JP2014158419A - Control device of electric vehicle - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電気車を制御する電気車制御装置に関する。 The present invention relates to an electric vehicle control device that controls an electric vehicle.
一般的に、誘導電動機又は同期電動機を駆動させ、電気車を制御する電気車制御装置が知られている。このような電気車制御装置では、電動機の出力トルクを制御することが多い(例えば、特許文献1参照)。 Generally, an electric vehicle control device that drives an induction motor or a synchronous motor to control an electric vehicle is known. In such an electric vehicle control device, the output torque of the electric motor is often controlled (for example, see Patent Document 1).
しかしながら、電動機の出力トルクを制御して、電気車の運転を制御する電気車制御装置では、電動機の回転数に関係なく電動機を制御することができる。 However, an electric vehicle control apparatus that controls the operation of an electric vehicle by controlling the output torque of the electric motor can control the electric motor regardless of the rotation speed of the electric motor.
このため、例えば、車輪の空転や力行時の加速駆動中のギヤの破損などにより、モータの負荷が極端に軽くなる場合に、モータの回転数が異常に上昇する可能性がある。この結果、電動機の回転数が規定された最高回転数を超えた場合、電動機のベアリング等の機械的な破損を生じさせることになる。これは、電気車制御装置が、電動機の回転数に関係なく、トルク指令に従ってトルクを出力するためである。 For this reason, for example, when the load on the motor becomes extremely light due to, for example, idling of a wheel or breakage of a gear during acceleration driving during power running, the rotational speed of the motor may increase abnormally. As a result, when the rotational speed of the electric motor exceeds the prescribed maximum rotational speed, mechanical damage such as a bearing of the electric motor is caused. This is because the electric vehicle control device outputs torque in accordance with the torque command regardless of the rotation speed of the electric motor.
そこで、本発明の目的は、電動機の回転数の異常な上昇を抑えることのできる電気車制御装置を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an electric vehicle control apparatus that can suppress an abnormal increase in the rotational speed of an electric motor.
本発明の観点に従った電気車制御装置は、電動機を駆動するための交流電力を出力するインバータと、このインバータを制御する制御部とを備えた電気車制御装置において、前記制御部は、前記電動機の回転速度を取得し、運転指令に応じて定まる第1のトルクパターン、前記電動機の回転速度が予め定められた速度まで上昇したときにトルク指令値がゼロとなるように設定された第2のトルクパターン、および前記取得した回転速度に基づき、前記第1のトルクパターンまたは第2のトルクパターンから小さな値を示すトルク指令値を求め、前記求めたトルク指令値を利用して前記インバータを制御するためのゲート指令を生成するものである。 An electric vehicle control device according to an aspect of the present invention is an electric vehicle control device including an inverter that outputs AC power for driving an electric motor, and a control unit that controls the inverter. A first torque pattern obtained by acquiring the rotation speed of the electric motor and determined according to the operation command, and a second torque command value set to zero when the rotation speed of the electric motor rises to a predetermined speed. A torque command value indicating a small value is obtained from the first torque pattern or the second torque pattern based on the obtained torque speed and the obtained rotation speed, and the inverter is controlled using the obtained torque command value. It generates a gate command to do this.
本発明によれば、電動機の回転数の異常な上昇を抑えることのできる電気車制御装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the electric vehicle control apparatus which can suppress the abnormal raise of the rotation speed of an electric motor can be provided.
以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係る電気車10の構成を示す構成図である。なお、以降の図における同一部分には、同一符号を付してその詳しい説明を省略し、異なる部分について主に述べる。以降の実施形態も同様にして重複する説明を省略する。
(First embodiment)
FIG. 1 is a configuration diagram showing a configuration of an
電気車10は、電気車制御装置1と、電動機2と、集電装置3と、車輪4と、モータ回転速度検出器5と、高速度遮断器HBと、接触器L1,L2と、充電抵抗器CRと、フィルタリアクトルFLとを備えている。
The
電気車10は、直流架線から直流電力の供給を受けて走行する電気鉄道車両である。
The
電動機2は、電気車10が走行するための動力源である。
The
集電装置3は、直流架線と電気的に接触するように設けられている。集電装置3は、高速度遮断器HB、接触器L2、接触器L1、フィルタリアクトルFLを順次に介して、電気車制御装置1に直流電力を供給する。集電装置3は、例えばパンタグラフである。
The current collector 3 is provided so as to be in electrical contact with the DC overhead wire. The current collector 3 supplies DC power to the electric
電気車制御装置1は、集電装置3から供給された直流電力を受電して、電動機2を駆動制御する。
The electric
モータ回転速度検出器5は、電動機2の回転速度を計測するための信号DFを検出する。モータ回転速度検出器5は、検出した信号DFを電気車制御装置1に出力する。
The motor
高速度遮断器HBは、異常な直流電流を高速度で検知し、故障電流を遮断する遮断器である。 The high-speed circuit breaker HB is a circuit breaker that detects an abnormal direct current at a high speed and interrupts a fault current.
接触器L1,L2は、集電装置3と電気車制御装置1とを接続する電気経路の切断又は接続をする。
The contactors L1 and L2 cut or connect an electrical path connecting the current collector 3 and the electric
充電抵抗器CRは、遮断器L1の両端を短絡するように設けられている。充電抵抗器CRは、遮断器L2を投入した時に、フィルタコンデンサFCに急激に過大な電流が流れ込まないようにするために設けられている。 The charging resistor CR is provided so as to short-circuit both ends of the circuit breaker L1. The charging resistor CR is provided in order to prevent an excessive current from flowing into the filter capacitor FC suddenly when the circuit breaker L2 is turned on.
フィルタリアクトルFLは、電気車制御装置1のフィルタコンデンサFCと共に、フィルタ回路を構成する。
The filter reactor FL constitutes a filter circuit together with the filter capacitor FC of the electric
車輪4は、電気車制御装置1のVVVF(Variable Voltage Variable Frequency)インバータ11の直流電力側の負極端子に接続されている。車輪4は、レールと電気的に接触する。
The
電気車制御装置1は、フィルタコンデンサFCと、VVVFインバータ11と、モータ回転速度演算部12と、最大速度超過検出器13とを備えている。なお、電気車制御装置1は、これらの他にも、電動機2の制御に用いる構成を備えているが、説明の便宜上割愛する。
The electric
フィルタコンデンサFCは、VVVFインバータ11の直流電力側の正極端子と負極端子との間に設けられている。
The filter capacitor FC is provided between the positive terminal and the negative terminal on the DC power side of the
VVVFインバータ11は、集電装置3を介して直流架線から供給された直流電力を交流電力に変換する。VVVFインバータ11は、電動機2に交流電力を出力することにより、電動機2を駆動する。
The VVVF inverter 11 converts DC power supplied from the DC overhead line via the current collector 3 into AC power. The VVVF inverter 11 drives the
モータ回転速度演算部12は、モータ回転速度検出器5から受信した信号DFに基づいて、電動機2の回転速度Fを演算する。モータ回転速度演算部12は、演算した回転速度Fを最大速度超過検出器13に出力する。
The motor rotation
最大速度超過検出器13には、予め最大速度設定値FMAXが設定されている。最大速度超過検出器13は、モータ回転速度演算部12から入力された回転速度Fが最大速度設定値FMAXを超えているか否かを判断する。最大速度超過検出器13は、回転速度Fが最大速度設定値FMAXを超えていると判断した場合、VVVFインバータ11を停止する信号STをVVVFインバータ11に出力する。
In the maximum speed
最大速度設定値FMAXは、電動機2の最大速度規定値と電気車10の最高速度から決まるモータ最高回転速度の間に設定する。電動機2の最大速度規定値は、多くの場合、モータ単体試験で規定されている最高回転速度である。
The maximum speed set value FMAX is set between the maximum speed prescribed value of the
本実施形態によれば、最大速度超過検出器13により、電動機2の回転速度Fが最大速度設定値FMAXを超過すると、VVVFインバータ11は停止する。これにより、電動機2の回転速度Fのそれ以上の上昇を防止することができる。
According to the present embodiment, when the rotation speed F of the
また、最大速度設定値FMAXを、電動機2の最大速度規定値と電気車10の最高速度から決まるモータ最高回転速度の間に設定することで、電気車10の最高速度に影響を与えず、かつ電動機2を破損しない範囲で、電動機2の回転速度Fを抑えることができる。
Further, by setting the maximum speed setting value FMAX between the maximum speed prescribed value of the
これにより、電気車10は、車輪4の空転又はギヤの破損等により電動機2の負荷が極端に軽くなった場合などにおいても、電動機2の回転速度Fを抑えることができる。従って、電気車10は、電動機2の回転速度Fの異常な上昇による故障を防止することができる。
Thereby, the
(第2の実施形態)
図2は、本発明の第2の実施形態に係る電気車10Aの構成を示す構成図である。
(Second Embodiment)
FIG. 2 is a configuration diagram showing a configuration of an
電気車10Aは、図1に示す第1の実施形態に係る電気車10において、モータ回転速度検出器5を取り除き、電気車制御装置1の代わりに、電気車制御装置1Aを設けている。電気車制御装置1Aは、電気車制御装置1において、電流検出器CTを設けて、モータ回転速度演算部12の代わりに、モータ回転速度推定部14を設けている。それ以外の点は、電気車10と同様である。
An
電気車10Aは、モータ回転速度検出器5を持たない速度センサレス制御システムを適用した構成である。
The
電流検出器CTは、VVVFインバータ11から出力されるモータ電流DIを検出する。電流検出器CTは、検出したモータ電流DIを電気車制御装置1Aに出力する。
The current detector CT detects the motor current DI output from the
電気車制御装置1Aは、電流検出器CTから入力されたモータ電流DIを信号として、モータ回転速度推定部14で受信する。
The electric
モータ回転速度推定部14は、電流検出器CTから入力されたモータ電流DIに基づいて、電動機2の回転速度Fを推定する。モータ回転速度推定部14は、推定した回転速度Fを最大速度超過検出器13に出力する。
The motor rotation
第2の実施形態と同様に、最大速度超過検出器13は、回転速度Fが最大速度設定値FMAXを超えていると判断した場合、VVVFインバータ11を停止する信号STをVVVFインバータ11に出力する。
Similarly to the second embodiment, the maximum
本実施形態によれば、モータ回転速度検出器5を持たない速度センサレス制御システムの構成で、第1の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
According to the present embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained with the configuration of the speed sensorless control system that does not have the motor
(第3の実施形態)
図3は、本発明の第3の実施形態に係る電気車10Bの構成を示す構成図である。
(Third embodiment)
FIG. 3 is a configuration diagram showing a configuration of an electric vehicle 10B according to the third embodiment of the present invention.
電気車10Bは、図1に示す第1の実施形態に係る電気車10において、電気車制御装置1の代わりに、電気車制御装置1Bを設けている。電気車制御装置1Bは、電気車制御装置1に、モータトルク指令制限値演算部15及びモータトルク指令演算部17を追加した構成である。それ以外の点は、電気車10と同様である。
The electric vehicle 10B is provided with an electric
なお、図3に示す電気車10Bには、モータトルクパターン演算部16、電動機ベクトル制御部18及びゲート指令部19が設けられている。これらの構成は、図1に示す電気車10では、説明の便宜上割愛した構成であり、電気車10にも設けられている。
The electric vehicle 10B shown in FIG. 3 includes a motor torque
モータ回転速度演算部12は、演算した回転速度Fをモータトルク指令制限値演算部15に出力する。
The motor rotation
モータトルク指令制限値演算部15は、モータ回転速度演算部12から入力された回転速度Fに基づいて、モータトルク指令制限値LTを演算する。モータトルク指令制限値演算部15は、演算したモータトルク指令制限値LTをモータトルク指令演算部17に出力する。
The motor torque command limit
図4は、本実施形態に係るモータトルク指令制限値演算部15による演算方法を示すモータトルク指令制限値LTと回転速度Fとの相関関係を示すグラフ図である。
FIG. 4 is a graph showing the correlation between the motor torque command limit value LT and the rotational speed F, showing the calculation method by the motor torque command limit
図4に示すように、モータトルク指令制限値演算部15は、回転速度Fが所定回転速度F1までは、モータトルク指令制限値LTを制限値L1とする。モータトルク指令制限値演算部15は、回転速度Fが所定回転速度F1を超えると、最大速度設定値FMAXに近づくに従って、モータトルク指令制限値LTをゼロにする。モータトルク指令制限値演算部15は、回転速度Fが最大速度設定値FMAXを超えると、モータトルク指令制限値LTをゼロにする。
As shown in FIG. 4, the motor torque command limit
モータトルクパターン演算部16は、電気車10Bの運転を制御するための運転指令DSに基づいて、トルク指令を決定するためのトルクパターンTPを演算する。モータトルクパターン演算部16は、演算したトルクパターンTPをモータトルク指令演算部17に出力する。
The motor torque
モータトルク指令演算部17には、モータトルクパターン演算部16により演算されたトルクパターンTP及びモータトルク指令制限値演算部15により演算されたモータトルク指令制限値LTが入力される。モータトルク指令演算部17は、モータトルクパターンTPにより決定されるトルク指令TSに、モータトルク指令制限値LTによる制限をする。モータトルク指令演算部17は、制限されたトルク指令TSを電動機ベクトル制御部18に出力する。具体的には、モータトルク指令演算部17は、モータトルクパターンTPにより決定されるトルク指令TSとモータトルク指令制限値LTを比較し、小さい方を電動機ベクトル制御部18に出力する。
The torque pattern TP calculated by the motor torque
電動機ベクトル制御部18は、モータトルク指令演算部17から入力されたトルク指令TSに基づいて、ベクトル制御演算をする。電動機ベクトル制御部18は、ベクトル制御演算により求められた電圧指令値VSをゲート指令部19に出力する。
The electric motor
ゲート指令部19は、電動機ベクトル制御部18により演算された電圧指令値VSに基づいて、ゲート指令GSを生成する。ゲート指令部19は、生成したゲート指令GSをVVVFインバータ11に出力することで、VVVFインバータ11のゲート制御を行う。
The
本実施形態によれば、モータトルク指令制限値演算部15によるモータトルク指令制限値LTで、トルク指令TSを制限することにより、電動機2の回転速度Fが所定回転速度F1を超えると、トルク指令TSを徐々に制限し、さらに最大速度設定値FMAXを超過すると、電動機2の回転の加速を防止するため、電動機2の回転速度Fのそれ以上の上昇を防止することができる。これにより、第1の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
According to this embodiment, when the rotational speed F of the
(第4の実施形態)
図5は、本発明の第4の実施形態に係る電気車10Cの構成を示す構成図である。
(Fourth embodiment)
FIG. 5 is a block diagram showing a configuration of an
電気車10Cは、図3に示す第3の実施形態に係る電気車10Bにおいて、電気車制御装置1Bに最大速度超過検出器13Cを追加して、電気車制御装置1Cとしている。それ以外の点は、電気車10Bと同様である。
The
最大速度超過検出器13Cは、基本的には、第1の実施形態に係る最大速度超過検出器13と同様の構成である。
The maximum
最大速度超過検出器13Cには、予め最大速度設定値FMAX2が設定されている。最大速度設定値FMAX2は、モータトルク指令制限値演算部15に設定されている最大速度設定値FMAXと同じかそれよりも大きい値である。最大速度設定値FMAX2の求め方は、最大速度設定値FMAXと同様である。
A maximum speed set value FMAX2 is set in advance in the maximum
最大速度超過検出器13Cは、モータ回転速度演算部12から回転速度Fを受信する。最大速度超過検出器13Cは、モータ回転速度演算部12から入力された回転速度Fが最大速度設定値FMAX2を超えているか否かを判断する。最大速度超過検出器13Cは、回転速度Fが最大速度設定値FMAX2を超えていると判断した場合、VVVFインバータ11を停止するための信号をゲート指令部19に出力する。
The maximum
ゲート指令部19は、最大速度超過検出器13CからVVVFインバータ11を停止するための信号を受信すると、ゲート指令GSによりVVVFインバータ11を停止させる。
When receiving a signal for stopping the
本実施形態によれば、第3の実施形態による作用効果に加え、以下の作用効果を得ることができる。 According to the present embodiment, in addition to the functions and effects of the third embodiment, the following functions and effects can be obtained.
電気車10Cは、モータトルク指令制限値演算部15によるモータトルク指令TSの制限の他に、最大速度超過検出器13CによるVVVFインバータ11の停止をする構成を追加している。これにより、電気車10Cは、第3の実施形態による電気車10より確実に電動機2の回転数の異常な上昇を抑えることができる。
The
また、電気車10Cは、最大速度設定値FMAXよりも大きい最大速度設定値FMAX2を電動機2の回転速度Fが急激に超えた場合に、VVVFインバータ11を停止させる構成を、モータトルク指令制限値演算部15と別に設けることにより、より早く電動機2の回転数の異常な上昇を抑えることができる。
Further, the
(第5の実施形態)
図6は、本発明の第5の実施形態に係る電気車10Dの構成を示す構成図である。
(Fifth embodiment)
FIG. 6 is a configuration diagram showing a configuration of an
電気車10Dは、図5に示す第4の実施形態に係る電気車10Cにおいて、最大速度超過検出器13Cの代わりに、最大速度超過検出器13Dを設けた構成である。それ以外の点は、電気車1Cと同様である。
The
最大速度超過検出器13Dは、基本的には、第3の実施形態に係る最大速度超過検出器13Cと同様の構成である。
The maximum speed excess detector 13D basically has the same configuration as the maximum
最大速度超過検出器13Dは、第3の実施形態に係る最大速度超過検出器13Cと同様に、予め最大速度設定値FMAX2が設定されている。
The maximum speed excess detector 13D has a maximum speed set value FMAX2 set in advance in the same manner as the maximum
最大速度超過検出器13Dは、モータ回転速度演算部12から回転速度Fを受信する。最大速度超過検出器13Dは、モータ回転速度演算部12から入力された回転速度Fが最大速度設定値FMAX2を超えているか否かを判断する。最大速度超過検出器13Dは、回転速度Fが最大速度設定値FMAX2を超えていると判断した場合、高速度遮断器HBに開放する指令を出力する。
The maximum
本実施形態によれば、最大速度超過検出器13Cの代わりに、最大速度超過検出器13Dを設けることで、第4の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
According to the present embodiment, by providing the maximum speed excess detector 13D instead of the maximum
なお、第1の実施形態及び第2の実施形態において、最大速度規定値を超えた場合、VVVFインバータ11を停止する構成としたが、これに限らない。例えば、VVVFインバータ11を停止する代わりに、VVVFインバータ11のゲートオフ又は電動機2のすべり周波数をゼロにするなどの構成としてもよい。また、電動機2の回転速度を抑制させるのであれば、これらの構成以外の構成でもよい。
In addition, in 1st Embodiment and 2nd Embodiment, when it exceeded the maximum speed regulation value, it was set as the structure which stops the
第5の実施形態において、高速度遮断器HBを開放する構成としたが、これに限らない。インバータへの直流電力の供給を断つのであれば、他の開閉器でも構わないし、このための構成を新たに設けてもよい。 In 5th Embodiment, although it was set as the structure which open | releases the high-speed circuit breaker HB, it is not restricted to this. If the supply of DC power to the inverter is cut off, another switch may be used, and a configuration for this purpose may be newly provided.
第4の実施形態及び第5の実施形態において、モータ回転速度検出器5を持つ構成としたが、図2に示す第2の実施形態に係る電気車10Aのような速度センサレス制御システムを適用しても、同様に構成することができる。
In the fourth embodiment and the fifth embodiment, the motor
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. Moreover, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, constituent elements over different embodiments may be appropriately combined.
1…電気車制御装置、2…電動機、3…集電装置、4…車輪、5…モータ回転速度検出器、10…電気車、11…VVVFインバータ、12…モータ回転速度演算部、13…最大速度超過検出器、CR…充電抵抗器、FC…フィルタコンデンサ、FL…フィルタリアクトル、HB…高速度遮断器、L1,L2…接触器。
DESCRIPTION OF
本発明の観点に従った電気車制御装置は、電動機を駆動するための交流電力を出力するインバータと、このインバータを制御する制御部とを備えた電気車制御装置において、前記制御部は、前記電動機の回転速度を取得し、運転指令に応じて定まる第1のトルクパターン、前記電動機の回転速度が予め定められた速度まで上昇したときにトルク指令値がゼロとなるように設定された第2のトルクパターン、および前記取得した回転速度に基づき、前記第1のトルクパターンと前記第2のトルクパターンとから小さな値を示すトルク指令値を求めるものである。 An electric vehicle control device according to an aspect of the present invention is an electric vehicle control device including an inverter that outputs AC power for driving an electric motor, and a control unit that controls the inverter. A first torque pattern obtained by acquiring the rotation speed of the electric motor and determined according to the operation command, and a second torque command value set to zero when the rotation speed of the electric motor rises to a predetermined speed. torque patterns, and based on the rotation speed of the acquired, but asking you to torque command value indicating a smaller value from the first torque pattern and the second torque pattern.
Claims (3)
前記制御部は、
前記電動機の回転速度を取得し、
運転指令に応じて定まる第1のトルクパターン、前記電動機の回転速度が予め定められた速度まで上昇したときにトルク指令値がゼロとなるように設定された第2のトルクパターン、および前記取得した回転速度に基づき、前記第1のトルクパターンまたは第2のトルクパターンから小さな値を示すトルク指令値を求め、
前記求めたトルク指令値を利用して前記インバータを制御するためのゲート指令を生成する
ことを特徴とする電気車制御装置。 In an electric vehicle control device including an inverter that outputs AC power for driving an electric motor, and a control unit that controls the inverter,
The controller is
Obtaining the rotation speed of the motor;
A first torque pattern determined according to an operation command, a second torque pattern set so that a torque command value becomes zero when the rotational speed of the electric motor rises to a predetermined speed, and the acquired Based on the rotational speed, a torque command value indicating a small value is obtained from the first torque pattern or the second torque pattern,
An electric vehicle control apparatus that generates a gate command for controlling the inverter using the obtained torque command value.
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