JP2023038793A - インバータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】インバータの低周波数領域において発生しやすい推定速度の認識誤差による車両衝動を緩和する。
【解決手段】インバータ制御装置１０は、回転子の回転周波数である回転子周波数を演算により推定する推定速度演算部１１と、回転子周波数の変化量である加減速度を演算する加減速度演算部１３と、回転子周波数に基づき、インバータ２０が出力する電圧の周波数を指示するインバータ周波数指令を生成するインバータ周波数指令生成部１２と、インバータ周波数指令に基づき、電圧指令をインバータ２０に出力するトルク制御部１４と、を備え、インバータ周波数指令生成部１２は、インバータ周波数指令を、加減速度を維持するように制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気車（鉄道車両）に搭載されるインバータを制御するインバータ制御装置に関するものである。

電気車（鉄道車両）のインバータ主回路システムを構成する主電動機は、一般にかご形三相誘導電動機が採用されている。インバータ制御装置は、誘導電動機に配置される速度センサ（例えば、ＰＧ（Pulse Generator）センサ）により誘導電動機の回転数を検出することにより、出力する指令に応じて誘導電動機の印加電圧や回転数を制御することができる。しかし、速度センサは電子部品により構成され、保守・点検が必要である。また、速度センサが故障すると誘導電動機を制御できなくなる場合が多いため、速度センサには高信頼の部品が採用され、コストが高くなっていた。

そこで、速度センサを使用することなく誘導電動機を制御することが可能な速度センサレス制御を採用するインバータ制御装置が普及した（例えば、特許文献１参照）。速度センサレス制御は高精度のトルク制御により電気車の性能を向上させるだけでなく、速度センサがないことによるコスト削減や、誘導電動機の構造的自由度が大きくなるというメリットがある。そのため、現在では数多くの鉄道車両に速度センサレス制御が採用されている。

特開平１１－６９８９５号公報

速度センサレス制御は、誘導電動機からの速度センサ入力がないため、インバータ制御装置は誘導電動機の回転数を推定しつつインバータを制御しなければならない。誘導電動機の固定子に印加する一次電圧及び電流、並びに固定子からの一次磁束により回転子が回転することで発生するすべりによって得られる二次電流により、誘導電動機の二次磁束及びトルクが得られる。このとき磁束演算及びトルク演算から座標変換によって得られた値から回転子の回転数を推定する。ところが、この一連の動作において検出する電圧や電流に検出誤差が発生すると大きな演算誤差を引き起こし、磁束やトルクの精度が悪化することにより誘導電動機を正常に制御できなくなるという欠点がある。

また、速度センサレス制御では、固定子を制御するインバータ周波数と回転子を制御するロータ周波数との差、すなわちすべりを認識させることで二次磁束成分となる励磁電流及びトルク電流を認識し、ｄ軸電流（励磁電流）、ｑ軸電流（トルク電流）として回転子の回転速度を推定し、インバータの出力電圧ベクトルとして誘導電動機を制御する。

しかし、上述したように、回転子が回転することにより検出される誘起電圧や電流に検出誤差が発生すると演算誤差を引き起こし、すべりにより得られる２次磁束成分によって演算する車両の推定速度を正常に認識することが困難となる。特に、インバータの低周波領域となる、車両が停止しようとする状況では、推定速度の誤認識により車両衝動が発生することがある。

この改善策として、誘導電動機のすべりにより得られる２次磁束成分を精度良く捉えるために、誘導電動機に入力させる励磁電流を大きくして誘導電動機の誘起電圧を大きくさせることが考えられる。しかし、誘導電動機に対し励磁電流を大きくすると、磁気飽和が発生し、誘導電動機の回路定数に変化が生じ、車両の推定速度演算の誤差が拡大することがある。

また、推定速度の認識誤差は誘導電動機の電圧や電流の検出誤差や、誘導電動機の温度変化による等価回路定数の変化により発生すると考えられている。また、誘導電動機の制御にはデッドタイムを必要とし、この期間に電圧誤差が発生する。デッドタイムによる電圧誤差は電流にひずみを生じさせ、トルクリプルにより車両衝動を誘発する。これらを改善するには、誘導電動機温度の常時監視による誘導電動機の等価回路定数最適化や、デッドタイムによる電圧誤差分を補正した最適化制御により改善できるものと考えられる。しかし、これらの複合的要素が絡むことに対応するアルゴリズムを確立するには非常に困難である。

かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、インバータの低周波領域において発生しやすい推定速度の認識誤差による車両衝動を緩和することが可能なインバータ制御装置及びプログラムを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係るインバータ制御装置は、インバータを制御し、誘導電動機に電流を印加することで該誘導電動機の回転子にすべりを発生させるインバータ制御装置であって、前記回転子の回転周波数である回転子周波数を演算により推定する推定速度演算部と、前記回転子周波数の変化量である加減速度を演算する加減速度演算部と、前記回転子周波数に基づき、前記インバータが出力する電圧の周波数を指示するインバータ周波数指令を生成するインバータ周波数指令生成部と、前記インバータ周波数指令に基づき、前記インバータが出力する電圧を指示する電圧指令を前記インバータに出力するトルク制御部と、を備え、前記インバータ周波数指令生成部は、前記インバータ周波数指令を、前記加減速度を維持するように制御することを特徴とする。

さらに、本発明に係るインバータ制御装置において、前記インバータ周波数指令生成部は、ブレーキ動作において、前記インバータ周波数指令が閾値を超える場合には、前記インバータ周波数指令を変更させず、前記インバータ周波数指令が前記閾値以下となった場合には、前記インバータ周波数指令を、前記加減速度を維持するように制御することを特徴とする。

さらに、本発明に係るインバータ制御装置において、前記インバータ周波数指令生成部は、トルク指令が増加した場合には、前記インバータ周波数指令の変化量を増加させ、前記トルク指令が減少した場合には、前記インバータ周波数指令の変化量を減少させることを特徴とする。

さらに、本発明に係るインバータ制御装置において、前記推定速度演算部は、前記誘導電動機の電流及び電圧を空間ベクトルに変換した電流ベクトル及び電圧ベクトルにより、前記誘導電動機の磁束ベクトルを演算し、前記磁束ベクトル及び前記電流ベクトルから前記誘導電動機のすべり周波数を演算し、前記磁束ベクトルの角周波数及び前記すべり周波数の差分を前記回転子周波数として演算することを特徴とする。

本発明によれば、インバータの低周波領域において発生しやすい推定速度の認識誤差による車両衝動を緩和することができる。

本発明の一実施形態に係るインバータ制御装置を含む、インバータ主回路システムの構成例を示す図である。 本発明の一実施形態に係るインバータ制御装置の制御を示す状態遷移図である。 本発明の一実施形態に係るインバータ制御装置における停止時の動作について説明する図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、周波数と角周波数は単位が違うだけで相互に変換が可能であり、演算の際にいずれを用いてもよいため、本明細書では周波数という表記に角周波数も含めるものとする。

図１に、本発明の一実施形態に係るインバータ制御装置を含む、インバータ主回路システム１の構成例を示す。インバータ主回路システム１は、インバータ制御装置１０と、インバータ２０と、電流検出器３０と、電圧検出器４０と、誘導電動機５０と、を備える。

インバータ２０は、インバータ制御装置１０から入力された、誘導電動機５０への出力電圧を指示する電圧指令ｖ^＊に応じた電圧ｖを誘導電動機５０に印加する。

電流検出器３０は、誘導電動機５０に流れる電流ｉを検出し、検出結果をインバータ制御装置１０に出力する。

電圧検出器４０は、誘導電動機５０に印加される電圧ｖを検出し、検出結果をインバータ制御装置１０に出力する。

インバータ制御装置１０は、インバータ２０を制御し、誘導電動機５０に電流を印加することで該誘導電動機５０の回転子にすべりを発生させる。また、インバータ制御装置１０は、速度センサレス制御を行う。すなわち、速度センサを用いずに、演算により誘導電動機５０の回転子の回転周波数（以下、「回転子周波数」という）ω_ｍを求め、トルク指令Ｔ^＊に従って誘導電動機５０のトルク制御を行う。回転子周波数ω_ｍは、車両の推定速度を意味する。誘導電動機５０のトルクが車両の車輪軸に伝えられることにより、車両を加減速させることができる。インバータ制御装置１０は、推定速度演算部１１と、インバータ周波数指令生成部１２と、加減速度演算部１３と、トルク制御部１４と、を備える。

推定速度演算部１１は、回転子周波数ω_ｍを演算により推定し、インバータ周波数指令生成部１２と、加減速度演算部１３に出力する。推定速度演算部１１は、例えば、電流検出器３０により検出された電流ｉ、及び電圧検出器４０により検出された電圧ｖを用いて回転子周波数ω_ｍを演算する。

詳細には、推定速度演算部１１は、式（１）により誘導電動機５０の磁束ベクトルφ_２を演算する。ここで、Ｒ_１は誘導電動機５０の一次抵抗であり、Ｌ_１，Ｌ_２，Ｍはそれぞれ誘導電動機５０の一次自己インダクタンス、二次自己インダクタンス、相互インダクタンスである。ｉは、検出又は推定された、誘導電動機５０に流れる電流を空間ベクトルに変換した電流ベクトルである。ｖは、検出又は推定された、誘導電動機５０に印可された電圧を空間ベクトルに変換した電圧ベクトルである。

なお、電圧ｖの代わりに、インバータ制御装置１０が出力する電圧指令ｖ^＊を用いてもよい。その場合には、インバータ主回路システム１は電圧検出器４０を備えなくてもよい。

磁束ベクトルφ_２の角周波数ω_ｃは、磁束ベクトルφ_２のｄ軸成分であるφ_２ｄ及び磁束ベクトルφ_２のｑ軸成分であるφ_２ｑを用いて、式（２）で表される。

また、推定速度演算部１１は、磁束ベクトルφ_２、及び電流検出器３０により検出された電流に対応する電流ベクトルｉを用いて、式（３）により誘導電動機５０のすべり周波数ω_ｓｃを演算する。

そして、推定速度演算部１１は、式（４）に示すように、磁束ベクトルφ_２の角周波数ω_ｃ及びすべり周波数ω_ｓｃの差分を、誘導電動機５０の回転子周波数ω_ｍとして演算する。

加減速度演算部１３は、推定速度演算部１１により求められた回転子周波数ω_ｍの変化量である加減速度ｄω_ｍを演算し、インバータ周波数指令生成部１２に出力する。

インバータ周波数指令生成部１２は、推定速度演算部１１により求められた回転子周波数ω_ｍに基づき、インバータ２０が出力する電圧の周波数を指示するインバータ周波数指令ω_ｉ ^＊を生成し、トルク制御部１４に出力する。インバータ周波数指令生成部１２は、すべり周波数指令演算部１２１と、加算部１２２と、オープンブレーキ周波数指令演算部１２３と、を備える。

すべり周波数指令演算部１２１は、入力されたトルク指令Ｔ^＊と二次磁束指令φ_２ ^＊とに基づき、以下の式（５）を用いてすべり周波数指令ω_ｓ ^＊を生成し、加算部１２２に出力する。

加算部１２２は、推定速度演算部１１により演算された回転子周波数ω_ｍと、すべり周波数指令演算部１２１により生成されたすべり周波数指令ω_ｓ ^＊と、を加算して、インバータ周波数指令ω_ｉ ^＊を生成し、オープンブレーキ周波数指令演算部１２３に出力する。

オープンブレーキ周波数指令演算部１２３は、ブレーキ動作において、加算部１２２により生成されたインバータ周波数指令ω_ｉ ^＊を、加減速度演算部１３から入力された加減速度ｄω_ｍを維持するように制御し、トルク制御部１４に出力する。詳細については後述する。

トルク制御部１４は、トルク指令Ｔ^＊と、二次磁束指令φ_２ ^＊と、電流検出器３０により検出された電流ｉと、オープンブレーキ周波数指令演算部１２３により生成されたインバータ周波数指令ω_ｉ ^＊と、を入力する。トルク制御部１４は、これらの入力に基づき、誘導電動機５０のトルクがトルク指令Ｔ^＊に追従するように、インバータ２０が出力する電圧を指示する電圧指令ｖ^＊を生成し、インバータ２０に出力する。

なお、図１においては、トルク指令Ｔ^＊と二次磁束指令φ_２ ^＊とがトルク制御部１４に入力される例を示しているが、これに限られるものではない。例えば、トルク制御部１４は、入力されたトルク指令Ｔ^＊に基づき二次磁束指令φ_２ ^＊を算出してもよい。

つぎに、インバータ制御装置１０の制御について説明する。図２は、ブレーキ動作におけるインバータ制御装置１０の制御を示す状態遷移図である。インバータ制御装置１０は、加算部１２２が出力するインバータ周波数指令ω_ｉ ^＊が閾値であるオープンブレーキ開始周波数ω_ＳＴを超える場合には、通常運転モードで運転する（状態Ａ）。インバータ制御装置１０は、加算部１２２が出力するインバータ周波数指令ω_ｉ ^＊がオープンブレーキ開始周波数ω_ＳＴ以下となった場合には、オープンブレーキモードで運転する（状態Ｂ）。オープンブレーキ開始周波数ω_ＳＴは予め定められ、例えば３Ｈｚである。

図３は、オープンブレーキ周波数指令演算部１２３の制御を説明する図である。オープンブレーキ周波数指令演算部１２３は、通常運転モードでは（すなわち、インバータ周波数指令ω_ｉ ^＊がオープンブレーキ開始周波数ω_ＳＴを超える場合には）、加算部１２２から入力されたインバータ周波数指令ω_ｉ ^＊を変更させないでそのままトルク制御部１４に出力する。オープンブレーキ周波数指令演算部１２３は、オープンブレーキモードでは（すなわち、インバータ周波数指令ω_ｉ ^＊がオープンブレーキ開始周波数ω_ＳＴ以下となった場合には）、インバータ周波数指令ω_ｉ ^＊を、オープンブレーキモード開始時における加減速度ｄω_ｍを維持するようにオープンループ制御し、トルク制御部１４に出力する。すなわち、オープンブレーキ周波数指令演算部１２３は、オープンブレーキモードにおいて、直前の通常運転モードと同じ割合でインバータ周波数指令ω_ｉ ^＊を減少させる。

従来、インバータ２０の低周波領域では、推定速度演算部１１で推定した回転子周波数ω_ｍに誤差が生じ、その結果インバータ周波数指令ω_ｉ ^＊も誤差が生じることがあった。本発明に係るインバータ制御装置１０は、オープンブレーキ周波数指令演算部１２３及び加減速度演算部１３を備え、加減速度演算部１３により、回転子周波数ω_ｍの精度が高い領域において加減速度ｄω_ｍを事前に演算しておく。そして、回転子周波数ω_ｍの精度が保てなくなる速度域（オープンブレーキ開始周波数ω_ＳＴ以下の領域）では、加算部１２２で生成されたインバータ周波数指令ω_ｉ ^＊をそのまま使用するのではなく、オープンブレーキ周波数指令演算部１２３により、加減速度ｄω_ｍを維持するようにインバータ周波数指令ω_ｉ ^＊を制御する。これにより、インバータ２０の低周波数領域において発生しやすい推定速度の認識誤差による車両衝動を緩和することが可能となる。

また、停止位置を調整するために低速度域において、トルク指令Ｔ^＊を変化させる場合がある。オープンブレーキ周波数指令演算部１２３は、オープンブレーキモード制御中にトルク指令Ｔ^＊が変化した場合、インバータ周波数指令ω_ｉ ^＊を一定の割合で減少させると、車両衝動が発生するおそれがある。そのため、オープンブレーキ周波数指令演算部１２３は、オープンブレーキモードにおいて、図３の一点鎖線で示すように、トルク指令Ｔ^＊が負の方向に増加（トルク指令Ｔ^＊の絶対値が増加）した場合には、インバータ周波数指令ω_ｉ ^＊の変化量を増加させる。また、図３の点線で示すように、トルク指令Ｔ^＊が負の方向に減少（トルク指令Ｔ^＊の絶対値が減少）した場合には、インバータ周波数指令ω_ｉ ^＊の変化量を減少させる。

例えば図３に示すように、インバータ周波数指令ω_ｉ ^＊がオープンブレーキ開始周波数ω_ＳＴを下回った時点のトルク指令Ｔ^＊を基準トルク指令Ｔ_ＳＴとして記憶しておき、オープンブレーキ制御中にトルク指令Ｔ^＊に変化があった場合には、基準トルク指令Ｔ_ＳＴとの比率により、インバータ周波数指令ω_ｉ ^＊を増減させる。

このようにオープンブレーキ周波数指令演算部１２３が動作することにより、インバータ制御装置１０は、車両の動きに合わせてインバータ２０を制御することができ、インバータ２０の低周波領域においてトルク指令Ｔ^＊が変化した場合においても、車両衝動を抑制することが可能となる。

本発明は、速度センサレス制御を行う電気車に有用である。

１ インバータ主回路システム
１０ インバータ制御装置
１１ 推定速度演算部
１２ インバータ周波数指令生成部
１３ 加減速度演算部
１４ トルク制御部
２０ インバータ
３０ 電流検出部
４０ 電圧検出部
１２１ すべり周波数指令演算部
１２２ 加算部
１２３ オープンブレーキ周波数指令演算部

Claims (4)

1. インバータを制御し、誘導電動機に電流を印加することで該誘導電動機の回転子にすべりを発生させるインバータ制御装置であって、
   前記回転子の回転周波数である回転子周波数を演算により推定する推定速度演算部と、
   前記回転子周波数の変化量である加減速度を演算する加減速度演算部と、
   前記回転子周波数に基づき、前記インバータが出力する電圧の周波数を指示するインバータ周波数指令を生成するインバータ周波数指令生成部と、
   前記インバータ周波数指令に基づき、前記インバータが出力する電圧を指示する電圧指令を前記インバータに出力するトルク制御部と、を備え、
   前記インバータ周波数指令生成部は、前記インバータ周波数指令を、前記加減速度を維持するように制御することを特徴とする、インバータ制御装置。
2. 前記インバータ周波数指令生成部は、ブレーキ動作において、前記インバータ周波数指令が閾値を超える場合には、前記インバータ周波数指令を変更させず、前記インバータ周波数指令が前記閾値以下となった場合には、前記インバータ周波数指令を、前記加減速度を維持するように制御することを特徴とする、請求項１に記載のインバータ制御装置。
3. 前記インバータ周波数指令生成部は、トルク指令が増加した場合には、前記インバータ周波数指令の変化量を増加させ、前記トルク指令が減少した場合には、前記インバータ周波数指令の変化量を減少させることを特徴とする、請求項２に記載のインバータ制御装置。
4. 前記推定速度演算部は、前記誘導電動機の電流及び電圧を空間ベクトルに変換した電流ベクトル及び電圧ベクトルにより、前記誘導電動機の磁束ベクトルを演算し、前記磁束ベクトル及び前記電流ベクトルから前記誘導電動機のすべり周波数を演算し、前記磁束ベクトルの角周波数及び前記すべり周波数の差分を前記回転子周波数として演算することを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のインバータ制御装置。
   

Images