JP3972322B2

JP3972322B2 - 電気車の制御装置

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Publication number: JP3972322B2
Application number: JP2001175415A
Authority: JP
Inventors: 基巳嶋田; 清仲田; 瑛一豊田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-06-11
Filing date: 2001-06-11
Publication date: 2007-09-05
Anticipated expiration: 2021-06-11
Also published as: JP2002369304A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電気車の制御装置に係り、特に、電気車の回生ブレーキ制御において回生ブレーキが作用する速度域を拡大する電気車の制御技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鉄道用電気車においては、減速力を得るためにモータを発電機として動作させ、その回生電力を架線に返す回生ブレーキが一般化している。特に近年の地球環境への関心から、電気車のおける回生エネルギ効率向上の要求が高まりつつあり、関連する技術の開発が進められている。
その一環として速度がゼロになるまで回生ブレーキを活用できる全電気ブレーキ停止制御が提案され、速度ゼロで停止するための制御方式および停止精度と乗り心地を両立するための方式である『全電気ブレーキ停止制御』が第７回鉄道技術連合シンポジウム（Ｊ−ＲＡＩＬ２０００）講演論文集などに示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
第７回鉄道技術連合シンポジウム（Ｊ−ＲＡＩＬ２０００）講演論文集に示されている『全電気ブレーキ停止制御』は、電力変換器制御手段により電力変換器を制御して電動トルクを制御し、速度検出手段の出力である電動機の検出速度に基づき減速度を演算し、電動機の検出速度が所定速度を下回った時点における電動機の検出速度および減速度に基づいて以後の速度を推定し、その推定速度に基づいて電力変換器制御手段によるトルク制御を行う。すなわち、第７回鉄道技術連合シンポジウム（Ｊ−ＲＡＩＬ２０００）講演論文集に示されている『全電気ブレーキ停止制御』では、停止まで確実に回生（電気）ブレーキを作用させることによる回生エネルギ効率の向上は可能だが、高速域においてモータ特性上、回生出来ない速度域の回生エネルギ効率向上については考慮していない。
エネルギーの面から言えば、高速域での運動エネルギーは全電気停止ブレーキの守備範囲である速度ゼロ付近に比べての百倍に近い大きさを有しており、省エネ、ブレーキシュー摩耗などの問題に関しても、殆ど高速側の空気ブレーキ作用により決定されている。高速域の空気ブレーキ作用を電気に置き換える全速度域電気ブレーキが可能となれば、画期的改善が行えるものと考える。
【０００４】
本発明の課題は、高速域から速度ゼロまでの全速度域で回生ブレーキまたは電気ブレーキを作用させるために、必要なブレーキ力特性を実現し、回生エネルギ効率が向上する電気車の制御装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、回生ブレーキ力が不足する高速域において、インバータ装置の入力端子に充電・放電が可能な電力蓄積手段を架線などの直流電圧取得手段より得られる電力と同一の電圧印加方向となるように直列接続する構成とする。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
図１は、本発明の電気車の制御装置の一実施形態を示すブロック図である。
直流電源（Ａ）（または、直流電圧取得手段）１から取得した電源電圧Ｖａは、電流遮断器（Ａ）２を介してインバータ装置３に供給する。電流遮断器（Ａ）２は、インバータ装置を稼働しないとき、あるいは、インバータ装置３に異常が発生したときに開放することでインバータ装置３への電力供給を遮断する。インバータ装置３は、直流電源（Ａ）１より得られる直流電力を三相交流電力に変換し、その電力を誘導電動機４に供給する。
本実施形態の特徴部分である電力蓄積器５は、インバータ装置３に接続し、電流遮断器（Ｂ）６、整流器７、整流器８、充電・放電が可能な直流電源（Ｂ）（電力蓄積手段）９、電流遮断器（Ｃ）１０によって構成する。通常、走行時は電流遮断器（Ｂ）６は開放し、電流遮断器（Ｃ）１０を投入する。このとき整流器８により直流電源（Ｂ）９に電流は流れないため、直流電源（Ｂ）９がない状態に等しくなり、インバータ入力電圧Ｖｃと電源電圧Ｖａが等しい（Ｖｃ＝Ｖａ）従来の電気車の制御装置と同じとなる。
高速域において回生ブレーキ力が不足したときには、電流遮断器（Ｃ）１０を開放し、整流器８を通してインバータ装置３と直流電源（Ｂ）９を直列に接続する。ここで、電源電圧Ｖａの向きと直流電源（Ｂ）９の出力端電圧Ｖｂの向きが同じ向きとなるように接続する。このときインバータ装置３の負側直流入力端子の電位は−Ｖｂとなり、インバータ入力電圧Ｖｃは電源電圧Ｖａと電力蓄積手段出力端電圧Ｖｂの和（Ｖｃ＝Ｖａ＋Ｖｂ）となる。
これにより、インバータ入力電圧Ｖｃを増大できるため、高速域でのブレーキ力増強が可能になる。このとき、インバータ装置３を回生運転することにより、回生電流Ｉｂが流れるため、直流電源（Ａ）１にはＶａ×Ｉｂの電力が回生され、直流電源（Ｂ）９にはＶｂ×Ｉｂの電力が充電される。
一方、インバータ起動時には、電流遮断機（Ａ）２を開放し、電流遮断機（Ｂ）６を投入すると、インバータ装置３には直流電源（Ｂ）９の出力端電圧Ｖｂのみが印加され、回生時に直流電源（Ｂ）９に充電された電力を有効に利用することができる。さらに、直流電源（Ｂ）９の出力端電圧Ｖｂは電源電圧Ｖａに比し低電圧であることから、インバータ装置３あるいは電動機４から発生する電磁音を低減でき、駅出発時にホーム周辺の乗客に与えるインバータ騒音の影響を改善することが可能である。
【０００７】
図２は、本発明の電気車の制御装置の動作原理を示す波形図である。
前述の方式により、インバータ装置３と直流電源（Ｂ）９と直列に接続したとき、インバータ装置３のインバータ入力電圧Ｖｃは電源電圧Ｖａと直流電源（Ｂ）９の出力端電圧Ｖｂの和（Ｖｃ＝Ｖａ＋Ｖｂ）となる。ここで、電動機４への入力電圧（モータ電圧）の最大値はインバータ入力電圧Ｖｃに等しいことから、直流電源（Ｂ）９の出力端電圧Ｖｂの分だけ上昇する。これに伴い、モータ電圧を制限することなく制御できる定トルク領域は（Ｖａ＋Ｖｂ）／Ｖａ倍に拡大するため、一定の回生ブレーキ力を発生できる速度域も（Ｖａ＋Ｖｂ）／Ｖａ倍になる（回生ブレーキ力の点線から実線に拡大する。）。これにより高速域におけるブレーキ力増強が可能になる。なお、モータ電流、すべり周波数は図示のように点線から実線に変化する。
【０００８】
図３は、本発明の電気車の制御装置の他の実施形態を示すブロック図である。直流電源（Ａ）１から取得した電源電圧Ｖａは、電流遮断器（Ａ）２を介してインバータ装置３に供給する。電流遮断器（Ａ）２は、インバータ装置を稼働しないとき、あるいは、インバータ装置３に異常が発生したときに開放することでインバータ装置３への電力供給を遮断する。インバータ装置３は、直流電源（Ａ）１より得られる直流電力を三相交流電力に変換し、その電力を誘導電動機４に供給する。
本実施形態の特徴部分である電力蓄積器５は、インバータ装置３に接続し、電流遮断器（Ｂ）６、整流器７、整流器８、充電・放電が可能な２次電池１１、電流遮断器（Ｃ）１０によって構成する。通常、走行時は電流遮断器（Ｂ）６は開放し、電流遮断器（Ｃ）１０を投入する。このとき整流器８により２次電池１１に電流は流れないため、２次電池１１がない状態に等しくなり、インバータ入力電圧Ｖｃと電源電圧Ｖａが等しい（Ｖｃ＝Ｖａ）従来の電気車の制御装置と同じとなる。
高速域において回生ブレーキ力が不足したときには、電流遮断器（Ｃ）１０を開放し、整流器８を通してインバータ装置３と直流電源（Ｂ）９と直列に接続する。ここで、電源電圧Ｖａの向きと２次電池１１の出力端電圧Ｖｂの向きが同じ向きとなるように接続する。このときインバータ装置３の負側直流入力端子の電位は−Ｖｂとなり、インバータ入力電圧Ｖｃは電源電圧Ｖａと電力蓄積手段（２次電池１１）出力端電圧Ｖｂの和（Ｖｃ＝Ｖａ＋Ｖｂ）となる。
これにより、インバータ入力電圧Ｖｃを増大できるため、高速域でのブレーキ力増強が可能になる。このとき、インバータ装置３を回生運転することにより回生電流Ｉｂが流れるため、直流電源（Ａ）１にはＶａ×Ｉｂの電力が回生され、２次電池１１にはＶｂ×Ｉｂの電力が充電される。
一方、インバータ起動時には、電流遮断機（Ａ）２を開放し、電流遮断機（Ｂ）６を投入すると、インバータ装置３には２次電池１１の出力端電圧Ｖｂのみが印加され、回生時に２次電池１１に充電された電力を有効に利用することができる。さらに、２次電池１１の出力端電圧Ｖｂは電源電圧Ｖａに比し低電圧であることから、インバータ装置３あるいは電動機４から発生する電磁音を低減でき、駅出発時にホーム周辺の乗客に与えるインバータ騒音の影響を改善することが可能である。
【０００９】
なお、ここでは電力蓄積器５は２次電池１１を用いて構成しているが、この２次電池１１と同様に充電・放電が可能であるスーパーキャパシタなどを用いても同じ効果を得られる。
【００１０】
図４は、本発明の電気車の制御装置の一実施形態の動作を説明するための詳細ブロック図を示す。ここでは、インバータ装置の回生運転の起動時と終了時の動作について述べる。
インバータ装置３の入力端子に供給する直流電力は、インバータ装置３が内蔵するフィルコンデンサ１２を介してＰＷＭインバータ回路１３に供給し、ここで三相交流電力に変換し、電動機４に供給して駆動トルクを発生する。また、フィルコンデンサ１２の充電時の電流を抑制する充電抵抗器１４とその端子間を短絡する電流遮断器（Ｄ）１５を備える。すなわち、フィルコンデンサ１２の充電は、まず電流遮断器（Ｄ）１５を開放したまま電流遮断器（Ａ）２を閉じ、充電抵抗器１４を介することで回路内に大電流が流れることを防止し、フィルコンデンサ１２を十分充電した後に電流遮断器（Ｄ）１５を閉じる。
そこで、インバータ装置３の回生運転を起動するとき、インバータ装置３に設けるフィルコンデンサ１２が放電された状態すなわちインバータ入力電圧Ｖｃが零の状態から電流遮断器（Ｃ）１０を開放しても回路全体は整流器８により遮断されていて電動機４を励磁する電流を供給できないため、インバータ装置３は起動せず、回生ブレーキを開始できない。このことから回生ブレーキ開始時は、まず、電流遮断器（Ｃ）１０を閉じたまま電流遮断器（Ａ）２を閉じ、直流電源（Ａ）１の電源電圧Ｖａによりフィルコンデンサ１２を充電した後、電流遮断器（Ｃ）１０を開放し、インバータ装置３の回生運転を開始する。このとき、フィルコンデンサ１２の端子間電圧であるインバータ入力電圧Ｖｃは、必ずしも直流電源（Ａ）１の電源電圧Ｖａと等しくなるまで充電する必要はなく、電動機４の励磁電流を流すだけの電圧を確保すれば、インバータ装置３の回生運転を起動でき、この回生電流によりフィルコンデンサ１２がさらに充電される。フィルコンデンサ１２に充電が十分となった時点で電流遮断器（Ｄ）１５を閉じればよい。
また、回生運転の終了時は、インバータ入力電圧Ｖｃは電源電圧Ｖａと電力蓄積手段出力端電圧Ｖｂの和であるため、このまま電流遮断器（Ｃ）１０を開放し、再力行動作に移ると、電源電圧Ｖａを電力蓄積手段出力端電圧Ｖｂ分だけ瞬時に押し上げるため、過電圧になる恐れがある。そのため、回生から再力行運転に移る際は、電流遮断器（Ａ）２と電流遮断器（Ｄ）１５を開放したまま極短時間力行運転し、インバータ入力電圧Ｖｃを電源電圧Ｖａ以下にした後、電流遮断器（Ａ）２と電流遮断器（Ｄ）１５を閉じて力行運転を続ける。
一方、停止ブレーキ時には、インバータ周波数が零になった時点で運転モードが回生運転から逆相ブレーキ（力行運転）へ自動的に移るため、この時に電流遮断器（Ａ）２と電流遮断器（Ｄ）１５を開放してフィルコンデンサ１２の充電電圧を逆相ブレーキで消費し、インバータ入力電圧Ｖｃを電源電圧Ｖａ以下とすれば、次回力行時に電流遮断器（Ａ）２と電流遮断器（Ｄ）１５を投入しても過電圧にならない。
【００１１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、高速域から速度ゼロまでの全速度域で回生ブレーキまたは電気ブレーキを作用させるために必要なブレーキ力特性を実現することができ、また、回生エネルギ効率を向上させることができる。
また、インバータ起動時には、インバータ装置に電力蓄積手段の出力端電圧のみを印加することにより起動することができ、回生時に電力蓄積手段に充電された電力を有効に利用することができる。
また、本発明の電力蓄積手段の出力端電圧は電源電圧に比し低電圧であることから、インバータ装置あるいは電動機から発生する電磁音を低減することができ、駅出発時にホーム周辺の乗客に与えるインバータ騒音の影響を改善することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電気車の制御装置の一実施形態を示すブロック図
【図２】本発明の電気車の制御装置の動作原理を示す波形図
【図３】本発明の電気車の制御装置の他の実施形態を示すブロック図
【図４】本発明の一実施形態の動作を説明するための詳細ブロック図
【符号の説明】
１…直流電源（Ａ）、２…電流遮断器（Ａ）、３…インバータ装置、４…電動機、５…電力蓄積器、６…電流遮断器（Ｂ）、７…整流器、８…整流器、９…直流電源（Ａ）、１０…電流遮断器（Ｃ）、１１…２次電池、１２…フィルコンデンサ、１３…ＰＷＭインバータ回路、１４…充電抵抗器、１５…電流遮断器（Ｄ）

Claims

電動機を駆動する電力変換装置と、前記電力変換装置に電力を供給する直流電圧源または直流電圧取得手段を備えた電気車の制御装置において、高速域における回生ブレーキ力が不足したとき、前記電力変換装置の入力電圧端子に充電・放電可能な電力蓄積手段を前記直流電圧源または前記直流電圧取得手段と同じ電圧印加方向となるように直列接続することを特徴とする電気車の制御装置。
電動機を駆動する電力変換装置と、前記電力変換装置に電力を供給する直流電圧源または直流電圧取得手段を備えた電気車の制御装置において、前記電力変換装置の入力電圧端子に電流遮断手段を介して第１と第２の電流方向制限手段の直列回路を接続し、高速域における回生ブレーキ力が不足したとき、前記電流遮断手段を開放し、充電・放電可能な電力蓄積手段を前記直流電圧源または前記直流電圧取得手段と同じ電圧印加方向となるように直列接続することを特徴とする電気車の制御装置。
請求項１または請求項２において、前記電力蓄積手段は充電および放電が可能な２次電池とすることを特徴とする電気車の制御装置。
請求項１または請求項２において、前記電力蓄積手段は充電および放電が可能なコンデンサとすることを特徴とする電気車の制御装置。
請求項１から請求項４のいずれかにおいて、前記電力変換装置の回生ブレーキの開始時には、まず、前記電流遮断手段を閉じたまま前記直流電圧源または前記直流電圧取得手段の電源電圧により前記電力変換装置が内蔵するフィルコンデンサを充電し、その後、前記電流遮断手段を開放し、前記電力変換装置の回生運転を開始することを特徴とする電気車の制御装置。