JP2008113543A - Power controller of railway car - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve braking performance and regeneration rate of regeneration power to a wire and to enable improvement in acceleration performance, when running at acceleration, without having to use an inverter incorporating special high-voltage, large-capacity switching elements. <P>SOLUTION: A main inverter 7 and a sub-inverter 8 are connected in parallel to a wire 1. AC side power lines L1-L3 of the main inverter 7, and power lines L7-L9 of an induction motor 10 are connected to one ends and to the other ends of the secondary windings (Ua, Va, Wa) of a three-phase transformer 9. AC-side power lines L4-L6 of the sub-inverter 8 are connected to one ends of the primary windings (Ub, Vb, Wb) of the transformer 9, and the other ends of the primary windings are short-circuited. The winding ratio λ of the transformer 9 is 0.4. When a motor-driven car 2 is braked during high-speed running, induced voltage of approximately 140%, caused by the main inverter 7 and the sub-inverter 8, is generated in the induction motor 10, so that the braking performance is improved. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、走行駆動用電動機を用いた回生ブレーキにより誘起された回生電力を、PWM制御方式のインバータを介して架線に返還するようにした鉄道車両の電力制御装置に関し、電圧添加用変圧器を介して少なくとも制動時の回生電圧を高めるようにしたものに関する。   The present invention relates to a power control apparatus for a railway vehicle in which regenerative power induced by a regenerative brake using a traveling drive motor is returned to an overhead line via an inverter of a PWM control system, and a voltage addition transformer is provided. And at least the regenerative voltage during braking is increased.

従来、電気機関車や電動車等の鉄道車両のブレーキ方式として、電力回生ブレーキ方式が一般的に知られている。この電力回生ブレーキ方式は、制動時に駆動走行用に使用される電動機を発電機として作用させ、鉄道車両に蓄えられた運動エネルギーにより発電を行うと共に、鉄道車両にブレーキ力を与え、発電により生成された回生電力をインバータにより架線に戻す方式である。   Conventionally, an electric power regenerative braking system is generally known as a braking system for railway vehicles such as electric locomotives and electric vehicles. This power regenerative braking system is generated by power generation by using a motor used for driving during braking as a generator to generate power using kinetic energy stored in the railway vehicle, and also applying braking force to the railway vehicle. In this method, the regenerative power is returned to the overhead line by an inverter.

この電力回生ブレーキ方式によれば、ダイナミックブレーキのように、回生された電力を抵抗により発熱エネルギーとして無駄に消費するブレーキ方式に比べ、回生された電力の有効活用が可能になるという大きな利点がある。   According to this power regenerative braking method, there is a great advantage that the regenerated electric power can be effectively used compared to a brake method in which the regenerated electric power is wastefully consumed as heat generation energy by resistance, such as a dynamic brake. .

そこで、例えば、特許文献1に記載の電気車の回生制御装置は、力行時においては、架線からパンタグラフを介して集電された直流をインバータ(VVVFインバータ)により3相交流に変換し、この変換された3相交流を誘導電動機に供給することで、電気車が走行駆動される一方、回生時においては、電気車の走行状態に応じた設定した変調率や回生ブレーキ電流パターンに基づいて、インバータを回生用変換機として作用するように制御し、電気車の運動エネルギーの大部分が誘導発電機として作用する誘導電動機により電気エネルギーに変換されて架線に回生するようにしてある。   Therefore, for example, the regenerative control device for an electric vehicle described in Patent Document 1 converts a direct current collected from an overhead wire through a pantograph into a three-phase alternating current by an inverter (VVVF inverter) during powering, and this conversion By supplying the generated three-phase alternating current to the induction motor, the electric vehicle is driven to travel, while at the time of regeneration, the inverter is based on the modulation factor and the regenerative brake current pattern set according to the traveling state of the electric vehicle. Is controlled so as to act as a regenerative converter, and most of the kinetic energy of the electric vehicle is converted into electric energy by an induction motor acting as an induction generator and regenerated on an overhead line.

一般に、誘導電動機を走行駆動させる為に用いられるVVVFインバータは、架線電圧に略等しい最高電圧に耐えられるようになっている。そこで前述した特許文献1に記載の電気車の回生制御装置においては、誘導発電機として作用する誘導電動機の発電作用により生成された回生電力がVVVFインバータにより直流の電気エネルギーに変換され、架線に回生される際に、図9に示すように、約100km/hから約70km/hまで減速させる高速走行時においては、架線電圧以上にならないように制約され、良好なブレーキ性能を得ることができない。尚、この図9において、電動機のトルク、パワー、電流、電圧は、夫々力行時の最大値を100%として表してある。   In general, a VVVF inverter used for driving an induction motor to travel is designed to withstand a maximum voltage substantially equal to the overhead wire voltage. Therefore, in the electric vehicle regenerative control device described in Patent Document 1, the regenerative power generated by the power generation action of the induction motor acting as an induction generator is converted into DC electric energy by the VVVF inverter and regenerated on the overhead line. In doing so, as shown in FIG. 9, during high-speed running that decelerates from about 100 km / h to about 70 km / h, it is restricted so as not to exceed the overhead line voltage, and good braking performance cannot be obtained. In FIG. 9, the torque, power, current, and voltage of the electric motor are expressed with the maximum value during power running as 100%.

ところで、回生ブレーキを作動させる場合、一般に、誘導電動機で誘起される回生電圧を増大させるにしても、VVVFインバータの使用上の上限電圧が制限されるのと、変電所から架線に送電される架線電圧に制約され、架線電圧より大幅に昇圧した高圧の回生電圧を架線に回生することができない。そのため、誘導電動機において誘起され回生に供する電圧は最大でも架線電圧の約110%に制限される。   By the way, when the regenerative brake is operated, generally, even if the regenerative voltage induced by the induction motor is increased, the upper limit voltage in use of the VVVF inverter is limited, and the overhead line transmitted from the substation to the overhead line The high voltage regenerative voltage which is restricted by the voltage and greatly boosted from the overhead line voltage cannot be regenerated to the overhead line. Therefore, the voltage induced in the induction motor and used for regeneration is limited to about 110% of the overhead line voltage at the maximum.

回生時の電気ブレーキ力、ブレーキパワーについては、直流電動機駆動方式の電車のダイナミックブレーキ(抵抗ブレーキ)の場合と比較して、その大小関係が論じられることが多い。直流電動機駆動方式の電車では、力行の高速域においては、電動機の誘起起電力が架線電圧とバランスして加速に必要な電流が流れなくなるので、一般に界磁巻線に並列に電流分路を設け、電動機の誘起起電力を下げ、架線からの電流を増加させて弱いながらも加速力を確保する弱め界磁制御が使用される。   Regarding the electric brake force and brake power during regeneration, the magnitude relationship is often discussed as compared with the case of a dynamic brake (resistance brake) of a DC motor-driven train. In a DC motor-driven train, in the high-speed region of power running, the induced electromotive force of the motor balances with the overhead line voltage and the current necessary for acceleration does not flow, so a current shunt is generally provided in parallel with the field winding. The field weakening control is used to reduce the induced electromotive force of the motor and increase the current from the overhead wire to secure the acceleration force while being weak.

一方、ブレーキにはダイナミックブレーキが使用され、この場合架線との関係が断ち切られるために、弱め界磁制御を行わず、高速においても全界磁のままで使用される。このため電動機の誘起起電力は力行の2倍(場合によっては2倍以上)となり、電流を力行電流と同じとすれば、ブレーキ開始点におけるパワーは略200%で、高速から低速に至る範囲での強力な電気ブレーキを実現している。   On the other hand, a dynamic brake is used as the brake, and in this case, the relationship with the overhead line is cut off. Therefore, field weakening control is not performed, and the entire field is used even at high speed. For this reason, the induced electromotive force of the motor is twice that of powering (in some cases, more than twice). If the current is the same as the powering current, the power at the brake start point is approximately 200%, in the range from high to low. Has realized a powerful electric brake.

上記と比較して、高速走行状態の回生時において、誘導電動機において弱め界磁を行っているため、回生パワーが約140%しかなく、制動トルクは低速時の約100%に比べて、より小さくなっている。そのため、良好なブレーキ性能を確保することができない。それ故、高速走行時における回生時には、電気車に標準装備しているダイナミックブレーキや機械式ブレーキを併用するようにしている。但し、車速が約70km/hまで減速すると、制動トルクが最大の約100%にまで回復するので、約70km/h以下においては、比較的大きな制動力が得られる。   Compared to the above, since the field weakening is performed in the induction motor during regeneration at high speed, the regenerative power is only about 140%, and the braking torque is smaller than about 100% at low speed. It has become. Therefore, good braking performance cannot be ensured. For this reason, dynamic brakes and mechanical brakes that are standard equipment on electric vehicles are used in combination during regeneration at high speeds. However, when the vehicle speed is reduced to about 70 km / h, the braking torque recovers to the maximum of about 100%, so that a relatively large braking force can be obtained at about 70 km / h or less.

他方、電気車の力行に際して、図10(電動機のトルク、パワー、電流、電圧は、夫々力行時の最大値を100%として表してある)に示すように、走行開始後、電動機トルク一定、V/F=一定(但し、Vは電圧、Fは周波数)による加速走行が行われ、パルスモードが順次高速側に切換えられて3パルスモードとなる。更に、高速走行時には1パルスモードに切換えられて駆動電圧が最大(約100%)になる。以降においては、電圧一定、パワー一定で、周波数のみを変更しながら弱め界磁を行う走行制御が行われる。   On the other hand, when the electric vehicle is powered, as shown in FIG. 10 (the torque, power, current, and voltage of the electric motor are expressed with the maximum value during power running as 100%, respectively) / F = Constant acceleration (where V is voltage and F is frequency) is performed, and the pulse mode is sequentially switched to the high speed side to become a three-pulse mode. Furthermore, when driving at high speed, the driving voltage is maximized (about 100%) by switching to the 1-pulse mode. Thereafter, traveling control is performed in which the field is weakened while the voltage is constant and the power is constant and only the frequency is changed.

図11に、現用されている鉄道車両の回生ブレーキ特性の別の例を示す。この図に示すように、電動機の軽量化の為には、V/F=一定の制御領域から、電圧一定周波数制御への移行点をできるだけ低くとり、電圧一定領域では、電動機電流を制御して可能な限り一定トルク領域を拡げ、電動機の停動トルク限界一杯までもっていき、それより高速領域は電動機の特性領域を停動トルクすれすれにトルクを制御するような使い方が採用されている。
特開平8−251706号公報(第2〜4頁、図3)
FIG. 11 shows another example of the regenerative braking characteristics of a currently used railway vehicle. As shown in this figure, in order to reduce the weight of the motor, the transition point from V / F = constant control region to constant voltage frequency control is set as low as possible. In the constant voltage region, the motor current is controlled. The range of constant torque is expanded as much as possible to reach the limit of the stopping torque of the motor, and the high speed region is used to control the torque in the characteristic region of the motor.
JP-A-8-251706 (pages 2-4, FIG. 3)

上記のように、車速が約100km/hから約70km/hの高速走行時には、ブレーキ性能が悪い為、ダイナミックブレーキや機械式ブレーキを併用せざるを得ない状態である。そこで、このようなダイナミックブレーキや機械式ブレーキを使用することなく、高速走行時における制動トルクを大きくしてブレーキ性能を高める場合、誘導電動機で誘起される回生電圧又は回生電流を増大させる方法がある。   As described above, when the vehicle speed is high speed of about 100 km / h to about 70 km / h, the brake performance is poor, and therefore dynamic brakes and mechanical brakes must be used together. Therefore, there is a method of increasing the regenerative voltage or regenerative current induced by the induction motor when the braking performance is increased by increasing the braking torque at high speed without using such a dynamic brake or mechanical brake. .

しかし、誘導電動機で誘起される回生電圧を増大させる場合、VVVFインバータの使用上の上限電圧がほぼ架線電圧に制限されるのと、変電所から架線に送電される架線電圧に制約されることから、架線電圧より大幅に昇圧した高圧の回生電圧を架線に回生することができない。一方、誘導電動機で誘起される回生電流を増大させる場合、VVVFインバータと誘導電動機の電気容量に制約されるため、不可能である。   However, when the regenerative voltage induced by the induction motor is increased, the upper limit voltage for use of the VVVF inverter is almost limited to the overhead line voltage, and is limited by the overhead line voltage transmitted from the substation to the overhead line. The high-voltage regenerative voltage that is significantly higher than the overhead line voltage cannot be regenerated on the overhead line. On the other hand, it is impossible to increase the regenerative current induced by the induction motor because it is limited by the electric capacity of the VVVF inverter and the induction motor.

何れにしても、電気車の高速走行時における回生ブレーキのブレーキ性能を改善することができず、エネルギー損失を覚悟で機械式ブレーキを使用せざるを得なかった。このように、ダイナミックブレーキや機械式ブレーキを併用する場合、誘導電動機により誘起された回生電力を熱として大気に放出するため、回生電力の回収率が低下すること、機械式ブレーキのメンテナンスに余分な費用や作業が必要となること、等の問題がある。   In any case, the braking performance of the regenerative brake when the electric vehicle is traveling at high speed could not be improved, and the mechanical brake had to be used with the intention of energy loss. As described above, when dynamic brakes and mechanical brakes are used in combination, the regenerative power induced by the induction motor is released into the atmosphere as heat, which reduces the recovery rate of regenerative power and is extra for mechanical brake maintenance. There are problems such as cost and work being required.

他方、電気車の力行において、図10に示すように、車速が約50km/hに達すると、電圧一定、パワー一定であるので、電動機トルクは速度の増加と共に減少する。そこで、車速が約50km/h以上の高速状態では、電流一定、電圧一定、パワー一定であるので、更に加速されると、V/F比が低下するため、誘導電動機の停動トルク値が速度の増加に応じて次第に低下し、VVVFインバータは、電動機トルクが停動トルクを越えないように小さくなるように制御されるようになり、加速性に劣るという問題がある。   On the other hand, in the power running of the electric vehicle, as shown in FIG. 10, when the vehicle speed reaches about 50 km / h, the voltage is constant and the power is constant, so that the motor torque decreases as the speed increases. Therefore, since the current is constant, the voltage is constant, and the power is constant when the vehicle speed is about 50 km / h or higher, the V / F ratio decreases when the vehicle is further accelerated. The VVVF inverter is controlled so as to be small so that the motor torque does not exceed the stationary torque, and there is a problem that the acceleration performance is inferior.

本発明の目的は、特殊な高電圧大容量のスイッチング素子を用いたインバータに依存することなく、既存のインバータを有効活用しつつ、ブレーキ性能を高めること、回生電力の架線への回生率を向上させること、加速走行する際の加速性を高めること等である。   The object of the present invention is to improve the braking performance and improve the regeneration rate of regenerative power to the overhead line while effectively utilizing the existing inverter without depending on the inverter using a special high-voltage large-capacity switching element. For example, to improve acceleration performance during acceleration traveling.

請求項1の鉄道車両の電力制御装置は、走行駆動用の三相誘導電動機と、走行時に架線の直流を三相交流に変換して誘導電動機に供給可能で且つ制動時に誘導電動機で回生した電力を直流に変換して架線に供給可能な可変電圧・可変周波数型の第1インバータと、第1インバータをPWM制御するインバータ制御手段とを備えた鉄道車両の電力制御装置において、前記架線に対して第1インバータと並列接続され且つ前記インバータ制御手段で制御される可変電圧・可変周波数型の第2インバータと、前記第1インバータの交流側電力線と誘導電動機の間に設けられた2次巻線と、第2インバータの交流側電力線に接続された1次巻線とを備え且つ少なくとも制動時に誘導電動機の回生電圧を昇圧させる為の電圧添加用変圧器とを有し、前記インバータ制御手段は、回生時に高速側から所定速度に減速するまでは、第1,第2インバータを作動させ、所定速度以下の車速で減速する際には第1インバータのみを作動させ、第1インバータのみ作動するときに第2インバータを制御して電圧添加用変圧器の1次巻線を短絡することにより2次巻線の電圧降下を生じないようにすることを特徴としている。   The power control apparatus for a railway vehicle according to claim 1 is a three-phase induction motor for driving driving, and electric power that can be supplied to the induction motor by converting the direct current of the overhead wire into three-phase alternating current during traveling and regenerated by the induction motor during braking. In a railroad vehicle power control apparatus comprising: a variable voltage / variable frequency type first inverter that can convert DC into DC and supply it to an overhead line; and an inverter control means that performs PWM control on the first inverter. A variable voltage / variable frequency type second inverter connected in parallel with the first inverter and controlled by the inverter control means; a secondary winding provided between the AC power line of the first inverter and the induction motor; A voltage addition transformer for boosting the regenerative voltage of the induction motor at least during braking, and a primary winding connected to the AC power line of the second inverter The inverter control means operates the first and second inverters until decelerating to a predetermined speed from the high speed side during regeneration, and operates only the first inverter when decelerating at a vehicle speed equal to or lower than the predetermined speed. The second inverter is controlled when only operating, and the primary winding of the voltage adding transformer is short-circuited to prevent a voltage drop of the secondary winding.

第1インバータのみを作動させる場合には、電圧添加用変圧器の2次巻線の電圧降下が生じないように、第2インバータは電圧添加用変圧器の1次巻線を必ず短絡する必要がある。この短絡に当たっては、第2インバータに有する複数のスイッチング素子のうち、限られた素子に電流が集中しないように、各スイッチング素子の負担が等しくなるように制御する。そこで、以後の説明において、第1インバータのみを作動させる場合には、第2インバータは電圧添加用変圧器の1次巻線を短絡するという短絡条件が満たされているものとする。   When only the first inverter is operated, the second inverter must always short-circuit the primary winding of the voltage addition transformer so that the voltage drop of the secondary winding of the voltage addition transformer does not occur. is there. In the case of this short circuit, control is performed so that the load of each switching element is equal so that the current is not concentrated on a limited element among the plurality of switching elements included in the second inverter. Therefore, in the following description, when only the first inverter is operated, it is assumed that the short-circuit condition that the second inverter short-circuits the primary winding of the voltage addition transformer is satisfied.

鉄道車両が高速側から所定速度に減速される際には、インバータ制御手段は第1インバータをPWM制御するだけでなく、第2インバータも同時にPWM制御する。これにより、これら2つの第1,第2インバータは、電圧添加用変圧器(3相変圧器)を介して誘導電動機に対して回生電力を架線に回生する回生回路(負荷回路)であるので、回生電圧は、第1インバータのみによって回収する場合よりも、第2インバータと電圧添加用変圧器の1次巻線を介して2次巻線に発生する電圧の分だけ高くなる。   When the railway vehicle is decelerated from the high speed side to a predetermined speed, the inverter control means not only PWM-controls the first inverter but also PWM-controls the second inverter at the same time. Thereby, these two first and second inverters are regenerative circuits (load circuits) that regenerate regenerative power to the overhead wire with respect to the induction motor via the voltage addition transformer (three-phase transformer). The regenerative voltage becomes higher by the amount of voltage generated in the secondary winding via the second inverter and the primary winding of the voltage addition transformer than in the case of collecting only by the first inverter.

このように、回生電圧は、高速側から所定速度に減速するまで第2インバータを作動させる分だけ高くなるので、制動トルク一定で、回生パワーを増加させることができる。それ故、鉄道車両の高速走行中の制動時における誘導電動機の制動トルクを一定に保持できるため、この制動トルクを一定に維持した状態で回生ブレーキを作用させることができ、ブレーキ性能が高まる。   In this way, the regenerative voltage is increased by the amount of operation of the second inverter until it is decelerated from the high speed side to the predetermined speed, so that the regenerative power can be increased with a constant braking torque. Therefore, since the braking torque of the induction motor can be kept constant during braking during high-speed running of the railway vehicle, the regenerative brake can be applied with this braking torque kept constant, and the braking performance is improved.

ところで、鉄道車両が所定速度以下の車速で減速される際には、インバータ制御手段は第1インバータのみをPWM制御する。この場合には、インバータ制御手段は第2インバータを制御して電圧添加用変圧器の1次巻線を短絡するので、変圧器による電圧降下を防止して、第1インバータによる制動動作に悪影響を及ぼすものではない。   By the way, when the railway vehicle is decelerated at a vehicle speed equal to or lower than a predetermined speed, the inverter control means performs PWM control only on the first inverter. In this case, since the inverter control means controls the second inverter to short-circuit the primary winding of the voltage addition transformer, the voltage drop due to the transformer is prevented and the braking operation by the first inverter is adversely affected. It does not affect.

請求項2の鉄道車両の電力制御装置は、請求項1において、前記インバータ制御手段は、加速走行時に設定速度に加速するまでは、第1インバータのみを作動させ、設定速度以上で加速する際には第1,第2インバータを作動させ、第1インバータのみ作動するときに第2インバータを制御して電圧添加用変圧器の1次巻線を短絡することにより2次巻線の電圧降下が生じないようにすることを特徴としている。   A power control apparatus for a railway vehicle according to a second aspect is the power control apparatus for a railway vehicle according to the first aspect, wherein the inverter control means operates only the first inverter until acceleration to a set speed during acceleration traveling, and accelerates at or above the set speed. Operates the first and second inverters, and when only the first inverter is operated, the second inverter is controlled to short-circuit the primary winding of the voltage addition transformer, thereby causing a voltage drop in the secondary winding. It is characterized by not.

請求項3の鉄道車両の電力制御装置は、走行駆動用の三相誘導電動機と、走行時に架線の直流を三相交流に変換して誘導電動機に供給可能で且つ制動時に誘導電動機で回生した電力を直流に変換して架線に供給可能な可変電圧・可変周波数型の第1インバータと、第1インバータをPWM制御するインバータ制御手段とを備えた鉄道車両の電力制御装置において、前記架線に対して第1インバータと並列接続され且つ前記インバータ制御手段で制御される可変電圧・可変周波数型の第2インバータと、前記第1インバータの交流側電力線と誘導電動機の間に設けられた2次巻線と、第2インバータの交流側電力線に接続された1次巻線とを備え且つ少なくとも制動時に誘導電動機の回生電圧を昇圧させる為の電圧添加用変圧器とを有し、前記インバータ制御手段は、回生時及び加速時共、全速度域に亙って第1インバータと第2インバータを作動させることを特徴としている。   The power control apparatus for a railway vehicle according to claim 3 is a three-phase induction motor for driving driving, and electric power that can be supplied to the induction motor by converting the direct current of the overhead wire into three-phase alternating current during traveling and regenerated by the induction motor during braking In a railroad vehicle power control apparatus comprising: a variable voltage / variable frequency type first inverter that can convert DC into DC and supply it to an overhead line; and an inverter control means that performs PWM control on the first inverter. A variable voltage / variable frequency type second inverter connected in parallel with the first inverter and controlled by the inverter control means; a secondary winding provided between the AC power line of the first inverter and the induction motor; A voltage addition transformer for boosting the regenerative voltage of the induction motor at least during braking, and a primary winding connected to the AC power line of the second inverter Converter control means is characterized in that actuating during regeneration and acceleration both the first and second inverters over the entire speed range.

この電力制御装置においては、インバータ制御手段は、回生時及び加速走行時共、全速度域に亙って第1インバータと第2インバータを作動させる。ここで、請求項1における第1インバータの出力電圧E1と第2インバータの出力電圧をE2を図3に夫々示し、請求項2における第1インバータの出力電圧E1と第2インバータの出力電圧E2を図2に示す。   In this power control device, the inverter control means operates the first inverter and the second inverter over the entire speed range during regeneration and during acceleration travel. Here, the output voltage E1 of the first inverter and the output voltage of the second inverter in claim 1 are shown in FIG. 3, respectively, and the output voltage E1 of the first inverter and the output voltage E2 of the second inverter in claim 2 are shown in FIG. As shown in FIG.

第1インバータの出力電圧E1は、零から最大電圧E1M(図2の力行時においては「100%」、図3の回生時においては「110%」)まで速度V1に比例して増加する。第1インバータの出力電圧E1が最大電圧E1Mに到達した時点の速度をV1Mとし、周波数をF1Mとする。第1インバータは以後、出力電圧E1が一定で、周波数F1のみが変化する。この時点から、第2インバータが動作を開始し、第2インバータの出力電圧E2は実速度Vと最大電圧E1Mに到達した時点の最大電圧速度V1Mの速度差に比例して増加する。   The output voltage E1 of the first inverter increases in proportion to the speed V1 from zero to the maximum voltage E1M (“100%” during power running in FIG. 2 and “110%” during regeneration in FIG. 3). The speed when the output voltage E1 of the first inverter reaches the maximum voltage E1M is V1M, and the frequency is F1M. Thereafter, the output voltage E1 of the first inverter is constant, and only the frequency F1 changes. From this time, the second inverter starts to operate, and the output voltage E2 of the second inverter increases in proportion to the speed difference between the actual speed V and the maximum voltage speed V1M when the maximum voltage E1M is reached.

第2インバータの出力電圧E2が最大電圧E2Mに到達以後において、出力電圧E2が一定で、周波数F2のみが実速度Vと最大電圧速度V2Mとの速度差に比例して増加する。電圧添加用変圧器の大きさは、第2インバータの出力電圧E2の最大電圧E2Mと、この最大電圧E2Mに到達した時点の最大電圧速度V2M、即ち最大電圧速度V2Mのときの最大周波数F2Mの比、つまりE2M/F2Mで決まる。前述した請求項1及び請求項2において、第2インバータの出力電圧E2は、その時の実速度Vではなく、実速度Vと最大電圧速度V2Mの速度差に比例して変化する。   After the output voltage E2 of the second inverter reaches the maximum voltage E2M, the output voltage E2 is constant, and only the frequency F2 increases in proportion to the speed difference between the actual speed V and the maximum voltage speed V2M. The size of the voltage adding transformer is the ratio between the maximum voltage E2M of the output voltage E2 of the second inverter and the maximum voltage speed V2M when the maximum voltage E2M is reached, that is, the maximum frequency F2M at the maximum voltage speed V2M. That is, it is determined by E2M / F2M. In the first and second aspects described above, the output voltage E2 of the second inverter changes in proportion to the speed difference between the actual speed V and the maximum voltage speed V2M, not the actual speed V at that time.

従って、電圧添加用変圧器の磁束密度は、最大電圧速度V2Mで最大となる。この最大電圧速度V2Mより速度が速い範囲では弱め界磁領域であるので、電圧添加用変圧器において弱め界磁となり、磁束密度は低下する。最大電圧速度V2Mより速度が遅い領域では、第2インバータの出力電圧E2を、その時の実速度Vではなく、実速度Vと最大電圧速度V1Mの速度差に比例して変更するようにしているので、最大電圧速度V1Mにおいて、出力電圧E2=0であり、電圧添加用変圧器の磁束密度は零となる。   Therefore, the magnetic flux density of the voltage addition transformer becomes maximum at the maximum voltage speed V2M. In the range where the speed is higher than the maximum voltage speed V2M, the field weakening region is obtained. Therefore, the voltage adding transformer becomes a field weakening and the magnetic flux density is lowered. In the region where the speed is lower than the maximum voltage speed V2M, the output voltage E2 of the second inverter is changed in proportion to the speed difference between the actual speed V and the maximum voltage speed V1M, not the actual speed V at that time. At the maximum voltage speed V1M, the output voltage E2 = 0, and the magnetic flux density of the voltage addition transformer becomes zero.

従って、この電圧添加用変圧器は、本来、E2/F=E2M/F2M=一定の条件で使用出来るが、非常に余裕のある条件で使用されていることになる。周波数F2の変化「零〜F2M」に比例して、出力電圧E2を「零〜E2M」に変化させる条件で使用可能である。別の見方をすれば、請求項3の条件で使用可能なことを示唆している。   Therefore, this voltage addition transformer can be used under the condition of E2 / F = E2M / F2M = constant, but it is used under a condition with a sufficient margin. The output voltage E2 can be used under the condition that the output voltage E2 is changed to “zero to E2M” in proportion to the change “0 to F2M” of the frequency F2. From another point of view, it is suggested that it can be used under the conditions of claim 3.

そこで、請求項3のように、第1インバータと第2インバータとを同期させて、全速度に亙って作動制御するような制御方式を採用すれば、全く同じゲート信号を第1インバータと第2インバータとに与えればよいので、1つのインバータ制御手段を設け、第1インバータと第2インバータを夫々作動させるゲート駆動回路を個別に設ければよい。それ故、インバータ制御手段の簡素化を図ることができる。   Therefore, as in claim 3, if a control method is adopted in which the first inverter and the second inverter are synchronized and the operation control is performed over the entire speed, the same gate signal is sent to the first inverter and the second inverter. Since it is sufficient to provide two inverters, one inverter control means may be provided, and gate drive circuits for operating the first inverter and the second inverter may be provided individually. Therefore, the inverter control means can be simplified.

一方、VVVFインバータのPWM制御では、一般に、変調波である三角波と、120度の位相差を持つU相,V相,W相の正弦波との切り合い点を夫々求める。そして、各相に対応するように上下に夫々直列接続された2つのIGBTについて、各相の正弦波が三角波より大きい場合には、対応する相の上側のIGBTにゲート信号を与える。また、各相の正弦波が三角波より小さい場合には、下側のIGBTにゲート信号を与える。従って、VVVFインバータの出力端子の電位は、DCLINK電圧と零電圧の間を変化する矩形波電圧となる。   On the other hand, in the PWM control of the VVVF inverter, in general, a switching point between a triangular wave that is a modulated wave and a U-phase, V-phase, and W-phase sine wave having a phase difference of 120 degrees is obtained. When the sine wave of each phase is larger than the triangular wave for two IGBTs connected in series up and down so as to correspond to each phase, a gate signal is given to the IGBT above the corresponding phase. When the sine wave of each phase is smaller than the triangular wave, a gate signal is given to the lower IGBT. Therefore, the potential at the output terminal of the VVVF inverter is a rectangular wave voltage that changes between the DCLINK voltage and the zero voltage.

この場合、三角波との切り合い点が各相毎に異なるので、各相の出力端子には夫々異なる矩形波電圧が得られる。従って、3相誘導電動機のU相とV相端子間には、VVVFインバータのU相の矩形波とV相の矩形波との差の電圧が加わり、V−W端子間にはV相の矩形波とW相の矩形波との差の電圧が加わり、W−U端子間にはW相の矩形波とU相の矩形波との差の電圧が加わる。   In this case, since the crossing point with the triangular wave is different for each phase, different rectangular wave voltages are obtained at the output terminals of the respective phases. Therefore, the voltage of the difference between the U-phase rectangular wave and the V-phase rectangular wave of the VVVF inverter is applied between the U-phase and V-phase terminals of the three-phase induction motor, and the V-phase rectangular is between the V-W terminals. A difference voltage between the wave and the W-phase rectangular wave is applied, and a difference voltage between the W-phase rectangular wave and the U-phase rectangular wave is applied between the W-U terminals.

速度が零の場合には、3相誘導電動機に要求される加速トルクを発生するのに必要なスリップ周波数に対応する周波数の電圧を発生させ、V/F一定で加速する。変調波の三角波は低速域におけるトルク脈動を避けるために、最初はkHzオーダーの非同期三角波を使用し、加速に応じて同期方式に切替え、9パルスモード→3パルスモード→1パルスモードに順次パルス数を減らして行く。   When the speed is zero, a voltage having a frequency corresponding to the slip frequency necessary for generating the acceleration torque required for the three-phase induction motor is generated, and acceleration is performed at a constant V / F. In order to avoid torque pulsation in the low speed range, the modulation triangle wave uses an asynchronous triangle wave in the order of kHz, and switches to the synchronous method according to the acceleration. The number of pulses is sequentially changed from 9 pulse mode to 3 pulse mode to 1 pulse mode. Go down.

即ち、請求項3の場合には、請求項1、2のように、第1インバータと第2インバータとに異なった制御信号を与えるのではなく、走行を開始するときから、第1インバータと第2インバータとに全く同じ制御信号を同時に与えれば良いことになる。   That is, in the case of claim 3, as in claims 1 and 2, the first inverter and the second inverter are not given different control signals, but the first inverter and the second inverter are It is sufficient to give the same control signal to the two inverters at the same time.

更に、請求項1,2においては、第1インバータの動作中において、電圧添加用変圧器による電圧降下が生じないように、第2インバータのゲートに信号を与えて巻線短絡を行ない、巻線に短絡電流を流しておく必要があるのに対して、請求項3によれば、この様な短絡制御の必要が無くなり、合理的な回生制御及び加速制御が可能になる。それ故、回生時に関する第1インバータの出力電圧E1と第2インバータの出力電圧E2は、実施例に係る図6に示すようになり、また加速時(力行時)に関する第1インバータの出力電圧E1と第2インバータの出力電圧E2は実施例に係る図5に示すようになる。   Further, in claims 1 and 2, during operation of the first inverter, a signal is given to the gate of the second inverter to prevent a voltage drop due to the voltage addition transformer, and the winding is short-circuited. However, according to the third aspect, there is no need for such short-circuit control, and rational regenerative control and acceleration control are possible. Therefore, the output voltage E1 of the first inverter and the output voltage E2 of the second inverter relating to the regeneration are as shown in FIG. 6 according to the embodiment, and the output voltage E1 of the first inverter relating to the acceleration (powering). The output voltage E2 of the second inverter is as shown in FIG. 5 according to the embodiment.

請求項4の鉄道車両の電力制御装置は、走行駆動用の三相誘導電動機と、走行時に架線の直流を三相交流に変換して誘導電動機に供給可能で且つ制動時に誘導電動機で回生した電力を直流に変換して架線に供給可能な可変電圧・可変周波数型のインバータと、インバータをPWM制御するインバータ制御手段とを備えた鉄道車両の電力制御装置において、前記インバータの交流側電力線と誘導電動機の間に設けられた2次巻線と、前記インバータの交流側電力線のうちの前記2次巻線よりもインバータ側の部分に接続された1次巻線とを備え且つ少なくとも制動時に誘導電動機の回生電圧を昇圧させる為の電圧添加用変圧器を備えたことを特徴としている。   The power control apparatus for a railway vehicle according to claim 4 includes a three-phase induction motor for driving and a power that can be supplied to the induction motor by converting the direct current of the overhead wire into a three-phase alternating current during traveling and regenerated by the induction motor during braking. In a railroad vehicle power control apparatus comprising: a variable voltage / variable frequency type inverter capable of converting DC to DC and supplying it to an overhead line; and an inverter control means for PWM-controlling the inverter, the AC side power line of the inverter and the induction motor And a primary winding connected to a portion of the AC side power line of the inverter that is closer to the inverter side than the secondary winding, and at least during braking, the induction motor A voltage addition transformer for boosting the regenerative voltage is provided.

この電力制御装置においては、実施例の図7に示すように、電圧添加用変圧器を接続し、電動機電圧をインバータ電圧よりも昇圧させると、電圧を上げた分だけV/F一定領域を拡げることができる。インバータの電流と電動機電流の関係は、インバータ電圧と電動機電圧の逆比となる。インバータは図11の最大電流を流す能力があるので、全速度域における回生時に上記の最大電流に維持するように変圧器の巻線比を設定すると、例えば図8に示す特性とすることができる。   In this power control apparatus, as shown in FIG. 7 of the embodiment, when a voltage addition transformer is connected and the motor voltage is boosted from the inverter voltage, the V / F constant region is expanded by the increased voltage. be able to. The relationship between the inverter current and the motor current is an inverse ratio of the inverter voltage and the motor voltage. Since the inverter has the capability of flowing the maximum current shown in FIG. 11, if the winding ratio of the transformer is set so as to maintain the maximum current during regeneration in the entire speed range, the characteristics shown in FIG. 8 can be obtained, for example. .

一定トルク領域が僅かながら広がり、電動機電圧を昇圧した分、停動トルクの制約を受けない速度域が広がる。図11では、高速域でのトルクが電動機の停動トルクの影響を受けるので、速度に対して大幅に低下しているが、図8の特性では、停動トルクの影響を受けない領域が広がり、一定パワー領域が使用できるので、高速域のトルクが図11と比較して低下が少なくなり、高速域のブレーキ特性を改善できる。   The constant torque region is slightly widened, and the speed region that is not subject to the restriction of the stationary torque is widened by increasing the motor voltage. In FIG. 11, the torque in the high speed range is affected by the stalling torque of the motor, and thus the speed is greatly reduced. However, in the characteristics of FIG. 8, the region not affected by the stalling torque is widened. Since a constant power region can be used, the torque in the high speed region is less decreased than in FIG. 11, and the braking characteristics in the high speed region can be improved.

請求項1の発明によれば、この鉄道車両の電力制御装置が、走行駆動用の三相誘導電動機と、可変電圧・可変周波数型の第1インバータと、インバータ制御手段とを備えている。前記架線に対して第1インバータと並列接続された可変電圧・可変周波数型の第2インバータと、第1インバータの交流側電力線と電動機との間の2次巻線と、第2インバータの交流側電力線に接続された1次巻線とを備え且つ少なくとも制動時に電動機の回生電圧を上昇させる為の電圧添加用変圧器とを設け、インバータ制御手段は、回生時に高速側から所定速度に減速するまでは、第1,第2インバータを作動させる。   According to the first aspect of the present invention, the power control apparatus for a railway vehicle includes a three-phase induction motor for driving driving, a variable voltage / variable frequency type first inverter, and inverter control means. A variable voltage / variable frequency type second inverter connected in parallel to the first inverter with respect to the overhead wire, a secondary winding between the AC power line of the first inverter and the motor, and the AC side of the second inverter Including a primary winding connected to the power line and at least a voltage addition transformer for increasing the regenerative voltage of the motor during braking, and the inverter control means is decelerated from the high speed side to a predetermined speed during regeneration. Activates the first and second inverters.

従って、高速側から所定速度に減速するまで第2インバータを作動させる分だけ電圧添加用変圧器を介して回生電圧が高くなり、制動トルク一定で、回生パワーを増加させることができる。それ故、鉄道車両の高速走行中の制動時における誘導電動機の制動トルクを一定に保持できるため、この制動トルクを一定に維持した状態で回生ブレーキを作用させることができ、ブレーキ性能を格段に高めることができる。   Therefore, the regenerative voltage is increased through the voltage addition transformer by the amount of operation of the second inverter until the speed is reduced from the high speed side to a predetermined speed, and the regenerative power can be increased with a constant braking torque. Therefore, since the braking torque of the induction motor can be kept constant during braking while the railway vehicle is running at high speed, the regenerative brake can be applied with this braking torque kept constant, and the braking performance is greatly improved. be able to.

第2インバータを作動させる分だけ回生電圧が高くなることから、架線に回生する回生電圧の回生率(回収率)を大幅に向上させることができる。この場合、第2インバータは特殊な高電圧大容量のスイッチング素子を使用した高価なインバータでなくてもよく、安価に構成することができる。   Since the regenerative voltage increases as much as the second inverter is operated, the regenerative rate (recovery rate) of the regenerative voltage regenerated on the overhead wire can be greatly improved. In this case, the second inverter may not be an expensive inverter using a special high-voltage and large-capacity switching element, and can be configured at low cost.

このように改善された制動トルク特性により、ブレーキ性能が改善されるので、鉄道車両の車速が低速に至るまで、ダイナミックブレーキや機械式ブレーキを使用することなく、回生ブレーキを効果的に作用させることができる為、回生時における省エネを発揮できる理想の鉄道車両を実現させることができる。   Brake performance is improved by such improved braking torque characteristics, so regenerative braking can be effectively applied without using dynamic brakes or mechanical brakes until the vehicle speed of railway vehicles reaches low speeds. Therefore, it is possible to realize an ideal railway vehicle that can exhibit energy saving during regeneration.

しかも、インバータ制御手段は、所定速度以下の車速で減速する際には第1インバータのみを作動させるのと同時に、第2インバータを制御して電圧添加用変圧器の1次巻線を短絡することにより変圧器による電圧降下を生じさせないようにするので、第1インバータによる制動動作に何ら悪影響を及ぼすことがない。   Moreover, the inverter control means operates only the first inverter when decelerating at a vehicle speed below a predetermined speed, and simultaneously controls the second inverter to short-circuit the primary winding of the voltage addition transformer. Therefore, the voltage drop due to the transformer is not caused, so that the braking operation by the first inverter is not adversely affected.

請求項2の発明によれば、前記インバータ制御手段は加速走行時に設定速度に加速するまでは、第1インバータのみを作動させるのと同時に、第2インバータを制御して電圧添加用変圧器の1次巻線を短絡することにより変圧器による電圧降下を生じさせないようにするので、第1インバータによる良好な加速性に何ら悪影響を及ぼすことがない。そして、インバータ制御手段は設定速度以上で加速する際には第1,第2インバータを作動させるので、誘導電動機に供給される電圧を、第2インバータと変圧器を作動させる分だけ増大させることができ、加速性を格段に向上させることができる。その他請求項1と同様の効果を奏する。   According to the second aspect of the present invention, the inverter control means operates only the first inverter until it accelerates to the set speed during acceleration traveling, and simultaneously controls the second inverter to control the voltage adding transformer 1. Since the voltage drop due to the transformer is not caused by short-circuiting the secondary winding, the good acceleration performance by the first inverter is not adversely affected. And since the inverter control means operates the first and second inverters when accelerating at a speed higher than the set speed, the voltage supplied to the induction motor can be increased by an amount corresponding to the operation of the second inverter and the transformer. And acceleration can be significantly improved. Other effects similar to those of the first aspect are obtained.

請求項3の発明によれば、インバータ制御手段は、回生時及び加速走行時共、全速度域に亙って第1インバータと第2インバータを作動させるため、請求項1、2のように、第1インバータと第2インバータとに異なった制御信号を与えるのではなく、走行を開始するときから、第1インバータと第2インバータとに全く同じ制御信号を同時に与えれば良いことになる。   According to the invention of claim 3, the inverter control means operates the first inverter and the second inverter over the entire speed range during regeneration and acceleration travel. Instead of giving different control signals to the first inverter and the second inverter, it is only necessary to give the same control signal to the first inverter and the second inverter at the same time from the start of traveling.

更に、請求項1,2では、第1インバータの動作中において、電圧添加用変圧器の電圧降下が生じないように、第2インバータのゲートに信号を与えて巻線短絡を行ない、巻線に短絡電流を流しておく必要があるのに対して、請求項3によれば、この様な短絡制御の必要が無くなり、合理的な回生制御及び加速制御が可能になる。
しかも、前記のように、3相誘導電動機側から見ると、恰も電源電圧が例えば1.4倍の駆動電圧が供給され、例えば1.4倍の耐圧を有する半導体素子で構成された単一のVVVFインバータで駆動される電力制御装置と等価に構成することができる。
Further, in claims 1 and 2, a signal is given to the gate of the second inverter so as not to cause a voltage drop of the voltage addition transformer during the operation of the first inverter, and the winding is short-circuited. Whereas it is necessary to allow a short-circuit current to flow, according to claim 3, there is no need for such short-circuit control, and rational regenerative control and acceleration control are possible.
Moreover, as described above, when viewed from the three-phase induction motor side, the power supply voltage is supplied with, for example, a drive voltage that is 1.4 times higher, for example, a single element composed of a semiconductor element having a withstand voltage that is 1.4 times higher. It can be configured equivalent to a power control device driven by a VVVF inverter.

請求項4の発明によれば、インバータの電圧、電流容量を最大限使用して、回生領域を拡げるために、インバータと電動機の間に電圧添加用変圧器を挿入したため、巻線比分電動機電圧を上げている。電動機電流はインバータ電流に対して、変圧器の逆比で決まりインバータ電流より少ない電流が流れる。
これにより、回生時に電動機電圧をインバータ電圧よりも昇圧させ、V/F一定領域を拡げることができ、電動機電圧を昇圧した分、停動トルクの制約を受けない領域を拡げることでき、高速域におけるトルクを高め、高速域におけるブレーキ特性を改善することができる。また、電流が減少した分、力行時の加速トルクが低下するけれども、V/F一定領域を拡がり、従来方式では加速トルクが減少する領域においても、加速度一定に維持できるので力行の加速性能は影響を受けない。
According to the invention of claim 4, since the voltage addition transformer is inserted between the inverter and the motor in order to expand the regeneration area by using the voltage and current capacity of the inverter as much as possible, the motor voltage corresponding to the winding ratio is reduced. Raised. The motor current is determined by the inverse ratio of the transformer with respect to the inverter current, and less current flows than the inverter current.
As a result, the motor voltage can be boosted higher than the inverter voltage during regeneration, and the V / F constant region can be expanded, and the region that is not restricted by the stalling torque can be expanded as much as the motor voltage is increased. Torque can be increased and braking characteristics at high speeds can be improved. In addition, although the acceleration torque during powering decreases as the current decreases, the V / F constant region is expanded, and even in the region where the acceleration torque decreases with the conventional method, the acceleration performance of powering is affected. Not receive.

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面に基づいて説明する。   The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.

この実施例の鉄道車両の電力制御装置は、誘導電動機に3相交流を供給可能な可変電圧・可変周波数型の主インバータに加えて、可変電圧・可変周波数型の副インバータを架線に対して主インバータと並列接続し、電圧添加用変圧器の1次巻線を副インバータに接続し且つ2次巻線を主インバータに接続し、その2次巻線電圧を主インバータの出力電圧に直列に添加して、鉄道車両の高速走行状態から減速させる制動時の制動トルクや回生電力の回収率を向上でき、しかも高速走行時の加速性を向上できるように構成してある。   The railroad vehicle power control apparatus of this embodiment has a variable voltage / variable frequency type sub-inverter with respect to the overhead line in addition to a variable voltage / variable frequency main inverter capable of supplying three-phase alternating current to the induction motor. Connect in parallel with the inverter, connect the primary winding of the voltage addition transformer to the sub inverter and connect the secondary winding to the main inverter, and add the secondary winding voltage in series to the output voltage of the main inverter Thus, it is possible to improve the recovery rate of braking torque and regenerative power at the time of braking to decelerate from the high-speed running state of the railway vehicle, and to improve the acceleration performance at high-speed running.

図1に示すように、鉄道車両である電動車2は、図示外の変電所から架線1に給電される直流をパンタグラフ3で集電し、高速遮断器5と高周波成分を阻止するフィルタリアクトル6を介してDCLINK(給電ライン)4に供給し、VVVF制御(可変電圧可変周波数制御)が可能な主インバータ7(これが第1インバータに相当する)により、V(電圧)/F(周波数)一定の3相交流に変換するようになっている。そして、3相交流用の誘導電動機10は主インバータ7から供給される3相交流の電圧と周波数と、誘導電動機10の回転周波数に応じて駆動され、電動車2は加速走行や減速走行が可能に構成されている。   As shown in FIG. 1, an electric vehicle 2 that is a railway vehicle includes a pantograph 3 that collects direct current fed to an overhead line 1 from a substation (not shown) and a high-speed circuit breaker 5 and a filter reactor 6 that blocks high-frequency components. Is supplied to the DCLINK (feed line) 4 through the main inverter 7 (which corresponds to the first inverter) capable of VVVF control (variable voltage variable frequency control), and V (voltage) / F (frequency) is constant. It is designed to convert to three-phase alternating current. The induction motor 10 for three-phase alternating current is driven according to the voltage and frequency of the three-phase alternating current supplied from the main inverter 7 and the rotation frequency of the induction motor 10, and the electric vehicle 2 can be accelerated or decelerated. It is configured.

次に、力行時に誘導電動機10を駆動制御し且つ回生時に誘導電動機10で誘起した回生電力を架線1に供給する電力制御装置18について説明する。   Next, the power control device 18 that drives and controls the induction motor 10 during power running and supplies the regenerative power induced by the induction motor 10 during regeneration to the overhead wire 1 will be described.

図1に示すように、電力制御装置18は、主インバータ7と、副インバータ8(これが第2インバータに相当する)と、主インバータ7の出力電圧に副インバータ8の出力電圧を添加する電圧添加用の3相変圧器9と、架線電圧を検出する第1電圧検出器12と、DCLINK4に供給されるDCLINK電圧を検出する第2電圧検出器13と、主インバータ7の交流側電力線L1,L2の電流を検出するU1,V1電流検出器14,15と、副インバータ8の交流側電力線L4,L5の電流を検出するU2,V2電流検出器16,17と、主及び副インバータ7,8を夫々PWM制御するインバータ制御装置11(これがインバータ制御手段に相当する)等を備えている。   As shown in FIG. 1, the power control device 18 includes a main inverter 7, a sub inverter 8 (which corresponds to a second inverter), and a voltage addition that adds the output voltage of the sub inverter 8 to the output voltage of the main inverter 7. Three-phase transformer 9, a first voltage detector 12 for detecting overhead voltage, a second voltage detector 13 for detecting DCLINK voltage supplied to DCLINK 4, and AC power lines L 1, L 2 of main inverter 7 U1, V1 current detectors 14 and 15 for detecting the current of the inverter, U2 and V2 current detectors 16 and 17 for detecting the current of the AC power lines L4 and L5 of the sub inverter 8, and the main and sub inverters 7 and 8 Each includes an inverter control device 11 (which corresponds to inverter control means) that performs PWM control.

主インバータ7は、6つのスイッチング素子S1〜S6をブリッジ状に接続した可変電圧・可変周波数型の一般的なVVVFインバータであるので、その詳しい説明を省略する。また、副インバータ8は主インバータ7と同様に、6つのスイッチング素子S11〜S16をブリッジ状に接続した構成のインバータであるため、その詳しい説明を省略する。これらスイッチング素子S1〜S6、S11〜S16は、IGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)からなっている。また、各スイッチング素子S1〜S6、S11〜S16の各々には、還流ダイオードが夫々接続されている。   Since the main inverter 7 is a general variable voltage / variable frequency type VVVF inverter in which six switching elements S1 to S6 are connected in a bridge shape, detailed description thereof is omitted. Similarly to the main inverter 7, the sub inverter 8 is an inverter having a configuration in which six switching elements S11 to S16 are connected in a bridge shape, and thus detailed description thereof is omitted. These switching elements S1 to S6 and S11 to S16 are made of IGBT (insulated gate bipolar transistor). In addition, each of the switching elements S1 to S6 and S11 to S16 is connected to a free wheel diode.

主インバータ7の直流側入力線7AはDCLINK4に接続されるとともに、副インバータ8の直流側入力線8AもDCLINK4に接続されている。副インバータ8は架線1に対して主インバータ7と並列接続されている。図1に示すように、電圧添加用の3相変圧器9は、主インバータ7と誘導電動機10の間に設けられている。   The DC side input line 7A of the main inverter 7 is connected to the DCLINK4, and the DC side input line 8A of the sub inverter 8 is also connected to the DCLINK4. The sub-inverter 8 is connected in parallel with the main inverter 7 with respect to the overhead line 1. As shown in FIG. 1, the three-phase transformer 9 for voltage addition is provided between the main inverter 7 and the induction motor 10.

主インバータ7の交流側電力線L1〜L3は3相変圧器9の2次巻線Ua,Va,Waの左側端子に夫々接続され、3相変圧器9の2次巻線Ua,Va,Waの右側端子に誘導電動機10の電力線L7〜L9が夫々接続されている。副インバータ8の交流側電力線L4〜L6は3相変圧器9の1次巻線Ub,Vb,Wbの左側端子に夫々接続され、3相変圧器9の1次巻線Ub,Vb,Wbの右側端子はスター結線されている。このように、副インバータ8の交流側電力線L4〜L6と誘導電動機10とは、3相変圧器9の1次巻線Ub,Vb,Wbと2次巻線Ua,Va,Waを介して磁気的に結合されている。   The AC side power lines L1 to L3 of the main inverter 7 are respectively connected to the left terminals of the secondary windings Ua, Va, Wa of the three-phase transformer 9, and the secondary windings Ua, Va, Wa of the three-phase transformer 9 are connected. The power lines L7 to L9 of the induction motor 10 are connected to the right terminal, respectively. The AC side power lines L4 to L6 of the sub inverter 8 are respectively connected to the left terminals of the primary windings Ub, Vb, Wb of the three-phase transformer 9, and are connected to the primary windings Ub, Vb, Wb of the three-phase transformer 9. The right terminal is star-connected. Thus, the AC power lines L4 to L6 of the sub inverter 8 and the induction motor 10 are magnetically connected to the primary windings Ub, Vb, Wb of the three-phase transformer 9 and the secondary windings Ua, Va, Wa. Combined.

インバータ制御装置11は、入出力インターフェイスとマイクロコンピュータを有し、図示外の車速センサからの走行速度信号と、第1,第2電圧検出器12,13の検出電圧と、主インバータ7用のU1,V1電流検出器14,15の検出電流及び副インバータ8用のU2,V2電流検出器16,17の検出電流を受け、運転士により操作されたマスターコントローラの運転操作又はブレーキ操作に基づいて、主インバータ7の各スイッチング素子S1〜S6と、副インバータ8の各スイッチング素子S11〜S16とを、運転状態に応じて夫々PWM制御する。   The inverter control device 11 has an input / output interface and a microcomputer, and travel speed signals from a vehicle speed sensor (not shown), detection voltages of the first and second voltage detectors 12 and 13, and U1 for the main inverter 7. , Receiving the detection current of the V1 current detectors 14 and 15 and the detection current of the U2 and V2 current detectors 16 and 17 for the sub inverter 8, and based on the driving operation or braking operation of the master controller operated by the driver, Each of the switching elements S1 to S6 of the main inverter 7 and each of the switching elements S11 to S16 of the sub inverter 8 are PWM-controlled according to the operating state.

次に、このように構成された電力制御装置18の作動について説明する。
先ず、説明の都合上、運転士によりマスターコントローラが走行操作され、電動車2が加速走行する力行時の加速作動について、図2に基づいて説明する。但し、図2において、電動機のトルク、パワー、電流、電圧は、従来方式における力行時(図10参照)の最大値を100%として表してある。
Next, the operation of the power control device 18 configured as described above will be described.
First, for convenience of explanation, an acceleration operation at the time of power running in which the master controller is traveled by the driver and the electric vehicle 2 travels at an accelerated speed will be described with reference to FIG. However, in FIG. 2, the torque, power, current, and voltage of the electric motor are expressed with the maximum value at the time of power running in the conventional method (see FIG. 10) as 100%.

図2において、電動車2の車速が約50km/h(設定速度に相当する)に達するまでは、図10に基づいて従来技術の欄で説明したように、インバータ制御装置11により主インバータ7のみが作動するように制御される。この場合、インバータ制御装置11は、使用しない副インバータ8の各スイッチング素子S11〜S16を制御して、3相変圧器9の1次巻線(Ub,Vb,Wb)を短絡させる。これにより、3相変圧器9の2次巻線(Ua,Va,Wa)の電圧降下が生じないので、主インバータ7による加速走行に悪影響を及ぼさないようになっている。   In FIG. 2, until the vehicle speed of the electric vehicle 2 reaches about 50 km / h (corresponding to the set speed), only the main inverter 7 is controlled by the inverter controller 11 as described in the section of the prior art based on FIG. Is controlled to operate. In this case, the inverter control device 11 controls the switching elements S11 to S16 of the sub inverter 8 that is not used to short-circuit the primary windings (Ub, Vb, Wb) of the three-phase transformer 9. Thereby, since the voltage drop of the secondary windings (Ua, Va, Wa) of the three-phase transformer 9 does not occur, the acceleration traveling by the main inverter 7 is not adversely affected.

即ち、車速が約50km/hに達する低速走行時では、従来と同様に、誘導電動機10の3つの電機子コイルにおいて、電流一定で、電圧は電圧/周波数を一定として徐々に増加するため、トルク一定(約100%)で、パワーは電圧の上昇と共に増加する。速度50km/hで1パルスモードとなり、以後において主インバータ7は電圧一定で、周波数だけが変えられる。   In other words, during low-speed travel where the vehicle speed reaches approximately 50 km / h, the current is constant in the three armature coils of the induction motor 10 and the voltage gradually increases with the voltage / frequency being constant. Constant (about 100%), power increases with increasing voltage. At the speed of 50 km / h, the 1-pulse mode is set. Thereafter, the main inverter 7 is at a constant voltage and only the frequency is changed.

しかし、インバータ制御装置11は、電動車2の車速を約50km/h以上に加速する為に、主インバータ7に加えて、副インバータ8を3パルスモードにより同時に作動するように制御する。次に、電動車2の高速走行時の作動について、図4を参照しながら説明する。   However, in order to accelerate the vehicle speed of the electric vehicle 2 to about 50 km / h or more, the inverter control device 11 controls the sub inverter 8 to operate simultaneously in the 3-pulse mode in addition to the main inverter 7. Next, the operation of the electric vehicle 2 during high speed traveling will be described with reference to FIG.

図4の最上段に、主インバータ7用にインバータ制御装置11で発生された1パルスモードの第1正弦被変調波(UA相,VA相,WA相)と、副インバータ8用にインバータ制御装置11で発生された3パルスモードの第2正弦被変調波(UB相,VB相,WB相)と、同期3パルスモード用の三角形の変調波CWが示されている。   4, the first sine modulated wave (UA phase, VA phase, WA phase) generated in the inverter control device 11 for the main inverter 7 and the inverter control device for the sub inverter 8. 11 shows a three-pulse mode second sine modulated wave (UB phase, VB phase, WB phase) generated at 11 and a triangular modulation wave CW for the synchronous three-pulse mode.

それ故、UA相,VA相,WA相の各第1正弦被変調波は同期3パルスモード用の変調波CWとの交点が無いので1パルスとなる。第2正弦被変調波の振幅は副インバータ8が3パルスのパルス幅制御状態にあるので、第1正弦被変調波の振幅より小さく、第2正弦被変調波(UB相,VB相,WB相)は変調波CWと複数箇所で交差するようになっている。そこで、インバータ制御装置11により、主インバータ7の各スイッチング素子S1〜S6が第1正弦被変調波と変調波CWの交点に応じてPWM制御されるとともに、副インバータ8の各スイッチング素子S11〜S16が第2正弦被変調波と変調波CWの交点に応じてPWM制御される。   Therefore, each first sine modulated wave of the UA phase, VA phase, and WA phase is one pulse because there is no intersection with the modulated wave CW for the synchronous three-pulse mode. The amplitude of the second sine modulated wave is smaller than the amplitude of the first sine modulated wave because the sub inverter 8 is in the pulse width control state of 3 pulses, and the second sine modulated wave (UB phase, VB phase, WB phase). ) Crosses the modulated wave CW at a plurality of locations. Therefore, the inverter control device 11 performs PWM control of the switching elements S1 to S6 of the main inverter 7 according to the intersections of the first sine modulated wave and the modulation wave CW, and the switching elements S11 to S16 of the sub inverter 8. Is PWM controlled according to the intersection of the second sine modulated wave and the modulated wave CW.

それ故、主インバータ7の各接続点U1a,V1a,W1aの電位は、図4に示す180°幅の矩形波電圧が出力される。そこで、主インバータ7の接続点U1a−V1a間、接続点V1a−W1a間、接続点W1a−U1a間には、夫々の接続点における差電位が与えられ、図示の120°幅の矩形波電圧が出力される。更に、主インバータ7からの出力点(U1相,V1相,W1相)電位と、スター接続された仮想負荷の中性点間の差電位であるU1相電圧,V1相電圧,W1相電圧が図示のように出力される。   Therefore, the potential of each connection point U1a, V1a, W1a of the main inverter 7 is a rectangular wave voltage having a width of 180 ° shown in FIG. Therefore, the potential difference between the connection points U1a-V1a, between the connection points V1a-W1a, and between the connection points W1a-U1a of the main inverter 7 is given, and a rectangular wave voltage having a 120 ° width shown in FIG. Is output. Further, the U1 phase voltage, the V1 phase voltage, and the W1 phase voltage, which are the difference potentials between the output point (U1 phase, V1 phase, W1 phase) potential from the main inverter 7 and the neutral point of the star-connected virtual load, are Output as shown.

一方、副インバータ8の接続点U2a,V2a,W2aにおける電位は、図4に示す矩形波2パルス列で示される。この副インバータ8の波形と主インバータ7の波形を比較すると、主インバータ7は矩形波1パルスで、この中間部が零電位でこの部分は、変調波CWと各相の被変調波の切り合いに関連する。副インバータ8の出力電圧を上げる方向に制御すれば零電位幅は減少し、最終的に零電位幅は零となり、第1インバータと一致し、120°幅の1パルス波形となる。   On the other hand, the potential at the connection points U2a, V2a, W2a of the sub inverter 8 is represented by a rectangular wave two-pulse train shown in FIG. Comparing the waveform of the sub-inverter 8 with the waveform of the main inverter 7, the main inverter 7 has one pulse of a rectangular wave, the intermediate portion is at zero potential, and this portion is an intersection of the modulated wave CW and the modulated wave of each phase. is connected with. If the output voltage of the sub-inverter 8 is controlled to increase, the zero potential width decreases, and finally the zero potential width becomes zero, which coincides with the first inverter and becomes a one-pulse waveform with a width of 120 °.

そこで、副インバータ8の接続点U2a−V2a間、接続点V2a−W2a間、接続点W2a−U2a間には、図示の矩形波電圧が夫々出力される。更に、副インバータ8からの出力点(U2相,V2相,W2相)電圧と、3相変圧器9の1次巻線中性点間の差電位であるU2相電圧,V2相電圧,W2相電圧が図示のように出力される。   Therefore, the illustrated rectangular wave voltage is output between the connection points U2a and V2a of the sub inverter 8, between the connection points V2a and W2a, and between the connection points W2a and U2a. Further, the U2 phase voltage, V2 phase voltage, W2 which is the difference potential between the output point (U2-phase, V2-phase, W2-phase) voltage from the sub inverter 8 and the primary winding neutral point of the three-phase transformer 9. The phase voltage is output as shown.

副インバータ8の相電圧は3相変圧器9を介してその2次巻線(Ua,Va,Wa)に巻線比でステップダウンされた電圧が(ここでは、2次/ 1次=0.4)出力され、主インバータ7の相電圧に加算され、誘導電動機10のU相電圧と、V相電圧と、W相電圧とが夫々得られる。そして、最終的に、図4の最下段に示すように、誘導電動機10のU相−V相端子間電圧、V相−W相端子間電圧、W相−U相端子間電圧が得られる。   The phase voltage of the sub-inverter 8 is a voltage stepped down to the secondary windings (Ua, Va, Wa) through the three-phase transformer 9 at a winding ratio (here, secondary / primary = 0.0). 4) Output and added to the phase voltage of the main inverter 7 to obtain the U-phase voltage, V-phase voltage, and W-phase voltage of the induction motor 10, respectively. And finally, as shown in the lowest stage of FIG. 4, the voltage between the U-phase and V-phase terminals, the voltage between V-phase and W-phase terminals, and the voltage between W-phase and U-phase terminals of the induction motor 10 are obtained.

ところで、図4に示すように、これら誘導電動機10のU相−V相端子間、V相−W相端子間、W相−U相端子間には、主インバータ7により誘導電動機10に供給される本来の端子間電圧に、副インバータ8により発生される電圧の40%が加算された端子間電圧が発生する。図4において、その重畳電圧の振幅を「加算電圧λE」として記載する。この場合、主インバータ7に対して加算される副インバータ8の割合は、3相変圧器9の巻線比(2次巻線/1次巻線)をλとし、主インバータ相電圧をEとすれば、副インバータ8による加算電圧は加速制御の最終段階、即ち1パルスの状態でλEとなる。   As shown in FIG. 4, the induction motor 10 is supplied to the induction motor 10 by the main inverter 7 between the U-phase and V-phase terminals, between the V-phase and W-phase terminals, and between the W-phase and U-phase terminals. An inter-terminal voltage is generated by adding 40% of the voltage generated by the sub inverter 8 to the original inter-terminal voltage. In FIG. 4, the amplitude of the superimposed voltage is described as “added voltage λE”. In this case, the ratio of the sub inverter 8 added to the main inverter 7 is that the winding ratio (secondary winding / primary winding) of the three-phase transformer 9 is λ, and the main inverter phase voltage is E. Then, the added voltage by the sub inverter 8 becomes λE in the final stage of the acceleration control, that is, in the state of one pulse.

それ故、電動車2が50km/h以上の高速で走行する場合、3相変圧器の巻線比λ=0.4とすれば、誘導電動機10に供給される電圧を、主インバータ7による供給電圧(図2の出力電圧E1:100%)に対して最大40%(図2の出力電圧E2:40%)だけ増大させることができる。   Therefore, when the electric vehicle 2 travels at a high speed of 50 km / h or more, if the winding ratio λ = 0.4 of the three-phase transformer is set, the voltage supplied to the induction motor 10 is supplied by the main inverter 7. The voltage can be increased by up to 40% (output voltage E2: 40% in FIG. 2) with respect to the voltage (output voltage E1: 100% in FIG. 2).

このように、図2に示すように、電動車2の車速が50km/h〜約70km/hまでの高速走行領域、つまり「電圧V/周波数F一定」の加速領域が、副インバータ8による加算電圧可能な範囲において、電圧特性及びパワー特性が直線状に延びている。その為、電動機トルクを一定とするトルク特性が高速領域に及ぶようになり、加速性を向上することができる。   In this way, as shown in FIG. 2, the high-speed traveling region where the vehicle speed of the electric vehicle 2 is 50 km / h to about 70 km / h, that is, the acceleration region where “voltage V / frequency F is constant” is added by the sub inverter 8. In the voltage possible range, the voltage characteristic and the power characteristic extend linearly. For this reason, the torque characteristics that make the motor torque constant reach the high speed region, and the acceleration performance can be improved.

但し、この場合、電圧の増加分(重畳分λE)が「約40%」であるので、別の見方をすれば、規定速度までの到達時間が決められている場合に、一定トルク領域が高速まで延びた場合、到達時間は短縮される。そこで、到達時間が同じで良いのであれば、時間が短縮された分、加速トルク、つまり電動機電流を減らして良いことになる。   However, in this case, the increase in voltage (superimposition λE) is “about 40%”. From another viewpoint, when the arrival time to the specified speed is determined, the constant torque region is high speed. When the time is extended, the arrival time is shortened. Therefore, if the arrival time is the same, the acceleration torque, that is, the motor current may be reduced by the amount of time shortened.

次に、このように、電動車2が、例えば約100km/hの高速加速走行状態において、運転士によりブレーキ操作された場合の制動時における回生ブレーキ作動について説明する。但し、図3において、電動機のトルク、パワー、電流、電圧は、従来方式制動時の最大値を100%として表してある。   Next, the regenerative braking operation at the time of braking when the electric vehicle 2 is braked by the driver in a high-speed acceleration traveling state of, for example, about 100 km / h will be described. However, in FIG. 3, the torque, power, current, and voltage of the electric motor are expressed with the maximum value at the time of conventional braking being 100%.

この場合、前述したように、電動車2が高速走行状態においては、インバータ制御装置11により主インバータ7は1パルスで周波数制御され、副インバータ8がPWM制御されている。この両インバータ7,8の制御においては、インバータ制御装置11は、誘導電動機10の電圧及び電流、回転速度、第1電圧検出器12で検出された架線電圧、架線電流、第2電圧検出器13により検出されたDCLINK電圧を受け、マスコンからの減速度指令に基づいて、インバータ制御装置11のコンピュータにより演算された実際の減速度が一致するように、主,副インバータ7,8の位相を制御するものである。   In this case, as described above, when the electric vehicle 2 is running at high speed, the inverter control device 11 controls the frequency of the main inverter 7 with one pulse, and the sub inverter 8 is PWM-controlled. In the control of the inverters 7 and 8, the inverter control device 11 includes the voltage and current of the induction motor 10, the rotation speed, the overhead wire voltage detected by the first voltage detector 12, the overhead wire current, and the second voltage detector 13. The phase of the main and sub inverters 7 and 8 is controlled so that the actual deceleration calculated by the computer of the inverter control device 11 is matched based on the deceleration command from the master controller. To do.

そこで、このように回生ブレーキ操作された制動時にも同様に、車速が約50m/h(所定速度に相当する)に減速されるまで、インバータ制御装置11は、マスコンからの減速度指令と、第1,第2電圧検出器12,13からの検出電圧、U1,V1電流検出器14,15からの検出電流、U2,V2電流検出器16,17からの検出電流に基づいて演算した実際の減速度とが一致するように、必要な制御信号を主,副インバータ7、8に対して出力する。   Therefore, in the case of braking in which the regenerative braking operation is performed in this manner, the inverter control device 11 also receives the deceleration command from the master controller and the first command until the vehicle speed is reduced to about 50 m / h (corresponding to a predetermined speed). 1. Actual reduction calculated based on the detected voltage from the second voltage detectors 12 and 13, the detected current from the U1 and V1 current detectors 14 and 15, and the detected current from the U2 and V2 current detectors 16 and 17. Necessary control signals are output to the main and sub inverters 7 and 8 so as to match the speed.

但し、副インバータ8は、車速が約100km/hの高速走行から約50km/hに減速するのに応じて、パルスモードが1パルス、3パルス、9パルスから徐々に力行とは逆に変更されて、そのパルス幅が100%から零になるように制御される。   However, as the sub inverter 8 decelerates from about 100 km / h high speed to about 50 km / h, the pulse mode is gradually changed from 1 pulse, 3 pulses, and 9 pulses to the opposite of powering. Thus, the pulse width is controlled from 100% to zero.

回生ブレーキに入る前の条件としては、(a)力行中、(b)惰行(励磁あり)、(c)惰行(励磁なし)の3ケースが考えられる。ケース(a),(b)では主,副インバータ7,8が動作中で電動機10の回転磁界は既に存在している。ケース(c)では主,副インバータ7,8は作動していないので、電動機10の回転磁界は存在していない。この場合、先ず回転周波数に等しい周波数で主,副インバータ7,8を立ち上げ、電動機10に電圧を加え、励磁電流を流し、回転磁界を発生させる必要がある。   As conditions before entering the regenerative brake, there are three cases: (a) during power running, (b) coasting (with excitation), and (c) coasting (without excitation). In cases (a) and (b), the main and sub inverters 7 and 8 are operating, and the rotating magnetic field of the electric motor 10 already exists. In the case (c), since the main and sub inverters 7 and 8 are not operated, the rotating magnetic field of the electric motor 10 does not exist. In this case, first, it is necessary to start up the main and sub inverters 7 and 8 at a frequency equal to the rotation frequency, apply a voltage to the electric motor 10, flow an excitation current, and generate a rotating magnetic field.

それ故、主,副インバータ7,8により電流0に励磁電流を流すために電圧を加え、皆伝磁界を発生させたところに、ブレーキ指令が与えられ、インバータ周波数が回転子の回転周波数より下げられると、高速で回転する誘導で0の電機子コイルに高電圧の回生電圧が誘起される。この回生電圧は、主インバータ7の電圧と直列に挿入された3相変圧器9の1次巻線(Ub,Vb,Wb)に誘起する副インバータ8の電圧で対向し、両インバータ7,8を通して架線1に回生される。   Therefore, when a voltage is applied to cause the exciting current to flow through the current 0 by the main and sub inverters 7 and 8 and a magnetic field is generated, a brake command is given and the inverter frequency is lowered from the rotation frequency of the rotor. Then, a high regenerative voltage is induced in the zero armature coil by induction rotating at high speed. This regenerative voltage is opposed by the voltage of the sub-inverter 8 induced in the primary windings (Ub, Vb, Wb) of the three-phase transformer 9 inserted in series with the voltage of the main inverter 7, and both the inverters 7, 8 It is regenerated to overhead line 1 through.

最高速度における副インバータ8の電圧分担はDCLINK電圧に対して、変圧器9の巻線比(Ua巻数/Ub巻数、本実施例では0.4)に対応した値で、走行速度の低下と共に、先ず副インバータ8を制御して分担電圧を零まで下げ、その後、主インバータ7側により速度零まで制御される。   The voltage sharing of the sub-inverter 8 at the maximum speed is a value corresponding to the winding ratio of the transformer 9 (Ua turns / Ub turns, 0.4 in this embodiment) with respect to the DCLINK voltage. First, the sub-inverter 8 is controlled to lower the shared voltage to zero, and then controlled to zero speed by the main inverter 7 side.

このことは、図9の従来技術で説明したように、主インバータ7の回生時においては、誘導電動機10は「約110%」の回生電圧を発生した。これに対して、本案の回生時においては、副インバータ8が主インバータ7と同時に作動することにより、図4の最下段に示すように、誘導電動機10のU相−V相端子間、V相−W相端子間、W相−U相端子間の各々には、主インバータ7だけで発生する出力電圧(図3の出力電圧E1:110%)に副インバータ8による「加算電圧λE(図3の出力電圧E2:40%)」が重畳された、より高い電圧、つまり「約150%」もの大きな回生電圧を発生することが出来る。従って、誘導電動機10の電機子コイルには、この約150%もの大きな回生電圧が発生するようになる。   As explained in the prior art of FIG. 9, when the main inverter 7 is regenerated, the induction motor 10 generates a regenerative voltage of “about 110%”. On the other hand, at the time of regeneration of the present plan, the sub inverter 8 operates simultaneously with the main inverter 7, so that, as shown in the lowermost stage of FIG. The output voltage generated only by the main inverter 7 (output voltage E1: 110% in FIG. 3) is added to the “addition voltage λE (FIG. 3 Output voltage E2: 40%) ”can be generated, and a higher regenerative voltage of“ about 150% ”can be generated. Therefore, a regenerative voltage as large as about 150% is generated in the armature coil of the induction motor 10.

それ故、図3に示すように、制動トルクが約100%で略一定で、パワーを約200%の略最大限まで増加させることができる。その結果、車速が約100km/hの高速走行時における回生制動トルクを約100%で一定に保持できるため、回生によるフルブレーキを速度全域において使用可能となる。   Therefore, as shown in FIG. 3, the braking torque is approximately constant at approximately 100%, and the power can be increased to approximately the maximum of approximately 200%. As a result, the regenerative braking torque during high speed traveling at a vehicle speed of about 100 km / h can be kept constant at about 100%, so that regenerative full braking can be used in the entire speed range.

また、3相変圧器9の巻線比(変圧比)がλであるので、主インバータ7に流れる電流をIとすれば、副インバータ8に流れる電流はλIの電流容量でよく、副インバータ8は高電圧且つ大容量のスイッチング素子で構成する必要がなく、副インバータ8の製作コストの低減、省エネが期待され、且つ主インバータ7については経済的に有利な従来と同様のインバータを使用することができる。   Since the winding ratio (transformation ratio) of the three-phase transformer 9 is λ, if the current flowing through the main inverter 7 is I, the current flowing through the sub-inverter 8 may have a current capacity of λI. Does not need to be composed of a high-voltage and large-capacity switching element, the production cost of the sub-inverter 8 is reduced, energy saving is expected, and the main inverter 7 should be an economically advantageous conventional inverter. Can do.

加えて、このように改善されたトルク特性により、回生ブレーキ性能が改善されたので、電動車2の車速が低速に至るまで、機械式ブレーキを使用することなく、回生ブレーキを効果的に作用させることができるため、回生ブレーキ使用時における省エネを発揮できる理想の電動車2を実現させることができる。更に、機械式ブレーキの使用頻度や使用時間が格段に少なくなり、メンテナンス作業が簡単化する。   In addition, since the regenerative braking performance is improved by the improved torque characteristics as described above, the regenerative braking is effectively operated without using the mechanical brake until the vehicle speed of the electric vehicle 2 reaches a low speed. Therefore, the ideal electric vehicle 2 that can exhibit energy saving when using the regenerative brake can be realized. Further, the frequency and time of use of the mechanical brake are significantly reduced, and the maintenance work is simplified.

その後、車速が約50km/hに減速され、副インバータ8による電圧成分が零になると、図3に示すように、従来と同様に、インバータ制御装置11により主インバータ7のみが所定の回生制御パターンによりPWM制御され、走行速度が徐々に減速する。このとき、インバータ制御装置11は、使用しない副インバータ8の各スイッチング素子S11〜S16を制御して、3相変圧器9の1次巻線(Ub,Vb,Wb)を短絡させる。   Thereafter, when the vehicle speed is reduced to about 50 km / h and the voltage component by the sub-inverter 8 becomes zero, as shown in FIG. 3, only the main inverter 7 is controlled by the inverter control device 11 as in the conventional case. PWM control is performed, and the traveling speed is gradually reduced. At this time, the inverter control device 11 controls the switching elements S11 to S16 of the sub inverter 8 that is not used to short-circuit the primary windings (Ub, Vb, Wb) of the three-phase transformer 9.

これにより、3相変圧器9の2次巻線(Ua,Va,Wa)の電圧降下が生じないので、主インバータ7による制動動作に悪影響を及ぼさないようになっている。その後、主インバータ7のパルスモードが同期1パルス、3パルス、9パルスから非同期へと徐々に力行とは逆に変更されて、そのパルス幅が100%から零になるように減速に応じて制御される。但し、電動車2の走行速度が、例えば5km/h以下に減速された以降においては、機械式ブレーキに切換える。   As a result, no voltage drop occurs in the secondary windings (Ua, Va, Wa) of the three-phase transformer 9, so that the braking operation by the main inverter 7 is not adversely affected. After that, the pulse mode of the main inverter 7 is gradually changed from synchronous 1 pulse, 3 pulse, 9 pulse to asynchronous, contrary to power running, and the pulse width is controlled according to deceleration so that the pulse width becomes 100% to zero. Is done. However, after the traveling speed of the electric vehicle 2 is reduced to, for example, 5 km / h or less, the electric vehicle 2 is switched to a mechanical brake.

このように、走行駆動用の三相誘導電動機10と、可変電圧・可変周波数型の主インバータ7と、3相変圧器9の2次巻線(Ua,Va,Wa)と、インバータ制御装置11とを備え、可変電圧・可変周波数型の副インバータ8と、3相変圧器9の1次巻線(Ub,Vb,Wb)とを備え、インバータ制御装置11は、回生時に高速側から所定速度に減速するまでは、主,副インバータ7,8を作動させるので、高速側から所定速度に減速するまで副インバータ8を作動させた増加分(λEである約40%)だけ回生電圧が高くなり、制動トルク一定で、回生パワーを増加させることができる。それ故、電動車2の高速走行中の制動時における誘導電動機10の制動トルクを一定に保持できる為、この制動トルクを一定に維持した状態で回生ブレーキを作用させることができ、ブレーキ性能を格段に高めることができる。   As described above, the three-phase induction motor 10 for driving and driving, the variable voltage / variable frequency main inverter 7, the secondary windings (Ua, Va, Wa) of the three-phase transformer 9, and the inverter control device 11. And a variable voltage / variable frequency type sub-inverter 8 and primary windings (Ub, Vb, Wb) of a three-phase transformer 9, and the inverter control device 11 has a predetermined speed from the high speed side during regeneration. Since the main and sub inverters 7 and 8 are operated until the speed is reduced, the regenerative voltage becomes higher by the increment (about 40% that is λE) that the sub inverter 8 is operated until the speed is reduced from the high speed side to the predetermined speed. The regenerative power can be increased with a constant braking torque. Therefore, since the braking torque of the induction motor 10 can be kept constant during braking while the electric vehicle 2 is traveling at a high speed, the regenerative brake can be applied with the braking torque kept constant, and the braking performance is remarkably improved. Can be increased.

また、副インバータ8を作動させた増加分(約40%)だけ回生電圧が高くなることから、架線1に回生する回生電圧の回生率(回収率)を大幅に向上させることができる。この場合、副インバータ8は特殊な高電圧且つ大容量のスイッチング素子を使用した高価なインバータでなくてもよく、安価に構成することができる。   In addition, since the regenerative voltage is increased by the increase (about 40%) of operating the sub inverter 8, the regenerative rate (recovery rate) of the regenerative voltage regenerated on the overhead wire 1 can be greatly improved. In this case, the sub-inverter 8 may not be an expensive inverter using a special high-voltage and large-capacity switching element, and can be configured at low cost.

更に、このように改善された制動トルク特性により、ブレーキ性能が改善されるので、電動車2の車速が低速になるまで、機械式ブレーキを使用することなく、回生ブレーキを効果的に作用させることができるため、省エネ且つ経済的なインバータを実現することできるとともに、回生時における省エネを発揮できる理想の電動車2を実現させることができる。   Furthermore, since the braking performance is improved by the improved braking torque characteristics, the regenerative braking can be effectively applied without using the mechanical brake until the vehicle speed of the electric vehicle 2 becomes low. Therefore, it is possible to realize an ideal electric vehicle 2 that can realize an energy-saving and economical inverter and can also exhibit energy saving during regeneration.

また、インバータ制御装置11は加速走行時に設定速度に加速するまでは、主インバータ7のみを作動させるのと同時に、副インバータ8を制御して電圧添加用変圧器の1次巻線を短絡することにより2次巻線による電圧降下を生じさせないようにするので、主インバータ7による良好な加速性に何ら悪影響を及ぼすことがない。   Further, the inverter control device 11 controls only the main inverter 7 and simultaneously controls the sub-inverter 8 to short-circuit the primary winding of the voltage addition transformer until the set speed is accelerated during acceleration traveling. Therefore, the voltage drop due to the secondary winding is not caused, so that the good acceleration performance by the main inverter 7 is not adversely affected.

一方、加速時における高速加速走行時においては、副インバータ8を作動させる分だけ誘導電動機10に供給される駆動電圧が約40%も高くなり、電圧特性及びパワー特性が改善され、電動機トルクを一定とする電動機トルク特性が高速領域に及ぶようになり、加速性を格段に向上させることができる。   On the other hand, during high speed acceleration during acceleration, the drive voltage supplied to the induction motor 10 is increased by about 40% as much as the sub inverter 8 is operated, the voltage characteristics and power characteristics are improved, and the motor torque is kept constant. As a result, the torque characteristic of the motor reaches the high speed region, and the acceleration performance can be remarkably improved.

別の見方をすれば、同じ速度までの加速時間が同じで良いとするのであれば、副インバータ8の使用による高速域の加速トルクが大となるので設定の速度に到達するまでの加速時間が短くなる、従ってこの分加速トルク即ち電動機電流、インバータ電流を減らして良いことになる。   From another point of view, if the acceleration time up to the same speed may be the same, the acceleration torque in the high speed region due to the use of the sub inverter 8 becomes large, so the acceleration time until the set speed is reached. Therefore, the acceleration torque, that is, the motor current and the inverter current can be reduced accordingly.

次に、前記実施例を部分的に変更した変更形態について説明する。
1) 第1変更形態: 3相変圧器9の2次巻線/1次巻線の巻線比λは、0.4に限るものではなく、所望の割合の巻線数を用いるようにしてもよい。
Next, a modified embodiment in which the above embodiment is partially modified will be described.
1) First modification: The winding ratio λ of the secondary winding / primary winding of the three-phase transformer 9 is not limited to 0.4, and a desired number of windings should be used. Also good.

2)第2変更形態: 回生時における所定速度や加速走行時における設定速度は、50km/hに限るものではなく、副インバータ8の動作特性や三相変圧器9の構成に応じて、適宜変更することが可能である。 2) Second modification: The predetermined speed at the time of regeneration and the set speed at the time of acceleration traveling are not limited to 50 km / h, but are appropriately changed according to the operating characteristics of the sub inverter 8 and the configuration of the three-phase transformer 9. Is possible.

3)第3変更形態: 主、副インバータ7,8を規定の速度を境にして、低速域は主インバータ7、高速域は副インバータ8と分ける必要はなく、両インバータ7,8を関連させて、低速から最高速度まで同時に作動させる方法を採用しても良い。 3) Third modification: It is not necessary to separate the main and sub inverters 7 and 8 from the main inverter 7 in the low speed region and the sub inverter 8 in the low speed region. Thus, a method of simultaneously operating from a low speed to a maximum speed may be adopted.

4)第4変更形態: インバータ制御装置11は、回生時及び加速走行時共、全速度域に亙って主インバータ7と副インバータ8を同時に作動させるようにしてもよい。ここで、加速制御を行なう場合の主インバータ7の出力電圧E1と副インバータ8の出力電圧E2を図2に夫々示し、回生制御を行なう場合の主インバータ7の出力電圧E1と副インバータ8の出力電圧をE2を図3に夫々示す。 4) Fourth modification: The inverter control device 11 may operate the main inverter 7 and the sub-inverter 8 simultaneously over the entire speed range during regeneration and acceleration travel. Here, the output voltage E1 of the main inverter 7 and the output voltage E2 of the sub inverter 8 when acceleration control is performed are shown in FIG. 2, respectively, and the output voltage E1 of the main inverter 7 and the output of the sub inverter 8 when regenerative control is performed. The voltage E2 is shown in FIG.

主インバータ7の出力電圧E1は、零から最大電圧E1M(図2の力行時においては「100%」、図3の回生時においては「110%」)まで速度V1に比例して増加する。主インバータ7の出力電圧E1が最大電圧E1Mに到達した時点の速度をV1Mとし、周波数をF1Mとする。主インバータ7は以後、出力電圧E1が一定で、周波数F1のみが変化する。この時点から、副インバータ8が動作を開始し、副インバータ8の出力電圧E2は、実速度Vと最大電圧E2Mに到達した時点の最大電圧速度V2Mの速度差に比例して増加する。   The output voltage E1 of the main inverter 7 increases in proportion to the speed V1 from zero to the maximum voltage E1M (“100%” during power running in FIG. 2 and “110%” during regeneration in FIG. 3). The speed when the output voltage E1 of the main inverter 7 reaches the maximum voltage E1M is V1M, and the frequency is F1M. In the main inverter 7, the output voltage E1 is constant and only the frequency F1 changes. From this point, the sub inverter 8 starts to operate, and the output voltage E2 of the sub inverter 8 increases in proportion to the speed difference between the actual speed V and the maximum voltage speed V2M when the maximum voltage E2M is reached.

副インバータ8の出力電圧E2が最大電圧E2Mに到達以後において、出力電圧E2が一定で、周波数F2のみが速度V2に比例して増加する。電圧添加用変圧器9の大きさは、副インバータ8の出力電圧E2の最大電圧E2Mと、この最大電圧E2Mに到達した時点の最大電圧速度V2M、即ち最大電圧速度V2Mのときの最大周波数F2Mの比、つまりE2M/F2Mで決まる。前述した請求項1及び請求項2において、副インバータ8の出力電圧E2は、その時の実速度Vではなく、実速度Vと最大電圧速度V2Mの速度差に比例して変化する。   After the output voltage E2 of the sub inverter 8 reaches the maximum voltage E2M, the output voltage E2 is constant and only the frequency F2 increases in proportion to the speed V2. The size of the voltage addition transformer 9 is the maximum voltage E2M of the output voltage E2 of the sub inverter 8, and the maximum voltage speed V2M when the maximum voltage E2M is reached, that is, the maximum frequency F2M at the maximum voltage speed V2M. It is determined by the ratio, that is, E2M / F2M. In the first and second aspects described above, the output voltage E2 of the sub-inverter 8 changes in proportion to the speed difference between the actual speed V and the maximum voltage speed V2M, not the actual speed V at that time.

従って、電圧添加用変圧器9の磁束密度は、最大電圧速度V2Mで最大となる。この最大電圧速度V2Mより速度が速い範囲では弱め界磁領域であるので、電圧添加用変圧器9において弱め界磁となり、磁束密度は低下する。最大電圧速度V2Mより速度が遅い領域では、副インバータ8の出力電圧E2を、その時の実速度Vではなく、実速度Vと最大電圧速度V2Mの速度差に比例して変更するようにしているので、最大電圧速度V2Mにおいて、出力電圧E2=0であり、電圧添加用変圧器の磁束密度は零となる。   Therefore, the magnetic flux density of the voltage addition transformer 9 becomes maximum at the maximum voltage speed V2M. In the range where the speed is higher than the maximum voltage speed V2M, the field weakening region is obtained. Therefore, the voltage adding transformer 9 becomes a field weakening and the magnetic flux density is lowered. In the region where the speed is slower than the maximum voltage speed V2M, the output voltage E2 of the sub inverter 8 is changed in proportion to the speed difference between the actual speed V and the maximum voltage speed V2M, not the actual speed V at that time. At the maximum voltage speed V2M, the output voltage E2 = 0, and the magnetic flux density of the voltage addition transformer becomes zero.

従って、この電圧添加用変圧器9は、本来、E2/F=E2M/F2M=一定の条件で使用出来るが、非常に余裕のある条件で使用されていることになる。周波数F2の変化「零〜F2M」に比例して、出力電圧E2を「零〜E2M」に変化させる条件で使用可能である。別の見方をすれば、請求項3の条件で使用可能なことを示唆している。   Therefore, the voltage addition transformer 9 can be used under the condition of E2 / F = E2M / F2M = constant, but it is used under a condition with a sufficient margin. The output voltage E2 can be used under the condition that the output voltage E2 is changed to “zero to E2M” in proportion to the change “0 to F2M” of the frequency F2. From another point of view, it is suggested that it can be used under the conditions of claim 3.

そこで、この第4変更形態のように、主インバータ7と副インバータ8とを同期させて、全速度に亙って作動制御するような制御方式を採用すれば、全く同じゲート信号を主インバータ7と副インバータ8とに与えればよいので、1つのインバータ制御手段を設け、主インバータ7と副インバータ8を夫々作動させるゲート駆動回路を個別に設ければよい。それ故、インバータ制御手段の簡素化を図ることができる。   Therefore, if a control method is adopted in which the main inverter 7 and the sub-inverter 8 are synchronized and controlled in operation over all speeds as in the fourth modification, the same gate signal is sent to the main inverter 7. Therefore, one inverter control means is provided, and gate drive circuits for operating the main inverter 7 and the sub inverter 8 are provided separately. Therefore, the inverter control means can be simplified.

一方、VVVFインバータのPWM制御では、一般に、変調波である三角波と、120度の位相差を持つU相,V相,W相の正弦波との切り合い点を夫々求める。そして、各相に対応するように上下に夫々直列接続された2つのIGBTについて、各相の正弦波が三角波より大きい場合には、対応する相の上側のIGBTにゲート信号を与える。また、各相の正弦波が三角波より小さい場合には、下側のIGBTにゲート信号を与える。従って、VVVFインバータの出力端子の電位は、DCLINK電圧と零電圧の間を変化する矩形波電圧となる。   On the other hand, in the PWM control of the VVVF inverter, in general, a switching point between a triangular wave that is a modulated wave and a U-phase, V-phase, and W-phase sine wave having a phase difference of 120 degrees is obtained. When the sine wave of each phase is larger than the triangular wave for two IGBTs connected in series up and down so as to correspond to each phase, a gate signal is given to the IGBT above the corresponding phase. When the sine wave of each phase is smaller than the triangular wave, a gate signal is given to the lower IGBT. Therefore, the potential at the output terminal of the VVVF inverter is a rectangular wave voltage that changes between the DCLINK voltage and the zero voltage.

この場合、三角波との切り合い点が各相毎に異なるので、各相の出力端子には夫々異なる矩形波電圧が得られる。従って、3相誘導電動機10のU相とV相のU−V端子間には、VVVFインバータのU相の矩形波とV相の矩形波との差の電圧が加わり、V−W端子間にはV相の矩形波とW相の矩形波との差の電圧が加わり、W−U端子間にはW相の矩形波とU相の矩形波との差の電圧が加わる。   In this case, since the crossing point with the triangular wave is different for each phase, different rectangular wave voltages are obtained at the output terminals of the respective phases. Therefore, the voltage of the difference between the U-phase rectangular wave and the V-phase rectangular wave of the VVVF inverter is applied between the U-phase and V-phase U-V terminals of the three-phase induction motor 10, and between the V-W terminals. The voltage of the difference between the rectangular wave of the V phase and the rectangular wave of the W phase is applied, and the voltage of the difference between the rectangular wave of the W phase and the rectangular wave of the U phase is applied between the W-U terminals.

速度が零の場合には、3相誘導電動機10に要求される加速トルクを発生するのに必要なスリップ周波数に対応する周波数の電圧を発生させ、V/F一定で加速する。変調波の三角波は低速域におけるトルク脈動を避けるために、最初はkHzオーダーの非同期三角波を使用し、加速に応じて同期方式に切替え、9パルスモード→3パルスモード→1パルスモードに順次パルス数を減らして行く。   When the speed is zero, a voltage having a frequency corresponding to a slip frequency necessary for generating the acceleration torque required for the three-phase induction motor 10 is generated, and acceleration is performed at a constant V / F. In order to avoid torque pulsation in the low speed range, the modulation triangle wave uses an asynchronous triangle wave in the order of kHz, and switches to the synchronous method according to the acceleration. The number of pulses is sequentially changed from 9 pulse mode to 3 pulse mode to 1 pulse mode. Go down.

即ち、回生時及び加速走行時共、全速度域に亙って主インバータ7と副インバータ8を同時に作動させる場合には、前述した実施例のように、主インバータ7と副インバータ8とに異なった制御信号を与えるのではなく、走行を開始するときから、主インバータ7と副インバータ8とに全く同じ制御信号を同時に与えれば良いことになる。   That is, when the main inverter 7 and the sub-inverter 8 are operated simultaneously over the entire speed range during regeneration and acceleration, the main inverter 7 and the sub-inverter 8 are different as in the above-described embodiment. Instead of giving a control signal, the same control signal may be given simultaneously to the main inverter 7 and the sub-inverter 8 from the start of traveling.

更に、前記の実施例においては、主インバータ7の動作中において、電圧添加用変圧器9の電圧降下が生じないように、副インバータ8のゲートに信号を与えて巻線短絡を行ない、巻線に短絡電流を流しておく必要があるのに対して、この第4変更形態によれば、この様な短絡制御の必要が無くなり、合理的な回生制御及び加速制御が可能になる。それ故、回生時に関する主インバータ7の出力電圧E1と副インバータ8の出力電圧E2は図6に示すようになり、また加速時(力行時)に関する主インバータ7の出力電圧E1と副インバータ8の出力電圧E2は図5に示すようになる。   Further, in the above-described embodiment, during the operation of the main inverter 7, a signal is given to the gate of the sub inverter 8 so that the voltage drop of the voltage adding transformer 9 does not occur, and the winding is short-circuited. However, according to the fourth modification, there is no need for such short-circuit control, and rational regenerative control and acceleration control are possible. Therefore, the output voltage E1 of the main inverter 7 and the output voltage E2 of the sub-inverter 8 relating to regeneration are as shown in FIG. 6, and the output voltage E1 of the main inverter 7 and the sub-inverter 8 relating to acceleration (powering) The output voltage E2 is as shown in FIG.

それ故、3相誘導電動機10側から見ると、恰も電源電圧が1.4倍の駆動電圧が供給され、1.4倍の耐圧を有する半導体素子で構成された単一のVVVFインバータで駆動される電力制御装置と等価に構成することができる。   Therefore, when viewed from the three-phase induction motor 10 side, the drive voltage is 1.4 times higher than the power supply voltage and is driven by a single VVVF inverter composed of a semiconductor element having a withstand voltage 1.4 times higher. The power control device can be configured equivalently.

次に、本発明の実施例2について、図7,図8に基づいて説明する。
図7に示すように、この鉄道車両の電力制御装置18Aは、前記実施例の電力制御装置18における副インバータ8と、電流検出器16,17を省略すると共に、電圧添加用変圧器9Aの1次巻線Ub,Vb,Wbの接続部位を変更したものであるので、前記実施例と同様の構成要素に同一符号を付して説明を省略し、異なる構成について説明する。
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
As shown in FIG. 7, the power control apparatus 18A for the railway vehicle omits the sub inverter 8 and the current detectors 16 and 17 in the power control apparatus 18 of the above embodiment, and is one of the voltage addition transformer 9A. Since the connection portions of the next windings Ub, Vb, and Wb are changed, the same reference numerals are given to the same components as those in the above-described embodiment, the description thereof is omitted, and different configurations will be described.

前記電圧添加用変圧器9Aの1次巻線Ub,Vb,Wbの端部は、インバータ7の交流側電力線L1,L2,L3のうちの2次巻線Ua,Va,Waよりもインバータ7側の部分に夫々接続されている。電圧添加用変圧器9Aは、1次巻線Ub,Vb,Wbと2次巻線Ua,Va,Waとを備え、少なくとも制動時(回生時)に誘導電動機10の回生電圧を昇圧させる為のものである。   The ends of the primary windings Ub, Vb, Wb of the voltage addition transformer 9A are on the inverter 7 side of the secondary windings Ua, Va, Wa of the AC power lines L1, L2, L3 of the inverter 7. Are connected to each part. The voltage addition transformer 9A includes primary windings Ub, Vb, Wb and secondary windings Ua, Va, Wa, and is used to boost the regenerative voltage of the induction motor 10 at least during braking (regeneration). Is.

図7の電圧添加用変圧器9Aは、図7−1に示す単巻変圧器と同等のものであり、この単巻変圧器に基づいて説明する。変圧器9Aの3相の巻線はスター接続され、変圧器9Aの中間タップは、インバータ7の交流側電力線L1,L2,L3に接続され、電動機10の電力線L7,L8,L9は、変圧器9Aの出力端子に接続され、電動機電圧を(Ua巻数+Ub巻数)/Ub巻数の巻線比(本実施例の場合、1.4)で昇圧させる。
尚、インバータ制御装置11によりインバータ7を制御する制御方式は、前記実施例と同様であるのでその説明を省略する。
The voltage addition transformer 9A in FIG. 7 is equivalent to the autotransformer shown in FIG. 7-1 and will be described based on this autotransformer. The three-phase winding of the transformer 9A is star-connected, the intermediate tap of the transformer 9A is connected to the AC side power lines L1, L2, L3 of the inverter 7, and the power lines L7, L8, L9 of the electric motor 10 are Connected to the output terminal of 9A, the motor voltage is boosted at a winding ratio of (Ua turns + Ub turns) / Ub turns (1.4 in this embodiment).
The control method for controlling the inverter 7 by the inverter control device 11 is the same as that in the above embodiment, so that the description thereof is omitted.

この電力制御装置18Aにおいては、図7に示すように電圧添加用変圧器9Aを接続し、回生時に電動機電圧をインバータ電圧よりも昇圧させると、電圧を上げた分だけV/F一定領域を拡げることができる。インバータ7の電流と電動機電流の関係は、インバータ電圧と電動機電圧の逆比となる。インバータは図11の電動機電流の最大電流(従来技術では、変圧器9Aがないので電動機電流=インバータ電流である)を流す能力があるので、全速度域における回生時に上記の最大電流に維持するように変圧器9の巻線比を設定すると、例えば図8に示す特性とすることができる。尚、巻線比は、2次/1次=0.4に設定してもよいが、これに限定されるものではない。   In this power control device 18A, when a voltage addition transformer 9A is connected as shown in FIG. 7 and the motor voltage is boosted from the inverter voltage during regeneration, the V / F constant region is expanded by the amount of the increased voltage. be able to. The relationship between the current of the inverter 7 and the motor current is an inverse ratio of the inverter voltage and the motor voltage. Since the inverter has the capability of flowing the maximum current of the motor current of FIG. 11 (in the conventional technology, the motor current = inverter current because there is no transformer 9A), the above-mentioned maximum current is maintained during regeneration in the entire speed range. If the turns ratio of the transformer 9 is set to, the characteristics shown in FIG. 8 can be obtained, for example. The winding ratio may be set to secondary / primary = 0.4, but is not limited to this.

一定トルク領域が僅かながら広がり、電動機電圧を昇圧した分、停動トルクの制約を受けない速度域が広がる。従来技術に係る図11では、高速域でのトルクが電動機10の停動トルクの影響を受けるので速度に対して大幅に低下しているが、図8に示す本実施例の特性では、停動トルクの影響を受けない領域が広がり、一定パワー領域が使用できるので、高速域のトルクが図11と比較して低下が少なくなり、高速域のブレーキ特性を改善できる。   The constant torque region is slightly widened, and the speed region that is not subject to the restriction of the stationary torque is widened by increasing the motor voltage. In FIG. 11 according to the prior art, the torque in the high speed range is affected by the stalling torque of the electric motor 10 and thus greatly decreases with respect to the speed. However, in the characteristics of this embodiment shown in FIG. Since the region not affected by the torque is widened and a constant power region can be used, the torque in the high speed region is less reduced than in FIG. 11, and the braking characteristics in the high speed region can be improved.

この電力制御装置18Aによれば、インバータ7の交流側電力線L1,L2,L3と誘導電動機10の間に、前記のような電圧添加用変圧器9Aを設けたので、少なくとも回生時に電動機電圧10をインバータ電圧よりも昇圧させ、V/F一定領域を拡げることができる。電動機電圧を昇圧した分、停動トルクの制約を受けない領域を拡げることでき、高速域におけるトルクを高め、高速域におけるブレーキ特性を改善することができる。   According to the power control device 18A, since the voltage addition transformer 9A as described above is provided between the AC power lines L1, L2, L3 of the inverter 7 and the induction motor 10, the motor voltage 10 is set at least during regeneration. The voltage can be boosted above the inverter voltage, and the V / F constant region can be expanded. As the electric motor voltage is increased, the region not restricted by the stationary torque can be expanded, the torque in the high speed region can be increased, and the brake characteristics in the high speed region can be improved.

即ち、上記の単巻変圧器である電圧添加用変圧器9Aの中間タップにインバータ7の3相出力電圧を加えれば、変圧器9Aの出力端子には巻線比倍された電圧が発生し、この電圧が端子電圧となる。無励磁での惰行状態にある場合、回転周波数と等しい周波数の3相交流電圧をインバータ7により電動機10に加えれば電機子巻線に励磁電流が流れ、回転磁界を発生する。   That is, if the three-phase output voltage of the inverter 7 is applied to the intermediate tap of the voltage addition transformer 9A, which is the above-described autotransformer, a voltage multiplied by the winding ratio is generated at the output terminal of the transformer 9A. This voltage becomes the terminal voltage. In a coasting state without excitation, if a three-phase AC voltage having a frequency equal to the rotation frequency is applied to the motor 10 by the inverter 7, an excitation current flows through the armature winding to generate a rotating magnetic field.

インバータ周波数が電動機10の回転周波数に等しい場合、電動機10の回転子とインバータ7により電動機10の電機子と回転子の間の空隙に発生する回転磁界の回転速度が等しく、回転子と回転磁界の相対速度が零で、回転子巻線を磁束が切ることはないので、巻線に誘起起電力(速度起電力)は発生せず、電動機10に加えられる電圧に対応した励磁電流のみ流れる。   When the inverter frequency is equal to the rotation frequency of the electric motor 10, the rotation speed of the rotating magnetic field generated in the gap between the armature and the rotor of the electric motor 10 by the rotor of the electric motor 10 and the inverter 7 is equal, and the rotor and the rotating magnetic field Since the relative speed is zero and the magnetic flux does not cut through the rotor winding, no induced electromotive force (speed electromotive force) is generated in the winding, and only an excitation current corresponding to the voltage applied to the motor 10 flows.

回生指令がある場合は、インバータ7の周波数は回転子の回転周波数より低い値に設定される、回転子巻線はインバータ周波数と回転周波数の差の周波数で切られ、巻線には周波数差(滑り周波数、回生時には滑り<0、力行時には滑り>0)に比例した電圧を発生し、回転子の巻線(2次巻線)に電流が流れる。この電流と空隙の磁界の間に力が働き、回転を下げる(減速ブレーキ力)方向に作用する。   When there is a regeneration command, the frequency of the inverter 7 is set to a value lower than the rotation frequency of the rotor, the rotor winding is cut at a frequency that is the difference between the inverter frequency and the rotation frequency, and the frequency difference ( A voltage proportional to the slip frequency, slip <0 during regeneration, slip> 0 during power running) is generated, and current flows through the rotor winding (secondary winding). A force acts between the current and the magnetic field in the air gap, and acts in the direction of decreasing the rotation (deceleration braking force).

同時に、この電流により空隙に磁界を発生、電機子巻線(1次巻線)にはこの磁界を打ち消す方向に電流が流れる。この電流は、電動機10のトルクに関連する電流なので、トルク電流と呼ばれ、前述の励磁電流と区別される。電機子巻線に実際に流れる電流は、励磁電流とトルク電流の合成で、電動機に加えられる電圧に対して、トルク電流は同位相、励磁電流はπ/2(90度)遅れで、両者のベクトル合成で求められる。   At the same time, a magnetic field is generated in the gap by this current, and a current flows in the armature winding (primary winding) in a direction to cancel the magnetic field. Since this current is a current related to the torque of the electric motor 10, it is called a torque current and is distinguished from the aforementioned excitation current. The current that actually flows through the armature winding is a combination of the excitation current and the torque current. The torque current is in phase with the voltage applied to the motor, and the excitation current is delayed by π / 2 (90 degrees). Required by vector synthesis.

力行の場合、インバータ周波数を回転周波数よりも大きくする(滑り>0)、回転子巻線には回生とは逆方向に電流がながれ、空隙の磁界との間に働く力も逆方向で回転を上げる方向の力(加速力)となる。電動機電流はインバータ電流に対して、変圧器9Aの逆比で決まりインバータ電流より少ない電流が流れる。電流が減少した分、力行時の加速トルクが低下するけれども、V/F一定領域を拡がり、従来方式では加速トルクが減少する領域においても、加速度一定に維持できるので力行の加速性能は影響を受けない。   In the case of power running, the inverter frequency is set higher than the rotation frequency (slip> 0), current flows in the direction opposite to the regeneration in the rotor winding, and the force acting between the magnetic field in the air gap also increases the rotation in the opposite direction. This is the direction force (acceleration force). The motor current is determined by the inverse ratio of the transformer 9A with respect to the inverter current, and a current smaller than the inverter current flows. Although the acceleration torque during powering decreases as the current decreases, the V / F constant region is expanded, and even in the region where the acceleration torque decreases with the conventional method, the acceleration performance of powering is affected. Absent.

尚、本発明は以上説明した実施例1,2に限定されるものではなく、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、前記実施例1,2に種々の変更を付加して実施することができ、本発明はそれらの変更形態をも包含するものである。   The present invention is not limited to the first and second embodiments described above, and those skilled in the art can add various modifications to the first and second embodiments without departing from the spirit of the present invention. The present invention includes those modifications.

本発明の実施例1に係る電動車(鉄道車両)の電気配線図である。1 is an electrical wiring diagram of an electric vehicle (railway vehicle) according to Embodiment 1 of the present invention. 加速時の電動機トルク、パワー、電圧、電流の特性線図である。FIG. 4 is a characteristic diagram of motor torque, power, voltage, and current during acceleration. 制動時の電動機トルク、パワー、電圧、電流の特性線図である。It is a characteristic line figure of electric motor torque at the time of braking, power, voltage, and current. 主及び副インバータと誘導電動機の各電圧を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows each voltage of a main and a sub inverter, and an induction motor. 第4変更形態における図2相当図である。FIG. 10 is a diagram corresponding to FIG. 2 in a fourth modification. 第4変更形態における図3相当図である。FIG. 10 is a diagram corresponding to FIG. 3 in a fourth modification. 実施例2に係る電動車(鉄道車両)の電気配線図である。6 is an electrical wiring diagram of an electric vehicle (railway vehicle) according to Embodiment 2. FIG. 電圧添加用変圧器としての電圧添加用単巻変圧器の回路図である。It is a circuit diagram of a voltage addition autotransformer as a voltage addition transformer. 制動時の電動機電圧、電流、制動力等の特性線図である。It is a characteristic diagram, such as an electric motor voltage at the time of braking, electric current, and braking force. 従来の制動時の電動機トルク、パワー、電圧、電流の特性線図である。It is a characteristic line figure of the motor torque at the time of the conventional braking, power, voltage, and current. 従来の加速時の電動機トルク、パワー、電圧、電流の特性線図である。It is the characteristic line figure of the motor torque at the time of the conventional acceleration, power, a voltage, and an electric current. 従来の制動時の電動機電圧、電流、制動力等の特性線図である。It is a characteristic diagram, such as an electric motor voltage at the time of the conventional braking, an electric current, and braking force.

符号の説明Explanation of symbols

1 架線
2 電動車(鉄道車両)
7 主インバータ(第1インバータ)
8 副インバータ(第2インバータ)
9,9A 3相変圧器
10 誘導電動機
11 インバータ制御装置
18,18A 電力制御装置
Ua,Va,Wa 2次巻線
Ub,Vb,Wb 1次巻線
1 Overhead line 2 Electric car (Railway)
7 Main inverter (first inverter)
8 Sub inverter (second inverter)
9, 9A Three-phase transformer 10 Induction motor 11 Inverter controller 18, 18A Power controller Ua, Va, Wa Secondary winding Ub, Vb, Wb Primary winding

Claims (4)

走行駆動用の三相誘導電動機と、走行時に架線の直流を三相交流に変換して誘導電動機に供給可能で且つ制動時に誘導電動機で回生した電力を直流に変換して架線に供給可能な可変電圧・可変周波数型の第1インバータと、第1インバータをPWM制御するインバータ制御手段とを備えた鉄道車両の電力制御装置において、
前記架線に対して第1インバータと並列接続され且つ前記インバータ制御手段で制御される可変電圧・可変周波数型の第2インバータと、
前記第1インバータの交流側電力線と誘導電動機の間に設けられた2次巻線と、第2インバータの交流側電力線に接続された1次巻線とを備え且つ少なくとも制動時に誘導電動機の回生電圧を昇圧させる為の電圧添加用変圧器とを有し、
前記インバータ制御手段は、回生時に高速側から所定速度に減速するまでは、第1,第2インバータを作動させ、所定速度以下の車速で減速する際には第1インバータのみを作動させ、第1インバータのみ作動するときに第2インバータを制御して電圧添加用変圧器の1次巻線を短絡することにより2次巻線の電圧降下を生じないようにすることを特徴とする鉄道車両の電力制御装置。
A three-phase induction motor for driving and a variable that can convert the direct current of the overhead wire into a three-phase alternating current and supply it to the induction motor during traveling, and convert the electric power regenerated by the induction motor to DC and supply it to the overhead wire during braking In a railway vehicle power control apparatus comprising a voltage / variable frequency type first inverter and inverter control means for PWM-controlling the first inverter,
A variable voltage / variable frequency type second inverter connected in parallel with the first inverter to the overhead line and controlled by the inverter control means;
A regenerative voltage of the induction motor at least during braking, comprising a secondary winding provided between the AC power line of the first inverter and the induction motor, and a primary winding connected to the AC power line of the second inverter. A voltage addition transformer for boosting the voltage,
The inverter control means operates the first and second inverters until decelerating from the high speed side to a predetermined speed during regeneration, and operates only the first inverter when decelerating at a vehicle speed below the predetermined speed. Electric power for a railway vehicle characterized in that when the inverter only operates, the second inverter is controlled to short-circuit the primary winding of the voltage addition transformer so as not to cause a voltage drop in the secondary winding. Control device.
前記インバータ制御手段は、加速走行時に設定速度に加速するまでは、第1インバータのみを作動させ、設定速度以上で加速する際には第1,第2インバータを作動させ、第1インバータのみ作動するときに第2インバータを制御して電圧添加用変圧器の1次巻線を短絡することにより2次巻線の電圧降下が生じないようにすることを特徴とする請求項1に記載の鉄道車両の電力制御装置。   The inverter control means operates only the first inverter until accelerating to the set speed during acceleration traveling, operates the first and second inverters when operating at the set speed or higher, and operates only the first inverter. 2. The railway vehicle according to claim 1, wherein a voltage drop of the secondary winding is prevented from occurring by sometimes controlling the second inverter to short-circuit the primary winding of the voltage addition transformer. Power control device. 走行駆動用の三相誘導電動機と、走行時に架線の直流を三相交流に変換して誘導電動機に供給可能で且つ制動時に誘導電動機で回生した電力を直流に変換して架線に供給可能な可変電圧・可変周波数型の第1インバータと、第1インバータをPWM制御するインバータ制御手段とを備えた鉄道車両の電力制御装置において、
前記架線に対して第1インバータと並列接続され且つ前記インバータ制御手段で制御される可変電圧・可変周波数型の第2インバータと、
前記第1インバータの交流側電力線と誘導電動機の間に設けられた2次巻線と、第2インバータの交流側電力線に接続された1次巻線とを備え且つ少なくとも制動時に誘導電動機の回生電圧を昇圧させる為の電圧添加用変圧器とを有し、
前記インバータ制御手段は、回生時及び加速走行時共、全速度域に亙って第1インバータと第2インバータを作動させることを特徴とする鉄道車両の電力制御装置。
A three-phase induction motor for driving and a variable that can convert the direct current of the overhead wire into a three-phase alternating current and supply it to the induction motor during traveling, and convert the electric power regenerated by the induction motor to DC and supply it to the overhead wire during braking In a railway vehicle power control apparatus comprising a voltage / variable frequency type first inverter and inverter control means for PWM-controlling the first inverter,
A variable voltage / variable frequency type second inverter connected in parallel with the first inverter to the overhead line and controlled by the inverter control means;
A regenerative voltage of the induction motor at least during braking, comprising a secondary winding provided between the AC power line of the first inverter and the induction motor, and a primary winding connected to the AC power line of the second inverter. A voltage addition transformer for boosting the voltage,
The power control device for a railway vehicle, wherein the inverter control means operates the first inverter and the second inverter over the entire speed range during regeneration and acceleration travel.
走行駆動用の三相誘導電動機と、走行時に架線の直流を三相交流に変換して誘導電動機に供給可能で且つ制動時に誘導電動機で回生した電力を直流に変換して架線に供給可能な可変電圧・可変周波数型のインバータと、インバータをPWM制御するインバータ制御手段とを備えた鉄道車両の電力制御装置において、
前記インバータの交流側電力線と誘導電動機の間に設けられた2次巻線と、前記インバータの交流側電力線のうちの前記2次巻線よりもインバータ側の部分に接続された1次巻線とを備え且つ少なくとも制動時に誘導電動機の回生電圧を昇圧させる為の電圧添加用変圧器を備えたことを特徴とする鉄道車両における電力制御装置。
A three-phase induction motor for driving and a variable that can convert the direct current of the overhead wire into a three-phase alternating current and supply it to the induction motor during traveling, and convert the electric power regenerated by the induction motor to DC and supply it to the overhead wire during braking In a railway vehicle power control apparatus comprising a voltage / variable frequency type inverter and inverter control means for PWM controlling the inverter,
A secondary winding provided between the AC power line of the inverter and the induction motor, and a primary winding connected to a portion of the AC side power line of the inverter that is closer to the inverter than the secondary winding; And a voltage addition transformer for boosting the regenerative voltage of the induction motor at least during braking.
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