JP2804124B2

JP2804124B2 - 電気車制御装置

Info

Publication number: JP2804124B2
Application number: JP1285390A
Authority: JP
Inventors: 育雄安岡
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-11-01
Filing date: 1989-11-01
Publication date: 1998-09-24
Anticipated expiration: 2013-09-24
Also published as: JPH03145906A; KR940002050B1; KR910009494A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明は誘導電動機などの交流モータをインバータ駆
動する電気車制御装置に関するものである。

（従来の技術）電気車の主電動機として誘導電動機を使用すること
は、小型軽量化とメインテナンスフリー化の点から大き
なメリットがある。このような誘導電動機を用いた電気
車では、その誘導電動機を効率良く速度制御するために
可変電圧可変周波数制御が必要であり、通常はサイリス
タを用いたVVVFインバータが使用されている。

このVVVFインバータで電気車を起動時の低速度域から
高速度域まで制御するためには、インバータ出力周波数
を数Hzから100数十Hzの範囲まで変化させる必要があ
る。したがって、直流電気鉄道においては、このような
周波数の交流成分が直接に直流架線に伝わり誘導障害を
引起こすことがある。そのため、直流電源とインバータ
との間には、必ずフィルタを形成するリアクトル及びコ
ンデンサが挿入されている。

第８図は、このような従来の電気車制御装置を示すブ
ロック図である。この図において、直流架線からパンタ
グラフ１により集電された直流電力は、フィルタリアク
トル２とフィルタコンデンサ３を介して三相インバータ
４へ加えられる。このインバータ４は、ゲートターンオ
フサイリスタ4a〜4fを主体とし、パルス幅変調（PWM）
が可能なインバータである。

このインバータ４の出力は誘導電動機５へ供給され、
誘導電動機５はトルク伝達機構６を介して電気車の車輪
７を駆動する。

そして、パルス発生器８は車両速度に応じて速度周波
数信号f_mを発生する。一方、応荷重検出器９は荷重に応
じた信号をインバータ制御部10内の電流パターン発生部
11と、すべり周波数パターン発生部12とに出力する。こ
れら電流パターン発生部11及びすべり周波数発生部12は
それぞれ荷重に見合った電流をI_p ^＊と、すべり周波数f_s
^＊のパターンを発生させる。

インバータ制御部10では、電流パターン発生部11の出
力I_p ^＊を電動機電流検出器13の出力から減算して偏差を
とり、増幅器14で増幅した出力Δf_sに周波数信号f_mとす
べり周波数信号f_s ^＊とを合成し、力行時には、ｆ^＊＝f_m＋f_s ^＊＋Δf_s 回生時にはｆ^＊＝f_m−（f_s ^＊＋Δf_s）を演算して、インバータ４の出力周波数指令ｆ^＊を求め
る。

また、電圧検出器15はフィルタコンデンサ３の電圧を
検出し、電圧信号E_fcを電圧制御部16に出力する。電圧
制御部16は、この電圧信号E_fcとインバータ４の出力周
波数指令ｆ^＊とに基づいて、電圧指令γを下式に基いて
演算する。

そして、PWM変調制御部17は、この電圧指令γ及び出
力周波数ｆ^＊を入力し、PWM変調したゲート信号をイン
バータ４内のサイリスタ4a〜4fのゲートへ出力する。

このときに、PWM変調制御部17は、インバータ４の出
力周波数に同期した基準正弦波と、出力周波数の１サイ
クル間に何パルス出力するかを決めるキャリヤ信号との
比較によって変調パルスを作り出す。

PWM変調モードとしては、起動時より設定周波数f₀ま
では出力周波数１サイクル間に複数のパルスを出力して
出力周波数と出力電圧の比を一定に制御し、f₀以上では
１パルス出力として出力電圧を固定するようにしてい
る。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、このような従来の電気車制御装置は次
のような課題を有するものであった。

すなわち、電動機５の発生トルクは、トルク伝達機構
を介し、力行時には車輪７へ駆動力として伝達され、回
生時には車輪７へ制動力として伝達される。

しかし、トルク伝達機構６及び車輪７等の機械系の固
有振動周波数は約10Hz付近にあり、電動機制御系の応答
が、この固有振動周波数に近づくと大きな軸振動が発生
する。

この結果、電動機５も10Hz付近の周波数で回転むらを
発生し、さらに、フィルタリアクトル２及びフィルタコ
ンデンサ３で形成されるフィルタ回路においても、約10
Hzで電圧リップル及び電流リップルを発生させていた。

つまり、第８図の装置の場合、電動機制御系と機械系
とが約10Hzの周波数付近で共振現象を発生するという問
題を有していた。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、電動
機制御系と機械系とに発生する共振現象を有効に抑制し
得る電気車制御装置を提供しようとするものである。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段）本発明は上記課題を解決するための手段として、架線
からの直流電力を、フィルタリアクトル及びフィルタコ
ンデンサから成るフィルタ回路を介してインバータに供
給し、トルク伝達機構を介して車輪に接続された交流モ
ータをこのインバータにより駆動制御し、このインバー
タをインバータ制御部により可変電圧可変周波数制御す
るようにした電気車制御装置において、前記インバータ
制御部は、前記フィルタコンデンサの電圧検出により得
られたコンデンサ電圧信号に対し、前記フィルタ回路の
共振点付近でのゲインを減少させると共に、機械系の固
有振動数付近では45゜〜90゜だけ位相を進ませる補正回
路を含んで成り、この補正回路からの補正信号を加える
ことにより、前記インバータ制御部のインバータ制御信
号を補正するようにした構成としてある。

（作用）トルク伝達機構及び車輪等の機械系に固有振動が発生
した場合、これに起因してインバータ等の電動機制御系
が共振するのを抑制するためには、インバータの出力の
位相を、固有振動の位相に対してずらしてやり、両系統
の振動が互に相殺されるようにすればよい。

しかし、通常、機械系の固有振動数と、インバータの
入力側に設けられているフィルタ回路のフィルタ共振数
とは互に接近した値である。したがって、インバータの
出力周波数がフィルタ共振点に接近すると、インバータ
のゲインが急増し、インバータの出力の位相をずらした
だけでは充分に両系統の共振を抑制することができなく
なる。

そこで、上記構成のように、フィルタコンデンサの電
圧を検出してコンデンサ電圧信号を得るようにし、さら
に、このコンデンサ電圧信号について、フィルタ回路の
共振点付近でのゲインを減少させると共に、機械系の固
有振動数付近では45゜〜90゜だけ位相を進ませた補正信
号を補正回路から得るようにする。

そして、この補正信号により、インバータ制御部のイ
ンバータ制御信号を補正すれば、機械系固有振動数の付
近において、インバータのゲインを急増させないように
した状態で、インバータの出力の位相をずらすことがで
きる。これにより、機械系の振動と電動機制御系の振動
とが有効に相殺されることになる。

（実施例）以下、本発明の実施例を第１図乃至第７図に基いて説
明する。但し、第１図においては第８図のものと同様に
構成要素には同一符号を付することとし、重複した説明
を省略することとする。

本実施例のインバータ制御部10Aは、電圧検出器15か
らのコンデンサ電圧信号E_fcを入力し、補正信号f_sefcを
出力する補正回路18を有している。この補正回路18は、
フィルタ回路19と進み補償回路20とにより形成されてい
る。

フィルタ回路19は、第２図に示すように、２次ローパ
スフィルタ21と、ノッチフィルタ22とで構成されてい
る。２次ローパスフィルタ21は、オペアンプ23と、抵抗
R₁及びコンデンサC₁と、抵抗R₂及びコンデンサC₂とで構
成されている。また、ノッチフィルタ22は、オペアンプ
24と、抵抗R₄,R₅及びコンデンサC₅による遅れ補償要素
と、コンデンサC₃,C₄及び抵抗R₃による進み補償要素
と、コンデンサC₆とで構成されている。第４図は、この
ようなフィルタ回路19によって得られる周波数特性図で
ある。

そして、進み補償回路20は、第３図に示すように、微
分補償回路25,26と一次遅れ要素27とから構成されてい
る。このような進み補償回路20をフィルタ回路19に接続
することにより、補正回路18は最終的に第５図及び第６
図に示すような周波数特性を得ることができる。第５図
のフィルタ共振点（約25Hz）付近では、ノッチフィルタ
22の働きにより、ゲインが顕著に低減していることがわ
かる。すなわち、機械系の固有振動周波数（10Hz）に対
して位相を進ませたりすべり周波数補償分（f_sefc）を
加算してインバータ周波数とすることにより、インバー
タ自体の入力フィルタ回路の電気振動が抑制でき、機械
系との共振が抑制できる。しかしながら、このような進
み補償をした場合にはフィルタ共振点（25Hz）での利得
がさらに大きくなり、フィルタ共振点での電気振動を自
分自身で誘発する可能性がある。これを防ぐためにLCフ
ィルタの共振点での利得を下げている。

次に、このように構成される本実施例の動作について
説明する。

機械系の固有振動に伴なって、電動機制御系も振動を
開始し、電圧検出器15からのコンデンサ電圧信号E_fcに
も振動が現われる。

補正回路18は、このコンデンサ電圧信号E_fcを入力
し、上記したフィルタ回路19及び進み補償回路20の働き
により、このコンデンサ電圧信号E_fcに対し、フィルタ
回路の共振点付近におけるゲインを減少させると共に、
機械系の固有振動数付近では位相をある角度（例えば60
゜）だけ進ませた補正信号f_sefcを出力する。

この補正信号f_sefcと、周波数信号f_m,すべり周波数信
号f_s ^＊，偏差Δf_sが合成された信号f_prとを合成すると
出力周波数指令ｆ^＊が得られる。

つまり、この出力周波数指令ｆ^＊は、力行時には、ｆ^＊＝f_m＋f_s ^＊＋Δf_s＋f_sefc として演算され、回生時には、ｆ^＊＝f_m−（f_s ^＊＋Δf_s＋f_sefc）として演算され、求められる。

そして、補正信号f_sefcと、出力周波数指令ｆ^＊及び
電動機電流imとは、ほぼ同位相で変化するため、コンデ
ンサ電圧信号E_fcと、電動機電流imとの位相関係は、のようになる。

したがって、補正回路18が第７図に示すようなf_sefc
波形を出力し、ΔimがΔE_fcに対して、例えば約60゜進
みで変動するように補償すれば、Δimがf_sefcに追従し
て変動するため、最終的には、フィルタコンデンサ３の
両端電圧の変動を抑制することができる。

このように、機械系の固有振動に起因して現われるフ
ィルタ回路のリップルを抽出し、この抽出したゲインを
減少させると共に、機械系の固有振動数付近ではある角
度だけ位相を進ませた補正信号を発生させるようにし、
さらに、この補正信号をすべり周波数に重畳するように
すれば、リップルの振動を補正信号が打消すことがで
き、リップル分と機械系の固有振動との共振を抑制する
ことができる。

なお、第７図では、E_fc波形に対し、f_sefc波形及びim
波形が約60゜進みの場合を示したが、実用上は約45゜〜
90゜の範囲が好適な範囲である。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、インバータ制御部に補
正回路を新たに設け、フィルタコンデンサの電圧検出に
より得られたコンデンサ電圧信号に対し、フィルタ回路
の共振点付近でのゲインを減少させると共に、機械系の
固有振動数付近では45゜〜90゜だけ位相を進ませた補正
信号を出力させ、この補正信号によりインバータ制御部
のインバータ制御信号を補正する構成としたので、電動
機制御系と機械系との間の共振現象を有効に抑制するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の構成を示すブロック図、第２
図及び第３図は第１図のものの一部の構成の詳細を示し
た部分構成図、第４図乃至第６図は第２図及び第３図の
ものの特性例を示す特性図、第７図は第１図の動作を説
明するための波形図、第８図は従来例の構成を示すブロ
ック図である。２……フィルタリアクトル、３……フィルタコンデン
サ、４……インバータ、５……交流モータ（誘導電動
機）、６……トルク伝達機構、７……車輪、10A……イ
ンバータ制御部、18……補正回路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B60L 3/00 - 3/12 B60L 9/00 - 9/32 B60L 13/00 B60L 15/00 - 15/42 G05B 11/36 501

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】架線からの直流電力を、フィルタリアクト
ル及びフィルタコンデンサから成るフィルタ回路を介し
てインバータに供給し、トルク伝達機構を介して車輪に
接続された交流モータをこのインバータにより駆動制御
し、このインバータをインバータ制御部により可変電圧
可変周波数制御するようにした電気車制御装置におい
て、前記インバータ制御部は、前記フィルタコンデンサの電
圧検出により得られたコンデンサ電圧信号に対し、前記
フィルタ回路の共振点付近でのゲインを減少させると共
に、機械系の固有振動数付近では45゜〜90゜だけ位相を
進ませる補正回路を含んで成り、この補正回路からの補正信号を加えることにより、前記
インバータ制御部のインバータ制御信号を補正するよう
にしたことを特徴とする電気車制御装置。