ディーゼル動車駆動装置の制御システム
【課題】目標エンジン動作点を設定し、実エンジン動作点が目標エンジン動作点上を追従するようにインバータ装置を制御することにより、排出ガス低減や燃料消費量の低減を図ることができる電気式ディーゼル動車駆動装置を提供する。
【解決手段】エンジン制御装置においては、インバータ装置の消費電力を含む消費電力合計値「ΣＰ」２６とエンジン動作点「Ｐ（ｎ）」２８の情報とを比較し、エンジン動作点（消費電力合計値「ΣＰ」２６に対応）がＰ（ｎ）±δの範囲に収まっていない場合には、エンジン回転数指令部からのエンジン回転数指令値を調整して、エンジン動作点が所望の動作点範囲内（Ｐ（ｎ）±δｐの範囲内）となるようなエンジン回転数指令調整値「ｎ＊＊」２４を生成し、エンジンへ伝達する。エンジン出力の時間応答は、インバータ制御装置へ入力され、インバータ装置の交流電力で駆動する主電動機のトルクを制御する。
【解決手段】エンジン制御装置においては、インバータ装置の消費電力を含む消費電力合計値「ΣＰ」２６とエンジン動作点「Ｐ（ｎ）」２８の情報とを比較し、エンジン動作点（消費電力合計値「ΣＰ」２６に対応）がＰ（ｎ）±δの範囲に収まっていない場合には、エンジン回転数指令部からのエンジン回転数指令値を調整して、エンジン動作点が所望の動作点範囲内（Ｐ（ｎ）±δｐの範囲内）となるようなエンジン回転数指令調整値「ｎ＊＊」２４を生成し、エンジンへ伝達する。エンジン出力の時間応答は、インバータ制御装置へ入力され、インバータ装置の交流電力で駆動する主電動機のトルクを制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンと、エンジンにより駆動される発電機と、発電機の出力する交流電力を直流電力へ変換するコンバータと、直流電力を変換して交流電力を生成するインバータ装置と、生成された交流電力で駆動されて車両を推進させる主電動機とを備え、エンジン動作点に応じてエンジンとインバータとを制御する電気式ディーゼル動車駆動装置の制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
全世界的な環境負荷低減に向けての動きから、エンジン、特に石油や天然ガスに由来する燃料を燃焼させて使用するエンジンに対する低燃費要求、排出ガスに関する規制は厳しくなる方向である。これに対して、近年の技術革新に伴い、エンジンの燃焼最適化や排出ガス後処理技術の開発、電子制御の採用などによって、エンジン単体としての性能は大幅に向上してきている。
【０００３】
一方、エンジンの高性能化に伴い、エンジンが吹き上がる際の応答性能や、定常状態での動作点などに制約がある場合もでてきており、エンジン制御としても過渡状態、定常状態を問わず、今まで以上に極め細やかな動作点管理が必要となってきている。
【０００４】
電気式ディーゼル動車駆動装置にあっては、駆動力を与えるエンジン出力と、インバータ装置及び補助電源装置等のエンジンによって駆動される発電機が電力を供給する先の装置が担う全ての負荷とをバランスさせることが求められる。このような出力と負荷とのバランスを達成・維持するには、エンジンの回転数制御とインバータ装置及び補助電源装置の出力制御との間で緊密な協調制御を図り、エンジンの極め細やかな動作点管理を行う必要がある。
【０００５】
また、負荷の急激な増加による過負荷とエンジンストールを回避するために、素早い負荷制限や負荷遮断などの制御も必要となる。更に、電気式ディーゼル動車については、エンジンの応答性能が列車の加速性能や運転時分に影響することから、前記のエンジン動作点を守りつつ、エンジンの応答性能を十分に活用しながら、エンジン出力とインバータ装置の負荷及び補助電源装置の負荷との協調を図る必要がある。
【０００６】
電気式ディーゼル機関車を対象にして、エンジンの応答性を考慮し、エンジンストールを回避するために車両負荷がエンジン出力を超えないよう主電動機トルクを制御する発明の一例として、特許文献１に開示されたものがある。特許文献１に開示された内燃機関型電気機関車用制御装置は、ノッチ信号によって決まるエンジン目標回転数Ｎ１と現在の回転数Ｎ２を用いた回転数の関数によって主電動機トルク指令値を制限する構成となっている。即ち、主幹制御器から出力されるノッチ指令に従って、エンジン回転数指令発生器がディーゼルエンジンの回転数指令値をディーゼルエンジンに出力し、これら主幹制御器やエンジン回転数指令発生器の出力及びディーゼルエンジンの実回転数信号の入力を受けた強調制御部がエンジン回転数に合致したトルク指令値を出力し、このトルク指令値とトルク制限値との入力を受けたトルク指令制限器が上限が制限されたトルク指令値をインバータ制御装置に出力することにより、インバータ装置側が負荷を取りすぎないように制御し、それによって、エンジンの吹き上がりよりも負荷の増加が速くならないようにフィードフォワード的に制御している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−１１５９０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に開示の内燃機関型電気機関車用制御装置における制御方式では、エンジンが目標回転数に到達するまでの過渡状態において、インバータ負荷がエンジン出力を超えないように制御することはできるが、目標回転数に到達するまでの動作点については指定することが難しい。特に、ノッチを徐々に進段させるのではなく、最初から主幹制御器において最大ノッチに入れるなどの場合、エンジンの実際の動作点は、理想の動作点から大きく外れる懸念がある。また、特許文献１に開示されている構成では、ノッチ信号に応じてエンジン回転数が一対一に対応しており、ノッチ信号が同じ値を取る定常状態の場合でも、補助電源負荷に変動などが生じると、エンジンの動作点が変動し、理想的な動作点から外れて駆動される可能性がある。
【０００９】
そこで、電気式ディーゼル動車駆動装置にあっては、エンジンの動作状態が排出ガスや燃料消費量の低減等の観点から所望の動作点上での動作となるように、エンジンとインバータ装置とについて極め細やかな協調した動作点管理を行う点で解決すべき課題がある。
本発明の目的は、エンジンの定常状態及び過渡状態での動作点管理に重点を置き、例えば排出ガスや燃料消費量の低減などの観点から所望の動作点上でのエンジンの動作制御を可能にするディーゼル動車駆動装置の制御システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によるディーゼル動車駆動装置の制御システムは、エンジンと、前記エンジンにより駆動される発電機と、前記発電機の出力する交流電力を直流電力へ変換するコンバータと、車両を推進させる主電動機と、前記直流電力を変換して交流電力を生成して前記主電動機を駆動するインバータ装置とを備える列車制御システムであって、前記エンジンの制御目標となるエンジン動作点を予め設定し、前記エンジンの実動作点が前記設定されたエンジン動作点に追従するように前記インバータ装置を制御することを特徴としている。
【００１１】
前記課題を解決するため本発明の望ましい態様の一つは、所望のエンジン動作点を予め設定し、エンジン回転数が上昇する際には、前記エンジン動作点からエンジン出力時間変化量ｄＰ／ｄｔを計算し、インバータ装置において、前記エンジン出力時間変化量ｄＰ／ｄｔに基づいて主電動機トルク指令値を制御することで、応答性能を犠牲にすることなく、所望のエンジン動作点に沿って出力が立上ることを可能にすることを特徴とする列車制御システムである。また、定常状態においては、列車全体のインバータ装置負荷、補助電源装置負荷を監視することで、負荷変動などによって所望のエンジン動作点とずれが生じても、予め設定したエンジン動作点上で駆動されるよう、エンジン回転数指令を調整する機能を有することを特徴とする列車制御システムである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明により、ノッチ進段による過渡的なエンジン出力上昇時や、定常状態での負荷変動などによるエンジン出力変動などの際にも、エンジン応答性能を犠牲にせず、所望のエンジン動作点上でエンジンを制御することができ、エンジン排気悪化の防止や最適燃費点での運転が可能となる。また、所望のエンジン動作点の他にエンジン動作点上限値およびエンジン出力リミッタを設定することで、急激な負荷上昇が発生してエンジンの動作点が前記の動作点を超過した場合に、インバータ装置負荷もしくは補助電源装置負荷を速やかに制限もしくは遮断することでエンジンストールを回避することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明によるディーゼル動車駆動装置の制御システムにおける一実施形態の機器構成、制御構成を示す図である。
【図２】エンジン動作点管理部におけるエンジン動作点を示すブロック図である。
【図３】エンジン動作点調整部における動作点調整方法を示す図である。
【図４】エンジン動作点調整部でのエンジン回転数調整値の処理を示す図である。
【図５】エンジン動作点調整部での過負荷時の処理を示す図である。
【図６】エンジン応答特性管理部での処理を示す図である。
【図７】インバータ制御装置における一実施形態の制御構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照しつつ、本発明によるディーゼル動車駆動装置の制御システムの実施形態について説明をする。
【００１５】
図１は本発明における第一のシステム実施形態を示す図である。
車両１に搭載されたエンジン２の出力軸は発電機３の入力軸に接続され、発電機３によって発電された交流電力はコンバータ装置４によって一定電圧の直流電力に変換される。その直流電力は、一台又は複数台のインバータ装置（ここではインバータ装置５で代表する）、及び一台又は複数台の補助電源装置（ここでは補助電源装置７で代表する）に供給される。インバータ装置５は、一台又は複数台の主電動機６Ａ，…６Ｎを駆動し、車両を推進する電気式ディーゼル動車の主回路構成となっている。この主回路を駆動する制御装置は、エンジン制御部９、コンバータ制御装置１０、補助電源制御装置１１及びインバータ制御装置１２から構成されている。
【００１６】
図１は、単一の車両１に全ての装置が搭載された電気式ディーゼル機関車と同様の構成で記述しているが、各装置を複数の車両に分散搭載する構成も可能である。この場合、車両間を跨ぐ複数機器の信号伝送については、配線の引通しによる伝送も可能であるが、車両制御装置を媒介した構成も可能である。
【００１７】
次に各制御装置の動作について説明する。
エンジン制御部９では、まず、エンジン回転数指令生成部１８が，運転台８からのノッチ信号「Ｎ」２２を受けて、ノッチ信号「Ｎ」２２に対応したエンジン回転数指令値「ｎ＊」２３を生成する。次に、エンジン動作点調整部１９では、詳細については後述するが、当該エンジン回転数指令値「ｎ＊」２３、データベース機能としてエンジンの特性を記憶しているエンジン動作点管理部２０からの必要エンジン回転数「ｎｐ」２７、エンジン動作点「Ｐ（ｎ）」２８、消費電力計算部３８からの消費電力合計値「ΣＰ」２６の情報を用いて、エンジンが所望の動作点上で駆動されるように、エンジン回転数調整値「ｎ＊＊」２４をエンジン２へ出力する。エンジン２は、当該エンジン回転数調整値「ｎ＊＊」２４を目標値として定回転数制御を行う。逆に、エンジン２からは、実エンジン回転数「ｎ」２５がエンジン制御部９に入力される。
【００１８】
ノッチ信号「Ｎ」２２の上昇などによりエンジン回転数が上昇する場合に、エンジン動作点管理部２０では、実エンジン回転数「ｎ」２５でのエンジン出力回転数変化率「ｄＰ（ｎ）／ｄｎ」３１、即ち、記憶しているエンジンの特性からエンジン出力Ｐ（ｎ）の当該「ｎ」２５について微分して実エンジン回転数「ｎ」２５における変化率を計算してエンジン応答特性管理部２１へ出力する。エンジン応答特性管理部２１では、実エンジン回転数「ｎ」２５及びエンジン出力回転数変化率「ｄＰ（ｎ）／ｄｎ」３１の入力を受けて、当該実エンジン回転数「ｎ」２５でのエンジン時間応答特性を用いて、エンジン出力時間変化率「ｄＰ（ｎ）／ｄｔ」３２を計算し、当該エンジン出力時間変化率「ｄＰ（ｎ）／ｄｔ」３２をインバータ制御装置１２へ伝達する。
【００１９】
エンジン動作点調整部１９は、エンジン動作点管理部２０からの、エンジン動作点上限値「Ｐｏ（ｎ）」２９及びエンジン出力リミッタ値「Ｐｍ（ｎ）」３０と、消費電力計算部３８からの消費電力合計値「ΣＰ」２６の情報を用いて、エンジンの動作点が過負荷の上限を超えた場合に、インバータ制御装置１２に対して、所望の動作点に戻すのに適切な負荷制限指令「ΔＰ」３３を与える機能も有している。エンジン動作点調整部１９は、また、エンジンの動作点がエンジン出力リミッタ値「Ｐｍ（ｎ）」３０に達した場合に、編成内の一部又は全てのインバータ装置、若しくは補助電源装置の特定負荷に対して、負荷遮断指令「Ｋ」３４を伝達する機能も有している。
【００２０】
次にコンバータ制御装置の動作について説明する。
コンバータ制御装置１０は、運転台８からのノッチ信号「Ｎ」２２、エンジン２からの実エンジン回転数「ｎ」２５、発電機電流検出器１３からの発電機電流検出値「ＩＧ」３５及び直流電圧検出器１４からの直流電圧検出値「Ｅｃｆ」３７に基づいて、コンバータ装置４の直流出力電圧を負荷状態によらず一定に制御するように、コンバータ装置駆動信号「ＰＷＭｃ」３６によってコンバータ装置４を駆動する。
【００２１】
図１は自励式の交流発電機３とコンバータ装置４の構成として記載しているが、励磁回路を有する巻線型同期発電機とダイオード整流器の場合でも対応可能である。この場合、直流電圧検出器１４からの直流電圧検出値「Ｅｃｆ」３７に基づき、巻線型同期発電機の励磁電流を調整することで、コンバータ制御装置１０と同等の直流電圧一定制御が同様に実現可能である。
【００２２】
次に補助電源制御装置の動作について説明する。
補助電源制御装置１１は、補助電源装置７に対して補助電源装置駆動信号「ＰＷＭａ」４２を出力し、補助電源装置７は、当該補助電源装置駆動信号「ＰＷＭａ」４２を受けて、その出力が一定電圧、一定周波数の交流電圧となるように駆動される。また、補助電源入力電流検出器１７からの補助電源入力電流検出値「ＩＡＰＳ」４１と、直流電圧検出器１４からの直流電圧検出値「Ｅｃｆ」３７に基づいて、補助電源装置消費電力「ＰＡＰＳ」３９を演算し、消費電力計算部３８へ伝達する。また、エンジン２の動作点が出力リミッタ値「Ｐｍ（ｎ）」３０に達した場合に、エンジン制御部９から負荷遮断指令「Ｋ」３４が補助電源制御装置１１に伝達される。補助電源制御装置１１では、当該指令Ｋを受けて、遮断が可能な特定負荷があれば、当該の負荷に対して遮断指令を出力し、エンジンの負荷軽減を実現する。
【００２３】
次にインバータ制御装置１２の動作について説明する。
インバータ制御装置１２においては、主電動機トルク指令生成部４４は、運転台８からのノッチ信号「Ｎ」２２と、主電動機６Ａ，…６Ｎから得られる主電動機回転数検出値「ｆｒ」５３から計算される車両速度から、対応する主電動機トルク指令値「Ｔ＊」５４を生成する。主電動機トルク指令生成部４４から主電動機トルク指令値「Ｔ＊」５４を受ける主電動機トルク指令調整部４５は、詳細については後述するが、エンジン出力が上昇する際には、主電動機トルク変化率計算部４８からの主電動機トルク時間変化率「ｄＴ／ｄｔ」５７によって、主電動機トルク指令値「Ｔ＊」５４を制御することで、主電動機トルク指令調整値「Ｔ＊＊」５５を生成し、エンジン動作点が過負荷状態となった際には、主電動機トルク絞り量計算部４３からの主電動機トルク絞り量「ΔＴ」５８によって、主電動機トルク指令値「Ｔ＊」５４を制御することで、主電動機トルク指令調整値「Ｔ＊＊」５５を生成する。
【００２４】
インバータベクトル制御演算部４６は、前記した主電動機トルク指令調整値「Ｔ＊＊」５５に基づいてインバータ装置駆動信号「ＰＷＭｉ」５１を生成し、当該駆動信号「ＰＷＭｉ」５１によりインバータ装置５を駆動する。主電動機トルク計算部４７では、主電動機電流検出器１６から得られる主電動機電流検出値「ＩＭ」５２と、主電動機６Ａ，…６Ｎから得られる主電動機回転数検出値「ｆｒ」５３から主電動機トルク「Ｔ」５６を計算し、主電動機トルク変化率計算部４８ではエンジン制御部９から伝達されるエンジン出力時間変化率「ｄＰ（ｎ）／ｄｔ」３２と、主電動機トルク計算部４７からの主電動機トルク「Ｔ」５６から、主電動機トルク時間変化率「ｄＴ／ｄｔ」５７を生成する。
【００２５】
主電動機トルク絞り量計算部４３では、詳細については後述するが、エンジン動作点が過負荷状態となった際に、エンジン制御部９から伝達される負荷制限指令「ΔＰ」３３と、電動機６Ａ，…６Ｎから得られる主電動機回転数検出値「ｆｒ」５３から、主電動機トルク絞り量「ΔＴ」５８を生成する。
【００２６】
エンジン動作点が出力リミッタに達した場合には、エンジン制御部９から伝達される負荷遮断指令「Ｋ」３４を保護動作指令として伝送し、インバータベクトル制御演算部４６でインバータ装置駆動信号「ＰＷＭｉ」５１を即時遮断することで、エンジン２の速やかな負荷低減を実現し、エンジンストールを回避することが可能である。
【００２７】
インバータ制御装置１２の消費電力計算部４９では、インバータ入力電流検出器１５からのインバータ入力電流検出値「ＩＩＮＶ」５０と、直流電圧検出器１４からの直流電圧検出値「Ｅｃｆ」３７とに基づいて、インバータ装置消費電力「ＰＩＮＶ」４０を演算し、消費電力計算部３８へ伝達する。
【００２８】
消費電力計算部３８では、エンジンによって駆動される発電機が電力を供給する、編成内の全てのインバータ装置（インバータ装置５で代表する）、全ての補助電源装置（補助電源装置装置７で代表する）、及びエンジン補機９６のエンジン補機動力「ＰＡＵＸ」９７の消費電力を足し合わせ、消費電力合計値「ΣＰ」２６を演算し、エンジン制御部９へ伝達する。
【００２９】
以上のように、本発明であるディーゼル動車駆動装置の制御システムによれば、所望のエンジン動作点を設定し、エンジン制御装置９とインバータ制御装置１２との間で、エンジン出力時間変化率「ｄＰ（ｎ）／ｄｔ」３２、負荷低減指令「ΔＰ」３３、負荷遮断指令「Ｋ」３４、消費電力合計値「ΣＰ」２６を相互に伝達することで、所望のエンジンの動作点を予め設定し、その動作点にエンジンが追従するようにインバータ装置を制御することが可能となる。また、エンジンの動作点について上限値及び出力リミッタを設定し、エンジンの動作点を監視しているので、急激な負荷上昇が発生したことによってエンジンの動作点がその上限値及び出力リミッタを超過した場合には、インバータ装置の負荷を制限又は遮断し、補助電源装置の特定負荷を遮断することで、エンジンストールを回避し、所望の動作点へ速やかに復帰させることが可能な列車制御システムを実現できる。
【００３０】
図２は本発明によるディーゼル動車駆動装置の制御システムにおけるエンジン動作点管理部２０の一構成例を示す図である。
【００３１】
エンジン動作点管理部２０においては、エンジン２の出力範囲内で所望のエンジン動作点「Ｐ（ｎ）」２８がエンジン出力Ｐとエンジン回転数ｎとの関係で設定されている。一例として、車両駆動用エンジンの中には、エンジン出力がエンジン回転数の累乗の関係となるよう動作点を設定するよう指定されたものも存在する。また、エンジン動作点管理部２０には、エンジン応答が追いつかない急激な負荷上昇が発生した際に、エンジンストールを発生させないように、エンジン動作点上限値「Ｐｏ（ｎ）」２９と、エンジン出力リミッタ「Ｐｍ（ｎ）」３０とが同様に設定されている。エンジン出力リミッタ「Ｐｍ（ｎ）」３０は、エンジンストール寸前の動作点（特性線）を示しており、エンジン動作点上限値「Ｐｏ（ｎ）」２９はその手前の状態の動作点を示している。エンジン動作点「Ｐ（ｎ）」２８については、例えば燃費最小となる動作点とすれば燃料消費量の低減が可能であり、排気負荷が最小となる動作点とすれば環境性能を重視したエンジン制御が実現可能であり、設定に自由度を有することが特徴である。
【００３２】
エンジン動作点管理部２０では、実エンジン回転数「ｎ」２５を元に、対応するエンジン動作点出力「Ｐ（ｎ）」２８、エンジン動作点上限値「Ｐｏ（ｎ）」２９、エンジン出力リミッタ「Ｐｍ（ｎ）」３０を出力すると同時に、実エンジン回転数「ｎ」２５におけるエンジン動作点の出力変化率「ｄＰ（ｎ）／ｄｎ」３１を計算する機能を有している。エンジン動作点管理部２０は、また、消費電力合計値「ΣＰ」２６に基づいて、エンジン動作点「Ｐ（ｎ）」２８の逆関数から必要エンジン回転数ｎｐ（＝Ｐ−１（ΣＰ）を計算する機能も有している。ここで、エンジン出力回転数変化率「ｄＰ／ｄｎ」３１と実エンジン回転数「ｎ」２５の関係を別途設定することで、エンジン動作点の逐次微分計算を無くし、計算負荷低減を図ることも可能である。これらの動作点設定はテーブルで与える構成や、近似多項式で与える構成などが考えられるが、同等の入出力を提供するのであれば種類は問わない。
【００３３】
また、エンジン動作点をエンジン出力Ｐとエンジン回転数ｎとの関係で設定するとしたが、エンジン出力と車両構成から一定の関係で導き出されるエンジン、インバータ装置、主電動機に関する諸量で表記することも可能である。
【００３４】
すなわち、本発明によると、例えば燃費最小となる動作点や、排気負荷が最小となる動作点など、目的に応じてエンジン動作点を設定でき、所望の動作点上でエンジンを制御できるディーゼル動車駆動装置の制御システムが構築可能である。
【００３５】
図３は本ディーゼル動車駆動装置の制御システムにおけるエンジン動作点調整部１９での動作点調整の一例を示した図である。
【００３６】
エンジン動作点調整部１９は、エンジン動作点管理部２０に設定した、所望のエンジン動作点（目標エンジン動作点）「Ｐ（ｎ）」２８に対して、制御目標の領域がＰ（ｎ）±δｐとなるようエンジン動作点出力変動幅「δｐ」５９を設定する。
【００３７】
エンジン動作点調整部１９では、消費電力計算部３８からの消費電力合計値「ΣＰ」２６と、エンジン動作点管理部２０からのエンジン動作点「Ｐ（ｎ）」２８の動作点情報を比較し、エンジン動作点（消費電力合計値「ΣＰ」２６に対応）がＰ（ｎ）±δの範囲に収まっていない場合（消費電力合計値「ΣＰ」２６と、変動幅「δｐ」５９を考慮したエンジン動作点「Ｐ（ｎ）」２８との間に見合わない差異がある）には、エンジン回転数指令部１８からのエンジン回転数指令値「ｎ＊」２３を調整して、エンジン動作点が所望の動作点範囲内、即ち、Ｐ（ｎ）±δｐの範囲内となるようなエンジン回転数指令調整値「ｎ＊＊」２４を生成し、エンジン２へ伝達する。なお、エンジン動作点回転数変動幅δｎ７４は、エンジン動作点「Ｐ（ｎ）」２８に対して、エンジン回転数指令調整値「ｎ＊＊」２４と実エンジン回転数「ｎ」２５との比較において、両者の間の偏差が許容される予め設定した設定値である。
【００３８】
エンジン動作点調整部１９で考えられる動作モードは図３の（ａ）〜（ｄ）に対応した下記の４通りである。
（ａ）：所望のエンジン動作点の範囲内でエンジンが制御されている場合、現状のエンジン回転数指令調整値「ｎ＊＊」２４を維持する。
（ｂ）：所望のエンジン動作点「Ｐ（ｎ）」２８よりも消費電力合計値「ΣＰ」２６が小さいため、所望のエンジン動作点の範囲内（Ｐ（ｎ）±δｐ）となるようにエンジン回転数指令調整値「ｎ＊＊」２４を下げるよう制御する場合。
（ｃ）：所望のエンジン動作点「Ｐ（ｎ）」２８よりも消費電力合計値「ΣＰ」２６が大きいため、所望のエンジン動作点の範囲内（Ｐ（ｎ）±δｐ）となるようにエンジン回転数指令調整値「ｎ＊＊」２４を上げるよう制御する場合。
（ｄ）：所望のエンジン動作点「Ｐ（ｎ）」２８よりも消費電力合計値「ΣＰ」２６が大きく、かつ、エンジン最大出力を超えているので、所望のエンジン動作点の範囲内となるようインバータ装置１２に負荷制限指令「ΔＰ」３３を伝達し、所望のエンジン動作点の範囲内となるよう制御する場合。
【００３９】
すなわち、本ディーゼル動車駆動装置の制御システムによると、定常状態においてインバータ装置５や補助電源装置７に負荷変動が生じた場合や、エンジン回転数上昇中や上昇完了後に、所望のエンジン動作点と実際の動作点に差異が生じる場合でも、エンジン回転数指令調整値「ｎ＊＊」を調整することで、所望のエンジン動作点上での制御を可能とする制御システムが構築可能である。
【００４０】
図４は本ディーゼル動車駆動装置の制御システムにおけるエンジン動作点調整部１９での、エンジン動作点を調整する際のフローチャートの一構成例を示した図である。エンジン動作点調整部１９は、後述するように、入力部６０、比較部６１〜６５、処理部６６〜７１及び出力部７２，７３を備えている。
【００４１】
まず、入力部６０においては、実エンジン回転数をｎ、エンジン回転数指令をｎ＊、消費電力合計値をΣＰ、必要エンジン回転数をｎｐ（＝Ｐ-１（ΣＰ）；Ｐの逆関数で消費電力合計値がΣＰであるときのエンジン回転数ｎｐ）とする。また、図示していないが、エンジン動作点回転数変動幅をδｎとし、エンジン動作点出力変動幅をδｐとする。
比較部６１では、運転台８からのノッチ信号「Ｎ」２２に対応してエンジン回転数指令部生成部１８で生成されたエンジン回転数指令値「ｎ＊」２３が変化したかどうかを演算周期毎に判定する。
エンジン回転数指令値「ｎ＊」２３が変化した場合には、処理部６６にて、当該変化した指令値「ｎ＊」２３がエンジン回転数指令調整値「ｎ＊＊」２４とされ、当該エンジン回転数指令調整値「ｎ＊＊」２４が出力部７２からエンジン２に入力される。このように、ノッチ信号「Ｎ」２２が変化すると、それに対応したエンジン回転数指令「ｎ＊」２３が優先的にエンジン回転数指令調整値「ｎ＊＊」２４に反映される。比較部６１において、エンジン回転数指令「ｎ＊」２３に変化がない場合は、次の比較部６２へ移行する。
【００４２】
比較部６２では、エンジン回転数指令調整値「ｎ＊＊」２４と実エンジン回転数「ｎ」２５を比較して、両者の偏差が予め設定した設定値であるエンジン動作点回転数変動幅δｎ７４（図３参照）より大きいか否かが判定される。両者の偏差がエンジン動作点回転数変動幅δｎ７４よりも大きい（比較判断が「ＮＯ」）場合には、大きな指令調整値「ｎ＊＊」２４に実エンジン回転数「ｎ」２５が追いついていない、即ち、エンジンが吹き上がっていない状態と判断し、処理部６７にてエンジン回転数指令「ｎ＊」がエンジン回転数指令調整値「ｎ＊＊」とされて、出力部７２からエンジン２へ直接渡す。
一方、両者の偏差がエンジン動作点回転数変動幅「δｎ」７４よりも小さい場合には、エンジンの応答が完了した状態（エンジンが回転数指令調整値に従って吹き上がった）と判断して、次の比較部６３へ移行する。
【００４３】
比較部６３では、消費電力計算部３８からの消費電力合計値「ΣＰ」２６と、エンジン動作点管理部２０からのエンジン動作点「Ｐ（ｎ）」２８とを比較して、両者の偏差が予め設定したエンジン動作点出力変動幅「δｐ」５９（図３参照）よりも小さい場合には、エンジン動作点が所望の動作点変動範囲Ｐ（ｎ）±δｐに収まっていると判断できるので、処理部６８にて現在のエンジン回転数指令調整値（前回値）「ｎ＊＊」２４を維持し、出力部７２からエンジン２へ渡される。
一方、両者の偏差がエンジン動作点出力変動幅「δｐ」５９よりも大きい場合には、次の比較部６４へ移行する。
【００４４】
比較部６４では、消費電力計算部３８からの消費電力合計値「ΣＰ」２６と、エンジン動作点管理部２０からのエンジン動作点変動幅の下限値Ｐ（ｎ）−δｐとを比較して、消費電力合計値「ΣＰ」２６の方が小さい場合には、実際のエンジン動作点が所望のエンジン動作点出力変動幅を下回っていると判断して、処理部６９にて、消費電力合計値「ΣＰ」２６に見合った必要エンジン回転数ｎｐ＝Ｐ−１（ΣＰ）をエンジン回転数指令調整値「ｎ＊＊」２４として設定し、出力部７２からエンジン２へ渡される。これにより、実エンジン回転数「ｎ」２５は低下し、エンジン動作点領域内で駆動されることとなる。
一方、比較部６４において、消費電力合計値「ΣＰ」２６が、エンジン動作点出力変動幅の下限値Ｐ（ｎ）−δｐよりも大きい場合、即ち、比較部６３での判別結果と併せると、消費電力合計値「ΣＰ」２６が、エンジン動作点出力変動幅の上限値Ｐ（ｎ）−δｐよりも大きい場合には、所望のエンジン動作点出力範囲内でエンジンを駆動するためには、エンジン回転数の上昇が必要となる。
【００４５】
比較部６５では、実エンジン回転数「ｎ」２５がエンジン最大回転数「ｎｍａｘ」７５と等しいか判別する。
両者が等しくない場合は、エンジン回転数を上昇させることが可能であるので、処理部７０にて、エンジン動作点管理部からの必要エンジン回転数「ｎｐ＝Ｐ-１（ΣＰ）」２７を、エンジン回転数指令調整値「ｎ＊＊」として設定するが、ここで、必要エンジン回転数「ｎｐ」２７がエンジン最大回転数「ｎｍａｘ」７５を超過しないよう、両者の最小値をエンジン回転数指令調整値「ｎ＊＊」２４として設定し、出力部７２からエンジン２へ渡される。
【００４６】
一方、実エンジン回転数「ｎ」２５がエンジン最大回転数「ｎｍａｘ」７５と等しくなっても、更に消費電力合計値「ΣＰ」２６がエンジン最大回転数「ｎｍａｘ」７５でのエンジン動作点出力変動幅の上限値Ｐ（ｎ）＋δｐよりも大きい場合は、処理部７１にて偏差分Ｐ＝ΣＰ−Ｐ（ｎｍａｘ）を算出し、出力部７３にてインバータ装置への負荷制限指令「ΔＰ」３３として伝達してエンジン出力を減らすことで、エンジン動作点を所望のエンジン出力変動幅Ｐ（ｎ）±δｐ内に調整する。
ここでは所望のエンジン動作点上でのエンジン制御を重視して処理部７１を記載したがが、エンジン最大回転数「ｎｍａｘ」７５でのエンジン動作点Ｐ（ｎｍａｘ）±δｐとエンジン最大出力との間に出力の余裕がある場合は、所望のエンジン動作点は外れるが、エンジン最大出力まではインバータ装置の負荷を低減しないでエンジンを制御することも可能である。
【００４７】
図５は本ディーゼル動車駆動装置の制御システムにおけるエンジンに過負荷が発生した際のエンジンとインバータ装置の一制御例を示した図である。
【００４８】
図５の左側（ａ）に示すように、時刻０での実エンジン回転数７６をｎ０、時刻０でのエンジン出力制限値７８をＰｏ（ｎ０）、インバータ制御装置１２への時刻０での負荷制限量８０をＰ０、時刻０での消費電力合計値８２をΣＰ０、時刻０での必要エンジン回転数８４をｎｐ０とする。また、時刻ｋでの実エンジン回転数７７をｎｋ、時刻ｋでのエンジン出力制限値７９をＰｏ（ｎｋ）、インバータ制御装置１２への時刻ｋでの負荷制限量８１をＰｋ、時刻ｋでの消費電力合計値８３をΣＰｋとする。
【００４９】
ここで、時刻０にて補助電源装置７の急激な負荷増加などによってエンジン出力が急増して、時刻０での消費電力合計値「ΣＰ０」８２が、時刻０でのエンジン出力制限値「Ｐｏ（ｎ０）」７８を超過した場合、エンジン動作点管理部２０からの時刻０での必要エンジン回転数「ｎｐ０（＝Ｐ-１（ΣＰ０））」８４をエンジン回転数指令調整値「ｎ＊＊」２４として与え、所望の動作点上にて時刻０での消費電力合計値「ΣＰ０」８２を出力することが可能な動作点まで回転数上昇指令を出す。このままではエンジン回転数上昇完了までの間、所望のエンジン動作点から外れて制御されることとなるので、時刻０において、所望のエンジン動作点まで戻すのに必要な負荷制限指令を、
ΔＰ０＝ΣＰ０−Ｐｏ（ｎ０）・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１）
によって演算し、インバータ装置１２にて時刻０での負荷制限指令「ΔＰ０」８０を基に主電動機トルク指令値「Ｔ＊」５４を制限する。これによってエンジンは速やかに過負荷領域から所望の動作点上へと回復するが、その後は、エンジン回転数の上昇に伴い、エンジンが出力できる動作点上の出力が増加するので、時刻ｋにおいては、下記（２）式に従って、インバータ装置１２への時刻ｋでの負荷制限指令「ΔＰｋ」８１を徐々に小さくしていく。
ΔＰｋ＝ΔＰｋ−１−｛Ｐ（ｎｋ）−ΣＰｋ−１｝・・・・・・・・・・・・（２）
【００５０】
これによってエンジン出力に過負荷が生じた場合、インバータ装置５の負荷制限を行うことで、速やかにエンジン動作点上まで負荷制限を行い、所望のエンジン動作点へと復帰させた後は、所望のエンジン動作点に沿ってインバータ制御装置１２の負荷制限を徐々に解除していく。時刻ｋでの負荷制限量「Ｐｋ」８１が０になった時点で、一連のリミッタ動作は完了し、エンジン回転数指令調整値「ｎ＊＊」２４を現在の実エンジン回転数「ｎ」２５の値に置き換え、エンジン回転数を保持する。
【００５１】
上記のエンジン過負荷抑制に代えて、簡易なエンジン過負荷抑制制御として、式（１）を基にインバータ制御装置１２に時刻０での負荷制限指令「Ｐ０」８０を伝送して負荷制限をした後、インバータ制御装置１２において、エンジン応答時間を考慮して負荷制限量を一定の割合で小さくしていく制御方法などがある。この方法によると、エンジン回転数の上昇中は所望のエンジン動作点からは、ややずれることになるが、式（２）のような逐次計算が不要になるなど計算を簡略化できるメリットがある。
【００５２】
補助電源装置７やインバータ装置５での負荷増加が大きく、エンジン動作点管理部２０に予め設定したエンジン出力制限値「Ｐｏ（ｎ）」２９を超過し、更にエンジン出力リミット「Ｐｍ（ｎ）」３０に達した場合には、過負荷によるエンジンストールの懸念がある。これを避けるため、エンジン動作点調整部１９は、エンジン２により駆動される発電機３が電力を供給する、編成内の全て又は一部のインバータ装置５、若しくは補助電源装置７の特定負荷に対して負荷遮断指令「Ｋ」３４を伝達し、これを受けたインバータ制御装置１２又は補助電源制御装置１１は即座に負荷遮断の保護動作を行う。
これによりエンジンストールを回避し、所定のリセット操作をすることで運転継続を可能にする。
【００５３】
一方、図５の右側（ｂ）に示すように、エンジン本体が所望の動作点を有し、負荷状態を認識する機能を有し、外部に状態信号（ロードシグナル「Ｓ」８５）を供給することができるエンジンである場合、ロードシグナル「Ｓ」８５を用いて、同等の負荷抑制機能、負荷遮断機能を実現することができる。所望のエンジン動作点「Ｐ（ｎ）」２８に対応するロードシグナル１「Ｓ１」８６、エンジン動作点上限値「Ｐｏ（ｎ）」２９に対応するロードシグナル２「Ｓ２」８７、エンジン出力リミッタ値「Ｐｍ（ｎ）」３０に対応するロードシグナル３「Ｓ３」８８とすると、エンジン動作点調整部１９にてロードシグナル１「Ｓ１」８６、ロードシグナル２「Ｓ２」８７、ロードシグナル３「Ｓ３」８８の閾値を設定し、通常はエンジンから伝達されるロードシグナル「Ｓ」がロードシグナル１「Ｓ１」８６となるようエンジン回転数調整値「ｎ＊＊」２４を制御する。エンジンから伝達されるロードシグナル「Ｓ」がロードシグナル２「Ｓ２」８７を超過した場合には、ロードシグナル１「Ｓ１」８６から超過分のロードシグナル量から負荷制限指令「ΔＰ」３３を生成し、また、エンジンから伝達されるロードシグナル「Ｓ」がロードシグナル３「Ｓ３」８８を超過した場合には、負荷遮断指令「Ｋ」３４を生成し、インバータ装置１２へ伝達することで、前記のエンジン動作点管理部２０を用いた制御と同等の機能を実現できる。
【００５４】
即ち、本ディーゼル動車駆動装置の制御システムによると、急激な負荷上昇が発生して、エンジンの動作点がエンジンの動作点上限値を超過した場合に、インバータ装置の負荷制限を行うことで、所望の動作点へ速やかに復帰させることが可能で、また、エンジンの動作点が出力リミッタを超過した場合に、全て又は一部のインバータ装置、若しくは補助電源装置の特定負荷を遮断することで、エンジンストールを回避することが可能な制御システムを実現できる。
【００５５】
図６は本ディーゼル動車駆動装置の制御システムにおけるエンジン応答特性管理部２１の一構成例を示す図である。
【００５６】
エンジン応答特性管理部２１には、エンジン固有の特性として、エンジン動作点管理部２０に設定した所望のエンジン動作点「Ｐ（ｎ）」２８でエンジンを制御した際の、エンジン回転数と応答時間特性８９を設定し、実エンジン回転数「ｎ」２５に対応するエンジン回転数変化率「ｄｎ／ｄｔ」９０を計算する機能を有している。また、予めエンジンの応答時間特性８９を微分して、エンジン回転数変化率「ｄｎ／ｄｔ」９０とエンジン回転数の特性として設定しても良いし、全回転数領域にわたってエンジン回転数変化率「ｄｎ／ｄｔ」９０が一定とみなせる場合は定数として与えることで簡略化も可能である。エンジン応答特性管理部２１では、エンジン応答時間特性８９から演算した、実エンジン回転数「ｎ」２５でのエンジン回転数変化率「ｄｎ／ｄｔ」９０と、前記エンジン動作点管理部２０からのエンジン出力回転数変化率「ｄＰ（ｎ）／ｄｎ」３１から、
｛ｄＰ（ｎ）／ｄｎ｝×｛ｄｎ／ｄｔ｝＝ｄＰ（ｎ）／ｄｔ・・・・・・・・（３）
により、エンジン出力時間変化率「ｄＰ（ｎ）／ｄｔ」３２を計算し、インバータ制御装置１２へ伝達する。
【００５７】
本ディーゼル動車駆動装置の制御システムによると、所望のエンジン動作点に沿ってエンジン出力を上昇させ、更に前記エンジン動作点上でエンジンを制御した際の、エンジン応答特性から計算したエンジン出力時間変化率「ｄＰ（ｎ）／ｄｔ」３２を用いて、インバータ装置５の負荷上昇を制御するため、エンジンを所望の動作点上で制御し、かつ、エンジンの応答特性を犠牲にせず、エンジンとインバータ装置の協調制御を実現する制御システムを構築可能である。
【００５８】
図７は本ディーゼル動車駆動装置の制御システムにおけるインバータ制御装置１２の内部構成図の一構成例を示す図である。
【００５９】
まず、主電動機トルク変化率計算部４８の構成方法について以下に示す。
エンジン出力Ｐは、Ｋを比例定数として以下のように記述できる。
Ｐ＝Ｐｔ＋Ｐａ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（４）
Ｐｔ＝Ｋ×Ｍ×Ｆ×Ｖ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（５）
ここで、Ｐ：エンジン出力、Ｐｔ：駆動装置負荷、Ｐａ：補助電源装置負荷、Ｆ：引張力、Ｖ：車両速度、Ｍ：主電動機数である。
補助電源装置負荷Ｐａを一定として（４）、（５）の両辺を時間ｔで微分すると、
ｄＰ／ｄｔ＝ｄＰｔ／ｄｔ
＝Ｋ×Ｍ×ｄ／ｄｔ（Ｆ×Ｖ）
＝Ｋ×Ｍ×（Ｖ×ｄＦ／ｄｔ＋Ｆ×ｄＶ／ｄｔ）
＝Ｋ’×Ｍ×（Ｖ×ｄＴ／ｄｔ＋Ｔ×ｄＶ／ｄｔ）・・・・・・（６）
よって、
ｄＴ／ｄｔ＝｛１／（Ｋ’×Ｍ×Ｖ）｝×ｄＰ／ｄｔ−（Ｔ／Ｖ）×ｄＶ／ｄｔ
・・・・・（７）
となる。ここでＫ’：比例定数、Ｔ：主電動機トルクである。
【００６０】
（６）式において、特に車両が駅などから出発する際は、車速が０付近であるから第２項が支配的になり、ある速度でノッチを入れた場合の再力行の場合は、第１項が支配的になることを示している。
（７）式より、エンジン出力時間変化率「ｄＰ／ｄｔ」３２と、主電動機トルク計算部４７にて主電動機電流検出値「ＩＭ」５２から計算される主電動機トルク「Ｔ」５６と、速度計算部９１にて主電動機回転数検出値「ｆｒ」５３から計算される車両速度「Ｖ」９４と、前記車両速度の変化率（加速度）ｄＶ／ｄｔから、主電動機トルク時間変化率「ｄＴ／ｄｔ」５７が計算される。
【００６１】
次に、主電動機トルク絞り量計算部４３の構成方法について以下に示す。
主電動機トルク絞り量「Ｔ」５８は以下のように記述できる。
Ｐ＝Ｃ×Ｔ×Ｖ×Ｍ
であるから、
Ｔ＝Ｃ’×Ｐ／Ｖ／Ｍ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（８）
ここで、Ｃ、Ｃ’：比例定数、Ｍ：主電動機数、Ｖ：車両速度である。
負荷制限指令「Ｐ」３３、車両速度「Ｖ」９４から、（８）式に基づき主電動機トルク絞り量「Ｔ」５８が計算される。
【００６２】
図７において、主電動機トルク指令調整部４５は、主電動機トルク立上げ制御部９２と主電動機トルク制限部９３とから構成される。前者の主電動機トルク立上げ制御部９２は、主電動機トルク指令生成部４４にて生成される主電動機トルク指令「Ｔ＊」５４を、前記主電動機トルク変化率計算部４８で計算された主電動機トルク時間変化率「ｄＴ／ｄｔ」５７を用いて制御し、主電動機トルク指令調整仮値「Ｔ＊＊＊」９５を一旦生成する。その後、後者の主電動機トルク制限部９３が、主電動機トルク絞り量計算部４３にて計算された主電動機トルク絞り量「Ｔ」５８によって、主電動機トルク指令調整仮値「Ｔ＊＊＊」９５を制御し、主電動機トルク指令調整値「Ｔ＊＊」５５を生成する。エンジンが過負荷状態ではない場合は、主電動機トルク制限部９３でのトルク絞りは行われず、主電動機トルク指令調整仮値「Ｔ＊＊＊」９５が、そのまま主電動機トルク指令調整値「Ｔ＊＊」５５として出力される。インバータベクトル制御演算部４６では、主電動機トルク指令調整値「Ｔ＊＊」５５、主電動機電流検出値「ＩＭ」５２及び車両速度「Ｖ」９４を基に、インバータ装置駆動信号「ＰＷＭｉ」５１を生成し、インバータ装置５を駆動する。
【００６３】
一方、エンジンの動作点が予め設定したエンジン出力リミッタ「Ｐｍ（ｎ）」３０を超過した場合、エンジン制御部９から負荷遮断指令「Ｋ」３４が伝達される。インバータベクトル制御演算部４６では、負荷遮断指令「Ｋ」３４が伝達されると、インバータ装置駆動信号「ＰＷＭｉ」５１を即座に停止し、負荷遮断を行うことで、過負荷によるエンジンストールを防止する保護システムを構築する。
【００６４】
なお、本図では主電動機トルクを制御量としてブロック図を記載したが、主電動機電流が制御量の場合も同様の考え方で制御システムが構築可能である。
【００６５】
本発明であるディーゼル動車駆動装置の制御システムによれば、エンジンの制御目標となるエンジンの動作点を予め設定し、その動作点にエンジンが追従するようにインバータ装置を制御し、急激な負荷上昇が発生して、エンジンの動作点が前記エンジンの動作点上限値を超過した場合に、インバータ装置の負荷制限を行うことで、所望の動作点へ速やかに復帰させることが可能で、また、エンジンの動作点が前記出力リミッタを超過した場合に、全てもしくは一部のインバータ装置、もしくは補助電源装置の特定負荷を遮断することで、エンジンストールを回避することが可能な列車制御システムを実現できる。
【符号の説明】
【００６６】
１…車両 ２…エンジン
３…交流発電機 ４…コンバータ装置
５…インバータ装置 ６Ａ、６Ｎ…主電動機
７…補助電源装置 ８…運転台
９…エンジン制御部 １０…コンバータ制御装置
１１…補助電源制御装置 １２…インバータ制御装置
１３…発電機電流検出器 １４…直流電圧検出器
１５…インバータ入力電流検出器 １６…主電動機電流検出器
１７…補助電源入力電流検出器 １８…エンジン回転数指令生成部
１９…エンジン動作点調整部 ２０…エンジン動作点管理部
２１…エンジン応答特性管理部 ２２…ノッチ信号
２３…エンジン回転数指令 ２４…エンジン回転数指令調整値
２５…実エンジン回転数 ２６…消費電力合計値
２７…必要エンジン回転数 ２８…エンジン動作点
２９…エンジン動作点上限値 ３０…エンジン出力リミッタ値
３１…エンジン出力回転数変化率 ３２…エンジン出力時間変化率
３３…負荷制限指令 ３４…負荷遮断指令
３５…発電機電流 ３６…コンバータ装置駆動信号
３７…直流電圧検出値 ３８…消費電力計算部
３９…補助電源装置消費電力 ４０…インバータ装置消費電力
４１…補助電源入力電流検出値 ４２…補助電源装置駆動信号
４３…主電動機トルク絞り量計算部 ４４…主電動機トルク指令生成部
４５…主電動機トルク指令調整部 ４６…インバータベクトル制御演算部
４７…主電動機トルク計算部 ４８…主電動機トルク変化率計算部
４９…インバータ消費電力計算部 ５０…インバータ入力電流検出値
５１…インバータ装置駆動信号 ５２…主電動機電流検出値
５３…主電動機回転数検出値 ５４…主電動機トルク指令値
５５…主電動機トルク指令調整値 ５６…主電動機トルク計算値
５７…主電動機トルク時間変化率 ５８…主電動機トルク絞り量
５９…エンジン動作点出力変動幅 ６０…入力部
６１〜６５…比較部 ６６〜７１…処理部
７２，７３…出力部 ７４…エンジン動作点回転数変動幅
７５…エンジン最大回転数 ７６…時刻０での実エンジン回転数
７７…時刻ｋでの実エンジン回転数 ７８…時刻０でのエンジン出力制限値
７９…時刻ｋでのエンジン出力制限値 ８０…時刻０での負荷制限指令
８１…時刻ｋでの負荷制限指令 ８２…時刻０での消費電力合計値
８３…時刻ｋでの消費電力合計値 ８４…時刻０での必要エンジン回転数
８５…ロードシグナル ８６…ロードシグナル１
８７…ロードシグナル２ ８８…ロードシグナル３
８９…エンジン応答時間特性 ９０…エンジン回転数変化率
９１…速度計算部 ９２…主電動機トルク立上げ制御部
９３…主電動機トルク制限部 ９４…車両速度
９５…主電動機トルク指令調整仮値 ９６…エンジン補機
９７…エンジン補機動力
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンと、エンジンにより駆動される発電機と、発電機の出力する交流電力を直流電力へ変換するコンバータと、直流電力を変換して交流電力を生成するインバータ装置と、生成された交流電力で駆動されて車両を推進させる主電動機とを備え、エンジン動作点に応じてエンジンとインバータとを制御する電気式ディーゼル動車駆動装置の制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
全世界的な環境負荷低減に向けての動きから、エンジン、特に石油や天然ガスに由来する燃料を燃焼させて使用するエンジンに対する低燃費要求、排出ガスに関する規制は厳しくなる方向である。これに対して、近年の技術革新に伴い、エンジンの燃焼最適化や排出ガス後処理技術の開発、電子制御の採用などによって、エンジン単体としての性能は大幅に向上してきている。
【０００３】
一方、エンジンの高性能化に伴い、エンジンが吹き上がる際の応答性能や、定常状態での動作点などに制約がある場合もでてきており、エンジン制御としても過渡状態、定常状態を問わず、今まで以上に極め細やかな動作点管理が必要となってきている。
【０００４】
電気式ディーゼル動車駆動装置にあっては、駆動力を与えるエンジン出力と、インバータ装置及び補助電源装置等のエンジンによって駆動される発電機が電力を供給する先の装置が担う全ての負荷とをバランスさせることが求められる。このような出力と負荷とのバランスを達成・維持するには、エンジンの回転数制御とインバータ装置及び補助電源装置の出力制御との間で緊密な協調制御を図り、エンジンの極め細やかな動作点管理を行う必要がある。
【０００５】
また、負荷の急激な増加による過負荷とエンジンストールを回避するために、素早い負荷制限や負荷遮断などの制御も必要となる。更に、電気式ディーゼル動車については、エンジンの応答性能が列車の加速性能や運転時分に影響することから、前記のエンジン動作点を守りつつ、エンジンの応答性能を十分に活用しながら、エンジン出力とインバータ装置の負荷及び補助電源装置の負荷との協調を図る必要がある。
【０００６】
電気式ディーゼル機関車を対象にして、エンジンの応答性を考慮し、エンジンストールを回避するために車両負荷がエンジン出力を超えないよう主電動機トルクを制御する発明の一例として、特許文献１に開示されたものがある。特許文献１に開示された内燃機関型電気機関車用制御装置は、ノッチ信号によって決まるエンジン目標回転数Ｎ１と現在の回転数Ｎ２を用いた回転数の関数によって主電動機トルク指令値を制限する構成となっている。即ち、主幹制御器から出力されるノッチ指令に従って、エンジン回転数指令発生器がディーゼルエンジンの回転数指令値をディーゼルエンジンに出力し、これら主幹制御器やエンジン回転数指令発生器の出力及びディーゼルエンジンの実回転数信号の入力を受けた強調制御部がエンジン回転数に合致したトルク指令値を出力し、このトルク指令値とトルク制限値との入力を受けたトルク指令制限器が上限が制限されたトルク指令値をインバータ制御装置に出力することにより、インバータ装置側が負荷を取りすぎないように制御し、それによって、エンジンの吹き上がりよりも負荷の増加が速くならないようにフィードフォワード的に制御している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−１１５９０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に開示の内燃機関型電気機関車用制御装置における制御方式では、エンジンが目標回転数に到達するまでの過渡状態において、インバータ負荷がエンジン出力を超えないように制御することはできるが、目標回転数に到達するまでの動作点については指定することが難しい。特に、ノッチを徐々に進段させるのではなく、最初から主幹制御器において最大ノッチに入れるなどの場合、エンジンの実際の動作点は、理想の動作点から大きく外れる懸念がある。また、特許文献１に開示されている構成では、ノッチ信号に応じてエンジン回転数が一対一に対応しており、ノッチ信号が同じ値を取る定常状態の場合でも、補助電源負荷に変動などが生じると、エンジンの動作点が変動し、理想的な動作点から外れて駆動される可能性がある。
【０００９】
そこで、電気式ディーゼル動車駆動装置にあっては、エンジンの動作状態が排出ガスや燃料消費量の低減等の観点から所望の動作点上での動作となるように、エンジンとインバータ装置とについて極め細やかな協調した動作点管理を行う点で解決すべき課題がある。
本発明の目的は、エンジンの定常状態及び過渡状態での動作点管理に重点を置き、例えば排出ガスや燃料消費量の低減などの観点から所望の動作点上でのエンジンの動作制御を可能にするディーゼル動車駆動装置の制御システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によるディーゼル動車駆動装置の制御システムは、エンジンと、前記エンジンにより駆動される発電機と、前記発電機の出力する交流電力を直流電力へ変換するコンバータと、車両を推進させる主電動機と、前記直流電力を変換して交流電力を生成して前記主電動機を駆動するインバータ装置とを備える列車制御システムであって、前記エンジンの制御目標となるエンジン動作点を予め設定し、前記エンジンの実動作点が前記設定されたエンジン動作点に追従するように前記インバータ装置を制御することを特徴としている。
【００１１】
前記課題を解決するため本発明の望ましい態様の一つは、所望のエンジン動作点を予め設定し、エンジン回転数が上昇する際には、前記エンジン動作点からエンジン出力時間変化量ｄＰ／ｄｔを計算し、インバータ装置において、前記エンジン出力時間変化量ｄＰ／ｄｔに基づいて主電動機トルク指令値を制御することで、応答性能を犠牲にすることなく、所望のエンジン動作点に沿って出力が立上ることを可能にすることを特徴とする列車制御システムである。また、定常状態においては、列車全体のインバータ装置負荷、補助電源装置負荷を監視することで、負荷変動などによって所望のエンジン動作点とずれが生じても、予め設定したエンジン動作点上で駆動されるよう、エンジン回転数指令を調整する機能を有することを特徴とする列車制御システムである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明により、ノッチ進段による過渡的なエンジン出力上昇時や、定常状態での負荷変動などによるエンジン出力変動などの際にも、エンジン応答性能を犠牲にせず、所望のエンジン動作点上でエンジンを制御することができ、エンジン排気悪化の防止や最適燃費点での運転が可能となる。また、所望のエンジン動作点の他にエンジン動作点上限値およびエンジン出力リミッタを設定することで、急激な負荷上昇が発生してエンジンの動作点が前記の動作点を超過した場合に、インバータ装置負荷もしくは補助電源装置負荷を速やかに制限もしくは遮断することでエンジンストールを回避することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明によるディーゼル動車駆動装置の制御システムにおける一実施形態の機器構成、制御構成を示す図である。
【図２】エンジン動作点管理部におけるエンジン動作点を示すブロック図である。
【図３】エンジン動作点調整部における動作点調整方法を示す図である。
【図４】エンジン動作点調整部でのエンジン回転数調整値の処理を示す図である。
【図５】エンジン動作点調整部での過負荷時の処理を示す図である。
【図６】エンジン応答特性管理部での処理を示す図である。
【図７】インバータ制御装置における一実施形態の制御構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照しつつ、本発明によるディーゼル動車駆動装置の制御システムの実施形態について説明をする。
【００１５】
図１は本発明における第一のシステム実施形態を示す図である。
車両１に搭載されたエンジン２の出力軸は発電機３の入力軸に接続され、発電機３によって発電された交流電力はコンバータ装置４によって一定電圧の直流電力に変換される。その直流電力は、一台又は複数台のインバータ装置（ここではインバータ装置５で代表する）、及び一台又は複数台の補助電源装置（ここでは補助電源装置７で代表する）に供給される。インバータ装置５は、一台又は複数台の主電動機６Ａ，…６Ｎを駆動し、車両を推進する電気式ディーゼル動車の主回路構成となっている。この主回路を駆動する制御装置は、エンジン制御部９、コンバータ制御装置１０、補助電源制御装置１１及びインバータ制御装置１２から構成されている。
【００１６】
図１は、単一の車両１に全ての装置が搭載された電気式ディーゼル機関車と同様の構成で記述しているが、各装置を複数の車両に分散搭載する構成も可能である。この場合、車両間を跨ぐ複数機器の信号伝送については、配線の引通しによる伝送も可能であるが、車両制御装置を媒介した構成も可能である。
【００１７】
次に各制御装置の動作について説明する。
エンジン制御部９では、まず、エンジン回転数指令生成部１８が，運転台８からのノッチ信号「Ｎ」２２を受けて、ノッチ信号「Ｎ」２２に対応したエンジン回転数指令値「ｎ＊」２３を生成する。次に、エンジン動作点調整部１９では、詳細については後述するが、当該エンジン回転数指令値「ｎ＊」２３、データベース機能としてエンジンの特性を記憶しているエンジン動作点管理部２０からの必要エンジン回転数「ｎｐ」２７、エンジン動作点「Ｐ（ｎ）」２８、消費電力計算部３８からの消費電力合計値「ΣＰ」２６の情報を用いて、エンジンが所望の動作点上で駆動されるように、エンジン回転数調整値「ｎ＊＊」２４をエンジン２へ出力する。エンジン２は、当該エンジン回転数調整値「ｎ＊＊」２４を目標値として定回転数制御を行う。逆に、エンジン２からは、実エンジン回転数「ｎ」２５がエンジン制御部９に入力される。
【００１８】
ノッチ信号「Ｎ」２２の上昇などによりエンジン回転数が上昇する場合に、エンジン動作点管理部２０では、実エンジン回転数「ｎ」２５でのエンジン出力回転数変化率「ｄＰ（ｎ）／ｄｎ」３１、即ち、記憶しているエンジンの特性からエンジン出力Ｐ（ｎ）の当該「ｎ」２５について微分して実エンジン回転数「ｎ」２５における変化率を計算してエンジン応答特性管理部２１へ出力する。エンジン応答特性管理部２１では、実エンジン回転数「ｎ」２５及びエンジン出力回転数変化率「ｄＰ（ｎ）／ｄｎ」３１の入力を受けて、当該実エンジン回転数「ｎ」２５でのエンジン時間応答特性を用いて、エンジン出力時間変化率「ｄＰ（ｎ）／ｄｔ」３２を計算し、当該エンジン出力時間変化率「ｄＰ（ｎ）／ｄｔ」３２をインバータ制御装置１２へ伝達する。
【００１９】
エンジン動作点調整部１９は、エンジン動作点管理部２０からの、エンジン動作点上限値「Ｐｏ（ｎ）」２９及びエンジン出力リミッタ値「Ｐｍ（ｎ）」３０と、消費電力計算部３８からの消費電力合計値「ΣＰ」２６の情報を用いて、エンジンの動作点が過負荷の上限を超えた場合に、インバータ制御装置１２に対して、所望の動作点に戻すのに適切な負荷制限指令「ΔＰ」３３を与える機能も有している。エンジン動作点調整部１９は、また、エンジンの動作点がエンジン出力リミッタ値「Ｐｍ（ｎ）」３０に達した場合に、編成内の一部又は全てのインバータ装置、若しくは補助電源装置の特定負荷に対して、負荷遮断指令「Ｋ」３４を伝達する機能も有している。
【００２０】
次にコンバータ制御装置の動作について説明する。
コンバータ制御装置１０は、運転台８からのノッチ信号「Ｎ」２２、エンジン２からの実エンジン回転数「ｎ」２５、発電機電流検出器１３からの発電機電流検出値「ＩＧ」３５及び直流電圧検出器１４からの直流電圧検出値「Ｅｃｆ」３７に基づいて、コンバータ装置４の直流出力電圧を負荷状態によらず一定に制御するように、コンバータ装置駆動信号「ＰＷＭｃ」３６によってコンバータ装置４を駆動する。
【００２１】
図１は自励式の交流発電機３とコンバータ装置４の構成として記載しているが、励磁回路を有する巻線型同期発電機とダイオード整流器の場合でも対応可能である。この場合、直流電圧検出器１４からの直流電圧検出値「Ｅｃｆ」３７に基づき、巻線型同期発電機の励磁電流を調整することで、コンバータ制御装置１０と同等の直流電圧一定制御が同様に実現可能である。
【００２２】
次に補助電源制御装置の動作について説明する。
補助電源制御装置１１は、補助電源装置７に対して補助電源装置駆動信号「ＰＷＭａ」４２を出力し、補助電源装置７は、当該補助電源装置駆動信号「ＰＷＭａ」４２を受けて、その出力が一定電圧、一定周波数の交流電圧となるように駆動される。また、補助電源入力電流検出器１７からの補助電源入力電流検出値「ＩＡＰＳ」４１と、直流電圧検出器１４からの直流電圧検出値「Ｅｃｆ」３７に基づいて、補助電源装置消費電力「ＰＡＰＳ」３９を演算し、消費電力計算部３８へ伝達する。また、エンジン２の動作点が出力リミッタ値「Ｐｍ（ｎ）」３０に達した場合に、エンジン制御部９から負荷遮断指令「Ｋ」３４が補助電源制御装置１１に伝達される。補助電源制御装置１１では、当該指令Ｋを受けて、遮断が可能な特定負荷があれば、当該の負荷に対して遮断指令を出力し、エンジンの負荷軽減を実現する。
【００２３】
次にインバータ制御装置１２の動作について説明する。
インバータ制御装置１２においては、主電動機トルク指令生成部４４は、運転台８からのノッチ信号「Ｎ」２２と、主電動機６Ａ，…６Ｎから得られる主電動機回転数検出値「ｆｒ」５３から計算される車両速度から、対応する主電動機トルク指令値「Ｔ＊」５４を生成する。主電動機トルク指令生成部４４から主電動機トルク指令値「Ｔ＊」５４を受ける主電動機トルク指令調整部４５は、詳細については後述するが、エンジン出力が上昇する際には、主電動機トルク変化率計算部４８からの主電動機トルク時間変化率「ｄＴ／ｄｔ」５７によって、主電動機トルク指令値「Ｔ＊」５４を制御することで、主電動機トルク指令調整値「Ｔ＊＊」５５を生成し、エンジン動作点が過負荷状態となった際には、主電動機トルク絞り量計算部４３からの主電動機トルク絞り量「ΔＴ」５８によって、主電動機トルク指令値「Ｔ＊」５４を制御することで、主電動機トルク指令調整値「Ｔ＊＊」５５を生成する。
【００２４】
インバータベクトル制御演算部４６は、前記した主電動機トルク指令調整値「Ｔ＊＊」５５に基づいてインバータ装置駆動信号「ＰＷＭｉ」５１を生成し、当該駆動信号「ＰＷＭｉ」５１によりインバータ装置５を駆動する。主電動機トルク計算部４７では、主電動機電流検出器１６から得られる主電動機電流検出値「ＩＭ」５２と、主電動機６Ａ，…６Ｎから得られる主電動機回転数検出値「ｆｒ」５３から主電動機トルク「Ｔ」５６を計算し、主電動機トルク変化率計算部４８ではエンジン制御部９から伝達されるエンジン出力時間変化率「ｄＰ（ｎ）／ｄｔ」３２と、主電動機トルク計算部４７からの主電動機トルク「Ｔ」５６から、主電動機トルク時間変化率「ｄＴ／ｄｔ」５７を生成する。
【００２５】
主電動機トルク絞り量計算部４３では、詳細については後述するが、エンジン動作点が過負荷状態となった際に、エンジン制御部９から伝達される負荷制限指令「ΔＰ」３３と、電動機６Ａ，…６Ｎから得られる主電動機回転数検出値「ｆｒ」５３から、主電動機トルク絞り量「ΔＴ」５８を生成する。
【００２６】
エンジン動作点が出力リミッタに達した場合には、エンジン制御部９から伝達される負荷遮断指令「Ｋ」３４を保護動作指令として伝送し、インバータベクトル制御演算部４６でインバータ装置駆動信号「ＰＷＭｉ」５１を即時遮断することで、エンジン２の速やかな負荷低減を実現し、エンジンストールを回避することが可能である。
【００２７】
インバータ制御装置１２の消費電力計算部４９では、インバータ入力電流検出器１５からのインバータ入力電流検出値「ＩＩＮＶ」５０と、直流電圧検出器１４からの直流電圧検出値「Ｅｃｆ」３７とに基づいて、インバータ装置消費電力「ＰＩＮＶ」４０を演算し、消費電力計算部３８へ伝達する。
【００２８】
消費電力計算部３８では、エンジンによって駆動される発電機が電力を供給する、編成内の全てのインバータ装置（インバータ装置５で代表する）、全ての補助電源装置（補助電源装置装置７で代表する）、及びエンジン補機９６のエンジン補機動力「ＰＡＵＸ」９７の消費電力を足し合わせ、消費電力合計値「ΣＰ」２６を演算し、エンジン制御部９へ伝達する。
【００２９】
以上のように、本発明であるディーゼル動車駆動装置の制御システムによれば、所望のエンジン動作点を設定し、エンジン制御装置９とインバータ制御装置１２との間で、エンジン出力時間変化率「ｄＰ（ｎ）／ｄｔ」３２、負荷低減指令「ΔＰ」３３、負荷遮断指令「Ｋ」３４、消費電力合計値「ΣＰ」２６を相互に伝達することで、所望のエンジンの動作点を予め設定し、その動作点にエンジンが追従するようにインバータ装置を制御することが可能となる。また、エンジンの動作点について上限値及び出力リミッタを設定し、エンジンの動作点を監視しているので、急激な負荷上昇が発生したことによってエンジンの動作点がその上限値及び出力リミッタを超過した場合には、インバータ装置の負荷を制限又は遮断し、補助電源装置の特定負荷を遮断することで、エンジンストールを回避し、所望の動作点へ速やかに復帰させることが可能な列車制御システムを実現できる。
【００３０】
図２は本発明によるディーゼル動車駆動装置の制御システムにおけるエンジン動作点管理部２０の一構成例を示す図である。
【００３１】
エンジン動作点管理部２０においては、エンジン２の出力範囲内で所望のエンジン動作点「Ｐ（ｎ）」２８がエンジン出力Ｐとエンジン回転数ｎとの関係で設定されている。一例として、車両駆動用エンジンの中には、エンジン出力がエンジン回転数の累乗の関係となるよう動作点を設定するよう指定されたものも存在する。また、エンジン動作点管理部２０には、エンジン応答が追いつかない急激な負荷上昇が発生した際に、エンジンストールを発生させないように、エンジン動作点上限値「Ｐｏ（ｎ）」２９と、エンジン出力リミッタ「Ｐｍ（ｎ）」３０とが同様に設定されている。エンジン出力リミッタ「Ｐｍ（ｎ）」３０は、エンジンストール寸前の動作点（特性線）を示しており、エンジン動作点上限値「Ｐｏ（ｎ）」２９はその手前の状態の動作点を示している。エンジン動作点「Ｐ（ｎ）」２８については、例えば燃費最小となる動作点とすれば燃料消費量の低減が可能であり、排気負荷が最小となる動作点とすれば環境性能を重視したエンジン制御が実現可能であり、設定に自由度を有することが特徴である。
【００３２】
エンジン動作点管理部２０では、実エンジン回転数「ｎ」２５を元に、対応するエンジン動作点出力「Ｐ（ｎ）」２８、エンジン動作点上限値「Ｐｏ（ｎ）」２９、エンジン出力リミッタ「Ｐｍ（ｎ）」３０を出力すると同時に、実エンジン回転数「ｎ」２５におけるエンジン動作点の出力変化率「ｄＰ（ｎ）／ｄｎ」３１を計算する機能を有している。エンジン動作点管理部２０は、また、消費電力合計値「ΣＰ」２６に基づいて、エンジン動作点「Ｐ（ｎ）」２８の逆関数から必要エンジン回転数ｎｐ（＝Ｐ−１（ΣＰ）を計算する機能も有している。ここで、エンジン出力回転数変化率「ｄＰ／ｄｎ」３１と実エンジン回転数「ｎ」２５の関係を別途設定することで、エンジン動作点の逐次微分計算を無くし、計算負荷低減を図ることも可能である。これらの動作点設定はテーブルで与える構成や、近似多項式で与える構成などが考えられるが、同等の入出力を提供するのであれば種類は問わない。
【００３３】
また、エンジン動作点をエンジン出力Ｐとエンジン回転数ｎとの関係で設定するとしたが、エンジン出力と車両構成から一定の関係で導き出されるエンジン、インバータ装置、主電動機に関する諸量で表記することも可能である。
【００３４】
すなわち、本発明によると、例えば燃費最小となる動作点や、排気負荷が最小となる動作点など、目的に応じてエンジン動作点を設定でき、所望の動作点上でエンジンを制御できるディーゼル動車駆動装置の制御システムが構築可能である。
【００３５】
図３は本ディーゼル動車駆動装置の制御システムにおけるエンジン動作点調整部１９での動作点調整の一例を示した図である。
【００３６】
エンジン動作点調整部１９は、エンジン動作点管理部２０に設定した、所望のエンジン動作点（目標エンジン動作点）「Ｐ（ｎ）」２８に対して、制御目標の領域がＰ（ｎ）±δｐとなるようエンジン動作点出力変動幅「δｐ」５９を設定する。
【００３７】
エンジン動作点調整部１９では、消費電力計算部３８からの消費電力合計値「ΣＰ」２６と、エンジン動作点管理部２０からのエンジン動作点「Ｐ（ｎ）」２８の動作点情報を比較し、エンジン動作点（消費電力合計値「ΣＰ」２６に対応）がＰ（ｎ）±δの範囲に収まっていない場合（消費電力合計値「ΣＰ」２６と、変動幅「δｐ」５９を考慮したエンジン動作点「Ｐ（ｎ）」２８との間に見合わない差異がある）には、エンジン回転数指令部１８からのエンジン回転数指令値「ｎ＊」２３を調整して、エンジン動作点が所望の動作点範囲内、即ち、Ｐ（ｎ）±δｐの範囲内となるようなエンジン回転数指令調整値「ｎ＊＊」２４を生成し、エンジン２へ伝達する。なお、エンジン動作点回転数変動幅δｎ７４は、エンジン動作点「Ｐ（ｎ）」２８に対して、エンジン回転数指令調整値「ｎ＊＊」２４と実エンジン回転数「ｎ」２５との比較において、両者の間の偏差が許容される予め設定した設定値である。
【００３８】
エンジン動作点調整部１９で考えられる動作モードは図３の（ａ）〜（ｄ）に対応した下記の４通りである。
（ａ）：所望のエンジン動作点の範囲内でエンジンが制御されている場合、現状のエンジン回転数指令調整値「ｎ＊＊」２４を維持する。
（ｂ）：所望のエンジン動作点「Ｐ（ｎ）」２８よりも消費電力合計値「ΣＰ」２６が小さいため、所望のエンジン動作点の範囲内（Ｐ（ｎ）±δｐ）となるようにエンジン回転数指令調整値「ｎ＊＊」２４を下げるよう制御する場合。
（ｃ）：所望のエンジン動作点「Ｐ（ｎ）」２８よりも消費電力合計値「ΣＰ」２６が大きいため、所望のエンジン動作点の範囲内（Ｐ（ｎ）±δｐ）となるようにエンジン回転数指令調整値「ｎ＊＊」２４を上げるよう制御する場合。
（ｄ）：所望のエンジン動作点「Ｐ（ｎ）」２８よりも消費電力合計値「ΣＰ」２６が大きく、かつ、エンジン最大出力を超えているので、所望のエンジン動作点の範囲内となるようインバータ装置１２に負荷制限指令「ΔＰ」３３を伝達し、所望のエンジン動作点の範囲内となるよう制御する場合。
【００３９】
すなわち、本ディーゼル動車駆動装置の制御システムによると、定常状態においてインバータ装置５や補助電源装置７に負荷変動が生じた場合や、エンジン回転数上昇中や上昇完了後に、所望のエンジン動作点と実際の動作点に差異が生じる場合でも、エンジン回転数指令調整値「ｎ＊＊」を調整することで、所望のエンジン動作点上での制御を可能とする制御システムが構築可能である。
【００４０】
図４は本ディーゼル動車駆動装置の制御システムにおけるエンジン動作点調整部１９での、エンジン動作点を調整する際のフローチャートの一構成例を示した図である。エンジン動作点調整部１９は、後述するように、入力部６０、比較部６１〜６５、処理部６６〜７１及び出力部７２，７３を備えている。
【００４１】
まず、入力部６０においては、実エンジン回転数をｎ、エンジン回転数指令をｎ＊、消費電力合計値をΣＰ、必要エンジン回転数をｎｐ（＝Ｐ-１（ΣＰ）；Ｐの逆関数で消費電力合計値がΣＰであるときのエンジン回転数ｎｐ）とする。また、図示していないが、エンジン動作点回転数変動幅をδｎとし、エンジン動作点出力変動幅をδｐとする。
比較部６１では、運転台８からのノッチ信号「Ｎ」２２に対応してエンジン回転数指令部生成部１８で生成されたエンジン回転数指令値「ｎ＊」２３が変化したかどうかを演算周期毎に判定する。
エンジン回転数指令値「ｎ＊」２３が変化した場合には、処理部６６にて、当該変化した指令値「ｎ＊」２３がエンジン回転数指令調整値「ｎ＊＊」２４とされ、当該エンジン回転数指令調整値「ｎ＊＊」２４が出力部７２からエンジン２に入力される。このように、ノッチ信号「Ｎ」２２が変化すると、それに対応したエンジン回転数指令「ｎ＊」２３が優先的にエンジン回転数指令調整値「ｎ＊＊」２４に反映される。比較部６１において、エンジン回転数指令「ｎ＊」２３に変化がない場合は、次の比較部６２へ移行する。
【００４２】
比較部６２では、エンジン回転数指令調整値「ｎ＊＊」２４と実エンジン回転数「ｎ」２５を比較して、両者の偏差が予め設定した設定値であるエンジン動作点回転数変動幅δｎ７４（図３参照）より大きいか否かが判定される。両者の偏差がエンジン動作点回転数変動幅δｎ７４よりも大きい（比較判断が「ＮＯ」）場合には、大きな指令調整値「ｎ＊＊」２４に実エンジン回転数「ｎ」２５が追いついていない、即ち、エンジンが吹き上がっていない状態と判断し、処理部６７にてエンジン回転数指令「ｎ＊」がエンジン回転数指令調整値「ｎ＊＊」とされて、出力部７２からエンジン２へ直接渡す。
一方、両者の偏差がエンジン動作点回転数変動幅「δｎ」７４よりも小さい場合には、エンジンの応答が完了した状態（エンジンが回転数指令調整値に従って吹き上がった）と判断して、次の比較部６３へ移行する。
【００４３】
比較部６３では、消費電力計算部３８からの消費電力合計値「ΣＰ」２６と、エンジン動作点管理部２０からのエンジン動作点「Ｐ（ｎ）」２８とを比較して、両者の偏差が予め設定したエンジン動作点出力変動幅「δｐ」５９（図３参照）よりも小さい場合には、エンジン動作点が所望の動作点変動範囲Ｐ（ｎ）±δｐに収まっていると判断できるので、処理部６８にて現在のエンジン回転数指令調整値（前回値）「ｎ＊＊」２４を維持し、出力部７２からエンジン２へ渡される。
一方、両者の偏差がエンジン動作点出力変動幅「δｐ」５９よりも大きい場合には、次の比較部６４へ移行する。
【００４４】
比較部６４では、消費電力計算部３８からの消費電力合計値「ΣＰ」２６と、エンジン動作点管理部２０からのエンジン動作点変動幅の下限値Ｐ（ｎ）−δｐとを比較して、消費電力合計値「ΣＰ」２６の方が小さい場合には、実際のエンジン動作点が所望のエンジン動作点出力変動幅を下回っていると判断して、処理部６９にて、消費電力合計値「ΣＰ」２６に見合った必要エンジン回転数ｎｐ＝Ｐ−１（ΣＰ）をエンジン回転数指令調整値「ｎ＊＊」２４として設定し、出力部７２からエンジン２へ渡される。これにより、実エンジン回転数「ｎ」２５は低下し、エンジン動作点領域内で駆動されることとなる。
一方、比較部６４において、消費電力合計値「ΣＰ」２６が、エンジン動作点出力変動幅の下限値Ｐ（ｎ）−δｐよりも大きい場合、即ち、比較部６３での判別結果と併せると、消費電力合計値「ΣＰ」２６が、エンジン動作点出力変動幅の上限値Ｐ（ｎ）−δｐよりも大きい場合には、所望のエンジン動作点出力範囲内でエンジンを駆動するためには、エンジン回転数の上昇が必要となる。
【００４５】
比較部６５では、実エンジン回転数「ｎ」２５がエンジン最大回転数「ｎｍａｘ」７５と等しいか判別する。
両者が等しくない場合は、エンジン回転数を上昇させることが可能であるので、処理部７０にて、エンジン動作点管理部からの必要エンジン回転数「ｎｐ＝Ｐ-１（ΣＰ）」２７を、エンジン回転数指令調整値「ｎ＊＊」として設定するが、ここで、必要エンジン回転数「ｎｐ」２７がエンジン最大回転数「ｎｍａｘ」７５を超過しないよう、両者の最小値をエンジン回転数指令調整値「ｎ＊＊」２４として設定し、出力部７２からエンジン２へ渡される。
【００４６】
一方、実エンジン回転数「ｎ」２５がエンジン最大回転数「ｎｍａｘ」７５と等しくなっても、更に消費電力合計値「ΣＰ」２６がエンジン最大回転数「ｎｍａｘ」７５でのエンジン動作点出力変動幅の上限値Ｐ（ｎ）＋δｐよりも大きい場合は、処理部７１にて偏差分Ｐ＝ΣＰ−Ｐ（ｎｍａｘ）を算出し、出力部７３にてインバータ装置への負荷制限指令「ΔＰ」３３として伝達してエンジン出力を減らすことで、エンジン動作点を所望のエンジン出力変動幅Ｐ（ｎ）±δｐ内に調整する。
ここでは所望のエンジン動作点上でのエンジン制御を重視して処理部７１を記載したがが、エンジン最大回転数「ｎｍａｘ」７５でのエンジン動作点Ｐ（ｎｍａｘ）±δｐとエンジン最大出力との間に出力の余裕がある場合は、所望のエンジン動作点は外れるが、エンジン最大出力まではインバータ装置の負荷を低減しないでエンジンを制御することも可能である。
【００４７】
図５は本ディーゼル動車駆動装置の制御システムにおけるエンジンに過負荷が発生した際のエンジンとインバータ装置の一制御例を示した図である。
【００４８】
図５の左側（ａ）に示すように、時刻０での実エンジン回転数７６をｎ０、時刻０でのエンジン出力制限値７８をＰｏ（ｎ０）、インバータ制御装置１２への時刻０での負荷制限量８０をＰ０、時刻０での消費電力合計値８２をΣＰ０、時刻０での必要エンジン回転数８４をｎｐ０とする。また、時刻ｋでの実エンジン回転数７７をｎｋ、時刻ｋでのエンジン出力制限値７９をＰｏ（ｎｋ）、インバータ制御装置１２への時刻ｋでの負荷制限量８１をＰｋ、時刻ｋでの消費電力合計値８３をΣＰｋとする。
【００４９】
ここで、時刻０にて補助電源装置７の急激な負荷増加などによってエンジン出力が急増して、時刻０での消費電力合計値「ΣＰ０」８２が、時刻０でのエンジン出力制限値「Ｐｏ（ｎ０）」７８を超過した場合、エンジン動作点管理部２０からの時刻０での必要エンジン回転数「ｎｐ０（＝Ｐ-１（ΣＰ０））」８４をエンジン回転数指令調整値「ｎ＊＊」２４として与え、所望の動作点上にて時刻０での消費電力合計値「ΣＰ０」８２を出力することが可能な動作点まで回転数上昇指令を出す。このままではエンジン回転数上昇完了までの間、所望のエンジン動作点から外れて制御されることとなるので、時刻０において、所望のエンジン動作点まで戻すのに必要な負荷制限指令を、
ΔＰ０＝ΣＰ０−Ｐｏ（ｎ０）・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１）
によって演算し、インバータ装置１２にて時刻０での負荷制限指令「ΔＰ０」８０を基に主電動機トルク指令値「Ｔ＊」５４を制限する。これによってエンジンは速やかに過負荷領域から所望の動作点上へと回復するが、その後は、エンジン回転数の上昇に伴い、エンジンが出力できる動作点上の出力が増加するので、時刻ｋにおいては、下記（２）式に従って、インバータ装置１２への時刻ｋでの負荷制限指令「ΔＰｋ」８１を徐々に小さくしていく。
ΔＰｋ＝ΔＰｋ−１−｛Ｐ（ｎｋ）−ΣＰｋ−１｝・・・・・・・・・・・・（２）
【００５０】
これによってエンジン出力に過負荷が生じた場合、インバータ装置５の負荷制限を行うことで、速やかにエンジン動作点上まで負荷制限を行い、所望のエンジン動作点へと復帰させた後は、所望のエンジン動作点に沿ってインバータ制御装置１２の負荷制限を徐々に解除していく。時刻ｋでの負荷制限量「Ｐｋ」８１が０になった時点で、一連のリミッタ動作は完了し、エンジン回転数指令調整値「ｎ＊＊」２４を現在の実エンジン回転数「ｎ」２５の値に置き換え、エンジン回転数を保持する。
【００５１】
上記のエンジン過負荷抑制に代えて、簡易なエンジン過負荷抑制制御として、式（１）を基にインバータ制御装置１２に時刻０での負荷制限指令「Ｐ０」８０を伝送して負荷制限をした後、インバータ制御装置１２において、エンジン応答時間を考慮して負荷制限量を一定の割合で小さくしていく制御方法などがある。この方法によると、エンジン回転数の上昇中は所望のエンジン動作点からは、ややずれることになるが、式（２）のような逐次計算が不要になるなど計算を簡略化できるメリットがある。
【００５２】
補助電源装置７やインバータ装置５での負荷増加が大きく、エンジン動作点管理部２０に予め設定したエンジン出力制限値「Ｐｏ（ｎ）」２９を超過し、更にエンジン出力リミット「Ｐｍ（ｎ）」３０に達した場合には、過負荷によるエンジンストールの懸念がある。これを避けるため、エンジン動作点調整部１９は、エンジン２により駆動される発電機３が電力を供給する、編成内の全て又は一部のインバータ装置５、若しくは補助電源装置７の特定負荷に対して負荷遮断指令「Ｋ」３４を伝達し、これを受けたインバータ制御装置１２又は補助電源制御装置１１は即座に負荷遮断の保護動作を行う。
これによりエンジンストールを回避し、所定のリセット操作をすることで運転継続を可能にする。
【００５３】
一方、図５の右側（ｂ）に示すように、エンジン本体が所望の動作点を有し、負荷状態を認識する機能を有し、外部に状態信号（ロードシグナル「Ｓ」８５）を供給することができるエンジンである場合、ロードシグナル「Ｓ」８５を用いて、同等の負荷抑制機能、負荷遮断機能を実現することができる。所望のエンジン動作点「Ｐ（ｎ）」２８に対応するロードシグナル１「Ｓ１」８６、エンジン動作点上限値「Ｐｏ（ｎ）」２９に対応するロードシグナル２「Ｓ２」８７、エンジン出力リミッタ値「Ｐｍ（ｎ）」３０に対応するロードシグナル３「Ｓ３」８８とすると、エンジン動作点調整部１９にてロードシグナル１「Ｓ１」８６、ロードシグナル２「Ｓ２」８７、ロードシグナル３「Ｓ３」８８の閾値を設定し、通常はエンジンから伝達されるロードシグナル「Ｓ」がロードシグナル１「Ｓ１」８６となるようエンジン回転数調整値「ｎ＊＊」２４を制御する。エンジンから伝達されるロードシグナル「Ｓ」がロードシグナル２「Ｓ２」８７を超過した場合には、ロードシグナル１「Ｓ１」８６から超過分のロードシグナル量から負荷制限指令「ΔＰ」３３を生成し、また、エンジンから伝達されるロードシグナル「Ｓ」がロードシグナル３「Ｓ３」８８を超過した場合には、負荷遮断指令「Ｋ」３４を生成し、インバータ装置１２へ伝達することで、前記のエンジン動作点管理部２０を用いた制御と同等の機能を実現できる。
【００５４】
即ち、本ディーゼル動車駆動装置の制御システムによると、急激な負荷上昇が発生して、エンジンの動作点がエンジンの動作点上限値を超過した場合に、インバータ装置の負荷制限を行うことで、所望の動作点へ速やかに復帰させることが可能で、また、エンジンの動作点が出力リミッタを超過した場合に、全て又は一部のインバータ装置、若しくは補助電源装置の特定負荷を遮断することで、エンジンストールを回避することが可能な制御システムを実現できる。
【００５５】
図６は本ディーゼル動車駆動装置の制御システムにおけるエンジン応答特性管理部２１の一構成例を示す図である。
【００５６】
エンジン応答特性管理部２１には、エンジン固有の特性として、エンジン動作点管理部２０に設定した所望のエンジン動作点「Ｐ（ｎ）」２８でエンジンを制御した際の、エンジン回転数と応答時間特性８９を設定し、実エンジン回転数「ｎ」２５に対応するエンジン回転数変化率「ｄｎ／ｄｔ」９０を計算する機能を有している。また、予めエンジンの応答時間特性８９を微分して、エンジン回転数変化率「ｄｎ／ｄｔ」９０とエンジン回転数の特性として設定しても良いし、全回転数領域にわたってエンジン回転数変化率「ｄｎ／ｄｔ」９０が一定とみなせる場合は定数として与えることで簡略化も可能である。エンジン応答特性管理部２１では、エンジン応答時間特性８９から演算した、実エンジン回転数「ｎ」２５でのエンジン回転数変化率「ｄｎ／ｄｔ」９０と、前記エンジン動作点管理部２０からのエンジン出力回転数変化率「ｄＰ（ｎ）／ｄｎ」３１から、
｛ｄＰ（ｎ）／ｄｎ｝×｛ｄｎ／ｄｔ｝＝ｄＰ（ｎ）／ｄｔ・・・・・・・・（３）
により、エンジン出力時間変化率「ｄＰ（ｎ）／ｄｔ」３２を計算し、インバータ制御装置１２へ伝達する。
【００５７】
本ディーゼル動車駆動装置の制御システムによると、所望のエンジン動作点に沿ってエンジン出力を上昇させ、更に前記エンジン動作点上でエンジンを制御した際の、エンジン応答特性から計算したエンジン出力時間変化率「ｄＰ（ｎ）／ｄｔ」３２を用いて、インバータ装置５の負荷上昇を制御するため、エンジンを所望の動作点上で制御し、かつ、エンジンの応答特性を犠牲にせず、エンジンとインバータ装置の協調制御を実現する制御システムを構築可能である。
【００５８】
図７は本ディーゼル動車駆動装置の制御システムにおけるインバータ制御装置１２の内部構成図の一構成例を示す図である。
【００５９】
まず、主電動機トルク変化率計算部４８の構成方法について以下に示す。
エンジン出力Ｐは、Ｋを比例定数として以下のように記述できる。
Ｐ＝Ｐｔ＋Ｐａ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（４）
Ｐｔ＝Ｋ×Ｍ×Ｆ×Ｖ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（５）
ここで、Ｐ：エンジン出力、Ｐｔ：駆動装置負荷、Ｐａ：補助電源装置負荷、Ｆ：引張力、Ｖ：車両速度、Ｍ：主電動機数である。
補助電源装置負荷Ｐａを一定として（４）、（５）の両辺を時間ｔで微分すると、
ｄＰ／ｄｔ＝ｄＰｔ／ｄｔ
＝Ｋ×Ｍ×ｄ／ｄｔ（Ｆ×Ｖ）
＝Ｋ×Ｍ×（Ｖ×ｄＦ／ｄｔ＋Ｆ×ｄＶ／ｄｔ）
＝Ｋ’×Ｍ×（Ｖ×ｄＴ／ｄｔ＋Ｔ×ｄＶ／ｄｔ）・・・・・・（６）
よって、
ｄＴ／ｄｔ＝｛１／（Ｋ’×Ｍ×Ｖ）｝×ｄＰ／ｄｔ−（Ｔ／Ｖ）×ｄＶ／ｄｔ
・・・・・（７）
となる。ここでＫ’：比例定数、Ｔ：主電動機トルクである。
【００６０】
（６）式において、特に車両が駅などから出発する際は、車速が０付近であるから第２項が支配的になり、ある速度でノッチを入れた場合の再力行の場合は、第１項が支配的になることを示している。
（７）式より、エンジン出力時間変化率「ｄＰ／ｄｔ」３２と、主電動機トルク計算部４７にて主電動機電流検出値「ＩＭ」５２から計算される主電動機トルク「Ｔ」５６と、速度計算部９１にて主電動機回転数検出値「ｆｒ」５３から計算される車両速度「Ｖ」９４と、前記車両速度の変化率（加速度）ｄＶ／ｄｔから、主電動機トルク時間変化率「ｄＴ／ｄｔ」５７が計算される。
【００６１】
次に、主電動機トルク絞り量計算部４３の構成方法について以下に示す。
主電動機トルク絞り量「Ｔ」５８は以下のように記述できる。
Ｐ＝Ｃ×Ｔ×Ｖ×Ｍ
であるから、
Ｔ＝Ｃ’×Ｐ／Ｖ／Ｍ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（８）
ここで、Ｃ、Ｃ’：比例定数、Ｍ：主電動機数、Ｖ：車両速度である。
負荷制限指令「Ｐ」３３、車両速度「Ｖ」９４から、（８）式に基づき主電動機トルク絞り量「Ｔ」５８が計算される。
【００６２】
図７において、主電動機トルク指令調整部４５は、主電動機トルク立上げ制御部９２と主電動機トルク制限部９３とから構成される。前者の主電動機トルク立上げ制御部９２は、主電動機トルク指令生成部４４にて生成される主電動機トルク指令「Ｔ＊」５４を、前記主電動機トルク変化率計算部４８で計算された主電動機トルク時間変化率「ｄＴ／ｄｔ」５７を用いて制御し、主電動機トルク指令調整仮値「Ｔ＊＊＊」９５を一旦生成する。その後、後者の主電動機トルク制限部９３が、主電動機トルク絞り量計算部４３にて計算された主電動機トルク絞り量「Ｔ」５８によって、主電動機トルク指令調整仮値「Ｔ＊＊＊」９５を制御し、主電動機トルク指令調整値「Ｔ＊＊」５５を生成する。エンジンが過負荷状態ではない場合は、主電動機トルク制限部９３でのトルク絞りは行われず、主電動機トルク指令調整仮値「Ｔ＊＊＊」９５が、そのまま主電動機トルク指令調整値「Ｔ＊＊」５５として出力される。インバータベクトル制御演算部４６では、主電動機トルク指令調整値「Ｔ＊＊」５５、主電動機電流検出値「ＩＭ」５２及び車両速度「Ｖ」９４を基に、インバータ装置駆動信号「ＰＷＭｉ」５１を生成し、インバータ装置５を駆動する。
【００６３】
一方、エンジンの動作点が予め設定したエンジン出力リミッタ「Ｐｍ（ｎ）」３０を超過した場合、エンジン制御部９から負荷遮断指令「Ｋ」３４が伝達される。インバータベクトル制御演算部４６では、負荷遮断指令「Ｋ」３４が伝達されると、インバータ装置駆動信号「ＰＷＭｉ」５１を即座に停止し、負荷遮断を行うことで、過負荷によるエンジンストールを防止する保護システムを構築する。
【００６４】
なお、本図では主電動機トルクを制御量としてブロック図を記載したが、主電動機電流が制御量の場合も同様の考え方で制御システムが構築可能である。
【００６５】
本発明であるディーゼル動車駆動装置の制御システムによれば、エンジンの制御目標となるエンジンの動作点を予め設定し、その動作点にエンジンが追従するようにインバータ装置を制御し、急激な負荷上昇が発生して、エンジンの動作点が前記エンジンの動作点上限値を超過した場合に、インバータ装置の負荷制限を行うことで、所望の動作点へ速やかに復帰させることが可能で、また、エンジンの動作点が前記出力リミッタを超過した場合に、全てもしくは一部のインバータ装置、もしくは補助電源装置の特定負荷を遮断することで、エンジンストールを回避することが可能な列車制御システムを実現できる。
【符号の説明】
【００６６】
１…車両 ２…エンジン
３…交流発電機 ４…コンバータ装置
５…インバータ装置 ６Ａ、６Ｎ…主電動機
７…補助電源装置 ８…運転台
９…エンジン制御部 １０…コンバータ制御装置
１１…補助電源制御装置 １２…インバータ制御装置
１３…発電機電流検出器 １４…直流電圧検出器
１５…インバータ入力電流検出器 １６…主電動機電流検出器
１７…補助電源入力電流検出器 １８…エンジン回転数指令生成部
１９…エンジン動作点調整部 ２０…エンジン動作点管理部
２１…エンジン応答特性管理部 ２２…ノッチ信号
２３…エンジン回転数指令 ２４…エンジン回転数指令調整値
２５…実エンジン回転数 ２６…消費電力合計値
２７…必要エンジン回転数 ２８…エンジン動作点
２９…エンジン動作点上限値 ３０…エンジン出力リミッタ値
３１…エンジン出力回転数変化率 ３２…エンジン出力時間変化率
３３…負荷制限指令 ３４…負荷遮断指令
３５…発電機電流 ３６…コンバータ装置駆動信号
３７…直流電圧検出値 ３８…消費電力計算部
３９…補助電源装置消費電力 ４０…インバータ装置消費電力
４１…補助電源入力電流検出値 ４２…補助電源装置駆動信号
４３…主電動機トルク絞り量計算部 ４４…主電動機トルク指令生成部
４５…主電動機トルク指令調整部 ４６…インバータベクトル制御演算部
４７…主電動機トルク計算部 ４８…主電動機トルク変化率計算部
４９…インバータ消費電力計算部 ５０…インバータ入力電流検出値
５１…インバータ装置駆動信号 ５２…主電動機電流検出値
５３…主電動機回転数検出値 ５４…主電動機トルク指令値
５５…主電動機トルク指令調整値 ５６…主電動機トルク計算値
５７…主電動機トルク時間変化率 ５８…主電動機トルク絞り量
５９…エンジン動作点出力変動幅 ６０…入力部
６１〜６５…比較部 ６６〜７１…処理部
７２，７３…出力部 ７４…エンジン動作点回転数変動幅
７５…エンジン最大回転数 ７６…時刻０での実エンジン回転数
７７…時刻ｋでの実エンジン回転数 ７８…時刻０でのエンジン出力制限値
７９…時刻ｋでのエンジン出力制限値 ８０…時刻０での負荷制限指令
８１…時刻ｋでの負荷制限指令 ８２…時刻０での消費電力合計値
８３…時刻ｋでの消費電力合計値 ８４…時刻０での必要エンジン回転数
８５…ロードシグナル ８６…ロードシグナル１
８７…ロードシグナル２ ８８…ロードシグナル３
８９…エンジン応答時間特性 ９０…エンジン回転数変化率
９１…速度計算部 ９２…主電動機トルク立上げ制御部
９３…主電動機トルク制限部 ９４…車両速度
９５…主電動機トルク指令調整仮値 ９６…エンジン補機
９７…エンジン補機動力
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンと、前記エンジンにより駆動される発電機と、前記発電機の出力する交流電力を直流電力へ変換するコンバータと、車両を推進させる主電動機と、前記直流電力を変換して生成した交流電力によって前記主電動機を駆動するインバータ装置と、を備えるディーゼル動車駆動装置において、
前記エンジンの制御目標となる目標エンジン動作点を予め設定し、実際のエンジン動作点である実エンジン動作点が前記目標エンジン動作点に追従するように前記インバータ装置を制御すること
を特徴とするディーゼル動車駆動装置の制御システム。
【請求項２】
請求項１に記載のディーゼル動車駆動装置の制御システムにおいて、
前記目標エンジン動作点として設定された前記制御目標となるエンジン回転数指令値に基づいてエンジン回転数制御のための制御信号を出力するエンジン制御部と、前記主電動機のトルクを制御するため前記インバータ装置を制御するインバータ駆動信号を前記インバータ装置に出力するインバータ制御装置と、を備えており、
前記エンジン制御部は前記実エンジン動作点における動作点情報を前記インバータ制御装置に出力し、前記インバータ制御装置は、前記動作点情報に基づいて、前記実エンジン動作点が前記目標エンジン動作点に追従するように、前記インバータ装置を制御することを特徴とするディーゼル動車駆動装置の制御システム。
【請求項３】
請求項２に記載のディーゼル動車駆動装置の制御システムにおいて、
前記エンジン制御部は、前記目標エンジン動作点を前記エンジン出力Ｐと前記エンジン回転数ｎの関係で設定するエンジン動作点管理部と、前記エンジンの応答特性を前記エンジン回転数ｎと応答時間ｔの関係で設定するとともに、前記エンジン回転数が変化する際に、前記エンジン動作点と前記エンジンの前記応答特性とに基づいて実際の前記エンジン回転数に対応したエンジン出力時間変化率ｄＰ／ｄｔを計算し且つ前記インバータ制御装置に出力するエンジン応答特性管理部とを備えており、
前記インバータ制御装置は、前記エンジン出力時間変化率ｄＰ／ｄｔを用いて前記主電動機のトルクを制御すること
を特徴とするディーゼル動車駆動装置の制御システム。
【請求項４】
請求項３に記載のディーゼル動車駆動装置の制御システムにおいて、
前記エンジン動作点管理部は、前記目標エンジン動作点を前記エンジン出力Ｐと前記エンジン回転数ｎの関係からエンジン出力回転数変化率ｄＰ／ｄｎとして設定し、
前記エンジン応答特性管理部は、前記エンジンの回転数変化率ｄｎ／ｄｔを一定として設定し、実際の前記エンジン回転数に対応した前記エンジン出力時間変化率ｄＰ／ｄｔを計算し且つ前記インバータ制御装置に伝達すること
を特徴とするディーゼル動車駆動装置の制御システム。
【請求項５】
請求項３又は４に記載のディーゼル動車駆動装置の制御システムにおいて、
前記インバータ制御装置は、前記エンジン制御部から出力される前記エンジン出力時間変化量ｄＰ／ｄｔに基づいて、前記主電動機におけるトルクについて主電動機トルク時間変化率ｄＴ／ｄｔを計算する主電動機トルク変化率計算部を備えており、
前記インバータ制御装置は、前記主電動機トルク時間変化率ｄＴ／ｄｔに基づいて、前記インバータ装置の主電動機トルク指令値を制御することにより、前記エンジン動作点が前記目標エンジン動作点に追従するように前記インバータ装置を制御すること
を特徴とするディーゼル動車駆動装置の制御システム。
【請求項６】
請求項２に記載のディーゼル動車駆動装置の制御システムにおいて、
前記制御システムには、前記エンジンにより駆動される前記発電機が電力を供給する全ての機器の消費電力を計算する消費電力計算部が備わっており、
前記エンジン制御部は、前記目標エンジン動作点を設定するエンジン動作点管理部と、前記実エンジン動作点を監視するとともに、前記消費電力計算部からの消費電力合計値ΣＰと前記エンジン動作点管理部からの前記動作点情報Ｐ（ｎ）とに基づいて、前記実エンジン動作点が前記目標動作点上となるように、前記エンジン回転数指令値を調整するエンジン動作点調整部とを備えていること
を特徴とするディーゼル動車駆動装置の制御システム。
【請求項７】
請求項６に記載のディーゼル動車駆動装置の制御システムにおいて、
前記エンジン制御装置は、運転台に設けられた主幹制御器から出力されるノッチ信号に応じて前記エンジン回転数指令値を生成するエンジン回転数指令生成部を備えていることを特徴とするディーゼル動車駆動装置の制御システム。
【請求項８】
請求項６又は７に記載のディーゼル動車駆動装置の制御システムにおいて、
前記エンジン動作点管理部は、前記消費電力計算部からの前記消費電力合計値ΣＰと、前記エンジンの前記動作点情報Ｐ（ｎ）との間に差異があることに応じて、前記エンジン動作点上で前記消費電力合計値ΣＰに見合った必要エンジン回転数ｎｐを生成し、
前記エンジン動作点調整部は、前記必要エンジン回転数ｎｐを、前記エンジンに出力される前記エンジン回転数指令値とするエンジン回転数指令調整を行うことで、前記実エンジン動作点が前記目標エンジン動作点上となるように制御すること
を特徴とするディーゼル動車駆動装置の制御システム。
【請求項９】
請求項２に記載のディーゼル動車駆動装置の制御システムにおいて、
前記エンジン制御部は、前記エンジンが出力可能なエンジン動作点の上限値をエンジン動作点上限値として設定するエンジン動作点管理部と、前記実エンジン動作点を監視し、且つ急激な負荷上昇などに起因して前記実エンジン動作点が前記エンジン動作点上限値を超過することに応答して、前記発電機が電力を供給する全てもしくは一部の前記インバータ装置に負荷制限指令及びその制限量を伝達するエンジン動作点調整部とを備えており、
前記インバータ制御装置は、前記エンジン動作点調整部からの前記負荷制限指令及びその制限量の入力を受けて、速やかに前記主電動機のトルクを制御するための主電動機トルク指令値を必要量だけ調整して前記インバータ装置に出力することにより、前記実エンジン動作点を前記目標エンジン動作点上へと復帰させること
を特徴とするディーゼル動車駆動装置の制御システム。
【請求項１０】
請求項９に記載のディーゼル動車駆動装置の制御システムにおいて、
前記エンジンが負荷状態を認識し外部に状態信号を供給可能である場合に、
前記エンジン動作点調整部は、前記状態信号の前記エンジン動作点上限値に相当する閾値を設定し、急激な負荷上昇が生じて前記状態信号が前記閾値に達することに応答して、前記インバータ制御装置における前記主電動機トルク指令の調整と前記エンジン動作点の前記目標エンジン動作点上への復帰とのため、前記エンジンにより駆動される前記発電機が電力を供給する全てもしくは一部の前記インバータ装置に前記負荷制限指令とその制限量を伝達すること
を特徴とするディーゼル動車駆動装置の制御システム。
【請求項１１】
請求項２に記載のディーゼル動車駆動装置の制御システムにおいて、
前記直流電力を変換して補機電力を供給する補助電源装置を備えており、
前記エンジン制御部は、前記エンジンのストール回避のための前記エンジン動作点のリミッタをエンジン出力リミッタとして設定するエンジン動作点管理部と、前記実エンジン動作点を監視し、且つ急激な負荷上昇などに起因して前記実エンジン動作点が前記エンジン出力リミッタに達することに応答して、前記発電機が電力を供給する全てもしくは一部の前記インバータ装置又は前記補助電源装置の特定負荷に対して、負荷遮断指令を伝達するエンジン動作点調整部とを備えており、
前記インバータ制御装置は、前記エンジン動作点調整部からの前記負荷遮断指令の入力を受けて、前記インバータ装置又は前記補助電源装置の前記特定負荷を速やかに負荷遮断すること
を特徴とするディーゼル動車駆動装置の制御システム。
【請求項１２】
請求項１１に記載のディーゼル動車駆動装置の制御システムにおいて、
前記エンジンが負荷状態を認識し外部に状態信号を供給可能である場合に、
前記エンジン動作点調整部は、前記状態信号の前記エンジン出力リミッタに相当する閾値を設定し、急激な負荷上昇が生じて前記状態信号が前記閾値に達することに応答して、前記インバータ制御装置における前記インバータ装置又は前記補助電源装置の特定負荷の速やかな負荷遮断のため、前記エンジンにより駆動される前記発電機が電力を供給する全てもしくは一部の前記インバータ装置又は前記補助電源装置の特定負荷に対して負荷遮断指令を伝達すること
を特徴とするディーゼル動車駆動装置の制御システム。
【請求項１】
エンジンと、前記エンジンにより駆動される発電機と、前記発電機の出力する交流電力を直流電力へ変換するコンバータと、車両を推進させる主電動機と、前記直流電力を変換して生成した交流電力によって前記主電動機を駆動するインバータ装置と、を備えるディーゼル動車駆動装置において、
前記エンジンの制御目標となる目標エンジン動作点を予め設定し、実際のエンジン動作点である実エンジン動作点が前記目標エンジン動作点に追従するように前記インバータ装置を制御すること
を特徴とするディーゼル動車駆動装置の制御システム。
【請求項２】
請求項１に記載のディーゼル動車駆動装置の制御システムにおいて、
前記目標エンジン動作点として設定された前記制御目標となるエンジン回転数指令値に基づいてエンジン回転数制御のための制御信号を出力するエンジン制御部と、前記主電動機のトルクを制御するため前記インバータ装置を制御するインバータ駆動信号を前記インバータ装置に出力するインバータ制御装置と、を備えており、
前記エンジン制御部は前記実エンジン動作点における動作点情報を前記インバータ制御装置に出力し、前記インバータ制御装置は、前記動作点情報に基づいて、前記実エンジン動作点が前記目標エンジン動作点に追従するように、前記インバータ装置を制御することを特徴とするディーゼル動車駆動装置の制御システム。
【請求項３】
請求項２に記載のディーゼル動車駆動装置の制御システムにおいて、
前記エンジン制御部は、前記目標エンジン動作点を前記エンジン出力Ｐと前記エンジン回転数ｎの関係で設定するエンジン動作点管理部と、前記エンジンの応答特性を前記エンジン回転数ｎと応答時間ｔの関係で設定するとともに、前記エンジン回転数が変化する際に、前記エンジン動作点と前記エンジンの前記応答特性とに基づいて実際の前記エンジン回転数に対応したエンジン出力時間変化率ｄＰ／ｄｔを計算し且つ前記インバータ制御装置に出力するエンジン応答特性管理部とを備えており、
前記インバータ制御装置は、前記エンジン出力時間変化率ｄＰ／ｄｔを用いて前記主電動機のトルクを制御すること
を特徴とするディーゼル動車駆動装置の制御システム。
【請求項４】
請求項３に記載のディーゼル動車駆動装置の制御システムにおいて、
前記エンジン動作点管理部は、前記目標エンジン動作点を前記エンジン出力Ｐと前記エンジン回転数ｎの関係からエンジン出力回転数変化率ｄＰ／ｄｎとして設定し、
前記エンジン応答特性管理部は、前記エンジンの回転数変化率ｄｎ／ｄｔを一定として設定し、実際の前記エンジン回転数に対応した前記エンジン出力時間変化率ｄＰ／ｄｔを計算し且つ前記インバータ制御装置に伝達すること
を特徴とするディーゼル動車駆動装置の制御システム。
【請求項５】
請求項３又は４に記載のディーゼル動車駆動装置の制御システムにおいて、
前記インバータ制御装置は、前記エンジン制御部から出力される前記エンジン出力時間変化量ｄＰ／ｄｔに基づいて、前記主電動機におけるトルクについて主電動機トルク時間変化率ｄＴ／ｄｔを計算する主電動機トルク変化率計算部を備えており、
前記インバータ制御装置は、前記主電動機トルク時間変化率ｄＴ／ｄｔに基づいて、前記インバータ装置の主電動機トルク指令値を制御することにより、前記エンジン動作点が前記目標エンジン動作点に追従するように前記インバータ装置を制御すること
を特徴とするディーゼル動車駆動装置の制御システム。
【請求項６】
請求項２に記載のディーゼル動車駆動装置の制御システムにおいて、
前記制御システムには、前記エンジンにより駆動される前記発電機が電力を供給する全ての機器の消費電力を計算する消費電力計算部が備わっており、
前記エンジン制御部は、前記目標エンジン動作点を設定するエンジン動作点管理部と、前記実エンジン動作点を監視するとともに、前記消費電力計算部からの消費電力合計値ΣＰと前記エンジン動作点管理部からの前記動作点情報Ｐ（ｎ）とに基づいて、前記実エンジン動作点が前記目標動作点上となるように、前記エンジン回転数指令値を調整するエンジン動作点調整部とを備えていること
を特徴とするディーゼル動車駆動装置の制御システム。
【請求項７】
請求項６に記載のディーゼル動車駆動装置の制御システムにおいて、
前記エンジン制御装置は、運転台に設けられた主幹制御器から出力されるノッチ信号に応じて前記エンジン回転数指令値を生成するエンジン回転数指令生成部を備えていることを特徴とするディーゼル動車駆動装置の制御システム。
【請求項８】
請求項６又は７に記載のディーゼル動車駆動装置の制御システムにおいて、
前記エンジン動作点管理部は、前記消費電力計算部からの前記消費電力合計値ΣＰと、前記エンジンの前記動作点情報Ｐ（ｎ）との間に差異があることに応じて、前記エンジン動作点上で前記消費電力合計値ΣＰに見合った必要エンジン回転数ｎｐを生成し、
前記エンジン動作点調整部は、前記必要エンジン回転数ｎｐを、前記エンジンに出力される前記エンジン回転数指令値とするエンジン回転数指令調整を行うことで、前記実エンジン動作点が前記目標エンジン動作点上となるように制御すること
を特徴とするディーゼル動車駆動装置の制御システム。
【請求項９】
請求項２に記載のディーゼル動車駆動装置の制御システムにおいて、
前記エンジン制御部は、前記エンジンが出力可能なエンジン動作点の上限値をエンジン動作点上限値として設定するエンジン動作点管理部と、前記実エンジン動作点を監視し、且つ急激な負荷上昇などに起因して前記実エンジン動作点が前記エンジン動作点上限値を超過することに応答して、前記発電機が電力を供給する全てもしくは一部の前記インバータ装置に負荷制限指令及びその制限量を伝達するエンジン動作点調整部とを備えており、
前記インバータ制御装置は、前記エンジン動作点調整部からの前記負荷制限指令及びその制限量の入力を受けて、速やかに前記主電動機のトルクを制御するための主電動機トルク指令値を必要量だけ調整して前記インバータ装置に出力することにより、前記実エンジン動作点を前記目標エンジン動作点上へと復帰させること
を特徴とするディーゼル動車駆動装置の制御システム。
【請求項１０】
請求項９に記載のディーゼル動車駆動装置の制御システムにおいて、
前記エンジンが負荷状態を認識し外部に状態信号を供給可能である場合に、
前記エンジン動作点調整部は、前記状態信号の前記エンジン動作点上限値に相当する閾値を設定し、急激な負荷上昇が生じて前記状態信号が前記閾値に達することに応答して、前記インバータ制御装置における前記主電動機トルク指令の調整と前記エンジン動作点の前記目標エンジン動作点上への復帰とのため、前記エンジンにより駆動される前記発電機が電力を供給する全てもしくは一部の前記インバータ装置に前記負荷制限指令とその制限量を伝達すること
を特徴とするディーゼル動車駆動装置の制御システム。
【請求項１１】
請求項２に記載のディーゼル動車駆動装置の制御システムにおいて、
前記直流電力を変換して補機電力を供給する補助電源装置を備えており、
前記エンジン制御部は、前記エンジンのストール回避のための前記エンジン動作点のリミッタをエンジン出力リミッタとして設定するエンジン動作点管理部と、前記実エンジン動作点を監視し、且つ急激な負荷上昇などに起因して前記実エンジン動作点が前記エンジン出力リミッタに達することに応答して、前記発電機が電力を供給する全てもしくは一部の前記インバータ装置又は前記補助電源装置の特定負荷に対して、負荷遮断指令を伝達するエンジン動作点調整部とを備えており、
前記インバータ制御装置は、前記エンジン動作点調整部からの前記負荷遮断指令の入力を受けて、前記インバータ装置又は前記補助電源装置の前記特定負荷を速やかに負荷遮断すること
を特徴とするディーゼル動車駆動装置の制御システム。
【請求項１２】
請求項１１に記載のディーゼル動車駆動装置の制御システムにおいて、
前記エンジンが負荷状態を認識し外部に状態信号を供給可能である場合に、
前記エンジン動作点調整部は、前記状態信号の前記エンジン出力リミッタに相当する閾値を設定し、急激な負荷上昇が生じて前記状態信号が前記閾値に達することに応答して、前記インバータ制御装置における前記インバータ装置又は前記補助電源装置の特定負荷の速やかな負荷遮断のため、前記エンジンにより駆動される前記発電機が電力を供給する全てもしくは一部の前記インバータ装置又は前記補助電源装置の特定負荷に対して負荷遮断指令を伝達すること
を特徴とするディーゼル動車駆動装置の制御システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−１９１７１５（Ｐ２０１２−１９１７１５Ａ）
【公開日】平成２４年１０月４日（２０１２．１０．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５１７７６（Ｐ２０１１−５１７７６）
【出願日】平成２３年３月９日（２０１１．３．９）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月４日（２０１２．１０．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月９日（２０１１．３．９）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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