JPH07322406A - 電気車の制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】電気車速度に従い電動機軸回転方向の振動が増
加しても、どのような速度域においても空転・滑走検出
の不要動作は発生させないことにある。 【構成】電動機回転数の変化率を演算する単位の時間を
電気車速度に応じて増加させる。 【効果】速度に従い電動機軸回転方向の振動が増加して
も、どのような速度域においても空転・滑走検出の不要
動作は発生せず、電気車の良好な速度制御を行うことが
できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電気車の制御装置に係
り、特に空転・滑走の検出に関する。

【０００２】

【従来の技術】鉄道車両においては、動輪（動力をレー
ルに伝えるための車輪）とレール間の摩擦によりトルク
をレールに伝達し、加・減速を行っており、Ｆを動輪周
引張力（又はブレーキ力）、Ｗを動輪上重量とすると、
μ＝Ｆ／Ｗなる期待摩擦係数（粘着係数）が求められ、
通常は、動輪とレール間の摩擦係数は上式で求められる
μより大きいため、空転・滑走は発生しないが、降雨等
によって摩擦係数が低くなった場合、上式で求められる
μの値の方が大きくなり、空転・滑走が発生する。

【０００３】今、ある動輪に空転が発生したことを考え
る。図６に示すように、空転が発生した動輪、即ち空転
軸速度５は、空転を発生していない動輪、即ち列車速度
１の加速度よりも高い加速度で回転するので、その加速
度を監視することによって空転の検出が行うことができ
る。

【０００４】鉄道車両が走行するときには、レール面上
の凹凸や左右方向の歪み、車輪踏面の凹凸等により、多
くのバネ系を持つ台車には機械的な振動が発生する。ま
た、撓み継ぎ手・歯車装置などの機械的遊びも振動を増
幅する原因となり、駆動電動機にはこれらの振動が伝達
されることになる。

【０００５】この現象は低速走行時も発生するものであ
り、特にレールの接続部、分岐器通過時に大きな振動が
駆動電動機に伝達されることが知られている。これらの
振動のうち、駆動電動機の軸回転方向に発生する振動成
分は、軸回転速度に変化を与えることになり、電動機回
転数を監視して空転・滑走を検出するインバータ制御電
気車においては注意が必要である。即ち、図７（ａ)
(ｂ）に示すように、これらの振動による電動機回転数
変化まで検出すると、実際には電気車として空転・滑走
していないにもかかわらず、空転・滑走の検出を行って
しまうことになり、検出の不要動作となるためである。
従って、電動機軸回転方向の振動による回転数変化には
応答せず、且つ空転・滑走発生時には正常に検出ができ
るように検出の設定値を決定している。

【０００６】図７（ａ）は電動機回転数２に振動の重畳
がなく、列車速度１と同一である場合を示しており、こ
の場合、空転検知用回転数変化値３，空転検知用単位時
間４を図示のとおりに設定しておいても検出の不要動作
となることはないが、図７（ｂ）は電動機回転数２に振
動の重畳がある場合を示しており、この場合、図７
（ａ）と同じ空転検知用回転数変化値３，空転検知用単
位時間４に設定していると検出の不要動作が発生するこ
とを示している。

【０００７】列車が高速で走行する時には、上記にて述
べた振動が機械的な共振などの理由によって増大して行
く傾向にある。

【０００８】この問題を解決するため、電気車速度の増
大に伴って空転・滑走の検知レベル（設定値）を大きく
することが特開昭62−160001号公報に記載されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、電気
車速度の上昇に伴って空転・滑走検知レベルを増加させ
ているので、実際の空転・滑走が発生した際、大きな空
転・滑走検知レベルに加速度が到達するまで、空転・滑
走の検知が行われず、空転・滑走状態が長い間継続して
しまうという問題があった。

【００１０】本発明の目的は、空転・滑走以外の振動に
よる誤検知を少なくし、しかも、空転・滑走は短期間で
検知することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的は、電動機回転
数の変化率を演算するための時間を、電気車速度の上昇
に伴って、大きくすることによって解決される。

【００１２】

【作用】電動機回転数に重畳される機械的共振などの振
動は、電気車速度の増大に伴って振幅が大きくなること
は前述の通りである。しかし、共振の周波数はあまり変
化しないので、もし、電動機回転数の変化率を演算する
ための時間が一定であり、振動の半周期の谷と山の値を
サンプリングしたとすると、その値から演算される変化
率は、電気車速度の増加に応じて大きくなってしまう。
上記従来技術では、空転・滑走検知レベルを電気車速度
に応じて大きくしているのであるが、前述のごとく本当
の空転・滑走を検知することが遅れてしまう。

【００１３】そこで、電動機回転数の変化率を演算する
ための時間を、電気車の速度の上昇に応じて大きくする
ことにより、加速度の算出に機械的な共振による影響を
少なくするようにした。例えば、振動の半周期の谷と山
ではなく振動の１周期半の谷と山をサンプリングしたと
すると、演算される加速度は半周期の演算に比べて小さ
くなる。

【００１４】以上により、演算周期が長くなる分検出は
遅れるが、本来の空転・滑走の検出精度を変えずに、誤
検知を極力減少させることができる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１乃至図４を用
いて説明する。

【００１６】駆動電動機に交流誘導電動機（図示しな
い）を可変電圧・可変周波数インバータ（図示しない）
にて制御するＶＶＶＦインバータ制御電気車における制
御を例にとって説明する。図１のブロック図において、
図示しない誘導電動機に取り付けられたＰＧセンサ６か
らの信号を電動機回転数検出手段７に入力し電動機回転
数を最大／最小選択部９に入力する。最大／最小選択部
９では力行時には入力された電動機回転数のうち最小値
を、回生（ブレーキ）時には最大値を選択して出力す
る。これは、力行時には最小の値を出力している電動機
が空転してなく、反対に、回生時には最大の値を出力し
ている電動機が滑走していないという考えに基づくもの
である。この値は帰還電動機回転数１０として、インバ
ータ周波数２０を作成するために用いられる。

【００１７】一方、図示しない誘導電動機Ｕ相Ｖ相Ｗ相
の電動機電流を電動機電流検出器で検出し、実効値演算
部１２に出力する。実効値演算部１２では、電動機電流
実効値１３を演算し電流帰還値を出力する。この電動機
電流実効値１３と電動機電流指令１４との偏差が電流制
御部１５に入力され、電動機電流実効値１３が電動機電
流指令１４に追従するようなすべり周波数補正値１６が
出力される。このすべり周波数補正値１６とすべり周波
数指令１７が加算されすべり周波数１８が出力され、帰
還電動機回転数１０と加減算され、ダンピング制御部１
９によりダンピング制御が施されてインバータ周波数２
０を得る。図示しないインバータは、このインバータ周
波数２０及びこのインバータ周波数２０によって演算さ
れるインバータ出力電圧指令に基づいてパルス幅変調制
御される。

【００１８】さて、駆動用誘導電動機は撓み継ぎ手、歯
車装置を介して車輪（いずれも図示しない）に接続され
ており、撓み継ぎ手、歯車装置の機械的な遊びを無視す
れば、電動機回転数を検出することは、車輪の回転数を
検出していることと同一である。従って、検出した電動
機回転数から、単位時間当りの電動機回転数変化を演算
し、その値が予め設定してある値（設定値）以上となっ
た場合に、空転検出信号を出力する手段（図３中の空転
検出部２１）を設けておけば、容易に空転の検出が可能
となる。

【００１９】図２に空転検出部２１の構成を示す。この
空転検出部２１は電動機の各軸毎に設けられ、電動機回
転数検出手段７から出力された各軸の電動機回転数８は
リングバッファ２４に記憶される。現在入力した電動機
回転数Ｆ（０）と検出用単位時間Ｔ前の電動機回転数Ｆ
（−Ｔ）とを回転数変化値演算部２７を用いて減算する
ことにより回転数変化値を求める。その値ΔＦを変化率
演算部に入力してΔＦ／Ｔの演算を施すことにより変化
率を演算する。この値が予定の値（設定値）であるＫを
超えたことを比較器３０にて検出することにより空転・
滑走を検出する。

【００２０】前述したように、機械系の共振は列車速度
が増すにつれて振幅が大きくなる傾向があるので、この
ままでは速度が大きくなるにつれて空転の誤検知が増加
してしまう。そこで、本実施例では、検出値演算部３４
にて回転数変化率の演算のための単位時間Ｔを速度に応
じて大きくし、この値を回転数出力部２５０及び変化率
演算部２５２に出力し、この単位時間Ｔに基づいて変化
率を演算する。

【００２１】この様子を図５を用いて説明する。図４は
列車速度に機械系共振（電動機回転数）が重畳されたグ
ラフである。但し、理解を助けるため機械系共振を誇張
している。

【００２２】電気車速度が小さい場合の単位時間ＴをＴ
１とすると、β１／Ｔ１が回転数の変化率α１である。
変化率の演算を電気車速度が大きくなっても変えないと
すると、機械系共振の振幅が大きくなった分だけ変化率
α１は大きくなってしまう。前記した従来技術では設定
値Ｋを速度に応じて大きくしているが、空転・滑走検知
感度が鈍くなってしまい本来の空転・滑走を検出するこ
とができない。本実施例では、単位時間Ｔを電気車速度
が増すにつれＴ２と大きくすることによりこの問題を解
決している。すなわち、図示のように単位時間ＴをＴ２
とすることによって機械系共振の影響を少なくしてい
る。単位時間ＴがＴ１の場合とＴ２の場合を比較すると
機械系共振の振幅が大きくなっているにもかかわらず、
変化率αがあまり変わっていないことがわかる。このよ
うに本実施例では、単に、単位時間Ｔを速度に応じて変
化させるだけで、空転・滑走検知に与える機械系共振の
影響を極力なくし、しかも設定値Ｋを変えないので本来
の空転・滑走検知感度は変わらない。

【００２３】ところで、変化率の演算を上記実施例のよ
うに除算を用いて行うことは演算速度の関係から結果的
に空転・滑走の検知を遅らせてしまうことになってしま
う。このため、普通は減算器２７の出力であるβを直接
比較器３０に入力し、設定値Ｋとの比較によって空転・
滑走検知を行っている。この場合、例え機械系共振がな
くても単位時間Ｔを大きくすると列車速度に応じて減算
器２７の出力であるβが大きくなってしまう。このた
め、高速域では電気車加速度が設定値を上回ってしまう
という問題が生じてしまう。この問題を解決するため、
本実施例では、電気車の加速度は電気車毎にほぼ一定で
あることを利用して、速度に応じて単位時間Ｔを大きく
するとともに設定値Ｋを単位時間Ｔの変化に比例して大
きくするようにした。以下、図３を用いて説明する。

【００２４】図２に示した実施例と相違する点は、空転
・滑走検知を２種類設け現象のことなる空転・滑走を検
知し、夫々について単位時間及び設定値を電気車速度に
応じて変化させるようにした点である。空転・滑走検知
を２種類とした理由は、 比較的空転加速度が高く、大きな空転現象に発展する
恐れのあるものに対しては、回転数変化値が大きく且つ
検知の単位時間の短い検出を（２５，２８，３１が対応
する）、 比較的空転加速度が低く、の検出手段では検出でき
ない空転現象に対しては、回転数変化値が小さく且つ検
知の単位時間の比較的長い検出を（２６，２９，３２が
対応する）行うようにするためである。

【００２５】列車速度に応じて空転の検出設定値を変化
させるため、空転検出部２１に対し、検出設定値を出力
させるための機能として検出値演算部３４を追加する。

【００２６】検出値演算部３４は正規化した電動機回転
周波数１０（電動機回転数を用いなくても、トレーラー
車の軸回転数を用いて本当の電気車速度を検出しても構
わない）を入力し、その電動機回転周波数１０、即ち列
車速度に対応して単位時間演算部３５，３６が、検知の
単位時間２５，２６を、また、回転数変化値演算部３
７，３８が回転数変化設定値２８，２９を出力する。図
３では検知の単位時間及び設定値について、各々二組の
変数を出力するように示しているが、これは前記したよ
うに、空転検出部２１の構成が二段階の検出手段を持つ
構成となっていることに対応したものである。

【００２７】高速走行時の電動機軸回転方向の振動によ
る空転・滑走検出の不要動作を防止することが目的であ
るから、図３中の検出信号３１に対応する系は速度に応
じて検知の単位時間Ｔ１を長く取るようにする。更に、
検知の単位時間Ｔ１を長くするのに伴い、設定値Ｋ１に
ついても増加させる。これは、前記したように検知の単
位時間Ｔ１のみ長くし、設定値Ｋ１を同一のままとする
と図５に示すように検知の感度として緩む方向にいか
ず、列車速度として上昇していることを考慮すると、却
って検知動作が発生し易くなるのを防止するためであ
る。もう一方の系の単位時間Ｔ２，設定値Ｋ２も同様で
ある。

【００２８】また、図４中の各演算部３５〜３８に示す
変曲点での電動機回転周波数、即ち速度Ｖ１，Ｖ２、及
び速度に対応した各設定値の関数については、当該制御
を行う電気車の特性により、現車試験などを通して任意
に設定されるものとする。

【００２９】以上、空転の検出方法について説明を行っ
たが、滑走の検出方法についても加速度の向きが逆（減
速度）となるだけで、原理は同一である。

【００３０】さて、空転・滑走が上記原理に基づいて検
知されると、再粘着制御が実行される。図１を用いて説
明する。空転・滑走が発生すると空転検出部２１が空転
・滑走検知信号を再粘着制御部２３及びラッチ２２に出
力する。再粘着制御部２３におけるラッチ２３０はその
時のすべり周波数の値をラッチする。一方ラッチ２２は
空転・滑走検知信号が入力されると再粘着用切換え器４
０をｂからａ側に切換える。ラッチ２３０にてラッチさ
れたすべり周波数は所定の値ｆｓ０だけ減算されて高位
選択部２３２に入力される。この出力に基づいてインバ
ータ周波数を作成するとともに、さらにラッチ２３０に
入力され、所定の値ｆｓ０減算される。この状態は、す
べり周波数が０になるまでまたは空転・滑走が終了する
まで継続する。

【００３１】以上のように、空転・滑走検出が行われる
と、再粘着制御系が動作し、駆動電動機のトルクを減少
させる動作をするため、力行時であれば加速の妨げを招
き、ブレーキ時であれば、減少した電気制動力を空気制
動でまかなうため、ブレーキディスクの摩耗，乗り心地
の悪化などを招く不具合が発生する。本実施例によれ
ば、機械系の共振による誤検知を減少させ、しかも、再
粘着制御が必要な空転・滑走を確実に検知するようにし
たので、不要なトルクの不足やブレーキの摩耗などを防
ぐことができるという効果がある。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、速度に従い電動機軸回
転方向の振動が増加しても、空転・滑走検出の不要動作
は発生せず、電気車の良好な速度制御が行うことができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す図。

【図２】空転検出部の一実施例を示す図。

【図３】空転検出部の他の実施例を示す図。

【図４】本発明の原理を示す図。

【図５】空転発生時の電動機回転数の挙動を示す図。

【図６】電動機回転数に振動が重畳されない場合とされ
た場合を示す図。

【符号の説明】

１…列車速度、２…電動機回転数、３…検知用回転数設
定値、４…検知用単位時間、５…空転軸速度、６…ＰＧ
センサ、７…電動機回転数検出手段、８…各軸の電動機
回転数、９…最大／最小選択部、１０…正規化した電動
機回転数（帰還電動機回転数）、１１…電動機電流検出
器、１２…実効値演算部、１３…電動機電流実効値、１
４…モータ電流指令、１５…電流制御部、１６…すべり
周波数補正値、１７…すべり周波数指令、１８…すべり
周波数、１９…ダンピング制御部、２０…インバータ周
波数、２１…空転検出部、２２，２３０…ラッチ、２３
…再粘着制御部、２４…リングバッファ、２５，２６，
２５０…検出用単位時間、２７，２３１…減算器、２
８，２９，２５３…設定値、３０…比較器、３１，３２
…検出信号、３３…ＯＲ論理、３４…検出値演算部、３
５，３６…単位時間演算部、３７，３８…設定値演算
部、４０…再粘着用切換え器、２３２…高位選択部、
２５１…電動機回転数現在値出力部、２５２…変化率演
算部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岩滝 雅人 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 (72)発明者 笹沼 勇二 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 (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】主電動機回転数の単位時間当りの変化が予
   定の値よりも大きくなったことで空転又は滑走の検出を
   行う空転・滑走検出手段とを備えた電気車の制御装置に
   おいて、前記単位時間を電気車の速度に応じて変化させ
   る手段を備えた電気車の制御装置。
2. 【請求項２】請求項１において、前記空転・滑走検出手
   段は、主電動機回転数の単位時間当りの変化量が予定の
   値よりも大きくなったことで空転または滑走を検出する
   ものであり、この単位時間を電気車の速度に応じて変化
   させるとともに前記予定の値を変化させるように構成し
   た電気車の制御装置。
3. 【請求項３】請求項２において、前記単位時間の変化は
   電気車速度に比例して増加させるようにした電気車の制
   御装置。
4. 【請求項４】請求項２において、前記予定の値の変化量
   は前記単位時間の変化量に比例させるものである電気車
   の制御装置。