| 【発明の名称】 |
電気ブレーキシステム |
| 【発明者】 |
【氏名】小笠 正道
【氏名】山本 貴光
【氏名】山下 道寛
【氏名】渡邉 朝紀
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| 【要約】 |
【課題】電機品容量の増加を抑え、摩擦ブレーキを使用することなく電気ブレーキのみで車両を減速及び停止させることができる電気ブレーキシステムを提供する。
【解決手段】本発明の電気ブレーキシステムは、パンタグラフ１１から入力された架線１８からの直流電圧を制御する昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２とＤＣ／ＡＣ変換器であるインバータ１３とから成るＰＡＭ制御方式主回路２０と、鉄道車両などに使用される主電動機群１４と、ブレーキ信号を入力するブレーキ入力部１６と、ブレーキ入力部１６からのブレーキ信号に応じて、予め設定された応速度ブレーキ力パターン（期待粘着ブレーキパターン）μに基づいて、ＰＡＭ制御方式主回路２０を制御する制御部１７と、を備えている。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 交流電圧の印可を受けて該交流電圧に対応した制動トルクを車軸に与える主電動機と、前記主電動機に接続され、電圧を制御する電圧制御回路と、前記電圧制御回路を所定の期待粘着ブレーキパターンμに基づいて制御する制御手段と、を備え、前記電圧制御回路は、入力された直流電圧を交流電圧に変換して、前記主電動機に変換した交流電圧を印可するインバータと、前記インバータに入力する直流電圧を制御する昇降圧回路と、を備える、ことを特徴とする電気ブレーキシステム。
【請求項２】 前記期待粘着ブレーキパターンμは、車両速度をＶｔ［ｋｍ／ｈ］としたとき、μ＝ｂ／（Ｖｔ＋ａ）、の関数で示され、前記係数ａ及びｂは、前記関数で示される反比例曲線上の任意の２点での値によって決定される、ことを特徴とする請求項１記載の電気ブレーキシステム。
【請求項３】 前記係数ａは、約７８であり、前記係数ｂは、約１５．８４である、ことを特徴とする請求項２記載の電気ブレーキシステム。
【請求項４】 前記電圧制御回路は、ＰＡＭ（Pulse Amplitude Modulation）制御方式の回路である、ことを特徴とする請求項１乃至３記載の電気ブレーキシステム。
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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、交流モータ等の電気ブレーキを用いて鉄道車両（以下、単に「車両」ともいう）を減速及び停止させる電気ブレーキシステムに関する。特には、電機品容量の増加を抑え、摩擦ブレーキを使用することなく電気ブレーキのみで車両を減速及び停止させることができる電気ブレーキシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来から、鉄道車両用のブレーキとして、電気ブレーキ、摩擦ブレーキ、流体ブレーキなどが用いられている。このうち電気ブレーキの代表的なものは、駆動電動機を発電機として電流を発生して車軸に制動トルクを与え車両を減速及び停止させるものである。また、摩擦ブレーキは、圧縮空気や油圧などによって機械的に制輪子を車軸やブレーキディスクなどに押し付けて摩擦力を発生させ車両を減速及び停止させるものである。また、流体ブレーキは、油などの流体を回転翼などで攪拌し、その際の抵抗力をブレーキ力として車両を減速及び停止させるものである。
【０００３】ここで、走行中の電気車などの鉄道車両を停止させる場合、まず電気ブレーキによって徐々に減速し、最後に摩擦ブレーキによって物理的に車軸などを固定して停止させている。その後、最終的には、摩擦ブレーキを使用して確実に車両の停止状態の保持を行っている。
【０００４】特に、現在の電気車では、主電動機への印加電圧が架線電圧相当の印加電圧で頭打ちになる速度（以下、単に「定格速度」ともいう）より高速域の弱磁束領域・特性領域において、主電動機の制御特性上、定トルク領域に較べて電動機トルクが速度とともに急激に低下する。これは、架線電圧上限値相当以上の電圧を主電動機に印加できない現在の主回路構成上やむを得ないことである。
【０００５】一般に、電気車両のブレーキにおいて、高速域での電気ブレーキ力が低速度域に較べて低下することから、所要ブレーキ力を満足できない部分は機械ブレーキにより補足している。
【０００６】この高速域での機械ブレーキ分担が増えることは、車輪やデイスクヘの熱的負荷の増大やブレーキシュー・ライニングの摩耗の増大を伴い、近年、特に運行時分短縮のために高減速度の要求される機会が増えているため、車輪踏面亀裂や凹摩耗などが発生する場合もある。
【０００７】このため、ブレーキ力の機械ブレーキ分担分をなくし、電気ブレーキのみで賄うことも考えられる。この場合には、高速域での電気ブレーキ分担分を増加させることで実現可能となる。
【０００８】図３は、近郊電車における常用最大ブレーキ設定を示す図である。図３に示すように、最近では、車種によって、中速度〜高速度にかけて簡単な応速度ブレーキ力パターンを持たせて、高速域での期待粘着係数（摩擦係数）μ’を若干緩和したものもある。
【０００９】ここで、期待粘着係数μ’とは、駆動伝達力と車軸重量の比であり、＜式１＞期待粘着係数μ’＝駆動伝達力／車軸重量で示される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、現状の常用最大ブレーキ力を最高速度で電気ブレーキのみで分担するにはあまりにも電機品の容量が大きくなってしまうという問題が生じる。
【００１１】また、現状のブレーキでは、満車条件での常用最大ブレーキでほぼ非常ブレーキと同等近くの減速度水準に設計されているため、期待粘着係数μもかなり高いものとなり、実在電車の常用ブレーキの期待粘着係数μは、高速域では厳しいものになってしまうという問題が生じる。
【００１２】本発明はこのような背景の中でなされたものであって、電機品容量の増加を抑え、摩擦ブレーキを使用することなく電気ブレーキのみで車両を減速及び停止させることができる電気ブレーキシステムを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため、本発明の電気ブレーキシステムは、交流電圧の印可を受けて該交流電圧に対応した制動トルクを車軸に与える主電動機と、主電動機に接続され、電圧を制御する電圧制御回路と、電圧制御回路を所定の期待粘着ブレーキパターンμに基づいて制御する制御手段と、を備え、電圧制御回路は、入力された直流電圧を交流電圧に変換して、主電動機に変換した交流電圧を印可するインバータと、インバータに入力する直流電圧を制御する昇降圧回路と、を備える、ことを特徴とする。
【００１４】ここで、期待粘着ブレーキパターンμは、車両速度をＶｔ［ｋｍ／ｈ］としたとき、「μ＝ｂ／（Ｖｔ＋ａ）」の関数で示され、係数ａ及びｂは、関数で示される反比例曲線上の任意の２点での値によって決定される、ようにすることができる。このとき、係数ａは、約７８であり、係数ｂは、約１５．８４である、ようにするとよい。
【００１５】また、電圧制御回路は、ＰＡＭ制御方式の回路とすることができる。
【００１６】上述の本発明の電気ブレーキシステムにおいては、インバータに入力する直流電圧を制御する電圧制御回路を、「μ＝ｂ／（Ｖｔ＋ａ）」で示される期待粘着ブレーキパターンμで制御するため、電機品容量の増加を抑え、摩擦ブレーキを使用することなく電気ブレーキのみで車両を減速及び停止させることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下本発明の電気ブレーキの制御方法について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００１８】図１は、本発明の電気ブレーキシステムの実施の形態の一例を示すブロック図である。この電気ブレーキシステムは、パンタグラフ１１から入力された架線１８からの直流電圧を制御するＰＡＭ（Pulse Amplitude Modulation）制御方式主回路２０と、鉄道車両などに使用される三相交流電動機群（以下、単に「主電動機群」ともいう）１４と、ブレーキ信号を入力するブレーキ入力部１６と、ブレーキ入力部１６からのブレーキ信号に応じて、予め設定された応速度ブレーキ力パターン（期待粘着ブレーキパターン）μに基づいて、ＰＡＭ制御方式主回路２０を制御する制御部１７と、を備えている。
【００１９】ここで、ＰＡＭ制御方式主回路２０は、パンタグラフ１１から入力された架線１８からの直流電圧の電圧値を制御する昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２と、直流と交流の電圧変換を行うＤＣ／ＡＣ変換器であるインバータ１３と、を備えている。また、インバータ１３は、例えば、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御によって直流を交流に変換する電力変換装置を使用するとよい。さらに、このＰＷＭ制御（パルス幅変調制御）を使用したインバータ１３には、ＰＷＭ制御（パルス幅変調制御）ＶＶＶＦ（Variable Voltage Variable Frequency）インバータとするとよい。このＰＷＭ制御（パルス幅変調制御）ＶＶＶＦ（可変電圧可変周波数）インバータは、ＰＷＭ制御（パルス幅変調制御）によって正負２レベルまたは３レベルのパルス電圧を出力し、平均電圧として目的の振幅と周波数を持った交流電圧を得ることができる。
【００２０】また、主電動機群１４からの制動トルクによって車軸（図示せず）及び車輪１５の運動が制御され、車両の速度制御が行なわれる。
【００２１】以下、制御部１７においてＰＡＭ制御方式主回路２０を制御する期待粘着ブレーキパターンμについて説明する。
【００２２】期待粘着ブレーキパターン（駆動伝達力／軸重比）μが速度Ｖｔ（Velocity of Train）に反比例するパターンとし、＜式２＞μ＝ｂ／（Ｖｔ＋ａ）
を満たす関数とする。
【００２３】ここで、係数ａ、ｂは，反比例曲線上の２点Ａ（Ｖｔ＿ａ、μａ）、Ｂ（Ｖｔ＿ｂ、μｂ）を設定すれば一意に決まり、以下の式で計算することができる。
＜式３＞ａ＝（μｂ×Ｖｔ＿ｂ−μａ×Ｖｔ＿ａ）／（μａ−μｂ）
ｂ＝μａ×μｂ（Ｖｔ＿ｂ−Ｖｔ＿ａ）／（μａ−μｂ）
Ｖｔ＿ａ≦Ｖｔ＿ｂμａ≧μｂ【００２４】ここで、２点Ａ、Ｂの与え方を変えることで、いろいろなμパターンが作成できる。例えば、新幹線における計画粘着式はこのような反比例近似を用いており、＜式４＞μ＝１３．６／（Ｖｔ＋８５）
が用いられている。
【００２５】また、在来線は車種別、乾燥・湿潤別の計算式もある一方で、平均値として、＜式５＞μ＝３２．７４／（Ｖｔ＋１８７）
が用いられている。
【００２６】例えば、Ａ（１０［ｋｍ／ｈ］、０．１８）、Ｂ（１２０［ｋｍ／ｈ］、０．０８）とすると、＜式６＞μ＝１５．８４／（Ｖｔ＋７８）
となる。
【００２７】図２は、期待粘着ブレーキパターンμが式６のときの粘着パターン変更による設計減速度（常用最大ブレーキ設定）を示す図である。図２に示すように、式６に示した期待粘着ブレーキパターンμは、現状の動力分散列車の粘着性能に適した値であるといえる。なお、速度１０［ｋｍ／ｈ］以下をフラットなパターンにしてもよい。
【００２８】次に、＜式６＞の場合の減速度・停止距離の算出を示す。電気ブレーキで負担するブレーキ力をＦｅ＿ｔ［Ｎ］、電気ブレーキで分担する減速度をβｅ［Ｋｍ／ｈ／ｓ］とする。いま、編成全体両数ｋ［両］、電動車数ｎ［両］、１両当たりの満車荷重を１７．０［ｔｏｎ／両］とし、簡単のために電動車質量（空車）Ｍ０［ｋｇ／両］、付随車質量（空車）Ｔ０「ｋｇ／両」、荷重載荷時の電動車質量ＭＬ［ｋｇ／両］とすると、編成全体の最大質量Ｍ’［ｋｇ］は、＜式７＞Ｍ’＝ｎ×（Ｍ０＋１７０００）＋（ｋ−ｎ）×（Ｔ０＋１７０００）
＝ｎ×Ｍ０＋（ｋ−ｎ）×Ｔ０＋１７０００×ｋとなる。
【００２９】このとき、列車編成としての並進系運動方程式は、＜式８＞（Ｍ’／３．６）×（ｄＶｔ／ｄｔ）＝ｎ×μ×ＭＬ×ｇとなる。
【００３０】また、動軸１軸当たりの慣性モーメントＪｗ［ｋｇｍ2］、車輪の回転角速度ωｗ［ｒａｄ／ｓ］、車輪半径ｒｗ［ｍ］、車輪への印加トルクτｗ［Ｎｍ］、車輪周引張力ｆｗ［Ｎ］とすると、動軸の回転系運動方程式は、＜式９＞Ｊｗ×（ｄωｗ／ｄｔ）＝τｗ−μ×（ＭＬ／４）×ｇ×ｒｗまたは、並進系に換算して、＜式１０＞Ｊｗ／ｒｗ2×（ｄＶｔ／ｄｔ）×（１／３．６）＝ｆｗ−μ×（ＭＬ／４）×ｇ但し、Ｊｗ／ｒｗ2は、慣性質量［ｋｇ］となる。
【００３１】上述の＜式７＞〜＜式１０＞より、μの項を消去すると、＜式１１＞｜βｅ｜＝ｄＶｔ／ｄｔ ＝３．６×（４×ｎ×ｆｗ）／（Ｍ’＋４×ｎ×Ｊｗ／ｒｗ2）
となり、編成全体としての減速度βｅが算出できる。
【００３２】次に，編成全体の印加電気ブレーキカＦｅ＿ｔ［Ｎ］は、＜式１２＞Ｆｅ＿ｔ＝４×ｎ×ｆｗ ＝（Ｍ’＋４×ｎ×Ｊｗ／ｒｗ2）×｜βｅ｜×３．６となり、電動車１軸当たりの期待粘着ブレーキパターン（粘着係数）μ（＝駆動伝達力／軸重比）は、＜式１３＞μ＝Ｍ’／（ｎ×ＭＬ）×｜βｅ｜／（３．６×ｇ）
となる。
【００３３】いま、＜式２＞の期待粘着ブレーキパターンμならば、この＜式２＞を＜式１３＞に代入して、＜式１４＞｜βｅ｜＝３．６×ｇ×ｎ×ＭＬ／Ｍ’×ｂ／（Ｖｔ＋ａ）
＝ｂ’／（Ｖｔ＋ａ）
但し、ｂ’＝３．６×ｇ×ｎ×ＭＬ／Ｍ’×ｂを得ることができる。
【００３４】このとき、速度Ｖｔは以下の微分方程式を満足する。
＜式１５＞｜βｅ｜＝―ｄＶｔ／ｄｔ＝ｂ’／（Ｖｔ＋ａ）
Ｖｔ×（Ｖｔ＋ａ）＝−ｂ’【００３５】ここで、＜式１５＞を時刻０［秒］―＞ｔ１［秒］まで定積分すると、＜式１６＞（１／２）×｛Ｖｔ（ｔ１）2―Ｖｔ（０）2｝＋ａ×｛Ｖｔ（ｔ１）−Ｖｔ（０）｝＝−ｂ’×ｔ１となり、＜式１６＞をＶｔの次数ごとに整理し、実数かつＶｔ（ｔ１）≧０の条件より、Ｖｔ（ｔ１）をｔ１の関数としてＶｔを求めると、＜式１７＞Ｖｔ（ｔ１）＝−ａ＋√｛ａ2＋Ｖｔ（０）2＋２×ａ×Ｖｔ（０）−２×ｂ’×ｔ１｝
となる。
【００３６】従って、Ｖｔ（０）―＞Ｖｔ（ｔ１）までの減速時間ｔ１［秒］は、＜式１８＞ｔ１＝｛Ｖｔ（０）−Ｖｔ（ｔ１）｝×｛２×ａ＋Ｖｔ（０）＋Ｖｔ（ｔ１）｝／（２×ｂ’）
走行距離ｌ［ｍ］は、＜式１７＞及び＜式１８＞より、＜式１９＞ｌ＝∫t10｛Ｖｔ（ｔ１）／３．６｝ｄｔ ＝｛Ｖｔ（０）2×｛３×ａ＋２×Ｖｔ（０）｝
―Ｖｔ（ｔ１）2×｛３×ａ＋２×Ｖｔ（ｔ１）｝｝
／（３．６×６×ｂ’）
となる。
【００３７】ここで、速度０までの時間ｔ０と距離ｌ０は、Ｖｔ（ｔ１）＝０を代入して、＜式２０＞ｔ０＝Ｖｔ（０）×｛２×ａ＋Ｖｔ（０）｝／（２×ｂ’）
ｌ（ｔ０）＝｛Ｖｔ（０）2×｛３×ａ＋２×Ｖｔ（０）｝／（３．６×６×ｂ’）｝
となる。
【００３８】編成全体としての平均減速度βａｖｒ［ｋｍ／ｈ／ｓ］は、＜式２１＞βａｖｒ＝Ｖｔ（０）／ｔ０＝２×ｂ’／｛２×ａ＋Ｖｔ（０）｝
であり、電動軸の平均期待粘着係数（平均期待粘着ブレーキパターン）μａｖｒは、＜式２２＞μａｖｒ＝βａｖｒ／（３．６×ｇ）
＝（２×ｂ×ｎ×ＭＬ／Ｍ’）／｛２×ａ＋Ｖｔ（０）｝
となる。
【００３９】次に、ブレーキ力（引張力）、編成パワー、及び運動エネルギーについて説明する。時刻ｔ１［秒］での印加力Ｆｅ＿ｔは、＜式１２＞及び＜式１４＞より、＜式２３＞Ｆｅ＿ｔ＝ｎ×ＭＬ×ｇ×（Ｍ’＋４×ｎ×Ｊｗ／ｒｗ2）／Ｍ’×ｂ ／（Ｖｔ（ｔ１）＋ａ）
＝ｎ×ＭＬ×ｇ×ｋｊ×ｂ ／√（ａ2＋Ｖｔ（０）2＋２×ａ×Ｖｔ（０）−２×ｂ’×ｔ１）
但し、慣性係数ｋｊは、ｋｊ＝（Ｍ’＋４×ｎ×Ｊｗ／ｒｗ2）／Ｍ’となる。
【００４０】ブレーキ初速における編成全体のブレーキ力は、＜式２４＞Ｆｅ＿ｔ（ｔ１＝０）＝ｎ×ＭＬ×ｇ×ｋｊ×ｂ／（Ｖｔ（０）＋ａ）
となる。
【００４１】時刻ｔ１［秒］後の編成パワーＰ［Ｗ］（車輪周基準）は、＜式２５＞Ｐ（ｔ１）＝Ｆｅ＿ｔ×Ｖｔ／３．６ ＝ｎ×ＭＬ×（ｇ／３．６）×ｋｊ×ｂ×Ｖｔ（ｔ１）
／（Ｖｔ（ｔ１）＋ａ）
＝ｎ×ＭＬ×（ｇ／３．６）×ｋｊ×ｂ ×｛１−ａ／√（ａ2＋Ｖｔ（０）2 ＋２×ａ×Ｖｔ（０）−２×ｂ’×ｔ１）｝
で表され、Ｖｔ（ｔ）≧０の範囲において、０≦ａ≦ｂなるいかなるａ、ｂの値を与えても、時刻ｔ１の増加に伴ってＰ［Ｗ］が単調減少することを示している。
【００４２】すなわち、いかなる反比例μパターン（期待粘着ブレーキパターン）を与えても、最高速度におけるμパターンの設定値で最大パワーが決定される。
【００４３】編成全体の最大パワーＰｍａｘ［Ｗ］は、＜式２６＞Ｐｍａｘ＝Ｐ（ｔ１＝０）
＝Ｆｅ＿ｔ（ｔ＝０）×Ｖｔ（０）／３．６ ＝ｎ×ＭＬ×（ｇ／３．６）×ｋｊ×ｂ×Ｖｔ（０）
／（Ｖｔ（０）＋ａ）
となる。
【００４４】ここで、時刻０［秒］−＞ｔ１［秒］までに編成全体で吸収すべき運動エネルギーＥ［Ｊ］は、＜式２７＞Ｅ＝∫t10｛Ｐｔ（ｔ）｝ｄｔ ＝ｎ×ＭＬ×（ｇ／３．６）×ｋｊ×ｂ ×∫t10｛１−ａ／√（ａ2＋Ｖｔ（０）2 ＋２×ａ×Ｖｔ（０）−２×ｂ’×ｔ１）｝
＝ｎ×ＭＬ×（ｇ／３．６）×ｋｊ×ｂ ×｛ｔ１＋ａ／ｂ’×√（ａ2＋Ｖｔ（０）2 ＋２×ａ×Ｖｔ（０）−２×ｂ’×ｔ１）
−ａ／ｂ’×（ａ＋Ｖｔ（０）｝
となる。
【００４５】次に、本発明の電気ブレーキシステムの電機容量計算を行う。以下においては、簡単のために電気機器の効率・損失等を無視することとする。
【００４６】いかなる反比例のμパターンを与えても、編成としての最大パワーが最高速度時になることは、＜式２５＞により明らかである。これはつまり、最高速度まで電気ブレーキのみで所要ブレーキ力を期待する以上は、主電動機群１４の制御特性上、定電力域から特性域への移行速度を最高速度に設定しなければならないことを意味する。
【００４７】これを通常の架線電圧に直接繋がったインバータで実現するならば、架線電圧で規定される主電動機への最大電圧と主電動機電流の積の定数倍がパワーであることから、大電流主電動機が必要になる。このとき、実際の車両に大電流主電動機を搭載することも考えられるが、そうすると現状の主電動機に対して大幅な設計変更を余儀なくされる上、電流値に見合った大電流インバータの設計も必要となる。
【００４８】これを回避するために、本発明の電機ブレーキシステムにおいては、主電動機群１４への印加電圧を任意に選定できる主回路として、ＰＡＭ制御方式主回路２０を採用し、このＰＡＭ方式により最大パワー時でも主電動機群１４の電流最大値を増加せさずに回生ブレーキ力増大を行うことができる。
【００４９】ここで、ＰＡＭ制御方式主回路２０は、現状の直流電車における架線１８に接触するパンタグラフ１１と主電動機群１４の間に設けられている。このＰＡＭ制御方式主回路２０としては、例えば、ＤＣ／ＤＣ双方向チョッパである電流可逆チョッパとＰＷＭインバータの組合せや４象限チョッパとＰＷＭインバータの組合せなどを適用することができる。
【００５０】これにより、ごく低速では一定電圧印加による非同期ＰＷＭ制御を行い、その後、１パルスモードで駆動しながら直流中間回路電圧を速度とともに上昇させ、最高速度で最高電圧を主電動機群１４に印加するように制御することができる。
【００５１】以上のように、本発明の電気ブレーキシステムによれば、高速域での総合ブレーキ力を下げて電気ブレーキの分担分を大きくし、低速域で電気ブレーキのかかる車軸のブレーキ力を増加させるような期待粘着ブレーキパターンμを適用することにより、常用最大ブレーキの要件である「最高速度から６００［ｍ］以内でＹ信号速度である５５［ｋｍ／ｈ］〜４５［ｋｍ／ｈ］まで減速すること」を満足することができる。これにより、常用最大ブレーキを電気ブレーキのみで賄うことができる。
【００５２】
【発明の効果】以上述べた通り、本発明の電気ブレーキシステムによれば、インバータに入力する直流電圧を制御する電圧制御回路をＰＡＭ制御方式主回路とし、「μ＝ｂ／（Ｖｔ＋ａ）」で示される期待粘着ブレーキパターンμでその出力電圧を制御するため、電機品容量の増加を抑え、摩擦ブレーキを使用することなく電気ブレーキのみで車両を減速及び停止させることができるようになった。
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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１２日（２００１．６．１２） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１００１００４１３
【弁理士】
【氏名又は名称】渡部 温 （外２名）
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| 【公開番号】 |
特開２００２−３６９３１０（Ｐ２００２−３６９３１０Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１４年１２月２０日（２００２．１２．２０） |
| 【出願番号】 |
特願２００１−１７７１５７（Ｐ２００１−１７７１５７） |
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