JP2008104265A - 永久磁石形電動機駆動鉄道車両の制御方式 - Google Patents
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Description
本発明は、交流架線を走行する永久磁石形電動機駆動鉄道車両の制御方式（以下、ＰＭ駆動鉄道車両の制御方式という）、特に交流架線停電時やデッドセクション区間通過時の制御方式に関する。
この種のＰＭ駆動鉄道車両制御方式の従来技術として、例えば特許文献１がある。
この制御方式は、永久磁石電動機から回生される電力を抑えて直流電圧が上昇しないようにして、負荷接触器の開放回数を減らして寿命を延ばすためのものである。
図３に、特許文献１に示された一般的な交流架線を走行するＰＭ駆動鉄道車両の構成例を示す。パンタグラフ１と接地車輪４の間に高圧遮断器２と変圧器３の一次巻線が、変圧器３の二次巻線に架線側接触器５を介して整流器（コンバータとも言う）６の交流入力が、整流器６の直流出力ＰＮ間に平滑コンデンサ７、直流電圧検出器８、放電抵抗９と半導体スイッチ１０の直列回路、及びインバータ１１の直流入力が、インバータ１１の出力に負荷接触器１２を介して永久磁石形電動機１３が、それぞれ接続されている。また、直流電圧検出器８の出力は第1の過電圧検知手段３０と第2の過電圧検知手段３１の入力に、第1の過電圧検知手段３０の出力はインバータ１１および負荷接触器１２に、第2の過電圧検知手段３１の出力は論理積手段４３の入力に、架線停電検知手段４０の出力は論理積手段４３の入力とトルク零制御手段４２の入力に、回生検知手段４１の出力は論理積手段４３の入力とトルク零制御手段４２の入力に、論理積手段４３の出力は半導体スイッチ１０に、トルク零制御手段４２の出力はインバータ１１に、それぞれ接続されている。
この制御方式は、永久磁石電動機から回生される電力を抑えて直流電圧が上昇しないようにして、負荷接触器の開放回数を減らして寿命を延ばすためのものである。
図３に、特許文献１に示された一般的な交流架線を走行するＰＭ駆動鉄道車両の構成例を示す。パンタグラフ１と接地車輪４の間に高圧遮断器２と変圧器３の一次巻線が、変圧器３の二次巻線に架線側接触器５を介して整流器（コンバータとも言う）６の交流入力が、整流器６の直流出力ＰＮ間に平滑コンデンサ７、直流電圧検出器８、放電抵抗９と半導体スイッチ１０の直列回路、及びインバータ１１の直流入力が、インバータ１１の出力に負荷接触器１２を介して永久磁石形電動機１３が、それぞれ接続されている。また、直流電圧検出器８の出力は第1の過電圧検知手段３０と第2の過電圧検知手段３１の入力に、第1の過電圧検知手段３０の出力はインバータ１１および負荷接触器１２に、第2の過電圧検知手段３１の出力は論理積手段４３の入力に、架線停電検知手段４０の出力は論理積手段４３の入力とトルク零制御手段４２の入力に、回生検知手段４１の出力は論理積手段４３の入力とトルク零制御手段４２の入力に、論理積手段４３の出力は半導体スイッチ１０に、トルク零制御手段４２の出力はインバータ１１に、それぞれ接続されている。
このような構成において、PM駆動鉄道車両がブレーキをかけながらデッドセクション区間を通過する際の動作を説明する。駆動車両がブレーキをかけながらデッドセクション区間を通過する際は、架線停電検知手段４０が停電を検知し、また回生検知手段４１が回生を検知する。トルク零制御手段４２は、停電かつ回生の時に、永久磁石電動機１３のトルクが零となるように調節動作を行う。回生トルクが零となるように制御しているので、平滑コンデンサ７に流れ込む回生エネルギーは零となり、電圧は上昇しない。したがって各部が正常に動作する時には、過電圧検知によってインバータ１１をゲートオフする必要はなく、また負荷接触器１２を開放する必要がなくなる。
論理積手段４３は、停電かつ回生時に、第２の過電圧検出手段３１が直流電圧の過電圧V2を検知した際に、半導体スイッチ１０をオンさせて平滑コンデンサ7を放電させる。第１の過電圧検知手段３０は停電かつ回生時に、直流電圧の過電圧V1（V1>V2）を検知した際に、インバータ１１をオフさせると共に負荷接触器１２を開放する。
論理積手段４３は、停電かつ回生時に、第２の過電圧検出手段３１が直流電圧の過電圧V2を検知した際に、半導体スイッチ１０をオンさせて平滑コンデンサ7を放電させる。第１の過電圧検知手段３０は停電かつ回生時に、直流電圧の過電圧V1（V1>V2）を検知した際に、インバータ１１をオフさせると共に負荷接触器１２を開放する。
以上のように動作することで、永久磁石電動機13から回生される電力を抑えて直流電圧が上昇しないようにして、負荷接触器１２の開放回数を減らして寿命を延ばすようにしている。
特開２０００−５０４１０号公報
上述のように、特許文献１に記載の方式では、直流電圧の上昇を抑制することは可能となるが、逆にインバータのスイッチングロスにより直流電圧が低下して、永久磁石形電動機の制御ができなくなり、復電しても通常の運転状態に速やかに復帰できないおそれがあるという問題があった。
したがって、この発明で解決しようとする課題は、デッドセクション区間通過時においても、直流電圧の上昇・下降を抑えて、永久磁石形電動機の制御を継続できる制御方式を提供することにある。
したがって、この発明で解決しようとする課題は、デッドセクション区間通過時においても、直流電圧の上昇・下降を抑えて、永久磁石形電動機の制御を継続できる制御方式を提供することにある。
上述の課題を解決するために、第1の発明においては、交流架線からの交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、前記直流電圧を平滑する平滑コンデンサと、前記直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、前記インバータ出力に負荷接触器を介して接続された永久磁石形電動機と、前記直流電圧の電極間に接続された放電抵抗と半導体スイッチとの直列回路と、を備えた鉄道車両の制御方式において、架線電圧検知手段と直流電圧調節手段とを備え、架線電圧が停電した際に、永久磁石電動機のトルクを前記インバータで調節して、前記直流電圧を指令値に追従させるようにする。
第２の発明においては、交流架線からの交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、前記直流電圧を平滑する平滑コンデンサと、前記直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、インバータ出力に負荷接触器を介して接続された永久磁石形電動機と、前記直流電圧の電極間に接続された放電抵抗と半導体スイッチとの直列回路と、を備えた鉄道車両の制御方式において、デッドセクション検知手段と直流電圧調節手段とを備え、デッドセクション通過時に、永久磁石電動機のトルクを前記インバータで調節して、前記直流電圧を指令値に追従させるようにする。
第２の発明においては、交流架線からの交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、前記直流電圧を平滑する平滑コンデンサと、前記直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、インバータ出力に負荷接触器を介して接続された永久磁石形電動機と、前記直流電圧の電極間に接続された放電抵抗と半導体スイッチとの直列回路と、を備えた鉄道車両の制御方式において、デッドセクション検知手段と直流電圧調節手段とを備え、デッドセクション通過時に、永久磁石電動機のトルクを前記インバータで調節して、前記直流電圧を指令値に追従させるようにする。
第３の発明においては、第１および第2の発明における直流電圧が指令値を超えた場合、前記直流電圧の電極間に接続された放電抵抗と半導体スイッチとの直列回路の半導体スイッチをオンさせるようにする。
第4の発明においては、第１および第2の発明における直流電圧が指令値を超えた場合、前記インバータをオフさせると共に負荷遮断器を開放させるようにする。
第4の発明においては、第１および第2の発明における直流電圧が指令値を超えた場合、前記インバータをオフさせると共に負荷遮断器を開放させるようにする。
本発明では、デッドセクション通過の際に、永久磁石形電動機のトルクを調節して直流電圧を指令値どおりに維持して制御を継続できるようにした。この結果、直流電圧の変動はなくなり、復電時に速やかに通常運転に復帰することが可能となる。
本発明の要点は、電車がデッドセクションを通過する時には、直流電圧が指令値になるように永久磁石形電動機のトルクを調整することである。
図１に、本発明の第1の実施例を示す。パンタグラフ１と接地車輪４の間に高圧遮断器２と変圧器３の一次巻線が、変圧器３の二次巻線に架線側接触器５を介して整流器（コンバータとも言う）６の交流入力が、整流器６の直流出力ＰＮ間に平滑コンデンサ７、直流電圧検出器８、放電抵抗９と半導体スイッチ１０の直列回路、及びインバータ１１の直流入力が、インバータ１１の出力に負荷接触器１２を介して永久磁石形電動機１３が、それぞれ接続されている。また、直流電圧検出器８の出力は第1の過電圧検知手段３０の入力、第2の過電圧検知手段３１の入力および直流電圧調節手段２０の入力に、第1の過電圧検知手段３０の出力はインバータ１１および負荷接触器１２に、第2の過電圧検知手段３１の出力は半導体スイッチ１０に、直流電圧調節手段２０の出力(τ2)は切替手段２１の一方の入力に、架線停電検知手段４０の出力は切替手段２１の制御入力に、切替手段２１の出力はトルク調節手段２２の入力に、トルク調節御手段２２の出力はインバータ１１に、それぞれ接続されている。また、切替手段２１の他方の入力にはトルク指令τ1が入力される。
このような構成における動作は下記のようになる。
直流電圧調節手段２０は、直流電圧検出器8により検出された平滑コンデンサ７の電圧値と直流電圧指令値とを入力とし、平滑コンデンサ７の電圧が指令値に一致するための永久磁石形電動機１３のトルク指令値τ2を算出する。
切替手段２１は、通常の運転時は運転操作によって決まるトルク指令τ1側を選択し、停電時には架線停電検知手段４０からの信号により、直流電圧調節手段２０の出力であるトルク指令τ2を選択し、トルク調節手段２２に出力する。
上述のようにPM駆動車両装置を制御することで、車両の運動エネルギーの方がインバータのスイッチングロスよりも十分に大きいことから、デッドセクション区間通過時も直流電圧を指令値どおりに維持して制御を継続することができ、復電時に速やかに通常運転に復帰することが可能となる。
直流電圧調節手段２０は、直流電圧検出器8により検出された平滑コンデンサ７の電圧値と直流電圧指令値とを入力とし、平滑コンデンサ７の電圧が指令値に一致するための永久磁石形電動機１３のトルク指令値τ2を算出する。
切替手段２１は、通常の運転時は運転操作によって決まるトルク指令τ1側を選択し、停電時には架線停電検知手段４０からの信号により、直流電圧調節手段２０の出力であるトルク指令τ2を選択し、トルク調節手段２２に出力する。
上述のようにPM駆動車両装置を制御することで、車両の運動エネルギーの方がインバータのスイッチングロスよりも十分に大きいことから、デッドセクション区間通過時も直流電圧を指令値どおりに維持して制御を継続することができ、復電時に速やかに通常運転に復帰することが可能となる。
第１の過電圧検知手段３０は、異常時に直流電圧が指令値を超えた場合にインバータ１１をゲートオフにし、かつ負荷接触器１２を開放させる動作をする。また第2の過電圧検知手段３１は、異常時に直流電圧が指令値を超えた場合に半導体スイッチ１０をオンさせコンデンサ７を放電させる動作をする。これらの動作は従来技術と同様である。
図２に、本発明の第２の実施例を示す。第1の実施例との違いは、第1の実施例では、切替手段２１の切替は架線が停電になったことを検知する架線停電検知手段４０で行っているが、第2の実施例では、電車がセクションを通過する直前に信号を出すデッドセクション検知手段２３で行っている点である。その他は第1の実施例と同じ動作であり、同様に車両の運動エネルギーの方がインバータのスイッチングロスよりも十分に大きいことから、デッドセクション区間通過時も直流電圧を指令値どおりに維持して制御を継続することができ、復電時に速やかに通常運転に復帰することが可能となる。
本発明は、交流入力の停電時に永久磁石形電動機のトルクを調整することにより、直流電圧を指令値に維持する技術であり、鉄道車両の制御に限らず、産業用可変速システムなどへの適用が可能である。
１・・・パンタグラフ ２・・・高圧遮断機 ３・・・変圧器
４・・・接地車輪 ５・・・架線側接触器 ６・・・整流器
７・・・平滑コンデンサ ８・・・直流電圧検出器
９・・・放電抵抗 １０・・・半導体スイッチ １１・・・インバータ
１２・・・負荷接触器 １３・・・永久磁石形電動機
２０・・・直流電圧調整手段 ２１・・・切替手段
２２・・・トルク調節手段 ２３・・・デッドセクション検知手段
３０・・・第１の過電圧検知手段 ３１・・・第２の過電圧検知手段
４０・・・架線停電検知手段 ４１・・・回生検知手段
４２・・・トルク零制御手段 ４３・・・論理積手段
４・・・接地車輪 ５・・・架線側接触器 ６・・・整流器
７・・・平滑コンデンサ ８・・・直流電圧検出器
９・・・放電抵抗 １０・・・半導体スイッチ １１・・・インバータ
１２・・・負荷接触器 １３・・・永久磁石形電動機
２０・・・直流電圧調整手段 ２１・・・切替手段
２２・・・トルク調節手段 ２３・・・デッドセクション検知手段
３０・・・第１の過電圧検知手段 ３１・・・第２の過電圧検知手段
４０・・・架線停電検知手段 ４１・・・回生検知手段
４２・・・トルク零制御手段 ４３・・・論理積手段
Claims (4)
- 交流架線からの交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、前記直流電圧を平滑する平滑コンデンサと、前記直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、前記インバータ出力に負荷接触器を介して接続された永久磁石形電動機と、前記直流電圧の電極間に接続された放電抵抗と半導体スイッチとの直列回路と、を備えた鉄道車両の制御方式において、
架線電圧検知手段と直流電圧調節手段とを備え、架線電圧が停電した際に、永久磁石電動機のトルクを前記インバータで調節して、前記直流電圧を指令値に追従させることを特徴とした永久磁石形電動機駆動鉄道車両の制御方式。 - 交流架線からの交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、前記直流電圧を平滑する平滑コンデンサと、前記直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、インバータ出力に負荷接触器を介して接続された永久磁石形電動機と、前記直流電圧の電極間に接続された放電抵抗と半導体スイッチとの直列回路と、を備えた鉄道車両の制御方式において、
デッドセクション検知手段と直流電圧調節手段とを備え、デッドセクション通過時に、永久磁石電動機のトルクを前記インバータで調節して、前記直流電圧を指令値に追従させることを特徴とした永久磁石形電動機駆動鉄道車両の制御方式。 - 前記直流電圧が指令値を超えた場合、前記直流電圧の電極間に接続された放電抵抗と半導体スイッチとの直列回路の半導体スイッチをオンさせることを特徴とした請求項１または２に記載の永久磁石形電動機駆動鉄道車両の制御方式。
- 前記直流電圧が指令値を超えた場合、前記インバータをオフさせると共に負荷遮断器を開放させることを特徴とした請求項１または２に記載の永久磁石形電動機駆動鉄道車両の制御方式。
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2006
- 2006-10-18 JP JP2006283339A patent/JP2008104265A/ja not_active Withdrawn
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