JP5558605B2 - 電気車制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気車を制御する電気車制御装置に関する。

一般的に、誘導電動機又は同期電動機を駆動させ、電気車を制御する電気車制御装置が知られている。このような電気車制御装置では、電動機の出力トルクを制御することが多い（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−３００７１３号公報

しかしながら、電動機の出力トルクを制御して、電気車の運転を制御する電気車制御装置では、電動機の回転数に関係なく電動機を制御することができる。

このため、例えば、車輪の空転や力行時の加速駆動中のギヤの破損などにより、モータの負荷が極端に軽くなる場合に、モータの回転数が異常に上昇する可能性がある。この結果、電動機の回転数が規定された最高回転数を超えた場合、電動機のベアリング等の機械的な破損を生じさせることになる。これは、電気車制御装置が、電動機の回転数に関係なく、トルク指令に従ってトルクを出力するためである。

そこで、本発明の目的は、電動機の回転数の異常な上昇を抑えることのできる電気車制御装置を提供することにある。

本発明の観点に従った電気車制御装置は、直流電力を交流電力に変換するインバータを制御して、前記インバータから出力される交流電力により電動機を駆動する電気車制御装置であって、前記電動機を制御するトルク指令を決定するための第１のトルクパターンを演算するモータトルクパターン演算手段と、前記電動機の回転速度が設定された最大速度となるときにトルクがゼロとなるように予め設定された第２のトルクパターンと前記電動機の回転速度に基づいて、前記トルク指令を制限するためのモータトルク指令制限値を演算するモータトルク指令制限値演算手段と、前記モータトルクパターン演算手段により演算された前記第１のトルクパターンに基づいて決定した仮のトルク指令と前記モータトルク指令制限値演算手段により演算された前記モータトルク指令制限値を比較し、小さい方を前記トルク指令とするトルク指令演算手段と、前記トルク指令演算手段により演算された前記トルク指令に基づいて、ベクトル制御演算することで電圧指令値を求めるベクトル制御手段と、前記ベクトル制御手段によって求められた電圧指令値に基づいて、ゲート指令を生成するゲート指令演算手段とを備えている。

本発明によれば、電動機の回転数の異常な上昇を抑えることのできる電気車制御装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る電気車の構成を示す構成図。 本発明の第２の実施形態に係る電気車の構成を示す構成図。 本発明の第３の実施形態に係る電気車の構成を示す構成図。 第３の実施形態に係るモータトルク指令制限値演算部による演算方法を示すモータトルク指令制限値と回転速度との相関関係を示すグラフ図である。 本発明の第４の実施形態に係る電気車の構成を示す構成図。 本発明の第５の実施形態に係る電気車の構成を示す構成図。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る電気車１０の構成を示す構成図である。なお、以降の図における同一部分には、同一符号を付してその詳しい説明を省略し、異なる部分について主に述べる。以降の実施形態も同様にして重複する説明を省略する。

電気車１０は、電気車制御装置１と、電動機２と、集電装置３と、車輪４と、モータ回転速度検出器５と、高速度遮断器ＨＢと、接触器Ｌ１，Ｌ２と、充電抵抗器ＣＲと、フィルタリアクトルＦＬとを備えている。

電気車１０は、直流架線から直流電力の供給を受けて走行する電気鉄道車両である。

電動機２は、電気車１０が走行するための動力源である。

集電装置３は、直流架線と電気的に接触するように設けられている。集電装置３は、高速度遮断器ＨＢ、接触器Ｌ２、接触器Ｌ１、フィルタリアクトルＦＬを順次に介して、電気車制御装置１に直流電力を供給する。集電装置３は、例えばパンタグラフである。

電気車制御装置１は、集電装置３から供給された直流電力を受電して、電動機２を駆動制御する。

モータ回転速度検出器５は、電動機２の回転速度を計測するための信号ＤＦを検出する。モータ回転速度検出器５は、検出した信号ＤＦを電気車制御装置１に出力する。

高速度遮断器ＨＢは、異常な直流電流を高速度で検知し、故障電流を遮断する遮断器である。

接触器Ｌ１，Ｌ２は、集電装置３と電気車制御装置１とを接続する電気経路の切断又は接続をする。

充電抵抗器ＣＲは、遮断器Ｌ１の両端を短絡するように設けられている。充電抵抗器ＣＲは、遮断器Ｌ２を投入した時に、フィルタコンデンサＦＣに急激に過大な電流が流れ込まないようにするために設けられている。

フィルタリアクトルＦＬは、電気車制御装置１のフィルタコンデンサＦＣと共に、フィルタ回路を構成する。

車輪４は、電気車制御装置１のＶＶＶＦ(Variable Voltage Variable Frequency)インバータ１１の直流電力側の負極端子に接続されている。車輪４は、レールと電気的に接触する。

電気車制御装置１は、フィルタコンデンサＦＣと、ＶＶＶＦインバータ１１と、モータ回転速度演算部１２と、最大速度超過検出器１３とを備えている。なお、電気車制御装置１は、これらの他にも、電動機２の制御に用いる構成を備えているが、説明の便宜上割愛する。

フィルタコンデンサＦＣは、ＶＶＶＦインバータ１１の直流電力側の正極端子と負極端子との間に設けられている。

ＶＶＶＦインバータ１１は、集電装置３を介して直流架線から供給された直流電力を交流電力に変換する。ＶＶＶＦインバータ１１は、電動機２に交流電力を出力することにより、電動機２を駆動する。

モータ回転速度演算部１２は、モータ回転速度検出器５から受信した信号ＤＦに基づいて、電動機２の回転速度Ｆを演算する。モータ回転速度演算部１２は、演算した回転速度Ｆを最大速度超過検出器１３に出力する。

最大速度超過検出器１３には、予め最大速度設定値ＦＭＡＸが設定されている。最大速度超過検出器１３は、モータ回転速度演算部１２から入力された回転速度Ｆが最大速度設定値ＦＭＡＸを超えているか否かを判断する。最大速度超過検出器１３は、回転速度Ｆが最大速度設定値ＦＭＡＸを超えていると判断した場合、ＶＶＶＦインバータ１１を停止する信号ＳＴをＶＶＶＦインバータ１１に出力する。

最大速度設定値ＦＭＡＸは、電動機２の最大速度規定値と電気車１０の最高速度から決まるモータ最高回転速度の間に設定する。電動機２の最大速度規定値は、多くの場合、モータ単体試験で規定されている最高回転速度である。

本実施形態によれば、最大速度超過検出器１３により、電動機２の回転速度Ｆが最大速度設定値ＦＭＡＸを超過すると、ＶＶＶＦインバータ１１は停止する。これにより、電動機２の回転速度Ｆのそれ以上の上昇を防止することができる。

また、最大速度設定値ＦＭＡＸを、電動機２の最大速度規定値と電気車１０の最高速度から決まるモータ最高回転速度の間に設定することで、電気車１０の最高速度に影響を与えず、かつ電動機２を破損しない範囲で、電動機２の回転速度Ｆを抑えることができる。

これにより、電気車１０は、車輪４の空転又はギヤの破損等により電動機２の負荷が極端に軽くなった場合などにおいても、電動機２の回転速度Ｆを抑えることができる。従って、電気車１０は、電動機２の回転速度Ｆの異常な上昇による故障を防止することができる。

（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態に係る電気車１０Ａの構成を示す構成図である。

電気車１０Ａは、図１に示す第１の実施形態に係る電気車１０において、モータ回転速度検出器５を取り除き、電気車制御装置１の代わりに、電気車制御装置１Ａを設けている。電気車制御装置１Ａは、電気車制御装置１において、電流検出器ＣＴを設けて、モータ回転速度演算部１２の代わりに、モータ回転速度推定部１４を設けている。それ以外の点は、電気車１０と同様である。

電気車１０Ａは、モータ回転速度検出器５を持たない速度センサレス制御システムを適用した構成である。

電流検出器ＣＴは、ＶＶＶＦインバータ１１から出力されるモータ電流ＤＩを検出する。電流検出器ＣＴは、検出したモータ電流ＤＩを電気車制御装置１Ａに出力する。

電気車制御装置１Ａは、電流検出器ＣＴから入力されたモータ電流ＤＩを信号として、モータ回転速度推定部１４で受信する。

モータ回転速度推定部１４は、電流検出器ＣＴから入力されたモータ電流ＤＩに基づいて、電動機２の回転速度Ｆを推定する。モータ回転速度推定部１４は、推定した回転速度Ｆを最大速度超過検出器１３に出力する。

第２の実施形態と同様に、最大速度超過検出器１３は、回転速度Ｆが最大速度設定値ＦＭＡＸを超えていると判断した場合、ＶＶＶＦインバータ１１を停止する信号ＳＴをＶＶＶＦインバータ１１に出力する。

本実施形態によれば、モータ回転速度検出器５を持たない速度センサレス制御システムの構成で、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

（第３の実施形態）
図３は、本発明の第３の実施形態に係る電気車１０Ｂの構成を示す構成図である。

電気車１０Ｂは、図１に示す第１の実施形態に係る電気車１０において、電気車制御装置１の代わりに、電気車制御装置１Ｂを設けている。電気車制御装置１Ｂは、電気車制御装置１に、モータトルク指令制限値演算部１５及びモータトルク指令演算部１７を追加した構成である。それ以外の点は、電気車１０と同様である。

なお、図３に示す電気車１０Ｂには、モータトルクパターン演算部１６、電動機ベクトル制御部１８及びゲート指令部１９が設けられている。これらの構成は、図１に示す電気車１０では、説明の便宜上割愛した構成であり、電気車１０にも設けられている。

モータ回転速度演算部１２は、演算した回転速度Ｆをモータトルク指令制限値演算部１５に出力する。

モータトルク指令制限値演算部１５は、モータ回転速度演算部１２から入力された回転速度Ｆに基づいて、モータトルク指令制限値ＬＴを演算する。モータトルク指令制限値演算部１５は、演算したモータトルク指令制限値ＬＴをモータトルク指令演算部１７に出力する。

図４は、本実施形態に係るモータトルク指令制限値演算部１５による演算方法を示すモータトルク指令制限値ＬＴと回転速度Ｆとの相関関係を示すグラフ図である。

図４に示すように、モータトルク指令制限値演算部１５は、回転速度Ｆが所定回転速度Ｆ１までは、モータトルク指令制限値ＬＴを制限値Ｌ１とする。モータトルク指令制限値演算部１５は、回転速度Ｆが所定回転速度Ｆ１を超えると、最大速度設定値ＦＭＡＸに近づくに従って、モータトルク指令制限値ＬＴをゼロにする。モータトルク指令制限値演算部１５は、回転速度Ｆが最大速度設定値ＦＭＡＸを超えると、モータトルク指令制限値ＬＴをゼロにする。

モータトルクパターン演算部１６は、電気車１０Ｂの運転を制御するための運転指令ＤＳに基づいて、トルク指令を決定するためのトルクパターンＴＰを演算する。モータトルクパターン演算部１６は、演算したトルクパターンＴＰをモータトルク指令演算部１７に出力する。

モータトルク指令演算部１７には、モータトルクパターン演算部１６により演算されたトルクパターンＴＰ及びモータトルク指令制限値演算部１５により演算されたモータトルク指令制限値ＬＴが入力される。モータトルク指令演算部１７は、モータトルクパターンＴＰにより決定されるトルク指令ＴＳに、モータトルク指令制限値ＬＴによる制限をする。モータトルク指令演算部１７は、制限されたトルク指令ＴＳを電動機ベクトル制御部１８に出力する。具体的には、モータトルク指令演算部１７は、モータトルクパターンＴＰにより決定されるトルク指令ＴＳとモータトルク指令制限値ＬＴを比較し、小さい方を電動機ベクトル制御部１８に出力する。

電動機ベクトル制御部１８は、モータトルク指令演算部１７から入力されたトルク指令ＴＳに基づいて、ベクトル制御演算をする。電動機ベクトル制御部１８は、ベクトル制御演算により求められた電圧指令値ＶＳをゲート指令部１９に出力する。

ゲート指令部１９は、電動機ベクトル制御部１８により演算された電圧指令値ＶＳに基づいて、ゲート指令ＧＳを生成する。ゲート指令部１９は、生成したゲート指令ＧＳをＶＶＶＦインバータ１１に出力することで、ＶＶＶＦインバータ１１のゲート制御を行う。

本実施形態によれば、モータトルク指令制限値演算部１５によるモータトルク指令制限値ＬＴで、トルク指令ＴＳを制限することにより、電動機２の回転速度Ｆが所定回転速度Ｆ１を超えると、トルク指令ＴＳを徐々に制限し、さらに最大速度設定値ＦＭＡＸを超過すると、電動機２の回転の加速を防止するため、電動機２の回転速度Ｆのそれ以上の上昇を防止することができる。これにより、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

（第４の実施形態）
図５は、本発明の第４の実施形態に係る電気車１０Ｃの構成を示す構成図である。

電気車１０Ｃは、図３に示す第３の実施形態に係る電気車１０Ｂにおいて、電気車制御装置１Ｂに最大速度超過検出器１３Ｃを追加して、電気車制御装置１Ｃとしている。それ以外の点は、電気車１０Ｂと同様である。

最大速度超過検出器１３Ｃは、基本的には、第１の実施形態に係る最大速度超過検出器１３と同様の構成である。

最大速度超過検出器１３Ｃには、予め最大速度設定値ＦＭＡＸ２が設定されている。最大速度設定値ＦＭＡＸ２は、モータトルク指令制限値演算部１５に設定されている最大速度設定値ＦＭＡＸと同じかそれよりも大きい値である。最大速度設定値ＦＭＡＸ２の求め方は、最大速度設定値ＦＭＡＸと同様である。

最大速度超過検出器１３Ｃは、モータ回転速度演算部１２から回転速度Ｆを受信する。最大速度超過検出器１３Ｃは、モータ回転速度演算部１２から入力された回転速度Ｆが最大速度設定値ＦＭＡＸ２を超えているか否かを判断する。最大速度超過検出器１３Ｃは、回転速度Ｆが最大速度設定値ＦＭＡＸ２を超えていると判断した場合、ＶＶＶＦインバータ１１を停止するための信号をゲート指令部１９に出力する。

ゲート指令部１９は、最大速度超過検出器１３ＣからＶＶＶＦインバータ１１を停止するための信号を受信すると、ゲート指令ＧＳによりＶＶＶＦインバータ１１を停止させる。

本実施形態によれば、第３の実施形態による作用効果に加え、以下の作用効果を得ることができる。

電気車１０Ｃは、モータトルク指令制限値演算部１５によるモータトルク指令ＴＳの制限の他に、最大速度超過検出器１３ＣによるＶＶＶＦインバータ１１の停止をする構成を追加している。これにより、電気車１０Ｃは、第３の実施形態による電気車１０より確実に電動機２の回転数の異常な上昇を抑えることができる。

また、電気車１０Ｃは、最大速度設定値ＦＭＡＸよりも大きい最大速度設定値ＦＭＡＸ２を電動機２の回転速度Ｆが急激に超えた場合に、ＶＶＶＦインバータ１１を停止させる構成を、モータトルク指令制限値演算部１５と別に設けることにより、より早く電動機２の回転数の異常な上昇を抑えることができる。

（第５の実施形態）
図６は、本発明の第５の実施形態に係る電気車１０Ｄの構成を示す構成図である。

電気車１０Ｄは、図５に示す第４の実施形態に係る電気車１０Ｃにおいて、最大速度超過検出器１３Ｃの代わりに、最大速度超過検出器１３Ｄを設けた構成である。それ以外の点は、電気車１Ｃと同様である。

最大速度超過検出器１３Ｄは、基本的には、第３の実施形態に係る最大速度超過検出器１３Ｃと同様の構成である。

最大速度超過検出器１３Ｄは、第３の実施形態に係る最大速度超過検出器１３Ｃと同様に、予め最大速度設定値ＦＭＡＸ２が設定されている。

最大速度超過検出器１３Ｄは、モータ回転速度演算部１２から回転速度Ｆを受信する。最大速度超過検出器１３Ｄは、モータ回転速度演算部１２から入力された回転速度Ｆが最大速度設定値ＦＭＡＸ２を超えているか否かを判断する。最大速度超過検出器１３Ｄは、回転速度Ｆが最大速度設定値ＦＭＡＸ２を超えていると判断した場合、高速度遮断器ＨＢに開放する指令を出力する。

本実施形態によれば、最大速度超過検出器１３Ｃの代わりに、最大速度超過検出器１３Ｄを設けることで、第４の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

なお、第１の実施形態及び第２の実施形態において、最大速度規定値を超えた場合、ＶＶＶＦインバータ１１を停止する構成としたが、これに限らない。例えば、ＶＶＶＦインバータ１１を停止する代わりに、ＶＶＶＦインバータ１１のゲートオフ又は電動機２のすべり周波数をゼロにするなどの構成としてもよい。また、電動機２の回転速度を抑制させるのであれば、これらの構成以外の構成でもよい。

第５の実施形態において、高速度遮断器ＨＢを開放する構成としたが、これに限らない。インバータへの直流電力の供給を断つのであれば、他の開閉器でも構わないし、このための構成を新たに設けてもよい。

第４の実施形態及び第５の実施形態において、モータ回転速度検出器５を持つ構成としたが、図２に示す第２の実施形態に係る電気車１０Ａのような速度センサレス制御システムを適用しても、同様に構成することができる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１…電気車制御装置、２…電動機、３…集電装置、４…車輪、５…モータ回転速度検出器、１０…電気車、１１…ＶＶＶＦインバータ、１２…モータ回転速度演算部、１３…最大速度超過検出器、ＣＲ…充電抵抗器、ＦＣ…フィルタコンデンサ、ＦＬ…フィルタリアクトル、ＨＢ…高速度遮断器、Ｌ１，Ｌ２…接触器。

Claims (3)

1. 直流電力を交流電力に変換するインバータを制御して、前記インバータから出力される交流電力により電動機を駆動する電気車制御装置であって、
   前記電動機を駆動するトルク指令を決定するための第１のトルクパターンを演算するモータトルクパターン演算手段と、
   前記電動機の回転速度が設定された最大速度となるときにトルクがゼロとなるように予め設定された第２のトルクパターンと前記電動機の回転速度に基づいて、前記トルク指令を制限するためのモータトルク指令制限値を演算するモータトルク指令制限値演算手段と、
   前記モータトルクパターン演算手段により演算された前記第１のトルクパターンに基づいて決定した仮のトルク指令と前記モータトルク指令制限値演算手段により演算された前記モータトルク指令制限値を比較し、小さい方を前記トルク指令とするトルク指令演算手段と、
   前記トルク指令演算手段により演算された前記トルク指令に基づいて、ベクトル制御演算することで電圧指令値を求めるベクトル制御手段と、
   前記ベクトル制御手段によって求められた電圧指令値に基づいて、ゲート指令を生成するゲート指令演算手段と
   を備えたことを特徴とする電気車制御装置。
2. 前記第２のトルクパターンは、前記電動機の回転速度が所定の速度と前記最大速度との間で減少するパターンを含むことを特徴とする請求項１に記載の電気車制御装置。
3. 前記電動機の回転速度が所定値以上と判断した場合は、前記インバータを停止または前記インバータに供給される電力を遮断する遮断器を開放する最大速度超過検出手段
   を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電気車制御装置。

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