JP4533671B2 - Electric motor control device and vehicle - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池を駆動電源として電動機を駆動制御する電動機制御装置に関する。 The present invention relates to a motor control device that drives and controls the electric motor of the fuel cell as a driving power source.

電動機は、例えば電気車や工作機械、製造設備、リフト類、ファン・ポンプといった種々の機械装置の動力源として用いられているが、近年では、環境負荷が小さく且つ高エネルギ効率が期待される燃料電池を駆動電源とする電動機制御の研究・開発が盛んに行われている。   Electric motors are used as power sources for various mechanical devices such as electric cars, machine tools, manufacturing equipment, lifts, fans and pumps. In recent years, they are fuels that are expected to have low environmental impact and high energy efficiency. Research and development of electric motor control using a battery as a driving power source has been actively conducted.

ところで、燃料電池は直流電源であることから、例えばインバータ等で燃料電池の直流出力を交流に変換して電動機に供給する必要があるが、かかる技術として、例えば次が知られている。特許文献1には、燃料電池本体とインバータとの間に複数の直流負荷抵抗を接続するが、燃料電池本体の出力電圧に基づいてその直流負荷抵抗の投入数を可変とすることで、過渡的な直流過電圧の抑制機能を実現する燃料電池発電装置が開示されている。また、特許文献2には、外気より取り込んだ空気を燃料電池の酸素極に供給するブロアに対して、燃料電池の電力負荷変動に対応した適正空気風量を発生させることで、空気ブロアの無駄な消費電力を抑えて総合的な発電効率の向上を図った燃料電池システムが開示されている。
特開平9−306530号公報 特開平7−211336号公報
By the way, since the fuel cell is a direct current power source, it is necessary to convert the direct current output of the fuel cell into alternating current by an inverter or the like, for example, and supply the alternating current to the electric motor. In Patent Document 1, a plurality of DC load resistors are connected between the fuel cell main body and the inverter. However, the number of DC load resistors can be changed based on the output voltage of the fuel cell main body so as to make a transition. A fuel cell power generator that realizes a function of suppressing a direct overvoltage is disclosed. Further, Patent Document 2 discloses that a blower that supplies air taken from outside air to an oxygen electrode of a fuel cell generates a proper amount of air flow corresponding to fluctuations in the power load of the fuel cell. A fuel cell system is disclosed in which power consumption is suppressed and overall power generation efficiency is improved.
JP-A-9-306530 Japanese Patent Laid-Open No. 7-212336

燃料電池を電動機の駆動電源として用いるためには、燃料電池を駆動システムに適用した場合の特性を把握し、把握した特性に適合したインバータ・電動機等から成る主回路システムを構築する必要がある。そこで、本願出願人が、燃料電池を電気車の一種である鉄道車両(電車)の駆動システムに適用した場合の特性を把握するため、燃料電池、誘導電動機を駆動するVVVFインバータ装置及び制御装置等から成る試験用主回路システムにて誘導電動機駆動試験を行ったところ、燃料電池の温度(詳細には、燃料電池本体の周囲温度や酸素極への入気空気温度等)が低下すると、燃料電池の出力諸量(電圧/電流/電力)に数[Hz]の振動が生じ、これによって電動機制御系全体に電気的な振動が発生することが判明した。電動機制御系に電気的な振動が発生すると、これによって、騒音や機械的な振動、過電流による機器損傷等が生じる恐れがある。   In order to use a fuel cell as a drive power source for an electric motor, it is necessary to grasp characteristics when the fuel cell is applied to a drive system, and to construct a main circuit system including an inverter, an electric motor, and the like adapted to the grasped characteristics. Therefore, in order to grasp the characteristics when the applicant of the present application applies a fuel cell to a drive system of a railway vehicle (train) which is a kind of electric vehicle, a fuel cell, a VVVF inverter device for driving an induction motor, a control device, etc. When the induction motor drive test was conducted with the main circuit system for testing, when the temperature of the fuel cell (specifically, the ambient temperature of the fuel cell body, the temperature of the air entering the oxygen electrode, etc.) decreased, the fuel cell It has been found that vibrations of several [Hz] occur in various output amounts (voltage / current / power) of the motor, and this causes electrical vibrations in the entire motor control system. When electrical vibration occurs in the motor control system, this may cause noise, mechanical vibration, equipment damage due to overcurrent, and the like.

上記事情に鑑み、本発明は、燃料電池の特性に適した電動機制御、詳細には燃料電池の温度低下によって電動機制御系に発生する振動の抑制が可能な電動機制御を実現することを目的としている。   In view of the above circumstances, an object of the present invention is to realize an electric motor control suitable for the characteristics of the fuel cell, and more specifically, an electric motor control capable of suppressing vibration generated in the electric motor control system due to a temperature drop of the fuel cell. .

上記課題を解決するために、第1の発明は、
電気車を駆動する電動機(例えば、図1の誘導電動機30)と、
燃料電池(例えば、図1の燃料電池システム10)と、
前記燃料電池の直流出力を交流に変換して前記電動機に出力するインバータ(例えば、図1のインバータ20)と、
所与の指令信号(例えば、実施形態のq軸電流指令Iq *)に従って前記インバータを制御する制御装置(例えば、図1の制御システム50)と、
を備えた電動機制御装置において、
前記制御装置は、前記所与の指令信号に前記燃料電池出力に基づく所定の進み補償を施す進み補償手段(例えば、図3の位相進み補償器59)を有し、この進み補償手段により補償された信号に従って前記インバータを制御する、
ことを特徴とする電動機制御装置である。
In order to solve the above problems, the first invention
An electric motor for driving an electric vehicle (for example, the induction motor 30 in FIG. 1);
A fuel cell (eg, fuel cell system 10 of FIG. 1);
An inverter that converts the direct current output of the fuel cell into alternating current and outputs the alternating current to the electric motor (for example, the inverter 20 in FIG. 1);
A control device (eg, the control system 50 of FIG. 1) that controls the inverter in accordance with a given command signal (eg, the q-axis current command I q * of the embodiment);
In an electric motor control device comprising:
The control device has advance compensation means (for example, a phase advance compensator 59 in FIG. 3) for applying a predetermined advance compensation to the given command signal based on the output of the fuel cell, and is compensated by the advance compensation means. Controlling the inverter according to the received signal,
This is an electric motor control device.

この第1の発明によれば、電動機と、燃料電池と、燃料電池の直流出力を交流に変換して電動機に出力するインバータと、所与の指令信号に従ってインバータを制御する制御装置とを備えた電動機制御装置において、制御装置が、インバータを、所与の指令信号に燃料電池出力に基づく所定の進み補償を施して補償した信号に従って制御することができる。従って、上述した燃料電池の温度低下によって電動機制御系に発生する振動現象は、燃料電池の出力電圧が出力電流に比べて遅れる、即ち燃料電池の出力電圧から出力電流までが遅れ系となることに起因すると推定されるが、所定の進み補償として例えば二次の位相進み補償を行うことで、この電動機制御系に発生する振動現象を抑制することが可能となる。   According to the first invention, an electric motor, a fuel cell, an inverter that converts the direct current output of the fuel cell into alternating current and outputs the alternating current to the electric motor, and a control device that controls the inverter according to a given command signal are provided. In the motor control device, the control device can control the inverter according to a signal that is compensated by applying predetermined advance compensation based on the fuel cell output to a given command signal. Therefore, the vibration phenomenon that occurs in the motor control system due to the above-described temperature drop of the fuel cell is that the output voltage of the fuel cell is delayed compared to the output current, that is, the delay from the output voltage of the fuel cell to the output current is delayed. Although it is presumed to be caused, for example, by performing secondary phase lead compensation as the predetermined lead compensation, it becomes possible to suppress the vibration phenomenon occurring in the motor control system.

第2の発明は、
電動機と、
燃料電池と、
所与の出力指令信号に従って前記燃料電池の直流出力を交流へ変換して前記電動機へ出力するインバータと、
前記出力指令信号を生成して前記インバータを制御する制御装置と、
を備えた電動機制御装置において、
前記制御装置は、前記出力指令信号に前記燃料電池出力に基づく所定の進み補償を施す進み補償手段を有する、
ことを特徴とする電動機制御装置である。
The second invention is
An electric motor,
A fuel cell;
An inverter that converts the direct current output of the fuel cell to alternating current according to a given output command signal and outputs the alternating current to the electric motor;
A control device that generates the output command signal and controls the inverter;
In an electric motor control device comprising:
The control device includes advance compensation means for performing predetermined advance compensation on the output command signal based on the fuel cell output.
This is an electric motor control device.

この第2の発明によれば、電動機制御装置と、燃料電池と、燃料電池の直流出力を交流に変換して電動機に出力するインバータと、出力指令信号を生成してインバータを制御する制御装置とを備えた電動機制御装置において、制御装置が、生成した出力指令信号に燃料電池出力に基づく所定の進み補償を施すことができる。即ち、インバータは、生成された出力指令信号に所定の進み補償を施した信号に従って制御されることになる。従って、上述した燃料電池の温度低下によって電動機制御系に発生する振動現象は、燃料電池の出力電圧が出力電流に比べて遅れる、即ち燃料電池の出力電圧から出力電流までが遅れ系となることに起因すると推定されるが、所定の進み補償として例えば二次の位相進み補償を行うことで、この電動機制御系に発生する振動現象を抑制することが可能となる。   According to the second aspect of the invention, an electric motor control device, a fuel cell, an inverter that converts the direct current output of the fuel cell to alternating current and outputs the alternating current to the electric motor, and a control device that generates an output command signal and controls the inverter In the electric motor control device provided with the control device, the control device can perform predetermined advance compensation based on the fuel cell output to the generated output command signal. That is, the inverter is controlled in accordance with a signal obtained by performing predetermined advance compensation on the generated output command signal. Therefore, the vibration phenomenon that occurs in the motor control system due to the above-described temperature drop of the fuel cell is that the output voltage of the fuel cell is delayed compared to the output current, that is, the delay from the output voltage of the fuel cell to the output current is delayed. Although it is presumed to be caused, for example, by performing secondary phase lead compensation as the predetermined lead compensation, it becomes possible to suppress the vibration phenomenon occurring in the motor control system.

また、第3の発明のように、第1又は2の発明の電動機制御装置において、
前記電動機への流入電力を検出する電力検出手段を更に備え、
前記進み補償手段は、前記電力検出手段により検出された電力が大きい程前記進み補償を施す程度を大きくさせるゲイン変更手段を有する、
こととしても良い。
Further, as in the third invention, in the motor control device of the first or second invention,
Further comprising power detection means for detecting power flowing into the motor,
The advance compensation means includes gain changing means for increasing the degree of advance compensation as the power detected by the power detection means increases.
It's also good.

この第3の発明によれば、第1又は2の発明と同様の効果を奏するとともに、電動機への流入電力が大きい程、進み補償を施す程度を大きくすることができる。   According to the third aspect of the invention, the same effects as those of the first or second aspect of the invention can be obtained, and the degree of advance compensation can be increased as the inflow power to the motor is increased.

また、第4の発明のように、第1又は2の発明の電動機制御装置において、
前記電動機の回転速度を検出する速度検出手段を更に備え、
前記進み補償手段は、前記速度検出手段により検出された回転速度が大きい程前記進み補償を施す程度を大きくさせるゲイン変更手段を有する、
こととしても良い。
Further, as in the fourth invention, in the motor control device of the first or second invention,
Further comprising speed detecting means for detecting the rotational speed of the electric motor;
The advance compensation means includes gain changing means for increasing the degree of advance compensation as the rotational speed detected by the speed detection means increases.
It's also good.

この第4の発明によれば、第1又は2の発明と同様の効果を奏するとともに、電動機の回転速度が大きい程、進み補償を施す程度を大きくすることができる。尚ここで、速度検出手段としては、速度センサを取り付けることで回転速度を直接に検出することとしても良いし、また、公知の速度センサレスベクトル制御で用いられる速度推定と同様な方法を用いることで推定することとしても良い。   According to the fourth aspect of the invention, the same effect as that of the first or second aspect of the invention can be obtained, and the degree of advance compensation can be increased as the rotational speed of the electric motor is increased. Here, as the speed detection means, it is possible to directly detect the rotation speed by attaching a speed sensor, or by using a method similar to the speed estimation used in the known speed sensorless vector control. It may be estimated.

第5の発明は、
電動機と、
燃料電池と、
前記燃料電池の直流出力を交流に変換して前記電動機に出力するインバータと、
前記インバータを制御する制御装置と、
を備えた電動機制御装置において、
前記燃料電池出力に所定の振動現象が発生しているか否かを検出する振動検出手段を更に備え、
前記制御装置は、前記振動検出手段により振動現象の発生が検出された場合に、前記電動機への出力電力を低減させるように前記インバータを制御する出力電力低減制御手段を有する、
ことを特徴とする電動機制御装置である。
The fifth invention is:
An electric motor,
A fuel cell;
An inverter that converts the direct current output of the fuel cell into alternating current and outputs the alternating current to the electric motor;
A control device for controlling the inverter;
In an electric motor control device comprising:
Vibration detecting means for detecting whether or not a predetermined vibration phenomenon occurs in the fuel cell output;
The control device has output power reduction control means for controlling the inverter so as to reduce output power to the electric motor when occurrence of a vibration phenomenon is detected by the vibration detection means.
This is an electric motor control device.

この第5の発明によれば、電動機と、燃料電池と、燃料電池の直流出力を交流に変換して電動機に出力するインバータと、インバータを制御する制御装置とを備えた電動機制御装置において、制御装置が、燃料電池出力に所定の振動現象が発生していることが検出された場合に、電動機への出力電力を低減させるようにインバータを制御することができる。   According to the fifth aspect of the invention, in the electric motor control device including the electric motor, the fuel cell, the inverter that converts the direct current output of the fuel cell into alternating current and outputs the alternating current to the electric motor, and the control device that controls the inverter, When the apparatus detects that a predetermined vibration phenomenon has occurred in the fuel cell output, the inverter can be controlled to reduce the output power to the electric motor.

上述した燃料電池の温度低下によって電動機制御系に発生する振動現象は、燃料電池の出力電圧が出力電流に比べて遅れる、即ち燃料電池の出力電圧から出力電流までが遅れ系となることに起因すると推定される。従って、電動機として誘導電動機を用いる場合、誘導電動機には、消費電力が少ない場合には燃料電池の出力電流が遅れていても振動現象が発生しない特性があるため、燃料電池出力に所定の振動現象が発生した場合に電動機への出力電力を低減させる、即ち消費電力を低減させるように制御することで、電動機制御系に発生する振動現象を抑制することが可能となる。   The vibration phenomenon that occurs in the motor control system due to the above-described temperature drop of the fuel cell is caused by the fact that the output voltage of the fuel cell is delayed compared to the output current, that is, the delay system is from the output voltage of the fuel cell to the output current. Presumed. Therefore, when an induction motor is used as an electric motor, the induction motor has a characteristic that a vibration phenomenon does not occur even if the output current of the fuel cell is delayed when the power consumption is low. By controlling so that the output power to the motor is reduced, that is, the power consumption is reduced when this occurs, the vibration phenomenon occurring in the motor control system can be suppressed.

第6の発明は、
電動機と、
燃料電池と、
前記燃料電池の直流出力を交流に変換して前記電動機に出力するインバータと、
前記インバータを制御する制御装置と、
を備えた電動機制御装置において、
前記インバータ出力に所定の振動現象が発生しているか否かを検出する振動検出手段を更に備え、
前記制御装置は、前記振動検出手段により振動現象の発生が検出された場合に、前記電動機への出力電力を低減させるように前記インバータを制御する出力電力低減制御手段を有する、
ことを特徴とする電動機制御装置である。
The sixth invention is:
An electric motor,
A fuel cell;
An inverter that converts the direct current output of the fuel cell into alternating current and outputs the alternating current to the electric motor;
A control device for controlling the inverter;
In an electric motor control device comprising:
Vibration detecting means for detecting whether or not a predetermined vibration phenomenon occurs in the inverter output;
The control device has output power reduction control means for controlling the inverter so as to reduce output power to the electric motor when occurrence of a vibration phenomenon is detected by the vibration detection means.
This is an electric motor control device.

この第6の発明によれば、電動機と、燃料電池と、燃料電池の直流出力を交流に変換して電動機に出力するインバータと、インバータを制御する制御装置とを備えた電動機制御装置において、インバータ出力に所定の振動現象が発生していることが検出された場合に、電動機への出力電力を低減させるようにインバータを制御することができる。   According to the sixth aspect of the invention, there is provided an electric motor control device including an electric motor, a fuel cell, an inverter that converts a direct current output of the fuel cell into an alternating current and outputs the alternating current, and a control device that controls the inverter. When it is detected that a predetermined vibration phenomenon has occurred in the output, the inverter can be controlled to reduce the output power to the motor.

上述した燃料電池の温度低下によって電動機制御系に発生する振動現象は、燃料電池の出力電圧が出力電流に比べて遅れる、即ち燃料電池の出力電圧から出力電流までが遅れ系となることに起因すると推定される。従って、電動機として誘導電動機を用いる場合、誘導電動機には、消費電力が少ない場合には燃料電池の出力電流が遅れていても振動現象が発生しない特性があるため、インバータ出力に所定の振動現象が発生した場合に電動機への出力電力を低減させる、即ち消費電力を低減させるように制御することで、電動機制御系に発生する振動現象を抑制することが可能となる。   The vibration phenomenon that occurs in the motor control system due to the above-described temperature drop of the fuel cell is caused by the fact that the output voltage of the fuel cell is delayed compared to the output current, that is, the delay system is from the output voltage of the fuel cell to the output current. Presumed. Therefore, when an induction motor is used as an electric motor, the induction motor has a characteristic that no oscillation phenomenon occurs even if the output current of the fuel cell is delayed when the power consumption is small. When it occurs, by controlling so as to reduce the output power to the motor, that is, to reduce the power consumption, it is possible to suppress the vibration phenomenon that occurs in the motor control system.

また、第7の発明のように、第5又は6の発明の電動機制御装置において、
前記燃料電池の周囲温度を計測する温度計測手段を更に備え、
前記振動検出手段は、前記温度計測手段により計測された温度が所定閾値以下又は所定閾値未満であった場合に前記振動現象が発生していると推定する推定手段を有する、
こととしても良い。
Further, as in the seventh invention, in the motor control device of the fifth or sixth invention,
Further comprising a temperature measuring means for measuring the ambient temperature of the fuel cell;
The vibration detection means includes an estimation means for estimating that the vibration phenomenon has occurred when the temperature measured by the temperature measurement means is equal to or lower than a predetermined threshold value or less than a predetermined threshold value.
It's also good.

この第7の発明によれば、第5又は6の発明と同様の効果を奏するとともに、燃料電池の周囲温度が所定閾値以下/未満であった場合に振動現象が発生していると推定することができる。   According to the seventh aspect, the same effect as the fifth or sixth aspect is achieved, and it is estimated that the vibration phenomenon occurs when the ambient temperature of the fuel cell is equal to or less than a predetermined threshold value. Can do.

また、第8の発明のように、第5〜7の何れかの発明の電動機制御装置において、
前記電動機への流入電力を検出する電力検出手段を更に備え、
前記出力電力低減制御手段は、前記電力検出手段により検出された電力が大きい程出力電力の低減量を大きくさせる低減量制御手段を有する、
こととしても良い。
Further, as in the eighth invention, in the motor control device of any of the fifth to seventh inventions,
Further comprising power detection means for detecting power flowing into the motor,
The output power reduction control means has a reduction amount control means for increasing the reduction amount of the output power as the power detected by the power detection means is larger.
It's also good.

この第8の発明によれば、第5〜7の発明と同様の効果を奏するとともに、電動機への流入電力が大きい程、電動機への出力電力の低減量を大きくさせることができる。即ち、電動機への流入電力が大きい程、電動機制御系により大きな振動現象が発生すると予測されるため、電動機の消費電力の低減量を大きくさせるように制御することで、電動機制御系に発生する振動現象をより効果的に抑制することが可能となる。   According to the eighth aspect of the invention, the same effects as those of the fifth to seventh aspects can be obtained, and the amount of reduction in the output power to the motor can be increased as the inflow power to the motor is increased. That is, it is predicted that the greater the inflow power to the motor, the greater the vibration phenomenon will occur in the motor control system. Therefore, the vibration generated in the motor control system is controlled by increasing the reduction amount of the power consumption of the motor. It becomes possible to suppress the phenomenon more effectively.

また、第9の発明のように、第5〜7の何れかの発明の電動機制御装置において、
前記電動機の回転速度を検出する速度検出手段を更に備え、
前記出力電力低減制御手段は、前記速度検出手段により検出された回転速度が大きい程出力電力の低減量を大きくさせる低減量制御手段を有する、
こととしても良い。
Further, as in the ninth invention, in the motor control device of any of the fifth to seventh inventions,
Further comprising speed detecting means for detecting the rotational speed of the electric motor;
The output power reduction control means has a reduction amount control means for increasing the reduction amount of the output power as the rotational speed detected by the speed detection means is larger.
It's also good.

この第9の発明によれば、第5〜7の発明と同様の効果を奏するとともに、電動機の回転速度が大きい程、電動機への出力電力の低減量を大きくさせることができる。電動機の回転速度が大きい程、電動機制御系により大きな振動現象が発生すると予測されるため、、電動機の電動機の消費電力の低減量を大きくさせるように制御することで、電動機制御系に発生する振動現象をより効果的に抑制することが可能となる。   According to the ninth aspect, the same effects as those of the fifth to seventh aspects can be obtained, and the reduction amount of the output power to the motor can be increased as the rotational speed of the motor is increased. As the motor rotation speed increases, it is predicted that a large vibration phenomenon will occur in the motor control system. Therefore, the vibration generated in the motor control system is controlled by increasing the power consumption reduction amount of the motor. It becomes possible to suppress the phenomenon more effectively.

また、第10の発明のように、第1〜9の何れかの発明の電動機制御装置において、
前記電動機は電気車を駆動する電動機であり、当該電気車の電動機を制御することとしても良い。
Further, as in the tenth invention, in the motor control device of any one of the first to ninth inventions,
The electric motor is an electric motor that drives an electric vehicle, and the electric motor of the electric vehicle may be controlled.

ここで、「電気車」とは、電気動力(主に、電動機の回転力)によって走行する車両のことであり、例えば電車や電気自動車である。この第10の発明によれば、燃料電池を駆動電源として駆動される電気車において、第1〜9の何れかの発明と同様の効果を奏することができる。   Here, the “electric vehicle” refers to a vehicle that travels by electric power (mainly the rotational force of an electric motor), such as a train or an electric vehicle. According to the tenth aspect, in the electric vehicle driven by using the fuel cell as a driving power source, the same effect as any one of the first to ninth aspects can be achieved.

本発明によれば、燃料電池の温度低下によって電動機制御系に発生する振動の抑制が可能となる。   According to the present invention, it is possible to suppress the vibration generated in the motor control system due to the temperature drop of the fuel cell.

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を説明する。尚、以下では、本発明を、電気車の一種である電車に適用した場合について説明するが、本発明の適用がこれに限定されるものではない。   The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following, the case where the present invention is applied to a train which is a kind of electric car will be described, but the application of the present invention is not limited to this.

[振動抑制の原理]
上述のように、燃料電池で駆動される鉄道車両(電車)等の電動機制御系では、燃料電池温度が低下すると、燃料電池出力(電圧/電流/電力)に電気的な振動現象が発生し、これによって電動機制御系全体に電気的な振動が生じることが判明した。これは、燃料電池温度が低下した際に生じる現象であることから、燃料電池の特性に起因するものと推定される。つまり、燃料電池の出力電流が出力電圧に比べて遅れる、即ち出力電流から出力電圧までの伝達関数が遅れ要素をもつことで生じる現象であると推測される。そこで、本実施形態では、電動機制御系に二次の位相進み補償(いわゆる、ダンピング補償)を付加することで制御系全体に生じる振動現象を抑制する。
[Principle of vibration suppression]
As described above, in an electric motor control system such as a railway vehicle (train) driven by a fuel cell, when the fuel cell temperature decreases, an electrical vibration phenomenon occurs in the fuel cell output (voltage / current / power), As a result, it has been found that an electric vibration is generated in the entire motor control system. Since this is a phenomenon that occurs when the temperature of the fuel cell is lowered, it is presumed to be caused by the characteristics of the fuel cell. That is, it is estimated that this is a phenomenon that occurs when the output current of the fuel cell is delayed compared to the output voltage, that is, the transfer function from the output current to the output voltage has a delay element. Therefore, in the present embodiment, vibration phenomenon that occurs in the entire control system is suppressed by adding secondary phase advance compensation (so-called damping compensation) to the motor control system.

[主回路構成]
図1は、本実施形態における鉄道車両を駆動する主回路システムの概略構成を示すブロック図である。主回路システムは燃料電池を動力源としてVVVFインバータ装置で誘導電動機を駆動するものであり、主に、燃料電池システム10と、インバータ20と、誘導電動機30と、制御システム50と、を備えて構成される。
[Main circuit configuration]
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a main circuit system for driving a railway vehicle in the present embodiment. The main circuit system uses a fuel cell as a power source to drive an induction motor with a VVVF inverter device, and mainly includes a fuel cell system 10, an inverter 20, an induction motor 30, and a control system 50. Is done.

燃料電池システム10は、化学エネルギを電気エネルギに変換して直流電力を発生する燃料電池から構成される。本実施形態では、電気自動車や定置型電源装置への応用が多く見られ、実用性が高いと考えられている固体高分子型燃料電池(PEMFC)により実現される。燃料電池システム10による発生電力は、インバータ20に供給される。   The fuel cell system 10 is composed of a fuel cell that generates direct-current power by converting chemical energy into electrical energy. The present embodiment is realized by a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) that is widely applied to electric vehicles and stationary power supply devices and is considered to be highly practical. The electric power generated by the fuel cell system 10 is supplied to the inverter 20.

図2に、PEMFCの原理図を示す。同図に示すように、PEMFCは、電解質として固体高分子膜を用いており、燃料極には加圧した純水素が、酸素極には加圧した空気が送り込まれる。燃料極においては、電気化学反応式(1a)に示すように、燃料極の触媒作用により水素が水素イオンH+と電子e-とに分離される。水素イオンH+は、固体高分子電解質膜を通過して酸素極に到達し、電子e-は燃料極により取り出されて外部回路へと供給される。酸素極においては、電気化学反応式(1b)に示すように、外部回路から酸素極に供給される電子e-と、空気中の酸素O2と、固体高分子電解質膜を通過して到達した水素イオンH+とが反応して水が生成される。

Figure 0004533671
FIG. 2 shows the principle diagram of PEMFC. As shown in the figure, the PEMFC uses a solid polymer membrane as an electrolyte, and pressurized hydrogen is sent to the fuel electrode and pressurized air is sent to the oxygen electrode. At the fuel electrode, as shown in the electrochemical reaction formula (1a), hydrogen is separated into hydrogen ions H + and electrons e by the catalytic action of the fuel electrode. Hydrogen ions H + pass through the solid polymer electrolyte membrane and reach the oxygen electrode, and electrons e are taken out by the fuel electrode and supplied to the external circuit. At the oxygen electrode, as shown in the electrochemical reaction formula (1b), the electron e supplied from the external circuit to the oxygen electrode, oxygen O 2 in the air, and the solid polymer electrolyte membrane were reached. Hydrogen ions H + react to produce water.
Figure 0004533671

尚ここで、燃料電池システム10の温度とは、燃料電池本体の周囲温度若しくは燃料電池の酸素極に送り込まれる入気空気温度を意味することとする。   Here, the temperature of the fuel cell system 10 means the ambient temperature of the fuel cell body or the temperature of the intake air sent to the oxygen electrode of the fuel cell.

インバータ20は、例えばIGBT等の半導体スイッチング素子から成る。インバータ20は、制御システム50から入力される制御信号に従ってスイッチング駆動され、燃料電池システム10から供給される直流電力を可変電圧/可変周波数の三相交流電力に変換して誘導電動機30に供給する。   The inverter 20 is composed of a semiconductor switching element such as an IGBT. The inverter 20 is switching-driven in accordance with a control signal input from the control system 50, converts the DC power supplied from the fuel cell system 10 into variable voltage / variable frequency three-phase AC power, and supplies it to the induction motor 30.

誘導電動機30は、インバータ20から供給される三相交流電力によって車軸(不図示)を回転駆動する主電動機(メインモータ)であり、本実施形態では3相交流誘導電動機で実現される。   The induction motor 30 is a main motor (main motor) that rotationally drives an axle (not shown) with three-phase AC power supplied from the inverter 20, and is realized by a three-phase AC induction motor in this embodiment.

制御システム50は、パルスジェネレータ40で検出された誘導電動機30のロータ周波数、電流センサ32a、32bによって検出された誘導電動機30への流入電流(即ち、インバータ20からの供給電流)、及び、燃料電池システム10の出力電圧(詳細には、燃料電池システム10とインバータ20との間に接続されたフィルタコンデンサCFの両端電圧)VFCに基づいてインバータ20を制御する。具体的には、制御システム50は、燃料電池システム10の起動後、ある速度までは一定電流で駆動する定トルク制御を行い、変調率が最大値に達した後は、d軸電流指令をインバータ周波数の(−1)乗で低減する弱め磁束制御(弱め界磁制御)を行う。 The control system 50 includes a rotor frequency of the induction motor 30 detected by the pulse generator 40, an inflow current to the induction motor 30 detected by the current sensors 32a and 32b (that is, a supply current from the inverter 20), and a fuel cell. The inverter 20 is controlled based on the output voltage V FC of the system 10 (specifically, the voltage across the filter capacitor C F connected between the fuel cell system 10 and the inverter 20). Specifically, after the fuel cell system 10 is started, the control system 50 performs constant torque control that drives with a constant current up to a certain speed, and after the modulation factor reaches the maximum value, the d-axis current command is converted to an inverter. Weak magnetic flux control (weak field control) is performed to reduce the frequency to the (−1) power.

図3に、制御システム50の一例として、すべり周波数形ベクトル制御を行う場合のブロック構成図を示す。同図によれば、制御システム50は、主に、電流指令演算部51と、加算器52a、52bと、電流制御器(ACR)53と、PWM制御回路54と、すべり周波数演算部56と、積分器57と、座標変換器58と、位相進み補償器59と、を備える。   FIG. 3 shows a block configuration diagram when slip frequency vector control is performed as an example of the control system 50. According to the figure, the control system 50 mainly includes a current command calculation unit 51, adders 52a and 52b, a current controller (ACR) 53, a PWM control circuit 54, a slip frequency calculation unit 56, An integrator 57, a coordinate converter 58, and a phase lead compensator 59 are provided.

F/V変換器55は、パルスジェネレータ40により検出された誘導電動機30の回転数をロータ周波数ωrに変換して出力する。   The F / V converter 55 converts the rotational speed of the induction motor 30 detected by the pulse generator 40 into a rotor frequency ωr and outputs the rotor frequency ωr.

電流指令演算部51は、F/V変換器55から入力されたロータ周波数ωrに基づき、誘導電動機30を駆動するための電流指令としてd軸電流指令Id *及びq軸電流指令Iq0 *を演算して出力する。
加算器52aは、電流指令演算部51から入力されたq軸電流指令Iq0 *に、位相進み補償器59から入力されたq軸電流補正指令Iqdmp *を加算して補正し、q軸電流指令Iq *として出力する。
Based on the rotor frequency ωr input from the F / V converter 55, the current command calculation unit 51 uses the d-axis current command I d * and the q-axis current command I q0 * as current commands for driving the induction motor 30. Calculate and output.
The adder 52a adds the q-axis current correction command I qdmp * input from the phase advance compensator 59 to the q-axis current command I q0 * input from the current command calculation unit 51 to correct the q-axis current. Output as command I q * .

すべり周波数演算部56は、電流指令演算部51から入力されたd軸電流指令Id *及び加算器52aから入力されたq軸電流指令Iq *に基づいてすべり周波数ωsを算出する。
加算器52bは、すべり周波数演算部56から入力されたすべり周波数ωsと、F/V変換器55から入力されたロータ周波数ωrとを加算し、一次周波数(インバータ周波数)ω1として出力する。
積分器57は、加算器52bから入力された一次周波数ω1を時間積分し、誘導電動機30の回転子角度θ1として出力する。
The slip frequency calculator 56 calculates the slip frequency ωs based on the d-axis current command I d * input from the current command calculator 51 and the q-axis current command I q * input from the adder 52a.
The adder 52b adds the slip frequency ωs input from the slip frequency calculation unit 56 and the rotor frequency ωr input from the F / V converter 55, and outputs the result as a primary frequency (inverter frequency) ω1.
The integrator 57 time-integrates the primary frequency ω1 input from the adder 52b and outputs it as the rotor angle θ1 of the induction motor 30.

座標変換器58は、電流センサ32a、32bによって検出された誘導電動機30のU相電流Iu及びV相電流Ivを、積分器57から入力された回転子角度θ1に基づいてdq軸座標変換し、d軸成分であるd軸検出電流(励磁検出電流)Idと、q軸成分であるq軸検出電流(トルク検出電流)Iqとに変換して出力する。尚、dq軸座標とは、インバータ20の一次周波数と同一角速度で回転する回転座標系のことである。また、Iu、IvからId、Iqへの変換式としては、例えば次式が知られている。

Figure 0004533671
The coordinate converter 58 converts the U-phase current I u and the V-phase current I v of the induction motor 30 detected by the current sensors 32a and 32b into a dq axis coordinate conversion based on the rotor angle θ1 input from the integrator 57. Then, the d-axis component is converted into a d-axis detection current (excitation detection current) I d and a q-axis component q-axis detection current (torque detection current) I q and output. The dq axis coordinates are a rotating coordinate system that rotates at the same angular velocity as the primary frequency of the inverter 20. As a conversion formula from I u and I v to I d and I q , for example, the following formula is known.
Figure 0004533671

電流制御器53は、電流指令演算部51から入力されたd軸電流指令Id *と、加算器52aから入力されたq軸電流指令Iq *と、座標変換器58から入力された検出電流Id、Iqとから、次式(3)に従って電圧指令Vd *、Vq *を演算する。

Figure 0004533671
The current controller 53 includes a d-axis current command I d * input from the current command calculation unit 51, a q-axis current command I q * input from the adder 52a, and a detection current input from the coordinate converter 58. The voltage commands V d * and V q * are calculated from I d and I q according to the following equation (3).
Figure 0004533671

式(3)において、Φfは誘導電動機30の界磁磁束である。また、CPId(s)及びCPIq(s)は、それぞれd軸電流指令Id *及びq軸電流指令Iq *のPI補償器を表し、HDCd(s)及びHDCq(s)は、それぞれd軸電流指令Id *及びq軸電流指令Iq *の非干渉化補償項を表す。即ち、電流制御器53は、電流指令Id *、Iq *と検出電流Id、Iqとの偏差がゼロとなるようにフィードバック制御を行うとともに、電流指令Id *、Iq *を用いてdq軸間の干渉を除去する非干渉化補償を行って電圧指令Vd *、Vq *を演算している。 In Expression (3), Φf is a field magnetic flux of the induction motor 30. C PId (s) and C PIq (s) represent PI compensators for the d-axis current command I d * and the q-axis current command I q * , respectively, and H DCd (s) and H DCq (s) are , Respectively represent decoupling compensation terms of the d-axis current command I d * and the q-axis current command I q * . That is, the current controller 53 performs feedback control so that the deviation between the current commands I d * , I q * and the detected currents I d , I q becomes zero, and also outputs the current commands I d * , I q * . The voltage commands V d * and V q * are calculated by performing non-interference compensation for removing interference between the dq axes.

PWM制御回路54は、電流制御器53から入力された電圧指令Vd *、Vq *を、積分器57から入力された回転子角度θ1に基づいて三相の電圧指令VU *、VU *、VW *に変換する。そして、変換した電圧指令VU *、VV *、VW *に基づいてインバータ20のスイッチング素子をオン/オフするためのPWM制御信号を生成し、インバータ20に出力する。 The PWM control circuit 54 uses the voltage commands V d * and V q * input from the current controller 53 as the three-phase voltage commands V U * and V U based on the rotor angle θ1 input from the integrator 57. * , Converted to V W * . Then, a PWM control signal for turning on / off the switching element of the inverter 20 is generated based on the converted voltage commands V U * , V V * , V W * , and is output to the inverter 20.

位相進み補償器59は、燃料電池の温度低下により電動機制御系に発生する電気的な振動現象を抑制するために挿入される補償器であり、次式(4)に示す伝達関数Gd(s)を有する。そして、位相進み補償器59は、電圧センサ(不図示)によって検出された燃料電池システム10の出力電圧VFCに基づく二次の位相進み演算を行ってq軸電流補正指令Iqdmp *を演算する。算出したq軸電流補正指令Iqdmp *は、加算器52aにてq軸電流指令Iq0 *に加算される。

Figure 0004533671
The phase advance compensator 59 is a compensator inserted in order to suppress an electric vibration phenomenon generated in the motor control system due to a temperature drop of the fuel cell. The phase advance compensator 59 is a transfer function G d (s ). Then, the phase advance compensator 59 calculates a q-axis current correction command I qdmp * by performing a secondary phase advance calculation based on the output voltage V FC of the fuel cell system 10 detected by a voltage sensor (not shown). . The calculated q-axis current correction command I qdmp * is added to the q-axis current command I q0 * by the adder 52a.
Figure 0004533671

式(4)に示すように、位相進み補償器59は、2段の一次微分要素59a、59bと比例要素59cとの直列結合から成る。この伝達関数Gd(s)の比例ゲインKdmpや時定数TD1、TD2等が設計事項であり、これを適当に調整することで、制御系の仕様に合った適切なq軸電流指令補正Iqdmp *を得ることができる。尚、各一次微分要素の時定数TD1、TD2は、通常、同一値に設定される。 As shown in the equation (4), the phase lead compensator 59 includes a series combination of two-stage primary differential elements 59a and 59b and a proportional element 59c. Proportional gain K dmp and time constants T D1 , T D2, etc. of this transfer function G d (s) are design items, and by adjusting them appropriately, an appropriate q-axis current command that matches the specifications of the control system Correction I qdmp * can be obtained. Note that the time constants T D1 and T D2 of each primary differential element are normally set to the same value.

また、一次微分要素59a、59bは高周波成分のみを通過させるハイパスフィルタであるので、出力電圧VFCの振動成分(燃料電池の温度低下によって発生する振動成分)のみが抽出されるように遮断周波数(カットオフ周波数)を適当に設定する、即ち伝達関数Gd(s)のゲイン等を適当に設定することで、出力電圧VFCに電気的な振動現象が発生している場合のみ、位相進み補償器59から出力される電流補正指令Iqdmp *に値を持たせ、位相進み補償器59による補償を有効とすることができる。 Further, since the primary differential elements 59a and 59b are high-pass filters that allow only high-frequency components to pass, the cutoff frequency (so that only the vibration component of the output voltage V FC (vibration component generated due to the temperature drop of the fuel cell) is extracted is extracted. By appropriately setting the cut-off frequency), that is, by appropriately setting the gain of the transfer function G d (s), the phase lead compensation is performed only when an electrical oscillation phenomenon occurs in the output voltage V FC. The current correction command I qdmp * output from the device 59 can be given a value so that the compensation by the phase lead compensator 59 can be made effective.

[試験結果]
続いて、上述した主回路システムを用いた1つの試験結果を開示し、燃料電池システム10の温度低下によって電動機制御系に生じる電気的な振動現象の抑制として、位相進み補償器59による二次の位相進み補償が有効であることを説明する。
[Test results]
Subsequently, one test result using the above-described main circuit system is disclosed, and as a suppression of the electric vibration phenomenon that occurs in the motor control system due to the temperature drop of the fuel cell system 10, the secondary lead by the phase advance compensator 59 is used. Explain that phase lead compensation is effective.

図4、5は、燃料電池システム10の温度を通常温度よりも低下させて誘導電動機30を駆動した場合の試験結果を示す図であり、燃料電池システム10の起動時(誘導電動機30の駆動開始時)から定トルク制御を行っている間(加速時)の試験結果を示している。図4は、位相進み補償器59を挿入しない(補償を行わない)場合の試験結果を示し、同図(b)は、位相進み補償器59を挿入した(補償を行った)場合の試験結果を示している。また、両図ともに、横軸を共通な時間軸として、上から順に、(a)燃料電池システム10の出力電圧VFC、(b)出力電流IFC、(c)d軸電流指令Id *及びd軸検出電流Id、(d)q軸電流指令Iq *及びd軸検出電流Iq、(e)すべり周波数ωs及びロータ周波数ωr、(f)燃料電池システム10の出力電力PFC、を示している。 4 and 5 are diagrams showing test results when the induction motor 30 is driven while the temperature of the fuel cell system 10 is lowered below the normal temperature. When the fuel cell system 10 is started up (the drive of the induction motor 30 is started). The test results during constant torque control (acceleration) are shown. FIG. 4 shows a test result when the phase lead compensator 59 is not inserted (compensation is not performed), and FIG. 4B shows a test result when the phase lead compensator 59 is inserted (compensation is performed). Is shown. In both figures, with the horizontal axis as a common time axis, in order from the top, (a) the output voltage V FC of the fuel cell system 10, (b) the output current I FC , (c) the d-axis current command I d * And d-axis detection current I d , (d) q-axis current command I q * and d-axis detection current I q , (e) slip frequency ωs and rotor frequency ωr, (f) output power P FC of fuel cell system 10, Is shown.

図4に示す位相進み補償器59による補償無しの場合と、図5に示す補償有りの場合とを比較すると、補償有りの場合には、補償無しの場合と比較して各信号の振動が抑制されていることがわかる。特に、燃料電池システム10の出力電圧VFC(a)、出力電流IFC(b)、q軸検出電流Iq(d)、及び、燃料電池システム10の出力電力PFC(f)それぞれについて、振動が大幅に抑制されていることがわかる。このように、燃料電池システム10の温度低下によって電動機制御系に発生する振動現象の抑制方法として、位相進み補償器59による二次の位相進み補償が有効であるといえる。 Comparing the case without compensation by the phase lead compensator 59 shown in FIG. 4 and the case with compensation shown in FIG. 5, the vibration of each signal is suppressed in the case with compensation compared to the case without compensation. You can see that In particular, for each of the output voltage V FC (a), the output current I FC (b), the q-axis detection current I q (d) of the fuel cell system 10 and the output power P FC (f) of the fuel cell system 10, It can be seen that the vibration is greatly suppressed. Thus, it can be said that secondary phase lead compensation by the phase lead compensator 59 is effective as a method for suppressing the vibration phenomenon that occurs in the motor control system due to the temperature drop of the fuel cell system 10.

[作用・効果]
以上のように、本実施形態の制御システム50による電動機制御系では、位相進み補償器59により、燃料電池システム10の出力電圧VFCに二次の位相進み補償を施してq軸電流補正指令Iqdmp *を生成し、生成したq軸電流補正指令Iqdmp *を、電流指令演算部51によって演算されたq軸電流指令Iq0 *に加算して補正している。そして、電流指令演算部51により演算されたd軸電流指令Id *と、補正したq軸電流指令Iq *とに基づいて電圧指令Vd *、Vq *を生成し、生成した電圧指令Vd *、Vq *に従ってインバータ20をPWM制御している。従って、燃料電池の温度低下によって電動機制御系に発生する振動現象は、燃料電池の出力電圧が出力電流に比べて遅れる、即ち燃料電池の出力電圧から出力電流までが遅れ系となることに起因すると推定されるが、燃料電池システム10の出力電圧VFCに対して二次の位相進み補償を行うことで、この電動機制御系に発生する振動現象を抑制することが可能となる。
[Action / Effect]
As described above, in the motor control system of the control system 50 according to the present embodiment, the phase advance compensator 59 performs the secondary phase advance compensation on the output voltage V FC of the fuel cell system 10 to provide the q-axis current correction command I. qdmp * is generated, and the generated q-axis current correction command I qdmp * is added to the q-axis current command I q0 * calculated by the current command calculation unit 51 for correction. Then, voltage commands V d * and V q * are generated based on the d-axis current command I d * calculated by the current command calculation unit 51 and the corrected q-axis current command I q *, and the generated voltage command The inverter 20 is PWM controlled according to V d * and V q * . Therefore, the vibration phenomenon that occurs in the motor control system due to the temperature drop of the fuel cell is caused by the fact that the output voltage of the fuel cell is delayed compared to the output current, that is, the delay system is from the output voltage of the fuel cell to the output current. As estimated, the second phase advance compensation is performed on the output voltage V FC of the fuel cell system 10 to suppress the vibration phenomenon that occurs in the motor control system.

[変形例]
尚、本発明の適用は、上述した実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
[Modification]
The application of the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be appropriately changed without departing from the spirit of the present invention.

(A)検出値
例えば、上述した実施形態では、燃料電池システム10の出力電圧VFCを検出し、これを位相進み補償器59に入力してq軸電流補正指令Iqdmp *を演算することとしたが、検出値を、出力電圧VFCに代えて、(a)燃料電池システム10の出力電流IFC(若しくは、フィルタコンデンサCFに流れる電流)、(b)燃料電池システム10の出力電力PFC、(c)インバータ20の出力電圧(若しくは、誘導電動機30への入力電圧)、(d)インバータ20の出力電流(若しくは、誘導電動機30への入力電流)、(e)インバータ20の出力電力(若しくは、誘導電動機30への入力電力)、の何れかを検出(或いは演算)し、これを位相進み補償器59に入力してq軸電流補正指令Iqdmp *を演算することとしても良い。尚この場合には、勿論、比例ゲインKや時定数T等を適切に設定する必要がある。また、(a)燃料電池システム10の出力電流IFCは、燃料電池システム10の出力電圧VFCを微分することで算出しても良い。
(A) Detected value For example, in the above-described embodiment, the output voltage V FC of the fuel cell system 10 is detected and input to the phase advance compensator 59 to calculate the q-axis current correction command I qdmp *. However, instead of the output voltage V FC , the detected value is changed to (a) the output current I FC of the fuel cell system 10 (or the current flowing through the filter capacitor C F ), (b) the output power P of the fuel cell system 10 FC , (c) output voltage of inverter 20 (or input voltage to induction motor 30), (d) output current of inverter 20 (or input current to induction motor 30), (e) output power of inverter 20 (Or input power to the induction motor 30) may be detected (or calculated) and input to the phase advance compensator 59 to calculate the q-axis current correction command I qdmp * . In this case, of course, it is necessary to appropriately set the proportional gain K, the time constant T, and the like. Further, (a) the output current I FC of the fuel cell system 10 may be calculated by differentiating the output voltage V FC of the fuel cell system 10.

(B)補正対象
また、上述した実施形態では、位相進み補償器59によって演算されたq軸電流補正指令Iqdmp *をq軸電流指令Iq *に加算して補正することとしたが、補正対象を、q軸電流指令Iq *に代えて、(a)q軸電圧指令Vq *、(b)1次周波数ω1若しくは回転子角度θ1、の何れかに加算して補正することとしても良い。尚この場合にも、比例ゲインKや時定数T等を適切に設定する必要がある。
(B) Correction Target In the above-described embodiment, the q-axis current correction command I qdmp * calculated by the phase advance compensator 59 is added to the q-axis current command I q * for correction. Instead of the q-axis current command I q * , the object may be corrected by adding to either the (a) q-axis voltage command V q * or (b) the primary frequency ω1 or the rotor angle θ1. good. In this case also, it is necessary to appropriately set the proportional gain K, the time constant T, and the like.

(C)q軸電流補正指令Iqdmp *の調整
また、位相進み補償器59から出力される補正値Iqdmp *に、誘導電動機30の消費電力又は回転速度に応じたゲインを乗じることでその値を調整し、高速・大出力時にのみ補償が有効となるようにしても良い。具体的には、例えば消費電力又は回転速度が所定の閾値未満なら「0〜1」のゲインを乗じ、閾値以上であるならば、消費電力又は回転速度が大きくなる程、より大きなゲインを乗じる。
(C) Adjustment of q-axis current correction command I qdmp * The value obtained by multiplying the correction value I qdmp * output from the phase advance compensator 59 by a gain corresponding to the power consumption or rotation speed of the induction motor 30 May be adjusted so that the compensation is effective only at high speed and large output. Specifically, for example, if the power consumption or the rotation speed is less than a predetermined threshold, the gain of “0 to 1” is multiplied. If the power consumption or the rotation speed is equal to or greater than the threshold, the larger gain is multiplied as the power consumption or the rotation speed increases.

尚ここで、誘導電動機30の回転速度は、例えばパルスジェネレータ等の速度センサによって直接検出しても良いし、公知の速度センサレスベクトル制御で用いられる推定方法(誘導電動機30の出力電圧/電流や定数等から演算する方法)によって得ることとしても良い。   Here, the rotational speed of the induction motor 30 may be directly detected by a speed sensor such as a pulse generator, for example, or may be an estimation method (output voltage / current of the induction motor 30 or constant) used in known speed sensorless vector control. Or the like).

(D)補償の方法
また、上述した実施形態では、検出値(燃料電池システム10の出力電圧VFC)を位相進み補償器59に入力して二次の位相進み演算を行うことでq軸電流補正指令Iqdmp *を演算し、これを操作対象(q軸電流指令Iq *)に加算して補正することとしたが、これを次のようにしても良い。即ち、(1)電動機制御系に振動現象が発生したか否かを検出し、(2)発生したならば振動を抑制する制御を行う、こととする。
(D) Compensation Method In the above-described embodiment, the q-axis current is obtained by inputting the detected value (the output voltage V FC of the fuel cell system 10) to the phase advance compensator 59 and performing the secondary phase advance calculation. The correction command I qdmp * is calculated and added to the operation target (q-axis current command I q * ) for correction, but this may be performed as follows. That is, (1) it is detected whether or not a vibration phenomenon has occurred in the motor control system, and (2) if it occurs, control to suppress vibration is performed.

ここで、(1)振動現象の検出、としては次の方法がある。即ち、(a)燃料電池システム10の出力(電圧/電流/電力)又はインバータ20の出力(電圧/電流/電力)から、例えば所定のフィルタを通すことで振動成分(燃料電池システム10の温度低下によって発生する振動成分)を抽出する。そして、ある程度以上の振動成分が検出されたならば、振動現象が発生していると判断する。又は、(b)燃料電池システム10の温度、即ち燃料電池システム10の周囲温度若しくは燃料電池の酸素極に送り込まれる入気空気の温度を計測する。そして、計測温度が電動機制御系に振動現象が発生すると推定される所定の温度以下/未満であるならば、発生していると判断する。   Here, (1) the detection of the vibration phenomenon includes the following method. That is, (a) the vibration component (the temperature drop of the fuel cell system 10 is reduced by passing, for example, a predetermined filter from the output (voltage / current / power) of the fuel cell system 10 or the output (voltage / current / power) of the inverter 20. The vibration component generated by (1) is extracted. If a vibration component of a certain level or more is detected, it is determined that a vibration phenomenon has occurred. Or, (b) the temperature of the fuel cell system 10, that is, the ambient temperature of the fuel cell system 10 or the temperature of the intake air sent to the oxygen electrode of the fuel cell is measured. Then, if the measured temperature is less than or less than a predetermined temperature estimated to cause a vibration phenomenon in the motor control system, it is determined that the temperature has occurred.

また、(2)振動抑制、としては、インバータ20から誘導電動機30への出力電圧/電流を、例えば段階的に落とすことで消費電力を制限し、電動機制御系に発生する振動現象を抑制する方法が有る。これは、誘導電動機30は、消費電力がある程度低い(小さい)場合には、燃料電池システム10の出力電流IFCが出力電圧VFCに比べて遅れていても振動現象が発生しない特性を持っているからである。 In addition, (2) vibration suppression is a method of limiting power consumption by, for example, stepping down the output voltage / current from the inverter 20 to the induction motor 30 to suppress the vibration phenomenon that occurs in the motor control system. There is. This is because the induction motor 30 has a characteristic that, when the power consumption is low (small) to some extent, no vibration phenomenon occurs even if the output current I FC of the fuel cell system 10 is delayed compared to the output voltage V FC. Because.

(E)適用対象
更に、上述した実施形態では、本発明を電車に適用した場合を説明したが、その他の電気車、例えば電気自動車についても同様に適用可能であるのは勿論である。電気車とは、電車や電気自動車等の電気力(主に、電動機の回転力)によって走行する車両のことである。また、本発明は、電気車に限らず、電動機を動力源とする機械装置、例えば工作機械や製造設備、リフト類、ファン・ポンプ等にも同様に適用可能である。
(E) Applicable object Furthermore, in the above-described embodiment, the case where the present invention is applied to a train has been described. However, it is needless to say that the present invention can be similarly applied to other electric vehicles such as an electric vehicle. An electric vehicle is a vehicle that travels by electric power (mainly, rotational force of an electric motor) such as a train or an electric vehicle. Further, the present invention is not limited to an electric vehicle, and can be similarly applied to a mechanical device using a motor as a power source, such as a machine tool, a manufacturing facility, a lift, a fan / pump, and the like.

主回路システムの構成図。The block diagram of a main circuit system. 固体高分子型燃料電池(PEMFC)の原理図。The principle figure of a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC). 制御システムによる電動機制御系のブロック構成図。The block block diagram of the electric motor control system by a control system. 位相進み補償器による補償無しの場合の試験結果の一例。An example of a test result when there is no compensation by a phase lead compensator. 位相進み補償器による補償有りの場合の試験結果の一例。An example of a test result when there is compensation by a phase lead compensator.

符号の説明Explanation of symbols

10 燃料電池システム
20 インバータ(INV)
30 誘導電動機(IM)
40 パルスジェネレータ(PG)
50 制御システム
51 電流指令演算部
52 加算器
53 電流制御器(ACR)
54 PWM制御回路
55 F/V変換器
56 すべり周波数演算部
57 積分器
58 座標変換器
59 位相進み補償器
FC 燃料電池システムの出力電圧
FC 燃料電池システムの出力電流
10 Fuel cell system 20 Inverter (INV)
30 Induction motor (IM)
40 Pulse generator (PG)
50 Control System 51 Current Command Calculation Unit 52 Adder 53 Current Controller (ACR)
54 PWM Control Circuit 55 F / V Converter 56 Slip Frequency Calculation Unit 57 Integrator 58 Coordinate Converter 59 Phase Lead Compensator V FC Fuel Cell System Output Voltage I FC Fuel Cell System Output Current

Claims (5)

燃料電池の直流出力を交流に変換して電動機に出力するインバータと、
所与の指令信号に従って前記インバータを制御する制御装置と、
前記電動機の回転速度を検出する速度検出手段と、
を備え
前記制御装置は、前記燃料電池からの出力電力が直接前記インバータに入力されて前記電動機に供給される主回路システムにおける前記電動機の駆動中に発生する電気的な振動現象であって、前記燃料電池本体の周囲温度又は前記燃料電池の酸素極に送り込まれる入気空気温度(以下包括して「燃料電池の温度」という。)の変化によっ前記燃料電池の出力電圧、出力電流及び出力電力の何れか(以下包括して「燃料電池の出力諸量」という。)が10Hz以下で振動する振動現象の、当該振動周波数成分を抽出するために遮断周波数が設定された二次の位相進み演算処理を当該燃料電池の出力諸量に基づき実行して得られる補償値をもとに前記指令信号を補償することで前記指令信号に対して二次の位相進み補償を施す進み補償手段を有し、この進み補償手段により補償された信号に従って前記インバータを制御
更に、前記進み補償手段が、前記速度検出手段により検出された回転速度が所定の閾値以上の場合に、当該回転速度が大きい程、前記進み補償を施す程度を大きくさせるゲイン変更手段を有する、
電動機制御装置。
An inverter that converts the direct current output of the fuel cell to alternating current and outputs it to an electric motor;
A control device for controlling the inverter according to a given command signal;
Speed detecting means for detecting the rotational speed of the electric motor;
Equipped with a,
The control device is an electric vibration phenomenon that occurs during driving of the electric motor in a main circuit system in which output power from the fuel cell is directly input to the inverter and supplied to the electric motor. (a comprehensive hereinafter referred to as "the temperature of the fuel cell.") inlet air temperature of the air fed to the oxygen electrode of the ambient temperature or the fuel cell body output voltage of the fuel cell by the change of the output current and the output power or (a comprehensive hereinafter referred to as an "output quantities of the fuel cell.") is a vibration phenomenon which vibrates at 10Hz or less, the secondary cut-off frequency is set to extract the oscillation frequency component phase advance processing And a lead compensation means for performing secondary phase lead compensation on the command signal by compensating the command signal based on a compensation value obtained by executing the control based on various output amounts of the fuel cell. Te, and controls the inverter according to the compensated signal by the lead compensation means,
Furthermore, when the rotational speed detected by the speed detection means is equal to or higher than a predetermined threshold, the advance compensation means includes gain changing means for increasing the degree of advance compensation as the rotational speed increases.
Electric motor control device.
所与の指令信号に従って燃料電池の直流出力を交流へ変換して電動機へ出力するインバータと、
前記指令信号を生成して前記インバータを制御する制御装置と、
前記電動機の回転速度を検出する速度検出手段と、
を備え
前記制御装置は、前記燃料電池からの出力電力が直接前記インバータに入力されて前記電動機に供給される主回路システムにおける前記電動機の駆動中に発生する電気的な振動現象であって、前記燃料電池の温度の変化によっ前記燃料電池の出力諸量が10Hz以下で振動する振動現象の、当該振動周波数成分を抽出するために遮断周波数が設定された二次の位相進み演算処理を当該燃料電池の出力諸量に基づき実行して得られる補償値をもとに前記指令信号を補償することで前記指令信号に対して二次の位相進み補償を施す進み補償手段を有
更に、前記進み補償手段が、前記速度検出手段により検出された回転速度が所定の閾値以上の場合に、当該回転速度が大きい程、前記進み補償を施す程度を大きくさせるゲイン変更手段を有する、
電動機制御装置。
An inverter that converts the DC output of the fuel cell to AC in accordance with a given command signal and outputs it to the motor;
A control device for generating the command signal and controlling the inverter;
Speed detecting means for detecting the rotational speed of the electric motor;
Equipped with a,
The control device is an electric vibration phenomenon that occurs during driving of the electric motor in a main circuit system in which output power from the fuel cell is directly input to the inverter and supplied to the electric motor. of vibration phenomena output quantities of the fuel cell by the change in temperature is vibrated at 10Hz or less, the secondary cut-off frequency is set to extract the oscillation frequency component phase lead the fuel cell operation processing output a compensation value obtained by executing based on the quantities have a performing lead compensation means secondary phase lead compensation to the command signal by compensating said command signal on the basis,
Furthermore, when the rotational speed detected by the speed detection means is equal to or higher than a predetermined threshold, the advance compensation means includes gain changing means for increasing the degree of advance compensation as the rotational speed increases.
Electric motor control device.
請求項1又は2に記載の電動機制御装置であって、
前記指令信号には、前記電動機を駆動するための指令信号として少なくともd軸指令信号とq軸指令信号とが含まれ、
前記進み補償手段は、前記指令信号に含まれるq軸指令信号に対して前記二次の位相進み補償を施す、
電動機制御装置。
The electric motor control device according to claim 1 or 2 ,
The command signal includes at least a d-axis command signal and a q-axis command signal as command signals for driving the electric motor,
The advance compensation means performs the secondary phase advance compensation on the q-axis command signal included in the command signal.
Electric motor control device.
請求項1〜の何れか一項に記載の電動機制御装置であって、
前記電動機は車両走行用の電動機であり、当該電動機を制御することを特徴とする電動機制御装置。
The electric motor control device according to any one of claims 1 to 3 ,
The electric motor is a motor for driving a vehicle, and controls the electric motor.
車両走行用の電動機と、
燃料電池と、
前記燃料電池の直流出力を交流へ変換して前記電動機に出力する制御を行う請求項1〜の何れか一項に記載の電動機制御装置と、
を具備した車両。
An electric motor for driving the vehicle;
A fuel cell;
The motor control device according to any one of claims 1 to 4 , wherein control is performed to convert a direct current output of the fuel cell into alternating current and output the alternating current to the electric motor.
Vehicle equipped with.
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