JP2017093228A - 電気ブレーキユニット - Google Patents

Abstract

【課題】大容量の制動電力を消費でき、且つ装置を比較的小型に構成することが可能な電気ブレーキユニットを提供する。【解決手段】入力が直流母線に接続され、３相交流を出力するインバータ５と、インバータ５の出力に負荷として接続された３相の制動用抵抗器６と、制動用抵抗器５の入力電流を検出する電流検出器７と、直流母線の電圧を検出する電圧検出器９と、インバータ５を制御する制御手段１０とで構成する。制御手段１０は、直流母線の電圧が所定の閾値を超えないようにインバータ５の出力電流を制御することによって、直流母線に接続された機器３、４の回生電力を吸収する。【選択図】図１

Description

この発明は、改良された電気ブレーキユニット関する。

交流電動機をインバータで駆動する場合、電動機を急減速させる必要がある用途においては、電動機の回生エネルギーを処理する必要がある。入力が交流電源で電源容量が大きい場合は、所謂回生コンバータを用いて電動機の減速時の回生エネルギーを交流電源に回生することが考えられるが、この場合は回生コンバータが必要となる。従ってインバータの直流部に抵抗器とスイッチング素子の直列回路で構成される制動抵抗回路を設け、この制動抵抗回路に消費される電力を制御して電気ブレーキとして動作させることが行われていた（例えば特許文献１参照。）。

特開２０１１−１６６９５４号公報（全体）

特許文献１に示された電気ブレーキは、制動容量が比較的小さい場合には有効であるが、制動容量が大きい場合にはスイッチング素子を並列に使用するなどの対策が必要となり、電気ブレーキユニットとして装置が大型化するという問題があった。本発明は上記問題点に鑑みて為されたもので、大容量の制動電力を消費でき、且つ装置を比較的小型に構成することが可能な電気ブレーキユニットを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の電気ブレーキユニットは、入力が直流母線に接続され、３相交流を出力する第１のインバータと、前記第１のインバータの出力に負荷として接続された３相の制動用抵抗器と、前記制動用抵抗器の入力電流を検出する電流検出器と、前記直流母線の電圧を検出する電圧検出器と、前記第１のインバータを制御する制御手段とを具備し、前記制御手段は、前記直流母線の電圧が所定の閾値を超えないように前記第１のインバータの出力電流を制御することによって、前記直流母線に接続された機器の回生電力を吸収するようにしたことを特徴としている。

この発明によれば、大容量の制動電力を消費でき、且つ装置を比較的小型に構成することが可能な電気ブレーキユニットを提供することが可能となる。

本発明の実施例１に係る電気ブレーキユニットの回路構成図。 本発明の実施例２に係る電気ブレーキユニットの回路構成図。 本発明の実施例３に係る電気ブレーキユニットの回路構成図。 本発明の実施例４に係る電気ブレーキユニットの回路構成図。

以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。

以下、本発明の実施例１に係る電気ブレーキユニットを、図１を参照して説明する。

電気ブレーキユニット１は直流発電機２が供給するＤＣ（直流）母線に接続されている。直流発電機２は例えばディーゼルエンジンによって駆動されている。そしてＤＣ母線にはインバータ３を介して交流電動機４が接続されている。交流電動機４は急減速を行う運転モードがあり、その場合は交流電動機４が発電機となってインバータ３を介してＤＣ母線に電力が回生される。

電気ブレーキユニット１は、ＤＣ母線からの直流を３相交流に変換するインバータ５と、この３相の交流出力に接続された３相の制動用抵抗器６と、制動用抵抗器６の入力電流を検出する電流検出器７と、入力の直流電圧を検出する電圧検出器８と、インバータ５を制御する制御部１０とで構成されている。図示を省略するが、３相の制動用抵抗器６は通常スター結線されている。

次に制御部１０の内部構成について説明する。与えられた直流電圧指令Ｖdc*は、電圧検出器９で検出された直流電圧Ｖdcと比較され、Ｖdc−Ｖdc*がＰＩ制御器である電圧制御器１１に与えられる。電圧制御器１１は、入力である上記差分が正のとき、この差分が最小となるように調節してｑ軸電流基準Ｉq*を出力する。このｑ軸電流基準Ｉq*は、後述する３相ｄｑ変換回路１５の出力であるｑ軸電流帰還Ｉqと比較され、その差分が電流制御器１２に与えられる。電流制御器１２は、この差分が最小となるように調節してｑ軸電圧基準Ｅq*を出力する。電流制御器１２は、通常ｑ軸だけでなくｄ軸の制御も行うように構成されているのが普通であるが、この図１の実施例においては電流制御器１２のｄ軸の入力には０を与える。従って、電流制御器１２のｄ軸の出力であるｄ軸電圧基準Ｅd*は０となる。尚、上述したように電流制御器１２はｑ軸とｄ軸の２つの制御器から成るが、簡単のため１台として図示している。

電圧基準Ｅq*及びＥd*は、ｄｑ３相変換器１３に与えられる。ｄｑ３相変換器１３において、角度発生器１６の出力であるθを基準位相として２軸の電圧基準Ｅq*及びＥd*を３相の電圧基準Ｖu*。Ｖv*、Ｖw*に変換する。この相の電圧基準Ｖu*。Ｖv*、Ｖw*をＰＷＭ回路１４に入力することによって、ＰＷＭ回路１３は、３相の電圧基準Ｖu*。Ｖv*、Ｖw*をインバータ５が出力するためのゲートパルスをインバータ５に与える。

一方、電流検出器７で検出された３相電流は３相ｄｑ変換回路１５に与えられる。そして、角度発生器１６の出力であるθを基準位相として、３相ｄｑ変換回路１５は、与えられた３相電流を２軸変換してｑ軸電流帰還Ｉq及びｄ軸電流帰還Ｉdを得る。

ここで角度発生器１６には出力周波数基準ｆ*が与えられる。出力周波数基準ｆ*は一定であり、例えば商用電源の周波数とする。角度発生器２５は与えられた周波数から１周期内の時間経過に応じた回転座標の基準位相角θを作成する。

以上の構成における動作を説明する。インバータ３が力行運転している場合には、電気ブレーキユニット１は動作しないように直流電圧基準Ｖdc*を設定する。すなわち、直流電圧基準Ｖdc*は、直流発電機２の定格出力電圧より若干高めに設定する。そして、交流電動機４が急減速し、インバータ３が回生運転する場合を考える。この回生エネルギーが少ないときは、ＤＣ母線の直流電圧は上昇しないが、回生エネルギーが増大していくと、このエネルギーを直流発電機２で吸収することが困難となって、ＤＣ母線電圧が上昇し、直流電圧基準Ｖdc*を超える。このとき、上述したようにインバータ５が３相電圧を出力することによって直流電圧の帰還ループとｑ軸電流の帰還ループが動作し、制動用抵抗器６に３相電流Ｉu、Ｉv、Ｉwが流れ、ここで電力が消費され、ＤＣ母線電圧の上昇を抑制する。ここで、電圧制御器１１は制御上のオフセット電圧ΔＶが存在するが上記制御が有効に動作すれば直流電圧Ｖdcは直流電圧基準Ｖdc*にオフセット電圧ΔＶを加算した閾値を超えることはない。この制御を常に有効に動作させるには、ＤＣ母線に接続される機器の最大の回生電力に応じてインバータ５及び制動用抵抗器６の容量を選定すれば良いことは明らかである。

以上の実施例１によれば、直流抵抗によるブレーキユニットに比べて少ない電流容量のインバータと制動抵抗器を用いることができる。直流抵抗の場合の電流容量をＩdcとしたとき、この実施例１によれば、（２／３）Ｉdc以下とすることが可能となる。また、インバータ５及び制御部１０については、標準の汎用インバータを流用することができるので、経済的にも有利となるばかりではなく、出力周波数を一定とすれば、低周波領域での電流制限などを行う必要がなくなる。

この図１に示す実施例１においては、２軸電流制御による手法を示したが、ｄ軸電流帰還Ｉdが０となる状態においてはｑ軸電流帰還Ｉqはインバータ５の出力電流Ｉと等価であるので、簡単に電流検出器７で検出した出力電流Ｉそのものを制御する手法であっても本願は成立する。その場合は電圧制御器１１の出力を出力電流基準Ｉ*とし、電流制御器１２の出力で周波数ｆ*の３相電圧を得るようにする。図１の実施例においては、インバータ５の負荷である制動用抵抗器６は抵抗分のみであるので、インバータ５の出力電圧位相にｑ軸が一致するように基準位相角θを設定すれば、ｄ軸電流帰還Ｉdは０となり、ｑ軸電流帰還Ｉqはインバータ５の出力電流Ｉと等しくなる。逆に、ｄ軸電流帰還Ｉdが０となるように基準位相角θを制御してｑ軸電流帰還Ｉqとインバータ５の出力電流Ｉとを等しくすることも可能である。

また、後述するように負荷にリアクトルを加えた場合は負荷に力率角が生じる。この場合には予め分かっている負荷の力率角に応じて基準位相角θを適切に選定すれば、図１におけるｑ軸電流帰還Ｉqを、出力電流Ｉのうちの有効電流とすることができる。制動用抵抗器６で消費される電力はこの有効電流の２乗に比例するので、ｑ軸電流帰還Ｉqを有効電流とするのは合理的と言うことができる。

図２は本発明の実施例２に係る電気ブレーキユニットの回路構成図である。この実施例２の各部について、図１の本発明の実施例１に係る電気ブレーキユニットの各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、制動用抵抗器の入力側にＡＣリアクトル２０を直列に挿入した点である。

インバータ５の出力電圧波形は、ＰＷＭ回路１３のキャリア周波数などにもよるが、通常は急峻な立ち上がりを持つ矩形波である。従ってその負荷である制動用抵抗器６が抵抗分のみの場合は、電流Ｉu、Ｉv、Ｉwも同様に急峻な波形となる。これに対しこの実施例２のように適切なインダクタンスを有するＡＣリアクトル２０を負荷に直列に挿入することによって電流波形をより滑らかにし、ピーク電流を低減させると共に急峻に変化する電流によるノイズの発生を抑制し、また、３相ｄｑ変換回路１５の誤動作を防止することが可能となる。

図３は本発明の実施例３に係る電気ブレーキユニットの回路構成図である。この実施例３の各部について、図１の本発明の実施例１に係る電気ブレーキユニットの各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例３が実施例１と異なる点は、電流検出器７の出力側にフィルタ１７を設け、このフィルタ１７の出力を３相ｄｑ変換回路１５に与える構成とした点である。

フィルタ１７はローパスフィルタであり、高周波であるＰＷＭ周波数成分（例えば２ｋＨｚ）をカットして電流波形を正弦波に近づける。これにより、３相ｄｑ変換回路１５の誤動作を防止することが可能となる。この実施例３と上記の実施例２を組み合わせれば、実施例２におけるＡＣリアクトル２０を小さくすることも可能となる。

図４は本発明の実施例４に係る電気ブレーキユニットの回路構成図である。この実施例４の各部について、図１の本発明の実施例１に係る電気ブレーキユニットの各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例４が実施例１と異なる点は、制動用抵抗器の入力側に開閉器２１を設けると共に開閉器２２を設け、開閉器２２を介して交流電動機３０を駆動可能な構成とした点、これに伴い、ｄｑ３相変換器１３の入力側に切替器１８を設け、交流電動機３０をインバータ５の出力で駆動するときは、周波数基準ｆ*を入力とする電圧発生器１９で作成した電圧基準をｄｑ３相変換器１３に与える構成とした点、また交流電動機３０を通常駆動するための交流電源３１と開閉器３２を図示した点である。

図４においてインバータ３によって交流電動機４が力行運転しているときには、インバータ５は何ら動作していない。従ってインバータ３の運転スケジュールが予め分かっている場合には、インバータ３が回生運転とならない期間に限り、インバータ５を交流電動機３０の可変速駆動用に使用することが可能である。

具体的には、常時は交流電源３１から開閉器３２を介して駆動されていた交流電動機３０は、上記期間において、開閉器３２及び２１を開放し、開閉器２２を投入することによって、インバータ５の出力で交流電動機３０を可変速駆動する。このとき、切替器１８を切替えることによって、ｄｑ３相変換器１３に与えていた電圧基準を、周波数基準ｆ*に応じた電圧基準に切り替える。切り替える電圧基準は、ｑ軸電圧基準Ｅq*であってもｄ軸電圧基準Ｅd*であっても良い。このようにすれば、周波数基準ｆ*を調整することによって交流電動機３０をオープンループで可変速駆動することが可能となる。例えば、インバータ３あるいは交流電動機４を冷却するためのファンなどに交流電動機３０を用いれば、インバータ３あるいは交流電動機４が低負荷で運転しているとき、周波数基準ｆ*を低下させて交流電動機３０を所謂省エネルギー運転することが可能となる。尚、この場合の応用はファンに限定することなく、すくなくともインバータ３及び交流電動機４の一方を冷却するための動力源として交流電源３１を用いれば良い。

以上、いくつかの実施例について説明したが、これらの実施例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。これら新規な実施例は、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。これら実施例やその変形は、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。

例えば、ＤＣ母線に直流電力を供給する直流電源は、必ずしも直流発電機である必要はなく、例えば交流電源を整流器で直流に変換するものであっても良い。

また、図１において電流検出器７は３相の電流を検出するものとして図示してあるが、何れかの２相を検出し、他の１相は演算で求める構成としても良い。

また、図１においてＤＣ母線に接続される機器は、インバータ３で駆動される交流電動機４としたが、このような駆動系が複数台あっても良く、更に、インバータを用いず、チョッパ等で直流電動機が駆動されるものであっても良い。すなわち、回生電力が生ずるような機器が接続されていれば良い。

また、請求項４において交流電動機３０を駆動するときのインバータ５の制御をオープンループとしたが、センサレスベクトル制御等の制御を行っても良い。

また、実施例１において、負荷の力率角に応じて基準位相角θを設定すれば、ｑ軸電流帰還Ｉqを有効電流とすることができると説明したが、インバータ５の出力電圧を検出し、この出力電圧と電流検出器７で検出される出力電流の位相差から負荷の力率角を検出することも可能である。

１ 電気ブレーキユニット
２ 直流発電機
３ インバータ
４ 交流電動機
５ インバータ
６ 制動用抵抗器
７ 電流検出器
８ 電圧検出器
９ 電圧検出器
１０ 制御部
１１ 電圧制御器
１２ 電流制御器
１３ ｄｑ３相変換器
１４ ＰＷＭ制御器
１５ ３相ｄｑ変換器
１５ 位相検出器
１６ 角度発生器
１７ フィルタ
１８ 切替器
１９ 電圧発生器
２０ ＡＣリアクトル
２１、２２、３２ 開閉器
３０ 交流電動機
３１ 交流電源

Claims (8)

1. 入力が直流母線に接続され、３相交流を出力する第１のインバータと、
   前記第１のインバータの出力に負荷として接続された３相の制動用抵抗器と、
   前記制動用抵抗器の入力電流を検出する電流検出器と、
   前記直流母線の電圧を検出する電圧検出器と、
   前記第１のインバータを制御する制御手段と
   を具備し、
   前記制御手段は、
   前記直流母線の電圧が所定の閾値を超えないように前記第１のインバータの出力電流を制御することによって、前記直流母線に接続された機器の回生電力を吸収するようにしたことを特徴とする電気ブレーキユニット。
2. 前記制御手段は、
   与えられた周波数基準から基準位相角を作成する角度発生器と、
   前記電流検出器で検出された３相電流を、前記基準位相角によって２軸のｄ軸電流帰還及びｑ軸電流帰還に変換する３相ｄｑ変換器と、
   前記前記直流母線の電圧が所定の閾値を超えたとき、ｑ軸電流基準を出力する電圧制御器と、
   前記ｑ軸電流基準と前記ｑ軸電流帰還との差分が最小となるように制御してｑ軸電圧基準を出力する電流制御器と、
   前記ｑ軸電圧基準と与えられたｄ軸電圧基準を、前記基準位相角によって３相の電圧基準に変換するｄｑ３相変換器と、
   前記３相の電圧基準をＰＷＭ制御して前記第１のインバータのゲート制御信号を得るＰＷＭ制御器と
   を有することを特徴とする請求項１に記載の電気ブレーキユニット。
3. 前記第１のインバータの出力電流のうち、有効電流を制御するようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電気ブレーキユニット。
4. 前記３相の制動用抵抗器に直列に３相交流リアクトルを挿入したことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の電気ブレーキユニット。
5. 前記電流検出器の出力にフィルタを設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の電気ブレーキユニット。
6. 前記直流母線に接続された機器は、１台の第２のインバータと、この第２のインバータで駆動される１台の第１の交流電動機を含んでいることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の請求項１または請求項２に記載の電気ブレーキユニット。
7. 前記直流母線に接続された機器の回生電力がない期間、前記第１のインバータによって第２の交流電動機を駆動可能な構成としたことを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の電気ブレーキユニット。
8. 前記第２の交流電動機は、前記直流母線に接続された機器を冷却するための動力源であることを特徴とする請求項７に記載の電気ブレーキユニット。