JP2014217096A - 誘導機制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】一部車輪軸の空転、滑走が大きくなったこと等を検知して、誘導機が脱調状態となる前に誘導機のトルク制御を停止させる。【解決手段】複数台の誘導機１０１〜１０４と、各誘導機に入力される電流ｉ１〜ｉ４を検出する電流検出部２０１〜２０４と、前記各誘導機に入力される電流及び電圧指令Ｖから、前記各誘導機の二次磁束Φ２Ｖ１〜Φ２Ｖ４を演算する二次磁束演算部１０と、前記各誘導機に入力される電流及び前記各誘導機の二次磁束から、前記各誘導機の回転速度ωｍ^１〜ωｍ^４を演算する各誘導機回転速度演算部７と、前記各誘導機の回転速度に基づいて、いずれかの誘導機の速度が異常であることを示す検知信号Ｋを出力する回転速度異常検知部８と、前記検知信号に応答して前記複数台の誘導機のトルク制御を切り替えるトルク制御切替部と、を備えることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、誘導機のトルク制御を行う誘導機制御装置に関するもので、特に、複数台の誘導機を一括してトルク制御する際に発生する恐れのある脱調状態を回避するものである。

列車等の車両においては、複数台誘導機のトルクを一括制御する台車制御や１車両制御が一般的に行われている。図２は、このような従来の誘導機制御装置の構成例を示すブロック図である。

電流検出部２は、電力変換部３から個々の誘導機101、102、103及び104に流れる電流の総和である総和電流ｉを検出する。なお、図２には４台の誘導機を示しているが、誘導機は複数台であれば何台であっても良い。以下、誘導機は４台とし、 また各誘導機101、102、103及び104のモータ定数は同じであるとして説明するが、それ以外の構成をとることもできる。

図２に示す誘導機制御装置では、特許文献１等に記載されるように、小型化等の観点から、誘導機には回転速度検出器が取り付けられていない。そして、誘導機の総和電流ｉと電力変換部３に入力される電圧指令ｖとから、誘導機の回転速度ωｍを演算する。以下にその手順を示す。

電圧系磁束演算部５は、総和電流ｉと電力変換部３に入力される電圧指令ｖから、誘導機磁束φを式(1)で演算する。

ここで、Ｒ１は全誘導機の一次抵抗合成値、Ｌ２は二次自己インダクタンス合成値、Ｍは相互インダクタンス合成値、Lekは漏れインダクタンス合成値である。なお漏れインダクタンス合成値Lekは、

で与えられる。ここで、Ｌ１は全誘導機の一次自己インダクタンス合成値である。

全誘導機回転速度演算部６は、総和電流ｉと誘導機磁束φとから、式(3)〜式(5)を用いて誘導機回転速度ωｍを演算する。

ここで、記号「×」はベクトルの外積を、記号「・」はベクトルの内積を、記号「｜｜」はベクトルのノルムをそれぞれ示す。また、Ｒ２は全誘導機の二次抵抗合成値、ＦＡとＦＢは誘導機磁束φの各成分である。

式(5)で演算される誘導機回転速度ωｍは、式(6)で示す各誘導機回転速度の平均値となる。

ここで、ωｍ1は誘導機101の回転速度、ωｍ2は誘導機102の回転速度、ωｍ3は誘導機103の回転速度、ωｍ4は誘導機104の回転速度である。

次にトルク制御部４は、入力される運転指令Ｎがオンのときは、誘導機回転速度ωｍと総和電流ｉに基づいて、全誘導機の磁束と総トルクがそれぞれ、磁束指令φ＊、トルク指令τ＊となるような電圧指令ｖを出力する。運転指令Ｎがオフのときは、電圧指令ｖを０として、全誘導機を無制御状態とする。
電力変換部３は電圧指令ｖを増幅し、負荷である誘導機101〜104に電力を供給する。

以上の構成とすることにより、運転指令がオンのときには、複数台誘導機の総トルクをトルク指令τ＊に追従させる制御ができる。ここで示す例では、各誘導機のモータ定数が同じであるため、各誘導機は、トルク指令τ＊の１／４ずつのトルク（τ＊／４）を出力する。一方、運転指令をオフにすれば、全誘導機を無制御状態にすることができる。

なお図示はしないが、運転指令Ｎを直接電力変換部３へ入力するとともに、電力変換部３が、運転指令Ｎがオンの場合に電圧指令ｖに相当する電力を誘導機101〜104に供給し、運転指令Ｎがオフの場合に誘導機101〜104への電力供給を停止するように構成しても、同等の機能を得ることができる。

特開平11-69895号公報

従来技術においては、以下に示す問題点がある。
例えば車輪や線路の状態によって、車輪と線路との間の摩擦力が変化することで、一括制御している車輪軸の一部が空転して回転速度が大きくなる場合がある。例えば図２の誘導機103が空転し、その回転速度ωｍ3が他の誘導機の回転速度ωｍ1、ωｍ2及びωｍ4に比べて大きくなった場合、式(6)によれば、誘導機回転速度ωｍの演算誤差が発生する。誘導機103の空転が大きく、誘導機103の回転速度ωｍ3が誘導機回転速度ωｍと大きく異なる場合には、誘導機103が脱調状態となる。そしてさらに誘導機103の空転が大きくなれば、誘導機101や誘導機102や誘導機104も脱調状態となる。

また、一部車輪軸の滑走が大きくなる場合には、該車輪軸を駆動する誘導機の回転速度が、他の誘導機の回転速度と比べて小さくなる。この場合にも、誘導機の空転時と同様に各誘導機が脱調状態になるおそれがある。

このように誘導機が脱調状態になると、トルク制御ができなくなるおそれがあり、また過電流や過電圧により、誘導機の破壊、電力変換部素子の破壊を引き起こすおそれがある。
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、一部車輪軸の空転、滑走が大きくなったこと等を検知して、誘導機が脱調状態となる前に誘導機のトルク制御を停止させるものである。

前述の問題点を解決するために、この発明の誘導機制御装置は、複数台の誘導機101〜104と、各誘導機101〜104に入力される電流i1〜i4を検出する電流検出部201〜204と、前記各誘導機101〜104に入力される電流i1〜i4及び電圧指令vから、前記各誘導機101〜104の二次磁束φ2v1〜φ2v4を演算する二次磁束演算部１０と、前記各誘導機101〜104に入力される電流i1〜i4及び前記各誘導機101〜104の二次磁束φ2v1〜φ2v4から、前記各誘導機101〜104の回転速度ωｍ^1〜ωｍ^4を演算する各誘導機回転速度演算部７と、前記各誘導機101〜104の回転速度ωｍ^1〜ωｍ^4に基づいて、いずれかの誘導機の回転速度が異常であることを示す検知信号Ｋを出力する回転速度異常検知部８と、前記検知信号Ｋに応答して前記複数台の誘導機101〜104のトルク制御を切り替えるトルク制御切替部と、を備えることを特徴とする。

そして、好ましくは、全誘導機101〜104の総和電流iと前記電圧指令vから誘導機磁束φを演算する磁束演算部５と、前記誘導機磁束φ及び前記総和電流iから誘導機回転速度ωｍを演算する全誘導機回転速度演算部６と、運転指令Ｎと前記検知信号Ｋとから制御指令ＮＮを作成する運転論理部９と、前記総和電流i、前記誘導機回転速度ωｍ、磁束指令φ＊、トルク指令τ＊及び前記制御指令ＮＮを基に、前記複数台の誘導機101〜104のトルクを一括制御するトルク制御部４と、をさらに備える。

また、好ましくは、前記各誘導機101〜104の回転速度ωｍ^1〜ωｍ^4のうち、最大の回転速度と最小の回転速度との差ωｄｉｆｆが、検知閾値ωＬを超えた場合、または検知閾値ωＬ以上である場合に、前記回転速度異常検知部８は前記検知信号Ｋをオンとする。

この発明に係る誘導機制御装置によれば、一部車輪軸の空転、滑走が大きくなったこと等を検知して、誘導機が脱調状態となる前に誘導機のトルク制御を停止させることができる。

図１は、本発明の誘導機制御装置の一構成例を示すブロック図である。 図２は、従来の誘導機制御装置の一構成例を示すブロック図である。 図３は、本発明の誘導機制御装置の回転速度異常検知部で算出するωｄｉｆｆの大きさと、検知信号Ｋとの関係を示す図である。一構成例を示す図である。

図１に示すように、本発明の誘導機制御装置は、各誘導機101〜104に入力される電流i1〜i4を検出する電流検出部201〜204と、二次磁束演算部１０と、各誘導機回転速度演算部７と、回転速度異常検知部８とを新たに設けることにより、全誘導機101〜104の一部の車輪軸に空転あるいは滑走が発生していること等を検知できる。そして回転速度異常検知部８が出力する検知信号Ｋを運転論理部９で処理して制御指令ＮＮを作成し、トルク制御部４に入力することにより、誘導機101〜104のトルク制御を停止させることができる。

図１は、本発明の一構成例を示すブロック図である。なお、上述した図２に示す従来技術と同様の構成要素については、図２と同じ符号を付して説明を省略する。
上述したように、誘導機は４台とし、 また各誘導機101、102、103及び104のモータ定数は同じであるとして説明するが、それ以外の構成をとることもできる。

電流検出部201〜204はそれぞれ、誘導機101〜104に入力される電流i1〜i4を検出する。
二次磁束演算部１０は、電流i1〜i4と電力変換部３に入力される電圧指令ｖとを入力し、誘導機101〜104の二次磁束φ2v1〜φ2v4を演算する。
誘導機101の二次磁束φ2v1は、式(7)及び(8)に基づいて算出される。

ここで、Ｒ11は誘導機101の一次抵抗値、Ｌ11は誘導機101の一次自己インダクタンス値、Ｌ21は誘導機101の二次自己インダクタンス値、Ｍ1は誘導機101の相互インダクタンス値である。

他の誘導機102〜104の二次磁束φ2v2〜φ2v4も、誘導機101と同様に、式(9)〜(14)に基づいて算出される。

ここで、Ｒ12〜Ｒ14、Ｌ12〜Ｌ14、Ｌ22〜Ｌ24及びＭ2〜Ｍ4はそれぞれ、誘導機102〜104の一次抵抗値、一次自己インダクタンス値、二次自己インダクタンス値及び相互インダクタンス値である。

各誘導機回転速度演算部７は、誘導機101〜104の二次磁束φ2v1〜φ2v4と、誘導機101〜104に入力される電流i1〜i4とに基づいて、誘導機101〜104の回転速度ωｍ^1〜ωｍ^4を演算する。誘導機101〜104の回転速度ωｍ^1〜ωｍ^4はそれぞれ、式(15)〜(18)に基づいて算出される。

ここで、pは微分を表し、Ｒ２１〜Ｒ２４はそれぞれ誘導機101〜104の二次抵抗値である。また、φ2v1〜φ2v4はベクトルであり、それぞれの要素を（φ2v1α,φ2v1β,0）、（φ2v2α,φ2v2β,0）、（φ2v3α,φ2v3β,0）、（φ2v4α,φ2v4β,0）として使用している。

なお、式(15)〜(18)に示す回転速度演算方法はあくまで一例であり、例えば、式(15)〜(18)の第1項を式(3)により計算されるωに置き換えて各誘導機の回転速度を算出した場合にも、本発明の効果を得ることができる。

回転速度異常検知部８は、各誘導機101〜104の演算回転速度ωｍ^1〜ωｍ^4を入力とし、いずれかの誘導機の回転速度が異常であることを示す検知信号Ｋを出力する。

以下、回転速度異常検知部８が行う処理の一例を示す。
回転速度異常検知部８は、各誘導機回転速度演算部７が演算した各誘導機の回転速度ωｍ^1〜ωｍ^4のうち、最大の演算回転速度ωｍａｘと最少の演算回転速度ωｍｉｎとの差ωｄｉｆｆを演算する。
ωｄｉｆｆ＝ωｍａｘ−ωｍｉｎ 式(19)

次に回転速度異常検知部８は、ωｄｉｆｆが検知閾値ωＬを超えていれば、図３に示すように検知信号Ｋをオンとし、ωｄｉｆｆが検知閾値ωＬ以下であれば検知信号Ｋをオフとする。検知信号Ｋがオンのときは、いずれかの誘導機中の車輪軸に空転または滑走が発生していることを示している。

ここで、検知閾値ωＬの大きさと、回転速度異常検知部８が検知する空転または滑走の度合いとは連動しており、ωＬが小さいと、少しの空転、滑走でも回転速度異常検知部８は検知信号をオンとする。逆にωＬが大きいと、少しの空転、滑走では検知信号Ｋがオンとはならなくなる。誘導機のトルク制御を円滑に行いつつ誘導機の脱調状態を有効に抑制する観点から、車両やモータの種類、路面状態等によって検知閾値ωＬを適宜調整することが好ましい。

ここからは、回転速度異常検知部８による誘導機の空転検知の一例を説明する。
誘導機101〜104の中で誘導機103だけが空転したものとする。この場合、ωｍ1、ωｍ2及びωｍ4に対して、ωｍ3が大きくなる。
この場合には、各誘導機の回転速度と、全誘導機回転速度演算部６が算出する誘導機回転速度との関係は、式(6)により、ωｍ＞ωｍ1、ωｍ＞ωｍ2、ωｍ＞ωｍ4、ωｍ＜ωｍ3となる。また、各誘導機回転速度演算部７によって演算される各誘導機の演算回転速度も同様に、ωｍ＞ωｍ^1、ωｍ＞ωｍ^2、ωｍ＞ωｍ^4、ωｍ＜ωｍ^3となる。そのため、ωｍａｘはωｍ^3となり、ωｍｉｎはωｍ^1、ωｍ^2またはωｍ^4のいずれかとなる。

誘導機103の空転により、誘導機103の回転速度は次第に大きくなり、ωｄｉｆｆも増加していく。そして、ωｄｉｆｆが検知閾値ωＬを超えたときに、回転速度異常検知部８は図３のように検知信号Ｋをオンとする。

検知信号Ｋがオンになると、後述するトルク制御部４は、例えば電圧指令ｖを０として、全誘導機を無制御状態とする。全誘導機が無制御状態になると、誘導機103の回転速度が減速し、誘導機103の空転状態が解消する。これにより、演算される誘導機回転速度ωｍの誤差が小さくなって、誘導機101〜104が再び適切に制御される。以上のように、誘導機103が空転した場合でも、各誘導機101〜104が脱調状態に至ることを有効に抑制することができる。

さらに、回転速度異常検知部８による誘導機の滑走検知の一例を説明する。例えば誘導機103が滑走すると、ωｍ1、ωｍ2、ωｍ4に対して、ωｍ3が小さくなる。そのため、ωｍａｘはωｍ^1、ωｍ^2またはωｍ^4のいずれかとなり、ωｍｉｎはωｍ^3となる。そして、ωｄｉｆｆが検知閾値ωＬを超えたときに、回転速度異常検知部８は検知信号Ｋをオンとする。その後トルク制御切替部が全誘導機を無制御状態とすることで、誘導機103の滑走状態が解消され、各誘導機101〜104が脱調状態に至ることを有効に抑制することができる。

なお、上述した回転速度異常検知部８の構成はあくまで一例である。そのため例えば、ωｄｉｆｆが検知閾値ωＬ以上の場合に検知信号Ｋをオンとすることができる。また、検知信号Ｋのオン・オフの切り替えにヒステリシスを持たせることもできる。

以下、回転速度異常検知部８の検知信号に応答して複数台の誘導機101〜104のトルク制御を切り替えるトルク制御切替部の一構成例について説明する。

運転論理部９は、運転指令Ｎと検知信号Ｋの否定との論理積をとって、制御指令ＮＮとして出力する。すなわち、運転指令Ｎがオンであり、かつ検知信号Ｋがオフであれば、制御指令ＮＮをオンとする。その他の場合には、制御指令ＮＮをオフとする。

トルク制御部４は、制御指令ＮＮがオンのときは、誘導機回転速度ωｍと総和電流ｉを基に、全誘導機の磁束及び総トルクが、磁束指令φ＊及びトルク指令τ＊となるような電圧指令ｖを出力する。制御指令ＮＮがオフのときは、電圧指令ｖを０として、全誘導機を無制御状態とする。

以上の構成とすることにより、一部車軸の空転、滑走が大きくなったことを検知して、誘導機が脱調状態となる前に誘導機のトルク制御を停止させることができる。また、図３の検知閾値ωＬを調整することにより、誘導機のトルク制御を停止させる、一部車軸の空転または滑走の度合いを調整することができる。

なお図示はしないが、制御指令ＮＮを直接電力変換部３へ入力するとともに、電力変換部３が、制御指令ＮＮがオンの場合に電圧指令ｖに相当する電力を誘導機101〜104に供給し、制御指令ＮＮがオフの場合に誘導機101〜104への電力供給を停止するように、トルク制御切替部を構成しても、同等の機能を得ることができる。

なお、一部車輪軸の空転、滑走の検出について説明を行ってきたが、本発明の誘導機制御装置は、トルクの一括制御対象となっている複数台誘導機の一部の車輪軸が空転、滑走したことによって各誘導機の回転速度に差が生じた場合のみならず、誘導機の故障等の他の原因によって各誘導機の回転速度に差ができた場合も検知することができる。

本発明に係る誘導機制御装置は、車両のような複数台誘導機制御における、一部車輪軸の空転、滑走を検知することができる。そして、一部車輪軸の空転、滑走が大きくなる前に検知信号Ｋにより誘導機制御を停止させることで、誘導機が脱調状態に至ることを有効に抑制することができる。

また本発明に係る誘導機制御装置は、車両制御の一部車輪軸の空転、滑走による誘導機の回転速度差に限らず、他の原因によってトルクの一括制御対象となっている複数台誘導機の一部の回転速度に差ができた場合であっても、誘導機が脱調状態に至る前に、検知信号Ｋにより誘導機制御を停止させることができる。

そして誘導機が脱調状態に至る前に誘導機制御を停止することにより、誘導機の脱調状態が原因である、過電流や過電圧による誘導機破壊、電力変換部３の素子破壊等を防止することができる。

101〜104 誘導機
２、201〜204 電流検出部
３ 電力変換部
４ トルク制御部
５ 磁束演算部
６ 全誘導機回転速度演算部
７ 各誘導機回転速度演算部
８ 回転速度異常検知部
９ 運転論理部
１０ 二次磁束演算部

Claims (3)

1. 複数台の誘導機と、
   各誘導機に入力される電流を検出する電流検出部と、
   前記各誘導機に入力される電流及び電圧指令から、前記各誘導機の二次磁束を演算する二次磁束演算部と、
   前記各誘導機に入力される電流及び前記各誘導機の二次磁束から、前記各誘導機の回転速度を演算する各誘導機速度演算部と、
   前記各誘導機の回転速度に基づいて、いずれかの誘導機の速度が異常であることを示す検知信号を出力する回転速度異常検知部と、
   前記検知信号に応答して前記複数台の誘導機のトルク制御を切り替えるトルク制御切替部と、
   を備えることを特徴とする誘導機制御装置。
2. 全誘導機の総和電流と前記電圧指令から誘導機磁束を演算する磁束演算部と、
   前記誘導機磁束及び前記総和電流から誘導機速度を演算する全誘導機回転速度演算部と、
   運転指令と前記検知信号とから制御指令を作成する運転論理部と、
   前記総和電流、前記誘導機速度、磁束指令、トルク指令及び前記制御指令を基に、前記複数台の誘導機のトルクを一括制御するトルク制御部と、
   をさらに備える、請求項１に記載の誘導機制御装置。
3. 前記各誘導機の回転速度のうち、最大の回転速度と最小の回転速度との差が、検知閾値を超えた場合、または検知閾値以上である場合に、前記回転速度異常検知部は前記検知信号をオンとする、請求項１または２に記載の誘導機制御装置。
   
   
   
   
   
   
   
   

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