JP4969344B2 - 電気車の電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両の電気車等に搭載される電力変換装置であって、直流電力を可変周波数・可変電圧の交流電力に変換し、車両走行用の交流電動機を駆動する電気車の電力変換装置に関するものである。

上記のような電気車等に搭載される電力変換装置において、従来、力行ノッチ指令に関する技術として、電力変換装置に過電流が流れた場合に架線電圧の急上昇を防ぐ目的で、力行ノッチ指令のオフ信号（オンであった力行ノッチ指令がオフになること）を入力した際に電力変換装置の開放タイミングをユニット毎にずらす技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、力行ノッチ指令に関する他の技術として、最低ノッチ指令以外の力行ノッチ指令オフ信号入力時あるいは回生領域におけるブレーキのオフ信号入力時に、最適惰行特性を得る目的で電力変換装置の出力の電圧対周波数比および交流電動機の滑り周波数を運転可能なほぼ無負荷に近い値に切り替えて運転する技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

実公平３−２１９０１号公報 特開昭６１−５８４０５号公報

しかしながら、上記技術においては、力行ノッチ指令オフ信号入力時に交流電動機にトルクが発生することがある。そして、その発生したトルクが原因でノッチ指令オフ信号入力時に電気車が加速することがあるので課題となっていた。特に電気車等の場合、車両基地や検車基地などで車両を所定位置に止めるときにノッチ指令を刻みながら（ノッチ指令のオン、オフを繰り返しながら）徐々に近づき、ゆっくりと停止位置に止めるといった操作を行う。この停止操作の際に、ノッチ指令オフ信号入力時のトルクによる若干の加速が発生すると、この停止操作である電気車の位置決めを難しくするという問題があった。

電気車においては、運転台に設けられた運転操作レバーによる力行ノッチ指令により力行のトルク指令が決まる。そして、運転指令であるこの力行ノッチ指令がオフされると、従来技術においてはショックなどを低減するために、トルク指令は所定の傾きを持って零に向かうように動作する（図３）。しかし、そのような制御がされた場合、ショックは低減されるが、車輌が加速してしまうことがあり、停止操作に対しては難しいものとなる。特に、車両基地や検車基地などでは電気車の停止位置が最も重要であり、所定の停止位置に誤差なしに止めたいという要望は大きい。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、力行ノッチ指令がオフされた際に加速することがなく、運転指令と一致した動作が可能となり、車両の停止操作（位置決め）を容易とする電気車の電力変換装置を得ることを目的としている。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の電気車の電力変換装置は、直流電力を交流電力に変換する電力変換器と、電力変換器の出力する交流電力により駆動して電気車を走行させる交流電動機と、電気車の加減速度を決める力行ノッチ指令を出力する主幹制御器と、力行ノッチ指令に基づいて電力変換器の出力する交流電力量を制御する制御部とを備え、制御部は、力行中に主幹制御器からの力行ノッチ指令のオフ信号を入力すると、遅延無しに電力変換器の出力する交流電力量を零にすることを特徴とする。

なお、ここで言う「遅延無しに」とは「即座に」と言い替えられるもので、具体的には、力行ノッチ指令のオフが入力されてから、約２５ｍｓｅｃ以内の間のことを指す。

この発明によれば、力行ノッチ指令がオフされた際に車輌が加速することがなく、運転指令と一致した動作が可能となり、車両を所定の停止位置に止める停止操作が容易になる効果がある。

以下に、本発明にかかる電気車の電力変換装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１はこの発明に係る実施の形態１の電気車の電力変換装置の構成例を示すブロック図である。図２は図１のトルク指令生成部の詳細を示すブロック図である。図１において、電気車の電力変換装置は、直流電力（直流電圧）を交流電力（交流電圧）に変換する電力変換器１と、この電力変換器１の出力する交流電力（交流電圧）により駆動して電気車を走行させる交流電動機（誘導機）２と、運転指令である電気車の加減速度を決める力行ノッチ指令を出力する主幹制御器３と、この力行ノッチ指令に基づいて電力変換器１の出力する交流電力（交流電圧）量を制御する制御部４とを備えている。制御部４は、さらに、トルク指令を生成するトルク指令生成部５と、このトルク指令に基づいて電力変換器１の出力電圧を制御する電圧制御部６とを備えている。制御部４は、力行中に主幹制御器３からの力行ノッチ指令のオフ信号を入力すると、遅延無しに（即座に）電力変換器１の出力する交流電力（交流電圧）量を零にする。以下この動作について説明する。

主幹制御器３は、電気車の総括制御措置であり、電気車を運転する運転士によって操作され、力行・ブレーキ・速度変更・運転方向の転換などの制御信号を指令する。主幹制御器３は、誘導機２の出力するトルク量に相当する電気車の加減速度を決める指令を出力する。主幹制御器３から制御部４のトルク指令生成部５にノッチ指令Ｎが入力される。なお、ここで言う「ノッチ指令Ｎ」とは、以下のことを言う。すなわち、電気車の場合、加速電流をほぼ一定とし、引張力（トルク）の大きさを一定範囲に保って円滑な加速が行われるように段階的に運転指令が出力される。この運転指令の各段階をノッチといい、電動機の電流と速度と引張力（トルク）の関係によってノッチ指令Ｎが定められている。

主幹制御器３から出力されたノッチ指令Ｎは、制御部４のトルク指令生成部５に入力される。トルク指令生成部５は、図２に示すように、ノッチ別トルク指令生成部８、１Ｎ判別部９、トルク指令遮断部１０、第１の切り替え部１１、第２の切り替え部１２及び第３の切り替え部１３を含んで構成されている。

ノッチ別トルク指令生成部８は、入力された各階段状のノッチ指令Ｎに応じたトルク指令を生成して出力する。ノッチ指令Ｎは、図３に示すように階段状に出力される。例えば、ノッチ指令Ｎが５Ｖの電圧レベルで入力されるとすると、最大ノッチ指令を４Ｎとした場合、４Ｎは５Ｖであり、１Ｎは１．２５Ｖ、２Ｎは２．５Ｖ、３Ｎは３．７５Ｖとなる（なお、本明細書において、ノッチ指令１Ｎと１ノッチ指令は同じことを表現している）。このようなノッチ指令に基づいて、ノッチ別トルク指令生成部８により図９に示すような速度に応じたトルク指令が出力される。なお、ノッチ指令１Ｎは、最低ノッチ指令であり、一般にトルク指令５００Ｎｍ以下に相当する加速度を示す指令である。

ノッチ別トルク指令生成部８より出力されたトルク指令は、トルク指令遮断部１０、第１の切り替え部１１、第２の切り替え部１２に入力される。第１の切り替え部１１及び第２の切り替え部１２の切り替え動作は、主幹制御部３からのノッチ指令Ｎによって切り替わり、ノッチ指令Ｎが入力されている（ノッチ指令１Ｎ以上である）ときに、図２中ＯＮ側が選択され、ノッチ指令Ｎがオフ（０Ｖである）とされると図２中ＯＦＦ側が選択される。

ノッチ指令Ｎが１Ｎであるか否かの判断が１Ｎ判別部９で行われる。ノッチ指令がノッチ指令１Ｎであるとき１Ｎ判別部９は１を出力し、第３の切り替え部１３はＯＮ側を選択する。また、ノッチ指令がノッチ指令１Ｎ以外（すなわち、オフ，２Ｎ，３Ｎ，４Ｎ・・）であるとき１Ｎ判別部９は０を出力し、第３の切り替え部１３は０ＦＦ側を選択する。

この動作により、ノッチ指令Ｎが１Ｎ以外の場合は、第３の切り替え部１３のＯＦＦ側が選択されるので、第２の切り替え部１２が選択され、さらに第２の切り替え部１２はノッチ指令Ｎが無いときにＯＦＦ側を選択するので、トルク指令遮断部１０からの出力が選択される。このノッチ指令１Ｎ以外のノッチ指令の動作の一例を図３に示す。図３において、ノッチ指令Ｎが４Ｎである場合は、第３の切り替え部１３は、ＯＦＦ側が選択される。一方、入力された４Ｎに相当するトルクがノッチ別トルク指令生成部８により出力される。ノッチ指令Ｎが入力されている時は、第２の切り替え部１２はＯＮ側が選択される。ノッチ指令Ｎがオフされると、第２の切り替え部１２は、ＯＦＦ側が選択されて、トルク指令遮断部１０が動作することになる。

トルク指令遮断部１０は、ノッチ指令がオフされた時にトルク指令を急に零にすると、車体にトルクショックが発生して乗り心地が悪化するので、これを防止するためにトルク指令を一次遅れで遮断する働きをする。なお、この一次遅れの遮断に関しては、図３に示す曲線に限らず直線的な傾きでトルク指令を遮断しても概略同様な効果を得ることができる。なお、この場合の一次遅れの時定数や傾きは、トルクショックを発生しないことを目的にしているため交流電動機の誘導機２のモータ定数の２次時定数（２次インダクタンス／２次抵抗）より十分に長く設定する必要がある。しかしながら、トルクショックを発生しないように一次遅れの時定数をモータ定数の２次時定数より長く設定すると、上記発明が解決しようとする課題で述べたように、一次遅れでトルク指令を与えることにより誘導機２のトルクが発生し、電気車が加速してしまう。

そのため、本実施の形態の電力変換装置においては、車両基地や検車基地において電気車を所定の停止させる際に使用するノッチ指令１Ｎからノッチ指令がオフになった場合に、トルク指令を即時に零にする。これにより、電気車を所定の停止位置に容易に止めることができる。

以下この動作に関して説明する。なお、以下では、ノッチ指令１Ｎからノッチ指令オフになった場合について述べるが、ノッチ指令１Ｎからの場合に限らず、電気車を停止させる際に使用するトルク指令からノッチ指令オフになった場合についても同様である。すなわち、電気車を停止させる際に使用する５００Ｎｍ以下に相当する加速度を示す指令や最低ノッチ指令からノッチ指令オフになった場合にトルク指令を即時に零にするようにしても同様の効果を得ることができる。

ノッチ指令１Ｎからノッチ指令オフになる場合の動作の一例を図４に示す。図２と図４を用いて動作説明を行う。ノッチ指令Ｎが１Ｎであると、第３の切り替え部１３は１Ｎ判別部９と遅延素子２１によりＯＮ側が選択されている。ノッチ別トルク指令生成部８により、図９に示すノッチ指令１Ｎに相当するトルク指令が選択され出力され、第１の切り替え部１１に入力される。ノッチ指令Ｎがオンの時は、第１の切り替え部１１のＯＮ側が選択される。そのためトルク指令は通常通り、第３の切り替え部１３を通って出力される。その動作を、図４の第１の切り替え部１１のＯＮ側の信号選択の部分に示す。ノッチ指令がオフされると、図４のそれ以後の動作部分（すなわち、第１の切り替え部１１のＯＦＦ側の信号選択の部分）となる。次にこのノッチ指令がオフとされた時の動作を説明する。

ノッチ指令１Ｎであったノッチ指令がオフされると、第１の切り替え部１１ではＯＦＦ側が選択されることになる。また、第３の切り替え部１３でもＯＦＦ側を選択することになるが、以下に説明するように第３の切り替え部１３は所定時間送れてＯＦＦ側を選択する。そのため、第３の切り替え部１３は所定時間経過するまではＯＮ側を選択したままとなる。これにより、第１の切り替え部１１においてＯＦＦ側にて選択された零が出力される。これにより、トルク指令は即時に零になる。そして、このようにしてトルク指令が零になると電圧制御部６は電力変換器１に零のトルク指令を出力するよう制御する。

なお、１Ｎ判別部９もノッチ指令１Ｎの入力がオフされるので出力が零になるが、遅延素子２１によりマイコンの１演算時間だけ遅れて出力が零になるので、第３の切り替え部１３も１演算時間だけ遅れてＯＦＦ側を選択することになる。そして、電力変換器１を停止させる電力変換器ストップ信号は、トルク指令の零の変化に１演算時間だけ遅れて出力される。この電力変換器ストップ信号により、電力変換器１が停止する（電力変換器１から誘導機２に向けて出力される交流電圧が零になる）。なお、発明者は、送れ時間がマイコンの１演算時間である０．１μｓｅｃ以上から２５ｍｓｅｃ以内であることが必要なことを発見した。その理由は、誘導機２の２次時定数より長い時間になるとトルクが発生することになり、できるだけ早く零にする必要があるがマイコンでデジタル制御を行うと、トルク指令を零にする時間は１演算時間掛かることになる。

そのため、本実施の形態を実現するためには、マイコンの１演算時間を誘導機２の２次時定数より十分に短くする必要がある。電気車で使用される誘導機２の２次時定数は一般的に２５０ｍｓｅｃ以上であるので、その２５０ｍｓｅｃより十分に短い必要があり、具体的には１／１０の２５ｍｓｅｃ以内である必要がある。また、１演算時間は、マイコンにより規制されることもあるが、零にする時間が０．１μｓｅｃより短くなってもトルクが発生する量や電気車が加速することは殆どなく、０．１μｓｅｃより短くする必要はない。そのため、マイコンの１演算時間は、０．１μｓｅｃ以上から２５ｍｓｅｃ以内であると実現できることを発見した。

また、遅延素子２１の出力する信号は、ノッチ信号１Ｎがオフとなると１演算時間後に零になる。遅延素子２１の出力する信号がオフされると、その信号が電力変換器１に渡され電力変換器１が停止する。これにより、力行中の主幹制御器３からノッチ指令のオフの信号が制御部４に入力した時に電力変換器１を即時にオフすることができる。

なお、本実施の形態の構成のうち、第１の切り替え部１１は、ノッチ信号１Ｎが指令されている際に、力行ノッチ指令のオフ信号を入力すると０．１μｓｅｃ以上から２５ｍｓｅｃ以内でトルク指令を零にする第１のトルク指令生成部を構成している。また、トルク指令遮断部１０と第２の切り替え部１２は、ノッチ信号１Ｎ以外が指令されている際に、力行ノッチ指令のオフ信号を入力すると１００ｍｓｅｃ以上の時間を掛けてトルク指令を零にする第２のトルク指令生成部を構成している。さらにまた、第３の切り替え部１３は、主幹制御器３からの力行ノッチ指令に基づいて第１のトルク指令生成部及び第２のトルク指令生成部のいずれか一方に切り替える切り替え部を構成している。

トルク指令生成部５により生成されたトルク指令及び速度検出部７により検出された交流電動機２の周波数ωを用いて電圧制御部６は、電力変換器１を制御する指令を出力する。次に電力変換器１の制御する方法について述べる。電圧制御部６は、トルク指令生成部５からのトルク指令及び交流電動機のモータ定数及び特性から決めることができる２次磁束指令、モータ定数のＭ：モータの相互インダクタンス、Ｌｒ：モータの二次インダクタンス、Ｐ：極対数からトルク電流指令Ｉｑ＊を（１）式で演算する。

周波数ωは、本実施の形態では、交流電動機２に取り付けられた速度検出部７より得られる周波数ωを用いたが、速度検出部７を取り付けない速度センサレス制御によって演算される速度推定値を用いてもよいことは言うまでもない。

磁束電流指令Ｉｄ＊は、２次磁束指令及びモータ定数であるモータの相互インダクタンスＭから次の式から演算することができる。

（１）式、（２）式のトルク電流指令Ｉｑ＊、磁束電流指令Ｉｄ＊、任意の角周波数ωから、第２の電力変換器が出力するべき三相電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を出力する。電圧制御部６では、トルク電流指令Ｉｑ＊、磁束電流指令Ｉｄ＊より誘導機のモータ定数であるＲｓ：モータの一次抵抗値、Ｌｓ：モータの一次インダクタンス、σ＝１−Ｍ＊Ｍ／Ｌｓ／Ｌｒ、Ｍ：モータの相互インダクタンス、Ｌｒ：モータの二次インダクタンス、Ｒｒ：モータの二次抵抗値、Ｐ：極対数を用いて、すべり角周波数指令ωｓ＊を演算する。すなわち、すべり角周波数指令ωｓ＊は、（３）式で演算する。

すべり角周波数指令ωｓ＊と任意の角周波数ωと電力変換器１は出力する電圧指令の周波数に相当するインバータ角周波数ωｉｎｖを演算する。すなわち、インバータ角周波数ωｉｎｖは、（４）式で演算する。

インバータ角周波数ωｉｎｖ、トルク電流指令Ｉｑ＊、磁束電流指令Ｉｄ＊から、回転二軸上のｄ軸電圧指令Ｖｄ＊、ｑ軸電圧指令Ｖｑ＊を演算することができる。すなわち、ｄ軸電圧指令Ｖｄ＊、ｑ軸電圧指令Ｖｑ＊は、（５）式で演算する。

また、公知の通り、三相電圧或いは三相電流を回転直交二軸へ座標変換をする時に、制御座標軸が必要となるが、任意の角周波数ωに基づいて回転二軸座標である制御座標軸の位相をθとする。この位相θは、インバータ角周波数ωｉｎｖを積分することにより（６）式で得られる。

（５）、（６）式より得られたｄ軸電圧指令Ｖｄ＊、ｑ軸電圧指令Ｖｑ＊、位相θを用いて、三相電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を演算する。電圧指令の電圧位相θｖは、位相θより若干進んでいるので、以下の（７）式から算出する。

（７）式で得られた電圧位相θｖとｄ軸電圧指令Ｖｄ＊、ｑ軸電圧指令Ｖｑ＊から三相電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊は（８）式で算出する。

電力変換器１は、（８）式で得られた電圧制御部６から得た三相電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊に基づいて直流を交流に変換する。（８）式により、電力変換器１は、トルク指令生成部５より出力されるトルク指令通りに制御される。そして、１ノッチ指令がオフされ、トルク指令が零になると電力変換器１は直ぐに停止される。これにより、１ノッチ指令を使用して停止操作をする際に、この停止操作を容易にする効果がある。

以上のように本実施の形態の電気車の電力変換装置においては、力行中の主幹制御器３からの力行時の指令をオフする信号が制御部４に入力したときに、即座に電力変換器１を停止することができ、車両基地や検車基地など電気車の停止位置が重要になる場所で所定の停止位置に誤差なしに停めたい場合に停止操作を容易とすることができる。

また、主幹制御器３からの力行時の指令がトルク指令５００Ｎｍ以下に相当する加速度を示す指令、１ノッチ指令、最低ノッチ指令のいずれかである場合は、力行ノッチオフ信号入力時にトルク指令を即時に零にするとともに、それ以外のノッチ指令の場合には、ノッチ指令オフ信号入力時のショックを低減できようにトルク指令を即時に零にしない処理をすることができる。

実施の形態２．
図５はこの発明に係る実施の形態２の電気車の電力変換装置の構成例を示すブロック図である。図５において、電気車の電力変換装置の制御部１６は、実施の形態１の電圧制御部６に替えて電圧制御部１７を有している。また、本実施の形態の電力変換装置は、電力変換器１の交流側に電流検出部１８ａ、１８ｂ、１８ｃが設けられている。電流検出部１８ａ、１８ｂ、１８ｃは、誘導機２に発生する相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを検出する。その他の構成は実施の形態１と同様である。

電流検出部１８ａ、１８ｂ、１８ｃにより検出された相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを（５）式から演算された任意のインバータ角周波数ωｉｎｖより位相θを演算する。すなわち、位相θにより相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗをｄｑ軸電流Ｉｄ、Ｉｑに演算する。なお、公知の通り、三相電流を回転直交二軸へ座標変換をする時に、制御座標軸が必要となるが、任意の角周波数ωに基づいて回転二軸座標である制御座標軸の位相をθとすることは公知である。演算されたｄｑ電流Ｉｄ、Ｉｑと（１）、（２）式のｄｑ電流指令より、検出された電流が指令と一致するように以下の（９）式を用いてＰＩ制御を行う。

なお、ｋｐ、ωｃｉは、制御定数であり、任意の定数である。（９）式より電流検出値と電流指令値が一致するように制御することができる。その電流を制御した（９）式の項を実施の形態１の（５）式に加えるようにすると（１０）式のようになる。（１０）式のようにｄｑ軸電圧指令を構成することにより、トルクが急に零になり一時的にモータ電流が跳ね上がることを抑制する効果がある。

上記のｄｑ軸電圧指令の生成以外は、実施の形態１と同様に（７）、（８）式より電力変換器１は、トルク指令生成部５より出力されるトルク指令通りに制御することができ、１ノッチ指令がオフされることができトルク指令が零になると直ぐに電力変換器１を停止することができ、車両基地や検車基地など電気車の停止位置が重要になる場所で所定の停止位置に誤差なしに停めたい場合に停止操作を容易とすることができる。

尚、本実施の形態においては、交流側の電流検出部１８として、電力変換器１と誘導機２との接続する結線を流れる電流をＣＴ等により検出するものを記載しているが、他の公知の手法を用いて、母線電流など電力変換器１内部に流れる電流を用いて相電流を検出しても良い。また、ｉｕ＋ｉｖ＋ｉｗ＝０の関係が成立するので、ｕ相、ｖ相の２相分の検出電流からｗ相の電流を求めることもでき、その場合、ｗ相の電流検出部１８ｃを省略しても良い。

実施の形態３．
図６はこの発明に係る実施の形態３の電気車の電力変換装置の構成例を示すブロック図である。本実施の形態の電気車の電力変換装置の制御部１９は、実施の形態２の電圧制御部１７に替えて電圧制御部２０を有している。その他の構成は実施の形態２と同様である。

電流検出部１８ａ、１８ｂ、１８ｃにより検出された相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを（５）式から演算された任意のインバータ角周波数ωｉｎｖより位相θを演算する。すなわち、位相θにより相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗをｄｑ軸電流Ｉｄ、Ｉｑに演算する。なお、公知の通り、三相電流を回転直交二軸へ座標変換をする時に、制御座標軸が必要となるが、任意の角周波数ωに基づいて回転二軸座標である制御座標軸の位相をθとすることは公知であるので説明は省略する。演算されたｄｑ電流Ｉｄ、Ｉｑと（１）、（２）式のｄｑ電流指令より、検出された電流が指令と一致するようにＰＩ制御を行い、その結果をｄｑ軸電圧指令とする。

（１１）式で求めたｄｑ軸電圧指令を用いて実施の形態１と同様に（７）、（８）式より電力変換器１は、トルク指令生成部５より出力されるトルク指令通りに制御することができ、１ノッチ指令がオフされることができトルク指令が零になると直ぐに電力変換器１を停止することができ、車両基地や検車基地など電気車の停止位置が重要になる場所で所定の停止位置に誤差なしに停めたい場合に停止操作を容易とすることができる。

本実施の形態は、実施の形態１及び２に比べて演算量を低減できる効果があり、また、実施の形態２と同様にトルクが急に零になり一時的にモータ電流が跳ね上がることを抑制する効果も得ることができる。

実施の形態４．
図７はこの発明に係る実施の形態４の電気車の電力変換装置の構成例を示すブロック図である。本実施の形態は、交流電動機が同期機２２であることが特徴である。そして、本実施の形態の制御部２３は、実施の形態１の電圧制御部６に替えて電圧制御部２４を有している。その他の構成は実施の形態１と同様である。

電圧制御部２４は、同期機２２の電圧方程式より任意の角周波数ω、トルク電流指令Ｉｑ＊、磁束電流指令Ｉｄ＊、ｄ、ｑ軸インダクタンスＬｄ、Ｌｑ、永久磁石による鎖交磁束Φ、微分演算子から、回転二軸上のｄ軸電圧指令Ｖｄ＊、ｑ軸電圧指令Ｖｑ＊を演算することができる。すなわち、ｄ軸電圧指令Ｖｄ＊、ｑ軸電圧指令Ｖｑ＊は、（１２）式で演算する。

なお、トルク電流指令はトルク指令生成部５からのトルク指令及び交流電動機のモータ定数及び特性から決めることができる永久磁石による鎖交磁束Φ、Ｐ：極対数からトルク電流指令Ｉｑ＊を（１３）式で演算し与える。磁束電流指令Ｉｄ＊は、所定の定数として与える。

また、公知の通り、三相電圧或いは三相電流を回転直交二軸へ座標変換をする時に、制御座標軸が必要となるが、任意の角周波数ωに基づいて回転二軸座標である制御座標軸の位相をθとする。この位相θは、同期機１６では角周波数ωを積分することにより（１４）式で得られる。

（１２）、（７）式より得られたｄ軸電圧指令Ｖｄ＊、ｑ軸電圧指令Ｖｑ＊、位相θｖを用いて、（８）式より三相電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を演算する。

以上のように、電力変換器１は、同期機２２でも誘導機の時と同様にトルク指令生成部５より出力されるトルク指令通りに制御することができ、１ノッチ指令がオフされることができトルク指令が零になると直ぐに電力変換器１を停止することができ、車両基地や検車基地など電気車の停止位置が重要になる場所で所定の停止位置に誤差なしに停めたい場合に停止操作を容易とすることができる。

実施の形態５．
図８はこの発明に係る実施の形態５の電気車の電力変換装置の構成例を示すブロック図である。本実施の形態は、交流電動機が同期機２２であることが特徴である。交流電動機が同期機２２であるので制御部２５の電圧制御部２６が異なるが、その他の構成は実施の形態３と同様である。

電流検出部１８ａ、１８ｂ、１８ｃにより検出された相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを（１４）式から演算された任意の角周波数ωより位相θを演算する。すなわち、位相θにより相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗをｄｑ軸電流Ｉｄ、Ｉｑに演算する。なお、公知の通り、三相電流を回転直交二軸へ座標変換をする時に、制御座標軸が必要となるが、任意の角周波数ωに基づいて回転二軸座標である制御座標軸の位相をθとすることは公知であるので説明は省略する。演算されたｄｑ電流Ｉｄ、Ｉｑとｄｑ電流指令より、検出された電流が指令と一致するようにＰＩ制御を行い、その結果をｄｑ軸電圧指令とする。

（１５）式で求めたｄｑ軸電圧指令を用いて、実施の形態１と同様に（８）式より電力変換器１は、トルク指令生成部５より出力されるトルク指令通りに制御することができ、１ノッチ指令がオフされてトルク指令が零になると直ぐに電力変換器１を停止することができ、車両基地や検車基地など電気車の停止位置が重要になる場所で所定の停止位置に誤差なしに停めたい場合に停止操作を容易とすることができる。

本実施の形態は、実施の形態４に比べて演算量を低減できる効果があり、また、実施の形態４と比べてトルクが急激に零になることによって一時的にモータ電流が跳ね上がることを抑制する効果も得ることができる。

本発明は、直流電圧を可変周波数・可変電圧の交流電圧に変換して交流電動機を駆動する電気車の電力変換装置に適用されて最適なものである。

この発明に係る実施の形態１の電気車の電力変換装置の構成例を示すブロック図である。 図１のトルク指令生成部の詳細を示すブロック図である。 実施の形態１によるトルク指令が１Ｎ以外の場合のトルク指令の変化を示すタイミングチャート図である。 実施の形態１によるトルク指令が１Ｎの場合のトルク指令の変化を示すタイミングチャート図である。 この発明に係る実施の形態２の電気車の電力変換装置の構成例を示すブロック図である。 この発明に係る実施の形態３の電気車の電力変換装置の構成例を示すブロック図である。 この発明に係る実施の形態４の電気車の電力変換装置の構成例を示すブロック図である。 この発明に係る実施の形態５の電気車の電力変換装置の構成例を示すブロック図である。 ノッチ指令別のトルク指令と速度の関係の一例を示した図である。

符号の説明

１ 電力変換器
２ 交流電動機（誘導機）
３ 主幹制御器
４，１６，１９，２３，２５ 制御部
５ トルク指令生成部
６，１７，２０，２４，２６ 電圧制御部
７ 速度検出部
８ ノッチ別トルク指令生成部
９ １Ｎ判別部
１０ トルク指令遮断部
１１ 第１の切り替え部
１２ 第２の切り替え部
１３ 第３の切り替え部
１４ 減算器
１５ 一次遅れ部
１８ａ，１８ｂ，１８ｃ 電流検出部
２１ 遅延素子
２２ 交流電動機（同期機）

Claims (3)

1. 直流電力を交流電力に変換する電力変換器と、
   前記電力変換器の出力する交流電力により駆動して電気車を走行させる交流電動機と、
   電気車の加減速度を決める力行ノッチ指令を出力する主幹制御器と、
   前記力行ノッチ指令に基づいて前記電力変換器の出力する交流電力量を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   前記力行ノッチ指令に基づいてトルク指令を生成するトルク指令生成部と、
   前記トルク指令に応じて前記電力変換器の出力電圧を制御する電圧制御部と、
   を備え、
   前記トルク指令生成部は、
   前記主幹制御器からトルク指令５００Ｎｍ以下に相当する加速度を示す指令、１ノッチ指令、及び最低ノッチ指令のうちのいずれかの指令である第１の指令が指令されている際に、この第１の指令のオフ信号を入力すると、前記制御部の１演算時間内で前記トルク指令を零にする第１のトルク指令生成部と、
   前記主幹制御器からトルク指令５００Ｎｍ以下に相当する加速度を示す指令、１ノッチ指令、及び最低ノッチ指令以外の指令である第２の指令が指令されている際に、この第２の指令のオフ信号を入力すると、前記１演算時間よりも長い所定時間以上の時間をかけて前記トルク指令を零にする第２のトルク指令生成部と、
   前記主幹制御器からの力行ノッチ指令が前記第１の指令であるときには前記第１のトルク指令生成部からの出力を選択する側に切り替え、前記主幹制御器からの力行ノッチ指令が前記第２の指令であるときには前記第２のトルク指令生成部からの出力を選択する側に切り替える切り替え部と、
   を備えることを特徴とする電気車の電力変換装置。
2. 前記１演算時間は、０．１μｓｅｃ以上から２５ｍｓｅｃ以内であり、
   前記１演算時間よりも長い所定時間は、１００ｍｓｅｃである
   ことを特徴とする請求項１に記載の電気車の電力変換装置。
3. 前記切り替え部は、前記第１の指令が指令された状態にあるときに、この第１の指令のオフ信号が入力された直後は、前記第１のトルク指令生成部の出力をトルク指令として出力する側に切り替えられ、
   前記第１の指令のオフ信号が入力された直後から前記１演算時間後に前記第２のトルク指令生成部の出力をトルク指令として出力する側に切り替えられる
   ことを特徴とする請求項１に記載の電気車の電力変換装置。

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