JP5784163B2 - 車両用補助電源装置 - Google Patents

Description

本発明の実施の形態は、車両用補助電源装置に関する。

車両用補助電源装置（ＳＩＶ）の目的は、車両に安定な電力を供給することである。従って、あらゆる負荷条件の中で、出力電圧の振幅を一定に保つことが理想的である。ところが、脈動負荷である空調用コンプレッサの振動によるエネルギーは、インバータの直流側の入力電流の振動として現れ、誘導障害を引き起こす問題点がある。この入力電流の振動は、場合によっては系を不安定にし、補助電源装置の電力にて点灯する蛍光灯のちらつき、また電流トリップなどの問題を引き起こすことがある。

このような問題を解決する技術としては、特開平４−３４０３６９号公報（特許文献１）、特開２００６−３２５３２６号公報（特許文献２）に記載されたものが知られている。特許文献１では、負荷の脈動との逆位相の電圧制御信号を生成してインバータに与えることで、蛍光灯のちらつきを防止する。この方法では、負荷の脈動による振動エネルギーを交流側で吸収することによって直流側の振動を抑える。その結果、系の安定度が高くなり、蛍光灯がちらつきにくくなる。しかし、蛍光灯のちらつきの要因は、出力電圧の変動である。特許文献１の技術の場合、電圧指令値に脈動を与える結果として、出力電圧のレベルを一定に保つことができなくなり、負荷の脈動がある程度大きくなると蛍光灯のちらつきが発生することが避けられない。

特許文献２では、出力電圧の振幅ではなく、出力電流の無効分に応じて周波数を変化させる制御をする。これは、誘導機負荷である空調のコンプレッサのすべりが変わり、電力の変動を抑え、出力電圧を一定に保ちながら直流側の変動を抑えることを目的とする。しかし、無効電流を単純にフィルタに通して位相を調整することは、電力を抑える保証とはならない。

特開平４−３４０３６９号公報 特開２００６−３２５３２６号公報

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、インバータの出力電圧の振幅を一定に保ちながら、インバータの入出力の電力のバランスを考慮し、結果として装置の出力電力の変動を抑えることができる車両用の補助電源装置を提供することを目的とする。

実施の形態の特徴は、架線から供給される直流電力を３相交流電力に変換するインバータと、前記インバータの直流側の電圧を検出するインバータ入力電圧検出手段と、前記インバータの交流側の電流を検出するインバータ出力電流検出手段と、前記インバータの交流側の電圧を検出するインバータ出力電圧検出手段と、前記インバータの交流側の電力を演算するインバータ出力電力演算手段と、前記インバータ入力電圧検出手段による直流側電圧検出値と前記インバータ出力電流検出手段による交流側電流検出値と前記インバータ出力電力演算手段による交流側出力電力とを入力し、抵抗分とリアクタンス分とから成る等価負荷における当該等価負荷の前記抵抗分を前記交流側出力電力から計算し、前記等価負荷の安定化条件を求め、前記等価負荷への入力側の等価出力電流を求め、前記等価出力電流と前記直流側電圧検出値との積を理想の電力基準値として出力する減衰特性演算手段と、前記インバータ出力電力演算手段で演算される前記インバータの出力電力を前記減衰特性演算手段で演算される前記理想の電力基準値に一致するように出力電圧ベクトルを一定に保ちながら電流ベクトルとの位相差を変える制御をする電力制御演算手段とを備えた車両用補助電源装置である。

第１の実施の形態の車両用補助電源装置の回路図。 第１の実施の形態の車両用補助電源装置における制御装置の制御ブロック図。 第１の実施の形態における制御装置による電力変動抑制制御の説明図。 第２の実施の形態の車両用補助電源装置における制御装置の制御ブロック図。 第３の実施の形態の車両用補助電源装置における制御装置の制御ブロック図。 第３の実施の形態に車両用補助電源装置の等価回路。

以下、実施の形態を図に基づいて詳説する。

［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態の車両用補助電源装置の構成を示している。図１において、１はフィルタリアクトル、２はフィルタコンデンサ、３は架線の直流電力を交流電力に変換して出力するインバータ、４ｕ，４ｖ，４ｗは各相の交流リアクトル、５ｕ，５ｖ，５ｗは各相間に挿入された交流コンデンサ、６はインバータ出力を変圧する変圧器、７は蛍光灯、空調機等の負荷、８はインバータ３を制御する制御装置である。

さらに、９はフィルタコンデンサ２の直流電圧Ｖｄｃを検出する電圧センサ、１０ｕ，１０ｗはインバータ３の出力交流電流Ｉａｃｕ，Ｉａｃｗを検出する電流センサ、１１ｕ，１１ｗは５ｕ，５ｖ，５ｗに流れる交流コンデンサ電流Ｉｃｕ，Ｉｃｗを検出する電流センサ、１２ｕ，１２ｗは変圧器６から負荷に出力される各相間の交流電圧Ｖｏｕｖ，Ｖｏｖｗを検出する電圧センサである。

制御装置８は、フィルタコンデンサ電圧Ｖｄｃ、インバータ出力電流Ｉａｃｕ，Ｉａｃｗ、出力電圧Ｖｏｕｖ，Ｖｏｖｗ、交流コンデンサ電流Ｉｃｕ，Ｉｃｖに基づいてゲート信号を算出し、インバータ３を制御する。

この制御装置８の詳細な構成を図２に示す。図２の制御装置８において、８００は相間電圧Ｖｏｕｖ，Ｖｏｖｗから相電圧Ｖｏｕ，Ｖｏｗを得る相電圧変換部、８０１は電圧制御部、８０２は電流制御部、８０３は変調率演算部、８０４は２軸３軸座標変換部、８０５はゲート信号演算部、８０６は３軸２軸座標変換部、８０７は３軸２軸座標変換部、８０８はローパスフィルタ（ＬＰＦ）、８０９は積分演算部、８１０は電力変化量演算部である。

そして、この電力変化量演算部８１０において、８１１はインバータ出力電圧演算部、８１２は有効電力演算部、８１３はハイパスフィルタ（ＨＰＦ）、８１４は有効電力制御部、８１５は加算器である。

この制御装置８では、回転座標（ｄｑ座標）で制御を行うため、各相出力電圧Ｖｏｕｖ，Ｖｏｖｗ及び交流コンデンサ電流Ｉｃｕ，Ｉｃｗをそれぞれ３軸２軸座標変換部８０６，８０７で回転座標に変換する。その変換した電圧信号Ｖｏｄ，Ｖｏｑを電圧制御部８０１に入力し、変換した電流信号Ｉｃｄ，Ｉｃｑを電流制御部８０２に入力する。電圧制御部８０１では、変換した電圧信号Ｖｏｄ，Ｖｏｑを電圧指令値Ｖｄｒｅｆ，Ｖｑｒｅｆと比較して電流指令値Ｉｄｒｅｆ，Ｉｑｒｅｆを求めて電流制御部８０２に対して出力する。電流制御部８０２では、変換した電流信号Ｉｃｄ，Ｉｃｑを電流指令値Ｉｄｒｅｆ，Ｉｑｒｅｆと比較し、制御後電圧指令値Ｖｄ＊，Ｖｑ＊を計算する。

その後、制御装置８の変調率演算部８０３にて、制御後電圧指令値Ｖｄ＊，Ｖｑ＊のＬＰＦ８０８から入力される直流電圧ＶｄｃＦに対する変調率ＶｄＡＬ，ＶｑＡＬを演算して、２軸３軸変換部８０４に出力する。この２軸３軸座標変換部８０４では、後述の電力変化量制御部８１０が計算した位相φにより２軸３軸変換して３軸電圧指令Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを求め、ゲート信号演算部８０５に出力する。ゲート信号演算部８０５では、ゲート信号を計算して出力する。

本実施の形態の特徴は、電力変化量制御部８１０の制御手法にあり、出力電圧の振幅を一定に保ちながら直流側の入力電流の振動を抑える制御をする。この制御の原理を、図３を用いて説明する。

交流側の電力Ｐａｃは、（１）式に示すようにインバータ出力電圧ベクトルＶａｃとインバータ出力電流ベクトルＩａｃの内積で決める。

ただし、φをこれらの電流、電圧ベクトルの位相差である。

蛍光灯のちらつきを防止するために、出力電圧ベクトルの大きさを一定に保つ必要がある。空調のコンプレッサなどの脈動負荷の影響で、インバータの出力電流ベクトルの大きさと位相が変動する。その結果、インバータの交流側の電力が変動してしまう。その電力の変動は直流側へ伝わり、入力電流の振動となって誘導障害を引き起こす。

そこで出力電圧ベクトルを一定に保つべく、以下の制御を行う。インバータ出力電流ベクトルＶａｃの変化に応じて、電力ベクトルＰａｃの変化量を抑えるように位相差φを変える制御をする。本実施の形態では、この制御を電力変化量制御部８１０により実行する。

まず、インバータ電圧演算部８１１にて相出力電圧Ｖｏｕ，Ｖｏｗから各相のインバータ出力電圧Ｖａｃｕ，Ｖａｃｗを計算する。そして電力演算部８１２にて、この各相のインバータ出力電圧Ｖａｃｕ，Ｖａｃｗと各相のインバータ出力電流Ｉａｃｕ，Ｉａｃｗとから電力を計算する。その計算式は（２）式で計算する

ただし、

次にハイパスフィルタ（ＨＰＦ）８１３を用いて計算された電力の変動Ｐａｃ’を抽出し、有効電力制御部８１４で電力がゼロになるように位相差φを計算する。この演算は、ＰＩまたはＰＩＤで行う。計算された位相差φは加算器８１５にてインバータ３の位相θと加算し、２軸３軸座標変換部８０４に入力する。

制御装置８の２軸３軸座標変換部８０４では、このθ＋φを用いて、三相の電圧指令値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを計算する。そして、ゲート信号演算部８０５はこれらの信号に基づいてゲート信号を計算し、インバータ制御を行う。

このようにして本実施の形態の補助電源装置によれば、電力変化量制御部８１０にて、インバータ出力電圧ベクトルＶａｃの変化に応じて電力ベクトルＰａｃの変化量を抑えるように位相差φを変える制御をする。これにより、出力電圧ベクトルを一定に保つことができ、空調機のコンプレッサなどの脈動負荷の影響でインバータ３の出力電流ベクトルの大きさと位相が変動するような場合にも、インバータ３の交流側の電力変動を抑えることができる。この結果、インバータ３の交流側の電力変動に起因していた蛍光灯のちらつきを防止することができる。

［第２の実施の形態］
第２の実施の形態の車両用補助電源装置について、図４を用いて説明する。本実施の形態の車両用補助電源装置の全体的な構成は第１の実施の形態と同様であり、図１に示すものである。そして、制御装置８の構成も第１の実施の形態におけるものと同様であるが、電力変化量制御部８１０Ａの構成において若干の変更がある。第１の実施の形態の場合、電力変化量制御部８１０にはハイパスフィルタ（ＨＰＦ）８１３を用いたが、本実施の形態の場合、このＨＰＦ８１３の代わりにバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）８１３Ａを用いている。その他の構成は、第１の実施の形態と共通である。

本実施の形態における制御装置８における電力変化量制御部８１０Ａでは、ＢＰＦ８１３Ａにより電力変化量の特定の周波数帯の成分を抽出する。そして第１の実施の形態と同様に、直流側のフィルタリアクトル１とフィルタコンデンサ２による共振周波数成分周辺だけの電力の変動を抑える制御をする。これにより、他の周波数領域の応答性を変えずに、直流側の変動を抑えることができる。

［第３の実施の形態］
第３の実施の形態の車両用補助電源装置について、図５を用いて説明する。本実施の形態の場合、制御装置８における電力制御演算部８１０Ｂが、第１の実施の形態における電力変化量制御部８１０のように電力変化量を抑える制御をするのではなく、直流側の減衰特性を改善するように電力制御することを特徴とする。図５において、図２に示した第１の実施の形態の構成要素と共通するものには同一の符号を付して示してある。

本実施の形態における電力制御の原理を以下説明する。

まず、インバータの入出力がバランスするため、

直流側の電力Ｐｄｃおよび交流側の電力Ｐａｃは次のように計算できる。

車両用補助電源装置の目的は、出力電圧を一定にするため、負荷変動がない状態では、定電力特性が強い。（４）式からわかるように、インバータ入力電圧Ｖｄｃが低下すると、電力を一定にするためにインバータ入力電流Ｉｄｃが増える。従って、補助電源装置のインバータ３は非線形特性をもつ。これを解析するために、（４）式をＰｄｃ０、Ｖｄｃ０周辺で線形化する。

（６）式の右辺第一項は出力による電流、第二項は電圧変動による電流と考えられる。また、第二項は、電圧から電流への関係をもつため、その係数は抵抗相当である。

（７）式からわかるように、この抵抗は負の値をもつので補助電源装置の安定度を悪化させる。特に出力が大きい（負荷が大きい）、またはインバータ入力が低下したときに不安定になりやすい。これを解決するため、（６）式の第一項である出力電流を適切に操作して振動を抑える必要がある。

図６は、補助電源装置の等価回路を示している。図６において、入力電圧Ｅｓ、入力電流Ｉｓまでの伝達関数は、

安定化条件は、（８）式の右辺の分母のすべての係数が正になることである。つまり、次の（９）式、（１０）式の条件を満たす等価負荷の抵抗ＲｘとＬｘを計算する必要がある。

等価負荷の抵抗分は出力電力から計算できる。

すると安定化条件は次のようになる。

等価負荷が、

になるような入力側の等価出力電流Ｉａｃ’は、

である。その電力は、

である。これを電力制御部８１４の入力とし、実の電力Ｐａｃが理想の入力電力と一致するように、出力電圧ベクトルを一定に保ちながら電流ベクトルとの位相差φを変える。

これにより、本実施の形態によれば、制御装置８における電力制御演算部８１０Ｂが直流側の減衰特性を改善するように電力制御することにより、出力電力ベクトルを一定に保つことができる。

上記のように本発明の各実施の形態によれば、インバータの出力電圧の振幅を一定に保ちながら、インバータの入出力の電力のバランスを考慮し、結果として電源装置の出力電力の変動を抑えることができる。

尚、本発明は上記の各実施の形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜の構成要素の変形、組み合わせの変更、さらには削除が可能である。

１：フィルタリアクトル
２：フィルタコンデンサ
３：インバータ
４ｕ，４ｖ，４ｗ：交流リアクトル
５ｕ，５ｖ，５ｗ：交流コンデンサ
６：変圧器
７：負荷
８：制御装置
９：電圧センサ（フィルタコンデンサ電圧用）
１０ｕ，１０ｗ：電流センサ（インバータ出力電流用）
１１ｕ，１１ｗ：電流センサ（交流コンデンサ電流用）
１２ｕ，１２ｗ：電圧センサ（出力電流用）
８００：相電圧変換部
８０１：電圧制御部
８０２：電流制御部
８０３：変調率演算部
８０４：座標変換部
８０５：ゲート信号演算部
８０６：座標変換部
８０７：座標変換部
８０８：ローパスフィルタ（ＬＰＦ）
８０８Ａ：バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）
８０９：積分演算部
８１０，８１０Ａ，８１０Ｂ：電力変化量演算部
８１１：インバータ出力電圧演算部
８１２：電力演算部
８１３：ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）
８１４：電力制御部
８１５：加算器
８１６：減衰特性演算部

Claims (1)

1. 架線から供給される直流電力を３相交流電力に変換するインバータと、
   前記インバータの直流側の電圧を検出するインバータ入力電圧検出手段と、
   前記インバータの交流側の電流を検出するインバータ出力電流検出手段と、
   前記インバータの交流側の電圧を検出するインバータ出力電圧検出手段と、
   前記インバータの交流側の電力を演算するインバータ出力電力演算手段と、
   前記インバータ入力電圧検出手段による直流側電圧検出値と前記インバータ出力電流検出手段による交流側電流検出値と前記インバータ出力電力演算手段による交流側出力電力とを入力し、抵抗分とリアクタンス分とから成る等価負荷における当該等価負荷の前記抵抗分を前記交流側出力電力から計算し、前記等価負荷の安定化条件を求め、前記等価負荷への入力側の等価出力電流を求め、前記等価出力電流と前記直流側電圧検出値との積を理想の電力基準値として出力する減衰特性演算手段と、
   前記インバータ出力電力演算手段で演算される前記インバータの出力電力を前記減衰特性演算手段で演算される前記理想の電力基準値に一致するように出力電圧ベクトルを一定に保ちながら電流ベクトルとの位相差を変える制御をする電力制御演算手段とを備えたことを特徴とする車両用補助電源装置。

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