KR940002050B1

KR940002050B1 - 전기차 제어장치

Info

Publication number: KR940002050B1
Application number: KR1019900017418A
Authority: KR
Inventors: 이꾸오 야스오까
Original assignee: 가부시끼가이샤 도시바; 아오이 죠이찌
Priority date: 1989-11-01
Filing date: 1990-10-30
Publication date: 1994-03-16
Also published as: JPH03145906A; KR910009494A; JP2804124B2

Abstract

내용 없음.

Description

전기차 제어장치

제1도는 본 발명에 의한 전기차 제어장치의 일실시예를 나타낸 블록회로도.

제2도는 제1도에 나타낸 주파수 보정회로의 구성을 더 상세하게 나타낸 회로도.

제3도는 제1도에 나타낸 진상 보상회로의 구성을 더 상세하게 나타낸 블록도.

제4도는 제1도에 나타낸 필터회로의 게인과 위상각의 주파수 특성을 나타낸 그래프.

제5도는 제1도에 나타낸 주파수 보정회로의 게인의 주파수 특성을 나타낸 그래프.

제6도는 주파수 보정회로의 위상각의 주파수 특성을 나타낸 그래프.

제7도는 제1도에 나타낸 장치내의 전압 검출신호, 주파수 보정신호 및 전동기 전류상호간의 관계를 설명하는 파형도.

본 발명은 전지차의 차륜에 결합된 유도전동기를 인버터에 의해서 가변속도로 구동하는 전기차 제어장치에 관한 것이다.

전기차용 구동전동기로서 유도전동기를 사용하는 것은 소형경량화와 메인테난스프리라는 관점에서 유리하다. 이와같은 유도전동기를 사용한 전기차에 있어서는 그 유도전동기를 효율좋게 속도를 제어하기 위해서 가변전압 및 가변주파수 제어를 필요로 하며 통상은 사이리스터를 사용한 VVVF 인버터를 사용하여 실현시키고 있다.

전기차의 속도를 기동시의 저속도역으로부터 일정속도의 주행을 위한 고속도역까지 제어하기 위해서는 VVVF 인버터의 출력주파수를 수 ㎐로 부터 100수십 ㎐까지 변화시킬 필요가 있다. 따라서 직류 전기철도에 있어서는 이와같은 각종 주파수의 교류성분이 직접 직류가선에 전파되어 유도장해를 일으킨다. 이와같은 장해를 없애기 위하여 리액터 및 콘덴서로 구성된 필터가 전원과 인버터의 사이에 연결되어 있다.

유도전동기에 의해서 발생되는 토오크는 토오크 전달기구를 거쳐서 구동력으로서 주행시에 차륜에 전달되고 회생시에는 제동력으로 차륜에 전달된다.

토오크 전달기구와 차륜등을 포함하는 기계계의 고유진동 주파수는 통상 약 수 10㎐이고 전동기 제어계의 응답이 이 고유진동주파수와 가까와지면 큰 축진동이 발생된다.

그 결과로 전동기의 회전자체가 10㎐ 근방에서 불안정하게 되어 리액터 및 콘덴서를 포함한 필터회로가 약 10㎐의 전압립플과 전류립플을 발생한다. 즉, 그와같은 종래의 장치에서는 약 10㎐의 주파수 근방에서 전동기 구동회로와 기계계가 공진현상을 발생한다는 문제가 있었다.

본 발명의 목적은 전동기구동계와 기계계와의 공진을 억제할 수 있는 전기차 제어장치를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 전기차 제어장치는 가변주파수 인버터, 리액터와 콘덴서로 되고 인버터의 입력측에 연결된 필터, 인버터의 출력측에 연결되고 전기차를 구동하는 토오크 전달기구를 포함하는 유도전동기, 유도전동기의 속도를 일정치로 제어하는 슬립주파수신호를 생성하는 슬립주파수 제어수단, 콘덴서의 전압을 검출하는 수단, 콘덴서 전압의 검출신호로부터 토오크 전달기구의 고유진동수에 관계되는 저주파수 신호를 얻는 필터수단, 필터수단으로부터의 저주파신호의 위상을 공진주파수 근방에서 일정값으로 진상시켜 필터의 공진점에서의 게인을 다른 주파수들의 게인에 비해서 감소시킨 보정신호를 생성하는 주파수 보정수단, 주파수 보정수단으로부터의 보정신호를 슬립주파수 제어수단의 출력에 가산하는 가산기수단 및 이 가산기 수단의 출력에 준하여 인버터의 출력을 제어하는 수단을 포함하고 있다.

토오크 전달기구와 차륜등을 포함하는 기계계의 고유주파수의 진동으로 인한 인버터를 포함하는 전동기구동 회로의 공진을 억제하기 위해서는 인버터 출력의 위상을 고유주파수의 진동의 위상에 대해서 쉬프트시켜 두개의 진동들을 서로 상쇄시키면 된다.

그러나 기계계의 고유진동 주파수와 인버터의 입력측에 설비된 필터회로의 공진주파수는 서로 접근되어 있다.

따라서 인버터의 출력주파수가 필터의 공진점에 가까워질 때에 인버터의 게인이 두개의 공진을 인버터 출력의 위상을 쉬프트하는 것만으로는 충분히 억제할 수 없을 정도로 증대된다.

본 발명에 의하면 필터콘덴서의 전압이 검출되고 필터회로의 공진점 부근에서의 필터의 게인이 감소되고 콘덴서의 전압의 위상이 일정각도로 진상되어 보정신호가 얻어진다. 이 보정신호로 인버터 제어신호를 보정하면 기계계의 고유진동 주파수 부근의 인버터의 위상을 인버터의 게인의 급증을 방지하면서 쉬프트시킬 수 있다. 따라서, 기계계의 진동과 전동기 구동계의 진동이 효과적으로 상쇄된다.

본 발명의 일실시예를 제1∼제7도를 참조하여 설명하겠다.

제1도는 본 발명에 의한 전기차 제어장치를 나타낸 블록도이다. 제1도에서 직류 트롤리선(T)로부터 판토 그래프(1)을 거쳐서 얻은 직류전력이 필터리액터(2)와 필터콘덴서(3)로 된 필터회로를 거쳐서 3상 인버터(4)로 공급된다. 인버터(4)는 6개의 게이트 턴옵 사이리스터들(4a, 4b, 4c, 4d, 4e, 4f)로 구성되고 3상 부리지 연결되어 펄스폭 변조(PWM)(pulse width modulation)에 의해서 제어된다. 이 인버터(4)는 유도전동기(5)와 가변 토오크 전달기구(6)을 거쳐서 차륜(7)을 구동시킨다.

속도 주파수 신호(fm)가 차량속도 즉 차륜(7)의 회전속도에 따라서 펄스발생기(8)에 의해서 발생된다. 또한 차량의 하중이 부하검출기(9)에 의해서 검출되고 그 출력신호가 전류패턴 발생부(11)와 인버터 제어부(10)이 슬립주파수 패턴 발생부(12)로 공급되어 차량하중의 변화로 인한 차량의 가속변화가 피해진다. 이 전류패턴 발생부(11)과 슬립주파수 패턴 발생부(12)는 각각 전류 기준패턴(I_P ^*)와 슬립주파수 기준패턴(f_s ^*)를 발생하므로 차량이 일정한 가속도를 유지할 수 있다. 전류패턴 발생부(11)로부터의 전류 기준패턴(I_P ^*)와 전류검출기(13)에 의해서 검출된 전동기 전류(I_m)간의 편차를 나타내는 신호가 증폭기(14)에 의해서 증폭되어 전류편차신호(Δfs)를 얻는다. 이 전류편차신호(Δfs)에 준하여 펄스발생기(f)에 의해서 얻은 속도주파수 신호(f_m), 슬립주파수 패턴 발생부(12)에 의해서 얻은 슬립주파수 기준패턴(f_s ^*) 및 후술하는 주파수 보정신호(f_sefc). 인버터(4)의 출력 주파수지령(f^*)가 다음식을 사용하여 구해진다. 역주시:

f^*=f_m+(f_s ^*+Δf_s+f_sefc)···········(1)

회생시 : f^*=f_m-(f_s ^*)+Δf_s+f_sefc·······(2)

필터콘덴서(3)의 양단의 전압이 전압검출기(15)에 의해서 검출되고 이 전압검출기(15)의 출력에서의 전압신호 Ef_c가 전압제어부(16)과 주파수 보정회로(18)로 보내진다.

주파수 보정회로(18)은 필터회로(19)와 진상 보상회로(20)으로 구성되어 있다.

필터회로(19)는 제2도에 나타낸 바와같이 2차 로우패스필터(21) 및 노치필터(22)로 구성되어 있다. 2차 로우패스필터(21)은 연산증폭기(23), 저항들(R1, R2) 및 콘덴서(C1, C2)로 구성되어 있다. 노치필터(22)는 2차 로우패스필터(21)의 게인이 그 공진주파수 부근에서 감소되는 필터를 포함하고 연산증폭기(24), 저항들(R4, R5)와 콘덴서(C5)로 구성된 지연보상요소, 콘덴서들(C3, C4) 및 저항(R3) 및 콘덴서(C6)로 구성된 진상보상요소를 포함하고 있다.

제4도는 2차 로우패스필터(21) 및 노치필터(22)로 구성된 필터회로(19)의 게인(G)와 위상각(θ)의 주파수 특성을 나타내고 있다.

진상보상회로(20)은 제3도에 나타낸 바와같이 미분 보상회로들(25, 26)과 1차 지연요소(27)로 구성되어 있다. 이 진상보상회로(20)을 필터회로(19)에 캐스케이드 연결함으로써 주파수 보정회로(18)에는 제5도 및 제6도에 나타낸 것과 같은 주파수특성이 주어진다. 제5도에 나타낸 특성에서 명백한 바와같이 게인(G)가 노치필터(22)의 효과에 의해서 필터의 공진점(R)부근(약 25㎐)에서 현저히 감소되어 있다.

주파수 보정회로(18)의 게인이 증가됨에 따라서 주회로계의 게인이 필터회로(19)의 공진주파수 부근에서 급증한다. 그와같은 게인의 급증으로 공진주파수 부근에서 진동성분들이 주회로의 전압과 전류에 생성된다. 따라서 주파수 보정회로(18)은 이들 진동성분들을 억제하는 기능도 갖는다.

전압제어부(16)은 전압신호(Ef_c)와 출력주파수지령(f^*)에 준하여 전압지령(γ)를 다음 식에 의해서 연산한다.

γ=(A. f+B)/EF_c········(3)

식중 A와 B는 정수이다.

전압지령(γ)와 출력 주파수 지령(f^*)는 PWM 제어부(17)로 공급된다. PWM 제어부(17)은 출력주파수 지령(f^*)에 대응하는 주파수를 갖는 기준정현파와 전압지령(γ)에 대응하는 캐리어 신호와의 비교결과에 의해서 PWM 제어 게이트신호를 생성하여 인버터(4)의 사이리스터들(4a∼4f)의 점호각이 출력전압과 출력주파수가 각각 전압지령(γ)에 대응하도록 제어된다.

PWM 제어에 있어서, 복수의 펄스가 출력전압의 각 주기에 대해서 생성되어 출력주파수와 출력전압의 비가 일정값으로 전동기 기동으로부터 설정주파수(f_o)까지의 시간을 제어하여 설정주파수(f_o)를 초과했을 때에 출력전압을 고정시키는 하나의 펄스가 각 주기에 대해서 발생된다.

제1도에 나타낸 구성을 갖는 장치의 동작을 설명하겠다.

고유진동(예를들면 10㎐의 주파수의 진동이 유도전동기의 회전자에 연결된 기계계에 발생되면 전동기 구동계는 진동하기 시작하고 따라서 저주파수 진동성분이 전압검출기(15)로 부터의 전압신호(Ef_c))에 나타난다.

주파수 보정회로(18)은 전압검출기(15)로부터의 전압신호(Ef_c)의 게인을 필터회로(19)의 공진점 부근에서 감소시켜(제4도, 제5도 참조) 필터회로(19)와 진상보상회로(20)의 영향하에 일정각 예를들면 60°진상된 주파수 보정신호(f_sefc)를 제공한다.

주파수 신호(f), 슬립주파수신호(f_s ^*) 및 전류 편차신호(Δf_s)를 조합하여 얻어진 신호(f_pr)가 식(1)과 식(2)에 의한 주파수 보정신호(f_sefc)로 보정된다.

주파수 보정신호(f_sefc), 출력주파수지령(f^*) 및 전동기 전류(Im)의 저주파수 성분(ΔIm)가 실질적으로 같은 위상관계를 갖게 변화된다.

전압신호(Ef_c)내에 포함된 진동성분(ΔEf_c)와 전동기전류(Im)내에 포함된 진동성분(ΔIm)이 일정한 관계를 갖게 변화된다. 따라서 제7도에 나타낸 바와같이 주파수 보정회로(18)이 전동기전류 진동성분(ΔIm)가 전압진동성분(ΔEf_c)보다 예를들어 약 60°진상된 주파수 보정신호(f_sefc)를 생성할 때에 주파수 보정신호(f_sefc)는 전동기 전류 진동(ΔIm)를 상쇄시킨다. 후자의 변화가 주파수 보정신호의 변화에 뒤따르기 때문에 필터콘덴서(3)의 양단의 전압의 립플성분을 실질적으로 억제하게 된다. 따라서 기계계의 고유진동에 의해서 생기는 필터회로의 저주파수 진동을 추출하고 공진주파수에서의 진동의 게인을 감소시키고 진상된 위상을 갖는 주파수 보정신호를 생성하여 슬립 주파수 신호에 이 보정신호를 가함으로써 이 보정신호에 의해서 저주파수 진동을 상쇄시킬 수 있다. 따라서 필터콘덴서의 저주파수 진동과 기계계의 고유진동과의 공진을 억제할 수 있다. 제7도에서는 주파수 보정신호(f_sefc)와 전동기 전류(Im)이 콘덴서 전압(Ef_c)에 대해서 약 60°로 진상되었으나 실제로는 이 진상각은 약 45°∼약 90°로 적절히 선택할 수 있다. 즉 약 45°의 진상각은 공진억제효과를 얻은 실제범위의 하한이 되고 90°의 진상각은 그 범위의 이론적인 상한이 된다.

Claims

가변전압, 가변주파수 인버터(4); 상기 인버터의 입력에 연결되고 리액터(2)와 콘덴서(3)으로 된 필터, 상기 인버터의 출력에 연결되고 전기차를 구동시키는 토오크 전달기구를 포함하는 유도전동기(5), 상기 유도전동기의 속도를 일정값으로 제어하는 슬립주파수신호를 생성하는 슬립주파수 제어수단(12), 상기 콘덴서의 전압을 검출하는 수단(15), 상기 콘덴서 전압의 검출신호로부터 상기 토오크 전달기구의 고유진동에 관계되는 저주파수 신호를 얻는 필터수단(19), 상기 필터수단으로부터의 저주파신호의 위상을 고유진동주파수 부근에서 일정값으로 진상시켜 상기 필터의 공진점에서의 게인이 다른 주파수의 게인과 비교해서 감소되는 보정신호를 생성하는 주파수 보정수단(20), 상기 주파수 보정수단으로부터의 보정신호를 상기 슬립주파수 제어수단의 출력에 가산하는 가산기 수단 및 상기 가산기 수단의 출력에 의해서 상기 인버터의 출력을 제어하는 수단(17)로 구성된 전기차 제어장치.
제1항에 있어서, 상기 주파수 보정수단이 얻어진 저주파수 신호의 위상을 45°∼90°의 범위내에서 진상시키도록 동작하는 것을 특징으로 하는 전기차 제어장치.
제1항에 있어서, 상기 필터수단이 2차 로우패스필터(21)과 노치필터(22)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기차 제어장치.
제3항에 있어서, 상기 2차 로우패스필터와 상기 노치필터가 연산증폭기(23, 24)와 연산 임피던스로 각각 구성된 것을 특징으로 하는 전기차 제어장치.
제1항에 있어서, 상기 주파수 보정수단이 복수의 미분보상회로(25, 26)과 1차 지연요소(27)로 구성된 것을 특징으로 하는 전기차 제어장치.
제5항에 있어서, 상기 복수의 미분보상 회로가 캐스케이드로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전기차 제어장치.
제1항에 있어서, 차량하중을 검출하는 수단(9)을 더 포함하고 슬립 주파수가 상기 검출수단에 의해서 검출된 차량하중에 따라서 상기 차량의 가속이 일정값으로 유지되고 보정하는 것을 특징으로 하는 전기차 제어장치.
제1항에 있어서, 상기 인버터가 펄스폭 변조(PWM) 제어되는 것을 특징으로 하는 전기차 제어장치.
제1항에 있어서, 상기 인버터가 3상 부리지 연결 인버터로 된 것을 특징으로 하는 전기차 제어장치.
제1항에 있어서, 상기 가산기 수단이 상기 주파수 보정수단의 출력을 상기 주파수 제어부의 출력에 상기 차량의 역주시에는 가산하고 희생시에는 감산하는 것을 특징으로 하는 전기차 제어장치.