JP3323900B2 - リニアモータ電気車の制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、可変電圧、可変周
波数の交流を出力する電力変換器によって、鉄車輪支持
の車上１次リニア誘導電動機をベクトル制御を用いて駆
動するリニアモータ電気車の制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】車上側にリニア誘導電動機の１次巻線を
持ち、地上側に２次側としてリアクションプレートを敷
設したリニアモータ電気車においては、１次巻線と２次
リアクションプレートとの間のエアギャップ長が電気車
の走行中に変動するため、推力にも変動が発生する。こ
の推力変動を補償する技術が特開平７−１４７７０６号
公報に記載されている。この公報の技術は、リニア誘導
電動機の力率を検出し、１次周波数を制御して推力変動
を補償するものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】リニアモータ電気車で
は、分岐器部や車庫内などリアクションプレートを設け
ることができない場所がある。前記公報の技術は、リニ
ア誘導電動機の力率を検出して１次周波数を制御してい
るが、リニア誘導電動機の１次側がこのリアクションプ
レートのない部分を通過すると、力率が極端に下がるた
め、推力補償量が大きくなり、過大な電流が流れる、と
いう課題があった。また、前記公報の技術は、Ｖ／ｆ一
定制御を行っており、トルク制御の精度が十分でない、
という課題があった。

【０００４】本発明の課題は、ベクトル制御を用いてエ
アギャップの変動による推力の変動を少なくするととも
に、リアクションプレートのない部分を通過したときに
も、過大な電流が流れることのないリニアモータ電気車
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、電力変換器によって駆動され、電気車の車上側に１
次巻線を有し、地上側に２次導体としてリアクションプ
レートを設けたリニア誘導電動機と、このリニア誘導電
動機に与える励磁電流指令とトルク電流指令を発生する
手段と、リニア誘導電動機の１次電流から励磁電流成分
を検出する手段を備えるリニアモータ電気車の制御装置
において、励磁電流指令値に対して励磁電流検出値が大
きくなったらその大きくなった分に相当する偏差値をト
ルク電流指令に反映させて大きくするように補正すると
共に、励磁電流指令値に対する励磁電流検出値の差分が
予め定めたリミットを越えたら前記補正量を制限する補
正手段を設ける。ここで、励磁電流指令及びトルク電流
指令よりすべり周波数指令値を演算する手段と、励磁電
流指令、トルク電流指令及びすべり周波数指令値を含む
１次周波数指令値より電圧指令値を演算する手段を備
え、励磁電流指令値に対して励磁電流検出値が大きくな
ったらその大きくなった分に夫々相当する分だけすべり
周波数指令値及び電圧指令値を小さくする補正手段を設
ける。

【０００６】リニア誘導電動機の１次側と２次リアクシ
ョンプレート間のエアギャップ長が通常の値より大きく
なったとすると、１次側から発生する磁束のうち２次側
と結合する磁束が減ることになる。このときリニア誘導
電動機の等価回路で考えると、励磁インダクタンスが減
ることになる。その結果、励磁回路のインピーダンスが
減少し、励磁電流が大きくなるとともに、発生推力が小
さくなる。逆に、エアギャップ長が小さくなると、励磁
電流は小さくなり、発生推力は増加する。このため、エ
アギャップ長が変化すると、励磁電流指令値と励磁電流
検出値との間に偏差が生じる。エアギャップ長が大きく
なったとすると、発生推力が小さくなるので、その偏差
に応じてトルク電流指令値を大きくするように補正する
ことにより、推力の変動を小さくすることができる。ま
た、リニア誘導電動機の１次側がリアクションプレート
上からリアクションプレートのない場所に移動したとき
には、リニア誘導電動機の等価回路で考えると、等価回
路の励磁インダクタンスが大幅に小さくなったことにな
る。このとき２次側のインピーダンスが減少し、大きな
励磁電流成分が流れることになる。このとき励磁電流検
出値と励磁電流指令値の偏差は、単にエアギャップ長が
大きくなった場合よりさらに大きくなる。そのためトル
ク電流指令値を偏差に応じて大きくすると、過大な電流
が流れることになる。そこで、励磁電流検出値と励磁電
流指令値の偏差が所定の値より大きくなった場合には、
所定の値以下にリミットすることによって、電流の増大
を抑えることができる。

【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、本発明の第１の実施形態によ
るリニアモータ電気車の制御装置を示す。図１におい
て、直流電源１１から供給される直流は、フィルタコン
デンサ１２によって平滑され、電力変換器であるパルス
幅変調（以下、ＰＷＭと称する。）インバータ１に与え
られる。ＰＷＭインバータ１は、電源となる直流電圧を
３相の可変電圧、可変周波数の交流に変換し、リニア誘
導電動機２の１次巻線に電圧を供給する。この１次巻線
とこれに対向して地上側に設けられたリアクションプレ
ート（図示せず）の間の相互作用によって電気車が走行
する。

【０００８】制御装置は、電流指令発生器３、減算器
４、電圧指令演算器５、リミッタ６、電流指令補正器
７、すべり周波数演算器８、座標変換器９，１０、ＰＷ
Ｍ信号演算器１３、電流検出器１４、速度検出器１６、
加算器１７、減算器１８からなる。電流指令発生器３
は、励磁電流指令値Ｉｄ*及びトルク電流指令値Ｉｑ*を
発生する。電圧指令演算器５は、（数１）により、励磁
電流指令値Ｉｄ*、トルク電流指令値Ｉｑ*及び後述する
１次周波数指令値ω１*に基づいてリニア誘導電動機２
に供給される回転磁界座標系の２つの電圧成分の指令で
あるＶｄ*、Ｖｑ*を演算する。

【数１】 ｒ１：リニア誘導電動機の１次抵抗、ｌ１：同じく１次
漏れインダクタンス、ｌｍ：同じく励磁インダクタン
ス、ｌ２：同じく２次漏れインダクタンス すべり周波数演算器８は、（数２）により、励磁電流指
令値Ｉｄ*、トルク電流指令値Ｉｑ*からすべり周波数指
令値ωｓ*を出力する。

【数２】 ｒ２：リニア誘導電動機の２次抵抗 減算器４は、励磁電流指令値Ｉｄ*と後述する座標変換
器１０の出力である励磁電流検出値Ｉｄの偏差ΔＩｄを
リミッタ６に出力する。リミッタ６は、励磁電流の偏差
が所定の範囲内に入るようにリミットする。リミッタ６
の出力は電流指令補正器７に入力され、電流指令補正器
７からトルク指令値の補正量ΔＩｑを出力する。この補
正量は、減算器１８に入力され、電流指令発生器３のト
ルク電流指令値を補正する。一方、車輪１５に取り付け
られた速度検出器１６から出力される電気車速度ωｒは
加算器１７ですべり周波数演算器８の出力であるすべり
周波数指令値ωｓ*と加算され、１次周波数指令値ω１*
を生成する。この１次周波数指令値ω１*は電圧指令演
算器５及び座標変換器９、１０に与えられる。座標変換
器９は、電圧指令Ｖｄ*、Ｖｑ*を入力して、１次周波数
指令値ω１*に基づいて静止座標系の３相電圧指令Ｖ
ｕ、Ｖｖ、Ｖｗに変換する。座標変換器１０は、ＰＷＭ
インバータ１の出力電流を検出する電流検出器１４ｕ、
１４ｖ、１４ｗにより検出された電動機電流ｉｕ、ｉ
ｖ、ｉｗを入力して、１次周波数指令値ω１*に基づい
て回転磁界座標系の励磁電流成分Ｉｄ、トルク電流成分
Ｉｑに変換する。ＰＷＭ信号演算器１３では、座標変換
器９の出力Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗよりオン、オフパルスＳ
ｕ、Ｓｖ、Ｓｗを発生し、ＰＷＭインバータ１に与え
る。

【０００９】図２は、リニア誘導電動機の１相分の等価
回路を示す。図２において、ｒ１は１次抵抗、ｌ１は１
次漏れインダクタンス、ｌｍは励磁インダクタンス、ｌ
２は２次漏れインダクタンス、ｒ２は２次抵抗、ｓはリ
ニア誘導電動機のすべりを表す。リニア誘導電動機の１
次側と２次リアクションプレート間のエアギャップ長が
通常の値より大きくなったとすると、１次側から発生す
る磁束のうち２次側と結合する磁束が減ることになる。
このときリニア誘導電動機の等価回路で考えると、励磁
インダクタンスｌｍが減少する。その外にも２次漏れイ
ンダクタンスｌ２や２次抵抗ｒ２も変化するが、影響は
ｌｍに比べ小さい。その結果、励磁回路のインピーダン
スが減少し、励磁電流が大きくなる。また、リニア誘導
電動機の推力Ｆは（数３）により表される。

【数３】 τ：リニア誘導電動機のポールピッチ エアギャップ長の増加により励磁インダクタンスｌｍが
減少するため、推力Ｆも減少することが分かる。逆に、
エアギャップ長が小さくなると、励磁電流は小さくな
り、発生推力は増加する。

【００１０】本実施形態では、エアギャップ長が大きく
なったとすると、励磁電流指令値Ｉｄ*より励磁電流値
Ｉｄが大きくなり、減算器４に負の偏差ΔＩｄが発生す
るので、電圧指令補正器７によってトルク電流指令の補
正量ΔＩｑを演算し、減算器１８でトルク電流指令値Ｉ
ｑ*が増加するように補正する。これによって励磁イン
ダクタンスｌｍの減少による推力Ｆの低下を補償する。
ここで、電圧指令補正器７の構成としては、１次遅れ要
素を用いる。この場合、トルク電流指令の補正量ΔＩｑ
は（数４）により演算する。なお、所定の係数を掛ける
係数器を用いてもよい。

【数４】 Ｋ：定数、Ｔ：時定数、ｐ：ラブラス演算子 一方、エアギャップ長が元に戻った場合には、リニア誘
導電動機の励磁電流が減る方向に変化するため、励磁電
流値Ｉｄと励磁電流指令値Ｉｄ*との偏差がなくなり、
元の状態に戻り、さらにエアギャップが減る方向に変化
した場合には、逆の動作となる。

【００１１】次に、リニア誘導電動機の１次側がリアク
ションプレート上からリアクションプレートのない場所
に移動したときには、１次巻線で発生した磁束が２次側
に鎖交しなくなるため、等価回路で見ると、励磁インダ
クタンスｌｍが小さくなったように見える。また、２次
漏れインダクタンスｌ２、２次抵抗ｒ２の回路も２次導
体がなくなったことにより、ｒ２が大きくなり、回路が
オープンになったとみなすことができる。その結果、リ
アクションプレートがなくなると、等価回路のインピー
ダンスが減少して、印加電圧が同じとすると、大きな電
流が流れることになる。このとき励磁電流検出値と励磁
電流指令値の偏差は、単にエアギャップ長が変化した場
合よりさらに大きくなるので、このまま電流指令補正器
７の働きにより、トルク電流指令値を偏差に応じて大き
くすると、さらに大きな電流が流れることになる。そこ
で、本実施形態では、減算器４の出力の励磁電流の偏差
をリミッタ６により制限することによって、トルク指令
値がある程度以上増えないようにして電流の増大を抑え
る。リミッタ６のリミット値は、例えば通常のエアギャ
ップ変動の場合には、偏差をそのまま出力し、リアクシ
ョンプレートがなくなって偏差が大幅に大きくなったと
きには、リミット値を超えるように設定する。また、リ
ミッタ６には，ＰＷＭインバータ１、リニア誘導電動機
２に流れる電流が所定の最大値を越えないようにすると
いう働きもある。以上説明した構成により、エアギャッ
プが変動した場合にも推力の変動が少なく、リアクショ
ンプレートのないところを走行した場合にも過大な電流
が流れることがないリニア誘導電動機の制御装置を実現
することができる。

【００１２】図３は、本発明の第２の実施形態を示す。
図１の第１の実施形態との違いは、実効電流演算器１９
により３相電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗの実効値を求める点
と、電流指令発生器３で電流実効値指令Ｉｍ*を出力す
る点である。ここで、Ｉｍ*と励磁電流指令値Ｉｄ*、ト
ルク電流指令Ｉｑ*の間には（数５）の関係がある。

【数５】 また、減算器４は、図１では励磁電流指令値Ｉｄ*と励
磁電流検出値Ｉｄを入力していたのに対し、本実施形態
では、代わりに電流実効値指令値Ｉｍ*と電流実効値検
出値Ｉｍを入力し、その偏差値ΔＩｍをリミッタ６に入
力し、電流指令補正器７においてトルク指令値の補正量
ΔＩｑを演算し、この補正量ΔＩｑを減算器１８に入力
し、電流指令発生器３のトルク電流指令値を補正する。
本実施形態は、励磁電流の代わりに検出が容易な電流実
効値を用いることにより、若干指令値補正量の感度は低
下するが、励磁電流検出値を用いることなく、図１の実
施形態とほぼ同様の動作及び効果を得ることができる。
また、リアクションプレートがなくなったときに流れる
電流は殆ど励磁電流であるので、電流実効値で検出して
も殆ど差はない。

【００１３】図４は、本発明の第３の実施形態を示す。
図１の第１の実施形態との違いは、減算器４からの偏差
に基づいて定数補正器２０の補正した励磁インダクタン
スｌｍ’により電圧指令値Ｖｄ*、Ｖｑ*及びすべり周波
数指令値ωｓを補正する点である。定数補正器２０の構
成例を図５に示す。励磁電流の偏差に対する１次遅れ要
素５１の出力を励磁インダクタンスｌｍの補正分とみな
し、加算器５２で励磁インダクタンスの標準値ｌｍを与
える定数発生器５３の出力を加えることにより、補正し
た励磁インダクタンスｌｍ’を出力する。このｌｍ’は
電圧指令演算器５及びすべり周波数演算器８に与えられ
る。電圧指令演算器５では（数１）においてｌｍの代わ
りにｌｍ’を用いて電圧指令を演算する。すべり周波数
演算器８でも同様に（数２）においてｌｍの代わりにｌ
ｍ’を用いて演算する。リアクションプレートがなくな
った場合には、電流を流しても推力は出ないので、極力
電圧を絞ることが望ましい。そこで、上記の構成によ
り、励磁インダクタンス補正値ｌｍ’を用いて通常の値
より小さい値とすることで電圧指令が小さくなり、リア
クションプレートのないところを走行した場合の電流を
さらに抑えることができる。

【００１４】図６は、本発明の第４の実施形態を示す。
図１の第１の実施形態との違いは、加速度指令発生器２
１の加速度指令ａ*と加速度検出器２２の加速度値ａか
らその偏差Δａを求め、リミッタ６に出力する点であ
る。ここまで説明した実施形態においては、推力の補償
を励磁電流あるいは実効値電流の指令値と検出値の偏差
に基づいて行っているが、同様のことは電気車の加速度
の指令値と検出値の偏差に基づいて行ってもよい。加速
度の検出方法としては、車輪速度を微分する方法、直接
加速度を検出するセンサを用いる方法などがある。図６
では、加速度指令発生器２１から出力される加速度指令
ａ*と加速度検出器２２から出力される加速度検出値ａ
との偏差Δａを減算器４により求め、リミッタ６を介し
て電流指令補正器７に出力する。本実施形態では、エア
ギャップ長が大きくなったとすると、推力が減少し、加
速度検出器２２の出力ａが小さくなる。その結果、減算
器４に負の偏差Δａが発生し、この負の偏差Δａに基づ
いて電流指令補正器７でトルク電流指令の補正量ΔＩｑ
*を演算するので、減算器１８からトルク電流指令値Ｉ
ｑが増加するように補正する。リニア誘導電動機の１次
側がリアクションプレート上からリアクションプレート
のない場所に移動したときには、推力が発生しなくなる
ので、減算器４にさらに大きな負の偏差Δａが発生す
る。このときにはトルク電流指令値Ｉｑを補正しても、
推力は発生しないので、リミッタ６によりトルク電流指
令値Ｉｑがある程度以上には増えないように制限するこ
とによって、電流の増大を抑える。

【００１５】図７は、本発明の第５の実施形態を示す。
図１の第１の実施形態との違いは、トルク電流指令値Ｉ
ｑ*を電流制御器２３によりトルク電流検出値Ｉｑで補
正したトルク電流指令値Ｉｑ**を用いる点である。本実
施形態では、この補正したトルク電流指令値Ｉｑ**を用
いて電圧指令値Ｖｄ*、Ｖｑ*及びすべり周波数指令値ω
ｓを演算する。電流制御器２３の構成例としては、（数
６）のように、トルク電流指令値Ｉｑ*とトルク電流検
出値Ｉｑの偏差を比例積分制御することによって補正す
る。

【数６】 Ｋ２：定数、Ｔ２：時定数、ｐ：ラブラス演算子 本実施形態は、第１の実施形態の動作及び効果と同様で
あり、この補正により、リニア誘導電動機の励磁インダ
クタンスｌｍ以外のパラメータ１次抵抗ｒ１、２次抵抗
ｒ２などの変動に対して推力の変動を小さくすることが
できる。なお、本実施形態は、第１〜４の実施形態に対
しても適用できる。

【００１６】ここで、ベクトル制御においては、通常励
磁電流を一定に制御する必要があるため、ＰＷＭインバ
ータの起動時の電流立ち上げ時、速度に応じて励磁電流
を減らしてゆく弱め界磁制御時など励磁電流指令を変化
させるときには、ベクトル制御を行うことができずに指
令値と検出値の間に誤差が発生し、電流指令値補正器７
が誤動作することが考えられる。この場合には、指令値
補正量を０とするか、補正量が小さくなるようにすれば
よい。具体的には、励磁電流指令が変化するときに、電
流指令補正器７あるいは定数補正器２０のゲインを０と
するか、通常より小さくなるようにすればよい。

【００１７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ベクトル制御を用いることにより、リニア誘導電動機の
１次巻線と２次リアクションプレートとの間のエアギャ
ップ長が電気車の走行中に変動したとき、このエアギャ
ップの変動による推力の変動を少なくすることができ
る。また、リニア誘導電動機の１次側がリアクションプ
レート上からリアクションプレートのない場所を通過し
たときにも、過大な電流が流れることのないように電流
を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態によるリニアモータ電
気車の制御装置

【図２】リニア誘導電動機の等価回路を示す図

【図３】本発明の第２の実施形態

【図４】本発明の第３の実施形態

【図５】定数補正器の一構成例

【図６】本発明の第４の実施形態

【図７】本発明の第５の実施形態

【符号の説明】

１…ＰＷＭインバータ，２…リニア誘導電動機，３…電
流指令発生器，４…減算器，５…電圧指令演算器，６…
リミッタ，７…電流指令補正器，８…すべり周波数演算
器，９，１０…座標変換器，１１…直流電源，１２…フ
ィルタコンデンサ，１３…ＰＷＭ信号演算器，１４…電
流検出器，１５…車輪，１６…速度検出器，１７…加算
器，１８…減算器，１９…実効電流演算器，２０…定数
補正器，２１…加速度指令発生器，２２…加速度検出
器，２３…電流制御器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 関澤 俊彦 茨城県ひたちなか市市毛1070番地 株式 会社日立製作所 水戸工場内 (72)発明者 安藤 正博 東京都千代田区神田駿河台四丁目６番地 株式会社日立製作所内 (56)参考文献 特開 平４−236103（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−106005（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−294399（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−101984（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−14592（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B60L 13/03 H02P 5/00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 可変電圧、可変周波数の交流を出力する
   電力変換器と、この電力変換器によって駆動され、電気
   車の車上側に１次巻線を有し、地上側に２次導体として
   リアクションプレートを設けたリニア誘導電動機と、こ
   のリニア誘導電動機に与える励磁電流指令とトルク電流
   指令を発生する手段と、前記リニア誘導電動機の１次電
   流から励磁電流成分を検出する手段を備えるリニアモー
   タ電気車の制御装置において、 前記励磁電流指令値に対して前記励磁電流検出値が大き
   くなったらその大きくなった分に相当する偏差値を前記
   トルク電流指令に反映させて大きくするように補正する
   と共に、前記励磁電流指令値に対する前記励磁電流検出
   値の差分が予め定めたリミットを超えたら前記補正量を
   制限する補正手段を設けることを特徴とするリニアモー
   タ電気車の制御装置。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記励磁電流指令及
   び前記トルク電流指令よりすべり周波数指令値を演算す
   る手段と、前記励磁電流指令、前記トルク電流指令及び
   前記すべり周波数指令値を含む１次周波数指令値より電
   圧指令値を演算する手段を備え、 前記励磁電流指令値に対して前記励磁電流検出値が大き
   くなったらその大きくなった分に夫々相当する分だけ前
   記すべり周波数指令値及び前記電圧指令値を小さくする
   補正手段を設けることを特徴とするリニアモータ電気車
   の制御装置。