(57)【要約】【課題】位相およびゲインの調整のための設定値を用いずに、帰線電流に重畳する交流成分を低減する電気車の制御装置を提供することである。【解決手段】電気車の制御装置は、電気車の誘導電動機を駆動する電力変換器から上記誘導電動機へ入力される電流のフィードバック値と誘導電動機に流れる電流の指令値とから得られる制御信号を用いて、フィードバック制御系により上記誘導電動機に流れる電流をフィードバック制御する電気車の制御装置において、フィードバック制御系の特定周波数成分におけるゲインを可変することができる制御器を備えている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気車の誘導電動機を駆動する電力変換器から上記誘導電動機へ入力される電流のフィードバック値と上記誘導電動機に流れる電流の指令値とから得られる制御信号を用いて、フィードバック制御系により上記誘導電動機に流れる電流をフィードバック制御する電気車の制御装置において、
上記フィードバック制御系の特定周波数成分におけるゲインを可変することができる制御器を備えたことを特徴とする電気車の制御装置。
【請求項２】
電気車の誘導電動機を駆動する電力変換器から上記誘導電動機へ入力される電流のフィードバック値と上記誘導電動機に流れる電流の指令値とから得られる制御信号を用いて、フィードバック制御系により上記誘導電動機に流れる電流をフィードバック制御する電気車の制御装置において、
上記誘導電動機の回転角速度を検出する速度変換器と、
上記検出された回転角速度を上記誘導電動機の回転の位相角に変換する積分器と、
上記誘導電動機へ入力される電流および上記位相角とから、ｄ−ｑ座標系のｄ軸およびｑ軸フィードバック電流に演算するフィードバック電流演算器と、
上記フィードバック電流と上記電流の指令値との偏差から制御量が適切になるように操作する第１の制御器と、
上記ｄ軸およびｑ軸のフィードバック電流の特定周波数帯域成分を通過させるバンドパスフィルタと、
上記フィードバック制御系の上記特定周波数帯域成分におけるゲインが上がるように上記特定周波数帯域成分を操作する第２の制御器とを備え、
上記第１の制御器からの出力と上記第２の制御器からの出力を合算し、
上記合算された制御信号を用いて上記誘導電動機をフィードバック制御することを特徴とする電気車の制御装置。
【請求項３】
電気車の誘導電動機を駆動する電力変換器から上記誘導電動機へ入力される電流のフィードバック値と上記誘導電動機に流れる電流の指令値とから得られる制御信号を用いて、フィードバック制御系により上記誘導電動機に流れる電流をフィードバック制御する電気車の制御装置において、
上記誘導電動機の回転角速度を検出する速度変換器と、
上記検出された回転角速度を上記誘導電動機の回転の位相角に変換する積分器と、
上記誘導電動機へ入力される電流および上記位相角とから、ｄ−ｑ座標系のｄ軸およびｑ軸フィードバック電流に演算するフィードバック電流演算器と、
上記フィードバック電流と上記電流の指令値との偏差から制御量が適切になるように操作する第１の制御器と、
上記ｄ軸およびｑ軸のフィードバック電流の特定周波数帯域成分を通過させるバンドパスフィルタと、
上記フィードバック制御系の上記特定周波数帯域成分におけるゲインが下がるように上記特定周波数帯域成分を操作する第２の制御器とを備え、
上記第１の制御器からの出力と上記第２の制御器からの出力を合算し、
上記合算された制御信号を用いて上記誘導電動機をフィードバック制御することを特徴とする電気車の制御装置。
【請求項４】
上記制御器は、比例積分制御器を備えたことを特徴とする請求項２または３に記載の電気車の制御装置。
【請求項５】
上記バンドパスフィルタは、ｑ軸のフィードバック電流の特定周波数帯域成分だけを通過させることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか一項に記載の電気車の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電気車に搭載される誘導電動機を制御する電気車の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気車に搭載される誘導電動機をはじめとする電機品（以下負荷と記す）に供給される交流電力は、架線から集電した直流電力をスイッチング素子で構成される電力変換器により変換されたものである。この際に電力変換器が理想的に直流電力を交流電力に変換することが可能であれば、帰線電流は直流成分のみで交流成分を含まないものとなる。また、誘導電動機に印加される電圧は正弦波となるので、誘導電動機に入力される電流も平衡な正弦波電流となる。通常は誘導電動機への入力電流を電流検出器で検出し、検出値を３相から２軸へ変換し、２軸の電流により制御を行っている。ここで、入力電流が３相平衡であれば２軸上の電流は直流となる。しかし、電力変換器はＰＷＭ方式といった方法により近似的に直流を交流に変えているので、多数の交流成分を含んだ波形となっている。また、電力変換器を構成するスイッチング素子のスイッチング時間のばらつきや短絡防止時間の影響により電力変換器から出力される３相の交流電力は電圧指令演算器からの指令値と一致しなくなる。よって、誘導電動機に印加される交流電力は理想的な正弦波ではなく、高調波成分を含んだものとなるので、２軸の電流は直流とならずに、交流成分が重畳されたものとなる。さらに、帰線電流も完全な直流とならなくなり、交流成分が重畳されたものとなる。さらに、帰線電流に重畳される交流成分は誘導電動機の回転速度の変化に伴って変化する。そして、帰線電流の交流成分は電力変換器から出力される交流電圧の周波数と同一になったときにピークを示す。上述のように２軸の電流の交流成分と帰線電流の交流成分との間に相関関係がある。一般的に、架線電圧集電器と電力変換装置の間には、地上に設置された信号機等の保安機器に障害を与える周波数成分を除去するために、リアクトルとフィルタコンデンサからなるフィルタ回路が挿入されている。しかしながら、フィルタ回路で決まる周波数特性によっては、該フィルタ回路だけでは、その影響を除去できない場合がある。
【０００３】
そこで、上述のような障害を与える周波数成分の影響を除去するために、電気車の制御装置として、直流架線から集電される直流電圧を、電気車に搭載される誘導電動機に供給するための交流電圧に変換する電力変換器と、電流指令を設定する電流指令設定器と、前記電流指令設定器から電流指令を入力して前記電力変換器に与える電圧指令を演算する電圧指令設定器と、前記誘導電動機に発生する電流を検出する電流検出器と、前記誘導電動機の電流から、ｄ軸フィードバック電流Ｉ１ＤＦとｑ軸フィードバック電流Ｉ１ＱＦとを演算するフィードバック電流演算器と、特定周波数成分を設定する周波数設定器と、前記ｑ軸フィードバック電流Ｉ１ＱＦを入力し、特定周波数成分を抽出する周波数成分検出器と、前記周波数成分検出器からの出力位相を調整する位相調整器と、前記位相調整器の出力を調整するためのゲイン設定器と、前記ゲイン設定器の出力と位相調整器の出力とを乗算して補正値を出力する乗算器と、前記電流指令設定器の出力から前記補正値を減算して第２の電流指令を演算する減算器とから構成し、前記電圧指令演算器に入力する電流指令として、前記第２の電流指令を用いている事例がある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１８６２８７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の制御装置では抽出された特定周波数成分の位相を調整するための設定値は系全体の制御遅れ等を勘案しなければならないので、自動的に求めることができない。そのために試行錯誤の上設定値が決定される。また、位相調整された特定周波数成分のゲインを設定する設定値も位相の設定値と同様に試行錯誤の上決定される。
【０００６】
この発明の目的は、位相およびゲインの調整のための設定値を用いずに、帰線電流に重畳する交流成分を低減する電気車の制御装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明に係わる電気車の制御装置は、電気車の誘導電動機を駆動する電力変換器から誘導電動機へ入力される電流のフィードバック値と誘導電動機に流れる電流の指令値とから得られる制御信号を用いて、フィードバック制御系により誘導電動機に流れる電流をフィードバック制御する電気車の制御装置において、フィードバック制御系の特定周波数成分におけるゲインを可変することができる制御器を備えている。
【０００８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１の電気車の制御装置の構成を示すブロック図である。図２は図１のバンドパスフィルタの通過特性のデータである。図３（ａ）、（ｂ）に図１の第１および第２のＰＩ制御器の周波数に対するゲインと位相角との特性を示す。図４は外乱等により誘導電動機への３相入力電流が不平衡になった時の電力変換器の交流電圧の周波数を変化させたときの、図１および従来の制御装置のフィードバック電流の様子を示す。図５は電力変換器の交流電圧の周波数を変化させたときの、図１および従来の制御装置の帰線電流の特定周波数の成分、ここでは２５Ｈｚ成分の様子を示す。
【０００９】
電気車を軌道上で駆動するためのシステムは、直流架線１から電力を集電する集電器２と、交流電力により駆動される誘導電動機３と、集電器２で集電された直流電力を誘導電動機３の３相巻線４に流される交流電力に変換する電力変換器５と、誘導電動機３の各種パラメータを検知し、各種パラメータに基づき電力変換器５を制御する制御装置６とを備えている。直流架線１から集電し、誘導電動機３を駆動した交流電力は軌道７を通って帰線電力として送電箇所のグランドに戻される。誘導電動機３は誘導電動機３の巻線４に流される３相電流、すなわちＵ相電流Ｉｕと、Ｖ相電流Ｉｖと、Ｗ相電流Ｉｗと、誘導電動機３の回転速度を用いて所望のトルクが得られるように電流をフィードバック制御している。ここでＵ、Ｖ、Ｗは各固定子に設けられた座標軸を示す。
【００１０】
電力変換器５は、パルスウィドゥスモジュレーションインバータ８（以下、ＰＷＭインバータと称す。）が用いられている。電気車では誘導電動機３を駆動する際に、電圧型ＰＷＭインバータが通常使用されている。電力変換器５には制御用信号として、３相毎の電圧信号Ｖｕｓ、Ｖｖｓ、Ｖｗｓが入力されており、各相のパルス幅は三角波の信号と比較されて変化させられる。誘導電動機３の出力軸９は図示しない歯車型可撓軸継ぎ手などを連結して図示しない車軸につながっている。
【００１１】
制御装置６は、電力変換器５から誘導電動機３の３相巻線に接続されている入力電力線の相毎に設置され、駆動電流を検出する電流検出器１０と、誘導電動機３の出力軸に付けられ、出力軸の回転を検出する回転速度検出器１１と、回転速度検出器１１で検出された回転を角速度に変換する速度変換器１２とを備えている。
【００１２】
制御装置６は、さらに、誘導電動機３のトルク指令値をｄ軸およびｑ軸上の電流指令値ＩＤＲとＩＱＲに変換する電流指令値設定器１３と、速度変換器１２から出力される出力軸の回転角速度ωｒ（ラジアン／秒）を積分して出力軸の位相θ（ラジアン）を求める積分器（１／Ｓ）１４と、位相θと電流検出器１０から得られる３相の駆動電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗとを用いて数１でｄ−ｑ座標系に変換して、ｄ軸フィードバック電流ＩＤＦ１と、ｑ軸フィードバック電流ＩＱＦ１とを求めるフィードバック電流演算器１５と、ｄ軸およびｑ軸上で電流指令値ＩＤＲおよびＩＱＲからｄ軸フィードバック電流ＩＤＦ１と、ｑ軸フィードバック電流ＩＱＦ１を減算して第１の差分値ＤＤＲとＤＱＲとを出力する第１の減算器１６と、第１の差分値ＤＤＲ、ＤＱＲをそれぞれ比例積分（以下ＰＩと称す。）制御して第１の操作量ＶＤＲ１、ＶＱＲ１をそれぞれ出力する第１のＰＩ制御器１７と、フィードバック電流ＩＤＦ１およびＩＱＦ１を入力し、予め決められた周波数帯域だけの電流ＩＤＦ２およびＩＱＦ２を出力するバンドパスフィルタ（以下ＢＰＦと称す。）１８と、電流ＩＤＦ２およびＩＱＦ２をそれぞれＰＩ制御して補正値ＩＤＦ３とＩＱＦ３を出力する第２のＰＩ制御器１９と、第１の操作量ＶＤＲ１とＶＱＲ１から補正値ＩＤＦ３とＩＱＦ３をそれぞれ減算して第２の操作量ＶＤＲ２とＶＱＲ２とを出力する第２の減算器２０と、第２の操作量ＶＤＲ２とＶＱＲ２と回転角速度ωｒとを用いて数２で演算し電圧指令値Ｖｕｓ、Ｖｖｓ、Ｖｗｓを求める電圧指令値演算器２１とを備えている。ＢＰＦ１８はある特定の周波数成分だけを残すようにフィルタリングを行う。図２では中心周波数が２５Ｈｚのときを示すが、この場合２５Ｈｚの周囲の周波数成分が残るようにフィルタリングが行われる。図３に示すように、第１および第２のＰＩ制御器１７、１９の周波数特性は低周波数域から−２０ｄＢ／ｄｅｃでゲインが減少し、１／Ｔｉ（ラジアン／秒）の各周波数に折れ点があり、高周波数域ではゲイン２０ｌｏｇＫｉで一定になっている。
【００１３】
【数１】
2004229417.tif 000003
【００１４】
【数２】
2004229417.tif 000004
【００１５】
次に、本発明の主要な制御機能を司る制御装置の動作について説明する。誘導電動機３の出力軸９の回転角速度ωｒを積分することにより、誘導電動機３の出力軸９の回転位相に相当する位相θを求めることができる。フィードバック電流演算器１５では、位相θと電流検出器より検出されたＵ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流Ｉｖ、Ｗ相電流Ｉｗとから、数１の演算を実施し、ｄーｑ座標系で示されるｄ軸フィードバック電流ＩＤＦ１及びｑ軸フィードバック電流ＩＱＦ１を演算することができる。
【００１６】
電流検出器１０で検出されるＵ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流Ｉｖ、Ｗ相電流Ｉｗおよび位相θから、フィードバック電流演算器１５で数１に従い演算されるｄ軸フィードバック電流Ｉ１ＤＦ及びｑ軸フィードバック電流Ｉ１ＱＦは、電力変換器５を構成するスイッチング素子のスイッチング時間のばらつきや、スイッチング素子の短絡を防止するために設定する上下短絡防止時間の影響などにより、ＢＰＦ１８および第２のＰＩ制御器１９を設けないとき、図４（ｃ）、（ｄ）に示すように交流周波数成分２５Ｈｚが重畳された電流となる。この基本波周波数成分は誘導電動機３の回転速度の変化に伴って変化する。ＢＰＦ１９はフィードバック電流ＩＤＦ１およびＩＱＦ１のうち、２５Ｈｚの成分を通過させることができる。図３に示すように第２のＰＩ制御器１９はゲイン（図３（ａ））、位相角（図３（ｂ））を有している。このように全ての周波数帯域で第１のＰＩ制御器１７によりクローズループ制御されてトルクが一定に制御されて誘導電動機３が駆動されると同時に、この実施の形態１では２５Ｈｚを中心にした周波数成分はさらに第２のＰＩ制御器１９がクローズループ内に挿入されてクローズループ制御され、２５Ｈｚのゲインが零になるように制御され、図４の（ａ）、（ｂ）に示すように電流の２５Ｈｚ成分が減少する。さらに帰線電流を観察すると図５の（ａ）に示すように大幅に減少している。
【００１７】
このような電気車の制御装置では、予め決められた周波数帯域を通過するフィルタと、ＰＩ制御器を電流フィードバックループと並列に設けることにより、電力変換器から誘導電動機へ電力が印加される際に発生する保安機器に悪影響を及ぼす周波数帯域の電流を、減少させ、保安機器の誤動作などの不具合を防止することができる。
【００１８】
また制御器としてＰＩ制御器を用いているので、所望の周波数帯域のフィードバックゲインを零に合わせることで、悪影響を与える電流成分を少なくすることができる。
【００１９】
また、保安機器に影響を及ぼす周波数成分を誘導電動機電流から検出し、その値をＰＩ制御器で用いてフィードバック制御することにより、位相遅れなどを考慮した位相に関する設定値およびゲインに関する設定値を試行錯誤の上求めなくても、保安機器に対して影響を及ぼすような帰線電流の発生を防止することができる。
【００２０】
上述の方法で有効なのは、トルクに直接作用する外乱、つまり誘導電動機および電力変換器が直接発生する電圧、電流などの外乱が帰線電流に大きな影響を及ぼすときである。具体的にはスイッチング素子のスイッチング時間のばらつきおよびスイッチング素子の短絡を防止するために設定する上下短絡防止時間の影響等が支配的である場合に効果がある制御方式であり、フィードバック制御系の特定周波数帯域成分に対するゲインが上がるように制御した場合である。
【００２１】
なお、制御器としてＰＩ制御器を使っているが、比例制御でも同様な効果を得ることができる。
【００２２】
実施の形態２．
図６はこの発明の実施の形態２の電気車の制御装置の構成を示すブロック図である。図１とは、ｑ軸フィードバック電流に対してだけＢＰＦ１８とＰＩ制御器１９をフィードバックループと並列に挿入した点が異なっており、その他は同じである。
【００２３】
電圧指令値演算器２１には数３の電圧指令値が入力されて、数２で演算されて電圧指令値Ｖｕｓ、Ｖｖｓ、Ｖｗｓが得られる。
【００２４】
【数３】
2004229417.tif 000005
【００２５】
この電気車の制御装置では、実施の形態１と同様に保安機器への悪影響を与える周波数成分を減少することができるとともに、ｑ軸のフィードバック電流を制御すれば、周波数成分を減少できるので、ｑ軸だけにＢＰＦおよびＰＩ制御器だけを備えればよく、簡単な構成の制御装置を得ることができる。
【００２６】
実施の形態３．
図７はこの発明の実施の形態３の電気車の制御装置の構成を示すブロック図である。図１とは抽出する周波数成分の数が異なっている。図１では１つのある特定の周波数成分を抽出していたが、図７では２つのある周波数成分を抽出している。例えば、ＢＰＦで抽出する周波数を２５Ｈｚと５０Ｈｚとし、ＰＩ制御を施した補正値を加算器２４で加算したのち、減算器２０で第１の操作量ＶＱＲ１から減算すれば、ｑ軸のフィードバック電流の２５Ｈｚと５０Ｈｚとの成分が取り除かれ、帰線電流の２５Ｈｚと５０Ｈｚとの成分のピークが小さくなる。
【００２７】
この電気車の制御装置では、保安機器に悪影響を及ぼす２つ以上の周波数帯域の電流を減少させ、保安機器の誤動作などの不具合を防止することができる。
【００２８】
実施の形態４．
図８はこの発明の実施の形態４の電気車の制御装置の構成を示すブロック図である。図８の制御装置は、上述のような誘導電動機および電力変換器が発生する外乱とは異なり、電流検出器のオフセットにより電流検出値が実際に流れている電流と異なっている場合に効果が得られる。
【００２９】
トルクに直接作用しない外乱が支配的な場合は、フィードバック制御系の特定周波数帯域成分におけるゲインが下がるように制御する。例えば、センサのオフセットが外乱になっている場合において、ゲインを上げるように制御すると、誤検知した電流をそのまま用いて制御してしまうので効果が見られない。図８では、フィードバック制御系の特定周波数帯域成分におけるゲインを下げるようにしている。図１との違いは、バンドパスフィルタ後のＰＩ制御器の出力をＶＤＲ１、ＶＱＲ１に加算している点である。このようにすると、フィードバック制御系のバンドパスフィルタで設定された特定周波数帯域のゲインが下げられ、帰線電流の特定周波数帯域成分を低減することができる。
【００３０】
【発明の効果】
この発明に係わる電気車の制御装置による効果は、電気車の誘導電動機を駆動する電力変換器から上記誘導電動機へ入力される電流のフィードバック値と誘導電動機に流れる電流の指令値とから得られる制御信号を用いて、フィードバック制御系により上記誘導電動機に流れる電流をフィードバック制御する電気車の制御装置において、フィードバック制御系の特定周波数成分におけるゲインを可変することができる制御器を備えているので、予め決められた周波数帯域の電流を通過させるフィルタと、ＰＩ制御器をフィードバックループに並列に設けることによりトルクに直接作用する外乱およびスイッチング素子のスイッチング時間のばらつきまたはスイッチング素子の短絡を防止するために設定されている上下短絡防止時間の影響が支配的で有る場合に、電力変換器から誘導電動機へ電力が印加される際に発生する保安機器に悪影響を及ぼす周波数帯域の電流を減少させ、保安機器の誤動作などの不具合を防止することができる。
【００３１】
また、センサのオフセットにより電流検出値が実際に流れている電流と異なるなど、トルクに直接作用しない外乱が支配的な場合において、減算器を加算器に変更することによって、電力変換器から誘導電動機へ電力が印加される際に発生する保安機器に悪影響を及ぼす周波数帯域の電流を減少させ、保安機器の誤動作などの不具合を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１の電気車の制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図１のバンドパスフィルタの通過特性のデータである。
【図３】図１の第１および第２のＰＩ制御器の周波数に対するゲインと位相角との特性を示す。
【図４】電力変換器の周波数を変化したときの、図１および従来の制御装置のフィードバック電流の様子を示す。
【図５】電力変換器の周波数を変化したときの、図１および従来の制御装置の帰線電流の様子を示す。
【図６】この発明の実施の形態２の電気車の制御装置の構成を示すブロック図である。
【図７】この発明の実施の形態３の電気車の制御装置の構成を示すブロック図である。
【図８】この発明の実施の形態４の電気車の制御装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１  直流架線、２  集電器、３  誘導電動機、４  ３相巻線、５  電力変換器、６  制御装置、７  軌道、８  ＰＷＭインバータ、９  出力軸、１０  電流検出器、１１  回転速度検出器、１２  速度変換器、１３  電流指令値設定器、１４  積分器、１５  フィードバック電流演算器、１６、２０  減算器、１７、１９、２３  ＰＩ制御器、１８、２２  バンドパスフィルタ、２１  電圧指令値演算器、２４  加算器。
【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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