【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両用電力変換器の制御装置に関し、特に車両の高速域における電気ブレーキ作用範囲の拡大に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近の鉄道車両においては空気ブレーキによるブレーキシュー磨耗を低減するため、電気ブレーキ作用範囲の拡大が検討されており、低速域で停止直前まで電気ブレーキを作用させる全電気停止ブレーキが実用化されつつある。
しかしながら、ブレーキシュー磨耗の大半は高速域における電気ブレーキ力不足を補うための空気ブレーキにより発生しており、高速域における電気ブレーキ作用範囲を拡大することが課題となっている。
鉄道車両では架線電圧を最大限に利用するため、高速域では鉄道車両特有の１パルスモードが存在する。しかしながら、１パルスモードでは電圧が最大出力となっているため、速度に反比例して励磁電流が減少し、これに伴い電気ブレーキ力も減少していた。
【０００３】
これに対して、従来は、下記非特許文献１に記載のように回生運転時にインバータ装置の３相出力に抵抗器を挿入して、誘導電動機に印加する電圧を上昇させる方式や、上記文献に記載のように、架線とインバータ装置の間に双方向チョッパ装置を挿入して誘導電動機に印加する電圧を連続的に制御する方式等が提案されている。
また、下記特許文献１に記載の電気車制御装置では回生運転時に従来のフィルタコンデンサ充電電流抑制用抵抗器（以下、充電抵抗器と略称する）を挿入し、その電圧降下により誘導電動機に印加する電圧を上昇させるようにしている。
【０００４】
【非特許文献１】
平成１３年度電気学会全国大会論文５−２５１−１
【特許文献１】
特開２００１−２３１１０４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記非特許文献１に記載の抵抗器挿入方式では、インバータ装置と誘導電動機間に、並列に接続された断流器と抵抗器を３相各々に挿入し、１パルスモードでは断流器を開放状態にして抵抗器の負担分だけ誘導電動機の端子電圧を上昇させて電気ブレーキ作用範囲を拡大していた。
しかしながら、この方式では安定な制御を行うために、３相各々に挿入された断流器の開閉タイミングを同一にしなければならないといった問題や、開閉前後で誘導電動機の一次抵抗値が変化するため、制御装置側の定数をタイミング良く切り替えなければならないといった問題がある。
また、上記文献に記載の双方向チョッパ方式では、インバータ装置と同規模の双方向チョッパ装置が必要なため、装置が大型化し、コスト及び実装上の問題がある。
【０００６】
更に、上記特許文献１に記載の電気車制御装置では従来と同一主回路接続により、低コストで電気ブレーキ力を増大することは可能であるが、回生電流の大きさや、閑散地区走行、朝夕の軽負荷時に電気ブレーキ力が安定しないなど、制御的な問題がある。
本発明は、上記従来技術に鑑み成されたものであり、高速域における電気ブレーキ作用範囲の拡大を安定した制御と低コストで実現することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の車両用電力変換機の制御装置においては、概略、誘導電動機１５の端子電圧を上昇させるため、前記充電抵抗器７と並列に接続された断流器８を回生運転時に開放する断流器制御手段１８と、インバータ装置の入力電圧と誘導電動機の回転速度の比を一定とするためのフィルタコンデンサ電圧目標値発生手段１４、及びこの目標電圧に制御するためのチョッパ装置（９，１０）及びチョッパ制御装置１８を設けたことを特徴とする。
【０００８】
具体的には、先ずフィルタリアクトル６とフィルタコンデンサ１１から成る平滑回路と、該平滑回路を介して架線から供給される直流電力を可変電圧、可変周波数の交流電力に変換するインバータ装置１２と、該インバータ装置により駆動される誘導電動機１５を備えた車両用電力変換器の制御装置において、車両の回生運転時に、前記インバータ装置１２の入力電圧を上昇させる手段（７，８，１８）と、該インバータ装置１２の入力電圧が前記誘導電動機１５の回転速度と一定の関係になるように制御する手段（９，１０，１８）を備えたことを特徴とする。
【０００９】
また、上記において、前記架線１とフィルタコンデンサ１１の間に、並列に接続された断流器８と抵抗器７を挿入し、車両が力行運転時には前記断流器５を閉じ、回生運転時には断流器５を開放状態にして１回生電力を前記フィルタコンデンサ１１に充電することにより、インバータ装置１２の入力電圧を上昇させることを特徴とする。
【００１０】
さらに、上記において、前記フィルタコンデンサ１１と並列にチョッパ装置（９，１０）を接続し、前記インバータ装置の入力電圧と前記誘導電動機１５の回転速度の比が一定となるように、前記チョッパ装置（９，１０）を制御することを特徴とする。
【００１１】
さらに、上記において、前記インバータ装置１２の入力電圧を上昇させる手段（７，８，１８）と、前記インバータ装置１２の入力電圧を制御する手段（９，１０，１８）は、インバータ装置１２が最大電圧を出力する１パルス領域でのみ作動するようにしたことを特徴とする。
【００１２】
前記断流器制御手段は、力行運転時には断流器を閉じて充電抵抗器を短絡し、回生運転時には断流器を開放して充電抵抗器を挿入するように作用する。
これにより、回生運転時には回生電力をフィルタコンデンサに充電することが可能となり、インバータ装置の入力電圧、すなわち、誘導電動機の端子電圧を上昇させることができる。
また、チョッパ装置は、フィルタコンデンサに充電された電荷をチョッパ制御装置の指令に応じて放電するように作用する。
チョッパ制御装置は、回生運転時に１パルスモードであることを検知して前記断流器を開放すると共に、フィルタコンデンサの電圧と誘導電動機の回転速度の比が一定、すなわちＶ／ｆ一定となるようにフィルタコンデンサの電圧を制御する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
図１は、本発明の一実施形態による交流電動機の駆動装置を示す。
パンタグラフ１の出力は高速遮断器２及び断流器３を介して並列に接続された充電抵抗器４と断流器５の一方の端子に接続される。
並列に接続された充電抵抗器４と断流器５のもう一方の端子はフィルタリアクトル６の一端に接続され、フィルタリアクトル６の他端は並列に接続された抵抗器７と断流器８の一方の端子に接続される。並列に接続された抵抗器７と断流器８のもう一方の端子はインバータ装置１２に接続される。
なお、インバータ装置１２の入力には抵抗９とスイッチング素子１０から成るチョッパ装置と、フィルタコンデンサ１１が並列に接続される。
【００１４】
上記インバータ装置１２の出力は誘導電動機１５に接続され、この誘導電動機１５に備え付けられたパルス発生器１６から出力される速度パルス信号ＳＰＧが速度信号変換部１７でロータ周波数Ｆｒに変換される。
インバータ制御部１３には電流検出器１９ａ，１９ｂ，１９ｃで検出した３相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗと前記ロータ周波数Ｆｒ及び前記フィルタコンデンサ１１の電圧Ｅｃｆが入力され、前記インバータ装置１２を駆動するＰＷＭパルス信号ＳＰＷＭとインバータ周波数Ｆｉが出力される。
【００１５】
Ｅｃｆ基準値発生部１４には前記インバータ周波数Ｆｉが入力され、これに応じた基準電圧Ｅｃｆ＊が出力される。また、断流器及びチョッパ制御部１８には前記フィルタコンデンサ１１の電圧Ｅｃｆと前記Ｅｃｆ基準値発生部１４から出力される基準電圧Ｅｃｆ＊が入力され、前記高速遮断器２及び前記断流器３，５，８をオン／オフする駆動信号ＨＢＲ，ＬＢ１Ｒ，ＬＢ２Ｒ，ＬＢ３Ｒと、前記スイッチング素子１０をオン／オフするスイッチング信号ＳＣＨが出力される。
【００１６】
以下、上記実施例の動作を説明する。
システムリセット時に、駆動信号ＨＢＲにより高速遮断器２及び断流器８が投入され、装置が従来と同じ構成で稼動可能な状態となる。
その後、最初の力行運転時には、まず、駆動信号ＬＢ１Ｒにより断流器３が投入され、抵抗器４、フィルタリアクトル６及び断流器８を介してフィルタコンデンサ１１が充電される。
【００１７】
次に、フィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆが所定の電圧まで充電されると、駆動信号ＬＢ２Ｒにより断流器５が投入されると共に、インバータ制御部１３からＰＷＭ信号ＳＰＷＭが出力され、インバータ装置１２から３相交流電力が出力される。
これにより、誘導電動機１５が起動され、速度信号変換部１７から式１に示すような誘導電動機１５の回転数に応じた速度信号Ｆｒが出力される。以降、力行または回生にかかわらず、何らかの保護動作が発生するまで、高速遮断器２、断流器３，５は投入状態を保持する。
【００１８】
【数１】
【００１９】
Ｅｃｆ基準値発生部１４は、図２に示すように、インバータ周波数Ｆｉに応じて基準電圧Ｅｃｆ＊を変化させ、断流器及びチョッパ制御部１８ではこれに応じて実際のフィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆが基準電圧Ｅｃｆ＊と等しくなるようにチョッパ装置のスイッチング素子１０をオン／オフ制御する。
【００２０】
本実施例において、高速域の電気ブレーキ作用範囲を拡大する方法について、以下、説明する。
鉄道車両におけるインバータ周波数と出力電圧の特性、いわゆるＶ／ｆ特性と出力トルク及び基準電圧Ｅｃｆ＊の関係を図２に示す。
図中点線で示すように、従来はインバータ周波数がＦｉ０の時出力電圧が最大となり、これ以降はトルクが減衰し、電気ブレーキ力が低下していた。
【００２１】
そこで、本実施例では回生運転時にインバータ周波数がＦｉ０以上の領域では断流器８を開放して抵抗器７を回路に挿入する。これにより、フィルタコンデンサ１１の電圧Ｅｃｆを抵抗器７の負担分だけ上昇させることが可能となる。
この電圧を図示のＥｃｆ基準値発生部１４から出力される基準電圧Ｅｃｆ＊と等しくなるようにスイッチング素子１０を制御することにより図示実線で示すようにＶ／ｆ特性領域をインバータ周波数Ｆｉ０〜Ｆｉ１の期間だけ、従来より拡大可能となり、同図に示す定トルク領域も同様に拡大することができる。
なお、基準電圧Ｅｃｆ＊の最大値はフィルタコンデンサ１１、インバータ装置１２、誘導電動機１５等の主回路部品の耐圧を考慮した値に設定する必要がある。
また、本実施例では、抵抗器７と断流器８を新たに追加したが、従来の設備である抵抗器４及び断流器５の容量等を見直すことにより流用することも可能である。
【００２２】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば制御的に安定に車両の高速域における電気ブレーキ作用範囲を拡大することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による交流電動機の駆動装置を示す図。
【図２】インバータ周波数と出力電圧の特性の関係を示す図。
【符号の説明】
１ 直流架線
２ 高速遮断器
３，５，８ 断流器
４，７ 充電抵抗器
６ フィルタリアクトル
９，１０ チョッパ装置
１１ フィルタコンデンサ
１２ インバータ装置
１３ インバータ制御部
１４ Ｅｃｆ基準値発生部
１５ 誘導電動機
１６ パルス発生器
１６ 速度信号変換部
１８ 断流器及びチョッパ制御部
１９ａ，１９ｂ，１９ｃ 電流検出器[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a control device for a power converter for a vehicle, and more particularly, to an expansion of a range of action of an electric brake in a high-speed range of the vehicle.
[0002]
[Prior art]
In recent railway vehicles, to reduce brake shoe wear due to air brakes, the range of electric brake operation is being studied. All-electric stop brakes that apply electric brake until just before stopping at low speeds are being put into practical use. .
However, most of the brake shoe wear is caused by the air brake for compensating for the electric braking force shortage in the high speed region, and it is a problem to expand the electric brake operation range in the high speed region.
In a railway vehicle, a one-pulse mode peculiar to a railway vehicle exists in a high-speed region in order to make maximum use of the overhead line voltage. However, in the one-pulse mode, since the voltage is the maximum output, the exciting current decreases in inverse proportion to the speed, and the electric braking force also decreases accordingly.
[0003]
On the other hand, conventionally, as described in Non-Patent Document 1 below, a method of increasing the voltage applied to the induction motor by inserting a resistor in the three-phase output of the inverter device during regenerative operation, As described, a method has been proposed in which a bidirectional chopper device is inserted between an overhead wire and an inverter device to continuously control a voltage applied to an induction motor.
In addition, in the electric vehicle control device described in Patent Document 1 below, a conventional filter capacitor charging current suppressing resistor (hereinafter simply referred to as a charging resistor) is inserted during regenerative operation, and the voltage is applied to the induction motor by a voltage drop. The voltage is raised.
[0004]
[Non-patent document 1]
Proceedings of the 2001 IEEJ National Convention 5-251-1
[Patent Document 1]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-231104
[Problems to be solved by the invention]
In the resistor insertion method described in Non-Patent Document 1, a current disconnector and a resistor connected in parallel are inserted into each of the three phases between the inverter device and the induction motor, and the current interrupter is opened in the one-pulse mode. In this state, the terminal voltage of the induction motor is increased by the load of the resistor to extend the range of action of the electric brake.
However, in this system, in order to perform stable control, there is a problem that the open / close timings of the disconnectors inserted into each of the three phases must be the same, and a primary resistance value of the induction motor changes before and after the open / close. There is a problem that constants on the control device side must be switched with good timing.
In addition, the bidirectional chopper method described in the above-mentioned document requires a bidirectional chopper device of the same size as the inverter device, so that the size of the device is increased, and there are problems in cost and mounting.
[0006]
Further, in the electric vehicle control device described in Patent Document 1, it is possible to increase the electric braking force at low cost by connecting the same main circuit as before, but the magnitude of the regenerative current, running in a quiet area, morning and evening There is a control problem such as unstable electric braking force at light load.
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-described conventional technology, and has as its object to realize stable control and an inexpensive cost-effective expansion of the electric brake operation range in a high-speed range.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, in the control device for a vehicle power converter according to the present invention, in order to increase the terminal voltage of the induction motor 15, a current interrupter connected in parallel with the charging resistor 7 is provided. Current cutoff control means 18 for opening the motor 8 during regenerative operation, filter capacitor voltage target value generating means 14 for keeping the ratio between the input voltage of the inverter device and the rotation speed of the induction motor, and control to this target voltage (9, 10) and a chopper control device 18 are provided.
[0008]
Specifically, first, a smoothing circuit including the filter reactor 6 and the filter capacitor 11, an inverter device 12 that converts DC power supplied from the overhead line through the smoothing circuit into a variable voltage and a variable frequency AC power, In a control device for a vehicle power converter including an induction motor driven by an inverter device, means (7, 8, 18) for increasing the input voltage of the inverter device 12 during regenerative operation of the vehicle, and the inverter Means (9, 10, 18) for controlling the input voltage of the device 12 to have a fixed relationship with the rotation speed of the induction motor 15 is provided.
[0009]
Further, in the above, the disconnector 8 and the resistor 7 connected in parallel between the overhead wire 1 and the filter capacitor 11 are inserted, and the disconnector 5 is closed when the vehicle is in the power running operation, and disconnected when the vehicle is in the regenerative operation. The input voltage of the inverter device 12 is increased by charging the regenerative power to the filter capacitor 11 with the flow device 5 in an open state.
[0010]
Further, in the above, the chopper device (9, 10) is connected in parallel with the filter capacitor 11, and the chopper device (9, 10) is controlled so that the ratio between the input voltage of the inverter device and the rotation speed of the induction motor 15 is constant. 9, 10) is controlled.
[0011]
Further, in the above, the means (7, 8, 18) for increasing the input voltage of the inverter device 12 and the means (9, 10, 18) for controlling the input voltage of the inverter device 12 have the maximum It is characterized in that it operates only in one pulse region for outputting a voltage.
[0012]
The breaker control means acts to close the breaker and short-circuit the charging resistor during the power running operation, and to open the breaker and insert the charging resistor during the regenerative operation.
As a result, the regenerative power can be charged to the filter capacitor during the regenerative operation, and the input voltage of the inverter device, that is, the terminal voltage of the induction motor can be increased.
Further, the chopper device acts to discharge the charge charged in the filter capacitor in accordance with a command from the chopper control device.
The chopper controller detects the one-pulse mode during the regenerative operation, opens the current breaker, and keeps the ratio between the voltage of the filter capacitor and the rotation speed of the induction motor constant, that is, constant V / f. To control the voltage of the filter capacitor.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a drive device for an AC motor according to an embodiment of the present invention.
The output of the pantograph 1 is connected to one terminal of a charging resistor 4 and a disconnector 5 connected in parallel via a high-speed circuit breaker 2 and a disconnector 3.
The other terminals of the charging resistor 4 and the disconnector 5 connected in parallel are connected to one end of the filter reactor 6, and the other end of the filter reactor 6 is connected to the resistor 7 and the disconnector 8 connected in parallel. Connected to one terminal. The other terminals of the resistor 7 and the disconnector 8 connected in parallel are connected to the inverter device 12.
The input of the inverter device 12 is connected in parallel with a chopper device including a resistor 9 and a switching element 10 and a filter capacitor 11.
[0014]
The output of the inverter device 12 is connected to an induction motor 15, and a speed pulse signal SPG output from a pulse generator 16 provided in the induction motor 15 is converted by a speed signal converter 17 into a rotor frequency Fr.
The three-phase currents Iu, Iv, and Iw detected by the current detectors 19a, 19b, and 19c, the rotor frequency Fr, and the voltage Ecf of the filter capacitor 11 are input to the inverter control unit 13, and a PWM that drives the inverter device 12 is provided. The pulse signal SPWM and the inverter frequency Fi are output.
[0015]
The Ecf reference value generator 14 receives the inverter frequency Fi and outputs a reference voltage Ecf * corresponding to the inverter frequency Fi. Further, the voltage Ecf of the filter capacitor 11 and the reference voltage Ecf * output from the Ecf reference value generator 14 are input to the disconnector and chopper controller 18, and the high-speed circuit breaker 2 and the disconnector 3 , 5 and 8 are turned on / off, and a switching signal SCH for turning on / off the switching element 10 is output.
[0016]
Hereinafter, the operation of the above embodiment will be described.
At the time of system reset, the high-speed circuit breaker 2 and the current breaker 8 are turned on by the drive signal HBR, and the apparatus is operable with the same configuration as in the related art.
Thereafter, during the first power running operation, the disconnector 3 is first turned on by the drive signal LB1R, and the filter capacitor 11 is charged via the resistor 4, the filter reactor 6, and the disconnector 8.
[0017]
Next, when the filter capacitor voltage Ecf is charged to a predetermined voltage, the disconnector 5 is turned on by the drive signal LB2R, the PWM signal SPWM is output from the inverter control unit 13, and the three-phase AC Power is output.
As a result, the induction motor 15 is started, and the speed signal converter 17 outputs a speed signal Fr corresponding to the rotation speed of the induction motor 15 as shown in Expression 1. Thereafter, the high-speed circuit breaker 2 and the disconnectors 3, 5 maintain the closed state until some protection operation occurs irrespective of powering or regeneration.
[0018]
(Equation 1)
[0019]
As shown in FIG. 2, the Ecf reference value generator 14 changes the reference voltage Ecf * according to the inverter frequency Fi, and the current cutoff and chopper controller 18 sets the actual filter capacitor voltage Ecf as the reference. On / off control of the switching element 10 of the chopper device is performed so as to be equal to the voltage Ecf *.
[0020]
In the present embodiment, a method of expanding the electric brake operation range in a high-speed range will be described below.
FIG. 2 shows the relationship between the inverter frequency and the output voltage in a railway vehicle, the so-called V / f characteristic, the output torque, and the reference voltage Ecf *.
As shown by the dotted line in the figure, conventionally, when the inverter frequency is Fi0, the output voltage becomes maximum, and thereafter, the torque is attenuated and the electric braking force is reduced.
[0021]
Therefore, in the present embodiment, in the region where the inverter frequency is equal to or higher than Fi0 during the regenerative operation, the disconnector 8 is opened and the resistor 7 is inserted into the circuit. As a result, the voltage Ecf of the filter capacitor 11 can be increased by the load of the resistor 7.
By controlling the switching element 10 to make this voltage equal to the reference voltage Ecf * output from the Ecf reference value generator 14 shown in the figure, the V / f characteristic region is changed to the inverter frequency Fi0 to Fi1 as shown by the solid line in the figure. Only during the period, the constant torque region shown in FIG.
Note that the maximum value of the reference voltage Ecf * needs to be set to a value in consideration of the withstand voltage of main circuit components such as the filter capacitor 11, the inverter device 12, and the induction motor 15.
In this embodiment, the resistor 7 and the disconnector 8 are newly added. However, it is also possible to use the resistor 4 and the disconnector 5 which are conventional equipment by reviewing the capacity and the like.
[0022]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to controllably and stably expand the electric braking action range in the high-speed range of the vehicle.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a drive device for an AC motor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a relationship between an inverter frequency and an output voltage characteristic.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 DC overhead wire 2 High speed circuit breaker 3,5,8 Disconnector 4,7 Charging resistor 6 Filter reactor 9,10 Chopper device 11 Filter capacitor 12 Inverter device 13 Inverter control unit 14 Ecf reference value generation unit 15 Induction motor 16 Pulse Generator 16 Speed signal converter 18 Disconnector and chopper controller 19a, 19b, 19c Current detector
