JP2010252599A - 電気車の電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電気車において、ＶＶＶＦインバータの構成素子の異常を検知する温度センサーの検出値に誤差範囲が広いことに起因した誤った保護動作を回避する。
【解決手段】センサー１７、１８、１９からの温度検出信号Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃの最大値と最小値との間の誤差分Ｓｘｎを許容誤差閾値Ｓｚと比較してその差量である誤差大小判定信号Ｓｅを得、ＳｘｎがＳｚより大のときはインバータをトルク電流制限状態で駆動し、小のときはインバータの動作を停止させる。誤差分Ｓｘｎは、温度検出信号の最大値と残りの平均値との差量、温度検出信号の最大値と通常閾値との差量、温度検出信号のうち通常閾値を超えたセンサー個数、或いは、温度検出信号の変化率を対象とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気部品の不良による電力変換回路の異常動作を防止する手段を備えた電気車の電力変換装置に関する。

電気車に搭載されて滑線からの電力を可変電圧可変周波数電力に変換して主電動機に電力を供給する可変電圧可変周波数型インバータが知られている。このインバータは、ＩＧＢＴなどのスイッチング素子によって構成されているが、この素子は過電流などによって熱破壊されやすい。破壊されたまま知らずにインバータを起動し、或いは駆動を継続する主電動機を含むと電気車主回路に異常電流が流れるおそれがある。このため、従来からスイッチング素子を不正常なまま運転されないように保護手段が設けられている。

特開平７−２４５８０３号公報

従来の電気車の電力変換装置において、その電力変換回路であるインバータを構成するスイッチング素子の異常をその発熱温度によって判定するために、異常検知のためのセンサーとしてサーミスタが使用されていていた。しかしながら、サーミスタ等の温度センサーは本質的に誤差範囲が大きい。例えばサーミスタの検出誤差範囲は５〜１０％にも達する。このため、スイッチング素子が異常であるにもかかわらずセンサーからの出力が正常を示していたり、逆にスイッチング素子が正常であるにもかかわらずセンサーからの出力が異常を示していたりすることがあり、その検出に基づく保護動作が信頼性に欠ける問題があった。

なお、パンタグラフから主電動機に通ずる電気車主回路を短絡電流から保護するための装置が特許文献１に開示さているが、電力変換装置の正常、異常を判断する機能はもっていない。

本発明の目的は、センサー検出値に誤差範囲が広いことに起因した誤った保護動作を回避できる電気車の電力変換装置を提供することにある。

本発明における、架線からの電力を主電動機に供給する電力に変換する電力変換装置は、電気部品の異常を検出するためのセンサーとそのセンサーからの検出値の妥当性を判断するための検出値判定部とその判定結果を受ける保護制御司令部とからなる。検出値判定部はセンサーからの検出値をそれが許容誤差の範囲内かどうかによって妥当性を判定する許容誤差閾値と比較し、その判定結果を受けた保護制御司令部が前記電力変換装置を保護するための指令を出力する構成になっている。

本発明によれば、センサーによる検出値の妥当性を判定しその上で保護動作を行わせるので、センサー検出値に誤差範囲が広い場合でも妥当な誤差範囲内の検出値に基づき電力変換装置の保護動作を行うことができる。これによりセンサー検出値に誤差範囲が広いことに起因した誤った保護動作を回避できるので電力変換装置を不要に停止させてしまう不合理を回避することができる。

本発明の一実施例の主要部の構成を示すブロック図 本発明の一実施例の全体構成を示すブロック図

第１実施例 本発明の第１実施例について図１及び図２を参照しながら説明する。図２に示すように、電気車駆動用の三相誘導電動機からなる主電動機１に三相交流電力を供給する電気車主回路２は、パンタグラフ３から電力を主電動機１用の電力に変換する電力変換装置例えばインバータ４を含んで構成している。パンタグラフ３を断流器５、高速度遮断器６、断流器７、フィルター用リアクトル８を介してインバータ４の非接地側入力端子に接続し、この非接地側入力端子と接地側入力端子との間にフィルター用コンデンサ９を接続し、前記高速度遮断器６と並列に充電抵抗１０を接続している。

前記インバータ４は、周知のＶＶＶＦ型インバータであって、ＩＧＢＴなどのスイッチング素子を三相ブリッジ接続してなり、直流入力電圧を可変電圧可変周波数の三相交流電圧に変換してこれを主電動機１に供給する構成になっている。図示を省略しているが、このインバータ４には、これを構成している前記スイッチング素子のゲートを制御するためのインバータ駆動制御回路のほかにインバータ駆動司令部１１を有し、このインバータ駆動司令部１１からの指令を通常駆動司令部１２、保護司令部１３、制限駆動司令部１４に指令切換え部１５を介して選択的に伝える構成も含んでいる。これにより、インバータ４は、通常駆動司令部１２が選択された場合は通常通りの直流交流間電力変換動作を行い、保護司令部１３が選択された場合はその変換動作を停止し、制限駆動司令部１４が選択された場合は制限された動作例えば予め定められて定格トルク電流を下回る状態で動作するように構成している。

このような切換え司令部１５の切換え動作は保護制御部１６によってなされる。この保護制御部１６は、センサー１７、１８、１９を含んでなる検出部２０と検出値判別部２１と動作モード指令部としてのモード選択部２２とからなる。検出部２０において、センサー１７、１８、１９は例えばサーミスタからなり、前記インバータ４を構成している各スイッチング素子に熱伝達可能に取り付けている。スイッチング素子の個数は三相ブリッジでは少なくとも６個を要するので、センサーの個数も６個になるのが好ましいが、本例では説明の便宜上３個としている。これらセンサー１７〜１９からの温度検出信号Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃを通常閾値設定部２６に設定された通常判定閾値Ｓｇと比較する各比較器２３、２４、２５を有する。これら比較器２３、２４、２５は、温度検出信号Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃの値が通常判定閾値Ｓｇを超えたとき論理値「１」をそうでないとき論理値「０」を通常判定信号Ｓｄａ、Ｓｄｂ、Ｓｄｃとして出力する構成になっている。ここで、通常判定閾値Ｓｇはセンサー１７〜１９による温度検出信号Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃの値を正常値として判定し得る基準値として設定される。

図１に示すように前記検出値判別部２１は、最大最小値判別部２７、誤差量検出部２８、誤差判定部２９、及び通常保護判定部３０からなる。
前記最大最小判別部２７は、前記センサー１７、１８、１９からの温度検出信号Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃ及び前記比較器２３、２４、２５からの通常判定信号Ｓｄａ、Ｓｄｂ、Ｓｄｃを入力として受け、前記通常判定信号Ｓｄａ、Ｓｄｂ、Ｓｄｃ信号の何れか１個でも論理値「１」信号であるときにその時点の前記温度検出信号Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃのうちの最大値と最小値を検出温度最大値信号Ｓｍａｘ及び検出温度最小値信号Ｓｍｉｎを出力する構成になっている。センサー間の誤差量を検出するための誤差量検出部２８は、これら検出温度最大値信号Ｓｍａｘ及び検出温度最小値信号Ｓｍｉｎを入力として受けてその両者間の差量であるセンサー間の誤差分信号Ｓｘｎを出力する構成になっている。前記誤差判定部２９は、この誤差分信号Ｓｘｎを許容誤差閾値設定部３１からの許容誤差閾値Ｓｚと比較して誤差大小判定信号Ｓｅを検出値妥当性判定信号として出力する構成になっている。ここで、誤差大小判定信号Ｓｅは、温度検出信号Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃ間の誤差の大小を表す信号であり、誤差分信号Ｓｘｎが許容誤差閾値Ｓｚを超えているとき誤差大を意味する−Ｓｅ信号であり、超えていないときは誤差小を意味する＋Ｓｅ信号を出力する。これは、誤差判定部２９において誤差分信号Ｓｘｎの入力端子を−端子とし、許容誤差閾値Ｓｚの入力端子を＋端子とした実施例上の構成に基づく。

前記通常保護判定部３０は、前記比較器２３、２４、２５からの通常判定信号Ｓｄａ、Ｓｄｂ、Ｓｄｃ信号を直接入力するようになっており、その入力信号Ｓｄａ、Ｓｄｂ、Ｓｄｃ全てが論理値「０」を示すときは正常判定信号Ｓｆ（論理値「１」）を出力するようにＮＯＲ論理回路構成になっている。すなわち、全ての温度検出信号Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃが通常判定閾値Ｓｇ以下のときは正常判定信号Ｓｆが出力され、温度検出信号Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃが一個でも通常判定閾値Ｓｇを超えると誤差大小判定信号Ｓｅが出力される。

前記モード選択部２２は、前記誤差判定部２９からの誤差大小判定信号Ｓｅと前記通常保護判定部３０からの正常判定信号Ｓｆとを受け、その信号Ｓｅ、Ｓｆに基づいたモード選択動作をする構成になっている。そのモード選択動作とは、切換え司令部１５による前述のような切換え動作、すなわち、通常駆動司令部１２、保護司令部１３、制限駆動司令部１４の何れかを選択させる動作である。

次に上記構成の作用について説明する。センサー１７、１８、１９は、インバータ４の動作中、そのスイッチング素子の温度状態を常時監視し、その温度に応じた値の温度検出信号Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃを出力している。これらの温度検出信号Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃは比較器２３、２４、２５によって通常閾値設定部２６の通常判定閾値Ｓｇと常時比較され、そのうち何れも閾値Ｓｇを超えない場合は全ての通常判定信号Ｓｄａ、Ｓｄｂ、Ｓｄｃが論理値「０」になり、最大最小値判別部２７の動作へは進まず、及び通常保護判定部３０から論理値「１」なる正常判定信号Ｓｆが出力される。これにより、モード選択部２２は、切換え司令部１５に通常駆動司令部１２を選択する動作を指令し、インバータ４をスイッチング素子が正常である場合の通常動作を継続させる。

これに対して、温度検出信号Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃのうち何れかが通常判定閾値Ｓｇを超えた場合、すなわち、通常判定信号Ｓｄａ、Ｓｄｂ、Ｓｄｃの何れかが論理値「１」になると最大最小値判別部２７へと動作が進む。この最大最小値判別部２７は、前記温度検出信号Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃのうちの最大値と最小値を判別して検出温度最大値信号Ｓｍａｘ、検出温度最小値信号Ｓｍｉｎを誤差量検出部２８に出力する。この検出温度最大値信号Ｓｍａｘ及び検出温度最小値信号Ｓｍｉｎは温度検出信号Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃの値を持つ。前記誤差量検出部２８は、その最大最小値間の差に応じた値を持つ誤差分信号Ｓｘｎを誤差判定部２９に送出し、これを受けた誤差判定部２９は、この誤差分信号Ｓｘｎを許容誤差閾値設定部３１からの許容誤差閾値Ｓｚと比較し、その大小関係に応じた−Ｓｅ信号または＋Ｓｅ信号をモード選択部２２に送出する。

ここで、許容誤差閾値Ｓｚは、センサー１７、１８、１９の持つ誤差範囲（許容誤差）が例えば最大値であるときと最小値であるときのインバータ４のスイッチング素子の正常な温度状態における温度検出信号Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃ間の差量を基準として定めてある。一方、誤差分信号Ｓｘｎの値が小さいほど検出誤差が小さいことを意味し、反対に、誤差分信号Ｓｘｎの値が大きいほど検出誤差が大きいことを意味する。これにより誤差分信号Ｓｘｎの値は、検出温度値の誤差の大きさ程度を示しており、その値から検出温度値の誤差程度例えば誤差僅少か誤差大かを判定できる。これを判定する基準が許容誤差閾値Ｓｚであって、この閾値Ｓｚの設定値の選定によって温度検出信号Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃの検出値としての妥当性がわかる。妥当性の判断であることから許容誤差閾値Ｓｚは実験的或いは経験的に定まる値である。

この実施例では、誤差判定部２９からの誤差大小判定信号Ｓｅが＋Ｓｅの場合は検出温度値に妥当性が高く正常値に近い値であるとみなしてモード選択部２２が切換え司令部１５に対して保護司令部１３を選択させ、インバータ４の動作を停止させる。これに対して誤差大小判定信号Ｓｅが−Ｓｅの場合は、誤差の大きい検出温度値であるとみなしてモード選択部２２が切換え司令部１５に制限駆動司令部１４を選択させ、インバータ４を一定の制限を加えた状態の動作に切換える。こうする理由は、通常保護判定部３０から正常判定信号Ｓｆが出力されていない状況下で検出温度値が誤差の高い値（妥当性の低い値）であるときは、インバータ４のスイッチング素子が完全異常であると断定できず、一定の制限下で動作を継続させた方が電気車営業運転にとって得策と考えられるからである。なお、この制限動作として回生制動時であれば、回生電流の制限を行うようにしてもよい。

この第１実施例によれば、誤差判定部２９からの前記誤差大小判定信号Ｓｅがセンサー１７〜１９出力である温度検出信号Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃの妥当性の判定結果であるので、センサー検出値に誤差範囲が広い場合でも妥当な誤差範囲内の検出値に基づき電力変換装置の保護動作を行うことができる。これにより、検出値に誤差範囲が広いことに起因して電力変換装置を頻繁に不要に停止させてしまう不合理を回避することができる。

第２実施例 第２実施例は、図１に点線で示すように最大値記憶部３２を設け、前記誤差量検出部２８からの誤差分信号Ｓｘｎをこの最大値記憶部３２にも入力させる構成にしたものである。これにより、検出温度最大値信号Ｓｍａｘと検出温度最小値信号Ｓｍｉｎとの間の差すなわち誤差量のうち、その最大値が更新される都度書換えられながら最大値記憶部３２に保持される。この誤差量の最大値が最大値記憶部３２にデータとして保存されるので、このデータを参考にして許容誤差閾値Ｓｚを実際の保護状況に適合するように調整することができる。

第３実施例（図示を省略） この実施例は、温度検出信号Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃの最大値とこの最大値を除く複数の温度検出信号の平均値との差量を検出する差量検出部を有し、この差量検出部からの差量を許容誤差閾値Ｓｚと比較する構成である。そのために、図１における最大最小値判別部２７をその検出温度最小値信号Ｓｍｉｎに代えて温度検出信号Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃのうち最大値を示す以外の値の平均値信号Ｓａｖ（図示を省略）を出力する構成に変更し、許容誤差閾値Ｓｚもこれに応じた値にすればよい。

第４実施例（図示を省略） この実施例は、通常閾値Ｓｇを設定する閾値設定部（図１の部分２６に対応）と、その通常閾値Ｓｇと検出温度信号Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃの最大値Ｓｍａｘとの差量を検出する差量検出部とを有し、この差量検出部からの差量（図１のＳｘｎに対応）を許容誤差閾値Ｓｚと比較する構成である。

第５実施例（図示を省略） この実施例は、複数のセンサーからの温度検出信号Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃの値が許容誤差の範囲内かどうかを判定するために、通常閾値Ｓｇを設定する閾値設定部２６を有し、前記温度検出信号Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃのうちこの通常閾値Ｓｇを超えた検出値の個数を判定する構成である。図１により例示すれば、比較器２３、２４、２５から出力される論理値「１」の個数から判定する構成である。その個数による判定部は図１の許容誤差閾値設定部３１を含む誤差判定部２９と同様に構成できる。

第６実施例（図示を省略） この実施例は、検出値判定部が、複数のセンサーからの検出値の変化率が許容誤差の範囲内かどうかを判定する構成としている。そのために、温度検出信号Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃを順次サンプリングする手段とその前後のサンプリング値から検出値の変化率を判定する手段とその変化率を許容誤差閾値と比較する手段とからなる構成にしている。その検出した変化率を図１の誤差判定部２９と同様の比較器により許容誤差閾値Ｓｚと比較し誤差大小判定信号Ｓｅを出力する構成になっている。

なお、上記実施例では電力変換装置の電気部品の異常が温度変化を媒体に検出する構成であるが、これに限定されない。電気部品の異常が電圧変化、電流変化、或いは周波数変化をもたらす場合は電圧、電流、或いは周波数センサーを使用し、主電動機の速度変化として現れる異常であれば速度センサーを使用することができる。

図面中、１:主電動機、２:電気車主回路、４:インバータ（電力変換装置）、２３〜２５：比較器、２２：モード選択部（動作モード司令部）、２８：誤差量検出部、２９：誤差判定部、Ｓｇ：通常閾値、Ｓｚ：許容誤差閾値、Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃ：温度検出信号、Ｓｍａｘ：検出温度最大値信号、Ｓｍｉｎ：検出温度最小値信号、Ｓｘｎ：誤差分信号、Ｓｅ：誤差大小判定信号、Ｓｆ：正常判定信号、Ｓｚ：許容誤差閾値

Claims (8)

1. 架線からの電力を主電動機に供給する電力に変換する電力変換装置の保護装置であって、電気部品の異常を検出するためのセンサーと、これらセンサーからの検出値をこれが許容誤差の範囲内かどうかを判定する許容誤差閾値と比較し検出値の誤差程度を判定する検出値判定部と、この検出値判定部による判定結果に基づき前記電力変換装置を保護するための指令を出力する保護制御司令部とからなる電気車の電力変換装置。
2. 検出値判定部は、複数のセンサーからの検出値が許容誤差の範囲内かどうかを判定するために、検出値の最大値と最小値との差量を検出する差量検出部を有し、この差量検出部からの差量を許容誤差閾値と比較する構成であることを特徴とする請求項１に記載の電気車の電力変換装置。
3. 検出値判定部は、複数のセンサーからの検出値が許容誤差の範囲内かどうかを判定するために、検出値の最大値とこの最大値を除く複数の検出値の平均値との差量を検出する差量検出部を有し、この差量検出部からの差量を許容誤差閾値と比較する構成であることを特徴とする請求項１に記載の電気車の電力変換装置。
4. 検出値判定部は、複数のセンサーからの検出値が許容誤差の範囲内かどうかを判定するために、通常閾値を設定する閾値設定部とその通常閾値と検出値の最大値との差量を検出する差量検出部とを有しこの差量検出部からの差量を許容誤差閾値と比較する構成であって、通常閾値は正常時の前記センサーによる検出値が正常値と判定し得る基準値であることを特徴とする請求項１に記載の電気車の電力変換装置。
5. 検出値判定部は、複数のセンサーからの検出値が許容誤差の範囲内かどうかを判定するために、通常閾値を設定する閾値設定部を有し前記検出値のうちこの通常閾値を超えた検出値の個数を判定する構成であって、通常閾値は前記全ての検出値が正常値と判定し得る基準値であることを特徴とする請求項１に記載の電気車の電力変換装置。
6. 検出値判定部は、複数のセンサーからの検出値が許容誤差の範囲内かどうかを判定するために、前記検出値を順次サンプリングする手段とその前後のサンプリング値から検出値の変化率を判定する手段とその変化率を許容誤差閾値と比較する手段とからなることを特徴とする請求項１に記載の電気車の電力変換装置。
7. 検出値判定部は、許容誤差閾値若しくは通常閾値の設定データを得るために、複数のセンサーからの検出値のうちの最大値を書き換え保持する最大値記憶部を備えていることを特徴とする請求項２ないし６の何れか一つに記載の電気車の電力変換装置。
8. 検出値判定部の判定結果には、電力変換装置の動作について少なくとも通常駆動指令、トルク電流制限指令及び駆動停止司令を含むことを特徴とする請求項１ないし７の何れか一つに記載の電気車の電力変換装置。
   

Images