JP4076882B2

JP4076882B2 - 電気車制御装置

Info

Publication number: JP4076882B2
Application number: JP2003060106A
Authority: JP
Inventors: 雅樹河野; 秀人根来
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-03-06
Filing date: 2003-03-06
Publication date: 2008-04-16
Anticipated expiration: 2023-03-06
Also published as: JP2004274845A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、１台の可変電圧可変周波数インバータ（以下、ＶＶＶＦインバータと称する）で駆動される複数台の電気車駆動用誘導電動機の空転を抑制するようにしたベクトル制御による電気車制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の電気車制御装置においては、ＶＶＶＦインバータの交流側に接続された複数台の三相用誘導電動機の各２相分の相電流が電流検出手段により検出され、検出された各相電流に基づいてトルク指令が補正される。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−６０１９８号公報（第７頁、図１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の電気車制御装置では、各誘導電動機の２相分の相電流を検出する必要があるので、電流検出手段が多くなるため小形化を図るのが困難であるという問題点があった。
【０００５】
この発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、電流検出手段の数を減らして小形化を図ることができる電気車制御装置を提供することを目的としたものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係わる電気車制御装置は、直流電力を任意の交流電力に変換する可変電圧可変周波数インバータにより駆動される複数台の三相用の誘導電動機のベクトル制御を行う電気車制御装置において、上記誘導電動機の複数台分の全電流を検出する第１の電流検出手段と、上記各誘導電動機に夫々設けられ上記各誘導電動機の所定の一相の相電流を夫々検出する複数個の第２の電流検出手段と、上記第２の電流検出手段により検出した上記各誘導電動機の所定の一相の相電流に基づいてトルク指令値を生成するトルク指令生成手段と、上記第１の電流検出手段で検出された全電流と上記トルク指令値に基づく電流指令値とを一致させるトルク信号を上記可変電圧可変周波数インバータに指令するトルク制御手段とを備え、上記トルク指令生成手段は、上記第２の電流検出手段により検出された上記各誘導電動機の所定の一相の相電流を夫々実効値に変換する電流実効値演算手段と、上記電流実効値演算手段により変換された夫々の実効値のうち最大電流と最小電流とを判別する電流判別手段と、上記電流判別手段により判別された上記実効値の最大電流と上記実効値の最小電流との偏差からトルク補正値を演算するトルク補正値演算手段と、上記誘導電動機の基準トルク値から上記トルク補正値演算手段により演算された上記トルク補正値を減算して上記トルク指令値を生成する減算手段とを有することを特徴とするものである。
【０００７】
又、この発明に係わる電気車制御装置は、直流電力を任意の交流電力に変換する可変電圧可変周波数インバータにより駆動される複数台の三相用の誘導電動機のベクトル制御を行う電気車制御装置において、上記誘導電動機の複数台分の全電流を検出する第１の電流検出手段と、上記誘導電動機の全台数から１台を除いた誘導電動機に設けられその誘導電動機の所定の一相の相電流を検出する第２の電流検出手段と、上記第１の電流検出手段で検出された全電流と上記第２の電流検出手段で検出された相電流とから上記除かれた１台の誘導電動機の所定の一相の相電流を演算する電流演算手段と、上記第２の電流検出手段で検出された相電流と上記電流演算手段で演算された相電流に基づいてトルク指令値を生成するトルク指令生成手段と、上記第１の電流検出手段で検出された全電流と上記トルク指令値に基づく電流指令値とを一致させるトルク信号を上記可変電圧可変周波数インバータに指令するトルク制御手段とを備え、上記トルク指令生成手段は、上記第２の電流検出手段により検出された相電流と上記電流演算手段により演算された相電流を夫々実効値に変換する電流実効値演算手段と、上記電流実効値演算手段により変換された夫々の実効値のうち最大電流と最小電流とを判別する電流判別手段と、上記電流判別手段により判別された上記実効値の最大電流と上記実効値の最小電流との偏差からトルク補正値を演算するトルク補正値演算手段と、上記誘導電動機の基準トルク値から上記トルク補正値演算手段により演算された上記トルク補正値を減算して上記トルク指令値を生成する減算手段とを有することを特徴とするものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における構成図、及び図２〜図４はそれぞれ図１の要部を示すブロック図である。図１から図４において、直流を任意の周波数の交流に変換するVVVFインバータ１の交流出力側に、電気車駆動用の複数台の誘導電動機２〜５が接続され、トルク指令に基づいたトルクを各誘導電動機２〜５が出力するように、トルク制御手段６によりVVVFインバータ１が制御される。又、各誘導電動機２〜５は、車輪７〜１０を介してそれぞれレール１１に接している。VVVFインバータ１の交流出力側の例えばU相において４台の誘導電動機２〜５に流れるＵ相の全電流を第１の電流検出手段１２で検出して全電流信号Ｉｕが出力される。又VVVFインバータ１の交流出力側のＶ相において４台の誘導電動機２〜５に流れるＶ相の全電流をＶ相全電流検出手段１３で検出してＶ相全電流信号Ｉｖが出力される。このＶ相全電流信号Ｉｖはベクトル制御に使用される。各誘導電動機２〜５の例えばＵ相の相電流をそれぞれ第２の電流検出手段１４〜１７により検出して相電流信号Ｉ１ｕ、Ｉ２ｕ,Ｉ３
ｕ,Ｉ４ｕが出力される。
【０００９】
相電流信号Ｉ１ｕ〜Ｉ４ｕが入力されたトルク指令生成手段１８では、相電流信号Ｉ１ｕ〜Ｉ４ｕに基づいてトルク指令１８ａを生成する。トルク制御手段６ではトルク指令生成手段１８から出力されたトルク指令値１８ａと全電流信号Ｉｕ，Ｉｖとからトルク信号６ａをＶＶＶＦインバータ１に指令する。
次に動作について説明する。図１から図４において、第２電流検出手段１４〜１７により各誘導電動機２〜５に流れるＵ相電流が検出されて相電流信号Ｉ１ｕ〜Ｉ４ｕが出力される。この相電流信号Ｉ１ｕ〜Ｉ４ｕはトルク指令生成手段１８へ入力される。トルク指令生成手段１８では、相電流信号Ｉ１ｕ〜Ｉ４ｕに基づいて電流実効値演算手段１９〜２２で電流実効値｜Ｉ１ｕ｜、｜Ｉ２ｕ｜、｜Ｉ３ｕ｜，｜Ｉ４ｕ｜が演算される。
【００１０】
例えば、電流実効値演算手段１９では、第２の電流検出手段１４により検出された誘導電動機２に流れる相電流信号Ｉ１ｕから絶対値演算手段１９ａにより絶対値を求め、平滑処理手段１９ｂで平滑処理を行って電流実効値｜Ｉ１ｕ｜を演算する。平滑処理手段１９ｂは例えば、一次遅れ関数などを用いて平滑処理を行う。このようにして、電流実効値演算手段１９〜２２において各相電流信号Ｉ１ｕ〜Ｉ４ｕに対する電流実効値｜Ｉ１ｕ｜、｜Ｉ２ｕ｜、｜Ｉ３ｕ｜、｜Ｉ４ｕ｜が演算される。そして、電流判別手段２３で電流実効値の中で、最大電流Ｉｍａｘ、最小電流Ｉｍｉｎを判別する。トルク補正値演算手段２４では、入力された最大電流Ｉｍａｘ、最小電流Ｉｍｉｎに基づいてトルク補正値ｄｔを演算する。
【００１１】
トルク補正値演算手段２４の具体的な方法の一例について図４に示す。トルク補正値演算手段２４では、第１の減算器２５により最大電流Ｉｍａｘから最小電流Ｉｍｉｎを減算して偏差を求める。そして、その偏差に基づいてトルク補正テーブル２６からトルク補正値ｄｔを求める。なお、トルク補正テーブルは試験データに基づいて、空転時の電流値偏差から空転を抑制できるトルク補正値を決定するものである。
トルク指令生成手段１８の第２の減算器２７において、基準トルク指令生成手段２８の出力である基準トルク指令値から、トルク補正値演算手段２４で求めたトルク補正値ｄｔを減算し、その減算結果をトルク指令値１８ａとしてトルク制御手段６に出力する。
【００１２】
トルク制御手段６では、トルク指令値１８ａから求められる電流指令に各誘導電動機２〜５が出力するトルクが一致するように、ＶＶＶＦインバータ１にトルク信号６ａを指令する。即ち、トルク制御手段６では、トルク指令値１８ａから求められる電流指令と、第１電流検出手段１２で検出された各誘導電動機２〜５に流れる全電流Ｉｕとが一致するように電流制御を行うことにより、トルク指令値に追従したトルクがＶＶＶＦインバータ１から出力される。
電気車では、各誘導電動機２〜５が車輪７〜１０を介してレール１１に接している。そして、電気車の車体速度と車輪速度とが微少な速度差を有することにより、各誘導電動機２〜５が出力するトルクをレール１１に伝えることができる。車体速度と車輪速度が一致することは、レール１１上を車輪７〜１０が全く滑りをもたず、転がることを意味する。各誘導電動機２〜５の出力するトルクの中で、レール１１に伝わるトルクあるいは力は、粘着力とも呼ばれて電気車の推進力となる。
【００１３】
前述したように、車輪７〜１０と車体速度との速度差が大きくなると、車輪７〜１０とレール１１との間の粘着力が低下するため、電気車として十分な推進力を得られなくなる。そして、この状態では、各誘導電動機２〜５のロータ及び車輪７〜１０は、レール１１への粘着力が低下した分だけ、余剰なトルクにより急激な加速トルクにより回転周波数が上昇して空転が発生する。この空転は、車輪７〜１０からレール１１への粘着力、即ち電気車の推進力の低下を表す現象であることから、電気車としては各誘導電動機２〜５の空転を抑制して、レール１１へ大きなトルクを伝達することが重要である。
【００１４】
ここで、実施の形態１のベクトル制御を用いた電気車制御装置の動作を説明する。図５は実施の形態１における空転時の動作を示す説明図で、誘導電動機２が空転した場合の一例が示されている。
図５において、（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ誘導電動機２〜５の速度を示している。例えば、誘導電動機２が空転した場合、誘導電動機２の速度が急激に上昇して誘導電動機２に流れるＵ相電流Ｉ１ｕに基づいて電流実効値演算手段１９で演算される電流実効値｜Ｉ１ｕ｜が図５（ｅ）に示すように減少する。また、その他の各誘導電動機３〜５の電流実効値｜Ｉ２ｕ｜、｜Ｉ３ｕ｜、｜Ｉ４ｕ｜は図５（ｆ）（ｇ）（ｈ）に示すように増加する。このときの電流実効値｜Ｉ１ｕ｜、｜Ｉ２ｕ｜、｜Ｉ３ｕ｜、｜Ｉ４ｕ｜を基に最大電流Ｉｍａｘと最小電流Ｉｍｉｎを図５（ｉ）（ｊ）に示すように判別して、最大電流Ｉｍａｘから最小電流Ｉｍｉｎを減算する。その減算結果に基づいて、トルク補正テーブル２６により図５（ｋ）に示すようにトルク補正値ｄｔを決める。
【００１５】
基準トルク指令生成手段２８の出力である基準トルク指令値から、このトルク補正値ｄｔを減算して図５（ｌ）に示すようにトルク指令値を演算する。このように、電流値から各誘導電動機２〜５の空転を検知してトルクを補正するようにしているので、各誘導電動機２〜５の空転を抑制することができる。
以上のように、複数台の誘導電動機２〜５の各相電流を実効値に変換して、実効値の最大電流Ｉｍａｘと実効値の最小電流Ｉｍｉｎとの偏差からトルク補正値を演算して、誘導電動機２〜５の基準トルク値からトルク補正値を減算したトルク指令値を生成し、複数台の誘導電動機２〜５の全電流とトルク指令値とを一致させるトルク信号を可変電圧可変周波数インバータ１に指令することにより、第２の電流検出手段１４〜１７の数を減らして小形化を図ることができる。
実施の形態１において、第１の電流検出手段１２によりＵ相の全電流を検出し、各第２の電流検出手段１４〜１７により各誘導電動機２〜５のＵ相の相電流を検出するものについて説明したが、Ｖ相又はＷ相の全電流及び相電流を検出しても同様の効果を期待することができる。
【００１６】
実施の形態２．
図６はこの発明の実施の形態２における構成図である。図６において、直流を任意の周波数の交流に変換するＶＶＶＦインバータ１の交流出力側に、電気車駆動用の複数台の誘導電動機２〜５が接続され、トルク指令に基づいたトルクを各誘導電動機２〜５が出力するように、後述のトルク制御手段３１によりＶＶＶＦインバータ１が制御される。また、各誘導電動機２〜５は、車輪７〜１０を介してそれぞれレール１１に接している。ＶＶＶＦインバータ１の交流出力側Ｕ，Ｖ，Ｗ相の例えばＵ相、Ｖ相において４台の誘導電動機２〜５に流れる全電流を第１の電流検出手段１２で検出して全電流信号Ｉｕが出力される。又、各誘導電動機２〜４の例えばＵ相の相電流をそれぞれ第２電流検出手段１４〜１６により検出して相電流信号Ｉ１ｕ、Ｉ２ｕ、Ｉ３ｕが出力される。第２の電流検出手段１４〜１６により検出された相電流信号Ｉ１ｕ、Ｉ２ｕ、Ｉ３ｕは電流演算手段１９に入力される。
【００１７】
電流演算手段２９では第１の電流検出手段１２で検出された全Ｕ相電流信号Ｉｕと、第２の電流検出手段１４〜１６により検出された各Ｕ相電流Ｉ１ｕ、Ｉ２ｕ、Ｉ３ｕとに基づいて、第２の電流検出手段１４〜１６による相電流検出から除かれた誘導電動機５のＵ相に流れるＵ相電流値を演算して相電流信号Ｉ４ｕを出力する。
トルク指令生成手段３０では各相電流信号Ｉ１ｕ、Ｉ２ｕ、Ｉ３ｕ、Ｉ４ｕに基づいてトルク指令信号３０ａを生成する。トルク制御手段３１ではトルク指令生成手段３０から出力されたトルク指令信号３０ａと全電流信号Ｉｕとによりトルク信号３１ａを出力してＶＶＶＦインバータ１を制御する。
【００１８】
次に動作について説明する。図６において、第２電流検出手段１４〜１６により各誘導電動機２〜４に流れるＵ相電流が検出されて相電流信号Ｉ１ｕ〜Ｉ３ｕが出力される。この相電流信号Ｉ１ｕ〜Ｉ３ｕと第１の電流検出手段１２で検出された全Ｕ相電流信号Ｉｕとが電流演算手段２９に入力される。ここで、全Ｕ相電流Ｉｕと各誘導電動機２〜５のＵ相電流Ｉ１ｕ、Ｉ２ｕ，Ｉ３ｕ、Ｉ４ｕとの間には、式（１）の関係がある。そこで、電流演算手段２９では式（２）により誘導電動機５のＵ相電流を演算する。
Ｉｕ＝Ｉ１ｕ＋Ｉ２ｕ＋Ｉ３ｕ＋Ｉ４ｕ・・・（１）
Ｉ４ｕ＝Ｉｕ−（Ｉ１ｕ＋Ｉ２ｕ＋Ｉ３ｕ）・・・（２）
トルク指令生成手段３０では、相電流信号Ｉ１ｕ〜Ｉ４ｕに基づいてトルク補正値ｄｔが演算され、トルク補正値ｄｔにより基準トルク指令値を補正してトルク指令値３０ａが出力される。
【００１９】
トルク制御手段３１では、トルク指令値３０ａから求められる電流指令に各誘導電動機２〜５が出力するトルクが一致するように、ＶＶＶＦインバータ１にトルク信号３１ａを指令する。即ち、トルク制御手段３１では、トルク指令値３０ａから求められる電流指令と、第１電流検出手段１２で検出された各誘導電動機２〜５に流れる全電流Ｉｕとが一致するように電流制御を行うことにより、トルク指令値３０ａに追従したトルクがＶＶＶＦインバータ１から出力される。
【００２０】
以上のように、誘導電動機２〜５の全台数から１台を除いた各誘導電動機２〜４の所定の一相の相電流を検出して検出されなかった誘導電動機５の相電流を演算し、各相電流を実効値に変換して実効値の最大電流Ｉｍａｘと実効値の最小電流Ｉｍｉｎとの偏差からトルク補正値を演算して、誘導電動機２〜５の基準トルクからトルク補正値を減算したトルク指令値３０ａを生成し、複数台の誘導電動機２〜５の全電流とトルク指令値３０ａとを一致させるトルク信号３１ａを可変電圧可変周波数インバータ１に指令することにより、第２の電流検出手段１４〜１６の数を減らして小形化を図ることができる。
【００２１】
【発明の効果】
この発明の電気車制御装置によれば、上記誘導電動機の複数台分の全電流を検出する第１の電流検出手段と、上記各誘導電動機に夫々設けられ上記各誘導電動機の所定の一相の相電流を夫々検出する複数個の第２の電流検出手段と、上記第２の電流検出手段により検出した上記各誘導電動機の所定の一相の相電流に基づいてトルク指令値を生成するトルク指令生成手段と、上記第１の電流検出手段で検出された全電流と上記トルク指令値に基づく電流指令値とを一致させるトルク信号を上記可変電圧可変周波数インバータに指令するトルク制御手段とを備え、上記トルク指令生成手段は、上記第２の電流検出手段により検出された上記各誘導電動機の所定の一相の相電流を夫々実効値に変換する電流実効値演算手段と、上記電流実効値演算手段により変換された夫々の実効値のうち最大電流と最小電流とを判別する電流判別手段と、上記電流判別手段により判別された上記実効値の最大電流と上記実効値の最小電流との偏差からトルク補正値を演算するトルク補正値演算手段と、上記誘導電動機の基準トルク値から上記トルク補正値演算手段により演算された上記トルク補正値を減算して上記トルク指令値を生成する減算手段とを有するので、複数台の誘導電動機の各相電流を実効値に変換して、実効値の最大電流と実効値の最小電流との偏差からトルク補正値を演算して、誘導電動機の基準トルク値からトルク補正値を減算したトルク指令値を生成し、複数台の誘導電動機の全電流とトルク指令値とを一致させるトルク信号を可変電圧可変周波数インバータに指令することにより、第２の電流検出手段の数を減らして小形化を図ることができる。
【００２２】
又、この発明の電気車制御装置によれば、上記誘導電動機の複数台分の全電流を検出する第１の電流検出手段と、上記誘導電動機の全台数から１台を除いた誘導電動機に設けられその誘導電動機の所定の一相の相電流を検出する第２の電流検出手段と、上記第１の電流検出手段で検出された全電流と上記第２の電流検出手段で検出された相電流とから上記除かれた１台の誘導電動機の所定の一相の相電流を演算する電流演算手段と、上記第２の電流検出手段で検出された相電流と上記電流演算手段で演算された相電流に基づいてトルク指令値を生成するトルク指令生成手段と、上記第１の電流検出手段で検出された全電流と上記トルク指令値に基づく電流指令値とを一致させるトルク信号を上記可変電圧可変周波数インバータに指令するトルク制御手段とを備え、上記トルク指令生成手段は、上記第２の電流検出手段により検出された相電流と上記電流演算手段により演算された相電流を夫々実効値に変換する電流実効値演算手段と、上記電流実効値演算手段により変換された夫々の実効値のうち最大電流と最小電流とを判別する電流判別手段と、上記電流判別手段により判別された上記実効値の最大電流と上記実効値の最小電流との偏差からトルク補正値を演算するトルク補正値演算手段と、上記誘導電動機の基準トルク値から上記トルク補正値演算手段により演算された上記トルク補正値を減算して上記トルク指令値を生成する減算手段とを有するので、複数台の誘導電動機の各相電流を実効値に変換して、実効値の最大電流と実効値の最小電流との偏差からトルク補正値を演算して、誘導電動機の基準トルク値からトルク補正値を減算したトルク指令値を生成し、複数台の誘導電動機の全電流とトルク指令値とを一致させるトルク信号を可変電圧可変周波数インバータに指令することにより、第２の電流検出手段の数を更に減らして小形化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１における構成図である。
【図２】図１の要部を示すブロック図である。
【図３】図１の要部を示すブロック図である。
【図４】図１の要部を示すブロック図である。
【図５】この発明の実施の形態１における空転時の動作を示す説明図である。
【図６】この発明の実施の形態２における構成図である。
【符号の説明】
１ＶＶＶＦインバータ、２〜５誘導電動機、
６，３１トルク制御手段、１２第１の電流検出手段、
１４〜１７第２の電流検出手段、１８，３０トルク指令生成手段、
２９電流演算手段。

Claims

直流電力を任意の交流電力に変換する可変電圧可変周波数インバータにより駆動される複数台の三相用の誘導電動機のベクトル制御を行う電気車制御装置において、上記誘導電動機の複数台分の全電流を検出する第１の電流検出手段と、上記各誘導電動機に夫々設けられ上記各誘導電動機の所定の一相の相電流を夫々検出する複数個の第２の電流検出手段と、上記第２の電流検出手段により検出した上記各誘導電動機の所定の一相の相電流に基づいてトルク指令値を生成するトルク指令生成手段と、上記第１の電流検出手段で検出された全電流と上記トルク指令値に基づく電流指令値とを一致させるトルク信号を上記可変電圧可変周波数インバータに指令するトルク制御手段とを備え、上記トルク指令生成手段は、上記第２の電流検出手段により検出された上記各誘導電動機の所定の一相の相電流を夫々実効値に変換する電流実効値演算手段と、上記電流実効値演算手段により変換された夫々の実効値のうち最大電流と最小電流とを判別する電流判別手段と、上記電流判別手段により判別された上記実効値の最大電流と上記実効値の最小電流との偏差からトルク補正値を演算するトルク補正値演算手段と、上記誘導電動機の基準トルク値から上記トルク補正値演算手段により演算された上記トルク補正値を減算して上記トルク指令値を生成する減算手段とを有することを特徴とする電気車制御装置。
直流電力を任意の交流電力に変換する可変電圧可変周波数インバータにより駆動される複数台の三相用の誘導電動機のベクトル制御を行う電気車制御装置において、上記誘導電動機の複数台分の全電流を検出する第１の電流検出手段と、上記誘導電動機の全台数から１台を除いた誘導電動機に設けられその誘導電動機の所定の一相の相電流を検出する第２の電流検出手段と、上記第１の電流検出手段で検出された全電流と上記第２の電流検出手段で検出された相電流とから上記除かれた１台の誘導電動機の所定の一相の相電流を演算する電流演算手段と、上記第２の電流検出手段で検出された相電流と上記電流演算手段で演算された相電流に基づいてトルク指令値を生成するトルク指令生成手段と、上記第１の電流検出手段で検出された全電流と上記トルク指令値に基づく電流指令値とを一致させるトルク信号を上記可変電圧可変周波数インバータに指令するトルク制御手段とを備え、上記トルク指令生成手段は、上記第２の電流検出手段により検出された相電流と上記電流演算手段により演算された相電流を夫々実効値に変換する電流実効値演算手段と、上記電流実効値演算手段により変換された夫々の実効値のうち最大電流と最小電流とを判別する電流判別手段と、上記電流判別手段により判別された上記実効値の最大電流と上記実効値の最小電流との偏差からトルク補正値を演算するトルク補正値演算手段と、上記誘導電動機の基準トルク値から上記トルク補正値演算手段により演算された上記トルク補正値を減算して上記トルク指令値を生成する減算手段とを有することを特徴とする電気車制御装置。