JP6245472B2 - 電気車制御装置 - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、電気車制御装置に関する。
電気車に搭載されるモータ（電動機）と、そのモータを駆動するインバータとは、製造場所（製造業者）が異なるのが一般的であり、電気車上でモータとインバータを接続する配線作業者もそれらの製造業者とは異なることが多いため、モータとインバータが電気的に間違って配線（接続）される虞があった。
このような問題は、電気車の製造時のみならず、モータあるいはインバータの点検、交換時の作業においても起こりえる。
ところで、誤配線がなされると、モータが逆方向に回転することとなる。
このため、従来においては、モータの逆方向への回転により発生する電流を検出することで、モータとインバータとの間の誤配線を検知するようにしていた。
特開２０１０−２１３５５７号公報
しかしながら、電気車に複数のモータが搭載されるような状況において、大多数のモータが正常に配線されて正常に回転している場合、電気車の車輪は全て同一方向に回転することとなる。したがって、誤配線がなされたモータが逆回転しようとしても、車輪の動きに引っ張られて動くこととなり、正常に配線されたモータの動きに逆らって逆回転することはない。
したがって、上記従来の方法では、誤配線を検出することはできず、誤配線に起因する過剰電流が当該誤配線がなされたモータに流れ、モータを損傷する虞があった。
そこで、本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、複数台のモータが搭載された電気車において、モータとインバータとの間の誤配線を確実に検出することができる電気車制御装置を提供することを目的としている。
実施形態の電気車制御装置は、電気車の車輪に動力を伝達可能な複数のモータと、複数のモータを駆動するための電力を供給するインバータと、を備えている。制御部は、インバータを制御するとともに、電気車が所定の速度条件で移動している状態において、モータの駆動制御に用いるｑ軸電圧フィードフォワード値ＶｑＦＦと、ｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊と、を比較し、次式、
ＶｑＦＦ≧１．５・Ｖｑ＊
を満たしている場合にモータと前記インバータとの間に誤配線が生じていると検出する。
図１は、実施形態の電気車制御装置を備えた電気車システムの概要構成図である。 図２は、制御部の概要構成ブロック図である。 図３は、実施形態の動作説明図である。
次に実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、実施形態の電気車制御装置を備えた電気車システムの概要構成図である。
電気車システムＥＴは、図１に示すように、交流電力を供給する架線１と、架線１から交流電力の供給を受けるためのパンタグラフ２と、架線１からのパンタグラフ２を介した交流電力の供給を遮断するための主遮断器３と、レール４を介して接地された電気車の車輪５と、主幹制御器（マスターコントローラ）等が設けられ運転手が各種操作を行う操作盤６と、車両速度等の各種情報を表示する表示盤７と、架線１から供給された交流電力の電圧を変換する変圧器１０と、突入電流を制限するための電流制限抵抗器１１と、変圧器１０からの電力を後段に供給する接触器１２と、閉成時に接触器１２の溶着を防止するために接触器１２を閉成状態（オン状態）とするのに先立って、電流制限抵抗器１１を含む閉回路を構成するための電流制限抵抗用接触器１３と、接触器１２を介して供給される交流電力を所定の電圧を有する直流電力に変換するコンバータ１４と、コンバータ１４が出力した直流電力を所望の周波数及び電圧を有する三相交流電力に変換するインバータ（可変電圧可変周波数インバータ）１５と、インバータ１５が出力する三相交流電力のＵ相、Ｖ相及びＷ相のそれぞれの電流を検出する複数の電流センサを備えた電流センサ部１６と、インバータ１５により駆動され、対応する車輪５に動力を伝達する複数のモータ１８ａ、１８ｂと、複数のモータ１８ａ、１８ｂのそれぞれについて速度検出を行う速度センサ１９ａ、１９ｂと、複数のモータ１８ａ、１８ｂの駆動制御を行う制御部１００と、を備えている。
図２は、制御部の概要構成ブロック図である。
制御部１００は、電流センサ部１６からＵ相電流信号Ｉｕ、Ｖ相電流信号Ｉｖ及びＷ相電流信号Ｉｗが入力され、３相／２相変換を行って、ｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑを求める３相／２相変換部１１０と、磁束指令Φ＊及びトルク指令Ｔ＊が入力され、ｄ軸電流指令Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令Ｉｑ＊を演算し出力する電流指令演算部１２０と、ｄ軸電流Ｉｄ、ｑ軸電流Ｉｑ、ｄ軸電流指令Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令Ｉｑ＊が入力されｄ軸フィードバック電圧ＶｄＦＢ及びｑ軸フィードバック電圧ＶｑＦＢを演算し出力するフィードバック（ＦＢ）電圧演算部１１１と、ｄ軸電流指令Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令Ｉｑ＊が入力されｄ軸フィードフォワード電圧ＶｄＦＦ及びｑ軸フィードフォワード電圧ＶｑＦＦを演算し出力するフィードフォワード（ＦＦ）電圧演算部１２１と、を備えている。
また、制御部１００は、ｄ軸フィードバック電圧ＶｄＦＢにｄ軸フィードフォワード電圧ＶｄＦＦを加算してｄ軸電圧指令Ｖｄ＊を出力する第１加算部１１２と、ｑ軸フィードバック電圧ＶｑＦＢにｑ軸フィードフォワード電圧ＶｑＦＦを加算してｑ軸電圧指令Ｖｑ＊を出力する第２加算部１１３と、ｄ軸電圧指令Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令Ｖｑ＊に基づいてＰＷＭ制御信号ＳＰＷＭを生成し、インバータ１５に出力する駆動制御部１１４と、ｑ軸電圧指令Ｖｑ＊を１．５倍に増幅して比較電圧Ｖｑｃ（＝１．５・Ｖｑ＊）として出力する増幅器１１５と、比較電圧Ｖｑｃ及びｑ軸フィードフォワード電圧ＶｑＦＦに基づいて誤配線を検出して、誤配線検出出力信号ＳＥＲを出力する誤配線検知部１２２と、速度センサ１９ａ、１９ｂの出力に基づいて電気車の車速を検出する車速検出部１２３と、を備えている。
ここで、誤配線検知部１２２の構成について説明する。
誤配線検知部１２２は、比較電圧Ｖｑｃとｑ軸フィードフォワード電圧ＶｑＦＦとの差分演算を行い差分電圧ＶＶ＊（＝ＶｑＦＦ−Ｖｑｃ）を出力する差分演算部１３０と、を備えている。
また、誤配線検知部１２２は、差分電圧ＶＶ＊が０以上であるか否かを判別し、０以上である、すなわち、
ＶｑＦＦ≧Ｖｑｃ
である場合に、誤配線検知信号ＳＥＤを“Ｈ”レベルとするコンパレータ（比較部）１３１を備えている。
さらに、誤配線検知部１２２は、主幹制御器におけるノッチ位置が３ノッチ（検査、点検時における最大ノッチ位置）以下である場合に“Ｈ”レベルとなるノッチ位置信号ＳＮＰ及び電気車の速度が３０ｋｍ／ｈｒ（検査、点検時に許容される最高速度）以下で移動している場合に“Ｈ”レベルとなる移動検知信号ＳＭＶ及び誤配線検知信号が入力され、それらの論理積をとって、誤配線検出出力信号ＳＥＲを出力するＡＮＤ回路１３２と、を備えている。
次に実施形態の動作を説明する。
以下においては、インバータ１５に全てのモータ１８ａ、１８ｂが配線を介して接続されている状態であるものとする。
この状態において、オペレータは、主遮断器３を閉状態（オン状態）とするとともに、パンタグラフ２を図示しない稼働装置により稼働し、架線１に接触させる。
続いて、オペレータは、電流制限抵抗用接触器１３を閉状態（オン状態）とし、電流制限抵抗器１１を、変圧器１０及びコンバータ１４を含む閉回路として構成する。
この結果、主遮断器３の両端電圧の差が小さくなった状態（電流制限抵抗器１１の電圧降下分の電圧差）となるので突入電流の発生が抑制された状態でオペレータは、主遮断器３を閉状態とすることが可能となる。
これにより、変圧器１０は、架線１から供給された交流電力の電圧を変換して、コンバータ１４に供給する。
コンバータ１４は、変圧器１０により電圧変換された架線１からの交流電力が供給され、供給された交流電力を所定電圧を有する直流電力に変換してインバータ１５に出力する。
インバータ１５は、後に詳述する駆動制御部１１４から入力されたＰＷＭ制御信号ＳＰＷＭに基づいて、コンバータ１４が出力した直流電力を所望の周波数及び電圧を有する三相交流電力（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）に変換して、モータ１８ａ、１８ｂに供給する。
これと並行して、電流センサ部１６は、Ｕ相電流、Ｖ相電流及びＷ相電流を検出し、Ｕ相電流信号Ｉｕ、Ｖ相電流信号Ｉｖ及びＷ相電流信号Ｉｗとして制御部１００の３相／２相変換部１１０に出力する。
また、車速検出部１２３は、速度センサ１９ａ、１９ｂの出力に基づいて電気車の車速を検出して、電気車の速度が３０ｋｍ／ｈｒ（検査、点検時に許容される最高速度）以下で移動している場合に“Ｈ”レベルとなる移動検知信号ＳＭＶをＡＮＤ回路１３２に出力する。
また、運転台の主幹制御器におけるノッチ位置が３ノッチ（検査、点検時における最大ノッチ位置）以下である場合に“Ｈ”レベルとなるノッチ位置信号ＳＮＰがＡＮＤ回路１３２に入力される。
制御部１００の３相／２相変換部１１０は、電流センサ部１６からＵ相電流信号Ｉｕ、Ｖ相電流信号Ｉｖ及びＷ相電流信号Ｉｗが入力され、３相／２相変換を行って、ｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑを求めてフィードバック電圧演算部１１１に出力する。
これと並行して、電流指令演算部１２０は、磁束指令Φ＊及びトルク指令Ｔ＊が入力され、ｄ軸電流指令Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令Ｉｑ＊を演算し、フィードバック電圧演算部１１１及びフィードフォワード（ＦＦ）電圧演算部１２１に出力する。
これにより、フィードバック電圧演算部１１１は、入力されたｄ軸電流Ｉｄ、ｑ軸電流Ｉｑ、ｄ軸電流指令Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令Ｉｑ＊に基づいて、ｄ軸フィードバック電圧ＶｄＦＢ及びｑ軸フィードバック電圧ＶｑＦＢを演算し駆動制御部１１４に出力する。
また、フィードフォワード（ＦＦ）電圧演算部１２１は、入力されたｄ軸電流指令Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令Ｉｑ＊に基づいて、ｄ軸フィードフォワード電圧ＶｄＦＦ及びｑ軸フィードフォワード電圧ＶｑＦＦを演算し、ｄ軸フィードフォワード電圧ＶｄＦＦを第１加算部１１２に出力し、ｑ軸フィードフォワード電圧ＶｑＦＦを第２加算部１１３及び誤配線検知部１２２の差分演算部１３０に出力する。
第１加算部１１２は、ｄ軸フィードバック電圧ＶｄＦＢにｄ軸フィードフォワード電圧ＶｄＦＦを加算してｄ軸電圧指令Ｖｄ＊を駆動制御部１１４に出力する。また、第２加算部１１３は、ｑ軸フィードバック電圧ＶｑＦＢにｑ軸フィードフォワード電圧ＶｑＦＦを加算してｑ軸電圧指令Ｖｑ＊を駆動制御部１１４及び増幅器１１５に出力する。
駆動制御部１１４は、ｄ軸電圧指令Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令Ｖｑ＊に基づいてＰＷＭ制御信号ＳＰＷＭを生成し、インバータ１５に出力する。
一方、増幅器１１５は、入力されたｑ軸電圧指令Ｖｑ＊を１．５倍に増幅して比較電圧Ｖｑｃ（＝１．５・Ｖｑ＊）として誤配線検知部１２２の差分演算部１３０に出力する。ここで、増幅器１１５の増幅率を１．５倍としたのは、実際に入力される可能性がある様々なｑ軸電圧指令Ｖｑ＊に対し、実験結果より、確実に正常時と異常時とを切り分けることができることが確認されたからである。
誤配線検知部１２２の差分演算部１３０は、比較電圧Ｖｑｃとｑ軸フィードフォワード電圧ＶｑＦＦとの差分演算を行い差分電圧ＶＶ＊（＝ＶｑＦＦ−Ｖｑｃ）をコンパレータ１３１に出力する。
図３は、実施形態の動作説明図である。
これにより、コンパレータ１３１は、差分電圧ＶＶ＊がセット値α（＝０）以上であるか否かを判別し、差分電圧ＶＶ＊が０以上である、すなわち、
ＶｑＦＦ≧Ｖｑｃ（＝１．５・Ｖｑ＊）
である場合に、“Ｈ”レベルの誤配線検知信号ＳＥＤをＡＮＤ回路１３２に出力する。
ＡＮＤ回路１３２は、誤配線検知信号ＳＥＤ、ノッチ位置信号ＳＮＰ及び移動検知信号ＳＭＶが入力され、それらの論理積をとって、誤配線検出出力信号ＳＥＲを出力する。
これにより、ＡＮＤ回路１３２は、差分電圧ＶＶ＊が０以上である、すなわち、
ＶｑＦＦ≧Ｖｑｃ
であり、さらに電気車の速度が３０ｋｍ／ｈｒ（検査、点検時に許容される最高速度）以下であり、かつ、運転台の主幹制御器におけるノッチ位置が３ノッチ（検査、点検時における最大ノッチ位置）以下である場合に、“Ｈ”レベルの誤配線検出出力信号ＳＥＲを出力することとなる。
したがって、誤配線検知部１２２は、検査、点検時（速度３０ｋｍ／ｈｒ以下、かつ、ノッチ位置が３ノッチ以下）であって、ＶｑＦＦ≧Ｖｑｃである場合に、誤配線がなされているとして“Ｈ”レベルの誤配線検出出力信号ＳＥＲを出力する。
一方、コンパレータ１３１は、差分電圧ＶＶ＊が０未満である、すなわち、
ＶｑＦＦ＜Ｖｑｃ（＝１．５・Ｖｑ＊）
である場合に、“Ｌ”レベルの誤配線検知信号ＳＥＤをＡＮＤ回路１３２に出力する。
ＡＮＤ回路１３２は、誤配線検知信号ＳＥＤ、ノッチ位置信号ＳＮＰ及び移動検知信号ＳＭＶが入力され、それらの論理積をとって“Ｌ”レベルの誤配線検出出力信号ＳＥＲを出力することとなるので、モータ１８ａ、１８ｂと、インバータ１５と、は正常に配線がなされていることがわかる。
したがって、確実かつ容易にモータ１８ａ、１８ｂと、インバータ１５と、の誤配線を検出することができる。
この場合において、誤配線検出出力信号ＳＥＲは、他の制御部や、運転室に設けられている表示盤７、運転手や検査、点検時の作業者（オペレータ）が有する表示部を有する走査装置、あるいは、操作盤６等に出力して、運転手あるいは検査、点検時の作業者（オペレータ）に通知することができる。
したがって、運転手や作業者は、容易に誤配線を知ることが可能となる。
以上の説明においては、電流制限抵抗器１１、接触器１２、電流制限抵抗用接触器１３、コンバータ１４、インバータ１５、電流センサ部１６、第１モータ１８ａ、第２モータ１８ｂ、制御部１００を有する回路は１系統しか設けられていないが、変圧器１０に複数系統設けるように構成することも可能である。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
ＥＴ 電気車システム
１ 架線
２ パンタグラフ
３ 主遮断器
４ レール
５ 車輪
６ 操作盤
７ 表示盤
１０ 変圧器
１１ 電流制限抵抗器
１２ 接触器
１３ 電流制限抵抗用接触器
１４ コンバータ
１５ インバータ
１６ 電流センサ部
１８ａ 第１モータ
１８ｂ 第２モータ
１９ａ、１９ｂ 速度センサ
１００ 制御部
１１０ ３相／２相変換部
１１１ フィードバック電圧演算部
１１２ 第１加算部
１１３ 第２加算部
１１４ 駆動制御部
１１５ 増幅器
１２０ 電流指令演算部
１２１ ＦＦ電圧演算部
１２２ 誤配線検知部
１２３ 車速検出部
１３０ 差分演算部
１３１ コンパレータ
１３２ ＡＮＤ回路
ＳＥＤ 誤配線検知信号
ＳＥＲ 誤配線検出出力信号
ＳＭＶ 移動検知信号
ＳＮＰ ノッチ位置信号
ＳＰＷＭ ＰＷＭ制御信号
Ｔ＊ トルク指令
ＶＶ＊ 差分電圧
Ｖｄ＊ ｄ軸電圧指令
ＶｄＦＢ ｄ軸フィードバック電圧
ＶｄＦＦ ｄ軸フィードフォワード電圧

Claims (8)

  1. 電気車の車輪に動力を伝達可能な複数のモータと、
    前記複数のモータを駆動するための電力を供給するインバータと、
    前記インバータを制御するとともに、前記電気車が所定の速度条件で移動している状態において、前記モータの駆動制御に用いるｑ軸電圧フィードフォワード値ＶｑＦＦと、ｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊と、を比較し、次式、
    ＶｑＦＦ≧１．５・Ｖｑ＊
    を満たしている場合に前記モータと前記インバータとの間に誤配線が生じていると検出する制御部と、
    を備えた電気車制御装置。
  2. 前記所定の速度条件は、前記電気車の速度が所定の検査・点検時許容速度以下であることである、
    請求項１記載の電気車制御装置。
  3. 前記検査・点検時許容速度は、３０ｋｍ／ｈｒである、
    請求項２記載の電気車制御装置。
  4. 前記制御部は、前記誤配線が生じていることを検出した場合に誤配線検出出力信号を出力する誤配線検知部を備えた、
    請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の電気車制御装置。
  5. 前記誤配線検知部は、所定の信号出力条件が満たされていない場合に、前記誤配線検出出力信号の出力を禁止する出力禁止部を備えた、
    請求項４記載の電気車制御装置。
  6. 前記所定の信号出力条件は、前記電気車の速度が所定の検査・点検時許容速度以下であり、かつ、ノッチ位置が所定の検査・点検時ノッチ位置範囲とされている、
    ことである請求項５記載の電気車制御装置。
  7. 前記検査・点検時ノッチ位置範囲は、ノッチ３以下である、
    請求項６記載の電気車制御装置。
  8. 前記誤配線が生じている場合に、その旨を通知する通知部を備えた、
    請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の電気車制御装置。
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