(57)【要約】      （修正有）【課題】巻線切替装置を有する車両において、巻線を切り替えた時に車輪が空転や滑走することを防止するモータドライブシステムを提供する。【解決手段】モータドライブシステム１Ｓは、巻線切替可能なモータ１０３と、モータ１０３の巻線の結線を切り替える巻線切替装置１２０と、巻線切替装置１２０を制御する巻線切替制御部１１０を備える。また、モータドライブシステム１Ｓは、モータ１０３により駆動される電気車の車輪とレール間の粘着状態に応じたトルク指令を演算するトルク指令演算部１０９と、トルク指令演算部１０９によって演算されたトルク指令に基づきモータ１０３の出力トルクを制御する制御装置１０５を備える。巻線切替制御部１１０は、モータ回転速度検出器１０７で検出したモータ１０３の回転速度に基づきモータ１０３の巻線の結線を切り替える。【選択図】図１
2020108285.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の巻線の結線を切り替え可能なモータと、
前記モータの巻線の結線を切り替える巻線切替装置と、
前記巻線切替装置を制御する巻線切替制御装置と、
直流電源からの直流電力を交流電力に変換して前記モータに供給するインバータ回路および前記インバータ回路による電力変換を制御する制御装置を含み、前記モータを可変速運転するインバータ装置と、
前記モータにより駆動される電気車の車輪とレール間の粘着状態に応じたトルク指令を演算するトルク指令演算部と、を有し、
前記制御装置は、前記トルク指令演算部によって演算されたトルク指令に基づいて前記モータの出力トルクを制御し、
前記巻線切替制御装置は、モータ回転速度検出手段で検出した前記モータの回転速度に基づいて、前記モータの巻線の結線を切り替える
ことを特徴とするモータ駆動システム。
【請求項２】
前記巻線切替制御装置は、前記モータの回転速度に加え、さらに車両速度検出手段で検出した前記電気車の車両速度に基づいて、前記モータの巻線の結線を切り替える
ことを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動システム。
【請求項３】
前記巻線切替制御装置は、
前記モータの回転速度と前記車両速度との差が所定値未満の場合には、該モータの回転速度または該車両速度が巻線切替速度になったときに前記モータの巻線の結線を切り替え、
前記モータの回転速度と前記車両速度との差が所定値以上の場合には、該車両速度が前記巻線切替速度になったときに前記モータの巻線の結線を切り替える
ことを特徴とする請求項２に記載のモータ駆動システム。
【請求項４】
前記トルク指令演算部は、
前記巻線切替制御装置によって前記モータの巻線の結線を切り替えられると、前記トルク指令を一旦０にする
ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のモータ駆動システム。
【請求項５】
前記トルク指令演算部は、
前記トルク指令を０にした後、空転滑走制御時以外の通常制御時のトルク指令と空転滑走制御の粘着力の推定値に基づいて演算した空転滑走制御時のトルク指令とのうち、値が小さいトルク指令を選択する
ことを特徴とする請求項４に記載のモータ駆動システム。
【請求項６】
複数の前記モータ駆動システムは、電気車ドライブシステムを構成し、
前記電気車ドライブシステムは、
全ての前記モータ駆動システムがそれぞれ有する前記巻線切替制御装置における前記モータの巻線の結線を切り替える切替指令の出力状況と、前記電気車の全ての車輪と前記レール間の粘着状態とに基づいて、前記モータ駆動システム毎に前記モータの巻線の結線を切り替える
ことを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載のモータ駆動システム。
【請求項７】
前記電気車ドライブシステムは、
前記モータの巻線の結線を切り替える前記モータ駆動システムのうち、空転滑走制御を実行しているモータドライブ毎に、随時、前記モータの巻線の結線を切り替える
ことを特徴とする請求項６に記載のモータ駆動システム。
【請求項８】
前記電気車ドライブシステムは、
前記モータの巻線の結線を切り替える前記モータ駆動システムのうち、空転滑走制御を実行していないモータ駆動システム毎に、逐次、前記モータの巻線の結線を切り替える
ことを特徴とする請求項６または７に記載のモータ駆動システム。
【請求項９】
前記電気車ドライブシステムは、
巻線の結線を切り替えない前記モータ駆動システムの前記モータに、巻線の結線を切り替える前記モータ駆動システムの前記モータのトルク補償をさせる
ことを特徴とする請求項６〜８の何れか１項に記載のモータ駆動システム。
【請求項１０】
モータ駆動システムが実行するモータの巻線切替方法であって、
前記モータ駆動システムは、
複数の巻線の結線を切り替え可能なモータと、
前記モータの巻線の結線を切り替える巻線切替装置と、
前記巻線切替装置を制御する巻線切替制御装置と、
直流電源からの直流電力を交流電力に変換して前記モータに供給するインバータ回路および前記インバータ回路による電力変換を制御する制御装置を含み、前記モータを可変速運転するインバータ装置と、
前記モータにより駆動される電気車の車輪とレール間の粘着状態に応じたトルク指令を演算するトルク指令演算部と、を有し、
前記制御装置が、前記トルク指令演算部によって演算されたトルク指令に基づいて前記モータの出力トルクを制御し、
前記巻線切替制御装置が、前記モータの回転速度に基づいて、前記モータの巻線の結線を切り替える
ことを特徴とするモータの巻線切替方法。
【請求項１１】
前記巻線切替制御装置が、前記モータの回転速度に加え、さらに前記電気車の車両速度に基づいて、前記モータの巻線の結線を切り替える
ことを特徴とする請求項１０に記載のモータの巻線切替方法。
【請求項１２】
請求項１〜８の何れか１項に記載のモータ駆動システムを備えた電気車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータ駆動システム、モータの巻線切替方法、および電気車に関する。
【背景技術】
【０００２】
消費電力量低減を目的に、巻線切替装置を有したモータドライブシステムが利用されている。巻線切替の実施の判断には、一般的に、速度やトルク等が用いられている。例えば、特許文献１には、第１のモータおよび第２のモータの切替タイミングを異なるタイミングとし、アクセルやブレーキ操作の車両信号とモータの回転速度とから演算されるトルク指令を用いて巻線切替を実施する制御する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平６−２１７５９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１において、トルク指令は、切替を判断するタイミングでのアクセルやブレーキ操作の車両信号とモータの回転速度から演算される。鉄道車両の場合には、トルク指令は、ノッチ指令とブレーキの車両信号とモータの回転速度から演算されるが、車輪とレール間の粘着状態によっては、必ずしも最適なトルク指令にはならないことがある。そのため、トルク指令が車輪とレール間で得られる粘着力によるトルクに対して加減速するのに必要十分なトルクよりも大きい場合には、巻線を切り替えた後で車輪の空転や滑走が発生する、といった問題が生じる。
【０００５】
本発明は以上の点を考慮してなされたもので、モータ駆動システムを採用する車両において、巻線を切り替えた時に車輪が空転や滑走することの防止を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
かかる課題を解決するため本発明において、モータ駆動システムは、複数の巻線の結線を切り替え可能なモータと、前記モータの巻線の結線を切り替える巻線切替装置と、前記巻線切替装置を制御する巻線切替制御装置と、直流電源からの直流電力を交流電力に変換して前記モータに供給するインバータ回路および前記インバータ回路による電力変換を制御する制御装置を含み、前記モータを可変速運転するインバータ装置と、前記モータにより駆動される電気車の車輪とレール間の粘着状態に応じたトルク指令を演算するトルク指令演算部と、を有し、前記制御装置は、前記トルク指令演算部によって演算されたトルク指令に基づいて前記モータの出力トルクを制御し、前記巻線切替制御装置は、モータ回転速度検出手段で検出した前記モータの回転速度に基づいて、前記モータの巻線の結線を切り替えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、モータ駆動システムを採用する車両において、巻線を切り替えた時に車輪が空転や滑走することを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施例１におけるモータドライブシステムの全体構成を表すブロック図。
【図２】実施例１における巻線切替装置の説明図。
【図３】実施例１における接続切替時のモータ内部の回路図。
【図４】実施例１における鉄道車両の車輪とレール間の粘着力とすべり速度の関係を説明する特性図。
【図５】実施例１における巻線切替指令出力時のトルク指令の選択処理を示すフローチャート。
【図６】実施例１における巻線切替の判定処理を示すフローチャート。
【図７】空転・滑走が発生していない場合のモータ回転速度とトルクとの関係を示す特性図。
【図８】実施例２における鉄道車両を示す図。
【図９】実施例２における鉄道車両に用いたモータドライブシステムを示すブロック図。
【図１０】実施例２におけるトルク補償処理を示すフローチャート。
【図１１】実施例２における巻線切替処理を示すフローチャート。
【図１２】実施例２における空転・滑走が発生していない場合のモータ回転速度と合成トルクとの関係を示す特性図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。以下の説明では、同一の構成要素には同一の記号を付してある。それらの名称および機能は同じであり、重複説明は避ける。以下の説明では１Ｙ結線と２Ｙ結線の接続切替を対象としている。しかし、本発明の効果はこれに限定されるものではなく、上記とは異なる並列接続数のＹ結線を切り替える構成や、Δ結線の並列接続数を切り替える構成や、Ｙ結線とΔ結線を切り替える構成にも適用可能である。
【００１０】
また、以下の説明における回転機（モータ）は誘導機でもよいし永久磁石同期機でもよいし巻線型同期機でもよいし、シンクロナスリラクタンス回転機でもよい。また、固定子の巻線方式は集中巻でもよいし分布巻でもよい。また、固定子巻線の相数も、実施例の構成に限定されるものではない。
【００１１】
また、以下の説明では、インバータ装置の半導体スイッチング素子はＩＧＢＴ（Insulated  Gate  Bipolar  Transistor）を対象としている。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、ＭＯＳＦＥＴ（Metal  Oxide  Semiconductor  Field  Effect  Transistor）でもよいし、その他の電力用半導体素子でもよい。
【実施例１】
【００１２】
実施例１の構成要素について説明する。図１は、実施例１におけるモータドライブシステムの全体構成を表すブロック図である。図２は、実施例１における巻線切替装置の説明図である。図３は、実施例１における接続切替時のモータ内部の回路図である。
【００１３】
＜モータドライブシステムの全体構成＞
先ず、本実施例のモータドライブシステムの全体構成について、図１を用いて説明する。図１において、本実施例のモータドライブシステム１Ｓは、電気車に搭載される１Ｃ１Ｍのシステムである。モータドライブシステム１Ｓは、インバータ装置１０１と、モータ１０３と、相電流検出回路１０６と、モータ回転速度検出器１０７と、巻線切替装置１２０と、車両速度検出器１３０とを有する。
【００１４】
インバータ装置１０１は、インバータ回路１０４と、制御装置１０５と、相電流検出回路１０６とから構成されている。インバータ回路１０４は、直流電源１０２から供給される直流電力を交流電力に変換する。相電流検出回路１０６は、インバータ回路１０４に接続されたモータ１０３に流れる電流を検出する。制御装置１０５は、相電流検出回路１０６で検出された相電流情報１０６Ａを基に生成した印加電圧指令パルス信号１０８Ａを出力してインバータ回路１０４に対するインバータ制御（電力変換制御）を行って、モータ１０３を可変速運転する。
【００１５】
相電流検出回路１０６は、ホールＣＴ（Current  Transformer）等から成り、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の３相の電流波形Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを検出している。ただし、相電流検出回路１０６によって必ずしも３相全ての電流を検出する必要はなく、いずれかの２相を検出し、３相電流が平衡状態であると仮定して他の１相を演算により求める構成でもよい。
【００１６】
インバータ回路１０４は、インバータ主回路１４１と、ゲート・ドライバ１４２とを有する。インバータ主回路１４１は、ＩＧＢＴ（Insulated  Gate  Bipolar  Transistor）とダイオードなどの半導体スイッチング素子とから構成されている。ゲート・ドライバ１４２は、インバータ制御部１０８からの印加電圧指令パルス信号１０８Ａに基づいて主回路のＩＧＢＴへのゲート信号を発生する。
【００１７】
モータ１０３は、巻線の結線を切り替えられるように一部の巻線の始端と終端が引き出され、巻線切替装置１２０に格納される。巻線切替装置１２０は、巻線の結線を切り替え可能な回路構成を有し、巻線切替制御部１１０からの信号に基づいて巻線接続を切り替える。
【００１８】
モータ回転速度検出器１０７で検出されたモータ回転速度情報１０７Ａと、車両速度検出器１３０で検出された車両速度情報１３０Ａとが、制御装置１０５に入力されて制御に使用される。例えば、モータ回転速度検出器１０７は、鉄道の編成車両において、モータ１０３を有する動力車（Ｍ車）のモータ出力軸からモータ回転速度情報１０７Ａを取得する。また、例えば、車両速度検出器１３０は、編成車両において、モータ１０３を有さない付随車（Ｔ車）の車軸から車両速度情報１３０Ａを取得するが、これに限らず、車両の実速度を取得できる手段であれば何れでもよい。
【００１９】
制御装置１０５は、インバータ制御部１０８と、トルク指令演算部１０９と、巻線切替制御部１１０とから構成されている。インバータ制御部１０８は、相電流検出回路１０６で検出された相電流情報１０６Ａとトルク指令演算部１０９で演算されたトルク指令を用いて印加電圧指令パルス信号１０８Ａを算出する。例えば、トルク指令演算部１０９は、運転士により図示しないマスター・コントローラを介して入力された運転指令と、車輪とレール間の粘着状態に基づいたトルク指令値を演算する。巻線切替制御部１１０は、巻線切替装置１２０に接続切替の信号を与える。
【００２０】
＜巻線切替装置の構成＞
次に、本実施例における巻線切替装置の構成について、図２および図３を用いて説明する。
【００２１】
図２は、モータ１０３の固定子のＵ相巻線１５０ｕに関して、２つのＵ相巻線１５０ｕ１，１５０ｕ２の始端（端子）Ｕ１，Ｕ２と終端（端子）Ｕ３，Ｕ４を引き出し、直列および並列を切り替える構成を模式的に示した図である。Ｖ相，Ｗ相についても同様のため記載を省略する。
【００２２】
図２のＵ相巻線１５０ｕの始端Ｕ１と始端Ｕ２、終端Ｕ３と終端Ｕ４をそれぞれ短絡線１２０ｕ２で並列接続し、Ｖ相，Ｗ相も同様に並列接続し、３相の中性点１５１をＹ字状に結線した構成を２Ｙ結線と呼ぶ。他方で、図２のＵ相巻線１５０ｕ１の終端Ｕ３とＵ相巻線１５０ｕ２の始端Ｕ２を短絡線１２０ｕ１で直列接続し、Ｖ相，Ｗ相も同様に直列接続し、３相の中性点１５１をＹ字状に結線した構成を１Ｙ結線と呼ぶ。
【００２３】
図２に示すように、並列接続（３相で見ると２Ｙ結線）の合成インダクタンスがＬ／２であるのに対して、直列接続（３相で見ると１Ｙ結線）の合成インダクタンスが２Ｌであり、インダクタンスが４倍となる。
【００２４】
そこで、巻線切替装置１２０を用い、モータ１０３のＵ相巻線１５０ｕ、Ｖ相巻線１５０ｖ、Ｗ相巻線１５０ｗを、低速回転域では並列接続（３相で見ると２Ｙ結線）として低インダクタンス化する。また、高速回転域では図２および図３に示すように直列接続（３相で見ると１Ｙ結線）として高インダクタンス化する。これにより、低速回転域で、より高トルクでモータ１０３を駆動することができる。
【００２５】
＜トルク指令演算部１０９および巻線切替制御部１１０について＞
以下、トルク指令演算部１０９および巻線切替制御部１１０について詳細を説明する。
【００２６】
一般に、鉄道車両は、車輪とレールとの転がり摩擦力（粘着力）により駆動力を得ている。一般的な鉄道車両の車輪とレール間の粘着力とすべり速度の関係は、図４に示すような特性を有する。最大粘着力ｃ１ｍａｘにおいてすべり速度Ｖｓ１である乾燥条件Ｃ１と比較して、降雨時などの湿潤条件Ｃ２では、転がり摩擦係数が低下する。このため、最大粘着力ｃ２ｍａｘ（＜ｃ１ｍａｘ）においてすべり速度Ｖｓ２（＜Ｖｓ１）となるように、車輪の空転や滑走が発生し易くなり、十分な駆動力が得られなくなることがある。
【００２７】
そこで、空転・滑走した車輪を再粘着させる駆動制御として、空転滑走制御が知られており、例えば特開平１１−２７８１１号公報、特開平１１−２５２７１６号公報、特開２００３−３３３７０３号公報に記載の公知技術がある。これらの技術は、車輪の空転・滑走をモータの回転速度に基づいて検知し、推定した粘着力に基づいてモータトルクを湿潤条件Ｃ２での最大粘着力ｃ２ｍａｘにより得られるトルク以下に引下げることにより、空転・滑走した車輪を再粘着させるものである。粘着力の推定には、公知の技術を用いることができるため説明は省略するが、推定した粘着力に基づいて空転・滑走時のモータのトルク指令が演算できる。
【００２８】
通常の乾燥条件では粘着力が最大となるすべり速度の近傍で駆動されるが、湿潤条件になりモータの出力トルクが粘着力より得られるトルクに対して過大になり空転・滑走が発生すると、すべり速度が増加するため粘着力が減少する。ここで空転滑走制御を行って再粘着させると、湿潤条件で粘着力が最大となるすべり速度近傍で駆動されることになる。
【００２９】
下記（１）式に従った演算を行うことにより、すべり速度Ｖｓが算出される。すべり速度Ｖｓは、モータ回転速度検出器１０７によって検出されるモータ１０３の回転速度ωｍを車両速度に換算した車両速度（Ｒ／Ｇ）ωｍと、車両速度検出器１３０によって検出される車両速度Ｖｂの差である。通常の乾燥条件ではすべり速度は微小であるので、（Ｒ／Ｇ）ωｍ≒Ｖｂと見なせるが、湿潤条件で車輪の空転・滑走が発生するとすべり速度が増加するため、（Ｒ／Ｇ）ωｍ≠Ｖｂである。ここで空転滑走制御を行って再粘着させると、すべり速度が微小になり（Ｒ／Ｇ）ωｍ≒Ｖｂとなる。
【００３０】
Ｖｓ＝（Ｒ／Ｇ）ωｍ−Ｖｂ  ・・・（１）
Ｖｓ：すべり速度
Ｒ：車輪の半径
Ｇ：減速機のギア比
ωｍ：モータの回転速度
Ｖｂ：車両速度
【００３１】
＜実施例１における巻線切替指令出力時のトルク指令の選択処理＞
図５は、実施例１における巻線切替指令出力時のトルク指令の選択処理を示すフローチャートである。トルク指令の選択処理は、トルク指令演算部１０９によって、後述の巻線切替制御部１１０から巻線切替指令（巻線切替信号）ＳＣが入力される毎に実行される。
【００３２】
図５に示すように、先ず、ステップＳ１１では、トルク指令演算部１０９は、巻線を切り替えるモータ１０３の切替時の出力トルクを０にするトルク指令Ｔ＊＝０をインバータ制御部１０８に入力する。続いて、ステップＳ１２では、トルク指令演算部１０９は、空転滑走制御時以外の時の通常制御のトルク指令Ｔｎ＊と空転滑走制御の粘着力の推定値に基づいて演算した空転滑走制御のトルク指令Ｔｅ＊とを比較する。空転滑走制御のトルク指令Ｔｅ＊は、常に演算されているものとする。
【００３３】
トルク指令演算部１０９は、通常制御のトルク指令Ｔｎ＊＞空転滑走制御のトルク指令Ｔｅ＊の場合（ステップＳ１２Ｙｅｓ）、空転滑走制御のトルク指令Ｔｅ＊をトルク指令Ｔ＊としてインバータ制御部１０８に入力する。
【００３４】
一方、トルク指令演算部１０９は、通常制御のトルク指令Ｔｎ＊≦空転滑走制御のトルク指令Ｔｅ＊の場合（ステップＳ１２Ｎｏ）、通常制御のトルク指令Ｔｎ＊をトルク指令Ｔ＊としてインバータ制御部１０８に入力する。ステップＳ１３またはＳ１４が終了すると、トルク指令演算部１０９は、トルク指令の選択処理を終了する。
【００３５】
＜実施例１における巻線切替の判定処理＞
図６は、実施例１における巻線切替の判定処理を示すフローチャートである。巻線切替の判定処理は、巻線切替制御部１１０によって、随時実行される。
【００３６】
先ず、ステップＳ２１では、巻線切替制御部１１０は、すべり速度Ｖｓ（上記（１）式参照）が、予め与えられた閾値Ｖｔｈ＊以上か否かを判定する。すべり速度Ｖｓは、上記（１）式に示すように、モータ回転速度検出器１０７によって検出されるモータ１０３の回転速度ωｍと、車両速度検出器１３０によって検出される車両速度Ｖｂとの差である。閾値Ｖｔｈ＊は、乾燥条件Ｃ１および湿潤条件Ｃ２のそれぞれの最大粘着力におけるすべり速度もしくは速度検出精度を考慮して、Ｖｓを最大粘着力におけるすべり速度と見なし得る値に設定される。
【００３７】
巻線切替制御部１１０は、すべり速度Ｖｓ≧閾値Ｖｔｈ＊である場合（ステップＳ２１Ｙｅｓ）、ステップＳ２２に処理を移す。一方、巻線切替制御部１１０は、すべり速度Ｖｓ＜閾値Ｖｔｈ＊である場合（ステップＳ２１Ｎｏ）、ステップＳ２３に処理を移す。
【００３８】
ステップＳ２２では、巻線切替制御部１１０は、車両速度Ｖｂをモータ１０３の出力軸に換算した換算車両速度（Ｇ／Ｒ）Ｖｂが切替回転速度ωｃｈになったかを判定する。巻線切替制御部１１０は、換算車両速度（Ｇ／Ｒ）Ｖｂが切替回転速度ωｃｈになった場合（ステップＳ２２Ｙｅｓ）、ステップＳ２４に処理を移す。一方、巻線切替制御部１１０は、換算車両速度（Ｇ／Ｒ）Ｖｂが切替回転速度ωｃｈになっていない場合（ステップＳ２２Ｎｏ）、巻線切替の判定処理を終了する。
【００３９】
ステップＳ２３では、巻線切替制御部１１０は、モータ１０３の回転速度ωｍもしくは換算車両速度（Ｇ／Ｒ）Ｖｂが切替回転速度ωｃｈになったかを判定する。なお、ステップＳ２３では、すべりが発生していないことから、モータ１０３の回転速度ωｍと換算車両速度（Ｇ／Ｒ）Ｖｂとが、同じ値であると見なしている。巻線切替制御部１１０は、モータ１０３の回転速度ωｍもしくは換算車両速度（Ｇ／Ｒ）Ｖｂが切替回転速度ωｃｈになった場合（ステップＳ２３Ｙｅｓ）、ステップＳ２４に処理を移す。一方、巻線切替制御部１１０は、モータ１０３の回転速度ωｍおよび換算車両速度（Ｇ／Ｒ）Ｖｂが切替回転速度ωｃｈなっていない場合（ステップＳ２３Ｎｏ）、巻線切替の判定処理を終了する。
【００４０】
ステップＳ２４では、巻線切替制御部１１０は、巻線を切り替える巻線切替指令ＳＣをＯＮにする。巻線切替指令ＳＣのＯＮは、巻線切替装置１２０とトルク指令演算部１０９に入力される。ステップＳ２４が終了すると、巻線切替制御部１１０は、巻線切替の判定処理を終了する。
【００４１】
＜実施例１におけるモータ回転速度とトルクとの関係＞
図７は、実施例１における空転・滑走が発生していない場合のモータ回転速度とトルクとの関係を示す特性図であり、トルクＴの正の領域において力行時のトルク曲線を示し、トルクＴの負の領域において回生時のトルク曲線を示す。図７に示すように、２Ｙ結線と１Ｙ結線とを切り替える際のタイミングを与えるモータ１０３の回転速度ωｍは、切替回転速度ωｃｈである。図７は、モータ１０３を駆動するトルクＴのトルクは、トルク変動が抑制され、切替回転速度ωｃｈで２Ｙ結線と１Ｙ結線とを切り替える切替回転速度ωｃｈ付近のモータ１０３の回転速度ωの増減に応じて滑らかに変化するように制御されることを示す。
【００４２】
＜実施例１の効果＞
実施例１では、巻線切替を実行したモータの出力トルクに、通常の乾燥条件でのトルク指令Ｔｎ＊ではなく、空転滑走制御の粘着力の推定値に基づいて演算したトルク指令Ｔｅ＊を適用することで、モータトルクが粘着トルクに対して過大となることを防止する。よって、空転・滑走が発生することを防止できる。
【００４３】
また、車輪とレール間の粘着状態により大きく変動するモータ１０３の回転速度ωｍを用いて巻線切替のタイミングを判断すると、次のような無駄な巻線切替が発生する。すなわち、空転・滑走のためにモータ１０３の回転速度ωｍが増加して切替回転速度ωｃｈを超える際に巻線切替が行われた後、空転滑走制御により空転・滑走の収束により回転速度ωｍが減少して切替回転速度ωｃｈを下回る際に再び巻線切替が行われる。実施例１では、空転・滑走が発生している時には、モータ出力軸に換算した換算車両速度（Ｇ／Ｒ）Ｖｂで巻線切替のタイミングを判断することで、前述の無駄な巻線切替の発生を防止できる。
【００４４】
なお、本実施例では、モータ１０３の回転速度ωｍをモータ回転速度検出器１０７で検出するようにしているが、制御により回転速度ωｍを推定してもよい。
【実施例２】
【００４５】
実施例１では、１Ｃ１Ｍのモータドライブシステム１Ｓ単体の構成および制御について示した。実施例２では、複数のモータドライブシステム１Ｓを１台の鉄道車両に搭載した場合の構成および制御を示す。
【００４６】
実施例２は、実施例１と比較して、１台の鉄道車両に搭載された複数のモータドライブシステム１Ｓで１つのドライブシステム１１Ｓを構成し、ドライブシステム１１Ｓ内の複数のモータ１０３に対して行う、次の２つの機能が追加されている。１つ目は、巻線切替を実行するモータ１０３の巻線切替実行時の出力トルクの変動を、巻線切替を実行しない他のモータ１０３の出力トルクでトルク補償する点である。２つ目は、巻線切替を実行する複数のモータ１０３の巻線切替の実行タイミングを決定する点である。
【００４７】
＜鉄道車両に用いたモータドライブシステム＞
図８は、実施例２における鉄道車両を示す図である。図９は、実施例２における鉄道車両に用いたモータドライブシステムを示すブロック図である。
【００４８】
鉄道車両１００の駆動装置は、架線２から集電装置５を介して供給された電力を、電力変換装置１を経由してモータ１０３に供給することで、モータ１０３を駆動する。モータ１０３は、鉄道車両１００の車輪４と連結されており、モータ１０３により鉄道車両１００の走行が制御される。鉄道車両１００の電気的なグランドは、レール３を介して接続されている。ここで、架線２の電圧は直流および交流のどちらでもよい。
【００４９】
公知の技術である空転滑走制御の実行の有無については、駆動装置として鉄道車両１００に搭載される複数のモータドライブシステム１Ｓのそれぞれに含まれるインバータ制御部１０８から出力される、図１に示さない空転滑走制御情報から得られる。
【００５０】
図９に示すように、鉄道車両１００には、１Ｃ１Ｍのモータドライブシステム１Ｓが複数の搭載されている。鉄道車両１００に搭載される全体制御装置１０５０は、通信により各モータドライブシステム１Ｓの制御装置１０５における制御情報を利用して、複数のモータ１０３を制御する。図９に示すそれぞれのモータドライブシステム１Ｓは、図１に示すモータドライブシステム１Ｓと同様の構成であり、制御装置１０５がインバータ制御部１０８、トルク指令演算部１０９、および巻線切替制御部１１０を有するが、図示を簡略化している。
【００５１】
本実施例では、実施例１における単独のモータドライブシステム１Ｓにおけるモータ１０３の巻線切替と比較して、鉄道車両１００の複数のモータ１０３の巻線切替を実行制御する点、および、複数のモータ１０３間でトルク補償を行う点が異なる。
【００５２】
本実施例では、それぞれのモータドライブシステム１Ｓにおいて、トルク指令演算部１０９は、実施例１と同様に、巻線切替制御部１１０から巻線切替指令ＳＣが入力されると、モータ１０３の巻線切替時の制御を行う。
【００５３】
さらに、本実施例では、巻線切替を実施しないモータ１０３（自モータ）のトルク指令演算部１０９は、自モータで空転滑走制御が実施されていないとき、巻線切替を実施する他のモータ１０３のトルク変動を、自モータの出力トルクの増加で分散補償する。自モータのトルク指令演算部１０９は、トルク補償するためのトルク指令をインバータ制御部１０８に入力する。ただし、巻線切替が実施されなくとも、空転滑走制御が実施されているモータ１０３は、出力トルクを増加させると空転・滑走が発生するため、トルク補償を行わない。
【００５４】
また、本実施例では、それぞれのモータドライブシステム１Ｓにおいて、巻線切替制御部１１０は、実施例１と同様に、自モータ１０３の巻線切替指令ＳＣを巻線切替装置１２０とトルク指令演算部１０９に入力する。
【００５５】
さらに、本実施例では、それぞれのモータドライブシステム１Ｓにおいて、巻線切替制御部１１０は、空転滑走制御の実行の有無に応じて、モータ１０３の巻線切替のタイミングを制御する。
【００５６】
すなわち、空転滑走制御を実行しているモータ１０３は、巻線切替の条件が満たされ次第、巻線切替指令ＳＣが巻線切替装置１２０とトルク指令演算部１０９に入力される。そのため、複数のモータ１０３では、車輪４とレール３間の粘着状態次第で、随時のタイミングで巻線切替が実行されることになる。
【００５７】
一方、空転滑走制御を実行していないモータ１０３は、巻線切替の条件が満たされた順に１台ずつ逐次切替を行うように、巻線切替指令ＳＣが巻線切替装置１２０とトルク指令演算部１０９に入力される。そのため、複数のモータ１０３では、逐次のタイミングで巻線切替が実行されることになる。逐次のタイミングでの巻線切替の実行により、鉄道車両１００の全てのモータ１０３の合成トルク特性の変動を適切に抑制することができる。
【００５８】
＜実施例２におけるトルク補償処理＞
図１０は、実施例２におけるトルク補償処理を示すフローチャートである。実施例２におけるトルク補償処理は、全体制御装置１０５０により、複数のモータドライブシステム１Ｓのそれぞれの巻線切替制御部１１０からモータ１０３の巻線切替指令ＳＣ：ＯＮが出力される毎に実行される。
【００５９】
図１０に示すように、先ず、ステップＳ３１では、全体制御装置１０５０は、鉄道車両１００が有するモータ１０３のうち、巻線切替指令ＯＮが出力されたモータ１０３以外に巻線切替指令ＯＦＦのモータ１０３があるか否かを判定する。全体制御装置１０５０は、巻線切替指令ＯＮが出力されたモータ１０３以外に巻線切替指令ＯＦＦのモータ１０３がある場合（ステップＳ３１Ｙｅｓ）、ステップＳ３２に処理を移す。一方、全体制御装置１０５０は、巻線切替指令ＯＮが出力されたモータ１０３以外に巻線切替指令ＯＦＦのモータ１０３がない場合（ステップＳ３１Ｎｏ）、トルク補償処理を終了する。
【００６０】
ステップＳ３２では、全体制御装置１０５０は、ステップＳ３１で巻線切替指令ＳＣがＯＦＦであると判定したモータ１０３のうち空転滑走制御がＯＦＦのモータ１０３があるか否かを判定する。全体制御装置１０５０は、ステップＳ３１で巻線切替指令ＳＣがＯＦＦであると判定したモータ１０３のうち空転滑走制御がＯＦＦのモータ１０３がある場合（ステップＳ３２Ｙｅｓ）、ステップＳ３３に処理を移す。一方、全体制御装置１０５０は、ステップＳ３１で巻線切替指令ＳＣがＯＦＦであると判定したモータ１０３のうち空転滑走制御がＯＦＦのモータ１０３がない場合（ステップＳ３２Ｎｏ）、トルク補償処理を終了する。
【００６１】
ステップＳ３３では、全体制御装置１０５０は、ステップＳ３２で空転滑走制御がＯＦＦであるとした全てのモータ１０３のトルク指令演算部１０９に、ステップＳ３１で巻線切替指令ＳＣがＯＮであるとしたモータ１０３のトルク変動のトルク補償を実施させる。ステップＳ３３が終了すると、全体制御装置１０５０は、トルク補償処理を終了する。
【００６２】
＜実施例２における巻線切替処理＞
図１１は、実施例２における巻線切替処理を示すフローチャートである。実施例２における巻線切替処理は、全体制御装置１０５０により定期的に実行される。実施例２における巻線切替処理は、複数のモータドライブシステム１Ｓのそれぞれの巻線切替制御部１１０での巻線切替の判定処理のステップＳ２４（図６参照）で巻線切替指令ＳＣをＯＮにされたことに応じて、巻線切替を行う実際のタイミングを制御する。
【００６３】
図１１に示すように、先ず、ステップＳ４１では、全体制御装置１０５０は、巻線切替指令ＳＣがＯＮであるモータ１０３があるか否かを判定する。全体制御装置１０５０は、巻線切替指令ＳＣがＯＮであるモータ１０３がある場合（ステップＳ４１Ｙｅｓ）、ステップＳ４２に処理を移す。一方、全体制御装置１０５０は、巻線切替指令ＳＣがＯＮであるモータ１０３がない場合（ステップＳ４１Ｎｏ）、巻線切替処理を終了する。
【００６４】
ステップＳ４２では、全体制御装置１０５０は、ステップＳ４１で巻線切替指令ＯＮと判定したモータ１０３のうち、空転滑走制御ＯＮであるモータ１０３と、空転滑走制御ＯＦＦであるモータ１０３とを判別する。全体制御装置１０５０は、ステップＳ４２で空転滑走制御ＯＮであると判別したモータ１０３については（ステップＳ４２Ｙｅｓ）、ステップＳ４３に処理を移す。一方、全体制御装置１０５０は、空転滑走制御ＯＦＦであると判別したモータ１０３については（ステップＳ４２Ｎｏ）、ステップＳ４４に処理を移す。
【００６５】
ステップＳ４３では、全体制御装置１０５０は、ステップＳ４２で空転滑走制御ＯＮと判別したモータ１０３の巻線切替制御部１１０が、巻線切替指令ＳＣを、巻線切替条件が充足され次第、巻線切替装置１２０とトルク指令演算部１０９に入力するように制御する。これにより、空転滑走制御ＯＮの１または複数のモータ１０３では、車輪４とレール３間の粘着状態次第で、随時のタイミングで巻線切替が実行されることになる。
【００６６】
一方、ステップＳ４４では、全体制御装置１０５０は、ステップＳ４２で空転滑走制御ＯＦＦと判別したモータ１０３が複数か否かを判定する。全体制御装置１０５０は、ステップＳ４２で空転滑走制御ＯＦＦと判別したモータ１０３が複数である場合（ステップＳ４４Ｙｅｓ）、ステップＳ４５に処理を移す。一方、全体制御装置１０５０は、ステップＳ４２で空転滑走制御ＯＦＦと判別したモータ１０３が１台である場合（ステップＳ４４Ｎｏ）、ステップＳ４３に処理を移す。
【００６７】
ステップＳ４５では、全体制御装置１０５０は、ステップＳ４４で複数と判別したモータ１０３の巻線切替制御部１１０が、巻線切替指令ＳＣを、巻線切替条件が充足された順序で１台ずつ、巻線切替装置１２０とトルク指令演算部１０９に入力するように制御する。これにより、空転滑走制御ＯＦＦの複数のモータ１０３では、逐次のタイミングで巻線切替が実行されることになる。なお、巻線切替のタイミングが複数のモータ１０３で同時となった場合には、モータ１０３の電圧値や、モータ１０３の鉄道車両１００における設置位置情報等を用いて優先順位を決定すればよい。例えば、電圧が高いモータ１０３から、もしくは設置位置が進行方向前方のモータ１０３から巻線切替を逐次実行することが考えられる。
【００６８】
ステップＳ４５に続いてステップＳ４６では、全体制御装置１０５０は、ステップＳ４５で巻線切替を実施していないモータ１０３があるか否かを判定する。全体制御装置１０５０は、ステップＳ４５で巻線切替を実施していないモータ１０３がある場合（ステップＳ４６Ｙｅｓ）、ステップＳ４５に処理を戻す。一方、全体制御装置１０５０は、ステップＳ４５で巻線切替を実施していないモータ１０３がない場合（ステップＳ４６Ｎｏ）、巻線切替処理を終了する。
【００６９】
＜実施例１におけるモータ回転速度とトルクとの関係＞
図１２は、空転・滑走が発生していない場合のモータ回転速度とトルクとの関係を示す特性図である。図１２に示すように、鉄道車両１００における４台のモータ１０３を駆動する合成トルクＴＳも、図７に示すトルクＴと同様に、トルク変動が抑制され、切替回転速度ωｃｈ付近のモータ１０３の回転速度ωの増減に応じて滑らかに変化するように制御される。
【００７０】
なお、本実施例では、図９に示すように、鉄道車両１００が有する全体制御装置１０５０が複数の制御装置１０５を統括し、トルク補償処理（図１０参照）および巻線切替処理（図１１参照）を実行するとしたが、これに限られるものではない。すなわち、全体制御装置１０５０に代えて、複数の制御装置１０５が通信により協調制御を行い、トルク補償処理および巻線切替処理を実行してもよい。
【００７１】
＜実施例２の効果＞
実施例２では、実施例１のモータドライブシステム１Ｓを鉄道車両１００に搭載することで、巻線切替後の出力トルクを車輪４とレール３間の粘着状態に対して最適にするトルク指令を与えることができる。よって、鉄道車両のモータドライブシステム１Ｓを、車輪４とレール３間の粘着状態に応じて最適に運転することが可能となるので、巻線切替後の空転・滑走を防止できる。
【００７２】
また、実施例２では、空転滑走制御を実行していないモータ１０３の巻線切替を、巻線切替の条件が充足され次第、１台ずつ逐次実行し、その際、巻線切替を実行しないモータ１０３の出力トルクを可能な範囲で増加させる。よって、巻線切替を実行するモータ１０３の巻線切替時のトルク変動を分散して補償することができる。巻線切替を実行するモータ１０３のトルク変動を分散して補償することで、鉄道車両１００の加減速度や乗り心地の劣化を防止できる。
【００７３】
また、空転滑走制御を実行しているモータ１０３では、トルクを絞る制御を行っているので、巻線切替を実行するために出力トルクを０にする際のトルクの変動量が少ない。また、空転・滑走が発生する条件では、巻線切替を実行しないモータ１０３が、巻線切替を実行するモータ１０３の巻線切替の際のトルク変動の補償のために出力トルクを増加させることは難しい。よって、実施例２では、トルク変動の補償よりも巻線切替の所要時間の短縮を優先させ、空転滑走制御を実行しているモータ１０３の巻線切替を、巻線切替条件が充足され次第、随時で実行することで、巻線切替の処理を速やかに完了させることができる。
【００７４】
実施例２では、モータドライブシステム１Ｓが駆動するモータ１０３は１台である。巻線切替の制御およびトルク補償は、モータドライブシステムが一括駆動するモータ毎に行う。よって、実施例２では、巻線切替の制御およびトルク補償を、モータドライブシステム１Ｓが駆動する１台のモータ１０３毎に行う。
【００７５】
ただし、一般に、鉄道車両のモータドライブシステムでは、駆動するモータがｉ台（１ＣｉＭ：ｉ＝２、３、４、・・・）のシステムも存在する。モータドライブシステムが駆動するモータがｉ台のように複数である場合でも、巻線切替の制御はモータドライブシステムが一括駆動するｉ台のモータ毎に行えばよい。
【００７６】
また、１台の鉄道車両に複数のモータドライブシステムが搭載されている場合、この複数のモータドライブシステムを、巻線切替の制御およびトルク補償を行う単位の１群のモータドライブシステムとする。例えば、１台の鉄道車両に搭載された４台のモータを１Ｃ２Ｍで２台ずつ一括制御する場合に、２つのモータドライブシステムを１群のモータドライブシステムとして、実施例２の巻線切替の制御およびトルク補償を行ってもよい。
【００７７】
また、鉄道車両は、複数の鉄道車両を連結した編成車両で運用されることが一般的である。この場合、編成車両において、モータドライブシステムを搭載した車両間で、実施例２の巻線切替の制御およびトルク補償を行ってもよいし、モータドライブシステムを搭載した車両毎に、実施例２の巻線切替の制御およびトルク補償を行ってもよい。
【００７８】
なお、鉄道車両や、自動車、建設機械などの電気車の駆動機構、あるいは産業機械の駆動機構に、実施例の技術思想を適用しても、同様の効果が得られる。
【００７９】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例を含む。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換・統合・分散をすることが可能である。また実施例で示した各処理は、処理効率又は実装効率に基づいて適宜分散又は統合してもよい。
【符号の説明】
【００８０】
１Ｓ：モータドライブシステム、２：架線、３：レール、４：車輪、５：集電装置、１００：鉄道車両、１０１：インバータ装置、１０２：直流電源、１０３：モータ、１０４：インバータ回路、１０５：制御装置、１０６：相電流検出回路、１０６Ａ：相電流情報、１０７：モータ回転速度検出器、１０７Ａ：モータ回転速度情報、１０８：インバータ制御部、１０８Ａ：印加電圧指令パルス信号、１０９：トルク指令演算部、１１０：巻線切替制御部、１２０：巻線切替装置、１３０：車両速度検出器、１３０Ａ：車両速度情報、１４１：インバータ主回路、１４２：ゲート・ドライバ、１０５０：全体制御装置
【図１】
2020108285.tif 000003
【図２】
2020108285.tif 000004
【図３】
2020108285.tif 000005
【図４】
2020108285.tif 000006
【図５】
2020108285.tif 000007
【図６】
2020108285.tif 000008
【図７】
2020108285.tif 000009
【図８】
2020108285.tif 000010
【図９】
2020108285.tif 000011
【図１０】
2020108285.tif 000012
【図１１】
2020108285.tif 000013
【図１２】
2020108285.tif 000014