TWI261034B - Control apparatus for electric railcar - Google Patents

Description

1261034 (1) 玖、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明是關於一種電車輛的控制裝置，特別是，關於 一種藉由電制動器進行停止的電車輛的控制裝置。 【先前技術】 至今的電車輛的制動控制方式的主流，是倂用電制動 器與空氣制動器的「電•空氣混合制動控制方式」。在該 方式中，當速度成爲所定速度以下，則徐徐地下降再生（ 電）制動力之同時，替代一直到停止爲止徐徐地上昇空氣 制動，最後僅以空氣制動進行停止。藉由將從電控制切換 成空氣制動能控制成兩者的制動力的加値成爲一定，一直 到停止爲止仍維持大約一*定的減速力。 一方面’在最近電車輛所採用的例子較多的制動控制 方式，是一直到停止爲止作用有再生（電）制動的「全電 制動終速控制（電停止制動控制）」。在該方法中，即使 在速度零附近也可確保高精度的轉矩響應性之故，因而極 有效地實現自動運轉時的正確停止位置控制。 在該全電制動終速控制（電停止制動控制）的實現方 法’有如說明在日本特開200 1 -25 1 70 1號公報的電車輛的控 制裝置。 電•空氣混合制動控制方式中，從速度1 〇 km/hr左右 開始徐徐地下降再生（電）制動力，至少在速度1 km/hr， 將再生（電）制動力完全地下降成零。亦即，在速度不足 -5- 1261034 (2) 1 km/hr的速度零近旁，再生（電）制動力是未完全地作用 〇 一方面，在全電制動終速控制（電停止制動控制），一 直到零速度近旁爲止作用有所盼望的再生（電）制動力，而 從零速度近旁朝零速度急速地縮小再生（電）制動力。亦即 ，在不足速度1 km/hr的零速度近旁，作用有再生（電）制 動力。 最近很多電車輛是進行依脈寬調變PWM反相控制的電 動機轉矩控制，考量再生（電）制動力動作時的零速度近旁 的有無制動力的情形，可假設有如下課題。 一直到停止爲止動作再生（電）制動的情形，則通過反 相頻率零點移至反相制動模態。在通過該反相頻率零點時， 會發生U、V、W相的任一相的交換元件仍成爲高通流率的 狀態的電流集中。依該電流集中的熱損耗，是會導致交換元 件的急劇的溫度上昇，而促進元件的經年劣化，或藉由條件 也有破壞元件的情形。 【發明內容】 本發明的課題，是在以電制動器停止的電車輛的控制 裝置中，特別是提供一種適用於將脈寬調變（PWM )反相 控制的動作頻率（反相頻率）通過零點之際的交換元件的 熱損耗抑制或最低限度，並在停止爲止仍確保充分的制動 力的電車輛的控制裝置。 爲了解決上述課題，其係電動機的轉速下降至所定値 -6- 1261034 (3) 的時候，控制成以所定變化率減少電動機的轉矩的電車輛 的控制裝置，其特徵爲具有：當電動機的轉速在減速中達 到所定速度以下的領域時，電動機的轉矩是控制成比上述 電動機的轉速達到所定値的時候的轉矩指令値更小的控制 手段，及生成控制構成電力變換器的交換元件之際的 PWM信號的載波頻率，是控制成比電動機的轉速達到所 定値的時候的載波頻率更小的控制手段。 本發明是在電車輛的控制裝置中，停止爲止使再生（ 電）制動進行動作時，事先減低交換元件的電流量，使得 通過反相頻率零點之際的交換元件的導通損耗在元件控制 在固有性能限度內。又，事先減低生成控制交換元件之際 的PWM信號的載波頻率，使得通過反相頻率零點之際的 交換元件的交換損耗在元件控制在固有性能限度內。 【實施方式】 以下，使用圖式說明本發明的實施形態。 第1圖是表示本發明的電車輛的控制裝置的第1實施 形態的方塊圖。 駕駿台1是輸出僅在制動投入中導通的制動指令旗標 B。電流指令演算器2是將制動指令旗標BCF，輸出有下 述的速度演算器3所輸出的基準轉速信號Fr作爲輸入， 並輸出激磁電流指令Idp，轉矩電流指令（A ) Iqp_a。限 流器4是將制動指令旗標BCF，轉矩電流指令（A) Iqp_a 及成爲藉由下述的PWM反相器所生成的交流電壓波形的 1261034 (4) 基準頻率的反相器頻率Finv作爲輸入，並輸出施以限制 在轉矩電流指令（A ) Iqp_a的轉矩電流指令（B ) Iqp_b。 向量控制演算器5是將激磁電流指令Idp與轉矩電流指令 (B ) Iqp_b及依電流檢測器6a，6b，6c的電動機電流檢 測値in，iv，iw及速度演算器3所輸出的基準轉速信號 Fr作爲輸入，並輸出反相器輸出電壓指令Vp及藉由下述 的PWM反相器所生成的交流電壓波形的基準頻率的反相 頻率Finv。載波發生器8是將反相頻率Finv作爲輸入， 並將反相輸出電壓指令Vp輸出用以變換成PWM信號的 載波CRW。PWM信號演算器8是將反相輸出電壓指令Vp 與載波CRW作爲輸入，來演算驅動構成PWM反相器8的 交換元件的閘極信號GP。PWM反相器9是將由直流電源 1 〇經由濾波電容器1 1所得到的直流電力變換成三相交流 電力而將該電力供給於感應電動機12。轉速檢測器13是 檢測感應電動機1 2的轉速，並在速度演算器3中變換成 基準轉速信號F r。 又，在第1圖表示兩組以PWM反相器所驅動的感應 電動機1 2及檢測轉速的轉速檢測器1 3，惟此並不規定感 應電動機12與轉速檢測器13之數量者，感應電動機12 ’轉速檢測器1 3可構成一組或3組，4組…。 限流器4是構成PWM反相器8的主電路的交換元件 動作時的熱損耗不超過規格限度地來限制轉矩電流指令（ A ) I q p _ a的最大値。該限流器主要目的在於藉由限制流 進交換元件的電流値，來抑制元件所發生的導通損耗。 -8- 1261034 (5) 該轉矩電流指令（A ) Iqp_a的限制値，是依據交換元 件對於熱損耗的容許値（規格或測定値）事先導出。又， 轉矩電流指令（A ) Iqp_a是特別在反相頻率成爲零的附 近須被限制，因應於反相頻率而將限制値作成可變之故， 因而將對於反相頻率的轉矩電流指令（A ) Iqp_a的限制 値給予作爲表。依據該表來限制轉矩電流指令（A ) Iqp_a 的最大値，惟該限制是僅制動動作中，亦即制動指令旗標 B C F成爲導通，而在制動器未動作的力行及惰行時，轉矩 電流指令（A ) Iqp_a是未限制仍然作爲轉矩電流指令（B )Iqp_b進行輸出。 藉由限制該轉矩電流指令，會產生無法得到因應於制 動力指令的再生（電）制動力的情形，惟將對於制動力指 令的再生（電）制動力的不足分量作成藉由空氣制動器等 機械制動裝置來補足的控制，就可確保持所需的減速力。 載波發生器7是構成PWM反相器8的主電路的交換 元件動作時的熱損耗不超過規格限度地，將生成控制交換 元件的PWM信號的載波頻率對於一般時的頻率[載波頻率 (A)]施以減低[載波頻率（B)]。該載波發生器主要目 的在於抑制因應於交換元件的導通/斷開的動作次數所增 加的元件的交換損耗。 該載波頻率的減低的載波頻率（B)，是依據交換元 件對於熱損耗的容許値（規格或測定値）事先導出，惟大 槪設定在1〇〇至500Hz。又，減低該載波頻率是在反相頻 率藉由減速而通過零之前進行。所以設置檢測反相頻率下 -9- (6) 1261034 降至所定値的下述的反相頻率檢測器1 9 (第4圖）’ 減速在反相頻率通過零之前，將載波頻率從載波頻率 )確實地減低至載波頻率（B )。減低該載波頻率， 在制動動作中，亦即僅在制動指令旗標BCF成爲導 ，而在力行時不會減低載波頻率。 第2圖是表示本實施形態的限流器的功能的方塊 在第2圖中，1 4是表示限流器，1 5是表示限流値表 是表示選擇器。 轉矩電流指令（A ) Iqp_a的最大値是藉由限流器 被限制。反相頻率Finv爲Finv2以上時，限流値是 ，而反相頻率Finv爲Finvl以下時，限流値是Iqpl 照反相頻率Finv從Finv2下降至Finvl，將限流値從 減低至Iqpl。又，爲了抑制反相頻率Finv通過零點 換元件的導通損耗，在反相頻率Finv爲零時，限流署 的限流値是需要Iqpl之故，因而Finvl是設定成比 大之値。 限流器1 4的限流値是藉由限流値表1 5並依據反 率Finv來決定。限流器I4的輸出的轉矩電流指令（ Iqp_b，是制動指令BCF爲導通（1 )時輸出限流器1 輸出値，而在斷開（0 )時作爲力行或惰行中仍輸出 電流指令（A ) Iqp_a地藉由選擇器1 6而依據制動指 標BCF進行選擇。 第3圖是表示本實施形態的限流器的輸出入信號 間性關係的波形圖。 藉由 丨（A 是僅 通時 圖。 ，16 I 1 4 Iqp2 :依 Iqp2 的交 I 14 零較 相頻 B) 4的 轉矩 令旗 的時 -10- 1261034 (7) 藉由制動指令旗標B C F的導通（1 )，將轉矩電流指 令（A ) I q p _ a上昇至相當於所需制動力的電流値。在反 相頻率Finv從Finv2至Finvl之間’限流器的限流値是由 Iqp2徐徐地減少至Iqp 1之故，因而轉矩電流指令（B ) ·

Iqp_b是將轉矩電流指令（A ) Iqp_a作爲依照限流値所限 制的數値被輸出。又，爲了抑制反相頻率F i n v的通過零 點的交換元件的導通損耗，在反相頻率Finv爲零時，限 流器1 4的限流値是須I q p 1之故，因而F i n v 1是設定成比 零更大値。 _ 在該轉矩電流指令（B ) Iqp_b中，成爲無法得到再生 (電）制動所必須的制動力，惟將對於制動力指令的再生 (電）制動力的不足分量藉由依空氣制動器等的機械制動 . 裝置所補足的控制能確保所需要的減速力。 在本實施形態中，藉由此等構成，在以電制動施以停 止的電車輛的控制裝置中，特別是，藉由限制PWM反相 控制的動作頻率（反相頻率）通過零點之際的轉矩電流指 | 令的最大値，並限制流進交換元件的電流，可抑制交換元 件的導通損耗，並可將熱損耗抑制成最低限度’而可實現 停止爲止能確保充分的制動力的電車輛的控制裝置。 第4圖是表示本實施形態的載波發生器的功能的方塊 圖。在第4圖中，17是表示載波頻率（A)設定部，18是 ， 表示載波頻率（B )設定部，1 9是表示反相頻率檢測部’ 20是表示邏輯積電路，21是表示選擇器，22是表示載波 發生部。 -11 - (8) 1261034 載波頻率（A)是一般再生（電）制動動作時的載波 頻率，考慮交換元件的規格，P WM反相控制的方式。反 相電流的高諧波成分等來綜合地決定。在此，載波頻率（ A )是並不被限定於常數，依照反相器的輸出電壓指令有 變化的情形。載波頻率（B )是依據交換元件對於熱損耗 的容許値（規格或測定値）而事先導出，惟成爲設定在大 約 100〜500Hz。 制動指令旗標BCF是導通（1 )，且以反相頻率檢測 器19檢測到反相頻率爲Finv2以下時，邏輯積電路20, 是導通（1)輸出載波頻率減低旗標FCL，並將選擇器21 從載波頻率（A)切換成載波頻率（B)。載波發生部22 是依據該載波頻率（B )在制動指令旗標BCF爲導通期間 中發生載波CRW。 第5圖是表示本實施形態的載波發生器的輸出入信號 的時間性關係的波形圖。 當制動指令旗標BCF導通（1 )時，若反相頻率Finv 爲Finv2以上，則載波頻率是載波頻率（A )。藉由減速 ，當反相載波Finv達到Finvl時’則載波頻率減低旗標 FCL成爲導通，載波頻率是由載波頻率（A)移行至載波 頻率（B )。又，減低載波頻率是必須在反相頻率成爲零 之前就完成之故’因而Finvl是設定在比零較大値。 在本實施形態中，藉由此等構成’在以電車輛的控制 裝置中，特別是藉由減低PWM反相控制的動作頻率（反 相頻率）通過零點之際的載波頻率’能抑制因應於交換元 -12- 1261034 (9) 件的導通/斷開的動作次數所增加的元件的交換損耗，並 可將熱損耗抑制成最低限度，而可實現停止爲止能確保充 分的制動力的電車輛的控制裝置。 第6圖是表示本發明的電車輛的控制裝置的第2實施 形態的方塊圖。 本實施形態是與表示於第1圖的本發明的第1實施形 態相同的構成，惟與本發明的第1實施形態不同處，爲並 未進行將PWM反相控制的動作頻率（反相頻率）通過零 點之際的載波頻率從載波頻率（A )減低成載波頻率（B )的情形。因此，構成PWM反相器8的主電路的交換元 件的導通/斷開控制，是藉由載波頻率（A )所進行。 一方面，在本實施形態中，如第2圖，第3圖所述地 ，藉由限流器1 4來限制PWM反相控制的動作頻率（反相 頻率）通過零點之際的轉矩電流指令的最大値，並限制流 進交換元件的電流，乃與本發明的第1實施形態同樣地實 行。 由此，在本實施形態中，也在以電制動施以停止的電 車輛的控制裝置中，特別是，抑制PWM反相控制的動作 頻率（反相頻率）通過零點之際的交換元件的導通損耗， 並可將熱損耗抑制成最低限度，而可實現停止爲止能確保 充分的制動力的電車輛的控制裝置。 第7圖是表示本發明的電車輛的控制裝置的第3實施 形態的方塊圖。 本實施形態是與表示於本發明的第1實施形態在省略 -13- 1261034 (10) 限流器1 4之處不同，而其他是相同。 一方面，在本實施形態中，如第4圖，第5圖所述地 ，在載波發生器7中，將PWM反相控制的動作頻率（反 相頻率）通過零點之際的載波頻率從載波頻率（A )減低 成載波頻率（B )，乃與本發明的第1實施形態同樣地實 行。 由此，在本實施形態中，也在以電制動施以停止的電 車輛的控制裝置中，特別是，藉由減低PWM反相控制的 動作頻率（反相頻率）通過零點之際的載波頻率，抑制因 應於交換元件的導通/斷開的動作次數所增加的元件的交 換損耗，並可將熱損耗抑制成最低限度，而可實現停止爲 止能確保充分的制動力的電車輛的控制裝置。 (發明的效果） 在本實施形態中，藉由此等構成，在以電制動施以停 止的電車輛的控制裝置中，特別是，藉由限制PWM反相 控制的動作頻率（反相頻率）通過零點之際的轉矩電流指 令的最大値，並限制流進交換元件的電流，可抑制交換元 件的導通損耗，並可將熱損耗抑制成最低限度，而可實現 防止爲止能確保充分的制動力的電車輛的控制裝置。 又，在以電車輛的控制裝置中，特別是藉由減低 PWM反相控制的動作頻率（反相頻率）通過零點之際的 載波頻率，能抑制因應於交換元件的導通/斷開的動作次 數所增加的元件的變換損耗，並可將熱損耗抑制成最低限 -14- (11) 1261034 度，而可實現停止爲止能確保充分的制動力的電車輛的控 制裝置。 【圖式簡單說明】 第1圖是表示本發明的電車輛的控制裝置的一實施形 態的方塊圖。 第2圖是表示本發明的限電器的功能的方塊圖。 第3圖是表示本發明的限電器的輸出入信號的時間性 關係的波形圖。 第4圖是表示本發明的載波發生器的功能的方塊圖。 第5圖是表示本發明的載波發生器的輸出入信號的時 間性關係的波形圖。 第6圖是表示本發明的第2實施形態的方塊圖。 第7圖是表示本發明的第3實施形態的方塊圖。 (記號說明） 1 :駕駛台 2 :電流指令演算器 3 :速度演算器 4 :限流器 5 :向量控制演算器 7 :載波發生器 8 : PWM信號演算器 9 : PWM反相器 1261034 (12) 1 0 :直流電源 1 1 :濾波電容器 1 2 :感應電動機 1 3 :速度檢測器 ’ 1 4 :限流器 . 1 5 :限流値表 16 :選擇器 1 7 :載波頻率（A )設定部 18:載波頻率（B)設定部 · 1 9 :反相頻率檢測部 2 0 :邏輯積電路 21 :選擇器 - 22 載波發生部

Claims (1)

1261034 (1) 拾、申請專利範圍 1 · 一種電車輛的控制裝置，屬於具備：驅動電動機的 電力變換器，及檢測上述電動機的轉速的檢測手段，及上 述電動機的轉速下降至所定値的時候，控制成以所定變化 率減少上述電動機的轉矩的上述電力變換器的控制手段， 其特徵爲具有·· 當上述電動機的轉速在減低中達到所定速度以下的領 域時’上述電動機的轉矩是控制成比上述電動機的轉速達 到所定値的時候的轉矩指令値更小的控制手段，及生成控 制構成上述電力變換器的交換元件之際的PWM信號的載 波頻率’是控制成比上述電動機的轉速達到所定値的時候 的載波頻率更小的控制手段。 2 · —種電車輛的控制裝置，屬於具備：驅動電動機的 電力變換器’及檢測上述電動機的轉速的檢測手段，及上 述電動機的轉速下降至所定値的時候，控制成以所定變化 率減少上述電動機的轉矩的上述電力變換器的控制手段， 其特徵爲具有： 當上述電動機的轉速在減低中達到所定速度以下的領 域時’上述電動機的轉矩是控制成比上述電動機的轉速達 到所定値的時候的轉矩指令値更小的控制手段。 3 · —種電車輛的控制裝置，屬於具備：驅動電動機 的電力變換器，及檢測上述電動機的轉速的檢測手段，及 上述電動機的轉速下降至所定値的時候，控制成以所定變 化率減少上述電動機的轉矩的上述電力變換器的控制手段 -17- 1261034 (2) ，其特徵爲具有： 當上述電動機的轉速在減低中達到所定速度以下的領 域時，生成控制構成上述電力變換器的半導體元件之際的 PWM信號的載波頻率，是控制成比電動機的轉速達到所 定値的時候的載波頻率更小的控制手段。

-18-