JP2018019460A - インバータ制御装置及びプログラム - Google Patents
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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
【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。
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。
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)ωm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ωm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ωm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ωm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ωm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φ2を算出する。ここで、R1は誘導電動機50の一次抵抗であり、L1,L2,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φ2の角周波数ωcは、磁束ベクトルφ2のd軸成分であるφ2d及び磁束ベクトルφ2のq軸成分であるφ2qを用いて、式(2)で表される。
また、磁束ベクトルφ2、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ωsc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ωm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ωm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ωi *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φ2 *とに基づき、以下の式(5)を用いてすべり周波数指令ωs *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ωm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ωs *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ωi *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ωi *が所定の周波数下限閾値ωiLMT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ωiL *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ωi *が周波数下限閾値ωiLMT以上である場合にはωiL *=ωi *とし、周波数指令ωi *が周波数下限閾値ωiLMTよりも小さい場合には、ωiL *=ωiLMTとする。
トルク制御部14は、トルク指令T*と、二次磁束指令φ2 *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ωiL *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φ2 *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φ2 *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ωiL *を一定値である周波数下限閾値ωiLMT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ωi *が周波数下限閾値ωiLMT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ωiL *を加算部122から入力されたインバータ周波数指令ωi *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ωiL *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ωiL *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ωi *が周波数下限閾値ωiLMT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ωmを推定し、トルク制御を実施する。しかし、回転子周波数ωm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ωiL *を周波数下限閾値ωiLMTとし(時刻t0)、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ωi *が周波数下限閾値ωiLMT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ωm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ωiL *を加算部122から入力されたインバータ周波数指令ωi *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ωm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t0付近)は、周波数下限閾値ωiLMTと回転子周波数ωmとの差であるすべり周波数が定格すべり周波数ωs(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ωiL *を周波数下限閾値ωiLMT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ωiLMTとなる制限周波数指令ωiL *にて車両を起動すると(時刻t0付近)、周波数下限閾値ωiLMTと負値である回転子周波数ωmとの差であるすべり周波数が定格すべり周波数ωs(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ωiL *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ωmが負値となる後退起動制御閾値ωopen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t1)、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ωiL *がゼロを通過するように制限周波数指令ωiL *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ωiL *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ωi *が周波数下限閾値ωiLMT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ωm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ωiL *を加算部122から入力されたインバータ周波数指令ωi *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ωi *に予め周波数下限閾値ωiLMTを設け、誘導電動機50の回転子が周波数下限閾値ωiLMT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ωi *を最下限値となる周波数下限閾値ωiLMT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ωm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ωiLMT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ωopen以下(すなわち、周波数下限閾値ωiLMT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
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)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2016145523A JP2018019460A (ja) | 2016-07-25 | 2016-07-25 | インバータ制御装置及びプログラム |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2016145523A JP2018019460A (ja) | 2016-07-25 | 2016-07-25 | インバータ制御装置及びプログラム |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2018019460A true JP2018019460A (ja) | 2018-02-01 |
Family
ID=61081824
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2016145523A Pending JP2018019460A (ja) | 2016-07-25 | 2016-07-25 | インバータ制御装置及びプログラム |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2018019460A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20200123882A (ko) * | 2019-04-22 | 2020-11-02 | 주식회사 코아비스 | 차량 전자부품의 제어장치 |
-
2016
- 2016-07-25 JP JP2016145523A patent/JP2018019460A/ja active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20200123882A (ko) * | 2019-04-22 | 2020-11-02 | 주식회사 코아비스 | 차량 전자부품의 제어장치 |
KR102200756B1 (ko) | 2019-04-22 | 2021-01-13 | 주식회사 코아비스 | 차량 전자부품의 제어장치 |
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