JP2016178735A - 鉄道車両用駆動制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】鉄道車両の走行時に、ＰＭＳＭを構成している永久磁石の減磁状態を正確に診断する。【解決手段】実施形態の鉄道車両用駆動制御装置のインバータは、き電線を介して供給された直流電力を前記三相交流に変換して、前記永久磁石同期電動機に供給する。測定部は、鉄道車両が惰行運転を行っている場合に、永久磁石同期電動機において発生した誘起電圧を直接的あるいは間接的に測定する。この結果、診断部は、誘起電圧に基づいて永久磁石同期電動機を構成している永久磁石の減磁状態を診断する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、鉄道車両用駆動制御装置に関する。

近年、回転子に永久磁石を埋め込んだ永久磁石同期電動機（Permanent Magnet Synchronous Motor：以下、ＰＭＳＭという。）と、これを駆動制御する電力変換装置とを接続して構成される鉄道車両用駆動制御装置が普及してきている（例えば、特許文献１参照）。

ＰＭＳＭは回転子に磁石が埋め込まれているため、回転子により自発的に回転磁界を発生させることができる。そのため、これまで広く普及してきた誘導電動機（Induction Motor：以下、ＩＭという。）とは異なり、界磁巻線が不要であり回転子に電流を流す必要がない。したがって、ＰＭＳＭは回転子での銅損がなく、ＩＭよりも高効率を得ることが可能になる。

特開２０１４−１８７８６４号公報

ところで、ＰＭＳＭにおいては、永久磁石の磁力線が少なくなる減磁が発生してしまうと、ＰＭＳＭの発生トルクも変化することとなり、所望の性能が発揮できない。
このため、永久磁石の減磁状態を正確に診断することが望まれていた。
特に鉄道車両の走行時に、永久磁石の減磁状態を正確に診断することが望まれていた。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、鉄道車両の走行時に、ＰＭＳＭを構成している永久磁石の減磁状態を正確に診断することが可能な鉄道車両用駆動制御装置を提供することにある。

実施形態の鉄道車両用駆動制御装置は、三相交流で駆動される永久磁石同期電動機の駆動制御を行う鉄道車両用駆動制御装置である。
インバータは、き電線を介して供給された直流電力を前記三相交流に変換して、前記永久磁石同期電動機に供給する。
測定部は、鉄道車両が惰行運転を行っている場合に、永久磁石同期電動機において発生した誘起電圧を直接的あるいは間接的に測定する。
診断部は、誘起電圧に基づいて永久磁石同期電動機を構成している永久磁石の減磁状態を診断する。

図１は、第１実施形態の鉄道車両用駆動制御装置の概要構成ブロック図である。 図２は、減磁診断の処理フローチャートである。 図３は、誘起電圧と、鉄道車両の速度との関係説明図である。 図４は、第２実施形態の鉄道車両用駆動制御装置の概要構成ブロック図である。 図５は、誘起電圧と、鉄道車両の速度との他の関係説明図である。

以下、実施形態について図面を参照して説明する。
［１］第１実施形態
図１は、第１実施形態の鉄道車両用駆動制御装置の概要構成ブロック図である。
鉄道車両用駆動制御装置１０は、図１に示すように、直流き電線１１（高電位側電源）から直流電力が供給されるパンタグラフ１２と、線路１３を介して接地（低電位側電源）された車輪１４と、の間に、遮断器１５、フィルタリアクトル１６及びフィルタコンデンサ１７が直列に接続されている。

また、鉄道車両用駆動制御装置１０は、フィルタコンデンサ１７と並列に接続されるとともに、直流電力を三相交流電力（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）に変換するインバータ１９が備えられている。このインバータ１９には、永久磁石同期電動機（ＰＭＳＭ）２０が接続されている。
ここで、Ｕ相交流電流ライン２１ＵとＶ相交流電流ライン２１Ｖとの間には、Ｕ相交流電流ライン２１ＵとＶ相交流電流ライン２１Ｖとの間の電圧を検出する第１計器用変圧器（ＰＴ：Potential Transformer）２２−１が設けられ、Ｖ相交流電流ライン２１ＶとＷ相交流電流ライン２１Ｗとの間には、Ｖ相交流電流ライン２１ＶとＷ相交流電流ライン２１Ｗとの間の電圧を検出する第２計器用変圧器（ＰＴ）２２−２が設けられている。
インバータ１９のＵ相交流電流ライン２１Ｕには、Ｕ相電流を検出する第１交流電流検出器２３−１が設けられ、Ｗ相交流電流ライン２１Ｗには、Ｗ相電流を検出する第２交流電流検出器２３−２が設けられている。

また、インバータ１９には、インバータ１９の温度を検出する第１温度センサ（サーミスタ）２４が設けられ、ＰＭＳＭ２０には、ＰＭＳＭ２０の温度を検出する第２温度センサ（サーミスタ）２５が設けられている。
さらに、鉄道車両用駆動制御装置１０は、鉄道車両用駆動制御装置１０を制御する制御ユニット２６を備えている。

次に制御ユニット２６の機能構成について説明する。
制御ユニット２６は、マイクロコンピュータとして構成されており、制御ユニット２６全体を制御する図示しないＭＰＵ、ＭＰＵの制御プログラムを含む各種データを不揮発的に記憶する図示しないＲＯＭと、ＭＰＵのワーキングエリアとして機能し、各種データを一時的に記憶する図示しないＲＡＭと、設定データ等の保持すべきデータを更新可能に記憶する図示しないフラッシュＲＯＭと、各種インタフェース動作を行う図示しないインタフェース部と、を備えている。

次に第１実施形態において、ＰＭＳＭ２０の減磁診断を行う場合の処理について説明する。
図２は、減磁診断の処理フローチャートである。
まず、制御ユニット２６は、起動されると、ＰＭＳＭ２０に設けられた温度センサにより温度を検出し、初期状態における周囲温度として検出する（ステップＳ１１）。

次に制御ユニット２６は、図示しない運転盤からの信号に基づいて、自己が搭載されている鉄道車両が惰行状態であるか否かを判別する（ステップＳ１２）。
ステップＳ１２の判別において、自己が搭載されている鉄道車両が惰行状態では無い場合には（ステップＳ１２；Ｎｏ）、制御ユニット２６は、ＰＭＳＭ２０の減磁診断は行えないので、遮断器１５を閉状態とし（あるいは、閉状態を維持し）（ステップＳ２２）、待機状態となる。

ステップＳ１２の判別において、自己が搭載されている鉄道車両が惰行状態である場合には（ステップＳ１２；Ｙｅｓ）、制御ユニット２６は、ＰＭＳＭ２０の減磁状態を判別するために、遮断器１５を開状態（オフ状態）とする（ステップＳ１３）。

この結果、第１計器用変圧器２２−１及び第２計器用変圧器２２−２は、ＰＭＳＭ２０の誘起電圧を検出する（ステップＳ１４）。

より詳細には、第１計器用変圧器２２−１が検出したＵ相交流電流ライン２１ＵとＶ相交流電流ライン２１Ｖとの間の電圧Ｖ_ＵＶ及び第２計器用変圧器（ＰＴ）２２−２が検出したＶ相交流電流ライン２１ＶとＷ相交流電流ライン２１Ｗとの間の電圧Ｖ_ＶＷとして、ＰＭＳＭ２０のロータの回転に伴う誘起電圧に相当する電圧が検出されることとなる。

ところで、ＰＭＳＭ２０の誘起電圧は、鉄道車両の速度、ＰＭＳＭの温度、周囲温度
によって変化する。
そこで、制御ユニット２６は、鉄道車両の速度、ＰＭＳＭ２０の温度、周囲温度等を検出する（ステップＳ１５）。
そして、制御ユニット２６は、検出した鉄道車両の速度、ＰＭＳＭ２０の温度、周囲温度等に基づいて検出した誘起電圧を補正する（ステップＳ１６）。

ここで、誘起電圧Ｖと鉄道車両の速度ｆ（＝ＰＭＳＭ２０の回転数に比例）との関係について説明する。
図３は、誘起電圧と、鉄道車両の速度との関係説明図である。
図３に示すように、誘起電圧Ｖは、鉄道車両の速度ｆの関数であり、誘起電圧Ｖは、鉄道車両の速度ｆの一次関数となっている。
所定の温度条件下における基準閾値Ｔｈは、ＰＭＳＭ２０の特性により異なっており、さらに、温度が異なると基準閾値Ｔｈは、変動する。

例えば、図３に示すように、ＰＭＳＭ２０の特性に依存する所定の温度条件下における基準閾値Ｔｈに対して、ＰＭＳＭ２０の温度が低くなると、鉄道車両の速度ｆの変化の影響を大きく受け、単位速度変化量Δｆに対する誘起電圧Ｖの変化が大きくなって、傾きがより大きな低温時の基準閾値Ｔｈｃとなる。
これに対し、ＰＭＳＭ２０の温度が高くなると、誘起電圧Ｖは、鉄道車両の速度ｆの変化の影響を受けにくくなり、傾きがより小さな高温時の基準閾値Ｔｈｈとなる。

ところで、ＰＭＳＭ２０の温度を一定とした場合、ＰＭＳＭ２０の誘起電圧が、当該温度条件下における基準閾値を下回った場合には、永久磁石の減磁割合が高いため、同じトルクを得ようとすると、ＰＭＳＭ２０へ大電流を流れることとなり、ＰＭＳＭ２０の負担が大きくなる。これを避けるため、制御ユニット２６は、そのような状態を検出した場合には、制御ユニット２６は、遮断器１５を開状態として、大電流が流れるのを抑制し、ＰＭＳＭ２０を保護する必要がある。

例えば、ＰＭＳＭ２０の温度が基準閾値Ｔｈに対応する温度（例えば、１４０℃）である場合に、速度ｆが速度ｆ１を超えた場合、具体的には、誘起電圧Ｖ＝Ｖｈとなった場合には、ＰＭＳＭ２０に大電流が流れて、負担が大きくなる虞があるため、遮断器１５を開状態として、ＰＭＳＭ２０を保護しなければならない。

そこで、制御ユニット２６は、検出され、補正された誘起電圧Ｖが、対応する温度条件下（ＰＭＳＭ２０の温度及び周囲温度）における基準閾値を下回っているか否かを判別する（ステップＳ１７）。

ステップＳ１７の判別において、補正した誘起電圧Ｖが対応する温度条件下における基準閾値以上である場合には（ステップＳ１７；Ｎｏ）、問題はないので、処理を再びステップＳ１２に移行し、以下、同様の処理を行う。

一方、ステップＳ１７の判別において、補正された誘起電圧が、対応する温度条件下における基準閾値を下回っている場合には（ステップＳ１７；Ｙｅｓ）、補正された誘起電圧が所定の異常閾値以下であるか否かを判別する（ステップＳ１８）。ここで、異常閾値は、そのままＰＭＳＭ２０の駆動を継続すると、ＰＭＳＭ２０の破損等を引き起こす可能性が高いと考えられる値に設定される。
ステップＳ１８の判別において、補正された誘起電圧が所定の異常閾値を超えている場合には（ステップＳ１８；Ｎｏ）、そのままＰＭＳＭ２０の駆動を継続したとしても車両性能への影響が軽微であるとして、補正された誘起電圧に対応する減磁診断結果を車両点検時に確認できるようにデータ記録を行い（ステップＳ２１）、処理を再びステップＳ１２に移行する。
ステップＳ１８の判別において、補正された誘起電圧が所定の異常閾値以下となった場合には（ステップＳ１８；Ｙｅｓ）、過大電流等ＰＭＳＭ２０への負荷が大きくなるため、遮断器１５を開状態のままとして、ＰＭＳＭ２０を保護することとなる。

そして、ＰＭＳＭ２０の保護状態に移行した旨の警報を出力して（ステップＳ１９）、処理を終了する。
以上の説明のように、本第１実施形態によれば、鉄道車両の惰行状態において、ＰＭＳＭの永久磁石の減磁状態を判別するので、鉄道車両の運用中に、適時減磁状態を把握して、より最適な制御を行える。

［２］第２実施形態
図４は、第２実施形態の鉄道車両用駆動制御装置の概要構成ブロック図である。
図４において、図１と同様の部分には、同一の符号を付すものとする。
図４の第２実施形態が第１実施形態と異なる点は、省スペース化のために、第１計器用変圧器２２−１及び第２計器用変圧器２２−２を設けるのに代えて、フィルタコンデンサ１７と並列に、直流電圧を検出する直流電圧検出器３１を設けた点である。

次に再び図２を参照して第２実施形態において、ＰＭＳＭ２０の減磁診断を行う場合の処理について説明する。
まず、制御ユニット２６は、起動されると、ＰＭＳＭ２０に設けられた温度センサにより温度を検出し、初期状態における周囲温度として検出する（ステップＳ１１）。

次に制御ユニット２６は、図示しない運転盤からの信号に基づいて、自己が搭載されている鉄道車両が惰行状態であるか否かを判別する（ステップＳ１２）。

ステップＳ１２の判別において、自己が搭載されている鉄道車両が惰行状態では無い場合には（ステップＳ１２；Ｎｏ）、制御ユニット２６は、ＰＭＳＭ２０の減磁診断は行えないので、遮断器１５を閉状態とし（あるいは、閉状態を維持し）（ステップＳ２０）、待機状態となる。

ステップＳ１２の判別において、自己が搭載されている鉄道車両が惰行状態である場合には（ステップＳ１２；Ｙｅｓ）、制御ユニット２６は、ＰＭＳＭ２０の減磁状態を判別するために、遮断器１５を開状態（オフ状態）とする（ステップＳ１３）。

これにより、インバータ１９は、ＡＣ／ＤＣコンバータとして動作し、ＰＭＳＭ２０の誘起電圧を直流電圧に変換するので、ＰＭＳＭ２０の誘起電圧Ｖの電圧値よって、フィルタコンデンサ１７は、充電され、あるいは、放電される。したがって、フィルタコンデンサ１７の直流電圧を直流電圧検出器３１により検出することで、実効的に、ＰＭＳＭ２０の誘起電圧Ｖを検出することが可能となる（ステップＳ１４）。

以降は、第１実施形態の処理手順と同様の手順（ステップＳ１５〜ステップＳ１９）を行うことにより、本第２実施形態によっても、鉄道車両の惰行状態において、ＰＭＳＭの永久磁石の減磁状態を判別するので、鉄道車両の運用中に、適時減磁状態を把握して、より最適な制御を行える。

［３］実施形態の変形例
図５は、誘起電圧と、鉄道車両の速度との他の関係説明図である。
上記実施形態の説明においては、誘起電圧Ｖは、鉄道車両の速度ｆの一次関数となっている場合について説明したが、図５に示すように、指数関数的な関係であっても同様に適用が可能である。

例えば、ＰＭＳＭ２０の温度が基準閾値Ｔｈに対応する温度（例えば、１４０℃）である場合に、速度ｆが速度ｆ１を超えた場合、具体的には、誘起電圧Ｖ＝Ｖｈ１となった場合には、ＰＭＳＭ２０に大電流が流れて、負担が大きくなる虞があるため、制御ユニット２６は、遮断器１５を開状態として、ＰＭＳＭ２０を保護することとなる。
上記第１実施形態の説明においては、交流電圧検出に２個の計器用変圧器を用いていたが、三相全てに設置し３個の計器用変圧器を設置してもよい。

また、以上の説明においては、インバータ１９及びＰＭＳＭ２０の系統が一系統の場合のものであったが、インバータ１９及びＰＭＳＭ２０の系統を複数系統設け、各系統毎に遮断器１５を設けることにより、減磁量が大きい系統のインバータ１９及びＰＭＳＭ２０の系統を直流き電線から分離して当該系統のＰＭＳＭ２０を保護するように構成することも可能である。

本実施形態の鉄道車両用駆動制御装置のコントローラで実行される制御プログラムは、インストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルでＣＤ−ＲＯＭ、フレキシブルディスク（ＦＤ）、ＣＤ−Ｒ、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｋ）等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録されて提供される。

また、本実施形態の鉄道車両用駆動制御装置のコントローラで実行される制御プログラムを、インターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせることにより提供するように構成しても良い。また、本実施形態の鉄道車両用駆動制御装置のコントローラで実行される制御プログラムをインターネット等のネットワーク経由で提供又は配布するように構成しても良い。
また、本実施形態の鉄道車両用駆動制御装置のコントローラで実行される制御プログラムを、ＲＯＭ等に予め組み込んで提供するように構成してもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、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、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、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。

１０ 鉄道車両用駆動制御装置
１１ 直流き電線
１２ パンタグラフ
１３ 線路
１４ 車輪
１５ 遮断器
１６ フィルタリアクトル
１７ フィルタコンデンサ
２０ ＰＭＳＭ
１９ インバータ（電力変換装置）
２１Ｕ Ｕ相交流電流ライン
２１Ｖ Ｖ相交流電流ライン
２１Ｗ Ｗ相交流電流ライン
２２−１ 第１計器用変圧器
２２−２ 第２計器用変圧器
２３−１ 第１交流電流検出器
２３−２ 第２交流電流検出器
２４ 第１温度センサ（サーミスタ）
２５ 第２温度センサ（サーミスタ）
２６ 制御ユニット
３１ 直流電圧検出器

Claims (8)

1. 三相交流で駆動され、動力用電動機として機能する永久磁石同期電動機の駆動制御を行う鉄道車両用の駆動制御装置であって、
   き電線を介して供給された直流電力を前記三相交流に変換して、前記永久磁石同期電動機に供給するインバータと、
   鉄道車両が惰行運転を行っている場合に、前記永久磁石同期電動機において発生した誘起電圧を直接的あるいは間接的に測定する測定部と、
   前記誘起電圧に基づいて前記永久磁石同期電動機を構成している永久磁石の減磁状態を診断する診断部と、
   を備えた鉄道車両用駆動制御装置。
2. 前記測定部は、前記インバータから前記永久磁石同期電動機に向かうＵ相電力線、Ｖ相電力線及びＷ相電力線の相異なる組合せから二組選んだ電力線間の電圧をそれぞれ検出する第１計器用変圧器及び第２計器用変圧器を備えている、
   請求項１記載の鉄道車両用駆動制御装置。
3. 前記測定部は、前記インバータの前記き電線側の端子間に設けられたフィルタコンデンサと並列に接続され、前記フィルタコンデンサの直流電圧を検出する電圧検出器を備えている、
   請求項１記載の鉄道車両用駆動制御装置。
4. 前記インバータは、前記永久磁石同期電動機において発生した誘起電圧を交流／直流変換して前記フィルタコンデンサに供給する、
   請求項３記載の鉄道車両用駆動制御装置。
5. 前記診断部は、前記鉄道車両の速度及び前記誘起電圧に基づいて、前記減磁状態を診断する、
   請求項１乃至請求項４のいずれか一項記載の鉄道車両用駆動制御装置。
6. 前記永久磁石同期電動機の温度を測定する電動機温度検出部を備え、
   前記診断部は、前記永久磁石同期電動機の温度を考慮して、前記減磁状態を診断する、
   請求項１乃至請求項５のいずれか一項記載の鉄道車両用駆動制御装置。
7. 前記電動機温度検出部が、前記永久磁石同期電動機の起動時に検出した温度を周囲温度とし、
   前記診断部は、前記周囲温度及び前記永久磁石同期電動機の温度を考慮して、前記減磁状態を診断する、
   請求項６記載の鉄道車両用駆動制御装置。
8. 前記永久磁石同期電動機を前記電源から遮断する遮断器を備え、
   前記診断部は、前記鉄道車両の速度の関数として表される閾値電圧を前記誘起電圧が下回った場合に、前記遮断器を遮断状態とする、
   請求項１乃至請求項７のいずれか一項記載の鉄道車両用駆動制御装置。

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