JP2005312126A

JP2005312126A - 電気車制御装置

Info

Publication number: JP2005312126A
Application number: JP2004123030A
Authority: JP
Inventors: Osamu Yamazaki; 修山崎; Kazuaki Yuki; 和明結城
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2004-04-19
Filing date: 2004-04-19
Publication date: 2005-11-04

Abstract

【課題】本発明は、電動機の回転速度を検出することなく電動機のトルクを制御する速度センサレスベクトル制御において、各車輪の車輪径差を適切に補正をすることが出来る電気車制御装置を提供することである。
【解決手段】直流を交流に変換するＶＶＶＦインバータと、電動機の回転速度を推定し、前記インバータを制御するベクトル制御演算部と、中央指令所に設置され、前記各車輪の車輪径差を補正する車輪径補正手段とを有し、前記車輪径補正手段は、電気車編成内の速度計、ブレーキ装置、保安機器等の電気車制御装置以外から検出された速度に基づき、各車輪の車輪径差を補正することを特徴とした電気車制御装置
【選択図】図１

Description

本発明は、電気車制御装置に関する。

従来の電気車制御装置について、図を参照し詳細に説明する。図６は、従来の電力変換器であるVVVFインバータにより直流電力を三相交流電力に変換し電動機を駆動する電気車制御装置の構成図である。

従来の電気車制御装置において、VVVFインバータ１では、運転台２７から出力される力行指令Pまたはブレーキ指令Bにより、電流指令演算器５にて磁束電流指令IdRefとトルク電流パターンIqpを作成する。このトルク電流パターンIqPと空転・滑走制御器１１から得られるトルク電流制御量ΔIqpの差をトルク電流指令IqRefとして、このトルク電流指令IqRefと電動機１２に接続した速度検出器１６から得られる回転速度FR１，電流検出機９及び電流検出機１０から得られる電動機の電流検出値iu及び電流検出値iwをベクトル制御演算器６に入力して、ここで作成した電圧指令をPWM演算器７に入力しゲート信号を生成する。PWMインバータ８ではこのゲート信号をインバータの主回路を構成するIBGTなど、自己消孤形素子に与え、パンタグラフ２０からフィルタコンデンサ２１を介して得られる直流電力を可変電圧可変周波数の三相交流電流電力に変換し、電動機１２を駆動する。VVVFインバータ２乃至VVVFインバータ４に関しても同様に電動機１７乃至電動機１９を駆動する。

乗算器２６では、電動機１６乃至１９の回転速度ＦＲ１乃至ＦＲ４と車輪径差補正量制御器２３で得られた車輪径差補正係数Ｋ１乃至Ｋ４から、車輪径差を補正した電動機の回転速度FR_WD1乃至FR_WD4を出力する。

基準速度演算器２２では、車輪径差を補正した電動機の回転速度FR_WD1乃至FR_WD4と力行回生指令Ｐ，Ｂを入力し、車輪径差補正量制御器２３で車輪径差補正係数Ｋ１乃至Ｋ４を出力する。この車輪径差補正係数Ｋ１乃至Ｋ４に基づき、車輪径差を補正した電動機の回転速度FR_WD1乃至FR_WD4を平均速度演算器２４にて、電気車の基準速度ＦＲＴを作成する。

ここで作成された、基準速度FRT, 車輪径差を補正した電動機の回転速度FR_WD1乃至回転速度FR_WD4をそれぞれVVVFインバータ1乃至 VVVFインバータ４の空転・滑走制御器１１に入力する。空転・滑走制御器１１では、基準速度FRT, 車輪径差を補正した回転速度FR_WD1，トルク電流パターンIqp，力行・ブレーキ指令Ｐ，Ｂからトルク電流制御量ΔＩｑｐを演算する。このトルク電流制御量ΔＩｑｐは減算器２５に出力され、減算器２５で、トルク電流パターンIqpからトルク電流制御量ΔＩｑｐを減算し、IqRefを減少させることで車輪を再粘着へと向かわせる。電動機１７乃至１９に結合された車輪で空転・滑走が発生した場合ついても同様にVVVFインバータ２乃至４が動作し車輪を再粘着へと向かわせる（特許文献１参照）。

ところで、各車輪の車輪径差を補正する車輪径補正量制御器２３は、力行中、またはブレーキ中には、各車輪の回転速度に変化があるため、正しく行われない可能性があるので、各車輪の回転速度に変化が少ない惰行時に車輪径差の補正を行っている。

電動機の回転速度を速度検出器１６により検出し、トルク制御を行ういわゆる速度センサ付ベクトル制御では、惰行期間でも電動機の回転速度がわかるため、惰行期間に車輪径差補正制御器を動作させれば良い。

しかし、速度検出器１６は、各電動機に一台ずつ必要であるため、装置重量が重くなり、コストもかかる。

上述したような問題を解決するために、速度検出器１６を使用しない、センサレスベクトル制御を用いた電気車制御装置が、近年考案されている。センサレスベクトル制御を用いた電気車制御装置について、図を参照し詳細に説明する。図７は、電動機の回転速度を検出することなく電動機のトルクを制御する速度センサレスベクトル制御を適用した場合のベクトル制御器６の構成例である。

電動機電流iu及び電動機電流iwは、座標変換器３０によって、ＤＱ軸電流Id及びＤＱ軸電流Iqに変換される。電圧指令器３１では、励磁電流指令IdRefと励磁電流Idが、トルク電流指令IqRefとトルク電流Iqとが一致するように出力電圧指令Vd*、Vq*を演算出力する。座標変換器３２では、DQ軸出力電圧指令Vd*, Vq*を三相電圧指令に変換し出力する。

誘起電圧制御器３４では、DQ軸電圧指令Vd*,Vq*とDQ軸電流Id及びDQ軸電流IqとからD軸誘起電圧Edを式１に基づいて演算出力する。

Ed = Vd* - R1×Id + ω1 ×σL1 × Iq・・・式１
ここに、Ｒ１：1次抵抗、σ：漏れ係数（= 1- M×M/L1/L2）、L1：１次自己インダクタンスである。

インバータ出力周波数制御器３５では、入力であるD軸誘起電圧Edが零となるようにインバータ出力周波数基準ω1*を式２に基づいて制御出力する。

ω1* = - (Kp + Ki / s ) Ed・・・式２
ここに、Kp：比例ゲイン、Ki：積分ゲイン、s：ラプラス演算子である。

積分器３３では、インバータ出力周波数ω1を積分し、座標変換器３０，３２で用いる（静止座標系の基準軸Ａ軸に対する）Ｄ軸の位相角θを生成出力する。

以上により速度検出器を用いずにインバータの出力周波数および出力電圧を制御し、電動機のトルクを制御することができる。すべり周波数制御器３６では、磁束電流指令IdRef,とトルク電流指令IqRefからすべり周波数基準ωs*を式３に基づいて演算する
ωs *= R2/L2 × IqRef / IdRef・・・式３
ここに、Ｒ２：２次時定数、Ｌ２：２次自己インダクタンスである。

数２により演算されたインバータ周波数基準ω１*からすべり周波数基準ωs*を減算器３７にて減算し電動機の回転速度をFRHを式４に基づいて推定することができる。

FRH =ω1*―ωs *・・・・式４
この回転速度推定値FRHを空転・滑走再粘着制御用として用いる。

また、力行指令あるいはブレーキ指令によってインバータを始動する場合、電気的また機械的に安定でスムーズな始動とするため、インバータ出力周波数を回転速度すなわちロータ周波数に一致させて始動する必要がある。速度センサ付ベクトル制御では、速度検出器の回転速度により、インバータ出力周波数をロータ周波数に一致にさせて始動する。

一方、速度センサレスベクトル制御では、図７で説明のように電動機の磁束あるいは誘起電圧に基づき回転速度すなわちロータ周波数を推定するため、ゲート信号を停止し電動機への励磁を行わない惰行中は速度を推定することができない。このため、インバータを始動した直後に、通常運転時の回転速度推定方式とは異なる概略のロータ周波数を推定するための制御モードが設けられる。このような概略速度の推定方法については、特許文献２などに記載がある。

このように構成されたセンサレスベクトル制御を行う電気車制御装置は、速度検出器１６がなくても、電動機の回転速度を推定することが出来た。
特開2001-145207号公報特開2000-253506号公報

しかし、速度センサレスベクトル制御では、惰行中やインバータの始動直後で概略速度推定が完了するまでは、速度を把握することはできないので、従来の電気車制御装置で惰行時にロータ周波数をもとに行っていた車輪径差補正が、速度センサレスベクトル制御の場合は出来ない。車輪径補正を適宜行わないと、空転や滑走を誤検出し、加減速度の低下を招く可能性がある。

そこで、本発明は、電動機の回転速度を検出することなく電動機のトルクを制御する速度センサレスベクトル制御において、各車輪の車輪径差を適切に補正をすることが出来る電気車制御装置を提供することである。

上記課題は、センサレスベクトル制御方式により制御され、直流を交流に変換するＶＶＶＦインバータと、前記電動機により駆動される各車輪の車輪径差を補正する車輪径補正手段とを備えたことによって達成することができる。

上記課題は、直流を交流に変換するＶＶＶＦインバータと、電動機の回転速度を推定し、前記インバータを制御するベクトル制御演算部と、前記電動機により駆動される各車輪の車輪径差を補正する車輪径補正手段とを有し、前記各車輪の車輪径差を補正する車輪径補正手段は、前記ベクトル制御演算部から得られた推定速度に基づき、各車輪径差補正することによって達成することができる。

上記課題は、直流を交流に変換するＶＶＶＦインバータと、電動機の回転速度を推定し、前記インバータを制御するベクトル制御演算部と、前記各車輪の車輪径差を補正する車輪径補正手段は、電気車編成内の速度計、ブレーキ装置、保安機器等の電気車制御装置以外から検出された速度に基づき、各車輪の車輪径差を補正することを特徴とした電気車制御装置によって達成することができる。

本発明により、各車輪の車輪径差を適切に補正をすることが出来る電気車制御装置を提供することができる。

（第１の実施の形態）
本発明に基づく第１の実施の形態の電気車制御装置について、図を参照し詳細に説明する。図１は、本発明に基づく第１の実施の形態の電気車制御装置のブロック図である。図２は、本発明に基づく第１の実施の形態の電気車制御装置における車輪径補正演算器２３の構成図である。図３は、本発明に基づく第１の実施の形態の電気車制御装置における車輪径差補正可否判定器５７における詳細の構成を示したものである。図６及び図７に記載したものと構造上同一のものについては、同符号を付して説明を省略する。

本発明に基づく第１の実施の形態の電気車制御装置は、回転速度を検出することなく電気車の電動機を駆動する速度センサレスベクトル制御を適用し、1台のVVVFインバータで1台の電動機を駆動する駆動ユニットを４つ備えている。

本発明に基づく第１の実施の形態の電気車制御装置において、ベクトル制御器６の出力である回転速度推定値FRH１は、乗算器２６に入力される。乗算器２６では、回転速度推定値FRHと基準速度演算器２２で得られた車輪径差補正係数ｋ１をそれぞれ乗算し、各車輪の車輪径差を補正した回転速度FR_WD1を出力する。同様にVVVFインバータ２乃至VVVFインバータ４でも回転速度FR_WD2乃至回転速度FR_WD4を演算出力する。

このように構成された電気車制御装置において、乗算器２６の出力である車輪径差を補正した電動機の回転速度FR_WD1乃至FR_WD4は、平均演算器５６に入力される。平均演算器５６では、電動機の回転速度FR_WD1乃至回転速度FR_WD4の平均値を選択出力する。車輪径差補正可否判定器５７では、電動機の回転速度の平均値と力行回生指令P,Bから車輪径差補正可否を判定し、車輪径差補正可と判定した場合、“１”を出力する。

減算器４０乃至減算器４３では、平均演算器５６からの入力である回転速度平均値と各電動機の回転速度FR_WD1乃至回転速度FR_WD4の差分を、ΔFR1乃至ΔFR4としてそれぞれ出力し、積分器４４乃至積分器４７に入力する。積分器４４乃至積分器４７では、車輪径差補正可否判定器５７から入力が“１”のとき車輪径差補正可とみなし、減算器４０乃至減算器４３から入力であるΔFR１乃至ΔFR4を積分し出力する。リミッタ４８乃至リミッタ５１では、上限値、下限値をリミットするものであって、積分器４４乃至積分器４８から入力が有り得ない値になるのを防止する。

加算器５２乃至５５では、リミッタ４８乃至５１からの入力に１００％（係数１）を加算し、車輪径差補正係数ｋ１乃至ｋ４を出力する。

比較器６０では、電動機の回転速度FR_WD1をあらかじめ設定した所定の速度FR_Cmpと比較し、FR_WD1がFR_Cmp以上のとき“１”を出力する。ワンショット信号生成器６１では力行回生指令Ｐ，Ｂの立ち上がりで所定時間“１”を出力する。比較器６０の出力とワンショット生成器６１の出力のＡＮＤ条件を論理積６２で生成し、車輪径差補正可否判定結果として出力する。車輪径差補正可否判定結果が“１”のとき車輪径差補正可とみなす。

このように構成された電気車制御装置は、力行指令投入後、またはブレーキ指令投入後の所定時間でかつ回転速度が所定速度以上のとき車輪径差補正を行う。通常、ＶＶＶＦインバータの起動時は、乗り心地が悪くならないように徐々にトルク電流指令を上昇させる。この期間に車輪径差補正を行えば、トルク電流指令の上昇後に行うよりも速度変動が小さく、演算誤差の少ない車輪径差補正係数が演算できる。

ＶＶＶＦインバータが起動するときはトルク電流指令を徐々に上昇させているが、ＶＶＶＦインバータが停止するときは起動時と逆にトルク電流指令を徐々に下降させる。したがってＶＶＶＦインバータの停止直前で行うようにしても同等な効果が得られる。

さらに、電気車が惰行しているとき、トルク電流０でＶＶＶＦインバータのゲート信号を出力する期間を設けることで電動機の回転速度を推定し、これに基づき車輪径差補正係数を演算することでより、より精度を高くすることができる。

このように構成された電気車制御装置は、ゲート信号を停止している惰行中には速度を推定することができない速度センサレスベクトル制御を適用した場合においても速度センサ付ベクトル制御とほぼ同等の、車輪径差を補正した電動機の回転速度を算出することが可能となり、空転や滑走を誤検出することなく適切な空転滑走再粘着制御が可能となる。

このように構成された電気車制御装置は、電動機の回転速度を検出することなく電動機のトルクを制御する速度センサレスベクトル制御において、各車輪の車輪径差を適切に補正をすることが出来る。

尚、本発明に基づく第１の実施の形態の電気車制御装置では、1台のＶＶＶＦインバータで1台の電動機を駆動する駆動ユニットを４つ備えているが、ＶＶＶＦインバータ１台で制御する電動機の台数は複数でもよく、また、駆動ユニットの数も４台である必要はなく、基準速度演算器は電動機の台数だけ回転速度の入力部，車輪径差補正係数の出力部を備えれば良いことは言うまでもない。また、電動機の回転速度としては、電気車編成内の速度計、ブレーキ装置、保安機器等の電気車制御装置以外からの検出された速度を用いて各車輪の車輪径差を補正しても良い。

（第２の実施の形態）
本発明に基づく第２の実施の形態の電気車制御装置について、図を参照し詳細に説明する。図１は、本発明に基づく第４の実施の形態の電気車制御装置のブロック図である。図１乃至図３に記載したものと構造上同一のものについては、同符号を付して説明を省略する。

本発明に基づく第２の実施の形態の電気車制御装置は、本発明に基づく第１の実施の形態の電気車制御装置図と、運転台２７からＶＶＶＦインバータ１乃至ＶＶＶＦインバータ４に送る力行回生指令Ｐ，ＢとＶＶＶＦインバータ１乃至ＶＶＶＦインバータ４と基準速度演算器２２の間でやり取りされる回転速度FR_WD1乃至回転速度FR_WD4、車輪径差補正係数ｋ１乃至車輪径差補正係数ｋ４、及び基準速度FRTをシリアル通信化したところが異なる。

本発明に基づく第２の実施の形態の電気車制御装置において、運転台２７からの力行・ブレーキ指令Ｐ，Ｂはシリアル通信変換器７０に入力され、シリアル通信変換器７０乃至シリアル通信変換器７４を介してＶＶＶＦインバータ１乃至ＶＶＶＦインバータ４に送られる。また、電動機１２乃至電動機１５の回転速度FR_WD1乃至回転速度FR_WD4はそれぞれシリアル通信変換器７１乃至シリアル通信変換器７４に入力され、シリアル通信変換器７０を介して基準速度演算器２２に出力される。基準速度演算器２２では第１の実施の形態の電気車制御装置の場合と同様に車輪径差補正係数ｋ１乃至車輪径差補正係数ｋ４と基準速度FRT演算し、シリアル通信変換器７０を介してシリアル通信変換器７１乃至シリアル通信変換器７４へそれぞれ出力する。ＶＶＶＦインバータ１乃至ＶＶＶＦインバータ４ではシリアル通信変換器７１乃至シリアル通信変換器７４から入力された力行・ブレーキ指令Ｐ，Ｂ，基準速度FRT，車輪径差補正係数ｋ１乃至車輪径差補正係数ｋ４に基づき電動機１２乃至電動機１５をそれぞれ制御する。

このように構成された電気車制御装置によれば、各ＶＶＶＦインバータと基準速度演算器の間の速度情報のやりとりをシリアル通信化（伝送線路により伝達）することで、システム全体として信号線の削減が図れる他、１台のＶＶＶＦインバータが制御する電動機の台数が増加してもシステムの拡張が容易になるという効果が得られる。

（第３の実施の形態）
本発明に基づく第３の実施の形態の電気車制御装置について、図を参照し詳細に説明する。図５は、本発明に基づく第３の実施の形態の電気車制御装置のブロック図である。図１乃至図４に記載したものと構造上同一のものについては、同符号を付して説明を省略する。

本発明に基づく第３の実施の形態の電気車制御装置は、基準速度演算器２２を中央指令所２６に設置している。

このように構成された電気車制御装置は、基準速度演算器２２を中央指令所に設置する構成となっているため、第１の実施例に比べ、電気車制御装置を小型化することができる。また電気車制御装置の一部を中央指令所２６に統括しておくことで鉄道システム全体のコストも低減ができる。

本発明に基づく第１の実施の形態の電気車制御装置のブロック図である。本発明に基づく第１の実施の形態の電気車制御装置における車輪径補正演算器２３の構成図である。本発明に基づく第１の実施の形態の電気車制御装置における車輪径差補正可否判定器５７における詳細の構成を示したものである。本発明に基づく第２の実施の形態の電気車制御装置のブロック図である。本発明に基づく第３の実施の形態の電気車制御装置のブロック図である。従来の電力変換器であるVVVFインバータにより直流電力を三相交流電力に変換し電動機を駆動する電気車制御装置の構成図である。電動機の回転速度を検出することなく電動機のトルクを制御する速度センサレスベクトル制御を適用した場合のベクトル制御器６の構成例である。

符号の説明

１ VVVFインバータ
２ VVVFインバータ
３ VVVFインバータ
４ VVVFインバータ
５電流指令演算器
６ベクトル制御演算器
７ PWM信号演算器
８ PWMインバータ
９電流検出器
１０電流検出器
１１空転・滑走制御器
１２電動機
１３電動機
１４電動機
１５電動機
１６速度検出器
１７速度検出器
１８速度検出器
１９速度検出器
２０パンタグラフ
２１フィルタコンデンサ
２２基準速度器
２３車輪径差補正量制御器
２４平均速度演算器
２５減算器
２６乗算器
２７運転台
３０座標変換器
３１電圧指令演算器
３２座標変換器
３３積分器
３４誘起電圧制御器
３５インバータ出力周波数制御器
３６すべり周波数制御器
３７減算器
４０減算器
４１減算器
４２減算器
４３減算器
４４積分器
４５積分器
４６積分器
４７積分器
４８リミッタ
４９リミッタ
５０リミッタ
５１リミッタ
５２加算器
５３加算器
５４加算器
５５加算器
５６平均演算器
５７車輪径差補正可否判定器
６０比較器
６１ワンショット信号生成器
６２論理積
７０シリアル通信変換器
７１シリアル通信変換器
７２シリアル通信変換器
７３シリアル通信変換器
７４シリアル通信変換器

Claims

センサレスベクトル制御方式により制御され、直流を交流に変換するＶＶＶＦインバータと、
電動機により駆動される各車輪の車輪径差を補正する車輪径補正手段とを備えたことを特徴とする電気車制御装置。
直流を交流に変換するＶＶＶＦインバータと、
電動機の回転速度を推定し、前記インバータを制御するベクトル制御演算部と、
前記電動機により駆動される各車輪の車輪径差を補正する車輪径補正手段とを有し、
前記各車輪の車輪径差を補正する車輪径補正手段は、前記ベクトル制御演算部から得られた推定速度に基づき、各車輪径差補正することを特徴とした電気車制御装置。
直流を交流に変換するＶＶＶＦインバータと、
電動機の回転速度を推定し、前記インバータを制御するベクトル制御演算部と、
前記各車輪の車輪径差を補正する車輪径補正手段は、電気車編成内の速度計、ブレーキ装置、保安機器等の電気車制御装置以外から検出された速度に基づき、各車輪の車輪径差を補正することを特徴とした電気車制御装置。
前記請求項１乃至請求項３に記載の電気車制御装置において、
前記車輪径補正手段は、前記VVVFインバータのゲート信号を出力した直後に車輪径差の補正を行うことを特徴とした電気車制御装置。
前記請求項１乃至請求項３に記載の電気車制御装置において、
前記車輪径補正手段は、前記VVVFインバータのゲート信号を停止する直前に車輪径差の補正を行うことを特徴とした電気車制御装置。
前記請求項１乃至請求項３に記載の電気車制御装置において、
前記ベクトル制御演算部は、所定値より小さいトルク出力で所定時間前記ＶＶＶＦインバータのゲート信号を前記ＶＶＶＦインバータに出力し、
前記ベクトル制御演算部が所定値より小さいトルクを出力している間に、前記車輪径補正手段は、前記各車輪の車輪径差を補正することを特徴とした電気車制御装置。
前記請求項１乃至請求項３に記載の電気車制御装置において、
前記車輪径補正手段は、前記電動機の回転速度が所定速度以上の高速領域でのみ車輪径差の補正を行うことを特徴とした電気車制御装置。
前記請求項１乃至請求項３に記載の電気車制御装置において、
前記車輪径差補正手段に得られた情報は、伝送線路により伝達することを特徴とした電気車制御装置。
前記請求項１乃至請求項３に記載の電気車制御装置において、
前記車輪径差補正手段は、中央指令所設けられていることを特徴した電気車制御装置。
前記請求項１乃至請求項３に記載の電気車制御装置において、
前記車輪径差補正手段は、前記ベクトル制御演算部により、電動機の回転速度の推定が完了までは前記各車輪の車輪径差を補正しないことを特徴とする電気車制御装置。