JP2007267544A - 電気車制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】インバータ回路を再起動する場合に、走行中の電気車にショックを与えて乗り心地を悪化させないようにし、また、これにより安価な構成を実現できるようにする。
【解決手段】電気車走行中に遮断器３及び開閉器４をオフにしてインバータ回路６に保護動作をかけた後、インバータ回路６を再起動させる場合、再起動時制御手段１４は、スイッチング素子ＳU１，SV１，SW１を所定時間オン状態とする。これによりスイッチング素子ＳU１，SV１，SW１及びフリーホイールダイオードFD１，FD２，FD３と同期電動機１２との間に巻線短絡電流が流れ、誘起電圧がゼロとなる。巻線短絡を止めると誘起電圧がゼロから次第に上昇するので、これに合わせてインバータ回路６の出力電圧を上昇させていけばよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両駆動用の永久磁石式同期電動機に対して交流電力を出力するインバータ回路を備えた電気車制御装置に関するものである。

近年のインバータ制御技術の発達により交流電動機の制御精度は直流電動機と殆ど変わらないレベルにまで向上したため、鉄道車両駆動用の主電動機には交流電動機が多く用いられている。そして、交流電動機としては従来から構造が簡単で安価な誘導電動機が用いられてきたが、最近では誘導電動機よりも高い効率が得られる永久磁石式同期電動機が次第に採用されつつある（例えば、特許文献１参照）。

図４は、特許文献１と同様に、主電動機として永久磁石式同期電動機を用いた従来の電気車制御装置の構成図である。この図において、架線１からの直流電力はパンタグラフ２により集電され、遮断器３、開閉器４又は充電抵抗５を経由してインバータ回路６に入力されるようになっている。

インバータ回路６の入力側にはPライン及びNラインが接続されており、Pラインからインバータ回路６に入った正側電流は、負側電流となってNラインから車輪７及びレール８に流れるようになっている。また、PラインとNラインとの間には平滑コンデンサ９が接続されている。

インバータ回路６は、ブリッジ接続された複数のスイッチング素子ＳU１，SV１，SW１，ＳU２，SV２，SW２と、これらのスイッチング素子に逆並列接続されたフリーホイールダイオードFD１〜FD６とから構成されている。スイッチング素子ＳU１，ＳU２はＵ相の正側アーム及び負側アームであり、スイッチング素子ＳＶ１，ＳＶ２はＶ相の正側アーム及び負側アームであり、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２はＷ相の正側アーム及び負側アームである。

これらのスイッチング素子のスイッチング動作はインバータ制御回路１０により制御され、これにより可変電圧可変周波数制御された交流電力がインバータ回路６から負荷開閉器１１を介して同期電動機１２に対して出力されるようになっている。そして、同期電動機１２の回転数は回転数検出器１３により検出され、その検出信号はインバータ制御回路１０に出力されるようになっている。

インバータ制御回路１０は、回転数検出器１３からの検出信号の入力に基づくスイッチング素子ＳU１，SV１，SW１，ＳU２，SV２，SW２のスイッチング制御の他に、遮断器３、開閉器４、及び負荷開閉器１１の閉成（オン）動作及び開放（オフ）動作を制御するようになっている。

なお、図４の構成は、架線１から直流電力が供給される場合のものであるが、架線１から交流電力が供給される構成の場合には、平滑コンデンサ９の前段側に整流回路又はコンバータが設けられる構成となる。

次に図４の動作につき説明する。インバータ制御回路１０は、遮断器３をオンにすると共に負荷開閉器１１をオンにするが、当初は開閉器４をオフにしている。これにより、パンタグラフ２からの直流電力は遮断器３を通った後、充電抵抗５を経由し、したがって、平滑コンデンサ９が突入電流により破壊されるのを防止できる。そして、平滑コンデンサ９の電圧が一定レベルまで上昇した時点で、インバータ制御回路１０は開閉器４をオンにする。

インバータ制御回路１０のスイッチング素子ＳU１，SV１，SW１，ＳU２，SV２，SW２に対するスイッチング制御により、インバータ回路６からは可変電圧可変周波数制御された交流電力が出力され、同期電動機１２が回転駆動される。つまり、電気車の運転が行われる。

そして、運転中にインバータ回路６に対して何らかの異常が検出されると、インバータ制御回路１０は保護動作として、遮断器３をオフにしインバータ回路６の出力を停止させると共に、負荷開閉器１１をオフにする。遮断器３ばかりでなく負荷開閉器１１もオフにするのは、インバータ回路６の出力が停止されても電気車は惰行運転状態で走行を継続しているので、同期電動機１２が発電機として動作した場合の過大な回生電流によりスイッチング素子ＳU１，SV１，SW１，ＳU２，SV２，SW２が破壊されるのを防止する必要があるからである。

その後に異常が検出されなくなると、インバータ制御回路１０はインバータ回路６を再起動させるようにするが、その場合、インバータ制御回路１０は、遮断器３をオン状態に戻すと共に、回転中の同期電動機１２が発生している誘起電圧を演算し、この演算した誘起電圧に一致するようにインバータ回路６の出力電圧を制御する。この誘起電圧の演算は、所定の電動機パラメータに基づき得られた永久磁石磁束に電動機回転数を乗算することを内容とするものである（なお、誘起電圧を演算ではなく電圧検出器により検出しようとする構成は、高電圧発生により検出器が短絡故障した場合の影響を考えると設計上採用し難い構成である。）。

そして、インバータ回路６の出力電圧が同期電動機１２の誘起電圧に一致した時点で、インバータ制御回路１０は負荷開閉器１１をオンに戻すようにする。これにより、インバータ制御回路１０のスイッチング素子ＳU１，SV１，SW１，ＳU２，SV２，SW２に対するスイッチング制御が可能となり、インバータ回路６からは再び可変電圧可変周波数制御された交流電力が出力され、同期電動機１２が回転駆動される。
特開２００５−３１２２５５号公報

上記のように、インバータ制御回路１０は、インバータ回路６を再起動する場合に、回転中の同期電動機１２が発生している誘起電圧にインバータ回路６の出力電圧を一致させてから負荷開閉器１１をオンすることとしている。しかし、この誘起電圧は演算により求めたものであり、電動機パラメータ等の誤差が存在するため、それほど高い演算精度を確保するのは困難である。そのため、実際には、誘起電圧にインバータ回路６の出力電圧が一致しない状態で負荷開閉器１１がオンされることになり、走行中の電気車にショックを与えて乗り心地を悪化させたり、甚だしい場合にはインバータ回路６に保護動作が再度かかってしまう虞があった。

また、負荷開閉器１１は、特許文献１に開示されているように、多くの部材で構成されているため高価なものとならざるを得ない。そのため、装置全体について一定レベル以上のコストダウンを阻害する一因となっていた。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、インバータ回路を再起動する場合に、走行中の電気車にショックを与えて乗り心地を悪化させることのない構成を実現し、また、これにより安価な構成を実現することも可能な電気車制御装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するための手段として、請求項１記載の発明は、各相毎に正側アーム及び負側アームを形成してブリッジ接続された複数のスイッチング素子、及びこれらスイッチング素子に逆並列接続されたフリーホイールダイオードを有し、これらスイッチング素子のスイッチング動作により可変電圧可変周波数制御された交流電力を車両駆動用の永久磁石式同期電動機に対して出力するインバータ回路と、異常検出時の保護動作として前記インバータ回路を停止させ、その後に前記インバータ回路を再起動させる場合に、前記正側アーム又は負側アームのうちの少なくともいずれかのアームのスイッチング素子を全相にわたって所定時間だけオン状態とすることにより、これらオン状態とされたスイッチング素子及び前記フリーホイールダイオードと前記同期電動機との間に巻線短絡電流を流して前記同期電動機の誘起電圧を消失させ、その後に前記インバータ回路の直流側に直流電圧を印加すると共に、前記スイッチング素子に対するスイッチング制御を開始するインバータ制御回路と、を備えたことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記インバータ制御回路は、前記正側アームのスイッチング素子及び前記負側アームのスイッチング素子を交互にオン状態にして、これらスイッチング素子の損失を分散させるものである、ことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の発明において、前記インバータ回路と前記永久磁石式同期電動機との間に、所定レベル以上の過電流が所定時間以上継続して流れた場合に溶断するヒューズ部材が介挿されている、ことを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１又は２記載の発明において、前記インバータ回路と前記永久磁石式同期電動機との間に、前記インバータ回路の保護動作時には開放動作を行い、また、前記インバータ回路の再起動時には前記巻線短絡電流が流れ始めた後に閉成動作を行う負荷開閉器が介挿されている、ことを特徴とする。

請求項５記載の発明は、直流電力を交流電力に変換し、この変換した交流電力を車両駆動用の永久磁石式同期電動機に対して出力するインバータ回路と、前記インバータ回路を制御するインバータ制御回路と、を備え、前記インバータ制御回路は、異常検出時の保護動作として前記インバータ回路を停止させ、その後に前記インバータ回路を再起動させる場合に、前記同期電動機の誘起電圧を消失させる再起動時制御手段を有する、ことを特徴とする。

本発明によれば、インバータ回路を再起動する場合に、走行中の電気車にショックを与えて乗り心地を悪化させることのない構成を実現でき、また、これによりヒューズを用いた安価な構成を実現することも可能となる。

以下、本発明の実施形態を図１に基づき説明する。但し、図４において既述した構成要素については説明を省略する。

図１が図４と異なる点は、インバータ制御回路１０とは異なり、インバータ制御回路１０Ａが再起動時制御手段１４を有している点と、負荷開閉器１１の代わりにヒューズ１５を用いている点である。

次に、再起動時制御手段１４の動作を図２のタイムチャートに基づき説明する。いま、インバータ回路６に保護動作がかかっている状態であるとし、遮断器３及び開閉器４がオフとなってインバータ回路６の出力が停止されているが、回転中の同期電動機１２には誘起電圧が発生している状態であるものとする（時刻t0）。このような状態でインバータ回路６を再起動する場合、再起動時制御手段１４は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の正側アームを構成するスイッチング素子ＳU１，SV１，SW１をオンにする（時刻t1）。

すると、例えばスイッチング素子ＳU１を通る電流は、U 相のヒューズ１５及びU相巻線を通った後、Ｖ相巻線及びＷ相巻線、Ｖ相のヒューズ１５及びＷ相のヒューズ１５、フリーホイールダイオードFD２及びフリーホイールダイオードFD３の経路を辿ってスイッチング素子ＳU１に戻る巻線短絡電流となる。スイッチング素子SV１，SW１を通る電流も同様の巻線短絡電流となる。

このような巻線短絡電流が流れると、同期電動機１２の永久磁石による磁束が消磁され、誘起電圧は次第に低下してやがてゼロとなる。つまり、電動機回転中に電動機端子間に発生する端子間電圧は、電動機の永久磁石の磁束が電動機巻線を鎖交することにより発生する誘起電圧である。そして、この端子間を短絡すると、その短絡電流は永久磁石の磁束を打ち消す方向に流れるので、永久磁石による磁束が消失することになる。

そして、誘起電圧がゼロとなった後の時刻t3の時点で再起動時制御手段１４が遮断器３をオンにすると、平滑コンデンサ９の電圧が立ち上がる。この後、再起動時制御手段１４はコンデンサ電圧が充分なレベルまで上昇した時刻t4の時点で開閉器４をオンにする。これにより、インバータ回路６の直流側に充分なレベルの電圧が印加され、インバータ回路６から可変電圧可変周波数制御された交流電力を出力する態勢が整ったことになる。

再起動時制御手段１４は、時刻t1〜t5を巻線短絡期間とし、時刻t5になった時点でスイッチング素子ＳU１，SV１，SW１をオフにして巻線短絡電流を流すのを停止する。巻線短絡電流が流れなくなったことにより、誘起電圧は時刻t5でゼロから次第に上昇し、時刻t6で定常レベルに達するが、インバータ制御回路１０Ａは時刻t5以降は通常のスイッチング制御を開始する。したがって、誘起電圧と共にインバータ回路６の出力電圧も上昇し、両電圧の間に殆ど差は生じないので、走行中の電気車にショックを与えて乗り心地を悪化させることが防止される。

ここで、ヒューズ１５を流れる巻線短絡電流はかなり大きなものであるが、時刻t1〜t5の巻線短絡期間は０．５秒〜１秒程度の短時間であり、この程度の時間ではヒューズ１５が溶断することはない。つまり、ヒューズ１５としては、所定レベル以上の過電流が所定時間以上継続して流れた場合にはじめて溶断するものが用いられている。

一方、例えばスイッチング素子ＳU１，SV１が共に短絡故障した場合は、U相及びV相間に巻線短絡電流が継続して流れ続けるために、U相及びV相のヒューズ１５が溶断する。この場合、負荷開閉器１１を用いている図４の構成に比べて、短絡故障したスイッチング素子ＳU１，SV１に加えて、溶断したヒューズ１５についても新しいものと交換する作業が必要になるが、図４の構成においてもスイッチング素子ＳU１，SV１を交換しなければならないことに変わりはないので、必要な労力に大きな差が生じるわけではない。

このように、上述した図１の実施形態では、インバータ回路６を保護動作実施後に再起動する場合、巻線短絡電流を所定時間だけ流して同期電動機１２の誘起電圧を一旦ゼロに消失させた後に、インバータ回路６の直流側に直流電圧を印加すると共に、スイッチング素子ＳU１，SV１，SW１，ＳU２，SV２，SW２に対して通常のスイッチング制御を行う構成としているので、同期電動機１２の誘起電圧とインバータ回路６の出力電圧との間に差が生じることは殆どなく、走行中の電気車にショックを与えて乗り心地を悪化させるようなことをなくすことができる。

また、図１の構成では、図４の従来装置のような高価な負荷開閉器１１の代わりに、安価なヒューズ１５を用いているので、装置全体のコストダウンの達成に大いに寄与することができる。

なお、上述した説明では、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の正側アームを構成するスイッチング素子ＳU１，SV１，SW１をオンにすることにより巻線短絡電流を流す場合につき説明したが、勿論、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の負側アームを構成するスイッチング素子ＳU２，SV２，SW２をオンにすることにより巻線短絡電流を流すようにしてもよい。

あるいは更に、時刻t1〜t5の巻線短絡期間に、正側アームのスイッチング素子ＳU１，SV１，SW１及び負側アームのスイッチング素子ＳU２，SV２，SW２を交互にオンするようにしてもよい。これによれば、正側アームのスイッチング素子のみをオンする場合、又は負側アームのスイッチング素子のみをオンする場合に比べて、スイッチング素子の損失が分散され低減されることになる。

また、上記のように、巻線短絡電流により一旦誘起電圧をゼロにした後、インバータ回路６から交流を出力する手法は、図４の従来装置のように負荷開閉器１１を用いた構成に対しても適用することが可能である。図３は、その場合の動作を示すタイムチャートである。

この図３では、SW2の動作波形と遮断器３の動作波形との間に負荷開閉器１１の動作波形が図示されている。そして、スイッチング素子ＳU１，SV１，SW１がオンになった後、時刻t2になった時点で巻線短絡電流が流れ始め、誘起電圧が低下し始める（図２では時刻t1から低下し始めている。）。その他は、図２と同様の動作であるため説明を省略する。

本発明の実施形態に係る電気車制御装置の構成図。 図１における再起動時制御手段１４の動作を説明するためのタイムチャート。 図１のヒューズ１５の代わりに負荷開閉器を用いた場合の再起動時制御手段１４の動作を説明するためのタイムチャート。 従来の電気車制御装置の構成図。

符号の説明

１：架線
２：パンタグラフ
３：遮断器
４：開閉器
５：充電抵抗
６：インバータ回路
７：車輪
８：レール
９：平滑コンデンサ
１０，１０Ａ：インバータ制御回路
１１：負荷開閉器
１２：同期電動機
１３：回転数検出器
１４：再起動時制御手段
１５」ヒューズ
ＳU１，SV１，SW１：正側アームのスイッチング素子
ＳU２，SV２，SW２：負側アームのスイッチング素子
FD１〜FD６：フリーホイールダイオード

Claims (5)

1. 各相毎に正側アーム及び負側アームを形成してブリッジ接続された複数のスイッチング素子、及びこれらスイッチング素子に逆並列接続されたフリーホイールダイオードを有し、これらスイッチング素子のスイッチング動作により可変電圧可変周波数制御された交流電力を車両駆動用の永久磁石式同期電動機に対して出力するインバータ回路と、
   異常検出時の保護動作として前記インバータ回路を停止させ、その後に前記インバータ回路を再起動させる場合に、前記正側アーム又は負側アームのうちの少なくともいずれかのアームのスイッチング素子を全相にわたって所定時間だけオン状態とすることにより、これらオン状態とされたスイッチング素子及び前記フリーホイールダイオードと前記同期電動機との間に巻線短絡電流を流して前記同期電動機の誘起電圧を消失させ、その後に前記インバータ回路の直流側に直流電圧を印加すると共に、前記スイッチング素子に対するスイッチング制御を開始するインバータ制御回路と、
   を備えたことを特徴とする電気車制御装置。
2. 前記インバータ制御回路は、前記正側アームのスイッチング素子及び前記負側アームのスイッチング素子を交互にオン状態にして、これらスイッチング素子の損失を分散させるものである、
   ことを特徴とする請求項１記載の電気車制御装置。
3. 前記インバータ回路と前記永久磁石式同期電動機との間に、所定レベル以上の過電流が所定時間以上継続して流れた場合に溶断するヒューズ部材が介挿されている、
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の電気車制御装置。
4. 前記インバータ回路と前記永久磁石式同期電動機との間に、前記インバータ回路の保護動作時には開放動作を行い、また、前記インバータ回路の再起動時には前記巻線短絡電流が流れ始めた後に閉成動作を行う負荷開閉器が介挿されている、
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の電気車制御装置。
5. 直流電力を交流電力に変換し、この変換した交流電力を車両駆動用の永久磁石式同期電動機に対して出力するインバータ回路と、
   前記インバータ回路を制御するインバータ制御回路と、
   を備え、前記インバータ制御回路は、
   異常検出時の保護動作として前記インバータ回路を停止させ、その後に前記インバータ回路を再起動させる場合に、前記同期電動機の誘起電圧を消失させる再起動時制御手段を有する、
   ことを特徴とする電気車制御装置。

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