JP2012039867A - 電気車の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】たとえ架線からの受電が停止もしくは不安定になっても自力走行できる。
【解決手段】電気車３の制御装置において、直流電力を蓄積するための蓄電器１８と、インバータ９の平滑コンデンサ６側端の直流電力の一部を蓄電器１８に充電し、蓄電器に蓄積された直流電力をインバータの平滑コンデンサ側端に放電する充放電回路１４と、車両７の通常運転時に充放電回路１４を充電制御し、車両の異常運転時に充放電回路を放電制御して蓄電器に蓄積された直流電力をインバータを介して交流電動機１２に供給させる充放電制御部２１とを備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、架線からパンタグラフ等の受電装置を介して受電した電力を電圧型ＰＷＭ（パルス幅変調）制御型のインバータを介して交流電動機に供給する電気車の制御装置に関する。

一般に電気車の制御装置においては、誘導電動機のインバータ制御が適用されている（例えば非特許文献１参照）。この方式の特徴は、保守の大幅低減、粘着性能向上、駆動電動機の高出力・小型軽量化、回生ブレーキの速度範囲の拡大、信頼性向上などがあり、電圧型ＰＷＭ制御型のインバータが広く使われている。

図２３は電圧型ＰＷＭ制御のインバータが組込まれた電気車の制御装置の概略構成図である。例えば、直流変電所１から架線２へ出力された直流電力は、電気車３の受電装置としてのパンタグラフ４で受電される。パンタグラフ４で受電された直流電力はフィルタリアクトル５で受電時の高周波が吸収された後、平滑コンデンサ６の一端に印加される。平滑コンデンサ６の他端は、この電気車３の車両７を介してレール８に接続されている。

平滑コンデンサ６は、両端に印加された直流電力の電圧リップルを平滑化して、次の電圧型ＰＷＭ制御型のインバータ９へ印加する。この電圧型ＰＷＭ制御型のインバータ９は、スイッチング素子１０とダイオード１１との並列回路を三相ブリッジ構成に接続したものであり、平滑コンデンサ６側から入力された直流電力を三相の可変電圧可変周波数（ＶＶＶＦ）の交流電力に変換して、三相の交流電動機１２へ送出する。

交流電動機１２には電気車３の車両７が連結されている。また、交流電動機１２の回生運転時には、交流電動機１２で発電された交流の回生電力は、この電圧型ＰＷＭ制御型のインバータ９で直流の回生電力に変換して、インバータ９の平滑コンデンサ６側端に出力する。

インバータ制御部１３は、運転席からの速度指令を含む各種の運転指令に応じて、インバータ９へゲート信号を送出して、インバータ９を制御する。

また、特許文献１には、電気車にエネルギー蓄積装置を搭載し、電気車がデッドセクション通過時にエネルギー蓄積装置に蓄積された電力をインバータを介して、誘導電動機に供給する技術が開示されている。

特開２００１−３２０８０４号公報

電気学会編「電気工学ハンドブック（第６版）」オーム社 ２００１年２月２０日 第１６８８頁

しかしながら、図２３に示した従来の電気車の制御装置においては、架線２からの電力供給が停止もしくは不安定なとき、またはパンタグラフ４等の受電装置が故障して架線２から受電できないとき、さらには、レール８が破断して、このレール８に通電できないときは、架線２から電気車３の交流電動機１２を駆動するのに十分な電力を得ることができず、電気車３は停止してしまう。

また、特許文献１に記載された電気車においては、電気車がデッドセクション通過時にエネルギー蓄積装置に蓄積された電力を誘導電動機に供給すると、直流電圧が変動して、電源回路が不安定となる懸念がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、電気車に直流電力を蓄積可能な蓄電器及びこの蓄電器に対する充放電回路を搭載し、たとえ架線からの受電が停止もしくは不安定になっても、電気車を自力走行でき、電気車の信頼性を向上できる電気車の制御装置を提供することを目的とする。

本発明は、架線から交流電力を受電する受電装置と、この受電装置で受電した交流電力の電圧を変換する変圧器と、この変圧器で電圧変換された交流電力を直流電力に変換するコンバータと、このコンバータで変換された直流電力の電圧リプルを平滑化する平滑コンデンサと、この平滑コンデンサで平滑化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、このインバータで変換された交流電力で駆動される交流電動機と、車両運転指令に応じてインバータを制御するインバータ制御部とを有する電気車の制御装置に適用される。

そして、上記課題を解消するために、本発明の電気車の制御装置においては、直流電力を蓄積するための蓄電器と、インバータの平滑コンデンサ側端の直流電力の一部を蓄電器に充電し、蓄電器に蓄積された直流電力をインバータの平滑コンデンサ側端に放電する充放電回路と、車両の通常運転時に充放電回路を充電制御し、車両の異常運転時に充放電回路を放電制御して蓄電器に蓄積された電力をインバータを介して交流電動機に供給させる充放電制御部とを備えている。

このように構成された電気車の制御装置においては、車両の通常運転時に例えば架線から供給される交流電力はコンバータで直流電力に変換されてその一部は充放電回路を介して蓄電器に蓄積される。

また別の発明は、上述した発明の電気車の制御装置において、平滑コンデンサの端子電圧を検出する電圧検出器を設けている。そして、充放電制御部は、インバータの平滑コンデンサ側電圧が予め設定された電圧指令値となるように充放電回路を充放電制御する。

このような構成においては、蓄電器に対する充放電期間においても、インバータの平滑コンデンサ側電圧が一定値に制御されるので、インバータを介して交流電動機を精度よく運転制御できる。

また別の発明は、上述した発明の電気車の制御装置において、蓄電器に対する充放電電流を検出する電流検出器を設けている。そして、充放電制御部は、インバータの平滑コンデンサ側電圧が予め設定された電圧指令値となるように、充放電回路を介して蓄電器に対する充放電電流を制御する。

このような構成においても、蓄電器に対する充放電期間においても、インバータの平滑コンデンサ側電圧が一定値に制御されるので、インバータを介して交流電動機を精度よく運転制御できる。

また別の発明は、上述した発明の電気車の制御装置において、受電装置の受電不可状態を検出する受電不可検出器を設けている。そして、充放電制御部は、受電不可検出器の受電不可状態の検出に応じて、充放電回路を放電制御して蓄電器に蓄積された電力をインバータを介して交流電動機に供給させる。

このように構成された電気車の制御装置においては、例えば変電所の停電、架線故障、受電装置故障、レール破断等に起因して、受電装置から電力が受電できなかった状態においては、この電気車は蓄電器に蓄積された電力で自力走行する。

また別の発明は、上述した発明の電気車の制御装置において、受電不可検出器は、受電装置の受電不可状態を検出すると、蓄電器に蓄積された電力受電装置を架線から切り離す。
このように、電気車が蓄電器に蓄積された電力で自力走行期間中は、受電装置を架線から切り離すことにより、蓄電器に蓄積された電力が受電装置を介して架線へ流れることが未然に防止される。

また別の発明は、上述した発明の電気車の制御装置において、蓄電器に蓄積された直流電力の蓄積エネルギー量を検出する蓄積エネルギー量検出手段を設けている。そして、インバータ制御部は、蓄電器から電力受給時において、交流電動機の回転速度が検出された蓄積エネルギー量に対応した速度になるように、インバータを制御する。
このように構成することにより、蓄電器に蓄積された直流電力の蓄積エネルギー量に応じて自力走行期間中における速度が定まる。

また別の発明は、上述した発明の電気車の制御装置において、充放電制御部は、受電装置の受電不可状態において、車両の回生運転時に充放電回路を充電制御するとともに車両の力行運転時に充放電回路を放電制御する。

このように構成することにより、たとえ、受電装置の受電不可状態で電気車が自力走行期間中であっても、電気車が下り勾配を走行中は交流電動機は回生運転が可能なので、この回生運転時に生じる回生電力を蓄電器に蓄積可能である。この蓄電器に蓄積された回生電力は次回の力行運転時に使用可能であるので、受電不可状態における電気車の自力走行距離を増大できる。

また別の発明は、上述した発明の電気車の制御装置において、蓄電器として、二次電池や電気二重層キャパシタを採用している。

本発明の電気車の制御装置においては、電気車に直流電力を蓄積可能な蓄電器、この蓄電器に対する充放電回路、及びこの充放電回路の充放電動作を制御する充放電制御部を搭載している。したがって、たとえ架線からの受電が停止もしくは不安定になっても、電気車を自力走行でき、電気車の信頼性を向上できる。

本発明の第１実施形態に係わる電気車の制御装置の概略構成図 同電気車の制御装置に組込まれた蓄電器の構成を示す図 本発明の第２実施形態に係わる電気車の制御装置の概略構成図 本発明の第３実施形態に係わる電気車の制御装置の概略構成図 同電気車の制御装置に組込まれた充放電制御部の構成を示す図 本発明の第４実施形態に係わる電気車の制御装置の概略構成図 同電気車の制御装置に組込まれた充放電制御部の構成を示す図 本発明の第５実施形態に係わる電気車の制御装置の概略構成図 本発明の第６実施形態に係わる電気車の制御装置の概略構成図 本発明の第７実施形態に係わる電気車の制御装置の概略構成図 本発明の第８実施形態に係わる電気車の制御装置の概略構成図 本発明の第９実施形態に係わる電気車の制御装置の概略構成図 同電気車の制御装置に組込まれたインバータ制御部の動作を示す図 本発明の第１０実施形態に係わる電気車の制御装置の概略構成図 本発明の第１１実施形態に係わる電気車の制御装置の概略構成図 本発明の第１２実施形態に係わる電気車の制御装置の動作を示す図 本発明の第１３実施形態に係わる電気車の制御装置の動作を示す図 本発明の第１４実施形態に係わる電気車の制御装置の動作を示す図 本発明の第１５実施形態に係わる電気車の制御装置の動作を示す図 本発明の第１６実施形態に係わる電気車の制御装置の動作を示す図 本発明の第１７実施形態に係わる電気車の制御装置の動作を示す図 本発明の第１８実施形態に係わる電気車の制御装置の動作を示す図 従来の電気車の制御装置の概略構成図

以下、本発明の各実施形態を図面を用いて説明する。

（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態に係わる電気車の制御装置の概略構成図である。図２３に示す従来の電気車の制御装置と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明を省略する。

例えば、直流変電所１から架線２へ出力された直流電力は、電気車３の受電装置としてのパンタグラフ４で受電される。パンタグラフ４で受電された直流電力はフィルタリアクトル５で受電時の高周波が吸収された後、平滑コンデンサ６の一端に印加される。平滑コンデンサ６の他端は、この電気車３の車両７を介してレール８に接続されている。

平滑コンデンサ６は、両端に印加された直流電力の電圧リップルを平滑化して、次の電圧型ＰＷＭ制御型のインバータ９へ印加する。この電圧型ＰＷＭ制御型のインバータ９は、スイッチング素子１０とダイオード１１との並列回路を三相ブリッジ構成に接続したものであり、平滑コンデンサ６側から入力された直流電力を三相の可変電圧可変周波数（ＶＶＶＦ）の交流電力に変換して、三相の交流電動機１２へ送出する。

交流電動機１２には電気車３の車両７が連結されている。また、交流電動機１２の回生運転時には、交流電動機１２で発電された交流の回生電力は、この電圧型ＰＷＭ制御型のインバータ９で直流の回生電力に変換されて、インバータ９の平滑コンデンサ６側端に出力する。インバータ制御部１３は、運転席からの速度指令を含む各種の運転指令に応じて、インバータ９へゲート信号を送出して、インバータ９を制御する。

平滑コンデンサ６の両端子間に充放電回路１４が接続されている。この充放電回路１４においては、スイッチング素子１５ａとダイオード１６ａとの並列回路と、スイッチング素子１５ｂとダイオード１６ｂとの並列回路とが直列接続されている。スイッチング素子１５ｂの両端子間に直流リアクトル１７を介して蓄電器１８が接続されている。この充放電回路１４は充放電制御部２１にて制御される。

蓄電器１８においては、例えば図２（ａ）に示すように、複数の単位セルとしての二次電池１９が直列に積層されている。さらに、この直列に積層された複数の単位セルが並列に接続されている。なお、例えば図２（ｂ）に示すように、単位セルとして電気二重層キャパシタ２０を採用することが可能である。

このように構成された第１実施形態の電気車の制御装置における充放電回路１４及び充放電制御部２１の動作を説明する。

例えばコンピュータで構成された充放電制御部２１は、この電気車の運転状況を図示しない運転台における運転制御部からの情報を監視している。そして、車両が正常に運転されている状態においては、充放電制御部２１は充放電回路１４のスイッチング素子１５ａを一定周期でオン・オフを繰り返す充電制御を行う。この状態においては、架線２からパンタグラフ４を介して供給された直流電力の一部は、スイッチング素子１５ａ及び直流リアクトル１７を介して蓄電器１８に蓄積される。

また、例えば直流変電所１の停電、架線２の故障、パンタグラフ４の故障、レール８の破断等に起因して、パンタグラフ４から正常に電力が電気車３に供給されなくて、車両が正常に運転されていない状態においては、充放電制御部２１は充放電回路１４のスイッチング素子１５ｂを一定周期でオン・オフを繰り返す放電制御を行う。この状態においては、蓄電器１８に蓄積されている直流電力は、直流リアクトル１７及びダイオード１６ａを介してインバータ９の平滑コンデンサ６側端子に放電される。そして、この放電された直流電力はインバータ９で三相の可変電圧可変周波数（ＶＶＶＦ）の交流電力に変換されて、三相の交流電動機１２へ送出される。

このように、架線２からの電力供給が停止もしくは不安定なときでも電気車３を自力走行させることができる。

また、充放電制御部２１は、運転台における運転制御部から運転情報から交流電動機１２の運転状態を監視し、力行運転時には蓄電器１８の電力を放電してインバータ９を介して交流電動機１２に供給し、回生運転時には交流電動機１２の回生電力をインバータ９を介して蓄電器１８へ蓄積する。なお、力行運転時には、架線２からの電力もインバータ９を介して交流電動機１２に供給されている。このように、回生電力を有効に使用できる。

次に、蓄電器１８について述べる。図２（ａ）に示す二次電池１９は定格電圧と使用電流に制約があるので、電気車３に使用する場合には二次電池１９の単位セルを直列もしくは並列に接続して蓄積エネルギー量を大きくする。二次電池１９は家電や自動車の蓄電素子として広く利用され、蓄積エネルギー量が大きい、コストが安いといった利点を持つことから、大きな蓄積エネルギー量の充電もしくは放電を行う蓄電器１８の場合、この蓄電器１８を小型かつ低コストに構成することができる。これにより、蓄積エネルギー量が大きくとも、蓄電器１８の構成を小さくして電気車３を容易に自力走行することができる。

図２（ｂ）に示す電気二重層キャパシタ２０は定格電圧と使用電流に制約があるので、電気車３の蓄電器１８として使用する場合には電気二重層キャパシタ２０を直列もしくは並列に接続して蓄積エネルギー量を大きくする。電気二重層キャパシタ２０は大きな電流で充放電することを得意とし、繰り返して使用した場合でも劣化が少ないので、電気車３での大電流の充放電用途や高使用頻度に適しており、またメンテナンスフリーで長寿命といった利点を持つ。これにより、大電流・高使用頻度の使用条件でも蓄電器１８の構成を小さくして電気車３を効率的に自力走行することができる。

（第２実施形態）
図３は本発明の第２実施形態に係わる電気車の制御装置の概略構成図である。図１に示す第１実施形態の電気車の制御装置と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明を省略する。

例えば、交流変電所２２から架線２へ出力された交流電力は、電気車３の受電装置としてのパンタグラフ４で受電される。パンタグラフ４で受電された交流電力は変圧器２３で電圧がこの電気車３に使用に適した電圧に変換されたのち、スイッチング素子２５及びダイオードをブリッジ回路に接続したコンバータ２４に印加される。変圧器２３の他端は、この電気車３の車両７を介してレール８に接続されている。コンバータ２４はコンバータ制御部２６にて制御される。

コンバータ２４は入力された交流電力を直流電力に変換して、平滑コンデンサ６の一端に印加する。平滑コンデンサ６は、両端に印加された直流電力の電圧リップルを平滑化してインバータ９へ印加する。インバータ９は平滑コンデンサ６側から入力された直流電力を交流電力に変換して交流電動機１２へ送出する。

平滑コンデンサ６の両端子間に充放電回路１４が接続されている。この充放電回路１４におけるスイッチング素子１５ｂの両端子間に直流リアクトル１７を介して蓄電器１８が接続されている。この充放電回路１４は充放電制御部２１にて制御される。

このように構成された第２実施形態の電気車の制御装置における充放電回路１４及び充放電制御部２１の動作を説明する。

充放電制御部２１は、この電気車の運転状況を図示しない運転台における運転制御部からの情報を監視している。そして、車両が正常に運転されている状態においては、充放電制御部２１は充放電回路１４を充電制御して、架線２からパンタグラフ４を介して供給されコンバータ２４で電力変換された直流電力の一部を蓄電器１８に蓄積させる。

また、車両が正常に運転されていない状態においては、充放電制御部２１は充放電回路１４を放電制御して、蓄電器１８に蓄積されている直流電力をインバータ９を介して交流電動機１２へ送出する。

このように、架線２からの電力供給が停止もしくは不安定なときでも電気車３を自力走行させることができるので、先に説明した第１実施形態の電気車の制御装置とほぼ同じ効果が得られる。

（第３実施形態）
図４は本発明の第３実施形態に係わる電気車の制御装置の概略構成図である。図１に示す第１実施形態の電気車の制御装置と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明を省略する。

この第３実施形態に係わる電気車の制御装置においては、平滑コンデンサ６の端子電圧、すなわちコンデンサ電圧を検出する電圧検出器２７が設けられている。電圧検出器２７で検出されたコンデンサ電圧は、充放電制御部２１ａへ入力される。

充放電制御部２１ａ内には、図５に示すように、減算器２８、ＰＩ（比例積分）制御部２９、及びＰＷＭ制御部３０が組込まれている。電圧検出器２７で検出されたコンデンサ電圧は電圧検出値として減算器２８で電圧設定値から引算される。この引算結果はＰＩ制御部２９に入力され、ＰＩ制御ののちにＰＷＭ制御部３０に入力され、自己消弧形素子のゲート信号を生成する。このゲート信号が充放電回路１４のスイッチング素子１５ａ、１５ｂに印加される。

このように、充放電制御部２１ａは、インバータ９の平滑コンデンサ６側電圧が予め設定された電圧指令値となるように充放電回路１４を充放電制御する。したがって、蓄電器１８に対する充放電期間においても、インバータ９の平滑コンデンサ６側電圧が一定値に制御されるので、インバータ９を介して交流電動機１２を精度よく運転制御できる。

（第４実施形態）
図６は本発明の第４実施形態に係わる電気車の制御装置の概略構成図である。図４に示す第３実施形態の電気車の制御装置と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明を省略する。

この第４実施形態に係わる電気車の制御装置においては、平滑コンデンサ６の端子電圧、すなわちコンデンサ電圧を検出する電圧検出器２７が設けられている。電圧検出器２７で検出されたコンデンサ電圧は、充放電制御部２１ｂへ入力される。さらに、蓄電器１８に対する充放電電流を検出する電流検出器３１が設けられている。電流検出器３１で検出された充放電電流は充放電制御部２１ｂへ入力される。

充放電制御部２１ｂ内には、図７に示すように、減算器２８、２８ａ、ＰＩ制御部２９、２９ａ及びＰＷＭ制御部３０が組込まれている。電圧検出器２７で検出されたコンデンサ電圧は電圧検出値として減算器２８で電圧設定値から引算される。この引算結果はＰＩ制御部２９に入力され、ＰＩ制御ののちに電流指令値を出力する。電流指令値は電流検出器３１から得られた電流検出値と減算器２８ａで引算され、ＰＩ制御部２９ａでＰＩ制御されたのちにＰＷＭ制御部３０に入力され自己消弧形素子のゲート信号を生成する。このゲート信号が充放電回路１４のスイッチング素子１５ａ、１５ｂに印加される。

このように、充放電制御部２１ｂは、インバータ９の平滑コンデンサ６側電圧が予め設定された電圧指令値となるように、充放電回路１４を介して、蓄電器１８に対する充放電電流を制御する。したがって、蓄電器１８に対する充放電期間においても、インバータ９の平滑コンデンサ６側電圧が一定値に制御されるので、インバータ９を介して交流電動機１２をより一層精度よく運転制御できる。

（第５実施形態）
図８は本発明の第５実施形態に係わる電気車の制御装置の概略構成図である。図１に示す第１実施形態の電気車の制御装置と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明を省略する。

この第５実施形態に係わる電気車の制御装置においては、直流変電所１から直流電力が供給される架線２とレール８との間に充放電回路１４ａと蓄電器１８ａとが組込まれた電力蓄積装置３２が設けられている。

このような構成の電気車の制御装置において、常時は電力蓄積装置３２の蓄電器１８ａには、直流変電所１から架線２を介して直流電力が蓄積されている。そして、電気車３が電力蓄積装置３２の接続された架線２のエリアに入ってくると、電気車３の充放電制御部２１ｃが起動して、電力蓄積装置３２から、架線２及びパンタグラフ４を介して電力を受電し、充放電回路１４を介して蓄電器１８に充電させる。

これにより、直流変電所１の電源容量が小さいときでも電力蓄積装置３２から電力を高速に蓄電器１８に蓄積することができ、電気車３は長時間停止して充電をすることなく自力走行させることができる。

（第６実施形態）
図９は本発明の第６実施形態に係わる電気車の制御装置の概略構成図である。図３に示す第２実施形態の電気車の制御装置と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明を省略する。

この第６実施形態に係わる電気車の制御装置においては、交流変電所２２から交流電力が供給される架線２とレール８との間に、変圧器２３ａ、コンバータ２４ａ、充放電回路１４ａと蓄電器１８ａとが組込まれた電力蓄積装置３２ａが設けられている。

このような構成の電気車の制御装置において、常時は電力蓄積装置３２ａの蓄電器１８ａには、交流変電所２２から架線２を介して出力された交流電力がコンバータ２４ａで直流に変換された直流電力が蓄積されている。そして、電気車３が電力蓄積装置３２ａの接続された架線２のエリアに入ってくると、電気車３の充放電制御部２１ｃが起動して、電力蓄積装置３２ａからコンバータ２４ａで交流に変換された電力を、架線２及びパンタグラフ４を介して受電し、充放電回路１４を介して蓄電器１８に充電させる。

これにより、交流変電所２２の電源容量が小さいときでも電力蓄積装置３２ａから電力を高速に蓄電器１８に蓄積することができ、電気車３は長時間停止して充電をすることなく自力走行させることができる。

（第７実施形態）
図１０は本発明の第７実施形態に係わる電気車の制御装置の概略構成図である。図１に示す第１実施形態の電気車の制御装置と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明を省略する。

この第７実施形態に係わる電気車の制御装置においては、パンタグラフ４に、このパンタグラフ４の受電不可状態を検出する電圧検出器からなる、受電不可検出器３３が設けられている。この受電不可検出器３３は、受電不可状態を検出すると電気車３の充放電制御部２１ｄに通知する。充放電制御部２１ｄは、受電不可検出器３３の受電不可状態の検出に応じて、充放電回路１４を放電制御して蓄電器１８に蓄積されている直流電力をインバータ９を介して交流電動機１２に供給させる。

このように構成された電気車の制御装置においては、正常状態においては、蓄電器１８に直流変電所１から供給された直流電力の一部が蓄積される。そして、例えば直流変電所１の停電、架線２の故障、パンタグラフ４の故障、レール８の破断等に起因して、パンタグラフ４から電力が受電できなかった状態においては、この電気車３は蓄電器１８に蓄積された電力で自力走行する。

（第８実施形態）
図１１は本発明の第８実施形態に係わる電気車の制御装置の概略構成図である。図１０に示す第７実施形態の電気車の制御装置と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明を省略する。

この第８実施形態に係わる電気車の制御装置においては、パンタグラフ４とフィルタリアクトル５との間に、スイッチ３４が介挿されている。このスイッチ３４は通常状態においては閉鎖されている。そして、受電不可検出器３３は、受電不可状態を検出すると充放電制御部２１ｄに通知すると同時に、スイッチ３４を開放する。

このように構成された電気車の制御装置においては、前述した図１０に示す第７実施形態の電気車の制御装置と同様に、直流変電所１の停電、架線２の故障、パンタグラフ４の故障、レール８の破断等に起因して、パンタグラフ４から電力が受電できなかった状態においては、この電気車３は蓄電器１８に蓄積された電力で自力走行する。

さらに、スイッチ３４がない場合で、自力走行している期間において、受電不可状態の原因が架線２の電圧地絡だとすると、事故点に再び電流が流れて事故が拡大する可能性があり危険である。また直流変電所１で電圧を停止していても実際は架線２に電圧が印加されてしまうので、誤って架線２に触ると感電事故等が発生する恐れがある。

そこでパンタグラフ４を下げて直流電圧と架線を分離、またスイッチ３４を開放した状態で蓄電器１８から直流電力をインバータ９を介して交流電動機１２に供給することで、架線２に電圧を印加することなく電気車３を自力走行することができる。

（第９実施形態）
図１２は本発明の第９実施形態に係わる電気車の制御装置の概略構成図である。図１１に示す第８実施形態の電気車の制御装置と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明を省略する。

この第９実施形態の電気車の制御装置においては、電気車３の蓄電器１８の端子電圧、すなわち充電電圧を検出する電圧検出器３５が設けられている。電圧検出器３５は、検出した充電電圧を電気車３の充放電制御部２１ｅへ送出する。充放電制御部２１ｅは、充電電圧及び蓄電器１８の容量を用いて、蓄電器１８に蓄積されている直流電力の蓄積エネルギーを算出して、インバータ制御部１３へ送出する。

充放電制御部２１ｅは、受電不可検出器３３の受電不可状態の検出に応じて、充放電回路１４を放電制御して蓄電器１８に蓄積されている直流電力をインバータ９を介して交流電動機１２に供給させる。さらに、インバータ制御部１３は、蓄電器１８から電力受給時である自力走行期間中に、図１３に示すように、交流電動機１２の回転速度が蓄積エネルギー量に対応した速度になるように、インバータ９を制御する。

このように、蓄電器１８の蓄積エネルギー量が多い時には電気車３の高速運転を許可し、蓄積エネルギー量が少ないときには電気車３を低速で運転するよう速度制限することで、蓄電器１８の蓄積エネルギー量が減少しても残りのエネルギーで交流電動機１２を駆動することが可能となる。これにより、蓄積エネルギー量が空になるまで電気車３を自力走行させることができる。

（第１０実施形態）
図１４は本発明の第１０実施形態に係わる電気車の制御装置の概略構成図である。図１１に示す第８実施形態の電気車の制御装置と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明を省略する。

この実施形態においては、パンタグラフ４が故障すると受電不可検出器３３は、受電不可状態を検出し、スイッチ３４を開放する。その状態で、蓄電器１８から直流電圧を出力することで、架線２からの受電が停止しても直流電圧を維持して電気車を駆動することができる。

（第１１実施形態）
図１５は本発明の第１１実施形態に係わる電気車の制御装置の概略構成図である。図１１に示す第８実施形態の電気車の制御装置と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明を省略する。

この実施形態においては、レール８に破断８ａが発生すると受電不可検出器３３は、受電不可状態を検出し、パンタグラフ４を下げ、スイッチ３４を開放する。その状態で、蓄電器１８から直流電圧を出力することで、架線２からの受電が停止しても直流電圧を維持して電気車を駆動することができる。

（第１２実施形態）
図１６は本発明の第１２実施形態に係わる電気車の制御装置の動作を示す図である。この実施形態において、停電等に起因して、電気車３が線路上で停止すると、通常乗客や乗務員は電気車３内で電気車３が動くまで待っている。また、ドアを開けて乗客や乗務員が移動するにしても、線路上の安全確認やダイヤの復旧に時間が必要となるなど大きな混乱を生ずる。そこで、蓄電器１８の蓄積エネルギーを用いて、電気車３を自立走行することで停車場３６まで動かす。これにより、乗客や乗務員を安全に電気車３外へ降ろすことが可能となる。

（第１３実施形態）
図１７は本発明の第１３実施形態に係わる電気車の制御装置の動作を示す図である。この実施形態において、停電等に起因して、電気車３が踏切り３７上で停止すると、踏切り３７が閉じたままとなり自動車や歩行者等の通行が遮断される。そこで蓄電器１８の蓄積エネルギーを用いて、電気車３を自力走行することで踏切り３７の外まで電気車を動かす。これにより、自動車や歩行者は安全に踏切りを通行することができるようになる。

（第１４実施形態）
図１８は本発明の第１４実施形態に係わる電気車の制御装置の動作を示す図である。この実施形態において、停電等に起因して、電気車３がトンネル３８内で停止すると、通常乗客や乗務員は電気車３内で電気車３が動くまで待っている。電気がストップして照明やエアコンが停止すると、電気車３内は不安な環境となる。またトンネル３８内は暗くて危険なため、簡単には電気車３外へ乗客や乗務員を移動することができない。そこで蓄電器１８の蓄積エネルギーを用いて、電気車３を自力走行することでトンネル３８の外まで動かす。これにより、乗客や乗務員を安全に電気車３の外へ降ろすことが可能となる。

（第１５実施形態）
図１９は本発明の第１５実施形態に係わる電気車の制御装置の動作を示す図である。この実施形態において、停電等に起因して、電気車３が橋梁３９上で停止すると、通常乗客や乗務員は電気車３内で電気車３が動くまで待っている。橋梁３９上は地面から高く、足場が不安定で危険なため、簡単には電気車３外へ乗客や乗務員を移動することができない。そこで蓄電器１８の蓄積エネルギーを用いて、電気車３を自力走行することで橋梁３９の外まで動かす。これにより、乗客や乗務員を安全に電気車３の外へ降ろすことが可能となる。

（第１６実施形態）
図２０は本発明の第１６実施形態に係わる電気車の制御装置の動作を示す図である。この実施形態において、停電等に起因して、図１１に示すように、充放電制御部２１ｄは、受電不可検出器３３の受電不可状態の検出に応じて、充放電回路１４を放電制御して蓄電器１８に蓄積されている直流電力をインバータ９を介して交流電動機１２に供給させる。

さらに、充放電制御部２１ｄは、電気車３の自力走行時において、車両の回生運転時に充放電回路１４を充電制御するとともに車両の力行運転時に充放電回路１４を放電制御する。

このように構成することにより、たとえ、電気車３が自力走行期間中であっても、電気車３が下り勾配を走行中は交流電動機１２は回生運転が可能なので、この回生運転時に生じる回生電力を蓄電器１８に蓄積可能である。この蓄電器１８に蓄積された回生電力は次回の力行運転時に使用可能であるので、受電不可状態における電気車３の自力走行距離を増大できる。

（第１７実施形態）
図２１は本発明の第１７実施形態に係わる電気車の制御装置の動作を示す図である。架線２を支柱３９ａで吊ると、吊った場所の架線２の位置はレール８から見て高くなる。架線位置がパンタグラフ４よりも高くなると架線２とパンタグラフ４は離れて離線が発生する。離線がおこるとパンタグラフ４は架線２から受電できなくなる。

そこで、受電不可検出器３３及び充放電制御部２１ｄが起動して、蓄電器１８の蓄積エネルギーを用いて、交流電動機１２を駆動する。これにより、離線が発生しても電気車３は自力走行することができる。

（第１８実施形態）
図２２は本発明の第１８実施形態に係わる電気車の制御装置の動作を示す図である。雨や雪が降り、架線２に付着したのちに凍結すると、架線２は氷４０で覆われてしまう（雨氷現象）。この状態で電気車３が走行すると、架線２とパンタグラフ４の間に氷４０が入り、パンタグラフ４は氷４０を介して架線２から受電することになる。

氷４０はインピーダンスを持っているので、架線２の架線電圧が適正であっても氷４０を介して受電した直流電圧は大きく変動して電気車３が走行できなくなる問題が発生する。そこで、雨氷現象発生時に受電不可検出器３３及び充放電制御部２１ｄが起動して、蓄電器１８の蓄積エネルギーを用いて、交流電動機１２を駆動する。これにより、離線が発生しても電気車３は自力走行することができる。

１…直流変電所、２…架線、３…電気車、４…パンタグラフ、５…フィルタリアクトル、６…平滑コンデンサ、７…車両、８…レール、９…インバータ、１２…交流電動機、１３…インバータ制御部、１４，１４ａ…充放電回路、１８，１８ａ…蓄電器、１９…二次電池、２０…電気二重層キャパシタ、２１，２１ａ〜２１ｅ…充放電制御部、２２…交流変電所、２３，２３ａ…変圧器、２４…コンバータ、２６…コンバータ制御部、２７，３５…電圧検出器、３２，３２ａ…電力蓄積装置、３３…受電不可検出器、３４…スイッチ、３６…停車場、３７…踏切り、３８…トンネル、３９…橋梁、３９ａ…支柱、４０…氷

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、電気車に直流電力を蓄積可能な蓄電器及びこの蓄電器に対する充放電回路を搭載し、たとえ架線からの受電ができなくなっても、電気車を自力走行でき、電気車の信頼性を向上できる電気車の制御装置を提供することを目的とする。

そして、上記課題を解消するために、本発明の電気車の制御装置においては、直流電力を蓄積するための蓄電器と、第１のスイッチング素子と第１のダイオードとでなる並列回路である第１の並列回路が平滑コンデンサの一端に接続され、第２のスイッチング素子と第２のダイオードとでなる並列回路である第２の並列回路が第１の並列回路の他端と平滑コンデンサの他端との間に接続され、かつ、第２の並列回路の第２のスイッチング素子の両端子間に蓄電器が直流リアクトルを介して接続された回路であって、インバータの平滑コンデンサ側端の直流電力の一部を蓄電器に充電し、蓄電器に蓄積された直流電力をインバータの平滑コンデンサ側端に放電する充放電回路と、受電装置の受電不可状態を検出する受電不可検出器と、受電不可検出器により受電不可状態を検出していない場合に充放電回路の第１のスイッチング素子を一定周期でオン・オフすることで当該充放電回路を充電制御し、受電不可検出器により受電不可状態を検出した場合に充放電回路の第２のスイッチング素子を一定周期でオン・オフすることで当該充放電回路を放電制御して蓄電器に蓄積された電力をインバータを介して交流電動機に供給させる充放電制御部とを備えている。

このように構成された電気車の制御装置においては、車両の通常運転時に例えば架線から供給される交流電力はコンバータで直流電力に変換されてその一部は充放電回路を介して蓄電器に蓄積される。そして、受電不可検出器により受電不可状態を検出した場合に蓄電器に蓄積された直流電力がインバータで交流電力に変換されて交流電動機に供給されるので、例えば変電所の停電、架線故障、受電装置故障、レール破断等に起因して、受電装置から電力が受電できなかった状態においては、この電気車は蓄電器に蓄積された電力で自力走行が可能であり、電気車の信頼性を向上できる。
また別の発明は、架線から直流電力を受電する受電装置と、この受電装置で受電した直流電力の高調波を吸収するフィルタリアクトルと、受電した直流電力の電圧リプルを平滑化する平滑コンデンサと、この平滑コンデンサで平滑化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、このインバータで変換された交流電力で駆動される交流電動機と、車両運転指令に応じてインバータを制御するインバータ制御部とを有する電気車の制御装置に適用される。
そして、上記課題を解消するために、本発明の電気車の制御装置においては、直流電力を蓄積するための蓄電器と、第１のスイッチング素子と第１のダイオードとでなる並列回路である第１の並列回路が平滑コンデンサの一端に接続され、第２のスイッチング素子と第２のダイオードとでなる並列回路である第２の並列回路が第１の並列回路の他端と平滑コンデンサの他端との間に接続され、かつ、第２の並列回路の第２のスイッチング素子の両端子間に蓄電器が直流リアクトルを介して接続された回路であって、インバータの平滑コンデンサ側端の直流電力の一部を蓄電器に充電し、蓄電器に蓄積された直流電力をインバータの平滑コンデンサ側端に放電する充放電回路と、受電装置の受電不可状態を検出する受電不可検出器と、受電不可検出器により受電不可状態を検出していない場合に充放電回路の第１のスイッチング素子を一定周期でオン・オフすることで当該充放電回路を充電制御し、受電不可検出器により受電不可状態を検出した場合に充放電回路の第２のスイッチング素子を一定周期でオン・オフすることで当該充放電回路を放電制御して蓄電器に蓄積された電力をインバータを介して交流電動機に供給させる充放電制御部とを備えている。
このような構成の電気車の制御装置においては、車両の通常運転時に例えば架線から供給される直流電力の一部は充放電回路を介して蓄電器に蓄積される。そして、受電不可検出器により受電不可状態を検出した場合に蓄電器に蓄積された直流電力がインバータで交流電力に変換されて交流電動機に供給されるので、例えば変電所の停電、架線故障、受電装置故障、レール破断等に起因して、受電装置から電力が受電できなかった状態においては、この電気車は蓄電器に蓄積された電力で自力走行が可能であり、電気車の信頼性を向上できる。

本発明の電気車の制御装置においては、電気車に直流電力を蓄積可能な蓄電器、この蓄電器に対する充放電回路、及びこの充放電回路の充放電動作を制御する充放電制御部を搭載している。したがって、たとえ架線からの受電ができなくなっても、電気車を自力走行でき、電気車の信頼性を向上できる。

Claims (10)

1. 架線から交流電力を受電する受電装置と、この受電装置で受電した交流電力の電圧を変換する変圧器と、この変圧器で電圧変換された交流電力を直流電力に変換するコンバータと、このコンバータで変換された直流電力の電圧リプルを平滑化する平滑コンデンサと、この平滑コンデンサで平滑化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、このインバータで変換された交流電力で駆動される交流電動機と、車両運転指令に応じて前記インバータを制御するインバータ制御部とを有する電気車の制御装置において、
   直流電力を蓄積するための蓄電器と、
   前記インバータの平滑コンデンサ側端の直流電力の一部を前記蓄電器に充電し、前記蓄電器に蓄積された直流電力を前記インバータの平滑コンデンサ側端に放電する充放電回路と、
   車両の通常運転時に前記充放電回路を充電制御し、車両の異常運転時に前記充放電回路を放電制御して前記蓄電器に蓄積された電力を前記インバータを介して前記交流電動機に供給させる充放電制御部と
   を備えたことを特徴とする電気車の制御装置。
2. 前記平滑コンデンサの端子電圧を検出する電圧検出器を設け、
   前記充放電制御部は、前記インバータの平滑コンデンサ側電圧が予め設定された電圧指令値となるように前記充放電回路を充放電制御する
   ことを特徴とする請求項１記載の電気車の制御装置。
3. 前記蓄電器に対する充放電電流を検出する電流検出器を設け、
   前記充放電制御部は、前記インバータの平滑コンデンサ側電圧が予め設定された電圧指令値となるように、前記充放電回路を介して前記蓄電器に対する充放電電流を制御することを特徴とする請求項２記載の電気車の制御装置。
4. 前記充放電制御部は、架線に接続され変電所から該当架線に供給される電力の一部を蓄積する電力蓄積装置から、架線及び前記受電装置を介して受電した電力を、前記充放電回路を介して前記蓄電器に充電させることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の電気車の制御装置。
5. 前記受電装置の受電不可状態を検出する受電不可検出器を設け、
   前記充放電制御部は、前記受電不可検出器の受電不可状態の検出に応じて、前記充放電回路を放電制御して前記蓄電器に蓄積された電力を前記インバータを介して前記交流電動機に供給させる
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の電気車の制御装置。
6. 前記受電不可検出器は、前記受電装置の受電不可状態を検出すると、前記受電装置を前記架線から切り離すことを特徴とする請求項５記載の電気車の制御装置。
7. 前記蓄電器に蓄積された直流電力の蓄積エネルギー量を検出する蓄積エネルギー量検出手段を設け、
   前記インバータ制御部は、前記蓄電器から電力受給時において、前記交流電動機の回転速度が前記検出された蓄積エネルギー量に対応した速度になるように、前記インバータを制御する
   ことを特徴とする請求項５又は６記載の電気車の制御装置。
8. 前記充放電制御部は、前記受電装置の受電不可状態において、車両の回生運転時に前記充放電回路を充電制御するとともに車両の力行運転時に前記充放電回路を放電制御することを特徴とする請求項５から７のいずれか１項記載の電気車の制御装置。
9. 前記蓄電器は二次電池であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項記載の電気車の制御装置。
10. 前記蓄電器は電気二重層キャパシタであることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項記載の電気車の制御装置。

Images