JP5060266B2 - 電気車制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、インバータにより電動機を制御して電気車を駆動する電気車制御装置に関する。
一般に、インバータにより電動機を駆動して走行する電気車では、インバータの電流を制御することで電動機の出力トルクを制御している。インバータにより電動機を駆動して走行する電気車では、通常使用における電動機の温度上昇が規定値以下となるように制御を行っている。
また、何らかの原因により電動機の温度が規定値を超えた場合、電動機の焼損を回避するために、当該電動機を停止したり、または電気車自体を停止させることもある。さらに、このような状況を想定し、電動機温度に応じて、複数の電動機の運転/停止を個別に制御するローテーション運転も提案されている(例えば、特許文献1参照)。
特許第3840308号公報
しかしながら、特許文献1のものでは、全閉型の誘導電動機(IM)を対象としており、温度に異常がある電動機は必ず停止させており、制御手法としては改良の余地がある。一方、複数の電動機を駆動して走行する電気車においては、何らかの理由により、走行中に1台の電動機を停止させた場合、他の電動機のトルク指令が変更されなければ、電気車全体の出力トルクは不足し、速度の低下等電気車の走行性能に影響を及ぼすことがある。
複数の電動機を駆動して走行する電気車において、ある電動機を停止させた状態で走行する場合、すべての電動機が駆動しているときと同様の制御を行うと、電気車全体の出力トルクは不足する。そこで、当該電動機の停止による出力トルクの不足分を他の電動機で補完することが可能ならば、当該電動機の温度上昇を抑制しながら電気車全体の出力トルクを確保し電気車の走行性能維持することができるが、電気車内のどの電動機がどの程度の出力を分担して出力トルクの不足分を補完するかを適切に決定しなければならない。
本発明の目的は、電動機の温度上昇を検知したときはトルク指令を変更して電動機の運転を維持し、また、電気車全体の出力トルクを確保できる電気車制御装置を提供することである。
本発明に係る電気車制御装置は、連結された複数の電気車の各々の電気車に搭載されたインバータにより駆動される複数の電動機の温度情報を検知する温度検知手段と、前記温度検知手段からの温度情報をもとに前記電動機から出力されるトルクがトルク指令に一致するように前記インバータを制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記電動機の温度が予め設定された許容値を超過したとき、または超過すると判断したときは、当該電動機の温度を許容値内に抑制するトルク指令に変更するにあたり、自己の電気車または他の電気車に搭載された電動機のうち温度に余裕のある順にトルクを補完する電動機を選定し、温度上昇が発生した電動機における出力トルクの不足分を補うことを特徴とする。
本発明によれば、電動機の温度上昇を検知したときはトルク指令を変更して電動機の運転を維持し、また、電気車全体の出力トルクを確保できる。
図1は本発明の第1の実施の形態に係る電気車制御装置の構成図である。電気車11は、車輪12を駆動する電動機13a〜13dを有し、各々の電動機13a〜13dはインバータ14により駆動される。各々の電動機13a〜13dには、それぞれ温度を検出する温度検知手段15a〜15dが設けられ、各々の電動機13a〜13dの温度情報を検知して制御装置16に入力する。
制御装置16は、温度検知手段15a〜15dからの温度情報をもとに電動機13a〜13dから出力されるトルクがトルク指令に一致するようにインバータ14を制御する。また、制御装置16は、各々の電動機13a〜13dのうちのいずれかの温度が予め設定された許容値を超過したとき、または超過すると判断したときは、その電動機13の温度を許容値内に抑制するトルク指令に変更する。
前述したように、各々の電動機13a〜13dは温度検知手段15a〜15dを有し、電気車11内部の電源と外部の電源とのうち、いずれか一方または両方から電力の供給を受けてインバータ14により駆動され電気車11を走行させる。
インバータ14は各々の電動機13a〜13d及び制御装置16に接続され、電気車11内部の電源及び外部の電源の少なくとも一方に接続される。また、各々の電動機13a〜13dの温度情報を検知するための温度検知手段15a〜15dは、インバータ14の出力指令を決定する制御装置16に接続される。制御装置16は、各々の電動機13a〜13dに関する温度上昇の上限値に関する情報を有する。この上限値は温度の許容値であり、制御装置16の内部での判断または電気車11外部からの指令により変更することができるようになっている。
電気車11は、車内の電源及び車外の電源のうち少なくとも一方と電力の授受を行い、インバータ14を介して各々の電動機13a〜13dを駆動して走行する。また各々の電動機13a〜13dにそれぞれ設けられた温度検知手段15a〜15dは、各々の電動機13a〜13dの温度情報を取得し制御装置16へ伝送する。なお、温度検知手段15a〜15dと制御装置16との間の情報伝送には、専用通信線、無線及び各々の電動機13a〜13dに電力を供給するための電力線が選定可能である。ここで、温度検知手段15a〜15dとしては、温度検出器だけでなく、電動機電流を積算することにより各々の電動機13a〜13dの温度情報を演算により推定するものも含む。
いま、電気車11が各々の電動機13a〜13dを駆動して走行しているとき、温度検知手段15aが取得する電動機13aの温度情報が予め設定された許容値を超えたとする。この場合、制御装置16は電動機13aのトルク指令を当初より小さい値に変更する。
第1の実施の形態によれば、電気車11が温度検知手段15a〜15dを有することで、各々の電動機13a〜13dの温度情報を任意のタイミングで取得することができる。また、電動機13aの温度情報から、電動機13aのトルク指令を小さい値に変更することで、電動機13aを流れる電流は低減され発熱量が減少する。
これにより、電動機13aの温度上昇が抑制され、電動機13aの故障、焼損等を回避することができる。また、電動機13aのトルク指令を適切な値に変更することにより、電動機13aの運転継続及び電気車11の走行継続が可能となるため、電気車11が進路上にて立ち往生することが回避できる。
図2は本発明の第2の実施の形態に係る電気車制御装置の構成図である。この第2の実施の形態は、図1に示した第1の実施の形態に対し、2台のインバータ14a、14bを設け、インバータ14aには電動機13a、13bを接続し、インバータ14bには電動機13c、13dを接続し、温度上昇が発生した電動機13が発生した場合には、同一の電気車11のいずれかのインバータ14a、14bの電動機13で不足トルクを補完するようにしたものである。図1に示した第1の実施の形態と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
図2に示すように、2台のインバータ14a、14bが設けられ、インバータ14aには電動機13a、13bが接続され、インバータ14bには電動機13c、13dが接続されている。いま、電動機13aが温度上昇とすると、制御装置16により電動機13aのトルク指令が変更されることで、電動機13aの出力トルクが減少する。これにより電気車11全体の出力トルクも減少する。
制御装置16は、温度上昇した電動機13aが接続されていたインバータ14aではないインバータ14bに接続されている電動機13c、13dのいずれか、例えば電動機13cに対し、トルク指令を変更して電気車11全体の出力トルクを電動機13aの温度異常が無い場合と同等の値まで増加させる。これにより、電気車11は、電動機13aに温度異常が生じない場合と同等の出力トルクを得ることができる。
この場合、出力トルクの補完は、電動機13cあるいは電動機13dのいずれかで行うが、双方の電動機13c、13dで分担して不足するトルクを補完することも可能である。また、トルクを補完する電動機13は温度情報から余裕のある順に選定するようにしてもよい。
電動機13aの出力トルクの低下による電気車11の出力トルク不足を電気車11に搭載の他の電動機13で補完する場合、温度検知手段15a〜15dからの温度情報を用いて、補完のために出力を増加しても運転に支障の無い電動機13を選定する。補完のために出力トルクを増加させる電動機13が複数ある場合は、出力トルクを増加させる電動機13の台数や変更後の出力トルク指令は制御装置16により決定される。
第2の実施の形態によれば、第1の実施の形態の効果に加え、電動機13aの出力トルクが温度異常により低下した場合でも、電気車11に搭載された他の電動機13cの出力トルクを増加させることで、電気車11全体として、電動機13aの温度異常が無い場合と同等の出力トルクを得ることができる。
また、電動機13aの出力トルク低下による電気車11の出力トルク不足を電気車11に搭載の他の電動機13で補完する場合、補完する側の電動機13に関する温度情報を用いることで、電動機13aの出力トルク不足分を補完する電動機として、温度上昇に余裕のある電動機を選定することができる。また、複数の電動機により補完を行う場合は、補完を行う電動機の温度に応じて、出力の増分を適切に配分することができる。これにより、電動機13aの出力トルク不足を補完するための電動機が温度異常により運転に支障をきたすという事態が回避できる。
図3は本発明の第3の実施の形態に係る電気車制御装置の構成図である。この第3の実施の形態は、図1に示した第1の実施の形態に対し、複数の電気車が連結されているとき、前記制御装置は、温度上昇が発生した電動機があるときは、当該電動機における出力トルクの不足分を自己の電気車または他の電気車に搭載された電動機が出力するトルクで補うようにしたものである。図1と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
複数の電気車11A、11Bがあるときは、例えば、一方の電気車11Aの電動機13が温度上昇したときは、自己の電気車11Aだけでなく他の電気車11B(11A)の電動機13も含めて不足トルクを補完するようにして編成全体の出力を確保する。電気車11Aに他の電気車11Bが連結されており、各電気車11A、11B内の構成はそれぞれ同じものである。また、制御装置16A、16Bは通信線により接続され、各制御装置16A、16Bは、電気車11A、11Bに搭載されたすべての電動機13Aa〜13Ad、13Ba〜13Bdの温度情報を共有する。
いま、電気車11Aの電動機13Aaの出力トルク不足を他の電動機13で補完する場合、制御装置16A、16Bは互いに通信を行い、電気車11A、11Bに搭載されたすべての電動機13Aa〜13Ad、13Ba〜13Bdの温度情報を交換する。これにより、電気車11Bに搭載の電動機13Ba〜13Bdが電動機13Aaの出力トルク不足分の一部または全部を補完することができる。なお、各電動機13Aa〜13Ad、13Ba〜13Bdの温度情報の共有は、制御装置16A、16Bの他に、制御装置16A、16Bの運転席等の電気車11A、11Bの床下以外の場所で集中的に管理することも可能である。
第3の実施の形態によれば、第1の実施の形態に効果に加え、複数の電気車11A、11Bが連結して走行する場合、各電気車11A、11Bの制御装置16A、16Bが電気車11A、11Bに搭載されたすべての電動機13Aa〜13Ad、13Ba〜13Bdに関する温度情報を共有することで、温度上昇が生じた電動機13Aaの出力トルク不足を補完する電動機13を電気車11A、11Bの両方から選出することができる。
これにより、電気車11Aの電動機に余裕が無い場合でも、電気車11Bに搭載された電動機13に温度の余裕があれば、電動機13Aaの出力トルク不足を補完することが可能となる。また、2両の電気車11A、11Bに搭載された電動機13Aa〜13Ad、13Ba〜13Bdが相互補完を行うことで、各電気車11A、11B内で個別に補完する場合より冗長性が増し、電気車11A、11Bの運転継続に関する信頼性も向上する。なお、電気車11が3両以上連結して走行する場合にも、同様に適用できる。さらに、電気車11Bの駆動減が直流電動機やエンジンであった場合にも同様に適用できる。
図4は本発明の第4の実施の形態に係る電気車制御装置の構成図である。この第4の実施の形態は、図1に示した第1の実施の形態に対し、電動機13a〜13dが永久磁石同期電動機(PMSM)である場合、温度検知手段15a〜15dは、永久磁石同期電動機が発生する誘起電圧を使用して永久磁石同期電動機の温度を推定し、制御装置16はその推定した温度の基づきトルクを制御するようにしたものである。図1と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
インバータ14a〜14dは永久磁石同期電動機13a’〜13d’ごとに設けられ、制御装置16に接続されている。永久磁石同期電動機13a’〜13d’のトルクは、基本的に回転子の有する永久磁石と固定子電流とにより発生する。また、回転子の内部に永久磁石を埋め込んだ「埋込型永久磁石同期電動機(I永久磁石同期電動機)」は、磁石トルクに加え、リラクタンストルクも発生する。永久磁石同期電動機13a’〜13d’のトルクT[NM]は(1)式で表される。
T=(P/2){ΦIq+(Ld−Lq)IdIq} [NM] …(1)
ただし、Pは永久磁石同期電動機の極数、Idはd軸電流、Iqはq軸電流、Ldはd軸インダクタンス、Lqはq軸インダクタンスである。
また、永久磁石同期電動機13a’〜13d’は回転子に永久磁石を有するため、固定子電流の有無に関わらず、回転子の回転速度に比例した誘起電圧が発生する。誘起電圧の大きさVは、電動機の回転角速度(電気角)[rad/sec]、磁石磁束Φ[Wb]を用いて次式により表される。
V=ωΦ [V] …(2)
ここで、固定子コイルと鎖交する磁石磁束Φは、磁束密度B[Wb/m]、鎖交面積をS[m]とすると次式で表される。
Φ=BS [Wb] …(3)
一方、図5に示すとおり、磁石温度が低い特性曲線S1、磁石温度が高い特性曲線S2のように、永久磁石のB−H特性は温度により異なる。同種の材料の場合、一般に、磁石温度が低いほど磁束が多く、よって同じ回転数で比較した場合、温度が低いほど誘起電圧は高くなる。また、(1)式からわかるとおり、固定子電流が同じ場合には、磁石温度が低いほど大きなトルクを得ることができる。この理論を用いると、磁石温度と誘起電圧とには相関があることがわかる。よって、制御装置16が、磁石温度に対応する誘起電圧値のデータを予め有することで、温度検出器を用いることなく、誘起電圧から磁石温度を推定することができる。
第4の実施の形態によれば、永久磁石同期電動機13’は回転子に永久磁石を有するため、回転子が回転している間は、固定子電流の有無に関わらず誘起電圧が発生する。また、永久磁石同期電動機13’に使用される永久磁石は、温度により磁石磁束の強さが変化し、磁石温度が高いほど、磁石磁束は小さくなることから、永久磁石同期電動機13’の誘起電圧から永久磁石同期電動機の温度を推定することができる。また、誘起電圧から永久磁石同期電動機13’の温度を推定できた場合、システム全体の構成を簡素化できる。
図6は本発明の第5の実施の形態に係る電気車制御装置の構成図である。この第5の実施の形態は、図1に示した第1の実施の形態に対し、制御装置は、電気車のブレーキ動作中に電動機13の温度が予め設定された規定値を超過した場合、当該電動機のトルク指令の変更により不足するブレーキ力を当該電動機以外(機械式ブレーキ)が発生するブレーキ力で補完するようにしたものである。図1と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
電気車11は機械式ブレーキ17a〜17dを有し、電気車11の走行状態を電動ブレーキ作動時に限定している。電気車11が電動ブレーキを作動しながら走行している時に、電動機13aの温度が予め設定された規定値を超過したとすると、制御装置16はインバータ14への電流指令値を変更して電動機13aの出力トルクを低下させる。これにより、電動機13aを流れる電流は減少し、電動機13aの温度上昇は抑制される。一方、電動機13aの出力トルクを低下させたことにより、電気車11全体のブレーキ力が不足する。このとき、機械式ブレーキ17aを動作させることにより、電気車11に必要なブレーキ力を確保する。
第5の実施の形態によれば、電動機13aの出力トルク不足を機械式ブレーキ17aで補完することにより、機械式ブレーキ17aを使用しない場合と比べて、他の電動機13b〜13dが出力するトルクを低減できる。これにより、電動機13の温度上昇を抑制することができ、さらに次の力行時における温度上昇も抑制することができる。
本発明の第1の実施の形態に係る電気車制御装置の構成図。 本発明の第2の実施の形態に係る電気車制御装置の構成図。 本発明の第3の実施の形態に係る電気車制御装置の構成図。 本発明の第4の実施の形態に係る電気車制御装置の構成図。 永久磁石のB−H特性のグラフ。 本発明の第5の実施の形態に係る電気車制御装置の構成図。
符号の説明
11…電気車、12…車輪、13…電動機、13’…永久磁石同期電動機、14…インバータ、15…温度検知手段、16…制御装置、17…機械式ブレーキ

Claims (3)

  1. 連結された複数の電気車の各々の電気車に搭載されたインバータにより駆動される複数の電動機の温度情報を検知する温度検知手段と、前記温度検知手段からの温度情報をもとに前記電動機から出力されるトルクがトルク指令に一致するように前記インバータを制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記電動機の温度が予め設定された許容値を超過したとき、または超過すると判断したときは、当該電動機の温度を許容値内に抑制するトルク指令に変更するにあたり、自己の電気車または他の電気車に搭載された電動機のうち温度に余裕のある順にトルクを補完する電動機を選定し、温度上昇が発生した電動機における出力トルクの不足分を補うことを特徴とする電気車制御装置。
  2. 前記電動機が永久磁石同期電動機である場合、前記温度検知手段は、前記永久磁石同期電動機が発生する誘起電圧を使用して前記永久磁石同期電動機の温度を推定することを特徴とする請求項1に記載の電気車制御装置。
  3. 前記制御装置は、前記電気車のブレーキ動作中に前記電動機の温度が予め設定された規定値を超過した場合、当該電動機のトルク指令の変更により不足するブレーキ力を当該電動機以外が発生するブレーキ力で補完することを特徴とする請求項1または2に記載の電気車制御装置。
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