| 【発明の名称】 |
電気車制御装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】戸田 伸一
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| 【要約】 |
【課題】回生ブレーキの信頼性や冗長性を向上させ、省スペース化および低コスト化が図れる電気車制御装置を提供することである。
【解決手段】回生運転中は、複数台のすべてのブレーキチョッパ７ａ〜７ｄを動作させる。そして、複数台のブレーキチョッパ７ａ〜７ｄのうちいずれかのブレーキチョッパ７ａ〜７ｄが故障したときは、ブレーキチョッパ開放器制御部１０で故障したブレーキチョッパ７ａ〜７ｄのブレーキチョッパ開放器６を開く。これにより、故障したブレーキチョッパ７ａ〜７ｄのみ開放し、正常なブレーキチョッパ７ａ〜７ｄのみ動作させ、回生ブレーキの冗長性を向上させる。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 電気車を駆動する電動機を回生運転してブレーキをかけると共に空気ブレーキによりブレーキをかけるようにした電気車制御装置において、前記電動機に電源を供給する複数台のＶＶＶＦインバータと、前記電動機の回生エネルギーを消費するための複数台のブレーキ抵抗器と、各々のブレーキ抵抗器にそれぞれ設けられ前記ブレーキ抵抗器に流れる電流を制御する複数台のブレーキチョッパと、前記ブレーキチョッパを開放するためのブレーキチョッパ開放器と、故障したブレーキチョッパの前記ブレーキチョッパ開放器を開放するブレーキチョッパ開放器制御部とを備えたことを特徴とする電気車制御装置。
【請求項２】 複数台のＶＶＶＦインバータにそれぞれ設けられ、各々のＶＶＶＦインバータを開放するためのインバータ開放器と、故障したＶＶＶＦインバータのインバータ開放器を開放するインバータ開放器制御部とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の電気車制御装置。
【請求項３】 前記ＶＶＶＦインバータと前記ブレーキチョッパとを一つの収納箱に収めたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電気車制御装置。
【請求項４】 前記ＶＶＶＦインバータと前記ブレーキチョッパとを一体化してインバータ装置を形成し、インバータ開放器制御部は、故障したインバータ装置のインバータ開放器を開放することを特徴とする請求項２に記載の電気車制御装置。
【請求項５】 回生運転中の前記ＶＶＶＦインバータのフィルタコンデンサ電圧が所定値を超えたとき前記ブレーキチョッパを動作させるブレーキチョッパ制御部と、前記ブレーキチョッパ制御部が動作したとき前記電動機のブレーキトルクを絞る回生ブレーキ力制御部とを備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の電気車制御装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、鉄道車両を駆動する電動機を回生運転してブレーキをかける機能を有した電気車制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に、鉄道車両は電動機で駆動される。電動機にはＶＶＶＦインバータから可変電圧ＶＶおよび可変周波数ＶＦの電源が供給されて運転される。そして、電気車にブレーキをかける場合には、空気ブレーキに加えて回生運転による回生ブレーキがかけられる。
【０００３】図６は、回生運転による回生ブレーキをかける部分の電気車制御装置の構成図である。通常運転中は、パンタグラフ１から主開放器２を介して電源が供給され、各々のインバータ開放器３ａ〜３ｄを介して各々のＶＶＶＦインバータ４ａ〜４ｄに電源が供給される。各々のＶＶＶＦインバータ４ａ〜４ｄは可変電圧可変周波数（ＶＶＶＦ）制御を行い、それぞれ電動機５ａ〜５ｄを制御する。
【０００４】一方、回生運転の場合には、ブレーキチョッパ開放器６を閉じ、ブレーキチョッパ７により必要なブレーキ力に相当する電流を制御し、回生電流をブレーキ抵抗器８に供給する。これにより、回生運転による回生ブレーキを働かせるようにしている。また、回生エネルギーを消費してくれる他の力行する電気車が同一き電区間内に存在する場合には、主開放器２を介して回生エネルギーを同一き電区間内に返すようにしている。
【０００５】そして、同一き電区間内に他の電気車が存在しない場合やブレーキ抵抗による回生エネルギーの消費で回生ブレーキが得られない場合には、空気ブレーキを働かせるようにしている。
【０００６】このように、１台の電気車制御装置に対し１台のブレーキチョッパ７が設けられ、一般に、このブレーキチョッパ７はＶＶＶＦインバータ５ａ〜５ｄとは別の収納箱に収められて配置されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】ところが、このような従来の電気車制御装置では、１台の電気車制御装置に対し１台のブレーキチョッパ７が配置されているので、その１台のブレーキチョッパが故障するとブレーキ抵抗器８に回生電流を流すことができなくなる。
【０００８】この状態で、回生エネルギーを消費してくれる他の力行する電気車が同一き電区間内に存在しない場合には、回生エネルギーを返すところがなくなるので、ブレーキはすべて空気ブレーキでまかなうことになる。
【０００９】また、ブレーキチョッパ７およびブレーキ抵抗器８での回生ブレーキ中に、ブレーキチョッパ７が開放された場合には、回生エネルギーの消費が急になくなるので、電気車のブレーキ力が大きく変化し乗り心地が悪い。この場合、その分を空気ブレーキでまかなうので、特に高速域の場合にはブレーキシューが大きく磨耗する。
【００１０】さらに、回生ブレーキの制御のし易さから回生ブレーキを多用し、空気ブレーキを簡略化したシステムにおいては、ブレーキの信頼性がブレーキチョッパ７の信頼性にかかっている。このことから、ブレーキチョッパ７が１台しか存在しないものでは、故障したときの冗長性がなくなりブレーキシステムの信頼性が低い。また、ブレーキチョッパ７がＶＶＶＦインバータ５ａ〜５ｄとは別の収納箱になっているので、電気車制御装置全体が大きくなり価格も高くなっている。
【００１１】本発明の目的は、回生ブレーキの信頼性や冗長性を向上させ、省スペース化および低コスト化が図れる電気車制御装置を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係わる電気車制御装置は、電気車を駆動する電動機を回生運転してブレーキをかけると共に空気ブレーキによりブレーキをかけるようにした電気車制御装置において、前記電動機に電源を供給する複数台のＶＶＶＦインバータと、前記電動機の回生エネルギーを消費するための複数台のブレーキ抵抗器と、各々のブレーキ抵抗器にそれぞれ設けられ前記ブレーキ抵抗器に流れる電流を制御する複数台のブレーキチョッパと、前記ブレーキチョッパを開放するためのブレーキチョッパ開放器と、故障したブレーキチョッパの前記ブレーキチョッパ開放器を開放するブレーキチョッパ開放器制御部とを備えたことを特徴とする。
【００１３】請求項１の発明に係わる電気車制御装置においては、回生運転中は、複数台のすべてのブレーキチョッパを動作させる。そして、複数台のブレーキチョッパのうちいずれかのブレーキチョッパが故障したときは、ブレーキチョッパ開放器制御部で故障したブレーキチョッパのブレーキチョッパ開放器を開く。これにより、故障したブレーキチョッパのみ開放し、正常なブレーキチョッパのみ動作させ、回生ブレーキの冗長性を向上させる。
【００１４】請求項２の発明に係わる電気車制御装置は、請求項１の発明において、複数台のＶＶＶＦインバータにそれぞれ設けられ、各々のＶＶＶＦインバータを開放するためのインバータ開放器と、故障したＶＶＶＦインバータのインバータ開放器を開放するインバータ開放器制御部とを備えたことを特徴とする。
【００１５】請求項２の発明に係わる電気車制御装置においては、請求項１の発明の作用に加え、複数台のＶＶＶＦインバータのうちいずれかのＶＶＶＦインバータが故障したときは、インバータ開放器制御部で故障したＶＶＶＦインバータのインバータ開放器を開き、正常なＶＶＶＦインバータのみ動作させて、電動機駆動の冗長性を向上させる。
【００１６】請求項３の発明に係わる電気車制御装置は、請求項１または請求項２の発明において、前記ＶＶＶＦインバータと前記ブレーキチョッパとを一つの収納箱に収めたことを特徴とする。
【００１７】請求項３の発明に係わる電気車制御装置においては、請求項１または請求項２の発明の作用に加え、電動機を駆動するためのＶＶＶＦインバータと、電動機の回生エネルギーを消費するためのブレーキ抵抗器に流れる電流を制御するブレーキチョッパとを一つの収納箱に収めるので、ブレーキチョッパとして別の装置を持つことがなくなり全体のスペースを削減できる。
【００１８】請求項４の発明に係わる電気車制御装置は、請求項２の発明において、前記ＶＶＶＦインバータと前記ブレーキチョッパとを一体化してインバータ装置を形成し、インバータ開放器制御部は、故障したインバータ装置のインバータ開放器を開放することを特徴とする。
【００１９】請求項４の発明に係わる電気車制御装置においては、請求項２の発明の作用に加え、インバータ装置のＶＶＶＦインバータまたはブレーキチョッパが故障したときは、インバータ開放器制御部で故障したＶＶＶＦインバータまたはブレーキチョッパを含むインバータ装置を開放する。これにより、故障したインバータ装置を開放し、正常なインバータ装置のみ動作させる。従って、電動機駆動の冗長性と回生ブレーキの冗長性を向上させ、さらにブレーキチョッパとして別の装置を持つことがなくなり全体のスペースを削減できる。
【００２０】請求項５の発明に係わる電気車制御装置は、請求項１乃至請求項４のいずれか１項の発明において、回生運転中の前記ＶＶＶＦインバータのフィルタコンデンサ電圧が所定値を超えたとき前記ブレーキチョッパを動作させるブレーキチョッパ制御部と、前記ブレーキチョッパ制御部が動作したとき前記電動機のブレーキトルクを絞る回生ブレーキ力制御部とを備えたことを特徴とする。
【００２１】請求項５の発明に係わる電気車制御装置においては、請求項１乃至請求項４のいずれか１項の発明の作用に加え、回生運転中のＶＶＶＦインバータのフィルタコンデンサ電圧が上昇したときに、ブレーキチョッパ制御部でブレーキチョッパを動作させる。また、回生ブレーキ力制御部で電動機のブレーキトルクを絞る制御を行う。その結果、フィルタコンデンサ電圧の上昇が抑えられ、ブレーキチョッパの動作時間を短くできる。また、ブレーキ抵抗器の発熱を抑えることができるので、ブレーキ抵抗器を小さくすることができる。さらに、回生運転中に負荷となる他の力行の電気車がなくなったときにも乗り心地良く回生ブレーキから空気ブレーキに切り換えることが可能となる。
【００２２】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係わる電気車制御装置の構成図である。この第１の実施の形態は、図６に示した従来例に対し、複数台のブレーキチョッパ７ａ、７ｂおよびブレーキ抵抗器８ａ、８ｂを設け、ブレーキチョッパ７ａ、７ｂが故障したときは、ブレーキチョッパ開放器制御部９は、故障したブレーキチョッパ７ａ、７ｂのブレーキチョッパ開放器６ａ、６ｂを開放するようにしたものである。また、インバータ開放器制御部１０は、故障したＶＶＶＦインバータ４ａ〜４ｄのインバータ開放器３ａ〜３ｂを開放するようにしている。
【００２３】通常運転中は、パンタグラフ１から主開放器２および各々のインバータ開放器３ａ〜３ｄを介して各々のＶＶＶＦインバータ４ａ〜４ｄに電源が供給される。各々のＶＶＶＦインバータ４ａ〜４ｄは可変電圧可変周波数（ＶＶＶＦ）制御を行い、それぞれ電動機５ａ〜５ｄを制御する。
【００２４】一方、回生運転の場合には、ブレーキチョッパ開放器６ａ、６ｂを閉じ、ブレーキチョッパ７ａ、７ｂにより必要なブレーキ力に相当する電流を制御し、回生電流をブレーキ抵抗器８ａ、８ｂに供給する。これにより、回生運転による回生ブレーキを働かせるようにしている。
【００２５】すなわち、通常運転中には主開放器２およびインバータ開放器３ａ〜３ｄは閉じており、回生ブレーキが動作するとブレーキチョッパ開放器６ａ、６ｂが閉じ、ブレーキチョッパ７ａ、７ｂがスイッチング動作する。これにより、ブレーキ抵抗器８ａ、８ｂにて回生エネルギーが消費される。
【００２６】この状態で、例えば、ブレーキチョッパ７ａが故障したとすると、ブレーキチョッパ開放器制御部９によりブレーキチョッパ開放器６ａを開いてブレーキチョッパ７ａおよびブレーキ抵抗器８ａを開放する。従って、回生ブレーキ中は故障していないブレーキチョッパ７ｂのみを動作させて回生ブレーキを継続することができる。
【００２７】さらに、ＶＶＶＦインバータ４ａが故障したときはインバータ開放器制御部１０によりインバータ開放器３ａを開いてＶＶＶＦインバータ４ａを開放し、ＶＶＶＦインバータ４ｂ、４ｃ、４ｄを動作させて回生ブレーキを継続する。
【００２８】ここで、ＶＶＶＦインバータ４ａ〜４ｄとブレーキチョッパ７ａ〜７ｄとを一つの収納箱に収めて設置スペースを有効活用することも可能である。
【００２９】また、ＶＶＶＦインバータ４の直流側に昇圧チョッパを設け、電動機５の回生エネルギーの大きいときは、ＶＶＶＦインバータ４の直流電圧を大きくするように昇圧チョッパを制御し、高速城まで大きな回生ブレーキ力が得られるようにしても良い。
【００３０】また、複数台のブレーキチョッパ７のスイッチングタイミングをずらして動作させることにより、ブレーキチョッパ７およびブレーキ抵抗器８から発生する騒音と高調波を低減させることも可能である。
【００３１】以上述べたように、第１の実施の形態によれば、２台のうちの１台のブレーキチョッパ７ａ、７ｂが故障しても回生を止めることなく動作を継続させることができ、回生ブレーキの冗長性が向上する。さらに、ＶＶＶＦインバータ４ａ〜４ｄが１台故障しても回生を継続でき、回生ブレーキの冗長性が向上する。従って、空気ブレーキを動作させる必要がなくなる。
【００３２】次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。図２は本発明の第２の実施の形態に係わる電気車制御装置の構成図である。この第２の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、ＶＶＶＦインバータ４ａ〜４ｄとブレーキチョッパ７ａ〜７ｄとを一体化してインバータ装置１１ａ〜１１ｄを形成し、インバータ開放器制御部１０は、故障したインバータ装置１１ａ〜１１ｄのインバータ開放器３ａ〜３ｄを開放するようにしたものである。
【００３３】通常運転中は、パンタグラフ１から主開放器２および各々のインバータ開放器３ａ〜３ｄを介して各々のインバータ装置１１ａ〜１１ｄのＶＶＶＦインバータ４ａ〜４ｄに電源が供給される。各々のＶＶＶＦインバータ４ａ〜４ｄは可変電圧可変周波数（ＶＶＶＦ）制御を行い、それぞれ電動機５ａ〜５ｄを制御する。
【００３４】一方、回生運転の場合には、各々のＶＶＶＦインバータ４ａ〜４ｄは回生運転を行い、ブレーキチョッパ７ａ〜７ｄの動作により、回生電流をブレーキ抵抗器８ａ〜８ｄに供給する。これにより、回生運転による回生ブレーキを働かせる。
【００３５】すなわち、通常運転状態ではインバータ開放器３ａ〜３ｄはすべて閉じていて、インバータ装置１１ａ〜１１ｄのＶＶＶＦインバータ４ａ〜４ｄにはすべて給電されている。回生ブレーキが動作すると、それぞれのインバータ装置１１ａ〜１１ｄ内のブレーキチョッパ７ａ〜７ｄが動作し、それぞれに接続されたブレーキ抵抗器８ａ〜８ｄにて回生エネルギーが消費される。
【００３６】この状態で、例えば、インバータ装置１１ａのブレーキチョッパ７ａが故障したとすると、インバータ開放器制御部１０によりインバータ開放器３ａを開いてインバータ装置１１ａを開放し残りのインバータ装置１１ｂ〜１１ｄにて回生運転を継続する。
【００３７】さらに、インバータ装置１１ａのＶＶＶＦインバータ４ａが故障したときも同様に、インバータ開放器制御部１０によりインバータ開放器３ａを開いてインバータ装置１１ａを開放し、残りのインバータ装置１１ｂ〜１１ｄにて回生運転を継続する。
【００３８】以上述べたように、第２の実施の形態によれば、どれか１台のブレーキチョッパ７ａ〜７ｄが故障しても残りのブレーキチョッパ７ａ〜７ｄを動作させることができるので、回生を継続することができ回生ブレーキの冗長性が向上する。また、ブレーキチョッパ７ａ〜７ｄをＶＶＶＦインバータ４ａ〜４ｄと一体化しインバータ装置１１ａ〜１１ｄ内に含めたので、ブレーキチョッパ７ａ〜７ｄを別の収納箱に収納する必要がなくなりスペース効率も向上する．なお、以上の説明では、ＶＶＶＦインバータ４ａ〜４ｄとブレーキチョッパ７ａ〜７ｄとを一体化してインバータ装置７ｃを形成した場合を示したが、ＶＶＶＦインバータ４ａ〜４ｄとブレーキチョッパ７ａ〜７ｄとを一つの収納箱に収めた場合も同様に構成できる。
【００３９】次に、本発明の第３の実施の形態を説明する。図３は本発明の第３の実施の形態に係わる電気車制御装置の構成図である。この第３の実施の形態は、回生ブレーキから空気ブレーキに円滑に切り換えが行えるように、ブレーキチョッパ７を動作させるブレーキチョッパ制御部１２と、ブレーキチョッパ制御部１２が動作したとき電動機５ａ〜５ｄのブレーキトルクを絞る回生ブレーキ力制御部１３とを設けたものである。
【００４０】通常運転中は、パンタグラフ１からインバータ装置１１のＶＶＶＦインバータ４に電源が供給される。ＶＶＶＦインバータ４は可変電圧可変周波数（ＶＶＶＦ）制御を行い、それぞれ電動機５ａ〜５ｄを制御する。
【００４１】一方、回生運転の場合には、ＶＶＶＦインバータ４は回生運転を行い、回生エネルギーを消費してくれる他の力行する電気車１８が同一き電区間内に存在する場合には、主開放器２を介して回生エネルギーを同一き電区間内に返す。電気車１８で消費する回生エネルギーが十分大きい場合は、ＶＶＶＦインバータ４のフィルタコンデンサＣの電圧は上昇することはなく、ブレーキチョッパ７は動作しない。
【００４２】電気車１８で消費する回生エネルギーが小さかったり、電気車１８が存在しない場合はフィルタコンデンサＣの電圧ＶＣが上昇し、ブレーキチョッパ７が動作する。ブレーキチョッパ７の動作により、回生電流をブレーキ抵抗器８ａ〜８ｄに供給する。これにより、回生運転による回生ブレーキを働かせる。
【００４３】ブレーキチョッパ制御部１２は、インバータ装置１１のＶＶＶＦインバータ１１におけるフィルタコンデンサＣの電圧ＶＣを入力する。そして、回生運転中のＶＶＶＦインバータ４のフィルタコンデンサ電圧ＶＣがブレーキチョッパオン電圧Ｖ１を超えたときにブレーキチョッパ７を動作させ、ブレーキチョッパオフ電圧Ｖ２未満になるとブレーキチョッパ７の動作を停止させる。回生ブレーキ力制御部１３は、ブレーキチョッパ制御部１２が動作したとき電動機５ａ〜５ｄのブレーキトルクを絞る制御を行う。
【００４４】回生ブレーキ力制御部１３は、ブレーキチョッパ制御部１２からのオンオフ信号に基づいて電動機５のトルク絞りパターンを発生する電動機トルク絞りパターン発生部１４と、電動機トルクが電動機ブレーキトルク指令値になるようにインバータを動作させるインバータ制御部１５から構成され、電動機５の回生ブレーキ力を制御する。
【００４５】一方、回生ブレーキ力演算部１６は、電動機５の電流から回生ブレーキ力を演算し、空気ブレーキ力指令演算部１７に出力する。空気ブレーキ力指令値演算部１７は、回生ブレーキ力演算部１６で演算された回生ブレーキ力とブレーキ力指令値とから空気ブレーキの補足分を演算する。
【００４６】これにより、フィルタコンデンサ電圧ＶＣの上昇が抑えられ、ブレーキチョッパ７の動作時間を短くでき、ブレーキ抵抗器８の発熱を抑えることができる。従って、ブレーキ抵抗器８を小さくすることができ、回生中に負荷となる他の力行の電気車１８がなくなったときにも乗り心地良く回生ブレーキから空気ブレーキに切り換えることが可能となる。
【００４７】図４はブレーキチョッパ７の動作説明図である。フィルタコンデンサ電圧ＶＣがブレーキチョッパオン電圧Ｖ１に達するとブレーキチョッパ７のスイッチング素子がオンする。ブレーキチョッパ７のスイッチング素子がオンすると、回生電流がブレーキ抵抗器８に流れるためフィルタコンデンサ電圧ＶＣが下がる。フィルタコンデンサ電圧ＶＣがブレーキチョッパオフ電圧Ｖ２まで下がると、ブレーキチョッパ７のスイッチング素子がオフし、フィルタコンデンサ電圧ＶＣが再び上がるという動作を繰り返す。
【００４８】このようにブレーキチョッパ７が動作を始めると、回生ブレーキ力演算部１３は電動機５のブレーキトルクを絞る動作を開始する。図５は、その動作を示す特性図である。ブレーキチョッパ７が動作を始めると同時に電動機ブレーキトルクを絞り始める。電動機ブレーキトルクが絞られると回生エネルギーは小さくなりフィルタコンデンサ電圧ＶＣは下がりブレーキチョッパ７は動作を停止する。
【００４９】一方、回生ブレーキ力演算部１６で演算される回生ブレーキ力は小さくなるが、ブレーキトルク指令値は変化しないので電動機ブレーキトルクが絞られた分を補うように空気ブレーキ力指令演算部１７で演算される空気ブレーキ力指令値が増加する。
【００５０】以上述べたように、ブレーキチョッパ７は回生ブレーキから空気ブレーキに切り替える間のみ動作すれば良いので、ブレーキ抵抗器８は小型のものでよい。このような小型のブレーキ抵抗器８を取り付けるだけで負荷車１８がなくなったときに、回生ブレーキ力をゆっくり絞り空制をゆっくり立ち上げることができる。従って、乗り心地良く回生ブレーキから空気ブレーキに切り替えることができる。従来のように負荷車１８がなくなったときに回生ブレーキ力が瞬時になくなり、ブレーキ力が一瞬急激に小さくなり、乗り心地が悪くなることはない。
【００５１】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、回生ブレーキの冗長性や信頼性を上げることができ、電気車駆動システム全体のスペースとコストを削減することができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００３０７８
【氏名又は名称】株式会社東芝
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| 【出願日】 |
平成１２年８月２１日（２０００．８．２１） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００８３２３１
【弁理士】
【氏名又は名称】紋田 誠
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| 【公開番号】 |
特開２００２−６４９０１（Ｐ２００２−６４９０１Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１４年２月２８日（２００２．２．２８） |
| 【出願番号】 |
特願２０００−２４９２１４（Ｐ２０００−２４９２１４） |
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