JPH02214402A - 電気車の制御装置 - Google Patents

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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、インバータ電気車に係り、特に発電ブレーキ
制御装置に関する。

Ｃ従来の技術〕 従来装置の１例として、電気車の科学１９８５年２月号
（Ｖｏｌ、　３８　Ｎａ　２　）第２５頁から第３１頁
記載のインバータ電気車の制御装置がある。この装置は
、制動の場合回生制動を優先させ、抑速回生失効時には
瞬間に発電制動に切換わるシステムとしている。この発
電制動は、連続勾配区間専用で、回生抑速時の抑速制動
以外用いない。

制御方法は１回生抑速失効時に、架線側断流器をオフし
、発電ブレーキ用抵抗に直列に接続されたスイッチとし
てのサイリスタをオンするものである。このサイリスタ
は、チョッピングしておらず誘導電動機で発電された電
気エネルギーは、インバータを介して、前記の一定値抵
抗で消費される。

また、他の従来例として、特公昭５０−３４８７号公報
及び特公昭４７−２６９８号公報に記載された装置があ
る。これら装置は、いずれも回生ブレーキと、発電ブレ
ーキとを混在させ、フィルタコンデンサの電圧値によっ
て９回生モードと、発電モードに切換えている。主回路
は常に架線に接続しており、インバータの直流側の電圧
は、架線の電圧と等しくなる。従って、発電抵抗器に直
列に接続されたブレーキチョッパの通流率を制御して、
見かけ上発電抵抗器の抵抗値を変化させて、発電ブレー
キをかけている。

〔発明が解決しようとする課題〕

インバータ電気車の特長は、誘導電動機を制御すること
ができるので、電動機のメインテナンスフリーが実現さ
れ、さらに回生制動も簡単にできるところにあった。

しかしながら、地方交通線、閑散時等の場合は同一き電
区間内に負荷となる車両が存在しない場合が多く、機械
ブレーキの依存率が高くなり、ブレーキシュー等機械系
の交換時期を早め、また、非常ブレーキも負荷車の有無
に大きく左右され、問題があった。

一般にブレーキの制動力は、運転の状況に応じて運転士
が加減するものであるため、ブレーキハンドルの操作フ
ィーリングと合っていることが好ましい。

ここで、インバータ電気車の回生制動及び上記従来技術
の前者の装置の回生機能を取り除いて、発電ブレーキの
み（機械ブレーキも当然あるが、ここでは省略する。）
の２者を比較して説明する。

（１）回生ブレーキ 電動機の制動トルクＴＭは、 Ｔ　ｓ　＝φＩＨ・・・■ φ：磁束、・工Ｍ：電動機電流 インバータは、変調率γが０≦γ≦１の領域では電動機
が定トルクを発生するよう制御する。従って、 ｖＭ：電動機電圧、ｆｓＮｖ＝インバータ周波数■、■
より とする場合は、電動機電流ＩＮを可変すれば良い。

電動機電流■−を１　／　ａとすると、制動トルクも１
　／　ａとなる。また、定電圧領域（γ＝１．０）では
、制動トルクＴＭは、インバータ周波数ｆＩＮｖに反比
例して下がる。これらの関係を第５図に示す、定トルク
領域では、電動機電流ＩＮを１１５にすると制動トルク
も１１５となっていることが分かる。

（２）発電ブレーキのみ 第４図の如く、誘導電動機の発電エネルギーをインバー
タを介して、定抵抗値である発電抵抗器Ｒに消費させる
。

コンデンサ電圧ＥｃＦと直流電流Ｉｏの関係は、オーム
の法則より、 Ｅｃｒ＝：Ｒ−Ｉｏ　　　　　　　　　　　・＝■また
電動機電圧ＶＭとコンデンサ電圧の関係は、■式と０式
より 従って、運転状況に応じて制動トルクを変えようＥ Ｖに＝　−γＲ■Ｄ π ・・・■ が得られ、また、電動機の発生する電力と発電抵抗器Ｒ
で消費される電力は等しいから、Ｅ　Ｉ　ＭＶＭ＝　Ｅ
ａｒ　Ｉ　。

０式を０式に代入して、 ・・・■ ０式を０式に代入して、 前述したとおり、φ”　ＶＭ／　ｆ　ＩＮＶニ一定領域
は、０≦γ≦１である。このときのＫは一定値である。

変調率γ＝１．０となるインバータ周波数をＪ１〜Ｖ１
とし、電動機電流をＩＭＩとすると、［相］式よすまた
、電動機電流をｒＭ＝−ＩＭＩとし、変調率γ＝１．０
となるときのインバータ周波数ｆ＋ｈｖｘは、変調率γ
とインバータ周波数ｆ　ＩＮＶの関係式は、■式に０式
を代入して、 ０式と０式を比較すると、電動機電流が１／ａとなると
、 ｆ　ｘＮｖｚ＝　−ｆ　ＩＮＶＩ　　　　　　　　　−
［相］となってしまい、φ＝ＶＭ／ｆｔＮＶ＝一定領域
が電動機電流に上領域下がってしまう。０式をグラフに
したのが第７図である。この図より、例えば電動機電流
ＩＮが１７５になると、定トルク領域のインバータ周波
数帯域が１１５となることが分かる。

次に、制動トルクとインバータ周波数と電動機電流の関
係について考える。

制動トルクの式を改ためて書くと。

　１Ｎｖ Ｖ＋／ｆ＋５ｖ＝一定の領域ではインバータ電流に比例
した制動トルク特性が得られる。発電ブレーキの場合の
、図が第６図である。この図によれば、電気車が高速で
運転されている場合において、例えば、下り坂でゆるい
ブレーキをかけようとしてもかからず、ノツチを切換え
ると急に大きなブレーキ力となってしまい、運転士の運
転フィーリングに合わないという欠点があった。

つまり、従来の回生ブレーキ車にただ単に１発電ブレー
キ抵抗を入れ、回生ブレーキをしないようにしただけで
は１回生ブレーキ時に得られていた所定のトルクが得ら
れなくなる。

また、従来技術の後者は、回生ブレーキと発電ブレーキ
のブレンディングをするため、発電抵抗に直列にチョッ
パを入れている。このチョッパには、それを制御するた
めの装置があるため、床下機器を増加させることとなり
、また、高価になるという欠点があった。

本発明の目的は、インバータを用いた電気車において、
インバータ周波数に応じた高速から停止寸前まで所定の
ブレーキ特性が部品点数を増加させずに、安価に発電ブ
レーキの制御装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

一定の抵抗値を有する発電ブレーキ抵抗器とＰＷＭイン
バータとフィルタコンデンサと誘導電動機がＪ構成し、
所定の発電ブレーキ特性をＰ警阿インバータの制御によ
り得るようにした。

電流指令を増加させる分だけ、Ｖ／Ｆの割合を減少させ
た。

〔作用〕

ブレーキ特性は、パワー一定領域と、ブレーキカ一定領
域に分け、出来るだけ高いブレーキ力を高速まで得るよ
うにする。

一定の抵抗値で上記特性を得るために、パワー一定領域
ではモータ電圧は最大値一定、主電動機交流電流を最大
値一定に制御する。ブレーキカー定領域では、発電ブレ
ーキ抵抗器に通流する直流電流をインバータ周波数の平
方根に比例する如く、ＰＷＭインバータを制御する。

速度の低下とともに、直流電圧は下がり、ブレーキ印加
最小速度で、最小の電圧となるが、電力変換器には、自
己消弧可能なＧＴＯ素子を使用して、低電圧でも電流が
あれば転流可能とし、停止寸前の低速まで、定ブレーキ
力を得るようにする。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。

第１図の１はパンタグラフ、２，４．７は断流器、８は
フィルタコンデンサ、３はフィルタコンデンサ８を初期
充電するための充電抵抗器、５はフィルタリアクトル、
６は発電ブレーキ抵抗器で定抵抗値を有している。９は
、パルス幅変調（ｐｗＭ）インバータ、１０は誘導電動
機でこれらは主回路を構成する。

１１は電圧検出器、１２は電流検出器、１３は回転数検
出器、１４は主管制御器、１５はトルク設定器、１６．
１７は電流パターン発生器、１８゜２１．２９はカ行制
動切換器、１９，２２．２８は加算器、２０はすベリ周
波数設定器、２３゜２４は電圧設定器、２５は掛算器、
２６は電圧補償器、２７はＰＷＭ制御装置、３０は補償
器、３１は周波数検出器でこれらで制御系を構成してい
る。

次に動作を説明する。

くカ行時〉 主幹制御器１４から速度指令が発生すると、トルク設定
器１５でトルクを定め、それに基づいて、電流パターン
発生器１７で電流指令が与えられる。

加算器１９で指令値と検出値の差が求められ、この差に
より、すベリ周波数設定器２０ですベリ周波数ｆ、が決
定される。カ行制動切換器２１はＰ側になっているので
、すベリ周波数ｆ、は、電動器の回転周波数！、と加算
されインバータ周波数ｆ　ＩＮＶが定まる。さらに、電
圧設定ｌＩ２３でインバータ周波数ｆ　ＩＮＶに比例し
た電圧指令が求まる。

掛算器２５ではフィルタコンデンサ８の電圧ＥｃＦが変
化してもＶＭ／　ｆ　ｔＮｖ＝一定となるよう補償する
。この電圧と誘導電動機１ｏの特性による補償値（Ｚｉ
は誘導電動機１０の１次インピーダンス、ＩＮは、電動
機電流である。）が加えられ、ＰＶＭ制御器２７に入力
され、また、インバータ周波数ｆ＋Ｎｖも人力されイン
バータ９の図示しない半導体素子を周知の如くオンオフ
制御する１以上は一般に広く行なわれている。

〈発電制動時〉 発電ブレーキ時の動作は、カ行時と大きく相違するとこ
ろは、カ行制動切換器１６．２１及び２９がＢ側に切換
わることである。

以下、その理論を展開してから動作説明に入る。

第６図において、Ｉｓ＝−ＩＭＩで定トルク特性が広い
インバータ周波数帯域で得られなかった。

理由は、前述した如く、変調率γ＝１．０　の点がイン
バータ周波数ｆＩＮｖに比例しているため、ＶＭ／　ｆ
　ｔＮｖ＝一定領域が低い周波数程狭くなってしまって
いる。γ＝１．０の点は即ち電動機電圧ＶＭが最大とな
っている点であり電動機電圧ＶＭはそれ以上増加しない
（ＩＮが増加しないから）。

つまり、最大トルクの時の最大電流最大電圧は決まって
いる。これは、インバータの容量（ＧＴＯの耐圧等）か
ら制限される。この時の定トルク特性はインバータ周波
数ｆ　ＩＮＶＩまで得られたが、回生時と同様の制御、
つまり、制動トルクを１　／　ａにするために、電動機
電流をｌ　／　ａとする制御をそのまま、発電ブレーキ
制御（定抵抗Ｒ）にあてはめると、電動機電流を１７　
ａとしたとき、定トルク特性が得られるのは、インバー
タ周波数ｆ　ｒＮｖｚまででそれ以上の周波数領域では
トルクはインバータ周波数に反比例して落ちてしまう。

これは、回生ブレーキの制御をそのまま当てはめたため
で、発電ブレーキ独自の制御が必要となる。

■式より、 Ｍ 　ｆＩＮｖ トルクＴＭ、発電抵抗Ｒは一定であるので、直流側で考
えると、トルク一定にするためには、直流電流Ｉｏは、
インバータ周波数ｆ　ＩＮＶの平方根に比例するように
制御する必要がある。

また、Ｅｏ：＝ＲＩｏｃｘ：Ｊ７″より、直流電圧もイ
ンバータ周波数ｆ　＊Ｎｖに比例させれば良い、この関
係を示したグラフが、第８図である。

ここで、Ｅ　ＤｍＭＸとＩ　Ｄａ＆ｘは最大トルク時の
電圧。

電流で、ＥＤ、ＩＯはトルクを最大の１　／　ａとした
ときの電圧・電流である８回生ブレーキ時は、単に電動
機電流を１／ａＩ）４としただけで、制動トルクＴＭも
１　／　ａとなったが、発電ブレーキでは、電動機電流
ＩＮを１　／　ａとすると、一定抵抗Ｒのため電動機電
圧ＶＭも１　／　ａで頭打ちとなってしまう、これを解
決するために、 （定トルク特性域では Ｐ＝ｆ−Ｔ＝Ｒ・Ｉ　ｎ２） とした。何故なら、−ＴＭという制動トルクを出すだめ
の回生ブレーキの方法では、電動機電流ＩＮは１　／　
ａであったものを、本実施例では１／Ｆと増加させ、そ
の分、■Ｈ／ｆ皇ＮＶをなるインバータ周波数領域が増
加する。

第１図を参照すると、電流指令設定器１６では、ｌ・ル
ク指令の平方根をとって電流指令としている。

次に電圧設定器２４では、インバータ周波数の平方根を
とって電動機電圧を算出している。

補償器２６の出力は、ブレーキ回路には入力されていな
いが、これは、変調率γ＝１．０の点をフィルタコンデ
ンサ電圧によって変更させたくなかった為である。

本実施例によれば、従来の回生車に簡単な構成を付加し
、一定抵抗値の発電抵抗で１発電ブレーキを実現するこ
とができる。

本発明の他の実施例を第２図に示す、第１図と同一の符
号は同一の物を表わしている。

第１図と大きく相違する箇所は、３２の掛算器で電流指
令設定器１６の出力と、通常に算出した電圧指令とを掛
けている点である。

電動機の最大トルクをＴ　Ｍｍ　ａ　ｘとし、現在のト
ルク指令をＴＭとする。

ＴＨｍｈｘ　　　ａ た電圧指令に掛算するのであるから結果的には、トルク
は−となり目的を達成する。

本実施例によれば、先の実施例より、部品点数が少なく
ても済む。

その他の実施例を第３図に示す。

第１図、第２図と相違するところは、３４制動力切換器
３５の変調率判別回路、３６の電流指令係数発生器、３
７の掛算器、３８の切換回路が増えた点である。その他
の符号は同様である。この回路の考え方は、トルクが］
、／ａの指令値で回生ブレーキと同様の制御をしてもト
ルク一定の領域が存在するので、その領域では回生のと
きの（力行の制御系でもある）制御系を利用し、変調率
判別回路３５にて、変調率γ＝１．０　が判別され、そ
の時のインバータ周波数が取り込まれると、電流指令を
インバータ周波数の平方根倍して力行時の呵御系に入力
する。従って、トルク一定は保たれる。

本実施例によれば、力行時の制御系をそのまま活用する
ことができるので、装置の追加が容易にできる。

上記３つの実施例における、主回路動作について説明す
る。

発電ブレーキ印加時には、インバータ９のゲートを閉じ
た状態で断流器４及び７を投入して、充電抵抗器３を直
列に入れる。これにより、架線から、フィルタコンデン
サ８が初期充電される。これは誘導電動機の特性により
、励磁電圧を予め与えるためである。続いて、断流器２
を投入して、架線電圧までフィルタコンデンサ８を充電
した後、断流器２と４を開路すると共に、フィルタコン
デンサ８が放電しきらないうちに、インバータ９のゲー
トをオンして、発電ブレーキ制御を開始する。

尚、初期充電状態から、断流器４をオフして、インバー
タのゲートをスタートさせても良い。

〔発明の効果〕

本発明によれば、次の効果がある。

（１）インバータ容量の最大容量まで１発電ブレーキ容
量をとることができる。

このため、高速まで最大ブレーキトルク−窓領域がとれ
る。

（２）固定抵抗器で任意の定ブレーキ特性を高速から停
止寸前の低速まで得ることができる。

従って安定、且つ信頼性の高い停止ブレーキおよび非常
ブレーキにも使用できる。

（３）主回路構成が簡単で安価である。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図、第３図は本発明の一実施例を表わす図
、第４図は、従来技術を表わす図、第５図は、回生ブレ
ーキのノツチを切換えた時のｆ−γ特性を示す図、第６
図は、従来技術を用いた場合のｆ−γ特性、第７図は、
従来技術を用いた場合のｆ−γ特性、第８図は、インバ
ータ同周波数に対する直流電圧、電流の特性である。 １６・・・電流パターン発生器、２４・・・電圧設定器
、１８．２９・・・力行・制動切換器。 Ｓ゛ノ 第１図 第 図 第 図 第 図 第 図 インバ 夕周波数ｆＨ＋ｖ 第 図 第 図 ｆ＋Ｎｖ２　　　　　　　　　＋ｆ。ＩＮＶＩイ、′バ
ータ周波数ｆ＋Ｎｖ 第 図 インバータ周波数ｆ　ＩＮＶ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、誘導電動機と、直流を交流に変換しこの誘導電導機
   を駆動するパルス幅変調（ＰＷＭ）インバータとを備え
   た電気車の制御装置において、前記インバータの直流側
   に設けられた所定抵抗値の発電ブレーキ抵抗器と、前記
   誘導電動機の発電電力を前記発電抵抗器に消費させる手
   段と、架線への回生を遮断する手段とを備えたことを特
   徴とする電気車の制御装置。 ２、前記誘導電動機の発電電力を前記発電抵抗器に消費
   させる手段は、定トルク特性域では、発電ブレーキ抵抗
   器に流す直流電流を、インバータ周波数の平方根に比例
   させる手段であることを特徴とする請求項第１項記載の
   電気車の制御装置。 ３、前記直流電流をインバータ周波数の平方根に比例さ
   せる手段は、変調率をインバータ周波数の平方根に比例
   させる手段と、前記誘導電動機の電流の大きさをブレー
   キトルク指令の平方根に比例させる手段であることを特
   徴とする請求項第２項記載の電気車の制御装置。 ４、前記直流電流をインバータ周波数の平方根に比例さ
   せる手段は、電動機電圧とインバータ周波数の比を、ブ
   レーキトルク指令の平方根に比例させる手段と、前記誘
   導電動機の電流の大きさをブレーキトルク指令の平方根
   に比例させる手段であることを特徴とする請求項第２項
   記載の電動機の制御装置。 ５、前記直流電流をインバータ周波数の平方根に比例さ
   せる手段は、変調率が１．０となる領域において、前記
   誘導電動機電流の大きさをインバータ周波数の平方根に
   比例させる手段であることを特徴とする請求項第２項記
   載の電気車の制御装置。