JPH0787606A

JPH0787606A - 電気車用制御装置の自己診断方式

Info

Publication number: JPH0787606A
Application number: JP25374993A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Akiyama; 弘之秋山
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-09-16
Filing date: 1993-09-16
Publication date: 1995-03-31

Abstract

(57)【要約】【目的】地上の試験用の装置を用いてのみ行ない得な
かった主回路センサついて、車上（試験）装置のみで全
ての機能をチェックし、試験効率を向上させるに好適な
電気車用制御装置の自己診断方式を提供することにあ
る。【構成】同一編成内に構成され、各種センサを具備す
る複数の制御装置と、これらの制御装置を結ぶデータ伝
送装置と、各制御装置からの情報を一括して処理する処
理装置を有する電気車用制御装置において、各制御装置
に設けられた架線電圧検出用センサの出力を全ての制御
装置について比較し、それらの値の誤差が予め定められ
た範囲内にあるとき、この出力を元に、各制御装置内の
回路構成から回路方程式を用いて求めた各センサの出力
の関係式に、各センサの実測値を代入し、関係式が予め
定められた誤差範囲内にあるか否かを診断する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、主に同一編成内に複数
のユニットを有する電気車用の制御装置に係り、特に、
制御、保護用に設けられた各種センサの性能を診断する
電気車用制御装置の自己診断方式に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般的な電気車の制御装置において、そ
の機能を診断する方法として、従来制御装置の付属装置
として等価信号発生機能と判断機能を合わせ持たせた装
置を設け、制御装置が動作していない時間、例えば車庫
や留置線または駅停止時に、制御装置に等価信号を与
え、それに対する制御装置の動作信号を監視し、その関
係が予め定められた条件を満たしているか否かをもって
行なう。その例としては、特開昭６０−９６１０１号公
報に述べられており、その概要を図２に示す。被チェッ
ク機器１５に正規の信号１０ａ、１０ｂ、１０ｃとは別
に、切り替えによって模擬信号１２ａ、１２ｂ、１２ｃ
が加えられるようになっている。機器をチェックする際
には、車上に搭載された診断装置１９の模擬信号発生部
１６から模擬信号１２ａ、１２ｂ、１２ｃを被チェック
機器１５に与え、被チェック機器１５の出力１１ａ、１
１ｂ、１１ｃを入力部１８に入力し、機器の応答を監視
することにより、演算部１７でチェックする。通常、車
上の診断装置で等価信号を発生できる範囲は、実用上通
常、電子回路レベルであり、被診断機器の診断対象範囲
は電子回路またはシーケンス機器に留まっている。例え
ば主回路の高圧センサ、すなわち電圧検出器（ＰＴ）、
電流検出器（ＣＴ）の類の等価入力を発生させるために
は、高電圧、大電流発生器が必要になり、これは重量も
外形も大きく、車上に搭載することは現実的には不可能
であることがその理由である。この種の主回路のセンサ
の診断に関しては、通常は次のやり方に依っている。す
なわち、車両を特定の検修線に移動させ、その線路の脇
に高電圧、大電流発生器を設備しておき、通常センサの
本来の接続線を外し、替わりに当該高電圧発生器、大電
流発生器を接続し、同時にそのセンサの出力を測定し、
それが決められた関係を保っているか否かを判断し、診
断する。センサの動作さえ確認できれば、それより後段
の機能については、上記公知例に示される方法で診断可
能である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の方式に依れば、
車上の制御装置の殆どの機能は車上の診断装置のみで診
断可能であるが、主回路のセンサ等の機能の確認につい
ては、上記例のように地上の試験用の装置を用いて初め
て行ない得るものであり、車上装置のみで全ての機能を
チェックすることはできず、試験効率の向上に関して問
題となっていた。本発明の目的は、上記の問題点に鑑
み、試験効率の向上に好適な電気車用制御装置の自己診
断方式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、同一編成内
に構成され、各種センサを具備する複数の制御装置と、
これらの制御装置を結ぶデータ伝送装置と、各制御装置
からの情報を一括して処理する処理装置を有する電気車
用制御装置において、各制御装置に設けられた架線電圧
検出用センサの出力を全ての制御装置について比較し、
それらの値の誤差が予め定められた範囲内にあるとき、
この出力を元に、各制御装置内の回路構成から回路方程
式を用いて求めた各センサの出力の関係式に、各センサ
の実測値を代入し、関係式が予め定められた誤差範囲内
にあるか否かを診断することによって、達成される。

【０００５】

【作用】電気車の制御装置においては、通常同一編成内
で複数のユニットから構成されており、更にそれぞれの
制御装置に含まれる一部のセンサは同一の状態量を検出
していることに着目し、本来の各センサの出力が同一値
または何らかの特定の関係にあることを常にチェックす
るにより、各センサが正しい出力を出していることを間
接的に確かめる。これにより、地上の試験用の装置を用
いてのみ行ない得なかった主回路センサついて、車上装
置のみで全ての機能をチェックすることができ、試験効
率が向上する。

【０００６】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。図１に、
本発明の一実施例を示す。図１は、一編成内に、２つの
制御装置（ユニット）３を持つ列車の機器構成を示して
いる。２つのユニットはデータ伝送装置４ａ、４ｂによ
り結ばれ、各ユニット３からの情報を共有する処理装置
５を有する。。この処理装置５は、以下に述べる判断結
果を乗務員または保守員に知らせるための報知装置また
は外部の報知装置に接続するべき接続手段を有してい
る。なお、本実施例において、情報を共有する処理装
置５は、先頭車に独立した形で表現されているが、特に
設置場所や、存在の独立性は必要条件ではない。各制御
装置３は、架線１に接するパンタグラフ６から電力の供
給を受け、レール２上の車輪８を駆動するモータ８を制
御する。

【０００７】各制御装置３の回路構成を図３に示す。本
図はインバータ制御を採用した場合の主回路を例示した
ものである。パンタクラフ６は主回路スイッチ２１、フ
ィルタリアクトル２２、フィルタコンデンサ２３を介
し、ＧＴＯサイリスタ２５からなるインバータ部２４に
接続され、インバータ部２４は複数の各モータ７に接続
される。パンタクラフ６から供給される直流電流は、イ
ンバータ部２４において三相電流に変換され、各モータ
７に出力される。この制御装置３に組み込まれている主
回路センサは、架線電圧を検出するＰＴ３１、架線電流
を検出するＣＴ３２、更にフィルタコンデンサ電圧を検
出するＰＴ３３、三相の各モータ電流を検出するＣＴ３
４である。なお、制御装置にはその他多くのセンサーが
使用されるが、ここでは割愛する。また、その他のセン
サーとしては、モータの回転数を検出する回転数検出用
センサ３５がある。各制御装置３は基本的には独立制御
を行なっており、モータ７の電流や架線電流などは、各
ユニットが荷重条件等をもとに独自の指令を与えてお
り、各ユニットで異なるのが普通である。しかし、架線
電圧については、勿論、架線のわずかな電圧降下による
違いはあり得るが、殆ど各ユニットで同一であると見做
しても差し支えない。通常その違いは１％以下である。
また、各ユニットの車輪８はレール２を介して接続され
ており、モータ７の回転数は、やはり基本的にはどのユ
ニットでも同一の値をとると考えても良い。勿論、車輪
には空転、滑走、更には車輪径の摩耗による誤差を生ず
る可能性もあるが、例えば電気車の科学４４巻、第１号
の記事中Ｐ１５、図−５に示された滑走検知信号が出力
されている間は無効とするなどの技術を適用すれば、的
確な補正が可能である。また、車輪径による回転数の違
いも、予め測定された車輪径値を記憶しておけば、計算
により補正可能である。

【０００８】ここで、架線電圧検出用センサＰＴ３１を
確認する方法を述べる。各制御装置３の架線電圧検出用
センサＰＴ３１からの出力を全て収集し、各々の違いを
求める。本来なら被測定値が同じであるから、その検出
値も同一値でなくてなならない。もし、いずれかのセン
サの変換比が正常値からずれた場合には、互いの出力値
が異なることになる。逆に、同一であれば両センサとも
正常であると判断できる。また、モータの回転数検出用
センサ３５についても、架線電圧検出用センサＰＴ３１
と同様なことが云える。上記のチェックにより、架線電
圧検出用センサＰＴ３１の出力が正しいと確認した後
は、これをもとに、各制御装置３内に設けられた他のセ
ンサの出力を予め定められた回路的、物理的関係が満た
されているということで、チェックを行なって行く。

【０００９】まず、電源側からフィルタコンデンサ電圧
検出用ＰＴ３３および架線電流検出用ＣＴ３２を確認す
る方法を述べる。図３から分かるように、架線電圧とフ
ィルタコンデンサ２３の電圧は、フィルタリアクトル２
２の電圧降下分だけ異なる。フィルタリアクトル２２の
平均的な電圧降下はオームの法則から架線電流Ｉｓにフ
ィルタリアクトル２２の抵抗値を乗じたものとなる。一
方、フィルタコンデンサ２３にはインバータ部２４の断
続電流が流れ込むので、フィルタコンデンサ電圧は多く
のリップル分を含んではいるが、その電圧の平均値をと
った場合、上記２つの状態量間には次の関係が成立して
いる。

【数１】Ｉｓ×Ｒ＝Ｅｓ−Ｅｃ（１）ここで、Ｉｓ：架線電流Ｒ：フィルタリアクトルの抵抗値Ｅｓ：架線電圧Ｅｃ：フィルタコンデンサ電圧上式の関係を調べる具体的な一実施例を図４に示す。各
センサからの信号は、制御論理部２７に入力される。２
７には上記の論理が組み込まれており、架線電流検出用
ＣＴ３２で検出された架線電流Ｉｓ信号は演算部４１に
おいてフィルタリアクトルの抵抗Ｒと乗じられる。フィ
ルタリアクトルの抵抗Ｒは測定などに依って知りうるそ
の制御装置固有の値であり、予め記憶された値が用いら
れる。また、架線電圧検出用ＰＴ３１で検出された架線
電圧Ｅｓとフィルタコンデンサ電圧検出用ＰＴ３３で検
出されたフィルタコンデンサ電圧Ｅｃは差を計算し、演
算部４１の出力と比較される。比較部４３ａは、両方の
信号の違いを監視しており、あるしきい値を超えた場
合、即ち、フィルタコンデンサ電圧検出用ＰＴ３３また
は架線電流検出用ＣＴ３２に異常があり、上式の関係が
成立しない場合、異常を外部に報知する信号を出力す
る。

【００１０】つぎに、モータ７への電流を検出する各相
電流検出用センサＣＴ３４の確認方法を以下述べる。も
っとも簡単なのは、３つの相電流センサＣＴ３４の出力
の各瞬時値の総和が常にゼロになることであるが、この
他、上記の方法のように他のセンサとの関係から推定す
る方法を以下に述べる。モータ（誘導電動機）側の等価
回路を図５に示す。この等価回路において、入力電圧Ｖ
₁と電流Ｉ₁の関係が各種パラメータを決定することによ
って決まる。ここで、Ｒ₁、Ｒ₂、Ｌ₁、Ｌ₂はモータの型
式によって決まる値である。電流Ｉ₁は、等価回路に対
する回路方程式を解き、電流Ｉ₁に対して式を展開すれ
ば求めることができる。以下に結果のみを示す。

【数２】また、すべりＳは次式により表される。

【数３】Ｓ＝（ｆｉ−ｆｒ）／ｆｉ（３）ここで、ｆｉ：インバータ周波数ｆｒ：ロータ周波数インバータ周波数ｆｉは、制御装置３の論理部２７がイ
ンバータ部２４の各々の素子２５にゲート信号を適当な
タイミングで与えることにより制御する。また、ロータ
周波数ｆｒはモータ７の回転数に比例し、これは先に述
べたように各ユニット内の回転数検出用センサ３５から
知りうる。この２つのデータからすべりＳは上記式によ
り求められる。次に、入力電圧Ｖ₁は次の式から求めら
れる。

【数４】ここで、Ｅｃ：インバータ部入力電圧Ｍ：変調率ここで、変調率Ｍはセンサで検出する値ではないが、先
程のインバータ周波数ｆｉと同様、制御装置３の論理部
２７が制御し、ゲート信号としてインバータ部２４内の
各々の素子２５に与えるものである。また、インバータ
部入力電圧は、図３から分かるように、フィルタコンデ
ンサ電圧Ｅｃに等しい。以上の手順により、すべりＳ及
び入力電圧Ｖ₁が既知となる。これから、（２）式によ
り電流Ｉ₁を求めることができる。ここで計算した電流
Ｉ₁の値と相電流検出用センサＣＴ３４から検出された
実測値は、本来同じ値にあるはずである。この式は物理
的に常に成立しなければならないので、もし、この式が
成立しない場合は、検出した値が間違っていると考える
べきである。すなわち、制御装置３は相電流検出用セン
サＣＴ３４の値を元に制御をしているわけであるが、例
えば相電流検出用センサＣＴ３４の変換比が狂い、正規
の半分になっていたとする。とすると、制御は変換後の
検出値を元にそれが指示された値になるようインバータ
周波数ｆｉ、変調率Ｍを制御する。その結果、実際には
２倍の電流が流れることになる。ところが（２）式に当
て嵌めると、その周波数ｆｉ、変調率Ｍでは、電流はも
っと少なく流れていなければならない、ということが判
り、相電流検出用センサＣＴ３４などの不合理が結果と
して指摘できる。上記の関係を調べる具体的な一実施例
を図６に示す。各相の電流は３つの相電流センサＣＴ３
４ａ〜３４ｃで検出され、それぞれの相電流Ｉｕ、Ｉ
ｖ、Ｉｗは演算部４４で遂次加算される。先に述べたと
おり、本来全信号の合計は〃ゼロ〃になるはずである
が、いずれかのセンサが誤った信号を出力していると、
演算結果はゼロにならず、異常であることがわかる。こ
れは比較部４３ｂで検知され、あるしきい値を超えた場
合、異常を外部に報知する信号を出力する。また、フィ
ルタコンデンサ電圧検出用ＰＴ３３で検出されたフィル
タコンデンサ電圧Ｅｃを元に、電圧Ｖ₁を演算部４５
で、また電流Ｉ₁を演算部４６で計算する。それぞれの
演算部の処理は、上式（４）並びに式（３）によってい
る。任意の相の電流はこの電流Ｉ₁と等しくなるはずで
あり、センサで検出した電流と演算部４６の出力とを比
較部４３ｃで比較する。お互いの差があるしきい値を超
えた場合、異常を外部に報知する信号を出力する。

【００１１】この確認方法では条件を満たしている場合
は、各センサが正しいと仮定することができるが、もし
条件が満たされなかった場合、どのセンサが狂っている
かを決定することは出来ない。これが本方式の限界であ
る。ただし、本発明の目的は、各機器が正常な状態を維
持しているかを確認することであり、「正常でない」と
いうことが知り得れば良く、何が正常でないかは次の段
階の問題として差し支えなく、充分実用に供しうるもの
である。本実施例によれば、各ユニット間で共通の値を
持つ検出値を元にして、順次各センサ間の関係を計算す
ることによって確認することにより、全てのセンサが正
常であるかを知ることができる。

【００１２】本発明の他の実施例を図７に示す。これは
チョッパ制御装置の１ユニット分の構成例である。この
チョッパ制御装置におけるモータ電流用センサ３４の確
認方法について述べる。フィルタ回路廻りは、インバー
タ装置と同様であるが、チョッパ制御装置の場合は、通
常速度センサはついておらず、モータ電流用センサ３４
の確認には、速度の条件を勘案する必要はない。すなわ
ち、モータ電流と、他のセンサの値の関係は次式が使用
可能である。

【数５】Ｉｓ＝Ｍ×Ｉｍ（５）ここで、Ｉｍ：モータ電流値Ｍ：通流率Ｉｓ：架線電流値ここで計算したモータ電流Ｉｍの値とモータ電流用セン
サＣＴ３４から検出された実測値は、本来同じ値にある
はずである。この式は物理的に常に成立しなければなら
ないので、もし、この式が成立しない場合は、検出した
値が間違っていると考えるべきである。

【００１３】次に、架線電圧検出用センサＰＣ３１を持
たない場合の診断方法について述べる。図８にその種の
主回路構成図を示す。この場合、直接比較すべき架線電
圧を検出するセンサーがない。しかし、架線電圧Ｅｓは
フィルタコンデンサ電圧Ｅｃと、架線電流Ｉｓから次の
関係が推定できる。

【数６】Ｅｓ＝Ｅｃ＋Ｒ×Ｉｓ（６）これを各制御装置単位に計算した結果得られた架線電圧
Ｅｓは、ほぼ一致するはずである。また、更に架線電流
検出用センサＣＴ３２が無い場合にも、計算により推定
する方法もある。図５の等価回路をもとに説明する。こ
の回路は交流電流が流れるから、有効電力と無効電力が
発生するわけであるが、有効電力についてインバータ部
２４の入力と出力は、エネルギー保存の法則により、等
しいと考えることができる。勿論インバータ部２４の損
失は若干あり、これを勘案することは場合によっては必
要である。有効電力Ｐｏは、次式で表される。

【数７】一方、インバータの電源側の入力Ｐｉは

【数８】Ｐｉ＝Ｅｃ×Ｉｓ（８）以上から

【数９】Ｐｉ＝Ｐｏ＋Ｐｌ（９）ここで、Ｐｌはインバータの変換に伴うロスであり、電
流Ｉ₁、電圧Ｖ₁などの関数として求め、記憶しておくこ
とが便利である。上記（７）、（８）、（９）式から、
架線電流Ｉｓは計算できる。そして、（６）式から架線
電圧Ｅｓを計算することができる。

【００１４】

【本発明の効果】本発明によれば、従来の車上に搭載し
た自己診断装置では対象範囲外とするしかなかった主回
路センサついて、車上装置のみでその機能が正常である
か否かを推定することができる。また、車上の制御装置
を構成する機器および地上の試験用の装置を用いてのみ
行ない得なかった主回路センサついて、車上装置のみで
全ての機能をチェックすることができので、試験効率の
向上が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例

【図２】従来の自己診断機能を実現するための構成例

【図３】本発明のインバータ制御装置の実施例

【図４】本発明の診断の具体的な実施例

【図５】モータの等価回路

【図６】本発明の診断の具体的な実施例

【図７】本発明のチョッパ制御装置の実施例

【図８】本発明のインバータ制御装置の他の実施例

【符号の説明】

１架線２レール３制御装置４伝送装置５処理装置６パンタグラフ７モータ８車輪１０入力信号線１１出力信号線１２模擬信号線１３切り替え信号線１５被試験対象制御装置１６模擬信号発生部１７演算部１８入力部１９診断装置２１主回路スイッチ２２フィルタリアクトル２３フィルタコンデンサ２４インバータ部２５ＧＴＯサイリスタ２６ダイオード２７制御論理部３１架線電圧検出用ＰＴ３２架線電流検出用ＣＴ３３フィルタコンデンサ電圧検出用ＰＴ３４モータ電流検出用ＣＴ３５回転数検出用センサ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】同一編成内に構成され、各種センサを具
備する複数の制御装置と、これらの制御装置を結ぶデー
タ伝送装置と、各制御装置からの情報を一括して処理す
る処理装置を有する電気車用制御装置において、各制御
装置に設けられた架線電圧検出用センサの出力を全ての
制御装置について比較し、それらの値の誤差が予め定め
られた範囲内にあるとき、この出力を元に、各制御装置
内の回路構成から回路方程式を用いて求めた各センサの
出力の関係式に、各センサの実測値を代入し、関係式が
予め定められた誤差範囲内にあるか否かを診断すること
を特徴とする電気車用制御装置の自己診断方式。
【請求項２】同一編成内に構成される複数の制御装置
と、これらの制御装置を結ぶデータ伝送装置と、各制御
装置からの情報を一括して処理する処理装置を有する電
気車用制御装置において、各制御装置に設けられた架線
電圧検出用センサの出力を全ての制御装置について比較
し、それらの値の誤差が予め定められた範囲内にあるか
否かを診断することを特徴とする電気車用制御装置の自
己診断方式。
【請求項３】同一編成内に構成され、各種センサを具
備する複数の制御装置と、これらの制御装置を結ぶデー
タ伝送装置と、各制御装置からの情報を一括して処理す
る処理装置を有する電気車用制御装置において、各制御
装置に設けられた架線電圧検出用センサの出力（Ｅｓ）
を全ての制御装置について比較し、それらの値の誤差が
予め定められた範囲内にあるとき、フィルタコンデンサ
電圧検出用センサの出力（Ｅｃ）及び架線電流検出用セ
ンサの出力（Ｉｓ）との関係を、フィルタリアクトルの
抵抗値をＲとしたときに、Ｉｓ×Ｒ＝Ｅｓ−Ｅｃとした関係式を用いて診断することを特徴とする電気車
用制御装置の自己診断方式。
【請求項４】同一編成内に構成され、各種センサを具
備する複数の制御装置と、これらの制御装置を結ぶデー
タ伝送装置と、各制御装置からの情報を一括して処理処
理装置を有する電気車用制御装置において、各制御装置
に設けられた架線電圧検出用センサの出力を全ての制御
装置について比較し、それらの値の誤差が予め定められ
た範囲内にあるとき、各制御装置に設けられたモータの
回転数検出用センサから求められるロータ周波数と制御
装置が自ら出力するインバータ周波数及び変調率とフィ
ルタコンデンサ電圧検出値を元にモータの等価回路から
計算されるモータ電流と、モータ電流検出用のセンサか
ら検出される実測値とを比較し、誤差が予め定められた
範囲内にあるか否かによってモータ電流検出用センサを
診断することを特徴とする電気車用制御装置の自己診断
方式。
【請求項５】同一編成内に構成される複数の制御装置
と、これらの制御装置を結ぶデータ伝送装置と、各制御
装置からの情報を一括して処理する処理装置を有する電
気車用制御装置において、各制御装置に設けられたモー
タの回転数検出用センサの出力を全ての制御装置につい
て比較し、それらの値の誤差が予め定められた範囲内に
あるか否かを診断することを特徴とする電気車用制御装
置の自己診断方式。