JP2005253264A - 電気車制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 惰性走行（惰行）時のインバータの稼動時間を減らして発生ロスを減らし、装置の信頼性を上げると共に、装置の小型、軽量化のために有利な電気車制御装置を提供する。
【解決手段】 この電気車制御装置は、永久磁石式同期電動機と、永久磁石式同期電動機に駆動電力を供給するインバータと、永久磁石式同期電動機の誘起電圧の検出手段と、架線電圧の検出手段と、永久磁石同期電動機の誘起電圧と架線電圧とを比較し、誘起電圧が架線電圧よりも所定値以上大きくない場合に停止指示信号を出力する電圧比較手段と、主幹制御器から惰行指令を受け付けた時、電圧比較手段が停止指示信号を出力していればインバータを停止させるインバータ制御手段とを備えたものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、鉄道車両用永久磁石式同期電動機を駆動制御する電気車制御装置に関する。

図３は、永久磁石同期電動機を駆動する電気車制御装置の従来例を示している。従来の電気車制御装置では、架線（図示せず）からパンタグラフ１を介して集電された直流電力は、電流の入り切りを行なう断流器２、３、４および平滑用リアクトル６を通ってインバータ１８に入力される。そして入力された直流電力は、インバータ１８により可変電圧・可変周波数の交流電力に変換されて、通常は閉じている開放用接触器１３を通して永久磁石式同期電動機１４へ供給される。永久磁石式同期電動機１４は永久磁石を内蔵しているため、回転中は常に起電力を誘起している。この誘起電圧は速度に比例して発生し、高速度では電車線電圧を越える電圧を発生する。力行時は、インバータ１８でこの誘起電圧と共に主電動機電流を制御して永久磁石式同期電動機１４の駆動トルクを制御し、回生時は、永久磁石式同期電動機１４のブレーキトルクを制御する。

一方、従来の誘導電動機制御においては惰行時にインバータを停止させるが、永久磁石式同期電動機制御の場合、インバータを停止させると永久磁石式同期電動機１４が発電機として作用し、図３に示すようにインバータ１８内のダイオード７〜９を通して電車線に電力を供給して車両に回生ブレーキとして作用し、惰行ではなくブレーキが掛かってしまう。この現象を防ぐために、一般には永久磁石の磁束を打ち消す方向に主電動機界磁巻線に励磁電流を流して磁束を弱め、主電動機の端子電圧を抑えてトルクを発生しないようにする惰行制御を行っている。上ではＰＭ１の永久磁石式同期電動機１４の回路について説明したが、ＰＭ２〜ＰＭ４の永久磁石式同期電動機２５、３７、４８の回路についても同様である。なお、図３中、５は充電抵抗器、１５は過電圧抑制抵抗器、１６は過電圧抑制サイリスタ、１７、２７、３８、４９は平滑用コンデンサ、２０、３２、４３はインバータ、１９、３１、４２は平滑用リアクトル、７〜１２、２１〜２３、２８〜３０は主回路素子、また３３〜３５、３９〜４１、４４〜４６、５０〜５２も主回路素子であり、１３、２４、３６、４７は３極開放用接触器、１４、２５、３７、４８は永久磁石式同期電動機である。

図４は、上記制御を行うためのＶＶＶＦインバータ装置の制御ブロック図であり、永久磁石式同期電動機１４の１台分を駆動制御するインバータ１８に対するものである。このＶＶＶＦインバータ装置において、６１は力行トルクパターン生成部、６２は回生トルクパターン生成部、６３はスイッチ、６４はＯＲ論理ゲート、６５はスイッチ、６６は速度判別部、６７はスイッチ、６８はベクトル制御部、６９はＯＲ論理ゲート、７０は速度演算部、７１はゲートスタート、ストップ制御部、７２はＰＷＭゲートパルス生成、ゲートロジック部である。

この従来のＶＶＶＦインバータ装置では、惰行時には力行指令もブレーキ指令もないためにスイッチ６７が閉じており、速度判別部６６で速度ＦＲと基準速度を比較して速度ＦＲが基準速度以上であればＯＲ論理ゲート６９を通ってゲートスタート、ストップ制御部７１に信号入力され、ＰＷＭゲートパルス生成、ゲートロジック部７２からＶＶＶＦインバータ１８のユニットにゲート指令を出力する。この時、スイッチ６５は０kgf側にあるため、ベクトル制御部６８に０kgfのトルク指令が入力され、トルク０kgfの制御が行われる。

しかしながら、このような従来の永久磁石式同期電動機制御では、高速度での惰行時に電動機１４が発電機になって回生ブレーキを作用させることになる現象を防ぐために、あえて永久磁石の磁束を励磁コイルによって逆に作用させて磁束を弱める制御を行っている。この制御は、従来の誘導電動機制御では惰行時の制御を停止しているのに比べ、インバータ１８が惰行時にも動いて励磁電流を流すため、インバータが動作している時間が長くなり、信頼性が低下する。特に通勤近郊電車では、この惰行モードが多くの時間を占めるため、永久磁石式同期電動機といえども制御を停止したいという技術的課題があった。

本発明は、惰行時のインバータの稼動時間を減らして発生ロスを減らし、装置の信頼性を上げると共に、装置の小型、軽量化のために有利な電気車制御装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明の電気車制御装置は、永久磁石式同期電動機と、前記永久磁石式同期電動機に駆動電力を供給するインバータと、前記永久磁石式同期電動機の誘起電圧の検出手段と、架線電圧の検出手段と、前記誘起電圧と前記架線電圧とを比較し、前記電圧比較手段が前記誘起電圧が架線電圧よりも所定値以上大きくない場合に停止指示信号を出力する電圧比較手段と、主幹制御器から惰行指令を受け付けた時、前記電圧比較手段が前記停止指示信号を出力していれば前記インバータを停止させるインバータ制御手段とを備えたものである。

請求項２の発明は、請求項１の電気車制御装置において、前記電圧比較手段は、前記永久磁石式同期電動機の誘起電圧が架線電圧よりも所定値を超えて大きい場合にトルク０指示信号を出力し、前記トルク０指示信号を受け付けた時に、前記インバータ制御手段は、前記インバータを動作させ、前記永久磁石式同期電動機のトルクが０になる惰行制御を行うことを特徴とするものである。

本発明によれば、惰行時にインバータ制御を停止することができ、インバータの不要な動作を防ぐことにより装置の信頼性を上げると共に、省エネルギーにも貢献することができる。

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＞本発明の第１の実施の形態の電気車制御装置を図１の制御ブロック図を用いて説明する。図１は、図３に対する図４のように、４台の永久磁石式同期電動機を制御する電気車制御装置の電動機１台分の制御ブロック図である。図１において、従来例と共通する構成要素には共通の符号を付して示してある。

本実施の形態の電気車制御装置の特徴は、図４に示した従来例に対して、速度判別部６６に代えて、速度／誘起電圧変換部７３、許容超過電圧パターン加算器７４及び電圧判別部７５を備えた点にある。

永久磁石式同期電動機１４の電圧およびトルクは数１式で表わされ、idおよびiqを制御することにより、モータ電圧およびトルクを制御することができる。

一方、無負荷誘起電圧は、数１式において、idおよびiqを共にゼロとすることで、無負荷誘起電圧＝p・ωm・k・Φfである。

したがって、力行およびブレーキが共にオフされた時、つまり惰行が指令された時には、速度／誘起電圧変換部７３で車両速度から無負荷誘起電圧を計算する。一方、許容超過電圧パターン加算器７４では、インバータ１８のフィルタコンデンサ電圧に許容超過電圧を加算する。そして、電圧判別部７５で無負荷誘起電圧とフィルタコンデンサ電圧に許容超過電圧を加算した値とを比較して、無負荷誘起電圧の方が低い場合は電圧判別部７５から出力せず、無負荷誘起電圧の方が高い場合には電圧判別部７５から出力する。

電圧判別部７５から出力されない場合、したがって無負荷誘起電圧の方がフィルタコンデンサ電圧に許容超過電圧を加算した値よりも低い場合、ゲートスタート、ストップ制御部７１に信号入力がされないためにゲート指令は出力されず、インバータは停止する。

こうして、鉄道車両の駆動用電動機に適用した永久磁石式同期電動機１４に対する主幹制御器からの惰行指令に対して、その電動機１４の誘起電圧が「電車線電圧＋規定の超過電圧」より低い場合にはインバータ１８を停止する制御行うことによってインバータ１８を惰行モードで停止させ、インバータの不要な動作を防ぐことにより装置の信頼性を上げると共に、省エネルギーにも貢献する。

一方、無負荷誘起電圧の方がフィルタコンデンサ電圧に許容超過電圧を加算した値よりも高い場合には電圧判別部７５から出力があり、ＯＲ論理ゲート６９を通ってゲートスタート、ストップ制御部７１に信号入力され、ＰＷＭゲートパルス生成、ゲートロジック部７２からＰＷＭインバータ１８にゲート指令を出力する。この時、スイッチ６５は０kgf側にあるため、ベクトル制御部６８に０kgfのトルク指令が入力され、トルク０kgfの制御が行われる。

こうして、永久磁石式同期電動機１４の誘起電圧が「電車線電圧＋規定の超過電圧」よりも高い場合にはインバータ１８を動作させ、電動機のトルクが０になる惰行制御を行うことができる
なお、永久磁石式同期電動機１４の誘起電圧を低く抑えて設計することにより、惰行指令によるインバータ１８の停止モードのとれる速度域を拡大することができる。

＜第２の実施の形態＞本発明の第２の実施の形態の電気車制御装置を、図２を用いて説明する。第２の実施の形態の電気車制御装置は、図１に示した第１の実施の形態の構成から、ＯＲ論理ゲート６９、速度／誘起電圧変換部７３、許容超過電圧パターン加算器７４及び電圧判別部７５を削除した構成を特徴とする。その他の構成要素については、第１の実施の形態と共通するものに共通の符号を付して示してある。

車両の最高速度における機械角周波数ωmにおいて、

となるように永久磁石式同期電動機のk・Φfを設定すれば、惰行中にインバータを停止しても電車線に電流が流れ出すことはなく、図２のように惰行制御を不要とした制御ブロック構成とすることができる。

この第２の実施の形態によれば制御回路の構成が簡素化できる。

本発明の第１の実施の形態の電気車制御装置の制御ブロック図。 本発明の第２の実施の形態の電気車制御装置の制御ブロック図。 従来例の電気車制御装置の主回路図。 従来例電気車制御装置の制御ブロック図。

符号の説明

１ パンタグラフ
２、３、４ 断流器
５ 充電抵抗器
６、１９、３１、４２ 平滑用リアクトル
１５ 過電圧抑制抵抗器
１６ 過電圧抑制サイリスタ
１７、２７、３８、４９ 平滑用コンデンサ
１８、２０、３２、４３ インバータ
７〜１２、２１〜２３、２８〜３０ 主回路素子
３３〜３５、３９〜４１、４４〜４６、５０〜５２ 主回路素子
１３、２４、３６、４７ ３極開放用接触器
１４、２５、３７、４８ 永久磁石同期電動機
６１ 力行トルクパターン生成部
６２ 回生トルクパターン生成部
６３ スイッチ
６４ ＯＲ論理ゲート
６５ スイッチ
６６ 速度判別部
６７ スイッチ
６８ ベクトル制御部
６９ ＯＲ論理ゲート
７０ 速度演算部
７１ ゲートスタート、ストップ制御部
７２ ＰＷＭゲートパルス生成、ゲートロジック部
７３ 速度／誘起電圧変換部
７４ 許容超過電圧パターン加算器
７５ 電圧判別部

Claims (2)

1. 永久磁石式同期電動機と、
   前記永久磁石式同期電動機に駆動電力を供給するインバータと、
   前記永久磁石式同期電動機の誘起電圧の検出手段と、
   架線電圧の検出手段と、
   前記誘起電圧と前記架線電圧とを比較し、前記電圧比較手段が前記誘起電圧が架線電圧よりも所定値以上大きくない場合に停止指示信号を出力する電圧比較手段と、
   主幹制御器から惰行指令を受け付けた時、前記電圧比較手段が前記停止指示信号を出力していれば前記インバータを停止させるインバータ制御手段とを備えたことを特徴とする電気車制御装置。
2. 前記電圧比較手段は、前記永久磁石式同期電動機の誘起電圧が架線電圧よりも所定値を超えて大きい場合にトルク０指示信号を出力し、
   前記トルク０指示信号を受け付けた時に、前記インバータ制御手段は、前記インバータを動作させ、前記永久磁石式同期電動機のトルクが０になる惰行制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の電気車制御装置。
   
   

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