JP2006340448A - Electric motor control device - Google Patents
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Abstract
【課題】 低速領域において従来よりもコンバータ出力電圧を大きく低下させることができ、また従来よりも広い範囲で直流リンク電圧を低下させることを可能にすること。
【解決手段】 コンバータ制御回路9は、所定の特性曲線にしたがって、直流リンク電圧が交流電動機5の速度に応じた目標電圧値となるようにDC/DCコンバータ2に対してDC/DC変換制御を行う。このとき、直流リンク電圧が最小となる低速領域での目標電圧は直流源1の出力電圧よりも低くなっているため、VVVFインバータ4におけるスイッチング損失抑制効果を向上させることができる。
【選択図】 図1PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce a converter output voltage significantly in a low speed region as compared with the conventional one and to reduce a DC link voltage in a wider range than conventional.
A converter control circuit performs DC / DC conversion control on a DC / DC converter so that a DC link voltage becomes a target voltage value corresponding to the speed of the AC motor according to a predetermined characteristic curve. Do. At this time, since the target voltage in the low speed region where the DC link voltage is minimum is lower than the output voltage of the DC source 1, the switching loss suppression effect in the VVVF inverter 4 can be improved.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、DC/DCコンバータからの直流電力をVVVFインバータが可変電圧可変周波数制御した交流電力に変換し、この変換した交流電力を交流電動機に出力する電動機制御装置に関するものである。 The present invention relates to an electric motor control device that converts direct current power from a DC / DC converter into alternating current power that is subjected to variable voltage variable frequency control by a VVVF inverter, and outputs the converted alternating current power to an alternating current motor.
電車などの鉄道用車両、あるいはハイブリッド車両などにおいては、架線又は燃料電池等の直流源から出力される直流電力をコンバータがDC/DC変換し、さらにこのDC/DC変換された直流電力をインバータが可変電圧可変周波数制御した交流電力に変換し、この交流電力を交流電動機に出力する構成が一般的なものとなっている。 In railway vehicles such as trains or hybrid vehicles, a converter DC / DC converts DC power output from a DC power source such as an overhead wire or a fuel cell, and an inverter converts the DC / DC converted DC power. A general configuration is such that the AC voltage is converted into AC power controlled by variable voltage and variable frequency, and the AC power is output to the AC motor.
ところで、インバータが上記の可変電圧可変周波数制御を行う際は、スイッチング素子を高い周波数でスイッチング動作しなければならないため、スイッチング損失が発生する。車両走行時のエネルギー損失を低減し、車両走行距離を伸ばすためにはこのスイッチング損失の発生を極力抑制することが重要となる。 By the way, when the inverter performs the above variable voltage variable frequency control, the switching element must be switched at a high frequency, so that a switching loss occurs. In order to reduce energy loss during vehicle travel and extend the vehicle travel distance, it is important to suppress the occurrence of this switching loss as much as possible.
そして、上記のスイッチング損失は交流電動機の低速領域で顕著となるため、従来から低速領域においてはコンバータの出力電圧(すなわちインバータの入力電圧)を低下させる技術が採用されてきている(例えば特許文献1参照)。
しかし、従来技術においては、コンバータ出力電圧を低下させるといってもせいぜい直流源の入力電圧のレベルまでであり、また、コンバータ出力電圧を低下させることができる範囲がそれほど広いものではなかったことから、スイッチング損失の発生を抑制する効果を充分に得ることができなかった。 However, in the prior art, the converter output voltage is reduced to the level of the input voltage of the DC source at most, and the range in which the converter output voltage can be reduced is not so wide. The effect of suppressing the generation of switching loss could not be sufficiently obtained.
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、低速領域において従来よりもコンバータ出力電圧を大きく低下させることができ、また従来よりもコンバータ出力電圧を低下させることができる範囲を広くすることが可能な電動機制御装置を提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and in the low-speed region, the converter output voltage can be greatly reduced as compared with the conventional case, and the range in which the converter output voltage can be reduced as compared with the conventional case is widened. An object of the present invention is to provide a possible motor control device.
上記課題を解決するための手段として、請求項1記載の発明は、直流源からの直流電力をDC/DC変換するDC/DCコンバータと、前記DC/DCコンバータからの直流電力を可変電圧可変周波数制御した交流電力に変換して交流電動機に出力するVVVFインバータと、前記DC/DCコンバータ出力側又は前記VVVFインバータ入力側の直流リンク電圧が、前記交流電動機の速度に応じた目標電圧値となるようにDC/DC変換制御を行うコンバータ制御回路と、前記VVVFインバータに対する可変電圧可変周波数制御を行うインバータ制御回路と、を備えた電動機制御装置において、前記DC/DCコンバータは降圧可能なものであって、前記交流電動機の速度が所定値以下の低速領域では、前記直流リンク電圧が前記直流源の出力電圧以下となるように、速度に応じて前記直流リンク電圧の目標電圧を低下させる、ことを特徴とする。
As means for solving the above-mentioned problems, the invention described in
請求項2記載の発明は、直流源からの直流電力をDC/DC変換するDC/DCコンバータと、前記DC/DCコンバータからの直流電力を可変電圧可変周波数制御した交流電力に変換して交流電動機に出力するVVVFインバータと、前記DC/DCコンバータ出力側又は前記VVVFインバータ入力側の直流リンク電圧が、前記交流電動機の速度に応じた目標電圧となるようにDC/DC変換制御を行うコンバータ制御回路と、外部からのトルク指令に一致したトルクが前記交流電動機より出力されるように前記VVVFインバータに対する可変電圧可変周波数制御を行うインバータ制御回路と、を備えた電動機制御装置において、前記目標電圧は、前記直流リンク電圧を前記DC/DCコンバータの定格運転電圧以下とするものであり、前記コンバータ制御回路が前記外部からのトルク指令を入力することにより得られるものである、ことを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, there is provided a DC / DC converter for DC / DC converting DC power from a DC source, and an AC motor by converting DC power from the DC / DC converter into AC power with variable voltage and variable frequency control. And a converter control circuit for performing DC / DC conversion control so that the DC link voltage on the DC / DC converter output side or the VVVF inverter input side becomes a target voltage corresponding to the speed of the AC motor. And an inverter control circuit that performs variable voltage variable frequency control on the VVVF inverter so that torque that matches an external torque command is output from the AC motor, the target voltage is: The DC link voltage is set to be equal to or lower than the rated operating voltage of the DC / DC converter. It is obtained by the converter control circuit inputs a torque command from the outside, characterized in that.
請求項3記載の発明は、請求項2記載の発明において、前記VVVFインバータは、前記可変電圧可変周波数制御をベクトル制御に基づき行うものであって、前記トルク指令が変化した場合には、このトルク指令に応じてトルク電流Iqだけでなく磁化電流Idも変化させるものであり、これにより前記コンバータ制御回路が前記直流リンク電圧を前記DC/DCコンバータの定格運転電圧以下とする制御を可能にする、ことを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the second aspect of the invention, the VVVF inverter performs the variable voltage variable frequency control based on vector control. When the torque command changes, the torque In response to the command, not only the torque current Iq but also the magnetizing current Id is changed, thereby enabling the converter control circuit to control the DC link voltage to be equal to or lower than the rated operating voltage of the DC / DC converter. It is characterized by that.
請求項4記載の発明は、請求項3記載の発明において、前記交流電動機は誘導電動機であって、前記磁化電流Idを前記トルク電流Iqと等しくする、ことを特徴とする。
The invention according to
請求項5記載の発明は、請求項1乃至4のいずれかに記載の発明において、前記直流リンク電圧についての前記目標電圧と前記交流電動機の速度との間の特性曲線は、直流リンク電圧レベルが一定且つ最小レベルとなる第1の領域と、直流リンク電圧レベルが前記最小レベルから最大レベルまで漸増する第2の領域と、前記直流リンク電圧レベルが前記最大レベルに到達した以降に一定となる第3の領域と、を有するものである、ことを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the invention according to any one of the first to fourth aspects, a characteristic curve between the target voltage and the speed of the AC motor for the DC link voltage has a DC link voltage level of A first region that is constant and minimum level, a second region where the DC link voltage level gradually increases from the minimum level to the maximum level, and a first region that becomes constant after the DC link voltage level reaches the maximum level. And 3 regions.
請求項6記載の発明は、請求項5記載の発明において、前記VVVFインバータは、前記第2及び第3の領域での基本波1周期内のスイッチング回数を、第1の領域の基本波1周期内のスイッチング回数より小さくなるように制御する、ことを特徴とする。 According to a sixth aspect of the present invention, in the fifth aspect of the invention, the VVVF inverter determines the number of switchings within one period of the fundamental wave in the second and third regions as one period of the fundamental wave of the first region. It controls to become smaller than the number of times of switching.
請求項7記載の発明は、請求項6記載の発明において、前記VVVFインバータは、前記第2及び第3の領域では1パルスモードに基づく前記可変電圧可変周波数制御を行うものである、ことを特徴とする。
The invention according to claim 7 is the invention according to
請求項8記載の発明は、請求項1乃至7のいずれかに記載の発明において、前記DC/DCコンバータは2象限動作が可能な構成であり、前記VVVFインバータ側からの回生電力を前記直流源側に回生可能なものである、ことを特徴とする。
The invention according to
請求項9記載の発明は、請求項1乃至7のいずれかに記載の発明において、前記DC/DCコンバータは降圧チョッパ型コンバータであり、前記直流リンク電圧の最大レベルを前記直流源の出力電圧と等しくした、ことを特徴とする。
The invention according to claim 9 is the invention according to any one of
請求項10記載の発明は、請求項1乃至9のいずれかに記載の発明において、前記交流電動機は電車用電動機であり、前記直流源は架線である、ことを特徴とする。 According to a tenth aspect of the present invention, in the invention according to any one of the first to ninth aspects, the AC motor is a train motor, and the DC source is an overhead wire.
請求項11記載の発明は、請求項1乃至9のいずれかに記載の発明において、前記直流源は、燃料電池又は2次電池である、ことを特徴とする。 According to an eleventh aspect of the present invention, in the invention according to any one of the first to ninth aspects, the DC source is a fuel cell or a secondary battery.
本発明によれば、直流リンク電圧が最小となる低速領域での目標電圧を直流源の出力電圧よりも低く設定したり、あるいは広い範囲で直流リンク電圧を低下させることができるので、VVVFインバータにおけるスイッチング損失抑制効果を従来よりも向上させることが可能である。 According to the present invention, the target voltage in the low speed region where the DC link voltage is minimized can be set lower than the output voltage of the DC source, or the DC link voltage can be reduced over a wide range. The switching loss suppression effect can be improved as compared with the conventional case.
図1は、本発明の第1の実施形態に係る電動機制御装置の構成図である。直流源1からの直流電力はDC/DCコンバータ2に出力され、このDC/DCコンバータ2によりDC/DC変換されるようになっている。このDC/DC変換された直流電力は平滑コンデンサ3を介してVVVFインバータ4に出力されるようになっている。VVVFインバータ4は、入力した直流電力を可変電圧可変周波数制御した交流電力に変換して交流電動機5に出力するようになっている。
FIG. 1 is a configuration diagram of an electric motor control device according to a first embodiment of the present invention. The direct current power from the
ここで、本明細書では、DC/DCコンバータ2の出力側電圧、又はVVVFインバータ4の入力側電圧、すなわち平滑コンデンサ3の両端電圧を「直流リンク電圧」と呼ぶ。電圧検出器6は、この直流リンク電圧を検出するものである。また、電圧検出器7はVVVFインバータ4の出力側電圧、すなわち交流電動機5の電動機印加電圧を検出するものである。そして、交流電動機5の速度すなわち単位時間あたりの回転数は速度検出器8で検出されるようになっている。
Here, in this specification, the output side voltage of the DC /
コンバータ制御回路9は、直流リンク電圧が交流電動機5の速度に応じた目標電圧となるようにDC/DC変換を行うものであり、電圧検出器6及び速度検出器8からの検出信号をフィードバック信号として入力するようになっている。このコンバータ制御回路9は、直流電圧指令演算部10、加算器11、電圧制御部12、及びPWM制御部13を有している。
The converter control circuit 9 performs DC / DC conversion so that the DC link voltage becomes a target voltage corresponding to the speed of the
インバータ制御部14は、外部からのトルク指令に一致したトルクが交流電動機5から出力されるようにVVVFインバータ4に対して可変電圧可変周波数制御を行うものであり、電圧検出器7及び速度検出器8からの検出信号をフィードバック信号として入力するようになっている。
The
図2は、図1における直流源1の具体例を示す説明図である。図2(a)の直流源1は、電車などの鉄道車両に用いられるものであり、架線15からの直流電力を集電するパンタグラフ16にPラインが接続され、またNラインには軌道17上を走行する車輪18が接続されている。なお、電車用の直流源1の場合は、通常、リアクトル19及びコンデンサ20から成るLCフィルタを介して直流電力がDC/DCコンバータ2に出力されるようになっている。
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a specific example of the
図2(b)の直流源1は、主として自動車等の小型車両に用いられるものであり、燃料電池又は2次電池などで構成されている。但し、最近は自動車等の小型車両だけでなく、鉄道車両クラスの大型車両に対しても燃料電池又は2次電池などで構成される直流源を使用することについて研究・開発が進められている。
The
図3は、図1におけるDC/DCコンバータ2の回路構成図である。この図に示すように、スイッチング素子SW1〜SW4にはダイオードD1〜D4が逆並列接続されており、直列接続されたスイッチング素子SW1,SW3により一方のアームが形成され、直列接続されたスイッチング素子SW2,SW4により他方のアームが形成されている。そして、これら両アームの各中央部同士がリアクトルL1を介して接続されている。
FIG. 3 is a circuit configuration diagram of the DC /
上記のDC/DCコンバータ2は昇降圧チョッパ型のコンバータであり、力行と回生の2象限動作が可能なコンバータとして機能する。すなわち、力行の場合には、スイッチング素子SW4をオンオフ動作させる(このときスイッチング素子SW2,SW3はオフ状態で、SW1はオン状態)。これにより、スイッチング素子SW4のオン時にリアクトルL1に蓄積された直流源1からの電気エネルギーは、還流ダイオードとして機能するダイオードD2を通して平滑コンデンサ3側に放出される。したがって、平滑コンデンサ3の電圧が上昇する。
The DC /
一方、回生の場合には、スイッチング素子SW3をオンオフ動作させる(このときスイッチング素子SW1,SW4はオフ状態で、SW2はオン状態)。これにより、スイッチング素子SW3のオン時にリアクトルL1に蓄積された平滑コンデンサ3からの電気エネルギーは、還流ダイオードとして機能するダイオードD1を通して直流源1側に放出される。上記のオン時間を調整することで、昇圧と降圧とを連続的に切り換えることが可能になる。
On the other hand, in the case of regeneration, the switching element SW3 is turned on and off (at this time, the switching elements SW1 and SW4 are in the off state and SW2 is in the on state). Thereby, the electric energy from the smoothing
図4は、DC/DCコンバータ2の目標電圧として設定された直流リンク電圧と交流電動機5の速度との関係を示す特性図である。この図に示すように、特性曲線は、レベルが一定且つ最小レベルとなる第1の領域R1と、最小レベルから最大レベルまで漸増する第2の領域R2と、最大レベルに到達した以降に一定レベルとなる第3の領域R3とを有している(この第3の領域R3の直流リンク電圧がDC/DCコンバータ2及びVVVFインバータ4の定格運転電圧となっている)。コンバータ制御回路9は、この図4の特性が得られるようにDC/DCコンバータ2に対する制御を行うものである。
FIG. 4 is a characteristic diagram showing the relationship between the DC link voltage set as the target voltage of the DC /
次に、図1の動作につき説明する。コンバータ制御回路9は、外部からの運転開始指令の入力に基づきDC/DCコンバータ2に対する制御を開始する。すなわち、直流電圧指令演算部10は、図4に示した特性を記憶しており、最初は第1の領域R1の電圧レベルとなるような電圧指令を出力する。加算器11は、直流電圧指令演算部10からの指令電圧と、電圧検出器6からの検出電圧との偏差を電圧制御部12に出力する。電圧制御部12は、この偏差がゼロとなるように電圧制御信号をPWM制御部13に出力する。そして、PWM制御部13は、この電圧制御信号に基づくPWM制御を行うための制御信号(ゲート信号)をDC/DCコンバータ2のスイッチング素子SW1〜SW4に出力する。
Next, the operation of FIG. 1 will be described. The converter control circuit 9 starts control on the DC /
DC/DCコンバータ2は、コンバータ制御回路9からの制御信号に基づき、最初は直流源1の出力電圧を第1の領域R1のレベルまで降圧する動作を行う。そして、交流電動機5の速度が一定以上まで速くなった以降は、直流源1の出力電圧を第2の領域R2に沿って上昇させる動作を行い、更に交流電動機5の速度が速くなると、直流源1の出力電圧を第3の領域R3の一定レベルに維持する動作を行う。
Based on the control signal from the converter control circuit 9, the DC /
一方、インバータ制御部14は、交流電動機5の出力トルクがトルク指令に一致するように、VVVFインバータ4内のスイッチング素子に対するスイッチング制御を行い、VVVFインバータ4の可変電圧可変周波数制御を行っている。
On the other hand, the
この場合、インバータ制御部14は、第2の領域R2及び第3の領域R3における基本波1周期内のスイッチング回数が第1の領域R1における基本波1周期内のスイッチング回数よりも小さくなるようにスイッチング制御を行うようにする。つまり、交流電動機5の速度が低速領域である第1の領域R1においてはある程度スイッチング回数が多くなるのはやむを得ないが、それ以外の第2及び第3の領域R2,R3ではスイッチング回数を小さくしてVVVFインバータ4のスイッチング損失を低減するのが好ましい。そして、好ましくは、第2及び第3の領域R2,R3ではスイッチングパルス数が1つとなる所謂1パルスモードで運転を行うことが好ましい。
In this case, the
従来装置(例えば特許文献に係る装置)でも、交流電動機5の速度が一定以下となる低速領域において直流リンク電圧を低下させる制御は行われていたが、低下させたときの最低電圧はせいぜい直流源出力電圧のレベルであったため、VVVFインバータ4のスイッチング損失低減の効果は必ずしも充分とは言えなかった。これに対し、図1の構成では上記のように、DC/DCコンバータ2が低速領域において直流リンク電圧を直流源出力電圧以下とする制御を行っているため、VVVFインバータ4は低速領域におけるスイッチング損失を充分に低減することができる。
Even in the conventional device (for example, the device according to the patent document), control is performed to reduce the DC link voltage in a low speed region where the speed of the
図5は、本発明の第2の実施形態に係る電動機制御装置の構成図である。図5が図1と異なる点は、外部からのトルク指令がインバータ制御部14だけでなく、コンバータ制御回路9の直流電圧指令演算部10にも入力されるようになっている点である。そして、コンバータ制御回路9はこのトルク指令に応じて直流リンク電圧のレベルを制御するようになっている。
FIG. 5 is a configuration diagram of an electric motor control device according to the second embodiment of the present invention. 5 differs from FIG. 1 in that an external torque command is input not only to the
また、この第2の実施形態におけるインバータ制御部14は、ベクトル制御に基づき可変電圧可変周波数制御を行うことを前提としており、外部からのトルク指令が所定値よりも小さな場合は、このトルク指令に応じてトルク電流Iqだけでなく磁化電流Idも変化させるようになっている。
In addition, the
図6は、図5におけるDC/DCコンバータ2の目標電圧として設定された直流リンク電圧と交流電動機5の速度との関係を示す特性図である。この図において、第3の領域R3の直流リンク電圧がDC/DCコンバータ2の定格運転電圧となっているのは図4の場合と同様である。
FIG. 6 is a characteristic diagram showing the relationship between the DC link voltage set as the target voltage of the DC /
図6の特性図は図4の場合とは異なり、第1の領域R1における直流リンク電圧が直流源出力電圧と同じレベルとなっているため、一見すると従来装置の特性図と同じであるように見える。しかし、図6における第1の領域R1は、実は従来装置の場合よりも領域が拡大されたものとなっており、その拡大分だけ本実施形態はVVVFインバータ4のスイッチング損失低減効果を向上させることが可能になっている。このように、第1の領域R1を拡大できるのは、VVVFインバータ4の出力電圧つまり交流電動機5の印加電圧を従来装置よりも低くした状態で、同一のトルクを得ることができるからである。
Unlike the case of FIG. 4, the characteristic diagram of FIG. 6 has the same level as that of the conventional apparatus because the DC link voltage in the first region R1 is at the same level as the DC source output voltage. appear. However, the first region R1 in FIG. 6 is actually an expanded region as compared with the conventional device, and this embodiment improves the switching loss reduction effect of the
次に、本実施形態が上記のように、従来装置よりも低い電動機印加電圧で同一のトルクを得る場合の根拠となる基本原理につき説明する。図7は、交流電動機5(誘導電動機である場合)の等価回路図である。この図に示すように、誘導電動機は、1次抵抗R1、1次自己インダクタンスL1、2次抵抗R2、及び2次自己インダクタンスL2を有している。 Next, the basic principle that is the basis for obtaining the same torque with the motor applied voltage lower than that of the conventional apparatus as described above will be described. FIG. 7 is an equivalent circuit diagram of the AC motor 5 (in the case of an induction motor). As shown in this figure, the induction motor has a primary resistance R1, a primary self-inductance L1, a secondary resistance R2, and a secondary self-inductance L2.
そして、ベクトル制御におけるトルク電流をIq、磁化電流をIdとし、トルクをT、相互インダクタンスをM、2次磁束をΦとすると、トルクTは下式(1)で表される。
T=(M/L2)・Iq・Φ2 …… (1)
When the torque current in vector control is Iq, the magnetizing current is Id, the torque is T, the mutual inductance is M, and the secondary magnetic flux is Φ, the torque T is expressed by the following equation (1).
T = (M / L2) ・ Iq ・ Φ2 (1)
ここで、Φ2=M・Id の関係にあるから(1)式は(2)式のように表される。
T=(M2/L2)・Iq・Id …… (2)
Here, since there is a relationship of Φ2 = M · Id, equation (1) is expressed as equation (2).
T = (M 2 / L 2 ) · Iq · Id (2)
通常の誘導電動機では、最大トルク時のIqとIdとの比率が3:1程度となっている(この比率は、誘導電動機における銅と鉄の比率に相応するものである)。そして、ベクトル制御では、トルク指令が変化した場合、良好なトルク応答性を得るためにトルク電流Iqのみを変化させ、磁化電流Idについては一定に維持する制御を行うのが通常になっている。 In a normal induction motor, the ratio of Iq to Id at the maximum torque is about 3: 1 (this ratio corresponds to the ratio of copper to iron in the induction motor). In the vector control, when the torque command is changed, in order to obtain a good torque response, only the torque current Iq is changed, and the magnetizing current Id is normally kept constant.
したがって、あるトルク指令に対応するトルク電流Iq及び磁化電流Idの合成電流ベクトルが図8(a)で表されており、このトルク指令が小さなものに変化したとすると、従来装置における変化後の合成電流ベクトルは図8(b)のように表される。この図8(b)を図8(a)と対比してみると明らかなように、小さくなっているのはトルク電流Iqのみであり、磁化電流Idは変化していない。 Therefore, the combined current vector of the torque current Iq and the magnetizing current Id corresponding to a certain torque command is shown in FIG. 8A. If this torque command is changed to a small one, the combined device after the change in the conventional apparatus The current vector is expressed as shown in FIG. As is clear from comparison of FIG. 8B with FIG. 8A, only the torque current Iq is small, and the magnetizing current Id is not changed.
しかし、(2)式によれば、Idを一定に維持せずにIq及びIdの双方を変化させたとしてもトルク指令変化後と同一のトルクを得ることができるはずである。そこで、本実施形態ではトルク指令が変化した場合、図8(b)のようにIqのみを変化させるのではなく、図8(c)のようにIq及びIdの双方を変化させる制御を行うようにしている。そして、このような図8(c)に係る制御によれば、従来の図8(b)に係る制御よりも交流電動機5の印加電圧を低くすることができるのである。
However, according to the equation (2), even if both Iq and Id are changed without keeping Id constant, the same torque as after the torque command change should be obtained. Therefore, in this embodiment, when the torque command changes, control is performed not to change only Iq as shown in FIG. 8B but to change both Iq and Id as shown in FIG. 8C. I have to. And according to the control which concerns on such FIG.8 (c), the applied voltage of the alternating
つまり、電動機回転周波数をωrとすると、誘起電圧Eは(3)式により表され、Idを小さくすればEが低くなることが明らかである。
E=(M/L2)・Φ2・ωr
=(M/L2)・(M・Id)・ωr
=(M2/L2)・Id・ωr …… (3)
That is, when the motor rotation frequency is ωr, the induced voltage E is expressed by the equation (3), and it is clear that E decreases as Id decreases.
E = (M / L2) ・ Φ2 ・ ωr
= (M / L2) ・ (M ・ Id) ・ ωr
= (M 2 / L 2 ) · Id · ωr (3)
但し、交流電動機5の印加電圧V1は誘起電圧Eのみで決まるわけでなく、1次抵抗R1及び1次漏れインダクタンスσL1の電圧降下分を誘起電圧Eに加算したものとして表される。しかし、誘起電圧Eはこれらの電圧降下分よりも非常に大きなレベルとなるため(例えば、誘起電圧EとσL1の電圧降下分との比は約10:1である)、実質的には電動機印加電圧V1は誘起電圧Eによって決まると見なして差し支えない。
However, the applied voltage V1 of the
図9(a),(b)は、それぞれ図8(a),(b)のd−q軸座標上に誘起電圧E及び電動機印加電圧V1の各ベクトルを示したものである。図9(b)における誘起電圧Eは図9(a)における誘起電圧Eよりも低くなっており、したがって図9(b)における電動機印加電圧V1も図9(a)における電動機印加電圧V1よりも低くなっているのが明らかである。これは、図9(b)に示したように、図9(a)における磁化電流Idを小さくすると共にトルク電流Iqを大きくしたことによるものである。 FIGS. 9A and 9B show vectors of the induced voltage E and the motor applied voltage V1 on the dq axis coordinates of FIGS. 8A and 8B, respectively. The induced voltage E in FIG. 9 (b) is lower than the induced voltage E in FIG. 9 (a). Therefore, the motor applied voltage V1 in FIG. 9 (b) is also lower than the motor applied voltage V1 in FIG. 9 (a). It is clear that it is lower. As shown in FIG. 9B, this is due to the fact that the magnetizing current Id in FIG. 9A is reduced and the torque current Iq is increased.
そして、図9(b)の場合(図8(c)の場合)は、ほぼId=Iqとなっている。このように、磁化電流Idをトルク電流Iqとほぼ等しくすることにより、誘導電動機に流れる電流を最小化することができ、誘導電動機の損失を小さくすることができる。これは、誘導電動機の損失Plossは(4)式により表され、通常、Id=Iqの場合にPlossの値がほぼ最小となるからである。
Ploss=R1(Id2+Iq2)+(M/L2)2・R2・Iq2 …… (4)
In the case of FIG. 9B (in the case of FIG. 8C), Id = Iq is substantially satisfied. Thus, by making the magnetizing current Id substantially equal to the torque current Iq, the current flowing through the induction motor can be minimized, and the loss of the induction motor can be reduced. This is because the loss Ploss of the induction motor is expressed by the equation (4), and normally the value of Ploss is almost the minimum when Id = Iq.
Ploss = R 1 (Id 2 + Iq 2 ) + (M / L 2 ) 2 ·
図10は、図6に示した本実施形態の特性図と従来装置の特性図とを対比して示し、両者の差異を明らかにした説明図である。この図に示すように、本実施形態における第1の領域R1は、従来装置の低速領域R10よりもR11分だけ拡大したものとなっている。したがって、従来であれば直流リンク電圧を直流源出力電圧以上としなければならなかった速度であっても、最小電圧である直流源出力電圧と同じになるように制御することが可能となる。 FIG. 10 is a diagram illustrating the characteristic diagram of the present embodiment shown in FIG. 6 in comparison with the characteristic diagram of the conventional apparatus, and clarifying the difference between the two. As shown in this figure, the first region R1 in this embodiment is enlarged by R11 as compared with the low speed region R10 of the conventional device. Therefore, it is possible to control the DC link voltage to be the same as the DC source output voltage, which is the minimum voltage, even at a speed where the DC link voltage had to be equal to or higher than the DC source output voltage.
ところで、第2の実施形態では、図5におけるDC/DCコンバータ2として、図3に示したような昇降圧チョッパ型のコンバータを用いることを想定しているが、特にこれに限定されるわけではなく、例えば図11に示したような昇圧チョッパ型のDC/DCコンバータ2Aを用いることとしてもよい。
Incidentally, in the second embodiment, it is assumed that the step-up / step-down chopper type converter as shown in FIG. 3 is used as the DC /
そして、このDC/DCコンバータ2Aを用いた場合、第1の領域R1ではスイッチング素子SW1をオフ状態のままにしておけばよいので、その分だけコンバータ内のスイッチング損失を低減することができ、スイッチング素子の寿命を長くすることができる。
When the DC /
なお、図11のDC/DCコンバータ2Aは、力行のみ動作可能な1象限コンバータである。燃料電池などの回生できない電源に対しては、この構成が可能である。電車システムの架線、あるいは2次電池といった回生可能な電源に対しては、回生動作も可能となる2象限のコンバータを構成すればよい。これらは周知の技術である。
Note that the DC /
あるいはまた、図12に示したような降圧チョッパ型のDC/DCコンバータ2Bを用いることとしてもよい。但し、この場合は図6又は図10に示した特性図ではなく、図13に示した特性図を用いる必要がある。すなわち、直流リンク電圧が最大となる第3の領域R3のレベルを直流源出力電圧と同じにし、第1の領域R1及び第2の領域R2のレベルを直流源出力電圧よりも低く設定する。このDC/DCコンバータ2Bによれば、運転開始後、直流リンク電圧が第1の領域R1及び第2の領域R2を経て第3の領域R3に到達するまではスイッチング素子SW2をオンオフさせて降圧チョッパを行わなければならないが、直流リンク電圧が第3の領域R3に到達した以降はスイッチング素子SW2のオンオフを停止し、スイッチング素子SW1をオン状態のままにしておけばよいので、やはりコンバータ内のスイッチング損失を低減できると共に、スイッチング素子の寿命を長くすることができる。
Alternatively, a step-down chopper type DC /
1 直流源
2 DC/DCコンバータ
2A 昇圧チョッパ型のDC/DCコンバータ
2B 降圧チョッパ型のDC/DCコンバータ
3 平滑コンデンサ
4 VVVFインバータ
5 交流電動機
6 電圧検出器
7 電圧検出器
8 速度検出器
9 コンバータ制御回路
10 直流電圧指令演算部
11 加算器
12 電圧制御部
13 PWM制御部
14 インバータ制御部
15 架線
16 パンタグラフ
17 軌道
18 車輪
19 リアクトル
20 コンデンサ
SW1〜SW4 スイッチング素子
D1〜D4 ダイオード
L1 リアクトル
R1〜R3 第1の領域乃至第3の領域
1
Claims (11)
前記DC/DCコンバータからの直流電力を可変電圧可変周波数制御した交流電力に変換して交流電動機に出力するVVVFインバータと、
前記DC/DCコンバータ出力側又は前記VVVFインバータ入力側の直流リンク電圧が、前記交流電動機の速度に応じた目標電圧値となるようにDC/DC変換制御を行うコンバータ制御回路と、
前記VVVFインバータに対する可変電圧可変周波数制御を行うインバータ制御回路と、
を備えた電動機制御装置において、
前記DC/DCコンバータは降圧可能なものであって、
前記交流電動機の速度が所定値以下の低速領域では、前記直流リンク電圧が前記直流源の出力電圧以下となるように、速度に応じて前記直流リンク電圧の目標電圧を低下させる、
ことを特徴とする電動機制御装置。 A DC / DC converter for DC / DC converting DC power from a DC source;
A VVVF inverter that converts DC power from the DC / DC converter into AC power that has been subjected to variable voltage and variable frequency control, and outputs the AC power to an AC motor;
A converter control circuit that performs DC / DC conversion control so that a DC link voltage on the DC / DC converter output side or the VVVF inverter input side has a target voltage value corresponding to the speed of the AC motor;
An inverter control circuit for performing variable voltage variable frequency control on the VVVF inverter;
In an electric motor control device comprising:
The DC / DC converter can be stepped down,
In the low speed region where the speed of the AC motor is a predetermined value or less, the target voltage of the DC link voltage is reduced according to the speed so that the DC link voltage is less than or equal to the output voltage of the DC source.
An electric motor control device.
前記DC/DCコンバータからの直流電力を可変電圧可変周波数制御した交流電力に変換して交流電動機に出力するVVVFインバータと、
前記DC/DCコンバータ出力側又は前記VVVFインバータ入力側の直流リンク電圧が、前記交流電動機の速度に応じた目標電圧となるようにDC/DC変換制御を行うコンバータ制御回路と、
外部からのトルク指令に一致したトルクが前記交流電動機より出力されるように前記VVVFインバータに対する可変電圧可変周波数制御を行うインバータ制御回路と、
を備えた電動機制御装置において、
前記目標電圧は、前記直流リンク電圧を前記DC/DCコンバータの定格運転電圧以下とするものであり、前記コンバータ制御回路が前記外部からのトルク指令を入力することにより得られるものである、
ことを特徴とする電動機制御装置。 A DC / DC converter for DC / DC converting DC power from a DC source;
A VVVF inverter that converts DC power from the DC / DC converter into AC power that has been subjected to variable voltage and variable frequency control, and outputs the AC power to an AC motor;
A converter control circuit for performing DC / DC conversion control so that a DC link voltage on the DC / DC converter output side or the VVVF inverter input side becomes a target voltage corresponding to the speed of the AC motor;
An inverter control circuit that performs variable voltage variable frequency control on the VVVF inverter so that torque that matches an external torque command is output from the AC motor;
In an electric motor control device comprising:
The target voltage is set so that the DC link voltage is equal to or lower than the rated operating voltage of the DC / DC converter, and the converter control circuit is obtained by inputting a torque command from the outside.
An electric motor control device.
前記トルク指令が変化した場合には、このトルク指令に応じてトルク電流Iqだけでなく磁化電流Idも変化させるものであり、
これにより前記コンバータ制御回路が前記直流リンク電圧を前記DC/DCコンバータの定格運転電圧以下とする制御を可能にする、
ことを特徴とする請求項2記載の電動機制御装置。 The VVVF inverter performs the variable voltage variable frequency control based on vector control,
When the torque command changes, not only the torque current Iq but also the magnetizing current Id is changed according to the torque command,
This enables the converter control circuit to control the DC link voltage to be equal to or lower than the rated operating voltage of the DC / DC converter.
The motor control device according to claim 2, wherein
前記磁化電流Idを前記トルク電流Iqと等しくする、
ことを特徴とする請求項3記載の電動機制御装置。 The AC motor is an induction motor,
Making the magnetizing current Id equal to the torque current Iq;
The electric motor control device according to claim 3.
ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の電動機制御装置。 A characteristic curve between the target voltage for the DC link voltage and the speed of the AC motor includes a first region where the DC link voltage level is constant and minimum level, and the DC link voltage level is maximum from the minimum level. A second region that gradually increases to a level, and a third region that becomes constant after the DC link voltage level reaches the maximum level.
The motor control device according to claim 1, wherein the motor control device is a motor control device.
ことを特徴とする請求項5記載の電動機制御装置。 The VVVF inverter controls the number of switching times in one cycle of the fundamental wave in the second and third regions to be smaller than the number of switching times in one cycle of the fundamental wave in the first region;
The electric motor control device according to claim 5.
ことを特徴とする請求項6記載の電動機制御装置。 The VVVF inverter performs the variable voltage variable frequency control based on a one-pulse mode in the second and third regions.
The motor control device according to claim 6.
ことを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の電動機制御装置。 The DC / DC converter is configured to perform a two-quadrant operation, and regenerative power from the VVVF inverter side can be regenerated to the DC source side.
The motor control device according to claim 1, wherein the motor control device is a motor control device.
ことを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の電動機制御装置。 The DC / DC converter is a step-down chopper type converter, and the maximum level of the DC link voltage is made equal to the output voltage of the DC source.
The motor control device according to claim 1, wherein the motor control device is a motor control device.
ことを特徴とする請求項1乃至9のいずれかに記載の電動機制御装置。 The AC motor is a train motor, and the DC source is an overhead wire.
10. The motor control device according to claim 1, wherein the motor control device is a motor control device.
ことを特徴とする請求項1乃至9のいずれかに記載の電動機制御装置。 The direct current source is a fuel cell or a secondary battery.
The motor control device according to claim 1, wherein the motor control device is a motor control device.
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