JP2014176135A - モータドライブ装置、インバータ制御装置及びインバータ制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】インバータの直流電圧の制御精度を向上させたモータドライブ装置を提供することにある。
【解決手段】本発明の観点に従ったモータドライブ装置は、電動機と、インバータと、モータ電流を検出するモータ電流検出手段と、トルク指令に基づいて、前記モータ電流のＤＱ軸座標の位相角に対する指令である電流位相角指令を、電流値最小位相と前記Ｑ軸との間の値で、演算する電流位相角指令演算手段と、前記電流位相角指令及び前記トルク指令に基づいて、前記ＤＱ軸座標の電流指令を演算する電流指令演算手段と、前記電流指令に基づいて、前記モータ電流を制御するように、前記インバータを制御するインバータ制御手段とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、モータを駆動するモータドライブ装置、インバータ制御装置及びインバータ制御方法に関する。

近年、鉄道や電気自動車などのモータドライブ装置では、高効率である永久磁石同期電動機の適用が進んでいる。また、可変速範囲が広い用途には、磁石トルクとともにリラクタンストルクを併用する埋め込み磁石型モータが適用される。

リラクタンストルクと磁石トルクを併用するモータでは、モータ端子電圧が、回転数やトルク（負荷）によって、大きく変動する。無負荷や軽負荷ではモータ端子電圧が小さく、最大負荷ではモータ端子電圧が大きくなる。

一方、モータドライブ装置の全体の損失を低減するための様々な方法が知られている。例えば、永久磁石同期電動機にプラスＤ軸（磁石磁束方向）電流を流して強め界磁を行い、１パルス運転を行うことで、インバータのスイッチング損失を低減させることが開示されている。さらに、インバータに供給する直流電圧を増減させて、インバータを１パルス動作又は低パルス動作させることで、スイッチング損失を低減することが開示されている。

特開２００８−７９３９９号公報 特開２００６−３４０４４８号公報

しかしながら、軽負荷状態で、上述のような損失の低減方法を用いても、モータドライブ装置の全体の損失が低減しない場合がある。

一般に、電動機の損失の方がインバータなどの電力変換器の損失より大きい。従って、インバータのスイッチング損失のみを低減した場合、逆に装置全体としては、損失が増加する場合もある。

例えば、高速域で巡航する鉄道車両又は高速道路を走行中の電気自動車は、通常、軽負荷状態であり、モータ端子電圧は高くはない。このような状態で電動機を運転する場合、装置全体として、損失が十分に低減されていないことがある。また、このように、高速で車両が巡航する状態は、長い時間継続することが多いため、このような状態での損失は、装置全体の損失として大きい。

そこで、本発明の実施形態の目的は、軽負荷状態で装置全体の損失を低減することのできるモータドライブ装置を提供することにある。

本発明の観点に従ったモータドライブ装置は、リラクタンストルクと磁石トルクを併用する電動機と、前記電動機を駆動するための電力を供給するインバータと、前記電動機に流れるモータ電流を検出するモータ電流検出手段と、前記電動機の磁石方向をＤ軸とし、前記Ｄ軸と垂直方向をＱ軸とし、前記電動機のトルクを制御するためのトルク指令に基づいて、前記モータ電流の前記Ｄ軸と前記Ｑ軸からなるＤＱ軸座標の位相角に対する指令である電流位相角指令を、前記電動機の最大トルクを最小の前記モータ電流で得るための電流値最小位相と前記Ｑ軸との間の値で、演算する電流位相角指令演算手段と、前記電流位相角指令演算手段により演算された前記電流位相角指令及び前記トルク指令に基づいて、前記モータ電流を制御するための前記ＤＱ軸座標の電流指令を演算する電流指令演算手段と、前記電流指令演算手段により演算された前記電流指令に基づいて、前記モータ電流検出手段により検出された前記モータ電流を制御するように、前記インバータを制御するインバータ制御手段とを備える。

本発明の第１の実施形態に係るモータドライブ装置の構成を示す構成図。 第１の実施形態に係るＤＱ軸電流位相角を示すベクトル図。 第１の実施形態に係るＤＱ軸電流位相角指令演算部の構成を示す構成図。 第１の実施形態に係るＤＱ軸電流位相角指令と各種パラメータとの関係を示すグラフ図。 第１の実施形態に係る電動機のモータ端子電圧と回転数との関係を示すグラフ図。 本発明の第２の実施形態に係るモータドライブ装置の構成を示す構成図。 第２の実施形態に係る実施形態に係る直流電圧指令を示すグラフ図。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係るモータドライブ装置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。

モータドライブ装置１０には、鉄道車両の交流駆動システムが採用されている。

モータドライブ装置１０は、インバータ制御装置１と、電動機２と、集電装置３と、車輪４と、主変圧器５と、コンバータ６と、平滑コンデンサ７と、インバータ８と、位置検出器１１と、交流電流検出器１２とを備える。

インバータ制御装置１は、要求されたトルク指令Ｔｍ＊に合致したトルクが出力されるように、インバータ８を制御して、電動機２の駆動を制御する。

電動機２は、リラクタンストルクと磁石トルクを併用する埋め込み磁石型の永久磁石同期電動機である。

集電装置３は、架線から受電した単相交流電力を、主変圧器５を介してコンバータ６に供給する。集電装置３は、例えばパンタグラフである。車輪４は、単相交流電力を受電する高圧側の集電装置３に対して低圧側に位置する機器である。

主変圧器５は、集電装置３から受電した単相交流電圧をコンバータ６に供給するための電圧に変圧する。

コンバータ６は、主変圧器５を介して集電装置３から受電した交流電力を直流電力に変換して、インバータ８に供給する。

インバータ８は、直流側がコンバータ６の直流側と直流リンクで接続されている。インバータ８は、コンバータ６から供給された直流電力を電動機２を駆動するための三相交流電力に変換する。

平滑コンデンサ７は、コンバータ６とインバータ８を接続する直流リンクに設けられている。平滑コンデンサ７は、直流リンクに印加される直流電圧を平滑化する。

位置検出器１１は、電動機２のロータの位相θｍを検出する。位置検出器１１は、検出したロータの位相θｍをインバータ制御装置１に出力する。

交流電流検出器１２は、電動機２に流れる三相のモータ電流Ｉｕ，Ｉｗを検出する。なお、交流電流検出器１２は、三相のうち二相の電流Ｉｕ，Ｉｗを計測すればよい。交流電流検出器１２は、検出したモータ電流Ｉｕ，Ｉｗをインバータ制御装置１に出力する。

次に、インバータ制御装置１の構成について説明する。

インバータ制御装置１は、ＤＱ軸電流位相角指令演算部２１と、ＤＱ軸電流指令演算部２２と、電流制御部２３と、座標変換部２４と、ＰＷＭ(pulse width modulation)制御部２５と、座標変換部２６と、回転数演算部２７とを備える。

回転数演算部２７には、位置検出器１１により検出されたロータの位相θｍが入力される。回転数演算部２７は、入力されたロータの位相θｍに基づいて、電動機２の回転数Ｎｒを演算する。回転数演算部２７は、演算した回転数ＮｒをＤＱ軸電流位相角指令演算部２１に出力する。

ＤＱ軸電流位相角指令演算部２１には、電動機２のトルクを制御するためのトルク指令Ｔｍ＊、回転数演算部２７により演算された回転数Ｎｒ、及び予め設定された直流電圧指令Ｖｄｃ０＊が入力される。直流電圧指令Ｖｄｃ０＊は、最大トルク時に必要となる電圧値に設定されている。ＤＱ軸電流位相角指令演算部２１は、トルク指令Ｔｍ＊、回転数Ｎｒ、及び直流電圧指令Ｖｄｃ０＊に基づいて、ＤＱ軸電流位相角指令θＩｄｑ＊を演算する。ＤＱ軸電流位相角指令演算部２１は、演算したＤＱ軸電流位相角指令θＩｄｑ＊をＤＱ軸電流指令演算部２２に出力する。

ここで、ＤＱ軸電流位相角指令θＩｄｑ＊は、図２に示すＤＱ軸電流位相角θＩｄｑに対する指令値である。Ｄ軸は、磁石磁束方向である。Ｑ軸は、磁石磁束方向と垂直方向である。ＤＱ軸電流位相角θＩｄｑは、電動機２に流れる電流ＩｄｑのＤ軸に対する位相角を表している。電動機２に流れる電流Ｉｄｑは、Ｄ軸電流ＩｄとＱ軸電流Ｉｑを合成した電流である。Ｄ軸電流Ｉｄは、Ｄ軸方向に流れる電流である。Ｑ軸電流Ｉｑは、Ｑ軸方向に流れる電流である。

ＤＱ軸電流指令演算部２２には、トルク指令Ｔｍ＊及びＤＱ軸電流位相角指令演算部２１により演算されたＤＱ軸電流位相角指令θＩｄｑ＊が入力される。ＤＱ軸電流指令演算部２２は、トルク指令Ｔｍ＊及びＤＱ軸電流位相角指令θＩｄｑ＊に基づいて、Ｄ軸電流指令Ｉｄ＊及びＱ軸電流指令Ｉｑ＊を演算する。ＤＱ軸電流指令演算部２２は、演算したＤＱ軸電流指令Ｉｄ＊，Ｉｑ＊を電流制御部２３に出力する。

座標変換部２６には、交流電流検出器１２により検出された電動機２の三相のモータ電流Ｉｕ，Ｉｗ及び位置検出器１１により検出されたロータの位相θｍが入力される。座標変換部２６は、ロータの位相θｍを用いて、三相のモータ電流Ｉｕ，ＩｗをＤ軸電流ＩｄとＱ軸電流Ｉｑに変換する。座標変換部２６は、変換したＤＱ軸電流Ｉｄ，Ｉｑを電流制御部２３に出力する。

電流制御部２３には、ＤＱ軸電流指令演算部２２により演算されたＤＱ軸電流指令Ｉｄ＊，Ｉｑ＊及び座標変換部２６により演算されたＤＱ軸電流Ｉｄ，Ｉｑが入力される。電流制御部２３は、ＤＱ軸電流Ｉｄ，ＩｑがそれぞれのＤＱ軸電流指令Ｉｄ＊，Ｉｑ＊に一致するように、ＤＱ軸出力電圧指令Ｖｄ＊,Ｖｑ＊を制御する。Ｄ軸出力電圧指令Ｖｄ＊は、インバータ８の出力電圧のＤ軸成分に対する指令値である。Ｑ軸出力電圧指令Ｖｑ＊は、インバータ８の出力電圧のＱ軸成分に対する指令値である。電流制御部２３は、演算した制御結果であるＤＱ軸出力電圧指令Ｖｄ＊,Ｖｑ＊を座標変換部２４に出力する。

座標変換部２４には、電流制御部２３により演算されたＤＱ軸出力電圧指令Ｖｄ＊,Ｖｑ＊及び位置検出器１１により検出されたロータの位相θｍが入力される。座標変換部２４は、ロータの位相θｍを用いて、ＤＱ軸出力電圧指令Ｖｄ＊,Ｖｑ＊を三相電圧指令Ｖｕ＊,Ｖｖ＊,Ｖｗ＊に変換する。三相電圧指令Ｖｕ＊,Ｖｖ＊,Ｖｗ＊は、インバータ８の出力電圧の各相に対する指令値である。座標変換部２４は、変換した三相電圧指令Ｖｕ＊,Ｖｖ＊,Ｖｗ＊をＰＷＭ制御部２５に出力する。

ＰＷＭ制御部２５は、座標変換部２４から入力された三相電圧指令Ｖｕ＊,Ｖｖ＊,Ｖｗ＊に基づいて、インバータ８のスイッチング素子をＰＷＭ（パルス幅変調）制御するためのゲート信号を生成する。このゲート信号により、インバータ８の出力電圧は、三相電圧指令Ｖｕ＊,Ｖｖ＊,Ｖｗ＊に追従するように制御される。

図３は、ＤＱ軸電流位相角指令演算部２１の構成を示す構成図である。図４は、ＤＱ軸電流位相角指令θＩｄｑ＊と各種パラメータとの関係を示すグラフ図である。

ＤＱ軸電流位相角指令演算部２１は、ＤＱ軸電流位相角基準演算部２１１と、位相制限値演算部２１２と、位相制限部２１３とを備える。

ＤＱ軸電流位相角基準演算部２１１は、トルク指令Ｔｍ＊に基づいて、ＤＱ軸電流位相角基準θＩｄｑｒを演算する。ＤＱ軸電流位相角基準演算部２１１は、演算したＤＱ軸電流位相角基準θＩｄｑｒを位相制限部２１３に出力する。

図４を参照して、ＤＱ軸電流位相角基準θＩｄｑｒの演算方法について説明する。

トルク指令Ｔｍ＊の絶対値が第１のトルクＴｍ１よりも小さいときは、ＤＱ軸電流位相角基準θＩｄｑｒは、９０度とする。トルク指令Ｔｍ＊の絶対値が第１のトルクＴｍ１よりも小さいときとは、電動機２のトルクが略無負荷と判断されるときである。

トルク指令Ｔｍ＊の絶対値が第２のトルクＴｍ２よりも大きいときは、ＤＱ軸電流位相角基準θＩｄｑｒは、電流値最小位相角θＩｄｑ０とする。トルク指令Ｔｍ＊の絶対値が第２のトルクＴｍ２よりも大きいときとは、電動機２のトルクが通常である（無負荷又は軽負荷ではない）と判断されるときである。また、ＤＱ軸電流位相角基準θＩｄｑｒの初期値は、電流値最小位相角θＩｄｑ０に設定されている。

トルク指令Ｔｍ＊の絶対値が第１のトルクＴｍ１以上で第２のトルクＴｍ２以下のとき（即ち、軽負荷のとき）は、ＤＱ軸電流位相角基準θＩｄｑｒは、図４に示すように、トルク指令Ｔｍ＊の絶対値の増加に従い、９０度から電流値最小位相角θＩｄｑ０に近づくように決定する。

ここで、電流値最小位相角θＩｄｑ０について説明する。一般に、埋め込み磁石型永久磁石同期電動機では、最小の電流Ｉｄｑ０で最大のトルクを得るためのＤＱ軸電流位相角θＩｄｑの最適値がある。この最適値が電流値最小位相角θＩｄｑ０である。電流値最小位相角θＩｄｑ０は、リラクタンストルクを利用するように、ＤＱ軸電流の位相角をＱ軸からマイナスＤ軸へと近づけた位置にある。電流値最小位相角θＩｄｑの電流Ｉｄｑ０は、マイナスのＤ軸電流ＩｄとプラスのＱ軸電流Ｉｑを同時に流した状態である。

位相制限値演算部２１２には、予め設定された直流電圧指令Ｖｄｃ０＊及び回転数演算部２７により演算された回転数Ｎｒが入力される。位相制限値演算部２１２は、直流電圧指令Ｖｄｃ０＊又は回転数Ｎｒに基づいて、ＤＱ軸電流位相角指令θＩｄｑ＊を制限するための下限値である位相制限値θｌｉｍを演算する。位相制限値θｌｉｍは、インバータ８の出力電圧が飽和した状態からさらに上昇させないようにするための制限値である。位相制限値演算部２１２は、演算した位相制限値θｌｉｍを位相制限部２１３に出力する。

位相制限部２１３は、ＤＱ軸電流位相角基準演算部２１１により演算されたＤＱ軸電流位相角基準θＩｄｑｒを位相制限値演算部２１２により演算された位相制限値θｌｉｍで制限する。位相制限部２１３は、位相制限値θｌｉｍで制限したＤＱ軸電流位相角基準θＩｄｑｒをＤＱ軸電流位相角指令θＩｄｑ＊として、ＤＱ軸電流指令演算部２２に出力する。

図５は、本実施形態に係る電動機２のモータ端子電圧Ｖｍｌ，Ｖｍｌ０，Ｖｍｎ，Ｖｍｈと回転数Ｎｒとの関係を示すグラフ図である。モータ端子電圧とは、電動機２の端子に発生する電圧であり、インバータ８の出力電圧でもある。

モータ端子電圧Ｖｍｎは、トルクが無負荷のときを表している。モータ端子電圧Ｖｍｈは、ＤＱ軸電流位相角θＩｄｑが電流値最小位相角θＩｄｑ０で、最大トルクのときを表している。モータ端子電圧Ｖｍｌ０は、ＤＱ軸電流位相角θＩｄｑが電流値最小位相角θＩｄｑ０で、トルクが軽負荷のときを表している。モータ端子電圧Ｖｍｌは、ＤＱ軸電流位相角θＩｄｑがＤＱ軸電流位相角指令θＩｄｑ＊に従った位相で、トルクが軽負荷のときを表している。即ち、モータ端子電圧Ｖｍｌは、インバータ制御装置１で制御された軽負荷時のモータ端子電圧である。

ＤＱ軸電流位相角θＩｄｑが電流値最小位相角θＩｄｑ０の場合、マイナスのＤ軸電流ＩｄとプラスのＱ軸電流Ｉｑを流す。マイナスのＤ軸電流Ｉｄは、磁石磁束を打ち消す作用がある。このため、トルクが軽負荷の場合、無負荷時に比べてモータ端子電圧（即ち、ＤＱ軸出力電圧）が減少する。更にトルクが増加すると、Ｑ軸電流Ｉｑが増加することによるＤ軸リアクタンスが増加し、モータ端子電圧（ＤＱ軸出力電圧）は増加に転じる。

これらのモータ端子電圧の関係は、図５に示ように、横軸を回転数にとると、軽負荷時のモータ端子電圧Ｖｍｌ０（電流値最小位相角θＩｄｑ０）、無負荷時のモータ端子電圧Ｖｍｎ、最大トルク時のモータ端子電圧Ｖｍｈ、という順にモータ端子電圧が増加する。

インバータ制御装置１では、ＤＱ軸電流位相角θＩｄｑをＤＱ軸電流位相角指令θＩｄｑ＊に従って変化させることで、軽負荷時のＤＱ軸電流位相角θＩｄｑを電流値最小位相角θＩｄｑ０よりもＱ軸に近づける方向に調整する。これにより、軽負荷時のモータ端子電圧Ｖｍｌは、無負荷時のモータ端子電圧Ｖｍｎに近い値まで増加する。このように、軽負荷時のモータ端子電圧Ｖｍｌを増加させることにより、電動機２の損失を低減する。

次に、位相制限値θｌｉｍにより、ＤＱ軸電流位相角θＩｄｑをＱ軸に近づける制限をする理由について説明する。

モータ損失の点では、高速回転中のモータ損失の大部分は、銅損ではなく鉄損が占める。電動機２にＤ軸電流Ｉｄを流すことにより、モータ端子電圧に大きく寄与するギャップ磁束の基本波成分を増減させることができる。しかし、Ｄ軸電流Ｉｄを流しても、ギャップ磁束の低次高調波成分までは、制御することができない。このため、Ｄ軸電流Ｉｄを流すことで、ギャップ磁束の歪みが増加して、鉄損が増加する場合がある。

例えば、インバータ８の出力電圧が飽和すると、マイナスのＤ軸電流Ｉｄを流し、ギャップ磁束の基本波成分を低減する弱め界磁制御が行われる。この場合、ギャップ磁束の歪みは大きくなり、電動機２の低次高調波損失が増加する場合がある。また、プラスのＤ軸電流Ｉｄを流し過ぎても、その歪みにより損失が増加することがある。

即ち、出力電圧飽和が生じない又は出力電圧が丁度飽和する動作点で、ＤＱ軸電流位相角θＩｄｑをＱ軸に近づける方向に調整することで、電動機２のモータ損失の低減が期待できる。

従って、インバータ制御装置１では、ＤＱ軸電流位相角θＩｄｑの制御により、出力電圧飽和状態よりもさらにインバータ８の出力電圧が上昇しないように、位相制限値θｌｉｍで制限する。これにより、インバータ制御装置１は、弱め界磁制御をしないように、ＤＱ軸電流位相角θＩｄｑの制御をすることができる。

本実施形態によれば、電動機２のトルク指令Ｔｍ＊に基づいて、ＤＱ軸電流位相角θＩｄｑを変化させることで、モータドライブ装置１０の全体の損失を低減することができる。

（第２の実施形態）
図６は、本発明の第２の実施形態に係るモータドライブ装置１０Ａの構成を示す構成図である。

モータドライブ装置１０Ａは、図１に示す第１の実施形態に係るモータドライブ装置１０において、直流電圧検出器１３、交流電流検出器１４、交流電圧検出器１５、及びコンバータ制御装置９を追加した構成である。インバータ制御装置１は、予め設定された直流電圧指令Ｖｄｃ０＊の代わりにコンバータ制御装置９で演算される直流電圧指令Ｖｄｃ＊を用いる。その他の点は、第１の実施形態と同様である。

直流電圧検出器１３は、インバータ８に入力される直流リンクの直流電圧Ｖｄｃを検出する。直流電圧検出器１３は、検出した直流電圧Ｖｄｃをコンバータ制御装置９に出力する。

交流電流検出器１４は、コンバータ６の交流側の交流電流Ｉｓを検出する。交流電流検出器１４は、検出した交流電流Ｉｓを電流制御部９５に出力する。

交流電圧検出器１５は、主変圧器５の１次側の交流電圧Ｖｓを検出する。交流電圧検出器１５は、検出した交流電圧Ｖｓをコンバータ制御装置９に出力する。

コンバータ制御装置９は、直流電圧検出器１３により検出された直流電圧Ｖｄｃ、交流電流検出器１４により検出された交流電流Ｉｓ、及び交流電圧検出器１５により検出された交流電圧Ｖｓに基づいて、コンバータ６を制御する。これにより、インバータ８に入力される直流リンクの直流電圧Ｖｄｃが制御される。

コンバータ制御装置９は、直流電圧下限演算部９１と、直流電圧指令演算部９２と、減算器９３と、電圧制御部９４と、電流制御部９５と、ＰＷＭ制御部９６とを備える。

直流電圧下限演算部９１には、交流電圧検出器１５により検出された主変圧器５の１次側の交流電圧Ｖｓが入力される。直流電圧下限演算部９１は、入力された交流電圧Ｖｓに基づいて、直流リンクに印加される直流電圧Ｖｄｃの下限値Ｖｍｉｎを演算する。直流電圧下限演算部９１は、演算した直流電圧下限値Ｖｍｉｎを減算器９３及びインバータ制御装置１の直流電圧指令演算部９２に出力する。

直流電圧指令演算部９２には、トルク指令Ｔｍ＊、直流電圧下限演算部９１により演算された直流電圧下限値Ｖｍｉｎ、及び回転数演算部２７により演算された回転数Ｎｒが入力される。直流電圧指令演算部９２は、トルク指令Ｔｍ＊、直流電圧下限値Ｖｍｉｎ、及び回転数Ｎｒに基づいて、直流電圧Ｖｄｃを制御するための直流電圧指令Ｖｄｃ＊を演算する。直流電圧指令Ｖｄｃ＊は、直流電圧下限値Ｖｍｉｎよりも大きい値にする。直流電圧指令演算部９２は、演算した直流電圧指令Ｖｄｃ＊を減算器９３及びインバータ制御装置１のＤＱ軸電流位相角指令演算部２１に出力する。

減算器９３には、直流電圧指令演算部９２により演算された直流電圧指令Ｖｄｃ＊及び直流電圧検出器１３により検出された直流電圧Ｖｄｃが入力される。減算器９３は、直流電圧指令Ｖｄｃ＊から直流電圧Ｖｄｃを減算して、偏差を算出する。減算器９３は、演算した直流電圧指令Ｖｄｃ＊と直流電圧Ｖｄｃとの偏差を電圧制御部９４に出力する。

電圧制御部９４は、減算器９３により演算された偏差が零になるように、コンバータ６の交流電流Ｉｓの振幅指令ＩｓＡＭＰ＊を制御する。電圧制御部９４は、演算した制御結果である振幅指令ＩｓＡＭＰ＊を電流制御部９５に出力する。

電流制御部９５には、交流電流検出器１４により検出されたコンバータ６の交流電流Ｉｓ、交流電圧検出器１５により検出された交流電圧Ｖｓ、及び電圧制御部９４により演算された振幅指令ＩｓＡＭＰ＊が入力される。電流制御部９５は、交流電圧Ｖｓに基づいて、位相を算出して、集電装置３が供給を受ける交流電源と同相になるように、交流電流指令を演算する。電流制御部９５は、コンバータ６の交流電流Ｉｓが演算した交流電流指令と一致するように、コンバータ交流電圧指令Ｖｃ＊を演算する。電流制御部９５は、演算したコンバータ交流電圧指令Ｖｃ＊をＰＷＭ制御部９６に出力する。

ＰＷＭ制御部９６は、電流制御部９５により演算された交流電圧指令Ｖｃ＊に基づいて、コンバータ６のスイッチング素子をＰＷＭ制御するためのゲート信号を生成する。このゲート信号により、コンバータ６から出力される直流電圧Ｖｄｃは、直流電圧指令Ｖｄｃ＊に追従するように制御される。これにより、直流リンクの直流電圧Ｖｄｃは、主変圧器５の２次電圧のピーク値（波高値）より高い電圧に制御される。

次に、直流電圧指令演算部９２により演算される直流電圧指令Ｖｄｃ＊について説明する。

図７は、本実施形態に係る直流電圧指令Ｖｄｃ＊を示すグラフ図である。図７は、図２に示すグラフ図に、直流電圧指令Ｖｄｃ＊を加えたものである。図７に示す直流電圧指令Ｖｄｃ＊は、モータ端子電圧相当に換算した値で図示している。

コンバータ６のような、単相交流電圧を入力し直流電圧を出力するコンバータ方式の場合、入力される交流電圧の主変圧器５の２次換算値のピーク値以上の直流電圧Ｖｄｃを出力する必要がある。そこで、コンバータ制御装置９は、主変圧器５の１次側の交流電圧（架線電圧）Ｖｓに基づいて、直流電圧Ｖｄｃの下限値Ｖｍｉｎを演算して、この下限値Ｖｍｉｎの範囲内で、直流電圧Ｖｄｃを低下させる。なお、直流電圧Ｖｄｃの上限値は、最大トルク時に必要となる電圧値であり、即ち、第１の実施形態に係る直流電圧指令Ｖｄｃ０＊である。

ここで、モータドライブ装置１０Ａの損失の低減について説明する。

コンバータ６及びインバータ８のスイッチングに起因する高次高調波鉄損は、入力される直流電圧Ｖｄｃが高いほど大きい。また、コンバータ６及びインバータ８のスイッチング損失は、入力される直流電圧Ｖｄｃが高いほど大きい。

コンバータ制御装置９は、直流電圧指令Ｖｄｃ＊に従って、インバータ８に入力される直流電圧Ｖｄｃを最大トルク時に必要な電圧よりも低下させることで、電動機２の鉄損、又はコンバータ６及びインバータ８のスイッチング損失を低減する。

また、直流電圧Ｖｄｃが低下し、変調率が１に近づく条件（即ち、出力電圧飽和の条件）になった場合、インバータ制御装置１は、インバータ８を１パルス運転又は３パルス運転などの低パルス運転をさせてもよい。これにより、インバータ８のスイッチング損失がさらに低減される。

本実施形態によれば、第１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。

モータドライブ装置１０Ａは、コンバータ制御装置９により、インバータ８に入力される直流電圧Ｖｄｃを低下させることで、電動機２の鉄損、又はコンバータ６及びインバータ８のスイッチング損失を低減することができる。

なお、各実施形態では、モータドライブ装置１０，１０Ａを鉄道車両に用いた場合について説明したが、電気自動車に用いてもよい。電気自動車に用いる場合は、インバータ８に供給する直流電力をコンバータ６の代わりに蓄電池などの直流電力を出力する別の電源を用いてもよい。

第２の実施形態において、インバータ８に入力される直流電圧Ｖｄｃは、システム（装置）構成又は外部条件によって制限される場合がある。従って、直流電圧下限演算部９１により演算される直流電圧Ｖｄｃの下限値Ｖｍｉｎの演算方法は、適用するシステムによって適宜変更してよい。このように変更されたシステムでも、インバータ８に入力される直流電圧Ｖｄｃを可能な範囲で下げるように制御することで、第２の実施形態と同様に、電動機２の鉄損、又はコンバータ６及びインバータ８のスイッチング損失を低減することができる。

各実施形態において、ＤＱ軸電流位相角θＩｄｑの制御方法は、説明したものに限らない。例えば、第２の実施形態のように、インバータ８に入力される直流電圧Ｖｄｃを可変に制御できる場合、モータ端子電圧もＤ軸電流Ｉｄにより制御することができることから、ＤＱ軸電流位相角θＩｄｑを決定する上で、二つの自由度が存在する。この両者の最適条件は、システム、機器、又は外部条件などに拠るものである。従って、回転数、トルク、又は設定可能な直流電圧（第２の実施形態では、架線電圧に依存する）などを入力として、システムの損失が最小化するように決定すればよい。

なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…インバータ制御装置、２…電動機、３…集電装置、４…車輪、５…主変圧器、６…コンバータ、７…平滑コンデンサ、８…インバータ、１０…モータドライブ装置、１１…位置検出器、１２…交流電流検出器。

Claims (7)

1. リラクタンストルクと磁石トルクを併用する電動機と、
   前記電動機を駆動するための電力を供給するインバータと、
   前記電動機に流れるモータ電流を検出するモータ電流検出手段と、
   前記電動機の磁石方向をＤ軸とし、前記Ｄ軸と垂直方向をＱ軸とし、前記電動機のトルクを制御するためのトルク指令に基づいて、前記モータ電流の前記Ｄ軸と前記Ｑ軸からなるＤＱ軸座標の位相角に対する指令である電流位相角指令を、前記電動機の最大トルクを最小の前記モータ電流で得るための電流値最小位相と前記Ｑ軸との間の値で、演算する電流位相角指令演算手段と、
   前記電流位相角指令演算手段により演算された前記電流位相角指令及び前記トルク指令に基づいて、前記モータ電流を制御するための前記ＤＱ軸座標の電流指令を演算する電流指令演算手段と、
   前記電流指令演算手段により演算された前記電流指令に基づいて、前記モータ電流検出手段により検出された前記モータ電流を制御するように、前記インバータを制御するインバータ制御手段と
   を備えることを特徴とするモータドライブ装置。
2. 前記電流位相角指令演算手段は、前記電動機に発生するモータ電圧が、前記電動機のトルクの無負荷時よりも低い場合に、前記モータ電圧が高くするように前記電流位相角指令を演算すること
   を特徴とする請求項１に記載のモータドライブ装置。
3. 交流電力を前記インバータに供給するための直流電力に変換するコンバータと、
   前記コンバータから出力される直流電圧を制御する直流電圧制御手段と
   を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のモータドライブ装置。
4. 前記直流電圧制御手段は、前記トルク指令が前記最大トルクでない場合、前記最大トルクに必要な電圧よりも低い電圧に、前記直流電圧を低下させること
   を特徴とする請求項３に記載のモータドライブ装置。
5. 前記コンバータに印加される交流電圧を検出する交流電圧検出手段と、
   前記交流電圧検出手段により検出された交流電圧に基づいて、前記コンバータから出力される直流電圧の下限値を演算する直流電圧下限値演算手段とを備え、
   前記直流電圧制御手段は、前記コンバータから出力される直流電圧を前記直流電圧の下限値以上に制御すること
   を特徴とする請求項４に記載のモータドライブ装置。
6. リラクタンストルクと磁石トルクを併用する電動機を駆動するための電力を供給するインバータを制御するインバータ制御装置であって、
   前記電動機に流れるモータ電流を検出するモータ電流検出手段と、
   前記電動機の磁石方向をＤ軸とし、前記Ｄ軸と垂直方向をＱ軸とし、前記電動機のトルクを制御するためのトルク指令に基づいて、前記モータ電流の前記Ｄ軸と前記Ｑ軸からなるＤＱ軸座標の位相角に対する指令である電流位相角指令を、前記電動機の最大トルクを最小の前記モータ電流で得るための電流値最小位相と前記Ｑ軸との間の値で、演算する電流位相角指令演算手段と、
   前記電流位相角指令演算手段により演算された前記電流位相角指令及び前記トルク指令に基づいて、前記モータ電流を制御するための前記ＤＱ軸座標の電流指令を演算する電流指令演算手段と、
   前記電流指令演算手段により演算された前記電流指令に基づいて、前記モータ電流検出手段により検出された前記モータ電流を制御するように、前記インバータを制御するインバータ制御手段と
   を備えることを特徴とするインバータ制御装置。
7. リラクタンストルクと磁石トルクを併用する電動機を駆動するための電力を供給するインバータを制御するインバータ制御方法であって、
   前記電動機に流れるモータ電流を検出し、
   前記電動機の磁石方向をＤ軸とし、前記Ｄ軸と垂直方向をＱ軸とし、前記電動機のトルクを制御するためのトルク指令に基づいて、前記モータ電流の前記Ｄ軸と前記Ｑ軸からなるＤＱ軸座標の位相角に対する指令である電流位相角指令を、前記電動機の最大トルクを最小の前記モータ電流で得るための電流値最小位相と前記Ｑ軸との間の値で演算し、
   演算した前記電流位相角指令及び前記トルク指令に基づいて、前記モータ電流を制御するための前記ＤＱ軸座標の電流指令を演算し、
   演算した前記電流指令に基づいて、検出した前記モータ電流を制御するように、前記インバータを制御すること
   を含むことを特徴とするインバータ制御方法。

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