JP4643391B2

JP4643391B2 - 電気車制御装置

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Publication number: JP4643391B2
Application number: JP2005241640A
Authority: JP
Inventors: 弘敏川合; 和明結城
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2005-08-23
Filing date: 2005-08-23
Publication date: 2011-03-02
Anticipated expiration: 2025-08-23
Also published as: JP2007060777A

Description

本発明は、電気車制御装置に関する。

速度センサを持たない誘導電動機をベクトル制御する電気車制御装置においては、極低速では電動機誘起電圧がほとんど発生しないため、誘起電圧や磁束から推定速度を演算する方法では、ゼロ速度付近で正確な速度推定が困難となる。そのため、極低速では電気車が後退しているのか前進しているのか判定するために推定速度を用いることができない。

図７は、従来の電気車制御装置における後退判定の制御ブロック図である。図７において、２２はＱ軸誘起電圧演算部、２３はＱ軸誘起電圧基準演算部、２４はタイマー、２５は比較器、２６は立上検出器、２７は絶対値積分器、２９はＲＳフリップフロップ、３０は切換スイッチ、３１は変化率リミッタを表している。

電気車制御装置では、Ｑ軸誘起電圧基準とＱ軸誘起電圧との差によって偏差を求め、所定時間の積分後、その大きさによって後退を判定する。つまり、後退時にＱ軸誘起電圧の基準値と演算値の誤差が大きく、前進時にはそれが小さいということを利用して後退検知するのである。しかしながら、停止あるいは微小前進時においても誤差が大きくなることがあり、精度の高い判定が困難であるという問題点があった。
特開平１１−２８５３００号公報特開２００３−９６００号公報結城和明、山崎修、山田敏明、安岡郁雄、「電車用速度センサレスベクトル制御における低速再起動法」、平成１５年電気学会産業応用部門大会３−１０。

本発明は、上述したような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、正確に後退を検知し、後退起動制御ができる電気車制御技術を提供することを目的とするものである。

請求項１の発明は、架線から供給される直流を所望の電圧と周波数に変換するＶＶＶＦインバータと、前記ＶＶＶＦインバータの出力を電源として電気車を走行させる、速度センサを持たない誘導電動機とを備えた電気車制御装置において、外部からの起動指令に応答した前記ＶＶＶＦインバータの起動の直後の微小期間だけ、前記ＶＶＶＦインバータから前記誘導電動機に直流電流を供給する直流電流印加手段と、前記微小期間の前記誘導電動機に流れる電流又は誘導電動機に印加される電圧に基づき、後退を検知するための後退検知指標を演算する後退検知指標演算手段と、前記後退検知指標に基づき、前記誘導電動機が回転している方向を判断する回転方向判断手段と、前記後退検知指標演算手段の演算した後退検知指標が後退検知第１設定値を超えたときには当該電気車制御装置が編成中の他の全ての電気車制御装置に一括後退起動指令を発し、前記後退検知指標が後退検知第２設定値を超えたときには、当該後退を検知した電気車制御装置の制御するＶＶＶＦインバータに単独の後退起動指令を発する後退指令手段とを備えたことを特徴とするものである。

請求項２の発明は、請求項１の電気車制御装置において、前記後退検知指標演算手段は、前記直流電流印加手段によって流した直流電流をＤ軸電流及びＱ軸電流に分解しＱ軸電流及びＱ軸電流指令を用いてＱ軸電圧を演算しＱ軸電圧に基づき後退検知指標を演算するものであることを特徴とするものである。

請求項３の発明は、請求項１又は２の電気車制御装置において、前記後退検知指標演算手段の演算した後退検知指標に基づき、電気車の速度を推定する手段を備えたことを特徴とするものである。

請求項４の発明は、請求項１〜３の電気車制御装置において、前記誘導電動機に直流電流を流す直流電流印加手段に代えて、前記誘導電動機に直流電圧を印加する直流電圧印加手段を備え、前記後退検知指標演算手段は、前記直流電圧印加により前記誘導電動機に流れる電流に基づいて後退検知指標を演算することを特徴とするものである。

本発明によれば、正確に後退検知し、後退起動制御ができる電気車制御装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。

（第１の実施の形態）図１は本発明の第１の実施の形態の電気車制御装置のブロック図である。図１において、１はＶＶＶＦインバータ、２は電流センサ、３は座標変換部、４は電圧指令演算部、５は指標演算積分器、６は後退検知部、７は誘導電動機（ＩＭ）、８は車輪、９はフィルタコンデンサ、１０はフィルタリアクトル、１１はパンタグラフ、１３は後退起動指令部を表している。

図１に示す電気車制御装置は以下のように動作する。ＶＶＶＦインバータ１の起動後、このＶＶＶＦインバータ１は直流励磁電流供給手段として誘導電動機７へ３相直流励磁電流を供給する。電流センサ２はこの３相直流励磁電流のＵ相とＷ相の電流を検出し、検出した電流を座標変換部３でＤ軸電流及びＱ軸電流に分解し、Ｄ軸電流とＱ軸電流を電圧指令演算部４へ送る。電圧指令演算部４ではＱ軸電流ＩｑとＱ軸電流指令Ｉｑ＊を用いてＱ軸電圧を演算し、指標演算積分器５へ演算結果を送る。指標演算積分器５では電圧指令演算部４で演算されたＱ軸電圧を用いて誘導電動機７の回転方向情報を含む指標を積分し後退検知部６へ結果を送る。後退検知部６では指標演算積分器５で求めた指標が後退検知設定値を上回ったか否かで判断し、上回った場合は後退と判定し、後退起動指令部１３に後退判定信号を出力する。

電気車のＶＶＶＦインバータ１を起動した直後、直流励磁電流供給手段としてＶＶＶＦインバータ１が直流電流を誘導電動機７に供給すると、勾配により電気車が後退しているときには誘導電動機７のＱ軸電圧は、初めに負の値から始まる交流波形となり、力行方向に前進しているときは正の値から始まる交流波形となる。後退速度が大きいときほど、交流波形の振幅が大きくなり、指標演算積分器５で演算された指標の値も大きくなるため、指標が後退検知設定値を上回ったなら後退検知部６で後退を検知することができる。よって、誘導電動機７の起動時に前進後退を判定する指標を算出し、その指標を電気車制御装置が検知することにより前進後退の正確な判断を行うことができる。

以上のように第１の実施の形態の電気車制御装置によれば、起動直後にＶＶＶＦインバータから誘導電動機へ直流励磁電流を供給することにより発生する進行方向の情報を含んだＱ軸電圧を積分し、その正負によって前進又は後退を判定する指標を作り出し、その指標が後退検知設定値を超えると後退を検知し、正確に後退を検知してＶＶＶＦインバータの後退起動制御ができる。

なお、上記実施の形態の電気車制御装置において、直流励磁電流は電気車のＶＶＶＦインバータ１が起動直後の微小時間のみ誘導電動機７に供給し、指標演算積分器５が直流励磁微小時間で指標の積分を完了するようにするのが好ましい。それにより、後退起動時だけでなく通常の起動時においても、直流励磁電流が停止起動や惰行再起動に影響を及ぼすことを避けることができる。このＶＶＶＦインバータ１が起動直後の微小時間のみ直流励磁電流を誘導電動機７に供給するための構成は次による。

図２は、第１の実施の形態の電気車制御装置におけるインバータ駆動回路を示してある。主回路において、パンダグラフ１１と車輪８は、直流架線に接続されている。直流架線からパンタグラフ１１を通じて取り込まれた直流は、フィルタリアクトル１０とフィルタコンデンサ９を介してインバータ１に給電される。インバータ１はこの直流電力を所望の電圧交流電力に変換して誘導電動機７に供給し、これを駆動する。インバータ１を制御する制御回路４０には、誘導電動機７の回転数を検出しない速度センサレスベクトル制御系が採用されていて、周知の技術であるＤＱ回転座標系上のベクトル制御法によって誘導電動機７を制御する。以下に、この制御回路４０について説明する。

制御回路４０に与えられる起動指令Ｇｓｔは、インバータ１の動作と停止を指示する信号で、別途、外部より指示される。起動指令Ｇｓｔは、それが１である場合、インバータ１が誘導電動機７からトルク出力するようにゲートを動作させ、Ｇｓｔが０である場合、インバータ１のゲートを停止させる指令である。直流励磁期間設定部４５は、この起動指令Ｇｓｔが１になった時点から所定時間だけＦｌｇ＿ＤＣ＝１を維持し、それ以外はＦｌｇ＿ＤＣ＝０を出力する。Ｆｌｇ＿ＤＣ＝１の期間は、後述する直流励磁を行う期間である。

また、制御回路４０には磁束指令とトルク指令が与えられる。電流指令演算部４１は、これ磁束指令とトルク指令に対して、励磁電流指令Ｉｄ＊とトルク電流指令Ｉｑ＊とを演算して出力する。Ｆｌｇ＿ＤＣ＝１の場合、トルク電流指令Ｉｑ＊＝０、励磁電流指令Ｉｄ＊＝α（αは所定の設定値）に設定される。また、電流検出器２によって電動機７の相電流Ｉｕ，Ｉｗが検出され、座標変換部３によって、これらがＤＱ軸座標系上のＤＱ軸電流Ｉｄ，Ｉｑに変換される。電圧指令演算部４では、上述の電流指令演算部４１からの励磁電流指令Ｉｄ＊、トルク電流指令Ｉｑ＊と、座標変換部３からのＤＱ軸実電流Ｉｄ，Ｉｑとが一致するようにＰＩ制御などによって電流制御を実現し、Ｄ軸電圧指令Ｖｄ＊とＱ軸電圧指令Ｖｑ＊を演算して出力する。ＤＱ軸電圧指令Ｖｄ＊，Ｖｑ＊は、別の座標変換部４２にて３相電圧指令Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に変換されてＰＷＭ回路４３に入力される。ＰＷＭ回路４３は、座標変換部４２からの３相電圧指令に一致した電圧が出力されるように、インバータ１のスイッチング素子を例えば、周知の技術である三角波比較ＰＷＭ制御によって制御する。

速度推定部４４は、ＤＱ軸電圧指令Ｖｄ＊，Ｖｑ＊と、実ＤＱ軸電流Ｉｄ，Ｉｑとを入力として誘導電動機７の速度、すなわち、その回転数を推定して出力する。

切替器４７は、直流励磁期間フラグＦｌｇ＿ＤＣに応じて出力を切り替える。Ｆｌｇ＿ＤＣ＝１の場合には０、Ｆｌｇ＿ＤＣ＝１の場合には速度推定部４４での推定速度を最終的な推定速度ωｒｈとして出力する。すべり周波数基準演算部４６は、電流指令演算部４１からのＤＱ軸電流指令値Ｉｄ＊，Ｉｑ＊に基づいてすべり周波数基準ωｓ＊を、例えば、次式によって演算して出力する。

ωｓ＊＝Ｒ２／Ｌ２×Ｉｑ＊／Ｉｄ＊（１）
ここに、Ｒ２は２次抵抗、Ｌ２は２次インダクタンスである。

加算器４８は、最終的な速度推定値ωｒｈとすべり周波数基準ωｓ＊とを加算し、インバータ周波数ω１として出力する。このインバータ周波数ω１は、積分器４９に入力される。積分器４９は入力ω１を積分し、回転座標系Ｄ軸の静止座標系Ａ軸からの位相角θを演算する。この位相角θは座標変換部３，４２において使用される。

以上のように構成することによって、起動指令Ｇｓｔが入った直後、つまり、Ｇｓｔ＝１になった直後、誘導電動機７に対して直流電流を所定期間だけ印加することができる。前述のように、Ｆｌｇ＿ＤＣ＝１の間、電流指令がＩｄ＊＝α、Ｉｑ＊＝０、速度推定値ωｒｈ＝０である。また、すべり周波数基準演算部１６は、Ｉｑ＊＝０のために、出力も（１）式より０である。よって、加算器４８の出力であるインバータ周波数ω１も０である。これにより、インバータ１から誘導電動機７に直流電流を印加できるのである。

（第２の実施の形態）次に本発明の第２の実施の形態の電気車制御システムについて説明する。図３は、本発明の第２の実施の形態の電気車制御システムにおける第１群制御ユニットのブロック図であり、図１に示した第１の実施の形態に対して、後退検知部６が指標演算積分器５の出力する指標と比較する設定値として、後退検知第１設定値、後退検知第２設定値を設定し、指標演算積分器５の出力する指標をこれらの第１、第２設定値と大小関係を比較して後退検知信号を出力すること、そして新たに後退検知ユニット台数加算器１２を備えたことを特徴とする。この後退検知ユニット台数加算器１２は、１編成中で後退検知した制御ユニットの台数を加算し、加算結果に基づいてＶＶＶＦインバータ１に後退起動指令部１３より後退起動指令を発する。

本実施の形態の電気車制御システムは、図３に示す電気車制御装置を第１群制御ユニットとして備え、１編成中には他に第２群〜第４群の制御ユニットが搭載されていて、それぞれが受持ちのＶＶＶＦインバータ１を制御し、誘導電動機７を駆動する。そして、図３に示した電気車制御装置は、第１群制御ユニット用のものであり、第２群〜第４群の制御ユニットそれぞれは、後退検知ユニット台数加算器１２を備えていないか、あるいはその機能をバイパスさせている。加えて、各制御ユニット間で通信し、第２群〜第４群制御ユニットは、各制御ユニットに搭載された後退検知部６の検知した判定信号を第１群制御ユニットの後退検知ユニット台数加算器１２に対して出力し、また後退起動指令部１３にて第１群制御ユニットの後退起動指令部１３からの一斉後退制御指令を受信する。

図４は後退検知の動作波形を示す図である。図４において、１４は後退検知指標、１５は後退検知第１設定値、１６は後退検知第２設定値を表している。一編成中の制御ユニットがそれぞれ備える後退検知部６において、後退検知指標１４が後退検知第１設定値１５を超えると後退と判断する。そして、第２群制御ユニット以降の制御ユニットそれぞれは、後退検知第１設定値１５を超えて後退と判断した場合、第１群制御ユニットに対して後退判定信号を送信し、第１群制御ユニットの後退検知ユニット台数加算器１２では、後退判定した制御ユニット数を加算する。そしてこの後退検知ユニット台数加算器１２の出力結果が、設定可能な検知台数を超えた場合、第１群制御ユニットの後退起動指令部１３から編成内の他の全ての制御ユニットの後退起動指令部１３に対して一斉後退起動指令を発する。また、各群の制御ユニットは、自ユニットでの指標演算積分器５の指標が後退検知第２設定値１６を超えたと判定した場合は、一斉後退起動ではなく単独で後退起動するよう後退検知部６から自ユニットの後退起動指令部１３に後退起動指令を発する。ＶＶＶＦインバータ１は後退起動指令部１３から後退起動指令を受ける後退起動制御を開始する。

なお、インバータ１に対して起動直後の一定期間の間だけインバータ１から誘導電動機７に直流を印加させる機能を備えたインバータ駆動回路の構成は第１の実施の形態と同様に図２に示したものである。

本実施の形態によれば、車両ごとの指標のばらつきを考慮せずに、後退検知したＶＶＶＦインバータ１それぞれが後退起動を行うと、誘導電動機７の挙動が異なり乗り心地を悪化させる要因となるが、車両ごとの指標のばらつきを考慮し、一斉後退起動により全ての誘導電動機７の挙動を揃えることにより、安定した後退起動を行うことができる。しかし、電気車が大後退しているときは、後退を検知したらすぐに個別に後退起動に入ることにより、早急に前進に移ることができる。

（第３の実施の形態）図５は本発明の第３の実施の形態の電気車制御システムにおける第１群制御ユニットの構成を示すブロック図である。図５において１７は指標平均値演算器であり、図６の構成を備えている。本実施の形態では、第１群制御ユニットがこの指標平均値演算器１７を備えたことを特徴とし、その他の構成要素については、図１に示した第１の実施の形態と共通する要素には共通の符号を付して示す。

尚、本実施の形態は１編成中に４群の制御ユニットが搭載されており、図５に示した電気車制御装置は第１群制御ユニット用のものであり、第２群〜第４群の制御ユニットそれぞれは、指標平均値演算器１７を備えていないか、あるいはその機能をバイパスさせている。加えて、各制御ユニット間で通信し、第２群〜第４群制御ユニットは、電圧指令演算部４の求めたＱ軸電圧を第１群制御ユニットの指標平均値演算器１７に出力し、また後退検知部６にて第１群制御ユニットの指標平均値演算器１７からの指標平均値を受信する。

図６に示す指標平均値演算器１７において、１７−１は１群指標演算器、１７−２は２群指標演算器、１７−３は３群指標演算器、１７−４は４群指標演算器、１８は平均値演算器を表している。１群指標演算器１７−１、２群指標演算器１７−２、３群指標演算器１７−３及び４群指標演算器１７−４は対応する群のＱ電圧を所定時間積分して指標を求める。平均値演算部１８は、各制御ユニットの指標の平均値を求め、自群制御ユニットの後退検知部６と２群〜４群制御ユニットそれぞれの後退検知部６に送信する。編成中全ての制御ユニットはその後退検知部６において、この指標平均値を用いて第１の実施の形態と同様に後退検知を行い、後退起動を検知した時には後退起動制御を行う。

本実施の形態によれば、車両ごとに異なる指標が発生したとしても、その指標平均値を全ての制御ユニットが用いることにより、同一の基準で後退判定を行うことができる。

尚、上記の各実施の形態においては、起動直後の微小時間にインバータから誘導電動機に直流電流を印加する構成であったが、これに限らず、直流電圧を誘導電動機に印加し、その期間に誘導電動機に流れる直流電流を検出して同様に制御を行う構成にすることもできる。

本発明の第１の実施の形態の電気車制御装置のブロック図。上記実施の形態におけるインバータ駆動回路のブロック図。本発明の第２の実施の形態の電気車制御装置のブロック図。上記実施の形態にて積分指標と後退検知第１設定値、後退検知第２設定値との関係を示す図。本発明の第３の実施の形態の電気車制御装置のブロック図。上記実施の形態における平均指標演算器のブロック図。従来の電気車制御装置のブロック図。

符号の説明

１ＶＶＶＦインバータ
２電流センサ
３座標変換部
４電圧指令演算部
５指標演算積分器
６後退検知部
７誘導電動機
８車輪
９フィルタコンデンサ
１０フィルタリアクトル
１１パンタグラフ
１２後退検知ユニット台数加算器
１３後退起動指令部
１４後退検知指標
１５後退検知第１設定値
１６後退検知第２設定値
１７指標平均値演算器
１８１群指標演算器
１９２群指標演算器
２０３群指標演算器
２１４群指標演算器
２２平均値計算機
４０制御回路
４１直流励磁期間設定部

Claims

架線から供給される直流を所望の電圧と周波数に変換するＶＶＶＦインバータと、
前記ＶＶＶＦインバータの出力を電源として電気車を走行させる、速度センサを持たない誘導電動機とを備えた電気車制御装置において、
外部からの起動指令に応答した前記ＶＶＶＦインバータの起動の直後の微小期間だけ、前記ＶＶＶＦインバータから前記誘導電動機に直流電流を供給する直流電流印加手段と、
前記微小期間の前記誘導電動機に流れる電流又は誘導電動機に印加される電圧に基づき、後退を検知するための後退検知指標を演算する後退検知指標演算手段と、
前記後退検知指標に基づき、前記誘導電動機が回転している方向を判断する回転方向判断手段と、
前記後退検知指標演算手段の演算した後退検知指標が後退検知第１設定値を超えたときには当該電気車制御装置が編成中の他の全ての電気車制御装置に一括後退起動指令を発し、前記後退検知指標が後退検知第２設定値を超えたときには、当該後退を検知した電気車制御装置の制御するＶＶＶＦインバータに単独の後退起動指令を発する後退指令手段と、
を備えたことを特徴とする電気車制御装置。
請求項１に記載の電気車制御装置において、
前記後退検知指標演算手段は、前記直流電流印加手段によって流した直流電流をＤ軸電流及びＱ軸電流に分解しＱ軸電流及びＱ軸電流指令を用いてＱ軸電圧を演算しＱ軸電圧に基づき後退検知指標を演算するものであることを特徴とする電気車制御装置。
請求項１又は２に記載の電気車制御装置において、
前記後退検知指標演算手段の演算した後退検知指標に基づき、電気車の速度を推定する手段を備えたことを特徴とする電気車制御装置。
請求項１〜３のいずれかに記載の電気車制御装置において、
前記誘導電動機に直流電流を流す直流電流印加手段に代えて、前記誘導電動機に直流電圧を印加する直流電圧印加手段を備え、
前記後退検知指標演算手段は、前記直流電圧印加により前記誘導電動機に流れる電流に基づいて後退検知指標を演算することを特徴とする電気車制御装置。