JP4756855B2 - 電動機制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、速度センサレスによる電動機トルクを制御する技術に関するもので、特に、軽負荷回生運転時の直流電圧上昇を抑えるものである。

図２は、一従来例を示すブロック図であり、１は電動機、２は電流検出器、３はPWMインバータ、４はトルク制御手段、５は軽負荷回生トルク演算器、６は速度演算器、７はフィルタ処理手段である。

電流検出器２は、電動機１の電流iを検出する。速度演算器６は、PWMインバータ３に与えられる電圧指令ｖと電流検出器２で検出した電流iから式（１）を用いて、電動機速度ωｍを演算する。

ここで、VdはPWMインバータ３による電圧降下分、R1は電動機１の一次抵抗、R2は電動機１の二次抵抗、L1は電動機１の一次自己インダクタンス、L2は電動機１の二次自己インダクタンス、Mは電動機１の相互インダクタンス、ω１は一次角周波数、ｊは虚数単位である。なお、式（１）のｖ-Vdの代わりに、電動機１の電圧ｖｒに置き換えても電動機速度ωｍが演算できる。

フィルタ処理手段７は、架線電圧VLをフィルタ処理して、直流電圧VCと入力電力Piを出力する。

軽負荷回生トルク指令演算器５は、トルク指令τ＊と電動機速度ωｍと直流電圧VCと入力電力Piを入力し、制限トルク指令τｓを出力する。
軽負荷回生トルク指令演算器５では、式（２）〜式（４）から制限トルク指令τｓを演算する。
ωｍ・τ2＝K1・(VC-Vｘ) [０以上の場合は０とする] 式（２）
τｓ＝τ* [ωｍ・τ*≧ωｍ・τ2 の場合] 式（３）
τｓ＝τ2 [ωｍ・τ*＜ωｍ・τ2 の場合] 式（４）
ここで、Vxは軽負荷回生時の直流電圧上限値、K1は正のゲインである。
あるいは、式（５）〜式（７）から制限トルク指令τｓを演算する。
ωｍ・τ3＝Pi＋K2・(VC-Vｘ) [０以上の場合は０とする] 式（５）
τｓ＝τ* [ωｍ・τ*≧ωｍ・τ3 の場合] 式（６）
τｓ＝τ3 [ωｍ・τ*＜ωｍ・τ3 の場合] 式（７）
ここで、K2は正のゲインである。

トルク制御手段４は、磁束指令φ＊と制限トルク指令τｓと電動機速度ωｍと電流ｉを入力し、電動機１の磁束とトルクが磁束指令φ＊及び制限トルク指令τｓとなるような電圧指令ｖを出力する。
PWMインバータ３は、直流電圧VCと電圧指令ｖを入力し、PWMによる電力変換にて、電動機１に電圧指令ｖに相当する電力を供給する。

以上の構成とすることにより、以下に示す効果が期待できる。
電動機１が回生運転しているとき、電動機１からの回生電力はPWMインバータ３を
介して、直流電源へと返還される。ここで、直流電源側の負荷が充分にあれば、電動機１からの回生電力は負荷によって消費可能である。しかし、直流電源側の負荷が軽く充分でなければ、電動機１からの回生電力の消費が滞り、直流電圧VC及び架線電圧VLの上昇を引き起こし、過電圧となる。すると、PWMインバータ３の素子破壊、あるいは直流電源への悪影響を及ぼす。
図２の軽負荷回生トルク指令演算器５を加えることにより、直流電源側の負荷が充分でなければ、直流電圧VCがVxに近づき、制限トルク指令τｓの大きさが小さくなり、電動機１からの回生電力が減少する。これにより、直流電圧VC及び架線電圧VLの上昇に歯止めをかけることができる。（例えば、特許文献１参照）

特許第３５０９０２０号

従来技術においては、以下に示す問題点がある。
式（１）の量子化誤差のために、電動機速度ωｍには僅かながら演算誤差が発生する。この状態で、直流電源側がほぼ無負荷となり、式（２）〜式（７）による制限トルク指令τｓが０となった場合、電動機速度ωｍの量子化誤差による電力が発生する。電動機速度ωｍの量子化誤差の出方によっては、回生電力が発生する。すると、直流電圧VC及び架線電圧VLが増加し、過電圧となる。
本発明は、以上の問題点を解決するためのものである。

前記問題点を解決するために、以下の手段を施す。
請求項１においては、軽負荷回生トルク指令演算器５の出力である制限トルク指令τｓと磁束指令φ＊から補正磁束指令φｓを演算する磁束指令演算器８を新たに追加し、磁束指令φ＊の代わりに補正磁束指令φｓをトルク制御手段４に入力する。

請求項２においては、磁束指令演算器８において、制限トルク指令τｓの大きさが減少すると共に補正磁束指令φｓを減少させる。

磁束指令φ＊の代わりに補正磁束指令φｓをトルク制御手段４に入力することにより、電動機１の磁束を制限トルク指令τｓにより変化するφｓに制御できる。制限トルク指令τｓの大きさが減少すると共に補正磁束指令φｓを減少させることにより、電動機速度ωｍの量子化誤差によるτｓ＝０時の発生電力を抑えることができる。電動機速度ωｍの量子化誤差による回生電力による直流電圧VC及び架線電圧VLの上昇が抑えられ、過電圧を防止することができる。

磁束指令を操作することにより、電動機速度ωｍの量子化誤差による発生電力を少なくすることができる。

図１は、本発明の一実施例を示すブロック図であり、８は磁束指令演算器である。
磁束指令演算器８は、磁束指令φ＊と制限トルク指令τｓを入力し、補正磁束指令φｓを出力する。補正磁束指令φｓは、磁束指令φ＊の代わりにトルク制御手段４に入力される。

以上の構成とすることにより、制限トルク指令τｓにより、電動機１の磁束を変化させることができる。

磁束指令演算器８の演算を以下に示す方式で実現する。
制限トルク指令τｓから、正の定数F1、G1を用いて、式（８）によりφｓ0を演算する。
φｓ0＝F1+G1・｜τｓ｜ 式（８）
φｓ0をF1〜φ＊の区間に制限した値を補正磁束指令φｓとする。これにより、制限トルク指令τｓの大きさが小さくなると共に、補正磁束指令φｓも減少する。

以上の構成とすることにより、電動機速度ωｍの量子化誤差によるτｓ＝０時の発生電力を抑えることができ、電動機速度ωｍの量子化誤差による回生電力による直流電圧VC及び架線電圧VLの上昇が抑えられ、過電圧を防止することができる。
その理由を以下に説明する。

トルク指令０時の電動機速度ωｍの演算誤差ｄωによる発生電力ｄPは、式（９）で与えられる。
ｄP＝ωｍ／R2・φ^２・ｄω 式（９）
式（９）によれば、電動機１の磁束φを下げれば、ｄωによるｄPの大きさが減少することがわかる。図1のブロックにより、電動機1の磁束を補正磁束指令φｓに制御でき、制限トルク指令τｓの大きさが減少すると共に補正磁束指令φｓを下げれば、τｓ＝０のｄPが減少する。

ほぼ無負荷状態の回生運転において、直流電圧VC及び架線電圧VLの上昇が抑えられ、過電圧を防止することができる。
電気車の回生運転においては、走行している電気車が少ないときにほぼ無負荷状態となり、本発明の効果が得られる。

図1は、本発明の一実施例を示すブロック図である。 図2は、一従来例を示すブロック図である。

符号の説明

１ 電動機
２ 電流検出器
３ PWMインバータ
４ トルク制御手段
５ 軽負荷回生トルク指令演算器
６ 速度演算器
７ フィルタ処理手段
８ 磁束指令演算器

ｉ・・電流
ｖ・・電圧指令
VL・・架線電圧
VC・・直流電圧
Pi・・入力電力
τ＊・・トルク指令
τｓ・・制限トルク指令
ωｍ・・電動機速度
φ＊・・磁束指令
φｓ・・補正磁束指令

Claims (2)

1. フィルタ回路付直流電圧電源に接続されたPWMインバータを介して電動機に電力を供給し、電動機速度を演算する速度演算器と、軽負荷回生運転時のトルク指令を演算する軽負荷回生トルク指令演算器と、前記電動機速度と前記軽負荷回生トルク指令演算器の出力と磁束指令を入力し電圧指令を出力するトルク制御手段を持ち、前記電圧指令を前記PWMインバータに入力することを特徴とする電動機制御装置において、
   前記軽負荷回生トルク指令演算器の出力値と前記磁束指令から補正磁束指令を演算する磁束指令演算器を新たに追加し、前記磁束指令の代わりに前記補正磁束指令を前記トルク制御手段に入力することを特徴とする電動機制御装置。
2. 前記磁束指令演算器において、前記軽負荷回生トルク指令演算器の出力値の大きさが減少すると共に前記補正磁束指令を減少させることを特徴とする請求項１記載の電動機制御装置。
   

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