JP2764723B2

JP2764723B2 - 電気車の制御装置

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Publication number: JP2764723B2
Application number: JP63000384A
Authority: JP
Inventors: 俊彦関沢; 泰幸松村; 安田　　真
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1988-01-06
Filing date: 1988-01-06
Publication date: 1998-06-11
Anticipated expiration: 2013-06-11
Also published as: US4900992A; EP0323837A1; DE68918709T2; JPH01177801A; DE68918709D1; CA1336014C; EP0323837B1

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、リニアインダクシヨンモータによつて駆動
される電気車の制御装置の改良に関する。

〔従来の技術〕

車上に、リニアインダクシヨンモータの一次側を搭載
し、地上に、リニアインダクシヨンモータの二次側とし
てのリアクシヨンプレートを敷設したリニアモータ電車
が注目されている。このリニアモータ電車は、力行トル
クを伝達されない車輪によつて支持され、リニアインダ
クシヨンモータの力行トルクによつて推進力を与えら
れ、一方、リニアインダクシヨンモータの電気ブレーキ
トルクと、車輪に付与される機械ブレーキ（通常空気ブ
レーキが用いられる）トルクとを併用して減速力が与え
られる。

このリニアモータ電車の最大の利点は、電車の床下寸
法を小さくでき、特に、地下鉄の掘削断面を著しく小さ
くできることから、小断面地下鉄の実現に寄与する。

ところで、電気車駆動用リニアインダクシヨンモータ
の一次側と二次側間の空間長（エアギヤツプ長）は、車
両の走行中に大幅に変動する。このエアギヤツプ長の変
動は、電気車に望まれる定トルク特性を損うため、特開
昭61−199404号公報に開示されたように、エアギヤツプ
長を検出して、リニアインダクシヨンモータのすべり周
波数および電流を修正することが提案されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、第１に、多数の異なる原因によつて変
動するエアギヤツプ長を正確に検出することは極めて困
難である。エアギヤツプ長の変動要因としては、（１）．車輪の摩耗（２）．レールの摩耗（３）．レールとリアクシヨンプレートの敷設誤差（４）．レールの歪み（５）．リニアモータの吸引力等によるリアクシヨンプ
レートのたわみ（６）．レールの継目への車輪の落込み（７）．車体の走行振動（８）．その他が考えられる。これらの要因によるエアギヤツプ長の変
動を洩れなく検出するためには、レールに対する台車の
浮沈などを検出しても不十分で、直接的に、車上の一次
側コイルにギヤツプセンサーを取付け、地上のリアクシ
ヨンプレート間のギヤツプ長を検出しなければならな
い。現存するギヤツプセンサーは、強磁界下の一次側コ
イルの近傍に取付けることは不可能で、相当距離を置く
必要があり、要求を満たすことはできない。

第２に、電気車においては、ひとつの電力変換器から
複数のリニアモータ、例えば４ケモータ、８ケモータへ
給電することが多い。また、リニアモータは車両の進行
方向へ相当の長さを持つ。従つて、エアギヤツプ長は、
個々のモータ毎に正確に検出しない限り、電気車の総合
トルクを制御することはできない。このため、多数のギ
ヤツプセンサーを必要とし、この意味からも精度，信頼
性に欠ける。

従つて、ギヤツプセンサーを用いる従来方式では、電
気車のトルクの変動を補償することは困難で、実現され
ていない。

本発明の目的とするところは、リニアインダクシヨン
モータを駆動源とする電気車において、電気車のトルク
変動を効果的に補償することである。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、電気車の車上に一次側を搭載し、該一次
側とは所定のギャップ長を隔てて地上に二次側としてリ
アクションプレートを線路に沿って敷いてなるリニアイ
ンダクションモータと、該モータの一次側に可変電圧可
変周波数の交流を給電する電力変換器と、電力変換器の
出力周波数を制御する周波数制御手段と、電力変換器の
出力電圧を制御する電圧制御手段とを備えた電気車の制
御装置において、電力変換器の出力の力率を演算する手
段を設け、前記演算した力率信号を電圧制御手段に入力
し、該力率が変動したとき、該力率の変動に対応して電
力変換器の出力電圧を調整し、リニアインダクションモ
ータのトルク変動を軽減させることによって、達成され
る。

また、上記目的は、上記電気車の制御装置において、
電力変換器の出力の力率を演算する手段と、少なくとも
前記演算した力率信号を入力し、リニアインダクション
モータの回生時の電気ブレーキトルクを演算する手段
と、リニアインダクションモータの回生時に、電気ブレ
ーキトルクと電気車の所望ブレーキとの差に基づいて電
気車の機械ブレーキを制御する手段を設けることによっ
て、達成される。

〔作用〕

リニアインダクシヨンモータに給電する電力変換器の
力率は、リニアインダクシヨンモータのエアギヤツプの
変動に代表される要因に基づく無効電力成分を除き、リ
ニアモータのトルクとして作用する有効電力の度合いを
表わす。この力率に応じて電気車に作用するトルクを調
整すれば、電気車の走行に伴つて変動するエアギヤツプ
によるリニアインダクシヨンモータのトルク変動を補償
できる。

リニアインダクシヨンモータの回生ブレーキ時に、力
率に応じて、電気車の機械ブレーキトルクを調整すれ
ば、エアギヤツプに起因するリニアインダクシヨンモー
タの電気（回生）ブレーキの不足を補い、電気車の安全
を確保できる。

リニアインダクシヨンモータの力行時に、力率に応じ
て、リニアインダクシヨンモータ自身の発生トルクを調
整すれば、エアギヤツプによるリニアインダクシヨンモ
ータのトルク変動を補償し、電気車の定トルク特性を改
善できる。

〔実施例〕

以下、図示する一実施例により、回生ブレーキ時にお
ける本発明を詳述する。

第１図は、本発明によるリニアインダクシヨンモータ
を備えた電気車制御装置の一実施例ブロツク図である。

直流電車線１からパンタグラフ２を介して直流を集電
し、フイルタリアクトル3,フイルタコンデンサ４を含む
逆Ｌ型フイルタを通してインバータ（電力変換器）５へ
給電する。電車線が交流である場合には、電力変換器５
は、交流−交流変換器を用いる。

インバータ５の可変電圧、可変周波数出力は、４ケの
リニアインダクシヨンモータ61〜64へ並列に給電され
る。

電気車は、力行トルクを加えられず、レール７上を駆
動する車輪８群によつて支承され、リニアインダクシヨ
ンモータ（一次コイル）61〜64が、リアクシヨンプレー
ト65との間に発生する推進力によつて加速，走行する。
車輪８には、略示する機械ブレーキ９が作用しうる。

次に、制御系につき述べるが、まず、周波数制御系か
ら説明する。

車輪８には、パルス発生器10が連結され、速度検出器
11によつて、速度周波数を速度電圧_ｔに変換する。こ
の速度電圧_ｔは、車両の速度であるが、リニアインダ
クシヨンモータ61〜64のモータ周波数に相当する値と考
えてよい。一方、リニアインダクシヨンモータのすべり
周波数_Ｓ設定器12が設けられ、周波数制御器13により＝_ｔ±_Ｓ …（１）の演算が行われる。但し、＋は力行時、−は回生時であ
る。この周波数指令はPWM制御器14へ入力され、イン
バータ５の動作周波数を決定する。

次に、電圧制御系は、基本的には単純に次のように構
成される。

周波数指令が、電圧制御器15へ入力され、電圧Ｖ対
周波数の比V/＝一定となるような電圧指令Ｖに変換
され、前述のPWM制御器14へ入力されるのである。

さて、これらの周波数指令および電圧指令Ｖに基づ
いて、公知のPWM制御器14が、インバータ５内のGTOサイ
リスタを点弧制御する。

この結果、すべり周波数_Ｓを一定に保つているの
で、理想的には、リニアインダクシヨンモータ群は定ト
ルク制御される。

トルク指令T_pは、力行時には応荷重装置の出力を代表
するトルク補償値T_ppとして電圧制御器15に作用し、電
気車の荷重に応じて、モータ発生トルクを修正してい
る。一方、回生時には、ブレーキ指令T_bpとして、その
とき要求される電気車のブレーキトルクの大きさに応じ
て、インバータの出力電圧を調整し、リニアインダクシ
ヨンモータのブレーキトルクを制御している。ここで、
すべり周波数_Ｓを調整しない理由は次の通りである。
すなわち、リニアインダクシヨンモータの速度−トルク
特性は回転形インダクシヨンモータに比べ低勾配である
ため、所望のトルクを得るために大きなすべり周波数
_Ｓとする必要がある。例えば、回転形モータの３％に対
し、リニアモータは15％程度であり、効率は90％に対し
70％程度にまで低下してしまう。更に、ここですべり周
波数_Ｓの調整（増大）によつて、トルク増大を図ろう
とすると、効率の犠牲が大きすぎるのである。

また、インバータ５の出力電流は、変流器16および電
流検出器17で検出され、電流制御器18において、電流指
令I_mpと比較される。この偏差ΔI_m＝I_mp−I_mが過大にな
ると、インバータ５の出力電圧を補正する。

さて、エアギヤツプ長を一定としたときに、リニアイ
ンダクシヨンモータに発生するトルクＴは次式によつて
表わされる。

従つて、インバータの出力電圧V,同周波数とモータ
電流I_m〔（２）式〕またはすべり周波数_Ｓ〔（３）
式〕の組合せによつて発生トルクを演算できる。

第２図に、本発明の一実施例による電気車の縦断面概
要を示す。軌道側には、レール71,72の間の中間部にリ
アクシヨンプレート65が敷設されている。

車体側では、車輪８に装架された台車（図示略）の下
方中央部に、リニアインダクシヨンモータの一次コイル
61が、軌道側のリアクシヨンプレート65に対向するよう
に配置される。台車上には客車本体19が載置されてい
る。

第３図に、リニアインダクシヨンモータの一次コイル
61とリアクシヨンプレート65間のエアギヤツプ長Ｄが変
動したときの、リニアモータの推力T,電流I_mおよび力率
cosφの様子を示している。

この図から明らかなように、エアギヤツプ長Ｄの増大
に伴つて推力（トルク）Ｔおよび力率cosφが減少し、
モータ電流I_mは増大する。モータ電流I_mの増大は、励磁
電流成分（無効分）の増大に起因するものである。

第１図に戻つて、PWM制御器14から、任意の１相の点
弧信号Ｇが力率演算器20に入力され、また、電流検出器
17からも、対応する１相の電流位相信号が力率演算器20
に入力されている。従つて、力率演算器20は、任意の１
相の電圧に対する電流の位相差から、力率cosφを演算
できる。

一方、トルク演算器21が設けられ、電圧指令V,周波数
指令，すべり周波数_S,モータ電流I_mおよび力率cos
φを入力してモータ群の総合トルクＴを演算している。
ここでの総合トルクＴの演算は次式によるものである。

（４），（５）式から明らかなように、モータ電流I_m
とすべり周波数_Ｓは、その一方のみがあればよく、両
方をトルク演算器21に入力する必要はない。

演算されたリニアインダクシヨンモータ61〜64の総合
トルクＴは、回生ブレーキ時に、ブレーキ制御器22によ
つて、リニアインダクシヨンモータ61〜64の総合ブレー
キトルクT_bを、電気車のブレーキ指令T_bpと比較し、そ
の偏差ΔT_bを、機械ブレーキ９による補足量として機械
ブレーキ９へ伝達する。

このようにして、リニアインダクシヨンモータ61〜64
の力率の低下によるブレーキ力の低下が生じても、この
不足分を自動的に機械ブレーキで補足することができ安
全である。

次に、演算した力率信号は、力行時，回生時を問わ
ず、リニアインダクシヨンモータ自身の総合トルクの変
動を軽減するために用いることができる。

当実施例においては、トルク演算器21の出力であるト
ルク信号Ｔ、トルク制御器23にてトルク指令T_pと比較さ
れ、その偏差ΔＴを電圧制御器15へ入力して、インバー
タ５の出力電圧を補正している。

しかし、この方式によらず、力行時における本発明
は、力率演算器20の出力である力率信号cosφを、直接
的に、電圧制御器15に入力してインバータ５の出力電圧
を補正するものである。

ここで、すべり周波数_Ｓの調整によらず、インバー
タ出力電圧の調整手法を用いるのは、前述したと同様の
理由で、リニアインダクシヨンモータの効率を低下させ
ないためである。

さて、インバータ５の出力電圧は、電気車の定格速度
よりかなり低い速度で最大値に達するように設定する。
PWM制御器14によつて、予定の最大電圧に達したことを
検出すると（破線）、スイツチ24を投入し、トルク制御
器23の出力ΔＴを周波数制御器13へ入力して周波数の補
正を行う。つまり、インバータ５の出力電圧が最大値に
達したあとは、電圧制御系による補正はもはや無効果で
あるため、ここで初めて、インダクシヨンモータのすべ
り周波数_Ｓを調整する「周波数制御系による補正」を
用いている。

このようにして、エアギヤツプ長の変動を含む力率の
変動に伴うリニアインダクシヨンモータのトルク変動を
軽減し、電気車を定トルク特性に近づけることができ
る。

上記の実施例においては、電力変換器の力率を、その
出力交流によつて検出しているが、インバータの場合、
その入力直流電力は有効電力を表わすので、これを利用
することもでき、更に、当業者の自明な電力変換器の力
率検出手段で代用できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、リニアインダクシヨンモータを駆動
源とする電気車において、電気車のトルク変動を効果的
に補償することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による電気車の制御装置の一実施例ブロ
ツク図、第２図は本発明による電気車の縦断面概要図、
第３図はリニアインダクシヨンモータのエアギヤツプ長
対電流，推力および力率特性図である。５……電力変換器、８……車輪、９……機械ブレーキ、
61〜64……リニアインダクシヨンモータの一次コイル、
65……同二次側リアクシヨンプレート、T_p……トルク指
令、T_pp……力行トルク（応荷重）指令、T_bp……ブレー
キトルク指令、_ｔ……モータ周波数、_Ｓ……すべり
周波数、……インバータ動作周波数指令、Ｖ……イン
バータ出力電圧指令、I_m……モータ電流、cosφ……力
率、Ｔ……発生トルク。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者安田真茨城県勝田市市毛1070番地株式会社日立製作所水戸工場内 (56)参考文献特開昭61−199404（ＪＰ，Ａ) 特開昭53−71405（ＪＰ，Ａ) 特開昭49−77310（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−142183（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−46102（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−92795（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】電気車の車上に一次側を搭載し、該一次側
とは所定のギャップ長を隔てて地上に二次側としてリア
クションプレートを線路に沿って敷いてなるリニアイン
ダクションモータと、該モータの一次側に可変電圧可変
周波数の交流を給電する電力変換器と、前記電力変換器
の出力周波数を制御する周波数制御手段と、前記電力変
換器の出力電圧を制御する電圧制御手段とを備えた電気
車の制御装置において、前記電力変換器の出力の力率を演算する手段を設け、前
記演算した力率信号を前記電圧制御手段に入力し、該力
率が変動したとき、該力率の変動に対応して前記電力変
換器の出力電圧を調整し、前記リニアインダクションモ
ータのトルク変動を軽減させることを特徴とする電気車
の制御装置。
【請求項２】電気車の車上に一次側を搭載し、該一次側
とは所定のギャップ長を隔てて地上に二次側としてリア
クションプレートを線路に沿って敷いてなるリニアイン
ダクションモータと、該モータの一次側に可変電圧可変
周波数の交流を給電する電力変換器と、前記電力変換器
の出力周波数を制御する周波数制御手段と、前記電力変
換器の出力電圧を制御する電圧制御手段とを備えた電気
車の制御装置において、前記電力変換器の出力の力率を演算する手段と、少なくとも前記演算した力率信号を入力し、前記リニア
インダクションモータの回生時の電気ブレーキトルクを
演算する手段と、前記リニアインダクションモータの回生時に、前記電気
ブレーキトルクと前記電気車の所望ブレーキとの差に基
づいて前記電気車の機械ブレーキを制御する手段を設け
ることを特徴とする電気車の制御装置。