JP5121200B2 - 永久磁石電動機の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石による力とリラクタンストルクの双方を利用した永久磁石電動機の制御装置に関する。

最近の電動機は、誘導電動機に代わり永久磁石電動機が使用されるようになってきている。特に、この永久磁石電動機は回転子に装着される永久磁石をＶ字状に配置して突極性を持たせることでリラクタンストルクが発生する。従って、永久磁石による力とリラクタンストルクを併せて利用する電動機は、広い速度制御範囲が要求されるＨＥＶや電車には好適である。

このリラクタンストルクを併用した永久磁石電動機は、誘導機やリラクタンストルクを用いない永久磁石電動機に比べ、トルクに応じて電動機電圧が大きく変動するという特徴がある。

従って、このようなリラクタンストルクを併用した永久磁石電動機を交流電車に適用した場合、ノッチの増減や乗車率によってトルクが変化するため、電動機電圧もトルクが変化する毎に変動する。

ところで、かかるリラクタンストルクを併用した永久磁石電動機を制御するには、コンバータにより交流電圧を直流電圧に変換し、この直流電圧を平滑コンデンサで平滑した後、インバータにより周波数制御された交流電圧に変換して電動機に与えることで制御している。

この場合、コンバータにより変換された直流電圧は、力行加速時、力行から惰行時及び惰行での自然減速時のいずれの速度領域も、最大トルクのときの電動機電圧に対応させた制御範囲で制御されている。

しかし、上記のように最大トルクのときの電動機電圧に対応させて制御された直流電圧をインバータによりスッチング制御すると、基本波１周期あたりのスイッチング損失が多くなるため、システム効率が低下し、しかもインバータのスイッチング損失よる発熱量も多く、これに見合った容量のインバータとする必要がある。

本発明は上記のような事情に鑑みてなされたもので、インバータに入力される直流電圧をトルク、あるいは電動機電圧に応じて好適に制御することにより、システム効率を向上させることができると共に、インバータの損失を低減させてより小型化を図ることができるリラクタンストルクを併用した永久磁石電動機の制御装置を提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するため、次のような手段により永久磁石電動機の制御装置を構成するものである。

本発明は、直流電源と、この直流電源の直流電圧を周波数制御された交流電圧に変換してリラクタンストルクを併用した永久磁石電動機を駆動制御するＶＶＶＦインバータと、前記直流電源の直流電圧をトルク指令に応じて変動させる直流電圧制御手段とを備え、前記直流電圧制御手段は、前記トルク指令の絶対値が小さいとき前記ＶＶＶＦインバータのスイッチングパルス数を低パルス数にして直流電圧を下げるものである。

また、本発明は上記永久磁石電動機の制御装置において、永久磁石電動機の制御装置において、前記直流電源は、交流電車の架線より入力する単相交流を直流に変換するコンバータであり、前記永久磁石電動機は前記交流電車を駆動する電動機であり、前記直流電圧制御手段は前記永久磁石電動機電圧あるいはトルクに応じて前記コンバータを制御して直流電圧を変動させる。

本発明によれば、インバータに入力される直流電圧をトルク、あるいは電動機電圧に応じて好適に制御することにより、システム効率を向上させることができると共に、インバータの損失を低減させてより小型化を図ることができる。

以下本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は本発明によるリラクタンストルクを併用した永久磁石電動機の制御装置を交流電車に適用した場合の第１の実施形態を示す回路構成図である。

図１において、１は架線２よりパンタグラフ３を介して車輪４に流れる交流電流により一次側が励磁される単巻変圧器で、この単巻変圧器１の二次側の単相交流電圧はコンバータ５より直流電圧に変換される。この直流電圧は平滑用コンデンサ６により平滑されてＶＶＶＦインバータ７に加えられ、このＶＶＶＦインバータ７は、直流電圧を周波数制御された交流電圧に変換してリラクタンストルクを併用した永久磁石電動機８に与えている。

これら変圧器１、コンバータ５、平滑用コンデンサ６及びＶＶＶＦインバータ７は、永久磁石電動機８を駆動制御する主回路を構成している。

一方、１０はノッチの増減、車両の応荷重（乗車率）に応じたトルク指令値を出力するトルク指令回路、１１はこのトルク指令回路１０より入力されるトルク指令値に基づき基本波１周期あたりのパルスモードとして多パルスモード、３パルスモード、１パルスモードのいずれかを選択してＶＶＶＦインバータ７をスイッチング制御するインバータ制御回路である。

また、１２はトルク指令回路１０より出力されるトルク指令値と図示しない回転検出計により検出された永久磁石電動機８の回転数又は回転速度検出信号がそれぞれ入力され、これら両信号に基づいて直流電圧の目標値を設定する直流電圧目標値設定回路、１３はこの直流電圧目標値設定回路１２より出力される直流電圧目標値ＶdcRefと直流電圧検出器により検出された平滑用コンデンサ６の両端子間の直流電圧Ｖdcとを比較する比較器、１４はこの比較器１３より出力される直流電圧目標値ＶdcRefと直流電圧Ｖdcとの偏差が入力され、コンバータ５より出力される直流電圧を可変制御する電圧制御回路である。

次に上記のように構成された永久磁石電動機の作用について図２に示すグラフを参照しながら説明する。

図２において、コンバータ５よって可変できる直流電圧の制御範囲は、太線矢印で示すように最大直流電圧値とその約１／２の直流電圧値との間で、且つ力行加速時、力行から惰行時及び惰行での自然減速時の各速度領域に対して、最大トルクのときの電動機電圧と最小トルクのときの電動機電圧に対応させた制御範囲で制御される。

ここで、平滑用コンデンサ６の両端子間の直流（リンク）電圧と電動機端子電圧の関係は、
Ｖmoter（端子間電圧のＲＭＳ）＝変調率ＡＬ×直流（リンク）電圧×√６／π
変調率ＡＬは電動機電圧／直流電圧であり、インバータで制御できる係数で、０〜１までである。

まず、交流電車が力行加速のとき、電圧制御回路１４によりコンバータ５が制御される直流電圧は制御範囲の下限から上限の間で、且つ最大トルクのときの電動機電圧に対応させた制御範囲内で（１）→（２）→（３）→（４）のように可変制御される。

次に交流電車が力行から惰行のとき、電圧制御回路１４によりコンバータ５が制御される直流電圧は制御範囲の上限から最小トルクのときの電動機電圧に対応させた制御範囲内で（４）→（５）のように可変制御される。

次いで交流電車が惰行で自然に減速させるとき、電圧制御回路１４によりコンバータ５が制御される直流電圧は最小トルクのときの電動機電圧に対応させた制御範囲内で、且つ直流電圧の制御範囲の下限までの（５）→（６）→（７）のように可変制御される。

このように力行加速時、力行から惰行時及び惰行による自然減速時の各速度領域において、コンバータにより変換される直流電圧をそのときのトルク、あるいは電動機電圧に応じて変動させるようにしている。

従って、図２にハッチングにて示す力行から惰行に至る（４）→（５）→（６）の領域では、インバータ７はインバータ制御回路１１によりパルスモードとして１パルスモードが選択されて基本波１周期あたり１回のスイッチングにより制御されるので、スイッチング損失が最小なる。

また、惰行による自然減速に至る（６）→（７）の領域では、直流電圧が可変制御範囲の下限にあるため、インバータ７はインバータ制御回路１１によりパルスモードとして３パルスモードが選択されて基本波１周期あたり３回のスイッチングにより制御されるので、１パルスモードよりもスイッチング損失が大きくなる。

さらに、電動機電圧が低下し、直流電圧がその下限より下げられないときは、インバータ７はインバータ制御回路１１によりパルスモードとして多パルスモードが選択されて基本波１周期あたり多数回のスイッチングにより制御される。

このように本発明の第１の実施形態では、トルクに応じて電動機電圧が大きく変動するリラクタンストルクを併用した永久磁石電動機を交流電車に適用する場合、架線の単相交流をコンバータ５により直流に変換してインバータ７に入力する直流電圧をトルク（乗車率やノッチ）の絶対値が小さいときは下げ、大きいときは上げるべく変動させるようにしたので、特にトルクの絶対値が小さいときはＶＶＶＦインバータ７の基本波１周期あたりのスイッチングパルス数を低パルス、例えば１パルスとすることが可能となる。従って、システム効率を向上させることができると共に、インバータの損失を低減させてより小型化を図ることができ、しかも電動機に与える高調波を抑制できることから低騒音化にも寄与できる。

次に本発明の第２の実施形態について図３を参照して説明する。

図３において、第１の実施形態では交流電車が加速のときの直流電圧は制御範囲の下限から上限の間で、且つ最大トルクのときの電動機電圧に対応させた制御範囲内で（１）→（２）→（３）→（４）のように可変制御され、また加速から減速のときの直流電圧は制御範囲の上限から最小トルクのときの電動機電圧に対応させた制御範囲内で（４）→（５）のように可変制御（力行＞ブレーキ力という想定なので、電圧は低くてよい）される。さらに惰行により減速させるときの直流電圧は最小トルクのときの電動機電圧に対応させた制御範囲内で、直流電圧の制御範囲の下限までの（５）→（６）→（７）のように可変制御される。

しかし、交流電車を惰行により減速させる際、直流電圧は単相交流電源周波数の２倍の周波数、例えば電源周波数が６０Ｈｚの場合には１２０Ｈｚ）で脈動し、この２倍の周波数に電動機の周波数が一致するとビート現象が発生する。

このビート現象を抑制する手段としては、次の２つの方式がある。

（Ａ）位相制御方式：誘導機の場合には、この位相制御方式を実施している。この方式は出力電圧が大きく、効率的には優位であるが、制御的に調整が難しく、原理的に脈動はなくならない。

（Ｂ）変調率制御方式：この方式は位相制御方式の逆である。

リラクタンストルクを利用した永久磁石電動機では、上記（Ａ）の方式を実施するとき、モータパラメータ（Ｌｄ，Ｌｑ）が必要になるが、磁気飽和によりＬｄ，Ｌｑが大きく変動するため、ビート現象の抑制は困難であると想定される。

従って、本発明の制御対象であるリラクタンストルクを利用した永久磁石電動機の場合には、（Ｂ）の変調率制御方式を実施するのが好適である。このとき、直流電圧は、変調率が１未満となるように電源周波数の２倍の周波数帯で確保しておく必要がある。

本発明の第２実施形態では、図１の直流電圧目標値設定回路１２に電動機の回転数から電動機電圧を予測すると共に、電動機の周波数が１２０Ｈｚ付近になったとき直流電圧を電動機電圧よりも高い値に補正する機能を持たせたものである。

このようにすれば、惰行により減速させるときの直流電圧は最小トルクのときの電動機電圧に対応させた制御範囲内で低下していくが、電動機の周波数が単相交流電源周波数の２倍の周波数、ここでは１２０Ｈｚ付近になると、直流電圧を電動機電圧よりも高くなり、惰行により減速させるときの直流電圧は（５）→（８）→（９）→（１０）→（７）のように可変制御される。

従って、ＶＶＶＦインバータ１１の変調率（電動機電圧／直流電圧）は１未満となり、永久磁石電動機に発生するビート現象を抑制することができる。

なお、前述した第１及び第２の実施形態では、リラクタンストルクを併用した永久磁石電動機を交流電車に適用した場合について述べたが、本発明は広い速度制御範囲のＨＥＶなど、他の産業機器にも適用することができる。

本発明によるリラクタンストルクを併用した永久磁石電動機の制御装置の第１の実施形態を示す回路構成図。 同実施形態の作用を説明するためのグラフを示す図。 本発明の第２の実施形態を説明するためのグラフを示す図。

符号の説明

１…単巻変圧器、２…架線、３…パンタグラフ、４…車輪、５…コンバータ、６…平滑用コンデンサ、７…ＶＶＶＦインバータ、８…リラクタンストルクを併用した永久磁石電動機、１０…トルク指令回路、１１…インバータ制御回路、１２…直流電圧目標値設定回路、１３…比較器、１４…電圧制御回路。

Claims (9)

1. 直流電源と、この直流電源の直流電圧を周波数制御された交流電圧に変換してリラクタンストルクを併用した永久磁石電動機を駆動制御するＶＶＶＦインバータと、
   前記直流電源の直流電圧をトルク指令に応じて変動させる直流電圧制御手段とを備え、
   前記直流電圧制御手段は、前記トルク指令の絶対値が小さいとき前記ＶＶＶＦインバータのスイッチングパルス数を低パルス数にして直流電圧を下げることを特徴とする永久磁石電動機の制御装置。
2. 請求項１記載の永久磁石電動機の制御装置において、
   前記低パルス数は１パルスであることを特徴とする永久磁石電動機の制御装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の永久磁石電動機の制御装置において、
   前記直流電圧制御手段は、前記トルク指令の絶対値が大きいとき直流電圧を上げることを特徴とする永久磁石電動機の制御装置。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の永久磁石電動機の制御装置において、
   前記直流電源は、交流電車の架線より入力する単相交流を直流に変換するコンバータであり、
   前記永久磁石電動機は前記交流電車を駆動する電動機であり、
   前記直流電圧制御手段は前記トルク指令に応じて前記コンバータを制御して直流電圧を変動させることを特徴とする永久磁石電動機の制御装置。
5. 請求項４記載の永久磁石電動機の制御装置において、
   前記トルク指令は乗車率に基づいて決定することを特徴とする永久磁石電動機の制御装置。
6. 請求項４記載の永久磁石電動機の制御装置において、
   前記トルク指令はノッチに基づいて決定することを特徴とする永久磁石電動機の制御装置。
7. 請求項４記載の永久磁石電動機の制御装置において、
   前記直流電圧制御手段は、前記交流電車が惰行中は直流電圧を下げるように前記コンバータを制御することを特徴とする永久磁石電動機の制御装置。
8. 請求項４記載の永久磁石電動機の制御装置において、
   前記直流電圧制御手段は、少なくとも単相交流の電源周波数の２倍周波数帯では前記ＶＶＶＦインバータの変調率が１未満になるように前記コンバータを制御することを特徴とする永久磁石電動機の制御装置。
9. 請求項８記載の永久磁石電動機の制御装置において、
   前記コンバータは、変調率により補正された直流電圧を出力することを特徴とする永久磁石電動機の制御装置。

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