JP2000004504A - 電気式トルクコンバータの制御方式 - Google Patents

電気式トルクコンバータの制御方式

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JP2000004504A
JP2000004504A JP10166575A JP16657598A JP2000004504A JP 2000004504 A JP2000004504 A JP 2000004504A JP 10166575 A JP10166575 A JP 10166575A JP 16657598 A JP16657598 A JP 16657598A JP 2000004504 A JP2000004504 A JP 2000004504A
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windings
winding
torque converter
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Tatsuro Horie
竜郎 堀江
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Hitachi Ltd
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
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    • Y02T10/72Electric energy management in electromobility

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  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【課題】交流電動機、特に永久磁石の界磁を有する同期
電動機を、トルク速度の積一定の定出力で広い速度範囲
を運転することを弱界磁制御なしに実現し、かつ該電動
機を制御するインバータの設備容量を小にする。 【解決手段】原動機を動力とする交流発電機,整流器,
複数組のインバータと複数組の電機子巻線を有する電動
機において、インバータと電機子巻線を1:1に対応さ
せ、その対応組数を必要なトルクと速度において切換え
使用する構成。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】原動機を動力とした発電機
と、その負荷として交流電動機を運転する鉄道車両,建
設車両などの発生トルクと速度範囲の広いことの要求さ
れるもの、および商用電力を電源とする産業用機械で、
例えば圧延機など、広い範囲のトルク発生と広い回転数
範囲を要求される技術に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、鉄道車両等において、電動機の発
生トルクと回転数の範囲は、発生トルクで最大回転数に
おける必要トルクの約3〜5倍程度の回転数は定格回転
数の3倍程度までが実用範囲である。
【0003】今回の陸上用の車両では牽引力がほぼ自重
と同じ程度必要で、この値は、電動機の最大回転数のと
きの所要トルクの約10倍程度必要とし、回転数も電動
機の定格点の4〜5倍の範囲が必要である。従来技術で
これらに対応するためには、誘導電動機を使用する場
合、最大トルクで決まる電流容量を有する仕様と、定格
回転数の高い大形の電動機を採用して対応する。このと
きは誘導電動機のロータは水冷などの冷却が必要となっ
て、原動機を用いて発電した電力を利用する車両にとっ
ては、原動機出力を無駄に熱にしてしまい、力としての
利用できない問題がある。この問題の解決案として同期
電動機を使用するとロータの熱損失は低減されるが、制
御可能な界磁をもたないと広いトルクの範囲と速度範囲
を定電圧でカバーすることが困難である。このことは同
期電動機のロータの永久磁石化を妨げることになり、永
久磁石を用いても弱界磁制御ができる様な、電機子鉄心
に直流駆動巻線を設け、ロータの永久磁石の磁界を弱め
る方式なども提案されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】例えば陸上で使用する
特別な車両は、最大牽引力が、最大速度時の牽引力の1
0倍以上必要で、しかも最大牽引力発揮時の最大速度の
約10倍が運用最大速度を要求される車両がある。因み
に鉄道車両では最大牽引力は、最大速度の牽引力の約2
倍、最大運用速度は最大牽引力を出す速度の3〜倍程度
であり、本発明の適用対象車両は動力源にトルクと速度
の使用範囲が極めて広く発生しうるものが要求される。
電気式トルクコンバータにおいて最大トルクは車両駆動
用の電動機トルクを低い電圧で、いいかえれば電動機回
転速度の低い所で大きなトルクを発生させ、高回転速度
域では電圧を高めて低電流として高回転速度で低トルク
の発生を行う必要がある。
【0005】この目的のために電動機の誘起電圧を界磁
制御なしに調節する必要がある。同時にインバータの設
備容量を小さくし、小形化とコストダウンを図る必要が
ある。
【0006】
【課題を解決するための手段】駆動電動機のトルクと速
度の範囲を従来の電動機より広くするため、電動機の巻
線を複数組の巻線に分割し、それぞれの巻線は、インバ
ータに接続され、そのインバータは直流電源に対して直
列に接続される。電動機の複数組の巻線は、同一誘起電
圧(同一巻線数)でも異なった巻線数でもよく、それぞ
れのインバータで誘起電圧が巻線数に対応する様に制御
すると、車両のトルク,速度特性を変更できる。インバ
ータへ直流を供給する手段として、商用電源又は専用の
発電機の出力を整流して得るが、直流出力リップルの低
下と交流側の高調波成分低減のために、多相化交流電源
とすることも方法の一つである。
【0007】直流電源の電圧が一定時に、電動機巻線の
電圧を換える手段として、巻線を開放し、その巻線につ
ながるインバータを短絡状態にすることにより、動作中
のインバータ電圧が高くなるため、それにつながる電動
機巻線の電圧を高め、回転速度を高めることができる。
逆に高速域より低速域に戻し、電動機回転数を下げ、ト
ルクの増大を図る場合は、インバータに開放されていた
巻線を接続し、同時にインバータを短絡状態よりインバ
ータとしての動作モードに換える。このときインバータ
の端子電圧の急変を避けるため、インバータの電源側
に、ダイオードとコンデンサが接続され、インバータの
端子電圧の急変を防止し、車両が駆動力の急変をうけて
大きな衝撃を発することを防止する。
【0008】電動機の複数巻線は、通常3相化が普通で
あるが、電動機のステータ溝数によっては、複数組巻線
は多相化し、例えば3組の巻線に分ける場合、3組動作
時は9相化、2組動作時は6相化、1組になったときは
3相運転を行わせることもでき、低速時のトルクがより
なめらかになる。
【0009】
【発明の実施の形態】図1は普通に用いられている電気
式トルクコンバータの系統図を示している。原動機とし
て内燃機関1を用いて交流発電機2の動力とし、その出
力を整流器3で直流電力とし、インバータ4と界磁制御
装置7で、同期電動機5を制御する。同時電動機の高速
度運転のため、4の出力最大電圧は2の最大電圧で決ま
るため、同期電動機5の電機子コイルの誘起電圧を低め
るために、界磁コイル7の電流を減らして高速回転を実
現し、低速トルクの増強は7の電流を増すことにより電
機子コイル電流をあまり増大させることなく、必要トル
クを発生させることができる。その様子を図2に示す。
この方式では4の容量はあまり大きなものとする必要が
ない。
【0010】しかし、同期電動機を車両などの動力とす
る場合、その容量が数百kw以上,千kw程度になる
と、励磁コイルを有する同期機では、大形でかつ、励磁
コイルの励磁電力も、原動機の出力をかなり消費する様
になるため、図3の同期電動機5のロータに永久磁石を
使用することが行われる。このため通常の弱界磁制御が
行えず、電機子鉄心に界磁コイル7を巻き込んだり、制
御においてd軸電流を流してギャップ磁束を下げる方法
などがとられる。しかしこれらの方法は、いずれも原動
機出力の無駄使いが生じる。
【0011】この対策として図3に示す方式において、
電動機5の最大速度時の誘起電圧を発電機2の最大電圧
となる様に5の電機子巻線の仕様を決めると、電機子巻
線数は少なくなって、5の低速時の大きなトルク発生時
には、大きな電機子電流を必要とする。このため図3の
インバータ4の容量は、最大トルク発生時の電流値と、
発電機2の出力電圧で決まり、図4に示す様に図3の4
の設備容量は、その積で決まり、図3における電動機5
もインバータ4も大形で高価なものになる。
【0012】この問題点を解決するために、図5に示す
方式が本発明の主流をなすものである。内燃機関1,発
電機2,整流器3は、定格仕様とも図1,図3と同じで
ある。図5に一例を示す様にインバータ4,4B,4C
が電源に対して直列に接続され、それぞれのインバータ
には絶線された電機子巻線10,11,12が接続され
る。このときの同期電動機9の特性を図6に示す。
【0013】図6において図5のインバータ4Cと電機
子巻線は主として低速域においてT3−T2トルクを発生
するために使用し、インバータ4Bと電機子巻線11は
2−T1のトルクを分担し、インバータ4と電機子巻線
10はT1 のトルクを発生する。電動機9の速度が図6
のJ1 まで高まると、図5の交流接触器8を開き、イン
バータ4Cをインバータ動作より短路モードに移行させ
る。中速度のトルク発生はインバータ4Bと電機子巻線
11が主として寄与す。
【0014】この状態で速度が図6に示すV2 に達する
と、交流接触器7が開き、インバータ4Bが短絡状態に
移行させる。図6における速度域V2 からV3 まではイ
ンバータ4と電機子巻線10が分担する。インバータを
経済的に製作するためには、インバータの電流容量を
4,5,6同一にすると、電機子巻線12が最も巻数が
多く、次が電機子巻線11,電機子巻線10が最も巻線
が少ない。
【0015】この様に直列接続されたインバータの分担
電圧と電機子巻線の巻線比は、車両の要求する牽引力と
先度の配分で最も経済的な配分とすればよい。図6はイ
ンバータ4C,4B,4の電圧,電流の分担範囲を示
し、インバータの設備容量は、図4より十分小さい値と
なる。節約できるインバータの設備容量の範囲を図6の
斜線の範囲を示す図7に電動機9の各電機子巻線の速度
に対する電圧分担例を示し、図8に電機子巻線と発生ト
ルクの分担を示す。
【0016】本発明の例としてインバータ複数個を電源
に対して直列接続の例を説明したが、電源に対して複数
インバータを並列接続し、電動機の複数巻線の各速度範
囲で分担するAT(アンペアターン)を、インバータの
例えばPWM制御等によってかえ、電動機巻線のそれぞ
れの誘起電圧が、インバータの入力電圧で制限値になっ
たときに、インバータと電動機巻線を、電気的に切離す
方法に要約される。
【0017】各インバータの容量と電機子巻線の巻数の
配分は、切換速度V1 ,V2 ,V3と必要なトルク値よ
り決まる。切換速度は3段階に限ることはない。
【0018】図9は本発明の応用例の1つである。内燃
機関1によって駆動される発電機2を多相化し、整流器
3で出力合成して直流出力のリップルを減じ、電動機9
の複数の電機子巻線も多相化して、低回転域のトルクリ
ップルの減少を図ることができる。コンデンサ10,1
3、ダイオード11,14はコンデンサの充電用で、イ
ンバータの短絡モードよりインバータ運転モードに戻す
とき、動作中のインバータの電流の急変を、11,14
の充電電流で対応させるものである。放電抵抗器12,
15は、インバータが動作モードより、短絡モードに移
るときの10,13の放電電流を制限し、インバータの
大電流短絡を防止するものである。
【0019】
【発明の効果】本発明の方式は広い範囲に定出力の要求
される車両等で、低速時のトルクが最高速度のトルクの
10倍以上も要求されるものにおいて、実質的に制御電
源となるインバータの容量を約1/2程度に低減するこ
とができる。
【0020】同期電動機を用いる場合において、界磁制
御を行うことなく、広い範囲の速度制御が可能で、特に
原動機を有する車両において、界磁制御による電力損失
のない永久磁石界磁が使用できるため、原動機の出力の
車両牽引力の変換効率が高い。
【0021】高トルク,低速度運転時には、電動機を多
相化できるため、トルク脈動を抑えることができ、減速
機を使用する場合、歯車の歯に対する衝撃を軽減でき
る。
【0022】電動機として、誘導機でも同期機でも適用
できる方式であるが、特に永久磁石の界磁を有する同期
機に適用すると広いトルク−速度範囲での定出力制御に
適当である。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の速度,トルクを広い範囲にとるための界
磁量を制御する電気式トルクコンバータのブロック図。
【図2】図1の方式での電動機の電圧,電流,速度の特
性図。
【図3】電動機ロータに永久磁石を使用した同期電動機
を用いた電気式トルクコンバータの例を示すブロック
図。
【図4】図3の方式での必要なインバータの設備容量の
説明する特性図。
【図5】本発明の基本的な図で、電機子巻線を複数に分
け、それぞれにインバータを接続し、速度,トルクに対
応して動作するインバータと電機子巻線の数を換える方
式のブロック図。
【図6】インバータの出力分担範囲と単一巻線永久磁石
(PM)電動機用インバータの容量比較した特性図。
【図7】複数電機子巻線の電圧分担例を示す特性図。
【図8】電機子巻線の速度に対するトルク分担範囲を示
す特性図。
【図9】本発明の応用例,電動機の多相化などを示すブ
ロック図。
【符号の説明】
1…内燃機関、2…交流発電機(コイル複数形)、3…
整流器、4…インバータ1、4B…インバータ2、4C
…インバータ3、5…同期(交流)電動機、6…界磁コ
イル、7…交流接触器1、8…交流接触器2、9…交流
電動機、10…バランスコンデンサ1、11…阻止ダイ
オード1、12…放電抵抗器1、13…バランスコンデ
ンサ2、14…阻止ダイオード2、15…放電抵抗器
2。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】原動機によって駆動される交流発電機又は
    商用電源より出力を得て整流し、その直流出力を直列に
    接続された複数のインバータの電源となし、その複数個
    のインバータの出力は、複数の独立した電動機巻線に供
    給し、電動機の複数コイルによって生ずる合成磁界と、
    動作させるコイル数,コイル電圧を換えて、電動機のト
    ルクと速度制御を行うことを特徴とする電気式トルクコ
    ンバーダの制御方式。
  2. 【請求項2】請求項1の電気式トルクコンバータ方式に
    おいて、電動機内の通電する巻線数を減じ、動作中の巻
    線電圧を高め、電動機の速度を増す手段として、交流接
    触器又は半導体スイッチで巻線とインバータ間を切離
    し、同時に該インバータの半導体を導通状態としてイン
    バータの直流電圧分担をなくし、動作中のインバータ電
    圧を高くして電動機巻線にかかる電圧を高め電動機速度
    を増加させることを特徴とする電気式トルクコンバータ
    の制御方式。
  3. 【請求項3】請求項1の装置を備えた電気式トルクコン
    バータにおいて、開放した電動機巻線を再動作させる手
    段として、そのとき動作中のインバータ電流の急変を避
    けるため、短絡状態にあるインバータの電源側に、ダイ
    オードとコンデンサの直列回路を設け、交流接触器又は
    半導体スイッチにて電動機巻線をインバータへ接続する
    と同時に、該インバータを短絡状態よりインバータ運転
    状態にするとき、等価インピーダンスの急変を避け、電
    動機の合成磁界の急変を回避することを特徴とする電気
    式トルクコンバータの制御方式。
  4. 【請求項4】請求項1の装置の発電機の出力巻線や変圧
    器の出力巻線を、複数個設け独立コイル数を限度として
    多相化し、それらの交流出力を整流回路で合成し直流出
    力のリップル,交流回路の高調波電流を抑制することを
    特徴とする電気式トルクコンバータの制御方式。
  5. 【請求項5】請求項1の交流電動機の複数巻線を、基本
    の3相巻線とする以外に、多相化巻線として電動機低速
    時のトルク脈動を抑制する交流電動機を使用することを
    特徴とする電気式トルクコンバータの制御方式。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007195334A (ja) * 2006-01-19 2007-08-02 Hitachi Ltd 鉄道車両の駆動装置
WO2012035756A1 (ja) * 2010-09-15 2012-03-22 株式会社 東芝 車両用駆動システム
US8508180B2 (en) 2011-02-03 2013-08-13 Panasonic Corporation Motor drive apparatus

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007195334A (ja) * 2006-01-19 2007-08-02 Hitachi Ltd 鉄道車両の駆動装置
WO2012035756A1 (ja) * 2010-09-15 2012-03-22 株式会社 東芝 車両用駆動システム
JP2012061942A (ja) * 2010-09-15 2012-03-29 Toshiba Corp 車両用駆動システム
US8508180B2 (en) 2011-02-03 2013-08-13 Panasonic Corporation Motor drive apparatus

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