JPH02193501A - 電気車の駆動電源制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は電動機で駆動される電気車の駆動電源制御装置
に関する。

（従来の技術） 電気車は、車輪に電動機で回転力（トルク）を与えて、
この車輪とレールとの間の粘着力（摩擦力）により回転
力を推進力として用いて車両を推進する。１個の車軸の
粘着力ＦＡＤは、粘着係数をμ、その車輪にかかる重量
（軸重）をＷとするとＦＡＤ”μＷ になる。回転力ＦＴＨが粘着力を上回ると、余剰の回転
力ΔＰＴＨ（＝ΔＦ　ＴＨＦ　ＡＤ）により車輪が車体
速度以上に加速されレール上を空回りして、推通力の伝
達が著しく低下する。この現象は駆動時に発生し、「空
転」とよぶ。制動時には、制動力ＦＢＲが粘着力を上回
ると、余剰の制動力ΔＦＢＲ（＝ＦａＲＦＡＤ）により
車輪が車体速度以下に減速され、車軸がレール上をすベ
リ、やはり制動力の伝達が著しく低下する。これを「滑
走Ｊとよぶ。

以下本発明では空転に関しては説明を行うが、滑走につ
いても全く同様のことが成り立つので説明を省略するこ
とがある。なお、上記の、電動機に連結された車軸を動
輪とよび、連結されていないものを軸輪とよぶ。

空転は上記のとおり回転力が粘着力を上回ると発生する
のであるが、粘着力が回転力を下回る場合も同様である
。

空転が発生するとまず第一に駆動力の円滑な伝達が行わ
れなくなるが、この他動軸踏面の剥離。

軸受けの焼損、レールの疲労・摩滅などの副次的問題も
生じる。

ここで従来の制御例を示し、その問題点を指摘する。第
６図はＰＷＭインバータで誘導電動機を駆動する電気車
における電動機駆動装置の一般的構成を示す制御ブロッ
ク図である。図示のように電流制御ループを構成し、電
流指令を与えて電動機のトルクを制御して電気車の駆動
力を制御する。

図中、１は電流指令に基づき電流パターン（実際の電流
指令）を発生する電流指令パターン発生器、２は電流パ
ターンと検出した実際の電動機電流を用い適当な制御論
理に基づいてすべり周波数指令を出力する電流制御器、
３は電動機回転周波数にすべり周波数指令を加算してイ
ンバータ周波数指令を作る加算器、４はすベリ周波数指
令に基づきＶ／Ｆ一定制御をするＶ／Ｆ一定制御器、５
はＶ／Ｆ一定制御器の出力である電圧指令に基づきＰＷ
Ｍパルスを発生するＰＷＭパルス発生器、６はＰＷＭ制
御電圧形インバータ、７は誘導電動機、８は電流検出器
で検出した電流は電流制御部２ヘフイードバツクされる
。９は速度検出器で、検出した速度は変換器１０で電気
角速度に変換され、インバータ周波数指令を作る加算器
３へ送られる。

第６図で破線で囲った部分が駆動電源制御装置１１であ
る。誘導電動機に連結された動輪は図示していない。

第７図は第２の従来例である。同図において第６図と同
一の構成要素には同一の記号を付し説明を省略する。こ
の実施例では一台のインバータ６が複数（本例では４台
）の誘導電動機７１．７２．７３゜７４を並列駆動し、
これにともない各誘導電動機に速度検出器９１．９２．
９３．９４がそれぞれ取り付けられる。選択回路１２は
、カ行時は４台の電動機速度の内最小の値、制動時は４
台の電動機速度の内最大の値を選択して変換器１０へ入
力するようにしている。

（発明が解決しようとする課題） この電動機制御系で電気車を駆動制御する場合、空転・
滑走を起こさなければ何等問題はない。ここでは空転を
起こした場合を例として説明する。

尚、厳密に表現すると、空転を起こすのは誘導電動機に
連結された動輪であるが、表現を簡潔にするために、誘
導電動機が空転を起こすといった類の記述をすることが
ある。

空転が生じた場合、それは誘導電動機速度の急上昇とし
て現れる。第１の従来例では、すべり周波数指令に誘導
電動機速度を電気角速度に換算したものをそのまま加算
してインバータ周波数指令としているので、誘導電動機
速度の急上昇はそのままインバータ周波数の急上昇につ
ながる。インバータ周波数が増大すれば、そのインバー
タによって駆動される誘導電動機の速度は更に増加する
。

これは典型的な正帰還現象で、駆動電源制御装置１１は
不安定となり、インバータ周波数が発散し、誘導電動機
が大暴走を起こす。

第２の従来例では、空転が生じるカ行時は４台の電動機
速度の内最小の値を選択しているので、空転していない
電動機があれば、その電動機速度が選択される。（この
空転モードを部分空転と称することとする。）この速度
を電気角速度に変換し、それにすべり周波数を加算して
インバータ周波数指令とするので、インバータ周波数が
発散することはなく、空転が生じて速度が増加した誘導
電動機でも、その速度はインバータ周波数に対応した速
度を上限として抑えられる。これがいわゆる誘導電動機
の分巻特性で、誘導電動機を用いるインバータ電車に高
い粘着特性が期待された所以でもあった。しかし現実に
はインバータ電車の粘着特性は期待されたほど高くはな
い。部分空転が発生すると、多くの場合、全誘導電動機
が空転する全軸空転に至る。全軸空転を起こすと、すべ
ての誘導電動機速度が急上昇してしまい、もはや分巻特
性は効果がなくなり、第１の従来例と同様大暴走に至る
のである。第１の従来例では誘導電動機が１台なので、
この誘導電動機の空転はとりもなおさず第２の従来例の
全軸空転と等価である。

（本明細書では、以後、第１の従来例の空転も全軸空転
と称することがある。）これが、インバータ電車の粘着
特性が期待されたほど高くはない理由である。

全軸空転による大暴走が発生すると、この状態を健全な
粘着状態に戻す、いわゆる再粘着制御が極めて難しくな
り、ノツチオフにより電源断にせざるを得ないことが多
い。

本発明は従来技術における上述の如き問題点を除去し、
全軸空転状態でも、インバータ周波数の増加をなるべく
小さく抑えることのできる電気車の駆動電源制御装置を
提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明は上記の目的を達成するため、以下の構成にて電
気車の駆動電源の制御を行う電気車の駆動電源制御装置
である。

電気車の駆動電源制御において、誘導電動機を駆動する
可変電圧・可変周波数インバータを制御する電気車の駆
動電源制御において、該誘導電動機の速度を検出する速
度検出器と、該検出器で検出した速度信号を電気角速度
に変換する変換器と、前記電気角速度とすべり周波数指
令を加算してインバータ周波数指令をインバータに与え
る加算器を備え、 前記誘導電動機の電気角速度を出力する前記変換器とイ
ンバータ周波数指令を発生する前記加算器との間に、該
変換器の出力である電気角速度信号の変化率を制限して
該加算器への入力とする電気角速度変化率リミッタを設
け、該電気角速度信号の上限ないしは下限あるいは上・
下限を制限した信号を出力し、かつ必要に応じて、前記
制限動作をリセットして入力された電気角速度信号をそ
のまま出力する機能を有するようにすることで、前記誘
導電動機に連結された動輪が空転ないしは滑走して該誘
導電動機の速度が急激に変化しようとしても、インバー
タ周波数指令がこの急激な変化に応動して大暴走しない
ようにしたことを特徴とする。

（作　　用） 上記の、本発明による電気車の駆動電源制御袋！では、
誘導電動機の電気角速度の変化率を制限することにより
、空転が発生してもインバータ周波数が大暴走を防ぐこ
とができるので、（発明が解決しようとする課題）の項
で指摘した従来技術の難点を除去できる。この大暴走を
回避できると、再粘着制御が機能し易くなる。

（課題を解決するための手段）の項で言及したリセット
機能の作用は、適当な再粘着制御などの効果により、逸
走した誘導電動機速度が再粘着に向かって車体速度近傍
へ復帰して行くとき、電気角速度変化率リミッタの入・
出力、つまり実際の誘導電動機電気角速度と、インバー
タ周波数指令の元になる変化率制限を受けた信号との相
違が再粘着過程に悪影響を及ぼさぬよう、電気角速度変
化率リミッタの出力を入力に等しくすることである。こ
のリセット機能は、必要がなければ、省略することを妨
げない。

（実　施　例） 以下に本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本発明の第１の実施例に係わる電気車の駆動制
御装置のブロック図である。同図において第６図と同一
の構成要素には同一の記号を付し説明を省略する。

本実施例は、第１の従来例と同じく、１台のインバータ
が１台の誘導電動機を駆動する例である。

第１図で、１３は電気角速度変化率リミッタである第２
図は電気角速度変化率リミッタ１３の機能を示すブロッ
ク図である。ここでは、微分器１３１にて電気角速度信
号を微分して電気角速度変化率を求め、　リミッタ１３
２で変化率の上・下限を制限し、その結果として得られ
る信号を積分器１３３で積分している。この場合、この
変化率は誘導電動機の加速度に対応する量である。変化
率の上限は電気車の正常力行時の加速度（２〜３　ｋｍ
／ｈ／ｓｅｅ、）を考慮して、この値よりやや大きめの
例えば４〜５に履／ｈ／ｓｅｅ、に対応した値を選ぶ。

このように選ぶと、空転が発生して誘導電動機速度が急
上昇し、加速度が大きくなってもリミッタの作用により
インバータ周波数指令の増加はリミッタに設定した上限
値で抑制され、その結果、インバータ周波数ないしは誘
導電動機速度が大暴走（この場合は急上昇）するのを防
ぐことができる。同時に、正常走行時に、不必要に作動
して正常走行を妨げることを避けることができる。下限
値は同様に、制動時の減速度を考慮して、その値よりや
や小さ目の値を選ぶ。このように選べば、上述した空転
の時と同様にして、インバータ周波数の大暴走（この場
合は急減小）を防ぎ、かつ不必要に作動して正常走行を
妨げることを避けることができる。このように、空転・
滑走時のインバータ周波数の大暴走を回避できると、本
発明には含まれない、なんらかの制御論理に基づく再粘
着制御が効果を発揮するまでに十分な時間的余裕が得ら
れ、再粘着特性の向上が期待できる。

空転が発生して誘導電動機速度が上昇し、前記した再粘
着制御がそれに応動して電流指令を絞ると、誘導電動機
速度は減少に転じる。第２図に示した本実施例の電気角
速度変化率リミッタ１３では、入力である誘導電動機の
電気角速度そのものの変化率に制限を加えているので、
この電気角速度変化率リミッタの入力と出力との間には
偏差が生じるのは当然としても、上記した誘導電動機速
度の減少時にこの偏差がそのまま残り、つまり実際の誘
導電動機電気角速度よりインバータ周波数が小さいまま
誘導電動機速度の減少につれて下降していくことがある
。この場合、インバータ周波数が誘導電動機速度に先行
して減少するため、このインバータ周波数で定まる誘導
電動機速度は更に減少を続けるという、正帰還がかかる
ことがある。

この難点を避ける必要があるときには、リセット機構を
設け、適当なタイミングで電気角速度変化率リミッタの
出力を入力に等しくするとよい。第３図に示した電気角
速度変化率リミッタ１３′は第２図に示した電気角速度
変化率リミッタ１３にこのリセット機構１３４を追加し
た例である。ここでは、カ行時にはリミッタ１３２の下
限を、例えばＯｋｍ／ｈ／Ｓｅｅとし、前記した、空転
発生後の再粘着制御により誘導電動機速度が下降（電気
角速度変化率、つまりは加速度は負）に転じたあとも、
このリミッタの下限値により電気角速度率リミッタ１３
′　の出力を一定値に保ち、電気角速度変化率リミッタ
１３′　の入力がこの出力に等しくなるか下回るまで下
降したら、常に電気角速度変化率リミッタ１３’の入力
と出力が等しくなるよう積分器１３３をリセットするよ
うにしている。尚、この電気角速度変化率リミッタ１３
′ではカ行時にリミッタ１３２の下限値を上述したよう
に選ぶ関係上、制動時にはリミッタの上限値と下限値を
設定しなおし、下限値は制動時の減速度を考慮して、そ
の値よりやや小さ目の値を選び、上限値は例えばＯｋｍ
／ｈ／ｓｅｅ、とする。電気角速度変化率リミッタ１３
′の入力がこの出力に等しくなるか上回るまで回復した
ら、常に電気角速度変化率リミッタ１３′　の入力と出
力が等しくなるよう積分器１３３をリセットするように
している。

第４図は、電気角速度変化率リミッタのもう１つの実施
例を示している。この電気角速度変化率リミッタ１３＃
では、電気角速度変化率リミッタの入力と出力間の偏差
を減算器１３５で求め、この偏差をリミッタ１３６で制
限し、その出力を積分器１３７で積分して電気角速度変
化率リミッタ１３″′の出力としている。この構成にす
ると、空転時を例に取ると、リミッタ作動中は第２，３
図の電気角速度変化率リミッタと同様インバータ周波数
の大暴走を防ぐことができ、再粘着制御などにより電流
が絞られ誘導電動機速度が減少して電気角速度変化率リ
ミッタ１３′の入・出力間の偏差が減少してリミッタ１
３６が作動しなくなると、入・出力間の信号伝達特性が
一次遅れ特性と等価になるので、やがて電気角速度変化
率リミッタ１３′の入・出力間の偏差がＯになり、特に
リセット機構を付加する必要なしにリセット機構が得ら
れる。ただし、この構成では第２，３図の電気角速度変
化率リミッタのように入力、つまり誘導電動機電気角速
度そのものの変化率を制限していないので、第２，３図
の電気角速度変化率リミッタに比べ、空転・滑走時のイ
ンバータ周波数ないしは誘導電動機速度の逸走を抑える
機能がやや下回る。

第５図は、本発明の第２の実施例に係わる電気車の駆動
制御装置のブロック図である。同図において第１図及び
第７図と同一の構成要素には同一の記号を付し説明を省
略する。

本実施例は、第２図の従来例と同じく、１台のインバー
タが複数台（この例では４台）の誘導電動機を駆動する
例である。

カ行時、制動時共に部分空転ないしは滑走が生じている
場合は、正常動作をしている誘導電動機の速度に基づき
インバータ周波数が決定され、本発明に係わる電気角速
度変化率リミッタ１３は作動せず、誘導電動機のいわゆ
る分巻特性により、インバータ周波数ひいては誘導電動
機速度の逸走が回避される。全軸空転ないしは滑走に至
った場合は、空転時は速度が一番小さい誘導電動機の速
度、滑走時は速度が一番大きい誘導電動機の速度をもと
にして、電気角速度変化率リミッタ１３が第１の実施例
に於けると同じ機能を発揮して、インバータ周波数ひい
ては誘導電動機速度の大暴走を防ぐのである。尚、本実
施例において、電気角速度変化率リミッタ１３の代わり
に、第３ないし４図の電気角速度変化率リミッタ１３′
ないしは１３”を用いてもよい。

以上に説明した第１および２の実施例で示した電気角速
度変化率リミッタ１３．１３’、或いは１３“は、その
名の示すごとく、誘導電動機速度は電気角速度に変換し
た後で機能する構成としたが、これを速度変化率リミッ
タとして、誘導電動機速度に対して機能させ、その後で
電気角に変換する構成としても同一の効果が得られるこ
とは言を待たない。

〔発明の効果〕

以上に説明したように、本発明によれば、インバータ周
波数の決定に際し、誘導電動機速度ないしは該速度を電
気角速度に変換したものの変化率を制限して得られる信
号にすベリ周波数指令を加えるようにしたので、空転・
滑走に際して、インバータ周波数が大暴走をすることの
ない電気車の駆動電源制御装置を提供することができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例の構成を示すブロック図
、第２図は電気角速度変化率リミッタ１３の機能を示す
ブロック図、第３図は電気角速度変化率リミッタの変形
例１３′の機能を示すブロック図、第４図は電気角速度
変化率リミッタの他の例１３′の機能を示すブロック図
、第５図は本発明の第２の実施例の構成を示すブロック
図、第６図は第１の従来例の構成を示すブロック図、第
７図は第２図の従来例の構成を示すブロック図である。 １・・・電流パターン発生器、 ２・・・電流制御器、　　　　３・・・加算器、４・・
・Ｖ／Ｆ一定制御器、 ５・・・ＰＷＭパルス発生器、 ６・・・ＰＷＭ制御電圧形インバータ、７　、７１．７
２．７３．７４・・・誘導電動機、８・・電流検出器、 ９　、９１．９２．９３．９４・・速度検出器、１０・
・・変換器、　　　　　１１・・・駆動電源制御装置、
１２・・・選択回路。 １３・・・電気角速度変化率リミッタ、１３１・・・微
分器、　　　　　１３２・・・リミッタ、１３３・・・
積分器、　　　　　１３４・・・リセット機構、１３５
・・・減算器、１３６・・・リミッタ、１３７・・・積
分器。 代理人　弁理士　則　近　憲　佑 同　　第子丸　健 ソセットａオ！Ｌ／Ｊ４／１０シック 第 図 第 図 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 誘導電動機を駆動する可変電圧・可変周波数インバータ
   を制御する電気車の駆動電源制御において、該誘導電動
   機の速度を検出する速度検出器と、該検出器で検出した
   速度信号を電気角速度に変換する変換器と、前記電気角
   速度とすべり周波数指令を加算してインバータ周波数指
   令をインバータに与える加算器を備え、 前記誘導電動機の電気角速度を出力する前記変換器とイ
   ンバータ周波数指令を発生する前記加算器との間に、該
   変換器の出力である電気角速度信号の変化率を制限して
   該加算器への入力とする電気角速度変化率リミッタを設
   け、該電気角速度信号の上限ないしは下限あるいは上・
   下限を制限した信号を出力し、かつ必要に応じて、前記
   制限動作をリセットして入力された電気角速度信号をそ
   のまま出力する機能を有するようにすることで、前記誘
   導電動機に連結された動輪が空転ないしは滑走して該誘
   導電動機の速度が急激に変化しようとしても、インバー
   タ周波数指令がこの急激な変化に応動して大暴走しない
   ようにしたこと を特徴とする電気車の駆動電源制御装置。