CN104426431A - 感应电动机式电车及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供抑制流向感应电动机的过电流、能有效地防止过电流所引起的感应电动机的过热的感应电动机式电车及其控制方法。生成电力变换器的输出电流的目标值即感应电动机电流指令值，控制电力变换器，以使得电力变换器的输出电流追随该感应电动机电流指令值，另一方面，基于各感应电动机的旋转频率来限制感应电动机电流指令值的大小，以使得抑制各感应电动机所分别驱动的各车轮的车轮径差所引起的流向感应电动机的过电流。

Description

感应电动机式电车及其控制方法

技术领域

本发明涉及感应电动机式电车及其控制方法，特别适于应用在具有从1个电力变换器向多个感应电动机供电的构成的感应电动机式电车(以下将其称作多感应电动机式电车)中。

背景技术

多感应电动机式电车具备：将介由受电弓从架线取得的电力变换成可变电压、可变频率的三相交流电力的1个或多个电力变换器；和分别被从同一电力变换器提供的三相交流电力驱动的多个感应电动机，多感应电动机式电车基于驱动这些多个感应电动机时得到的动力来行驶。

搭载于这样的多感应电动机式电车的电力变换器的输出频率一般在相当于感应电动机的旋转频率的转子频率上加减转差频率(slip frequency)来进行设定。

在这种情况下，作为这种转子频率，在使用多个感应电动机的旋转频率的最大值的情况下，在电流控制中使用动力运行中发生空转时的空转轴的旋转频率，在使用最小值的情况下，在电流控制中使用再生中发生滑行时的滑行轴的旋转频率，在哪种情况下都会成为再粘着性降低的原因。

为此，转子频率在动力运行时较多使用最大旋转频率以外的感应电动机的旋转频率或各感应电动机的旋转频率的平均值，在再生时较多使用最小旋转频率以外的感应电动机的转速或各感应电动机的旋转频率的平均值。

另外，转差频率如下进行设定：基于要从电力变换器向各感应电动机提供的电流的目标值(是与基于司机的换档操作(notch operation)的换档指令相应的电流值，以下将其称作电流指令值)、和实际从电力变换器向各感应电动机提供的电流的测量值(以下将其称作感应电动机电流反馈值)的差分而算出转差频率补正值，在与此时请求的转矩(是与换档指令相应的大小的转矩，以下将其称作请求转矩)相应的基本指令上加减该转差频率补正值，由此来进行设定。

另外，在专利文献1中公开了如下方法：在全部的感应电动机中具备电流检测器的多感应电动机式电车中，使用分别提供给各感应电动机的电流中的最大电流值作为上述的感应电动机电流反馈值。

专利文献

专利文献1：JP特开昭63-117605号公报

然而，在上述那样的多感应电动机式电车中，有在从同一电力变换器接受供电的多个感应电动机的一部分发生过电流的问题。并且，在感应电动机发生过电流的情况下，特别在如高速车辆那样在高速域的感应电动机的驱动时间长的电车中，这种过电流所引起的感应电动机的过热是安全性方面的问题。

发明内容

本发明考虑以上的点而提出，提出能有效防止过电流所引起的感应电动机的过热、提升安全性的感应电动机式电车及其控制方法。

为了解决这种课题，在本发明中，感应电动机式电车具备：电力变换器，其将从架线取得的电力变换为可变电压可变频率的三相交流电力；多个感应电动机，从电力变换器供电，分别驱动不同的车轮；电流检测器，其检测电力变换器的输出电流的电流值；多个速度检测器，与多个感应电动机分别对应而设，检测对应的感应电动机的旋转频率；和电力变换器控制部，其生成电力变换器的输出电流的目标值即感应电动机电流指令值，基于由电流检测器检测出的电力变换器的输出电流、以及由速度检测器分别检测出的旋转频率来控制电力变换器，以使得电力变换器的输出电流追随该感应电动机电流指令值，电力变换器控制部基于由速度检测器分别检测出的旋转频率来限制感应电动机电流指令值的大小，以使得抑制感应电动机所分别驱动的车轮的车轮径差所引起的流向感应电动机的过电流。

另外，在本发明中，在感应电动机式电车的控制方法中，所述感应电动机式电车具有：电力变换器，其将从架线取得的电力变换为可变电压可变频率的三相交流电力；和多个感应电动机，从电力变换器供电，分别驱动不同的车轮，该感应电动机式电车的控制方法具备：第1步骤，检测电力变换器的输出电流的电流值、和多个感应电动机各自的旋转频率；和第2步骤，生成电力变换器的输出电流的目标值即感应电动机电流指令值，基于在第1步骤中检测出的电力变换器的输出电流、以及检测出的多个感应电动机各自的旋转频率来控制电力变换器，以使得电力变换器的输出电流追随该感应电动机电流指令值，在第2步骤中，基于在第1步骤中检测出的旋转频率来限制感应电动机电流指令值的大小，以使得抑制感应电动机所各自驱动的车轮的车轮径差所引起的流向感应电动机的过电流。

发明的效果

根据本发明，由于能抑制流向感应电动机的过电流、有效防止过电流所引起的感应电动机的过热，因此能提升安全性。

附图说明

图1是表示一般的感应电动机中的转差频率、和牵引力、制动力以及感应电动机电流的关系的特性曲线图。

图2是表示低转差型的感应电动机中的转差频率、和牵引力、制动力以及感应电动机电流的关系的特性曲线图。

图3是表示本实施方式的多感应电动机式电车中的电力变换器以及感应电动机的连接关系的框图。

图4是表示本实施方式的多感应电动机式电车中的电力变换器控制部的构成的框图。

图5是表示一般的多感应电动机式电车中的电力变换器的输出电压、感应电动机的输出转矩、和感应电动机电流的关系的特性曲线图。

图6是表示进行向恒转矩区域、感应电动机的特性区域的控制的情况下电力变换器的输出电压、感应电动机的输出转矩、和感应电动机电流的关系的特性曲线图。

具体实施方式

以下使用附图来详述本发明的1个实施方式。

(1)感应电动机中的转差频率与电流以及转矩的关系

在从电力变换器接受供电的多个感应电动机分别驱动的各车轮的车轮直径不同的情况下，电力变换器的输出频率对各感应电动机来说相同，与此相对，由于各个感应电动机的旋转频率因车轮直径不同而分别不同，因此，转差频率也按照各个感应电动机而不同。另外，车轮径差所引起的感应电动机间的旋转频率差随着多感应电动机式电车的速度的增大而变大。

一般在多感应电动机式电车中，在感应电动机的转差频率、提供给该感应电动机的电流、和该感应电动机所产生的转矩间有图1所示那样的关系。如从图1所明确的那样，在车轮直径不同的情况下，在动力运行时，在转差频率大的(对车轮直径大的车轮进行驱动的)感应电动机产生大的电流以及转矩，在再生时，在转差频率小的(对车轮直径小的车轮进行驱动的)感应电动机产生大的电流以及转矩。即，在各感应电动机分别进行驱动的各车轮存在车轮径差的情况下，在转差频率的绝对值更大的感应电动机产生更大的电流以及转矩。

过去，在多感应电动机式电车中，遵循基于司机的换档操作的换档指令或基于制动操作的制动指令而生成的上述的电流指令值将从同一电力变换器接受供电的各感应电动机所驱动的车轮的车轮直径没有差异的情况下的值作为标准值。为此，在这些车轮的车轮直径存在差异的情况下，若控制电力变换器，使得分别在各感应电动机流过这种多个感应电动机的电流平均值作为感应电动机电流反馈值，则会存在流过相对于标准值而言较大的电流的感应电动机。

这种情况下，在例如像高速车辆那样在高速域的感应电动机的驱动时间长的电车中，由于从电力变换器提供给感应电动机的电流的差分大的状态会长时间持续，因此在转差频率的绝对值大的感应电动机中，热损耗的增加所引起的过热会成为问题。

另外，如图2所示那样，在转差频率的变化所对应的电动机电流的变化的比例大的被称作低转差型的感应电动机的情况下，由于这种车轮的车轮径差所对应的感应电动机间的电流值之差较大，因此感应电动机的过热成为更严重的问题。

为此，在本实施方式的多感应电动机式电车中，在从1个电力变换器接受供电的多个感应电动机所分别驱动的车轮间的车轮径差大的情况下，限制从电力变换器提供给各感应电动机的电流值。以下详细说明具有这样的特征的本实施方式的多感应电动机式电车。

(2)本实施方式的多感应电动机式电车的构成

图3表示本实施方式的多感应电动机式电车1的整体像。该多感应电动机式电车1具备1个或多个电力变换器2，在这些电力变换器2分别连接有多个感应电动机3。

图4表示本多感应电动机式电车1中的动力系统的构成例。在本多感应电动机式电车1的情况下，将介由受电弓11从架线12受电的直流电力赋予给电力变换器2。

电力变换器2具备多个开关元件而构成，通过遵循从电力变换器控制部10赋予的选通信号gs使这些开关元件通断，从而将从架线12取得的直流电力变换为可变电压可变频率的三相交流电力。另外，电力变换器2将通过这种变换得到的三相交流电力分别提供给与自身连接的各感应电动机3，由此来驱动这些感应电动机3。

这时，用电流检测器13检测电力变换器2的输出电流Io的电流值，并将其作为感应电动机电流反馈值Im发送给电力变换器控制部10。另外，用与这些感应电动机3分别对应而设的速度检测器14分别检测各感应电动机3的旋转频率，并发送给电力变换器控制部10。

在电力变换器控制部10中，将与司机的换档操作相应的换档指令或与制动操作相应的制动指令输入到电流指令发生部20。然后，电流指令发生部20基于所提供的换档指令或制动指令来生成与要设为电力变换器2的输出电流Io的目标值的电流值相应的电流指令值。另外，电流指令发生部20将生成的电流指令值与从后述的电流值限制部28发送的补正系数K相乘，将相乘结果作为感应电动机电流指令值Ip送出到电流控制部21。

电流控制部21生成用于使来自电流检测器13的感应电动机电流反馈值Im追随来自电流指令发生部20的感应电动机电流指令值Ip的矢量变换电流Iv，将生成的矢量变换电流Iv送出到矢量控制运算部22。

矢量控制运算部22基于从电流控制部21被赋予的矢量变换电流Iv来算出用于使电力变换器2的输出电流Io成为适当的值的调制率Vc，将算出的调制率Vc送出到PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)控制部23。

另外，电流控制部21根据感应电动机电流指令值Ip以及感应电动机电流反馈值Im的差分来生成用于补正感应电动机3中的转差频率fs的补正值即转差频率补正值Δfs，将生成的转差频率补正值Δfs送出到转差频率运算部24。

转差频率运算部24通过将从电流控制部21赋予的转差频率补正值Δfs与对应于请求转矩而预先设定的基本转差频率指令值fsp相加，由此算出各感应电动机3的平均的转差频率fs，将算出的转差频率fs送出到加减运算电路25。

此时，还对加减运算电路25赋予由车辆速度运算部26基于各速度检测器14所分别检测出的各感应电动机3的旋转频率fr1、2、……而算出的各感应电动机3的平均的转子频率fr。

如此，加减运算电路25在动力运行时将转子频率fr与转差频率fs相加，在再生制动时从转子频率fr减去转差频率fs，由此来算出电力变换器2的输出频率的目标值即目标输出频率finv，将算出的目标输出频率finv输出给PWM控制部23。

PWM控制部23基于从矢量控制运算部22发送的调制率Vc、和从加减运算电路25发送的目标输出频率finv来生成用于对电力变换器2内的开关元件进行通断控制的选通信号gs，以使电力变换器2的输出电流Io的电流值成为从电流指令发生部20输出的感应电动机电流指令值Ip，且使电力变换器2的输出频率成为从加减运算电路25赋予的目标输出频率finv，将生成的选通信号gs发送给电力变换器2。

另一方面，还将由速度检测器14分别检测出的感应电动机3各自的旋转频率赋予给车轮径差运算部27。然后，车轮径差运算部27基于从速度检测器14分别发送的所对应的感应电动机3的旋转频率来算出由感应电动机3分别驱动的车轮(未图示)的径差的最大值(以下将其称作车轮径差)ΔWd，将算出的车轮径差ΔWd送出到电流值限制部28。

电流值限制部28，基于从车轮径差运算部27发送的车轮径差ΔWd，在该车轮径差ΔWd不足预先确定的阈值(以下将其称作车轮径差阈值)的情况下，作为补正系数K将“1”发送给电流指令发生部20，在车轮径差ΔWd为车轮径差阈值以上的情况下，作为补正系数K将预先设定的小于“1”的数值(例如0.8～0.9)送出到电流指令发生部20。如此，电流指令发生部20如上述那样将对应于换档指令而产生的电流指令值与该补正系数K相乘，将相乘结果作为感应电动机电流指令值Ip而送出到电流控制部21。

另外，在本实施方式的情况下，对从电流值限制部28送出到电流指令发生部20的补正系数K的值进行设定(例如设定为0.8～0.9程度)，以使得在车轮径差ΔWd为车轮径差阈值以上的情况下流过转差频率fs的绝对值最大的感应电动机3的电流的电流值成为在没有车轮径差ΔWd的情况下分别流过感应电动机3的电流的电流值以下。另外，如上述那样，期望在车轮径差ΔWd为车轮径差阈值以上的情况下基于转差频率fs的绝对值最大的感应电动机3来设定K的值，但只要基于转差频率fs的绝对值大到某种程度的感应电动机3来设定K的值，则也能某种程度达成本发明的效果。

(3)本实施方式的效果

图5表示不进行上述的电流限制的现有的多感应电动机式电车中的电力变换器的输出电压Vinv、和流过接受来自该电力变换器的受电的感应电动机的电流Ia～Ic、以及基于这些电流Ia～Ic的感应电动机的输出转矩Ta～Tc的关系。在图5中示出将恒转矩控制进行到恒电压可变频率CVVF区域的转子频率为止的情况，在越过VVVF区域后，进行使流过感应电动机3的电流Ia～Ic与转子频率fr成正比地增大的控制。

图中，Ib表示在感应电动机所分别驱动的车轮间没有车轮径差的情况下流过各感应电动机的电流(设计值)，Ia表示流过转差频率的绝对值大于没有车轮径差的情况下的转差频率的感应电动机的电流，Ic表示流过转差频率fs的绝对值小于没有车轮径差的情况下的转差频率的感应电动机的电流。另外，在图中，Tb表示在多个感应电动机所分别驱动的车轮间没有车轮径差的情况下的各感应电动机的输出转矩(基准值)，Ta表示在转差频率的绝对值大于没有车轮径差的情况下的转差频率的感应电动机产生的转矩，Tc表示在转差频率的绝对值小于没有车轮径差的情况下的转差频率的感应电动机产生的转矩。

如从该图5所明确的那样，流过转差频率的绝对值大的感应电动机的电流Ia大于在多个感应电动机所分别驱动的车轮间没有车轮径差的情况下流过各感应电动机的电流Ib。为此，如本实施方式那样，通过限制电力变换器2的输出电流Io，使流过转差频率fs的绝对值最大的感应电动机3的电流Ia成为没有车轮径差ΔWd的情况下流过感应电动机3的电流Ib以下，从而能使分别流过感应电动机3的电流Ia～Ic为标准值以下。由此能抑制全部的感应电动机3的过电流，能有效地防止过电流引起的这些感应电动机3的过热。如此，能提升多感应电动机电车的安全性。

图6是进行向恒转矩区域、感应电动机3的特性区域的控制的情形。这种情况下补正也能与前述同样地执行。另外，在图6中，Ia′～Ic′表征与图5的Ia～Ic相同情况下的感应电动机3的电流值，Ta′～Tc′表征在与图5的Ta～Tc相同情况下感应电动机3所产生的转矩。

另外，在本多感应电动机式电车1中，由于将电流值限制部8的动作条件设为车轮径差ΔWd为一定值(车轮径差阈值)以上时，因此容许感应电动机3间的电流值之差到一定值，能抑制电流限制所引起的转矩的降低。

(4)其它实施方式

另外，在上述的实施方式中，叙述了在车轮径差ΔWd为车轮径差阈值以上的情况下从电流值限制部28赋予给电流指令发生部20的补正系数K的值设为0.8～0.9的情况，但本发明并不限于此，能广泛应用不足1的其它各种值。在该情况下，由于一般车轮径差ΔWd用台车或车厢、编成单位来进行管理，因此通过将电流值限制部28的电流限制量设为能在从1个电力变换器2接受供电的多个感应电动机3间产生的电流值之差的最大值程度，能防止不必要的电流值的减少。

另外，在上述的实施方式中，叙述了架线12为直流架线的情况，但本发明并不限于此，在架线12为交流架线、使用具有将交流电源变换为直流电源的功能的电力变换器作为电力变换器2的情况下也能应用本申请发明。

进而，在上述的实施方式中，叙述了由电流控制部21、矢量控制运算部22、PWM控制部23、转差频率运算部24、加减运算电路25以及车辆速度运算部26来构成基于从电流指令发生部9输出的感应电动机电流指令值Ip、由电流检测器13检测出的电力变换器2的输出电流、和由速度检测器14检测出的各感应电动机3的旋转频率来控制电力变换器2的输出电压以及输出频率的电压/频率控制部的情况，但本发明并不限于此，能广泛应用其它各种构成。

工业实用性

本发明能广泛应用在各种构成的多感应电动机式电车中。

标号的说明

1  多感应电动机式电车

2  电力变换器

3  感应电动机

10  电力变换器控制部

11  受电弓

12  架线

13  电流检测器

14  速度检测器

20  电流指令发生部

21  电流控制部

22  矢量控制运算部

23  PWM控制部

24  转差频率运算部

25  加法运算器

26  车辆速度运算部

27  车轮径差运算部

28  电流值限制部

finv 目标输出频率

fr  转子频率

fs  转差频率

gs  选通信号

Im  感应电动机电流反馈值

Io  输出电流

Ip  感应电动机电流指令值

K   补正系数

Claims (8)

1.一种感应电动机式电车，其特征在于，具备：

电力变换器，其将从架线取得的电力变换成可变电压可变频率的三相交流电力；

多个感应电动机，从所述电力变换器供电，分别驱动不同的车轮；

电流检测器，其检测所述电力变换器的输出电流的电流值；

多个速度检测器，分别与所述多个感应电动机对应而设，检测对应的所述感应电动机的旋转频率；和

电力变换器控制部，其生成所述电力变换器的输出电流的目标值即感应电动机电流指令值，基于由所述电流检测器检测出的所述电力变换器的输出电流、以及由所述速度检测器分别检测出的所述旋转频率来控制所述电力变换器，以使得所述电力变换器的输出电流追随该感应电动机电流指令值，

所述电力变换器控制部基于分别由所述速度检测器检测出的所述旋转频率来限制所述感应电动机电流指令值的大小，以使得抑制所述感应电动机所分别驱动的所述车轮的车轮径差所引起的流向所述感应电动机的过电流。

2.根据权利要求1所述的感应电动机式电车，其特征在于，

所述电力变换器控制部限制所述感应电动机电流指令值的大小，以使得流过转差频率的绝对值最大的所述感应电动机的电流的电流值成为在没有车轮径差的情况下流过所述感应电动机的电流的电流值以下，其中所述转差频率基于分别由所述速度检测器检测出的所述旋转频率。

3.根据权利要求1或2所述的感应电动机式电车，其特征在于，

所述电力变换器控制部在基于分别由所述速度检测器检测出的所述旋转频率算出的所述多个感应电动机所驱动的各个车轮的车轮径差为预先确定的阈值以上时，限制所述感应电动机电流指令值的大小。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的感应电动机式电车，其特征在于，

所述电力变换器控制部产生与司机的驾驶操作相应的大小的电流指令值，将产生的所述电流指令值和与各所述感应电动机所驱动的车轮的车轮径差相应的补正系数相乘，来生成所述感应电动机电流指令值，

在所述多个感应电动机所驱动的各个车轮的车轮径差的最大值不足预先确定的阈值的情况下所述补正系数为1，在该最大值为该阈值以上的情况下所述补正系数为不足1的值。

5.一种感应电动机式电车的控制方法，所述感应电动机式电车具有：

电力变换器，其将从架线取得的电力变换为可变电压可变频率的三相交流电力；和

多个感应电动机，从所述电力变换器供电，分别驱动不同的车轮，

所述感应电动机式电车的控制方法的特征在于，具备：

第1步骤，检测所述电力变换器的输出电流的电流值、和所述多个感应电动机各自的旋转频率；和

第2步骤，生成所述电力变换器的输出电流的目标值即感应电动机电流指令值，基于在所述第1步骤中检测出的所述电力变换器的输出电流、以及检测出的所述多个感应电动机各自的旋转频率来控制所述电力变换器，以使得所述电力变换器的输出电流追随该感应电动机电流指令值，

在所述第2步骤中，基于在所述第1步骤中检测出的所述旋转频率来限制所述感应电动机电流指令值的大小，以使得抑制所述感应电动机所分别驱动的所述车轮的车轮径差所引起的流向所述感应电动机的过电流。

6.根据权利要求5所述的感应电动机式电车的控制方法，其特征在于，

在所述第2步骤中，限制所述感应电动机电流指令值的大小，以使得流过转差频率的绝对值最大的所述感应电动机的电流的电流值成为在没有车轮径差的情况下流过所述感应电动机的电流的电流值以下，其中所述转差频率基于在所述第1步骤中检测出的所述旋转频率。

7.根据权利要求5或6所述的感应电动机式电车的控制方法，其特征在于，

在所述第2步骤中，在基于在所述第1步骤中检测出的所述旋转频率算出的所述多个感应电动机所驱动的各个车轮的车轮径差为预先确定的阈值以上时，限制所述感应电动机电流指令值的大小。

8.根据权利要求5～7中任一项所述的感应电动机式电车的控制方法，其特征在于，

在所述第2步骤中，产生与司机的驾驶操作相应的大小的电流指令值，将产生的所述电流指令值和与所述多个感应电动机所驱动的各个车轮的车轮径差相应的补正系数相乘，来生成所述感应电动机电流指令值，

在所述多个感应电动机所驱动的各个车轮的车轮径差的最大值不足预先确定的阈值的情况下所述补正系数为1，在该最大值为该阈值以上的情况下所述补正系数为不足1的值。