(57)【要約】  交流電動機の損失および主回路の損失の総和を低減できる電気車の制御装置を得ることを目的とする。ベクトル制御指令値演算部１１ａにおいて、トルク指令Ｔ＊に応じて、交流電動機１の損失および第２主回路７の損失の総和が最小となるような磁束指令値Ｆ２Ｒおよび直流電圧指令値ＥＦＣＲを算出かつ選択する。そして、ベクトル制御指令値演算部１１ａは、磁束指令値Ｆ２Ｒをベクトル制御部８に出力し、直流電圧指令値ＥＦＣＲをコンバータ制御部６に出力する。
2008107992.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電動機を備えた電気車の制御装置であって、
直流電力源から供給される直流電力を交流電力に変換し、前記交流電動機に交流電力を供給する主回路と、
この主回路のスイッチング動作を指示するスイッチング指令を生成し、前記交流電動機のベクトル制御を行うベクトル制御部と、
前記交流電動機に出力させるトルクの指令値であるトルク指令値を生成するトルク指令値生成部と、
前記トルク指令値に応じて、前記交流電動機の損失を最小にするような第１の磁束指令値と、前記交流電動機を１パルスモードで制御する場合の磁束指令値である第２の磁束指令値とを算出すると共に、前記第１の磁束指令値で制御した場合の前記交流電動機の損失および前記主回路の損失の総和と、前記第２の磁束指令値で制御した場合の前記交流電動機の損失および前記主回路の損失の総和とを算出し、より小さい損失の総和に対応する磁束指令値を前記ベクトル制御部に出力するベクトル制御指令値演算部と、
を備えることを特徴とする電気車の制御装置。
【請求項２】
交流電動機を備えた電気車の制御装置であって、
交流電力源から供給される交流電力を直流電力に変換する第１主回路と、
この第１主回路のスイッチング動作を指示するスイッチング指令を生成するコンバータ制御部と、
前記第１主回路から出力される直流電力が入力される直流電源部と、
この直流電源部の電圧値を検出する直流電圧検出部と、
前記直流電源部から出力される直流電力を交流電力に変換し、前記交流電動機に交流電力を供給する第２主回路と、
前記第２主回路のスイッチング動作を指示するスイッチング指令を生成し、前記交流電動機のベクトル制御を行うベクトル制御部と、
前記交流電動機に出力させるトルクの指令値であるトルク指令値を生成するトルク指令値生成部と、
前記トルク指令値に応じて、前記交流電動機の損失を最小にするような磁束指令値で制御した場合の前記交流電動機の端子電圧振幅値を算出し、この算出された端子電圧振幅値と前記第１主回路の特性によって予め決定される前記直流電源部の印加電圧値の上限値および下限値とに基づいて、前記直流電源部の電圧を指令するための直流電圧指令値を前記端子電圧振幅値の直流電源部換算値、前記上限値および前記下限値の中から選択し、この選択された直流電圧指令値を前記コンバータ制御部へ出力するベクトル制御指令値演算部と、
を備えることを特徴とする電気車の制御装置。
【請求項３】
前記ベクトル制御指令値演算部は、前記交流電動機を１パルスモードで制御する場合の磁束指令値を算出し、この算出された磁束指令値を前記ベクトル制御部に出力することを特徴とする請求項２に記載の電気車の制御装置。
【請求項４】
交流電動機を備えた電気車の制御装置であって、
交流電力源から供給される交流電力を直流電力に変換する第１主回路と、
この第１主回路のスイッチング動作を指示するスイッチング指令を生成するコンバータ制御部と、
前記第１主回路から出力される直流電力が入力される直流電源部と、
この直流電源部の電圧値を検出する直流電圧検出部と、
前記直流電源部から出力される直流電力を交流電力に変換し、前記交流電動機に交流電力を供給する第２主回路と、
前記第２主回路のスイッチング動作を指示するスイッチング指令を生成し、前記交流電動機のベクトル制御を行うベクトル制御部と、
前記交流電動機に出力させるトルクの指令値であるトルク指令値を生成するトルク指令値生成部と、
前記トルク指令値に応じて、前記交流電動機の損失を最小にするような第１の磁束指令値およびこの第１の磁束指令値で制御した場合の前記交流電動機の端子電圧振幅値と、前記交流電動機を１パルスモードで制御する場合の磁束指令値である第２の磁束指令値とを算出すると共に、前記第１の磁束指令値で制御した場合の前記交流電動機の損失および前記第２主回路の損失の総和と、前記第２の磁束指令値で制御した場合の前記交流電動機の損失および前記第２主回路の損失の総和とを算出し、より小さい損失の総和に対応する磁束指令値を前記ベクトル制御部に出力すると共に、前記第１主回路の特性によって予め決定される前記直流電源部の印加電圧値の下限値を前記直流電源部の電圧を指令するための直流電圧指令値に設定して、この直流電圧指令値を前記ベクトル制御部に出力するベクトル制御指令値演算部と、
を備えることを特徴とする電気車の制御装置。
【請求項５】
交流電動機を備えた電気車の制御装置であって、
直流電力源から供給される直流電力を交流電力に変換し、前記交流電動機に交流電力を供給する主回路と、
この主回路のスイッチング動作を指示するスイッチング指令を生成し、前記交流電動機のベクトル制御を行うベクトル制御部と、
前記交流電動機に出力させるトルクの指令値であるトルク指令値と運転台のノッチ指令値とを生成するトルク指令値生成部と、
前記ノッチ指令値に応じて、前記交流電動機の損失を最小にするような第１の磁束指令値と、前記交流電動機を１パルスモードで制御する場合の磁束指令値である第２の磁束指令値と、前記第１の磁束指令値で制御した場合の前記交流電動機の損失および前記主回路の損失の総和と、前記第２の磁束指令値で制御した場合の前記交流電動機の損失および前記主回路の損失の総和とに基づいて予め算出された、より小さい損失の総和に対応する磁束指令値が登録されたテーブルを備えたベクトル制御指令値演算部と、
を備え、
前記ベクトル制御指令値演算部は、前記ノッチ指令値に応じて、前記ベクトル制御部に出力する磁束指令値を前記テーブルから選択することを特徴とする電気車の制御装置。
【請求項６】
交流電動機を備えた電気車の制御装置であって、
交流電力源から供給される交流電力を直流電力に変換する第１主回路と、
この第１主回路のスイッチング動作を指示するスイッチング指令を生成するコンバータ制御部と、
前記第１主回路から出力される直流電力が入力される直流電源部と、
この直流電源部の電圧値を検出する直流電圧検出部と、
前記直流電源部から出力される直流電力を交流電力に変換し、前記交流電動機に交流電力を供給する第２主回路と、
前記第２主回路のスイッチング動作を指示するスイッチング指令を生成し、前記交流電動機のベクトル制御を行うベクトル制御部と、
前記交流電動機に出力させるトルクの指令値であるトルク指令値と運転台のノッチ指令値とを生成するトルク指令値生成部と、
前記ノッチ指令値に応じて、前記交流電動機の損失を最小にするような磁束指令値で制御した場合の前記交流電動機の端子電圧振幅値と、前記第１主回路の特性によって予め決定される前記直流電源部の印加電圧値の上限値および下限値とに基づいて予め算出された、前記直流電源部の電圧を指令するための直流電圧指令値が登録されたテーブルを備えたベクトル制御指令値演算部と、
を備え、
前記ベクトル制御指令値演算部は、前記ノッチ指令値に応じて、前記コンバータ制御部に出力する直流電圧指令値を前記テーブルから選択することを特徴とする電気車の制御装置。
【請求項７】
前記第１主回路の特性には、前記交流電力源の電圧条件および前記第１主回路の回路構成、ならびに、前記第１主回路の絶縁性および耐圧性が含まれることを特徴とする請求項２〜４、および６のいずれか１つに記載の電気車の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両用の電力変換器に関するものであり、特に、交流電動機を備えた電気車の制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の電気車の制御装置では、例えば非特許文献１の９９〜１３４ページに記載されているように、交流電動機に流れる交流電流ベクトルを、回転座標系において磁束成分とトルク成分とに分けて管理、制御するいわゆるベクトル制御が一般的に用いられている。【０００３】
交流電動機の誘起電圧は、概略、交流電動機の回転速度と磁束の積に比例する。そのため、誘起電圧が、制御装置の出力可能最大電圧を超えて制御不能とならないように、高速域では磁束を定格磁束より弱める制御を実施するのが、交流電動機の制御では一般的である。また、電気車の制御装置では、制御器の電力変換器のスイッチング損失を低減する目的で、交流電圧指令基本波の電気角３６０度で２回のみスイッチングして矩形波電圧を出力し、制御器が出力可能な最大電圧に固定する１パルスモードを高速域に用いる。この１パルスモード時の磁束制御、トルク制御が安定に達成できるよう、例えば特許文献１に示されるように、二次磁束指令値を演算によって求め、これを制御に用いている。【０００４】
特許文献１では、具体的に磁束指令値Φ２＊２と電圧値｜Ｖ｜の動作関係が示されている。すなわち、定格磁束を出力可能な速度域では磁束指令値を定格値一定の磁束指令とし、電圧値｜Ｖ｜は回転速度と共に上昇する。そして、｜Ｖ｜が出力制御可能な最大電圧になると１パルスモードとなり、電圧が最大値で固定されつつ、磁束指令値は特許文献１の式（６）に従って、回転速度に応じて小さく制御される。【０００５】
一方、特許文献２では、誘導電動機の一次銅損、二次銅損、および一次鉄損の総和を最小化するように、トルク指令値に対して磁束指令値を算出して誘導電動機を制御する手法が示されている。【０００６】
【特許文献１】特開平１１−２８５２９９号公報
【特許文献２】特開平７−３２２７００号公報
【非特許文献１】杉本英彦  編著「ＡＣサーボシステムの理論と設計の実際」総合電子出版社
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記従来の電気車の制御装置では、主回路のスイッチング損失低減の観点を優先し、１パルスモードを積極的に使用するため、交流電動機には負荷状態に拠らずほぼ一定の固定電圧が印加されることになり、交流電動機を必ずしも最大効率で運転できず、電気車の制御装置全体の効率が最大とならないという問題があった。【０００８】
逆に、交流電動機の損失を最小化する運転を優先した場合には、電圧指令値の基本波振幅を操作すべく、主回路のパルスモードを１パルスモード以外とする必要があるが、その場合、例えば３パルスモードを選択することができる。この場合、電気角３６０度でスイッチング回数が６回となり、１パルスモードと比較して主回路のスイッチング損失が増加することが問題となる。【０００９】
また、主回路として３レベル以上の諧調をもつマルチレベルインバータを用いる場合、例えば３レベルインバータを使用した非１パルスモードを選択することできる。この場合には、主回路を構成するスイッチング手段のスイッチング回数を変化させることなく、パルス幅変調が可能となるものの、主回路の外形、重量、および部品点数、ならびにコストが増加する場合があることから、全ての電気車に採用できる手法ではないという課題が残る。【００１０】
また、交流電源部からコンバータ制御部とコンバータ主回路によって直流電源部の電圧を制御する従来の電気車の制御装置の構成においても、直流電源部の電圧を基本的に一定値として制御するため、やはり同様に交流電動機には負荷状態に依存しない電圧が印加されることになり、最適な効率で運転できず、電気車の制御装置全体の効率が最大とならないという問題があった。【００１１】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、交流電動機の損失および主回路の損失の総和を低減できる電気車の制御装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる電気車の制御装置は、交流電動機を備えた電気車の制御装置であって、直流電力源から供給される直流電力を交流電力に変換し、前記交流電動機に交流電力を供給する主回路と、この主回路のスイッチング動作を指示するスイッチング指令を生成し、前記交流電動機のベクトル制御を行うベクトル制御部と、前記交流電動機に出力させるトルクの指令値であるトルク指令値を生成するトルク指令値生成部と、前記トルク指令値に応じて、前記交流電動機の損失を最小にするような第１の磁束指令値と、前記交流電動機を１パルスモードで制御する場合の磁束指令値である第２の磁束指令値とを算出すると共に、前記第１の磁束指令値で制御した場合の前記交流電動機の損失および前記主回路の損失の総和と、前記第２の磁束指令値で制御した場合の前記交流電動機の損失および前記主回路の損失の総和とを算出し、より小さい損失の総和に対応する磁束指令値を前記ベクトル制御部に出力するベクトル制御指令値演算部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、トルク指令値に応じて、磁束指令値を算出かつ選択してベクトル制御部に出力することにより、交流電動機の損失と主回路の損失の総和を抑制し、電気車の制御装置全体の効率を向上することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、実施の形態１にかかる電気車の制御装置の構成を示す構成図である。
【図２】図２は、誘導電動機の損失特性を示す概念図である。
【図３】図３は、誘導電動機の端子電圧の速度依存特性を示す概念図である。
【図４】図４は、実施の形態１におけるベクトル制御指令値演算部の内部構成を示す構成図である。
【図５】図５は、ノッチ指令ＮＣに応じて指令値を出力するベクトル制御指令値生成部の構成を示す構成図である。
【図６】図６は、実施の形態２におけるベクトル制御指令値演算部の内部構成を示す構成図である。
【図７】図７は、実施の形態３にかかる電気車の制御装置の構成を示す構成図である。
【図８】図８は、実施の形態３におけるベクトル制御指令値演算部の内部構成を示す構成図である。
【図９−１】図９−１は、１パルスモードにおける電圧波形を示す図である。
【図９−２】図９−２は、３パルスモードにおける電圧波形を示す図である。
【図９−３】図９−３は、３レベルインバータを使用した場合の電圧波形を示す図である。
【符号の説明】
【００１５】
１  交流電動機
２  交流電源部
３  直流電源部
４  直流電圧検出部
５  第１主回路
６  コンバータ制御部
７  第２主回路
８  ベクトル制御部
９  速度検出部
１０  トルク指令値生成部
１１  ベクトル制御指令値演算部
１２  交流電源状態量検出部
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に、本発明にかかる電気車の制御装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。【００１７】
実施の形態１．
図１は、本実施の形態にかかる電気車の制御装置の構成を示す構成図である。図１に示すように、本実施の形態は、電気車の動力としてトルクを発生する交流電動機１と、この交流電動機１の回転速度を計測する速度検出部９と、を備えており、この交流電動機１は、例えば、誘導電動機または同期電動機等である。【００１８】
さらに、本実施の形態は、運転台における運転手のハンドル扱いなどの制御指令情報が入力され、この入力された制御指令情報を交流電動機１に発生させるトルクの指令値Ｔ＊（以下、トルク指令値Ｔ＊という。）に変換して出力するトルク指令値生成部１０と、このトルク指令値生成部１０の下位に設けられ、トルク指令値生成部１０からのトルク指令値Ｔ＊等の入力に基づいて、直流電圧指令値ＥＦＣＲおよび磁束指令値Ｆ２Ｒを算出選択して出力するベクトル制御指令値演算部１１ａと、ベクトル制御指令値演算部１１ａの一方の出力である直流電圧指令値ＥＦＣＲが入力されるコンバータ制御部６と、ベクトル制御指令値演算部１１ａの他方の出力である磁束指令値Ｆ２Ｒが入力されるベクトル制御部６と、を備えている。なお、トルク指令値Ｔ＊のように、＊が付加されている場合には、指令値を表すものとする。【００１９】
本実施の形態には、架線、パンタグラフ等から構成される交流電源部２から交流電力が供給され、本実施の形態は、さらに、交流電源部２の電圧値および電流値を検出する交流電源状態量検出部１２と、交流電源部２から出力された交流電力を、コンバータ制御部６による制御に基づいて、直流電力に変換して出力する第１主回路５と、コンデンサ等から構成され、第１主回路５から出力された直流電力の脈動抑制および一部貯蔵等の機能を有する直流電源部３ａと、この直流電源部３ａの直流電圧値ＥＦＣを検出する直流電圧検出部４と、直流電源部３ａからの直流電力が入力され、この入力された直流電力を、ベクトル制御部８の制御に基づいて、交流電力に変換して交流電動機１に供給する第２主回路７と、この第２主回路７から出力される交流電動機１への交流電流量を検出する交流電動機電流検出部１３と、を備えている。なお、ベクトル制御指令値演算部１１ａの内部構成については後述する。【００２０】
次に、本実施の形態の動作について説明する。先ず、交流電源部２から、直流電源部３ａ、交流電動機１への電力供給動作について説明する。交流電源部２から、第１主回路５には交流電力が供給され、第１主回路５は、交流電力を一旦直流電力に変換し、第２主回路７に直流電力を供給する。直流電源部３ａは、第１主回路５と第２主回路７との間に挿入され、直流電力の脈動抑制、および直流電力の一部貯蔵等を行う。この交流電力から直流電力への電力変換制御は、コンバータ制御部６が司っている。すなわち、直流電圧検出部４によって検出される直流電源部３ａの電圧値である直流電圧値ＥＦＣが、ベクトル指令値演算部１１ａから出力される直流電圧指令値ＥＦＣＲに追従するよう、また、交流電源状態量検出部１２によって検出される交流電源部２の電圧値、および電流値Ｉｓの力率関係が１となる主回路スイッチング信号Ｓｗ＿ｃ＊を制御側で算出し、この主回路スイッチング信号Ｓｗ＿ｃ＊をコンバータ制御部６から第１主回路５に出力することで、直流電源部３ａの電圧値、および交流電源部２の電流値を制御し、交流電力から直流電力へ電力変換を行う。【００２１】
直流電源部３ａからは、第２主回路７に直流電力が供給され、第２主回路７は直流電力を可変電圧、可変周波数の交流電力に変換して交流電動機１に供給、駆動する。この電力変換を司るベクトル制御部８は、交流電動機１が出力する実トルクＴがトルク指令値生成部１０から入力されるトルク指令値Ｔ＊に追従するように、速度検出部９によって検出される交流電動機１の回転周波数ＦＭ、および交流電動機電流検出部１３によって検出される交流電動機の三相での電流値Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗに基づいて、制御側で算出した主回路スイッチング信号Ｓｗ＿ｉ＊を第２主回路７に出力することで制御しており、電気車の加速・減速制御を可能としている。【００２２】
以上、電力の流れを中心に説明したが、次にベクトル制御指令値演算部１１ａ、ベクトル制御部８内部での処理内容、制御方法について詳細に説明する。特に本明細書では、交流電動機１として、例えば誘導電動機を用いた場合について記載するが、本発明はこれに限定されず、同期電動機等を用いた場合も同様に適用される。【００２３】
ベクトル制御部８には、トルク指令値生成部１０からトルク指令値Ｔ＊が、そして、ベクトル制御指令値演算部１１ａから磁束指令値Ｆ２Ｒが入力される。また、速度検出部９で検出される誘導電動機の回転角速度Ｗｍ、および交流電動機電流検出部１３で検出される交流電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗが入力される。【００２４】
誘導電動機のトルク制御の手法として、電気車では１９９０年代後半から標準的に用いられているいわゆるベクトル制御では、誘導電動機の磁束ベクトルに同期して回転する直交２軸座標系であるｄｑ軸を導入し、誘導電動機に流す電流のベクトルを磁束成分とトルク成分とに分けて管理・制御する。すなわちベクトル制御部８では、磁束分電流指令Ｉ１ＤＲ、トルク分電流指令Ｉ１ＱＲ、誘導電動機のすべり周波数指令Ｗｓ、およびインバータ周波数指令Ｗｉｎｖを算出する。【００２５】
Ｉ１ＤＲ＝Ｆ２Ｒ／Ｍ                                                ・・・（１）
Ｉ１ＱＲ＝Ｌ２・Ｔ＊／ｐｍ・Ｍ・Ｆ２Ｒ                              ・・・（２）
Ｗｓ＝Ｒ２／Ｌ２・Ｉ１ＱＲ／Ｉ１ＤＲ                                ・・・（３）
Ｗｉｎｖ＝Ｗｍ＋Ｗｓ                                                ・・・（４）
【００２６】
ただし、上記（１）〜（４）式中の定数は次のような誘導機の諸定数を表し、使用する誘導電動機に対する各値をベクトル制御部８内で設定しておくものである。【００２７】
Ｒ１：誘導電動機の一次抵抗
Ｒ２：誘導電動機の二次抵抗
Ｍ  ：誘導電動機の相互インダクタンス
Ｌ１：誘導電動機の一次自己インダクタンス
Ｌ２：誘導電動機の二次自己インダクタンス
ｐｍ：誘導電動機の極対数
【００２８】
そして、交流電動機電流検出部１３にて検出される誘導電動機１の交流電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗは、下記（５）式により磁束分電流Ｉ１Ｄ、およびトルク分電流Ｉ１Ｑに変換される。【００２９】
【数１】
2008107992.tif 000003
ただし、θは制御位相角であり、下記（６）式【００３０】
【数２】
2008107992.tif 000004
により、算出するものである。【００３１】
次に、上記（１）〜（６）式に基づいて取得される、磁束分電流指令値Ｉ１ＤＲと磁束分電流Ｉ１Ｄとが一致するように、また、トルク分電流指令値Ｉ１ＱＲとトルク分電流Ｉ１Ｑとが一致するように、ベクトル制御部８は、いわゆるベクトル制御によって誘導電動機１に出力すべき電圧指令値を生成する。ベクトル制御が理想的になされた場合、ｄ軸およびｑ軸の電圧指令は、それぞれ下記（７）および（８）式のようになる。【００３２】
Ｖｄ＊＝Ｒ１・Ｉ１ＤＲ−σＬ１・Ｗｉｎｖ・Ｉ１ＱＲ                ・・・（７）
Ｖｑ＊＝Ｒ１・Ｉ１ＱＲ＋Ｗｉｎｖ・Ｌ１／Ｍ・Ｆ２Ｒ                ・・・（８）
ただし、σ＝１−Ｍ・Ｍ／（Ｌ１・Ｌ２）は漏れ係数である。特に、電圧指令を振幅｜Ｖ｜と位相角θｖに変換し、後者に対しては（６）式の制御位相角との関係で捉えると、下記（９）および(１０)式のようになる。【００３３】
【数３】
2008107992.tif 000005
【００３４】
以上の（９）、（１０）式で得られる電圧指令値をパルス幅変調して主回路スイッチング信号Ｓｗ＿ｉ＊を算出し、第２主回路７に出力、これを制御することで、交流電動機１のトルクをトルク指令値Ｔ＊どおりに制御することが可能となる。【００３５】
なお、（９）式で示される電圧振幅｜Ｖ｜は、１パルスモードで最大となり、そのときの値｜Ｖ｜ｍａｘは、直流電圧検出部４が検出する直流電圧値ＥＦＣで決まる。なお、１パルスモードでは、図９−１に示すように、交流電圧指令基本波の電気角３６０度で２回のみスイッチングして矩形波電圧を出力する。【００３６】
｜Ｖ｜ｍａｘ＝√６／π・ＥＦＣ                                    ・・・（１１）
【００３７】
本実施の形態では、電気車の制御装置全体の効率を高くすることを目的として、ベクトル制御指令値演算部１１ａが、トルク指令値Ｔ＊に応じて、（二次）磁束指令値Ｆ２Ｒを算出選択してベクトル制御部８に出力し、また直流電圧指令値ＥＦＣＲを算出選択してコンバータ制御部６に出力することを特徴としている。その詳細について以下に説明する。【００３８】
図２は、誘導電動機１の損失特性を示す概念図である。誘導電動機１の回転速度は一定の定格速度とし、トルクを定格のそれぞれ２５、５０、７５、１００、１２５[％]とした場合の損失曲線を、横軸を磁束（磁束分電流指令）[％]、縦軸を誘導電動機の損失[Ｗ]として表したものである。なお、磁束（磁束分電流指令）は、１パルスモード時の磁束（磁束上限値）を１００％として、磁束上限値に対する相対量が％で示されている。図２に示すように、磁束を操作することで、損失が変化し、損失最小となる条件が存在することが分かる。すなわち、トルクを定格とした場合には（トルク１００％）、誘導電動機の損失を最小とする磁束は１パルスモード時の磁束である磁束上限値に等しく、トルクを定格よりも小さくした場合には（トルク１００％未満）、誘導電動機の損失を最小とする磁束は磁束上限値よりも小さい範囲に存在している。そして、トルクを小さくすると、誘導電動機の損失を最小とする磁束も小さくなっている。なお、図２では、各損失曲線に対して、損失最小条件（効率最大条件）となる箇所に星印を付して示している。また、上記損失は誘導電動機１の回路損失を表している。【００３９】
誘導電動機１の回路損失は、主に一次側、二次側それぞれの回路抵抗における一次銅損、二次銅損と、鉄心における鉄損とがあり、物理的には次のような関係となる。【００４０】
一次銅損：一次側電流の２乗と一次抵抗Ｒ１との積（ほぼＩ１ＤとＩ１Ｑの二乗和に比例）
二次銅損：二次側電流の２乗と二次抵抗Ｒ２との積（ほぼＩ１Ｑの二乗に比例）
鉄損    ：一次側の励磁分電流と鉄損抵抗が関係した値（Ｉ１Ｄに応じて変化）
【００４１】
従って、ベクトル制御における（１）、（２）式によって、トルク指令Ｔ＊が与えられたときに、磁束指令値Ｆ２Ｒ（または磁束分電流指令Ｉ１ＤＲ）を操作すると、磁束分電流Ｉ１Ｄとトルク分電流Ｉ１Ｑとのバランス、すなわち回路損失バランスが操作できることになる。図２の損失最小条件を、上記の関係に基づいて定式化し、またはテーブルデータとしておくことで、トルク指令Ｔ＊に応じて磁束分電流指令Ｉ１ＤＲを算出取得することが可能である。【００４２】
一方、図３は、誘導電動機１の端子電圧の速度依存特性を示す概念図であり、横軸を（回転）速度、縦軸を第２主回路（またはベクトル制御部）の出力電圧としている。また、図３では、（１）は特許文献１に記載の方式による電圧特性、（２）は本実施の形態で用いる図２に示した損失最小条件（効率最大条件）のもとで速度を変化させた場合の電圧特性を表している。なお、（１）、（２）とも同一トルク条件である。図３において、特許文献１に記載の方式による電圧指令値振幅｜Ｖ｜は、高速域では１パルスモードとなり直流電圧値ＥＦＣに依存した値、すなわち、その換算値である√６・ＥＦＣ／πに固定される（（１）の横軸に平行な領域）。この領域で誘導電動機の電圧振幅を制御する場合には、下記の（Ａ）、（Ｂ）に示す手法があり、それぞれに制約がある。【００４３】
（Ａ）コンバータ制御部６を通じた制御で直流電圧値ＥＦＣを上下させる。
（Ｂ）ベクトル制御部８のスイッチングモード選択で１パルスモード以外を選択する。
【００４４】
（Ａ）の手法では、直流電圧値ＥＦＣの操作範囲が、第１主回路５の絶縁や耐圧性等から決定される上限値ＥＦＣ＿ｍａｘ、交流電源部２の電圧条件（交流電圧振幅値）および第１主回路５の回路構成から決まる下限値ＥＦＣ＿ｍｉｎの範囲に制約される。【００４５】
（Ｂ）の手法では、誘導電動機１の電圧指令値振幅｜Ｖ｜を√６／π・ＥＦＣ以下の方向のみに制御範囲が制約される他、電気車で用いられる第２主回路７における一般的構成である２レベルインバータの場合、図９−１および図９−２に示したとおり、スイッチング回数が最小の１パルスモード以外の動作となることで、必然的にスイッチング回数が増加し、第２主回路７の損失が増加するデメリットがある。ここで、図９−２は、３パルスモードを示しており、電気角３６０度でスイッチング回数が６回となっている。【００４６】
以上に基づき、本実施の形態においては、ベクトル制御指令値演算部１１ａを図４のように構成し、以下に述べるような機能を実現する。図４に示すように、ベクトル制御指令値演算部１１ａは、磁束指令演算部２１と、最大効率特性関数部２２と、指令値選択部２３ａと、Ｆ２Ｒ１条件損失推定部２４と、を備えている。磁束指令演算部２１は、ベクトル制御指令値演算部１１ａへの入力である直流電圧値ＥＦＣ、トルク指令Ｔ＊、および回転周波数ＦＭに応じて、従来の１パルスモード用の磁束指令値Ｆ２Ｒ１を常時算出する。磁束指令演算部２１は、例えば、特許文献１に記載の二次磁束指令演算部により実現される。Ｆ２Ｒ１条件損失推定部２４は、磁束指令演算部２１が出力した１パルスモード用の磁束指令値Ｆ２Ｒ１と、トルク指令Ｔ＊とに基づいて、図２に示す特性の関係から、１パルスモードで運転した場合の誘導電動機１の損失Ｌｏｓｓ１を算出する。また、最大効率特性関数部２２にはトルク指令Ｔ＊および回転周波数ＦＭが入力される。そして、最大効率特性関数部２２では、トルク指令Ｔ＊に応じて、図２の特性から誘導電動機１の効率を最大化する磁束指令値Ｆ２Ｒ２を出力する。また同時に、その効率最大条件時における誘導電動機１の損失Ｌｏｓｓ２を図２の特性から出力し、さらに、以下の（１２）〜（１５）式から、効率最大条件時における誘導電動機１の端子電圧振幅値｜Ｖ｜２を算出する。【００４７】
【数４】
2008107992.tif 000006
【００４８】
ここで、Ｗｉｎｖ２、Ｖｄ２＊、およびＶｑ２＊は、それぞれ（４）、（７）、および（８）式に相当するものであり、磁束指令値Ｆ２Ｒ２に対して算出されている。【００４９】
以上で得た２種類の磁束指令値Ｆ２Ｒ１、Ｆ２Ｒ２、対応する条件下における誘導電動機１の損失Ｌｏｓｓ１、Ｌｏｓｓ２、および効率最大条件時における誘導電動機１の端子電圧振幅値｜Ｖ｜２は、指令値選択部２３ａに入力される。そして、指令値選択部２３ａはこれらの入力値をもとに、ベクトル制御部８へ出力される磁束指令値Ｆ２Ｒ、およびコンバータ制御部６へ出力される直流電圧指令値ＥＦＣＲを、｜Ｖ｜２の条件に応じて以下のように決定する。なお、下記条件（ｉ）、(ｉｉ)、(ｉｉｉ)に対応する領域については、図３にも記載されている。【００５０】
（ｉ）√６／π・ＥＦＣ＿ｍａｘ＜｜Ｖ｜２となる領域
この領域では、誘導電動機１の効率最大条件を与える端子電圧振幅値｜Ｖ｜２が、第２主回路７の出力可能電圧上限を超えるため、効率最大条件は選択不可能となる。ただし、図２の特性に従い、選択可能な範囲内で損失最小となるよう、ＥＦＣＲ＝ＥＦＣ＿ｍａｘ、Ｆ２Ｒ＝Ｆ２Ｒ１と選択する。【００５１】
（ｉｉ）√６／π・ＥＦＣ＿ｍｉｎ≦｜Ｖ｜２≦√６／π・ＥＦＣ＿ｍａｘとなる領域
この領域では、誘導電動機１の効率最大条件が、第２主回路７を１パルスモードとし、直流電圧値ＥＦＣを制御することで達成可能であり、ＥＦＣＲ＝π／√６・｜Ｖ｜２、Ｆ２Ｒ＝Ｆ２Ｒ２と選択する。なお、この場合においては、Ｆ２Ｒ＝Ｆ２Ｒ１＝Ｆ２Ｒ２となる。【００５２】
（ｉｉｉ）｜Ｖ｜２＜√６／π・ＥＦＣ＿ｍｉｎとなる領域
この領域は、誘導電動機１の効率最大条件が、１パルスモード以外となる領域である。よって、第２主回路７の損失増加を加味して指令値を選択する。１パルスモード時の第２主回路７のスイッチング損失をＬｏｓｓＰ１、非１パルスモード時の第２主回路７のスイッチング損失をＬｏｓｓＰｎ１とすると、誘導電動機１の損失と第２主回路７の損失の合計は、次のようになる。【００５３】
特許文献１に従って１パルスモード運転した場合：Ｌｏｓｓ１＋ＬｏｓｓＰ１
誘導電動機の損失最小点で運転した場合：Ｌｏｓｓ２＋ＬｏｓｓＰｎ１
【００５４】
そこで、電気車の制御装置全体の損失を低減するために、ＬｏｓｓＰ１、ＬｏｓｓＰｎ１のデータをあらかじめ指令値選択部２３ａに備えておき、【００５５】
（ｉｉｉ−ａ）：Ｌｏｓｓ１＋ＬｏｓｓＰ１＞Ｌｏｓｓ２＋ＬｏｓｓＰｎ１の場合
ＥＦＣＲ＝ＥＦＣ＿ｍｉｎ、Ｆ２Ｒ＝Ｆ２Ｒ２
（ｉｉｉ−ｂ）：Ｌｏｓｓ１＋ＬｏｓｓＰ１≦Ｌｏｓｓ２＋ＬｏｓｓＰｎ１の場合
ＥＦＣＲ＝ＥＦＣ＿ｍｉｎ、Ｆ２Ｒ＝Ｆ２Ｒ１
【００５６】
と選択する。なお、第２主回路７として３レベル以上の諧調をもつマルチレベルインバータを用いた場合には（例えば、３レベルインバータであり、図９−３は、３レベルインバータを使用した場合の電圧波形を示す。）、主回路を構成するスイッチング手段のスイッチング回数をさほど変化させることなく、パルス幅変調が可能となる。この場合にはＬｏｓｓＰ１＝ＬｏｓｓＰｎ１であるため、（ｉｉｉ）の領域では常に（ｉｉｉ−ａ）となり、最大効率制御用のＦ２Ｒ２を磁束指令Ｆ２Ｒとして選択すれば良い。【００５７】
以上のように、指令値選択部２３ａにて、（ｉ）、（ｉｉ）、（ｉｉｉ−ａ）、（ｉｉｉ−ｂ）のように判別するベクトル制御指令値部１１ａを構成し、直流電圧指令値ＥＦＣＲ、および磁束指令値Ｆ２Ｒを算出選択することによって、電気車の制御装置全体の損失を低減することが可能となる。【００５８】
以上、図１〜図４に示した本実施の形態によれば、トルク指令Ｔ＊に基づいてベクトル制御部８への磁束指令値Ｆ２Ｒを選択操作することによって、運転条件に応じて交流電動機１および第２主回路７の損失の総和を最小化し、電気車の制御装置全体の効率を向上できるという効果が得られる。【００５９】
また、トルク指令Ｔ＊に基づいてコンバータ制御部６への直流電圧指令値ＥＦＣＲを選択することによって、上記交流電動機１の損失を最小にできる効果に加え、第２主回路７のスイッチング損失を低減できる効果も得られ、電気車の制御装置全体の効率を更に向上できる効果が得られる。【００６０】
なお、本実施の形態においては、図４のように、誘導電動機１の最大効率条件を関数として実装する形態を述べたが、鉄道車両においては、運転台からのトルク指令Ｔ＊はハンドル投入段（いわゆるノッチ指令ＮＣ）毎に対速度特性があらかじめ決められている場合もあり、ノッチ指令ＮＣ毎に誘導電動機１の最大効率条件の速度特性をあらかじめ算出しておくことが可能である。そこで、図１に示すように、本実施の形態では、トルク指令値生成部１０は、トルク指令Ｔ＊と共に、運転台のノッチ指令ＮＣを生成するような構成としている。したがって、ベクトル制御指令値演算部１１ａとしては、図５に示すように、あらかじめノッチ毎に最大効率磁束指令値Ｆ２Ｒ２が登録された最大効率磁束特性テーブル２５、およびノッチ毎に最大効率直流電圧指令値ＥＦＣ２が登録された最大効率直流電圧特性テーブル２６を設け、ノッチ指令ＮＣに応じて直流電圧指令値ＥＦＣＲおよび磁束指令値Ｆ２Ｒを選択して出力する構成としても良い。【００６１】
このような構成によれば、運転台のノッチ指令ＮＣに基づいて、制御装置全体の効率を最大化する磁束指令値Ｆ２Ｒを選択し、ベクトル制御部８に出力することができるので、より簡易な構成によって制御装置の効率を向上することができるという効果がある。また、運転台のノッチ指令ＮＣに基づいて、制御装置全体の効率を最大化する直流電圧指令値ＥＦＣＲを選択し、コンバータ制御部６に出力することができるので、より簡易な構成によって制御装置の効率を向上することができるという効果がある。【００６２】
実施の形態２．
図６は、本発明にかかる電気車の制御装置の実施の形態２におけるベクトル制御指令値演算部の内部構成を示す構成図である。本実施の形態においては、実施の形態１におけるベクトル制御指令値演算部１１ａが図６に示すベクトル制御指令値演算部１１ｂに置き換えられている。電気車の制御装置におけるトルク指令の動作範囲、電動機の最適設計、直流電源部３ａの動作範囲の仕様、実際に電気車が走行する路線条件、等によっては、図３において、（ｉ）、（ｉｉ）、（ｉｉｉ）の割合が変化する。特に、（ｉｉｉ）の領域が他の領域と比較して小さく、高効率運転した場合への寄与が小さいと判断されるような仕様の電気車の場合には、ベクトル制御指令値演算部１１ａの構成において第２主回路７の損失を考慮した（ｉｉｉ−ａ）（ｉｉｉ−ｂ）の判別を省略し、以下のように１パルスモード動作を優先させながら、直流電圧ＥＦＣの操作のみで装置の高効率化を図っても良い。【００６３】
（ｉ）の領域    ：ＥＦＣＲ＝ＥＦＣ＿ｍａｘ，Ｆ２Ｒ＝Ｆ２Ｒ１
（ｉｉ）の領域  ：ＥＦＲＣ＝π／√６・｜Ｖ｜２，Ｆ２Ｒ＝Ｆ２Ｒ２（＝Ｆ２Ｒ１）
（ｉｉｉ）の領域：ＥＦＣＲ＝ＥＦＣ＿ｍｉｎ，Ｆ２Ｒ＝Ｆ２Ｒ１
【００６４】
図５では、このような判別を行うベクトル制御指令値演算部１１ｂの構成を示しており、ベクトル制御指令値演算部１１ｂは、磁束指令演算部２１と、最大効率特性関数部２２ｂと、指令値選択部２３ｂと、を備えている。磁束指令演算部２１は、実施の形態１と同様に、直流電圧値ＥＦＣ、トルク指令Ｔ＊、および回転周波数ＦＭを入力として、従来の１パルスモード用の磁束指令値Ｆ２Ｒ１を常時算出し、この磁束指令値Ｆ２Ｒ１が常に磁束指令値Ｆ２Ｒとしてベクトル制御部８へ出力される。また、最大効率特性関数部２２ｂは、トルク指令Ｔ＊、および回転周波数ＦＭを入力として、効率最大条件時における誘導電動機１の端子電圧振幅｜Ｖ｜２を算出し、これを指令値選択部２３ｂに出力する。指令値選択部２３ｂでは、上記（ｉ）、（ｉｉ）、（ｉｉｉ）の領域に応じて、直流電圧指令値ＥＦＣＲを選択して、コンバータ制御部６へ出力する。本実施の形態では、常に１パルスモードを優先させるため、（ｉｉｉ）の領域では厳密には装置全体の損失最小化にならないが、損失値を比較しながらの磁束指令値Ｆ２Ｒの選択処理が不要となり、マイコンの演算量を削減することでベクトル制御指令値演算部１１ｂの実際の実装を、より容易に行うことができる。なお、本実施の形態のその他の構成は、実施の形態１の構成と同様である。【００６５】
以上、図１および図６に示した実施の形態２による電気車の制御装置によれば、トルク指令Ｔ＊に基づいて直流電源部３ａへの直流電圧指令値ＥＦＣＲを操作することによって、ベクトル制御部８への磁束指令Ｆ２Ｒの値を間接的に操作し、運転条件に応じて交流電動機１および第２主回路７の損失の総和を最小化し、電気車の制御装置全体の効率を向上できる効果が得られる。【００６６】
実施の形態３．
図７は、本発明の実施の形態３にかかる電気車の制御装置の構成を示す構成図である。また、図８は、実施の形態３におけるベクトル制御指令値演算部の内部構成を示す構成図である。実施の形態１が、交流架線から電力を供給されるいわゆる交流電気車の構成であったのに対し、実施の形態３は直流架線から電力を供給されるいわゆる直流電気車の構成を示している。すなわち、図７に示すように、架線、パンタグラフ、フィルタコンデンサ等から構成される直流電源部３ｂから、ベクトル制御部８によって制御される第２主回路７を通じて交流電動機１に電力が供給され、交流電動機１がトルクを発生し、電気車の動力となる。トルク指令値生成部１０はトルク指令Ｔ＊を出力し、ベクトル制御指令値演算部１１ｃ、ベクトル制御部８、直流電圧検出部４、第２主回路７、交流電動機電流検出部１３、速度検出部９によって、交流電動機１のトルク制御がベクトル制御によって達成される関係は、実施の形態１と同様であり、そのため同一の構成物には同一の符号を付して説明を省略する。また、ノッチ投入信号に基づいて、交流電動機１のベクトル制御を行う構成が可能な点も実施の形態１と同様である。【００６７】
本実施の形態においては、実施の形態１と異なり、直流電源部３ｂは架線から直接電力を供給される形態であり、直流電源部の制御手段がないため、ベクトル制御指令値演算部１１ｃは、直流電圧指令値ＥＦＣＲを出力する手段を持たず、図８のような構成となり、磁束指令値Ｆ２Ｒの選択処理を、下記の（ｉｉｉ−ａ）’、（ｉｉｉ−ｂ）’のみで実施する。【００６８】
（ｉｉｉ−ａ）’：Ｌｏｓｓ１＋ＬｏｓｓＰ１＞Ｌｏｓｓ２＋ＬｏｓｓＰｎ１の場合
Ｆ２Ｒ＝Ｆ２Ｒ２
（ｉｉｉ−ｂ）’：Ｌｏｓｓ１＋ＬｏｓｓＰ１≦Ｌｏｓｓ２＋ＬｏｓｓＰｎ１の場合
Ｆ２Ｒ＝Ｆ２Ｒ１
【００６９】
ただし、実施の形態１と同様、ＬｏｓｓＰ１は１パルスモード時のスイッチング損失、ＬｏｓｓＰｎ１は非１パルスモードのスイッチング損失である。【００７０】
以上、図７および図８に示した実施の形態３による電気車の制御装置によって、トルク指令Ｔ＊に基づいてベクトル制御部８への磁束指令値Ｆ２Ｒを選択操作することによって、運転条件に応じて交流電動機１および第２主回路７の損失の総和を最小化し、電気車の制御装置全体の効率を向上できる効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
以上のように、本発明にかかる電気車の制御装置は、電気車を駆動するトルクを発生させる交流電動機の効率的な制御に有用である。
【図１】
2008107992.tif 000007
【図２】
2008107992.tif 000008
【図３】
2008107992.tif 000009
【図４】
2008107992.tif 000010
【図５】
2008107992.tif 000011
【図６】
2008107992.tif 000012
【図７】
2008107992.tif 000013
【図８】
2008107992.tif 000014
【図９−１】
2008107992.tif 000015
【図９−２】
2008107992.tif 000016
【図９−３】
2008107992.tif 000017
【手続補正書】
【提出日】平成21年8月27日(2009.8.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両用の電力変換器に関するものであり、特に、交流電動機を備えた電気車の制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の電気車の制御装置では、例えば非特許文献１の９９〜１３４ページに記載されているように、交流電動機に流れる交流電流ベクトルを、回転座標系において磁束成分とトルク成分とに分けて管理、制御するいわゆるベクトル制御が一般的に用いられている。
【０００３】
交流電動機の誘起電圧は、概略、交流電動機の回転速度と磁束の積に比例する。そのため、誘起電圧が、制御装置の出力可能最大電圧を超えて制御不能とならないように、高速域では磁束を定格磁束より弱める制御を実施するのが、交流電動機の制御では一般的である。また、電気車の制御装置では、制御器の電力変換器のスイッチング損失を低減する目的で、交流電圧指令基本波の電気角３６０度で２回のみスイッチングして矩形波電圧を出力し、制御器が出力可能な最大電圧に固定する１パルスモードを高速域に用いる。この１パルスモード時の磁束制御、トルク制御が安定に達成できるよう、例えば特許文献１に示されるように、二次磁束指令値を演算によって求め、これを制御に用いている。
【０００４】
特許文献１では、具体的に磁束指令値Φ２＊２と電圧値｜Ｖ｜の動作関係が示されている。すなわち、定格磁束を出力可能な速度域では磁束指令値を定格値一定の磁束指令とし、電圧値｜Ｖ｜は回転速度と共に上昇する。そして、｜Ｖ｜が出力制御可能な最大電圧になると１パルスモードとなり、電圧が最大値で固定されつつ、磁束指令値は特許文献１の式（６）に従って、回転速度に応じて小さく制御される。
【０００５】
一方、特許文献２では、誘導電動機の一次銅損、二次銅損、および一次鉄損の総和を最小化するように、トルク指令値に対して磁束指令値を算出して誘導電動機を制御する手法が示されている。
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−２８５２９９号公報
【特許文献２】特開平７−３２２７００号公報
【非特許文献１】杉本英彦  編著「ＡＣサーボシステムの理論と設計の実際」総合電子出版社
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記従来の電気車の制御装置では、主回路のスイッチング損失低減の観点を優先し、１パルスモードを積極的に使用するため、交流電動機には負荷状態に拠らずほぼ一定の固定電圧が印加されることになり、交流電動機を必ずしも最大効率で運転できず、電気車の制御装置全体の効率が最大とならないという問題があった。
【０００８】
逆に、交流電動機の損失を最小化する運転を優先した場合には、電圧指令値の基本波振幅を操作すべく、主回路のパルスモードを１パルスモード以外とする必要があるが、その場合、例えば３パルスモードを選択することができる。この場合、電気角３６０度でスイッチング回数が６回となり、１パルスモードと比較して主回路のスイッチング損失が増加することが問題となる。
【０００９】
また、主回路として３レベル以上の諧調をもつマルチレベルインバータを用いる場合、例えば３レベルインバータを使用した非１パルスモードを選択することできる。この場合には、主回路を構成するスイッチング手段のスイッチング回数を変化させることなく、パルス幅変調が可能となるものの、主回路の外形、重量、および部品点数、ならびにコストが増加する場合があることから、全ての電気車に採用できる手法ではないという課題が残る。
【００１０】
また、交流電源部からコンバータ制御部とコンバータ主回路によって直流電源部の電圧を制御する従来の電気車の制御装置の構成においても、直流電源部の電圧を基本的に一定値として制御するため、やはり同様に交流電動機には負荷状態に依存しない電圧が印加されることになり、最適な効率で運転できず、電気車の制御装置全体の効率が最大とならないという問題があった。
【００１１】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、交流電動機の損失および主回路の損失の総和を低減できる電気車の制御装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる電気車の制御装置は、交流電動機を備えた電気車の制御装置であって、直流電力源から供給される直流電力を交流電力に変換し、前記交流電動機に交流電力を供給する主回路と、この主回路のスイッチング動作を指示するスイッチング指令を生成し、前記交流電動機のベクトル制御を行うベクトル制御部と、前記交流電動機に出力させるトルクの指令値であるトルク指令値を生成するトルク指令値生成部と、前記トルク指令値に応じて、前記交流電動機の損失を最小にするような第１の磁束指令値と、前記交流電動機を１パルスモードで制御する場合の磁束指令値である第２の磁束指令値とを算出すると共に、前記第１の磁束指令値で制御した場合の前記交流電動機の損失および前記主回路の損失の総和と、前記第２の磁束指令値で制御した場合の前記交流電動機の損失および前記主回路の損失の総和とを算出し、より小さい損失の総和に対応する磁束指令値を前記ベクトル制御部に出力するベクトル制御指令値演算部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、トルク指令値に応じて、磁束指令値を算出かつ選択してベクトル制御部に出力することにより、交流電動機の損失と主回路の損失の総和を抑制し、電気車の制御装置全体の効率を向上することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に、本発明にかかる電気車の制御装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１５】
実施の形態１．
図１は、本実施の形態にかかる電気車の制御装置の構成を示す構成図である。図１に示すように、本実施の形態は、電気車の動力としてトルクを発生する交流電動機１と、この交流電動機１の回転速度を計測する速度検出部９と、を備えており、この交流電動機１は、例えば、誘導電動機または同期電動機等である。
【００１６】
さらに、本実施の形態は、運転台における運転手のハンドル扱いなどの制御指令情報が入力され、この入力された制御指令情報を交流電動機１に発生させるトルクの指令値Ｔ＊（以下、トルク指令値Ｔ＊という。）に変換して出力するトルク指令値生成部１０と、このトルク指令値生成部１０の下流に設けられ、トルク指令値生成部１０からのトルク指令値Ｔ＊等の入力に基づいて、直流電圧指令値ＥＦＣＲおよび磁束指令値Ｆ２Ｒを算出選択して出力するベクトル制御指令値演算部１１ａと、ベクトル制御指令値演算部１１ａの一方の出力である直流電圧指令値ＥＦＣＲが入力されるコンバータ制御部６と、ベクトル制御指令値演算部１１ａの他方の出力である磁束指令値Ｆ２Ｒが入力されるベクトル制御部８と、を備えている。なお、トルク指令値Ｔ＊のように、＊が付加されている場合には、指令値を表すものとする。
【００１７】
本実施の形態には、架線、パンタグラフ等から構成される交流電源部２から交流電力が供給され、本実施の形態は、さらに、交流電源部２の電圧値および電流値を検出する交流電源状態量検出部１２と、交流電源部２から出力された交流電力を、コンバータ制御部６による制御に基づいて、直流電力に変換して出力する第１主回路５と、コンデンサ等から構成され、第１主回路５から出力された直流電力の脈動抑制および一部貯蔵等の機能を有する直流電源部３ａと、この直流電源部３ａの直流電圧値ＥＦＣを検出する直流電圧検出部４と、直流電源部３ａからの直流電力が入力され、この入力された直流電力を、ベクトル制御部８の制御に基づいて、交流電力に変換して交流電動機１に供給する第２主回路７と、この第２主回路７から出力される交流電動機１への交流電流量を検出する交流電動機電流検出部１３と、を備えている。なお、ベクトル制御指令値演算部１１ａの内部構成については後述する。
【００１８】
次に、本実施の形態の動作について説明する。先ず、交流電源部２から、直流電源部３ａ、交流電動機１への電力供給動作について説明する。交流電源部２から、第１主回路５には交流電力が供給され、第１主回路５は、交流電力を一旦直流電力に変換し、第２主回路７に直流電力を供給する。直流電源部３ａは、第１主回路５と第２主回路７との間に挿入され、直流電力の脈動抑制、および直流電力の一部貯蔵等を行う。この交流電力から直流電力への電力変換制御は、コンバータ制御部６が司っている。すなわち、直流電圧検出部４によって検出される直流電源部３ａの電圧値である直流電圧値ＥＦＣが、ベクトル制御指令値演算部１１ａから出力される直流電圧指令値ＥＦＣＲに追従するよう、また、交流電源状態量検出部１２によって検出される交流電源部２の電圧値、および電流値Ｉｓの力率関係が１となる主回路スイッチング信号Ｓｗ＿ｃ＊を制御側で算出し、この主回路スイッチング信号Ｓｗ＿ｃ＊をコンバータ制御部６から第１主回路５に出力することで、直流電源部３ａの電圧値、および交流電源部２の電流値を制御し、交流電力から直流電力へ電力変換を行う。
【００１９】
直流電源部３ａからは、第２主回路７に直流電力が供給され、第２主回路７は直流電力を可変電圧、可変周波数の交流電力に変換して交流電動機１に供給、駆動する。この電力変換を司るベクトル制御部８は、交流電動機１が出力する実トルクＴがトルク指令値生成部１０から入力されるトルク指令値Ｔ＊に追従するように、速度検出部９によって検出される交流電動機１の回転周波数ＦＭ、および交流電動機電流検出部１３によって検出される交流電動機１の三相での電流値Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗに基づいて、制御側で算出した主回路スイッチング信号Ｓｗ＿ｉ＊を第２主回路７に出力することで制御しており、電気車の加速・減速制御を可能としている。
【００２０】
以上、電力の流れを中心に説明したが、次にベクトル制御指令値演算部１１ａ、ベクトル制御部８内部での処理内容、制御方法について詳細に説明する。特に本明細書では、交流電動機１として、例えば誘導電動機を用いた場合について記載するが、本発明はこれに限定されず、同期電動機等を用いた場合も同様に適用される。
【００２１】
ベクトル制御部８には、トルク指令値生成部１０からトルク指令値Ｔ＊が、そして、ベクトル制御指令値演算部１１ａから磁束指令値Ｆ２Ｒが入力される。また、速度検出部９で検出される交流電動機１の回転角速度Ｗｍ、および交流電動機電流検出部１３で検出される交流電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗが入力される。
【００２２】
誘導電動機のトルク制御の手法として、電気車では１９９０年代後半から標準的に用いられているいわゆるベクトル制御では、誘導電動機の磁束ベクトルに同期して回転する直交２軸座標系であるｄｑ軸を導入し、誘導電動機に流す電流のベクトルを磁束成分とトルク成分とに分けて管理・制御する。すなわちベクトル制御部８では、磁束分電流指令Ｉ１ＤＲ、トルク分電流指令Ｉ１ＱＲ、交流電動機１のすべり周波数指令Ｗｓ、およびインバータ周波数指令Ｗｉｎｖを算出する。
【００２３】
Ｉ１ＤＲ＝Ｆ２Ｒ／Ｍ                                                ・・・（１）
Ｉ１ＱＲ＝Ｌ２・Ｔ＊／ｐｍ・Ｍ・Ｆ２Ｒ                              ・・・（２）
Ｗｓ＝Ｒ２／Ｌ２・Ｉ１ＱＲ／Ｉ１ＤＲ                                ・・・（３）
Ｗｉｎｖ＝Ｗｍ＋Ｗｓ                                                ・・・（４）
【００２４】
ただし、上記（１）〜（４）式中の定数は次のような誘導機の諸定数を表し、使用する誘導電動機に対する各値をベクトル制御部８内で設定しておくものである。
【００２５】
Ｒ１：誘導電動機の一次抵抗
Ｒ２：誘導電動機の二次抵抗
Ｍ  ：誘導電動機の相互インダクタンス
Ｌ１：誘導電動機の一次自己インダクタンス
Ｌ２：誘導電動機の二次自己インダクタンス
ｐｍ：誘導電動機の極対
【００２６】
そして、交流電動機電流検出部１３にて検出される交流電動機１の交流電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗは、下記（５）式により磁束分電流Ｉ１Ｄ、およびトルク分電流Ｉ１Ｑに変換される。
【００２７】
【数１】
2008107992.tif 000018
ただし、θは制御位相角であり、下記（６）式
【００２８】
【数２】
2008107992.tif 000019
により、算出するものである。
【００２９】
次に、上記（１）〜（６）式に基づいて取得される、磁束分電流指令値Ｉ１ＤＲと磁束分電流Ｉ１Ｄとが一致するように、また、トルク分電流指令値Ｉ１ＱＲとトルク分電流Ｉ１Ｑとが一致するように、ベクトル制御部８は、いわゆるベクトル制御によって交流電動機１に出力すべき電圧指令値を生成する。ベクトル制御が理想的になされた場合、ｄ軸およびｑ軸の電圧指令は、それぞれ下記（７）および（８）式のようになる。
【００３０】
Ｖｄ＊＝Ｒ１・Ｉ１ＤＲ−σＬ１・Ｗｉｎｖ・Ｉ１ＱＲ                ・・・（７）
Ｖｑ＊＝Ｒ１・Ｉ１ＱＲ＋Ｗｉｎｖ・Ｌ１／Ｍ・Ｆ２Ｒ                ・・・（８）
ただし、σ＝１−Ｍ・Ｍ／（Ｌ１・Ｌ２）は漏れ係数である。特に、電圧指令を振幅｜Ｖ｜と位相角θｖに変換し、後者に対しては（６）式の制御位相角との関係で捉えると、下記（９）および(１０)式のようになる。
【００３１】
【数３】
2008107992.tif 000020
【００３２】
以上の（９）、（１０）式で得られる電圧指令値をパルス幅変調して主回路スイッチング信号Ｓｗ＿ｉ＊を算出し、第２主回路７に出力、これを制御することで、交流電動機１のトルクをトルク指令値Ｔ＊どおりに制御することが可能となる。
【００３３】
なお、（９）式で示される電圧振幅｜Ｖ｜は、１パルスモードで最大となり、そのときの値｜Ｖ｜ｍａｘは、直流電圧検出部４が検出する直流電圧値ＥＦＣで決まる。なお、１パルスモードでは、図９−１に示すように、交流電圧指令基本波の電気角３６０度で２回のみスイッチングして矩形波電圧を出力する。
【００３４】
｜Ｖ｜ｍａｘ＝√６／π・ＥＦＣ                                    ・・・（１１）
【００３５】
本実施の形態では、電気車の制御装置全体の効率を高くすることを目的として、ベクトル制御指令値演算部１１ａが、トルク指令値Ｔ＊に応じて、（二次）磁束指令値Ｆ２Ｒを算出選択してベクトル制御部８に出力し、また直流電圧指令値ＥＦＣＲを算出選択してコンバータ制御部６に出力することを特徴としている。その詳細について以下に説明する。
【００３６】
図２は、交流電動機１の損失特性を示す概念図である。交流電動機１の回転速度は一定の定格速度とし、トルクを定格のそれぞれ２５、５０、７５、１００、１２５[％]とした場合の損失曲線を、横軸を磁束（磁束分電流指令）[％]、縦軸を交流電動機１の損失[Ｗ]として表したものである。なお、磁束（磁束分電流指令）は、１パルスモード時の磁束（磁束上限値）を１００％として、磁束上限値に対する相対量が％で示されている。図２に示すように、磁束を操作することで、損失が変化し、損失最小となる条件が存在することが分かる。すなわち、トルクを定格とした場合には（トルク１００％）、交流電動機１の損失を最小とする磁束は１パルスモード時の磁束である磁束上限値に等しく、トルクを定格よりも小さくした場合には（トルク１００％未満）、交流電動機１の損失を最小とする磁束は磁束上限値よりも小さい範囲に存在している。そして、トルクを小さくすると、交流電動機１の損失を最小とする磁束も小さくなっている。なお、図２では、各損失曲線に対して、損失最小条件（効率最大条件）となる箇所に星印を付して示している。また、上記損失は交流電動機１の回路損失を表している。
【００３７】
交流電動機１の回路損失は、主に一次側、二次側それぞれの回路抵抗における一次銅損、二次銅損と、鉄心における鉄損とがあり、物理的には次のような関係となる。
【００３８】
一次銅損：一次側電流の２乗と一次抵抗Ｒ１との積（ほぼＩ１ＤとＩ１Ｑの二乗和に比例）
二次銅損：二次側電流の２乗と二次抵抗Ｒ２との積（ほぼＩ１Ｑの二乗に比例）
鉄損    ：一次側の励磁分電流と鉄損抵抗が関係した値（Ｉ１Ｄに応じて変化）
【００３９】
従って、ベクトル制御における（１）、（２）式によって、トルク指令Ｔ＊が与えられたときに、磁束指令値Ｆ２Ｒ（または磁束分電流指令Ｉ１ＤＲ）を操作すると、磁束分電流Ｉ１Ｄとトルク分電流Ｉ１Ｑとのバランス、すなわち回路損失バランスが操作できることになる。図２の損失最小条件を、上記の関係に基づいて定式化し、またはテーブルデータとしておくことで、トルク指令Ｔ＊に応じて磁束分電流指令Ｉ１ＤＲを算出取得することが可能である。
【００４０】
一方、図３は、交流電動機１の端子電圧の速度依存特性を示す概念図であり、横軸を（回転）速度、縦軸を第２主回路（またはベクトル制御部）の出力電圧としている。また、図３では、（１）は特許文献１に記載の方式による電圧特性、（２）は本実施の形態で用いる図２に示した損失最小条件（効率最大条件）のもとで速度を変化させた場合の電圧特性を表している。なお、（１）、（２）とも同一トルク条件である。図３において、特許文献１に記載の方式による電圧指令値振幅｜Ｖ｜は、高速域では１パルスモードとなり直流電圧値ＥＦＣに依存した値、すなわち、その換算値である√６・ＥＦＣ／πに固定される（（１）の横軸に平行な領域）。この領域で交流電動機１の電圧振幅を制御する場合には、下記の（Ａ）、（Ｂ）に示す手法があり、それぞれに制約がある。
【００４１】
（Ａ）コンバータ制御部６を通じた制御で直流電圧値ＥＦＣを上下させる。
（Ｂ）ベクトル制御部８のスイッチングモード選択で１パルスモード以外を選択する。
【００４２】
（Ａ）の手法では、直流電圧値ＥＦＣの操作範囲が、第１主回路５の絶縁や耐圧性等から決定される上限値ＥＦＣ＿ｍａｘ、交流電源部２の電圧条件（交流電圧振幅値）および第１主回路５の回路構成から決まる下限値ＥＦＣ＿ｍｉｎの範囲に制約される。
【００４３】
（Ｂ）の手法では、交流電動機１の電圧指令値振幅｜Ｖ｜を√６／π・ＥＦＣ以下の方向のみに制御範囲が制約される他、電気車で用いられる第２主回路７における一般的構成である２レベルインバータの場合、図９−１および図９−２に示したとおり、スイッチング回数が最小の１パルスモード以外の動作となることで、必然的にスイッチング回数が増加し、第２主回路７の損失が増加するデメリットがある。ここで、図９−２は、３パルスモードを示しており、電気角３６０度でスイッチング回数が６回となっている。
【００４４】
以上に基づき、本実施の形態においては、ベクトル制御指令値演算部１１ａを図４のように構成し、以下に述べるような機能を実現する。図４に示すように、ベクトル制御指令値演算部１１ａは、磁束指令演算部２１と、最大効率特性関数部２２と、指令値選択部２３ａと、Ｆ２Ｒ１条件損失推定部２４と、を備えている。磁束指令演算部２１は、ベクトル制御指令値演算部１１ａへの入力である直流電圧値ＥＦＣ、トルク指令Ｔ＊、および回転周波数ＦＭに応じて、従来の１パルスモード用の磁束指令値Ｆ２Ｒ１を常時算出する。磁束指令演算部２１は、例えば、特許文献１に記載の二次磁束指令演算部により実現される。Ｆ２Ｒ１条件損失推定部２４は、磁束指令演算部２１が出力した１パルスモード用の磁束指令値Ｆ２Ｒ１と、トルク指令Ｔ＊とに基づいて、図２に示す特性の関係から、１パルスモードで運転した場合の交流電動機１の損失Ｌｏｓｓ１を算出する。また、最大効率特性関数部２２にはトルク指令Ｔ＊および回転周波数ＦＭが入力される。そして、最大効率特性関数部２２では、トルク指令Ｔ＊に応じて、図２の特性から交流電動機１の効率を最大化する磁束指令値Ｆ２Ｒ２を出力する。また同時に、その効率最大条件時における交流電動機１の損失Ｌｏｓｓ２を図２の特性から出力し、さらに、以下の（１２）〜（１５）式から、効率最大条件時における交流電動機１の端子電圧振幅値｜Ｖ｜２を算出する。
【００４５】
【数４】
2008107992.tif 000021
【００４６】
ここで、Ｗｉｎｖ２、Ｖｄ２＊、およびＶｑ２＊は、それぞれ（４）、（７）、および（８）式に相当するものであり、磁束指令値Ｆ２Ｒ２に対して算出されている。
【００４７】
以上で得た２種類の磁束指令値Ｆ２Ｒ１、Ｆ２Ｒ２、対応する条件下における交流電動機１の損失Ｌｏｓｓ１、Ｌｏｓｓ２、および効率最大条件時における交流電動機１の端子電圧振幅値｜Ｖ｜２は、指令値選択部２３ａに入力される。そして、指令値選択部２３ａはこれらの入力値をもとに、ベクトル制御部８へ出力される磁束指令値Ｆ２Ｒ、およびコンバータ制御部６へ出力される直流電圧指令値ＥＦＣＲを、｜Ｖ｜２の条件に応じて以下のように決定する。なお、下記条件（ｉ）、(ｉｉ)、(ｉｉｉ)に対応する領域については、図３にも記載されている。
【００４８】
（ｉ）√６／π・ＥＦＣ＿ｍａｘ＜｜Ｖ｜２となる領域
この領域では、交流電動機１の効率最大条件を与える端子電圧振幅値｜Ｖ｜２が、第２主回路７の出力可能電圧上限を超えるため、効率最大条件は選択不可能となる。ただし、図２の特性に従い、選択可能な範囲内で損失最小となるよう、ＥＦＣＲ＝ＥＦＣ＿ｍａｘ、Ｆ２Ｒ＝Ｆ２Ｒ１と選択する。
【００４９】
（ｉｉ）√６／π・ＥＦＣ＿ｍｉｎ≦｜Ｖ｜２≦√６／π・ＥＦＣ＿ｍａｘとなる領域
この領域では、交流電動機１の効率最大条件が、第２主回路７を１パルスモードとし、直流電圧値ＥＦＣを制御することで達成可能であり、ＥＦＣＲ＝π／√６・｜Ｖ｜２、Ｆ２Ｒ＝Ｆ２Ｒ２と選択する。なお、この場合においては、Ｆ２Ｒ＝Ｆ２Ｒ１＝Ｆ２Ｒ２となる。
【００５０】
（ｉｉｉ）｜Ｖ｜２＜√６／π・ＥＦＣ＿ｍｉｎとなる領域
この領域は、交流電動機１の効率最大条件が、１パルスモード以外となる領域である。よって、第２主回路７の損失増加を加味して指令値を選択する。１パルスモード時の第２主回路７のスイッチング損失をＬｏｓｓＰ１、非１パルスモード時の第２主回路７のスイッチング損失をＬｏｓｓＰｎ１とすると、交流電動機１の損失と第２主回路７の損失の合計は、次のようになる。
【００５１】
特許文献１に従って１パルスモード運転した場合：Ｌｏｓｓ１＋ＬｏｓｓＰ１
誘導電動機の損失最小点で運転した場合：Ｌｏｓｓ２＋ＬｏｓｓＰｎ１
【００５２】
そこで、電気車の制御装置全体の損失を低減するために、ＬｏｓｓＰ１、ＬｏｓｓＰｎ１のデータをあらかじめ指令値選択部２３ａに備えておき、
【００５３】
（ｉｉｉ−ａ）：Ｌｏｓｓ１＋ＬｏｓｓＰ１＞Ｌｏｓｓ２＋ＬｏｓｓＰｎ１の場合
ＥＦＣＲ＝ＥＦＣ＿ｍｉｎ、Ｆ２Ｒ＝Ｆ２Ｒ２
（ｉｉｉ−ｂ）：Ｌｏｓｓ１＋ＬｏｓｓＰ１≦Ｌｏｓｓ２＋ＬｏｓｓＰｎ１の場合
ＥＦＣＲ＝ＥＦＣ＿ｍｉｎ、Ｆ２Ｒ＝Ｆ２Ｒ１
【００５４】
と選択する。なお、第２主回路７として３レベル以上の諧調をもつマルチレベルインバータを用いた場合には（例えば、３レベルインバータであり、図９−３は、３レベルインバータを使用した場合の電圧波形を示す。）、主回路を構成するスイッチング手段のスイッチング回数をさほど変化させることなく、パルス幅変調が可能となる。この場合にはＬｏｓｓＰ１＝ＬｏｓｓＰｎ１であるため、（ｉｉｉ）の領域では常に（ｉｉｉ−ａ）となり、最大効率制御用のＦ２Ｒ２を磁束指令Ｆ２Ｒとして選択すれば良い。
【００５５】
以上のように、指令値選択部２３ａにて、（ｉ）、（ｉｉ）、（ｉｉｉ−ａ）、（ｉｉｉ−ｂ）のように判別するベクトル制御指令値演算部１１ａを構成し、直流電圧指令値ＥＦＣＲ、および磁束指令値Ｆ２Ｒを算出選択することによって、電気車の制御装置全体の損失を低減することが可能となる。
【００５６】
以上、図１〜図４に示した本実施の形態によれば、トルク指令Ｔ＊に基づいてベクトル制御部８への磁束指令値Ｆ２Ｒを選択操作することによって、運転条件に応じて交流電動機１および第２主回路７の損失の総和を最小化し、電気車の制御装置全体の効率を向上できるという効果が得られる。
【００５７】
また、トルク指令Ｔ＊に基づいてコンバータ制御部６への直流電圧指令値ＥＦＣＲを選択することによって、上記交流電動機１の損失を最小にできる効果に加え、第２主回路７のスイッチング損失を低減できる効果も得られ、電気車の制御装置全体の効率を更に向上できる効果が得られる。
【００５８】
なお、本実施の形態においては、図４のように、交流電動機１の最大効率条件を関数として実装する形態を述べたが、鉄道車両においては、運転台からのトルク指令Ｔ＊はハンドル投入段（いわゆるノッチ指令ＮＣ）毎に対速度特性があらかじめ決められている場合もあり、ノッチ指令ＮＣ毎に交流電動機１の最大効率条件の速度特性をあらかじめ算出しておくことが可能である。そこで、図１に示すように、本実施の形態では、トルク指令値生成部１０は、トルク指令Ｔ＊と共に、運転台のノッチ指令ＮＣを生成するような構成としている。したがって、ベクトル制御指令値演算部１１ａとしては、図５に示すように、あらかじめノッチ毎に最大効率磁束指令値Ｆ２Ｒ２が登録された最大効率磁束特性テーブル２５、およびノッチ毎に最大効率直流電圧指令値ＥＦＣ２が登録された最大効率直流電圧特性テーブル２６を設け、ノッチ指令ＮＣに応じて直流電圧指令値ＥＦＣＲおよび磁束指令値Ｆ２Ｒを選択して出力する構成としても良い。
【００５９】
このような構成によれば、運転台のノッチ指令ＮＣに基づいて、制御装置全体の効率を最大化する磁束指令値Ｆ２Ｒを選択し、ベクトル制御部８に出力することができるので、より簡易な構成によって制御装置の効率を向上することができるという効果がある。また、運転台のノッチ指令ＮＣに基づいて、制御装置全体の効率を最大化する直流電圧指令値ＥＦＣＲを選択し、コンバータ制御部６に出力することができるので、より簡易な構成によって制御装置の効率を向上することができるという効果がある。
【００６０】
実施の形態２．
図６は、本発明にかかる電気車の制御装置の実施の形態２におけるベクトル制御指令値演算部の内部構成を示す構成図である。本実施の形態においては、実施の形態１におけるベクトル制御指令値演算部１１ａが図６に示すベクトル制御指令値演算部１１ｂに置き換えられている。電気車の制御装置におけるトルク指令の動作範囲、電動機の最適設計、直流電源部３ａの動作範囲の仕様、実際に電気車が走行する路線条件、等によっては、図３において、（ｉ）、（ｉｉ）、（ｉｉｉ）の割合が変化する。特に、（ｉｉｉ）の領域が他の領域と比較して小さく、高効率運転した場合への寄与が小さいと判断されるような仕様の電気車の場合には、ベクトル制御指令値演算部１１ａの構成において第２主回路７の損失を考慮した（ｉｉｉ−ａ）（ｉｉｉ−ｂ）の判別を省略し、以下のように１パルスモード動作を優先させながら、直流電圧値ＥＦＣの操作のみで装置の高効率化を図っても良い。
【００６１】
（ｉ）の領域    ：ＥＦＣＲ＝ＥＦＣ＿ｍａｘ，Ｆ２Ｒ＝Ｆ２Ｒ１
（ｉｉ）の領域  ：ＥＦＣＲ＝π／√６・｜Ｖ｜２，Ｆ２Ｒ＝Ｆ２Ｒ２（＝Ｆ２Ｒ１）
（ｉｉｉ）の領域：ＥＦＣＲ＝ＥＦＣ＿ｍｉｎ，Ｆ２Ｒ＝Ｆ２Ｒ１
【００６２】
図６は、このような判別を行うベクトル制御指令値演算部１１ｂの構成を示しており、ベクトル制御指令値演算部１１ｂは、磁束指令演算部２１と、最大効率特性関数部２２ｂと、指令値選択部２３ｂと、を備えている。磁束指令演算部２１は、実施の形態１と同様に、直流電圧値ＥＦＣ、トルク指令Ｔ＊、および回転周波数ＦＭを入力として、従来の１パルスモード用の磁束指令値Ｆ２Ｒ１を常時算出し、この磁束指令値Ｆ２Ｒ１が常に磁束指令値Ｆ２Ｒとしてベクトル制御部８へ出力される。また、最大効率特性関数部２２ｂは、トルク指令Ｔ＊、および回転周波数ＦＭを入力として、効率最大条件時における交流電動機１の端子電圧振幅｜Ｖ｜２を算出し、これを指令値選択部２３ｂに出力する。指令値選択部２３ｂでは、上記（ｉ）、（ｉｉ）、（ｉｉｉ）の領域に応じて、直流電圧指令値ＥＦＣＲを選択して、コンバータ制御部６へ出力する。本実施の形態では、常に１パルスモードを優先させるため、（ｉｉｉ）の領域では厳密には装置全体の損失最小化にならないが、損失値を比較しながらの磁束指令値Ｆ２Ｒの選択処理が不要となり、マイコンの演算量を削減することでベクトル制御指令値演算部１１ｂの実際の実装を、より容易に行うことができる。なお、本実施の形態のその他の構成は、実施の形態１の構成と同様である。
【００６３】
以上、図１および図６に示した実施の形態２による電気車の制御装置によれば、トルク指令Ｔ＊に基づいて直流電源部３ａへの直流電圧指令値ＥＦＣＲを操作することによって、ベクトル制御部８への磁束指令Ｆ２Ｒの値を間接的に操作し、運転条件に応じて交流電動機１および第２主回路７の損失の総和を最小化し、電気車の制御装置全体の効率を向上できる効果が得られる。
【００６４】
実施の形態３．
図７は、本発明の実施の形態３にかかる電気車の制御装置の構成を示す構成図である。また、図８は、実施の形態３におけるベクトル制御指令値演算部の内部構成を示す構成図である。実施の形態１が、交流架線から電力を供給されるいわゆる交流電気車の構成であったのに対し、実施の形態３は直流架線から電力を供給されるいわゆる直流電気車の構成を示している。すなわち、図７に示すように、架線、パンタグラフ、フィルタコンデンサ等から構成される直流電源部３ｂから、ベクトル制御部８によって制御される第２主回路７を通じて交流電動機１に電力が供給され、交流電動機１がトルクを発生し、電気車の動力となる。トルク指令値生成部１０はトルク指令Ｔ＊を出力し、ベクトル制御指令値演算部１１ｃ、ベクトル制御部８、直流電圧検出部４、第２主回路７、交流電動機電流検出部１３、速度検出部９によって、交流電動機１のトルク制御がベクトル制御によって達成される関係は、実施の形態１と同様であり、そのため同一の構成物には同一の符号を付して説明を省略する。また、ノッチ投入信号に基づいて、交流電動機１のベクトル制御を行う構成が可能な点も実施の形態１と同様である。
【００６５】
本実施の形態においては、実施の形態１と異なり、直流電源部３ｂは架線から直接電力を供給される形態であり、直流電源部の制御手段がないため、ベクトル制御指令値演算部１１ｃは、直流電圧指令値ＥＦＣＲを出力する手段を持たず、図８のような構成となり、磁束指令値Ｆ２Ｒの選択処理を、下記の（ｉｉｉ−ａ）’、（ｉｉｉ−ｂ）’のみで実施する。
【００６６】
（ｉｉｉ−ａ）’：Ｌｏｓｓ１＋ＬｏｓｓＰ１＞Ｌｏｓｓ２＋ＬｏｓｓＰｎ１の場合
Ｆ２Ｒ＝Ｆ２Ｒ２
（ｉｉｉ−ｂ）’：Ｌｏｓｓ１＋ＬｏｓｓＰ１≦Ｌｏｓｓ２＋ＬｏｓｓＰｎ１の場合
Ｆ２Ｒ＝Ｆ２Ｒ１
【００６７】
ただし、実施の形態１と同様、ＬｏｓｓＰ１は１パルスモード時のスイッチング損失、ＬｏｓｓＰｎ１は非１パルスモードのスイッチング損失である。
【００６８】
以上、図７および図８に示した実施の形態３による電気車の制御装置によって、トルク指令Ｔ＊に基づいてベクトル制御部８への磁束指令値Ｆ２Ｒを選択操作することによって、運転条件に応じて交流電動機１および第２主回路７の損失の総和を最小化し、電気車の制御装置全体の効率を向上できる効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
以上のように、本発明にかかる電気車の制御装置は、電気車を駆動するトルクを発生させる交流電動機の効率的な制御に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】図１は、実施の形態１にかかる電気車の制御装置の構成を示す構成図である。
【図２】図２は、誘導電動機の損失特性を示す概念図である。
【図３】図３は、誘導電動機の端子電圧の速度依存特性を示す概念図である。
【図４】図４は、実施の形態１におけるベクトル制御指令値演算部の内部構成を示す構成図である。
【図５】図５は、ノッチ指令ＮＣに応じて指令値を出力するベクトル制御指令値生成部の構成を示す構成図である。
【図６】図６は、実施の形態２におけるベクトル制御指令値演算部の内部構成を示す構成図である。
【図７】図７は、実施の形態３にかかる電気車の制御装置の構成を示す構成図である。
【図８】図８は、実施の形態３におけるベクトル制御指令値演算部の内部構成を示す構成図である。
【図９−１】図９−１は、１パルスモードにおける電圧波形を示す図である。
【図９−２】図９−２は、３パルスモードにおける電圧波形を示す図である。
【図９−３】図９−３は、３レベルインバータを使用した場合の電圧波形を示す図である。
【符号の説明】
【００７１】
１  交流電動機
２  交流電源部
３  直流電源部
４  直流電圧検出部
５  第１主回路
６  コンバータ制御部
７  第２主回路
８  ベクトル制御部
９  速度検出部
１０  トルク指令値生成部
１１  ベクトル制御指令値演算部
１２  交流電源状態量検出部
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２】
2008107992.tif 000022
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３】
2008107992.tif 000023
【国際調査報告】
2008107992.tif 000024
2008107992.tif 000025
2008107992.tif 000026
2008107992.tif 000027