JPWO2018100630A1 - 推進制御装置 - Google Patents

Abstract

推進制御装置は、電気車を駆動する電動機に電力を供給する電力変換装置を備える。推進制御装置は、電動機に発生させるトルク指令値を演算するトルク指令演算部（３０）を備える。トルク指令演算部（３０）は、運転指令に基づいて第１のトルクτ_１を演算する目標値演算部（３２）と、電気車の受電電圧Ｖ_ｒに基づいて第１のトルクτ_１の変化率を抑制したトルクである第２のトルクτ_２を演算して出力する変化率制御部（３４）と、を備える。

Description

本発明は、電気車を駆動する電動機に電力を供給する電力変換装置を制御する推進制御装置に関する。

一般に電気車は、架線からの電力を集電装置で取り入れ、取り入れた電力を使用してインバータ装置といった電力変換装置で電動機を駆動して走行する構成とされる。車両に推進力を発揮させるときは、架線から供給される電力を消費して電動機を駆動する、いわゆる力行運転が行われ、車両にブレーキをかけるときは、電動機を回生運転してブレーキ力を得る、いわゆる回生ブレーキ制御が行われる。

ところが、架線に電力を供給する変電所の容量が小さい場合、又は変電所から電気車までの距離が長いために架線での電圧降下が大きい場合には、電動機の力行運転中に電気車の受電電圧が低下する場合と、上昇する場合とがある。

受電電圧が低下する場合において、受電電圧の低下が顕著であるときは、低電圧のために電力変換装置が停止したり、同じ架線から受電する他の車両が走行不能になったりする可能性がある。したがって、受電電圧が低下した場合には、電動機の力行トルクを引き下げ、消費電力を抑制する制御が行われる。

一方、受電電圧が上昇する場合において、受電電圧の上昇が顕著であるときは、架線に接続される種々の機器が過電圧でトリップしたり、当該機器が破損したりするおそれがある。したがって、受電電圧が上昇した場合には、電動機の回生トルクを引き下げ、回生電力を抑制する制御が行われる。

下記特許文献１には、インバータの入力電圧が所与の電圧条件を充足するか否かを判定し、充足しないと判定した場合には電動機制御電流をフィルタコンデンサ電圧に応じた値とする方法が開示されている。

特開２００２−２５２９０２号公報

ところで、変電所の内部又は変電所の上流にある発電機の出力電圧は、負荷が変化した場合にも一定となるように制御されている。したがって、電気車の運転状態の変化は、変電所の出力電圧を一定にする制御系から見て外乱とみなせる。電気車の運転状態が一定であれば、変電所の出力電圧も一定の値に制御されるが、電気車の力行電力又は回生電力の変化が急峻であるほど、変電所の出力電圧の過渡変動が大きくなる。そして、電気車の要求する電力に対して、変電所の電力容量の余裕が小さいほど、その傾向は顕著となる。

当然ながら、変電所の出力電圧が変動すると電気車の受電電圧も変動するので、電気車は力行トルク又は回生トルクを引き下げる制御を強める必要がある。つまり、変電所の出力電圧が過渡的に変化する影響を受けるせいで、電気車は力行又は回生を開始する瞬間において、必要以上にトルクを引き下げる動作を行うようになる。

特許文献１では、受電電圧が制限値を超過しない範囲で、なおかつ、力行又は回生を継続することができる動作状態となるように、電動機の電力量が制御される。しかしながら、特許文献１の方法では、トルクを立ち上げる瞬間に変電所の出力電圧が過渡変動する影響については、何ら考慮されていない。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、電気車の受電電圧の過渡的な変動を抑制しつつ、不必要なトルクの絞り込み量を抑制することができる、推進制御装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、電気車を駆動する電動機に電力を供給する電力変換装置を制御する推進制御装置であって、推進制御装置は、電動機に発生させるトルク指令値を演算するトルク指令演算部を備える。トルク指令演算部は、運転指令に基づいて第１のトルクを演算する目標値演算部と、電気車の受電電圧に基づいて第１のトルクの変化率を抑制したトルクである第２のトルクを演算して出力する変化率制御部と、を備える。

本発明によれば、電気車の受電電圧の過渡的な変動を抑制しつつ、不必要なトルクの絞り込み量を抑制することができる、という効果を奏する。

実施の形態１に係る推進制御装置を含む電気車駆動システムの構成図 図１の推進制御装置が電力を消費したときの定常状態における電源電圧及び受電電圧を表したベクトル図 図１の推進制御装置が電力を回生したときの定常状態における電源電圧及び受電電圧を表したベクトル図 図１とは異なる形態の電気車駆動システムの構成図 図４の構成における整流器を電源の一部とみなした場合の電気車駆動システムの構成図 図１及び図５とは異なる形態の電気車駆動システムの構成図 実施の形態１におけるトルク指令演算部の構成を示すブロック図 実施の形態１における変化率制御部の構成例を示すブロック図 図８に示した変化量制限テーブルの一例を示す図 第１のトルクが力行トルクの場合において変化率制御部の制御によって第２のトルクの変化率が変化する様子を説明する図 第１のトルクが回生トルクの場合において変化率制御部の制御によって第２のトルクの変化率が変化する様子を説明する図 実施の形態２における変化率制御部の機能の説明に供する図 実施の形態２における変化率制御部の構成例を示すブロック図 図１３に示した時定数テーブルの一例を示す図 実施の形態３におけるトルク指令演算部の構成を示すブロック図 図１５に示したリミッタ処理部の構成例を示す図 図１６に示した電力制限テーブルの一例を示す図 電力制限が有効になり、安定化フィルタの有効又は無効が切り替わる様子を説明する図 実施の形態４におけるトルク指令演算部の構成を示すブロック図 実施の形態１〜４におけるトルク指令演算部を具現するハードウェア構成の一例を示すブロック図 実施の形態１〜４におけるトルク指令演算部を具現するハードウェア構成の他の例を示すブロック図

以下に、本発明の実施の形態に係る推進制御装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により、本発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る推進制御装置１を含む電気車駆動システム１００の構成図である。推進制御装置１は、図示しない電気車の推進制御に供される装置である。図１では、推進制御装置１に交流電力を供給することができる電源設備１０６と、電源設備１０６によって発電された交流電力を推進制御装置１に供給するための交流架線１０８と、を含めて電源１１０で表している。

推進制御装置１は、電源１１０から供給される交流電力を取り込み、取り込んだ電力を使用して、電気車を駆動するための電動機１２０に電力を供給する電力変換装置２を備える。電力変換装置２は、印加される交流電圧を整流して直流電圧に変換する整流器２０と、整流器２０が出力する直流電圧を交流電圧に変換するインバータ２２と、を備える。このような整流器２０及びインバータ２２を備える構成は、電気車に搭載される推進制御装置の一般的な構成である。インバータ２２の負荷である電動機１２０は、インバータ２２の出力電圧によって回転駆動される。整流器２０は、自励式コンバータ又はダイオード整流器の何れであってもよい。

推進制御装置１は、電力変換装置２を制御する制御装置３を更に備える。制御装置３は、インバータ２２をパルス幅変調（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：ＰＷＭ）制御するためのＰＷＭ信号を生成してインバータ２２を制御する。整流器２０が自励式コンバータである場合、制御装置３は、整流器２０を制御してもよい。なお、ＰＷＭ制御については、多くの公知文献が存在しており、ここでの詳細な説明は省略する。

図１に示す記号の意味は、以下の通りである。
Ｖ_ｆ：電源電圧
Ｖ_ｒ：受電電圧
ｉ_Ｌ：負荷電流
Ｚ_Ｌ：インピーダンス要素

電源電圧Ｖ_ｆは、電源設備１０６の出力電圧である。受電電圧Ｖ_ｒは、電力変換装置２が交流架線１０８を介して受電した電圧である。すなわち、受電電圧Ｖ_ｒは、電力変換装置２への印加電圧である。負荷電流ｉ_Ｌは、電源１１０と電力変換装置２との間で通流する電流である。負荷電流ｉ_Ｌは、電源１１０から電力変換装置２に流れ込む電流、又は電力変換装置２から電源１１０に流れ出す電流であると言い換えてもよい。

インピーダンス要素Ｚ_Ｌは、電源設備１０６のインピーダンスと、交流架線１０８のインピーダンスとを集約的に表したものである。インピーダンス要素Ｚ_Ｌの作用については、図２及び図３を参照して説明する。

図２は、推進制御装置１が電力を消費したときの定常状態における電源電圧Ｖ_ｆ及び受電電圧Ｖ_ｒを表したベクトル図である。図３は、推進制御装置１が電力を回生したときの定常状態における電源電圧Ｖ_ｆ及び受電電圧Ｖ_ｒを表したベクトル図である。なお、図２及び図３では、インピーダンス要素Ｚ_Ｌの抵抗成分を“ｒ”で示し、インピーダンス要素Ｚ_Ｌのリアクタンス成分を“ｘ”で示している。この定義により、インピーダンス要素Ｚ_Ｌは、虚数単位を表す記号“ｊ”を用いて、“Ｚ_Ｌ＝ｒ＋ｊｘ”という式で表すことができる。

推進制御装置１が電動機１２０を駆動するために電力を消費したとき、電源電圧Ｖ_ｆ、受電電圧Ｖ_ｒ及び負荷電流ｉ_Ｌは、図２に示す関係となる。図２において、“θ”は負荷力率角と呼ばれる。負荷力率角θは、受電電圧Ｖ_ｒと負荷電流ｉ_Ｌとのなす角である。また、図２において、“δ”は相差角と呼ばれる。相差角δは、電源電圧Ｖ_ｆと受電電圧Ｖ_ｒとのなす角である。

推進制御装置１が電動機１２０を駆動するために電力を消費したとき、インピーダンス要素ｒ＋ｊｘにおける電圧降下によって、受電電圧Ｖ_ｒは電源電圧Ｖ_ｆより小さくなり、図示のような電圧差ベクトルΔｖが生じる。なお、電圧差ベクトルΔｖは、図示のように、負荷電流ｉ_Ｌに平行な成分“ｒｉ_Ｌ”と、負荷電流ｉ_Ｌに直交する成分“ｘｉ_Ｌ”とに分解することができる。

また、推進制御装置１が電動機１２０からの回生電力を受け入れたとき、電源電圧Ｖ_ｆ、受電電圧Ｖ_ｒ及び負荷電流ｉ_Ｌは、図３に示す関係となる。このとき、インピーダンス要素ｒ＋ｊｘにおける電圧上昇によって、受電電圧Ｖ_ｒは電源電圧Ｖ_ｆより大きくなり、図示のような電圧差ベクトルΔｖが生じる。電圧差ベクトルΔｖは、図２のときと同様に、負荷電流ｉ_Ｌに平行な成分“ｒｉ_Ｌ”と、負荷電流ｉ_Ｌに直交する成分“ｘｉ_Ｌ”とに分解することができる。

図２及び図３は、推進制御装置１が一定の電力を消費又は回生し続けたときの定常状態における受電電圧Ｖ_ｒ及び電源電圧Ｖ_ｆを示している。一方、この定常状態とは別に、［発明が解決しようとする課題］の項でも説明したような過渡的な電源電圧Ｖ_ｆの変動が発生する。

負荷電力が変化したとき、電源電圧Ｖ_ｆが過渡的に変動する理由は、次のように説明することができる。

まず、本発明では、電源１１０の形態は特に限定しないが、電力の供給経路上に、図示しない回転形の発電機が存在することを想定している。発電機は、界磁巻線の励磁電流を調整したり、発電機への機械入力を調整したりして、出力電圧が一定となるように制御されている。しかしながら、出力電圧を一定に保つ制御系にも応答の遅れがあるため、負荷電力が変動すると出力電圧が多少変動してしまう。また、負荷電力の変動が急峻であるほど、出力電圧の変動も大きくなる。したがって、電源電圧Ｖ_ｆが低下すると、当然ながら受電電圧Ｖ_ｒも低下する。本発明では、この事象に着目している。

図４は、図１とは異なる形態の電気車駆動システム１００Ａの構成図である。図４は、ディーゼル・エレクトリック方式で構成された電気車の一般的な構成を示している。電源１１０Ａは、ディーゼルエンジン１１１と、ディーゼルエンジン１１１の出力により交流電力を発電する発電機１１２とを備える。発電機１１２の電力は整流器２０を介してインバータ２２に供給され、インバータ２２によって電動機１２０が駆動される。交流架線から電力供給を受ける電気車と同様に、整流器２０は、自励式コンバータ又はダイオード整流器の何れであってもよい。インピーダンス要素Ｚ_Ｌの影響度の差はあるが、図４は、図１と同様の構成となっている。このため、図４に示す推進制御装置１Ａは、図１に示す推進制御装置１と同様に本発明の適用による効果を奏する。

また、図５は、図４の構成における整流器２０を電源の一部とみなした場合の電気車駆動システム１００Ｂの構成図である。整流器２０がダイオード整流器２０Ｂの場合、図示のように、ダイオード整流器２０Ｂを電源１１０Ｂの一部とみなして、電源１１０Ｂの構成要素に含めてもよい。この場合、推進制御装置１Ｂにとっての受電電圧Ｖ_ｒは直流電圧となるが、受電電圧Ｖ_ｒはダイオード整流器２０Ｂの入力電圧Ｖ_ａに応じて変化する。このため、図５に示す推進制御装置１Ｂは、図４に示す推進制御装置１Ａと同様に本発明の適用による効果を奏する。

図６は、図１及び図５とは異なる形態の電気車駆動システム１００Ｃの構成図である。図６は、直流架線から電力の供給を受けて走行する電気車すなわち直流き電の電気車の一般的な構成を示している。

直流き電の場合、変電所は交流の配電系統から受電した受電電力をダイオード整流して、き電系統に直流電力を供給している。このため、図６に示すように、変電所に設けられるダイオード整流器２０Ｃを電源１１０Ｃの構成要素とみなすことができる。その結果、図６に示す推進制御装置１Ｃは、図５に示す推進制御装置１Ｂと同じ構成となっている。

推進制御装置１Ｃにとっての受電電圧Ｖ_ｒは、直流電圧である。受電電圧Ｖ_ｒは、整流器の入力電圧Ｖ_ａに応じて変化する。このため、図６に示す推進制御装置１Ｃは、図５に示す推進制御装置１Ｂと同様に本発明の適用による効果を奏する。ただし、電気車の回生電力は、ダイオード整流器２０Ｃから見て交流電源側には通流しない。このため、電気車の回生電力は、同一区間の他車によって消費されるしかない。したがって、回生運転においては、本発明において着目する電源電圧Ｖ_ｆの過渡変動は生じない。

図７は、実施の形態１におけるトルク指令演算部３０の構成を示すブロック図である。トルク指令演算部３０は、制御装置３の内部に構成される演算部である。トルク指令演算部３０は、図７に示すように、目標値演算部３２と、変化率制御部３４とを有する。

目標値演算部３２は、運転指令に基づき、電動機１２０に発生させるトルクの目標値である第１のトルクτ_１を演算する。運転指令には、運転手が操作するノッチ情報、車両の荷重に関する情報、電気車の速度情報といった車両情報を含む。目標値演算部３２が出力する第１のトルクτ_１には、トルクショックを防ぐ目的で、ランプ特性が付加されることが多い。ランプ特性とは、出力が時間に応じて増加又は減少する特性である。以下に説明する他の実施の形態を含み、本実施の形態では、第１のトルクτ_１が初期値から最終的な目標値に達するまでの時間を一定に変化するランプ特性が付与される。また、このランプ特性に代えて、初期値から最終的な目標値に達するまでの間、一定の変化率をもって第１のトルクτ_１が変化するようなランプ特性が付与されてもよい。

変化率制御部３４は、第１のトルクτ_１と受電電圧Ｖ_ｒに基づき、第１のトルクτ_１の変化率を抑制したトルクである第２のトルクτ_２を演算する。変化率制御部３４は、演算した第２のトルクτ_２を変化率制御部３４の外部に出力する。図７の構成では、変化率制御部３４が生成した第２のトルクτ_２は、トルク指令演算部３０が生成するトルク指令τ^＊となる。受電電圧Ｖ_ｒは、電源が交流の場合は、交流電圧の振幅値及び交流電圧の実効値のうちの何れの値を用いてもよい。受電電圧Ｖ_ｒは、ノイズ除去の目的でローパスフィルタ処理されたもの、又は、移動平均処理されたものであってもよい。

電動機１２０のトルクを制御する方法としては、静止座標系における三相電流値を、回転する直交２軸回転座標系、すなわちｄｑ軸座標系における磁束軸成分の電流値であるｄ軸電流ｉｄと、トルク軸成分の電流値であるｑ軸電流ｉｑとに分解して制御を行うベクトル制御が、広く採用されている。ベクトル制御の構成は公知なので、ここでの詳細な説明は省略する。実施の形態１では、第２のトルクτ_２に基づいてベクトル制御における電流指令値を演算する。

図８は、実施の形態１における変化率制御部３４の構成例を示すブロック図である。変化率制御部３４は、図８に示すように、減算器３４ａと、変化量制限テーブル３４ｂと、選択部３４ｃと、遅延部３４ｄと、加算器３４ｅとを有する。遅延部３４ｄのブロック内に記した「ｚ^−１」は、「１演算周期分の遅れ」を意味する。すなわち、遅延部３４ｄは、第２のトルクτ_２に関して、１演算周期前の値すなわち第２のトルクτ_２の直前値を保持して、減算器３４ａ及び加算器３４ｅのそれぞれに出力する。

減算器３４ａでは、第１のトルクτ_１と第２のトルクτ_２の直前値τ_２'との偏差τ_１−τ_２'が計算されて、選択部３４ｃに出力される。また、変化量制限テーブル３４ｂによって受電電圧Ｖ_ｒが参照され、トルクの変化量を制限するための制御入力であるトルク変化量制限値Δτが求められる。なお、トルク変化量制限値Δτは、１演算周期あたりの制限値である。

選択部３４ｃでは、第１のトルクτ_１と第２のトルクτ_２の直前値τ_２'との偏差、及びトルク変化量制限値Δτのうちで、小さい方の値が選択されて加算器３４ｅに出力される。加算器３４ｅでは、選択部３４ｃの出力に第２のトルクτ_２の直前値τ_２'が加算されることで第２のトルクτ_２が更新され、最新の第２のトルクτ_２が出力される。

上記の選択部３４ｃの処理において、トルク変化量制限値Δτよりも、第１のトルクτ_１と第２のトルクτ_２の直前値τ_２'との偏差τ_１−τ_２'の方が小さい場合、選択部３４ｃでは、偏差τ_１−τ_２'が選択される。このため、加算器３４ｅからは、偏差τ_１−τ_２'に第２のトルクτ_２の直前値τ_２'が加算された第１のトルクτ_１が出力されることになる。

一方、選択部３４ｃの処理において、トルク変化量制限値Δτよりも、第１のトルクτ_１と第２のトルクτ_２の直前値τ_２'との偏差τ_１−τ_２'の方が大きい場合、選択部３４ｃでは、トルク変化量制限値Δτが選択される。このため、加算器３４ｅからは、第２のトルクτ_２の直前値τ_２'にトルク変化量制限値Δτが加算された値のトルク指令が出力されることになる。

図９は、図８に示した変化量制限テーブル３４ｂの一例を示す図である。図９の左側には、指令トルクが力行トルクの場合のテーブルがグラフ形式で示され、図９の右側には、指令トルクが回生トルクの場合のテーブルがグラフ形式で示されている。

第１のトルクτ_１が力行トルクの場合、図９の左側の図に示すように、受電電圧Ｖ_ｒが小さいほど、トルク変化量制限値Δτも小さくなるように設定される。具体的に説明すると、受電電圧Ｖ_ｒが低下する場合において、受電電圧Ｖ_ｒが第１の閾値Ｖ_ｔｈ１に達するまでは第１の設定値Δτ_１を維持する。また、受電電圧Ｖ_ｒが第１の閾値Ｖ_ｔｈ１を下回るとトルク変化量制限値Δτを小さくして行き、第２の閾値Ｖ_ｔｈ２まで値を小さくして行く。なお、第２の閾値Ｖ_ｔｈ２は、第１の閾値Ｖ_ｔｈ１よりも値が小さい。そして、第２の閾値Ｖ_ｔｈ２に達すると、それ以降は、第２の閾値Ｖ_ｔｈ２におけるトルク変化量制限値である第２の設定値Δτ_２の値を維持する。

第１のトルクτ_１が回生トルクの場合、図９の右側の図に示すように、受電電圧Ｖ_ｒが大きいほど、トルク変化量制限値Δτが小さくなるように設定される。具体的に説明すると、受電電圧Ｖ_ｒが上昇する場合において、受電電圧Ｖ_ｒが第３の閾値Ｖ_ｔｈ３に達するまでは第３の設定値Δτ_３を維持する。また、受電電圧Ｖ_ｒが第３の閾値Ｖ_ｔｈ３を上回るとトルク変化量制限値Δτを小さくして行き、第４の閾値Ｖ_ｔｈ４まで値を小さくして行く。なお、第４の閾値Ｖ_ｔｈ４は、第３の閾値Ｖ_ｔｈ３よりも値が大きい。そして、第４の閾値Ｖ_ｔｈ４に達すると、それ以降は、第４の閾値Ｖ_ｔｈ４におけるトルク変化量制限値である第４の設定値Δτ_４の値を維持する。

図１０は、第１のトルクτ_１が力行トルクの場合において変化率制御部３４の制御によって第２のトルクτ_２の変化率が変化する様子を説明する図である。図１０において、上側には力行トルクの変化の様子が示され、下側には受電電圧Ｖ_ｒの変化の様子が示されている。

次に、図１０の波形について説明する。なお、説明の簡略化のため、電気車はある速度で惰行中であるとする。

まず、上段部の図に示されるように、時刻ｔ_０では、力行指令がオンとなっている。時刻ｔ_０〜時刻ｔ_１では、消費電力が増えて受電電圧Ｖ_ｒが低下している。但し、この時点ではまだ、第１のトルクτ_１と、第２のトルクτ_２とは一致している。時刻ｔ_１〜時刻ｔ_２については後述する。

時刻ｔ_２〜時刻ｔ_３では、力行トルクが一定値に制御されている。このとき、消費電力は一定となり、電源電圧Ｖ_ｆの過渡変動が収まるので、波形Ｋ２に示されるように、受電電圧Ｖ_ｒは、僅かに上昇する。なお、このときの受電電圧Ｖ_ｒの定常値は、インピーダンス要素Ｚ_Ｌ及び消費電力の大きさに応じて決定される。

時刻ｔ_３〜時刻ｔ_４では、運転指令によってトルク目標値を半減する制御が行われている。このとき、消費電力が減少して受電電圧Ｖ_ｒは上昇する。時刻ｔ_３の直後では、力行トルクが出力され、かつ受電電圧Ｖ_ｒが第１の閾値Ｖ_ｔｈ１よりも小さいが、第１のトルクτ_１の変化率は制御されず、第１のトルクτ_１と第２のトルクτ_２とは一致している。受電電圧Ｖ_ｒが第１の閾値Ｖ_ｔｈ１を超えた以降も同様であり、第１のトルクτ_１の変化率は制御されず、第１のトルクτ_１と第２のトルクτ_２とは一致する。なお、第１のトルクτ_１と第２のトルクτ_２とが一致する理由は、以下の通りである。

上述の通り、時刻ｔ_３〜時刻ｔ_４の間では、トルク目標値を半減する制御が行われている。この場合、図７の制御系によれば、まず、第１のトルクτ_１が制御され、それにより第２のトルクτ_２が制御される。したがって、第２のトルクτ_２は、第１のトルクτ_１の変化に追随して変化することになる。これにより、図８の構成において、第１のトルクτ_１と第２のトルクτ_２の直前値τ_２'との差分値を演算する減算器３４ａの出力は、負又は０の値となる。また、変化量制限テーブル３４ｂには、図９に示すように０以上の値を設定している。このため、選択部３４ｃの出力は負又は０の値である第１のトルクτ_１と第２のトルクτ_２の直前値τ_２'との差分値が選択されて加算器３４ｅに出力される。そして、加算器３４ｅでは、第１のトルクτ_１と第２のトルクτ_２の直前値τ_２'との差分値と、第２のトルクτ_２の直前値τ_２'とが加算されるので、第１のトルクτ_１が出力される。その結果に、第２のトルクτ_２は、第１のトルクτ_１に一致する。

時刻ｔ_４以降では、消費電力が一定となり、電源電圧の過渡変動が収まって受電電圧Ｖ_ｒは僅かに低下する。以後、受電電圧Ｖ_ｒは安定して推移する。

時刻ｔ_１〜時刻ｔ_２において、破線で示した波形Ｋ１は、上述した変化率制御部３４を有さず、第１のトルクτ_１を基に、ベクトル制御における電流指令値を演算した場合の、受電電圧Ｖ_ｒの波形である。図示の通り、時刻ｔ_２'において、第１のトルクτ_１の変化が終わるまで、受電電圧Ｖ_ｒの過渡的な低下が続いている。一方、実線で示した波形Ｋ２は、変化率制御部３４の出力である第２のトルクτ_２でベクトル制御の電流指令値を演算した場合の受電電圧Ｖ_ｒの波形である。図示のように、波形Ｋ２は、時刻ｔ_１において、波形Ｋ１とは異なる曲線となっている。ここで、時刻ｔ_１は、受電電圧Ｖ_ｒが図９で示した第１の閾値Ｖ_ｔｈ１に達した時刻である。時刻ｔ_１から時刻ｔ_３では、変化率制御部３４によって第２のトルクτ_２の変化率が制御される。このとき、波形Ｋ２と波形Ｋ１とを比較すれば明らかなように、受電電圧Ｖ_ｒの低下が抑制されている。したがって、電気車の力行中において、受電電圧Ｖ_ｒが低いほど第２のトルクτ_２の変化率を小さくする制御を行うことで、力行トルクが増加するときの受電電圧Ｖ_ｒの低下を抑制することができる。

以上の説明のように、実施の形態１における変化率制御部３４は、力行制御の場合において、第１のトルクτ_１が第２のトルクτ_２以下もしくは未満となったとき、第１のトルクτ_１の変化率の制御を行わない構成となっている。このようにする理由は、力行トルクが減少するときは、受電電圧Ｖ_ｒは増加して無負荷時の定格電圧もしくは公称電圧に近づいて行く変化となるので、特にトルク指令値の変化率を抑制する必要がないからである。また、電気車が力行中に、第１のトルクτ_１が減少しているにも関わらず、第１のトルクτ_１の変化率が抑制されて、電動機１２０に発生するトルクの減少が遅れる動作となるのは、安全の観点からも望ましくないからである。したがって、第１のトルクτ_１が第２のトルクτ_２以下もしくは未満となったとき、第１のトルクτ_１の変化率の制御を行わない構成とすることで、運転指令により力行トルクを下げる命令が出た場合に、電動機１２０に発生するトルクも速やかに低下する動作とすることができる。

また、図１１は、第１のトルクτ_１が回生トルクの場合において変化率制御部３４の制御によって第２のトルクτ_２の変化率が変化する様子を説明する図である。図１１において、上段部には回生トルクの変化の様子が示され、下段部には受電電圧Ｖ_ｒの変化の様子が示されている。第１のトルクτ_１が回生トルクの場合、図１１に示されるように、受電電圧Ｖ_ｒは力行の場合と逆向きの変化をする。

次に、図１１の波形について説明する。なお、力行トルクが出力されるときと同様に、電気車はある速度で惰行中であるとする。

まず、上段部の図に示されるように、電気車がある速度で惰行中、時刻ｔ_０で回生指令がオンとなっている。時刻ｔ_０〜時刻ｔ_１では、回生電力が増えて受電電圧Ｖ_ｒが上昇している。但し、この時点ではまだ、第１のトルクτ_１と、第２のトルクτ_２とは一致している。時刻ｔ_１〜時刻ｔ_２については後述する。

時刻ｔ_２〜時刻ｔ_３では、回生トルクが一定値に制御されている。このとき、回生電力は一定となり、電源電圧Ｖ_ｆの過渡変動が収まるので、波形Ｋ４に示されるように、受電電圧Ｖ_ｒは、僅かに低下する。なお、このときの受電電圧Ｖ_ｒの定常値は、インピーダンス要素Ｚ_Ｌ及び回生電力の大きさに応じて決定される。

時刻ｔ_３〜時刻ｔ_４では、運転指令によってトルク目標値を半減する制御が行われている。このとき、回生電力が減少して受電電圧Ｖ_ｒは低下する。時刻ｔ_３の直後では、回生トルクが出力され、かつ受電電圧Ｖ_ｒが第３の閾値Ｖ_ｔｈ３よりも大きいが、第１のトルクτ_１の変化率は制御されず、第１のトルクτ_１と第２のトルクτ_２とは一致している。受電電圧Ｖ_ｒが第１の閾値Ｖ_ｔｈ３を下回った以降も同様であり、第１のトルクτ_１の変化率は制御されず、第１のトルクτ_１と第２のトルクτ_２とは一致する。なお、第１のトルクτ_１と第２のトルクτ_２とが一致する理由は、以下の通りである。

上述の通り、時刻ｔ_３〜時刻ｔ_４の間では、トルク目標値を半減する制御が行われている。この場合、図７の制御系によれば、まず、第１のトルクτ_１が制御され、それにより第２のトルクτ_２が制御される。したがって、第２のトルクτ_２は、第１のトルクτ_１の変化に追随して変化することになる。これにより、図８の構成において、第１のトルクτ_１と第２のトルクτ_２の直前値τ_２'との差分値を演算する減算器３４ａの出力は、負又は０の値となる。また、変化量制限テーブル３４ｂには、図９に示すように０以上の値を設定している。このため、選択部３４ｃの出力は負又は０の値である第１のトルクτ_１と第２のトルクτ_２の直前値τ_２'との差分値が選択されて加算器３４ｅに出力される。そして、加算器３４ｅでは、第１のトルクτ_１と第２のトルクτ_２の直前値τ_２'との差分値と、第２のトルクτ_２の直前値τ_２'とが加算されるので、第１のトルクτ_１が出力される。その結果に、第２のトルクτ_２は、第１のトルクτ_１に一致する。

時刻ｔ_４以降では、回生電力が一定となり、電源電圧Ｖ_ｆの過渡変動が収まって受電電圧Ｖ_ｒは僅かに上昇する。以後、受電電圧Ｖ_ｒは安定して推移する。

時刻ｔ_１〜時刻ｔ_２において、破線で示した波形Ｋ３は、上述した変化率制御部３４を有さず、第１のトルクτ_１を基に、ベクトル制御における電流指令値を演算した場合の、受電電圧Ｖ_ｒの波形である。図示の通り、時刻ｔ_２'において、第１のトルクτ_１の変化が終わるまで、受電電圧Ｖ_ｒの過渡的な上昇が続いている。一方、実線で示した波形Ｋ４は、変化率制御部３４の出力である第２のトルクτ_２でベクトル制御の電流指令値を演算した場合の受電電圧Ｖ_ｒの波形である。図示のように、波形Ｋ４は、時刻ｔ_１において、波形Ｋ１とは異なる曲線となっている。ここで、時刻ｔ_１は、受電電圧Ｖ_ｒが図９で示した第３の閾値Ｖ_ｔｈ３に達した時刻である。時刻ｔ_１から時刻ｔ_３では、変化率制御部３４によって第２のトルクτ_２の変化率が制御される。このとき、波形Ｋ４と波形Ｋ３とを比較すれば明らかなように、受電電圧Ｖ_ｒの上昇が抑制されている。したがって、電気車の回生中において、受電電圧Ｖ_ｒが高いほど第２のトルクτ_２の変化率を小さくする制御を行うことで、回生トルクが増加するときの受電電圧Ｖ_ｒの上昇を抑制することができる。

以上の説明のように、実施の形態１における変化率制御部３４は、回生制御の場合において、第１のトルクτ_１が第２のトルクτ_２以下もしくは未満となったとき、第１のトルクτ_１の変化率の制御を行わない構成となっている。このようにする理由は、回生トルクが減少するときは、受電電圧Ｖ_ｒは低下して無負荷時の定格電圧もしくは公称電圧に近づいて行く変化となるので、特にトルク指令値の変化率を抑制する必要がないからである。また、電気車の回生中は、第１のトルクτ_１と第２のトルクτ_２とのかい離が小さいほど、電気車の減速度及び停止位置を精確に調整することができるので、第２のトルクτ２の変化率が抑制される期間はできるだけ少ないことが望ましいからである。したがって、第１のトルクτ_１が第２のトルクτ_２以下もしくは未満となったとき、第１のトルクτ_１の変化率の制御を行わない構成とすることで、運転指令により回生トルクを下げる命令が出た場合に、電動機１２０に発生するトルクも速やかに低下する動作とすることができる。

以上説明したように、実施の形態１に係る推進制御装置によれば、運転指令に基づいて演算される第１のトルクに対し、電気車の受電電圧Ｖ_ｒに基づいて、当該第１のトルクの変化率を制限する処理を行った第２のトルクを演算し、当該第２のトルクに基づいて、電動機を制御するので、電気車の受電電圧Ｖ_ｒの過渡的な変動を抑制しつつ、不必要なトルクの絞り込み量を抑制することが可能となる。

実施の形態２．
実施の形態２では、変化率制御部３４の他の構成例について説明する。なお、変化率制御部３４を除く他の構成については、実施の形態１と同一又は同等であり、ここでの説明は省略する。

図１２は、実施の形態２における変化率制御部の機能の説明に供する図である。実施の形態２では、変化率制御部における変化率の抑制機能に一次遅れフィルタを適用する。一次遅れフィルタの伝達関数Ｇ（ｓ）は、一次遅れフィルタによるフィルタ処理の周波数応答を決定するための定数である時定数Ｔ_ｆをパラメータとすると、次式で表すことができる。

図１２には、時定数Ｔ_ｆをパラメータとするときのステップ応答の波形が示されている。図示の通り、時定数Ｔ_ｆが大きい程、出力の立ち上がりが遅くなっている。したがって、第１のトルクτ_１に対して一次遅れフィルタを適用し、時定数Ｔ_ｆを受電電圧Ｖ_ｒに応じて可変とすることで、第２のトルクτ_２の変化率を制御することができる。

次に、離散周期をＴ_ｓ、入力をｕ、出力をｙで表し、一次遅れフィルタを離散化すると、次式の差分方程式で書き表すことができる。

図１３は、実施の形態２における変化率制御部３４Ａの構成例を示すブロック図である。図１３は、上記（２）の差分方程式において、入力ｕを第１のトルクτ_１に置き換え、また、出力ｙを第２のトルクτ_２に置き換えて、ブロック線図にしたものである。すなわち、変化率制御部３４Ａは、遅延部３４Ａ１と、時定数テーブル３４Ａ２と、減算器３４Ａ３と、除算器３４Ａ４と、乗算器３４Ａ５と、加算器３４Ａ６と、遅延部３４Ａ７と、選択部３４Ａ８とを有する構成とすることができる。

遅延部３４Ａ１では、第１のトルクτ_１が入力されるタイミングにおいて第１のトルクτ_１の直前値τ_１'が選択されて減算器３４Ａ３に出力される。時定数テーブル３４Ａ２は、受電電圧Ｖ_ｒに応じた時定数Ｔ_ｆが選択されるように構成される。選択された時定数Ｔ_ｆは、除算器３４Ａ４に出力される。

遅延部３４Ａ７では、第２のトルクτ_２が入力されるタイミングにおいて第２のトルクτ_２の直前値τ_２'が選択されて減算器３４Ａ３と加算器３４Ａ６とに出力される。減算器３４Ａ３では、第１のトルクτ_１の直前値τ_１'と、第２のトルクτ_２の直前値τ_２'との偏差τ_１'−τ_２'が生成されて、除算器３４Ａ４に出力される。除算器３４Ａ４では、第１のトルクτ_１の直前値τ_１'と、第２のトルクτ_２の直前値τ_２'との偏差τ_１'−τ_２'が時定数Ｔ_ｆで除算される。乗算器３４Ａ５では、除算器３４Ａ４の出力に対して離散周期Ｔ_ｓが乗算される。加算器３４Ａ６では、乗算器３４Ａ５の出力と遅延部３４Ａ７の出力とが加算されて選択部３４Ａ８に出力される。

図１３のブロック図において、上記（２）式の右辺第１項における“ｚ^−１ｙ”が遅延部３４Ａ７の出力に相当する。また、上記（２）式の右辺第２項における“ｚ^−１(ｕ−ｙ)”が減算器３４Ａ３の出力に相当する。更に、上記（２）式の右辺第２項における“(Ｔ_ｆ／Ｔ_ｓ)ｚ^−１(ｕ−ｙ)”が乗算器３４Ａ５の出力に相当する。

選択部３４Ａ８は、第１のトルクτ_１と第２のトルクτ_２の直前値τ_２'との大小関係に応じて、出力値を切り替えるようにしている。具体的に説明すると、第１のトルクτ_１が第２のトルクτ_２の直前値τ_２'以下であれば、第１のトルクτ_１が選択される。一方、第１のトルクτ_１が第２のトルクτ_２の直前値τ_２'よりも大きければ、加算器３４Ａ６が選択される。このように構成する意図は、第１のトルクτ_１が減少する方向に変化したときに、第２のトルクτ_２の変化率を抑制しない動作とするためである。効果については、実施の形態１の場合、すなわち実施の形態１における変化率制御部３４の有する効果と同一又は同等である。

図１４は、図１３に示した時定数テーブル３４Ａ２の一例を示す図である。図１４の左側には、指令トルクが力行トルクの場合のテーブルがグラフ形式で示され、図１４の右側には、指令トルクが回生トルクの場合のテーブルがグラフ形式で示されている。

第１のトルクτ_１が力行トルクの場合、図１４の左側の図に示すように、受電電圧Ｖ_ｒが小さいほど、時定数Ｔ_ｆが大きくなるように設定される。具体的に説明すると、受電電圧Ｖ_ｒが低下する場合において、受電電圧Ｖ_ｒが第１の閾値Ｖ_ｔｈ１に達するまでは第１の設定値Ｔ_ｆ１を維持する。また、受電電圧Ｖ_ｒが第１の閾値Ｖ_ｔｈ１を下回ると時定数Ｔ_ｆの値を大きくして行き、第２の閾値Ｖ_ｔｈ２まで値を大きくして行く。なお、第２の閾値Ｖ_ｔｈ２は、第１の閾値Ｖ_ｔｈ１よりも値が小さい。そして、第２の閾値Ｖ_ｔｈ２に達すると、それ以降は、第２の閾値Ｖ_ｔｈ２における時定数の設定値である第２の設定値Ｔ_ｆ２の値を維持する。

第１のトルクτ_１が回生トルクの場合、図１４の右側の図に示すように、受電電圧Ｖ_ｒが大きいほど、時定数Ｔ_ｆも大きくなるように設定される。具体的に説明すると、受電電圧Ｖ_ｒが上昇する場合において、受電電圧Ｖ_ｒが第３の閾値Ｖ_ｔｈ３に達するまでは第３の設定値Ｔ_ｆ３を維持する。また、受電電圧Ｖ_ｒが第３の閾値Ｖ_ｔｈ３を上回ると時定数Ｔ_ｆの値を大きくして行き、第４の閾値Ｖ_ｔｈ４まで値を大きくして行く。なお、第４の閾値Ｖ_ｔｈ４は、第３の閾値Ｖ_ｔｈ３よりも値が大きい。そして、第４の閾値Ｖ_ｔｈ４に達すると、それ以降は、第４の閾値Ｖ_ｔｈ４における時定数の設定値である第４の設定値Ｔ_ｆ４の値を維持する。

なお、図１４の時定数テーブルにおける第１の閾値Ｖ_ｔｈ１、第２の閾値Ｖ_ｔｈ２、第３の閾値Ｖ_ｔｈ３及び第４の閾値Ｖ_ｔｈ４は、図９の変化量制限テーブルに示されるものと同じ値に設定してもよいし、独立に設定してもよい。

以上のように、実施の形態２に係る推進制御装置によれば、トルク指令演算部３０に変化率制御部３４Ａを構成することで、実施の形態１における変化率制御部３４と同等の機能を得ることができる。これにより、実施の形態１と同様な効果を得ることができる。

実施の形態３．
実施の形態３では、トルク指令演算部３０の他の構成例について説明する。図１５は、実施の形態３におけるトルク指令演算部３０Ａの構成を示すブロック図である。トルク指令演算部３０Ａは、図７に示したトルク指令演算部３０の構成において、変化率制御部３４の後段側に設けられるリミッタ処理部３６を更に有している。その他の構成については、図７に示す構成と同一又は同等である。なお、変化率制御部３４に代えて、実施の形態２で説明した変化率制御部３４Ａを用いてもよい。また、トルク指令演算部３０Ａを除く他の構成については、実施の形態１と同一又は同等であり、ここでの説明は省略する。

実施の形態１及び実施の形態２で説明したように、第１のトルクτ_１の変化率の抑制によって、受電電圧Ｖ_ｒの過渡的な上昇及び低下は抑制できる。しかしながら、定常状態におけるインピーダンス要素Ｚ_Ｌによる電圧降下すなわち電源電圧Ｖ_ｆと受電電圧Ｖ_ｒとの差は、原理的に無くすことはできない。したがって、受電電圧Ｖ_ｒが低下したときに力行トルクを絞り込む制御と、受電電圧Ｖ_ｒが上昇したときに回生トルクを絞り込む制御を行うことが好ましい実施の形態となる。これらの制御を実施するため、実施の形態３では、リミッタ処理部３６を設けている。

図１５において、リミッタ処理部３６には、変化率制御部３４の出力である第２のトルクτ_２と、受電電圧Ｖ_ｒと、速度情報ω_ｍとが入力される。速度情報ω_ｍは、電動機１２０の回転速度を表す情報である。なお、電動機１２０の回転速度に代えて、インバータ周波数、又は電気車の速度情報をリミッタ処理部３６に入力してもよい。リミッタ処理部３６は、第２のトルクτ_２、受電電圧Ｖ_ｒ、及び速度情報ω_ｍに基づいて、第３のトルクτ_３を生成して出力する。図１５の構成では、リミッタ処理部３６が生成した第３のトルクτ_３は、トルク指令演算部３０Ａが生成するトルク指令τ^＊となる。すなわち、実施の形態３では、第３のトルクτ_３に基づいてベクトル制御における電流指令値が演算される。

図１６は、図１５に示したリミッタ処理部３６の構成例を示す図である。リミッタ処理部３６は、図１６に示すように、電力制限テーブル３６ａと、除算器３６ｂと、選択部３６ｃと、安定化フィルタ３６ｄと、比較器３６ｅ，３６ｇと、フィルタ制御部３６ｆ，３６ｉと、遅延部３６ｈとを有する。

電力制限テーブル３６ａは、受電電圧Ｖ_ｒを入力とし、電力制限値Ｐ_Ｌを出力する構成である。電力制限値Ｐ_Ｌは、除算器３６ｂに出力される。除算器３６ｂでは、トルク上限値τ_Ｌが演算される。トルク上限値τ_Ｌは、電力制限値Ｐ_Ｌを速度情報ω_ｍで除算することにより求められる。選択部３６ｃでは、第２のトルクτ_２と、トルク上限値τ_Ｌとのうちで、小さい方の値が選択されて安定化フィルタ３６ｄに出力される。比較器３６ｅでは、第２のトルクτ_２と、除算器３６ｂの出力とが比較され、比較結果がフィルタ制御部３６ｆに出力される。遅延部３６ｈでは、第３のトルクτ_３が入力されるタイミングにおいて第３のトルクτ_３の直前値τ_３'が選択されて比較器３６ｇに出力される。比較器３６ｇでは、第２のトルクτ_２と、第３のトルクτ_３の直前値τ_３'とが比較され、比較結果がフィルタ制御部３６ｉに出力される。安定化フィルタ３６ｄ、及びフィルタ制御部３６ｆ，３６ｉの動作については、後述する。

図１７は、図１６に示した電力制限テーブル３６ａの一例を示す図である。図１７の左側には、指令トルクが力行トルクの場合のテーブルがグラフ形式で示され、図１７の右側には、指令トルクが回生トルクの場合のテーブルがグラフ形式で示されている。

第１のトルクτ_１が力行トルクの場合、図１７の左側の図に示すように、受電電圧Ｖ_ｒが小さいほど、電力制限値Ｐ_Ｌも小さくなるように設定される。具体的に説明すると、受電電圧Ｖ_ｒが低下する場合において、受電電圧Ｖ_ｒが第５の閾値Ｖ_ｔｈ５に達するまでは第１の電力制限値Ｐ_Ｌ１を維持する。また、受電電圧Ｖ_ｒが第５の閾値Ｖ_ｔｈ５を下回ると電力制限値Ｐ_Ｌの値を小さくして行き、第６の閾値Ｖ_ｔｈ６まで値を小さくして行く。なお、第６の閾値Ｖ_ｔｈ６は、第５の閾値Ｖ_ｔｈ５よりも値が小さい。そして、第６の閾値Ｖ_ｔｈ６に達すると、それ以降は、第６の閾値Ｖ_ｔｈ６における電力制限値Ｐ_Ｌの設定値である第２の電力制限値Ｐ_Ｌ２の値を維持する。

第１のトルクτ_１が回生トルクの場合、図１７の右側の図に示すように、受電電圧Ｖ_ｒが大きいほど、電力制限値Ｐ_Ｌが小さくなるように設定される。具体的に説明すると、受電電圧Ｖ_ｒが上昇する場合において、受電電圧Ｖ_ｒが第７の閾値Ｖ_ｔｈ７に達するまでは第３の電力制限値Ｐ_Ｌ３を維持する。また、受電電圧Ｖ_ｒが第７の閾値Ｖ_ｔｈ７を上回ると電力制限値Ｐ_Ｌの値を小さくして行き、第８の閾値Ｖ_ｔｈ８まで値を小さくして行く。なお、第８の閾値Ｖ_ｔｈ８は、第７の閾値Ｖ_ｔｈ７よりも値が小さい。そして、第８の閾値Ｖ_ｔｈ８に達すると、それ以降は、第８の閾値Ｖ_ｔｈ８における電力制限値Ｐ_Ｌの設定値である第４の電力制限値Ｐ_Ｌ４の値を維持する。

なお、図１７の電力制限テーブルにおける第５の閾値Ｖ_ｔｈ５、第６の閾値Ｖ_ｔｈ６、第７の閾値Ｖ_ｔｈ７及び第８の閾値Ｖ_ｔｈ８は、図９の変化量制限テーブルに示されるもの、又は、図１４の時定数テーブルに示されるものと同じ値に設定してもよいし、独立に設定してもよい。

ところで、図１６の説明において、選択部３６ｃは、第２のトルクτ_２と、トルク上限値τ_Ｌとのうちで、小さい方の値を選択して安定化フィルタ３６ｄに出力することについて説明した。ところが、第２のトルクτ_２よりもトルク上限値τ_Ｌの方が小さいとき、つまり電力制限が有効なとき、次のような問題が生じる。

（１）第３のトルクτ_３は受電電圧Ｖ_ｒに応じて変化する。
（２）電動機１２０の実トルクは、第３のトルクτ_３と一致するように制御される。
（３）電動機１２０のトルク又は電力が変化すると、インピーダンス要素Ｚ_Ｌによる電圧降下が変化し、電源電圧Ｖ_ｆも過渡的に変動する。
（４）受電電圧Ｖ_ｒが変化し、第３のトルクτ_３が変化する。

上記（１）から（４）の動作が繰り返されることにより、受電電圧が振動的になる可能性がある。この問題を回避するため、実施の形態３では、上述した安定化フィルタ３６ｄを適用する。安定化フィルタ３６ｄの周波数応答特性は、少なくとも低域通過特性を持つものとする。この特性によって、電源１１０と、インピーダンス要素Ｚ_Ｌと、推進制御装置１との相互作用によって生じる受電電圧Ｖ_ｒの振動を減衰させて、受電電圧Ｖ_ｒを安定化する効果が得られる。

但し、安定化フィルタ３６ｄが主に低域通過特性で構成されているとすると、電力制限が有効でないとき、すなわち第２のトルクτ_２がトルク制限値τ_Ｌ以下のときにも、第３のトルクτ_３が第２のトルクτ_２に対して遅れてしまう。この問題を回避するため、安定化フィルタ３６ｄの有効又は無効を、次のようにして切り替えることにする。

・τ_２＞τ_Ｌのとき：安定化フィルタ３６ｄを有効にする。
・τ_２≦τ_２'のとき：安定化フィルタ３６ｄを無効にする。

上述した機能は、図１６に示した、安定化フィルタ３６ｄ、及びフィルタ制御部３６ｆ，３６ｉによって実現することができる。なお、「フィルタを無効にする」とは、「入力値をそのまま出力する」ことを指す。

図１８は、電力制限が有効になり、安定化フィルタの有効又は無効が切り替わる様子を説明する図である。図１８において、太破線は第１のトルクτ_１を表し、太実線は第２のトルクτ_２を表し、実線は第３のトルクτ_３を表している。但し、第１のトルクτ_１と、第２のトルクτ_２と、第３のトルクτ_３との共通部分についても、実線で表されている。また、破線はトルク上限値τ_Ｌを表している。

まず、時刻ｔ_０では、トルク制限値τ_Ｌが下がり始めている。トルク制限値τ_Ｌが下がり始めるのは、受電電圧Ｖ_ｒが低下して電力制限テーブル３６ａにおける第５の閾値Ｖ_ｔｈ５に達したからである。

時刻ｔ_１は、受電電圧Ｖ_ｒが更に低下して変化量制限テーブル３４ｂ又は時定数テーブル３４Ａ２における第１の閾値Ｖ_ｔｈ１に達した時刻である。したがって、時刻ｔ_１以降、第１のトルクτ_１とは値の異なる第２のトルクτ_２が生成されている。

時刻ｔ_２では、第２のトルクτ_２がトルク制限値τ_Ｌに一致し、時刻ｔ_２以降では、第２のトルクτ_２がトルク制限値τ_Ｌを上回るようになる。したがって、電力制限の制御が開始され、同時に安定化フィルタ３６ｄが有効化される。安定化フィルタ３６ｄが有効化されるので、図１８に示すように、受電電圧Ｖ_ｒの変動に起因するトルク制限値τ_Ｌの振動が抑えられている。すなわち、安定化フィルタ３６ｄを有効化することにより、受電電圧Ｖ_ｒの変動が抑制されている。

時刻ｔ_３では、第２のトルクτ_２がトルク制限値τ_Ｌに一致し、時刻ｔ_３以降では、第２のトルクτ_２がトルク制限値τ_Ｌを下回るようになる。したがって、選択部３６ｃでは、入力のうちの値が小さい方が選択される。このため、選択部３６ｃからは、第２のトルクτ_２が出力される。これとほぼ同時に、第２のトルクτ２が第３のトルクτ３を下回るようになるため、安定化フィルタ３６ｄは、無効化される。したがって、時刻ｔ_３以降、図示のように、第２のトルクτ_２と第３のトルクτ_３とは、一致する。

以上のように、実施の形態３に係る推進制御装置によれば、トルク指令演算部３０Ａにリミッタ処理部３６を備えるようにした。これにより、実施の形態１及び実施の形態２における効果と共に、受電電圧Ｖ_ｒを安定化する効果が得られる。

実施の形態４．
実施の形態４では、トルク指令演算部３０の他の構成例について説明する。図１９は、実施の形態４におけるトルク指令演算部３０Ｂの構成を示すブロック図である。トルク指令演算部３０Ｂは、図１５に示したトルク指令演算部３０Ａの構成において、リミッタ処理部３６の後段側に設けられる滑走制御部３８を更に有している。その他の構成については、図１５に示す構成と同一又は同等である。なお、変化率制御部３４に代えて、実施の形態２で説明した変化率制御部３４Ａを用いてもよい。また、トルク指令演算部３０Ｂを除く他の構成については、実施の形態１と同一又は同等であり、ここでの説明は省略する。

滑走制御部３８は、電気車の車輪の空転の状態又は前記車輪の粘着の状態を検知する機能を有する。また、滑走制御部３８は、電気車の車輪の空転を検知したときに、電動機１２０のトルクを絞り込んで車輪を再粘着させ、再粘着したことを検知した後に、電動機１２０のトルクを復旧する機能を有する。滑走制御部３８の詳細な構成は種々提案されており公知であるので、ここでの詳細な説明は省略する。

図示の通り、滑走制御部３８は、第３のトルクτ_３に対して滑走制御のためにトルクを増減する制御を行った第４のトルクτ_４を生成して出力する。図１９の構成では、滑走制御部３８が生成した第４のトルクτ_４は、トルク指令演算部３０Ｂが生成するトルク指令τ^＊となる。すなわち、実施の形態４では、第４のトルクτ_４に基づいてベクトル制御における電流指令値が演算される。なお、トルク指令演算部３０Ｂがリミッタ処理部３６を有さない場合、滑走制御部３８は、第２のトルクτ_２を入力としてもよい。

図１９の構成とすることで、滑走制御部３８の演算結果が速やかに電動機１２０の実際のトルクに反映される。これにより、従来通りの滑走制御のアルゴリズムを十分に機能させることができる。仮に、滑走制御部３８が変化率制御部３４よりも前段に設けられたとする。この構成の場合、変化率制御部３４によって滑走制御部３８の演算結果に対しても変化率の抑制が働いてしまう。また、滑走制御部３８がリミッタ処理部３６よりも前段に設けられたとする。この構成の場合、電力制限が有効な期間はトルク制限値τ_Ｌが出力されるため、滑走制御部３８の演算結果が無視されてしまう。

以上のように、実施の形態４に係る推進制御装置によれば、トルク指令演算部３０Ｂに滑走制御部３８を備えるようにした。これにより、実施の形態１、実施の形態２及び実施の形態３における効果と共に、従来通りの滑走制御のアルゴリズムを十分に機能させることができるという効果が得られる。

最後に、実施の形態１〜４におけるトルク指令演算部３０，３０Ａ，３０Ｂの機能を実現するハードウェア構成について、図２０及び図２１の図面を参照して説明する。

上述したトルク指令演算部３０，３０Ａ，３０Ｂの機能を実現する場合には、図１５に示すように、演算を行うＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ：中央処理装置）２００、ＣＰＵ２００によって読みとられるプログラムが保存されるメモリ２０２及び信号の入出力を行うインタフェース２０４を含む構成とすることができる。なお、ＣＰＵ２００は、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、又はＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）といった演算手段であってもよい。また、メモリ２０２とは、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ＲＯＭ）、ＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ ＥＰＲＯＭ）といった不揮発性又は揮発性の半導体メモリが該当する。

具体的に、メモリ２０２には、トルク指令演算部３０，３０Ａ，３０Ｂの機能を実行するプログラムが格納されている。ＣＰＵ２００は、インタフェース２０４を介して、必要な情報の授受を行うことにより、実施の形態１〜４で説明された各種の演算処理を実行する。

なお、図２０に示すＣＰＵ２００及びメモリ２０２は、図２１のように処理回路２０３に置き換えてもよい。処理回路２０３は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、又は、これらを組み合わせたものが該当する。

なお、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ 推進制御装置、２ 電力変換装置、３ 制御装置、２０ 整流器、２０Ｂ，２０Ｃ ダイオード整流器、２２ インバータ、３０，３０Ａ，３０Ｂ トルク指令演算部、３２ 目標値演算部、３４ａ，３４Ａ３ 減算器、３４ｂ 変化量制限テーブル、３４ｃ，３４Ａ８，３６ｃ 選択部、３４ｄ，３４Ａ１，３４Ａ７，３６ｈ 遅延部、３４ｅ，３４Ａ６ 加算器、３４，３４Ａ 変化率制御部、３４Ａ２ 時定数テーブル、３４Ａ４，３６ｂ 除算器、３４Ａ５ 乗算器、３６ リミッタ処理部、３６ａ 電力制限テーブル、３６ｄ 安定化フィルタ、３６ｆ，３６ｉ フィルタ制御部、３６ｅ，３６ｇ 比較器、３８ 滑走制御部、１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ 電気車駆動システム、１０６ 電源設備、１０８ 交流架線、１１０，１１０Ａ，１１０Ｂ，１１０Ｃ 電源、１１１ ディーゼルエンジン、１１２ 発電機、１２０ 電動機、２００ ＣＰＵ、２０２ メモリ、２０３ 処理回路、２０４ インタフェース。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、電気車を駆動する電動機に電力を供給する電力変換装置を制御する推進制御装置であって、推進制御装置は、電動機に発生させるトルクを演算するトルク指令演算部を備える。トルク指令演算部は、運転指令に基づいて第１のトルクを演算する目標値演算部と、電力変換装置が電力の供給を受ける電圧である受電電圧を参照して第１のトルクの変化率を抑制したトルクである第２のトルクを演算して出力する変化率制御部と、を備える。

Claims (12)

1. 電気車を駆動する電動機に電力を供給する電力変換装置を制御する推進制御装置であって、
   前記推進制御装置は、前記電動機に発生させるトルクを演算するトルク指令演算部を備え、
   前記トルク指令演算部は、
   運転指令に基づいて第１のトルクを演算する目標値演算部と、
   前記電力変換装置が電力の供給を受ける電圧である受電電圧に基づいて前記第１のトルクの変化率を抑制したトルクである第２のトルクを演算して出力する変化率制御部と、
   を備えたことを特徴とする推進制御装置。
2. 前記変化率制御部は、
   前記第１のトルクが力行トルクであるとき、
   前記受電電圧が小さいほど、前記第２のトルクの変化率が小さくなるように制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載の推進制御装置。
3. 前記変化率制御部は、
   前記第１のトルクが回生トルクであるとき、
   前記受電電圧が大きいほど、前記第２のトルクの変化率が小さくなるように制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載の推進制御装置。
4. 前記変化率制御部は、
   前記第１のトルクが前記第２のトルク以下のとき、前記第２のトルクの変化率の制御を行わない
   ことを特徴とする請求項２又は３に記載の推進制御装置。
5. 前記変化率制御部は、前記受電電圧に基づいて演算周期あたりの第２のトルクの変化量制限値を演算し、前記第１のトルクと１演算周期前の前記第２のトルクとの偏差を演算し、前記変化量制限値及び前記偏差のうちで小さい方の値を前記１演算周期前の第２のトルクに加算することで前記第２のトルクを更新する
   ことを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の推進制御装置。
6. 前記変化率制御部は、前記受電電圧に基づいて単位時間あたりの第２のトルクの変化量の制限値を演算し、前記単位時間あたりの第２のトルクの変化量が前記制限値を超過しないように前記第２のトルクを制御する
   ことを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の推進制御装置。
7. 前記変化率制御部は、前記第１のトルクに対してフィルタ処理を行って前記第２のトルクを演算し、
   前記フィルタ処理の周波数応答を決定する定数は、前記受電電圧に基づいて決定される
   ことを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の推進制御装置。
8. 前記推進制御装置は、前記第２のトルクに基づいてベクトル制御における電流指令値を演算する
   ことを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載の推進制御装置。
9. 前記トルク指令演算部は、リミッタ処理部を備え、
   前記リミッタ処理部は、周波数応答において少なくとも低域通過特性を有する安定化フィルタを備え、
   前記電気車の速度又は前記電動機の回転速度と、前記受電電圧とに基づいてトルク制限値を演算し、前記第２のトルクと前記トルク制限値の小さい方に対して前記安定化フィルタによる処理を行った第３のトルクを生成して出力する
   ことを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載の推進制御装置。
10. 前記推進制御装置は、前記第３のトルクに基づいてベクトル制御における電流指令値を演算する
    ことを特徴とする請求項９に記載の推進制御装置。
11. 前記トルク指令演算部は滑走制御部を備え
    前記滑走制御部は、前記電気車の車輪の空転の状態又は前記車輪の粘着の状態に応じて、前記第２のトルク又は前記第３のトルクに対してトルクを増減する制御を行った第４のトルクを生成して出力する
    ことを特徴とする請求項１から７又は９の何れか１項に記載の推進制御装置。
12. 前記推進制御装置は、前記第４のトルクに基づいてベクトル制御における電流指令値を演算する
    ことを特徴とする請求項１１に記載の推進制御装置。

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