JP4627902B2

JP4627902B2 - 電動機制御装置および電気車電動機の制御方法

Info

Publication number: JP4627902B2
Application number: JP2001048998A
Authority: JP
Inventors: 真治若尾; 圭一郎近藤; 孝一松岡
Original assignee: Railway Technical Research Institute
Current assignee: Railway Technical Research Institute
Priority date: 2001-02-23
Filing date: 2001-02-23
Publication date: 2011-02-09
Anticipated expiration: 2021-02-23
Also published as: JP2002252902A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電動機制御装置および電気車電動機の制御方法に係り、詳細には電力回生時における電気車電動機の制御に関する。
【０００２】
【発明の背景】
省エネルギーや省メンテナンスを目的として、電気車のブレーキに回生ブレーキを使用するのが一般的になりつつある。しかし、回生ブレーキの使用には、回生負荷が十分にあることが前提となる。即ち、例えば、直流電気鉄道における主な回生負荷は、他の力行車であることから、他の力行車が少ない時間帯や閑散線区、或いは他の力行車が遠方に存在する場合等においては、十分な回生ブレーキ力を得ることができない。
【０００３】
図１を参照してより具体的に説明する。図１は電気車の主回路モデルを示す図である。図１において、電気車１００が回生ブレーキをかけている場合、電気車２００が回生負荷となる。しかし、電気車２００が力行していない場合等、回生電力に対する回生負荷が不足する軽負荷回生時には、インバータ１１０の直流側電圧に相当するフィルタコンデンサＣ_fのフィルタコンデンサ電圧Ｖ_fが上昇する。そして、フィルタコンデンサ電圧Ｖ_fが規定値を超えると、インバータ１１０の過電圧保護動作によりインバータ１１０の運転が停止され、回生ブレーキを中断する回生失効に至る。
【０００４】
このため、軽負荷回生時においても、フィルタコンデンサ電圧Ｖ_fが、過電圧保護動作の規定値を超えないように、回生ブレーキを継続する軽負荷回生制御の実現が望まれており、その技術が種々開発されている。
【０００５】
本件発明者は、上記軽負荷回生制御時において、ある特異な事象が発生することを発見し、この事象を抑制すべく本発明を考案したものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
その特異な事象とは、軽負荷回生制御時に電気系の持続振動現象が生じることである。図１５（ａ）は、その現象が発生した際のフィルタコンデンサ電圧Ｖ_fを示す図であり、同図（ｂ）は、ｄ−ｑ軸座標系における電動機のｑ軸電流を示す図である。
【０００７】
尚、軽負荷回生制御を行った場合と行わない場合とにおけるフィルタコンデンサ電圧Ｖ_fの推移を図１６に示す。同図（ａ）は、軽負荷回生制御を行わなかった場合、同図（ｂ）は軽負荷回生制御を行った場合のフィルタコンデンサ電圧Ｖ_fの推移を示す図である。同図により、軽負荷回生制御時に上記事象が生じることが分かる。
【０００８】
本発明の課題は、回生制御時に生じる電気系の持続振動現象を抑制することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するため、請求項１記載の発明は、フィルタコンデンサ電圧（例えば、図３のＶf）が閾値電圧以下の領域を最大トルク領域、前記閾値電圧を超えた領域を絞込み領域として、前記フィルタコンデンサ電圧が前記最大トルク領域にあれば、電動機制御電流（例えば、ｑ軸電流そのものであってもよいし、ｑ軸電流指令値であってもよい。）を前記フィルタコンデンサ電圧に関わらずに一定となる定常値（例えば、図３の定常値）とする、電力回生時の電気車電動機を制御する電動機制御装置であって、前記フィルタコンデンサ電圧が前記最大トルク領域にあるか前記絞込み領域にあるかを判定する判定手段と、前記判定手段により前記フィルタコンデンサ電圧が前記絞込み領域にあると判定された場合に、前記閾値電圧を高い方へ、前記電動機制御電流の前記定常値を絶対値が小さくなる方へ変更する変更手段（例えば、図８の振動抑制制御部１１４）とを備えることを特徴としている。
【００１０】
また、請求項３記載の発明は、フィルタコンデンサ電圧が閾値電圧以下の領域を最大トルク領域、前記閾値電圧を超えた領域を絞込み領域として、前記フィルタコンデンサ電圧が前記最大トルク領域にあれば、電動機制御電流を前記フィルタコンデンサ電圧に関わらずに一定となる定常値とする、電力回生時の電気車電動機の制御方法であって、前記フィルタコンデンサ電圧が前記最大トルク領域にあるか前記絞込み領域にあるかを判定する判定工程と、前記判定手段により前記フィルタコンデンサ電圧が前記絞込み領域にあると判定された場合に、前記閾値電圧を高い方へ、前記電動機制御電流の前記定常値を絶対値が小さくなる方へ変更する変更工程とを含むことを特徴としている。
【００１１】
この請求項１または４記載の発明によれば、発明の実施の形態や実施例に記載の通り、電力回生時の制御動作が動的に安定な範囲で最大トルクを発生する領域を拡大せしめ、電力回生時に発生する電気系の持続振動現象を抑制することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図を参照して本発明を適用した電気車の軽負荷回生制御について詳細に説明する。
【００２１】
まず、本件発明者が発見・究明した、軽負荷回生制御において生じる電気系の持続振動現象の原因について説明し、その上で、当該現象を抑制するための実施例について説明する。また、本実施の形態において想定する主回路のモデルは、上記発明の背景等において用いたものと同じであるため、同一の図面（図１）を用いるとともに、他の図面においても同一部分には同一符号を用いて説明する。
【００２２】
図１の主回路モデルにおいて、軽負荷回生制御を行う電気車は電気車１００であり、回生負荷に相当するのが電気車２００である。電気車１００は、電動機１２０と、電動機１２０を駆動・制御するインバータ１１０と、インバータ１１０に並列に接続されたフィルタコンデンサＣ_fと、インバータ１１０に直列に接続されたフィルタリアクトルＬ_f及びフィルタ抵抗Ｒ_fと、を有している。電気車１００と電気車２００は、共に架線３００に接続されており、整流器Ｄを含む変電所４００から電力が給電されている。尚、電気車１００が回生ブレーキをかけている際には、電気車１００の回生電力が、架線３００を介して電気車２００に給電されることとなる。また、架線３００には、電気車１００と電気車２００間のき電系の抵抗として、抵抗Ｒ_lとインダクタンスＬ_lが生じる。
【００２３】
図２は、電気系の持続振動現象を解析するために用いた解析モデルを示す回路図である。図２における各部は、図１における同一符号の各部に対応している。
尚、変電所４００は整流器Ｄと電圧源Ｖ_dcで、力行車２００は抵抗Ｒ_bとした。
【００２４】
更に、この解析モデルに用いた回路方程式について説明する。
【００２５】
電動機１２０の回路方程式は次式の通りである。
【数１】

【００２６】
但し、負荷は十分大きいものとし、回転子速度は一定であることとした。また、Ｒ_sは巻線抵抗、Ｌ_sd、Ｌ_sqはｄ軸、ｑ軸のインダクタンス、ω_m0は回転子速度、Ψ_Fは速度起電力定数、Ｎは極対数である。
【００２７】
インバータ１１０の回路方程式は次式の通りである。
【数２】

【００２８】
但し、電動機１２０を永久磁石同期電動機と想定したため、インバータ１１０は電圧形３レベルＰＷＭインバータとし、理想的な電力変換器とした。また、ηはインバータ効率である。
【００２９】
図２の内、電気車１００を除いた直流側の回路モデルの回路方程式は、整流器ＤがＯＮの状態とＯＦＦの状態とで異なる。即ち、電気車１００の回生電力量等に応じて、整流器ＤがＯＮ／ＯＦＦ切り替わるため、異なる回路方程式となる。
【００３０】
整流器ＤがＯＮの状態の、直流側の回路モデルの回路方程式は次式の通りである。
【数３】

【００３１】
また、整流器ＤがＯＦＦの状態の、直流側の回路モデルの回路方程式は次式の通りである。
【数４】

【００３２】
尚、Ｒ_tはフィルタリアクトル抵抗Ｒ_fとき電系の抵抗Ｒ_lを合成したもの、Ｌ_tはフィルタリアクトルのインダクタンスＬ_fとき電系のインダクタンスＬ_lを合成したもの、Ｃ_fはフィルタコンデンサ容量、Ｒ_bは力行車２００を表す等価負荷抵抗である。
【００３３】
インバータ１１０の電流制御に係る回路方程式は次式の通りである。
【数５】

【００３４】
但し、両式とも、右辺第１項及び第２項は通常のＰＩ制御器とし、右辺第３項はｄ−ｑ軸成分相互干渉の補償成分を表している。また、（９）式の右辺第４項は界磁磁束による誘起電圧の補償成分を表している。また、ＰＩ制御器のゲインはそれぞれ以下のように定めた。
【数６】

【００３５】
ここで、軽負荷回生制御について説明する。軽負荷回生制御とは、フィルタコンデンサ電圧Ｖ_fの上昇に応じて図３に示すようにｑ軸電流Ｉ_qの指令値Ｉ_sq ^*を絞り込む制御である。図３は、軽負荷回生制御におけるｑ軸電流指令値Ｉ_sq ^*と、フィルタコンデンサ電圧Ｖ_fとの関係について示す図である。同図において、Ｖ_flimは絞り込みを開始する閾値となる電圧であり、以下、フィルタコンデンサ電圧Ｖ_fがＶ_flim以下の領域を「最大トルク領域」、Ｖ_flimを超える領域を「絞り込み領域」という。
【００３６】
回生ブレーキをかけている間は、電気車の速度に応じたトルク（起電力）が電動機１２０にかかり、これが回生電力となって架線３００に戻される。最大トルク領域とは、その速度において電動機１２０に生じ得る最大トルクを、回生電力として架線３００に戻すことができる領域であり、この領域においては、ｑ軸電流指令値Ｉ_sq ^*は定常値となる（同図においては、便宜的に“−１”として示している）。しかし、回生負荷が小さい（抵抗Ｒ_bが大きい）場合には、回生電力が消費されないため、その電力がフィルタコンデンサに蓄えられることとなる。そのため、フィルタコンデンサ電圧Ｖ_fに応じて、ｑ軸電流指令値Ｉ_sq ^*を絞り込む必要が生じる。即ち、回生失効に至らしめるインバータ１１０の過電圧保護動作を行わせないように、その判断基準となる閾値Ｖ_flimは定められ、このＶ_flimを超えた場合には、徐々にｑ軸電流指令値Ｉ_sq ^*を絞り込むのが絞り込み領域である。
【００３７】
軽負荷回生制御における回路方程式は次式の通りである。
【数７】

【００３８】
但し、Ｉ_rは絞り込みが行われていない時の電流指令値、Ｖ_fmaxは絞り込み終了電圧である。解析においてはＶ_f＞Ｖ_fmax領域（絞り込み領域）の振動現象への寄与は小さいものと仮定し、Ｖ_flim＜Ｖ_f≦Ｖ_fmax領域と併せてＶ_f＞Ｖ_flim領域（絞り込み領域）とした。
【００３９】
また、解析対象のシステムには、非線形要素であるインバータ１１０が含まれ、更に整流器Ｄや軽負荷回生制御のＯＮ／ＯＦＦによって回路構成が変化する非線形・時変系のシステムであるため、以下に示すような４つのモードに分割して解析した。
モード１：絞り込み領域＆整流器Ｄ“ＯＮ”
モード２：絞り込み領域＆整流器Ｄ“ＯＦＦ”
モード３：最大トルク領域＆整流器Ｄ“ＯＮ”
モード４：最大トルク領域＆整流器Ｄ“ＯＦＦ”
【００４０】
更に、テイラー展開を用いて線形化することによって、（１２）式を状態ベクトルとした状態方程式で表し、各モードにおける定常解と極を求めた。
【数８】

【００４１】
図４は、各モードと、各モードの定常解とを示す図であり、図５は、各モードにおけるフィルタコンデンサ電圧Ｖ_fと架線電流Ｉ_fとを示す図である。また、図６は、各モードにおける状態方程式の極を示す図である。
【００４２】
上記の解析結果を纏めて図７に示す。まず、図４に示す通り、定常解の所在が当該モードの範囲内となったのはモード２の場合だけである。また、図６に示す通り、実部が正の極を有するモード１およびモード２は不安定である。
【００４３】
したがって、システムの動作点は何れのモードにおいても整定せず、各モード間を遷移することとなり、持続振動現象が生じていたと考えられる。
【００４４】
【実施例】
上述した通り、動的に安定であるのは最大トルク領域のみであるが、最大トルク領域では定常解が存在しない。そこで、定常解が最大トルク領域内に存在するように制御することにより、持続振動現象を抑制するように回生時制御を行うこととしたのが、本発明である。以下その実施例について説明する。
【００４５】
図８は、電気車電動機を、ｄ−ｑ軸の電流および電圧指令値によってベクトル制御する、ベクトル制御演算器（不図示）に含まれる、本発明に係る回生時制御部１１２の制御ブロック図である。尚、ベクトル制御演算器自体は、インバータ１１０内に構成されていてもよいし、インバータ１１０に電流指令値等を出力する構成として、インバータ１１０とは別個の回路として構成されていてもよい。
【００４６】
回生時制御部１１２は、電力回生時（即ち、回生ブレーキ使用時）に動作する機能部であり、ベクトル制御演算器内で、コンピュータ制御等により実行される機能部を指すものである。回生時制御部１１２は、現在のｑ軸電流指令値Ｉ_sq ^*と、フィルタコンデンサ電圧Ｖ_fとを入力し、所与の制御演算を行って、最適化したｑ軸電流指令値Ｉ_sq ^*を出力するものであり、回生時制御部１１２には、さらに、振動抑制制御部１１４と、回生電力保持制御部１１６とが含まれる。
【００４７】
振動抑制制御部１１４は、持続振動現象を抑制するための機能部である。図１２を参照してより詳細に説明する。振動抑制制御部１１４は、現在の、ｑ軸電流指令値Ｉ_sq ^*及びフィルタコンデンサ電圧Ｖ_fに基づいて、動作点が最大トルク領域内に存在するか、絞り込み領域内に存在するかを確認する。最大トルク領域内に存在する場合には、図３を参照して説明した従来の回生時制御と同様に、定常値のｑ軸電流指令値Ｉ_sq ^*を出力する。しかし、絞り込み領域内に存在すると判断した場合には、図９に示すように、絞り込み領域内におけるｑ軸電流指令値Ｉ_sq ^*を絞り込む割合は変化させずに、定常値のみを変化させる。また、変化させる方向は、ｑ軸電流指令値Ｉ_sq ^*を減少させる（“０”に向かわせる）方向である。より具体的には、当初のｑ軸電流指令値Ｉ_sq ^*の値を便宜的に“−１”とし、これに一定の係数、例えば“０．９”を乗じることにより、ｑ軸電流指令値Ｉ_sq ^*を決定する。
【００４８】
また、新たな定常値に基づいて、Ｖ_flimが整定される。即ち、絞り込み領域内におけるｑ軸電流指令値Ｉ_sq ^*を絞り込む割合は変化しないため、その絞り込む割合と、新たな定常値とから、新たなＶ_flimが決定されることとなる（図９参照）。
【００４９】
従って、振動抑制制御部１１４によって、ｑ軸電流指令値Ｉ_sq ^*を絞り込む割合は変化せず、定常値のみが変更されるため、最大トルク領域が拡大され、動作点が常に最大トルク領域内に存在するように回生制御動作が行われることとなる。このため、動的に安定な状態で回生制御を行うことができる。
【００５０】
回生電力保持制御部１１６は、回生電力を一定に保持するための制御を行う機能部である。回生ブレーキにより、電動機の回転子の速度が低下すると、回生電力が低減する。すると、フィルタコンデンサ電圧Ｖ_fも減少することとなるが、動作点はｑ軸電流指令値Ｉ_sq ^*を定常値としたまま最大トルク領域内を推移することとなる（図１０（ａ）参照）。しかし、このことは、回生可能な最大電力よりも、実際の回生電力が低いことを意味する。即ち、ｑ軸電流指令値Ｉ_sq ^*が、当初の定常値のままであれば問題ないが、回生時制御を行うと、振動抑制制御部１１４により、フィルタコンデンサＶ_fの上昇に対応した定常値（当初の定常値よりも低い値）に設定されることとなる。このため、この定常値を上げる余裕、即ち、回生電力を高める余力があることになる。回生電力保持制御部１１６は、最大トルク領域におけるｑ軸電流指令値Ｉ_sq ^*を変化させ、常に回生可能な最大電力を回生する制御を行う。
【００５１】
図１０を参照して具体的に説明する。図１０（ａ）は、回生電力保持制御部１１６による制御前の回生制御パターンを示す図、図１０（ｂ）は、回生電力保持制御部１１６による制御後の回生制御パターンを示す図である。回生電力保持制御部１１６は、回生電力の保持制御を行う前の、フィルタコンデンサ電圧Ｖ_fと、ｑ軸電流指令値Ｉ_sq ^*とを一時記憶し、これらの値から回生電力量を算出する（図１０（ａ）の網掛け部分の面積に相当する。）。そして、フィルタコンデンサ電圧Ｖｆが低下したとき、算出済みの回生電力量が一定となるように、ｑ軸電流指令値Ｉ_sq ^*を逆算する（図１０（ｂ）の網掛け部分の面積が、同図（ａ）の網掛け部分の面積と同一となるようにｑ軸電流指令値Ｉ_sq ^*を算出する。）。そして、算出した新たなｑ軸電流指令値Ｉ_sq ^*を定常値とする。
【００５２】
尚、回生電力量の算出において、より簡便な方法としては、フィルタコンデンサ電圧Ｖ_fと、ｑ軸電流指令値Ｉ_sq ^*とを乗算した値が一定値となるように制御する方法が考えられる。また、速度の低下に応じてＩ_sq ^*を増加する方法もある。
【００５３】
このように回生電力保持制御部１１６によって、回生電力が常時最大値となるように制御が施されるため、省エネルギーおよび省メンテナンスに優れた回生時制御を行うことが可能である。
【００５４】
次に、回生時制御部１１２の動作を図１１を参照して説明する。図１１は、回生時制御部１１２の制御動作の流れを示すフローチャートである。
【００５５】
図１１において、回生制御が開始されると、まず、フィルタコンデンサ電圧Ｖ_fと、ｑ軸電流指令値Ｉ_sq ^*とに基づいて、振動抑制制御部１１４が動作点が絞り込み領域内に存在するか否かを判断する（ステップＳ１）。そして、絞り込み領域内に存在すると判断した場合には、振動抑制制御部１１４は、ｑ軸電流指令値Ｉ_sq ^*の定常値を変更して、最大トルク領域の拡大を図る（ステップＳ２）。
【００５６】
次いで、回生電力保持制御部１１６が、新たなｑ軸電流指令値Ｉ_sq ^*と、フィルタコンデンサ電圧Ｖ_fとに基づいて、回生可能な最大電力量を算出する（ステップＳ３）。
【００５７】
ステップＳ３の処理の後、或いは、ステップＳ１において動作点が絞り込み領域内に存在しないと判断された後、回生電力保持制御部１１６は、フィルタコンデンサ電圧Ｖ_fが下降しているか否かを判断する（ステップＳ４）。下降していると判断した場合には、予め求めていた回生可能な最大電力量に基づいて、当該電力量を保持するためのｑ軸電流指令値Ｉ_sq ^*へ、定常値を変更する（ステップＳ５）。
【００５８】
そして、ステップＳ５の処理の後、或いは、ステップＳ４においてフィルタコンデンサ電圧Ｖ_fが下降していないと判断された場合、回生時制御部１１２は、回生制御を終了するか否かを判断し（ステップＳ６）、回生制御を継続する場合には、引き続きステップＳ１〜ステップＳ６の処理を実行する。
【００５９】
次に、本実施例を適用した後の実験結果を図１２〜図１４に示す。
図１２は、本実施例適用前後の、フィルタコンデンサ電圧Ｖ_fの推移を示す図であり、同図（ａ）が本実施例適用前の実験結果を、同図（ｂ）が本実施例適用後の実験結果を示すものである。フィルタコンデンサ電圧Ｖ_fの持続振動現象が抑制されている様子が分かる。
【００６０】
図１３は、本実施例適用前後の、ｑ軸電流Ｉ_sqの推移を示す図であり、同図（ａ）が本実施例適用前の実験結果を、同図（ｂ）が本実施例適用後の実験結果を示すものである。ｑ軸電流Ｉ_sqの持続振動現象が抑制されている様子が分かる。
【００６１】
図１４は、本実施例適用後の、回転子速度及び回生電力の推移を示す図である。回生ブレーキにより回転子速度が低下していくが、回生電力は最大電力を保つように制御されている様子が分かる。
【００６２】
なお、本発明は、上記実施例の内容に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であり、例えば、ｑ軸電流指令値Ｉ_sq ^*を制御することによって間接的にｑ軸電流を制御することとして説明したが、ｑ軸電流を直接制御することとしてもよい。また、誘導電動機や直流電動機に適用してもよい。
【００６３】
【発明の効果】
本発明によれば、回生制御時、殊に軽負荷回生制御時における電気系の持続振動現象を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】電気車の主回路モデルを示す図。
【図２】図１の解析モデルを示す図。
【図３】軽負荷回生制御の一般的な制御パターンを示す図。
【図４】電気系の持続振動現象の発生要因を説明するための図。
【図５】図４に示す各モードにおけるフィルタコンデンサ電圧と架線電流とを示す図。
【図６】図４に示す各モードにおける状態方程式の極を示す図。
【図７】電気系の持続振動現象の発生要因を説明するための図。
【図８】ベクトル制御演算器に含まれる回生時制御部の機能ブロック図。
【図９】振動抑制制御部の制御動作を説明するための図。
【図１０】回生電力保持制御部の制御動作を説明するための図。
【図１１】回生時制御部の制御動作を示すフローチャート。
【図１２】本実施例適用前後のフィルタコンデンサ電圧の推移を示す図。
【図１３】本実施例適用前後のｑ軸電流の推移を示す図。
【図１４】本実施例適用後の回転子速度及び回生電力の推移を示す図。
【図１５】（ａ）は、電気系の持続振動現象発生時のフィルタコンデンサ電圧を示す図。（ｂ）は、電気系の持続振動現象発生時のｑ軸電流を示す図。
【図１６】（ａ）は、軽負荷回生制御を行わなかった場合のフィルタコンデンサ電圧を示す図。（ｂ）は、軽負荷回生制御を行った場合のフィルタコンデンサ電圧を示す図。
【符号の説明】
１００、２００電気車
１１０インバータ
１１２回生時制御部
１１４振動抑制制御部
１１６回生電力保持制御部
１２０電動機

Claims

フィルタコンデンサ電圧が閾値電圧以下の領域を最大トルク領域、前記閾値電圧を超えた領域を絞込み領域として、前記フィルタコンデンサ電圧が前記最大トルク領域にあれば、電動機制御電流を前記フィルタコンデンサ電圧に関わらずに一定となる定常値とする、電力回生時の電気車電動機を制御する電動機制御装置であって、
前記フィルタコンデンサ電圧が前記最大トルク領域にあるか前記絞込み領域にあるかを判定する判定手段と、
前記判定手段により前記フィルタコンデンサ電圧が前記絞込み領域にあると判定された場合に、前記閾値電圧を高い方へ、前記電動機制御電流の前記定常値を絶対値が小さくなる方へ変更する変更手段と、
を備えることを特徴とする電動機制御装置。
前記変更手段は、
変化前の前記定常値に一定の係数を乗じることで当該定常値を非連続に変更することを特徴とする請求項１記載の電動機制御装置。
フィルタコンデンサ電圧が閾値電圧以下の領域を最大トルク領域、前記閾値電圧を超えた領域を絞込み領域として、前記フィルタコンデンサ電圧が前記最大トルク領域にあれば、電動機制御電流を前記フィルタコンデンサ電圧に関わらずに一定となる定常値とする、電力回生時の電気車電動機の制御方法であって、
前記フィルタコンデンサ電圧が前記最大トルク領域にあるか前記絞込み領域にあるかを判定する判定工程と、
前記判定手段により前記フィルタコンデンサ電圧が前記絞込み領域にあると判定された場合に、前記閾値電圧を高い方へ、前記電動機制御電流の前記定常値を絶対値が小さくなる方へ変更する変更工程と、
を含むことを特徴とする電気車電動機の制御方法。