JP5107581B2

JP5107581B2 - 電気車の制御装置

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Publication number: JP5107581B2
Application number: JP2007004709A
Authority: JP
Inventors: 雅樹河野; 庸泰柿崎
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-01-12
Filing date: 2007-01-12
Publication date: 2012-12-26
Anticipated expiration: 2027-01-12
Also published as: HK1122409A1; CN101222203A; US7852022B2; US20080169775A1; JP2008172951A; CN101222203B

Description

この発明は、電気車の制御装置に係わり、特に、可変電圧および可変周波数の電力変換器を用いてリニアインダクションモータのようなリニア電磁アクチュエータを駆動制御するものにおいて、リニア電磁アクチュエータの一次側あるいは二次側のモータ定数を容易に測定できるモータ定数測定機能を備えた電気車の制御装置に関するものである。

例えば、特開平６−１５３５６８号公報に開示されているように、回転型の誘導電動機においては、ベクトル制御に用いる誘導電動機の各定数を、巻線抵抗測定と拘束試験のみで測定できる誘導電動機の定数計測方法が一般に知られている。
しかし、リニアインダクションモータのような、電動機構成部材が平面上に配設されるリニア電磁アクチュエータを備えた電気車の制御装置においては、回転型の誘導電動機で言われる１次側の固定子と２次側の回転子が分離しているため、ベクトル制御に用いる誘導電動機の各定数を測定することが困難である。

特開平６−１５３５６８号公報（第２頁、段落［０００６］、［０００７］）

この発明は、リニアインダクションモータのようなリニア電磁アクチュエータを備えた電気車の制御装置においては、ベクトル制御に用いる電動機の各定数を測定することが困難という従来技術の課題を解消するものであって、容易且つ確実に、リニア電磁アクチュエータの一次側あるいは二次側のモータ定数を算出することができ、ひいては、その測定したモータ定数を用いてリニアインダクションモータのベクトル制御など、リニア電磁アクチュエータの高性能な制御を行うことのできるモータ定数測定機能を備えた電気車の制御装置を得ることを目的とするものである。

この発明に係わる電気車の制御装置は、電気車の車体に搭載されたリニア電磁アクチュエータを駆動源とする電気車の制御装置において、前記リニア電磁アクチュエータの一次導体を構成する一次側部材に可変電圧および可変周波数の交流電力を供給する電力変換器と、前記電力変換器が前記リニア電磁アクチュエータに供給する出力電圧を指令する電圧指令手段と、前記電力変換器と前記リニア電磁アクチュエータ間に流れる電流情報を検出する電流検出手段と、停止信号で作動されるブレーキ装置によって前記電気車が停止中である時に、前記電圧指令手段による電圧情報と前記電流検出手段で検出された電流情報とによって、前記一次側部材の一次漏れインダクタンスを演算するモータ定数演算手段を備えたものである。

また、電気車の車体に搭載されリニア電磁アクチュエータの一次導体を構成する一次側部材と、地上側に配置され前記リニア電磁アクチュエータの二次導体を構成する二次側部材とから成るリニア電磁アクチュエータを駆動源とする電気車の制御装置において、前記リニア電磁アクチュエータに可変電圧および可変周波数の交流電力を供給する電力変換器と、前記電力変換器が前記リニア電磁アクチュエータに供給する出力電圧を指令する電圧指令手段と、前記電力変換器と前記リニア電磁アクチュエータ間に流れる電流情報を検出する電流検出手段と、停止信号で作動されるブレーキ装置によって前記電気車が停止中である時に、前記電圧指令手段による電圧情報と前記電流検出手段で検出された電流情報とによって、前記二次側部材の二次抵抗を演算するモータ定数演算手段を備えたものである。

この発明の電気車の制御装置によれば、簡単且つ確実に、リニア電磁アクチュエータの一次側あるいは二次側のモータ定数を測定することができる機能を備えた電気車の制御装置を得ることができる。

また、その測定したモータ定数を用いてリニアインダクションモータのベクトル制御などリニア電磁アクチュエータの高性能な制御を行うことができる効果がある。

上述した、またその他の、この発明の目的、特徴、効果は、以下の実施の形態における詳細な説明および図面の記載からより明らかとなるであろう。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１について、図１〜図４を参照して説明する。
図１は、この発明の実施の形態１による電気車の制御装置の全体構成を示す概略構成図である。図１において、１は車体で、車輪２とともに電気車１４を構成する。３はレール、４は車体１に搭載されたリニア電磁アクチュエータであるリニアインダクションモータ（以下単にリニアモータともいう。）である。５は、可変電圧および可変周波数の３相の交流電力をリニアインダクションモータ４に供給する電力変換器、６は、電気車の運転台１０からの第1の停止信号によって電気車１４を機械的に停止させる機械ブレーキ、７は、
リニアインダクションモータ４と電力変換器５間に流れる電流情報を検出する電流検出手段であり、リニアインダクションモータ４に流れる相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを検出する。
なお、この電流検出手段７として図１においては、電力変換器５とリニアインダクションモータ４とを接続する回路を流れる電流をＣＴ等により検出するものを記載しているが、他の公知の手法を用いて、母線電流など電力変換器５内部に流れる電流を用いて相電流を検出しても良い。また、Ｉｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗ＝0の関係が成立するので、ｕ、ｖ２相分の検出電流からｗ相の電流を求めることもできるので、ｗ相の電流検出手段７を省略しても良い。

８はリニアインダクションモータ４と電力変換器５間の任意の電圧を出力する電圧指令手段であり、詳細は後述する。
９は、機械ブレーキ６で電気車１４が停止中である時に、電圧指令手段８による電圧情報Ｖｕと電流検出手段７で検出された電流情報Ｉｕによりリニアインダクションモータ４のモータ定数を演算するモータ定数演算手段、１６は、電力変換器５の直流側に取り付けられたコンデンサ１５の両端の電圧Ｖｄｃを検出する電圧検出手段であって、検出された電圧Ｖｄｃは電圧指令手段８に入力される。

図２は、図1のように構成された電気車の制御装置のリニアモータの等価回路を示すもので、図1においてはリアクションプレートが無いため、一次抵抗Ｒｓと一次漏れインダクタンスｌｓで構成された等価回路となる。そのため、この実施の形態１においては、
交流電圧Ｖｕをリニアインダクションモータに印加することによって、一次漏れインダクタンスｌｓを測定する。
ここで、一次抵抗Ｒｓは、テスターやインピーダンスアナライザーなどの計測器で簡単に測定することができるため、この実施の形態１においては一次抵抗Ｒｓを既知の値とする。
一次抵抗Ｒｓが既知であるため、電圧指令手段８により電力変換器５に出力電圧情報Ｖｕを与え、電力変換器５からの交流電圧をリニアインダクションモータ４に印加することによって一次漏れインダクタンスｌｓを算出するようにしている。

次に、電圧指令手段８の構成および動作について、図３、図４を参照して説明する。
図３において、電圧検出手段１６により検出された直流電圧Ｖｄｃが直流電圧／相電圧変換係数手段２２に入力され、この直流電圧／相電圧変換係数手段２２によって直流電圧Ｖｄｃがリニアインダクションモータ４に印加される相電圧に相当する値Ｖ１に変換される。
即ち、直流電圧／相電圧変換係数手段２２は、次の式（１）による演算を行って、直流電圧Ｖｄｃをリニアインダクションモータに印加される相電圧に相当する値Ｖ１に変換する。

直流電圧／相電圧変換係数手段２２の出力Ｖ１は、逆数変換手段２３に入力される。
逆数変換手段２３は、次の式（２）によりＶ１の逆数である１／Ｖ１を演算する。

この逆数変換手段２３の出力１／Ｖ１は、掛算器２４に入力される。
一方、周波数指令設定手段１８は、リニアインダクションモータ４に印加する電圧の周波数指令ｆ＊［Ｈｚ］を設定し、その周波数指令ｆ*を電圧／周波数指令手段１７と掛算器２５に出力する。
電圧／周波数指令手段１７に入力された周波数指令ｆ＊［Ｈｚ］は、リニアインダクションモータに印加する電圧の振幅Ｖに変換された後、掛算器２４に出力される。
掛算器２４では、逆数変換手段２３の出力１／Ｖ１と電圧／周波数指令手段１７の出力である電圧の振幅Ｖを掛け、Ｖ／Ｖ１を掛算器２６に出力する。
なお、掛算器２４の出力値Ｖ／Ｖ１は、リニアインダクションモータに印加された電圧の変調率もしくは、電圧利用率に相当する値である。

また、掛算器２５に入力された周波数指令ｆ＊［Ｈｚ］は、次の式（３）に示すように周波数指令ｆ＊［Ｈｚ］に２πを掛け、角周波数指令ω＊［ｒａｄ／ｓｅｃ］に単位変換される。

この角周波数指令ω＊は積分器１９に出力された後、次の式（４）により位相θ［ｒａｄ］に変換され、三相電圧指令正弦波発生手段２０に出力される。

三相電圧指令正弦波発生手段２０では、ｓｉｎ関数及び位相θにより次の式（５）に示すようにリニアインダクションモータに印加する±２π／３ずれた三相電圧を発生させる。

もちろん、三相電圧指令正弦波発生手段２０は、ｃｏｓ関数及び位相θにより次の式（６）に示すようにリニアインダクションモータに印加させる±２π／３ずれた三相電圧を発生させても良い。

なお、マイコンの処理能力を軽減するために、簡略化的にｓｉｎ、ｃｏｓ関数を近似して、テーブルデータ設定しても良いことは言うまでもない。
そして、三相電圧指令正弦波発生手段２０の出力値ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊は、掛算器２６に入力される。

また、運転台１０から電圧指令手段８に入力された第１の停止信号は、所定時間遅延手段２１に入力され、この所定時間遅延手段２１によって、図４に示すような第１の停止信号より所定時間遅れた出力信号（０、もしくは１の二値）として掛算器２６に入力される。
掛算器２６では、掛算器２４の出力値Ｖ／Ｖ１と三相電圧指令正弦波発生手段２０の出力値ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊と所定時間遅延手段２１の出力信号（０、１の二値）を掛け合わせ、電圧指令Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを得る。そして電圧指令Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗが電力変換器５に出力される。
電力変換器５は、電圧指令手段８の出力値に応じて、リニアインダクションモータ４に三相交流電圧を印加するものである。

なお、上記のように、第１の停止信号を所定時間遅延させる理由は次の通りである。
即ち、運転台１０からの第１の停止信号は、機械ブレーキ６を動作させるものであるが、機械ブレーキ６は一般的に、圧縮空気をブレーキシリンダに送って空気圧力制御により機械的に鉄製の板であるブレーキパッドで押さえつける方式であるため、応答速度が遅いものである。一方電力変換器５は、電気的な動作をするので、応答速度が速いものである。
モータ定数を正確に測定するためには、モータが停止した後に測定を行うことが必要であり、そのため、第１の停止信号で機械ブレーキ６を動作させ、確実に電気車を停止させた後、所定時間遅延手段２１により所定時間遅延させてから電圧指令手段８を動作させ、電力変換器５を動作させるよう構成している。

次に、モータ定数演算手段９の動作について説明する。
モータ定数演算手段９は、以下の式（７）、（８）を用いて、モータ定数である一次漏れインダクタンスｌｓを算出するものである。
即ち、図２の等価回路から、電圧Ｖｕをリニアインダクションモータ４に印加することによって電流Ｉｕが流れ、次の式（７）が成り立つ。

ここで、角周波数指令ω^＊は電力変換器５の出力する電圧の周波数と一致するので、
ω^＊＝２πｆ^＊であるため、式（７）は、一次漏れインダクタンスｌｓについて以下の式（８）のように解くことができる。

従って、モータ定数演算手段９は、上記式（８）を用いて電圧指令手段８の出力である電圧指令Ｖｕ及び、電流Ｉｕより一次漏れインダクタンスｌｓを算出することができる。

なお、上記説明においては、電圧Ｖｕは電圧指令手段８の出力である電圧指令を用いる場合について説明したが、これに限られることはなく、例えば、図８に示すように、電圧センサ１２によって電力変換器５の実際の出力電圧を検出して、式（８）により算出することも可能である。このように、電圧センサ１２を利用することにより、リニアインダクションモータ４に印加される実電圧を測定することができ、電力変換器５を構成するスイッチング素子による電圧降下による電圧低下の影響や、素子のデットタイムの影響などを除去でき、より厳密な定数測定が可能となる。

また、上記実施の形態１においては、リニア電磁アクチュエータとして、リニアインダクションモータを用いた場合について説明したが、この発明は勿論これに限られることはなく、例えば、リニア直流モータ、リニアパルスモータ、リニア振動アクチュエータ、リニア電磁ソレノイド、リニア電磁ポンプ、リニア同期モータ、リニアハイブリッドモータなど、インダクタンスＬと抵抗Ｒが構成要素として含まれるリニア電磁アクチュエータの全てに適用可能なものである。

以上のように、この発明の実施の形態１によれば、電気車に適用されたリニア電磁アクチュエータであるインダクションモータの一次側のモータ定数である一次漏れインダクタンスｌｓを簡単に測定できる。
また、その測定したモータ定数を用いて、リニアインダクションモータのベクトル制御などリニア電磁アクチュエータの高性能な制御を行うことができる効果がある。

実施の形態２．
図５は、この発明の実施の形態２の電気車の制御装置の全体構成を示す概略構成図である。
なお、図中、前記第１の実施の形態１との同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
この実施の形態２が実施の形態１と異なるところは、リニア電磁アクチュエータであるリニアインダクションモータ４の二次側導体を構成するリアクションプレート１１が、地上側に配置されていることである。

一般の回転型の誘導電動機の等価回路は図６に示すようになるが、実施の形態２のように構成されたリニアインダクションモータにおいては、２次漏れインダクタンスｌｒがほとんど零であるため、等価回路は図７のように示すことができる。そのため、実施の形態２では、図７の等価回路により、ベクトル制御のような高性能な制御を行うときに必要である二次抵抗Ｒｒを測定することができるものである。

即ち、電圧指令手段８の周波数指令設定手段１８（図３参照）の周波数指令ｆ＊を高い周波数に設定することにより、図７において、相互インダクタンスＭのインピーダンスが高くなり、相互インダクタンスＭには電流が流れなくなって、二次抵抗Ｒｒにのみ電流が流れることになる。
例えば、電圧指令手段８の周波数指令設定手段１８の周波数指令ｆ＊を１ｋＨｚ以上より高く、１０ｋＨｚ以下に設定する。周波数指令ｆ＊を１ｋＨｚ以上に設定することによって、相互インダクタンスＭに電流を流さないように十分にインピーダンスを高くすることができ、これによって、後述のようにモータ定数演算手段９によって二次抵抗Ｒｒを測定することができるものである。
なお、周波数指令ｆ＊を１０ｋＨｚ以下に設定するのは、電圧指令手段８やモータ定数演算手段９は、マイコンで実現することが普通であるため、１０ｋＨｚより高く設定することは、そのマイコンの演算時間の性能上難しいためである。

次に、モータ定数演算手段９の動作について説明する。
モータ定数演算手段９は、上記の考え方に基づいて、以下の式（９）、（１０）を用いて、モータ定数である二次抵抗Ｒｒを算出する。
即ち、図７の等価回路から、電圧Ｖｕをリニアインダクションモータに印加することによって電流Ｉｕが流れ、次の式（９）が成り立つ。

次に、式（９）を以下の式（１０）に変形することによって二次抵抗Ｒｒを算出することができる。

このように、モータ定数演算手段９は、上記式（１０）を用いて電圧指令手段８の出力である電圧指令Ｖｕ及び、電流Ｉｕより二次抵抗Ｒｒを算出することができる。
なお、電圧指令Ｖｕは、実施の形態１で述べたと同様に、リニアインダクションモータに実際に印加される電圧を電圧センサによって検出したものを使用してもよいことはいうまでもない。

また、電圧指令手段８において、周波数指令ｆ＊は、周波数をｆ＝０にすることにより直流電圧を出力することができ、一次漏れインダクタンスｌｓ、相互インダクタンスＭに電流を流さないようにでき、この場合には、一次抵抗Ｒｓ＋二次抵抗Ｒｒの値を電圧と電流から算出することができ、その値から既知である−次抵抗Ｒｓ分を引くことにより、二次抵抗Ｒｒを算出することができる。

以上のように、この発明の実施の形態２によれば、電気車に適用されたリニア電磁アクチュエータであるインダクションモータの二次側のモータ定数である二次抵抗Ｒｒを簡単に測定できる。
また、その測定したモータ定数を用いて、リニアインダクションモータのベクトル制御などリニア電磁アクチュエータの高性能な制御を行うことができる効果がある。

この発明の実施の形態１における電気車の制御装置の全体構成を示す概略構成図である。この発明の実施の形態１におけるリニアインダクションモータの等価回路図である。この発明の実施の形態１における電圧指令手段の構成の一例を示す図である。この発明の実施の形態１における第１の停止信号と所定時間遅延手段の出力信号との関係を示す図である。この発明の実施の形態２の電気車の制御装置の全体構成を示す概略構成図である。一般の回転型の誘導電動機の等価回路図である。この発明の実施の形態２におけるリニアインダクションモータの等価回路図である。この発明の実施の形態１におけるモータ定数演算手段への電圧入力の変形例を示す構成図である。

符号の説明

１車体、２車輪、３地面、４リニアインダクションモータ、５電力変換器、
６機械ブレーキ、７電流検出手段、８電圧指令手段、９モータ定数演算手段、
１０運転台、１１リアクションプレート、１２電圧センサ、１４電気車、
１５コンデンサ、１６電圧検出手段、
１７電圧／周波数指令手段、１８周波数指令設定手段、１９積分手段、
２０三相電圧指令正弦波発生手段、２１所定時間遅延手段、
２２直流電圧／相電圧変換係数手段、２３逆数変換手段、２４、２５、２６掛算器。

Claims

電気車の車体に搭載されたリニア電磁アクチュエータを駆動源とする電気車の制御装置において、前記リニア電磁アクチュエータの一次導体を構成する一次側部材に可変電圧および可変周波数の交流電力を供給する電力変換器と、前記電力変換器が前記リニア電磁アクチュエータに供給する出力電圧を指令する電圧指令手段と、前記電力変換器と前記リニア電磁アクチュエータ間に流れる電流情報を検出する電流検出手段と、停止信号で作動されるブレーキ装置によって前記電気車が停止中である時に、前記電圧指令手段による電圧情報と前記電流検出手段で検出された電流情報とによって前記一次側部材の一次漏れインダクタンスを演算するモータ定数演算手段を備えたことを特徴とする電気車の制御装置。
電気車の車体に搭載されリニア電磁アクチュエータの一次導体を構成する一次側部材と、
地上側に配置され前記リニア電磁アクチュエータの二次導体を構成する二次側部材とから成るリニア電磁アクチュエータを駆動源とする電気車の制御装置において、前記リニア電磁アクチュエータに可変電圧および可変周波数の交流電力を供給する電力変換器と、前記電力変換器が前記リニア電磁アクチュエータに供給する出力電圧を指令する電圧指令手段と、前記電力変換器と前記リニア電磁アクチュエータ間に流れる電流情報を検出する電流検出手段と、停止信号で作動されるブレーキ装置によって前記電気車が停止中である時に、
前記電圧指令手段による電圧情報と前記電流検出手段で検出された電流情報とによって、前記二次側部材の二次抵抗を演算するモータ定数演算手段を備えたことを特徴とする電気車の制御装置。
前記電圧指令手段は、前記電力変換器が１ｋＨｚ以上の高周波電圧または周波数ｆ＝０の直流電圧を出力するように指令することを特徴とする請求項２に記載の電気車の制御装置。
前記電気車の停止信号によってブレーキ装置を作動させ電気車を停止させると共に、前記電圧指令手段は、前記停止信号を所定時間遅延させて起動信号を出力する遅延手段を備え、前記電力変換器は、前記遅延手段の出力する起動信号により動作を開始することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の電気車の制御装置。