(57)【要約】【課題】電動機逆起電圧を検出する線間電圧検出器のゼロクロス毎の最大振幅から電動機回転周波数を演算し、低速回転時及び停止時の回転周波数誤演算を防止できる。【解決手段】本発明は、線間電圧検出器１４で検出された電圧振幅から永久磁石同期電動機１３の回転周波数を演算し、また、電力変換装置８の出力電圧に基づき永久磁石同期電動機の回転周波数を推定演算し、電力変換装置が停止しているときには逆起電圧から求めた電動機回転周波数を出力し、電力変換装置が動作しているときにはインバータ出力電圧から推定演算した電動機回転周波数を切り替えて出力し、これらの電動機回転周波数に基づき電力変換装置を速度センサレスベクトル制御する電気車制御装置において、回転周波数演算手段１８が線間電圧検出器の検出する線間電圧検出器のゼロクロス毎の最大振幅から電動機回転周波数を演算することを特徴とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主回路上に架線から断流器及び高速度遮断器を通して供給される直流電力を交流電力に変換する電力変換装置と、前記電力変換装置に接触器を通して接続されその変換交流電力にて駆動される永久磁石同期電動機とを備え、前記電力変換装置を速度センサ及び回転子角度センサなしで制御する電気車制御装置において、
前記永久磁石同期電動機の電動機電圧を検出する線間電圧検出器と、
前記線間電圧検出器で検出された電圧振幅から前記永久磁石同期電動機の回転周波数を演算する回転周波数演算手段と、
前記電力変換装置の出力電圧に基づき前記永久磁石同期電動機の回転周波数を推定演算する動作時回転周波数推定手段と、
前記電力変換装置が停止しているときには、前記回転周波数演算手段の演算した電動機回転周波数を出力し、前記電力変換装置が動作しているときには前記動作時回転周波数推定手段の推定演算した電動機回転周波数を切り替えて出力する周波数切り替え手段と、
前記周波数切り替え手段の出力する電動機回転周波数に基づき、前記電力変換装置を制御する速度センサレスベクトル制御部とを備え、
前記回転周波数演算手段は、前記線間電圧検出器の検出する線間電圧検出器のゼロクロス毎の最大振幅から電動機回転周波数を演算することを特徴とする電気車制御装置。
【請求項２】
前記周波数切り替え手段は、前記回転周波数演算手段の演算した電動機回転周波数をサンプルホールドする第１のサンプルホールド回路を備え、
前記周波数切り替え手段は、前記電力変換装置の動作開始直後は、前記第１のサンプルホールド回路に保持されている前記電力変換装置の動作開始直前の電動機回転周波数に切り替えて出力することを特徴とする請求項１に記載の電気車制御装置。
【請求項３】
前記周波数切り替え手段は、前記動作時回転周波数推定手段の推定演算した電動機回転周波数をサンプルホールドする第２のサンプルホールド回路を備え、
前記周波数切り替え手段は、前記電力変換装置の動作停止直後は、前記第２のサンプルホールド回路に保持されている前記電力変換装置の動作停止直前の電動機回転周波数に切り替えて出力することを特徴とする請求項１に記載の電気車制御装置。
【請求項４】
前記前記電力変換装置の起動・停止指令を出力し、前記断流器、高速度遮断器及び接触器を開閉制御するシーケンス制御部を備え、
前記シーケンス制御部は、前記電力変換装置が停止した状態において、前記周波数切り替え手段の出力する切り替え周波数が電磁接触器開閉用速度判定値を超えた時に前記断流器、高速度遮断器及び接触器を閉路制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電気車制御装置。
【請求項５】
前記前記電力変換装置の起動・停止指令を出力し、前記断流器、高速度遮断器及び接触器を開閉制御するシーケンス制御部を備え、
前記シーケンス制御部は、前記電力変換装置が停止した状態において、前記周波数切り替え手段の出力する切り替え周波数と回生受付周波数判定値とを比較して、前記切り替え周波数が回生受付周波数判定値以下の場合、電気車からの回生指令にかかわらず前記電力変換装置の起動を許可しない制御をすることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電気車制御装置。
【請求項６】
前記前記電力変換装置の起動・停止指令を出力し、前記断流器、高速度遮断器及び接触器を開閉制御するシーケンス制御部を備え、
前記シーケンス制御部は、前記電力変換装置が停止した状態において、前記周波数切り替え手段出力する切り替え周波数と電気車の前後進切り替え受付周波数判定値とを比較し、前記切り替え周波数が前後進切り替え周波数判定値以上の場合、前記電力変換装置の起動を許可せず、かつ、前記断流器、高速度遮断器及び接触器を開路制御することを特徴とする  請求項１〜３のいずれかに記載の電気車制御装置。
【請求項７】
前記前記電力変換装置の起動・停止指令を出力し、前記断流器、高速度遮断器及び接触器を開閉制御するシーケンス制御部を備え、
前記シーケンス制御部は、前記電力変換装置が停止した状態において、前記周波数切り替え手段の出力する切り替え周波数が後退周波数判定値を上回った場合、前記電力変換装置の起動を許可せず、かつ、前記断流器、高速度遮断器及び接触器を開路制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電気車制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、架線からの電力を変換する電力変換装置で永久磁石同期電動機を駆動する速度センサレスの電気車制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石同期電動機の速度センサレス制御では、速度センサにて電動機回転周波数を検出する代わりに、電動機に印加するインバータ電圧指令と電動機に流れる電流検出値から電動機逆起電圧を演算することで間接的に電動機回転周波数を推定する手法が主に用いられている。しかしながら、インバータの動作開始前には電動機回転子の回転位置が不明であるため、インバータ再起動時に制御不安定となり、再起動不能に陥ってしまうことがある。
【０００３】
そこで、従来の電気車制御装置では、例えば、特開２００６-２１７７５４号公報（特許文献１）、特開２００８-０４３０６９号公報（特許文献２）に記載されているように、インバータが動作していないときに電動機逆起電圧を検出することができる線間電圧検出器を使用し、その検出値の位相に基づいて電動機回転子の回転位置を演算し、また線間電圧検出器検出値のゼロクロス時間間隔から回転周波数を演算することで、インバータ再起動を可能にしていた。
【０００４】
ところが、このような従来の電気車制御装置では、インバータが停止しているときに電動機逆起電圧を検出する線間電圧検出器のゼロクロス時間間隔から電動機回転周波数を演算する場合、電動機逆起電圧が発生しにくい低速回転時及び停止時には線間電圧検出器で検出した電圧が安定した正弦波とならず、電圧の脈動分が頻繁にゼロクロスしてしまい、高速回転していると誤演算してしまう場合があり、電気車の低速惰行運転中及び停止時の制御に本演算速度を使用することができない問題点があった。
【特許文献１】特開２００６−２１７７５４号公報
【特許文献２】特開２００６−２１４８１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みなされたもので、電動機逆起電圧を検出する線間電圧検出器のゼロクロス毎の最大振幅から電動機回転周波数を演算し、低速回転時及び停止時の回転周波数誤演算を防止することができる電気車制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の特徴は、主回路上に架線から断流器及び高速度遮断器を通して供給される直流電力を交流電力に変換する電力変換装置と、前記電力変換装置に接触器を通して接続されその変換交流電力にて駆動される永久磁石同期電動機とを備え、前記電力変換装置を速度センサ及び回転子角度センサなしで制御する電気車制御装置において、前記永久磁石同期電動機の電動機電圧を検出する線間電圧検出器と、前記線間電圧検出器で検出された電圧振幅から前記永久磁石同期電動機の回転周波数を演算する回転周波数演算手段と、前記電力変換装置の出力電圧に基づき前記永久磁石同期電動機の回転周波数を推定演算する動作時回転周波数推定手段と、前記電力変換装置が停止しているときには、前記回転周波数演算手段の演算した電動機回転周波数を出力し、前記電力変換装置が動作しているときには前記動作時回転周波数推定手段の推定演算した電動機回転周波数を切り替えて出力する周波数切り替え手段と、前記周波数切り替え手段の出力する電動機回転周波数に基づき、前記電力変換装置を制御する速度センサレスベクトル制御部とを備え、前記回転周波数演算手段は、前記線間電圧検出器の検出する線間電圧検出器のゼロクロス毎の最大振幅から電動機回転周波数を演算する電気車制御装置である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の電気車制御装置によれば、電動機逆起電圧を検出する線間電圧検出器のゼロクロス毎の最大振幅から電動機回転周波数を演算することにより、永久磁石同期電動機の低速回転時及び停止時の回転周波数の誤演算を防止することができ、電気車の低速惰行運転中及び停止時の制御にも本演算速度を使用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。
【０００９】
（第１の実施の形態）図１に示すように、本発明の第１の実施の形態の電気車制御装置は、架線１からの電力の入力を導通・遮断を行う第１断流器２、充電抵抗３、この充電抵抗器３に並列に設けられた高速度遮断器４、第２断流器５、フィルタを構成するフィルタリアクトル６とフィルタコンデンサ７、電力変換器として直流電力を可変電圧可変周波数の交流に変換するＶＶＶＦインバータ８、このＶＶＶＦインバータ８のＵ相電流を検出するＵ相電流センサ９、同じくＷ相電流を検出するＷ相電流センサ１０、３相真空接触器１１ａ，１１ｂ、第１断流器２と高速度遮断器４と第２断流器５とＶＶＶＦインバータ８寄りの３相真空接触器１１ａをシーケンス制御するシーケンス制御部１２、ＶＶＶＦインバータ８の交流出力電力にて駆動される、速度センサ又は回転子角度センサの取り付けられていない永久磁石同期電動機（ＰＭＳＭ）１３、ＶＶＶＦインバータ８から永久磁石同期電動機１３に繋がる３相電力線上で、３相真空接触器１１ａ，１１ｂの間に設置されたＵ−Ｖ相間の線間電圧検出器１４、ＶＶＶＦインバータ８に対するゲートパルスＶｕＩＮＶ，ＶｖＩＮＶ，ＶｗＩＮＶを生成するＰＷＭパルス生成ゲートロジック部１５、速度センサレスベクトル制御演算を行い、ＰＷＭパルス生成ゲートロジック部１５に３相電圧指令ＶｕＲｅ，ＶｖＲｅ，ＶｗＲｅを出力する速度センサレスベクトル制御部１６、線間電圧検出器１４の検出電圧出力Ｖｕｖに基づいて電動機回転周波数Ｗｐｌｌを演算する第１電動機周波数演算部１７、同じく線間電圧検出器１４の検出電圧出力Ｖｕｖを用いて電動機回転周波数Ｗａｍｐを演算する第２電動機周波数演算部１８を備えている。
【００１０】
図２に示すように、シーケンス制御部１２は、運転信号とインバータ起動許可信号を入力し、インバータ起動信号ＧＳＴを生成するインバータ起動信号生成部２６、第２電動機周波数演算部１８からの電動機回転周波数Ｗａｍｐと速度センサレスベクトル制御部１６からの推定周波数Ｗｅｓｔを入力し、インバータ起動信号生成部２６からのインバータ起動信号ＧＳＴによりこれらＷａｍｐ，Ｗｅｓｔのいずれかを選択して電動機回転周波数Ｗｒｇｈとして出力する周波数切り替え部２７、第１速度判定部２８〜第４速度判定部３１を備えている。
【００１１】
第１速度判定部２８は電磁接触器開閉用速度判定値と周波数切り替え部２７からの電動機回転周波数Ｗｒｇｈを比較し、電動機回転周波数Ｗｒｇが判定値を超えた場合にインバータ起動許可信号と接触器ＯＮ信号を出力し、そうでない場合にはインバータ起動許可信号を停止し、また接触器ＯＦＦ信号を出力する。
【００１２】
第２速度判定部２９は、回生受付周波数判定値と周波数切り替え部２７からの電動機回転周波数Ｗｒｇｈを比較し、電動機回転周波数Ｗｒｇが判定値を超えた場合にインバータ起動許可信号と接触器ＯＮ信号を出力し、そうでない場合にはインバータ起動許可信号を停止し、また接触器ＯＦＦ信号を出力する。
【００１３】
第３速度判定部３０は、前後進切り替え周波数判定値と周波数切り替え部２７からの電動機回転周波数Ｗｒｇｈを比較し、電動機回転周波数Ｗｒｇが判定値を超えた場合にインバータ起動許可信号と接触器ＯＮ信号を出力し、そうでない場合にはインバータ起動許可信号を停止し、また接触器ＯＦＦ信号を出力する。
【００１４】
第４速度判定部３１は、後進周波数判定値と周波数切り替え部２７からの電動機回転周波数Ｗｒｇｈを比較し、電動機回転周波数Ｗｒｇが判定値を超えた場合にインバータ起動許可信号と接触器ＯＮ信号を出力し、そうでない場合にはインバータ起動許可信号を停止し、また接触器ＯＦＦ信号を出力する。
【００１５】
図３に示すように、シーケンス制御部１２における周波数切り替え部２７は、第２電動機周波数演算部１８の出力Ｗａｍｐをサンプルホールドするサンプルホールド回路３２ａ、速度センサレスベクトル制御部１６の出力Ｗｅｓｔをサンプルホールドするサンプルホールド回路３２ｂ、インバータ起動信号生成部２６の出力ＧＳＴに対するＮＯＴ回路３３、サンプルホールド回路３２ａの出力とインバータ起動信号生成部２６の出力ＧＳＴに対するアナログスイッチ３４ａ、サンプルホールド回路３２ｂの出力とＮＯＴ回路３３の出力に対するアナログスイッチ３４ｂ、そして、インバータ起動信号生成部２６の出力ＧＳＴに対するオンディレイ回路３５、オフディレイ回路３６、さらに、アナログスイッチ３４ａの出力、アナログスイッチ３４ｂの出力及びオンディレイ回路３５とオフディレイ回路３６の出力に対するアナログスイッチ３４ｃを備えている。このアナログスイッチ３４ｃの出力を電動機回転周波数Ｗｒｇｈとして第１〜第４速度判定部２８〜３１に出力するようになっている。
【００１６】
次に、上記構成の電気車制御装置の動作について説明する。ＶＶＶＦインバータ８が停止し、３相真空接触器１１ｂが投入されているときには、永久磁石同期電動機１３が回転すると、線間電圧検出器１４はその回転周波数に応じて電圧振幅が大きくなり、周波数が高くなるモータ端子電圧波形が観測される。他方、ＶＶＶＦインバータ８が動作し、３相真空接触器１１ａ，１１ｂが投入されているときには、線間電圧検出器１４の出力にはＶＶＶＦインバータ８のスイッチングによるＰＷＭパルス電圧波形が観測される。
【００１７】
この線間電圧検出器１４が検出する電圧波形を第１電動機周波数演算部１７と第２電動機周波数演算部１８に取り込み、第１、第２電動機周波数演算部１７，１８それぞれにて電動機回転周波数Ｗｐｌｌ，Ｗａｍｐを演算する。
【００１８】
第１電動機周波数演算部１７では、検出した電圧波形Ｖｕｖのゼロクロス時間間隔から回転周波数を演算し、検出した電圧波形の振幅から回転周波数を演算して速度センサレスベクトル制御部１６に信号Ｗｐｌｌとして出力する。
【００１９】
図４に示すように、３相真空接触器１１ａ，１１ｂが投入されているとき、線間電圧検出器１４から永久磁石同期電動機１３のモータ端子電圧波形２０を第２電動機周波数演算部１８に読み込む。第２電動機周波数演算部１８においては、モータ端子電圧波形２０の絶対値２１をとり、モータ端子電圧絶対値波形２２のゼロクロスごとに最大振幅演算２３で最大振幅２４を記憶しておき、モータ端子電圧絶対値波形２２に含まれる脈動分による周波数の過大過小演算をフィルタ２５で防止し、フィルタ２５の出力結果と周波数換算ゲインを乗算器１９で乗算することで電動機回転周波数Ｗａｍｐを算出して出力する。この第２電動機周波数演算部１８で演算した回転周波数Ｗａｍｐはシーケンス制御部１２に出力し、同時に、速度センサレスベクトル制御部１６に出力する。
【００２０】
このようにすれば、ＶＶＶＦインバータ８が停止状態にあるとき、永久磁石同期電動機１３のモータ端子電圧波形２０から電動機回転周波数Ｗａｍｐを演算することで、モータ端子電圧振幅の小さい低速回転時において、速度センサレス制御部１６の推定周波数演算が停止している場合に、電動機回転周波数を演算することができる。
【００２１】
シーケンス制御部１２は、次のように動作する。第２電動機周波数演算部１８で演算された電動機回転周波数Ｗａｍｐの数１０ミリ秒前のデータをサンプルホールド回路３２ａで保持し、さらに速度センサレスベクトル制御部１６で演算された推定周波数Ｗｅｓｔの数１０ミリ秒前のデータを別のサンプルホールド回路３２ｂで保持しておく。そして、インバータ起動信号生成部２６からの起動信号ＧＳＴがオンディレイ回路３５を通過すると、速度判定条件へ送られる切り替え周波数Ｗｒｇｈでは推定周波数Ｗｅｓｔが使用される。インバータ起動信号生成部２６からの起動信号ＧＳＴがオフし、オフディレイ回路３６の出力もオフすると、切り替え周波数Ｗｒｇｈでは電動機回転周波数Ｗａｍｐが使用される。
【００２２】
これにより、インバータ起動信号生成部２６の起動信号ＧＳＴのオン・オフに応じてアナログスイッチ３４ａ，３４ｂ，３４ｃが動作し、前段の２つのアナログスイッチ３４ａ，３４ｂのオン・オフのタイミングと、後段のアナログスイッチ３４ｃのオン・オフのタイミングとのずれから、シーケンス制御速度判定条件で使用する切り替え周波数Ｗｒｇｈには常にＷｅｓｔ又はＷａｍｐの電動機回転周波数情報が出力される。
【００２３】
図５のグラフを示すように、ＶＶＶＦインバータ８が起動中には、電圧センサ波形３７はＰＷＭパルス電圧波形となり、最大振幅演算で演算される周波数はフィルタコンデンサ７の電圧の大きさに依存するため、推定周波数Ｗｅｓｔを使用する。他方、ＶＶＶＦインバータ８が停止中には、速度センサレスベクトル制御部１６の演算が停止してしまい、推定周波数Ｗｅｓｔがゼロになるため、電圧振幅周波数Ｗａｍｐを使用する必要がある。本実施の形態によれば、ＶＶＶＦインバータ８の起動・停止で各演算周波数が真値に収束するまでサンプルホールド回路３２ａ，３２ｂ及びアナログスイッチ３４ａ，３４ｂで直前の値を保持することで、切り替え周波数Ｗｒｇｈには常に電動機回転周波数情報を出力することができる。
【００２４】
シーケンス制御部１２は、この切り替え周波数Ｗｒｇｈに基づき、次のように断流器、遮断器、接触器等を制御する。第２電動機周波数演算部１８で演算された電動機回転周波数Ｗａｍｐと速度センサレスベクトル制御部１６で演算された推定周波数Ｗｅｓｔを周波数切り替え部２６で切り替え、切り替え周波数Ｗｒｇｈを出力する。第１〜第４速度判定部２８〜３１では各周波数判定値と切り替え周波数Ｗｒｇｈを比較し、その大小に応じて接触器のＯＮ／ＯＦＦ信号ならびにインバータ起動許可信号を出力する。
【００２５】
上述したように、第１速度判定部２８では電磁接触器開閉用速度判定値と電動機回転周波数Ｗｒｇｈを比較し、電動機回転周波数Ｗｒｇが判定値を超えた場合にインバータ起動許可信号と接触器ＯＮ信号を出力し、そうでない場合にはインバータ起動許可信号を停止し、また接触器ＯＦＦ信号を出力する。
【００２６】
第２速度判定部２９では、回生受付周波数判定値と電動機回転周波数Ｗｒｇｈを比較し、電動機回転周波数Ｗｒｇが判定値を超えた場合にインバータ起動許可信号と接触器ＯＮ信号を出力し、そうでない場合にはインバータ起動許可信号を停止し、また接触器ＯＦＦ信号を出力する。
【００２７】
第３速度判定部３０では、前後進切り替え周波数判定値と電動機回転周波数Ｗｒｇｈを比較し、電動機回転周波数Ｗｒｇが判定値を超えた場合にインバータ起動許可信号と接触器ＯＮ信号を出力し、そうでない場合にはインバータ起動許可信号を停止し、また接触器ＯＦＦ信号を出力する。
【００２８】
第４速度判定部３１では、後進周波数判定値と電動機回転周波数Ｗｒｇｈを比較し、電動機回転周波数Ｗｒｇが判定値を超えた場合にインバータ起動許可信号と接触器ＯＮ信号を出力し、そうでない場合にはインバータ起動許可信号を停止し、また接触器ＯＦＦ信号を出力する。
【００２９】
そして、第１〜第４速度判定部２８〜３１から出力される接触器のＯＮ／ＯＦＦ信号で第１断流器２、高速度遮断器４、第２断流器５、３相真空接触器１１ａの開閉を行う。また、インバータ起動許可信号はインバータ起動信号生成部２６に入力され、インバータ起動信号生成部２６は運転信号とこのインバータ起動許可信号とに基づいてインバータ起動信号ＧＳＴを出力する。
【００３０】
従来であれば、電動機周波数を用いて接触器の開閉を行うシーケンス制御が要求される場合、ＶＶＶＦインバータ８が停止しているときには、速度センサレスベクトル制御部１６の演算が停止してしまい、推定周波数Ｗｅｓｔがゼロになり、惰行中に周波数情報を必要とするシーケンス制御を行うことはできなかった。これに対して、本実施の形態によれば、切り替え周波数Ｗｒｇｈには常に電動機回転周波数情報を出力することができ、この切り替え周波数Ｗｒｇｈを用いることで、ＶＶＶＦインバータ８が停止していて、かつ永久磁石同期電動機１３のモータ端子電圧波形振幅２０が小さい低速惰行中でも周波数を把握することができ、シーケンス制御を行うことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の１つの実施の形態の電気車制御装置のブロック図。
【図２】上記実施の形態の電気車制御装置におけるシーケンス制御部の内部構成のブロック図。
【図３】上記実施の形態の電気車制御装置におけるシーケンス制御部に含まれる周波数切り替え部の詳しい内部構成のブロック図。
【図４】上記実施の形態の電気車制御装置における第２電動機周波数演算部の演算機能のブロック図。
【図５】上記実施の形態の電気車制御装置におけるシーケンス制御部に含まれる周波数切り替え部の動作のグラフ。
【符号の説明】
【００３２】
１  架線
２  第１断流器
３  充電抵抗
４  高速度遮断機
５  第２断流器
６  フィルタリアクトル
７  フィルタコンデンサ
８  ＶＶＶＦインバータ
９  Ｕ相電流センサ
１０  Ｗ相電流センサ
１１ａ，１１ｂ  ３相真空接触器
１２  シーケンス制御部
１３  永久磁石同期電動機
１４  線間電圧検出器
１５  ＰＷＭパルス生成ゲートロジック部
１６  速度センサレスベクトル制御部
１７  第１電動機周波数演算部
１８  第２電動機周波数演算部
２７  周波数切り替え部
２８  第１速度判定部
２９  第２速度判定部
３０  第３速度判定部
３１  第４速度判定部
３２ａ，３２ｂ  サンプルホールド回路
３３  ＮＯＴ回路
３４ａ，３４ｂ，３４ｃ  アナログスイッチ
３５  オンディレイ回路
３６  オフディレイ回路
【図１】
2010035306.tif 000003
【図２】
2010035306.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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