JP2010166694A - 電気車制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ブレーキ指令時の空走時間の短縮と乗り心地の改善とを両立させる。
【解決手段】ブレーキ指令信号の入力時において、フィルタコンデンサ電圧がしきい値電圧未満の場合には十分な回生ブレーキ力が得られるので、回生ブレーキ判定部３２は、ハイレベルのダミー許可信号を出力してダミー信号生成部３３にダミー信号を出力させる。フィルタコンデンサ電圧がしきい値電圧以上の場合には回生ブレーキ力が不足または失効するのでロウレベルのダミー許可信号を出力してダミー信号生成部３３にダミー信号の出力を停止させる。重畳部３４は、インバータ制御部２９から出力される回生ブレーキ力信号とダミー信号とを重畳しブレーキ力等価信号として出力する。ブレーキ制御装置１２は、ブレーキ力指令からブレーキ力等価信号を減算して空気ブレーキ力指令を生成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ブレーキ力指令を入力し、回生ブレーキ力に応じたブレーキ力等価信号を出力する電気車制御装置に関する。

一般に、電気車に制動力を与える手段として、電動機の回生運転による回生ブレーキと空気ブレーキとが併用されている。通常の運転では回生ブレーキが主体に作動し、回生ブレーキの不足分を空気ブレーキにより補っている。図５は、一般的なブレーキ制御システムの構成を示している。電気車制御装置のインバータ装置１は、ブレーキ制御装置２からブレーキ力指令が与えられると回生ブレーキを作動させ、負担した回生ブレーキ力を示すブレーキ力等価信号をブレーキ制御装置２に返す。ブレーキ制御装置２は、ブレーキ力指令とブレーキ力等価信号との差分により空気ブレーキ力指令を得て、その電気信号を空気圧力に変換する。

図６は、ブレーキ指令が入力されたときの波形図である。インバータ装置１は、ブレーキ指令を入力すると、乗り心地を高めるため１〜２秒程度かけて徐々に回生ブレーキ力を高め、それに等しいブレーキ力等価信号を出力する。ブレーキ制御装置２は、ブレーキ力指令とブレーキ力等価信号との差分により空気ブレーキ力指令を得て空気ブレーキを作動させる。しかし、空気ブレーキは、回生ブレーキに比べて応答が遅いため、ブレーキ開始後の一時期、電気車全体の総合ブレーキ力が過大になり、電気車に前後振動が発生して乗り心地が悪化する。

この電気車の前後振動を抑える手段として、特許文献１に示された電気車用ブレーキ装置がある。これは、回生ブレーキと空気ブレーキとの切り換え時における速度変化を緩やかにして乗り心地とブレーキ扱い性を向上させたものであり、広く用いられている。図７に示すように、インバータ装置は、ブレーキ指令を入力すると一時的にダミー信号を生成し、そのダミーブレーキ力と実際の回生ブレーキ力とを重ね合わせてブレーキ力等価信号を出力する。つまり、ブレーキ力等価信号の大きさ（等価ブレーキ力）を実際の回生ブレーキ力より一時的に大きくすることで、空気ブレーキ力の立ち上がりを抑制し、回生ブレーキと空気ブレーキとの重複を避け、電気車全体の総合ブレーキ力が過大となることを防止している。

特公平７−９９８８３号公報

ところで、ブレーキ指令時に、回生電力を受け入れる負荷（回生負荷）が架線側に存在しないと、電気車から架線側に回生電力を返すことができず回生ブレーキ力が得られない。特許文献１記載の電気車用ブレーキ装置を用いる場合、回生負荷の不足によりインバータ装置が回生ブレーキ力を絞り込むと、図８に示すようにダミー信号を出力している間、回生ブレーキと空気ブレーキがともに作用せず、電気車が空走してしまう。そのため、空走時間をなくすためダミー信号を使用せずに前後振動を許容するか、乗り心地を重視して空走時間を許容するか二者択一を迫られる問題があった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、回生ブレーキの機能を有するものにおいて、ブレーキ指令時の空走時間の短縮と乗り心地の改善とを両立させた電気車制御装置を提供することにある。

請求項１に記載した電気車制御装置は、電気車用電動機を駆動する電力変換器と、前記電力変換器に入力される直流電圧を検出する直流電圧検出手段と、ブレーキ力指令に対し前記電力変換器が実際に負担した回生ブレーキ力を検出する回生ブレーキ力検出手段と、前記電力変換器により回生ブレーキが作動可能となる前記直流電圧のしきい値電圧を設定し、前記直流検出電圧が前記しきい値電圧未満の場合には回生ブレーキ有効信号を出力し、前記直流検出電圧が前記しきい値電圧以上の場合には回生ブレーキ無効信号を出力する回生ブレーキ判定手段と、ブレーキ指令時において、前記回生ブレーキ判定手段から回生ブレーキ有効信号が出力されている場合には、前記回生ブレーキ力検出手段で検出された回生ブレーキ力に疑似ブレーキ力を重畳して得た等価ブレーキ力に応じたブレーキ力等価信号を出力し、前記回生ブレーキ判定手段から回生ブレーキ無効信号が出力されている場合には、前記回生ブレーキ力検出手段で検出された回生ブレーキ力に応じたブレーキ力等価信号を出力する等価ブレーキ力出力手段とを備えていることを特徴とする。

本発明によれば、回生ブレーキが作用する直流電圧域では良好な乗り心地を得ることができ、回生ブレーキが作用しない直流電圧域では空気ブレーキを速やかに立ち上げることにより空走時間を短縮できる。

本発明の一実施形態を示すインバータ装置とブレーキ制御装置のブレーキ制御に係る構成図 鉄道車両システムの概略的な主回路構成図 フィルタコンデンサ電圧と回生ブレーキ力との関係を示す図 ブレーキ指令時の各信号および各ブレーキ力の波形図 従来技術の概略構成図 ブレーキ力等価信号にダミー信号を付加しない構成での図４相当図 ブレーキ力等価信号にダミー信号を付加する構成で回生ブレーキが作用する場合の図４相当図 ブレーキ力等価信号にダミー信号を付加する構成で回生ブレーキが作用しない場合の図４相当図

以下、本発明の一実施形態について図１ないし図４を参照しながら説明する。
本実施形態の鉄道車両システムは、図２に示すように電気車制御装置１１とブレーキ制御装置１２を備えている。電気車制御装置１１において、架線１５と接するパンタグラフ１６は、高速度遮断器１７、接触器１８、１９およびフィルタリアクトル２０を介してインバータ装置１３内のインバータ主回路の一入力端子に接続されている。接触器１８には、充電抵抗器２１が並列接続されている。インバータ主回路の他方の入力端子は、接地ブラシ２２により接地されており、インバータ主回路の入力端子間には、フィルタコンデンサ２３と直流電圧検出器（ＤＣＰＴ）２４（直流電圧検出手段に相当）とが並列に接続されている。また、架線１５の電圧を検出するために直流電圧検出器（ＤＣＰＴ）２５が設けられている。

こうした主回路構成において、直流電圧検出器２５により架線電圧が検出されると、接触器１９がオンし、遅れて接触器１８がオンする。この電気車制御装置１１は、力行時には架線１５から直流電力を取り入れ、インバータ装置１３（電力変換器に相当）により主電動機１４（電気車用電動機に相当）に三相交流電力を出力する。また、回生ブレーキ時には、主電動機１４で発生した三相交流電力を直流電力に変換して架線１５に戻す。

図１は、ブレーキ制御装置１２とインバータ装置１３のブレーキ制御に係る構成を示している。マスターコントローラ２６（主幹制御器）は電気車の運転台に設置されており、ブレーキノッチが操作されるとブレーキ指令信号とブレーキノッチ信号を出力する。ブレーキ制御装置１２は、ブレーキ指令部２７においてブレーキノッチ信号や荷重に基づいて必要なブレーキ力を演算し、それをブレーキ力指令として出力する。減算器２８は、指令ブレーキ力を示すブレーキ力指令から等価ブレーキ力を示すブレーキ力等価信号を減算し、指令空気ブレーキ力を示す空気ブレーキ力指令を生成する。図示しない空気ブレーキ装置は、この空気ブレーキ力指令に従って作動する。

インバータ装置１３は、ブレーキ制御装置１２からブレーキ力指令が与えられると回生ブレーキを作動させ、負担した回生ブレーキ力に応じたブレーキ力等価信号をブレーキ制御装置１２に返す。回生ブレーキを作動させる場合、架線１５側に回生電力を受け入れる負荷（回生負荷）が存在しないと、回生電力を架線１５側に返すことができない。そこで、インバータ制御部２９（回生ブレーキ力検出手段に相当）は、回生負荷の大きさに応じて架線１５側に返す回生電力を調整している。

具体的には、架線１５側に十分な回生負荷が存在しない状態でインバータ装置１３が回生ブレーキ動作を行うと、インバータ主回路の入力側に接続されているフィルタコンデンサ２３の直流電圧（以下、フィルタコンデンサ電圧という）が上昇する。このため、インバータ制御部２９は、直流電圧検出器２４で検出したフィルタコンデンサ電圧の大きさに応じて架線１５側に返す回生電力を調整し、回生ブレーキ力を調整する。これに伴い、実際に負担した回生ブレーキ力を示す回生ブレーキ力信号を出力する。

インバータ装置１３は、ブレーキ力等価信号を出力する際、常に回生ブレーキ力信号にダミー信号を付加する従来構成とは異なり、フィルタコンデンサ電圧が所定のしきい値電圧未満の場合に限り回生ブレーキ力信号にダミー信号（疑似ブレーキ力信号）を付加する。そのための構成として、比較器３０は、フィルタコンデンサ電圧としきい値電圧とを比較して比較信号を出力する。ＡＮＤゲート３１は、この比較信号と、マスターコントローラ２６から出力されるブレーキ指令信号と、インバータ制御部２９から出力されるインバータ動作信号とを入力し、それらの論理積であるダミー許可信号を出力する。これら比較器３０とＡＮＤゲート３１により回生ブレーキ判定部３２（回生ブレーキ判定手段に相当）が構成されている。

ダミー信号生成部３３は、マスターコントローラ２６からブレーキ指令信号が入力された時、ダミー許可信号がハイレベルであることを条件として疑似ブレーキ力に応じた所定パルス幅のダミー信号を出力する。ダミー許可信号がロウレベルである場合にはダミー信号を出力しない。重畳部３４は、インバータ制御部２９から出力される回生ブレーキ力信号とダミー信号とを逐次比較し、大きい方の信号レベルを採用することにより重畳処理を行い、ブレーキ力等価信号として出力する。これらダミー信号生成部３３と重畳部３４により等価ブレーキ力出力部３５（等価ブレーキ力出力手段）が構成されている。

次に、本実施形態の作用および効果について図３および図４も参照しながら説明する。
既述したように、電気車は、架線１５側に存在する回生電力を受け入れる負荷（回生負荷）が不足すると、十分な回生ブレーキ力を発生させることができない。この回生負荷の不足は、架線１５の電圧すなわちフィルタコンデンサ電圧に基づいて判定することができる。

図３は、フィルタコンデンサ電圧とインバータ装置１３による回生ブレーキ力との関係を示している。十分な回生負荷が存在する条件の下で負担できる回生ブレーキ力を１００％として表している。例えば架線電圧（公称）が直流１５００Ｖの鉄道車両システムに対し、フィルタコンデンサ電圧が１７００Ｖを超えると回生負荷が不足して回生ブレーキ力が徐々に低下し（回生負荷不足状態）、やがて１８００Ｖに達すると回生ブレーキ力がゼロになる（回生失効状態）。

そこで、フィルタコンデンサ電圧の増加に伴いインバータ装置１３による回生ブレーキ力が低下する直流電圧範囲内（本実施形態では１７００Ｖから１８００Ｖの間）にしきい値電圧（例えば１７００Ｖ）を設定する。回生ブレーキ判定部３２は、インバータ制御部２９が動作している状態でマスターコントローラ２６からブレーキ指令が入力された時、フィルタコンデンサ電圧がしきい値電圧未満の場合には十分な回生ブレーキ力が得られるのでハイレベルのダミー許可信号（回生ブレーキ有効信号に相当）を出力してダミー信号生成部３３にダミー信号を出力させる。一方、フィルタコンデンサ電圧がしきい値電圧以上の場合には回生ブレーキ力が不足または失効するのでロウレベルのダミー許可信号（回生ブレーキ無効信号に相当）を出力してダミー信号の出力を停止させる。

その結果、十分な回生ブレーキ力（１００％）が得られる場合には、従来と同様の作用により、図７に示す通りブレーキ指令信号の入力時にブレーキ力等価信号の大きさ（等価ブレーキ力）が実際の回生ブレーキ力より一時的に大きくなるので、空気ブレーキ力指令を抑制し、回生ブレーキと空気ブレーキとの重複を避け、電気車全体の総合ブレーキ力が過大となることを防止できる。これにより、ブレーキ指令後の電気車の前後振動の発生が防止され乗り心地が改善される。

一方、回生ブレーキ力が不足またはゼロの場合には、図４に示すように実際の回生ブレーキ力にダミー信号を付加することなく（換言すればゼロのダミー信号を付加して）そのままブレーキ力等価信号とするので、ブレーキ指令信号の入力時点から直ちに空気ブレーキ力指令が立ち上がる。その結果、空気ブレーキ力自体の作用遅れはあるものの、従来問題となっていた空走時間を短縮することができ、ブレーキ扱い性を高め、電気車を目標停止位置に停止させ易くなる。また、回生ブレーキ力自体が小さくまたはゼロなので、回生ブレーキと空気ブレーキとの重複が小さくまたは重複がなく、総合ブレーキ力が過大となることによる乗り心地の悪化も生じにくい。

以上説明したように本実施形態によれば、回生ブレーキが作用する直流電圧域では、ブレーキ指令時にダミー信号を付加して良好な乗り心地を得ることができ、回生ブレーキが失効または十分に作用しない直流電圧域では、ブレーキ指令時にダミー信号を付加せず空気ブレーキを速やかに立ち上げて空走時間を短縮することができる。

なお、本発明は上記し且つ図面に示す実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のように変形または拡張が可能である。
電力変換器としてインバータ装置を用いて交流電動機を駆動する鉄道車両システムに適用したが、電力変換器としてチョッパ装置を用いて直流電動機を駆動する鉄道車両システムにも同様にして適用できる。
ブレーキ制御装置として空気ブレーキを例示したが、その他の機械式ブレーキであってもよい。

図面中、１１は電気車制御装置、１３はインバータ装置（電力変換器）、１４は主電動機（電気車用電動機）、２４は直流電圧検出器（直流電圧検出手段）、２９はインバータ制御部（回生ブレーキ力検出手段）、３２は回生ブレーキ判定部（回生ブレーキ判定手段）、３５は等価ブレーキ力出力部（等価ブレーキ力出力手段）である。

Claims (2)

1. 電気車用電動機を駆動する電力変換器と、
   前記電力変換器に入力される直流電圧を検出する直流電圧検出手段と、
   ブレーキ力指令に対し前記電力変換器が実際に負担した回生ブレーキ力を検出する回生ブレーキ力検出手段と、
   前記電力変換器により回生ブレーキが作動可能となる前記直流電圧のしきい値電圧を設定し、前記直流検出電圧が前記しきい値電圧未満の場合には回生ブレーキ有効信号を出力し、前記直流検出電圧が前記しきい値電圧以上の場合には回生ブレーキ無効信号を出力する回生ブレーキ判定手段と、
   ブレーキ指令時において、前記回生ブレーキ判定手段から回生ブレーキ有効信号が出力されている場合には、前記回生ブレーキ力検出手段で検出された回生ブレーキ力に疑似ブレーキ力を重畳して得た等価ブレーキ力に応じたブレーキ力等価信号を出力し、前記回生ブレーキ判定手段から回生ブレーキ無効信号が出力されている場合には、前記回生ブレーキ力検出手段で検出された回生ブレーキ力に応じたブレーキ力等価信号を出力する等価ブレーキ力出力手段とを備えていることを特徴とする電気車制御装置。
2. 前記回生ブレーキ判定手段は、前記直流電圧の増加に伴い前記電力変換器による回生ブレーキ力が低下する直流電圧範囲内に前記しきい値電圧を設定することを特徴とする請求項１記載の電気車制御装置。

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