JPH10510979A - ディーゼル電気牽引車におけるホイール・スリップ条件から回復するための改良された牽引力制御 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 内燃機関が電力発生器と駆動関係で接続されている機関車のためのホイール・スリップ回復方法において、発生器は、機関車の対応するホイール及び車軸の組を駆動するように結合された複数の電気牽引モータに電力を供給するように結合されている。機関車システムは、動的制動機能を含んでおり、電気抵抗回路が、動的電気制動の間に牽引モータからの出力を選択的に受け取るために発生器と並列回路構成で選択的に結合されている。本発明の方法は、スリップするホイールからスリップしていないホイールへの電力の変換により克服され得ないホイール・スリップ状態を検出して、駆動されたホイールに供給される電力を、発生器からの電力出力を減少させることなくホイールがスリップするのを終えるのに十分なレベルにまで減少させる方式で、電力発生器を有する回路に動的制動抵抗回路を選択的に結合する。

Description

【発明の詳細な説明】 ディーゼル電気牽引車におけるホイール・スリップ 条件から回復するための改良された牽引力制御 発明の背景 本発明は、機関車又は輸送車のような牽引車に動力を供給する電気モータ用の 制御システムに関し、更に具体的には、本発明は、推進動作の間にホイール・ス リップ（車輪すべり）からの回復を改善する方式で、このような車を制御する方 法に関する。 機関車及び輸送車、並びに他の大きな牽引車は通常、車の１つ又はそれ以上の 車軸に駆動関係をもって結合された電気牽引モータによって動力を供給されてい る。機関車及び輸送車は一般的に、車１台当たり少なくとも４つの車軸−ホイー ル（車軸及びホイール）の組を有しており、各々の車軸−ホイールの組は適当な 伝動装置を介して、牽引モータと通常呼ばれる別個の電気モータのシャフトに連 結されている。運転モードの動作において、牽引モータには、制御可能な電力源 （例えば、機関駆動の牽引交流発電機）からの電流が供給されており、牽引モー タは、その上を車が移動している表面（例えば、鉄道軌道の平行な鋼製レール） に正接力又は牽引力を及ぼす車のホイールにトルクを印加し、これにより、車を 線路用地に沿った所望の方向に推進させる。各々のホイールとその表面との間の 良好な付 着が、車の有効な動作のために要求される。車の各々の動力を供給されるホイー ルが、その実際の周辺速度が真の車速（即ち、車が移動している線形速度、これ は通常、「対地速度」又は「軌道速度」と呼ばれる。）よりもわずかに高い（運 転である）ような角速度で回転する場合に、最大の牽引力又は制動力が得られる ことは周知である。ホイール速度と軌道速度との間の差は、「スリップ速度」と 呼ばれている。スリップ速度の相対的に低い制限値が存在し、その値でピーク牽 引力が実現される。最大「徐行（クリープ）速度」として通常知られているこの 値は、軌道速度及びレールの条件に依存した変数である。最大徐行速度を超えな い限り、スリップ速度は正常であり、車は安定な微（マイクロ）スリップ又は徐 行モードで動作するであろう。ホイール対レールの付着が減少する又は失われる 傾向にあるならば、いくつかの又はすべての車のホイールは、過度に滑ることが ある。即ち、実際のスリップ速度は、最大徐行速度よりも大きいことがある。こ のようなホイールのスリップ条件は、１つ又はそれ以上の回転する車軸−ホイー ルの組によって運転モードにおいて特徴付けられ、ホイールの摩損を加速させ、 レールの破損、推進システムの駆動構成要素における高度の機械的応力、及び牽 引力の望ましくない減少を引き起こす。 多くの異なるシステムが、望ましくないホイール・スリップ条件を自動的に検 出すると共にその条件から回復するための従来技術において開示されている。 典型的には、車軸及びホイールの組の間の微分速度若しくはホイール速度の変 化率、又はこれら２つの測定値の組み合わせは、ホイール・スリップを検出する ために用いられている。速度は監視されており、所定の差分又は変化率を超える ことが見い出されると、モータへの電力は、牽引が回復される値に速度をもって いこうとして減少させられる。一旦、牽引が回復すると、ホイール・スリップの 発生前に存在したのと同一の条件に機関車を戻すために、電力をモータに再印加 しようとする試みがなされる。しかしながら、従来のディーゼル電気機関車では 、モータから電力を取り除くと、ディーゼル・エンジンが無負荷になると共に、 エンジンの電力出力及びその関連したターボチャージャの速度が同時に降下する 結果となる。電力を以前のレベルで再印加しようとする試みがなされると、典型 的にはターボチャージャが動作速度まで加速されなければならないので、エンジ ンの電力を回復するためにかなりの時間遅れが存在する。ホイール・スリップ条 件が電力の減少によって急速に克服され得る間に、エンジンの回復における時間 遅れによって、車の速度が降下し得る。結果として、モータへの同一の電力の印 加は、牽引力が電力を速度で割った量に比例すると共に減少した速度がより高い 牽引力を要するので、ホイールに付着の喪失及びスリッピングの再開をおそらく 引き起こさせそうである。いくつかの実例では、電力を取り除くと共に再印加す る過程により、機関車の速度が失速状態にまでつめ車式（ratcheting）に低下す るこ とになり得る。この過程は電力を傾斜をなして上昇させることにより大抵の実例 において克服され得るが、電力を傾斜状に上昇させることは、（大抵のスリップ が発生する）傾斜面上では、より高い電力が機関車を動かすのに必要とされると 共に電力低下により、すべり量（slippage）が発生するホイール速度を更に低下 させ得る速度減少となるので実用的ではない。従って、ホイール・スリップの発 生及び回復の後に電力を再印加する際の遅れを回避するための方法を提供するこ とが望ましい。 発明の要約 電気牽引モータ車用の制御方法であって、ホイール対レールの付着が減少する ときにより早い応答をもたらすと共に、有効な牽引力を増大させる制御方法を提 供することが、本発明のいくつかの目的のうちで注目され得る。例示的な形態で は、本発明は、車に動力を供給する電気交流誘導モータにおけるホイール・スリ ップに対する方法として説明され、この車は、過剰である有効な動力を制動抵抗 に転換するように動作させられる。その結果として、原動機は動力の減少を認識 せず、ホイール・スリップが発生する前と同様の動力レベルでの運転を続ける。 スリップしているホイールが牽引を回復するときに、スリップしているホイール を駆動するモータに印加するために、電力が直ちに利用され得る。このような電 力は、制動抵抗に転換される動力を滑らかに減少させるためにスイッチング構成 を相遅延（フェイズ・バック）させることにより、円滑に再印加さ れ得る。 図面の簡単な説明 本発明をよりよく理解するために、次の図面と共に以下の詳細な説明を参照す べきである。 図１は６車軸機関車用の推進システムの主要な構成要素の概略図である。 本発明の詳細な説明 図１に示されている推進システムは、動力電気（ダイナモエレクトリック）機 械１２のロータに機械的に結合されている可変速原動機１１を含んでおり、動力 電気機械１２は、主牽引同期発電機とも呼ばれ、３相交流（ａ−ｃ）同期発電機 を含んでいる。主同期発電機１２によって発生される３相電圧は、少なくとも１ つの３相双向非制御電力整流器ブリッジ１３の交流入力端子に印加される。ブリ ッジ１３の直流（ｄ−ｃ）出力は、複数の交直インバータ１５の各々に直流バス １４を介して電気的に結合されており、複数の交直インバータ１５は、直流出力 を制御された周波数交流出力に反転させる。インバータ１５の各々は、複数の調 節可能な速度交流牽引モータＭ１〜Ｍ６のうちの対応する１つのモータにエネル ギを付与する関係で結合されている。原動機１１、同期発電機１２及び整流器ブ リッジ１３は、典型的には６車軸ディーゼル電気機関車である自己推進型牽引車 １０のプラットフォームに適切に装着されている。機関車のプラットフォームは 、２つのトラック２０及び３０に支持されており、第１のトラック２０は３つの 車軸−ホイールの組２１、２２及び２３を有していると共に、他のトラック３０ も３つの車軸−ホイールの組３１、３２及び３３を有している。 機関車の各々の車軸−ホイールの組は、フランジを付けられた一対のホイール を含んでおり、これらのホイールは、車軸の対向端に固着されている。６つの対 のホイールはすべて、一対の平行で隔設されたレールによって形成された表面上 を移動し、一方のレールが、図１では線Ｒで図示されている。牽引モータＭ１〜 Ｍ６の各々は、別個の車軸に掛けられており、その電機子は従来の伝動装置（図 示していない）を介して、関連する車軸−ホイールの組に駆動関係で機械的に結 合されている。適当な電流変換器（トランスデューサ）２７が、モータ電流の大 きさをそれぞれ表す一群の６つの電流フィードバック信号Ｉ１〜Ｉ６を供給する ために用いられていると共に、適当な速度センサ２８が、モータ・シャフトの、 従って、個別に駆動される車軸−ホイールの組の回転速度（毎分の回転数、即ち 「ｒｐｍ」）をそれぞれ表す一群の６つの速度フィードバック信号Ｗ１〜Ｗ６を 供給するために用いられている。制御器２６が又、インバータ１５への一群の出 力信号Ｐ１〜Ｐ６を供給し、これらの信号は、インバータ１５を形成している複 数の電気バルブ（図示していない）の導電時間を確定する。インバータ１５は典 型的には、電気バルブの導電時間を制御する適当なゲート・パルス信号を発生す ることにより、導電要求信号Ｐ１〜Ｐ６に応答する積分ゲート・パルス発生器 （図示していない）を含んでいる。そのバルブは、例えばゲート・ターンオフ素 子又は絶縁されたゲート・バイポーラ・トランジスタであってもよい。 主同期発電機１２及び整流器ブリッジ１３は、それぞれの牽引モータに対する 制御可能な電力源として作用する。この源の出力電圧（又は電流）の大きさは、 主同期発電機のロータに設けられた界磁巻線１２Ｆに供給される励磁電流の量に よって決定されると共に変化させられる。同期発電機の界磁励磁電流は、３相で 制御される整流器ブリッジ１６によって供給され、その入力端子は、原動機で駆 動される補助同期発電機１８からの交流電圧を受け取っている。補助同期発電機 １８は、主同期発電機１２と同じフレーム上の補助の３相巻線の組を実際に含ん でいてもよい。制御された整流器ブリッジ１６が入力線１９上の可変制御信号ｖ ｃに従って同期発電機の界磁（従って、同期発電機１２の出力）に供給する直流 電流の大きさを変化させるために、従来の制御又は調整手段１７が設けられてい る。制御信号ＶＣは、レファランス信号（その値が可変要求信号の値に通常依存 している）と調整されている量の実際の値を表すフィードバック信号との間のい かなる差をも最小化する必要に応じて、ＶＣを変化させるように動作する制御器 ２６によって供給される。システムは、主同期発電機の整流された出力電圧の平 均の大きさを表す電圧フィードバック信号Ｖを導出する適当な手段を含んでおり 、その大きさは、界磁電流の大きさの既知の関数であり、又、原動機１１の 速度と共に変化する。 原動機１１は、熱若しくは内燃機関、又はこれと同等のものである。ディーゼ ル電気機関車では、動力は典型的には、高馬力のターボチャージ式の１６シリン ダ・ディーゼル・エンジンによって供給される。このようなエンジンは、燃料系 統（図示していない）を有していてもよく、この燃料系統は、関連する燃料イン ジェクタがエンジンのクランクシャフトに設けられた対応する燃料カムによって 作動されるごとに、どれくらい多くの燃料オイルを各々のシリンダに流すかを制 御する一対の燃料ポンプ・ラックを含んでいる。各々の燃料ラックの位置、従っ て、エンジンに供給される燃料の量は、エンジン速度調速器（ガバナ）３５の出 力ピストンによって制御される。調速器は、ラックを所定の制限内で、ある方向 に且つエンジンのクランクシャフトの実際の速度と所望の速度との間のいかなる 差を最小化する量だけ自動的に変位させることにより、エンジン速度を調整する 。所望の速度は、制御器２６から受け取られた可変速度呼び出し信号によって設 定される。他のエンジンは、上述した多くの機械的部品を除去しているが同等の 機能を実行している電気的に制御された燃料系統を有していてもよい。 運転の通常の監視又は推進モードでは、エンジン速度呼び出し信号の値は、制 御器２６が結合されている手動で作動されるスロットル（絞り弁）３６のハンド ルの位置によって決定される。機関車のスロットルは従来、８つの出力 位置、即ちノッチＮ、並びにアイドル（暖機）及びシャットダウン（停止）を有 している。ＮＩは所望の最小エンジン速度（出力）に対応しており、Ｎ８は最大 速度及び全出力に対応している。２つ又はそれ以上の機関車の列車の編成車両で は、リード（導線）・ユニットのみが通常、付設されており、制御器に内蔵され た各々の追跡ユニットが、リード・ユニットにおいてオペレータによって選択さ れたスロットル位置を示す符号化された信号を連続線（トレインライン）から受 け取る。上述した８つの個別の出力ノッチは、連続的に可変な制御器によって置 き換えられてもよい。 エンジンの任意の出力レベルに対して、対応する所望の負荷が存在する。制御 器２６は、牽引出力が要求された出力に匹敵したときに電圧フィードバック信号 Ｖが有するであろう値と実質的に等しいレファランス信号の値にスロットル出力 レベル情報を変換するように適当に配置されており、同期発電機の出力電圧及び 負荷電流の両者が所定の制限内にある限り、界磁制御器１７の入力線１９上の制 御信号ＶＣは、この所望の負荷を得るための必要に応じて変化させられる。この ために、並びにある異常状態の場合においてエンジン速度を除外する（即ち、エ ンジンを無負荷にする）及び／又は制限するために、エンジンを含めた推進シス テムの様々な運転条件及びパラメータに関する情報を制御器２６に供給すること が必要である。 制御器２６は、電圧フィードバック信号Ｖと、電流フィ ードバック信号Ｉ１〜Ｉ６と、車軸／ホイール速度フィードバック信号Ｗ１〜Ｗ ６と、主同期発電機１２の整流された出力電流の大きさを表す他の電流フィード バック信号Ｉと、エンジンのクランクシャフトの回転速度を示すエンジン速度信 号（ＲＰＭ）と、エンジンが要求された出力を実現できず、要求された速度を今 でも維持している場合に調速器３５によって発せられる負荷制御信号と、他の選 択された入力３８からの関連したデータとを受け取る。（負荷制御信号は発生さ れたときに、同期発電機の界磁を新たな平衡点に到達するまで弱くするように、 制御器２６内のレファランス信号の値を減少させるのに有効である。） 運転の電気制動又は減速モードでは、移動する車の慣性は、牽引モータを発電 機として利用することにより、電気エネルギに変換される。制動用の推進システ ムを形成するために、スロットル−ハンドルはそのアイドル位置に移動させられ 、制動制御装置３９のインタロック（連動）・ハンドルは、オフ位置からセット ・アップ位置を通過して種々のオン位置へ移動させられると共に、牽引モータＭ １〜Ｍ６は、動的制動の場合に直流チョッパ２５を介して直流リンク又はバス１ ４に結合されているファン状に開いた（fan-blown）抵抗器グリッドの配列を典 型的には含んでいる適当な負荷回路に接続される。直流チョッパ２５は、グリッ ド２４に印加される電力の量を調整するために制御器２６によって制御され得る 従来のチョッパ回路である。グリッド２４は、モータによって発生された電気エ ネルギを 熱の形態で消失させるために用いられている。電気制動又は減速の間、制御器２ ６は、相対的に高い軌道速度（例えば、約２０ｍｐｈよりも高い）では、抵抗器 グリッドに供給されるモータ電流（従って、制動力）の平均の大きさが、制動ハ ンドルの設定に依存するレファランス値に調整され、より低い軌道速度では、モ ータで最大定格電流に到達したときにはいつでも、同期発電機の出力電流がこの 制限の所で一定に保持されると共に、制動電流が速度と共に線形に減少するよう に、同期発電機の界磁励磁を変化させるよう動作する。 本発明では、制御器２６は、推進システムを運転の電気的減速モードに変更さ せることなく、直流チョッパ２５を動作させるように、ホイール・スリップ検出 に応答して監視又は推進モードで動作する。ホイール・スリップ・モードでは、 原動機１１の動力出力は、同期発電機１２の電力出力をその前の設定レベルに維 持することにより、その動力出力の前の設定レベルに維持される。制御器２６は 、信号Ｐ１〜Ｐ６のうちの適当な１つの信号の値を、スリップするホイール２１ 〜２３及び３１〜３３のうちの対応する１つのホイールへの電力を減少させるよ うに調節する。結果として、制御器２６は、過剰な電力を抵抗グリッド２４へ振 り向けるようにチョッパ２５を動作させ、過剰な電力は、スリップするホイール を駆動するモータに対する電力減少の量である。同期発電機１２の観点からは、 電力要求は一定のままであり、原動機１１は電力減少なしに動作を 続ける。 制御器２６がスリップするホイールが牽引を回復したことを感知すると、電力 要求信号Ｐ１〜Ｐ６のうちの適当な１つの信号を増加させながら、チョッパ２５ の動作を同時に相遅延させることにより、電力は直ちに利用することができる。 従って、システムは、従来技術のホイール・スリップ・システムの時間遅延特性 を克服する。 本発明は交流モータ・システムと関連して開示されたが、本発明が直流モータ 推進システムに適用可能であることは明らかであろう。直流モータ推進システム では、交流モータ２１〜２３及び３１〜３３に対応している直流モータは典型的 には、直流リンク１４に並列に接続されている。従って、チョッパ２５の動作は 、すべての直流モータへの電力を減少させるであろう。このような電力減少は直 流モータ・システム用のホイール・スリップ・システムにおいて異常ではないが 、直流モータの個別の制御を行うことが望ましい。別個に励起される直流モータ を用いているシステムでは、制御器２６は、モータの界磁電流を調整するシステ ムを含んでいる。従って、各々の直流モータは、界磁電流の調整により個別に制 御され得ると共に、本発明は、直流モータ・システムにおけるホイール・スリッ プの迅速な回復をもたらすように動作する。 本発明を好ましい実施例であると現在考えられる事項において記述してきたが 、多くの変更及び改変が当業者には明らかになるであろう。従って、本発明は、 特定の例示的 実施例に限定されるものではなく、請求の範囲の要旨の範囲内で解釈されるもの である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． ホイール・スリップ状態に続いて起こるディーゼル電気機関車における牽 引力制御を改善する方法であって、前記機関車は、複数の電気牽引モータのうち の対応する１つのモータとの関連により動作する複数の駆動ホイールを有してお り、 ホイール・スリップ状態の発生を検出する工程と、 該検出する工程に応答して、前記モータからの少なくともある程度の出力を出 力消失回路へ向ける工程とを備えたディーゼル電気機関車における牽引力制御を 改善する方法。 ２． 利用可能な最大トルクをホイール・スリップなしに発生する値でスリップ するホイールに関連した前記モータに印加される電力の大きさを最大化すること により、牽引力の最大レベルを維持する方式で振り向けられている電力の大きさ を変化させる工程を更に含んでいる請求項１に記載の方法。 ３． 内燃機関が電力発生器と駆動関係で接続されている機関車のためのホイー ル・スリップ回復方法であって、前記発生器は、前記機関車の対応するホイール 及び車軸の組を駆動するように結合された複数の電気牽引モータに電力を供給す るように結合されており、各々のホイール及び車軸の組は、レールと接触した駆 動ホイールを含んでおり、電気抵抗回路が、前記発生器からの電力を選択的に受 け取るために該発生器と並列回路構成で選択的に結合されてお り、 スリップするホイールからスリップしていないホイールへの電力の変換により 克服され得ないホイール・スリップ状態を検出する工程と、 駆動された前記ホイールに供給される電力を、前記発生器からの電力出力を減 少させることなく前記ホイールがスリップするのを終えるのに十分なレベルにま で減少させる方式で、前記電力発生器を有する回路に前記抵抗回路を選択的に結 合する工程とを備えた機関車のためのホイール・スリップ回復方法。 ４． 全電力を前記駆動されたホイールに戻すように、前記発生器を有する回路 から前記抵抗を徐々に減結合する工程を更に含んでいる請求項３に記載の方法。