JPH03164097A - 多段直列インバータの制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は多段ｉｉ′ｃ列インバータの制御方法に関し詳
しくは，各々にモータが接続された複数のインバータユ
ニットを直列に多段接続してなる多段直列インバータの
制御方法に関するものである。

（従来の技術） 第８図は、この種の多段直列インバータを用いた車両踵
動装置のシステム構成例を示している・同図において、
工は電車線、２はパンダグラフ，３は車輪、４はレール
である。パンダグラフ２と車輪３との間にはフィルタ用
リアクトル５及びフィルタコンデンサ６１〜６４が直列
に接続されており、これらのコンデンサ６１〜６４は入
力電圧Ｖ　ｉ　ｎを等分割している。また、７１〜７４
は多段直列インバータ７を構成するインバータユニット
であり、これらのインバータユニット７１〜７４の直流
側は各コンデンサ６１〜６４の両端にそれぞれ接続され
ている。

更に、８１〜８４はモータであり、各インバータユニッ
ト７１〜７４の交流側にそれぞれ接続されている。

また、図においてモータ８１〜８４の右側の要素は機械
的な構成を示している。すなわち９１〜９４はギアであ
り，モータ８１〜８４の回転数を減速するものである．
そして、１０１〜１０４は車輪であり，ギア９１〜９４
を介してモータ８ｌ〜８４のトルクがこれらの車輪１０
１〜１０４に伝達されるようになっている。

通常、この種の車両酩動装置において，各モータはイン
バータユニットにより電流を制御してトルクの制御が行
なわれるものであり、第８図に示した装置の場合にも各
車＠ｌ０１〜１０４に同一のトルクが伝達されるように
、各モータ８１〜８４のトルクを同一にするべくインバ
ータユニット７ｌ〜７４の制御が行なわれる。すなわち
，多段直列インバータ７を構成する各インバータユニッ
ト７１〜７４は、その出力電流つまりモータ電流が同一
になるように制御されている。

（発明が解決しようとする課題） 通常、上記インバータユニットのような電力変換器を多
段に直列接続した場合には、電力変換器の入力コンデン
サ電圧にアンバランスを生じてシステムを運転できなく
なることが多い。

以下に、第８図に示した構成の車両踵動装置における入
力コンデンサ電圧のアンバランス現象について説明する
。なお、説明を簡単にするためしこ、第９図に示すよう
に２台のインバータユニット７１，７２を直列接続して
多段直列インバータ７を構成した場合について述べる。

まず、各インバータユニットの入力電力Ｐｉは、以下の
式で表される。

Ｐｉ＝ｋ−φ−Ｉｍ・Ｎｍ　　　−０）ここで　ｋ　：
係数 φ　：モータ磁束 ■ｍ：モータ電流 ＮＩｌｌ：モータ回転数 また、Ｐｓ＝Ｖｉ−　Ｌ　　　　　　−（２）ここで　
ｖｉ：コンデンサ電圧 工ｉ：インバータユニット入力電流 である。

よって、 Ｉｉ＝Ｐｉ／Ｖｉ＝ｋ−φ−Ｉ．・ＮＩＩ／Ｖｉ　　・
（３）と−なる。更に、コンデンサ電圧Ｖｉは次式で表
される。

Ｖｉ＝Ｖｉ。＋（１／Ｃ）　・ｆ　Ｉｃ−ｄ　ｔ　　　
＝｛４）ここで　ＩＣ＝コンデンサ電流 Ｖｉ，：コンデンサ初期電圧 ？ある． まず、モータの力行運転時の動作について説明する。

第９図において、各モータ８１，　８２のｋ，φ，■ｃ
ｍ，Ｎｍの何れかあるいは全てに偏差がある場合には、
各インバータユニット７１．　７２の入力電力Ｐ　Ｘ１
ｒＰｉｇに偏差が生じる。その関係がＰｉエ＜　Ｐ　ｉ
．の場合にはＩｉ１くＩｉ１となり、コンデンサ６１．
　６２の電流はＩｃ１〉ＩＣ２となる。

このようにコンデンサ電流に偏差があると、（４）式か
らＶ　ｉ　ｉ　＞　Ｖ　ｉ　２となり、ＩＣ■＝ＩＣ２
＝０とならない限り、コンデンサ電圧の偏差は時間と共
に増大していく．また、（３）式に示すように、Ｉｉと
Ｖｉとは反比例の関係にあるので、Ｖｉ→大，Ｉｉ→小
，　Ｉｃ→大，Ｖｉ→大，Ｉｉ→小，・・・となり、バ
ランスが一旦崩れると、発散状態になってしまう。

更に，各モータ８１，　８２のｋ，φ，■■，Ｎｍに偏
差がない場合でも、コンデンサ初期電圧に偏差がある場
合には、上記と同様にＶｉ→大，Ｉｆ→小，■Ｈ−＋大
，■ｉ−＋小，・・・（ｖｉ→小，■ｉ−＋大，工Ｃ→
小，Ｖｉ→小，　Ｉｉ→大，・・・）となり、バランス
が一旦崩れると、やはり発散状態になる。

以上に説明したように本システムは本質的に不安定な系
であり、コンデンサ電圧がアンバランスにならないよう
な制御が必要になる。

次に、モータの回生運転時の動作について説明する。

ここで、各モータ８１，　８２のｋ，φ，ＩＩｌｌ，Ｎ
＋ｍの何れかあるいは全てに偏差がある場合には、各イ
ンバータユニット７１．　７２の入力電力Ｐｉ１＋Ｐｉ
ｚに偏差が生じる。その関係が一Ｐｉ１＜−Ｐｉ２の場
合にはーＩｉよ＜一Ｉｉ．となり、コンデンサ電流はＩ
ｃ１（Ｉｃ２となる。この場合はＶ１→大Ｉ　　Ｉｉ→
小，Ｉｃ→小　Ｖ　ｉ→小，・・・となり、発散するこ
となく安定状態に収束する。ただし、入力電力の偏差に
対応したコンデンサ電圧のアンバランスは、力行運転時
と同様に生じることになる。

本発明は上記問題点を解決するために提案されたもので
、その目的とするところは、各インバータユニットに接
続されるモータの電流を補正するように各インバータユ
ニットを制御してコンデンサ電圧のアンバランスを解消
することにより、安定した運転を可能にした多段直列イ
ンバータの制御方法を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するため、本発明は、モータの力行運転
時にはコンデンサ電圧（インバータユニット入力電圧）
の高低に対応させてモータ電流を増減させ、また、回生
運転時にはコンデンサ電圧の高低とは逆に対応させてモ
ータ電流を増減させるような電流指令にｊ＆づき、各イ
ンバータユニットを制御してモータ電流を制御するもの
である。

（作用） 本発明によれば、モータの力行運転時にはインバータユ
ニノトの入力電力が大きい方のコンデンサ電圧が低くな
り、小さい方のコンデンサ電圧が高くなるので，コンデ
ンサ電圧が低い方のモータ電流を小さくして入力電力を
減少させ、コンデンサ電圧が高い方のモータ電流を大き
くして入力電力を増加させるように制御する．従って、
仮りにインバータユニットが２段直列に接続されている
場合には、Ｉ　ｉ１＝　Ｉ　ｉｚ（すわなちＩｃｌ＝Ｉ
ｃｚ＝Ｏ）になった時点でコンデンサ電圧がバランスす
る。

また、回生運転時にはインバータユニットの入力電力が
大きい方のコンデンサ電圧が高くなり、小さい方のコン
デンサ電圧が低くなるので、コンデンサ電圧が高い方の
モータ電流を小さくして入力電力を減少させ，コンデン
サ電圧が低い方のモータ電流を大きくして入力電力を増
加させるように制御する。よって、前記同様にＩｉエ＝
Ｉｉ．（すわなちＩｃエ＝Ｉｃ，＝Ｏ）になった時点で
コンデンサ電圧がバランスすることになる。

これにより，力行運転時，回生運転時の何れの場合にお
いても、各インバータユニットの入力コンデンサ電圧を
自動的にバランスさせた状態で装置を運転することがで
きる。

（実施例） 以下、図に沿って本発明の実施例を説明する。

第１図は本発明の第１実施例に用いられる制御回路をイ
ンバータの主回路と共に示したブロック図である。なお
、この実施例では、第９図と同様に２段直列に接続した
インバータユニソト７１．　７２からなる多段直列イン
バータ７を対象としている・図において、２０１はイン
バータユニノト７ｌに対応するバランス制御回路、２０
２はインバータユニット７２に対応するバランス制御回
路、３０１，　３０２は各インバータユニット７］．，
７２の制御回路である。

ここで、バランス制御回路２０１，　２０２は以下のよ
うに構成されている。すなわち、バランス制御回路２０
１，　２０２において、２０１１．　２０２１は力行時
パターン回路、２０１２．　２０２２は回生時パターン
回路であり、それぞれコンデンサ電圧Ｖ　ｌ　、ｇ　Ｖ
　Ｉ　２及び装置の電流指令ｉ１から力行／回生の運転
モードを判別して切換器２０１３．　２０２３によりど
ちらかのパターン回路の出力を選び、これを電流指令Ｉ
　１１１１・，Ｉｍ２・とじてインバータユニット制御
回路３０１，　３０２に出力するように構成されている
。

なお、第２図及び第３図はバランス制御回路２０？（同
２０２も同様である）の作用を２種類の電流指令１１，
ｉ＋ｍ・′に対して示したものであり、第２図は力行時
のバランス制御のパターン例，第３図は回生時のバラン
ス制御のパターン例である。

次に、この実施例の動作を説明する。第１図において、
装置の電流指令１１及び各インバータユニット７１．７
２の入力コンデンサ６１．　６２の電圧帰還Ｖｉ■，Ｖ
ｉ２はバランス制御回路２０１，　２０２に入力され、
第２図，第３図に示すパターンにより演算された電流指
令Ｉｍ４・ｔＩｍｚ・が運転モードに応じてそれぞれ出
力される。

ここで，バランス制御回路２０１，　２０２からは、以
下の演算式に対応した工．■・，工．２・が出力される
．力行　　工．■・＝Ａエ＋ＢエＸＶＸエ＋１１Ｉ　＋
１１２　＠＝Ａ　■＋　Ｂ　■Ｘ　Ｖ　ｉ　２　＋　　
ｉｗａ”回生　　■鼾・”　Ａ　２　　８　２　Ｘ　Ｖ
　５　＋　ｌ　ｗａ・１町●”　Ａ　ｚ　　Ｂ　ｚ　Ｘ
　Ｖ　ｉ　２　＋　ｌ　ｒｍ”なお，Ａエ，Ａ，，Ｂエ
，Ｂ２は係数であり、これらの係数や各演算子は各パタ
ーン回路２０１１，　２０１２，２０２１．　２０２２
に格納されている。

？に、第４図は力行時のバランス制御回路２０１，２０
２の動作を説明するために、インバータユニット７１，
フ２の動作点を同一の図上に描いたものであ、る。初期
状態においてコンデンサ６ｌの電圧がＶ　ｉ１＋コンデ
ンサ６２の電圧がＶ　ｉ，　（Ｖ　ｉよ＞Ｖｉ２）のと
き、バランス制御回路２０１からは第４図に示すＩ５・
、バランス制御回路２０２からは■，・が出力される。

このとき、図示するようにＩ　ＩＪ・〉■，２・である
のでコンデンサ電圧ｖｉ■は減少し、Ｖｉ２は増大する
。

これにより、図上の矢印で描いたように動作点は移動し
＋Ｉ”！・＝Ｉ．■・の点でバランスする。通常は前述
の（１）式で示すモータ回転数１ｔＪ　ｆｆｉ，モータ
磁束φ，係数ｋ等に偏差があるため、これを補正する量
だけＩ＋＋＋１・とＩ　１１１２・どの間に偏差が生じ
てバランスする。

従って，Ｉｉエ”Ｉｉ２となった時点でコンデンサ６１
．　６２の電圧Ｖ　ｉ　１Ｈ　Ｖ　Ｌ２がバランスする
ことになる。

回生時のバランス制御回路２０１，　２０２の動作を第
５図に示す．回生時にはＩ．■・〉■ＩＩ１２・である
ので、？初ｖ　；　ｔ　＜　ｖ　ｉ２の関係にあったコ
ンデンサ電圧Ｖｉ１は増大し、Ｖ　ｉ　２は減少するた
め、力行時と同様にバランスすることになる。

次いで、第６図は入力電圧の変動を考慮した本発明の第
２実施例を示している。この実施例は、コンデンサ電圧
ｖｉエ，Ｖｉ２を加算器５０１により加えたものを平均
値回路４００を介して各パターン回路２０１１，　２０
１２，　２０２１．　２０２２に入力し、コンデンサ６
１．　６２の電圧変動に対する補正を行うようにしたも
のである。これにより、第７図に示すように入力電圧（
コンデンサ電圧）がＶ　ｉ．からＶｉエ′に変動しても
、モータ電流指令Ｉ　ｍ１・の値が変らないように捕正
をすることができる。

この時のパターンは以下の式で表される。

力行　　Ｉｍ１”＝Ｂ１Ｘ（Ｖｉｌ　　Ｖｉａ）＋　ｉ
ｌＩｌ”Ｉｍ２”：Ｂ１Ｘ（Ｖｉ２　　Ｖｉａ）＋ｉｍ
”回生　　Ｉ　ＩＪ・＝　　Ｂ　２　Ｘ　（Ｖ　ｉｌ　
　Ｖ　ｉａ）　＋ｌ　ｍ・Ｉ１１２”＝　　Ｂ，Ｘ（Ｖ
ｉｚ　　Ｖｉａ）＋ｉａ＋”ただし、Ｖ　ｉ　ａはコン
デンサ電圧の平均値であり，その値は（Ｖエ■＋Ｖｉ２
）／２で表される。

？述はしないが．この実施例においても，バランス制御
回路２０１’，　２０２’の動作により，力行時、回生
時共にコンデンサ電圧ＶＬ■，ｖｉ，をバランスさせる
ことができる。

なお，この実施例におけるコンデンサ電圧の平均値Ｖｉ
ａの代わりに、装置の入力電圧（第９図のＶａｎ）を用
いてもよい。

また、上述した各実施例はインバータユニットを２段直
列接続した場合のものであるが、本発明は、更に多数の
インバータユニットを直列接続してなる多段直列インバ
ータに対して一般に適用することができる。

（発明の効果） 以上のように本発明によれば、多段に直列接続された各
インバータユニットにより運転されるモータの電流を、
力行運転または回生運転時の入力コンデンサの電圧に応
じてバランス制御回路により補正するように構成したの
で、前記入力コンデンサの電圧アンバランスを自動的に
解消してモータを安定した状態で運転することができる
。

また、本発明によれば、高い入力電圧回路に対して低酎
圧の半導体素子を用いたインバータユニットを多数直列
接続して多段直列インバータを構成できるため、インバ
ータの多段化や各インバータユニノトのコスト低減等の
要請に応えることができる。

【図面の簡単な説明】

第上図ないし第５図は本発明の第１実施例を示すもので
、第↓図は制御回路等のブロック図、第２図ないし第５
図はコンデンサ電圧とモータ電流指令の関係を示す図、
第６図は本発明の第２実施例を示す制御回路等のブロソ
ク図、第７図はこの実施例におけるコンデンサ電圧とモ
ータ電流指令の関係を示す図、第８図及び第９図は従来
の技術を説明するための、車両陣動装置の構成図である
。 ７・・多段直列インバータ ６ｔ，　６２・・・コンデンサ ７１，　７２・・・インバータユニッ ８１，　８２・・・モータ ト ２０１，２０１’　，２０２，２０２’・・・バランス
制御回路３０１，　３０２・・・インバータユニット制
御回路４００・・平均値回路　　　５０１・・・加算器
２０１１．２０２１・・・力行時パターン回路２０１２
．２０２２・・・回生時パターン回路２０１３．２０２
３・・・切換器

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 各々にモータが接続されてなるインバータユニットを複
   数台直列に接続して構成された多段直列インバータにお
   いて、 前記モータの力行運転時には、前記各インバータユニッ
   トの入力電圧の高低に対応させて各インバータユニット
   に接続された各モータの電流を増減させ、前記モータの
   回生運転時には、前記各インバータユニットの入力電圧
   の高低とは逆に対応させて各インバータユニットに接続
   された各モータの電流を増減させるように前記各インバ
   ータユニットを制御することを特徴とする多段直列イン
   バータの制御方法。