WO2018154736A1 - 電気車の電力変換装置 - Google Patents
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- H02P29/60—Controlling or determining the temperature of the motor or of the drive
Definitions
- the present invention relates to a power converter for an electric vehicle that can start an AC rotating machine without using a speed detector, and more particularly to a power converter for an electric car that estimates a resistance value of the AC rotating machine.
- Speed sensorless control Control that activates an AC rotating machine without using a speed detector is called speed sensorless control.
- speed sensorless control it is common to employ speed sensorless control for induction machines and position sensorless control for synchronous machines.
- speed sensorless control it is important to grasp the resistance value of the induction machine or the synchronous machine.
- the resistance value of a motor that is an AC rotating machine of an electric vehicle varies with temperature. For this reason, in the motor, if an error occurs between the resistance value set on the control side and the actual resistance value, a desired output torque may not be obtained. The car may not start.
- Japanese Patent Application Laid-Open Publication No. 2004-228561 discloses a voltage applied to an induction machine for driving an electric vehicle and an input from when the electric vehicle starts up to when the speed of the electric vehicle is in a low speed range. A method for detecting the current and estimating the primary resistance and secondary resistance of the induction machine is described. Patent Document 2 below estimates a primary resistance and a secondary resistance of an induction machine by temporarily applying a DC voltage or a pulsation voltage to the induction machine for a certain period of time immediately after the operation command rises from zero. A method is described.
- Patent Documents 1 and 2 are both methods of measuring the resistance of the motor when the speed of the electric vehicle is in a low speed range, and accurately estimating the primary resistance and secondary resistance of the rotating motor is not possible. Have difficulty. The reason is that when the motor rotates, mutual inductance, primary leakage inductance, and secondary leakage inductance appear, so that the value includes impedances other than the primary resistance and secondary resistance.
- Patent Document 3 has a speed determining unit that determines that the speed of the AC rotating machine is zero, the speed determining unit determines that the speed of the AC rotating machine is zero, and driving.
- a method is described in which when the command is changed from the brake command to the powering command, the primary resistance and the secondary resistance of the AC rotating machine are calculated based on the orthogonal axis current, the voltage command, and the powering command.
- Patent Documents 1 and 2 it has been difficult to obtain an accurate resistance value due to an inductance component generated by the rotation of an AC rotating machine controlled without a speed sensor.
- Patent Document 3 a powering command is input. This is an operation mode for estimating the primary resistance and the secondary resistance before the AC rotating machine is rotated, that is, when the d-axis voltage command and the d-axis current detection value are obtained and the angular frequency is zero. For this reason, it is possible to obtain a more accurate resistance value than the above-mentioned Patent Documents 1 and 2.
- the present invention has been made in view of the above, and electric power of an electric vehicle that can improve the estimation accuracy of the resistance value of the motor even during a period in which the control system for estimating the resistance value of the motor cannot be started.
- the object is to obtain a conversion device.
- an electric vehicle power converter includes an inverter that drives a motor mounted on the electric vehicle, and a controller that controls the inverter based on an operation command. And comprising.
- the controller includes a sensorless control unit, and corrects the initial resistance value set in the controller based on temperature information of a temperature sensor provided in the power converter or temperature information transmitted from the outside of the power converter. Then, the resistance value of the motor is set with the corrected initial resistance value, and the sensorless control unit is operated with the set resistance value of the motor.
- FIG. 3 is a block diagram showing a configuration example of a controller in the first embodiment.
- FIG. 3 is a block diagram showing a detailed configuration of a resistance value setting unit in the first embodiment.
- Time chart showing the state of change of the resistance setting value set by the resistance value setting unit of the first embodiment.
- the flowchart which shows the operation
- FIG. 2 is a block diagram illustrating an example of a hardware configuration that embodies the controller according to the first embodiment.
- FIG. 1 The figure which shows the structural example of the vehicle drive system containing the power converter device which concerns on Embodiment 2.
- FIG. The block diagram which shows the detailed structure of the resistance value setting part in Embodiment 2.
- Block diagram showing one configuration example of controller 3A in the third embodiment The figure for demonstrating the effect of the power converter device which concerns on Embodiment 3.
- FIG. 1 The figure which shows the structural example of the vehicle drive system containing the power converter device which concerns on Embodiment 2.
- FIG. The block diagram which shows the detailed structure of the resistance value setting part in Embodiment 2.
- Block diagram showing one configuration example of controller 3A in the third embodiment The figure for demonstrating the effect of the power converter device which concerns on Embodiment 3.
- power conversion device for an electric vehicle according to an embodiment of the present invention (hereinafter simply referred to as “power conversion device”) will be described in detail with reference to the drawings.
- the present invention is not limited to the following embodiments.
- FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of a vehicle drive system including a power conversion device 1 according to a first embodiment.
- the power conversion device 1 according to Embodiment 1 converts DC power into AC power, and supplies the converted AC power to the motor 55 to drive the motor 55, and the inverter A controller 3 that generates a voltage command V * for PWM controlling 2 and outputs it to the inverter 2, and a current detector 6a that is arranged on the AC side of the inverter 2 and detects a phase current flowing in each phase of the motor 55, 6b, 6c.
- An example of the motor 55 mounted on the electric vehicle is an induction motor or a synchronous motor. In a general electric vehicle, an induction motor or a synchronous motor is used.
- One end of the DC side of the inverter 2 is connected to the overhead line 51 via the current collector 52, and the other end of the DC side of the inverter 2 is connected to the rail 54 that applies a ground potential via the wheel 53.
- the DC power supplied from the overhead wire 51 is supplied to the inverter 2 via the current collector 52.
- the controller 3 receives the operation command PB from the external device 56, the temperature detection value Td from the temperature sensor 5a, and the current detection values iu, iv, iw from the current detectors 6a, 6b, 6c. .
- the temperature sensor 5 a is mounted on the cooler 4.
- the cooler 4 is provided to cool a switching element (not shown) provided in the inverter 2.
- An example of the external device 56 is an electric vehicle cab. In an electric vehicle having a general configuration, a driver's cab is provided in a command vehicle.
- FIG. 1 illustrates the case where a current transformer (CT) is used as the current detectors 6a, 6b, and 6c.
- CT current transformer
- the phase current may be detected.
- FIG. 2 is a block diagram showing a configuration example of the controller 3 in the first embodiment.
- the controller 3 includes a sensorless control unit 30, a resistance estimation execution determination unit 31, a resistance estimation current control unit 32, a resistance estimation unit 33, a resistance value setting unit 34, and a signal switch 35.
- the sensorless control unit 30 includes an operation command PB from the external device 56, current detection values iu, iv, iw detected by the current detectors 6a, 6b, 6c, and a resistance value R1C set by the resistance value setting unit 34. Is entered.
- the resistance value set by the resistance value setting unit 34 is referred to as a “resistance setting value”.
- the sensorless control unit 30 generates the first voltage command V * 1 using the operation command PB, the current detection values iu, iv, iw, and the resistance setting value R1C.
- the first voltage command V * 1 generated by the sensorless control unit 30 is input to the signal switch 35.
- the operation command PB is also input to the resistance estimation execution determination unit 31.
- the resistance estimation execution determination unit 31 generates a resistance estimation execution flag Flg1 at the timing when the operation command PB is input.
- the resistance estimation execution flag Flg1 generated by the resistance estimation execution determination unit 31 is input to each of the resistance estimation current control unit 32, the resistance estimation unit 33, the resistance value setting unit 34, and the signal switch 35.
- the resistance estimation execution flag Flg1 is a timing signal for starting a resistance value estimation control system, that is, a trigger signal for starting control of resistance value estimation.
- the resistance estimation current control unit 32 uses the current detection values iu, iv, and iw to generate a second voltage command V * 2 suitable for estimating the resistance value of the motor 55. Is generated.
- the second voltage command V * 2 generated by the resistance estimation current control unit 32 is input to the signal switch 35.
- the resistance estimation unit 33 uses the second voltage command V * 2 and the current detection values iu, iv, iw generated by the resistance estimation current control unit 32 to estimate the resistance. An estimation calculation of the value Rs is performed. The estimated resistance value Rs estimated by the resistance estimating unit 33 is input to the resistance value setting unit 34.
- the resistance value setting unit 34 When the resistance estimation execution flag Flg1 is input, the resistance value setting unit 34 outputs the resistance setting value R1C held by the resistance value setting unit 34 to the sensorless control unit 30. Details of the resistance value setting unit 34 will be described later.
- the configurations of the resistance estimation execution determination unit 31, the resistance estimation current control unit 32, and the resistance estimation unit 33 are known, and detailed description thereof is omitted here.
- the specific configuration relating to each of these parts is disclosed in the above-described Patent Document 3 (Japanese Patent No. 5777814), and the contents of the publication should be referred to.
- the configuration of the resistance estimation unit 33 is also disclosed in Japanese Patent Nos. 3771239 and 4738549 described as the prior art in Patent Document 3, and the techniques disclosed in these documents are used. Also good.
- the signal switch 35 uses the resistance estimation execution flag Flg1 to generate the first voltage command V * 1 generated by the sensorless control unit 30 and the second voltage command generated by the resistance estimation current control unit 32.
- V * 2 is selected and output to the outside of the controller 3. More specifically, while the resistance estimation execution flag Flg1 is output, the switching contact of the signal switch 35 is connected to the b side, and the second voltage command V generated by the resistance estimation current control unit 32 is generated. * 2 is output to the outside of the controller 3.
- the resistance estimation execution flag Flg1 is not output, the switching contact of the signal switch 35 is connected to the a side, and the first voltage command V * 1 generated by the sensorless control unit 30 is sent to the outside of the controller 3. Is output.
- the above is an outline of the operation of the controller 3.
- FIG. 3 is a block diagram illustrating a detailed configuration of the resistance value setting unit 34 according to the first embodiment.
- FIG. 4 is a time chart showing how the resistance setting value R1C set by the resistance value setting unit 34 of the first embodiment changes.
- FIG. 5 is a flowchart showing an operation flow of the resistance estimation unit 33 and the resistance value setting unit 34 in the first embodiment.
- the resistance value setting unit 34 includes an initial resistance value calculation unit 341, signal switchers 342 and 343, and a previous value holding unit 344.
- the initial resistance value calculation unit 341 receives the temperature detection value Td.
- the initial resistance value calculator 341 generates an initial resistance value R1Cs using the temperature detection value Td.
- the initial resistance value R1Cs generated by the initial resistance value calculation unit 341 is input to the signal switch 343.
- the function of the initial resistance value calculation unit 341 may be realized by a table or by using the following calculation expression.
- R1cs R0 ⁇ 1 + ⁇ (Td ⁇ T0) ⁇ (1)
- R1cs is an initial resistance value
- R0 is a reference resistance value
- ⁇ is a temperature coefficient
- T0 is a reference temperature
- the material of the motor winding is copper, it may be realized using the following arithmetic expression.
- R1cs R0 ⁇ (234.5 + Td) / (234.5 + T0) ⁇ ... (2)
- the previous value holding unit 344 holds the output of the signal switch 343, that is, the value of the resistance setting value R1C that is the output value of the resistance value setting unit 34.
- the output of the previous value holding unit 344 is input to the signal switch 342.
- the signal switch 342 selects either the resistance estimated value Rs or the output of the previous value holding unit 344 by the resistance estimation execution flag Flg1 and outputs the selected value to the signal switch 342. More specifically, when the resistance estimation execution flag Flg1 is not output, the switching contact of the signal switch 342 is connected to the b1 side, the output of the previous value holding unit 344 is selected, and the signal switch 343 is output. On the other hand, when the resistance estimation execution flag Flg1 is output, since the switching contact of the signal switch 342 is connected to the a1 side, the resistance estimated value Rs is selected and output to the signal switch 343.
- the switching contact of the signal switch 343 is connected to the b2 side, the initial resistance value R1Cs generated by the initial resistance value calculation unit 341 is selected, and the output is the resistance It is output as the set value R1C.
- the device activation flag Flg2 is not output, since the switching contact of the signal switch 343 is connected to the a2 side, the output of the signal switch 342 is selected and the output is output as the resistance set value R1C. .
- FIG. 4 shows how the resistance setting value R1C changes.
- an apparatus activation flag Flg2 is generated and an ON pulse is output until time t2.
- the switching contact of the signal switch 343 in FIG. 3 is connected to the b2 side.
- the initial resistance value calculation unit 341 is generated immediately before the contact of the signal switch 343 is switched to the a2 side.
- the initial resistance value R1Cs is held and latched by the previous value holding unit 344.
- the waveform indicated by the thick broken line is the waveform of the initial resistance value R1Cs generated by the initial resistance value calculation unit 341, and the initial resistance value R1Cs at time t2 indicated by a circle is the resistance setting value R1C. And maintained until resistance estimation is performed.
- FIG. 3 shows a configuration example when the function of the resistance value setting unit 34 is realized by hardware.
- the function of the resistance value setting unit 34 including the resistance estimation unit 33 is realized by software.
- the flowchart shown in FIG. 5 can be used.
- step S101 in FIG. 5 the resistance value is set with the initial resistance value corrected using the temperature detection value.
- step S102 it is determined whether or not a resistance estimation execution condition is satisfied. When the resistance estimation execution condition is not satisfied (No at Step S102), the resistance estimation is not executed, and thus the process at Step S102 is repeated. On the other hand, if the resistance estimation execution condition is satisfied (step S102, Yes), the resistance estimation is executed in step S103, and the resistance value is set as the resistance estimation value in step S104.
- the initial resistance value is corrected using the temperature detection value, and the motor is corrected with the corrected initial resistance value. Therefore, even when the control system for estimating the resistance value of the motor cannot be started, the estimation accuracy of the resistance value of the motor can be increased.
- the corrected initial resistance value is hold
- the temperature sensor 5a is mounted in the cooler 4, you may mount in site
- FIG. 1 When the temperature sensor 5 a is mounted on the power conversion device 1, the wiring for transmitting the temperature detection value Td to the controller 3 can be easily routed compared to the case where the temperature sensor is mounted on the motor 55. There is.
- the temperature information managed by the train information management device may be received without mounting the temperature sensor 5a. Good.
- the temperature information of the outside air temperature or the temperature information of the air conditioner is managed, and the estimation accuracy of the resistance value of the motor 55 can be improved by receiving the temperature information and correcting the initial resistance value. It becomes possible.
- FIG. 6 is a block diagram illustrating an example of a hardware configuration that embodies the controller 3 according to the first embodiment.
- FIG. 7 is a block diagram showing another example of a hardware configuration for implementing the controller 3 in the first embodiment.
- a CPU Central Processing Unit
- the interface 204 that performs input / output of The CPU 200 may be a calculation means such as a microprocessor, a microcomputer, a processor, or a DSP (Digital Signal Processor).
- the memory 202 corresponds to a nonvolatile or volatile semiconductor memory such as a RAM (Random Access Memory), a ROM (Read Only Memory), a flash memory, an EPROM (Erasable Programmable ROM), or an EEPROM (Electrically EPROM).
- the memory 202 stores a program for executing the function of the controller 3.
- the CPU 200 executes various arithmetic processes described in the first embodiment by exchanging necessary information via the interface 204.
- the CPU 200 and the memory 202 shown in FIG. 6 may be replaced with a processing circuit 203 as shown in FIG.
- the processing circuit 203 is, for example, a single circuit, a composite circuit, a programmed processor, a parallel programmed processor, an ASIC (Application Specific Integrated Circuit), an FPGA (Field-Programmable Gate Array), or a combination of these. Applicable.
- FIG. FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration example of a vehicle drive system including the power conversion device 1A according to the second embodiment.
- 1 A of power converter devices which concern on Embodiment 2 are the power converter devices 1 which concern on Embodiment 1 shown in FIG. Yes.
- it is the same or equivalent to the structure of Embodiment 1 shown in FIG. 1,
- symbol is attached
- FIG. 9 is a block diagram showing a detailed configuration of the resistance value setting unit 34A in the second embodiment.
- the resistance value setting unit 34A in the second embodiment is provided with a minimum value calculation unit 345 on the input side of the initial resistance value calculation unit 341 in the resistance value setting unit 34 in the first embodiment shown in FIG. Further, three temperature detection values Td1, Td2, and Td3 are input to the minimum value calculation unit 345.
- the temperature detection value Td1 is temperature information from the temperature sensor 5a
- the temperature detection value Td2 is temperature information from the temperature sensor 5b
- the temperature detection value Td3 is from a third temperature sensor not shown in FIG. Temperature information is assumed.
- it is the same as that of the structure of the resistance value setting part 34 shown in FIG. 3, or the same code
- the operation of the resistance value setting unit 34A in the second embodiment will be described.
- the three temperature detection values Td1, Td2, and Td3 are input to the minimum value calculation unit 345.
- the minimum value calculation unit 345 selects the minimum one of the three temperature detection values Td1, Td2, and Td3 and outputs the selected value to the initial resistance value calculation unit 341.
- the initial resistance value calculation unit 341 calculates the initial resistance value R1Cs using the above-described equation (1) or (2) based on the temperature information transmitted from the minimum value calculation unit 345. Subsequent operations are the same as those in the first embodiment.
- information on the initial resistance value managed by the power conversion device 1A is corrected using information from a temperature sensor other than the motor 55 or temperature information received from the outside of the power conversion device 1A. It is an embodiment.
- the temperature increase pattern of the motor 55 is different from the power increase device 1A or the temperature increase pattern of the outside air temperature. Therefore, when inappropriate temperature information is used, the motor 55 The estimation accuracy of the resistance value is deteriorated. Moreover, when the estimated resistance value varies, the influence of the deterioration of controllability can be suppressed by shifting the estimated resistance value to a smaller value. For this reason, in Embodiment 2 using a plurality of temperature detection values, a configuration is adopted in which the minimum one of a plurality of temperature information is selected.
- the estimated resistance value varies, the estimated resistance value is shifted to a smaller side, so that the influence of deterioration in controllability can be suppressed, so the temperature information from the train information management device is used. Furthermore, as described above, a configuration may be adopted in which the minimum one of a plurality of temperature information is selected.
- FIG. FIG. 10 is a block diagram illustrating a configuration example of the controller 3A in the third embodiment.
- the resistance estimation unit 33 calculates the resistance estimation value Rs
- the resistance value setting unit 34 calculates the resistance setting value R1C held in the resistance value setting unit 34. It is configured to output.
- the estimated resistance value Rs is an estimated value of the primary resistance
- the set resistance value R1C is a set value of the primary resistance.
- the resistance estimation unit 33a calculates a resistance estimation value Rs that is an estimation value of the primary resistance and a resistance estimation value Rr that is an estimation value of the secondary resistance to set the resistance value.
- the unit 34a is configured to output a resistance setting value R1C that is a setting value of the primary resistance and a resistance setting value R2C that is a setting value of the secondary resistance.
- Rs is referred to as “primary resistance estimation value”, Rr as “secondary resistance estimation value”, R1C as “primary resistance setting value”, and R2C as “secondary resistance setting value”.
- Rr secondary resistance estimation value
- R1C secondary resistance setting value
- R2C secondary resistance setting value
- the resistance value setting unit 34a has a functional unit that calculates an initial resistance value, similarly to the configuration of the first embodiment shown in FIG.
- the calculation function of the initial resistance value may be realized by a table or may be realized by using the following calculation expression.
- Rsc is the initial primary resistance value
- Rs0 is the reference primary resistance value
- ⁇ s is the temperature coefficient of the primary winding
- Rrc is the initial secondary resistance value
- Rr0 is the reference secondary resistance value
- ⁇ r is the temperature coefficient of the secondary winding
- T0 is the reference temperature.
- the material of the motor winding is copper, it may be realized using the following arithmetic expression.
- FIG. 11 is a diagram for explaining the effect of the power conversion device according to the third embodiment.
- the waveform indicated by the broken line is the time change of the torque command instructed from the host controller
- the waveform indicated by the thick solid line is the time change of the output torque.
- the resistance values of the primary resistance and secondary resistance of the induction machine both vary depending on the temperature.
- the primary resistance contributes to the stability of sensorless control
- the secondary resistance contributes to the transient response of torque control.
- the estimated accuracy of the secondary resistance affects the transient response of torque control.
- the secondary resistance in addition to the primary resistance, the secondary resistance is set using the estimated value of the secondary resistance, so that in addition to the stability of the sensorless control, the transient response of the torque control is improved. The effect that it can be obtained.
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Abstract
電気車の電力変換装置(1)は、電気車に搭載されるモータ(55)を駆動するインバータ(2)と、運転指令に基づいてインバータ(2)を制御する制御器(3)と、を備える。制御器(3)は、センサレス制御部を備え、冷却器(4)に搭載された温度センサ(5a)の温度情報に基づいて、制御器(3)に設定されている初期抵抗値を補正し、補正した初期抵抗値でモータ(55)の抵抗値を設定し、設定した抵抗値でセンサレス制御部を動作させる。
Description
本発明は、速度検出器を用いることなく交流回転機を起動することが可能な電気車の電力変換装置に関し、特に交流回転機の抵抗値を推定する電気車の電力変換装置に関する。
速度検出器を用いることなく交流回転機を起動する制御は、速度センサレス制御と呼ばれている。近年では、誘導機に速度センサレス制御を採用し、同期機に位置センサレス制御を採用することが一般的である。速度センサレス制御では、誘導機もしくは同期機の抵抗値を把握することが重要である。電気車の交流回転機であるモータの抵抗値は温度によって変動する。このため、モータにおいて、制御側で設定した抵抗値と実際の抵抗値との間に誤差が生じることになれば、所望の出力トルクを得ることができない場合があり、特に誤差が大きいときには、電気車が起動しない場合がある。
このような問題を解決する従来技術として、下記特許文献1には、電気車の起動時から、電気車の速度が低速域にあるときまでに、電気車駆動用誘導機への印加電圧と入力電流とを検出し、誘導機の一次抵抗と二次抵抗を推定する方法が記載されている。また、下記特許文献2には、運転指令が零から立ち上がった直後からの一定時間、直流電圧または脈動電圧を誘導機に一時的に印加し、誘導機の一次抵抗と二次抵抗とを推定する方法が記載されている。
上記特許文献1,2の方法は、何れも電気車の速度が低速域のときにモータの抵抗を測定する方法であり、回転中のモータの一次抵抗及び二次抵抗を正確に推定することは困難である。その理由は、モータが回転すると、相互インダクタンス、一次漏れインダクタンス及び二次漏れインダクタンスが現れるため、一次抵抗および二次抵抗以外のインピーダンスを含んだ値となってしまうためである。
これに対し、下記特許文献3には、交流回転機の速度が零であることを判断する速度判断部を有し、当該速度判断部が交流回転機の速度を零と判断し、且つ、運転指令がブレーキ指令から力行指令に変更になったときに、直交軸電流、電圧指令及び力行指令に基づいて交流回転機の一次抵抗と二次抵抗とを演算する方法が記載されている。
上記特許文献1,2では、速度センサレス制御される交流回転機が回転することで生じるインダクタンス成分によって正確な抵抗値を得ることが困難であったが、上記特許文献3では、力行指令が入力されてから交流回転機が回転する前、すなわちd軸電圧指令及びd軸電流検出値が得られ、かつ、角周波数が零であるときに、一次抵抗と二次抵抗とを推定する動作態様であるため、上記特許文献1,2よりも正確な抵抗値を得ることを可能としている。
上記特許文献1-3に開示される何れも、モータの抵抗値を推定する制御系を起動することで、当該抵抗値を推定する方法を採用している。但し、当該制御系を起動するには条件があり、条件を満たさない場合には、抵抗推定値にデフォルト値を使用するのが一般的である。ところが、モータの抵抗値は、外気温もしくはモータ自身の温度に大きく依存するため、デフォルト値と実際のモータの抵抗値との間には大きな差異が生じることがあり、モータの制御に大きな影響を与えるといった問題点があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、モータの抵抗値を推定する制御系を起動することができない期間においても、モータの抵抗値の推定精度を高め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。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る電気車の電力変換装置は、電気車に搭載されるモータを駆動するインバータと、運転指令に基づいてインバータを制御する制御器と、を備える。制御器は、センサレス制御部を備え、電力変換装置に設けられた温度センサの温度情報又は電力変換装置の外部から伝達された温度情報に基づいて、制御器に設定されている初期抵抗値を補正し、補正した初期抵抗値でモータの抵抗値を設定し、設定したモータの抵抗値でセンサレス制御部を動作させる。
本発明によれば、モータの抵抗値を推定する制御系を起動することができない期間においても、モータの抵抗値の推定精度を高めることができる、という効果を奏する。
以下に、本発明の実施の形態に係る電気車の電力変換装置(以下、単に「電力変換装置」と称する)を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により、本発明が限定されるものではない。
実施の形態1.
図1は、実施の形態1に係る電力変換装置1を含む車両駆動システムの構成例を示す図である。実施の形態1に係る電力変換装置1は、図1に示すように、直流電力を交流電力に変換し、変換した交流電力をモータ55に供給することでモータ55を駆動するインバータ2と、インバータ2をPWM制御するための電圧指令V*を生成してインバータ2に出力する制御器3と、インバータ2の交流側に配置されモータ55の各相に流れる相電流を検出する電流検出器6a,6b,6cと、を備える。電気車に搭載されるモータ55の一例は、誘導モータ又は同期モータである。一般的な電気車では、誘導モータ又は同期モータが使用されている。
図1は、実施の形態1に係る電力変換装置1を含む車両駆動システムの構成例を示す図である。実施の形態1に係る電力変換装置1は、図1に示すように、直流電力を交流電力に変換し、変換した交流電力をモータ55に供給することでモータ55を駆動するインバータ2と、インバータ2をPWM制御するための電圧指令V*を生成してインバータ2に出力する制御器3と、インバータ2の交流側に配置されモータ55の各相に流れる相電流を検出する電流検出器6a,6b,6cと、を備える。電気車に搭載されるモータ55の一例は、誘導モータ又は同期モータである。一般的な電気車では、誘導モータ又は同期モータが使用されている。
インバータ2における直流側の一端は集電装置52を介して架線51に接続され、インバータ2における直流側の他端は車輪53を介して大地電位を与えるレール54に接続される。架線51から供給される直流電力は、集電装置52を介してインバータ2に供給される。
制御器3には、外部装置56から運転指令PBが入力され、温度センサ5aから温度検出値Tdが入力され、電流検出器6a,6b,6cから電流検出値iu,iv,iwが入力される。図1の例では、温度センサ5aは、冷却器4に搭載されている。冷却器4は、インバータ2に具備される図示しないスイッチング素子を冷却するために設けられている。外部装置56の一例は、電気車の運転台である。一般的な構成の電気車において、運転台は指令車に設けられている。
なお、図1では、電流検出器6a,6b,6cに変流器(Current Transformer:CT)を用いる場合を例示しているが、CTに限定されるものではなく、他の公知の手法を用いて相電流を検出する構成であってもよい。また、図1では3つの電流検出器6a,6b,6cを備える構成を例示しているが、この構成に限定されるものではない。3相平衡条件であるiu+iv+iw=0の関係を利用し、3つの電流検出器6a,6b,6cのうちの何れか1つの電流検出器を省略してもよい。
図2は、実施の形態1における制御器3の一構成例を示すブロック図である。制御器3は、図2に示すように、センサレス制御部30、抵抗推定実行判定部31、抵抗推定用電流制御部32、抵抗推定部33、抵抗値設定部34及び信号切替器35を備える。
センサレス制御部30には、外部装置56からの運転指令PBと、電流検出器6a,6b,6cが検出した電流検出値iu,iv,iwと、抵抗値設定部34が設定した抵抗値R1Cとが入力される。ここで、抵抗値設定部34が設定した抵抗値を「抵抗設定値」と呼ぶ。センサレス制御部30は、運転指令PB、電流検出値iu,iv,iw及び抵抗設定値R1Cを用いて第1電圧指令V*1を生成する。センサレス制御部30が生成した第1電圧指令V*1は、信号切替器35に入力される。
なお、センサレス制御部30の構成については公知であり、ここでの詳細な説明は省略する。具体的な構成については、特許第4459301号公報に開示されており、当該公報の内容を参照されたい。
運転指令PBは、抵抗推定実行判定部31にも入力される。抵抗推定実行判定部31は、運転指令PBが入力されるタイミングで、抵抗推定実行フラグFlg1を生成する。抵抗推定実行判定部31が生成した抵抗推定実行フラグFlg1は、抵抗推定用電流制御部32、抵抗推定部33、抵抗値設定部34及び信号切替器35のそれぞれに入力される。抵抗推定実行フラグFlg1は、抵抗値推定の制御系を起動するタイミング信号すなわち抵抗値推定の制御を開始するためのトリガ信号である。
抵抗推定用電流制御部32は、抵抗推定実行フラグFlg1が入力されると、電流検出値iu,iv,iwを使用して、モータ55の抵抗値の推定に適した第2電圧指令V*2を生成する。抵抗推定用電流制御部32が生成した第2電圧指令V*2は、信号切替器35に入力される。
抵抗推定部33は、抵抗推定実行フラグFlg1が入力されると、抵抗推定用電流制御部32が生成した第2電圧指令V*2及び電流検出値iu,iv,iwを使用して、抵抗推定値Rsの推定演算を行う。抵抗推定部33が推定した抵抗推定値Rsは、抵抗値設定部34に入力される。
抵抗値設定部34は、抵抗推定実行フラグFlg1が入力されると、抵抗値設定部34で保持されている抵抗設定値R1Cをセンサレス制御部30に出力する。抵抗値設定部34の詳細については後述する。
なお、抵抗推定実行判定部31、抵抗推定用電流制御部32及び抵抗推定部33の構成については公知であり、ここでの詳細な説明は省略する。これらの各部に関する具体的な構成については、上記した特許文献3(特許第5777814号公報)に開示されており、当該公報の内容を参照されたい。また、抵抗推定部33の構成については、特許文献3において従来技術として記載された特許第3771239号公報及び特許第4738549号公報にも開示されており、これらの文献に開示された技術を用いてもよい。
図2の説明に戻り、信号切替器35は、抵抗推定実行フラグFlg1によって、センサレス制御部30が生成した第1電圧指令V*1と、抵抗推定用電流制御部32が生成した第2電圧指令V*2とのうちの何れかを選択して、制御器3の外部に出力する。より具体的に説明すると、抵抗推定実行フラグFlg1が出力されている間、信号切替器35の切替接点はb側に接続されており、抵抗推定用電流制御部32が生成した第2電圧指令V*2が、制御器3の外部に出力される。一方、抵抗推定実行フラグFlg1が出力されていない場合、信号切替器35の切替接点はa側に接続され、センサレス制御部30が生成した第1電圧指令V*1が、制御器3の外部に出力される。以上が、制御器3の動作の概要である。
次に、実施の形態1における制御器3の詳細な動作について、図2から図5の図面を参照して説明する。図3は、実施の形態1における抵抗値設定部34の細部構成を示すブロック図である。図4は、実施の形態1の抵抗値設定部34が設定した抵抗設定値R1Cの変化の様子を示すタイムチャートである。図5は、実施の形態1における抵抗推定部33及び抵抗値設定部34の動作フローを示すフローチャートである。
抵抗値設定部34は、図3に示すように、初期抵抗値演算部341、信号切替器342,343及び前回値保持部344を備える。初期抵抗値演算部341には、温度検出値Tdが入力される。初期抵抗値演算部341は、温度検出値Tdを使用して、初期抵抗値R1Csを生成する。初期抵抗値演算部341が生成した初期抵抗値R1Csは、信号切替器343に入力される。
初期抵抗値演算部341の機能は、テーブルで実現してもよいし、以下の演算式を用いて実現してもよい。
R1cs=R0{1+α(Td-T0)} …(1)
上記(1)式において、R1csは初期抵抗値、R0は基準抵抗値、αは温度係数、T0は基準温度である。
また、モータ巻線の素材が銅である場合、以下の演算式を用いて実現してもよい。
R1cs=R0{(234.5+Td)/(234.5+T0)} …(2)
前回値保持部344は、信号切替器343の出力、すなわち抵抗値設定部34の出力値である抵抗設定値R1Cの値を保持する。前回値保持部344の出力は、信号切替器342に入力される。
信号切替器342は、抵抗推定実行フラグFlg1によって、抵抗推定値Rsと、前回値保持部344の出力とのうちの何れかを選択して、信号切替器342に出力する。より具体的に説明すると、抵抗推定実行フラグFlg1が出力されていない場合、信号切替器342の切替接点はb1側に接続されており、前回値保持部344の出力が選択されて、信号切替器343に出力される。一方、抵抗推定実行フラグFlg1が出力されている場合、信号切替器342の切替接点はa1側に接続されるので、抵抗推定値Rsが選択されて信号切替器343に出力される。
また、装置起動フラグFlg2が出力されている間、信号切替器343の切替接点はb2側に接続されており、初期抵抗値演算部341が生成した初期抵抗値R1Csが選択され、当該出力が抵抗設定値R1Cとして出力される。一方、装置起動フラグFlg2が出力されていない場合、信号切替器343の切替接点はa2側に接続されるので、信号切替器342の出力が選択され、当該出力が抵抗設定値R1Cとして出力される。
図4には、抵抗設定値R1Cの変化の様子が示されている。図4に示すように、時刻t1で装置が起動されると、装置起動フラグFlg2が生成されて時刻t2までONパルスが出力される。時刻t2で装置起動フラグFlg2が立ち下がると、図3における信号切替器343の切替接点がb2側に接続される。この動作により、信号切替器342と、信号切替器343と、前回値保持部344とがループを成すので、信号切替器343の接点がa2側に切り替わる直前において、初期抵抗値演算部341が生成した初期抵抗値R1Csが前回値保持部344で保持されてラッチされる。
また、図4において、太破線で示される波形は、初期抵抗値演算部341が生成した初期抵抗値R1Csの波形であり、丸印で示した時刻t2における初期抵抗値R1Csが抵抗設定値R1Cとされ、抵抗推定が実行されるまでの間、維持される。
そして、時刻t3で抵抗推定実行フラグFlg1が出力されると、図3における信号切替器342の切替接点がa1側に接続されるので、抵抗推定値Rsが抵抗設定値R1Cとされ、抵抗推定実行フラグFlg1が立ち下がる時刻t4のときの値が保持されてラッチされる。時刻t5で再度抵抗推定が実行されると、抵抗推定実行フラグFlg1が立ち下がる時刻t6のときの値が保持されてラッチされる。
図3は、抵抗値設定部34の機能をハードウェアで実現する場合の一構成例を示しているが、抵抗推定部33を含む抵抗値設定部34の機能をソフトウェアで実現する場合には、図5に示すフローチャートを用いることができる。
図4に示すように、抵抗推定実行フラグFlg1が出力される前に、装置起動フラグFlg2が出力される。このため、図5のステップS101で示されるように、まずは、温度検出値を用いて補正した初期抵抗値で抵抗値が設定される。ステップS102では、抵抗推定実行条件が成立するか否かが判定される。抵抗推定実行条件が成立しない場合(ステップS102,No)、抵抗推定が実行されないので、ステップS102の処理が繰り返される。一方、抵抗推定実行条件が成立する場合(ステップS102,Yes)、ステップS103では抵抗推定が実行され、ステップS104では抵抗推定値で抵抗値が設定される。
以上説明したように、実施の形態1に係る電力変換装置によれば、モータの抵抗値推定を実行する前に、温度検出値を用いて初期抵抗値を補正し、補正した初期抵抗値でモータの抵抗値を設定するので、モータの抵抗値を推定する制御系を起動することができない期間においても、モータの抵抗値の推定精度を高めることが可能となる。
また、実施の形態1に係る電力変換装置によれば、補正された初期抵抗値が抵抗値設定部にて保持され、抵抗値設定部は、抵抗推定部から抵抗推定値を受領するまでの間は、初期抵抗値をセンサレス制御部に出力し、抵抗推定部から抵抗推定値を受領した後は、抵抗推定値をセンサレス制御部に出力するようにしているので、モータの抵抗値を推定する制御系が起動される前後において、モータの抵抗値を推定する制御を円滑に行うことができる。
なお、図1では、温度センサ5aを冷却器4に搭載しているが、電力変換装置1における冷却器4以外の部位に搭載してもよい。温度センサ5aが電力変換装置1に搭載されている場合、モータ55に温度センサを搭載する場合と比べて、温度検出値Tdを制御器3に伝達するための配線の引き回しが容易になるという効果がある。
また、複数の電気車で編成される列車が列車情報管理装置を有している場合には、温度センサ5aを搭載せずに当該列車情報管理装置が管理する温度情報を受領するようにしてもよい。列車情報管理装置では、外気温度の情報又は空調装置の温度情報を管理しており、当該温度情報を受領して初期抵抗値を補正することにより、モータ55の抵抗値の推定精度を高めることが可能となる。
実施の形態1での説明の最後に、実施の形態1における制御器3の機能を実現するハードウェア構成について、図6及び図7の図面を参照して説明する。図6は、実施の形態1における制御器3を具現するハードウェア構成の一例を示すブロック図である。図7は実施の形態1における制御器3を具現するハードウェア構成の他の例を示すブロック図である。
上述した制御器3の機能を実現する場合には、図6に示すように、演算を行うCPU(Central Processing Unit:中央処理装置)200、CPU200によって読みとられるプログラムが保存されるメモリ202及び信号の入出力を行うインタフェース204を含む構成とすることができる。なお、CPU200は、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、又はDSP(Digital Signal Processor)といった演算手段であってもよい。また、メモリ202とは、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、フラッシュメモリ、EPROM(Erasable Programmable ROM)、EEPROM(Electrically EPROM)といった不揮発性又は揮発性の半導体メモリが該当する。
具体的に、メモリ202には、制御器3の機能を実行するプログラムが格納されている。CPU200は、インタフェース204を介して、必要な情報の授受を行うことにより、実施の形態1で説明された各種の演算処理を実行する。
なお、図6に示すCPU200及びメモリ202は、図7のように処理回路203に置き換えてもよい。処理回路203は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、FPGA(Field-Programmable Gate Array)、又は、これらを組み合わせたものが該当する。
実施の形態2.
図8は、実施の形態2に係る電力変換装置1Aを含む車両駆動システムの構成例を示す図である。実施の形態2に係る電力変換装置1Aは、図1に示す実施の形態1に係る電力変換装置1において、温度センサ5aに加え、第2温度センサである温度センサ5bが付加されて構成されている。なお、その他の構成については、図1に示す実施の形態1の構成と同一又は同等であり、同一又は同等の構成部には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
図8は、実施の形態2に係る電力変換装置1Aを含む車両駆動システムの構成例を示す図である。実施の形態2に係る電力変換装置1Aは、図1に示す実施の形態1に係る電力変換装置1において、温度センサ5aに加え、第2温度センサである温度センサ5bが付加されて構成されている。なお、その他の構成については、図1に示す実施の形態1の構成と同一又は同等であり、同一又は同等の構成部には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
図9は、実施の形態2における抵抗値設定部34Aの細部構成を示すブロック図である。実施の形態2における抵抗値設定部34Aは、図3に示す実施の形態1における抵抗値設定部34において、初期抵抗値演算部341の入力側に最小値演算部345が設けられている。また、最小値演算部345には、3つの温度検出値Td1,Td2,Td3が入力されている。図9の構成において、温度検出値Td1は温度センサ5aからの温度情報、温度検出値Td2は温度センサ5bからの温度情報、温度検出値Td3は図9では図示を省略した第3の温度センサからの温度情報を想定している。なお、その他の構成については、図3に示す抵抗値設定部34の構成と同一又は同等であり、同一又は同等の構成部には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
次に、実施の形態2における抵抗値設定部34Aの動作について説明する。上述したように、最小値演算部345には、3つの温度検出値Td1,Td2,Td3が入力される。最小値演算部345は、3つの温度検出値Td1,Td2,Td3のうちで最小のものを選択して、初期抵抗値演算部341に出力する。初期抵抗値演算部341は、最小値演算部345から伝達された温度情報を基に、上述した(1)式又は(2)式を用いて、初期抵抗値R1Csを算出する。以降の動作は、実施の形態1と同じである。
次に、最小値演算部345を設ける意義について説明する。実施の形態2は、モータ55以外に搭載された温度センサからの情報又は電力変換装置1Aの外部から受領した温度情報を使用して、電力変換装置1Aが管理する初期抵抗値の情報を補正する実施の形態である。このような実施の形態の場合、モータ55の温度上昇のパターンと、電力変換装置1A又は外気温の温度上昇のパターンとは異なるため、不適切な温度情報を使用した場合には、モータ55の抵抗値の推定精度が悪くなる。また、推定した抵抗値がばらつく場合、推定した抵抗値の値が小さい側にずれる方が、制御性の悪化の影響を抑制することができる。このため、複数の温度検出値を使用する実施の形態2では、複数の温度情報のうちで最小のものを選択する構成を採用している。
なお、図9の構成において、最小値演算部345に入力する温度情報に列車情報管理装置からの温度情報を加えてもよい。但し、列車情報管理装置からの温度情報が他の温度センサからの情報と乖離することも想定される。この場合、乖離した温度情報が選択されて、モータ55の抵抗値推定が行われることも想定される。このため、温度センサ以外の温度情報を使用する実施の形態の場合には、複数の温度情報の平均値を演算し、当該平均値を用いて初期抵抗値を補正するようにしてもよい。また、推定した抵抗値がばらつく場合、推定した抵抗値の値が小さい側にずれる方が、制御性の悪化の影響を抑制することができるため、列車情報管理装置からの温度情報を用いた場合に、上記同様、複数の温度情報のうちで最小のものを選択する構成としてもよい。
実施の形態3.
図10は、実施の形態3における制御器3Aの一構成例を示すブロック図である。図2に示す実施の形態1における制御器3では、抵抗推定部33は抵抗推定値Rsの演算を行い、抵抗値設定部34は、抵抗値設定部34で保持されている抵抗設定値R1Cを出力するように構成されている。実施の形態1では説明を省略したが、モータ55が誘導機の場合、抵抗推定値Rsは一次抵抗の推定値であり、抵抗設定値R1Cは一次抵抗の設定値である。一方、実施の形態3における制御器3Aにおいて、抵抗推定部33aは一次抵抗の推定値である抵抗推定値Rsと、二次抵抗の推定値である抵抗推定値Rrの演算を行い、抵抗値設定部34aは、一次抵抗の設定値である抵抗設定値R1Cと、二次抵抗の設定値である抵抗設定値R2Cとを出力するように構成されている。以下、実施の形態3では、Rsを「一次抵抗推定値」、Rrを「二次抵抗推定値」、R1Cを「一次抵抗設定値」、R2Cを「二次抵抗設定値」と呼ぶ。なお、その他の構成については、図2に示す実施の形態1の構成と同一又は同等であり、同一又は同等の構成部には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
図10は、実施の形態3における制御器3Aの一構成例を示すブロック図である。図2に示す実施の形態1における制御器3では、抵抗推定部33は抵抗推定値Rsの演算を行い、抵抗値設定部34は、抵抗値設定部34で保持されている抵抗設定値R1Cを出力するように構成されている。実施の形態1では説明を省略したが、モータ55が誘導機の場合、抵抗推定値Rsは一次抵抗の推定値であり、抵抗設定値R1Cは一次抵抗の設定値である。一方、実施の形態3における制御器3Aにおいて、抵抗推定部33aは一次抵抗の推定値である抵抗推定値Rsと、二次抵抗の推定値である抵抗推定値Rrの演算を行い、抵抗値設定部34aは、一次抵抗の設定値である抵抗設定値R1Cと、二次抵抗の設定値である抵抗設定値R2Cとを出力するように構成されている。以下、実施の形態3では、Rsを「一次抵抗推定値」、Rrを「二次抵抗推定値」、R1Cを「一次抵抗設定値」、R2Cを「二次抵抗設定値」と呼ぶ。なお、その他の構成については、図2に示す実施の形態1の構成と同一又は同等であり、同一又は同等の構成部には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
抵抗値設定部34aは、図3に示した実施の形態1の構成と同様に、初期抵抗値を演算する機能部を有している。初期抵抗値の演算機能は、テーブルで実現してもよいし、以下の演算式を用いて実現してもよい。
Rsc=Rs0{1+αs(Td-T0)} …(3)
Rrc=Rr0{1+αr(Td-T0)} …(4)
Rrc=Rr0{1+αr(Td-T0)} …(4)
上記(3)、(4)式において、Rscは初期一次抵抗値、Rs0は基準一次抵抗値、αsは1次巻線の温度係数、Rrcは初期二次抵抗値、Rr0は基準二次抵抗値、αrは2次巻線の温度係数、T0は基準温度、である。
また、モータ巻線の素材が銅である場合、以下の演算式を用いて実現してもよい。
Rsc=Rs0{(234.5+Td)/(234.5+T0)} …(5)
Rrc=Rr0{(234.5+Td)/(234.5+T0)} …(6)
Rrc=Rr0{(234.5+Td)/(234.5+T0)} …(6)
次に、モータ55の二次抵抗を推定することの効果について、図11を参照して説明する。図11は、実施の形態3に係る電力変換装置の効果の説明に供する図である。
図11において、破線で示す波形は、上位制御部から指示されるトルク指令の時間変化であり、太実線で示す波形は出力トルクの時間変化である。Rrを誘導機の二次抵抗の真値とするとき、二次抵抗設定値R2CがR2C>Rrの場合には、指示されたトルク指令に追従する時間が遅くなる。一方、二次抵抗設定値R2CがR2C<Rrの場合には、指示されたトルク指令よりも大きな出力トルクが生成され、指示されたトルク指令に戻るまでの時間を要し、この場合も追従する時間が遅くなる。
誘導機の一次抵抗及び二次抵抗は、共に温度によって抵抗値が変動する。一次抵抗は、センサレス制御の安定性に寄与し、二次抵抗はトルク制御の過渡応答に寄与する。上記図11の波形にも示されるように、二次抵抗の推定精度はトルク制御の過渡応答に影響を与えることになる。
実施の形態3に係る電力変換装置では、一次抵抗に加えて、二次抵抗推定値を用いて、二次抵抗を設定するため、センサレス制御の安定性に加え、トルク制御の過渡応答性を高めることができるという効果が得られる。
なお、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
1,1A 電力変換装置、2 インバータ、3,3A 制御器、4 冷却器、5a,5b 温度センサ、6a,6b,6c 電流検出器、30 センサレス制御部、31 抵抗推定実行判定部、32 抵抗推定用電流制御部、33,33a 抵抗推定部、34,34A,34a 抵抗値設定部、35,342,343 信号切替器、51 架線、52 集電装置、53 車輪、54 レール、55 モータ、56 外部装置、200 CPU、202 メモリ、203 処理回路、204 インタフェース、341 初期抵抗値演算部、344 前回値保持部、345 最小値演算部。
Claims (5)
- 電気車に搭載されるモータを駆動するインバータと、運転指令に基づいて前記インバータを制御する制御器と、を備えた電気車の電力変換装置であって、
前記制御器は、センサレス制御部を備え、
前記電力変換装置に設けられた温度センサの温度情報又は前記電力変換装置の外部から伝達された温度情報に基づいて、前記制御器に設定されている初期抵抗値を補正し、補正した初期抵抗値で前記モータの抵抗値を設定し、設定したモータの抵抗値で前記センサレス制御部を動作させることを特徴とする電気車の電力変換装置。 - 前記制御器は、
前記モータに流れる電流を使用して前記モータの抵抗の推定値である抵抗推定値を演算する抵抗推定部と、
補正された前記初期抵抗値を保持し、前記抵抗推定部から前記抵抗推定値を受領するまでの間は、前記初期抵抗値を前記センサレス制御部に出力し、前記抵抗推定部から前記抵抗推定値を受領した後は、前記抵抗推定値を前記センサレス制御部に出力する抵抗値設定部と、
を備えたことを特徴とする請求項1に記載の電気車の電力変換装置。 - 前記温度情報は複数であり、前記抵抗値設定部は、複数の前記温度情報のうちの最小値を選択し、当該最小値を用いて前記初期抵抗値を補正することを特徴とする請求項2に記載の電気車の電力変換装置。
- 前記温度情報は複数であり、前記抵抗値設定部は、複数の前記温度情報の平均値を演算し、当該平均値を用いて前記初期抵抗値を補正することを特徴とする請求項2に記載の電気車の電力変換装置。
- 前記モータは誘導機であり、
前記抵抗推定部は、前記誘導機の一次抵抗及び二次抵抗を推定し、
前記抵抗値設定部は、前記誘導機の一次抵抗及び二次抵抗を設定する
ことを特徴とする請求項2から4の何れか1項に記載の電気車の電力変換装置。
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