JP6140085B2

JP6140085B2 - 車両用制御システム

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Publication number: JP6140085B2
Application number: JP2014014960A
Authority: JP
Inventors: 浩昭尾谷
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2014-01-29
Filing date: 2014-01-29
Publication date: 2017-05-31
Anticipated expiration: 2034-01-29
Also published as: JP2015142463A

Description

本発明の実施形態は、鉄道車両の車両用制御システムに関する。

従来から、架線から供給される電力には直流電力と交流電力とが存在し、路線が直流電力区間と交流電力区間にまたがる場合がある。これに伴い、直流電力区間と交流電力区間の双方を走行することが可能な鉄道車両（交直両用車両）が存在する。

架線から直流電力の供給を受けて走行する鉄道車両では、電力変換装置の接地は直流回路の負側に接続される。一方、架線から交流電力の供給を受けて走行する鉄道車両では、電力変換装置の中間直流回路の中性点を接地させる技術が知られている。

ここで、交直両用車両に搭載された電力変換装置の接地回路を実現する場合、直流電力区間と交流電力区間とも電力変換装置の中間直流回路の負側で接地するように回路を構成するか、直流電力区間と交流電力区間で接地を切り替えることが考えられる。

前者の場合、絶縁耐圧電圧を直流電力区間に基づいて設定する必要があるため、交流電力区間で中間直流回路の電圧を上げることができず、電力変換装置の小型化が図れないという課題がある。一方、後者の場合、直流電力区間と交流電力区間とで接地回路を異ならせることから、交流電力区間において中間直流回路の電圧を上げることができ、これに伴って中間直流回路の電流を下げることができるため、電力変換装置を小型化することが可能となる。

特開平９−９３７０２号公報

しかしながら、直流電力区間と交流電力区間で接地回路を切り替える構成とした場合、切替回路が必要となり、接触器等の物理的な切り替え手段を用いることになる。接触器等の切り替え手段を用いた場合、故障等により正しく切り替わらないまま交流電力区間から直流電力区間、又はその逆、に進入しまうと、電力変換装置を構成する部品に過度の電圧もしくは耐圧がかかることとなり、電力変換装置の故障に至る可能性がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、接触器等の切り替え手段が故障等した場合であっても、電力変換装置等を構成する部品を保護することが可能な車両用制御システムを提供することを目的とする。

実施形態の車両用制御システムは、集電装置を介して架線に接続された交流用遮断器と、前記集電装置を介して架線に接続された直流用遮断器と、前記交流用遮断機に接続された変圧器と、前記変圧器に接続されたコンバータと、前記変圧器と前記コンバータとの間に接続された交流接触器と、中間直流回路を介してコンバータに接続されたインバータと、前記直流用遮断器と前記中間直流回路との間に接続された直流接触器と、前記中間直流回路の負側と接地間に配置された第１の電流検出器と、前記中間直流回路の中性点と接地間に配置された第２の電流検出器と、前記第１の電流検出器と前記第２の電流検出器の一方を接地に接続する切替部と、架線から供給される電力が直流であるか交流であるかを検出する架線電力検出器と、前記架線電力検出器の検出結果に基づき、前記直流用遮断機および前記交流用遮断機の一方を接続状態に制御するとともに前記切替部を制御する第１の制御部と、前記第１の電流検出器が接地に接続されるように切替部が制御されているときに前記第２の電流検出器が電流を検出した場合に前記切替部が故障したと判定し前記直流接触器と遮断するように制御し、前記第２の電流検出器が接地に接続されるように切替部が制御されているときに前記第１の電流検出器が電流を検出した場合に前記切替部が故障したと判定し前記交流接触器を遮断するように制御する第２の制御部とを備えている。

図１は、一実施形態の車両に含まれる構成を示した図である。図２は、一実施形態における、接地切り替え動作および保護動作の処理のフローを示した図である。図３は、一実施形態における、接地切り替え動作の判定基準のデータベースを示した図である。図４は、一実施形態における、架線から交流電流が供給される場合の電流経路を示した図である。図５は、一実施形態において、架線から交流電流が供給される場合に接地切替回路が異常となった場合の電流経路を示した図である。図６は、一実施形態における、架線から直流電流が供給される場合の電流経路を示した図である。図７は、一実施形態において、架線から直流電流が供給される場合に接地切替回路が異常となった場合の電流経路を示した図である。図８は、一実施形態における変形例を示した図である。

図１は、一実施形態にかかる車両に含まれる構成を示した図である。図１に示すように、本実施形態にかかる車両１００は、集電装置（パンタグラフ）を介し、架線１から直流電力および交流電力の供給を受けて走行できる車両（交直両用車）であって、交流用遮断機２、直流用遮断機３、メイントランス４、車両用制御装置５、モータ６、接地切替回路７、車両制御部８、および電圧検出センサ９を備えている。

メイントランス４は、交流用遮断機２を介して架線１に接続されるとともに、グラウンド（例えば、車輪を介したグラウンド）に接続される。そして、架線１から供給された交流電力の電圧は、一次巻線４１と二次巻線４２の比に応じた電圧に変圧され、車両制御装置５に供給される。

車両用制御装置５は、交流電力を直流電力に変換するコンバータ（CONV）５１、コンバータから供給される直流電力を交流電力に変換するインバータ（INV）５２、制御部５３
、直流電流検出回路５４、交流区間接地電流検出回路５５、同一構成の電圧検出器（正側）５６と（負側）５７、交流接触器５８、および直流接触器９とを備えている。また、コンバータ５１とインバータ５２との間には、中間直流回路６０が形成されている。なお、図１では、コンバータ５１とインバータ５２が、いずれも３レベルの電力変換装置とした場合の中間直流回路６０を、例として示している。

なお、車両用制御装置５の制御部５３は、車両制御部８が制御する接地切替回路７の状態と、直流電流検出回路５４、交流区間接地電流検出回路５５、および電圧検出器（正側）５６と（負側）５７の検出結果が合っていない場合、交流接触器５８および直流接触器５９を開状態（遮断状態）にさせ、車両用制御装置５の保護を行う。

接地切替回路７は、車両制御部８からの指示に従い、中間直流回路６０の中性点６１と負側６２のいずれかをグランドに接続する。

車両制御部８は、車両１００が走行している区間が直流電力区間か交流電力区間かに応じて接地切替回路７を制御し、直流電流検出回路５４と交流区間接地電流検出回路５５の一方がグラウンドに接続されるようにする。

電圧検出センサ９は、架線１から集電装置を介して供給される電力の電圧値に基づき、架線１から供給される電力が直流か交流かの判定を行い、この結果を車両制御部８に通知する。

次に、上記のような構成を有する車両における接地切替回路７の切り替え動作、および車両用制御装置５の保護動作について説明する。

図２は上記切り替え動作および保護動作の処理を表したフロー図であり、直流電力区間から交流電力区間に進入する場合について例示する。

車両１００が直流電力区間を走行しているとき、車両制御部８は、電圧検出センサ９から直流であるとの判定結果を受信するので、この判定結果に基づいて接地切替回路７を制御して直流電流検出回路５４がグラウンドにつながるようにする。更に、車両制御部８は交流用遮断機２を開状態に、そして直流用遮断機３を閉状態にする。これにより、架線１から集電装置を介して供給される直流電力は、直流用遮断機３を介して車両用制御装置５に供給され、インバータ５２で可変電圧可変周波数の交流電力に変換された後、モータ６に供給される。この結果、モータ６によって車両１００が駆動される。

さて、車両１００が走行しているとき、架線１から供給された電力に基づき、電圧検出センサ９では、供給された電力が直流か交流かの判定が行われる（ステップＳ１）。つまり、車両１００が直流電力区間を走行しているため、直流を示す判定結果が、電圧検出センサから車両制御部８へ通知される。

車両制御部８では、電圧検出センサ９から通知される判定結果に基づいて、判定結果が変化したかを判断する（ステップＳ２）。上記の通り、車両１００が直流電力区間の走行を継続していることから、電圧検出センサ９から車両制御部８に通知される判定結果は直流のままとなるため（ステップＳ２のＮＯ）、車両制御部８は接地切替回路７に対する制御は行わず、制御部５３に対して接地切替回路７の状態、すなわち、直流電流検出回路５４がグラウンドに接続されていることの通知のみ行う。

制御部５３では、車両制御部８から通知される接地切替回路７の状態に基づいて、接地切替回路７の切替動作が正しく行われたか否か、また、接地切替回路７の状態が異常になったかの判定を行う（ステップＳ４）。このとき、制御部５３で行われる判定は、図３に示すような判定基準をデータベースとして図示しないメモリにあらかじめ登録しておき、車両制御部８から通知される接地切替回路７の状態、直流電流検出回路５４、交流区間接地電流検出回路５５、および電圧検出器５６と５７で検出された値に基づき、前記データベースの判定基準を参照することで行われる。

上記した通り、制御部５３は、車両制御部８から直流電流回路５４がグラウンドに接続されていることの通知を受けていることから、判定基準の負側の設定情報を利用して接地切替回路７が正常か異常かを判定する。

ここで、車両制御部８の制御に基づいて、接地切替回路７が、直流電流検出回路５４、すなわち中間直流回路６０の負側６２側となるよう正しく切り替わっている場合、図４に示すように、直流遮断機３を介して車両用制御装置５に供給された直流電力によって、直流接触器５９を通り、電圧検出器５６と５７および直流電流検出器５４を介し、グラウンドへと電流が流れる経路３０１が形成される。この結果、この電流が直流電流検出回路５４によって検出される。更に、接地切替回路７が正しく切り替わっている場合、交流区間接地電流検出回路５５で電流は検出されず、また、電圧検出器５６と５７で検出される電圧値は、直流電力区間の架線電圧の半分の値、例えば、架線電圧がＤＣ１５００Ｖである場合は、電圧検出器５６と５７で７５０Ｖの電圧値が検出されるので、負側の異常判定条件はいずれも満たさず、正常判定条件のみが成立することになる。なお、電圧検出器が検出する電圧値はある程度変動することがあるため、架線電圧の半分の値に対して±α（任意の値）の幅を持たせ、この幅の範囲内であれば半分の値とみなすようにしても良い。

よって、制御部５３で接地切替回路７が正常であると判定され（ステップＳ４のＹＥＳ）、車両用制御装置５の動作は維持される。

一方、車両１００が直流電力区間を走行しているときに接地切替回路７に故障が発生するなどして交流区間接地電流検出回路５５側に切り替わってしまうと、図５に示すように、直流遮断機３を介して車両用制御装置５に供給された直流電力によって、直流接触器５９を通り、コンバータ５１、インバータ５２、中間直流回路６０のいずれかに内蔵されており、中間直流回路６０を分圧している図示しない抵抗もしくはコンデンサおよび交流区間接地電流検出器５５を介し、グラウンドへと電流が流れる経路３０２が形成されてしまう。このため、直流電流検出回路５４で電流の検出ができなくなる、交流区間接地電流検出回路５５で電流が検出される、と判定基準の負側の設定情報での異常条件が成立することになり、制御部５３によって接地切替回路７に異常が生じたと判定される（ステップＳ４のＮＯ）。

接地切替回路７に異常が生じたと判定された場合、制御部５３は、直流接触器５９に対して開放指示信号を出力し、この結果、直流接触器５９が開状態となり架線１から車両用制御装置５への電力供給が停止される。

車両１００が直流電力区間を走行している間は上記の判定処理および車両用制御装置５の保護処理が継続して実行される。

その後、車両１００が直流電力区間から交流電力区間に進入すると、電圧検出センサ９で架線１から供給される交流電力による電圧の変動が検出され（ステップＳ１）、車両制御部８に対して交流を示す判定結果が通知される。

車両制御部８では、電圧検出センサ９から通知される判定結果に基づいて、判定結果が変化したかを判断する（ステップＳ２）。上記の通り、電圧検出センサ９から通知される判定結果が直流から交流に変化したので、車両制御部８では、判定結果が変化したことを検出し（ステップＳ２のＹＥＳ）、交流区間接地電流検出回路５５がグラウンドに接続されるよう接地切替回路７に対する制御を行う（ステップＳ６）。また、制御部５３に対して接地切替回路７の状態、すなわち、交流区間接地電流検出回路５５がグラウンドに接続されていることを通知する。

また、車両制御部８が、電圧検出センサ９からの通知に基づいて直流電力区間から交流電力区間に移ったことを検出すると、交流用遮断機２を閉状態に、そして直流用遮断機３を開状態に切り換える。これにより、架線１から集電装置を介して供給される交流電力は、交流用遮断機２、メイントランス４を介して車両用制御装置５に送られる。車両用制御装置５では、コンバータ５１によって供給された交流電力が直流電力に変換され、中間直流回路６０に供給される。その後は車両１００が直流電力区間を走行している場合と同様に、インバータ５２で可変電圧可変周波数の交流電力に変換され、モータ６に供給される。

制御部５３では、車両制御部８から通知される接地切替回路７の状態に基づいて、接地切替回路７の切替動作が正しく行われたか否か、また、接地切替回路７の状態が異常になったかの判定を行う（ステップＳ４）。

制御部５３は、車両制御部８から交流区間接地電流検出回路５５がグラウンドに接続されていることの通知を受けたことから、図３に示すデータベースに登録されている判定基準の中性点側の設定情報を利用し、接地切替回路７が正常か異常かを判定する。

ここで、車両制御部８の制御に基づいて、接地切替回路７が、交流区間接地電流検出回路５５、すなわち中間直流回路６０の中性点６１側となるよう正しく切り替わっている場合、図６に示すように、グラウンド側から交流区間接地電流検出回路５５を介し、中性点６１との間で漏れ電流の経路４０１が形成される。

この結果、この漏れ電流が交流区間接地電流検出回路５５によって検出される。更に、接地切替回路７が正しく切り替わっている場合、直流電流検出回路５４で電流は検出されないことから、正常判定条件のみが成立することになる。

一方、車両制御部８からの制御に対して接地切替回路７が正しく動作せずに直流電流検出回路５４側につながったままの場合、または、交流区間接地電流検出回路５５に正しく切り替わった後に接地切替回路７に故障が発生するなどして直流電流検出回路５４側に切り替わってしまうと、図７に示すように、グラウンド側から直流電流検出回路５４を介して中間直流回路６０の負側６２に流れる漏れ電流の経路４０２が形成される。このため、交流区間接地電流検出回路５５で電流の検出ができなくなる、直流電流検出回路５４で電流が検出される、と判定基準の中性点側の設定情報での異常条件が成立することになり、制御部５３によって接地切替回路７に異常が生じたと判定される（ステップＳ４のＮＯ）。

接地切替回路７に異常が生じたと判定された場合、制御部５３は、交流接触器５８に対して開放指示信号を出力し、この結果、交流接触器５８が開状態となり架線１から車両用制御装置５への電力供給が停止される。

以上に説明した通り、接地点を直流電力区間と交流電力区間で切り替えることにより、交流電力区間での中間直流回路６０の電圧を直流電力区間の２倍することができる。この結果、交流電力区間において中間直流回路６０に印加される電圧を上げられることから、中間直流回路６０を流れる電流を下げられるので、車両用制御装置５を小型化することが可能となる。更に、接地切替回路７が故障した場合に車両用制御装置５へ供給される電力を停止させる機能を設けたことで、接地切替回路７を設けたことによって浮上した接地切替回路７の故障に伴う車両用制御装置５を構成する部品の破壊リスクが大幅に低減される。

なお、上記説明では、直流電力区間と交流電力区間の検出を電圧検出センサ９によって行うこととしているが、これに限らず、地上設備から無線等を用いて直流と交流の切替信号を受信するようにし、この切替信号に従って車両制御部８が接地切替回路７を制御するとともに、接地切替回路７の制御状態を制御部５３に通知するようにしても良い。

また、制御部５３は、車両制御部８から直流電流検出回路５４と交流区間接地電流検出回路５５のいずれがグラウンドに接続されているかを示す通知を受けるとしているが、これに代え、電圧検出センサ９による直流か交流かの判定結果を入力、又は別に設けられ、架線から供給される電力が直流であることを検出する直流架線電圧検出器および交流であることを検出する交流架線電圧検出器（いずれの電圧検出器も図示せず）のそれぞれから検出信号を入力し、この入力に基づいて接地切替回路７の状態を判断するようにしても良い。

（変形例）
図１に示す直流中間回路６０は、コンバータ５１とインバータ５２が共に３レベルの電力変換装置である場合の回路構成となっているが、双方もしくは一方が２レベルの電力変換装置とすることも可能である。図８は、２レベルのコンバータ５１ａと２レベルのインバータ５２ａとした場合の中間直流回路６０aの回路構成を示している。すなわち、中性
点６１ａを形成するために、正側と負側との間に２つの同じ容量を有するコンデンサＣ１、Ｃ２を直列接続するとともに、この直列接続されたコンデンサＣ１とＣ２に対して電圧検出器５６と５７を接続する。更にコンデンサＣ１とＣ２の中間点と電圧検出器５６と５７の中間点とを結ぶ配線を介して交流区間接地電流検出回路５５を接続する。

このような中間直流回路６１を用いることで、ともに２レベルのコンバータ５１ａとインバータ５２ａを用いた場合でも、同様の効果を得ることができる。

なお、一方が２レベル、他方が３レベルである場合は、例えば、図８の中性点６１ａの３レベル側となる配線が電力変換装置（コンバータ５１またはインバータ５２）へ引き通され、中間直流回路を形成することになる。また、もちろんこのような回路構成とした場合でも、同様の効果を得ることができる。

１…架線、２…交流用遮断機、３…直流用遮断機、４…メイントランス、５…車両用制御装置、６…モータ、７…接地切替回路、８…車両制御部、９…電圧検出センサ、４１…一次巻線、４２…二次巻線、５１…コンバータ、５２…インバータ、５３…制御部、５４…直流電流検出回路、５５…交流区間接地電流検出回路、５６、５７…電圧検出器、５８…交流接触器、５９…直流接触器、６０…中間直流回路、１００…車両

Claims

架線から供給される電力に基づいて車両に搭載されたモータを駆動する車両用制御システムにおいて、
集電装置を介して架線に接続された交流用遮断器と、
前記集電装置を介して架線に接続された直流用遮断器と、
前記交流用遮断機に接続された変圧器と、
前記変圧器に接続されたコンバータと、
前記変圧器と前記コンバータとの間に接続された交流接触器と、
中間直流回路を介してコンバータに接続されたインバータと、
前記直流用遮断器と前記中間直流回路との間に接続された直流接触器と、
前記中間直流回路の負側と接地間に配置された第１の電流検出器と、
前記中間直流回路の中性点と接地間に配置された第２の電流検出器と、
前記第１の電流検出器と前記第２の電流検出器の一方を接地に接続する切替部と、
架線から供給される電力が直流であるか交流であるかを検出する架線電力検出器と、
前記架線電力検出器の検出結果に基づき、前記直流用遮断機および前記交流用遮断機の一方を接続状態に制御するとともに前記切替部を制御する第１の制御部と、
前記第１の電流検出器が接地に接続されるように切替部が制御されているときに前記第２の電流検出器が電流を検出した場合に前記切替部が故障したと判定し前記直流接触器と遮断するように制御し、前記第２の電流検出器が接地に接続されるように切替部が制御されているときに前記第１の電流検出器が電流を検出した場合に前記切替部が故障したと判定し前記交流接触器を遮断するように制御する第２の制御部と
を備えたことを特徴とする車両用制御システム。
前記中間直流回路の正側と中性点との間に設けられた第１の電圧検出器および中性点と負側との間に設けられた第２の電圧検出器とを更に備え、前記第２の制御部は、前記第１の電圧検出器および第２の電圧検出器が検出する電圧値に基づいて前記切替部に故障が発生したことを検出する請求項１に記載の車両用制御システム。
前記架線電力検出器は前記架線に接触する集電装置と前記直流用遮断機および前記交流用遮断機との間に印加する電力に基づき、前記架線から供給される電力が直流か交流かを判定することを特徴とする請求項１に記載の車両用制御システム。