施するための最良の形態

実施の形態 1.

図 1は、この発明の実施の形態 1における電気車のブレーキ制御装置と交流電動 機との関係を示す構成図である。図 1において、架線 1から集電器 2およびフィルタ回 路 3を介して、直流電圧が電力変 であるインバータ 5に入力される。フィルタ回路 3において、 3aはリアタトル、 3bはフィルタコンデンサを示しており、 7はアース電位を 示している。

インバータ 5とフィルタ回路 3の間には、電圧センサ 4が設置されており、電圧センサ 4 はインバータの直流側の電圧、即ちフィルタコンデンサ電圧を検出し、制御回路 8に 出力する。インバータ 5は制御回路 8からの信号に従い、直流電力から交流電力、ま たは交流電力から直流電力に変換し、交流電圧を誘導電動機等の交流電動機 6に 供給する。

ここで、インバータ 5は、半導体素子などで構成され、例えば PWM (Pulse Width Mod ulation)制御方式により制御される電力変換器を用いればよい。これらの電力変換器 は PWM制御によりパルス電圧を出力し、直流電圧を所望の電圧振幅と周波数を持つ た交流電圧に変換する。

制御回路 8では、制御論理部 8aにおいて、運転台など力ものブレーキ指令 BCと、ブ レーキ装置 9からの電気ブレーキ力指令 BLに応じてインバータ 5を PWM制御するよう に、インバータ 5を構成する半導体素子に対してスイッチング信号を出力する。

また、制御論理部 8aでは、例えば電動機電流（図示せず)などから、交流電動機 6の 実際の発生トルクに相当するブレーキ力を演算、もしくはブレーキトルクセンサ（図示 せず)など力 電動機のブレーキ力を検出し、第 1のブレーキ力 BT0を加算器 8cに出 力する。

また、制御回路 8内の仮想ブレーキ力演算部 8bでは、ブレーキ指令 BCと、電圧セン サ 4から入力されたフィルタコンデンサ電圧から、電気ブレーキ力を補完する仮想ブ レーキ力を発生するためのブレーキ力ダミー信号 BTDを生成し、加算器 8cに出力す る。加算器 8cは、第 1のブレーキ力 BT0と、ブレーキ力ダミー信号 BTDを加算し、第 2 のブレーキ力 BTとしてブレーキ装置 9に出力する。 ブレーキ装置 9は、ブレーキ指令から、変換部 9aにて予め設定されたテーブル等に より電気ブレーキ力指令 BLを演算し、制御回路 8と減算器 9bに出力する。減算器 9b は、電気ブレーキ力指令 BLから、第 2のブレーキ力 BTを減算し、その結果を機械ブ レーキ指令として出力する。

次に、図 2〜図 4を参照して図 1の電気車のブレーキ制御装置の動作について説 明する。

発明の効果をより明確にするために、まず最初にブレーキ時において、回生負荷が あり、電気ブレーキが十分に機能する場合について図 2を参照して説明する。

制御回路 8では、制御論理部 8aにおいて、運転台からのブレーキ指令 BC (図 2b) と、ブレーキ装置 9からの電気ブレーキ力指令 BL (図 2c)に応じて電気ブレーキが動 作するようにインバータ 5を制御する。さらに電動機の実際の発生トルクに相当するブ レーキ力を第 1のブレーキ力 BT0 (図 2d)として出力する。なお、制御回路 8では、イン バータを動作させるための準備動作などのため、ブレーキ指令 BCを受けて力 実際 に電気ブレーキが動作するまでに遅れ時間が発生し（区間 A)、さらに乗り心地を損 ねな 、ように電気ブレーキをスムーズに立ち上げるためにジャークを持たせて 、る ( 区間 B)。

回生負荷が十分にある場合は、フィルタコンデンサ電圧（図 2a)は上昇せず、電気ブ レーキ力は指令どおりに立ち上がるため、電動機のブレーキ力 BT0は、図 2dに示す ように立ち上がる。さらに、ブレーキ投入時における電気ブレーキと機械ブレーキの オーバーラップを避けるために、図 2eに示すように、仮想ブレーキ力であるブレーキ 力ダミー信号 BTDを出力する。その結果、加算器 8cにて、電動機のブレーキ力 BT0 とブレーキ力ダミー信号 BTDを加算し、図 2fに示すように、第 2のブレーキ力 BTをブ レーキ装置に出力する。なお、ここではブレーキ力ダミー信号 BTDをステップ的に与 えているが、ランプ関数などを用いてもよい。

一方、ブレーキ装置 9では、ブレーキ指令 BCが投入された時、電気ブレーキの動作 遅れの間は第 2のブレーキ力 BTはゼロのままであることから、電気ブレーキ力指令 B Lに対して第 2のブレーキ力 BTが不足して 、ることを減算器 9bにて演算し、その補足 分を機械ブレーキ力指令として出力する。一般的に機械ブレーキとして、空気ブレー キが用いられ、その特性上応答遅れがあるので、実際のブレーキ力は図 2gのように 増加する。

ブレーキ起動時において、前記に示す動作の結果、車両のブレーキ力は図 2hに示 すように変化し、乗り心地を損なわず、スムーズなブレーキ起動が実現できる。

[0011] 次に、ブレーキ時において、回生負荷がない場合について図 3を参照して説明す る。

回生負荷がない場合は、図 3aに示すように、電気ブレーキを立ち上げるとフィルタコ ンデンサ電圧が増加する。制御回路 8では、フィルタコンデンサ電圧が増加し続ける と、インバータ 5を構成する半導体素子を破損する恐れがあるために、フィルタコンデ ンサ電圧が設定値以上になった場合に、電気ブレーキ力を制限する。その結果、図 2と同様のブレーキ指令 BCがある場合でも、図 3dに示すように、電気ブレーキ力に 相当する第一のブレーキ力 BT0はフィルタコンデンサ電圧が設定値以上になった時 点でゼロまで絞り込まれる。このような場合において、仮想ブレーキ力演算部 8bにて ブレーキ力ダミー信号 BTDを図 2と同様に出力すると、電気ブレーキ力が絞り込まれ るため、図 3hに示すように、 C点で車両の減速度が低下する。そして、ブレーキカタ' ミー信号 BTDがゼロとなる D点で、電気ブレーキ力に相当する第 1のブレーキ力 BT0 がゼロとなっているために、第 2のブレーキ力 BTもゼロとなるので、電気ブレーキ指令 BLに対して第 2のブレーキ力 BTが不足していることとなり、その不足分を補足するた めに、 D点より機械ブレーキが立ち上がる。先述したように、機械ブレーキは、その特 性上応答遅れがあるので、図 3gのように変化するため（区間 E)、車両のブレーキ力、 即ち減速度は図 3hの実線に示すようになり、図 3hの破線部に相当する部分が事実 上のブレーキ抜けの状態になり、運転士がブレーキ扱いをしているにも関わらず、ブ レーキが力からない状態になる問題がある。

[0012] そこで、回生負荷がない状態でも、図 3に示したような問題を解決するために、電圧 センサ 4によりフィルタコンデンサ電圧を検出して、それに応じてブレーキ力ダミー信 号 BTDを演算するようにして 、る。その場合の動作を図 4を参照して説明する。

回生負荷がない場合は、図 3と同様に、電気ブレーキを立ち上げるとフィルタコンデ ンサ電圧が増加する。仮想ブレーキ力演算部 8bでは図 5に示すようにフィルタコンデ ンサ電圧 EFCを監視し、ブレーキ指令 BCが入力された後、例えばフィルタコンデンサ 電圧を演算し、前記電圧の変化率が設定値を上回った場合は変化率演算器 8bl、 比較器 8b2により回生負荷がないと判断 (比較器出力 Cが H)し、ワンショット信号生 成器 8b3を介してブレーキ力ダミー信号 BTDを図 4eに示すようにゼロとする。その結 果、第 2のブレーキ力 BTは図 4fに示すように変化するため、ブレーキ装置では、 F点 にて電気ブレーキ指令 BLに対して第 2のブレーキ力 BTが不足して 、ると判断し、そ の不足分を補足するために、 F点より機械ブレーキを立ち上げる。

その結果、車両のブレーキ力、即ち減速度は図 4hに示すようになり、図 3で見られた ような減速度が不足し、ブレーキ抜けの状態が解消され、車両としては運転士の扱い どおりの減速度が得られるようになる。

[0013] 以上のようにこの実施の形態 1によれば、ブレーキ起動時において、回生負荷が少 ない場合には、仮想ブレーキ力の大きさを変化させるようにし、回生負荷が少ない状 況でも、運転台からのブレーキ力指令に対して応答遅れの少ない電気車のブレーキ 制御装置及びブレーキ制御方法を実現することができる。

図面の簡単な説明

[0014] [図 1]この発明の実施の形態 1における電気車の制御装置を示すブロック構成図であ る。

[図 2]図 1におけるブレーキ時の第 1の動作を説明する各部波形図である。

[図 3]図 1におけるブレーキ時の第 2の動作を説明する各部波形図である。

[図 4]図 1におけるブレーキ時の第 3の動作を説明する各部波形図である。

[図 5]図 1における仮想ブレーキ力演算部の概略構成を示すブロック図である。 符号の説明

[0015] 1 架線、 2 集電器、 3 フィルタ回路、 3aフィルタリアタトル、 3bフィルタコンデン サ、 4 電圧センサ、 5 インバータ、 6 交流電動機、 7 アース電位、 8

制御回路、 8a 制御論理部、 8b 仮想ブレーキ力演算部、 8c 加算器、 9 ブレー キ装置、 9a 変換部、 9b 減算器

Claims

請求の範囲

[1] 直流架線電圧から給電される電力変換器により交流電動機を駆動すると共に、運 転台からのブレーキ指令に応じて前記電力変換器を制御し前記交流電動機による 電気ブレーキを作用させ、不足分を機械ブレーキで補足する電気車のブレーキ制御 装置において、

前記ブレーキ指令に応じて電気ブレーキ力指令を演算すると共に、機械ブレーキ指 令を生成するブレーキ装置と、

このブレーキ装置からの電気ブレーキ力指令と前記ブレーキ指令とに基づき、電気 ブレーキ力を演算し、前記電力変換器を制御する制御回路を備え、

前記制御回路は、前記電気ブレーキ力を演算し、前記電力変換器を制御する制御 演算部と、

前記ブレーキ指令と前記電力変換器の入力電圧を検出する電圧センサの出力とに 基づき、ブレーキ起動時に前記電気ブレーキ力を補完する仮想ブレーキ力を演算す る仮想ブレーキ力演算部と、

前記制御演算部の演算出力と前記仮想ブレーキ力演算部の演算出力とを加算する 加算器を含み、

前記加算器の出力により前記ブレーキ装置力 の機械ブレーキ指令を変化させるよ うにした

ことを特徴とする電気車のブレーキ制御装置。

[2] 前記電圧センサは、前記電力変^^の直流側に設けられたフィルタ回路のフィル タコンデンサ電圧を検出することを特徴とする請求項 1記載の電気車のブレーキ制御 装置。

[3] 直流架線電圧から給電される電力変換器により交流電動機を駆動すると共に、運 転台からのブレーキ指令に応じて前記電力変換器を制御し前記交流電動機による 回生ブレーキを作用させ、不足分を機械ブレーキで補足する電気車のブレーキ制御 方法において、

ブレーキ起動時に前記回生ブレーキ力を補完する仮想ブレーキ力を演算し、 回生負荷が少ない場合には、前記ブレーキ指令に対して応答遅れが少なくなるよう に前記仮想ブレーキ力を変化させると共に、

この仮想ブレーキ力の変化に伴って上記機械ブレーキ指令を変化させるようにした ことを特徴とする電気車のブレーキ制御方法。