WO2006126272A1

WO2006126272A1 - 可変速交流電動機の制御装置

Info

Publication number: WO2006126272A1
Application number: PCT/JP2005/009686
Authority: WO
Inventors: Hideto Negoro; Satoru Sone
Original assignee: Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha
Priority date: 2005-05-26
Filing date: 2005-05-26
Publication date: 2006-11-30
Also published as: US7902791B2; KR101035425B1; EP1885055A1; CA2592250A1; CN101111990B; EP1885055A4; JPWO2006126272A1; US20080122393A1; KR20070098999A; CA2592250C; HK1114956A1; CN101111990A

Abstract

課題　　　　交流電動機の発生トルクを向上させることができる制御装置を得る。解決手段　　エネルギー蓄積素子を含む２個以上の電源を元にインバータで交流電動機を駆動する制御装置において、外部から直流電気を供給されて交流電気に変換する第１のインバータと、直流電気を蓄積する電源と、前記電源から供給される直流電気を交流電気に変換する第２のインバータと、前記第１および第２のインバータの出力側の交流電圧を加算する加算器を備えた。

Description

明細書

可変速交流電動機の制御装置

技術分野

[0001] この発明は、交流電動機を駆動する制御装置に関するものであり、例えば、鉄道車両ゃ電気自動車などの電気車両に使用されるものである。

背景技術

[0002] 従来より、交流電動機力インバータへの回生エネルギーを効率よく利用できる方法として、全回生エネルギーのうち、電源に変換できない回生エネルギーを他の電源に蓄積し、カ行時には当該他の電源から電源を供給する電流分流制御装置が提案されている（例えば、特許文献 1)。

[0003] 特許文献 1 :特開 2002— 291103号公報 (第 7頁、図 1)

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0004] しかし、従来の電流分流制御装置にお!/、ては、インバータに接続されて、る交流電動機には、スレーブインバータとマスタインバータの交流電流が加算された電流が流れるが、交流電動機が発生するトルクは、交流電動機自体の電流上限値で制限される。

[0005] そのため、特に高速領域のブレーキ時において、交流電動機のトルクが増大すると、交流電動機自体の電流上限値で制約されてしま、、電動機の減速性能が不十分となる問題点があり、高速領域を含めた全運転速度域で一定の減速性能を確保するため、不足分を機械ブレーキなどで補っているという問題点があった。

[0006] この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、交流電動機に与える電圧を増カロさせることにより、高速領域の加速および減速性能の向上が実現できる可変速交流電動機の制御装置を提供することを目的にしたものである。

課題を解決するための手段

[0007] 本発明に係る可変速交流電動機の制御装置は、

エネルギー蓄積素子を含む 2個以上の直流電源と、前記 2個以上の直流電源からそれぞれ供給される直流電圧を交流電圧に変換する 2個以上のインバータと、

前記 2個以上のインバータからの出力電圧を加算する電圧加算器と

を備えることとしたものである。

発明の効果

[0008] 本発明によれば、機械ブレーキなどの補助的手段に頼ることなぐ高速領域の加速および減速性能の向上を実現することができる。

図面の簡単な説明

[0009] [図 1]この発明の実施の形態 1に係る可変速交流電動機の制御装置の構成を示す図である。

[図 2]この発明の実施の形態 1に係る可変速交流電動機の制御装置の回生制動時の動作を示す動作図である。

[図 3]この発明の実施の形態 2に係る可変速交流電動機の制御装置の構成を示す図である。

[図 4]この発明の実施の形態 3に係る可変速交流電動機の制御装置の構成を示す図である。

符号の説明

[0010] 1 外部電源、 la 架線、 lb 集電器、 lc フィルタコンデンサ、 Id アース電位、 2 エネルギー蓄積素子、 3 ノッテリインバータ、 4 電源インバータ、 5 電圧加算器、 6 交流電動機、 7a〜7c 単相インバータ、 8a〜8c 単相インバータ用エネルギー蓄積素子、 9a,9b 切換スィッチ、 10 フィルタコンデンサ。発明を実施するための最良の形態

[0011] 実施の形態 1.

以下、この発明をその実施の形態を示す図に基づいて詳細に説明する。

[0012] 図 1は、この発明の実施の形態 1における可変速交流電動機の制御装置を示す構成図で、鉄道車両などに使用される一形態を示している。図 1において、外部電源 1は架線 laから集電器 lbおよびフィルタコンデンサ lcを介して電源インバータ 4に接続される。また、 Idはアース電位を示している。

[0013] 2は、 2次電池や電気二重層キャパシタなどのエネルギー蓄積素子で、ノッテリインバータ 3に接続されてる。ノッテリインバータ 3と電源インバータ 4は、直流電力から交流電力、または交流電力から直流電力に変換する電力変換器であり、例えば PWM ( Pulse Width Modulation)制御方式による電力変換器を用いればよい。

[0014] ノッテリインバータ 3と電源インバータ 4は、電圧加算器 5に接続され、さら〖こ、電圧カロ算器 5は交流電動機 6に接続されている。なお、電圧加算器 5は、例えば変圧器を用いればよぐノッテリインバータ 3と電源インバータ 4の交流電圧を加算する場合は、 3 卷線の変圧器を U相、 V相、 W相のそれぞれに用いればよい。

[0015] 次に、動作について説明する。まず、外部電源 1により直流電力が電源インバータ 4に供給される。例えば鉄道車両では、直流電力が変電所（図示せず)から架線 laを通じて集電器 lbにより集電されフィルタコンデンサ lcを介して、電源インバータ 4に供給される。

[0016] そして、ノッテリインバータ 3は、エネルギー蓄積素子 2から供給される直流電力を、交流電力に変換し、電圧加算器 5に出力する。バッテリインバータ 3の交流電圧を Vu b、 Vvb、 Vwbとすると、交流電圧 Vub、 Vvb、 Vwbはそれぞれ式（1)〜（3)で表すことができる。

[0017] [数 1]

Vub = Vb x sm 0b■■■(!)

[0018] [数 2]

[0019] [数 3]

VWD = Vb sin(

[0020] ただし、 Vbはバッテリインバータ 3の交流電圧波高値、 Θ bはバッテリインバータ 3の位相である。なお、ノッテリインバータ 3は PWM制御により、直流電圧の範囲内で交流電圧の大きさと周波数 (位相）を決定することができるので、式（1)〜（3)の Vbおよび Θ bを任意の値に制御することができる。

[0021] 一方、電源インバータ 4は、入力された直流電力を交流電力に変換し、電圧加算器 5に出力する。電源インバータ 4の交流電圧を Vus、 Vvs、 Vwsとすると、交流電圧 Vus 、 Vvs、 Vwsはそれぞれ式 (4)〜（6)で表すことができる。

[0022] 画

Vus = Vs x sm Os · · · (4、

[0023] [数 5]

. 2

Vvs = Vs x sm(Os— π) · · · {ρ)

[0024]

[0025] ただし、 Vsは電源インバータ 4の交流電圧波高値、 Θ sは電源インバータ 4の位相である。なお、電源インバータ 4も PWM制御により、直流電圧の範囲内で交流電圧の大きさと周波数 (位相）を決定することができるので、式 (4)〜（6)の Vsおよび Θ sを任意の値に制御することができる。

[0026] 電圧加算器 5は、バッテリインバータ 3と電源インバータ 4から入力された交流電圧を加算する。つまり、電圧加算器 5の出力を Vuo、 Vvo、 Vwoとすると、 Vuo、 Vvo、 Vwoはそれぞれ式 (7)〜（9)で表すことができる。

[0027] [数 7]

Vuo = Vuo + Vus = Vu sm 6b + Vs x 6s · · · (!)

[0028] [数 8] 2 2

- ) + VS X sm(6fy—— π) · · · (8)

[0029] [数 9]

4 4

Vvo = Vvb + Vvs = Vu sin -π) + Vs x sin(/¾—— π)… (9)

[0030] なお、式（7)〜（9)では、ノッテリインバータ 3と電源インバータ 4の電圧をそれぞれ加算する関係になっている力ノッテリインバータ 3の位相 Θ bと電源インバータ 4の位相 Θ sを調整することにより、ノッテリインバータ 3と電源インバータ 4の電圧を加算するだけではなぐ減算を行うこともできる。

[0031] 上記、式（7)〜（9)で決まる交流電圧 Vuo、 Vvo、 Vwoは、それぞれ交流電動機 6に印カロされる。交流電動機 6は、交流電圧 Vuo、 Vvo、 Vwoに応じてトルクを発生し、このトルクにより車輪 (図示せず)を回転させて電気車両を加速させる。

[0032] 一方、車両がブレーキ動作、いわゆる回生制動する場合は、交流電動機 6は交流発電機として作用する。この時、交流電動機 6には回生エネルギーが発生し、電圧加算器 5に交流電力として供給される。このような回生制動時においても、電圧加算器 5 は、加速時と同様の動作を行い、上記、式（7)〜（9)で決まる交流電圧の関係を保つ。

[0033] ここで、電気車両における回生制動時の動作について説明する。図 2は、電気車両の回生制動時における交流電動機 6の端子間電圧 VM、電流 IM、および発生トルク TM、と車両速度の関係を表した動作図である。交流電動機トルクの最大値を TMma x、最大電流を IMmaxとし、図 2では、交流電動機が最大のトルクと電流値で動作している場合を示し、比較のため、従来のノッテリインバータ 3と電圧加算器 5がないケースについての交流電動機トルクと交流電動機電流を波線で示す。

[0034] 図 2において、まず区間 Aの領域は、 VWF (Variable Voltage Variable Frequenc y)領域であり、交流電動機 6の端子間電圧 VMと周波数 (Finv)の比 (VM/Finv)を一定に保ちながら交流電動機 6を制御する。この領域では電動機トルク TMが一定であれば電動機電流 IMも一定となる。 [0035] 次に、区間 Bの定出力領域に入る。この区間 Bの定出力領域では、電動機電流 IMを最大値に保っために、電動機トルク TMを速度に反比例させて減少させて、る。

[0036] 従来は、電動機端子間電圧 VMが電源インバータ 4の直流電圧 Vcのみで決まる最大電圧 (VSmax)となる領域であった。電源インバータ 4の交流電圧最大値 VSmaxと電源インバータ 4の直流電圧 Vcの関係は、下記式（10)で決まる。

[0037] [数 10]

Vs max =― ~ X Vc - - - (10)

π

[0038] 従って、従来は区間 Αが、電動機端子間電圧 VMが電源インバータ 4の直流電圧 V cに到達する速度 S1までに制限され、図 2に示すように、速度 S1以降は、電動機トルク

TMを速度に反比例させて減少させてヽた。

[0039] しかし、本発明による実施の形態では、電圧加算器 5の動作により、電動機端子間電圧 VMは電圧加算器 5の出力、即ち下記式（11)で示すように、電源インバータ 4とバッテリインバータ 3の交流電圧値の和と同一となる。

[0040] [数 11]

Vm = Vs + Vb - - - {\ \)

[0041] そのため、速度 S1までに制限されていた区間 Aは、図 2に示すように速度 S2までとなり、電動機端子間電圧 VMを増大させることにより、電動機電流 IMを増加させることなぐ電動機の発生トルク TMを向上させることができる。

[0042] その後、従来では区間 Bの定出力領域が速度 S3まで、本実施の形態では速度 S4 までとなり、それ以降は区間 Cの特性領域となる。この区間 Cは、交流電動機の特性で決まる最大性能で、電動機トルク TMを速度の二乗値に反比例させて減少させる。そのため、この領域では図 2に示すように電動機電流 IMは減少する。

[0043] 本発明による実施の形態では、図 2に示すように速度 S1以降の高速領域において、従来と比較し、交流電動機 6の発生トルクを向上させることができるので、電気車両では高速領域における回生制動能力を向上させることができる。

[0044] なお、速度 S1以上の領域では、電動機端子間電圧 VMは従来と比較して大きくなつているが、通常電動機は絶縁性能として過電圧耐量を有しており、過電圧耐量が許容する範囲内で電動機の端子間電圧を増加させても問題はない。

[0045] 以上説明したように、実施の形態 1に係る可変速交流電動機の制御装置は、電圧加算器 5の動作によって、電動機端子間電圧 VMを増大させることにより、電動機電流 IMを増加させることなぐ電動機の発生トルク TMを向上させることができる。そのため、電気車両では、高速領域における回生制動能力を向上させることができ、摩擦ブレーキに代表される機械ブレーキなどの減速特性の悪い補助的手段に頼らなくてちょい。

[0046] なお、図 1では電源インバータ 4およびバッテリインバータ 3はそれぞれ 1台としているが、それぞれ 2台以上でもよぐその場合、各々のインバータの交流側は電圧加算器 5に接続される。また、交流電動機も図 1では 1台としている力 2台以上でもよぐその場合、交流電動機は電圧加算器 5に接続される。

[0047] また、実施の形態 1では、回生制動時における電動機トルクの向上について説明したが、電気車両が加速するカ行時についても同様に高速領域の電動機トルクを向上させることがでさる。

[0048] また、回生制動時において、電源インバータ 4にて交流電力力も変換された直流電力は集電装置 lbを介して架線 la側に流れ込み、例えば電気車両では他列車の加速用の電力として使用されるが、他列車の運転状況により、電源インバータ 4にて直流電圧に変換された回生電力を他列車にて完全に消費できない場合には、バッテリインバータ 3と電源インバータ 4で実施している PWM制御により、それぞれ交流電圧波高値、即ち、式 (1)〜(6)の Vbおよび Vsをそれぞれ制御することにより、ノッテリインバータ 3と電源インバータ 4にて変換する回生電力を変化させることができるので、回生制動能力を低下させることなぐ回生エネルギーの有効活用が可能となる。

[0049] また、エネルギー蓄積素子 2に直流電力が蓄積されて、る場合では、バッテリインバータ 3により変換される交流電力のみで交流電動機を駆動できるので、例えば鉄道車両などでは、車両基地など高速走行が不要な場所では電車線などの設備を省略することができるので、設備費用を大幅に削減することができるという経済的な効果がある。 [0050] さらに、ノッテリインバータ 3と電源インバータ 4で実施している PWM制御により、それぞれ交流電圧波高値、即ち、（1)〜(6)式の Vbおよび Vsをそれぞれ制御することにより、ノッテリインバータ 3と電源インバータ 4にて変換する交流電圧を変化させることができるので、必要に応じて電圧位相、即ち、（1)〜(6)式の Θ bおよび Θ sの制御を併用すれば、例えば電気車両が停止時およびカ行時にお!、てもエネルギー蓄積素子 2 への充電を実施することができる。

[0051] 実施の形態 2.

図 3は、この発明の実施の形態 2における可変速交流電動機の制御装置を示す構成図である。図 3において、図 1と同じ符号が付されている構成要素は、実施の形態 1の可変速交流電動機の制御装置と同一、又は相当する構成要素である。

[0052] 図 3において、単相インバータ 7a〜7cは、直流電力から単相の交流電力、または単相の交流電力力も直流電力に変換する電力変換器である。また、 8a〜8cはエネルギ一蓄積素子で、それぞれ単相インバータ 7a〜7cに接続されて、る。

[0053] 実施の形態 1では、電圧加算器 5として例えば変圧器などを用いた。一般に、変圧器には鉄心が用いられており、鉄心は周波数特性を持っために、特に周波数が低い領域や、電動機の端子間電圧の大きさ (Vm)と周波数 (Finv)の比 (Vm/Finv)できまる磁束が変圧器の定格磁束より大きい場合に飽和する特性を持つ。そのため電気車両において、性能設定上で電動機電流の制限などから、電動機の端子間電圧の大きさ (Vm)と周波数 (Finv)の比 (Vm/Finv)を大きく設定せざるを得ない場合や、例えば停止まで電気ブレーキを作用させるために、周波数ゼロを跨!、で交流電動機を制御する場合では、上述した変圧器の飽和特性の影響で、電圧加算器 5にて交流電圧の加算もしくは減算が正確にできな、可能性がある。

[0054] そこで、このような問題を回避するために、実施の形態 2では図 3に示すように、電圧加算器 5と交流電動機 6の間にそれぞれ単相インバータ 7a〜7c、およびエネルギー蓄積素子 8a〜8bを設け、電圧加算器 5で演算される式 )〜 (9)の電圧 Vuo、 Vvo、 Vw oに、それぞれ単相インバータ 7a〜7cの交流電圧を加算することにより、交流電動機 6に与える電圧を増力！]させるようにした。

[0055] 次に動作について説明する。単相インバータ 7a〜7cの交流電圧をそれぞれ Vut、 V vt、 Vwt、単相インバータ交流電圧波高値を Vt、単相インバータ 7a〜7cの位相を Θ t とすると、交流電圧 Vut、 Vvt、 Vwtは下記式 (12)〜(14)で表される。なお、単相インバータ 7a〜7cは、バッテリインバータ 3と同様に、 PWM制御により、直流電圧の範囲内で交流電圧の大きさと周波数 (位相）を決定することができるので、式 (12)〜(14)の Vt および Θ tを任意の値に制御することができる。

[0056] [数 12]

Fut = Ft x sin ^ - - - (12)

[0057] [数 13]

[0058] [数 14]

[0059] ここで、式 (12)〜(14)で決まる単相インバータ 7a〜7cの交流電圧は、それぞれ電圧加算器 5で演算される )〜 (9)式で示した交流電圧と同一周波数である。

[0060] そして、式 (12)〜(14)で決まる交流電圧を出力する単相インバータ 7a〜7cを、電圧カロ算器 5と交流電動機 6の間に設置すると、交流電動機 6に供給される交流電圧 Vuo2、 Vvo2、 Vwo2は、式 (15)〜(17)で表すことができる。

[0061] [数 15]

V o2 = Vuo + Vut = Vuo + -f x sm ■ · · (15)

[0062] [数 16]

2

Vvo2 = Vvo + Vvt = Vvo + Vt sin(61r—— r)… (16)

[0063] [数 17] Vwo 2 = Vwo + Vwt = Vwo + Vt x sin(6!f - -π) · · · (\ 7)

[0064] 以上のように、単相インバータ 7a〜7c、およびエネルギー蓄積素子 8a〜8bを電圧加算器 5と交流電動機 6の間に設置することにより、交流電動機 6に供給される交流電圧を増加させることができるので、実施の形態 1と同様に、特に電気車両などでは高速領域における回生制動能力を向上させることができる。

[0065] さら〖こ、交流電動機 6の端子間電圧の大きさ (Vm)と周波数 (Finv)の比 (Vm/Finv)を大きく設定せざるを得ない場合や、例えば停止まで電気ブレーキを作用させるために、周波数ゼロを跨いで交流電動機 6を制御する場合は、電圧加算器 5を停止させ、単相インバータ 7a〜7cのみを動作させることにより、電圧加算器 5として変圧器などを用いた時に発生する飽和の影響を回避することができる。

[0066] なお、図 3では、電圧加算器 5と、単相インバータ 7a〜7cを併用する構成としているが、単相インバータ 7a〜7cのみを動作させた場合でも実施の形態 1と同様な効果が得られるので、電圧加算器 5とバッテリインバータ 3を省略した構成にしてもよい。

[0067] さら〖こ、単相インバータ 7a〜7cの位相 Θ tを調整することにより、交流電動機 6の動作状態に関わらず、単相インバータ 7a〜7cに接続されたエネルギー蓄積素子 8a〜8b の充放電を制御することが可能で、電車線電圧変動の抑制や、従来方式の列車の回生失効の軽減、変電所電流の平準化などにも利用できる。

[0068] 実施の形態 3.

実施の形態 3に係る可変速交流電動機の制御装置は、実施の形態 1に係る可変速交流電動機の制御装置にお、て、ノッテリインバータ 3の直流電源をエネルギー蓄積素子 2と外部電源 1のどちらかに切り替えるスィッチ 9aおよび 9bを付加して構成する。

[0069] 図 4は、この発明を実施するための実施の形態 3における可変速交流電動機の制御装置を示す構成図である。図 4において、 9aおよび 9bはバッテリインバータ 3の直流電源をエネルギー蓄積素子 2と外部電源 1のどちらかに切り替えるスィッチ、 10は、フィルタコンデンサである。図 4において、図 1と同じ符号が付されている構成要素は、実施の形態 1の可変速交流電動機の制御装置と同一、又は相当する構成要素である。

[0070] 図 4において、エネルギー蓄積素子 2に十分なエネルギーが蓄積されている場合は、スィッチ 9aおよび 9bを A側に設定し、バッテリインバータ 3の電源として、エネルギー蓄積素子 2を用いる。

[0071] 一方、エネルギー蓄積素子 2が故障した場合や、エネルギー蓄積素子 2に蓄積されたエネルギーが少ない場合には、スィッチ 9aおよび 9bを B側に設定することにより、外部電源 1から電力を供給する。

[0072] 以上のように、エネルギー蓄積素子 2の状態によってスィッチ 9aおよび 9bを設定することにより、エネルギー蓄積素子 2の状態に依存せずバッテリインバータ 3を電源インバータ 4と同様に動作させることができる。

Claims

請求の範囲

[1] エネルギー蓄積素子を含む 2個以上の直流電源と、

前記 2個以上の直流電源からそれぞれ供給される直流電圧を交流電圧に変換する 2個以上のインバータと、

を備えた可変速交流電動機の制御装置。

[2] 直流電源カゝら供給される直流電圧を交流電圧に変換する第 1のインバータと、

エネルギー蓄積素子力供給される直流電圧を交流電圧に変換した後、前記第 1のインバータからの出力電圧に加算する第 2のインバータと

を備えた可変速交流電動機の制御装置。

[3] エネルギー蓄積素子を含む 2個以上の直流電源と、

前記 2個以上の直流電源からそれぞれ供給される直流電圧を交流電圧に変換する 2個以上の第 1のインバータと、

前記 2個以上の第 1のインバータカの出力電圧を加算する電圧加算器と、エネルギー蓄積素子力供給される直流電圧を交流電圧に変換した後、前記電圧加算器からの出力電圧に加算する第 2のインバータと

を備えた可変速交流電動機の制御装置。

[4] 直流電源として、エネルギー蓄積素子を含む 2個以上の直流電源を切り替える手段を備える請求項 1に記載の可変速交流電動機の制御装置。