JPH0646506A - 電気車制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 誘導電動機をインバータ装置で駆動制御し発
電ブレーキを作用させる電気車において、発電ブレーキ
開始時のブレーキ力立上がりの遅れと急激なブレーキ力
上昇を防止する。 【構成】 発電ブレーキ開始時に誘導電動機のすべり周
波数を可変制御して所定のブレーキ力を得る発電ブレー
キ制御手段１２を設け、該発電ブレーキ制御手段にあら
かじめ設定した一定値の負極性すべり周波数を付与する
ためのすべり周波数設定部１２ｇと、すべり周波数切替
部１２ｈおよび前記すべり周波数切替部１２ｈの動作タ
イミングを決める切替制御部１２ｉを備えたものであ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自車に備えた発電ブレ
ーキ抵抗器で誘導電動機の発電電力を消費させて電気ブ
レーキを作用させるようにした、可変電圧可変周波数イ
ンバータ（以下単にインバータと称する）による電気車
制御装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】誘導電動機をインバータ制御する電気車
の回路構成を図により説明する。図４は誘導電動機をイ
ンバータ制御する電気車の発電ブレーキ制御時の主回路
構成図、図５は発電ブレーキ制御手段の制御回路要部ブ
ロック図、図６は発電ブレーキ開始時のブレーキ力立上
り特性図である。図４及び図５において、１は集電装
置、２は接触器、３はフィルタリアクトル（以下単にリ
アクトルと称する）、４はフィルタコンデンサ（以下単
にコンデンサと称する）、５は発電ブレーキ抵抗器（以
下単に抵抗器と称する）、６は接触器、７は可変電圧可
変周波数インバータ（以下単にインバータと称する）、
８は誘導電動機（以下単に電動機と称する）、９は発電
ブレーキ制御手段（以下単に制御手段と称する）、10は
出力電流検出器、11は電動機に設けられた回転速度検出
器である。

【０００３】図４において接触器２は力行時に閉じて集
電装置１により受電した架線からの電力を電気車に取込
み、逆Ｌ形に接続したリアクトル３，コンデンサ４を介
しインバータ７に供給するが、接触器６は開放されてい
る。発電ブレーキに際しては、接触器２は開放，接触器
６は閉路され、インバータ７の直流側にはコンデンサ４
に抵抗器５が並列に接続され発電ブレーキ回路を構成す
る。電動機８は模式的に１台で表示してあるが、通常は
複数台の電動機を並列接続して駆動する。本説明におい
てはそのうちの１台を代表として記述する。

【０００４】制御手段９には電動機８の電流（インバー
タ７側からみるとその出力電流となる）信号Iu，Iv，Iw
及び回転速度信号Fmを入力し、インバータ周波数指令F
i，電圧指令Vmを出力する。インバータ７は制御手段９
からの周波数指令Fi，電圧指令Vmを入力し、所定の周波
数の交流電圧を電動機８に印加する。発電ブレーキ制御
の開始時、すなわち、インバータ７が電動機８に電圧を
印加し、電動機８を発電状態に至らしめるには、コンデ
ンサ４に所定の初期電圧を必要とする。この初期電圧に
は力行運転後のコンデンサ４の残留電圧を利用するが、
一般に残留電圧は力行運転中断後急速に消滅するため、
発電ブレーキ開始直前に接触器２を閉じて架線電圧から
加圧した初期電圧、または補助電源（図示せず）側から
別の充電装置（図示せず）で加圧した初期電圧などで確
保する。

【０００５】しかし、これらいずれの初期電圧確保手段
においても、発電ブレーキ作用時には接触器２を開いた
り補助電源からの充電回路を開放する必要がある。本発
明においては接触器２を閉じ、架線電圧より加圧しコン
デンサ４の初期電圧を確保する手段について記述する。
すなわち、コンデンサ４に初期電圧を加圧した後、接触
器２を開き接触器６を閉じて抵抗器５をコンデンサ４に
並列に接続し、電動機８を誘導発電機として作用させ、
発生した電力を発電ブレーキ抵抗器５に消費させて発電
ブレーキ作用を行わせていた。一方制御手段９において
は、インバータ７の出力電流検出器10の検出量Iu，Iv，
Iwからブレーキ力に相当するフィードバック量を電流演
算部9bで求め、この値とブレーキ指令設定器9aの指令値
との偏差を偏差演算部9cで求めてこの偏差を偏差増幅部
9dで増幅する。

【０００６】偏差増幅部9dの出力はインバータ周波数演
算部9eで電動機８の回転速度検出器11の出力である回転
周波数に相当する回転速度信号Fmに加算されてインバー
タ周波数指令Fiを得る。電圧指令Vmはインバータ周波数
に対して所定のパターンで与えるのが一般的であり、電
圧制御部9fはインバータ周波数指令Fiを入力して所定の
電圧指令Vmを出力する。ここで、インバータ周波数Fiと
電動機回移転速度Fmとの差をすべり周波数Fsといい、す
べり周波数Fsとインバータ周波数指令Fi及び電動機回転
速度信号Fmとの間にはFs＝Fi−Fmの関係が成立する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】電気車の一般的走行パ
ターンは、架線電源より接触器２、インバータ７を介し
て電動機８を駆動力行し、接触器２を開いて架線電源を
遮断して惰行に移り、減速に際して電動機８を発電機と
してブレーキ作用、すなわち発電ブレーキ作用を行わせ
る。惰行時には電動機８には電圧を印加しないため、電
動機８の励磁エネルギーはこの惰行期間中に消失し、電
動機８は無励磁状態で回転を続ける。発電ブレーキを作
用させるには図４に示すように発電ブレーキ制御主回路
構成を形成するが、抵抗器５がコンデンサ４に並列に接
続されると、コンデンサ４に蓄えられた初期電圧すなわ
ち電気エネルギーはインバータ７を通じて電動機８の励
磁エネルギーとして加えられるものと、抵抗器５で直接
消費されるものに分かれる。ここで電動機を速やかに発
電機として作用させ、インバータ７からコンデンサ４を
充電する方向の電流を確保しないと、発電ブレーキ開始
時にコンデンサ４が有していた電気エネルギーはすべて
抵抗器５で消費されて電動機の励磁エネルギー（回転磁
束）を維持することができなくなる。

【０００８】電動機を無励磁状態から発電機として作用
させて、発電ブレーキを開始する過渡期において、回転
磁束が強まればブレーキ力が高まり、ブレーキ力が高ま
れば発電電力が増加し、発電電力が増加すればコンデン
サ４の電圧が上昇し、コンデンサ４の電圧が上昇すれば
電動機の回転磁束が更に強まるという正帰還状態があ
る。この正帰還状態は所定の発電ブレーキ力を得る制御
手段のもつ諸種の動作遅れに起因する。上記の回転磁束
が維持できなくなる現象はこの正帰還状態が発電ブレー
キ力の立上りを阻害する方向に作用することになる。

【０００９】従来の発電ブレーキ力を得る制御方法とし
ては、制御手段９において電気車惰行運転中はすべり周
波数（Fs）を零とし、発電ブレーキ開始と同時に与えら
れるブレーキ指令設定器9aの指令値と電流演算部9bで求
めたフィードバック量とに偏差を生じることで偏差演算
部9cを応動させているが、この方法によると所定のブレ
ーキ力を発生する負極性のすべり周波数整数までに動作
遅れを生ずることになる。この結果、図６に示すように
発電ブレーキの開始時にブレーキ力の立上りが遅く、い
ったん立上れば急激にブレーキ力が増加し電気車運転に
衝撃を生じるという欠点があった。本発明は、このブレ
ーキ力の制御手段に対して、発電ブレーキ開始と同時に
電動機を発電状態にし、すべり周波数に所定の一定値を
一義的に設定する機能を付与するものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】誘導電動機と、直流を交
流に変換し前記誘導電動機と駆動するインバータと、指
令されたブレーキ力または電流値に対し前記誘導電動機
のすべり周波数を可変制御して所定のブレーキ力を得る
発電ブレーキ制御手段と、前記インバータの直流側のコ
ンデンサに並列接続した抵抗器を有し、発電ブレーキ時
にはインバータの直流側を架線から開放した状態で前記
誘導電動機の発電電力を前記抵抗器で消費させるよう構
成した電気車制御装置において、前記発電ブレーキ制御
手段に、発電ブレーキ制御の開始時にあらかじめ設定し
た一定値の負極性すべり周波数を付与するためのすべり
周波数設定部と、前記すべり周波数を切替えるすべり周
波数切替部と、前記すべり周波切替部の動作タイミング
を決める切替制御部を設けたものである。

【００１１】

【作用】本発明においては、誘導電動機を発電機として
作用させてインバータにより発電ブレーキを開始するに
当たり、従来すべり周波数を零から正帰還状態により所
定ブレーキ力を得る負極性すべり周波数に移行していた
ものを、発電ブレーキ開始と同時にあらかじめ設定した
一定値の負極性すべり周波数を指令し、発電ブレーキ力
の立上りを促進するものである。

【００１２】

【実施例】本発明の一実施例を図面に基づいて説明す
る。図１は本発明の一実施例による電気車発電ブレーキ
制御時の主回路構成図、図２は本発明による発電ブレー
キ制御手段の制御回路要部ブロック図である。図１，図
２の符号で図４，図５と同じものはそれぞれ図４，図５
に示すものと同じ機能を有するものとする。12は本発明
による発電ブレーキ制御手段である。12a ，12b ，12c
，12d ，12e ，12f はそれぞれ図５の9a，9b，9c，9
d，9e，9fと同等の機能を有するものとする。12g はす
べり周波数設定部、12h はすべり周波数切替部、12i は
切替制御部である。図１の主回路構成は図４に示す従来
の電気車の主回路構成と同様であり、発電ブレーキ開始
と同時にコンデンサ４に架線電圧を加圧していた接触器
２を開き、接触器６を閉じて抵抗器５をコンデンサ４に
並列に接続することは従来の方式と変りはない。

【００１３】すべり周波数設定部12g は発電ブレーキ立
上げ時に一義的に設定する負極性のすべり周波数を発生
する。すべり周波数切替部12h は切替制御部12i の切替
信号に従って、すべり周波数設定部12g の設定値と偏差
増幅部12d の出力信号とを切替える。切替制御部12i
は、定常時に偏差増幅部12d の出力を選択するのに対し
て、発電ブレーキ開始時刻から一定時間だけすべり周波
数設定部12g の設定値を選択するものである。設定する
負極性のすべり周波数は定常時の最大ブレーキ力を得る
ときに、偏差増幅部12d が出力する値に近似した値とす
るのが妥当である。

【００１４】発電ブレーキ開始時にすべり周波数を一定
値にし、電動機に電圧を印加することで回転磁束が形成
され、電動機回転子の物理的エネルギーは直ちに発電電
力に変換される。図２に示す制御手段においては、励磁
エネルギーが抵抗器で消費される前に前述した正帰還状
態が始まるまで、すべり周波数を一定値に維持する。い
ったん、インバータ７側からコンデンサ４を充電する向
きに電流が流れ、電動機の発電状態が確立すれば、正帰
還状態による急激なブレーキ力上昇を避けるため、偏差
増幅部12d の出力信号を選択するようすべり周波数切替
部12h を切替える。このすべり周波数切替部12h がすべ
り周波数設定部12g の出力を選択している間は、すべり
周波数設定部12g の設定値と偏差増幅部12d の出力を強
制的に一致させておく方が信号切替えには好ましい。

【００１５】なお、図１に示す主回路構成において、コ
ンデンサ４の直流電圧を検出する電圧検出部13を設け、
この直流電圧が、いったん低下した後再び上昇して所定
の値に達したことを検出して、電圧信号Vcを制御手段12
に入力しすべり周波数設定部12g の設定値を偏差増幅部
12d の出力に切替える構成のものもある。この構成によ
って、電気車の速度に応じてより円滑な発電ブレーキ力
の立上り特性が得られる。

【００１６】なおまた、図２において、切替制御部12i
の切替信号によって、すべり周波数設定部12g の設定値
と偏差増幅部12d の出力信号とを切替える回路を示して
いるが、切替制御部12i の動作によって、すべり周波数
設定部12g の設定値に、偏差増幅部12d の出力信号を重
畳させる回路もこの構成に含まれる。

【００１７】以上説明したように、発電ブレーキ開始時
にあらかじめ負極性のすべり周波数を設定し、発電ブレ
ーキ電流立上りを促進する本発明のすべり周波数制御手
段によれば、図３のブレーキ力立上り特性に示すように
図６の従来の制御手段によるブレーキ力立上り特性と比
較してブレーキ力立上りは早くかつ円滑に行われる。

【００１８】

【発明の効果】以上のべたように、誘導電動機をインバ
ータ装置で駆動制御し発電ブレーキを作用させる場合、
発電ブレーキ開始時に電動機のすべり周波数をあらかじ
め負極性の一定値に設定することにより、発電ブレーキ
力を速かに立上げることが可能となり、遅れをもって急
激に上昇するブレーキ力の変動を抑止するので乗心地の
良い電気車運転制御を実現することができる。

【００１９】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による電気車発電ブレーキ制
御時の主回路構成図である。

【図２】本発明による発電ブレーキ制御手段の制御回路
要部ブロック図である。

【図３】本発明の制御手段によるブレーキ力立上り特性
図である。

【図４】従来の電気車の発電ブレーキ制御時の主回路構
成図である。

【図５】従来の発電ブレーキ制御手段の制御回路要部ブ
ロック図である。

【図６】従来の制御手段によるブレーキ力立上り特性図
である。

【００２０】

【符号の説明】

１ 集電装置 ２ 接触器 ３ フィルタリアクトル ４ フィルタコンデンサ ５ 発電ブレーキ抵抗器 ６ 接触器 ７ 可変電圧可変周波数インバータ ８ 誘導電動機 ９ 発電ブレーキ制御手段 10 出力電流検出器 11 回転速度検出器 12 発電ブレーキ制御手段 12g すべり周波数設定部 12h すべり周波数切替部 12i 切替制御部 13 電圧検出部 Fs すべり周波数

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 誘導電動機と、直流を交流に変換し前記
   誘導電動機を駆動する可変電圧可変周波数インバータ
   と、指令されたブレーキ力または電流値に対し前記誘導
   電動機のすべり周波数を可変制御して所定のブレーキ力
   を得る発電ブレーキ制御手段と、前記インバータの直流
   側のフィルタコンデンサに並列接続した発電ブレーキ抵
   抗器を有し、発電ブレーキ時にはインバータの直流側を
   架線から開放した状態で前記誘導電動機の発電電力を前
   記発電ブレーキ抵抗器で消費させるよう構成した電気車
   制御装置において、前記発電ブレーキ制御手段に、発電
   ブレーキ制御の開始時にあらかじめ設定した一定値の負
   極性すべり周波数を付与するためのすべり周波数設定部
   と、前記すべり周波数を切替るすべり周波数切替部と、
   前記すべり周波数切替部の動作タイミングを決める切替
   制御部を設けたことを特徴とする電気車制御装置。