专利名称：电车控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及不使用速度检测器的、利用可变电压可变频率逆变器(以下也称之为 VVVF逆变器)进行驱动的交流电动机作为驱动源的电车控制装置，尤其涉及检测该控制所需的速度推测值的异常的技术。
背景技术：
近年来，提出了不使用速度检测器、而使用VVVF逆变器来高精度地控制交流电动机的方式(例如，参照专利文献1、专利文献2)。在这种不使用速度检测器、控制交流电动机的方式中，根据电流检测值等通过计算求出速度推测值从而控制VVVF逆变器，但是在由于电流检测器故障或布线断线等、导致不能正确计算速度推测值的情况下，若不解决该问题，就会经常发生过电流，还可能处于破坏VVF逆变器的零部件等的状态，因此，需要迅速检测该速度推测值的异常。专利文献1 日本专利第3732784号公报(图6，式(28))专利文献2 日本专利特开2004-64905号公报(图1)
发明内容
然而，在专利文献1的电车的驱动控制方法及控制装置中，采用如下结构即，利用有功功率基准P*和直流电压Vdc计算电流基准IL*，计算架空线电流的检测值IL与电流基准IL*的偏差，当该偏差不在下限值α与上限值β之间时，判定速度推测值异常。而且，电流基准IL*通过有功功率基准P*除以直流电压Vdc求出，严格来说，电流基准IL*并不是架空线的电流，而是逆变器的输入电流。其结果，当根据架空线电流和架空线电流的基准求偏差时，确定下限值α及上限值β是比较简单的，但通过计算架空线电流与逆变器的输入电流的偏差来确定下限值α及上限值β的设定常数却非常困难。另外，当交流电动机或VVVF逆变器发生改变时，有功功率基准P*需要随之改变， 因此，下限值α及上限值β每次都需要改变。另外，在专利文献2的电车控制装置中，由于利用判别器判别电流检测器检测出的逆变器的输入电流的方向，并与运转指令信号相比以检测异常，因此误检测为动作异常的可能性很高。例如，在紧接挂了空档(notch-off)从而切断运转指令信号后，逆变器的输入电流变为虽然是短时间内但也流过一小部分，判别该流过的输入电流和切断的运转指令信号，判断为动作异常的可能性很高。另外，在逆变器不是因该异常检测系统而停止，而是过电流或过电压等其它保护手段的保护使逆变器突然停止的情况下，由于逆变器突然停止，使得逆变器的输入电流呈过渡性电流流动，因此，电流向与运转指令信号相反的方向流动，从而异常检测系统开始工作，导致误检测。这种误检测将降低系统的可靠性。本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于提供一种电车控制装置，该电车控制装置构成通过检测架空线电流的符号或逆变器电流的符号、以简单的结构检测速度推测值的异常的控制系统，可以简单地确定设定常数，即使交流电动机或可变电压可变频率逆变器发生改变，也不改变设定常数，从而可以检测速度推测值的异常。其目的还在于提供一种可以正确且可靠地检测速度推测值的异常、而不发生误检测的电车控制装置。本发明的电车控制装置包括根据动力运行指令或制动指令将直流转换成任意频率的交流的VVVF逆变器(可变电压可变频率逆变器)；连接于所述VVVF逆变器的交流侧的交流电动机；并联连接于所述VVVF逆变器的直流侧的滤波电容器；检测所述VVVF逆变器的交流侧的电流信息的电流检测单元；检测所述滤波电容器的直流电压信息的电压检测单元；以及根据所述VVVF逆变器的输出电压指令和所述VVVF逆变器的输出电流推测所述交流电动机的转速、根据该推测值控制所述VVVF逆变器的无速度传感器矢量控制单元，其中还包括检测架空线电流的架空线电流检测单元或检测所述VVVF逆变器的逆变器电流的逆变器电流检测单元中的某一个直流电流检测单元；错误动作检测单元，所述错误动作检测单元在所述VVVF逆变器运转时，根据动力运行指令或制动指令中的某一个指令、由所述直流电流检测单元检测出的架空线电流或逆变器电流中的某一个直流电流和预定的电流设定值，求出直流电流的符号，根据该直流电流的符号检测所述无速度传感器矢量控制单元异常；以及在该错误动作检测单元检测到异常时、停止所述VVVF逆变器的栅极停止单兀。另外，本发明的电车控制装置包括根据动力运行指令或制动指令将直流转换成任意频率的交流的VVVF逆变器(可变电压可变频率逆变器)；连接于所述VVVF逆变器的交流侧的交流电动机；并联连接于所述VVVF逆变器的直流侧的滤波电容器；检测所述VVVF 逆变器的交流侧的电流信息的电流检测单元；检测所述滤波电容器的直流电压信息的电压检测单元；以及根据所述VVVF逆变器的输出电压指令和所述VVVF逆变器的输出电流推测所述交流电动机的转速、根据该推测值控制所述VVVF逆变器的无速度传感器矢量控制单元，其中还包括推测架空线电流的架空线电流推测单元或推测所述VVVF逆变器的逆变器电流的逆变器电流推测单元中的某一个直流电流推测单元；错误动作检测单元，所述错误动作检测单元在所述VVVF逆变器运转时，根据动力运行指令或制动指令中的某一个指令、 由所述直流电流推测单元推测出的架空线电流推测值或逆变器电流推测值中的某一个直流电流推测值和预定的电流设定值，求出直流电流推测值的符号，根据该直流电流推测值的符号检测所述无速度传感器矢量控制单元异常；以及在该错误动作检测单元检测到异常时、停止所述VVVF逆变器的栅极停止单元。根据本发明的电车控制装置，能够以简单且低成本的结构，检测速度推测值的异常、即无速度传感器矢量控制单元的异常，可以将过电流导致的逆变器装置零部件的故障防患于未然。另外，还可以简单地设定用于异常判定的设定常数，即使交流电动机或可变电压可变频率逆变器发生改变，也不改变设定常数，从而可以检测速度推测值的异常。而且，可以获得能正确且可靠地检测速度推测值的异常、而不发生误检测的可靠性高的电车控制装置。本发明的上述及其他目的、特征和效果可以从以下的实施方式中的详细说明及附图记载加以了解。
图1是表示实施方式1的电车控制装置的结构图。图2是表示实施方式1的错误动作检测单元的结构图。图3是表示实施方式1的栅极停止单元的结构图。图4是实施方式1的错误动作检测单元在动力运行时的各参数的动作说明图。图5是实施方式1的错误动作检测单元在再生时的各参数的动作说明图。图6是表示实施方式2的电车控制装置的结构图。图7是表示实施方式2的架空线电流推测单元的结构图。图8是本发明使用的VVVF逆变器的电路结构图。图9是表示实施方式3的电车控制装置的结构图。图10是表示实施方式3的错误动作检测单元的结构图。图11是表示实施方式3的栅极停止单元的结构图。图12是表示实施方式3的架空线电流条件设定单元在再生时的结构图。图13是表示实施方式3的再生延时单元的结构图。图14是表示实施方式3的偏置补偿单元的结构图。图15是表示实施方式3的电车控制装置中的控制模式切换图。图16是表示实施方式4的电车控制装置的结构图。图17是表示实施方式5的电车控制装置的结构图。图18是表示实施方式6的电车控制装置的结构图。标号说明1架空线3直流滤波电抗器4架空线电流检测单元5滤波电容器6可变电压可变频率逆变器(VVVF逆变器)7交流电动机8 车轮9 轨道10电流检测单元11无速度传感器矢量控制单元12错误动作检测单元13栅极停止单元14错误再生检测单元
6
15错误动力运行检测单元16错误再生检测延时单元17错误动力运行检测延时单元18动力运行再生检测选择单元19动力运行时的比较单元20再生时的比较单元21动力运行时的架空线电流条件EPDPLVL (第一电流设定值)22再生时的架空线电流条件EPDBLVL (第二电流设定值)23架空线电流推测单元24电压检测单元25反相(非门)电路沈栅极信号生成电路27乘法器28电容器输入电流推测单元29逆变器直流输入电流推测单元30加法器31错误动作检测单元32栅极停止单元33 大小(If-greater)比较单元34再生时的架空线电流条件设定单元35再生延时单元36乘法单元37a、37b反相(非门)电路38锁存单元39切换单元40 延时(ONTD)单元41 延时(ONTD)单元42切换单元43可变延时(ONTD)单元44偏置补偿单元45积分单元46 延时(ONTD)单元47切换单元48除法单元49减法单元50切换单元51偏置量计算单元52切换单元53逆变器电流检测单元
54逆变器电流推测单元
具体实施例方式下面，根据附图，说明本发明的一个实施方式。在各图中，相同标号表示同一或相当的部分。实施方式1下面，参照图1 图5，说明本发明实施方式1的电车控制装置。图1是表示实施方式1的电车控制装置的结构图。在实施方式1中，作为一个例子，说明了将交流电动机作为感应电动机进行控制的情况，但即使交流电动机是同步电动机，当然也可以期望达到相同的效果。另外，在实施方式1中，以根据动力运行指令P*进行工作的电车控制装置的情况为例进行说明，但也能根据后述的制动指令B*进行工作。图1中，架空线1通过导电弓2、直流滤波电抗器3与直流滤波电容器5的正侧电位连接。直流滤波电容器5的负侧电位通过车轮8与轨道9接地。而且，与直流滤波电容器5并联地连接有将直流转换成任意频率的交流的可变电压可变频率逆变器(以下也称之为VVVF逆变器)6。该VVVF逆变器6对作为感应电动机的交流电动机7施加三相电压。交流侧的电流检测单元10检测交流电动机7中产生的相电流iu、iv。图1中，作为交流侧的电流检测单元10，记载了通过CT等检测流过连接VVVF逆变器6和交流电动机7的电路的电流的单元，但也可以利用其它公知的方法，利用母线电流等流过VVVF逆变器6的内部的电流来检测相电流。由于成立iu+iv+iw = 0的关系，所以可以从U、ν两相的检测电流求出w相的电流。此外，交流电动机7和车轮8为独立结构，这是为了方便起见的图示，而实际上，交流电动机7通过齿轮与车轮8连接，车轮8与轨道9连接。另一方面，设置有检测从架空线1流向直流滤波电抗器3的电流Is的架空线电流检测单元4，将该架空线电流检测单元4检测出的架空线电流值Is输入到错误动作检测单元(详细情况将在后文中阐述)12。若将架空线电流检测单元4检测出的架空线电流值Is从架空线1经VVVF逆变器 6流向交流电动机(沿图1的箭头方向流动)时定义为正方向，则动力运行时的架空线电流 Is沿正方向(电流值为正值)流动。相反地，再生运转时的架空线电流Is的流动方向变为从交流电动机7经VVVF逆变器6流向架空线1的负方向(电流值为负值)。S卩，沿图1的箭头的反方向流动。无速度传感器矢量控制单元11根据VVVF逆变器6的输出电压指令和VVVF逆变器6的输出电流，推测交流电动机7的转速，根据该推测值控制VVVF逆变器6，从而驱动控制交流电动机7。该无速度传感器矢量控制单元11的控制系统采用在dq轴旋转坐标系上控制交流电动机7的电流、电压、磁通量的无速度传感器矢量控制方式。关于该无速度传感器矢量控制单元11，由于是现有技术，所以这里省略其详细说明。接着，说明错误动作检测单元12。
图2是表示错误动作检测单元12的结构的一个示例，在图2中，14是检测动力运行运转时的异常的错误再生检测单元，包括将架空线电流检测单元4检测出的架空线电流检测值Is、与作为用于判断错误再生而设定的第一电流设定值的动力运行时的架空线电流条件EPDPLVL21进行比较的动力运行时的比较单元19 ；以及使得该比较单元19的检测结果具有某一时间的检测延时(使之延迟)并输出的错误再生检测延时单元(动力运行延时)16。另外，15是检测再生运转时的异常的错误动力运行检测单元，包括将架空线电流检测单元4检测出的架空线电流检测值Is、与作为用于判断错误动力运行而设定的第二电流设定值的再生时的架空线电流条件EPDBLVL22进行比较的再生时的比较单元20 ；以及使得该比较单元20的检测结果具有某一时间的检测延时(使之延迟)并输出的错误动力运行检测延时单元(再生延时)17。18是动力运行再生检测选择单元，该动力运行再生检测选择单元基于动力运行指令P*，根据是动力运行运转时还是再生运转时，选择错误再生检测单元14或错误动力运行检测单元15中的某一个。此外，动力运行指令P*是根据与电车驾驶台上的变速装置即指令位置对应的值而获得的指令。由此构成的错误动作检测单元12的原理如上所述，利用无速度传感器矢量控制单元11进行正常的动力运行运转时、架空线电流Is沿正方向(即架空线电流为正值)流动的情况。另外，还利用无速度传感器矢量控制单元11进行正常的再生运转时、架空线电流 Is沿负方向(即架空线电流为负值)流动的情况。S卩，错误动作检测单元12在无速度传感器矢量控制单元11为动力运行运转时，架空线电流Is不沿正方向流动而沿负方向流动时，判断为异常，利用栅极停止单元13使VVVF 逆变器6停止。另外，错误动作检测单元12在无速度传感器矢量控制单元11为再生运转时，架空线电流Is不沿负方向流动而沿正方向流动时，判断为异常，利用栅极停止单元13使VVVF 逆变器6停止。接着，说明由上述构成的实施方式1的电车控制装置的动作。首先，说明动力运行时无速度传感器矢量控制单元的异常的判别方法。将图1所示的架空线电流检测单元4检测出的架空线电流值Is输入到错误动作检测单元12。动力运行时错误动作检测单元12的各参数的动作如图4所示，下面利用图2和图 4进行动作说明。首先，在动力运行时，由于动力运行指令P*输入到错误动作检测单元12及无速度传感器矢量控制单元11，因此，动力运行再生检测选择单元18的A触电与C触电连接。如图4所示，在正常时，架空线电流Is沿正方向流动。发生异常时，由于架空线电流Is沿负方向流动，所以利用动力运行时的比较单元19，比较该架空线电流Is与作为第一电流设定值的动力运行时的架空线电流条件EPDPLVL21。例如，设定动力运行时的架空线电流条件EPDPLVL21为-10A，利用动力运行时的比较单元19检测出架空线电流Is小于-IOA(动力运行时的架空线电流条件EPDPLVL21)。从该检测结果可知，错误再生检测延时单元16提供某一时间的检测延时(延迟)， 以防止由于过渡响应等引起的误检测，当经过了该延时(延迟)的时间，架空线电流Is仍维持小于动力运行时的架空线电流条件EPDPLVL21时，从错误动作检测单元12输出错误动作检测信号EPD到栅极停止单元13。此外，延时的设定时间只要考虑架空线电流Is的响应，设定为直流滤波电抗器3 和直流滤波电容器5的谐振频率以上的时间即可。接着，说明再生时无速度传感器矢量控制单元的异常的判别方法。再生时错误动作检测单元12的各参数的动作如图5所示，下面利用图2和图5进行动作说明。首先，由于再生时不输入动力运行指令P*，因此，动力运行再生检测选择单元18 的B触电与C触电连接。如图5所示，在正常时，架空线电流Is沿负方向流动。发生异常时，由于架空线电流Is沿正方向流动，所以利用再生时的比较单元20，比较该架空线电流Is与作为第二电流设定值的再生时的架空线电流条件EPDBLVL22。例如，设定再生时的架空线电流条件EPDBLVL22为+10A，利用再生时的比较单元 20检测出架空线电流Is大于+IOA (再生时的架空线电流条件EPDBLVL22)。从该检测结果可知，错误动力运行检测延时单元17提供某一时间的检测延时(延迟)，以防止由于过渡响应等引起的误检测，当经过了该延时(延迟)的时间，架空线电流 Is仍维持大于再生时的架空线电流条件EPDBLVL22时，从错误动作检测单元12输出错误动作检测信号EPD到栅极停止单元13。此外，延时的设定时间只要考虑架空线电流Is的响应，设定为直流滤波电抗器3 和直流滤波电容器5的谐振频率以上的时间即可。当错误动作检测单元12根据架空线电流Is的正或负的符号判定为异常时(EPD =1)，判断为保护动作，利用栅极停止单元13的作用切断输入到VVVF逆变器6的所有开关元件的栅极信号。图3表示栅极停止单元13的结构的一个示例。图3中，栅极停止单元13根据无速度传感器矢量控制单元11计算的电压指令，利用栅极信号指令生成电路26生成栅极信号。另外，采用如下结构即，当错误动作检测单元12判断为异常时，信号EPD变为1， 该信号经反相(非门)电路25反相为零，将其输入到乘法器27，使得输入到VVVF逆变器6 的所有开关元件的栅极信号被切断(为零)。此外，关于栅极信号生成电路沈，由于是现有技术，所有这里省略其说明。如以上所说明的那样，本实施方式的电车控制装置包括根据动力运行指令P*或后述的制动指令B*将直流转换成任意频率的交流的VVVF逆变器(可变电压可变频率逆变器)6 ；连接于VVVF逆变器6的交流侧的交流电动机7 ；并联连接于VVVF逆变器6的直流侧的滤波电容器5 ；检测VVVF逆变器6的交流侧的电流信息的电流检测单元10 ；检测滤波电容器5的直流电压信息的电压检测单元M ；以及根据VVVF逆变器6的输出电压指令和VVVF 逆变器6的输出电流推测交流电动机7的转速、根据该推测值控制VVVF逆变器6的无速度传感器矢量控制单元11，其中还包括检测架空线1的电流的架空线电流检测单元(直流电流检测单元)4 ；错误动作检测单元12，该错误动作检测单元12在VVVF逆变器6运转时， 根据动力运行指令P*或制动指令B*中的某一个指令、由架空线电流检测单元(直流电流检测单元)4检测出的架空线电流(直流电流)和预定的电流设定值求出架空线电流的符号，根据该直流电流的符号检测无速度传感器矢量控制单元11异常；以及在该错误动作检测单元12检测到异常时使VVVF逆变器6停止的栅极停止单元13。另外，本实施方式的错误动作检测单元12包括将VVVF逆变器6在动力运行运转时由架空线电流检测单元4检测出的架空线电流(直流电流)的值、与用于判断错误再生而设定的第一电流设定值进行比较的错误再生检测单元14 ；将VVVF逆变器6在再生运转时由架空线电流检测单元4检测出的架空线电流(直流电流)的值、与用于判断错误动力运行而设定的第二电流设定值进行比较的错误动力运行检测单元15 ；以及根据动力运行指令P* (或制动指令B*)在动力运行运转时选择错误再生检测单元14、在再生运转时选择错误动力运行检测单元15的动力运行再生检测选择单元15。另外，本实施方式的错误再生检测单元14具有错误再生检测延时单元16，该错误再生检测延时单元16在架空线电流检测单元4检测出的架空线1的电流值小于第一电流设定值时，可以使其经过一定的时间，错误动力运行检测单元15具有错误动力运行检测延时单元17，该错误动力运行检测延时单元17在架空线电流检测单元4检测出的架空线1的电流值大于第二电流设定值时，可以使其经过一定的时间。如上所述，根据本实施方式，由于采用如下结构即，具有在VVVF逆变器根据动力运行指令P*或制动指令B*进行运转时按照架空线电流检测单元检测出的架空线电流的符号来检测无速度传感器矢量控制单元的异常的错误动作检测单元，该错误动作检测单元检测到异常时使VVVF逆变器停止，因此，能够以极简单且廉价的结构、来简单地检测无速度传感器矢量控制单元的异常，可以将过电流导致逆变器装置的零部件的故障防患于未然。另外，还可以简单地设定用于异常判定的设定常数，即使交流电动机或可变电压可变频率逆变器发生改变，也不改变设定常数，从而可以检测速度推测值的异常。另外，通过分开进行动力运行时和再生时的处理，可以在动力运行时和再生时分别设定不同的条件，从而可以在动力运行时和再生时分别检测各自的速度推测值的异常。而且，由于具有错误再生检测延时单元，该错误再生检测延时单元在由架空线电流检测单元检测出的架空线电流值小于用于判断错误再生而设定的第一电流设定值时，可以使其经过一定的时间；以及错误动力运行检测延时单元，该错误动力运行检测延时单元在由架空线电流检测单元检测出的架空线电流值大于用于判断错误动力运行而设定的第二电流设定值时，可以使其经过一定的时间，因此，可以防止因过渡响应等引起的错误再生检测单元及错误动力运行检测单元的误检测。实施方式2图6是表示本发明实施方式2的电车控制装置的结构图。此外，对于与上述实施方式1相同的部分附加相同的标号并省略其说明，这里仅描述不同的部分。
权利要求
1.一种电车控制装置，包括根据动力运行指令或制动指令将直流转换成任意频率的交流的VVVF逆变器； 连接于所述VVVF逆变器的交流侧的交流电动机； 串联连接于所述VVVF逆变器的直流侧的滤波电抗器； 并联连接于所述VVVF逆变器的直流侧的滤波电容器； 检测所述VVVF逆变器的交流侧的电流信息的电流检测单元； 检测所述滤波电容器的直流电压信息的电压检测单元；以及根据所述VVVF逆变器的输出电压指令和所述VVVF逆变器的输出电流推测所述交流电动机的转速，根据该推测值控制所述VVVF逆变器的无速度传感器矢量控制单元， 该电车控制装置的特征在于，还包括检测架空线电流的架空线电流检测单元或检测所述VVVF逆变器的逆变器电流的逆变器电流检测单元中的任意一个直流电流检测单元；错误动作检测单元，该错误动作检测单元在所述VVVF逆变器运转时，根据动力运行指令或制动指令中的任意一个指令、由所述直流电流检测单元检测出的架空线电流或逆变器电流中的任意一个直流电流和预定的电流设定值求出直流电流的符号，根据该直流电流的符号检测所述无速度传感器矢量控制单元异常；以及在该错误动作检测单元检测到异常时使所述VVVF逆变器停止的栅极停止单元， 所述错误动作检测单元包括错误再生检测单元，该错误再生检测单元将所述VVVF逆变器在动力运行运转时由所述架空线电流检测单元或所述逆变器电流检测单元中的任意一个所述直流电流检测单元检测出的架空线电流或逆变器电流中的任意一个直流电流的值与用于判断错误再生而设定的第一电流设定值进行比较，当所述第一电流设定值较大时，可以使错误再生检测延迟由所述滤波电抗器和所述滤波电容器的谐振频率所决定的一定时间；错误动力运行检测单元，该错误动力运行检测单元将所述VVVF逆变器在再生运转时由所述架空线电流检测单元或所述逆变器电流检测单元中的任意一个所述直流电流检测单元检测出的架空线电流或逆变器电流中的任意一个直流电流的值与用于判断错误动力运行而设定的第二电流设定值进行比较，当所述第二电流设定值相对较小时，可以使错误动力运行检测延迟由所述滤波电抗器和所述滤波电容器的谐振频率所决定的一定时间；以及根据动力运行指令或制动指令中的任意一个指令在动力运行运转时选择所述错误再生检测单元，在再生运转时选择所述错误动力运行检测单元的动力运行再生检测选择单兀。
2.如权利要求1所述的电车控制装置，其特征在于， 所述错误动作检测单元包括大小比较单元，所述VVVF逆变器在再生运转时由所述架空线电流检测单元或所述逆变器电流检测单元中的任意一个所述直流电流检测单元检测出的架空线电流或逆变器电流中的任意一个直流电流的值；根据制动指令对再生时的架空线电流条件设定单元设定的用于判断错误动力运行的电流设定值；所述大小比较单元对所述用于判断错误动力运行而设定的电流设定值与架空线电流或逆变器电流中的任意一个直流电流进行比较。
3.如权利要求2所述的电车控制装置，其特征在于，所述错误动作检测单元具有对由所述直流电流检测单元检测出的电流的偏置分量进行补偿的偏置补偿单元，所述偏置补偿单元从动力运行指令或制动指令接入开始到所述VVVF逆变器启动为止计算偏置量。
全文摘要
一种具有根据VVVF逆变器(6)的输出电压指令和输出电流推测交流电动机(7)的转速、根据该推测值控制VVVF逆变器(6)的无速度传感器矢量控制单元(11)的电车控制装置，包括检测来自架空线(1)的电流的架空线电流检测单元(4)；在VVVF逆变器(6)运转时根据架空线电流检测单元(4)检测出的架空线(1)的电流的符号、检测无速度传感器矢量控制单元(11)异常的错误动作检测单元(12)；以及在该错误动作检测单元(12)检测到异常时使VVVF逆变器停止的栅极停止单元(13)。
文档编号B60L9/18GK102259598SQ20111022245
公开日2011年11月30日 申请日期2007年10月10日 优先权日2006年11月2日
发明者根来秀人, 河野雅树 申请人:三菱电机株式会社