JP3755089B2 - Electric vehicle control device - Google Patents

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清 仲田
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Description

本発明は、電気車の制御装置、特に、電気車を駆動する電動機に交流出力を供
給するPWM(パルス幅変調)インバータの制御技術に関する。
The present invention relates to a control device for an electric vehicle, and more particularly to a control technique for a PWM (pulse width modulation) inverter that supplies an AC output to an electric motor that drives the electric vehicle.

インバータの変調方式について、その一例が非特許文献1に述べられている。
電気鉄道用車輌のインバータでは、図2に示すように、出力電圧基本波周波数
が低いときは出力電圧の大きさと基本波周波数の比を一定に保つ制御を行い(こ
の制御を行う領域を可変電圧可変周波数領域と呼ぶことにする)、出力電圧基本
波周波数が上昇して出力電圧の大きさが最大になると、その最大値電圧を保ちつ
つ周波数制御を行う(この制御を行う領域を定電圧可変周波数領域と呼ぶことに
する)。可変電圧可変周波数領域ではパルス幅変調制御により出力電圧を調整す
るため、出力電圧の半周期を複数の電圧パルスで構成する多パルスモードを用い
る。一方、定電圧可変周波数領域では、電圧利用率を最大限まで高め、装置を小
型化するため、出力電圧の半周期を単一のパルスで構成する1パルスモードを用
いる。
An example of an inverter modulation method is described in Non-Patent Document 1.
As shown in FIG. 2, in the inverter of an electric railway vehicle, when the fundamental frequency of the output voltage is low, control is performed to keep the ratio between the magnitude of the output voltage and the fundamental frequency constant (the region where this control is performed is variable voltage). When the fundamental frequency of the output voltage rises and the magnitude of the output voltage becomes maximum, frequency control is performed while maintaining the maximum voltage (the region where this control is performed can be changed to a constant voltage). Called the frequency domain). In the variable voltage variable frequency region, in order to adjust the output voltage by pulse width modulation control, a multi-pulse mode in which a half cycle of the output voltage is composed of a plurality of voltage pulses is used. On the other hand, in the constant voltage variable frequency region, in order to increase the voltage utilization rate to the maximum and reduce the size of the apparatus, a one-pulse mode in which a half cycle of the output voltage is configured by a single pulse is used.

電気車研究会刊「電気車の科学」1993年4月号,「最近のインバータ制御技術を評価する」の14ページ,図−1Page 14 of "Evaluation of Recent Inverter Control Technology", April 1993, "Science of Electric Vehicles" published by Electric Vehicle Research Society, Fig. 1

スイッチング素子としてGTOサイリスタを用いた従来のインバータ(以下、
GTOインバータと呼ぶ)では、図3に示すように、出力電圧基本波周波数の上
昇に伴い、その一周期に含まれるパルス数を切換えて徐々に減少させるパルス数
切換え方式の多パルスモードを用いていた。これはGTOサイリスタのスイッチ
ング周波数の上限が数百Hzであるためである。この方式ではパルス数切換えの
際にスイッチング周波数が不連続となるため、パルス数切換えに伴い、磁気騒音
の音色変化が発生し、耳障りであるという問題があった。
また、GTOインバータにおいては、出力電圧の半周期に三個の電圧パルスを
含む3パルスモードと1パルスモードの出力電圧の間には、GTOサイリスタの
最小オフ時間の制限に依存した10%程度の跳躍が存在し、3パルスモードと1
パルスモードの切換え時に電動機の発生トルクに変動が生ずる問題があった。
Conventional inverters using GTO thyristors as switching elements (hereinafter referred to as
As shown in FIG. 3, the GTO inverter uses a multi-pulse mode of a pulse number switching method in which the number of pulses included in one cycle is gradually decreased as the output voltage fundamental wave frequency increases. It was. This is because the upper limit of the switching frequency of the GTO thyristor is several hundred Hz. In this method, since the switching frequency becomes discontinuous when the number of pulses is switched, the timbre change of the magnetic noise occurs with the switching of the number of pulses, which is problematic.
In the GTO inverter, between the output voltage of the three-pulse mode and the one-pulse mode including three voltage pulses in a half cycle of the output voltage, about 10% depending on the limit of the minimum off time of the GTO thyristor. There is a jump, 3 pulse mode and 1
There has been a problem that the torque generated by the motor fluctuates when the pulse mode is switched.

本発明の課題は、多パルスモードと1パルスモードの組合せにより出力電圧の
大きさを零から最大電圧まで制御する2レベルインバータの交流出力を用いて電
気車を駆動する電動機を制御するに際し、2レベルインバータのスイッチング周
波数の大幅な不連続をなくして耳障りな磁気騒音の音色変化をなくすると共に、
多パルスモードと1パルスモードの出力電圧のギャップを小さくし、出力電圧の
全域をほぼ連続に制御することにある。
An object of the present invention is to control an electric motor that drives an electric vehicle by using an AC output of a two-level inverter that controls the magnitude of an output voltage from zero to a maximum voltage by a combination of a multi-pulse mode and a one-pulse mode. While eliminating the discontinuity of the switching frequency of the level inverter and eliminating the harsh magnetic noise timbre,
The purpose is to reduce the gap between the output voltages of the multi-pulse mode and the one-pulse mode, and to control the entire output voltage almost continuously.

上記課題を解決するために、複数の制御モードにより複数のスイッチング素
子を制御して直流電圧から可変電圧可変周波数の三相交流相電圧に変換し、その
相電圧として正負2値のパルスを出力する2レベルの電力変換器と、該電力変換
器からの交流出力が供給され、電気車を駆動する電動機を備えた電気車の制御装
置において、前記制御モードには、出力電圧基本波の半周期に複数の電圧パルス
を出力させるパルス幅変調制御モード(バイポーラモード)と、出力電圧基本波
の半周期に単一の電圧パルスを出力させる1パルス制御モードとの間に非同期
変調制御モードを介在させ、該非同期過変調制御モードは、出力電圧の半周期の
波形として、該出力電圧の基本波の零クロス近傍のパルス間隔が均一となる等間
隔パルスと該出力電圧の基本波のピークを中心とする広幅パルスを有し、1パル
ス制御モードの開始まで前記広幅パルスの幅を徐々に広げるようにし、電気車を
低速域から高速域まで運転するとき、電力変換器の出力電圧を制御する電圧指令
の大きさに応じて、パルス幅変調制御モードと、非同期過変調制御モードと、1
パルス制御モードとを順次移行させる。

In order to solve the above-mentioned problem, a plurality of switching elements are controlled by a plurality of control modes to convert a DC voltage into a three-phase AC phase voltage of variable voltage and variable frequency, and output a positive / negative binary pulse as the phase voltage. In a control device for an electric vehicle provided with a two-level power converter and an electric motor that is supplied with an AC output from the power converter and drives the electric vehicle, the control mode includes a half cycle of the output voltage fundamental wave. An asynchronous overmodulation control mode is interposed between a pulse width modulation control mode (bipolar mode) that outputs a plurality of voltage pulses and a single pulse control mode that outputs a single voltage pulse in the half cycle of the output voltage fundamental wave. , the asynchronous over-modulation control mode, as the waveform of the half cycle of the output voltage, equally spaced pulses and the output voltage pulse interval of the zero cross vicinity of the fundamental wave of the output voltage becomes uniform Has a wide pulse having a center peak of the wave, so the start of the one-pulse control mode gradually widening the width of the wide pulse, when driving the electric vehicle from a low speed range to the high speed range, the power converter Voltage command to control output voltage
Depending on the size of the pulse width modulation control mode, asynchronous overmodulation control mode,
The pulse control mode is shifted sequentially.

以上説明したように、本発明によれば、多パルスモードと1パルスモードの組
合せにより出力電圧の大きさを零から最大電圧まで制御するインバータの交流出
力を用いて電気車を駆動する電動機を制御するに際し、2レベルインバータの磁
気騒音の不連続な変化をなくすことができると共に、全出力電圧域をほぼ連続に
制御することが可能となる。
また、制御モードに過変調モードを採用することにより、多パルスモードと1
パルスモードの切換時において電流や電気車を駆動する電動機の発生トルクの変
動がなく、スムーズに切換えを行うことのできる2レベルインバータを構成する
ことができる。
As described above, according to the present invention, a motor that drives an electric vehicle is controlled by using an AC output of an inverter that controls the magnitude of an output voltage from zero to the maximum voltage by a combination of a multi-pulse mode and a one-pulse mode. In this case, the discontinuous change in the magnetic noise of the two-level inverter can be eliminated, and the entire output voltage range can be controlled almost continuously.
Also, by adopting the overmodulation mode as the control mode, the multi-pulse mode and 1
It is possible to configure a two-level inverter that can be switched smoothly without changing current and torque generated by the electric motor that drives the electric vehicle when the pulse mode is switched.

以下、本発明の最良の形態を図1から図17を用いて説明する。   The best mode of the present invention will be described below with reference to FIGS.

本発明のインバータのPWMモードの構成は図4のようになる。低出力電圧域
ではバイポーラモード(パルス幅変調制御モード),高出力電圧領域では過変調
モード(過変調制御モード),最大出力電圧域では1パルスモード(1パルス制
御モード)で動作する。ここで、多パルスモードは、バイポーラモードと過変調
モードを有する。
図1は、本発明の一実施例を示す構成図であり、電気車駆動用誘導電動機の制
御用変換器として電圧型2レベルインバータを用いた例である。同図において、
6は誘導電動機、5はそれを駆動する2レベル三相PWMインバータ、9はイン
バータの電源となる直流架線、7,8はインバータ直流入力側のフィルタリアク
トル及びコンデンサである。
図1の多パルス発生手段2,1パルス発生手段3,PWMモード選択手段4は、
インバータの出力電圧指令E*と、その周波数指令Fi*を積分器1で積分するこ
とにより求めた各相の出力電圧基本波の位相θx(添字xは相を表す添字を総称
するものとする。即ち、u,v,wのいずれかの相を表す。)に基づきインバー
タの制御信号を発生する。インバータの制御信号のうち、S1x,S2x,Sx
をスイッチング関数と呼び、インバータの正側アームがオンのとき1,負側アー
ムがオンのとき0と定義する。
The configuration of the PWM mode of the inverter of the present invention is as shown in FIG. It operates in bipolar mode (pulse width modulation control mode) in the low output voltage range, overmodulation mode (overmodulation control mode) in the high output voltage range, and 1 pulse mode (1 pulse control mode) in the maximum output voltage range. Here, the multi-pulse mode has a bipolar mode and an overmodulation mode.
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the present invention, in which a voltage type two-level inverter is used as a converter for controlling an induction motor for driving an electric vehicle. In the figure,
6 is an induction motor, 5 is a two-level three-phase PWM inverter for driving the induction motor, 9 is a DC overhead line serving as a power source for the inverter, and 7 and 8 are filter reactors and capacitors on the inverter DC input side.
The multi-pulse generating means 2, the one-pulse generating means 3, and the PWM mode selecting means 4 in FIG.
The phase θx of the output voltage fundamental wave of each phase obtained by integrating the output voltage command E * of the inverter and the frequency command Fi * by the integrator 1 (subscript x is a generic name for the phase). That is, the inverter control signal is generated based on any one of the phases u, v, and w. Of the inverter control signals, S1x, S2x, Sx
Is called a switching function, and is defined as 1 when the positive arm of the inverter is on and 0 when the negative arm is on.

まず、インバータの制御信号の発生方法について述べる。図1の多パルス発生
手段2の一例(一相分)を図5に示す。ここではバイポーラモードと過変調モー
ドのスイッチング関数を同一の手段で発生している。出力電圧指令→変調率変換
手段21では出力電圧指令E*から変調率A、つまり変調波の振幅を求める。搬
送波振幅を1とすると、バイポーラモードでは0≦A≦1、過変調モードではA
>1である。出力電圧基本波の大きさを電圧指令に一致させるため、E*とAを
バイポーラモードでは(数1)、過変調モードでは(数2)で対応させる。
First, an inverter control signal generation method will be described. An example (for one phase) of the multi-pulse generating means 2 of FIG. 1 is shown in FIG. Here, the switching functions of the bipolar mode and the overmodulation mode are generated by the same means. The output voltage command → modulation rate conversion means 21 obtains the modulation rate A, that is, the amplitude of the modulation wave from the output voltage command E *. When the carrier wave amplitude is 1, 0 ≦ A ≦ 1 in the bipolar mode and A in the overmodulation mode
> 1. In order to make the magnitude of the output voltage fundamental wave coincide with the voltage command, E * and A are made to correspond in (Equation 1) in the bipolar mode and (Equation 2) in the overmodulation mode.

Figure 0003755089
Figure 0003755089

Figure 0003755089
Figure 0003755089

関数y=sin(x)22では出力電圧基本波の位相(変調波の位相と等価)θx
のsinを求める。これに変調率Aを乗じたものが変調波axである。変調波a
xと搬送波周波数(バイポーラモードのスイッチング周波数と等価)Fcをスイ
ッチング関数演算手段24に与え、スイッチング関数S1xを求める。スイッチ
ング関数演算手段24では、振幅1,周波数Fcの三角波である搬送波を発生し、
それと変調波の値を比較してスイッチング関数を発生する。また、三角波を用い
ずに変調波axとパルス間隔から演算によりスイッチング関数を求めてもよい。
In the function y = sin (x) 22, the phase of the output voltage fundamental wave (equivalent to the phase of the modulation wave) θx
Find the sin of Multiplying this by the modulation factor A is the modulated wave ax. Modulated wave a
x and the carrier wave frequency (equivalent to the switching frequency in the bipolar mode) Fc are given to the switching function calculating means 24 to obtain the switching function S1x. The switching function calculation means 24 generates a carrier wave that is a triangular wave having an amplitude of 1 and a frequency Fc,
The switching function is generated by comparing the value of the modulated wave with that. Further, the switching function may be obtained by calculation from the modulated wave ax and the pulse interval without using the triangular wave.

三角波比較により求めたバイポーラモードと過変調モードによるスイッチング
関数の波形の一例を図6,図7にそれぞれ示す。
本発明のインバータ装置においては、IGBT,大容量パワートランジスタ等
の数kHzのスイッチングが可能なデバイスをスイッチング素子として用い(こ
こでは総称して以下、IGBTインバータと呼ぶ)、多パルスモードにおいては
変調波と搬送波を非同期とする。
図6に示すバイポーラモードおいては、0≦A≦1であるため、搬送波242
とスイッチング関数243が対応し、また、搬送波242と変調波241とが同
期していない。さらに、図7に示す過変調モードではA>1であるため、Aが1
を越える部分では広幅パルスのスイッチング関数246が得られ、その他の部分
では搬送波245と変調波244との比較に従ったスイッチング関数246が得
られる。また、この過変調モードにおいても搬送波245と変調波244とは非
同期で発生している。前記したように、図においては理解のため搬送波と変調波
との比較によりスイッチング関数を得る方式を示したが、変調波axとパルス間
隔から演算によりスイッチング関数を求めることもできる。
An example of the waveform of the switching function in the bipolar mode and the overmodulation mode obtained by the triangular wave comparison is shown in FIGS. 6 and 7, respectively.
In the inverter device of the present invention, devices capable of switching at several kHz, such as IGBTs and large-capacity power transistors, are used as switching elements (hereinafter collectively referred to as IGBT inverters), and in the multi-pulse mode, modulated waves are used. And the carrier wave is asynchronous.
In the bipolar mode shown in FIG. 6, since 0 ≦ A ≦ 1, the carrier wave 242
And the switching function 243 correspond to each other, and the carrier wave 242 and the modulated wave 241 are not synchronized. Further, since A> 1 in the overmodulation mode shown in FIG.
The switching function 246 of the wide pulse is obtained in the part exceeding, and the switching function 246 according to the comparison between the carrier wave 245 and the modulated wave 244 is obtained in the other part. Also in this overmodulation mode, the carrier wave 245 and the modulated wave 244 are generated asynchronously. As described above, in the figure, for the sake of understanding, a method of obtaining a switching function by comparing a carrier wave and a modulated wave is shown, but the switching function can also be obtained by calculation from the modulated wave ax and the pulse interval.

これにより、スイッチング周波数はバイポーラモードでは一定となり、また、
過変調モードでは次に述べる1パルスモードでのスイッチング周波数に徐々に近
づけることができる。この多パルスモードでは、変調波と搬送波が非同期である
ため、搬送波周波数は変調波周波数に比べ充分高くする必要があり、経験的には
10倍程度より高いことが望ましい。
This makes the switching frequency constant in bipolar mode,
In the overmodulation mode, the switching frequency in the 1-pulse mode described below can be gradually approached. In this multi-pulse mode, since the modulated wave and the carrier wave are asynchronous, it is necessary to make the carrier wave frequency sufficiently higher than the modulated wave frequency.

図1の1パルス発生手段により発生するスイッチング関数の波形の例を図8に
示す。出力電圧の基本波31(振幅はいくらでもよい)の符号が正のときはスイ
ッチング関数S2xの値は1、符号が負のときはS2xの値は0とする。
FIG. 8 shows an example of the waveform of the switching function generated by the one-pulse generating means of FIG. The value of the switching function S2x is 1 when the sign of the fundamental wave 31 (which can have any amplitude) of the output voltage is positive, and the value of S2x is 0 when the sign is negative.

次に、高出力電圧域の制御のために、多パルスモードと1パルスモードを組合
わせることについて説明する。過変調方式について書かれた文献として、平成3
年電気学会産業応用部門全国大会講演論文集No.106「電圧型3相PWMイン
バータの過変調制御方式」がある。これによると、過変調モードの変調率を極め
て大きくしたものが6ステップインバータの動作、即ち1パルスモードの動作で
あると述べられている。しかしながら、1パルスモードを過変調モードの延長と
いう形で実現(変調率を極めて大きくすることにより1パルスモードを実現)す
ると、以下のような不都合が生ずる。
第一に、過変調モードと1パルスモードが切換わる点がスイッチング周波数に
依存し、任意に設定することができなくなる。第二に、過変調モードの変調波と
搬送波が非同期である場合(以下、非同期PWMと呼ぶ)には、素子のターンオ
ン,ターンオフ時間の影響により過変調モードと1パルスモードの境界付近で変
調波零クロス近傍のパルスが出たり出なかったりする。結果として出力電圧の正
負間にアンバランスが生じ、インバータの負荷電流に低周波の脈動が重畳される
ビート現象が発生する。第三に、過変調モードは、図7に示すように、出力電圧
波形(後述するスイッチング関数の波形と等価)は変調波(出力電圧基本波と等
価)零クロス近傍のパルス間隔が均一となる、つまりパルス発生周期が均一であ
る部分(等間隔パルス)と、変調波ピークを中心とする広幅パルスの部分に分け
られ、過変調モードの等間隔パルスの部分において過変調モードと1パルスモー
ドの切換えが起こり得る。この場合、インバータの負荷電流が乱れ、過電流によ
るスイッチング素子の破壊や電動機の発生トルクの著しい変動が発生することが
ある。
Next, the combination of the multi-pulse mode and the one-pulse mode for controlling the high output voltage range will be described. As a document written on overmodulation methods,
Proceedings of the Annual Meeting of the Institute of Electrical Engineers of Japan Annual Report No. 106 “Overmodulation Control Method for Voltage Type Three-Phase PWM Inverter”. According to this, it is stated that the operation of the 6-step inverter, that is, the operation of the 1 pulse mode, has a very large modulation rate in the overmodulation mode. However, when the 1-pulse mode is realized in the form of extension of the overmodulation mode (the 1-pulse mode is realized by extremely increasing the modulation rate), the following disadvantages occur.
First, the point at which the overmodulation mode and the one-pulse mode are switched depends on the switching frequency and cannot be arbitrarily set. Second, when the modulation wave in the overmodulation mode and the carrier wave are asynchronous (hereinafter referred to as asynchronous PWM), the modulation wave is near the boundary between the overmodulation mode and the one-pulse mode due to the effect of the turn-on and turn-off times of the element. Pulses near the zero cross may or may not come out. As a result, an imbalance occurs between the positive and negative of the output voltage, and a beat phenomenon occurs in which low-frequency pulsations are superimposed on the load current of the inverter. Third, in the overmodulation mode, as shown in FIG. 7, the output voltage waveform (equivalent to the waveform of a switching function described later) has a uniform pulse interval near the modulation wave (equivalent to the output voltage fundamental wave) zero cross. In other words, it is divided into a portion where the pulse generation period is uniform (equal interval pulse) and a wide pulse portion centering on the modulation wave peak, and the overmodulation mode and the 1 pulse mode in the equal interval pulse portion of the overmodulation mode. Switching can occur. In this case, the load current of the inverter may be disturbed, and the switching element may be destroyed due to overcurrent, or the generated torque of the motor may be significantly changed.

これらの問題を解決するには、過変調モードと1パルスモードを切換える電圧
(以下、移行電圧と呼ぶ)と、出力電圧基本波のどの位相で切換えるか(以下、
移行位相と呼ぶ)を管理する。
まず、移行電圧の管理について説明する。移行電圧を設定し、それを境界に過
変調モードと1パルスモードを切換える場合、移行電圧の設定値はできるだけ1
パルスモードの出力電圧、即ち100%に近い値であることが望ましい。過変調
モードの出力電圧の最大値との差が小さいほど、切換時の電動機の発生トルクの
変動が小さくなるからである。
しかしながら、非同期PWMでは、出力電圧の基本波一周期に含まれる個々の
電圧パルスの幅は各周期毎に異なるものとなり、過変調モードで出力電圧が10
0%に近づくにつれて出力電圧基本波の零クロス近傍のパルス数が減少すると、
この影響が顕在化して出力電圧の正負間にアンバランスが生じ、インバータの負
荷電流にビート現象が発生する。この様子の一例を図9に示す。
In order to solve these problems, the phase for switching the overmodulation mode and the one-pulse mode (hereinafter referred to as the transition voltage) and the phase of the output voltage fundamental wave (hereinafter referred to as the switching voltage).
(Referred to as transition phase).
First, management of the transition voltage will be described. When the transition voltage is set and the overmodulation mode and the 1-pulse mode are switched using the transition voltage as a boundary, the transition voltage is set to 1 as much as possible.
The output voltage in the pulse mode, that is, a value close to 100% is desirable. This is because the smaller the difference from the maximum value of the output voltage in the overmodulation mode, the smaller the variation in the torque generated by the motor at the time of switching.
However, in asynchronous PWM, the width of each voltage pulse included in one period of the fundamental wave of the output voltage is different for each period, and the output voltage is 10 in the overmodulation mode.
As the number of pulses near the zero cross of the output voltage fundamental wave decreases as it approaches 0%,
This effect becomes apparent and an imbalance occurs between the positive and negative output voltages, and a beat phenomenon occurs in the load current of the inverter. An example of this state is shown in FIG.

図10は、出力電圧基本波零クロス近傍の平均パルス数と、ビート現象による
電流脈動の関係の一例である。図7に示すように、変調波の絶対値が1.0以下
の部分が等間隔パルスに相当するので、平均パルス数は(数3)に示す式で与え
られる。また、電流脈動率は(数4)で定義した。
FIG. 10 is an example of the relationship between the average pulse number near the output voltage fundamental wave zero cross and the current pulsation due to the beat phenomenon. As shown in FIG. 7, since the portion where the absolute value of the modulated wave is 1.0 or less corresponds to an equally-spaced pulse, the average number of pulses is given by the equation shown in (Formula 3). The current pulsation rate was defined by (Equation 4).

Figure 0003755089
Figure 0003755089

Figure 0003755089
Figure 0003755089

図10より、出力電圧基本波零クロス近傍に少なくとも一個のパルスを確保し
なければ、ビート現象によるインバータの負荷電流の低周波脈動が極めて大きく
なる。
そこで、移行電圧の設定値は、少なくとも一個以上の電圧パルスを出力電圧基
本波零クロス近傍に確保するような値とする。この値は出力電圧基本波周波数F
i*と多パルスモードの搬送波周波数Fcに依存するので、これらの値から演算に
より求める手段を設けてもよいし、また、出力電圧基本波周波数Fi*の上限か
ら予め計算により求めて設定するのでもよい。
From FIG. 10, if at least one pulse is not secured near the output voltage fundamental wave zero cross, the low frequency pulsation of the inverter load current due to the beat phenomenon becomes extremely large.
Therefore, the set value of the transition voltage is set to a value that ensures at least one voltage pulse in the vicinity of the output voltage fundamental wave zero cross. This value is the output voltage fundamental frequency F
Since it depends on i * and the carrier frequency Fc of the multi-pulse mode, means for calculating from these values may be provided, or it may be calculated and set in advance from the upper limit of the output voltage fundamental frequency Fi *. But you can.

続いて、移行位相の管理について説明する。過変調モードと1パルスモードを
切換える際の出力電圧基本波の位相によって、切換え直後のインバータの負荷電
流や電動機の発生トルクの過渡的な変動の様子が異なる。電流変動の一例を図1
1に示す。同図(a)は、図12に示すように、U相の出力電圧基本波の位相で
0゜で三相一括して切換えた場合で、切換直後に電流に過渡的な変動が見られる。
これに対し、同図(b)は、図13に示すように、U相の出力電圧基本波の位相で
90゜で三相一括して切換えた場合であり、電流の過渡的な変動は殆どない。
Subsequently, management of the transition phase will be described. Depending on the phase of the output voltage fundamental wave when switching between the overmodulation mode and the one-pulse mode, the state of transient fluctuations in the load current of the inverter and the torque generated by the motor immediately after switching is different. An example of current fluctuation is shown in FIG.
It is shown in 1. FIG. 12A shows a case where the phase of the U-phase output voltage fundamental wave is switched at the same time for three phases at 0 °, as shown in FIG.
On the other hand, as shown in FIG. 13B, FIG. 13B shows a case where the phase of the U-phase output voltage fundamental wave is switched at 90 ° in three phases, and there is almost no transient fluctuation of the current. Absent.

図14は、過変調モードから1パルスモードへ三相一括して切換える際の出力
電圧基本波の位相(U相基準)と過渡的な電流の変動の関係の例である。ここで、
電流変動率は(数5)で定義する。
FIG. 14 is an example of the relationship between the phase of the fundamental wave of the output voltage (U-phase reference) and the transient current fluctuation when switching from the overmodulation mode to the 1-pulse mode at once. here,
The current fluctuation rate is defined by (Equation 5).

Figure 0003755089
Figure 0003755089

図14では、出力電圧基本波の位相で60゜毎に電流変動率が大きくなってい
る。これは三相のうちいずれかが過変調モードにおいて等間隔パルスのときに過
変調モードと1パルスモードが切換わる場合であり、このときは両モードの混在
による一時的な三相の出力電圧の不平衡が大きくなるために過渡的な電流の変動
も大きくなる。従って、図15に示すように、全ての相が過変調モードにおいて
広幅パルスとなる部分に移行位相を設定することで、過渡的な電流やトルクの変
動を抑制できる。
In FIG. 14, the current fluctuation rate increases every 60 ° in the phase of the fundamental voltage of the output voltage. This is a case where the overmodulation mode and the 1-pulse mode are switched when one of the three phases is an equidistant pulse in the overmodulation mode. In this case, the temporary three-phase output voltage due to the mixture of both modes is changed. As the imbalance increases, the transient current fluctuation also increases. Therefore, as shown in FIG. 15, transient current and torque fluctuations can be suppressed by setting a transition phase in a portion where all phases become wide pulses in the overmodulation mode.

ここで、三相一括して過変調モードと1パルスモードを切換えるには、三相全
てが過変調モードの出力電圧が広幅パルスになる区間ができなければならない。
このためには、三相のうち二相の変調波の交点(U相変調波の位相を基準にして、
30゜,90゜,150゜,210゜,270゜,330゜)において、変調波
の絶対値が1.0より大きくなければならない。30゜の場合で考えるとして、
au=Asin30゜>1.0よりA>2、過変調モードでは変調率Aと出力電圧E
*の対応は(数2)で与えられるので、E*>95.6%でなければならない。従
って、三相一括で過変調モードと1パルスモードを切換えるためには移行電圧は
95.6%より大きく、かつ、過変調で出力電圧基本波零クロス近傍に少なくと
も一個の電圧パルスを確保する値となる。
Here, in order to switch the overmodulation mode and the 1-pulse mode at the same time for the three phases, there must be a section where the output voltage of the overmodulation mode in all three phases becomes a wide pulse.
For this purpose, the intersection of two phase modulation waves among the three phases (based on the phase of the U phase modulation wave,
At 30 °, 90 °, 150 °, 210 °, 270 °, 330 °), the absolute value of the modulated wave must be greater than 1.0. Considering the case of 30 °,
Since au = Asin 30 °> 1.0, A> 2, in the overmodulation mode, the modulation factor A and the output voltage E
Since the correspondence of * is given by (Equation 2), it must be E *> 95.6%. Therefore, the transition voltage is larger than 95.6% to switch overmodulation mode and 1-pulse mode in three phases at a time, and a value that secures at least one voltage pulse near the output voltage fundamental wave zero cross by overmodulation. It becomes.

図16は、上記移行電圧,移行位相の管理を実現するPWMモード選択手段4
の構成例である。モード選択指令発生手段42では、移行電圧手段41に設定し
た移行電圧Ecと電圧指令E*を比較し、多パルスモードか1パルスモードのい
ずれを選択すべきかを表すモード選択指令Mcを発生する。
ここでは、出力電圧指令E*に基づきモード選択指令Mcを求めることとした
が、出力電圧指令E*は変調率Aと一義的に対応しているため、移行電圧に対応
する変調率Acを予め設定しておき、これと変調率Aを比較してモード選択指令
Mcを発生するとしてもよい。
また、可変電圧可変周波数領域では、出力電圧指令と出力電圧基本波周波数も
一義的に対応するので、移行電圧に対応する出力電圧基本波周波数Ficを予め
設定しておき、これと周波数指令Fi*を比較してモード選択指令Mcを発生し
てもよい。
移行位相管理手段44では、Mcを参照し、モードの切換えが必要な場合は出
力電圧基本波の位相θxと移行位相設定手段43に設定した移行位相θcを比較
し、θxがθcに達していれば、モード選択信号Mを切換える。モード選択スイ
ッチ45,46,47では、モード選択信号Mに従って多パルス発生手段の出力
S1xと1パルス発生手段の出力S2xのいずれかを選択し、スイッチング関数
Sxを決定する。
FIG. 16 shows PWM mode selection means 4 for realizing the management of the transition voltage and transition phase.
This is an example of the configuration. The mode selection command generating means 42 compares the transition voltage Ec set in the transition voltage means 41 with the voltage command E *, and generates a mode selection command Mc that indicates whether the multi-pulse mode or the one-pulse mode should be selected.
Here, the mode selection command Mc is determined based on the output voltage command E *. However, since the output voltage command E * uniquely corresponds to the modulation factor A, the modulation factor Ac corresponding to the transition voltage is set in advance. It may be set and the mode selection command Mc may be generated by comparing this with the modulation factor A.
In the variable voltage variable frequency region, the output voltage command and the fundamental voltage of the output voltage also correspond to each other. Therefore, the fundamental frequency Fic of the output voltage corresponding to the transition voltage is set in advance, and the frequency command Fi * May be generated to generate a mode selection command Mc.
The transition phase management means 44 refers to Mc, and when the mode needs to be switched, the phase θx of the output voltage fundamental wave is compared with the transition phase θc set in the transition phase setting means 43, and θx has reached θc. For example, the mode selection signal M is switched. In the mode selection switches 45, 46 and 47, either the output S1x of the multi-pulse generation means or the output S2x of the one-pulse generation means is selected according to the mode selection signal M, and the switching function Sx is determined.

移行位相の管理については、次のような方法によるものでもよい。各相の変調
波の絶対値をとり、三相全て1.0より大きくなっていれば、その時点で全ての
相が過変調の広幅パルスの部分にあることになる。従って、そのような時点で多
パルス発生手段と1パルス発生手段の出力を切換える。
The management of the transition phase may be performed by the following method. If the absolute value of the modulated wave of each phase is taken and all three phases are greater than 1.0, then all phases are in the overmodulated wide pulse portion. Accordingly, at such time, the output of the multi-pulse generating means and the one-pulse generating means is switched.

以上により、多パルスモードと1パルスモードの出力電圧のギャップを従来の
GTOインバータでの10%程度から1〜2%程度にまで小さくして、出力電圧
の大きさを零から最大電圧までほぼ連続に制御し、また、多パルスモードと1パ
ルスモードの切換時において電流や電動機の発生トルクの変動なく、スムーズに
切換えを行うことのできる2レベルインバータを構成することができる。
また、本発明での出力電圧基本波周波数とスイッチング周波数の関係は、図1
7のようになり、図3の従来のインバータの変調方式のような大きな不連続は存
在せず、磁気騒音の不連続な音色変化をなくすことができる。
As described above, the output voltage gap between the multi-pulse mode and the one-pulse mode is reduced from about 10% in the conventional GTO inverter to about 1-2%, and the magnitude of the output voltage is substantially continuous from zero to the maximum voltage. In addition, it is possible to configure a two-level inverter that can be switched smoothly without variation in current and generated torque of the motor when switching between the multi-pulse mode and the one-pulse mode.
The relationship between the fundamental frequency of the output voltage and the switching frequency in the present invention is shown in FIG.
Thus, there is no large discontinuity as in the conventional inverter modulation method of FIG. 3, and the discontinuous timbre change of the magnetic noise can be eliminated.

本発明は、多パルスモードと1パルスモードの組合せにより出力電圧の大きさ
を零から最大電圧まで制御するインバータの交流出力を用いて電気車を駆動する
電動機を制御し、電気車を駆動制御することに利用可能である。
The present invention controls an electric motor that drives an electric vehicle using an AC output of an inverter that controls the magnitude of an output voltage from zero to the maximum voltage by a combination of a multi-pulse mode and a one-pulse mode, and controls the driving of the electric vehicle. Especially available.

本発明の一実施形態を示す構成図The block diagram which shows one Embodiment of this invention 車輌用インバータの運転特性を示す図The figure which shows the driving characteristic of the inverter for vehicles 従来のインバータの変調方式の例を示す図The figure which shows the example of the modulation system of the conventional inverter 本発明によるインバ−タの運転特性を示す図The figure which shows the driving | running characteristic of the inverter by this invention 多パルス発生手段の構成の一例を示す図The figure which shows an example of a structure of a multipulse generation means バイポーラモードの変調波,搬送波,スイッチング関数を示す図Diagram showing modulated wave, carrier wave, and switching function in bipolar mode 過変調モードの変調波,搬送波,スイッチング関数を示す図Diagram showing modulation wave, carrier wave, and switching function in overmodulation mode 出力電圧の基本波と1パルスモードのスイッチング関数を示す図The figure which shows the switching function of the fundamental wave of output voltage and 1 pulse mode ビート現象発生の様子を示す図Diagram showing how the beat phenomenon occurs 出力電圧基本波零クロス近傍の平均パルス数と電流脈動の関係図Relationship between average pulse number and current pulsation near the output voltage fundamental wave zero cross モード切換え直後の過渡的な電流変動の様子が移行位相により異なることを示す図Diagram showing that the state of transient current fluctuation immediately after mode switching differs depending on the transition phase 図11(a)の切換えタイミングを示す図The figure which shows the switching timing of Fig.11 (a) 図11(b)の切換えタイミングを示す図The figure which shows the switching timing of FIG.11 (b) 移行位相とモード切換え直後の過渡的な電流変動の関係を示す図Diagram showing the relationship between transition phase and transient current fluctuation immediately after mode switching 移行位相設定可能区間を示す図Diagram showing transition phase settable section PWMモード選択手段の構成の一例を示す図The figure which shows an example of a structure of a PWM mode selection means 本発明におけるインバータの出力電圧基本波周波数とスイッチング周波数の関係を示す図The figure which shows the relationship between the output voltage fundamental wave frequency and switching frequency of the inverter in this invention

符号の説明Explanation of symbols

1…積分器、2…多パルス発生手段、3…1パルス発生手段、4…PWMモード
選択手段、5…2レベル三相PWMインバータ、6…誘導電動機、7…フィルタ
リアクトル、8…平滑コンデンサ、9…直流架線、21…周波数指令→変調波振
幅基準変換手段、22…関数y=sin(x)、23…スイッチング周波数、24…
スイッチング関数演算手段、241,244…変調波ax、242,245…搬
送波c、243,246…スイッチング関数S1x、31…出力電圧基本波、4
1…移行電圧設定手段、42…モード選択指令発生手段、43…移行位相設定手
段、44…移行位相管理手段、45,46,47…モード選択スイッチ

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Integrator, 2 ... Multi pulse generation means, 3 ... 1 pulse generation means, 4 ... PWM mode selection means, 5 ... 2 level three phase PWM inverter, 6 ... Induction motor, 7 ... Filter reactor, 8 ... Smoothing capacitor, 9 ... DC overhead wire, 21 ... frequency command → modulation wave amplitude reference conversion means, 22 ... function y = sin (x), 23 ... switching frequency, 24 ...
Switching function computing means, 241, 244 ... modulated wave ax, 242, 245 ... carrier wave c, 243, 246 ... switching function S1x, 31 ... fundamental voltage of output voltage, 4
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Transition voltage setting means, 42 ... Mode selection command generation means, 43 ... Transition phase setting means, 44 ... Transition phase management means, 45, 46, 47 ... Mode selection switch

Claims (1)

複数の制御モードにより複数のスイッチング素子を制御して直流電圧から可変
電圧可変周波数の三相交流相電圧に変換し、その相電圧として正負2値のパルス
を出力する2レベルの電力変換器と、該電力変換器からの交流出力が供給され、
電気車を駆動する電動機を備えた電気車の制御装置において、
前記制御モードには、出力電圧基本波の半周期に複数の電圧パルスを出力させ
るパルス幅変調制御モード(バイポーラモード)と、出力電圧基本波の半周期に
単一の電圧パルスを出力させる1パルス制御モードとの間に非同期過変調制御モ
ードを介在させ、
非同期過変調制御モードは、出力電圧の半周期の波形として、該出力電圧の
基本波の零クロス近傍のパルス間隔が均一となる等間隔パルスと該出力電圧の基
本波のピークを中心とする広幅パルスを有し、前記1パルス制御モードの開始ま
で前記広幅パルスの幅を徐々に広げるようにし、
前記電気車を低速域から高速域まで運転するとき、前記電力変換器の出力電圧
を制御する電圧指令の大きさに応じて、前記パルス幅変調制御モードと、前記
同期過変調制御モードと、前記1パルス制御モードとを順次移行させることを特
徴とする電気車の制御装置。
A two-level power converter that controls a plurality of switching elements in a plurality of control modes to convert a DC voltage into a three-phase AC phase voltage of variable voltage and variable frequency, and outputs positive and negative binary pulses as the phase voltage; AC output from the power converter is supplied,
In a control device for an electric car equipped with an electric motor for driving the electric car,
The control mode includes a pulse width modulation control mode (bipolar mode) for outputting a plurality of voltage pulses in a half cycle of the output voltage fundamental wave, and a single pulse for outputting a single voltage pulse in the half cycle of the output voltage fundamental wave. Asynchronous overmodulation control mode is interposed between the control mode and
The asynchronous over-modulation control mode, as the waveform of the half cycle of the output voltage, around the peaks of the fundamental wave of equally spaced pulses and the output voltage pulse interval of the zero cross vicinity of the fundamental wave of the output voltage becomes uniform Having a wide pulse and gradually increasing the width of the wide pulse until the start of the one-pulse control mode;
When driving the electric vehicle from a low speed range to a high speed range , the output voltage of the power converter
Depending on the magnitude of the voltage command to control the pulse width modulation control mode and the non-
A control device for an electric vehicle, wherein a synchronous overmodulation control mode and the one-pulse control mode are sequentially shifted.
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