JP6169924B2 - 誘導電動機式電気車及びその制御方法 - Google Patents

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Description

本発明は、誘導電動機式電気車及びその制御方法に関し、特に、1つの電力変換器から複数の誘導電動機に給電する構成を有する誘導電動機式電気車(以下、これを複数誘導電動機式電気車と呼ぶ)に適用して好適なものである。
複数誘導電動機式電気車は、パンタグラフを介して架線から取得した電力を可変電圧、可変周波数の三相交流電力に変換する1又は複数の電力変換器と、それぞれ同一の電力変換器から供給される三相交流電力により駆動する複数の誘導電動機とを備え、これら複数の誘導電動機を駆動したときに得られる動力に基づいて走行する。
このような複数誘導電動機式電気車に搭載される電力変換器の出力周波数は、誘導電動機の回転周波数に相当するロータ周波数に、すべり周波数を加減算して設定されるのが普通である。
この場合において、かかるロータ周波数として、複数の誘導電動機の回転周波数の最大値を用いた場合には、力行中に空転が発生したときの空転軸の回転周波数を電流制御に用い、最小値を用いた場合には、回生中に滑走が発生したときの滑走軸の回転周波数を電流制御に用いることになり、何れの場合においても再粘着性が低下する原因となる。
このため、ロータ周波数は、力行時は最大回転周波数以外の誘導電動機の回転周波数又は各誘導電動機の回転周波数の平均値を用い、回生時は最小回転周波数以外の誘導電動機の回転数又は各誘導電動機の回転周波数の平均値を用いることが多い。
また、すべり周波数は、電力変換器から各誘導電動機に供給すべき電流の目標値(運転士のノッチ操作に基づくノッチ指令に応じた電流値であり、以下、これを電流指令値と呼ぶ)と、実際に電力変換器から各誘導電動機に供給される電流の計測値(以下、これを誘導電動機電流フィードバック値と呼ぶ)との差分に基づいて算出されたすべり周波数補正値を、そのとき要求されているトルク(ノッチ指令に応じた大きさのトルクであり、以下、これを要求トルクと呼ぶ)に応じた基本指令に加減算することで設定される。
なお、すべての誘導電動機に電流検出器を備えた複数誘導電動機式電気車において、各誘導電動機にそれぞれ供給される電流のうちの最大電流値を上述の誘導電動機電流フィードバック値として用いる方法が特許文献1に開示されている。
特開昭63−117605号公報
ところで、上述のような複数誘導電動機式電気車では、同一の電力変換器から給電を受ける複数の誘導電動機の一部に過電流が発生する問題があった。そして誘導電動機に過電流が発生した場合、特に、高速車両のように高速域での誘導電動機の駆動時間が長い電気車では、かかる過電流による誘導電動機の過熱が安全性の面から問題であった。
本発明は以上の点を考慮してなされたもので、過電流に起因する誘導電動機の過熱を有効に防止し、安全性を向上させ得る誘導電動機式電気車及びその制御方法を提案しようとするものである。
かかる課題を解決するため本発明においては、誘導電動機式電気車に、架線から取得した電力を可変電圧可変周波数の三相交流電力に変換する電力変換器と、電力変換器から給電され、それぞれ異なる車輪を駆動する複数の誘導電動機と、電力変換器の出力電流の電流値を検出する電流検出器と、複数の誘導電動機にそれぞれ対応させて設けられ、対応する誘導電動機の回転周波数を検出する複数の速度検出器と、電力変換器の出力電流の目標値でなる誘導電動機電流指令値を生成し、電流検出器により検出された電力変換器の出力電流、及び、速度検出器によりそれぞれ検出された回転周波数に基づいて、電力変換器の出力電流が当該誘導電動機電流指令値に追従するように電力変換器を制御する電力変換器制御部と、を備え、電力変換器制御部は、速度検出器によりそれぞれ検出された回転周波数に基づくすべり周波数の絶対値が一番大きい誘導電動機に流れる電流の電流値が、車輪径差がない場合に誘導電動機に流れる電流の電流値以下となるように、誘導電動機電流指令値の大きさを制限するようにした。
また本発明においては、架線から取得した電力を可変電圧可変周波数の三相交流電力に変換する電力変換器と、電力変換器から給電され、それぞれ異なる車輪を駆動する複数の誘導電動機とを有する誘導電動機式電気車の制御方法において、電力変換器の出力電流の電流値と、複数の誘導電動機のそれぞれの回転周波数とを検出する第1のステップと、電力変換器の出力電流の目標値でなる誘導電動機電流指令値を生成し、第1のステップで検出した電力変換器の出力電流、及び、検出した複数の誘導電動機のそれぞれの回転周波数に基づいて、電力変換器の出力電流が当該誘導電動機電流指令値に追従するように電力変換器を制御する第2のステップとを備え、第2のステップでは、第1のステップで検出した回転周波数に基づくすべり周波数の絶対値が一番大きい誘導電動機に流れる電流の電流値が、車輪径差がない場合に誘導電動機に流れる電流の電流値以下となるように、誘導電動機電流指令値の大きさを制限するようにした。
本発明によれば、誘導電動機への過電流が抑制され、過電流に起因する誘導電動機の過熱を有効に防止することができるため、安全性を向上させることができる。
一般的な誘導電動機におけるすべり周波数と、引張力、ブレーキ力及び誘導電動機電流との関係を示す特性曲線図である。 低すべり型の誘導電動機におけるすべり周波数と、引張力、ブレーキ力及び誘導電動機電流との関係を示す特性曲線図である。 本実施の形態による複数誘導電動機式電気車における電力変換器及び誘導電動機の接続関係を示すブロック図である。 本実施の形態による複数誘導電動機式電気車における電力変換器制御部の構成を示すブロック図である。 一般的な複数誘導電動機式電気車における電力変換器の出力電圧と、誘導電動機の出力トルクと、誘導電動機電流との関係を示す特性曲線図である。 定トルク領域、誘導電動機の特性領域へと制御を行う場合における電力変換器の出力電圧と、誘導電動機の出力トルクと、誘導電動機電流との関係を示す特性曲線図である。
以下図面について、本発明の一実施の形態を詳述する。
(1)誘導電動機におけるすべり周波数と電流及びトルクとの関係
電力変換器から給電を受ける複数の誘導電動機がそれぞれ駆動する各車輪の車輪径が異なる場合、電力変換器の出力周波数が各誘導電動機に対して同一であるのに対し、個々の誘導電動機の回転周波数が車輪径によりそれぞれ異なるため、すべり周波数も個々の誘導電動機ごとに異なる。また、車輪径差による誘導電動機間の回転周波数差は、複数誘導電動機式電気車の速度の増大とともに大きくなる。
一般的に複数誘導電動機式電気車では、誘導電動機のすべり周波数と、その誘導電動機に供給される電流と、その誘導電動機が発生するトルクとの間には図1に示すような関係がある。図1からも明らかなように、車輪径が異なる場合、力行時はすべり周波数が大きい(車輪径が大きい車輪を駆動している)誘導電動機に大きな電流及びトルクが発生し、回生時はすべり周波数が小さい(車輪径が小さい車輪を駆動している)誘導電動機に大きな電流及びトルクが発生する。つまり各誘導電動機がそれぞれ駆動する各車輪に車輪径差がある場合、よりすべり周波数の絶対値が大きい誘導電動機により大きな電流及びトルクが発生する。
従来、複数誘導電動機式電気車において、運転士のノッチ操作に基づくノッチ指令やブレーキ操作に基づくブレーキ指令に従って生成される上述の電流指令値は、同一の電力変換器から給電を受ける各誘導電動機が駆動する車輪の車輪径に差がない場合を標準値としている。このため、これらの車輪の車輪径に差がある場合、誘導電動機電流フィードバック値としてかかる複数の誘導電動機の電流平均値が各誘導電動機にそれぞれ流れるように電力変換器を制御すると、標準値に対して大きな電流が流れる誘導電動機が存在することになる。
この場合、例えば高速車両のように高速域での誘導電動機の駆動時間が長い電気車では、電力変換器から誘導電動機に供給される電流の差分が大きい状態が長時間継続されるため、すべり周波数の絶対値が大きい誘導電動機では熱損失の増加による過熱が問題となる。
また、図2に示すように、すべり周波数の変化に対する、電動機電流の変化の割合が大きい低すべり型と呼ばれる誘導電動機の場合には、かかる車輪の車輪径差に対する誘導電動機間の電流値の差が大きいため、誘導電動機の過熱はより重大な問題となる。
そこで、本実施の形態の複数誘導電動機式電気車では、一の電力変換器から給電を受ける複数の誘導電動機がそれぞれ駆動する車輪間の車輪径差が大きい場合には、電力変換器から各誘導電動機に供給する電流値を制限する。以下、このような特徴を有する本実施の形態の複数誘導電動機式電気車の詳細について説明する。
(2)本実施の形態による複数誘導電動機式電気車の構成
図3は、本実施の形態による複数誘導電動機式電気車1の全体像を示す。この複数誘導電動機式電気車1は、一又は複数の電力変換器2を備え、これら電力変換器2にそれぞれ複数の誘導電動機3が接続されている。
図4は、本複数誘導電動機式電気車1における動力系の構成例を示す。本複数誘導電動機式電気車1の場合、パンタグラフ11を介して架線12から受電した直流電力が電力変換器2に与えられる。
電力変換器2は、複数のスイッチング素子を備えて構成され、これらスイッチング素子を電力変換器制御部10から与えられるゲート信号gsに従ってオンオフさせることにより、架線12から取得した直流電力を可変電圧可変周波数の三相交流電力に変換する。また電力変換器2は、かかる変換により得られた三相交流電力を自己に接続された各誘導電動機3にそれぞれ供給することにより、これら誘導電動機3を駆動する。
この際、電力変換器2の出力電流Ioの電流値は、電流検出器13により検出されて誘導電動機電流フィードバック値Imとして電力変換器制御部10に送信される。また各誘導電動機3の回転周波数は、これらの誘導電動機3にそれぞれ対応させて設けられた速度検出器14によりそれぞれ検出されて電力変換器制御部10に送信される。
電力変換器制御部10では、運転士のノッチ操作に応じたノッチ指令やブレーキ操作に応じたブレーキ指令が電流指令発生部20に入力される。そして電流指令発生部20は、供給されるノッチ指令又はブレーキ指令に基づいて、電力変換器2の出力電流Ioの目標値とすべき電流値に応じた電流指令値を生成する。また電流指令発生部20は、生成した電流指令値に、後述する電流値制限部28から送信される補正係数Kを乗算し、乗算結果を誘導電動機電流指令値Ipとして電流制御部21に送出する。
電流制御部21は、電流検出器13からの誘導電動機電流フィードバック値Imを電流指令発生部20からの誘導電動機電流指令値Ipに追従させるためのベクトル変換電流Ivを生成し、生成したベクトル変換電流Ivをベクトル制御演算部22に送出する。
ベクトル制御演算部22は、電流制御部21から与えられるベクトル変換電流Ivに基づいて電力変換器2の出力電流Ioを適切な値とするための変調率Vcを算出し、算出した変調率VcをPWM(Pulse Width Modulation)制御部23に送出する。
また電流制御部21は、誘導電動機電流指令値Ip及び誘導電動機電流フィードバック値Imの差分から誘導電動機3におけるすべり周波数fsを補正するための補正値でなるすべり周波数補正値Δfsを生成し、生成したすべり周波数補正値Δfsをすべり周波数演算部24に送出する。
すべり周波数演算部24は、電流制御部21から与えられるすべり周波数補正値Δfsを、要求トルクに応じて予め設定されている基本すべり周波数指令値fspに加算することにより各誘導電動機3の平均的なすべり周波数fsを算出し、算出したすべり周波数fsを加減算回路25に送出する。
このとき加減算回路25には、各速度検出器14によりそれぞれ検出された各誘導電動機3の回転周波数fr1,2,……に基づいて車両速度演算部26により算出された各誘導電動機3の平均的なロータ周波数frも与えられる。
かくして加減算回路25は、力行時にはロータ周波数frにすべり周波数fsを加算し、回生ブレーキ時にはロータ周波数frからすべり周波数fsを減算することにより、電力変換器2の出力周波数の目標値である目標出力周波数finvを算出し、算出した目標出力周波数finvをPWM制御部23に出力する。
PWM制御部23は、ベクトル制御演算部22から送信される変調率Vcと、加減算回路25から送信される目標出力周波数finvとに基づいて、電力変換器2の出力電流Ioの電流値を電流指令発生部20から出力された誘導電動機電流指令値Ipとし、かつ電力変換器2の出力周波数を加減算回路25から与えられた目標出力周波数finvとするように電力変換器2内のスイッチング素子をオンオフ制御するためのゲート信号gsを生成し、生成したゲート信号gsを電力変換器2に送信する。
一方、速度検出器14によりそれぞれ検出された誘導電動機3のそれぞれの回転周波数は、車輪径差演算部27にも与えられる。そして車輪径差演算部27は、速度検出器14からそれぞれ送信される対応する誘導電動機3の回転周波数に基づいて、誘導電動機3によりそれぞれ駆動される車輪(図示せず)の径差の最大値(以下、これを車輪径差と呼ぶ)ΔWdを算出し、算出した車輪径差ΔWdを電流値制限部28に送出する。
電流値制限部28は、車輪径差演算部27から送信される車輪径差ΔWdに基づいて、当該車輪径差ΔWdが予め定められた閾値(以下、これを車輪径差閾値と呼ぶ)未満である場合には補正係数Kとして「1」を電流指令発生部20に送信し、車輪径差ΔWdが車輪径差閾値以上である場合には補正係数Kとして予め設定された「1」よりも小さい数値(例えば0.8〜0.9)を電流指令発生部20に送出する。かくして電流指令発生部20は、上述のようにノッチ指令に応じて発生させた電流指令値にこの補正係数Kを乗算し、乗算結果を誘導電動機電流指令値Ipとして電流制御部21に送出する。
なお本実施の形態の場合、車輪径差ΔWdが車輪径差閾値以上である場合にすべり周波数fsの絶対値が一番大きい誘導電動機3に流れる電流の電流値が、車輪径差ΔWdがない場合に誘導電動機3のそれぞれに流れる電流の電流値以下となるように、電流値制限部28から電流指令発生部20に送出される補正係数Kの値が設定(例えば0.8〜0.9程度に設定)されている。なお、上述の通り車輪径差ΔWdが車輪径差閾値以上である場合にすべり周波数fsの絶対値が一番大きい誘導電動機3に基づいてKの値を設定することが望ましいが、すべり周波数fsの絶対値がある程度大きい誘導電動機3に基づいてKの値を設定すれば、本発明の効果もある程度達成できる。
(3)本実施の形態の効果
図5は、上述のような電流制限を行わない、従来の複数誘導電動機式電気車における電力変換器の出力電圧Vinvと、当該電力変換器からの受電を受ける誘導電動機に流れる電流Ia〜Icと、これらの電流Ia〜Icに基づく誘導電動機の出力トルクTa〜Tcとの関係を示す。図5では定電圧可変周波数CVVF領域のロータ周波数まで定トルク制御を行う場合を示しており、VVVF領域を過ぎた後は誘導電動機3に流れる電流Ia〜Icをロータ周波数frに比例して増大させる制御を行っている。
図中、Ibは誘導電動機がそれぞれ駆動する車輪間に車輪径差がない場合に各誘導電動機に流れる電流(設計値)を示し、Iaはすべり周波数の絶対値が車輪径差がない場合のすべり周波数と比べて大きい誘導電動機に流れる電流を示し、Icはすべり周波数fsの絶対値が車輪径差がない場合のすべり周波数と比べて小さい誘導電動機に流れる電流を示す。また図中、Tbは複数の誘導電動機がそれぞれ駆動する車輪間に車輪径差がない場合の各誘導電動機の出力トルク(基準値)を示し、Taはすべり周波数の絶対値が車輪径差がない場合のすべり周波数と比べて大きい誘導電動機に発生するトルクを示し、Tcはすべり周波数の絶対値が車輪径差がない場合のすべり周波数と比べて小さい誘導電動機に発生するトルクを示す。
この図5からも明らかなように、すべり周波数の絶対値が大きい誘導電動機に流れる電流Iaは、複数の誘導電動機がそれぞれ駆動する車輪間に車輪径差がない場合に各誘導電動機に流れる電流Ibと比べて大きくなる。そこで、本実施の形態のように、すべり周波数fsの絶対値が一番大きい誘導電動機3に流れる電流Iaが、車輪径差ΔWdがない場合に誘導電動機3に流れる電流Ib以下となるように電力変換器2の出力電流Ioを制限することにより、誘導電動機3のそれぞれに流れる電流Ia〜Icを標準値以下とすることができる。これによりすべての誘導電動機3の過電流を抑制することができ、過電流に起因するこれら誘導電動機3の過熱を有効に防止することができる。かくするにつき、複数誘導電動機電気車の安全性を向上させることができる。
図6は定トルク領域、誘導電動機3の特性領域へと制御を行うケースである。この場合も補正は前述と同様に実行することができる。なお図6において、Ia´〜Ic´は図5のIa〜Icと同じ場合における誘導電動機3の電流値であり、Ta´〜Tc´は、図5のTa〜Tcと同じ場合において誘導電動機3が発生するトルクを表す。
また本複数誘導電動機式電気車1においては、電流値制限部8の動作条件を車輪径差ΔWdが一定値(車輪径差閾値)以上のときとしているため、誘導電動機3間の電流値の差を一定値まで許容し、電流制限によるトルクの低下を抑えることができる。
(4)他の実施の形態
なお上述の実施の形態においては、車輪径差ΔWdが車輪径差閾値以上である場合に電流値制限部28から電流指令発生部20に与えられる補正係数Kの値を0.8〜0.9とするようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、1未満のこの他種々の値を広く適用することができる。この場合において、一般に車輪径差ΔWdは台車や号車、編成単位で管理されているため、電流値制限部28による電流制限量は1つの電力変換器2から給電を受ける複数の誘導電動機3間で発生し得る電流値の差の最大値程度とすることで不要な電流値の減少を防止することができる。
また上述の実施の形態においては、架線12が直流架線である場合について述べたが、本発明はこれに限らず、架線12が交流架線であり、電力変換器2として交流電源を直流電源に変換する機能を備えた電力変換器が使用されている場合にも本願発明を適用することができる。
さらに上述の実施の形態においては、電流指令発生部9から出力される誘導電動機電流指令値Ipと、電流検出器13により検出された電力変換器2の出力電流と、速度検出器14により検出された各誘導電動機3の回転周波数とに基づいて、電力変換器2の出力電圧及び出力周波数を制御する電圧・周波数制御部を、電流制御部21、ベクトル制御演算部22、PWM制御部23、すべり周波数演算部24、加減算回路25及び車両速度演算部26により構成するようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、この他種々の構成を広く適用することができる。
本発明は、種々の構成の複数誘導電動機式電気車に広く適用することができる。
1……複数誘導電動機式電気車、2……電力変換器、3……誘導電動機、10……電力変換器制御部、11……パンタグラフ、12……架線、13……電流検出器、14……速度検出器、20……電流指令発生部、21……電流制御部、22……ベクトル制御演算部、23……PWM制御部、24……すべり周波数演算部、25……加算器、26……車両速度演算部、27……車輪径差演算部、28……電流値制限部、finv……目標出力周波数、fr……ロータ周波数、fs……すべり周波数、gs……ゲート信号、Im……誘導電動機電流フィードバック値、Io……出力電流、Ip……誘導電動機電流指令値、K……補正係数。

Claims (6)

  1. 架線から取得した電力を可変電圧可変周波数の三相交流電力に変換する電力変換器と、前記電力変換器から給電され、それぞれ異なる車輪を駆動する複数の誘導電動機とを有する誘導電動機式電気車の制御方法において、
    前記電力変換器の出力電流の電流値と、前記複数の誘導電動機のそれぞれの回転周波数とを検出する第1のステップと、
    前記電力変換器の出力電流の目標値でなる誘導電動機電流指令値を生成し、前記第1のステップで検出した前記電力変換器の出力電流、及び、検出した前記複数の誘導電動機のそれぞれの回転周波数に基づいて、前記電力変換器の出力電流が当該誘導電動機電流指令値に追従するように前記電力変換器を制御する第2のステップと
    を備え、
    前記第2のステップでは、
    前記第1のステップで検出した前記回転周波数に基づくすべり周波数の絶対値が一番大きい前記誘導電動機に流れる電流の電流値が、車輪径差がない場合に前記誘導電動機に流れる電流の電流値以下となるように、前記誘導電動機電流指令値の大きさを制限する
    ことを特徴とする誘導電動機式電気車の制御方法。
  2. 前記第2のステップでは、
    前記第1のステップで検出した前記回転周波数に基づき算出される前記複数の誘導電動機が駆動するそれぞれの車輪の車輪径差が、予め定められた閾値以上のときに、前記誘導電動機電流指令値の大きさを制限する
    ことを特徴とする請求項1に記載の誘導電動機式電気車の制御方法。
  3. 前記第2のステップでは、
    運転士の運転操作に応じた大きさの電流指令値を発生し、発生した前記電流指令値に前記複数の誘導電動機が駆動するそれぞれの車輪の車輪径差に応じた補正係数を乗算するようにして前記誘導電動機電流指令値を生成し、
    前記補正係数は、
    前記複数の誘導電動機が駆動するそれぞれの車輪の車輪径差の最大値が予め定められた閾値未満である場合には1であり、当該最大値が当該閾値以上である場合には1未満の値である
    ことを特徴とする請求項2に記載の誘導電動機式電気車の制御方法。
  4. 架線から取得した電力を可変電圧可変周波数の三相交流電力に変換する電力変換器と、
    前記電力変換器から給電され、それぞれ異なる車輪を駆動する複数の誘導電動機と、
    前記電力変換器の出力電流の電流値を検出する電流検出器と、
    前記複数の誘導電動機にそれぞれ対応させて設けられ、対応する前記誘導電動機の回転周波数を検出する複数の速度検出器と、
    前記電力変換器の出力電流の目標値でなる誘導電動機電流指令値を生成し、前記電流検出器により検出された前記電力変換器の出力電流、及び、前記速度検出器によりそれぞれ検出された前記回転周波数に基づいて、前記電力変換器の出力電流が当該誘導電動機電流指令値に追従するように前記電力変換器を制御する電力変換器制御部と、
    を備え、
    前記電力変換器制御部は、
    前記速度検出器によりそれぞれ検出された前記回転周波数に基づくすべり周波数の絶対値が一番大きい前記誘導電動機に流れる電流の電流値が、車輪径差がない場合に前記誘導電動機に流れる電流の電流値以下となるように、前記誘導電動機電流指令値の大きさを制限する
    ことを特徴とする誘導電動機式電気車。
  5. 前記電力変換器制御部は、
    前記速度検出器によりそれぞれ検出された前記回転周波数に基づき算出される前記複数の誘導電動機が駆動するそれぞれの車輪の車輪径差が、予め定められた閾値以上のときに、前記誘導電動機電流指令値の大きさを制限する
    ことを特徴とする請求項4に記載の誘導電動機式電気車。
  6. 前記電力変換器制御部は、
    運転士の運転操作に応じた大きさの電流指令値を発生し、発生した前記電流指令値に各前記誘導電動機が駆動する車輪の車輪径差に応じた補正係数を乗算するようにして前記誘導電動機電流指令値を生成し、
    前記補正係数は、
    前記複数の誘導電動機が駆動するそれぞれの車輪の車輪径差の最大値が予め定められた閾値未満である場合には1であり、当該最大値が当該閾値以上である場合には1未満の値である
    ことを特徴とする請求項5に記載の誘導電動機式電気車。
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102308340B1 (ko) 2017-03-24 2021-10-05 엘에스일렉트릭(주) 인버터 제어방법
TWI672900B (zh) 2017-12-20 2019-09-21 財團法人工業技術研究院 電機驅動方法
JP2020124034A (ja) * 2019-01-30 2020-08-13 東海旅客鉄道株式会社 電力変換制御装置

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5063429A (ja) * 1973-08-31 1975-05-29
JPS53146115A (en) * 1977-05-26 1978-12-19 Toshiba Corp System for controlling operation of induction motor group
JPS5517230A (en) * 1978-07-21 1980-02-06 Hitachi Ltd Control device for electric motor car
JPS5822501A (ja) * 1981-07-31 1983-02-09 Toshiba Corp 列車の運転状態検知方法
JPS5822801U (ja) * 1981-07-31 1983-02-12 株式会社東芝 電気車制御装置
US4686434A (en) * 1985-03-14 1987-08-11 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Electric vehicle monitoring system
JPS61210801A (ja) * 1985-03-14 1986-09-19 Mitsubishi Electric Corp 電気車保護方式
JPS63114507A (ja) * 1986-10-31 1988-05-19 Hitachi Ltd 車両制御方法
JP2555038B2 (ja) 1986-11-05 1996-11-20 株式会社日立製作所 誘導電動機式電気車の制御装置
JP2512197B2 (ja) * 1990-04-18 1996-07-03 株式会社日立製作所 電気車制御装置及びインバ―タ制御装置
JPH0454801A (ja) * 1990-06-20 1992-02-21 Hitachi Ltd 電気車制御装置
JP2919948B2 (ja) * 1990-11-19 1999-07-19 株式会社東芝 電気車駆動電動機の制御装置
JP2796475B2 (ja) * 1992-10-22 1998-09-10 株式会社日立製作所 車両制御装置及び電気車制御装置
JPH0956005A (ja) * 1995-08-18 1997-02-25 Hitachi Ltd 電気車の制御装置
CN103262408B (zh) * 2010-12-22 2017-03-15 富士电机株式会社 功率转换装置

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