JPWO2008107992A1 - 電気車の制御装置 - Google Patents
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Abstract
Description
2 交流電源部
3 直流電源部
4 直流電圧検出部
5 第1主回路
6 コンバータ制御部
7 第2主回路
8 ベクトル制御部
9 速度検出部
10 トルク指令値生成部
11 ベクトル制御指令値演算部
12 交流電源状態量検出部
図1は、本実施の形態にかかる電気車の制御装置の構成を示す構成図である。図1に示すように、本実施の形態は、電気車の動力としてトルクを発生する交流電動機1と、この交流電動機1の回転速度を計測する速度検出部9と、を備えており、この交流電動機1は、例えば、誘導電動機または同期電動機等である。
I1DR=F2R/M ・・・(1)
I1QR=L2・T*/pm・M・F2R ・・・(2)
Ws=R2/L2・I1QR/I1DR ・・・(3)
Winv=Wm+Ws ・・・(4)
R1:誘導電動機の一次抵抗
R2:誘導電動機の二次抵抗
M :誘導電動機の相互インダクタンス
L1:誘導電動機の一次自己インダクタンス
L2:誘導電動機の二次自己インダクタンス
pm:誘導電動機の極対数
Vd*=R1・I1DR−σL1・Winv・I1QR ・・・(7)
Vq*=R1・I1QR+Winv・L1/M・F2R ・・・(8)
ただし、σ=1−M・M/(L1・L2)は漏れ係数である。特に、電圧指令を振幅|V|と位相角θvに変換し、後者に対しては(6)式の制御位相角との関係で捉えると、下記(9)および(10)式のようになる。
|V|max=√6/π・EFC ・・・(11)
一次銅損:一次側電流の2乗と一次抵抗R1との積(ほぼI1DとI1Qの二乗和に比例)
二次銅損:二次側電流の2乗と二次抵抗R2との積(ほぼI1Qの二乗に比例)
鉄損 :一次側の励磁分電流と鉄損抵抗が関係した値(I1Dに応じて変化)
(A)コンバータ制御部6を通じた制御で直流電圧値EFCを上下させる。
(B)ベクトル制御部8のスイッチングモード選択で1パルスモード以外を選択する。
この領域では、誘導電動機1の効率最大条件を与える端子電圧振幅値|V|2が、第2主回路7の出力可能電圧上限を超えるため、効率最大条件は選択不可能となる。ただし、図2の特性に従い、選択可能な範囲内で損失最小となるよう、EFCR=EFC_max、F2R=F2R1と選択する。
この領域では、誘導電動機1の効率最大条件が、第2主回路7を1パルスモードとし、直流電圧値EFCを制御することで達成可能であり、EFCR=π/√6・|V|2、F2R=F2R2と選択する。なお、この場合においては、F2R=F2R1=F2R2となる。
この領域は、誘導電動機1の効率最大条件が、1パルスモード以外となる領域である。よって、第2主回路7の損失増加を加味して指令値を選択する。1パルスモード時の第2主回路7のスイッチング損失をLossP1、非1パルスモード時の第2主回路7のスイッチング損失をLossPn1とすると、誘導電動機1の損失と第2主回路7の損失の合計は、次のようになる。
特許文献1に従って1パルスモード運転した場合:Loss1+LossP1
誘導電動機の損失最小点で運転した場合:Loss2+LossPn1
(iii−a):Loss1+LossP1>Loss2+LossPn1の場合
EFCR=EFC_min、F2R=F2R2
(iii−b):Loss1+LossP1≦Loss2+LossPn1の場合
EFCR=EFC_min、F2R=F2R1
図6は、本発明にかかる電気車の制御装置の実施の形態2におけるベクトル制御指令値演算部の内部構成を示す構成図である。本実施の形態においては、実施の形態1におけるベクトル制御指令値演算部11aが図6に示すベクトル制御指令値演算部11bに置き換えられている。電気車の制御装置におけるトルク指令の動作範囲、電動機の最適設計、直流電源部3aの動作範囲の仕様、実際に電気車が走行する路線条件、等によっては、図3において、(i)、(ii)、(iii)の割合が変化する。特に、(iii)の領域が他の領域と比較して小さく、高効率運転した場合への寄与が小さいと判断されるような仕様の電気車の場合には、ベクトル制御指令値演算部11aの構成において第2主回路7の損失を考慮した(iii−a)(iii−b)の判別を省略し、以下のように1パルスモード動作を優先させながら、直流電圧EFCの操作のみで装置の高効率化を図っても良い。
(i)の領域 :EFCR=EFC_max,F2R=F2R1
(ii)の領域 :EFRC=π/√6・|V|2,F2R=F2R2(=F2R1)
(iii)の領域:EFCR=EFC_min,F2R=F2R1
図7は、本発明の実施の形態3にかかる電気車の制御装置の構成を示す構成図である。また、図8は、実施の形態3におけるベクトル制御指令値演算部の内部構成を示す構成図である。実施の形態1が、交流架線から電力を供給されるいわゆる交流電気車の構成であったのに対し、実施の形態3は直流架線から電力を供給されるいわゆる直流電気車の構成を示している。すなわち、図7に示すように、架線、パンタグラフ、フィルタコンデンサ等から構成される直流電源部3bから、ベクトル制御部8によって制御される第2主回路7を通じて交流電動機1に電力が供給され、交流電動機1がトルクを発生し、電気車の動力となる。トルク指令値生成部10はトルク指令T*を出力し、ベクトル制御指令値演算部11c、ベクトル制御部8、直流電圧検出部4、第2主回路7、交流電動機電流検出部13、速度検出部9によって、交流電動機1のトルク制御がベクトル制御によって達成される関係は、実施の形態1と同様であり、そのため同一の構成物には同一の符号を付して説明を省略する。また、ノッチ投入信号に基づいて、交流電動機1のベクトル制御を行う構成が可能な点も実施の形態1と同様である。
(iii−a)’:Loss1+LossP1>Loss2+LossPn1の場合
F2R=F2R2
(iii−b)’:Loss1+LossP1≦Loss2+LossPn1の場合
F2R=F2R1
図1は、本実施の形態にかかる電気車の制御装置の構成を示す構成図である。図1に示すように、本実施の形態は、電気車の動力としてトルクを発生する交流電動機1と、この交流電動機1の回転速度を計測する速度検出部9と、を備えており、この交流電動機1は、例えば、誘導電動機または同期電動機等である。
I1DR=F2R/M ・・・(1)
I1QR=L2・T*/pm・M・F2R ・・・(2)
Ws=R2/L2・I1QR/I1DR ・・・(3)
Winv=Wm+Ws ・・・(4)
R1:誘導電動機の一次抵抗
R2:誘導電動機の二次抵抗
M :誘導電動機の相互インダクタンス
L1:誘導電動機の一次自己インダクタンス
L2:誘導電動機の二次自己インダクタンス
pm:誘導電動機の極対
Vd*=R1・I1DR−σL1・Winv・I1QR ・・・(7)
Vq*=R1・I1QR+Winv・L1/M・F2R ・・・(8)
ただし、σ=1−M・M/(L1・L2)は漏れ係数である。特に、電圧指令を振幅|V|と位相角θvに変換し、後者に対しては(6)式の制御位相角との関係で捉えると、下記(9)および(10)式のようになる。
|V|max=√6/π・EFC ・・・(11)
一次銅損:一次側電流の2乗と一次抵抗R1との積(ほぼI1DとI1Qの二乗和に比例)
二次銅損:二次側電流の2乗と二次抵抗R2との積(ほぼI1Qの二乗に比例)
鉄損 :一次側の励磁分電流と鉄損抵抗が関係した値(I1Dに応じて変化)
(A)コンバータ制御部6を通じた制御で直流電圧値EFCを上下させる。
(B)ベクトル制御部8のスイッチングモード選択で1パルスモード以外を選択する。
この領域では、交流電動機1の効率最大条件を与える端子電圧振幅値|V|2が、第2主回路7の出力可能電圧上限を超えるため、効率最大条件は選択不可能となる。ただし、図2の特性に従い、選択可能な範囲内で損失最小となるよう、EFCR=EFC_max、F2R=F2R1と選択する。
この領域では、交流電動機1の効率最大条件が、第2主回路7を1パルスモードとし、直流電圧値EFCを制御することで達成可能であり、EFCR=π/√6・|V|2、F2R=F2R2と選択する。なお、この場合においては、F2R=F2R1=F2R2となる。
この領域は、交流電動機1の効率最大条件が、1パルスモード以外となる領域である。よって、第2主回路7の損失増加を加味して指令値を選択する。1パルスモード時の第2主回路7のスイッチング損失をLossP1、非1パルスモード時の第2主回路7のスイッチング損失をLossPn1とすると、交流電動機1の損失と第2主回路7の損失の合計は、次のようになる。
特許文献1に従って1パルスモード運転した場合:Loss1+LossP1
誘導電動機の損失最小点で運転した場合:Loss2+LossPn1
(iii−a):Loss1+LossP1>Loss2+LossPn1の場合
EFCR=EFC_min、F2R=F2R2
(iii−b):Loss1+LossP1≦Loss2+LossPn1の場合
EFCR=EFC_min、F2R=F2R1
図6は、本発明にかかる電気車の制御装置の実施の形態2におけるベクトル制御指令値演算部の内部構成を示す構成図である。本実施の形態においては、実施の形態1におけるベクトル制御指令値演算部11aが図6に示すベクトル制御指令値演算部11bに置き換えられている。電気車の制御装置におけるトルク指令の動作範囲、電動機の最適設計、直流電源部3aの動作範囲の仕様、実際に電気車が走行する路線条件、等によっては、図3において、(i)、(ii)、(iii)の割合が変化する。特に、(iii)の領域が他の領域と比較して小さく、高効率運転した場合への寄与が小さいと判断されるような仕様の電気車の場合には、ベクトル制御指令値演算部11aの構成において第2主回路7の損失を考慮した(iii−a)(iii−b)の判別を省略し、以下のように1パルスモード動作を優先させながら、直流電圧値EFCの操作のみで装置の高効率化を図っても良い。
(i)の領域 :EFCR=EFC_max,F2R=F2R1
(ii)の領域 :EFCR=π/√6・|V|2,F2R=F2R2(=F2R1)
(iii)の領域:EFCR=EFC_min,F2R=F2R1
図7は、本発明の実施の形態3にかかる電気車の制御装置の構成を示す構成図である。また、図8は、実施の形態3におけるベクトル制御指令値演算部の内部構成を示す構成図である。実施の形態1が、交流架線から電力を供給されるいわゆる交流電気車の構成であったのに対し、実施の形態3は直流架線から電力を供給されるいわゆる直流電気車の構成を示している。すなわち、図7に示すように、架線、パンタグラフ、フィルタコンデンサ等から構成される直流電源部3bから、ベクトル制御部8によって制御される第2主回路7を通じて交流電動機1に電力が供給され、交流電動機1がトルクを発生し、電気車の動力となる。トルク指令値生成部10はトルク指令T*を出力し、ベクトル制御指令値演算部11c、ベクトル制御部8、直流電圧検出部4、第2主回路7、交流電動機電流検出部13、速度検出部9によって、交流電動機1のトルク制御がベクトル制御によって達成される関係は、実施の形態1と同様であり、そのため同一の構成物には同一の符号を付して説明を省略する。また、ノッチ投入信号に基づいて、交流電動機1のベクトル制御を行う構成が可能な点も実施の形態1と同様である。
(iii−a)’:Loss1+LossP1>Loss2+LossPn1の場合
F2R=F2R2
(iii−b)’:Loss1+LossP1≦Loss2+LossPn1の場合
F2R=F2R1
2 交流電源部
3 直流電源部
4 直流電圧検出部
5 第1主回路
6 コンバータ制御部
7 第2主回路
8 ベクトル制御部
9 速度検出部
10 トルク指令値生成部
11 ベクトル制御指令値演算部
12 交流電源状態量検出部
Claims (7)
- 交流電動機を備えた電気車の制御装置であって、
直流電力源から供給される直流電力を交流電力に変換し、前記交流電動機に交流電力を供給する主回路と、
この主回路のスイッチング動作を指示するスイッチング指令を生成し、前記交流電動機のベクトル制御を行うベクトル制御部と、
前記交流電動機に出力させるトルクの指令値であるトルク指令値を生成するトルク指令値生成部と、
前記トルク指令値に応じて、前記交流電動機の損失を最小にするような第1の磁束指令値と、前記交流電動機を1パルスモードで制御する場合の磁束指令値である第2の磁束指令値とを算出すると共に、前記第1の磁束指令値で制御した場合の前記交流電動機の損失および前記主回路の損失の総和と、前記第2の磁束指令値で制御した場合の前記交流電動機の損失および前記主回路の損失の総和とを算出し、より小さい損失の総和に対応する磁束指令値を前記ベクトル制御部に出力するベクトル制御指令値演算部と、
を備えることを特徴とする電気車の制御装置。 - 交流電動機を備えた電気車の制御装置であって、
交流電力源から供給される交流電力を直流電力に変換する第1主回路と、
この第1主回路のスイッチング動作を指示するスイッチング指令を生成するコンバータ制御部と、
前記第1主回路から出力される直流電力が入力される直流電源部と、
この直流電源部の電圧値を検出する直流電圧検出部と、
前記直流電源部から出力される直流電力を交流電力に変換し、前記交流電動機に交流電力を供給する第2主回路と、
前記第2主回路のスイッチング動作を指示するスイッチング指令を生成し、前記交流電動機のベクトル制御を行うベクトル制御部と、
前記交流電動機に出力させるトルクの指令値であるトルク指令値を生成するトルク指令値生成部と、
前記トルク指令値に応じて、前記交流電動機の損失を最小にするような磁束指令値で制御した場合の前記交流電動機の端子電圧振幅値を算出し、この算出された端子電圧振幅値と前記第1主回路の特性によって予め決定される前記直流電源部の印加電圧値の上限値および下限値とに基づいて、前記直流電源部の電圧を指令するための直流電圧指令値を前記端子電圧振幅値の直流電源部換算値、前記上限値および前記下限値の中から選択し、この選択された直流電圧指令値を前記コンバータ制御部へ出力するベクトル制御指令値演算部と、
を備えることを特徴とする電気車の制御装置。 - 前記ベクトル制御指令値演算部は、前記交流電動機を1パルスモードで制御する場合の磁束指令値を算出し、この算出された磁束指令値を前記ベクトル制御部に出力することを特徴とする請求項2に記載の電気車の制御装置。
- 交流電動機を備えた電気車の制御装置であって、
交流電力源から供給される交流電力を直流電力に変換する第1主回路と、
この第1主回路のスイッチング動作を指示するスイッチング指令を生成するコンバータ制御部と、
前記第1主回路から出力される直流電力が入力される直流電源部と、
この直流電源部の電圧値を検出する直流電圧検出部と、
前記直流電源部から出力される直流電力を交流電力に変換し、前記交流電動機に交流電力を供給する第2主回路と、
前記第2主回路のスイッチング動作を指示するスイッチング指令を生成し、前記交流電動機のベクトル制御を行うベクトル制御部と、
前記交流電動機に出力させるトルクの指令値であるトルク指令値を生成するトルク指令値生成部と、
前記トルク指令値に応じて、前記交流電動機の損失を最小にするような第1の磁束指令値およびこの第1の磁束指令値で制御した場合の前記交流電動機の端子電圧振幅値と、前記交流電動機を1パルスモードで制御する場合の磁束指令値である第2の磁束指令値とを算出すると共に、前記第1の磁束指令値で制御した場合の前記交流電動機の損失および前記第2主回路の損失の総和と、前記第2の磁束指令値で制御した場合の前記交流電動機の損失および前記第2主回路の損失の総和とを算出し、より小さい損失の総和に対応する磁束指令値を前記ベクトル制御部に出力すると共に、前記第1主回路の特性によって予め決定される前記直流電源部の印加電圧値の下限値を前記直流電源部の電圧を指令するための直流電圧指令値に設定して、この直流電圧指令値を前記ベクトル制御部に出力するベクトル制御指令値演算部と、
を備えることを特徴とする電気車の制御装置。 - 交流電動機を備えた電気車の制御装置であって、
直流電力源から供給される直流電力を交流電力に変換し、前記交流電動機に交流電力を供給する主回路と、
この主回路のスイッチング動作を指示するスイッチング指令を生成し、前記交流電動機のベクトル制御を行うベクトル制御部と、
前記交流電動機に出力させるトルクの指令値であるトルク指令値と運転台のノッチ指令値とを生成するトルク指令値生成部と、
前記ノッチ指令値に応じて、前記交流電動機の損失を最小にするような第1の磁束指令値と、前記交流電動機を1パルスモードで制御する場合の磁束指令値である第2の磁束指令値と、前記第1の磁束指令値で制御した場合の前記交流電動機の損失および前記主回路の損失の総和と、前記第2の磁束指令値で制御した場合の前記交流電動機の損失および前記主回路の損失の総和とに基づいて予め算出された、より小さい損失の総和に対応する磁束指令値が登録されたテーブルを備えたベクトル制御指令値演算部と、
を備え、
前記ベクトル制御指令値演算部は、前記ノッチ指令値に応じて、前記ベクトル制御部に出力する磁束指令値を前記テーブルから選択することを特徴とする電気車の制御装置。 - 交流電動機を備えた電気車の制御装置であって、
交流電力源から供給される交流電力を直流電力に変換する第1主回路と、
この第1主回路のスイッチング動作を指示するスイッチング指令を生成するコンバータ制御部と、
前記第1主回路から出力される直流電力が入力される直流電源部と、
この直流電源部の電圧値を検出する直流電圧検出部と、
前記直流電源部から出力される直流電力を交流電力に変換し、前記交流電動機に交流電力を供給する第2主回路と、
前記第2主回路のスイッチング動作を指示するスイッチング指令を生成し、前記交流電動機のベクトル制御を行うベクトル制御部と、
前記交流電動機に出力させるトルクの指令値であるトルク指令値と運転台のノッチ指令値とを生成するトルク指令値生成部と、
前記ノッチ指令値に応じて、前記交流電動機の損失を最小にするような磁束指令値で制御した場合の前記交流電動機の端子電圧振幅値と、前記第1主回路の特性によって予め決定される前記直流電源部の印加電圧値の上限値および下限値とに基づいて予め算出された、前記直流電源部の電圧を指令するための直流電圧指令値が登録されたテーブルを備えたベクトル制御指令値演算部と、
を備え、
前記ベクトル制御指令値演算部は、前記ノッチ指令値に応じて、前記コンバータ制御部に出力する直流電圧指令値を前記テーブルから選択することを特徴とする電気車の制御装置。 - 前記第1主回路の特性には、前記交流電力源の電圧条件および前記第1主回路の回路構成、ならびに、前記第1主回路の絶縁性および耐圧性が含まれることを特徴とする請求項2〜4、および6のいずれか1つに記載の電気車の制御装置。
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