CN101337514B - 电车的功率变换装置 - Google Patents

Abstract

本发明得到一种电车的功率变换装置，该功率变换装置当断开动力行驶调档指令时不加速，能够进行与运转指令一致的动作，而且容易进行车辆定位。具有：将直流功率变换成交流功率的功率变换器(1)；利用功率变换器(1)所输出的交流功率进行驱动、并使电车行驶的交流电动机(2)；输出决定电车的加减速度的动力行驶调档指令的主控制器(3)；以及根据该动力行驶调档指令来控制功率变换器1所输出的交流功率大小的控制部(4)，如果在动力行驶中从主控制器(3)输入动力行驶调档指令的断开信号，则控制部(4)无延迟地使功率变换器(1)所输出的交流功率大小变为零。

Description

电车的功率变换装置

技术领域

本发明是一种安装在铁路车辆的电车等中的功率变换装置，是一种涉及将直流功率变换为可变频率·可变电压的交流功率、从而驱动车辆行驶用的交流电动机的电车的功率变换装置。

背景技术

在上述这样的安装在电车等中的功率变换装置中，以前，作为关于动力行驶调档指令的技术，提出了一种技术，该技术以防止当功率变换装置中流过过电流时架空线电压急剧上升为目的，当输入动力行驶调档指令的断开信号(刚才为接通的动力行驶调档指令变为断开的情况)时，对每个单元错开功率变换装置的断开时间(例如，参照专利文献1)。

另外，作为关于动力行驶调档指令的其它技术，提出了一种技术，该技术是当输入除了最低调档指令以外的动力行驶调档指令断开信号时或者输入再生区域中的制动断开信号时，以得到最佳惯性行驶为目的，将功率变换装置的输出电压与频率之比以及交流电动机的转差频率切换成能够运转的几乎接近无负载的值，从而进行运转(例如，参照专利文献2)。

【专利文献1】日本专利实公平3-21901号公报

【专利文献2】日本专利特开昭61-58405号公报

但是，在上述技术中，当输入动力行驶调档指令断开信号时，有时在交流电动机中会产生力矩。因此，由于该产生的力矩的原因，存在着当输入动力行驶调档指令的断开信号时电车有时会加速的问题。特别是在电车等的情况下，当在车辆基地及检车基地等地方使车辆停在规定的位置上时，要进行的操作是，一边加上一点调档指令(一边反复进行动力行驶调档指令的接通、断开)，一边缓缓地接近，慢慢地停在停止位置。当进行该停止操作时，如果发生由于输入动力行驶调档指令的断开信号时的转矩而引起的一点点的加速，则很难进行该停止操作即电车的定位。

在电车中，根据由设置在驾驶台上的运转操作杆产生的动力行驶调档指令来决定动力行驶的转矩指令。因此，如果断开运转指令即该动力行驶调档指令，则在以前技术中为了降低冲击等，使转矩指令以规定的斜率而趋向零那样进行动作(图3)。然而，当进行这样的控制时，虽然降低冲击，但是有时车辆会加速，变得很难进行停止操作。特别是，电车在车辆基地及检车基地等地方的停止位置是最重要的，非常希望能够没有误差地停在规定的停止位置。

本发明是鉴于上述问题而设计的，其目的在于得到一种电车的功率变换装置，该装置当断开动力行驶调档指令时不会加速，而能够进行与运转指令一致的动作，容易进行车辆的停止操作(定位)。

发明内容

为了解决上述问题，达到上述目的，本发明的电车的功率变换位置，其特征在于，具有：将直流功率变换为交流功率的功率变换器；利用功率变换器所输出的交流功率进行驱动、而使电车行驶的交流电动机；输出决定电车的加减速度的动力行驶调档指令的主控制器；以及根据动力行驶调档指令来控制功率变换器所输出的交流功率大小的控制部，如果在动力行驶中输入来自主控制器的动力行驶调档指令的断开信号，则控制部无延迟地使功率变换器所输出的交流功率大小变为零。

另外，这里所说的“无延迟”是“立即”的另一种说法，具体地说，是指在输入动力行驶调档指令的断开之后大约25msec(毫秒)以内的时间。

如果采用本发明，则具有的效果是，当断开动力行驶调档指令时车辆不会加速，而且能够进行与运转指令一致的动作，容易进行将车辆停在规定的停止位置的停止操作。

附图说明

图1是表示与本发明相关的实施形态1的电车的功率变换装置的结构例子的框图。

图2是表示图1的转矩指令生成部的详细的框图。

图3是表示根据实施形态1的转矩指令为1N以外的情况的转矩指令的变化的时序图。

图4是表示根据实施形态1的转矩指令为1N的情况的转矩指令的变化的时序图。

图5是表示与本发明相关的实施形态2的电车的功率变换装置的结构例子的框图。

图6是表示与本发明相关的实施形态3的电车的功率变换装置的结构例子的框图。

图7是表示与本发明相关的实施形态4的电车的功率变换装置的结构例子的框图。

图8是表示与本发明相关的实施形态5的电车的功率变换装置的结构例子的框图。

图9是表示不同调档指令的转矩指令与速度之间的关系的一个例子的图。

标号说明

1功率变换器

2交流电动机(感应电机)

3主控制器

4，16，19，23，25控制部

5转矩指令生成部

6，17，20，24，26电压控制部

7速度检测部

8不同调档转矩指令生成部

91N判别部

10转矩指令切断部

11第1切换部

12第2切换部

13第3切换部

14减法器

15一阶延迟部

18a，18b，18c电流检测部

21延迟元件

22交流电动机(同步电机)

具体实施方式

以下，根据附图详细说明与本发明相关的电车的功率变换装置的实施形态。另外，本发明不限定于本实施形态。

实施形态1

图1是表示与本发明相关的实施形态1的电车的功率变换装置的结构例子的框图。图2是表示图1的转矩指令生成部的详细的框图。在图1中，电车的功率变换装置具有：将直流功率(直流电压)变换成交流功率(交流电压)的功率变换器1；利用该功率变换器1所输出的交流功率(交流电压)进行驱动、而使电车行驶的交流电动机(感应电机)2；输出运转指令即决定电车的加减速度的动力行驶调档指令的主控制器3；以及根据该动力行驶调档指令来控制功率变换器1所输出的交流功率(交流电压)大小的控制部4。控制部4还具有：生成转矩指令的转矩指令生成部5；以及根据该转矩指令来控制功率变换器1的输出电压的电压控制部。如果在动力行驶中输入来自主控制器3的动力行驶调档指令的断开信号，则控制部4无延迟地(立即)使功率变换器1所输出的交流功率(交流电压)大小变为零。下面对该动作进行说明。

主控制器3进行电车的总控制处理，由操纵电车的司机进行操作，用于发出动力行驶、制动、速度改变、运转方向的转换等的控制信号的指令。主控制器3输出相当于感应电机2所输出的转矩量的决定电车加减速度的指令。从主控制器3向控制部4的转矩指令生成部5输入调档指令N。另外，这里所述的[调档指令N]如下所述。即，当为电车的情况，将加速电流设定为大致恒定的值，阶梯状地输出运转指令，从而将牵引力(转矩)的大小维持在一定范围内，进行平稳的加速。将该运转指令的各阶梯称为调档，根据电动机的电流与速度与牵引力(转矩)的关系来确定调档指令N。

由主控制器3输出的调档指令N输入到控制部4的转矩指令生成部5。转矩指令生成部5如图2所示，由不同调档转矩指令生成部8、1N判别部9、转矩指令切断部10、第1切换部11、第2切换部12及第3切换部13构成。

不同调档转矩指令生成部8生成与所输入的各阶梯状的调档指令N相对应的转矩指令并输出。调档指令N如图3所示，阶梯状地进行输出。例如，如果调档指令N以5V电压电平输入，则在将最大调档指令设定为4N的情况下，4N为5V，则1N为1.25V，2N为2.5V，3N为3.75V(另外，在本说明书中，调档指令1N与1调档指令表示相同的意思)。根据这样的调档指令，利用不同调档转矩指令生成部8，输出如图9所示的与速度对应的转矩指令。另外，调档指令1N是最低调档指令，一般是表示与转矩指令500Nm以下相当的加速度的指令。

由不同调档转矩指令生成部8输出的转矩指令输入到转矩指令切断部10、第1切换部11、及第2切换部12。根据来自主令控制部3的调档指令N来进行第1切换部11及第2切换部12的切换动作，当输入调档指令N(调档指令1N以上)时，在图2中选择第2切换部12的ON一侧，如果调档指令N设定为断开(为0V)，则在图2中选择第2切换部12的OFF一侧。

用1N判别部9来判断调档指令N是否为1N。当调档指令为调档指令1N时，1N判别部9输出1，第3切换部13选择ON一侧。另外，当调档指令为调档指令1N以外时(即，断开、2N、3N、4N…)，1N判别部9输出0，第3切换部13选择OFF一侧。

通过该动作，因为当调档指令N为1N以外时，选择第3切换部13的OFF一侧，所以选择了第2切换部12。因为当没有调档指令N时，第2切换部12选择OFF一侧，所以选择了来自转矩指令切断部10的输出。该调档指令1N以外的调档指令的动作的一个例子如图3所示。在图3中，当调档指令N为4N时，第3切换部13选择OFF一侧。另一方面，利用不同调档转矩指令生成部8输出与所输入的4N相当的转矩。当输入调档指令N时，第2切换部12选择ON一侧。如果断开调档指令N，则第2切换部12选择OFF一侧，从而使转矩指令切断部10动作。

如果当断开调档指令时转矩指令急剧地变为零，则对车身发生转矩冲击，而使得乘坐感觉变得不舒服，所以转矩指令切断部10为了防止这种情况发生，而具有使转矩指令进行一阶延迟再切断的作用。另外，关于该一阶延迟的切断，不仅限于图3所示的曲线，即使以直线的斜率来切断转矩指令，也能够得到大致相同的效果。另外，为了不发生转矩冲击，这种情况的一阶延迟的时间常数及斜率必须设定成比交流电动机的感应电机2的电动机常数的2次时间常数(2次电感/2次电阻)长很多。然而，如果为了不发生转矩冲击而将一阶延迟的时间常数设定得比电动机常数的2次时间常数长，则如上述本发明要解决的问题所述，通过以一阶延迟给予转矩指令，而使感应电机2产生转矩，电车将加速。

因此，在本实施形态的功率变换装置中，当在车辆基地及检车基地从使电车停在规定位置时所使用的调档指令1N变成断开调档指令时，使转矩指令立即变为零。通过这样，能够容易使电车停在规定的停止位置上。

下面说明该动作。另外，下面虽然描述的是从调档指令1N变成断开调档指令的情况，但是并不仅限于从调档指令1N变成断开的情况，对于从使电车停止时所使用的调档指令变成断开调档指令的情况也一样。即，即使从使电车停止时所使用的表示相当于500Nm以下的加速度的指令以及从最低调档指令变成断开调档指令时，立即使转矩指令变为零，也能得到相同的效果。

从调档指令1N变成断开调档指令时的动作的一个例子如图4所示。利用图2与图4对动作进行说明。如果调档指令N为1N，则第3切换部13利用1N判断部9与延迟元件21来选择ON一侧。利用不同调档识别转矩指令生成部8，选择并输出图9所示的与调档指令1N相当的转矩指令，并输入到第1切换部11。当调档指令N为接通时，选择第1切换部11的ON一侧。因此，转矩指令与通常一样，通过第3切换部13而输出。在图4的第1切换部11的ON一侧的信号选择部分中表示该动作。如果断开调档指令N时，则变为图4的其后的动作部分(即，第1切换部11的OFF一侧的信号选择部分)。接着，说明断开该调档指令时的动作。

如果断开是调档指令1N的调档指令，则在第1切换部11中选择OFF一侧。另外，第3切换部13虽然也选择OFF一侧，但如下述说明那样，第3切换部13经过规定时间选择OFF一侧。因此，第3切换部13保持选择ON一侧，一直到经过规定时间为止。通过这样，在第1切换部11中输出由OFF一侧所选择的零。通过这样，转矩指令立即变为零。而且，如果转矩指令这样变为零，则电压控制部6进行控制，使得向功率变换器1输出零转矩指令。

另外，虽然1N判断部9也由于断开调档指令1N的输入而使其输出变为零，但是由于利用延迟元件21而延迟微机的1个运算时间后使得输出变为零，所以第3切换部13也延迟1个运算时间后再选择OFF一侧。于是，对于转矩指令的零的变化要延迟1个运算时间后，再输出使功率变换器1停止的功率变换器停止信号。利用该功率变换器停止信号，停止功率变换器1(从功率变换器1向感应电机2所输出的交流电压变为零)。另外，发明者发现经过时间必须是微机的1个运算时间即0.1μsec(微秒)以上且在25msec以内。理由是，如果变成比感应电机2的2次时间常数要长的时间，则会产生转矩，虽然必须尽快地变为零，但是如果用微机进行数字控制，则转矩指令变为零的时间要花去1个运算时间。

因此，为了实现本实施形态，则必须使微机的1个运算时间要足够小于感应电机2的2次时间常数。因为电车中所使用的感应电机2的2次时间常数一般为250msec以上，所以微机的1个运算时间必须要比该250msec要足够短，具体地说，必须在25msec的1/10以内。另外，虽然1个运算时间是受微机限制的，但是即使变为零的时间比0.1μsec小，而产生转矩的量及电车加速也几乎没有，所以没有必要比0.1μsec短。因此，发现如果微机的1个运算时间在0.1μsec以上且在25msec以内，则能够实现。

另外，延迟元件21所输出的信号在调档信号1N变为断开后，经过1个运算时间则变为零。如果断开延迟元件21所输出的信号，则将该信号传给功率变换器1，并使功率变换器1停止。通过这样，从动力行驶中的主控制器3向控制部4输入调档指令的断开信号时，能够立即断开功率变换器1。

另外，在本实施形态的结构之中，第1切换部11构成第1转矩指令生成部，该第1转矩指令生成部当输入调档信号1N时，如果输入动力行驶调档指令的断开信号，则在0.1μsec以上、25msec以内使转矩指令变为零。另外，转矩指令切断部10与第2切换部12构成第2转矩指令生成部，该第2转矩指令生成部当输入调档信号1N以外的指令时，如果输入动力行驶指令的断开信号，则要花去100msec以上的时间使转矩指令变为零。而且，第3切换部13构成切换部，该切换部根据来自主控制器3的动力行驶调档指令，来切换为第1转矩指令生成部及第2转矩指令生成部之中的某一个。

采用由转矩指令生成部5所生成的转矩指令、以及由速度检测部7所检测出的交流电动机2的频率ω，电压控制部6输出控制功率变换器1的指令。接着叙述功率变换器1进行控制的方法。电压控制器6利用来自转矩指令生成部5的转矩指令、能够由交流电动机的电动机常数和特性决定的2次磁通指令、以及电动机常数的M：电动机的互感、Lr：电动机的二次电感、P：极对数，根据式(1)来计算转矩电流指令Iq^*。

【数学式1】

${\mathrm{Iq}}^{*}=\frac{{\mathrm{\τ}}^{*}}{{\mathrm{\φ}}^{*}}\×\frac{\mathrm{Lr}}{M}\×\frac{1}{P}---\left(1\right)$

在本实施形态中，虽然频率ω采用由安装在交流电动机2上的速度检测部7所得到的频率ω，但是当然也可以采用根据没有安装速度检测部7的无速度传感器控制所计算出的速度推定值。

磁通电流指令Id^*能够根据2次磁通指令以及电动机常数即电动机的互感M，并以下面的式子进行运算。

【数学式2】

${\mathrm{Id}}^{*}=\frac{{\mathrm{\φ}}^{*}}{M}---\left(2\right)$

根据式(1)、式(2)的转矩电流指令Iq^*、磁通电流指令Id^*、任意角频率ω，输出功率变换器1应该输出的三相电压指令Vu^*、Vv^*、Vw^*。在电压控制部6中，根据转矩电流指令Iq^*、以及磁通电流指令Id^*，并采用感应电机的电动机常数即Rs：电动机的一次电阻值、Ls：电动机的一次电感、σ＝1-M*M/Ls/Lr、M：电动机的互感、Lr：电动机的二次电感、Rr：电动机的二次电阻值、以及P：极对数，从而计算转差角频率指令ωs^*。即，用式(3)计算转差角频率指令ωs^*。

【数学式3】

${\mathrm{\ωs}}^{*}=\frac{{\mathrm{Iq}}^{*}}{{\mathrm{Id}}^{*}}\×\frac{\mathrm{Rr}}{\mathrm{Lr}}---\left(3\right)$

根据转差角频率指令ωs^*与任意角频率ω来计算与功率变换器1所输出的电压指令的频率相当的逆变器角频率ωinv。即，逆变器角频率ωinv用式(4)来运算。

【数学式4】

ωinv＝ω+ωs^*       (4)

根据逆变器角频率ωinv、转矩电流指令Iq^*、磁通电流指令Id^*，能够计算旋转二轴上的d轴电压指令Vd^*、q轴电压指令Vq^*。即，d轴电压指令Vd^*、q轴电压指令Vq^*用式(5)来运算。

【数学式5】

Vd^*＝Rs×Id^*-ωinv×σ×Ls×Iq^*

Vq^*＝Rs×Iq^*+ωinv×Ls×Ld^*    (5)

另外，众所周知，当将三相电压或者三相电流向旋转正交二轴进行坐标变换时，虽然需要控制坐标轴，但是根据任意的角频率ω，将旋转二轴坐标即控制坐标轴的相位设定为θ。该相位θ能够通过对逆变器角频率ωinv进行积分用式(6)而求得。

【数学式6】

θ＝∫ωinv·dt     (6)

采用由式(5)、式(6)所得到的d轴电压指令Vd^*、q轴电压指令Vq^*、以及相位θ，计算三相电压指令Vu^*、Vv^*、Vw^*。因为电压指令的电压相位θv比相位θ超前了一些，所以能够从以下的式(7)来算出。

【数学式7】

$\mathrm{\θv}=\mathrm{\θ}+{\tan }^{-1}\left(\frac{{\mathrm{Vq}}^{*}}{{\mathrm{Vd}}^{*}}\right)---\left(7\right)$

根据由式(7)得到的电压相位θv与d轴电压指令Vd^*、q轴电压指令Vq^*，用式(8)来算出三相电压指令Vu^*、Vv^*、Vw^*。

【数学式8】

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{Vu}}^{*}\\ {\mathrm{Vv}}^{*}\\ {\mathrm{Vw}}^{*}\end{array}\right)=\sqrt{{\left({\mathrm{Vd}}^{*}\right)}^2+{\left({\mathrm{Vq}}^{*}\right)}^2}\left(\begin{array}{c}\cos \left(\mathrm{\θv}\right)\\ \cos (\mathrm{\θv}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ \cos (\mathrm{\θv}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\end{array}\right)---\left(8\right)$

功率变换器1根据由式(8)算出的从电压控制部6得到的三相电压指令Vu^*、Vv^*、Vw^*，将直流变换成交流。根据式(8)，电压变换器1能够按照由转矩指令生成部5所输出的转矩指令那样进行控制。而且，如果断开1个调档指令，转矩指令变为零，则立即停止功率变换器1。通过这样，当使用1个调档指令来进行停止操作时，具有容易进行该停止操作的效果。

如上所述，在本实施形态的电车的功率变换装置中，当断开动力行驶中的来自主控制器3的动力行驶时的指令的信号输入控制部4时，能够立即停止功率变换器1，当在车辆基地及检车基地等电车的停止位置是很重要的地方而希望在规定的停止位置上没有误差停下来时，能够容易进行停止操作。

另外能够进行下述的处理，即当来自主控制器3的动力行驶时的指令是表示相当于转矩指令500Nm以下的加速度的指令、1个调档指令、最低调档指令之中的某一种时，当输入动力行驶调档指令的断开信号时，立即使转矩指令变为零，而且当是其它的调档指令时，为了能够减小输入动力行驶调档指令的断开信号时的冲击，而能够不立即使转矩指令变为零。

实施形态2

图5是表示与本发明相关的实施形态2的电车的功率变换装置的结构例子的框图。在图5中，电车的功率变换装置的控制部16具有代替实施形态1的电压控制部6的电压控制部17。另外，本实施形态的功率变换装置在功率变换器1的交流侧上设置电流检测部18a、18b、18c。电流检测部18a、18b、18c检测在感应电机2中所产生的相电流iu、iv、iw。其它结构与实施形态1相同。

由电流检测部18a、18b、18c所检测出的相电流iu、iv、iw，利用由式(4)所算出的任意逆变器角频率ωinv来计算相位θ。即，由相位θ将相电流iu、iv、iw计算成dq轴电流Id、Iq。另外，众所周知，当将三相电流向旋转正交二轴进行坐标变换时，虽然需要控制坐标轴，但是根据任意的角频率ω，将旋转二轴坐标即控制坐标轴的相位设定为θ。根据所算出的dq轴电流Id、Iq与式(1)、(2)的dq电流指令，采用下面的式(9)进行PI控制，从而使所检测出的电流与指令一致。

【数学式9】

$d\_\mathrm{pi}=(\mathrm{kp}+\frac{\mathrm{\ωci}}{s})({\mathrm{Id}}^{*}-\mathrm{Id})$

$q\_\mathrm{pi}=(\mathrm{kp}+\frac{\mathrm{\ωci}}{s})({\mathrm{Iq}}^{*}-\mathrm{Iq})---\left(9\right)$

另外，kp、ωci是控制常数，是任意的常数。能够由式(9)进行控制，使电流检测值与电流指令值一致。如果向实施形态1的式(5)中加入控制该电流的式(9)的项，则变为式(10)。如式(10)所示，通过构成dq轴电压指令，具有抑制转矩急剧变为零而电动机电流暂时地上跳的情况的效果。

【数学式10】

Vd^*＝Rs×Id^*-ωinv×σ×Ls×Iq^*+d_pi

Vq^*＝Rs×Iq^*+ωinv×Ls×Ld^*+q_pi      (10)

除了生成上述的dq轴电压指令，与实施形态1相同，功率变换器1能够利用式(7)、(8)按照由转矩指令生成部5所输出的转矩指令那样进行控制，能够断开1个调档指令，并且如果转矩指令变为零，则能够立即停止功率变换器1，当在车辆基地及检车基地等电车的停止位置是很重要的地方而希望在规定的停止位置上没有误差停下来时，能够容易进行停止操作。

而且，在本实施形态中，虽然揭示了作为交流侧的电流检测部18a、18b、18c，是利用CT等检测出流过连接功率变换器1与感应电机2的连线的电流的情况，但是也可以采用其它公认的方法，采用母线电流等在功率变换器1内部流过的电流来检测出相电流。另外，因为iu+iv+iw＝0的关系成立，所以也能够根据u相、v相的2相的检测电流求得w相的电流，这时，w相的电流检测部18c也可以省略。

实施形态3

图6是表示与本发明相关的实施形态3的电车的功率变换装置的结构例子的框图。本实施形态的电车的功率变换装置的控制部19具有代替实施形态2的电压控制部17的电压控制部20。其它结构与实施形态2相同。

由电流检测部18a、18b、18c所检测出的相电流iu、iv、iw，利用由式(5)所算出的任意逆变器角频率ωinv来计算相位θ。即，由相位θ将相电流iu、iv、iw计算成dq轴电流Id、Iq。另外，众所周知，当将三相电流向旋转正交二轴进行坐标变换时，虽然需要控制坐标轴，但是因为根据任意的角频率ω，将旋转二轴坐标即控制坐标轴的相位设定为θ，所以省略说明。根据所算出的dq轴电流Id、Iq与式(1)、(2)的dq电流指令，进行PI控制，从而使所检测出的电流与指令一致，并且将该结果设定为dq轴电压指令。

【数学式11】

${\mathrm{Vd}}^{*}=(\mathrm{kp}+\frac{\mathrm{\ωci}}{s})({\mathrm{Id}}^{*}-\mathrm{Id})$

${\mathrm{Vq}}^{*}=(\mathrm{kp}+\frac{\mathrm{\ωci}}{s})({\mathrm{Iq}}^{*}-\mathrm{Iq})---\left(11\right)$

采用由式(11)求得的dq轴电压指令，与实施形态1相同，功率变换器1能够利用式(7)、(8)按照由转矩指令生成部5所输出的转矩指令那样进行控制，能够断开1个调档指令，并且如果转矩指令变为零，则能够立即停止功率变换器1，当在车辆基地及检车基地等电车的停止位置是很重要的地方而希望在规定的停止位置上没有误差停下来时，能够容易进行停止操作。

本实施形态与实施形态1及2相比，具有能够降低运算量的效果，另外，与实施形态2相同，具有抑制转矩急剧变为零而电动机电流暂时地上跳的情况的效果。

实施形态4

图7是表示与本发明相关的实施形态4的电车的功率变换装置的结构例子的框图。本实施形态的特征在于，交流电动机是同步电机22。而且，本实施形态的控制部23具有代替实施形态1的电压控制部6的电压控制部24。其它结构与实施形态1相同。

电压控制部24能够利用同步电机22的电压方程式，根据任意角频率ω、转矩电流指令Iq^*、磁通电流指令Id^*、d、q轴电感Ld、Lq、由永磁体而产生的交链磁通Φ、以及微分算子，计算旋转二轴上的d轴电压指令Vd^*、q轴电压指令Vq^*。即，用式(12)计算d轴电压指令Vd^*、q轴电压指令Vq^*。

【数学式12】

${\mathrm{Vd}}^{*}=(R+\frac{d}{\mathrm{dt}}\mathrm{Ld})\×{\mathrm{Id}}^{*}-\mathrm{\ω}\×\mathrm{Lq}\×{\mathrm{Iq}}^{*}$

${\mathrm{Vq}}^{*}=\mathrm{\ω}\×\mathrm{Ld}\×{\mathrm{Id}}^{*}+(R+\frac{d}{\mathrm{dt}}\mathrm{Lq})\×{\mathrm{Iq}}^{*}+\mathrm{\ω\φ}---\left(12\right)$

另外，关于转矩电流指令，是根据来自转矩指令生成部5的转矩指令、以及能够由交流电动机的电动机常数及特性决定的由永磁体产生的交链磁通Φ、和P：极对数，能够用式(13)计算转矩电流指令Iq^*。磁通电流指令Id^*设定为规定的常数。

【数学式13】

${\mathrm{Iq}}^{*}=\frac{{\mathrm{\τ}}^{*}}{\mathrm{\φ}\×P}---\left(13\right)$

另外，众所周知，当将三相电压或者三相电流向旋转正交二轴进行坐标变换时，虽然需要控制坐标轴，但是根据任意的角频率ω，将旋转二轴坐标即控制坐标轴的相位设定为θ。该相位θ在同步电机16中能够通过对角频率ω进行积分用式(14)而求得。

【数学式14】

θ＝∫ω·dt      (14)

采用由式(12)、(7)得到的d轴电压指令Vd^*、q轴电压指令Vq^*、以及相位θv，并利用式(8)计算三相电压指令Vu^*、Vv^*、Vw^*。

如上所述，即使用同步电机22也与用感应电机时一样，功率变换器1能够按照由转矩指令生成部5所输出的转矩指令那样进行控制，能够断开1个调档指令，并且如果转矩指令变为零，则能够立即停止功率变换器1，当在车辆基地及检车基地等电车的停止位置是很重要的地方而希望在规定的停止位置上没有误差停下来时，能够容易进行停止操作。

实施形态5

图8是表示与本发明相关的实施形态5的电车的功率变换装置的结构例子的框图。本实施形态的特征在于，交流电动机是同步电机22。因为交流电动机是同步电机22，所以控制部25的电压控制部26不同，但是其它结构与实施形态3相同。

由电流检测部18a、18b、18c所检测出的相电流iu、iv、iw，利用由式(14)所算出的任意角频率ω来计算相位θ。即，由相位θ将相电流iu、iv、iw计算成dq轴电流Id、Iq。另外，众所周知，当将三相电流向旋转正交二轴进行坐标变换时，虽然需要控制坐标轴，但是因为根据任意的角频率ω，将旋转二轴坐标即控制坐标轴的相位设定为θ，所以省略说明。根据所算出的dq轴电流Id、Iq与dq电流指令，进行PI控制，从而使所检测出的电流与指令一致，并且将该结果设定为dq轴电压指令。

【数学式15】

${\mathrm{Vd}}^{*}=(\mathrm{kp}+\frac{\mathrm{\ωci}}{s})({\mathrm{Id}}^{*}-\mathrm{Id})$

${\mathrm{Vq}}^{*}=(\mathrm{kp}+\frac{\mathrm{\ωci}}{s})({\mathrm{Iq}}^{*}-\mathrm{Iq})---\left(15\right)$

采用由式(15)求得的dq轴电压指令，与实施形态1相同，功率变换器1能够利用式(8)按照由转矩指令生成部5所输出的转矩指令那样进行控制，能够断开1个调档指令，并且如果转矩指令变为零，则能够立即停止功率变换器1，当在车辆基地及检车基地等电车的停止位置是很重要的地方而希望在规定的停止位置上没有误差停下来时，能够容易进行停止操作。

本实施形态与实施形态4相比，具有能够降低运算量的效果，另外，与实施形态4相比，能够具有抑制转矩急剧变为零而电动机电流暂时地上跳的情况的效果。

【工业上的实用性】

本发明是一种适用于电车的功率变换装置，该功率变换装置将直流电压变换成可变频率、可变电压的交流电压以驱动交流电动机。

Claims (4)

1.一种电车的功率变换装置，其特征在于，

具有：

将直流功率变换为交流功率的功率变换器；

利用所述功率变换器所输出的交流功率进行驱动、并且使电车行驶的交流电动机；

输出决定电车的加减速度的动力行驶调档指令的主控制器；以及

根据所述动力行驶调档指令来控制所述功率变换器所输出的交流功率大小的控制部，

如果在动力行驶中输入来自所述主控制器的动力行驶调档指令断开信号，则所述控制部在25毫秒以内使所述功率变换器所输出的交流功率大小变为零。

2.如权利要求1中所述的电车的功率变换装置，其特征在于，

当所述主控制器下达了表示相当于转矩指令500Nm以下的加速度的指令、1个调档指令、以及最低调档指令之中的任何一个指令时，如果输入这些动力行驶调档指令的断开信号，则所述控制部在25毫秒以内将所述功率变换器所输出的交流功率大小变为零。

3.如权利要求1或2中所述的电车的功率变换装置，其特征在于，

所述控制部具有：

根据所述动力行驶调档指令生成转矩指令的转矩指令生成部；以及

根据所述转矩指令来控制所述功率变换器的输出电压的电压控制部，

如果输入来自所述主控制器的动力行驶调档指令的断开信号，则所述转矩指令生成部在0.1微秒以上、25毫秒以内，将所述转矩指令清零且将所述功率变换器所输出的交流功率大小变为零。

4.如权利要求3中所述的电车的功率变换装置，其特征在于，

所述转矩指令生成部具有：

第1转矩指令生成部，该第1转矩指令生成部当所述主控制器下达了表示相当于转矩指令500Nm以下的加速度的指令、1个调档指令、以及最低调档指令之中的任何一个指令时，如果输入这些动力行驶调档指令的断开信号，则在0.1微秒以上、25毫秒以内将所述转矩指令清零；

第2转矩指令生成部，该第2转矩指令生成部当所述主控制器下达了表示相当于转矩指令500Nm以下的加速度的指令、1个调档指令、以及最低调档指令以外的动力行驶调档指令时，如果输入这些动力行驶调档指令的断开信号，则花费100毫秒以上的时间将所述转矩指令清零；以及

根据来自所述主控制器的动力行驶调档指令，切换为所述第1转矩指令生成部以及所述第2转矩指令生成部之中的任何一种的切换部。

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