CN101111990A - 可变速交流电动机的控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种能提高交流电动机所产生的转矩的控制装置。在依据具有能量累积元件的两个以上的电源并用逆变器驱动交流电动机的控制装置中，包括：从外部供给直流电并变换成交流电的第1逆变器；累积直流电的电源；将所述电源供给的直流电变换成交流电的第2逆变器；以及将所述第1及第2逆变器输出一侧的交流电压相加的加法器。

Description

可变速交流电动机的控制装置

技术领域

本发明涉及驱动交流电动机的控制装置，例如用于铁路车辆或电动汽车等的电气车辆。

背景技术

以往，作为一种能高效地利用从交流电动机向逆变器回输的再生能量的方法，曾提出以下的方案，即在全部再生能量中，将电源中不能变换的再生能量累积于其它电源，在动力运行时从该其它电源供电的电流分流控制装置的方案(例如，专利文献1)。

日本专利文献1：特開2002-291103号公报(第7页、图1)

但是，在现有的电流分流控制装置中，在连接逆变器的交流电动机上，虽然流过将从逆变器和主逆变器的交流电流相加后的电流，但交流电动机所产生的转矩受到交流电动机自身的电流上限值的限制。

因此，尤其在高速区域制动时，交流电动机转矩一增大，就受到交流电动机自身电流上限值的限制，存在的问题是电动机的减速性能不理想，在包括高速区域在内的全部运转区域中，为了确保一定的减速性能，存在的问题是，不得不用机械制动等手段以弥补上述之不足。

本发明为解决上述问题而提出，其目的在于提供一种通过增加给与交流电动机的电压，从而能实现改善高速区域的加速及减速性能的可变速交流电动机的控制装置。

发明内容

本发明的可变速交流电动机的控制装置，包括：

具有能量累积元件的两个以上的直流电源；

将由所述两个以上的直流电源分别供给的直流电压变换成交流电压的两个以上的逆变器；以及

将来自所述两个以上的逆变器的输出电压相加的电压加法器。

根据本发明，能不依赖于机械制动器等辅助手段，而改善高速区域的加速及减速性能。

附图说明

图1为表示本发明实施方式1的可变速交流电动机的控制装置构成用的图。

图2为表示本发明实施方式1的可变速交流电动机的控制装置的再生制动时的动作的动作图。

图3为表示本发明实施方式2的可变速交流电动机的控制装置构成用的图。

图4为表示本发明实施方式3的可变速交流电动机的控制装置构成用的图。

标号说明

1外部电源、1a架空线、1b集电器、1c滤波电容器、1d地电位、2能量累积元件、3电池逆变器、4电源逆变器、5电压加法器、6交流电动机、7a～7c单相逆变器、8a～8c单相逆变器用能量累积元件、9a、9b切换开关、10滤波电容器

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

图1为表示本发明实施方式1的可变速交流电动机的控制装置构成用的图。表示用于铁路车辆的一种形态。在图1中，外部电源1从架空线1a通过集电器1b及滤波电容器1c与电源逆变器4连接。另外，1d表示地电位。

2为二次电池或电偶极子层电容器等能量累积元件，与电池逆变器3连接。电池逆变器3和电源逆变器4是从直流电变换成交流电、或从交流电变换成直流电用的功率转换器，例如可采用PWM(脉宽调制)控制方式的功率转换器。

电池逆变器3和电源逆变器4连接电压加法器5，电压加法器5再与交流电动机6连接。还有，电压加法器5例如可用变压器，在电池逆变器3和电源逆变器4相加的情况下，可以采用分别为U相、V相、W相的3个线圈的变压器。

以下，说明其动作。首先，利用外部电源1向电源逆变器4供直流电。例如，在铁路车辆上，直流电从变电所(图中未示出)通过架空线1a由集电器1b集电后，再通过滤波电容器1c供给电源逆变器4。

然后，电池逆变器3将能量累积元件2供给的直流电变换成交流电，并输出到电压加法器5，设电池逆变器3的交流电压为V_ub、V_vb、V_wb，则交流电压V_ub、V_vb、V_wb可分别用式(1)～(3)表示

[数1]

Vub＝Vb×sinθb…(1)

[数2]

$\mathrm{Vvb}=\mathrm{Vb}\×\sin (\mathrm{\θb}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})...\left(2\right)$

[数3]

$\mathrm{Vwb}=\mathrm{Vb}\×\sin (\mathrm{\θb}-\frac{4}{3}\mathrm{\π})...\left(3\right)$

其中，Vb为电池逆变器3的交流电压波高值、θb为电池逆变器3的相位。还有，由于电池逆变器3根据PWM控制，可在直流电压的范围内决定交流电压的大小、频率(相位)，因此能将式(1)～(3)的Vb及θb控制成任意的值。

另一方面，电源逆变器4将输入的直流电变换成交流电，并输出到电压加法器5，设电源逆变器4的交流电压为V_us、V_vs、V_ws，则交流电压V_us、V_vs、V_ws可分别用式(4)～(6)来表示。

[数4]

Vus＝Vs×sinθs…(4)

[数5]

$\mathrm{Vvs}=\mathrm{Vs}\×\sin (\mathrm{\θs}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})...\left(5\right)$

[数6]

$\mathrm{Vws}=\mathrm{Vs}\×\sin (\mathrm{\θs}-\frac{4}{3}\mathrm{\π})...\left(6\right)$

其中，Vs为电源逆变器4的交流电压波高值、θs为电源逆变器4的相位。还有，由于电池逆变器4也根据PWM控制，可在直流电压的范围内决定交流电压的大小、频率(相位)，因此能将式(4)～(6)的Vs及θs控制成任意的值。

电压加法器5将自电池逆变器3和电源逆变器4输入的交流电压相加，即，设电压加法器5的输出为V_uo、V_vo、V_wo，则V_uo、V_vo、V_wo可分别用式(7)～(9)来表示。

[数7]

Vuo＝Vub+Vus＝Vu×sinθb+Vs×sinθs…(7)

[数8]

$\mathrm{Vvo}=\mathrm{Vvb}+\mathrm{Vvs}=\mathrm{Vu}\×\sin (\mathrm{\θb}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})+\mathrm{Vs}\×\sin (\mathrm{\θs}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})...\left(8\right)$

[数9]

$\mathrm{Vvo}=\mathrm{Vvb}+\mathrm{Vvs}=\mathrm{Vu}\×\sin (\mathrm{\θb}-\frac{4}{3}\mathrm{\π})+\mathrm{Vs}\×\sin (\mathrm{\θs}-\frac{4}{3}\mathrm{\π})...\left(9\right)$

还有，在式(7)～(9)中，变成将电池逆变器3和电源逆变器4的电压分别相加的关系，但通过调整电池逆变器3的相位θb和电源逆变器4的相位θs，不仅电池逆变器3和电源逆变器4的电压相加而且也能相减。

如上所述，由式(7)～(9)决定的交流电压V_uo、V_vo、V_wo可分别外加于交流电动机6。交流电动机6根据交流电压V_uo、V_vo、V_wo产生转矩，由该转矩带动车轮(图中未示出)旋转，使电气车辆加速。

另一方面，在车辆制动，也就是所谓再生制动的情况下，交流电动机作为交流发电机起作用，这时，在交流电动机6上产生再生能量，作为交流电供给电压加法器5。在这种再生制动时，电压加法器5进行与加速时同样的动作，保持由上述式(7)～(9)决定的交流电压的关系。

这里，说明电气车辆在再生制动时的动作。图2为表示电气车辆在再生制动时交流电动机6端子间电压VM、电流IM、以及所产生的转矩和车速间的关系用的动作图。设交流电动机转矩最大值为TMmax、最大电流为IMmax，图2中表示交流电动机1按照最大的转矩和电流值动作时的情况，为了进行比较，用虚线表示现有的没有电池逆变器3和电压加法器5时的交流电动机转矩和交流电动机电流。

在图2中，首先区间A的区域是VVVF(变压变频)区域，交流电动机6端子间电压VM和频率(Finv)之比(VM/Finv)保持一定，同时控制交流电动机6。在该区域只要电动机转矩TM为一定，则电动机电流IM也为一定。

接着，进入区域B的恒定输出区域。在该区间B的恒定输出区域中，为了保持电动机电流IM在最大值，使电动机转矩TM与速度成反比地减少。

以往，电动机端子间电压VM为只取决电源逆变器4的直流电压Vc的成为最大电压(VSmax)的区域。电源逆变器4交流电压最大值Vsmax和电源逆变器4直流电压Vc间的关系由下式(10)而定。

[数10]

$\mathrm{Vs}\max =\frac{\sqrt{6}}{\mathrm{\π}}\×\mathrm{Vc}...\left(10\right)$

因此，以往，区间A在电动机端子间电压VM在到达电源逆变器4的直流电压Vc的速度S1以前一直被限制，如图2所示，在速度S1以后，使电动机转矩与速度成反比减少。

但是，在本发明的实施方式中，根据电压加法器5的动作，电动机端子间电压VM成为电压加法器5的输出，即如下式(11)所示，与电源逆变器4和电池逆变器3的交流电压值之和相同。

[数11]

Vm＝Vs+Vb…(11)

因而，在到速度S1为止一直被限制的区域A，如图2所示变成为至速度S2为止，通过增大电动机端子间电压VM，从而能不增加电动机电流IM，而提高电动机所产生的转矩TM。

此后，以往，在区间B的恒定输出区域至速度S3为止，而在本实施方式中为至速度S4为止，其后成为区间C的特性区域。该区间C为由交流电动机的特性而定的最大性能，使电动机转矩TM与速度的二次方值成反比地减少。因而，在该区域中，电动机电流IM如图2所示地减少。

本发明的实施方式中，如图2所示，在速度S1以后的高速区域中与现有的相比，由于能提高交流电动机6所产生的转矩，因此在电气车辆上能提高高速区域中再生制动能力。

还有，在大于等于速度S1的区域，电动机端子间电压VM与现有相比变得较大，但通常电动机作为绝缘性能有相当的耐过电压量，只要耐过电压量在允许的范围内即便使电动机端子间电压增加也无问题。

如以上所述，实施方式1的可变速交流电动机的控制装置，根据电压加法器5的动作，通过增大电动机端子间电压VM，能不增加电动机电流IM，而使电动机所产生的转矩TM提高。因而，在电气车辆上能提高高速区域的再生制动能力，可不再依赖于以摩擦制动为代表的机械制动器等减速特性不佳的辅助手段。

还有，图1中电源逆变器4及电池逆变器3分别为1台，但也可以为两台以上，在这种情况下，各逆变器的交流侧连接电压加法器5。另外，在图1中交流电动机为1台，但也可以为两台以上，在这种情况下，交流电动机连接电压加法器5。

另外，实施方式1中，对提高再生制动时的电动机转矩作了说明，但在电气车辆加速动力运行时也能同样地提高高速区域的电动机转矩。

另外，在再生制动时，在电源逆变器4上由交流电变换成的直流电通过集电装置1b流向架空线1a侧，例如在电气车辆上可作为其它列车加速用的电力，但根据其它列车的运行状况，在电源逆变器4上变换成直流电压的再生电力在其它列车上不能完全消耗时，可利用在电池逆变器3和电源逆变器4上实施的PWM控制，通过分别控制交流电压的波高值，即分别控制式(1)～(6)的Vb及Vs，能使在电池逆变器3和电源逆变器4上变换的再生电力改变，所以能不降低再生制动能力，而有效地灵活运用再生能量。

另外，在直流电能累积于能量累积元件中时，由于只用由电池逆变器3变换的交流电力驱动交流电动机，因此例如在铁路车辆之类上，在车辆基地等不必高速行驶的场所内，可省去电车馈电线等设备，大幅度地削减设备费用，因此有较明显的经济效果。

再有，由于利用电池逆变器3和电源逆变器4上实施的PWM控制，通过分别控制交流电压的波高值，即分别控制式(1)～(6)的Vb及Vs，从而能使电池逆变器3和电源逆变器4上变换的交流电压变化，因此若择需将电压相位即式(1)～(6)的θb及θs的控制一并使用，则例如在电气车辆停止时及动力运行时也能对能量累积元件进行充电。

实施方式2

图3为表示本发明实施方式2的可变速交流电动机的控制装置构成用的图。在图3中，标注和图1相同标号的构成要素是和实施方式1的可变速交流电动机的控制装置相同或相当的构成要素。

图3中，单相逆变器7a～7c是将来自直流电变换成单相的交流电或来自单相的交流电变换成直流电的功率转换器。另外，8a～8c是能量累积元件，分别与单相逆变器7a～7c连接。

在实施方式1中，作为电压加法器5例如采用变压器等，通常在变压器中采用铁芯，由于铁芯具有频率特性，尤其是在频率低的区域或取决于电动机端子间电压的大小(Vm)和频率(Finv)之比(Vm/Finv)的磁通大于变压器的额定磁通时具有饱和的特性。因此，在电气车辆上，在性能设定方面由于电动机电流的限制等原因，在不得不将电动机端子间电压的大小(Vm)和频率(Finv)之比(Vm/Finv)设定得较大的情况下，或者例如为了在停止以前一直使电气制动发生作用，在跨越频率零点控制交流电动机的情况下，由于上述变压器饱和特性的影响，用电压加法器5会不能正确地对交流电压进行相加或相减。

因而，为了避免产生上述问题，实施方式2中如图3所示，在电压加法器5和交流电动机6之间分别设置单相逆变器7a～7c及能量累积元件8a～8c，通过将各个单相逆变器7a～7c的交流电压与由电压加法器5进行运算的式(7)～(9)的电压V_uo、V_vo、V_wo相加，从而增加外加于交流电动机6的电压。

以下说明其动作。设单相逆变器7a～7c的交流电压分别为V_ut、V_vt、V_wt、单相逆变器交流电压波高值为Vt、单相逆变器7a～7c的相位为θt，则交流电压V_ut、V_vt、V_wt可用下式(12)～(14)表示。还有，单相逆变器7a～7c和电池逆变器3一样可利用PWM控制在直流电压范围内决定交流电压的大小和频率(相位)，所以能将式(12)～(14)的Vt和θt能控制在任意的值。

[数12]

Vut＝Vt×sinθt…(12)

[数13]

$\mathrm{Vvt}=\mathrm{Vt}\×\sin (\mathrm{\θt}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})...\left(13\right)$

[数14]

$\mathrm{Vwt}=\mathrm{Vt}\×\sin (\mathrm{\θt}-\frac{4}{3}\mathrm{\π})...\left(14\right)$

这里，取决于式(12)～(14)的单相逆变器7a～7c的交流电压为与分别用电压加法器5运算的以式(7)～(9)表示的交流电压相同的频率。

因而，当将输出由式(12)～(14)定的交流电压的单相逆变器7a～7c设置于电压加法器5和交流电动机6之间时，供给交流电动机6的交流电压分别为V_uo2、V_vo2、V_wo2可用式(15)～(17)表示。

[数15]

Vuo2＝Vuo+Vut＝Vuo+Vt×sinθt…(15)

[数16]

$\mathrm{Vvo}2=\mathrm{Vvo}+\mathrm{Vvt}=\mathrm{Vvo}+\mathrm{Vt}\×\sin (\mathrm{\θt}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})...\left(16\right)$

[数17]

$\mathrm{Vwo}2=\mathrm{Vwo}+\mathrm{Vwt}=\mathrm{Vwo}+\mathrm{Vt}\×\sin (\mathrm{\θt}-\frac{4}{3}\mathrm{\π})...\left(17\right)$

如上所述，通过将单相逆变器7a～7c及能量累积元件8a～8c设置于电压加法器5和交流电动机6之间，能增加供给交流电动机6的交流电压，因此与实施方式1一样，尤其是在电气车辆等上能提高高速区域的再生制动能力。

在不得不将电动机6的端子间电压的大小(Vm)和频率(Finv)之比(Vm/Finv)设定得较大的情况下，或者例如为了在停止以前一直使电气制动发生作用，在跨越频率零点控制交流电动机的情况下，通过使电压加法器5停止，只让单相逆变器7a～7c动作，从而能避免在采用变压器等作为电压加法器5时产生的饱和的影响。

还有，图3中的构成为同时使用电压加法器5和单相逆变器7a～7c，但在只使单相逆变器7a～7c动作的情况下也能取得与实施方式1同样的效果，因此也可为省略电压加法器5和电池逆变器3的构成。

再有，由于通过调整单相逆变器7a～7c的相位θt，从而能与交流电动机6的动作状态无关，控制与单相逆变器7a～7c连接的能量累积元件8a～8c的充放电，因此也能用于制止电车馈电线电压变化、减轻现有方式列车的再生失效、均衡变电所电流。

实施方式3

实施方式3的可变速交流电动机的控制装置的构成为在实施方式1的可变速交流电动机的控制装置上，附加能将电池逆变器3的直流电源切换到能量累积元件2和外部电源1中任一个的开关9a及9b。

图4为表示本发明实施方式3的可变速交流电动机的控制装置构成用的图。在图4中，9a及9b为将电池逆变器3的直流电压切向能量累积元件2和外部电源1中任一个的开关，10为滤波电容器。图4中标注着与图1相同的标号的构成要素为与实施方式1的可变速交流电动机的控制装置相同或相当的构成要素。

在图4中，在能量累积元件2充分地累积能量的情况下，将开关9a及9b设定在A侧，用能量累积元件2作为电池逆变器3的电源。

另一方面，在能量累积元件2故障时或能量累积元件2中累积的能量少时，通过将开关9a及9b设定在B侧，从而自外部电源1供电。

如以上所述，通过根据能量累积元件2的状态设定开关9a及9b，从而能与能量累积元件2的状态无关，使电池逆变器3与电源逆变器4同样地动作。

Claims (4)

1.一种可变速交流电动机的控制装置，其特征在于，包括：

具有能量累积元件的两个以上的直流电源；

将由所述两个以上的直流电源分别供给的直流电压变换成交流电压的两个以上的逆变器；以及

将来自所述两个以上的逆变器的输出电压相加的电压加法器。

2.一种可变速交流电动机的控制装置，其特征在于，包括：

将直流电源供给的直流电压变换成交流电压的第1逆变器；以及

在将能量累积元件供给的直流电压变换成交流电压后，与所述第1逆变器的输出电压相加的第2逆变器。

3.一种可变速交流电动机的控制装置，其特征在于，包括：

具有能量累积元件的两个以上的直流电源；

将来自所述两个以上的直流电源分别供给的直流电压变换成交流电压的两个以上的第1逆变器；

与来自所述两个以上的第1逆变器的输出电压相加的电压加法器；以及

在将能量累积元件供给的直流电压变换成交流电压后，与来自所述电压加法器的输出电压相加的第2逆变器。

4.如权利要求1所述的可变速交流电动机的控制装置，其特征在于，包括：

作为直流电源，能切换具有能量累积元件的两个以上的直流电源的单元。

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