JP2023020116A - 電動機駆動装置および電動機駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】インバータの非同期ＰＷＭ制御時の高調波成分により、駆動回路のＬＣ共振成分と一致して発生する直流電圧または電流の変動を抑制し、または、路線の軌道回路の動作周波数成分と一致して発生する軌道回路への外乱を抑制する。
【解決手段】電動機駆動装置として、電動機を駆動するインバータと、インバータを少なくとも非同期ＰＷＭ駆動によって制御する制御装置とを備え、非同期ＰＷＭ駆動時に、制御装置は、設定したＰＷＭ周波数とインバータのインバータ周波数の高調波成分との差分の周波数が、インバータが有するＬＣフィルタの共振周波数以下または電動機を搭載する鉄道車両の位置を検出する軌道回路の動作周波数以下になる場合、のインバータ周波数の領域では、設定したＰＷＭ周波数を変更する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動機を駆動するための駆動装置および駆動方法に関し、特に、鉄道車両に搭載する電動機を駆動する駆動装置および駆動方法として好適である。

インバータを用いて交流電動機を制御する駆動装置は、産業界で広く利用されており、鉄道車両用電動機の駆動装置においても同様である。
この態様の駆動装置では、直流電圧変動を抑制するための平滑コンデンサや、直流き電の鉄道車両のように、高調波吸収用のリアクトルを配置するなどして、直流電圧の平滑化や高周波成分の抑制が図られている。

直流電圧の平準化や高調波成分の抑制のために、ＬＣフィルタ回路が駆動装置に配置される。ところが、このＬＣフィルタ回路は、ＬＣ共振周波数以上では周波数の二乗で高周波成分を低減する一方で、ＬＣ共振周波数以下では減衰効果を持たず、共振周波数では逆に振動を増加する特性となる。このため、制御装置からＬＣ共振周波数以下の成分を含む高周波成分が出力されると、制御の不安定化や直流電圧または電流の高調波成分の増加などの問題が発生する。

そこで、駆動装置に発生するこのような共振現象を抑制するために、特許文献１には、直流電圧変動成分を基にトルクを操作することでＬＣフィルタによる共振現象を抑制するダンピング制御技術が開示されている。また、特許文献２には、電動機の回転数がＬＣフィルタの共振周波数と近づく場合にＰＷＭ周波数を増加させる技術が開示されている。

特許４９０６９８０号公報 特開２０１９－１０３３２５号公報

特許文献１および２に開示された手法により、ＬＣフィルタによる共振現象を抑制することが可能となる。
しかし、特許文献１および２に開示された手法では、駆動装置を非同期ＰＷＭ制御により駆動した場合に発生する高周波成分や、それにより発生する直流電圧または電流に発生する高調波成分についての言及がない。

一般的に、電動機駆動装置を非同期ＰＷＭ制御により駆動する場合、ＰＷＭ周波数とインバータ周波数の倍数の差分の高調波成分が発生する。このような高調波成分が、駆動装置のＬＣ共振成分と一致すると、直流電圧または電流に高周波成分が増加するという課題が発生する。また、このような高調波成分が路線の軌道回路の動作周波数成分と一致すると、軌道回路への外乱要素となる課題も発生する。

そこで、本発明の目的は、非同期ＰＷＭ制御時の高調波成分により、駆動装置のＬＣ共振成分と一致して発生する直流電圧または電流の変動を抑制すること、または、路線の軌道回路の動作周波数成分と一致して発生する軌道回路への外乱を抑制すること、を可能にする駆動装置を提供することである。

上記課題を解決するために、代表的な本発明の電動機駆動装置の一つは、電動機を駆動するインバータと、インバータを少なくとも非同期ＰＷＭ駆動によって制御する制御装置とを備え、非同期ＰＷＭ駆動時に、制御装置は、設定したＰＷＭ周波数とインバータのインバータ周波数の高調波成分との差分の周波数が、インバータが有するＬＣフィルタの共振周波数以下または電動機を搭載する鉄道車両の位置を検出する軌道回路の動作周波数以下になる場合、のインバータ周波数の領域では、設定したＰＷＭ周波数を変更するものである。

本発明によれば、非同期ＰＷＭ制御時の高調波成分が、駆動装置のＬＣフィルタの共振成分と一致しないようにＰＷＭ周波数を変更することで、共振現象による直流電圧または電流の変動を抑制することが可能となる。また、この高調波成分が、路線の軌道回路の周波数成分と一致しないようにＰＷＭ周波数を変更することで、軌道回路への外乱成分を抑制することが可能となる。さらに、インバータ周波数を基にＰＷＭ周波数を変更する構成であるため、追加の部品等を用いることなく安価に高調波成分を抑制することが可能となる。
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施をするための形態における説明により明らかにされる。

本実施例に係る電動機駆動装置の全体構成を示すブロック図である。 インバータ周波数の９次成分とＬＣフィルタの共振周波数との関係を示す図である。 インバータ周波数の９次成分とＬＣフィルタの共振周波数との組み合わせに対してＰＷＭ周波数を変更した場合の概略を示す図である。 ＰＷＭ周波数とインバータ周波数の９次成分との差分が共振周波数の２倍以下となった場合に、ＰＷＭ周波数を階段状に大きくする態様を示す図である。 インバータ周波数の９次成分に加えて１５次成分に係る差分が共振周波数の２倍以下とならないように、ＰＷＭ周波数を階段状に大きくする態様を示す図である。 インバータ周波数の９次成分と軌道回路の動作周波数との関係を示す図である。 本実施例に係る電動機駆動装置を鉄道車両用電動機に適用した場合の概略構成を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態として、本発明の実施例について、図面を参照して説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一部分には同一の符号を付して示し、周波数に関しては全て小文字ｆを使った表記としている。

本発明の実施例について、図１から図７を用いて説明する。本実施例は、電動機を本発明に係る駆動装置によって駆動する例である。

図１は、本実施例に係る電動機の駆動装置の全体構成を示すブロック図である。図示のように、制御装置２が生成した指令信号によってインバータ３が駆動され、インバータ３の出力電圧を受けて電動機１が運転される。電動機１に流れる電流は、電流検出回路４によって検出され、制御装置２に入力される。ここで、インバータ３は、図示しないが、直流電源より直流電力の供給を受け、平滑用のためのキャパシタおよびリアクトルを備えるものである。

制御装置２は、電流検出回路４からの電流検出値を基にして、ベクトル制御部２１が電圧指令値を演算する。ＰＷＭパルス生成部２２は、ベクトル制御部２１からの電圧指令値に基づいて、ＰＷＭパルス信号を生成する。インバータ３は、ＰＷＭパルス生成部２２からのＰＷＭパルス信号によって駆動され、電圧指令値に相当する出力電圧を発生する。

ベクトル制御部２１は、電動機１を一般的なベクトル制御を用いて駆動制御するものであって、制御方式を特定するものではない。

ＰＷＭパルス生成部２２は、電動機１の回転数や電圧に応じたＰＷＭパルス信号を生成している。鉄道車両駆動用の電動機に対しては、一般的に、低速域では非同期ＰＷＭモード、中高速域では同期ＰＷＭモードを適用して電動機１を駆動している。

電動機１を非同期ＰＷＭモードで駆動する場合、インバータ３の直流電圧側には、ＰＷＭパルス生成部２２が出力するＰＷＭ周波数Ｆｃとインバータ周波数Ｆｉｎｖにより、以下の（数１）の示すような高調波成分が、直流電圧に重畳される形で発生する。

また、インバータ３は、平滑用に備えたキャパシタとリアクトルにより、ＬＣフィルタとして共振周波数ｆＬＣの共振特性を持つ。一般的に、ＬＣフィルタによる共振周波数ｆＬＣは、数十Ｈｚ程度となる。このため、前記した直流電圧に重畳する高調波成分の差分成分と共振周波数ｆＬＣとが一致すると、共振成分が大きくなる状態が発生する。

具体例として、図２は、インバータ周波数Ｆｉｎｖの９次成分とＬＣフィルタの共振周波数ｆＬＣとの関係を示す図である。図２において、横軸はインバータ周波数Ｆｉｎｖ、縦軸はＰＷＭ周波数Ｆｃと高調波成分である。

図２に示すように、ＰＷＭ周波数Ｆｃとインバータ周波数Ｆｉｎｖの９次成分との差分成分（Ｆｃ－Ｆｉｎｖ＊９）は、インバータ周波数Ｆｉｎｖが大きくなると、右下がりに小さくなり、Ｆｃ＝Ｆｉｎｖ＊９となるインバータ周波数Ｆｉｎｖで０となり、その後はこの差分成分が増加していく関係となる。

このため、前記した９次成分との差分成分は、数百Ｈｚ程度から小さくなるが、インバータ周波数Ｆｉｎｖの上昇に伴い数十Ｈｚ付近にある共振周波数ｆＬＣより小さくなる領域が発生する（図２に示す破線枠の部分）。この領域では、ＬＣフィルタによる共振周波数以下の成分の増加が発生する。また、前記した現象は、図２で説明したインバータ周波数Ｆｉｎｖの９次成分以外の高次成分の場合でも同様に起こり得るものである。

以上のとおり、インバータ３を非同期ＰＷＭモードで駆動する場合には、直流成分に重畳する高調波成分が、ＬＣフィルタによる共振周波数ｆＬＣ以下となり、高調波成分が増加する領域が発生するという課題がある。

この課題に対しては、非同期ＰＷＭモードにおいて、前記したインバータ３の直流電圧側で発生する高調波成分が、ＬＣフィルタによる共振周波数ｆＬＣ以下とならないように、ＰＷＭ周波数Ｆｃを変更することで、簡易に高調波成分の増加を抑制することが可能となる。

一例として、図３は、インバータ周波数Ｆｉｎｖの９次成分とＬＣフィルタによる共振周波数ｆＬＣとの組み合わせに対して、ＰＷＭ周波数Ｆｃを変更した場合の概略を示す図である。

図３に示すように、ＰＷＭ周波数Ｆｃとインバータ周波数Ｆｉｎｖの９次成分との差分成分（Ｆｃ－９・Ｆｉｎｖ）による高調波成分は、インバータ周波数Ｆｉｎｖが大きくなると右下がりに小さくなっていき、共振周波数ｆＬＣの２倍の成分以下となる場合にＰＷＭ周波数Ｆｃを変更する。すなわち、この高調波成分が共振周波数ｆＬＣの２倍以下とならないようにして、高調波成分の増加を抑制することが可能となる。

具体的には、図３および以下に示すとおり、ＰＷＭ周波数Ｆｃとインバータ周波数Ｆｉｎｖの９次成分との差分である高調波成分（Ｆｃ－９・Ｆｉｎｖ）が、共振周波数ｆＬＣの２倍より小さくなる場合に対して、この高調波成分（Ｆｃ－９・Ｆｉｎｖ）が、共振周波数ｆＬＣの２倍の関係（数２）となるように、ＰＷＭ周波数Ｆｃを設定する（数３）。

以上のとおり、（数３）に示すＰＷＭ周波数Ｆｃを設定することで、ＰＷＭ周波数Ｆｃとインバータ周波数Ｆｉｎｖの９次成分との差分（Ｆｃ－９・Ｆｉｎｖ）による高調波成分が、共振周波数ｆＬＣの２倍より小さくなることがなくなり、高調波成分の増加を抑制することが可能となる。

図３では、前記した９次成分に係る差分による高調波成分について説明を行ったが、その他の成分についても、（数２）に示す左辺に、対象となる高調波成分を適用することで、同様にして、（数３）を導出しＰＷＭ周波数Ｆｃを設定することが可能となる。

また、ＰＷＭ周波数Ｆｃとインバータ周波数Ｆｉｎｖの高次成分とに伴い発生する高調波成分が、共振周波数ｆＬＣの２倍の成分に一致しないように、ＰＷＭ周波数Ｆｃを変更する方法としては、図３に示す態様に限定されるものではなく、この態様の変形も可能である。

変形例の一つとして、図４は、ＰＷＭ周波数Ｆｃとインバータ周波数Ｆｉｎｖの９次成分との差分（Ｆｃ－９・Ｆｉｎｖ）が共振周波数ｆＬＣの２倍以下となった場合に、ＰＷＭ周波数Ｆｃを階段状に大きくする態様を示す図である。

この変形例においても、前記した９次成分に係る差分による高調波成分が、共振周波数ｆＬＣの２倍以下とならないように設定することが可能である。この変形例では、図３に示す態様に比べて、ＰＷＭ周波数Ｆｃを階段状に大きくすることで、機械共振周波数との合致を避けることができ、また、連続変化による発生音の耳障り具合の低減を図ることができる。また、図４では、前記した９次成分に係る差分による高調波成分について示したが、他の高調波成分でも同様に変形することが可能である。

一方で、インバータ３で設定可能なＰＷＭ周波数Ｆｃには、インバータ３に使用する素子やゲートドライブ回路の特性により、設定可能な上限周波数が存在する。そのため、図４に示す階段状に大きくする態様では、変更していくとこの設定可能な上限周波数より大きな設定値に至る領域が発生することになる。

このような状態を回避する態様として、前記した９次成分に係る差分に加えて１５次成分に係る差分の場合について示す。図５は、前記した９次成分に係る差分に加えて１５次成分に係る差分が共振周波数ｆＬＣの２倍以下とならないように、ＰＷＭ周波数Ｆｃを階段状に大きくする態様を示す図である。

図５に示すように、１５次成分に係る差分に対応した、２＊ｆＬＣ＋１５＊ｆｉｎｖが設定可能な上限周波数に達した場合、ＰＷＭ周波数Ｆｃを、２＊ｆＬＣ＋１５＊ｆｉｎｖ以下かつ２＊ｆＬＣ＋９＊ｆｉｎｖ以上の値に一度設定する。その後に、ＰＷＭ周波数Ｆｃを、９次成分に係る差分が共振周波数ｆＬＣの２倍以下とならないように階段状に変化させる。

以上のように、ＰＷＭ周波数Ｆｃを階段状に変化させて、設定可能な上限周波数に達した場合、低い次数成分に係る差分が共振周波数ｆＬＣの２倍以下とならない設定で階段状に変化させる構成とすることで、設定可能な上限周波数以下で、共振周波数ｆＬＣ以下の成分の増加を抑制することが可能となる。また、図５では、１５次成分と９次成分との差分の場合を示したが、他の高調波成分でも同様に組み合わせることが可能である。

また、ＰＷＭ周波数Ｆｃを階段状に変化させる構成では、非同期ＰＷＭモードによる高調波成分がＬＣフィルタによる共振周波数ｆＬＣ以下とならないようにするためには、ＰＷＭ周波数Ｆｃは設定可能な上限値以下であればどのような設定値としてもよい。

ところで、非同期ＰＷＭ周波数でインバータ３を駆動すると、インバータ３と電動機１とにより、設定したＰＷＭ周波数Ｆｃに起因する音が発生する。このため、階段状に変更する際に、音階によって規定されている周波数に設定することで、ＰＷＭ周波数Ｆｃに起因する音を人が聞いた際に不快な音とならない設定とすることが可能となる（例えば、音階名で、ド６：１０４６Ｈｚ、レ６：１１７４Ｈｚ、ミ６：１３１８Ｈｚ、など）。

他方、軌道回路の動作周波数ｆＴＣにおいても、非同期ＰＷＭモードでインバータ３を駆動した場合に、直流成分に発生する高調波成分が、軌道回路の動作周波数ｆＴＣと一致して、外乱要素となる課題がある。

この課題に対しては、非同期ＰＷＭモードによりインバータ３の直流電圧側で発生する高調波成分が、軌道回路の動作周波数ｆＴＣ以下とならないように、ＰＷＭ周波数Ｆｃを変更することで、簡易に外乱要素の増加を抑制することが可能となる。

図６は、インバータ周波数Ｆｉｎｖの９次成分と軌道回路の動作周波数ｆＴＣとの関係を示す図である。図６も図２と同様に、横軸はインバータ周波数Ｆｉｎｖ、縦軸はＰＷＭ周波数Ｆｃと高調波成分である。

図６に示すように、ＰＷＭ周波数Ｆｃとインバータ周波数Ｆｉｎｖの９次成分との差分による高調波成分が、インバータ周波数Ｆｉｎｖが大きくなると、右下がりに小さくなり、軌道回路の動作周波数ｆＴＣの２倍の成分以下となる場合に、ＰＷＭ周波数Ｆｃを変更する。これにより、この高調波成分が軌道回路の動作周波数ｆＴＣの２倍以下とならないようにして、外乱要素の増加を抑制することが可能となる。

具体的には、ＬＣ共振成分の抑制の場合と同様に、（数４）に示す、軌道回路の動作周波数ｆＴＣとインバータ周波数Ｆｉｎｖの９次成分との差分による高調波成分が、軌道回路の動作周波数ｆＴＣの２倍の関係となるように、ＰＷＭ周波数Ｆｃを設定する（数５）。

これにより、軌道回路の動作周波数ｆＴＣに対する外乱要素の増加の抑制を、非同期ＰＷＭ駆動時のＰＷＭ周波数Ｆｃを変更することで可能となる。

また、図４や図５に示すその他の変形例の構成も、ＬＣ共振周波数ｆＬＣを軌道回路の動作周波数ｆＴＣに置き換えることで、軌道回路に対する外乱要素の増加を抑制することが可能である。

図７は、本実施例に係る電動機駆動装置を鉄道車両用電動機に適用した場合の概略構成を示す図である。

本実施例に係る電動機駆動装置（制御装置２、インバータ３および電流検出回路４）を搭載した鉄道車両１００は、架線１０１から直流電力の供給を受け、電動機（例えば、誘導電動機１ａ～１ｄ）により駆動される車輪によりレール１０２上を走行する。

本実施例に係る電動機駆動装置を適用することにより、インバータ３の非同期ＰＷＭ駆動による高調波成分が、駆動装置が備えるＬＣフィルタ（図示せず）の共振周波数以下となり、高調波成分が増加することを抑制することが可能となる。

以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

１、１ａ～１ｄ … 電動機、２ … 制御装置、３ … インバータ、
４ … 電流検出回路、２１ … ベクトル制御部、２２ … ＰＷＭパルス生成部、
１００ … 鉄道車両、１０１ … 架線、１０２ … レール

Claims (6)

1. 電動機を駆動するインバータと、
   前記インバータを少なくとも非同期ＰＷＭ駆動によって制御する制御装置と
   を備え、
   前記非同期ＰＷＭ駆動時に、前記制御装置は、設定したＰＷＭ周波数と前記インバータのインバータ周波数の高調波成分との差分の周波数が、前記インバータが有するＬＣフィルタの共振周波数以下または前記電動機を搭載する鉄道車両の位置を検出する軌道回路の動作周波数以下になる場合、の前記インバータ周波数の領域では、前記設定したＰＷＭ周波数を変更する
   ことを特徴とする電動機駆動装置。
2. 請求項１に記載の電動機駆動装置であって、
   前記制御装置は、前記差分の周波数が前記共振周波数の２倍以下または前記動作周波数の２倍以下になる場合の前記インバータ周波数の領域になれば、前記設定したＰＷＭ周波数を変更する
   ことを特徴とする電動機駆動装置。
3. 請求項２に記載の電動機駆動装置であって、
   前記制御装置は、前記設定したＰＷＭ周波数の変更を前記インバータ周波数の上昇に合わせて階段状に大きくする
   ことを特徴とする電動機駆動装置。
4. 請求項３に記載の電動機駆動装置であって、
   前記制御装置は、前記ＰＷＭ周波数に上限周波数が存在する場合、前記設定したＰＷＭ周波数と前記インバータ周波数の異なる高調波成分との差分の周波数に基づく前記設定したＰＷＭ周波数の前記変更の仕方と組み合わせることにより、変更する前記ＰＷＭ周波数を前記上限周波数以下に抑える
   ことを特徴とする電動機駆動装置。
5. 請求項３または４に記載の電動機駆動装置であって、
   前記制御装置は、前記階段状に大きくする前記ＰＷＭ周波数を音階に相当する周波数に変更する
   ことを特徴とする電動機駆動装置。
6. 少なくとも非同期ＰＷＭ駆動で制御するインバータによって電動機を駆動する電動機駆動方法であって、
   前記非同期ＰＷＭ駆動時に、設定したＰＷＭ周波数と前記インバータのインバータ周波数の高調波成分との差分の周波数が、前記インバータが有するＬＣフィルタの共振周波数以下または前記電動機を搭載する鉄道車両の位置を検出する軌道回路の動作周波数以下になる場合、の前記インバータ周波数の領域では、前記設定したＰＷＭ周波数を変更する
   ことを特徴とする電動機駆動方法。

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