JP2017135790A

JP2017135790A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2017135790A
Application number: JP2016012003A
Authority: JP
Inventors: 永強夏; Yong Qiang Xia; 周一立原; Shuichi Tachihara
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2016-01-26
Filing date: 2016-01-26
Publication date: 2017-08-03
Anticipated expiration: 2036-01-26
Also published as: CN106998169B; EP3200340A1; CN106998169A; EP3200340B1; JP6483039B2

Abstract

【課題】速度センサレスベクトル制御された１台のインバータ制御装置により複数の誘導モータを駆動するシステムでは、モータの欠相や誤配線の状態を精度良く検出することができない。
【解決手段】
電力変換装置と複数の誘導モータの間の電流検出値からトルク電流検出値と励磁電流検出値を生成する電流ベクトル検出部と、トルク電流指令値と励磁電流指令値に基づきすべり周波数を生成するすべり周波数演算部と、前記トルク電流検出値と前記トルク電流指令値の偏差に基づいて前記誘導モータの推定速度を生成する速度推定部と、前記励磁電流検出値に基づいて前記複数の誘導モータの接続不良を検知する接続不良判断装置と、前記トルク電流検出値がトルク電流指令値に追従するように前記すべり周波数と前記推定速度に基づき生成されたインバータ周波数と、前記トルク電流指令値と、前記励磁電流指令値と、に基づいて電圧指令値を生成する電圧ベクトル演算部と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は鉄道車両駆動制御装置に関し、特に電力変換装置からモータに３相交流電力を供給する駆動システムにおいて、負荷モータの異常状態を検知する機能を備えた鉄道車両電力変換装置に関するものである。

１台の負荷モータを駆動するインバータ装置の出力の欠相を検知する方法として、Q軸電流指令とQ軸電流出力の偏差の絶対値、又はD軸電流指令とD軸電流出力の偏差の絶対値を検出することで保護動作を行う技術が特許文献１に開示されている。

また、ベクトル制御された１台のインバータ装置で複数台の誘導モータを並列接続して駆動するシステムにおいて、予め設定された時間幅におけるトルク変動幅基準値を超えたときに、１台の誘導モータの１相だけが断線した状態を検知する技術が特許文献２に開示されている。

特開2005-147672号公報特開2005-176571号公報

鉄道用電気車両は、走行中の振動によりモータ配線の接続不良が発生することが考えられ、この接続不良は、モータの過熱・焼損事故の起因になる。

ベクトル制御された１台のインバータ装置で複数台、例えば４台の誘導モータを並列接続して駆動するようなシステムでは、４台の誘導モータの内の３台が接続不良により欠相状況となり、１台の誘導モータとの配線のみ健全の場合は、等価的には特許文献１に記載の１台の誘導モータを制御する駆動システムと同様な回路構造である為、に特許文献１に記載の断線検出装置を４台の誘導モータを並列接続して駆動するようなシステムに適用しても、このような接続不良状況を検出することはできない。

また、文献２では、誘導モータから出力されるトルクを演算して、この出力トルクの変動に基づいて１台の誘導モータの断線状態を検知しようとする技術であるが、出力トルクを運転台からのトルク指令値に一致させるフィードバック制御により、出力トルクの変動が小さくなる場合には、精度良く断線状態を検知することはできない。

本発明の目的は、インバータ装置と誘導モータ間の欠相や相順逆の誤配線などの接続不良状態を精度良く検出できる鉄道車両用の電力変換装置を提供することにある。

本発明における電力変換装置は、電力変換装置と複数の誘導モータの間の電流検出値からトルク電流検出値と励磁電流検出値を生成する電流ベクトル検出部と、トルク電流指令値と励磁電流指令値に基づきすべり周波数を生成するすべり周波数演算部と、前記トルク電流検出値と前記トルク電流指令値の偏差に基づいて前記誘導モータの推定速度を生成する速度推定部と、前記励磁電流検出値に基づいて前記複数の誘導モータの接続不良を検知する接続不良判断装置と、前記トルク電流検出値がトルク電流指令値に追従するように前記すべり周波数と前記推定速度に基づき生成されたインバータ周波数と、前記トルク電流指令値と、前記励磁電流指令値と、に基づいて電圧指令値を生成する電圧ベクトル演算部と、を備える。

本発明によれば、接続部の開放を検知するセンサを設けなくても、励磁電流検出値により接続不良を検知することができ、装置コストを増加させることなく接続不良を検知することができる。

本発明における駆動制御装置の一実施形態を示す図である。インバータ装置と誘導モータ（８D）の間の配線が断線している状態を示す図である。インバータ装置と誘導モータ（８D）の間の三相の配線順番が逆相となっている状態を示す図である。接続不良を検知する判定条件を示す図である。接続不良を検知する他の判定条件を示す図である。

図１は、この発明の第１の実施形態における鉄道車両用駆動制御装置の制御ブロック図を示すものである。図１に示すように、インバータ装置７には架線からパンタグラフを介して得た直流電力が供給され、インバータ装置７の交流側には４台の誘導モータ８A、８B、８C、８Dが接続されている。これらの４台の誘導モータ８A、８B、８C、８Dは互いに並列接続されており、１台のインバータ装置７でベクトル制御が実施されている。インバータ装置７の内部に設けられているスイッチング素子は、パルス幅変調方式制御部(PWM制御部)２から出力されるゲート信号に基づいて、スイッチングすることにより、インバータ装置７に並列接続される４台の誘導モータ８A、８B、８C、８Dに所望の交流電力を供給する。

本実施形態における駆動制御装置は、励磁電流指令値Idpとトルク電流指令値Iqp及びインバータ周波数Finvに基づいて電圧指令値と位相各指令を出力する電圧ベクトル演算部１と、前記電圧指令値と位相各指令とインバータ周波数Finvと直流電圧検出知に基づいてインバータ装置のスイッチング指令を出力するパルス幅変調方式制御部(PWM)２と、励磁電流指令値Idpとトルク電流指令値Iqpに基づいてすべり周波数を生成するすべり周波数演算部３と、トルク電流指令値Iqpとトルク電流検出値Iqfに基づいて推定速度を生成する速度推定部４と、インバータ装置の各出力電流を座標変換してトルク電流成分Iqfと励磁電流成分Idfを生成する電流ベクトル検出部５と、励磁電流指令値Idpと励磁電流成分Idfの差分に基づいて接続不良を検出する接続不良検出装置６を備えている。

インバータ装置７から出力される各相電流Iu、Iv、Iwは、相電流検出器９A、９B、９Cによって検出される。検出された各相電流Iu、Iv、Iwは、電流ベクトル検出部５により座標変換されて、トルク電流成分Iqfと励磁電流成分Idfに変換される。そのトルク電流成分Iqfとトルク電流指令値Iqpの差分は速度推定部４に入力される。速度推定部４は、入力されるトルク電流成分Iqfとトルク電流指令値Iqpの差分が零となるように、前回の速度推定で生成した速度推定値を補正して速度推定値Ｆｒを生成する。速度推定部４は、インバータ装置の起動直後の初期期間中に初期速度を推定する場合には、前回の速度推定値が存在しないため、予め決められた初期速度推定値を補正して速度推定値Ｆｒを生成する。

ここで、インバータ装置の起動直後の初期期間中に初期速度を推定する場合には、微小な励磁電流を印加し、モータ内部に磁束を発生させて、速度に比例した起電力を発生させる。速度推定部の推定した速度推定値と実際の速度に誤差がある場合トルク電流Ｉｑが流れるため、速度推定部４でトルク電流Ｉｑが零となるように速度推定値を調整することで、インバータ起動直後の期間においても速度推定値を実際の速度に一致させることができる。

さらに速度推定部４で上述した方法により演算された推定速度と、すべり周波数演算部３から出力されるすべり周波数Fsは、加算器で加算されてインバータ周波数Finvが生成され、当該インバータ周波数Finvが電圧ベクトル演算部１に入力される。電圧ベクトル演算部１では、電圧ベクトル指令｜V｜を演算し、パルス幅変調方式制御部に当該指令を出力する。パルス幅変調方式制御部では、入力された電圧ベクトル指令に基づきパルス幅変調を行ったパルス信号を生成して、パルス幅変調方式でインバータ装置を制御している。

本実施形態においては、モータに速度センサを設けずに速度推定部４で速度を推定する速度センサレスベクトル制御を実施している。当該速度センサレスベクトル制御では、推定速度と実速度の誤差がすべり周波数の誤差となり、トルク電流の偏差となって現れること利用し、トルク電流検出値Iqfをトルク電流指令値Iqpに追従させるようにインバータ周波数を補正することで推定速度の誤差を無くしている。

温度変化によりモータ特性が変化し、誘導モータのトルク変動が発生する。このトルク変動を抑える為、励磁電流はトルク電流のように検出値と指令値を比較する制御は行わずオープンループ制御としている。このような制御により、は温度変化などによるモータ電流変化の影響を励磁電流で負担させ、トルク電流への影響を抑えることによってトルク変動を抑制することができる。

インバータ装置は、車両の質量を計測する重量センサにより検出された応荷重信号と、運転台の操作レバー（マスコン）の操作によって入力される力行指令及びブレーキ指令と、に応じて車両の駆動に必要とされる所要トルクを演算し、その所要トルクを出力するためのトルク電流指令値と励磁電流指令値を演算する。つまり、トルク電流指令値と励磁電流指令値は、応荷重信号とマスコン操作量に基づき決められたものである。

上述した速度センサレスベクトル制御において、接続不良判定部6Bは、インバータ装置7と複数の誘導モータ８A、８B、８C、８Dとの少なくとも1個のモータの断線状態、及び１個の誘導モータにおける三相（UVW）の接続順の誤接続状態（逆相接続）を検出できる。

この接続不良検出装置6は、絶対値偏差演算部6Aと接続不良判定部6Bで構成される。この絶対値偏差演算部6Aは、誘導モータに流れる励磁電流Idfの絶対値と予め決められた励磁電流指令Idpの絶対値の偏差を検出する。欠相状態又は相順逆の誤配線状態の接続不良が発生した場合には、励磁電流値が通常時よりも大きくなる。そのため、当該偏差が予め決められた所定値以上となる状態が一定時間以上継続した場合に、欠相状態又は相順逆の誤配線状態と判断する。接続不良検出装置6により欠相状態又は相順逆の誤配線状態と判断された場合には、接続不良が発生していることを示す情報を運転台に送信し、または無線で保守工場等に送信することで、運転士や保守員に接続不良が発生していることを知らせる。
ここで、接続不良発生時の励磁電流値は、励磁電流指令に比例して増加するため、接続不良と判断するため前記所定値は、現在の励磁電流指令値に比例して変化する値としても良く、また固定値としても良い。または、現在の励磁電流指令値に比例して変化する値以上、かつ固定値以上となる状態が一定時間以上継続したことを接続不良の判断条件としても良い。

図１の構成において、インバータ装置が正常に運転されている場合は、誘導モータ８A、８B、８C、８Dの等価定数が急激に変化しなければ、電流検出器 9A、9B、9Cから検出される誘導モータの励磁電流と予め決められた励磁電流指令値との偏差はほぼゼロに維持される。

インバータ装置と誘導モータ間の断線状態、及び、誘導モータにおける三相（UVW）の接続順の誤接続状態は、インバータ装置の運転開始前に事前に検出することが難しく、また、インバータ装置の運転開始後にこれらの接続不良の状態になっても、本発明を利用しない場合には、インバータ制御装置から正常状態と認識し、予め決められたトルク電流指令値と励磁電流指令値を流そうと制御してしまう。例えば特許文献１では、励磁電流及びトルク電流をフィードバック制御しているため、接続不良が原因で出力トルクが低下した場合にも、出力トルクを増加させるようにトルク電流指令値と励磁電流指令値を制御してしまい、複数の誘導モータの一部に接続不良がある状態を精度良く検知することができなかった。

図２は、インバータ装置と誘導モータ（８D）の間の配線が断線している状態の一例を示す。図２のようにインバータ装置と誘導モータ間に断線が発生した状態の場合は、負荷となる誘導モータの数が減少し、負荷の抵抗値が上昇する。そのため、誘導モータに流れる複数の誘導モータからの総出力トルクが正常時よりも減少する。ここで、上述した本実施形態における制御では、トルク電流は前述のACR制御を行って、トルク電流値とトルク電流指令値が一致するようにフィードバック制御が行われ、励磁電流はトルク電流のように検出値と指令値を比較する制御は行わずオープンループ制御を行う。その為、負荷抵抗の上昇に伴うモータ電流の補正による大きな挙動はすべて励磁電流に反映される。本実施形態では、負荷抵抗の上昇に伴う大きな挙動が励磁電流に反映される特徴を利用し、接続不良判定部6Bは検出された励磁電流値と励磁電流指令値の偏差の大きさに基づき、インバータ装置と誘導モータ間の欠相状態を検出する。このように、本実施形態によると、負荷抵抗の上昇に伴う大きな挙動が反映される励磁電流の検出値に基づいて接続不良を判断するため、より精度良く接続不良を判断することができる。図２では、誘導モータ８Dの１相分が断線した例を示したが、誘導モータ８Dの３相全てが断線した場合も同様に負荷抵抗の上昇に伴う大きな挙動が励磁電流に反映されるため、断線状態をより精度良く検出することができる。

図３は、インバータ装置と誘導モータ（８D）の間の三相の配線順番が逆相となっている状態の一例を示す。図３のように誘導モータ（８D）の三相の配線順番が逆相となる誤接続状態の場合は、誘導モータ８A、８B、８Cは制御で予定している方向にトルクを発生させるが、誘導モータ８Dは制御で予定されている方向とは逆方向にトルクを発生させる。そのため、互いに逆方向のトルクを出力する誘導モータ８Dと誘導モータ８Cの出力トルクが相殺されて、総出力トルクは誘導モータ２個分となり、実トルクが正常時の誘導モータ４個分より小さくなる。ここで、上述した本実施形態における制御では、トルク電流は前述のACR制御を行って、トルク電流値とトルク電流指令値が一致するようにフィードバック制御が行われ、励磁電流はトルク電流のように検出値と指令値を比較する制御は行わずオープンループ制御を行う。その為、負荷抵抗の上昇に伴うモータ電流の補正による大きな挙動はすべて励磁電流に反映される。本実施形態では、負荷抵抗の上昇に伴う大きな挙動が励磁電流に反映される特徴を利用し、接続不良判定部6Bは検出された励磁電流値と励磁電流指令値の偏差の大きさに基づき、誘導モータUVW相順逆の誤配線状態を検出する。このように、本実施形態によると、負荷抵抗の上昇に伴う大きな挙動が反映される励磁電流の検出値に基づいて接続不良を判断するため、誘導モータUVW相順逆の誤配線状態をより精度良く判断することができる。

本実施例に記載のように、誘導モータに速度センサを設けず、モータ電流を検出することにより誘導モータの回転速度を推定してインバータ装置のパルス幅を制御する速度セン
サレスベクトル制御においては、インバータ装置の起動時に、励磁電流を変動させてトルク電流値を検出することにより誘導モータの速度を推定する速度推定期間を設けている。この速度推定期間においては、励磁電流の検出値と励磁電流指令値の偏差が大きくなる。そのため、インバータ起動時から所定期間に設定される初期速度推定期間内においては、接続不良判定部6Bによる接続不良の判定を行わず、インバータ起動時から所定期間を経過した後に、接続不良判定部6Bによる接続不良の判定を行う。このように接続不良判定の実行タイミングを特定することにより、速度センサレスベクトル制御に起因した接続不良の誤検知を防止することができ、速度センサレスベクトル制御と接続不良判定の機能を併用させることが可能となる。

インバータ装置を停止しても誘導モータ内部の磁束は直ぐに消えずに残ることが知られている。更に、近年では抵抗値が小さい省エネの誘導モータが主流となっており、残留磁束のエネルギが消費されて残留磁束が消えるまでの時間が長くなる傾向にある。この残留磁束が残った状態でインバータ装置を再起動すると、残留磁束によって生じた誘起電圧とインバータ装置から出力する電圧の位相によっては過大な電流が流れ、インバータ装置を破壊する虞がある。そのため、本実施例では、残留磁束を迅速に取り除くために、インバータ停止前に励磁電流を放電させる消磁制御を行う。ここで、一般的に鉄道車両は、駅停車・力行・惰行・制動・駅停車の動作を繰り返し、力行と制動時にインバータ装置を動作させている。そのため、力行後の惰行時及び制動後の駅停車時に消磁制御を行う。

この消磁制御期間においては、励磁電流を放電させるため、励磁電流が一時的に増大し、励磁電流指令値との偏差が大きくなる。そのため、インバータ装置を停止する指令が運転台から入力されてから実施される消磁制御の制御期間内においては、接続不良判定部6Bによる接続不良の判定を行わない。このように接続不良判定の実行タイミングを特定することにより、消磁制御に起因した接続不良の誤検知を防止することができ、消磁制御と接続不良判定の機能を併用させることが可能となる。

接続不良判定装置６が接続不良を検知する判定条件を図４を用いて説明する。処理４０１では、励磁電流の検出値の絶対値と励磁電流の指令値の絶対値との偏差を算出し、当該偏差が所定値以上となっている状態が所定時間以上継続したかを判断し、継続した場合にＡＮＤ回路４０４にHigh信号を出力する。処理４０２では、ゲートスタートから所定の時間に設定される初期速度推定期間を経過しているか判断を行い、初期速度推定期間を経過しているか場合にＡＮＤ回路４０４にHigh信号を出力する。処理４０３では、惰行又は停車の指令が運転台から入力された場合等に実施される消磁制御期間内であるか判断を行い、消磁制御期間ではない場合にＡＮＤ回路４０４にHigh信号を出力する。ＡＮＤ回路４０４では、処理４０１，４０２，４０３からそれぞれHigh信号が入力された場合に、接続不良が発生していると判断する。

上述した実施形態では、接続不良判定装置６が励磁電流検出値の絶対値と励磁電流指令値の絶対値の偏差の大きさに基づいて接続不良の判断を行う例を説明したが、誘導モータとの接続状態が正常な場合の励磁電流指令値がほぼ一定値で制御される場合においては、必ずしも励磁電流の検出値と指令値の偏差を算出する必要はなく、励磁電流の検出値の大きさに基づいて接続不良の有無を判断することができる。当該実施形態において接続不良判定装置６が接続不良を検知する判定条件を図５を用いて説明する。図５では、処理５０１のみが図４の処理４０１と異なり、他の処理は同じである。処理５０１では、励磁電流の検出値の絶対値が所定値以上となっている状態が所定時間以上継続したかを判断し、継続した場合にＡＮＤ回路４０４にHigh信号を出力する。ＡＮＤ回路４０４では、処理５０１，４０２，４０３からそれぞれHigh信号が入力された場合に、接続不良が発生していると判断する。

１電圧ベクトル演算部
２パルス幅変調方式制御出力部
３すべり周波数演算部
４速度推定部
４A トルク電流ACR制御部
４B 速度推定用初期収束部
５電流ベクトル検出部
６接続不良判定装置
６A 絶対値偏差演算部
６B 接続不良判定部
７インバータ装置
８誘導モータ
８A 誘導モータ１
８B 誘導モータ２
８C 誘導モータ３
８D 誘導モータ４
９電流検出器
９A U相用電流検出器
９B V相用電流検出器
９C W相用電流検出器

Claims

複数の誘導モータに交流電力を供給する電力変換装置であって、
前記電力変換装置と前記複数の誘導モータの間の電流検出値からトルク電流検出値と励磁電流検出値を生成する電流ベクトル検出部と、
トルク電流指令値と励磁電流指令値に基づきすべり周波数を生成するすべり周波数演算部と、
前記トルク電流検出値と前記トルク電流指令値の偏差に基づいて前記誘導モータの推定速度を生成する速度推定部と、
前記励磁電流検出値に基づいて前記複数の誘導モータの接続不良を検知する接続不良判断装置と、
前記トルク電流検出値がトルク電流指令値に追従するように前記すべり周波数と前記推定速度に基づき生成されたインバータ周波数と、前記トルク電流指令値と、前記励磁電流指令値と、に基づいて電圧指令値を生成する電圧ベクトル演算部と、を備えたことを特徴とする電力変換装置。
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記接続不良判断装置は、前記励磁電流検出値の絶対値と前記励磁電流指令値の絶対値の偏差が所定値以上となる場合に、前記複数の誘導モータの接続不良を検知することを特徴とする電力変換装置。
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記接続不良判定装置は、前記励磁電流検出値の絶対値が所定値以上となる場合に、前記複数の誘導モータの接続不良を検知することを特徴とする電力変換装置。
請求項１乃至請求項３に記載の電力変換装置において、
前記接続不良判定装置は、前記電力変換装置の起動時から所定期間を経過していることを、前記複数の誘導モータの接続不良を検知する必要条件とし、
前記所定期間の間に、励磁電流を変動させて前記誘導モータの初期速度を推定することを特徴とする電力変換装置。
請求項１乃至請求項４に記載の電力変換装置において、
前記接続不良判定装置は、運転台から前記電力変換装置を停止させる指令が入力されていないことを前記複数の誘導モータの接続不良を検知する必要条件とし、
前記運転台から前記電力変換装置を停止させる指令が入力された後に、励磁電流を放電させて前記誘導モータ内の磁束を減少させることを特徴とする電力変換装置。