JP2006230084A

JP2006230084A - 交流駆動装置，車両制御装置，電力変換方法及び車両制御方法

Info

Publication number: JP2006230084A
Application number: JP2005039940A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Imaie; 和宏今家; Takashi Yagyu; 隆柳生; Keizo Shimada; 恵三嶋田; Yasuhiro Kiyofuji; 康弘清藤; Naoshi Sugawara; 直志菅原
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd; Hitachi Ltd
Priority date: 2005-02-17
Filing date: 2005-02-17
Publication date: 2006-08-31
Also published as: AU2006200623A1; AU2006200623B2; US20060181235A1; US7315144B2; DE102006007441A1; AU2006200623B9

Abstract

【課題】
信頼性の高い発電ブレーキを備えた、交流駆動装置を得る。
【解決手段】
直流を可変周波数の交流に変換して電動機を駆動すると共に電動機からの交流出力を直流に変換する。変換においては、電動機で回生される起電力を複数の抵抗器で消費し、複数の抵抗器のうちのいずれかを含む系で起電力の消費に故障が起きた場合、他の抵抗器を含む系で起電力を消費する。
【効果】
複数の抵抗器のうちのいずれかを含む系で故障が起きても、他の抵抗器を含む系で起電力を消費することができるので、信頼性の高い発電ブレーキを得ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、交流駆動装置，車両制御装置，電力変換方法及び車両制御方法に関する。

パワーエレクトロニクスの進歩により、例えば車両用駆動システム等として、直流電動機を用いたシステムに置き換わり、交流電動機を用いたシステムが適用されるようになってきた。このような交流電動機を用いたシステムにおいて、駆動時に、電気エネルギーを電動機に供給して運動エネルギーとしているが、制動時に、この電動機を発電機として動作させ、そこから発生する電気エネルギーを抵抗器により消費することで制動力を得る、いわゆる発電ブレーキが用いられている。このような技術は、例えは、特開平６−46505号公報に示されている。

特開平６−４６５０５号公報

しかしながら、上記の従来技術では、発電ブレーキが故障した場合に制動力が得られなくなる。電気ブレーキと共に機械ブレーキを設置し、車軸に摩擦力を加えることにより制動力を得ることが可能に構成されていることが多いが、発電ブレーキは機械式ブレーキより大きな制動力が得られ易く、また、メンテナス作業が少ないことより、機械ブレーキは、低速時または最終停止に用いられているに過ぎない。そのため、発電ブレーキの信頼性の向上が求めらていた。本発明の目的は、信頼性の高い発電ブレーキを備えた、交流駆動装置，車両制御装置，電力変換方法或いは、車両制御方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明では、電動機で回生される起電力を消費する抵抗器と、該抵抗器を接続するためのスイッチを有し、抵抗器とスイッチを対として、その対を２以上有するように構成した。あるいは、電動機で回生される起電力を複数の抵抗器で消費し、複数の抵抗器のうちのいずれかを含む系で起電力の消費に故障が起きたときには、他の抵抗器を含む系で起電力を消費するように構成した。

より具体的には、交直双方向変換装置の間の直流部分に並列に交流電動機から交直双方向変換装置を介して直流電力として回生される起電力を消費する抵抗器とその抵抗器に直列に接続するスイッチから成る発電ブレーキを複数個並列に接続するように構成した。

本発明によれば、信頼性の高い電気ブレーキを備えた交流伝動装置を実現することができる。より具体的には、交直双方向変換装置を介して直流電力として回生される起電力を複数の発電ブレーキにより消費させ、制動力が得られる。また、複数個存在する発電ブレーキの一部が故障した場合、その発電ブレーキを切り離すことにより、全発電ブレーキが健全なときよりも制動力が低下するが、全制動力が失われることがないため、車両オペレータは、このまま車両の減速動作を続けるか、速やかに機械ブレーキに移行させることができる。また、近年一般にこの発電ブレーキには、その抵抗器の利用率を向上させ小型軽量化を図るために、電動送風機による強制冷却方式が採用されている。そのため、故障の機会が増えており、この小型軽量化のニーズと信頼性向上のニーズの双方に応える手段としても有効である。

本発明の実施例について実施例１から３の順で以下に図面を用いて説明する。

発電ブレーキの故障により全制動力を失わないようにする目的を、発電ブレーキを複数個並列に接続することにより実現したものであり、図１は、本発明装置の一実施例である。原動機１により駆動される交流発電機２（あるいは、主発電機２と称する。以下同様）の交流出力を整流器３に接続する。整流器３の出力は平滑コンデンサ４によりリプルの少ない直流電圧となる。この直流電圧を所定の値に設定するために、フィールドレギュレータ１７により、発電機の励磁電流を制御する。この直流電圧を任意の周波数に変換する交直双方向変換装置８を介して電動機９に接続する。交直双方向変換装置８の出力電流検出装置１４と速度検出装置の出力値は、制御装置７に取り込まれ、電動機出力トルク設定装置５と平滑コンデンサ両端電圧と共に交直双方向変換装置のスイッチング状態を決定し、制御装置から交直双方向変換装置へスイッチングパルスとして出力する。これらの動作により、ＡＣドライブを搭載した車体は、加減速制御を行う。

車体が加速する場合、図示しないアクセルの踏み込み状態、交直双方向変換装置８の出力電流検出装置１４と速度検出装置１６の出力値に基づいて、トルクが決められ、電動機出力トルク設定装置５に所定値が設定される。このトルクを得るように、制御装置７は、原動機１の回転を制御すると共に、フィールドレギュレータ１７は、出力電流検出装置
１４と速度検出装置１６の値を取り込んで、図２に示す関係に直流電圧を制御する。同様に、図示しないアクセルの踏み込み状態と共に、交直双方向変換装置８の出力電流検出装置１４と速度検出装置１６の出力値は、制御装置７に取り込まれ、周波数指令値を定め、これによって、電動機出力トルク設定装置５と平滑コンデンサ両端電圧と共に交直双方向変換装置８のスイッチング状態を決定し、制御装置７から交直双方向変換装置８へスイッチングパルスとして出力する。交直双方向変換装置８から供給される交流電流の周波数が大きくなる共に、電動機９で発生するトルクが大きくなるので、車両は加速される。

車体が減速を行う場合、電動機は発電モードに入り、車体の運動エネルギーを交流電気エネルギーに変換する。この交流電気エネルギーは、交直双方向変換装置により、直流電力に変換される。このとき、交直双方向変換装置が出力する直流電圧は、発電機が整流器を介して出力する直流電圧より高い値に制御されているものとする。制御装置は、直流電圧検出装置１５の値と制動力設定装置、それらの差に応じて電気ブレーキａ１０ａ，電気ブレーキｂ１０ｂの抵抗ａ１２ａ，抵抗ｂ１２ｂが直流部分に接続する時間すなわちDutyを決定する。抵抗を直流部分に接続するスイッチ１１ａ，１１ｂは半導体素子などで構成され、直流電圧値が例えば図３に示す設定値ａを超えるとオンオフ動作を開始し、設定値ｂ以下になるようオンオフ動作を繰り返す。制御装置７は、抵抗電流を検出し、抵抗器ａ，ｂで消費される電力を算出し、電動機で発生する電気エネルギーが全て抵抗器ａ，ｂで消費されるように動作する。これらの動作により、ＡＣドライブを搭載した車体は、減速動作を行う。

この減速動作において、発電ブレーキが故障すると電動機９で発生する電気エネルギーを全て消費できなくなる。そのため、故障前と同じ電気エネルギーを直流部分に回生し続けると、直流電圧は上昇を続け、ついには各機器の耐圧を超えてしまうので、これを防ぐため、回生するエネルギーを制限する必要がある。この回生するエネルギーは、健全な発電ブレーキの容量で制限されるため、従来の発電ブレーキが１台しかない車両では、一時的に全制動力を失う結果に陥っていた。しかし、図１に示す本発明によるシステムでは、発電ブレーキを複数備えているため、例えば電気ブレーキ１０ａ（あるいは発電ブレーキ１０ａとも称する。）が故障しても、スイッチａを停止させ、健全な電気ブレーキ１０ｂ
（あるいは発電ブレーキ１０ｂとも称する。）で、全システムが健全な場合の１／２の制動力とはなるものの制動動作を継続することができる。

実施例１において、原動機により駆動される交流発電機の交流出力を整流器に接続し直流電力を供給する部分をトロリーに置き換えたシステム。トロリーが回生された電力を吸収できるほど十分な容量を備えていないシステムの場合、車両は車上で回生電力を消費する必要がある。したがって、制動力が必要となった場合、トロリーから発電ブレーキ抵抗に電力が流れ込むのを防ぐため、制動力設定装置の出力が正となったのを検出すると、トロリー接続装置１９によりトロリーをＡＣドライブシステムから切り離す。これにより、実施例１と同様の動作を行うことができる。

実施例２において、原動機により駆動される交流発電機の交流出力を整流器に接続し直流電力を供給する手段とトロリーにより直流電力を供給する手段の両方を備えたシステム。電気トラックなど特殊車両システムでは、トロリーにより動力を得るシステムを用いる場合があるが、トロリーが敷設されていない場所でも稼働する必要がある。そのため、原動機による動力とトロリーによるトロリー・電動機切り替え装置２１により、動力源を切り替えながら稼働する。これにより、実施例１と実施例２の動作を行うことができる。

なお、前記実施例１乃至３の構成は、電気推進船の速度抑制動作にグリッド抵抗を用いる場合にも適用することができる。

原動機を動力源とした発電ブレーキ回路を複数個備えたＡＣドライブシステムの実施方法を示した説明図。（実施例１）直流電圧の制御特性例。直流電圧とスイッチon／off Dutyの制御特性例。トロリーを動力源とした発電ブレーキ回路を複数個備えたＡＣドライブシステムの実施方法を示した説明図。（実施例２）原動機とトロリーを動力源とした発電ブレーキ回路を複数個備えたＡＣドライブシステムの実施方法を示した説明図。（実施例３）

符号の説明

１…原動機、２…主発電機、３…整流器、４…平滑コンデンサ、５…トルク設定装置、６…制動力設定装置、７…制御装置、８…交直双方向変換装置、９…電動機、１０ａ…電気ブレーキａ、１０ｂ…電気ブレーキｂ、１１ａ…スイッチａ、１１ｂ…スイッチｂ、
１２ａ…抵抗器ａ、１２ｂ…抵抗器ｂ、１３ａ…冷却ファンａ、１３ｂ…冷却ファンｂ、１４…電流検出装置、１５…電圧検出装置、１６…速度検出装置、１７…フィールドレギュレータ、１８ａ…電流検出装置ａ、１８ｂ…電流検出装置ｂ、１９…トロリー接続装置、２０…トロリー、２１…トロリー・電動機切り替え装置。

Claims

直流を可変周波数の交流に変換して電動機を駆動すると共に前記電動機からの交流出力を直流に変換する双方向変換器を有する交流駆動装置において、前記電動機で回生される起電力を消費するように前記双方向変換器に接続された抵抗器と、前記双方向変換器と前記抵抗器を導通遮断するスイッチを有し、前記抵抗器と前記スイッチを対として、前記対を２以上有することを特徴とする交流駆動装置。
請求項１において、直流トロリーシステムに対して、前記トロリーシステムへの電力の流れを防ぐように、前記トロリーシステムを前記双方向変換器に接続することを特徴とする交流駆動装置。
請求項２において、前記双方向変換器を、前記トロリーシステムに接続すると共に、整流器を介して発電機の出力に接続し、さらに、前記発電機出力が前記トロリーシステムに流れるのを防ぐ手段を有することを特徴とする交流駆動装置。
請求項１において、整流器を介して発電機の出力を前記双方向変換器に接続することを特徴とする交流駆動装置。
請求項４において、前記スイッチは周期的にオンオフするものであり、前記回生状態に基づいて前記周期を制御することを特徴とする交流駆動装置。
請求項５において、前記発電機は原動機によって駆動され、車両の運転状態に基づいて前記原動機の回転を制御することを特徴とする交流駆動装置。
原動機と、前記原動機に機械的に接続された発電機と、前記発電機の出力を直流に整流する整流器と、前記整流器に接続された双方向変換器と、前記双方向変換器に接続された電動機を有し、前記電動機の出力は車輪に伝達され、前記双方向変換器は、前記整流された出力を可変周波数の交流出力に変換して前記電動機を駆動すると共に前記電動機からの交流出力を直流に変換するものであって、前記電動機で回生される起電力を消費するように前記双方向変換器に接続された抵抗器と、前記双方向変換器と前記抵抗器を導通遮断するスイッチを有し、前記抵抗器と前記スイッチを対として、前記対を２以上有することを特徴とする車両制御装置。
直流を可変周波数の交流に変換して電動機を駆動すると共に前記電動機からの交流出力を直流に変換する電力変換方法において、前記電動機で回生される起電力を複数の抵抗器で消費し、前記複数の抵抗器のうちのいずれかを含む系で起電力の消費に故障が起きた場合、他の抵抗器を含む系で起電力を消費する電力変換方法。
原動機の回転力で発電し、前記発電出力を直流に変換し、前記直流を可変周波数の交流に変換して電動機を駆動すると共に前記電動機からの交流出力を直流に変換し、前記電動機の回転力で車輪を回転する車両制御方法において、前記電動機で回生される起電力を複数の抵抗器で消費し、前記複数の抵抗器のうちのいずれかを含む系で起電力の消費に故障が起きたときには、他の抵抗器を含む系で起電力を消費する車両制御方法。