JP2018019460A - インバータ制御装置及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】インバータ低周波領域域において発生しやすい推定速度の認識誤差による車両衝動を緩和する。
【解決手段】インバータ制御装置１０は、該誘導電動機５０の回転子の回転周波数である回転子周波数を演算により推定する推定速度演算部１１と、回転子周波数に基づき、インバータ２０が出力する電圧の周波数を指示するインバータ周波数指令を生成するインバータ周波数指令生成部１２と、インバータ周波数指令が下限閾値よりも小さくならないように制限された制限周波数指令を生成する周波数制限部１３と、制限周波数指令に基づき、インバータ２０が出力する電圧を指示する電圧指令をインバータ２０に出力するトルク制御部１４と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気車（鉄道車両）に搭載されるインバータを制御するインバータ制御装置及びプログラムに関するものである。

電気車（鉄道車両）のインバータ主回路システムを構成する主電動機は、一般にかご形三相誘導電動機が採用されている。インバータ制御装置は、誘導電動機に配置される速度センサ（ＰＧセンサ）により誘導電動機の回転数を検出することにより、出力する指令に応じて誘導電動機の印加電圧や回転数を制御することができる。しかし、速度センサは電子部品により構成され、保守・点検が必要である。また、速度センサが故障すると誘導電動機を制御できなくなる場合が多いため、速度センサには高信頼の部品が採用され、コストが高くなっていた。

そこで、速度センサを使用することなく誘導電動機を制御することが可能な速度センサレス制御を採用するインバータ制御装置が普及した（例えば、特許文献１参照）。速度センサレス制御は高精度のトルク制御により電気車の性能を向上させるだけでなく、速度センサがないことによるコスト削減や、誘導電動機の構造的自由度が大きくなるというメリットがある。そのため、現在では数多くの鉄道車両に速度センサレス制御が採用されている。

特開平１１−６９８９５号公報

速度センサレス制御は、誘導電動機からの速度センサ入力がないため、インバータ制御装置は誘導電動機の回転数を推定しつつインバータを制御しなければならない。誘導電動機の固定子に印加する一次電圧及び電流、並びに固定子からの一次磁束により回転子が回転することで発生するすべりによって得られる二次電流により、誘導電動機の二次磁束及びトルクが得られる。このとき磁束演算及びトルク演算から座標変換によって得られた値から回転子の回転数を推定する。ところが、この一連の動作において検出する電圧や電流に検出誤差が発生すると大きな演算誤差を引き起こし、磁束やトルクの精度が悪化することにより誘導電動機を正常に制御できなくなるという欠点がある。

また、速度センサレス制御では、固定子を制御するインバータ周波数と回転子を制御するロータ周波数との差、すなわちすべりを認識させることで二次磁束成分となる励磁電流及びトルク電流を認識し、ｄ軸電流（励磁電流）、ｑ軸電流（トルク電流）として回転子の回転速度を推定し、インバータの出力電圧ベクトルとして誘導電動機を制御する。

しかし、上述したように、回転子が回転することにより検出される誘起電圧や電流に検出誤差が発生すると演算誤差を引き起こし、すべりにより得られる２次磁束成分によって演算する車両の推定速度を正常に認識することが困難となる。特に、インバータの低周波領域となる車両が停止している状態から起動する状況では、推定速度の誤認識により車両衝動が発生することがある。

この改善策として、誘導電動機のすべりにより得られる２次磁束成分を精度良く捉えるために、誘導電動機に入力させる励磁電流を大きくして誘導電動機の誘起電圧を大きくさせることが考えられる。しかし、鉄道車両の軌道に敷設される保安信号設備に対し励磁電流を大きくすると、ノイズ成分が増幅されて誘導障害への影響が懸念され、車両の推定速度演算の誤差改善に歯止めが掛かることがある。

また、推定速度の認識誤差は誘導電動機の電圧や電流の検出誤差、誘導電動機の温度変化による等価回路定数の変化により発生すると考えられている。また、誘導電動機の制御にはデッドタイムを必要とし、この期間に電圧誤差が発生する。デッドタイムによる電圧誤差は電流にひずみを生じさせ、トルクリプルにより車両衝動を誘発する。とくに、インバータの低周波領域となる、車両が停止している状態から起動する状況では当事象が発生しやすい傾向にある。これらを改善するには、誘導電動機温度の常時監視による誘導電動機の等価回路定数最適化やデッドタイムによる電圧誤差分を補正した最適化制御により改善できるものと考えられるが、これらの複合的要素が絡むことに対応するアルゴリズムを確立するには非常に困難である。

かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、インバータ低周波領域域において発生しやすい推定速度の認識誤差による車両衝動を緩和することが可能なインバータ制御装置及びプログラムを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係るインバータ制御装置は、インバータを制御し、誘導電動機に励磁電流を印加することで該誘導電動機の回転子にすべりを発生させるインバータ制御装置であって、前記回転子の回転周波数である回転子周波数を演算により推定する推定速度演算部と、前記回転子周波数に基づき、前記インバータが出力する電圧の周波数を指示するインバータ周波数指令を生成するインバータ周波数指令生成部と、前記インバータ周波数指令が下限閾値よりも小さくならないように制限された制限周波数指令を生成する周波数制限部と、前記制限周波数指令に基づき、前記インバータが出力する電圧を指示する電圧指令を前記インバータに出力するトルク制御部と、を備えることを特徴とする。

さらに、本発明に係るインバータ制御装置において、前記周波数制限部は、前記インバータ周波数指令が下限閾値よりも小さい場合には、前記制限周波数指令を前記下限閾値とし、前記インバータ周波数指令が下限閾値以上である場合には、前記制限周波数指令を前記インバータ周波数指令と同一とすることを特徴とする。

さらに、本発明に係るインバータ制御装置において、前記周波数制限部は、前記回転子周波数が負値となる後退起動制御閾値よりも小さい場合には、前記制限周波数指令をゼロ付近まで下げた後に上昇させることを特徴とする。

また、上記課題を解決するため、本発明に係るプログラムは、コンピュータを、上記インバータ制御装置として機能させることを特徴とする。

本発明によれば、インバータ低周波領域域において発生しやすい推定速度の認識誤差による車両衝動を緩和することができる。

本発明の一実施形態に係るインバータ制御装置を含む、インバータ主回路システムの構成例を示す図である。 本発明の一実施形態に係るインバータ制御装置の制御を示す状態遷移図である。 本発明の一実施形態に係るインバータ制御装置における停止からの起動について説明する図である。 本発明の一実施形態に係るインバータ制御装置における後退起動について説明する図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、周波数と角周波数は単位が違うだけで相互に変換が可能であり、演算の際にいずれを用いてもよいため、本明細書では周波数という表記に角周波数も含めるものとする。

図１に、本発明の一実施形態に係るインバータ制御装置を含む、インバータ主回路システム１の構成例を示す。インバータ主回路システム１は、インバータ制御装置１０と、インバータ２０と、電流検出器３０と、電圧検出器４０と、誘導電動機５０とを備える。

インバータ２０は、インバータ制御装置１０から入力された、誘導電動機５０への出力電圧を指示する電圧指令ｖ^＊に応じた電圧ｖを誘導電動機５０に印加する。

電流検出器３０は、誘導電動機５０に流れる電流ｉを検出し、検出結果をインバータ制御装置１０に出力する。

電圧検出器４０は、誘導電動機５０に印加される電圧ｖを検出し、検出結果をインバータ制御装置１０に出力する。

インバータ制御装置１０は、インバータ２０を制御し、誘導電動機５０に励磁電流を印加することで、誘導電動機５０の回転子にすべりを発生させる。また、インバータ制御装置１０は速度センサレス制御を行う。すなわち、速度センサを用いずに、演算により誘導電動機５０の回転子の回転周波数（以下、「回転子周波数」という）ω_ｍを求め、トルク指令Ｔ^＊に従って誘導電動機５０のトルク制御を行う。回転子周波数ω_ｍは、車両の推定速度を意味する。誘導電動機５０のトルクが車両の車輪軸に伝えられることにより、車両を加減速させることができる。インバータ制御装置１０は、推定速度演算部１１と、インバータ周波数指令生成部１２と、周波数制限部１３と、トルク制御部１４とを備える。

推定速度演算部１１は、回転子周波数ω_ｍを演算により推定し、インバータ周波数指令生成部１２に出力する。例えば、電流検出器３０により検出された電流ｉ、及び電圧検出器４０により検出された電圧ｖを用いて回転子周波数ω_ｍを演算する。後述する後退起動モードによる制御を行う場合には、回転子周波数ω_ｍを周波数制限部１３にも出力する。

詳細には、推定速度演算部１１は式（１）により磁束ベクトルφ_２を算出する。ここで、Ｒ_１は誘導電動機５０の一次抵抗であり、Ｌ_１，Ｌ_２，Ｍはそれぞれ誘導電動機５０の一次自己インダクタンス、二次自己インダクタンス、相互インダクタンスである。

なお、電圧ｖの代わりに、インバータ制御装置１０が出力する電圧指令ｖ^＊を用いてもよい。その場合には、インバータ主回路システム１は電圧検出器４０を備えなくてもよい。

磁束ベクトルφ_２の角周波数ω_ｃは、磁束ベクトルφ_２のｄ軸成分であるφ_２ｄ及び磁束ベクトルφ_２のｑ軸成分であるφ_２ｑを用いて、式（２）で表される。

また、磁束ベクトルφ_２、及び電流検出器３０により検出された電流ｉを用いて、式（３）によりすべり周波数ω_ｓｃを算出する。

そして、式（４）により、誘導電動機５０の回転子周波数ω_ｍを求める。

インバータ周波数指令生成部１２は、推定速度演算部１１により求められた回転子周波数ω_ｍに基づき、インバータ２０が出力する電圧の周波数を指示するインバータ周波数指令ω_ｉ ^＊を生成し、周波数制限部１３に出力する。インバータ周波数指令生成部１２は、すべり周波数指令演算部１２１と、加算部１２２とを備える。

すべり周波数指令演算部１２１は、入力されたトルク指令Ｔ^＊と二次磁束指令φ_２ ^＊とに基づき、以下の式（５）を用いてすべり周波数指令ω_ｓ ^＊を生成し、加算部１２２に出力する。

加算部１２２は、推定速度演算部１１により演算された回転子周波数ω_ｍと、すべり周波数指令演算部１２１により生成されたすべり周波数指令ω_ｓ ^＊とを加算して、インバータ２０が出力する電圧の周波数を指示するインバータ周波数指令ω_ｉ ^＊を生成し、周波数制限部１３に出力する。

周波数制限部１３は、加算部１２２により生成されたインバータ周波数指令ω_ｉ ^＊が所定の周波数下限閾値ω_ｉＬＭＴよりも小さくならないように制限された制限周波数指令ω_ｉＬ ^＊を生成し、トルク制御部１４に出力する。すなわち、周波数指令ω_ｉ ^＊が周波数下限閾値ω_ｉＬＭＴ以上である場合にはω_ｉＬ ^＊＝ω_ｉ ^＊とし、周波数指令ω_ｉ ^＊が周波数下限閾値ω_ｉＬＭＴよりも小さい場合には、ω_ｉＬ ^＊＝ω_ｉＬＭＴとする。

トルク制御部１４は、トルク指令Ｔ^＊と、二次磁束指令φ_２ ^＊と、電流検出器３０により検出された電流ｉと、周波数制限部１３により生成された制限周波数指令ω_ｉＬ ^＊とが入力される。トルク制御部１４は、これらの入力に基づき、誘導電動機５０のトルクがトルク指令Ｔ^＊に追従するように、インバータ２０が出力する電圧を指示する電圧指令ｖ^＊を生成し、インバータ２０に出力する。

なお、図１においては、トルク指令Ｔ^＊と二次磁束指令φ_２ ^＊とがトルク制御部１４に入力される例を示しているが、これに限られるものではない。例えば、トルク制御部１４は、入力されたトルク指令Ｔ^＊に基づき二次磁束指令φ_２ ^＊を算出してもよい。

つぎに、インバータ制御装置１０の制御について説明する。図２は、インバータ制御装置１０の制御を示す状態遷移図である。停止から起動する際には、インバータ周波数制限モードで運転する（状態Ａ）。インバータ周波数制限モードでは、周波数制限部１３は、制限周波数指令ω_ｉＬ ^＊を一定値である周波数下限閾値ω_ｉＬＭＴとする。

状態Ａの後、加算部１２２から入力されるインバータ周波数指令ω_ｉ ^＊が周波数下限閾値ω_ｉＬＭＴを超えると、通常運転モードで運転する（状態Ｂ）。通常運転モードでは、周波数制限部１３は、制限周波数指令ω_ｉＬ ^＊を加算部１２２から入力されたインバータ周波数指令ω_ｉ ^＊とする。

停止から起動させた際に後退を検知すると、周波数制限部１３は、後退起動モードで運転する（状態Ｃ）。例えば、インバータ制御装置１０は車両速度が−２ｋｍ／ｈになった場合に後退と判定する。後退起動モードでは、速度センサレス制御において、誘導電動機５０の回転子を制御し、車両を後退、停止、前進と動作させる。後退時には、周波数制限部１３は、制限周波数指令ω_ｉＬ ^＊をゼロ付近まで下げる。そして停止時にインバータ電流の相順を切り替え、前進するように制限周波数指令ω_ｉＬ ^＊を上昇させる。

状態Ｃの後、加算部１２２から入力されるインバータ周波数指令ω_ｉ ^＊が周波数下限閾値ω_ｉＬＭＴを超えると、通常運転モードで運転する（状態Ｂ）。

図３は、停止状態から起動する際の周波数制限部１３の制御を説明する図である。停止からの起動時、誘導電動機５０に励磁電流を印加して回転子を動作させ、誘導電動機５０のすべりを発生させることで、インバータ制御装置１０は回転子周波数ω_ｍを推定し、トルク制御を実施する。しかし、回転子周波数ω_ｍが低い場合には推定に誤差が生じやすい。そのため、周波数制限部１３は、制限周波数指令ω_ｉＬ ^＊を周波数下限閾値ω_ｉＬＭＴとし（時刻ｔ_０）、インバータ周波数制限モードで車両を起動させる。これにより、インバータ低周波領域における推定速度の検出誤差による車両衝動を緩和することができる。

そして、車両が起動して加算部１２２から入力されるインバータ周波数指令ω_ｉ ^＊が周波数下限閾値ω_ｉＬＭＴを超えると、制御モードを通常運転モードに切り替え、回転子周波数ω_ｍによる推定速度を認識したトルク制御を実施する。すなわち、制限周波数指令ω_ｉＬ ^＊を加算部１２２から入力されたインバータ周波数指令ω_ｉ ^＊とする。なお、制御モードの切り替えを正確に行うために、回転子周波数ω_ｍは推定速度演算部１１により常時算出される。

ここで、停止からの起動直後（時刻ｔ_０付近）は、周波数下限閾値ω_ｉＬＭＴと回転子周波数ω_ｍとの差であるすべり周波数が定格すべり周波数ω_ｓ（定格点）よりも大きくなってしまう。そのため、誘導電動機トルクが安定せず、若干の車両衝動が発生する場合がある。そこで、車両衝動が発生する場合には、誘導電動機５０のトルク変化量を変更又は可変値とした調整を行うことで、車両衝動を緩和するようにしてもよい。

図４は、停止状態から起動する際に車両が後退した場合の周波数制限部１３の制御を説明する図である。車両を起動させる場合、図３で説明したように、まず周波数制限部１３は、制限周波数指令ω_ｉＬ ^＊を周波数下限閾値ω_ｉＬＭＴとし、インバータ周波数制限モードで車両を起動させる。

車両が上り勾配に停止した状態や後退している状態から起動する時、周波数下限閾値ω_ｉＬＭＴとなる制限周波数指令ω_ｉＬ ^＊にて車両を起動すると（時刻ｔ_０付近）、周波数下限閾値ω_ｉＬＭＴと負値である回転子周波数ω_ｍとの差であるすべり周波数が定格すべり周波数ω_ｓ（定格点）と大きく離れる。この状態では誘導電動機トルクが制限周波数指令ω_ｉＬ ^＊に追従しないため、勾配起動性能や車両性能に影響を及ぼす。

そこで、回転子周波数ω_ｍが負値となる後退起動制御閾値ω_ｏｐｅｎよりも小さいことを認識すると、すなわち後退を検知すると（時刻ｔ_１）、後退起動モードで車両を起動させて、車両を停止させ、続いて前進させる。そのために、周波数制限部１３は制限周波数指令ω_ｉＬ ^＊がゼロを通過するように制限周波数指令ω_ｉＬ ^＊をゼロ付近まで下げる。そして停止時にインバータ電流の相順を切り替え、前進するように制限周波数指令ω_ｉＬ ^＊を上昇させる。ここで、ゼロ付近とは、後退起動制御閾値_ｏｐｅｎ以上で、且つゼロ以下の値である。

そして、後退起動モード中に車両速度が上昇し、加算部１２２から入力されるインバータ周波数指令ω_ｉ ^＊が周波数下限閾値ω_ｉＬＭＴを超えると、制御モードを通常運転モードに切り替え、回転子周波数ω_ｍによる推定速度を認識したトルク制御を実施する。すなわち、制限周波数指令ω_ｉＬ ^＊を加算部１２２から入力されたインバータ周波数指令ω_ｉ ^＊とする。

なお、上述したインバータ制御装置１０として機能させるためにコンピュータを好適に用いることができ、そのようなコンピュータは、インバータ制御装置１０の各機能を実現する処理内容を記述したプログラムを該コンピュータの記憶部に格納しておき、該コンピュータのＣＰＵによってこのプログラムを読み出して実行させることで実現することができる。なお、このプログラムは、コンピュータ読取り可能な記録媒体に記録可能である。

上述したように、インバータ制御装置１０及びそのプログラムは、インバータ周波数指令ω_ｉ ^＊に予め周波数下限閾値ω_ｉＬＭＴを設け、誘導電動機５０の回転子が周波数下限閾値ω_ｉＬＭＴ以下で回転している場合は推定速度を認識させてインバータ出力をさせる過程とは別に、インバータ周波数指令ω_ｉ ^＊を最下限値となる周波数下限閾値ω_ｉＬＭＴとする。そのため、運転指令が入力されて停止状態から起動する際に、推定速度を誤認識した場合に発生する車両衝動を抑制することができる。

また、本発明では、停止からの起動時における推定速度を認識させる過程を経ずにインバータ周波数を出力し車両を起動させるが、常に車両の推定速度を認識する必要がある。その理由は、車両が後退しているときに当制御を動作させると回転子周波数ω_ｍが負値であるため後退速度が大きくなるほど周波数下限閾値ω_ｉＬＭＴと大きく離れ、すべりに対する回転子トルクが小さくなり、勾配等の起動性能に影響を及ぼす可能性があるからである。車両が後退している場合は、後退している推定速度を認識し、後退起動制御閾値ω_ｏｐｅｎ以下（すなわち、周波数下限閾値ω_ｉＬＭＴによるインバータ出力では勾配起動性能に影響が出る後退速度）となった場合は、後退起動モードで運転する必要がある。

本発明は、速度センサレス制御を行う電気車に有用である。

１ インバータ主回路システム
１０ インバータ制御装置
１１ 推定速度演算部
１２ インバータ周波数指令生成部
１３ 周波数制限部
１４ トルク制御部
２０ インバータ
３０ 電流検出器
４０ 電圧検出器
５０ 誘導電動機
１２１ すべり周波数指令演算部
１２２ 加算部

Claims (4)

1. インバータを制御し、誘導電動機に励磁電流を印加することで該誘導電動機の回転子にすべりを発生させるインバータ制御装置であって、
   前記回転子の回転周波数である回転子周波数を演算により推定する推定速度演算部と、
   前記回転子周波数に基づき、前記インバータが出力する電圧の周波数を指示するインバータ周波数指令を生成するインバータ周波数指令生成部と、
   前記インバータ周波数指令が下限閾値よりも小さくならないように制限された制限周波数指令を生成する周波数制限部と、
   前記制限周波数指令に基づき、前記インバータが出力する電圧を指示する電圧指令を前記インバータに出力するトルク制御部と、
   を備えることを特徴とするインバータ制御装置。
2. 前記周波数制限部は、前記インバータ周波数指令が下限閾値よりも小さい場合には、前記制限周波数指令を前記下限閾値とし、前記インバータ周波数指令が下限閾値以上である場合には、前記制限周波数指令を前記インバータ周波数指令と同一とすることを特徴とする、請求項１に記載のインバータ制御装置。
3. 前記周波数制限部は、前記回転子周波数が負値となる後退起動制御閾値よりも小さい場合には、前記制限周波数指令をゼロ付近まで下げた後に上昇させることを特徴とする、請求項１又は２に記載のインバータ制御装置。
4. コンピュータを、請求項１から３のいずれか一項に記載のインバータ制御装置として機能させるためのプログラム。
   

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