JP2008228438A - リニアインダクションモータ駆動システム - Google Patents
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Abstract
【課題】吸引力を監視し、過大な吸引力の発生を抑えることで、安全性の高いリニアインダクションモータ駆動システムを提供する。
【解決手段】電気車202の車上側に、可変電圧、可変周波数の交流を出力する電力変換装置と、電力変換装置から電力を供給され、リニアインダクションモータの一次回路となるコイル巻線とを搭載し、地上側に、リニアインダクションモータの二次導体となるリアクションプレート203を設け、リニアインダクションモータにより電気車を駆動するリニアインダクションモータ109の駆動システムにおいて、電気車の車上側に、吸引力を演算する制御器と、吸引力の演算結果が設定された値を下回るように制御する吸引力監視制御器111を設けた。吸引力を演算する制御器は、リニアインダクションモータ109に加える電圧、電流、周波数から吸引力を演算した結果に応じて、リニアインダクションモータに加える電圧、電流、周波数を補正する。
【選択図】図１
【解決手段】電気車202の車上側に、可変電圧、可変周波数の交流を出力する電力変換装置と、電力変換装置から電力を供給され、リニアインダクションモータの一次回路となるコイル巻線とを搭載し、地上側に、リニアインダクションモータの二次導体となるリアクションプレート203を設け、リニアインダクションモータにより電気車を駆動するリニアインダクションモータ109の駆動システムにおいて、電気車の車上側に、吸引力を演算する制御器と、吸引力の演算結果が設定された値を下回るように制御する吸引力監視制御器111を設けた。吸引力を演算する制御器は、リニアインダクションモータ109に加える電圧、電流、周波数から吸引力を演算した結果に応じて、リニアインダクションモータに加える電圧、電流、周波数を補正する。
【選択図】図１
Description
本発明は、ニアインダクションモータ駆動システムに関し、特に可変電圧、可変周波数の交流を出力する電力変換装置によって、ベクトル制御を用いてリニアインダクションモータを駆動させる電気車のリニアインダクションモータの駆動システムに関する。
リニアインダクションモータ電気車は、図２のようにリニアインダクションモータ１０９の一次回路であるコイルを車両２０２に搭載し、鉄系の磁性材料２１２と、磁性材料２１２の上に設置したアルミニウム、銅等の非磁性導体２１１とを組み合わせた二次回路であるリアクションプレート２０３を２条のレール２０４間に敷設し、リニアインダクションモータ１０９の一次回路コイルに三相交流を与えて移動磁界を発生させると、この磁界は、二次回路であるリアクションプレート２０３の鉄系の磁性材料２１２上に設置したアルミニウム、銅等の非磁性導体２１１を貫通し、非磁性導体２１１に渦電流が発生し、渦電流によって電磁力（推力）が発生し、電気車は走行できる。
同時に、リニアインダクションモータ１０９と二次回路であるリアクションプレート２０３の鉄系の磁性材料２１２間に吸引力２１０、及び反発力が発生するが、この力は電車の推進には寄与しない。
このリニアインダクションモータ電気車は、従来の電気車のように駆動輪に備える回転式の電動機が不要になることから、電気車の低床化が図れ、また電気車を小形にすることで断面積の小さいトンネルを走行することができる等の長所がある。
リニアインダクションモータ１０９を駆動する制御方法は、特許文献１、２に開示されている通り、推力を制御しやすいことから、ベクトル制御が提案されている。
特開２０００−２３３１６号公報
特開２００１−２８８０８号公報
しかし、上述の例では図３に示すように、リニアインダクションモータ１０９とリアクションプレート２０３の鉄系の磁性材料２１２間で過大な吸引力２１０が発生すると、リアクションプレート２０３が過大な力でリニアインダクションモータ１０９に吸引されリアクションプレート２０３が損傷する恐れがあった。
また、リニアインダクションモータ１０９と鉄系の磁性材料２１２間で過大な吸引力２１０が発生すると、リアクションプレート２０３を支えている締結装置２０６及び枕木２０９に損傷を与える恐れがあった。
また、リニアインダクションモータ１０９と鉄系の磁性材料２１２間で過大な吸引力２１０が発生すると、リアクションプレート２０３の形状が凸に変化し、リニアインダクションモータ１０９とリアクションプレート２０３の隙間が無くなるため、リアクションプレート２０３がリニアモータ２０１と接触し、リニアインダクションモータ１０９とリアクションプレート２０３が損傷する恐れがあった。
また、リニアインダクションモータ１０９とリアクションプレート２０３の間で過大な吸引力が発生すると、走行抵抗が大きくなる為、加速度が低下する課題があった。
本発明の目的は、上記課題を解決するために、吸引力２１０を監視し、過大な吸引力の発生を抑えることで、安全性の高いリニアインダクションモータ電気車システムを提供することにある。
上記課題を解決するために、以下の手段を採用する。リニアインダクションモータ電気車の駆動システムに、吸引力を演算する吸引力監視制御器を備え、リニアインダクションモータに加える電圧、インバータ周波数、滑り周波数から吸引力を演算し、予め設定された値を超えたら、リニアインダクションモータに加える電圧、滑り周波数を補正する指令を出し、吸引力の演算値が設定された値を下回るように制御する。
すなわち、本発明は、電気車の車上側に、可変電圧、可変周波数の交流を出力する電力変換装置と、該電力変換装置から電力を供給され、リニアインダクションモータの一次回路となるコイル巻線とを搭載し、地上側に、前記リニアインダクションモータの二次導体となるリアクションプレートを設け、前記リニアインダクションモータにより電気車を駆動するリニアインダクションモータの駆動システムにおいて、前記電気車の車上側に、前記コイル巻線と前記リアクションプレート間の吸引力を演算する制御器と、前記吸引力の演算結果が設定された値を下回るように制御する吸引力監視制御器を設けたリニアインダクションモータ駆動システムである。
また、本発明は、前記吸引力を演算する制御器は、前記リニアインダクションモータに加える電圧、電流、周波数から前記吸引力を演算した結果に応じて、前記リニアインダクションモータに加える電圧、電流、周波数を補正する手段を有するリニアインダクションモータ駆動システムである。
そして、本発明は、前記吸引力監視制御器は、前記リニアインダクションモータに加える電圧、滑り周波数から前記吸引力を演算し、その演算結果に応じて、前記リニアインダクションモータに加える電圧を減少させ、滑り周波数を増加させるように補正する指令を出し、前記吸引力の演算値が設定された値を下回るように制御するリニアインダクションモータ駆動システムである。
本発明によれば、リニアインダクションモータとリアクションプレートの鉄系の磁性材料間で発生する過大な吸引力を抑えることで、リアクションプレートの変形と損傷、リアクションプレートを固定する締結装置及び枕木の損傷、リニアインダクションモータの損傷、電気車の加速度の低下を防止することができるリニアインダクションモータ電気車システムを提供できる。
また、リアクションプレート、及び締結装置等の地上設備の損傷を抑えることで、地上設備のメンテナンス作業の低減となる交通システムを提供できるという効果もある。
本発明を実施するための最良の形態を説明する。
本発明のニアインダクションモータ駆動システムの実施例について、図面を用いて説明する。
本発明のニアインダクションモータ駆動システムの実施例について、図面を用いて説明する。
実施例１について、図１を用いて説明する。リニアインダクションモータ１０９の制御は、電流指令発生器１０１、電流制御器１０２、電圧ベクトル演算部１０３、ＰＷＭ制御器１０４、滑り周波数演算部１０７、推力電流演算部１１２、インバータ周波数演算部１１３の構成からなるベクトル制御に、本実施例の吸引力監視制御器１１１を備えている。
次に、実施例１における制御信号の流れについて、以下に説明する。電流指令発生器１０１は、リニアインダクションモータ１０９に与える励磁電流指令値Ｉｄ＊と推力電流指令Ｉｑ＊を出力する。電圧ベクトル演算部１０３は、励磁電流指令Ｉｄ＊と推力電流指令Ｉｑ＊を受け、リニアインダクションモータ１０９のモータ定数を用いて、ベクトル演算し、リニアインダクションモータに加える電圧指令変調率Ｖｃと偏角δを出力する。前記電圧指令変調率Ｖｃは、吸引力監視制御器１１１で補正され、補正後の電圧指令変調率補正後値Ｖｃ”をＰＷＭ制御器１０４に入力される。
ＰＷＭ制御器１０４は、吸引力監視制御器１１１からの電圧指令補正後値Ｖｃ”と電圧ベクトル演算部１０３からの偏角δ、インバータ周波数演算部１１３からのインバータ周波数Ｆｉｎｖを受け、ＰＷＭ変換し、リニアインダクションモータ１０９を駆動する為のインバータ主回路部１０６を制御し、リニアインダクションモータ１０９を駆動させる。
推力電流検出演算部１１２と電流制御器１０２は、リニアインダクションモータ１０９の制御性能を向上させるために、推力電流をフィードバックする機能となっている。推力電流演算部１１２は、モータ電流検出器１１５からモータ電流ＩＭを受け、推力電流検出値Ｉｑを電流制御器１０２に出力する。電流制御器１０２は、推力電流指令Ｉｑ＊と推力電流検出値Ｉｑを比較し、指令値と検出値に差が無いように制御している。
ＰＷＭ制御器１０４に必要なインバータ周波数Ｆｉｎｖは、滑り周波数演算部１０７で電流指令発生器１０１からの励磁電流指令Ｉｄ＊と、電流制御器１０２からの推力電流指令Ｉｄ＊から滑り周波数Ｆｓを演算し、前記滑り周波数Ｆｓを吸引力監視制御器１１１で補正し、前記滑り周波数補正後値Ｆｓ”と駆動輪１１０に取り付けられた速度検出器１１０から出力されるロータ周波数Ｆｒを加算器１１４で加算し、生成する。
本実施例の特徴である吸引力監視制御器１１１は、直流電圧を入力するフィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆとインバータ周波数演算部１１３からインバータ周波数Ｆｉｎｖを受け、リニアインダクションモータ１０９に加える電圧指令変調率Ｖｃと滑り周波数Ｆｓを補正し、電圧指令変調率補正後値Ｖｃ”と滑り周波数補正後Ｆｓ”を出力する。
次に、実施例１において、リニアインダクションモータ１０９とリニアプレート２０３の鉄系の磁性材料２１２間で発生する吸引力２１０の演算方法について説明する。
リニアインダクションモータ１０９とリニアプレート２０３の鉄系の磁性材料２１２間で発生する吸引力２１０は、（吸引力∝Φ２／Ｆｓ）の関係である。また、磁束Φは（磁束Φ∝Ｖ／Ｆｉｎｖ）の関係がある。つまり、吸引力は式（１）に示す関係式の通り、電圧指令Ｖ、インバータ周波数Ｆｉｎｖ、滑り周波数Ｆｓから大きさを演算することができる。
吸引力∝Φ２／Ｆｓ∝（Ｖ／Ｆｉｎｖ）２／Ｆｓ・・・・・・・式（１）
吸引力∝Φ２／Ｆｓ∝（Ｖ／Ｆｉｎｖ）２／Ｆｓ・・・・・・・式（１）
電圧指令Ｖは、式（２）に示す関係式の通り、フィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆと電圧指令変調率Ｖｃから算出できる。
Ｖ＝√６／π×Ｅｃｆ×Ｖｃ・・・・・・・・・・式（２）
上記式（１）、式（２）の演算式を用いることで、リニアインダクションモータ１０９とリニアプレート２０３の鉄系の磁性材料２１２間で発生する吸引力２１０の大きさを、フィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆ、電圧指令変調率Ｖｃ、インバータ周波数Ｆｉｎｖ、滑り周波数Ｆｓから演算することができる。
Ｖ＝√６／π×Ｅｃｆ×Ｖｃ・・・・・・・・・・式（２）
上記式（１）、式（２）の演算式を用いることで、リニアインダクションモータ１０９とリニアプレート２０３の鉄系の磁性材料２１２間で発生する吸引力２１０の大きさを、フィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆ、電圧指令変調率Ｖｃ、インバータ周波数Ｆｉｎｖ、滑り周波数Ｆｓから演算することができる。
本実施例では、この上記演算式を吸引力監視制御器１１１に備えることで、吸引力２１０の大きさを演算することができる。
例えば、吸引力２１０が一定値を超えた場合、電圧指令変調率Ｖｃを下げることで磁束Φを低下させ、吸引力２１０を抑えることができる。
しかしながら、電圧指令変調率Ｖｃを低下させると、推力は式（３）の式からわかる通り、電圧指令Ｖ、インバータ周波数Ｆｉｎｖ、滑り周波数Ｆｓと比例関係であり、推力が低下し、電気車の性能が低下する。
推力∝Φ２Ｆｓ∝（Ｖ／Ｆｉｎｖ）２Ｆｓ・・・・・・・式（３）
推力∝Φ２Ｆｓ∝（Ｖ／Ｆｉｎｖ）２Ｆｓ・・・・・・・式（３）
そこで、電圧指令変調率Ｖｃを下げたと同時に、推力を維持するためには、滑り周波数Ｆｓを上げる制御を行う。
このように、上記考え方に基づいて、電圧指令変調率Ｖｃと滑り周波数Ｆｓを補正することで、過大な吸引力２１０の発生を抑え、推力の低下を抑えることができる。
次に、上記考えに基づいて、吸引力２１０を演算している吸引力監視制御器１１１の制御について、図４の制御ブロック図を用いて説明する。
吸引力監視制御器１１１は、フィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆ、インバータ周波数Ｆｉｎｖ、を受け、リニアインダクションモータ１０９に加える電圧指令変調率Ｖｃと滑り周波数Ｆｓ補正し、吸引力２１０を抑え、推力を維持することができる。吸引力監視制御器１１１の吸引力補正ブロック４１０は（Ｖ／Ｆｉｎｖ）２／Ｆｓの関係から吸引力２１０を演算し、予め設定した値を超えた場合、吸引力２１０が大きいと判断し、電圧指令変調率補正値Ｖｃ´と滑り周波数補正値Ｆｓ´を出力する。前記電圧指令変調率補正値Ｖｃ’は、減算器４１１で電圧指令変調率Ｖｃから電圧指令変調率補正値Ｖｃ’を減算し、電圧指令変調率補正値Ｖｃ”をＰＷＭ制御器１０４へ出力する。前記滑り周波数補正値Ｆｓ’は、加算器４１２で滑り周波数Ｆｓと滑り周波数補正値Ｆｓ’を加算し、滑り周波数補正後値Ｆｓ”をインバータ周波数演算器１１３へ出力する。
次に、本実施例の吸引力監視制御器１１１の動作について、図５の制御フローチャートを用いて説明する。
（１）吸引力監視制御器１１１の吸引力補正ブロック４１０で電圧指令Ｖ、インバータ周波数Ｆｉｎｖ、滑り周波数Ｆｓから吸引力２１０を演算する。
（２）吸引力補正ブロック４１０で予め設定した値を超えてない場合、吸引力２１０が小さいと推定し、電圧指令変調率Ｖｃと滑り周波数Ｆｓの補正は不要と判断し、電圧指令変調率補正値Ｖｃ’と滑り周波数補正値Ｆｓ’は０を出力する。
（３）吸引力補正ブロック４１０で予め設定した値を超えた場合、吸引力２１０が大きいと推定し、吸引力２１０を下げるために電圧指令変調率補正値Ｖｃ’を出力し、電圧指令変調率Ｖｃを下げる。
（４）電圧指令変調率Ｖｃを下がることで、吸引力２１０が下がる。
（５）電圧指令変調率Ｖｃが下がった分、推力が低下するため、滑り周波数補正値Ｆｓ’を滑り周波数Ｆｓに加算し、推力を維持する。
（１）吸引力監視制御器１１１の吸引力補正ブロック４１０で電圧指令Ｖ、インバータ周波数Ｆｉｎｖ、滑り周波数Ｆｓから吸引力２１０を演算する。
（２）吸引力補正ブロック４１０で予め設定した値を超えてない場合、吸引力２１０が小さいと推定し、電圧指令変調率Ｖｃと滑り周波数Ｆｓの補正は不要と判断し、電圧指令変調率補正値Ｖｃ’と滑り周波数補正値Ｆｓ’は０を出力する。
（３）吸引力補正ブロック４１０で予め設定した値を超えた場合、吸引力２１０が大きいと推定し、吸引力２１０を下げるために電圧指令変調率補正値Ｖｃ’を出力し、電圧指令変調率Ｖｃを下げる。
（４）電圧指令変調率Ｖｃを下がることで、吸引力２１０が下がる。
（５）電圧指令変調率Ｖｃが下がった分、推力が低下するため、滑り周波数補正値Ｆｓ’を滑り周波数Ｆｓに加算し、推力を維持する。
以上の実施例により、リニアインダクションモータ１０９とリアクションプレート２０３の鉄系の磁性材料２１２間で発生する吸引力２１０が過大になった場合、直流電圧を入力するフィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆ、電圧指令変調率Ｖｃ、インバータ周波数Ｆｉｎｖ、滑り周波数Ｆｓから吸引力２１０を演算し、過大な吸引力の発生を抑えることで、リアクションプレート２０３の損傷、リアクションプレート２０３を固定する締結装置２０６及び枕木２０９の損傷、リニアインダクションモータ１０９の損傷、電気車の加速度の低下を防止することができるリニアインダクションモータ電気車システムを実現できる。
１０１：電流指令発生器
１０２：電流制御器
１０３：電圧ベクトル演算部
１０４：ＰＷＭ制御器
１０５：高圧電源入力部
１０６：インバータ主回路部
１０７：滑り周波数演算部
１０８：駆動輪
１０９：リニアインダクションモータ
１１０：速度検出器
１１１：吸引力監視制御器
１１２：推力電流検出演算部
１１３：インバータ周波数演算部
１１４：加算器
１１５：モータ電流検出器
２０２：車両
２０３：リアクションプレート
２０４：レール
２０６：締結装置
２０７：ボルト
２０８：ギャップ
２０９：枕木
２１０：吸引力
２１１：非磁性導体
２１２：磁性材料
４１０：吸引力補正ブロック
４１１：減算器
４１２：加算器
１０２：電流制御器
１０３：電圧ベクトル演算部
１０４：ＰＷＭ制御器
１０５：高圧電源入力部
１０６：インバータ主回路部
１０７：滑り周波数演算部
１０８：駆動輪
１０９：リニアインダクションモータ
１１０：速度検出器
１１１：吸引力監視制御器
１１２：推力電流検出演算部
１１３：インバータ周波数演算部
１１４：加算器
１１５：モータ電流検出器
２０２：車両
２０３：リアクションプレート
２０４：レール
２０６：締結装置
２０７：ボルト
２０８：ギャップ
２０９：枕木
２１０：吸引力
２１１：非磁性導体
２１２：磁性材料
４１０：吸引力補正ブロック
４１１：減算器
４１２：加算器
Claims (3)
- 電気車の車上側に、可変電圧、可変周波数の交流を出力する電力変換装置と、該電力変換装置から電力を供給され、リニアインダクションモータの一次回路となるコイル巻線とを搭載し、地上側に、前記リニアインダクションモータの二次導体となるリアクションプレートを設け、前記リニアインダクションモータにより電気車を駆動するリニアインダクションモータの駆動システムにおいて、
前記電気車の車上側に、前記コイル巻線と前記リアクションプレート間の吸引力を演算する制御器と、前記吸引力の演算結果が設定された値を下回るように制御する吸引力監視制御器を設けたことを特徴とするリニアインダクションモータ駆動システム。 - 請求項1記載のリニアインダクションモータ駆動システムにおいて、
前記吸引力を演算する制御器は、前記リニアインダクションモータに加える電圧、電流、周波数から前記吸引力を演算した結果に応じて、前記リニアインダクションモータに加える電圧、電流、周波数を補正する手段を有することを特徴とするリニアインダクションモータ駆動システム。 - 請求項１のリニアインダクションモータ駆動システムにおいて、
前記吸引力監視制御器は、前記リニアインダクションモータに加える電圧、滑り周波数から前記吸引力を演算し、その演算結果に応じて、前記リニアインダクションモータに加える電圧を減少させ、滑り周波数を増加させるように補正する指令を出し、前記吸引力の演算値が設定された値を下回るように制御することを特徴とするリニアインダクションモータ駆動システム。
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