JP2014195391A - Electric vehicle controller - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、電気車制御装置に関する。 Embodiments described herein relate generally to an electric vehicle control apparatus.
近年、インバータに内蔵されている高速スイッチング可能な半導体デバイスや、高温動作可能な半導体デバイスが開発されてきた。一方、それらのデバイスを有効に活用し鉄道や新交通システム等に適用される電気車を省エネルギーかつ安定的に駆動する方法が明らかになっていなかった。 In recent years, semiconductor devices capable of high-speed switching and semiconductor devices capable of operating at high temperatures have been developed. On the other hand, it has not been clarified how to use these devices effectively and to drive an electric vehicle applied to a railway or a new transportation system in an energy saving and stable manner.
そのような背景下において、電気車の駆動システムにおいて省エネ対策として、同期パルス(1パルス)制御を行わず、全速度領域に非同期制御を適用し、キャリア周波数を高くすることでインバータ出力電流を正弦波に近づける制御が提案されている。インバータの出力電流を正弦波に近づけば、モータの巻き線へ流れる電流が最適化されるため、モータの巻き線の損失である銅損を低減することが可能となる。 Under such circumstances, as an energy saving measure in electric vehicle drive systems, synchronous pulse (one pulse) control is not performed, asynchronous control is applied to the entire speed range, and the inverter output current is sine by increasing the carrier frequency. Controls approaching waves have been proposed. When the output current of the inverter is made close to a sine wave, the current flowing to the motor winding is optimized, so that it is possible to reduce the copper loss that is the loss of the motor winding.
このような駆動システムの方法として、例えば、全速度領域において、ある一定の高いキャリア周波数によりインバータの出力電流を制御する方法がある。 As a method of such a drive system, for example, there is a method of controlling the output current of the inverter with a certain high carrier frequency in the entire speed region.
しかしながら、実際の電気車の駆動を行う場合の駆動条件は様々であり、駆動条件の変化に対しては、必ずしも省エネルギーを図ることができないという虞があった。
そこで、本発明は、さまざま駆動条件下であっても電気車を駆動する装置が発生する損失を低減し、省エネルギー化を図ることが可能な電気車制御装置を提供することを目的としている。
However, there are various driving conditions when driving an actual electric vehicle, and there is a possibility that energy saving cannot always be achieved with respect to changes in driving conditions.
Therefore, an object of the present invention is to provide an electric vehicle control device that can reduce loss generated by a device for driving an electric vehicle even under various driving conditions and can save energy.
実施形態の電気車制御装置は、インバータをPWM制御して電動機を駆動する電気車制御装置である。
そして、電気車制御装置の制御部は、電動機の定出力制御域においてインバータの出力周波数の増加に比例してキャリア周波数を増加させる。
The electric vehicle control device of the embodiment is an electric vehicle control device that drives an electric motor by PWM control of an inverter.
The control unit of the electric vehicle control device increases the carrier frequency in proportion to the increase of the output frequency of the inverter in the constant output control range of the electric motor.
以下、実施形態の制御装置制御装置を図面を参照して説明する。 Hereinafter, a control apparatus control apparatus according to an embodiment will be described with reference to the drawings.
[1]第1実施形態
まず、第1実施形態の説明に先立ち、本第1実施形態の目的について説明する。
[1] First Embodiment First, prior to the description of the first embodiment, the purpose of the first embodiment will be described.
高速スイッチングが可能な半導体デバイスを用いて全領域で非同期PWM(Pulse Width Modulation)制御を適用し、更にキャリア周波数を一定とした場合、定出力領域及び特性領域において、インバータ周波数が高くなるにつれて、インバータ周波数の一周期ごとのパルス数(キャリア周波数/インバータ周波数)が低くなって、非同期PWM制御による銅損の損失低減効果が減少することとなることが判った。 Asynchronous PWM (Pulse Width Modulation) control is applied to all regions using a semiconductor device capable of high-speed switching, and when the carrier frequency is constant, the inverter increases as the inverter frequency increases in the constant output region and the characteristic region. It has been found that the number of pulses per cycle of the frequency (carrier frequency / inverter frequency) decreases, and the loss reduction effect of copper loss by asynchronous PWM control decreases.
そこで、本第1実施形態においては、インバータの周波数が比較的高くなる領域(定出力領域及び特性領域)であっても、電気車を駆動する装置が発生する損失を低減することができる電気車制御装置を提供することを目的としている。 Therefore, in the first embodiment, the electric vehicle capable of reducing the loss generated by the device for driving the electric vehicle even in the region where the frequency of the inverter is relatively high (constant output region and characteristic region). The object is to provide a control device.
次に、第1実施形態について詳細に説明する。
図1は、第1実施形態の電気車制御装置の全体構成を示すブロック図である。
電気車制御装置100は、大別すると、インバータ1、誘導電動機2、電流検出器3、パルスジェネレータ(PG)4、フィルタコンデンサ(FC)10、フィルタリアクトル(FL)11、パンタグラフ12、架線13、車輪14、レール15、車両速度センサ16、台車17、荷重検出器18、列車制御装置19及びモータ制御装置20を有している。
Next, the first embodiment will be described in detail.
FIG. 1 is a block diagram showing the overall configuration of the electric vehicle control device of the first embodiment.
The electric vehicle control device 100 is roughly divided into an
ここで、モータ制御装置20は、積分器21、PWM変調22、第1座標変換部(UVW/dq)23、座標変換手段(dq/UVW)24、電流制御系25、電流生成部30、すべり演算部27、電流指令一次遅れフィルタ28、加算器29、キャリア周波数演算部40を有している。
Here, the
パンタグラフ12は、架線13より直流電力を集電し、フィルタリアクトル11を介してフィルタコンデンサ10の一端及びインバータ1に接続されている。
フィルタコンデンサ10の他端は、電気車両の車輪14を介してレール15に接地される。
The pantograph 12 collects DC power from the
The other end of the
そして、架線13からの直流電力は、フィルタリアクトル11を介してインバータ1に供給されている。
インバータ1は、モータ制御装置20から入力されたゲート指令GCに基づいて、図示しない内蔵される主回路スイッチング素子のオン/オフを切替えることによって架線電力の直流/交流変換を行って誘導電動機2に供給する。
The DC power from the
The
誘導電動機2は、インバータ1が供給した交流電力を受け取り、誘導電動機2内の各励磁相に流れる3相交流電流によって磁界が発生し、回転子の誘導電流による磁界との磁気的相互作用によりトルクを発生して回転駆動される。
The
電流検出器3は、誘導電動機2とインバータ1間に流れる3相交流電流(U相電流、V相電流、W相電流)のうち少なくとも2相(図1の例の場合、U相電流及びW相電流)の電流を検出する。
The
パルスジェネレータ4は、誘導電動機2の付近に設置され、誘導電動機2の回転子の角速度を検出し、回転子角速度ωmを加算器29に出力する。
車両速度センサ16は、車輪14に設置されており、検出した車両速度に対応する車両速度情報vcarを列車制御装置19に出力する。
The pulse generator 4 is installed near the
The
荷重検出器18は、台車17の図示しない車体と台車17を接続する枕バネに設置され、車体の重量(車体本体及び乗客等の積載物の重量)を測定して荷重情報Mcarを列車制御装置19に出力する。
The
これらの結果、列車制御装置19は、車両速度センサ16からの車両速度情報vcar、荷重検出器18からの荷重情報Mcarの他、図示しない操作盤からのノッチ指令等が入力され、入力された情報に基づいてトルク指令等の列車情報(制御)TRをモータ制御装置20に出力する。
As a result, the
モータ制御装置20のキャリア周波数演算部40は、列車制御装置19から列車情報TRが入力されると、入力された列車情報TRにしたがって、キャリア周波数信号fcを生成し、PWM変調部22に出力する。
When the train information TR is input from the
PWM変調部22は、キャリア周波数演算部40から入力されたキャリア周波数信号fcに基づいてキャリア波(搬送波)を生成する。そして、PWM変調部22は、キャリア波を、変調波に相当する電圧指令vu*、vv*、vw*と比較してPWM変調し、U相、V相、W相の各相に対応するインバータ1を構成するスイッチング素子のオン/オフを指示するためのゲート指令GCをインバータ1に出力する。
The
次に変調波に相当する電圧指令vu*、vv*、vw*の生成方法について説明する。
電流指令生成部30は、列車情報装置19からの列車情報TRが入力されると、列車情報TRに基づいて電流指令(d軸電流指令)i1d*及び電流指令(q軸電流指令)i1q*を生成し、電流制御部25に出力する。
Next, a method for generating voltage commands vu *, vv *, vw * corresponding to the modulated wave will be described.
When the train information TR from the
電流指令生成部30は、電流指令i1d*、i1q*の電流制御部25への出力と並行して、電流指令i1q*をすべり演算部27に出力するとともに、電流指令i1d*を電流指令一次遅れフィルタ28に出力する。
In parallel with the output of the current commands i1d * and i1q * to the
ここで、電流指令生成部30が、電流指令i1q*を電流指令一次遅れフィルタ28に出力するのは、回転子側の磁束ベクトルの応答を考慮するためである。
このため、電流指令一次遅れフィルタ28は、2次時定数T2を有している。
Here, the reason why the current
For this reason, the current command first-
これにより、電流指令一次遅れフィルタ28は、入力された電流指令i1q*に基づいて電流指令一次遅れi1qfを生成し、すべり演算器27に出力する。
すべり演算器27は、電流指令一次遅れi1qfと電流指令生成部30から入力された電流指令i1q*に基づいて、すべり演算を行いすべり指令値ωs*を算出して、加算器29に出力する。
これらの結果、加算器29は、すべり指令値ωs*と、パルスジェネレータ4により検出される誘導電動機2の回転子角速度ωmと、を加算し、積分器21に出力する。
As a result, the current command first-
The slip calculator 27 calculates a slip command value ωs * based on the current command primary delay i1qf and the current command i1q * input from the
As a result, the
一方、電流検出器3は、誘導電動機2とインバータ1間に流れる3相交流電流のうちU相電流及びW相電流を検出し、電流検出値iu、iwを第1座標変換部(UVW/dq)23に出力する。
第1座標変換部(UVW/dq)23は、電流検出値iu、iv及び後述するd軸位相θに基づいて、三相固定座標系からdq軸回転座標系へと座標変換を行い、d軸電流値i1d及びq軸電流値i1qを算出し、電流制御部25に出力する。
On the other hand, the
The first coordinate conversion unit (UVW / dq) 23 performs coordinate conversion from the three-phase fixed coordinate system to the dq-axis rotation coordinate system based on the current detection values iu and iv and the d-axis phase θ described later, and the d-axis The current value i1d and the q-axis current value i1q are calculated and output to the
電流制御部25は、電流検出器3が出力した電流検出値i1d、i1qと、電流指令生成部30により生成された電流指令値i1d*、i1q*と、を比較し、電圧指令値v1d*、v1q*を設定し、第2座標変換部24に出力する。
The
加算器29が出力したすべり指令値ωs*と、回転子角速度ωmと、の加算結果は、積分器21に入力され、積分器21は、加算結果を積分してd軸位相θを生成し、第1座標変換部23及び第2座標変換部24に出力する。
The addition result of the slip command value ωs * output from the
また、電流指令生成部30で生成された電圧指令値v1d*、v1q*は、第2座標変換部(dq/UVW)24に出力される。そして、第2座標変換部24は、電圧指令値v1d*、v1q*及びd軸位相θに基づいて、電圧指令vu*、vv*、vw*を生成し、PWM変調部22に出力する。
これらの結果、前述したようにPWM変調部22は、入力されたキャリア周波数信号fc及び電圧指令vu*、vv*、vw*に基づいて、ゲート指令GCを生成し、インバータ1に出力することとなる。
The voltage command values v1d * and v1q * generated by the current
As a result, as described above, the
以上は、概要動作の説明であったが、以下、キャリア周波数演算部40を中心とした詳細動作を説明する。
The above is the description of the outline operation. Hereinafter, the detailed operation centering on the carrier
まず、インバータ1の制御と損失との関係について説明する。
図2は、インバータ出力電流損失比の説明図である。
図2において、従来技術に相当する損失比50は、インバータ1の出力電流をキャリア周波数一定で非同期PWM制御した場合の損失/1パルス制御した場合の損失である。
また、理想的な損失比51は、インバータ1の出力電流が理想的な正弦波である場合の損失/1パルス制御した場合の損失である。
First, the relationship between the control of the
FIG. 2 is an explanatory diagram of the inverter output current loss ratio.
In FIG. 2, the
The
図2に示すように、速度向上が誘導電動機2の特性に依存するいわゆる特性領域(高速域)では、損失比50は、ほぼ「1」となり、非同期PWM制御をすることによる1パルス制御からの損失低減効果が小さくなっていることがわかる。
As shown in FIG. 2, in a so-called characteristic region (high-speed region) in which the speed improvement depends on the characteristics of the
これは、キャリア周波数を一定出非同期PWM制御した場合、高速域でインバータ周波数が高くなるにしたがい、インバータ1の1周期あたりのパルス数(キャリア周波数/インバータ周波数)が小さくなることによるものである。 This is because when the carrier frequency is subjected to constant out-of-sync PWM control, the number of pulses per one cycle of the inverter 1 (carrier frequency / inverter frequency) decreases as the inverter frequency increases in the high speed range.
図3は、スイッチング高調波銅損(基本波銅損比)と、インバータの1周期あたりのパルス数と、の関係説明図である。
図3に示すように、誘導電動機2の高調波銅損は、パルス数が小さくなると増える傾向にある。これは、パルス数が小さくなるとインバータ1の出力電流に高調波が増加することになり、その高調波により銅損が増加するためである。
このことから、インバータ1の周波数が高い特性領域(高速域)ではキャリア周波数(=fc)を上げることでインバータの1周期あたりのパルス数が増え、銅損を低減するのに効果的なことがわかった。
さらに、図3より、インバータの1周期あたりのパルス数=15パルスまでは線形に高調波銅損が低減できるが、それ以上では、低減効果が低下する。したがって、定出力領域や特性領域でも15パルス以上になるように、キャリア周波数を設定することで、効果的に高調波銅損の低減が可能になる。
また、インバータの1周期あたりのパルス数が、21パルスを越えると高調波銅損が低減できなくなり、インバータのスイッチング損のみが増加していくことになる。
FIG. 3 is a diagram illustrating the relationship between the switching harmonic copper loss (fundamental copper loss ratio) and the number of pulses per cycle of the inverter.
As shown in FIG. 3, the harmonic copper loss of the
For this reason, in the characteristic region (high speed region) where the frequency of the
Further, from FIG. 3, the harmonic copper loss can be reduced linearly up to the number of pulses per cycle of the inverter = 15 pulses, but the reduction effect is reduced beyond that. Therefore, the harmonic copper loss can be effectively reduced by setting the carrier frequency so that the constant output region and the characteristic region have 15 pulses or more.
If the number of pulses per cycle of the inverter exceeds 21 pulses, the harmonic copper loss cannot be reduced, and only the switching loss of the inverter increases.
以上から、定トルク領域ではキャリア周波数を一定とし、インバータ周波数が増加してインバータの1周期あたりのパルス数が、15パルス、あるいは、21パルスと一致したキャリア周波数から、キャリア周波数を高くして15パルス、あるいは21パルスになるように同期PWMを実施すれば、システム損失を最小にすることが可能となる。 From the above, the carrier frequency is kept constant in the constant torque region, the inverter frequency is increased, and the number of pulses per cycle of the inverter is increased from 15 to 21 or the carrier frequency that coincides with 21 pulses. If synchronous PWM is performed so that the number of pulses is 21 or 21, system loss can be minimized.
図4は、第1実施形態における好適な制御の説明図である。
本実施形態においては、上記考察に基づいて、図4に示すように、インバータ1の周波数が高い特性領域(高速域)においてキャリア周波数を上げることとした。
FIG. 4 is an explanatory diagram of suitable control in the first embodiment.
In the present embodiment, based on the above consideration, as shown in FIG. 4, the carrier frequency is increased in a characteristic region (high speed region) where the frequency of the
より詳細には、誘導電動機2の定出力領域においてインバータ1の出力周波数の増加、すなわち、モータ制御装置20のキャリア周波数演算部40は、列車情報TRあるいはインバータ1の出力周波数に基づいて電気車の速度の増加に比例してキャリア周波数(fc)を増加させる。そして、キャリア周波数演算部は、少なくとも特性領域において、キャリア周波数(fc)を、定トルク制御域におけるキャリア周波数よりも高い一定周波数に設定している。
More specifically, the increase in the output frequency of the
ところで、定出力領域では一般的にトルクの減少に合わせて電流も減少する。インバータの損失は概ね電流の二乗に比例するため、電流が低下している定出力領域ではキャリア周波数を上昇してもインバータの損失が定トルク領域以下となる。 By the way, in the constant output region, the current generally decreases as the torque decreases. Since the inverter loss is approximately proportional to the square of the current, the inverter loss is below the constant torque region even if the carrier frequency is increased in the constant output region where the current is decreasing.
したがって、キャリア周波数の上昇が可能になる。ここでは定出力領域に合わせてキャリア周波数を増加させる例を示したが、定トルク領域よりも電流が低下している領域でキャリア周波数を定トルク領域よりも高い周波数にすれば、本第1実施形態と同様の効果が得られる。
これにより、本第1実施形態においては、電気車の運転において、より高効率を実現することが可能となっている。
Therefore, the carrier frequency can be increased. Here, an example is shown in which the carrier frequency is increased in accordance with the constant output region. However, if the carrier frequency is set to a higher frequency than the constant torque region in the region where the current is lower than the constant torque region, the first embodiment is performed. The same effect as the form can be obtained.
Thereby, in the first embodiment, it is possible to achieve higher efficiency in the operation of the electric vehicle.
図5は、第1実施形態の制御態様の第1変形例の説明図である。
上述した考察に基づいて、図5に示す制御態様の第1変形例では、定トルク領域ではキャリア周波数を一定として非同期PWM制御を行う。
FIG. 5 is an explanatory diagram of a first modification of the control mode of the first embodiment.
Based on the above-described consideration, in the first modification of the control mode shown in FIG. 5, asynchronous PWM control is performed with a constant carrier frequency in the constant torque region.
そして、図5に示す制御態様の第1変形例では、インバータ周波数が増加してインバータの1周期あたりのパルス数が15パルスと一致したキャリア周波数(fc)にいたった以降は、インバータの1周期あたりのパルス数が15パルスを維持するように、キャリア周波数(fc)を高くしていく同期PWM制御を実施している。 Then, in the first modification of the control mode shown in FIG. 5, after the inverter frequency is increased and the number of pulses per cycle of the inverter reaches the carrier frequency (fc) that matches 15 pulses, one cycle of the inverter Synchronous PWM control is performed in which the carrier frequency (fc) is increased so that the number of pulses per pulse is maintained at 15 pulses.
図6は、第1実施形態の制御態様の第2変形例の説明図である。
図6に示す制御態様の第2変形例においても、図5に示した第1変形例と同様に、定トルク領域ではキャリア周波数を一定として非同期PWM制御を行う。
FIG. 6 is an explanatory diagram of a second modification of the control mode of the first embodiment.
Also in the second modified example of the control mode shown in FIG. 6, as in the first modified example shown in FIG. 5, asynchronous PWM control is performed with a constant carrier frequency in the constant torque region.
そして、図6に示す制御態様の第2変形例では、インバータ周波数が増加してインバータの1周期あたりのパルス数が21パルスと一致したキャリア周波数(fc)にいたった以降は、インバータの1周期あたりのパルス数が21パルスを維持するように、キャリア周波数(fc)を高くしていく同期PWM制御を実施している。 In the second modification of the control mode shown in FIG. 6, after the inverter frequency increases and the number of pulses per cycle of the inverter reaches the carrier frequency (fc) that matches 21 pulses, one cycle of the inverter Synchronous PWM control is performed in which the carrier frequency (fc) is increased so that the number of pulses per pulse is maintained at 21 pulses.
図7は、第1実施形態の制御態様の第3変形例の説明図である。
図7が図5の第1変形例と異なる点は、同期PWM制御において、インバータの1周期あたりのパルス数が15パルスを維持するように、キャリア周波数を高くしていった結果、キャリア周波数が最高値fcmaxに達してしまった点である。なお、最高値fcmaxは、装置自体の限界、あるいはこの限界に対して一定の余裕(例えば、安全を考慮した余裕)を持たせて設定することが好ましく、熱や演算処理時間によって制限される。
FIG. 7 is an explanatory diagram of a third modification of the control mode of the first embodiment.
FIG. 7 differs from the first modification of FIG. 5 in that, in synchronous PWM control, the carrier frequency is increased as a result of increasing the carrier frequency so that the number of pulses per period of the inverter is maintained at 15 pulses. This is the point where the maximum value fcmax has been reached. The maximum value fcmax is preferably set with a limit of the apparatus itself or a certain margin (for example, a margin considering safety) with respect to this limit, and is limited by heat and processing time.
本第3変形例の場合には、キャリア周波数が最高値fcmaxに達してしまった以降は、キャリア周波数を最高値fcmaxで維持することにより、インバータの1周期あたりのパルス数は15パルスから徐々に低下するものの、可能な限り損失を低減することができる。 In the case of the third modification, after the carrier frequency reaches the maximum value fcmax, the number of pulses per cycle of the inverter is gradually increased from 15 pulses by maintaining the carrier frequency at the maximum value fcmax. Although it is reduced, the loss can be reduced as much as possible.
図8は、第1実施形態の制御態様の第4変形例の説明図である。
図8が図5の第1変形例と異なる点は、同期PWM制御において、インバータの1周期あたりのパルス数が21パルスを維持するように、キャリア周波数を高くしていった結果、キャリア周波数が最高値fcmaxに達してしまった点である。
FIG. 8 is an explanatory diagram of a fourth modification of the control mode of the first embodiment.
FIG. 8 differs from the first modification of FIG. 5 in that, in the synchronous PWM control, the carrier frequency is increased as a result of increasing the carrier frequency so that the number of pulses per cycle of the inverter is maintained at 21 pulses. This is the point where the maximum value fcmax has been reached.
本第4変形例の場合にも、第3変形例と同様に、キャリア周波数が最高値fcmaxに達してしまった以降は、キャリア周波数を最高値fcmaxで維持することにより、インバータの1周期あたりのパルス数は21パルスから徐々に低下するものの、可能な限り損失を低減することができる。 Also in the case of the fourth modification, after the carrier frequency has reached the maximum value fcmax, the carrier frequency is maintained at the maximum value fcmax after the carrier frequency has reached the maximum value fcmax, as in the third modification. Although the number of pulses gradually decreases from 21 pulses, the loss can be reduced as much as possible.
図9は、第1実施形態の制御態様の第5変形例の説明図である。
図9が図5の第1変形例と異なる点は、同期PWM制御において、インバータの1周期あたりのパルス数が21パルスを維持するように、キャリア周波数を高くしていった結果、キャリア周波数が最高値fcmaxに達してしまった場合には、今度は、インバータの1周期あたりのパルス数が15パルスを維持するように、キャリア周波数を高くしていく。
FIG. 9 is an explanatory diagram of a fifth modification of the control mode of the first embodiment.
FIG. 9 differs from the first modification of FIG. 5 in that, in the synchronous PWM control, the carrier frequency is increased as a result of increasing the carrier frequency so that the number of pulses per period of the inverter is maintained at 21 pulses. If the maximum value fcmax has been reached, the carrier frequency is increased this time so that the number of pulses per period of the inverter is maintained at 15 pulses.
そして、再びキャリア周波数が最高値fcmaxに達してしまった以降は、キャリア周波数を最高値fcmaxで維持することにより、インバータの1周期あたりのパルス数は15パルスから徐々に低下するものの、損失の少ない同期PWM制御をより広い領域で維持することができる。
これらの制御態様の変形例によれば、電気車の運転において、より高効率を実現することが可能となっている。
After the carrier frequency reaches the maximum value fcmax again, by maintaining the carrier frequency at the maximum value fcmax, the number of pulses per period of the inverter gradually decreases from 15 pulses, but the loss is small. Synchronous PWM control can be maintained in a wider area.
According to the modified examples of these control modes, it is possible to achieve higher efficiency in the operation of the electric vehicle.
次に、図1に示した列車制御装置19が複数接続されて制御されている編成制御システムを前提として説明する。
ここで、編成制御システムとは、列車の編成を構成する複数車両の編成の車両構成、荷重状態、(車載)機器稼働状態、ブレーキ制御、トルク制御(若しくはノッチ指令、定速走行指令等の加速指令)を統括し管理するシステムをいう。
Next, a description will be given on the assumption of a composition control system in which a plurality of
Here, the formation control system is a vehicle configuration of a plurality of vehicles forming a train formation, a load state, an (on-vehicle) equipment operating state, a brake control, a torque control (or notch command, a constant speed travel command, etc.) A system that controls and manages (directive).
以下においては、ある現在速度において、列車制御装置19が列車情報TRとしてのトルク指令を、電流指令生成部30及びキャリア周波数演算部40に対して与えた場合について説明する。
Hereinafter, a case where the
図10は、第1実施形態の電気車制御装置の制御部の動作説明図である。
図10(a)は、現在速度vと、その現在速度に対応するトルク指令TAがモータ制御装置20に対して入力されている状態の説明図である。図10(a)において、Aはトルク指令TAに対応するトルクで、トルクBは、トルクAから最大出力トルクまでの差分トルクである。トルクA+トルクBで当該編成制御システムにおける通常時(常用動作時)の最大出力トルク(トルク最大出力曲線)となっている。
FIG. 10 is an operation explanatory diagram of the control unit of the electric vehicle control device of the first embodiment.
FIG. 10A is an explanatory diagram of a state in which the current speed v and a torque command TA corresponding to the current speed are input to the
このとき、キャリア周波数演算部40は、所定のトルク性能に対するトルク指令の割合からキャリア周波数(fc)を算出する。なお、キャリア周波数(fc)の算出に代えて、予め定めたテーブルから参照してキャリア周波数(fc)を求める等の他の構成とすることも可能である。
At this time, the carrier
図10(b)は、トルク指令に対応するトルクの最大出力トルクとの比である。
例えば、図10(b)に示すように、A/(A+B)が低くなるほどキャリア周波数(スイッチング周波数)を上げるように制御する。このときA/(A+B)=1は、モータ制御装置20における通常時のトルク出力最大値であり、冷却性能の限界値でインバータ1を駆動していることになる。
そのため、A/(A+B)>1の場合は、インバータを停止する。
FIG. 10B shows the ratio of the torque corresponding to the torque command to the maximum output torque.
For example, as shown in FIG. 10B, control is performed such that the carrier frequency (switching frequency) increases as A / (A + B) decreases. At this time, A / (A + B) = 1 is a normal torque output maximum value in the
Therefore, when A / (A + B)> 1, the inverter is stopped.
このような制御方法を用いることで、インバータ1の冷却性能の限界値内においてキャリア周波数をより高くすることが可能となる。
したがって、図4に示すようなインバータ周波数(速度)と併せてキャリア周波数(fc)を増加させることで、図3における15パルスあるいは21パルスと同様の制御を行っていることになり、誘導電動機2の高調波銅損を低減することが出来る。
By using such a control method, the carrier frequency can be made higher within the limit value of the cooling performance of the
Therefore, by increasing the carrier frequency (fc) together with the inverter frequency (speed) as shown in FIG. 4, the same control as the 15 pulses or 21 pulses in FIG. The harmonic copper loss can be reduced.
次に、列車制御装置19が列車情報TRとして、列車の荷重(Mcar)を電流指令生成部30及びキャリア周波数演算部40に対して与えた場合について説明する。
Next, a case where the
荷重検出器18によりある時点の荷重または全荷重を検出する。
通常、トルク指令は荷重に比例して設定するため、荷重が大きければトルクが増大するようにトルク指令を出力することになる。
The
Normally, since the torque command is set in proportion to the load, the torque command is output so that the torque increases if the load is large.
したがって、上述した場合と同様にモータ制御装置20の性能によりトルク出力最大曲線を有しているため、荷重(トルク)の減少に合わせて、キャリア周波数を増加させることが可能となる。
この場合においても、同様に図4に示したようなインバータ周波数の増加に併せてキャリア周波数(fc)を増加させることで、誘導電動機2の銅損を低減することが出来る。
Accordingly, since the torque output maximum curve is provided according to the performance of the
Also in this case, the copper loss of the
以上の説明のように、本第1実施形態によれば、インバータの出力性能の限界値内において、速度(トルク出力)に応じてキャリア周波数を可変にすることで、全速度域で電気車を駆動する装置が発生する損失を低減することが可能となる。 As described above, according to the first embodiment, by changing the carrier frequency according to the speed (torque output) within the limit value of the output performance of the inverter, the electric vehicle can be operated in the entire speed range. It is possible to reduce the loss generated by the driving device.
[1.1]第1実施形態の変形例
[1.1.1]第1変形例
以上の説明においては、キャリア周波数(fc)を速度(インバータ周波数)に応じてアナログ的(連続的)に変化させていたが、トルク指令や荷重条件に基づいて、ディジタル的(離散的)に変化させるように構成することも可能である。
[1.1] Modified Example of First Embodiment [1.1.1] First Modified Example In the above description, the carrier frequency (fc) is analog (continuously) according to the speed (inverter frequency). Although it is changed, it is also possible to configure it to change digitally (discretely) based on the torque command and the load condition.
図11は、キャリア周波数をディジタル的(離散的)に変化させる場合の説明図である。
例えば、図11に示すように、A/(A+B)の比率が所定値Dの閾値を超えた場合にキャリア周波数周波数を約30%低減させ、次の所定値Eの閾値を超えた場合にさらに30%低減させ、次の所定値Fの閾値を超えた場合にゼロ(すなわちインバータ停止)とする。このとき、所定値の設定はトルク指令、荷重条件等の列車情報TRに基づいて適宜設定可能である。
FIG. 11 is an explanatory diagram for changing the carrier frequency digitally (discretely).
For example, as shown in FIG. 11, when the ratio of A / (A + B) exceeds the threshold value of the predetermined value D, the carrier frequency frequency is reduced by about 30%, and further when the threshold value of the next predetermined value E is exceeded. When the threshold value of the next predetermined value F is exceeded, it is set to zero (that is, the inverter is stopped). At this time, the predetermined value can be set as appropriate based on the train information TR such as a torque command and a load condition.
このようにキャリア周波数(fc)を離散的に変化させる制御とすれば、制御自体を簡易的とすることができ、容易に省エネ効果の高い電気車制御装置を提供することが可能となる。 Thus, if it is set as control which changes a carrier frequency (fc) discretely, control itself can be simplified and it becomes possible to provide an electric vehicle control apparatus with a high energy-saving effect easily.
[1.1.2]第2変形例
また、本第1実施形態では誘導電動機(IM)の例を示したが、永久磁石同期電動機(PMSM)でも同様の効果が得られる。
[1.1.2] Second Modified Example In addition, although an example of an induction motor (IM) has been described in the first embodiment, a similar effect can be obtained with a permanent magnet synchronous motor (PMSM).
[1.1.3]第3変形例
また、以上の第1実施形態の説明においては、トルク指令や荷重条件に応じてキャリア周波数を変える場合について述べたが、このキャリア周波数可変の特性を、列車が走行する路線条件、走行曲線(列車種別)、編成条件(編成両数・MT比)に応じて適宜変更することも可能である。
[1.1.3] Third Modified Example In the above description of the first embodiment, the case where the carrier frequency is changed according to the torque command and the load condition has been described. It is also possible to appropriately change according to the route conditions on which the train travels, the traveling curve (train type), and the knitting conditions (the number of knitting cars / MT ratio).
[1.1.4]第4変形例
また、図1に示したキャリア周波数演算部40は、モータ制御装置20内に設けられている場合について説明したが、モータ制御装置20外に設けるように構成することも可能である。例えば、列車制御装置19において、キャリア周波数特性を変更するデータを外部のモータ制御装置20に送信し、それによってキャリア周波数特性を前述の路線条件、列車種別、編成条件等に応じて書き換えてもよい。
[1.1.4] Fourth Modification In addition, the carrier
[1.1.5]第5変形例
また、キャリア周波数演算部40を、車両の編成全体を統括する編成制御システム側に設け、編成内の各モータ制御装置20に対してキャリア周波数指令を送る構成とすることも可能である。
[1.1.5] Fifth Modification Also, the carrier
[1.1.6]第6変形例
以上の説明においては、編成制御システムにおける通常時(常用動作時)の最大出力トルク(トルク最大出力曲線)を超えないように制御していたが、例えば、故障停止した列車の救援措置の場合(健全な編成を連結し故障列車を救援運転する場合等)のように非常時(非常動作時)には、通常時(常用動作時)の最大出力トルク(トルク最大出力曲線)を超えて制御し動作させることが必要となる場合がある(非常時動作領域)。
[1.1.6] Sixth Modification In the above description, control is performed so as not to exceed the maximum output torque (torque maximum output curve) during normal operation (normal operation) in the knitting control system. In the case of emergency (emergency operation) as in the case of rescue measures for trains that have failed (such as when connecting a healthy train and rescue operation of a faulty train), the maximum output torque during normal operation (normal operation) It may be necessary to control and operate beyond the (maximum torque output curve) (emergency operation region).
図12は、非常時動作領域における制御説明図である。
図12に示す非常動作領域は、通常時(常用動作時)のトルク出力最大曲線を超えた領域でトルクを出力し、車両を走行させる領域(モード)である。
FIG. 12 is an explanatory diagram of control in the emergency operation region.
The emergency operation region shown in FIG. 12 is a region (mode) in which torque is output in a region exceeding the maximum torque output curve during normal operation (normal operation) and the vehicle is driven.
非常動作領域においては、通常時のトルク出力最大値をトルクAが超えることとなるので、実効的にB<0となる。
従って、トルク指令TAの割合からキャリア周波数を変更する場合、トルク指令TAの割合{A/(A+B)}>1となり、この場合には、逆にキャリア周波数(fc)を下げるように動作する。
この結果、通常時のトルク出力最大値を超えるトルクAを得ることが可能となる。
In the emergency operation region, the torque A exceeds the normal torque output maximum value, so that B <0 effectively.
Therefore, when the carrier frequency is changed from the ratio of the torque command TA, the ratio of the torque command TA {A / (A + B)}> 1, and in this case, the operation is performed to lower the carrier frequency (fc).
As a result, it is possible to obtain a torque A that exceeds the maximum torque output value at the normal time.
[1.1.7]第7変形例
また、列車制御装置19からモータ制御装置20へ伝送される指令が、連続値を採ることが可能な指令(連続指令)であるトルク指令ではなく、ノッチ指令等の離散指令(指令値が離散値を採る場合)である場合において、例えば、高加速スイッチ等の何らかの外部トリガによって非常動作領域にいたってしまう場合には、図12に示した非常動作領域のスイッチング周波数領域で動作するよう制御することも可能である。
[1.1.7] Seventh Modification Further, the command transmitted from the
[1.1.8]第8変形例
以上の説明は、インバータ1が正常動作していることを前提として説明したが、実際には、インバータ1を構成している半導体デバイス(半導体素子:トランジスタ、ダイオード等)は、寿命があり、信頼性の低下につながる。
[1.1.8] Eighth Modification Although the above description has been made on the assumption that the
そこで、本第8変形例は、列車制御装置19において、インバータ1を構成している半導体デバイスの寿命を推定することにより、全速度域で電気車を駆動する装置が発生する損失を低減しつつ、その信頼性を向上させる場合の変形例である。
Therefore, in the eighth modification, in the
すなわち、インバータ1を構成している半導体デバイスの寿命を推定することにより、半導体デバイスが故障に至る前に交換等のメンテナンスを行うことで信頼性を向上させるものである。
That is, by estimating the lifetime of the semiconductor device constituting the
本第8変形例において、半導体デバイス寿命の推定は、半導体デバイスのヒートサイクル継続時間(継続期間)の積算値(熱負荷情報:熱責務情報)、あるいは、半導体デバイス温度が所定熱温度以上になった場合の継続時間(継続期間)の積算値(熱負荷情報)に基づいて行うようにしている。 In the eighth modification, the semiconductor device lifetime is estimated by integrating the heat cycle duration (duration) of the semiconductor device (thermal load information: thermal responsibility information), or the semiconductor device temperature is equal to or higher than a predetermined thermal temperature. In this case, it is performed based on the integrated value (thermal load information) of the continuation time (continuation period).
これらの推定に用いる温度情報(熱負荷情報)としては、所定期間内のスイッチング回数や、スイッチングの継続時間、半導体デバイスへの電流量等に対応づけて、予め半導体デバイスの温度上昇の程度をデータテーブルなどとして格納しておき、格納したデータテーブルを参照して行うようにすれば、温度計測器を設けることなく簡易に温度情報として取得することができる。 As temperature information (heat load information) used for these estimations, the degree of temperature rise of the semiconductor device is preliminarily stored in association with the number of times of switching within a predetermined period, the duration of switching, the amount of current to the semiconductor device, etc. If stored as a table or the like and performed by referring to the stored data table, the temperature information can be easily obtained without providing a temperature measuring device.
この場合において、熱負荷を、インバータ1を構成する半導体デバイスに通電する電流値、半導体デバイスに供給されるキャリア周波数及び半導体デバイスの特性を用いて計算される半導体デバイスの損失に基づいて算出するようにしてもよい。
In this case, the heat load is calculated based on the value of the current supplied to the semiconductor device constituting the
さらに、インバータ1を構成する半導体デバイスに通電する電流値、半導体デバイスに供給されるキャリア周波数及び半導体デバイスの特性を用いて計算される半導体デバイスの損失に基づいて算出した熱負荷の算出結果を予め格納したテーブルを参照し、あるいは、熱負荷の算出結果を近似した近似式に基づいて算出するようにしてもよい。
Further, the calculation result of the thermal load calculated based on the value of the current flowing through the semiconductor device constituting the
これらの場合において、電気車制御装置が搭載される電気車の車両の走行速度から得られる素子冷却条件に関する情報を用いて熱負荷を補正するようにしてもよい。 In these cases, the heat load may be corrected using information on element cooling conditions obtained from the traveling speed of the electric vehicle on which the electric vehicle control device is mounted.
また、インバータ1の半導体デバイスの近傍にサーミスタ等の温度計測器を設け、温度を検出するようにしてもよい。
Further, a temperature measuring device such as a thermistor may be provided in the vicinity of the semiconductor device of the
これらの場合において、インバータ1を構成している半導体デバイスの推定された寿命については、モニタ出力をすることで、各モータ制御装置に搭載されるインバータ1を構成する半導体デバイスの状態を把握し、半導体デバイスが故障に至る前に把握し、対応可能となり、信頼性を向上させることができる。
In these cases, the estimated lifetime of the semiconductor device constituting the
[1.1.9]第9変形例
また、列車制御装置19からトルク指令をモータ制御装置20に伝送し、駆動システムの力行動作及び回生動作を実施するように構成してもよい。
[1.1.9] Ninth Modification In addition, a torque command may be transmitted from the
この場合には、誘導電動機2の電流検出器3により得られる実際の力行トルク及び回生トルクを情報制御装置19にフィードバックする。
これにより、情報制御装置19は、実際の力行トルク及び回生トルクにより全体のトルク指令を管理し、編成全体としての加速度・減速度が変化しないように制御する。
In this case, the actual power running torque and regenerative torque obtained by the
Thereby, the
この場合において、キャリア周波数を増加させることにより、インバータ1を構成している半導体デバイスの温度が上昇し、インバータ電流の絞り制御が行われることが考えられる。
In this case, it is conceivable that by increasing the carrier frequency, the temperature of the semiconductor device constituting the
そのため、実際の力行トルク及び回生トルクを編成全体を統括する列車制御装置19にフィードバックのために送信し、全体統括の列車制御装置19から同一編成に搭載されている各モータ制御装置20に負荷を分散させる制御を行う。
Therefore, the actual power running torque and the regenerative torque are transmitted for feedback to the
この結果、キャリア周波数(fc)を上げた場合に、第9変形例にしたがっていずれかのインバータでトルクを絞ることになったとしても目標とする、編成全体として加減速度を維持できる。 As a result, when the carrier frequency (fc) is increased, even if the torque is reduced by any of the inverters according to the ninth modification, the target acceleration / deceleration can be maintained as a whole.
[1.1.10]第10変形例
また、インバータ1の回生動作中において、インバータ1の装置温度が上昇した場合、インバータ1の回生動作(回生カット)を停止し、インバータ1装置の発熱を抑制することが考えられる。
[1.1.10] Tenth Modification Also, when the device temperature of the
このような場合に、従来はキャリア周波数を下げると誘導電動機2の制御性能が悪化し、軽負荷回生時の直流電圧が高くなることがあった。
そこで、本第10変形例においては、耐圧が高いSiCデバイス等の低損失デバイス・高温動作デバイスをインバータを構成する半導体デバイスに適用することで、スイッチング周波数を高く設定して使用できる。
In such a case, conventionally, when the carrier frequency is lowered, the control performance of the
Therefore, in the tenth modification, the switching frequency can be set high by applying a low-loss device / high-temperature operating device such as a SiC device having a high withstand voltage to the semiconductor device constituting the inverter.
したがって、インバータ1の温度上昇時に回生動作をカットする動作モード(インバータを停止して回生電力を機械ブレーキとして消費するモード)に移行する前にキャリア周波数を低減させることで、インバータ1の高温動作時においても回生カットせずにインバータの変換動作を継続できる。
これによって回生動作をカットする動作モードへの移行の可能性を減らし、省エネルギー化を安定的に維持することができる。
Therefore, the carrier frequency is reduced before shifting to an operation mode (mode in which the inverter is stopped and the regenerative power is consumed as a mechanical brake) when the temperature of the
As a result, the possibility of shifting to the operation mode for cutting the regenerative operation is reduced, and energy saving can be stably maintained.
また、推定もしくは計測されたインバータ1を構成する半導体デバイスの温度が所定の第1閾値に達した後には、半導体デバイスの温度が上昇するにしたがってキャリア周波数を低減させ、さらに当該キャリア周波数が所定値に達した後に、推定もしくは計測される半導体デバイスの温度が上昇する場合には、回生時の電流指令を減少させるようにしてもよい。
In addition, after the estimated or measured temperature of the semiconductor device constituting the
[1.2]第1実施形態の効果
以上の説明のように、本第1実施形態の電気車制御装置によれば、インバータの出力性能の限界値内において、トルク出力に応じてキャリア周波数を可変にすることで、全速度域で電気車を駆動する装置が発生する損失を低減することが可能となる。
[1.2] Effects of First Embodiment As described above, according to the electric vehicle control device of the first embodiment, the carrier frequency is set according to the torque output within the limit value of the output performance of the inverter. By making it variable, it is possible to reduce the loss generated by the device that drives the electric vehicle in the entire speed range.
[2]第2実施形態
次に、第2実施形態について図面を参照して、詳細に説明する。
[2] Second Embodiment Next, a second embodiment will be described in detail with reference to the drawings.
本第2実施形態が上記第1実施形態と異なる点は、励磁電流(d軸電流i1d)を生成させる電流指令生成部30の構成であり、本第2実施形態は、省エネルギーを図るとともに、応答性を確保することを目的としている。
以下、励磁電流(d軸電流i1d)を生成する電流指令生成部30の構成について詳細に説明する。
The second embodiment is different from the first embodiment in the configuration of the
Hereinafter, the configuration of the
ここで、本第2実施形態と第1実施形態との差を明確にするため、第1実施形態と比較して第2実施形態を説明する。
図13は、第1実施形態の電気車制御装置のトルクTQ、励磁電流id、電圧vの出力説明図である。
Here, in order to clarify the difference between the second embodiment and the first embodiment, the second embodiment will be described in comparison with the first embodiment.
FIG. 13 is an explanatory diagram of output of torque TQ, exciting current id, and voltage v of the electric vehicle control apparatus of the first embodiment.
第1実施形態の電気車制御装置では、図13に示すように電圧が制限されるZ点までは励磁電流(d軸電流i1d)が一定になるように電流指令(i1d*)が生成されている。
これは鉄道分野における電気車制御において、仮にトルク指令によって励磁電流を変更する構成を採った場合には、ノッチ指令、空転等に伴なって励磁電流が急変すると、磁束が遅れて追従するため、実際のトルク応答が遅くなってしまい好ましくないからである。
In the electric vehicle control apparatus of the first embodiment, as shown in FIG. 13, the current command (i1d *) is generated so that the excitation current (d-axis current i1d) is constant up to the Z point where the voltage is limited. Yes.
This is because, in the electric vehicle control in the railway field, if the excitation current is changed by the torque command, if the excitation current changes suddenly due to the notch command, idling, etc., the magnetic flux will follow with a delay, This is because the actual torque response is delayed, which is not preferable.
このため、鉄道用に用いられる電気車制御装置においては、励磁電流が一定となるように電流指令(i1d*)が生成されている。 For this reason, in the electric vehicle control apparatus used for railways, the current command (i1d *) is generated so that the excitation current is constant.
本第2実施形態においては、鉄道で特有のノッチ指令や空転などの過渡変化に対して実際のトルク応答を確保しつつ、励磁電流(d軸電流i1d)が損失最小となるような値を選択することで、高効率化を達成している。 In the second embodiment, a value is selected so that the excitation current (d-axis current i1d) has a minimum loss while ensuring an actual torque response to a transient change such as a notch command peculiar to railways and idling. By doing so, high efficiency is achieved.
図14は、第2実施形態の電気車制御装置のトルクTQ、励磁電流id、電圧vの出力説明図(その1)である。
すなわち、本第2実施形態においては、図14に示すように、定トルク領域(低速域)において励磁電流idを速度に応じて変更している。
FIG. 14 is an explanatory diagram (part 1) of output of torque TQ, exciting current id, and voltage v of the electric vehicle control apparatus of the second embodiment.
That is, in the second embodiment, as shown in FIG. 14, the excitation current id is changed in accordance with the speed in the constant torque region (low speed region).
この場合において、空転や滑走による過渡変化に対応するため、本第2実施形態においは、励磁電流(d軸電流i1d)を列車制御装置19から入力された車両速度情報vcarに基づいて変更する構成を採っている。この構成によれば、速度の変化が励磁電流に直接的に反映されることとなる。従って、励磁電流(d軸電流i1d)に応答して生成される磁束が、速度変化と対応することとなる。
このため、急激な過渡変化時の応答の遅れを防ぐことができる。
In this case, in order to cope with a transient change due to idling or sliding, in the second embodiment, the excitation current (d-axis current i1d) is changed based on the vehicle speed information vcar input from the
For this reason, it is possible to prevent a delay in response at the time of a sudden transient change.
図15は、図14の最適な励磁電流値(i1d0)の説明図である。
ここで、図14及び図15を用いて励磁電流の設定方法について説明する。図14に示すように電圧v0における励磁電流を励磁電流i1d0と設定する。励磁電流i1d0は、銅損が最小となるように設定する。具体的には設定方法を以下に説明する。
FIG. 15 is an explanatory diagram of the optimum excitation current value (i1d0) of FIG.
Here, a method for setting the excitation current will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 14, the exciting current at voltage v0 is set as exciting current i1d0. The exciting current i1d0 is set so that the copper loss is minimized. Specifically, the setting method will be described below.
図15の等トルク曲線TQeqは、トルクを一定にした場合の励磁電流とトルク電流が描く関数曲線である。また、図15の等トルク曲線に対応した、銅損関数が銅損曲線である。このとき、銅損曲線の最小点と同じ励磁電流値から求められる等トルク曲線の励磁電流値が、最適動作点(i1d0)である。つまり、銅損CuLossが最小となる励磁電流i1d0であり、下記の(1)式で計算される。 An equal torque curve TQeq in FIG. 15 is a function curve drawn by an excitation current and a torque current when the torque is constant. Further, the copper loss function corresponding to the equal torque curve in FIG. 15 is a copper loss curve. At this time, the exciting current value of the equal torque curve obtained from the same exciting current value as the minimum point of the copper loss curve is the optimum operating point (i1d0). That is, the exciting current i1d0 that minimizes the copper loss CuLoss is calculated by the following equation (1).
ここで、r1は固定子抵抗、r2は回転子抵抗、Mは相互インダクタンス、L2は回転子インダクタンスのパラメータをそれぞれ表す。これらのパラメータとしては、設計値を用いても良いし、実測値を用いても良い。可能であれば、相互インダクタンスMは磁気飽和を考慮した値を用いた方が良い。 Here, r1 is a stator resistance, r2 is a rotor resistance, M is a mutual inductance, and L2 is a rotor inductance parameter. As these parameters, design values may be used, or measured values may be used. If possible, it is better to use a value in consideration of magnetic saturation for the mutual inductance M.
また、電圧v1における励磁電流i1d1は銅損+鉄損が最小となる励磁電流i1dに設定する。具体的な設定方法を以下に説明する。 The exciting current i1d1 at the voltage v1 is set to an exciting current i1d that minimizes copper loss + iron loss. A specific setting method will be described below.
銅損CuLossについては、電圧v0の時と同様に(1)式で演算できる。
また、鉄損CoreLossについては、(2)式で演算できる。
The copper loss CuLoss can be calculated by the expression (1) as in the case of the voltage v0.
Moreover, about iron loss CoreLoss, it can calculate by (2) Formula.
ここで、rmは鉄損抵抗を表す。
この場合において、鉄損抵抗rmとして、設計値を用いても良いし、実測値を用いても良い。
Here, rm represents the iron loss resistance.
In this case, a design value may be used as the iron loss resistance rm, or an actual measurement value may be used.
図16は、図15に鉄損曲線と銅損+鉄損曲線を追加した図である。
励磁電流i1d1は、銅損+鉄損曲線が最小となるi1d1に設定する。
電圧v0から電圧v1の間の励磁電流i1dは、鉄損CoreLossのうち、ヒステリシス損は速度に比例、ジュール損は速度の2乗に比例することから、この間に設定すると良い。
FIG. 16 is a diagram in which an iron loss curve and a copper loss + iron loss curve are added to FIG.
The exciting current i1d1 is set to i1d1 that minimizes the copper loss + iron loss curve.
The excitation current i1d between the voltage v0 and the voltage v1 is preferably set between the iron loss CoreLoss since the hysteresis loss is proportional to the speed and the Joule loss is proportional to the square of the speed.
図17は、第2実施形態の電気車制御装置のトルクTQ、励磁電流i1d、電圧vの出力説明図(その2)である。
例えば、図14に示したように一次の式、あるいは、図17に示すように二次の式で近似すると処理が簡略でありながら、効率を向上することができる。
FIG. 17 is an explanatory diagram (part 2) of the output of the torque TQ, the excitation current i1d, and the voltage v of the electric vehicle control device of the second embodiment.
For example, if the approximation is performed by a primary expression as shown in FIG. 14 or a secondary expression as shown in FIG. 17, the efficiency can be improved while the processing is simple.
図18は、第2実施形態の電気車制御装置のトルク電流指令作成用テーブルの説明図である。
トルク電流指令については、電流指令生成部30は、図18に示すように、必要トルクを満たすように、励磁電流指令i1d*、トルク指令、車両速度、インバータ直流電圧からテーブルTBを参照して、インバータ直流電圧によらずに図13や図14のようなトルク曲線を満たすようにトルク電流指令i1q*を生成すればよい。
FIG. 18 is an explanatory diagram of a torque current command creation table of the electric vehicle control device of the second embodiment.
For the torque current command, the
また、図18に示したようなテーブルを用いずに、励磁電流指令i1d*、トルク指令、車両速度、インバータ直流電圧から、近似式を用いて計算しても良い。 Further, without using the table as shown in FIG. 18, the calculation may be performed using an approximate expression from the excitation current command i1d *, the torque command, the vehicle speed, and the inverter DC voltage.
これにより、インバータ直流電圧によらずに、所定のトルク曲線を満たすようにトルクを制御することができる。 Thereby, it is possible to control the torque so as to satisfy a predetermined torque curve without depending on the inverter DC voltage.
電流指令生成部30は、荷重情報Mcarを列車情報TRとして列車制御装置19から入力させ、荷重に応じても励磁電流を変更するように構成することも可能である。
図19は、第2実施形態の電気車制御装置のトルクTQ、励磁電流i1d、電圧vの出力説明図(その3)である。
The current
FIG. 19 is an output explanatory diagram (part 3) of the torque TQ, the excitation current i1d, and the voltage v of the electric vehicle control apparatus of the second embodiment.
図20は、図19の最適な励磁電流値の説明図である。
例えば、図19に示すように、荷重が小さいときには励磁電流i1dを小さくする。銅損(高負荷時=CuLossa、低負荷時=CuLossb)が最小になる励磁電流i1dは、図20に示すように、高負荷時(=i1da)と軽負荷時(=i1db)には異なる。
FIG. 20 is an explanatory diagram of the optimum excitation current value of FIG.
For example, as shown in FIG. 19, when the load is small, the exciting current i1d is reduced. Excitation current i1d that minimizes copper loss (high load = CuLossa, low load = CuLossb) is different between high load (= i1da) and light load (= i1db), as shown in FIG.
したがって、荷重が大きい高負荷の時には励磁電流i1dを大きくし(=励磁電流i1da)、荷重が小さい軽負荷の際には励磁電流i1dを小さくする(=励磁電流i1db)ことで、効率を向上することができる。 Therefore, the efficiency is improved by increasing the excitation current i1d (= excitation current i1da) when the load is high and high (= excitation current i1da) and decreasing the excitation current i1d (= excitation current i1db) when the load is light. be able to.
このように、トルク指令ではなく荷重によって励磁電流i1dを変更するようにしているので、ノッチ変更や空転時のトルク絞込み、軽負荷回生制御のトルク絞り込み時にも応答性を保ったまま、効率の向上が実現できる。 As described above, since the excitation current i1d is changed not by the torque command but by the load, the efficiency is improved while maintaining the responsiveness even when the notch is changed, the torque is narrowed down when idling, or the torque is narrowed down during light load regenerative control. Can be realized.
[2.1]第2実施形態の変形例
[2.1.1]第1変形例
上記第2実施形態の構成に対し、さらに、勾配情報を列車制御装置19から列車情報TRとしてもらい、勾配に応じても励磁電流を変更するように行使することも可能である。
[2.1] Modified Example of Second Embodiment [2.1.1] First Modified Example In addition to the configuration of the second embodiment, the gradient information is obtained as train information TR from the
例えば、勾配が登り勾配の時には、高負荷になるため励磁電流を大きくし、下り勾配の時には、軽負荷になるため励磁電流を小さくすることで効率を向上することができる。この時、トルク指令ではなく、勾配によって変更することで、トルクの応答性を保ったまま、効率の向上が実現できる。 For example, the efficiency can be improved by increasing the excitation current because the load is high when the gradient is uphill, and by reducing the excitation current because the load is light when the gradient is downhill. At this time, the efficiency can be improved while maintaining the response of the torque by changing not by the torque command but by the gradient.
または、定速走行指令を列車情報TRとして列車制御装置19から入力させる構成とし、定速走行指令が出ている際には励磁電流を小さくする。そして、定速走行指令が出ている際には、車両の速度を一定に保つようにトルクを発生させる。このとき、軽負荷になるため励磁電流を小さくすることで効率を向上することが出来る。
Alternatively, a constant speed travel command is input from the
さらに定速走行の際は、加速時や減速時と比較して軽負荷であるため、励磁電流を小さくすることによる効率向上効果が大きい。したがって、定速走行指令によって励磁電流を小さくすることで、簡単に大きな効率向上効果が期待できる。 Furthermore, during constant speed traveling, the load is lighter than when accelerating or decelerating, so the efficiency improvement effect by reducing the excitation current is great. Therefore, a large efficiency improvement effect can be easily expected by reducing the excitation current by the constant speed traveling command.
[2.2]第2実施形態の効果
以上の説明のように、本第2実施形態の電気車制御装置によれば、励磁電流を車両の特性に応じて可変とすることで、制御応答速度を従来と同等に確保しつつも、さらなる高効率化を実現することが可能となる。
[2.2] Effects of the Second Embodiment As described above, according to the electric vehicle control device of the second embodiment, the control response speed can be changed by making the excitation current variable according to the characteristics of the vehicle. It is possible to achieve higher efficiency while securing the same level as in the past.
[3]実施形態の効果
以上の説明のように、各実施形態によれば、さまざま駆動条件下であっても電気車を駆動する装置が発生する損失を低減し、省エネルギー化を図ることが可能となる。
[3] Effects of Embodiments As described above, according to each embodiment, it is possible to reduce the loss generated by the device for driving an electric vehicle even under various driving conditions, and to save energy. It becomes.
[4]実施形態の他の態様
以上の説明においては、第1実施形態の構成と、第2実施形態の構成と、を別個のものとして説明していたが、両実施形態の構成を組み合わせた構成とすることも可能である。
この構成によれば、制御応答速度を従来と同等に確保しつつ、全速度量域において、高効率化を実現し、省エネルギー化を図ることが可能となる。
[4] Other Aspects of Embodiments In the above description, the configuration of the first embodiment and the configuration of the second embodiment have been described as separate, but the configurations of both embodiments have been combined. A configuration is also possible.
According to this configuration, it is possible to achieve high efficiency and energy saving in the entire speed amount region while ensuring the control response speed equivalent to the conventional one.
上記で説明された全ての実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定するものではない。そのため、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 All the embodiments described above are presented by way of example and do not limit the scope of the invention. Therefore, the present invention can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the spirit of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope of the invention described in the claims and equivalents thereof.
100 電気車制御装置
1 インバータ
2 誘導電動機
3 電流検出器
4 パルスジェネレータ(PG)
10 フィルタコンデンサ(FC)
11 フィルタリアクトル(FL)
12 パンタグラフ
13 架線
14 車輪
15 レール
16 車両速度センサ
17 台車
18 荷重検出器
19 列車制御装置
20 モータ制御装置
21 積分器
22 PWM変調
23 第1座標変換部(UVW/dq)
24 第2座標変換部(dq/UVW)
25 電流制御部
27 すべり演算器
28 電流指令一次遅れフィルタ
29 加算器
40 キャリア周波数演算部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Electric
10 Filter capacitor (FC)
11 Filter reactor (FL)
12
24 Second coordinate converter (dq / UVW)
25 Current controller 27
Claims (24)
前記電動機の定出力制御域において前記インバータの出力周波数の増加に比例してキャリア周波数を増加させる制御部を備えた電気車制御装置。 In an electric vehicle control device that drives an electric motor by PWM control of an inverter,
An electric vehicle control device comprising a control unit that increases a carrier frequency in proportion to an increase in an output frequency of the inverter in a constant output control region of the electric motor.
請求項1記載の電気車制御装置。 The control unit sets the carrier frequency to a constant frequency higher than the carrier frequency in the constant torque control region, at least in the characteristic region.
The electric vehicle control device according to claim 1.
請求項1又は請求項2に記載の電気車制御装置。 The control unit sets the increase rate of the carrier frequency based on carrier frequency-loss characteristics acquired in advance, or travel information acquired during travel of an electric vehicle,
The electric vehicle control device according to claim 1 or 2.
請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の電気車制御装置。 Lowering the carrier frequency in response to an increase in the load on the electric vehicle,
The electric vehicle control device according to any one of claims 1 to 3.
請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の電気車制御装置。 Increasing the carrier frequency in response to a decrease in electric vehicle load,
The electric vehicle control device according to any one of claims 1 to 4.
電気車制御装置。 The carrier frequency is increased when the ratio of the actual output torque with respect to the predetermined torque value set in advance or the ratio of the torque command value commanded from the external device such as the monitor device is decreased, and the carrier frequency is decreased when the ratio is increased,
Electric vehicle control device.
請求項1乃至請求項6のいずれかに記載の電気車制御装置。 The control unit, when a torque higher than the normal maximum output torque is set as the output torque, set to a carrier frequency lower than the carrier frequency used in the normal time,
The electric vehicle control device according to any one of claims 1 to 6.
請求項1乃至請求項7のいずれかに記載の電気車制御装置。 The control unit controls the excitation current to be supplied to the electric motor based on the excitation current-loss characteristic acquired in advance and the speed of the electric vehicle.
The electric vehicle control device according to any one of claims 1 to 7.
請求項8記載の電気車制御装置。 The control unit controls the excitation current so that copper loss and iron loss of the electric motor are minimized.
The electric vehicle control device according to claim 8.
請求項8又は請求項9記載の電気車制御装置。 The control unit sets an excitation current to be supplied to the electric motor according to a load of the electric vehicle.
The electric vehicle control device according to claim 8 or 9.
請求項10記載の電気車制御装置。 The control unit sets a large excitation current for the electric motor when the load of the electric vehicle is large, and sets a small value when the load is small.
The electric vehicle control device according to claim 10.
請求項8乃至請求項11のいずれかに記載の電気車制御装置。 The controller sets the excitation current to be larger as the vehicle speed is accelerated according to the vehicle speed information, and sets the excitation current to be smaller as the vehicle speed is decelerated.
The electric vehicle control device according to any one of claims 8 to 11.
請求項8乃至請求項12のいずれかに記載の電気車制御装置。 The control unit corrects the torque current according to the input target torque command when setting the excitation current.
The electric vehicle control device according to any one of claims 8 to 12.
予め取得した励磁電流−損失特性および電気車の速度に基づいて前記電動機に供給させる励磁電流を制御する制御部を備えた電気車制御装置。 In an electric vehicle control device that drives an electric motor by PWM control of an inverter,
An electric vehicle control device including a control unit that controls an excitation current to be supplied to the electric motor based on an excitation current-loss characteristic acquired in advance and a speed of the electric vehicle.
請求項14記載の電気車制御装置。 The control unit controls the excitation current so that copper loss and iron loss of the electric motor are minimized.
The electric vehicle control device according to claim 14.
請求項14又は請求項15記載の電気車制御装置。 The control unit sets an excitation current to be supplied to the electric motor according to a load of the electric vehicle.
The electric vehicle control device according to claim 14 or 15.
請求項16記載の電気車制御装置。 The control unit sets a large excitation current for the electric motor when the load of the electric vehicle is large, and sets a small value when the load is small.
The electric vehicle control device according to claim 16.
請求項14乃至請求項17のいずれかに記載の電気車制御装置。 The controller sets the excitation current to be larger as the vehicle speed is accelerated according to the vehicle speed information, and sets the excitation current to be smaller as the vehicle speed is decelerated.
The electric vehicle control device according to any one of claims 14 to 17.
請求項14乃至請求項18のいずれかに記載の電気車制御装置。 The control unit corrects the torque current according to the input target torque command when setting the excitation current.
The electric vehicle control device according to any one of claims 14 to 18.
請求項1乃至請求項19のいずれかに記載の電気車制御装置。 The control unit calculates a thermal load of a semiconductor device that constitutes the inverter, and estimates a lifetime of the semiconductor device based on the calculated thermal load.
The electric vehicle control device according to any one of claims 1 to 19.
請求項20記載の電気車制御装置。 The control unit obtains the thermal load as an integrated value of a heat cycle duration time of a semiconductor device constituting the inverter or an integrated value of a duration time when the semiconductor device temperature is equal to or higher than a predetermined thermal temperature.
The electric vehicle control device according to claim 20.
請求項20又は請求項21記載の電気車制御装置。 The control unit calculates the thermal load based on a semiconductor device loss calculated using a value of a current flowing through a semiconductor device constituting the inverter, a carrier frequency supplied to the semiconductor device, and characteristics of the semiconductor device. To
The electric vehicle control device according to claim 20 or claim 21.
請求項20乃至請求項22のいずれかに記載の電気車制御装置。 The control unit is configured to calculate the thermal load calculated based on a value of a current supplied to the semiconductor device constituting the inverter, a carrier frequency supplied to the semiconductor device, and a loss of the semiconductor device calculated using characteristics of the semiconductor device. Refer to a table that stores the calculation results in advance, or calculate based on an approximate expression that approximates the calculation results of the thermal load,
The electric vehicle control device according to any one of claims 20 to 22.
請求項20乃至請求項23のいずれかに記載の電気車制御装置。 The control unit corrects the thermal load using information on element cooling conditions obtained from a traveling speed of a vehicle on which the electric vehicle control device is mounted.
The electric vehicle control device according to any one of claims 20 to 23.
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