JP6567362B2 - Power conversion system - Google Patents

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Description

本発明は、エンジンに直結された発電機が発電した電力を変換して負荷に電力を供給する電力変換システムに関する。   The present invention relates to a power conversion system that converts power generated by a generator directly connected to an engine and supplies power to a load.

一般に、ディーゼルエンジンやガソリンエンジンなどのエンジンは、高出力・高効率で運転可能な速度範囲が限られている。そのため、速度範囲の広い走行を行う鉄道車両や自動車などの車両にエンジンを適用するための方法として、機械式変速機、液体式変速機などの変速機を用いてエンジンの回転出力を変換する方法がある。また、別の方法として、エンジンと発電機とを直結し、エンジンにより発電機を駆動して、エンジンの回転出力を電気エネルギーに変換し、その電気エネルギーにより車両の主電動機（モータ）を駆動する方法がある。このような方法により駆動される鉄道車両は電気式ディーゼル機関車、もしくはディーゼル電気機関車と称され、例えば、非電化区間における使用を目的として、実用化が進められている。   Generally, engines such as diesel engines and gasoline engines have a limited speed range in which they can be operated with high output and high efficiency. Therefore, as a method for applying the engine to a vehicle such as a railway vehicle or an automobile that travels in a wide speed range, a method of converting the rotational output of the engine using a transmission such as a mechanical transmission or a liquid transmission. There is. As another method, the engine and the generator are directly connected, the generator is driven by the engine, the rotational output of the engine is converted into electric energy, and the main motor (motor) of the vehicle is driven by the electric energy. There is a way. A railway vehicle driven by such a method is called an electric diesel locomotive or a diesel electric locomotive, and is being put into practical use for the purpose of use in a non-electrified section, for example.

非特許文献１には、ディーゼル電気機関車において、交流発電機が発生した交流電力をダイオード整流器により整流し、ダイオード整流器により得られた直流電圧を、コンデンサを備えた中間回路において保持し、中間回路で保持されている直流電圧（中間回路電圧Ｖｃ）によりＶＶＶＦ（可変電圧可変周波数）インバータでディーゼル電気機関車の駆動・制動用に主電動機を駆動する方法が開示されている。   In Non-Patent Document 1, in a diesel electric locomotive, AC power generated by an AC generator is rectified by a diode rectifier, and a DC voltage obtained by the diode rectifier is held in an intermediate circuit including a capacitor. Discloses a method of driving a main motor for driving / braking a diesel electric locomotive by a VVVF (variable voltage variable frequency) inverter using a DC voltage (intermediate circuit voltage Vc) held in the above.

また、特許文献１には、ディーゼル電気機関車において、交流発電機が発生した交流電力を直流電力に変換するＰＷＭ（Pulse Width Modulation）コンバータを用いて、交流発電機を制御する方法が開示されている。   Patent Document 1 discloses a method of controlling an AC generator using a PWM (Pulse Width Modulation) converter that converts AC power generated by the AC generator into DC power in a diesel electric locomotive. Yes.

特開２０１２−１８４６８７号公報JP 2012-184687 A

西田寛他、「ＤＦ２００形ディーゼル電気機関車」、第２９回 鉄道サイバネティクス利用国内シンポジウム、ｐ２９７−３０１、１９９２年Hiroshi Nishida et al., “DF200 diesel electric locomotive”, 29th National Symposium on Railway Cybernetics, p297-301, 1992

エンジンと発電機とが直結されている（エンジンと発電機の回転子とが機械的に直接接続されている）場合、エンジンが加速しようとするトルクと、発電機が発電時に回転を抑制しようとするトルクとが釣り合った状態で継続的に運転が可能である。これらのトルクに差があると、直結されたエンジン及び発電機の回転速度（以下、エンジン回転速度と称する）が変動してしまうため、エンジン回転速度が適切な値となるように、エンジンもしくは発電機の制御が必要となる。   When the engine and the generator are directly connected (the engine and the generator rotor are mechanically connected directly), the torque that the engine tries to accelerate and the generator tries to suppress rotation during power generation. The operation can be continuously performed in a state in which the torque to be balanced is balanced. If there is a difference between these torques, the rotational speed of the directly connected engine and generator (hereinafter referred to as engine rotational speed) will fluctuate, so that the engine or power generator will have an appropriate value for the engine rotational speed. Control of the machine is required.

ところで、発電機の発電電力は、発生トルクＴとエンジン回転速度を角速度に換算したエンジン角速度ωとの積で表わされる。発電機から出力された交流電力をダイオード整流器（非特許文献１）やコンバータ（特許文献１）により直流電力に変換する場合、ダイオード整流器あるいはコンバータにおける損失及び発電機による損失は微小であるため無視すると、中間回路電圧Ｖｃと、ダイオード整流器あるいはコンバータから中間回路に流れる電流Ｉとの間には、以下の式（１）の関係がある。なお、トルクＴはエンジン及び発電機の回転を抑制する方向を正とし、電流Ｉは中間回路に電力供給する方向を正とする。
Ｔ×ω＝Ｉ×Ｖｃ （１） Incidentally, the power generated by the generator is represented by the product of the generated torque T and the engine angular speed ω obtained by converting the engine rotational speed into an angular speed. When the AC power output from the generator is converted to DC power by a diode rectifier (Non-patent Document 1) or converter (Patent Document 1), the loss in the diode rectifier or converter and the loss due to the generator are negligible. The relationship between the intermediate circuit voltage Vc and the current I flowing from the diode rectifier or converter to the intermediate circuit is expressed by the following equation (1). The torque T is positive in the direction of suppressing the rotation of the engine and the generator, and the current I is positive in the direction of supplying power to the intermediate circuit.
T × ω = I × Vc (1)

非特許文献１に開示されている方法のように、ダイオード整流器を用いる場合、トルクＴ及び電流Ｉは正の値のみをとる。すなわち、発電機から中間回路に電力を供給することのみ可能であり、また、トルクＴ及び電流Ｉの値は受動的に決まり、自由に制御することはできない。したがって、非特許文献１に開示されている方法では、発電電力の制御は、エンジン（エンジン回転速度）により行う必要がある。   When a diode rectifier is used as in the method disclosed in Non-Patent Document 1, the torque T and the current I take only positive values. That is, it is only possible to supply power from the generator to the intermediate circuit, and the values of the torque T and the current I are determined passively and cannot be freely controlled. Therefore, in the method disclosed in Non-Patent Document 1, the generated power must be controlled by the engine (engine speed).

一方、特許文献１に開示されている方法のように、コンバータを用いる場合、コンバータの制御により、トルクＴ及び電流Ｉは、正の値だけでなく負の値をとることができる。すなわち、発電機から中間回路に電力を供給するだけでなく、回生時には、中間回路から発電機に電力を供給して、発電機がエンジンを加速させるような運転も可能である。また、トルクＴ及び電流Ｉの値を自由に制御することができる。しかしながら、エンジン回転速度と中間回路電圧Ｖｃとが定まると、式（１）に従い、トルクＴ及び中間回路に出入りする電力の値は拘束される。   On the other hand, when a converter is used as in the method disclosed in Patent Document 1, the torque T and the current I can take not only positive values but also negative values by controlling the converter. That is, not only power is supplied from the generator to the intermediate circuit, but also during regeneration, the generator can be operated to supply power from the intermediate circuit to the generator so that the generator accelerates the engine. Further, the values of torque T and current I can be freely controlled. However, when the engine speed and the intermediate circuit voltage Vc are determined, the torque T and the value of power entering and exiting the intermediate circuit are constrained according to the equation (1).

中間回路電圧Ｖｃは、コンバータあるいはダイオード整流器から流れる電流と、負荷が消費する電流とが釣り合うことにより、一定の値を維持することができる。すなわち、中間回路から出入りする電流が釣り合うことにより、中間回路電圧Ｖｃを一定の値に維持することができる。したがって、中間回路から出入りする電流の和がゼロでないと、中間回路が備えるコンデンサの電圧が変動し、中間回路電圧Ｖｃが変動してしまう。   The intermediate circuit voltage Vc can be maintained at a constant value by balancing the current flowing from the converter or the diode rectifier with the current consumed by the load. That is, the intermediate circuit voltage Vc can be maintained at a constant value by balancing the current flowing in and out of the intermediate circuit. Therefore, if the sum of currents flowing in and out of the intermediate circuit is not zero, the voltage of the capacitor provided in the intermediate circuit varies, and the intermediate circuit voltage Vc varies.

中間回路は、車両内の様々な装置（空調装置、照明装置など）に電力を供給する補助電源装置の電源として用いられる場合がある。この場合、車両内の装置の電源を確保するために、補助電源装置が動作を停止することは望ましくない。中間回路電圧Ｖｃが低すぎると、補助電源装置の継続的な動作が困難となり、中間回路電圧Ｖｃが高すぎると、補助電源装置内の素子の破損などを招き、保護動作が発生して動作できなくなる。したがって、中間回路電圧Ｖｃを、負荷（補助電源装置やＶＶＶＦインバータ）が継続的に動作可能な範囲内に維持するような制御が必要であるとともに、エンジン回転速度を、発電機の発電電力と負荷の消費電力とのバランスが保たれる値とするような制御が必要である。   The intermediate circuit may be used as a power source for an auxiliary power supply device that supplies power to various devices (such as an air conditioner and a lighting device) in the vehicle. In this case, it is not desirable for the auxiliary power supply device to stop operating in order to secure the power supply of the device in the vehicle. If the intermediate circuit voltage Vc is too low, continuous operation of the auxiliary power supply device becomes difficult. If the intermediate circuit voltage Vc is too high, elements in the auxiliary power supply device may be damaged and a protective operation may be generated to operate. Disappear. Therefore, it is necessary to control the intermediate circuit voltage Vc within a range in which the load (auxiliary power supply device or VVVF inverter) can be operated continuously, and the engine rotation speed is determined based on the power generated by the generator and the load. Therefore, it is necessary to perform control so that a balance with the power consumption is maintained.

上述したように、非特許文献１に開示されている方法では、発電電力の制御は、エンジン（エンジン回転速度）により行う必要がある。しかしながら、エンジン回転速度が変動すると、式（１）より中間回路電圧Ｖｃも変動してしまう。そのため、適切な制御を行うためには、エンジン回転速度の制御をきめ細やかに行う必要がある。非特許文献１においては、大型の大出力エンジンを用いた大出力機関車を対象としており、そのような大型の大出力エンジンには、エンジン回転速度の制御を行うための回転速度制御機能の搭載も困難ではない。   As described above, in the method disclosed in Non-Patent Document 1, the generated power needs to be controlled by the engine (engine speed). However, when the engine rotation speed fluctuates, the intermediate circuit voltage Vc also fluctuates from the equation (1). Therefore, in order to perform appropriate control, it is necessary to finely control the engine speed. Non-Patent Document 1 targets a high-power locomotive using a large-sized high-power engine, and such a large-sized large-power engine is equipped with a rotation speed control function for controlling the engine rotation speed. It is not difficult.

一方、非特許文献１と同じ鉄道用途でも、客室の床下に小型のエンジンを搭載した鉄道車両である気動車では、小型のエンジンには回転速度制御機能が搭載されていないこともあるため、エンジン回転速度の制御をきめ細やかに行うことは困難であり、中間回路電圧Ｖｃの制御が困難となる。このように、非特許文献１に開示されている方法では、回転速度制御機能などを設けることなく、簡易な構成で、エンジン回転速度の制御及び中間回路電圧Ｖｃの制御の両方を実現することは困難である。   On the other hand, even in the same railway application as in Non-Patent Document 1, in a railway car that is a railway vehicle equipped with a small engine under the floor of a passenger room, the engine speed may not be installed in the small engine. It is difficult to finely control the speed, and it becomes difficult to control the intermediate circuit voltage Vc. As described above, in the method disclosed in Non-Patent Document 1, it is possible to realize both control of the engine rotational speed and control of the intermediate circuit voltage Vc with a simple configuration without providing a rotational speed control function or the like. Have difficulty.

一方、特許文献１に開示されている方法では、コンバータを用いているため、トルクＴ及び電流Ｉは正の値及び負の値をとることができる（発電機から中間回路への電力の供給だけでなく、中間回路から発電機に電力を供給することも可能である）。また、トルクＴ及び電流Ｉの値を自由に制御することもできる。しかしながら、エンジン回転速度と中間回路電圧Ｖｃとが定まると、トルクＴ及び中間回路に出入りする電力の値は、式（１）に従い拘束される。   On the other hand, in the method disclosed in Patent Document 1, since the converter is used, the torque T and the current I can take a positive value and a negative value (only supply of power from the generator to the intermediate circuit). It is also possible to supply power to the generator from the intermediate circuit). Further, the values of torque T and current I can be freely controlled. However, when the engine speed and the intermediate circuit voltage Vc are determined, the value of the torque T and the electric power entering and exiting the intermediate circuit is constrained according to the equation (1).

そのため、コンバータの制御により発電機の発生トルクを変化させてエンジン回転速度を制御とすると、中間回路電圧Ｖｃをコンバータで制御することはできない。一方、中間回路電圧Ｖｃをコンバータで制御すると、発電機の発生トルクが決まってしまうため、エンジン回転速度を制御することができない。すなわち、コンバータの制御だけで、エンジン回転速度の制御と中間回路電圧Ｖｃの制御とを両立することは困難であった。そのため、エンジンに燃料供給調整などによる回転速度制御機能を搭載してエンジンの回転制御を行い、コンバータにより中間回路電圧Ｖｃの制御を行うか、あるいは、負荷の消費電力を調整して中間回路電圧Ｖｃが一定になるようにした状態で、コンバータによりエンジン回転速度の調整を行う必要がある。   Therefore, if the engine rotation speed is controlled by changing the torque generated by the generator by controlling the converter, the intermediate circuit voltage Vc cannot be controlled by the converter. On the other hand, if the intermediate circuit voltage Vc is controlled by the converter, the torque generated by the generator is determined, and therefore the engine speed cannot be controlled. In other words, it has been difficult to achieve both control of the engine speed and control of the intermediate circuit voltage Vc only by control of the converter. Therefore, the engine speed is controlled by adjusting the fuel supply to the engine to control the rotation of the engine and the converter controls the intermediate circuit voltage Vc, or the power consumption of the load is adjusted to adjust the intermediate circuit voltage Vc. It is necessary to adjust the engine rotation speed by a converter in a state in which is kept constant.

特許文献１に開示されている方法では、エンジンに回転速度調整機能を設けるとともに、エンジンの回転速度指令や、コンバータ及びインバータに対する指令を出力するための列車制御装置を設けている。   In the method disclosed in Patent Document 1, a rotational speed adjustment function is provided in the engine, and a train control device for outputting a rotational speed command of the engine and a command to the converter and the inverter is provided.

しかしながら、上述した列車制御装置のような制御システムは一般に、広範で大掛かりなものとなり、構築が困難な場合が多い。また、エンジン、コンバータ、インバータ間での信号通信により互いの状況を把握することで適切な制御を行うことも考えられるが、車両内での信号通信が困難な場合も多い。例えば、既存の液体式ディーゼル気動車を電気式ディーゼル気動車に変えたり、既存の電車にディーゼルエンジンを追加して電気式ディーゼル気動車を構築したりする場合には、上述した回転速度制御機能の構築が難しいだけでなく、広範囲の制御システムの構築、車両内の信号通信なども難しいことがある。   However, a control system such as the train control device described above is generally extensive and large, and is often difficult to construct. In addition, it is conceivable to perform appropriate control by grasping each other's situation through signal communication between the engine, the converter, and the inverter, but signal communication in the vehicle is often difficult. For example, when changing an existing liquid diesel train to an electric diesel train or building an electric diesel train by adding a diesel engine to an existing train, it is difficult to construct the aforementioned rotational speed control function. In addition to this, it may be difficult to construct a wide-range control system and signal communication in the vehicle.

本発明の目的は、上述した課題を解決し、簡易な構成で、エンジンの回転速度の制御及び中間回路電圧の制御の両立を図ることができる電力変換システムを提供することにある。   An object of the present invention is to solve the above-described problems and provide a power conversion system capable of achieving both control of engine speed and control of intermediate circuit voltage with a simple configuration.

上記課題を解決するため、本発明に係る電力変換システムは、エンジンに直結された発電機を制御して直流電圧を発生させるコンバータと、前記直流電圧を保持する中間回路と、前記中間回路から電力を供給される負荷と、を備え、前記中間回路は、前記コンバータ及び前記負荷のみの電力関係によって定まる前記直流電圧を保持し、前記コンバータは、前記発電機から入力される交流電圧を前記直流電圧に変換する電力変換回路と、前記中間回路の電圧指令である中間回路電圧指令を前記エンジンの回転速度のみに応じて生成する中間回路電圧指令生成部と、前記直流電圧が前記中間回路電圧指令に一致するように前記電力変換回路を制御する制御部と、を備えることを特徴とする。 In order to solve the above problems, a power conversion system according to the present invention includes a converter that controls a generator directly connected to an engine to generate a DC voltage, an intermediate circuit that holds the DC voltage, and an electric power from the intermediate circuit. The intermediate circuit holds the DC voltage determined by the power relationship between the converter and the load alone, and the converter converts the AC voltage input from the generator into the DC voltage. A power conversion circuit for converting to an intermediate circuit voltage command generation unit that generates an intermediate circuit voltage command that is a voltage command for the intermediate circuit only in accordance with a rotation speed of the engine, and the DC voltage is converted into the intermediate circuit voltage command. And a control unit that controls the power conversion circuit so as to coincide with each other.

また、本発明に係る電力変換システムにおいて、前記中間回路電圧指令生成部は、前記中間回路電圧指令を、前記エンジンの回転速度が第１の閾値未満である場合には、前記中間回路電圧指令を第１の電圧基準値とし、前記エンジンの回転速度が前記第１の閾値以上であり第２の閾値未満である場合には、前記第１の電圧基準値から第２の電圧基準値の間で前記エンジンの回転速度に応じて増加させ、前記エンジンの回転速度が前記第２の閾値以上であり第３の閾値未満である場合には、第２の電圧基準値とし、前記エンジンの回転速度が前記第３の閾値以上であり第４の閾値未満である場合には、前記第２の電圧基準値から第３の電圧基準値の間で前記エンジンの回転速度に応じて増加させ、前記エンジンの回転速度が前記第４の閾値以上である場合には、第３の電圧基準値とすることを特徴とする。   Further, in the power conversion system according to the present invention, the intermediate circuit voltage command generator generates the intermediate circuit voltage command, and if the rotational speed of the engine is less than a first threshold, the intermediate circuit voltage command is output. When the rotation speed of the engine is greater than or equal to the first threshold value and less than the second threshold value, the first voltage reference value is between the first voltage reference value and the second voltage reference value. When the rotational speed of the engine is greater than or equal to the second threshold and less than the third threshold, the second voltage reference value is set, and the rotational speed of the engine is If it is greater than or equal to the third threshold value and less than the fourth threshold value, it is increased between the second voltage reference value and the third voltage reference value according to the rotational speed of the engine, The rotation speed is equal to or higher than the fourth threshold value. In some cases, characterized by a third voltage reference value.

また、本発明に係る電力変換システムにおいて、前記負荷は、電力の消費時において、前記中間回路電圧が前記第２の電圧基準値から前記第１の電圧基準値の間で低下している場合には、消費電力を低減させ、電力の回生時において、前記中間回路電圧が前記第２の電圧基準値から前記第３の電圧基準値の間で上昇している場合には、回生電力を低減させること特徴とする。   In the power conversion system according to the present invention, when the load consumes power, the intermediate circuit voltage decreases between the second voltage reference value and the first voltage reference value. Reduces power consumption, and reduces the regenerative power when the intermediate circuit voltage rises between the second voltage reference value and the third voltage reference value during power regeneration. It is a feature.

また、本発明に係る電力変換システムにおいて、前記負荷は、前記中間回路から供給された直流電圧を交流電圧に変換して、車両を駆動するモータに供給するインバータと、前記中間回路から供給された直流電圧を変換して、前記車両内の装置に供給する補助電源装置とからなり、前記インバータは、前記車両の加速時には、前記中間回路電圧が前記第１の電圧基準値まで低下する前に前記モータによる加速動作を停止させ、前記車両の減速時には、前記中間回路電圧が前記第３の電圧基準値まで上昇する前に前記モータによる回生動作を停止させ、前記補助電源装置は、前記第１の電圧基準値から前記第３の電圧基準値の間で動作を継続可能であることを特徴とする。   Further, in the power conversion system according to the present invention, the load is supplied from the intermediate circuit and an inverter that converts the DC voltage supplied from the intermediate circuit into an AC voltage and supplies the AC voltage to a motor that drives the vehicle. The inverter comprises an auxiliary power supply device that converts a DC voltage and supplies it to a device in the vehicle, and the inverter, when accelerating the vehicle, before the intermediate circuit voltage decreases to the first voltage reference value. The acceleration operation by the motor is stopped, and when the vehicle is decelerated, the regenerative operation by the motor is stopped before the intermediate circuit voltage rises to the third voltage reference value. The operation can be continued between the voltage reference value and the third voltage reference value.

また、本発明に係る電力変換システムにおいて、前記中間回路電圧指令生成部は、前記エンジンの回転速度が前記第４の閾値の場合における前記エンジンの出力よりも、前記エンジンの回転速度が前記第３の閾値の場合における前記エンジンの出力のほうが大きくなり、前記エンジンの回転速度が前記第３の閾値の場合における前記エンジンの出力よりも、前記エンジンの回転速度が前記第１の閾値及び前記第２の閾値の場合における前記エンジンの出力のほうが大きくなるように、前記第１の閾値、前記第２の閾値、前記第３の閾値、及び前記第４の閾値を設定することを特徴とする。   Further, in the power conversion system according to the present invention, the intermediate circuit voltage command generation unit is configured such that the engine rotation speed is higher than the engine output when the engine rotation speed is the fourth threshold. In the case of the threshold value, the engine output is larger, and the engine speed is higher than the engine output in the case where the engine speed is the third threshold value. The first threshold value, the second threshold value, the third threshold value, and the fourth threshold value are set such that the output of the engine in the case of the threshold value becomes larger.

また、本発明に係る電力変換システムにおいて、前記中間回路電圧指令生成部は、前記エンジンの出力がピークとなる前記エンジンの回転速度の近傍に、前記第１の閾値及び前記第２の閾値を設定することを特徴とする。   Further, in the power conversion system according to the present invention, the intermediate circuit voltage command generation unit sets the first threshold value and the second threshold value in the vicinity of the engine speed at which the output of the engine reaches a peak. It is characterized by doing.

また、本発明に係る電力変換システムにおいて、前記中間回路電圧指令生成部は、前記第１の閾値及び前記第２の閾値を前記エンジンの状況に応じて設定することを特徴とする。   Moreover, in the power conversion system according to the present invention, the intermediate circuit voltage command generation unit sets the first threshold value and the second threshold value according to the state of the engine.

本発明に係る電力変換システムによれば、簡易な構成で、エンジンの回転速度の制御及び中間回路電圧の制御の両立を図ることができる。   According to the power conversion system of the present invention, it is possible to achieve both control of the engine speed and control of the intermediate circuit voltage with a simple configuration.

本発明の一実施形態に係る電力変換システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the power conversion system which concerns on one Embodiment of this invention. 図１に示す中間回路電圧指令生成部の動作を説明するための図である。It is a figure for demonstrating operation | movement of the intermediate circuit voltage command generation part shown in FIG. 図１に示すＶＶＶＦインバータの力行時の動作を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the operation | movement at the time of the power running of the VVVF inverter shown in FIG. 図１に示すＶＶＶＦインバータの回生時の動作を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the operation | movement at the time of regeneration of the VVVF inverter shown in FIG. 図１に示すエンジンの一般的な特性を示す図である。It is a figure which shows the general characteristic of the engine shown in FIG.

以下、本発明の一実施形態について詳細に説明する。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail.

図１は、本発明の一実施形態に係る電力変換システム１０の構成を示す図である。本実施形態に係る電力変換システム１０は、ディーゼルエンジンやガソリンエンジンなどのエンジン２０と、エンジン２０に直結された誘導発電機や同期発電機などの交流発電機３０とを備える車両に搭載されるものであり、交流発電機３０の発電電力を直流電力に変換して車両内の負荷に電力を供給する。なお、エンジン２０は、ガスタービンや蒸気タービンなどの内燃機関・外燃機関であってもよい。   FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a power conversion system 10 according to an embodiment of the present invention. The power conversion system 10 according to the present embodiment is mounted on a vehicle including an engine 20 such as a diesel engine or a gasoline engine and an AC generator 30 such as an induction generator or a synchronous generator directly connected to the engine 20. The power generated by the AC generator 30 is converted to DC power and supplied to the load in the vehicle. The engine 20 may be an internal combustion engine / external combustion engine such as a gas turbine or a steam turbine.

図１に示す電力変換システム１０は、コンバータ１１と、中間回路１２と、負荷１３とを備える。   A power conversion system 10 illustrated in FIG. 1 includes a converter 11, an intermediate circuit 12, and a load 13.

コンバータ１１は、交流発電機３０の出力（三相交流電圧）を直流電圧に変換して中間回路１２に保持させる。コンバータ１１は、中間回路電圧指令生成部１１１と、制御部１１２と、電力変換回路１１３とを備える。   The converter 11 converts the output (three-phase AC voltage) of the AC generator 30 into a DC voltage and causes the intermediate circuit 12 to hold it. Converter 11 includes an intermediate circuit voltage command generation unit 111, a control unit 112, and a power conversion circuit 113.

中間回路電圧指令生成部１１１は、中間回路１２にて保持される中間回路電圧Ｖｃを指令する中間回路電圧指令を生成し、制御部１１２に出力する。中間回路電圧指令の詳細については後述する。   The intermediate circuit voltage command generation unit 111 generates an intermediate circuit voltage command for instructing the intermediate circuit voltage Vc held in the intermediate circuit 12 and outputs the intermediate circuit voltage command to the control unit 112. Details of the intermediate circuit voltage command will be described later.

制御部１１２は、中間回路電圧Ｖｃの検出値が入力され、中間回路電圧Ｖｃの検出値が中間回路電圧指令生成部１１１から出力された中間回路電圧指令に一致するような電流が交流発電機３０に流れるように電力変換回路１１３を制御する電流指令を生成する。例えば、制御部１１２は、中間回路電圧指令と中間回路電圧Ｖｃの検出値との差のＰＩ（比例・積分）制御などにより電流指令を生成する。そして、制御部１１２は、生成した電流指令を電力変換回路１１３に出力する。   The control unit 112 receives the detection value of the intermediate circuit voltage Vc, and the AC generator 30 generates a current that matches the detection value of the intermediate circuit voltage Vc with the intermediate circuit voltage command output from the intermediate circuit voltage command generation unit 111. A current command for controlling the power conversion circuit 113 is generated so that the current flows. For example, the control unit 112 generates a current command by PI (proportional / integral) control of a difference between the intermediate circuit voltage command and the detected value of the intermediate circuit voltage Vc. Then, the control unit 112 outputs the generated current command to the power conversion circuit 113.

電力変換回路１１３は、制御部１１２から出力された電流指令に従い、交流発電機３０と中間回路１２との間で電力変換を行う。ここで、電力変換回路１１３は、交流発電機３０から中間回路１２に電力を供給するだけでなく、中間回路１２から交流発電機３０に電力を供給することもできる。したがって、電流指令に従う電力変換回路１１３の動作に応じて、交流発電機３０の発電電力の方向及び大きさを制御することができる。ただし、交流発電機３０のトルク及び中間回路１２に出入りする電力は、式（１）に従い拘束される。   The power conversion circuit 113 performs power conversion between the AC generator 30 and the intermediate circuit 12 in accordance with the current command output from the control unit 112. Here, the power conversion circuit 113 can supply not only power from the AC generator 30 to the intermediate circuit 12 but also power from the intermediate circuit 12 to the AC generator 30. Therefore, the direction and magnitude of the generated power of the AC generator 30 can be controlled according to the operation of the power conversion circuit 113 according to the current command. However, the torque of the AC generator 30 and the power entering and exiting the intermediate circuit 12 are constrained according to the equation (1).

中間回路１２は、コンデンサ１２１を備え、コンデンサ１２１により電力変換回路１１３から出力された直流電圧を保持する。そして、中間回路１２は、保持している直流電圧を負荷１３に供給する。なお、上述したように、コンバータ１１（電力変換回路１１３）の動作によっては、中間回路１２から交流発電機３０に電力を供給することもある。   The intermediate circuit 12 includes a capacitor 121 and holds the DC voltage output from the power conversion circuit 113 by the capacitor 121. Then, the intermediate circuit 12 supplies the held DC voltage to the load 13. As described above, depending on the operation of converter 11 (power conversion circuit 113), power may be supplied from intermediate circuit 12 to AC generator 30.

負荷１３は、ＶＶＶＦインバータ１３１を備え、必要に応じてＶＶＶＦインバータ１３１と並列に補助電源装置１３２を備える。   The load 13 includes a VVVF inverter 131, and an auxiliary power supply device 132 in parallel with the VVVF inverter 131 as necessary.

ＶＶＶＦインバータ１３１は、中間回路１２から供給された直流電圧を交流電圧に変換して、車両を駆動するモータ（不図示）に供給する。   The VVVF inverter 131 converts the DC voltage supplied from the intermediate circuit 12 into an AC voltage, and supplies the AC voltage to a motor (not shown) that drives the vehicle.

補助電源装置１３２は、中間回路１２を電源とし、車両内の様々な装置（空調装置、照明装置など）に電力を供給する。   The auxiliary power supply device 132 uses the intermediate circuit 12 as a power supply, and supplies power to various devices (such as an air conditioner and a lighting device) in the vehicle.

次に、本実施形態に係る電力変換システム１０の動作について説明する。   Next, the operation of the power conversion system 10 according to the present embodiment will be described.

図２は、中間回路電圧指令生成部１１１が生成する中間回路電圧指令を示す図である。中間回路電圧指令生成部１１１は、エンジン回転速度に応じて中間回路電圧指令を生成する。コンバータ１１により交流発電機３０を制御する場合、コンバータ１１は交流発電機３０の回転速度を把握する必要があり、センサにより検出するか、コンバータ１１が出力する電圧及び電流から推定する。エンジン回転速度は交流発電機３０の回転速度と同じであるため、検出又は推定した交流発電機３０の回転速度を利用可能である。   FIG. 2 is a diagram illustrating the intermediate circuit voltage command generated by the intermediate circuit voltage command generation unit 111. The intermediate circuit voltage command generation unit 111 generates an intermediate circuit voltage command according to the engine speed. When the AC generator 30 is controlled by the converter 11, the converter 11 needs to grasp the rotational speed of the AC generator 30, and it is detected by a sensor or estimated from the voltage and current output from the converter 11. Since the engine rotation speed is the same as the rotation speed of the AC generator 30, the detected or estimated rotation speed of the AC generator 30 can be used.

具体的には、中間回路電圧指令生成部１１１は、図２に示すように、エンジン回転速度が第１の閾値Ｎ１（以下、Ｎ１と略する）未満である場合には、中間回路電圧指令（指令値）を第１の電圧基準値Ｖ１（以下、Ｖ１と略する）とする。また、中間回路電圧指令生成部１１１は、エンジン回転速度がＮ１以上であり第２の閾値Ｎ２（以下、Ｎ２と略する）未満である場合には、中間回路電圧指令をＶ１から第２の電圧基準値Ｖ２（以下、Ｖ２と略する）の間でエンジン回転速度に応じて増加させる。また、中間回路電圧指令生成部１１１は、エンジン回転速度がＮ２以上であり第３の閾値Ｎ３（以下、Ｎ３と略する）未満である場合には、中間回路電圧指令をＶ２とする。また、中間回路電圧指令生成部１１１は、エンジン回転速度がＮ３以上であり第４の閾値Ｎ４（以下、Ｎ４と略する）未満である場合には、中間回路電圧指令をＶ２から第３の電圧基準値Ｖ３（以下、Ｖ３と略する）の間でエンジン回転速度に応じて増加させる。また、中間回路電圧指令生成部１１１は、エンジン回転速度が第４の閾値Ｎ４（以下、Ｎ４と略する）以上である場合には、中間回路電圧指令Ｖ３とする。   Specifically, as shown in FIG. 2, the intermediate circuit voltage command generation unit 111, when the engine rotation speed is less than a first threshold N1 (hereinafter abbreviated as N1), The command value is a first voltage reference value V1 (hereinafter abbreviated as V1). Further, the intermediate circuit voltage command generator 111 changes the intermediate circuit voltage command from V1 to the second voltage when the engine speed is N1 or more and less than a second threshold value N2 (hereinafter abbreviated as N2). A reference value V2 (hereinafter abbreviated as V2) is increased according to the engine speed. Further, the intermediate circuit voltage command generation unit 111 sets the intermediate circuit voltage command to V2 when the engine speed is N2 or more and less than a third threshold value N3 (hereinafter abbreviated as N3). Further, the intermediate circuit voltage command generation unit 111 changes the intermediate circuit voltage command from V2 to the third voltage when the engine speed is N3 or more and less than a fourth threshold N4 (hereinafter abbreviated as N4). A reference value V3 (hereinafter abbreviated as V3) is increased according to the engine speed. Further, the intermediate circuit voltage command generation unit 111 sets the intermediate circuit voltage command V3 when the engine speed is equal to or higher than a fourth threshold N4 (hereinafter abbreviated as N4).

図２において、Ｖ１〜Ｖ３は、補助電源装置１３２が動作を継続可能な電圧値であり、例えば、Ｖ１は４５０Ｖ、Ｖ２は６００Ｖ、Ｖ３は９００Ｖである。   In FIG. 2, V1 to V3 are voltage values at which the auxiliary power supply device 132 can continue to operate. For example, V1 is 450V, V2 is 600V, and V3 is 900V.

図３は、力行時のＶＶＶＦインバータ１３１の動作を示す図である。図３に示すように、ＶＶＶＦインバータ１３１は、中間回路電圧ＶｃがＶ２以上である場合は、運転台制御装置（不図示）から出力された力行指令通りの運転を行う。一方、ＶＶＶＦインバータ１３１は、中間回路電圧ＶｃがＶ２未満（図３においては、Ｖ１とＶ２との間のある値未満）になると、中間回路電圧Ｖｃに依存して、運転台制御装置から出力された力行指令を低減し、中間回路電圧ＶｃがＶ１となるまでに（Ｖ１よりも若干高い値で）ゼロとする。すなわち、ＶＶＶＦインバータ１３１は、中間回路電圧ＶｃがＶ２未満になると、徐々に加速力を抑制し、中間回路電圧ＶｃがＶ１となる前に加速力をゼロとする（加速動作を停止させる）。   FIG. 3 is a diagram illustrating the operation of the VVVF inverter 131 during power running. As shown in FIG. 3, when the intermediate circuit voltage Vc is equal to or higher than V2, the VVVF inverter 131 operates according to a powering command output from a cab control device (not shown). On the other hand, when the intermediate circuit voltage Vc becomes less than V2 (less than a certain value between V1 and V2 in FIG. 3), the VVVF inverter 131 is output from the cab control device depending on the intermediate circuit voltage Vc. The power running command is reduced to zero until the intermediate circuit voltage Vc reaches V1 (with a value slightly higher than V1). That is, when the intermediate circuit voltage Vc becomes less than V2, the VVVF inverter 131 gradually suppresses the acceleration force, and sets the acceleration force to zero (stops the acceleration operation) before the intermediate circuit voltage Vc becomes V1.

図４は、回生時のＶＶＶＦインバータ１３１の動作を示す図である。図４に示すように、ＶＶＶＦインバータ１３１は、中間回路電圧ＶｃがＶ２以下である場合は、運転台制御装置から出力された回生指令通りの運転を行う。一方、ＶＶＶＦインバータ１３１は、中間回路電圧ＶｃがＶ２より大きくなると（図４においては、Ｖ２とＶ３との間のある値より大きくなると）、中間回路電圧Ｖｃに依存して、運転台制御装置から出力された回生指令を低減し、中間回路電圧ＶｃがＶ３となるまでに（Ｖ３よりも若干低い値で）ゼロとする。すなわち、ＶＶＶＦインバータ１３１は、中間回路電圧ＶｃがＶ２より大きくなると、徐々にブレーキ力（回生ブレーキ）を抑制し、中間回路電圧ＶｃがＶ３となる前にブレーキ力をゼロとする（回生動作を停止させる）。   FIG. 4 is a diagram illustrating the operation of the VVVF inverter 131 during regeneration. As shown in FIG. 4, when the intermediate circuit voltage Vc is equal to or lower than V2, the VVVF inverter 131 performs the operation according to the regeneration command output from the cab control device. On the other hand, when the intermediate circuit voltage Vc becomes larger than V2 (in FIG. 4, when it becomes larger than a certain value between V2 and V3), the VVVF inverter 131 depends on the intermediate circuit voltage Vc from the cab control device. The output regeneration command is reduced to zero until the intermediate circuit voltage Vc reaches V3 (with a value slightly lower than V3). That is, when the intermediate circuit voltage Vc becomes larger than V2, the VVVF inverter 131 gradually suppresses the braking force (regenerative braking) and sets the braking force to zero before the intermediate circuit voltage Vc becomes V3 (stops the regenerative operation). )

図５は、エンジン２０の一般的な特性を示す図である。図５において、横軸はエンジン回転速度を示し、縦軸はエンジン出力を示す。図５に示すように、エンジン２０には一般的に、あるエンジン回転速度（Ｎｐ）で出力がピークとなり、エンジン回転速度がＮｐより高い領域（以下、高回転領域と称する）では、エンジン回転速度が上昇すると、エンジン出力が低下し、エンジン回転速度が低下すると、エンジン出力が上昇するという特性がある。したがって、高回転領域では、負荷１３の消費電力の変動に応じて、受動的にエンジン回転速度がある値に定まる。   FIG. 5 is a diagram showing general characteristics of the engine 20. In FIG. 5, the horizontal axis indicates the engine rotation speed, and the vertical axis indicates the engine output. As shown in FIG. 5, the engine 20 generally has a peak output at a certain engine rotation speed (Np), and in a region where the engine rotation speed is higher than Np (hereinafter referred to as a high rotation region), the engine rotation speed. When the engine speed increases, the engine output decreases, and when the engine speed decreases, the engine output increases. Therefore, in the high speed region, the engine speed is passively determined to a certain value according to the fluctuation of the power consumption of the load 13.

中間回路電圧指令生成部１１１は、エンジン２０の回転速度がＮ４の場合におけるエンジン２０の出力よりも、エンジン回転速度がＮ３の場合におけるエンジン２０の出力のほうが大きくなり、エンジン回転速度がＮ３の場合におけるエンジン２０の出力よりも、エンジン回転速度がＮ１及びＮ２の場合におけるエンジン２０の出力のほうが大きくなるように、Ｎ１〜Ｎ４を設定する。   When the engine speed is N3, the intermediate circuit voltage command generation unit 111 has a higher output of the engine 20 when the engine speed is N3 and the engine speed is N3. N1 to N4 are set so that the output of the engine 20 when the engine speed is N1 and N2 is larger than the output of the engine 20 at.

特に、中間回路電圧指令生成部１１１は、エンジン２０の出力がピークとなるエンジン回転速度Ｎｐの近傍に、Ｎ１及びＮ２を設定するのが好適である。例えば、Ｎ１をＮｐとし、Ｎ２をＮ１よりも少し大きい値とする。例えば、Ｎｐを２０００ｒｐｍとすると、Ｎ２は２０２０ｒｐｍの程度の値である。また、Ｎ３及びＮ４は、エンジン出力がゼロとなるエンジン回転速度よりも低い値とする。   In particular, the intermediate circuit voltage command generation unit 111 preferably sets N1 and N2 in the vicinity of the engine speed Np at which the output of the engine 20 reaches a peak. For example, N1 is set to Np, and N2 is set to a value slightly larger than N1. For example, when Np is 2000 rpm, N2 is a value of about 2020 rpm. N3 and N4 are values lower than the engine speed at which the engine output becomes zero.

このようにＮ１〜Ｎ４を設定することで、エンジン回転速度がＮ２とＮ３との間にある場合は、エンジン回転速度は受動的に安定する。そのため、コンバータ１１は、図２に示すように、中間回路電圧ＶｃがＶ２となるような中間回路電圧指令を生成し、中間回路電圧ＶｃがＶ２に維持されるように制御を行う。この状態では、ＶＶＶＦインバータ１３１は、力行及び回生の両方が可能である。また、負荷１３（ＶＶＶＦインバータ１３１及び補助電源装置１３２）の消費電力に変動があっても、エンジン回転速度がＮ２とＮ３との間にある限り、負荷１３の消費電力とエンジン出力とがバランスを保つように、エンジン回転速度が変動する。   By setting N1 to N4 in this way, the engine rotation speed is passively stabilized when the engine rotation speed is between N2 and N3. Therefore, the converter 11 generates an intermediate circuit voltage command such that the intermediate circuit voltage Vc becomes V2, as shown in FIG. 2, and performs control so that the intermediate circuit voltage Vc is maintained at V2. In this state, the VVVF inverter 131 can perform both power running and regeneration. Even if the power consumption of the load 13 (VVVF inverter 131 and auxiliary power supply 132) varies, the power consumption of the load 13 and the engine output balance as long as the engine speed is between N2 and N3. The engine speed fluctuates to maintain.

例えば、ＶＶＶＦインバータ１３１が力行を開始すると、ＶＶＶＦインバータ１３１は電力の消費を開始するため、中間回路電圧Ｖｃは低下しようとする。それに対して、コンバータ１１は、中間回路電圧ＶｃをＶ２に維持するように交流発電機３０に電流を流すため、エンジン２０の回転数（エンジン回転速度）が低下する方向にトルクが発生する。しかしながら、エンジン２０の回転数が低下しても、エンジン回転速度がＮｐより高い高回転領域であれば、エンジン回転速度の低下に伴いエンジン出力は増加するため、エンジン出力と負荷１３の消費電力とのバランスが保たれた状態に収束する。したがって、中間回路電圧Ｖｃを負荷１３が継続的に動作可能な範囲で一定の値に保つという制御と、エンジン回転速度を交流発電機３０の発電電力と負荷１３の消費電力とのバランスが保たれる値とするという制御とを両立することができる。   For example, when the VVVF inverter 131 starts powering, the VVVF inverter 131 starts consuming power, so the intermediate circuit voltage Vc tends to decrease. On the other hand, since the converter 11 supplies a current to the AC generator 30 so as to maintain the intermediate circuit voltage Vc at V2, torque is generated in a direction in which the rotation speed (engine rotation speed) of the engine 20 decreases. However, even if the rotational speed of the engine 20 is reduced, if the engine rotational speed is a high rotational speed region higher than Np, the engine output increases as the engine rotational speed decreases. It converges to a state where the balance is maintained. Therefore, the control of maintaining the intermediate circuit voltage Vc at a constant value within a range in which the load 13 can continuously operate, and the balance between the engine speed and the power generated by the AC generator 30 and the power consumed by the load 13 are maintained. It is possible to achieve both the control of the value to be set.

なお、エンジン２０に回転速度制御機能が搭載されている場合には、回転速度制御機能によりエンジン回転速度をＮ２とＮ３との間に設定することで同様の効果を得ることができる。   In the case where the engine 20 has a rotational speed control function, the same effect can be obtained by setting the engine rotational speed between N2 and N3 by the rotational speed control function.

エンジン回転速度がＮｐ（≒Ｎ１）より低下すると、エンジン回転速度が低下してもエンジン出力は増加しなくなるので、負荷１３の消費電力の変動にエンジン回転速度が追従しなくなり、エンジン回転速度を維持できなくなる。そこで、エンジン回転速度がＮ２未満となると、コンバータ１１は、図２に示すように、エンジン回転速度に応じて、中間回路電圧ＶｃをＶ２からＶ１に徐々に低下させるような中間回路電圧指令を生成する。さらに、ＶＶＶＦインバータ１３１は、図３に示すように、中間回路電圧ＶｃがＶ２未満となると、力行指令を低減する。そのため、力行時の加速力（主電動機の消費電力）は低減する。すなわち、エンジン出力に応じて、ＶＶＶＦインバータ１３１の消費電力が調整される状態となり、エンジン出力と負荷１３（ＶＶＶＦインバータ１３１及び補助電源装置１３２）の消費電力とのバランスが保たれた状態となるように、エンジン回転速度及び中間回路電圧Ｖｃが収束する。   If the engine speed falls below Np (≈N1), the engine output does not increase even if the engine speed falls, so the engine speed does not follow the fluctuations in the power consumption of the load 13, and the engine speed is maintained. become unable. Therefore, when the engine speed is less than N2, the converter 11 generates an intermediate circuit voltage command that gradually decreases the intermediate circuit voltage Vc from V2 to V1 in accordance with the engine speed as shown in FIG. To do. Furthermore, as shown in FIG. 3, the VVVF inverter 131 reduces the power running command when the intermediate circuit voltage Vc becomes less than V2. Therefore, the acceleration force during power running (power consumption of the main motor) is reduced. That is, the power consumption of the VVVF inverter 131 is adjusted according to the engine output, and the balance between the engine output and the power consumption of the load 13 (VVVF inverter 131 and auxiliary power supply device 132) is maintained. Then, the engine speed and the intermediate circuit voltage Vc converge.

エンジン回転速度がＮ１より小さくなると、コンバータ１１は、図２に示すように、中間回路電圧ＶｃがＶ１となるような中間回路電圧指令を生成する。中間回路電圧ＶｃがＶ１となると、ＶＶＶＦインバータ１３１は、図３に示すように、加速力をゼロとする。通常、エンジン２０には、最低限の速度制御機能は搭載されており、大幅に速度が低下した際には、燃料供給を増加させて失速を予防する機能が搭載されている。そのため、エンジン回転速度はやがて上昇し、エンジン回転速度の上昇に伴って、ＶＶＶＦインバータ１３１が加速力を増加させ、力行が可能となる。エンジン回転速度が上昇するまでは加速力が低下するものの、補助電源装置１３２は中間回路電圧ＶｃがＶ１となっても動作を継続することができるので、車両システムとしての最低限の機能は保証される。   When the engine rotation speed becomes lower than N1, converter 11 generates an intermediate circuit voltage command such that intermediate circuit voltage Vc becomes V1, as shown in FIG. When the intermediate circuit voltage Vc reaches V1, the VVVF inverter 131 sets the acceleration force to zero as shown in FIG. Normally, the engine 20 is equipped with a minimum speed control function, and is equipped with a function for increasing the fuel supply and preventing the stall when the speed is significantly reduced. Therefore, the engine rotation speed increases over time, and as the engine rotation speed increases, the VVVF inverter 131 increases the accelerating force and power running becomes possible. Although the acceleration force decreases until the engine speed increases, the auxiliary power supply device 132 can continue to operate even when the intermediate circuit voltage Vc becomes V1, so that the minimum function as a vehicle system is guaranteed. The

減速時は、ＶＶＶＦインバータ１３１は、回生ブレーキとして動作し、回生された電力を中間回路１２に供給して、中間回路電圧Ｖｃを上昇させようとする。コンバータ１１は、中間回路電圧Ｖｃを一定に維持するように制御を行うが、ＶＶＶＦインバータ１３１の回生電力が補助電源装置１３２の消費電力を上回ると、エンジン２０を加速させる方向に交流発電機３０がトルクを発生させるように制御を行い、中間回路１２から交流発電機３０を介してエンジン２０へエネルギーを移動させる。エンジン２０は、機械抵抗及び排気抵抗などによりエンジンブレーキとして動作可能であり、回生エネルギーを消費することができる。   At the time of deceleration, the VVVF inverter 131 operates as a regenerative brake, and supplies the regenerated electric power to the intermediate circuit 12 so as to increase the intermediate circuit voltage Vc. The converter 11 performs control to maintain the intermediate circuit voltage Vc constant. However, when the regenerative power of the VVVF inverter 131 exceeds the power consumption of the auxiliary power supply device 132, the AC generator 30 is accelerated in the direction of accelerating the engine 20. Control is performed so as to generate torque, and energy is transferred from the intermediate circuit 12 to the engine 20 via the AC generator 30. The engine 20 can operate as an engine brake by mechanical resistance, exhaust resistance, and the like, and can consume regenerative energy.

しかしながら、エンジン２０は応答が遅いため、エンジン２０に燃料供給している状態からエンジンブレーキが立ち上がるまでには時間がかかる。エンジンブレーキが立ち上がる前に大きな回生電力が発生した際は、中間回路電圧Ｖｃを維持するために、コンバータ１１は、エンジン回転速度を高くするが、エンジン回転速度が高過ぎると、エンジン２０の機械的な破損を招く。また、エンジン回転速度が高過ぎると、コンバータ１１の制御が困難となる場合もあり、その場合、中間回路１２のエネルギーを移動させる先がなくなり、中間回路電圧Ｖｃが上昇してＶＶＶＦインバータ１３１や補助電源装置１３２の耐圧を超過してしまい、装置破壊を招くおそれもある。   However, since the response of the engine 20 is slow, it takes time until the engine brake is started from the state in which fuel is supplied to the engine 20. When large regenerative electric power is generated before the engine brake starts, the converter 11 increases the engine rotation speed in order to maintain the intermediate circuit voltage Vc. If the engine rotation speed is too high, the mechanical force of the engine 20 is increased. Cause serious damage. Further, if the engine speed is too high, the control of the converter 11 may be difficult. In this case, there is no destination for transferring the energy of the intermediate circuit 12, and the intermediate circuit voltage Vc rises to increase the VVVF inverter 131 or the auxiliary circuit. The breakdown voltage of the power supply device 132 may be exceeded, and the device may be destroyed.

本発明においては、エンジン回転速度が上昇して、Ｎ３以上となると、コンバータ１１は、図２に示すように、エンジン回転速度に応じて、中間回路電圧ＶｃをＶ２からＶ３に徐々に上昇させるような中間回路電圧指令を生成する。また、ＶＶＶＦインバータ１３１は、図４に示すように、回生指令を低減し、エンジン回転速度がＮ４に達すると、回生指令をゼロする。こうすることで、エンジン回転速度が回生ブレーキによりＮ４より高くなりにくくすることができる。   In the present invention, when the engine speed increases to N3 or more, the converter 11 gradually increases the intermediate circuit voltage Vc from V2 to V3 according to the engine speed as shown in FIG. Intermediate circuit voltage command is generated. Further, as shown in FIG. 4, the VVVF inverter 131 reduces the regenerative command, and when the engine speed reaches N4, zeros the regenerative command. By doing so, it is possible to make it difficult for the engine speed to be higher than N4 due to regenerative braking.

上述したように、補助電源装置１３２は、中間回路電圧ＶｃがＶ３であっても、動作を継続可能である。そのため、車両内の各種装置の電源を確保することができる。また、中間回路電圧ＶｃはＶ３よりは高くならないように制御されるので、ＶＶＶＦインバータ１３１や補助電源装置１３２の耐圧を超過することはない。   As described above, the auxiliary power supply device 132 can continue to operate even when the intermediate circuit voltage Vc is V3. Therefore, it is possible to secure the power supply for various devices in the vehicle. Further, since the intermediate circuit voltage Vc is controlled so as not to be higher than V3, the withstand voltage of the VVVF inverter 131 and the auxiliary power supply device 132 is not exceeded.

このように本実施形態においては、エンジン回転速度が高回転領域から外れそうになったり、エンジン回転速度が高回転領域から外れたりすると、エンジン回転速度に応じて中間回路電圧Ｖｃを制御して、エンジン回転速度が高回転領域内で維持されるようにする。そのため、中間回路電圧Ｖｃを負荷１３が継続的に動作可能な範囲で一定の値に保つという制御と、エンジン回転速度を交流発電機３０の発電電力と負荷１３の消費電力とのバランスが保たれる値とするという制御とを両立することができる。   As described above, in this embodiment, when the engine rotation speed is likely to deviate from the high rotation area or the engine rotation speed deviates from the high rotation area, the intermediate circuit voltage Vc is controlled according to the engine rotation speed, The engine rotation speed is maintained within the high rotation range. For this reason, the balance between the control for maintaining the intermediate circuit voltage Vc at a constant value within a range in which the load 13 can continuously operate and the engine rotation speed between the generated power of the AC generator 30 and the consumed power of the load 13 are maintained. It is possible to achieve both the control of the value to be set.

なお、力行時は加速力が低下しても大きな問題とはならないが、減速時は回生ブレーキのブレーキ力が低下すると、制動距離の増加や非常時のブレーキ力の確保ができなくなり、問題となる場合が多い。しかしながら、鉄道車両では、電気ブレーキが低下した際は空気ブレーキが自動的に不足分を補償する構成が幅広く採用されているため、回生ブレーキを低下させてもブレーキ力を維持することができる。   In power running, even if the acceleration force decreases, it does not cause a big problem, but if the braking force of the regenerative brake decreases during deceleration, it becomes impossible to increase the braking distance or secure emergency braking force. There are many cases. However, in a railway vehicle, when the electric brake is lowered, a configuration in which the air brake automatically compensates for the shortage is widely adopted, so that the braking force can be maintained even if the regenerative brake is lowered.

なお、中間回路電圧の上昇を抑制するための回生ブレーキ時の電力消費の方法としては、エンジンブレーキを使う方法の他に、抵抗器などで電力を消費して、中間回路電圧の上昇を抑制する方法もある。本発明は、このような方法にも適用可能である。   As a method of power consumption during regenerative braking to suppress the increase in the intermediate circuit voltage, in addition to using the engine brake, power is consumed by a resistor or the like to suppress the increase in the intermediate circuit voltage. There is also a method. The present invention is also applicable to such a method.

このように本実施形態によれば、電力変換システム１０は、エンジン２０に直結された交流発電機３０を制御して直流電圧を発生させるコンバータ１１と、直流電圧を保持する中間回路１２と、中間回路１２から電力を供給される負荷１３とを備える。コンバータ１１は、交流発電機３０から入力される交流電圧を直流電圧に変換する電力変換回路１１３と、中間回路の電圧指令である中間回路電圧指令Ｖｃをエンジン２０の回転速度に応じて生成する中間回路電圧指令生成部１１１と、直流電圧が中間回路電圧指令に一致するように電力変換回路１１３を制御する制御部１１２と、を備える。   Thus, according to the present embodiment, the power conversion system 10 includes the converter 11 that controls the AC generator 30 directly connected to the engine 20 to generate a DC voltage, the intermediate circuit 12 that holds the DC voltage, And a load 13 to which power is supplied from the circuit 12. The converter 11 includes a power conversion circuit 113 that converts an AC voltage input from the AC generator 30 into a DC voltage, and an intermediate circuit voltage command Vc that is a voltage command for the intermediate circuit according to the rotational speed of the engine 20. A circuit voltage command generation unit 111 and a control unit 112 that controls the power conversion circuit 113 so that the DC voltage matches the intermediate circuit voltage command are provided.

エンジン２０には一般に、あるエンジン回転速度Ｎｐにおいて出力が最大になり、エンジン回転速度がＮｐより大きい領域（高回転領域）では、エンジン回転速度が低下するとエンジン出力が増加し、エンジン速度が増加するとエンジン出力が低下する。そのため、エンジン回転速度に応じて中間回路電圧指令を生成することで、高回転領域では、エンジン回転速度は受動的にエンジン出力と負荷１３の消費電力とのバランスが保たれる値に収束し、また、中間回路電圧Ｖｃは負荷１３が継続的に動作可能な範囲の値を維持することができる。また、エンジン回転速度が高回転領域から外れそうになったり、エンジン回転速度が高回転領域から外れたりしても、エンジン回転速度に応じて中間回路電圧Ｖｃを制御して、エンジン回転速度が高回転領域内で維持されるようにする。そのため、エンジン回転速度をエンジン出力と負荷１３の消費電力とのバランスが保たれる値とするという制御と、中間回路電圧Ｖｃを負荷１３（ＶＶＶＦインバータ１３１や補助電源装置１３２）が継続的に動作可能な範囲内に維持するという制御との両立を図ることができる。   In general, the engine 20 has a maximum output at a certain engine rotation speed Np, and in a region where the engine rotation speed is higher than Np (high rotation region), if the engine rotation speed decreases, the engine output increases and the engine speed increases. Engine output decreases. Therefore, by generating the intermediate circuit voltage command according to the engine rotation speed, the engine rotation speed converges to a value that passively balances the engine output and the power consumption of the load 13 in the high rotation region, Further, the intermediate circuit voltage Vc can maintain a value in a range in which the load 13 can continuously operate. Further, even if the engine rotation speed is likely to deviate from the high rotation area or the engine rotation speed deviates from the high rotation area, the intermediate circuit voltage Vc is controlled according to the engine rotation speed to increase the engine rotation speed. Be maintained within the rotation region. Therefore, the engine speed is controlled to a value that balances the engine output and the power consumption of the load 13, and the intermediate circuit voltage Vc is continuously operated by the load 13 (VVVF inverter 131 and auxiliary power supply device 132). It is possible to achieve compatibility with the control of maintaining within a possible range.

また、本発明においては、エンジン２０に回転速度調整機能を設けたり、エンジン２０、交流発電機３０、コンバータ１１などが互いに信号通信を行うための構成を設けたり、エンジン２０の回転速度指令や、コンバータ１１及びＶＶＶＦインバータ１３１に対する指令を出力するための列車制御装置を設けたりする必要が無いため、簡易な構成でエンジン回転速度の制御及び中間回路電圧Ｖｃの制御の両立を図ることができる。なお、本発明はエンジンの回転速度調整機能や列車制御装置を備えるシステムに対しても適用可能である。   Further, in the present invention, the engine 20 is provided with a rotational speed adjustment function, the engine 20, the AC generator 30, the converter 11, etc. are configured to perform signal communication with each other, the engine 20 rotational speed command, Since it is not necessary to provide a train control device for outputting commands to the converter 11 and the VVVF inverter 131, it is possible to achieve both engine speed control and intermediate circuit voltage Vc control with a simple configuration. The present invention can also be applied to a system including an engine rotation speed adjustment function and a train control device.

また、本発明においては、力行・惰行・回生のいずれの状態においても、中間回路電圧Ｖｃの制御により、エンジン回転速度及び中間回路電圧Ｖｃを状況に応じて変化させている。そのため、制御系の切り替えが不要であり、制御系の切り替え時に過渡的な応答や、制御系の切り替えによる不安定さが生じることがない。   In the present invention, the engine speed and the intermediate circuit voltage Vc are changed according to the situation by controlling the intermediate circuit voltage Vc in any state of power running, coasting and regeneration. Therefore, it is not necessary to switch the control system, and there is no transient response at the time of switching the control system or instability due to the switching of the control system.

なお、本発明は、エンジン２０への燃料供給が一定の状態であっても適用可能である。ただし、加速・減速の指令や、アイドリング時の燃料消費削減などの観点から加速指令・ブレーキ指令などの運転台制御装置からの最低限の情報により燃料供給を制御することで、燃費の向上、加減速指令に対する追従性の向上を図ることができる。   The present invention is applicable even when the fuel supply to the engine 20 is in a constant state. However, from the viewpoint of acceleration / deceleration commands and fuel consumption reduction during idling, the fuel supply is controlled by minimum information from the cab control device such as acceleration commands / brake commands. The followability to the deceleration command can be improved.

また、アイドル状態において、エンジン回転速度がある値より低下すると、加速状態と判断してエンジンの燃料供給を増大させ、加速状態においてエンジン回転速度がある値を超過したら加速が終了した惰行状態と判断して燃料供給をアイドル状態とし、一方で、エンジン回転速度がある値より状態すると、回生状態と判断して燃料供給を遮断し、回生状態においてエンジン回転速度がある値より低下したら回生が終了したと判断してアイドル状態に戻すという制御も考えられる。このような制御では、運転台制御装置からの指令無しで、力行・惰行・ブレーキの状態それぞれに適切な切り替えが可能である。   Further, when the engine speed is lower than a certain value in the idle state, it is determined that the engine is in an accelerated state, and the fuel supply of the engine is increased. Then, the fuel supply is set to the idle state. On the other hand, when the engine rotational speed is in a certain value, the fuel supply is cut off because it is determined to be in the regenerative state. It can be considered that the control is determined to return to the idle state. In such control, it is possible to appropriately switch to each of the power running, coasting, and brake states without a command from the cab control device.

なお、エンジン回転速度がＮ１とＮ２との間にある状態では、エンジン出力に応じて、ＶＶＶＦインバータ１３１が加速力を変動させる。この状態では極力、エンジン出力が最大の状態を維持することにより、加速力の低下を極力防ぐことができる。   In a state where the engine speed is between N1 and N2, the VVVF inverter 131 varies the acceleration force according to the engine output. In this state, the reduction in acceleration force can be prevented as much as possible by maintaining the maximum engine output.

そのため、Ｎ１及びＮ２をＮｐ近傍に設定することで、エンジン回転速度に応じた最大出力を確保することができる。しかしながら、エンジン２０の出力特性は様々な要因で変動するため、Ｎｐが変動することもある。そこで、エンジン２０の出力特性に応じて、Ｎ１及びＮ２の値を変化させることにより、常に最大出力を確保することができる。   Therefore, by setting N1 and N2 in the vicinity of Np, the maximum output corresponding to the engine rotation speed can be ensured. However, since the output characteristics of the engine 20 fluctuate due to various factors, Np may fluctuate. Therefore, the maximum output can always be ensured by changing the values of N1 and N2 in accordance with the output characteristics of the engine 20.

Ｎ１及びＮ２の値を変化させる方法としては、例えば、事前にエンジン２０の燃料供給状態や温度などに応じた出力特性を求めており、実際の燃料供給状態や温度などに応じてＮ１及びＮ２を変化させという方法がある。   As a method of changing the values of N1 and N2, for example, output characteristics corresponding to the fuel supply state and temperature of the engine 20 are obtained in advance, and N1 and N2 are determined according to the actual fuel supply state and temperature. There is a method of changing.

また、別の方法として、上述したようにコンバータ１１はエンジン回転速度及び出力トルクを推定可能であるため、エンジン回転速度と出力トルクとの関係からエンジン２０の出力がピークとなるエンジン回転速度Ｎｐを推定し、Ｎ１及びＮ２を変化させという方法がある。   As another method, the converter 11 can estimate the engine rotation speed and the output torque as described above. Therefore, the engine rotation speed Np at which the output of the engine 20 reaches a peak is calculated from the relationship between the engine rotation speed and the output torque. There is a method of estimating and changing N1 and N2.

本発明を図面及び実施形態に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形又は修正を行うことが容易であることに注意されたい。したがって、これらの変形又は修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各ブロックなどに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数のブロックを１つに組み合わせたり、あるいは分割したりすることが可能である。   Although the present invention has been described based on the drawings and embodiments, it should be noted that those skilled in the art can easily make various changes or modifications based on the present disclosure. Therefore, it should be noted that these variations or modifications are included in the scope of the present invention. For example, functions included in each block or the like can be rearranged so that there is no logical contradiction, and a plurality of blocks can be combined into one or divided.

１０ 電力変換システム
１１ コンバータ
１２ 中間回路
１３ 負荷
２０ エンジン
３０ 交流発電機
１１１ 電力変換回路
１１２ 制御部
１１３ 中間回路電圧指令生成部
１２１ コンデンサ
１３１ ＶＶＶＦインバータ
１３２ 補助電源装置 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Power conversion system 11 Converter 12 Intermediate circuit 13 Load 20 Engine 30 Alternator 111 Power conversion circuit 112 Control part 113 Intermediate circuit voltage command generation part 121 Capacitor 131 VVVF inverter 132 Auxiliary power supply device

Claims (7)

エンジンに直結された発電機を制御して直流電圧を発生させるコンバータと、
前記直流電圧を保持する中間回路と、
前記中間回路から電力を供給される負荷と、を備え、
前記中間回路は、前記コンバータ及び前記負荷のみの電力関係によって定まる前記直流電圧を保持し、
前記コンバータは、
前記発電機から入力される交流電圧を前記直流電圧に変換する電力変換回路と、
前記中間回路の電圧指令である中間回路電圧指令を前記エンジンの回転速度のみに応じて生成する中間回路電圧指令生成部と、
前記直流電圧が前記中間回路電圧指令に一致するように前記電力変換回路を制御する制御部と、
を備えることを特徴とする電力変換システム。 A converter that generates a DC voltage by controlling a generator directly connected to the engine;
An intermediate circuit for holding the DC voltage;
A load supplied with power from the intermediate circuit,
The intermediate circuit holds the DC voltage determined by the power relationship between the converter and the load only,
The converter is
A power conversion circuit for converting an AC voltage input from the generator into the DC voltage;
An intermediate circuit voltage command generation unit that generates an intermediate circuit voltage command that is a voltage command of the intermediate circuit according to only the rotational speed of the engine;
A control unit that controls the power conversion circuit so that the DC voltage matches the intermediate circuit voltage command;
A power conversion system comprising: 前記中間回路電圧指令生成部は、前記中間回路電圧指令を、
前記エンジンの回転速度が第１の閾値未満である場合には、前記中間回路電圧指令を第１の電圧基準値とし、
前記エンジンの回転速度が前記第１の閾値以上であり第２の閾値未満である場合には、前記第１の電圧基準値から第２の電圧基準値の間で前記エンジンの回転速度に応じて増加させ、
前記エンジンの回転速度が前記第２の閾値以上であり第３の閾値未満である場合には、第２の電圧基準値とし、
前記エンジンの回転速度が前記第３の閾値以上であり第４の閾値未満である場合には、前記第２の電圧基準値から第３の電圧基準値の間で前記エンジンの回転速度に応じて増加させ、
前記エンジンの回転速度が前記第４の閾値以上である場合には、第３の電圧基準値とすることを特徴とする、請求項１に記載の電力変換システム。 The intermediate circuit voltage command generator generates the intermediate circuit voltage command,
When the rotational speed of the engine is less than a first threshold, the intermediate circuit voltage command is set as a first voltage reference value,
When the rotational speed of the engine is greater than or equal to the first threshold value and less than the second threshold value, the engine rotational speed is between the first voltage reference value and the second voltage reference value according to the engine rotational speed. Increase,
When the rotational speed of the engine is equal to or higher than the second threshold and lower than the third threshold, the second voltage reference value is set.
When the rotational speed of the engine is greater than or equal to the third threshold value and less than the fourth threshold value, the engine speed between the second voltage reference value and the third voltage reference value depends on the engine rotational speed. Increase,
2. The power conversion system according to claim 1, wherein when the rotational speed of the engine is equal to or higher than the fourth threshold value, the third voltage reference value is used. 前記負荷は、電力の消費時において、前記中間回路電圧が前記第２の電圧基準値から前記第１の電圧基準値の間で低下している場合には、消費電力を低減させ、電力の回生時において、前記中間回路電圧が前記第２の電圧基準値から前記第３の電圧基準値の間で上昇している場合には、回生電力を低減させること特徴とする、請求項２に記載の電力変換システム。   The load reduces power consumption and regenerates power when the intermediate circuit voltage is reduced between the second voltage reference value and the first voltage reference value during power consumption. The regenerative power is reduced when the intermediate circuit voltage rises between the second voltage reference value and the third voltage reference value at the time. Power conversion system. 前記負荷は、前記中間回路から供給された直流電圧を交流電圧に変換して、車両を駆動するモータに供給するインバータと、前記中間回路から供給された直流電圧を変換して、前記車両内の装置に供給する補助電源装置とからなり、
前記インバータは、前記車両の加速時には、前記中間回路電圧が前記第１の電圧基準値まで低下する前に前記モータによる加速動作を停止させ、前記車両の減速時には、前記中間回路電圧が前記第３の電圧基準値まで上昇する前に前記モータによる回生動作を停止させ、
前記補助電源装置は、前記第１の電圧基準値から前記第３の電圧基準値の間で動作を継続可能であることを特徴とする、請求項２又は３に記載の電力変換システム。 The load converts the DC voltage supplied from the intermediate circuit into an AC voltage, converts the DC voltage supplied from the intermediate circuit into an inverter that supplies a motor that drives the vehicle, and converts the DC voltage supplied from the intermediate circuit. Consisting of an auxiliary power supply to supply the device,
The inverter stops the acceleration operation by the motor before the intermediate circuit voltage drops to the first voltage reference value when the vehicle is accelerated, and the intermediate circuit voltage is the third voltage when the vehicle is decelerated. Before increasing to the voltage reference value, stop the regenerative operation by the motor,
4. The power conversion system according to claim 2, wherein the auxiliary power supply device can continue to operate between the first voltage reference value and the third voltage reference value. 5. 前記中間回路電圧指令生成部は、前記エンジンの回転速度が前記第４の閾値の場合における前記エンジンの出力よりも、前記エンジンの回転速度が前記第３の閾値の場合における前記エンジンの出力のほうが大きくなり、前記エンジンの回転速度が前記第３の閾値の場合における前記エンジンの出力よりも、前記エンジンの回転速度が前記第１の閾値及び前記第２の閾値の場合における前記エンジンの出力のほうが大きくなるように、前記第１の閾値、前記第２の閾値、前記第３の閾値、及び前記第４の閾値を設定することを特徴とする、請求項２から４のいずれか一項に記載の電力変換システム。   The intermediate circuit voltage command generation unit is configured such that the engine output when the engine speed is the third threshold is higher than the engine output when the engine speed is the fourth threshold. The engine output when the engine speed is the first threshold and the second threshold is greater than the engine output when the engine speed is the third threshold. 5. The first threshold value, the second threshold value, the third threshold value, and the fourth threshold value are set so as to increase. 5. Power conversion system. 前記中間回路電圧指令生成部は、前記エンジンの出力がピークとなる前記エンジンの回転速度の近傍に、前記第１の閾値及び前記第２の閾値を設定することを特徴とする、請求項５に記載の電力変換システム。   The said intermediate circuit voltage command generation part sets the said 1st threshold value and the said 2nd threshold value in the vicinity of the rotational speed of the said engine in which the output of the said engine becomes a peak, The Claim 5 characterized by the above-mentioned. The described power conversion system. 前記中間回路電圧指令生成部は、前記第１の閾値及び前記第２の閾値を前記エンジンの状況に応じて設定することを特徴とする、請求項６に記載の電力変換システム   The power conversion system according to claim 6, wherein the intermediate circuit voltage command generation unit sets the first threshold value and the second threshold value according to a situation of the engine.
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