JP4686373B2

JP4686373B2 - 電気車制御装置

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Publication number: JP4686373B2
Application number: JP2006030664A
Authority: JP
Inventors: 伸一戸田; 育雄安岡; 洋介中沢
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2005-11-17
Filing date: 2006-02-08
Publication date: 2011-05-25
Anticipated expiration: 2026-02-08
Also published as: JP2007166885A

Description

本発明は、電気車制御装置に関する。

従来の電気車制御装置について、図を参照し詳細に説明する。図８は、従来の電気車制御装置のブロック図である。図９は、永久磁石式電動機の誘起電圧特性を示した図である。図１０は、電気車の惰行時の電力の流れを示した図である。尚、図１０中の矢印は、電力の流れを表している。

従来の電気車制御装置において、架線からパンタグラフ１を介して集電された直流電力は、断流器２、断流器３、断流器４及びフィルタリアクトル６を介してインバータ１８に入力される。インバータ１８は、入力された直流電力を、可変電圧・可変周波数の交流電力に変換し、通常は閉じている開放用接触器１３を介して永久磁石式同期電動機１４に供給する。永久磁石式同期電動機１４は、永久磁石を内蔵しているため回転中は常に起電力を誘起する。力行時及び回生時には、インバータ１８でこの誘起電圧とともに電動機電流を制御して、駆動トルクやブレーキトルクを発生させる。この永久磁石式同期電動機１４の誘起電圧特性は、図５に示すように速度に比例して増大するため、高速領域でインバータ１８の動作が停止する惰行モードになる誘起電圧が定格架線電圧を超えてしまい（図５の縦線の領域）、永久磁石式同期電動機１４が発電機として作用する。永久磁石式同期電動機１４により発電された電力は、図１０の矢印で示すように、開放用接触器１３、半導体素子７のダイオード、パンタグラフ１の順や、開放用接触器１３、半導体素子９のダイオード、パンタフラフの順に流れ、架線に流れる。そのため、永久磁石式電動機１４は、電気車の惰行時に回生ブレーキとして作用してしまう。

この現象を防止するために、一般的には永久磁石式電動機１４の永久磁石の磁束を打ち消す方向の励磁電流をインバータ１８の電流制御により永久磁石式電動機１４に流し、永久磁石式電動機１４の誘起電圧の大きさを制御している。
特開２００５−１１７７９７号公報

しかしながら、従来の電気車制御装置では、インバータ１８が故障した場合、永久磁石式電動機１４の誘起電圧を制御することが出来ないので、開放用接触器１３を開放するしかない。そのため、開放用接触器１３には、非常に高い信頼性が求められ、万が一ひとつの開放用接触器１３が固渋しても、もうひとつの開放用接触器１３により回路を切り離し、電気車編成として運転が継続が可能なように、開放用接触器１３を２個直列に配置した構成（開放用接触器郡１３１）となっている（図４参照）。

しかし、開放用接触器１３を２個直列に配置すると、部品数が増加し、装置自体も大きくそして重くなってしまう。

そこで、本発明は、電気車の惰行時に架線へ電力が回生することを防止でき、小型化することの出来る電気車制御装置を提供することを目的とする。

上記課題は、交流架線に接続された電圧を変化させる変圧器と、前記変圧器で電圧が変化した交流電力を直流電力に変換するコンバータと、前記変圧器と前記コンバータの間に設けられた接触器と、前記コンバータで変換された直流電力を可変電圧・可変周波数の交流電力に変換するインバータと、前記インバータの交流電力側に接続された開放用接触器と、前記インバータの直流端子間に設けられたフィルタコンデンサと、前記インバータと前記開放用接触器を介して接続され、前記インバータから供給される交流電力によって駆動し、電気車の最高運転速度時の誘起電圧の直流換算値が前記フィルタコンデンサに印加される定格電圧以下である永久磁石式電動機と、前記インバータの直流端子間に設けられ、前記フィルタコンデンサの電圧を検出する電圧検出器と、前記接触器と前記開放接触器を制御する制御部とを有し、前記接触器と前記開放接触器の開閉動作は相互的に作用し、前記制御部において、システム停止時または、前記永久磁石式電動機の誘起電圧の直流換算値が、前記電圧検出器により検出される前記フィルタコンデンサの電圧よりも低い場合に、前記接触器及び前記開放用接触器も開くことで前記永久磁石式電動機にブレーキトルクをかけ、かつ交流架線に前記永久磁石式電動機からの回生エネルギーの流入を防止することを達成することが出来る。

本発明により、電気車の惰行時に架線へ電力が回生することを防止でき、小型化することの出来る電気車制御装置を提供することが出来る。

（第１の実施の形態）
本発明に基づく第１の実施の形態の電気車制御装置について図を参照し詳細に説明する。図１は、本発明に基づく第１の実施の形態の電気車制御装置のブロック図である。図２は、本発明に基づく第１の実施の形態の電気車制御装置の永久磁石式同期電動機と従来の永久磁石式同期電動機の誘起電圧及びモータ電流の特性図である。

本発明に基づく第１の実施の形態の電気車制御装置は、パンタグラフ１と、パンタグラフ１と接続された断流器２と、断流器２と接続された断流器３と、断流器３と接続された断流器４と、断流器４に並行に断流器３と接続された充電抵抗５と、断流器４と接続されたフィルタリアクトル６と、フィルタリアクトル６と接続されたインバータ１８Ａと、インバータ１８Ａと並行にフィルタリアクトル６と接続されたフィルタコンデンサ１７と、インバータ１８Ａと接続され各相毎にひとつずつ設けられた開放用接触器１３Ａと、開放用接触器１３Ａと接続され、電気車の最高運転速度時の誘起電圧が定格架線電圧以下（フィルタコンデンサに印加される定格電圧以下）となる永久磁石式同期電動機１４Ａから構成され、開放用接触器１３Ａを直列に配列しない構成としている。

このように構成された電気車制御装置において、架線からパンタグラフ１を介して集電された直流電力（架線電力）は、断流器２、断流器３、断流器４及びフィルタリアクトル６を介してインバータ１８に入力される。インバータ１８は、入力された直流電力を、可変電圧・可変周波数の交流電力に変換し、通常は閉じている開放用接触器１３を介して永久磁石式同期電動機１４に供給する。永久磁石式同期電動機１４は、インバータ１８から供給された交流電力により回転し、電気車を駆動する。電気車が惰行時には、永久磁石式同期電動機１４Ａも回転しているが、電気車の最高運転速度時の誘起電圧の直流換算値が定格架線電圧以下となる特性を有しているため、架線側に電力が流れることがない。

永久磁石式同期電動機１４Ａの誘起電圧Ｅｍは、図２の（２）に示すように電気車の最高運転速度Ｖｍａｘで定格架線電圧を超えない。これを実現するためには、誘起電圧ＥｍをＥｍ≒Ｋ１＊ωｍ＊Φ（Ｋ１は電動機固有の定数、ωｍは電動機回転数（速度））と近似し、磁束Φを下げれば良い。磁束Φを下げると、電動機発生トルクＴｑは、Ｔｑ≒Ｋ２＊Ｉｍ＊Φ（Ｋ２は電動機固有の定数）で近似されるので、電動機電流Ｉｍが増加する（４）が、本実施の形態のインバータ１８Ａは永久磁石式同期電動機１４Ａを一台駆動する容量は、従来複数個の誘導電動機を駆動していた際のインバータ容量よりは小さくなり、十分余裕があるため、実用上問題はない。

このように構成された電気車制御装置において、永久磁石式同期電動機は、電気車の運転最高速度時誘起電圧が定格架線電圧よりも低いので、インバータ１８Ａが故障し、更に開放用接触器１３Ａが固渋した場合でも、通常の運転速度では永久磁石式同期電動機１４Ａの誘起電圧の直流換算値のほうが定格架線電圧よりも低くなり、インバータ１８Ａのダイオードは不導通となり架線側へ電力が回生されることはない。そのため、最小限の開放接触器数で、信頼性の高い永久磁石式同期電動機を用いたシステムを構成することが出来る。

このように構成された電気車制御装置は、従来二重直列に配置していた開放接触器をひとつずつとしているので小型化することが出来、電気車の運転最高速度時誘起電圧の直流換算値が定格架線電圧よりも低い永久磁石式同期電動機により、電気車の惰行時に架線へ電力が回生することを防止できる。

（第２の実施の形態）
本発明に基づく第２の実施の形態の電気車制御装置について図を参照し詳細に説明する。図３は、本発明に基づく第２の実施の形態の電気車制御装置のインバータへの制御部の一部の構成図である。

本発明に基づく第２の実施の形態の電気車制御装置は、電気車が惰行時にインバータを動作させないことを特徴のひとつとしている。機器の回路構成は、第１の実施の形態の電気車制御装置と同じものとなっている。

本発明に基づく第２の実施の形態の電気車制御装置において、インバータへの制御部には、ＯＲ論理２１と、ＯＲ論理２１と接続されたＡＮＤ論理２２と、ＯＲ論理２１と接続された反転論理２４と、反転論理２４と接続されたＯＮＴＤ２５と、ＡＮＤ論理２２とセト側（Ｓ）が接続され、ＯＮＴＤ２５とリセット側（Ｒ）が接続されたフリップフロップ２３が設けられている。ＯＲ論理２１は、力行指令若しくは回生指令が入力されている場合に「Ｈ」を出力する。ＡＮＤ論理２２は、ＯＲ論理から「Ｈ」が入力され、断流器２、断流器３、断流器４がオンである場合のみ「Ｈ」を出力する。反転論理２４は、ＯＲ論理から入力された「Ｈ」若しくは「Ｌ」の論理を反転させる。ＯＮＴＤ２５は、一定時間以上「Ｈ」が入力された場合に「Ｈ」を出力する。フリップフロップ２３は、セット側に「Ｌ」が入力された場合、ゲートスタート指令を出力し、リセット側に「Ｌ」が入力された場合、ゲートストップ指令を出力する。

このように構成された電気車制御装置において、力行時若しくは回生時には、ＯＲ論理２１には力行指令若しくは回生指令が入力されるため、ＯＲ論理２１は「Ｈ」をＡＮＤ論理２２及び反転論理２４に出力する。力行時若しくは回生時には基本的には、断流器２、断流器３、断流器４は全てＯＮとなっているため、ＡＮＤ論理２２は、「Ｈ」をフリップフロップ２３のセット側に出力する。その後、フリップフロップ２３は、インバータゲートスタート指令を出力する。

それに対して惰行時は、力行指令及び回生指令がＯＲ論理２１に入力されないので、ＯＲ論理２１は「Ｌ」を出力する。そのため、ＡＮＤ論理２２は、「Ｈ」を出力しない。反転論理２４は、ＯＲ論理２１から入力された「Ｌ」を「Ｈ」に反転させ、ＯＮＴＤ２５に出力する。ＯＮＴＤ２５は、一定時間以上「Ｈ」の入力があるので、「Ｈ」をフリップフロップ２３のリセット側に出力する。フリップフロップ２３は、リセット側の入力を受けて、インバータゲートストップ指令を出力する。

このように構成された電気車制御装置は、従来の電気車制御装置や第１の実施の形態の電気車制御装置と異なり、惰行時はインバータを停止することが出来るので、惰行中にインバータ１８の動作で発生する消費電力を低減することが出来、エネルギー効率を向上させることが出来る。

また、本実施の形態の電気車制御装置においても、従来二重直列に配置していた開放接触器をひとつずつとしているので小型化することが出来、電気車の運転最高速度時誘起電圧が定格架線電圧よりも低い永久磁石式同期電動機により、電気車の惰行時に架線へ電力が回生することを防止できる。

（第３の実施の形態）
本発明に基づく第３の実施の形態の電気車制御装置について、図を参照し詳細に説明する。図４は、本発明に基づく第３の実施の形態の電気車制御装置の構成図である。図５は、本発明に基づく第３の実施の形態の電気車制御装置の永久磁石式同期電動機と従来の永久磁石式同期電動機の誘起電圧及びモータ電流の特性図である。尚、図１及び図２に記載したものと同一の構造をとるものについては、同符号を付して説明を省略する。

本発明に基づく第３の実施の形態の電気車制御装置は、架線と接触し架線電力を受け取るパンタグラフ１と、パンタグラフ１とトランス（変圧器）３２を介して接続される接触器２６と、接触器２６と接続されるコンバータ２７と、コンバータ２７と接続されるインバータ１８Ａと、インバータ１８Ａの直流入力端子間に接続されるフィルタコンデンサ１７と、フィルタコンデンサ１７と並列にインバータ１８Ａの直流入力端子間に接続される電圧検出器２８、インバータ１８Ａと接続され各相に設けられた１重の接触器１３Ａ（２個直列等されていない）と、接触器１３Ａと接続され、電気車の最高運転速度時の誘起電圧がフィルタコンデンサに印加される定格電圧以下となる永久磁石式電動機１４Ｂと、接触器１３Ａ及び接触器２６を制御する制御部２９から主に構成されている。

このように構成された第３の実施の形態の電気車制御装置において、パンタグラフ１は、架線を介して架線電力（交流電力）を受け取り、トランス３２及び接触器２６を介してコンバータ２７に架線電力を供給する。コンバータ２７は架線電力を直流電力に変換し、出力する。コンバータ２７から出力された直流電力は、フィルタコンデンサ１７、電圧検出器２８、インバータ１８Ａに供給される。インバータ１８Ａは、コンバータ２７から供給された直流電力を、可変電圧・可変周波数の交流電力に変換して、通常は閉じている接触器１３Ａを通して、永久磁石式同期電動機１４Ｂに供給し、永久磁石式同期電動機１４Ｂはインバータ１８Ａから供給された交流電力により駆動する。

永久磁石式同期電動機１４Ａの誘起電圧の直流換算値Ｅｍは、図５の（２）に示すように電気車の最高運転速度Ｖｍａｘで直流平滑コンデンサ（フィルタコンデンサ１７）に印加される定格電圧を超えない。これを実現するためには、誘起電圧ＥｍをＥｍ≒Ｋ１＊ωｍ＊Φ（Ｋ１は電動機固有の定数、ωｍは電動機回転数（速度））と近似し、磁束Φを下げれば良い。磁束Φを下げると、電動機発生トルクＴｑは、Ｔｑ≒Ｋ２＊Ｉｍ＊Φ（Ｋ２は電動機固有の定数）で近似されるので、電動機電流Ｉｍが増加する（４）が、本実施の形態のインバータ１８Ａは永久磁石式同期電動機１４Ａを一台駆動する容量は、従来複数個の誘導電動機を駆動していた際のインバータ容量よりは小さくなり、十分余裕があるため、実用上問題はない。

このように構成された電気車制御装置が搭載された電気車が惰行時には、永久磁石式同期電動機１４Ａも回転しているが、電気車の最高運転速度時の誘起電圧の直流換算値がフィルタコンデンサに印加される定格架線電圧以下となる特性を有しているため、コンデンサ１７へ電力が回生されることはない。

また、本実施の形態の電気車制御装置においても、従来二重直列に配置していた開放接触器をひとつずつとしているので小型化することが出来、電気車の運転最高速度時誘起電圧の直流換算値がフィルタコンデンサに印加される定格電圧よりも低い永久磁石式同期電動機により、電気車の惰行時に電動機にブレーキトルクがかかり、かつ架線へ電力が回生することを防止できる。

（第４の実施の形態）
本発明に基づく第４の実施の形態の電気車制御装置について、図を参照し詳細に説明する。図６は、本発明に基づく第４の実施の形態の電気車制御装置の制御部の部分構成図である。尚、図１乃至図５に記載したものと同一の構造をとるものについては、同符号を付して説明を省略する。

本発明に基づく第４の実施の形態の電気車制御装置は、接触器２６が開いたときに接触器１３Ａも開き、フィルタコンデンサ（直流平滑コンデンサ）に過電圧が印加されるのを防止することを特徴のひとつとしている。

本発明に基づく第４の実施の形態の電気車制御装置は、図４に記載の第３の実施の形態の電気車制御装置と同じ構成であるが、制御部２９の内部構造が異なる。

本発明に基づく第４の実施の形態の電気車制御装置の制御部２９は、接触器８Ａの開閉を制御する継電器３０と、接触器２６の補助接点３１と、接触器１３Ａの励磁コイル３３とにより構成されている。継電器３０は、電気車制御装置の起動指令及び停止指令に連動して動作し、励磁コイル３３を駆動して接触器１３Aの開放を制御する。補助接点３１は、接触器２６の動きと連動して動作し、接触器２６が開けば補助接点３１も開き、接触器２６が閉じれば補助接点３１も閉じる。励磁コイル３３は、接触器１３Ａを動作させるもので、励磁コイル３３に電流が流れ励磁されている時には接触器１３Ａも閉じているが、励磁コイル３３への電流が遮断され消磁されているときには接触器１３Ａが開く。

このように構成された電気車制御装置の制御部２９において、接触器２６が開いた場合、接触器２６の補助接点３１も開き、励磁コイル３３を消磁させ、接触器２８も開く。本実施の形態の電気車制御装置は、コンバータ２７、インバータ１８Ａが動作中でも永久磁石
式同期電動機が１４Ｂの誘起電圧によりフィルタコンデンサに過電圧が印加されることはない。

（第５の実施の形態）
本発明に基づく第５の実施の形態の電気車制御装置について図を参照し詳細に説明する。図７は、本発明に基づく第５の実施の形態の電気車制御装置のインバータの制御部の部分構成図である。尚、図１乃至図６に記載したものと同一の構造をとるものについては、同符号を付して説明を省略する。

本発明に基づく第５の実施の形態の電気車制御装置は、本発明に基づく第４の実施の形態の電気車制御装置と、制御部２９の構成が異なる。

本発明に基づく第５の実施の形態の電気車制御装置の制御部２９は、コンパレータ３４、コンパレータ３４からの出力信号を受け取る反転論理部３５、反転論理３５からの出力信号と停止指令を受け取るＯＲ回路３６、ＯＲ回路３６からの出力信号をリセット側（Ｒ側）に入力され、システム起動指令をセット（Ｓ側）に入力されるフリップフロップ３７と、フリップフロップ３７からの出力信号をデジタル出力するデジタル出力３８と、デジタル出力３８と接続された継電器３０、継電器３０により励磁、消磁する励磁コイル３３とから構成されている。

コンパレータ３４は、永久磁石式同期電動機１４Ｂの誘起電圧の直流換算値よりもフィルタコンデンサ電圧が低くなったら、ＬＯＷを出力し、永久磁石式同期電動機１４Ｂの誘起電圧の直流換算値よりもフィルタコンデンサ電圧が高い場合にはＨｉｇｈを出力する。反転論理３５は、コンパレータ３４から入力された信号を反転させる。コンパレータ３４から入力された信号がＬｏｗの場合は、Ｈｉｇｈに反転し、ＯＲ回路３６に出力し、コンパレータ３４から入力された信号がＨｉｇｈの場合は、Ｌｏｗに反転しＯＲ回路３６に出力する。ＯＲ回路３６では、停止指令が入力された場合、若しくはＯＲ回路３６からＨｉｇｈが入力された場合に、ＨｉｇｈをフリップフロップのＲ側に出力する。フリップフロップ３７は、Ｓ側にシステム起動指令が入力された後、Ｈｉｇｈを出力するが、Ｒ側にＨｉｇｈが入力されたら、Ｌｏｗをデジタル出力３８に出力する。デジタル出力３８は、フリップフロップ３７からＨｉｇｈが入力されている場合は継電器３０を閉じ、励磁コイル３３を励磁させるが、フリップフロップ３８からＬｏｗが入力されている場合には継電器３０を開き励磁コイル３３を消磁させる。

このように構成された電気車制御装置の制御部２９は、システム起動時には、フリップフロップ３７のＳ側にシステム起動指令が入力され、継電器３０を閉じさせ、励磁コイル３３を励磁し、接触器１３Ａを閉じさせ、システムを動作させる。しかし、システムの停止指令がＯＲ回路３６に入力された場合、若しくはコンデンサ１７へ印加される電圧が永久磁石式同期電動機１４Ｂの誘起電圧よりも低い場合、ＯＲ回路３６は、Ｈｉｇｈをフリップフロップ３７のＲ側に出力する。フリップフロップ３７は、Ｒ側にＨｉｇｈが入力されるとデジタル出力３８にＬＯＷを出力し、デジタル出力３８は継電器３０を開き、励磁コイル３３を消磁させ、接触器１３Ａを開く。

このように構成された電気車制御装置は、電気車の惰行時に、永久磁石同期電動機の誘起電圧の直流換算値が、フィルタコンデンサ１７の電圧よりも高い場合に、接触器１３Ａを開くことが可能であるので、永久磁石式同期電動機１４Ｂの誘起電圧により回生電流が流れ、不要なブレーキトルクが作用することはない。

また、本実施の形態の電気車制御装置においても、従来二重直列に配置していた開放接触器をひとつずつとしているので小型化することが出来、電気車の運転最高速度時誘起電圧がフィルタコンデンサに印加される定格電圧よりも低い永久磁石式同期電動機により、電気車の惰行時に架線へ電力が回生することを防止できる。

尚、本発明に基づく第１の実施の形態及び第５の実施の形態の電気車制御装置の説明では、インバータ１８Ａと永久磁石式同期電動機１４Ａを電気的に切り離す手段として開放接触器で説明しているが、接触器以外の切り離し手段も考えられる、接触器以外の切り離し手段で本発明に基づく電気車制御装置を構成しても同様の効果が得られるので、本発明は、接触器のみに限定はされない。

本発明に基づく第１の実施の形態の電気車制御装置のブロック図である。本発明に基づく第１の実施の形態の電気車制御装置の永久磁石式同期電動機と従来の永久磁石式同期電動機の誘起電圧及びモータ電流の特性図である。本発明に基づく第２の実施の形態の電気車制御装置のインバータへの制御部の一部の構成図である。本発明に基づく第３の実施の形態の電気車制御装置の構成図である。本発明に基づく第３の実施の形態の電気車制御装置の永久磁石式同期電動機と従来の永久磁石式同期電動機の誘起電圧及びモータ電流の特性図である。本発明に基づく第４の実施の形態の電気車制御装置の制御部の部分構成図である。本発明に基づく第５の実施の形態の電気車制御装置の制御部の部分構成図である。従来の電気車制御装置のブロック図である。永久磁石式電動機の誘起電圧特性を示した図である。電気車の惰行時の電力の流れを示した図である。

符号の説明

１パンタグラフ
２断流器
３断流器
４断流器
５充電抵抗器
６フィルタリアクトル
７半導体素子
８半導体素子
９半導体素子
１０半導体素子
１１半導体素子
１２半導体素子
１３開放用接触器
１４永久磁石式同期電動機
１７フィルタコンデンサ
１８インバータ
２１ＯＲ論理
２２ＡＮＤ論理
２３フリップフロップ
２４反転論理
２５オン時素論理
２６接触器
２７コンバータ
２８電圧検出器
２９制御部
３０継電器
３１補助接点
３２変圧器
３３励磁コイル
３４コンパレータ
３５反転論理
３６ＯＲ回路
３７フリップフロップ
３８デジタル出力

Claims

交流架線に接続された電圧を変化させる変圧器と、
前記変圧器で電圧が変化した交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
前記変圧器と前記コンバータの間に設けられた接触器と
前記コンバータで変換された直流電力を可変電圧・可変周波数の交流電力に変換するインバータと、
前記インバータの交流電力側に接続された開放用接触器と、
前記インバータの直流端子間に設けられたフィルタコンデンサと、
前記インバータと前記開放用接触器を介して接続され、前記インバータから供給される交流電力によって駆動し、電気車の最高運転速度時の誘起電圧の直流換算値が前記フィルタコンデンサに印加される定格電圧以下である永久磁石式電動機と、
前記インバータの直流端子間に設けられ、前記フィルタコンデンサの電圧を検出する電圧検出器と
前記接触器と前記開放接触器を制御する制御部とを有し、
前記接触器と前記開放接触器の開閉動作は相互的に作用し、前記制御部において、システム停止時または、前記永久磁石式電動機の誘起電圧の直流換算値が、前記電圧検出器により検出される前記フィルタコンデンサの電圧よりも低い場合に、前記接触器及び前記開放用接触器も開くことで前記永久磁石式電動機にブレーキトルクをかけ、かつ交流架線に前記永久磁石式電動機からの回生エネルギーの流入を防止することを特徴とする電気車制御装置。
前記請求項１記載の電気車制御装置において、
前記開放用接触器は、各相にひとつずつ設けられたことを特徴とする電気車制御装置。