JP4500217B2

JP4500217B2 - 回路装置

Info

Publication number: JP4500217B2
Application number: JP2005165007A
Authority: JP
Inventors: 正道小笠; 義晃田口; 恵一上園; 真範丸山
Original assignee: Railway Technical Research Institute; Toyo Electric Manufacturing Ltd
Current assignee: Railway Technical Research Institute; Toyo Electric Manufacturing Ltd
Priority date: 2005-06-06
Filing date: 2005-06-06
Publication date: 2010-07-14
Anticipated expiration: 2025-06-06
Also published as: JP2006340561A

Description

本発明は、蓄電装置と集電装置を搭載した電気車の回路装置に関する。特には、蓄電装置を搭載し、回生エネルギを架線に返せない場合にもエネルギを捨てることなく蓄積し再び力行するときに使用することにより、省エネルギで且つ架線の無い区間においても走行することができる電気車の回路装置に関する。

一般に、集電装置を搭載した電気車は、回生ブレーキを使用することにより、力行で使用したエネルギを再利用できるため、省エネルギである。しかし、電気車の回生ブレーキは、近傍にエネルギを消費する他の電気車が在線することが前提であり、回生したエネルギが消費されない場合は回生絞込や回生失効が発生して機械ブレーキが動作し、ブレーキシューなどが消耗する。この回生絞込や回生失効を低減するため、抵抗器により回生エネルギを消費させる装置が実用に供されている。

図７は、従来の電気車の主回路図である。図７の電気車の主回路は、電気車の電源を供給する集電装置２５０と、車輪２５７と、フィルタリアクトル２５１と、フィルタコンデンサ２５１と、電流と電圧を制御するインバータ２５３と、車輪２５７を駆動するモータ２５４と、回生エネルギを消費させるための抵抗器２５６と、回生時に抵抗器２５６に接続するスイッチング素子２５５と、を備えている。

図７に示した電気車の主回路によれば、抵抗器２５６により回生エネルギを消費することにより、原理的に回生絞込や回生失効が発生しないため、電気車の主回路として実用上十分に機能することができた。

また、特許公開平８−１９６００１公報の電気車制御措置においては、インバータ回路の入力側は、遮断器とリアクトルおよび第１の電流検出器が直列にされてパンタグラフと大地とへ接続され、チョッパ回路とブレーキ抵抗器との直列回路と、コンデンサおよび電圧検出器が並列に接続される。インバータ回路の出力側には、三相のうち少なくとも二相に第２の電流検出器を挿入した上で、電気車駆動用誘導電動機が接続される。電気ブレーキ時にコンデンサの電圧が上昇した場合はチョッパ回路により抵抗器の電流を加減する制御を行い、各検出器およびインバータ回路からの信号から演算して、抵抗器での電力損失が所定値を越えた場合に保護回路によりチョッパ回路を停止する。これにより、発電ブレーキ回路を有する誘導電動機駆動の直流電気車の制御装置において、ブレーキ抵抗器の小形軽量化と過熱防止及び電気ブレーキの頻度を高めることによる空気ブレーキシューの磨耗防止ができる。
特許公開平８−１９６００１公報

しかしながら、図７に示した電気車の主回路においては、エネルギを消費する負荷が他に無い場合、回生エネルギを抵抗器で消費してしまうため、回生エネルギを有効に利用できないという問題があった。

また、特許公開平８−１９６００１公報の電気車制御措置においても、同様に回生エネルギを有効に利用できないという問題があった。

従って、本発明の目的は、回生エネルギを常に有効に使用するため、回生ブレーキ使用時、他に負荷が無く架線電圧が上昇した場合には回生できないエネルギを、車上に搭載した蓄電装置に蓄積し、次回力行するときに使用可能とすることができる回路装置を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明の回路装置は、電気車の動力電源を供給するための集電装置、フィルタリアクトル、フィルタコンデンサ、インバータ、及び、モータを含む主回路と、集電装置とフィルタリアクトルとの間に直列に接続され、集電装置の電流値を集電装置点電流値として検出する電流検出器と、電気車の力行時には主回路に電力を供給し、回生時には電力を蓄える蓄電装置と、主回路と蓄電装置との間に接続され、主回路から蓄電装置への電源供給又は蓄電装置から主回路への電源供給を制御するチョッバ装置主回路と、蓄電装置の電圧を蓄電装置電圧値として検出する電圧検出器と、電圧検出器で検出された蓄電装置電圧値を入力し、当該蓄電装置電圧値が調整充電開始電圧値より低いときに調整充電指令を発生して調整充電電流値を選択し、当該蓄電装置電圧値が調整放電開始電圧値より高いときに調整放電指令を発生して調整放電電流値を選択し、調整充電電流値及び調整放電電流値の何れも選択しないときにはゼロを選択し、選択した値に基づいて生成した蓄電装置調整電流指令値を出力する調整充放電制御手段と、電流検出器で検出された集電装置点電流値及び調整充放電制御手段から出力された蓄電装置調整電流指令値を入力し、当該集電装置点電流値及び蓄電装置調整電流指令値に基づいて生成した蓄電装置充電電流指令値を出力する充電制御手段と、電流検出器で検出された集電装置点電流値及び調整充放電制御手段から出力された蓄電装置調整電流指令値を入力し、当該集電装置点電流値及び蓄電装置調整電流指令値に基づいて生成した蓄電装置放電電流指令値を出力する放電制御手段と、充電制御手段から出力された蓄電装置充電電流指令値と放電制御手段から出力された蓄電装置放電電流指令とを加算した値である蓄電装置電流指令値を入力し、当該蓄電装置電流指令値に基づいて生成した通流率を出力する蓄電装置電流制御手段と、蓄電装置電流制御手段から出力された通流率を入力し、当該通流率に基づいて、チョッパ装置主回路において電源供給の制御を行うための信号を生成し、該信号をチョッパ装置主回路に出力するＰＷＭ変調手段とを備える。

ここで、チョッバ装置主回路は、主回路側に接続されたフィルタリアクトルと、フィルタリアクトルに接続されたフィルタコンデンサと、フィルタコンデンサに並列に接続され、フィルタコンデンサの電圧値をフィルタコンデンサ電圧値として検出する電圧検出器と、電気車の回生時にオンとなる第１スイッチング素子と、電気車の力行時にオンとなる第２スイッチング素子と、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子との接続点と、蓄電装置の正極側との間に接続されたスムージングリアクトルと、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子との接続点と、スムージングリアクトルとの間に接続され、蓄電装置への又は蓄電装置からの蓄電装置電流値を検出する電流検出器とを備えることができる。

また、調整充放電制御手段は、電圧検出器で検出された蓄電装置電圧値を入力し、当該蓄電装置電圧値が調整充電開始電圧値より低いときに調整充電指令を発生して調整充電電流値を選択し、当該蓄電装置電圧値が調整放電開始電圧値より高いときに調整放電指令を発生して調整放電電流値を選択し、調整充電電流値及び調整放電電流値の何れも選択しないときにはゼロを選択し、選択した値に１／２を乗算して蓄電装置調整電流指令値として出力することができる。

また、充電制御手段は、電流検出器で検出された集電装置点電流値から充電動作不感帯設定値を減算する第１の手段と、第１の手段によって得られた値が入力される第１増幅器と、第１の手段によって得られた値が入力される第１積分器と、第１積分器の出力値を所定の充電制御上限電圧値及び所定の充電制御下限電圧値で制限して生成した値を、第１増幅器の出力値に加算し、該加算して得られた値を所定の充電制御上限電圧値及び所定の充電制御下限電圧値で制限して充電時ＦＣ電圧指令値を生成し、チョッパ装置主回路の電圧検出器で検出されたフィルタコンデンサ電圧値から充電時ＦＣ電圧指令値を減算する第２の手段と、第２の手段によって得られた値が入力される第２増幅器と、第２の手段によって得られた値が入力される第２積分器とを備え、第２積分器の出力値を所定の充電電流リミッタ値及び調整充放電制御手段から出力された蓄電装置調整電流指令値で制限して生成した値を、第２増幅器の出力値に加算し、該加算して得られた値を所定の充電電流リミッタ値及び蓄電装置調整電流指令値で制限して得られる蓄電装置充電電流指令値を出力することができる。

さらに、放電制御手段は、電流検出器で検出された集電装置点電流値から放電動作不感帯設定値を減算する第３の手段と、第３の手段によって得られた値が入力される第３増幅器と、第３の手段によって得られた値が入力される第３積分器と、第３積分器の出力値を所定の放電制御上限電圧値及び所定の放電制御下限電圧値で制限して生成した値を、第３増幅器の出力値に加算し、該加算して得られた値を所定の放電制御上限電圧値及び所定の放電制御下限電圧値で制限して放電時ＦＣ電圧指令値を生成し、チョッパ装置主回路の電圧検出器で検出されたフィルタコンデンサ電圧値から放電時ＦＣ電圧指令値を減算する第４の手段と、第４の手段によって得られた値が入力される第４増幅器と、第４の手段によって得られた値が入力される第４積分器とを備え、第４積分器の出力値を所定の放電電流リミッタ値及び調整充放電制御手段から出力された蓄電装置調整電流指令値で制限して生成した値を、第４増幅器の出力値に加算し、該加算して得られた値を所定の放電電流リミッタ値及び蓄電装置調整電流指令値で制限して得られる蓄電装置放電電流指令値を出力することができる。

また、本発明の回路装置は、充電制御手段及び放電制御手段と蓄電装置電流制御手段との間に、充電制御手段から出力された蓄電装置充電電流指令値と放電制御手段から出力された蓄電装置放電電流指令値とを加算して蓄電装置電流指令値を生成し、当該蓄電装置電流指令値から、チョッパ装置主回路の電流検出器で検出された蓄電装置電流値を減算する第５の手段をさらに備え、蓄電装置電流制御手段は、第５の手段によって得られた値が入力される第５増幅器と、第５の手段によって得られた値が入力される第５積分器とを備え、第５積分器の出力値を所定の蓄電装置上限電圧値及び所定の蓄電装置下限電圧値で制限して生成した値を、第５増幅器の出力値に加算し、該加算して得られた値を所定の蓄電装置上限電圧値及び所定の蓄電装置下限電圧値で制限して蓄電装置電圧指令値を生成し、チョッパ装置主回路の電圧検出器で検出されたフィルタコンデンサ電圧値の逆数と蓄電装置電圧指令値とを乗算して通流率を生成し出力することができる。

ＰＷＭ変調手段は、蓄電装置電流制御手段から出力された通流率をキャリアと比較してＰＷＭ変調を行い、ＰＷＭ変調によって得られた値をオンタイムディレイしてチョッパ装置主回路の第１スイッチング素子を点弧する上アーム点弧信号を生成し、該上アーム点弧信号をチョッパ装置主回路の第１スイッチング素子に出力し、ＰＷＭ変調によって得られた値の反転値をオンタイムディレイしてチョッパ装置主回路の第２スイッチング素子を点弧する下アーム点弧信号を生成し、該下アーム点弧信号をチョッパ装置主回路の第２スイッチング素子に出力することができる。

本発明の電気車の回路装置によれば、蓄電装置を搭載し、回生エネルギを架線に返せない場合にもエネルギを捨てることなく蓄積でき、再び力行するときに使用できるため、省エネルギであり、且つ架線の無い区間においても走行することができる。

以下、図面を参照して本発明の回路装置の実施の形態を説明する。以下においては、主に鉄道車両の電気車における回路装置を具体的な一例として説明する。

図１は、本発明の回路装置の一例を示す図である。この回路装置は、電気車の動力電源を供給するための集電装置５０、フィルタリアクトル５１、フィルタコンデンサ５２、電圧と電流を制御するインバータ５３、グランドレベルの電圧の車輪５５および車輪５５を駆動するモータ５４からなる主回路２００と、主回路２００の集電装置５０とフィルタリアクトル５１との間に直列に接続され、集電装置５０の電流値を集電装置点電流値Ｉｏとして検出する電流検出器１１と、電気車の力行時には主回路２００に電力を供給し、回生時には電力を蓄える蓄電装置６５と、主回路２００と蓄電装置６５の間に並列に接続され、主回路２００から蓄電装置６５への電源供給または主回路２００への蓄電装置６５からの電源供給を制御するチョッバ装置主回路１０６と、蓄電装置６５の電圧を蓄電装置電圧値ＶＢとして検出する電圧検出器１４と、電圧検出器１４で検出した蓄電装置電圧値ＶＢを入力とし、当該蓄電装置電圧値ＶＢに基づいて算出した蓄電装置調整電流指令値Ｉａを出力する調整充放電制御部１０３と、電流検出器１１で検出された集電装置点電流値Ｉｏをオフセット制御して入力とし、当該集電装置点電流値Ｉｏに基づいて算出した蓄電装置充電電流指令値Ｉｃを出力する充電制御部１０１と、電流検出器１１で検出された集電装置点電流値Ｉｏをオフセット制御して入力とし、当該集電装置点電流値Ｉｏに基づいて算出した蓄電装置放電電流指令値Ｉｐを出力する放電制御部１０２と、充電制御部１０１から出力された蓄電装置充電電流指令値Ｉｃと放電制御部１０２から出力された蓄電装置放電電流指令Ｉｐとを加算した値である蓄電装置電流指令値Ｉを入力とし、当該蓄電装置電流指令値Ｉに基づいて算出した通流率αを出力する蓄電装置電流制御部１０４と、蓄電装置電流制御部１０４から出力された通流率αを入力とし、当該通流率αに基づいて、チョッパ装置主回路１０６の蓄電装置６５に対する電源供給の制御を行うための信号（上アーム点弧信号ＰＨ，下アーム点弧信号ＰＬ）を生成し、該信号ＰＨ，ＰＬをチョッパ装置主回路１０６へ出力するＰＷＭ変調部１０５と、を備える。

ここで、チョッパ装置制御回路１００は、チョッパ装置主回路１０６を制御するために、充電制御部１０１と、放電制御部１０２と、調整充放電制御部１０３と、蓄電装置電流制御部１０４と、ＰＷＭ変調部１０５と、を備える。

図２は、チョッバ装置主回路１０６を示す図である。図２において、チョッバ装置主回路１０６は、主回路２００側に接続されたフィルタリアクトル６０と、フィルタリアクトル６０に接続されたフィルタコンデンサ６１と、フィルタリアクトル６０とフィルタコンデンサ６１との間に接続され、フィルタコンデンサ６１の電圧値をフィルタコンデンサ電圧値Ｖｆｃとして検出する電圧検出器１２と、ＰＷＭ変調部１０５からの上アーム点弧信号ＰＨに応じて電気車の回生時にＯＮとなる第１スイッチング素子（上アーム）６２と、ＰＷＭ変調部１０５からの下アーム点弧信号ＰＬに応じて電気車の力行時にＯＮとなる第２スイッチング素子（下アーム）６３と、第１スイッチング素子６２と第２スイッチング素子６３の間と、蓄電装置６５の正極側との間に接続されたスムージングリアクトル６４と、第１スイッチング素子６２と第２スイッチング素子６３の間と、スムージングリアクトル６４との間に接続され、蓄電装置６５へのまたはからの蓄電装置電流値ＩＢを検出する電流検出器１３と、を備える。

図３は、調整充放電制御部１０３を示す図である。図３において、調整充放電制御部１０３は、電圧検出器１４で検出した蓄電装置電圧値ＶＢを入力とし、該蓄電装置電圧値ＶＢが調整充電開始電圧値より低いとき調整充電指令を発生して調整充電電流値を選択し、該蓄電装置電圧値ＶＢが調整放電開始電圧値より高いとき調整放電指令を発生して調整放電電流値を選択し、調整充電電流値および調整放電電流値の何れも選択しないときには０［Ａ］を選択し、選択した値に１／２を乗算して蓄電装置調整電流指令値Ｉａとして出力する。

図４は、充電制御部１０１を示す図である。図４において、充電制御部１０１は、電流検出器１１で検出した集電装置点電流値Ｉｏを入力とし、該集電装置点電流値Ｉｏから充電動作不感帯設定値を減算した値が入力される増幅器（第１増幅器）１と、増幅器１と同じ値が入力される積分器（第１積分器）２と、積分器１の出力値を所定の充電制御上限電圧値および所定の充電制御下限電圧値で制限して生成した値を、増幅器１の出力値に加算し、該加算して得た値を所定の充電制御上限電圧値および所定の充電制御下限電圧値で制限して充電時ＦＣ電圧指令値を生成し、チョッパ装置主回路１０６の電圧検出器１２で検出されたフィルタコンデンサ電圧値Ｖｆｃから充電時ＦＣ電圧指令値を減算し、該減算して得た値が入力される増幅器（第２増幅器）５と、増幅器５と同じ値が入力される積分器（第２積分器）６と、を備えている。

ここで、充電制御部１０１は、積分器６の出力値を所定の充電電流リミッタＩｃｌｉｍｉｔおよび調整充放電制御部１０３からの蓄電装置調整電流指令値Ｉａで制限して生成した値を、増幅器５の出力値に加算し、該加算して得た値を所定の充電電流リミッタＩｃｌｉｍｉｔおよび蓄電装置調整電流指令値Ｉａで制限して得る蓄電装置充電電流指令値Ｉｃを出力する。

図５は、放電制御部１０２を示す図である。図５において、放電制御部１０２は、電流検出器１１で検出した集電装置点電流値Ｉｏを入力とし、該集電装置点電流値Ｉｏから放電動作不感帯設定値を減算した値が入力される増幅器（第１増幅器）３と、増幅器３と同じ値が入力される積分器（第１積分器）４と、積分器４の出力値を所定の放電制御上限電圧値および所定の放電制御下限電圧値で制限して生成した値を、増幅器３の出力値に加算し、該加算して得た値を所定の放電制御上限電圧値および所定の放電制御下限電圧値で制限して放電時ＦＣ電圧指令値を生成し、チョッパ装置主回路１０６の電圧検出器１２で検出されたフィルタコンデンサ電圧値Ｖｆｃから放電時ＦＣ電圧指令値を減算し、該減算して得た値が入力される増幅器（第２増幅器）７と、増幅器７と同じ値が入力される積分器（第２積分器）８と、を備え、積分器８の出力値を所定の放電電流リミッタＩｐｌｉｍｉｔおよび調整充放電制御部１０３からの蓄電装置調整電流指令値Ｉａで制限して生成した値を、第２増幅器の出力値に加算し、該加算して得た値を所定の放電電流リミッタＩｐｌｉｍｉｔおよび蓄電装置調整電流指令値Ｉａで制限して得る蓄電装置放電電流指令値Ｉｐを出力する、ことができる。

また、図１において、充電制御部１０１と蓄電装置電流制御部１０４の間で、充電制御部１０１からの蓄電装置充電電流指令値Ｉｃと放電制御部１０２からの蓄電装置放電電流指令値Ｉｐを加算して蓄電装置電流指令値Ｉを算出し、該蓄電装置電流指令値Ｉからチョッパ装置主回路１０６の電流検出器１３で検出された蓄電装置電流値ＩＢを減算し、該減算して得られた値を蓄電装置電流制御部１０４に入力する。

図６は、蓄電装置電流制御部１０４およびＰＷＭ変調部１０５を示す図である。図６において、蓄電装置電流制御部１０４は、蓄電装置電流指令値Ｉから蓄電装置電流値ＩＢを減算して得られた値が入力される増幅器９と、増幅器９と同じ値が入力される積分器１０と、を備えている。

ここで、積分器１０の出力値を所定の蓄電装置上限電圧値および所定の蓄電装置下限電圧値で制限して生成した値を、増幅器９の出力値に加算し、該加算して得た値を所定の蓄電装置上限電圧値および所定の蓄電装置下限電圧値で制限して蓄電装置電圧指令値を生成する。この増幅器９、積分器１０および所定の蓄電装置上限電圧値と所定の蓄電装置下限電圧値での制限による蓄電装置電圧指令値の生成部分がＰＩ補償器となる。そして、チョッパ装置主回路１０６の電圧検出器１２で検出されたフィルタコンデンサ電圧値Ｖｆｃの逆数と蓄電装置電圧指令値を乗算して通流率α（α＝蓄電装置電圧指令値／Ｖｆｃ）を生成し出力する。

ＰＷＭ変調部１０５は、蓄電装置電流制御部１０４からの通流率αとキャリアと比較してＰＷＭ変調をし、ＰＷＭ変調をした値をオンタイムディレイ（ＯＮＴＤ）してチョッパ装置主回路１０６の第１スイッチング素子６２を点弧する上アーム点弧信号ＰＨを生成し、該上アーム点弧信号ＰＨをチョッパ装置主回路１０６の第１スイッチング素子６２に出力し、ＰＷＭ変調をした値の反転値をオンタイムディレイ（ＯＮＴＤ）してチョッパ装置主回路１０６の第２スイッチング素子６３を点弧する下アーム点弧信号ＰＬを生成し、該下アーム点弧信号ＰＬをチョッパ装置主回路１０６の第２スイッチング素子６３に出力する。

以下、図１〜６を参照して、本発明の回路装置の動作について説明する。ここで、電流の向きは、架線（集電装置５０）からエネルギの供給を受ける方向を正としている。

電気車が走行中に回生ブレーキを使用すると、モータ５４で発電された電気エネルギが集電装置５０を通じて架線（図示せず）へ送られる。このとき、離線したり、近傍に負荷となる車両がいない場合は架線ヘエネルギを送れなくなるため、結果としてフィルタコンデンサ６１の電圧が上昇する。放電制御部１０２では、放電時ＦＣ電圧指令値が放電制御上限電圧値で制限されるため、増幅器７および積分器８に入力される値は正となり、蓄電装置放電電流指令値Ｉｐは０となる。

また、充電制御部１０１では、フィルタコンデンサ６１の電圧が充電時ＦＣ電圧指令値より大きくなったとき、増幅器５および積分器６に正の値が入力され、蓄電装置充電電流指令値Ｉｃが充電を意味する正の値を示す。

充電制御部１０１と蓄電装置電流制御部１０４の間で、蓄電装置充電電流指令値Ｉｃと蓄電装置放電電流指令値Ｉｐが加算されて蓄電装置電流指令値Ｉとなり、この蓄電装置電流指令値Ｉから蓄電装置電流値ＩＢを減算した値（Ｉ−ＩＢ）が蓄電装置電流制御部１０４のＰＩ補償器の増幅器９および積分器１０に入力される。ＰＩ補償器から出力される蓄電装置電圧指令値が実際の蓄電電圧ＶＢよりも大きくなるように、すなわち、蓄電装置６５の蓄電電流ＩＢが正になるように自動調整され、蓄電装置６５へ充電される。ここで、蓄電電流ＩＢが蓄電装置電流指令値Ｉに追随するようにＰＩ補償器によってフィードバック制御され、これにより、流通率αが変化し、第１スイッチング素子６２（上アーム）の点弧時間が増減することで、蓄電装置６５への平均印加電圧が調整される。このとき、第２スイッチング素子６３（下アーム）は点弧しない。

車両が減速して回生エネルギが小さくなった場合、或いは近傍でエネルギを消費する負荷が発生した場合はフィルタコンデンサ６１の電圧（フィルタコンデンサ電圧値Ｖｆｃ）が下がる。このフィルタコンデンサ電圧値Ｖｆｃが充電時ＦＣ電圧指令値を下回ると、増幅器５および積分器６に入力される値は負となり、蓄電装置充電電流指令値Ｉｃは０となる。なお、力行時にも何らかの理由でフィルタコンデンサ６１の電圧が上昇する可能性があるが、力行時は集電装置点電流値Ｉｏが正であるので、充電時ＦＣ電圧指令値は充電制御上限電圧値となり、これ以上の電圧にならなければ充電動作を行わない。

一方、電気車が力行すると、架線から集電装置５０を通じてエネルギが供給される。このとき、離線したり、近傍に力行中の車両が存在した場合は架線からエネルギが供給できなくなり、結果としてフィルタコンデンサ６１の電圧が降下する。充電制御部１０１では、充電時ＦＣ電圧指令値が充電制御下限電圧値で制限されるため、増幅器５および積分器６に入力される値は負となり、蓄電装置充電電流指令値Ｉｃは０となる。

また、放電制御部１０２では、フィルタコンデンサ６１の電圧が放電時ＦＣ電圧指令値より小さくなったとき、増幅器７および積分器８に負の値が入力され、蓄電装置放電電流指令値Ｉｐが放電を意味する負の値を示す。

充電制御部１０１と蓄電装置電流制御部１０４の間で、蓄電装置充電電流指令値Ｉｃと蓄電装置放電電流指令値Ｉｐが加算されて蓄電装置電流指令値Ｉとなり、この蓄電装置電流指令値Ｉから蓄電装置電流値ＩＢを減算した値（Ｉ−ＩＢ）が蓄電装置電流制御部１０４のＰＩ補償器の増幅器９および積分器１０に入力される。ＰＩ補償器から出力される蓄電装置電圧指令値が実際の蓄電電圧ＶＢよりも小さくなるように、すなわち、蓄電装置６５の蓄電電流ＩＢが負になるように自動調整され、蓄電装置６５から放電される。ここで、蓄電電流ＩＢが蓄電装置電流指令値Ｉに追随するようにＰＩ補償器によってフィードバック制御され、これにより、流通率αが変化し、第２スイッチング素子６３（下アーム）の点弧時間が増減することで、蓄電装置６５からの平均放電電圧が調整される。このとき、第１スイッチング素子６２（上アーム）は点弧しない。

車両が十分加速して使用する電力が小さくなった場合、或いは近傍でエネルギを消費する負荷がいなくなった場合は、フィルタコンデンサ６１の電圧（フィルタコンデンサ電圧値Ｖｆｃ）が上がる。このフィルタコンデンサ電圧値Ｖｆｃが放電時ＦＣ電圧指令値を上回ると、増幅器７および積分器８に入力される値は正となり、蓄電装置放電電流指令値Ｉｐは０となる。なお、回生時にも何らかの理由でフィルタコンデンサ６１の電圧が下降する可能性があるが、回生時は集電装置点電流値Ｉｏが負であるので、放電時ＦＣ電圧指令値は放電制御下限電圧値となり、これ以下の電圧にならなければ放電動作を行わない。

電気車が力行および回生を繰り返し、蓄電装置６５の電圧が設定した範囲を逸脱した場合は、調整充放電制御部１０３において、調整充電指令および調整放電指令により蓄電装置放電電流指令値Ｉａが決定され、調整充放電が行われる。

本発明の回路装置による電気車の制御により、離線時にも力行回生ができ、さらには架線が無い区間への乗り入れにも、なんらの切り替え作業も無く、架線がある区間と同様の走行が可能であるため、何らかの理由で架線を設けられない区間を有する路線にも適用できる。

本発明の回路装置の一例を示す図である。チョッバ装置主回路１０６を示す図である。調整充放電制御部１０３を示す図である。充電制御部１０１を示す図である。放電制御部１０２を示す図である。蓄電装置電流制御部１０４およびＰＷＭ変調部１０５を示す図である。従来の電気車の主回路図である。

符号の説明

１，３，５，７，９増幅器
２，４，６，８，１０積分器
１１，１３電流検出器
１２，１４電圧検出器
５０，２５０集電装置
５１，６０，２５１フィルタリアクトル
５２，６１，２５２フィルタコンデンサ
５３，２５３インバータ
５４，２５４モータ
５５，２５７車輪
６２第１スイッチング素子
６３第２スイッチング素子
６４スムージングリアクトル
６５蓄電装置
１００チョッパ装置制御回路
１０１充電制御部
１０２放電制御部
１０３調整充放電制御部
１０４蓄電装置電流制御部
１０５ＰＷＭ変調部
１０６チョッパ装置主回路
２００主回路
２５５スイッチング素子
２５６抵抗器

Claims

電気車の動力電源を供給するための集電装置、フィルタリアクトル、フィルタコンデンサ、インバータ、及び、モータを含む主回路と、
前記集電装置と前記フィルタリアクトルとの間に直列に接続され、前記集電装置の電流値を集電装置点電流値として検出する電流検出器と、
電気車の力行時には前記主回路に電力を供給し、回生時には電力を蓄える蓄電装置と、
前記主回路と前記蓄電装置との間に接続され、前記主回路から前記蓄電装置への電源供給又は前記蓄電装置から前記主回路への電源供給を制御するチョッバ装置主回路と、
前記蓄電装置の電圧を蓄電装置電圧値として検出する電圧検出器と、
前記電圧検出器で検出された蓄電装置電圧値を入力し、当該蓄電装置電圧値が調整充電開始電圧値より低いときに調整充電指令を発生して調整充電電流値を選択し、当該蓄電装置電圧値が調整放電開始電圧値より高いときに調整放電指令を発生して調整放電電流値を選択し、前記調整充電電流値及び前記調整放電電流値の何れも選択しないときにはゼロを選択し、選択した値に基づいて生成した蓄電装置調整電流指令値を出力する調整充放電制御手段と、
前記電流検出器で検出された集電装置点電流値及び前記調整充放電制御手段から出力された蓄電装置調整電流指令値を入力し、当該集電装置点電流値及び蓄電装置調整電流指令値に基づいて生成した蓄電装置充電電流指令値を出力する充電制御手段と、
前記電流検出器で検出された集電装置点電流値及び前記調整充放電制御手段から出力された蓄電装置調整電流指令値を入力し、当該集電装置点電流値及び蓄電装置調整電流指令値に基づいて生成した蓄電装置放電電流指令値を出力する放電制御手段と、
前記充電制御手段から出力された蓄電装置充電電流指令値と前記放電制御手段から出力された蓄電装置放電電流指令とを加算した値である蓄電装置電流指令値を入力し、当該蓄電装置電流指令値に基づいて生成した通流率を出力する蓄電装置電流制御手段と、
前記蓄電装置電流制御手段から出力された通流率を入力し、当該通流率に基づいて、前記チョッパ装置主回路において電源供給の制御を行うための信号を生成し、該信号を前記チョッパ装置主回路に出力するＰＷＭ変調手段と、
を備える電気車の回路装置。
前記チョッバ装置主回路は、
前記主回路側に接続されたフィルタリアクトルと、
前記フィルタリアクトルに接続されたフィルタコンデンサと、
前記フィルタコンデンサに並列に接続され、前記フィルタコンデンサの電圧値をフィルタコンデンサ電圧値として検出する電圧検出器と、
電気車の回生時にオンとなる第１スイッチング素子と、
電気車の力行時にオンとなる第２スイッチング素子と、
前記第１スイッチング素子と第２スイッチング素子との接続点と、前記蓄電装置の正極側との間に接続されたスムージングリアクトルと、
前記第１スイッチング素子と第２スイッチング素子との接続点と、前記スムージングリアクトルとの間に接続され、前記蓄電装置への又は前記蓄電装置からの蓄電装置電流値を検出する電流検出器と、
を備える、請求項１記載の回路装置。
前記調整充放電制御手段は、前記電圧検出器で検出された蓄電装置電圧値を入力し、当該蓄電装置電圧値が調整充電開始電圧値より低いときに調整充電指令を発生して調整充電電流値を選択し、当該蓄電装置電圧値が調整放電開始電圧値より高いときに調整放電指令を発生して調整放電電流値を選択し、前記調整充電電流値及び前記調整放電電流値の何れも選択しないときにはゼロを選択し、選択した値に１／２を乗算して蓄電装置調整電流指令値として出力する、請求項１又は２記載の回路装置。
前記充電制御手段は、
前記電流検出器で検出された集電装置点電流値から充電動作不感帯設定値を減算する第１の手段と、
前記第１の手段によって得られた値が入力される第１増幅器と、
前記第１の手段によって得られた値が入力される第１積分器と、
前記第１積分器の出力値を所定の充電制御上限電圧値及び所定の充電制御下限電圧値で制限して生成した値を、前記第１増幅器の出力値に加算し、該加算して得られた値を前記所定の充電制御上限電圧値及び前記所定の充電制御下限電圧値で制限して充電時ＦＣ電圧指令値を生成し、前記チョッパ装置主回路の前記電圧検出器で検出されたフィルタコンデンサ電圧値から前記充電時ＦＣ電圧指令値を減算する第２の手段と、
前記第２の手段によって得られた値が入力される第２増幅器と、
前記第２の手段によって得られた値が入力される第２積分器と、
を備え、前記第２積分器の出力値を所定の充電電流リミッタ値及び前記調整充放電制御手段から出力された蓄電装置調整電流指令値で制限して生成した値を、前記第２増幅器の出力値に加算し、該加算して得られた値を前記所定の充電電流リミッタ値及び前記蓄電装置調整電流指令値で制限して得られる蓄電装置充電電流指令値を出力する、請求項１〜３のいずれか１項記載の回路装置。
前記放電制御手段は、
前記電流検出器で検出された集電装置点電流値から放電動作不感帯設定値を減算する第３の手段と、
前記第３の手段によって得られた値が入力される第３増幅器と、
前記第３の手段によって得られた値が入力される第３積分器と、
前記第３積分器の出力値を所定の放電制御上限電圧値及び所定の放電制御下限電圧値で制限して生成した値を、前記第３増幅器の出力値に加算し、該加算して得られた値を前記所定の放電制御上限電圧値及び前記所定の放電制御下限電圧値で制限して放電時ＦＣ電圧指令値を生成し、前記チョッパ装置主回路の前記電圧検出器で検出されたフィルタコンデンサ電圧値から前記放電時ＦＣ電圧指令値を減算する第４の手段と、
前記第４の手段によって得られた値が入力される第４増幅器と、
前記第４の手段によって得られた値が入力される第４積分器と、
を備え、前記第４積分器の出力値を所定の放電電流リミッタ値及び前記調整充放電制御手段から出力された蓄電装置調整電流指令値で制限して生成した値を、前記第４増幅器の出力値に加算し、該加算して得られた値を前記所定の放電電流リミッタ値及び前記蓄電装置調整電流指令値で制限して得られる蓄電装置放電電流指令値を出力する、請求項１〜４のいずれか１項記載の回路装置。
前記充電制御手段及び前記放電制御手段と前記蓄電装置電流制御手段との間に、前記充電制御手段から出力された蓄電装置充電電流指令値と前記放電制御手段から出力された蓄電装置放電電流指令値とを加算して蓄電装置電流指令値を生成し、当該蓄電装置電流指令値から、前記チョッパ装置主回路の前記電流検出器で検出された蓄電装置電流値を減算する第５の手段をさらに備え、
前記蓄電装置電流制御手段は、
前記第５の手段によって得られた値が入力される第５増幅器と、
前記第５の手段によって得られた値が入力される第５積分器と、
を備え、前記第５積分器の出力値を所定の蓄電装置上限電圧値及び所定の蓄電装置下限電圧値で制限して生成した値を、前記第５増幅器の出力値に加算し、該加算して得られた値を前記所定の蓄電装置上限電圧値及び前記所定の蓄電装置下限電圧値で制限して蓄電装置電圧指令値を生成し、前記チョッパ装置主回路の前記電圧検出器で検出されたフィルタコンデンサ電圧値の逆数と前記蓄電装置電圧指令値とを乗算して通流率を生成し出力する、請求項５記載の回路装置。
前記ＰＷＭ変調手段は、前記蓄電装置電流制御手段から出力された通流率をキャリアと比較してＰＷＭ変調を行い、前記ＰＷＭ変調によって得られた値をオンタイムディレイして前記チョッパ装置主回路の前記第１スイッチング素子を点弧する上アーム点弧信号を生成し、該上アーム点弧信号を前記チョッパ装置主回路の前記第１スイッチング素子に出力し、前記ＰＷＭ変調によって得られた値の反転値をオンタイムディレイして前記チョッパ装置主回路の前記第２スイッチング素子を点弧する下アーム点弧信号を生成し、該下アーム点弧信号を前記チョッパ装置主回路の前記第２スイッチング素子に出力する、請求項１〜６のいずれか１項記載の回路装置。