KR101227708B1 - 교류 전기차의 제어장치 - Google Patents

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Abstract

교류 가선으로부터 변압기(2)를 통하여 입력된 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 컨버터(3)와, 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 인버터(4)와, 인버터(4)에 의해 구동 및 제어되는 전동기(6)를 구비한 교류 전기차의 제어장치에 있어서, 전동기(6)의 토크 지령치를 연산하여 인버터(4)에 출력하는 토크 지령 연산부(11 및 12)와, 교류 전기차에 탑재되는 부하에 전력을 공급하는 보조 전원 장치(7)를 구비하고, 컨버터(3)에 교류 전압이 인가되지 않는 경우, 회생 브레이크 토크 지령 연산부(11)는 상기 전동기의 로터 주파수와 상기 보조 전원 장치의 입력 전류와 상기 보조 전원 장치의 입력 전압에 기초하여 보조 전원 장치(7)의 소비 전력에 따른 회생 토크 지령치 TRQ1를 연산하고, 인버터(4)는 회생 토크 지령치 TRQ1에 따라서, 전동기(6)가 발생한 회생 전력을 보조 전원 장치(7)에 공급한다.

Description

교류 전기차의 제어장치{AC ELECTRIC VEHICLE CONTROL DEVICE}
본 발명은 교류 전기차의 제어장치에 관한 것이며, 특히, 이선(離線)이나 섹션 통과 등의 가선 전원 소실시에도 차량에 전원을 공급하는 보조 전원 장치: Static Inverter(이하, 'SIV'라 함)를 간소한 구성으로 계속 동작시키는 교류 전기차의 제어장치에 관한 것이다.
종래의 교류 전기차의 제어장치의 구성은, 추진 제어장치인 주변환 장치：Converter-Inverter(이하, 'CI'라 함)의 중간 직류 회로부에 SIV가 접속되어 있다.교류 전기차의 제어장치는, 이 구성으로 함으로써 SIV용 교류-직류 변환기와 CI의 교류-직류 변환기를 공용할 수 있어 주변압기의 3차 코일도 불필요하게 할 수 있으므로, 전기 제품 전체로서 소형·경량화를 도모하는 것이 가능하다.
한편, 교류 전기차의 제어장치는 교류 전기차가 이선이나 섹션 통과 등에 의해 가선 전원을 소실했을 때, 정전 검지 기능에 의해서 CI의 동작을 정지시키는 것이 통례이며, 이 결과 SIV도 정지하게 된다. 그러나 SIV는 차량의 전원 전반을 공급하는 장치이기 때문에 가능한 한 정지시키지 않는 것이 바람직하고, 정지 회피를 위해 중간 직류 회로부에 접속되어 있는 평활용 필터 콘덴서(이하 'FC'라고 함) 용량을 크게하는 등의 조치가 필요했다.
하기 특허 문헌 1에 나타나는 종래 기술은, 중간 직류 회로부에 에너지 축적 수단을 접속함으로써 SIV의 동작을 계속시키는 방법이 실시되고 있다. 구체적으로는, 에너지 축적 수단은 역행 운전 혹은 회생 운전 시에 에너지를 흡수, 축적하는 콘덴서로 이루어진 축적 요소부를 가지고, 이선이나 정전과 같은 파워가 부족한 상태가 되었을 때, 축적 요소부에 축적되어 있는 에너지를 사용하여 운전을 계속할 수 있도록 구성되어 있다.
특허 문헌 1: 일본 특허공개공보 특개2003－199354호 공보
그렇지만 상기 특허 문헌 1에 개시된 종래 기술에서는, 가선 전원 소실시의 SIV 동작 계속을 위해서는, FC 용량의 증량화나 에너지 축적 수단을 추가해야 하는 등, 하드웨어의 대형화나 추가 설치가 필요하게 된다고 하는 과제가 있었다.
본 발명은 상기한 것을 감안하여 이루어진 것으로 하드웨어의 대형화나 추가 설치를 회피하면서 가선 전원 소실시에 있어서 SIV의 동작을 계속시키는 것이 가능한 교류 전기차의 제어장치를 얻는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 교류 가선으로부터 변압기를 통하여 입력된 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 컨버터와, 상기 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 인버터와, 상기 인버터에 의해 구동 및 제어되는 전동기를 구비한 교류 전기차의 제어장치에 있어서, 상기 전동기의 토크 지령치를 연산하여 상기 인버터에 출력하는 토크 지령 연산부와, 상기 교류 전기차에 탑재되는 부하에 전력을 공급하는 보조 전원 장치를 구비하고, 상기 컨버터에 상기 교류 전압이 인가되지 않는 경우, 상기 토크 지령 연산부는 상기 전동기의 로터 주파수와 상기 보조 전원 장치의 입력 전류와 상기 보조 전원 장치의 입력 전압에 기초하여 상기 보조 전원 장치의 소비 전력에 따른 회생 토크 지령치를 연산하고, 상기 인버터는 상기 회생 토크 지령치에 따라서 상기 전동기가 발생한 회생 전력을 상기 보조 전원 장치에 공급하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 이선 등에 의한 가선 전원 소실시에 SIV 입력 전류, 직류 전압, 및 로터 주파수에 기초하여 SIV의 소비 전력을 보상하는 제1의 회생 토크 지령치를 연산하는 제1 연산 처리부와, 직류 전압 및 직류 전압 지령에 기초하여 직류 전압이 일정하게 되는 제2 회생 토크 지령치를 연산하는 제2 연산 처리부 중 어느 하나를 가지는 회생 브레이크 토크 지령 연산부를 구비하고 있기 때문에, 하드웨어의 대형화나 추가 설치를 회피하면서 가선 전원 소실시에 있어서의 SIV의 동작을 계속시킬 수 있다고 하는 효과를 달성한다.
도 1은 실시 형태 1에 따른 회생 브레이크 토크 지령 연산부의 구성을 주로 도시하는 기능 블럭도이다.
도 2는 실시 형태 2에 따른 회생 브레이크 토크 지령 연산부의 구성을 주로 도시하는 기능 블럭도이다.
이하에서, 본 발명에 따른 교류 전기차의 제어장치의 실시 형태를 도면에 기초하여 상세히 설명한다. 또한 이러한 실시 형태에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
실시 형태 1.
(교류 전기차의 제어장치의 구성)
도 1은 실시 형태 1에 따른 회생 브레이크 토크 지령 연산부의 구성을 주로 도시하는 기능 블럭도이며, 상단부에는 교류 전기차의 구동계를 나타내고, 하단부에는 회생 토크의 제어계를 이루는 회생 브레이크 토크 지령 연산부(11)(이하 간단히 '연산부(11)'라 함), 및 역행 토크 지령·회생 브레이크 토크 지령 연산부(12)(이하 간단히 '연산부(12)'라 함)가 나타나 있다.
교류 전기차의 구동계는 주된 구성부로서 교류 가선으로부터의 교류 전력이 입력되는 팬터그래프(1), 팬터그래프(1)로부터 공급되는 교류 전력을 입력으로 하는 주변압기(2), 주변압기(2)의 교류 전압이 인가되어 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 컨버터(3), 컨버터(3)로부터 출력되는 직류 전압을 3상 교류로 변환하는 인버터(4), 인버터(4)의 직류 출력 측에 설치되어 컨버터(3)의 직류 전압을 평활화하는 FC(5), 인버터(4)의 교류 전압으로 구동하는 주전동기(6), 중간 직류 회로부(10)에 접속된 보조 전원 장치(이하 'SIV'라 함)(7), SIV(7)의 입력 측에 설치되어 부하 전류를 얻는 전류 센서(이하 'CT'라 함)(8), 및 주변압기(2)와 컨버터(3)를 분리하는 개폐부인 접촉기(9)를 가지고 구성되어 있다.
변압기(2)의 일차측의 일단은 팬터그래프(1)를 통해 교류 가선에 접속되고, 타단은 도시하지 않은 차바퀴를 통해 대지 전위인 레일에 접속되고 있다. 즉, 도시되어 있지 않은 변전소로부터 송전된 전력은, 교류 가선, 팬터그래프(1), 차바퀴 및 레일을 통해 수전하도록 구성되어 있다. 또한 교류 전기차의 제어장치는, 전기차의 역행 시에는, 상기와 같은 전력 변환을 실시하여 주전동기(6)를 구동하지만, 브레이크 시에는 주전동기(6)를 발전기로서 작용시키고 인버터(4)는 전기 브레이크 모드로서 동작하여 회생 브레이크를 작용시킨다.
(회생 브레이크 토크 지령 연산부)
연산부(11)는 주된 구성으로서 제1 연산 처리부(30), 제2 연산 처리부(31), 및 가산기(26)를 갖고 구성되어 있다. 또한 제1 연산 처리부(30)는 곱셈기(22), 제산기(23), 및 게인 부가기(25)를 갖고 구성되고, 제2 연산 처리부(31)는 감산기(21) 및 PID 연산기(24)를 갖고 구성되어 있다. 이와 같이 구성된 연산부(11)는 가선 전원 소실시에 SIV(7)를 계속 동작시키기 위한 회생 토크 지령치 TRQ1을 연산한다. 연산부(12)는 통상시의 역행 토크 지령치 혹은 회생 토크 지령치를 연산한다. 스위치(13)는 연산부(11) 및 연산부(12)의 각 출력을 전환한다.
이하, 가선 전원 소실시에 있어서의 교류 전기차의 제어장치의 동작을 설명한다. 이선 또는 섹션 통과 등의 요인에 의해 가선 전원이 소실했을 경우, 도시하지 않은 정전 검지기에 의해 가선 전원의 소실이 검지되어 컨버터(3)가 동작 정지하고, 접촉기(9)가 개방된다. 한편, 인버터(4)는 전기 브레이크 모드로서 계속 동작하고, 스위치(13)는 통상시에서 정전시로 전환하고, 연산부(11)에서 연산된 인버터(4)를 제어하기 위한 회생 토크 지령치 TRQ1가 출력된다.
다음으로, 제1 연산 처리부(30) 및 제2 연산 처리부(31)의 동작을 상세히 설명한다. 제1 연산 처리부(30)에 있어서, 곱셈기(22)는 CT(8)로부터 얻은 SIV(7)에 입력되는 SIV 입력 전류 Isv와 FC(5)로부터 검출된 직류 전압 EcO를 곱하여, SIV(7)가 소비하는 전력을 구한다.
제산기(23)는 SIV(7)의 소비 전력을 주전동기(6)의 로터 주파수 FM(차량 속도에 상당)로 나눔으로써 출력 토크 상당량을 출력한다. 게인 부가기(25)는 당해 출력 토크 상당량에 게인 G1를 부가한다. 그 결과, SIV(7)의 소비 전력을 보상하는 제1 회생 토크 지령치 TP1이 가산기(26)에 출력된다. 또한 여기서는, 직류 전압 EcO의 검출 장소는 중간 직류 회로부(10)이면 좋고, FC(5)로 한정되는 것은 아니다.
제2 연산 처리부(31)에 있어서, 감산기(21)가 직류 전압 기준인 소정의 직류 전압 지령 Ec*와 직류 전압 EcO의 편차를 구하고, PID 연산기(24)는 당해 편차에 기초하여, SIV(7)에 인가되는 직류 전압 EcO의 값이 일정하게 유지되는 제2 회생 토크 지령치 TP2를 얻는다. 또한 일례로서 PID 연산기(24)를 사용하고 있지만, 이것으로 한정되는 것이 아니고, PD 연산기 등이어도 괜찮다. 제1 회생 토크 지령치 TP1과 제2 회생 토크 지령치 TP2는 가산기(26)에 의해 가산되어 SIV(7)의 계속 동작을 위한 토크 지령치인 회생 토크 지령치 TRQ1를 얻는다.
이와 같이, 본 실시 형태에 따른 교류 전기차의 제어장치는, 컨버터(3)에 교류 전압이 인가되지 않는 경우, 연산부(11)가 SIV(7)의 소비 전력에 따른 회생 토크 지령치 TRQ1을 연산하고, 당해 회생 토크 지령치 TRQ1이 인버터(4)에 출력되고, 인버터(4)는 회생 토크 지령치 TRQ1에 따라서, 전동기(6)가 발생한 회생 전력을 중간 직류 회로부(10)에 공급한다. 이 때문에 SIV(7)는 가선 전원이 소실한 경우에도 동작을 계속하는 것이 가능하다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 교류 전기차의 제어장치는, 이선 등에 의한 가선 전원 소실시에, SIV 입력 전류 Isv, 직류 전압 EcO, 및 전동기(6)의 로터 주파수 FM에 기초하여 SIV(7)의 소비 전력을 보상하는 회생 토크 지령치 TRQ1을 연산하는 제1 연산 처리부(30)와, 직류 전압 EcO 및 직류 전압 지령 Ec*에 기초하여 직류 전압 EcO가 일정하게 되는 회생 토크 지령치 TRQ2를 연산하는 제2 연산 처리부(31)을 가지는 연산부(11)를 구비하도록 했으므로, FC(5)의 용량을 크게 하거나 에너지 축적 수단 등의 특별한 하드웨어(도시하지 않음)를 추가하지 않고, 인버터(4)의 제어에 의해 SIV(7)의 소비 전력량에 알맞은 회생 전력량이 중간 직류 회로부(10)에 공급되기 때문에, SIV(7)를 섬세하게 제어하여 계속 동작시키는 것이 가능하다. 또 회생 전력을 유효하게 이용하여 SIV(7)를 계속 동작시킬 수 있기 때문에, 종래 기술에 비해 가선으로부터의 에너지 공급량을 저감할 수 있어 에너지 소비량을 삭감하는 것이 가능하다.
실시 형태 2.
실시 형태 2에 따른 교류 전기차의 제어장치는, 실시 형태 1에 따른 연산부(11)로부터, 제1 연산 처리부(30) 또는 제2 연산 처리부(31) 중 어느 한쪽이 생략되더라도, 실시 형태 1과 같은 효과를 얻을 수 있도록 구성되어 있다. 이하, 본 실시 형태에 따른 교류 전기차의 제어장치의 구성 및 동작을 설명한다. 또 제1 실시 형태와 동일한 부분에 대해서는, 동일한 부호를 부여하고 상세한 설명은 생략한다.
도 2는 실시 형태 2에 따른 회생 브레이크 토크 지령 연산부의 구성을 주로 도시하는 기능 블럭도이다. 도 2에서는 상술한 바와 같이, 도 1에 나타낸 제1 연산 처리부(30)와 가산기(26)가 생략되어 있다. 예를 들면, SIV(7)가 전력을 소비하는 경우, 컨버터(3)가 비동작 상태에서는 직류 전압 EcO이 저하하므로, 이 직류 전압 EcO의 저하에 따라 인버터(4)의 회생 전력량을 증가시키면 실시 형태 1과 동등한 기능이 된다.
이하, 가선 전원 소실시에 있어서의 교류 전기차의 제어장치의 구체적인 동작을 설명한다. 이선 또는 섹션 통과 등의 요인에 의해 가선 전원의 소실이 발생한 경우, 도시하지 않은 정전 검지기에 의해 가선 전원의 소실이 검지되어 컨버터(3)가 동작 정지하고, 접촉기(9)가 개방된다. 한편, 인버터(4)는 전기 브레이크 모드로서 계속 동작하고, 스위치(13)는 통상시에서 정전시로 전환한다. 제2 연산 처리부(31)에서는, 실시 형태 1과 같이, 감산기(21)가 직류 전압 지령 Ec*와 직류 전압 EcO의 편차를 구하고 PID 연산기(24)가 당해 편차에 기초하여 회생 토크 지령치 TRQ2를 얻는다.
또한 본 실시 형태에 따른 교류 전기차의 제어장치의 구성은, 제1 연산 처리부(30)와 가산기(26)를 생략한 경우로 한정되는 것이 아니고, 제2 연산 처리부(31)에 대신하여 제1 연산 처리부(30)로 구성해도 괜찮다. 즉, 가선 전원 소실시에 컨버터(3)가 동작 정지한 경우, SIV(7)에 의한 전력 소비가 주(主)가 되기 때문에, 제2 연산 처리부(31)을 없애더라도, 제1 연산 처리부(30)에 의해 동등한 기능을 얻을 수 있음은 자명하다.
이상 설명한 것처럼, 본 실시 형태에 따른 교류 전기차의 제어장치는, 이선 등에 의한 가선 전원 소실시에 제1 연산 처리부(30) 또는 제2 연산 처리부(31) 중 어느 한쪽을 가지고 구성하도록 하였으므로, 실시 형태 1과 같이 SIV(7)를 계속 동작시킬 수 있음과 아울러, CT(8)를 생략할 수 있기 때문에 실시 형태 1에 비해 더욱 간소화된 장치 구성으로 하는 것이 가능하다. 또 제1 연산 처리부(30)만으로 구성했을 경우, 장치가 더욱 간소화됨과 아울러, SIV(7)에 대한 적절한 전력 공급을 실현할 수 있다. 또한 제2 연산 처리부(31)만으로 구성했을 경우, 전압 정보만으로 회생 토크 지령 TRQ2를 생성할 수 있기 때문에, 장치를 더욱 간소화하는 것과 더불어, SIV(7)에 대한 신속한 전력 공급을 실현할 수 있다.
또한, 실시 형태 1 및 2에 나타낸 교류 전기차의 제어장치는, 본 발명의 내용의 일례를 나타내는 것이며, 더 나아가 다른 공지의 기술과 조합하는 것도 가능하고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 일부를 생략하는 등 변경하여 구성하는 것도 가능한 것은 물론이다.
[산업상의 이용 가능성]
이상과 같이, 본 발명은 교류 전기차의 제어장치에 적용 가능하고, 특히, 가선 전원 소실시에도 차량에 전원을 공급하는 보조 전원 장치를 간소한 구성으로 계속 동작시키는 발명으로서 유용하다.
1 :　팬터그래프
　2 :　주변압기
　3 :　컨버터
　4 :　인버터
　5 :　필터 콘덴서
　6 :　주전동기
　7 :　보조 전원 장치
　8 :　전류 센서
　9 :　접촉기
　10 :　중간 직류 회로부
　11 :　회생 브레이크 토크 지령 연산부
　12 :　역행 토크 지령·회생 브레이크 토크 지령 연산부
　13 :　스위치
　21 :　감산기
　22 :　곱셈기
　23 :　제산기
　24 :　PID 연산기
　25 :　게인 부가기
　26 :　가산기
　30 :　제1 연산 처리부
　31 :　제2 연산 처리부
　Ec* : 직류 전압 지령(직류 전압 기준)
　EcO : 직류 전압
　FM :　로터 주파수(전동기의 주파수)
　Isv :　SIV 입력 전류
　TP1 :　제1 회생 토크 지령치
　TP2 :　제2 회생 토크 지령치
　TRQ1, TRQ2 :　회생 토크 지령치

Claims (4)

  1. 교류 가선으로부터 변압기를 통하여 입력된 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 컨버터와, 상기 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 인버터와, 상기 인버터에 의해 구동 및 제어되는 전동기를 구비한 교류 전기차의 제어장치에 있어서,
    상기 전동기의 토크 지령치를 연산하여 상기 인버터에 출력하는 토크 지령 연산부와,
    상기 교류 전기차에 탑재되는 부하에 전력을 공급하는 보조 전원 장치를 구비하고,
    상기 컨버터에 상기 교류 전압이 인가되지 않는 경우, 상기 토크 지령 연산부는 상기 전동기의 로터 주파수와 상기 보조 전원 장치의 입력 전류와 상기 보조 전원 장치의 입력 전압에 기초하여 상기 보조 전원 장치의 소비 전력에 따른 회생 토크 지령치를 연산하고,
    상기 인버터는 상기 회생 토크 지령치에 따라서, 상기 전동기가 발생한 회생 전력을 상기 보조 전원 장치에 공급하는 것을 특징으로 하는 교류 전기차의 제어장치.
  2. 청구항 1에 있어서,　
    상기 토크 지령 연산부는,
    상기 보조 전원 장치의 소비 전력이 보상되는 회생 토크 지령치를 연산하고,
    상기 인버터는,
    상기 회생 토크 지령치에 따라, 상기 보조 전원 장치에 상기 회생 전력을 공급하는 것을 특징으로 하는 교류 전기차의 제어장치.
  3. 청구항 2에 있어서,　
    상기 토크 지령 연산부는,
    상기 보조 전원 장치의 소비 전력이 보상되는 제1 회생 토크 지령치와, 상기 보조 전원 장치에 인가되는 직류 전압의 값이 일정하게 유지되는 제2 회생 토크 지령치를 연산하고,
    상기 인버터는,
    상기 제1 회생 토크 지령치 및 상기 제2 회생 토크 지령치에 따라, 상기 보조 전원 장치에 상기 회생 전력을 공급하는 것을 특징으로 하는 교류 전기차의 제어장치.
  4. 삭제
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