JP4587812B2 - 電気車の制御装置及び電気車両 - Google Patents

Description

本発明は誘導電動機を駆動する電力変換器を用いた電気車の制御装置、及びその制御装置を備えた電気車両に関する。

鉄道車両では架線と軌道により電力変換器に電力を供給しており、軌道には帰線電流が流れる。一方、電気車の在線を検知するため、地上に設置した保安機器等が軌道を、軌道回路として使用している。このため、軌道回路が利用する交流信号と同一周波数成分である障害電流を帰線電流が含むと保安機器が誤動作する恐れがある。このため、障害電流は厳しく規制されており、規制値以下に抑制する必要がある。なお、軌道に流れる帰線電流とフィルタリアクトルを流れる架線電流は同じ値であるため、以下では特に区別が必要な場合を除いて架線電流に統一する。

障害電流を抑制する技術としては、例えば、特許文献１に記載された技術がある。これは、モータ電流の特定周波数成分に基づき、抽出した電流指令値を補正することにより、帰線電流を抑制する技術である。
特開２００２-１８６２８７号公報

鉄道車両では、軌道等からの外乱により車輪及びモータの回転数が変動し、モータの機械出力が変化すると架線から受電する電力も変動するため、障害電流が発生する。
従来技術では、モータ電流の特定周波数成分を抑制するため、モータ電流にほぼ比例するモータトルクの変動は抑制できるが、トルクと回転数の積であるモータの機械出力の変動を抑制することができない。このため、障害電流を効果的に抑制することができない。

本発明の目的は、モータの機械出力の変動を原因とする障害電流を効果的に抑制することにある。

本発明は、鉄道用車両で、直流電圧を電流指令に基づき交流電圧に変換し電動機を駆動する場合において、電動機の回転速度を検出又は推定する回転速度判定手段と、検出又は推定した回転速度から、軌道回路が使用する周波数の±１０Hzの周波数成分を抽出するフィルタと、フィルタの出力に基づきモータ出力を一定になるようにモータトルクを制御する補正電流指令を出力する作成部と、補正電流指令に基づき交流電圧指令を制御する電動機制御部を具備することを特徴とする。

本発明によれば、モータの機械出力を一定に制御できるため、架線から受電する電力を一定にすることができる。よって、モータの機械出力の変動を原因とする障害電流を効果的に抑制することができる。

以下、本発明の第１の実施の形態について、図１〜図３を参照して詳細に説明する。
本実施の形態においては、鉄道用の電気車両の例としてあり、ここでは、直流電源の供給を受ける車両に適用してある。即ち、図１に示すように、集電器１で架線から受電した直流電力を、フィルタリアクトル２及びフィルタコンデンサ３により高周波成分を除去して、第１の電力変換器４に供給する。

第１の電力変換器４では、直流電源を交流電源に変換し、変換された交流電源をモータ（誘導機）５に供給して、モータ５を回転駆動させ、車両の台車に配置された車輪７を回転させる。モータ５の回転は、回転速度検出器６で検出する構成としてある。

電力変換器４による交流電源の発生状態について説明すると、電動機制御部１２０内の交流電圧指令作成部１０９からの交流電圧指令Ｖｕ^* ，Ｖｖ^* 、及びＶｗ^* に基づき、可変周波数可変電圧の交流電圧に変換し、モータ５を制御する。モータ５の回転速度を検出する回転速度検出器６の検出した回転速度ωｒと、外部から与えた電流指令値である、d軸電流指令Id*とq軸電流指令Iq*を、電動機制御部１２０内のベクトル制御部１０６に供給し、交流電圧指令作成部１０９から交流電圧指令を得る。電動機制御部１２０の具体的な構成については後述するが、本例においては、ノイズ抑制部１０５が発生させたノイズ抑制用の信号をベクトル制御部１０６の出力に加算するようにしてある。ノイズ抑制部１０５は、補正電流指令作成部１２１の出力により制御される。

次に、より具体的なモータ５の回転駆動の制御について説明すると、第１の電力変換器４は、電動機制御部１２０から交流電圧指令Vu*、Vv*、Vw*に基づきモータ５へ電圧を供給する。回転速度検出器６は、モータ５の回転数を検出し、回転速度ωｒを得るための検出器である。トルク指令作成部１０１では、d軸電流指令Id*、及び減算器１１３から出力した第２のq軸電流Iq２を入力して数式（１）に基づきトルク指令T*を演算する。

但し、L２、M、Pはモータ５のモータ定数であり、L2は２次自己インダクタンス、Mは相互インダクタンス、Pはモータ５の極数である。
フィルタ１０２では、回転速度検出器６にて検出したモータ５の回転角速度ωrを入力し、特定の周波数帯域を抽出するフィルタを用いて回転角速度変動成分Δωrを出力する。
補正電流指令作成部１２１は、トルク補正指令作成部１０３と、q軸電流操作量作成部１０４で構成される。回転速度検出器６で検出したモータ５の回転速度ωｒから、フィルタ１０２で特定の周波数帯域Δωｒを抽出し、その抽出した特定の周波数帯域Δωｒをトルク補正指令作成部１０３に供給する。トルク補正指令作成部１０３では、トルク補正指令ΔT*を演算し、q軸電流操作量作成部１０４でq軸電流操作量ΔIqを決定する。

具体的には、トルク補正指令作成部１０３では、モータ５の回転角速度ωr、回転角速度変動成分Δωr、及びトルク指令T*から、数式（２）によりトルク補正指令ΔT*を演算する。

q軸電流操作量作成部１０４では、トルク補正指令ΔT*、及びd軸電流指令Id*を用いて、数式（３）よりq軸電流操作量ΔIqを演算する。

電動機制御部１２０では、供給されるトルク補正指令ΔT*の補正量のとおり、トルクを補正するように、交流電圧指令Vu*、Vv*、Vw*を決定する。
即ち、ノイズ抑制部１０５では、q軸電流操作量ΔIq、ベクトル制御部１０６の出力する第１の角速度指令ω１１*、d軸電流指令Id*、及びq軸電流指令Iq*から、数式（４）、数式（５）、数式（６）、及び数式（７）より、q軸電流補正指令dIq*、角速度補正指令dω1*、d軸電圧補正指令dVd*、及びq軸電圧補正指令dVq*をそれぞれ演算する。

なお、R2 、Rσ、ｌσはモータ５のモータ定数であり、R2は２次抵抗、Rσは１次換算の巻線抵抗、ｌσは、１次換算の漏れインダクタンスである。また、T１とT2は制御時定数、Sはラプラス演算子である。
q軸電流操作量ΔIqを補償するためにq軸電圧補正指令dVq*を補正した場合、定電流制御による変動分を抑制するためにq軸電流補正指令dIq*を補償し、すべり角速度の変動を抑制するために角速度補正指令dω1*を補償し、d軸電流の変動を抑制するためにd軸電圧補正指令ｄVd*を補償する。

ベクトル制御部１０６では、d軸電流指令Id*、q軸電流指令Iq*、及び回転角速度ωrを入力して、公知のベクトル制御を用いて第１のd軸電圧指令Vd*、及び第１のq軸電圧指令Vq*、及び第１の角速度指令ω１１*を演算する。

積分器１０７は、ベクトル制御部１０６の出力である第１の角速度指令ω11*と、ノイズ抑制部１０５の出力である角速度補正指令dω1*を、加算器１１２で加算した第２の角速度指令ω１２*が供給されて、その供給された第２の角速度指令ω１２*積分して、位相θを出力する。

回転座標変換部１０８では、電流検出器１０で検出したモータ電流検出値Iu、Iv、Iw及び位相θを用いて回転座標変換を行い、d軸電流Id、第１のq軸電流Iq１を出力する。回転座標変換部１０８より出力されたd軸電流Id、第１のq軸電流Iq1は、減算器１１３に供給し、ノイズ抑制部１０５より入力したq軸電流補正指令dIq*を減算し、d軸電流Id、及び第２のq軸電流Iq2を出力する。

ベクトル制御部１０６の出力である第１のd軸電圧指令Vd1*と、ノイズ抑制部１０５の出力であるd軸電圧補正指令dVd*は、加算器１１０で加算して、第２のd軸電圧指令Vd２*として交流電圧指令作成部１０９に供給する。同様に、ベクトル制御部１０６の出力である第１のq軸電圧指令Vq1*と、ノイズ抑制部１０５の出力であるq軸電圧補正指令dVq*とを、加算器１１１で加算して、第２のq軸電圧指令Vq2*として交流電圧指令作成部１０９に供給する。

交流電圧指令作成部１０９は、ベクトル制御部１０６の出力である第１のd軸電圧指令Vd1*と、ノイズ抑制部１０５の出力であるd軸電圧補正指令dVd*を加算する加算器１１０の出力である第２のd軸電圧指令Vd２*と、ベクトル制御部１０６の出力である第１のq軸電圧指令Vq1*とノイズ抑制部１０５の出力であるq軸電圧補正指令dVq*を加算する加算器１１１の出力である第２のq軸電圧指令Vq2*、及び位相θを入力し、回転座標変換を行い交流電圧指令Vu*、Vv*、Vw*を出力する。

次に本実施例の動作原理について、図２を参照して説明する。軌道等からの外乱を原因として車輪７及びモータ５の回転数が変動することによる架線電圧の変動に関するブロック線図を図２に示す。
モータ５の回転角速度変動成分Δωｒにより、モータ５の機械出力がΔPm１及びΔPmだけ変動する。モータ５の出力と第１の電力変換器４の入力に着目し、モータ５と第１の電力変換器４の変換効率をηとすると第１の電力変換器４の入力はΔPeだけ変動する。
第１の電力変換器４の入力は、フィルタコンデンサ３の両端電圧Ecfと入力電流の積であるため、入力の変動ΔPeに対して入力電流はΔIdcだけ変動する。入力電流の変動ΔIdcは、受電フィルタを介して架線電流の変動ΔIsになる。すなわち、機械出力の変動が架線電流ΔIsの変動の原因となる。そこで、モータ５の回転数が変動した場合であっても機械出力が変動しないようにトルクを制御する。すなわち、モータ５の回転数による機械出力の変動ΔPm1をトルクによる機械出力の変動ΔPm2で相殺することにより、機械出力の変動ΔPmを抑制し、障害電流の原因となる架線電流の変動ΔIsを抑制する。

次に、上記原理をふまえて本実施の形態の動作について説明する。
回転角速度変動成分Δωrは、図３に示す波形２０１であるとする。
トルク補正指令ΔT*の波形は、モータ電力一定に制御するため、数式（２）に従い、図３の波形２０２となる。ΔT*を波形２０３のq軸電流操作量ΔIqに変換し、第１の電力変換器４へ、交流電圧指令を出力する。

第１の電力変換器４は与えた交流電圧指令のとおりに電圧を制御するため、図３に示すように、トルク変動量ΔTの波形２０４は、モータ電力変化量ΔPmの波形２０５となる。
モータ電力変化量ΔPmが０であると、第１の電力変換器４へ流入する電流の変化量ΔIdcは０となり、モータ５の回転速度によるノイズ成分は第１の電力変換器４の出力電流に変換されない。このため、架線電流ΔIsは、ΔIdc=0より、フィルタコンデンサ両端電圧一定である定常状態では、ΔIs＝０となるため、架線電流Isから保安機器に影響を与える周波数成分を抑制することができる。なお、図３の波形２０６はΔIsの波形である。

このように図１に示した構成による本実施の形態における電気車の制御装置によれば、保安機器に影響を及ぼす周波数成分Δωｒをモータ５の回転速度ωｒより検出し、その値を用いてトルク補正指令ΔT*を制御することにより、架線電流を直接検出するための検出器を設けることなく、保安機器に対して影響を及ぼすような架線電流の変動ΔIsの発生を防止することができる。

なお、本実施の形態ではq軸電流操作量ΔIｑに基づいて、例えばd軸電圧、q軸電圧、q軸電流、角速度に補正を行う制御方法を採用したが、結果としてq軸電流操作量ΔIq、或いはトルク補正指令ΔT*の数値だけ補正が可能であれば、どの制御方式を用いても良い。
また、一般に保安装置が使用する周波数の±１０Hzの成分が規制対象であるため、フィルタ１０２の抽出する成分は保安装置が使用する周波数の±１０Hzを含むことが必要である。具体的には、保安装置で使用される周波数は、２５Hz、３０Hz、５０Hz、６０Hz、８３．３Hｚ、１００Hz、１２０Hzがあり、フィルタ１０２は、当該車両が走行する線区で使用される保安装置に応じて、１５Hzから３５Hz、２０Hzから４０Hz、４０Hzから６０Hz、５０Hｚから７０Hz、７３．３Hzから９３．３Hz、９０Hzから１１０Hz、１１０Hzから１３０Hzの範囲のうち、少なくとも1つの周波数範囲の成分を抽出することが必要である。

また、図１に示す構成では、モータ５を、１台のみ図示しているが、モータ５を複数台並列に接続した構成をとることも可能である。この場合、得られた複数個の速度センサ信号から平均角速度を求め、回転角速度ωrにかえて平均角速度を用いる構成としてもよい。

次に、本発明の第２の実施の形態を、図４を参照して説明する。この図４において、既に説明した図１〜図３に対応する部分については、同一符号を付し、その詳細説明は省略する。

本例においては、第１の実施の形態で説明した回転速度検出器６（図１）を設ける代わりに、図４に示すように、速度推定部３０１を設けた構成としてある。速度推定部３０１での速度推定方法は様々な方法が提案されているが、例えば本実施の形態では、d軸電流Id、第１のq軸電流Iq1、第２のd軸電圧指令Vd2*、及び第２のq軸電圧指令Vq2*を入力し、数式（８）を用いて回転角速度推定値ωr^を演算する速度推定方式を用いる。

但し、ω１は第１の電力変換器４の周波数である。
回転角速度推定値ωr^を、第１の実施の形態で説明した回転角速度ωrの代わりにフィルタ１０２、q軸電流操作量作成部１０４、ベクトル制御部１０６へ入力する。その他の部分は、第１の実施の形態で説明した図１と同様に構成する。

本実施の形態では、速度推定方式に数式（８）で演算する方式を用いたが、速度が推定可能であればどの推定方式を用いても良い。
回転角速度推定値ωr^は、速度起電力に基づき推定を行っているため、第１の実施の形態と同様、回転角速度変動成分Δωrを含む。このため、速度検出器６がない場合でも本実施の形態の構成でも、第１の実施の形態の場合と同様の効果が得られる。

なお、ここまでの説明では、直流を受電する電気車の例について説明したが、交流を受電する電気車についても本発明を適用可能である。即ち、図１に示す第１の実施の形態、或いは図４に示す第２の実施の形態における、第１の受電部１１に替えて、図５に示す第２の受電部４１を用いる構成としてもよい。

即ち、第２の受電部４１として、集電器１で架線から受電した交流電力を、主変圧器４２で低圧に変圧し、その変圧された交流電力を第２の電力変換器４３で、直流に変換する。この場合、コンデンサ４４で、出力電圧を一定にするよう制御を行っている。

このような構成の第２の受電部４１を、図１又は図４に示す電気車が備えたことで、軌道等からの外乱により車輪７及びモータ５の回転数が変動するとモータ５の機械出力が変動し、第１の電力変換器４の入力及び出力電流も変動する。交流架線の場合、第２の電力変換器４３により、コンデンサ４４の両端電圧を一定にするよう制御を行っているため、第１の電力変換器４の出力電流変動成分は、主変圧器４２を通してレールに流出する。

このため、モータ５の機械出力の変動による外乱を抑制するためには、第１の電力変換器４の出力電流変動成分を抑制しなくてはならない。よって、図１又は図４に示す直流電気車と同様に、モータ５の機械出力変動を抑制するよう制御を行う。

交流電気車の場合、第２の受電部４１における動作は、図１又は図４に示す直流電気車と同様に、第１の電力変換器４の出力電流の変動成分ΔIdcが０であるとすると、コンデンサ４４の両端電圧は一定のため、第２の電力変換器４２の出力電流変動成分が０となる。第２の電力変換器４２は、交流電流を直流電流に変換するので、第２の電力変換器４２の入力電流変動成分が０の交流電流となる。この交流電流が主変圧器４１を通して架線へ流出する。よって、軌道等からの外乱により車輪７及びモータ５の回転数の変動を原因とする架線へ流出する障害電流を抑制することができる。

但し、交流電気車の場合、第２の電力変換器４３において、出力変動は入力側電流、すなわち交流電流の振幅の変動になる。すなわち、出力変動により入力電流が振幅変調されることになるため、電源周波数をFsとすると出力変動の周波数F1の成分は入力電流では、
｜Fs±F1｜の周波数成分に変換される。このため、架線電流で周波数Fhの成分を抑制する場合、周波数｜Fs+Fh｜及び｜Fs-Fh｜の出力変動を抑制する必要があり、フィルタ１０２はこれらの周波数成分を抽出する必要がある。通常は保安装置で用いられる周波数の±１０Hzの範囲を抑制する必要があるため、保安装置で用いる周波数をFh’とするとフィルタ１０２は少なくとも｜Fs-Fh’-10｜Hzから｜Fs-Fh’+10｜Hzまでの範囲、または｜Fs+Fh’-10｜Hzから｜Fs+Fh’+10｜Hzの範囲を抽出することが必要である。具体的には、保安装置で使用される周波数は、２５Hz、３０Hz、８３．３Hｚ、１００Hz、１２０Hzがあり、フィルタ１０２は、当該車両が走行する線区で使用される保安装置に応じて、１５Hzから３５Hz、６５Hzから８５Hｚ、２０Hzから４０Hｚ、８０Hzから１００Hz、２３．３Hzから４３．３Hｚ、１２３．３Hzから１４３．３Hz、４０Hzから６０Hｚ、１４０Hｚから１６０Hｚ、３０Hzから５０Hｚ、１５０Hzから１７０Hz、５０Hzから７０Hz、１７０Hzから１９０Hzの範囲のうち、少なくとも1つの周波数範囲の成分を抽出することが必要である。

本発明の第１の実施の形態の構成図である。 本発明の第１の実施の形態の原理説明図である。 本発明の第１の実施の形態の動作説明図である。 本発明の第２の実施の形態の構成図である。 本発明の受電部を交流車両に適用した場合の構成図である。

符号の説明

１…集電器、２…フィルタリアクトル３フィルタコンデンサ、４…第１の電力変換器、５…モータ、６…回転速度検出器、７…車輪、１１…電流検出器第１の受電部、４１…第２の受電部、４２…主変圧器、４３…第２の電力変換器、４４…コンデンサ、１０１…トルク指令作成部、１０２…フィルタ、１０３…トルク補正指令作成部、１０４…q軸電流操作量作成部、１０５…ノイズ抑制部、１０６…ベクトル制御部、１０７…積分器、１０８…回転座標変換部、１０９…交流電圧指令作成部、１２０…電動機制御部、１２１…補正電流指令作成部、３０１…速度推定部

Claims (10)

1. 直流電圧を電流指令に基づき交流電圧に変換し電動機を駆動する鉄道用車両としての電気車の制御装置において、
   前記電動機の回転速度を検出する検出器と、
   該検出した回転速度から、軌道回路が使用する周波数の±１０Hzの周波数成分を抽出するフィルタと、
   該フィルタの出力に基づきモータ出力を一定になるようにモータトルクを制御する補正電流指令を出力する作成部と、
   該補正電流指令に基づき前記交流電圧指令を制御する電動機制御部を具備することを特徴とする電気車の制御装置。
2. 請求項１記載の電気車の制御装置において、
   交流電圧を架線から受電し、交流電圧を前記直流電圧に変換して、前記電動機により車輪を駆動することを特徴とする電気車の制御装置。
3. 直流電圧を電流指令に基づき交流電圧に変換し電動機を駆動する鉄道用車両としての電気車の制御装置において、
   前記電動機の回転速度を前記電動機の電流に基づき推定する速度推定部と、
   該推定した回転速度から、軌道回路が使用する周波数の±１０Hzの周波数成分を抽出するフィルタと、
   該フィルタの出力に基づきモータ出力が一定になるようにモータトルクを制御する補正電流指令を出力する作成部と、
   該補正電流指令に基づき前記交流電圧を制御する電動機制御部を具備することを特徴とする電気車の制御装置。
4. 請求項３記載の電気車の制御装置において、
   交流電圧を架線から受電し、交流電圧を前記直流電圧に変換して、前記電動機により車輪を駆動することを特徴とする電気車の制御装置。
5. 直流電圧を電流指令に基づき交流電圧に変換し電動機を駆動する鉄道用車両としての電気車両において、
   前記電動機の回転速度を検出又は推定する回転速度判定手段と、
   検出又は推定した回転速度から、軌道回路が使用する周波数の±１０Hzの周波数成分を抽出するフィルタと、
   該フィルタの出力に基づきモータ出力を一定になるようにモータトルクを制御する補正電流指令を出力する作成部と、
   該補正電流指令に基づき前記交流電圧指令を制御する電動機制御部を具備し、
   前記電動機により車輪を駆動することを特徴とする電気車両。
6. 請求項５記載の電気車両において、
   前記回転速度判定手段は、前記電動機の回転速度を直接的に検出することを特徴とする電気車両。
7. 請求項５記載の電気車両において、
   前記回転速度判定手段は、前記電動機の回転速度を、前記電動機の電流に基づき推定することを特徴とする電気車両。
8. 請求項５記載の電気車両において、
   前記フィルタは１５Hzから３５Hz、２０Hzから４０Hz、４０Hzから６０Hz、５０Hｚから７０Hz、７３．３Hzから９３．３Hz、９０Hzから１１０Hz、１１０Hzから１３０Hzの範囲のうち、少なくとも１つの周波数範囲の成分を抽出することを特徴とする電気車両。
9. 請求項５記載の電気車両において、
   交流電圧を架線から受電し、交流電圧を前記直流電圧に変換して、前記電動機により車輪を駆動することを特徴とする電気車両。
10. 請求項９記載の電気車両において、
    前記フィルタは１５Hzから３５Hz、６５Hzから８５Hｚ、２０Hzから４０Hｚ、８０Hzから１００Hz、２３．３Hzから４３．３Hｚ、１２３．３Hzから１４３．３Hz、４０Hzから６０Hｚ、１４０Hｚから１６０Hｚ、３０Hzから５０Hｚ、１５０Hzから１７０Hz、５０Hzから７０Hz、１７０Hzから１９０Hzの範囲のうち、少なくとも１つの周波数範囲の成分を抽出することを特徴とする電気車両。

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