JP4430080B2 - 電気車の駆動制御装置 - Google Patents

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Description

この発明は、VVVFインバータ(可変電圧可変周波数インバータ)により、三相交流電圧を発生し、この三相交流電圧によりリニアインダクションモータを駆動する電気車駆動制御装置に関するものである。
三相のリニアインダクションモータを搭載した電気車では、VVVFインバータは、電気車に給電される直流電力により三相交流電圧を発生し、この三相交流電圧によりリニアインダクションモータを駆動する。このVVVFインバータは、インバータ制御ユニットで制御され、リニアインダクションモータの同期周波数に、すべり周波数を加算または減算した周波数の三相交流電圧を発生する。
リニアインダクションモータの同期周波数は、一般には、電気車の所定の車軸に設置したパルス発生器の出力パルスの周波数に基づいて演算される。しかし、パルス発生器を設置した検出対象車軸に取り付けられた車輪が磨耗すると、その車輪の車輪径が変化し、車輪の一回転当たりの周期が変化して、パルス発生器の出力パルスの周波数が変化するので、車輪径に応じて同期周波数を補正する必要がある。
この車輪の磨耗に伴なう車輪径の変化については、一般に、電気車の運転台に車輪径データ手段を設置し、この車輪径データ手段に、電気車の定期検査で計測された車輪径データを記憶することにより、対応している。車輪径データ手段に記憶された車輪径データは、運転台からインバータ制御ユニットへ伝送される。インバータ制御ユニットでは、伝送された車輪径情報を用いて、同期周波数を補正する。しかし、運転台の車輪径データ手段が故障し、またはインバータ制御ユニットへの車輪径データの伝送にエラーが発生し、車輪径データ手段からの車輪径データがインバータ制御ユニットで正常に受信できない場合には、同期周波数の補正を行なうことができない。
先行技術である特開昭61−231805号公報には、地上子を用いて電気車の絶対速度を求め、この電気車の絶対速度に基づいて、同期周波数を補正するものが開示されている。しかし、この先行技術に開示されたものでは、地上子と、この地上子に対応する絶対速度センサを特別に設置する必要がある。地上子は、地上の複数箇所に特別に設置する必要があり、地上での保守、点検を必要とする。
特開昭61−231805号公報
この発明は、地上子を使用せずに、同期周波数を補正することができる改良された電気車の駆動制御装置を提案するものである。
この発明の第1の観点による電気車の駆動制御装置は、VVVFインバータにより三相交流電圧を発生し、この三相交流電圧によりリニアインダクションモータを駆動する電気車の駆動制御装置であって、前記三相交流電圧に基づいて前記VVVFインバータからリニアインダクションモータに流れる三相交流電流の瞬時値情報を出力する電流検出手段、前記三相交流電流の瞬時値情報を二相電流情報に変換して出力する三相/二相変換手段、前記電気車の車軸の回転周波数を表わす車軸回転周波数情報を出力する車軸回転周波数情報出力手段、前記二相電流情報に基づいて前記電気車の車輪径を表わす車輪径演算情報を演算する車輪径情報演算手段を有し、前記車輪径演算情報を車輪径補正情報として出力可能に構成された車輪径補正情報出力手段、前記車軸回転周波数情報と前記車輪径補正情報とに基づいて前記リニアインダクションモータの同期周波数を表わす同期周波数情報を演算する同期周波数演算手段、およびトルク指令と、前記二相電流情報と、前記同期周波数情報とに基づいて、前記VVVFインバータに対する制御指令を出力するベクトル演算制御手段を備え、前記車輪径補正情報出力手段は、さらに選択出力手段を有し、この選択出力手段は、前記車輪径演算情報に加えて、運転台に設置された車輪径データ手段からの車輪径データ出力を受け、前記車輪径データ出力を前記車輪径補正情報として出力する状態と、前記車輪径演算情報を前記車輪径補正情報として出力する状態とを選択することを特徴とする。
この発明に第2の観点による電気車の駆動制御装置は、VVVFインバータにより三相交流電圧を発生し、この三相交流電圧によりリニアインダクションモータを駆動する電気車の駆動制御装置であって、前記三相交流電圧に基づいて前記VVVFインバータからリニアインダクションモータに流れる三相交流電流の瞬時値情報を出力する電流検出手段、前記三相交流電流の瞬時値情報を二相電流情報に変換して出力する三相/二相変換手段、前記電気車の車軸の回転周波数を表わす車軸回転周波数情報を出力する車軸回転周波数情報出力手段、前記二相電流情報に基づいて前記電気車の車輪径を表わす車輪径演算情報を演算する車輪径情報演算手段を有し、前記車輪径演算情報を車輪径補正情報として出力可能に構成された車輪径補正情報出力手段、前記車軸回転周波数情報と前記車輪径補正情報とに基づいて前記リニアインダクションモータの同期周波数を表わす同期周波数情報を演算する同期周波数演算手段、およびトルク指令と、前記三相交流電流の瞬時値情報と、前記同期周波数情報とに基づいて、前記VVVFインバータに対する制御指令を出力するすべり演算制御手段を備え、前記車輪径補正情報出力手段は、さらに選択出力手段を有し、この選択出力手段は、前記車輪径演算情報に加えて、運転台に設置された車輪径データ手段からの車輪径データ出力を受け、前記車輪径データ出力を前記車輪径補正情報として出力する状態と、前記車輪径演算情報を前記車輪径補正情報として出力する状態とを選択することを特徴とする。
この発明の第1、第2の観点による電気車の駆動制御装置では、車輪径補正情報出力手段が、前記二相電流情報に基づいて、電気車の車輪径を表わす車輪径演算情報を演算する車輪径情報演算手段を有し、前記車輪径演算情報を前記車輪径補正情報として出力可能に構成されているので、地上子を使用せずに、同期周波数を補正することができる。
以下この発明のいくつかの実施の形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態1.
図1は、この発明による電気車の駆動制御装置の実施の形態1を示すブロック図である。この実施の形態1の電気車の駆動制御装置は、リニアインダクションモータ搭載の電気車10を含む。この電気車10は、地上に設置されたレールの上を走行する。この電気車10は、地上に設置された給電線1から直流電力の供給を受ける。
電気車10は、リニアインダクションモータ11と、VVVFインバータ12と、運転台に設置されたノッチ指令手段21と、車軸回転周波数情報出力手段23と、運転台に設置された車輪径データ手段25と、インバータ制御ユニット30を備えている。
リニアインダクションモータ11は、三相のリニアインダクションモータである。このリニアインダクションモータ11は、地上に設置されたリアクションレールと対向するようにして、電気車10の例えば台車に取り付けられ、電気車10を駆動する。
VVVFインバータ12は、可変出力電圧形で、しかも可変出力周波数形のインバータであり、給電線1から直流給電路13を通じて直流電力の給電を受ける。直流給電路13には、集電シュー14、断路器15、フィルタリアクトル16が配置される。集電シュー14は、給電線1に摺接する。VVVFインバータ12は、直流電力に基づいて三相交流電圧VACを発生する。この三相交流電圧VACは、U相、V相、W相の三相交流電圧であり、三相交流給電路17を通じてリニアインダクションモータ11に供給される。VVVFインバータ12は、例えば複数のサイリスタを用いて構成される。
三相交流給電路17には、電流検出手段18が配置される。この電流検出手段18は、例えば三相交流給電路17に結合された変成器であり、三相交流電圧VACに基づいて、VVVFインバータ12からリニアインダクションモータ11へ流れる三相交流電流の瞬時値IU、IV、IWを検出し、この三相交流電流の瞬時値IU、IV、IWを表わす三相交流電流の瞬時値情報IUVWを発生する。
ノッチ指令手段21は、電気車10の運転台に設置される。このノッチ指令手段21は、電気車10の運転手の操作に応じて、トルク指令TOを出力する。
車軸回転周波数情報出力手段23は、パルス発生器24を用いて構成され、車軸回転周波数情報FRを出力する。パルス発生器24は、電気車10の検出対象車軸の端部に設置され、その検出対象車軸の回転に同期して出力パルスを発生する。このパルス発生器24の出力パルスは、車軸回転周波数情報FRとして出力される。この車軸回転周波数情報FRは、パルス発生器24が設置された検出対象車軸の回転周波数Frを表わす。
車輪径データ手段25は、電気車10の運転台に設置される。この車輪径データ手段25は、車輪径データ出力WD1を出力する。この車輪径データ手段25は、メモリ手段を含み、このメモリ手段に記憶された車輪径データWd1を車輪径データ出力WD1として出力する。車輪径データWd1は、パルス発生器24を設置した検出対象車軸に取り付けられた車輪の車輪径データを計測し、その車輪径データをメモリ手段に記憶したものである。具体的には、電気車10の定期検査時に、パルス発生器24が設置された検出対象車軸に取り付けられた車輪の車輪径データが計測され、その計測された車輪径データが車輪径データWd1としてメモリ手段に記憶される。車輪径データWd1は、電気車10が定期検査を受ける度に、校正される。
ノッチ指令手段21、車軸回転周波数情報出力手段23、および車輪径データ手段25は、伝送ライン26によりインバータ制御ユニット30に接続される。この伝送ライン26は、伝送ライン26A、26B、26Cを含む。ノッチ指令手段21は、伝送ライン26Aを通じて、車軸回転周波数情報出力手段23は、伝送ライン26Bを通じて、また、車輪径データ手段25は、伝送ライン26Cを通じて、それぞれインバータ制御ユニット30に接続される。
インバータ制御ユニット30は、例えばマイクロコンピュータにより構成され、三相/二相変換手段31と、車輪径補正情報出力手段32と、同期周波数演算手段37と、インバータ制御指令手段38を有する。三相/二相変換手段31は、例えばマイクロコンピュータのCPUにより構成される。この三相/二相変換手段31は、電流検出手段18から三相交流電流の瞬時値情報IUVWを受け、またインバータ制御指令手段38からインバータ周波数情報FINVを受ける。三相/二相変換手段31は、三相交流電流の瞬時値情報IUVWを、インバータ周波数情報FINVを用いて、二相電流情報Idqに変換し、この二相電流情報Idqを出力する。インバータ周波数情報FINVは、VVVFインバータ12の出力周波数Finvを表わす。
二相電流情報Idqは、2つの電流成分Id、Iqを含む。これらの電流成分Id、Iqは、互いに直交する位相軸における電流成分である。三相/二相変換手段31は、次の式(1)(2)に従って、電流成分Id、Iqを演算し、これらの電流成分Id、Iqを含む二相電流情報Idqを出力する。電流成分Id、Iqは、式(1)から明らかな通り、車輪径の影響を受けない。なお、式(2)のtは、経過時間である。

Figure 0004430080
θ=2π×Finv×t・・・(2)
車輪径補正情報出力手段32は、車輪径デフォルト情報手段33と、車輪径演算手段34と、選択出力手段36を有し、車輪径補正情報WDを出力する。車輪径デフォルト情報手段33は、例えばマイクロコンピュータのメモリにより構成される。この車輪径デフォルト情報手段33は、車輪径デフォルトデータWd0を記憶し、この車輪径デフォルトデータWd0を車輪径デフォルト情報WD0として出力する。車輪径デフォルトデータWd0は、パルス発生器24を設置した検出対象車軸に取り付けられた車輪の車輪径初期値として、メモリに記憶される。
車輪径演算手段34は、例えばマイクロコンピュータのCPUにより構成される。この車輪径演算手段34は、三相/二相変換手段31から二相電流情報Idqを受け、車輪径デフォルト情報手段3から車輪径デフォルト情報WD0を受け、またインバータ制御指令手段3からインバータ周波数情報FINVとすべり周波数情報FSを受ける。すべり周波数情報FSは、リニアインダクションモータ11のすべり周波数Fsを表わす。車輪径演算手段34は、二相電流情報Idqと、車輪径デフォルト情報WD0と、インバータ周波数情報FINVと、すべり周波数情報FSに基づいて、車輪径演算情報WD2を出力する。この車輪径演算手段34は、車輪径補正バックアップ手段35を構成する。
車輪径演算手段34は、次の式(3)(4)に従って、車輪径演算データWd2を演算し、この車輪径演算データWd2を車輪径演算情報WD2として出力する。
Wd2=(Finv−Fs)×Wd0/Fmp・・・(3)
Fs=(Iq/Id)×(R2/L2×2π)・・・(4)
ただし、Fmpは車輪径デフォルト値Wd0から演算されたリニアインダクションモータ11の同期周波数、R2はリニアインダクションモータ11の2次抵抗値、L2はリニアインダクションモータ11の2次インダクタンス値である。
選択出力手段36は、例えばマイクロコンピュータの出力部により構成される。この選択出力手段36は、第1入力部aと、第2入力部bと、第3入力部cと、出力部dを有する。第1入力部aは、伝送ライン26Cを通じて車輪径データ手段25から車輪径データ出力WD1を受ける。第2入力部bは、車輪径演算手段34から車輪径演算情報WD2を受ける。第3入力部cは、車輪径デフォルト情報手段33から車輪径デフォルト情報WD0を受ける。選択出力手段3は、車輪径データ出力WD1と車輪径演算情報WD2と車輪径デフォルト情報WD0のいずれかを選択して、出力部dから車輪径補正情報WDを出力する。
同期周波数演算手段37は、例えばマイクロコンピュータのCPUにより構成される。この同期周波数演算手段37は、車軸回転周波数情報出力手段23から車軸回転周波数情報FRを受け、また車輪径情報出力手段32から車輪径補正情報WDを受ける。同期周波数演算手段37は、これらの車軸回転周波数情報FRと車輪径補正情報WDに基づいて、リニアインダクションモータ11の同期周波数Fmを演算し、この同期周波数Fmを表わす同期周波数情報FMを出力する。
同期周波数演算手段37は、次の式(5)に従って同期周波数Fmを演算し、この同期周波数Fmを同期周波数情報FMとして出力する。
Fm=π×Wd×Fr/2τ・・・(5)
ただし、τはリニアインダクションモータ11の極ピッチである。
インバータ制御指令手段38は、例えばマイクロコンピュータのCPUにより構成される。このインバータ制御指令手段38は、実施の形態1では、ベクトル演算制御手段39を用いて構成される。このベクトル演算制御手段39は、周知の手段である。ベクトル演算制御手段39は、ノッチ指令手段21からのトルク指令TOと、三相/二相変換手段31からの二相電流情報Idqと、同期周波数演算手段3からの同期周波数情報FMを受けて、周知の通り、VVVFインバータ12に対する制御指令、具体的には電圧指令VOと、周波数指令FOを発生する。この電圧指令V、周波数指令FOは、VVVFインバータ12に供給され、VVVFインバータ12の出力電圧、出力周波数を制御する。
ベクトル演算制御手段39は、併せて、インバータ周波数情報FINVとすべり周波数情報FSを発生する。インバータ周波数情報FINVは、三相/二相変換手段31と、車輪径演算手段34に供給される。すべり周波数情報FSは、車輪径演算手段34に供給される。
さて、選択出力手段36のフローチャートを図2に示す。この図2のフローチャートは、処理開始ステップS10に続く5つのステップS11〜S15を含む。ステップS11では、車輪径データ出力WD1が選択出力手段36に正常に受信されたかどうかが判定される。このステップS11の判定結果がYESならば、ステップS12に進み、このステップS12で、車輪径補正情報WDとして車輪径データ出力WD1が選択される。
ステップS11の判定結果がNOならば、次のステップS13に進む。このステップS13では、バックアップ条件が満たされているかどうかが判定される。ステップS13の判定結果がYESならば、ステップS14に進み、このステップS14で車輪径補正情報WDとして車輪径演算出力WD2が選択される。ステップS13の判定結果がNOならば、ステップS15に進み、このステップS15で車輪径補正情報WDとして車輪径デフォルト情報WD0が選択される。
ステップS13におけるバックアップ条件は、次の条件(a)(b)(c)のすべてが満足される条件である。
(a)VVVFインバータ12が動作状態にあること。
(b)VVVFインバータ12の出力周波数Finvが、所定値F1以上であること。
(c)VVVFインバータ12に対する異常保護動作がなく、VVVFインバータ12が所定時間以上継続して動作していること。
ステップS11の判定結果がNOであり、車輪径データ出力WD1が正常に受信されていないと判定された場合において、前記バックアップ条件が満足されるときには、ステップS14で車輪径演算情報WD2が選択されるが、前記バックアップ条件が満足されない場合には、ステップS15で車輪径デフォルト情報WD0が選択される。ステップS15からの車輪径デフォルト情報WDOの選択出力は、ステップS13にフィードバックされ、バックアップ条件が満足されない場合には、フェ−ルセイフ機能として、ステップS15の車輪径デフォルト情報WDOが車輪径補正情報WDとして選択される。
以上のように実施の形態1では、車輪径補正情報出力手段32が車輪径演算手段34を有し、この車輪径演算手段34の車輪径演算情報WD2を選択して、車輪径補正情報WDを出力するように構成したので、地上子を使用せずに、同期周波数を補正することができる。また選択出力手段36は、車輪径データ出力WD1を車輪径補正情報WDとして出力する状態と、車輪径演算情報WD2を車輪径補正情報WDとして出力する状態とを選択するので、車輪径データ出力WD1、車輪径演算情報WD2を有効に利用して、インバータ制御を行なうことができる。さらに、選択出力手段36は、車輪径デフォルト情報WD0を車輪径補正情報WDとして出力する状態も選択できるので、バックアップ条件が満たされないときには、車輪径演算情報WD2に代わって車輪径デフォルト情報WD0を用いて、インバータ制御を行なうことができる。
実施の形態2.
図3は、この発明による電気車の駆動制御装置の実施の形態2を示すブロック図である。この実施の形態2は、実施の形態1におけるベクトル演算制御手段39に代わって、すべり演算制御手段40を使用し、このすべり演算制御手段40により、インバータ制御指令手段38を構成したものである。その他は、実施の形態1と同じに構成される。
すべり演算制御手段40は、周知の手段である。このすべり演算制御手段40は、電流検出手段18から三相交流電流の瞬時値IUVWを受け、ノッチ指令手段21からトルク指令TOを受け、また同期周波数演算手段37から同期周波数情報FMを受けるように構成される。このすべり演算制御手段40は、周知の通り、三相交流電流の瞬時値IUVWに基づいて三相交流電流の実効値を演算し、この三相交流電流の実効値とトルク指令TOと同期周波数情報FMに基づき、VVVFインバータ12に対する制御指令、具体的には、電圧指令VO、周波数指令FOを発生し、またインバータ周波数情報FINVおよびすべり周波数FSを発生する。
この実施の形態2でも、車輪径補正情報出力手段32が車輪径演算手段34を有し、この車輪径演算手段34の車輪径演算情報WD2を選択して、車輪径補正情報WDを出力するように構成したので、地上子を使用せずに、同期周波数を補正することができる。
この発明による電気車の駆動制御装置は、VVVFインバータにより三相交流電圧を発生してリニアインダクションモータを駆動する電気車の駆動制御装置として利用される。
この発明による電気車の駆動制御装置実施の形態1を示すブロック図である。 実施の形態1における選択出力手段のフローチャートである。 この発明による電気車の駆動制御装置実施の形態を示すブロック図である。
符号の説明
11:リニアインダクションモータ、12:VVVFインバータ、18:電流検出手段、
21:ノッチ指令手段、23:車軸回転周波数情報出力手段、
25:車輪径データ手段、31:三相/二相変換手段、
32:車輪径補正情報出力手段、33:車輪径デフォルト情報手段、
34:車輪径演算手段、36:選択出力手段、37:同期周波数演算手段、
38:インバータ制御指令手段、39:ベクトル演算制御手段、
40:すべり演算制御手段。

Claims (4)

  1. VVVFインバータにより三相交流電圧を発生し、この三相交流電圧によりリニアインダクションモータを駆動する電気車の駆動制御装置であって、
    前記三相交流電圧に基づいて前記VVVFインバータからリニアインダクションモータに流れる三相交流電流の瞬時値情報を出力する電流検出手段、
    前記三相交流電流の瞬時値情報を二相電流情報に変換して出力する三相/二相変換手段、
    前記電気車の車軸の回転周波数を表わす車軸回転周波数情報を出力する車軸回転周波数情報出力手段、
    前記二相電流情報に基づいて前記電気車の車輪径を表わす車輪径演算情報を演算する車輪径情報演算手段を有し、前記車輪径演算情報を車輪径補正情報として出力可能に構成された車輪径補正情報出力手段、
    前記車軸回転周波数情報と前記車輪径補正情報とに基づいて前記リニアインダクションモータの同期周波数を表わす同期周波数情報を演算する同期周波数演算手段、および
    トルク指令と、前記二相電流情報と、前記同期周波数情報とに基づいて、前記VVVFインバータに対する制御指令を出力するベクトル演算制御手段を備え
    前記車輪径補正情報出力手段は、さらに選択出力手段を有し、この選択出力手段は、前記車輪径演算情報に加えて、運転台に設置された車輪径データ手段からの車輪径データ出力を受け、前記車輪径データ出力を前記車輪径補正情報として出力する状態と、前記車輪径演算情報を前記車輪径補正情報として出力する状態とを選択することを特徴とする電気車の駆動制御装置。
  2. VVVFインバータにより三相交流電圧を発生し、この三相交流電圧によりリニアインダクションモータを駆動する電気車の駆動制御装置であって、
    前記三相交流電圧に基づいて前記VVVFインバータからリニアインダクションモータに流れる三相交流電流の瞬時値情報を出力する電流検出手段、
    前記三相交流電流の瞬時値情報を二相電流情報に変換して出力する三相/二相変換手段、
    前記電気車の車軸の回転周波数を表わす車軸回転周波数情報を出力する車軸回転周波数情報出力手段、 前記二相電流情報に基づいて前記電気車の車輪径を表わす車輪径演算情報を演算する車輪径情報演算手段を有し、前記車輪径演算情報を車輪径補正情報として出力可能に構成された車輪径補正情報出力手段、
    前記車軸回転周波数情報と前記車輪径補正情報とに基づいて前記リニアインダクションモータの同期周波数を表わす同期周波数情報を演算する同期周波数演算手段、および
    トルク指令と、前記三相交流電流の瞬時値情報と、前記同期周波数情報とに基づいて、前記VVVFインバータに対する制御指令を出力するすべり演算制御手段を備え
    前記車輪径補正情報出力手段は、さらに選択出力手段を有し、この選択出力手段は、前記車輪径演算情報に加えて、運転台に設置された車輪径データ手段からの車輪径データ出力を受け、前記車輪径データ出力を前記車輪径補正情報として出力する状態と、前記車輪径演算情報を前記車輪径補正情報として出力する状態とを選択することを特徴とする電気車の駆動制御装置。
  3. 請求項1または2記載の電気車の駆動制御装置であって、前記選択出力手段は、前記車輪径データ出力が正常に受信された場合には、前記車輪径データ出力を前記車輪径補正情報として出力する状態を選択し、前記車輪径データ出力が正常に受信されない場合に、前記車輪径演算情報を前記車輪径補正情報として出力する状態を選択することを特徴とする電気車の駆動制御装置。
  4. 請求項記載の電気車の駆動制御装置であって、前記選択出力手段は、さらに車輪径デフォルト情報を受け、前記車輪径データ出力が正常に受信されない場合において、所定条件が成立したときに、前記車輪径演算情報を前記車輪径補正情報として出力する状態を選択し、前記所定条件が成立しないときには、前記車輪径デフォルト情報を前記車輪径補正情報として出力する状態を選択することを特徴とする電気車の駆動制御装置。
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