JP2012065438A

JP2012065438A - 電気車制御装置

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Publication number: JP2012065438A
Application number: JP2010207204A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Toda; 伸一戸田; Ikuo Yasuoka; 育雄安岡; Yosuke Nakazawa; 洋介中沢
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2010-09-15
Filing date: 2010-09-15
Publication date: 2012-03-29
Anticipated expiration: 2030-09-15
Also published as: JP5537360B2

Abstract

【課題】不完全地絡の状態の地絡を検出することができる電気車制御装置を提供するこ
とである。
【解決手段】実施形態の電気者制御装置は、車両が走行するための電力を供給する電力
変換器１１を有している。また、電力変換器１１と接続され、電力変換器１１から電力が
供給されるモータ１４と、電力変換器１１とモータ１４の間に接続され、３相の電流値を
検出する電流センサ１２および接触器１３を有している。電流センサ１２と接触器１３と
接続される制御部２０は、電流センサ１２が検出した値を演算し、その演算結果をもとに
モータの内部１４で完全地絡または不完全地絡が発生しているかを判定する。完全地絡の
場合には、モータ１４の停止後に接触器１３を開放する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、電気車制御装置に関する。

近年、高効率な永久磁石同期電動機は鉄道車両のモータとして使用されるようになってき
ている。永久磁石同期電動機は、内部に永久磁石を有しており、その永久磁石の磁束をト
ルク発生に利用するため励磁電流を低減できるなど、様々なメリットがある。

また一方では、永久磁石を内部に有するために、モータの回転中は誘起電圧を発生するた
め、地絡が発生した場合にはモータの誘起電圧が地絡電流を誘引し、地絡箇所を通して地
絡回路を形成する。この地絡電流がモータに流れ続けると、モータの発煙や発火等の重大
な問題を引き起こし、システム故障となることもある。

このような地絡事故によるシステム故障を回避するため、モータの出力電流を電流検出器
によって検出し、過大電流を検出した場合に地絡事故と判定できるような制御部を有する
電気車制御装置を車両に搭載するといった対策が取られている。

特開２００９−３３９３８号公報

従来の電気車制御装置では、モータの外部で地絡が発生するような完全に地絡した場合で
、電流センサで過大な電流値が検出されるときには地絡を検出することはできた。しかし
ながら、モータの内部で地絡が発生するような不完全に地絡した場合で、電流センサで低
い電流値が検出されるときには、地絡を検出することができなった。そのため、不完全地
絡が発生した場合は、完全地絡へと地絡事故が拡大し、システム停止となるまで地絡を検
出できなかった。

本発明が解決しようとする課題は、不完全地絡の状態の地絡を検出することができる電気
車制御装置を提供することである。

実施形態の電気車制御装置は、車両が走行するための電力を供給する電力変換器と、前記
電力変換器と接続され、前記電力変換器から電力が供給されるモータと、前記電力変換器
と前記モータの間に接続され、３相の電流値を検出する電流センサと、前記電流センサが
検出した値を演算し、演算結果をもとに前記モータの内部で地絡が発生しているかを判定
する制御部とを有している。

第１の実施形態の電気車制御装置の直流電源の全体構成を示す図。第１の実施形態の電気車制御装置の交流電源の全体構成を示す図。（ａ）完全地絡が発生した場合の電流値を示す図。（ｂ）一相地絡が発生した場合の電流状態を示す図。第１の実施形態の電気車制御装置の制御部の動作を示すフローチャート。第２の実施形態の電気車制御装置の全体構成を示す図。第２の実施形態の電気自動車の制御部の動作を示すフローチャート。第３の実施形態の電気車制御装置の全体構成を示す図。

以下、実施形態の制御装置を図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
第１の実施形態について図を参照し、詳細に説明する。図１は、第１の実施形態の電気
車制御装置の直流電源の全体構成を示す図である。図２は、第１の実施形態の電気車制御
装置の交流電源の全体構成を示す図である。図３は、地絡状態を示す図である。図４は、
第１の実施形態の電気車制御装置の制御部の動作を示すフローチャートである。

（構成）
本実施形態の構成について説明する。図１は、架線１、アース２、パンタグラフ４、遮
断器５、充電用接触器６、充電抵抗器７、フィルタリアクトル９、フィルタコンデンサ１
０、電力変換器１１、第１電流検出器１２、接触器１３、モータ１４、モータ用アース１
５、電力変化器用アース１６、制御部２０、地絡検出部２１、地絡判定部２２、接触器開
放指令部２３、外部表示器２４を有している。電力変換器１１はＶＶＶＦインバータ、モ
ータ１４は永久磁石同期電動機とする。

電力変換器１１は架線１とアース２と接続されている。架線１と電力変換器１１の間を直
流入力側とし、アース２と電力変換器１１の間を直流出力側とする。直流入力側には、パ
ンタグラフ４、遮断器５、充電用接触器６、充電用接触器６に並列接続される充電抵抗器
７、フィルタリアクトル９が接続されている。また、電力変換器１１には電力変換器用ア
ース１６が接続されている。また、直流側入力側の端子と直流出力側の端子の間で、電力
変換器１１と並列にフィルタコンデンサ１０が接続されている。また、電力変換器１１が
架線１、アース２と接続されている直流側の反対側を交流側とする。交流側で電力変換器
１１は、第１電流センサ１２、接触器１３を介してモータ１４と接続される。モータ１４
はモータ用アース１５と接続される。

上記の第１電流センサ１２、接触器１３と接続される制御部２０は、地絡検出部２１、地
絡判定部２１、接触器開放指令部２３を有している。地絡検出部２１は、第１電流センサ
１２、地絡判定部２１と接続される。地絡判定部２２は、地絡検出部２１、接触器開放指
令部２３、外部表示器２４と接続される。接触器開放指令部２３は、接触器１３、地絡判
定部２３と接続される。

（作用）
本実施形態の作用について図１、図３、図４を参照して説明する。架線１からの直流電
力は、パンタグラフ４、通常では投入されている遮断器５、接触器６、フィルタリアクト
ル９、フィルタコンデンサ１０を介して、電力変換１１に供給される。供給された直流電
力は、モータ１４が駆動可能な３相の交流電力に変換され、第１電流センサ１２、通常は
投入されている接触器１３を介してモータ１４に供給される。

このとき完全地絡が発生した場合は、例えば図３（ａ）に示すような大きい電流量が第
１電流センサ１２で検出される。モータ１４が永久磁石動機電動機のため、車両が惰行中
の状態で電力変換器１１が停止していても、車両の走行によってモータ１４が回転してい
ることで、モータ１４が有する永久磁石の磁束によってモータ１４の端子間には誘起電圧
が発生する。モータ１４の誘起電圧によって、モータ１４からモータ用アース１５、車体
、電力変換器用アース１６、電力変換器１１を地絡電流が流れ、モータ１４に戻るという
地絡回路が形成される。また、モータ１４に内蔵されているまき線等がモータ１４の筐体
に接触するなど、モータ１４の内部で発生する不完全地絡が発生した際は、低い電流量で
同様の地絡回路が形成される。

本実施形態の制御部２０は、電流値の大きさと３相電流値の総和をもとに地絡を検出す
る。そのため、モータ１４の内部で発生するような電流量の小さい不完全地絡と、モータ
外部で発生するような電流量の大きい完全地絡を検出することが可能である。以下にその
制御部２０の動作について説明する。

第１電流センサ１２は、３相の交流電流の値（Ｉｃｔ）を検出している（Ｓ１）。検出
された３相交流電流値（Ｉｃｔ）は、制御部２０の電流値演算部２０に入力され、３相交
流電流値の総和（Ｉｓｃｔ）が演算される。演算された総和交流電流値（Ｉｓｃｔ）は、
地絡検出部２１に入力され、総和交流電流値（Ｉｓｃｔ）が零と等しいかどうかが判定さ
れる（Ｓ２）。総和交流電流値（Ｉｓｃｔ）が零と等しい場合、３相交流電流はモータ１
４へ正常に流れているとして正常と判断される（Ｓ４）。

このとき、総和交流電流値（Ｉｓｃｔ）が零と等しくないと判断された場合、総和交流
電流値（Ｉｓｃｔ）は地絡判定部２２へ入力される。地絡判定部２２では、地絡判定値（
α）が予め設定されており、総和交流電流値（Ｉｓｃｔ）と地絡判定値（α）が比較され
る（Ｓ３）。総和交流電流値（Ｉｓｃｔ）＞地絡判定値（α）の場合、大きい地絡電流が
流れているとし、完全地絡が検出される（Ｓ５）。完全地絡が検出された場合、完全地絡
の判定結果が接触器開放指令部２３に入力される。完全地絡の判定結果を受け取った接触
器開放指令部２３は、モータ１４が完全に停止後、接触器開放信号を接触器１３に出力し
、接触器１３を開放する。図３（ｂ）に示すように、単相地絡がおきると地絡した相の電
流は０Ｖを通過しない直流電流となる。通常、接触器１３は交流電流の０Ｖ点で電気的切
断するように動作するため、図３（ｂ）のような直流電流が流れている接触器１３におい
て、電気的切断を行うと、接触器１３の切断面間でアークが発生し、接触器１３が故障す
る恐れがある。そのため、モータ１４が完全に停止した後に、接触器１３を開放すること
で、接触器１３がアーク等により固渋することを防ぐことができる。

また、総和交流電流値（Ｉｓｃｔ）＜地絡判定値（α）の場合、小さい地絡電流が流れて
いるとし、不完全地絡が検出される（Ｓ６）。不完全地絡と判定された場合は、外部表示
器２４に警告を提示する。

（効果）
以上述べた少なくともひとつの実施形態の制御装置によれば、３相の電流を検出する電
流センサと地絡検出手段により、不完全地絡を検出することが可能となる。

そのため、モータの地絡を完全地絡に至る前の不完全地絡の状態で検出可能であるため
、完全地絡によってシステム停止に至る前にモータの点検あるいは修復することで地絡箇
所を復旧し、システム停止に至るのを防止することができる。

また、本実施形態は、図２に示す、変圧器１０２、アース１０３、コンバータ１０４、
フィルタコンデンサ１０５、インバータ１０６を有する交流電源を制御する場合にも適用
可能である。その場合も、直流電源と同様の作用効果を得られる。

また、本実施形態の第１電流センサは、各相に電流センサを設け、計３つの電流センサ
の電流値を演算することによって制御システムを動作させることも可能である。その場合
、本実施形態と同様の作用効果を得られる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態について図を参照し、詳細に説明する。図５は、第２の実施形態の電気
車制御装置の全体構成を示す図である。図６は、第２の実施形態の電気自動車の制御部の
動作を示すフローチャートである。尚、図１乃至４と同一の構成をとるものについては、
同符号を付して説明を省略する。

本実施形態は、第１の実施形態とは電流センサの接続位置が異なっている。以下、その点
について詳細に説明する。

（構成）
図６に示すように、第２電流センサ１２０の一端は、直流入力側の充電用接触器６とフ
ィルタリアクトル９の間に接続され、もう一端は、直流出力側のフィルタコンデンサ１０
とアース２の間に接続される。第２電流線さ１２０は、制御部１２１の地絡検出部１２２
と接続される。

（作用）
本実施形態では、アース２及びモータ用アース１５を通った地絡回路が形成された場合
、直流入力側の電流値が直流出力側の電流値より大きくなる。そのため、直流入力側電流
値＞直流出力側電流値と判断された場合に、地絡が発生しているとする。

図７に示すように、第２電流センサ１２０で直流入力側電流（Ｉｉｎｐｕｔ）と直流出
力側電流（Ｉｏｕｔｐｕｔ）を検出する（Ｓ２１）。検出された直流入力側電流（Ｉｉｎ
ｐｕｔ）と直流出力側電流（Ｉｏｕｔｐｕｔ）は、制御部１２１の地絡検出部１２２に入
力される。入力された直流入力側電流（Ｉｉｎｐｕｔ）と直流出力側電流（Ｉｏｕｔｐｕ
ｔ）は、同値がどうか判断される（Ｓ２２）。同値であった場合、地絡の起きていない正
常な状態で車両が走行しているとして、正常が検出される（Ｓ２４）。正常が検出された
場合は、正常の信号が接触器開放指令部１２４に入力され、接触器開放指令部１２４から
の接触器開放信号が接触器１３に入力されない。

一方で、直流入力側電流（Ｉｉｎｐｕｔ）と直流出力側電流（Ｉｏｕｔｐｕｔ）が同値
でないと判断された場合、直流出力電流（Ｉｏｕｔｐｕｔ）が地絡判定部１２３に入力さ
れる。地絡判定部１２３では、閾値βと直流出力電流（Ｉｏｕｔｐｕｔ）が比較される。
閾値βとは、地絡判定部１２３に予め設定されている値で、閾値βを直流出力電流（Ｉｏ
ｕｔｐｕｔ）が超えた場合は、モータ１４の外部で地絡が発生し、過大な電流が回路内を
流れていると判断するものである。地絡閾値β＜直流出力電流（Ｉｏｕｔｐｕｔ）と判断
された場合は、完全地絡が検出される（Ｓ２５）。完全地絡の結果は、接触器開放指令部
１２４に入力される。完全地絡が入力された接触器開放信号指令部１２４は、モータ１４
が完全に停止してから、接触器１３の開放信号を接触器１３に出力する。

また、地絡閾値β＞直流出力電流（Ｉｏｕｔｐｕｔ）と判断された場合は、不完全地絡
が検出される（Ｓ２６）。不完全地絡が検出されると、外部表示器１２５に不完全地絡の
状態を警告するアラームが表示される。

また、本実施形態は、電力変換器１１の直流側に電流センサを設けることによって、電
力変換器１１の地絡事故を含めて検出可能である。

また、第２電流センサ１２０の取り付け位置は、本実施形態以外の電力変換器１１の直
流側に適用可能であり、その場合も本実施形態の作用効果を得ることが可能である。

また、図２に示したように、第２電流センサを交流電源に適用することも可能である。
その場合、第２電流センサ１２０はコンバータ１０４とインバータ１０６の間に取り付け
られる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態について図を参照し、詳細に説明する。図７は、第３の実施形態の電気
車制御装置の全体構成図である。尚、図１乃至６と同一の構成をとるものについては、同
符号を付して説明を省略する。

本実施形態は、第１の実施形態とは電流センサの取り付け位置が異なっている。以下、そ
の点について詳細に説明する。

（構成）
図７に示すように、接触器１３とモータ１４の間に第３電流センサ１３０を取り付ける
。

（作用）
モータ１４と接触器１３の間に地絡が起こった場合に、図７に示すような地絡回路１３
１が発生する。図５に示す制御動作によって、事前に地絡や異常を検知して接触器１３を
開放した後において、第３電流センサ１３０はモータ１４の不完全地絡および完全地絡を
検知することができる。

（効果）
以上述べた少なくともひとつの実施形態の制御装置によれば、３相の電流を検出する電流
センサと地絡検出手段により、不完全地絡を検出することが可能となる。

また、図２に示したように、第２電流センサを交流電源に適用することも可能である。

１架線
２接地
４パンタグラフ
５遮断器
６充電用接触器
７充電抵抗器
９フィルタリアクトル
１０フィルタコンデンサ
１１電力変換器
１２第１電流検出器
１３接触器
１４モータ
１５モータ用接地
２０制御部
２１地絡検出部
２２地絡判定部
２３接触器開放指令部
１０２変圧器
１０３接地
１０４コンバータ
１０５フィルタコンデンサ
１０６インバータ
１２０第２電流検出器
１３０第３電流検出器

Claims

車両が走行するための電力を供給する電力変換器と、
前記電力変換器と接続され、前記電力変換器から電力が供給されるモータと、
前記電力変換器と前記モータの間に接続され、３相の電流値を検出する電流センサと、
前記電流センサが検出した値を演算し、演算結果をもとに前記モータの内部で地絡が発生
しているかを判定する制御部と、
を有する電気車制御装置。
車両が走行するための電力を供給する電力変換器と、
前記電力変換器と接続され、前記電力変換器から電力が供給されるモータと、
前記電力変換器と前記モータの間に接続され、電気的な遮断を可能とする接触器と、
前記電力変換器と前記接触器の間に接続され、３相の電流の値を検出する電流センサと、
前記電流センサが検出した３相の電流値の総和が零とならず、かつ予め設定している所定
値以下の場合に、前記モータの内部で地絡が発生していると判定する制御部と、
を有する請求項１記載の電気車制御装置。
車両が走行するための電力を供給する電力変換器と、
前記電力変換器と接続され、前記電力変換器から電力が供給されるモータと、
前記電力変換器へ電力が入力される側で接続され、３相の電流の値を検出する電流センサ
と、
前記電流センサが検出した値に基づき、前記モータの内部で地絡が発生しているかを判定
する制御部と、
を有する請求項１記載の電気車制御装置。
前記制御部において、モータ内部またはモータの外部で地絡が発生していることを判定す
る請求項１乃至３の記載の電気車制御装置。
前記制御部において、地絡が発生していることを検出した場合は、モータが停止したこ
とを検知してから接触器を遮断する請求項１乃至４記載の電気車制御装置。