(57)【要約】【課題】誘導電動機により車輪を駆動する電気車駆動システムにおいて、コンピュータ制御を用いずに自動的に空転の抑制ができ、編成全体での加速度低下が生じない電気車駆動システム。【解決手段】編成前方の車両の誘導電動機と編成後方の車両の誘導電動機を電気的に並列接続する。あるいは、前後離れた車両に搭載された複数の電力変換回路を、全ての電力変換回路から流れる電流の平均から演算した値を用いて推定速度及び制御を行い同一の電圧振幅及び周波数で運転する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
進行方向に複数の車両が連結された電気車に搭載された電気的に並列接続された複数台の誘導電動機がそれぞれ異なる車輪を駆動する電気車駆動システムにおいて、編成前方の車両の誘導電動機と編成後方の車両の誘導電動機が電気的に並列接続されていることを特徴とした電気車駆動システム。
【請求項２】
進行方向に複数連結された車両の車輪が誘導電動機により駆動される電気車駆動システムであり、前後離れた車両に搭載された複数の電力変換回路がそれぞれの車両の前記誘導電動機を運転する電気車駆動システムにおいて、前記複数の電力変換回路は全ての電力変換回路から流れる電流の平均から演算した値を用いて推定速度及び制御を行い同一の電圧振幅及び周波数で運転されることを特徴とした電気車駆動システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道用電気車駆動システムに関するものであり、特に粘着特性の向上に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図５に従来の技術による電気車駆動システムの一例ブロック図を示し、この図に基づいて従来の技術を説明する。
【０００３】
車両１の運転台にある主幹制御器２は運転手が操作することにより加速指令が出力される。電動機制御装置３内のトルク制御器３１は、加速指令と回転速度推定器３３から出力される回転推定速度ｆｍｈに基づき、図６に示すトルクパタンに従いトルク指令Ｔ＊を生成する。ベクトル制御器３２は、トルク指令Ｔ＊と電力変換回路３４から流れる電流を入力し、電流ベクトル制御により誘導電動機４の発生トルクがトルク指令Ｔ＊と一致するようにすべり周波数指令ｆｓ＊と電圧振幅指令Ｖを生成する。すべり周波数指令ｆｓ＊と回転推定速度ｆｍｈの和が駆動周波数ｆｉとなり、電力変換回路３４は架線電圧を変換して振幅が電圧振幅指令Ｖで周波数が駆動周波数ｆｉとなる３相交流電圧を発生する。回転速度推定器３３は、電力変換回路３４から流れる電流や発生電圧から、誘導電動機４の回転速度を推定して回転推定速度ｆｍｈとして出力する。
【０００４】
電力変換回路３４の出力に誘導電動機４が電気的に複数並列接続される。誘導電動機４は歯車装置５を介して車輪６に駆動力が伝わる。車輪６は、レール７に接しており車輪６とレール７の間の接線力により、車両１に前後方向の力が働き車両１が加減速する。
【０００５】
車輪６及びレール７は、金属でできているため、雨天時等でレール面が濡れていると摩擦係数が低下し車輪６とレール７の間が滑った状態となり、車輪６及び誘導電動機４の回転数が増大する空転が発生する。
【０００６】
誘導電動機４のトルク特性は回転子の回転速度ｆｍの変化に伴い図７のように変化する。通常の運転領域は図７に示した部分であるため、回転速度ｆｍが駆動周波数ｆｉに近づくと、トルクが減少する。そのため、駆動周波数ｆｉが一定であれば空転が発生すると回転速度ｆｍが増大し自動的にトルクが低下する。なお、駆動周波数ｆｉと回転子の回転速度ｆｍの差がすべり周波数ｆｓであるため、すべり周波数ｆｓが小さくなるほどトルクが低下するといえる。
【０００７】
しかしながら、すべり周波数指令ｆｓ＊はベクトル制御器３２によって決定され、回転速度推定器３３から得られる誘導電動機４の回転推定速度ｆｍｈとすべり周波数指令ｆｓ＊の和が誘導電動機４に印加される駆動周波数ｆｉとなる。そのため、車輪６が空転すると、誘導電動機４の回転速度ｆｍが上昇し回転推定速度ｆｍｈも上昇するが、ベクトル制御器３２が出力するすべり周波数指令ｆｓ＊は変化しないため、回転速度ｆｍの上昇とともに駆動周波数ｆｉが増加する。そのため、すべり周波数ｆｓは減少せず空転してもトルクの低下は生じず空転は抑制されない。
【０００８】
多くの乗客や荷物を運ぶ場合、車両１を複数連結して運転する。例えば図８の例では４両の車両１を連結しており、そのうち１両目と４両目が電動機を有する電動車、２両目と３両目は電動機のない付随車である。この例では、１両目と４両目はそれぞれ電動機制御装置３を有しており、１両目の主幹制御器２からそれぞれの電動機制御装置３に加速指令を伝達する。
【０００９】
複数の車両１が連結されて運転する場合、前方の車輪６はレール面が濡れた状態であるため空転しやすいが、後方になるにつれて前方の車輪６が通過することによりレール面の水分が除去されるため、空転の発生頻度が低くなることが知られている。（非特許文献１）
【００１０】
鉄道車両では同一編成内であれば異なる車輪であっても回転数がほぼ等しいことから、図５に示すように、異なる車輪６にそれぞれ誘導電動機４を電気的に並列に接続して駆動することが可能である。誘導電動機４の数は電力変換回路３４の電流容量以内であればいくつでも良い。例えば、図５では４つの誘導電動機４を並列に接続した場合を示しているが、説明では簡便のために２つの誘導電動機４を並列に接続した場合を考える。
【００１１】
並列に接続した誘導電動機４の一方の回転速度をｆｍ１、すべり周波数をｆｓ１とし、もう一方の回転速度をｆｍ２、すべり周波数をｆｓ２として説明する。ここで、車輪６の一方が空転してｆｍ１のみ大きな値となったとする。しかしながら、２つの誘導電動機４は並列に接続されるため、印加される電圧はともに駆動周波数ｆｉとなる。このときの回転速度推定器３３の出力である回転推定速度ｆｍｈは、２台の誘導電動機４の平均的な速度となるため、ベクトル制御器３２が出力するすべり周波数指令ｆｓ＊に比べてｆｓ１は小さな値となりｆｓ２は大きな値となる。そのため、空転した方の誘導電動機４のトルクはトルク指令Ｔ＊より小さくなり自動的に空転が抑制される。
【００１２】
３つ以上の誘導電動機４を電気的に並列接続した場合でも、空転しない車輪６が残っている限り同様の理由で空転は抑制される。
【００１３】
しかしながら並列接続した誘導電動機４に接続された車輪６のすべてが空転すると、回転推定速度ｆｍｈは空転した値となる。駆動周波数ｆｉは回転推定速度ｆｍｈとすべり周波数指令ｆｓ＊の和となるためすべり周波数の低下は発生せず、トルク低下にはならない。
【００１４】
このことから、電気的に並列接続された誘導電動機４に接続された車輪６が同時に空転発生するような条件だと、自動的な空転抑制は期待できない。
【００１５】
そのために、トルク制御器３１は、回転推定速度ｆｍｈが急変したことにより空転を検知してトルク指令Ｔ＊を引き下げて空転を抑制する。（例えば特許文献１）
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開２０００−３５８３０２公報
【非特許文献】
【００１７】
【非特許文献１】今井一富、大石潔、佐野孝、牧島信吾、保川忍：「電車編成における軸別粘着係数分布のモデル化と空転再粘着制御」、電気学会交通・フィジカルセンサ合同研究会、ＴＥＲ−０９−１（ＰＨＳ−０９−１）、平成２１年２月４日、ｐｐ１−６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
空転検知によるトルク引き下げは、空転検知の失敗やトルク引き下げ量が不適切な場合に空転抑制ができない場合がある。また、コンピュータに依存した制御であるため、コンピュータの誤作動や故障により空転抑制ができなくなる恐れがある。そのため、できる限りコンピュータに依存せずに自動的に空転抑制される手法が望ましい。
【００１９】
また、トルク引き下げを行うと加速度低下を引き起こす。前方の車両が空転を発生する状況であっても、後方の車両は空転せずに余裕がある場合が多い。そのような場合後方の車両の誘導電動機４のトルクを増大させることができれば加速度低下を防ぐことが可能である。しかしながら、前方のトルク引き下げ量を後方の車両に伝達するためには、新たな伝送回路が必要となる。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
請求項１の発明によれば、進行方向に複数の車両が連結された電気車に搭載された電気的に並列接続された複数台の誘導電動機がそれぞれ異なる車輪を駆動する電気車駆動システムにおいて、編成前方の車両の誘導電動機と編成後方の車両の誘導電動機が電気的に並列接続されていることを特徴とした電気車駆動システム。
【００２１】
請求項２の発明によれば、進行方向に複数連結された車両の車輪が誘導電動機により駆動される電気車駆動システムであり、前後離れた車両に搭載された複数の電力変換回路がそれぞれの車両の前記誘導電動機を運転する電気車駆動システムにおいて、前記複数の電力変換回路は全ての電力変換回路から流れる電流の平均から演算した値を用いて推定速度及び制御を行い同一の電圧振幅及び周波数で運転されることを特徴とした電気車駆動システム。
【発明の効果】
【００２２】
本発明により自動的に空転が抑制されるため、空転検知失敗や空転抑制失敗が生じない。コンピュータに依存しない制御であるため、コンピュータの誤作動や故障があっても適切に空転抑制が可能となる。また、新たな伝送回路不要で自動的に編成全体での加速度低下を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施例１に係る電気車駆動システムの一例である。
【図２】本発明の実施例１に係る電気車駆動システムの他の一例である。
【図３】本発明の実施例２に係る電気車駆動システムの一例である。
【図４】本発明の実施例２に係る電気車駆動システムの一例である。
【図５】電気車駆動システムの制御構成を示す一例である。
【図６】トルクパタンの一例である。
【図７】誘導電動機のトルク特性を示す図である。
【図８】従来の技術による電気車駆動システムの一例である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に図面を参照して、本発明にかかる電気車駆動システムの好適な実施の形態を詳細に説明する。
【実施例１】
【００２５】
請求項１の発明の一実施例について説明するが、従来の技術と同一部分は省略する。
【００２６】
［０００９］に記したとおり、複数の車両が連結された状態では前方の車両に比べ後方の車両は空転しにくい。そのため、前方の車両１の誘導電動機４と後方の車両１の誘導電動機４を並列接続することにより、並列接続したうちの前方にある誘導電動機４に接続された車輪６は空転頻度を極力抑えることができる。
【００２７】
［００１１］に示したとおり、電気的に並列接続した一部の誘導電動機４のみの速度が上昇した場合、その誘導電動機４のトルクが自動的に低下する。そのため、前方の車輪６が空転しても、並列接続されている後方の車輪６が空転しない限り、自動的に空転を抑制できる。
【００２８】
また、一部の誘導電動機４に接続された車輪６が空転した場合、空転していない車輪６が接続された誘導電動機４のすべり周波数ｆｓはすべり周波数指令ｆｓ＊より大きくなるためトルク指令Ｔ＊より大きなトルクが発生される。つまり空転した車輪６に接続された誘導電動機４のトルク低下を補うように空転していない車輪６に接続された誘導電動機４のトルクが増大するため、編成全体の加速度低下は生じない。
【００２９】
図１の例では、先頭車と最後尾車のそれぞれの前台車を電気的に並列接続し、先頭車と最後尾車のそれぞれの後ろ台車を電気的に並列接続している。この組み合わせでは、それぞれの並列接続が同じ間隔となるため、どの車輪も同程度の効果が見込まれる。
【００３０】
図２は、他の実施例である。この例では先頭車の前台車と最後尾車の後ろ台車、先頭車の後ろ台車と最後尾車の前台車を電気的に並列接続している。この組み合わせでは、最も空転が発生しやすい台車と、最も空転が発生しにくい台車を組み合わせることになるため、先頭車の前台車の車輪の空転防止には効果的である。
【００３１】
車両１の数や、電動車配置の違い、電気的に並列接続される誘導電動機４の個数を変えることにより、様々な構成が考えられる。それらの構成は、使用される路線や車両条件に応じて、適切なものを用いることが望ましい。
【実施例２】
【００３２】
図３に基づき請求項２の発明について説明するが、実施例１と重複する部分は省略する。
【００３３】
第二電力変換回路８は、電動機制御装置３と異なる車両に搭載されており、電動機制御装置３から出力される駆動周波数ｆｉと電圧振幅指令Ｖを入力して振幅が電圧振幅指令Ｖで周波数が駆動周波数ｆｉとなる３相交流電圧を発生する。
【００３４】
電力変換回路３４及び第二電力変換回路８は、それぞれが搭載されている車両の誘導電動機４を駆動する。
【００３５】
電動機制御装置３内のベクトル制御器３２及び回転速度推定器３３は、電力変換回路３４から流れる電流と第二電力変換回路８から流れる電流の平均値を用いて電流ベクトル制御及び速度推定を行う。その結果、回転推定速度ｆｍｈは電力変換回路３４に接続された誘導電動機４と第二電力変換回路８に接続された誘導電動機４のすべての平均値となる。
【００３６】
この構成により、異なる車両の誘導電動機４が電気的に並列接続された場合と等価な状態となるため、前方の車両の車輪６が空転しても後方の車両の車輪６が空転しない限り空転は自動的に抑制される。例えば図３の例では８台の誘導電動機４を電気的に並列接続した場合と等価な状態となるため、８台の誘導電動機４に接続された車輪６の全てが空転しない限り自動的に空転は抑制される。また、空転した車輪６に接続された誘導電動機４のトルク低下を補うように空転していない車輪６に接続された誘導電動機４のトルクが増大するため、編成全体の加速度低下は生じない。
【００３７】
図４の例のように第二電力変換回路が複数あっても構わない。その場合電動機制御装置３内のベクトル制御器３２及び回転速度推定器３３は、電力変換回路３４から流れる電流及びすべての第二電力変換回路から流れる電流の平均値を用いる。
【００３８】
この発明は、車両を跨いだ電動機への配線が不要になるため、多くの車両を連結する場合に有効である。また、電力変換回路３４の電流容量に制約があり並列接続が困難な場合にも有効である。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は、電気鉄道車両の駆動システムに有効である。また、実施例２は既存の車両のハードウェアの変更なしに実現できるため、極めて有効である。
【符号の説明】
【００４０】
１      車両
２      主幹制御器
３      電動機制御装置
３１    トルク制御器
３２    ベクトル制御器
３３    回転速度推定器
３４    電力変換回路
４      誘導電動機
５      歯車装置
６      車輪
７      レール
８      第二電力変換回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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