JP5060266B2

JP5060266B2 - 電気車制御装置

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Publication number: JP5060266B2
Application number: JP2007322936A
Authority: JP
Inventors: 俊彦高内; 和明結城; 洋介中沢
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2007-12-14
Filing date: 2007-12-14
Publication date: 2012-10-31
Anticipated expiration: 2027-12-14
Also published as: JP2009148080A

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^２］、鎖交面積をＳ[ｍ^２]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

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。
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。
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。