特許 6972343 鉄道車両用制御装置および離線判定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6972343

(24)【登録日】2021年11月5日

(45)【発行日】2021年11月24日

(54)【発明の名称】鉄道車両用制御装置および離線判定方法

(51)【国際特許分類】

   B60L 3/00 20190101AFI20211111BHJP

   B60L 9/18 20060101ALI20211111BHJP

【ＦＩ】

   B60L3/00 C

   B60L9/18 A

【請求項の数】9

【全頁数】21

(21)【出願番号】特願2020-528612(P2020-528612)

(86)(22)【出願日】2018年7月4日

(86)【国際出願番号】JP2018025408

(87)【国際公開番号】WO2020008575

(87)【国際公開日】20200109

【審査請求日】2020年7月10日

(73)【特許権者】

【識別番号】000006013

【氏名又は名称】三菱電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100095407

【弁理士】

【氏名又は名称】木村 満

(74)【代理人】

【識別番号】100131152

【弁理士】

【氏名又は名称】八島 耕司

(74)【代理人】

【識別番号】100147924

【弁理士】

【氏名又は名称】美恵 英樹

(74)【代理人】

【識別番号】100148149

【弁理士】

【氏名又は名称】渡邉 幸男

(74)【代理人】

【識別番号】100181618

【弁理士】

【氏名又は名称】宮脇 良平

(74)【代理人】

【識別番号】100174388

【弁理士】

【氏名又は名称】龍竹 史朗

(72)【発明者】

【氏名】大坪 道夫

【審査官】 橋本 敏行

(56)【参考文献】

【文献】 特開平１０−２８５７０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２２８４５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−１５８１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１７／０１３１３３７（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ６０Ｌ ３／００

Ｂ６０Ｌ ９／１８

Ｂ６０Ｌ １／００−３／１２

７／００−１３／００

１５／００−５８／４０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

集電装置から電力変換部の一次側に供給される電力を前記電力変換部で変換して、前記電力変換部の二次側に接続される電動機に供給する電力変換システムにおいて、前記集電装置が電力供給線から離れた状態であるか否かを判定する鉄道車両用制御装置であって、
前記電力変換部の前記一次側の電圧を取得し、前記一次側の電圧の変化率を算出する変化率算出部と、
前記電力変換部の出力電力と正の相関を有し、前記出力電力の時間変化に伴って、時間変化する物理量を用い、絶対値が前記物理量と正の相関を有し、前記物理量の時間変化に伴って、時間変化する第１閾値を算出する第１閾値算出部と、
前記変化率と前記第１閾値とを比較して、前記集電装置が前記電力供給線から離れた状態であるか否かを判定する離線判定部と、
を備える鉄道車両用制御装置。

【請求項2】

前記一次側と前記二次側との双方向の電力変換を行う前記電力変換部の前記一次側に接続される降圧回路を制御する回路制御部をさらに備え、
前記回路制御部は、鉄道車両の力行指令またはブレーキ指令を含む運転指令を取得し、前記運転指令が前記ブレーキ指令を含み、前記一次側の電圧が開始電圧以上である場合に前記降圧回路を動作させ、
前記離線判定部で前記集電装置が前記電力供給線から離れた状態であると判定された場合、前記回路制御部は、前記一次側の電圧が前記開始電圧未満であっても、前記降圧回路を動作させる、
請求項１に記載の鉄道車両用制御装置。

【請求項3】

前記降圧回路は、直列に接続されたスイッチング素子および抵抗を有し、
前記スイッチング素子は、前記電力変換部から前記抵抗への電路の開閉を切り替え、
前記回路制御部は、前記一次側の電圧が前記開始電圧以上である場合に、前記一次側の電圧と正の相関を有する通流率で前記降圧回路が有する前記スイッチング素子を制御し、
前記離線判定部で前記集電装置が前記電力供給線から離れた状態であると判定された場合、前記回路制御部は、前記一次側の電圧が前記開始電圧未満であっても、前記一次側の電圧と正の相関を有する通流率で前記降圧回路が有する前記スイッチング素子を制御する、
請求項２に記載の鉄道車両用制御装置。

【請求項4】

前記一次側の電圧の増大に伴って、前記降圧回路が有する前記スイッチング素子の通流率は、最小通流率から最大通流率まで増大し、
前記一次側の電圧が同じであれば、前記離線判定部で前記集電装置が前記電力供給線から離れた状態でないと判定された場合の、前記最小通流率より大きく、かつ、前記最大通流率より小さい、前記一次側の電圧に応じた通流率は、前記離線判定部で前記集電装置が前記電力供給線から離れた状態であると判定された場合の、前記最小通流率より大きく、かつ、前記最大通流率より小さい、前記一次側の電圧に応じた通流率より小さい、
請求項３に記載の鉄道車両用制御装置。

【請求項5】

前記第１閾値の絶対値に対して下限値が設けられる、
請求項１から４のいずれか１項に記載の鉄道車両用制御装置。

【請求項6】

集電装置から電力変換部の一次側に供給される電力を前記電力変換部で交流電力に変換して、前記電力変換部の二次側に接続される電動機に供給する電力変換システムにおいて、前記集電装置が電力供給線から離れた状態であるか否かを判定する鉄道車両用制御装置であって、
前記電力変換部の出力電力と正の相関を有し、前記出力電力の時間変化に伴って、時間変化する物理量を用い、絶対値が前記物理量と正の相関を有し、前記物理量の時間変化に伴って時間変化する第２閾値を算出する第２閾値算出部と、
前記集電装置から前記電力変換部に流れる電流と前記第２閾値とを比較して、前記集電装置が前記電力供給線から離れた状態であるか否かを判定する離線判定部と、
を備える鉄道車両用制御装置。

【請求項7】

鉄道車両の力行指令またはブレーキ指令を含む運転指令を取得し、前記運転指令に応じて、前記電力変換部が有するスイッチング素子の動作を制御して前記電動機のトルクを調節するトルク制御部をさらに備え、
前記トルク制御部は、前記運転指令が前記力行指令を含み、前記離線判定部で前記集電装置が前記電力供給線から離れた状態であると判定された場合に、目標トルクを減少させる、
請求項１から６のいずれか１項に記載の鉄道車両用制御装置。

【請求項8】

前記運転指令を取得し、前記運転指令が前記力行指令を含み、前記離線判定部で前記集電装置が前記電力供給線から離れた状態であると判定された場合に、前記トルク制御部が前記目標トルクを減少させた後に、前記集電装置と前記電力変換部の間に設けられた接触器を開放する接触器制御部をさらに備える、
請求項７に記載の鉄道車両用制御装置。

【請求項9】

鉄道車両用制御装置が行う離線判定方法であって、
電力供給線を介して電源から電力を取得する集電装置から一次側に電力の供給を受ける電力変換部の前記一次側の電圧または前記集電装置から前記電力変換部に流れる電流と、前記電力変換部の二次側に接続され、前記電力変換部の出力電力と絶対値が正の相関を有し、前記出力電力の時間変化に伴って、時間変化する閾値とを比較して、前記集電装置が前記電力供給線から離れた状態であるか否かを判定する、
離線判定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、鉄道車両用制御装置および離線判定方法に関する。

【背景技術】

【0002】

電気鉄道車両に搭載されるパンタグラフ、集電靴等の集電装置は、架線、第三軌条等の電力供給線に接触することで、電力を取得する。電気鉄道車両に搭載される電力変換システムは、集電装置が取得した電力を、交流電力に変換し、交流電動機に供給する。交流電力の供給を受けることで、交流電動機が駆動されると、電気鉄道車両の推進力が得られる。電力変換システムの一例が、特許文献１に開示されている。特許文献１に開示される電力変換システムは、電力変換装置および制御装置を備える。この電力変換装置は、インバータおよびインバータを制御する制御装置を有する。インバータは、一次端子に接続される集電装置から供給された電力を交流電力に変換して、二次端子に接続される電動機に供給する。

【0003】

集電装置が電力供給線から離れてしまうと、集電装置は電力を取得することができず、インバータに電力が供給されなくなる。その結果、インバータの一次端子の電圧は低下する。その後、集電装置が電力供給線に再度接触すると、インバータの一次端子の電圧が急激に増大し、インバータに突入電流が生じることがある。そこで、特許文献１に開示される電力変換システムは、インバータの一次端子の電圧の低下率が第１の閾値未満かつ第２の閾値以上である場合は、集電装置が電力供給線から離れた状態であると判定する。電力変換システムは、集電装置が電力供給線から離れた状態であると判定すると、インバータの出力電流を絞り込むことで、インバータの一次端子の電圧の低下を防止する。インバータの一次端子の電圧の低下が防止されるため、集電装置が電力供給線に再度接触する際のインバータの一次端子の電圧の急激な増大が抑制され、突入電流も抑制される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１５−１５８１９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１に開示される電力変換システムが用いる第１の閾値および第２の閾値は固定値である。しかしながら、インバータの一次端子の電圧の低下率は一定ではなく、電動機の実消費電力の変化に応じて、低下率は変化する。そのため、特許文献１に開示される鉄道車両の制御システムの場合、集電装置が電力供給線から離れた状態であることを確実に検知するためには、低下率の変化を考慮して、第１の閾値と第２の閾値の差を広げる必要がある。第１の閾値と第２の閾値の差を広げると、集電装置が電力供給線から離れていないにも関わらず、集電装置が電力供給線から離れていると誤って判定してしまうことがある。換言すれば、集電装置が電力供給線から離れているか否かの判定の精度が十分でないことがある。

【0006】

本発明は上述の事情に鑑みてなされたものであり、鉄道車両用制御装置および離線判定方法において、集電装置が電力供給線から離れた状態であるか否かを判定する精度を高めることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記目的を達成するために、本発明の鉄道車両用制御装置は、集電装置から電力変換部の一次側に供給される電力を電力変換部で変換して、電力変換部の二次側に接続される電動機に供給する電力変換システムにおいて、集電装置が電力供給線から離れた状態であるか否かを判定する。鉄道車両用制御装置は、変化率算出部、第１閾値算出部、および、離線判定部を備える。変化率算出部は、電力変換部の一次側の電圧を取得し、一次側の電圧の変化率を算出する。第１閾値算出部は、電力変換部の出力電力と正の相関を有し、出力電力の時間変化に伴って、時間変化する物理量を用い、絶対値が上記物理量と正の相関を有し、物理量の時間変化に伴って、時間変化する第１閾値を算出する。離線判定部は、変化率と第１閾値とを比較して、集電装置が電力供給線から離れた状態であるか否かを判定する。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、電力変換部の出力電力と正の相関を有し、出力電力の時間変化に伴って、時間変化する物理量を用い、絶対値が物理量と正の相関を有し、物理量の時間変化に伴って時間変化する第１閾値を算出し、電力変換部の一次側の電圧の変化率と第１閾値とを比較することで、集電装置が電力供給線から離れた状態であるか否かが判定される。そのため鉄道車両用制御装置および離線判定方法において、集電装置が電力供給線から離れた状態であるか否かを判定する精度を高めることが可能である。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の実施の形態１に係る電力変換システムの構成を示すブロック図

【図2】実施の形態１に係る鉄道車両用制御装置の構成を示すブロック図

【図3】実施の形態１における一次側の電圧の例を示す図

【図4】実施の形態１における第１閾値の例を示す図

【図5】実施の形態１に係る鉄道車両用制御装置が行う離線判定処理の動作の一例を示すフローチャート

【図6】本発明の実施の形態２に係る電力変換システムの構成を示すブロック図

【図7】実施の形態２に係る鉄道車両用制御装置の構成を示すブロック図

【図8】実施の形態２におけるチョッパ回路の通流率の例を示す図

【図9】実施の形態２に係る鉄道車両用制御装置が行う離線判定処理の動作の一例を示すフローチャート

【図10】本発明の実施の形態３に係る電力変換システムの構成を示すブロック図

【図11】実施の形態３に係る鉄道車両用制御装置の構成を示すブロック図

【図12】実施の形態３における集電装置から電力変換部に流れる電流の例を示す図

【図13】実施の形態３における第２閾値の例を示す図

【図14】実施の形態３に係る鉄道車両用制御装置が行う離線判定処理の動作の一例を示すフローチャート

【図15】実施の形態に係る鉄道車両用制御装置のハードウェアの構成を示す図

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明の実施の形態に係る鉄道車両用制御装置および離線判定方法について図面を参照して詳細に説明する。なお図中、同一または同等の部分には同一の符号を付す。

【0011】

（実施の形態１）
図１に示す本発明の実施の形態１に係る鉄道車両用電力変換システム（以下、電力変換システムという）１は、電気鉄道車両に搭載される。電力変換システム１には、電気鉄道車両の運転台から運転指令が入力される。運転指令は、電気鉄道車両の加速を指示する力行指令、または、電気鉄道車両の減速を指示するブレーキ指令を含む。詳細には、力行指令は電気鉄道車両の目標加速度を示し、ブレーキ指令は電気鉄道車両の目標減速度を示す。運転指令が力行指令を含む場合、すなわち、力行時に、電力変換システム１は、電力供給線の一例である架線２を介して、直流電源の一例である図示しない変電所から直流電力を取得する。そして、電力変換システム１は、該直流電力を所望の交流電力に変換して、電動機８に供給することで、電動機８を駆動する。電動機８が駆動されると、電気鉄道車両の推進力が得られる。

【0012】

電力変換システム１は、集電装置の一例であって、架線２を介して変電所から直流電力を取得するパンタグラフ３、および、一次側から供給される電力を変換して二次側から、電動機８に供給する電力変換部１２を備える。電力変換部１２は、一次側から供給される直流電力を交流電力に変換し、二次側に接続される電動機８に供給する。また電力変換システム１は、電力変換部１２を制御し、パンタグラフ３と電力変換部１２との間の電気的接続を切り替える接触器４，５を制御する鉄道車両用制御装置（以下、制御装置という）２０を備える。制御装置２０は、上述の制御に加えて、パンタグラフ３が架線２から離れた状態であるか否かを判定する。

【0013】

電気鉄道車両が運行を開始する際には、パンタグラフ３が上昇して、架線２に接触する。その後、制御装置２０は、接触器４を開放している状態で、接触器５を投入する。接触器５にはブレーキ抵抗６が直列に接続されており、パンタグラフ３から接触器５およびブレーキ抵抗６を介して電力変換部１２に電力が供給されるため、電力変換部１２に突入電流が流れることが抑制される。制御装置２０は、接触器４よりパンタグラフ３に近い位置に設けられる電圧検出部１３が検出した、接触器４のパンタグラフ３の側の電圧ＥＳと、電圧検出部１４が検出した、電力変換部１２の一次側に接続されたフィルタコンデンサ１１の電圧ＥＦＣとが一致するか否かを判別し、一致するとみなせる場合、接触器４を投入し、接触器５を開放する。その後、力行時に、制御装置２０は、電力変換部１２が、パンタグラフ３から接触器４および平滑用のリアクトル７を介して供給される直流電力を所望の交流電力に変換するように、電力変換部１２のスイッチング素子を制御する。詳細には、制御装置２０は、力行指令が示す目標加速度を得るための目標トルクを算出し、また、電動機８に流れる電流から電動機８の実トルクを算出する。そして、制御装置２０は、実トルクを目標トルクに近づけるために、電力変換部１２のスイッチング素子の動作を制御する。なお電動機８として三相誘導電動機が用いられ、制御装置２０は、電動機８に流れるＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電流を検出する電流検出部１０から電動機８に流れる相電流を取得する。

【0014】

さらに制御装置２０は、力行時に、電力変換部１２の一次側の電圧、すなわち、電圧検出部１４が検出したフィルタコンデンサ１１の電圧に基づき、パンタグラフ３が架線２から離れた状態であるか否かを判定する。詳細には、制御装置２０は、フィルタコンデンサ１１の電圧の変化率の絶対値、および、絶対値が電動機８の実トルクと正の相関を有する第１閾値とを比較して、パンタグラフ３が架線２から離れた状態であるか否かを判定する。なお制御装置２０は、例えば、速度センサ９から取得した電動機８の回転速度、電動機８の実トルク、電動機８の効率から電力変換部１２の出力電力を算出し、電力変換部１２の出力電力から第１閾値を算出する。速度センサ９は、電動機８の軸に取り付けられているＰＧ（Pulse Generator：パルスジェネレータ）を有し、ＰＧから出力されるパルス信号に基づいて、電動機８の回転速度を算出する。フィルタコンデンサ１１の電圧の変化率の絶対値が第１閾値未満である場合、制御装置２０は、パンタグラフ３が架線２から離れた状態でない、すなわち、パンタグラフ３が架線２に接触している状態であると判定する。この場合、制御装置２０は、上述のように、実トルクを目標トルクに近づけるために、電力変換部１２が有するスイッチング素子の動作を制御する。

【0015】

制御装置２０は、力行時に、フィルタコンデンサ１１の電圧の変化率の絶対値が第１閾値以上である場合、パンタグラフ３が架線２から離れた状態であると判定する。この場合、制御装置２０は、接触器４を開放して、電力変換部１２をパンタグラフ３から電気的に切り離す。電力変換部１２がパンタグラフ３から電気的に切り離されているため、パンタグラフ３が架線２から離れた後に、架線２に再接触しても、パンタグラフ３が取得した電力は電力変換部１２には供給されない。その後、パンタグラフ３が架線２に再接触した場合の制御装置２０による接触器４，５の制御は、上述した電気鉄道車両が運行を開始する際の制御と同様である。再接触の場合も、電気鉄道車両が運行を開始する際と同様に、接触器４を開放した状態で、接触器５を投入する。その結果、パンタグラフ３から接触器５およびブレーキ抵抗６を介して電力変換部１２に電力が供給されるため、電力変換部１２に突入電流が流れることが抑制される。

【0016】

図２に示すように、制御装置２０は、フィルタコンデンサ１１の電圧ＥＦＣの変化率を算出する変化率算出部２１、パンタグラフ３が架線２から離れた状態であるか否かの判定に用いられる第１閾値を算出する第１閾値算出部２２、および、変化率と第１閾値に基づき、パンタグラフ３が架線２から離れた状態であるか否かを判定する離線判定部２３を備える。制御装置２０はさらに、電動機８の目標トルクを算出する目標算出部２４、目標トルクと実トルクに基づき、電力変換部１２が有するスイッチング素子の動作を制御するトルク制御部２５、および、接触器４，５の投入または開放を行う接触器制御部２６を備える。

【0017】

制御装置２０の各部の概略について説明する。鉄道車両が運行を開始し、運転指令が力行指令を含む場合、目標算出部２４は、力行指令が示す目標加速度を得るために必要な電動機８の目標トルクを算出し、トルク制御部２５に送る。トルク制御部２５は、電流検出部１０で検出した相電流から電動機８の実トルクを算出する。そして、トルク制御部２５は、実トルクを目標トルクに近づけるために、電力変換部１２のスイッチング素子の動作を制御する。また、変化率算出部２１は、電圧検出部１４からフィルタコンデンサ１１の電圧ＥＦＣを取得し、単位時間ΔＴにおけるフィルタコンデンサ１１の電圧ＥＦＣの変化量ΔＥＦＣを単位時間ΔＴで除算して、フィルタコンデンサ１１の電圧ＥＦＣの変化率ΔＥＦＣ／ΔＴを算出する。第１閾値算出部２２は、電力変換部１２の出力電力と正の相関を有し、出力電力の時間変化に伴って、時間変化する物理量を用い、絶対値が物理量と正の相関を有し、物理量の時間変化に伴って、時間変化する第１閾値を算出する。詳細には、第１閾値算出部２２は、物理量として、トルク制御部２５が算出した電動機８の実トルクを用い、実トルクから電力変換部１２の出力電力を算出し、絶対値が出力電力と正の相関を有し、出力電力の時間変化に伴って、時間変化する第１閾値を算出する。

【0018】

離線判定部２３は、変化率ΔＥＦＣ／ΔＴおよび第１閾値に基づいて、パンタグラフ３が架線２から離れた状態であるか否かを判定する。離線判定部２３が、パンタグラフ３が架線２から離れた状態でないと判定している場合、トルク制御部２５は、上述のように、実トルクを目標トルクに近づけるために、電力変換部１２のスイッチング素子の動作を制御する。一方、離線判定部２３が、パンタグラフ３が架線２から離れた状態であると判定した場合、トルク制御部２５は、目標算出部２４から取得した目標トルクを段階的に減少させて、実トルクを減少させた目標トルクに近づけるために、電力変換部１２のスイッチング素子の動作を制御する。そして、トルク制御部２５は、上述のように目標トルクを段階的に減少させて、最終的に、電力変換部１２のスイッチング素子をオフにする。離線判定部２３が、パンタグラフ３が架線２から離れた状態であると判定すると、接触器制御部２６は、接触器４を開放する。また接触器制御部２６は、電気鉄道車両の運行を開始する際、パンタグラフ３が架線２に接触した場合に、接触器４を開放している状態で、接触器５を投入する。その後、接触器制御部２６は、電圧ＥＳが電圧ＥＦＣと一致するとみなせる場合に、接触器５を投入してから接触器４を開放する。

【0019】

制御装置２０の各部の詳細について以下に説明する。変化率算出部２１は、単位時間ΔＴにおけるフィルタコンデンサ１１の電圧ＥＦＣの変化量ΔＥＦＣを単位時間ΔＴで除算して、変化率ΔＥＦＣ／ΔＴを算出する。単位時間ΔＴは、パンタグラフ３が架線２から離れた状態であるか否かの判定にかけることができる時間に応じて決められ、例えば数１０ｍｓｅｃとする。上述の演算を行うため、変化率算出部２１は、時素リレー、差分検出回路、および、除算器を有する。差分検出回路は、電圧検出部１４が検出した電圧ＥＦＣと、時素リレーで単位時間ΔＴだけ遅延された電圧ＥＦＣの差分を出力する。除算器は、差分検出回路の出力を単位時間ΔＴで除算した値を出力する。除算器の出力が、変化率ΔＥＦＣ／ΔＴとなる。上述したように、フィルタコンデンサ１１の電圧ＥＦＣの変化率は、電力変換部１２の出力電力によって変化する。ここでフィルタコンデンサ１１の電圧ＥＦＣの変化について、図３を用いて説明する。時刻ｔ１でパンタグラフ３が架線２から離れた場合を例にして説明する。なお時刻ｔ２は、時刻ｔ１からΔＴが経過した時刻である。図３において、横軸は時間を示し、縦軸はフィルタコンデンサ１１の電圧ＥＦＣを示す。また図３において、出力電力がＷ１の場合を太い実線で示し、出力電力がＷ２の場合を細い実線で示す。なおＷ１はＷ２より大きいものとする。

【0020】

時刻ｔ１までのフィルタコンデンサ１１の電圧ＥＦＣの値をＥ０とする。時刻ｔ１においてパンタグラフ３が架線２から離れると、フィルタコンデンサ１１の電圧ＥＦＣはＥ０から減少し始める。出力電力がＷ１の場合、フィルタコンデンサ１１の電圧ＥＦＣは、時刻ｔ２においてＥ１に到達する。時刻ｔ２において、変化率ΔＥＦＣ／ΔＴは、（Ｅ１−Ｅ０）／ΔＴで表される。また出力電力がＷ２の場合、フィルタコンデンサ１１の電圧ＥＦＣは、時刻ｔ２においてＥ２に到達する。なお出力電力が大きくなるにつれて、単位時間ΔＴにおけるフィルタコンデンサ１１の電圧の変化量ΔＥＦＣも大きくなるため、Ｅ２＞Ｅ１となる。時刻ｔ２において、変化率ΔＥＦＣ／ΔＴは、（Ｅ２−Ｅ０）／ΔＴで表される。上述したように、Ｅ２＞Ｅ１であるから、｜（Ｅ１−Ｅ０）／ΔＴ｜＞｜（Ｅ２−Ｅ０）／ΔＴ｜となる。すなわち、出力電力が大きくなると、フィルタコンデンサ１１の電圧ＥＦＣの変化率ΔＥＦＣ／ΔＴの絶対値が大きくなる。フィルタコンデンサ１１の電圧の変化率の絶対値｜ΔＥＦＣ／ΔＴ｜を、固定値である閾値と比較してパンタグラフ３が架線２から離れた状態であるか否かを判定すると、出力電力Ｗ１の場合はパンタグラフ３が架線２から離れた状態であると判定するが、出力電力Ｗ２の場合はパンタグラフ３が架線２から離れた状態でないと判定することが起こり得る。

【0021】

そこで、制御装置２０は、絶対値が電動機８の実トルクと正の相関を有する第１閾値を用いて、パンタグラフ３が架線２から離れた状態であるか否かを判定する。第１閾値算出部２２は、絶対値が電動機８の実トルクと正の相関を有する第１閾値を算出する。図２に示すように、第１閾値算出部２２は、トルク制御部２５から、トルク制御部２５が算出した電動機８の実トルクを取得する。第１閾値算出部２２は、下記（１）式に示すように、電動機８の実トルクに基づき、電力変換部１２の出力電力Ｗを算出する。下記（１）式において、Ｎは、電動機８の回転速度を示し、Ｔｒｑは、電動機８の実トルクを示し、η_ＴＭは、電動機８の効率を示す。
Ｗ＝２π・Ｔｒｑ・Ｎ／η_ＴＭ ・・・（１）

【0022】

そして、第１閾値算出部２２は、出力電力Ｗに基づき、第１閾値を算出する。第１閾値の一例として、出力電力Ｗに比例する第１閾値を図４に示す。図４において、横軸は電力変換部１２の出力電力Ｗを示し、縦軸は第１閾値を示す。図４において、出力電力ＷがＷ１の場合の第１閾値Ｔｈ１をＴｈ１＿１とし、出力電力ＷがＷ２である場合の第１閾値Ｔｈ１をＴｈ１＿２とする。なおＴｈ１＿１は、Ｔｈ１＿２より大きいものとする。第１閾値算出部２２は、算出した第１閾値Ｔｈ１を離線判定部２３に送る。詳細には、第１閾値算出部２２は、下記（２）式で表されるように、出力電力Ｗに比例する第１閾値Ｔｈ１を算出する。下記（２）式において、Ｗは上記（１）式に基づいて算出した電動機８の出力電力を示し、時素リレーで遅らされた値とするす。またＥ_Ｄは、時素リレーで遅らされた電圧ＥＦＣを示す。η_ＩＮＶは、インバータ効率を示す。Ｃ１はフィルタコンデンサ１１の静電容量を示す。該時素リレーで遅らされる時間は、上述のフィルタコンデンサ１１の電圧ＥＦＣの変化率の算出に用いられる単位時間ΔＴ以上の長さとする。下記（２）式において、Ｋは１以下の正の係数を示し、第１閾値Ｔｈ１の大きさの調節のために設定される。なおパンタグラフ３が架線２から離れてフィルタコンデンサ１１の電圧ＥＦＣが減少し始めても、時素リレーにより、パンタグラフ３が架線２から離れた状態であるか否かを判定している間、パンタグラフ３が架線２から離れる前の値に維持される。
Ｔｈ１＝Ｋ・（１／Ｃ）・（Ｗ／（Ｅ_Ｄ・η_ＩＮＶ）） ・・・（２）

【0023】

離線判定部２３は、フィルタコンデンサ１１の電圧の変化率ΔＥＦＣ／ΔＴの絶対値｜ΔＥＦＣ／ΔＴ｜が第１閾値Ｔｈ１以上である場合に、パンタグラフ３が架線２から離れた状態であると判定する。離線判定部２３は、パンタグラフ３が架線２から離れた状態であると判定した場合にＨ（High）レベルであり、パンタグラフ３が架線２から離れた状態でないと判定した場合にＬ（Low）レベルである離線判定信号Ｓ２をトルク制御部２５および接触器制御部２６に送る。第１閾値Ｔｈ１が電力変換部１２の出力電力に比例するため、出力電力の変化によって、フィルタコンデンサ１１の電圧ＥＦＣの変化率ΔＥＦＣ／ΔＴが変化しても、パンタグラフ３が架線２から離れた状態であるか否かを精度良く判定することが可能である。

【0024】

トルク制御部２５は、上述の電流検出部１０から取得した電動機８に流れる相電流に応じて電動機８の実トルクを算出する。離線判定信号Ｓ２がＬレベルである間は、トルク制御部２５は、電動機８の実トルクを目標トルクに近づけるために、電力変換部１２が有するスイッチング素子の動作を制御する。詳細には、トルク制御部２５は、電力変換部１２が有するスイッチング素子に対し、スイッチング制御信号Ｓ１を出力する。離線判定信号Ｓ２がＨレベルになると、トルク制御部２５は、運転指令によらず、目標算出部２４から取得した目標トルクを段階的に減少させて、実トルクを減少させた目標トルクに近づけるために、電力変換部１２が有するスイッチング素子の動作を制御する。そして、トルク制御部２５は、上述のように目標トルクを段階的に減少させて、最終的に、電力変換部１２が有するスイッチング素子をオフにする。詳細には、トルク制御部２５は、段階的に減少する目標トルクに応じたスイッチング制御信号Ｓ１を、電力変換部１２が有するスイッチング素子に出力する。トルク制御部２５は、電力変換部１２のスイッチング素子をオフにすると、電力変換部１２のスイッチング素子がオフになった旨を接触器制御部２６に通知する。

【0025】

上述したように、電気鉄道車両の運行中は、接触器４が投入され、接触器５は開放されている。力行時に、離線判定信号Ｓ２がＨレベルになり、かつ、トルク制御部２５から電力変換部１２のスイッチング素子がオフになった旨の通知を受けると、接触器制御部２６は、接触器４を開放する。その結果、接触器４，５が共に開放された状態となり、電力変換部１２は、パンタグラフ３から電気的に切り離される。

【0026】

電力変換部１２がパンタグラフ３から電気的に切り離された状態では、パンタグラフ３が架線２に再接触しても、突入電流が電力変換部１２および電動機８に流れることはない。パンタグラフ３が架線２から離れた後、架線２に再接触した場合の制御装置２０による接触器４，５の制御は、上述した電気鉄道車両が運行を開始する際の制御と同様である。

【0027】

上述の構成を有する制御装置２０の動作について説明する。電気鉄道車両の運転台から運転指令として力行指令が入力されると、目標算出部２４は、上述のように、電動機８の目標トルクを算出し、トルク制御部２５に送る。そして、トルク制御部２５は、電動機８の実トルクを算出し、電動機８の実トルクを目標トルクに一致させるために、電力変換部１２のスイッチング素子の動作を制御する。また、運転台から運転指令として力行指令が入力されると、上記のトルク制御部２５の処理と並行して、以下に説明する離線判定処理が開始される。離線判定処理について、図５を用いて説明する。

【0028】

変化率算出部２１は、フィルタコンデンサ１１の電圧ＥＦＣの変化率ΔＥＦＣ／ΔＴを算出する（ステップＳ１１）。第１閾値算出部２２は、電動機８の実トルクに基づいて、絶対値が電動機８の実トルクと正の相関を有する第１閾値Ｔｈ１を算出する（ステップＳ１２）。離線判定部２３は、フィルタコンデンサ１１の電圧ＥＦＣの変化率の絶対値｜ΔＥＦＣ／ΔＴ｜と第１閾値Ｔｈ１とを比較する（ステップＳ１３）。フィルタコンデンサ１１の電圧ＥＦＣの変化率の絶対値｜ΔＥＦＣ／ΔＴ｜が第１閾値Ｔｈ１以上でない場合（ステップＳ１３；Ｎ）、制御装置２０は上述の処理を繰り返し行う。フィルタコンデンサ１１の電圧ＥＦＣの変化率の絶対値｜ΔＥＦＣ／ΔＴ｜が第１閾値Ｔｈ１以上である場合（ステップＳ１３；Ｙ）、離線判定部２３は、離線判定信号Ｓ２をＨレベルとし、Ｈレベルの離線判定信号Ｓ２をトルク制御部２５および接触器制御部２６に送る（ステップＳ１４）。Ｈレベルの離線判定信号Ｓ２を取得したトルク制御部２５は、目標トルクを段階的に減少させて、電力変換部１２が有するスイッチング素子の動作を制御し、電力変換部１２のスイッチング素子をオフにする（ステップＳ１５）。トルク制御部２５は、電力変換部１２のスイッチング素子をオフにすると、その旨を接触器制御部２６に通知する。電力変換部１２のスイッチング素子がオフになった旨を通知された接触器制御部２６は、接触器４を開放する（ステップＳ１６）。ステップＳ１６の処理が終了すると、制御装置２０は、離線判定処理を終了する。接触器４が開放された後、上述したように接触器制御部２６によって、再び接触器４が投入される。その後、運転台から運転指令として力行指令が入力されると、制御装置２０は、上記ステップＳ１１の処理を再び開始する。

【0029】

以上説明したとおり、実施の形態１に係る制御装置２０によれば、絶対値が電動機８の実トルクと正の相関を有する第１閾値を用いてパンタグラフ３が架線２から離れた状態であるか否かを判定することで、パンタグラフ３が架線２から離れた状態であるか否かの判定の精度を高めることが可能である。また力行時に、パンタグラフ３が架線２から離れた状態であると判定すると、接触器４を開放することで、パンタグラフ３が架線２に再度接触する際に電力変換部１２に突入電流が流れることが抑制される。

【0030】

（実施の形態２）
実施の形態１では、力行時にパンタグラフ３が架線２から離れた状態であるか否かを判定したが、運転指令がブレーキ指令を含み、電動機８が発電機として動作する場合、すなわち、回生ブレーキ時にもパンタグラフ３が架線２から離れた状態であるか否かを判定することができる。実施の形態２では、回生ブレーキ時にパンタグラフ３が架線２から離れた状態であるか否かを判定する制御装置２０について説明する。なお実施の形態２では、回生ブレーキ時にパンタグラフ３が架線２から離れた状態であるか否かを判定する制御装置２０について説明するが、力行時および回生ブレーキ時のそれぞれにおいて、パンタグラフ３が架線２から離れた状態であるか否かを判定してもよい。図６に示すように、実施の形態２に係る電力変換システム１は、フィルタコンデンサ１１の電圧を下げる降圧回路の一例としてチョッパ回路１５を備える。実施の形態２に係る電力変換システム１は、チョッパ回路１５を備えて、電圧検出部１３を備えない点において、実施の形態１に係る電力変換システム１と異なる。

【0031】

実施の形態２において、電力変換部１２は、一次側と二次側の双方向の電力変換を行う。運転指令がブレーキ指令を含むと、制御装置２０は、電力変換部１２が、電動機８で生じる回生電力を直流電力に変換するために、電力変換部１２のスイッチング素子の動作を制御する。電力変換部１２は、該直流電力を、架線２を介して他の電気鉄道車両に搭載されている電力変換システム１に供給する。架線２を介して他の電気鉄道車両に搭載された電力変換システム１に電力を供給するためには、フィルタコンデンサ１１の電圧は架線電圧より大きい必要がある。またフィルタコンデンサ１１の電圧が架線電圧に対して大きすぎると、架線２における過電圧が生じるため、フィルタコンデンサ１１の電圧は、所望の範囲に維持される必要がある。そこで、フィルタコンデンサ１１の電圧を調節するために、チョッパ回路１５が、電力変換部１２の一次側において、電力変換部１２に並列に接続される。チョッパ回路１５は、直列に接続されたスイッチング素子１６およびブレーキ抵抗１７を有する。スイッチング素子１６は、電力変換部１２からブレーキ抵抗１７への電路を切り替える。回生ブレーキ時のフィルタコンデンサ１１の電圧ＥＦＣが、後述する開始電圧以上になると、制御装置２０は、チョッパ回路１５を動作させる。チョッパ回路１５が動作することで、電力変換部１２が出力する電力がチョッパ回路１５で消費され、フィルタコンデンサ１１の電圧が低減する。

【0032】

回生ブレーキ時であって、パンタグラフ３が架線２から離れていない場合は、フィルタコンデンサ１１の電圧ＥＦＣが開始電圧以上となった場合にチョッパ回路１５を動作させることで、フィルタコンデンサ１１の電圧が所望の範囲に維持される。一方、回生ブレーキ時にパンタグラフ３が架線２から離れる際に、フィルタコンデンサ１１の電圧の上昇を抑制しなければ、フィルタコンデンサ１１の電圧ＥＦＣが開始電圧に達して、チョッパ回路１５が動作開始するまでに、接触器４よりパンタグラフ３の側の回路で過電圧が生じることがある。そこで、制御装置２０は、回生ブレーキ時にパンタグラフ３が架線２から離れた状態であると判定した場合、フィルタコンデンサ１１の電圧ＥＦＣが開始電圧未満であっても、チョッパ回路１５を動作させる。

【0033】

図７に示すように、制御装置２０は、実施の形態１に係る制御装置２０が有する接触器制御部２６に代えて、回路制御部２７を備える。変化率算出部２１、第１閾値算出部２２、および離線判定部２３は、実施の形態１と同様である。目標算出部２４は、ブレーキ指令が示す目標減速度を得るために必要な電動機８の目標トルクを算出し、トルク制御部２５に送る。トルク制御部２５は、実トルクを目標トルクに一致させるために、電力変換部１２が有するスイッチング素子の動作を制御する。変化率算出部２１は、回生時の目標トルクＴｒｑおよび回転速度ωを用いて、上記（１）式から、回生電力Ｗを算出し、回生電力Ｗおよび上記（２）式から、第１閾値Ｔｈ１を算出する。回生時には、図３とは逆に、フィルタコンデンサ１１の電圧が上昇する。電動機８のトルクが大きくなると、フィルタコンデンサ１１の電圧の変化率ΔＥＦＣ／ΔＴも大きくなる。したがって、実施の形態１と同様に、絶対値が電動機８のトルクと正の相関を有し、電動機８のトルクの時間変化に伴って、時間変化する第１閾値Ｔｈ１を用いて、パンタグラフ３が架線２から離れた状態であるか否かを判定することができる。判定結果に基づいて、離線判定部２３は、離線判定信号Ｓ２を回路制御部２７に送る。トルク制御部２５は、回生ブレーキ時に、実トルクを目標トルクに一致させるために、電力変換部１２が有するスイッチング素子の動作を制御する。実施の形態２において、トルク制御部２５は、離線判定信号Ｓ２を受け取らない。換言すれば、所望の回生ブレーキ力を生じさせるために、トルク制御部２５は、パンタグラフ３が架線２から離れた状態であると判定されても、電力変換部１２が有するスイッチング素子をオフにしない。回路制御部２７は、フィルタコンデンサ１１の電圧ＥＦＣに応じた通流率に基づいて、スイッチング素子１６の通流率を調節する。

【0034】

パンタグラフ３が架線２から離れていない、すなわち、離線判定信号Ｓ２がＬレベルであって、フィルタコンデンサ１１の電圧ＥＦＣが開始電圧Ｅ_ｉｎｔ以上である場合に、回路制御部２７は、チョッパ回路１５が有するスイッチング素子１６の通流率を調節する。詳細には、離線判定信号Ｓ２がＬレベルである場合に、フィルタコンデンサ１１の電圧ＥＦＣが開始電圧Ｅ_ｉｎｔに達すると、回路制御部２７は、スイッチング素子１６の通流率を０より大きくする。換言すれば、フィルタコンデンサ１１の電圧ＥＦＣが開始電圧Ｅ_ｉｎｔ未満である場合、スイッチング素子１６はオフのままである。なお回路制御部２７は、図８に細い実線で示すように、フィルタコンデンサ１１の電圧ＥＦＣに応じた通流率でスイッチング素子１６を制御する。フィルタコンデンサ１１の電圧ＥＦＣに応じた通流率は、最小通流率Ｒ_ＭＩＮから最大通流率Ｒ_ＭＡＸまでフィルタコンデンサ１１の電圧ＥＦＣに応じて連続的に変化する値である。図８に細い実線で示すように、フィルタコンデンサ１１の電圧ＥＦＣの増大に伴って、通流率は、最小通流率Ｒ_ＭＩＮから最大通流率Ｒ_ＭＡＸまで増大する。なお開始電圧Ｅ_ｉｎｔは、架線電圧の許容範囲に応じて定められる。

【0035】

一方、パンタグラフ３が架線２から離れる、すなわち、離線判定信号がＨレベルとなった場合は、回路制御部２７は、フィルタコンデンサ１１の電圧ＥＦＣによらず、チョッパ回路１５を動作させる。詳細には、離線判定信号Ｓ２がＨレベルになると、回路制御部２７は、フィルタコンデンサ１１の電圧ＥＦＣに応じた通流率でスイッチング素子１６を制御する。図８に太い実線で示すように、フィルタコンデンサ１１の電圧ＥＦＣの増大に伴って、通流率は、最小通流率Ｒ_ＭＩＮから最大通流率Ｒ_ＭＡＸまで増大する。フィルタコンデンサ１１の電圧ＥＦＣによらず、チョッパ回路１５を動作させることで、パンタグラフ３が架線２から離れた際は直ちにチョッパ回路１５を動作させ、接触器４よりパンタグラフ３の側の回路での過電圧を抑制することが可能である。

【0036】

フィルタコンデンサ１１の電圧ＥＦＣの値が同じであれば、パンタグラフ３が架線２から離れた状態であると判定されていない場合の最小通流率Ｒ_ＭＩＮと最大通流率Ｒ_ＭＡＸとの間の通流率は、パンタグラフ３が架線２から離れた状態であると判定された場合よりも小さい。上述のように通流率を設定することで、接触器４よりパンタグラフ３の側の回路での過電圧を抑制することが可能である。

【0037】

上述の構成を有する制御装置２０の動作について説明する。電気鉄道車両の運転台から運転指令としてブレーキ指令が入力されると、トルク制御部２５は、上述のように、実トルクを目標トルクに一致させるために、電力変換部１２のスイッチング素子の動作を制御する。また、運転台から運転指令としてブレーキ指令が入力されると、上記のトルク制御部２５の処理と並行して、以下に説明する離線判定処理が開始される。離線判定処理について、図９を用いて説明する。

【0038】

図９のステップＳ１１〜Ｓ１３は、実施の形態１と同様である。フィルタコンデンサ１１の電圧ＥＦＣの変化率の絶対値｜ΔＥＦＣ／ΔＴ｜が第１閾値Ｔｈ１以上である場合（ステップＳ１３；Ｙ）、離線判定部２３は、離線判定信号Ｓ２をＨレベルとし、Ｈレベルの離線判定信号Ｓ２を回路制御部２７に送る（ステップＳ１４）。Ｈレベルの離線判定信号Ｓ２を取得した回路制御部２７は、フィルタコンデンサ１１の電圧ＥＦＣに応じた通流率に基づいて、チョッパ回路１５を動作させる（ステップＳ１７）。最低通流率でチョッパ回路を動作させる状態が一定時間未満である間は（ステップＳ１８；Ｎ）、ステップＳ１７の処理を繰り返し行う。最低通流率でチョッパ回路１５を動作させる状態が一定時間以上になると（ステップＳ１８；Ｙ）、制御装置２０は、チョッパ回路１５のスイッチング素子１６をオフにし（ステップＳ１９）、ステップＳ１１の処理に戻る。運転指令としてブレーキ指令が入力されている間は、制御装置２０は、上述の離線判定処理を繰り返し行う。

【0039】

以上説明したとおり、実施の形態２に係る制御装置２０によれば、回生ブレーキ時に、パンタグラフ３が架線２から離れた状態であると判定すると、フィルタコンデンサ１１の電圧ＥＦＣが基準電圧未満であっても、チョッパ回路１５を動作させることで、接触器４よりパンタグラフ３の側での過電圧が抑制される。

【0040】

（実施の形態３）
実施の形態１，２においては、フィルタコンデンサ１１の電圧ＥＦＣの変化率に基づいてパンタグラフ３が架線２から離れた状態であるか否かを判定する。判定方法は上述の例に限られず、力行時にパンタグラフ３から電力変換部１２に流れる電流を用いて、パンタグラフ３が架線２から離れた状態であるか否かを判定してもよい。図１０に示すように、実施の形態３に係る電力変換システム１は、電流検出部１８を備える点において、実施の形態１に係る電力変換システム１と異なる。制御装置２０は、電流検出部１８で検出された、パンタグラフ３から電力変換部１２に流れる入力電流ＩＳ、および、絶対値が電動機８のトルクと正の相関を有し、電動機８のトルクの時間変化に伴って、時間変化する第２閾値に基づき、パンタグラフ３が架線２から離れた状態であるか否かを判定する。図１１に示すように、実施の形態３における制御装置２０は、第１閾値算出部２２の代わりに、第２閾値算出部２８を有し、また変化率算出部２１を有さない。

【0041】

制御装置２０の各部の概略について説明する。鉄道車両が運行を開始すると、実施の形態１と同様に、目標算出部２４は、力行指令が示す加速度を得るための目標トルクを算出する。トルク制御部２５は、電動機８の実トルクを算出し、実トルクを目標トルクに一致させるために、電力変換部１２のスイッチング素子の動作を制御する。また、第２閾値算出部２８は、入力電流ＩＳに対する閾値である第２閾値を算出する。離線判定部２３は、入力電流ＩＳおよび第２閾値に基づいて、パンタグラフ３が架線２から離れた状態であるか否かを判定する。離線判定部２３が、パンタグラフ３が架線２から離れた状態でないと判定している場合、トルク制御部２５は、上述のように実トルクを目標トルクに近づけるために、電力変換部１２のスイッチング素子の動作を制御する。一方、離線判定部２３が、パンタグラフ３が架線２から離れた状態であると判定した場合、実施の形態１と同様に、トルク制御部２５は、目標トルクを段階的に減少させて、電力変換部１２のスイッチング素子の動作を制御し、電力変換部１２のスイッチング素子をオフにする。離線判定部２３が、パンタグラフ３が架線２から離れた状態であると判定すると、接触器制御部２６は、接触器４を開放する。また接触器制御部２６は、電気鉄道車両の運行を開始する際、パンタグラフ３が架線２に再接触した場合に、実施の形態１と同様に接触器４，５を制御する。

【0042】

制御装置２０の各部の詳細について以下に説明する。離線判定部２３は、入力電流ＩＳ、および、第２閾値算出部２８が算出した第２閾値に基づいて、パンタグラフ３が架線２から離れた状態であるか否かを判定する。入力電流ＩＳの変化について、図１２を用いて説明する。時刻ｔ１でパンタグラフ３が架線２から離れた場合を例にして説明する。図１２において、横軸は時間を示し、縦軸は入力電流ＩＳを示す。また図１２において、電力変換部１２の出力電力がＷ１の場合を太い実線で示し、出力電力がＷ２の場合を細い実線で示す。なおＷ１はＷ２より大きいものとする。

【0043】

出力電力がＷ１の場合における時刻ｔ１までの入力電流ＩＳの値をＩ１とする。時刻ｔ１においてパンタグラフ３が架線２から離れると、入力電流ＩＳはＩ１から減少し始める。また出力電力がＷ２の場合、時刻ｔ１までの入力電流ＩＳの値をＩ２とする。出力電力がＷ１の場合、時刻ｔ１においてパンタグラフ３が架線２から離れると、入力電流ＩＳはＩ２から減少し始める。入力電流ＩＳ、および、固定値である閾値に基づいて、パンタグラフ３が架線から離れた状態であるか否かを判定すると、例えば閾値がＩ２より大きく、Ｉ１より小さい場合に、出力電力Ｗ２の場合はパンタグラフ３が架線２から離れたと判定するが、出力電力Ｗ１の場合はパンタグラフ３が架線２から離れたと判定しないということが起こり得る。

【0044】

そこで、制御装置２０は、絶対値が電動機８の実トルクと正の相関を有する第２閾値を用いて、パンタグラフ３が架線２から離れた状態であるか否かを判定する。第２閾値算出部２８は、絶対値が電動機８のトルクと正の相関を有する第２閾値を算出する。図１１に示すように、第２閾値算出部２８は、トルク制御部２５から、電動機８の実トルクを取得する。第２閾値算出部２８は、上記（１）式に示すように、電動機８の実トルクに基づき、電力変換部１２の出力電力を算出する。そして、第２閾値算出部２８は、出力電力に基づき、第２閾値を算出する。

【0045】

第２閾値の一例として、出力電力Ｗに比例する第２閾値を図１３に示す。図１３において、横軸は電力変換部１２の出力電力を示し、縦軸は第２閾値を示す。図１３において、出力電力がＷ１の場合の第２閾値Ｔｈ２をＴｈ２＿１とし、出力電力がＷ２である場合の第２閾値Ｔｈ２をＴｈ２＿２とする。なおＴｈ２＿１は、Ｔｈ２＿２より大きいものとする。第２閾値算出部２８は、算出した第２閾値Ｔｈ２を離線判定部２３に送る。詳細には、第２閾値算出部２８は、下記（３）式で表されるように、出力電力に比例する第２閾値Ｔｈ２を算出する。下記（３）式において、Ｗは上記（１）式に基づいて算出した出力電力を示す。またＥ_Ｄは、時素リレーで遅らされた電圧ＥＦＣを示す。η_ＩＮＶは、インバータ効率を示す。該時素リレーで遅らされる時間は、パンタグラフ３が架線２から離れた状態であるか否かの判定にかけることができる時間に応じて決められ、例えば数１０ｍｓｅｃとする。下記（３）式において、Ｋは１以下の正数である係数を示し、第２閾値の大きさの調節のために設定される。なおパンタグラフ３が架線２から離れて入力電流ＩＳが減少し始めた直後において、トルク制御部２５は、実トルクを目標トルクに一致させるために、電力変換部１２が有するスイッチング素子の動作を制御する。そのため、出力電力Ｗは、パンタグラフ３が架線２から離れた状態であるか否かを判定している間、パンタグラフ３が架線２から離れる前の値に維持される。
Ｔｈ２＝Ｋ・（Ｗ／Ｅ_Ｄ・η_ＩＮＶ）） ・・・（３）

【0046】

離線判定部２３は、入力電流ＩＳが第２閾値Ｔｈ２以下である場合に、パンタグラフ３が架線２から離れた状態であると判定する。離線判定部２３は、パンタグラフ３が架線２から離れた状態であると判定した場合にＨレベルであり、パンタグラフ３が架線２から離れた状態でないと判定した場合にＬレベルである離線判定信号Ｓ２をトルク制御部２５および接触器制御部２６に送る。第２閾値Ｔｈ２が電力変換部１２の出力電力に比例するため、出力電力の変化によって、入力電流ＩＳの大きさが変化しても、パンタグラフ３が架線２から離れた状態であるか否かを精度良く判定することが可能である。

【0047】

トルク制御部２５および接触器制御部２６の動作は、実施の形態１と同様である。また接触器４開放後の接触器制御部２６による接触器４，５の投入動作は、実施の形態１と同様である。

【0048】

上述の構成を有する制御装置２０の動作について説明する。電気鉄道車両の運転台から運転指令として力行指令が入力されると、目標算出部２４は、実施の形態１と同様に、電動機８の目標トルクを算出する。そして、トルク制御部２５は、電動機８の実トルクを算出し、実トルクを目標トルクに一致させるために、電力変換部１２のスイッチング素子の動作を制御する。また、運転台から運転指令として力行指令が入力されると、上記のトルク制御部２５の処理と並行して、以下に説明する離線判定処理が開始される。離線判定処理について、図１４を用いて説明する。第２閾値算出部２８は、絶対値が電動機８のトルクと正の相関を有する第２閾値を算出する（ステップＳ２１）。離線判定部２３は、入力電流ＩＳと第２閾値とを比較する（ステップＳ２２）。入力電流ＩＳが第２閾値以下でない場合（ステップＳ２２；Ｎ）、制御装置２０はステップＳ２１の処理を繰り返し行う。入力電流ＩＳが第２閾値以下である場合（ステップＳ２２；Ｙ）、離線判定部２３は、離線判定信号Ｓ２をＨレベルとし、Ｈレベルの離線判定信号Ｓ２をトルク制御部２５および接触器制御部２６に送る（ステップＳ１４）。ステップＳ１４−Ｓ１６の処理は、実施の形態１と同様である。ステップＳ１６の処理が終了すると、制御装置２０は、離線判定処理を終了する。接触器４が開放された後、実施の形態１と同様に、接触器制御部２６によって、再び接触器４が投入される。その後、運転台から運転指令として力行指令が入力されると、制御装置２０は、上記ステップＳ２１の処理を再び開始する。

【0049】

以上説明したとおり、実施の形態３に係る制御装置２０によれば、絶対値が電動機８のトルクと正の相関を有する第２閾値を用いてパンタグラフ３が架線２から離れた状態であるか否かを判定することで、パンタグラフ３が架線２から離れた状態であるか否かの判定の精度を高めることが可能である。また力行時に、パンタグラフ３が架線２から離れた状態であると判定すると、接触器４を開放することで、パンタグラフ３が架線２に再度接触する際に電力変換部１２に突入電流が流れることが抑制される。

【0050】

図１５は、実施の形態に係る鉄道車両用制御装置のハードウェアの構成例を示す図である。鉄道車両用制御装置２０は、各部を制御するハードウェア構成としてプロセッサ３１、メモリ３２、およびインターフェース３３を備える。これらの装置の各機能は、プロセッサ３１がメモリ３２に記憶されたプログラムを実行することにより実現される。インターフェース３３は各装置を接続し、通信を確立させるためのものであり、必要に応じて複数の種類のインターフェースから構成されてもよい。図１５では、プロセッサ３１およびメモリ３２をそれぞれ１つで構成する例を示しているが、複数のプロセッサ３１および複数のメモリ３２が連携して各機能を実行してもよい。

【0051】

その他、上記のハードウェア構成やフローチャートは一例であり、任意に変更および修正が可能である。

【0052】

プロセッサ３１、メモリ３２、およびインターフェース３３を有し、制御処理を行う中心となる部分は、専用のシステムによらず、通常のコンピュータシステムを用いて実現可能である。たとえば、上述の動作を実行するためのコンピュータプログラムを、コンピュータが読み取り可能な記録媒体（フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭなど）に格納して配布し、上記コンピュータプログラムをコンピュータにインストールすることにより、上述の処理を実行する鉄道車両用制御装置２０を構成してもよい。また、通信ネットワーク上のサーバ装置が有する記憶装置に上記コンピュータプログラムを格納しておき、通常のコンピュータシステムがダウンロードすることで鉄道車両用制御装置２０を構成してもよい。

【0053】

また、鉄道車両用制御装置２０の機能を、ＯＳ（オペレーティングシステム）とアプリケーションプログラムの分担、またはＯＳとアプリケーションプログラムとの協働により実現する場合などには、アプリケーションプログラム部分のみを記録媒体や記憶装置に格納してもよい。

【0054】

また、搬送波にコンピュータプログラムを重畳し、通信ネットワークを介して配信することも可能である。たとえば、通信ネットワーク上の掲示板（BBS：Bulletin Board System）に上記コンピュータプログラムを掲示し、通信ネットワークを介して上記コンピュータプログラムを配信してもよい。そして、このコンピュータプログラムを起動し、ＯＳの制御下で、他のアプリケーションプログラムと同様に実行することにより、上述の処理を実行できるように構成してもよい。

【0055】

電力変換システム１の回路構成は任意であり、上述の例に限られない。一例として、接触器４，５は直列に接続され、接触器５に並列にブレーキ抵抗６が接続されてもよい。この場合、力行時には、接触器４，５が投入されている。離線検知した際は、接触器４，５が共に開放される。離線検知後に、接触器４のパンタグラフ３の側の電圧ＥＳが基準電圧以上となると、接触器４のみが投入される。その後、接触器４のパンタグラフ３の側の電圧ＥＳとフィルタコンデンサ１１の電圧ＥＦＣの差が十分に小さくなると、接触器５が投入される。

【0056】

電力変換システム１の集電方式は、上述の架空線方式に限られず、変電所から電力を取得する任意の方式を採用することができる。集電方式の一例として、地表集電方式、第三軌条方式等があげられる。地表集電方式および第３軌条方式の場合、集電靴が第三軌条と接触することで、電力を取得することができる。また架空線方式の場合、集電装置は、架線２から電力を取得する任意の装置であり、一例として、トロリーポール、ビューゲル等である。電動機８は、交流電動機に限られず、直流電動機でもよい。

【0057】

運転指令は、力行指令およびブレーキ指令に加え、惰行指令を含んでもよい。運転指令が惰行指令を含む場合に、制御装置２０は、実施の形態１，３と同様に、離線を検知してもよい。また制御装置２０の構成は、上述の例に限られず、離線を検知する任意の構成である。一例として、トルク制御部２５および接触器制御部２６の機能をそれぞれ、トルク制御装置および接触器制御装置として、制御装置２０とは別に設けてもよい。この場合、制御装置２０は、離線を検知した場合、離線を検知した旨をトルク制御装置および接触器制御装置に送ればよい。また他の一例として、回路制御部２７の機能を、チョッパ制御装置として、制御装置２０とは別に設けてもよい。この場合、制御装置２０は、離線を検知した旨をチョッパ制御装置に送ればよい。

【0058】

変化率算出部２１が行うフィルタコンデンサ１１の電圧ＥＦＣの変化率の算出方法は、上述の例に限られない。フィルタコンデンサ１１の電圧ＥＦＣの変化率の算出方法として、任意の方法が採用され得る。一例として、ΔＴの期間において、十分に短い時間Δｔごとのフィルタコンデンサ１１の電圧ＥＦＣの値から回帰直線を求め、回帰直線の傾きをフィルタコンデンサ１１の電圧ＥＦＣの変化率としてもよい。

【0059】

第１閾値算出部２２が行う第１閾値の算出方法は、上述の例に限られない。第１閾値の算出方法として、絶対値が電力変換部１２の出力電力に相当する値と正の相関を有し、出力電力の時間変化に伴って時間変化する物理量を用い、絶対値が物理量と正の相関を有し、物理量の時間変化に伴って時間変化する第１閾値を算出する任意の方法が採用され得る。一例として、運転指令が含む力行ノッチに応じて定められた、電力変換部１２の出力電力に基づいて第１閾値を算出してもよい。物理量として、電動機８のトルクに限られず、電力変換部１２の出力電力と正の相関を有し、出力電力の時間変化に伴って、時間変化する任意の物理量を採用することができる。一例として、電動機８の電流、電動機８の電圧、電動機８の回転速度、力行ノッチ、電力変換部１２の入力電圧、電力変換部１２の入力電流等を上記物理量として採用することができる。また上記物理量は測定値だけでなく、推定または計算によって算出された値および目標値を上記物理量として採用することができる。

【0060】

電力変換部１２の出力電力を算出する方法は、上述の例に限られない。一例として、第１閾値算出部２２は、下記（４）式に示すように、電動機８の回転周波数ＦＭに基づいて、電力変換部１２の出力電力を算出してもよい。Ｐは電動機８の極数を示す。
Ｗ＝２π・２ＦＭ／Ｐ・Ｔｒｑ／η_ＴＭ ・・・（４）
さらに別の一例として、第１閾値算出部２２は、下記（５）式に示すように、電動機８の電圧Ｖ_Ｍおよび電流Ｉ_Ｍ、ならびに、電動機８の力率ＰＦに基づいて、電力変換部の出力電力を算出してもよい。
Ｗ＝√３・Ｖ_Ｍ・Ｉ_Ｍ・ＰＦ ・・・（５）

【0061】

なお第１閾値は、絶対値が電動機８のトルクと正の相関を有する任意の関数、テーブル等に応じて算出される。一例として、第１閾値は、電力変換部１２の出力電力を変数とする一次関数、二次関数等に基づいて算出される。なお、実施の形態１における第１閾値を、絶対値が電動機８のトルクと正の相関を有する負数としてもよい。この場合、離線判定部２３は、フィルタコンデンサ１１の変化率ΔＥＦＣ／ΔＴが第１閾値以下である場合に、パンタグラフ３が架線２から離れた状態であると判定する。

【0062】

実施の形態１，２における離線判定部２３の処理は、上述の例に限られない。一例として、第１閾値Ｔｈ１に対して下限値を設けてもよい。また他の一例として、離線判定部２３は、フィルタコンデンサ１１の電圧ＥＦＣの変化率の絶対値と第１閾値との比較を一定の時間間隔で繰り返し、複数の比較結果に基づいて、パンタグラフ３が架線２から離れた状態であるか否かを判定してもよい。例えば、離線判定部２３は、例えば１０ｍｓｅｃの判定期間において、フィルタコンデンサ１１の電圧ＥＦＣの変化率の絶対値と第１閾値との比較を繰り返し、全ての比較結果において、フィルタコンデンサ１１の電圧ＥＦＣの変化率の絶対値が第１閾値以上である場合に、パンタグラフ３が架線２から離れた状態であると判定する。上記構成により、異常値に基づいて、パンタグラフ３が架線２から離れた状態であるか否かの判定が誤った結果となることが防止できる。同様に、実施の形態３における離線判定部２３は、上述の例に限られない。一例として、離線判定部２３は、入力電流ＩＳの推定値が第２閾値以下である場合に、パンタグラフ３が架線２から離れた状態であると判定する。また他の一例として、離線判定部２３は、入力電流ＩＳが第２閾値以下である状態が一定時間、例えば１０ｍｓｅｃ継続した場合に、パンタグラフ３が架線２から離れた状態であると判定してもよい。

【0063】

実施の形態２において、電力変換部１２のパンタグラフ３の側に設けられる降圧回路は、チョッパ回路１５に限られず、任意の降圧回路を設けることができる。一例として、スイッチングレギュレータを設けてもよい。実施の形態２において、チョッパ回路１５の停止条件は、上述の例に限られない。例えば、電圧検出部１３をさらに設け、電圧検出部１３が検出した接触器４のパンタグラフ３の側の電圧ＥＳに基づいて、チョッパ回路１５を停止してもよい。詳細には、接触器４のパンタグラフ３の側の電圧ＥＳが所望の範囲にある時間が一定時間以上継続した場合に、チョッパ回路１５の動作を停止してもよい。

【0064】

本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。すなわち、本発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。

【符号の説明】

【0065】

１ 鉄道車両用電力変換システム、２ 架線、３ パンタグラフ、４，５ 接触器、６，１７ ブレーキ抵抗、７ リアクトル、８ 電動機、９ 速度センサ、１０ 電流検出部、１１ フィルタコンデンサ、１２ 電力変換部、１３，１４ 電圧検出部、１５ チョッパ回路、１６ スイッチング素子、１８ 電流検出部、２０ 鉄道車両用制御装置、２１ 変化率算出部、２２ 第１閾値算出部、２３ 離線判定部、２４ 目標算出部、２５ トルク制御部、２６ 接触器制御部、２７ 回路制御部、２８ 第２閾値算出部、３１ プロセッサ、３２ メモリ、３３ インターフェース、Ｓ１ スイッチング制御信号、Ｓ２ 離線判定信号。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】