CN103782505B - 电动机的过热保护装置 - Google Patents

Abstract

本发明的电动机的过热保护装置可适用于使用一台或多台逆变器装置并行地运行多台电动机的铁路车辆驱动系统，该电动机的过热保护装置包括：控制装置（14），该控制装置（14）对逆变器装置（10）的动作进行控制；以及保护装置（20），该保护装置（20）基于包含有在逆变器装置（10）对电动机（12a、12b）进行使电压与频率的比值恒定的控制时的频率信息的频率信号f_s，以及流过电动机（12a、12b）的至少一个相的电流I₁、I₂，来检测电动机（12a、12b）中可能产生的过热，与此同时，生成用于保护电动机（12a、12b）不受过热影响的过热保护信号T_f，并输出至控制装置（14）。

Description

电动机的过热保护装置

技术领域

本发明涉及电动机的过热保护装置。

背景技术

在驱动铁路车辆的系统（铁路车辆驱动系统）中，使用一台或多台逆变器装置对多台电动机（交流电动机）进行并行运行。

这里，并非是对于铁路车辆驱动系统的应用技术，在下述专利文献1所揭示的电动机并行运行系统中，为检测多台电动机的异常，持续掌握电动机间的差动电流，当该差动电流在设定值以上时，判断发生了某种异常，并产生异常信号。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开平7－194186号公报(段落“0008”、图1)

发明内容

发明所要解决的技术问题

然而，例如在将使用上述电动机间的差动电流进行异常检测的功能作为过热保护功能组装到铁路车辆驱动系统内的情况下，与铁路车辆用电动机（以下，除了需要特别区分的情况，简称为“电动机”）相连接的各车轮间的车轮直径的差异成为问题。例如，在车轮直径具有显著差异的情况下，即使以相同的转矩驱动各电动机，对车轮直径较大的车轮进行驱动的一侧的电动机中流过较大的电流，而对车轮直径较小的车轮进行驱动的一侧的电动机中流过较小的电流。因此，在确定用于判定差动电流的大小的设定值（阈值）时，不得不预先将允许的车轮直径的差异考虑在内来确定设定值，从而存在无法进行精度较高的判定的问题。

本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种电动机的过热保护装置，该过热保护装置即使在与电动机相连接的各车轮间的车轮直径存在显著差异的情况下，也几乎不会受到车轮直径的差异的影响，并能够进行精度较高的过热保护。

解决技术问题所采用的技术方案

为解决上述问题，达到目的，本发明所涉及的电动机的过热保护装置可适用于使用一台或多台逆变器装置对多台电动机进行并行运行的铁路车辆驱动系统，其特征在于，包括控制装置，该控制装置对所述逆变器装置的动作进行控制；以及保护装置，该保护装置基于在所述逆变器装置对所述电动机进行使电压与频率的比值恒定的控制时的频率信息、以及流过各所述电动机的至少一个相的电流检测值，来检测各所述电动机中产生过热的可能性，与此同时，生成用于保护所述电动机不受过热影响的过热保护信号，并输出至所述控制装置。

发明效果

根据本发明所涉及的电动机过热保护装置可获得以下效果，即：即使在与电动机相连接的各车轮间的车轮直径存在显著差异的情况下，也几乎不会受到车轮直径的差异的影响，而能够进行精度较高的过热保护。

附图说明

图1是表示包括本实施方式所涉及的电动机的过热保护装置的铁路车辆驱动系统的主要部分的结构的图。

图2是表示图1所示的保护装置的内部结构的功能框图。

图3是表示铁路车辆用电动机的加速力特性的一个示例的图。

图4是对在各车轮间的车轮直径存在显著差异的情况下可能产生的误检测进行说明的时序图。

图5是对即使在各车轮间的车轮直径存在显著差异的情况下也不会产生误检测的本实施方式所涉及的过热保护装置的动作进行说明的时序图。

图6是表示铁路车辆驱动系统中电动机侧的一个相的等效电路的电路图。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的实施方式所涉及的电动机的过热保护装置进行说明。此外、本发明并不局限于以下示出的实施方式。

<实施方式>

图1是表示包括实施方式所涉及的电动机的过热保护装置的铁路车辆驱动系统的主要部分的结构的图。如附图所示，本实施方式所涉及的铁路车辆驱动系统包括：逆变器装置10，电动机12a、12b，控制装置14，以及保护装置20。

控制装置14生成栅极驱动信号GI，并输出至逆变器装置10，该栅极驱动信号GI用于控制逆变器装置10所具备的未图示的开关元件。逆变器装置10基于从控制装置14输出的栅极驱动信号GI，对作为多台电动机的一个示例而示出的电动机12a、12b进行驱动。在连接逆变器装置10与电动机12a、12b的U、V、W相的连接导体中，至少在其中1相（附图中以U相为例来示出）上分别设有电流检测器16a、16b。在这些电流检测器16a、16b中，电流检测器16a检测出流过电动机12a的U相的电流I₁，电流检测器16b检测出流过电动机12b的U相的电流I₂。另外，电流检测器16a、16b检测出的电流I₁、I₂输入保护装置20。

来自控制装置14的频率信号f_s也被输入保护装置20。该频率信号fs是包含有逆变器装置10对电动机12a、12b进行使电压与频率的比值恒定的控制（V/f恒定控制）时的频率（逆变器频率）信息的信号。保护装置20基于所输入的电流I₁、I₂及频率信号f_s，来检测电动机12a、12b可能会发生的过热。

图2是表示图1所示的保护装置20的内部结构的功能框图。如图所示，保护装置20包括差动电流运算部22、以及作为过热保护信号生成部的比较器24，电流I₁、I₂及频率信号f_s输入差动电流运算部22。当频率信号f_s所包含的频率低于预先设定的规定值时，差动电流运算部22对电流I₁和电流I₂之间的差动电流ΔI（=|I₁-I₂|）进行运算，并输出至比较器24。当差动电流ΔI大于预先设定的规定值时，比较器24对电动机12a、12b中的任一个存在达到过热的可能性进行判定，并生成过热保护信号T_f，输出至控制装置14。接收到过热保护信号T_f的控制装置14通过停止逆变器装置10的动作等方式来对电动机12a、12b进行保护。

根据上述过热保护装置的功能，具有以下优点，即能在不设置温度传感器的情况下也能进行过热保护。对于利用温度传感器的检测信息的方法，需要按电动机的台数分别设置温度传感器，从而导致元器件个数的增加和维护成本的增加，但在本实施方式的过热保护装置中，由于不需要设置温度传感器，因此能够抑制上述成本的增加。

另外，在图2中示出了频率信号f_s输入差动电流运算部22的结构，但也可以构成为将频率信号f_s输入比较器24。在采用这种结构的情况下，差动电流运算部22始终对电流I₁和电流I₂之间的差动电流ΔI进行运算并输出。另一方面，在差动电流ΔI大于预先设定的规定值，且频率信号f_s所包含的频率低于预先设定的规定值时，比较器24对电动机12a、12b中的任一个存在有达到过热的可能性进行判定，并生成过热保护信号T_f，输出至控制装置14。关于之后的动作如上所述。

接着，对于本实施方式的过热保护装置所具有的固有效果，参照图3～图6进行说明。图3是表示铁路车辆用电动机的加速力特性的一个示例的图，图4是对在与电动机相连接的各车轮间的车轮直径存在显著差异的情况下有可能产生的误检测进行说明的时序图，图5是对即使是在各车轮间的车轮直径存在显著差异的情况下也不会产生误检测的、本实施方式所涉及的过热保护装置的动作进行说明的时序图，图6是表示铁路车辆驱动系统中电动机侧的一个相的等效电路的电路图。

在图3中，横轴表示车辆速度（等同于电动机的转速），纵轴表示电流指令（实线波形）、以及电压指令（虚线波形）。在虚线波形中，图中以较粗的虚线表示的部分是V/f恒定控制区间（固定转矩驱动区间），并进行以下控制，即根据车辆速度v（等同于频率f）来增加施加到电动机上的电压。在图示的例子中，在车辆速度v₀（频率f₀）之前进行V/f恒定控制，在车辆速度v₀之后，则进行以下控制，即将电压指令设为恒定，以2个阶段（在图示的例子中为车辆速度v₁（频率f₁））对降低电流指令的曲线进行切换。另外，在图3中，举例示出了在车辆速度v₀之后，以2个阶段对电流指令进行切换的情况，但有时也会采用在车辆速度v₁不对电流指令曲线进行切换的控制。

接着，对图4的时序图进行说明。图4是对未采用本实施方式的控制方法的情况下的误检测进行说明的时序图，横轴表示时间，纵轴从上部开始示出电流I₁、电流I₂、差动电流ΔI、以及过热保护信号T_f。另外，图4的示例是在与电动机12a相连接的车轮的车轮直径大于与电动机12b相连接的车轮的车轮直径的情况下的一个示例。

对于流过电动机的电流，在启动时，如图所示，流过大致相等的电流（I₁₀≒I₂₀）。另一方面，在启动时刻之后，与车轮直径较大的车轮相连接的电动机的电流变大。在一台逆变器装置控制多台电动机的情况下，由于从多台电动机的整体来看电流指令保持恒定，因此，如图所示，与车轮直径较大的车轮相连接的电动机12a中流过的电流I₁变大，相反地，与车轮直径较小的车轮相连接的电动机12b中流过的电流I₂变小。其结果是，差动电流ΔI变大，因而在各车轮间的车轮直径存在显著差异的情况下，该差动电流ΔI会超过过热保护的设定值th1。由此，在现有的考虑方法中，为了使所允许的车轮直径差中所设想的差动电流不会引起误检测，不得不增大过热温度保护的设定值th2（th2＞th1），从而无法进行精度较高的过热保护（过热检测）。

接着，对图5的时序图进行说明。图5是对采用了本实施方式的控制方法的情况下的动作进行说明的时序图，横轴表示时间，纵轴从上部开始示出电流I₁、电流I2、差动电流ΔI、频率信号f_s、过热保护使能信号、以及过热保护信号T_f。这里，在图5的示例中，假设以下情形，即在电动机12a的冷却用空气通风口（空气通风口）中夹有例如报纸等异物，从而导致电动机12a的温度上升直到过热保护。另外，在图4及图5中，纵轴中的电流及差动电流的大小不一定一致。

这里，本实施方式所涉及的铁路车辆驱动系统中的电动机侧的一个相的等效电路可表示为图6所示的那样。电动机12a、12b分别构成包括一次电阻31（31a、31b），一次电感32（32a、32b），二次电阻33（33a、33b），二次电感34（34a、34b），耦合电阻35（35a、35b），以及互感36（36a、36b）的电路结构。

如上所述，假设由于设想外的异物的存在而导致电动机12a的冷却机构不工作，且电动机12b被加热的状况，在此情况下，电动机12b的温度上升要高于电动机12a的温度上升。随之，电动机12b的一次电阻31b的温度上升也变得高于电动机12a的一次电阻31a的温度上升，从而一次电阻31b的电阻值变得大于一次电阻31a的电阻值。也就是说，从逆变器装置10观察电动机侧时，电动机12b的阻抗较大。除此之外，由于制作误差等原因，电动机12b的一次电感32b及二次电感34b会大于电动机12a的一次电感32a及二次电感34a，在这种情况下，阻抗的差将进一步增大。其结果是，如图5的上部所示，与流过电动机12b的电流I₂相比，流过电动机12a的电流I₁较大，差动电流ΔI向上升。

另一方面，在本实施方式的过热保护装置中，基于频率信号f_s所包含的频率信息，在内部生成过热保护使能信号。在图5的示例中，如该图的中下部所示，将频率的规定值设为f_th，在频率达到f_th之前的期间内，将过热保护使能信号设为导通。在采用图2的结构的情况下，该过热保护使能信号由差动电流运算部22来生成。差动电流运算部22在生成过热保护使能信号的状态下，对差动电流ΔI进行运算，并输出至比较器24。比较器24将所接收到的差动电流ΔI与预先设定的规定值th3进行比较，在差动电流ΔI超过规定值th3的情况下，生成过热保护信号T_f并进行输出。

另外，在采用将频率信号f_s输入比较器24的结构的情况下，过热保护使能信号由比较器24来生成。此时，在比较器24生成过热保护使能信号的状态下，将从差动电流运算部22接收到的差动电流ΔI与预先设定的规定值th3进行比较，在差动电流ΔI超过规定值th3的情况下，生成过热保护信号T_f并进行输出。

此外，在上述处理中，对差动电流运算部22或比较器24中的任一个生成过热保护使能信号进行了说明，但也不一定需要生成过热保护使能信号，只要能从内部掌握是否处于过热保护使能状态即足够。

回到图5的时序图，在夹有设想外的异物而导致电动机出现冷却机构的功能降低的现象的情况下，差动电流ΔI急剧增加。由此，在生成过热保护使能信号的期间内生成过热保护信号T_f。

另一方面，在电动机的冷却机构正常的情况下，有时与电动机相连接的各车轮间的车辆直径存在显著的差异，虽然差动电流ΔI的增加率不会增大，但随着速度的变大，差动电流ΔI也会不断增大。然而，如图5所示，在速度较大的情况下，不生成过热保护使能信号。因此，在车轮直径存在显著差异的情况下，即使在车辆速度较大的区间内差动电流ΔI变大，也不会生成过热保护信号T_f。

由此，根据本实施方式的过热保护装置，能可靠地检测出在假设电动机出现冷却机构效率降低的现象的情况下的差动电流，另一方面，由于设定了频率的规定值f_th，以使得在车轮直径存在显著差异的情况下可能产生的差动电流不被检测，并使用以此方式设定的频率的规定值f_th来生成过热保护使能信号，因此，即使在与电动机相连接的各车轮间的车轮直径存在显著差异的情况下，也几乎不会受到车轮间差异的影响，从而能够进行精度较高的过热保护。

此外，根据本实施方式的过热保护装置，能在不使用温度传感器的情况下进行过热保护，因此能够抑制元器件个数的增加和维护成本的增加。

此外，根据本实施方式的过热保护装置，能够降低因多台电动机的特性差异而导致的误检测的概率，从而能够提高装置的可靠性。

另外，在上述说明中，为进行简洁的说明，以一台逆变器装置控制两台电动机的情况为例进行了说明，但并不限于这种结构。例如，也可适用于一台逆变器装置控制N台（N为3以上的整数）电动机的结构。

具体而言，例如在一台逆变器装置控制三台电动机的结构的情况下，在电流检测器的输出I₁、I₂、I₃中，例如对输出I₁、I₂的差动电流ΔI₁=|I₁-I₂|，输出I₂、I₃的差动电流ΔI₂=|I₂-I₃|（或者，输出I₁、I₃的差动电流ΔI₂=|I₁-I₃|）进行运算，在这些差动电流ΔI₁、ΔI₂中的至少一个超过规定值的情况下，判定为由三台电动机构成的电动机组有可能发生过热，从而生成过热保护信号，并输出至控制装置14即可。

此外，例如在一台逆变器装置控制四台电动机的结构的情况下，在电流检测器的输出I₁、I₂、I₃、I₄中，例如对输出I₁、I₂的差动电流ΔI₁=|I₁-I₂|，输出I₂、I₃的差动电流ΔI₂=|I₂-I₃|，输出I₃、I₄的差动电流ΔI₃=|I₃-I₄|（或者，输出I₁、I₃的差动电流ΔI₂=|I₁-I₃|，输出I₁、I₄的差动电流ΔI₃=|I₁-I₄|）进行运算，在这些差动电流ΔI₁～ΔI₃中的至少一个超过规定值的情况下，判定为由四台电动机构成的电动机组有可能发生过热，从而生成过热保护信号，并输出至控制装置14即可。

即，在由一台逆变器装置控制N台（N为3以上的整数）的电动机的结构的情况下，与图1相同，分别在分叉后的连接导体中的至少一个相上设置电流检测器，对电流检测器的输出I₁、I₂、…、I_N中相邻的两个电流检测值的差动电流进行运算，并计算出N-1个，在该N-1个运算值中的至少一个超过规定值的情况下，判定为由N台电动机构成的电动机组有可能发生过热，从而生成过热保护信号，并输出至控制装置14即可。

另外，在构成为控制N台电动机的情况下，对于运算得到的N-1个差动电流，不一定需要是相邻的差动电流，只要这N-1个运算值中的任意一个包含至少一个输出I₁、I₂、…、I_N的信息即可，由此即可对所有的电动机进行过热保护。

此外，在由M台（M为2以上的整数）逆变器装置控制N台电动机的结构的情况下，对每个由一台逆变器装置驱动的电动机组应用上述控制方法即可。

此外，在图1的机构中，采用保护装置20独立于控制装置14的结构，但也可以构成为将保护装置20的功能内置于控制装置14内部。通过采用这种结构，能够力图实现控制车辆用电动机的控制装置的空间节省。

工业上的实用性

如上所述，本发明作为铁路车辆用电动机的过热保护装置是有用的。

标号说明

10 逆变器装置

12a、12b 电动机

14 控制装置

16a、16b 电流检测器

20 保护装置

22 差动电流运算部

24 比较器

31（31a、31b） 一次电阻

32（32a、32b） 一次电感

33（33a、33b） 二次电阻

34（34a、34b） 二次电感

35（35a、35b）耦合电阻

36（36a、36b） 互感

Claims (5)

1.一种电动机的过热保护装置，适用于使用一台或多台逆变器装置并行地运行多台电动机的铁路车辆驱动系统，其特征在于，包括：

控制装置，该控制装置对所述逆变器装置的动作进行控制；以及

保护装置，该保护装置基于在所述逆变器装置对所述电动机进行使电压与频率的比值恒定的控制时的频率的信息、以及流过各所述电动机的至少一个相的电流检测值，来检测各所述电动机中产生过热的可能性，与此同时，检测电流，判定所述频率的信息是否低于第1规定值，在所述频率的信息低于第1规定值的情况下，判定流过所述多台电动机中规定的两台电动机的电流检测值的差动电流是否大于考虑车轮直径而设定的第2规定值，在所述差动电流大于所述第2规定值的情况下，生成用于保护所述电动机不受过热影响的过热保护信号，并输出至所述控制装置。

2.如权利要求1所述的电动机的过热保护装置，其特征在于，

在采用所述逆变器装置控制两台电动机的结构的情况下，所述保护装置包括：

差动电流运算部，该差动电流运算部在所述频率低于第1规定值的情况下，对流过所述两台电动机的电流检测值的差动电流进行运算；以及

过热保护信号生成部，该过热保护信号生成部在所述差动电流大于第2规定值的情况下，判定为所述两台电动机中的任意一个存在达到过热的可能性，并生成所述过热保护信号。

3.如权利要求1所述的电动机的过热保护装置，其特征在于，

在采用所述逆变器装置控制两台电动机的结构的情况下，所述保护装置包括：

差动电流运算部，该差动电流运算部对流过所述两台电动机的电流检测值的差动电流进行运算；以及

过热保护信号生成部，该过热保护信号生成部在所述差动电流大于第2规定值、且所述频率低于第1规定值的情况下，判定为所述两台电动机中的任意一个存在达到过热的可能性，并生成所述过热保护信号。

4.如权利要求1所述的电动机的过热保护装置，其特征在于，

在采用所述逆变器装置控制N台电动机的结构的情况下，其中，N为3以上的整数，所述保护装置包括：

差动电流运算部，该差动电流运算部在所述频率低于第1规定值的情况下，对包含流过所述N台电动机的各电流检测值中的至少一个的N-1个差动电流进行运算；以及

过热保护信号生成部，该过热保护信号生成部在所述N-1个差动电流中的至少一个大于第2规定值的情况下，判定为由所述N台电动机构成的电动机组中存在产生过热的可能性，并生成所述过热保护信号。

5.如权利要求1所述的电动机的过热保护装置，其特征在于，

在采用所述逆变器装置控制N台电动机的结构的情况下，其中，N为3以上的整数，所述保护装置包括：

差动电流运算部，该差动电流运算部对包含流过所述N台电动机的各电流检测值中的至少一个的N-1个差动电流进行运算；以及

过热保护信号生成部，该过热保护信号生成部在所述N-1个差动电流中的至少一个大于第2规定值、且所述频率低于第1规定值的情况下，判定为由所述N台电动机构成的电动机组中存在产生过热的可能性，并生成所述过热保护信号。