(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動用交流誘導電動機をインバータにて可変電圧可変周波数制御する電気車の制御装置において、
前記誘導電動機をベクトル制御するためのトルク電流指令と、トルク電流実際値とに基づいて、誘導電動機の２次抵抗補正値を算出する２次抵抗補正演算手段と、
算出された２次抵抗補正値と基準２次抵抗値とから、補正後の２次抵抗値を算出する２次抵抗演算手段と、
補正後の２次抵抗値および基準２次抵抗値と、誘導電動機のロータの材質によって決まるロータ温度係数とに基づいて、誘導電動機の第１の推定ロータ温度を算出する推定ロータ温度演算手段と、
モータ電流、飽和温度上昇値、温度時定数を用いて第２の推定ロータ温度を算出する温度推定演算手段と、
力行指令とトルク電流実際値とから２次抵抗補正値が有効か無効かを判断し、有効と判断したときは前記第１の推定ロータ温度をロータ温度推定値として出力し、無効と判断したときは前記第２の推定ロータ温度をロータ温度推定値として出力する２次補正値有効判定手段を備えることを特徴とする電気車の制御装置。
【請求項２】
前記２次補正値有効判定手段は、前記力行指令及びトルク電流実際値がそれぞれ所定値以上のときは２次抵抗補正値が有効と判断することを特徴とする請求項１に記載の電気車の制御装置。
【請求項３】
前記ロータ温度推定値が、熱的限界値である第１の設定温度を超えたことを検出するロータ温度異常検出手段と、
第１の設定温度を超えたことが検出されたときには、誘導電動機の回生ブレーキ制御を開放するブレーキ制御手段とを備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の電気車の制御装置。
【請求項４】
前記ロータ温度推定値が、メンテナンスを必要とする前記第１の設定温度よりも低い第２の設定温度を超えたことを検出するロータ温度監視制御手段と、
第２の設定温度を超えたことが検出されたときには、メンテナンスの必要性を報知すると共に、誘導電動機の過負荷となる指令信号を開放する駆動制御手段とを備えることを特徴とする請求項３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】
本発明の実施の形態は、電気車の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気車は、車両を駆動する誘導電動機を備えている。誘導電動機は電気車の台車へ配置されることから、外形的制約があり、ユーザーからも、より小形軽量化を要求される。また、誘導電動機の設計製作においては、惰行時の走行風が考慮され、運転パターンや停止時間および惰行時間も考慮される。
【０００３】
ところで、長期間車両を運用すると、誘導電動機の冷却機構の劣化による冷却効率の低下、設計時の運転パターンや停止時間および惰行時間のバランス変化による冷却不十分などによって誘導電動機を構成するコイルや鉄芯の絶縁破壊、さらには、焼損の可能性も高くなる。したがって、誘導電動機の温度を監視することで異常の発生を防止することが必要である。
【０００４】
しかし、台車へ配置される誘導電動機には、外形の制約だけでなく、過酷な環境条件にも耐えられる構造が要求される。このため、誘導電動機に温度センサ等のセンサを設置することは難しい。
【０００５】
そこで、誘導電動機のロータ温度を推定によって求め、その推定温度に基づいて温度上昇によって機器や素子が破壊されることを未然に防止することで保護検知を実施しようとする考えがある（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−２６２１０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述の温度推定方式では、誘導電動機の各種パラメータを推定し、そのパラメータを組み合わせてロータ温度を算出しているが、必ずしも電気車の全ての運転状態で精度良くロータ温度が求められる訳ではない。
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、誘導電動機の温度を推定によって求めるに際し、より広い電気車の運転状態に適用することができ、精度良く誘導電動機の温度を推定することのできる電気車の制御装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するための本発明の実施の形態によれば、駆動用交流誘導電動機をインバータにて可変電圧可変周波数制御する電気車の制御装置において、前記誘導電動機をベクトル制御するためのトルク電流指令と、トルク電流実際値とに基づいて、誘導電動機の２次抵抗補正値を算出する２次抵抗補正演算手段と、算出された２次抵抗補正値と基準２次抵抗値とから、補正後の２次抵抗値を算出する２次抵抗演算手段と、補正後の２次抵抗値および基準２次抵抗値と、誘導電動機のロータの材質によって決まるロータ温度係数とに基づいて、誘導電動機の第１の推定ロータ温度を算出する推定ロータ温度演算手段と、モータ電流、飽和温度上昇値、温度時定数を用いて第２の推定ロータ温度を算出する温度推定演算手段と、力行指令とトルク電流実際値とから２次抵抗補正値が有効か無効かを判断し、有効と判断したときは前記第１の推定ロータ温度をロータ温度推定値として出力し、無効と判断したときは前記第２の推定ロータ温度をロータ温度推定値として出力する２次補正値有効判定手段を備える電気車の制御装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１の実施の形態における誘導電動機を駆動する構成例を示す図。
【図２】第１の実施の形態に係る電気車の制御装置の構成を示す図。
【図３】第１の実施の形態における電気車の運転パターンとロータ温度との関係を例示する図。
【図４】第２の実施の形態の電気車の制御装置の構成を示す図。
【図５】第２の実施の形態における電気車の運転パターンとロータ温度との関係を例示する図。
【図６】第２の実施の形態における電気車の運転パターンとロータ温度との関係を例示する図。
【図７】第３の実施の形態の電気車の制御装置の構成を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
[第１の実施の形態]  
図１は、第１の実施の形態における誘導電動機を駆動する構成例を示す図である。  
電気車の運転台指令部４７からは、運転者の操作に基づくトルク指令が制御指令部４２に出力される。制御指令部４２は、入力されたトルク指令を制御信号５０に変換してＶＶＶＦインバータ５２に与える。一方、不図示の直流架線からは、パンタグラフ５１を介して直流電力が集電される。ＶＶＶＦインバータ５２は、制御信号５０に従って、入力される直流電力を可変電圧可変周波数の交流電力に変換して誘導電動機５３を駆動する。
【００１２】
図２は、第１の実施の形態に係る電気車の制御装置の構成を示す図である。  
第１の実施の形態における電気車では、交流誘導電動機をベクトル制御するため、交流誘導電動機に対する磁束指令およびトルク指令からベクトル制御指令演算部（図示せず）にてトルク電流指令と磁束電流指令とを演算する。
【００１３】
このベクトル制御指令演算部からのトルク電流指令１１と、トルク電流実際値１２とから２次抵抗補正演算部１３が、式（１）を用いて２次抵抗補正値２１を求める。  
ΔＲ２＝（Ｋｐ×２＋Ｋｉ）／ｓ×（ＩｑＲｅｆ−Ｉｑ）  ・・・式（１）  
ただし、ΔＲ２：２次抵抗補正値、Ｋｐ：比例ゲイン、Ｋｉ：積分ゲイン、ｓ：微分演算子、ＩｑＲｅｆ：トルク電流指令値、Ｉｑ：実トルク電流である。
【００１４】
次に、ロータ温度検出演算部２４が、まず、式（２）に示すように基準２次抵抗値（Ｒ２ｓ）２２と２次抵抗補正演算部１３から求めた２次抵抗補正値（ΔＲ２）２１とを加算して、補正後の２次抵抗値Ｒ２を求める。即ち、ロータ温度検出演算部２４は、まず２次抵抗演算手段として機能する。  
Ｒ２＝Ｒ２ｓ＋ΔＲ２  ・・・式（２）  
ただし、Ｒ２：温度補正した２次抵抗値、Ｒ２ｓ：基準に設定した２次抵抗値、ΔＲ２：２次抵抗補正値、である。
【００１５】
次に、ロータ温度検出演算部２４は、求めた補正後の２次抵抗値Ｒ２と、常温の２次抵抗値を基準に設定した基準２次抵抗値（Ｒ２ｓ）２２と誘導電動機のロータの材質によって決まるロータ温度係数２３から、次式（３）に示すように推定ロータ温度３１を算出する。即ち、ロータ温度検出演算部２４は、推定ロータ温度演算手段として機能する。  
Ｔ＝（Ｔｓ−ｋ＋（Ｒ２／Ｒ２ｓ）×ｋ）  ・・・式（３）  
ただし、Ｔ：推定のロータ温度、Ｔｓ：基準の２次抵抗（Ｒ２ｓ）値の温度、ｋ ：ロータの材質から求まるロータ温度係数、Ｒ２：温度補正した２次抵抗、Ｒ２ｓ：基準に設定した２次抵抗である。
【００１６】
この結果、ロータ温度検出演算部２４は、２次抵抗演算手段および推定ロータ温度演算手段として機能し、リアルタイムに推定ロータ温度を求めることができる。
【００１７】
一方、電気車の制御装置には、上述の温度推定方式とは別の方式の温度推定機能として温度推定演算部２８を備えている。温度推定演算部２８は、所定のサンプリング周期で読み込んだプロセス値、パラメータ、及び前回算出した温度値を用いて、現在温度の推定計算を行なう。
【００１８】
即ち、温度推定演算部２８は、モータ電流２５と飽和温度上昇値２６と時定数２７から式（４）を用いて温度推定値３４を求める。
【００１９】
Ｔｎ＝Ｔｎ−１＋（θｍａｘ−Ｔｎ−１）＊（１−ｅｘｐ（−Δｔ／τ））  
θｍａｘ＝Ｔｒａｔｅ＊（Ｉｍ）２  ＋Ｔｒａｔｅ２＊Ｉｍ  ・・・式（４）  
ただし、Ｔn：温度推定値、Ｔn-1：１サンプル前の温度、θmax：飽和温度上昇値、Δｔ：サンプリング時間、τ：時定数、Ｔｒａｔｅ：温度上昇値係数、Ｔｒａｔｅ２：温度上昇値係数２、Ｉｍ：モータ電流（実効値）である。
【００２０】
式（４）で示される温度推定式では、飽和温度θｍａｘは、モータ電流Ｉｍの２次式として表すことができる。この結果、従来の推定式による計算と比較して飽和温度θｍａｘの計算を大幅に簡略化することができる。
【００２１】
またｅｘｐ（−Δｔ／τ）として表される冷却に関連する項は、電気車の運転状態に応じた時定数τで表わされている。この時定数τは、電気車の運転状態毎に測定した誘導電動機の冷却曲線から求めた値である。電気車の運転状態には複数の状態があり得るが、誘導電動機の運転状態が確定すれば時定数τも定数として確定する。またサンプリング周期Δｔも定数である。従って、冷却に関連する項も予め求めた定数として扱うことができる。この結果、従来の推定式による計算と比較して冷却に関する計算も大幅に簡略化することができる。
【００２２】
この結果、温度推定演算部２８は、モータ電流による温度推定演算手段として機能し、リアルタイムに温度推定値を求めることができる。
【００２３】
２次補正値有効判定部３３は、ロータ温度検出演算部２４が演算した推定ロータ温度３１と、温度推定演算部２８が演算した推定温度３２とのいずれか一方を選択して、ロータ温度推定値３４として出力する。２次補正値有効判定部３３には、いずれを選択するかを判断するためにトルク電流実際値１２と力行指令２９とが入力されている。
【００２４】
図３は、第１の実施の形態における電気車の運転パターンとロータ温度との関係を例示する図である。図３（ａ）は電気車の速度推移を示し、図３（ｂ）は誘導電動機のロータ温度推移を示す図である。
【００２５】
電気車の走行では、図３（ａ）に示すように、基本的に出発後、力行、惰行、回生ブレーキ、停車の運転パターンが繰り返し利用される。この場合、誘導電動機へ電力が供給されるのは、力行と回生ブレーキの時で、惰行と停止時は電力が供給されない。従って、図３（ｂ）に示すように、力行と回生ブレーキの時にロータ温度は上昇し、惰行と停止時ではロータ温度は下降する。
【００２６】
ところで、ロータ温度検出演算部２４が演算する推定ロータ温度３１は、電気車の速度が小さい領域、あるいはトルク電流値が小さい領域では、誤差が増大する。これはパラメータとして用いる温度補正した２次抵抗値Ｒ２の推定精度が、この領域では低下するためである。一方、温度推定演算部２８が演算する推定温度３２の精度は、この領域では推定ロータ温度３１よりも精度が良い。
【００２７】
従って、２次補正値有効判定部３３は力行指令２９とトルク電流実際値１２から力行指令とトルク電流実際値とがそれぞれ一定値を超えていれば２次補正値有効と判断し、それ以外であれば２次補正値無効と判断する。そして、２次補正値有効判定部３３は２次補正値有効であればロータ温度検出演算部２４で求めた推定ロータ温度３１を、２次補正値無効であれば温度推定演算部２８により求めた温度推定値３２をロータ温度推定値３４として出力する。
【００２８】
なお、２次補正値有効判定部３３は、２次補正値有効と判断したときは、温度推定演算部２８に対して有効無効の判断結果として、例えば、有効信号３８を出力する。温度推定演算部２８は、有効信号３８が入力されたときは、現在のロータ温度として推定ロータ温度３１を採用する。即ち、次回のサンプリング周期においては、式（４）に示すＴｎ−１を推定ロータ温度３１で置き換えて温度推定値３２を算出する。このようにすることで、温度推定値３４の温度推定誤差を少なくすることができる。即ち、２次補正値無効時においては２次補正値有効時のロータ温度推定値３４と大きな偏差を生ずることなくより精度の良いロータ温度推定値３４に切り替えることができる。
【００２９】
なお、２次補正値有効判定は上記力行指令２９ならびにトルク電流実際値１２だけによる必要は無く、予め誘導電動機を駆動して、２次補正値での温度推定精度の低い領域を特定し、その特定された領域では温度推定値３４に切替えるようにすれば良い。
【００３０】
[第２の実施の形態]  
図４は、第２の実施の形態の電気車の制御装置の構成を示す図である。  
ロータ温度異常検出部３５は、第１の実施形態で説明したロータ温度推定値３４と誘導電動機５３の熱的な限界であるロータ温度限界値３６（第１の設定温度）と比較し、ロータ温度限界値３６を超えたことを検出した場合は、回生ブレーキ制御を開放と判定し、開放指令４１を出力する。この時、この開放指令４１を運転台表示部４３へ表示し、誘導電動機５３の異常を知らせる。
【００３１】
同時に、制御指令部４２は、開放指令４１を受け付けると、ＶＶＶＦインバータ５２への回生ブレーキ制御を開放させる制御信号５０を出力する。これによって、制御指令部４２は、ブレーキ制御手段として機能する。
【００３２】
図５は、第２の実施の形態における電気車の運転パターンとロータ温度との関係を例示する図である。図５では、回生ブレーキ制御を開放しないで、通常の運転パターンの動作で走行した時の運転パターンとロータ温度との関係を示している。
【００３３】
通常の電気車はロータの温度異常を検出できないため、異常時でも、図５に示すように、力行、惰行、回生ブレーキ、停止を繰り返して走行する。このためロータ温度は、力行で温度が上昇し、惰行で低下し、回生ブレーキで上昇し、停止で低下するサイクルを繰り返す。この結果、ロータ温度が限界値を超えてしまう。
【００３４】
図６は、第２の実施の形態における電気車の運転パターンとロータ温度との関係を例示する図である。図６では、ロータ温度が異常時に、回生ブレーキ制御を開放した時の運転パターンとロータ温度との関係を示している。
【００３５】
回生ブレーキ時に開放制御した場合は、図６に示すように、力行、惰行、ブレーキ、停止のサイクルで、力行時のみロータ温度が上昇するため、ロータの平均温度が、大幅に減少する。特に、惰行時は走行風による冷却もできるため、ロータの温度を低下させるには非常に有効である。
【００３６】
[第３の実施の形態]  
図７は、第３の実施の形態の電気車の制御装置の構成を示す図である。  
誘導電動機の冷却能力は経年的に劣化するため、誘導電動機の温度が異常値を超える前の状態を検出することが望ましい。そこで、前述のロータ温度限界値よりも低い温度でメンテナンスを要求するロータ温度設定値（第２の設定温度）を設定する。
【００３７】
ロータ温度監視制御部４０は、ロータ温度推定値３４が、メンテナンスの必要なロータ温度設定値３７を超えたかどうかを判定し、超えたことを検出した場合、直ちに、通常の運転パターンは変更せず、誘導電動機の過負荷禁止指令３８およびメンテナンス要求信号３９を出力する。このメンテナンス要求信号３９は、運転台表示部４３へ出力してメンテナンスの必要性を報知し、営業終了後に誘導電動機のメンテナンスを要求する。
【００３８】
同時に過負荷禁止指令３８は制御指令部４２に入力され、運転台指令部４７からの誘導電動機が過負荷になる信号、たとえば、高加速信号のように、誘導電動機の電流を増加させる信号などを入力した場合に限り、開放させるように信号５０を出力し、ＶＶＶＦインバータ５２、誘導電動機５３を駆動する。これによって、制御指令部４２は、駆動制御手段として機能する。
【００３９】
以上、説明した実施の形態によれば、以下の効果を奏することができる。
【００４０】
第１の実施の形態の制御装置によれば、誘導電動機に温度センサ等のセンサを設置することなく、より広い電気車の運転状態において、誘導電動機のロータ温度が推定でき、誘導電動機の冷却等に異常等があった場合でも監視することができる。
【００４１】
第２の実施の形態の制御装置によれば、誘導電動機の冷却に異常が生じたり、無理な運転パターンで走行して誘導電動機に過負荷をかけた場合でも、検出した誘導電動機のロータ温度の状態を監視することで、自動的に異常を検出し、異常状態を運転台へ表示し、かつ、誘導電動機の絶縁破壊や焼損させることなく、しかも、電気車の推進力を減らすことなく走行させることができる。
【００４２】
第３の実施の形態の制御装置によれば、誘導電動機の冷却のメンテナンスが必要になった場合や、一時的に、誘導電動機に過負荷をかけた場合でも、誘導電動機のロータ温度の状態を監視し、誘導電動機のメンテナンスが必要な温度にて、メンテナンスを促すと共に、一時的な過負荷に対しても、自動的に高加速運転のような過負荷運転を禁止し、誘導電動機の絶縁破壊や焼損させることなく、電気車の推進力および回生ブレーキ力を減らすことなく、走行させることができる。これにより、電気車の運用を乱すことなく、営業後にメンテナンスさせることができる。
【００４３】
なお、上述の各実施の形態で説明した機能は、ハードウェアを用いて構成するに留まらず、ソフトウェアを用いて各機能を記載したプログラムをコンピュータに読み込ませて実現することもできる。また、各機能は、適宜ソフトウェア、ハードウェアのいずれかを選択して構成するものであっても良い。
【００４４】
従って、フローチャートとして記載され、説明された処理は、その処理を実現するハードウェアで構成することができる。
【００４５】
尚、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。  
上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。
以下に本件出願当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］
駆動用交流誘導電動機をインバータにて可変電圧可変周波数制御する電気車の制御装置において、
前記誘導電動機をベクトル制御するためのトルク電流指令と、トルク電流実際値とに基づいて、誘導電動機の２次抵抗補正値を算出する２次抵抗補正演算手段と、
算出された２次抵抗補正値と基準２次抵抗値とから、補正後の２次抵抗値を算出する２次抵抗演算手段と、
補正後の２次抵抗値および基準２次抵抗値と、誘導電動機のロータの材質によって決まるロータ温度係数とに基づいて、誘導電動機の第１の推定ロータ温度を算出する推定ロータ温度演算手段と、
モータ電流、飽和温度上昇値、温度時定数を用いて第２の推定ロータ温度を算出する温度推定演算手段と、
力行指令とトルク電流実際値とから２次抵抗補正値が有効か無効かを判断し、有効と判断したときは前記第１の推定ロータ温度をロータ温度推定値として出力し、無効と判断したときは前記第２の推定ロータ温度をロータ温度推定値として出力する２次補正値有効判定手段を備えることを特徴とする電気車の制御装置。
［２］
前記２次補正値有効判定手段は、前記力行指令及びトルク電流実際値がそれぞれ所定値以上のときは２次抵抗補正値が有効と判断することを特徴とする［１］に記載の電気車の制御装置。
［３］
前記２次補正値有効判定手段は、有効又は無効の判断結果を前記温度推定演算手段に出力し、
前記温度推定演算手段は、判定結果が有効のときは、今回の演算結果を前記第１の推定ロータ温度に置き換えて次回の演算結果に使用することを特徴とする［２］に記載の電気車の制御装置。
［４］
前記温度推定演算手段は、サンプリング周期（Δｔ）でモータ電流（Ｉｍ）と送風機の運転状態（Ｓｔ）とを取得し、取得した値と、前回算出したモータ温度（Ｔｎ−１）、モータ電流（Ｉｍ）を供給したときのモータの飽和温度（θｍａｘ）、送風機の運転状態（Ｓｔ）に対応するモータの冷却時定数（τ）とを用いて、下記式により現在のモータ温度（Ｔｎ）を算出することを特徴とする［１］に記載の電気車の制御装置。
Ｔｎ＝Ｔｎ−１＋（θｍａｘ−Ｔｎ−１）×（１−ｅｘｐ（−Δｔ／τ））
［５］
前記ロータ温度推定値が、熱的限界値である第１の設定温度を超えたことを検出するロータ温度異常検出手段と、
第１の設定温度を超えたことが検出されたときには、誘導電動機の回生ブレーキ制御を開放するブレーキ制御手段とを備えることを特徴とする［１］乃至［４］のいずれか１つに記載の電気車の制御装置。
［６］
前記ロータ温度推定値が、メンテナンスを必要とする前記第１の設定温度よりも低い第２の設定温度を超えたことを検出するロータ温度監視制御手段と、
第２の設定温度を超えたことが検出されたときには、メンテナンスの必要性を報知すると共に、誘導電動機の過負荷となる指令信号を開放する駆動制御手段とを備えることを特徴とする［１］乃至［４］のいずれか１つに記載の電気車の制御装置。
【符号の説明】
【００４６】
１２…トルク電流実際値、１３…２次抵抗補正演算部、２１…２次抵抗補正値、２４…ロータ温度検出演算部、２５…モータ電流、２６…飽和温度上昇値、２８…温度推定演算部、２９…力行指令、３１…推定ロータ温度、３２…温度推定値、３４…ロータ温度推定値、３５…ロータ温度異常検出部、３６…ロータ温度限界値、３７…ロータ温度設定値、３８…過負荷禁止指令、４０…ロータ温度監視制御部、４１…開放指令、４２…制御指令部、４３…運転台表示部、４７…運転台指令部、５１…パンタグラフ、５２…ＶＶＶＦインバータ、５３…誘導電動機。
【図１】
0005836793.tif 000002
【図２】
0005836793.tif 000003
【図３】
0005836793.tif 000004
【図４】
0005836793.tif 000005
【図５】
0005836793.tif 000006
【図６】
0005836793.tif 000007
【図７】
0005836793.tif 000008