特許 5665859 電気車制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5665859

(24)【登録日】2014年12月19日

(45)【発行日】2015年2月4日

(54)【発明の名称】電気車制御装置

(51)【国際特許分類】

   H02P 5/50 20060101AFI20150115BHJP

   B60L 9/18 20060101ALI20150115BHJP

【ＦＩ】

   H02P5/50 D

   B60L9/18 L

【請求項の数】4

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2012-512635(P2012-512635)

(86)(22)【出願日】2011年4月4日

(86)【国際出願番号】JP2011001999

(87)【国際公開番号】WO2011135777

(87)【国際公開日】20111103

【審査請求日】2013年12月6日

(31)【優先権主張番号】特願2010-105877(P2010-105877)

(32)【優先日】2010年4月30日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000003115

【氏名又は名称】東洋電機製造株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100147485

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村 憲司

(74)【代理人】

【識別番号】100161148

【弁理士】

【氏名又は名称】福尾 誠

(72)【発明者】

【氏名】中村 雅憲

【審査官】 上野 力

(56)【参考文献】

【文献】 特開平１１−０１８２０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０２−０２３０９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−０６６２０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０４−２５１５０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６０−１１３６０３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｐ ５／５０

Ｂ６０Ｌ ９／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

１台のＶＶＶＦインバータと、複数の同期電動機とを備える電気車制御装置であって、
前記各同期電動機は、
前記ＶＶＶＦインバータから給電され、回転磁界を生成する固定子と、
前記固定子の回転磁界に同期して回転する回転子と、
前記回転子を交流励磁する交流励磁インバータと、
前記回転子に接続される車輪の径差により生ずる回転子の回転数差を検出する位置検出器とを備え、
前記交流励磁インバータは、前記回転数差からすべりを算出するとともに、当該同期電動機の負荷角を算出し、該算出したすべり及び負荷角から前記回転子の励磁電流の周波数及び位相を決定することを特徴とする電気車制御装置。

【請求項2】

前記複数の同期電動機のうちの1台以上の同期電動機の回転子を直流励磁する直流励磁インバータを更に備え、
前記交流励磁インバータは、残りの同期電動機の回転子を各車輪の径差による回転数差に従って交流励磁することを特徴とする、請求項１に記載の電気車制御装置。

【請求項3】

前記複数の同期電動機うち、前記回転子の回転数が、各回転子の回転数の平均値に近いものから順に選択した1台以上の同期電動機の回転子を直流励磁する直流励磁インバータを更に備え、
前記交流励磁インバータは、残りの同期電動機の回転子を各車輪の径差による回転数差に従って交流励磁することを特徴とする、請求項１に記載の電気車制御装置。

【請求項4】

前記直流励磁される同期電動機は、１台であることを特徴とする、請求項２又は３に記載の電気車制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電気車両用の主電動機に同期電動機を使用する電気車制御装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

鉄道車両用の主電動機には現在誘導電動機が多数採用されており、制御方式は複数の誘導電動機を１台の主ＶＶＶＦインバータ（variable voltage variable frequency inverter：可変電圧・可変周波数型インバータ）で駆動する１インバータ多電動機駆動方式である。電気車の車輪の直径は各誘導電動機の回転数に差が出ないように管理されているものの、実際には電気車の車輪の直径の誤差（以下、「径差」という）がある。そのため、ある程度の回転数差が生じており、その回転数差はおおよそ各車輪の発生トルク差になる。この発生トルクに顕著な差が出ると特性上好ましくないので、一般には回転数の差に対してトルク差が生じないように誘導電動機の定格すべりは若干大きめに設計していることが多い。定格すべりは電動機の効率に大きく影響するため、高効率を目指すには低すべり電動機とすることが望まれるが、前述の車輪径差の関係から実現できないのが現状である。なお、各車輪の直径差を厳しく管理すれば、理論上高効率の低すべり電動機を実現できるが、保守に手間がかかり、現実的ではない。

【0003】

一方、電動機の効率を向上させることは、地球温暖化防止などの観点からも強く望まれている。高効率化を目的として、永久磁石電動機を個別インバータで駆動する電動機制御装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。しかし、この電動機制御装置には、制御装置の搭載性やコスト面、あるいは永久磁石による保守性の低下などの問題があった。また、永久磁石には一般に希土類磁石が使用されているが、永久磁石の使用は資源の枯渇や一国集中といった国際的な問題を有している。

【0004】

上記問題の改善策として、同期電動機の界磁巻線に交流を印加できる非同期化同期電動機を採用し、回転子のすべりに相当する周波数の励磁を行うことにより、各車輪の径差により回転数差を吸収し、１台の主ＶＶＶＦインバータで複数の同期電動機を駆動する技術が知られている（例えば、非特許文献１乃至３参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特許第３９６１７９１号

【非特許文献】

【0006】

【非特許文献1】I. R. Smith et al「Theoretical and Experimental Study of an Asynchronized Synchronous Machine」IEEE Trans. IECI-22, １９７５年１１月

【非特許文献2】坪井和男、水田祐司、中村雅憲、「双対励磁同期電動機の非同期始動特性」、電気学会論文誌、９９−Ｂ、１９７９年９月

【非特許文献3】電気学会技術報告（ＩＩ部）第４０５号、１９９２年１月、ｐ．５０〜５４

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかし、従来の電気車制御装置では、１台の主ＶＶＶＦインバータで回転数の異なる多数の同期電動機を安定に制御することが困難であった。

【0008】

本発明の目的は、上記問題を解決するため、同期電動機の界磁を交流励磁にすることにより、各車輪の径差を周波数により吸収し、各車輪の回転数が異なっていても１台の主ＶＶＶＦインバータで複数の同期電動機を安定に制御でき、かつ、各車輪を同一トルク又は同一出力で制御できる電気車制御装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記課題を解決するため、本発明に係る電気車制御装置は、１台のＶＶＶＦインバータと、複数の同期電動機とを備える電気車制御装置であって、前記各同期電動機は、前記ＶＶＶＦインバータから給電され、回転磁界を生成する固定子と、前記固定子の回転磁界に同期して回転する回転子と、前記回転子を交流励磁する交流励磁インバータと、前記回転子に接続される車輪の径差により生ずる回転子の回転数差を検出する位置検出器とを備え、前記交流励磁インバータは、前記回転数差からすべりを算出するとともに、当該同期電動機の負荷角を算出し、該算出したすべり及び負荷角から前記回転子の励磁電流の周波数及び位相を決定することを特徴とする。

【0010】

また、本発明に係る電気車制御装置において、前記複数の同期電動機のうちの1台以上の同期電動機の回転子を直流励磁する直流励磁インバータを更に備え、前記交流励磁インバータは、残りの同期電動機の回転子を各車輪の径差による回転数差に従って交流励磁することを特徴とする。

【0011】

また、本発明に係る電気車制御装置において、前記複数の同期電動機うち、前記回転子の回転数が、各回転子の回転数の平均値に近いものから順に選択した1台以上の同期電動機の回転子を直流励磁する直流励磁インバータを更に備え、前記交流励磁インバータは、残りの同期電動機の回転子を各車輪の径差による回転数差に従って交流励磁することを特徴とする。

【0012】

また、本発明に係る電気車制御装置において、前記直流励磁される同期電動機は、１台であることを特徴とする。

【発明の効果】

【0013】

本発明の電気車制御装置によれば、１台の主ＶＶＶＦインバータに対して、同期電動機の数だけ界磁調整用の励磁インバータを有し、各車輪の径差から生じる同期電動機の回転数差を励磁インバータで回転数とトルクを調整することにより、各車輪の回転数が異なっていても１台の主ＶＶＶＦインバータで複数の同期電動機を安定に制御でき、かつ、各車輪を同一トルク又は同一出力で制御できるようになる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明による一実施例の電気車制御装置の構成図である。

【図2】本発明による一実施例の、各台車に２台の同期電動機を対向して配置した電気車制御装置の構成図である。

【図3】本発明による一実施例の電気車制御装置の動作を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明による電気車制御装置の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

【0016】

図１は、本発明による一実施例の電気車制御装置の構成図である。ここでは、１台の主ＶＶＶＦインバータで４台の同期電動機の駆動を行い、各同期電動機の固定子は３相巻線、回転子は２相巻線である場合を例に示している。なお、回転子を３相巻線とすることも可能であるが、直流から交流までの励磁範囲では、２相巻線とするのが実用的である。

【0017】

本実施例の電気車制御装置は、主ＶＶＶＦインバータ２０と、複数の同期電動機３０とを備える。図１では、一例として、同期電動機３０が４つ（３０Ａ〜３０Ｄ）の場合について示している。同期電動機３０（３０Ａ〜３０Ｄ）は、３相固定子３１（３１Ａ〜３１Ｄ）と、２相回転子３２（３２Ａ〜３２Ｄ）と、スリップリング３３（３３Ａ〜３３Ｄ）と、ブラシ３４（３４Ａ〜３４Ｄ）と、位置検出器３５（３５Ａ〜３５Ｄ）と、励磁インバータ３６（３６Ａ〜３６Ｄ）とを備える。

【0018】

主ＶＶＶＦインバータ２０は、直流架線１０とレール１１との間に給電される直流電圧を３相の交流電圧に変換する。変換された３相の交流電圧は、各同期電動機３０の３相固定子３１の全てに並列接続される。並列接続された４台の同期電動機３０は、通常の直流励磁を行えば、４台とも同一の回転数かつ同一の負荷角で運転することが理想である。４台の電動機の回転数に独立性があれば、負荷角は各電動機の負荷トルクにより変動するが、４台の電動機の回転数は同期速度が維持される。

【0019】

各電動機の回転数は、車輪径差により、ある速度に対して若干の誤差が生ずることになる。現在主流の誘導電動機はすべりに比例してトルクが大きくなるが、若干の差であれば、すべりにより各電動機のトルク差は生ずるが、実用上は支障がない。

【0020】

３相固定子３１は、通常の誘導電動機と同様に、１２０度ずつずらした空間位置に配置された３相巻線にそれぞれ電気的に１２０度の位相差を持った３相電源を給電することにより、円形の回転磁界を生成する。

【0021】

２相回転子３２は、９０度ずらした空間位置に配置された２相巻線を有しており、２相（α相とβ相）及び中性点Ｎが、スリップリング３３に接続されている。この２相巻線に電気的に９０度の位相差を持った電源を給電することにより、２相回転子３２は、３相固定子３１と同様に、円形の回転磁界を生成する。

【0022】

したがって、２相回転子３２の２相巻線の巻線仕様は同一であり、同じ電流で同じ起磁力を生ずることが必要である。２相巻線は３相固定子３１と同様、分布巻が好ましく、異常トルク現象を軽減するためスキューを行うことも有益である。スキューは３相固定子３１又は２相回転子３２のいずれかで実施すればよいが、一般に高圧電動機では固定子コイルでスキューを行なうことは困難であるため、２相回転子３２でスキューを行うのが好適である。

【0023】

励磁インバータ３６は、スリップリング３３及びブラシ３４を介して２相回転子３２に接続される。励磁インバータ３６は、直流及び交流ともに発生できるものであり、直流及び２相交流を２相回転子３２の２相巻線に給電する。主ＶＶＶＦインバータ２０は、３相固定子３１に給電して回転磁界を生成するとともに、４台分の同期電動機３０の合計トルクの１／４を、直流励磁する同期電動機が出力するトルクになるような電圧波形を生成するが、励磁インバータ３６は、２相回転子３２に給電して回転磁界を生成するとともに、個々のトルクを制御する。

【0024】

位置検出器３５は、２相回転子３２と接続され、２相回転子３２の位相を検出し、各回転子の回転数差を検出する。また、位置検出器３５は、２相回転子３２の回転速度Ｎｒを検出することもできる。なお、２相回転子３２の回転速度Ｎｒを検出するために、回転速度検出器を別途設けてもよいのは勿論である。

【0025】

励磁インバータ３６は、励磁用直流電源４０から給電される。励磁インバータ３６は、位置検出器３５が検出した回転数差からすべりを算出するとともに、位置検出器３５から出力される回転子位置信号と、同期電動機３０の各相の電流検出器（図示せず）から出力される電流信号と、主ＶＶＶＦインバータ２０の電流検出器（図示せず）から出力される電流信号とから、同期電動機３０の負荷角を算出する。そして、励磁インバータ３６は、算出したすべりと負荷角から励磁電流を求め、２相回転子３２を励磁する。全ての励磁インバータ３６を交流給電（交流励磁）として運転することも可能であるが、以下では一例として、励磁インバータ３６Ａを直流給電（直流励磁）とし、他の励磁インバータ３６Ｂ〜３６Ｄを交流給電（交流励磁）とした場合の動作について説明する。どの同期電動機３０の回転子３２を直流励磁とするかの選択は、再粘着制御との絡みで種々想定できるが、経験的に空転を起こしにくい位置の同期電動機３０の回転子３２を直流励磁とすることが好適である。

【0026】

励磁インバータ３６Ａを直流給電とすると、同期電動機３０Ａは主ＶＶＶＦインバータ２０の周波数に同期した速度で運転することになり、他の同期電動機３０Ｂ〜３０Ｄは車輪の径差により若干の回転数差を生じて運転している状態になる。励磁インバータ３６Ｂに接続されている車輪が励磁インバータ３６Ａに接続されている車輪より、若干径が大きいとすると、２相回転子３２Ｂの回転速度は２相回転子３２Ａの回転速度より若干遅くなっている。この状態は誘導電動機と同じ状態で、この回転数差を同期速度で除したものをすべりと称し、回転数が同期速度より低い状態を正のすべり、高い場合を負のすべりと規定することにする。すなわち、同期電動機３０Ｂ〜３０Ｄは、車輪径が同期電動機３０Ａの車輪径より大きい場合には正のすべり、小さい場合には負のすべりで運転することになる。

【0027】

各励磁インバータ３６の出力周波数は、同期電動機３０のすべりから算定できるが、同期電動機３０のトルクは負荷角に依存するので、必要なトルクから負荷角に変換し、負荷角の調整を２相回転子３２のα巻線（α相）とβ巻線（β相）に流す励磁電流で行う。同期電動機３０の毎分の同期速度は次式（１）で表される。

【0028】

Ｎ_ｓ＝１２０×ｆ／Ｐ （１）
ここで、Ｎ_ｓは同期速度、ｆは主ＶＶＶＦインバータ２０が出力する交流電圧の周波数、Ｐは極数である。

【0029】

また、すべりは次式（２）で表される。
ｓ＝（Ｎｓ−Ｎｒ）／Ｎｓ （２）
ここで、ｓはすべり、Ｎ_ｒは２相回転子３２の回転速度である。

【0030】

すべりｓは、２相回転子３２の回転速度Ｎ_ｒが同期速度Ｎ_ｓより遅い場合には正となり、高い場合には負となる。すなわち、すべりｓが正の場合には、三相固定子３１の回転磁界の回転方向と２相回転子３２の回転方向が同一であり、すべりｓが負の場合には、三相固定子３１の回転磁界の回転方向と２相回転子３２の回転方向が逆になる。すべりｓが０の場合は、２相回転子３２の回転速度は同期速度と等しい。

【0031】

次に、１両の車両に２台の台車があり、各台車に２台の上述の同期電動機３０を対向して配置した電気車制御装置の構成図を図２に示す。それぞれの同期電動機３０のトルクは、ピニオンギア５１、大歯車５２を介して、車輪５３に伝達される。

【0032】

三相固定子３１は３相であり、１台内で同期電動機３０の回転方向が逆になるので、三相固定子３１ではＵ相とＷ相を入れ替え、２相回転子３２ではα相とβ相を入れ替えて配線することで、回転方向の同一化を図っている。

【0033】

次に、電気車制御装置の動作について説明する。図３は、本発明による一実施例の電気車制御装置の動作を示すフローチャートである。

【0034】

まず、電気車制御装置は、同期電動機３０のうち、基準となる基準電動機を１台決定する（ステップＳ１０１）。例えば、電気車制御装置は、経験的にすべりにくい箇所に配置される同期電動機３０をあらかじめ決めておき、この同期電動機３０を基準電動機と決定する。あるいは、電気車制御装置は、位置検出器３５により各２相回転子３２の回転数を求め、回転数の平均値を算出し、２相回転子３２の回転数がこの平均値に最も近い同期電動機３０を基準電動機と決定する。ここでは説明の便宜上、同期電動機３０Ａを基準電動機とする。

【0035】

基準電動機３０Ａを決定すると、電気車制御装置は、励磁インバータ３６により、基準電動機３０Ａの２相回転子３２Ａを直流励磁し、他の同期電動機３０Ｂ〜３０Ｄの２相回転子３２Ｂ〜３２Ｄを交流励磁する（ステップＳ１０２）。

【0036】

基準電動機３０Ａの２相回転子３２Ａは直流励磁されているので、３相固定子３０Ａに供給される周波数に同期した回転数で回転する。その他の同期電動機３０Ｂ〜３０Ｄは、車輪径により２相回転子３２Ｂ〜３２Ｄの回転数が異なる。位置検出器３５は、２相回転子３２Ｂ〜３２Ｄの回転数と、２相回転子３２Ａの回転数との差異を、パルス数（おおよそ２相回転子３２の１回転で数百パルスを発生）として検出する。例えば、電気車制御装置は、２相回転子３２Ａより回転数が低い２相回転子に供給する電源の周波数を正（＋）とし、２相回転子３２Ａより回転数が高い２相回転子に供給する電源の周波数を負（−）とする。２相回転子３２が回転し始めると、位置検出器３５は直ちにパルスを検出し、回転子位置信号を励磁インバータ３６に出力する。

【0037】

次に、電気車制御装置は、励磁インバータ３６により、３相固定子３１及び2相回転子３２の各相の電流検出器（図示せず）から出力される電流信号と、主ＶＶＶＦインバータの電流検出器（図示せず）から出力される電流信号とにより、同期電動機３０の直軸電流、横軸電流、直軸電圧及び横軸電圧を算出する（ステップＳ１０３）。同期電動機３０のトルクは次式（３）で表される。

【0038】

【数1】

ここで、Ｔ_ｎはトルク（Ｎｍ）、Ｐ_ｎは極対数、Ψ_ａは鎖交磁束、Ｉ_ｄは直軸電流、Ｉ_ｑは横軸電流、Ｌ_ｄは直軸インダクタンス、Ｌ_ｑは横軸インダクタンスである。

【0039】

交流励磁を行う同期電動機３０は一般には円筒形になるので、直軸インダクタンスＬ_ｄ＝横軸インダクタンスＬ_ｑとして差し支えない。この場合、式（３）の右辺第２項は０になるので、トルク指令値（指定トルク）を決めると直ちに横軸電流Ｉ_ｑが算出される。すなわち、横軸電流Ｉ_ｑは次式（４）で表される。

【0040】

【数2】

【0041】

なお、直軸インダクタンスＬ_ｄと横軸インダクタンスＬ_ｑとが等しくなくても、初期値としては直軸電流Ｉ_ｄ＝０として、式（４）により横軸電流Ｉ_ｑを算出するのが一般的である。

【0042】

同期電動機３０の入力電力は次式（５）、皮相電力は次式（６）から算出され、力率を１．０とすれば、次式（７）が成立する。

【0043】

【数3】

ここで、Ｖ_ｄは直軸電圧、Ｖ_ｑは横軸電圧である。これより、直軸電流Ｉ_ｄは次式（８）により算出できる。

【0044】

【数4】

【0045】

ただし、式（８）の右辺第２項の√の中は負になる可能性があり、直軸電流Ｉｄの初期値算定としては第２項を無視して次式（９）により算出する。なお、式（８）の右辺第２項の√の中が負である場合、直軸電流Ｉ_ｄを調整しても力率を１．０にはできないことを意味する。

【0046】

【数5】

同期電動機３０の電圧方程式は、次式（１０）、（１１）で表される。

【0047】

【数6】

ここで、Ｒ_ａは電機子巻線の抵抗、ωは主ＶＶＶＦインバータ２０が出力する交流電圧の周波数ｆの角速度である。

【0048】

励磁インバータ３６は、式（４）及び式（９）で算出された直軸電流Ｉ_ｄ及び横軸電流Ｉ_ｑを式（１０）及び式（１１）に代入し、直軸電圧Ｖ_ｄ及び横軸電圧Ｖ_ｑを算出する。励磁インバータ３６は、この電圧を式（６）の右辺第１項に代入し、電圧式（１２）を算出する。

【0049】

【数7】

この電圧は同期電動機３０の端子電圧になるので、電圧Ｖ_ｔはあらかじめ指令回転数から決めておく。式（１２）から次式（１３）が導かれる。

【0050】

【数8】

【0051】

励磁インバータ３６は、式（１１）を変形し、直軸電流Ｉ_ｄを算出する。励磁インバータ３６は、これを式（１０）及び式（１１）に代入し、式（１２）以下を繰り返し、直軸電流Ｉ_ｄが収束するまで繰り返す。これにより、直軸電圧Ｖ_ｄ，横軸電圧Ｖ_ｑ、直軸電流Ｉ_ｄ及び横軸電流Ｉ_ｑがすべて算出される。すなわち、励磁インバータ３６は、トルク指令値Ｔ_ｎを決め、それに必要な直軸電流Ｉ_ｄ及び横軸電流Ｉ_ｑを流すことができる直軸電圧Ｖ_ｄ及び横軸電圧Ｖ_ｑを算出し、算出した直軸電圧Ｖ_ｄ及び横軸電圧Ｖ_ｑを２相−３相変換して３相の電圧を出力する。励磁インバータ３６は、これにより流れる電流を３相−２相変換した後フィードバックし、目標の直軸電流Ｉ_ｄ及び横軸電流Ｉ_ｑとなるように制御を行う。

【0052】

続いて、電気車制御装置は、励磁インバータ３６により、負荷角δを算出する（ステップＳ１０４）。負荷角δは、次式（１４）により算出される。

【0053】

【数9】

【0054】

ベクトル制御の場合、直軸電流Ｉ_ｄと横軸電流Ｉ_ｑの電流値を指令値とするのは直流励磁される基準電動機３０Ａであり、その他の交流励磁される同期電動機３０Ｂ〜３０Ｄは、基準電動機３０Ａの負荷角δから算定された励磁電流位相により該当の励磁軸が決定される。なお、固定子３２Ａの直流励磁はα相とβ相を使用して行うが、界磁巻線の温度分布を均一にするためには、２相とも同電流とすることが望ましい。この場合、いわゆるｄ軸（直軸）の方向はα軸とβ軸のベクトル和の方向を取ることになる。

【0055】

最後に、電気車制御装置は、励磁インバータ３６により、位置検出器３５から出力される回転子位置信号からすべりｓを算出し、算出したすべりｓ及び負荷角δに基づいて、２相回転子３２のα相の励磁電流Ｉ_α及びβ相の励磁電流Ｉ_βの周波数及び位相を決定する（ステップＳ１０５）。

【0056】

負荷角δは端子電圧と励磁軸との角度を示している。励磁インバータ３６は、交流励磁される回転子３２Ｂ〜３２Ｄのα相の励磁電流Ｉ_α及びβ相の励磁電流Ｉ_βについて、位置検出器３５から回転子３２Ａと回転子３２Ｂ〜３２Ｄとの回転数差（＝周波数）及びｄ軸（直軸）情報を得て、α相及びβ相の電流検出器からフィードバック制御を行う。この制御は、同期電動機３０ごとに個別に行なわれる。回転子３２Ａと回転子３２Ｂ〜３２Ｄとの回転数差がすべり周波数になるので、α相の励磁電流Ｉ_α及びβ相の励磁電流Ｉ_βは、式（２）から算出されるすべりｓを用いて、次式（１５）により求まる。ここで、説明の便宜のため、直流励磁する基準電動機３０Ａをマスターモータｍとし、その他の交流励磁される同期電動機３０Ｂ〜３０Ｄをスレーブモータｓ_ｉ（ｉ＝１，２，３）とする。負荷角δは式（１４）から求まるが、例えばマスターモータｍの負荷角の場合にはδ_ｍと表す。スレーブモータｓ_ｉの負荷角δ_ｓｉは、各励磁インバータ３６への位置検出器信号又は３相電流信号などから各直軸電圧V_ｄ及び横軸電圧V_ｑを算出し、それらからそれぞれ算定される。

【0057】

【数10】

ここで、Ｉ_αｓｉはスレーブモータｓ_ｉの回転子３２Ｂ〜３２Ｄのα相の励磁電流、Ｉ_βｓｉはスレーブモータｓ_ｉの回転子３２Ｂ〜３２Ｄのβ相の励磁電流、Ｉ_ｆは励磁電流、δ_ｍはマスターモータｍの負荷角、δ_ｓｉはスレーブモータｓ_ｉの負荷角である。

【0058】

マスターモータｍの回転子３２Ａのα相の励磁電流Ｉ_αｍとβ相の励磁電流Ｉ_βｍは、式（１５）において、ｓ＝０、δ_ｓｉ＝δ_ｍとすることで、次式（１６）により求まる。

【0059】

【数11】

すべりｓを０とすれば、式（１６）のように回転子３２Ａのα相の励磁電流Ｉ_αｍとβ相の励磁電流Ｉ_βｍは等しくなる。

【0060】

励磁インバータ３６Ａは、回転子３２Ａに対し、一例としてα相、β相同一の直流電流を流し、一定の起磁力を発生させる。ＶＶＶＦインバータ２０は、基準電動機３０Ａの指定トルクを発生する直軸電流Ｉ_ｄと横軸電流Ｉ_ｑを出力するように、電圧を発生させる。

【0061】

一方、励磁インバータ３６Ｂ〜Ｄは、回転子３２Ｂ〜３２Ｄに対し、α相とβ相の電流検出器からのフィードバックでベクトル和としての励磁起磁力が一定となるように調整し、なおかつ指定のすべり周波数を発生する。また、励磁インバータ３６Ｂ〜Ｄは、同期電動機３０Ｂ〜３０Ｄの発生トルクを、各同期電動機３０Ｂ〜３０Ｄの３相の電流検出器からのフィードバック電流を３相―２相変換した直軸電流Ｉ_ｄと横軸電流Ｉ_ｑにより算定し、誤差を励磁インバータ３６Ｂ〜Ｄの負荷角δで補正する働きを行う。

【0062】

このように、本発明の電機車制御装置によれば、車輪の径差を、各同期電動機３０に接続された励磁インバータ３６でその回転数差を吸収して、１台の主ＶＶＶＦインバータ２０で運転できるので、車輪の直径の管理を大幅に軽減でき、運行費用を低減することができる。また、励磁インバータ３６は、主ＶＶＶＦインバータ２０のように高圧受電する必要がなく、２相回転子３２の巻線設計によっては低圧インバータで駆動可能なので、高キャリア周波数・高応答のＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を使用でき、再粘着制御などの高応答制御が可能となる。

【0063】

上述の実施例は、代表的な例として説明したが、本発明の趣旨及び範囲内で、多くの変更及び置換ができることは当業者に明らかである。従って、本発明は、上述の実施例によって制限するものと解するべきではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。例えば、１台の主ＶＶＶＦインバータ２０で８台や１６台など、ＶＶＶＦの容量が許容できる範囲で多くの同期電動機３０を駆動することが可能である。

【産業上の利用可能性】

【0064】

このように、本発明によれば、１台の主ＶＶＶＦインバータで回転数の異なる多数の同期電動機を安定に制御することができるので、電動機の回転数を制御する任意の用途に有用である。

【符号の説明】

【0065】

１０ 直流架線
１１ レール
２０ 主ＶＶＶＦインバータ
３０ 同期電動機
３１Ａ〜３１Ｄ ３相固定子
３２Ａ〜３２Ｄ ２相回転子
３３Ａ〜３３Ｄ スリップリング
３４Ａ〜３４Ｄ ブラシ
３５Ａ〜３５Ｄ 位置検出器
３６Ａ〜３６Ｄ 励磁インバータ
４０ 励磁用直流電源
５１Ａ〜５１Ｄ ピニオンギア
５２Ａ〜５２Ｄ 大歯車
５３Ａ〜５３Ｄ 車輪

【図1】

【図2】

【図3】