电车控制装置制造方法
【专利摘要】本发明的电车控制装置具备进行用于将电动机产生的再生功率反馈至架空线的控制运算的轻载再生控制运算部(18)，该电动机通过将累积由架空线提供的电力的滤波电容器的电压转换成所期望的交流电压的逆变器来进行驱动，在这样的电车控制装置中，轻载再生控制运算部(18)中设置有：比例控制系统(31)，该比例控制系统(31)基于滤波电容器电压EFC计算出抑制电动机的再生转矩的VCEESL；以及再生功率控制系统(32)，该再生控制系统(32)基于使用架空线电压ES和架空线电流IS计算出的线路功率、以及作为转矩指令的转矩图案PTRN计算出抑制电动机的再生转矩的WEFCLMP，将比例控制系统31的输出即VCEESL与再生功率控制系统(32)的输出即WEFCLMP的加法运算输出作为转矩控制量(转矩限定量)来控制电动机的再生转矩。
【专利说明】电车控制装置
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及电车控制装置。
【背景技术】
[0002]作为现有的电车控制装置，例如在下述专利文献I所公开的电车控制装置中，仅将滤波电容器电压读入轻载再生控制运算部，并将其与电压目标值进行比较，由此来确定控制量。
现有技术文献 专利文献
[0003]专利文献1:日本专利特开平9 - 215105号公报
【发明内容】
发明所要解决的技术问题
[0004]然而，在上述专利文献I所公开的现有的结构中，根据使再生有效地进行动作的控制常数的求取方法，控制系统容易变得不稳定，若控制系统变得不稳定，则有时会发生转矩振动，从而存在乘坐感觉变差的问题。
[0005]此外，根据变电站的电压设定或存在于同一供电区间的其他编组的运行状况，架空线电压本身变高，滤波电容器电压也变高。因此，仅使用滤波电容器电压的现有控制系统中，不论是否存在再生负载，均根据电压条件来限定再生转矩，因而存在再生率下降的问题。
[0006]本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种能够抑制乘坐感觉变差，同时还能够进一步提高再生率的电车控制装置。
解决技术问题所采用的技术方案
[0007]为解决上述问题，实现目的，本发明所涉及的电车控制装置包括:功率转换器，该功率转换器将累积由架空线提供的电力的滤波电容器的直流电压转换成所期望的交流电压，并对负载即电动机进行驱动；控制部，该控制部对该功率转换器进行控制；以及再生控制运算部，该再生控制运算部进行用于将所述电动机产生的再生功率反馈至所述架空线的控制运算，所述电车控制装置的特征在于，所述再生控制运算部设置有:第一控制系统，该第一控制系统基于所述架空线或所述滤波电容器的电压计算出抑制所述电动机的再生转矩的第一转矩抑制量；以及第二控制系统，该第二控制系统基于使用所述架空线或所述滤波电容器中的某一个电压和流过所述架空线的电流而计算出的线路功率、以及转矩指令，来计算出抑制所述电动机的再生转矩的第二转矩抑制量，所述电车控制装置基于所述第一转矩抑制量和所述第二转矩抑制量对所述电动机的再生转矩进行控制。
发明效果
[0008]根据本发明所涉及的电车控制装置，可获得以下效果:乘坐感觉不会变差，且能进
一步提闻再生率。【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1是表示具备实施方式I所涉及的电车控制装置的电车的结构的图。
图2是表示轻载再生控制运算部的详细结构例的图。
图3是表示过度限定防止模块的详细结构例的图。
图4是表示实施方式2所涉及的电车的结构的图。
【具体实施方式】
[0010]下面，参照附图对本发明的实施方式所涉及的电车控制装置进行说明。另外，本发明并不局限于以下示出的实施方式。
[0011]实施方式1.图1是表示具备本发明的实施方式I所涉及的电车控制装置的电车的结构的图。图1中，电车100中，作为电车控制装置所涉及的主要的结构部(主电路部)，包括:导电弓11，该导电弓11作为通过滑动来与提供直流电的架空线10进行直流电的交换的集电装置；直流电抗器12，该直流电抗器12插入在从导电弓11到主电路部侧的直流母线20中；滤波电容器13，该滤波电容器13对经由导电弓11和直流电抗器12提供的直流电(电荷)进行平滑和累积；以及逆变器14，该逆变器14作为将滤波电容器13的直流电压转换成所期望的交流电压，并对负载即电动机15进行驱动的功率转换器。
[0012]此外，电车100中，作为各种传感器，具有:电流检测器21，该电流检测器21对从架空线10流入到电车100的电流、或从电车100流出至架空线10的电流(以下称为“架空线电流”)IS进行检测；电压检测器22，该电压检测器22对作为直流电源电压的导电弓11的电压(以下称为“架空线电压”)ES进行检测；电压检测器23，该电压检测器23对滤波电容器13的电压(滤波电容器电压)EFC进行检测；以及速度检测器16，该速度检测器16对作为速度信息的电动机15的角速度ω进行检测或运算。
[0013]此外，还包括逆变器控制部17，该逆变器控制部17对逆变器14的动作进行控制；以及轻载再生控制运算部18，该轻载再生控制运算部18进行用于使电动机15所产生的再生功率有效且高效地反馈至架空线10侧的控制运算(所谓的轻载再生控制运算)。详细内容将在后文中阐述，但轻载再生控制运算部18基于架空线电压ES、架空线电流IS、滤波电容器电压EFC、电动机15的角速度ω以及逆变器控制部17输出的转矩图案(转矩指令)PTRN,生成再生转矩的限定量即转矩抑制量VDTELM，并将其输出至逆变器控制部17。
[0014]逆变器控制部17基于轻载再生控制运算部18生成的转矩抑制量VDTELM，生成用于对设置于逆变器14内部的开关元件(省略图示)进行导通/截止控制的控制信号GC，并将其输出至逆变器14。另外，转矩图案PTRN是通过将与制动指令的大小、电车100的速度V等相应的转矩指令量(转矩指令的大小)图案化后而得到的，可以以表格的形式保存在处理部内，也可以通过函数计算来求得。
[0015]接下来，说明轻载再生控制运算部18的详细结构。图2是表示轻载再生控制运算部18的详细结构例的图。
[0016]轻载再生控制运算部18如图2所示，构成为具有:采用比例控制的轻载再生控制系统(同图(a)，以下简称为“比例控制系统”、或根据需要称为“第一控制系统”)31和采用再生功率的轻载再生控制系统(同图(b)，以下简称为“再生功率控制系统”、或根据需要称为“第二控制系统”)32，这些比例控制系统31的输出和再生功率控制系统32的输出在加法器68进行加法运算，将该加法运算值作为转矩抑制量VDTELM (第一转矩抑制量)进行输出。
[0017]如图2(a)所示，比例控制系统31构成为具备减法器41、增益表42、乘法器43、以及一阶延迟控制模块44。减法器41中，从滤波电容器电压EFC减去开始电压(基准电压)ECMAX,从而计算出电压偏差DEFC，增益表42中，使用电动机频率FM计算出提供给乘法器43的乘法运算系数VECEG。电压偏差DEFC在乘法器43中与乘法运算系数VECEG相乘之后通过一阶延迟控制模块44，作为采用比例控制的轻载再生限制输出VECESL输出至加法器68。
[0018]另外，该比例控制系统31中，减法器41的输出即电压偏差DEFC与乘法运算系数VECEG相乘后得到的值成为控制量、即转矩抑制量的一个分量。因此，比例控制系统31作为响应相对较快的控制系统进行动作。
[0019]另一方面，如图2(b)所示，再生功率控制系统32构成为具备绝对值运算部51、58，过度限定防止模块52，乘法器53、56、60，除法器54、59、61，减法器55，逆变器损耗考虑表57，限定增益表62、以及一阶延迟控制模块63。
[0020]乘法器53中，对架空线电压ES、除法器59的输出ISl、以及逆变器损耗考虑表57的输出α进行乘法运算。除法器59的输出ISl是架空线电流IS的绝对值除以电动机个数而得到的，是流过一个电动机的平均电流值。逆变器损耗考虑表57是定义将逆变器14的损耗量考虑在内的损耗增益α (例如，约1.02?1.05)的表，以使得能够考虑到逆变器14的效率95?98%而追加其损耗量。由于逆变器14的效率依赖于电动机15的旋转而发生变动，因此在本实施方式中，设定为根据电动机频率FM来决定损耗考虑增益α。
[0021]除法器54中，将乘法器53的输出Pr除以除法器61的输出com。除法器61的输出ωπι是将乘法器60的输出即电动机15的角速度ω ( = 2π XFM:电角速度)除以电动机极对数P而得到的，从而成为电动机15的机械角速度com。因此，除法器54的输出PTRNl为一个电动机的再生转矩。减法器55中，从过度限定防止模块52的输出PTRNE减去除法器54的输出PTRNl。另外，过度限定防止模块52的输出PTRNE是基于绝对值运算部51运算得到的转矩图案PTRN的绝对值PTRNABS而生成的。
[0022]除法器55的输出PTRN2被输入到乘法器56，在乘法器56中与限定增益表62的输出即限定增益PTRNLMT相乘后通过一阶延迟控制模块63，作为采用再生功率的轻载再生限制输出WEFCLMP (第二转矩抑制量)输出至加法器68。
[0023]另外，在该再生功率控制系统32中，在进行多次重复上述的乘法运算和除法运算的处理的同时，还进行由增益表42、逆变器损耗考虑表57以及限定增益表62所执行的处理，因此，与比例控制系统31相比，该控制系统的响应速度不快。因此，本实施方式的轻载再生控制运算部18中采用以下结构，即:在加法器68中对将滤波电容器电压EFC与基准电压之间的偏差作为控制量来进行再生转矩控制的响应速度较快的比例控制系统31的输出、以及虽然响应速度较慢但将线路功率作为控制量来进行再生转矩控制的再生功率控制系统32的输出进行加法运算，并将该加法运算值作为转矩抑制量VDTELM进行输出。由此，根据本实施方式的电车控制装置，能够以较高的精度且及时地进行再生转矩的限定。[0024]接着，对限定增益表62进行说明。限定增益表62在额定架空线电压以下的区域内，输出用于抑制不需要的限定的限定增益PTRNLMT。例如，在架空线10的额定电压(额定架空线电压)为1500V的情况下，如图2所示，在架空线电压ES在1500V以下时输出PTRNLMT = 0，在架空线电压ES为1600V以上时输出PTRNLMT = 1，在架空线电压ES为1500V?1600V的范围内时，输出从O到I的斜坡变化的实数值。若使用这种限定增益表62，则在架空线电压ES高于规定值的情况下，能够使限定增益充分作用来进行动作，在架空线电压ES低于规定值的情况下，使限定增益随着架空线电压ES的下降而缓慢下降，并且在架空线电压ES低于规定电压的情况下，通过将限定增益设定为零，从而能够使再生转矩的限定量即转矩抑制量随着架空线电压ES的下降而缓慢减少。另外，在本结构中，也可以采用输入滤波电容器电压EFC来代替架空线电压ES的结构。
[0025]接着，对过度限定方式模块52进行说明。图3是表示过度限定防止模块52的详细结构例的图。过度限制防止模块52如图3所示，包括单刀双掷输入切换器71、以及比较器72。比较器72中，对转矩图案的绝对值PTRNABS(以下简称为“转矩图案PTRNABS”)与第一规定值(图3的示例中为IONm)进行比较。在转矩图案PTRNABS小于第一规定值的情况下，将切换接点控制为“截止”侧，在转矩图案PTRNABS大于第一规定值的情况下，将切换接点控制为“导通”侧。即，从过度限定方式模块52的整体的动作来看，当转矩PTRNABS上升时，到转矩图案PTRNABS达到第一规定值(IONm)为止，无论转矩图案PTRNABS的值是多少，始终将转矩图案PTRNE固定为小于第一规定值的第二规定值(图3的示例中为ONm)。另一方面，若转矩图案PTRNABS超过第一规定值(IONm)，则将转矩图案PTRNABS的值作为转矩图案PTRNE进行输出。另外，图3所示的第一、第二规定值只是一个示例，当然也可以使用其他的值。
[0026]再生功率控制系统32中，由于是检测再生功率来进行动作的控制系统，因此，若没有架空线电流IS流过，则无法检测出再生功率。另一方面，如上所述，过度限定方式模块52在转矩图案PTRNABS上升时(即开始再生时)，将输出至减法器55的转矩图案PTRNE的值抑制为“0”，因此，能够抑制开始再生时的过度的限定。由此，过度限定方式模块52在存在成为再生负载的其他电车的情况下，能够准确且顺利地进行开始再生时的再生功率(电流)的检测。此外，过度限定防止模块52在存在成为再生负载的其他电车的情况下，能够及时地掌握该电车所需的再生功率。
[0027]另外，在本实施方式中，揭示了使用滤波电容器电压EFC来作为比例控制系统31的输入的结构，但也可以是使用架空线ES来代替滤波电容器电压EFC的结构。此外，在本实施方式中，揭示了使用架空线电压ES来作为再生功率控制系统32的输入的结构，但也可以是使用滤波电容器电压EFC来代替架空线电压ES的结构。
[0028]如上述所说明的那样，根据实施方式I所涉及的电车控制装置，根据轻载再生限制输出VECESL和轻载再生限制输出WEFCLMP，来对电动机15的再生转矩进行控制，上述轻载再生限制输出VECESL是基于架空线电压ES或滤波电容器电压EFC的作为对电动机15的再生转矩进行抑制的第一转矩抑制量，上述轻载再生限制输出WEFCLMP是基于使用架空线电压ES或滤波电容器电压EFC中的某一个电压和架空线电流IS计算得到的线路功率Pr、及作为转矩指令的转矩图案PTRN的作为对电动机15的再生转矩进行抑制的第二转矩抑制量，因此能够得到进一步提高再生率的效果。[0029]此外，根据实施方式I所涉及的电车控制装置，构成为:基于生成作为第一转矩抑制量的轻载再生限制输出VECESL的比例控制系统31的输出、以及生成作为第二转矩抑制量的轻载再生限制输出WEFCLMP的再生功率控制系统32的输出，来生成控制系统整体的转矩抑制量(转矩限定量)，因而能构成稳定的控制系统，从而能获得以下效果，即:能够抑制转矩振动的产生，并能抑制乘坐感觉的变差。
[0030]实施方式2.图4是表示本发明的实施方式2所涉及的电车的结构的图。实施方式I所涉及的电车控制装置采用每一台逆变器均具有轻载再生控制运算部的结构，但实施方式2所涉及的电车控制装置采用对多台逆变器(图4中举例示出两台逆变器)设置一个轻载再生控制运算部的结构。具体而言，在图4所示的结构中，对于同一直流母线20，构成有第一驱动组以及第二驱动组，上述第一驱动组具有直流电抗器12a、滤波电容器13a、逆变器14a和电动机15a、以及对滤波电容器13a的电压(滤波电容器电压)EFCl进行检测的电压检测器23a，上述第二驱动组具有直流电抗器12b、滤波电容器13b、逆变器14b和电动机15b、以及对滤波电容器13b的电压(滤波电容器电压)EFC2进行检测的电压检测器23b。另外，关于其他的结构，与图1所示的实施方式I相同，对相同的结构部标注相同的标号，并省略通用的说明。此外，图4中，虽然省略了逆变器控制部17和轻载再生控制运算部18的图示，但传感器信号的输入形态、控制信号的输入输出形态也与实施方式I相同或等同。
[0031]在图4的结构中，流过电动机15a的电流和流过电动机15b的电流的总和成为架空线电流IS，因此即使只存在一台电流检测器21也能够进行与实施方式I同样的轻载再生控制运算。
[0032]如上述所说明的那样，在实施方式2所涉及的电车控制装置中，当电车具有由多台功率转换器驱动多台电动机的结构时，对于并非分别对应于各功率转换器设置而是以共用的方式设置的再生控制运算部，其基于对应于各功率转换器的滤波电容器电压、电车共用的架空线电压和架空线电流，来运算电车整体的转矩抑制量(第一、第二转矩抑制量)，因此即使增加电动机、功率转换器的台数也无需增加电流检测器的台数，从而能够获得成本降低的效果。
[0033]实施方式3.实施方式1、2具有使用电流检测器21来求得架空线电流IS的结构。另一方面，实施方式3中，对不使用电流检测器21而通过计算求得架空线电流IS的结构进行说明。
[0034]图1的结构中，作为控制逆变器14的动作的逆变器控制部17，一般进行以下矢量控制，即:检测出流过电动机15的各相的电流并进行DQ转换，接着进行控制使得转换后的电流(D轴电流、Q轴电流)与各电流指令(D轴电流指令、Q轴电流指令)相一致。在利用这种矢量控制系统构成逆变器控制部17时，能够不设置架空线电流检测器，而使用下式计算出架空线电流IS。
[0035]IS= (I1QFXE1QR+I1DFXE1DR)/ES...(I)
[0036]在上式中，ES为架空线电压，IlQF为Q轴电流反馈，IlDF为D轴电流反馈，ElQR为Q轴电压指令，ElDR为D轴电压指令。另外，也可以使用滤波电容器电压来代替架空线电压。
[0037]轻载再生控制运算部18接受由逆变器控制部17计算出的架空线电流IS。关于之后的处理，按上述实施方式I所说明的那样进行。另外，在具有实施方式2那样的多个驱动组的结构的情况下，可以求出各驱动组中每一个的电流值，计算该各电流值的总和来作为架空线电流。
[0038]如上述所说明的那样，实施方式3所涉及的电车控制装置中，在逆变器控制部构成为具有检测出流过电动机各相的电流并进行DQ转换，接着进行控制使得转换后的D轴电流和Q轴电流分别与各轴的电流指令即D轴电流指令和Q轴电流指令相一致的矢量控制系统时，使用D轴电流、Q轴电流、D轴电流指令和Q轴电流指令、以及架空线电压或滤波电容器电压计算出架空线电流，因此能够获得以下效果，即:无需设置检测电流的电流检测器，从而使成本得以降低。
[0039]此外，上述实施方式I?3所示出的结构是本发明的结构的一个示例，也可以与其它公知技术进行组合，在不脱离本发明的技术思想的范围内当然可以对其结构进行变更，例如省略其中一部分等。
工业上的实用性
[0040]如上所述，本发明所涉及的电车控制装置，作为能够使乘坐感觉不会变差，且能进一步提闻再生率的发明是有用的。
标号说明
[0041]10架空线 11导电弓
12，12a，12b直流电抗器
13，13a，13b滤波电容器
14，14a，14b 逆变器
15,15a, 15b 电动机
16速度检测器
17逆变器控制部
18轻载再生控制运算部
20直流母线
21电流检测器
22，23，23a，23b电压检测器
31比例控制系统(采用比例控制的轻载再生控制系统)
32再生功率控制系统(采用再生功率的轻载控制系统)
41、55减法器 42增益表 43，53，56，60 乘法器 44，63 —阶延迟控制模块 51，58绝对值运算部 52过度限定防止模块 54，59，61除法器 57逆变器损耗考虑表 62限定增益表68加法器71输入切换器72比较器VDTELM转矩抑制量
VECESL采用比例控制的轻载再生限制输出WEFCLMP采用再生功率的轻载再生限制输出
【权利要求】
1.一种电车控制装置，包括功率转换器，该功率转换器将累积由架空线提供的电力的滤波电容器的直流电压转换成所期望的交流电压，并对负载即电动机进行驱动；控制部，该控制部对该功率转换器进行控制；以及再生控制运算部，该再生控制运算部进行用于将所述电动机产生的再生功率反馈至所述架空线的控制运算，所述电车控制装置的特征在于， 所述再生控制运算部设置有:第一控制系统，该第一控制系统基于所述架空线或所述滤波电容器的电压计算出抑制所述电动机的再生转矩的第一转矩抑制量；以及 第二控制系统，该第二控制系统基于使用所述架空线或所述滤波电容器中的某一个电压和流过所述架空线的电流而计算出的线路功率、以及转矩指令，来计算出抑制所述电动机的再生转矩的第二转矩抑制量， 所述电车控制装置基于所述第一转矩抑制量和所述第二转矩抑制量来对所述电动机的再生转矩进行控制。
2.如权利要求1所述的电车控制装置，其特征在于， 所述第二控制系统使用所述转矩指令与所述再生功率的差分值来作为成为所述第二转矩抑制量的基础的控制量。
3.如权利要求2所述的电车控制装置，其特征在于， 所述第二控制系统具有在所述转矩指令上升时，使所述转矩指令的输入无效的控制要素。
4.如权利要求1至3的任一项所述的电车控制装置，其特征在于， 所述第二控制系统具有根据所述架空线或所述滤波电容器的电压来调整成为所述第二转矩抑制量的基础的控制量的控制要素。
5.如权利要求1至3的任一项所述的电车控制装置，其特征在于， 所述再生功率是将所述功率转换器的损耗量考虑在内而计算得到的。
6.如权利要求1所述的电车控制装置，其特征在于， 在电车具有由多台功率转换器驱动多台电动机的结构时， 分别与各所述功率转换器相对应地设置所述控制部和检测所述滤波电容器的电压的电压检测器， 而对于所述再生控制运算部、检测所述架空线的电压的电压检测器和检测流过所述架空线的电流的电流检测器，不分别与各所述功率转换器相对应，而以共用的方式进行设置， 所述再生控制运算部对所述电车整体的转矩抑制量进行运算。
7.如权利要求1所述的电车控制装置，其特征在于， 所述控制部构成为具有矢量控制系统，该矢量控制系统检测流过所述电动机的各相的电流并进行DQ转换，接着进行控制使得转换后的D轴电流和Q轴电流分别与各轴的电流指令即D轴电流指令和Q轴电流指令相一致， 使用所述D轴电流、所述Q轴电流、所述D轴电流指令和所述Q轴电流指令、以及所述架空线或滤波电容器的电压，来计算出流过所述架空线的电流。
【文档编号】B60L7/14GK104039583SQ201280066743
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2012年1月12日 优先权日:2012年1月12日
【发明者】山下良范 申请人:三菱电机株式会社