(57)【要約】【課題】部品を追加することなく電磁ノイズの信号機器への影響を回避することができる電気車駆動システムを提供することである。【解決手段】レール１４を走行する電気車１１の車輪１３を直接駆動する車輪直接駆動の電動機１１と、電動機１１を駆動するＶＶＶＦインバータ２２と、ＶＶＶＦインバータ２２を制御する制御装置２７とを備え、制御装置２７は、電動機２２の軸端電圧によって発生する電磁ノイズ発生周期がレール１４面に設置された信号機器１５に与える影響を小さくするスイッチング周波数でＶＶＶＦインバータ２２を制御する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レールを走行する電気車の車輪を直接駆動する車輪直接駆動の電動機と、前記電動機を駆動するＶＶＶＦインバータと、前記ＶＶＶＦインバータを制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記電動機の軸端電圧によって発生する電磁ノイズ発生周期が前記レール面に設置された信号機器に与える影響を小さくするスイッチング周波数で前記ＶＶＶＦインバータを制御することを特徴とする電気車駆動システム。
【請求項２】
前記制御装置は、ＶＶＶＦインバータのスイッチング周波数を２５０Ｈｚ以下としたことを特徴とする請求項１記載の電気車駆動システム。
【請求項３】
レールを走行する電気車の車輪を直接駆動する車輪直接駆動の電動機と、前記電動機を駆動するＶＶＶＦインバータと、前記ＶＶＶＦインバータを制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記電動機の回転数が低い状態での低トルク駆動時に電動機トルクを低く抑えた状態でモータ電流を増加させ、前記電動機の軸端電圧によって発生する電磁ノイズのレベルが前記レール面に設置された信号機器に与える影響を小さくするインバータ変調率で前記ＶＶＶＦインバータを制御することを特徴とする電気車駆動システム。
【請求項４】
前記制御装置は、モータ電流を増加させるにあたり、前記電動機の磁束軸方向プラス側に電流を流すことでモータトルクを低く抑えた状態でモータ電流を増加させることを特徴とする請求項３記載の電気車駆動システム。
【請求項５】
レールを走行する電気車の車輪を直接駆動する車輪直接駆動の電動機と、前記電動機を駆動するＶＶＶＦインバータと、前記電動機のモータ電流と前記電動機の誘起電圧あるいは前記ＶＶＶＦインバータのインバータ電圧とを用いてモータ回転速度を推定するモータ回転速度演算部と、前記ＶＶＶＦインバータを制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記モータ回転速度演算部で演算されたモータ回転速度を用いてモータ電流の制御を行うことを特徴とする電気車駆動システム。
【請求項６】
前記電動機のモータ回転速度を検出するモータ回転速度検出器を設け、前記制御装置は、前記電動機のモータ回転速度が所定値より低いときは前記モータ回転速度検出器で検出されたモータ回転速度を用い、前記電動機のモータ回転速度が所定値以上のときは前記モータ回転速度演算部で演算されたモータ回転速度を用いてモータ電流の制御を行うことを特徴とする請求項５記載の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、レールを走行する電気車の車輪を直接駆動する車輪直接駆動の電動機をＶＶＶＦインバータを用いて駆動する電気車駆動システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気車用の車輪直接駆動電動機は、左右の車輪間にＶＶＶＦインバータから軸端電圧が出力され、電動機そのものが軸端に対する電圧源となる。図７は、電気車用の車輪直接駆動電動機における誘導障害発生の原理の説明図であり、図７（ａ）はレールと車輪と電動機とで形成される閉ループの斜視図、図７（ｂ）はレールと車輪と電動機とで形成される閉ループの平面図である。なお、図７（ａ）では電動機の図示を省略している。
【０００３】
図７に示すように、電動機１１の軸端電圧は、車軸１２、車輪１３、レール１４を経由して閉ループが形成され、点線で示すループ電流Ｉが流れる。このループ電流Ｉによって実線で示す磁束φが発生する。この磁束φが電磁ノイズとなり、地上のレール１４面上に置かれた信号機器１５に悪影響を及ぼし、信号機器１５の誤動作を招く恐れがある。この影響を誘導障害と称している。
【０００４】
電磁ノイズの発生そのものをゼロとすることは不可能であるため、信号機器１５が誤動作しないように、地上のレール１４面上での電磁ノイズレベルの基準値を設けている。その基準値は、電磁ノイズの発生周期と電磁ノイズの大きさとであり、たとえば、基準１として「電磁ノイズの大きさがＡデシベル以下であること」、基準２として「Ａデシベル以上の電磁ノイズがある場合、その発生周期がＢミリ秒以上であること」のように規定されている。
【０００５】
この基準値を満たすように、特に車輪直接駆動方式の車両においては、ＶＶＶＦインバータの３相出力線へのＬＣフィルタを挿入するようにしている。また、１対の接地ブラシを接続する短絡線を設け、車軸の両端は１対の接地ブラシ及び短絡線を介して主電動機外部と短絡し、誘導障害が起こりにくくしたものがある（例えば、特許文献１参照）。また、インバータ出力配線や入力配線にコアを挿入し、異なる製造者の製作したスイッチング素子を収納したユニットの互換性を確保でき誘導障害を低減するようにしたものもある（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
さらに、ＶＶＶＦインバータの直流側の入力電流である帰線電流の高調波成分も、地上側に設置された信号機器１５に悪影響を及ぼすため、帰線電流の高調波成分についても周波数ごとに最大を定める基準値が設けられている。これについても、キャリヤ周波数（搬送波周波数）の選定と入力のＬＣフィルタ時定数での選定により帰線電流の高調波成分を下げる方策が採られている。
【特許文献１】特開２００４−１２９３５２号公報
【特許文献２】特開２００４−１８７３６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１のものでは、１対の接地ブラシを接続する短絡線を設けなければならないので部品点数が増加する。同様に、特許文献２のものでも、インバータ出力配線や入力配線にコアを設けなればならないので、部品点数が増加する。また、帰線電流の高調波成分の対策については、キャリヤ周波数（搬送波周波数）の選定と入力のＬＣフィルタ時定数での選定が必要である。
【０００８】
本発明の目的は、部品を追加することなく電磁ノイズの信号機器への影響を回避することができる電気車駆動システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の電気車駆動システムは、レールを走行する電気車の車輪を直接駆動する車輪直接駆動の電動機と、前記電動機を駆動するＶＶＶＦインバータと、前記ＶＶＶＦインバータを制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記電動機の軸端電圧によって発生する電磁ノイズ発生周期が前記レール面に設置された信号機器に与える影響を小さくするスイッチング周波数で前記ＶＶＶＦインバータを制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、部品を追加することなく電磁ノイズの信号機器への影響を回避することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は本発明の実施の形態に係わる電気車駆動システムの構成図である。架線と係合するパンタグラフ１６からの電力は、高速度遮断器１７、フィルタリアクトル１８、第１の遮断器１９、充電抵抗器２０及び第２の遮断器２１の並列回路を介して、ＶＶＶＦインバータ２２に入力される。ＶＶＶＦインバータ２２はフィルタコンデンサ２３とスイッチ素子２４とから構成される。ＶＶＶＦインバータ２２で交流に変換された電力は３相リアクトル２５及び３相コンデンサ２６を介して電動機１１に出力される。ＶＶＶＦインバータ２２は制御装置２７から指令される所定のスイッチング周波数でスイッチング動作する。
【００１２】
（実施例１）
実施例１は、制御装置２７により、電磁ノイズの発生周期を長くして電磁ノイズの信号機器１５への影響を小さくするようにしたものである。すなわち、制御装置２７は、電動機１１の軸端電圧によって発生する電磁ノイズ発生周期がレール面に設置された信号機器に与える影響を小さくするスイッチング周波数でＶＶＶＦインバータ２２を制御する。
【００１３】
図２は実施例１でのＶＶＶＦインバータ２２でのスイッチング動作の波形図である。図２において、ＶＶＶＦインバータ２２は、変調波（正弦波）に対しキャリヤ（三角波）周波数に従いスイッチングを行う。そうすると、インバータ出力電圧は矩形波として出力される。インバータ出力電圧の立ち上がり時に正の電磁ノイズが発生し、立下り時に負のノイズが発生する。図２図中のＴ１は正のノイズ発生周期、Ｔ２は負のノイズ発生周期である。
【００１４】
従って、キャリヤ周波数を変更することにより、この正負のそれぞれの電磁ノイズ発生周期を変化させることができる。この電磁ノイズにより、地上のレール上に設置された信号機器が影響を受け、誤動作をする可能性があるので、キャリヤ周波数を変更することにより電磁ノイズ発生周期を変化させて、信号機器が受ける影響を小さくする。
【００１５】
すなわち、電磁ノイズのパワーはその発生周期を低く抑えることで小さくすることができる。電気車より発生する電磁ノイズによって影響を受ける信号機器は、信号機器内部の信号入力部にはコンデンサと抵抗等で構成された遅れ要素がある。このため、信号機器外部からのノイズの発生周期を４ｍｓ以上とすると、この遅れ要素により電磁ノイズが信号機器へ影響を与えることはなくなる。
【００１６】
そこで、キャリヤ周波数を２５０Ｈｚ以下として、インバータのスイッチングによって発生する電磁ノイズの発生周期を４ｍｓ以上とすれば電磁ノイズの信号機器への影響を回避することができる。
【００１７】
実施例１によれば、ＶＶＶＦインバータ２２の制御装置２７にてＶＶＶＦインバータ２２のキャリヤ周波数を２５０Ｈｚ以下とすることで、電動機１１で発生する電磁ノイズの発生周期を４ｍｓ以上とすることができ、電磁ノイズの信号機器１５への影響を回避することができる。
【００１８】
(実施例２)
実施例２は、制御装置２７により、電磁ノイズの大きさを小さくして電磁ノイズの信号機器１５への影響を小さくするようにしたものである。すなわち、制御装置２７は、電動機１１の回転数が低い状態での低トルク駆動時に電動機トルクを低く抑えた状態でモータ電流を増加させ、電動機１１の軸端電圧によって発生する電磁ノイズのレベルがレール１４面に設置された信号機器１５に与える影響を小さくするインバータ変調率でＶＶＶＦインバータを制御する。
【００１９】
図３は実施例２でのＶＶＶＦインバータ２２でのスイッチング動作の波形図であり、図３（ａ）はインバータ変調率が小さい場合の波形図、図３（ｂ）はインバータ変調率が大きい場合の波形図である。
【００２０】
電気車の起動時において、モータ回転数が低くモータの誘起電圧が小さくて、かつ電気車の駆動力指令が小さいと、図３（ａ）に示すようにインバータ変調率が小さくなる。インバータ変調率が小さいと、変調波（正弦波）とキャリヤ（三角波）とのクロスタイミングが３相間で近く、ＶＶＶＦインバータの３相でほぼ同時にスイッチングが行われる。このためスイッチングによって発生する電磁ノイズがそのタイミングに集中し、電磁ノイズが大きくなる。
【００２１】
これに対し、実施例２では、図３（ｂ）に示すように、インバータ変調率を上げることにより、各相の変調波（正弦波）とキャリヤ（三角波）とのクロスタイミングをずらして、スイッチングタイミングをずらし、電動機の起動時の電磁ノイズ発生タイミングをずらす。これにより、電磁ノイズの発生を分散することで、同一タイミングで発生する電磁ノイズの大きさを下げることができる。
【００２２】
電動機１１の回転数が低く誘起電圧が低い状態でＶＶＶＦインバータ２２の変調率を上げると、電動機１１に流れる電流が大きくなり電動機トルクが増加してしまい、起動時に規定の低トルクを出力することができなくなる。そこで、変調率を増加させても電動機１１から発生するトルクを低く抑えるために、流れる電流のほとんどを電動機トルクに寄与しない無効電流側に流す。これにより、電動機トルクを低く抑えた状態でＶＶＶＦインバータの変調率のみを上げることができる。
【００２３】
図４は、実施例２における電動機のモータ電流の指令値の特性図である。図４に示すように、通常指令値パターンＰ１はトルク指令が大きくなるに従いｑ軸電流を大きくするとともに、ｄ軸電流はマイナス側に大きくしていく動作パターンとする。一方、電磁ノイズ発生分散指令値パターンＰ２は、トルク指令が小さいときはモータ電流の指令値をｄ軸のプラス側に大きくなるように設定する。
【００２４】
モータ電流は、ｄ軸電流とｑ軸電流との２乗和の平方根に比例するため、このような制御を行うことにより、電動機トルクを小さいままに抑えてモータ電流のみを増加させることができ、ＶＶＶＦインバータの変調率を増加させることが可能となる。
【００２５】
ここで、ｄ軸電流とはモータの磁束に寄与する方向の電流であり、ｑ軸電流とはｄ軸と直角方向に交差するトルクに寄与する電流である。電動機トルクはモータ磁束と、その磁束と直角に交差する電流すなわちｑ軸電流との積で決まる。ｄ軸電流をプラス側に大きく流すとモータ磁束は増加する方向となるが、磁気飽和状態となるため、流した電流に比例して磁束が大きくなることはなく、磁束の大きさはほとんど変化しない。一方、ｑ軸方向の電流はほぼ同じ大きさとしているため電動機トルクは通常のパターンＰ１と同一の値でモータ電流とインバータ変調率のみ大きくすることができる。
【００２６】
実施例２によれば、電気車の速度が低くモータ誘起電圧が小さい状態で低トルクでの起動時にもＶＶＶＦインバータの変調率を上げることができ、電動機から発生する電磁ノイズの大きさを下げることができる。
【００２７】
(実施例３)
実施例３は、帰線電流の高調波成分を下げるようにしたものである。すなわち、制御装置２７は、電動機１１のモータ回転速度が所定値より低いときはモータ回転速度検出器で検出されたモータ回転速度を用い、電動機１１のモータ回転速度が所定値以上のときはモータ回転速度演算部で演算されたモータ回転速度を用いてモータ電流の制御を行う。
【００２８】
図５は実施例３における電動機１１のモータ回転位相とモータ回転位相検出値との関係を示す波形図である。電動機１１が一定回転数で回転していると、モータ回転位相は図５（ａ）に示すように、０°から３６０°まで時間的に変化する動作を繰り返す。その状態でモータ回転速度検出器が理想的な状態であれば、実際のモータ回転と一致した直線的に時間変化するモータ回転位相を検出できるが、モータ回転速度検出器に誤差があると、図５（ｂ）の実線で示したようにモータ回転位相検出値が図５（ｂ）の点線で示した実際のモータ回転位相からずれて検出される。
【００２９】
多くの場合、モータ回転位相検出値のずれは回転一周期で一周期を持つため、この検出値を用いてモータ電流制御を行うと、モータ電流はモータ一回転に一回位相のずれた箇所に電流が流れるため、電動機トルクはモータ回転速度と同一の周波数リップルを持つことになる。
【００３０】
図５（ａ）、（ｂ）は、電気角で表しているため、モータ回転位相一周期はＶＶＶＦインバータの位相一周期に相当し、モータ回転速度はインバータ周波数に相当する。この状態では、ＶＶＶＦインバータの入力電流である帰線電流は、モータ回転速度、すなわちインバータ周波数のリップルを持ち、帰線電流の高調波成分にインバータ周波数成分が現れてくることになる。帰線電流に流れる高調波成分は地上に設置された信号機器１５に悪影響を及ぼす。そのため、帰線電流に流れる高調波成分は周波数ごとにその実効値の基準が定められているが、その基準値はモータ回転速度帯の周波数も定められており、モータ回転速度、同一の高調波電流が帰線電流に含まれると、モータ回転速度が定められた周波数帯で回転した場合、帰線電流の高調波成分の基準値を超えてしまう。
【００３１】
図６は実施例３における制御装置２２の構成図である。モータ回転速度検出器２８で検出された電動機１１のモータ回転速度θ１は切換手段２９に入力される。一方、後述のモータ回転速度演算部３０で演算された推定速度を積分手段３１で積分して得られたモータ回転速度θ２も切換手段２９に入力される。切換手段２９は、モータ回転速度検出器２８で検出された電動機１１のモータ回転速度θ１と積分手段３１を介して得られたモータ回転速度θ２とを切り換えて座標変換手段３２に出力する。
【００３２】
座標変換手段３２は、モータ回転速度θ１（θ２）及び電動機１１のモータ電流のＵ相電流ｉｕとＷ相電流ｉｗとに基づいて、電動機１１の磁束電流ｉｄ及びトルク電流ｉｑを演算し、加算器３３ａ、３３ｂ及びモータ回転速度演算部３０に出力する。加算器３３ａはトルク電流ｉｑとトルク電流指令値Ｉｑ＊との差分を演算して電流制御手段３４に出力する。同様に、加算器３３ｂは磁束電流ｉｄと磁束電流指令値Ｉｄ＊との差分を演算して電流制御手段３４に出力する。
【００３３】
一方、電圧指令演算手段３５は磁束電流指令値Ｉｄ＊及びトルク電流指令値Ｉｑ＊に基づいてトルク電圧指令値ＶｑＦＦ及び磁束電圧指令値ＶｄＦＦを演算する。そして、加算器３６ａはトルク電圧指令値ＶｑＦＦに電流制御手段３４の出力信号を加味してトルク電圧指令値Ｖｑ＊を座標変換手段３７に出力する。同様に、加算器３６ｂは磁束電圧指令値ＶｄＦＦに電流制御手段３４の出力信号を加味して磁束電圧指令値Ｖｄ＊を座標変換手段３７に出力する。座標変換手段３７は磁束電圧指令値Ｖｄ＊及びトルク電圧指令値Ｖｑ＊に基づいてＶＶＶＦインバータに３相の電圧指令Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを出力する。
【００３４】
切換手段２９でモータ回転速度検出器２８からのモータ回転速度θ１を使用して電動機１１をトルク制御する場合には、図５（ｂ）に示したように、モータ回転位相検出値に誤差があるとインバータ入力電流にインバータ周波数成分の高調波が現れる。
【００３５】
そこで、切換手段２９により、モータ回転速度演算部３０で演算され積分手段３１で積分されたモータ回転速度θ２を用いて、モータ回転位相を計算してモータをトルク制御する。このように、モータ回転位相をモータ電流、電圧から計算する機能を制御に入れることにより、モータ回転位相は制御的に正確に演算される。このため、モータ回転速度検出器２８の誤差の影響を受けなくなり、インバータ入力電流にインバータ周波数成分の高調波が現れることはなくなる。
【００３６】
ここで、モータ回転速度検出器２８を用いない制御は、モータ回転速度演算部３０によりインバータ電圧から推定速度を演算し、モータ回転位相を計算するため、モータ回転数の低い領域においては正確にモータ回転位相を計算できない。これは、インバータ電圧が低いためである。そこで、モータ回転数の低い領域ではモータ回転速度検出器２８を用いた制御とする。
【００３７】
通常、インバータ入力電流、すなわち帰線電流の周波数成分で問題となるのは１５Ｈｚ以上の周波数成分であるため、インバータ周波数が１５Ｈｚ以上の速度域においてモータ回転速度検出器を用いない制御に切り替える。
【００３８】
実施例３によれば、電気車の速度が低い状態での電気車の駆動力指令が小さいときにもインバータの変調率を上げることができ、電動機１１から発生する電磁ノイズの大きさを下げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施の形態に係わる電気車駆動システムの構成図。
【図２】本発明の実施例１でのＶＶＶＦインバータでのスイッチング動作の波形図。
【図３】本発明の実施例２でのＶＶＶＦインバータでのスイッチング動作の波形図。
【図４】本発明の実施例２における電動機のモータ電流の指令値の特性図。
【図５】本発明の実施例３における電動機のモータ回転位相とモータ回転位相検出値との関係を示す波形図。
【図６】本発明の実施例３における制御装置の構成図。
【図７】電気車用の車輪直接駆動電動機における誘導障害発生の原理の説明図。
【符号の説明】
【００４０】
１１…電動機、１２…車軸、１３…車輪、１４…レール、１５…信号機器、１６…パンタグラフ、１７…高速度遮断器、１８…フィルタリアクトル、１９…第１の遮断器、２０…充電抵抗器、２１…第２の遮断器、２２…ＶＶＶＦインバータ、２３…フィルタコンデンサ、２４…スイッチ素子、２５…３相リアクトル、２６…３相コンデンサ、２７…制御装置、２８…モータ回転速度検出器、２９…切換手段、３０…モータ回転速度演算部、３１…積分手段、３２…座標変換手段、３３…加算器、３４…電流制御手段、３５…電圧指令演算手段、３６…加算器、３７…座標変換手段
【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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