JP2000059911A - 電気車の制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】１台の電力変換器で複数の電動機を駆動制御す
る電気車の制御装置において、より簡単な構成で再粘着
検知を行い、可能な限り電気車の加減速度を高くするこ
とにある。 【解決手段】電動機のトルクを制御する指令値を発生す
る手段と、前記指令値に基づいて前記電力変換器を動作
させる信号を出力する手段と、前記おのおのの電動機の
加速度を検出する手段を備えた電気車の制御装置におい
て、第１の選択器より前記複数の加速度のうちの一つを
選択し、その値から車輪の空転または滑走を検知する手
段と、前記空転または滑走が検知された電動機又は車輪
の加速度を第２の選択器で選択し、その選択された加速
度を用いて車輪の再粘着を検知する手段と、前記空転，
滑走検知信号及び前記再粘着検知信号に基づいて前記指
令値を調整する手段とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、１台の電力変換器
により複数の電動機を駆動する電気車の制御装置に係
り、特に車輪と軌道面間に発生する空転，滑走を検知し
て再粘着させる技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】電気車の車輪の空転，滑走及び再粘着を
検知して電動機の発生トルクを絞り再粘着制御を行う方
法が例えば特開平4−69003号公報に記載されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記公報では、複数の
電動機の再粘着を検知する場合、各電動機ごとに再粘着
検知を行っている。そのために、電動機の数だけ再粘着
制御検知手段が必要となり、装置が複雑になったり、マ
イクロプロセッサで処理を行う場合には、演算時間が増
えてしまうという問題がある。

【０００４】本発明の目的は、１台の電力変換器で複数
の電動機を駆動制御する電気車の制御装置において、よ
り簡単な構成で再粘着検知を行い、且つ物理的な粘着限
界までトルクを有効活用し、可能な限り電気車の加減速
度を高くすることにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的は、複数の電動
機を駆動する電力変換器と、前記電動機のトルクを制御
する指令値を発生する手段と、前記指令値に基づいて前
記電力変換器を動作させる信号を出力する手段と、前記
おのおのの電動機または電動機により駆動される車輪の
加速度を検出する手段を備えた電気車の制御装置におい
て、第１の選択器より前記複数の加速度のうちの一つを
選択し、その値から車輪の空転または滑走を検知する手
段と、前記空転または滑走が検知された電動機又は車輪
の加速度を第２の選択器で選択し、その選択された加速
度を用いて車輪の再粘着を検知する手段と、前記空転，
滑走検知信号及び前記再粘着検知信号に基づいて前記指
令値を調整する手段とを備えたことにより達成できる。

【０００６】これによれば、１台の電力変換器で複数の
電動機を駆動し、電気車が加速しているときにある一つ
の車輪に空転が発生したとすると、空転の発生は例えば
電動機加速度の最大値を選択する第１の選択器の出力が
所定値を超えたことにより検知できる。空転を検知する
と電動機のトルクを絞る制御が行われ、その結果空転速
度が収まり再粘着に至る。この再粘着点は、例えば空転
の発生した電動機の加速度が負となり、かつ加速度の微
分値（ジャーク値）が正となることにより見つけられ
る。このとき再粘着検知を行うための加速度を選択する
第２の選択器は空転を検知した時点に加速度が最大値を
とった電動機の値を出力する。このように再粘着検知は
空転を検知した電動機についてのみ行うことにより、確
実に再粘着の検知ができるとともに再粘着検知は電動機
の数に関係なく一つだけ設ければよい。同時に複数の電
動機に空転が発生した場合においても、電動機加速度の
最大値を選択する第１の選択器の出力を用いることによ
ってもっとも早く空転を検知できる。その後トルクを絞
る制御を行うので、空転を検知した電動機以外の電動機
についても空転が収まって再粘着する方向に動作する。
仮に第２の選択器で選択した電動機が再粘着した時に別
の電動機がまだ再粘着していなかったとしても、この場
合には再粘着していない電動機について空転を検知し、
再度再粘着制御が行われるので問題ない。

【０００７】以上は空転が発生した場合についてである
が、滑走の場合についても、第１の選択器で電動機加速
度の最小値を選択し、第２の選択器で滑走を検知した時
点に加速度が最小値をとった電動機の値を選択すること
で同様に再粘着を検知できる。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を図を用
いて説明する。図１は、直流電力を電力変換器に相当す
るインバータにより交流電力に変換し複数の誘導電動機
を駆動する電気車の制御装置における制御構成の概要を
ブロック図で示している。なお、同図の各ブロックは発
明の説明を分かり易くするために装置名で表現している
が、必要に応じてマイクロコンピュータによるソフトウ
エアでその機能を処理するものでもよい。

【０００９】図１において、指令発生器５６は、加速／
減速（力行／ブレーキ）指令Ｐ／Ｂ及び指令信号Ｉｐを
出力する。指令信号Ｉｐとしては、トルク指令，電流指
令，すべり周波数指令などが考えられるが、ここでは必
要なトルクに応じた電流指令とする。減算器１１では、
このＩｐと空転・滑走制御器１から得られる電流制御量
ΔＩｐの差より電流指令Ｉ^* が演算される。ゲート信号
発生器５７は、電流指令Ｉ^* に基づいてインバータのス
イッチング素子に与えるゲート信号を出力する。インバ
ータ５８ではこのゲート信号により主回路を構成するス
イッチング素子を動作させ、直流電源５２からフィルタ
コンデンサ５３を介して得られる直流電力が三相交流電
力に変換され、その電力は誘導電動機９１，９２に供給
される。ここでは１台のインバータで２台の誘導電動機
を駆動する例を示したが、誘導電動機の数は何台でも構
わない。各誘導電動機の回転速度は回転速度検出器８
１，８２で検出する。回転速度検出器及び後述する微分
器４１，４２は誘導電動機の数だけ設置する。

【００１０】なお、図示していないが電気車の車輪は上
記誘導電動機で駆動されるようになっており、車輪速度
と誘導電動機の回転速度は比例関係にある。また、上記
発生器５６，５７とインバータ５８の詳細な構成、動作
は例えば特開平5−83976号公報に詳細に記載されている
のでここでは省略する。図１ではインバータで誘導電動
機を駆動する構成となっているが、電力変換器，電動機
の種類は問わない。

【００１１】次に、図１において発明部となる空転・滑
走制御器１の構成について説明し、各部の詳細は図２〜
図７により説明する。同制御器１は、微分器４１，４
２，第１の選択器５，第２の選択器６，空転・滑走検知
器２，再粘着検知器３，電流制御器７から構成される。
微分器４１，４２では、回転速度検出器８１，８２より
得られるロータ周波数fr１，fr２の時間変化率である微
分値fr１′，fr２′が演算される。なお検出器８１，８
２が加速度を検出するセンサの場合には、微分器４１，
４２は不要である。

【００１２】第１の選択器５では、fr１′，fr２′及び
加速／減速指令Ｐ／Ｂを入力して、選択されたロータ周
波数微分値fra′を出力する。第２の選択器６では、fr
１′,fr２′，加速／減速指令Ｐ／Ｂ及び電流制御器７
の信号２３(空転・滑走信号)を入力して、選択されたロ
ータ周波数微分値frb′ を出力する。空転・滑走検知器
２では、第１の選択器５の出力fra′,加速／減速指令Ｐ
／Ｂに基づき空転と滑走を検知しその検知信号２１が出
力される。再粘着検知器３では、第２の選択器６の出力
frb′,加速／減速指令Ｐ／Ｂに基づき車輪とレールの再
粘着を検知しその検知信号２２が出力される。電流制御
器７では、空転・滑走検知信号２１，再粘着検知信号２
２，指令発生器５６からの電流指令Ｉｐに基づき電流制
御量ΔＩｐが演算される。

【００１３】図２は、第１の選択器５の具体的な構成例
を示す。同選択器は、最大値演算器１０１，最小値演算
値１０２と切換器１０３から構成される。各電動機のロ
ータ周波数微分値fr１′，fr２′は、それぞれ最大値演
算器１０１，最小値演算値１０２に入力され、最大値演
算器１０１では微分値の最大値を、最小値演算値１０２
では微分値の最小値を出力する。指令発生器５６からの
加速／減速指令Ｐ／Ｂに基づき、加速指令Ｐが出力され
ている時は、切換器１０３がＰ側に切り換わり最大値演
算器１０１の出力が選択されたロータ周波数微分値fr
a′ として出力され、減速指令Ｂが出力されている時は
Ｂ側に切り換わり最小値演算値１０２の出力が選択され
たロータ周波数微分値fra′ として出力される。この構
成により加速指令時にはfr′の最大値が、減速指令時に
はfr′の最小値がfra′ として出力されることとなる。

【００１４】図３は、第２の選択器６の具体的な構成例
を示す。同選択器は、最大値Ｎo.演算器１０６，最小値
Ｎo.演算値１０７，データ保持器１０８と切換器１０
９，１１０から構成される。各電動機のロータ周波数微
分値fr１′，fr２′は、それぞれ最大値Ｎo.演算器１０
６，最小値Ｎo.演算値１０７に入力され、最大値Ｎo.演
算器１０６では微分値が最大値をとる電動機Ｎo.を、最
小値Ｎo.演算値１０７では微分値が最小値をとる電動機
Ｎo.を出力する。切換器１０９では、指令発生器５６か
らの加速／減速指令Ｐ／Ｂに基づき加速指令Ｐが出力さ
れている時は、Ｐ側に切り換わり最大値Ｎo.演算器１０
６の出力が信号１１１となり、減速指令Ｂが出力されて
いる時は、Ｂ側に切り換わり最小値Ｎo.演算値１０７の
出力が信号１１１となる。

【００１５】データ保持器１０８には、信号１１１及び
後述する空転・滑走検知信号２１が発生してから再粘着
検知信号２２が発生するまでの間“１”を出力する信号
２３（空転・滑走信号）が入力される。データ保持器の
出力１１２は、信号２３が“１”のときには信号２３が
“１”になった瞬間の入力１１１の値を保持して出力
し、信号２３が“１”でないときには入力１１１をその
まま出力する。すなわち、切換器１１０では、データ保
持器１０８の出力１１２の電動機Ｎo.に応じて選択され
たロータ周波数微分値frb′ が出力される。この構成に
より信号２３が“１”でなく、すべての車輪が粘着状態
にあるときには、出力frb′はfra′と等しくなる。ま
た、信号２３が“１”で空転・滑走が発生している状態
のときには、出力frb′ には空転・滑走が発生している
電動機のロータ周波数微分値が出力されることになる。

【００１６】図４は、空転・滑走検知器２の具体的な構
成例を示す。同検知器は、比較器１１６，１１７と切換
器１１８から構成される。微分値fra′は、比較器１１
６,１１７にそれぞれ入力され、比較器１１６では微分
値fra′ が所定値よりも大の時“１”が出力され、比較
器１１７では微分値fra′が所定値よりも小の時“１"が
出力される。切換器１１８では、指令発生器５６からの
加速／減速指令Ｐ／Ｂに基づき、加速指令Ｐが出力され
ている時はＰ側に切り換わり、比較器１１６の出力が空
転・滑走検知信号２１として出力され、減速指令Ｂが出
力されている時はＢ側に切り換わり比較器１１７の出力
が空転・滑走検知信号２１として出力される。ここで通
常は、比較器１１６の検知レベルは最大加速度の１.５
〜２ 倍程度（正の値）に、比較器１１７の検知レベル
は最大減速度の１.５〜２ 倍程度（負の値）に設定され
る。これにより、空転が発生した際はロータ周波数frの
微分値fra′の最大値が上昇し、滑走が発生した際はロ
ータ周波数frの微分値fra′の最小値が下降するので空
転及び滑走が検知できる。

【００１７】図５は、再粘着検知器３の具体的な構成例
を示す。同検知器は、比較器１２１〜１２４と論理積回
路１２５，１２６と切換器１２７及び微分器１２８から
構成される。先ず、空転後の再粘着の検知として、比較
器１２１に微分値frb′ が、比較器１２２に微分値fr
b′を微分器１２８で微分した２回微分値frb″が入力さ
れる。ここで比較器１２１ではfrb′が所定値よりも小
の時“１"が出力され、比較器１２２ではfrb″ が所定
値より大の時“１”が出力されるよう設定されている。
論理積回路１２５では、両者比較器の論理積を取りその
結果より空転後に再粘着したかどうかの信号が出力され
る。即ち、空転が発生し再粘着する際はロータ周波数fr
の微分値fr′が負で且つfrの２回微分値fr″が正となる
条件が成立することによるものである。

【００１８】一方、滑走後の再粘着の検知として、比較
器１２３に微分値frb′ が、比較器１２４に２回微分値
frb″が入力される。ここで比較器１２３ではfrb′が所
定値よりも大の時“１”が出力され、比較器１２４では
frb″ が所定値より小の時“１”が出力されるよう設定
されている。論理積回路１２６では、両者比較器の論理
積を取りその結果より滑走後に再粘着したかどうかの信
号が出力される。即ち、滑走が発生し再粘着する際はロ
ータ周波数frの微分値fr′が正で且つfrの２回微分値f
r″が負となる条件が成立することによるものである。

【００１９】切換器１２７では、指令発生器５６からの
加速／減速指令Ｐ／Ｂに基づき加速指令ＰでＰ側に、減
速指令ＢでＢ側に切り換え、加速中には論理積回路１２
５の出力が、減速中には論理積回路１２６の出力が空
転，滑走後の再粘着検知信号２２として出力される。

【００２０】図６は、電流制御器７の具体的な構成と機
能を示す。フリップフロップ１３１では、空転・滑走検
知信号２１が一旦“１"となると再粘着検知信号２２が
“１"になるまで空転・滑走信号２３が“１”で保持さ
れる。空転・滑走信号２３が“１”の期間即ち空転又は
滑走中は切換器１３２，１３３は“１”側に切り換えら
れ、電流絞り量演算器１３４は所定の値を出力し減算器
１３５に入力される。この時切換器１３３は“１”側に
切り換わっているため減算器１１３の差分入力値１３６
は“０”であり、電流絞り量演算器１３４の出力値がそ
のままリミッタ付積分器１３７に入力される。リミッタ
付積分器１３７において、加算器１３８により電流絞り
量演算器１３４の出力値は保持器１３９の出力値と加算
され積分値を得る。この積分値はリミッタ１４０により
“０”以上で電流指令Ｉｐ以下の値にリミットされ電流
制御量ΔＩｐとして出力される。

【００２１】すなわち、空転・滑走検知信号２１が
“１”となってから再粘着検知信号２２が“１”となる
までの期間ΔＩｐは増加し、減算器１１により電流指令
Ｉ^* を減少させることで誘導電動機のトルクを減少させ
ていく。次に再粘着検知信号２２が“１”となると空転
・滑走信号２３は“０”となり切換器１３２，１３３は
“０”側に切り換えられ、電流復帰量演算器１４１は所
定の値を出力し、この値が減算器１３５に差分入力値１
３６として入力される。この時、切換器１３２は“０"
側に切り換わっているため減算器１３５の和分入力値１
４２は“０"であり、電流復帰量演算器１４１の出力値
が負の値としてリミッタ付積分器１３７に入力される。
この結果、加算器１３８では保持器１３９より得られる
前回値から電流復帰量演算器１４１の出力値を減算する
ことで積分値を減少させていき、リミッタ１４０により
“０”以下にならないようリミットしトルク電流制御量
ΔＩｐが出力される。

【００２２】図７は、微分器４１，４２の具体的な構成
例を示す。減算器１４６ではその時点のロータ周波数fr
と保持器１４７による時刻Ｔ１秒前のロータ周波数frの
差分が演算され、その出力を乗算器１４８により１／Ｔ
１倍して１秒あたりのロータ周波数の変化量に換算し、
これをロータ周波数の微分値fr′（ロータ周波数の時間
変化率相当）として出力される。図５の微分器１２８も
同様の構成で実現できる。

【００２３】次に、本発明の図１の実施例における動作
を空転発生時の場合について図８により説明する。ここ
では加速指令中に電動機Ｎo.１（誘導電動機９１）だけ
に空転が発生した場合を例にとる。同図において、時刻
Ｔ１で空転が発生しロータ周波数fr１が急激に増加する
とロータ周波数の微分値fr１′が急上昇する。

【００２４】第１の選択器５ではfr１′,fr２′の最大
値が選択されるので、その出力fra′にはfr１′が選択
される。fra′ が検知レベル２４を超えると空転・滑走
検知器２により空転・滑走検知信号２１が“１”とな
り、空転・滑走信号２３は“１”で保持され時刻Ｔ２で
空転・滑走検知信号２１が“０”となっても“１”のま
まとなる。空転・滑走信号２３が“１”の期間中図６に
おける電流絞り量演算器１３４は所定値を出力し、減算
器１３５の和分入力値１４２が一定値ΔＩａ１の場合に
は電流制御量ΔＩｐは一定の傾きで増加し、誘導電動機
のトルクを減少させて車輪とレールを再粘着に向かわせ
るよう作用する。

【００２５】一方、第２の選択器６では、空転・滑走信
号２３が“１”となっている間は、信号２３が“１”と
なった時点（この場合Ｔ１）のfr′が最大値となる電動
機Ｎo.（この場合はＮo.１）の値を選択する（この場合
はfr１′）ので、その出力frb′及びその微分値frb″は
図８に示したようになる。

【００２６】電流を絞っていく過程の時刻Ｔ４で車輪と
レールが再粘着すると、frb′ は負から正へと移行し、
frb″は正の値となる。よって、この時、frb′が負でfr
b″が正となる条件が成立し、再粘着検知信号２２が
“１”となり、空転・滑走信号２３は“０”となる。

【００２７】空転・滑走信号２３が“０”となると、電
流復帰量演算器１４１は所定の値を出力する。図８では
電流復帰量演算器１４１の出力をΔＩｂ１からΔＩｂ２
へと切り換える場合のもので、トルク電流制御量ΔＩｐ
は２段階で減少し、誘導電動機のトルクを復帰させてい
く。このように再粘着を検知することで、速やかに誘導
電動機のトルクを復帰させることが可能になるため、誘
導電動機のトルクを有効活用することが可能となる。

【００２８】以上説明したように本発明では、空転・滑
走の検知は第１の選択器５の出力fra′を用いて行い、
再粘着の検知に用いる第２の選択器６の出力frb′に
は、空転または滑走を検知してから、再粘着を検知する
までの間は、空転または滑走が発生している電動機の加
速度が選択されるようにすることで、１台の電力変換器
で複数の電動機を駆動する場合でも再粘着検知手段は一
つでよいことになりこれが大きな特徴である。これによ
り、１台の電力変換器で電動機を何台駆動しようが確実
に再粘着の検知ができることは勿論のこと、制御構成が
簡単になるという効果を達成できる。

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、１台の電力変換器で複
数の電動機を駆動する場合にも再粘着検知手段を複数設
ける必要がなく、より簡単な構成で再粘着を検知できる
という効果がある。また、再粘着検知を速やかに精度よ
く出きるので空転・滑走時のトルクの絞り込みを極力少
なくすることができるので、物理的な粘着限界までトル
クを有効活用し、可能な限り電気車の加減速度を高くす
ることができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す制御装置のブロック
図。

【図２】図１における第１の選択器５の詳細構成図。

【図３】図１における第２の選択器６の詳細構成図。

【図４】図１における空転・滑走検知器２の詳細構成
図。

【図５】図１における再粘着検知器３の詳細構成図。

【図６】図１における電流制御器７の詳細構成図。

【図７】図１〜図４のブロック図の動作の一例を示す
図。

【図８】本発明の動作を説明する図。

【符号の説明】

１…空転・滑走制御器、２…空転・滑走検知器、３…再
粘着検知器、５…第１の選択器、６…第２の選択器、７
…電流制御器、２１…空転・滑走検知信号、２２…再粘
着検知信号、２３…空転・滑走信号、４１，４２…微分
器、５６…指令発生器、５８…インバータ、８１，８２
…回転速度検出器、９１，９２…誘導電動機。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数の電動機を駆動する電力変換器と、前
   記電動機のトルクを制御する指令値を発生する手段と、
   前記指令値に基づいて前記電力変換器を動作させる信号
   を出力する手段と、前記おのおのの電動機または電動機
   により駆動される車輪の加速度を検出する手段を備えた
   電気車の制御装置において、 第１の選択器より前記複数の加速度のうちの一つを選択
   し、その値から車輪の空転または滑走を検知する手段
   と、前記空転または滑走が検知された電動機又は車輪の
   加速度を第２の選択器で選択し、その選択された加速度
   を用いて車輪の再粘着を検知する手段と、前記空転，滑
   走検知信号及び前記再粘着検知信号に基づいて前記指令
   値を調整する手段とを備えたことを特徴とする電気車の
   制御装置。
2. 【請求項２】請求項１において、第１の選択器では、電
   気車に加速の指令が与えられている場合には加速度の最
   大値が選択され、電気車に減速の指令が与えられている
   場合には加速度の最小値が選択されるようにしたことを
   特徴とする電気車の制御装置。
3. 【請求項３】請求項１において、第２の選択器では、空
   転または滑走を検知してから、再粘着を検知するまでの
   間は、空転または滑走が発生している電動機の加速度が
   選択され、その加速度とその微分値に基づき再粘着が検
   知されることを特徴とする電気車の制御装置。