JP2010035373A

JP2010035373A - 鉄道車両駆動制御装置

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Publication number: JP2010035373A
Application number: JP2008196662A
Authority: JP
Inventors: Hideyuki Shimizu; 秀幸清水
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2008-07-30
Filing date: 2008-07-30
Publication date: 2010-02-12

Abstract

【課題】鉄道車両が惰性で走行している状態から電力変換手段を起動させる場合に、過渡電流や永久磁石形同期電動機のトルクショックを防止しながら起動することが可能な鉄道車両駆動制御装置を提供する。
【解決手段】本発明装置は、電力変換手段１０が動作を開始する場合に、第１の電力変換回路１２のスイッチング素子のＯＮ・ＯＦＦ動作を開始させる第１の電力変換回路起動指令と、第２の電力変換回路２２のスイッチング素子のＯＮ・ＯＦＦ動作を開始させる第２の電力変換回路起動指令と、直流電圧検出手段の出力を入力し、第１の電力変換回路の出力電圧の目標値である直流電圧指令値を演算し、に第１の電力変換回路起動指令と第２の電力変換回路起動指令と直流電圧検出手段の出力と直流電圧指令値を入力し、第１の電力変換回路、第２の電力変換回路それぞれのスイッチング素子をＯＮ・ＯＦＦ制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、電動機を駆動源とした鉄道車両の駆動を制御するための鉄道車両駆動制御装置に関する。

従来、車両を駆動する永久磁石形同期電動機と、直流又は交流の電源電圧を任意の電圧と任意の周波数のｎ相交流電圧（ｎは交流の相数を表す任意の数）に変換して永久磁石形同期電動機に交流電力を供給する電力変換手段とを備えた鉄道車両駆動制御装置であって、電力変換手段には、直流または交流の電源電圧を任意の直流電圧に変換する第１の電力変換回路と、第１の電力変換回路が供給する直流電圧を任意の電圧と任意の周波数のｎ相交流電圧に変換して出力する第２の電力変換回路を具備した構成の鉄道車両駆動制御装置が知られている。このような鉄道車両駆動制御装置では、その運転を開始する場合や、走行中に保護機能が保護検知したために一旦鉄道車両駆動制御装置を停止した後に再度運転を開始する手順は次の通りである。まず、充電用開閉器を投入して電力変換手段の第１の電力変換回路と第２の電力変換回路との間の中間直流回路に設けた平滑コンデンサを充電する。充電用開閉器を投入すると、第１の電力変換回路に内蔵されているスイッチング素子の逆並列ダイオードを経由して充電回路抵抗器で制限された電流によって平滑コンデンサが充電される。そして平滑コンデンサの充電が完了した後に回路開閉器を投入するとともに、充電用開閉器を開放する。

上記の回路開閉器を投入するタイミングについては、充電回路抵抗器の抵抗値と平滑コンデンサの静電容量から予め求められる充電時間を考慮して、充電用開閉器を投入した後に前述の充電時間が経過したことで、回路開閉器を投入するとともに充電用開閉器を開放する。または別の方式として、直流電圧検出手段の出力信号である電圧検出値を監視して平滑コンデンサの電圧が予め設定された閾値を超えたときに回路開閉器を投入するとともに充電用開閉器を開放する構成とすることもある。

回路遮断器と回路開閉器が投入されて鉄道車両駆動制御装置の回路が構成された後、第１の電力変換回路と第２の電力変換回路はそれぞれが内蔵するスイッチング素子のＯＮ・ＯＦＦ動作を開始して起動する。

ところで、鉄道車両の場合、加速する場合と制動する場合には車両駆動用電動機に電力変換手段から電力を供給するが、惰性で走行する場合には電力変換手段を停止する（車両駆動用電動機に電流を流さない）という鉄道車両特有の運転方法が一般的に行われている。また、永久磁石形同期電動機は、回転子の回転にともなってその端子に永久磁石の磁束による誘起電圧を発生する。したがって、鉄道車両の走行中には永久磁石形同期電動機の端子には誘起電圧（永久磁石誘起電圧）が発生している。

鉄道車両が惰性で走行している状態（電力変換手段が停止状態）から電力変換手段を起動する場合、過渡電流や永久磁石形同期電動機のトルクショックを防止しながら円滑に起動することが望ましい。このためには、第２の電力変換回路の電源である直流電圧を、第１の電力変換回路による電力変換によって永久磁石誘起電圧よりも大きい電圧に調整した状態で、第２の電力変換回路のスイッチング素子のＯＮ・ＯＦＦ動作によって第２の電力変換回路の出力電圧（永久磁石形同期電動機への印加電圧）を調整しながら起動する必要がある。

この動作を実現するために、従来は、起動指令が入力されると電力変換手段が停止状態での直流電圧検出値を初期値とし、永久磁石形同期電動機の回転に伴う永久磁石誘起電圧の大きさを考慮した直流電圧指令値へステップ状に引き上げる。そして直流電圧指令値は、永久磁石型同期電動機の回転角検出器により検出した回転角検出値に基づいて算出した値を用いている。

永久磁石形同期電動機を駆動制御（電動機電流を制御または発生トルクを制御）するためには、永久磁石形同期電動機の回転子（ロータ）の回転角と回転方向および回転周波数を認識する必要がある。このために、従来の鉄道車両駆動制御装置では、永久磁石形同期電動機に回転角検出手段を設けていた。

しかしながら、従来の鉄道車両駆動制御装置では、次のような問題点があった。前述の回転角検出手段を永久磁石形同期電動機に設ける方法は、車両駆動用電動機が車軸や台車に取り付けられる鉄道車両特有の形態を考えると、回転角検出手段も、汚損が激しい場所、また走行に伴なう車軸からの振動を受ける場所に取り付けられることになり、回転角検出手段自体、および回転角検出手段への配線の、強度、耐久性、信頼性を十分に考慮しなくてはならないという問題点がある。

この問題点を解決する方法として、回転角検出手段を設けずに、電力変換手段から永久磁石形同期電動機へ供給される電流と電圧から、回転子の回転方向と回転周波数および回転角を推定する方法がある。そして、電力変換手段から永久磁石形同期電動機へ供給される電流と電圧から回転方向と回転周波数および回転角を推定する方法の主要例としては、永久磁石形同期電動機の誘起電圧を利用する方法と、高周波電圧重畳方法とがある。

永久磁石形同期電動機の誘起電圧を利用する方法は、例えば、特許第３６９２０８５号公報（特許文献１）に記載されているように、永久磁石形同期電動機が駆動制御される状態において、回転子の回転に伴って誘起される誘起電圧成分が制御回転座標軸の磁束方向と直交する方向に現れることを利用して、回転子回転角を推定するとともに回転方向と回転周波数を推定する方法である。

また、高周波電圧重畳方法としては、例えば、特許第３７１９９１０号公報（特許文献２）に記載されているように、永久磁石形同期電動機を駆動制御する電圧指令に高周波成分を重畳して、その高周波成分に応答する電流を検出することにより永久磁石形同期電動機のインピーダンスを推定、または評価関数を演算することにより回転子回転角を推定するとともに回転方向と回転周波数を推定する方法である。

ところが、前述の、電力変換手段から永久磁石形同期電動機へ供給される電流と電圧から回転子の回転方向と回転周波数および回転角を推定する方法は、電力変換手段が動作して永久磁石同期電動機に電力を供給している状態の時のみ可能な方法であり、電力変換手段が停止している場合、つまり鉄道車両が惰性で走行している場合には回転子の回転方向と回転周波数および回転角を推定することが不可能である。これは、鉄道車両が惰性で走行している場合には、回転角検出値および回転角周波数が認識できないことになり、第２の電力変換回路を円滑に起動するために十分な直流電圧の大きさを指令する直流電圧指令値を電力変換手段を起動する前に演算できない問題点があった。

また、前述の電力変換手段から永久磁石形同期電動機へ供給される電流と電圧から回転子の回転方向と回転周波数および回転角を推定する方法では、電力変換手段を起動する場合に、起動してから短時間（例えば数１０ｍｓ）のうちに、電動機電流の安定した制御と、回転子の回転方向と回転周波数および回転角の安定した推定演算が同時に行えるようにする必要がある。このためには、電力変換手段が起動してから前記推定演算が安定するまでの期間は前述の第２の電力変換回路の出力電圧の調整（可変）余裕が十分に必要で、第２の電力変換回路の電源である直流電圧を、永久磁石誘起電圧に対して十分大きい値にしておく必要があった。
特許第３６９２０８５号公報特許第３７１９９１０号公報

本発明は、これらの従来の技術的課題に鑑みてなされたもので、車両を駆動する永久磁石形同期電動機に回転角検出手段を設ける必要がなく、かつ、鉄道車両が惰性で走行している状態から電力変換手段を起動させる場合に、過渡電流や永久磁石形同期電動機のトルクショックを防止しながら起動することが可能な鉄道車両駆動制御装置を提供することを目的とする。

本発明の１つの特徴は、車両を駆動する永久磁石形同期電動機と、電源電圧を任意の電圧と任意の周波数のｎ相交流電圧（ｎは交流の相数を表す任意の数）に変換して前記永久磁石形同期電動機に交流電力を供給する電力変換手段を有し、前記電力変換手段には、直流または交流の電源電圧を任意の直流電圧に変換する第１の電力変換回路と、前記第１の電力変換回路が供給する直流電圧を任意の電圧と任意の周波数のｎ相交流電圧に変換して出力する第２の電力変換回路が内蔵されており、さらに、前記電力変換手段が動作を開始する場合に、前記第１の電力変換回路が内蔵するスイッチング素子のＯＮ・ＯＦＦ動作を開始する指令である第１の電力変換回路起動指令と、前記第２の電力変換回路が内蔵するスイッチング素子のＯＮ・ＯＦＦ動作を開始する指令である第２の電力変換回路起動指令を出力する起動指令出力手段と、前記第１の電力変換回路と前記第２の電力変換回路の間の直流回路の電圧を検出する直流電圧検出手段と、前記第１の電力変換回路起動指令と第２の電力変換回路起動指令、および前記直流電圧検出手段の出力を入力として、前記第１の電力変換回路が電力変換して出力する直流電圧の目標値である直流電圧指令値を演算して出力する直流電圧指令演算手段と、前記第１の電力変換回路起動指令と前記第２の電力変換回路起動指令と前記直流電圧検出手段の出力と前記直流電圧指令値を入力として、前記第１の電力変換回路が内蔵するスイッチング素子と、前記第２の電力変換回路が内蔵するスイッチング素子の、それぞれのＯＮ・ＯＦＦ動作のためのゲート信号を出力する制御手段を有する鉄道車両駆動制御装置である。

本発明の別の特徴は、車両を駆動する永久磁石形同期電動機と、電源電圧を任意の電圧と任意の周波数のｎ相交流電圧（ｎは交流の相数を表す任意の数）に変換して前記永久磁石形同期電動機に交流電力を供給する電力変換手段を有し、前記電力変換手段には、直流または交流の電源電圧を任意の直流電圧に変換する第１の電力変換回路と、前記第１の電力変換回路が供給する直流電圧を任意の電圧と任意の周波数のｎ相交流電圧に変換して出力する第２の電力変換回路が内蔵されており、さらに、前記電力変換手段が動作を開始する場合に、前記第１の電力変換回路が内蔵するスイッチング素子のＯＮ・ＯＦＦ動作を開始する指令である第１の電力変換回路起動指令と、前記第２の電力変換回路が内蔵するスイッチング素子のＯＮ・ＯＦＦ動作を開始する指令である第２の電力変換回路起動指令を出力する起動指令出力手段と、前記第１の電力変換回路と前記第２の電力変換回路の間の直流回路の電圧を検出する直流電圧検出手段と、前記電力変換手段と前記永久磁石形同期電動機との間のｎ相回路のうちの２つの相の間に生じる線間電圧のうち、少なくとも１つの線間電圧を検出するための電動機電圧検出手段と、前記電動機電圧検出手段の出力を入力として、前記永久磁石形同期電動機の回転に伴う永久磁石誘起電圧の線間電圧の振幅値を演算して出力する振幅値演算手段と、前記直流電圧検出手段の出力と、前記振幅値演算手段の出力および、前記第１の電力変換回路起動指令と第２の電力変換回路起動指令を入力として、前記第１の電力変換回路が電力変換して出力する直流電圧の目標値である直流電圧指令値を演算して出力する直流電圧指令演算手段と、前記第１の電力変換回路起動指令と前記第２の電力変換回路起動指令と前記直流電圧検出手段の出力と前記直流電圧指令値を入力として、前記第１の電力変換回路が内蔵するスイッチング素子と、前記第２の電力変換回路が内蔵するスイッチング素子の、それぞれのＯＮ・ＯＦＦ動作のためのゲート信号を出力する制御手段を有する鉄道車両駆動制御装置である。

また、本発明の別の特徴は、車両を駆動する永久磁石形同期電動機と、電源電圧を任意の電圧と任意の周波数のｎ相交流電圧（ｎは交流の相数を表す任意の数）に変換して前記永久磁石形同期電動機に交流電力を供給する電力変換手段を有し、前記電力変換手段には、直流または交流の電源電圧を任意の直流電圧に変換する第１の電力変換回路と、前記第１の電力変換回路が供給する直流電圧を任意の電圧と任意の周波数のｎ相交流電圧に変換して出力する第２の電力変換回路が内蔵されており、さらに、前記電力変換手段が動作を開始する場合に、前記第１の電力変換回路が内蔵するスイッチング素子のＯＮ・ＯＦＦ動作を開始する指令である第１の電力変換回路起動指令と、前記第２の電力変換回路が内蔵するスイッチング素子のＯＮ・ＯＦＦ動作を開始する指令である第２の電力変換回路起動指令を出力する起動指令出力手段と、前記第１の電力変換回路と前記第２の電力変換回路の間の直流回路の電圧を検出する直流電圧検出手段と、前記電力変換手段と前記永久磁石形同期電動機との間のｎ相回路のうちの２つの相の間に生じる線間電圧のうち、少なくとも１つの線間電圧を検出するための電動機電圧検出手段と、前記電動機電圧検出手段の出力を入力として、前記永久磁石形同期電動機の回転に伴う永久磁石誘起電圧の線間電圧の周波数を演算して出力する回転周波数演算手段と、前記直流電圧検出手段の出力と、前記回転周波数演算手段の出力および、前記第１の電力変換回路起動指令と第２の電力変換回路起動指令を入力として、前記第１の電力変換回路が電力変換して出力する直流電圧の目標値である直流電圧指令値を演算して出力する直流電圧指令演算手段と、前記第１の電力変換回路起動指令と前記第２の電力変換回路起動指令と前記直流電圧検出手段の出力と前記直流電圧指令値を入力として、前記第１の電力変換回路が内蔵するスイッチング素子と、前記第２の電力変換回路が内蔵するスイッチング素子の、それぞれのＯＮ・ＯＦＦ動作のためのゲート信号を出力する制御手段を有する鉄道車両駆動制御装置である。

本発明の鉄道車両駆動制御装置によれば、車両を駆動する永久磁石形同期電動機に回転角検出手段を設ける必要がなく、かつ、鉄道車両が惰性で走行している状態から電力変換手段を起動させる場合に、過渡電流や永久磁石形同期電動機のトルクショックを防止しながら起動することが可能である。

また、本発明の鉄道車両駆動制御装置によれば、電力変換手段から永久磁石形同期電動機へ供給される電流と電圧から回転子の回転方向と回転周波数および回転角を推定する方法において、電力変換手段が起動してから前記推定演算が安定するまでの期間の電力変換手段の出力電圧の調整（可変）余裕が十分に確保できるため、電力変換手段を起動してから短時間のうちに、電動機電流の制御を安定化させることと、回転子の回転方向と回転周波数および回転角の推定演算を安定化させることを同時に行うことができる。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。

（第１の実施の形態）図１は、本発明の第１の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の構成を示している。図１において、１は直流電源である架線、２は集電器、３は回路遮断器、４は回路開閉器、５は充電用開閉器、６は充電回路抵抗器、７は平滑リアクトル、８は車輪、９は帰線であるレール、１０は電力変換手段、１２はチョッパ回路で成る第１の電力変換回路、１３Ａ，１３Ｂは第１の電力変換回路１２のスイッチング素子、１４は電源電圧検出手段、１５は平滑コンデンサ、１６は直流電圧検出手段、２１は車両を駆動する永久磁石形同期電動機、２２はインバータ回路で成る第２の電力変換回路、２３Ｕ〜２３Ｚは第２の電力変換回路２２のスイッチング素子、２４Ｕ〜２４Ｗは電動機電流検出手段、２０１は制御部である。

第１の電力変換回路１２はチョッパ回路であり、２個のスイッチング素子１３Ａ，１３Ｂを内蔵しており、このスイッチング素子１３Ａ，１３Ｂを任意にＯＮ・ＯＦＦ動作させることによって、直流電源（架線１）から供給される直流電圧を任意の大きさの電圧の直流電圧に昇圧して変換する。第１の電力変換回路１２で昇圧された直流電圧は、第２の電力変換回路２２の電源として供給される。

図１では、第１の電力変換回路１２が内蔵するスイッチング素子１３Ａと１３Ｂは、適用例として、逆並列に接続されたダイオードを内蔵したＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）としているが、電流を導通（ＯＮ）・阻止（ＯＦＦ）する機能を有した素子であれば種類はＩＧＢＴに限定されない。また、ダイオードを内蔵しないＩＧＢＴを適用してこれと逆並列に別構成要素のダイオードを接続した回路構成としてもよい。

第２の電力変換回路２２はインバータ回路であり、スイッチング素子２３Ｕ〜２３Ｚを内蔵しており、この６個のスイッチング素子２３Ｕ〜２３Ｚを任意にＯＮ・ＯＦＦ動作させることによって、直流電圧を任意の電圧と任意の周波数の３相交流電圧に変換する。

図１では、第２の電力変換回路２２が内蔵するスイッチング素子２３Ｕ〜２３Ｚは、適用例として、逆並列に接続されたダイオードを内蔵したＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）としているが、電流を導通（ＯＮ）・阻止（ＯＦＦ）する機能を有した素子であれば種類はＩＧＢＴに限定されない。また、ダイオードを内蔵しないＩＧＢＴを適用してこれと逆並列に別構成要素のダイオードを接続した回路構成としてもよい。

第１の電力変換回路１２のスイッチング素子のＯＮ・ＯＦＦ動作の方法および第２の電力変換回路２２のスイッチング素子のＯＮ・ＯＦＦ動作の方法については、一般的な方式としてパルス幅変調（ＰＷＭ）方式があり、他の方式もあるが、周知の技術であるとともにどの方式を適用しても本発明の鉄道車両駆動制御装置の実施の形態には影響しないため説明を省略する。

平滑コンデンサ１５は、第１の電力変換回路１２から出力されて第２の電力変換回路２２に供給される直流電圧を安定させる作用を持つ。

永久磁石形同期電動機２１は、その回転子が歯車などを介して駆動用車輪の車軸と接続されるか、または回転子が駆動用車輪の車軸と直接接続されて鉄道車両を駆動するためのもので、例えば永久磁石同期電動機や永久磁石補助形リラクタンス電動機などであり、永久磁石を利用し、それ故にその回転子（ロータ）の回転により誘起電圧を発生する方式の電動機である。永久磁石形同期電動機２１には電力変換手段１０からＵ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流Ｉｖ、Ｗ相電流Ｉｗの３相交流電力が供給される。またこのとき、永久磁石形同期電動機２１のそれぞれの端子には電力変換手段１０から線間電圧Ｖｕｖ、Ｖｖｗ、Ｖｗｕが印加される。

回路遮断器３は、機能的には開閉器の一種であり、直流電源である架線と電力変換手段１０との回路の接続・切り離しを行う。充電用開閉器５と充電回路抵抗器６は、電力変換手段１０を起動する前に第１の電力変換回路１２と第２の電力変換回路２２の間の中間直流回路に設けた平滑コンデンサ１５を充電するためのものである。平滑リアクトル７は、架線１から電力変換手段１０への電流を平滑する機能を有する。

電力変換手段１０を起動する前に回路遮断器３と充電用開閉器５が投入され、第１の電力変換回路１２が内蔵しているスイッチング素子１３Ａの逆並列ダイオードを経由して充電回路抵抗器６で制限された電流によって平滑コンデンサ１５を充電する。平滑コンデンサ１５の充電が完了した後に回路開閉器４が投入され架線１と電力変換手段１０が接続される。架線１と電力変換手段１０の間の回路が接続されるとともに充電用開閉器５が開放される。回路開閉器４を投入するタイミングについては、例えば、充電回路抵抗器６の抵抗値と平滑コンデンサ１５の静電容量から求められる充電時間を考慮して、充電用開閉器５を投入した後に前記充電時間が経過したことで回路開閉器４を投入する。

図２は、図１に示した本発明の第１の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の制御部２０１の内部構成を示している。図２では、本実施の形態の動作を理解しやすくするために、構成要素と、各構成要素への入力および各構成要素から出力される信号として、本実施の形態の動作の説明に関係する信号のみを記載しており、例えば、回路遮断器３の投入指令信号、回路開閉器４の投入指令信号、充電用開閉器５の投入指令信号などは、記載を省略している。

図２の制御部２０１において、２０２はスイッチング制御手段、２０３は起動指令出力手段、２０４は第１の電力変換回路起動指令、２０５は第２の電力変換回路起動指令、２０６は直流電圧指令演算手段、２０７は直流電圧指令値である。また、１１１は電流検出手段１１の出力信号であり電流検出値に相当する。１１４は電源電圧検出手段１４の出力信号であり電源電圧検出値に相当する。１１６は直流電圧検出手段１６の出力信号で直流電圧検出値に相当する。１２４Ｕ〜１２４Ｗは電動機電流検出手段２４Ｕ〜２４Ｗの出力信号であり、電動機電流検出値に相当する。

スイッチング制御手段２０２は、第１の電力変換回路１２の各スイッチング素子１３Ａ，１３ＢをＯＮ・ＯＦＦ動作させるためのゲート信号１１３Ａ，１１３Ｂと、第２の電力変換回路２２の各スイッチング素子２３Ｕ〜２３ＺをＯＮ・ＯＦＦ動作させるためのゲート信号１２３Ｕ〜１２３Ｚを出力する。第１の電力変換回路起動信号２０４が入力されると、第１の電力変換回路１２の各スイッチング素子１３Ａ，１３ＢをＯＮ・ＯＦＦ動作させるためのゲート信号１１３Ａ，１１３Ｂの出力を開始し、直流電圧指令値２０７を目標値として第１の電力変換回路１２で電力変換を行うようにゲート信号１１３Ａ，１１３Ｂを出力する。また、第２の電力変換回路起動信号２０５が入力されると、第２の電力変換回路２２の各スイッチング素子２３Ｕ〜２３ＺをＯＮ・ＯＦＦ動作させるためのゲート信号１２３Ｕ〜１２３Ｚの出力を開始する。

起動指令出力手段２０３は、電力変換手段１０が動作を開始する場合に、第１の電力変換回路１２が内蔵する各スイッチング素子１３Ａ，１３ＢのＯＮ・ＯＦＦ動作を開始する指令である第１の電力変換回路起動指令２０４と、第２の電力変換回路２２が内蔵する各スイッチング素子２３Ｕ〜２３ＺのＯＮ・ＯＦＦ動作を開始する指令である第２の電力変換回路起動指令２０５を出力する。

この起動指令出力手段２０３は、図３に示したように、先ず第１の電力変換回路起動指令２０４を出力し、電力変換手段１０の第１の電力変換回路１２が起動した後に、第２の電力変換回路起動指令２０５を出力することを特徴とする。ここで、図３における時素Ｔｄは、第１の電力変換回路１２が起動してからその出力である直流電圧が安定するまでの時間を考慮した値に設定してある。

この順序の動作によって、電力変換手段１０が動作を開始する場合に、チョッパ回路である第１の電力変換回路１２が起動して直流電圧の供給を開始した後に、インバータ回路である第２の電力変換回路２２を起動すること可能になる。

直流電圧指令演算手段２０６は、第１の電力変換回路起動指令２０４と、第２の電力変換回路起動指令２０５と、直流電圧検出手段１６の検出値である出力信号１１６を入力として、第１の電力変換回路１２が電力変換して出力する直流電圧の目標値としての直流電圧指令値２０７を、スイッチング制御手段２０２に対して出力する。

図４は直流電圧指令演算手段２０６の内部構成を示している。図５は直流電圧指令演算手段２０６が出力する直流電圧指令値２０７を表している。直流電圧指令演算手段２０６に第１の電力変換回路起動指令２０４と第２の電力変換回路起動指令２０５がともに入力されていないとき（起動指令が０のとき）、選択１と選択２によって直流電圧検出値Ｖｄｃ（１１６）が直流電圧指令値ＶＲｅｆ（２０７）として出力される。

第１の電力回路起動指令２０４が入力されると（起動指令が１のとき）、選択１が第１の直流電圧指令値ＶＲｅｆ１を選択し、直流電圧指令値ＶＲｅｆ（２０７）が初期値の直流電圧検出値Ｖｄｃから第１の直流電圧指令値ＶＲｅｆ１へ切り替わって出力される。

第２の電力回路起動指令２０５が入力されると（起動指令が１のとき）、オンディレイ時素Ｔ１を経過してから選択２が第２の直流電圧指令値ＶＲｅｆ２を選択し、第２の直流電圧指令値ＶＲｅｆ２が直流電圧指令値ＶＲｅｆ（２０７）として出力される。

ここで、第１の電力変換回路起動指令２０４が入力される前（図５における時間軸のＴ０の範囲）における直流電圧指令値２０７は、図４と図５では直流電圧検出値１１６と同じ値を出力する例で記載しているが、第１の電力変換回路１２が停止状態における直流電圧の目標値であるから実質的に意味を持たないので、直流電圧指令値２０７はゼロを出力することにしてもよいし、直流電圧検出値１１６の値を出力することにしてもよい。また、時素Ｔ１は、例えばインバータ回路である第２の電力変換回路２２が起動してから永久磁石形同期電動機２１の電動機電流の制御が安定するまでの時間を考慮して決定される。このことにより、第２の電力変換回路２２が起動してから永久磁石形同期電動機２１の電動機電流の制御が安定するまでの時素を経過してから直流電圧指令値２０７の推移を開始することができる。

図６は直流電圧指令演算手段２０６Ａの別の構成例を示している。図７は直流電圧指令演算手段２０６が出力する直流電圧指令値２０７を表している。図６の直流電圧指令演算手段２０６Ａは、図４の直流電圧指令演算手段２０６の構成に加えて、直流電圧指令値２０７の演算に一次遅れ関数の演算器２０６１を追加したものである。この構成により、図５に示したような直流電圧指令値２０７の推移のステップ状の急変化を防止することができる。

図８は直流電圧指令演算手段２０６Ｂの別の構成例を示している。図９は直流電圧指令演算手段２０６Ｂが出力する直流電圧指令値２０７を表している。図８の直流電圧指令演算手段２０６Ｂは、図４の直流電圧指令演算手段２０６の構成に加えて、直流電圧指令値２０７の演算に変化率制限の関数の演算器２０６２を追加したものである。この構成にすることでも、直流電圧指令値２０７の推移のステップ状の急変化を防止することができる。

図１０は直流電圧指令演算手段２０６Ｃの別の構成例を示している。図１０の直流電圧指令演算手段２０６Ｃは、図８の直流電圧指令演算手段２０６Ｂと比較して、第１の直流電圧指令値ＶＲｅｆ１の値の設定の方法が異なる。第１の直流電圧指令値ＶＲｅｆ１は次式を満たす値に設定される。

ＶＲｅｆ１＞ＶｍＭａｘ（式３）
ＶｍＭａｘ＝Φｆ×ωｒＭａｘ（式４）
ここで、ＶＲｅｆ１は第１の直流電圧指令値、ＶｍＭａｘは永久磁石形同期電動機の最高運転回転数での誘起電圧振幅、Φｆは永久磁石形同期電動機の永久磁石磁束の大きさ、ωｒＭａｘは永久磁石形同期電動機の最高運転回転数のロータ角周波数である。

または第１の直流電圧指令値ＶＲｅｆ１の値の設定の別の方法として、次式の値に設定することもできる。

ＶＲｅｆ１＝ＶｍＭａｘ＋ＶＬ（式５）
ＶｍＭａｘ＝Φｆ×ωｒＭａｘ（式６）
ここで、ＶＲｅｆ１は第１の直流電圧指令値、ＶＬは電圧余裕、ＶｍＭａｘは永久磁石形同期電動機の最高運転回転数での誘起電圧振幅、Φｆは永久磁石形同期電動機の永久磁石磁束の大きさ、ωｒＭａｘは永久磁石形同期電動機の最高運転回転数のロータ角周波数である。

図１０に示した直流電圧指令演算手段２０６Ｃの構成により、第２の電力変換回路２２が起動するタイミングにおいて、スイッチング制御手段２０２が永久磁石形同期電動機２１の回転数（ロータ周波数）を演算できない状態であっても、第２の電力変換回路２２は、永久磁石形同期電動機２１の回転に伴う永久磁石誘起電圧に対して十分な大きさの電圧を出力することができる。

尚、図４に示した直流電圧指令演算手段２０６、図６に示した直流電圧指令演算手段２０６Ａ、図８に示した直流電圧指令演算手段２０６Ｂのいずれにおいて、第１の電圧指令値ＶＲｅｆ１を図１０の直流電圧指令演算手段２０６Ｃと同様に設定する構成にすることもできる。

（第２の実施の形態）図１１〜図１４を用いて、本発明の第２の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置について説明する。本実施の形態の回路構成は、第１の実施の形態と同様に図１に示したものである。本実施の形態の特徴は、図１１に示す制御部２０１Ａにあり、この制御部２０１Ａの構成と動作が第１の実施の形態とは異なる。

図１１に示した本実施の形態における制御部２０１Ａは、図２に示した第１の実施の形態における制御部２０１と比較して、スイッチング制御手段２０２から出力されて直流電圧指令演算手段２０６Ｄに入力されるロータ周波数２０８が追加された構成である。尚、第１の実施の形態の制御部２０１と共通する構成要素には共通の符号を用いる。

ロータ周波数２０８は、スイッチング制御手段２０２で電力変換手段１０から永久磁石形同期電動機２１へ供給される電流と電圧から推定した回転子の回転周波数である。

図１２は直流電圧指令演算手段２０６Ｄの構成を示している。第２の直流電圧指令値ＶＲｅｆ２は、スイッチング制御手段２０２で演算されたロータ周波数ｆｒ（２０８）を入力として次式で演算される。この第２の直流電圧指令値ＶＲｅｆ２を図１３に示す。

ＶＲｅｆ２＝Ｋ１×ｆｒＡＢＳ＋Ｃ１（式７）
ｆｒＡＢＳ＝｜ｆｒ｜（式８）
ここで、ＶＲｅｆ２は第２の直流電圧指令値、ｆｒＡＢＳはロータ周波数ｆｒの絶対値、ｆｒはロータ周波数、Ｋ１は係数１、Ｃ１は定数１である。

また、第２の直流電圧指令値ＶＲｅｆ２の別の演算方法として、次式で演算したものを用いることもできる。この第２の直流電圧指令値ＶＲｅｆ２を図１４に示す。

第２の直流電圧指令値ＶＲｅｆ２は、上記式７または式９の値をロータ周波数ｆｒに対応するテーブルとして構成することもできる。

ここで、直流電圧指令演算手段２０６Ｄに入力されるロータ周波数２０８は、永久磁石形同期電動機２１のロータ（回転子）の回転数を表す信号であるから、ロータ周波数の代わりに回転数や回転角周波数また回転角速度などの信号であっても、同様な機能が得られる。

また、図１２に示した直流電圧指令値ＶＲｅｆの演算には変化率制限の演算器２０６２を設けているが、これを図６と同様に一次遅れ関数の演算器２０６１に代えることもできる。

その他の構成要素と動作については、前述の本発明の第１の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置と同様である。

（第３の実施の形態）本発明の第３の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の構成を図１５に示す。本実施の形態の鉄道車両駆動制御装置は、図１に示した第１の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置に加えて、電力変換手段１０と永久磁石形同期電動機２１との間の回路の線間電圧を検出するための、電動機電圧検出手段２５を備え、制御部２０１Ｂがこの電動機電圧検出手段２５の信号１２５を入力して用いることを特徴としている。尚、本実施の形態にあっても、他の実施の形態と共通する構成要素については共通する符号を用いて説明する。

図１６は、本実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の制御部２０１Ｂの構成を示している。図１６において、１２５は電動機電圧検出手段２５の出力信号であり、電動機電圧検出値に相当する。２０９は振幅値演算手段、２１０は振幅値である。

振幅値演算手段２０９は、電動機電圧検出手段２５の出力信号１２５を入力として、第２の電力変換回路２２が停止している場合の、永久磁石形同期電動機の回転子（ロータ）の回転に伴う永久磁石誘起電圧の線間電圧の振幅値を演算して出力する。振幅値演算手段２０９の動作を図１７で説明する。電動機電圧検出手段２５の出力信号１２５は電動機電圧検出値に相当するから、この電動機電圧検出値がゼロを横切るゼロクロス毎（半周期毎）の電動機電圧検出値の絶対値の最大値を検出することで、振幅値Ｖｍを演算する。

また振幅値Ｖｍの別の演算方法を図１８で説明する。電動機電圧検出値がゼロを横切るゼロクロス毎（半周期毎）の時間Ｔ２を検出することで、次式によって回転周波数（電気角周波数）の絶対値ＦｍＡＢＳから振幅値Ｖｍを演算することもできる。

Ｖｍ＝Φｆ×２×π×ＦｍＡＢＳ（式１１）
ＦｍＡＢＳ＝０．５／Ｔ２（式１２）
ここで、Ｖｍは振幅値、Φｆは永久磁石形同期電動機の永久磁石磁束の大きさ、ＦｍＡＢＳは回転周波数の絶対値、Ｔ２はゼロクロス毎の時間である。

また、本実施の形態の制御部２０１Ｂにおける特徴部である直流電圧指令演算手段２０６Ｅの構成を図１９に示す。第１の直流電圧指令値ＶＲｅｆ１は次式を満たす値に設定される。

ＶＲｅｆ１＞Ｖｍ（式１３）
ここで、ＶＲｅｆ１は第１の直流電圧指令値、Ｖｍは振幅値である。

または、第１の直流電圧指令値ＶＲｅｆ１の値の設定の別の方法として、次式の値に設定することもできる。

ＶＲｅｆ１＝Ｖｍ＋ＶＬ（式１４）
ここで、ＶＲｅｆ１は第１の直流電圧指令値、Ｖｍは振幅値、ＶＬは電圧余裕である。

また、直流電圧指令演算手段２０６Ｅは、図１９に示した構成に加えて、図６に示した構成例と同様に直流電圧指令値ＶＲｅｆに一次遅れ関数の演算器２０６１を設けたり、図８に示した構成例と同様に直流電圧指令値ＶＲｅｆに変化率制限の関数の演算器２０６２を設けたりすることもできる。

図１５から図１９に示した第３の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の構成により、第２の電力変換回路２２が起動するタイミングにおいて、スイッチング制御手段２０２が永久磁石形同期電動機２１の回転数（ロータ周波数）を演算できない状態であっても、第２の電力変換回路２２は、永久磁石形同期電動機２１の回転に伴う永久磁石誘起電圧に対して十分な大きさの電圧を出力することができる。

（第４の実施の形態）本発明の第４の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置について、図２０を用いて説明する。本発明の第４の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の特徴は、図２０に示した制御部２０１Ｃの構成にある。その他の構成は、第３の実施の形態と共通であるので、共通する符号を用いて説明する。

図２０に示した制御部２０１Ｃは、図１６に示した第３の実施の形態の制御部２０１Ｂと比較して、スイッチング制御手段２０２から出力されて直流電圧指令演算手段２０６Ｆに入力されるロータ周波数２０８が追加された構成である。

この直流電圧指令演算手段２０６Ｆの構成を示している。第２の直流電圧指令値ＶＲｅｆ２は、スイッチング制御手段２０２で演算されたロータ周波数ｆｒ（２０８）を入力として、前述の式７と式８の関数で演算される。この第２の直流電圧指令値ＶＲｅｆ２は前述の図１３と同様である。また、第２の直流電圧指令値ＶＲｅｆ２の別の例の演算方法として、前述の式９と式１０で演算される。この第２の直流電圧指令値ＶＲｅｆ２は前述の図１４と同様である。第２の直流電圧指令値ＶＲｅｆ２は、前記式７または式９の値をロータ周波数ｆｒに対応するテーブルとして構成することもできる。

また、直流電圧指令演算手段２０６Ｆは、図２１に示した構成に加えて、図６に示した構成例と同様に直流電圧指令値ＶＲｅｆに一次遅れ関数の演算器２０６１を設けた構成や、図８に示した構成例と同様に直流電圧指令値ＶＲｅｆに変化率制限の関数の演算器２０６２を設けた構成にすることもできる。

その他の構成要素と動作については、前述の本発明の第３の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置と同様であり、本発明の効果を同様に得ることができる。

（第５の実施の形態）本発明の第５の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置について、図２２、図２３を用いて説明する。本発明の第５の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置は、前述の本発明の第３の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置に比較して、制御部２０１Ｄの構成と動作が異なる。

図２２は、本実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の制御部２０１Ｄの構成を示している。図２２において、２１１は回転周波数演算手段、２１２は回転周波数絶対値である。回転周波数演算手段２１１は、電動機電圧検出手段２５の出力信号１２５を入力として、第２の電力変換回路２２が停止している場合の、永久磁石形同期電動機の回転子（ロータ）の回転に伴う永久磁石誘起電圧の線間電圧の周波数を演算して出力する。回転周波数演算手段２１１の動作は前述の図１８および式１２と同様であり、電動機電圧検出値がゼロを横切るゼロクロス毎（半周期毎）の時間Ｔ２を検出することで、回転周波数（電気角周波数）の絶対値ＦｍＡＢＳを演算して出力する。

直流電圧指令演算手段２０６Ｇの構成を図２３に示す。直流電圧指令演算手段２０６Ｇでは、回転周波数絶対値ＦｍＡＢＳ（２１２）の値を設定値Ｃｆ１と比較して選択３によって第１の直流電圧指令値ＶＲｅｆ１の値を切り替える。

また、設定値ＶＲｅｆ１１とＶＲｅｆ１２は、それぞれ、次式を満たす値に設定される。

また、直流電圧指令演算手段２０６Ｇは、図２３に示した構成に加えて、図６に示した構成例と同様に直流電圧指令値ＶＲｅｆに一次遅れ関数の演算器２０６１を設けた構成や、図８に示した構成例と同様に直流電圧指令値ＶＲｅｆに変化率制限の関数の演算器２０６２を設けた構成にすることもできる。

本実施の形態によれば、図２２と図２３に示した鉄道車両駆動制御装置の構成により、第２の電力変換回路２２が起動するタイミングにおいて、スイッチング制御手段２０２が永久磁石形同期電動機２１の回転数（ロータ周波数）を演算できない状態であっても、第２の電力変換回路２２は、永久磁石形同期電動機２１の回転に伴う永久磁石誘起電圧に対して十分な大きさの電圧を出力することができる。

その他の構成要素と動作については、前述の本発明の第３の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置と同様である。

（第６の実施の形態）本発明の第６の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置を図２４、図２５を用いて説明する。本実施の形態の鉄道車両駆動制御装置は、前述の第５の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置に比較して、制御部２０１Ｅの構成と動作が異なる。

図２４に示した制御部２０１Ｅは、図２２に示した制御部２０１Ｄの構成と比較して、スイッチング制御手段２０２から出力されて直流電圧指令演算手段２０６Ｈに入力されるロータ周波数２０８が追加された構成を特徴としている。

図２５は直流電圧指令演算手段２０６Ｈの構成を示している。第２の直流電圧指令値ＶＲｅｆ２は、スイッチング制御手段２０２で演算されたロータ周波数ｆｒ（２０８）を入力として、前述の式７と式８の関数で演算される。この第２の直流電圧指令値ＶＲｅｆ２は前述の図１３と同様である。また、第２の直流電圧指令値ＶＲｅｆ２の別の例の演算方法として、前述の式９と式１０で演算される。この第２の直流電圧指令値ＶＲｅｆ２は前述の図１４と同様である。

第２の直流電圧指令値ＶＲｅｆ２は、前記式７または式９の値をロータ周波数ｆｒに対応するテーブルとして構成することもできる。

また、直流電圧指令演算手段２０６Ｈは、図２５に示した構成に加えて、図６に示した構成例と同様に直流電圧指令値ＶＲｅｆに一次遅れ関数の演算器２０６１を設けた構成や、図８に示した構成例と同様に直流電圧指令値ＶＲｅｆに変化率制限の関数の演算器２０６２を設けた構成にすることもできる。

その他の構成要素と動作については、前述の本発明の第５の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置と同様であり、本発明の効果を同様に得ることができる。

（第７の実施の形態）図２６は、本発明の第７の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の回路構成を示している。前述の第１から第６の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置において、図１や図１５に示した構成の回路開閉器４と充電用開閉器５と充電回路抵抗器６の構成について、図２６に示したように回路開閉器４と充電用開閉器５を直列接続した回路構成としてもよい。この回路構成の場合は、電力変換手段１０を起動する場合に回路遮断器３と回路開閉器４と充電用開閉器５を全て投入した状態とする。

図２６に示した本実施の形態の構成は、回路開閉器４と充電用開閉器５と充電回路抵抗器６の構成と動作が異なるのみで、その他の構成要素と動作については、本発明の第１から第６の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置と同様であり、制御部２０１についても制御部２０１Ａ〜２０１Ｅの構成をとることができ、また同様の効果を奏する。

（第８の実施の形態）図２７は、本発明の第８の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の構成を示している。本発明の第１から第７の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置において、図１や図１５に示した構成に加えて、図２７に示した本実施の形態のように、電力変換手段１０と永久磁石形同期電動機２１との間の回路に、電動機回路開閉器２６を設けてもよい。この構成の場合には、電力変換手段１０を起動する時に、制御部２０１Ｆは回路遮断器３と回路開閉器４の投入に加えて電動機回路開閉器２６を投入することになる。

尚、図２７に示した本実施の形態の構成は、電動機回路開閉器２６が追加されたのみで、その他の構成要素と動作については、前述の本発明の第１から第６の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置と同様であり、制御部２０１Ｆについても電動機回路開閉器２６の投入制御機能と共に制御部２０１Ａ〜２０１Ｅの構成をとることができ、また同様の効果を奏する。

（第９の実施の形態）本発明の第９の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置を、図２８と図２９を用いて説明する。前述の本発明の第１から第８の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の図１や図１５に示した構成では、永久磁石形同期電動機２１と第２の電力変換回路２２をそれぞれ１台ずつ備えた構成としているが、１台の鉄道車両駆動制御装置が複数の永久磁石形同期電動機を駆動制御する場合には、複数の永久磁石形同期電動機と、これに対応する複数の第２の電力変換回路を備えることになる。

図２８に示した構成は、永久磁石形同期電動機と電力変換手段１０Ａ内の第２の電力変換回路をそれぞれ２台ずつ備える場合の構成例であり、永久磁石形同期電動機と第２の電力変換回路と電動機電流検出手段を組み合わせて１単位の駆動群として構成しており、この駆動群を２組有した構成であり、以下それぞれを第１駆動群と第２駆動群と呼称して説明する。

図２８の各構成要素を以下に説明する。１０Ａは電力変換手段、３１は第１駆動群の永久磁石形同期電動機、３２は第１駆動群の第２の電力変換回路、３３Ｕ〜３３Ｚは第１駆動群の第２の電力変換回路のスイッチング素子、３４Ｕ〜３４Ｗは第１駆動群の電動機電流検出手段である。４１は第２駆動群の永久磁石形同期電動機、４２は第２駆動群の第２の電力変換回路、４３Ｕ〜４３Ｚは第２駆動群の第２の電力変換回路のスイッチング素子、４４Ｕ〜４４Ｗは第２駆動群の電動機電流検出手段である。

図２９は、図２８に示した鉄道車両駆動制御装置の制御部２０１Ｇの構成例を示した図である。この図２９では、本実施の形態の動作を理解しやすくするために、各構成要素への入力および各構成要素から出力される信号、および構成要素として、本発明の実施の形態の動作の説明に関係する信号と構成要素のみを記載しており、例えば、回路遮断器３の投入指令信号、回路開閉器４の投入指令信号、充電用開閉器５の投入指令信号などは、記載を省略している。

１３４Ｕ〜１３４Ｗは第１駆動群の電動機電流検出手段３４Ｕ〜３４Ｗの検出値にあたる出力信号であり、また１４４Ｕ〜１４４Ｗは第２駆動群の電動機電流検出手段４４Ｕ〜４４Ｗの検出値にあたる出力信号である。

１３３Ｕ〜１３３Ｚは、第１駆動群の第２の電力変換回路３２の各スイッチング素子をＯＮ・ＯＦＦ動作させるためのゲート信号であり、また、１４３Ｕ〜１４３Ｚは、第２駆動群の第２の電力変換回路４２の各スイッチング素子をＯＮ・ＯＦＦ動作させるためのゲート信号である。

その他の構成要素と動作については、本発明の第１から第８の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の構成と同様である。

図２８、図２９に示した本実施の形態の鉄道車両駆動制御装置では、電力変換手段１０Ａ内に駆動群を第１駆動群と第２駆動群との２組を備え、１台の鉄道車両駆動制御装置が駆動制御を行う永久磁石形同期電動機の数を２台の構成としており、これは駆動群の数が増加したのみで、本実施の形態における各構成要素の動作は第１から第８の実施の形態と同様であり、本発明の効果を同様に得ることができる。

また、前述の本発明の第２から第８の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の構成例においても、鉄道車両駆動制御装置が駆動制御する永久磁石形同期電動機を複数とする場合には、同様に複数の駆動群を備えて構成することができる。また制御部２０１Ｇについても、複数の駆動群を制御する機能と共に制御部２０１Ａ〜２０１Ｅの構成をとることができる。

（第１０の実施の形態）本発明の第１０の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の構成を図３０に示す。前述の本発明の第１から第９の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の構成は、鉄道車両駆動制御装置の電源（架線）が直流電圧の場合であったが、本実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の構成は、電源（架線）が交流電圧の場合である。図３１は本実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の制御部２０１Ｆの構成を示している。

図３０において、６１は交流電源である架線、６２は変圧器の１次巻線、６３は変圧器の２次巻線、６４は変圧器の３次巻線、１０Ｂは電力変換手段であり、１２Ａはコンバータ回路である第１の電力変換回路、１３Ｕ〜１３Ｙはコンバータ回路のスイッチング素子である。尚、その他の構成用については、第１から第９の実施の形態と共通する構成要素には共通の符号を用いて説明する。

コンバータ回路である第１の電力変換回路１２Ａは、スイッチング素子１３Ｕ〜１３Ｙを内蔵しており、この４個のスイッチング素子をゲート信号１１３Ｕ〜１１３Ｙによって任意にＯＮ・ＯＦＦ動作させることによって、変圧器２次巻線６３から供給される電力変換手段１０の電源である交流電圧を任意の大きさの電圧の直流電圧に変換する機能を有している。図３０では、スイッチング素子１３Ｕ〜１３Ｙは、適用例として、逆並列に接続されたダイオードを内蔵したＩＧＢＴとして記載しているが、電流を導通（ＯＮ）・阻止（ＯＦＦ）する機能を有した素子であれば種類はＩＧＢＴに限定されない。また、ダイオードを内蔵しないＩＧＢＴを適用してこれと逆並列に別構成要素のダイオードを接続した回路構成としてもよい。

インバータ回路である第２の電力変換回路２２の電源である直流電圧は第１の電力変換回路１２Ａによって供給される。

コンバータ回路である第１の電力変換回路１２Ａのスイッチング素子のＯＮ・ＯＦＦ動作の方法については、例えばパルス幅変調（ＰＷＭ）方式などがあるが、周知の技術であるとともにどの方式を適用しても本発明の鉄道車両駆動制御装置の実施の形態には影響しないため説明を省略する。

充電用開閉器５と充電回路抵抗器６は、電力変換手段１０Ｂを起動する前に中間直流回路の平滑コンデンサ１５を充電するためのものある。電力変換手段１０Ｂを起動する前に充電用開閉器５が投入され、第１の電力変換回路１２Ａが内蔵しているスイッチング素子１３Ｕ〜１３Ｙの逆並列ダイオードを経由して充電回路抵抗器６で制限された電流によって平滑コンデンサ１５を充電する。平滑コンデンサ１５の充電が完了した後に回路開閉器４が投入され変圧器２次巻線６３と第１の電力変換回路１２Ａとの間の交流回路が接続されるとともに充電用開閉器５が開放される。回路開閉器４を投入するタイミングについては、充電回路抵抗器６の抵抗値と平滑コンデンサ１５の静電容量から求められる充電時間を考慮して、充電用開閉器５を投入した後に前記充電時間が経過したことで回路開閉器４を投入する。または別の方式として、直流電圧検出手段１６の検出値を監視して平滑コンデンサ１５の電圧が予め設定された閾値を超えたときに回路開閉器４を投入する方式としてもよい。

その他の構成要素およびその動作については、本発明の第１の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の制御部２０１とスイッチング制御手段２０６の構成と同様であり、本発明の効果を同様に得ることができる。また、制御部２０１Ｆは第１から第９の実施の形態のように制御部２０１Ａ〜２０１Ｅのいずれかの構成をとることができ、また直流電圧指令演算手段２０６についても、他の実施の形態のように直流電圧指令演算手段２０６Ａ〜２０６Ｈのいずれかの構成をとることができる。

また、前述の第１から第９の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の構成例においても、鉄道車両駆動制御装置の電源（架線）が交流電圧である場合には、図３０と図３１に示した構成例と同様に、１次巻線６２と２次巻線６３および３次巻線６４を有する変圧器などを設けて構成し、第１の電力変換回路１２Ａをコンバータ回路とすることで、鉄道車両駆動制御装置を構成することができる。

（第１１の実施の形態）図３２を用いて、本発明の第１１の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置について説明する。本発明の第１の実施の形態から第９の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置では、それぞれの実施の形態を示した図におけるインバータ回路である第２の電力変換回路２２と、第１駆動群の第２の電力変換回路３２、第２駆動群の第２の電力変換回路４２、および、図３０の構成におけるコンバータ回路である第１の電力変換回路１２Ａの内部回路について、それぞれ２レベル回路で構成した例で示したが、図３２に示す鉄道車両駆動制御装置のように、電力変換手段１０Ｃにおけるコンバータ回路である第１の電力変換回路１２Ｂを中性点クランプ形の３レベル回路で構成した場合においても本発明の効果を同様に得ることができる。ただし、制御回路２０１Ｆは、電力変換手段１０Ｃにおける第１の電力変換回路１２Ｂのスイッチング素子１３Ｕ１，１３Ｕ２，１３Ｖ１，１３Ｖ２，１３Ｘ１，１３Ｘ２，１３Ｙ１，１３Ｙ２を制御することになる。

また、インバータ回路である第２の電力変換回路２２を中性点クランプ形の３レベル回路で構成しても、またコンバータ回路とインバータ回路の両方を中性点クランプ形の３レベル回路で構成してもよい。つまり、本発明の実施の形態として示した図におけるコンバータ回路である第１の電力変換回路１２Ｂは、交流電圧を任意の大きさの直流電圧に変換するコンバータ回路であれば、その内部回路の構成によらず適用可能であり、本発明の効果を同様に得ることができる。また同様に、本発明の実施の形態として示した各図におけるインバータ回路である第２の電力変換回路２２と第１駆動群の第２の電力変換回路３２と第２駆動群の第２の電力変換回路４２は、直流電圧を任意の大きさの電圧と任意の周波数の交流電圧に変換するインバータ回路であれば、その内部回路の構成によらず適用可能であり、本発明の効果を同様に得ることができる。

本発明の第１の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の回路ブロック図。本発明の第１の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の制御部の内部構成を示すブロック図。本発明の第１の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置における第１の電力変換回路起動指令と第２の電力変換回路起動指令のタイミングチャート。本発明の第１の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置における直流電圧指令演算手段の内部構成を示すブロック図。本発明の第１の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の直流電圧指令値のタイミングチャート。本発明の第１の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の制御部における直流電圧指令演算手段の別例の内部構成を示すブロック図。本発明の第１の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の直流電圧指令値のタイミングチャート。本発明の第１の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の制御部における直流電圧指令演算手段のまた別例の内部構成を示すブロック図。本発明の第１の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の直流電圧指令値のタイミングチャート。本発明の第１の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の制御部における直流電圧指令演算手段のさらに別例の内部構成を示すブロック図。本発明の第２の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の制御部の内部構成を示すブロック図。本発明の第２の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の制御部における直流電圧指令演算手段の内部構成を示すブロック図。本発明の第２の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の直流電圧指令値のタイミングチャート。本発明の第２の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の直流電圧指令値の別例のタイミングチャート。本発明の第３の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の回路ブロック図。本発明の第３の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置における制御部の内部構成を示すブロック図。本発明の第３の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の制御部における振幅値演算手段の動作を説明する図。本発明の第３の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の制御部における別の振幅値演算手段の動作を説明する図。本発明の第３の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の制御部における直流電圧指令演算手段の内部構成を示すブロック図。本発明の第４の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置における制御部の内部構成を示すブロック図。本発明の第４の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の制御部における直流電圧指令演算手段の内部構成を示すブロック図。本発明の第５の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置における制御部の内部構成を示すブロック図。本発明の第５の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の制御部における直流電圧指令演算手段の内部構成を示すブロック図。本発明の第６の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置における制御部の内部構成を示すブロック図。本発明の第６の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の制御部における直流電圧指令演算手段の内部構成を示すブロック図。本発明の第７の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の回路ブロック図。本発明の第８の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の回路ブロック図。本発明の第９の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の回路ブロック図。本発明の第９の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置における制御部の内部構成を示すブロック図。本発明の第１０の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の回路ブロック図。本発明の第１０の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置における制御部の内部構成を示すブロック図。本発明の第１１の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の回路ブロック図。

符号の説明

１直流電源（架線）
２集電器
３回路遮断器
４回路開閉器
５充電用開閉器
６充電回路抵抗器
７平滑リアクトル
８車輪
９レール（帰線）
１０，１０Ａ，１０Ｂ電力変換手段
１１電流検出手段
１２，１２Ａ，１２Ｂ第１の電力変換回路
１３Ａ，１３Ｂチョッパ回路スイッチング素子
１３Ｕ〜１３Ｙコンバータ回路スイッチング素子
１４電源電圧検出手段
１５平滑コンデンサ
１６直流電圧検出手段
２１永久磁石形同期電動機
２２第２の電力変換回路（インバータ回路）
２３Ｕ〜２３Ｚ第２の電力変換回路スイッチング素子
２４Ｕ〜２４Ｗ電動機電流検出手段
２５電動機電圧検出手段
２６電動機回路開閉器
２７回転角検出手段
３１第１駆動群の永久磁石形同期電動機
３２第１駆動群の第２の電力変換回路
３３Ｕ〜３３Ｚ第１駆動群の第２の電力変換回路スイッチング素子
３４Ｕ〜３４Ｗ第１駆動群の電動機電流検出手段
４１第２駆動群の永久磁石形同期電動機
４２第２駆動群の第２の電力変換回路
４３Ｕ〜４３Ｚ第２駆動群の第２の電力変換回路スイッチング素子
４４Ｕ〜４４Ｗ第２駆動群の電動機電流検出手段
６１交流電源（架線）
６２変圧器１次巻線
６３変圧器２次巻線
６４変圧器３次巻線
１１１電流検出手段の出力信号
１１３Ａ，１１３Ｂチョッパ回路ゲート信号
１１３Ｕ〜１１３Ｙコンバータ回路ゲート信号
１１４電源電圧検出手段の出力信号
１１６直流電圧検出手段の出力信号
１２３Ｕ〜１２３Ｚ第２の電力変換回路ゲート信号
１２４Ｕ〜１２４Ｗ電動機電流検出手段の出力信号
１２５電動機電圧検出手段の出力信号
１２７回転角検出手段の出力信号
１３３Ｕ〜１３３Ｚ第１駆動群の第２の電力変換回路ゲート信号
１３４Ｕ〜１３４Ｗ第１駆動群の電動機電流検出手段の出力信号
１４３Ｕ〜１４３Ｚ第２駆動群の第２の電力変換回路ゲート信号
１４４Ｕ〜１４４Ｗ第２駆動群の電動機電流検出手段の出力信号
２０１，２０１Ａ〜２０１Ｆ制御部
２０２制御手段
２０３起動指令出力手段
２０４第１の電力変換回路起動指令
２０５第２の電力変換回路起動指令
２０６，２０６Ａ〜２０６Ｈ直流電圧指令演算手段
２０７直流電圧指令値
２０８ロータ周波数
２０９振幅値演算手段
２１０振幅値
２１１回転周波数演算手段
２１２回転周波数絶対値
２１３起動指令

Claims

車両を駆動する永久磁石形同期電動機と、
直流又は交流の電源電圧を任意の電圧と任意の周波数のｎ相交流電圧（ｎは交流の相数を表す任意の数）に変換して前記永久磁石形同期電動機に交流電力を供給する電力変換手段とを備えた鉄道車両駆動制御装置であって、
前記電力変換手段には、前記直流または交流の電源電圧を任意の直流電圧に変換する第１の電力変換回路と、前記第１の電力変換回路が供給する直流電圧を前記任意の電圧と任意の周波数のｎ相交流電圧に変換して出力する第２の電力変換回路を具備し、
前記鉄道車両駆動制御装置は、さらに、
前記電力変換手段が動作を開始する場合に、前記第１の電力変換回路が内蔵するスイッチング素子のＯＮ・ＯＦＦ動作を開始する指令である第１の電力変換回路起動指令と前記第２の電力変換回路が内蔵するスイッチング素子のＯＮ・ＯＦＦ動作を開始する指令である第２の電力変換回路起動指令とを出力する起動指令出力手段と、
前記第１の電力変換回路と前記第２の電力変換回路との間の直流回路の電圧を検出する直流電圧検出手段と、
前記第１の電力変換回路起動指令、第２の電力変換回路起動指令、および前記直流電圧検出手段の出力を入力として、前記第１の電力変換回路が電力変換して出力する直流電圧の目標値である直流電圧指令値を演算して出力する直流電圧指令演算手段と、
前記第１の電力変換回路起動指令、前記第２の電力変換回路起動指令、前記直流電圧検出手段の出力、および前記直流電圧指令値を入力として、前記第１の電力変換回路が内蔵するスイッチング素子と前記第２の電力変換回路が内蔵するスイッチング素子のそれぞれのＯＮ・ＯＦＦ動作のためのゲート信号を出力する制御手段とを備えたことを特徴とする鉄道車両駆動制御装置。
車両を駆動する永久磁石形同期電動機と、
直流又は交流の電源電圧を任意の電圧と任意の周波数のｎ相交流電圧（ｎは交流の相数を表す任意の数）に変換して前記永久磁石形同期電動機に交流電力を供給する電力変換手段とを備えた鉄道車両駆動制御装置であって、
前記電力変換手段には、前記直流または交流の電源電圧を任意の直流電圧に変換する第１の電力変換回路と、前記第１の電力変換回路が供給する直流電圧を前記任意の電圧と任意の周波数のｎ相交流電圧に変換して出力する第２の電力変換回路を具備し、
前記鉄道車両駆動制御装置は、さらに、
前記電力変換手段が動作を開始する場合に、前記第１の電力変換回路が内蔵するスイッチング素子のＯＮ・ＯＦＦ動作を開始する指令である第１の電力変換回路起動指令と前記第２の電力変換回路が内蔵するスイッチング素子のＯＮ・ＯＦＦ動作を開始する指令である第２の電力変換回路起動指令とを出力する起動指令出力手段と、
前記第１の電力変換回路と前記第２の電力変換回路との間の直流回路の電圧を検出する直流電圧検出手段と、
前記電力変換手段と前記永久磁石形同期電動機との間のｎ相回路のうちの２つの相の間に生じる線間電圧のうち、少なくとも１つの線間電圧を検出するための電動機電圧検出手段と、
前記電動機電圧検出手段の出力を入力として、前記永久磁石形同期電動機の回転に伴う永久磁石誘起電圧の線間電圧の振幅値を演算して出力する振幅値演算手段と、
前記直流電圧検出手段の出力、前記振幅値演算手段の出力、前記第１の電力変換回路起動指令、および前記第２の電力変換回路起動指令を入力として、前記第１の電力変換回路が電力変換して出力する直流電圧の目標値である直流電圧指令値を演算して出力する直流電圧指令演算手段と、
前記第１の電力変換回路起動指令、前記第２の電力変換回路起動指令、前記直流電圧検出手段の出力、および前記直流電圧指令値を入力として、前記第１の電力変換回路が内蔵するスイッチング素子と前記第２の電力変換回路が内蔵するスイッチング素子とのそれぞれのＯＮ・ＯＦＦ動作のためのゲート信号を出力する制御手段とを備えたことを特徴とする鉄道車両駆動制御装置。
車両を駆動する永久磁石形同期電動機と、
直流又は交流の電源電圧を任意の電圧と任意の周波数のｎ相交流電圧（ｎは交流の相数を表す任意の数）に変換して前記永久磁石形同期電動機に交流電力を供給する電力変換手段とを備えた鉄道車両駆動制御装置であって、
前記電力変換手段には、前記直流または交流の電源電圧を任意の直流電圧に変換する第１の電力変換回路と、前記第１の電力変換回路が供給する直流電圧を前記任意の電圧と任意の周波数のｎ相交流電圧に変換して出力する第２の電力変換回路を具備し、
前記鉄道車両駆動制御装置は、さらに、
前記電力変換手段が動作を開始する場合に、前記第１の電力変換回路が内蔵するスイッチング素子のＯＮ・ＯＦＦ動作を開始する指令である第１の電力変換回路起動指令と前記第２の電力変換回路が内蔵するスイッチング素子のＯＮ・ＯＦＦ動作を開始する指令である第２の電力変換回路起動指令とを出力する起動指令出力手段と、
前記第１の電力変換回路と前記第２の電力変換回路との間の直流回路の電圧を検出する直流電圧検出手段と、
前記電力変換手段と前記永久磁石形同期電動機との間のｎ相回路のうちの２つの相の間に生じる線間電圧のうち、少なくとも１つの線間電圧を検出するための電動機電圧検出手段と、
前記電動機電圧検出手段の出力を入力として、前記永久磁石形同期電動機の回転に伴う永久磁石誘起電圧の線間電圧の周波数を演算して出力する回転周波数演算手段と、
前記直流電圧検出手段の出力、前記回転周波数演算手段の出力、前記第１の電力変換回路起動指令、および前記第２の電力変換回路起動指令を入力として、前記第１の電力変換回路が電力変換して出力する直流電圧の目標値である直流電圧指令値を演算して出力する直流電圧指令演算手段と、
前記第１の電力変換回路起動指令、前記第２の電力変換回路起動指令、前記直流電圧検出手段の出力、および前記直流電圧指令値を入力として、前記第１の電力変換回路が内蔵するスイッチング素子と前記第２の電力変換回路が内蔵するスイッチング素子とのそれぞれのＯＮ・ＯＦＦ動作のためのゲート信号を出力する制御手段とを備えたことを特徴とする鉄道車両駆動制御装置。
前記起動指令出力手段は、前記電力変換手段が動作を開始する場合に、先ず第１の電力変換回路起動指令を出力し、その後遅れて第２の電力変換回路起動指令を出力し、
前記直流電圧指令演算手段は、大きさの異なる複数の直流電圧指令値を切り替えて出力することが可能であり、前記第１の電力変換回路起動指令が入力されると先ず前記直流電圧検出手段の出力である直流電圧検出値を初期値として第１の直流電圧指令値へ推移する前記直流電圧指令値を出力し、前記第２の電力変換回路起動指令が入力された後に第２の直流電圧指令値を前記直流電圧指令値として出力することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の鉄道車両駆動制御装置。
前記直流電圧指令演算手段は、出力である前記直流電圧指令値を第１の直流電圧指令値から第２の直流電圧指令値へ切り替える場合または推移する場合に、前記第２の電力変換回路起動指令が入力されてから予め設定された時間が経過後に前記第２の直流電圧指令値への切り替えまたは推移を開始することを特徴とする請求項４に記載の鉄道車両駆動制御装置。
前記直流電圧指令演算手段が出力する前記直流電圧指令値について、前記直流電圧検出手段の出力である直流電圧検出値を初期値として前記第１の直流電圧指令値へ推移する場合、または、前記第１の直流電圧指令値から前記第２の直流電圧指令値へ切り替える場合または推移する場合に、前記直流電圧指令値の推移が任意の関数に従って演算されて出力されることを特徴とする請求項４または５に記載の鉄道車両駆動制御装置。
前記直流電圧指令演算手段が演算する前記第１の直流電圧指令値が、前記永久磁石形同期電動機の回転に伴う永久磁石誘起電圧の線間電圧の振幅値よりも大きい値であることを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の鉄道車両駆動制御装置。
前記直流電圧指令演算手段が演算する前記第２の直流電圧指令値が、前記永久磁石形電動機の回転数に対応した関数またはテーブルの値であることを特徴とする請求項４〜７のいずれかに記載の鉄道車両駆動制御装置。