JP4594776B2

JP4594776B2 - 電気車制御装置

Info

Publication number: JP4594776B2
Application number: JP2005091554A
Authority: JP
Inventors: 恒毅河村; 達弥佐藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2005-03-28
Filing date: 2005-03-28
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2025-03-28
Also published as: JP2006280031A

Description

本発明は、電気車の主電動機制御用の電力変換装置において、特に主電動機に取り付ける速度センサが不要な速度センサレスベクトル制御を適用した電気車制御装置に関する。

従来の電気車制御装置における速度センサレスベクトル制御では、図１および図６に示すように、電子制御装置１３の内部に設けられた電動機電流による速度推定部１４において、電流センサ１０ａ、１０ｂ、１０ｃによって検出されたＵ相電流１１ａ、Ｖ相電流１１ｂ、Ｗ相電流１１ｃを用いて速度推定値を演算している。

このため、電流が零になるモード、すなわち停車、惰行、および空気ブレーキによる制動の３つのモードにおいては、車両の速度情報１５ｂを得ることができない。

また、通常の運転においては、停止直前まで回生が有効であるため、停止直前まで車両の速度情報１５ｂを得ることができる。しかし、回生失効や保護による回生開放などの事情により回生が無効になると、車両の速度情報１５ｂが得られなくなるため、車両が停車・惰行・空気ブレーキによる制動中のいずれのモードにあるか、識別できなくなる。

そのため、車両の停車を条件とした制御を行うことはできない。車両の停車を条件とした制御としては、図１における接触器4を、車両の停車中のみ開放し、車両の停車中は架線１と可変電圧可変周波数インバータ（以下、ＶＶＶＦインバータという）９を切り離す制御がある。

なお、速度センサレスベクトル制御の電気車において、惰行中、定速度制御（力行・惰行の繰り返し）のために間欠的に電流を流して速度推定することは特許文献１に記載されており、また惰行状態からインバータを再起動するときに、インバータで単相交流を流してロータの周波数を求めることは特許文献２に記載されているが、これらの特許文献には、いずれにも、空気ブレーキによる制動時の速度推定に関する記述はない。
特開２００３−１８７０３号公報特開２００３−２５９６９９号公報

上述のように、従来の電気車制御装置における速度センサレスベクトル制御では、電流が零になるモード、すなわち停車、惰行、および空気ブレーキによる制動の３つのモードにおいては、車両の速度情報を得ることができない。また、回生失効や保護による回生開放などの事情により回生が無効になると、車両の速度情報１５ｂが得られなくなるため、車両が停車・惰行・空気ブレーキによる制動中のいずれのモードにあるか、識別できなくなる。

したがって、力行・回生以外の動作モード、特に空気ブレーキによる制動中、車両が停車しても、車両の状態が停止状態にあるか否かを識別することができず、車両の停車を条件とした制御を行うことはできないという問題があった。

本発明は、上記の課題を解決するために為されたもので、空気ブレーキによって車両が停車しても、車両の状態が停止状態にあるか否かを識別す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する。

上記目的を達成するために、本発明は、速度センサレスベクトル制御を適用した電気車制御装置において、空気ブレーキのみのブレーキが扱われたとき、車両の速度を検知するために必要な最小限の電流を瞬間的に主電動機に流すように制御する通電制御手段と、この通電制御手段により主電動機に流された電流から車両の速度を推定する第１の速度推定手段と、車両の速度から走行抵抗式により走行抵抗を演算する走行抵抗演算手段と、この走行抵抗演算手段により得られた走行抵抗とブレーキ指令とから減速度を演算する減速度演算手段と、ブレーキ開始時に通電制御手段を動作させて第１の速度推定手段により推定されたブレーキ開始時の車両の速度と減速度演算手段により得られた減速度とから、減速中の車両の速度を推定する第２の速度推定手段と、この第２の速度推定手段により推定された車両の速度が、停止に近い所定の速度に低下したことを判定する手段と、この手段により車両の速度が停止に近い所定の速度に低下したと判定されたとき、第２の速度推定手段による車両の速度の推定を、第１の速度推定手段による車両の速度の推定に切替える手段と、この手段による切替えが行われた後、一定の時間間隔で通電制御手段を動作させて第１の速度推定手段により車両の速度を推定するように制御する手段と、この手段により制御されて第１の速度推定手段により推定された車両の速度から、車両の状態が停止か否かを判断する手段とを備えたことを特徴とする。

また、本発明は、速度センサレスベクトル制御を適用した電気車制御装置において、空気ブレーキのみのブレーキが扱われたとき、車両の速度を検知するために必要な最小限の電流を瞬間的に主電動機に流すように制御する通電制御手段と、この通電制御手段により主電動機に流された電流から車両の速度を推定する第１の速度推定手段と、車両の速度から走行抵抗式により走行抵抗を演算する走行抵抗演算手段と、この走行抵抗演算手段により得られた走行抵抗とブレーキ指令とから減速度を演算する減速度演算手段と、ブレーキ開始時に前記通電制御手段を動作させて第１の速度推定手段により推定されたブレーキ開始時の車両の速度と減速度演算手段により得られた減速度とから、減速中の車両の速度を推定する第２の速度推定手段と、この第２の速度推定手段により推定された車両の速度が、停止に近い所定の速度に低下したことを判定する手段と、この手段により車両の速度が停止に近い所定の速度に低下したと判定されたとき、第２の速度推定手段による車両の速度の推定を、第１の速度推定手段による車両の速度の推定に切替える手段と、この手段による切替えが行われた後、停止に近づくほど短くなるような時間間隔で通電制御手段を動作させて第１の速度推定手段により車両の速度を推定するように制御する手段と、この手段により制御されて第１の速度推定手段により推定された車両の速度から、車両の状態が停止か否かを判断する手段とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、速度センサレスベクトル制御を適用した電気車制御装置において、空気ブレーキによって車両が停車しても、車両の状態が停止状態にあるか否かを識別することができ、車両の停車を条件とした制御を行うことが可能になる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。

（第１の実施形態）
まず、本発明に基づく第１の実施形態の電気車制御装置について、図１、図２、および図３を参照し、詳細に説明する。

図１に、本発明の第１の実施形態の構成を示す。

図１において、１は架線、２はパンタグラフ、３は高速度遮断器、４は接触器、５は充電抵抗器、６は接触器、７はフィルタリアクトル、８はフィルタコンデンサ、９はＶＶＶＦインバータ、１０ａ、１０ｂ、１０ｃは電流センサ、１１ａはＵ相電流、１１ｂはＶ相電流、１１ｃはＷ相電流、１２は主電動機、１３は電子制御装置である。

また、図２は、この実施形態の主要部、すなわち電子制御部１３の内部に設けられた速度を推定する部分の詳細な構成を示すものである。

図２において、１４は推定指令により、Ｕ相電流１１ａ、Ｖ相電流１１ｂ、Ｗ相電流１１ｃから速度情報、例えばブレーキを開始したときのブレーキ初速度１５ａを推定する電動機電流による速度推定部、１７は走行抵抗１８を演算する走行抵抗演算部、１９はブレーキ指令１６および走行抵抗１８から減速度２０を演算する減速度演算部、２１はブレーキ初速度１５ａと減速度２０から速度２２を推定するブレーキ初速度と減速度による速度推定部である。

さらに、図３は、この実施形態における電気車の運転時間と速度との関係を示す図である。

この第１の実施形態において、図２に示すように、速度を推定する部分の構成が、図６に示した従来の方式と異なる点は、ブレーキ指令・走行抵抗から求めた車両の減速度およびブレーキ初速度から車両の速度を推定する制御ブロックが追加されていることである。

次に、この第１の実施形態の動作について説明する。

車両が惰行状態から空気ブレーキによって制動を開始する時刻２３（図３参照）において、電動機電流による速度推定部１４において速度を推定するため、電子制御装置１３からの制御信号により、ＶＶＶＦインバータ９は主電動機１２に対して電流を流す。このとき流れる電流の大きさおよび通電時間は、速度推定部１４において速度推定するために必要な最小限のものであり、これによって車両が加減速することはない。この結果、周知の演算方法により、Ｕ相電流１１ａ、Ｖ相電流１１ｂ、Ｗ相電流１１ｃを用いて、時刻２３における速度、すなわちブレーキ初速度（ブレーキを開始したときの速度）１５ａが求められる。このブレーキ初速度１５ａは、ブレーキ初速度と減速度による速度推定部２１に入力される。

走行抵抗演算部１７では、ブレーキ初速度と減速度による速度推定部２１から出力される速度２２（制動開始時はブレーキ初速度１５ａ、その後はブレーキ初速度と減速度による速度推定部２１で推定される速度）を用いて、周知の走行抵抗式に基づいて走行抵抗１８を演算する。

この走行抵抗式としては、例えば次のような式を用いる。

走行抵抗＝ａ＋（ｂ＊速度）＋（ｃ＊速度＊速度）／重量
但し、ａは台車の機械的な摩擦値、ｂは車輪とレールの摩擦、ｃは空気抵抗である。

走行抵抗演算部１７で演算された走行抵抗１８は、減速度演算部１９に入力される。

減速度演算部１９は、運転台からのブレーキ指令１６に基づく減速度に、走行抵抗演算部１７において求めた走行抵抗１８を加えて、車両の減速度２０を求める。

以上によって求めたブレーキ初速度１５ａ、および車両の減速度２０から、ブレーキ初速度と減速度による速度推定部２１において、車両の速度２２を推定することが可能となり、この速度２２により、車両が停止か否か判断する。

このように、本実施形態によれば、空気ブレーキによって車両が停車しても、車両の状態が停止状態にあるか否かを識別することができ、車両の停車を条件とした制御（例えば図１における接触器４を、車両の停車中のみ開放し、車両の停車中は架線１とＶＶＶＦインバータ９を切り離す制御）を行うことが可能になる。

（第２の実施形態）
次に、本発明に基づく第２の実施形態の電気車制御装置について、図１、図４、および図５を参照し、詳細に説明する。

図４は、この実施形態の主要部、すなわち電子制御部１３における速度を推定する部分の詳細な構成を示すものである。図４中、図２と同一の要素には、同一の符号を付してその説明を省略する。また、図５は、この実施形態における電気車の運転時間と速度との関係を示す図である。

次に、この第２の実施形態の動作について説明する。

図４において、上述の第１の実施形態と同様にして減速度演算部１９によって求めた減速度は、勾配による加速度または減速度を考慮していない。そのため、ブレーキ初速度と減速度による速度推定部２１によって求めた速度は、誤差を生じることが考えられる。

一方、電動機電流による速度推定部１４によって求めた推定速度１５ｂは、ＶＶＶＦインバータ９が主電動機１２に対して僅かに電流を流す必要はあるが、誤差が非常に少ない。

そこで、ブレーキ初速度と減速度による速度推定部２１によって推定した速度２２が、予め設定された速度（切替速度）２６まで低下したら、切替判定回路２５でこれを判定し、切替スイッチ２４により、電動機電流による速度推定部１４による速度推定に切替える。切替え後、ＶＶＶＦインバータ９は主電動機１２に対して連続的に電流を流すのではなく、一定の時間間隔で間欠的に最小限の電流を流す通電を行って、電動機電流による速度推定部１４により推定速度が零になるまで速度推定を続ける。

例えば、予め設定された速度（切替速度）２６を、５ｋｍ／ｈとし、ブレーキ初速度と減速度による速度推定部２１によって推定した速度２２がこの切替速度２６まで低下したら、切替判定回路２５でこれを判定し、切替スイッチ２４により、電動機電流による速度推定部１４による速度推定に切替える。切替え後、ＶＶＶＦインバータ９は主電動機１２に対して、例えば０．２秒毎に最小限の電流を流す通電を行って、推定速度が零になるまで速度推定を続ける。

この実施形態によれば、より精度よく、車両の速度を推定することが可能となり、この速度により、車両が停止か否か判断することができる。

（第３の実施形態）
次に、本発明に基づく第３の実施形態の電気車制御装置について、図１、図４、および図５を参照し、詳細に説明する。

この第３の実施形態では、第２の実施形態と同様に、図４において、ブレーキ初速度と減速度による速度推定部２１によって推定された速度が、予め設定された速度（切替速度、例えば５ｋｍ／ｈ）２６まで低下したら、電動機電流による速度推定部１４による速度推定に切替える。

切替え後、ＶＶＶＦインバータ９は主電動機１２に対して間欠的に最小限の電流を流し通電することによって、電動機電流による速度推定部１４により速度１５ｂを推定するが、この第３の実施形態においては、第２の実施形態のように一定の時間間隔で（例えば０．２秒毎に）通電を行うのではなく、時間間隔を推定速度の低下に応じて、停止に近づくほど短くする。例えば、切替え後、０．５秒後、０．３秒後、０．２秒後、０．１秒後というように、時間間隔を推定速度の低下に応じて、停止に近づくほど短くする。

時間間隔を推定速度の低下に応じて、停止に近づくほど短くすることにより、最も高い速度推定精度を必要とする停止直前では通電の間隔が短くなって、高い精度で速度推定が行えるため、確実に停車を検知できる。また、比較的高い速度では、通電の間隔が長くなるため、通電による電力損失を最低限に抑えることができる。

第１〜第３の実施形態の電気車制御装置の構成を示す回路図。本発明の第１の実施形態の主要部の詳細な構成を示すブロック図。本発明の第１の実施形態における電気車の運転時間と速度の関係を示す図。本発明の第２および第３の実施形態の主要部の詳細な構成を示すブロック図。本発明の第２および第３の実施形態における電気車の運転時間と速度の関係を示す図。速度センサレスベクトル制御を採用した従来の電気車制御装置の速度を推定する部分の構成を示すブロック図。

符号の説明

１…架線
２…パンタグラフ
３…高速度遮断器
４…接触器
５…充電抵抗器
６…接触器
７…フィルタリアクトル
８…フィルタコンデンサ
９…ＶＶＶＦインバータ
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ…電流センサ
１１ａ…Ｕ相電流
１１ｂ…Ｖ相電流
１１ｃ…Ｗ相電流
１２…主電動機
１３…電子制御装置
１４…電動機電流による速度推定部
１５ａ…ブレーキ初速度
１５ｂ…速度
１６…ブレーキ指令
１７…走行抵抗演算部
１８…走行抵抗
１９…減速度演算部
２０…減速度
２１…ブレーキ初速度と減速度による速度推定部
２２…速度
２３…ブレーキ開始時刻
２４…切替スイッチ
２５…切替判定回路
２６…切替速度

Claims

速度センサレスベクトル制御を適用した電気車制御装置において、空気ブレーキのみのブレーキが扱われたとき、車両の速度を検知するために必要な最小限の電流を瞬間的に主電動機に流すように制御する通電制御手段と、この通電制御手段により主電動機に流された電流から車両の速度を推定する第１の速度推定手段と、車両の速度から走行抵抗式により走行抵抗を演算する走行抵抗演算手段と、この走行抵抗演算手段により得られた走行抵抗とブレーキ指令とから減速度を演算する減速度演算手段と、ブレーキ開始時に前記通電制御手段を動作させて前記第１の速度推定手段により推定されたブレーキ開始時の車両の速度と前記減速度演算手段により得られた前記減速度とから、減速中の車両の速度を推定する第２の速度推定手段と、この第２の速度推定手段により推定された車両の速度が、停止に近い所定の速度に低下したことを判定する手段と、この手段により車両の速度が停止に近い所定の速度に低下したと判定されたとき、前記第２の速度推定手段による車両の速度の推定を、前記第１の速度推定手段による車両の速度の推定に切替える手段と、この手段による切替えが行われた後、一定の時間間隔で前記通電制御手段を動作させて前記第１の速度推定手段により車両の速度を推定するように制御する手段と、この手段により制御されて前記第１の速度推定手段により推定された車両の速度から、車両の状態が停止か否かを判断する手段とを備えたことを特徴とする電気車制御装置。
速度センサレスベクトル制御を適用した電気車制御装置において、空気ブレーキのみのブレーキが扱われたとき、車両の速度を検知するために必要な最小限の電流を瞬間的に主電動機に流すように制御する通電制御手段と、この通電制御手段により主電動機に流された電流から車両の速度を推定する第１の速度推定手段と、車両の速度から走行抵抗式により走行抵抗を演算する走行抵抗演算手段と、この走行抵抗演算手段により得られた走行抵抗とブレーキ指令とから減速度を演算する減速度演算手段と、ブレーキ開始時に前記通電制御手段を動作させて前記第１の速度推定手段により推定されたブレーキ開始時の車両の速度と前記減速度演算手段により得られた前記減速度とから、減速中の車両の速度を推定する第２の速度推定手段と、この第２の速度推定手段により推定された車両の速度が、停止に近い所定の速度に低下したことを判定する手段と、この手段により車両の速度が停止に近い所定の速度に低下したと判定されたとき、前記第２の速度推定手段による車両の速度の推定を、前記第１の速度推定手段による車両の速度の推定に切替える手段と、この手段による切替えが行われた後、停止に近づくほど短くなるような時間間隔で前記通電制御手段を動作させて前記第１の速度推定手段により車両の速度を推定するように制御する手段と、この手段により制御されて前記第１の速度推定手段により推定された車両の速度から、車両の状態が停止か否かを判断する手段とを備えたことを特徴とする電気車制御装置。