KR101323933B1 - 전기차의 전력 변환 장치 - Google Patents

Abstract

직류 전압이 입력되고, 소정값으로 제어된 직류 전압을 출력하는 컨버터부(10: 제1 전력 변환부)와, 상기 컨버터부(10)의 출력측에 접속되고 전동기(40)를 구동하는 인버터부(30: 제2 전력 변환부)로 이루어지는 전기차의 전력 변환 장치에 있어서, 상기 컨버터부(10)는 그 입력 전압에 기초하여 상기 컨버터부(10)의 출력 전압 상태를 조작하는 제어 지령인 출력 전압 지령 VREF를 생성하는 컨버터 제어부(14: 제1 제어부)를 가진다.

Description

전기차의 전력 변환 장치{ELECTRIC POWER CONVERTER OF ELECTRIC ROLLING STOCK}

본 발명은 전기차의 추진 제어에 제공되는 전력 변환 장치에 관한 것이다.

일반적으로 전기차는 가선으로부터의 전력을 집전 장치로 수신하고, 수신된 전력을 사용하여 인버터 장치 등의 전력 변환 장치로 전동기를 구동하여 주행하는 구성으로 하고 있다. 차량에 브레이크를 걸 때는, 전동기를 회생 운전하여 브레이크력을 얻는, 이른바 회생 브레이크가 이용된다. 이때 발생하는 회생 전력은 가선이나 제3 궤도 등을 통하여 자차(自車) 부근에 존재하는 다른 역행(力行) 차량이나 차량의 부하에 공급되고, 거기에서 소비되게 된다.

단, 이른 아침, 야간이나, 열차의 운행 대수가 적은 한산한 시간대에는, 자차 부근에 다른 차량이 존재하지 않는(회생 부하가 부족함) 경우가 발생하여, 회생 브레이크에 의해 발생한 회생 전력이 충분히 소비되지 않는 경우가 있다. 다른 차량에서 소비되는 전력보다도 자차의 회생 전력이 커지면 가선 전압이 상승하게 됨으로써, 가선에 접속되는 여러 가지의 기기를 과전압으로 트립(trip)시키거나 파손시킬 우려가 있다.

따라서 전기차에 탑재되는 인버터 장치는 가선 전압 등(가선 전압 또는 가선 전압에 상당하는 예를 들면, 인버터 장치의 입력측의 필터 캐패시터 전압)을 검출하는 전압 검출기를 가지고 있고, 가선 전압 등이 상승하여 소정값을 초과한 경우에 회생 브레이크력을 억제하여 회생 전력의 발생을 억제하는 제어를 실행하여, 가선 전압 등을 규정값 이상으로 상승시키지 않는 회생 토크 감소 제어(regenerative torque decreasing control)를 동작시킨다.

여기서, 제2 전력 변환부인 인버터 장치의 입력 전압 사양이 가선 전압보다도 낮은 경우(예를 들면 600V 사양)에 있어서는, 인버터 장치의 입력측에 제1 전력 변환부인 컨버터 장치를 접속하고, 이 컨버터 장치를 이용하여 가선 전압을 강압, 정전압 제어하여 인버터 장치에 전압을 공급하는 주회로 구성으로 하는 경우가 생각된다.

예를 들면, 가선 전압의 공칭값이 DC 1500V인 시스템에 있어서, 컨버터 장치로 그 출력 전압을 DC 600V정도까지 강압하여 정전압 제어하고, 상기 인버터 장치에 이것을 입력하는 구성이 있다(예를 들면, 하기 특허 문헌 1).

이와 같은 주회로 구성의 시스템에 있어서, 회생 부하가 부족하여 가선 전압이 상승한 경우에 있어서도, 컨버터 장치의 출력 전압이 일정하게 유지되도록 정전압 제어되기 때문에, 인버터 장치의 입력 전압이 변화하지 않고, 회생 토크 감소 제어가 동작하지 않는다. 이 때문에, 회생 전력이 과잉이 되어서, 컨버터 장치의 입력 전압이 상승, 컨버터 장치의 입력이 과전압이 되어, 컨버터 장치가 과전압을 검지하여 트립하거나 가선에 연결되는 기기를 손상시킬 가능성이 있다.

특허 문헌1: 일본국 특개 2002－252902호 공보

그렇지만, 상기 특허 문헌 1에 제시된 시스템에는 인버터 장치의 입력이 가선 전압이며, 가선 전압을 컨버터 장치로 강압하여 인버터 장치에 입력할 때의 회생 토크 감소 제어의 방법이 공개되어 있지 않다.

본 발명은 상기를 감안하여 이루어진 것으로서, 인버터 장치의 입력측에 제1 전력 변환부인 컨버터 장치를 접속하고, 이 컨버터 장치를 이용하여 가선 전압을 강압, 정전압 제어하여 인버터 장치에 전압을 공급하는 주회로 구성인 경우에 있어서, 바람직한 회생 토크 감소 제어를 실행하는 것을 가능하게 하는 전기차의 전력 변환 장치를 얻는 것을 목적으로 한다.

상술한 과제를 해결하여 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 직류 전압이 입력되고 소정값으로 제어된 직류 전압을 출력하는 제1 전력 변환부와, 상기 제1 전력 변환부의 출력측에 접속되고 전동기를 구동하는 제2 전력 변환부로 이루어진 전기차의 전력 변환 장치에 있어서, 상기 제1 전력 변환부는 그 입력 전압에 기초하여 상기 제1 전력 변환부의 출력 전압 상태를 조작하는 제어 지령을 생성하는 제1 제어부를 가지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 인버터 장치의 입력측에 제1 전력 변환부인 컨버터 장치를 접속하고, 이 컨버터 장치를 이용하여 가선 전압을 강압, 정전압 제어하여 인버터 장치에 전압을 공급하는 주회로 구성인 경우에 있어서, 바람직한 회생 토크 감소 제어를 실행할 수 있다고 하는 효과를 달성한다.

도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 있어서 전기차의 전력 변환 장치의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 형태 1에 있어서 컨버터 제어부의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 형태 1에 있어서 인버터 제어부의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 형태 2에 있어서 전기차의 전력 변환 장치의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 형태 2에 있어서 인버터 제어부의 구성예를 나타내는 도면이다.

이하에, 본 발명에 관한 전기차의 전력 변환 장치의 실시 형태를 도면에 기초하여 상세하게 설명한다. 또한, 이 실시 형태에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

실시 형태 1.

도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 있어서 전기차의 전력 변환 장치의 구성예를 나타내는 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 도시하지 않은 변전소로부터의 전력은 가선(1)으로부터 집전 장치(2)를 통하여 제1 전력 변환부인 컨버터부(10)에 입력된다. 컨버터부(10)로부터의 리턴 전류는 차륜(3)을 경유하여 레일(4)에 접속되고, 도시하지 않은 변전소의 부(負)측으로 돌아간다.

컨버터부(10)는 리플렉터(11)와 콘덴서(12)로 이루어진 입력 필터와, 입력 필터의 후단에 접속된 컨버터 회로(13)와, 제1 제어부인 컨버터 제어부(14)로 이루어진다. 또한, 컨버터 회로(13)는 쌍방향 승강압 초퍼 회로가 바람직하며, 그 회로 구성은 공지이므로 생략한다. 또 컨버터 회로(13)에는 그 출력 전압이나 전류를 평활화하기 위한 리플렉터나 콘덴서로 이루어진 출력 필터 회로를 포함하는 경우가 일반적이다.

컨버터 제어부(14)에는 컨버터부(10)의 입력 전압 ESD와, 콘덴서(12)의 전압 EFCD와, 컨버터 회로(13)의 출력 전압 BES가 입력되고, 컨버터 제어부(14)는 컨버터 회로(13)의 내부 스위칭 소자에 대한 제어 신호 GD를 출력한다.

컨버터 제어부(14)는 컨버터 회로(13)의 출력 전압 BES가 소정값이 되도록 제어한다. 자세한 설명은 후술한다.

컨버터부(10)의 출력에는 제2 전력 변환부인 인버터부(30)가 접속된다. 인버터부(30)는 리플렉터(31)와 콘덴서(32)로 이루어진 입력 필터와, 입력 필터의 후단에 접속된 인버터 회로(33)와, 제2 제어부인 인버터 제어부(34a)로 이루어진다. 또한, 인버터 회로(33)는 전압형 PWM 인버터 회로가 바람직하고, 그 회로 구성은 공지이므로 생략한다.

인버터 제어부(34a)에는 인버터부(30)의 입력 전압 ES와, 콘덴서(32)의 전압 EFC와, 인버터 회로(33)의 출력 전류 IM이 입력되고, 인버터 제어부(34a)는 인버터 회로(33)의 내부 스위칭 소자에 대한 제어 신호 GI를 출력한다.

인버터 제어부(34a)는 후술하는 전동기(40)가 토크 지령에 따라서 토크를 발생하도록, 인버터 회로(33)의 출력 전류와 출력 전압을 제어한다. 자세한 설명은 후술한다.

다음으로, 컨버터 제어부(14)의 구성을 설명한다. 도 2는 본 발명의 실시 형태 1에 있어서 컨버터 제어부(14)의 구성예를 나타내는 도면이다. 컨버터 제어부(14)에는 콘덴서 전압 EFCD 또는 입력 전압 ESD가 입력된다. 컨버터 제어부(14)는 제1 전력 변환부의 출력 전압 상태를 조작하는 제어 지령인 출력 전압 지령 VREF를 생성하는 전압 지령 연산부(15)와, 출력 전압 지령 VREF에 기초하여 컨버터부(10)의 출력 전압 BES가 출력 전압 지령 VREF에 일치하도록 전압 제어를 실행하는 전압 제어부(16)로 구성된다.

전압 지령 연산부(15)는, 예를 들면 콘덴서 전압 EFCD가 1750V 이상인 영역에서는, 출력 전압 지령 VREF를 통상값이며 제1 설정값인 600V로 한다.

또, 전압 지령 연산부(15)는, 예를 들면, 콘덴서 전압 EFCD가 1750V를 초과한 경우, 출력 전압 지령 VREF를 600V에서부터 증가시켜, 콘덴서 전압 EFCD가 1800V가 되면 출력 전압 지령 VREF를 제2 설정값인 700V까지 증가시킨다.

또한, 각 수값은 일례이며, 이것으로 한정되는 것이 아니고, 콘덴서 전압 EFCD 혹은 입력 전압 ESD가 소정값을 초과한 경우에, 출력 전압 지령 VREF를 증가시키는 구성이면 좋다.

다음으로, 인버터 제어부(34a)의 구성을 설명한다. 도 3은 본 발명의 실시 형태 1에 있어서 인버터 제어부(34a)의 구성예를 나타내는 도면이다. 인버터 제어부(34a)에는 콘덴서 전압 EFC 혹은 인버터부(30)의 입력 전압 ES가 입력된다. 인버터 제어부(34a)는 콘덴서 전압 EFC 혹은 입력 전압 ES에 기초하여 토크 감소량 VDT를 생성하는 회생 토크 감소량 연산부(35a)와, 도시하지 않은 외부 제어부에서 생성된 회생 브레이크 토크의 요구값인 요구 토크 PTRS로부터 토크 감소량 VDT를 감산하여 토크 지령 PTR로서 출력하는 감산기(36)와, 토크 지령 PTR에 기초하여 전동기(40)가 토크 지령 PTR에 따라서 회생 토크를 발생하도록 토크 제어를 실행하는 토크 제어부(37)로 구성된다.

회생 토크 감소량 연산부(35a)는, 예를 들면 콘덴서 전압 EFC 혹은 입력 전압 ES가 650V 이하인 영역에서는, 토크 감소량 VDT를 제로로 한다. 이 경우, 요구 토크 PTRS=토크 지령 PTR가 된다.

또, 회생 토크 감소량 연산부(35a)는, 예를 들면 콘덴서 전압 EFC 혹은 입력 전압 ES가 650V를 초과하는 영역에서는, 토크 감소량 VDT를 증가시키고, 콘덴서 전압 EFC 혹은 입력 전압 ES가 700V가 된 시점에서, 토크 감소량 VDT를 요구 토크 PTRS와 동일해질 때까지 증가시켜서, 토크 지령 PTR을 제로로 한다. 또한, 각 수값은 일례이며, 이것으로 한정되는 것이 아니고, 콘덴서 전압 EFC 혹은 입력 전압 ES가 소정값을 초과한 경우에, 토크 감소량 VDT를 증가시키는 구성이면 좋다.

다음으로, 동작을 설명한다. 전기차가 회생 브레이크를 걸고 있는 상태, 즉 인버터부(30)가 전동기(40)를 회생 운전하고 있는 경우로 설명한다. 이때, 전동기(40)로부터의 회생 전력은 인버터부(30)를 통해서 컨버터부(10)에 입력된다. 컨버터부(10)는 그 출력 전압 BES를 일정 소정값으로 유지하면서, 전력을 컨버터부(10)의 출력측으로부터 입력측으로 흘려서 회생 전력을 가선(1)에서 회생한다.

이때, 가선(1)에 존재하고 있는 다른 가속중인 차량이 가속을 중단하는 등 해서, 소비되는 회생 전력(이하, 회생 부하라고 표기함)이 감소하여 전동기(40)의 회생 전력보다 회생 부하 쪽이 작아진 경우, 컨버터부(10)의 입력 전압 ESD 혹은 콘덴서 전압 EFCD가 상승하게 된다. 이 상태로 그대로 두면, 입력 전압 ESD 혹은 콘덴서 전압 EFCD가 더욱 상승하여, 컨버터부(10)가 과전압을 검지하여 트립하거나 가선(1)에 연결되는 기기를 손상시킨다.

일반적으로는, 가선(1)의 공칭 전압이 DC1500V인 전기 철도에서는, 가선(1)의 전압이 1750V ~ 1800V를 상회하지 않도록 할 필요가 있다. 이에, 컨버터 제어부(14)의 전압 지령 연산부(15)는 콘덴서 전압 EFCD가 소정값 이상(도 2에서는 1750V이상)이 되었을 경우에, 출력 전압 지령 VREF를 통상의 제어값인 600V에서부터 증가시켜, 콘덴서 전압 EFCD가 1800V의 시점에서, 출력 전압 지령 VREF를 700V까지 증가시킨다. 이것에 응답하여, 컨버터부(10)의 출력 전압 BES는 600V에서 700V까지 증가한다.

이와 같이, 컨버터 제어부(14)는 출력 전압 BES를 증가시킴으로써, 콘덴서(12)의 에너지를 컨버터부(10)의 출력측으로 이동시킬 수 있으므로, 콘덴서 전압 EFCD의 상승을 억제할 수 있다.

또, 다음과 같이 인버터 제어부(34a)가 회생 전력을 억제하도록 동작하므로, 콘덴서 전압 EFCD의 상승을 억제할 수 있다. 컨버터부(10)의 출력 전압 BES가 증가함으로써, 인버터부(30)의 입력 전압 ES 혹은 콘덴서 전압 EFC가 증가하게 된다. 회생 토크 감소량 연산부(35a)에서는 콘덴서 전압 EFC 혹은 입력 전압 ES의 증가에 기초하여, 토크 감소량 VDT를 생성하고, 토크 지령 PTR을 좁힌다(회생 토크 감소 제어).

회생 토크 감소량 연산부(35a)에서는 콘덴서 전압 EFC 혹은 입력 전압 ES가 700V가 된 시점에서, 토크 감소량 VDT가 요구 토크 PTRS와 동일해지도록 설정되어 있으므로, 토크 지령 PTR이 제로가 되어 전동기(40)의 회생 토크가 제로로 제어된다. 이것에 의해, 전동기(40)로부터의 회생 전력이 제로가 되어 컨버터부(10)의 입력 전압의 상승이 억제된다. 컨버터부(10)의 입력 전압은 1800V 이상은 되지 않는다.

이상에 설명한 것처럼, 본 실시 형태에 관한 전기차의 전력 변환 장치는 회생 부하가 부족하여 가선 전압이 상승한 경우에 있어서, 컨버터부(10)의 출력 전압 BES를 상승시킴으로써 인버터부(30)의 입력 전압을 상승시켜서, 인버터 제어부(34a)에 의해 회생 토크의 감소가 실행되도록 동작하므로, 과잉 회생 전력에 의해 컨버터부(10)의 입력 전압이 상승하여 컨버터부(10)가 과전압이 되어서 장치가 트립하거나 장치가 손상되는 것을 회피할 수 있다.

또, 실시 형태 1의 구성에서는 컨버터부(10)와 인버터부(30)의 사이에 제어 신호의 교환이 없기 때문에, 배선의 삭감이 가능하다.

또한, 컨버터 제어부(14)는 컨버터부(10)를 통과하는 전력의 방향이, 컨버터부(10)의 출력측에서 입력측으로의 방향일 때(전동기(40)가 회생 운전일 때)만, 컨버터부(10)의 입력 전압이 증가했을 경우에 출력 전압 지령 VREF를 증가시키도록 구성해도 괜찮다.

이와 같이 구성하면, 예를 들면 전동기(40)가 역행 운전을 실행하고 있는 경우에 가선(1)의 전압이 상승했을 때, 컨버터부(10)의 출력 전압 BES를 증가시키지 않아도 완료된다. 이것에 의해, 전압을 증가시키는 것에 의한 인버터부(30)의 회로 손실(인버터 회로(33)에서의 스위칭 손실)의 증가를 회피할 수 있다.

또, 이상의 설명에서는, 제어 지령으로서 출력 전압 지령 VREF를 조작하는 경우로 설명을 했지만, 이것 이외더라도 좋고, 도시하지 않았지만, 예를 들면 컨버터 회로(13)의 출력 전류의 지령인 출력 전류 지령을 조작하는 구성으로 하여도 좋다. 출력 전류를 조작하는 것도, 간접적으로 출력 전압 BES를 조작할 수 있다.

실시 형태 2.

도 4는 본 발명의 실시 형태 2에 있어서 전기차의 전력 변환 장치의 구성예를 나타내는 도면이다. 도 4는 도 1에 준한 것이므로, 도 1과 다른 점만을 설명한다.

도 4에 도시된 형태는, 도 1의 형태와 비교하여, 컨버터부(10)의 입력 전압 ESD, 컨버터부(10)의 콘덴서 전압 EFCD를 인버터부(30)의 인버터 제어부(34b)에 입력하는 구성으로 하고 있는 점이 다르다.

다음으로, 인버터 제어부(34b)의 구성을 설명한다. 도 5는 본 발명의 실시 형태 2에 있어서 인버터 제어부(34b)의 구성예를 나타내는 도면이다. 인버터 제어부(34b)에는 컨버터부(10)의 콘덴서 전압 EFCD 혹은 입력 전압 ESD가 입력된다. 인버터 제어부(34b)는 콘덴서 전압 EFCD 혹은 입력 전압 ESD에 기초하여 토크 감소량 VDT를 생성하는 회생 토크 감소량 연산부(35b)와, 도시하지 않은 외부 제어부에서 생성된 회생 브레이크 토크의 요구값인 요구 토크 PTRS로부터 토크 감소량 VDT를 감산하여 토크 지령 PTR로서 출력하는 감산기(36)과, 토크 지령 PTR에 기초하여 전동기(40)가 토크 지령 PTR에 따라서 회생 토크를 발생하도록 토크 제어를 실행하는 토크 제어부(37)로 구성된다.

회생 토크 감소량 연산부(35b)는, 예를 들면 콘덴서 전압 EFCD 혹은 입력 전압 ESD가 1750V 이하의 영역에서는 토크 감소량 VDT를 제로로 한다. 이 경우, 요구 토크 PTRS=토크 지령 PTR가 된다.

또, 회생 토크 감소량 연산부(35b)는, 예를 들면 콘덴서 전압 EFCD 혹은 입력 전압 ESD가 1750V를 초과하는 영역에서는 토크 감소량 VDT를 증가시키고, 콘덴서 전압 EFCD 혹은 입력 전압 ESD가 1800V가 된 시점에서, 토크 감소량 VDT를 요구 토크 PTRS와 동일해질 때까지 증가시켜서, 토크 지령 PTR을 제로로 한다. 또한, 각 수치는 일례이며, 이것으로 한정되는 것이 아니고, 콘덴서 전압 EFCD 혹은 입력 전압 ESD가 소정값을 초과한 경우에 토크 감소량 VDT를 증가시키는 구성이면 좋다.

다음으로, 동작을 설명한다. 전기차가 회생 브레이크를 걸고 있는 상태, 즉 인버터부(30)가 전동기(40)를 회생 운전하고 있는 경우로 설명한다. 이때, 전동기(40)로부터의 회생 전력은 인버터부(30)를 통해서 컨버터부(10)에 입력된다. 컨버터부(10)는 그 출력 전압 BES를 일정한 소정값으로 유지하면서, 전력을 컨버터부(10)의 출력측에서 입력측으로 흘려서, 회생 전력을 가선(1)에서 회생한다.

이때, 가선(1)에 존재하고 있는 다른 가속중인 차량이 가속을 중단하는 등 해서, 소비되는 회생 전력(이하, 회생 부하라고 표기함)이 감소되어 전동기(40)의 회생 전력보다 회생 부하 쪽이 작아진 경우, 컨버터부(10)의 입력 전압 ESD, 콘덴서 전압 EFCD가 상승하게 된다. 이 상태로 그대로 두면, 입력 전압 ESD, 콘덴서 전압 EFCD는 더욱 상승하여, 컨버터부(10)가 과전압을 검지하여 트립하거나 가선(1)에 연결되는 기기를 손상시킨다.

실시 형태 2의 구성에서는, 컨버터부(10)의 입력 전압 ESD 혹은 콘덴서 전압 EFCD를 인버터 제어부(34b)에 입력하는 구성으로 하고, 회생 토크 감소량 연산부(35b)에서는 콘덴서 전압 EFCD 혹은 입력 전압 ESD의 증가에 기초하여, 토크 감소량 VDT를 생성하고, 토크 지령 PTR을 좁히는 구성으로 하고 있다(회생 토크 감소 제어).

회생 토크 감소량 연산부(35b)에서는, 콘덴서 전압 EFCD 혹은 입력 전압 ESD가 1800V가 된 시점에서, 토크 감소량 VDT는 요구 토크 PTRS와 동일해지도록 설정하고 있으므로, 토크 지령 PTR이 제로가 되어 전동기(40)의 회생 토크가 제로로 제어된다. 이것에 의해, 전동기(40)로부터의 회생 전력이 제로가 되고, 컨버터부(10)의 입력 전압의 상승이 억제된다. 컨버터부(10)의 입력 전압은 1800V이상으로는 되지 않는다.

이상으로 설명한 것처럼, 본 실시 형태에 관한 전기차의 전력 변환 장치는 회생 부하가 부족하여 가선 전압이 상승한 경우에 있어서, 인버터 제어부(34b)에 의해 회생 토크의 감소를 실행하도록 동작하므로, 과잉 회생 전력에 의해 컨버터부(10)의 입력 전압이 상승되어서 컨버터부(10)가 과전압이 되어 장치가 트립되거나 장치가 손상하는 것을 회피할 수 있다.

또, 실시 형태 2의 구성에서는, 컨버터부(10)와 인버터부(30)의 사이에서 제어 배선이 필요하지만, 실시 형태 1에서는 요구된 컨버터부(10)의 출력 전압 BES를 증가시키는 구성이 불필요해지므로, 컨버터 제어부(14)의 구성을 간소화할 수 있다.

또한, 인버터 제어부(34a)는 인버터부(30)를 통과하는 전력의 방향이, 인버터부(30)의 출력측에서 입력측으로의 방향일 때(전동기(40)가 회생 운전일 때)만, 컨버터부(10)의 입력 전압이 증가한 경우에 토크 지령 PTR을 좁히는 구성으로 하여도 좋다.

이와 같이 구성하면, 예를 들면 전동기(40)가 역행 운전을 실행하고 있는 경우에 가선(1)의 전압이 상승했을 때, 인버터부(30)의 회로 손실(인버터 회로(33)에서의 스위칭 손실)의 증가를 회피할 수 있다.

실시 형태 3.

실시 형태 1, 2에서는, 전동기(40)이 회생 운전중에 가선(1)의 회생 부하가 감소했을 때, 컨버터부(10)의 입력 전압이 상승하는 것을 억제하는 경우에 대해서 설명했지만, 전동기(40)가 역행 운전중인 경우에는, 이하의 과제가 있다.

가선(1)에 전력을 공급하는 도시하지 않은 변전소의 용량이 작은 경우나, 변전소에서 전기차까지의 거리가 멀기 때문에 가선(1)에서의 전압 강하가 큰 경우나, 전동기(40)의 역행 운전중인 가선(1)의 전압이 저하하는 경우가 있다. 이 경우, 전동기(40)의 역행 전력을 그대로 유지하거나 추가 가속을 위해서 전력을 많이 소비하면, 가선(1)의 전압이 너무 저하되어서 컨버터부(10)의 운전이 저전압으로 인해 정지하거나 가선(1)으로부터 수전하는 다른 차량이 저전압에 의해 주행 불가능이 되는 경우가 있다. 따라서 가선(1)의 전압이 소정값 이하가 되었을 경우에는, 전동기(40)의 역행 토크를 인하하여 역행 전력을 저감할 필요가 있다.

일반적으로는, 가선(1)의 공칭 전압이 DC 1500V인 전기 철도에서는, 가선(1)의 전압이 1100V를 하회하지 않도록 할 필요가 있다. 그런데 컨버터부(10)는 그 출력 전압 BES를 소정 전압으로 정전압 제어하고 있으므로, 입력 전압 ESD 혹은 콘덴서 전압 EFCD가 저하하더라도, 입력 전압에 관련되지 않고 출력 전압 BES를 일정하게 제어하려고 한다. 이 때문에, 인버터부(30)는 가선(1)의 전압 저하를 파악할 수 없기 때문에, 전동기(40)의 역행 토크를 저감하는 등의 제어를 하지 못하여 가선(1)의 전압 강하를 억제할 수 없다.

이에, 컨버터 제어부(14)는 콘덴서 전압 EFCD 혹은 입력 전압 ESD가 소정값(예를 들면 1100V) 이상인 경우에는, 출력 전압 지령 VREF를 제3 설정값인 통상의 값(예를 들면 600V)으로 하고, 콘덴서 전압 EFCD 혹은 입력 전압 ESD가 소정값(예를 들면 1100V)을 하회한 경우에는 저하량에 기초하여 출력 전압 지령 VREF를 제3 설정값보다도 작은 제4 설정값(예를 들면 500V)으로 저하시키는 구성으로 한다.

이에 더하여, 인버터 제어부(34a)는 인버터부(30)의 입력 전압 ES 혹은 콘덴서 전압 EFC가 소정값(예를 들면 550V)보다도 저하했을 경우에, 저하량에 기초하여 전동기(40)의 역행 토크 지령을 저하시키고, 역행 전력이 저감하도록 제어하는 구성으로 한다.

이상에서 설명한 것처럼, 본 실시 형태에 관한 전기차의 전력 변환 장치는 가선(1)의 전압 강하시에 컨버터부(10)의 출력 전압 BES를 저하시켜, 인버터부(30)에 의해 전동기(40)의 역행 토크를 억제하도록 했으므로, 전동기(40)의 역행 전력을 저감하는 것이 가능해져서 가선(1)의 전압 강하를 억제할 수 있어, 컨버터부(10)의 운전이 저전압이기 때문에 정지하거나 가선(1)으로부터 수전하는 다른 차량이 저전압에 의해 주행 불가능이 되는 것을 회피할 수 있다.

또, 실시 형태 3의 구성에서는 컨버터부(10)와 인버터부(30)의 사이에서 제어 신호의 교환이 없기 때문에, 배선의 삭감이 가능하다.

또한, 컨버터 제어부(14)는 컨버터부(10)를 통과하는 전력의 방향이 컨버터부(10)의 입력측에서 출력측으로의 방향일 때(전동기(40)이 역행 운전일 때)만, 컨버터부(10)의 입력 전압이 저하했을 경우에, 출력 전압 지령 VREF를 저하시키도록구성해도 좋다.

이와 같이 구성하면, 예를 들면 전동기(40)가 회생 운전을 실행하고 있는 경우에 가선(1)의 전압이 저하되었을 경우에, 컨버터부(10)의 출력 전압 BES를 저하시키지 않아도 완료된다. 이것에 의해, 전압의 저하에 의해 전동기(40)로의 인가 전압이 부족하여 회생 토크가 감소해 버리는 것을 회피할 수 있다.

또, 이상의 설명에서는, 제어 지령으로서 출력 전압 지령 VREF를 조작하는 경우로 설명을 했지만, 이것 이외로도 좋고, 도시하지 않았지만, 예를 들면, 컨버터 회로(13)의 출력 전류의 지령인 출력 전류 지령을 조작하는 구성으로 해도 좋다. 출력 전류를 조작하는 것으로도, 간접적으로 출력 전압 BES를 조작할 수 있다.

실시 형태 4.

실시 형태 4는 실시 형태 2와 마찬가지로, 컨버터부(10)의 입력 전압 ESD, 컨버터부(10)의 콘덴서 전압 EFCD를 인버터부(30)의 인버터 제어부(34b)에 입력하는 구성이다.

인버터 제어부(34b)는 컨버터부(10)의 콘덴서 전압 EFCD 혹은 입력 전압 ESD가 소정값(예를 들면 1100V)보다 저하된 경우에, 저하량에 기초하여 전동기(40)의 역행 토크를 저감하여(역행 토크 저감 제어), 역행 전력을 억제하도록 동작한다. 또한, 각 수치는 일례이며, 이것으로 한정되는 것이 아니고, 콘덴서 전압 EFCD 혹은 입력 전압 ESD가 소정값을 하회한 경우에, 전동기(40)의 역행 토크를 억제시키는 구성이면 좋다.

이상에서 설명한 것처럼, 본 실시 형태에 관한 전기차의 전력 변환 장치는 가선(1)의 전압 강하시에, 인버터부(30)의 인버터 제어부(34b)에 의해 전동기(40)의 역행 토크를 억제하도록 했으므로, 전동기(40)의 역행 전력을 저감하는 것이 가능해지고, 가선(1)의 전압 강하를 억제할 수 있어 컨버터부(10)의 운전이 저전압이기 때문에 정지하거나 가선(1)으로부터 수전하는 다른 차량이 저전압에 의해 주행 불가능으로 되는 것을 회피할 수 있다.

또한, 인버터 제어부(34b)는 컨버터부(10)를 통과하는 전력의 방향이, 컨버터부(10)의 입력측에서 출력측으로의 방향일 때(전동기(40)가 역행 운전일 때)만, 컨버터부(10)의 입력 전압이 저하했을 경우에, 전동기(40)의 역행 토크를 저하시키도록 구성해도 좋다.

이와 같이 구성하면, 예를 들면 전동기(40)가 회생 운전을 실행하고 있는 경우에 가선(1)의 전압이 저하되었을 경우에, 전동기(40)의 회생 토크를 불필요하게 저감해 버리는 것을 회피할 수 있다.

또, 실시 형태 4의 구성에서는, 컨버터부(10)와 인버터부(30)의 사이에서 제어 배선이 필요하지만, 실시 형태 3에서는 요구된 컨버터부(10)의 출력 전압 BES를 저하시키는 구성이 불필요해서, 컨버터 제어부(14)의 구성을 간소화할 수 있다.

이상의 실시 형태에 제시된 구성은, 본 발명의 내용의 일례를 나타내는 것이고, 다른 공지의 기술과 조합하는 것도 가능하며, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 일부를 생략하는 등, 변경해서 구성하는 것도 가능하다는 것은 말할 필요도 없다.

[산업상의 이용 가능성]

이상과 같이, 본 발명은 전기차의 추진 제어에 제공되는 전력 변환 장치에 적용 가능하고, 특히, 바람직한 회생 토크 감소 제어를 실행할 수 있는 발명으로서 유용하다.

1: 가선
2: 집전 장치
3: 차륜
4: 레일
10: 컨버터부(제1 전력 변환부)
11, 31: 리플렉터
12, 32: 콘덴서
13: 컨버터 회로
14: 컨버터 제어부(제1 제어부)
15: 전압 지령 연산부
16: 전압 제어부
30: 인버터부(제2 전력 변환부)
33: 인버터 회로
34a, 34b: 인버터 제어부(제2 제어부)
35a, 35b: 회생 토크 감소량 연산부
36: 감산기
37: 토크 연산부
40: 전동기
BES: 출력 전압
EFC, EFCD: 콘덴서 전압
ES, ESD: 입력 전압
GD, GI: 제어 신호
IM: 출력 전류
PTR: 토크 지령
PTRS: 요구 토크
VDT: 토크 감소량
VREF: 출력 전압 지령

Claims (16)

1. 직류 전압이 입력되고 소정값으로 제어된 직류 전압을 출력하는 제1 전력 변환부와, 상기 제1 전력 변환부의 출력측에 접속되고 상기 제1 전력 변환부로부터의 직류 전력을 교류로 변환하여 전동기를 구동하는 제2 전력 변환부로 이루어지는 전기차의 전력 변환 장치에 있어서,
   상기 제1 전력 변환부는 상기 제1 전력 변환부의 입력측에서 검출된 전압에 기초하여, 상기 제1 전력 변환부의 출력 전압의 지령인 제어 지령을 생성하는 제1 제어부를 가지고,
   상기 제1 제어부는 상기 제1 전력 변환부의 입력측에서 검출된 전압이 증가했을 경우에, 상기 제1 전력 변환부의 출력 전압이 증가하도록 상기 제어 지령을 조작하는 구성으로 하고,
   상기 제2 전력 변환부는 상기 제1 전력 변환부의 출력측에서 검출된 전압이 소정값보다 증가했을 경우, 상기 전동기의 회생 토크를 감소시키는 회생 토크 감소 제어를 실행하는 제2 제어부를 가지는 것을 특징으로 하는 전기차의 전력 변환 장치.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 제어부는 상기 제1 전력 변환부의 입력측에서 검출된 전압이 소정값 이하인 경우, 상기 제어 지령을 제1 설정값으로 하고, 상기 제1 전력 변환부의 입력측에서 검출된 전압이 상기 소정값을 초과한 경우, 초과한 양에 기초하여 상기 제어 지령을 상기 제1 설정값보다도 큰 제2 설정값으로 하는 것을 특징으로 하는 전기차의 전력 변환 장치.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 제어부는 상기 제1 전력 변환부를 통과하는 전력의 방향이 상기 제1 전력 변환부의 출력측에서 입력측으로의 방향일 때만, 상기 제1 전력 변환부의 입력측에서 검출된 전압이 증가했을 경우에, 상기 제어 지령을 조작하는 구성으로 한 것을 특징으로 하는 전기차의 전력 변환 장치.
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