JP4316298B2

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Publication number: JP4316298B2
Application number: JP2003158184A
Authority: JP
Inventors: 岡学松; 崎玲宮
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-06-03
Filing date: 2003-06-03
Publication date: 2009-08-19
Anticipated expiration: 2023-06-03
Also published as: JP2004364383A

Description

Translated fromJapanese

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電気車制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気車駆動用の電動機に電力を供給するための可変電圧可変周波数インバータ装置（以下、単にインバータと略称する）と、インバータの直流側の正負端子間にスイッチング手段及びそれに直列に接続された抵抗器を備えた電気車制御装置では、スイッチング手段を制御することによって抵抗器での電気ブレーキエネルギーの消費量を制御している（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
図１０はこの種の電気車制御装置の主回路構成を示す回路図である。同図において、直流架線１から直流電力を集電する直流電力集電器２には、遮断器３及びフィルタリアクトル４を介して、インバータ８の直流側端子の正側が接続されている。このインバータ８の直流側端子の負側は接地装置１０を介してレール１１に接続されている。インバータ８の正側端子と負側端子との間に、抵抗器５及びスイッチング手段６の直列接続回路、フィルタコンデンサ７、並びに架線電圧検出手段１３が接続されており、さらに、遮断器３とフィルタリアクトル４との間の直流経路に入力電流検出手段１２が設けられている。インバータ８の交流側端子、すなわち、３相交流端子に電気車駆動用の交流電動機９が接続され、さらに、交流電動機９には車両の速度を検出する車両速度検出手段１４が設けられている。
【０００４】
上記の主回路構成に対して、図１０では図示を省略した制御回路が、入力電流検出手段１２、架線電圧検出手段１３及び車両速度検出手段１４の各出力信号に基づいて、インバータ８及びスイッチング手段６を制御するが、本発明に関連する制御動作について以下に説明する。
【０００５】
電気ブレーキエネルギーの消費量を制御する機能は、正側及び負側の直流経路間に直列に接続された抵抗器５及びスイッチング手段６によって実現される。すなわち、電気ブレーキ動作中には、交流電動機９で発生した電気ブレーキエネルギーがインバータ８により直流に変換され、架線電圧を上昇させる。この架線電圧は架線電圧検出手段１３によって検出され、その大きさに応じて、スイッチング手段６のスイッチング周期に対する周期内のオン時間の割合、すなわち、通流率を変化させることにより、抵抗器５に流れる電流を調整し、抵抗器５で消費される電気ブレーキエネルギー量を制御している。通流率が大きい時には、抵抗器５に流れる平均電流は大きくなるため、抵抗器５で消費されるエネルギーも大きくなる。
【０００６】
図３は架線電圧（Ｖ）と通流率（％）との関係を示す線図であり、一般的には通流率はパターン２１のように、架線電圧に応じて制御される。電圧Ｖ1からＶ2（＞Ｖ1）まで通流率を０から許容最大値αmaxまで直線的に増大させ、架線電圧がＶ2を超える範囲では許容最大値αmaxに保持している。一般に、同一架線内に力行車両等のエネルギーを消費する負荷車両が走行している場合には、大きな電気ブレーキエネルギーが発生しても、そのエネルギーが直流電力集電器２及び直流架線１を通じて負荷車両に回生されるため、架線電圧が上昇し過ぎることはない。その場合、スイッチング手段６は回生されない余剰なエネルギー分のみを抵抗器５が消費するように制御される。
【０００７】
この制御方法では、変電所からの架線に対する送り出し電圧が高い場合や、他車両の走行により架線電圧が上昇している場合、ブレーキ時に交流電動機９で発生する電気ブレーキエネルギーが大きくない場合でもスイッチング手段６が動作し、直流架線１から抵抗器５に電流が流れ込む現象が発生する。この現象により、抵抗器５には想定した値以上のエネルギーが流れ込み、抵抗器５が過温状態になる可能性があった。
【０００８】
この対策として、図示したように、直流架線１からの電力入力部に入力電流検出手段１２を設置しているシステムでは、この入力電流検出手段１２により入力電流を監視し、ブレーキ動作中に直流架線１から電気車制御装置に電流が流れ込んでいる場合に、スイッチング手段６の通流率を制限する制御を行っていた。
【０００９】
一方、直流架線１からの電力入力部に入力電流検出手段を設置していないシステムでは、架線電圧が高い状態が続いた場合に抵抗器５が過温状態になるのを防止するために、抵抗器５の温度上昇を監視しているものもある。この場合には、抵抗器５の温度が許容範囲を超えた時に、スイッチング手段６の通流率を制限するか、あるいは、スイッチングを停止する制御を行っていた。
【００１０】
【特許文献１】
特開平０５−２１９６０５号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
電気車制御装置の電力入力部に入力電流検出手段１２を設置して通流率を制限する方法では、この入力電流検出手段１２の検出信号を入力して所定の信号に変換する信号入力手段を設けなければならなかった。また、長期的に見た場合、それらのメンテナンスも必要であった。
【００１２】
一方、入力電流検出手段を用いない場合には、架線電圧が高い時に架線から流れ込む電流、すなわち、交流電動機９で発生する電気ブレーキエネルギー以外のエネルギーを抵抗器５で消費することになる。この場合、電気車制御装置が本来の電気ブレーキ性能を発揮するためには、電気車制御装置が備えているブレーキ性能以上の容量が抵抗器５に要求されることになり、抵抗器の外形の増大化、高コスト化につながっていた。
【００１３】
そのため、抵抗器の温度上昇を検出又は推定し、温度が許容範囲を超えた場合にスイッチング手段６の通流率を制限するか、あるいは、スイッチングを停止する制御を行っている。この場合には、抵抗器５が過温度になることは防止できるが、負荷車両が存在しない場合には電気ブレーキエネルギーを消費することができないため、電気ブレーキ性能そのものを制限もしくは停止することになる。その結果として、車両全体では、電気ブレーキの利用率が低下し、電気ブレーキ力の不足を摩擦ブレーキ力によって補うことになり、ブレーキシューの摩耗を早める可能性があった。
【００１４】
本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので、入力電流検出手段を設置せずに、架線電圧が高い場合の架線から抵抗器への電流の流れ込みを低減することにより、抵抗器の省スペース、低コスト化、架線電圧が高い時の電気ブレーキの有効利用を図ることのできる電気車制御装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、直流架線から集電された直流を交流に変換して、電気車を駆動する交流電動機に供給する可変電圧可変周波数インバータ装置と、この可変電圧可変周波数インバータ装置の直流側の正負端子間に直列に接続された抵抗器及びスイッチング手段とを備え、前記スイッチング手段の通流率を制御することによって前記抵抗器で消費される電気ブレーキエネルギーを制御する電気車制御装置において、前記可変電圧可変周波数インバータ装置の出力電流信号及び車両速度から前記交流電動機で発生する電気ブレーキ出力トルクを推定する出力トルク推定部と、前記出力トルク推定部により推定された前記電気ブレーキトルクからブレーキエネルギーを計算するブレーキエネルギー演算部と、前記ブレーキエネルギー演算部により演算された前記ブレーキエネルギーと前記直流架線の架線電圧信号とに基づいて前記抵抗器に流すべき平均電流参照値を計算する抵抗器平均電流参照値演算部と、前記抵抗器平均電流参照値演算部により計算された前記平均電流参照値から前記スイッチング手段の通流率制限パターンを計算する通流率制限パターン演算部と、を備える制限パターン演算部と、前記架線電圧信号を入力してそのときの架線電圧に応じて通流率通常パターンを演算する通流率通常パターン演算部と、前記通流率制限パターン演算部から出力された前記通流率制限パターンと前記通流率通常パターン演算部から出力された前記通流率通常パターンとを入力して両者を比較し、値の小さい一方を最小値として選択して前記スイッチング手段の通流率として出力する最小値選択部と、を少なくとも備える通流率制限手段を有することを特徴とするものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る電気車制御装置の第１の実施形態の主回路構成を示す回路図であり、図中、従来装置を説明した図１０と同一の符号を付したものはそれぞれ同一の要素を示している。この実施形態は図１０に示した入力電流検出手段１２を除去した構成になっている。
【００１７】
図２は図１の主回路構成に対応する制御部のうち、特に、スイッチング手段６を制御する部分の構成を示すブロック図であり、主に、制限パターン演算部３０、通流率通常パターン演算部１９及び最小値選択部２０を備えている。
【００１８】
このうち、制限パターン演算部３０はインバータ８の出力電流及び車両速度から交流電動機９で発生する電気ブレーキ出力トルクを推定する出力トルク推定部１５と、推定した電気ブレーキトルクからブレーキエネルギーを計算するブレーキエネルギー演算部１６と、抵抗器５に流すべき平均電流を計算する抵抗器平均電流参照値演算部１７と、計算された平均電流参照値からスイッチング手段６の通流率制限パターンを計算する通流率制限パターン演算部１８とで構成されている。
【００１９】
通流率通常パターン演算部１９は架線電圧を入力し、前述した通流率通常パターン２１を求めるものであり、最小値選択部２０は通流率制限パターン演算部１８及び通流率通常パターン演算部１９の各出力を入力し、値の小さい一方を選択してスイッチング手段６に対する通流率を出力するものである。なお、図２に示した最小値選択部２０及び制限パターン演算部３０が本発明の通流率制限手段に対応している。
【００２０】
上記のように構成された本実施形態の動作について以下に説明する。先ず、出力トルク推定部１５では、インバータ８の出力電流及び車両速度から交流電動機９で発生した電気ブレーキ出力トルクＴを計算する。ブレーキエネルギー演算部１６は次式によって交流電動機９で発生した電気ブレーキエネルギーＰを計算する。
Ｐ＝Ｔ×Ｖ …（１）
ただし、
Ｐ：電気ブレーキエネルギー［Ｗ］
Ｔ：電気ブレーキ出力トルク［Ｎ］
Ｖ：電気車の速度［ｍ／ｓ］
である。
【００２１】
抵抗器平均電流参照値演算部１７では、ブレーキエネルギー演算部１６で計算して得られた電気ブレーキエネルギーＰを抵抗器５で全て消費すると仮定した場合、抵抗器５に流すべき平均電流の参照値Ｉaveを次式によって計算する。
Ｉave＝（Ｐ×η×ｋ）／Ｖfc …（２）
ただし、
Ｉave：抵抗器５に流すべき平均電流の参照値［Ａ］
η ：インバータ効率、交流電動機と車軸との間に介装されたギヤのロス分を総合的に考慮した効率［％］
ｋ：抵抗器５の抵抗値の変動を考慮したマージン［−］
Ｖfc ：架線電圧［Ｖ］
である。
【００２２】
通流率制限パターン演算部１８では、抵抗器平均電流参照値演算部１７で計算した平均電流の参照値Ｉaveからスイッチング手段６の通流率を制限するパターンを次式によって計算する。
αest＝Ｉave／Ｉins
＝Ｉave／（Ｖfc／Ｒ）…（３）
ただし、
αest ：スイッチング手段６の通流率（％）
Ｉins ：抵抗器５に流すことが可能な瞬時電流値［Ａ］
Ｒ：抵抗器の抵抗値（定格値）［Ω］
である。
【００２３】
一方、通流率通常パターン演算部１９は図３の線図で示した通流率通常パターン２１に従って、そのときの架線電圧に応じた通流率αを出力する。最小値選択部２０は通流率制限パターン演算部１８で計算された通流率αestと、通流率通常パターン演算部１９から出力される通流率αとを入力し、両者を比較することによって値の小さい一方を選択して出力する。
【００２４】
図３は通流率通常パターン演算部１９が架線電圧に従って通流率を決定するための通流率通常パターン２１と、制限パターン演算部３０がインバータの出力電流信号、電気車の速度信号及び架線電圧信号に基づいて演算した通流率制限パターン２２とを併せて示した線図である。この図３から明らかなように、架線電圧がＶeよりも低い範囲では通流率通常パターン２１に従った通流率が採用され、架線電圧がＶeよりも高い範囲では通流率制限パターン２２に従った通流率が採用される。なお、通流率制限パターン２２は交流電動機９で発生する電気ブレーキエネルギー量によって上下に変化する。
【００２５】
このように、最小値選択部２０によって、スイッチング手段６の通流率を、通流率通常パターン２１及び通流率制限パターン２２のうちの、値の小さい一方の通電率を選択することによって、交流電動機９で発生する電気ブレーキ以外のエネルギーが、直流架線１から抵抗器５に流れ込むことを防ぐことが可能になる。図４は図２に示した制限パターン演算部３０を構成する出力トルク推定部１５、ブレーキエネルギー演算部１６及び抵抗器平均電流参照値演算部１７が、それぞれの演算を実行するための信号入力部を示したブロック図である。ここで、出力トルク推定部１５は、図１では図示を省略したインバータ出力電流検出手段２６のインバータ出力電流信号Ｉoutと車両速度検出手段１４の速度信号Ｖとに基づいて、交流電動機９で発生した電気ブレーキ出力トルクＴを周知の計算式によって計算する。ブレーキエネルギー演算部１６は電気ブレーキ出力トルクＴと、車両速度検出手段１４の速度信号Ｖとに基づき、（１）式に従って電気ブレーキエネルギーＰを演算する。抵抗器平均電流参照値演算部１７は電気ブレーキエネルギーＰと架線電圧検出手段１３によって検出された架線電圧信号Ｖfcとに基づき、（２）式に従って抵抗器５に流すべき平均電流の参照値Ｉaveを計算する。通流率制限パターン演算部１８は平均電流の参照値Ｉaveを入力し、（３）式に従ってスイッチング手段６の通流率αestを計算する。上述したインバータ出力電流検出手段２６、車両速度検出手段１４及び架線電圧検出手段１３は通常、インバータを制御するために設けてあるものであり、これらの制御を実施するための新たな信号検出手段を必要とはしない。
【００２６】
かくして、本発明の第１の実施形態によれば、交流電動機９で発生する電気ブレーキエネルギーを推定し、この電気ブレーキエネルギーに応じてスイッチング手段６の通流率に制限をかけるので、入力電流検出手段を設置せずに、架線電圧が高い場合の架線から抵抗器への電流の流れ込みを低減することができ、これによって、抵抗器の省スペース、低コスト化、架線電圧が高い時の電気ブレーキの有効利用を図ることができる。
【００２７】
また、本提案による通流率の制限方法は、交流電動機９が発生する電気ブレーキ力に全く影響を与えない。また、ブレーキ抵抗への流入電力が低減されるためブレーキ抵抗の過温度により、電気ブレーキ力自体が制限されることがないため、電気ブレーキを最大限に活用することができ、これにより、長期的には摩擦ブレーキで補足するブレーキ力が低減されることになり、ブレーキシューの摩耗を低減することができるという効果も得られる。
【００２８】
図５は本発明に係る電気車制御装置の第２の実施形態の制御部の構成を示すブロック図であり、図中、第１の実施形態を示す図４と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。この実施形態は第１の実施形態で用いた車両速度検出手段１４を用いないで、その代わりにインバータ出力電流検出手段２６の電流検出信号に基づいて、速度推定部２７が車両の速度Ｖを推定するものである。速度推定の手法は近年実用化されている速度センサレス制御に用いられているように、インバータ８の出力周波数を推定し、この出力周波数の値を速度の概算値とする。
【００２９】
かくして、本発明の第２の実施形態によれば車両速度検出手段１４が不要化される。厳密には交流電動機９として誘導電動機を用いた場合、この誘導電動機にはすべりが存在するため、インバータ周波数とロータ周波数（車両速度相当）は異なるが、本実施形態ではマージンの範囲内と考えられ、第１の実施形態と同様な効果が得られる。
【００３０】
図６は本発明に係る電気車制御装置の第３の実施形態の制御部の構成を示すブロック図であり、図中、第１の実施形態を示す図２と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。この実施形態は図２に示す構成要素に対して、架線電圧の急峻な変動を検出し、その変動が大きいときにこれを打ち消すように、通流率αdisを急峻に変化させるための通流率演算部２３と、この通流率演算部２３の出力と最小値選択部２０の出力とを比較し、値の大きい一方を選択して出力する最大値選択部２４とを新たに付加した点が第１の実施形態と構成を異にしている。なお、急峻な変動とは電圧の時間変化率が所定値を超えることを意味しており、微分手段と比較手段とで実現することができる。
【００３１】
この実施形態によれば、架線電圧が過渡的に急激に上昇した場合には、図７中に通流率部分増大パターン２８に従って通流率αdisを求め、通流率制限パターン２２を超えて通流率を変化させることができる。
【００３２】
この第３の実施形態によれば、第１の実施形態の効果に加えて、通流率の制限中に外乱等により架線電圧が急峻に変動する場合に、通電率の制限範囲を超えて即応性良く架線電圧を制御することができるため、架線が瞬間的に過電圧になることを防止することができるという効果も得られる。
【００３３】
図８は本発明に係る電気車制御装置の第４の実施形態の制御部の構成を示すブロック図であり、図中、第３の実施形態を示す図６と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。この実施形態は図６中の通流率演算部２３に代えて、架線電圧が定格電圧よりも高く設定した制限値を超えて大幅に上昇したとき、通流率制限パターン２２に従って制限するのではなく、通流率通常パターン２１の許容最大値αmaxに変更する高架線時通流率パターン演算部２５を設けた点が図６と構成を異にしており、これ以外は全て図６と同一に構成されている。
【００３４】
図９は高架線時通流率パターン演算部２５が通流率αupを算出する高架線時通流率パターン２９を示し、架線電圧がＶ2以下の範囲にあるときは通流率制限パターン演算部１８の通電率αestと通流率通常パターン演算部１９の通電率αのうちいずれか小さい値が採用されるが、架線電圧がＶ2を超えてからＶ3に到達するまで次第に増大し、架線電圧がＶ3を超えた範囲では最大値αmaxになる高架線通電率αupが採用される。
【００３５】
この第４の実施形態によれば、外乱等により架線電圧が大幅に上昇するような場合にも、スイッチング手段６による架線電圧抑制機能が働き、架線が過電圧になることを防止することが可能になるという効果も得られる。
【００３６】
【発明の効果】
以上の説明によって明らかなように、本発明によれば、入力電流検出手段を設置せずに、架線電圧が高い場合の架線から抵抗器への電流の流れ込みを低減することにより、抵抗器の省スペース、低コスト化、架線電圧が高い時の電気ブレーキの有効利用を図ることのできる電気車制御装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電気車制御装置の第１の実施形態の主回路構成を示す回路図。
【図２】図１の主回路に対応する制御部のうち、スイッチング手段の制御部の構成を示すブロック図。
【図３】図２に示した制御部の動作を説明するために、架線電圧と通流率との関係を示した線図。
【図４】図２に示す制御部の信号入力部の詳細を示すブロック図。
【図５】本発明に係る電気車制御装置の第２の実施形態のスイッチング手段の制御部の構成を示すブロック図。
【図６】本発明に係る電気車制御装置の第３の実施形態のスイッチング手段の制御部の構成を示すブロック図。
【図７】図６に示した制御部の動作を説明するために、架線電圧と通流率との関係を示した線図。
【図８】本発明に係る電気車制御装置の第４の実施形態のスイッチング手段の制御部の構成を示すブロック図。
【図９】図８に示した制御部の動作を説明するために、架線電圧と通流率との関係を示した線図。
【図１０】従来の電気車制御装置の概略を説明するために、その主回路構成を示した回路図。
【符号の説明】
１直流架線
２直流電力集電器
５抵抗器
６スイッチング手段
８可変電圧可変周波数インバータ
９交流電動機
１３架線電圧検出手段
１４車両速度検出手段
１５出力トルク推定部
１６ブレーキエネルギー演算部
１７抵抗器平均電流参照値演算部
１８通流率制限パターン演算部
１９通流率通常パターン演算部
２０最小値選択部
２３通流率演算部
２４最大値選択部
２５高架線時通流率パターン演算部
２６インバータ出力電流検出手段
２７速度推定部
３０制限パターン演算部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an electric vehicle control device.
[0002]
[Prior art]
A variable voltage variable frequency inverter device (hereinafter simply referred to as an inverter) for supplying electric power to a motor for driving an electric vehicle, switching means between a positive and negative terminals on the DC side of the inverter, and a resistor connected in series to the switching means In the electric vehicle control device having the above, the consumption of electric brake energy in the resistor is controlled by controlling the switching means (see, for example, Patent Document 1).
[0003]
FIG. 10 is a circuit diagram showing a main circuit configuration of this type of electric vehicle control apparatus. In the figure, a positive side of a DC side terminal of aninverter 8 is connected to aDC power collector 2 that collects DC power from a DC overhead line 1 via acircuit breaker 3 and afilter reactor 4. The negative side of the DC side terminal of theinverter 8 is connected to therail 11 via thegrounding device 10. Between the positive side terminal and the negative side terminal of theinverter 8, a series connection circuit of theresistor 5 and the switching means 6, the filter capacitor 7, and the overhead line voltage detecting means 13 are connected. Further, thecircuit breaker 3 and the filter Input current detecting means 12 is provided in a DC path between thereactor 4 and thereactor 4. AnAC motor 9 for driving an electric vehicle is connected to an AC side terminal of theinverter 8, that is, a three-phase AC terminal, and theAC motor 9 is provided with vehicle speed detecting means 14 for detecting the speed of the vehicle.
[0004]
In contrast to the main circuit configuration described above, the control circuit not shown in FIG. The control operation related to the present invention will be described below.
[0005]
The function of controlling the electric brake energy consumption is realized by theresistor 5 and the switching means 6 connected in series between the positive and negative DC paths. That is, during the electric brake operation, the electric brake energy generated by theAC motor 9 is converted into direct current by theinverter 8 to increase the overhead wire voltage. This overhead line voltage is detected by the overhead line voltage detection means 13, and the ratio of the on-time within the period to the switching period of the switching means 6, that is, the conduction ratio is changed according to the magnitude of the overhead line voltage. The amount of electric brake energy consumed by theresistor 5 is controlled by adjusting the flowing current. When the conduction ratio is large, the average current flowing through theresistor 5 increases, so that the energy consumed by theresistor 5 also increases.
[0006]
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the overhead line voltage (V) and the conduction rate (%). In general, the conduction rate is controlled according to the overhead line voltage as in thepattern 21. The conduction rate is linearly increased from 0 to the maximum allowable value αmax from the voltage V1 to V2 (> V1), and is maintained at the maximum allowable value αmax in the range where the overhead line voltage exceeds V2. Generally, when a load vehicle that consumes energy, such as a power vehicle, is traveling in the same overhead line, even if a large electric brake energy is generated, the energy is transferred through theDC power collector 2 and the DC overhead line 1. Therefore, the overhead line voltage will not rise too much. In that case, the switching means 6 is controlled so that theresistor 5 consumes only the excess energy that is not regenerated.
[0007]
In this control method, the switching means is used even when the transmission voltage from the substation to the overhead line is high, when the overhead line voltage is increased by running of another vehicle, or when the electric brake energy generated by theAC motor 9 during braking is not large. 6 operates, and a phenomenon occurs in which a current flows from the DC overhead wire 1 to theresistor 5. Due to this phenomenon, there is a possibility that theresistor 5 may flow more energy than expected and theresistor 5 may be overheated.
[0008]
As a countermeasure, as shown in the figure, in a system in which the input current detection means 12 is installed in the power input section from the DC overhead line 1, the input current is monitored by the input current detection means 12, and the DC overhead line is used during the braking operation. When current is flowing from 1 to the electric vehicle control device, control is performed to limit the flow rate of the switching means 6.
[0009]
On the other hand, in a system in which the input current detection means is not installed in the power input section from the DC overhead line 1, aresistor 5 is used to prevent theresistor 5 from being overheated when the overhead line voltage continues to be high. Some monitor the temperature rise of thevessel 5. In this case, when the temperature of theresistor 5 exceeds the allowable range, the flow rate of the switching means 6 is limited or the switching is stopped.
[0010]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 05-219605
[Problems to be solved by the invention]
In the method of limiting the conduction rate by installing the input current detection means 12 in the power input section of the electric vehicle control device, a signal input means for inputting the detection signal of the input current detection means 12 and converting it into a predetermined signal is provided. I had to set it up. In addition, when viewed over the long term, maintenance of them was also necessary.
[0012]
On the other hand, when the input current detection means is not used, theresistor 5 consumes energy other than the electric brake energy generated by theAC motor 9, that is, the current flowing from the overhead line when the overhead line voltage is high. In this case, in order for the electric vehicle control device to exhibit the original electric brake performance, theresistor 5 is required to have a capacity equal to or higher than the brake performance of the electric vehicle control device. It led to increase and cost increase.
[0013]
Therefore, the temperature rise of the resistor is detected or estimated, and when the temperature exceeds the allowable range, the flow rate of theswitching means 6 is limited or the switching is stopped. In this case, it is possible to prevent theresistor 5 from being overheated, but if the load vehicle is not present, the electric brake energy cannot be consumed, so that the electric brake performance itself is limited or stopped. . As a result, in the entire vehicle, the utilization rate of the electric brake is reduced, and the shortage of the electric brake force is compensated by the friction brake force, which may accelerate wear of the brake shoe.
[0014]
The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and reduces the flow of current from the overhead line to the resistor when the overhead line voltage is high without installing an input current detection unit. An object of the present invention is to provide an electric vehicle control device capable of saving space, reducing costs, and effectively using an electric brake when the overhead wire voltage is high.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
The present invention relates to a variable voltage variable frequency inverter device that converts a direct current collected from a DC overhead line into an alternating current and supplies it to an AC motor that drives an electric vehicle, and a positive and negative terminal on the DC side of the variable voltage variable frequency inverter device In the electric vehicle control device comprising a resistor and a switching means connected in series between, and controlling an electric brake energy consumed by the resistor by controlling a flow rate of the switching means, the variable voltage An output torque estimating unit that estimates an electric brake output torque generated by the AC motor from an output current signal of the variable frequency inverter device and a vehicle speed, and brake energy is calculated from the electric brake torque estimated by the output torque estimating unit. Calculated by the brake energy calculation unit and the brake energy calculation unit. Calculated by a resistor average current reference value calculation unit that calculates an average current reference value to be passed through the resistor based on the brake energy and an overhead line voltage signal of the DC overhead line, and a resistor average current reference value calculation unit A conduction rate restriction pattern computing unit that calculates a conduction rate restriction pattern of the switching means from the average current reference value, and a restriction pattern computation unit comprising the overhead line voltage signal and the overhead wire voltage at that time A normal flow rate pattern calculation unit that calculates a normal flow rate pattern according to the flow rate restriction pattern output from the flow rate restriction pattern calculation unit and the normal flow rate pattern output unit. the minimum value selection compared both to input and said duty ratio typically pattern,outputs one small value as the conduction ratio of the selected and the switching means as a minimum value When, is characterized in that at least comprises duty ratio limiting means.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on preferred embodiments shown in the drawings. FIG. 1 is a circuit diagram showing a main circuit configuration of a first embodiment of an electric vehicle control apparatus according to the present invention. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. Indicates an element. In this embodiment, the input current detecting means 12 shown in FIG. 10 is removed.
[0017]
FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the control unit corresponding to the main circuit configuration of FIG. 1, in particular, the part that controls the switching means 6. Aunit 19 and a minimumvalue selection unit 20 are provided.
[0018]
Among them, the limit pattern calculation unit 30 is an outputtorque estimation unit 15 that estimates the electric brake output torque generated in theAC motor 9 from the output current of theinverter 8 and the vehicle speed, and the brake that calculates the brake energy from the estimated electric brake torque. Anenergy calculation unit 16, a resistor average current referencevalue calculation unit 17 for calculating an average current to be passed through theresistor 5, and a flow for calculating a conduction rate limiting pattern of the switching means 6 from the calculated average current reference value. The rate limitingpattern calculation unit 18 is configured.
[0019]
The normal ratio normalpattern calculation unit 19 receives the overhead wire voltage and obtains the normalnormal ratio 21 described above, and the minimumvalue selection unit 20 includes the normal ratio limitingpattern calculation unit 18 and the normal current ratio calculation. Each output of theunit 19 is input, and one having a smaller value is selected to output the conduction rate to the switching means 6. Note that the minimumvalue selection unit 20 and the restriction pattern calculation unit 30 shown in FIG. 2 correspond to the conduction rate restriction means of the present invention.
[0020]
The operation of the present embodiment configured as described above will be described below. First, the outputtorque estimation unit 15 calculates the electric brake output torque T generated by theAC motor 9 from the output current of theinverter 8 and the vehicle speed. The brakeenergy calculation unit 16 calculates the electric brake energy P generated in theAC motor 9 by the following equation.
P = T × V (1)
However,
P: Electric brake energy [W]
T: Electric brake output torque [N]
V: Speed of electric car [m / s]
It is.
[0021]
In the resistor average current referencevalue calculation unit 17, when it is assumed that the electric brake energy P calculated by the brakeenergy calculation unit 16 is all consumed by theresistor 5, the reference value of the average current to be passed through theresistor 5. Iave is calculated by the following equation.
Iave = (P × η × k) / Vfc (2)
However,
Iave: Reference value of the average current to be passed through the resistor 5 [A]
η: Inverter efficiency, efficiency considering overall loss of gears interposed between AC motor and axle [%]
k: Margin [−] in consideration of variation of the resistance value of theresistor 5
Vfc: overhead wire voltage [V]
It is.
[0022]
The conduction rate limitingpattern calculation unit 18 calculates a pattern for limiting the conduction rate of the switching means 6 from the average current reference value Iave calculated by the resistor average current referencevalue calculation unit 17 by the following equation.
αest = Iave / Iins
= Iave / (Vfc / R) (3)
However,
αest: Flow rate of switching means 6 (%)
Iins: instantaneous current value that can be passed through the resistor 5 [A]
R: Resistance value (rated value) of resistor [Ω]
It is.
[0023]
On the other hand, according to the normalconduction rate pattern 21 shown in the diagram of FIG. 3, the normal conduction ratepattern calculation unit 19 outputs a conduction rate α corresponding to the overhead line voltage at that time. The minimumvalue selection unit 20 inputs the flow rate αest calculated by the flow rate restrictionpattern calculation unit 18 and the flow rate α output from the flow rate normalpattern calculation unit 19 and compares them. Select and output one of the smaller values.
[0024]
FIG. 3 shows a normalconduction ratio pattern 21 for the normal conductionratio calculation section 19 to determine the conduction ratio according to the overhead line voltage, and a limiting pattern calculation section 30 for the output current signal of the inverter, the speed signal of the electric vehicle, and the overhead wiring It is the diagram which showed collectively the conduction | electrical_connection ratio restriction | limitingpattern 22 calculated based on the voltage signal. As is apparent from FIG. 3, the conduction rate according to the normalconduction rate pattern 21 is adopted in the range where the overhead line voltage is lower than Ve, and the conductionrate restriction pattern 22 is adopted in the range where the overhead line voltage is higher than Ve. The continuity rate is adopted. The conductionrate limiting pattern 22 changes up and down depending on the amount of electric brake energy generated in theAC motor 9.
[0025]
As described above, the minimumvalue selection unit 20 selects the conduction ratio of the switching means 6 as one of the conduction ratios of the conduction rationormal pattern 21 and the conductionratio restriction pattern 22 having a smaller value. It becomes possible to prevent energy other than the electric brake generated in theAC motor 9 from flowing into theresistor 5 from the DC overhead wire 1. FIG. 4 shows a signal input unit for the outputtorque estimating unit 15, the brakeenergy calculating unit 16 and the resistor average current referencevalue calculating unit 17 constituting the limiting pattern calculating unit 30 shown in FIG. It is the block diagram which showed. Here, the outputtorque estimation unit 15 is generated by theAC motor 9 based on the inverter output current signal Iout of the inverter output current detection means 26 and the speed signal V of the vehicle speed detection means 14 (not shown in FIG. 1). The electric brake output torque T is calculated by a well-known calculation formula. The brakeenergy calculation unit 16 calculates the electric brake energy P according to the equation (1) based on the electric brake output torque T and the speed signal V of the vehicle speed detection means 14. Based on the electric brake energy P and the overhead line voltage signal Vfc detected by the overhead line voltage detection means 13, the resistor average current referencevalue calculation unit 17 obtains the reference value Iave of the average current to be passed through theresistor 5 according to the equation (2). calculate. The conduction rate limitingpattern calculation unit 18 receives the average current reference value Iave and calculates the conduction rate αest of the switching means 6 according to the equation (3). The inverter output current detection means 26, the vehicle speed detection means 14 and the overhead line voltage detection means 13 described above are usually provided for controlling the inverter, and new signal detection means for performing these controls are provided. I don't need it.
[0026]
Thus, according to the first embodiment of the present invention, the electric brake energy generated in theAC motor 9 is estimated, and the conduction rate of the switching means 6 is limited according to the electric brake energy. Without installing means, it is possible to reduce the flow of current from the overhead wire to the resistor when the overhead wire voltage is high, thereby reducing the space of the resistor, reducing the cost, and the electric brake when the overhead wire voltage is high. Can be used effectively.
[0027]
In addition, the method of limiting the conduction rate according to the present proposal has no influence on the electric brake force generated by theAC motor 9. In addition, since the electric power flowing into the brake resistor is reduced, the electric brake force itself is not limited by the excessive temperature of the brake resistor, so that the electric brake can be used to the fullest. The brake force supplemented by the friction brake is reduced, and the effect of reducing wear of the brake shoe is also obtained.
[0028]
FIG. 5 is a block diagram showing the configuration of the control unit of the second embodiment of the electric vehicle control device according to the present invention. In FIG. 5, the same reference numerals are used for the same elements as those in FIG. The description is omitted. In this embodiment, the vehicle speed detection means 14 used in the first embodiment is not used. Instead, thespeed estimation unit 27 estimates the vehicle speed V based on the current detection signal of the inverter output current detection means 26. To do. The speed estimation method estimates the output frequency of theinverter 8 and uses the value of the output frequency as an approximate speed value, as used in speed sensorless control that has been put into practical use in recent years.
[0029]
Thus, according to the second embodiment of the present invention, the vehiclespeed detecting means 14 is unnecessary. Strictly speaking, when an induction motor is used as theAC motor 9, since there is slip in this induction motor, the inverter frequency and the rotor frequency (equivalent to the vehicle speed) are different, but in this embodiment, it is considered to be within the margin range. The same effect as the first embodiment can be obtained.
[0030]
FIG. 6 is a block diagram showing the configuration of the control unit of the third embodiment of the electric vehicle control device according to the present invention. In FIG. 6, the same elements as those in FIG. 2 showing the first embodiment are denoted by the same reference numerals. The description is omitted. This embodiment detects a steep fluctuation of the overhead line voltage with respect to the components shown in FIG. 2, and a conduction ratio for abruptly changing the conduction ratio αdis so as to cancel the fluctuation when the fluctuation is large. Comparing thecalculation unit 23 with the output of the conductionrate calculation unit 23 and the output of the minimumvalue selection unit 20 and newly adding a maximumvalue selection unit 24 that selects and outputs one of the larger values is added. The configuration is different from that of the first embodiment. The steep fluctuation means that the time change rate of the voltage exceeds a predetermined value, and can be realized by the differentiating means and the comparing means.
[0031]
According to this embodiment, when the overhead line voltage rises transiently and rapidly, the conduction rate αdis is obtained according to the conduction factorpartial increase pattern 28 in FIG. The flow rate can be changed.
[0032]
According to the third embodiment, in addition to the effect of the first embodiment, when the overhead line voltage fluctuates sharply due to disturbance or the like while the conduction rate is limited, it quickly responds beyond the limitation range of the conduction rate. Since the overhead wire voltage can be controlled with good performance, it is also possible to prevent the overhead wire from instantaneously becoming an overvoltage.
[0033]
FIG. 8 is a block diagram showing the configuration of the control unit of the fourth embodiment of the electric vehicle control device according to the present invention. In FIG. 8, the same elements as those of FIG. 6 showing the third embodiment are denoted by the same reference numerals. The description is omitted. In this embodiment, instead of the conductionrate calculation unit 23 in FIG. 6, when the overhead line voltage rises significantly exceeding the set limit value higher than the rated voltage, the restriction is not performed according to the conductionrate restriction pattern 22. 6 is different from the configuration in FIG. 6 in that an elevated-line current-flow ratepattern calculation unit 25 that changes to the permissible maximum value αmax of the normal flow-rate pattern 21 is provided. It is configured.
[0034]
FIG. 9 shows a high overhead lineconduction rate pattern 29 in which the overhead line conduction ratepattern calculation unit 25 calculates the conduction rate αup. When the overhead line voltage is in the range of V2 or less, the conduction rate restriction pattern calculation unit. The smaller one of the energization rate αest of 18 and the energization rate α of the normal flow ratepattern calculation unit 19 is adopted, but gradually increases until the overhead line voltage reaches V3 after exceeding V2. In the range exceeding V3, a high overhead line energization rate αup that is the maximum value αmax is employed.
[0035]
According to the fourth embodiment, even when the overhead line voltage increases significantly due to disturbance or the like, the overhead line voltage suppression function by the switching means 6 works, and it is possible to prevent the overhead line from becoming overvoltage. The effect of becoming is also obtained.
[0036]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, according to the present invention, the resistor can be saved by reducing the flow of current from the overhead wire to the resistor when the overhead wire voltage is high, without installing the input current detection means. Provided is an electric vehicle control device capable of effectively using an electric brake when space, cost reduction, and overhead line voltage are high.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing a main circuit configuration of a first embodiment of an electric vehicle control apparatus according to the present invention.
2 is a block diagram illustrating a configuration of a control unit of a switching unit among control units corresponding to the main circuit of FIG. 1;
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between overhead line voltage and conduction rate in order to explain the operation of the control unit shown in FIG. 2;
4 is a block diagram showing details of a signal input unit of the control unit shown in FIG. 2;
FIG. 5 is a block diagram showing a configuration of a control unit of switching means of a second embodiment of the electric vehicle control device according to the present invention.
FIG. 6 is a block diagram showing a configuration of a control unit of switching means of a third embodiment of the electric vehicle control device according to the present invention.
7 is a diagram showing the relationship between overhead line voltage and conduction rate in order to explain the operation of the control unit shown in FIG. 6;
FIG. 8 is a block diagram showing a configuration of a control unit of switching means of a fourth embodiment of the electric vehicle control device according to the present invention.
FIG. 9 is a diagram showing the relationship between overhead line voltage and conduction rate in order to explain the operation of the control unit shown in FIG. 8;
FIG. 10 is a circuit diagram showing a main circuit configuration for explaining an outline of a conventional electric vehicle control device.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 DCoverhead line 2DC power collector 5Resistor 6 Switching means 8 Variable voltagevariable frequency inverter 9AC motor 13 Overhead voltage detection means 14 Vehicle speed detection means 15 Outputtorque estimation part 16 Brakeenergy calculation part 17 Resistor average current referencevalue Calculation unit 18 Conductivity limitingpattern calculation unit 19 Conductivity normalpattern calculation unit 20 Minimumvalue selection unit 23 Convectionrate calculation unit 24 Maximumvalue selection unit 25 Overhead line conduction ratepattern calculation unit 26 Inverter output current detection means 27 Speed Estimator 30 Limit Pattern Calculator

Claims

Translated fromJapanese

直流架線から集電された直流を交流に変換して、電気車を駆動する交流電動機に供給する可変電圧可変周波数インバータ装置と、この可変電圧可変周波数インバータ装置の直流側の正負端子間に直列に接続された抵抗器及びスイッチング手段とを備え、前記スイッチング手段の通流率を制御することによって前記抵抗器で消費される電気ブレーキエネルギーを制御する電気車制御装置において、
前記可変電圧可変周波数インバータ装置の出力電流信号及び車両速度から前記交流電動機で発生する電気ブレーキ出力トルクを推定する出力トルク推定部と、前記出力トルク推定部により推定された前記電気ブレーキトルクからブレーキエネルギーを計算するブレーキエネルギー演算部と、前記ブレーキエネルギー演算部により演算された前記ブレーキエネルギーと前記直流架線の架線電圧信号とに基づいて前記抵抗器に流すべき平均電流参照値を計算する抵抗器平均電流参照値演算部と、前記抵抗器平均電流参照値演算部により計算された前記平均電流参照値から前記スイッチング手段の通流率制限パターンを計算する通流率制限パターン演算部と、を備える制限パターン演算部と、
前記架線電圧信号を入力してそのときの架線電圧に応じて通流率通常パターンを演算する通流率通常パターン演算部と、
前記通流率制限パターン演算部から出力された前記通流率制限パターンと前記通流率通常パターン演算部から出力された前記通流率通常パターンとを入力して両者を比較し、値の小さい一方を最小値として選択して前記スイッチング手段の通流率として出力する最小値選択部と、
を少なくとも備える通流率制限手段を有することを特徴とする電気車制御装置。A variable voltage variable frequency inverter device that converts direct current collected from a DC overhead line into alternating current and supplies it to an AC electric motor that drives an electric vehicle, and a positive and negative terminal on the DC side of this variable voltage variable frequency inverter device in series An electric vehicle control device comprising: a connected resistor and switching means; and controlling electric brake energy consumed by the resistor by controlling a flow rate of the switching means.
An output torque estimator for estimating an electric brake output torque generated in the AC motor from an output current signal of the variable voltage variable frequency inverter device and a vehicle speed, and brake energy from the electric brake torque estimated by the output torque estimator A brake energy calculation unit for calculating the average current reference value to be passed through the resistor based on the brake energy calculated by the brake energy calculation unit and the overhead line voltage signal of the DC overhead line A restriction pattern comprising: a reference value calculation unit; and a conduction rate restriction pattern calculation unit that calculates a conduction rate restriction pattern of the switching means from the average current reference value calculated by the resistor average current reference value calculation unit An arithmetic unit;
A continuity ratio normal pattern calculation unit that inputs the trolley voltage signal and calculates a continuity ratio normal pattern according to the overhead line voltage at that time;
The flow rate restriction pattern output from the flow rate restriction pattern calculation unit and the flow rate normal pattern output from the flow rate normal pattern calculation unit are input and compared, and thevalue is small. a minimum value selector that selectsone as the minimum value is output as duty ratio of the switching means,
An electric vehicle control apparatus comprising: a flow rate limiting means including at least

前記制限パターン演算部は、前記可変電圧可変周波数インバータの出力電流を検出するインバータ出力電流検出手段及び前記直流架線の電圧を検出する架線電圧検出手段の各出力信号に基づいて通流率を制限するパターンを演算することを特徴とする請求項１に記載の電気車制御装置。 The restriction pattern calculation unit restricts a conduction ratio based on output signals of an inverter output current detection unit that detects an output current of the variable voltage variable frequency inverter and an overhead line voltage detection unit that detects a voltage of the DC overhead line. The electric vehicle control device according to claim 1, wherein a pattern is calculated.

前記制限パターン演算部は、前記可変電圧可変周波数インバータの出力電流を検出するインバータ出力電流検出手段、車両の速度を検出する車両速度検出手段及び前記直流架線の電圧を検出する架線電圧検出手段の各出力信号に基づいて通流率を制限するパターンを演算することを特徴とする請求項１に記載の電気車制御装置。 The limit pattern calculation unit includes an inverter output current detection unit that detects an output current of the variable voltage variable frequency inverter, a vehicle speed detection unit that detects a vehicle speed, and an overhead line voltage detection unit that detects a voltage of the DC overhead line. The electric vehicle control device according to claim 1, wherein a pattern for limiting the conduction rate is calculated based on the output signal.

過渡的な外乱等により前記直流架線の電圧が急峻に変動したとき、前記制限パターン演算部による制限パターンに優先して、通流率を急峻に変更する通流率変更手段を備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電気車の制御装置。 When the voltage of the DC overhead line suddenly fluctuates due to a transient disturbance or the like, it is provided with a conduction ratio changing means that sharply changes the conduction ratio in preference to the restriction pattern by the restriction pattern calculation unit. The electric vehicle control device according to any one of claims 1 to 3.

過渡的な外乱等により前記直流架線の電圧が所定値を超えたとき、前記制限パターン演算部による制限パターンに優先して通流率を許容最大値に変更する通流率変更手段を備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電気車の制御装置。 When the voltage of the DC overhead line exceeds a predetermined value due to a transient disturbance or the like, it is provided with a flow rate changing means for changing the flow rate to an allowable maximum value in preference to the limit pattern by the limit pattern calculation unit. The electric vehicle control device according to claim 1, wherein the control device is an electric vehicle.

前記通流率変更手段は、前記架線電圧の急峻な変動を検出し、その変動が大きいときにこれを打ち消すように前記通流率を急峻に変化させる架線電圧変化量に応じた通流率演算部より構成されることを特徴とする請求項４に記載の電気車の制御装置。 The duty ratio changing means detects a steep fluctuation of the overhead line voltage, and calculates the duty ratio according to the amount of change in the overhead line voltage so that the duty ratio is sharply changed so as to cancel the fluctuation when the fluctuation is large. The electric vehicle control device according to claim 4, further comprising:

前記通流率変更手段は、前記架線電圧が定格電圧よりも高く設定した制限値を超えて大幅に上昇したときに前記通流率制限パターンに従って制限せずに、通流率通常パターンの許容最大値に変更する高架線電圧時通流率パターン演算部より構成されることを特徴とする請求項４に記載の電気車の制御装置。 The duty ratio changing means is not limited according to the duty ratio restriction pattern when the overhead wire voltage rises greatly exceeding a limit value set higher than the rated voltage, and the maximum allowable limit of the duty ratio normal pattern. The control device for an electric vehicle according to claim 4, further comprising a high-overhead voltage current-conductivity pattern calculation unit that changes to a value.

前記通流率変更手段に加えて、前記最小値選択部の出力と、前記通流率変更手段の出力とを比較して値の大きい一方を選択する最大値選択部をさらに備える請求項６及び７のいずれか１項に記載の電気車の制御装置。 7. A maximum value selection unit for selecting one having a larger value by comparing the output of the minimum value selection unit and the output of the conduction rate change unit in addition to the flow rate change unit. The control apparatus for an electric vehicle according to any one of 7.