JP4977739B2 - 電気車の電力変換装置 - Google Patents

Description

この発明は、直流電気車を駆動制御するための電気車の電力変換装置、特に回生率の向上を図ることができる電気車の電力変換装置に関するものである。

直流電気車用地上変電所の殆どは、電力を系統側に回生できない。そのため、同一き電線内にある力行車などの消費電力が小さいときに回生車から大きな回生電力を出力すると、架線の電圧が上昇し、架線に接続された機器の許容電圧を越えてしまう。この対策として、現状の回生車では回生ブレーキ力を絞り、架線の電圧の上昇を抑制する架線電圧リミッタ制御が適用されている。具体的には、直流入力側に直流リアクトルとコンデンサからなるフィルタ回路を備えた駆動制御装置により直流電気車を駆動制御するに当たり、制御安定性を向上させるために、架線電圧と直流リアクトルに流れる電流とから回生可能な回生電力を演算し、その演算値を電動機の回転速度で除して求めたトルクに、コンデンサ電圧の目標値と実際値との差を調節器に入力して演算した補正量を加算して電動機のトルクの制限値を求め、その制限値を用いて電動機のトルクを制限し、回生電力を制限して直流架線電圧の上昇を抑制する方法が提案されている。そのため、回生負荷抵抗が大きくなっても安定に回生ブレーキを動作させることができ、回生ブレーキが有効活用できるので、省エネルギー化を図ることができるというものである（例えば、特許文献１参照）。

特開平９−２３５０６号公報（段落番号００２２、００２３及び図１）

しかし、上記のような方法においては、安定に制御できる特徴があるが回生率を十分に向上できないという問題点があった。すなわち、駆動制御装置は電動機の発生するトルクを制御して電動機のブレーキ（回生）トルクを制御していることになるが、回生率は直流電源側の架線電圧、架線電流により評価されるものである。つまり、電力変換器が理想的であり損失が発生しないものであったら、電動機のブレーキトルクと回生される電力は一致し回生率は１００％となるはずである。しかし、実際には電力変換器には損失が発生するため、電動機のブレーキトルクは、電力変換器による損失に相当する分小さくなって直流電源側に回生されることになる。そのため、少なくとも電力変換器の損失分だけ直流電源側に回生できず、回生率を向上させることができないという問題点があった。
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、回生率の向上を図ることができる電気車の電力変換装置を得ることを目的とする。

この発明に係る電気車の電力変換装置においては、
電力変換部とトルク指令部と制御部とを有し、電気車を駆動する交流回転機を制御する電気車の電力変換装置であって、
電力変換部は、直流を可変電圧可変周波数の交流にあるいは可変電圧可変周波数の交流を直流に変換するものであって、直流側が直流電源に集電装置及び直流リアクトルを介して接続されたコンデンサに並列に接続されるとともに交流側が交流回転機に接続されるものであり、
トルク指令部は、電力演算手段とトルク演算手段と補正手段とを有し、
電力演算手段は、電気車の走行エネルギーを交流回転機の電力として集電装置を介して直流電源側に回生するときに集電装置の電圧として得られる直流電源の電圧と直流リアクトルに流れる電流と交流回転機の制御情報とに基づいて電力変換部の損失を考慮した回生可能な回生可能電力を演算するものであり、
トルク演算手段は、回生可能電力と交流回転機の速度とに基づいて交流回転機の回生可能電力に対応した回生トルクを演算するものであり、
補正手段は、コンデンサの電圧とコンデンサの電圧の目標値との差に基づいて求めた補正値を回生トルクに加算して交流回転機のトルク指令値を求めるものであり、
制御部は、トルク指令値に基づいて電力変換器をパルス幅変調制御することにより回生時の交流回転機のトルクを制御するものである。

そして、電力変換部とトルク指令部と制御部とを有し、電気車を駆動する交流回転機を制御する電気車の電力変換装置であって、
電力変換部は、直流を可変電圧可変周波数の交流にあるいは可変電圧可変周波数の交流を直流に変換するものであって、直流側が直流電源に集電装置及び直流リアクトルを介して接続されたコンデンサに並列に接続されるとともに交流側が交流回転機に接続されるものであり、
トルク指令部は、電力演算手段とトルク演算手段と別の補正手段とを有し、
電力演算手段は、電気車の走行エネルギーを交流回転機の電力として集電装置を介して直流電源側に回生するときに集電装置の電圧として得られる直流電源の電圧と直流リアクトルに流れる電流と交流回転機の制御情報とに基づいて電力変換部の損失を考慮した回生可能な回生可能電力を演算するものであり、
トルク演算手段は、回生可能電力と交流回転機の速度とに基づいて交流回転機の回生可能電力に対応した回生トルクを演算するものであり、
別の補正手段は、直流電源の電圧と直流電源の電圧の目標値との差に基づいて求めた別の補正値を回生トルクに加算して交流回転機の別のトルク指令値を求めるものであり、
制御部は、別のトルク指令値に基づいて電力変換器をパルス幅変調制御することにより回生時の交流回転機のトルクを制御するものである。

この発明に係る電気車の電力変換装置においては、
電力変換部とトルク指令部と制御部とを有し、電気車を駆動する交流回転機を制御する電気車の電力変換装置であって、
電力変換部は、直流を可変電圧可変周波数の交流にあるいは可変電圧可変周波数の交流を直流に変換するものであって、直流側が直流電源に集電装置及び直流リアクトルを介して接続されたコンデンサに並列に接続されるとともに交流側が交流回転機に接続されるものであり、
トルク指令部は、電力演算手段とトルク演算手段と補正手段とを有し、
電力演算手段は、電気車の走行エネルギーを交流回転機の電力として集電装置を介して直流電源側に回生するときに集電装置の電圧として得られる直流電源の電圧と直流リアクトルに流れる電流と交流回転機の制御情報とに基づいて電力変換部の損失を考慮した回生可能な回生可能電力を演算するものであり、
トルク演算手段は、回生可能電力と交流回転機の速度とに基づいて交流回転機の回生可能電力に対応した回生トルクを演算するものであり、
補正手段は、コンデンサの電圧とコンデンサの電圧の目標値との差に基づいて求めた補正値を回生トルクに加算して交流回転機のトルク指令値を求めるものであり、
制御部は、トルク指令値に基づいて電力変換器をパルス幅変調制御することにより回生時の交流回転機のトルクを制御するものであるので、
電力変換部の損失を考慮して交流回転機のトルクを制御することにより回生率の向上を図ることができる。

そして、電力変換部とトルク指令部と制御部とを有し、電気車を駆動する交流回転機を制御する電気車の電力変換装置であって、
電力変換部は、直流を可変電圧可変周波数の交流にあるいは可変電圧可変周波数の交流を直流に変換するものであって、直流側が直流電源に集電装置及び直流リアクトルを介して接続されたコンデンサに並列に接続されるとともに交流側が交流回転機に接続されるものであり、
トルク指令部は、電力演算手段とトルク演算手段と別の補正手段とを有し、
電力演算手段は、電気車の走行エネルギーを交流回転機の電力として集電装置を介して直流電源側に回生するときに集電装置の電圧として得られる直流電源の電圧と直流リアクトルに流れる電流と交流回転機の制御情報とに基づいて電力変換部の損失を考慮した回生可能な回生可能電力を演算するものであり、
トルク演算手段は、回生可能電力と交流回転機の速度とに基づいて交流回転機の回生可能電力に対応した回生トルクを演算するものであり、
別の補正手段は、直流電源の電圧と直流電源の電圧の目標値との差に基づいて求めた別の補正値を回生トルクに加算して交流回転機の別のトルク指令値を求めるものであり、
制御部は、別のトルク指令値に基づいて電力変換器をパルス幅変調制御することにより回生時の交流回転機のトルクを制御するものであるので、
電力変換部の損失を考慮して交流回転機のトルクを制御することにより回生率の向上を図ることができる。

この発明の実施の形態１である電気車の電力変換装置の構成を示す構成図である。 図１の架線電圧リミッタ制御部の構成を示す構成図である。 図２の比例ゲイン設定テーブル部に記憶された直流リアクトルに流れる電流と調節器の応答性を決めるゲインＫとの関係を定めた特性図である。 図２の損失補正設定テーブル部に記憶された角速度ωと損失考慮ゲインαとの関係を示す特性図である。 図２の架線電圧リミッタ制御部の動作を説明するための説明図である。 図１の電気車の電力変換装置の動作のシミュレーション結果を示す説明図である。 本発明の実施の形態２である電気車の電力変換装置の構成を示す構成図である。 図７の架線電圧リミッタ制御部の構成を示す構成図である。 図８の第１の損失補正設定テーブル部に記憶されたキャリア周波数と第１の損失補正ゲインとの関係を示す特性図である。 図８の第２の損失補正設定テーブル部に記憶された電流と第２の損失補正ゲインとの関係を示す特性図である。 本発明の実施の形態３である電気車の電力変換装置の構成を示す構成図である。 図１１の架線電圧リミッタ制御部の構成を示す構成図である。

実施の形態１．
図１〜図６は、この発明を実施するための実施の形態１を示すものであり、図１は電気車の電力変換装置の構成を示す構成図、図２は図１の架線電圧リミッタ制御部の構成を示す構成図である。図３は比例ゲイン設定テーブル部に記憶された直流リアクトルに流れる電流と調節器の応答性を決めるゲインＫとの関係を定めた特性図、図４は損失補正設定テーブル部に記憶された角速度ωと損失考慮ゲインαとの関係を示す特性図である。図５は図２の架線電圧リミッタ制御部の動作を説明するための説明図、図６は図１の電気車の電力変換装置の動作のシミュレーション結果を示す説明図である。図１において、電気車は、直流電源を供給する架線１００と摺動する集電装置としてのパンタグラフ６と、帰線側の車輪５と、パンタグラフ６に接続される直列リアクトル４と、直流側が直列リアクトル４と車輪５とに接続され交流側が交流回転機としての誘導機１に接続された電力変換装置２と、電力変換装置２の直流側に並列に接続されたコンデンサ３とを有している。なお、電気車の車輪５は、レールを介して地面に接続されているので、アースの役割を担っている。

コンデンサ３の電圧Ｅｆｃを検出する電圧検出器７と、直流電源の電圧としてのパンダグラフ６の電圧Ｅｓを検出する架線電圧検出器８と、直流リアクトル４に流れる電流Ｉｓを検出する電流検出器９と、速度情報である誘導機１の角速度ωを検出もしくは演算する速度検出器１０を有する。また、トルク指令部としての架線電圧リミッタ制御部１１（詳細構成は後述）、制御部としての電圧制御部１２及びＰＷＭ（パルス幅変調）制御部１３を有する。詳細は後述するが、架線電圧リミッタ制御部１１は、パンダグラフ６の電圧Ｅｓと、直流リアクトル４に流れる電流Ｉｓと、誘導機１の角速度ωに基づいて、誘導機１の回生可能なトルク指令値Ｔｃを求める。電圧制御部１２は、架線電圧リミッタ制御部で演算されたトルク指令値Ｔｃに基づいて電力変換器２を制御するための電圧指令値を演算する。ＰＷＭ制御部１３は、電圧制御部１２が演算した電圧指令値に基づいて電力変換器２を動作させる。

ここで、図２により、架線電圧リミッタ制御部１１の詳細構成を説明する。図２において、架線電圧リミッタ制御部１１は、調節器１４、電力演算手段としての電力量演算部１５、トルク演算手段としての除算器１６、加算器１７、リミッタ器１８、切替器１９、一次遅れ演算部２０、減算器２１、比較器２２を有する。調節器１４は、比較器２７、切替器３１、掛算器２８、比例ゲイン設定テーブル部３０、リミッタ器２９を有する。比例ゲイン設定テーブル部３０は、図３に示すように、電流Ｉｓを横軸にして調節器１４の応答性を決めるゲインＫを設定するものであり、電流Ｉｓが大きくなるに従ってゲインＫが小さくなり、所定の値Ｉ０でＫ＝０になるように設定されており、電流Ｉｓに対してゲインＫがテーブル形式で記憶されている。これは、電流Ｉｓが大きい区域では、後述の電力量演算部１５によって演算されたトルク指令値Ｔａ１による制御が主となるためである。なお、調節器１４と減算器２１と加算器１７とがこの発明における補正手段である。

電力量演算部１５は、損失補正設定テーブル部２３と掛算器２４と掛算器２５とを有する。損失補正設定テーブル部２３は、図４に示すように、誘導機１の角速度ωを横軸にして電力変換器２の効率９５〜９７％を考慮してその損失分を上乗せできるように、電力変換器２の損失分を考慮した損失考慮ゲインα（約１．０１〜１．１０）を定めたものであり、角速度ωに対応させて損失考慮ゲインαがテーブル形式で記憶されている。なお、特にＰＷＭ制御部１３が非同期キャリア周波数で変調を行っているときは、スイッチング損失などが大きくなるので、損失考慮ゲインαを大きく設定するようにしている。

次に、架線電圧リミッタ制御部１１の動作について説明する。図２において、電力量演算部１５は、掛算器２４で架線電圧検出器８により検出されたパンダグラフ６の電圧Ｅｓと電流検出器９により検出された直流リアクトルに流れる電流Ｉｓを掛け合わせて、電力変換器２の損失を考慮していない回生電力Ｐｏを算出する。掛算器２５では、電動機１の角速度ωに対応した損失考慮ゲインαを損失補正設定テーブル部２３によって求め、当該損失考慮ゲインαと上記回生電力Ｐｏとを掛算器２５にて掛け合わせて回生可能な回生電力Ｐｘを求める。除算器１６は、演算した回生電力Ｐｘを誘導機１の角速度ωで除して誘導機１の回生可能な回生電力Ｐｘに対応するトルクＴａ１を演算する。すなわち、除算器１６によって、回生電力Ｐｘを誘導機１の速度情報である角速度ωで割り算を行い、次の（１）式で示されるトルク指令値Ｔａ１を演算する。なお、ｐは誘導機１の極対数である。

架線電圧リミッタ制御部１１の減算器２１は、コンデンサ３の電圧Ｅｆｃからコンデンサ３の電圧の目標値Ｅｆｃ＊を減算して減算値δを算出する。これは、ブレーキ時に回生負荷が無いかもしくは少ないときにコンデンサ３の電圧Ｅｆｃが上昇して、目標値Ｅｆｃ＊より大きくなったときに、トルク指令値を絞り込むようにするためである。減算器２１から減算値δを架線電圧リミッタ制御部１１の調節器１４に入力する。ここで、調節器１４は、比較器２７の出力信号Ｓ１により制御開始動作が決められるようになっている。比較器２７は、コンデンサ３の電圧Ｅｆｃと、コンデンサ３の電圧の目標値Ｅｆｃ＊に１０Ｖを加えた基準値Ｅｆｃｓ（＝Ｅｆｃ＊＋１０Ｖ）とを比較し、コンデンサ３の電圧ＥｆｃがＥｆｃｓを越えると、出力信号Ｓ１のレベルを１にする。コンデンサ３の電圧ＥｆｃがＥｆｃｓ以下の場合は、出力信号Ｓ１のレベルは０である。

コンデンサ３の電圧Ｅｆｃが基準値Ｅｆｃｓを越え、比較器２７の出力信号Ｓ１のレベルが１になると切替器３１はその図示しない励磁コイルが励磁されて開閉接点が動作して、Ｃ接点とＡ接点とが接続されている状態からＣ接点とＢ接点とが接続される状態になり、切替器３１の出力として減算値δが出力される。なお、コンデンサ３の電圧Ｅｆｃが基準値Ｅｆｃｓより低いときは、切替器３１はＣ接点とＡ接点とが接続されている状態であり、切替器３１の出力は０である。

掛算器２８は、比例ゲイン設定テーブル部３０の出力と切替器３１の出力を掛け合わせる。ここで、比例ゲイン設定テーブル部３０は、電流Ｉｓと調節器１４の応答性を決めるゲインＫとの関係をテーブル形式で記憶しており、図４に示す如く電流Ｉｓが小さければゲインＫは大きく、電流Ｉｓが大きくなるとゲインＫは小さくなるように設定されている。従って、電流Ｉｓが大きい区域では、電力量演算部１５によって演算されたトルク指令値Ｔａ１による制御が主となる。観点を変えれば、調節器１４は、主として電流Ｉｓが小さい区域において動作するようにされており、コンデンサ３の電圧Ｅｆｃが急激に上昇したときにその上昇を抑制するように動作する。コンデンサ３の電圧Ｅｆｃが急激に上昇するのは、回生負荷が小さいときであり電流Ｉｓが流れない状態であるため、かかる現象に基づいて電流Ｉｓが小さいときにゲインを大きくするようにしている。このように、回生負荷によってコンデンサ３の電圧Ｅｆｃの上昇応答が異なるが、調節器１４の応答を電流Ｉｓに応じて設定することができるので、制御系が安定することに加えて電流Ｉｓに応じたすなわち回生負荷に応じた制御応答特性を設定でき、より回生率を上げることができる。

掛算器２８の出力をリミッタ器２９で上限値と下限値とを定めて制限し、調節器１４の出力信号としてトルク指令値Ｔａ２を出力する。リミッタ器２９は、調節器１４の動作範囲を決めるものであり、例えば電力変換器２の過電圧設定値が目標電圧Ｅｆｃより５０Ｖ大きい場合、コンデンサ３の電圧Ｅｆｃとコンデンサ３の電圧目標値Ｅｆｃ＊との差である減算値δが５０Ｖ以上になることは無く、この５０Ｖと比例ゲイン設定テーブル部３０の出力値Ｋとを掛けた値以上になることが無いので、その値±２５０Ｖ（５０Ｖ×Ｋ（例えばＫ＝５とする））をリミッタ器２９に設定する。

調節器１４の出力信号Ｔａ２と除算器１６の出力信号Ｔａ１を加算器１７で加算する。加算器１７で加算した加算値Ｔａｔ（＝Ｔａ１＋Ｔａ２）をリミッタ器１８によって上限値と下限値とを定めて、この範囲を逸脱しないように制限する。この上限値と下限値は、誘導機１の出力できる最大トルクに等しくなるように設定している。この制限は、加算値Ｔａｔが、誘導機１の出力できる最大トルク以上になり、誘導機１を想定以上のトルク指令値で制御することを防止するために設けられたものである。具体的には、リミッタ器１８は、誘導機１の出力できる最大トルク指令値が１８００Ｎｍであったら、±１８００Ｎｍで制限するようにしている。

比較器２２と切替器１９とは、架線電圧リミッタ制御部１１の動作開始を決めているものである。すなわち、比較器２２は、コンデンサ３の電圧Ｅｆｃが目標値Ｅｆｃ＊以上になると出力信号Ｓ２のレベルを１にし、その出力信号Ｓ２が切替器１９に入力されると切替器１９はその図示しない励磁コイルが励磁されて開閉接点が動作して、Ｃ接点とＢ接点とが接続されている状態からＣ接点とＡ接点とが接続される状態になり、切替器１９からリミッタ器１８の出力である補正値Ｔｂが出力トルクＴｃ１として出力されるようになる。なお、コンデンサ３の電圧Ｅｆｃが目標値Ｅｆｃ＊以下の場合は、切替器１９はＣ接点とＢ接点とが接続されている状態であり、切替器１９の出力は、通常のブレーキ（回生）トルク指令値Ｐｔｒとなる。

すなわち、この実施の形態は、通常のブレーキ（回生）トルク指令値を制限するものではなく、コンデンサ３の電圧Ｅｆｃに応じて切替器１９で通常ブレーキ（回生）トルク指令値Ｐｔｒと補正値Ｔｂとを切り替えるものである。このように、コンデンサの電圧Ｅｆｃによって補正値Ｔｂと通常ブレーキトルク指令値Ｐｔｒとを切り替えることにより、コンデンサの電圧Ｅｆｃが下がったときに、より大きなブレーキ（回生）トルク指令値を選択することができるので、回生率の向上を図ることができる。また、コンデンサの電圧Ｅｆｃが目標値Ｅｆｃ＊以上になったときは補正値Ｔｂを採用することにより電動機１に過大なブレーキ（回生）トルク指令値を与えるおそれがないようにしている。

ここで、コンデンサの電圧Ｅｆｃによって補正値Ｔｂと通常ブレーキトルク指令値Ｐｔｒとを切り替えると、コンデンサの電圧Ｅｆｃがコンデンサ３の電圧Ｅｆｃの目標値Ｅｆｃ＊付近で変動するとき補正値Ｔｂと通常ブレーキトルク指令値Ｐｔｒとをチャタリングしながら切り替えることになる。このトルク指令値の切り替えのチャタリングを防止するために、一次遅れ演算部２０を設けて次の（２）式で演算した出力信号Ｔｃを出力する。なお、（２）式中、ｓはラプラス演算子、Ｔは一次遅れ演算部２０の時定数、Ｔｃ１は切替器１９の出力信号である。

ところで、架線電圧リミッタ制御部１１をマイコンなどで実現することになるが、（２）式の一次遅れ演算部２０の時定数Ｔは、そのマイコンの演算時間の５倍以上の値を設定すればよい。例えば、架線電圧リミッタ制御部１１を実現するマイコンの演算時間が１ｍｓであれば、時定数Ｔを５ｍｓ程度に設定すれば、十分チャタリングを防止することができる。なお、時定数Ｔを長くすると通常ブレーキ（回生）トルク指令値Ｐｔｒの値付近が長くなる可能性があり、架線電圧リミッタ制御部１１の動作が遅くなり、コンデンサ３の電圧Ｅｆｃ及びパンダグラフ６の電圧Ｅｓの上昇を充分に抑制できないおそれがあるため、あまり長くしないで適切な所定の値に設定する。誘導機１の回生トルクの動作応答は、誘導機１の２次時定数Ｌｒ／Ｒｒ（Ｌｒは誘導機１の２次インダクタンス、Ｒｒは誘導機１の２次抵抗）で概ね決まるので、その値の１０分の１以下に設定していれば、架線電圧リミッタ制御部１１の動作は十分であると言える。電車用の誘導機１の定格容量が１８０ｋＷクラスである場合２次時定数Ｌｒ／Ｒｒは、２５０ｍｓであるので、その１０分の１である２５ｍｓあるいはこれより若干短い時間に設定する。

一次遅れ演算部２０の出力信号Ｔｃは、架線電圧リミッタ制御部１１の出力信号として電圧制御部１２（図１）に入力される。電圧制御部１２では、トルク指令値Ｔｃに基づいて、電力変換器２を制御する電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊が演算される。例えば、ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊は、トルク指令値Ｔｃに基づいて次の（３）式によって演算される。なお、Ｍは相互インダクタンスの値、Ｆ２Ｒは誘導機１の特性で決まる２次磁束の所定の値である。

また、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊は、以下の（４）式により演算される。

すべり角周波数指令値ωｓ＊は、ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊とｄ軸電流指令値Ｉｄ＊より以下の（５）式によって演算される。

電力変換装置２は、すべり角周波数指令値ωｓ＊と電動機の角速度（各周波数）ωに基づいて、出力する電圧指令値の周波数に相当するインバータ角周波数ωｉｎｖを演算する。すなわち、インバータ角周波数ωｉｎｖは、（６）式で演算する。

インバータ角周波数ωｉｎｖ、ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊とｄ軸電流指令値Ｉｄ＊から、回転二軸上のｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊、ｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を演算することができる。すなわち、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊、ｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊は、（７）式で演算することができる。

また、公知の通り、三相電圧あるいは三相電流を回転直交二軸へ座標変換をするときに、制御座標軸が必要となるが、任意のインバータ角周波数ωｉｎｖに基づいて回転二軸座標である制御座標軸の位相をθに定める。この位相θは、インバータ角周波数ωｉｎｖを積分することにより（８）式で得られる。

電圧制御部１２は、（６）、（７）式より得られたｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊、ｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊、位相θを用いて、三相電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を演算するのであるが、三相電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊の電圧位相θｖは、位相θより若干進んでいるので、まず電圧位相θｖを以下の（９）式から算出する。

（９）式で得られた電圧位相θｖとｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊、ｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊から三相電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を（１０）式で算出する。

電圧制御部１２で演算された電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊は、ＰＷＭ制御部１３で電力変換器２を構成する図示しないスイッチング素子をスイッチングするためＰＷＭ信号に変換され、電力変換器２を制御する。

次に、図５によって架線電圧リミッタ制御部１１の動作の補足説明をする。図５（ａ）において、電力変換器２は時刻ｔ１においてＯＮとなり、動作を開始する。同時にトルク指令値Ｔｃが変化する。この場合のトルク指令値Ｔｃは、通常トルク指令値Ｐｔｒである。架線１００側に回生負荷が存在しない場合、コンデンサ３の電圧Ｅｆｃ及びパンタグラフ６の電圧Ｅｓが上昇して（図５（ｃ））、時刻ｔ２においてコンデンサ３の電圧Ｅｆｃが目標値Ｅｆｃ＊を越えると（図５（ｂ））、架線電圧リミッタ１１が動作し、トルク指令値Ｔａ２（図５（ｅ））及びトルク指令値Ｔａ１（図５（ｆ））が演算され、その２つの値を加算した加算値Ｔａｔがリミッタ器１８にて所定の上限値と下限値とで制限された範囲を逸脱しないように制限を受けながら補正値Ｔｂとして切替器１９に出力され、この補正値Ｔｂが、図５（ｈ）における時刻ｔ２からｔ３の間、架線電圧リミッタ制御部１１のトルク指令値Ｔｃとして電圧制御部１２（図１）に出力され、ＷＰＭ制御部１３、電力変換器２を介して電動機１の回生トルクを制御することにより、回生電力を抑制し、コンデンサ３の電圧Ｅｆｃの上昇を抑制し、コンデンサ３の電圧Ｅｆｃが目標電圧値Ｅｆｃ＊を過度に越えないようにする。

次に、図６により電気車のブレーキ時の電力変換器２の動作のシミュレーション結果を説明する。電動機１の定数としては、電気車用の電動機の一般的な値を用いた。シミュレーションは、電動機速度６０Ｈｚから電動機１による回生制動を行ったもので、図６の横軸のｔ＝０ｓ時に電力変換器２を起動する。このときのコンデンサの電圧Ｅｆｃを図６（ａ）は示す。０．５ｓ後にコンデンサ３の電圧Ｅｆｃが目標値Ｅｆｃ＊（１７５０Ｖに設定されている）を越え、架線電圧リミッタ制御部１１が動作してコンデンサ３の電圧Ｅｆｃを目標値の１７５０Ｖになるように電動機１の回生トルクの制御を行う。

図６（ｂ）は、トルク指令値Ｔｃを示し０〜０．５ｓまでは通常のトルク指令値Ｐｔｒがトルク指令値Ｔｃとして出力され、その後コンデンサ３の電圧Ｅｆｃが目標電圧値Ｅｆｃ＊より大きくなったので、主に補正値Ｔｂがトルク指令値Ｔｃとして出力される。図６（ｂ）において、時間１ｓから３．５ｓまでの間、トルク指令値Ｔｃがかなり大きく変動しているが、これは架線１００側の全体の回生負荷の値が変化しているので、その変化に合わせてコンデンサの電圧Ｅｆｃを１７５０Ｖの一定に保持しつつトルク指令値Ｔｃを最適な値に制御を行っているためである。

図６（ｃ）において、直流リアクトル４を流れる電流Ｉｓを実線で、架線１００側全体の回生負荷の電流Ｉａを点線波形で示した。図６（ｄ）は、電動機の速度を示している。単位がＨｚであるので、電動機の角速度ωを２πで割った値を示している。図６（ｅ）は、トルク指令値Ｔａ１とトルク指令値Ｔａ２とを示している。図６（ｅ）より、コンデンサ３の電圧Ｅｆｃが上昇しているときは、主にトルク指令値Ｔａ２がトルク指令値Ｔｃとして架線電圧リミッタ制御部１１から電圧制御部１２へ出力され、コンデンサ３の電圧Ｅｆｃが概ね一定になると主にトルク指令値Ｔａ１がトルク指令値Ｔｃとして架線電圧リミッタ制御部１１から電圧制御部１２へ出力され、電力変換器２の制御が行なわれていることが分かる。以上のように、本実施の形態における電気車の電力変換装置が良好に動作することがシミュレーションにより確認できた。

このような構成によれば、電力変換器２の損失を考慮して電動機１のブレーキ（回生）トルクを制御することによりさらに回生率を向上できるので、一層省エネルギー化を図ることができる。また、直流電源の電圧が高い状態にあるときも制御することができるので、回生失効の発生頻度を低減することができる。

なお、図１では誘導機１の速度情報を得るために速度検出器１０を設けたが、速度検出は電力変換器２の電圧情報や電流情報などにより速度情報を演算するものであってもよい。この場合、図１に示すような速度検出器１０が不要となるので、さらに低コスト化が実現できる。

実施の形態２．
図７〜図１０は、実施の形態２を示すものであり、図７は電気車の電力変換装置の構成を示す構成図、図８は図７の架線電圧リミッタ制御部の構成を示す構成図である。図９は図８の第１の損失補正設定テーブル部に記憶されたキャリア周波数と第１の損失補正ゲインとの関係を示す特性図、図１０は図８の第２の損失補正設定テーブル部に記憶された電流Ｉｓと第２の損失補正ゲインとの関係を示す特性図である。本実施の形態は、図７において、架線電圧リミッタ制御部３２とＰＷＭ制御部３３が実施の形態１におけるものと異なる。すなわち、架線電圧リミッタ制御部３２はＰＷＭ制御部３３からのキャリア周波数ｆｃを入力とし、キャリア周波数ｆｃと直流リアクトル４を流れる電流Ｉｓとに基づき、電力変換器２の損失を考慮するようにしている点が異なる。その他の構成については、図１及び図２に示した実施の形態１と同様のものであるので、相当するものに同じ符号を付して説明を省略する。

図８に示す架線電圧リミッタ制御部３２は、電力演算手段としての電力量演算部３４を有する。電力量演算部３４が、実施の形態１である電力量演算部１５（図２）と異なる点は、キャリア周波数ｆｃと電流Ｉｓとに基づいて電力変換器２の損失を考慮することである。第１の損失補正設定テーブル部３６は、図９に示すように、キャリア周波数ｆｃを横軸にしてキャリア周波数ｆｃに応じて第１の損失補正ゲインβを設定し、キャリア周波数ｆｃと第１の損失補償ゲインβとの関係をテーブル形式で記憶している。特に、キャリア周波数が大きくなると電力変換器２の損失は大きくなるので、そのような特徴を第１の損失補正ゲインβの値に織り込む。

第２の損失補正設定テーブル部３７は、図１０に示すように直流リアクトル４を流れる電流Ｉｓを横軸にして電流Ｉｓに応じて第２の損失補正ゲインγを設定し、電流Ｉｓと第２の損失補償ゲインγとの関係をテーブル形式で記憶している。特に、電流Ｉｓが大きくなると電力変換器２を構成する図示しないスイッチング素子のＯＮ電圧が大きくなる特性があり、電流Ｉｓが大きくなると電力変換器２の損失は大きくなるので、そのような特徴を考慮して設定する。

掛算器３５は、第１の損失補正設定テーブル部３６の出力である第１の損失補償ゲインβと第２の損失補正設定テーブル部３７の出力である第２の損失補償ゲインγとを掛け合わせ、得られた積を掛算器２５へ出力する。その他の構成については、図２に示した実施の形態１と同様のものであるので、相当するものに同じ符号を付して説明を省略する。

以上のように構成することにより、電力変換器２の損失をキャリア周波数ｆｃと電流Ｉｓに基づいて補正することができるので、より損失分を正確に考慮することができ、さらに回生率の向上を図ることができる。

本実施の形態では、キャリア周波数ｆｃと電流Ｉｓとの組合せで電力変換器２の損失を考慮したが、実施の形態１で説明した電動機速度（例えば、角速度ω）とキャリア周波数ｆｃとを組み合わせてもよい。また、これら電動機速度、キャリア周波数ｆｃ、電流Ｉｓを単独で用いてもよい。さらに、電動機速度と電流Ｉｓとを組合せて損失補償ゲインを設定するようにしてもよい。また、電動機速度とキャリア周波数ｆｃと電流Ｉｓの３つを組み合わせることにより、より電力変換器２の損失をきめ細かく考慮することが可能である。

このような構成によれば、電力変換器２の損失を考慮して電動機１のブレーキ（回生）トルクを制御することによりさらに回生率を向上できるので、より省エネルギー化を図ることができる。また、直流電源の電圧が高い状態できも制御することができるので、回生失効の頻度を低減することができる。

実施の形態３．
図１１、図１２は、実施の形態３を示すものであり、図１１は電気車の電力変換装置の構成を示す構成図、図１２は図１１の架線電圧リミッタ制御部の構成を示す構成図である。図１１において、トルク指令部としての架線電圧リミッタ制御部３８は、実施の形態１における架線電圧リミッタ制御部１１と異なり、パンダグラフ６の電圧Ｅｓ、電動機速度ω、電流Ｉｓのみを入力として、コンデンサ３の電圧Ｅｆｃでなく架線１００（パンダグラフ６）の電圧Ｅｓを制御する点が異なる。すなわち、減算器４１にてパンダグラフ６の電圧Ｅｓと基準電圧Ｅｓ＊との差δが演算され、切替器３１へ出力される。その他の構成については、図１及び図２に示した実施の形態１と同様のものであるので、相当するものに同じ符号を付して説明を省略する。なお、調節器１４と減算器４１と加算器１７とがこの発明における別の補正手段である。

図８に示す架線電圧リミッタ制御部３８の構成要素は、実施の形態１と同様のものであり、実施の形態１と異なる点は、実施の形態１の図２の架線電圧リミッタ制御部１１においてコンデンサ３の電圧Ｅｆｃが入力されていた部分に、図１２における架線電圧リミッタ制御部３８においてはパンダグラフ６の電圧ＥＳが入力されるようになっていることである。すなわち、本実施の形態は、パンダグラフ６（架線１００）の電圧Ｅｓを制御するようにしている。

実施の形態１では、コンデンサ３の電圧Ｅｆｃを制御していたが、回生率を向上したいという目的では、パンダグラフ６を介して架線１００に電力を返すので、パンダグラフ６の電圧Ｅｓができるだけ高くなるように制御するのが、最も回生率が上がることになる。具体的に言えば、コンデンサ３の電圧Ｅｆｃを制御していると、直流リアクトル４による電圧降下分だけ、パンダグラフ６の電圧Ｅｓは下がることになる。しかし、本実施の形態では、パンダグラフ６の電圧Ｅｓを制御することにより、直流リアクトル４の電圧降下分を考慮して制御することができるので、パンダグラフ６の電圧Ｅｓを最大限に高くして、回生率の向上を図ることができる。

以上のように構成にすることにより、コンデンサ３の電圧Ｅｆｃを検出する電圧検出器１０（図１）が不要になることに加えて、直流リアクトル４の電圧降下も考慮してパンタグラフ６に回生する回生電力を決めることができるので、さらに回生率の向上を図ることができる。また、電力変換器２の損失を考慮して電動機１のブレーキ（回生）トルクを制御することにより、さらに回生率を向上できるので、一層省エネルギー化を図ることができる。また、パンタグラフ６の電圧が高い状態においても制御することができるので、回生失効の頻度を低減させることができる。

なお、電力量演算部１５の代わりに図８に示した電力量演算部３４を用いてもよい。この場合、実施の形態２と同様に電力変換器２の損失をキャリア周波数ｆｃと電流Ｉｓに基づいて補正することができるので、より損失分を正確に考慮することができ、さらに回生率の向上を図ることができる。

なお、以上の実施の形態においては、集電装置として架線と摺動するパンタグラフを示したが、地下鉄道における第３レールと摺動する集電シュー等であってもよい。また、交流回転機を誘導機としたが、同期機であっても同様の効果を奏する。

１ 誘導機、２ 電力変換器、３ コンデンサ、４ 直流リアクトル、
５ 車輪（アース）、６ パンタグラフ、７ 電圧検出器、８ 架線電圧検出器、
９ 電流検出器、１０ 速度検出器、１１ 架線電圧リミッタ制御部、
１２ 電圧制御部、１３ ＰＷＭ制御部、１４ 調節器、１５ 電力量演算部、
１６ 除算器、１７ 加算器、１８ リミッタ器、１９ 切替器、２１ 減算器、
２２ 比較器、２３ 損失補正設定テーブル部、２４ 掛算器、２５ 掛算器、
２６ 加算器、２７ 比較器、２８ 掛算器、２９ リミッタ器、
３０ 比例ゲイン設定テーブル部、３１ 切替器、３２ 架線電圧リミッタ制御部、
３３ ＰＷＭ制御部、３４ 電力量演算部、３５ 掛算器、
３６ 第１の損失補正設定テーブル部、３７ 第２の損失補正設定テーブル部、
３８ 架線電圧リミッタ制御部、４１ 減算器。

Claims (4)

1. 電力変換部とトルク指令部と制御部とを有し、電気車を駆動する交流回転機を制御する電気車の電力変換装置であって、
   上記電力変換部は、直流を可変電圧可変周波数の交流にあるいは可変電圧可変周波数の交流を直流に変換するものであって、上記直流側が直流電源に集電装置及び直流リアクトルを介して接続されたコンデンサに並列に接続されるとともに上記交流側が上記交流回転機に接続されるものであり、
   上記トルク指令部は、電力演算手段とトルク演算手段と補正手段とを有し、
   上記電力演算手段は、上記電気車の走行エネルギーを上記交流回転機の電力として上記集電装置を介して上記直流電源側に回収するときに上記集電装置の電圧として得られる上記直流電源の電圧と上記直流リアクトルに流れる電流と上記交流回転機の制御情報とに基づいて上記電力変換部の損失を考慮した回生可能な回生可能電力を演算するものであり、
   上記トルク演算手段は、上記回生可能電力と上記交流回転機の速度とに基づいて上記交流回転機の上記回生可能電力に対応した回生トルクを演算するものであり、
   上記補正手段は、上記コンデンサの電圧と上記コンデンサの電圧の目標値との差に基づいて求めた補正値を上記回生トルクに加算して上記交流回転機のトルク指令値を求めるものであり、
   上記制御部は、上記トルク指令値に基づいて上記電力変換器をパルス幅変調制御することにより上記回生時の上記交流回転機のトルクを制御するものである
   電気車の電力変換装置。
2. 電力変換部とトルク指令部と制御部とを有し、電気車を駆動する交流回転機を制御する電気車の電力変換装置であって、
   上記電力変換部は、直流を可変電圧可変周波数の交流にあるいは可変電圧可変周波数の交流を直流に変換するものであって、上記直流側が直流電源に集電装置及び直流リアクトルを介して接続されたコンデンサに並列に接続されるとともに上記交流側が上記交流回転機に接続されるものであり、
   上記トルク指令部は、電力演算手段とトルク演算手段と別の補正手段とを有し、
   上記電力演算手段は、上記電気車の走行エネルギーを上記交流回転機の電力として上記集電装置を介して上記直流電源側に回収するときに上記集電装置の電圧として得られる上記直流電源の電圧と上記直流リアクトルに流れる電流と上記交流回転機の制御情報とに基づいて上記電力変換部の損失を考慮した回生可能な回生可能電力を演算するものであり、
   上記トルク演算手段は、上記回生可能電力と上記交流回転機の速度とに基づいて上記交流回転機の上記回生可能電力に対応した回生トルクを演算するものであり、
   上記別の補正手段は、上記直流電源の電圧と上記直流電源の電圧の目標値との差に基づいて求めた別の補正値を上記回生トルクに加算して上記交流回転機の別のトルク指令値を求めるものであり、
   上記制御部は、上記別のトルク指令値に基づいて上記電力変換器をパルス幅変調制御することにより上記回生時の上記交流回転機のトルクを制御するものである
   電気車の電力変換装置。
3. 上記補正部または上記別の補正部は、上記直流リアクトルに流れる電流に応じて上記補正値または上記別の補正値をさらに補正するものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電気車の電力変換装置。
4. 上記電力演算手段に用いられる上記交流回転機の制御情報は、上記交流回転機の速度情報及び上記パルス幅変調におけるキャリア周波数のうちの少なくとも一つであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電気車の電力変換装置。

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