專利名稱：可變速交流電動機的控制裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及驅(qū)動交流電動機的控制裝置，例如用于鐵路車輛或電動汽車等的電氣車輛。

背景技術(shù)：
以往，作為一種能高效地利用從交流電動機向逆變器回輸?shù)脑偕芰康姆椒?，曾提出以下的方案，即在全部再生能量中，將電源中不能變換的再生能量累積于其它電源，在動力運行時從該其它電源供電的電流分流控制裝置的方案(例如，專利文獻1)。
日本專利文獻1特開2002-291103號公報(第7頁、圖1) 但是，在現(xiàn)有的電流分流控制裝置中，在連接逆變器的交流電動機上，雖然流過將從逆變器和主逆變器的交流電流相加后的電流，但交流電動機所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩受到交流電動機自身的電流上限值的限制。
因此，尤其在高速區(qū)域制動時，交流電動機轉(zhuǎn)矩一增大，就受到交流電動機自身電流上限值的限制，存在的問題是電動機的減速性能不理想，在包括高速區(qū)域在內(nèi)的全部運轉(zhuǎn)區(qū)域中，為了確保一定的減速性能，存在的問題是，不得不用機械制動等手段以彌補上述之不足。
本發(fā)明為解決上述問題而提出，其目的在于提供一種通過增加給與交流電動機的電壓，從而能實現(xiàn)改善高速區(qū)域的加速及減速性能的可變速交流電動機的控制裝置。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的可變速交流電動機的控制裝置，包括 具有能量累積元件的兩個以上的直流電源； 將由所述兩個以上的直流電源分別供給的直流電壓變換成交流電壓的兩個以上的逆變器；以及 將來自所述兩個以上的逆變器的輸出電壓相加的電壓加法器。
根據(jù)本發(fā)明，能不依賴于機械制動器等輔助手段，而改善高速區(qū)域的加速及減速性能。



圖1為表示本發(fā)明實施方式1的可變速交流電動機的控制裝置構(gòu)成用的圖。
圖2為表示本發(fā)明實施方式1的可變速交流電動機的控制裝置的再生制動時的動作的動作圖。
圖3為表示本發(fā)明實施方式2的可變速交流電動機的控制裝置構(gòu)成用的圖。
圖4為表示本發(fā)明實施方式3的可變速交流電動機的控制裝置構(gòu)成用的圖。
標號說明 1外部電源、1a架空線、1b集電器、1c濾波電容器、1d地電位、2能量累積元件、3電池逆變器、4電源逆變器、5電壓加法器、6交流電動機、7a～7c單相逆變器、8a～8c單相逆變器用能量累積元件、9a、9b切換開關、10濾波電容器
具體實施例方式 以下，參照附圖對本發(fā)明的實施方式進行說明。
圖1為表示本發(fā)明實施方式1的可變速交流電動機的控制裝置構(gòu)成用的圖。表示用于鐵路車輛的一種形態(tài)。在圖1中，外部電源1從架空線1a通過集電器1b及濾波電容器1c與電源逆變器4連接。另外，1d表示地電位。
2為二次電池或電偶極子層電容器等能量累積元件，與電池逆變器3連接。電池逆變器3和電源逆變器4是從直流電變換成交流電、或從交流電變換成直流電用的功率轉(zhuǎn)換器，例如可采用PWM(脈寬調(diào)制)控制方式的功率轉(zhuǎn)換器。
電池逆變器3和電源逆變器4連接電壓加法器5，電壓加法器5再與交流電動機6連接。還有，電壓加法器5例如可用變壓器，在電池逆變器3和電源逆變器4相加的情況下，可以采用分別為U相、V相、W相的3個線圈的變壓器。
以下，說明其動作。首先，利用外部電源1向電源逆變器4供直流電。例如，在鐵路車輛上，直流電從變電所(圖中未示出)通過架空線1a由集電器1b集電后，再通過濾波電容器1c供給電源逆變器4。
然后，電池逆變器3將能量累積元件2供給的直流電變換成交流電，并輸出到電壓加法器5，設電池逆變器3的交流電壓為Vub、Vvb、Vwb，則交流電壓Vub、Vvb、Vwb可分別用式(1)～(3)表示 [數(shù)1] Vub＝Vb×sinθb…(1) [數(shù)2] [數(shù)3] 其中，Vb為電池逆變器3的交流電壓波高值、θb為電池逆變器3的相位。還有，由于電池逆變器3根據(jù)PWM控制，可在直流電壓的范圍內(nèi)決定交流電壓的大小、頻率(相位)，因此能將式(1)～(3)的Vb及θb控制成任意的值。
另一方面，電源逆變器4將輸入的直流電變換成交流電，并輸出到電壓加法器5，設電源逆變器4的交流電壓為Vus、Vvs、Vws，則交流電壓Vus、Vvs、Vws可分別用式(4)～(6)來表示。
[數(shù)4] Vus＝Vs×sinθs…(4) [數(shù)5] [數(shù)6] 其中，Vs為電源逆變器4的交流電壓波高值、θs為電源逆變器4的相位。還有，由于電池逆變器4也根據(jù)PWM控制，可在直流電壓的范圍內(nèi)決定交流電壓的大小、頻率(相位)，因此能將式(4)～(6)的Vs及θs控制成任意的值。
電壓加法器5將自電池逆變器3和電源逆變器4輸入的交流電壓相加，即，設電壓加法器5的輸出為Vuo、Vvo、Vwo，則Vuo、Vvo、Vwo可分別用式(7)～(9)來表示。
[數(shù)7] Vuo＝Vub+Vus＝Vu×sinθb+Vs×sinθs…(7) [數(shù)8] [數(shù)9] 還有，在式(7)～(9)中，變成將電池逆變器3和電源逆變器4的電壓分別相加的關系，但通過調(diào)整電池逆變器3的相位θb和電源逆變器4的相位θs，不僅電池逆變器3和電源逆變器4的電壓相加而且也能相減。
如上所述，由式(7)～(9)決定的交流電壓Vuo、Vvo、Vwo可分別外加于交流電動機6。交流電動機6根據(jù)交流電壓Vuo、Vvo、Vwo產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，由該轉(zhuǎn)矩帶動車輪(圖中未示出)旋轉(zhuǎn)，使電氣車輛加速。
另一方面，在車輛制動，也就是所謂再生制動的情況下，交流電動機作為交流發(fā)電機起作用，這時，在交流電動機6上產(chǎn)生再生能量，作為交流電供給電壓加法器5。在這種再生制動時，電壓加法器5進行與加速時同樣的動作，保持由上述式(7)～(9)決定的交流電壓的關系。
這里，說明電氣車輛在再生制動時的動作。圖2為表示電氣車輛在再生制動時交流電動機6端子間電壓VM、電流IM、以及所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和車速間的關系用的動作圖。設交流電動機轉(zhuǎn)矩最大值為TMmax、最大電流為IMmax，圖2中表示交流電動機1按照最大的轉(zhuǎn)矩和電流值動作時的情況，為了進行比較，用虛線表示現(xiàn)有的沒有電池逆變器3和電壓加法器5時的交流電動機轉(zhuǎn)矩和交流電動機電流。
在圖2中，首先區(qū)間A的區(qū)域是VVVF(變壓變頻)區(qū)域，交流電動機6端子間電壓VM和頻率(Finv)之比(VM/Finv)保持一定，同時控制交流電動機6。在該區(qū)域只要電動機轉(zhuǎn)矩TM為一定，則電動機電流IM也為一定。
接著，進入?yún)^(qū)域B的恒定輸出區(qū)域。在該區(qū)間B的恒定輸出區(qū)域中，為了保持電動機電流IM在最大值，使電動機轉(zhuǎn)矩TM與速度成反比地減少。
以往，電動機端子間電壓VM為只取決電源逆變器4的直流電壓Vc的成為最大電壓(VSmax)的區(qū)域。電源逆變器4交流電壓最大值Vsmax和電源逆變器4直流電壓Vc間的關系由下式(10)而定。
[數(shù)10] 因此，以往，區(qū)間A在電動機端子間電壓VM在到達電源逆變器4的直流電壓Vc的速度S1以前一直被限制，如圖2所示，在速度S1以后，使電動機轉(zhuǎn)矩與速度成反比減少。
但是，在本發(fā)明的實施方式中，根據(jù)電壓加法器5的動作，電動機端子間電壓VM成為電壓加法器5的輸出，即如下式(11)所示，與電源逆變器4和電池逆變器3的交流電壓值之和相同。
[數(shù)11] Vm＝Vs+Vb…(11) 因而，在到速度S1為止一直被限制的區(qū)域A，如圖2所示變成為至速度S2為止，通過增大電動機端子間電壓VM，從而能不增加電動機電流IM，而提高電動機所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩TM。
此后，以往，在區(qū)間B的恒定輸出區(qū)域至速度S3為止，而在本實施方式中為至速度S4為止，其后成為區(qū)間C的特性區(qū)域。該區(qū)間C為由交流電動機的特性而定的最大性能，使電動機轉(zhuǎn)矩TM與速度的二次方值成反比地減少。因而，在該區(qū)域中，電動機電流IM如圖2所示地減少。
本發(fā)明的實施方式中，如圖2所示，在速度S1以后的高速區(qū)域中與現(xiàn)有的相比，由于能提高交流電動機6所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，因此在電氣車輛上能提高高速區(qū)域中再生制動能力。
還有，在大于等于速度S1的區(qū)域，電動機端子間電壓VM與現(xiàn)有相比變得較大，但通常電動機作為絕緣性能有相當?shù)哪瓦^電壓量，只要耐過電壓量在允許的范圍內(nèi)即便使電動機端子間電壓增加也無問題。
如以上所述，實施方式1的可變速交流電動機的控制裝置，根據(jù)電壓加法器5的動作，通過增大電動機端子間電壓VM，能不增加電動機電流IM，而使電動機所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩TM提高。因而，在電氣車輛上能提高高速區(qū)域的再生制動能力，可不再依賴于以摩擦制動為代表的機械制動器等減速特性不佳的輔助手段。
還有，圖1中電源逆變器4及電池逆變器3分別為1臺，但也可以為兩臺以上，在這種情況下，各逆變器的交流側(cè)連接電壓加法器5。另外，在圖1中交流電動機為1臺，但也可以為兩臺以上，在這種情況下，交流電動機連接電壓加法器5。
另外，實施方式1中，對提高再生制動時的電動機轉(zhuǎn)矩作了說明，但在電氣車輛加速動力運行時也能同樣地提高高速區(qū)域的電動機轉(zhuǎn)矩。
另外，在再生制動時，在電源逆變器4上由交流電變換成的直流電通過集電裝置1b流向架空線1a側(cè)，例如在電氣車輛上可作為其它列車加速用的電力，但根據(jù)其它列車的運行狀況，在電源逆變器4上變換成直流電壓的再生電力在其它列車上不能完全消耗時，可利用在電池逆變器3和電源逆變器4上實施的PWM控制，通過分別控制交流電壓的波高值，即分別控制式(1)～(6)的Vb及Vs，能使在電池逆變器3和電源逆變器4上變換的再生電力改變，所以能不降低再生制動能力，而有效地靈活運用再生能量。
另外，在直流電能累積于能量累積元件中時，由于只用由電池逆變器3變換的交流電力驅(qū)動交流電動機，因此例如在鐵路車輛之類上，在車輛基地等不必高速行駛的場所內(nèi)，可省去電車饋電線等設備，大幅度地削減設備費用，因此有較明顯的經(jīng)濟效果。
再有，由于利用電池逆變器3和電源逆變器4上實施的PWM控制，通過分別控制交流電壓的波高值，即分別控制式(1)～(6)的Vb及Vs，從而能使電池逆變器3和電源逆變器4上變換的交流電壓變化，因此若擇需將電壓相位即式(1)～(6)的θb及θs的控制一并使用，則例如在電氣車輛停止時及動力運行時也能對能量累積元件進行充電。
實施方式2 圖3為表示本發(fā)明實施方式2的可變速交流電動機的控制裝置構(gòu)成用的圖。在圖3中，標注和圖1相同標號的構(gòu)成要素是和實施方式1的可變速交流電動機的控制裝置相同或相當?shù)臉?gòu)成要素。
圖3中，單相逆變器7a～7c是將來自直流電變換成單相的交流電或來自單相的交流電變換成直流電的功率轉(zhuǎn)換器。另外，8a～8c是能量累積元件，分別與單相逆變器7a～7c連接。
在實施方式1中，作為電壓加法器5例如采用變壓器等，通常在變壓器中采用鐵芯，由于鐵芯具有頻率特性，尤其是在頻率低的區(qū)域或取決于電動機端子間電壓的大小(Vm)和頻率(Finv)之比(Vm/Finv)的磁通大于變壓器的額定磁通時具有飽和的特性。因此，在電氣車輛上，在性能設定方面由于電動機電流的限制等原因，在不得不將電動機端子間電壓的大小(Vm)和頻率(Finv)之比(Vm/Finv)設定得較大的情況下，或者例如為了在停止以前一直使電氣制動發(fā)生作用，在跨越頻率零點控制交流電動機的情況下，由于上述變壓器飽和特性的影響，用電壓加法器5會不能正確地對交流電壓進行相加或相減。
因而，為了避免產(chǎn)生上述問題，實施方式2中如圖3所示，在電壓加法器5和交流電動機6之間分別設置單相逆變器7a～7c及能量累積元件8a～8c，通過將各個單相逆變器7a～7c的交流電壓與由電壓加法器5進行運算的式(7)～(9)的電壓Vuo、Vvo、Vwo相加，從而增加外加于交流電動機6的電壓。
以下說明其動作。設單相逆變器7a～7c的交流電壓分別為Vut、Vvt、Vwt、單相逆變器交流電壓波高值為Vt、單相逆變器7a～7c的相位為θt，則交流電壓Vut、Vvt、Vwt可用下式(12)～(14)表示。還有，單相逆變器7a～7c和電池逆變器3一樣可利用PWM控制在直流電壓范圍內(nèi)決定交流電壓的大小和頻率(相位)，所以能將式(12)～(14)的Vt和θt能控制在任意的值。
[數(shù)12] Vut＝Vt×sinθt…(12) [數(shù)13] [數(shù)14] 這里，取決于式(12)～(14)的單相逆變器7a～7c的交流電壓為與分別用電壓加法器5運算的以式(7)～(9)表示的交流電壓相同的頻率。
因而，當將輸出由式(12)～(14)定的交流電壓的單相逆變器7a～7c設置于電壓加法器5和交流電動機6之間時，供給交流電動機6的交流電壓分別為Vuo2、Vvo2、Vwo2可用式(15)～(17)表示。
[數(shù)15] Vuo2＝Vuo+Vut＝Vuo+Vt×sinθt…(15) [數(shù)16] [數(shù)17] 如上所述，通過將單相逆變器7a～7c及能量累積元件8a～8c設置于電壓加法器5和交流電動機6之間，能增加供給交流電動機6的交流電壓，因此與實施方式1一樣，尤其是在電氣車輛等上能提高高速區(qū)域的再生制動能力。
在不得不將電動機6的端子間電壓的大小(Vm)和頻率(Finv)之比(Vm/Finv)設定得較大的情況下，或者例如為了在停止以前一直使電氣制動發(fā)生作用，在跨越頻率零點控制交流電動機的情況下，通過使電壓加法器5停止，只讓單相逆變器7a～7c動作，從而能避免在采用變壓器等作為電壓加法器5時產(chǎn)生的飽和的影響。
還有，圖3中的構(gòu)成為同時使用電壓加法器5和單相逆變器7a～7c，但在只使單相逆變器7a～7c動作的情況下也能取得與實施方式1同樣的效果，因此也可為省略電壓加法器5和電池逆變器3的構(gòu)成。
再有，由于通過調(diào)整單相逆變器7a～7c的相位θt，從而能與交流電動機6的動作狀態(tài)無關，控制與單相逆變器7a～7c連接的能量累積元件8a～8c的充放電，因此也能用于制止電車饋電線電壓變化、減輕現(xiàn)有方式列車的再生失效、均衡變電所電流。
實施方式3 實施方式3的可變速交流電動機的控制裝置的構(gòu)成為在實施方式1的可變速交流電動機的控制裝置上，附加能將電池逆變器3的直流電源切換到能量累積元件2和外部電源1中任一個的開關9a及9b。
圖4為表示本發(fā)明實施方式3的可變速交流電動機的控制裝置構(gòu)成用的圖。在圖4中，9a及9b為將電池逆變器3的直流電壓切向能量累積元件2和外部電源1中任一個的開關，10為濾波電容器。圖4中標注著與圖1相同的標號的構(gòu)成要素為與實施方式1的可變速交流電動機的控制裝置相同或相當?shù)臉?gòu)成要素。
在圖4中，在能量累積元件2充分地累積能量的情況下，將開關9a及9b設定在A側(cè)，用能量累積元件2作為電池逆變器3的電源。
另一方面，在能量累積元件2故障時或能量累積元件2中累積的能量少時，通過將開關9a及9b設定在B側(cè)，從而自外部電源1供電。
如以上所述，通過根據(jù)能量累積元件2的狀態(tài)設定開關9a及9b，從而能與能量累積元件2的狀態(tài)無關，使電池逆變器3與電源逆變器4同樣地動作。
權(quán)利要求
1.一種可變速交流電動機的控制裝置，其特征在于，包括
具有能量累積元件的兩個以上的直流電源；
將由所述兩個以上的直流電源分別供給的直流電壓變換成交流電壓的兩個以上的逆變器；以及
將來自所述兩個以上的逆變器的輸出電壓相加的電壓加法器。
2.一種可變速交流電動機的控制裝置，其特征在于，包括
將直流電源供給的直流電壓變換成交流電壓的第1逆變器；以及
在將能量累積元件供給的直流電壓變換成交流電壓后，與所述第1逆變器的輸出電壓相加的第2逆變器。
3.一種可變速交流電動機的控制裝置，其特征在于，包括
具有能量累積元件的兩個以上的直流電源；
將來自所述兩個以上的直流電源分別供給的直流電壓變換成交流電壓的兩個以上的第1逆變器；
與來自所述兩個以上的第1逆變器的輸出電壓相加的電壓加法器；以及
在將能量累積元件供給的直流電壓變換成交流電壓后，與來自所述電壓加法器的輸出電壓相加的第2逆變器。
4.如權(quán)利要求1所述的可變速交流電動機的控制裝置，其特征在于，包括
作為直流電源，能切換具有能量累積元件的兩個以上的直流電源的單元。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種能提高交流電動機所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的控制裝置。在依據(jù)具有能量累積元件的兩個以上的電源并用逆變器驅(qū)動交流電動機的控制裝置中，包括從外部供給直流電并變換成交流電的第1逆變器；累積直流電的電源；將所述電源供給的直流電變換成交流電的第2逆變器；以及將所述第1及第2逆變器輸出一側(cè)的交流電壓相加的加法器。
文檔編號H02P27/06GK101111990SQ20058004735
公開日2008年1月23日 申請日期2005年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月26日
發(fā)明者根來秀人, 曾根悟 申請人:三菱電機株式會社