JPH01177801A - 電気車の制御装置及び方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、リニアインダクシヨンモータによって駆動さ
れる電気車の制御装置の改良に関する。

〔従来の技術〕

車上に、リニアインダクシヨンモータの一次側を搭載し
、地上に、リニアインダクシヨンモータの二次側として
のリアクションプレートを敷設したりニアモータ電車が
注目されている。このリニアモータ電車は、カ行トルク
を伝達されない車輪によって支持され、リニアインダク
シヨンモータのカ行トルクによって推進力を与えられ、
一方、リニアインダクシヨンモータの電気ブレーキトル
クと、車軸に付与される機械ブレーキ（通常空気ブレー
キが用いられる）トルクとを併用して減速力が与えられ
る。

このリニアモータ電車の最大の利点は、電車の床下寸法
を小さくでき、特に、地下鉄の掘削断面を著しく小さく
できることから、小断面地下鉄の実現に寄与する。

ところで、電気車駆動用リニアインダクシヨンモータの
一次側と二次側間の空間長（エアギャップ長）は、車両
の走行中に大幅に変動する。このエアギャップ長の変動
は、電気車に望まれる定トルク特性を損うため、特開昭
６１−１９９４０４号公報に開示されたように、エアギ
ャップ長を検出して、リニアインダクシヨンモータのす
べり周波数および電流を修正することが提案されている
。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、第１に、多数の異なる原因によって変動
するエアギャップ長を正確に検出することは極めて困難
である。エアギャップ長の変動要因としては。

（１）０軍報の摩耗 （２）、レールの摩耗 （３）、レールとリアクションプレートの敷設誤差（４
）、レールの歪み （５）、リニアモータの吸引力等によるリアクションプ
レートのたわみ （６）、レールの継目への車輪の落込み（７）、車体の
走行振動 （８）、その他 が考えられる。これらの要因によるエアギャップ長の変
動を洩れなく検出するためには、レールに対する台車の
浮沈などを検出しても不十分で、直接的に、車上の一次
側コイルにギャップセンサーを取付け、地上のリアクシ
コンプレート間のギャップ長を検出しなければならない
。現存するギャップセンサーは、強磁界下の一次側コイ
ルの近傍に取付けることは不可能で、相当距離を置く必
要があり、要求を満たすことはできない。

第２に、電気車においては、ひとつの電力変換器から複
数のりニアモータ、例えば４ケモータ、８ケモータへ給
電することが多い。また、リニアモータは車両の進行方
向へ相当の長さを持つ。従って、エアギャップ長は、個
々のモータ毎に正確に検出しない限り、電気車の総合ト
ルクを制御することはできない。このため、多数のギャ
ップセンサーを必要とし、この意味からも精度、信頼性
に欠ける。

従って、ギャップセンサーを用いる従来方式では、電気
車のトルクの変動を補償することは困難で、実現されて
いない。

本発明の目的とするところは、リニアインダクシヨンモ
ータを駆動源とする電気車において、電気車のトルク変
動を効果的に補償することである。

［，１ｌｌｌを解決するための手段〕 本発明は、リニアインダクシヨンモータで駆動される電
気車において、このリニアインダクシヨンモータに給電
する電力変換器の力率を検出する手段と、この検出され
た力率に応じて電気車に作用するトルクを調整する手段
とを設けたことを特徴とする。

本発明は、−面において、検出された力率に応じて、電
気車の機械ブレーキの；＋１５１整を行う。

本発明の他の一面においては、検出された力率に応じて
、リニアインダクシヨンモータ自身の発生トルクを調整
する。

〔作用〕

リニアインダクシヨンモータに給電する電力変換器の力
率は、リニアインダクシヨンモータのエアギャップの変
動に代表される要因に基づく無効電力成分を除き、リニ
アモータのトルクとして作用する有効電力の度合いを表
わす。この力率に応じて電気車に作用するトルクを調整
すれば、電気車の走行に伴って変動するエアギャップに
よるリニアインダクシヨンモータのトルク変動を補償で
きる。

リニアインダクシヨンモータの回生ブレーキ時に、力率
に応じて、電気車の機械ブレーキトルクを調整すれば、
エアギャップに起因するリニアインダクシヨンモータの
電気（回生）ブレーキの不足を補い、電気車の安全を確
保できる。

リニアインダクシヨンモータのカ行時に、力率に応じて
、リニアインダクシヨンモータ自身の発生トルクを調整
すれば、エアギャップによるリニアインダクシヨンモー
タのトルク変動を補償し、電気車の定トルク特性を改善
できる。

〔実施例〕

以下、図示する一実施例により、本発明を詳述する。

第１図は、本発明によるリニアインダクシヨンモータを
備えた電気車制御装置の一実施例ブロック図である。

直流電車線１からパンタグラフ２を介して直流を集電し
、フィルタリアクトル３．フィルタコンデンサ４を含む
逆り型フィルタを通してインバータ（電力変換器）５へ
給電する。電車線が交流である場合には、電力変換器５
は、交流−交流変換器を用いる。

インバータ５の可変電圧、可変周波数出力は。

４ケのリニアインダクシヨンモータ６１〜６４へ並列に
給電される。

電気車は、カ行ｌ−ルクを加えられず、レール７上を駆
動する車軸８群によって支承され、リニアインダクシヨ
ンモータ（−次コイル）６１〜６４が、リアクションプ
レート６５との間に発生する推進力によって加速、走行
する。車輪８には、離水する機械ブレーキ９が作用しう
る。

次に、制御系につき述べるが、まず、周波数制御系から
説明する。

車輪８には、パルス発生器１０が連結され、速度検出器
１１によって、速度周波数を速電電圧ｆ、に変換する。

この速度電圧ｆ、は、車両の速度であるが、リニアイン
ダクシヨンモータ６１〜６４のモータ周波数に相当する
値と考えてよい。

一方、リニアインダクシヨンモータのすべり周波数ｆｓ
設定器１２が設けられ、周波数制御器１３により ｆ＝ｆｔ±ｆ、　　　　　　　　　　　　　　　・・・
（１）の演算が行われる。但し、十はカ行時、−は回生
時である。この周波数指令ｆはＰＷＭ制御器１４へ入力
され、インバータ５の動作周波数を決定する。

次に、電圧制御系は、基本的には単純に次のように構成
される。

周波数指令ｆが、電圧制御器１５へ入力され、電圧Ｖ対
周波数ｆの比Ｖ／ｆ＝一定となるような電圧指令Ｖに変
換され、前述のＰＷＭ制御器１４へ入力されるのである
。

さて、これらの周波数指令ｆおよび電圧指令Ｖに基づい
て、公知のＰＷＭ制御器１４が、インバータ５内のＧＴ
○サイリスタを点弧制御する。

この結果、すべり周波数ｆｓを一定に保っているので、
理想的には、リニアインダクシヨンモータ群は定トルク
制御される。

トルク指令Ｔｐは、カ行時には応荷重装置の出力を代表
するトルク補償値Ｔｐｐとして電圧制御器１５に作用し
、電気車の荷重に応じて、モータ発化トルクを修正して
いる。一方、回生時には、ブレーキ指令Ｔｂｐとして、
そのとき要求される電気車のブレーキトルクが大きさに
応じて、インバータの出力電圧を調整し、リニアインダ
クシヨンモータのブレーキトルクを制御している。ここ
で、すべり周波数ｆｓを調整しない理由は次の通りであ
る。すなわち、リニアインダクシヨンモータの速度−ト
ルク特性は回転形インダクションモータに比べ低勾配で
あるため、所望のトルクを得るために大きなすべり周波
数ｆ８とする必要がある。

例えば１回転形モータの３％に対し、リニアモータは１
５％程度であり、効率は９０％に対し７０％程度にまで
低下してしまう。更に、ここですべり周波数ｆｓの調整
（増大）によって、トルク増大を図ろうとすると、効率
の犠牲が大きすぎるのである。

また、インバータ５の出力電流は、変流器１６および電
流検出器１７で検出され、電流制御器１８において、電
流指令Ｉ＋ｍｐと比較される。この偏差ΔＩ−＝Ｉ−ｐ
　　Ｉ−が過大になると、インバータ５の出力電圧を補
正する。

さて、エアギャップ長を一定としたときに、リニアイン
ダクシヨンモータに発生するトルクＴは次式によって表
わされる。

従って、インバータの出力電圧Ｖ、同周波数ｆとモータ
電流１．（（２）式〕またはすべり周波数ｆ、（（３）
式〕の組合せによって発生トルクを演算できる。

第２図に、本発明の一実施例による電気車の縦断面概要
を示す。軌道側には、レール７１．７２の間の中央部に
リアクションプレート６５が敷設されている。

車体側では、車輪８に装架された台車（図示路）の下方
中央部に、リニアインダクシヨンモータの一次コイル６
１が、軌道側のリアクションプレート６５に対向するよ
うに配置される。台車上には客車本体１９が載置されて
いる。

第３図に、リニアインダクシヨンモータの一次コイル６
１とリアクレヨンプレー８６５間のエアギャップ長りが
変動したときの、リニアモータの推力Ｔ、電流工、およ
び力率ＣＯ８φ　の様子を示している。

この図から明らかなように、エアギャップ長りの増大に
伴って推力（トルク）Ｔおよび力率ＣＯ８φが減少し、
モータ電流工、は増大する。モータ電流■、の増大は、
励磁電流成分（無効分）の増大に起因するものである。

第１図に戻って、ＰＷＭ制御器１４から、任意の１相の
点弧信号Ｇが力率演算器２０に入力され、また、電流検
出器１７からも、対応する１相の電流位相信号が力率演
算器２０に入力されている。

従って、力率演算器２０は、任意の１相の電圧に対する
電流の位相差から、力率ｃｏｓφ　を演算できる。

一方、トルク演算器２１が設けられ、電圧指令７９周波
数指令ｆ、すべり周波数ｆｓ＋モータ電流工、および力
率ｃｏｓφ　を入力してモータ群の総合トルクＴを演算
している。ここでの総合トルクＴの演算は次式によるも
のである。

（４）、　（５）式から明らかなように、モータ電流■
、とすべり周波数ｆ、は、その一方のみがあればよく、
両方をトルク演算器２１に入力する必要はない。

演算されたリニアインダクシヨンモータ６１〜６４の総
合トルクＴは１回生ブレーキ時に、ブレーキ制御器２２
によって、リニアインダクシヨンモータ６１〜６４の総
合ブレーキトルクＴｂ　を、電気車のブレーキ指令Ｔｂ
ｐと比較し、その偏差ΔＴｂ　を、機械ブレーキ９によ
る補足量として機械ブレーキ９へ伝達する。

このようにして、リニアインダクシヨンモータ６１〜６
４の力率の低下によるブレーキ力の低下が生じても、こ
の不足分を自動的に機械ブレーキで補足することができ
安全である。

次に、検出した力率信号は、カ行時１回生時を問わず、
リニアインダクシヨンモータ自身の総合トルクの変動を
軽減するために用いることができる。

当実施例においては、トルク演算器２１の出方であるト
ルク信号Ｔ、トルク制御器２３にてトルク指令Ｔｐ　と
比較され、その偏差ΔＴを電圧制御器１５へ入力して、
インバータ５の出力電圧を補正している。

しかし、この方式によらず、力率演算器２０の出力であ
る力率信号ｃｏｓφ　を、直接的に、電圧制御器１５に
入力してインバータ５の出力電圧を補正することもでき
る。

ここで、すべり周波数！、の調整によらず、インバータ
出力電圧の調整手法を用いるのは、前述したと同様の理
由で、リニアインダクシヨンモータの効率を低下させな
いためである。

さて、インバータ５の出力電圧は、電気車の定格速度よ
りかなり低い速度で最大値に達するように設定する。Ｐ
ＷＭ制御器１４によって、予定の最大電圧に達したこと
を検出すると（破線）、スイッチ２４を投入し、トルク
制御器２３の出力ΔＴを周波数制御器１３へ入力して周
波数の補正を行う。つまり、インバータ５の出力電圧が
最大値に達したあとは、電圧制御系による補正はもはや
無効果であるため、ここで初めて、インダクションモー
タのすべり周波数！、を調整する「周波数制御系による
補正」を用いている。

このようにして、エアギャップ長の変動を含む力率の変
動に伴うリニアインダクシヨンモータのトルク変動を軽
減し、電気車を定トルク特性に近づけることができる。

上記の実施例においては、電力変換器の力率を、その出
力交流によって検出しているが、インバータの場合、そ
の入力直流電力は有効電力を表わすので、これを利用す
ることもでき、更に、当業者の自明な電力変換器の力率
検出手段で代用できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、リニアインダクシヨンモータを駆動源
とする電気車において、電気車のトルク変動が効果的に
補償することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による電気車の制御装置の一実施例ブロ
ック図、第２図は本発明による電気車の縦断面概要図、
第３図はリニアインダクシヨンモータのエアギャップ長
対電流、推力および力率特性図である。 ５・・・電力変換器、８・・・車輪、９・・・機械ブレ
ーキ、６１〜６４・・・リニアインダクシヨンモータの
一次コイル、６５・・・同二次側すアクションプレート
、Ｔｐ　　・・トルク指令、Ｔｐｐ・・・力行トルク（
応荷重）指令、ＴＩＩＩＰ・・・ブレーキトルク指令、
ｆ、・・・モータ周波数、ｆ３・・・すべり周波数、ｆ
・・・インバータ動作周波数指令、■・・・インバータ
出力電圧指令、■、・・・モータ電流、ｃｏｓφ　・・
・力率、Ｔ・・・発生トル箒２図 Ｃダ 茎　３　図 １７ギ濤シフ″私ｐ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、可変電圧、可変周波数の交流を出力する電力変換器
   と、この電力変換器によつて給電されるリニアインダク
   シヨンモータと、このリニアインダクシヨンモータによ
   つて駆動される電気車とを備えた電気車の制御装置にお
   いて、 上記電力変換器の力率を検出する手段と、この検出され
   た力率に応じて上記電気車に作用するトルクを調整する
   手段とを設けたことを特徴とする電気車の制御装置。 ２、特許請求の範囲第１項において、上記トルク調整手
   段は、上記リニアインダクシヨンモータのトルクを調整
   する手段を備えた電気車の制御装置。 ３、特許請求の範囲第１項において、上記トルク調整手
   段は、上記リニアインダクシヨンモータ以外のトルク発
   生手段によつて電気車に与えられるトルクを調整する手
   段を備えた電気車の制御装置。 ４、特許請求の範囲第３項において、上記リニアインダ
   クシヨンモータ以外のトルク発生手段は、機械的ブレー
   キ手段を備えた電気車の制御装置。 ５、特許請求の範囲第１項において、上記力率検出手段
   は、上記電力変換器の出力電圧と出力電流の位相差を検
   出する手段を備えた電気車の制御装置。 ６、特許請求の範囲第１項において、上記電力変換器は
   インバータを備え、上記力率検出手段は上記インバータ
   に入力される直流電力を検出する手段を備えた電気車の
   制御装置。 ７、可変電圧、可変周波数の交流を出力する電力変換器
   と、この電力変換器によつて給電されるリニアインダク
   シヨンモータと、このリニアインダクシヨンモータによ
   つて駆動される電気車とを備えた電気車の制御装置にお
   いて、 上記電力変換器の力率を検出する手段と、この検出され
   た力率信号を入力して上記リニアインダクシヨンモータ
   の発生トルクを演算する手段と、電気車のトルク指令発
   生手段と、このトルク指令と上記演算された発生トルク
   とを比較する手段と、この比較手段の出力に応じて上記
   電気車に作用するトルクを調整する手段を設けたことを
   特徴とする電気車の制御装置。 ８、可変電圧、可変周波数の交流を出力する電力変換器
   と、この電力変換器によつて給電されるリニアインダク
   シヨンモータと、このリニアインダクシヨンモータによ
   つて駆動される電気車と、上記モータのすべり周波数を
   設定する手段と、検出されたモータ周波数またはこれに
   相当する信号と上記すべり周波数とを入力して上記電力
   変換器の動作周波数を制御する手段と、上記電力変換器
   の出力電圧を制御する手段とを備えた電気車の制御装置
   において、 上記電力変換器の力率を検出する手段と、この検出され
   た力率に応じて上記電圧制御手段に補正を加える手段を
   設けたことを特徴とする電気車の制御装置。 ９、可変電圧、可変周波数の交流を出力する電力変換器
   と、この電力変換器によつて給電されるリニアインダク
   シヨンモータと、このリニアインダクシヨンモータによ
   つて駆動される電気車と、上記モータのすべり周波数を
   設定する手段と、検出されたモータ周波数またはこれに
   相当する信号と上記すべり周波数とを入力して上記電力
   変換器の動作周波数を制御する手段と、上記電力変換器
   の出力電圧を制御する手段とを備えた電気車の制御装置
   において、 上記電力変換器の力率を検出する手段と、この検出され
   た力率に応じて上記電圧制御手段に補正を加える手段と
   、上記電力変換器の出力電圧が予定の最大値となつたこ
   とを検出する手段と、その出力に応動して上記検出力率
   に応じて上記周波数制御手段に補正を加える手段とを設
   けたことを特徴とする電気車の制御装置。 １０、可変電圧、可変周波数の交流を出力する電力変換
   器と、この電力変換器によつて給電される複数のリニア
   インダクシヨンモータと、これらのリニアインダクシヨ
   ンモータによつて駆動される電気車と、上記モータのす
   べり周波数を設定する手段と、検出されたモータ周波数
   またはこれに相当する信号と上記すべり周波数とを加減
   算して上記電力変換器の動作周波数を制御する手段と、
   この動作周波数に比例するように上記電力変換器の出力
   電圧を制御する手段とを備えた電気車の制御装置におい
   て、 上記電力変換器の出力電圧と出力電流の位相差を検出す
   る手段と、この位相差、上記電力変換器の出力電圧、動
   作周波数およびすべり周波数またはこれらの相当信号か
   ら上記複数のリニアインダクシヨンモータの総合電気ブ
   レーキトルクを演算する手段と、この演算された総合電
   気ブレーキトルクと電気車の所望ブレーキトルクとの差
   に基づき電気車の機械ブレーキを制御する手段とを設け
   たことを特徴とする電気車の制御装置。 １１、可変電圧、可変周波数の交流を出力する電力変換
   器と、この電力変換器によつて給電されるリニアインダ
   クシヨンモータと、このリニアインダクシヨンモータに
   よつて駆動される電気車とを備えた電気車の制御装置に
   おいて、 上記電力変換器からリニアインダクシヨンモータへ給電
   される交流の電気と電流の位相差を検出するステップと
   、 この検出位相差を考慮して、リニアインダクシヨンモー
   タの発生している回生ブレーキトルクを演算するステッ
   プと、 この演算された発生ブレーキトルクをブレーキトルク指
   令値と比較してブレーキ不足量を演算するステップと、 この演算されたブレーキ不足量に見合つたブレーキ指令
   を機械ブレーキ装置へ伝達するステップ を備えた電気車の制御方法。 １２、可変電圧、可変周波数の交流を出力する電力変換
   器と、この電力変換器によつて給電されるリニアインダ
   クシヨンモータと、このリニアインダクシヨンモータに
   よつて駆動される電気車とを備えた電気車の制御装置に
   おいて、 上記電力変換器からリニアインダクシヨンモータへ給電
   される交流の電圧と電流の位相差を検出するステップと
   、 この検出位相差によつて、リニアインダクシヨンモータ
   の発生トルクの変動量を演算するステップと、 この演算されたトルク変動量に応じてリニアインダクシ
   ヨンモータに発生するトルクを調整するステップと、 を備えた電気車の制御方法。