JP3297371B2 - 電気車の制御装置 - Google Patents

電気車の制御装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は電気車の駆動用誘導
電動機を制御する制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】図9は、誘導電動機駆動の電気車の制御
装置の代表的な構成例を示したものである。電気車の制
御装置は、運転台司令部47からのトルク指令を制御指
令部42にて制御信号50へ変換してVVVFインバー
タ52に与える。VVVFインバータ52は、直流架線
からパンタグラフ51を介して集電された直流電力が入
力され、直流電力を可変電圧可変周波数の交流電力に変
換して誘導電動機53を駆動する。
【0003】この時、誘導電動機53へ供給された電力
は、運動エネルギー、鉄損と銅損に変換され、この中の
鉄損、銅損が、誘導電動機の損失として放熱される。
【0004】電気車の走行は、基本的に、出発後、力
行、惰行、回生ブレーキ、停車の運転パターンを繰り返
し利用される。この場合、誘導電動機へ電力が供給され
るのは、力行と回生ブレーキの時で、惰行と停止時は電
力が供給されない。
【0005】また、誘導電動機は電気車の台車へ配置さ
れることから、外形的制約があり、ユーザーからも、よ
り小形軽量化を要求される。このため、誘導電動機は、
惰行時の走行風を考慮されており、運転パターンや停止
時間および惰行時間も考慮され設計製作される。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】ところが、長期間車両
を運用すると、三相誘導電動機の冷却用の入風によって
ごみがたまったり、運用上、力行、回生ブレーキ、惰
行、停止時間のバランスが変化したりすると、三相誘導
電動機が十分冷却されず、三相誘導電動機を構成するコ
イルや鉄芯の絶縁破壊を発生させ、さらには、焼損させ
ることもある。
【0007】また、台車へ配置される誘導電動機は外形
の制約だけでなく、非常に過酷な環境条件も要求される
ため、温度センサ等のセンサの設置は難しく、もし、設
置できても、非常に高価になる。
【0008】このため、従来の電気車の三相誘導電動機
は温度異常があっても、検出することができず、絶縁破
壊や、焼損させることがあった。
【0009】本発明は、上記のような問題点を解消し、
誘導電動機に温度センサを設置することなく、リアルタ
イムに誘導電動機の温度状態を監視し、誘導電動機の信
頼性を向上させる電気車の制御装置を提供することを目
的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
め、本発明の第1の電気車の制御装置は、駆動用交流誘
導電動機をインバータにて可変電圧可変周波数制御する
電気車の制御装置において、前記誘導電動機をベクトル
制御するためのトルク電流指令と、トルク電流実際値と
に基づいて、誘導電動機の2次抵抗補正値を算出する2
次抵抗補正演算手段と、この算出された2次抵抗補正値
と基準2次抵抗値とから、補正後の2次抵抗値を算出す
る2次抵抗演算手段と、この補正後の2次抵抗値および
基準2次抵抗値と、誘導電動機のロータの材質によって
決まるロータ温度係数とに基づいて、誘導電動機の推定
ロータ温度を算出する推定ロータ温度演算手段とを備え
ることを特徴とする。
【0011】以上の構成によって、補正した2次抵抗値
のロータ温度を演算し、誘導電動機のロータ温度を推定
することができる。
【0012】本発明の第2の電気車の制御装置は、第1
制御装置において、推定ロータ温度が、熱的限界値で
ある第1の設定温度を超えたことを検出するロータ温度
異常検出演算手段と、この第1の設定温度を超えたこと
を検出したときには、誘導電動機の回生ブレーキ制御を
開放するブレーキ制御手段とを備えることを特徴とす
る。
【0013】以上の構成によって、推定ロータ温度が、
熱的限界温度を越えたことを検出すると、電気車へ回生
ブレーキ制御の開放指令を出力し、VVVFインバータ
から誘導電動機への電流の通電時間を短くすることがで
き、誘導電動機のロータの温度上昇を抑制することがで
きる。
【0014】本発明の第3の電気車の制御装置は、第2
電気車の制御装置において、推定ロータ温度が、メン
テナンスを必要とする前記第1の設定温度よりも低い第
2の設定温度を超えたことを検出するロータ温度監視制
御手段と、この第2の設定温度を超えたことを検出した
時に、メンテナンスの必要性を報知すると共に、誘導電
動機の過負荷となる指令信号を開放する駆動制御手段と
を備えることを特徴とする。
【0015】以上の構成によって、誘導電動機の冷却能
力が経年劣化しても、電気車は通常の力行、惰行、回生
ブレーキ、停止の走行パターンでは利用できるロータ温
度を第2の設定温度として、制御装置にて推定したロー
タ温度と比較し、設定値を超えた場合は、メンテナンス
が必要なことを報知する。
【0016】さらに、誘導電動機の電流値を増加させる
ような特殊な運転扱い、例えば、高加速信号などの動作
を行うと、誘導電動機が絶縁破壊または焼損すると認識
して、高加速信号等の電流値増加信号を開放し、電流値
増加に伴うロータの温度上昇を抑制することができる。
【0017】本発明の第4の電気車の制御装置は、駆動
用交流誘導電動機をインバータにて可変電圧可変周波数
制御する複数編成の電気車の制御装置において、前記誘
導電動機をベクトル制御するためのトルク電流指令と、
トルク電流実際値とに基づいて、各電気車の誘導電動機
の2次抵抗補正値を算出する手段と、この算出された2
次抵抗補正値と基準2次抵抗値とから、各電気車の補正
後の2次抵抗値を算出する手段と、この補正後の2次抵
抗値および基準2次抵抗値と、誘導電動機のロータの材
質によって決まるロータ温度係数とに基づいて、各電気
車の誘導電動機の推定ロータ温度を算出する手段と、各
電気車における推定ロータ温度及びおもみつけ係数に基
づいて基準推定ロータ温度を算出する基準推定ロータ温
度演算手段と、この基準推定ロータ温度と各電気車の推
定ロータ温度とのそれぞれの偏差量の大きさに基づき、
各電気車に対する補正したトルク電流指令を決定する電
流指令補正演算手段とを備えることを特徴とする。
【0018】以上の構成によって、各電気車の誘導電動
機の推定ロータ温度を求め、この推定ロータ温度及びお
もみつけ係数に基づいて基準推定ロータ温度を求める。
この求めた基準推定ロータ温度と各制御装置で推定した
ロータ温度の偏差量を演算し、この偏差量からトルク電
流補正量を演算する。
【0019】それぞれの制御装置にて求めたトルク電流
補正量と運転台からのトルク電流指令とから、補正した
トルク電流指令値を演算し、制御指令部から出力するこ
とで、誘導電動機へ流れる電流を変化させずに、誘導電
動機のロータ温度を調整し平均化することができる。
【0020】本発明の第5の電気車の制御装置は、第4
制御装置において、前記基準推定ロータ温度と各電気
車の推定ロータ温度とのそれぞれの偏差量について、所
定の温度を越えたときには、対応する電気車の誘導電動
機のメンテナンスの必要性を報知するメンテナンス指令
手段とを備えることを特徴とする。
【0021】以上の構成によって、基準推定ロータ温度
と各制御装置で推定したロータ温度の偏差を演算し、偏
差量がメンテナンスを必要とする温度を越えた場合に運
転台へメンテナンス要求を行うことができる。これによ
り、任意の1台の誘導電動機の冷却能力が低下した場合
でも、編成内の複数の誘導電動機から見つけることがで
き、メンテナンスすることができる。
【0022】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図を
参照して説明する。図1は、本発明の電気車の制御装置
に係る第1の実施の形態の構成を示す。
【0023】本願発明に係る電気車では、交流誘導電動
機をベクトル制御するため、交流誘導電動機に対する磁
束指令およびトルク指令からベクトル制御指令演算部
(図示せず)にてトルク電流指令と磁束電流指令とを演
算する。
【0024】このベクトル制御指令演算部からのトルク
電流指令11と、トルク電流実際値12とから2次抵抗
補正演算部13により次式のように2次抵抗補正値21
を求める。
【0025】ΔR2=(Kp×2+Ki)/s×(Iq
Ref−Iq) ただし、ΔR2:2次抵抗補正値 Kp:比例ゲイン Ki:積分ゲイン s :微分演算子 IqRef:トルク電流指令値 Iq:実トルク電流、とする。
【0026】次に、ロータ温度検出演算部24では、ま
ず、基準2次抵抗値(R2s)22と2次抵抗補正演算
部13から求めた2次抵抗補正値(ΔR2)21とを加
算して、補正後の2次抵抗値R2を求める。
【0027】R2=R2s+ΔR2 ただし、R2:温度補正した2次抵抗値 R2s:基準に設定した2次抵抗値 ΔR2:2次抵抗補正値、とする。
【0028】次に、ここで求めた、補正後の2次抵抗値
と、常温の2次抵抗値を基準に設定した基準2次抵抗値
22と誘導電動機のロータの金属材料から決まるロータ
温度係数23から、ロータ温度検出演算部24にて、次
式に示すように推定ロータ温度31を算出する。
【0029】T=(Ts−k+(R2/R2s)×k) ただし、T:推定のロータ温度 Ts:基準の2次抵抗(R2s)値の温度 k :ロータの金属材料から求めるロータ温度係数 R2:温度補正した2次抵抗 R2s:基準に設定した2次抵抗、とする。
【0030】この結果、ロータ温度検出演算部24は、
2次抵抗演算手段および推定ロータ温度演算手段として
機能し、リアルタイムに推定ロータ温度を求められる。
【0031】図2は、本発明の電気車の制御装置に係る
第2の実施の形態の構成を示す。ロータ温度異常検出部
33において、第1の実施形態で説明した推定ロータ温
度31と三相誘導電動機53の熱的な限界であるロータ
温度限界値32(第1の設定温度)と比較し、ロータ温
度限界値を超えた場合は、回生プレーキ制御を開放と判
定し、開放指令41を出力する。この時、この開放指令
41を運転台表示部43へ表示し、三相誘導電動機53
の異常を知らせる。
【0032】同時に、制御指令部42は、開放指令41
を受け付けると、VVVFインバータへの回生ブレーキ
制御を開放させる制御信号50を出力する。これによっ
て、制御指令部42は、ブレーキ制御手段として機能す
る。
【0033】図3は、ロータ温度が異常時に、回生ブレ
ーキ制御を開放した時の運転パターンとロータ温度との
関係を示し、(a)は速度、(b)はロータ温度を示
す。また、図4は、回生ブレーキ制御を開放しないで、
通常の運転パターンの動作で走行した時の運転パターン
とロータ温度との関係を示し、(a)は速度、(b)は
ロータ温度を示す。
【0034】通常の電気車はロータの温度異常を検出で
きないため、異常時でも、図4に示すように、力行、惰
行、回生ブレーキ、停止を繰り返して走行する。このた
めロータ温度は、力行で温度が上昇し、惰行で低下し、
回生ブレーキで上昇し、停止で低下するサイクルを繰り
返す。
【0035】これに対し、回生ブレーキ時に開放制御し
た場合は、図3に示すように、力行、惰行、ブレーキ、
停止のサイクルで、力行時のみロータ温度が上昇するた
め、ロータの平均温度が、大幅に減少する。特に、惰行
時は走行風による冷却もできるため、ロータの温度を低
下させるには非常に有効である。
【0036】図5は、本発明の電気車の制御装置に係る
第3の実施の形態の構成を示す。三相誘導電動機の冷却
能力は経年的に劣化するため、誘導電動機が異常となる
前に検出したい。そこで、メンテナンスを要求するロー
タ温度設定値(第2の設定温度)は通常運転での力行、
惰行、回生、停止のパターンで誘導電動機の限界温度を
超えないように設定している。また、このロータ温度設
定値は、前述のロータ温度限界値よりも低い温度であ
る。
【0037】これにより、ロータ温度監視制御部35に
おいて、推定ロータ温度31が、メンテナンスの必要な
ロータ温度設定値34を超えた場合でも、直ちに、通常
の運転パターンは変更せず、誘導電動機の過負荷禁止指
令36およびメンテナンス要求信号37を出力する。
【0038】このメンテナンス要求信号37は、運転台
表示部43へ出力してメンテナンスの必要性を報知し、
営業終了後に誘導電動機のメンテナンスを要求する。
【0039】同時に過負荷禁止指令36は制御指令部4
2に入力され、運転台47からの誘導電動機が過負荷に
なる信号、たとえば、高加速信号のように、誘導電動機
の電流を増加させる信号などを入力した場合に限り、開
放させるように信号50を出力し、VVVFインバータ
52、三相誘導電動機53を駆動する。これによって、
制御指令部42は、駆動制御手段として機能する。
【0040】図6は、運転パターンとロータ温度につい
て、メンテナンス設定温度を設定した場合としない場合
とで高加速動作させた時の比較を示し、(a)は速度、
(b)はロータ温度を示す。
【0041】例えば、誘導電動機が過負荷になる高加速
指令を受け付けると、高加速による力行、惰行、回生ブ
レーキ、停止を繰り返すことで、ロータの限界温度を超
えて、絶縁破壊やコイルの焼損に至る。
【0042】これに対し、高加速指令を受け付けない場
合は、ロータ温度限界値を超えない。このため、メンテ
ナンス要求により、営業運転終了後、メンテナンスを受
けることができ、車両の運用に支障を与えないようにで
きる。また、万一、限界温度を超えた場合は、第2の実
施形態で説明したようにロータ温度異常検出部33によ
って、回生ブレーキを開放し、誘導電動機の絶縁破壊や
コイルの焼損を防ぐこともできる。
【0043】図7は、本発明の電気車の制御装置に係る
第4の実施の形態の構成を示す。基準推定ロータ温度演
算部60により、第1の実施形態にて推定したロータ温
度を電気車のn台の制御装置から求め、各電気車の誘導
電動機の基準推定ロータ温度を以下の式より求める。
【0044】 Ts=(T1×k1+T2×k2+Tn×kn)/n
【0045】これにより、編成のn台の誘導電動機のロ
ータ温度の平均となる基準推定ロータ温度61を求め、
それぞれの推定したロータ温度との偏差を加算器62に
より演算する。
【0046】この偏差量631を運転台のノッチまたは
ブレーキ指令から求めるトルク電流指令を補正させるた
めに、トルク電流補正部641は、次式のようにトルク
電流補正量651を求める。
【0047】ΔIqRef=k×(Ts−Tn) ただし、ΔIqRef:ロータの温度を補正させるトル
ク電流補正量 Ts:n台の基準推定ロータ温度 Tn:NO.nの推定ロータ温度、とする。
【0048】次に、トルク電流指令部661にて、トル
ク電流補正量651から、ロータ温度を変化させるよう
に、トルク電流指令671を補正する。補正式は以下の
ように求める。
【0049】IqRef指令=(IqRef運転台+Δ
IqRef)/IqRef運転台 ただし、IqRef指令:ロータ温度の補正後のトルク
電流指令 IqRef運転台:運転台のノッチまたはブレーキ指令
によるトルク電流指令、とする。
【0050】以上によって、トルク電流補正部641お
よびトルク電流指令部661は、電流指令補正演算手段
として機能し、例えば、NO.1のロータの温度が異常
に増加すると、基準値に対し、トルク補正量651はマ
イナスとなり、結果としてIqRef指令はトルク電流
671を減算させる。
【0051】また、逆にNO.2のロータの温度が減少
すると、基準値に対して、トルク補正量652はプラス
となり、IqRef指令はトルク電流672を増加させ
る。
【0052】このように、トータルのトルク電流は変化
させず、編成としてのトルクを保ち、ロータの温度のば
らつきを最小限にするように制御することで、負担の多
い誘導電動機の信頼性を向上できる。
【0053】図8は、本発明の電気車の制御装置に係る
第5の実施の形態の構成を示す。第4の実施形態で述べ
た、編成のn台の誘導電動機のロータ温度の平均となる
基準推定ロータ温度61を求め、それぞれの推定ロータ
温度との偏差を加算器62により演算した偏差量631
が、誘導電動機の冷却能力が低下する設定温度を越えた
ことを誘導電動機温度異常検出部701にて検出し、メ
ンテナンス要求指令711を運転台表示部43へ表示さ
せる。
【0054】以上によって、誘導電動機温度異常検出部
701は、メンテナンス指令手段として機能し、任意の
1台の誘導電動機の冷却能力が低下した場合でも、編成
の複数の誘導電動機の中から見つけ出し、メンテナンス
を行うことができる。
【0055】
【発明の効果】第1の本発明に対する効果は、誘導電動
機に温度センサ等のセンサを設置することなく、誘導電
動機のロータ温度が推定でき、誘導電動機の冷却等に異
常等があった場合でも監視することができる。
【0056】第2の本発明によると、誘導電動機の冷却
に異常が生じたり、無理な運転パターンで走行し、誘導
電動機に過負荷をかけた場合でも、検出した誘導電動機
のロータ温度の状態を監視することで、自動的に異常を
検出し、異常状態を運転台へ表示し、かつ、誘導電動機
の絶縁破壊や焼損させることなく、しかも、電気車の推
進力を減らすことなく走行させることができる。
【0057】第3の本発明によると、誘導電動機の冷却
のメンテナンスが必要になった場合や、一時的に、誘導
電動機に過負荷をかけた場合でも、誘導電動機のロータ
温度の状態を監視し、誘導電動機のメンテナンスが必要
な温度にて、メンテナンスを促すと共に、一時的な過負
荷に対しても、自動的に高加速運転のような過負荷運転
を禁止し、誘導電動機の絶縁破壊や焼損させることな
く、電気車の推進力および回生ブレーキ力を減らすこと
なく、走行させることができる。これにより、電気車の
運用を乱すことなく、営業後にメンテナンスさせること
ができる。
【0058】第4の本発明によると、複数編成中の任意
の誘導電動機の冷却能力が低下した場合や、一時的に、
任意の誘導電動機に過負荷状態がかけられても、自動的
にその誘導電動機の温度を上昇させないように、トルク
電流を補正し、誘導電動機の絶縁破壊や焼損させること
がない。さらに、電気車の編成としての推進力を落とす
ことなく走行させることができる。
【0059】第5の本発明によると、複数編成中の任意
の誘導電動機の冷却能力が劣化した場合などに、編成全
体の誘導電動機温度を監視していることから、事前に冷
却能力の低下した誘導電動機を検出し、絶縁破壊や焼損
させる前に、誘導電動機のメンテナンス要求を行う予防
保全機能がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の電気車の制御装置に係る第1の実施の
形態の構成図である。
【図2】本発明の電気車の制御装置に係る第2の実施の
形態の構成図である。
【図3】第2の実施の形態の運転パターンとロータ温度
との関係を示し、(a)は速度、(b)はロータ温度を
示す図である。
【図4】誘導電動機が異常時に通常の速度パターンで運
転した時の運転パターンとロータ温度との関係を示し、
(a)は速度、(b)はロータ温度を示す図である。
【図5】本発明電気車の制御装置に係るの第3の実施の
形態の構成図である。
【図6】第3の実施の形態の運転パターンとロータ温度
の比較を示し、(a)は速度、(b)はロータ温度を示
す図である。
【図7】本発明電気車の制御装置に係るの第4の実施の
形態の構成図である。
【図8】本発明電気車の制御装置に係るの第5の実施の
形態の構成図である。
【図9】誘導電動機駆動の電気車の制御装置の代表的な
構成例を示す図である。
【符号の説明】
13…2次抵抗補正演算部,24…ロータ温度検出演算
部,33…ロータ温度異常検出部,35…ロータ温度監
視制御部,42…制御指令部,43…運転台表示部,4
7…運転台指令部,51…パンタグラフ,52…VVV
Fインバータ,53…三相誘導電動機,60…基準推定
ロータ温度演算部,62…加算器,64n…トルク電流
補正部,66n…トルク電流指令部,70n…誘導電動
機温度異常検出部。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B60L 1/00 - 3/00 B60L 7/00 - 13/00 B60L 15/00 - 15/42 H02P 5/408 - 5/412 H02P 7/628 - 7/632 H02P 5/46 - 5/52 H02P 7/67 - 7/80

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 駆動用交流誘導電動機をインバータにて
    可変電圧可変周波数制御する電気車の制御装置におい
    て、 前記誘導電動機をベクトル制御するためのトルク電流指
    令と、トルク電流実際値とに基づいて、誘導電動機の2
    次抵抗補正値を算出する2次抵抗補正演算手段と、 この算出された2次抵抗補正値と基準2次抵抗値とか
    ら、補正後の2次抵抗値を算出する2次抵抗演算手段
    と、 この補正後の2次抵抗値および基準2次抵抗値と、誘導
    電動機のロータの材質によって決まるロータ温度係数と
    に基づいて、誘導電動機の推定ロータ温度を算出する推
    定ロータ温度演算手段と、 推定ロータ温度が、熱的限界値である第1の設定温度を
    超えたことを検出するロータ温度異常検出演算手段と、 この第1の設定温度を超えたことを検出したときには、
    誘導電動機の回生ブレーキ制御を開放するブレーキ制御
    手段と、 推定ロータ温度が、メンテナンスを必要とする前記第1
    の設定温度よりも低い第2の設定温度を超えたことを検
    出するロータ温度監視制御手段と、 この第2の設定温度を超えたことを検出した時に、メン
    テナンスの必要性を報知すると共に、誘導電動機の過負
    荷となる指令信号を開放する駆動制御手段とを備えるこ
    とを特徴とする電気車の制御装置。
  2. 【請求項2】 駆動用交流誘導電動機をインバータにて
    可変電圧可変周波数制御する複数編成の電気車の制御装
    置において、 前記誘導電動機をベクトル制御するためのトルク電流指
    令と、トルク電流実際値とに基づいて、各電気車の誘導
    電動機の2次抵抗補正値を算出する手段と、この算出さ
    れた2次抵抗補正値と基準2次抵抗値とから、各電気車
    の補正後の2次抵抗値を算出する手段と、 この補正後の2次抵抗値および基準2次抵抗値と、誘導
    電動機のロータの材質によって決まるロータ温度係数と
    に基づいて、各電気車の誘導電動機の推定ロータ温度を
    算出する手段と、 各電気車における推定ロータ温度及びおもみつけ係数に
    基づいて基準推定ロータ温度を算出する基準推定ロータ
    温度演算手段と、 この基準推定ロータ温度と各電気車の推定ロータ温度と
    のそれぞれの偏差量の大きさに基づき、各電気車に対す
    る補正したトルク電流指令を決定する電流指令補正演算
    手段とを備えることを特徴とする電気車の制御装置。
  3. 【請求項3】 請求項2記載の電気車の制御装置におい
    て、 前記基準推定ロータ温度と各電気車の推定ロータ温度と
    のそれぞれの偏差量について、所定の温度を越えたとき
    には、対応する電気車の誘導電動機のメンテナンスの必
    要性を報知するメンテナンス指令手段とを備えることを
    特徴とする電気車の制御装置。
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