JPWO2006126272A1

JPWO2006126272A1 - 可変速交流電動機の制御装置

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Publication number: JPWO2006126272A1
Application number: JP2007517700A
Authority: JP
Inventors: 根来　秀人; 秀人根来; 悟曽根
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-05-26
Filing date: 2005-05-26
Publication date: 2008-12-25
Also published as: CA2592250A1; KR101035425B1; CN101111990A; HK1114956A1; EP1885055A1; US7902791B2; CA2592250C; EP1885055A4; WO2006126272A1; KR20070098999A; US20080122393A1; CN101111990B

Abstract

要約課題交流電動機の発生トルクを向上させることができる制御装置を得る。解決手段エネルギー蓄積素子を含む２個以上の電源を元にインバータで交流電動機を駆動する制御装置において、外部から直流電気を供給されて交流電気に変換する第１のインバータと、直流電気を蓄積する電源と、前記電源から供給される直流電気を交流電気に変換する第２のインバータと、前記第１および第２のインバータの出力側の交流電圧を加算する加算器を備えた。選択図図１

Description

この発明は、交流電動機を駆動する制御装置に関するものであり、例えば、鉄道車両や電気自動車などの電気車両に使用されるものである。

従来より、交流電動機からインバータへの回生エネルギーを効率よく利用できる方法として、全回生エネルギーのうち、電源に変換できない回生エネルギーを他の電源に蓄積し、力行時には当該他の電源から電源を供給する電流分流制御装置が提案されている（例えば、特許文献１）。

特開２００２−２９１１０３号公報（第７頁、図１）

しかし、従来の電流分流制御装置においては、インバータに接続されている交流電動機には、スレーブインバータとマスタインバータの交流電流が加算された電流が流れるが、交流電動機が発生するトルクは、交流電動機自体の電流上限値で制限される。

そのため、特に高速領域のブレーキ時において、交流電動機のトルクが増大すると、交流電動機自体の電流上限値で制約されてしまい、電動機の減速性能が不十分となる問題点があり、高速領域を含めた全運転速度域で一定の減速性能を確保するため、不足分を機械ブレーキなどで補っているという問題点があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、交流電動機に与える電圧を増加させることにより、高速領域の加速および減速性能の向上が実現できる可変速交流電動機の制御装置を提供することを目的にしたものである。

本発明に係る可変速交流電動機の制御装置は、
エネルギー蓄積素子を含む２個以上の直流電源と、
前記２個以上の直流電源からそれぞれ供給される直流電圧を交流電圧に変換する２個以上のインバータと、
前記２個以上のインバータからの出力電圧を加算する電圧加算器と
を備えることとしたものである。

本発明によれば、機械ブレーキなどの補助的手段に頼ることなく、高速領域の加速および減速性能の向上を実現することができる。

この発明の実施の形態１に係る可変速交流電動機の制御装置の構成を示す図である。この発明の実施の形態１に係る可変速交流電動機の制御装置の回生制動時の動作を示す動作図である。この発明の実施の形態２に係る可変速交流電動機の制御装置の構成を示す図である。この発明の実施の形態３に係る可変速交流電動機の制御装置の構成を示す図である。

符号の説明

１外部電源、１a 架線、１b 集電器、１c フィルタコンデンサ、１d アース電位、２エネルギー蓄積素子、３バッテリインバータ、４電源インバータ、５電圧加算器、６交流電動機、７a〜７c 単相インバータ、８a〜８ｃ単相インバータ用エネルギー蓄積素子、９a,９b 切換スイッチ、１０フィルタコンデンサ。

実施の形態１．
以下、この発明をその実施の形態を示す図に基づいて詳細に説明する。

図１は、この発明の実施の形態１における可変速交流電動機の制御装置を示す構成図で、鉄道車両などに使用される一形態を示している。図１において、外部電源１は架線１aから集電器1bおよびフィルタコンデンサ1cを介して電源インバータ４に接続される。また、１dはアース電位を示している。

２は、２次電池や電気二重層キャパシタなどのエネルギー蓄積素子で、バッテリインバータ３に接続されてる。バッテリインバータ３と電源インバータ４は、直流電力から交流電力、または交流電力から直流電力に変換する電力変換器であり、例えばPWM（Pulse Width Modulation）制御方式による電力変換器を用いればよい。

バッテリインバータ３と電源インバータ４は、電圧加算器５に接続され、さらに、電圧加算器５は交流電動機６に接続されている。なお、電圧加算器５は、例えば変圧器を用いればよく、バッテリインバータ３と電源インバータ４の交流電圧を加算する場合は、３巻線の変圧器をU相、V相、W相のそれぞれに用いればよい。

次に、動作について説明する。まず、外部電源１により直流電力が電源インバータ４に供給される。例えば鉄道車両では、直流電力が変電所（図示せず）から架線１aを通じて集電器1bにより集電されフィルタコンデンサ１ｃを介して、電源インバータ４に供給される。

そして、バッテリインバータ３は、エネルギー蓄積素子２から供給される直流電力を、交流電力に変換し、電圧加算器５に出力する。バッテリインバータ３の交流電圧をVub、Vvb、Vwbとすると、交流電圧Vub、Vvb、Vwbはそれぞれ式（１）〜（３）で表すことができる。

ただし、Vbはバッテリインバータ３の交流電圧波高値、θbはバッテリインバータ３の位相である。なお、バッテリインバータ３はPWM制御により、直流電圧の範囲内で交流電圧の大きさと周波数（位相）を決定することができるので、式（１）〜（３）のVbおよびθbを任意の値に制御することができる。

一方、電源インバータ４は、入力された直流電力を交流電力に変換し、電圧加算器５に出力する。電源インバータ４の交流電圧をVus、Vvs、Vwsとすると、交流電圧Vus、Vvs、Vwsはそれぞれ式（４）〜（６）で表すことができる。

ただし、Vsは電源インバータ４の交流電圧波高値、θsは電源インバータ４の位相である。なお、電源インバータ４もPWM制御により、直流電圧の範囲内で交流電圧の大きさと周波数（位相）を決定することができるので、式（４）〜（６）のVsおよびθsを任意の値に制御することができる。

電圧加算器５は、バッテリインバータ３と電源インバータ４から入力された交流電圧を加算する。つまり、電圧加算器５の出力をVuo、Vvo、Vwoとすると、Vuo、Vvo、Vwoはそれぞれ式（７）〜（９）で表すことができる。

なお、式（７）〜（９）では、バッテリインバータ３と電源インバータ４の電圧をそれぞれ加算する関係になっているが、バッテリインバータ３の位相θbと電源インバータ４の位相θsを調整することにより、バッテリインバータ３と電源インバータ４の電圧を加算するだけではなく、減算を行うこともできる。

上記、式（７）〜（９）で決まる交流電圧Vuo、Vvo、Vwoは、それぞれ交流電動機６に印加される。交流電動機６は、交流電圧Vuo、Vvo、Vwoに応じてトルクを発生し、このトルクにより車輪（図示せず）を回転させて電気車両を加速させる。

一方、車両がブレーキ動作、いわゆる回生制動する場合は、交流電動機６は交流発電機として作用する。この時、交流電動機６には回生エネルギーが発生し、電圧加算器５に交流電力として供給される。このような回生制動時においても、電圧加算器５は、加速時と同様の動作を行い、上記、式（７）〜（９）で決まる交流電圧の関係を保つ。

ここで、電気車両における回生制動時の動作について説明する。図２は、電気車両の回生制動時における交流電動機６の端子間電圧ＶＭ、電流ＩＭ、および発生トルクＴＭ、と車両速度の関係を表した動作図である。交流電動機トルクの最大値をTMmax、最大電流をIMmaxとし、図２では、交流電動機が最大のトルクと電流値で動作している場合を示し、比較のため、従来のバッテリインバータ３と電圧加算器５がないケースについての交流電動機トルクと交流電動機電流を波線で示す。

図２において、まず区間Ａの領域は、VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）領域であり、交流電動機６の端子間電圧ＶＭと周波数(Ｆinv)の比(ＶＭ/Ｆinv)を一定に保ちながら交流電動機６を制御する。この領域では電動機トルクＴＭが一定であれば電動機電流ＩＭも一定となる。

次に、区間Ｂの定出力領域に入る。この区間Ｂの定出力領域では、電動機電流ＩＭを最大値に保つために、電動機トルクＴＭを速度に反比例させて減少させている。

従来は、電動機端子間電圧ＶＭが電源インバータ４の直流電圧Ｖcのみで決まる最大電圧（ＶＳmax）となる領域であった。電源インバータ４の交流電圧最大値ＶＳmaxと電源インバータ４の直流電圧Ｖcの関係は、下記式（１０）で決まる。

従って、従来は区間Ａが、電動機端子間電圧ＶＭが電源インバータ４の直流電圧Ｖcに到達する速度S1までに制限され、図２に示すように、速度S1以降は、電動機トルクＴＭを速度に反比例させて減少させていた。

しかし、本発明による実施の形態では、電圧加算器５の動作により、電動機端子間電圧ＶＭは電圧加算器５の出力、即ち下記式（１１）で示すように、電源インバータ４とバッテリインバータ３の交流電圧値の和と同一となる。

そのため、速度Ｓ１までに制限されていた区間Ａは、図２に示すように速度Ｓ２までとなり、電動機端子間電圧ＶＭを増大させることにより、電動機電流ＩＭを増加させることなく、電動機の発生トルクＴＭを向上させることができる。

その後、従来では区間Ｂの定出力領域が速度Ｓ３まで、本実施の形態では速度Ｓ４までとなり、それ以降は区間Ｃの特性領域となる。この区間Ｃは、交流電動機の特性で決まる最大性能で、電動機トルクＴＭを速度の二乗値に反比例させて減少させる。そのため、この領域では図２に示すように電動機電流ＩＭは減少する。

本発明による実施の形態では、図２に示すように速度Ｓ１以降の高速領域において、従来と比較し、交流電動機６の発生トルクを向上させることができるので、電気車両では高速領域における回生制動能力を向上させることができる。

なお、速度S1以上の領域では、電動機端子間電圧ＶＭは従来と比較して大きくなっているが、通常電動機は絶縁性能として過電圧耐量を有しており、過電圧耐量が許容する範囲内で電動機の端子間電圧を増加させても問題はない。

以上説明したように、実施の形態１に係る可変速交流電動機の制御装置は、電圧加算器５の動作によって、電動機端子間電圧ＶＭを増大させることにより、電動機電流ＩＭを増加させることなく、電動機の発生トルクＴＭを向上させることができる。そのため、電気車両では、高速領域における回生制動能力を向上させることができ、摩擦ブレーキに代表される機械ブレーキなどの減速特性の悪い補助的手段に頼らなくてもよい。

なお、図１では電源インバータ４およびバッテリインバータ３はそれぞれ１台としているが、それぞれ２台以上でもよく、その場合、各々のインバータの交流側は電圧加算器５に接続される。また、交流電動機も図１では１台としているが、２台以上でもよく、その場合、交流電動機は電圧加算器５に接続される。

また、実施の形態１では、回生制動時における電動機トルクの向上について説明したが、電気車両が加速する力行時についても同様に高速領域の電動機トルクを向上させることができる。

また、回生制動時において、電源インバータ４にて交流電力から変換された直流電力は集電装置１ｂを介して架線1a側に流れ込み、例えば電気車両では他列車の加速用の電力として使用されるが、他列車の運転状況により、電源インバータ４にて直流電圧に変換された回生電力を他列車にて完全に消費できない場合には、バッテリインバータ３と電源インバータ４で実施しているPWM制御により、それぞれ交流電圧波高値、即ち、式(1)〜(6)のVbおよびVsをそれぞれ制御することにより、バッテリインバータ３と電源インバータ４にて変換する回生電力を変化させることができるので、回生制動能力を低下させることなく、回生エネルギーの有効活用が可能となる。

また、エネルギー蓄積素子２に直流電力が蓄積されている場合では、バッテリインバータ３により変換される交流電力のみで交流電動機を駆動できるので、例えば鉄道車両などでは、車両基地など高速走行が不要な場所では電車線などの設備を省略することができるので、設備費用を大幅に削減することができるという経済的な効果がある。

さらに、バッテリインバータ３と電源インバータ４で実施しているPWM制御により、それぞれ交流電圧波高値、即ち、(1)〜(6)式のVbおよびVsをそれぞれ制御することにより、バッテリインバータ３と電源インバータ４にて変換する交流電圧を変化させることができるので、必要に応じて電圧位相、即ち、(1)〜(6)式のθbおよびθsの制御を併用すれば、例えば電気車両が停止時および力行時においてもエネルギー蓄積素子２への充電を実施することができる。

実施の形態２．
図３は、この発明の実施の形態２における可変速交流電動機の制御装置を示す構成図である。図３において、図１と同じ符号が付されている構成要素は、実施の形態１の可変速交流電動機の制御装置と同一、又は相当する構成要素である。

図３において、単相インバータ7a〜7cは、直流電力から単相の交流電力、または単相の交流電力から直流電力に変換する電力変換器である。また、8a〜8cはエネルギー蓄積素子で、それぞれ単相インバータ7a〜7cに接続されている。

実施の形態１では、電圧加算器５として例えば変圧器などを用いた。一般に、変圧器には鉄心が用いられており、鉄心は周波数特性を持つために、特に周波数が低い領域や、電動機の端子間電圧の大きさ（Vm）と周波数(Finv)の比(Vm/Finv) できまる磁束が変圧器の定格磁束より大きい場合に飽和する特性を持つ。そのため電気車両において、性能設定上で電動機電流の制限などから、電動機の端子間電圧の大きさ（Vm）と周波数(Finv)の比(Vm/Finv)を大きく設定せざるを得ない場合や、例えば停止まで電気ブレーキを作用させるために、周波数ゼロを跨いで交流電動機を制御する場合では、上述した変圧器の飽和特性の影響で、電圧加算器５にて交流電圧の加算もしくは減算が正確にできない可能性がある。

そこで、このような問題を回避するために、実施の形態２では図３に示すように、電圧加算器５と交流電動機６の間にそれぞれ単相インバータ7a〜7c、およびエネルギー蓄積素子８ａ〜８ｂを設け、電圧加算器５で演算される式(7)〜(9)の電圧Vuo、Vvo、Vwoに、それぞれ単相インバータ7a〜7cの交流電圧を加算することにより、交流電動機６に与える電圧を増加させるようにした。

次に動作について説明する。単相インバータ7a〜7cの交流電圧をそれぞれVut、Vvt、Vwt、単相インバータ交流電圧波高値をＶｔ、単相インバータ7a〜7cの位相をθtとすると、交流電圧Vut、Vvt、Vwtは下記式(12)〜(14)で表される。なお、単相インバータ7a〜7cは、バッテリインバータ３と同様に、PWM制御により、直流電圧の範囲内で交流電圧の大きさと周波数（位相）を決定することができるので、式(12)〜(14)のVtおよびθtを任意の値に制御することができる。

ここで、式(12)〜(14)で決まる単相インバータ7a〜7cの交流電圧は、それぞれ電圧加算器５で演算される(7)〜(9)式で示した交流電圧と同一周波数である。

そして、式(12)〜(14)で決まる交流電圧を出力する単相インバータ7a〜7cを、電圧加算器５と交流電動機６の間に設置すると、交流電動機６に供給される交流電圧Vuo2、Vvo2、Vwo2は、式(15)〜(17)で表すことができる。

以上のように、単相インバータ7a〜7c、およびエネルギー蓄積素子８ａ〜８ｂを電圧加算器５と交流電動機６の間に設置することにより、交流電動機６に供給される交流電圧を増加させることができるので、実施の形態１と同様に、特に電気車両などでは高速領域における回生制動能力を向上させることができる。

さらに、交流電動機６の端子間電圧の大きさ（Vm）と周波数(Finv)の比(Vm/Finv)を大きく設定せざるを得ない場合や、例えば停止まで電気ブレーキを作用させるために、周波数ゼロを跨いで交流電動機６を制御する場合は、電圧加算器５を停止させ、単相インバータ7a〜7cのみを動作させることにより、電圧加算器５として変圧器などを用いた時に発生する飽和の影響を回避することができる。

なお、図３では、電圧加算器５と、単相インバータ7a〜7cを併用する構成としているが、単相インバータ7a〜7cのみを動作させた場合でも実施の形態１と同様な効果が得られるので、電圧加算器５とバッテリインバータ３を省略した構成にしてもよい。

さらに、単相インバータ7a〜7cの位相θtを調整することにより、交流電動機６の動作状態に関わらず、単相インバータ7a〜7cに接続されたエネルギー蓄積素子８ａ〜８ｂの充放電を制御することが可能で、電車線電圧変動の抑制や、従来方式の列車の回生失効の軽減、変電所電流の平準化などにも利用できる。

実施の形態３．
実施の形態３に係る可変速交流電動機の制御装置は、実施の形態１に係る可変速交流電動機の制御装置において、バッテリインバータ３の直流電源をエネルギー蓄積素子２と外部電源１のどちらかに切り替えるスイッチ９ａおよび９ｂを付加して構成する。

図４は、この発明を実施するための実施の形態３における可変速交流電動機の制御装置を示す構成図である。図４において、9aおよび9bはバッテリインバータ３の直流電源をエネルギー蓄積素子２と外部電源１のどちらかに切り替えるスイッチ、１０は、フィルタコンデンサである。図４において、図１と同じ符号が付されている構成要素は、実施の形態１の可変速交流電動機の制御装置と同一、又は相当する構成要素である。

図４において、エネルギー蓄積素子２に十分なエネルギーが蓄積されている場合は、スイッチ9aおよび9bをA側に設定し、バッテリインバータ３の電源として、エネルギー蓄積素子２を用いる。

一方、エネルギー蓄積素子２が故障した場合や、エネルギー蓄積素子２に蓄積されたエネルギーが少ない場合には、スイッチ9aおよび9bをB側に設定することにより、外部電源１から電力を供給する。

以上のように、エネルギー蓄積素子２の状態によってスイッチ9aおよび9bを設定することにより、エネルギー蓄積素子２の状態に依存せずバッテリインバータ３を電源インバータ４と同様に動作させることができる。

Claims

エネルギー蓄積素子を含む２個以上の直流電源と、
前記２個以上の直流電源からそれぞれ供給される直流電圧を交流電圧に変換する２個以上のインバータと、
前記２個以上のインバータからの出力電圧を加算する電圧加算器と
を備えた可変速交流電動機の制御装置。
直流電源から供給される直流電圧を交流電圧に変換する第１のインバータと、
エネルギー蓄積素子から供給される直流電圧を交流電圧に変換した後、
前記第１のインバータからの出力電圧に加算する第２のインバータと
を備えた可変速交流電動機の制御装置。
エネルギー蓄積素子を含む２個以上の直流電源と、
前記２個以上の直流電源からそれぞれ供給される直流電圧を交流電圧に変換する２個以上の第１のインバータと、
前記２個以上の第１のインバータからの出力電圧を加算する電圧加算器と、
エネルギー蓄積素子から供給される直流電圧を交流電圧に変換した後、前記電圧加算器からの出力電圧に加算する第２のインバータと
を備えた可変速交流電動機の制御装置。
直流電源として、エネルギー蓄積素子を含む２個以上の直流電源を切り替える手段を備える請求項１に記載の可変速交流電動機の制御装置。