JP4969411B2 - 電気車制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は鉄道車両用の電気車制御装置に関するものであり、特に空転制御に関する。
鉄道車両の推進制御装置として可変電圧可変周波数のインバータ装置で多相交流電動機を駆動する方式が一般化しつつある。鉄道車両では推進システムの如何に関わらず、いわゆる接線力の低下する現象によって空転や滑走が起き、一時的に推進力や制動力が得られないときがある。鉄道車両の推進制御装置はトルク制御系で構成するのが一般的であり、接線力が低下して空転状態になると車輪の回転速度および駆動源である電動機の回転速度が急激に上昇する。接線力は動輪とレールとの間に作用する推進力であり、通常の粘着状態では動輪の周速度と車両速度とは概略一致する。
しかしレールと車輪の接触面に雨滴や雪等が介在し、粘着状態が保てなくなると、駆動源の電動機のトルクがレールに伝達されず、動輪周速度だけが上昇し、車両速度と動輪周速度に大きな差速度（すべり速度）の生じる、いわゆる空転状態となる。
滑走の場合は車両速度に対して、動輪周速度だけが下降することであるが、以下の説明では簡素化のために空転側だけで記述する。
従来の交流電動機駆動システムでは、電動機の回転速度の変化率等から空転を空転開始直後に検知し、指令トルクを速やかに低減して電動機および車輪の回転速度が発散することを防止するのが通例であるが、接線力を可能な限り獲得する制御方式として、我々はある程度のすべり速度では指令トルクを引き下げない空転制御方式を提案している。
図２に我々の提案する粘着制御方式を適用した電気車制御装置の一例をブロック図で示す。電気車制御装置１が交流電動機21,22を駆動するシステムの例である。インバータ制御部103は交流電動機のトルク分電流偏差と励磁分電流偏差とをそれぞれ極小になるように独立に制御する。各偏差はトルク分電流偏差演算部105および磁束分電流偏差演算部106で各指令値と実電流との偏差をそれぞれ演算したものである。
トルク分電流指令と励磁分電流指令は電流指令発生部102の出力であり、トルク指令100と磁束指令101の指令入力から演算する。トルク指令100は電流指令発生部102に入力する手前で係数乗算部110を通過する。係数乗算部110は、空転発散防止部111の出力である低減係数値をトルク指令に乗じてトルク指令の低減操作を行う。
電流演算部104はインバータ制御部103から出力電圧の位相情報を得て、インバータ出力電流から実トルク分電流と実励磁分電流とにベクトル分解した各電流成分を出力する。すべり速度演算部109は車両速度信号４と動輪周速度との差速度を演算する。
インバータ制御部103はトルク分電流偏差と励磁分電流偏差情報の他に、電動機の回転速度をインバータ出力周波数に換算した入力情報が必要である。
速度検出器31,32が電動機回転速度を検出し、速度演算部107は前記速度検出器31,32の出力信号の単位時間当りのパルス数等の検出量をインバータ出力周波数に換算する。電動機の回転速度の単位は通常[rad/sec]で表すがインバータ出力周波数に換算した場合の単位は[Hz]、後述するがこれを動輪周速度に換算する場合は[km/h]とする。速度演算部107の出力は様々に利用されるが、すべて比例関係にあり、各参照部でそれぞれの比例係数を乗じて用いるものとし、説明上はいずれも電動機実回転速度信号108とする。
すべり速度信号はすべり速度演算部109の出力であるが、電動機実回転速度信号108から求めた動輪周速度と車両速度信号４との差である。
空転発散防止部111はすべり速度信号が小さい間は、指令トルクを低減しないよう、出力の低減係数値を 1.0 とする。すべり速度が拡大して、より大きな接線力を期待できない領域に至った時点で、すべり速度に応じて空転発散防止部111は出力の低減係数値を 1.0以下に下げ、接線力と電動機の出力トルクとのバランス状態を得て、すべり速度の発散を防止する。
すべり速度に応じた低減係数値とは 座標標記（すべり速度，低減係数値）に従えば、例えば図５に示すように、（Ｓ0，1.0）（Ｓ1，0.0）の２点を通る直線で表すような低減特性である。この制御方式はすべり速度と接線力との関係が図３のようになる調査結果に基づくものである。
特開平６−３３５１０６号公報
我々の提案する空転制御方式で、空転しながらも所定の加速特性が得られることは実車試験においても実証されている。しかし、車輪とレールのすべり速度が20km/h以上になると、極めて耳障りな「キーン」という騒音を発することが多くなる。
また、減速時は滑走状態のすべり速度が大きくなるほど再粘着を図ることが困難になり、車両速度の低下に伴って機械的ブレーキシステムが車輪の回転を止めてしまう「固着」に至る可能性が高くなる。固着は車輪踏面に平坦磨耗を形成し、これが転動騒音を増大させることとなる。
請求項１の発明によれば、誘導電動機を駆動する電気車制御装置であって、車輪とレールのすべり速度に相当する車両速度と電動機回転速度の差速度を検知し、該差速度が所定値以下の間は通常のトルク制御を行い、所定のトルク指令値のままでは前記差速度の拡大が止まらない場合に、前記差速度の制限目標値との偏差に応じたトルク低減特性を付加するトルク指令系と、該電動機回転速度の変化率から空転・滑走を検知し速やかに該トルク指令値を低減して再粘着を図り、再粘着状態が安定化する時間を見計らって該トルク指令値を空転前の値に引上げるトルク指令系とを、切換指令手段で切換えるようにしたことを特徴とする。
請求項２の発明によれば、誘導電動機を駆動する請求項１記載の電気車制御装置であって、切換指令手段が運転士の操作するスイッチであることを特徴とする。
請求項３の発明によれば、誘導電動機を駆動する請求項１記載の電気車制御装置であって、切換指令手段が救援状態を想定したノッチ指令または勾配起動条件を作るノッチ指令等と連動して自動的に切換えることを特徴とする。
すなわち、誘導電動機を駆動する電気車制御装置であって、車輪とレールのすべり速度に相当する車両速度と電動機回転速度の差速度を検知し、この値が所定値以下の間は通常のトルク制御を行い、所定のトルク指令値のままでは差速度の拡大が止まらない場合に、差速度の制限目標値との偏差に応じたトルク低減特性を付加するトルク指令系と、電動機回転速度の変化率から空転・滑走を検知し速やかにトルク指令値を低減して再粘着を図り、再粘着状態が安定化する時間を見計らって指令トルクを空転前の値に引上げるトルク指令系とを、切換指令手段で切換えるようにする。
本発明は空転状態にあっても所定の車両加速度を得ることを可能にする電気車制御装置を提供するものである。かつ加速特性を優先させることのできる空転制御方式とすべり速度を極力抑制し、騒音抑制を最優先にできる空転制御方式の切換えができるようにすることで、緊急退避を速やかに行う、電気ブレーキ力の安定性向上等、走行に関する信頼性の高い電気車制御装置を提供する。
図１に本発明の粘着制御方式の切換え機能を付加した電気車制御装置のブロック図を示す。図１は図２で説明した我々の提案する電気車制御装置に対して、制御ブロックの時間低減係数発生部120、空転滑走検知部121、制御切換え器122、切換え指令123を付加したものである。
空転滑走検知部121は電動機実回転速度信号108の変化率を演算し、力行時はその上昇率、制動時は下降率を予め設定した検知レベルと比較して空転滑走検知信号を出力する。
時間低減係数発生部120は入力の空転（または滑走）検知信号をトリガにして一定時間幅の大きな低減係数値（例えば0.6）とそれに続く小さい低減係数値（例えば0.8）、さらにその値から一定の上昇率で低減状態を解除（係数初期値1.0）するような低減係数値の時系列変化パターンを出力する。
制御切換え器122はこの時間低減係数発生部120の出力と空転発散防止部111の出力を切換え指令123に応じて選択し、係数乗算部110に低減係数値信号を与える。
空転滑走検知部121は空転（または滑走）発生を速やかに検知するものであり、すべり速度が拡大する前に時間低減係数発生部120が大きな低減係数値を出力し、トルク指令を低減することをこの構成要素（空転制御方式）は意図するものである。
従来システムの運転台操作スイッチ類に加えて空転制御を切換えるための専用スイッチを追加することが最も単純な実施例である。通常の運転時は、例えば前記専用スイッチを「切」状態にして、空転滑走検知部121、時間低減係数発生部120の制御ブロックの低減係数値信号を制御切換え器122で選択する。
そして、特定の急勾配区間や空転の多発で運行ダイヤに遅れが生じた場合などに前記専用スイッチを「入」状態として、すべり速度演算部109、空転発散防止部111の制御ブロックの低減係数値信号を用いるように制御切換え器122の選択状態を切換える。
切換え指令123は、例えば運転台に設ける高加速スイッチに連動するものとする。高加速スイッチは勾配区間の登坂時等に通常の加速時より一時的に指令トルクを高めるときに用いるものであり、使用状況から加速特性を優先させ得ると判断できる。
また解決しようとする問題点でも述べたように、ブレーキ中にすべり速度を大きくすることは得策ではないことから、ブレーキノッチ投入の判断を加味して切換え指令123を生成し、前記制御切換え器122の選択状態を空転滑走検知部121、時間低減係数発生部120の制御ブロックの低減係数値信号を用いるように構成することで、自動的に加速特性優先の状態を電気車制御装置に実現することができる。
すべり速度を拡大させずに低すべり状態を維持させる制御は、車輪踏面やレールの荒損を防止できるが、稀に接点力係数の極端に低下する自然環境条件も発生するため、車両の推進力が犠牲になる場合も考えられる。これに対してすべり速度を大きくして接線力を確保する粘着制御方式に切り替え可能な制御システム構成は、推進力を犠牲になることを回避するため、車両運用上の信頼性を高めることができる。かつ、鉄道車両に限らず、路面走行車両においても、誘導機または同期機で推進される電気車両の空転制御にも応用可能である。
本発明の実施例のブロック図 基本の制御方式のブロック図 すべり速度と空転検知信号の関係 再粘着制御の係数パターン 空転発散防止部のすべり速度と低減係数値の関係
符号の説明
１ 電気車制御装置
２１ 交流電動機
２２ 交流電動機
３１ 速度検出器
３２ 速度検出器
４ 車両速度信号
１００ トルク指令
１０１ 磁束指令
１０２ 電流指令発生部
１０３ インバータ制御部
１０４ 電流演算部
１０５ トルク分電流偏差演算部
１０６ 磁束分電流偏差演算部
１０７ 速度演算部
１０８ 電動機実回転速度信号
１０９ すべり速度演算部
１１０ 係数乗算部
１１１ 空転発散防止部
１２０ 時間低減係数発生部
１２１ 空転滑走検知部
１２２ 制御切換え器
１２３ 切換え指令

Claims (3)

  1. 誘導電動機を駆動する電気車制御装置であって、車輪とレールのすべり速度に相当する車両速度と電動機回転速度の差速度を検知し、該差速度が所定値以下の間は通常のトルク制御を行い、所定のトルク指令値のままでは前記差速度の拡大が止まらない場合に、前記差速度の制限目標値との偏差に応じたトルク低減特性を付加するトルク指令系と、該電動機回転速度の変化率から空転・滑走を検知し速やかに該トルク指令値を低減して再粘着を図り、再粘着状態が安定化する時間を見計らって該トルク指令値を空転前の値に引上げるトルク指令系とを、切換指令手段で切換えるようにしたことを特徴とする電気車制御装置。
  2. 誘導電動機を駆動する電気車制御装置であって、切換指令手段が運転士の操作するスイッチであることを特徴とする請求項１記載の電気車制御装置。
  3. 誘導電動機を駆動する電気車制御装置であって、切換指令手段が救援状態を想定したノッチ指令または勾配起動条件を作るノッチ指令等と連動して自動的に切換ることを特徴とする請求項１記載の電気車制御装置。
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