JP5214995B2

JP5214995B2 - 車両用電力変換装置及び車両用駆動制御装置

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Publication number: JP5214995B2
Application number: JP2008041678A
Authority: JP
Inventors: 聖東; 彰佐竹
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-02-22
Filing date: 2008-02-22
Publication date: 2013-06-19
Anticipated expiration: 2028-02-22
Also published as: JP2009201290A

Description

この発明は、永久磁石電動機で駆動される車両を対象とし、特に高速運転時の電動機誘起電圧に対応可能な車両用電力変換装置及び車両用駆動制御装置に関する。

従来の車両用駆動制御装置においては、走行中に車両用駆動制御装置の運転を開始する場合に、永久磁石電動機から平滑コンデンサへの過渡電流が流れることを防止して、永久磁石電動機のトルクショックによって車両の乗り心地を害することを防止するために、永久磁石電動機とインバータ間に接続されている開閉器を投入する前に、インバータの直流側の回路の電圧が永久磁石電動機端子間の誘起電圧の尖頭値以上となるように昇圧してから、開閉器を投入している。（特許文献１参照）。

特開２００７−２８８５２号公報（[０２１８]−[０２３２]、図５８−図６３）

従来の車両用駆動制御装置では、車両の加速運転又は減速運転から、惰行運転に移行すると、電動機とインバータ間に接続されている開閉器を遮断する。従って前記移行が頻繁に起こると開閉器の投入・遮断の動作回数が多くなり、開閉器の動作寿命が制限されるという問題点があった。また運転を開始する際に、インバータの直流側の回路電圧が充分に上昇させた後にインバータを動作する必要があるため、運転開始指令からインバータ動作までの時間遅れが発生するという問題点があった。

この発明は、上述のような問題点を解消するためになされたもので、車両の加速運転又は減速運転から、惰行運転に移行する場合に、コンデンサの電圧を上昇させた後に、インバータの運転を停止させ、電流の逆流を防止する車両用電力変換装置を得ることを目的とするものである。

また、車両の惰行運転から加速運転又は減速運転に移行するときは、弱め界磁運転により永久磁石電動機端子間の誘起電圧を低下し、インバータ運転時の直流電圧を低下する車両用電力変換装置を得ることを目的とするものである。

また、車両の加速運転又は減速運転から、惰行運転に移行する場合に、永久磁石電動機とインバータ間に接続されている開閉器を遮断させずに、開閉器の動作寿命を改善することができる車両用駆動制御装置を得ることを目的とするものである。

また、永久磁石電動機の誘起電圧定数を高く設定して、高速運転時に弱め界磁運転を行い、インバータの直流側に必要な電圧を抑制するものにおいて、惰行運転に移行するときに永久磁石電動機端子間の誘起電圧の尖頭値以上にインバータの直流電圧を上昇させ、惰行運転時は前記直流電圧を維持すると共に、惰行運転から加速運転又は減速運転に移行するときは弱め界磁運転により永久磁石電動機端子間の誘起電圧を低下し、前記直流電圧を元の値に戻すことにより、運転切替における永久磁石電動機の投入・遮断動作を不要とすると共に、インバータ運転時の直流電圧を低下することができる車両用駆動制御装置を得ることを目的とする。

この発明に係わる車両用電力変換装置は、電源系統から受電しリアクトルを介して直流電圧を得るチョッパ回路と、前記チョッパ回路の出力に接続されたコンデンサと、前記コンデンサの直流電圧を交流電圧に変換し、永久磁石電動機に電力を供給するインバータとを備え、車両運転指令が惰行運転を発令すると、前記チョッパ回路により前記コンデンサの電圧を上昇させ、前記コンデンサの電圧が、前記永久磁石電動機の回転角速度より演算される前記永久磁石電動機の端子間に発生する誘起電圧より大きな所定の電圧まで上昇した後に、前記インバータの運転を停止するものである。

また、この発明に係わる車両用電力変換装置は、電源系統から受電しリアクトルを介して直流電圧を得るチョッパ回路と、前記チョッパ回路の出力に接続されたコンデンサと、前記コンデンサの直流電圧を交流電圧に変換し、永久磁石電動機に電力を供給するインバータとを備え、前記インバータの運転を停止する前に、前記チョッパ回路により前記コンデンサの電圧を、前記永久磁石電動機の回転角速度より演算される前記永久磁石電動機の端子間に発生する誘起電圧より大きな所定の電圧まで上昇させ、車両運転指令が惰行運転を解除すると、前記インバータが弱め界磁電流を出力して、前記永久磁石電動機の端子間に発生する誘起電圧を、前記電源系統の電圧より小さな電圧まで低下させた後に、前記チョッパ回路により前記コンデンサと前記電源系統との間で相互に電流が流れるようにするものである。

この発明の車両用電力変換装置によれば、電源系統から受電しリアクトルを介して直流電圧を得るチョッパ回路と、前記チョッパ回路の出力に接続されたコンデンサと、前記コンデンサの直流電圧を交流電圧に変換し、永久磁石電動機に電力を供給するインバータとを備え、車両運転指令が惰行運転を発令すると、前記チョッパ回路により前記コンデンサの電圧を上昇させ、前記コンデンサの電圧が、前記永久磁石電動機の回転角速度より演算される前記永久磁石電動機の端子間に発生する誘起電圧より大きな所定の電圧まで上昇した後に、前記インバータの運転を停止するので、車両の加速運転又は減速運転から、惰行運転に移行する場合に、永久磁石電動機からインバータへの電流の逆流を防止することができる。

また、この発明の車両用電力変換装置によれば、電源系統から受電しリアクトルを介して直流電圧を得るチョッパ回路と、前記チョッパ回路の出力に接続されたコンデンサと、前記コンデンサの直流電圧を交流電圧に変換し、永久磁石電動機に電力を供給するインバータとを備え、前記インバータの運転を停止する前に、前記チョッパ回路により前記コンデンサの電圧を、前記永久磁石電動機の回転角速度より演算される前記永久磁石電動機の端子間に発生する誘起電圧より大きな所定の電圧まで上昇させ、車両運転指令が惰行運転を解除すると、前記インバータが弱め界磁電流を出力して、前記永久磁石電動機の端子間に発生する誘起電圧を、前記電源系統の電圧より小さな電圧まで低下させた後に、前記チョッパ回路により前記コンデンサと前記電源系統との間で相互に電流が流れるようにするので、惰行運転から加速運転又は減速運転に移行するときは弱め界磁運転により永久磁石電動機端子間の誘起電圧を低下し、前記直流電圧を元の値に戻すことにより、インバータ運転時の直流電圧を低下できるという効果がある。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１である車両用駆動制御装置を示す構成図である。図１において、１は直流電力を供給する直流架線、２はパンタグラフ、３はレール、４はリアクトル、５は直流架線１（電源系統）から受電しリアクトル４を介して直流電圧を得るチョッパ回路、７はインバータ、９は永久磁石電動機（例えば、永久磁石同期電動機）、１０〜１２は開閉器である。チョッパ回路５は、スイッチＳ１及びスイッチＳ２より構成され、架線１の直流電圧を受電し、スイッチＳ２をオンすると直流架線１の電圧が、スイッチＳ２及びスイッチＳ２に逆並列接続されたダイオードを介してコンデンサ８に印加される。又はスイッチＳ２をオフしておきスイッチＳ１をオンオフすることにより、リアクトル４に電流エネルギーを蓄積・放出しながら、架線１の電圧よりも高い任意の直流電圧をインバータ７に供給する。リアクトル４，チョッパ回路５，コンデンサ８，及び、永久磁石電動機９に電力を供給するインバータ７で、車両用電力変換装置を構成する。なお、スイッチＳ１,Ｓ２は例えば、逆並列に接続されたダイオードを内蔵したＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）モジュールで構成する。

図２は、実施の形態１である車両用駆動制御装置の動作を説明するタイミング図である。図２において、（ａ）は車両運転指令、（ｂ）はインバータ運転指令、（ｃ）はチョッパ回路５のスイッチＳ１の動作、（ｄ）はチョッパ回路５のスイッチＳ２の動作、（ｅ）はコンデンサ８の電圧及び永久磁石電動機９の電圧（永久磁石電動機９の端子間電圧）を模式的に示したものである。時刻ｔ１までは加速運転指令が発令されており、周知の弱め界磁制御で永久磁石電動機９を運転し、永久磁石電動機９が発生する電圧をＶｍ１に抑制する。このときコンデンサ８の電圧Ｖｃ１は、Ｖｃ１＞Ｖｍ１の関係となり、スイッチＳ１はオフしスイッチＳ２はオンしているため、Ｖｃ１は直流架線１の電圧に概ね一致する。このため、Ｖｍ１がＶｃ１を超えることが無く、永久磁石電動機に所望のトルクを発生させることができる。

次に時刻ｔ１にて加速から惰行に車両運転指令が発令されると、まずチョッパ回路５によりスイッチＳ２をオフしスイッチＳ１をオンオフして、コンデンサ８の電圧をＶｃ１からＶｃ２に上昇させる（時刻ｔ２）。なおＶｃ２はインバータ７による弱め界磁制御が消失したときの惰行運転により発生する永久磁石電動機の電圧Ｖｍ２に対して、Ｖｃ２＞Ｖｍ２の関係となるように設定する。更に時刻ｔ２にて電圧Ｖｃ２にコンデンサ８が上昇した後、時刻ｔ３にてインバータ７をオフする。インバータ７のオフに伴い弱め界磁制御が消失するため、永久磁石電動機９の電圧がＶｍ２に上昇するが、コンデンサ８の電圧はチョッパ回路５の動作によりＶｃ２（＞Ｖｍ２）に保持されるため、永久磁石電動機９からコンデンサ８の向きにエネルギーが逆流しない。従ってインバータ７が破損した時などの保護用にインバータ７と永久磁石電動機９の間に設けられた開閉器１０〜１２は、加速・減速運転から惰行運転への移行において常に投入しておけばよい。なお、図２では、加速運転から惰行運転に移行する場合のタイミング図を示すが、減速運転でも弱め界磁運転を実施しているので、減速運転から惰行運転に移行する場合のタイミング図も図２と同様である。

このように惰行運転時において、コンデンサ８の電圧を永久磁石電動機９の電圧よりも高くなるように制御することで、永久磁石電動機９からコンデンサ８の向きにエネルギーが逆流しないため、惰行運転時も安定した運転が得られるという効果がある。また永久磁石電動機９の誘起電圧定数を高く設定できるため、より多くの励磁磁束が永久磁石により確立され、結果としてトルク発生に必要な電流が低減されるため、電力変換装置の損失が低減されるという効果がある。また加速・減速運転から惰行運転への移行において開閉器を常に投入しておけばよいため、不要な開閉器の投入・遮断の動作がなくなり、開閉器の寿命を長くできるという効果がある。またチョッパ回路５は既存のリアクトル４を利用してコンデンサ８の電圧制御を行うため、別途リアクトルを接続する必要が無く、小型・軽量な車両用駆動制御装置が得られるという効果がある。

実施の形態２．
図３は実施の形態２である車両用駆動制御装置の動作を説明するタイミング図である。図３において、（ａ）は車両運転指令、（ｂ）はインバータ運転指令、（ｃ）はチョッパ回路５のスイッチＳ１の動作、（ｄ）はチョッパ回路５のスイッチＳ２の動作、（ｅ）はコンデンサ８の電圧及び永久磁石電動機９の電圧を模式的に示したものである。時刻ｔ４までは惰行運転指令が発令されており、永久磁石電動機９が発生する電圧Ｖｍ２に対してＶｍ２＜Ｖｃ２となるようにコンデンサ８の電圧がチョッパ回路５により制御される。このため安定した惰行運転が得られる。

次に時刻ｔ４にて惰行から加速に車両運転指令が発令されると、まずインバータ７を起動し弱め界磁制御運転を行う。これに伴い永久磁石電動機９の電圧はＶｍ１に低下する（時刻ｔ５）。時刻ｔ５にてチョッパ回路５のＳ１のスイッチングを停止し、スイッチＳ２をオンとする。このときＶｃ２（＞Ｖｃ１）を初期状態として、コンデンサ８がリアクトル４を介して直流架線１に接続されることにより、コンデンサ８の電圧はＶｃ２からＶｃ１に戻る（時刻ｔ６）。従ってＶｍ１がＶｃ１を超えることが無く、永久磁石電動機９に所望のトルクを発生させることができる。従って、前記惰行から加速に移行する過程において、開閉器１０〜１１は常に投入しておけばよい。

このように惰行運転時においてコンデンサ８の電圧を永久磁石電動機９の電圧よりも高くなるように制御することで、永久磁石電動機９からコンデンサ８の向きにエネルギーが逆流しないため、惰行運転時も安定した運転が得られるという効果がある。また永久磁石電動機９の誘起電圧定数を高く設定できるため、より多くの励磁磁束が永久磁石により確立され、結果としてトルク発生に必要な電流が低減されるため、電力変換装置の損失が低減されるという効果がある。また惰行運転から加速・減速運転への移行において開閉器を常に投入しておけばよいため、不要な開閉器の投入・遮断の動作がなくなり、開閉器の寿命を長くできるという効果がある。またチョッパ回路５は既存のリアクトル４を利用してコンデンサ８の電圧制御を行うため、別途リアクトルを接続する必要が無く、小型・軽量な車両用駆動制御装置が得られるという効果がある。また加速時のコンデンサ８の電圧をＶｃ２よりも低い電圧に設定するため、チョッパ回路５やインバータ７で発生するスイッチング損失やＥＭＩ（electro-magnetic interference）ノイズを低くできるという効果がある。

実施の形態３．
図４は実施の形態３である車両用駆動制御装置の動作を説明するタイミング図である。図３と異なる部分は、時刻ｔ５にてスイッチＳ１をオフすると同時に、スイッチＳ２をチョッパ動作させて、コンデンサ８の電圧を下げるように制御し、時刻ｔ７にて直流架線１の電圧Ｖｃ１にほぼ等しくしてから、チョッパ動作を停止してスイッチＳ２をオンのままとする。スイッチＳ２のチョッパ動作により、図３でのＶｃ２からＶｃ１への電圧急変が抑制され、スムーズな電圧移行が得られる。

このように惰行運転時において、コンデンサ８の電圧を永久磁石電動機９の電圧よりも高くなるように制御することで、永久磁石電動機９からコンデンサ８の向きにエネルギーが逆流しないため、惰行運転時も安定した運転が得られるという効果がある。また永久磁石電動機９の誘起電圧定数を高く設定できるため、より多くの励磁磁束が永久磁石により確立され、結果としてトルク発生に必要な電流が低減されるため、電力変換装置の損失が低減されるという効果がある。また惰行運転から加速・減速運転への移行において開閉器を常に投入しておけばよいため、不要な開閉器の投入・遮断の動作がなくなり、開閉器の寿命を長くできるという効果がある。またチョッパ回路５は既存のリアクトル４を利用してコンデンサ８の電圧制御を行うため、別途リアクトルを接続する必要が無く、小型・軽量な車両用駆動制御装置が得られるという効果がある。また加速時のコンデンサ８の電圧をＶｃ２よりも低い電圧に設定するため、チョッパ回路５やインバータ７で発生するスイッチング損失やＥＭＩノイズを低くできるという効果がある。またコンデンサ８の電圧がスムーズにＶｃ２からＶｃ１へ移行するため、電圧急変により誘起される電圧・電流の振動が抑制できるという効果が得られる。

実施の形態４．
図５は実施の形態４である車両用駆動制御装置の動作を説明するタイミング図である。実施の形態１と異なる部分は、惰行運転中のコンデンサ８の電圧が放電と充電を繰り返している点（惰行運転時に間欠的にチョッパ回路を動作させる点）である。すなわち時刻ｔ１０,ｔ１２,ｔ１４でチョッパ回路５の動作を停止してコンデンサ８の放電を開始する。放電が進んだ時刻ｔ１１, ｔ１３において再度チョッパ回路５の動作を開始してコンデンサ８の充電を開始し、所望の値まで充電する（時刻ｔ１２,ｔ１４）。なおコンデンサ８の電圧Ｖｃ２は、Ｖｃ２＞Ｖｍ２となるように制御されるため、永久磁石電動機９からコンデンサ８の向きにエネルギーが逆流しない。従ってインバータ７が破損した時などの保護用にインバータ７と永久磁石電動機９の間に設けられた開閉器１０〜１２は、加速・減速運転から惰行運転への移行において常に投入しておけばよい。

このように惰行運転時においてコンデンサ８の電圧を永久磁石電動機９の電圧よりも高くなるように制御することで、永久磁石電動機９からコンデンサ８の向きにエネルギーが逆流しないため、惰行運転時も安定した運転が得られるという効果がある。また永久磁石電動機９の誘起電圧定数を高く設定できるため、より多くの励磁磁束が永久磁石により確立され、結果としてトルク発生に必要な電流が低減されるため、電力変換装置の損失が低減されるという効果がある。

また加速・減速運転から惰行運転への移行において開閉器１０〜１２を常に投入しておけばよいため、不要な開閉器の投入・遮断の動作がなくなり、開閉器１０〜１２の寿命を長くできるという効果がある。またチョッパ回路５は既存のリアクトル４を利用してコンデンサ８の電圧制御を行うため、別途リアクトルを接続する必要が無く、小型・軽量な車両用駆動制御装置が得られるという効果がある。またチョッパ回路５の動作を間欠的に行うことにより、チョッパ回路５で発生する変換損失を低減できるという効果がある。
なお、実施の形態４において、惰行運転中のコンデンサ８の電圧が放電と充電を繰り返す制御（惰行運転時に間欠的にチョッパ回路を動作させる制御）については、実施の形態２,３の図３,図４の惰行運転中においても、同様な制御を実施できる。

実施の形態５．
図６は実施の形態５である車両用駆動制御装置を示す構成図で、特にその制御構成を示している。図６において、１０２は永久磁石電動機９の励磁電流指令ｉｄ＊を与える自動弱め制御器、１０３はトルク指令τ＊に従って永久磁石電動機９がトルクを発生するようにトルク電流指令ｉｑ＊を発生するトルク電流指令発生器、１０１は励磁電流指令ｉｄ＊とトルク電流指令ｉｑ＊に従ってインバータの出力電圧指令ｖｉｎｖ＊を発生して、永久磁石電動機９の電流を制御する電流制御器、１０４,１２０は切替器、１０５はローパスフィルタ、１０６は永久磁石電動機９の回転数又は回転角速度から、惰行運転時のコンデンサ電圧指令Ｖｃ２＊を発生させる電圧指令発生器である。１０８は永久磁石電動機９の回転数や回転角速度を検出する回転検出器である。図６では、直流架線１、パンタグラフ２、レール３、リアクトル４、及び開閉器１０〜１２を省略して示している。なお、各図において、同一符号は同一又は相当部分を示し、その説明を省略する。

惰行運転が発令されていない場合（加速時又は減速時）は、切替器１０４の出力として、惰行運転時以外のコンデンサ８の電圧指令Ｖｃ１（加速時又は減速時のコンデンサ電圧指令、この場合Ｖｃ１は架線電圧を採用している。）が選択される。ローパスフィルタ１０５の出力としてＶｃｆｉｌ＊を得る。ローパスフィルタ１０５を接続することにより、電圧指令を切り替えるときのショックを低減する。また切替器１２０はオフとなり、チョッパ動作はしない。一方トルク電流指令発生器１０３にはトルク指令τ＊が入力され、トルク電流に相当するトルク電流指令ｉｑ＊を得る。また自動弱め制御器１０２にはインバータ出力電圧指令ｖｉｎｖ＊と電圧指令Ｖｃｆｉｌ＊が入力され、公知の方法によりｖｉｎｖ＊とＶｃｆｉｌ＊の大きさを比較して、ｖｉｎｖ＊の大きさがＶｃｆｉｌ＊におさまるように永久磁石電動機９の磁束方向の電流指令ｉｄ＊を得る。なお電流制御器１０１はｉｄ＊とｉｑ＊からインバータ出力電圧指令ｖｉｎｖ＊を得る。

惰行運転が発令されると、切替器１０４の出力として惰行運転時のコンデンサ電圧指令Ｖｃ２＊が選択される。また電圧指令発生器１０６にて、永久磁石電動機９の回転角速度ωｒより永久磁石電動機９が発生する誘起電圧Ｖｍ２を演算し、Ｖｃ２＊＞Ｖｍ２となる惰行運転時のコンデンサ電圧指令Ｖｃ２＊を得る。切替器１２０はオンとなりチョッパ回路５はコンデンサ８の電圧がＶｃ２となるように制御する。なおコンデンサ８の電圧をＶｃ２に一致させると、自動弱め制御器１０２にてｉｄ＊をゼロに設定する。このとき惰行運転発令によりτ＊がゼロであるからｉｑ＊もゼロとなる。

また惰行運転から加速又は減速運転が発令されると、自動弱め制御器１０２により永久磁石電動機９の誘起電圧をＶｍ１まで下降させた後、切替器１０４にてＶｃ１を選択する。ここではＶｃ１＞Ｖｍ１となるように設定する。次にトルク電流指令発生器１０３によりトルク電流指令ｉｑ＊を与え、永久磁石電動機９を運転する。

前述により、実施の形態５では、次のように２とおりに、動作させるものである。
惰行運転時以外は、惰行運転時以外のコンデンサ電圧指令を切替器で選択し、チョッパ回路によりリアクトルとコンデンサを接続すると共に、その惰行運転時以外のコンデンサ電圧指令とインバータの出力電圧指令より自動弱め制御器が励磁電流指令を発生して、永久磁石電動機が発生する電圧を低下し、かつ、惰行運転開始時には、電圧指令発生器により発生させた惰行運転時のコンデンサ電圧指令を切替器で選択し、その惰行運転時のコンデンサ電圧指令に従ってチョッパ回路によりコンデンサの電圧を制御すると共に、自動弱め制御器が励磁電流指令をゼロとする。

また、惰行運転時は、電圧指令発生器により発生させた惰行運転時のコンデンサ電圧指令を切替器で選択し、その惰行運転時のコンデンサ電圧指令に従ってチョッパ回路によりコンデンサの電圧を制御すると共に、惰行運転終了後は、惰行運転時以外のコンデンサ電圧指令を切替器で選択し、自動弱め制御器により永久磁石電動機の励磁電流指令を与える。

このように加速又は減速指令から惰行運転に移行する場合、及びその逆に移行する場合に、図６の制御構成により図２及び図３の電力変換装置の動作が達成される。また惰行運転時においてコンデンサ８の電圧を永久磁石電動機９の電圧よりも高くなるように制御することで、永久磁石電動機９からコンデンサ８の向きにエネルギーが逆流しないため、惰行運転時も安定した運転が得られるという効果がある。また永久磁石電動機９の誘起電圧定数を高く設定できるため、より多くの励磁磁束が永久磁石により確立され、結果としてトルク発生に必要な電流が低減されるため、電力変換装置の損失が低減されるという効果がある。

また加速・減速運転から惰行運転への移行、又はその逆の移行において開閉器を常に投入しておけばよいため、不要な開閉器の投入・遮断の動作がなくなり、開閉器の寿命を長くできるという効果がある。またチョッパ回路５は既存のリアクトル４を利用してコンデンサ８の電圧制御を行うため、別途リアクトルを接続する必要が無く、小型・軽量な車両用駆動制御装置が得られるという効果がある。また加速又は減速時のコンデンサ８の電圧をＶｃ２よりも低い電圧に設定するため、チョッパ回路５やインバータ７で発生するスイッチング損失やＥＭＩノイズを低くできるという効果がある。

実施の形態６．
図７は実施の形態６である車両用駆動制御装置を示す構成図で、特にその制御構成を示している。図７において、１０７は励磁電流制御器であり、電圧指令発生器が励磁電流制御器１０７に置き換わった以外の構成については図６と同様である。惰行運転が発令されていない場合（加速時又は減速時）は、切替器１０４の出力として、惰行運転時以外のコンデンサ８の電圧指令Ｖｃ１（加速時又は減速時のコンデンサ電圧指令）が選択され、ローパスフィルタ１０５の出力としてＶｃｆｉｌ＊を得る。また切替器１２０はオフとなり、チョッパ動作はしない。

一方トルク電流指令発生器１０３にはトルク指令τ＊が入力され、トルク電流に相当するトルク電流指令ｉｑ＊を得る。また自動弱め制御器１０２にはインバータ出力電圧指令ｖｉｎｖ＊と電圧指令Ｖｃｆｉｌ＊が入力され、公知の方法によりｖｉｎｖ＊とＶｃｆｉｌ＊の大きさを比較して、ｖｉｎｖ＊の大きさがＶｃｆｉｌ＊におさまるように永久磁石電動機９の磁束方向の電流指令ｉｄ＊を得る。なお電流制御器１０１はｉｄ＊とｉｑ＊からインバータ出力電圧指令ｖｉｎｖ＊を得る。

惰行運転が発令されると、切替器１０４の出力として惰行運転時のコンデンサ電圧指令Ｖｃ２＊が選択される。また励磁電流制御器１０７にて、励磁電流がゼロとなるようにコンデンサ８の電圧指令を上昇させＶｃ２を得る。切替器１２０はオンとなりチョッパ回路５はコンデンサ８の電圧がＶｃ２となるように制御する。このとき惰行運転発令によりτ＊がゼロであるからｉｑ＊もゼロとなる。また惰行運転から加速又は減速運転が発令されると、自動弱め制御器１０２により永久磁石電動機９の誘起電圧をＶｍ１まで下降させた後、切替器１０４にてＶｃ１を選択する。ここではＶｃ１＞Ｖｍ１となるように設定する。次にトルク電流指令発生器１０３によりトルク電流指令ｉｑ＊を与え、永久磁石電動機９を運転する。

前述により、まとめると、実施の形態６では、次のように２とおりに、動作させるものである。
惰行運転時以外は、惰行運転時以外のコンデンサ電圧指令を切替器で選択し、チョッパ回路によりリアクトルとコンデンサとの間で相互に電流が流れるようにすると共に、その惰行運転時以外のコンデンサ電圧指令とインバータの出力電圧指令より自動弱め制御器が励磁電流指令を発生して、永久磁石電動機が発生する電圧を低下すると共に、惰行運転開始時には、励磁電流制御器の出力であるコンデンサ電圧指令を切替器で選択し、励磁電流制御器の出力であるコンデンサ電圧指令に従ってチョッパ回路により前記コンデンサの電圧を制御する。

又、惰行運転時は、励磁電流制御器の出力であるコンデンサ電圧指令を切替器で選択し、励磁電流制御器の出力であるコンデンサ電圧指令に従ってチョッパ回路によりコンデンサの電圧を制御すると共に、惰行運転終了後は、惰行運転時以外のコンデンサ電圧指令を切替器で選択し、自動弱め制御器により永久磁石電動機の励磁電流指令を与える。

このように加速又は減速指令から惰行運転に移行する場合、及びその逆に移行する場合に、図７の制御構成により図２及び図３の電力変換装置の動作が達成される。また励磁電流制御器１０７によりコンデンサ８の電圧Ｖｃ２が必要最小限に確保され、コンデンサ８、チョッパ回路５及びインバータ７に印加される直流電圧を必要最小限に低下でき、信頼性を更に向上できるという効果がある。また惰行運転時においてコンデンサ８の電圧を永久磁石電動機９の電圧よりも高くなるように制御することで、永久磁石電動機９からコンデンサ８の向きにエネルギーが逆流しないため、惰行運転時も安定した運転が得られるという効果がある。また永久磁石電動機９の誘起電圧定数を高く設定できるため、より多くの励磁磁束が永久磁石により確立され、結果としてトルク発生に必要な電流が低減されるため、電力変換装置の損失が低減されるという効果がある。

実施の形態７．
図８は実施の形態７である車両用駆動制御装置を示す構成図である。チョッパ回路５とコンデンサ８に対して、インバータ７，開閉器１０〜１２と永久磁石電動機９の群と、インバータ１３，開閉器１５〜１７と永久磁石電動機１４の群が並列接続されている。１０９は永久磁石電動機９の各相の電流をそれぞれ検出する電流計、１１０は永久磁石電動機１４の各相の電流をそれぞれ検出する電流計である。図に示すように、チョッパ回路５に、例えば２台のインバータ７，１３が並列接続されている場合、永久磁石電動機９に過電流が流れこれを電流計１０９で検出して、インバータ７がトリップ（過電流検出状態）でインバータ７がオフ（オンオフ動作を停止）しても、チョッパ回路５が運転継続するため、インバータ１３に接続された永久磁石電動機１４の駆動を継続してもよい。

つまり複数のインバータ７，１３のうち、過電流異常が発生した永久磁石電動機に接続された異常側インバータ７を停止させ、チョッパ回路５によりコンデンサ８の電圧を、前記異常側インバータ７に接続された永久磁石電動機９が発生する電圧以上に上昇させ、前記異常側インバータに接続された永久磁石電動機９の電流がほぼゼロになることを検知して、前記異常側インバータ７に接続された前記開閉器１０〜１２を開放するようにしてもよい。

また図８において、インバータ１３は健全に弱め運転が継続できるため、開閉器１０〜１２をオフして永久磁石電動機９を切り離した後に、コンデンサ８の電圧を元の値まで低下させて、永久磁石電動機１４の運転を継続してもよい。このときコンデンサ８の電圧を低くすることができるため、チョッパ回路５やインバータ１３におけるスイッチング損失やＥＭＩノイズを低くできるという効果がある。

なお、実施の形態７では、永久磁石電動機９，１４の過電流を異常として検知するが、
永久磁石電動機９，１４又はインバータ７，１３の温度をそれぞれ検出する複数の温度計を備え、検出した温度によって異常を検知してもよい。温度計を用いてインバータ７の過熱、又は永久磁石電動機９の過熱を検知したときも、インバータ７がトリップ（過熱検出状態）でインバータ７がオフ（オンオフ動作を停止）しても、チョッパ回路５が運転継続するため、インバータ１３に接続された永久磁石電動機１４の駆動を継続する。つまり複数のインバータ７，１３のうち、インバータ７の過熱、又は永久磁石電動機９の過熱による異常側インバータ７を停止させ、チョッパ回路５によりコンデンサ８の電圧を、前記異常側インバータ７に接続された永久磁石電動機９が発生する電圧以上に上昇させ、前記異常側インバータに接続された永久磁石電動機９の電流がほぼゼロになることを検知して、前記異常側インバータ７に接続された前記開閉器１０〜１２を開放するようにしてもよい。

また同様に図８において、インバータ１３は健全に弱め運転が継続できるため、開閉器１０〜１２をオフして永久磁石電動機９を切り離した後に、コンデンサ８の電圧を元の値まで低下させて、永久磁石電動機１４の運転を継続してもよい。

この発明の実施の形態１である車両用駆動制御装置を示す構成図である。実施の形態１の車両用駆動制御装置の動作を説明するタイミング図である。実施の形態２の車両用駆動制御装置の動作を説明するタイミング図である。実施の形態３の車両用駆動制御装置の動作を説明するタイミング図である。実施の形態４の車両用駆動制御装置の動作を説明するタイミング図である。実施の形態５である車両用駆動制御装置を示す構成図である。実施の形態６である車両用駆動制御装置を示す構成図である。実施の形態７である車両用駆動制御装置を示す構成図である。

符号の説明

１直流架線２パンタグラフ
３レール４リアクトル
５チョッパ回路７インバータ
８コンデンサ９永久磁石電動機
１０〜１２開閉器１３インバータ
１４永久磁石電動機１５〜１７開閉器
１０１電流制御器１０２自動弱め制御
１０３トルク電流指令発生器１０４切替器
１０５フィルタ１０６電圧指令発生器
１０７励磁電流制御器１０８回転検出器
１０９電流計１１０電流計
１２０切替器

Claims

電源系統から受電しリアクトルを介して直流電圧を得るチョッパ回路と、
前記チョッパ回路の出力に接続されたコンデンサと、
前記コンデンサの直流電圧を交流電圧に変換し、永久磁石電動機に電力を供給するインバータとを備え、
車両運転指令が惰行運転を発令すると、前記チョッパ回路により前記コンデンサの電圧を上昇させ、前記コンデンサの電圧が、前記永久磁石電動機の回転角速度より演算される前記永久磁石電動機の端子間に発生する誘起電圧より大きな所定の電圧まで上昇した後に、前記インバータの運転を停止することを特徴とする車両用電力変換装置。
電源系統から受電しリアクトルを介して直流電圧を得るチョッパ回路と、
前記チョッパ回路の出力に接続されたコンデンサと、
前記コンデンサの直流電圧を交流電圧に変換し、永久磁石電動機に電力を供給するインバータとを備え、
前記インバータの運転を停止する前に、前記チョッパ回路により前記コンデンサの電圧を、前記永久磁石電動機の回転角速度より演算される前記永久磁石電動機の端子間に発生する誘起電圧より大きな所定の電圧まで上昇させ、
車両運転指令が惰行運転を解除すると、前記インバータが弱め界磁電流を出力して、前記永久磁石電動機の端子間に発生する誘起電圧を、前記電源系統の電圧より小さな電圧まで低下させた後に、前記チョッパ回路により前記コンデンサと前記電源系統との間で相互に電流が流れるようにすることを特徴とする車両用電力変換装置。
惰行運転終了時に、前記インバータが弱め界磁電流を出力して、前記永久磁石電動機が発生する電圧を低下させた後に、
前記チョッパ回路により前記コンデンサの電圧を前記電源系統の電圧に低下させてから、前記コンデンサと前記電源系統との間で相互に電流が流れるようにすることを特徴とする請求項２記載の車両用電力変換装置。
惰行運転時に、間欠的に前記チョッパ回路を動作させることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の車両用電力変換装置。
前記永久磁石電動機の励磁電流指令を与える自動弱め制御器と、
トルク指令に従って前記永久磁石電動機がトルクを発生するようにトルク電流指令を発生するトルク電流指令発生器と、
励磁電流指令とトルク電流指令に従って前記インバータの出力電圧指令を発生して、前記永久磁石電動機の電流を制御する電流制御器と、
前記永久磁石電動機の回転数から、惰行運転時のコンデンサ電圧指令を発生させる電圧指令発生器と、
コンデンサ電圧指令を切替える切替器とを備え、
惰行運転時以外は、惰行運転時以外のコンデンサ電圧指令を前記切替器で選択し、前記チョッパ回路により前記リアクトルと前記コンデンサとの間で相互に電流が流れるようにすると共に、その惰行運転時以外のコンデンサ電圧指令と前記インバータの出力電圧指令より前記自動弱め制御器が励磁電流指令を発生して、前記永久磁石電動機が発生する電圧を低下し、かつ、
車両運転指令が惰行運転を発令すると、前記電圧指令発生器により発生させた惰行運転時のコンデンサ電圧指令を前記切替器で選択し、その惰行運転時のコンデンサ電圧指令に従って前記チョッパ回路により前記コンデンサの電圧を上昇させるように制御すると共に、前記自動弱め制御器が励磁電流指令をゼロとすることを特徴とする請求項１記載の車両用電力変換装置。
前記永久磁石電動機の励磁電流指令を与える自動弱め制御器と、
トルク指令に従って前記永久磁石電動機がトルクを発生するようにトルク電流指令を発生するトルク電流指令発生器と、
励磁電流指令とトルク電流指令に従って前記インバータの出力電圧指令を発生して、前記永久磁石電動機の電流を制御する電流制御器と、
前記永久磁石電動機の回転数から、惰行運転時のコンデンサ電圧指令を発生させる電圧指令発生器と、
コンデンサ電圧指令を切替える切替器とを備え、
惰行運転時は、前記電圧指令発生器により発生させた惰行運転時のコンデンサ電圧指令を前記切替器で選択し、その惰行運転時のコンデンサ電圧指令に従って前記チョッパ回路により前記コンデンサの電圧を制御すると共に、
車両運転指令が惰行運転を解除すると、惰行運転時以外のコンデンサ電圧指令を前記切替器で選択し、前記自動弱め制御器により前記永久磁石電動機の励磁電流指令を与えることを特徴とする請求項２記載の車両用電力変換装置。
前記永久磁石電動機の励磁電流指令を与える自動弱め制御器と、
トルク指令に従って前記永久磁石電動機がトルクを発生するようにトルク電流指令を発生するトルク電流指令発生器と、
励磁電流指令とトルク電流指令に従って前記インバータの出力電圧指令を発生して、前記永久磁石電動機の電流を制御する電流制御器と、
惰行運転時に、励磁電流をゼロに制御するためのコンデンサ電圧指令を与える励磁電流制御器と、
コンデンサ電圧指令を切替える切替器とを備え、
惰行運転時以外は、惰行運転時以外のコンデンサ電圧指令を前記切替器で選択し、前記チョッパ回路により前記リアクトルと前記コンデンサとの間で相互に電流が流れるようにすると共に、その惰行運転時以外のコンデンサ電圧指令と前記インバータの出力電圧指令より前記自動弱め制御器が励磁電流指令を発生して、前記永久磁石電動機が発生する電圧を低下すると共に、車両運転指令が惰行運転を発令すると、前記励磁電流制御器の出力であるコンデンサ電圧指令を前記切替器で選択し、前記励磁電流制御器の出力であるコンデンサ電圧指令に従って前記チョッパ回路により前記コンデンサの電圧を上昇させるように制御することを特徴とする請求項１記載の車両用電力変換装置。
前記永久磁石電動機の励磁電流指令を与える自動弱め制御器と、
トルク指令に従って前記永久磁石電動機がトルクを発生するようにトルク電流指令を発生するトルク電流指令発生器と、
励磁電流指令とトルク電流指令に従って前記インバータの出力電圧指令を発生して、前記永久磁石電動機の電流を制御する電流制御器と、
惰行運転時に、励磁電流をゼロに制御するためのコンデンサ電圧指令を与える励磁電流制御器と、
コンデンサ電圧指令を切替える切替器とを備え、
惰行運転時は、前記励磁電流制御器の出力であるコンデンサ電圧指令を前記切替器で選択し、前記励磁電流制御器の出力であるコンデンサ電圧指令に従って前記チョッパ回路により前記コンデンサの電圧を制御すると共に、
車両運転指令が惰行運転を解除すると、惰行運転時以外のコンデンサ電圧指令を前記切替器で選択し、前記自動弱め制御器により前記永久磁石電動機の励磁電流指令を与えることを特徴とする請求項２記載の車両用電力変換装置。
請求項１〜８のいずれか１項に記載の車両用電力変換装置を備えた車両用駆動制御装置であって、
前記インバータに開閉器を介して接続された永久磁石電動機を備えたことを特徴とする車両用駆動制御装置。
複数の前記インバータと、
前記複数のインバータそれぞれに接続された複数の永久磁石電動機と、
前記各インバータと前記各永久磁石電動機の間にそれぞれ接続された複数の前記開閉器と、前記各永久磁石電動機の電流を検出する複数の電流計とを備え、
前記永久磁石電動機のいずれかに過電流異常が発生すると、これを前記電流計で検出し過電流異常が発生した前記永久磁石電動機に接続された異常側インバータを停止させ、
前記チョッパ回路により前記コンデンサの電圧を、前記異常側インバータに接続された前記永久磁石電動機が発生する電圧以上に上昇させ、
前記異常側インバータに接続された前記永久磁石電動機の電流がほぼゼロになることを検知して、前記異常側インバータに接続された前記開閉器を開放することを特徴とする請求項９記載の車両用駆動制御装置。
複数の前記インバータと、
前記複数のインバータそれぞれに接続された複数の永久磁石電動機と、
前記各インバータと前記各永久磁石電動機の間にそれぞれ接続された複数の前記開閉器と、前記各永久磁石電動機又は前記各インバータの温度をそれぞれ検出する複数の温度計とを備え、
前記永久磁石電動機又は前記インバータのいずれかに過熱異常が発生すると、これを前記温度計で検出し過熱異常が発生した異常側インバータを停止させ、
前記チョッパ回路により前記コンデンサの電圧を、前記異常側インバータに接続された前記永久磁石電動機が発生する電圧以上に上昇させ、
前記異常側インバータに接続された前記永久磁石電動機の電流がほぼゼロになることを検知して、前記異常側インバータに接続された前記開閉器を開放することを特徴とする請求項９記載の車両用駆動制御装置。
前記異常側インバータに接続された前記開閉器を開放した後に、前記チョッパ回路により前記コンデンサの電圧を低下させることを特徴とする請求項１０又は請求項１１記載の車両用駆動制御装置。