JP4342878B2 - 電気車制御装置 - Google Patents

Description

本発明は主電動機の回転速度を直接検出することなくインバータの出力周波数と出力電圧とを制御して主電動機を駆動制御する主変換装置を複数台備えた電気車制御装置において、特に、車両が後退している状態からインバータを始動する際、主電動機のトルク出力のアンバランスによって生じる車両間の干渉を抑制し、乗り心地を劣化することなく、安定かつスムーズに始動する技術に関する。

現行の電気車制御装置では、駅停車中はインバータのゲートを止め動作を停止している。また、駅間走行においても、同様にインバータの動作を停止して走行する惰行期間がある。

主電動機の回転速度を検出することなく主電動機のトルクを制御する速度センサレス制御を適用した場合、主電動機の磁束あるいは誘起電圧に基づき回転速度すなわちロータ周波数を推定するため、ゲートを停止し主電動機への励磁を行わない停車中あるいは惰行中には速度を推定することはできず、このため、現在、停車中であるのか高速回転中であるのかわからない。

このような状態から力行指令あるいはブレーキ指令によってインバータを始動する場合、不要なトルクを生じ、乗り心地や信号系への影響が懸念される。電気的に、また、機械的に安定でスムーズに始動するためには、インバータ出力周波数を回転速度すなわちロータ周波数に一致させて始動する必要がある。速度検出器を備えた速度センサ付きベクトル制御方式を適用した電気車制御装置では、ロータ周波数に一致したインバータ出力周波数を出力して始動するようにしている。

このため、インバータを始動した直後に、通常運転時の回転速度推定方式とは異なる概略のロータ周波数を推定するための制御モードが設けられる。速度すなわちロータ周波数の概略値が推定できた時点で、ロータ周波数推定値をインバータ出力周波数として与え通常運転を開始する。このような概略速度の推定方法については、特開２０００−２５３５０６、特開平１１−２８５３００号公報、特開平１１−３４６５００号公報などに記載の公知技術がある。
特開２０００−２５３５０６ 特開平１１−２８５３００号公報 特開平１１−３４６５００号公報

しかしながら、これらの方式をもってしても、極低速で回転している場合の速度を正確に推定することはできない。ここで、「極低速」とは−５〜５km/h程度の速度を言う。また、車両が停止を含む極低速走行中、すなわち、主電動機が極低速で回転している場合には、高速走行中に比べ、他の要因による車両振動が小さいため、インバータ始動が乗り心地に及ぼす感度は高いと言える。

この極低速で回転している時のインバータ始動において、非常に困難かつ重要な問題は、電気車が前進しているのか後退しているのかを把握する後退判定であり、このような後退判定を行って始動時の乗り心地の維持を図る従来技術はない。

また、主電動機の回転速度を直接検出することなくインバータの出力周波数と出力電圧とを制御して主電動機を駆動制御する主変換装置を複数台備えた電気車制御装置において、特に、車両が後退している状態からインバータを始動する際、主電動機のトルク出力のアンバランスによって生じる車両間の干渉を抑制し、乗り心地を劣化することなく、安定かつスムーズに始動することを意図した従来技術はない。

本発明の目的は、主電動機が極低速で回転している状態からインバータを始動する際、車両間のいわゆる“どんつき現象”を抑制し、安定かつスムーズに起動することを可能にする電気車制御装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために本発明は、請求項１では、主電動機に可変電圧可変周波数の交流電圧を印加し駆動するインバータと、前記主電動機の回転速度を検出することなく前記インバータの出力周波数や出力電圧を制御して前記主電動機を駆動制御するインバータ制御手段とから成る主変換装置を電気車に複数備えた電気車制御装置において、前記電気車の極低速起動時には、全ての前記主変換装置のインバータ出力周波数の平均値を算出しこの平均値を全ての前記主変換装置のインバータ出力周波数とすることで、全ての前記主変換装置のインバータ出力周波数を揃える平均値演算部を備えたことを特徴としている。

請求項２では、主電動機に可変電圧可変周波数の交流電圧を印加し駆動するインバータと、前記主電動機の回転速度を検出することなく前記インバータの出力周波数や出力電圧を制御して前記主電動機を駆動制御するインバータ制御手段とから成る主変換装置を前記電気車に複数備えた電気車制御装置において、前記主電動機を流れる検出電流と出力電圧指令に基づいて演算された後退判定のための評価指標の平均値を算出し、この評価指標の平均値から前記電気車が後退していることを判定する後退判定手段と、前記後退判定結果に基づきインバータ出力周波数を補正するインバータ出力周波数補正手段とを備え、全ての前記主変換装置が同一の後退判定結果に基づき動作するようにしたことを特徴としている。

電気車の主電動機を速度検出器を用いずに駆動する主変換装置を複数備えた電気車制御装置において、極低速から起動する際、インバータ出力周波数の動きを全装置で揃えることにより、各主電動機で生じるトルクアンバランスを抑制し、車両間の干渉である“どんつき現象”を極力回避することで、安定かつスムーズな起動を可能にして乗り心地の改善を図ることができる。

＜発明の原理＞
実施形態の説明に先立ち、本発明の原理について説明する。

上述したように、モータが極低速で回転している時のインバータ始動において、非常に困難かつ重要な問題は、電気車が前進しているのか後退しているのかを把握する、いわゆる「後退判定」をどのようにして的確に行うことができるかである。この極低速でのインバータ始動における問題を回避する方式について考察する。

図６は、本発明者の考察に基づいた「後退判定」を含む電気車制御装置の一例を示している。なお、図６の例は、電気車の主電動機を速度検出器を用いずに駆動する主変換装置を２台備えた電気車制御装置の構成であるが、各電気車制御装置の構成は同一であるため、図中の左側の装置にはＡを、右側の装置にはＢの符号を付して区別することとし、説明はＡで代表して説明することとする。

図６に示すように、主電動機３Ａに流れる電流Iu,Iwは、電流検出器４Ａによって検出され、座標変換器７Ａによって、ＤＱ軸電流Id,Iqに変換される。電圧演算部５Ａでは、励磁電流指令IdRefと励磁電流Idとが、また、トルク電流指令IqRefとトルク電流Iqとがそれぞれ一致するように出力電圧指令Vd*、Vq*が演算出力される。座標変換器６Ａでは、ＤＱ軸出力電圧指令Vd*, Vq*が３相電圧指令Vu*, Vv*, Vw*に変換されて出力される。ＰＷＭ制御部９Ａでは、３相電圧指令Vu*, Vv*, Vw*に基づき、例えば、三角波比較ＰＷＭ制御によってゲート指令が生成され、インバータ１Ａが駆動制御される。

インバータ出力周波数演算部１５Ａは、Ｄ軸誘起電圧に基づきインバータ出力周波数を制御するものである。インバータ出力周波数演算部１５Ａの詳細を図７に示す。インバータ出力周波数演算部１５Ａは、Ｄ軸誘起電圧演算部２０とインバータ出力周波数制御部２１とから構成される。Ｄ軸誘起電圧演算部２０では、ＤＱ軸電圧指令Vd*,Vq*とＤＱ軸電流Id,IqとからＤ軸誘起電圧Edが演算出力される。

（数１）
Ed = Vd* - R1×Id + ω1 ×σL1 × Iq … (1)
ここに、Ｒ１：1次抵抗、σ：漏れ係数（= 1- M×M/L1/L2）、L1：１次自己インダクタンスである。

インバータ出力周波数制御部２１では、入力であるD軸誘起電圧Edが零となるようにインバータ出力周波数基準ω1*(ω1A*またはω1B*)が演算出力される。

（数２）
ω1* = - (Kp + Ki / s ) Ed … (2)
ここに、Kp：比例ゲイン、Ki：積分ゲイン、s：ラプラス演算子である。

このインバータ出力周波数演算部１５Ａは、速度センサレスベクトル制御法として公知な技術であり他にも各種の方式がある。

インバータ出力周波数演算部１５Ａの出力であるインバータ出力周波数基準ω1A*は、加算器１２Ａにおいて、後述するインバータ出力周波数補正値ω1cmpと加算され、インバータ出力周波数ω1Aとなる。

積分器８Ａでは、インバータ出力周波数ω1Aが積分され、座標変換器６Ａ，７Ａで用いる（静止座標系の基準軸Ａ軸に対する）Ｄ軸の位相角θが生成出力される。

以上により速度検出器を用いずにインバータの出力周波数および出力電圧を制御し、主電動機のトルクを制御することができる。なお、図示してはいないが、電気車の駆動輪がスリップし、車両の加速度が低下しないようにする、空転制御では主電動機の回転速度が必要である。この場合には、次式のような演算により、回転速度推定値ωRHを算出することができる。

（数３）
ωRH = R2/L2 × IqRef / IdRef … (３)
ここに、Ｒ２：２次抵抗、Ｌ２：２次自己インダクタンスである。

更に、この電気車制御装置には、車両が後退していることを判定するため、後退判定指標演算部１６と後退判定部１７とを備えている。後退判定指標演算部１６Ａでは、（４）によってｑ軸誘起電圧Eqが、（５）式によってｑ軸誘起電圧基準Eq*がそれぞれ演算される。

（数４）
Eq = Vq* - R1×Iq - σ×L1×ω1×Id …（４）
Eq* = ω1×M2/L2×Id …（５）
ここで、後退判定のための評価指標Ｃは、次のように演算される。

（数５）
C = ∫ | Eq - Eq* | dt …（６）
後退判定部１７Ａでは、前記評価指標Ｃに基づき、次のように後退であるか否かが判定される。

（数６）
Flg_RearDet = 0 if C < α
= 1 Else C >= α …（７）
ここに、αは所定のセット値である。

インバータ出力周波数補正量演算部１８Ａでは、前記後退判定フラグFlg_RearDet に基づき、次のようにインバータ出力周波数補正量ω1cmpが算出される。

（数７）
ω1cmp = DLIM ( -ω1rear , dω1rear) if Flg_RearDet = 1
=0 else Flg_RearDet = 0 …（８）
ここに、DLIMは変化率リミットであり、DLIM(a,b)は最終値aまで変化率をb以内で変化することを表すものである。

以上の構成によれば、一旦は停止あるいは前進であると想定し通常起動を行いながら、ｑ軸誘起電圧の偏差に基づき後退しているか否かを判定する。後退と判定された場合には、インバータ出力周波数をマイナス方向に補正するように作用することで、所定の動作点への収束、すなわち、所定トルクの出力を行うものである。

しかしながら、上記の主変換装置を電気車の一編成中に複数備える場合、前記の後退判定のための指標がばらつき、ある装置では後退と判定し、ある装置では後退ではないと判定する場合がある。特に、このような状況は、停止中やあるいは極低速で回転中に生じやすい。この場合、主変換装置によってインバータ出力周波数が異なり、それぞれの主電動機が発生するトルクに差異がでる。この主電動機間のトルクの差異によって、車両間の干渉である“どんつき現象”が生じ、極端に乗り心地を劣化する場合があり、好ましくない。

以下に説明する本発明の各実施形態では、主変換装置を２つ備えた電気車制御装置において、電気車の極低速起動時には、前記全主変換装置のインバータ出力周波数が揃うように制御することで上述した“どんつき現象”を抑制し、安定かつスムーズな起動を可能にすることを意図している。以下に本発明の実施形態を説明する。

＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態の構成を示すブロック図である。

本実施形態は、速度検出器を用いずに電気車の主電動機を駆動する速度センサレスベクトル制御を適用した主変換装置を２つ備えた電気車制御装置を示すものである。なお、図６に示した例とは、積分器８に入るインバータ出力周波数が異なる他は同一構成のため、特徴部分のみを説明することとする。

本実施形態においては、平均値演算部２３が設けられており、この平均値演算部２３には、各インバータ制御部１９Ａ，１９Ｂの各加算器１２Ａ，１２Ｂの出力である各主変換装置で演算されたインバータ出力周波数ω1A, ω1B が入力される。平均値演算部２３では、入力されたインバータ出力周波数ω1A, ω1B の平均値ω1aveが算出される。算出されたインバータ出力周波数ω1A, ω1B の平均値ω1ave は各主変換装置の積分器８Ａ，８Ｂへそれぞれ出力される。

上記構成により、各主変換装置のインバータ出力周波数が同一の値となる。−５〜５km/h程度の極低速での起動直後の走行では、車輪径差の影響は小さく、各主電動機の回転速度はほぼ同一である。従って、インバータ出力周波数も各主変換装置で演算された値に基づいてその平均から唯一の値を演算し、全主変換装置で利用することにより、編成全体で一つの主電動機を一つのインバータで駆動している状況を作り出すことができる。これにより、各主電動機で生じるトルクの差異を極力低減し、車両間の干渉である“どんつき現象”を回避することができ、乗り心地を改善することが可能になる。

＜第２の実施の形態＞
図２は、本発明の第２実施形態の構成を示すブロック図である。

本実施形態は、速度検出器を用いずに電気車の主電動機を駆動する速度センサレスベクトル制御を適用した主変換装置を２つ備えた電気車制御装置を示すものである。

図６に示した考察例では、後退判定部２４は、各主変換装置のインバータ制御部１９Ａ，Ｂの一部として備えられているのに対し、第２の実施形態では、２つの電気車制御装置に対し、共通した後退判定部２４を有している。各インバータ制御部１９Ａ，１９Ｂ内の後退判定指標演算部１６Ａ，１６Ｂから後退を判定するための指標CA, CBが後退判定部２４に入力される。後退判定部２４では、両方の指標CA,CBに基づき、その平均値が算出され、この平均値によって（７）式に基づく後退判定を行うことができる。

以上の構成により、後退の判定は唯一の後退判定部２４によって行われる。この後退判定結果に基づき、各インバータ制御部１９Ａ，１９Ｂはインバータ出力周波数補正量演算部１８Ａ，１８Ｂに作用し、インバータ出力周波数がマイナス方向へと補正される。よって、全ての主変換装置のインバータ出力周波数は、ほぼ同じ動きをする。このようにインバータ出力周波数が揃うことの作用効果を図３により説明する。

図３（ａ）は、図６に示したように後退判定部が２つある場合のインバータ出力周波数の動きを示している。ここでは、第１群としてインバータ制御部１９Ａを、第２群としてインバータ制御部１９Ｂを想定して説明する。インバータが始動された後、第１群は後退と判定されなかったので第１のインバータ周波数は正の傾きでロータ周波数よりも進んで立ち上がる。これに対し、第２群は後退と判定されたため、一旦インバータ出力周波数がマイナスへと補正されている。ロータ周波数は本来、第１の主電動機のものと第２の主電動機のもの２つがあるが、レール面で拘束されており、同一の回転であると仮定し、一つだけを示している。このインバータ出力周波数に差異が生じることで、すべり周波数やトルク出力に差異が生じていることが分かる。特にこの図のように、すべり周波数の符号まで逆になる場合、第１群は車両を前へ加速しようとするのに対し、第２群は車両を後ろへ加速しようとする。これらの作用により車両間での干渉である“どんつき現象”が生じる。なお、この図の場合、第２群はインバータ出力周波数がマイナス領域からプラス領域に移行した段階で、本来の動作点（すなわち第１のインバータ出力周波数の値）と大きな差異が生じている場合がある。この本来の動作点へ急峻に収束する際、トルクが急変し、乗り心地を大きく損なう要因にもなる。

一方、図３（ｂ）、（ｃ）は、図２に示した唯一の後退判定部２４を有する場合のインバータ出力周波数の動きを示している。同図（ｂ）は、第１群、第２群とも後退と判定しなかった場合を示しており、特に、なんら問題なく、スムーズに起動することができる。図３（ｃ）は、第１群、第２群とも後退と判定した場合である。後退判定によるインバータ出力周波数補正のため、一旦は、すべり周波数がマイナス、すなわち、後ろ向きの力が作用するものの、トルクは同一であり、“どんつき現象”は回避できる。また、ロータ周波数も概ねインバータ出力周波数の近傍にあるため、インバータ出力周波数がマイナス領域からプラス領域へと移行した際にも、急峻なインバータ出力周波数の変化を生じることなく、乗り心地への影響を低減することが可能である。

以上のように、各主変換装置のインバータ出力周波数を揃えることで、主電動機間のトルクアンバランスに起因する車両間の“どんつき現象”を抑制し、乗り心地の改善が期待できる。

＜第３の実施形態＞
図４は、本発明の第３実施形態の構成を示すブロック図である。

第２の実施形態では、インバータ制御部１９Ａ、１９Ｂ内に設けられた後退判定指標演算部１６Ａ，１６Ｂによって後退を判定するための指標CA, CBが求められ、この指標CA, CBが後退判定部２４に出力される構成が採用されているが、第３の実施形態においては、各インバータ制御部１９Ａ，１９Ｂ内には、後退判定指標演算部１６Ａ，１６Ｂは設けられておらず、車輪１４Ａに設けられた速度検出器２５により検出された速度情報FR_EXTが唯一の後退判定部２６に入力される構成が採用されている。この速度情報に基づき、例えば次式のように後退であるか否かを示すフラグFlg_RearDetが決定される。

（数８）
Flg_RearDet = 0 if FR_EXT >=0
= 1 Else FR_EXT <0 …（９）
以上のように、第３の実施形態では、主変換装置以外に備えられる速度情報を取得し、これに基づき後退判定が実行される。これにより、全主変換装置が同一の後退判定結果に基づき動作することが可能となり、全主変換装置のインバータ出力周波数は、ほぼ同じ動きをする。このため、各主電動機３で生じるトルクはほぼ一致することとなる。よって、主電動機間のトルクアンバランスに起因する車両間の“どんつき現象”が抑制され、乗り心地の劣化を抑制することが期待できる。

また、第２の実施形態では、停止からの始動など後退か否かの判定が困難な速度領域において、後退と判定されると、一旦逆向きのトルクが生じる場合がある。一方、第３の実施形態では、速度情報に基づくことで、上記のような後退誤検知を回避することができる。

電気車の一編成内には、運転台の速度計や自動列車制御装置（ＡＴＣ）の速度など、主変換装置以外が独自の速度情報をもっている。一般に、これらの精度は主電動機の駆動制御として用いるほどの精度はないが、前進か停止かあるいは後退しているかを判断するには十分な精度を有している。これらを利用することで、起動時の乗り心地を更に改善することが可能である。

＜他の実施形態＞
なお、第２，第３の実施形態では、共通の後退判定部２４，２６を使用する構成を示したが、図５に示すように、後退判定部のみならず、インバータ出力周波数補正量演算部も共通化するようにしても良い。すなわち、後退判定指標演算部１６Ａ，１６Ｂまたは速度検出器２５の出力を取り込んで後退判定を実行する共通の後退判定部２７と、この後退判定部２７の出力を取り込んでインバータ出力周波数補正量を演算する共通のインバータ出力周波数補正量演算部２８を直列接続して、その出力を加算器１２Ａ，１２Ｂへ供給するように構成しても同様な作用効果を得ることができる。

本発明の第１の実施形態を示すブロック図。 本発明の第２の実施形態を示すブロック図。 インバータ出力周波数の動きを示す説明図。 本発明の第３の実施形態を示すブロック図。 他の実施形態を示すブロック図。 本発明の前提となる一考察例を示すブロック図。 インバータ出力周波数演算部の構成例を示すブロック図。

符号の説明

１Ａ，１Ｂ…インバータ
２Ａ，２Ｂ…フィルタコンデンサ
３Ａ，３Ｂ…誘導電動機
４Ａ，４Ｂ…電流検出器
５Ａ，５Ｂ…電圧演算部
６Ａ，６Ｂ，７Ａ，７Ｂ…座標変換器
８Ａ…積分器
９Ａ…ＰＷＭ制御部
１０Ａ，１０Ｂ…フィルタリアクトル
１１Ａ，１１Ｂ…すべり周波数演算部
１２Ａ，１２Ｂ…加算器
１３…パンタグラフ
１４Ａ，１４Ｂ…車輪
１５Ａ，１５Ｂ…インバータ出力周波数演算部
１６Ａ，１６Ｂ…後退判定指標演算部
１７Ａ，１７Ｂ，２４，２６，２７…後退判定部
１８Ａ，１８Ｂ，２８…インバータ出力周波数補正量演算部
１９Ａ，１９Ｂ…インバータ制御部
２０…Ｄ軸誘起電圧演算部
２１…インバータ出力周波数制御部
２３…平均値演算部
２５…速度検出器

Claims (2)

1. 主電動機に可変電圧可変周波数の交流電圧を印加し駆動するインバータと、前記主電動機の回転速度を検出することなく前記インバータの出力周波数や出力電圧を制御して前記主電動機を駆動制御するインバータ制御手段とから成る主変換装置を電気車に複数備えた電気車制御装置において、
   前記電気車の極低速起動時には、全ての前記主変換装置のインバータ出力周波数の平均値を算出しこの平均値を全ての前記主変換装置のインバータ出力周波数とすることで、全ての前記主変換装置のインバータ出力周波数を揃える平均値演算部を備えたことを特徴とする電気車制御装置。
2. 主電動機に可変電圧可変周波数の交流電圧を印加し駆動するインバータと、前記主電動機の回転速度を検出することなく前記インバータの出力周波数や出力電圧を制御して前記主電動機を駆動制御するインバータ制御手段とから成る主変換装置を前記電気車に複数備えた電気車制御装置において、
   前記主電動機を流れる検出電流と出力電圧指令に基づいて演算された後退判定のための評価指標の平均値を算出し、この評価指標の平均値から前記電気車が後退していることを判定する後退判定手段と、
   前記後退判定結果に基づきインバータ出力周波数を補正するインバータ出力周波数補正手段とを備え、
   全ての前記主変換装置が同一の後退判定結果に基づき動作するようにしたことを特徴とする電気車制御装置。

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