(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）パンタグラフを介して給電される直流電力を交流電力へ変換するとともに、制御パラメータ変更部を有するインバータと、
（ｂ）該インバータの負荷側に接続される抵抗器と、
（ｃ）該抵抗器と並列に接続可能であり、該抵抗器を短絡可能な接触器と、
（ｄ）該接触器を通じる電流を検知するセンサーと、
（ｅ）前記抵抗器の負荷側に接続される誘導電動機とを備え、
（ｆ）前記センサーが前記接触器の動作を検知し、該検知により前記インバータの制御パラメータの切換えを行い、前記誘導電動機の電流及びトルクの変動を抑制することを特徴とするインバータと誘導電動機の間へ抵抗を挿入可能な電気鉄道車両の制御装置。
【請求項２】
請求項１記載のインバータと誘導電動機の間へ抵抗を挿入可能な電気鉄道車両の制御装置において、前記誘導電動機のｑ軸電流Ｉｑが設定値を上回ることで前記接触器の動作と推定することを特徴とするインバータと誘導電動機の間へ抵抗を挿入可能な電気鉄道車両の制御装置。
【請求項３】
請求項１記載のインバータと誘導電動機の間へ抵抗を挿入可能な電気鉄道車両の制御装置において、前記誘導電動機のｑ軸電流の微分値ｄＩｑ／ｄｔが設定値を上回ることで前記接触器の動作と推定することを特徴とするインバータと誘導電動機の間へ抵抗を挿入可能な電気鉄道車両の制御装置。
【請求項４】
請求項１記載のインバータと誘導電動機の間へ抵抗を挿入可能な電気鉄道車両の制御装置において、前記誘導電動機の電流瞬時値（Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ）が設定値を上回ることで前記接触器の動作と推定することを特徴とするインバータと誘導電動機の間へ抵抗を挿入可能な電気鉄道車両の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インバータと誘導電動機の間へ抵抗を挿入する電気鉄道車両の制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電気鉄道車両用の主電動機は、一般に定トルク域（一定磁束域）の終端が最高速度の１／２〜１／３と低く設計されている。通常、中高速域では弱め磁束制御、特性加速を行うため、主電動機トルクは低下する。そのため、高速域における電気ブレーキ力はあまり期待できず、ブレーキ力の多くを機械ブレーキに頼っている場合が多い。誘導電動機の特性領域において、電気ブレーキ力を増大させる試みはまだない。パワーの大きい高速域において電気ブレーキ力を増大させることができれば、ブレーキシューやライニングの磨耗による交換や検査などのメンテナンスを低減させることが可能である。
【０００３】
直流電動機のチョッパ制御では、高速域の電気ブレーキ力増大に関して、次のような抵抗挿入事例がある旧国鉄の２０１系通勤電車（直流直巻電動機駆動）において、通常の回生ブレーキ方式では高速域における電気ブレーキ力が期待できないため、速度７５〔ｋｍ／ｈ〕以上では、抵抗を電機子チョッパと直流電動機間に直列に挿入することで、ブレーキ力（主電動機トルク）を増大させている。
【０００４】
図３はかかる従来の２０１系通勤電車の主回路の概略図である。
【０００５】
図３において、１は架線、２はパンタグラフ、３は電気鉄道車両、４はフィルタリアクトルＬf 、５はフィルタコンデンサＣ、６はチョッパ、７は主平滑リアクトルＭＳＬ、８は直流直巻電動機、９は抵抗器Ｒｅ、１０は接触器（スイッチ）、１１は歯車装置、１２は車輪、１３はレールである。
【０００６】
実際には直流直巻電動機は４直列２並列（８台）接続されている。簡単のため図３では電動機１台のみで表している。
【０００７】
一方、今回は、インバータ制御車に対し、機械ブレーキの負担が最も大きくなる高速域において、インバータと主電動機（誘導電動機）間に抵抗を挿入する方式により、電気ブレーキ力を増大させることを検討した。
【０００８】
回生ブレーキ時の主電動機端子電圧の上限は、主に架線電圧によって制限されていて、高速域では一定電圧となる。そのため、弱め磁束領域や特性領域では、電気ブレーキ力が定トルク域に比べ小さい。そこで、抵抗を挿入することにより、抵抗の電圧降下分だけ主電動機の端子電圧を上昇させることで、インバータ交流出力端子電圧の値を変えずに、停動トルクを増大させることができる。その結果、インバータの容量を増加させることなく、高速域の電気ブレーキ力増大が可能となる。また、インバータ容量増大と主電動機定格速度向上によって電気ブレーキ力を増大させた場合に較べて、ここでは、主電動機発電電力の一部が抵抗により消費されるため、高速域における架線への回生電力ピークが抑制され、軽負荷となりやすい線区に対して、回生失効抑制に効果があると考えられる。
【０００９】
図４はかかる従来の通常の近郊電車の主回路システムの概略図である。
【００１０】
この図において、２１は架線、２２はパンタグラフ、２３は電気鉄道車両、２４はフィルタリアクトルＬf 、２５はフィルタコンデンサＣ、２６はインバータ、２７は抵抗（Ｒ）、２８は抵抗２７短絡用の接触器（スイッチ）、２９は誘導電動機（主電動機）、３０は歯車装置、３１は車輪、３２はレールである。
【００１１】
このように、誘導電動機（主電動機）２９で駆動される電車に対し、インバータ２６と主電動機２９間に、抵抗２７と抵抗短絡用の接触器２８を挿入している。力行時にはその接触器２８が閉じて抵抗２７を短絡する。
【００１２】
また、高速域の回生時には接触器２８を開き、インバータ２６と主電動機２９間に抵抗２７が挿入された状態となる。抵抗２７の挿入により、抵抗２７が受け持つ電圧分だけ主電動機端子電圧を従来の主電動機端子電圧より上昇させることが可能となる。その結果、高速域における主電動機２９の停動トルクが増大し、インバータ２６の電流容量を増加させることなく、高速域の電気ブレーキ力増大が可能となる。
【００１３】
図５はかかる高速域で抵抗を挿入することによる効果の説明図であり、横軸に速度ｋｍ／ｈ、左縦軸に出力トルク（Ｎｍ）電流（Ａ）、右縦軸に電圧（Ｖ）を示しており、通常動作では、力行中は接触器２８が投入されていて、ブレーキ動作を始めるときに接触器２８が開放され、抵抗２７が挿入された状態となる。そして、高速域から減速し、主電動機２９の端子電圧が低下し抵抗２７が不要になった時点で、抵抗２７による回生電力の損失を抑えるため、接触器２８を閉じ抵抗２７を短絡させる。
【００１４】
電源電圧と同期して回転するｄ−ｑ座標上において、瞬時ベクトルで記述される主電動機２９の定常状態における電圧方程式は次式となる。この時、二次鎖交磁束ベクトルはｄ軸に一致しているものとする。簡単化のため、架線２１とインバータ２６間のＬＣフィルタの動特性については考慮していない。
【００１５】
Ｖ1d＝Ｒ1 ｉ1d−ωσＬ1 ｉ1q                〔Ｖ〕          …（１）
Ｖ1q＝Ｒ1 ｉ1q＋ωＬ1 ｉ1d                  〔Ｖ〕          …（２）
τ＝Ｐ（Ｍ2 ／Ｌ2 ）ｉ1dｉ1q              〔Ｎ−ｍ〕        …（３）
ω＝ω2n＋ωs                           〔ｒａｄ／ｓ〕      …（４）
ωs ＝（Ｒ2 ／Ｌ2 ）・（ｉ1q／ｉ1d）    〔ｒａｄ／ｓ〕      …（５）
ここで、
ｉ1d，ｉ1qは一次側のｄ−ｑ軸電流、ｉ2d，ｉ2qは二次側のｄ−ｑ軸電流、Ｖ1d，Ｖ1qは一次側のｄ−ｑ軸電圧、Ｖ2d，Ｖ2qは二次側のｄ−ｑ軸電圧、φ1d，φ1qは一次側のｄ−ｑ軸磁束、φ2d，φ2qは二次側のｄ−ｑ軸磁束、τはトルク、ωは一次角周波数、ω2nは回転子角周波数、ωs はすべり角周波数、Ｒ1 は一次抵抗、Ｒ2 は二次抵抗、Ｌ1 は一次インダクタンス、Ｌ2 は二次インダクタンス、Ｍは相互インダクタンス、σ＝１−Ｍ2 ／Ｌ1 Ｌ2 はもれ係数、Ｐは極対数である。
【００１６】
主電動機トルクτとブレーキ力Ｆの関係と、回転角速度ω2nと車両速度Ｖt の関係を式（６）（７）に示す。
【００１７】
Ｆ＝（Ｇr ／ｒ）τ                          〔Ｎ〕          …（６）
Ｖt ＝３．６ｒω2n／ＰＧr                 〔ｋｍ／ｈ〕      …（７）
ここで、ｒは車輪半径、Ｇr は歯車比とする。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来のインバータと誘導電動機の間へ抵抗を挿入する車両の制御方法では、接触器の投入に対応して制御パラメータを変更する必要がある。
【００１９】
図６はそのインバータの制御方法を示す誘導電動機の一相分の等価回路を示す図であり、図６（ａ）は挿入すべき抵抗ｒが投入された状態を示しており、インバータは制御パラメータの内、誘導電動機の一次側の抵抗Ｒ1 を、抵抗ｒが投入されている状態では、図６（ｂ）に示すようにＲ′1 ＝（Ｒ1 ＋ｒ）とみなして制御している。そこで抵抗ｒが短絡されるとインバータは誘導電動機の一次側の抵抗のパラメータをＲ′1 からＲ1 へ切換えることで対処する。
【００２０】
従来、その制御パラメータの切換え方法の詳細は検討されていなかった。
【００２１】
しかし、試験を実施したところ接触器の実際の投入タイミングと制御パラメータの変更のタイミングがずれると大きな電流変動及びトルク変動が生じることがわかった。図７は接触器投入の６０ｍｓ後に制御パラメータが変更されたときのものである。接触器投入後に電流値が跳ね上がり、それに伴いトルク変動が生じていることが分かる。一方、図８は接触器投入とパラメータ変更のタイミングを調整し、ほぼ一致させたものである。
【００２２】
そこで、接触器には投入指令からある時間遅れて動作する時素があるため、接触器の投入と同時に制御パラメータを変更するためには、接触器投入指令から接触器の投入時素を見込んで制御パラメータを変更する必要がある。しかし、接触器の投入時素は各接触器固有のものであり、個体差がある。その時素を見込んでパラメータの変更をするには、すべての接触器について最適化を図る必要があり、作業量が多く、その上、気温等の周囲の条件によっても時素は変化し得るので、現実的ではない。
【００２３】
本発明は、上記問題点を除去し、接触器の投入と同時に制御パラメータを切換えることにより、電流変動及びトルク変動を極力抑制することができるインバータと誘導電動機の間へ抵抗を挿入する電気鉄道車両の制御装置を提供することを目的とする。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕インバータと誘導電動機の間へ抵抗を挿入可能な電気鉄道車両の制御装置において、パンタグラフを介して給電される直流電力を交流電力へ変換するとともに、制御パラメータ変更部を有するインバータと、このインバータの負荷側に接続される抵抗器と、この抵抗器と並列に接続可能であり、この抵抗器を短絡可能な接触器と、この接触器を通じる電流を検知するセンサーと、前記抵抗器の負荷側に接続される誘導電動機とを備え、前記センサーが前記接触器の動作を検知し、この検知により前記インバータの制御パラメータの切換えを行い、前記誘導電動機の電流及びトルクの変動を抑制することを特徴とする。
【００２５】
〔２〕上記〔１〕記載のインバータと誘導電動機の間へ抵抗を挿入可能な電気鉄道車両の制御装置において、前記誘導電動機のｑ軸電流Ｉｑが設定値を上回ることで前記接触器の動作と推定することを特徴とする。
【００２６】
〔３〕上記〔１〕記載のインバータと誘導電動機の間へ抵抗を挿入可能な電気鉄道車両の制御装置において、前記誘導電動機のｑ軸電流の微分値ｄＩｑ／ｄｔが設定値を上回ることで前記接触器の動作と推定することを特徴とする。
【００２７】
〔４〕上記〔１〕記載のインバータと誘導電動機の間へ抵抗を挿入可能な電気鉄道車両の制御装置において、前記誘導電動機の電流瞬時値（Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ）が設定値を上回ることで前記接触器の動作と推定することを特徴とする。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【００２９】
本発明の接触器投入時検出方法としては、以下に示すものがある。
【００３０】
接触器の投入に伴い、Ｉｑ、Ｉｕ又はＩｖ（Ｉｗでも同様）が急変することから、この急変状態を検知することにより、接触器の投入を検知することができる。すなわち、
（１−１）Ｉｑが設定値を上回ることにより、接触器投入時検出を行い、瞬時に制御パラメータの切換えを行う。
【００３１】
（１−２）ｄＩｑ／ｄｔが設定値Ｉを上回ることにより、接触器投入時検出を行い、瞬時に制御パラメータの切換えを行う。
【００３２】
（２）誘導モータの電流瞬時値より検出する方法、即ち、Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗのいずれかが設定値より大きいことを検知して、瞬時に制御パラメータの切換えを行う。
【００３３】
これらのＩｑ，Ｉｕ又はＩｖ（Ｉｗでも同様）で検出する方法は、通常の電流制御をするためのセンサーがインバータ内に設置されており、これらの検出値を利用することにより、実現が可能である。
【００３４】
この実施例では、電流センサーを追加することなく、実現が可能である。ただし、後述する直接接触器にセンサーを取り付け、電流が流れた時点で接触器の投入時とする方法に対して、既設の電流センサーを使用するために、Ｉｑ、ｄＩｑ／ｄｔ又はＩｕ（Ｉｖ，Ｉｗ）の設定値をそれぞれ決定する必要がある。
【００３５】
図１は本発明の実施例を示すインバータと誘導電動機の間へ抵抗を挿入する電気鉄道車両の制御システムの構成図、図２はその接触器の投入を検知する電流センサーの構成図である。
【００３６】
これらの図において、４１はパンタグラフ、４２はコンデンサ、４３はインバータ、４４は制御パラメータ変更部、４５は抵抗器、４６は接触器、４７は接触器４６に取り付けられるとともに、抵抗短絡時に流れる電流を直接検出する電流センサー、４８は誘導電動機、４９はレールである。
【００３７】
このように構成することにより、接触器４６が投入されると、接触器４６に取り付けられるとともに抵抗短絡時に流れる電流を直接検出する電流センサー４７によって、その接触器４６の投入と同時に制御パラメータ変更部４４の動作により、制御パラメータを切換えることができるため、電流変動及びトルク変動を極力抑制し、高速域における誘導電動機の出力の向上を円滑に行うことができる。
【００３８】
また、上記実施例では、検知手段としては接触器に取り付けられるとともに、抵抗短絡時に流れる電流を直接検出する電流センサーについて述べたが、これに限定するものではなく、これにかわる接触器の動作の直接的検知を行うセンサー、例えば、撮像センサーや電圧センサー等種々のものを用いることができる。
【００３９】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００４０】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００４１】
（Ａ）電流変動及びトルク変動を極力抑制し、高速域における誘導電動機の出力の向上を円滑に行うことができる。つまり、抵抗器短絡後の過渡現象（モータ電流及びトルクの跳ね上がり）を大幅に抑制することができる。
【００４２】
（Ｂ）一々接触器の個体差を考える必要がなくなるため、個体差を考慮した最適化作業が必要でなくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例を示すインバータと誘導電動機の間へ抵抗を挿入する電気鉄道車両の制御システムの構成図である。
【図２】  本発明の実施例を示すインバータと誘導電動機の間へ抵抗を挿入する電気鉄道車両の接触器の投入を検知する電流センサーの構成図である。
【図３】  従来の２０１系通勤電車の主回路の概略図である。
【図４】  従来の通常の近郊電車の主回路システムの概略図である。
【図５】  高速域で抵抗を挿入することによる効果の説明図である。
【図６】  インバータの制御方法を示す誘導電動機の一相分の等価回路を示す図である。
【図７】  接触器投入の６０ｍｓ後に制御パラメータが変更された場合のタイミング図である。
【図８】  接触器投入とパラメータ変更のタイミングを調整し、ほぼ一致させた場合のタイミング図である。
【符号の説明】
４１    パンタグラフ
４２    コンデンサ
４３    インバータ
４４    制御パラメータ変更部
４５    抵抗器
４６    接触器
４７    電流センサー
４８    誘導電動機
４９    レール
【図１】
0003655204.tif 000002
【図２】
0003655204.tif 000003
【図３】
0003655204.tif 000004
【図４】
0003655204.tif 000005
【図５】
0003655204.tif 000006
【図６】
0003655204.tif 000007
【図７】
0003655204.tif 000008
【図８】
0003655204.tif 000009