JP7530358B2 - 電気車駆動システム及び電気車制御装置の保護方法 - Google Patents

Description

本発明は、電気車を駆動する電動機を制御する電気車制御装置を複数備えた電気車駆動システム及び電気車制御装置の保護方法に関する。

電気車駆動システムを構成する電気車制御装置は、架線又は電力貯蔵装置からの電力を受電して動作するため、電気車の屋根上又は床下に搭載されることが多い。電気車制御装置は、リアクトルとコンデンサとを含むフィルタ回路、及びフィルタ回路の後段に配置され、半導体素子が内蔵されるインバータ回路を有する。インバータ回路は、走行用の電動機に接続される。インバータ回路には、直流電力が供給される。直流電力は、インバータ回路の半導体素子がスイッチング動作することによって、所望の交流電力に変換される。変換された交流電力は、電動機に供給される。電動機は、変換された交流電力によって駆動される。

下記特許文献１には、リアクトル、コンデンサ、インバータ回路といった構成部品が、同一の筐体へ収納されることが記載されている。即ち、従来の構成では、電気車制御装置の主要な構成部品は、互いに近づけて配置されて電気車に搭載されている。

特開２００１－２５８２６３号公報

電気車の屋根上、及び床下のスペースは限られている。このため、電気車制御装置の筐体を設置するための十分なスペースがない場合がある。このような場合には、電気車制御装置の仕様を変更するなどして構成部品を小型化し、筐体を縮小化することが必要となる。なお、仕様を見直すことで電気車の機能又は性能が、当初より低下してしまうというデメリットが生じることもある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、電気車制御装置を電気車の限られたスペースに柔軟に配置することができる電気車駆動システムを得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、リアクトルを備え、電気車を駆動する電動機を制御する電気車制御装置を複数備えた電気車駆動システムである。電気車制御装置のそれぞれは、リアクトルに接続され、リアクトルと共にフィルタ回路を構成するコンデンサと、フィルタ回路に接続され、電動機に電力を供給するインバータ回路と、インバータ回路を制御する制御部と、を備える。インバータ回路は、コンデンサ及び制御部と共に筐体に収容される。リアクトルと複数の筐体のそれぞれとは任意の長さの電線で接続可能に構成される。リアクトルと筐体とを接続する電線の長さのうちの少なくとも１つは２メートル以上である。

本発明に係る電気車駆動システムによれば、電気車制御装置を電気車の限られたスペースに柔軟に配置することができるという効果を奏する。

実施の形態１に係る電気車駆動システムの構成例を示す図 実施の形態１に係る電気車駆動システムの電気車への搭載例を示す図 図２の比較例として示す従来の搭載例を示す図 実施の形態１に係る電気車駆動システムに生じ得る共振経路を示す図 実施の形態１における連携信号の流れを示す図 実施の形態１における電圧振動抑制機能を具現する制御部の構成を示す図 図６に示すベクトル制御部がパルス幅変調（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：以下「ＰＷＭ」と表記）信号を生成する際の動作波形を示す図 実施の形態２における連携信号の流れを示す図 実施の形態２における電気車制御装置の保護動作の説明に供するフローチャート 実施の形態１，２における制御部の機能を実現するハードウェア構成の一例を示すブロック図 実施の形態１，２における制御部の機能を実現するハードウェア構成の他の例を示すブロック図

以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態に係る電気車駆動システム及び電気車制御装置の保護方法について詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により、本発明が限定されるものではない。また、添付図面においては、各部の縮尺が実際とは異なる場合がある。各図面間においても同様である。また、以下では、電気的な接続と物理的な接続とを区別せずに、単に「接続」と称して説明する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る電気車駆動システムの構成例を示す図である。電気車駆動システム２００は、図１に示すように、架線１からの直流電力を、集電装置２を介して受電する複数の電気車制御装置１００，１０１，１０２，１０３（以下、適宜「１００～１０３」と表記）を備える。架線１の先には、図示しない変電所があり、架線１は、電気車制御装置１００～１０３から見て、外部電源という位置づけである。なお、集電装置２に印加される架線１の電圧である架線電圧、及び電気車制御装置１００～１０３の各変換容量は、電気車駆動システムの駆動方式によって異なる。架線電圧の範囲は、おおよそ６００から３０００［Ｖ］である。また、変換容量の範囲は、数十から数百［ｋＶＡ］である。

電気車制御装置１００～１０３のそれぞれには、電気車を駆動するための電動機８０，８１，８２，８３（以下、適宜「８０～８３」と表記）がそれぞれ接続されている。架線１及び集電装置２から供給された直流電力は、スイッチ１０、リアクトル１１及び電線２０を介し、電気車制御装置１００～１０３に供給される。電気車制御装置１００～１０３の各正側端子Ｐは、リアクトル１１に接続される。また、電気車制御装置１００～１０３の各負側端子Ｎは、車輪３を介してレール４に接続される。これにより、架線１から供給される直流電力による直流電流は、スイッチ１０、リアクトル１１、電線２０、電気車制御装置１００～１０３、電動機８０～８３、車輪３及びレール４を介して流れ、変電所に戻る。図１の構成では、リアクトル１１、電線２０及び電気車制御装置１００～１０３が電気車駆動システム２００の構成要素となる。なお、電線２０には、銅又はアルミといった導体が含まれる。導体の一例は、ブスバーである。

なお、図１では、架線１として架空電線を示し、集電装置２としてパンタグラフ状の集電装置をそれぞれ示しているが、これらに限定されない。架線１としては、地下鉄等で使用されている第三軌条でもよく、これに合わせ、集電装置２は第三軌条用の集電装置を用いてもよい。また、図１では、架線１が直流架線である場合を示しているが、架線１は交流架線でもよい。なお、架線１が交流架線である場合、集電装置２とスイッチ１０との間、もしくはスイッチ１０とリアクトル１１との間には、受電する交流電圧を降圧するための変圧器が設けられ、変圧器の後段には変圧器から出力される交流電圧を直流電圧に変換するコンバータが設けられる。

電気車制御装置１００は、直流電圧を保持するコンデンサ５０と、コンデンサ５０の電圧を放電させる放電回路５２と、インバータ回路６０と、を有する。コンデンサ５０及び放電回路５２は、電気車制御装置１００の内部において、正側端子Ｐと負側端子Ｎとの間に接続される。これにより、コンデンサ５０及び放電回路５２は、インバータ回路６０の入力側において、インバータ回路６０の両端に並列に接続される。

コンデンサ５０は、リアクトル１１に接続され、リアクトル１１と共にＬＣフィルタ回路を構成する。このＬＣフィルタ回路は、架線１側から流入するサージ電圧を抑制する。また、ＬＣフィルタ回路はインバータ回路６０に接続され、インバータ回路６０に流れる電流のリプル成分の大きさを抑制する。

電気車制御装置１００に具備されるインバータ回路６０は、電動機８０～８３に電力を供給する電力変換回路である。インバータ回路６０は、コンデンサ５０の直流電圧を任意の電圧値を有する任意の周波数の交流電圧に変換して、電動機８０～８３に印加する。

インバータ回路６０は、図１に示されるように、６つの半導体素子６０Ｕ，６０Ｖ，６０Ｗ，６０Ｘ，６０Ｙ，６０Ｚを有する。半導体素子６０Ｕ，６０Ｖ，６０Ｗ，６０Ｘ，６０Ｙ，６０Ｚは、ブリッジ接続されて三相ブリッジ回路を構成する。

インバータ回路６０において、半導体素子６０Ｕ，６０Ｖ，６０Ｗは、正側アームと呼ばれ、半導体素子６０Ｘ，６０Ｙ，６０Ｚは、負側アームと呼ばれる。また、直列に接続される正側アームと負側アームとの組は、レグと呼ばれる。半導体素子６０Ｕ，６０ＸはＵ相レグを構成し、半導体素子６０Ｖ，６０ＹはＶ相レグを構成し、半導体素子６０Ｗ，６０ＺはＷ相レグを構成する。半導体素子６０Ｕ，６０Ｖ，６０Ｗ，６０Ｘ，６０Ｙ，６０Ｚとしては、図示のように、逆並列ダイオードが内蔵された絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＩＧＢＴ）素子が好適である。なお、ＩＧＢＴ素子に代えて、金属酸化膜半導体電界効果型トランジスタ（Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ－Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ－Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＭＯＳＦＥＴ）を用いてもよい。

電気車制御装置１００～１０３のそれぞれは、制御部３０を有する。制御部３０は、インバータ回路６０の半導体素子６０Ｕ，６０Ｖ，６０Ｗ，６０Ｘ，６０Ｙ，６０ＺをＰＷＭ制御するためのＰＷＭ信号を生成してインバータ回路６０に付与する。実施の形態１における制御部３０は、連携制御部４０を備える。連携制御部４０は、他の電気車制御装置の連携制御部４０との間で連携信号１１２を授受し、後述する連携制御を行う。また、連携制御部４０は、他の電気車制御装置の連携制御部４０との間で情報を共有する。

図２は、実施の形態１に係る電気車駆動システムの電気車への搭載例を示す図である。図３は、図２の比較例として示す従来の搭載例を示す図である。なお、図２及び図３において、図１と共通する構成要素には、同一の符号を付して示している。

従来では、図３に示すように、電気車駆動システムの構成要素をすべて内蔵した筐体５００Ａが電気車１５０Ａの床下に搭載されている。図３では、筐体５００Ａ以外の床下搭載の装置を図示していないが、実際には運行に必要となる種々の装置が搭載されている。１両の電気車１５０Ａの車両長は２０ｍ程度である。また、筐体５００Ａの車両長方向の長さは、最長でも２ｍ未満である。

電気車１５０Ａに搭載された筐体５００Ａ以外の既設の装置を削減又は小型化することは、困難である。このため、筐体５００Ａは、機能付加の度に許容スペースに収容できるように、或いは少しでも空きスペースを確保できるように小型化することが求められる。小型化する際には、装置の仕様が変更されることがある。例えば、インバータ回路の変換容量を削減して部品の大きさを小さくする。これにより、筐体５００Ａのサイズを小さくすることができる。この際、電気車の機能又は性能が、当初のものより低下する場合がある。

これに対し、実施の形態１では、電気車駆動システム２００の構成要素は、電気車１５０の床下に分散されて配置される。具体的に、図２に示される構成では、スイッチ１０を搭載する筐体２５０、及びリアクトル１１を搭載する筐体２５２は、床下の中央部に配置され、電気車制御装置１００，１０１を搭載する筐体２５４、及び電気車制御装置１０２，１０３を搭載する筐体２５６は、床下の中央部から離れた位置にある車輪３の近くに配置されている。即ち、実施の形態１では、電気車駆動システム２００の構成要素の全てを１つの筐体には収容せず、幾つかの筐体に分けて収容している。これにより、筐体の数は増えるが、１つ１つの筐体のサイズは小さくなるので、床下の空きスペースを有効活用して配置することができる。これにより、装置の機能又は性能の低下を抑制しつつ、電気車１５０への搭載が可能になる。なお、リアクトル１１は、筐体に収納されない場合もある。その場合には、筐体２５４，２５６のそれぞれを、単に「筐体」と呼ぶ。

なお、図２のように構成するためには、電気車駆動システム２００の構成要素を搭載する各筐体間を接続導体である電線２０で接続する必要がある。ここで、各筐体間を結ぶ電線２０のうちの少なくとも１つの長さは、従来の構成における筐体５００Ａの車両長方向の長さ以上、即ち２ｍ以上である。但し、前述したように、１両の電気車１５０の車両長は２０ｍ程度である。電気車駆動システム２００の構成要素を搭載する各筐体間を任意の長さの接続導体である電線２０で接続することにより、床下の空きスペースを有効活用して配置することができる。

一方、電気車駆動システム２００の構成要素を搭載する各筐体間を任意の長さの接続導体である電線２０で接続し、更に電気車を円滑、且つ安定的に駆動するためには回路構成を考慮する必要がある。ところが、電気車１５０の床下には、運行に必要となる種々の装置が搭載されている。このため、電線２０を直線的に敷設することは困難であり、電線２０の長さは、最大のもので片道十数ｍとなることが想定される。電線２０の長さが長い場合、電線２０のインピーダンスと、各電気車制御装置内のコンデンサ５０とを含む回路要素で共振回路が構成される。このような共振回路が構成されると、これらの回路要素間で電気振動が発生する。その結果、コンデンサ５０の電圧が振動的になり、電気車制御装置１００～１０３が正常に動作できなくなるおそれがある。以下、この現象について説明する。

図４は、実施の形態１に係る電気車駆動システムに生じ得る共振経路を示す図である。図４では、説明の便宜のため、電気車駆動システム２００を構成する電気車制御装置１００～１０３のうち、電気車制御装置１００，１０１のみを示している。また、最大のもので片道数十ｍの長さになり得る電線２０のそれぞれのインピーダンスを集約し、インダクタンス２１，２２，２３，２４（以下、適宜「２１～２４」と表記）で示している。これらのインダクタンス２１～２４と、２つのコンデンサ５０，５０との間では、図示の二点鎖線で示す経路の共振回路５４が形成される。このため、２つのコンデンサ５０，５０の電圧は振動的になり、通常の直流電圧に振動成分が重畳されたものとなる。この振動成分が大きくなると、過電圧となる。その結果、該当する電気車制御装置は、過電圧検知機能が働いて、正常な動作を継続することができなくなるおそれがある。従って、電気車を円滑、且つ安定的に駆動するためには、共振回路５４に生じる電気振動を抑制する必要がある。

次に、共振回路５４による電気振動を抑制するための幾つかの着意事項、手法又は手段について説明する。

（コンデンサ５０の配置場所）
コンデンサ５０は、電気車制御装置１００に内蔵されたものとする。このようにすれば、制御部３０において、コンデンサ５０の両端電圧を容易に検出することができる。そして、コンデンサ５０が過電圧となった場合、コンデンサ５０に並列接続された放電回路５２を介して、過電圧となったコンデンサ５０の電荷を放電させる。これにより、電気車制御装置１００～１０３が個々にコンデンサ５０の電圧変動を抑制することができ、電気車駆動システム２００全体の動作を安定化することができる。

（コンデンサ５０の容量）
並列に接続される複数のコンデンサの容量が異なる場合、同じ電荷量を放電すると、容量の小さなコンデンサは、容量の大きなコンデンサよりも電圧低下が大きくなる。このため、コンデンサ５０の容量が異なる場合、電動機８０～８３が同じ電力を消費した場合においても、コンデンサ５０間に電圧差が生じる。そして、この電圧差に起因して、電気振動が発生する。また、容量の小さなコンデンサは劣化が進行し、劣化が進行したコンデンサは電圧変動が大きくなるという悪循環を起こす。このため、コンデンサ５０の容量は、各コンデンサ５０間で、同一であることが好ましい。なお、電気車駆動システムに用いられるコンデンサの場合、一般的に同一容量で設計しても±１０％程度の誤差が発生する。このため、ここで言う同一の容量の意味は、各コンデンサ５０の容量値が、±１０％以内であることを意味する。

（電圧振動抑制機能）
ここではまず、実施の形態１における電圧振動抑制機能について、図５から図７の図面を参照して説明する。図５は、実施の形態１における連携信号の流れを示す図である。図６は、実施の形態１における電圧振動抑制機能を具現する制御部の構成を示す図である。図７は、図６に示すベクトル制御部がＰＷＭ信号を生成する際の動作波形を示す図である。

図５に示すように、実施の形態１における電気車制御装置１００～１０３の相互間は、通信線１１０で接続されている。図５は、電気車制御装置１００が電気車駆動システム２００を統括する親装置となる場合の例を示している。電気車制御装置１００から電気車制御装置１０１～１０３のそれぞれに対して、前述した連携信号１１２が伝送される。

なお、図５の接続例は一例であり、この例に限定されない。親装置である電気車制御装置１００によって生成された連携信号１１２が電気車制御装置１０１～１０３のそれぞれに伝送できれば、どのような接続形態でもよい。また、図５は、有線で接続されるイメージで示しているが、無線で接続されていてもよい。また、親装置は電気車制御装置１００である必要はなく、電気車制御装置１０１～１０３の何れかが親装置として動作してもよい。

図６には、電圧振動抑制機能に関係する制御部３０の内部の構成が示されている。図６では、説明の便宜のため、電気車制御装置１００，１０１のみを示しているが、何れの制御部３０も同じ構成である。制御部３０は、電圧振動抑制部３２と、ベクトル制御部３４と、上述した連携制御部４０とを備えている。

電圧振動抑制部３２には、コンデンサ５０の電圧値（以下、「コンデンサ電圧」と呼ぶ）Ｅｆｃが入力される。電圧振動抑制部３２は、コンデンサ電圧Ｅｆｃの変動に対して、当該変動を抑制する方向にインバータ回路６０を制御する。具体的に、電圧振動抑制部３２は、コンデンサ電圧Ｅｆｃの変動を抑制するダンピング操作量を算出し、算出したダンピング操作量により、ベクトル制御部３４への電流指令を操作する。なお、電流指令に代えて、トルク指令を操作してもよい。電圧振動抑制部３２は、コンデンサ電圧Ｅｆｃの変動に対して変動を抑える方向にインバータ電流が変化するようにインバータ回路６０を制御する。インバータ電流は、インバータ回路６０に流れる電流である。電気車制御装置における電圧振動抑制機能は、例えば特許第４０６５９０１号公報に開示されているように公知であり、ここでの更なる詳細な説明は割愛する。なお、当該公報の内容は、本明細書に取り込まれ、本明細書の一部を成す。

ベクトル制御部３４は、ダンピング操作量に基づいて操作された電流指令、もしくはダンピング操作量に基づいて操作されたトルク指令に基づいて電圧指令値ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊を生成する。また、ベクトル制御部３４は、電圧指令値ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊に基づいてインバータ回路６０の各半導体素子をＰＷＭ制御するためのＰＷＭ信号を生成する。このＰＷＭ信号によって、インバータ電流が制御される。

図７の下段部には、ＰＷＭ信号の一例が示されている。ＵＰは、インバータ回路６０のＵ相上アームの半導体素子６０Ｕを制御するためのＰＷＭ信号であり、ＵＮは、インバータ回路６０のＵ相下アームの半導体素子６０Ｘを制御するためのＰＷＭ信号である。以下同様に、ＶＰ，ＶＮは、それぞれＶ相上アームの半導体素子６０Ｖ及びＶ相下アームの半導体素子６０Ｙを制御するためのＰＷＭ信号であり、ＷＰ，ＷＮは、それぞれＷ相上アームの半導体素子６０Ｗ及びＷ相下アームの半導体素子６０Ｚを制御するためのＰＷＭ信号である。これらのＰＷＭ信号は、図７の上段部に示されるように、三相の電圧指令値ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊と、キャリアとの大小関係に基づいて生成することができる。

なお、図７では、キャリアを用いてＰＷＭ信号を生成する例を示したが、これに限定されない。後述するプロセッサによる演算処理により、直接計算等によってＰＷＭ信号を生成してもよい。

また、制御部３０における電圧振動抑制機能については、連携信号１１２の有無に関わらず、各制御部３０が自律的に動作を行ってもよいし、連携信号１１２によって動作を開始するタイミングを制御してもよい。このようなタイミング制御を行えば、各電気車制御装置間における動作タイミングのずれに起因するコンデンサ電圧Ｅｆｃの変動を抑制することができる。

（瞬時電力制御）
一般的に、交流電動機の出力は、交流電動機の回転周波数ＦＭと、交流電動機の出力トルクＴｍとの積で表現される。ここで、交流電動機の損失を無視すると、これは交流電動機を駆動するインバータ回路の入力電力Ｐｉｎに等しい。このため、次式が成立する。

Ｐｉｎ＝ＦＭ×Ｔｍ…（１）

親装置である電気車制御装置１００は、他の電気車制御装置１０１～１０３に対して、回転周波数ＦＭ及び出力トルクＴｍの情報を含む連携信号１１２を送信する。他の電気車制御装置１０１～１０３は、連携信号１１２に含まれる回転周波数ＦＭ及び出力トルクＴｍの情報に基づき、上記（１）式に従って、インバータ回路６０を通過する瞬時電力が同一となるように制御する。これにより、コンデンサ５０の電圧変動を抑制することができる。なお、瞬時電力制御を行う場合、各電気車制御装置間において、同一の時刻に同一の瞬時電力が通過するように制御することは困難であり、多少の誤差は許容される。許容誤差の好ましい範囲は±１０％以内であり、許容誤差のより好ましい範囲は±５％以内である。

また、ＬＣフィルタ回路に接続されるインバータ回路によって交流電動機を駆動する場合、インバータ回路をコンデンサ電圧の変動に対して正抵抗特性となるように動作させれば、制御が安定化することが知られている。ここで言う正抵抗特性の意味を式で表すと、次式のようになる。

Ｐｉｎ２＝ｎ^２×Ｐｉｎ＝ｎ^２×ＦＭ×Ｔｍ…（２）

ここで、電動機８０～８３の各回転周波数ＦＭは、電気車の速度に応じて変化する値である。一方、実施の形態１における電気車制御装置１００～１０３において、電圧振動抑制部３２が扱うＬＣフィルタ回路の共振周波数は、１０Ｈｚ～２０Ｈｚである。これを、周期に換算すると５０ｍｓ～１００ｍｓの時間である。以上から、ＬＣフィルタ回路の振動周期は、電気車の速度変化に対しては、十分に短時間とみなせる。

よって、電圧振動抑制部３２の制御において、電動機８０～８３の各回転周波数ＦＭは一定であると仮定しても構わない。従って、コンデンサ電圧Ｅｆｃがｎ倍になった場合には、電動機８０～８３に付与する出力トルクＴｍをｎ^２倍するように制御すれば、インバータ回路６０の入力電力Ｐｉｎをコンデンサ電圧Ｅｆｃの変化割合の二乗に比例させて変化させることができる。即ち、コンデンサ電圧Ｅｆｃの変動割合を二乗した値を、トルク指令に積算する構成とすればよい。このようにすれば、コンデンサ電圧Ｅｆｃの変動成分に対して、インバータ回路６０は正抵抗特性を有し、ＬＣフィルタ回路の電気振動を抑制して安定化することができる。

以上説明したように、実施の形態１に係る電気車駆動システムでは、インバータ回路は、コンデンサ及び制御部と共に筐体に収容される。また、リアクトルと複数の筐体のそれぞれとは任意の長さの電線で接続可能に構成される。そして、リアクトルと筐体とを接続する電線の長さのうちの少なくとも１つは２メートル以上である。これにより、電気車制御装置を電気車の限られたスペースに柔軟に配置することが可能となる。

実施の形態２．
図８は、実施の形態２における連携信号の流れを示す図である。実施の形態１における連携信号１１２の流れは、図５に示されるように親装置である電気車制御装置１００から他の電気車制御装置１０１～１０３に対する一方向、即ち片方向であった。これに対し、実施の形態２における連携信号１１２の流れは、双方向である。図８において、電気車制御装置１０１～１０３は、親装置である電気車制御装置１００に対して、動作情報を含む連携信号１１２を送信する。動作情報には、少なくともスイッチング周波数、キャリア周波数、キャリア位相、変調モード及びコンデンサ電圧Ｅｆｃが含まれる。スイッチング周波数は、インバータ回路６０の各半導体素子がＰＷＭ信号によってオンオフ動作をするときの周波数である。変調モードの例は、この分野においては公知の、非同期モード、同期多パルスモード、同期３パルスモード、１パルスモードである。

親装置である電気車制御装置１００の連携制御部４０は、動作情報に基づいて、電気車制御装置１０１～１０３の動作状況及び動作状態を把握する。そして、電気車制御装置１００の連携制御部４０は、スイッチング周波数が装置間で同一となるように、スイッチング周波数の指令値を含む連携信号１１２を生成して電気車制御装置１０１～１０３に送信する。電気車制御装置１０１～１０３は、親装置から指示されたスイッチング周波数でインバータ回路６０を動作させる。これにより、各インバータ回路６０は同一のスイッチング周波数で動作するので、コンデンサ５０の電圧変動を抑制することができる。なお、他の制御パラメータと同様に、多少の誤差は許容される。許容誤差の好ましい範囲は±１０％以内であり、許容誤差のより好ましい範囲は±５％以内である。

また、電気車制御装置１００の連携制御部４０は、キャリア周波数、キャリア位相、及び変調モードが装置間で一致するように、それぞれの指令値を含む連携信号１１２を生成して電気車制御装置１０１～１０３に送信する。これにより、コンデンサ５０の電圧変動を抑制することができる。

また、実施の形態２における電気車駆動システムでは、以下に示す保護動作が行われる。図９は、実施の形態２における電気車制御装置の保護動作の説明に供するフローチャートである。図９のフローチャートにおける各処理は、親装置である電気車制御装置１００の制御部３０の統制下で行われる。

各電気車制御装置における制御部３０は、キャリア周波数、キャリア位相、変調モード、及びコンデンサ電圧Ｅｆｃを監視する（ステップＳ１１）。そして、各電気車制御装置における制御部３０は、コンデンサ電圧Ｅｆｃの変動成分が閾値を超える状態が一定時間以上継続したか否かを判定する（ステップＳ１２）。コンデンサ電圧Ｅｆｃの変動成分が閾値を超える状態が一定時間以上継続した場合（ステップＳ１２，Ｙｅｓ）、電気車制御装置１００の制御部３０は、全ての電気車制御装置、即ち電気車制御装置１００～１０３の動作を停止する（ステップＳ１３）。なお、制御部３０における監視情報は連携信号１１２によって伝送される。また、電気車制御装置１０１～１０３の動作を停止する指示も連携信号１１２によって伝送される。

コンデンサ電圧Ｅｆｃの変動成分が閾値を超えた状態が一定時間以上継続していない場合（ステップＳ１２，Ｎｏ）、各電気車制御装置における制御部３０は、キャリア周波数、キャリア位相、及び変調モードのうちの少なくとも１つが一致しない状態が一定時間以上継続したか否かを判定する（ステップＳ１４）。キャリア周波数、キャリア位相、及び変調モードのうちの少なくとも１つが一致しない状態が一定時間以上継続した場合（ステップＳ１４，Ｙｅｓ）、電気車制御装置１００の制御部３０は、該当する電気車制御装置、即ちキャリア周波数、キャリア位相、及び変調モードのうちの少なくとも１つが一致しない状態が一定時間以上継続した電気車制御装置の動作を停止する（ステップＳ１５）。該当する電気車制御装置の動作を停止する指示は、連携信号１１２によって伝送される。以下、ステップＳ１１からの処理が繰り返される。また、ステップＳ１４の処理の判定結果が“Ｎｏ”の場合も、ステップＳ１１からの処理が繰り返される。

なお、図９では、ステップＳ１２の判定処理が「Ｎｏ」のときのみ、ステップＳ１４の判定処理を行うフローとしているが、ステップＳ１２とステップＳ１４の判定処理はそれぞれ独立して同時並行で行ってもよい。その場合、ステップＳ１１の監視結果は並列にステップＳ１２とステップＳ１４の処理に渡され、ステップＳ１２の判定処理が「Ｎｏ」のとき、ステップＳ１１からの処理が繰り返される。また、ステップＳ１４の判定処理が「Ｎｏ」のとき、ステップＳ１１からの処理が繰り返される。また、ステップＳ１４の判定処理が「Ｙｅｓ」のとき、ステップＳ１５の処理が行われた後に、ステップＳ１１からの処理が繰り返される。

また、以下の記載において、ステップＳ１２の判定処理を「第１の判定ステップ」と呼び、ステップＳ１４の判定処理を「第２の判定ステップ」と呼ぶ場合がある。また、ステップＳ１３の処理を「第１の動作停止ステップ」と呼び、ステップＳ１５の処理を「第２の動作停止ステップ」と呼ぶ場合がある。

以上説明したように、実施の形態２に係る電気車制御装置の保護方法によれば、コンデンサ電圧の変動成分が閾値を超える状態が一定時間以上継続したか否かを判定する第１の判定ステップと、第１の判定ステップの判定結果が肯定的である場合に、全ての電気車制御装置の動作を停止する動作停止ステップと、を含む。これにより、電気車駆動システム２００の状態が異常状態となる前に、電気車１５０を停止することができる。

また、実施の形態２に係る電気車制御装置の保護方法によれば、コンデンサ電圧の変動成分が閾値を超える状態が一定時間以上継続したか否かを判定する第１の判定ステップと、第１の判定ステップの判定結果が否定的である場合に、キャリア周波数、キャリア位相、変調モードのうちの少なくとも１つが一致しない状態が一定時間以上継続したか否かを判定する第２の判定ステップと、第２の判定ステップの判定結果が肯定的である場合に、該当する電気車制御装置の動作を停止する動作停止ステップと、を含む。これにより、一部の電気車制御装置が故障した場合でも残りの健全な電気車制御装置によって、電気車の運行を継続することができる。

次に、実施の形態１，２における制御部３０の機能を実現するためのハードウェア構成について、図１０及び図１１の図面を参照して説明する。図１０は、実施の形態１，２における制御部の機能を実現するハードウェア構成の一例を示すブロック図である。図１１は、実施の形態１，２における制御部の機能を実現するハードウェア構成の他の例を示すブロック図である。

実施の形態１における連携制御部４０を含む制御部３０の機能を実現する場合には、図１０に示すように、演算を行うプロセッサ３００、プロセッサ３００によって読みとられるプログラムが保存されるメモリ３０２、及び信号の入出力を行うインタフェース３０４を含む構成とすることができる。

プロセッサ３００は、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、又はＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）といった演算手段であってもよい。また、メモリ３０２には、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ＲＯＭ）、ＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ ＥＰＲＯＭ）といった不揮発性又は揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）を例示することができる。

メモリ３０２には、実施の形態１，２における制御部３０の機能を実行するプログラムが格納されている。プロセッサ３００は、インタフェース３０４を介して必要な情報を授受し、メモリ３０２に格納されたプログラムをプロセッサ３００が実行し、メモリ３０２に格納されたテーブルをプロセッサ３００が参照することにより、上述した処理を行うことができる。プロセッサ３００による演算結果は、メモリ３０２に記憶することができる。

また、図１０に示すプロセッサ３００及びメモリ３０２は、図１１のように処理回路３０５に置き換えてもよい。処理回路３０５は、単一回路、複合回路、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ－Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、又は、これらを組み合わせたものが該当する。処理回路３０５に入力する情報、及び処理回路３０５から出力する情報は、インタフェース３０４を介して行うことができる。

なお、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、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ 架線、２ 集電装置、３ 車輪、４ レール、１０ スイッチ、１１ リアクトル、２０ 電線、２１，２２，２３，２４ インダクタンス、３０ 制御部、３２ 電圧振動抑制部、３４ ベクトル制御部、４０ 連携制御部、５０ コンデンサ、５２ 放電回路、５４ 共振回路、６０ インバータ回路、６０Ｕ，６０Ｖ，６０Ｗ，６０Ｘ，６０Ｙ，６０Ｚ 半導体素子、８０，８１，８２，８３ 電動機、１００，１０１，１０２，１０３ 電気車制御装置、１１０ 通信線、１１２ 連携信号、１５０，１５０Ａ 電気車、２００ 電気車駆動システム、２５０，２５２，２５４，２５６，５００Ａ 筐体、３００ プロセッサ、３０２ メモリ、３０４ インタフェース、３０５ 処理回路。

Claims (8)

1. リアクトルを備え、電気車を駆動する電動機を制御する電気車制御装置を複数備えた電気車駆動システムであって、
   前記電気車制御装置のそれぞれは、
   前記リアクトルに接続され、前記リアクトルと共にフィルタ回路を構成するコンデンサと、
   前記フィルタ回路に接続され、前記電動機に電力を供給するインバータ回路と、
   前記インバータ回路を制御する制御部と、
   を備え、
   前記インバータ回路は、前記コンデンサ及び前記制御部と共に筐体に収容され、
   前記筐体には前記コンデンサの一端が接続される第１端子と前記コンデンサの他端が接続される第２端子とが設けられ、
   前記筐体における前記第１端子及び前記第２端子は電気車制御装置相互間で互いに並列に接続され、
   前記リアクトルと複数の前記筐体における前記第１端子のそれぞれとは任意の長さの電線で接続可能に構成され、
   前記リアクトルと前記第１端子とを接続する前記電線の長さのうちの少なくとも１つは２メートル以上であり、
   前記制御部は、複数の前記電気車制御装置の間で情報を共有して連携動作する連携制御部を備え、
   前記制御部のうちの１つは、
   前記コンデンサの電圧の変動成分が閾値を超える状態が一定時間以上継続したか否かを判定する第１の判定処理を行い、
   前記第１の判定処理による判定結果が肯定的である場合には、全ての電気車制御装置の動作を停止する
   ことを特徴とする電気車駆動システム。
2. リアクトルを備え、電気車を駆動する電動機を制御する電気車制御装置を複数備えた電気車駆動システムであって、
   前記電気車制御装置のそれぞれは、
   前記リアクトルに接続され、前記リアクトルと共にフィルタ回路を構成するコンデンサと、
   前記フィルタ回路に接続され、前記電動機に電力を供給するインバータ回路と、
   前記インバータ回路を制御する制御部と、
   を備え、
   前記インバータ回路は、前記コンデンサ及び前記制御部と共に筐体に収容され、
   前記筐体には前記コンデンサの一端が接続される第１端子と前記コンデンサの他端が接続される第２端子とが設けられ、
   前記筐体における前記第１端子及び前記第２端子は電気車制御装置相互間で互いに並列に接続され、
   前記リアクトルと複数の前記筐体における前記第１端子のそれぞれとは任意の長さの電線で接続可能に構成され、
   前記リアクトルと前記第１端子とを接続する前記電線の長さのうちの少なくとも１つは２メートル以上であり、
   前記制御部は、複数の前記電気車制御装置の間で情報を共有して連携動作する連携制御部を備え、
   前記連携制御部のうちの１つは、複数の前記インバータ回路のキャリア周波数、キャリア位相及び変調モードを一致させるように制御を行い、
   前記制御部のうちの１つは、
   前記コンデンサの電圧の変動成分が閾値を超える状態が一定時間以上継続したか否かを判定する第１の判定処理を行い、
   前記第１の判定処理による判定結果が否定的である場合に、複数の前記インバータ回路のキャリア周波数、キャリア位相及び変調モードのうちの少なくとも１つが一致しない状態が一定時間以上継続したか否かを判定する第２の判定処理を行い、
   前記第２の判定処理による判定結果が肯定的である場合には、該当する電気車制御装置の動作を停止する
   ことを特徴とする電気車駆動システム。
3. 前記コンデンサは、複数の前記電気車制御装置の間で同じ容量を有する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の電気車駆動システム。
4. 前記制御部は、前記コンデンサの電圧振動を抑制する振動抑制部を備える
   ことを特徴とする請求項３に記載の電気車駆動システム。
5. 前記連携制御部のうちの１つは、複数の前記インバータ回路を通過する瞬時電力が同一となるように前記インバータ回路の制御を行う
   ことを特徴とする請求項４に記載の電気車駆動システム。
6. 前記連携制御部のうちの１つは、複数の前記インバータ回路のスイッチング周波数が同一となるように制御を行う
   ことを特徴とする請求項４又は５に記載の電気車駆動システム。
7. リアクトルを備えると共に、電気車を駆動する電動機を制御する電気車制御装置を複数備え、前記電気車制御装置のそれぞれは、前記リアクトルに接続されて前記リアクトルと共にフィルタ回路を構成するコンデンサと、前記フィルタ回路に接続されて前記電動機に電力を供給するインバータ回路と、前記インバータ回路を制御する制御部とを備え、前記インバータ回路は、前記コンデンサ及び前記制御部と共に筐体に収容され、前記筐体には前記コンデンサの一端が接続される第１端子と前記コンデンサの他端が接続される第２端子とが設けられ、前記筐体における前記第１端子及び前記第２端子は電気車制御装置相互間で互いに並列に接続され、前記リアクトルと複数の前記筐体における前記第１端子のそれぞれとは任意の長さの電線で接続可能に構成され、前記リアクトルと前記第１端子とを接続する前記電線の長さのうちの少なくとも１つは２メートル以上であり、前記制御部は、複数の前記電気車制御装置の間で情報を共有して連携動作する連携制御部を備えた電気車駆動システムに適用される電気車制御装置の保護方法であって、
   前記制御部の処理には、
   前記コンデンサの電圧の変動成分が閾値を超える状態が一定時間以上継続したか否かを判定する第１の判定ステップと、
   前記第１の判定ステップの判定結果が肯定的である場合に、全ての電気車制御装置の動作を停止する動作停止ステップと、
   が含まれることを特徴とする電気車制御装置の保護方法。
8. リアクトルを備えると共に、電気車を駆動する電動機を制御する電気車制御装置を複数備え、前記電気車制御装置のそれぞれは、前記リアクトルに接続されて前記リアクトルと共にフィルタ回路を構成するコンデンサと、前記フィルタ回路に接続されて前記電動機に電力を供給するインバータ回路と、前記インバータ回路を制御する制御部とを備え、前記インバータ回路は、前記コンデンサ及び前記制御部と共に筐体に収容され、前記筐体には前記コンデンサの一端が接続される第１端子と前記コンデンサの他端が接続される第２端子とが設けられ、前記筐体における前記第１端子及び前記第２端子は電気車制御装置相互間で互いに並列に接続され、前記リアクトルと複数の前記筐体における前記第１端子のそれぞれとは任意の長さの電線で接続可能に構成され、前記リアクトルと前記第１端子とを接続する前記電線の長さのうちの少なくとも１つは２メートル以上であり、前記制御部は、複数の前記電気車制御装置の間で情報を共有して連携動作する連携制御部を備えた電気車駆動システムに適用される電気車制御装置の保護方法であって、
   前記連携制御部のうちの１つは、前位複数の前記インバータ回路のキャリア周波数、キャリア位相及び変調モードを一致させるように制御を行い、
   前記制御部の処理には、
   前記コンデンサの電圧の変動成分が閾値を超える状態が一定時間以上継続したか否かを判定する第１の判定ステップと、
   前記第１の判定ステップの判定結果が否定的である場合に、複数の前記インバータ回路のキャリア周波数、キャリア位相及び変調モードのうちの少なくとも１つが一致しない状態が一定時間以上継続したか否かを判定する第２の判定ステップと、
   前記第２の判定ステップの判定結果が肯定的である場合に、該当する電気車制御装置の動作を停止する動作停止ステップと、
   が含まれることを特徴とする電気車制御装置の保護方法。

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