JP2008079399A

JP2008079399A - 車両制御装置

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Publication number: JP2008079399A
Application number: JP2006254368A
Authority: JP
Inventors: Takashi Domoto; 貴史堂元; Yosuke Nakazawa; 洋介中沢
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2006-09-20
Filing date: 2006-09-20
Publication date: 2008-04-03
Anticipated expiration: 2026-09-20
Also published as: JP4864616B2

Abstract

【課題】鉄道車両システムの小型化、システム総合効率の向上を図かる。
【解決手段】鉄道車両２の永久磁石電動機１８を、その変調率が１付近（ただし、１未満）では強制的に１パルスベクトル制御を行うことによってインバータ１７を多パルスＰＷＭから１パルス駆動に切り替える制御をする車両制御装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両制御装置に関する。

鉄道車両に用いられるインバータで永電動機を駆動するとき、変調率が１未満の場合はインバータの出力電圧は多パルス波形で、変調率が１以上の場合はインバータの出力電圧は１パルス波形である制御が広く利用されている。しかし、この制御では変調率が１付近（ただし、変調率は１未満）になると、モータ電流も大きくスイッチング回数も多いため、スイッチング損失が全損失に対して無視できなくなってくる。このため、変調率が１付近（ただし、変調率は１未満）で損失を低減する制御が求められていた。また、スイッチング損失が大きいとインバータのパワー半導体デバイスに取り付けられる放熱フィンのサイズも大きくなり、車両制御装置全体の構造が複雑化、大型化してしまう問題点があった。以上のことは、鉄道車両の主電動機として永久磁石同期電動機が用いられる場合も例外ではない。
特開平１０−０１４２７３号公報特開２００３−２６４９９９号公報

本発明は、上述の従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、鉄道車両の主電動機に永久磁石電動機を用いた場合に変調率が１付近（ただし、変調率は１未満）では強制的に１パルスベクトル制御を行うことによってインバータを多パルスＰＷＭから１パルス駆動にし、スイッチング損失を大幅に低減して装置の小型化、システム総合効率の向上が図れる車両制御装置を提供することを目的とする。

本発明は、インバータの交流出力によって永久磁石同期電動機を駆動する車両制御装置において、最終電流指令に基づきインバータを所定の電圧と周波数の交流に変換するインバータと、前記インバータに対する電圧指令と当該インバータからの出力電圧とに基づき変調率を演算する変調率演算手段と、前記変調率が１よりも所定の範囲内で小さいときに前記インバータを多パルス駆動し、前記変調率が１以上のときに前記インバータを１パルス駆動するインバータ制御手段と、前記変調率が１よりも所定値の範囲内で小さいときに、当該変調率を１以上の所定値に増加させるのに必要な電流指令増加分を決定する電流指令補正決定手段と、前記補正前電流指令に前記電流指令補正決定手段が決定した電流指令増加分を加算して前記最終電流指令とする電流指令補正手段とを備えたことを特徴とするものである。

本発明の車両制御装置によれば、変調率が１未満で所定の範囲内にあるときに電流増加の指令を出してインバータを多パルスＰＷＭから１パルス駆動にすることにより、その時に電流が増加するためモータ損失は若干増加するもののスイッチング損失を大幅に低減することができ、電力損失のために発する熱の放熱のために必要とされるパワー半導体デバイスの放熱構造を簡易で小型のものを採用できて、装置全体の小型化、システム総合効率の向上が図れる。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。図１は本発明の１つの実施の形態の車両制御装置の構成を示している。本実施の形態の車両制御装置１は、電流指令ｉｄ＊，ｉｑ＊に電流補正値Δｉｄ＊，Δｉｑ＊を加算する加算器１１，１２、電流制御部１３、ｄｑ変換部１４、３相変換部１５、直流電源１６の直流電力を交流電力に変換するインバータ１７、このインバータ１７の交流電力にて駆動される永久磁石同期電動機１８を含み構成されている。車両制御装置１はさらに、インバータ１７の直流側には平滑コンデンサ１９が設置されており、このコンデンサ電圧を検出する直流電圧検出器２０、インバータ１７の交流電流を検出する交流電流検出器２１、３相変換部１５の直流電圧指令Ｖ１＊を検出する電圧指令検出器２２を備えている。さらに、車両制御装置１は、本発明の特徴として実効電圧指令Ｖ１＊と直流電圧検出値Ｖｄｃとに基づいて変調率を計算する変調率計算部３１、この変調率計算部３１の求めた変調率が１未満で１に近い場合に、電流検出器１６が検出するモータ電流のｄｑ軸変換後のｄ軸電流ｉｄ’、ｑ軸電流ｉｑ’に基づいて電流指令加算値Δｉｄ＊，Δｉｑ＊を算出する電流指令補正部３２を備えている。

上記構成の車両制御装置１では、加算器１１，１２にて、マスコンのノッチ指令に対応したｄ軸電流指令ｉｄ＊、ｑ軸電流指令ｉｑ＊と電流指令補正部３２からの補正電流Δｉｄ＊，Δｉｑ＊とを加算して補正後電流指令ｉｄ＊＊，ｉｑ＊＊を出力する。交流電流検出器２１はインバータ１７の交流出力電流、したがって各相のモータ電流Ｉｌを検出してｄｑ変換部１４に出力する。ｄｑ変換部１４はこの各相モータ電流Ｉｌをｄ軸モータ電流ｉｄ’、ｑ軸モータ電流ｉｑ’に変換して電流制御部１３と電流補正部３２に出力する。

電流制御部１３は補正後電流指令ｉｄ＊＊，ｉｑ＊＊とｄｑ変換部１４からのｄ軸モータ電流ｉｄ’、ｑ軸モータ電流ｉｑ’とに基づいてｄ軸電圧指令ｖｄ＊、ｑ軸電圧指令ｖｑ＊を求めて３相変換部１５に与える。

３相変換部１５は、ｄ軸電圧指令ｖｄ＊、ｑ軸電圧指令ｖｑ＊に基づいてインバータ１７のモードを多パルス電圧波形のＰＷＭ電圧波形出力モードと１パルス電圧波形の１パルス電圧波形出力モードとで切り替えると共に、ゲート信号として実効電圧指令Ｖ１＊を出力する。

インバータ１７は、３相変換部１５の指示により変調率が１以上とみなせる時には１パルス電圧波形となるゲート信号にて１パルス電圧波形出力モードで電力変換動作し、永久磁石同期電動機１８に３相交流電力を供給する。インバータ１７はまた、３相変換部１５の指示により変調率が１未満とみなせる時には多パルス電圧波形となるゲート信号にてＰＷＭ電圧波形出力モードで電力変換動作し、永久磁石同期電動機１８に３相交流電力を供給する。

変調率計算部３１、電流指令補正部３２の動作は次の通りである。永久磁石同期電動機１８の電流特性を図２に示す。永久磁石同期電動機１８を図２における定トルク曲線４上の点Ａで駆動中に、ｄ軸の磁束を強めても、ｄ軸の磁束を強める前と同じ出力を確保するには、定トルク曲線４に沿いに永久磁石同期電動機１８のｄ軸電流、ｑ軸電流を増加させてｄ軸の磁束を強める。すなわち定トルク曲線４上のＡ点からＢ点に変化させる必要がある。このとき、永久磁石同期電動機１８の電流はＡ点、Ｂ点それぞれと原点Ｏとの距離を比較すれば、ＡＯ＜ＢＯであることから、永久磁石同期電動機１８の電流はｄ軸の磁束を強めると大きくなる。このためには、出力電圧実効値を増加させる必要がある。このときインバータ１７の出力電圧は、１パルス電圧になる。

そこで、本実施の形態の車両制御装置１では、変調率計算部３１がインバータ１７の直流電圧Ｖｄｃと３相変換部１５の実効電圧指令Ｖ１＊とに基づいて実変調率を計算して電流指令補正部３２に出力する。電流指令補正部３２は、変調率が１未満で、かつ１よりも所定値の範囲内（例えば、９０％まで）で小さいかどうかを判定し、所定値の範囲内であれば、直流電圧Ｖｄｃに対して変調率が１．０あるいは１．０＋δ（δは所定の微小値＝例えば、１０％）とするのに必要なｄ軸電流補正値Δｉｄ＊とｑ軸電流補正値Δｉｑ＊を演算する。そしてこの補正値を加算器１１，１２に与え、実電流指令ｉｄ＊，ｉｑ＊をｉｄ＊＋Δｉｄ＊（＝ｉｄ＊＊），ｉｑ＊＋Δｉｑ＊（＝ｉｑ＊＊）にいわばかさ上げ補正し、電流制御部１３に補正後電流指令として与える。電流制御部１３はこの補正後電流指令ｉｄ＊＊，ｉｑ＊＊に対して実モータ電流ｉｄ’，ｉｑ’が追従するような電圧指令ｖｄ＊，ｖｑ＊を計算して出力する。

このように、本実施の形態の車両制御装置１は、図３に示すように鉄道車両２に組み込み永久磁石同期電動機１８を駆動する。その際、本実施の形態の車両制御装置１では、変調率が１未満で、かつ、１に所定範囲内で近い場合に、変調率が１あるいは１＋δとなるように電流指令をかさ上げ補正し、それに基づいて電流電圧制御するようにしたので、変調率が１未満で１に極めて近い値の時には強制的に１パルス電圧波形モードに切り替えてインバータ１７を動作させることができる。

すなわち、図４（ａ），（ｂ）に示すように、多パルス電圧波形６ａから１パルス電圧波形６ｂに切り替えることができる。したがって、本実施の形態では、その時に電流が増加するためモータ損失は若干増加するもののスイッチング損失を大幅に低減することができ、電力ロスのために発する熱の放熱のために必要とされるパワー半導体デバイスの放熱構造を簡易で小型のものを採用できて、装置全体の小型化、システム総合効率の向上が図れる。

尚、インバータ１７に採用されるパワー半導体デバイスのスイッチングの損失は、インバータ１７の出力電圧が切り替わる度に生じる。インバータ１７の出力電圧が１パルス電圧でない場合（図４（ａ））とインバータ１７の出力電圧を強制的に１パルスにした場合（図４（ｂ））を比較すると明らかなように、インバータ１７の出力電圧を強制的に１パルスにした場合にはスイッチング損失が生じる回数が最も少なくなる。図４（ｂ）の１パルス電圧波形の場合、電流値は図４（ａ）の多パルス電圧波形に比べて若干増加し、永久磁石同期電動機３で生じる損失は若干増加する。しかし、スイッチング損失の低減効果が大きいため、インバータ１７の損失や鉄道車両システムの総合損失を大幅に低減できる。

また、上記の実施の形態のように、インバータ１７の出力電圧を強制的に１パルス電圧にするとインバータ１７内のパワー半導体デバイスで生じるスイッチング損失を低減することができる。このため、パワー半導体デバイスに取り付けられる放熱フィンを小型化することができる。通常、放熱フィンは、車両制御装置１の機械的構造全体の中で大きな体積を占める。このため、放熱フィンを小型化することができれば車両制御装置を従来よりも小型化することが可能になる。

また、インバータ１７の出力電圧を強制的に１パルス電圧にするとスイッチング損失を低減することができるため、パワー半導体デバイスに取り付けられる放熱フィンが従来と同じ大きさでも、より大きな電流がパワー半導体デバイスに流れても問題はなくなる。すなわち、より大容量の永久磁石電動機１８を運転することができるようになる。そしてその場合には、１編成で必要なトルクを確保するために必要な永久磁石同期電動機１８の数を減らすことができる。

なお、本発明の車両制御装置において、インバータ１７で生じる損失を計算し、インバータ１７の出力電圧を１パルス駆動の電圧にするとインバータで生じる損失が小さくなる運転状況においてのみ、永久磁石同期電動機１８の磁束と同方向の磁束を強める方向の電流を流すことにより、インバータ１７を１パルス駆動にする構成にすることができる。

また、鉄道車両システムの総合損失を計算し、インバータ１７の出力電圧を１パルス駆動電圧にすると鉄道車両システムの総合損失が小さくなる運転状況においてのみ永久磁石同期電動機１８の磁束と同方向の磁束を強めるための電流を流すことにより、インバータ１７を１パルス駆動にする構成にすることができる。

本発明の１つの実施の形態の車両制御装置のブロック図。上記実施の形態における永久磁石同期電動機の電流特性のグラフ。上記実施の形態の車両制御装置を搭載した鉄道車両システムのブロック図。上記実施の形態の多パルス電圧波形出力モードと強制的に切り替えた１パルス電圧波形出力モードとの出力電圧波形図。

符号の説明

１車両制御装置
２車両
１１，１２加算器
１３電流制御部
１４ｄｑ変換部
１５３相変換部
１６直流電源
１７インバータ
１８永久磁石同期電動機
１９平滑コンデンサ
２０直流電圧検出器
２１モータ電流検出器
２２実効電圧指令検出器
３１変調率計算部
３２電流指令補正部

Claims

インバータの交流出力によって永久磁石同期電動機を駆動する車両制御装置において、
最終電流指令に基づきインバータを所定の電圧と周波数の交流に変換するインバータと、
前記インバータに対する電圧指令と当該インバータからの出力電圧とに基づき変調率を演算する変調率演算手段と、
前記変調率が１よりも所定の範囲内で小さいときに前記インバータを多パルス駆動し、前記変調率が１以上のときに前記インバータを１パルス駆動するインバータ制御手段と、
前記変調率が１よりも所定値の範囲内で小さいときに、当該変調率を１以上の所定値に増加させるのに必要な電流指令増加分を決定する電流指令補正決定手段と、
前記補正前電流指令に前記電流指令補正決定手段が決定した電流指令増加分を加算して前記最終電流指令とする電流指令補正手段とを備えたことを特徴とする車両制御装置。
請求項１に記載の車両制御装置において、前記インバータの変調率が１よりも所定値の範囲内で小さいときに、前記永久磁石同期電動機の磁束と同じ方向の磁束を強める方向に電流を流すことにより、前記インバータを１パルス駆動にすることを特徴とする車両制御装置。