JP2004364383A

JP2004364383A - Electric vehicle controller

Info

Publication number: JP2004364383A
Application number: JP2003158184A
Authority: JP
Inventors: Manabu Matsuoka; 岡学松; Rei Miyazaki; 崎玲宮
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-06-03
Filing date: 2003-06-03
Publication date: 2004-12-24
Anticipated expiration: 2023-06-03
Also published as: JP4316298B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electric vehicle controller in which the space of a resistor can be saved, th cost can be reduced and an electric brake can be utilized effectively when the stringing voltage is high by reducing a current flowing from the stringing to a resistor when the stringing voltage is high without installing an input current detecting means. <P>SOLUTION: The electric vehicle controller comprises a variable voltage variable frequency inverter 8 for supplying an AC motor 9 driving an electric vehicle with an AC current produced by inverting a DC current collected from a DC stringing, and a resistor 5 and a switching means 6 connected in series between positive and negative terminals on the DC side of the variable voltage variable frequency inverter. The electric vehicle controller is further provided with means (20, 30) for limiting the duty factor of the switching means 6 such that energy larger than electric brake energy, estimated to be generated from the AC motor 9 during brake operation at least based on an output current signal from the variable voltage variable frequency inverter 8 and a stringing voltage signal of the DC stringing 1, does not flow into the resistor 5. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電気車制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気車駆動用の電動機に電力を供給するための可変電圧可変周波数インバータ装置（以下、単にインバータと略称する）と、インバータの直流側の正負端子間にスイッチング手段及びそれに直列に接続された抵抗器を備えた電気車制御装置では、スイッチング手段を制御することによって抵抗器での電気ブレーキエネルギーの消費量を制御している（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
図１０はこの種の電気車制御装置の主回路構成を示す回路図である。同図において、直流架線１から直流電力を集電する直流電力集電器２には、遮断器３及びフィルタリアクトル４を介して、インバータ８の直流側端子の正側が接続されている。このインバータ８の直流側端子の負側は接地装置１０を介してレール１１に接続されている。インバータ８の正側端子と負側端子との間に、抵抗器５及びスイッチング手段６の直列接続回路、フィルタコンデンサ７、並びに架線電圧検出手段１３が接続されており、さらに、遮断器３とフィルタリアクトル４との間の直流経路に入力電流検出手段１２が設けられている。インバータ８の交流側端子、すなわち、３相交流端子に電気車駆動用の交流電動機９が接続され、さらに、交流電動機９には車両の速度を検出する車両速度検出手段１４が設けられている。
【０００４】
上記の主回路構成に対して、図１０では図示を省略した制御回路が、入力電流検出手段１２、架線電圧検出手段１３及び車両速度検出手段１４の各出力信号に基づいて、インバータ８及びスイッチング手段６を制御するが、本発明に関連する制御動作について以下に説明する。
【０００５】
電気ブレーキエネルギーの消費量を制御する機能は、正側及び負側の直流経路間に直列に接続された抵抗器５及びスイッチング手段６によって実現される。すなわち、電気ブレーキ動作中には、交流電動機９で発生した電気ブレーキエネルギーがインバータ８により直流に変換され、架線電圧を上昇させる。この架線電圧は架線電圧検出手段１３によって検出され、その大きさに応じて、スイッチング手段６のスイッチング周期に対する周期内のオン時間の割合、すなわち、通流率を変化させることにより、抵抗器５に流れる電流を調整し、抵抗器５で消費される電気ブレーキエネルギー量を制御している。通流率が大きい時には、抵抗器５に流れる平均電流は大きくなるため、抵抗器５で消費されるエネルギーも大きくなる。
【０００６】
図３は架線電圧（Ｖ）と通流率（％）との関係を示す線図であり、一般的には通流率はパターン２１のように、架線電圧に応じて制御される。電圧Ｖ１からＶ２（＞Ｖ１）まで通流率を０から許容最大値αｍａｘまで直線的に増大させ、架線電圧がＶ２を超える範囲では許容最大値αｍａｘに保持している。一般に、同一架線内に力行車両等のエネルギーを消費する負荷車両が走行している場合には、大きな電気ブレーキエネルギーが発生しても、そのエネルギーが直流電力集電器２及び直流架線１を通じて負荷車両に回生されるため、架線電圧が上昇し過ぎることはない。その場合、スイッチング手段６は回生されない余剰なエネルギー分のみを抵抗器５が消費するように制御される。
【０００７】
この制御方法では、変電所からの架線に対する送り出し電圧が高い場合や、他車両の走行により架線電圧が上昇している場合、ブレーキ時に交流電動機９で発生する電気ブレーキエネルギーが大きくない場合でもスイッチング手段６が動作し、直流架線１から抵抗器５に電流が流れ込む現象が発生する。この現象により、抵抗器５には想定した値以上のエネルギーが流れ込み、抵抗器５が過温状態になる可能性があった。
【０００８】
この対策として、図示したように、直流架線１からの電力入力部に入力電流検出手段１２を設置しているシステムでは、この入力電流検出手段１２により入力電流を監視し、ブレーキ動作中に直流架線１から電気車制御装置に電流が流れ込んでいる場合に、スイッチング手段６の通流率を制限する制御を行っていた。
【０００９】
一方、直流架線１からの電力入力部に入力電流検出手段を設置していないシステムでは、架線電圧が高い状態が続いた場合に抵抗器５が過温状態になるのを防止するために、抵抗器５の温度上昇を監視しているものもある。この場合には、抵抗器５の温度が許容範囲を超えた時に、スイッチング手段６の通流率を制限するか、あるいは、スイッチングを停止する制御を行っていた。
【００１０】
【特許文献１】
特開平０５−２１９６０５号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
電気車制御装置の電力入力部に入力電流検出手段１２を設置して通流率を制限する方法では、この入力電流検出手段１２の検出信号を入力して所定の信号に変換する信号入力手段を設けなければならなかった。また、長期的に見た場合、それらのメンテナンスも必要であった。
【００１２】
一方、入力電流検出手段を用いない場合には、架線電圧が高い時に架線から流れ込む電流、すなわち、交流電動機９で発生する電気ブレーキエネルギー以外のエネルギーを抵抗器５で消費することになる。この場合、電気車制御装置が本来の電気ブレーキ性能を発揮するためには、電気車制御装置が備えているブレーキ性能以上の容量が抵抗器５に要求されることになり、抵抗器の外形の増大化、高コスト化につながっていた。
【００１３】
そのため、抵抗器の温度上昇を検出又は推定し、温度が許容範囲を超えた場合にスイッチング手段６の通流率を制限するか、あるいは、スイッチングを停止する制御を行っている。この場合には、抵抗器５が過温度になることは防止できるが、負荷車両が存在しない場合には電気ブレーキエネルギーを消費することができないため、電気ブレーキ性能そのものを制限もしくは停止することになる。その結果として、車両全体では、電気ブレーキの利用率が低下し、電気ブレーキ力の不足を摩擦ブレーキ力によって補うことになり、ブレーキシューの摩耗を早める可能性があった。
【００１４】
本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので、入力電流検出手段を設置せずに、架線電圧が高い場合の架線から抵抗器への電流の流れ込みを低減することにより、抵抗器の省スペース、低コスト化、架線電圧が高い時の電気ブレーキの有効利用を図ることのできる電気車制御装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、
直流架線から集電された直流を可変電圧可変周波数の交流に変換して、電気車を駆動する交流電動機に供給する可変電圧可変周波数インバータ装置と、この可変電圧可変周波数インバータ装置の直流側の正負端子間に直列に接続された抵抗器及びスイッチング手段とを備え、スイッチング手段の通流率を制御することによって抵抗器で消費される電気ブレーキエネルギーを制御する電気車の制御装置において、
少なくとも可変電圧可変周波数インバータ装置の出力電流信号と直流架線の架線電圧信号とに基づいて、ブレーキ時に交流電動機が発生する電気ブレーキエネルギーを推定し、この電気ブレーキエネルギーより大きいエネルギーが抵抗器に流れないように、スイッチング手段の通流率を制限する通流率制限手段を備えた、ことを特徴とするものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る電気車制御装置の第１の実施形態の主回路構成を示す回路図であり、図中、従来装置を説明した図１０と同一の符号を付したものはそれぞれ同一の要素を示している。この実施形態は図１０に示した入力電流検出手段１２を除去した構成になっている。
【００１７】
図２は図１の主回路構成に対応する制御部のうち、特に、スイッチング手段６を制御する部分の構成を示すブロック図であり、主に、制限パターン演算部３０、通流率通常パターン演算部１９及び最小値選択部２０を備えている。
【００１８】
このうち、制限パターン演算部３０はインバータ８の出力電流及び車両速度から交流電動機９で発生する電気ブレーキ出力トルクを推定する出力トルク推定部１５と、推定した電気ブレーキトルクからブレーキエネルギーを計算するブレーキエネルギー演算部１６と、抵抗器５に流すべき平均電流を計算する抵抗器平均電流参照値演算部１７と、計算された平均電流参照値からスイッチング手段６の通流率制限パターンを計算する通流率制限パターン演算部１８とで構成されている。
【００１９】
通流率通常パターン演算部１９は架線電圧を入力し、前述した通流率通常パターン２１を求めるものであり、最小値選択部２０は通流率制限パターン演算部１８及び通流率通常パターン演算部１９の各出力を入力し、値の小さい一方を選択してスイッチング手段６に対する通流率を出力するものである。なお、図２に示した最小値選択部２０及び制限パターン演算部３０が本発明の通流率制限手段に対応している。
【００２０】
上記のように構成された本実施形態の動作について以下に説明する。先ず、出力トルク推定部１５では、インバータ８の出力電流及び車両速度から交流電動機９で発生した電気ブレーキ出力トルクＴを計算する。ブレーキエネルギー演算部１６は次式によって交流電動機９で発生した電気ブレーキエネルギーＰを計算する。
Ｐ＝Ｔ×Ｖ …（１）
ただし、
Ｐ：電気ブレーキエネルギー［Ｗ］
Ｔ：電気ブレーキ出力トルク［Ｎ］
Ｖ：電気車の速度［ｍ／ｓ］
である。
【００２１】
抵抗器平均電流参照値演算部１７では、ブレーキエネルギー演算部１６で計算して得られた電気ブレーキエネルギーＰを抵抗器５で全て消費すると仮定した場合、抵抗器５に流すべき平均電流の参照値Ｉａｖｅを次式によって計算する。
Ｉａｖｅ＝（Ｐ×η×ｋ）／Ｖｆｃ …（２）
ただし、
Ｉａｖｅ：抵抗器５に流すべき平均電流の参照値［Ａ］
η ：インバータ効率、交流電動機と車軸との間に介装されたギヤのロス分を総合的に考慮した効率［％］
ｋ：抵抗器５の抵抗値の変動を考慮したマージン［−］
Ｖｆｃ：架線電圧［Ｖ］
である。
【００２２】
通流率制限パターン演算部１８では、抵抗器平均電流参照値演算部１７で計算した平均電流の参照値Ｉａｖｅからスイッチング手段６の通流率を制限するパターンを次式によって計算する。

ただし、
αｅｓｔ：スイッチング手段６の通流率（％）
Ｉｉｎｓ：抵抗器５に流すことが可能な瞬時電流値［Ａ］
Ｒ：抵抗器の抵抗値（定格値）［Ω］
である。
【００２３】
一方、通流率通常パターン演算部１９は図３の線図で示した通流率通常パターン２１に従って、そのときの架線電圧に応じた通流率αを出力する。最小値選択部２０は通流率制限パターン演算部１８で計算された通流率αｅｓｔと、通流率通常パターン演算部１９から出力される通流率αとを入力し、両者を比較することによって値の小さい一方を選択して出力する。
【００２４】
図３は通流率通常パターン演算部１９が架線電圧に従って通流率を決定するための通流率通常パターン２１と、制限パターン演算部３０がインバータの出力電流信号、電気車の速度信号及び架線電圧信号に基づいて演算した通流率制限パターン２２とを併せて示した線図である。この図３から明らかなように、架線電圧がＶｅよりも低い範囲では通流率通常パターン２１に従った通流率が採用され、架線電圧がＶｅよりも高い範囲では通流率制限パターン２２に従った通流率が採用される。なお、通流率制限パターン２２は交流電動機９で発生する電気ブレーキエネルギー量によって上下に変化する。
【００２５】
このように、最小値選択部２０によって、スイッチング手段６の通流率を、通流率通常パターン２１及び通流率制限パターン２２のうちの、値の小さい一方の通電率を選択することによって、交流電動機９で発生する電気ブレーキ以外のエネルギーが、直流架線１から抵抗器５に流れ込むことを防ぐことが可能になる。図４は図２に示した制限パターン演算部３０を構成する出力トルク推定部１５、ブレーキエネルギー演算部１６及び抵抗器平均電流参照値演算部１７が、それぞれの演算を実行するための信号入力部を示したブロック図である。ここで、出力トルク推定部１５は、図１では図示を省略したインバータ出力電流検出手段２６のインバータ出力電流信号Ｉｏｕｔと車両速度検出手段１４の速度信号Ｖとに基づいて、交流電動機９で発生した電気ブレーキ出力トルクＴを周知の計算式によって計算する。ブレーキエネルギー演算部１６は電気ブレーキ出力トルクＴと、車両速度検出手段１４の速度信号Ｖとに基づき、（１）式に従って電気ブレーキエネルギーＰを演算する。抵抗器平均電流参照値演算部１７は電気ブレーキエネルギーＰと架線電圧検出手段１３によって検出された架線電圧信号Ｖｆｃとに基づき、（２）式に従って抵抗器５に流すべき平均電流の参照値Ｉａｖｅを計算する。通流率制限パターン演算部１８は平均電流の参照値Ｉａｖｅを入力し、（３）式に従ってスイッチング手段６の通流率αｅｓｔを計算する。上述したインバータ出力電流検出手段２６、車両速度検出手段１４及び架線電圧検出手段１３は通常、インバータを制御するために設けてあるものであり、これらの制御を実施するための新たな信号検出手段を必要とはしない。
【００２６】
かくして、本発明の第１の実施形態によれば、交流電動機９で発生する電気ブレーキエネルギーを推定し、この電気ブレーキエネルギーに応じてスイッチング手段６の通流率に制限をかけるので、入力電流検出手段を設置せずに、架線電圧が高い場合の架線から抵抗器への電流の流れ込みを低減することができ、これによって、抵抗器の省スペース、低コスト化、架線電圧が高い時の電気ブレーキの有効利用を図ることができる。
【００２７】
また、本提案による通流率の制限方法は、交流電動機９が発生する電気ブレーキ力に全く影響を与えない。また、ブレーキ抵抗への流入電力が低減されるためブレーキ抵抗の過温度により、電気ブレーキ力自体が制限されることがないため、電気ブレーキを最大限に活用することができ、これにより、長期的には摩擦ブレーキで補足するブレーキ力が低減されることになり、ブレーキシューの摩耗を低減することができるという効果も得られる。
【００２８】
図５は本発明に係る電気車制御装置の第２の実施形態の制御部の構成を示すブロック図であり、図中、第１の実施形態を示す図４と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。この実施形態は第１の実施形態で用いた車両速度検出手段１４を用いないで、その代わりにインバータ出力電流検出手段２６の電流検出信号に基づいて、速度推定部２７が車両の速度Ｖを推定するものである。速度推定の手法は近年実用化されている速度センサレス制御に用いられているように、インバータ８の出力周波数を推定し、この出力周波数の値を速度の概算値とする。
【００２９】
かくして、本発明の第２の実施形態によれば車両速度検出手段１４が不要化される。厳密には交流電動機９として誘導電動機を用いた場合、この誘導電動機にはすべりが存在するため、インバータ周波数とロータ周波数（車両速度相当）は異なるが、本実施形態ではマージンの範囲内と考えられ、第１の実施形態と同様な効果が得られる。
【００３０】
図６は本発明に係る電気車制御装置の第３の実施形態の制御部の構成を示すブロック図であり、図中、第１の実施形態を示す図２と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。この実施形態は図２に示す構成要素に対して、架線電圧の急峻な変動を検出し、その変動が大きいときにこれを打ち消すように、通流率αｄｉｓを急峻に変化させるための通流率演算部２３と、この通流率演算部２３の出力と最小値選択部２０の出力とを比較し、値の大きい一方を選択して出力する最大値選択部２４とを新たに付加した点が第１の実施形態と構成を異にしている。なお、急峻な変動とは電圧の時間変化率が所定値を超えることを意味しており、微分手段と比較手段とで実現することができる。
【００３１】
この実施形態によれば、架線電圧が過渡的に急激に上昇した場合には、図７中に通流率部分増大パターン２８に従って通流率αｄｉｓを求め、通流率制限パターン２２を超えて通流率を変化させることができる。
【００３２】
この第３の実施形態によれば、第１の実施形態の効果に加えて、通流率の制限中に外乱等により架線電圧が急峻に変動する場合に、通電率の制限範囲を超えて即応性良く架線電圧を制御することができるため、架線が瞬間的に過電圧になることを防止することができるという効果も得られる。
【００３３】
図８は本発明に係る電気車制御装置の第４の実施形態の制御部の構成を示すブロック図であり、図中、第３の実施形態を示す図６と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。この実施形態は図６中の通流率演算部２３に代えて、架線電圧が定格電圧よりも高く設定した制限値を超えて大幅に上昇したとき、通流率制限パターン２２に従って制限するのではなく、通流率通常パターン２１の許容最大値αｍａｘに変更する高架線時通流率パターン演算部２５を設けた点が図６と構成を異にしており、これ以外は全て図６と同一に構成されている。
【００３４】
図９は高架線時通流率パターン演算部２５が通流率αｕｐを算出する高架線時通流率パターン２９を示し、架線電圧がＶ２以下の範囲にあるときは通流率制限パターン演算部１８の通電率αｅｓｔと通流率通常パターン演算部１９の通電率αのうちいずれか小さい値が採用されるが、架線電圧がＶ２を超えてからＶ３に到達するまで次第に増大し、架線電圧がＶ３を超えた範囲では最大値αｍａｘになる高架線通電率αｕｐが採用される。
【００３５】
この第４の実施形態によれば、外乱等により架線電圧が大幅に上昇するような場合にも、スイッチング手段６による架線電圧抑制機能が働き、架線が過電圧になることを防止することが可能になるという効果も得られる。
【００３６】
【発明の効果】
以上の説明によって明らかなように、本発明によれば、入力電流検出手段を設置せずに、架線電圧が高い場合の架線から抵抗器への電流の流れ込みを低減することにより、抵抗器の省スペース、低コスト化、架線電圧が高い時の電気ブレーキの有効利用を図ることのできる電気車制御装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電気車制御装置の第１の実施形態の主回路構成を示す回路図。
【図２】図１の主回路に対応する制御部のうち、スイッチング手段の制御部の構成を示すブロック図。
【図３】図２に示した制御部の動作を説明するために、架線電圧と通流率との関係を示した線図。
【図４】図２に示す制御部の信号入力部の詳細を示すブロック図。
【図５】本発明に係る電気車制御装置の第２の実施形態のスイッチング手段の制御部の構成を示すブロック図。
【図６】本発明に係る電気車制御装置の第３の実施形態のスイッチング手段の制御部の構成を示すブロック図。
【図７】図６に示した制御部の動作を説明するために、架線電圧と通流率との関係を示した線図。
【図８】本発明に係る電気車制御装置の第４の実施形態のスイッチング手段の制御部の構成を示すブロック図。
【図９】図８に示した制御部の動作を説明するために、架線電圧と通流率との関係を示した線図。
【図１０】従来の電気車制御装置の概略を説明するために、その主回路構成を示した回路図。
【符号の説明】
１直流架線
２直流電力集電器
５抵抗器
６スイッチング手段
８可変電圧可変周波数インバータ
９交流電動機
１３架線電圧検出手段
１４車両速度検出手段
１５出力トルク推定部
１６ブレーキエネルギー演算部
１７抵抗器平均電流参照値演算部
１８通流率制限パターン演算部
１９通流率通常パターン演算部
２０最小値選択部
２３通流率演算部
２４最大値選択部
２５高架線時通流率パターン演算部
２６インバータ出力電流検出手段
２７速度推定部
３０制限パターン演算部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an electric vehicle control device.
[0002]
[Prior art]
A variable voltage variable frequency inverter device (hereinafter simply referred to as an inverter) for supplying power to an electric motor for driving an electric vehicle, a switching means between positive and negative terminals on the DC side of the inverter, and a resistor connected in series with the switching means In the electric vehicle control device provided with the above, the amount of electric brake energy consumed by the resistor is controlled by controlling the switching means (for example, see Patent Document 1).
[0003]
FIG. 10 is a circuit diagram showing a main circuit configuration of this type of electric vehicle control device. In FIG. 1, the positive side of a DC side terminal of an inverter 8 is connected to a DC power collector 2 that collects DC power from a DC overhead line 1 via a circuit breaker 3 and a filter reactor 4. The negative side of the DC side terminal of the inverter 8 is connected to the rail 11 via the grounding device 10. Between the positive terminal and the negative terminal of the inverter 8, a series connection circuit of the resistor 5 and the switching means 6, the filter capacitor 7, and the overhead wire voltage detecting means 13 are connected. An input current detection unit 12 is provided on a DC path between the reactor 4 and the reactor. An AC motor 9 for driving an electric vehicle is connected to an AC side terminal of the inverter 8, that is, a three-phase AC terminal, and the AC motor 9 is further provided with a vehicle speed detecting means 14 for detecting a speed of the vehicle.
[0004]
In contrast to the above main circuit configuration, a control circuit, not shown in FIG. 10, uses an inverter 8 and a switching unit The control operation related to the present invention will be described below.
[0005]
The function of controlling the consumption of electric brake energy is realized by the resistor 5 and the switching means 6 connected in series between the positive and negative DC paths. That is, during the electric brake operation, the electric brake energy generated by the AC motor 9 is converted into DC by the inverter 8, and the overhead line voltage is increased. The overhead line voltage is detected by the overhead line voltage detecting means 13, and the ratio of the ON time in the cycle to the switching cycle of the switching means 6, that is, the duty ratio is changed according to the magnitude thereof, so that the resistor 5 is connected to the resistor 5. The amount of electric brake energy consumed by the resistor 5 is controlled by adjusting the flowing current. When the conduction ratio is large, the average current flowing through the resistor 5 is large, so that the energy consumed by the resistor 5 is also large.
[0006]
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the overhead line voltage (V) and the conduction ratio (%). In general, the conduction ratio is controlled according to the overhead line voltage as in a pattern 21. The conduction ratio is linearly increased from 0 to V2 (> V1) from 0 to the allowable maximum value αmax, and is maintained at the allowable maximum value αmax in a range where the overhead line voltage exceeds V2. Generally, when a load vehicle that consumes energy such as a power running vehicle is traveling in the same overhead line, even if a large amount of electric brake energy is generated, the energy is transmitted through the DC power collector 2 and the DC overhead line 1 to the load vehicle. , The overhead line voltage does not rise excessively. In that case, the switching means 6 is controlled so that the resistor 5 consumes only the surplus energy that is not regenerated.
[0007]
According to this control method, the switching means is used even when the sending voltage to the overhead line from the substation is high, when the overhead line voltage is increased due to traveling of another vehicle, and when the electric brake energy generated by the AC motor 9 during braking is not large. 6 operates, and a phenomenon occurs in which a current flows from the DC overhead wire 1 to the resistor 5. Due to this phenomenon, energy more than an assumed value flows into the resistor 5, and the resistor 5 may be in an overheated state.
[0008]
As a countermeasure, in the system in which the input current detecting means 12 is installed at the power input section from the DC overhead line 1 as shown in the figure, the input current is monitored by the input current detecting means 12 and the DC overhead line is When the electric current is flowing from 1 into the electric vehicle control device, the control for restricting the duty ratio of the switching means 6 has been performed.
[0009]
On the other hand, in a system in which the input current detecting means is not installed in the power input section from the DC overhead line 1, a resistor 5 is provided to prevent the resistor 5 from being overheated when the overhead line voltage continues to be high. Some monitors the temperature rise of the vessel 5. In this case, when the temperature of the resistor 5 exceeds the allowable range, control is performed to limit the conduction ratio of the switching means 6 or to stop switching.
[0010]
[Patent Document 1]
JP 05-219605 A
[Problems to be solved by the invention]
In the method of installing the input current detection means 12 in the electric power input unit of the electric vehicle control device and limiting the conduction ratio, the signal input means for inputting the detection signal of the input current detection means 12 and converting the signal into a predetermined signal is used. Had to be provided. In the long run, they also needed to be maintained.
[0012]
On the other hand, when the input current detecting means is not used, the current flowing from the overhead wire when the overhead wire voltage is high, that is, the energy other than the electric brake energy generated in the AC motor 9 is consumed by the resistor 5. In this case, in order for the electric vehicle control device to exhibit the original electric braking performance, the resistor 5 needs to have a capacity greater than the braking performance of the electric vehicle control device. This has led to increased costs and higher costs.
[0013]
Therefore, control is performed to detect or estimate the temperature rise of the resistor and to limit the conduction ratio of the switching means 6 or stop the switching when the temperature exceeds the allowable range. In this case, it is possible to prevent the resistor 5 from being overheated, but it is not possible to consume the electric brake energy when there is no load vehicle, so the electric brake performance itself is limited or stopped. . As a result, in the entire vehicle, the utilization rate of the electric brake is reduced, and the shortage of the electric brake force is compensated for by the friction brake force, and the wear of the brake shoe may be accelerated.
[0014]
The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and without installing an input current detecting means, by reducing the flow of current from the overhead wire to the resistor when the overhead wire voltage is high, a resistor is provided. It is an object of the present invention to provide an electric vehicle control device capable of saving space, reducing costs, and effectively using an electric brake when the overhead line voltage is high.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
The present invention
A variable voltage variable frequency inverter that converts a direct current collected from a DC overhead line into an alternating current of a variable voltage variable frequency and supplies the alternating current to an AC motor that drives an electric vehicle; and a positive and negative DC side of the variable voltage variable frequency inverter device. An electric vehicle control device including a resistor and switching means connected in series between terminals, and controlling an electric brake energy consumed by the resistor by controlling a duty ratio of the switching means,
Based on at least the output current signal of the variable voltage variable frequency inverter device and the overhead wire voltage signal of the DC overhead wire, the electric brake energy generated by the AC motor during braking is estimated, and energy larger than the electric brake energy does not flow to the resistor. As described above, the present invention is characterized in that a duty ratio limiting means for limiting the duty ratio of the switching means is provided.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on preferred embodiments shown in the drawings. FIG. 1 is a circuit diagram showing a main circuit configuration of an electric vehicle control device according to a first embodiment of the present invention. In the figure, components denoted by the same reference numerals as those in FIG. Indicates an element. This embodiment has a configuration in which the input current detecting means 12 shown in FIG. 10 is removed.
[0017]
FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of a control unit corresponding to the main circuit configuration of FIG. 1, in particular, a part for controlling the switching means 6. A section 19 and a minimum value selecting section 20 are provided.
[0018]
Among them, the restriction pattern calculation unit 30 includes an output torque estimation unit 15 that estimates the electric brake output torque generated by the AC motor 9 from the output current of the inverter 8 and the vehicle speed, and a brake that calculates the brake energy from the estimated electric brake torque. An energy calculator 16, a resistor average current reference value calculator 17 for calculating an average current to be passed through the resistor 5, and a current for calculating a duty ratio limiting pattern of the switching means 6 from the calculated average current reference value And a rate limiting pattern calculation unit 18.
[0019]
The duty ratio normal pattern calculation unit 19 receives the overhead line voltage and obtains the above-described duty ratio normal pattern 21. The minimum value selection unit 20 includes the duty ratio restriction pattern calculation unit 18 and the duty ratio normal pattern calculation. Each output of the section 19 is input, one of the smaller values is selected, and the conduction ratio to the switching means 6 is output. Note that the minimum value selection unit 20 and the restriction pattern calculation unit 30 shown in FIG. 2 correspond to the duty ratio restriction unit of the present invention.
[0020]
The operation of the present embodiment configured as described above will be described below. First, the output torque estimating unit 15 calculates the electric brake output torque T generated by the AC motor 9 from the output current of the inverter 8 and the vehicle speed. The brake energy calculation unit 16 calculates the electric brake energy P generated in the AC motor 9 according to the following equation.
P = T × V (1)
However,
P: Electric brake energy [W]
T: Electric brake output torque [N]
V: Speed of electric car [m / s]
It is.
[0021]
In the resistor average current reference value calculation unit 17, assuming that all the electric brake energy P calculated by the brake energy calculation unit 16 is consumed by the resistor 5, the reference value of the average current to be passed through the resistor 5 Iave is calculated by the following equation.
Iave = (P × η × k) / Vfc (2)
However,
Iave: Reference value [A] of average current to be passed through resistor 5
η: Inverter efficiency, efficiency [%] that comprehensively considers the loss of the gear interposed between the AC motor and the axle
k: Margin [−] in consideration of the fluctuation of the resistance value of the resistor 5
Vfc: overhead wire voltage [V]
It is.
[0022]
The duty ratio restriction pattern calculation unit 18 calculates a pattern for limiting the duty ratio of the switching means 6 from the average current reference value Iave calculated by the resistor average current reference value calculation unit 17 by the following equation.

However,
αest: conduction ratio of switching means 6 (%)
Iins: instantaneous current value [A] that can flow through resistor 5
R: Resistance value of resistor (rated value) [Ω]
It is.
[0023]
On the other hand, the normal duty ratio pattern calculating unit 19 outputs a duty ratio α corresponding to the overhead wire voltage at that time in accordance with the normal duty ratio pattern 21 shown in the diagram of FIG. The minimum value selection unit 20 receives the duty ratio αest calculated by the duty ratio restriction pattern calculation unit 18 and the duty ratio α output from the normal duty ratio pattern calculation unit 19, and compares them. Select one of the smaller values and output.
[0024]
FIG. 3 shows a normal duty ratio pattern 21 for the normal duty ratio pattern calculation unit 19 to determine the duty ratio according to the overhead wire voltage, and a restriction pattern calculation unit 30 that outputs the output current signal of the inverter, the speed signal of the electric vehicle, and the overhead wire. FIG. 3 is a diagram also showing a duty ratio restriction pattern 22 calculated based on a voltage signal. As is apparent from FIG. 3, the conduction ratio according to the normal conduction pattern 21 is adopted in a range where the overhead line voltage is lower than Ve, and the conduction ratio restriction pattern 22 is used in a range where the overhead line voltage is higher than Ve. A corresponding flow rate is adopted. The duty ratio restriction pattern 22 changes up and down depending on the amount of electric brake energy generated by the AC motor 9.
[0025]
As described above, by selecting the conduction rate of the switching means 6 by the minimum value selection unit 20, by selecting one of the smaller conduction rates of the conduction rate normal pattern 21 and the conduction rate limiting pattern 22, It is possible to prevent energy other than the electric brake generated by the AC motor 9 from flowing into the resistor 5 from the DC overhead wire 1. FIG. 4 shows a signal input section for the output torque estimating section 15, the brake energy calculating section 16 and the resistor average current reference value calculating section 17 constituting the limiting pattern calculating section 30 shown in FIG. It is the block diagram which showed. Here, the output torque estimating section 15 is generated by the AC motor 9 based on the inverter output current signal Iout of the inverter output current detecting means 26 and the speed signal V of the vehicle speed detecting means 14 not shown in FIG. The electric brake output torque T is calculated by a known calculation formula. The brake energy calculation unit 16 calculates the electric brake energy P according to the equation (1) based on the electric brake output torque T and the speed signal V of the vehicle speed detection means 14. Based on the electric brake energy P and the overhead wire voltage signal Vfc detected by the overhead wire voltage detecting means 13, the resistor average current reference value calculation unit 17 calculates a reference value Iave of the average current to be passed through the resistor 5 according to the equation (2). calculate. The duty ratio restriction pattern calculation unit 18 receives the reference value Iave of the average current and calculates the duty ratio αest of the switching means 6 according to the equation (3). The above-described inverter output current detecting means 26, vehicle speed detecting means 14 and overhead line voltage detecting means 13 are usually provided for controlling the inverter, and new signal detecting means for performing these controls is provided. I don't need it.
[0026]
Thus, according to the first embodiment of the present invention, the electric brake energy generated in the AC motor 9 is estimated, and the duty ratio of the switching means 6 is limited according to the electric brake energy. Without installing any means, it is possible to reduce the flow of current from the overhead line to the resistor when the overhead line voltage is high, thereby saving the resistor space, reducing the cost, and using the electric brake when the overhead line voltage is high. Can be effectively used.
[0027]
Further, the method of limiting the duty ratio according to the present proposal does not affect the electric braking force generated by the AC motor 9 at all. In addition, since the electric power flowing into the brake resistor is reduced, the electric braking force itself is not limited by the over-temperature of the brake resistor, so that the electric brake can be utilized to the maximum extent, thereby achieving a long-term As a result, the braking force supplemented by the friction brake is reduced, and the effect of reducing the wear of the brake shoes can be obtained.
[0028]
FIG. 5 is a block diagram showing a configuration of a control section of a second embodiment of the electric vehicle control device according to the present invention. In the drawing, the same elements as those of FIG. And the description is omitted. In this embodiment, the speed estimating unit 27 estimates the vehicle speed V based on the current detection signal of the inverter output current detecting unit 26 without using the vehicle speed detecting unit 14 used in the first embodiment. Is what you do. The speed estimation method estimates the output frequency of the inverter 8 and uses the value of this output frequency as an approximate value of the speed, as used in speed sensorless control that has been put into practical use in recent years.
[0029]
Thus, according to the second embodiment of the present invention, the vehicle speed detecting means 14 becomes unnecessary. Strictly speaking, when an induction motor is used as the AC motor 9, since the induction motor has slip, the inverter frequency and the rotor frequency (equivalent to the vehicle speed) are different, but in the present embodiment, it is considered to be within the margin. The same effects as those of the first embodiment can be obtained.
[0030]
FIG. 6 is a block diagram illustrating a configuration of a control unit of a third embodiment of the electric vehicle control device according to the present invention. In the figure, the same elements as those in FIG. And the description is omitted. This embodiment detects a sudden change in the overhead line voltage with respect to the components shown in FIG. 2 and cancels the sudden change in the overhead line voltage when the change is large. The point that a calculation unit 23 and a maximum value selection unit 24 that compares the output of the duty ratio calculation unit 23 with the output of the minimum value selection unit 20 and selects one having a larger value and outputs the selected value is newly added. The configuration is different from that of the first embodiment. Note that the steep change means that the time change rate of the voltage exceeds a predetermined value, and can be realized by the differentiating means and the comparing means.
[0031]
According to this embodiment, when the overhead line voltage rises transiently and abruptly, the conduction rate αdis is obtained in accordance with the conduction rate partial increase pattern 28 in FIG. The flow rate can be varied.
[0032]
According to the third embodiment, in addition to the effect of the first embodiment, when the overhead line voltage fluctuates sharply due to disturbance or the like during the restriction of the conduction ratio, the power supply exceeds the restriction range of the duty ratio and is immediately responded. Since the overhead line voltage can be controlled with good efficiency, the effect that the overhead line can be prevented from being instantaneously overvoltage can be obtained.
[0033]
FIG. 8 is a block diagram showing a configuration of a control unit of a fourth embodiment of the electric vehicle control device according to the present invention. In the figure, the same elements as those in FIG. And the description is omitted. In this embodiment, instead of the duty ratio calculating unit 23 in FIG. 6, when the overhead line voltage significantly rises above a limit value set higher than the rated voltage, the duty ratio is limited according to the duty ratio restriction pattern 22. 6 is different from that in FIG. 6 in that an overhead wire conduction rate pattern calculation unit 25 for changing to the allowable maximum value αmax of the conduction rate normal pattern 21 is provided. It is configured.
[0034]
FIG. 9 shows an overhead line duty ratio pattern 29 in which the overhead line duty ratio pattern calculating unit 25 calculates the duty ratio αup. When the overhead line voltage is in the range of V2 or less, the duty ratio limiting pattern calculating unit is used. The smaller of the conduction rate αest of 18 and the conduction rate α of the conduction rate normal pattern calculation unit 19 is adopted, but the overhead line voltage gradually increases from V2 to V3 until the overhead line voltage reaches V3. In the range exceeding V3, the overhead wire duty ratio αup which becomes the maximum value αmax is adopted.
[0035]
According to the fourth embodiment, even when the overhead line voltage rises significantly due to disturbance or the like, the overhead line voltage suppressing function of the switching means 6 works, and it is possible to prevent the overhead line from becoming overvoltage. The effect that it becomes becomes.
[0036]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, according to the present invention, the current flowing from the overhead wire to the resistor when the overhead wire voltage is high is reduced without installing the input current detecting means, thereby saving the resistor. Provided is an electric vehicle control device capable of achieving space, cost reduction, and effective use of an electric brake when overhead wire voltage is high.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing a main circuit configuration of an electric vehicle control device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of a control unit of a switching unit among the control units corresponding to the main circuit of FIG. 1;
FIG. 3 is a diagram showing a relationship between an overhead wire voltage and a conduction ratio in order to explain an operation of a control unit shown in FIG. 2;
FIG. 4 is a block diagram showing details of a signal input unit of the control unit shown in FIG. 2;
FIG. 5 is a block diagram illustrating a configuration of a control unit of a switching unit of an electric vehicle control device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a block diagram showing a configuration of a control unit of a switching unit of an electric vehicle control device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing a relationship between an overhead wire voltage and a conduction ratio for explaining an operation of the control unit shown in FIG. 6;
FIG. 8 is a block diagram illustrating a configuration of a control unit of a switching unit of an electric vehicle control device according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a diagram showing a relationship between overhead wire voltage and conduction ratio, for explaining the operation of the control unit shown in FIG. 8;
FIG. 10 is a circuit diagram showing a main circuit configuration of a conventional electric vehicle control device for explaining the outline thereof.
[Explanation of symbols]
REFERENCE SIGNS LIST 1 DC overhead wire 2 DC power collector 5 Resistor 6 Switching means 8 Variable voltage variable frequency inverter 9 AC motor 13 Overhead wire voltage detecting means 14 Vehicle speed detecting means 15 Output torque estimating unit 16 Brake energy calculating unit 17 Resistor average current reference value Arithmetic unit 18 Duty rate limiting pattern arithmetic unit 19 Normal duty ratio pattern calculating unit 20 Minimum value selecting unit 23 Duty rate calculating unit 24 Maximum value selecting unit 25 Overhead wire duty ratio pattern calculating unit 26 Inverter output current detecting means 27 Speed estimation unit 30 Limit pattern calculation unit

Claims

A variable voltage variable frequency inverter that converts the direct current collected from the DC overhead line to an alternating current and supplies the alternating current to the electric motor driving the electric vehicle, and a serial connection between the positive and negative terminals on the DC side of the variable voltage variable frequency inverter. A control device for an electric vehicle, comprising: a connected resistor and switching means; and controlling an electric brake energy consumed by the resistor by controlling a duty ratio of the switching means.
Based on at least the output current signal of the variable voltage variable frequency inverter device and the overhead wire voltage signal of the DC overhead wire, an electric brake energy generated by the AC motor at the time of braking is estimated. An electric vehicle control device, comprising: a duty ratio limiting means for limiting a duty ratio of the switching means so as not to flow into the container.

The duty ratio limiting means limits the duty ratio based on output signals of an inverter output current detecting means for detecting an output current of the variable voltage variable frequency inverter and an overhead wire voltage detecting means for detecting a voltage of the DC overhead wire. The electric vehicle control device according to claim 1, wherein a pattern to be calculated is calculated.

The duty ratio limiting means includes an inverter output current detecting means for detecting an output current of the variable voltage variable frequency inverter, a vehicle speed detecting means for detecting a speed of the vehicle, and an overhead wire voltage detecting means for detecting a voltage of the DC overhead wire. The electric vehicle control device according to claim 1, wherein a pattern for restricting a duty ratio is calculated based on each output signal.

When the voltage of the DC overhead line fluctuates sharply due to a transient disturbance or the like, a duty ratio changing unit that sharply changes the duty ratio in preference to the restriction pattern by the duty ratio limiting unit is provided. The electric vehicle control device according to any one of claims 1 to 3, wherein:

When the voltage of the DC overhead wire exceeds a predetermined value due to a transient disturbance or the like, a duty ratio changing unit that changes a duty ratio to an allowable maximum value in preference to a restriction pattern by the duty ratio limiting unit is provided. The control device for an electric vehicle according to any one of claims 1 to 3, wherein: