JP2787519B2 - 電動機駆動方法及びその装置 - Google Patents

電動機駆動方法及びその装置

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JP2787519B2
JP2787519B2 JP3251879A JP25187991A JP2787519B2 JP 2787519 B2 JP2787519 B2 JP 2787519B2 JP 3251879 A JP3251879 A JP 3251879A JP 25187991 A JP25187991 A JP 25187991A JP 2787519 B2 JP2787519 B2 JP 2787519B2
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  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)
  • Control Of Ac Motors In General (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は電動機駆動方法及びその
装置に係り、特に、電気車に搭載された電動機を駆動す
るに好適な電動機駆動方法及びその装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、特開昭59−99902号公報に
記載されているように、インバータを用いて電気車を駆
動する方法が採用されている。インバータを用いて電動
機の駆動を制御するに際しては、一変電所の給電区間に
多数の電気車が進入したときには電車線電圧が低下する
ため、電車線電圧が設定電圧以下に低下したときには各
電気車のインバータ電流を絞り込む制御が行なわれてい
る。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、一変電
所の給電区間内に多数の電気車が進入し、各電気車が力
行状態にあって各電動機に供給される電流の総和が変電
所の容量をオーバすると変電所の遮断器がトリップする
ことがある。このため、従来の駆動方法では、一変電所
の給電区間に進入する電気車の数を制限したりあるいは
変電所の容量を増加したりする対策がなされているが、
このような方法では輸送ダイヤの編成が困難であったり
設備費が高くなったりする。
【0004】本発明の目的は、電源の容量がオーバする
ことなく電動機を駆動することができる電動機駆動方法
及びその装置を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明は、第1の方法として、電気車駆動用電動機
に対する運転指令に従って電流パターンを生成し、一方
電気車駆動用電動機に流れる電流を検出し、この検出電
流と電流パターンから得られた電流とから駆動用滑り周
波数を算出し、この駆動用滑り周波数に従って電気車駆
動用電動機の電流を制御するに際して、電源から電動機
に供給可能な電流として、指定の電源供給区間に存在す
る電気車の台数と各電気車の運転状態を基に、各電動機
の最大電流の総和が電源の最大許容電流以下となる電流
値に対応づけて各電気車の電動機に対する最大許容電流
セット値を算出すると共に電気車に電力を導く架線の
流を検出し、この電車線電流と最大許容電流セット値と
を比較し、電車線電流が最大許容電流セット値を超えた
ときには電流パターンから得られた電流を電車線電流が
最大許容電流セット値以下に抑制される電流に修正する
電動機駆動方法を採用したものである。
【0006】第2の方法として、インバータの出力電力
を受けて電気車を駆動する電気車駆動用電動機に対する
運転指令に従って電流パターンを生成し、一方電気車駆
動用電動機に流れる電流を検出し、この検出電流と電流
パターンから得られた電流とから駆動用滑り周波数を算
出し、この駆動用滑り周波数に従って電気車駆動用電動
機の電流を制御するに際して、電源から電動機に供給可
能な電流として、指定の電源供給区間に存在する電気車
の台数と各電気車の運転状態を基に、各電動機の最大電
流の総和が電源の最大許容電流以下となる電流値に対応
づけて各電気車の電動機に対する最大許容電流セット値
を算出し、かつ電気車に電力を導く電車線の電圧とイン
バータの入力電圧を検出し、これらの検出値と電動機電
流の検出 値とから電車線電流を算出し、この算出した
車線電流と最大許容電流セット値とを比較し、電車線電
流が最大許容電流セット値を超えたときには電流パター
ンから得られた電流を電車線電流が最大許容電流セット
値以下に抑制される電流に修正する電動機駆動方法を採
用したものである
【0007】第1の装置として、電車線からの直流電力
を交流電力に変換して電気車駆動用電動機を制御するイ
ンバータと、電動機に対する運転指令に従って電流パタ
ーンを生成する電流パターン生成手段と、電車線からイ
ンバータに供給される電車線電流を検出する電車線電流
検出手段と、電源から電動機に供給可能な電流として設
定された最大許容電流セット値と電車線電流検出手段の
検出出力との偏差を算出する偏差算出手段と、偏差算出
手段の算出値と電流パターンから得られた電流とから補
正電流を生成する補正電流生成手段と、補正電流と電流
パターンから得られた電流との差を比較して両者の差が
正のときに電流パターンから得られた電流を選択し、そ
れ以外のときには補正電流を選択する比較選択手段と、
電動機に供給される電流を検出する電動機電流検出手段
と、電動機電流検出手段の検出出力と比較選択手段の選
択による電流との差に従って駆動用滑り周波数を算出す
る駆動用滑り周波数算出手段と、駆動用滑り周波数に従
ってインバータの出力電流を制御するインバータ制御手
段とを備えている電動機駆動装置を構成したものであ
る。
【0008】
【作用】前記した手段によれば、駆動用滑り周波数に従
って電動機の電流を制御するに際して、電源から電動機
に供給可能な最大電流として、指定の電源供給区間に存
在する電気車の台数と各電気車の運転状態を基に、各電
動機の最大電流の総和が電源の最大許容電流以下となる
電流値に対応づけて各電気車の電動機に対する最大許容
電流セット値を求めるとともに、電源から電動機に供給
される電源電流の値を監視し、電源電流と最大許容電流
セット値とを比較し、電源電流が最大許容電流セット値
を超えたときには、滑り周波数を算出するための電流を
電源電流が最大許容電流セット値以下に抑制される電流
に修正するようにしたため、電動機の電流が電源の許容
値をオーバするのを防止することができる。
【0009】
【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説
明する。図1にVVVFインバータ制御システムの制御
系を示し、図2に電気車駆動系の全体構成を示す。図1
及び図2において、電気車には2台の誘導電動機10,
12が搭載されており、各誘導電動機10,12にはイ
ンバータ14からの電力が供給されている。インバータ
14には、パンタグラフ16、遮断器18、フィルタリ
アクトル20、フィルタコンデンサ22を介して直流電
力が供給されており、インバータ14は直流電力を三相
交流電力に変換し、変換した交流電力を各誘導電動機1
0,12に供給するようになっている。インバータ14
はスイッチング素子とダイオードが逆並列接続されたア
ームを6アーム備えており、コントローラ24からのス
イッチング信号によって直流電力を交流電力に変換する
ようになっている。コントローラ24は電車線の状態や
インバータ14の状態及び誘導電動機10,12の状態
を検出する各種のセンサからの信号を基にスイッチング
信号を生成するようになっている。そして各種センサと
して、コンデンサ22両端の電圧を検出する電圧検出器
26、電車線電流を検出する電車線電流検出器28が設
けられていると共に、インバータ14から各電動機1
0,12へ供給される電動機電流を検出する電流検出器
30,32,34が設けられている。更に各誘導電動機
の回転数を検出するパルスジュネレータ36,38が設
けられている。
【0010】コントローラ24は、具体的には、図1に
示されるように、回転周波数演算器40、電流パターン
発生器42、加算器44、基準滑り周波数発生器46、
増幅器48、加算器50、極性反転器52、加算器5
4、変調パルスモード演算器56、変調率演算器58、
ゲートロジック部60、加算器62、積分器64、加算
器66、比較器68、リレー70を備えて構成されてい
る。
【0011】回転周波数演算器40はパルスジュネレー
タ36,38の出力パルスを受け、ブレーキ時には最大
周波数を選択し、力行時には最低周波数を選択し、選択
した回転周波数を加算器54へ出力するようになってい
る。電流パターン発生器42は力行・ブレーキ力指令と
応荷重出力信号VL及びブレーキ力指令BFを受け、こ
れらの信号を基にモータ電流パターンIpを生成する電
流パターン生成手段として構成されている。加算器44
は電流検出器30,32,34から得られた電動機電流
IMとリレー70から出力される電車線電流に関する情
報との偏差を求め、偏差に応じた信号を増幅器48に出
力するようになっている。増幅器48は加算器44から
の信号を増幅し、増幅した信号を補正滑り周波数Fs1
に関する信号として加算器50へ出力するようになって
いる。すなわち加算器44と増幅器48は補正滑り周波
数算出手段として構成されている。一方、基準滑り周波
数発生器46は電流パターン発生器42から出力される
モータ電流パターンIpに従って基準滑り周波数Fs0
に関する信号を生成し、この信号を加算器50へ出力す
るようになっている。すなわちこの発生器46は基準滑
り周波数算出手段として構成されている。加算器50は
補正滑り周波数Fs1と基準滑り周波数Fs0とを加算し
て駆動用の滑り周波数Fsに関する信号を生成し、生成
した信号を極性反転器52を介して加算器54へ出力す
るようになっている。極性反転器52は力行・ブレーキ
力指令PBを受け、力行時には滑り周波数Fsを回転周
波数FRに対して加算するための信号を出力し、回生時
には滑り周波数Fsを回転周波数に対して減算するため
の信号を出力するようになっている。これにより加算器
54からは力行時と回生時に応じた出力周波数Fに関す
る信号が出力される。
【0012】ここで、本実施例においては、出力周波数
Fに従ってスイッチング信号を生成するに際して、各誘
導電動機10,12の電流を極力正弦波信号に近づける
ために、インバータ14の出力電圧を正弦波信号に近似
した変調を行なうこととしている。このため、変調パル
スモード演算器56では出力周波数Fに応じて変調パル
スモードNを設定するようになっており、変調率演算器
58はインバータ出力電圧Vの大きさを決定するように
なっている。すなわち、変調率演算器58は、インバー
タ出力電圧Vと出力周波数Fの比V/Fが一定となるよ
うに、出力周波数Fとフィルタコンデンサ22の電圧E
cとから次の式に従って変調率ALを算出するようにな
っている。
【0013】 AL=(a・F+b)/Ec ………(1) ここに、係数a,bは定数である。
【0014】ゲートロジック部60は出力周波数Fと変
調率AL及び変調パルスモードに従ってスイッチング信
号を生成し、インバータ14の各アームへスイッチング
信号を出力するようになっている。
【0015】一方、加算器62は電車線電流検出器28
の検出による電車線電流Isと最大許容電流セット値と
しての最大電車線電流セット値Ismaxとの偏差に応
じた信号ΔIsを生成する偏差算出手段として構成され
ている。最大電車線電流セット値Ismaxは図3に示
されるように、電源供給区間である給電区間に3台の電
気車72,74,76が存在し各電気車の力行時の最大
電流が2000Aで、変電所78から給電区間に供給可
能な最大電流が5000Aであった場合、各電気車7
2,74,76に対する最大電車線電流セット値が15
00Aに設定されるようになっている。各電気車72,
74,76に対する最大電車線電流セット値を1500
Aとすれば各電気車に流れる電流の総和は4500Aと
なり、電気車に供給される電流によって変電所78の遮
断器がトリップするのを防止することができる。
【0016】また、最大電車線電流セット値Ismax
はIsmax=f(引数)として表され、引数として
は、電車線電圧、電車性能、変電所の容量、時間帯、力
行車の数などが挙げられる。この場合、関数fの実現法
として、関数テーブルをコントローラ24のROMに登
録しておき、引数値に応じて出力する方法とその都度演
算によって出力する方法とがある。
【0017】加算器62の出力は積分器64で極性が反
転された状態で積分され、積分された信号が加算器66
に入力されている。この加算器66にはモータ電流パタ
ーンIpが入力されており、加算器66の出力Ip
(n)はリレー70に供給されていると共に比較器68
に入力されている。比較器68は加算器66の出力Ip
(n)とモータ電流パターンIpとを比較し、Ip
(n)>Ipのときには電車線電流Isが最大電車線電
流セット値Ismaxより小さいとしてリレー70へオ
ン信号を出力し、それ以外のときには電車線電流Isが
最大電車線電流セット値Ismaxを超えたとしてリレ
ー70へオフ信号を出力するようになっている。リレー
70はオン信号を受けたときに接点70Aを開き、接点
70Bと接点70Cを閉じ、オフ信号を受けたときには
接点70Aを閉じ、接点70Bと70Cを開くように構
成されている。すなわちリレー70は電車線電流Isが
最大電車線電流セット値Ismax以下のときには接点
70Bを閉じてモータ電流パターンIpを選択し、選択
した信号を加算器44へ出力するようになっている。逆
に電車線電流Isが最大電車線電流セット値Ismax
を超えたときには接点70Aを閉じ、接点70Bと70
Cを開き、積分器64の出力とモータ電流パターンIp
とを加算した補正電流Ip(n)を選択し、選択した電
流を加算器44へ出力するようになっている。このため
電車線電流Isが最大電車線電流セット値Ismaxを
超えたときにはモータ電流パターンIpが積分器64の
出力から減算され、減算された電流が補正電流として加
算器44に加算される。このため補正滑り周波数として
は電動機10,12の電流を絞り込む周波数として生成
されることになる。これらの処理は図4に示されるよう
に、モータ電流パターンIpが生成される毎に行なわ
れ、積分器64からは、電車線電流Isと最大電車線電
流セット値Ismaxとの偏差ΔIsに前回の積分器6
4の出力Ismean(n−1)が加算された値が出力
される。この値に積分ゲインKが乗算され、この乗算値
にモータ電流パターンIpが加算されて補正電流Ip
(n)が生成されることになる。そして補正電流Ip
(n)とモータ電流パターンIpとの比較結果に応じて
リレー70の駆動が制御されることになる。なお、リレ
ー接点70Cが閉じたときに積分器64の積分値がリセ
ットされることになる。
【0018】上記構成によって各電気車72,74,7
6の電動機の駆動を制御したところ、特定の給電区間に
3台の電気車72,74,76が存在していたときで
も、引張力、電動機電流、出力電圧、滑り周波数、電車
線電流として図5に示されるような特性が得られた。図
5から、電車線電流が増加しても電車線電流Isが最大
電車線電流セット値Ismax以下に抑制されるため、
変電所78の遮断器がトリップするのを防止できること
が理解される。
【0019】次に、本発明の他の実施例を図6及び図7
に基づいて説明する。本実施例は、電車線電流検出器2
8の換わりに、電車線電圧検出器78を設け、電車線電
圧検出器78の検出値78と電動機電流Im及び電圧検
出器26の検出によるコンデンサ電圧ECから電車線電
流Isを算出する電車線電流演算器80を設けたもので
あり、他の構成は図1及び図2と同様であるので、同一
のものには同一符号を付してそれらの説明は省略する。
【0020】本実施例によれば、電車線電流検出器28
を用いることなく電車線電圧と電動機電流及びコンデン
サ電圧から電車線電流Isを推定することができる。そ
してこの電車線電流Isを推定演算するに際しては、次
の式を用いることができる。
【0021】
【数1】
【0022】また最大電車線電流セット値Ismaxを
設定するに際しては、図8に示されるように、車上もし
くは地上設備に設置される演算器82でセット値に関す
る電圧を設定し、この設定した電圧を電圧信号として信
号伝送路または通信回線を介して伝送し、この情報を電
気車上のバッファ84で受け、バッファ84で電圧信号
を電流信号に変換し、変換した信号を最大電車線電流セ
ット値Ismaxとして用いれば、最大電車線電流セッ
ト値Ismaxに関する情報をオンラインで電気車上の
インバータ制御システムへ伝送することができる。
【0023】次に、検出電流Isが最大電車線セット値
を超えたときに、その偏差に応じて滑り周波数を換える
システムを図9に示す。このシステムは積分器64、比
較器68、リレー70の代わりに、加算器86、滑り周
波数補正器88を設けたものである。このシステムで
は、Is>Ismaxのとき、モータ電流を減少させる
ように、補正器88から負の滑り周波数Fs2が出力さ
れる。これにより滑り周波数Fs1が減少し、モータ電
流Imが減少する。モータ電流が減少すると、電流Ip
−Imが増加し、その結果Fs1が増加するため、Fs
2の減少分がFs1の増加分によって相殺される。結
局、電流制系のゲインと滑り周波数補正系のゲインの値
によってImとIsとがある点でバランスする。このた
め、バランスした点において、Is−Ismaxが実用
上問題のないレベルとなるようなゲインを選定すること
により上記システムへの適用が可能となる。
【0024】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
電動機に供給される電流を電源の最大許容電流以下にす
るようにしたため、電動機の駆動によって電源の容量を
オーバするのを防止することができる。また電動機で電
気車を駆動する場合、電気車の駆動によって変電所の遮
断器がトリップするのを未然に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明が適用されたインバータ制御システムの
構成図である。
【図2】本発明が適用されたインバータ制御システムの
全体構成図である。
【図3】最大電車線電流セット値の設定方法を説明する
ための図である。
【図4】図1に示す装置の作用を説明するためのフロー
チャートである。
【図5】本発明による制御方法と従来の制御方法との関
係を説明するための特性図である。
【図6】本発明の他の実施例を示す全体構成図である。
【図7】本発明の他の実施例を示す要部構成図である。
【図8】最大電車線電流セット値の伝送方法を説明する
ための構成図である。
【図9】本発明の他の実施例を示す要部構成図である。
【符号の説明】
10,12 誘導電動機 14 インバータ 24 コントローラ 36,38 パルスジュネレータ 40 回転周波数演算器 42 電流パターン発生器 46 基準滑り周波数発生器 52 極性反転器 56 変調パルスモード演算器 58 変調率演算器 60 ゲートロジック部 64 積分器 68 比較器 70 リレー
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) B60L 9/00 - 9/18 H02P 5/408 - 5/412 H02P 5/46 - 5/52 B60M 3/00 - 3/02

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電気車駆動用電動機に対する運転指令に
    従って電流パターンを生成し、一方電気車駆動用電動機
    に流れる電流を検出し、この検出電流と電流パターンか
    ら得られた電流とから駆動用滑り周波数を算出し、この
    駆動用滑り周波数に従って電気車駆動用電動機の電流を
    制御するに際して、電源から電動機に供給可能な電流と
    して、指定の電源供給区間に存在する電気車の台数と各
    電気車の運転状態を基に、各電動機の最大電流の総和が
    電源の最大許容電流以下となる電流値に対応づけて各電
    気車の電動機に対する最大許容電流セット値を算出する
    と共に電気車に電力を導く架線の電流を検出し、この
    車線電流と最大許容電流セット値とを比較し、電車線
    流が最大許容電流セット値を超えたときには電流パター
    ンから得られた電流を電車線電流が最大許容電流セット
    値以下に抑制される電流に修正する電動機駆動方法。
  2. 【請求項2】 インバータの出力電力を受けて電気車を
    駆動する電気車駆動用電動機に対する運転指令に従って
    電流パターンを生成し、一方電気車駆動用電動機に流れ
    る電流を検出し、この検出電流と電流パターンから得ら
    れた電流とから駆動用滑り周波数を算出し、この駆動用
    滑り周波数に従って電気車駆動用電動機の電流を制御す
    るに際して、電源から電動機に供給可能な電流として、
    指定の電源供給区間に存在する電気車の台数と各電気車
    の運転状態を基に、各電動機の最大電流の総和が電源の
    最大許容電流以下となる電流値に対応づけて各電気車の
    電動機に対する最大許容電流セット値を算出し、かつ
    気車に電力を導く電車線の電圧とインバータの入力電圧
    を検出し、これらの検出値と電動機電流の検出値とから
    電車線電流を算出し、この算出した電車線電流と最大許
    容電流セット値とを比較し、電車線電流が最大許容電流
    セット値を超えたときには電流パターンから得られた電
    流を電車線電流が最大許容電流セット値以下に抑制され
    る電流に修正する電動機駆動方法。
  3. 【請求項3】 電車線からの直流電力を交流電力に変換
    して電気車駆動用電動機を制御するインバータと、電動
    機に対する運転指令に従って電流パターンを生成する電
    流パターン生成手段と、電車線からインバータに供給さ
    れる電車線電流を検出する電車線電流検出手段と、電源
    から電動機に供給可能な電流として設定された最大許容
    電流セット値と電車線電流検出手段の検出出力との偏差
    を算出する偏差算出手段と、偏差算出手段の算出値と電
    流パターンから得られた電流とから補正電流を生成する
    補正電流生成手段と、補正電流と電流パターンから得ら
    れた電流との差を比較して両者の差が正のときに電流パ
    ターンから得られた電流を選択し、それ以外のときには
    補正電流を選択する比較選択手段と、電動機に供給され
    る電流を検出する電動機電流検出手段と、電動機電流検
    出手段の検出出力と比較選択手段の選択による電流との
    差に従って駆動用滑り周波数を算出する駆動用滑り周波
    数算出手段と、駆動用滑り周波数に従ってインバータの
    出力電流を制御するインバータ制御手段とを備えている
    電動機駆動装置。
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