JP6671540B2

JP6671540B2 - 電気車推進制御システム

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Publication number: JP6671540B2
Application number: JP2019508357A
Authority: JP
Inventors: 幸平藤谷; 伸翼角井
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2017-03-27
Filing date: 2017-03-27
Publication date: 2020-03-25
Anticipated expiration: 2037-03-27
Also published as: US20200099324A1; JPWO2018179058A1; US11424705B2; DE112017007324T5; WO2018179058A1

Description

本発明は、電気車を駆動する電気車推進制御システムに関する。

電気車推進制御システムが電気車を駆動する駆動方式には、１台のインバータにつき１台の電動機を駆動する個別制御方式と、１台のインバータにつき複数の電動機を駆動する一括制御方式とがある。また、電気車に搭載される電動機には、同期機と非同期機とがある。同期機には、印加電圧の周波数と回転周波数とが一致していなければならないという制約がある。一方、非同期機の代表例である誘導電動機は、「すべり」によってトルクを発生することができるので、印加電圧の周波数と回転周波数とが必ずしも一致していなければならないという制約はない。

鉄道車両である電気車の車輪は、摩耗又は研削といった要因の影響を受ける。その結果、複数の車輪間には、車輪径の差異が生じる。車輪径に差異が生じると、各車輪の回転数すなわち回転周波数が異なってくる。よって同期機が搭載された電気車では、個別制御方式が採用される。一方、誘導電動機が搭載された電気車では、機器数を削減できる一括制御方式が採用されるのが一般的である。下記特許文献１に示される鉄道車両用制御装置でも、一括制御方式が採用されている。

特許第４６１０９５０号公報

しかしながら、一括制御方式では、複数の電動機に対して同じ電圧が印加される。このため、一括制御方式では、それぞれの電動機の駆動力を個別に制御できないことは言うまでもなく、一部の電動機だけを停止させることもできない。一部の電動機だけを停止させる必要性が生ずる例として、上記特許文献１に開示されるような選択力行を実施するケースが挙げられる。選択力行とは、１両又は複数の車両からなる電気車の全体に必要とされる駆動力に対して、電気車推進制御システムが供給することのできる最大の駆動力に余裕がある場合に、電気車全体での稼働インバータの台数を減らし、電動機１台あたりの分担する駆動力を大きくすることで、電動機をより電力効率の良い条件で動作させる推進制御方法である。

特許文献１では、電気車全体として必要な駆動力に応じて、パワーユニットの停止及び再起動を行う方法が開示されている。しかしながら、パワーユニットごとに停止及び再起動を行うため、例えば１つのパワーユニットが駆動する電動機の台数が４台の場合、稼働する電動機の台数は最低でも４台ごとでしか選択できず、選択力行の自由度が低いという課題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、１台のインバータで複数台の電動機を駆動する一括制御方式であっても、それぞれの電動機の駆動力を個別にオン又はオフすることができる電気車推進制御システムを得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、電気車を駆動する本発明に係る電気車推進制御システムは、複数台の誘導電動機、複数台の誘導電動機に共通の電圧を印加するインバータ、及びインバータと少なくとも１台の誘導電動機との間の電気的開放及び導通の切り替えを可能とする少なくとも１つの開閉部を備える。

本発明によれば、１台のインバータで複数台の誘導電動機を駆動する一括制御方式であっても、それぞれの誘導電動機の駆動力を個別にオン又はオフすることができる、という効果を奏する。

実施の形態１に係る電気車推進制御システムの構成を示すブロック図図１に示した開閉部の内部構造を概略的に示す図実施の形態１における駆動力分配部の細部構成を示すブロック図実施の形態１の電気車推進制御システムにおける動作モードの切り替えに関するフローチャート実施の形態１における選択力行モードでの処理に関するフローチャート実施の形態１における稼働台数の算出手法の説明に供する図実施の形態２に係る電気車推進制御システムの構成を示すブロック図実施の形態２における稼働台数の算出手法の説明に供する図実施の形態３に係る電気車推進制御システムの構成を示すブロック図実施の形態３における稼働台数の算出手法の説明に供する図実施の形態３の選択力行と従来の選択力行との比較説明に供する図実施の形態４に係る電気車推進制御システムの構成を示すブロック図２台の台車に搭載される４台の電動機が駆動する４つの車軸のうちの１つの車軸に継続的な空転が生じたときの回転周波数の変化の様子を示す図実施の形態５に係る電気車推進制御システムの構成を示すブロック図実施の形態５における開閉部閉成指令の処理シーケンスを示す第１のフローチャート実施の形態５における開閉部開放指令の処理シーケンスを示す第２のフローチャート実施の形態５におけるインバータゲートオン指令の処理シーケンスを示す第３のフローチャート実施の形態６における電圧制御部の細部構成を示すブロック図実施の形態１〜６における駆動力分配部、開閉制御部及び電圧制御部の機能を具現するハードウェア構成の一例を示すブロック図実施の形態１〜６における駆動力分配部、開閉制御部及び電圧制御部の機能を具現するハードウェア構成の他の例を示すブロック図

以下に、本発明の実施の形態に係る電気車推進制御システムを図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により、本発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る電気車推進制御システムの構成を示すブロック図である。電気車推進制御システム５０は、電気車の推進制御に供されるシステムである。電気車推進制御システム５０は、図１に示すように、電気車に搭載される複数台の誘導電動機である電動機７０と、複数台の電動機７０に共通の電圧を印加する電力変換装置であるインバータ４と、インバータ４と少なくとも１台の電動機７０との間の電気的開放及び導通の切り替えを可能とする開閉部６ａ，６ｂと、を備える。

図１では、２台の電動機７０が１つの台車８０に搭載される構成を例示している。１つの台車８０にある図１では図示しない車軸は、当該台車８０に搭載される２台の電動機７０によって駆動される。また、図１では、１台のインバータ４が４台の電動機７０を駆動し、２つの開閉部６ａ，６ｂが、それぞれ１台の電動機７０の電気的開放及び導通を切り替える構成を例示している。なお、実施の形態１の要旨は、少なくとも１台の電動機７０の電気的開放及び導通の切り替えを可能とする構成であればよく、開閉部６ａ，６ｂのうちの何れか一方を省略してもよい。

実施の形態１に係る電気車推進制御システム５０は、図示のように１台のインバータ４が４台の電動機７０を駆動する一括制御方式を採用している。なお、１台のインバータ４が駆動する電動機７０の数は４台に限定されず、２台、３台又は５台以上であってもよい。

また、電気車推進制御システム５０は、インバータ４の出力側に配置される電流検出器５を備える。電流検出器５は、４台の電動機７０に供給する電動機電流、すなわち４台の電動機７０に流れる電流の合計値を検出する。

さらに、電気車推進制御システム５０は、電流検出器５の検出値に基づいてインバータ４の出力電圧を制御する電圧制御部３と、開閉部６ａ，６ｂの電気的開放及び導通の状態を制御する開閉制御部２と、第１の駆動力指令に基づいて、電動機７０の稼働台数及び電動機１台あたりの駆動力を演算する駆動力分配部１と、を備える。ここで、第１の駆動力指令には、１台のインバータ４が発揮すべき駆動力の合計値に関する情報が含まれている。開閉制御部２は、駆動力分配部１が算出した稼働台数に基づいて、開閉部６ａ，６ｂの電気的開放および導通の状態を切り替える制御を行う。

駆動力分配部１への指示情報である第１の駆動力指令は、従来の選択力行で使用される選択力行指令に対応する。すなわち、後述する実施の形態を含む本実施の形態に係る電気車推進制御システムでは、従来の選択力行制御との併用が可能なように構成されている。本実施の形態に係る選択力行制御を行わない場合には、駆動力分配部１への駆動力指令は、駆動力分配部１をスルーして、すなわち駆動力分配部１の処理を実施せずに電圧制御部３に伝達され、電圧制御部３によって従来の選択力行制御、すなわちパワーユニットごとに停止及び再起動を行う選択力行制御が行われる。

図２は、図１に示した開閉部６の内部構造を概略的に示す図である。開閉部６は、Ｕ相の電力線に挿入される接触器６Ａと、Ｖ相の電力線に挿入される接触器６Ｂと、Ｗ相の電力線に挿入される接触器６Ｃと、を有している。３つの接触器６Ａ，６Ｂ，６Ｃは、三相誘導電動機である電動機７０とインバータ４との間の３つの相の電気的開放及び導通の状態を一括で切り替えることが可能である。なお、図２では、３つの接触器６Ａ，６Ｂ，６Ｃを有する開閉部６を示しているが、三相誘導電動機である電動機７０を用いる場合には、３つの接触器６Ａ，６Ｂ，６Ｃのうちの何れか１つを省略してもよい。三相の電動機の場合、少なくとも二相の接点を開放すれば電流を遮断することができる。このため、２接点の開閉部６を用いれば、開閉部６を小形且つ安価に構成することができる。同期機の代表例である永久磁石同期電動機（ＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔＳｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＭｏｔｏｒ：ＰＭＳＭ）の場合、地絡保護の観点から３接点の開閉部が推奨されるが、誘導電動機の場合、誘起電圧がないため２接点で十分である。

図３は、実施の形態１における駆動力分配部１の細部構成を示すブロック図である。駆動力分配部１は、図３に示すように、本実施の形態に係る選択力行を行うか否か、別言すれば本実施の形態に係る選択力行を有効とするか無効とするかを判定する選択力行有効無効判定部１０Ａと、本実施の形態に係る選択力行が有効とされた場合に、入力された第１の駆動力指令すなわちインバータ１台あたりの駆動力に基づいて、電動機７０の稼働台数を決定する稼働台数算出部１０Ｂと、電動機７０の稼動数に基づいて、電動機１台あたりの駆動力を算出する駆動力算出部１０Ｃと、を備える。稼働台数算出部１０Ｂが算出した稼働台数は、図１に示した開閉制御部２に伝達される。また、駆動力算出部１０Ｃが算出した電動機１台あたりの駆動力に基づいて第２の駆動力指令が生成され、生成された第２の駆動力指令は、図１に示した電圧制御部３に伝達される。

図４は、電気車推進制御システム５０における動作モードの切り替えに関するフローチャートである。図４に示す処理フローは、図３に示した選択力行有効無効判定部１０Ａによって実行される。まず、ステップＳ１０１において、選択力行有効無効判定部１０Ａは、選択力行の制御を有効とするか、選択力行の制御を無効とするかの判定を行う。選択力行の制御の有効無効の判定は、外部からの指示情報に基づいて、行うことができる。

選択力行の制御を有効と判定した場合には（ステップＳ１０１、Ｙｅｓ）、選択力行モードに移行する（ステップＳ１０２）。一方、選択力行の制御を無効と判定した場合には（ステップＳ１０１，Ｎｏ）、通常モードに移行する（ステップＳ１０３）。選択力行モードは、選択力行の制御を実施するモードである。通常モードは、選択力行の制御を実施しないモードである。

図５は、実施の形態１における選択力行モードでの処理に関するフローチャートである。図５に示す処理フローは、ステップＳ２０１からステップＳ２０３による３つの処理からなる。まず、ステップＳ２０１の処理は、稼働台数算出部１０Ｂによって実行される。ステップＳ２０１において、稼働台数算出部１０Ｂは、インバータ１台あたりの駆動力に基づいて、電動機７０の稼働台数を算出する。電動機７０の稼働台数を算出する処理の詳細については後述する。

次のステップＳ２０２の処理は、駆動力算出部１０Ｃによって実行される。ステップＳ２０２において、駆動力算出部１０Ｃは、インバータ１台あたりの駆動力と、ステップＳ２０１で求められた稼働台数とに基づいて電動機１台あたりの駆動力を算出する。

そして、ステップＳ２０３において、駆動力算出部１０Ｃは、算出した電動機１台あたりの駆動力に基づいて第２の駆動力指令を生成し、電圧制御部３に付与する。また、ステップＳ２０３において、稼働台数の情報が開閉制御部２に伝達される。以降、電圧制御部３及び開閉制御部２の制御によって、本実施の形態に係る選択力行制御が実施される。

図６は、実施の形態１における稼働台数の算出手法の説明に供する図である。図６の上段部には、第１の駆動力指令に対する電動機１台あたりの駆動力が示され、下段部には、第１の駆動力指令に対する稼働台数が示されている。

図６にも示すように、電動機７０の１台が出力することのできる駆動力の上限値をＦｍとする。一方、図１の構成では、２つの台車８０のうちの一方の台車８０のみに開閉部６ａ，６ｂを備える構成であるため、電動機７０の最小駆動台数は２台である。このため、第１の駆動力指令が上限値Ｆｍの２倍である２Ｆｍまでは稼働台数が２台に設定され、第１の駆動力指令が２Ｆｍを超えると、稼働台数が１台増やされて３台に設定される。なお、図６では図示していないが、第１の駆動力指令が上限値Ｆｍの３倍である３Ｆｍを超えた場合には、稼働台数が４台に設定されることは言うまでもない。

電動機７０の稼働台数は、第１の駆動力指令で指示される駆動力を、駆動力の上限値をＦｍで除算した商の値の小数点を切り上げて整数化することで、算出することができる。

図１の構成において、稼働台数が２台の場合には、開閉部６ａ，６ｂが開放される。これにより、開閉部６ａ，６ｂに接続されない２台の電動機７０のみが駆動される。また、稼働台数が３台の場合には、開閉部６ａ，６ｂのうちの何れか一方が開放される。これにより、３台の電動機７０が駆動される。さらに、稼働台数が４台の場合には、開閉部６ａ，６ｂの双方が閉成されて導通し、４台の電動機７０が駆動される。

このように、実施の形態１に係る電気車推進制御システムでは、１台のインバータで複数台の電動機を駆動する一括制御方式であっても、２台以上の電動機の駆動力を１台ずつ個別にオン又はオフすることが可能となる。これにより、トルク−効率特性を考慮して電動機を駆動することができ、電動機駆動の総合効率を高めることが可能となる。

実施の形態２．
図７は、実施の形態２に係る電気車推進制御システムの構成を示すブロック図である。図１に示す実施の形態１に係る電気車推進制御システム５０では、２つの台車８０のうちの一方の台車８０のみに開閉部６ａ，６ｂを備える構成であった。これに対し、実施の形態２に係る電気車推進制御システム５０Ａでは、もう一方の台車８０にも開閉部６ｃ，６ｄを備えるように構成されている。すなわち、実施の形態２に係る電気車推進制御システム５０Ａでは、インバータ４と全ての電動機７０との間に開閉部６ａ〜６ｄが設けられている。その他の構成については、実施の形態１と同一又は同等であり、同一又は同等の構成部には、同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

図８は、実施の形態２における稼働台数の算出手法の説明に供する図である。図８の上段部には、第１の駆動力指令に対する電動機１台あたりの駆動力が示され、下段部には、第１の駆動力指令に対する稼働台数が示されている。

図７の構成では、全ての電動機７０に開閉部６ａ〜６ｄが配置されているので、電動機７０の最小駆動台数は１台である。このため、第１の駆動力指令が上限値Ｆｍまでは稼働台数が１台とされ、第１の駆動力指令が上限値Ｆｍを超えると稼働台数が２台とされ、さらに第１の駆動力指令が上限値Ｆｍの２倍である２Ｆｍを超えると稼働台数が３台にされる。なお、図８では図示していないが、第１の駆動力指令が上限値Ｆｍの３倍である３Ｆｍを超えた場合には、稼働台数が４台に設定されることは言うまでもない。

図７の構成において、稼働台数が１台の場合には、開閉部６ａ〜６ｄのうちの何れか３つを開放する。これにより、１台の電動機７０のみが駆動される。また、稼働台数が２台の場合には、開閉部６ａ〜６ｄのうちの何れか２つが開放される。これにより、２台の電動機７０が駆動される。さらに、稼働台数が３台の場合には、開閉部６ａ〜６ｄのうちの何れか１つが開放される。これにより、３台の電動機７０が駆動される。そして、稼働台数が４台の場合には、開閉部６ａ〜６ｄの全てが閉成されて導通し、４台の電動機７０が駆動される。

このように、実施の形態２に係る電気車推進制御システムでは、１台のインバータで複数台の電動機を駆動する一括制御方式であっても、電動機の駆動力を１台ずつ個別にオン又はオフすることが可能となる。これにより、トルク−効率特性を考慮して電動機を駆動することができ、電動機駆動の総合効率を高めることが可能となる。

また、実施の形態２に係る電気車推進制御システムでは、全ての電動機に対して、電気的開放および導通の状態を個別に制御できるように開閉部が配置されているので、任意の電動機を選択して駆動することができ、駆動する電動機の稼働率を平準化することが可能となる。

実施の形態３．
図９は、実施の形態３に係る電気車推進制御システムの構成を示すブロック図である。図７に示す実施の形態２に係る電気車推進制御システム５０Ａでは、電動機単位で全ての電動機７０に開閉部６ａ〜６ｄを備える構成であった。これに対し、実施の形態３に係る電気車推進制御システム５０Ｂでは、台車単位で全ての台車８０に開閉部６ｅ，６ｆを備えるように構成されている。その他の構成については、実施の形態２と同一又は同等であり、同一又は同等の構成部には、同一の符号を付して、重複する説明は省略する。なお、実施の形態３の要旨は、少なくとも１台の台車８０に搭載される電動機７０の電気的開放及び導通の切り替えを可能とする構成であればよく、開閉部６ｅ，６ｆのうちの何れか一方を省略してもよい。

図１０は、実施の形態３における稼働台数の算出手法の説明に供する図である。図１０の上段部には、第１の駆動力指令に対する電動機１台あたりの駆動力が示され、下段部には、第１の駆動力指令に対する稼働台数が示されている。

図９の構成では、台車８０の単位で開閉部６ｅ，６ｆが配置されているので、電動機７０の最小駆動台数は２台である。このため、第１の駆動力指令が上限値Ｆｍまでは稼働台数が２台とされ、第１の駆動力指令が上限値Ｆｍの２倍である２Ｆｍを超えると稼働台数が４台とされる。

図９の構成において、稼働台数が２台の場合には、開閉部６ｅ，６ｆのうちの何れか１つが開放される。これにより、開放されていない開閉部に接続される２台の電動機７０が駆動される。また、稼働台数が４台の場合には、開閉部６ｅ，６ｆの双方が閉成されて導通し、４台の電動機７０が駆動される。

図１１は、実施の形態３の選択力行と従来の選択力行との比較説明に供する図である。図１１において、実線は実施の形態３の選択力行に関する波形であり、破線は従来の選択力行に関する波形である。また、図１１では、上段部から下段部にかけて、電動機１台あたりの駆動力、電動機稼働台数、及びインバータ駆動台数を示している。

図１１の中段部の波形に着目すると、以下のことが示されている。
（１）電気車の必要駆動力が０を超え、２Ｆｍ以下のとき
従来の選択力行では４台の電動機を駆動する必要があるのに対し、実施の形態３の選択力行では２台の電動機の駆動でよい。
（２）電気車の必要駆動力が４Ｆｍを超え、６Ｆｍ以下のとき
従来の選択力行では８台の電動機を駆動する必要があるのに対し、実施の形態３の選択力行では６台の電動機の駆動でよい。
（３）電気車の必要駆動力が８Ｆｍを超え、１０Ｆｍ以下のとき
従来の選択力行では１２台の電動機を駆動する必要があるのに対し、実施の形態３の選択力行では１０台の電動機の駆動でよい。

上記のように、実施の形態３に係る電気車推進制御システムでは、１台のインバータで複数台の電動機を駆動する一括制御方式であっても、電動機の駆動力を２台ずつ個別にオン又はオフすることが可能となる。これにより、トルク−効率特性を考慮して電動機を駆動することができ、電動機駆動の総合効率を高めることが可能となる。

また、実施の形態３に係る電気車推進制御システムでは、台車単位で開閉部が配置されているので、開閉部の数を少なくしつつ、駆動する電動機の稼働率の平準化も図ることが可能となる。

実施の形態４．
図１２は、実施の形態４に係る電気車推進制御システムの構成を示すブロック図である。実施の形態４に係る電気車推進制御システム５０Ｃでは、図９に示す実施の形態３に係る電気車推進制御システム５０Ｂの構成において、電動機７０の空転を検知する空転検知部８をさらに備えている。電動機７０には、電動機７０の回転周波数を検出するための回転センサ７５が取り付けられている。空転検知部８は、回転センサ７５が検出した電動機７０の回転周波数に基づいて、電動機７０の空転を検知する機能を有する。その他の構成については、実施の形態３と同一又は同等であり、同一又は同等の構成部には、同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

図１３は、２台の台車８０に搭載される４台の電動機７０のうちの１つの電動機７０に継続的な空転が生じたときの回転周波数の変化の様子を示す図である。なお、図１３では、４つの電動機７０に連結される車軸をそれぞれ第１軸、第２軸、第３軸及び第４軸とするときに、第４軸に継続的な空転が生じたとして示している。ここでは、第１軸の回転周波数を、「第１軸周波数」と呼ぶ。第２〜第４軸の回転周波数についても同様に呼称する。継続的な空転とは、例えば、電動機７０で発生した駆動力を車軸７２へ伝達する、動力伝達機構に不具合が生じた場合が挙げられる。

図１３において、実線は、第１〜第３軸周波数を示している。第１〜第３軸には継続的な空転が生じていないため、回転周波数は安定的に推移する。また、破線は、第１〜第４軸周波数の平均値をとった平均周波数である。第４軸に継続的な空転が生じたことを仮定しているので、全軸の平均周波数は、第１〜第３軸周波数のそれぞれよりも大きく、一点鎖線で示す第４軸周波数よりも小さい。また、継続的な空転が生じている車軸は、無負荷で駆動されているに等しいため、第４軸周波数はインバータ周波数に等しく、インバータ周波数は全軸の平均周波数とすべり周波数との和に等しい。これらの関係により、第４軸周波数と平均周波数との差はすべり周波数となる。

ここで、空転検知の一例を示す。空転検知部８は、第１〜第４軸周波数のうちの最大値、及び第１〜第４軸周波数のうちの最小値を算出し、最大値と最小値との差が、閾値よりも大きいときに、空転が発生していると判定する。なお、この例においては、すべり周波数を空転判定のための閾値とすることができる。

図１２に戻り、空転検知部８による判定結果は、開閉制御部２に入力される。開閉制御部２は、空転が生じていると判定された場合には、空転が生じていると判定された電動機７０を含む台車８０に対して配置された開閉部を開放する制御を行う。これにより、機構不具合が生じた場合にも、当該機構不具合が生じた軸の電動機を電気的に切り離すことが可能となる。

また、空転検知部８による判定結果は、駆動力分配部１にも入力される。駆動力分配部１は、空転が生じていると判断された電動機７０を除く、残りの電動機７０だけで、第１の駆動力指令が分担されるように、電動機７０の稼働台数と電動機１台あたりの駆動力を演算する。これにより、空転が生じていない残りの電動機によって、電気車に対する適切な駆動力を付与することが可能となる。

実施の形態５．
図１４は、実施の形態５に係る電気車推進制御システムの構成を示すブロック図である。実施の形態５に係る電気車推進制御システム５０Ｄは、図９に示す実施の形態３に係る電気車推進制御システム５０Ｂの構成において、インバータ４に対するゲートオン及びゲートオフの制御と、開閉制御部２が行う開閉部の開閉制御との間の連携機能を付加したものである。基本的な構成については、実施の形態３の構成と同一又は同等であり、同一又は同等の構成部には、同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

図１５は、実施の形態５における開閉部閉成指令の処理シーケンスを示す第１のフローチャートである。図１５には、インバータ４のゲートオン及びゲートオフを考慮した開閉部閉成指令の処理シーケンスが示されている。図１５において、まず、インバータ４がゲートオンの状態であるか否かを判定する（ステップＳＴ１０１）。インバータ４がゲートオンしていなければ（ステップＳＴ１０１，Ｎｏ）、閉成対象の開閉部に閉成指令を出力する（ステップＳＴ１０２）。一方、インバータ４がゲートオンしていれば（ステップＳＴ１０１，Ｙｅｓ）、インバータ４を一旦ゲートオフしてから（ステップＳＴ１０３）、閉成対象の開閉部に閉成指令を出力し（ステップＳＴ１０４）、その後にインバータ４を再度ゲートオンする（ステップＳＴ１０５）。

図１５に示す処理シーケンスによれば、閉成対象の開閉部に閉成指令を出力する際には、一旦、インバータ４をゲートオフするようにしているので、電動機７０に突入電流が生じるのを防止することができる。

図１６は、実施の形態５における開閉部開放指令の処理シーケンスを示す第２のフローチャートである。図１６には、インバータ４のゲートオン及びゲートオフを考慮した開閉部閉成指令の図１５とは異なる処理シーケンスが示されている。なお、図１６において、Ｎ_cbは開閉部の全数であり、Ｎ^* _openは開閉制御部２から開放を指示された開閉部の個数である。

図１６において、まず、インバータ４がゲートオンの状態であるか否かを判定する（ステップＳＴ２０１）。インバータ４がゲートオンしていなければ（ステップＳＴ２０１，Ｎｏ）、開放対象の開閉部に開放指令を出力する（ステップＳＴ２０２）。一方、インバータ４がゲートオンしていれば（ステップＳＴ２０１，Ｙｅｓ）、Ｎ^* _openとＮ_cbとが等しいか否か、すなわち全ての開閉部に開放指令が出力されているか否かが判定される（ステップＳＴ２０３）。ここで、全ての開閉部に開放指令が出力されている場合には（ステップＳＴ２０３，Ｙｅｓ）、インバータ４をゲートオフする（ステップＳＴ２０４）。一方、全ての開閉部に開放指令が出力されていない場合には（ステップＳＴ２０３，Ｎｏ）、インバータ４を一旦ゲートオフしてから（ステップＳＴ２０５）、開放対象の開閉部に開放指令を出力し（ステップＳＴ２０６）、その後にインバータ４を再度ゲートオンする（ステップＳＴ２０７）。

図１６に示す処理シーケンスによれば、開放対象の開閉部に開放指令を出力する際には、一旦、インバータ４をゲートオフするようにしているので、電動機７０の稼動台数が変化するときに、電動機７０の合計の駆動力に、意図しない変動が生ずるのを抑止することができる。また、図１６に示す処理シーケンスによれば、開閉部の全てを開放するときには、開閉部の状態を切り替えずにインバータ４をゲートオフするようにしているので、開閉部の動作回数を省くことができ、開閉部の寿命の延伸化を図ることができる。

図１７は、実施の形態５におけるインバータゲートオン指令の処理シーケンスを示す第３のフローチャートである。図１７には、インバータ４をゲートスタートするときにおける開閉部閉成指令及び開閉部開放指令を考慮したインバータゲートオン指令の処理シーケンスが示されている。なお、図１７において、Ｎ^* _openは開閉制御部２から開放を指示された開閉部の個数であり、Ｎ_openは開放を指示された開閉部における開放状態の個数である。

図１７において、まず、Ｎ^* _openとＮ_openとが等しいか否か、すなわち開放を指示された開閉部の全てが開放状態にあるか否かが判定される（ステップＳＴ３０１）。ここで、開放を指示された開閉部の全てが開放状態である場合には（ステップＳＴ３０１，Ｙｅｓ）、インバータ４をゲートオンする（ステップＳＴ３０３）。一方、開放を指示された開閉部の全てが開放状態ではない場合（ステップＳＴ３０１，Ｎｏ）、インバータ４を直ぐにはゲートオンせずに、開放すべき開閉部は開放し、閉成すべき開閉部は閉成し（ステップＳＴ３０２）、その後にインバータ４をゲートオンする（ステップＳＴ３０３）。

図１７に示す処理シーケンスによれば、インバータ４をゲートスタートするときは、開閉部の状態を予め変更してからインバータ４をゲートオンするようにしているので、電動機７０に突入電流が生じるのを防止することができる。また、電動機７０の合計の駆動力に、意図しない変動が生ずるのを防止することができる。

なお、実施の形態１から５では、外部から入力される第１の駆動力指令に基づいて、電動機７０の稼働台数及び電動機１台あたりの駆動力を算出するようにしているが、外部から入力される車両位置情報を用いて、電動機７０の稼働台数及び電動機１台あたりの駆動力を算出するようにしてもよい。

前述の通り、開閉部を閉成するときは突入電流を防止する観点から、いったんインバータ４をゲートオフするのが望ましい。また、開閉部を開放するときは、電動機７０の合計の駆動力に意図しない変動が生じるのを防止する観点から、いったんインバータ４をゲートオフするのが望ましい。したがって、勾配や曲線の有無などから第１の駆動力指令が変化することが予測される場合には、電気車が惰行中でインバータ４がゲートオフしている最中に、予め開閉部の閉成または開放の状態を変更しておくことが有効である。

つまり、外部から入力される車両位置情報を用いて、電動機７０の稼働台数及び電動機１台あたりの駆動力を算出するようにすれば、駆動力を発揮している最中にインバータ４をゲートオフするステップを省略できる。

実施の形態６．
図１８は、実施の形態６における電圧制御部３の細部構成を示すブロック図である。図１８に示すように、電圧制御部３には、第２の駆動力指令、開閉部開放数、及び電流取得値が入力される。第２の駆動力指令は、駆動力分配部１の駆動力算出部１０Ｃによって生成される。開閉部開放数に関する情報は、駆動力分配部１の稼働台数算出部１０Ｂが算出した稼働台数の情報を利用して入手することができる。電流取得値は、電流検出器５から取得した電流値である。なお、開閉部開放数に関する情報に代えて、開閉部閉成数に関する情報を入手してもよい。

電圧制御部３は、インバータ４の出力電圧をベクトル制御し、且つ回転センサを使用せずに電流値から回転周波数を推定するいわゆる速度センサレス制御を行うための構成部として、電流処理部３１、速度推定部３２、電圧指令演算部３３、座標変換部３４、及びＰＷＭ処理部３５を有する。

電流処理部３１は、電流取得値、開閉部開放数に基づいて、電動機１台あたりの電流値に換算した電流である単位電流を、以下の（１）式を用いて演算する。

（単位電流）＝（電流取得値）÷（電動機台数）×（開閉部の個数）÷（閉成すべき開閉部の数） …（１）

電流処理部３１によって演算された単位電流は、後述する電圧位相角θに基づきｄｑ座標系の電流値ｉ_ｄｑに変換されて速度推定部３２及び電圧指令演算部３３に伝達される。

速度推定部３２は、電流処理部３１が算出した単位電流の電流値ｉ_ｄｑ及び電圧指令演算部３３が算出したｄｑ座標系の電圧指令ｖ*_ｄｑに基づいて、電動機７０の回転周波数に対応する速度推定値ω_eを推定して電圧指令演算部３３に出力する。

電圧指令演算部３３は、第２の駆動力指令、単位電流の電流値ｉ_ｄｑ及び速度推定値ω_eに基づいて、ｄｑ座標系の電圧指令ｖ*_ｄｑ及びｄｑ座標系の電圧位相角θを演算する。座標変換部３４は、電圧位相角θを使用してｄｑ座標系の電圧指令ｖ*_ｄｑを、ＵＶＷ座標系における電圧指令ｖ*_ＵＶＷに変換してＰＷＭ処理部３５に出力する。ＰＷＭ処理部３５は、電圧指令ｖ*_ＵＶＷに基づいて、インバータ４の図示しないスイッチング素子を制御するためのスイッチング指令を生成してインバータ４に出力する。

なお、図１８に示した電圧制御部３の構成は、上述した実施の形態１〜５に示した電気車推進制御システム５０〜５０Ｄの何れにも適用可能である。実施の形態１〜５の電気車推進制御システム５０〜５０Ｄのそれぞれに適用することにより、速度センサレス制御を行う制御系においても、実施の形態１〜５で得られた効果を享受することができる。

最後に、実施の形態１〜６における駆動力分配部１、開閉制御部２及び電圧制御部３の機能を実現するハードウェア構成について、図１９及び図２０の図面を参照して説明する。

上述した駆動力分配部１、開閉制御部２及び電圧制御部３の機能の一部又は全部を実現する場合には、図１９に示すように、演算を行うＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ：中央処理装置）２００、ＣＰＵ２００によって読みとられるプログラムが保存されるメモリ２０２及び信号の入出力を行うインタフェース２０４を含む構成とすることができる。なお、ＣＰＵ２００は、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、又はＤＳＰ（ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｏｒ）といった演算手段であってもよい。また、メモリ２０２とは、ＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（ＥｒａｓａｂｌｅＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＲＯＭ）、ＥＥＰＲＯＭ（ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙＥＰＲＯＭ）といった不揮発性又は揮発性の半導体メモリが該当する。

具体的に、メモリ２０２には、駆動力分配部１、開閉制御部２及び電圧制御部３の機能の一部又は全部を実行するプログラムが格納されている。ＣＰＵ２００は、インタフェース２０４を介して、必要な情報の授受を行うことにより、実施の形態１〜６で説明された各種の演算処理を実行する。

図１９に示すＣＰＵ２００及びメモリ２０２は、図２０のように処理回路２０３に置き換えてもよい。処理回路２０３は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＳｐｅｃｉｆｉｃＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−ＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＧａｔｅＡｒｒａｙ）、又は、これらを組み合わせたものが該当する。

なお、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１駆動力分配部、２開閉制御部、３電圧制御部、４インバータ、５電流検出器、６，６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅ，６ｆ開閉部、６Ａ，６Ｂ，６Ｃ接触器、８空転検知部、１０Ａ選択力行有効無効判定部、１０Ｂ稼働台数算出部、１０Ｃ駆動力算出部、３１電流処理部、３２速度推定部、３３電圧指令演算部、３４座標変換部、３５ＰＷＭ処理部、５０，５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ，５０Ｄ電気車推進制御システム、７０電動機、７２車軸、７５回転センサ、８０台車、２００ＣＰＵ、２０２メモリ、２０３処理回路、２０４インタフェース。

Claims

電気車を駆動する電気車推進制御システムであって、
複数台の誘導電動機と、
複数台の前記誘導電動機に共通の電圧を印加するインバータと、
前記インバータと少なくとも１台の前記誘導電動機との間の電気的開放及び導通の切り替えを可能とする少なくとも１つの開閉部と、
前記開閉部の電気的開放及び導通の状態を制御する開閉制御部と、
外部から入力される駆動力指令に基づいて前記誘導電動機の稼働台数及び前記誘導電動機１台あたりの駆動力を演算する駆動力分配部と、
を備え、
前記開閉制御部は、前記稼働台数に基づいて、前記開閉部の電気的開放及び導通の状態を切り替える
ことを特徴とする電気車推進制御システム。
前記開閉部は、全ての前記誘導電動機に対して、電気的開放及び導通の状態を個別に制御できるように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電気車推進制御システム。
前記開閉部は、前記電気車の同一の台車にある車軸を駆動する複数台の前記誘導電動機に対して、電気的開放及び導通の状態を一括して制御できるように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電気車推進制御システム。
前記開閉部は、前記誘導電動機の三相ある電力線のうちの何れかの相の電気的開放及び導通の状態を切り替える、少なくとも２つの接触器からなり、少なくとも２つの前記接触器は、電気的開放及び導通の状態を一括で切り替え可能に構成されていることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の電気車推進制御システム。
前記誘導電動機の空転を検知する空転検知部を備え、
前記開閉制御部は、前記空転検知部の出力に基づいて前記開閉部の電気的開放及び導通の状態を切り替える
ことを特徴とする請求項２から４の何れか１項に記載の電気車推進制御システム。
電気車を駆動する電気車推進制御システムであって、
複数台の誘導電動機と、
複数台の前記誘導電動機に共通の電圧を印加するインバータと、
前記インバータと少なくとも１台の前記誘導電動機との間の電気的開放及び導通の切り替えを可能とする少なくとも１つの開閉部と、
前記開閉部の電気的開放及び導通の状態を制御する開閉制御部と、
外部から入力される車両位置情報に基づいて、前記誘導電動機の稼働台数及び前記誘導電動機１台あたりの駆動力を演算する駆動力分配部と、
を備え、
前記開閉制御部は、前記稼働台数に基づいて、前記開閉部の電気的開放及び導通の状態を切り替える
ことを特徴とする電気車推進制御システム。
複数台の前記誘導電動機に流れる電流の合計値を取得するよう配置された電流センサと、
前記インバータの出力電圧をベクトル制御により演算する電圧制御部と、
を備え、
前記電圧制御部は、前記電流センサから取得した電流値を、次式に基づいて前記誘導電動機１台あたりの電流値に換算した単位電流を算出する電流処理部を備えたことを特徴とする請求項２から６の何れか１項に記載の電気車推進制御システム。
（単位電流）＝（センサ取得値）÷（誘導電動機台数）×（開閉部の個数）÷（閉成すべき開閉部の数）
前記電圧制御部は、前記インバータの出力電圧を速度センサレスベクトル制御により演算するものであって、前記電流処理部の出力に基づいて前記誘導電動機の回転速度を推定演算する速度推定部を備えることを特徴とする請求項７に記載の電気車推進制御システム。
前記開閉部を閉成するときは一旦、前記インバータをゲートオフすることを特徴とする請求項１から８の何れか１項に記載の電気車推進制御システム。
前記開閉部を開放するときは一旦、前記インバータをゲートオフすることを特徴とする請求項１から８の何れか１項に記載の電気車推進制御システム。
前記開閉部の全てを開放するときは、前記開閉部の状態を切り替えずに前記インバータをゲートオフすることを特徴とする請求項１から８の何れか１項に記載の電気車推進制御システム。
前記インバータをゲートスタートするときは、前記開閉部の状態を予め変更してからゲートオンすることを特徴とする請求項１から８の何れか１項に記載の電気車推進制御システム。