CN102668368B - 电动车辆的功率转换装置 - Google Patents

Abstract

本发明具备驱动感应电机（1）的功率转换器（2）和控制功率转换器（2）的控制部（5），控制部（5）具有驱动停止部（10），该驱动停止部具备：次级电阻温度检测部（30），基于感应电机（1）检测到的电流（d轴电流检测值（Id）和q轴电流检测值（Iq）或d轴电流指令（Id*）和q轴电流指令（Iq*））、根据电流而计算得到的逆变器角频率（ωinv）以及由外部速度检测部（14）检测到的电动车辆的速度信息（ωtrain），来检测感应电机（1）的次级电阻的温度上升；以及驱动停止信号输出部（31），根据电动车辆的速度信息（ωtrain）和来自次级电阻温度检测部（30）的输出（偏差），输出停止功率转换器（2）的驱动动作的驱动停止信号（Gstop）。

Description

电动车辆的功率转换装置

技术领域

本发明涉及以交流电机驱动作为对象的功率转换装置，其中交流电机驱动用于铁道车辆或电动汽车等的电动车辆等，尤其涉及探测电动机的转子的异常的温度上升而停止功率转换器的动作以防止电动机的故障的技术。

背景技术

在电车用电动机的情况下，为了抑制电动机的转子的发热，安上冷却用的鼓风机。因此，在鼓风机的吸入口发生堵塞的情况下，由于冷却不足，因而有时候电动机的转子温度上升，引起转子的绝缘破坏，电动机发生故障。因此，有必要通过探测由于鼓风机的吸入口堵塞等而产生的电动机的定子或转子的异常的温度上升，停止逆变器的动作，从而将电动机的故障防止于未然。

作为现有的技术，在例如下述专利文献1中，公开了根据电动机的转差率和电流来计算感应电动机的转子（rotor，转子）的温度的方法。

专利文献1：日本特开2006－280142号公报（权利要求1、【0016】、图1）。

发明内容

发明要解决的课题

然而，在上述专利文献1所示的感应电动机的转子的温度的计算方法中，在感应电机安装有速度传感器为前提，即采用带有速度传感器的控制的功率转换装置。因此，如果没有速度传感器，则存在不能正确地推测转子侧的次级电阻值、也不能计算转子侧的温度的课题。

本发明是鉴于上述而做出的，其目的在于，得到能够在感应电机的无速度传感器控制中检测感应电机的异常的温度上升的电动车辆的功率转换装置。

用于解决课题的方案

为了解决上述的课题、达成目的，本发明具备驱动感应电机的功率转换器和控制所述功率转换器的控制部，所述控制部具有驱动停止部，该驱动停止部具备：次级电阻温度检测部，基于所述感应电机检测到的电流、根据所述电流而计算得到的感应电机的速度信息以及由外部速度信息检测部检测到的电动车辆的速度信息，来检测所述感应电机的次级电阻的温度上升；以及驱动停止信号输出部，根据所述电动车辆的速度信息和来自所述次级电阻温度检测部的输出，来输出停止所述功率转换器的驱动动作的驱动停止信号。

发明的效果

依据本发明，起到能够在感应电机的无速度传感器控制中检测感应电机的异常的温度上升的效果。

附图说明

图1是示出本发明的实施方式1所涉及的功率转换装置的构成图。

图2是示出本发明的实施方式1所涉及的驱动停止部的构成图。

图3是说明本发明的实施方式1所涉及的次级电阻温度上升异常探测的原理的图。

图4是示出本发明的实施方式2所涉及的功率转换装置的构成图。

图5是示出本发明的实施方式2所涉及的驱动停止部的构成图。

附图标记说明

1 感应电机；2 功率转换器；3a、3b、3c 电流检测器；4电流指令计算部；5 控制部；6 PWM控制部；7积分部；8 电压指令计算部；9 dq/uvw相变换部；10、25 驱动停止部；11 运转指令部；12 导电弓部；13 车轮；14外部速度检测部；15、20减法器；16、18乘法器；17除法器；19 外部速度检测部的异常探测部；21、24、28 比较器；22逻辑与（AND）部；23 延时元件（10秒）；26、27 基准转差率角频率计算部；30 次级电阻温度检测器；31 驱动停止信号输出部；fov 异常探测值；Gstop 驱动停止信号；Id d轴电流检测值；Id* d轴电流指令；Iq q轴电流检测值；Iq* q轴电流指令；Iu、Iv、Iw 相电流；Lr 电动机的次级电感；Rr 电动机的次级电阻值；Vd* d轴电压指令；Vq* q轴电压指令；θ 相位；τ* 转矩指令；ω 电动机角频率；ωinv 逆变器角频率；ωtrain 电车的速度信息。

具体实施方式

以下，基于附图，详细地说明本发明所涉及的电动车辆的功率转换装置的实施方式。此外，本发明并不被本实施方式所限定。

实施方式1.

图1是示出本发明的实施方式1所涉及的功率转换装置的构成图，图2是示出本发明的实施方式1所涉及的驱动停止部的构成图。在图1中，本实施方式所涉及的电动车辆的功率转换装置，作为主要的构成，具有驱动感应电机1的功率转换器2、电流检测器3a、3b、3c以及控制部5而构成。另外，在图1中，示出感应电机1、外部速度检测部14、与功率转换器2的直流的正（+）侧连接的导电弓12以及与功率转换器2的直流的负（-）侧连接的车轮13。

为了检测电动车辆的速度，在车轮13连接有外部速度检测部14，为了由驾驶台的速度计显示速度显示器的速度，系统地配备该外部速度检测部14。电流检测器3a、3b、3c检测在感应电机1产生的相电流Iu、Iv、Iw。图1记载了作为交流侧的电流检测器3而由CT等检测流动于将功率转换器2与感应电机1连接的接线的电流的方法，但也可以使用其他众所周知的方法，使用母线电流等流动于功率转换器2内部的电流来检测相电流。此外，由于Iu+Iv+Iw=0的关系成立，因而还能够根据u、v这2个相分量的检测电流而求出w相的电流，因此，也可以省略w的电流检测部3c。当然，不用说，也可以根据u、w这2个相分量的检测电流而求出v相的电流。

接着，说明控制部5的构成。控制部5，作为主要的构成，具备dq/uvw相变换部9、电压指令计算部8、电流指令计算部4、运转指令部11、PWM控制部6、积分部7以及驱动停止部10而构成。

此外，如众所周知，dq/uvw相变换部9在将三相电流向旋转正交二轴进行坐标变换时需要控制坐标轴。如果该控制坐标轴的相位为θ，则该相位θ是由积分部7对电动机速度ω进行积分而得到的值。dq/uvw相变换部9将从电流检测器3得到的相电流Iu、Iv、Iw坐标变换成相位θ的旋转正交二轴（d-q轴）（以下，称为“旋转二轴坐标”）上的d轴电流检测值Id、q轴电流检测值Iq。经坐标变换的d轴电流检测值Id、q轴电流检测值Iq输入至电压指令计算部8。

外部速度检测部14检测电动车辆的速度，所检测到的电动车辆的速度输入至运转指令部11。运转指令部11进行单位变换，从而将所输入的电动车辆的速度输入至驱动停止部10。例如，如果所检测到的电动车辆的速度的单位是[km/h]，则在运转指令部11乘以系数而变换成ωtrain[rad/sec]，作为电车的速度信息ωtrain而输入至驱动停止部10。

另外，运转指令部11将转矩指令τ*输出至电流指令计算部4，如（1）式所示，电流指令计算部4使用来自运转指令部11的转矩指令τ*、能够根据感应电机1的电动机常数（motor constant）和特性而决定的次级磁通量指令φ*以及电动机常数（电动机的互感M、电动机的次级电感Lr以及极对数P），来计算q轴电流指令Iq*。

[数式1]

   …（1）

另外，如（2）式所示，电流指令计算部4根据次级磁通量指令和作为电动机常数的电动机的互感M来计算d轴电流指令Id*。

[数式2]

   …（2）

由电流指令计算部4计算出的q轴电流指令Iq*、d轴电流指令Id*输入至电压指令计算部8。

以下，使用（3）式~（11）式来说明由电压指令计算部8进行的计算。首先，电压指令计算部8使用q轴电流指令Iq*、d轴电流指令Id*以及感应电机1的电动机常数（电动机的次级电感Lr和电动机的次级电阻值Rr），通过（3）式计算转差率角频率指令ωs*。

[数式3]

   …（3）

电压指令计算部8基于逆变器角频率ωinv、d轴电流检测值Id、q轴电流检测值Iq、d轴电流指令Id*、电流指令Iq*等输入以及由电压指令计算部8的内部的图中未显示的计算部算出的d轴电压指令Vd*、q轴电压指令Vq*、初级d轴磁通量推测值pds、初级q轴磁通量推测值pqs、次级d轴磁通量推测值pdr、次级q轴磁通量推测值pqr、电动机角频率ω，通过（4）式而计算各磁通量推测值的微分值dpds、dpqs、dpdr、dpqr。

[数式4]

，，，   …（4）

电压指令计算部8对（4）式的各磁通量推测值的微分值dpds、dpqs、dpdr、dpqr进行积分，通过（5）式计算各磁通量推测值pds、pqs、pdr、pqr。

[数式5]

   …（5）

电压指令计算部8基于各磁通量推测值pds、pqs、pdr、pqr，通过（6）式计算d轴电流推测值ids和q轴电流推测值iqs。

[数式6]

   …（6）

电压指令计算部8根据dq轴的电流推测值ids、iqs以及dq轴的电流检测值id、iq，通过（7）式计算d轴电流误差向量eid和q轴电流误差向量eiq。

[数式7]

   …（7）

电压指令计算部8以dq轴的电流误差向量eid、eiq以及次级d轴磁通量推测值pdr、次级q轴磁通量推测值pqr作为输入，通过（8）式计算转子旋转加减速计算值aω。只是，kap是转子旋转加减速计算比例增益，Tapi是转子旋转加减速积分时间常数，s是拉普拉斯算子。

[数式8]

   …（8）

电压指令计算部8对通过该（8）式而计算出的转子旋转加减速计算值aω进行积分，通过（9）式而计算电动机角频率ω。

[数式9]

   …（9）

电压指令计算部8根据（3）式的转差率角频率指令ωs*和（9）式的电动机角频率ω，通过（10）式而计算相当于功率转换器2输出的电压指令的频率的逆变器角频率ωinv。

[数式10]

   …（10）

电压指令计算部8基于逆变器角频率ωinv、q轴电流指令Iq*以及d轴电流指令Id*，通过（11）式计算旋转二轴上的d轴电压指令Vd*和q轴电压指令Vq*。

[数式11]

   …（11）

电压指令计算部8将通过（11）式而计算出的dq轴电压指令Vd*、Vq*输出至PWM控制部6，并且，将通过（10）式而计算出的逆变器角频率ωinv输出至积分部7。

如所公知的，积分部7在将三相电压或三相电流向旋转正交二轴进行坐标变换时需要控制坐标轴，而基于任意的角频率ωinv来计算作为旋转二轴坐标的控制坐标轴的相位θ。如（12）式所示，通过对逆变器角频率ωinv进行积分而得到该相位θ。

[数式12]

   …（12）

PWM控制部6使用从（5）得到的d轴电压指令Vd*和q轴电压指令Vq*以及从（6）式得到的相位θ，来计算三相电压指令Vu*、Vv*、Vw*（参照（8）式），但由于电压指令的电压相位θv比相位θ超前一些，因而根据以下的（13）式而算出。

[数式13]

   …（13）

PWM控制部6基于通过（13）式而得到的电压相位θv、d轴电压指令Vd*以及q轴电压指令Vq*，通过（14）式算出三相电压指令Vu*、Vv*、Vw*。

[数式14]

   …（14）

PWM控制部6计算基于三相电压指令Vu*、Vv*、Vw*的门信号而输出至功率转换器2，从而功率转换器2能够进行脉冲宽度控制。结果，功率转换器2根据转矩指令τ*来控制感应电机1。

接着，对作为本发明的最重要的构成要素的驱动停止部10进行叙述。在图2中，驱动停止部10以逆变器角频率ωinv、q轴电流指令Iq*、d轴电流指令Id*、电车的速度信息ωtrain作为输入，探测感应电机1的次级电阻的温度上升，在异常的情况下，输出驱动停止信号Gstop，从而停止功率转换器2的驱动动作。图2所示的驱动停止部10，作为主要的构成，具有次级电阻温度检测器30和驱动停止信号输出部31而构成。次级电阻温度检测器30具有基准转差率角频率计算部26、减法器15以及比较器24，驱动停止信号输出部31具有延时元件（10 sec（秒））23、逻辑与部22以及外部速度检测部的异常探测部（以下简称为“探测部”）19而构成。

此外，在本实施方式中，将d轴电流指令Id*、q轴电流指令Iq*用于驱动停止部10的计算，但不用说，也可以使用d轴电流检测值Id、q轴电流检测值Iq。

在基准转差率角频率计算部26中，乘法器16将d轴电流指令Id*乘以电动机的次级电感值Lr。除法器17将q轴电流指令Iq*除以该相乘而得到的值。乘法器18将该相除而得到的值乘以电动机的115度换算的次级电阻值Rr_115来计算基准转差率角频率。

减法器15从逆变器角频率ωinv减去该基准转差率角频率。由此，可计算电动机角频率ω，减法器20从该ω减去电车的速度信息ωtrain。

比较器24比较该相减而得到的值（偏差=电动机角频率ω-电车的速度信息ωtrain）和异常探测值fov（=2×π×2Hz），在偏差比异常探测值fov更大时，探测到感应电机1的次级电阻的温度异常地上升，输出1。此外，由于由感应电机1的电动机常数或构造、材料的绝缘的种类来决定感应电机的温度界限值，因而有必要将由比较器24比较的异常探测值fov（=2×π×2Hz）设定为能够在成为该温度界限值之前探测到异常的值。

图3是说明本发明的实施方式1所涉及的次级电阻温度上升异常探测的原理的图。以下，使用图3来说明本发明的实施方式所涉及的异常探测的原理。

如图3所示，在正常时，电动机角频率ω和电车的速度信息ωtrain成为大概相同的值。可是，如果感应电机1的次级电阻的温度上升，次级电阻的值变大，则由于成为电动机角频率ω包括次级电阻上升部分，因而成为与电车的速度信息ωtrain相比相当大的值。利用该情况，本发明探测感应电机1的次级电阻的温度异常上升。

在图2中，比较器24的输出值输入至延时元件（10秒）23，延时元件（10秒）23在比较器24的输出值1持续10秒以上时输出1。将比较器24的输出值通过延时元件（10秒）23的理由是，因为电动机角频率ω在空转或滑行时大幅变化，有时候比电车的速度信息ωtrain更大。例如，感应电机的温度上升是10秒以上的时间常数，空转或滑行等的速度变化是1~2秒左右的急剧的变化。利用这2个现象的时间常数的不同，通过设置延时元件（10秒）23，由此，具有能够防止将空转时等的电动机角频率ω的变化误探测为温度上升的效果。

为了防止在检测电车的速度信息ωtrain的外部速度检测部14发生故障时误探测为温度上升，设有探测部19。如果电车的速度信息ωtrain超过2×π×30Hz，则探测部19的比较器21输出1。由此，能够探测温度异常上升。

逻辑与部22将来自探测部19的值和延时元件（10秒）23的输出值取入，在探测部19的输出值是1且延时元件（10秒）23的输出值为1时，输出停止功率转换器2的动作的驱动停止信号Gstop。功率转换器2接收该驱动停止信号Gstop而停止驱动动作。此外，在来自探测部19的值是1且来自延时元件23的值为0的情况下，由于即使外部速度检测部14发生故障，感应电机1的次级电阻的值也较小，因而不从逻辑与部22输出驱动停止信号Gstop。

如以上所说明的，因为本实施方式所涉及的电动车辆的功率转换装置具备驱动停止部10，该驱动停止部10基于速度信息ωtrain、逆变器角频率ωinv、q轴电流指令Iq*或q轴电流检测值Iq以及d轴电流指令Id*或d轴电流检测值Id，来检测感应电机的次级电阻的温度上升，在该次级电阻的温度超过感应电机1的温度界限值之前，停止功率转换器2的驱动动作，因而能够探测由于鼓风机的吸入口堵塞等而发生的电动机的转子（次级侧）的异常的温度上升。即，在感应电机1的无传感器控制中，即使在发生感应电机1的异常的温度上升的情况下，也能够检测该异常的温度上升。结果，能够在感应电机1的次级电阻的温度超过感应电机1的温度界限值之前停止功率转换器2的动作，防止电动机的故障，能够长期使用感应电机1。另外，由于本实施方式所涉及的电动车辆的功率转换装置具备外部速度检测部的异常探测部19，因而在电车速度信息检测部的异常时，在外部速度检测部14发生故障时，能够防止误检测为感应电机1的次级电阻的温度上升。而且，由于本实施方式所涉及的电动车辆的功率转换装置具备在比较器24的输出值1持续10秒以上时输出1的延时元件（10秒）23，因而即使在当发生空转或滑行时电动机角频率ω大幅变化而比电车的速度信息ωtrain更大的情况下，也能够防止将空转等所导致的电动机角频率ω的变化误探测为感应电机1的次级电阻的温度上升。

实施方式2

图4是示出本发明的实施方式2所涉及的电动车辆的功率转换装置的构成图，图5是示出本发明的实施方式2所涉及的驱动停止部的构成图。此外，对与前述第1实施方式相同的部分标记相同的符号并省略其说明，在此仅对不同的部分进行叙述。

在图4中，在实施方式2中，与第1实施方式相比较，驱动停止部25是不同的部分。图5所示的驱动停止部25，与第1实施方式所涉及的驱动停止部10相比较，基准转差率角频率计算部27的构成不同。其特征在于，在用于基准转差率角频率计算部27的计算的次级电阻值设为例如电动机温度界限值的240度的情况下，使用比该电动机界限值更低的值即230度换算的次级电阻值Rr_230。结果，驱动停止部25与第1实施方式所涉及的驱动停止部10相比，不需要减法器20。

更具体而言，减法器15从逆变器角频率ωinv减去来自基准转差率角频率计算部27的基准转差率角频率。由此，得到电动机角频率ω。比较器28比较电动机角频率ω和速度信息ωtrain，在电动机角频率ω比速度信息ωtrain更大时，作为探测到感应电机1的次级电阻的温度是电动机温度界限值附近，输出1。此外，上述的电动机温度界限值是一个示例，根据感应电机1的构造等而任意地设定即可。

此外，在本实施方式中，将d轴电流检测值Id、q轴电流检测值Iq用于驱动停止部25的基准转差率角频率计算部27的计算，但即使使用d轴电流指令Id*、q轴电流指令Iq*，也能够得到同样的效果。

如以上所说明的，本实施方式所涉及的电动车辆的功率转换装置基于速度信息ωtrain、逆变器角频率ωinv、q轴电流指令Iq*或q轴电流检测值Iq、d轴电流指令Id*或d轴电流检测值Id以及设定为比电动机温度界限值更低的值的次级电阻值Rr，来检测感应电机的次级电阻的温度上升，因而与实施方式1同样地，在感应电机1的无传感器控制中，能够探测由于鼓风机的吸入口堵塞等而发生的电动机的转子（次级侧）的异常的温度上升，在感应电机1的次级电阻的温度超过感应电机1的温度界限值之前，停止功率转换器2的驱动动作，防止电动机的故障。另外，与实施方式1相比，能够减少软件的计算量。

此外，在实施方式1、2中，使用电车的速度信息ωtrain，但不限定于此，不用说，也可以使用从搭载于电车以外的电动车辆的速度检测装置得到的速度信息。另外，在实施方式1、2中，作为一个示例，作为电动机的次级电阻值Rr使用115度换算的值或230度换算的值，作为异常探测值fov使用2×π×2Hz，作为比较器21的值使用30Hz×2π，但不限定于这些值。

产业上的可利用性

如以上那样，本发明能够适用于铁道车辆或电动汽车等的电动车辆等功率转换装置，尤其是，作为能够通过探测电动机的转子的异常的温度上升并停止功率转换器的动作而防止电动机的故障的发明而有用。

Claims (3)

1.一种电动车辆的功率转换装置，其特征在于，

具备：

功率转换器，驱动感应电机；以及

控制部，控制所述功率转换器，

所述控制部具有驱动停止部，该驱动停止部具备：

次级电阻温度检测部，基于根据所述感应电机检测到的电流和所述感应电机的电动机常数而计算得到的所述感应电机的转差率角频率、根据所述电流而计算得到的感应电机的速度信息、以及由外部速度信息检测部检测到的电动车辆的速度信息，来检测所述感应电机的次级电阻的温度上升；以及

驱动停止信号输出部，具有根据来自所述次级电阻温度检测部的输出来检测所述次级电阻的温度上升持续既定延时以上的延时元件，并根据来自所述延时元件的输出和所述电动车辆的速度信息，来输出停止所述功率转换器的驱动动作的驱动停止信号，

所述感应电机的速度信息是相当于所述功率转换器输出的电压指令的频率的逆变器角频率。

2.如权利要求1所述的电动车辆的功率转换装置，其特征在于，

所述驱动停止信号输出部，

具备在所述电动车辆的速度信息为既定的值以上的情况下视作所述外部速度信息检测部的故障的异常探测部，

根据来自所述延时元件的输出和来自所述异常探测部的输出，来输出所述驱动停止信号。

3.如权利要求1所述的电动车辆的功率转换装置，其特征在于，

所述驱动停止信号输出部，在所述次级电阻的温度持续既定延时以上的情况下，输出所述停止信号。