(57)【要約】【課題】ＰＷＭインバータ制御の動作周波数（インバータ周波数）が零点を通過する際のスイッチング素子の熱損失を最低限に抑え、電気車が停止するまで十分なブレーキ力を確保することにある。【解決手段】電動機１２の回転速度が所定値を下回った時点で電動機のトルクを所定の変化率で減少するように制御する電気車の制御装置において、電流指令演算器２が出力するトルク電流指令（Ａ）Ｉｑｐ＿ａを制限する電流リミッタ４を設け、電動機の回転速度が減速中に所定速度以下の領域に達したとき、トルク電流指令は、その指令値よりも小さい指令値（Ｂ）Ｉｑｐ＿ｂになるように制限し、また、搬送波発生器７によって電力変換器９のスイッチ素子を制御する際のＰＷＭ信号を生成する搬送波周波数は、電動機の回転速度が所定値に達した時点の搬送波周波数よりも小さくするように制御する。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動機を駆動する電力変換器と、前記電動機の回転速度を検出する手段と、前記電動機の回転速度が所定値を下回った時点で前記電動機のトルクを所定の変化率で減少するように制御する前記電力変換器の制御手段を備えた電気車の制御装置において、
前記電動機の回転速度が減速中に所定速度以下の領域に達したとき、前記電動機のトルクは、前記電動機の回転速度が所定値に達した時点のトルク指令値よりも小さくなるように制御する手段と、前記電力変換器を構成するスイッチ素子を制御する際のＰＷＭ信号を生成する搬送波周波数は、前記電動機の回転速度が所定値に達した時点の搬送波周波数よりも小さくするように制御する手段を有することを特徴とする電気車の制御装置。
【請求項２】
電動機を駆動する電力変換器と、前記電動機の回転速度を検出する手段と、前記電動機の回転速度が所定値を下回った時点で前記電動機のトルクを所定の変化率で減少するように制御する前記電力変換器の制御手段を備えた電気車の制御装置において、
前記電動機の回転速度が減速中に所定速度以下の領域に達したとき、前記電動機のトルクは、前記電動機の回転速度が所定値に達した時点のトルク指令値よりも小さくなるように制御する手段を有することを特徴とする電気車の制御装置。
【請求項３】
電動機を駆動する電力変換器と、前記電動機の回転速度を検出する手段と、前記電動機の回転速度が所定値を下回った時点で前記電動機のトルクを所定の変化率で減少するように制御する前記電力変換器の制御手段を備えた電気車の制御装置において、
前記電動機の回転速度が減速中に所定速度以下の領域に達したとき、前記電力変換器を構成する半導体素子を制御する際のＰＷＭ信号を生成する搬送波周波数は、前記電動機の回転速度が所定値に達した時点の搬送波周波数よりも小さくするように制御する手段を有することを特徴とする電気車の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気車の制御装置に係り、特に、電気ブレーキによって停止する電気車の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
これまでの電気車のブレーキ制御方式の主流は、電気ブレーキと空気ブレーキを併用する「電・空ブレンディングブレーキ制御方式」である。この方式では速度が所定速度以下になると、回生（電気）ブレーキ力を徐々に立ち下げると同時に、代わりに停止までは空気ブレーキを徐々に立ち上げ、最終的に空気ブレーキのみで停止する。この電気ブレーキから空気ブレーキの切り換えを両者のブレーキ力の和が一定となるように制御することにより、停止まで略一定の減速力を維持する。
一方、最近の電気車で採用する例が多いブレーキ制御方式は、停止まで回生（電気）ブレーキが作用する「全電気ブレーキ終速制御（電気停止ブレーキ制御）」である。この方式では速度零付近でも高精度なトルク応答性が確保できるので、自動運転時の正確な停止位置制御の実現に極めて有効である。
この全電気ブレーキ終速制御（電気停止ブレーキ制御）の実現手法には、例えば特開２００１−２５１７０１号公報に記述している電気車の制御装置がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
電・空ブレンディングブレーキ制御方式では、速度１０ｋｍ／ｈ前後から回生（電気）ブレーキ力を徐々に立ち下げはじめ、少なくとも速度１ｋｍ／ｈでは回生（電気）ブレーキ力を完全に零に立ち下げる。すなわち、速度１ｋｍ／ｈ未満の速度零近傍では回生（電気）ブレーキ力は完全に作用しない。
一方、全電気ブレーキ終速制御（電気停止ブレーキ制御）では、速度零近傍まで所望の回生（電気）ブレーキ力が作用し、速度零近傍から速度零に向けて急速に回生（電気）ブレーキ力を絞り込む。すなわち、速度１ｋｍ／ｈ未満の速度零近傍では、回生（電気）ブレーキ力が作用している。
最近の電気車の多くはＰＷＭインバータ制御による電動機トルク制御を行っており、回生（電気）ブレーキ力動作時の速度零近傍におけるブレーキ力の有無を考えた場合、次のような課題が想定できる。
停止まで回生（電気）ブレーキが動作する場合、インバータ周波数ゼロ点を通過して逆相ブレーキモード（後進／力行モード）に移る。このインバータ周波数ゼロ点通過時にＵ、Ｖ、Ｗ相のいずれかのスイッチング素子が高い通流率のままの状態となる電流集中が発生することがある。この電流集中による熱損失は、スイッチング素子の急激な温度上昇を招き、素子の経年劣化を促進や、条件によっては素子破壊に至る場合もあり得る。
【０００４】
本発明の課題は、電気ブレーキで停止する電気車の制御装置において、特に、ＰＷＭインバータ制御の動作周波数（インバータ周波数）が零点を通過する際のスイッチング素子の熱損失を最低限に抑え、停止するまで十分なブレーキ力を確保するに好適な電気車の制御装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、電動機の回転速度が所定値を下回った時点で電動機のトルクを所定の変化率で減少するように制御する電気車の制御装置において、電動機の回転速度が減速中に所定速度以下の領域に達したとき、電動機のトルクは、前記電動機の回転速度が所定値に達した時点のトルク指令値よりも小さくなるように制御する手段と、電力変換器を構成するスイッチ素子を制御する際のＰＷＭ信号を生成する搬送波周波数は、電動機の回転速度が所定値に達した時点の搬送波周波数よりも小さくするように制御する手段を有する。
【０００６】
本発明は、電気車の制御装置において、停止まで回生（電気）ブレーキが動作する場合は、インバータ周波数ゼロ点を通過する際のスイッチ素子の導通損失が素子に固有の性能限界内に収まるように予めスイッチング素子の電流量を低減する。また、インバータ周波数ゼロ点を通過する際のスイッチ素子のスイッチング損失が素子に固有の性能限界内に収まるように予めスイッチング素子を制御する際のＰＷＭ信号を生成する搬送波周波数（キャリア周波数）を低減する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
図１は、本発明の電気車の制御装置の第１の実施形態を示すブロック図である。
運転台１は、ブレーキ投入中だけオンするブレーキ指令フラグＢを出力する。電流指令演算器２は、ブレーキ指令フラグＢＣＦ、後述の速度演算器３が出力する基準回転速度信号Ｆｒを入力として、励磁電流指令Ｉｄｐ、トルク電流指令（Ａ）Ｉｑｐ＿ａを出力する。電流リミッタ４は、ブレーキ指令フラグＢＣＦ、トルク電流指令（Ａ）Ｉｑｐ＿ａおよび後述のＰＷＭインバータにより生成する交流電圧波形の基準周波数になるインバータ周波数Ｆｉｎｖを入力として、トルク電流指令（Ａ）Ｉｑｐ＿ａに制限を加えたトルク電流指令（Ｂ）Ｉｑｐ＿ｂを出力する。ベクトル制御演算器５は、励磁電流指令Ｉｄｐとトルク電流指令（Ｂ）Ｉｑｐ＿ｂと電流検出器６ａ、６ｂ、６ｃによる電動機電流検出値ｉｕ、ｉｖ、ｉｗおよび速度演算器３が出力する基準回転速度信号Ｆｒを入力として、インバータ出力電圧指令Ｖｐおよび後述のＰＷＭインバータにより生成する交流電圧波形の基準周波数であるインバータ周波数Ｆｉｎｖを出力する。搬送波発生器８は、インバータ周波数Ｆｉｎｖを入力として、インバータ出力電圧指令ＶｐをＰＷＭ信号に変換するための搬送波ＣＲＷを出力する。ＰＷＭ信号演算器８は、インバータ出力電圧指令Ｖｐと搬送波ＣＲＷを入力として、ＰＷＭインバータ８の主回路を構成するスイッチング素子を駆動するゲート信号ＧＰを演算する。ＰＷＭインバータ９は、直流電源１０よりフィルタコンデンサ１１を介して得られる直流電力を三相交流電力に変換してその電力を誘導電動機１３に供給する。回転速度検出器１３は、誘導電動機１２の回転速度を検出し、速度演算器３において基準回転速度信号Ｆｒに変換する。
なお、図１ではＰＷＭインバータで駆動する誘導電動機１２とその回転速度を検出する回転速度検出器１３は２組示しているが、これは誘導電動機１２と回転速度検出器１３の数を規定するものではなく、誘導電動機１２、回転速度検出器１３が１組あるいは３組、４組・・・でも構成可能である。
【０００８】
電流リミッタ４は、ＰＷＭインバータ８の主回路を構成するスイッチング素子動作時の熱損失が仕様限界を超過しないようにトルク電流指令（Ａ）Ｉｑｐ＿ａの最大値を制限する。これは、主にスイッチング素子に流入する電流値を制限することにより、素子が発生する導通損失を抑制することを目的とする。
このトルク電流指令（Ａ）Ｉｑｐ＿ａの制限値は、スイッチング素子の熱損失に対する許容値（仕様あるいは測定値）に基づいて予め導出する。また、トルク電流指令（Ａ）Ｉｑｐ＿ａは、特にインバータ周波数が零となる付近で制限する必要があり、インバータ周波数に応じて制限値を可変とするため、インバータ周波数に対するトルク電流指令（Ａ）Ｉｑｐ＿ａの制限値をテーブルとして与える。このテーブルに基づいてトルク電流指令（Ａ）Ｉｑｐ＿ａの最大値を制限するが、この制限は、ブレーキ動作中すなわちブレーキ指令フラグＢＣＦがオンのときだけであり、ブレーキが動作していない力行時および惰行時にはトルク電流指令（Ａ）Ｉｑｐ＿ａは制限せずにそのままトルク電流指令（Ｂ）Ｉｑｐ＿ｂとして出力する。
このトルク電流指令の制限により、ブレーキ力指令に応じた回生（電気）ブレーキ力が得られない場合が起こりうるが、ブレーキ力指令に対する回生（電気）ブレーキ力の不足分を空気ブレーキなどの機械ブレーキ装置により補足する制御とすれば、必要な減速力を確保できる。
【０００９】
搬送波発生器７は、ＰＷＭインバータ８の主回路を構成するスイッチング素子動作時の熱損失が仕様限界を超過しないように、スイッチング素子を制御するＰＷＭ信号を生成する搬送波周波数（キャリア周波数）を通常時の周波数（搬送波周波数（Ａ））に対して低減する（搬送波周波数（Ｂ））。これは、主にスイッチング素子のオン／オフの動作回数に応じて増加する素子のスイッチング損失を抑制することを目的する。
この搬送波周波数の低減値である搬送波周波数（Ｂ）は、スイッチング素子の熱損失に対する許容値（仕様あるいは測定値）に基づいて予め導出するが、概ね１００〜５００Ｈｚに設定することになる。また、この搬送波周波数の低減は、インバータ周波数が減速により零を通過する前に行う。このためインバータ周波数が所定値を下回ったことを検知する後述のインバータ周波数検知器１９（図４）を設け、減速によりインバータ周波数が零を通過する前に確実に搬送波周波数を搬送波周波数（Ａ）から搬送波周波数（Ｂ）に低減する。この搬送波周波数の低減は、ブレーキ動作中すなわちブレーキ指令フラグＢＣＦがオンのときだけであり、力行時には搬送波周波数を低減しない。
【００１０】
図２は、本実施形態における電流リミッタの機能を示すブロック図である。図２において、１４はリミッタ、１５はリミッタ値テーブル、１６は選択器を示す。
トルク電流指令（Ａ）Ｉｑｐ＿ａの最大値は、電流リミッタ１４により制限する。インバータ周波数ＦｉｎｖがＦｉｎｖ２以上のときリミッタ値はＩｑｐ２、インバータ周波数ＦｉｎｖがＦｉｎｖ１以下のときリミッタ値はＩｑｐ１であり、インバータ周波数ＦｉｎｖがＦｉｎｖ２からＦｉｎｖ１に低下するに従い、リミッタ値をＩｑｐ２からＩｑｐ１に低減する。なお、インバータ周波数Ｆｉｎｖの零点通過のスイッチング素子の導通損失を抑制するために、インバータ周波数Ｆｉｎｖがゼロのときに電流リミッタ１４のリミッタ値はＩｑｐ１である必要があるため、Ｆｉｎｖ１はゼロよりも大きい値に設定する。
電流リミッタ１４のリミッタ値は、リミッタ値テーブル１５によりインバータ周波数Ｆｉｎｖに基づいて決定する。電流リミッタ１４の出力であるトルク電流指令（Ｂ）Ｉｑｐ＿ｂは、ブレーキ指令フラグＢＣＦがオン（１）のときはブレーキ動作中として電流リミッタ１４の出力値を、オフ（０）のときは力行中または惰行中としてトルク電流指令（Ａ）Ｉｑｐ＿ａをそのまま出力するように選択器１６によりブレーキ指令フラグＢＣＦに基づいて選択する。
【００１１】
図３は、本実施形態における電流リミッタの入出力信号の時間的関係を示す波形図である。
ブレーキ指令フラグＢＣＦのオン（１）により、トルク電流指令（Ａ）Ｉｑｐ＿ａを必要ブレーキ力相当の電流値まで立ち上げる。インバータ周波数ＦｉｎｖがＦｉｎｖ２からＦｉｎｖ１の間に電流リミッタのリミッタ値はＩｑｐ２からＩｑｐ１へと徐々に減少するため、トルク電流指令（Ｂ）Ｉｑｐ＿ｂはトルク電流指令（Ａ）Ｉｑｐ＿ａをリミッタ値に従い制限した値として出力される。なお、インバータ周波数Ｆｉｎｖの零点通過のスイッチング素子の導通損失を抑制するために、インバータ周波数Ｆｉｎｖがゼロのときに電流リミッタ１４のリミッタ値はＩｑｐ１である必要があるため、Ｆｉｎｖ１はゼロよりも大きい値に設定する。
このトルク電流指令（Ｂ）Ｉｑｐ＿ｂでは、回生（電気）ブレーキに必要なブレーキ力が得られないことになるが、ブレーキ力指令に対する回生（電気）ブレーキ力の不足分を空気ブレーキなどの機械ブレーキ装置により補足する制御によって必要な減速力を確保する。
【００１２】
本実施形態では、これらの構成により、電気ブレーキで停止する電気車の制御装置において、特に、ＰＷＭインバータ制御の動作周波数（インバータ周波数）が零点を通過する際のトルク電流指令の最大値を制限し、スイッチング素子に流入する電流値を制限することにより、スイッチング素子の導通損失を抑制し、熱損失を最低限に抑えることができ、停止するまで十分なブレーキ力を確保できる電気車の制御装置を実現できる。
【００１３】
図４は、本実施形態における搬送波発生器の機能を示すブロック図である。図４において、１７は搬送波周波数（Ａ）設定部、１８は搬送波周波数（Ｂ）設定部、１９はインバータ周波数検知部、２０は論理積回路、２１は選択器、２２は搬送波発生部を示す。
搬送波周波数（Ａ）は、通常の回生（電気）ブレーキ動作時の搬送波周波数であり、スイッチング素子の仕様、ＰＷＭインバータ制御の方式、インバータ電流の高調波成分などを考慮して総合的に決定する。ここで、搬送波周波数（Ａ）は、定数とは限らず、インバータの出力電圧指令に基づいて変化することがある。搬送波周波数（Ｂ）は、スイッチング素子の熱損失に対する許容値（仕様あるいは測定値）に基づいて予め導出するが、概ね１００〜５００Ｈｚに設定することになる。
ブレーキ指令フラグＢＣＦがオン（１）であり、かつ、インバータ周波数がＦｉｎｖ２以下であることをインバータ周波数検知器１９で検知したとき、論理積回路２０は、搬送波周波数低減フラグＦＣＬをオン（１）出力し、選択器２１を搬送波周波数（Ａ）から搬送波周波数（Ｂ）に切り換える。この搬送波周波数（Ｂ）に基づいて搬送波発生部２２はブレーキ指令フラグＢＣＦがオンの期間中に搬送波ＣＲＷを発生する。
【００１４】
図５は、本実施形態における搬送波発生器の入出力信号の時間的関係を示す波形図である。
ブレーキ指令フラグＢＣＦがオン（１）したとき、インバータ周波数ＦｉｎｖがＦｉｎｖ２以上であれば、搬送波周波数は搬送波周波数（Ａ）である。減速によりインバータ周波数ＦｉｎｖがＦｉｎｖ１に達したとき、搬送波周波数低減フラグＦＣＬがオンになり、搬送波周波数は搬送波周波数（Ａ）から搬送波周波数（Ｂ）に移行する。なお、搬送波周波数の低減は、インバータ周波数がゼロになる前に完了する必要があるため、Ｆｉｎｖ１はゼロよりも大きい値に設定する。
【００１５】
本実施形態では、これらの構成により、電気ブレーキで停止する電気車の制御装置において、特に、ＰＷＭインバータ制御の動作周波数（インバータ周波数）が零点を通過する際の搬送波周波数を低減することにより、スイッチング素子のオン／オフの動作回数に応じて増加する素子のスイッチング損失を抑制し、熱損失を最低限に抑えることができ、停止するまで十分なブレーキ力を確保できる電気車の制御装置を実現できる。
【００１６】
図６は、本発明の電気車の制御装置の第２の実施形態を示すブロック図である。
本実施形態は、図１に示す本発明の第１の実施形態と同じ構成であるが、本発明の第１の実施形態と異なるところは、搬送波発生器７では、ＰＷＭインバータ制御の動作周波数（インバータ周波数）が零点を通過する際の搬送波周波数を搬送波周波数（Ａ）から搬送波周波数（Ｂ）に低減することは行わないことにある。したがって、ＰＷＭインバータ８の主回路を構成するスイッチング素子のオン／オフ制御は、搬送波周波数（Ａ）により行う。
一方、本実施形態では、図２、図３において説明したように、電流リミッタ１４によってＰＷＭインバータ制御の動作周波数（インバータ周波数）が零点を通過する際のトルク電流指令の最大値を制限し、スイッチング素子に流入する電流値を制限することは本発明の第１の実施形態と同様に実行する。
これにより、本実施形態でも、電気ブレーキで停止する電気車の制御装置において、特に、ＰＷＭインバータ制御の動作周波数（インバータ周波数）が零点を通過する際のスイッチング素子の導通損失を抑制し、熱損失を最低限に抑えることができ、停止するまで十分なブレーキ力を確保できる電気車の制御装置を実現できる。
【００１７】
図７は、本発明の電気車の制御装置の第３の実施形態を示すブロック図である。
本実施形態は、図１に示す本発明の第１の実施形態とは電流リミッタ１４を省いた点で異なり、その他は同一である。
一方、本実施形態では、図４、図５において説明したように、搬送波発生器７において、ＰＷＭインバータ制御の動作周波数（インバータ周波数）が零点を通過する際の搬送波周波数を搬送波周波数（Ａ）から搬送波周波数（Ｂ）に低減することは本発明の第１の実施形態と同様に実行する。
これにより、本実施形態でも、電気ブレーキで停止する電気車の制御装置において、特に、ＰＷＭインバータ制御の動作周波数（インバータ周波数）が零点を通過する際の搬送波周波数を低減することにより、スイッチング素子のオン／オフの動作回数に応じて増加する素子のスイッチング損失を抑制し、熱損失を最低限に抑えることができ、停止するまで十分なブレーキ力を確保できる電気車の制御装置を実現できる。
【００１８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、電気ブレーキで停止する電気車の制御装置において、特に、ＰＷＭインバータ制御の動作周波数（インバータ周波数）が零点を通過する際のトルク電流指令の最大値を制限し、スイッチング素子に流入する電流値を制限することにより、スイッチング素子の導通損失を抑制し、熱損失を最低限に抑えることができ、停止するまで十分なブレーキ力を確保することができる電気車の制御装置を実現できる。
また、電気ブレーキで停止する電気車の制御装置において、特に、ＰＷＭインバータ制御の動作周波数（インバータ周波数）が零点を通過する際の搬送波周波数を低減することにより、スイッチング素子のオン／オフの動作回数に応じて増加する素子のスイッチング損失を抑制し、熱損失を最低限に抑えることができ、停止するまで十分なブレーキ力を確保することができる電気車の制御装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電気車の制御装置の一実施形態を示すブロック図
【図２】本発明の電流リミッタの機能を示すブロック図
【図３】本発明の電流リミッタの入出力信号の時間的関係を示す波形図
【図４】本発明の搬送波発生器の機能を示すブロック図
【図５】本発明の搬送波発生器の入出力信号の時間的関係を示す波形図
【図６】本発明の第２の実施形態を示すブロック図
【図７】本発明の第３の実施形態を示すブロック図
【符号の説明】
１…運転台、２…電流指令演算器、３…速度演算器、４…電流リミッタ、５…ベクトル制御演算器、７…搬送波発生器、８…ＰＷＭ信号演算器、９…ＰＷＭインバータ、１０…直流電源、１１…フィルタコンデンサ、１２…誘導電動機、１３…速度検出器、１４…リミッタ、１５…リミッタ値テーブル、１６…選択器、１７…搬送波周波数（Ａ）設定部、１８…搬送波周波数（Ｂ）設定部、１９…インバータ周波数検知部、２０…論理積回路、２１…選択器、２２…搬送波発生部
【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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