JP5856873B2 - 鉄道車両用駆動システム，これを備えた鉄道車両，駆動制御方法 - Google Patents

Description

本発明は，ディーゼルエンジン発電駆動方式の鉄道車両の駆動システムに係り，特に回生ブレーキ電力を有効活用して省エネルギを実現する技術に関する。

国内外問わず，地方本線やローカル線ではいまでも非電化区間が多く存在する。これらの区間では，運行本数が１時間当たり１本程度で，さらに乗客も閑散である。新たに電化設備を導入して電車列車を走らせるよりも，これまで通りディーゼルエンジン駆動の気動車等を走行させるほうが，設備投資が不要なだけでなく，一両での運行など輸送量にあわせた自由度の高い車両構成が可能でありランニングコストも抑えられるからある。

ところで，気動車は大きく分けて二つの型式がある。ひとつは，ディーゼルエンジンの駆動力を，液体式変速機，減速機を介して直接，車輪に機械エネルギ伝達して引張力を得る「液体式気動車」，もう一方は，ディーゼルエンジン駆動力を発電機で電気エネルギに変換，これを電動機で機械エネルギに戻して車輪を駆動して引張力を得る「電気式気動車」である。現在，国内の気動車は，「液体式気動車」が主流である。旧国鉄時代には「電気式気動車」の開発も行われてきたが，勢力を拡大するには至らなかった。「機械→電気→機械」とエネルギ変換が２回必要であること，また当時は，エンジン出力から電気エネルギへの変換は効率の良くない直流発電機を用いていたこと，「液体式気動車」の開発が進むに従い「電気式気動車」の役割は低下していったためである。

近年，インバータ駆動方式電車の一般化，さらにシリーズハイブリッド気動車の開発を機に，「電気式気動車」に注目が集まるようになってきた。電気式気動車は，液体変速機といった複雑で検査周期の短い機械部品を省略し，電車と部品を共通化できるメリットがある。さらに，メンテナンス性向上を目指して車載部品の共通化が図られるなかで，インバータ装置，電動機，遮断機等の主要機器については，電車と仕様を共通化できるメリットは大きい。

シリーズハイブリッド気動車については，例えば特開２０１０−１１６８４号公報の鉄道車両駆動システムにおいて述べられている。

特開２０１０−１１６８４号公報における鉄道車両の駆動装置の機器構成図を図７に示す。

システム統括制御部１０９は，運転台１１１が出力する運転指令ＮＴＣ_ｉｎｖ，速度演算部１２０ｂが出力する電動機ロータ周波数ＦＲ_ｍｔｒ，インバータ装置１０４が出力する駆動トルク情報ＴＲＱ_ｉｎｖ，蓄電装置１０８が出力する電池セル温度ＴＭＰ_ｂｔｒ，電池蓄電量ＳＯＣ_ｂｔｒを入力として，エンジン装置１０１にエンジン出力指令ＮＴＣ_ｅｎｇ，コンバータ装置１０３にコンバータ発電指令ＮＴＣ_ｃｎｖを出力し，２次電池蓄電量を一定範囲内とするように，これらの機器の総合的な動作状態を制御する。充放電電流による通流損失を最小限とすることで，蓄電手段の安全性確保と長寿命化を実現する。

特許文献１は，シリーズハイブリッド方式の気動車の構成である。蓄電装置を搭載することにより，液体式気動車はもちろんのこと，電気式気動車でも実現されていなかった回生ブレーキを実現した。回生ブレーキ電力を蓄電装置に充電して，力行時の電力の一部としてあてることにより，燃料消費量の低減を可能としている。

特開２０１０−１１６８４号公報 「鉄道車両駆動システム」

前述のように，シリーズハイブリッド方式気動車では蓄電装置の搭載により回生ブレーキを可能としている。これに対し，蓄電装置を搭載していない一般的な電気式気動車は，電車と部品を共通化できるメリットはシリーズハイブリッド方式気動車と同じであるが，ブレーキで発生した電力を一時的に蓄積する蓄電手段は持たない。

一般的な電気式気動車でも，ブレーキ中は補機消費電力が動作しているので，少なくとも補機負荷分の回生ブレーキ電力を補機消費電力として消費できる。しかし，車両の停止間際では回生ブレーキ電力が小さくなり補機消費電力を負担できなくなる。この時点で，補機への電力供給源として，インバータ装置（回生ブレーキ）からコンバータ装置（エンジン発電電力）にバトンタッチが必要となる。

インバータ装置，またはコンバータ装置を補機への電力供給源として動作させるために，インバータ装置，またはコンバータ装置で，直流部電圧を一定に保つ定電圧制御（ＡＶＲ制御）を行い，補機に電力を供給する補助電源装置は，直流部より必要電力を負荷に供給するため定電力制御（電圧一定を前提すれば定電流制御）をすることが考えられる。ここで，定電圧制御（ＡＶＲ制御）は，制御干渉を回避するために，インバータ装置，コンバータ装置の何れか一方が担当することが望ましい。その切替え時間は定電圧制御（ＡＶＲ制御）の制御周期（数ミリ秒程度）未満とする必要がある。

ところで，鉄道システムにおける，インバータ装置とコンバータ装置の制御連携の方法としては，ＲＳ４８５等のシリアル通信方式が一般的である。このシリアル通信等による制御伝送により，補機への電力供給源をインバータ装置（回生ブレーキ）からコンバータ装置（エンジン発電電力）に切替える方法も原理的には可能である。しかし，インバータ装置とコンバータ装置間の通信では，制御情報の送信処理，および受信処理，また通信周期による伝送遅れが発生する。この伝送遅れは装置の仕様により異なるが，一般的な鉄道システムの制御仕様では数十ミリ秒程度である。すなわち，シリアル通信等による制御伝送により，補機への電力供給源をインバータ装置（回生ブレーキ）からコンバータ装置（エンジン発電電力）に切替えは難しいと考えられる。

本発明の目的は，回生ブレーキ電力を有効に利用することができ，かつ制御安定性の高い電気式気動車の制御システムを提供することである。

本発明では，インバータ装置とコンバータ装置を接続する直流電力部分の直流電圧が共通であることに着目し，上限電圧をインバータ装置，または電力吸収装置の充放電を制御するチョッパ装置，下限電圧をコンバータ装置で制限することにより，シリアル通信等の制御伝送で補機への電力供給源をインバータ装置（回生ブレーキ）からコンバータ装置（エンジン発電電力）に切替えることを必要とせずに，直流部電圧を所定範囲に収める制御を行い，その結果としてインバータ装置とコンバータ装置のいずれかにより補機に電力を供給する方式とした。

つまり，エンジンにより駆動される発電機が発生する交流電力を直流電力に変換する第一の電力変換手段と，直流電力を交流電力に変換し電動機を制御する第二の電力変換手段と，直流電力を入力として補機へ電力を供給する補機電力供給手段と，直流電力の電圧を検出する電圧検出手段と，第一の電力変換手段を制御する第一の制御手段と，第二の電力変換手段を制御する第二の制御手段を備える鉄道車両用駆動システムにおいて，第一の制御手段は，電圧検出手段により検出した電圧情報に対する第一の電圧閾値を備え，第二の制御手段は，電圧検出手段により検出した電圧情報に対する第二の電圧閾値を備え，第二の電圧閾値は，第一の電圧閾値よりも大きな電圧値とし、第二の電力変換手段が回生動作を行う場合であって，直流電力の電圧が第一の電圧閾値よりも小さくなった際に，第一の制御手段は，直流電力の電圧が第一の電圧閾値以上となるように第一の電力変換手段の出力を調整し，第二の電力変換手段が回生動作を行う場合であって，直流電力の電圧が第二の電圧閾値よりも大きくなった際に，第二の制御手段は，直流電力の電圧が第二の電圧閾値以下となるように第二の電力変換手段の出力を調整する。

もしくは，エンジンにより駆動される発電機が発生する交流電力を直流電力に変換する第一の電力変換手段と，直流電力を交流電力に変換し電動機を制御する第二の電力変換手段と，直流電力を入力として補機へ電力を供給する補機電力供給手段と，直流電力を充放電する電力吸収手段と，充放電する電力を調整する第三の電力変換手段と，直流電力の電圧を検出する電圧検出手段と，第一の電力変換手段を制御する第一の制御手段と，第二の電力変換手段を制御する第二の制御手段と，第三の電力変換手段を制御する第三の制御手段と，を備える鉄道車両用駆動システムにおいて，第一の制御手段は，電圧検出手段により検出した電圧情報に対する第一の電圧閾値を備え，第三の制御手段は，電圧検出手段により検出した電圧情報に対する第三の電圧閾値を備え，第三の電圧閾値は，第一の電圧閾値よりも大きな電圧値とし，第二の電力変換手段が回生動作を行う場合であって，直流電力の電圧が第一の電圧閾値よりも小さくなった際に，第一の制御手段は，直流電力の電圧が第一の電圧閾値以上となるように第一の電力変換手段の出力を調整し，第二の電力変換手段が回生動作を行う場合であって，直流電力の電圧が第三の電圧閾値よりも大きくなった際に，第三の制御手段は，直流電力の電圧が第三の電圧閾値以下となるように第三の電力変換手段の出力を調整する。

もしくは，エンジンにより駆動される発電機が発生する交流電力を直流電力に変換する第一の電力変換手段と，直流電力を交流電力に変換し電動機を制御する第二の電力変換手段と，直流電力を入力として補機へ電力を供給する補機電力供給手段と，直流電力の電圧を検出する電圧検出手段と，備える鉄道車両の駆動制御方法において，第二の電力変換手段が回生動作を行う場合であって，電圧検出手段の検出電圧値が第一の所定値よりも小さくなった場合に，直流電力の電圧が第一の所定値以上となるように，第一の電力変換手段を制御して発電機から電力を発生させ，第二の電力変換手段が回生動作を行う場合であって，電圧検出手段の検出電圧値が第一の所定値よりも大きな第二の所定値よりも大きくなった際に，直流電力の電圧が第二の所定値以下となるように，第二の電力変換手段を制御して電動機から発生する電力を調整する。

もしくは，エンジンにより駆動される発電機が発生する交流電力を直流電力に変換する第一の電力変換手段と，直流電力を交流電力に変換し電動機を制御する第二の電力変換手段と，直流電力を入力として補機へ電力を供給する補機電力供給手段と，直流電力を充放電する電力吸収手段と，充放電する電力を調整する第三の電力変換手段と，直流電力の電圧を検出する電圧検出手段と，を備える鉄道車両の駆動制御方法において，第二の電力変換手段が回生動作を行う場合であって，電圧検出手段の検出電圧値が第一の所定値よりも小さくなった場合に，直流電力の電圧が前記第一の所定値以上となるように，第一の電力変換手段を制御して発電機から電力を発生させ，前記第二の電力変換手段が回生動作を行う場合であって，電圧検出手段の検出電圧値が第一の所定値よりも大きな第二の所定値よりも大きくなった際に，直流電力の電圧が第二の所定値以下となるように，第三の電力変換手段を制御して電力吸収手段に電力を充電する。

本発明の効果は，回生ブレーキ電力を有効に利用することができ，かつ制御安定性の高い電気式気動車の制御システムを提供できることにある。

本発明の電気車の駆動システムにおける一実施形態の機器構成を示す図。 本発明の電気車の駆動システムの一実施形態における制御方式を示すブロック図。 本発明の電気車の駆動システムの一実施形態における動作例を示す図。 本発明の電気車の駆動システムにおける第二実施形態の機器構成を示す図。 本発明の電気車の駆動システムの第二実施形態における制御方式を示すブロック図。 本発明の電気車の駆動システムの第二実施形態における動作例を示す図。 従来の鉄道車両の駆動システムを示す構成図。

以下，本発明の実施の形態について，図面を用いて説明していく。

図１は，本発明の電気車の駆動システムにおける一実施形態の機器構成を示す図である。

エンジン装置１は，少なくともエンジン１２とエンジン制御装置１３で構成する。エンジン制御装置１３は，後述するシステム統括制御部９が出力するエンジン出力信号ＣＭＤ_ｅｎｇ，速度演算部２０ａが出力する発電機ロータ周波数ＦＲ_ｇｅｎを入力として，エンジン１２の軸出力がシステム統括制御部９のエンジン出力指令ＣＭＤ_ｅｎｇに追従するように，エンジン１２に対してエンジン制御信号Ｆ_ｅｎｇを出力する。

発電機２は，エンジン１２の軸出力を動力として，これを３相交流電力に変換して出力する。発電機の方式としては，ここではおもに誘導発電機を想定しているが，後述するように同期発電機も適用できる。

コンバータ装置３は，少なくともコンバータ主回路１４，電流検出器１６ａ，１６ｃ，１６ｄ，１６ｅ，フィルタコンデンサ１７ａ，抵抗器１８ａ，電圧検出器１９ａ，速度演算部２０ａ，電流指令生成部２１ａ，ＰＷＭ制御部２２ａで構成する。

コンバータ主回路１４は，発電機２が発生する３相交流電力を入力として，ＰＷＭ制御部２２ａが出力する電圧指令ＶＰ_ｃｎｖに従い，前述の３相交流電力を直流電力に変換して出力する。電流検出器１６ｃ，１６ｄ，１６ｅは，前述の３相交流電流の各相電流Ｉｕ１，Ｉｖ１，Ｉｗ１を検出する。フィルタコンデンサ１７ａは，コンバータ主回路１４で変換された直流電力の電流脈動を平滑する。電流検出器１６ａは，前記直流電力部の電流値Ｉｓ１を検出する。抵抗器１８ａは前記直流電力の電流値Ｉｓ１を分流して，これをもとに電圧検出器１９ａは前記直流電力の電圧値Ｅｃｆ１を検出する。

また，速度検出器１０ａは発電機２に付属していて，エンジン装置１と発電機２を結合する回転軸の回転速度に基づいた速度パルス信号ＰＬＳ_ｇｅｎを出力する。速度演算部２０ａは，速度パルス信号ＰＬＳ_ｇｅｎをもとに，発電機２の回転速度情報ＦＲ_ｇｅｎを演算し，エンジン制御装置１３，電流指令生成部２１ａ，およびＰＷＭ制御部２２ａに入力する。ここで，速度検出器１０ａの出力は速度パルス信号ＰＬＳ_ｇｅｎであり，これをもとに速度演算部２０ａは発電機２の回転速度情報ＦＲ_ｇｅｎを算出するとしているが，これは誘導発電機を想定したものであり，実際は発電機方式により必要な制御情報が異なる。例えば，発電機を永久磁石式同期発電機とした場合は，制御情報としては回転位置情報が必要であり，これを算出するため，速度パルス信号ＰＬＳ_ｇｅｎの代わりに回転角度検出器を設けて回転位置信号を測定し，速度演算部２０ａの代わりに位置演算部を設けて回転位置情報を算出する。

電流指令生成部２１ａは，システム統括制御部９が出力するコンバータ発電指令ＮＴＣ_ｃｎｖと，速度演算部２０ａが出力する発電機２の回転速度情報 ＦＲ_ｇｅｎを入力として，発電機２がコンバータ発電指令ＮＴＣ_ｃｎｖにもとづいた定電力発電を行うためのベクトル制御電流指令Ｉｄｐ_ｃｎｖ，Ｉｑｐ_ｃｎｖを算出して出力する。ＰＷＭ制御部２２ａは前述の３相交流電流の各相電流Ｉｕ１，Ｉｖ１，Ｉｗ１，発電機２の回転速度情報ＦＲ_ｇｅｎ，前記直流電力部の電流値Ｉｓ１，同じく電圧値Ｅｃｆ１，ベクトル制御電流指令Ｉｄｐ_ｃｎｖ，Ｉｑｐ_ｃｎｖを入力として，コンバータ主回路１４を駆動する電圧指令ＶＰ_ｃｎｖを演算して出力する。

インバータ装置４は，少なくともインバータ主回路１５，電流検出器１６ｂ，１６ｆ，１６ｇ，１６ｈ，フィルタコンデンサ１７ｂ，抵抗器１８ｂ，電圧検出器１９ｂ，速度演算部２０ｂ，電流指令生成部２１ｂ，ＰＷＭ制御装置２２ｂの構成要素を含む。

インバータ主回路１５は，コンバータ装置３が出力する直流電力を入力として，ＰＷＭ制御部２２ｂが出力する電圧指令ＶＰ_ｉｎｖに従い，前述の直流電力を３相交流電力に変換して出力する。抵抗器１８ｂは前記直流電力の電流値Ｉｓ２を分流して，これをもとに電圧検出器１９ｂは前述した直流電力の電圧値Ｅｃｆ２を検出する。電流検出器１６ｂは前述の直流電力部の電流値Ｉｓ２を検出する。フィルタコンデンサ１７ｂは，インバータ主回路１５に入力される直流電力の電流脈動を平滑する。電流検出器１６ｆ，１６ｇ，１６ｈは，前述の３相交流電流の各相電流Ｉｕ２，Ｉｖ２，Ｉｗ２を検出する。

電動機５は，インバータ主回路１５により発生した３相交流電力をもとに，車両を駆動するための動力を発生する。電動機の方式としては，ここではおもに誘導電動機を想定しているが，後述するように電動機発電機も適用できる。

速度検出器１０ｂは電動機５に付属している。速度演算部２０ｂは，速度パルス信号ＰＬＳ_ｍｔｒをもとに，電動機５の回転速度情報ＦＲ_ｍｔｒを演算し，システム統括制御部９，電流指令生成部２１ｂおよびＰＷＭ制御部２２ｂに入力する。ここで，速度検出器１０ｂの出力は速度パルス信号ＰＬＳ_ｍｔｒであり，これをもとに速度演算部２０ｂは電動機５の回転速度情報ＦＲ_ｍｔｒを算出するとしているが，これは誘導電動機を想定したものであり，実際は電動機方式により必要な制御情報が異なる。例えば，電動機を永久磁石式同期電動機とした場合は，制御情報としては回転位置情報が必要であり，これを算出するため，速度パルス信号ＰＬＳ_ｍｔｒの代わりに回転角度検出器を設け回転位置信号を測定し，速度演算部２０ｂの代わりに位置演算部を設け回転位置情報を算出する。

電流指令生成部２１ｂは，運転台１１が出力する運転指令ＮＴＣ_ｉｎｖと，速度演算部２０ｂが出力する電動機５の回転速度情報ＦＲ_ｍｔｒを入力として，運転指令ＮＴＣ_ｉｎｖに基づいて，電動機５の軸トルクまたは軸出力を発生するように，力行または発電制動トルクを制御するベクトル制御電流指令Ｉｄｐ_ｉｎｖ，Ｉｑｐ_ｉｎｖを算出して出力する。ＰＷＭ制御部２２ｂは前述の３相交流電流の各相電流Ｉｕ２，Ｉｖ２，Ｉｗ２，電動機５の回転速度情報ＦＲ_ｍｔｒ，前述した直流電力部の電流値Ｉｓ２，同じく電圧値Ｅｃｆ２，ベクトル制御電流指令Ｉｄｐ_ｉｎｖ，Ｉｑｐ_ｉｎｖを入力として，インバータ主回路１５の出力電圧および交流電流周波数を可変制御するＶＰ_ｉｎｖを演算して出力する。

減速機６は，電動機５の回転速度を，異なる歯数の歯車の組み合わせなどで減速して，それにより増幅した軸トルクで輪軸７を駆動して車両を加減速する。また，速度検出器１０ｂは電動機５に付属していて，電動機５と減速機６を結合する回転軸の回転速度に基づいた速度パルス信号ＰＬＳ_ｍｔｒを出力する。

システム統括制御部９は，運転台１１が出力する運転指令ＮＴＣ_ｉｎｖ，速度演算部２０ｂが出力する電動機ロータ周波数ＦＲ_ｍｔｒ，フィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆ１，Ｅｃｆ２を入力として，エンジン制御装置１３にエンジン出力指令ＣＭＤ_ｅｎｇ，電流指令生成部２１ｂにコンバータ発電指令ＮＴＣ_ｃｎｖを出力して，これらの機器の総合的な動作状態を制御する。

補機電源用インバータ装置２４は，コンバータ装置３とインバータ装置４の間に位置する直流電力を入力として，これを３相交流電力に変換して出力する。さらに変圧器２５により，電気車の照明や空調機などの補機に供給するサービス電源電圧に調整して，各サービス機器に供給する。

以上の構成によれば，エンジン発電電力を直流変換するコンバータ装置と，直流電力を基に電動機を駆動するインバータ装置と，直流電力を基に補機に必要な電力を生成する補助電源装置を備える電気式気動車において，ブレーキ中の補機負荷への電力供給源をインバータ装置（回生ブレーキ）からコンバータ装置（エンジン発電電力）に切替える際，インバータ装置とコンバータ装置を接続する直流電力部分の上限電圧をインバータ装置，下限電圧をコンバータ装置により制限して直流部電圧を所定値に収める制御方式として，直流電力の電圧に応じて補助電源装置の電力供給源をインバータ装置（回生ブレーキ）からコンバータ装置（エンジン発電電力）に切替える，簡便かつ制御安定性の高い電気式気動車の制御システムを提供できる。

また，電気式気動車において補機消費電力に回生ブレーキ電力を優先して供給することにより，運動エネルギの損失を抑え，燃料消費量を低減できる電気式気動車を実現できる。

つまり，本実施例によれば，回生ブレーキ電力を補機などで有効に利用することにより，蓄電装置を用いなくても燃料消費量を低減でき，かつ，シリアル通信等による制御伝送により，補機への電力供給源をインバータ装置（回生ブレーキ）からコンバータ装置（エンジン発電電力）に切替える必要が無いため，直流部電圧の制御安定性の高い電気式気動車を実現できる。

図２は，本発明の電気車の駆動システムの一実施形態における制御方式を示すブロック図である。

フィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆ１は，図示していない電圧検出器１９ａで検出するコンバータ装置３の直流側電圧である。また，目標値設定器３１では，後述する前記直流部電圧が所定値を下回らないように下限リミット制御するための下限電圧リミット値Ｖ_ｌｏｗｅｒを設定する。切替器３２ａは，コンバータゲートスタート信号ＧＳＴ_ｃｎｖを切替入力として，ＧＳＴ_ｃｎｖ＝０のときはフィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆ１を，ＧＳＴ_ｃｎｖ＝１のときは下限電圧リミット値Ｖ_ｌｏｗｅｒを，下限電圧リミット制御目標値（３）Ｖ_ｃｎｖ３として出力する。変化率リミッタ３３ａは，下限電圧リミット制御目標値（３）Ｖ_ｃｎｖ３を入力として，その変化率を所定値以下に制限して，下限電圧リミット制御目標値（２）Ｖ_ｃｎｖ２として出力する。これにより，切替器３２ａの出力が，コンバータゲートスタート信号ＧＳＴ_ｃｎｖに応じて，フィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆ１と下限電圧リミット値Ｖ_ｌｏｗｅｒを切替えて下限電圧リミット制御目標値（２）Ｖ_ｃｎｖ２を出力するとき，出力値の変化が後述する下限電圧リミット制御が追従できる範囲を超えないようにする。高位選択器３４は，フィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆ１と，下限電圧リミット制御目標値（２）Ｖ_ｃｎｖ２のうち，小さくないほうを選択して，下限電圧リミット制御目標値（１）Ｖ_ｃｎｖ１として出力する。

加減算器３５ａは，下限電圧リミット制御目標値（１）Ｖ_ｃｎｖ１から，フィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆ１を減算し，下限電圧リミット制御量ｄｅｌｔａ_Ｖ_ｃｎｖを出力する。安定化制御器３６ａは，下限電圧リミット制御目標値（１）Ｖ_ｃｎｖ１を安定に零に収束するための下限電圧リミット制御操作量Ｔｑｐ_ｃｎｖを算出する。コンバータ電流制御器３７は，下限電圧リミット制御操作量Ｔｑｐ_ｃｎｖと，図示していない電流検出値１６ｃ，１６ｄ，１６ｅで検出した発電機電流Ｉｕ１，Ｉｖ１，Ｉｗ１と，図示していない速度検出器１０ａで検出した発電機速度パルス信号ＰＬＳ_ｇｅｎをもとに速度演算部２０ａで算出した発電機ロータ周波数ＦＲ_ｇｅｎより，コンバータ主回路１４における電圧制御を実現するためのコンバータ電圧指令値Ｖｐ_ｃｎｖを算出する。

以上の構成により，フィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆ１が，下限電圧リミット値Ｖ_ｌｏｗｅｒよりも下回ろうとすると，下限電圧リミット制御の目標値はＶ_ｌｏｗｅｒとして，フィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆ１がＶ_ｌｏｗｅｒに追従するように，安定化制御器３６ａは定電圧制御することで，フィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆ１がＶ_ｌｏｗｅｒを継続して下回らないようにする，下限電圧リミット制御を実現する。一方，フィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆ１が，下限電圧リミット値Ｖ_ｌｏｗｅｒよりも小さくないときは，下限電圧リミット制御の目標値をフィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆ１として，目標値と検出値を同じとすることにより，下限電圧リミット制御を行わないようにする。

フィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆ２は，図示していない電圧検出器１９ｂで検出するインバータ装置４の直流側電圧である。また，目標値設定器３８では，後述する前記直流部電圧が所定値を上回らないように上限リミット制御するための上限電圧リミット値Ｖ_ｕｐｐｅｒを設定する。切替器３２ｂは，インバータゲートスタート信号ＧＳＴ_ｉｎｖを切替入力として，ＧＳＴ_ｉｎｖ＝０のときはフィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆ２を，ＧＳＴ_ｉｎｖ＝１のときは上限電圧リミット値Ｖ_ｕｐｐｅｒを，上限電圧リミット制御目標値（３）Ｖ_ｉｎｖ３として出力する。変化率リミッタ３３ｂは，上限電圧リミット制御目標値（３）Ｖ_ｉｎｖ３を入力として，その変化率を所定値以下に制限して，上限電圧リミット制御目標値（２）Ｖ_ｉｎｖ２として出力する。これにより，切替器３２ｂの出力が，インバータゲートスタート信号ＧＳＴ_ｉｎｖに応じて，フィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆ２と上限電圧リミット値Ｖ_ｕｐｐｅｒを切替えて上限電圧リミット制御目標値（２）Ｖ_ｉｎｖ２を出力するとき，出力値の変化が後述する上限電圧リミット制御が追従できる範囲を超えないようにする。低位選択器３９は，フィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆ２と，上限電圧リミット制御目標値（２）Ｖ_ｉｎｖ２のうち，大きくないほうを選択して，上限電圧リミット制御目標値（１）Ｖ_ｉｎｖ１として出力する。

加減算器３５ｂは，上限電圧リミット制御目標値（１）Ｖ_ｉｎｖ１から，フィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆ２を減算し，上限電圧リミット制御量ｄｅｌｔａ_Ｖ_ｉｎｖを出力する。安定化制御器３６ｂは，上限電圧リミット制御目標値（１）Ｖ_ｉｎｖ１を安定に零に収束するための上限電圧リミット制御操作量ΔＴｑｐ_ｉｎｖを算出する。加減算器３５ｃは，ベクトル制御電流指令Ｉｄｐ_ｉｎｖ，Ｉｑｐ_ｉｎｖから生成されるインバータトルク指令値（０）Ｔｑｐ_ｉｎｖ０から，上限電圧リミット制御操作量ΔＴｑｐ_ｉｎｖを減算して，インバータトルク指令値Ｔｑｐ_ｉｎｖを出力する。インバータ電流制御器４０は，インバータトルク指令値Ｔｑｐ_ｉｎｖと，図示していない電流検出値１６ｆ，１６ｇ，１６ｈで検出した電動機電流Ｉｕ２，Ｉｖ２，Ｉｗ２と，図示していない速度検出器１０ｂで検出した電動機速度パルス信号ＰＬＳ_ｍｔｒをもとに速度演算部２０ｂで算出した電動機ロータ周波数ＦＲ_ｍｔｒより，インバータ主回路１５における電圧制御を実現するためのインバータ電圧指令値Ｖｐ_ｉｎｖを算出する。

この制御ブロックの動作により，フィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆ２が，上限電圧リミット値Ｖ_ｕｐｐｅｒを上回ろうとすると，上限電圧リミット制御の目標値をＶ_ｕｐｐｅｒとして，フィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆ２がＶ_ｕｐｐｅｒに追従するように，安定化制御器３６ｂは定電圧制御することで，フィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆ２がＶ_ｕｐｐｅｒを継続して上回らないようにする，上限電圧リミット制御を実現する。一方，フィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆ２が，下限電圧リミット値Ｖ_ｕｐｐｅｒよりも大きくないときは，上限電圧リミット制御の目標値をフィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆ２として，目標値と検出値を同じとすることにより，上限電圧リミット制御を行わないようにする。

以上の構成によれば，エンジン発電電力を直流変換するコンバータ装置と，直流電力を基に電動機を駆動するインバータ装置と，直流電力を基に補機に必要な電力を生成する補助電源装置を備える電気式気動車において，ブレーキ中の補機負荷への電力供給源をインバータ装置（回生ブレーキ）からコンバータ装置（エンジン発電電力）に切替える際，インバータ装置とコンバータ装置を接続する直流電力部分の上限電圧をインバータ装置，下限電圧をコンバータ装置により制限して直流部電圧を所定値に収める制御方式として，直流電力の電圧に応じて補助電源装置の電力供給源をインバータ装置（回生ブレーキ）からコンバータ装置（エンジン発電電力）に切替える，簡便かつ制御安定性の高い電気式気動車の制御システムを提供できる。

また，電気式気動車において補機消費電力に回生ブレーキ電力を優先して供給することにより，運動エネルギの損失を抑え，燃料消費量を低減できる電気式気動車を実現できる。

つまり，本実施例によれば，回生ブレーキ電力を補機などで有効に利用することにより，蓄電装置を用いなくても燃料消費量を低減でき，かつ，シリアル通信等による制御伝送により，補機への電力供給源をインバータ装置（回生ブレーキ）からコンバータ装置（エンジン発電電力）に切替える必要が無いため，直流部電圧の制御安定性の高い電気式気動車を実現できる。

図３は，本発明の電気車の駆動システムの一実施形態における動作例を示す図である。

横軸は時間の経過を，縦軸は各信号の動きを示している。

時刻ｔ０では，速度Ｖ０で惰行している。このとき，コンバータトルク電流指令Ｔｑｐ_ｃｎｖは，補機消費電力をコンバータ発電電力で負担するための負荷トルクＴｑｐ_ｃｎｖ０を出力し，所定の発電機ロータ周波数にて発電運転している。この負荷トルクＴｑｐ_ｃｎｖ０は，下限電圧リミット制御操作量として，安定化制御部３６ａ（図示していない）で算出されたものであり，フィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆ１が下限電圧リミット値Ｖ_ｌｏｗｅｒを下回ることのないように制御する。インバータトルク電流指令Ｔｑｐ_ｉｎｖは，惰行中であり０である。

時刻ｔ１では，ブレーキ開始により回生ブレーキを動作させるためインバータトルク指令Ｔｑｐ_ｉｎｖを立ち上げる。この時点では補機消費電力負荷をコンバータ発電電力で負担しており，回生ブレーキ電力によりフィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆ１は押し上げられる。フィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆ１が下限電圧リミット値Ｖ_ｌｏｗｅｒよりも大きくなると，下限電圧リミット制御が停止するため，回生ブレーキ電力は補機消費電力負荷で消費される。しかし，電力補機消費電力負荷は回生ブレーキ電力よりも小さい場合が多く，フィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆ１はさらに押し上げられる。

時刻ｔ２では，押し上げられたフィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆ１が上限電圧リミット値Ｖ_ｕｐｐｅｒに達する。そのため，上限電圧リミット制御が開始され，フィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆ１が上限電圧リミット値Ｖ_ｕｐｐｅｒを上回らないようにインバータトルク指令値Ｔｑｐ_ｉｎｖを抑制する。その後，速度低下にともない回生ブレーキ電力は低下するため，徐々にインバータトルク指令値Ｔｑｐ_ｉｎｖの抑制は解消される。

時刻ｔ３では，回生ブレーキ電力は補機消費電力と等しく，さらに減速すると補機消費電力を下回る。フィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆ１は上限電圧リミット値Ｖ_ｕｐｐｅｒよりも小さくなる。上限電圧リミット制御が停止し，フィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆ１はさらに低下を続ける。

時刻ｔ４では，フィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆ１は下限電圧リミット値Ｖ_ｌｏｗｅｒまで低下し，下限電圧リミット制御が再び開始される。これによりコンバータトルク電流指令Ｔｑｐ_ｃｎｖは，補機消費電力をコンバータ発電電力で負担するための負荷トルクＴｑｐ_ｃｎｖ０を出力する。

時刻ｔ５では，車両は停止し，速度Ｖｅｌｏｃｉｔｙ ＶＥＬは０，インバータトルク指令Ｔｑｐ_ｉｎｖは０に立ち下げる。コンバータトルク電流指令Ｔｑｐ_ｃｎｖは，補機消費電力をコンバータ発電電力で負担するための負荷トルクＴｑｐ_ｃｎｖ０を継続して出力する。

このように，直流電力の電圧が下限リミッタよりも大きい場合（ｔ１〜ｔ４）では，コンバータ発電電力で負担するための負荷トルクＴｑｐ_ｃｎｖを低下させて，発電機から出力する電力を低下させることにより，電動機から発生する回生ブレーキ電力を優先して補機で消費させるようにする。

つまり，ブレーキ開始により回生ブレーキが動作すると，補機消費電力を回生ブレーキ電力で負担できる。しかし，回生ブレーキ電力が補機消費電力を上回ろうとすると，回生ブレーキ電力により直流部電圧は押し上げられ，押し上げられた直流部電圧が上限電圧リミットに達する。これにより，上限電圧リミット制御を開始し，直流部電圧が上限電圧リミット値を上回らないようにインバータトルク指令値を抑制する。ブレーキによる減速にともない回生ブレーキ電力が低下すると，回生ブレーキ電力は補機消費電力と等しくなり，さらに減速が進むと補機消費電力を下回る。直流部電圧は上限電圧リミットよりも小さくなり，これにより上限電圧リミット制御を停止すると，直流部電圧は下限電圧リミットまで低下する。直流部電圧が下限電圧リミット値を下回らないようにコンバータトルク指令値を調整する。すなわち，コンバータトルク指令は，補機消費電力をコンバータ発電電力で負担するための発電機トルクを発生，エンジンがこれにバランスする出力を発生する。

図４は，本発明の電気車の駆動システムにおける第二実施形態の機器構成を示す図である。

エンジン装置１は，少なくともエンジン１２とエンジン制御装置１３で構成する。エンジン制御装置１３は，後述するシステム統括制御部９が出力するエンジン出力信号ＣＭＤ_ｅｎｇ，速度演算部２０ａが出力する発電機ロータ周波数ＦＲ_ｇｅｎを入力として，エンジン１２の軸出力がシステム統括制御部９のエンジン出力指令ＣＭＤ_ｅｎｇに追従するように，エンジン１２に対してエンジン制御信号Ｆ_ｅｎｇを出力する。

発電機２は，エンジン１２の軸出力を動力として，これを３相交流電力に変換して出力する。発電機の方式としては，ここではおもに誘導発電機を想定しているが，後述するように同期発電機も適用できる。

コンバータ装置３は，少なくともコンバータ主回路１４，電流検出器１６ａ，１６ｃ，１６ｄ，１６ｅ，フィルタコンデンサ１７ａ，抵抗器１８ａ，電圧検出器１９ａ，速度演算部２０ａ，電流指令生成部２１ａ，ＰＷＭ制御部２２ａで構成する。

コンバータ主回路１４は，発電機２が発生する３相交流電力を入力として，ＰＷＭ制御部２２ａが出力する電圧指令ＶＰ_ｃｎｖに従い，前述の３相交流電力を直流電力に変換して出力する。電流検出器１６ｃ，１６ｄ，１６ｅは，前述の３相交流電流の各相電流Ｉｕ１，Ｉｖ１，Ｉｗ１を検出する。フィルタコンデンサ１７ａは，コンバータ主回路１４で変換された直流電力の電流脈動を平滑する。電流検出器１６ａは，前記直流電力部の電流値Ｉｓ１を検出する。抵抗器１８ａは前記直流電力の電流値Ｉｓ１を分流して，これをもとに電圧検出器１９ａは前記直流電力の電圧値Ｅｃｆ１を検出する。

また，速度検出器１０ａは発電機２に付属していて，エンジン装置１と発電機２を結合する回転軸の回転速度に基づいた速度パルス信号ＰＬＳ_ｇｅｎを出力する。速度演算部２０ａは，速度パルス信号ＰＬＳ_ｇｅｎをもとに，発電機２の回転速度情報ＦＲ_ｇｅｎを演算し，エンジン制御装置１３，電流指令生成部２１ａ，およびＰＷＭ制御部２２ａに入力する。ここで，速度検出器１０ｂの出力は速度パルス信号ＰＬＳ_ｍｔｒであり，これをもとに速度演算部２０ｂは電動機５の回転速度情報ＦＲ_ｍｔｒを算出するとしているが，これは誘導電動機を想定したものであり，実際は電動機方式により必要な制御情報が異なる。例えば，電動機を永久磁石式同期電動機とした場合は，制御情報としては回転位置情報が必要であり，これを算出するため，速度パルス信号ＰＬＳ_ｍｔｒの代わりに回転角度検出器を設け回転位置信号を測定し，速度演算部２０ｂの代わりに位置演算部を設け回転位置情報を算出する。

電流指令生成部２１ａは，システム統括制御部９が出力するコンバータ発電指令ＮＴＣ_ｃｎｖと，速度演算部２０ａが出力する発電機２の回転速度情報ＦＲ_ｇｅｎを入力として，発電機２がコンバータ発電指令ＮＴＣ_ｃｎｖにもとづいた定電力発電を行うためのベクトル制御電流指令Ｉｄｐ_ｃｎｖ，Ｉｑｐ_ｃｎｖを算出して出力する。ＰＷＭ制御部２２ａは前述の３相交流電流の各相電流Ｉｕ１，Ｉｖ１，Ｉｗ１，発電機２の回転速度情報ＦＲ_ｇｅｎ，前記直流電力部の電流値Ｉｓ１，同じく電圧値Ｅｃｆ１，ベクトル制御電流指令Ｉｄｐ_ｃｎｖ，Ｉｑｐ_ｃｎｖを入力として，コンバータ主回路１４を駆動する電圧指令ＶＰ_ｃｎｖを演算して出力する。

インバータ装置４は，少なくともインバータ主回路１５，電流検出器１６ｂ，１６ｆ，１６ｇ，１６ｈ，フィルタコンデンサ１７ｂ，抵抗器１８ｂ，電圧検出器１９ｂ，速度演算部２０ｂ，電流指令生成部２１ｂ，ＰＷＭ制御装置２２ｂの構成要素を含む。

インバータ主回路１５は，コンバータ装置３が出力する直流電力を入力として，ＰＷＭ制御部２２ｂが出力する電圧指令ＶＰ_ｉｎｖに従い，前述の直流電力を３相交流電力に変換して出力する。抵抗器１８ｂは前記直流電力の電流値Ｉｓ２を分流して，これをもとに電圧検出器１９ｂは前述した直流電力の電圧値Ｅｃｆ２を検出する。電流検出器１６ｂは前述の直流電力部の電流値Ｉｓ２を検出する。フィルタコンデンサ１７ｂは，インバータ主回路１５に入力される直流電力の電流脈動を平滑する。電流検出器１６ｆ，１６ｇ，１６ｈは，前述の３相交流電流の各相電流Ｉｕ２，Ｉｖ２，Ｉｗ２を検出する。

電動機５は，インバータ主回路１５により発生した３相交流電力をもとに，車両を駆動するための動力を発生する。電動機の方式としては，ここではおもに誘導電動機を想定しているが，後述するように電動機発電機も適用できる。

速度演算部２０ｂは，速度パルス信号ＰＬＳ_ｍｔｒをもとに，電動機５の回転速度情報ＦＲ_ｍｔｒを演算し，システム統括制御部９，電流指令生成部２１ｂおよびＰＷＭ制御部２２ｂに入力する。ここで，速度検出器１０ｂの出力は速度パルス信号ＰＬＳ_ｍｔｒであり，これをもとに速度演算部２０ｂは電動機５の回転速度情報ＦＲ_ｍｔｒを算出するとしているが，これは誘導電動機を想定したものであり，実際は電動機方式により必要な制御情報が異なる。例えば，電動機を永久磁石式同期電動機とした場合は，制御情報としては回転位置情報が必要であり，これを算出するため，速度パルス信号ＰＬＳ_ｍｔｒの代わりに回転角度検出器を設け回転位置信号を測定し，速度演算部２０ｂの代わりに位置演算部を設け回転位置情報を算出する。

電流指令生成部２１ｂは，運転台１１が出力する運転指令ＮＴＣ_ｉｎｖと，速度演算部２０ｂが出力する電動機５の回転速度情報ＦＲ_ｍｔｒを入力として，運転指令ＮＴＣ_ｉｎｖに基づいて，電動機５の軸トルクまたは軸出力を発生するように，力行または発電制動トルクを制御するベクトル制御電流指令Ｉｄｐ_ｉｎｖ，Ｉｑｐ_ｉｎｖを算出して出力する。ＰＷＭ制御部２２ｂは前述の３相交流電流の各相電流Ｉｕ２，Ｉｖ２，Ｉｗ２，電動機５の回転速度情報ＦＲ_ｍｔｒ，前述した直流電力部の電流値Ｉｓ２，同じく電圧値Ｅｃｆ２，ベクトル制御電流指令Ｉｄｐ_ｉｎｖ，Ｉｑｐ_ｉｎｖを入力として，インバータ主回路１５の出力電圧および交流電流周波数を可変制御するＶＰ_ｉｎｖを演算して出力する。

減速機６は，電動機５の回転速度を，異なる歯数の歯車の組み合わせなどで減速して，それにより増幅した軸トルクで輪軸７を駆動して車両を加減速する。また，速度検出器１０ｂは電動機５に付属していて，電動機５と減速機６を結合する回転軸の回転速度に基づいた速度パルス信号ＰＬＳ_ｍｔｒを出力する。

システム統括制御部９は，運転台１１が出力する運転指令ＮＴＣ_ｉｎｖ，速度演算部２０ｂが出力する電動機ロータ周波数ＦＲ_ｍｔｒ，フィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆ１，Ｅｃｆ２を入力として，エンジン制御装置１３にエンジン出力指令ＣＭＤ_ｅｎｇ，電流指令生成部２１ｂにコンバータ発電指令ＮＴＣ_ｃｎｖを出力して，これらの機器の総合的な動作状態を制御する。

補機電源用インバータ装置２４は，コンバータ装置３とインバータ装置４の間に位置する直流電力を入力として，これを３相交流電力に変換して出力する。さらに変圧器２５により，電気車の照明や空調機などに供給するサービス電源電圧に調整して，各サービス機器に供給する。

チョッパ手段２６は，コンバータ装置３とインバータ装置４の間に位置する直流電力を入力として，その電力を電力吸収手段２７で充放電するチョッパ電流Ｉ_ｃｈｐを制御する。なお，チョッパ電流Ｉ_ｃｈｐは，電流検出器１６ｉで検出する。

以上の構成によれば，エンジン発電電力を直流変換するコンバータ装置と，直流電力を基に電動機を駆動するインバータ装置と，直流電力を基に補機に必要な電力を生成する補助電源装置を備える電気式気動車において，ブレーキ中の補機負荷への電力供給源をインバータ装置（回生ブレーキ）からコンバータ装置（エンジン発電電力）に切替える際，インバータ装置とコンバータ装置を接続する直流電力部分の上限電圧をインバータ装置，下限電圧をコンバータ装置により制限して直流部電圧を所定値に収める制御方式として，直流電力の電圧に応じて補助電源装置の電力供給源をインバータ装置（回生ブレーキ）からコンバータ装置（エンジン発電電力）に切替える，簡便かつ制御安定性の高い電気式気動車の制御システムを提供できる。

また，電力吸収手段を備えた電気式気動車において，電力吸収手段よりも補機消費電力に回生ブレーキ電力を優先して供給することにより，電力吸収手段での充放電動作によるエネルギ損失を抑え，燃料消費量を低減できる電気式気動車を実現できる。

つまり，本実施例によれば，回生ブレーキ電力を補機などで優先的に利用することができるため燃料消費量を低減でき，かつ，シリアル通信等による制御伝送により，補機への電力供給源をインバータ装置（回生ブレーキ）からコンバータ装置（エンジン発電電力）に切替える必要が無いため，直流部電圧の制御安定性の高い電気式気動車を実現できる。

さらに，上述した実施例１と異なり，補機で消費できない回生ブレーキ電力の余剰分を電力吸収手段により吸収することが可能となるため，大きな回生ブレーキ力を発生させることができるという効果がある。

図５は，本発明の電気車の駆動システムの第二実施形態における制御方式を示すブロック図である。

フィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆ１は，図示していない電圧検出器１９ａで検出するコンバータ装置３の直流側電圧である。また，目標値設定器３１では，後述する前記直流部電圧が所定値を下回らないように下限リミット制御するための下限電圧リミット値Ｖ_ｌｏｗｅｒを設定する。切替器３２ａは，コンバータゲートスタート信号ＧＳＴ_ｃｎｖを切替入力として，ＧＳＴ_ｃｎｖ＝０のときはフィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆ１を，ＧＳＴ_ｃｎｖ＝１のときは下限電圧リミット値Ｖ_ｌｏｗｅｒを，下限電圧リミット制御目標値（３）Ｖ_ｃｎｖ３として出力する。変化率リミッタ３３ａは，下限電圧リミット制御目標値（３）Ｖ_ｃｎｖ３を入力として，その変化率を所定値以下に制限して，下限電圧リミット制御目標値（２）Ｖ_ｃｎｖ２として出力する。これにより，切替器３２ａの出力が，コンバータゲートスタート信号ＧＳＴ_ｃｎｖに応じて，フィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆ１と下限電圧リミット値Ｖ_ｌｏｗｅｒを切替えて下限電圧リミット制御目標値（２）Ｖ_ｃｎｖ２を出力するとき，出力値の変化が後述する下限電圧リミット制御が追従できる範囲を超えないようにする。高位選択器３４は，フィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆ１と，下限電圧リミット制御目標値（２）Ｖ_ｃｎｖ２のうち，小さくないほうを選択して，下限電圧リミット制御目標値（１）Ｖ_ｃｎｖ１として出力する。

加減算器３５ａは，下限電圧リミット制御目標値（１）Ｖ_ｃｎｖ１から，フィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆ１を減算し，下限電圧リミット制御量ｄｅｌｔａ_Ｖ_ｃｎｖを出力する。安定化制御器３６ａは，下限電圧リミット制御目標値（１）Ｖ_ｃｎｖ１を安定に零に収束するための下限電圧リミット制御操作量Ｔｑｐ_ｃｎｖを算出する。コンバータ電流制御器３７は，下限電圧リミット制御操作量Ｔｑｐ_ｃｎｖと，図示していない電流検出値１６ｃ，１６ｄ，１６ｅで検出した発電機電流Ｉｕ１，Ｉｖ１，Ｉｗ１と，図示していない速度検出器１０ａで検出した発電機速度パルス信号ＰＬＳ_ｇｅｎをもとに速度演算部２０ａで算出した発電機ロータ周波数ＦＲ_ｇｅｎより，コンバータ主回路１４における電圧制御を実現するためのコンバータ電圧指令値Ｖｐ_ｃｎｖを算出する。

以上の構成により，フィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆ１が，下限電圧リミット値Ｖ_ｌｏｗｅｒよりも下回ろうとすると，下限電圧リミット制御の目標値はＶ_ｌｏｗｅｒとして，フィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆ１がＶ_ｌｏｗｅｒに追従するように，安定化制御器３６ａは定電圧制御することで，フィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆ１がＶ_ｌｏｗｅｒを継続して下回らないようにする，下限電圧リミット制御を実現する。一方，フィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆ１が，下限電圧リミット値Ｖ_ｌｏｗｅｒよりも小さくないときは，下限電圧リミット制御の目標値をフィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆ１として，目標値と検出値を同じとすることにより，下限電圧リミット制御を行わないようにする。

フィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆ２は，図示していない電圧検出器１９ｂで検出するインバータ装置４の直流側電圧である。また，目標値設定器３８では，後述する前記直流部電圧が所定値を上回らないように上限リミット制御するための上限電圧リミット値Ｖ_ｕｐｐｅｒを設定する。切替器３２ｂは，チョッパゲートスタート信号ＧＳＴ_ｃｈｐを切替入力として，ＧＳＴ_ｃｈｐ＝０のときはフィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆ２を，ＧＳＴ_ｃｈｐ＝１のときは上限電圧リミット値Ｖ_ｕｐｐｅｒを，上限電圧リミット制御目標値（３）Ｖ_ｃｈｐ３として出力する。変化率リミッタ３３ｂは，上限電圧リミット制御目標値（３）Ｖ_ｃｈｐ３を入力として，その変化率を所定値以下に制限して，上限電圧リミット制御目標値（２）Ｖ_ｃｈｐ２として出力する。これにより，切替器３２ｂの出力が，チョッパゲートスタート信号ＧＳＴ_ｃｈｐに応じて，フィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆ２と上限電圧リミット値Ｖ_ｕｐｐｅｒを切替えて上限電圧リミット制御目標値（２）Ｖ_ｃｈｐ２を出力するとき，出力値の変化が後述する上限電圧リミット制御が追従できる範囲を超えないようにする。低位選択器３９は，フィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆ２と，上限電圧リミット制御目標値（２）Ｖ_ｃｈｐ２のうち，大きくないほうを選択して，上限電圧リミット制御目標値（１）Ｖ_ｃｈｐ１として出力する。

加減算器３５ｂは，上限電圧リミット制御目標値（１）Ｖ_ｃｈｐ１から，フィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆ２を減算し，上限電圧リミット制御量ｄｅｌｔａ_Ｖ_ｃｈｐを出力する。安定化制御器３６ｂは，上限電圧リミット制御目標値（１）Ｖ_ｃｈｐ１を安定に零に収束するための上限電圧リミット制御操作量Ｔｑｐ_ｃｈｐを算出する。

チョッパ電流制御器４１は，上限電圧リミット制御操作量Ｔｑｐ_ｃｈｐと，図示していない電流検出値１６ｉで検出した発電機電流Ｉ_ｃｈｐより，チョッパ装置２６における電流制御を実現するチョッパ通流率指令値γ_ｃｈｐを算出する。

この制御ブロックの動作により，フィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆ２が，上限電圧リミット値Ｖ_ｕｐｐｅｒを上回ろうとすると，上限電圧リミット制御の目標値をＶ_ｕｐｐｅｒとして，フィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆ２がＶ_ｕｐｐｅｒに追従するように，安定化制御器３６ｂは定電圧制御することで，フィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆ２がＶ_ｕｐｐｅｒを継続して上回らないようにする，上限電圧リミット制御を実現する。一方，フィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆ２が，下限電圧リミット値Ｖ_ｕｐｐｅｒよりも大きくないときは，上限電圧リミット制御の目標値をフィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆ２として，目標値と検出値を同じとすることにより，上限電圧リミット制御を行わないようにする。

以上の構成によれば，エンジン発電電力を直流変換するコンバータ装置と，直流電力を基に電動機を駆動するインバータ装置と，直流電力を基に補機に必要な電力を生成する補助電源装置を備える電気式気動車において，ブレーキ中の補機負荷への電力供給源をインバータ装置（回生ブレーキ）からコンバータ装置（エンジン発電電力）に切替える際，インバータ装置とコンバータ装置を接続する直流電力部分の上限電圧をインバータ装置，下限電圧をコンバータ装置により制限して直流部電圧を所定値に収める制御方式として，直流電力の電圧に応じて補助電源装置の電力供給源をインバータ装置（回生ブレーキ）からコンバータ装置（エンジン発電電力）に切替える，簡便かつ制御安定性の高い電気式気動車の制御システムを提供できる。

また，電力吸収手段を備えた電気式気動車において，電力吸収手段よりも補機消費電力に回生ブレーキ電力を優先して供給することにより，電力吸収手段での充放電動作によるエネルギ損失を抑え，燃料消費量を低減できる電気式気動車を実現できる。

つまり，本実施例によれば，回生ブレーキ電力を補機などで優先的に利用することができるため燃料消費量を低減でき，かつ，シリアル通信等による制御伝送により，補機への電力供給源をインバータ装置（回生ブレーキ）からコンバータ装置（エンジン発電電力）に切替える必要が無いため，直流部電圧の制御安定性の高い電気式気動車を実現できる。

図６は，本発明の電気車の駆動システムの第二実施形態における動作例を示す図である。

横軸は時間の経過を，縦軸は各信号の動きを示している。

時刻ｔ０では，車両は速度Ｖ０で惰行している。このとき，コンバータトルク電流指令Ｔｑｐ_ｃｎｖは，補機消費電力をコンバータ発電電力で負担するための負荷トルクＴｑｐ_ｃｎｖ０を出力し，所定の発電機ロータ周波数にて発電運転している。この負荷トルクＴｑｐ_ｃｎｖ０は，下限電圧リミット制御操作量として，安定化制御部３６ａ（図示していない）で算出されたものであり，フィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆ１が下限電圧リミット値Ｖ_ｌｏｗｅｒを下回ることのないように制御する。インバータトルク電流指令Ｔｑｐ_ｉｎｖは，惰行中であり０である。

時刻ｔ１では，ブレーキ開始により回生ブレーキを動作させるためインバータトルク指令Ｔｑｐ_ｉｎｖを立ち上げる。この時点では補機消費電力負荷をコンバータ発電電力で負担しており，回生ブレーキ電力によりフィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆ１は押し上げられる。フィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆ１が下限電圧リミット値Ｖ_ｌｏｗｅｒよりも大きくなると，下限電圧リミット制御が停止するため，回生ブレーキ電力は補機消費電力負荷で消費される。しかし，電力補機消費電力負荷は回生ブレーキ電力よりも小さい場合が多く，フィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆ１はさらに押し上げられる。

時刻ｔ２では，押し上げられたフィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆ１が上限電圧リミット値Ｖ_ｕｐｐｅｒに達する。上限電圧リミット制御が開始され，フィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆ１が上限電圧リミット値Ｖ_ｕｐｐｅｒを上回らないように，チョッパ電流Ｉ_ｃｈｐを立ち上げ，補機消費電力で消費できない回生ブレーキ電力分を電力吸収手段２７で放電する。チョッパ電流Ｉ_ｃｈｐは，上限電圧リミット制御によりチョッパ電流制御器４１で算出されるチョッパ通流率γ_ｃｈｐに応じてチョッパ手段２６により安定化制御される。速度低下にともない回生ブレーキ電力は低下するため，徐々にチョッパ電流Ｉ_ｃｈｐは低下し，電力吸収手段２７への蓄電は充電していく。

時刻ｔ３では，回生ブレーキ電力は補機消費電力と等しく，さらに減速すると補機消費電力を下回る。フィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆ１は上限電圧リミット値Ｖ_ｕｐｐｅｒよりも小さくなる。上限電圧リミット制御が停止し，フィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆ１はさらに低下を続ける。

時刻ｔ４では，フィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆ１は下限電圧リミット値Ｖ_ｌｏｗｅｒまで低下し，下限電圧リミット制御が再び開始される。これによりコンバータトルク電流指令Ｔｑｐ_ｃｎｖは，補機消費電力をコンバータ発電電力で負担するための負荷トルクＴｑｐ_ｃｎｖ０を出力する。

時刻ｔ５では，車両は停止し，速度Ｖｅｌｏｃｉｔｙ ＶＥＬは０，インバータトルク指令Ｔｑｐ_ｉｎｖは０に立ち下げる。コンバータトルク電流指令Ｔｑｐ_ｃｎｖは，補機消費電力をコンバータ発電電力で負担するための負荷トルクＴｑｐ_ｃｎｖ０を継続して出力する。

１ エンジン装置
２ 発電機
３ コンバータ装置
４ インバータ装置
５ 電動機
６ 減速機
７ 輪軸
９ システム統括制御部
１０ 速度検出器
１１ 運転台
１２ エンジン
１３ エンジン制御装置
１４ コンバータ主回路
１５ インバータ主回路
１６ 電流検出器
１７ フィルタコンデンサ
１８ 抵抗器
１９ 電圧検出器
２０ 速度演算部
２１ 電流指令生成部
２２ ＰＷＭ制御部
２４ 補機電源用インバータ装置
２５ 変圧器
３１，３８ 目標値設定器
３２ 切替器
３３ 変化率リミッタ
３４ 高位選択器
３５ 加減算器
３６ 安定化制御器
３７ コンバータ電流制御器
３９ 低位選択器
４０ インバータ電流制御器
４１ チョッパ電流制御器

Claims (8)

1. エンジンにより駆動される発電機が発生する交流電力を直流電力に変換する第一の電力変換手段と，前記直流電力を交流電力に変換し電動機を制御する第二の電力変換手段と，
   前記直流電力を入力として補機へ電力を供給する補機電力供給手段と，前記直流電力の電圧を検出する電圧検出手段と，前記第一の電力変換手段を制御する第一の制御手段と，前記第二の電力変換手段を制御する第二の制御手段を備える鉄道車両用駆動システムにおいて，
   前記第一の制御手段は，前記電圧検出手段により検出した電圧情報に対する下限値である第一の電圧閾値を備え，
   前記第二の制御手段は，前記電圧検出手段により検出した電圧情報に対する上限値である第二の電圧閾値を備え，
   前記第二の電圧閾値は，前記第一の電圧閾値よりも大きな電圧値とし，
   前記第二の電力変換手段が回生動作を行う場合であって，前記直流電力の電圧が前記第一の電圧閾値よりも小さくなった際に，前記第一の制御手段は，前記直流電力の電圧が前記第一の電圧閾値以上となるように前記第一の電力変換手段の出力を調整し，
   前記第二の電力変換手段が回生動作を行う場合であって，前記直流電力の電圧が前記第二の電圧閾値よりも大きくなった際に，前記第二の制御手段は，前記直流電力の電圧が前記第二の電圧閾値以下となるように前記第二の電力変換手段の出力を調整することを特徴とする鉄道車両用駆動システム。
2. 請求項１の鉄道車両用駆動システムにおいて，
   前記第一の制御手段は，前記直流電力の電圧が前記第一の電圧閾値よりも大きい場合に，前記第一の電力変換手段の出力電圧を前記電圧検出手段により検出した電圧値とすることを特徴とする鉄道車両用駆動システム。
3. エンジンにより駆動される発電機が発生する交流電力を直流電力に変換する第一の電力変換手段と，前記直流電力を交流電力に変換し電動機を制御する第二の電力変換手段と，
   前記直流電力を入力として補機へ電力を供給する補機電力供給手段と，前記直流電力を充放電する電力吸収手段と，充放電する電力を調整する第三の電力変換手段と，前記直流電力の電圧を検出する電圧検出手段と，前記第一の電力変換手段を制御する第一の制御手段と，前記第二の電力変換手段を制御する第二の制御手段と，前記第三の電力変換手段を制御する第三の制御手段と，を備える鉄道車両用駆動システムにおいて，
   前記第一の制御手段は，前記電圧検出手段により検出した電圧情報に対する下限値である第一の電圧閾値を備え，
   前記第三の制御手段は，前記電圧検出手段により検出した電圧情報に対する上限値である第三の電圧閾値を備え，
   前記第三の電圧閾値は，前記第一の電圧閾値よりも大きな電圧値とし，
   前記第二の電力変換手段が回生動作を行う場合であって，前記直流電力の電圧が前記第一の電圧閾値よりも小さくなった際に，前記第一の制御手段は，前記直流電力の電圧が前記第一の電圧閾値以上となるように前記第一の電力変換手段の出力を調整し，
   前記第二の電力変換手段が回生動作を行う場合であって，前記直流電力の電圧が前記第三の電圧閾値よりも大きくなった際に，前記第三の制御手段は，前記直流電力の電圧が前記第三の電圧閾値以下となるように前記第三の電力変換手段の出力を調整することを特徴とする鉄道車両用駆動システム。
4. 請求項３の鉄道車両用駆動システムにおいて，
   前記第一の制御手段は，前記直流電力の電圧が前記第一の電圧閾値よりも大きい場合に，前記第一の電力変換手段の出力電圧を前記電圧検出手段により検出した電圧値とすることを特徴とする鉄道車両用駆動システム。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の鉄道車両用駆動システムと前記エンジンと前記発電機と前記電動機と前記補機を搭載した鉄道車両。
6. エンジンにより駆動される発電機が発生する交流電力を直流電力に変換する第一の電力変換手段と，前記直流電力を交流電力に変換し電動機を制御する第二の電力変換手段と，
   前記直流電力を入力として補機へ電力を供給する補機電力供給手段と，前記直流電力の電圧を検出する電圧検出手段と，を備える鉄道車両の駆動制御方法において，
   前記第二の電力変換手段が回生動作を行う場合であって，前記電圧検出手段の検出電圧値が第一の所定値よりも小さくなった場合に，前記直流電力の電圧が前記第一の所定値以上となるように，前記第一の電力変換手段を制御して前記発電機から電力を発生させ，
   前記第二の電力変換手段が回生動作を行う場合であって，前記電圧検出手段の検出電圧値が前記第一の所定値よりも大きな第二の所定値よりも大きくなった場合に，前記直流電力の電圧が前記第二の所定値以下となるように，前記第二の電力変換手段を制御して前記電動機から発生する電力を調整することを特徴とする鉄道車両の駆動制御方法。
7. エンジンにより駆動される発電機が発生する交流電力を直流電力に変換する第一の電力変換手段と，前記直流電力を交流電力に変換し電動機を制御する第二の電力変換手段と，
   前記直流電力を入力として補機へ電力を供給する補機電力供給手段と，前記直流電力を充放電する電力吸収手段と，充放電する電力を調整する第三の電力変換手段と，前記直流電力の電圧を検出する電圧検出手段と，を備える鉄道車両の駆動制御方法において，
   前記第二の電力変換手段が回生動作を行う場合であって，前記電圧検出手段の検出電圧値が第一の所定値よりも小さくなった場合に，前記直流電力の電圧が前記第一の所定値以上となるように，前記第一の電力変換手段を制御して前記発電機から電力を発生させ，
   前記第二の電力変換手段が回生動作を行う場合であって，前記電圧検出手段の検出電圧値が前記第一の所定値よりも大きな第二の所定値よりも大きくなった際に，前記直流電力の電圧が前記第二の所定値以下となるように，前記第三の電力変換手段を制御して前記電力吸収手段に電力を充電することを特徴とする鉄道車両の駆動制御方法。
   
8. 請求項６または請求項７に記載の鉄道車両の駆動制御方法において，
   前記電圧検出手段の検出電圧値が第一の所定値よりも大きい場合に，前記第一の電力変換手段からの出力を低下させて，前記第一の電力変換手段から出力する電力を優先して前記補機へ供給することを特徴とする鉄道車両の駆動制御方法。