JPH0197102A

JPH0197102A - 電気車制御装置

Info

Publication number: JPH0197102A
Application number: JP25232987A
Authority: JP
Inventors: Shiroji Yamamoto; 城二山本
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1987-10-08
Filing date: 1987-10-08
Publication date: 1989-04-14

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）この発明は交流電源をＰＷＭ　（パルス幅変調方式）コ
ンバータおよびインバータを用いて誘導電動機を駆動制
御させて電気車を制御する電気車制御装置に関する。

（従来の技術）近年のエレクトロニクス技術の進歩により、電気鉄道の
分野でも交流電動機のうち誘導電動機が用いられている
。この誘導電動機を用いている従来の電気車は、直流電
化区間においては直流１５００Ｖあるいは７５０Ｖなど
から可変電圧可変周波数の三相交流に変換して誘導電動
機を駆動させる。一方、交流電化区間においては、交流
架線からパンタグラフを通してＰＷＭコンバータ〈以下
コンバータという。）により直流出力電力所謂フィルタ
コンデンサ（ＦＩＣ）電圧を一定に保持するように制御
する。また、可変電圧可変周波数パルス幅変調方式（Ｖ
ＶＶＦ　　ＰＷＭ）インバータ（以下インバータという
。〉は、ＦＩＣ電圧とインバータ出力周波数により誘導
電動機に適切な制御量を演算する。上記、従来のコンバ
ータの制御を第５図のブロック図を用いて説明する。従
来のコンバータは、基本ＦＩＧ電圧指令２３および実際
のＦＩＧ電圧フィードバック値２５から、Ｆ■Ｃ電圧制
御量演算２７によりＦＩＣ電圧制御指令値２９を演算す
るものである。ＦＩＣ電圧制御量指令値２９が演算され
るとインバータは、出力電圧および出力周波数の比Ｖ／
Ｆを一定に制御して、定電流に基づいて制御することに
より誘導°電動機を駆動させる。このように、従来はコ
ンバータとインバータとがそれぞれ誘導電動機を制御す
るものである。上記の制御においては、誘導電動機を適
確に制御するのは容易ではなかった。

（発明が解決しようとする問題点）しかしながら、電気車が通常に運転しているときのイン
バータは、空転検知信号３３が゛０″になり遅れ時間の
間、限流値指令の値が減少したまま限流値指令の値を保
持する。また、出力電圧および出力周波数を制御するＶ
／Ｆ制御ではインバータ出力周波数およびＦＩＧ電圧フ
ィードバック値よりインバータ演算回路により演算され
た電圧指令値が変化率リミッタによって急激な電圧変化
が抑えられてインバータ電圧指令になる。一方、電車の
運転中に空転が生じると空転検知信号がＩＩ　１　＋＋
になり、限流値指令の値はサンプリングホールド回路を
介して、１サンプリングタイムごとに限流値減少値ずつ
減算される。また、Ｖ／Ｆ制御においては、空転検知信
号が１″になると、パルスモードが１パルスモードでな
い時のみ比較器の出力端子が１″となりアンドゲートの
出力端子がハイレベルになる。これにより、インバータ
出力電圧指令はサンプリングホールド回路を介して、１
サンプリングタイムごとに電圧値減少係数にインバータ
出力周波数を掛算器により掛は合わせた値ずつ減算され
る。。

これらのコンバータおよびインバータを備えた従来の電
気車の再粘着制御を第６図を用いて詳細に説明する。ま
ず、電車が運転中に空転を生じて空転検知信号（ＳＬ）
３３が“１″になると空転時における限流値ＩＰ１０３
及び電圧−周波数制御であるＶ／Ｆ値１０１は徐々に減
少し始める。

一方、空転が終了すると空転検知信号（ＳＬ）３３が°
゛０″にもどるとＶ／Ｆ値１０１は空転前の値に戻り、
また、ＩＰ１０３はすべり易い路線条件において空転を
防ぐために遅れ時間ｔの期間減少した値を保持し、その
後空転前の値になめらかにもどる。前述の速度制御は各
パルスモードにより制御されるが、１パルスモードにお
いては電圧制御不可能領域のため、限流値のみ、すなわ
ち、すべり周波数のみで動輪とレールとの制御所謂再粘
着制御を行なわなければならず、全軸空転などの場合、
すべり周波数を極端に小さくすることによる系の不安定
現象等の問題が残っていた。

以下、上記の問題について示す。まず、１パルスモード
の時の空転時、電圧制御可能な他のパルスモードに切り
替えられないことを示す。すなわち、インバータでは出
力電流の実効電流に対する電流ピーク値をある範囲内に
おさめるため、ゲートターンオフサイリスタ（以下Ｇ　
Ｔ’　Ｏという。）のスイッチング周波数の下限を決め
、またＧＴＯのスイッチング損失あるいはＧＴＯターン
オフ時間による制約からＧＴＯスイッチング周波数（Ｆ
ＧＴＯ）の上限も定めている。

このため、第７図に示すようにインバータ出力周波数（
Ｆ）が増加するとともに、インバータ出力周波数１周期
中のＧ　Ｔ　Ｏスイッチング回教国を減らしており、１
パルスモードにてＦＧＴＯ＝Ｆとなる。他の複数パルス
モードではＦＧＴＯ＝Ｎ×Ｆになっている。また、Ｆ＝
ＯＨｚ付近ではＦＧＴＯの下限、たとえば１００Ｈｚ程
度を設けている。ここで、Ｎは一般には４５．２７．１
５゜９．５．３．１の数列を用いている。

第８図は上記のパルスモードにより動作された時のイン
バータ周波数Ｆに対するインバータ出力電圧の基本波成
分の値を示す図である。

前記４５，２７，１５．９．５．３の各複数バルスモー
ドにおいてはＧＴＯの１周期の中でのスイッチングが可
能なため、モータ負荷に与える通電比率を自由に変える
ことかできる。このとき、４５パルス（４５Ｐ）モード
から３パルス〈３Ｐ）モードに至るまで、インバータ基
本波出力電圧を急激に変化させることなくパルスモード
を切換えることができる。

そして、３パルスモードから１パルスモードに切換る時
は１パルスモードから３パルスモードへの切換を行ない
電圧を下げて、空転が終了したあと再び３パルスモード
から１パルスモードに戻すときに、この電圧が急激に上
昇してしまう。

この急激な電圧の上昇を第９図の３パルスモ〜ドと１パ
ルスモードのインバータ出力電圧相聞波形を用いて説明
する。

まず、インバータ出力電圧相聞波形が３パルスモードの
とき第９図（ａ）に示す如くα（角度）は、６０６の時
に出力電圧がＯｖになりα−〇のときには第９図（ｂ）
に示す１２０°幅の１パルスモードに相当する波形にな
ることにより出力電圧が最大になる。しかしながら、３
パルスモードでαが徐々に小さくなって連続的に１パル
スモードに移行できるわけではなく、３パルスモードで
のαの値にはＧＴＯターンオフ時間から決まる下限値が
ある。例えば、Ｆ＝６０１−１ｚで３Ｐから１Ｐに切換
えるとαの時間、すなわち、ＧＴＯがオフからオンする
までの時間は約２００μｓ程度であるから、角度に変換
するとα＝４．３°程度になる。このαに下限があるた
め、３パルスモードから１パル゛スモードに切換る時に
は、たとえばα＝４．３゜からＯｏに急激に変化するこ
とになるため、インバータ基本波出力電圧もおよそ７．
５％程上昇することになる。また、電圧の基本波成分が
７．５％急激に上昇すると、モータのトルクはおよそ１
６％急激に上昇する。

これにより、動輪とレールとが空転し易い路面状態では
３パルスモードから１パルスモードに切換のたびに空転
を引起し易くなり、乗心地の悪化、誘導雷＠機の制御の
不安定になる等の問題があった。

この発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目
的としては、空転または滑走を生じたときに所定のパル
スモードの速度制御における誘導雷８ｎの駆動制御を安
定にすることができる電気車制御装置を提供することに
ある。

［発明の構成］（問題点を解決するための手段）上記目的を達成するため、この発明は、電気車の動輪と
軌道上の空転または滑走を検知する検知手段と、この検知手段により空転または滑走ｉ検知すると所定の
パルスモードの速度制御により前記インバータの入力電
圧を低下させる入力電圧制御手段と、この入力電圧制御手段により前記インバータの入力電圧
が低下されると前記誘導電動機の端子電圧を低下する端
子電圧制御手段と、を有することを要旨とする。

（作用）上記構成を備えた電気車制御装置においては、交流架線
から供給される交流電源をコンバータおよびインバータ
により三相交流に変換させ、誘導電動機を駆動させて電
気車が軌道上を走行する。

このとぎ、電気車が軌道上に空転または滑走を生じると
、所定のパルスモードすなわちインバータの出力電圧が
最大になる１パルスモードの速度制御におけるインバー
タの入力電圧を低下させることにより、誘導電動機の端
子電圧が低下するので、誘導電動機の駆動制御を安定に
することができる。

（実施例）以下、図面を用いてこの発明の詳細な説明する。

第１図はこの発明の電気車制御装置の構成を示す概略図
である。同図において、交流架線からパンタグラフ１、
遮断器３を通して得られた高圧の交流電圧は、変圧器５
により降圧され、交流リアクトル７を介してＰＷＭ　（
パルス幅変調方式）コンバータ（以下、コンバータとい
う。）９によって直流の一定電圧、たとえば１９００Ｖ
に変換される。この変換された直流電圧は電圧検出器１
１により電圧が検出され、フィルタコンデンサ１３によ
って一定電圧に制御された後、ＶＶＶＦ　　ＰＷＭ（可
変電圧可変周波数パルス幅変調方式）インバータ（以下
、インバータという）１５により可変電圧可変周波数の
三相交流に変換される。インバータ１５に接続されてい
る電流検出器１７ａ〜１７Ｃは誘導電動機１９に出力さ
れる電流を検出する。インバータ１５により変換された
三相交流により誘導雷１ＪＩｌｌ　１９が駆動して、こ
の誘導電動機１９の回転数を回転数検出器２１により検
出される。

第２図は、上記コンバータ９の制御を示すブロック図で
ある。同図において、基本ＦＩＣ電圧指令２３および実
際のＦＩＧ電圧フィードバツ渋値２５よりＦＩＣ電圧制
御量演算２７においてＦ［Ｃ電圧のレベルを演算する。

ここで、通常に電気車が運転されているときには空転検
知信号３３が１１０１１になりアンドゲート３９の入力
端子がロウレベルになる。また、後述するインバータ１
５からＰＷＭパルスモード３１および１パルスモード３
５の比較演算は比較器３７において演算されアンドゲー
ト３９の入力端子をロウレベルにする。

アンドゲート３９は、論理積から出力端子がロウレベル
になりスイッチ４１．４５が０″の状態になる。上記Ｆ
ＩＧ電圧制御量演算２７は演算したＦＩＧ電圧のレベル
を変化率リミッタ４３の制限を受けてＦＩＧ電圧制御聞
指令値２９を算出する。

一方、電気車の運転中に空転が発生すると空転検知信号
３３が°゛１″になりアンドゲート３９の出力端子がハ
イレベルになり、更に、パルスが１パルスモードのとぎ
、スイッチ４１．４５が“１″に切換わる。スイッチが
切換ねると演算器５１は、サンプリングホールド回路４
７の出力値を１サンプリングタイム毎に減算しＦＩＧ電
圧電圧制御全指令値２９出する。

第３図は前記インバータ１５側の限流値指令及びインバ
ータ出力電圧指令の制御を示すブロック図である。

同図において、基本限流値指令５３の値は、スイッチ５
５、遅れ要素５７を介し、さらにスイッチ５９を介して
限流値指令６１となっている。

このとき、電気車の運転中に空転が生じると空転検知信
号３３が１″になり、スイッチ５５、スイッチ５９及び
スイッチ６３がパ１”の方に切換ねるため、限流値指令
６１の値はサンプリングホールド回路６５を介して、１
サンプリングタイムごとに限流値減少値６７ずつ減算さ
れる。

一方、電気車の空転が終了すると、空転検知信号３３が
“ＯＩ＋になり、スイッチ６３は“°０″側にもどる。

しかし、オフデイレイ回路６９の出力は遅れ時間７１、
たとえば２Ｓ後まで１”を持続するため、限流値指令６
１の値は遅れ時間７１の間、減少したまま限流値指令６
１の値を保持している。そして、オフデイレイ回路６９
の出力が１１０　Ｉ＋にもどり、スイッチ５５及びスイ
ッチ５つが゛Ｏパ側にもどると、減少した限流値指令６
１は遅れ要素５７により、基本限流値指令５３の値に徐
々にもどる。

次に、インバータ１５の出力電圧および出力周波数の制
御を示すＶ／Ｆ制御について説明する。

すなわち、運転中に空転が生じていない通常時は、イン
バータ出力周波数７３とＦＩＣ電圧フィードバック値２
５とから、インバータ出力演算回路７５によって演算さ
れた電圧指令値がスイッチ７７を通り、変化率リミッタ
７９によって＠激な電圧変化が抑えられ、スイッチ８１
を介して、インバータ出力電圧指令８３になる。

一方、空転が生じたときは、空転検知信号３３が“°１
″になり、ＰＷＭパルスモード３１が１パルスモードで
ない時のみ比較器３７の出力が１″となり、アンドゲー
ト３９の出力端子がハイレベルになってスイッチ７７及
びスイッチ８１が゛１パの方に切換ねる。これにより、
インバータ出力電圧指令値８３は、サンプリングホール
ド回路８５を介して、１サンプリングタイムごとに電圧
値減少係数８７にインバータ出力周波数７３を掛算器８
９により掛は合わせた値ずつ減算される。上記インバー
タ出力電圧指令値８３により誘導電動機１９の端子電圧
を低下させ、誘導電動機１９の駆動制御を安定にさせる
。

空転が治まると空転検知信号３３が０″にもどり、スイ
ッチ７７及びスイッチ８１が“０″側にもどることによ
り、減少したインバータ出力電圧指令８３は、変化率リ
ミッタ７９により制限を受けながらインバータ出力電圧
演算回路７５の出力値に徐々にもどる。

以上の説明は電気車が運転中に空転した時のＩｌｉ制御
について説明しであるが、回生中に滑走した場合につい
ても同様のことが言える。

第４図はインバータ１５が１パルスモードの時に空転検
知信号（ＳＬ）３３が１１１　ＩＩとなった場合の動作
を示す図である。同図において、空転検知信号（ＳＬ＞
３３によりａ点で空転検知信号（ＳＬ）３３を検知して
ｂ点まで続く間、インバータ１５の入力電圧ａを徐々に
低下させ、同様に限界値ｂ４：徐々に低下させて、ｂ点
で空転検知信号（ＳＬ）、３３が検知されなくなると遅
れ時間ｔの間にインバータ１５の入力電圧ａが空転前に
戻り、限界値すが遅れ時間ｔの後に空転前の値に戻る。

これにより、１パルスモードの時、誘導電動機１つの駆
動制御を安定にすることができる。

次にこの実施例の作用を説明する。

まず、通常に電気車が運転されるときにはパンタグラフ
１から入力される交流電圧がコンバータ９に入力されて
ＦＩＣ電圧制御量演算２７により実際の基本ＦＩＣ電圧
指令２３およびＦＩＣ電圧フィードバック値２５を演算
して変化率リミッタ４３により制限を受けながらＦＩＣ
ＩＣ電圧制御台指令値２出力される。インバータ１５の
出力電圧および出力周波数により誘導電動機１９を制御
する。

次に、電気車が運転中に空転を生じて１パルスモードに
おける制御を示す。

空転が生じるとコンバータ９は、空転検知信号３３が１
″になることによりスイッチ４１，４５が１″に切換ね
り、サンプリングホールド回路４７からの出力値が演算
器５１において１サンプリングタイム毎に電圧指令値減
少値４９の分だけ減算してＦＩＣ？［圧制′重量指令値
２９を算出する。

また、インバータ１５は、空転検知信号３３が１″にな
ることによりスイッチ５５．５９．６３が“１′°に切
換わり、サンプリングホールド回路６５の出力値が演算
器９３において１サンプリングタイム毎に限流値減少値
６７の分だけ減算して限流値指令６１を算出する。また
、１パルスモードにおける制御のため比較器３７の出力
端子がハイレベルになり空転検知信号３３が°１″にな
るので、アンドゲート３９の出力端子がハイレベルにな
ることによりスイッチ７７．８１が“１″切換ねり、サ
ンプリングホールド回路８５の出力値と掛算器８９から
出力されるインバータ出力周波数７３および電圧値減少
値８７の出力値とがインバータ出力電圧指令８３を算出
する。このインバータ出力電圧指令８３および出力周波
数により誘導電動機１９の端子電圧を低下させることに
より１パルスモードにおける制御を安定にすることがで
きる。

空転が治まると空転検知信号３３が”Ｏ″に戻りスイッ
チ４１及びスイッチ４５がＯ”側にもどることにより、
減少したＦＩＣ電圧制御量指令値２９は変化率リミッタ
４３により制限を受けながら、ＦＩＧ電圧制御量演算２
７の出力値に徐々にもどっていく。

以上の説明は、１パルスモ一ド時において電気車が運転
されているときに生じる空転についてのものであるが、
回生中の滑走についても全く同様のことが言える。

［発明の効果］以上説明したように、この発明によれば、電気車の動輪
と軌道上とに空転または滑走を生じると、所定のパルス
モード、すなわち、インバータの出力電圧が最大になる
１パルスモードの速度制御においてインバータの入力電
圧を低下させることにより誘導電動機の端子電圧が低下
するので、空転または滑走を生じたときに所定のパルス
モードにおける誘導電動機の駆動制御を安定にすること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の電気車制御装置の一実施例に係る概
略図、第２図はＰＷＭコンバータの制御を示づブロック
図、第３図はＶＶＶＦ　　ＰＷＭインバータの制御を示
すブロック図、第４図はこの発明の０３作を示す図、第
５図は従来のコンバータのｍＱ　ｌｆｌを示すブロック
図、第６図は従来例の動作を示す図、第７図はインバー
タ周波数とＰＷＭインバータスイッチング周波数の関係
を示す図、第８図はインバータ周波数とインバータ基本
波出力電圧の関係を示す図、第９図はＰＷＭインバータ
のインバータ出力相間電圧の波形を示す図である。９・・・ＰＷＭコンバータ１３・・・フィルタコンデンサ１５・ＶＶＶＦ　　ＰＷＭインバー１１９・・・誘導電動機２３・・・基本ＦＩＣＩ肩圧指合圧指令・・ＦｉＣ電圧フィードバック値２７・・・ＦＩ
ＣＩＣ電圧制御算演算・・・ＦＩＣ電圧制６Ｉｌ量指令値３１・・・ＰＷ
Ｍパルスモード３３・・・空転検知信号３５・・・１パルスモード３７・・・比較器３９・・・アンドゲート４１．４５・・・スイッチ４３．７９・・・変化率リミッタ４６・・・減算器４７・・・電圧指令値減少値４９．６５．８５・・・サンプルホールド回路９７・・
・インバータ入力電圧９９・・・限流値

Claims

【特許請求の範囲】

（１）交流電源をコンバータおよびインバータにより三
相交流に変換することにより誘導電動機を駆動させて動
輪が軌道上を走行する電気車制御装置において、前記動輪と軌道上との空転または滑走を検知する検知手
段と、この検知手段により空転または滑走を検知すると所定の
パルスモードの速度制御により前記インバータの入力電
圧を低下させる入力電圧制御手段と、この入力電圧制御手段により前記インバータの入力電圧
が低下されると前記誘導電動機の端子電圧を低下する端
子電圧制御手段と、を有することを特徴とする電気車制御装置。
（２）前記入力電圧制御手段の所定のパルスモードは、
１パルスモードによる速度制御であることを特徴とする
特許請求の範囲第１項に記載の電気車制御装置。