JP2010239683A - 渦電流ブレーキの制御装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 鉄道車両のレールに対向する位置に設けられたリニア誘導モータの電機子11、12を交流励磁してブレーキ力を発生させる渦電流ブレーキの制御装置において、初期励磁手段は、補助電源回路の低圧電源で初期励磁し、電力制御手段は、渦電流ブレーキの発電電力が交流励磁の周波数と一次電流大きさに対して一義的に決まる特性を利用して渦電流ブレーキの動作に必要な発電電力を過不足なく得るための制御を行い、制動力制御手段は、ブレーキ力が周波数によらずほぼ一定で、一次電流大きさに対して一義的に決まる特性を利用し、必要なブレーキ力を得られるよう出力電圧を制御する。
【選択図】 図2
Description
渦電流ブレーキは、電磁力を利用して台車とレール間に非接触で制動力を作用させる。従来の渦電流ブレーキでは、所定の制動力を得るために比較的大きな励磁電力が必要であり、そのために、電源として、主回路を使用したり、大規模バッテリの利用が検討されたりしていた。
前記初期励磁手段は、補助電源回路の低圧電源で初期励磁を行う。
これにより、ブレーキ力(制動力)を渦電流ブレーキの制御装置で制御することが可能になる。
前記渦電流ブレーキの発電電力をP、前記交流励磁の周波数をf、前記電機子の抵抗をr1、比例定数をKとするとき、
図1は、本発明の一実施形態に係る渦電流ブレーキ装置及びその周辺部分を示す図である。
渦電流ブレーキ装置は、励磁極として、リニア誘導モータの電機子を適用する。すなわち、一方のレール21に対向するように第1の電機子11が配置され、他方のレール22に対向するように第2の電機子12が配置される。これらの電機子11、12は、コア(磁心)に形成された複数の溝に巻線を巻いて構成された直線状の電磁石であり、車輪13を回転可能に支持する台車14または車輪支持点である軸箱に固定されている。
図2は、1車両2台車についての電源回路および制御回路の基本構成を示している。1台の台車に、電機子11、12が、もう1台の台車に電機子11’、12’が装備されている。
PWMインバータ15は、車輪13を介してレールに接地されており(19)、補助電源装置16からスイッチ17、ダイオード18を介して印加される例えば100Vの直流電圧に基づいて、電機子11、12、11’、12’に交流電流を流し、電機子11、12、11’、12’を励磁して、ブレーキ力を発生させる。
ここで、図2では、1台車の(または11’、12’)をPWMインバータ15に対して直列に接続し、2台の台車の電機子11、12および電機子11’、12’をPWMインバータ15に対して並列に接続しているが、電機子11、12、
11’、12’の接続構成はこれに限るものではない。
11’、12’の巻線に流れる電流を検出するために、PWMインバータ15の出力側に電流検出器31が配置され、検出された電流値IU、IV、IW32が制御回路20に入力される。
制御回路20の詳細については後述するが、制御回路20は、電流検出器31により検出された電流値IU、IV、IW32に基づいて、電機子11、12、11’、12’に流れる電流ベクトルを検出し、制動力指令信号Iref 234と直流電圧設定値Vdc_ref33、実速度Vel35に従い、電機子11、12、11’、12’に供給する3相交流電圧パターンTU、TV、TW36を算出し、PWMインバータ15に出力する。
図3において、渦電流ブレーキ装置を構成する電機子11、12、11’、12’、PWMインバータ15、制御回路20等を装備した車両は、レール21、22上を走行することにより運動エネルギを蓄えている。この運動エネルギは、制動時には電機子11、12、11’、12’の銅損およびレール21、22の発熱で消費することになる。
速度制御用途などに使用される従来の誘導機制御には、ベクトル制御や、V/F制御と滑り周波数制御を組み合わせた制御方式が使用されている。これらの方法は、トルクに比例するパラメータを直接制御することでトルク制御系(速度制御系)の高応答化を図るものである。
また、図4(b)に示すように、発電電力は、速度に依存せず、インバータ周波数fに対して一義的に決まる直線的特性を示している。
さらに、図4(c)に示すように、皮相容量は、インバータ周波数fに対して二乗曲線的に増加する特性を示す。
また、発電電力についても、一次電流I1とインバータ周波数fに対して一義的に決まるので、制御回路20の構築に好都合である。
速度情報を必要としない制御系は、フェイル要因の排除の観点から有利であり、信頼性が重視されるブレーキシステムに適用する利点は大きい。
制御回路20は、予め設定される直流電圧設定Vdc_ref33、必要な制動力に応じて設定される制動力指令の電流振幅値Iref 234を設定値とし、渦電流ブレーキ40の電機子11、12、11’、12’の巻線に流れ、電流検出器31で検出される現在の電流値IU、IV、IW32と、PWMインバータ15の入力側に設けられた電圧検出器37で検出される現在の電圧値、速度センサ(図示しない)で検出される実速度Vel35を元に、(2)式をフォワード項としたPI(Proportional Integral)制御、PD(Proportional Differential)制御等により、PWMインバータ15に設定する3相出力電圧パターンTU *、TV *、TW *36を算出する。
周波数指令fref *の変化に対して制動力は直接的な干渉はほとんど受けないが、出力電流Iが干渉を受け、その結果間接的に干渉を受けるため、周波数指令fref *および出力電流指令Irefに応じたフォワード出力電圧Vrefを加算して出力電圧指令Vref *を算出することにより、非干渉化する。
渦電流ブレーキ自身の動作に過不足ない電力を発電させる場合には定数Kpを零とするが、この場合は出力電流Iの変化に対して直流電圧Vdcは干渉を受けない。また、渦電流ブレーキ自身の動作に過不足ない電力を発電させる場合の周波数を予めKrとして設定しておき、これをフォワード周波数指令frefとして周波数指令の差分値Δfrefと加算する。
定数Krは、速度、周波数、出力電流に依存しない一定値として差し支えない。
すなわち、フォワード周波数指令frefから大きく周波数が増加しすぎると制動力や発電電力が減少する領域に入るため、周波数指令上限fmaxを定める必要があるためである。
周波数指令fref *の上限値は実速度Vel35から演算器204により求めることが可能である。ここで、Smaxは滑りの最大値、τは磁極ピッチである。これにより求めた上限値fmaxを比較器211に設定することにより、0<≦fmaxの範囲の周波数指令fref *を求める。
また、初期励磁時に例えば100Vの補助電源装置16から電圧を供給することにより、その後は外部からの電力供給をすることなく、例えば600Vにプリセットされた直流電圧設定Vdc_ref33にまで直流電圧値を上昇させ、その後は直流電圧値を維持し、制動力を保ちつつ、発電電力と電機子銅損の平衡を保つように電力制御を行うことが可能になる。
多くの部分は図6に示した第1の実施形態にかかる制御回路20の制御ブロック図と同様の構成である。
第2の実施形態の制御回路20は、第1の実施形態で使用した実速度Vel35を用いずに周波数指令上限fmaxを定める。
図7において、上限周波数を規定する情報は周波数変化上限値Fmax220である。すなわち、適切な周波数変化上限値Fmax220を速度に依存しない一定値として予め定めておき、これを比較器211の上限値fmaxとして設定する。
ここでは、出力電流コントローラにはPI制御を、直流電圧コントローラにはPD制御を適用した。
この間、渦電流ブレーキ装置、PWMインバータ15および制御回路20は外部との電力授受はなく、完全に独立電源系として動作することが可能である。
また、速度信号が必須でなく、速度センサなしで制御回路20を構成することが可能であり、設備を簡素化することが可能である。
15………PWMインバータ
16………補助電源装置
17………スイッチ
18………ダイオード
19………接地
20………制御回路
21、22………レール
31………電流検出器
32………3相出力電流IU、IV、IW
33………直流電圧設定Vdc_ref
34………制動力指令Iref 2
35………実速度Vel
36………3相出力電圧パターンTU *、TV *、TW *
37………電圧検出器
Claims (9)
- 鉄道車両においてレールに対向する位置に設けられたリニア誘導モータの電機子を交流励磁することによりブレーキ力を発生させる渦電流ブレーキの制御装置であって、
小容量の電源で初期励磁を行う初期励磁手段と、
前記渦電流ブレーキの発電制動により前記渦電流ブレーキの動作に必要な発電電力を過不足なく得るための制御を実施する電力制御手段と、
を具備することを特徴とする渦電流ブレーキの制御装置。 - 鉄道車両においてレールに対向する位置に設けられたリニア誘導モータの電機子を交流励磁することによりブレーキ力を得る渦電流ブレーキの制御装置であって、
ブレーキ力を制御する制動力制御手段を更に具備することを特徴とする請求項1記載の渦電流ブレーキの制御装置。 - 前記初期励磁手段は、補助電源回路の低圧電源で初期励磁を行うことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の渦電流ブレーキの制御装置。
- 前記渦電流ブレーキの直流電源電圧を検出する電圧検出器と、
前記渦電流ブレーキの3相出力電流を検出する電流検出器を備え、
前記電力制御手段は、前記渦電流ブレーキの発電電力が前記交流励磁の周波数と一次電流量大きさに対して一義的に決定される特性を利用し、前記電圧検出器により検出される直流電圧が、予め定めた前記渦電流ブレーキの動作に必要な直流電圧値に追従するように、前記交流励磁の周波数を制御することを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の渦電流ブレーキの制御装置。 - 前記制動力制御手段は、ブレーキ力が滑り周波数によらずほぼ一定であり、一次電流大きさにより一義的に決定される特性を利用し、前記電流検出器により検出される出力電流が、必要なブレーキ力を得るための一次電流大きさの指令値に追従するように、出力電圧を制御することを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の渦電流ブレーキの制御装置。
- 前記電力制御手段により決定される交流励磁の周波数を、前記鉄道車両に設けた速度センサにより測定した走行速度に応じた周波数上限値以下に制御することを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれかに記載の渦電流ブレーキの制御装置。
- 前記電力制御手段により決定される交流励磁の周波数を、前記鉄道車両の走行速度に依存しない所定の周波数上限値以下に制御することを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれかに記載の渦電流ブレーキの制御装置。
- 前記電力制御手段により実施される制御において、制御装置は電機子に無効電力のみを供給し、制御装置と電機子とで構成される交流回路が零力率で運転されることを特徴とする請求項1乃至請求項8のいずれかに記載の渦電流ブレーキの制御装置。
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