JP2012010568A - 車両用制御システム - Google Patents

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Abstract

【課題】インバータ回路の保護が可能であるため、鉄道車両の安全な走行を提供することを達成する。
【解決手段】インバータ回路２と、インバータ回路２からの電力を駆動力として駆動する永久磁石同期電動機６と、インバータ回路２と永久磁石同期電動機６間に接続される渡り配線１０と、インバータ回路２と渡り線間１０に設置され、交流電流検出センサ３と、渡り配線１０と永久磁石同期電動機６間に接続され、電気的開放及び投入を可能とする接触器５と、インバータ回路２の永久磁石同期電動機６とは反対側に接続され、直流電流センサ７と、接触器５、交流電流センサ３、直流電流センサ７と接続する制御部９と、制御部９は、駆動システムで発生した渡り線１０の地絡または短絡事故により異常を交流電流サンサ３及び前記直流電流センサ７から検出される電流値に基づき判定し、異常を検知した場合には前記接触器への開放指令を出力する車両用制御システム。
【選択図】図１

Description

本実施形態は、車両用制御システムに関する。
従来、鉄道車両の駆動システムとしては誘導電動機が広く用いられてきた。しかし近年は、省エネの観点から効率の高い永久磁石同期電動機を用いた駆動システムが広がりつつある。永久磁石同期電動機は回転子に磁石が内蔵されているため自ら磁界を発生させることができ、誘導電動機のよう回転子に電流を流す必要がない。従って、回転子での電流損失や、電流損失により熱の発生などが存在しないことから、一般に永久磁石同期電動機は誘導電動機よりも効率が高いとされている。
一方で、永久磁石同期電動機は回転子に磁石が内蔵されていることによる弊害もある。これは、力行や回生などの制御中でなくても、走行中には回転速度に比例した誘起電圧を発生させてしまうことである。特に、高速回転中では誘起電圧が制御装置であるインバータ回路の直流電圧を超え、自動的に回生動作が始まってしまう。そのため、惰性走行時でも意図的に磁束を弱める電流を流し続けることで誘起電圧を抑制する必要がある。さらには、インバータ回路と永久磁石同期電動機間で短絡事故や地絡事故が発生した場合には、永久磁石同期電動機が電源とした事故回路が形成されるなど、誘導電動機では考えられなかった問題も多く存在する。こういった永久磁石同期電動機、特有の事故に配慮し、インバータ回路と永久磁石同期電動機の間に接触器を接続し、インバータ回路を保護する事例も見られる。
特開平８−１８２１０５
車両用制御システムにおいて、しばしば電動機とその電動機のインバータ回路が異なる車両に設置されている場合がある。このような場合、車両間を繋ぐ配線が必要となる。この部分の配線は、車両間の動作を考慮して柔軟に可動できるように電線を用いることが一般的である。しかしながら、電線が車両の動作に合わせて動く際に、この電線部分で混触や地絡が発生するという問題があった。
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、車両間を繋ぐ配線で混触や地絡が発生した場合でも、インバータ回路の保護を可能とする車両用制御システムを提供することを目的とする。
上記を解決するための車両用制御システムは、架線から供給される電力を駆動可能な状態に制御するインバータ回路と、インバータ回路からの電力を駆動力として駆動する永久磁石同期電動機と、インバータ回路と前記永住磁石同期電動機間に接続される渡り配線と、渡り配線と前記永久磁石同期電動機間に接続され、電気的開放及び投入を可能とする接触器と、渡り配線上で異常が発生したことを異常検出手段によって検知する制御部とを有することを特徴としている。
本発明によれば、インバータ回路の保護が可能であるため、鉄道車両の安全な走行を提供することができる。
第１の実施形態の車両用制御システムのブロック図。 第１の実施形態の短絡・地絡事故回避のイメージ図。 第1の実施形態のフローチャート図。
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
図１を参照して本実施形態の構成について説明する。
（構成）
図１は、パンタグラフ１、インバータ回路２、第１電流センサ３ａ、第２電流センサ３ｂ、Ｕ相線４ａ、Ｖ相線４ｂ、Ｗ相線４ｃ、接触器５、永久磁石同期電動機６、第３電流センサ７、接地８、制御部９、入力電流演算部９ａ、異常検知部９ｂ、接触器開放指令部９ｃ、Ｕ相渡り配線１０ａ、Ｖ相渡り配線１０ｂ、Ｗ相渡り配線１０ｃで構成される。
インバータ回路２の直流側では、パンタグラフ１及び接地８が接続される。第３電流センサ７はインバータ回路２と接地８の間に接続される。インバータ回路３の交流側では、Ｕ相線４ａ上の第１電流センサ３ａ、Ｕ相渡り配線１０ａ、接触器５を介してインバータ回路２と永久磁石同期電動機６が接続される。また、Ｖ相線４ｂ上のＶ相渡り配線１０ｂ、接触器５を介してインバータ回路２と永久磁石同期電動機６が接続される。また、Ｗ相線４ｃ上の第２電流センサ３ｂ、Ｗ相渡り配線１０ｃ、接触器５を介してインバータ回路２と永久磁石同期電動機６が接続される。
制御部９は、第１電流センサ３ａ、第２電流センサ３ｂ、第３電流センサ７、接触器５と接続されている。制御部９に内蔵される入力電流演算部９ａは、第１電流センサ３ａ、第２電流センサ３ｂ、第３電流センサ７、異常検知部９ｂと接続される。異常検知部９ｂは、入力電流演算部９ａ、接触器開放司令部９ｃと接続される。接触器開放指令部９ｃは、異常検知部９ｂと接触器５と接続される。
（作用）
次に本実施形態の作用について説明する。架線電力はパンタグラフ１を介してインバータ回路２へ供給される。インバータ回路２では、入力電力を永久磁石同期電動機６が駆動可能な交流電力に変換する。変換された交流電力のＵ相電流は第１電流センサ３ａ（交流電流センサ）によって検出され、通常投入状態になっている接触器５を通って永久磁石同期電動機６へ流れる。Ｗ相電流も同様である。また第３電流センサ（直流電流センサ）は、インバータ回路２の直流側で帰線電流を検出する。
このように第１電流センサ乃至第３電流センサによって検出された電流を制御部９の入力電流演算部９ａで演算する。異常検知部９ｂでは、後述する異常検知手段に基づき、演算された電流値をもとに異常があるかどうかを判定する。異常検知部９ｂで異常が判定された場合は、接触器開放指令部９ｃの指令により接触器９ｃが開放される。
次に図２を用いて本実施形態の異常検知手段について説明する。図２（ａ）に示すように、第１電流センサ３ａ、第２電流センサ３ｂによってＵ相線４ａの電流（Ｉｕ）、Ｗ相線４ｃの電流（Ｉｗ）が検出される（Ｓ１）。検出されたＵ相線４ａの電流（Ｉｕ）及びＷ相線４ｃの電流（Ｉｗ）に基づき、制御部９の入力電流演算部９ａでＵ相線４ａの電流（Ｉｕ）、Ｖ相線４ｂの電流（Ｉｖ）、Ｗ相線４ｃの電流（Ｉｗ）のそれぞれ位相を演算する。入力電流演算部９ａで演算した（Ｉｕ）、（Ｉｖ）、（Ｉｗ）は異常検知部９ｂに入力される。異常検知部９ｂでは、演算された（Ｉｕ）の位相から（Ｉｗ）の位相が２４０°ずれているかどうかを判断し（Ｓ３）、２４０°ずれている場合には再度、第１電流センサ３ａと第２電流センサ３ｂでの電流検出を行なう。また、この異常検知手段において、異常の判定は、（Ｉｕ）の位相から（Ｉｖ）の位相が１２０°ずれているかどうか、または、（Ｉｖ）の位相から（Ｉｗ）の位相が１２０°ずれているかどうかによって判定することも可能である。
一方、２４０°のずれが生じていない場合、Ｕ相渡り配線１０ａ、Ｖ相渡り配線１０ｂ、Ｗ相渡り配線１０ｃのうち２つの配線間において２相短絡が生じている（Ｓ４）とし、異常検知部９ｂは接触器開放指令部９ｃへ接触器を開放するための異常信号を入力し、接触器開放指令部９ｃは接触器５の開放を実行する（Ｓ５）。
次に図２（ｂ）を用いて３相短絡の場合について説明する。第１電流センサ３ａはＵ相線４ａの電流（Ｉｕ）を検出している。第２電流センサ３ｂは、Ｗ相線４ｃの電流（Ｉｗ）を検出している（Ｓ１２）。検出されたＵ相線４ａの電流（Ｉｕ）及びＷ相線４ｃの電流（Ｉｗ）に基づき、制御部９の入力電流演算部９ａでＵ相線４ａの電流（Ｉｕ）、Ｖ相線４ｂの電流（Ｉｖ）、Ｗ相線４ｃの電流（Ｉｗ）のそれぞれ電流値を演算する。入力電流演算部９ａで演算した（Ｉｕ）、（Ｉｖ）、（Ｉｗ）は異常検知部９ｂに入力される。異常検知部９ｂでは、演算された（Ｉｕ）、（Ｉｗ）が所定値（α）を超過していないかを判断する(Ｓ１３)。超過していない場合には再度、第１電流センサ３ａと第２電流センサ３ｂでの電流検出を行なう。
一方、超過している場合は場合、Ｕ相渡り配線１０ａ、Ｖ相渡り配線１０ｂ、Ｗ相渡り配線１０ｃの配線間において３相短絡が生じている（Ｓ１４）とし、異常検知部９ｂは接触器開放指令部９ｃへ接触器を開放するための異常信号を入力し、接触器開放指令部９ｃは接触器５の開放を実行する（Ｓ１５）。
次に図２（ｃ）を用いて地絡事故の場合について説明する。第３電流センサ７はインバータ回路２の直流帰線側の電流（ＩＡＣ）を検出している（Ｓ２２）。検出された直流帰線側の電流（ＩＡＣ）は、制御部９の入力電流演算部９ａへ入力される。電流（ＩＡＣ）は、入力電流演算部９ａから異常検知部９ｂへ入力される。異常検知部９ｂでは、電流（ＩＡＣ）が所定値（β）を超過していないかを判断する(Ｓ２３)。超過していない場合には再度、第３電流センサ７での電流検出を行なう。
一方、超過している場合は場合、Ｕ相渡り配線１０ａ、Ｖ相渡り配線１０ｂ、Ｗ相渡り配線１０ｃの配線間のいずれかにおいて地絡事故が生じている（Ｓ２４）とし、異常検知部９ｂは接触器開放指令部９ｃへ接触器を開放するための異常信号を入力し、接触器開放指令部９ｃは接触器５の開放を実行する（Ｓ２５）。
（効果）
本実施形態の効果について図３を用いて説明する。第１車両１１にインバータ回路２が設置され、第２車両１２には永久磁石同期電動機６と接触器５が設置されている。
例えば、接触器５が渡り線１０ａ、１０ｂ、１０ｃとインバータ回路２の間に設置されている状態で渡り線１０ａ、１０ｂで短絡が起きた場合、永久磁石同期電動機６から出力される電流はＵ相線４ａから渡り線１０ａ、渡り線１０ｂを介してＶ相線４ｂを通って永住磁石動機電動機６に回帰する事故回路が生じてしまう。このような事故回路が生じると、鉄道車両の走行に支障をきたす恐れがある。しかしながら、本実施形態では、Ｕ相渡り配線１０ａ、Ｖ相渡り配線１０ｂ、Ｗ相渡り配線１０ｃと永久磁石同期電動機６の間に接触器５を設けているため、図３に示すように、Ｕ相渡り配線１０ａ、Ｖ相渡り配線１０ｂ間で短絡が起こった場合でも、接触器５を開放することで、永久磁石同期電動機６に短絡電流が流れることを防止することが可能となる。
このような本実施形態の構成によると、車両間を繋ぐ配線で混触や地絡が発生した場合でも、インバータ回路の保護を可能とする車両用制御システムを提供すること可能となる。
１ パンタグタフ
２ インバータ回路
３ 電流センサ
３ａ 第１電流センサ
３ｂ 第２電流センサ
４ 三相線
４ａ Ｕ相線
４ｂ Ｖ相線
４ｃ Ｗ相線
５ 接触器
６ 永久磁石同期電動機
７ 第３電流センサ
８ 接地
９ 制御部
９ａ 入力電流演算部
９ｂ 異常検知部
９ｃ 接触器開放司令部
１０ａ Ｕ相渡り配線
１０ｂ Ｖ相渡り配線
１０ｃ Ｗ相渡り配線
１１ 第１車両
１２ 第２車両

Claims (2)

  1. 架線から供給される電力を駆動可能な状態に制御するインバータ回路と、
    前記インバータ回路からの電力を駆動力として駆動する永久磁石同期電動機と、
    前記インバータ回路と前記永住磁石同期電動機間に接続される渡り配線と、
    前記渡り配線と前記永久磁石同期電動機間に接続され、電気的開放及び投入を可能とする接触器と、
    前記渡り配線上で異常が発生したことを異常検出手段によって検知する制御部と、
    を有する車両用制御システム。
  2. 架線から供給される電力を駆動可能な状態に制御するインバータ回路と、
    前記インバータ回路からの電力を駆動力として駆動する永久磁石同期電動機と、
    前記インバータ回路と前記永久磁石同期電動機間に接続される渡り配線と、
    前記インバータ回路と前記渡り線間に設置され、電流を検出する交流電流検出センサと、
    前記渡り配線と前記永久磁石同期電動機間に接続され、電気的開放及び投入を可能とする接触器と、
    前記インバータ回路の永久磁石同期電動機とは反対側に接続され、直流電流を検出する直流電流センサと、
    前記接触器、前記交流電流センサ、前記直流電流センサと接続する制御部と、
    前記制御部は、前記交流電流サンサ及び前記直流電流センサから検出される電流値に基づき前記渡り線の地絡または短絡事故等の異常を検知し、異常を検知した場合には前記接触器への開放指令を出力する車両用制御システム。
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