| 【発明の名称】 |
電気車の電気ブレーキ装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】加藤 宏和
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| 【要約】 |
【課題】コストアップと車両の重量増加を殆どもたらさないで、中高速域における電気ブレーキ力を増加させること。
【解決手段】フィルタコンデンサ８には、ブレーキチョッパ装置９とブレーキ抵抗との直列体を並列接続する。ブレーキ抵抗１１には抵抗制御用チョッパ装置１４を並列接続する。遮断器４とインバータ装置６の非接地側入力端子との間にはフィルタコンデンサ電圧昇圧時遮断器５を挿入する。ブレーキチョッパ装置９とブレーキ抵抗１１との接続点と遮断器４とフィルタコンデンサ電圧昇圧時遮断器５との接続点との間には逆流防止ダイオードを挿入する。そして、フィルタコンデンサ８の両端電圧を検出する電圧検出器１２と、電圧検出器１２の検出電圧と前記速度センサー１７からの回転速度信号に基づいてブレーキチョッパ装置９と抵抗制御用チョッパ装置１４をオンオフ制御する制御器１３を設けた。これにより、回生ブレーキ時にモータの端子間電圧を架線電圧以上に上昇させ、中高速域における電気ブレーキ力を増加させた。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 架線からパンタグラフと高速遮断器と遮断器とを介して供給された直流がインバータ装置で交流に変換されてモータに供給される電気車の電気ブレーキ装置において、インバータの入力端子間に並列接続されたフィルタコンデンサと、このフィルタコンデンサに並列に接続されたブレーキチョッパ装置とブレーキ抵抗との直列体と、前記ブレーキ抵抗に並列接続された抵抗制御用チョッパ装置と、前記遮断器と前記インバータ装置の非接地側入力端子との間に挿入されたフィルタコンデンサ電圧昇圧時遮断器と、前記ブレーキチョッパ装置とブレーキ抵抗との接続点と前記遮断器とフィルタコンデンサ電圧昇圧時遮断器との接続点との間に挿入された逆流防止ダイオードと、前記フィルタコンデンサの両端電圧を検出する電圧検出器と、モータの回転速度を検出する速度センサーと、前記電圧検出器の検出電圧と前記速度センサーからの回転速度信号に基づいて電圧検出器の検出電圧に基づいてブレーキチョッパ装置と前記抵抗制御用チョッパ装置をオンオフ制御する制御器とで構成したことを特徴とする電気車の電気ブレーキ装置。
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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、架線からパンタグラフを通して供給された直流をインバータ装置で交流に変換しモータを駆動するインバータ式電気車の電気ブレーキ装置に関し、特に、ブレーキ抵抗とブレーキチョッパ装置とを備えた電気ブレーキ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】ブレーキ抵抗とブレーキチョッパ装置を備えた電気ブレーキ装置は、図３に示す如く、インバータの入力端子間に並列接続されたフィルタコンデンサ８と、フィルタコンデンサ８に並列に接続されたブレーキチョッパ装置９とブレーキ抵抗１１と逆流防止ダイオード１０との直列体と、フィルタコンデンサ８の両端電圧を検出する電圧検出器１２と、電圧検出器１２の検出電圧に基づいてブレーキチョッパ装置９を制御する制御器１３とから構成されたものである。そして、ブレーキ抵抗とブレーキチョッパ装置を備えた電気ブレーキ装置は、回生ブレーキ中に、力行中の電気車が消費できない余剰電力をブレーキ抵抗１１に消費させ、安定したブレーキ制御を可能とするものである。
【０００３】ところで、架線からパンタグラフを通して供給された直流をインバータ装置で交流に変換し、電気車のモータを駆動するインバータ式電気車において、そのインバータ装置の出力は力行性能を基本として設計されている。この設計においては、モータの定トルク領域を最高速度よりかなり低い低速域で設定し、中高速域では弱め磁束領域とする。中高速域では速度が上がるに従いモータの出力トルクは低下するが、最高速度で或る程度加速できる余力を持っていれば十分であるとされている。
【０００４】このような力行性能を基本とした設計手法は、電気機器の経済的な設計手法として、電気ブレーキが使われる以前から広く用いられてきた。しかし、ブレーキは殆どの在来線においては低速から高速まで一定のブレーキ力が要求されているので、力行の裏返しである電気ブレーキでその全てをまかなうことは不可能であり、不足するブレーキ力を機械ブレーキ力に頼っている。
【０００５】因みに、この力行性能を基本として設計されたインバータを備えた鉄道用電気車の一例においては、図５に示す如く、そのモータの出力トルクは速度８０km/hまでは一定の１２６０Nmであるが、これを超えると速度の２乗に反比例して減少し、最高速度の１３０km/hでは４５０Nmとなっている。これは低速域では速度に比例して増加してきたインバータ電圧が、低速域の或る速度で架線電圧により制限される最大値に達し、その後は速度を上げても増加しないからである。図５においては、速度５５km/hで最大値１３００Ｖに達し、その後の中高速域でも前記最大値が保持されている。従って、高速域では斜線部分で示す如くブレーキ力が不足することになり、この不足を機械ブレーキで補っているのである。
【０００６】ところが、機械式ブレーキはブレーキライニング交換等のメンテナンスが必要である。このため、機械式ブレーキのメンテナンスコストが高いという問題があった。
【０００７】このため、機械式ブレーキの負担を軽減するために、高速域におけるモータの出力トルクを低下させないようにすることが要求されてきた。モータの端子間電圧が架線電圧に制限されている従来のインバータ式電気車では、前記要求に応える方法は２つ考えられる。１つはモータ電流を増加させる方法と、他の１つは列車編成全体に占める電気車の比率を増加させる方法である。
【０００８】しかしながら、モータ電流を増加させる方法は、インバータ装置、モータ等の電気機器の電流容量の増加を伴うので、大幅なコストアップをもたらす。また、列車編成全体に占める電気車の比率を増加させる方法は、インバータ装置、モータ等の電気機器の数量の増加を伴うので、これも大幅なコストアップとなる。
【０００９】そこで、ブレーキ時にフィルタコンデンサの電圧を上昇させモータトルクを増大させる特開２００１−３７００４号公報に開示の技術を参考にして、図２の如きブレーキ抵抗とブレーキチョッパ装置を備えた電気ブレーキ装置を構成し、インバータ装置、モータ等の電気機器の電流容量も数量も増加させないで、中高速域におけるモータの出力トルクを低下させないようにすることが実現できた。
【００１０】即ち、図２の電気ブレーキ装置は、図３の回路に遮断器５、抵抗制御チョッパ装置１４、逆流防止ダイオード１５、電圧上昇用抵抗１６を追加し、制御器１３で抵抗制御用チョッパ装置１４のオンオフ制御するように構成したものである。このような構成において、回生ブレーキ時に、制御器１３はフィルタコンデンサ８の両端電圧の上限値を目標値として抵抗制御用チョッパ装置１４をオンオフ制御し、抵抗１６を等価的な可変抵抗器とし、抵抗１６にかかる電圧を所望の大きさに制御する。これによってフィルタコンデンサ８の両端電圧を抵抗１６が負担する電圧分だけ、架線電圧よりも高くすることができる。従って、回生ブレーキ時に、インバータ電圧であるモータの端子間電圧を架線電圧により制限される電圧よりも高くすることができ、中高速域における電気ブレーキ力を増加させることができた。
【００１１】しかしながら、図２の回路構成では、ブレーキ抵抗１１の他に電圧上昇用抵抗１６が必要である。このため、電圧上昇用抵抗１６の追加分だけ、車両重量の増加がもたらされるという問題があった。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】解決しようとする第１の課題は、大幅なコストアップを伴わない簡単な回路構成によって、回生ブレーキ時にモータの端子間電圧を架線電圧に制限される電圧以上に上昇させ、中高速域における電気ブレーキ力を増加させることである。解決しようとする第２の課題は、コストアップと車両の重量増加を殆どもたらさないで、中高速域における電気ブレーキ力を増加させることである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するために、ブレーキ抵抗とブレーキチョッパ装置を備えた電気ブレーキ装置において、インバータに直列に電圧上昇用抵抗と抵抗制御用チョッパ装置の並列回路を挿入し、且つフィルタコンデンサの端子間電圧を目標値と比較しながら前記抵抗制御用チョッパ装置のオンオフ制御を行い、前記電圧上昇用抵抗の抵抗値を可変とし、その両端の電圧を所望の値に制御するようにした。そして、前記ブレーキ抵抗を前記電圧上昇用抵抗に兼用するように回路を構成した。
【００１４】より具体的に構成を記述すれば、本発明は架線からパンタグラフと高速遮断器と遮断器とを介して供給された直流がインバータ装置で交流に変換されてモータに供給される電気車の電気ブレーキ装置において、インバータの入力端子間に並列接続されたフィルタコンデンサと、このフィルタコンデンサに並列に接続されたブレーキチョッパ装置とブレーキ抵抗との直列体と、前記ブレーキ抵抗に並列接続された抵抗制御用チョッパ装置と、前記遮断器と前記インバータ装置の非接地側入力端子との間に挿入されたフィルタコンデンサ電圧昇圧時遮断器と、前記ブレーキチョッパ装置とブレーキ抵抗との直列体との接続点と前記遮断器とフィルタコンデンサ電圧昇圧時遮断器との接続点との間に挿入された逆流防止ダイオードと、前記フィルタコンデンサの両端電圧を検出する電圧検出器と、モータの回転速度を検出する速度センサーと、前記電圧検出器の検出電圧と前記速度センサーからの回転速度信号に基づいてブレーキチョッパ装置と前記抵抗制御用チョッパ装置をオンオフ制御する制御器とで構成したことを特徴とするものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】本発明の一実施形態の回路図である図１において、電気車のモータ７にはインバータ装置６の交流出力が供給されている。直流を交流に変換するインバータ装置６の入力端子には、架線からパンタグラフ１と高速遮断器２と遮断器３と遮断器４とを介して直流の架線電圧が供給されている。
【００１６】電気ブレーキ装置は、インバータ装置６の入力端子間に接続されたフィルタコンデンサ８を含む。このフィルタコンデンサ８には、ブレーキチョッパ装置９とブレーキ抵抗１１との直列体が並列接続されている。
【００１７】ブレーキ抵抗１１には抵抗制御用チョッパ装置１４が並列接続されている。遮断器４とインバータ装置６の非接地側入力端子との間にはフィルタコンデンサ電圧昇圧時遮断器５が挿入されている。ブレーキチョッパ装置９とブレーキ抵抗１１との接続点と前記遮断器４とフィルタコンデンサ電圧昇圧時遮断器５との接続点との間には、逆流防止ダイオード１５が挿入されている。
【００１８】更に、電気車の電気ブレーキには、フィルタコンデンサ８の両端電圧を検出する電圧検出器１２と、モータの回転速度を検出する速度センサ１７と、電圧検出器１２の検出電圧と速度センサー１７からの回転速度信号に基づいてブレーキチョッパ装置９と前記抵抗制御用チョッパ装置１４をオンオフ制御する制御器１３が設けられている。
【００１９】上述の如く構成された本発明に係る電気車の電気ブレーキ装置は、回生ブレーキ時で且つモータ端子間電圧を架線電圧で制限される電圧より上昇させる場合に、フィルタコンデンサ電圧昇圧時遮断器５を開放する。そして、ブレーキ抵抗１１に並列接続した抵抗制御用チョッパ装置１４の通流率を制御器１３で制御することにより、ブレーキ抵抗１１を等価的に可変抵抗とする。これによって、制御器１３は、フィルタコンデンサ８の端子間電圧を常時検出している電圧検出器１２の出力電圧と、予め設定されているフィルタコンデンサ８の端子間電圧の上限値とを比較し、且つ速度センサー１７からの回転速度信号を参照しながら、抵抗制御用チョッパ装置１４をオンオフ制御し、その通流率を制御する。これによって、フィルタコンデンサ８の両端電圧を架線電圧により制限される電圧よりも上昇させることができ、モータ電圧を従来より上昇させることができる。なお、モータ端子間電圧を上昇させる必要がない速度域、及び力行中はフィルタコンデンサ電圧昇圧時遮断器５を投入し、通常通り運転する。これにより半導体素子のロスを減らすことができる。
【００２０】上述の如く制御することによって、本発明に係る電気車の電気ブレーキ装置は、図４に一例を示す如く、その特性を改善できた。即ち、本発明においては、フィルタコンデンサ８の両端電圧をブレーキ抵抗１１と抵抗制御用チョッパ装置１４の作用によって架線電圧より高い２０００Ｖとすることにより、モータ電圧の最大値を従来の１３００Ｖから１５６０Ｖまで上昇できた。モータ電流は通常、モータ端子間電圧が最大値になる速度域でトルクを低下させないよう増加させるが、モータ端子間電圧を従来の架線電圧に制限される値より上昇させることができたことにより、モータ電流を増加させる速度域をより高速側にすることができた。この結果、中高速域におけるモータトルクは、図４の斜線部分である機械ブレーキ負担分が減少していることからも分かるように、従来よりも大きく増加した。つまり、電気ブレーキの不足分を補っていた機械ブレーキの負担を減らすことができ、磨耗部品の交換等のメンテナンスを軽減できるようになった。
【００２１】なお、ブレーキチョッパ装置と抵抗制御用チョッパ装置１４がオンにもかかわらずフィルタコンデンサ８の電圧が上昇する場合、即ち、回生電力を消費する力行車が同一き電区内に存在しない等の理由により回生できない場合は、ブレーキチョッパ装置９をオンにすることにより、フィルタコンデンサ８の両端電圧を一定値、例えば２０００Ｖに保つことができる。なお、フィルタコンデンサ電圧昇圧時遮断器５は遮断器４で代用できるならば、不要とすることが可能である。
【００２２】
【発明の効果】本発明に係るブレーキ抵抗とブレーキチョッパ装置とを備えた電気ブレーキ装置は、従来装置に比べて僅かなコストアップと重量増加だけで、中高速域における電気ブレーキ力を確実に増加させることが可能になった。従って、本発明係るブレーキ抵抗とブレーキチョッパ装置とを備えた電気ブレーキ装置では、機械ブレーキの負担が軽減され、ブレーキシューの取替えなどのメンテナンス費用も軽減されるようになった。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００１７３７８４
【氏名又は名称】財団法人鉄道総合技術研究所
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| 【出願日】 |
平成１３年６月４日（２００１．６．４） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００７９２１２
【弁理士】
【氏名又は名称】松下 義治
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| 【公開番号】 |
特開２００２−３６９３０６（Ｐ２００２−３６９３０６Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１４年１２月２０日（２００２．１２．２０） |
| 【出願番号】 |
特願２００１−１６８１４０（Ｐ２００１−１６８１４０） |
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