JPH05308704A

JPH05308704A - 電気車の制御装置

Info

Publication number: JPH05308704A
Application number: JP4138019A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Nakada; 仲田　　清; Kiyoshi Nakamura; 中村　　清; Satoru Horie; 堀江　　哲; Yoshiji Jinbo; 佳司神保
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-04-30
Filing date: 1992-04-30
Publication date: 1993-11-19

Abstract

(57)【要約】【目的】電気車の特殊運転のとき、主回路を構成する
スイッチング素子の発生損失を通常運転状態に比べて大
きく増加しない範囲に制限し、装置を高効率かつ小形化
することにある。【構成】直流電圧を可変周波数、可変電圧の交流電圧
に変換するインバータと、パルス幅変調制御手段と、電
気車駆動装置を備えた電気車の制御装置において、通常
運転モードを含む複数の特殊運転モードを設定する手段
と、運転モードに応じてスイッチング素子のスイッチン
グ周波数を設定する手段と、通常運転モードの電流指令
と特殊運転モードの電流指令を切り換える手段と速度制
御系を具備したインバータの周波数・電圧設定手段を設
け、通常運転モードから特殊運転モードに切り換わった
とき、スイッチング素子の損失を抑制するスイッチング
周波数に低下させると共に、速度制御系を介して特殊運
転モードの電流指令に応じたインバ−タ周波数指令及び
出力電圧指令を出力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、交流電動機を駆動用と
する電気車の制御装置に係り、特に、電気車両の電動機
駆動用電力変換装置の小形化に好適な電気車の制御装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】直流を交流に変換して電動機を駆動する
インバータ、特に、主回路用のスイッチング素子として
高耐圧のゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯサイリス
タ）を用い、電気車用誘導電動機を駆動するインバータ
が数多く実用化されている。これらのインバータは、交
流端子に２レベルの電位を出力するものが一般的であ
り、最大５００Ｈｚ程度のパルス幅変調（ＰＷＭ）制御
により、出力電圧の制御が行われている。一方、近年、
直流電源の高電位点と低電位点のほかに、これら高電位
点と低電位点の間の中間電位点を設け、スイッチング素
子群の選択的なオン・オフ制御によって高電位点、低電
位点または中間電位点の３レベルの電位を選択的に交流
端子に導出する３レベルインバータ（ニュートラルポイ
ントクランプド（ＮＰＣ）インバータともいう）の技術
が確立しつつある。この３レベルインバータは、スイッ
チング周波数を見かけ上高められるため、電流リプルの
少ない交流出力を得ることができ、また、直流電圧源の
分割により、スイッチング素子の印加電圧を低減でき、
スイッチング素子の低耐圧化を図れるなどの特徴を備え
ている。そのため、ＧＴＯサイリスタに代わり、絶縁ゲ
ート形バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）などの高周
波スイッチング素子の適用も可能となりつつある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、電気車両の
ような用途では、システムの信頼性をより一層向上する
ため、通常走行のための運転制御の他に非定常的に発生
する運転制御にも対応可能な装置を実現する必要があ
る。例えば、故障して軌道上に立ち往生した列車を他の
列車で待避させるための推進運転、編成中の一部のユニ
ットが故障した際にその故障ユニットを切り離して、残
りのユニットのみで運転するユニットカット運転、洗車
の際の低速の定速運転が挙げられる。一般に、主回路を
構成するスイッチング素子が発生する損失は、装置の大
きさを大きく左右するため、常に、所定値以内に収まる
ように素子電流やスイッチング周波数を設定する必要が
ある。しかしながら、推進運転やユニットカット運転で
は、通常運転時と同等の走行性能を維持するには出力電
流を通常運転時より大きく設定する必要があり、このた
め、通常時よりも大きな素子損失が発生し、また、通常
運転時には不必要な短時間の運転扱いであるので、冷却
装置や装置全体の大きさを大きくしなければならなかっ
たり、運転時間を制限しなければならないなどの問題が
あった。また、洗車の際の低速の定速運転では、運転持
続期間が比較的長く、かつ、低速での定速運転となるた
め、平均損失が増大し、やはり、通常運転時よりも冷却
装置や装置全体の大きさを大きくしなければならない問
題があった。本発明の目的は、主回路を構成するスイッ
チング素子の発生損失を通常運転状態に比べて大きく増
加しない範囲に制限し、高効率かつ小形な電気車の制御
装置を提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的は、運転モード
が推進運転、ユニットカット運転または洗車運転等の特
殊運転モードのとき、スイッチング素子のスイッチング
周波数を通常運転モードよりも低く設定する手段、ま
た、通常運転モードの電流指令から特殊運転モードの電
流指令に切り換わったとき、速度制御系を介して特殊運
転モードの電流指令に応じたインバータ周波数指令及び
出力電圧指令を出力する手段を設けることにより、達成
される。

【０００５】

【作用】運転モード設定手段の出力により、特殊運転モ
ードのとき、スイッチング素子のスイッチング周波数が
定常時よりも低くなるように設定されるため、また、イ
ンバータの周波数・電圧設定手段の出力により、特殊運
転モードの電流指令に応じたインバータ周波数指令及び
出力電圧指令を出力するため、通常運転時以外のモード
でも、スイッチング素子の発生損失が通常運転時に比べ
て大きく増加しない範囲に制限され、高効率かつ小形な
装置を実現することができる。

【０００６】

【実施例】以下、本発明を電気車両用の３レベルインバ
ータに適用した場合の一実施例を図１から図６を用いて
説明する。まず、３レベルインバータの主回路構成と基
本動作を説明する。図１において、６０は直流電圧源で
ある電車線、６１、６２は直流電圧源６０の電圧から中
間点Ｎ（以下、中性点と呼ぶ）を作り出すため分割（分
圧）したコンデンサ、７０〜７３、８０〜８３、９０〜
９３は還流用の整流素子を備えた自己消弧可能なスイッ
チング素子（この例ではＩＧＢＴとしたが、ＧＴＯサイ
リスタ、トランジスタ等でも良い）、７４、７５、８
４、８５、９４及び９５はコンデンサの中性点電位を導
出する補助整流素子である。また、負荷として誘導電動
機１０を接続した場合を示す。ここで、スイッチングア
ーム７〜９は、それぞれの相毎に独立に動作可能である
から、その基本動作をスイッチングアーム７を例にとっ
て説明する。コンデンサ６１、６２の電圧ｅｄ１、ｅｄ
２を完全平滑な直流電圧源として、ｅｄ１＝ｅｄ２＝Ｅ
ｄ／２（Ｅｄ：全直流電圧）とする。このとき、スイッ
チング素子７０〜７３を、表１に示すように、オン・オ
フ制御することにより、交流出力端子ＵにＥｄ／２，
０，−Ｅｄ／２の３レベルの出力電圧ｅを得る。表１ ───────────────────── スイッチング素子の導通状態出力電圧７０７１７２７３ｅ ───────────────────── オンオンオフオフＥｄ／２オフオンオンオフ０オフオフオンオン ―Ｅｄ／２ ───────────────────── 出力電圧ｅは、大きさがＥｄ／２、０、−Ｅｄ／２のパ
ルス状電圧を組み合わせた波形であり、出力電圧ｅが正
弦波に近づくようにＰＷＭ制御を行う。なお、３レベル
インバータの主回路の詳細は、特開昭５１−４７８４８
号公報、特開昭５６−７４０８８号公報などに記載され
ている。

【０００７】次に、本実施例の構成及び動作について説
明する。図１において、１は運転状況に応じて運転モー
ド指令を出力する運転モード設定手段であり、通常運転
指令または特殊運転指令を出力する。この運転モード設
定手段１は、例えば、運転台に設けたスイッチまたは特
殊運転を検出する手段等によって構成する。２は、運転
モード設定手段１が特殊運転を指令した際に、インバー
タ主回路素子のスイッチング周波数Ｆｓｗを通常運転モ
ード時よりも低く設定するスイッチング周波数設定手段
であり、図２に示すように、特殊運転指令が時間Ｔ１で
入力されると（オンになると）、スイッチング周波数を
Ｆｓｗ１からＦｓｗ２に低下させる。４は、インバータ
周波数指令Ｆｉ及び出力電圧指令Ｅを設定する周波数・
電圧設定手段である。３は、スイッチング周波数設定手
段２からのスイッチング周波数指令Ｆｓｗ及び周波数・
電圧設定手段４からのインバータ周波数指令Ｆｉと出力
電圧指令Ｅに応じてインバータ主回路素子のゲート信号
を発生するゲート信号発生手段である。ここで、ゲート
信号発生手段３は、スイッチング周波数指令Ｆｓｗ、イ
ンバータ周波数指令Ｆｉ及び出力電圧指令Ｅより、次の
ようにゲート信号を生成する。まず、インバータ周波数
指令Ｆｉ及び出力電圧指令Ｅより、図３（ａ）及び
（ｂ）に示す正側及び負側の瞬時電圧指令ａｐ、ａｎをここに、Ａ：振幅指令，ｔ：時間として作成する（Ｕ相の例）。ここで、１８０゜通流の
方形波出力のときを出力電圧の基準として、出力電圧指
令Ｅ＝１とすれば、振幅指令ＡはＡ＝（４／π）Ｅ（３）により与えられる。図４は、瞬時電圧指令に対応したゲ
ート信号の発生方法の一例であり、同図（ａ）におい
て、波形Ｃはキャリア信号である。このキャリア信号Ｃ
と瞬時電圧指令ａとの大小関係により、次式のようにゲ
ート信号を定めることができる。このようにして、図３（ｃ）及び図３（ｄ）のゲート信
号が生成され、図３（ｅ）に示すように、Ｅｄ／２、
０、−Ｅｄ／２の３レベルの電圧からなる相電圧が得ら
れる。スイッチング周波数の設定変更は、スイッチング
周波数Ｆｓｗを定めるキャリア信号Ｃの周期Ｔｓｗ（＝
１／Ｆｓｗ）を、図４に示すように、Ｔｓｗ１からＴｓ
ｗ２に調整することにより実現される。同様に、Ｖ相、
Ｗ相についてもゲート信号が作成される。なお、３レベ
ルインバータでは、出力相電圧として、図５に示すよう
に、電圧パルスをゼロ電圧を介して正負交互に出力す
る”ダイポーラ変調”も可能である（図３は”ユニポー
ラ変調”と呼ばれる）。図５（ａ）及び図５（ｂ）にお
けるバイアスＢは、正弦波状の電圧指令を正負期間にわ
たって発生させるためのものであり、これにより、出力
相電圧のゼロ電圧期間が調整される。このようにして、
図５（ｃ）及び図５（ｄ）のゲート信号が生成され、図
５（ｅ）に示すように、Ｅｄ／２、０、−Ｅｄ／２の３
レベルの電圧からなる相電圧が得られる。この変調方式
は、ゼロ電圧を含む微小電圧の調整も可能なことから、
起動時のようにインバータ周波数が低い時に特に有効な
方式である。この場合も、前述のユニポーラ変調方式と
同様に本発明を適用できる。ところで、運転モード設定
手段１の出力を、図６に示すように各運転モード毎に分
けてもよい。すなわち、運転モード設定手段１の出力と
して、通常運転指令の他に、特殊運転指令である推進運
転指令、ユニットカット運転指令及び洗車運転指令を用
意し、スイッチング周波数設定手段２に入力する。これ
により、複数の特殊運転指令に対応した周波数設定が可
能となる。

【０００８】次に、スイッチング周波数の設定方法につ
いて説明する。スイッチング素子の内部発生損失は、素
子の順方向電圧降下（ＦＶＤ）によるＦＶＤ損失と、転
流時に発生するスイッチング損失に大別できる。３レベ
ルインバータの場合、主回路素子のＦＶＤ損失Ｐｆｖｄ
及びスイッチング損失Ｐｓｗは次式で表わせる。ここに、Ｉｍ：出力電流実効値，Ｆｓｗ：スイッチン
グ周波数Ｋ１，Ｋ２：変調率（Ａ）と負荷力率によって定まる定
数Ｋ３：素子定数によって定まる定数素子損失Ｐｄは、ＦＶＤ損失とスイッチング損失の和で
あり、（５）式の関係よりＰｄ＝Ｐｆｖｄ＋Ｐｓｗ＝（Ｋ１＋Ｋ３・Ｆｓｗ）Ｉｍ＋Ｋ２・Ｉｍ² （６）と表わせる。素子の冷却装置は、通常運転時の出力電流
とスイッチング周波数おいて（６）式に示した素子損失
を処理できるように設計してあり、一般的には、若干の
余裕を持たせている。そのため、スイッチング周波数設
定手段２は、通常運転指令時のスイッチング周波数を基
準周波数として、スイッチング周波数Ｆｓｗを各運転モ
ード毎に以下のように定める。推進運転指令時は、出力
電流指令の増加に伴う素子損失増加を抑制するため、通
常運転時の素子損失の範囲内または設計余裕の範囲内に
入るようにスイッチング周波数Ｆｓｗ２を設定する。ユ
ニットカット運転指令時は、ユニットカット数が増える
に従いスイッチング周波数Ｆｓｗ２を徐々に低下させ
る。また、洗車運転指令時は、出力電流リプルが問題に
ならない範囲でスイッチング周波数Ｆｓｗ２を低下させ
る。本実施例では、運転モード設定手段１の出力によ
り、スイッチング素子のスイッチング周波数が通常運転
時よりも低くなるように設定されるため、通常運転以外
のモードにおいても、通常運転時に比べてスイッチング
素子損失が大きく増加しない範囲に制限され、その結
果、素子の冷却装置を大きくする必要がなく、高効率で
小形な装置を実現することができる。なお、特殊運転モ
ードのとき、装置または素子の温度上昇の限界まで、通
常のスイッチング周波数を使用し、所定の時間だけ運転
した後、スイッチング周波数を低下させることも可能で
ある。この場合、出力電流歪を最小限に抑えられる効果
がある。

【０００９】次に、特に、洗車運転指令時には、時速数
ｋｍ程度の低速かつ定速運転が要求されるため、大きな
素子電流が洗車の間持続的に流れ、素子損失が著しい。
そこで、スイッチング周波数の低下だけで損失増加を抑
制できない場合には、スイッチング周波数の低下ととも
に出力電流の制限を行えば、より効果が上がる。このよ
うな方法では、出力電流をスイッチング周波数の低下と
同時に制限することも可能であるが、図８に示すよう
に、特殊運転指令がオンとなる時間Ｔ１でスイッチング
周波数をＦｓｗ１からＦｓｗ２に低下させ、所定の時間
経過した後、時間Ｔ２において出力電流の上限値をＩｍ
ａｘ１からＩｍａｘ２に低下させる方が望ましい。この
場合、車両性能を時間Ｔ２まで落とすことなく通常運転
時と同様の加速性能等を実現できるメリットがある。図
７に、洗車運転指令における本発明の他の実施例を示
す。本実施例は、速度制御系を図１の周波数・電圧設定
手段４に組み込、スイッチング周波数の低減と共に、イ
ンバータの出力電流を低下させて低損失の運転を行な
う。すなわち、図９に示すように時間Ｔ１で洗車運転指
令がオンになると、スイッチング周波数をＦｓｗ１から
Ｆｓｗ２に低下させると同時に、通常運転から定速運転
に切り換える操作を行う。ここで、洗車運転指令は、運
転室の操作盤に洗車運転専用のスイッチ釦を設け、この
スイッチ釦を操作することにより、洗車運転モードの制
御系が作動する。図７において、４１は電流指令設定手
段、４２は速度調節手段、４３は洗車運転指令に応じて
電流指令を切り換える切り換えスイッチ、４４は電流調
節手段、４５は速度演算手段、４６は係数器、４７〜４
９は加算手段を示す。この周波数・電圧設定手段の例で
は、通常運転時には、切り換えスイッチ４３はオフとな
り、電流設定手段４１からの電流指令Ｉｍ＊と出力電流
検出値Ｉｍとの偏差が無くなるように、電流調節手段４
４は誘導電動機のすべり周波数指令Ｆｓ＊を演算し、電
動機回転子周波数の検出値Ｆｒとの和をとって、インバ
ータ周波数指令Ｆｉを作成する。また、出力電圧指令Ｅ
は、インバータ周波数指令Ｆｉに係数器４６の係数Ｋを
掛けて周波数と電圧の比がほぼ一定となるように作成す
る。これに対し、洗車運転指令がオンになると、切り換
えスイッチ４３はオン側に切り換えられ、速度制御系に
よる定速度運転となる。すなわち、速度演算手段４５に
よって電動機回転子周波数Ｆｒから車両速度Ｖｔを演算
し、この速度Ｖｔが速度指令Ｖｔ＊に一致するように、
速度調節手段４２は電流指令Ｉｍ＊を演算出力する。そ
の他の動作は上記通常運転時と同様である。この場合、
切り換えスイッチ４３がオン側に切り換えられて、所定
の時間経過した後、図８に示すように、時間Ｔ２におい
て出力電流の上限値はＩｍａｘ１からＩｍａｘ２に低下
する。このように、スイッチング周波数の低減制御を行
ない、同時に、洗車運転指令用の低速度を予め設定した
定速自動運転を実現し、インバータの出力電流の上限値
をＩｍａｘ１からＩｍａｘ２に低下させ、発生損失を抑
制した運転が可能となる。

【００１０】以上、運転台等からの指令に基づいて運転
指令を決定する方式を説明したが、以下のように、現在
の運転状態を検出することによって特殊運転扱いに移行
することも可能である。すなわち、図１０に示すよう
に、車両の運転状態が持続した低速運転であることが時
間Ｔ１’で検出されると、スイッチング周波数をＦｓｗ
１からＦｓｗ２に直ちに低下させる。さらに、低速運転
が続く場合には所定の時間経過後、時間Ｔ２’で電流指
令の上限値をＩｍａｘ１からＩｍａｘ２に切り換える。
ここで、低速運転の検出は、図１１に示すように、車両
速度Ｖｔが設定速度Ｖｓｅｔ以下で、かつ持続時間Ｔが
設定値Ｔｓｅｔ以上のときＳＷＶＬ＝１として低速検知
信号を１とする。上記以外の場合、ＳＷＶＬ＝０として
低速検知信号を０とする。この低速検知信号を上述の特
殊運転指令として取り扱うことにより運転状態を自動的
に検出して、損失を大きく増大させることなく、運転が
行える。

【００１１】以上の実施例では、負荷として誘導電動機
を例にとって説明したが、他の交流電動機や負荷装置の
場合でも同様の効果が期待できる。また、以上は全てイ
ンバータにおける実施例を示したが、これらのインバー
タの出力端子をリアクタンス要素を介して交流電源と接
続し、交流を直流に変換するコンバータとして動作（イ
ンバータの回生動作と同様な動作）させることも可能で
ある。この場合も、インバータの場合と同様の効果が期
待できる。

【００１２】

【発明の効果】本発明によれば、特殊運転モードのと
き、スイッチング素子のスイッチング周波数が通常運転
時よりも低くなるように設定されるため、また、特殊運
転モードの電流指令に応じたインバータ周波数指令及び
出力電圧指令を出力するため、通常運転時以外のモード
でも、スイッチング素子の発生損失が通常運転時に比べ
て大きく増加しない範囲に制限され、高効率かつ小形な
装置を実現することが可能となる。また、本発明は、電
気車駆動に誘導電動機等の交流電動機を用い、この電動
機に電力を供給する電力変換装置に適用したとき、特に
有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す構成図。

【図２】スイッチング周波数の設定方法の一例を示す
図。

【図３】電圧指令と出力電圧波形の一例を示す図。

【図４】ゲート信号発生方法の一例を示す図。

【図５】電圧指令と出力電圧波形の一例を示す図。

【図６】運転モード設定の一例を示す図。

【図７】本発明の他の実施例を示す構成図。

【図８】スイッチング周波数及び電流指令上限値の設定
方法の一例を示す図。

【図９】スイッチング周波数の設定方法の一例を示す
図。

【図１０】スイッチング周波数及び電流指令上限値の設
定方法の一例を示す図。

【図１１】低速検知の一方法を示す図。

【符号の説明】

１運転モード設定手段２スイッチング周波数設定手段３ゲート信号発生手段４周波数・電圧設定手段

フロントページの続き (72)発明者神保佳司茨城県勝田市市毛1070番地株式会社日立製作所水戸工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】直流電圧を可変周波数、可変電圧の交流
電圧に変換するインバータと、このインバータを構成す
るスイッチング素子をオン・オフ制御するパルス幅変調
制御手段と、電気車駆動装置を備えた電気車の制御装置
において、通常運転モードを含む複数の特殊運転モード
を設定する手段と、運転モードに応じてスイッチング素
子のスイッチング周波数を設定する手段を設け、特殊運
転モードのとき、スイッチング周波数を低下させること
を特徴とする電気車の制御装置。
【請求項２】直流電圧を可変周波数、可変電圧の交流
電圧に変換するインバータと、このインバータを構成す
るスイッチング素子をオン・オフ制御するパルス幅変調
制御手段と、電気車駆動装置を備えた電気車の制御装置
において、通常運転モードを含む複数の特殊運転モード
を設定する手段と、運転モードに応じてスイッチング素
子のスイッチング周波数を設定する手段と、通常運転モ
ードの電流指令と特殊運転モードの電流指令を切り換え
る手段と速度制御系を具備したインバータの周波数・電
圧設定手段を設け、通常運転モードから特殊運転モード
に切り換わったとき、スイッチング周波数を低下させる
と共に、速度制御系を介して特殊運転モードの電流指令
に応じたインバータ周波数指令及び出力電圧指令を出力
することを特徴とする電気車の制御装置。
【請求項３】請求項２において、電気車駆動装置とし
て誘導電動機を用い、インバータの周波数・電圧設定手
段は、通常運転モードのとき、電流指令とインバータの
出力電流検出値を比較して、すべり周波数指令を演算
し、このすべり周波数指令と誘導電動機回転子周波数の
検出値との和をとって、インバータ周波数指令及び出力
電圧指令を出力し、特殊運転モードのとき、特殊運転モ
ードに切り換えて、速度指令と誘導電動機回転子周波数
の検出値を比較して電流指令を演算することを特徴とす
る電気車の制御装置。
【請求項４】請求項１または請求項２において、運転
モード設定手段は、通常運転指令、推進運転指令、ユニ
ットカット運転指令及び低速連続運転指令を出力するこ
とを特徴とする電気車の制御装置。
【請求項５】請求項４において、低速連続運転指令
は、洗車運転指令を含み、運転室の操作盤に洗車運転専
用のスイッチ釦を設け、このスイッチ釦を操作したと
き、洗車運転モードの制御系が作動することを特徴とす
る電気車の制御装置。
【請求項６】請求項１または請求項２において、パル
ス幅変調制御手段は、ユニポーラ変調、ダイポーラ変調
を含むことを特徴とする電気車の制御装置。
【請求項７】請求項１項または請求項２において、ス
イッチング周波数を設定する手段は、通常運転モード以
外の特殊運転モードのとき、通常のスイッチング周波数
で所定の時間だけ運転した後、スイッチング周波数を低
下させることを特徴とする電気車の制御装置。
【請求項８】請求項１項または請求項２において、ス
イッチング周波数を設定する手段は、通常運転モードか
ら特殊運転モードに切り換わったことを検知したとき、
直ちに、スイッチング周波数を低下させ、インバータの
周波数・電圧設定手段は、特殊運転モードが設定時間以
上継続しているとき、これを検知して電流指令の上限値
を下げることを特徴とする電気車の制御装置。