JP3747858B2

JP3747858B2 - 車両用インバータの制御方法およびインバータ制御器

Info

Publication number: JP3747858B2
Application number: JP2002024910A
Authority: JP
Inventors: 岳小川; 誠司石田; 俊昭奥山; 徹郎児島; 清仲田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-02-01
Filing date: 2002-02-01
Publication date: 2006-02-22
Anticipated expiration: 2022-02-01
Also published as: JP2003230202A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両用インバータとその制御方法に関し、特に低速域での回生ブレーキ力低下を回避し、空気ブレーキの起動に伴うショックを抑制する車両用インバータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術のインバータによる車両駆動システムを図５に示す。架線１からパンタグラフ２を介して受電した直流は、受電フィルタ３を介してインバータ４に入力される。受電フィルタ３は、フィルタリアクトル３ａとフィルタコンデンサ３ｂを備えており、インバータ４からのリプル電流を平滑化する。インバータ制御器１４は、速度検出器８が検出したモータ速度信号と、交流電流検出器９が検出したインバータ出力電流ｉｕ，ｉｖと、直流電流検出器１０が検出したインバータ入力電流ｉｄｃと、直流電圧検出器１１が検出したフィルタコンデンサ３ｂの電圧ｅｃとに基づいて、ゲートパルス信号Ｇｐを生成し、インバータ４に送る。インバータ４は、インバータ制御器１４から送られるゲートパルス信号Ｇｐに従ってスイッチングを行い、可変電圧，可変周波数の交流電圧を発生して誘導電動機５に供給する。誘導電動機５は、インバータ４から供給された交流電圧によりトルクを発生し、図示していないギアを介して車輪６を駆動する。
【０００３】
車両にブレーキをかける場合、主幹制御器１２は、運転士のブレーキノッチ操作をブレーキノッチ指令に変換し、ブレーキ制御器１３に送る。ブレーキ制御器１３は、ブレーキノッチ指令からブレーキ力を演算し、ブレーキ力指令を生成する。インバータ駆動の電気車両では、空気ブレーキと電力回生ブレーキを併用しているが、ブレーキ力指令はまず、インバータ制御器１４に送られる。インバータ制御器１４は、発生可能な回生ブレーキ力をブレーキ制御器１３に返す。ブレーキ指令通りの回生ブレーキ力を発生できる場合には、車両は回生ブレーキのみにより減速される。
【０００４】
後述するように、回生電力が絞り込まれたり、回生が失効すると、インバータだけではブレーキ指令通りのブレーキ力を発生できない。この場合、ブレーキ制御器１３は空気ブレーキ１５に、不足分のブレーキ力指令を送る。空気ブレーキ１５は、空気圧によりブレーキシューを車輪６に押しつけ、車両の運動エネルギーを熱に変換してブレーキ力を得て、常にブレーキ指令通りのブレーキ力を発生する。
【０００５】
ここで、従来技術のインバータ制御器１４の構成を図６に示す。速度演算器１０１は、速度検出器８の出力パルスからモータ速度Ｆｒを演算する。電流演算器１０２は、交流電流検出器９により検出したＵ相電流ｉｕとＶ相電流ｉｖとから、励磁電流ｉｄとトルク電流ｉｑとを演算する。電流指令演算器１０３は、ノッチ指令と、直流電圧検出器１１により検出されたフィルタコンデンサ電圧ｅｃと、インバータ周波数指令Ｆ１^* とから、励磁電流指令ｉｄ０^* とトルク電流指令ｉｑ０^* とを演算する。電流制御器１０４は、励磁電流指令ｉｄ０^* と、トルク電流指令ｉｑ０^* と、励磁電流ｉｄと、トルク電流ｉｑとから、励磁電流指令ｉｄ^* と、トルク電流指令ｉｑ^* とを生成する。周波数演算器１０５は、周波数指令Ｆ１^* を生成し、Ｆ１^* は積分器１０６により位相指令θ^* に変換される。電圧指令演算器１０７は、周波数指令Ｆ１^* と、励磁電流指令ｉｄ^* と、トルク電流指令ｉｑ^* とを用いて、電圧指令｜ｖ｜と、偏角δとを生成する。ＰＷＭ制御器１０８は、電圧指令｜ｖ｜と、偏角δと、位相指令θ^* とに基づいてゲートパルス指令Ｇｐを生成し、インバータ４に送る。
【０００６】
回生ブレーキは、駆動に用いるモータを発電機として利用し、車両の運動エネルギーを電力に変換して架線１に送り返す。送り返された電力は、他の車両で消費されるが、電力を消費する車両が存在しない場合には、送り返す先のなくなった自車の回生電力により、フィルタコンデンサ電圧ｅｃが上昇する。そこで回生電力絞り器２００は、フィルタコンデンサ３ｂの電圧ｅｃが絞り込み開始電圧Ｅｃ０を越えた場合には、直流電圧制御器２０１で、フィルタコンデンサ電圧ｅｃの超過量に応じたトルク電流絞り量Δｉｑ０^* を算出する。これをトルク電流指令ｉｑ０^*（ｉｑ０^*＜０）に加算することにより、回生電力を絞り込み、フィルタコンデンサ３ｂの電圧ｅｃの上昇を抑制する。フィルタコンデンサ３ｂの電圧ｅｃがさらに上昇し、過電圧保護レベルＥｃ１に達した場合には、インバータを停止して回生を失効し、装置を保護する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術では、低速度域では空気ブレーキと電気ブレーキを併用しており、停止直前は空気ブレーキのみで制動していたが、乗り心地や保守性を向上するため、停止まで電気ブレーキのみで制動する方法が広まりつつある。回生が失効したり、回生電力が絞り込まれると、不足するブレーキ力を補うために空気ブレーキが動作を開始するが、空気ブレーキが指令通りのブレーキ力を発生するまでには１秒近い遅れがある。このため、停止直前で空気ブレーキが動作を開始すると、ブレーキ力の不足により所定の停止位置を通過したり、ブレーキ力の急激な変化によるショックが発生する。
【０００８】
ブレーキ時の速度と電力との関係を図４に示す。基本的に、力行時には架線から車両に電力が送られる。また回生ブレーキ動作時には、車両の運動エネルギーが電力に変換され（制動電力）、車両から架線に電力が送られる。一方、モータやインバータの損失，車内で使用する補助電源等により、速度域によらず、常に電力が消費されている。低速度域では、これらの消費電力がブレーキにより発生する制動電力を上回るため、回生ブレーキの動作中であっても、架線電流の極性は正、すなわち架線から車両に向かって電力が送られている。この状態では、自車の回生ブレーキの動作を継続しても、フィルタコンデンサ３ｂの電圧ｅｃを上昇させることはなく、架線電圧の上昇は、他の車両の回生ブレーキ動作に起因することになる。よって、フィルタコンデンサ３ｂの電圧ｅｃが過電圧保護電圧Ｅｃ１を下回っていれば、架線電流の極性が負とならない限り、回生ブレーキ指令を絞り込む必要はない。
【０００９】
従来技術は、フィルタコンデンサ３ｂの電圧ｅｃの上昇のみを検知して、回生電力の絞り込みを行っていたため、本来必要のない絞り込みや回生失効を生じ、空気ブレーキの起動による悪影響を及ぼしていた。
【００１０】
本発明の目的は、低速域での回生ブレーキ力低下を回避し、空気ブレーキの起動に伴うショックを抑制する車両用インバータの提供である。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の車両用インバータの制御装置では、インバータ入力電流ｉｄｃを検出する手段を設け、フィルタコンデンサ３ｂの電圧ｅｃが絞り込み開始電圧Ｅｃ０を越え、かつインバータ入力電流ｉｄｃの極性が負で、絶対値が所定値以上の場合のみ回生電力を絞り込むようにすれば、回生ブレーキの停止と、空気ブレーキの突然の起動によるショックを抑制する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。
【００１３】
（実施例１）
本実施例を図１に示す。図１の回生電力絞り器３００が、図６に示した従来技術との相違点である。本実施例の回生電力絞り器３００を構成する直流電圧比較器３０１の動作は、図６に示した従来技術の直流電圧制御器２０１の動作と同様である。本実施例の回生電力絞り器３００を構成する直流電流比較器３０２は、インバータ入力電流ｉｄｃと所定値ｉｄｃ０とを入力し、インバータ入力電流ｉｄｃ(ｉｄｃ＜０)の大きさが所定値ｉｄｃ０の大きさ以上の場合には、図１の直流電流比較器３０２に示すようにインバータ入力電流ｉｄｃと所定値ｉｄｃ０との差分に基づいて補償値を出力し、差分が正の場合には「０」を出力する。ここでインバータ入力電流ｉｄｃの極性は、架線からインバータの方向に流れる場合を正と定義する。
【００１４】
回生電力絞り器３００を構成する乗算器３０３は、直流電圧比較器３０１の出力と直流電流比較器３０２の出力とを乗算し、絞り電流指令Δｉｑ０^* を生成する。すなわち、フィルタコンデンサ３ｂの電圧ｅｃが基準値を超え、かつインバータから架線の方向に所定値以上の電流が送られる場合に、トルク電流指令の大きさを減ずる。これにより回生電力が低減され、フィルタコンデンサ３ｂの電圧ｅｃの上昇を抑制する。
【００１５】
なお直流電流比較器３０２に入力する信号は、インバータ入力電流ｉｄｃの大小を判定できる情報であれば、インバータ入力電流ｉｄｃ以外の信号を用いて判定しても良い。例えば、フィルタ入力電流ｉｓでもよいし、フィルタリアクトルの端子間電圧からフィルタ入力電流ｉｓを算出した値であってもよい。
【００１６】
また、直流電流比較器３０２に入力する信号は、（数１）式を用いて、電圧指令ｖｄ^*，ｖｑ^*と、電流指令ｉｄ^*，ｉｑ^*とから電力Ｐ１を演算したり、(数２)式を用いて、電圧指令ｖｄ^*，ｖｑ^*と、電流検出値ｉｄ，ｉｑとの積から電力Ｐ２を演算してもよい。
【００１７】
Ｐ１＝ｖｄ^*×ｉｄ^*＋ｖｑ^*×ｉｑ^* …（数１）
Ｐ２＝ｖｄ^*×ｉｄ＋ｖｑ^*×ｉｑ …（数２）
また、（数３）式を用いて、回転速度Ｗｒと電流ｉ１との積から電力を演算してもよい。
【００１８】
Ｐ３＝Ｗｒ×ｉ１ …（数３）
本実施例による動作の一例を、図３に示すタイムチャートを用いて説明する。時刻ｔ１からｔ２の期間は、フィルタコンデンサ３ｂの電圧ｅｃが絞り込み開始電圧Ｅｃ０を越えており、かつインバータ入力電流ｉｄｃの大きさが所定値idc0の大きさを上回っているため、電流指令ｉｑ０^* を絞り込む。絞り込みを行うとブレーキ力が不足するため、空気ブレーキが起動し、不足分を補う。
【００１９】
時刻ｔ２からｔ３の期間は、フィルタコンデンサ電圧ｅｃが絞り込み開始電圧Ｅｃ０を下回っているので、電流指令ｉｑ０^* の絞り込みは行わない。
【００２０】
時刻ｔ３からｔ４の期間は、フィルタコンデンサ電圧ｅｃが再び絞り込み開始電圧Ｅｃ０を越えている。従来技術では、時刻ｔ３からｔ４の期間にもフィルタコンデンサ３ｂの電圧ｅｃのみから絞り電流指令を生成しているため、電流指令ｉｑ０^* の絞り込みを行い、不足するブレーキ力を補うよう空気ブレーキが起動するので、空気ブレーキの応答遅れによりブレーキ力が急変し、所定の停止位置を通過してしまう場合がある。一方、本実施例によれば、この時刻ｔ３からｔ４の期間のインバータ入力電流ｉｄｃの大きさが所定値ｉｄｃ０の大きさを下回っているので、電流指令ｉｑ０^* の絞り込みは行わないので、停止直前の不必要な絞り込みと空気ブレーキの起動を抑制することができ、時刻ｔ４で車両が所定の位置に停止する。
【００２１】
（実施例２）
本実施例を図２に示す。図２の回生電力絞り器４００が、図６に示した従来技術との相違点である。図２の回生電力絞り器４００を構成する直流電圧比較器４０１の動作は、図６の直流電圧比較器２０１の動作と同様である。回生電力絞り器４００を構成する速度比較器４０２は、速度演算器１０１の出力するモータの速度に相当する速度Ｆｒと基準速度Ｆｒ０とを入力し、図２の速度比較器402に示すように、速度Ｆｒが基準速度Ｆｒ０を超える場合には、速度偏差に応じた補償値を出力し、速度Ｆｒが基準速度Ｆｒ０以下の場合には「０」を出力する。基準速度Ｆｒ０は、消費電力が回生電力を上回る条件から算出し、設定する。乗算器４０３は、直流電圧比較器４０１の出力と速度比較器４０２の出力とを乗算し、絞り電流指令Δｉｑ０^* を生成する。生成した絞り電流指令Δｉｑ０^* を用いて実施例１と同様に動作する。
【００２２】
このようにして、本実施例でも実施例１と同様に回生電力の不要な絞り込みや回生失効を生じることなく、空気ブレーキの起動によるショックなどを抑制できる。なお、絞りを行う場合は電気ブレーキ力が低下するため、低下分を空気ブレーキで補う。
【００２３】
なお、速度比較器４０２が出力する補償値は速度偏差の大きさに比例した補償値であってもよいし、図２に示すように予め定めた速度偏差の値より大きな速度偏差では一定の補償値となるようにしてもよい。また、前記速度演算器１０１の出力する速度Ｆｒに代えて、速度の推定値を速度比較器４０２に入力しても良い。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、低速域での回生ブレーキ力低下を回避でき、空気ブレーキの起動に伴うショックを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１のインバータ制御器の説明図である。
【図２】実施例２のインバータ制御器の説明図である。
【図３】実施例１の電流絞り込み制御時のタイムチャートである。
【図４】速度と電力との関係の説明図である。
【図５】従来技術による車両の駆動システムの全体構成を説明する図である。
【図６】従来技術のインバータ制御器の説明図である。
【符号の説明】
１…架線、２…パンタグラフ、３…受電フィルタ、３ａ…フィルタリアクトル、３ｂ…フィルタコンデンサ、４…インバータ、５…誘導電動機、６…車輪、７…レール、８…速度検出器、９…交流電流検出器、１０…直流電流検出器、１１…直流電圧検出器、１２…主幹制御器、１３…ブレーキ制御器、１４…インバータ制御器、１５…空気ブレーキ、１０１…速度演算器、１０２…電流演算器、１０３…電流指令演算器、１０４…電流制御器、１０５…周波数演算器、１０６…積分器、１０７…電圧指令演算器、１０８…ＰＷＭ演算器、２００，３００，４００…回生電力絞り器、２０１…直流電圧制御器、３０１，４０１…直流電圧比較器、３０２…直流電流比較器、３０３，４０３…乗算器、４０２…速度比較器。

Claims

架線から供給される直流電力を、リアクトルとコンデンサを備えた受電フィルタを介して可変電圧・可変周波数の交流電圧に変換するインバータと、該インバータにより駆動される交流電動機とを備えた電気車両の前記インバータの制御方法において、
前記架線と前記インバータとの間の、電力または電流を検出する手段と、前記コンデンサ電圧を検出する手段を備え、前記コンデンサ電圧が基準値を超え、かつ前記インバータから架線の方向に所定値以上の電力または電流が送られる場合に、トルク指令またはトルク電流指令の大きさを減ずることにより回生電力を低減することを特徴とするインバータの制御方法。
請求項１記載のインバータの制御方法において、
前記インバータの入力電流を検出する手段を設け、該検出する手段が検出したインバータ入力電流、または該インバータ入力電流から算出した電力に基づいて、トルク指令またはトルク電流指令の大きさを減ずることを特徴とするインバータの制御方法。
請求項１記載のインバータの制御方法において、
前記受電フィルタの入力電流を検出する手段を設け、該検出する手段が検出した受電フィルタ入力電流、または受電フィルタ入力電流から算出した電力に基づいて、トルク指令またはトルク電流指令の大きさを減ずることを特徴とするインバータの制御方法。
請求項１記載のインバータの制御方法において、
前記リアクトル電圧を検出する手段を設け、該検出する手段が検出したリアクトル電圧からフィルタ入力電流を算出し、算出したフィルタ入力電流、またはフィルタ入力電流から算出し電力に基づいて、トルク指令またはトルク電流指令の大きさを減ずることを特徴とするインバータの制御方法。
請求項１記載のインバータの制御方法において、
モータ電圧指令値とモータ電流指令値から算出した電力、またはモータ電圧指令値とモータ電流検出値から算出した電力に基づいてトルク指令またはトルク電流指令の大きさを減ずることを特徴とするインバータの制御方法。
請求項１記載のインバータの制御方法において、
前記コンデンサの電圧が基準値を超え、かつモータ回転速度が所定値以上の場合はトルク指令またはトルク電流指令の大きさを減ずることを特徴とするインバータの制御方法。
請求項１記載のインバータの制御方法において、
前記コンデンサ電圧が基準値を超え、かつモータ回転速度と、モータトルク電流の指令値またはモータトルク電流の検出値との積が所定値以上の場合はトルク指令またはトルク電流指令の大きさを減ずることを特徴とするインバータの制御方法。
架線から供給される直流電力を、リアクトルとコンデンサを備えた受電フィルタを介して可変電圧・可変周波数の交流電圧に変換するインバータと、該インバータにより駆動される交流電動機とを備えた電気車両の前記インバータの制御方法において、
前記コンデンサ電圧を検出する手段と、モータ速度を検出する手段またはモータ速度を推定する手段とを備え、
前記コンデンサ電圧が基準値を超え、かつ前記モータ速度またはモータ速度推定値が所定値を上回った場合に、トルク指令またはトルク電流指令の大きさを減ずることにより回生電力を低減することを特徴とするインバータの制御方法。
架線から供給される直流電力を、リアクトルとコンデンサとを備えた受電フィルタを介して可変電圧・可変周波数の交流電圧に変換するインバータと、該インバータにより駆動される交流電動機とを備えた電気車両の前記インバータの制御器において、
該インバータの制御器が、前記インバータの入力電流から所定の値を減じた差分が負の場合には、差分に基づく値を出力し、該差分が正の場合にはゼロを出力する比較器を有する回生電力絞り器を備えたことを特徴とするインバータの制御器。
架線から供給される直流電力を、リアクトルとコンデンサとを備えた受電フィルタを介して可変電圧・可変周波数の交流電圧に変換するインバータと、該インバータにより駆動される交流電動機とを備えた電気車両の前記インバータの制御器において、
該インバータの制御器が、前記電動機の速度が基準速度を超えた場合には速度偏差に基づく補償値を出力し、前記電動機の速度が基準速度以下の場合にはゼロを出力する比較器を有する回生電力絞り器を備えたことを特徴とするインバータの制御器。