JP6177445B2 - 電気車制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、過電圧抑制機能を有する電気車制御装置に関する。

電気車制御装置において、変電所から印加される電圧が過電圧になった場合、インバータおよびブレーキチョッパ回路に使用しているスイッチング素子を過電圧から保護するため、インバータの動作を停止させ、電気車への電力供給経路上に通常設けられている断流器を開放することで、変電所とインバータとの間を電気的に切り離す。この際、過電圧抑制サイリスタを点弧させ、過電圧抑制サイリスタに直列接続される過電圧抑制抵抗を介して、フィルタコンデンサの電荷を放電させることが行われる。これらの制御により、フィルタコンデンサの電荷は過電圧抑制抵抗で消費され、フィルタコンデンサの電圧は下降する。

過電圧抑制機能を有する電気車制御装置に係る従来技術の一つとして、例えば下記特許文献１がある。この特許文献１では、過電圧抑制抵抗に流す電流を、回生制動時の回生電力に見合った分だけを流すようにすることで、過電圧に至らずに回生制動を継続することを可能としている。

なお、特許文献１では、過電圧抑制機能のみを開示しているが、通常の電気車では、例えば下記特許文献２のように、過電圧抑制回路と共に、回生電力を消費させるためのブレーキチョッパ回路を有する構成が一般的である。

特開平３−１５９５０１号公報 特開２０００−３５８３８４号公報

上記特許文献２では、過電圧抑制抵抗と発電エネルギー吸収用抵抗とを共用化する構成を開示しているが、過電圧抑制回路とブレーキチョッパ回路との共用化、すなわち過電圧抑制回路およびブレーキチョッパ回路のうちの何れか一方を省略するまでには至っていない。過電圧抑制回路とブレーキチョッパ回路との共用化は装置の小型化に大きく寄与できるため、コスト削減、整備性の向上等の観点からも要望が大きかった。

また、上記特許文献１では、上述のように、過電圧抑制抵抗に流す電流を制限しているが、その理由は、変電所には通常設けられている電流変化量ΔＩを検出する装置（以下「ΔＩ検出装置」と称する）を不要に動作させないためである。ΔＩ検出装置が動作すると、変電所内の遮断器をトリップさせることに繋がる。変電所内の遮断器をトリップさせてしまうと、自車両の運行が停止するだけでなく、他車両の運行も停止してしまうので、車両運行に多大な影響を及ぼすことになる。

ΔＩ検出装置の不要動作は、回生制動時だけではなく、例えば架線電圧の急変によっても生ずる。架線電圧の急変によって過電圧が発生した場合、上述の通り、インバータの動作を停止させ、断流器の開放を行うと共に、ブレーキチョッパ回路を動作させることになる。ところが、実際には断流器の機械的動作遅れによって、断流器が開放となる前にブレーキチョッパ回路がオンになる。そのため、ブレーキチョッパ回路のオンと同時に電力供給源から断流器を介してブレーキチョッパ回路に電流が流れ込むため、変電所のΔＩ検出装置が動作し、変電所の遮断器が不要にトリップしてしまうという事象の可能性があり、この事象が課題となっていた。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、過電圧抑制回路とブレーキチョッパ回路との共用化を実現しつつ、変電所の遮断器の意図しない不要動作を抑制することができる電気車制御装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、断流器および直流母線を介して供給される電力を受電して電動機を駆動するインバータと、スイッチング素子および前記スイッチング素子に直列接続される電力消費抵抗を具備し、前記インバータに並列接続される電力消費回路と、前記直流母線に印加される母線電圧を検出する電圧検出器と、前記電動機からの回生電力を前記電力消費抵抗で消費させる電力消費制御と、前記母線電圧の過電圧を抑制する過電圧抑制制御とを行う制御部と、を備え、前記制御部は、前記電力消費制御を行う際の第１の通流率よりも、前記過電圧抑制制御行う際の第２の通流率の方が小さくなるように前記スイッチング素子を制御することを特徴とする。

本発明によれば、過電圧抑制回路とブレーキチョッパ回路との共用化を実現しつつ、変電所の遮断器の意図しない不要動作を抑制することができる、という効果を奏する。

図１は、実施の形態に係る電気車制御装置の一構成例を示す図である。 図２は、実施の形態に係る電気車制御装置における制御部の一構成例を示す図である。 図３は、実施の形態に係る電気車制御装置の動作を説明するためのタイムチャートである。 図４は、過電圧抑制回路を使用した一般的な電気車制御装置の構成を示す図である。

以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態に係る電気車制御装置について説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は、実施の形態に係る電気車制御装置の一構成例を示す図である。実施の形態に係る電気車制御装置５０は、図１に示すように、架線１からの直流電力を集電装置２および断流器３を介して受電し、受電した直流電力をインバータ１１が交流電力に変換して負荷である電動機１２を駆動する構成である。

電気車制御装置５０は、インバータ１１に加え、スイッチング素子６とブレーキ抵抗７とが直列に接続されたブレーキチョッパ回路８および、架線１から供給された電力を蓄積するフィルタコンデンサ１０を備えて構成される。ブレーキチョッパ回路８の一端は上位電位側の直流母線４ａに接続され、ブレーキチョッパ回路８の他端は下位電位側の直流母線４ｂに接続される。同様に、フィルタコンデンサ１０も、直流母線４ａ，４ｂ間に接続される。また、直流母線４ａ，４ｂ間には、架線からの印加電圧またはフィルタコンデンサ１０の電圧を検出するための電圧検出器９が設けられる。電圧検出器９が検出したフィルタコンデンサ１０の電圧情報であるフィルタコンデンサ電圧ＦＣＶは、制御部１３に入力される。制御部１３は、フィルタコンデンサ電圧ＦＣＶを用いて、インバータ１１、ブレーキチョッパ回路８および断流器３を制御する。

図４は、比較例として示す電気車制御装置の一構成例であり、例えば上記特許文献２では、従来の構成として示されている。図４において、図１と同一または同等の部位には同一の符号を付して示している。図１と図４との比較から明らかなように、実施の形態に係る電気車制御装置５０では、過電圧抑制回路５が省略されている。実施の形態に係る電気車制御装置５０では、過電圧抑制回路５が担任する機能は、制御部１３の制御によって動作するブレーキチョッパ回路８が代替することになる。すなわち、実施の形態におけるブレーキチョッパ回路８は、過電圧抑制機能と本来のブレーキチョッパ回路が有する回生電力消費機能とを併せ持つ電力消費回路として動作し、ブレーキチョッパ回路８に設けられるブレーキ抵抗７は電力消費抵抗として動作する。なお、ブレーキチョッパ回路８が代替する機能の詳細については、後述する。

つぎに、図４の構成を参照し、過電圧抑制回路５とブレーキチョッパ回路８との相違点について説明する。まず、過電圧抑制回路５とブレーキチョッパ回路８とでは設計思想が異なっており、設計思想の差異は、過電圧抑制抵抗５ａおよびブレーキ抵抗７の差異となって表れている。過電圧抑制抵抗５ａは、架線１から印加される電圧が過電圧になった場合にフィルタコンデンサ１０の電荷を放電させるのが目的である。過電圧抑制回路５を動作させる場合、変電所との協調を考慮した設計、具体的には、断流器３が開放されるより前に過電圧抑制サイリスタ５ｂが点弧しても、変電所にあるΔＩ検出装置が動作しないように設計されている。

一方、ブレーキ抵抗７は、電動機１２からの回生電力の余剰電力を迅速かつ無駄なく消費できるように設計される。このとき、過電圧抑制抵抗５ａの抵抗値Ｒ１とブレーキ抵抗７の抵抗値Ｒ２との間には、Ｒ１＞Ｒ２の関係があるのが一般的である。したがって、過電圧抑制制御に、ブレーキチョッパ回路８を用いた場合には、変電所から流れ込む電流が大きくなるため、ΔＩ検出装置を動作させる可能性があり、過電圧抑制機能を有する電気車制御装置での課題の原因となっていた。

そこで、実施の形態に係る電気車制御装置５０は、ブレーキチョッパ回路８を過電圧抑制回路として用いた場合でも、ΔＩ検出装置を動作させない制御系の構成を実現したものであり、図２が当該制御系の一構成例を示す図である。

図２において、上段側にはブレーキチョッパ制御に係る第１の制御系１３ａが構成され、下段側には過電圧抑制制御に係る第２の制御系１３ｂが構成される。第１の制御系１３ａには、第１のコンパレータ１３ａ１、第１の通流率演算部１３ａ２および第１の駆動信号生成部１３ａ３が構成され、第２の制御系１３ｂには、第２のコンパレータ１３ｂ１、第２の通流率演算部１３ｂ２および第２の駆動信号生成部１３ｂ３が構成される。また、制御部１３の出力段には出力部１３ｃが設けられる。

つぎに、第１の制御系１３ａおよび第２の制御系１３ｂの動作について説明する。

（第１のコンパレータ）
第１のコンパレータ１３ａ１では、電圧検出器９が検出したフィルタコンデンサ電圧ＦＣＶがＢ端子に入力され、Ａ端子には、ブレーキチョッパ制御の開始電圧を意味する第１の過電圧判定値Ｖａ１が入力される。第１のコンパレータ１３ａ１では、フィルタコンデンサ電圧ＦＣＶと第１の過電圧判定値Ｖａ１とが比較され、フィルタコンデンサ電圧ＦＣＶが第１の過電圧判定値Ｖａ１以上である場合に、ブレーキチョッパ制御指令ＢＣＨＣを第１の通流率演算部１３ａ２に出力する。

（第２のコンパレータ）
第２のコンパレータ１３ｂ１のＢ端子には、第１のコンパレータ１３ａ１と同様に、フィルタコンデンサ電圧ＦＣＶが入力され、第２のコンパレータ１３ｂ１のＡ端子には、過電圧保護制御の開始電圧を意味する第２の過電圧判定値Ｖａ２が入力される。第２のコンパレータ１３ｂ１では、フィルタコンデンサ電圧ＦＣＶと第２の過電圧判定値Ｖａ２とが比較され、フィルタコンデンサ電圧ＦＣＶが第２の過電圧判定値Ｖａ２以上である場合に、過電圧保護指令ＶＰＣを第２の通流率演算部１３ｂ２に出力する。なお、第１の過電圧判定値Ｖａ１と第２の過電圧判定値Ｖａ２との間には、Ｖａ１＜Ｖａ２の関係がある。よって、例えばフィルタコンデンサ電圧ＦＣＶが上昇する過程においては、過電圧保護指令ＶＰＣよりもブレーキチョッパ制御指令ＢＣＨＣの方が先に生成される。

（第１の通流率演算部）
第１の通流率演算部１３ａ２には、フィルタコンデンサ電圧ＦＣＶおよび第１のコンパレータ１３ａ１が生成したブレーキチョッパ制御指令ＢＣＨＣが入力される。第１の通流率演算部１３ａ２は、ブレーキチョッパ制御指令ＢＣＨＣが入力されている間、フィルタコンデンサ電圧ＦＣＶの大きさに応じた第１の通流率である通流率ＣＵＲ１を演算して第１の駆動信号生成部１３ａ３に出力する。なお、通流率とは、スイッチング素子７を制御する際のオンパルスおよびオフパルスの１周期の期間に占めるオン期間の比率を意味する。

（第２の通流率演算部）
第２の通流率演算部１３ｂ２には、第２のコンパレータ１３ｂ１が生成した過電圧保護指令ＶＰＣおよび断流器３からの断流器状態信号ＬＢＳが入力される。なお、ここでいう断流器状態信号ＬＢＳは、断流器３が閉路している場合に信号が出力されるものであるとして説明する。第２の通流率演算部１３ｂ２は、過電圧保護指令ＶＰＣが入力され、且つ、断流器状態信号ＬＢＳが入力されている間、第２の通流率である通流率ＣＵＲ２を演算して第２の駆動信号生成部１３ｂ３に出力すると共に、断流器３を開放するための断流器開放指令ＬＢＲおよび、インバータ１１の動作を停止するためのインバータ動作停止指令ＩＮＶＳを、それぞれ断流器３およびインバータ１１に出力する。なお、第２の通流率演算部１３ｂ２が出力する通流率ＣＵＲ２と第１の通流率演算部１３ａ２が出力する通流率ＣＵＲ１との間には、ＣＵＲ２＜ＣＵＲ１の関係がある。

断流器開放指令ＬＢＲが断流器３に入力されると断流器３は開放する。断流器３が開放すると、断流器状態信号ＬＢＳは出力されなくなる。過電圧保護指令ＶＰＣおよび断流器状態信号ＬＢＳの双方が入力されている状態から、断流器状態信号ＬＢＳが途絶えた場合には、第２の通流率演算部１３ｂ２は通流率ＣＵＲ２を通流率ＣＵＲ１よりも大きな値を有する第３の通流率に設定する。第３の通流率は第１の通流率である通流率ＣＵＲ１よりも大きければよい。なお、第３の通流率が生成される際、断流器３は開放状態であるので、架線１から流入する電流はない。よって、電動機１２の回生電力が過大ではない限り、第３の通流率を例えば１００％に設定すると、ブレーキ抵抗７での電力消費を迅速に行うことができる。

（第１の駆動信号生成部）
第１の駆動信号生成部１３ａ３には、第１の通流率演算部１３ａ２が演算した通流率ＣＵＲ１が入力される。第１の駆動信号生成部１３ａ３は、通流率ＣＵＲ１に従って、ブレーキチョッパ回路８のスイッチング素子６を駆動するための制御パルスを生成する。

（第２の駆動信号生成部）
第２の駆動信号生成部１３ｂ３には、第２の通流率演算部１３ｂ２が演算した通流率ＣＵＲ２が入力される。第２の駆動信号生成部１３ｂ３は、通流率ＣＵＲ２に従って、ブレーキチョッパ回路８のスイッチング素子６を駆動するための制御パルスを生成する。

（出力部）
第１の駆動信号生成部１３ａ３が生成した制御パルスおよび、第２の駆動信号生成部１３ｂ３が生成した制御パルスは、出力部１３ｃに入力される。出力部１３ｃが、双方の制御パルスが生成されている場合には、第２の駆動信号生成部１３ｂ３が生成した制御パルスが優先されるように処理し、処理した制御パルスをブレーキチョッパ動作指令ＢＣＸとしてブレーキチョッパ回路８に出力し、ブレーキチョッパ回路８のスイッチング素子６を制御する。

つぎに、実施の形態に係る電気車制御装置が過電圧を検出したときの動作について、図１、図２および図３の図面を参照して説明する。図３は、電気車制御装置が過電圧を検出したときの動作を説明するためのタイムチャートである。図３のタイムチャートでは、上段部側から、フィルタコンデンサ電圧ＦＣＶ、ブレーキチョッパ制御指令ＢＣＨＣ、過電圧保護指令ＶＰＣ、断流器状態信号ＬＢＳ、ブレーキチョッパ動作指令ＢＣＸおよび、架線１から流入する入力電流Ｉｂの波形を示している。

架線１からの印加電圧が過電圧になった場合、電圧検出器９によって過電圧状態が検出される。実施の形態に係る電気車制御装置５０では、制御部１３を図２のように構成しているので、時刻ｔａにおいて、フィルタコンデンサ電圧ＦＣＶがブレーキチョッパ制御開始電圧（図２の第１の過電圧判定値Ｖａ１に相当）を超えたことが判定される。このとき、上述した制御部１３の動作により、通流率ＣＵＲ１でオンオフする制御パルス信号で表されるブレーキチョッパ動作指令ＢＣＸが出力され、図１に示すような、フィルタコンデンサ１０からのフィルタコンデンサ電流Ｉａがブレーキチョッパ回路８に流れ込む。一方、スイッチング素子６はオンオフ制御されるので、架線１からブレーキチョッパ回路８に流れ込もうとする入力電流Ｉｂは抑制され、ΔＩ検出装置は動作しない。

フィルタコンデンサ電圧ＦＣＶがさらに上昇すると、時刻ｔｂにおいて、フィルタコンデンサ電圧ＦＣＶが過電圧保護開始電圧（図２の第２の過電圧判定値Ｖａ２に相当）を超えたことが判定され、過電圧保護指令ＶＰＣが出力される。過電圧保護指令ＶＰＣが出力されると断流器開放指令ＬＢＲが出力されるが、断流器状態信号ＬＢＳが表すように、機械的動作の遅れ時間によって、断流器３は直ぐには開放状態とはならない。制御部１３は、断流器３が開放するまでの間（時刻ｔｂから時刻ｔｃ）、通流率を下げた通流率ＣＵＲ２でオンオフする制御パルス信号で表されるブレーキチョッパ動作指令ＢＣＸを出力し、スイッチング素子６を制御する。この際、架線１からの入力電流Ｉｂが流れるが、通流率を下げているので、判定閾値であるΔＩセット値を超えないように入力電流Ｉｂを抑制することができる。

断流器３が開放した時刻ｔｃ以降は、入力電流Ｉｂが流れないので、通流率を１００％に変更し、フィルタコンデンサ１０の電荷を迅速に放電する。

なお、断流器開放指令ＬＢＲが出てから断流器３が開放するまでの間の通流率は、ΔＩセット値、ブレーキ抵抗７の抵抗値、過電圧セット値および、電気車制御装置の個数によって決定することができる。ここで、ブレーキ抵抗７の抵抗値をＲｂ、１編成当たりの電気車制御装置の個数をｎとすれば、例えば、次式に基づいて、ブレーキ抵抗の抵抗値Ｒｂを決定することができる。

Ｒｂ≧ｎ×Ｖａ２／（ΔＩセット値）

以上説明したように、実施の形態に係る電気車制御装置によれば、過電圧抑制回路とブレーキチョッパ回路との共用化を実現できるので、装置の小型化および低コスト化を図ることが可能となる。

また、実施の形態に係る電気車制御装置によれば、ブレーキチョッパ制御を行う際の第１の通流率よりも、過電圧抑制制御を行う際の第２の通流率の方が小さくなるようにスイッチング素子を制御することとしたので、過電圧抑制回路とブレーキチョッパ回路との共用化を実現しつつ、変電所の遮断器の意図しない不要動作を抑制することが可能となる。

また、実施の形態に係る電気車制御装置によれば、断流器が開放したことを確認した後に、通流率が大きくなるように制御するので、変電所の遮断器の意図しない不要動作を抑制しつつ、フィルタコンデンサの電荷を迅速に放電することが可能となる。

なお、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の構成の一例であり、別の公知技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。

以上のように、本発明は、過電圧抑制機能を有する電気車制御装置として有用である。

１ 架線、２ 集電装置、３ 断流器、４ａ，４ｂ 直流母線、５ 過電圧抑制回路、６ スイッチング素子、７ ブレーキ抵抗（電力消費抵抗）、８ ブレーキチョッパ回路（電力消費回路）、９ 電圧検出器、１０ フィルタコンデンサ、１１ インバータ、１２ 電動機、１３ 制御部、１３ａ 第１の制御系、１３ａ１ 第１のコンパレータ、１３ｂ１ 第２のコンパレータ、１３ａ２ 第１の通流率演算部、１３ｂ２ 第２の通流率演算部、１３ａ３ 第１の駆動信号生成部、１３ｂ３ 第２の駆動信号生成部、１３ｃ 出力部、５０ 電気車制御装置、ＢＣＨＣ ブレーキチョッパ制御指令、ＣＵＲ１ 通流率（第１の通流率）、ＣＵＲ２ 通流率（第２の通流率）、ＦＣＶ フィルタコンデンサ電圧、ＩＮＶＳ インバータ動作停止指令、ＬＢＲ 断流器開放指令、ＬＢＳ 断流器状態信号、ＶＰＣ 過電圧保護指令、Ｖａ１ 第１の過電圧判定値、Ｖａ２ 第２の過電圧判定値。

Claims (4)

1. 断流器および直流母線を介して供給される電力を受電して電動機を駆動するインバータと、
   スイッチング素子および前記スイッチング素子に直列接続される電力消費抵抗を具備し、前記インバータに並列接続される電力消費回路と、
   前記直流母線に印加される母線電圧を検出する電圧検出器と、
   前記電動機からの回生電力を前記電力消費抵抗で消費させる電力消費制御と、前記母線電圧の過電圧を抑制する過電圧抑制制御とを行う制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記電力消費制御を行う際の第１の通流率よりも、前記過電圧抑制制御行う際の第２の通流率の方が小さくなるように前記スイッチング素子を制御する
   ことを特徴とする電気車制御装置。
2. 前記制御部には、前記電力消費制御を行う第１の制御系と、前記過電圧抑制制御を行う第２の制御系と、が構成され、
   前記制御部は、前記母線電圧が第１の判定値以上のときに前記第１の制御系の動作を開始させ、
   前記母線電圧が第１の判定値よりも大きな第２の判定値以上のときに前記第２の制御系の動作を開始させ、
   前記第１の制御系と前記第２の制御系とを同時に動作させるときには、前記第２の制御系の動作を優先する
   ことを特徴とする請求項１に記載の電気車制御装置。
3. 前記第２の制御系には、前記断流器の開閉情報が入力され、
   前記第２の制御系は、前記断流器の開情報を確認したときには前記第１の通流率よりも大きな第３の通流率を算出し、当該第３の通流率に従って前記スイッチング素子を制御する
   ことを特徴とする請求項２に記載の電気車制御装置。
4. 前記第３の通流率は、１００％であることを特徴とする請求項３に記載の電気車制御装置。

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