JPH06245315A

JPH06245315A - インバータ装置の制御方法

Info

Publication number: JPH06245315A
Application number: JP5650693A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Matsui; 孝行松井; Satoru Horie; 堀江　　哲; Hideji Saito; 秀治斉藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-02-22
Filing date: 1993-02-22
Publication date: 1994-09-02

Abstract

(57)【要約】【目的】車両の空転あるいは滑走の発生時、再粘着期
間においても電流制御系を高応答に動作させることがで
き、電車の加速性能を損なうことのないインバ−タ装置
の制御方法を提供することにある。【構成】交流電動機に可変電圧可変周波数の交流を供
給するインバータにより電車を駆動する交流電動機駆動
システムにおいて、前記インバータの出力電流を検出す
る手段と前記交流電動機の回転速度を検出する手段と前
記出力電流をその電流指令に一致させるように制御する
電流制御系を備え、この回転速度から前記電車の車輪と
レール間の空転あるいは滑走を検知し、この空転あるい
は滑走を検知した時に前記電流制御系を片極性のみに動
作させ、この電流制御系の出力に応じてインバ−タの出
力を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、インバータにより電車
を駆動する交流電動機駆動システムにおいて、滑り易い
天候状態に電車の車輪とレール間に空転および滑走が発
生しても過電流を防止するインバータ装置の制御方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】インバータを用いた車両駆動システムで
は、雨天時、特に雨の降り初めに空転、滑走が発生しや
すい。空転が起こると、電動機の負荷が急激に軽くなる
ために回転数が増加する。また、インバータの出力電流
を制御する電流制御系は空転時にはインバータ周波数を
増加するように発散動作し、さらに電動機の回転数が大
きくなり、大空転が発生するという問題がある。この現
象は、電流制御系の応答が高いほど顕著であり、従来は
電流制御系の高応答化ができなかった。また、電流制御
系の応答が低いと、空転を抑制するために電流指令を絞
っても出力電流の追従性が悪く、再粘着制御の外乱にな
る問題があった。そこで、従来では電動機の回転数の変
化率から空転、滑走を検知し、電流制御系の動作を停止
あるいは切り離して、再粘着させる方法が提案されてい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術によれば、大空転の発生は防止できても、再粘着
させる期間中は電流制御系が動作できないので、架線電
圧の変動やインバータの出力周波数の変動による出力電
流の過大を防止できず、また、インバータ装置の保護装
置が動作してインバータによる運転が継続できず、その
結果として電車の加速性能を犠牲にせざるを得ない。特
に、雨天時には、空転と再粘着を繰り返すために、これ
が問題である。本発明の目的は、空転あるいは滑走の発
生時、再粘着期間においても電流制御系を高応答に動作
させることができるインバータ装置の制御方法を提供す
ることにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的は、インバータ
の出力電流を制御する電流制御系の入力を空転滑走検知
信号によって片極性のみ通過させ、この電流制御系の出
力に応じてインバータの出力を制御することにより、達
成される。

【０００５】

【作用】このように構成することにより、通常時には、
電流制御系はインバータの出力電流がその指令値に一致
するように、出力電流が小さい時にはインバータ出力周
波数を増加し、出力電流が大きい時にはインバータ出力
周波数を減少するように動作する。また、空転の発生時
には、電流制御系の入力は片極性のみに動作する。すな
わち、電流指令に対して出力電流が小さい時には動作せ
ず、出力電流が大きい時にはインバータの出力周波数を
減少するように動作する。この電流制御系の出力は空転
を抑制して再粘着させる動作と同じ極性である。その結
果、空転発生時においても電流制御系は安定に動作する
ことができ、電流制御系の応答を高く設定することがで
き、架線電圧の変動あるいはインバータ周波数の変化に
よる過電流を防止できる。滑走の発生時にも同様の効果
を得る。

【０００６】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面により説明す
る。図１に、本発明の第一の実施例を示す。図１におい
て、１はパンダグラフ、２はＰＷＭインバータ、３は車
輪を駆動する誘導電動機、４は電流検出器、５は速度検
出器、６は電流演算器、７は速度演算器、８は可変電圧
可変周波数制御器、９は空転滑走検出器、１０はすべり
周波数指令器、１１は電流調節器、１２は切換器、１３
はリミッタ、１４、１５、１６は加算器を示す。本実施
例において、架線からパンタグラフ１を介してＰＷＭイ
ンバータ２が直流を受電すると、ＰＷＭインバータ２は
直流電圧を交流電圧に変換し、交流電動機である誘導電
動機（同期電動機でも可）３に三相交流を供給する。誘
導電動機３の回転数は速度検出器５により検出され、速
度演算器７によりロータ周波数ｆｒに変換されて出力さ
れる。空転滑走検出器９は、ロータ周波数ｆｒに基づい
てレールと車輪踏面間に発生する空転及び滑走の発生を
検知して、すべり周波数指令器１０と切換器１２に空転
滑走検知信号ＷＳＤを出力する。すべり周波数指令器１
０は、空転滑走検知信号ＷＳＤがオフ状態では交流電動
機３に所定のトルクを発生させるのに必要なすべり周波
数指令ｆｓ＊を加算器１５に出力する。また、すべり周
波数指令器１０は、空転滑走検知信号ＷＳＤがオン状態
では交流電動機３のトルクを低減することによってレー
ルと車輪踏面間に発生した空転及び滑走を防止して再粘
着を図るに必要なすべり周波数指令ｆｓ＊を加算器１５
に出力する。電流検出器４により検出された三相交流電
流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗは、電流演算器６によりインバータ
出力電流Ｉｍに変換されて加算器１４に出力される。加
算器１４は、電流指令Ｉｍ＊とインバータ出力電流Ｉｍ
の偏差△Ｉを演算して切換器１２とリミッタ１３に出力
する。リミッタ１３は電流偏差△Ｉの極性が正の時には
０を出力し、極性が負の時には電流偏差△Ｉを切換器１
２に出力する。切換器１２は、空転滑走検知信号ＷＳＤ
のオン，オフで接点を切り換えて、電流調節器１１に出
力する。電流調節器１１の出力信号△ｆ＊は加算器１５
に入力される。加算器１５はすべり周波数指令ｆｓ＊と
電流調節器１１の出力信号△ｆ＊を加算して加算器１６
に出力する。加算器１６は加算器１５の出力とロータ周
波数ｆｒとを加算してインバータ周波数指令ｆｉを演算
し、可変電圧可変周波数制御器８に出力する。可変電圧
可変周波数制御器８は、インバータ周波数指令ｆｉに基
づいて、ＰＷＭインバータ２の出力電圧の大きさを制御
する変調率指令Ｖｃを演算してＰＷＭインバータ２に出
力する。

【０００７】次に、本実施例の電流制御系の動作を図３
を参照して説明する。図３において、（ａ）は架線電圧
Ｅｓの変動を模擬したものであり、（ｂ）は空転滑走検
出器９の出力である空転検知信号ＷＳＤであり、（ｃ）
はすべり周波数指令器１０の出力であるすべり周波数指
令ｆｓ＊であり、（ｄ）は電流指令Ｉ＊であり、（ｅ）
は（ａ），（ｂ）の状態におけるインバータ出力電流Ｉ
ｍであり、（ｆ）は加算器１４において（ｄ）の電流指
令Ｉ＊から（ｅ）のインバータ出力電流Ｉｍを減算した
偏差信号Ｉ＊ーＩｍ＝ΔＩであり、（ｇ）は電流調節器
１１の出力信号Δｆ＊であり、（ｈ）は切換器１２の動
作状態である。通常、空転がなく粘着運転していると、
（ｂ）に示す空転検知信号ＷＳＤはオフであり、（ｈ）
に示す切換器１２はａの状態にある。いま、電流指令Ｉ
＊が加算器１４に印加されていると、加算器１４におい
て（ｄ）の電流指令Ｉ＊から（ｅ）のインバータ出力電
流Ｉｍを減算し、（ｆ）に示す偏差信号Ｉ＊ーＩｍ＝Δ
Ｉが切換器１２のａを介して電流調節器１１に入力され
る。加算器１５において（ｇ）に示す電流調節器１１の
出力信号Δｆ＊と（ｃ）のすべり周波数指令器１０のす
べり周波数指令ｆｓ＊が加算され、加算器１６において
加算器１５の出力とロータ周波数ｆｒとを加算してイン
バータ周波数指令ｆｉを演算し、可変電圧可変周波数制
御器８に出力する。可変電圧可変周波数制御器８は、イ
ンバータ周波数指令ｆｉに基づいて、ＰＷＭインバータ
２の出力電圧の大きさを制御する変調率指令Ｖｃを演算
してＰＷＭインバータ２に出力する。ところで、空転が
発生し、（ｂ）に示す空転検知信号ＷＳＤがオンする
と、すべり周波数指令器１０はすべり周波数指令ｆｓ＊
を低減し、空転検知信号ＷＳＤがオフするまで、すべり
周波数指令ｆｓ＊をゆっくりと増加して空転前の値まで
回復するように動作する。また、電流指令Ｉ＊は、空転
検知信号ＷＳＤがオンすると、（ｄ）に示すようにパタ
ーン化された信号を出力する。切換器１２は、空転検知
信号ＷＳＤがオフすると同時に、ｂの状態に切り換わ
る。インバータ出力電流Ｉｍは、空転状態にあることか
ら、（ｅ）に示すように急激に減少し、電流指令Ｉ＊と
の偏差信号ΔＩはリミッタ１３を介して電流調節器１１
に入力される。空転状態が発生した初期では偏差信号Δ
Ｉは（ｆ）に示すように正の値を呈する。しかし、この
正の偏差信号ΔＩは、リミッタ１３において０値にカッ
トされ、電流制御系の発散を防止する。一方、電流指令
Ｉ＊は、（ｄ）に示すように低減した後ゆっくりと増加
して空転前の値まで回復するようにパターン化されてい
るので、その時の偏差信号ΔＩは（ｆ）に示すように負
の値を呈し、リミッタ１３の特性にしたがった値が電流
調節器１１に入力され、この結果、電流調節器１１が動
作し、電流制御系としてインバータ出力電流Ｉｍを漸増
するように働き、空転を防止する。電流指令Ｉ＊とイン
バータ出力電流Ｉｍが等しくなると、空転検知信号ＷＳ
Ｄがオフし、切換器１２がａの状態に切り換わり、再粘
着制御に復帰する。このように、本実施例では、空転発
生時に電流制御系の発散を防止して、過電流を抑制す
る。

【０００８】また、空転発生時つまり空転検知信号ＷＳ
Ｄがオンしている期間に、（ａ）に示す破線のような架
線電圧Ｅｓの変動があると、（ｅ）に破線で示すような
過大な電流変動が発生する。従来の制御では、（ｇ）に
示すように電流調節器１１の出力を切り、電流制御系の
動作を停止し、同時に、これによるインバータ装置の破
損を防止する過電流保護の動作によってインバータの動
作を停止するようにしていた。本実施例では、架線電圧
Ｅｓの変動によりインバータ出力電流Ｉｍが過大にな
り、電流指令Ｉ＊との偏差信号ΔＩが著しく大きな負の
値を呈する。しかし、切換器１２はｂの状態にあり、こ
の時の偏差信号ΔＩはリミッタ１３の特性にしたがった
リミット値で電流調節器１１に入力される。その結果、
架線電圧の変動によって過大な電流が流れようとする
と、電流調節器１１は、（ｇ）に示すようなすべり周波
数を減少させて出力電流の増加を抑制するように動作す
る。このように、本実施例は、電流制御系が発散して、
空転を増幅する方向の動作をリミッタ１３により禁止
し、過電流を抑制する方向のみの動作を常に生かすよう
している。これにより、本実施例では、従来に比し、電
流制御系の応答を高く設定することができ、電流制御系
の応答特性を著しく向上させることができる。なお、本
実施例では、架線電圧の変動について説明したが、過大
な電流が流れようとする外乱に対しても同様に動作する
ことは云うまでもない。

【０００９】図２に、本発明の第二の実施例を示す。図
１の第一の実施例と異なる点は、空転と滑走時の両方を
考慮して電流制御系を構成したことにある。図２におい
て、加算器１５の出力は切換器１８と極性反転器１７に
出力される。極性反転器１７は入力信号の極性を反転し
て切換器１８に出力する。切換器１８は、力行Ｐと回生
Ｂの運転指令に応じて切換器１８の接点を切り換え、す
べり周波数指令を加算器１６に出力する。このようにし
て、空転あるいは滑走を検知した時には、電流制御系を
出力電流が減少する方向に動作させる。そして、インバ
ータの出力周波数を力行時には空転状態にあることから
減少させ、回生時には滑走状態にあることから増加させ
る。本実施例では、力行および回生時の空転および滑走
に対して第一の実施例と同様の効果が得られる。

【００１０】図４に、本発明の第三の実施例を示す。図
１の第一の実施例及び図２の第二の実施例と異なる点
は、交流電動機の制御に励磁電流とトルク電流を独立に
制御するベクトル制御を適用したことにある。ＰＷＭイ
ンバータ２は、直流電圧を可変電圧可変周波数の交流電
圧に変換し、交流電動機３に３相の交流電圧を供給す
る。そして、このＰＷＭインバータ２は、座標変換器２
０から出力される出力電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊
と搬送波信号とを比較して作られるＰＷＭ信号演算器１
９からのオン、オフパルスにより制御される。座標変換
器２０は、加算器２６、２７から出力される励磁電流成
分、トルク電流成分に対する出力電圧指令Ｖｄ＊＊、Ｖ
ｑ＊＊と発振器２２からの座標基準信号ｓｉｎω１＊
ｔ、ｃｏｓω１＊ｔとにより、３相交流電圧指令Ｖｕ
＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を演算し、これらの指令をＰＷＭ信
号演算器１９に与える。速度検出器５からのロータ周波
数ｆｒは、加算器１６と空転滑走検出器９に与えられ
る。また、電流検出器４は、ＰＷＭインバータ２の出力
電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを検出してその検出値を座標変換
器２１に与える。座標変換器２１は、座標基準信号ｓｉ
ｎω１＊ｔ、ｃｏｓω１＊ｔに基づいて検出されたイン
バータ２の出力電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを回転磁界座標系
の励磁電流成分Ｉｄ、トルク電流成分Ｉｑに変換し、こ
れらの電流成分Ｉｄ、Ｉｑを電流制御器２４に入力す
る。すべり周波数指令器１０は、回転磁界座標系の励磁
電流指令Ｉｄ＊とトルク電流指令Ｉｑ＊とからすべり周
波数指令ｆｓ＊を演算し、加算器１６に入力する。加算
器１６は、ロータ周波数ｆｒとすべり周波数指令ｆｓ＊
とを加算してインバータの出力周波数ω１＊を演算し、
積分器２３と電圧指令演算器２５に出力する。積分器２
３は、出力周波数ω１＊から座標基準信号ω１＊ｔを演
算し、発振器２２に出力する。電圧指令演算器２５は、
出力周波数指令ω１＊と、励磁電流指令Ｉｄ＊とトルク
電流指令Ｉｑ＊と、定数として与えられる交流電動機３
に対する回路定数に基づいて、回転磁界座標系の電圧成
分指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊を演算し、加算器２６、２７に出
力する。加算器２６、２７は、この出力電圧指令演算器
２５からの出力電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊と電流制御器２
４からの出力電圧指令△Ｖｄ＊、△Ｖｑ＊をそれぞれ加
算し、励磁電流成分、トルク電流成分に対する出力電圧
指令Ｖｄ＊＊、Ｖｑ＊＊として座標変換器２０に出力す
る。

【００１１】電流制御器２４は、図５に示すように、電
流調節器２４１、２４２と、加算器２４３、２４４と、
切換器１２と、リミッタ１３とを備えて構成される。そ
して、この電流制御器２４は、励磁電流指令Ｉｄ＊、励
磁電流Ｉｄ、トルク電流指令Ｉｑ＊、トルク電流Ｉｑ及
び空転滑走検知信号ＷＳＤを入力とし、これらに基づい
て、回転磁界座標系の出力電圧指令△Ｖｄ＊、△Ｖｑ＊
を出力する。励磁電流指令Ｉｄ＊、励磁電流Ｉｄは、加
算器２４３に入力される。加算器２４３は、励磁電流指
令Ｉｄ＊と励磁電流Ｉｄの偏差を演算して電流調節器２
４１に出力する。電流調節器２４１はこの偏差を０とす
るように、回転磁界座標系の電圧指令△Ｖｄ＊を演算し
て出力する。トルク電流指令Ｉｑ＊、トルク電流Ｉｑ
は、加算器２４４に入力されて、トルク電流指令Ｉｑ＊
とトルク電流Ｉｑの偏差が演算され、その偏差が切換器
１２とリッミタ１３に入力される。リッミタ１３は、こ
の偏差の極性が負の場合のみ通過させる。この出力が切
換器１２に入力される。切換器１２は、空転滑走検知信
号ＷＳＤのオン、オフに応じて、切換器１２の接点を切
り換えて、トルク電流の偏差△Ｉｑを電流調節器２４２
に出力する。電流調節器２４２はトルク電流の偏差△Ｉ
ｑを０とするように、回転磁界座標系の電圧指令△Ｖｑ
＊を演算して出力する。次に、本実施例による電流制御
系の動作を説明する。図４の本実施例の構成は、交流電
動機３の磁束とこれに直交するトルク電流成分を独立に
制御するベクトル制御であり、電車駆動用に使用するも
のである。このため、インバータ２の直流電源は、架線
よりパンタグラフ１を介して供給され、この架線の電圧
は、他の電車の力行、回生の動作のために、その電圧変
動が大きく、電流制御系の動作が過電流を抑制する上で
極めて重要である。そこで、本実施例は、通常時には、
切換器１２のａの状態にあるが、空転あるいは滑走が発
生した場合には、空転滑走検知信号ＷＳＤにより切換器
１２をｂの状態に切り換え、トルク電流指令Ｉｑ＊とト
ルク電流Ｉｑの偏差△Ｉｑをリミッタ１３に入力する。
トルク電流指令Ｉｑ＊は、図１の電流指令Ｉ＊と同様に
パターン化されているので、空転あるいは滑走の発生時
には急減し、トルク電流の偏差△Ｉｑが正の値を呈して
いる間は、リミッタ１３によりこの偏差△Ｉｑをカット
し、電流制御系の発散を防止する。そして、トルク電流
指令Ｉｑ＊を漸増してトルク電流の偏差△Ｉｑが負の値
を呈したとき、リミッタ１３にしたがった値を電流調節
器２４２に入力し、トルク電流Ｉｑが漸増するように制
御する。トルク電流指令Ｉｑ＊とトルク電流Ｉｑが等し
くなると、空転検知信号ＷＳＤがオフし、切換器１２が
ａの状態に切り換わり、再粘着制御に復帰する。このよ
うに、本実施例では、空転あるいは滑走が発生した場合
には、トルク電流制御系をトルクが低減するように制御
して過電流を抑制し、再粘着を図る。また、本実施例で
は、直流電圧の変動がトルク電流の変動に影響すること
に着目して、トルク電流制御系に対して、空転検知信号
ＷＳＤがオンの時には、図３において説明したと同様
に、リミッタ１３によってトルク電流を絞る方向に対し
てのみ動作するようにしている。これにより、本実施例
では、従来に比し、電流制御系の応答を高く設定するこ
とができ、電流制御系の応答特性を著しく向上させるこ
とができる。

【００１２】図６に、本発明の第四の実施例を示す。図
２の第二の実施例と異なる点は、リミッタ１３を１３ａ
と１３ｂの２つ設けて、電流偏差の極性に対して電流制
御系の応答を異ならせるようにしたことである。リミッ
タ１３ｂは、図２のリミッタ１３と同じリミッタ特性を
有するが、リミッタ１３ａは、空転あるいは滑走を増幅
する側つまり電流指令Ｉ＊とインバータ出力電流Ｉｍの
偏差ΔＩが正の値を示す側のリミッタ特性を、従来の制
御系に比し、図示のように低く設定し、正常の粘着制御
時においても過電流抑制の応答を高める。本実施例によ
れば、正常時において電流指令Ｉ＊を急激に増加したと
き、従来の制御系に比し、インバータ出力電流Ｉｍの応
答を素速く安定にすることができる。

【００１３】

【発明の効果】本発明によれば、天候、路線の変化によ
るレールと車輪踏面の粘着係数の変化により、空転、滑
走が発生した場合でも、インバータの出力電流を制御す
る電流制御系を高応答に設定できるとともに、過電流を
有効に抑制することができ、また、電流制御系の動作を
継続できるので、インバータの過電流保護による動作停
止をなくし、併せて電車の加速性能を損なうことなく運
転することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例を示す制御構成図。

【図２】本発明の第二の実施例を示す制御構成図。

【図３】本発明の電流制御系の動作を説明する特性図。

【図４】本発明の第三の実施例を示す制御構成図。

【図５】第三の実施例の電流制御系の制御構成図。

【図６】本発明の第四の実施例を示す制御構成図。

【符号の説明】

２ＰＷＭインバータ３誘導電動機４電流検出器５速度検出器８可変電圧可変周波数制御器９空転滑走検出器１０すべり周波数指令器１１電流調節器１２切換器１３リミッタ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】交流電動機に可変電圧可変周波数の交流
を供給するインバータにより電車を駆動する交流電動機
駆動システムにおいて、前記インバータの出力電流を検
出する手段と前記交流電動機の回転速度を検出する手段
と前記出力電流をその電流指令に一致させるように制御
する電流制御系を備え、この回転速度から前記電車の車
輪とレール間の空転あるいは滑走を検知し、この空転あ
るいは滑走を検知した時に前記電流制御系を前記出力電
流が減少する方向に動作させるようにしたことを特徴と
するインバータ装置の制御方法。
【請求項２】交流電動機に可変電圧可変周波数の交流
を供給するインバータにより電車を駆動する交流電動機
駆動システムにおいて、前記インバータの出力電流を検
出する手段と前記交流電動機の回転速度を検出する手段
と前記出力電流をその電流指令に一致させるように制御
する電流制御系を備え、この回転速度から前記電車の車
輪とレール間の空転あるいは滑走を検知し、この空転あ
るいは滑走を検知した時に前記電流制御系を片極性のみ
に動作させるようにしたことを特徴とするインバータ装
置の制御方法。
【請求項３】交流電動機に可変電圧可変周波数の交流
を供給するインバータにより電車を駆動する交流電動機
駆動システムにおいて、前記インバータの出力電流を検
出する手段と前記交流電動機の回転速度を検出する手段
と前記出力電流をその電流指令に一致させるように制御
する電流制御系を備え、この回転速度から前記電車の車
輪とレール間の空転あるいは滑走を検知し、この空転あ
るいは滑走を検知した時には前記電流制御系を前記出力
電流が減少する方向に動作させると共に前記インバータ
の出力周波数を力行時には減少させ、回生時には増加さ
せるようにしたことを特徴とするインバータ装置の制御
方法。
【請求項４】請求項１ないし請求項３のいずれかにお
いて、前記電流制御系の応答特性を、前記電流制御系の
入力偏差の極性に対して異ならせるようにしたことを特
徴とする交流電動機駆動システム。