JP3969861B2 - 電気車制御装置 - Google Patents
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- Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
- Y02T10/72—Electric energy management in electromobility
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄道車両等で推進および電気制動のための誘導電動機のトルク制御を行う電気車制御装置、特にインバータ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、鉄道車両等で推進および電気制動のための誘導電動機のトルク制御を行うインバータ装置は、図３のブロック図に示すような基本構成ですでに実用化されている。
車両のトルク制御は、例えば、加速時はトルクに比例する電流指令値を正極性で、電気制動時はこの指令値を負極性で与え、インバータの出力電流の検出値（電流検出器１４で検知して実効値等に換算）をこの指令値と一致させるように、すべり周波数指令ωｓを可変する自動制御系を構成する。
すべり周波数指令ωｓは電動機の軸に連結された速度センサからの信号（回転子周波数に換算）と加算することで、インバータの出力周波数、すなわち電動機の一次周波数ωｅが決定される。
インバータの出力電圧は、比較的低い周波数領域では、電圧対周波数の関係を概略一定とし、インバータの出力可能電圧が上限になる周波数より高い周波数領域では、その一定電圧のままとする。
以上が従来の車両用インバータ装置のトルク制御の基本形である。
【０００３】
図２において、インバータ制御部１２は、トルク制御部１６’の出力である周波数指令ωｅを受けて、電圧対周波数の関係を満足させるＰＷＭ制御を行い、集電装置１１から取込んだ直流電圧を交流電圧および所望の周波数に変換する。
誘導電動機１５は、図では１個で示しているが、従来装置では２台、４台の並列接続の場合もある。
従来のトルク制御の方法では、速度センサ１３は電気車制御装置にとって不可欠の構成要素であった。
近年、トルク制御を電流実効値を使わずに三相交流の瞬時値から電動機の一次鎖交磁束ベクトル、二次鎖交磁束ベクトル、電動機の出力トルクを演算処理で求め、さらにこれらを演算処理して二次角周波数、すべり角周波数を得て最終的に回転子角周波数を求めることができるようになった。
このことによって、電動機の回転軸に連結する速度センサを設けずにトルク制御を実現することができるようになった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
車両用のインバータ装置に特有の運転方法として力行（加速）と回生（または制動の減速）運転の繰り返しがあり、それぞれの運転状態の間には惰行という、インバータを停止して電動機に電圧を印加せずに走る状態がある。
速度センサを設けない場合は、この惰行の間はインバータ装置は電動機の回転速度情報が得られない。
この状態から再力行または回生の減速運転を開始するときに、上述した一次・二次鎖交磁束ベクトル演算値が正確に求まらない状態があり、結果的に回転子角周波数が所定の値に定まらず、所定の加減速ができなくなる可能性がある。
これは、始動時に流れる電流から求めた磁束ベクトルの大きさが小さ過ぎたり、電流値に対して所定の大きさの磁束が得られないことが原因である。
本発明は上述した点に鑑みて創案されたもので、その目的とするところは、これらの欠点を解消する電気車制御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】
つまり、その目的を達成するための手段は、
（１）請求項１において、インバータ出力に対する電流検出手段と電圧検出手段を有し、それぞれの検出値と電動機定数を用いて一次鎖交磁束ベクトル、二次鎖交磁束ベクトルおよび出力トルクを推定し、これらの値から電動機回転子の回転速度を推定し、この回転速度は回転子角周波数に比例するもので、この回転子角周波数にすべり周波数相当を加算してインバータの出力周波数とするインバータ制御部を有する電気車制御装置であって、
前記回転子角周波数信号の出力を切り替える切替器を設け、インバータ装置と独立して作動している列車モニタ装置、自動列車制御装置（ＡＴＳ，ＡＴＣ）、車両速度検知装置等のいずれかの車両速度に相当する車両速度情報を前記切替器に入力し、インバータの始動時はこの外部の車両速度情報に切替え、前記ベクトル演算の値が外部の車両速度情報に対して所定の誤差範囲に入った時点で、自身の速度検知信号に切替えることを特徴とした電気車制御装置である。
【０００６】
（２）請求項２において、回転子角周波数信号の出力を切り替える切替器を設け、インバータ装置と独立して作動している列車モニタ装置、自動列車制御装置（ＡＴＳ，ＡＴＣ）、車両速度検知装置等のいずれかの車両速度に相当する車両速度情報を切替器に入力し、インバータの始動時はこの外部の車両速度情報に切替え、前記ベクトル演算の磁束の大きさが所定の値より大きくなった時点で自身の速度検知信号に切替える請求項１記載のた電気車制御装置である。
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳述する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の請求項１記載の一実施例を示すブロック図であり、図３の従来技術と同一な部分は説明を省略し異なる部分（符号１７と符号１８）のみを説明する。
図１において、集電装置１１、インバータ制御部１２、電流検出器１４、電動機１５は図３と同じであり、本発明のトルク制御部１６は、電動機の回転軸に連結する速度センサを必要としない場合である。
電流ｉは電流検出器１４から取込むが、電圧情報ｖはインバータ制御部１２から直流入力電圧とＰＷＭ制御の加味された波形信号１９で取込まれる。この電圧情報ｖは一次巻線抵抗による電圧降下分を補正して一次鎖交磁束ベクトルを演算する。
実トルクは一次鎖交磁束と一次電流のベクトル外積で得られる。一次鎖交磁束に含まれる二次電流方向の成分を考慮すると、この一次鎖交磁束と一次電流とから二次鎖交磁束が得られ、さらに二次角周波数ω２が求まる。また二次鎖交磁束と実トルクと二次巻線抵抗の値からすべり角周波数ωｓが得られ、回転子角周波数ωｍは次式で表される。
【０００８】
ωｍ＝ω２−ωｓ
インバータの出力情報から得た回転子角周波数ωｍに、トルク指令から得られるすべり角周波数指令ωｓ＊を加算器２０で加算して、インバータ周波数指令ωｅ’とする。
【０００９】
切替器１７は、インバータ制御部の停止時（停車中および惰行中）から始動後の所定の期間は、トルク制御部１６の出力である信号ωｍ’の代わりに、別途受信する、例えば列車モニタの車両速度情報１８の出力である信号ωｍを選択する。
列車モニタの場合は直列データ伝送ラインが装備されることが多く、特別に艤装線を増やすことは少ない。また自動列車制御装置（ＡＴＳ，ＡＴＣ）と並列に速度信号をとる場合は、同一速度センサであっても電気回路的には独立の出力端から信号を取ることで、インバータ装置側の故障が外部装置の故障に波及しないように考慮する。
また車輪等、回転部にセンサを設けずに、光学的または超音波や電波計測で車両速度を検知するセンサを列車単位に１〜２台装備する方式もあり、電動機の回転速度ではなく車両の速度として外部機器からインバータ装置に取込む方式でも本発明は有効である。
図１の切替器１７は当ブロック内に信号ωｍとωｍ’の誤差を検知する部分を含んでいるものとする。始動時にωｍを選択していた切替器は、ωｍとωｍ’の誤差が予め設定した値以下になったことを検知して、回転子角周波数の演算値ωｍ’を選択するように切替えるものである。この状態はインバータ制御部の運転中は持続する。
【００１０】
図２は本発明の請求項２記載の一実施例を示すブロック図であり、信号ωｍとωｍ’の切替え条件を異にするものである。
課題のところで前述したように、ωｍ’の検知不能状態は磁束の小さい状態で起こる。したがって、例えば二次鎖交磁束の大きさが所定の値より大きくなったことを検知する磁束レベル検知部２１を設け、この出力で切替器１７をωｍからωｍ’へ切替えるものである。
外部の速度信号を使うことは、トルクの制御誤差になりやすいため、できるだけ速やかに自身で検知した速度信号に切替える方が制御特性上は好都合である。
【００１１】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、インバータによる誘導電動機のトルク制御装置により始動時においても誘導電動機のトルク制御ができ、実用上、極めて有用性の高いものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の請求項１記載の一実施例を示すブロック図である。
【図２】図２は、本発明の請求項２記載の一実施例を示すブロック図である。
【図３】図３は、従来技術の例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１１ 集電装置
１２ インバータ制御部
１３ 速度センサ
１４ 電流検出器
１５ 誘導電動機
１６ トルク制御部
１７ 切替器
１８ 車両速度情報
１９ 波形信号
２０ 加算器
２１ 磁束レベル検知部
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄道車両等で推進および電気制動のための誘導電動機のトルク制御を行う電気車制御装置、特にインバータ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、鉄道車両等で推進および電気制動のための誘導電動機のトルク制御を行うインバータ装置は、図３のブロック図に示すような基本構成ですでに実用化されている。
車両のトルク制御は、例えば、加速時はトルクに比例する電流指令値を正極性で、電気制動時はこの指令値を負極性で与え、インバータの出力電流の検出値（電流検出器１４で検知して実効値等に換算）をこの指令値と一致させるように、すべり周波数指令ωｓを可変する自動制御系を構成する。
すべり周波数指令ωｓは電動機の軸に連結された速度センサからの信号（回転子周波数に換算）と加算することで、インバータの出力周波数、すなわち電動機の一次周波数ωｅが決定される。
インバータの出力電圧は、比較的低い周波数領域では、電圧対周波数の関係を概略一定とし、インバータの出力可能電圧が上限になる周波数より高い周波数領域では、その一定電圧のままとする。
以上が従来の車両用インバータ装置のトルク制御の基本形である。
【０００３】
図２において、インバータ制御部１２は、トルク制御部１６’の出力である周波数指令ωｅを受けて、電圧対周波数の関係を満足させるＰＷＭ制御を行い、集電装置１１から取込んだ直流電圧を交流電圧および所望の周波数に変換する。
誘導電動機１５は、図では１個で示しているが、従来装置では２台、４台の並列接続の場合もある。
従来のトルク制御の方法では、速度センサ１３は電気車制御装置にとって不可欠の構成要素であった。
近年、トルク制御を電流実効値を使わずに三相交流の瞬時値から電動機の一次鎖交磁束ベクトル、二次鎖交磁束ベクトル、電動機の出力トルクを演算処理で求め、さらにこれらを演算処理して二次角周波数、すべり角周波数を得て最終的に回転子角周波数を求めることができるようになった。
このことによって、電動機の回転軸に連結する速度センサを設けずにトルク制御を実現することができるようになった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
車両用のインバータ装置に特有の運転方法として力行（加速）と回生（または制動の減速）運転の繰り返しがあり、それぞれの運転状態の間には惰行という、インバータを停止して電動機に電圧を印加せずに走る状態がある。
速度センサを設けない場合は、この惰行の間はインバータ装置は電動機の回転速度情報が得られない。
この状態から再力行または回生の減速運転を開始するときに、上述した一次・二次鎖交磁束ベクトル演算値が正確に求まらない状態があり、結果的に回転子角周波数が所定の値に定まらず、所定の加減速ができなくなる可能性がある。
これは、始動時に流れる電流から求めた磁束ベクトルの大きさが小さ過ぎたり、電流値に対して所定の大きさの磁束が得られないことが原因である。
本発明は上述した点に鑑みて創案されたもので、その目的とするところは、これらの欠点を解消する電気車制御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】
つまり、その目的を達成するための手段は、
（１）請求項１において、インバータ出力に対する電流検出手段と電圧検出手段を有し、それぞれの検出値と電動機定数を用いて一次鎖交磁束ベクトル、二次鎖交磁束ベクトルおよび出力トルクを推定し、これらの値から電動機回転子の回転速度を推定し、この回転速度は回転子角周波数に比例するもので、この回転子角周波数にすべり周波数相当を加算してインバータの出力周波数とするインバータ制御部を有する電気車制御装置であって、
前記回転子角周波数信号の出力を切り替える切替器を設け、インバータ装置と独立して作動している列車モニタ装置、自動列車制御装置（ＡＴＳ，ＡＴＣ）、車両速度検知装置等のいずれかの車両速度に相当する車両速度情報を前記切替器に入力し、インバータの始動時はこの外部の車両速度情報に切替え、前記ベクトル演算の値が外部の車両速度情報に対して所定の誤差範囲に入った時点で、自身の速度検知信号に切替えることを特徴とした電気車制御装置である。
【０００６】
（２）請求項２において、回転子角周波数信号の出力を切り替える切替器を設け、インバータ装置と独立して作動している列車モニタ装置、自動列車制御装置（ＡＴＳ，ＡＴＣ）、車両速度検知装置等のいずれかの車両速度に相当する車両速度情報を切替器に入力し、インバータの始動時はこの外部の車両速度情報に切替え、前記ベクトル演算の磁束の大きさが所定の値より大きくなった時点で自身の速度検知信号に切替える請求項１記載のた電気車制御装置である。
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳述する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の請求項１記載の一実施例を示すブロック図であり、図３の従来技術と同一な部分は説明を省略し異なる部分（符号１７と符号１８）のみを説明する。
図１において、集電装置１１、インバータ制御部１２、電流検出器１４、電動機１５は図３と同じであり、本発明のトルク制御部１６は、電動機の回転軸に連結する速度センサを必要としない場合である。
電流ｉは電流検出器１４から取込むが、電圧情報ｖはインバータ制御部１２から直流入力電圧とＰＷＭ制御の加味された波形信号１９で取込まれる。この電圧情報ｖは一次巻線抵抗による電圧降下分を補正して一次鎖交磁束ベクトルを演算する。
実トルクは一次鎖交磁束と一次電流のベクトル外積で得られる。一次鎖交磁束に含まれる二次電流方向の成分を考慮すると、この一次鎖交磁束と一次電流とから二次鎖交磁束が得られ、さらに二次角周波数ω２が求まる。また二次鎖交磁束と実トルクと二次巻線抵抗の値からすべり角周波数ωｓが得られ、回転子角周波数ωｍは次式で表される。
【０００８】
ωｍ＝ω２−ωｓ
インバータの出力情報から得た回転子角周波数ωｍに、トルク指令から得られるすべり角周波数指令ωｓ＊を加算器２０で加算して、インバータ周波数指令ωｅ’とする。
【０００９】
切替器１７は、インバータ制御部の停止時（停車中および惰行中）から始動後の所定の期間は、トルク制御部１６の出力である信号ωｍ’の代わりに、別途受信する、例えば列車モニタの車両速度情報１８の出力である信号ωｍを選択する。
列車モニタの場合は直列データ伝送ラインが装備されることが多く、特別に艤装線を増やすことは少ない。また自動列車制御装置（ＡＴＳ，ＡＴＣ）と並列に速度信号をとる場合は、同一速度センサであっても電気回路的には独立の出力端から信号を取ることで、インバータ装置側の故障が外部装置の故障に波及しないように考慮する。
また車輪等、回転部にセンサを設けずに、光学的または超音波や電波計測で車両速度を検知するセンサを列車単位に１〜２台装備する方式もあり、電動機の回転速度ではなく車両の速度として外部機器からインバータ装置に取込む方式でも本発明は有効である。
図１の切替器１７は当ブロック内に信号ωｍとωｍ’の誤差を検知する部分を含んでいるものとする。始動時にωｍを選択していた切替器は、ωｍとωｍ’の誤差が予め設定した値以下になったことを検知して、回転子角周波数の演算値ωｍ’を選択するように切替えるものである。この状態はインバータ制御部の運転中は持続する。
【００１０】
図２は本発明の請求項２記載の一実施例を示すブロック図であり、信号ωｍとωｍ’の切替え条件を異にするものである。
課題のところで前述したように、ωｍ’の検知不能状態は磁束の小さい状態で起こる。したがって、例えば二次鎖交磁束の大きさが所定の値より大きくなったことを検知する磁束レベル検知部２１を設け、この出力で切替器１７をωｍからωｍ’へ切替えるものである。
外部の速度信号を使うことは、トルクの制御誤差になりやすいため、できるだけ速やかに自身で検知した速度信号に切替える方が制御特性上は好都合である。
【００１１】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、インバータによる誘導電動機のトルク制御装置により始動時においても誘導電動機のトルク制御ができ、実用上、極めて有用性の高いものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の請求項１記載の一実施例を示すブロック図である。
【図２】図２は、本発明の請求項２記載の一実施例を示すブロック図である。
【図３】図３は、従来技術の例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１１ 集電装置
１２ インバータ制御部
１３ 速度センサ
１４ 電流検出器
１５ 誘導電動機
１６ トルク制御部
１７ 切替器
１８ 車両速度情報
１９ 波形信号
２０ 加算器
２１ 磁束レベル検知部
Claims (2)
- インバータ装置の出力に対する電流検出手段の検出値とインバータ制御部から取り込まれる電圧情報と電動機定数を用いて一次鎖交磁束ベクトル、二次鎖交磁束ベクトルおよび出力トルクを推定し、これらの値から電動機回転子の回転子角周波数を推定する機能を有するトルク制御部を有し、該回転子角周波数にすべり周波数相当を加算する加算器の出力から取り込まれた角周波数を出力周波数とするインバータ制御部を有する電気車制御装置において、インバータ装置と独立して作動している列車モニタ装置、自動列車制御装置（ＡＴＳ，ＡＴＣ）、車両速度検知装置等のいずれかの車両速度に相当する車両速度情報と前記ベクトル演算によって推定された電動機回転子の回転子角周波数信号を入力とし、インバータ装置の始動時は外部の車両速度情報による回転子角周波数を加算器に出力し、前記ベクトル演算によって推定された電動機回転子の前記回転子角周波数と前記外部の車両速度情報による回転子角周波数との誤差が予め設定した値以下になった場合に、前記ベクトル演算によって推定された電動機回転子の前記回転子角周波数を加算器に出力する機能を有する切替器を設けたことを特徴とする電気車制御装置。
- 請求項１の切替器において、前記ベクトル演算によって推定された２次鎖交磁束の大きさが所定の値より小さな場合は外部の車両速度情報による回転子角周波数信号を加算器に出力し、前記ベクトル演算によって推定された２次鎖交磁束の大きさが所定の値より大きくなった時点で前記ベクトル演算によって推定された電動機回転子の前記回転子角周波数を加算器に出力する機能を有する切替器を設けたことを特徴とする電気車制御装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28053298A JP3969861B2 (ja) | 1998-09-16 | 1998-09-16 | 電気車制御装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28053298A JP3969861B2 (ja) | 1998-09-16 | 1998-09-16 | 電気車制御装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000092629A JP2000092629A (ja) | 2000-03-31 |
| JP3969861B2 true JP3969861B2 (ja) | 2007-09-05 |
Family
ID=17626412
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP28053298A Expired - Lifetime JP3969861B2 (ja) | 1998-09-16 | 1998-09-16 | 電気車制御装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3969861B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4768524B2 (ja) * | 2006-06-13 | 2011-09-07 | 株式会社東芝 | 電気車制御装置 |
| JP5618690B2 (ja) * | 2010-08-09 | 2014-11-05 | 株式会社東芝 | 電気車制御装置 |
| JP6809900B2 (ja) * | 2016-12-28 | 2021-01-06 | 東洋電機製造株式会社 | 電気車制御装置 |
-
1998
- 1998-09-16 JP JP28053298A patent/JP3969861B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2000092629A (ja) | 2000-03-31 |
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