JP2013116017A - 車両用駆動制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】地絡発生時に真空遮断器を開放した際も真空遮断器の故障を抑制する車両用駆動制御装置、及び断路器を使用しても地絡電流を除去できる車両駆動制御装置の提供。
【解決手段】制御部１９を有する車両用駆動制御装置は、直流電力を供給する回路に接続され半導体素子のスイッチング動作により交直変換を行う電力変換装置１１と、電力変換装置１１の交流側に接続され、電力変換装置１１から出力される交流電力によって駆動する回転子の回転と共に自発的に起電力を発生させる電動機１４と、電力変換装置１１と電動機１４の間に接続され、交流電流を遮断することが可能な接触器１３とを有する電動機制御回路と、電動機制御回路内で発生する地絡を検知する地絡検知部２１と、地絡検知部２１の事故判定により、電動機制御回路内の電力変換装置１１の半導体素子をオン・オフ制御するゲート指令部２４と、接触器１３を開放動作させる接触器開放動作部２３を有する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、車両用駆動制御装置に関する。

近年、回転子に永久磁石が含まれた永久磁石同期電動機と、永久磁石同期電動機を制御す
る電力変換装置を永久磁石動機電動機と接続して構成する車両用駆動制御装置が普及して
きている。永久磁石同期電動機は、電力変換装置の制御によって動作する回転子の回転と
共に自発的に回転磁界を発生させることができる。そのため、誘導機とは異なり回転子に
電流を流す必要がなく、回転子にはコイルも取り付けられていない。このような構成の永
久磁石同期電動機は、回転子で損失が発生することがなく、誘導機よりも効率的に稼動す
ることが可能である。

このようなメリットがある一方、永久磁石同期電動機では力行・回生を行っていない惰性
回転時には、この回転磁界によって固定子端子に電圧（無負荷誘起電圧）が発生するとい
うデメリットが存在する。永久磁石同期電動機の高速回転時に、永久磁石同期電動機で発
生した無負荷誘起電圧の瞬時値が電力変換装置の直流電圧を超えた場合、永久磁石同期電
動機で発生する電流は、電力変換装置の内部素子である逆導通ダイオードで整流され回生
されてしまう。このような事態を避けるため、永久磁石同期電動機駆動システムにおいて
は、電力変換装置と永久磁石同期電動機の間の配線に遮断器などの回路を電気的に開閉す
る機器が取り付けられている。特にこの開閉機器としては、交流電流を遮断することを目
的とし、電流値のゼロ点付近で接触面を離し電流を遮断する遮断方法をとっている真空遮
断器が設けられている場合が多い。

また上記回生動作は、非制御時だけなく制御時にも生じるため、永久磁石同期電動機の高
速回転時には、永久磁石同期電動機の磁束を弱める電流を、トルク電流に追加して流す弱
め磁束制御が行われている例もある。

上述したように永久磁石同期電動機を有する車両用駆動制御装置では、電動機電流の制御
、非制御時に関わらず、電力変換装置と永久磁石同期電動機間の配線、または永久磁石同
期電動機内部で地絡が発生すると、永久磁石動機電動機内で発生する誘起電圧を起電力と
した閉回路が形成される。この地絡回路が形成されることで、永久磁石同期電動機からの
電流、または電力変換装置に接続されたフィルタコンデンサからの電流が、地絡箇所を介
して電力変換装置や永久磁石同期電動機内へ事故電流として流れてしまう恐れがある。

特開２００８−１６６０８５号公報 特開２００８−２１４１８号公報

しかしながら、上述した車両用駆動制御装置は、電力変換装置の制御停止を真空遮断器の
開放動作よりも先に行う制御の場合、地絡電流がゼロ点を有さない直流化されるという可
能性があった。また、仮に電力変換装置の制御停止と真空遮断器の開放指令を同時に出力
しても、遮断器の機械動作の遅れを考慮すれば、事実上遮断器の開放動作は電力変換装置
の制御停止よりも遅くなる。

以下に、地絡電流の直流化の原理について説明する。通常、上述した地絡事故発生時は
、電力変換装置の動作の停止と真空遮断器の遮断動作が行われることで、車両用駆動制御
装置内に回生電流の流れを防ぐことになる。しかしながら、地絡事故の発生後に同時に指
令を出した場合、電力変換装置の停止時間は約数十μ秒で行われるのに対して、真空遮断
器の遮断動作はコンマ数秒程度かかると推測される。従って、意識的に指令のタイミング
を遅延させるなどしなければ、真空遮断器の遮断動作よりも電力変換装置の動作停止が早
く行われる。この動作時間の差のため、事故回路に流れる地絡電流は図８に示すような、
短絡を起こした相がゼロ点を通らない脈動する直流電流となり、その他の相はダイオード
のみの回生動作により流れることになるため、プラスの電流を持たない波形となる場合が
ある。直流化された事故電流を真空遮断器が遮断しようとする場合、真空遮断器の遮断部
位でアークが発生し、真空遮断器が溶着する可能性がある。真空遮断器が溶着等の故障を
すると、地絡電流が永久に流れ続け、事故を除去できない恐れがある。

本発明が解決しようとする課題は、短絡発生時に真空遮断器等の直流電流を遮断する機能
を持たない開閉機器を接続した場合でも、地絡事故を除去できるような車両用駆動制御装
置を提供することである。

実施形態の地絡電流除去機能を有する車両用駆動制御装置は、パンタグラフが直流側に接
続され、架線から供給される直流電力を半導体素子のスイッチング動作により制御する電
力変換装置と、電力変換装置の交流側に接続され、電力変換装置から出力される交流電力
によって駆動する永久磁石同期電動機と、電力変換装置と永久磁石同期電動機の間に接続
され、電気的に回路を遮断する開閉機器とを有する車両用駆動システムと、車両用駆動シ
ステム内で発生する地絡を検知する地絡判定部と、地絡判定部の事故判定により、車両用
駆動回路の電力変換装置の半導体素子を制御するゲート指令部とを有している。

第１の実施形態の地絡事故除去機能を有する車両用駆動制御装置の構成図。 第１の実施形態の発展例としての交流き電システムの車両用駆動制御装置の構成図。 電力変換装置の内部構成図。 地絡事故発生時の電流波形例。 第１の実施形態の地絡事故除去方法のフローチャート。 第２の実施形態の地絡事故除去機能を有する車両用駆動制御装置の構成図。 第２の実施形態の地絡事故除去方法のフローチャート。 第３の実施形態の地絡事故除去機能を有する車両用駆動制御装置の構成図。 第３の実施形態の地絡事故除去方法のフローチャート。

以下、実施形態の地絡に対する保護システムについて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１から図６を参照し、詳細に説明する。図１は第１の実施形
態の地絡事故除去機能を有する車両用駆動制御装置の構成図である。図２は図１のほかに
第１の実施形態を適用できる車両用駆動制御装置の構成図である。図３ は図１を補足す
る図である。図４は地絡発生時の交流電流の波形例である。図５は第１の実施形態の地絡
事故除去のフローチャートである。

（構成）
図１は、直流き電線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１０、電力変換装置１１、第１電
流検出器１２、真空接触器１３、モータ１４、モータ用アース１５、電力変換装置用アー
ス１６、制御部１９、電流値演算部２０、地絡検出部２１、地絡判定部２２、接触器開放
指令部２３、ゲート制御部２４、外部表示器２５を示している。また、電力変換装置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。

電力変換装置１１は直流き電線１とアース部２と接続されている。直流き電線１と電力変
換装置１１の間を直流入力側とし、アース２と電力変換装置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、電力変換装置
１１には電力変換装置用アース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、電力変換装置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、電力変換装置１１が直流き電線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。交流側で電力変換装置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、真空接触器１３と接続される制御部１９は、電流値演算部２
０、地絡検出部２１、地絡判定部２２、接触器開放指令部２３、ゲート制御部２４を有し
ている。ゲート制御部は電力変換装置１１、電流値演算部２０、地絡判定部２１に接続さ
れる。地絡検出部２１は、電流値演算部２０と地絡判定部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。

図３は、電力変換装置１１の内部回路を示したものであり、上アーム半導体素子１５１
、下アーム半導体素子１５２とする。直流入力の高圧端子と交流端子との間に上アーム半
導体素子１５１が、直流入力の低圧端子と交流端子の間に下アーム半導体素子１５２が接
続される。

（作用）
本実施形態の作用について図１，３，４，５を参照して説明する。直流き電線１からの
直流電力は、パンタグラフ４、通常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、電力変換装置１１に供給される。電力変換
装置１１は、供給された直流電力は上アーム半導体素子１５１、下アーム半導体素子１５
２のオン・オフ制御によってモータ１４を駆動可能な三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真空接触器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４（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、車両が惰性走
行中の状態で電力変換装置１１が制御を停止していたとしても、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、電力変換装置用アース１６、電力変換装置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に内蔵されている巻線
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、低い電流量ではあるが同様の地絡回路が形成される。

本実施形態の制御部１９は、電流値の大きさと三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１９の動作について説明する。

第１電流センサ１２は、三相の交流電流の値（Ｉｃｔ）を検出している（Ｓ１）。検出
された三相交流電流値（Ｉｃｔ）は、制御部１９の電流値演算部２０に入力され、三相交
流電流値の総和（Ｉｓｃｔ）が演算される。演算された交流電流値総和（Ｉｓｃｔ）は、
地絡検出部２１に入力され、交流電流値総和（Ｉｓｃｔ）が零と等しいかどうかが判定さ
れる（Ｓ２）。交流電流値総和（Ｉｓｃｔ）が零と等しい場合、三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、交流電流値総和（Ｉｓｃｔ）が零と等しくないと判断された場合、交流電流
値総和（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、交流電流値総和（Ｉｓｃｔ）と地絡判定値（α）が比較され
る（Ｓ３）。交流電流値総和（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
の判定結果がゲート制御部２４と接触器開放指令部２３に入力される。完全地絡の判定結
果を受け取ったゲート制御部２４は、完全地絡が検出される直前の動作を停止し、電力変
換装置１１の上アーム半導体素子１５１または下アーム半導体素子１５２のうち、一方を
オンに固定、他方をオフに固定させる（Ｓ７）。また接触器開放指令部２３は直ちに真空
接触器１３を開放させる（Ｓ８）。

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）
以上で述べた実施形態の制御装置によれば、交流電流を検出する電流センサと地絡検出
手段により、直流電流を遮断できない真空遮断器を用いた場合でも地絡事故を除去するこ
とが可能となる。

また、モータの地絡を完全地絡に至る前の不完全地絡の状態も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、システム全体が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、交流き電線１０１、変圧器１０２、アース１０３、コ
ンバータ１０４が追加される交流き電システムの場合にも適用可能である。その場合にも
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、三相に個別の電流センサを設け、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
の場合にも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６は、第２の実施形態の地絡
事故除去機能を有する車両用駆動制御装置の構成図である。図７は、第２の実施形態の地
絡事故除去のフローチャートである。尚、図１から図５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の実施形態とは地絡事故の検出方法のみが異なっている。以下、その
点について詳細に説明する。

（構成）
図６について、第１の実施形態に対して第２電流センサ１２０が追加されている。また
、地絡事故検出部２１が地絡判定部２２と第２電流センサ１２０に接続されている点が、
第１の実施形態との違いである。

（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１９の地絡検出部２１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（Ｉｏｕｔｐｕｔ）
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２３に入力され、接触器開放指令部２３からの接触器
開放信号が真空接触器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２２に入力され
る。地絡判定部２２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２２に予め設定されている値で、閾値βを直流出力電流（Ｉｏｕｔｐ
ｕｔ）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２３と
ゲート制御部２４に入力される。完全地絡の判定結果を受け取ったゲート制御部２４は、
完全地絡が検出される直前の動作を停止し、電力変換装置１１の上アーム半導体素子１５
１または下アーム半導体素子１５２のうち、一方をオンに固定、他方をオフに固定させる
（Ｓ２７）。また接触器開放指令部２３は直ちに真空接触器１３を開放させる（Ｓ２８）
。

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２５に不完全地絡の状
態を警告するアラームが表示される。

（効果）
以上で述べた実施形態の制御装置によれば、直流電流を検出する電流センサと地絡検出
手段により、直流電流を遮断できない真空遮断器を用いた場合でも地絡事故を除去するこ
とが可能となる。

また、モータの地絡を完全地絡に至る前の不完全地絡の状態も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、システム全体が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、交流き電のシステムの場合にも適用可能であり、その
場合に第２電流センサはコンバータ１０４と電力変換装置１１の間に設けることになる。
この場合にも同様の作用効果を得られる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態について図８，９を参照し、詳細に説明する。図８は、第３の実施形態
の地絡事故除去機能を有する車両用駆動制御装置の構成図である。図９は、第３の実施形
態の地絡事故除去のフローチャートである。尚、図１から図７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１，２の実施形態とは、地絡事故検知後の制御方法が異なっている。以
下、その点について詳細に説明する。

（構成）
図８では、図１，２に対して制御部１９内にブレーキ出力部２００が追加されている。
また、ブレーキ２０１が追加されている。ブレーキ出力部２００は地絡判定部２２とブレ
ーキ２０１と接続されている。ブレーキ２０１は機械的ブレーキであり、ディスクブレー
キや空気ブレーキ、油圧ブレーキなどが挙げられる。

（作用）
本実施形態では地絡事故の検出方法は第１または第２の実施形態と同じであり、地絡検
出後の保護動作のみが異なる。ここでは第１の実施形態の地絡事故検出方法を適用したも
のとして、検出後の保護動作を図９を用いて詳細に説明する。まず、図９の完全地絡を検
出（Ｓ２５）までは図５のフローチャートと同一とする。直後にブレーキ動作を開始し（
Ｓ３１）、モータ１４の回転子が完全に停止するまでブレーキ動作を継続する。回転子が
完全に停止すれば交流電流値総和（Ｉｓｃｔ）は０となり、地絡現象は一時的に落ち着く
（Ｓ３２）。地絡電流が０となった状態で真空遮断器１３を動作させる（Ｓ３３）。

（効果）
以上で述べた実施形態の制御装置によれば、交流電流を検出する電流センサと地絡検出
手段により、直流電流を遮断できない真空遮断器を用いた場合でも地絡事故を除去するこ
とが可能となる。

また、本実施形態は第２の実施形態の地絡事故検出方法にも適用可能であり、さらには
図２に示す交流き電線のシステムの場合にも適用可能である。その場合にも同様の作用効
果を得られる。

上記で説明された全ての実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定す
るものではない。そのため、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の
要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施
形態やその変形は、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ 直流き電線
２ アース
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 電力変換装置
１２ 第１電流センサ
１３ 真空接触器
１４ モータ
１５ モータ用アース
１６ 電力変換装置用アース
１９ 制御部
２０ 電流値演算部
２１ 地絡検出部
２２ 地絡判定部
２３ 接触器開放指令部
２４ ゲート制御部
２５ 外部表示
１０１ 交流き電線
１０２ 変圧器
１０３ アース
１０４ コンバータ
１２０ 第２電流センサ
１５１ 上アーム半導体素子
１５２ 下アーム半導体素子
２０１ ブレーキ出力部
２０２ ブレーキ

Claims (5)

1. パンタグラフと直流側で接続され、前記パンタグラフを介して架線から供給される電力を
   、素子のスイッチング動作により制御する電力変換装置と、
   前記電力変換装置と交流側で接続され、前記電力変換装置から出力される交流電力によっ
   て駆動する永久磁石同期電動機と、
   前記電力変換装置と前記永久磁石同期電動機の間に接続され、電気的遮断を可能とする接
   触器と、
   前記電力変換装置、前記接触器、前記永久磁石同期電動機を有する車両用駆動回路と、
   前記車両用駆動回路内で発生する地絡・短絡を検知する事故検知部と、
   前記事故検知部の事故判定により、前記車両用駆動回路の電力変換装置の素子をオンする
   ゲート指令部と、
   を有する車両用駆動制御装置。
2. パンタグラフと直流側で接続され、前記パンタグラフを介して架線から供給される電力を
   、素子のスイッチング動作により制御する電力変換装置と、
   前記電力変換装置と交流側で接続され、前記電力変換装置から出力される交流電力によっ
   て駆動する永久磁石同期電動機と、
   前記電力変換装置と直流側で接続され、電流を検出する第１電流センサと、
   前記電力変換装置と交流側で接続され、電流を検出する第２電流センサと、
   前記電力変換装置と前記第２電流センサの間に接続され、電気的遮断を可能とする接触器
   と、
   前記第１電流センサまたは前記第２電流センサが検出する電流値に基づき、地絡または短
   絡が発生したことを検知する事故検知部と、
   前記事故検知部の事故判定に基づき、前記電力変換装置の素子をオンする事故電流制御部
   と、
   を有する車両用駆動制御装置。
3. 前記事故電流制御部において、前記電力変換装置の上アームをオンし、下アームをオフす
   る請求項１または２記載の車両用駆動制御装置。
4. 前記事故電流制御部において、前記電力変換装置の上アームをオフし、下アームをオンす
   る請求項１または２記載の車両用駆動制御装置。
5. 前記事故電流制御部において、前記事故判定部に基づき、ブレーキを動作させる請求項１
   乃至４のいずれか１項記載の車両用駆動制御装置。

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