JP4999474B2 - 誘導機制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、誘導機のトルク制御に関するもので、特に、複数台誘導機の一括トルク制御時の脱調状態を回避するものである。

図２は、一従来例を示すブロック図である。101、102、103、104は誘導機、２は電流検出器、３は電力変換器、４はトルク制御手段、５は磁束演算器、６は周波数演算器、７はすべり演算器、８は速度演算器、９はすべり周波数演算器である。
図２において、誘導機は４台しか示されていないが、複数台であれば、何台であっても良い。以下、誘導機は４台であるとして説明する。

電流検出器２は、電力変換器３につながる個々の誘導機に流れる電流の相毎の総和である総和電流ｉを検出する。
電圧系磁束演算器５は、総和電流ｉと電力変換器３に入力される電圧指令ｖから、誘導機磁束φを式(1)で演算する。

ここで、Ｒ１は全誘導機の一次抵抗合成値、Ｌ２は二次自己インダクタンス合成値、Ｍは相互インダクタンス合成値、Ｌｅｋは漏れインダクタンス合成値である。漏れインダクタンス合成値Ｌｅｋは、

で与えられる。ここで、Ｌ１は全誘導機の一次自己インダクタンス合成値である。

周波数演算器６は、誘導機磁束φから、式(3)を用いて誘導機周波数ω１を演算する。

ここで、ＦＡとＦＢは誘導機磁束φの成分である。
すべり演算器７は、総和電流ｉと誘導機磁束φから、式(4)を用いて推定すべりωｓｃを演算する。

ここで、Ｒ２は全誘導機の二次抵抗合成値である。
速度演算器８は、誘導機周波数ω１と推定すべりωｓｃから、式(5)を用いて誘導機速度ωｍを演算する。

式(5)で演算される誘導機速度ωｍは、個々の誘導機速度の平均値となり、式(6)で示される値となる。

ここで、ωｍ1は誘導機101の速度、ωｍ2は誘導機102の速度、ωｍ3は誘導機103の速度、ωｍ4は誘導機104の速度である。

すべり指令演算器９は、磁束指令φ＊、トルク指令τ＊から、式(7)を用いてすべり指令ωｓｒを演算する。

トルク制御手段４は、運転指令ＮがＯＮのときは、誘導機速度ωｍと総和電流ｉを基に、全誘導機のすべりと磁束とトータルトルクがすべり指令ωｓｒ、磁束指令φ＊、トルク指令τ＊となるような電圧指令ｖを出力する。運転指令ＮがＯＦＦのときは、電圧指令ｖを０として、誘導機を無制御状態とする。
電力変換器３は、電圧指令ｖを増幅し、負荷である誘導機101〜104に電力を供給する。

運転指令Ｎは、トルク制御手段４へ入力する代わりに電力変換器３へ入力し、運転指令ＮがＯＮで電圧指令ｖに相当する電力を誘導機101〜104に供給し、運転指令ＮがＯＦＦで電力供給停止としても、同等の機能を得ることができる。

以上の構成とすることにより、運転指令ＮがＯＮのときは、複数台誘導機のトータルトルクをトルク指令τ＊に制御することができる。運転指令ＮをＯＦＦにすれば、複数台誘導機を無制御状態にすることができる。

車両においては、台車制御、１車両制御が一般的であるため、複数台誘導機の一括トルク制御が多用されている。

特開平１１−０６９８９５

従来技術においては、以下に示す問題点がある。
車両において一括制御している一部車輪軸が空転し、例えば誘導機103の速度ωｍ3がωｍ1とωｍ2とωｍ4に比べて大きくなった場合、式(6)によれば、ωｍ1、ωｍ2、ωｍ3、ωｍ4に対する誘導機速度ωｍの演算誤差が発生する。誘導機103の空転が大きく、誘導機速度ωｍの演算誤差が大きくなれば、誘導機103が脱調状態となる。さらに、誘導機103の空転が大きくなれば、誘導機103だけでなく、誘導機101や誘導機102や誘導機104も脱調状態となる。

また、一部車輪軸の滑走が大きくなった場合も、空転時と同じく、誘導機が脱調状態になる可能性がある。

誘導機が脱調状態になると、トルク制御不能となり、最悪の場合、過電流や過電圧により、誘導機破壊、電力変換器素子破壊へとつながる。
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものである。

前述の問題点を解決するために、請求項１の発明によれば、複数台誘導機を持ち、全誘導機の総和電流と電圧から誘導機磁束を演算する磁束演算器と、該誘導機磁束と該総和電流から推定すべりを演算するすべり演算器と、前記誘導機磁束と該推定すべりから誘導機速度を演算する速度演算器と、磁束指令とトルク指令からすべり指令を演算するすべり指令演算器を有し、前記総和電流と前記誘導機速度と該すべり指令と該磁束指令と該トルク指令と運転指令を基に該複数台誘導機のトルクを一括制御するトルク制御手段を有する誘導機制御装置において、推定すべりωｓｃとすべり指令ωｓｒを入力し誤差率ｄωを出力するすべり差演算器10と、誤差率ｄωを積分し誤差時間Tωを出力する積分器11と、時間設定値Ｔｎと誤差時間Tωを比較し検知信号Ｋを出力する比較器12と、運転指令Nと検知信号Ｋから制御指令NNを作成する運転論理器13を新たに追加し、運転指令Nの代わりに制御指令NNをトルク制御手段４に入力することを特徴とする。

請求項２の発明によれば、請求項１記載の誘導機制御装置の前記すべり差演算器において、
前記推定すべりωｓｃと前記すべり指令ωｓｒを比較して、｜ωｓｃ−ωｓｒ｜＜αで前記誤差率を０、｜ωｓｃ−ωｓｒ｜＞αで前記誤差率を１とすることを特徴とする。

請求項３の発明によれば、請求項１記載の誘導機制御装置の前記すべり差演算器において、前記推定すべりωｓｃと前記すべり指令ωｓｒから、α＜βなる定数を用いて、前記誤差率dωを
dω＝（｜ωｓｃ−ωｓｒ｜−α）／（β−α）
で演算することを特徴とする。

誘導機が脱調状態となる前に、一部車輪軸の空転、滑走が大きくなったことを検知でき、誘導機のトルク制御を停止させることができる。
一部車輪軸の空転、滑走の度合いにより、検知するまでの時間を変える事ができる。

すべり差演算器10と積分器11と比較器12を新たに追加することにより、全誘導機中の一部車輪軸に空転あるいは滑走が発生していることが検知できる。また、すべり差演算器10の演算内容により、一部車輪軸の空転、滑走の度合いに対して、検知するまでの時間を変える事ができる。検知した信号を運転論理器13にて処理して制御指令を作成し、トルク制御手段４に入力することにより、誘導機のトルク制御を停止させることができる。

図１は、本発明の一実施例を示すブロック図であり、10はすべり差演算器、11は積分器、12は比較器、13は運転論理器である。

すべり差演算器10は、推定すべりωｓｃとすべり指令ωｓｒを入力し、誤差率dωを出力する。すべり差演算器10内では、以下の3点を満たすような誤差率dωを演算する。
・dωは無次元の単位となるようにする。
・｜ωｓｃ−ωｓｒ｜＝αにてdω＝０とする。
・｜ωｓｃ−ωｓｒ｜＞αではdω＞０とする。

積分器11は、誤差率dωを積分して、誤差時間Tωとする。ただし、誤差時間Tωは０以上とし、０未満は０とする。比較器12は、誤差時間Tωと時間設定値Ｔｎを入力し、Tω＜Ｔｎでは検知信号ＫをＯＮ、Tω＞Ｔｎでは検知信号ＫをＯＦＦとする。

すべり差演算器10、積分器11、比較器12を組み合わせることにより｜ωｓｃ−ωｓｒ｜が大きくなると、時間設定値Ｔｎに依存した時間経過後、検知信号ＫがＯＮからＯＦＦへと切り替わる。

運転論理器13は、運転指令Ｎと検知信号Ｋの論理積を行い、制御指令NNを出力する。運転指令Ｎと検知信号ＫのどちらかがＯＦＦであれば、制御指令NNはＯＦＦとなる。

トルク制御手段４は、制御指令NNがＯＮのときは、誘導機速度ωｍと総和電流ｉを基に、全誘導機の磁束とトータルトルクが磁束指令φ＊、トルク指令τ＊となるような電圧指令ｖを出力する。制御指令NNがＯＦＦのときは、電圧指令ｖを０として、誘導機を無制御状態とする。

制御指令NNは、トルク制御手段４へ入力する代わりに電力変換器３へ入力し、制御指令NNがＯＮで電圧指令ｖに相当する電力を誘導機101〜104に供給し、制御指令NNがＯＦＦで電力供給停止としても、同等の機能を得ることができる。

誘導機101〜104の中で誘導機103だけが空転し、ωｍ1、ωｍ2、ωｍ4に対して、ωｍ3が大きくなったとする。式(6)により、速度演算誤差は、ωｍ＞ωｍ1、ωｍ＞ωｍ2、ωｍ＞ωｍ4、ωｍ＜ωｍ3となる。その結果、トルク指令τ＊、磁束指令φ＊から予定されるすべり指令ωｓに対して、誘導機101、102、104の実すべりは大きくなり、誘導機103の実すべりは小さくなる。

この状態で、総和電流ｉを一定となるようにトルク制御手段４でトルク制御を実施すると、トータルトルクはトルク指令τ＊に一致するが、式(4)による推定すべりωｓｃは、誘導機101、102、103、104の平均値となり、すべり指令ωｓｒと異なる。｜ωｓｃ−ωｓｒ｜の大きさは、空転の度合いによるが、空転が大きければ、｜ωｓｃ−ωｓｒ｜の大きさは大きくなることを利用し、時間設定値Ｔｎを用いて、検知信号Ｋを作成している。ここでは空転を例としたが、滑走の場合も同様である。

以上の構成とすることにより、｜ωｓｃ−ωｓｒ｜の大きさは大きくなり時間設定値Ｔｎに依存した時間が経過した後、検知信号ＫがＯＦＦとなる。その結果、誘導機が脱調状態となる前に、一部車軸の空転、滑走が大きくなったことを検知でき、誘導機のトルク制御を停止させることができる。

車両制御の一部車輪軸の空転、滑走による速度演算誤差に限らず、トルクの一括制御対象となっている複数台誘導機の一部の軸速度に差ができた場合であっても、本発明は有効である。

図３はすべり差演算器10の一実施例を示す図であり、｜ωｓｃ−ωｓｒ｜＜αで誤差率dωを０、｜ωｓｃ−ωｓｒ｜＞αで誤差率dωを１とする。誤差率dωは積分器11に入力される。ここで、αは０以上の定数とする。

以下、積分器11、比較器12、運転論理器13、トルク制御手段４、電力変換器３については、実施例１と同じ動作となる。

以上の構成とすることにより、｜ωｓｃ−ωｓｒ｜＞αの状態が合計時間でＴｎ存在すると検知信号ＫがＯＦＦとなる。その結果、誘導機が脱調状態となる前に、一部車軸の空転、滑走が大きくなったことを検知でき、誘導機のトルク制御を停止させることができる。

ところで、積分器11の出力である誤差時間Tωを誘導機トルク制御停止状態で０にすれば、検知信号ＫはＯＮとなり、再度のトルク制御開始可能となる。そのとき、同様に一部車軸の空転、滑走が大きくなれば、再度、本発明の検知が初期状態から行われ、条件を満たせば誘導機のトルク制御が停止する。

また、積分器11の出力である誤差時間Tωを｜ωｓｃ−ωｓｒ｜＜αで０にすれば、時間Ｔｎ経過以前に｜ωｓｃ−ωｓｒ｜＜αとなった時、検知は初期状態に戻る。よって、｜ωｓｃ−ωｓｒ｜＞αの状態が時間Ｔｎ継続した時に検知信号ＫがＯＦＦとなる。

図４はすべり差演算器10の一実施例を示す図であり、定数α、βを用いて、式(8)にて誤差率dωを演算している。ただし、α＜βとする。

定数α、βの値により、｜ωｓｃ−ωｓｒ｜に対する誤差率dωのレベルが異なってくる。

以下、積分器11、比較器12、運転論理器13、トルク制御手段４、電力変換器３については、実施例１と同じ動作となる。

すべり差演算器10、積分器11、比較器12の構成により、｜ωｓｃ−ωｓｒ｜の大きさに寄与した時間で検知信号ＫがＯＦＦとなる。例えば、｜ωｓｃ−ωｓｒ｜＝βの状態が時間Ｔｎ継続すると検知信号ＫがＯＦＦとなる。このように、｜ωｓｃ−ωｓｒ｜の大きさによって、検知信号ＫがＯＦＦするまでの時間は変化する。

実施例１で述べたように、空転、滑走の度合いが大きければ、誤差率dωは大きくなり、検知信号Ｋは早期にＯＦＦすることになる。逆に、空転、滑走の度合いが小さければ、誤差率dωは小さくなり、検知信号ＫはなかなかＯＦＦしない。空転、滑走の度合いにより、検知信号ＫがＯＦＦするまでの時間が変化する。

以上の構成とすることにより、誘導機が脱調状態となる前に、一部車軸の空転、滑走が大きくなったことを検知でき、誘導機のトルク制御を停止させることができる。誘導機のトルク制御を停止させるまでの時間は、空転、滑走の度合いによって変化させることができる。

ところで、積分器11の出力である誤差時間Tωを誘導機トルク制御停止状態で０にすれば、検知信号ＫはＯＮとなり、再度のトルク制御開始可能となる。そのとき、同様に一部車軸の空転、滑走が大きくなれば、再度、本発明の検知が初期状態から行われ、条件を満たせば誘導機のトルク制御が停止する。

また、すべり差演算器10の式(8)の演算結果０以下を０に下限リミットすれば、｜ωｓｃ−ωｓｒ｜＜αであっても誤差時間Tφは減少しない。これにより、｜ωｓｃ−ωｓｒ｜がαを境として振動していたとしても、検知信号ＫはそのうちにＯＦＦとなる。逆に、すべり差演算器10の式(8)の演算結果０以下を０に下限リミットしなければ、｜ωｓｃ−ωｓｒ｜がαを境として振動しているときは、検知信号ＫはＯＦＦとなり難くなる。

また、積分器11の出力である誤差時間Tωを｜ωｓｃ−ωｓｒ｜＜αで０にすれば、｜ωｓｃ−ωｓｒ｜＞αの状態が時間設定値Ｔｎに依存した時間継続した時に検知信号ＫがＯＦＦとなる。

車両のような複数台誘導機制御において、一部車輪軸の空転、滑走を検知することができる。さらに、一部車輪軸の空転、滑走が大きくなることにより発生する誘導機脱調状態に至る前に、検知信号Ｋにより誘導機制御を停止させることができる。

すべり差演算器10の演算の仕方により、一部車輪軸の空転、滑走の度合いで検知するまでの時間を変えることができる。例えば、一部車輪軸の空転、滑走の度合いが少なければ、検知するまでの時間を長くすることができる。一部車輪軸の空転、滑走の度合いが大きければ、検知するまでの時間を短くすることができる。

車両制御の一部車輪軸の空転、滑走による速度演算誤差に限らず、トルクの一括制御対象となっている複数台誘導機の一部の軸速度に差ができた場合であっても、誘導機脱調状態に至る前に、検知信号Ｋにより誘導機制御を停止させることができる。

誘導機制御を停止することにより、誘導機脱調状態が原因である過電流や過電圧による誘導機破壊、電力変換器３の素子破壊を防止することができる。

図1は、本発明の一実施例を示すブロック図である。 図2は、一従来例を示すブロック図である。 図3は、すべり差演算器の一実施例を示す図である。 図4は、すべり差演算器の一実施例を示す図である。

符号の説明

１０１ 誘導機
１０２ 誘導機
１０３ 誘導機
１０４ 誘導機
２ 電流検出器
３ 電力変換器
４ トルク制御手段
５ 磁束演算器
６ 周波数演算器
７ すべり演算器
８ 速度演算器
９ すべり指令演算器
10 すべり差演算器
11 積分器
12 比較器
13 運転論理器

ｉ・・・総和電流
ｖ・・・電圧指令
τ＊・・・トルク指令
φ＊・・・磁束指令
ω１・・・誘導機周波数
ωｍ・・・誘導機速度
ωｓｃ・・推定すべり
ωｓｒ・・すべり指令
φ・・・誘導機磁束
Ｎ・・・運転指令
α・・・しきい値
β・・・定数
ｄω・・・誤差率
Ｔω・・・誤差時間
Ｔｎ・・・時間設定値
Ｋ・・・検知信号
ＮＮ・・・制御指令

Claims (3)

1. 複数台誘導機を持ち、全誘導機の総和電流と電圧から誘導機磁束を演算する磁束演算器と、該誘導機磁束と該総和電流から推定すべりを演算するすべり演算器と、前記誘導機磁束と該推定すべりから誘導機速度を演算する速度演算器と、磁束指令とトルク指令からすべり指令を演算するすべり指令演算器を有し、前記総和電流と前記誘導機速度と該すべり指令と該磁束指令と該トルク指令と運転指令を基に該複数台誘導機のトルクを一括制御するトルク制御手段を有する誘導機制御装置において、
   前記推定すべりと前記すべり指令を入力し誤差率を出力するすべり差演算器と、該誤差率を積分し誤差時間を出力する積分器と、時間設定値と該誤差時間を比較し検知信号を出力する比較器と、該運転指令と前記検知信号から制御指令を作成する運転論理器を新たに追加し、前記運転指令の代わりに該制御指令を該トルク制御手段に入力することを特徴とする誘導機制御装置。
2. 前記すべり差演算器において、
   前記推定すべりωｓｃと前記すべり指令ωｓｒを比較して、｜ωｓｃ−ωｓｒ｜＜αで前記誤差率を０、｜ωｓｃ−ωｓｒ｜＞αで前記誤差率を１とすることを特徴とする請求項１記載の誘導機制御装置。
3. 前記すべり差演算器において、
   前記推定すべりωｓｃと前記すべり指令ωｓｒから、α＜βなる定数を用いて、前記誤差率dωを
   dω＝（｜ωｓｃ−ωｓｒ｜−α）／（β−α）
   で演算することを特徴とする請求項１記載の誘導機制御装置。
   

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