JP2022010532A

JP2022010532A - インバータ装置

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Publication number: JP2022010532A
Application number: JP2020111173A
Authority: JP
Inventors: 脩一長岡; Shuichi Nagaoka; 弘敏川合; Hirotoshi Kawai; 玲子高橋; Reiko Takahashi
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Infrastructure Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Infrastructure Systems and Solutions Corp
Priority date: 2020-06-29
Filing date: 2020-06-29
Publication date: 2022-01-17
Anticipated expiration: 2040-06-29
Also published as: JP7463213B2

Abstract

【課題】安全なインバータ装置を提供する。【解決手段】実施形態に係るインバータ装置は、電気車に搭載された永久磁石同期電動機に三相交流電力を供給するインバータ装置であって、インバータと、制御ユニットと、を具備する。インバータは、複数の半導体スイッチの直列接続が直流電源に並列に複数接続され、前記半導体スイッチのスイッチングによって、前記直流電源からの直流電力を交流電力に変換し、前記交流電力を前記永久磁石同期電動機に供給する。制御ユニットは、前記インバータを制御し、前記インバータと前記永久磁石同期電動機との間に接続された真空接触器の投入を維持し、前記永久磁石同期電動機の速度が予め設定された閾値未満である場合、前記インバータを停止させる。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、インバータ装置に関する。

電気車は、インバータ装置と電動機とを備える。インバータ装置は、架線または第三軌条などから電力を受け取り、受け取った電力を用いて、電動機、及び電気車の種々の設備などに電力を供給する。電動機は、例えば、回転子に永久磁石が用いられた永久磁石同期電動機である。電動機は、インバータ装置からの電力の供給を受けて、電気車を力行させる。

電気車の起動時、電動機の試験、または坂道で発進するなどの所定の条件において、電動機の回転軸が回転しない場合がある。誘導電動機は、回転子が固定されていてもすべり周波数があるため、特定の素子に電流が流れ続けることはなかった。これに対して、永久磁石同期電動機は、同期モータであるためすべりがない。この為、永久磁石同期電動機の回転子が固定されると、インバータ装置の特定の素子に電流が流れ続ける。この結果、インバータ装置の特定の素子の温度が増加し、素子が破壊される可能性があるという課題がある。

特開２０１２－１００４３５号公報

本発明が解決しようとする課題は、安全なインバータ装置を提供することである。

本願の実施形態に係るインバータ装置は、電気車に搭載された永久磁石同期電動機に三相交流電力を供給するインバータ装置であって、インバータと、制御ユニットと、を具備する。インバータは、複数の半導体スイッチの直列接続が直流電源に並列に複数接続され、前記半導体スイッチのスイッチングによって、前記直流電源からの直流電力を交流電力に変換し、前記交流電力を前記永久磁石同期電動機に供給する。制御ユニットは、前記インバータを制御し、前記インバータと前記永久磁石同期電動機との間に接続された真空接触器の投入を維持し、前記永久磁石同期電動機の速度が予め設定された閾値未満である場合、前記インバータを停止させる。

図１は、一実施形態に係るインバータ装置を含む電気車制御装置の構成例について説明するための説明図である。図２は、インバータの構成例について説明するための説明図である。図３は、インバータから永久磁石同期電動機に供給される三相交流電力の例について説明するための説明図である。図４は、永久磁石同期電動機の回転軸固着時に、インバータから永久磁石同期電動機に供給される三相交流電力の例について説明するための説明図である。図５は、第１実施形態に係るインバータ装置の制御ユニットの動作の例について説明するための説明図である。図６は、第２実施形態に係るインバータ装置の制御ユニットの動作の例について説明するための説明図である。図７は、第３実施形態に係るインバータ装置の制御ユニットの動作の例について説明するための説明図である。図８は、第３実施形態に係るインバータ装置の制御ユニットにて用いられる電流閾値の一例について説明するための図である。図９は、第３実施形態に係るインバータ装置の制御ユニットの動作の他の例について説明するための説明図である。図１０は、第４実施形態に係るインバータ装置の制御ユニットの動作の例について説明するための説明図である。図１１は、第５実施形態において、運転台から電動機の試験を指示する信号（試験状態信号）が入力されている場合の制御ユニットの動作の例について説明するための説明図である。図１２は、第１乃至第５実施形態においてインバータを停止させるか否かの判断を行うタイミングを決定する為の判定時間の決定方法について説明するためのフローチャートである。

以下、実施形態の電力変換装置について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、一実施形態に係るインバータ装置を含む電気車制御装置の構成例を示す説明図である。
電気車制御装置１は、例えば、電気車などの移動体に搭載される。電気車制御装置１は、架空電車線または第三軌条などの電車線２から集電器を介して直流電力を受け取り、受け取った直流電力を電動機の定格に応じた交流電力に変換し、電動機に交流電力を供給する。これにより、電気車制御装置１は、電動機の回転軸を回転させ、電動機の回転軸にギアなどを介して連動する車輪を回転させ、電気車に線路上を力行させる。

図１に示されるように、電気車制御装置１は、集電シュー１１、高速度遮断器１２、第１断流器１３、充電抵抗１４、第２断流器１５、フィルタリアクトル１６、フィルタコンデンサ１７、インバータ１８、永久磁石同期電動機１９、レゾルバ２０、サーミスタ２１、Ｕ相電流センサ２２、Ｗ相電流センサ２３、第１真空接触器２４、第２真空接触器２５、第３真空接触器２６、車両側機器２７、運転台２８、及び制御ユニット２９を備える。

集電シュー１１は、架線と電気的に接続され、第３軌条または架線から電力を集電する。
高速度遮断器１２は、集電シュー１１に接続される。高速度遮断器１２は、閉路（投入）することにより、インバータ１８と集電シュー１１とを接続する。高速度遮断器１２は、制御ユニット２９からの投入指令に基づいて、投入と開放とを切り替える。

第１断流器１３及び充電抵抗１４は、高速度遮断器１２に直列に接続されている。第１断流器１３は、制御ユニット２９からの投入指令に基づいて、投入と開放とを切り替える。
第２断流器１５は、第１断流器１３及び充電抵抗１４と並列に接続されている。第２断流器１５は、制御ユニット２９からの投入指令に基づいて、投入と開放とを切り替える。

フィルタリアクトル１６は、充電抵抗１４と第２断流器１５との接続点と、インバータ１８とフィルタコンデンサ１７との接続点の間に接続されている。

フィルタコンデンサ１７は、フィルタリアクトル１６からみてインバータ１８と並列に接続されている直流電源である。フィルタコンデンサ１７の高圧側端子は、フィルタリアクトル１６及びインバータ１８に接続されている。フィルタコンデンサ１７の低圧側端子は、インバータ１８及びアース（例えば線路）に電気的に接続されている。フィルタコンデンサ１７は、フィルタリアクトル１６などを介して集電シュー１１から供給された電力を平滑し、インバータ１８に供給する。

インバータ１８は、例えば、可変電圧可変周波数インバータ（ＶＶＶＦインバータ）などのインバータ回路である。インバータ１８は、供給された直流電力を交流電力（三相交流電力）に変換する。インバータ１８は、変換した交流電力を永久磁石同期電動機（ＰＭＳＭ)１９に供給する。

図２は、図１に示すインバータの構成例について説明するための説明図である。
インバータ１８は、それぞれ上アームと下アームとを構成する複数の半導体スイッチにより構成されたレグを３つ備える。図２に示されるようにインバータ１８は、第１レグ３１、第２レグ３２、及び第３レグ３３を有する。

第１レグ３１、第２レグ３２、及び第３レグ３３は、それぞれフィルタコンデンサ１７に並列に接続されている。第１レグ３１、第２レグ３２、及び第３レグ３３は、制御ユニット２９からのインバータ動作信号に基づいて、後述する半導体スイッチをオンオフ制御する。これにより、第１レグ３１、第２レグ３２、及び第３レグ３３は、フィルタコンデンサ１７からの直流電圧により、永久磁石同期電動機１９に交流電力を供給する。

第１レグ３１は、制御ユニット２９によりオンオフ制御される半導体スイッチＵ及び半導体スイッチＸを備える。半導体スイッチＵ及び半導体スイッチＸは、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、または他のパワー半導体などにより構成される。半導体スイッチＵと半導体スイッチＸとは、導通路が直列になるように接続されている。半導体スイッチＵと半導体スイッチＸとの接続点は、永久磁石同期電動機１９に接続されている。半導体スイッチＵ及び半導体スイッチＸは、電気車の力行時に一方がオンであり他方がオフになるように制御ユニット２９により制御される。第１レグ３１は、半導体スイッチＵがオンであり、半導体スイッチＸがオフである場合、永久磁石同期電動機１９にＵ相の交流電力を供給する。また、第１レグ３１は、半導体スイッチＵがオフであり、半導体スイッチＸがオンである場合、半導体スイッチＸを介して、永久磁石同期電動機１９から戻る電力をアースに流す。

第２レグ３２は、制御ユニット２９によりオンオフ制御される半導体スイッチＶ及び半導体スイッチＹを備える。半導体スイッチＶ及び半導体スイッチＹは、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、または他のパワー半導体などにより構成される。半導体スイッチＶと半導体スイッチＹとは、導通路が直列になるように接続されている。半導体スイッチＶと半導体スイッチＹとの接続点は、永久磁石同期電動機１９に接続されている。半導体スイッチＶ及び半導体スイッチＹは、電気車の力行時に一方がオンであり他方がオフになるように制御ユニット２９により制御される。第２レグ３２は、半導体スイッチＶがオンであり、半導体スイッチＹがオフである場合、永久磁石同期電動機１９にＶ相の交流電力を供給する。また、第２レグ３２は、半導体スイッチＶがオフであり、半導体スイッチＹがオンである場合、半導体スイッチＹを介して、永久磁石同期電動機１９から戻る電力をアースに流す。

第３レグ３３は、制御ユニット２９によりオンオフ制御される半導体スイッチＷ及び半導体スイッチＺを備える。半導体スイッチＷ及び半導体スイッチＺは、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、または他のパワー半導体などにより構成される。半導体スイッチＷと半導体スイッチＺとは、導通路が直列になるように接続されている。半導体スイッチＷと半導体スイッチＺとの接続点は、永久磁石同期電動機１９に接続されている。半導体スイッチＷ及び半導体スイッチＺは、電気車の力行時に一方がオンであり他方がオフになるように制御ユニット２９により制御される。第３レグ３３は、半導体スイッチＷがオンであり、半導体スイッチＺがオフである場合、永久磁石同期電動機１９にＶ相の交流電力を供給する。また、第３レグ３３は、半導体スイッチＷがオフであり、半導体スイッチＺがオンである場合、半導体スイッチＺを介して、永久磁石同期電動機１９から戻る電力をアースに流す。

図３は、インバータ１８から永久磁石同期電動機１９に供給される三相交流電力の例について説明するための説明図である。図３の縦軸は、電流を示し、図３の横軸は、周波数を示す。

第１レグ３１と、第２レグ３２と、第３レグ３３とは、互いに位相の異なる交流電力を永久磁石同期電動機１９に供給する。図３のＵ相は、第１レグ３１を介して永久磁石同期電動機１９に供給される交流電力を示す。図３のＶ相は、第２レグ３２を介して永久磁石同期電動機１９に供給される交流電力を示す。図３のＷ相は、第３レグ３３を介して永久磁石同期電動機１９に供給される交流電力を示す。図３に示されるように、永久磁石同期電動機１９に供給されるＵ相の交流電力と、Ｖ相の交流電力と、Ｗ相の交流電力とは、互いに１２０°位相が異なる。即ち、インバータ１８は、永久磁石同期電動機１９に１２０°位相が異なる三相交流電力を供給する。

永久磁石同期電動機１９は、互いに星形結線された第１固定子巻線（Ｕ相コイル）、第２固定子巻線（Ｖ相コイル）、および第３固定子巻線（Ｗ相コイル）を備えた固定子と、固定子の中央部に形成された空間に回転可能に設けられた永久磁石回転子とを有する。Ｕ相コイルは、インバータ１８の第１レグ３１に接続されている。Ｖ相コイルは、インバータ１８の第２レグ３２に接続されている。Ｗ相コイルは、インバータ１８の第３レグ３３に接続されている。即ち、永久磁石同期電動機１９は、三相式の永久磁石同期電動機である。

永久磁石同期電動機１９は、インバータ１８から供給された三相交流電力に応じて動作し、機械的な動力を得る。インバータ１８の第１レグ３１、第２レグ３２、及び第３レグ３３からＵ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイルにそれぞれ異なるタイミングで交流電力が供給される。各コイルに流れる電流によって各コイルに発生する磁場と、固定子の磁場との相互作用により、軸を回転させる機械的エネルギーが生じる。永久磁石同期電動機１９の軸が回転すると、永久磁石同期電動機１９の軸に連結されたギアなどを介して、電気車の車輪に駆動力が伝達し、電気車が力行する。

レゾルバ２０は、永久磁石同期電動機１９の軸の回転を検出する速度検出手段である。レゾルバ２０は、永久磁石同期電動機１９の軸の回転数を検出し、制御ユニット２９に検出結果を供給する。

サーミスタ２１は、インバータ１８内の温度を検出し、温度検出結果を制御ユニット２９に出力する。サーミスタ２１は、例えば、インバータ１８内の各レグの半導体スイッチの温度を検出する。また、サーミスタ２１は、インバータ１８内の所定の電流経路の近傍の温度を検出する構成であってもよい。

Ｕ相電流センサ２２は、インバータ１８の第１レグ３１から永久磁石同期電動機１９のＵ相コイルに流れる電流を検出し、検出結果を制御ユニット２９に出力する。

Ｗ相電流センサ２３は、インバータ１８の第３レグ３３から永久磁石同期電動機１９のＷ相コイルに流れる電流を検出し、検出結果を制御ユニット２９に出力する。

第１真空接触器２４、第２真空接触器２５、及び第３真空接触器２６は、それぞれインバータ１８と永久磁石同期電動機１９との間に接続される。第１真空接触器２４は、インバータ１８の第１レグ３１と永久磁石同期電動機１９のＵ相コイルとの間に接続されている。第２真空接触器２５は、インバータ１８の第２レグ３２と永久磁石同期電動機１９のＶ相コイルとの間に接続されている。第３真空接触器２６は、インバータ１８の第３レグ３３と永久磁石同期電動機１９のＷ相コイルとの間に接続されている。

第１真空接触器２４、第２真空接触器２５、及び第３真空接触器２６は、それぞれ閉路（投入）することにより、インバータ１８と永久磁石同期電動機１９とを接続する。第１真空接触器２４、第２真空接触器２５、及び第３真空接触器２６は、制御ユニット２９からの投入指令に基づいて、投入と開放とを切り替える。

車両側機器２７は、電気車の車輪に対してブレーキをかける機器である。車両側機器２７は、例えば、空気ブレーキである。車両側機器２７は、制御ユニット２９からの指令に基づいて、圧縮空気でブレーキシリンダを動かし、制輪子を車輪に接触させることにより、空気ブレーキを有効にする。車両側機器２７は、例えば、制御ユニット２９からブレーキ解除指令を受信している間、車輪に対する空気ブレーキを解除する。また、車両側機器２７は、制御ユニット２９からブレーキ解除指令を受信していない場合、車輪に対して空気ブレーキをかける。

運転台２８は、制御ユニット２９に種々の指令を出力する構成である。運転台２８は、ノッチなどによる操作に応じて、インバータ動作指令、及び他の種々の指令を制御ユニット２９に出力する。

制御ユニット２９は、高速度遮断器１２の投入及び開放、第１断流器１３の投入及び開放、第２断流器１５の投入及び開放、インバータ１８の各半導体スイッチのオンオフ動作、及び車両側機器２７による空気ブレーキの動作の制御を行う。即ち、制御ユニット２９は、高速度遮断器１２への投入指令、第１断流器１３への投入指令、第２断流器１５への投入指令、インバータ１８へのインバータ動作信号、車両側機器２７へのブレーキ解除指令の出力をそれぞれ行う。制御ユニット２９は、インバータ１８とともに永久磁石同期電動機１９に交流電力を供給するインバータ装置として構成される。また、制御ユニット２９は、インバータ１８と一体に構成されていてもよい。

制御ユニット２９は、レゾルバ２０からの検出結果に基づいて、永久磁石同期電動機１９の軸の回転速度を算出する回転速度演算部を有する。
制御ユニット２９は、Ｕ相電流センサ２２からの検出結果、Ｗ相電流センサ２３からの検出結果、永久磁石同期電動機１９の軸の回転速度、サーミスタ２１からの温度検出結果、及び運転台からのインバータ動作指令などに基づいて、種々の指令及び信号を生成する。

制御ユニット２９は、インバータ１８にインバータ動作信号を出力することにより、インバータ１８の各半導体スイッチのオンオフを制御する。制御ユニット２９は、インバータ１８の第１レグ３１の半導体スイッチＵ及び半導体スイッチＸ、第２レグ３２の半導体スイッチＶ及び半導体スイッチＹ、並びに第３レグ３３の半導体スイッチＷ及び半導体スイッチＺを互いに１２０°位相をずらしてオンオフ制御する。これにより、インバータ１８から永久磁石同期電動機１９に三相交流電力を供給させる。

制御ユニット２９は、例えばパルス信号を生成する論理回路として構成される。また、制御ユニット２９は、演算処理を実行する演算素子であるプロセッサと、プログラム及びプログラムで用いられるデータなどを記憶するメモリとを備え、プロセッサがプログラムを実行することにより、パルス信号（インバータ動作信号）を生成する構成であってもよい。

図４は、永久磁石同期電動機１９の回転軸固着時に、インバータ１８から永久磁石同期電動機１９に供給される三相交流電力の例について説明するための説明図である。図４の縦軸は、電流を示し、図４の横軸は、周波数を示す。

上記のような構成において、第１真空接触器２４、第２真空接触器２５、及び第３真空接触器２６などの真空接触器を開放することによりインバータ１８の動作を停止させる場合、図３の交流電流のゼロクロス部で電流を遮断する必要がある。しかし、何らかの原因で車輪が拘束する、すなわち永久磁石同期電動機１９の回転軸が停止した状態になる場合がある。この場合、図４に示されるように、インバータ１８の出力電流が直流になる。また、真空接触器が固渋する可能性もある。

例えば、運転台２８から電動機の試験を指示する信号（試験状態信号）が入力されている場合、制御ユニット２９は、真空接触器の投入を維持し、インバータ１８を動作させ、且つ車両側機器２７による空気ブレーキをかけて永久磁石同期電動機１９の軸を回転させない状態にする。また、坂道などで発進する場合、制御ユニット２９がインバータ１８を動作させ、インバータ１８から永久磁石同期電動機１９に電力を供給しても、電気車の重さなどの負荷の為に永久磁石同期電動機１９の軸が回転しない可能性がある。また、電気車の起動時、制御ユニット２９は、真空接触器の投入を維持し、インバータ１８を動作させ、且つ永久磁石同期電動機１９の軸を回転させない状態にする。

永久磁石同期電動機１９の軸が回転せず、第１真空接触器２４、第２真空接触器２５、及び第３真空接触器２６などの真空接触器の投入が維持されていると、インバータ１８の特定の素子に電流が流れ続ける。図４の例では、インバータ１８の第１レグ３１から永久磁石同期電動機１９のＵ相コイルに向かって電流が流れ続け、かつ永久磁石同期電動機１９のＶ相コイル及びＷ相コイルからインバータ１８の第２レグ３２及び第３レグ３３に向かって電流が流れ続けている。インバータ装置の特定の素子の温度が増加し、素子が破壊される可能性があるという課題がある。このように特定の素子に電流が流れ続けた場合、素子の温度が増加し、素子が破壊される可能性がある。

次に、制御ユニット２９の詳細な動作について説明する。
（第１実施形態）
図５は、第１実施形態に係るインバータ装置の制御ユニットの動作の例について説明するための説明図である。

「インバータ動作指令」は、運転台２８から制御ユニット２９に入力される信号を示す。
「インバータ動作信号」は、制御ユニット２９からインバータ１８に入力されるインバータ１８の動作用の信号を示す。

「インバータ出力電流」は、電流検出手段（Ｕ相電流センサ２２またはＷ相電流センサ２３）の検出結果に基づいて算出された値を示す。インバータ出力電流は、例えばインバータ１８から永久磁石同期電動機１９に供給される電流の実効値（電流Ｉｒｍｓ）である。

「速度」は、レゾルバ２０の検出結果に基づいて算出された永久磁石同期電動機１９の軸の速度（回転速度）を示す。また、速度は、レゾルバ２０の検出結果に基づいて算出された車両の走行速度などであってもよい。

「空気ブレーキ」は、車両側機器２７による電気車の車両の車輪に対するブレーキの有効の度合いを示す。
「ブレーキ解除指令」は、制御ユニット２９から車両側機器２７に入力される空気ブレーキの維持または解除を指示するための信号を示す。

「インバータ停止指令」は、制御ユニット２９からインバータ１８に入力されるインバータ１８の動作を停止させるための信号である。
「素子温度」は、サーミスタ２１により検出されたインバータ１８内の特定の素子の温度の検出結果を示す。

制御ユニット２９は、運転台２８からのインバータ動作指令がオフからオンになると、インバータ１８に入力するインバータ動作信号をオフからオンに切り替える。インバータ１８に入力されるインバータ動作信号がオンになると、インバータ１８が動作を開始し、永久磁石同期電動機１９への電流の供給が開始され、インバータ出力電流が増加する。

制御ユニット２９は、インバータ動作信号をオフからオンに切り替えてから、所定時間（時間Ｔ１）経過後に、ブレーキ解除指令をオフからオンに切り替える。ブレーキ解除指令がオンになると、空気ブレーキが解除される。

制御ユニット２９は、インバータ動作信号をオフからオンに切り替えてから、インバータ出力電流が第１電流値の電流になるようにインバータ１８を制御する。さらに、制御ユニット２９は、空気ブレーキの解除後、インバータ出力電流が第１電流値より高い第２電流値の電流になるようにインバータ１８を制御する。第２電流値は、運転台２８からのインバータ動作指令に含まれるインバータ出力電流指令値に応じた値である。即ち、制御ユニット２９は、２段階の電流値でインバータ１８から電動機に電流が流れるようにインバータ１８を制御する。

また、制御ユニット２９は、インバータ動作信号をオフからオンに切り替えてから、所定時間（時間Ｔ２）経過後に、インバータ１８を停止させるか否か判断する。例えば、制御ユニット２９は、インバータ動作信号をオフからオンに切り替えてから時間Ｔ２経過後の速度と、予め設定された閾値とに基づいて、インバータ１８を停止させるか否か判断する。

具体的には、制御ユニット２９は、インバータ動作信号をオフからオンに切り替えてから時間Ｔ２経過後の速度が、予め設定された閾値未満である場合、インバータ１８を停止させると判断する。制御ユニット２９は、インバータ１８を停止させると判断した場合、インバータ停止指令をインバータ１８に出力する。

インバータ１８は、制御ユニット２９からインバータ停止指令を受信した場合、動作を停止する。即ち、インバータ１８は、制御ユニット２９からインバータ停止指令を受信した場合、第１レグ３１の半導体スイッチＵ及び半導体スイッチＸ、第２レグ３２の半導体スイッチＶ及び半導体スイッチＹ、第３インバータ１８の半導体スイッチＷ及び半導体スイッチＺを停止させる。これにより、インバータ出力電流が０［Ａ］になる。

インバータ動作信号をオフからオンに切り替えてから時間Ｔ２経過後の速度が予め設定された閾値未満である場合、インバータ１８から永久磁石同期電動機１９に十分に電力が供給されており、且つ永久磁石同期電動機１９の軸が回転が不十分であることが推測される。この為、制御ユニット２９は、インバータ１８を停止させることにより、インバータ１８内の素子に電流が流れ続けることを防ぐことができる。

また、制御ユニット２９は、空気ブレーキの解除後にインバータ１８からの出力電流を増加させることにより、永久磁石同期電動機１９が回転していない間のインバータ出力電流の電流値を低く抑えることができる。これにより、制御ユニット２９は、空気ブレーキ有効中に素子に流れる電流を抑制し、素子温度が素子許容温度に到達することを抑制することができる。

（第２実施形態）
第２実施形態は、制御ユニット２９がインバータ１８を停止させるか否かを判断するタイミングを決定する基準が第１実施形態と異なる。第２実施形態の構成は、第１実施形態と同様であるため、構成の説明を省略する。
図６は、第２実施形態に係る制御ユニットの動作の例について説明するための説明図である。

制御ユニット２９は、空気ブレーキを解除してから、即ちブレーキ解除指令を出力してから所定時間（時間Ｔ３）経過後に、インバータ１８を停止させるか否か判断する。例えば、制御ユニット２９は、空気ブレーキを解除してから、即ちブレーキ解除指令を出力してから時間Ｔ３経過後の速度と、予め設定された閾値とに基づいて、インバータ１８を停止させるか否か判断する。

具体的には、制御ユニット２９は、ブレーキ解除指令を出力してから時間Ｔ３経過後の速度が、予め設定された閾値未満である場合、インバータ１８を停止させると判断する。制御ユニット２９は、インバータ１８を停止させると判断した場合、インバータ停止指令をインバータ１８に出力する。

ブレーキ解除指令を出力してから時間Ｔ３経過後の速度が予め設定された閾値未満である場合、インバータ１８から永久磁石同期電動機１９に十分に電力が供給されており、且つ永久磁石同期電動機１９の軸の回転が不十分であることが推測される。この為、制御ユニット２９は、インバータ１８を停止させることにより、インバータ１８内の素子に電流が流れ続けることを防ぐことができる。

（第３実施形態）
第３実施形態は、制御ユニット２９がインバータ１８を停止させるか否かを判断するタイミングを決定する基準が第１実施形態と異なる。第３実施形態の構成は、第１実施形態と同様であるため、構成の説明を省略する。

図７は、第３実施形態に係るインバータ装置の制御ユニットの動作の例について説明するための説明図である。
制御ユニット２９は、インバータ動作信号をオフからオンに切り替えてから、所定時間（時間Ｔ１）経過後に、ブレーキ解除指令をオフからオンに切り替える。ブレーキ解除指令がオンになると、空気ブレーキが解除される。

制御ユニット２９は、インバータ動作信号をオフからオンに切り替えてから、インバータ出力電流が第１電流値の電流になるようにインバータ１８を制御する。さらに、制御ユニット２９は、空気ブレーキの解除後、インバータ出力電流が第１電流値より高い第２電流値の電流になるようにインバータ１８を制御する。

制御ユニット２９は、空気ブレーキの解除後、インバータ出力電流があらかじめ設定された電流閾値以上であるか否か判断する。
図８は、第３実施形態に係るインバータ装置の制御ユニットにて用いられる電流閾値の一例について説明するための図である。
本実施形態の制御ユニット２９において用いられる電流閾値は、例えば図８に示すように、電流閾値のインバータ出力電流値としたときに、素子温度が素子許容温度に到達せずに飽和するようマージンを持たせた値に設定している。このように設定することで、例えば所定時間Ｔ４経過後に素子温度が素子許容温度を超えることを回避することが出来る。

制御ユニット２９は、インバータ出力電流があらかじめ設定された電流閾値以上であると判断してから、所定時間（時間Ｔ４）経過後に、インバータ１８を停止させるか否か判断する。例えば、制御ユニット２９は、インバータ出力電流があらかじめ設定された電流閾値以上であると判断してから時間Ｔ４経過後の速度と、予め設定された速度閾値とに基づいて、インバータ１８を停止させるか否か判断する。

具体的には、制御ユニット２９は、インバータ出力電流があらかじめ設定された電流閾値以上であると判断してから時間Ｔ４経過後の速度が、予め設定された速度閾値未満である場合、インバータ１８を停止させると判断する。制御ユニット２９は、インバータ１８を停止させると判断した場合、インバータ停止指令をインバータ１８に出力する。

インバータ出力電流があらかじめ設定された電流閾値以上であると判断してから時間Ｔ４経過後の速度が予め設定された速度閾値未満である場合、インバータ１８から永久磁石同期電動機１９に十分に電力が供給されており、且つ永久磁石同期電動機１９の軸が回転が不十分であることが推測される。この為、制御ユニット２９は、インバータ１８を停止させることにより、インバータ１８内の素子に電流が流れ続けることを防ぐことができる。

図９は、第３実施形態に係るインバータ装置の制御ユニットの動作の他の例について説明するための説明図である。
図９に示されるように、運転台２８の操作（運転手のマスコンの扱い）によって、インバータ出力電流が上記の電流閾値を上回った後に、電流閾値未満になる場合がある。制御ユニット２９は、インバータ出力電流が上記の電流閾値を上回った後に、電流閾値未満になった場合であっても、上記の時間Ｔ４のカウントを継続する。即ち、制御ユニット２９は、インバータ出力電流が電流閾値未満になった場合であっても、時間Ｔ４のカウントをリセットしない。

素子の温度時定数は、インバータ出力電流に対して長い。この為、インバータ出力電流が閾値を短時間の間下回っても、素子の温度はほとんど変化しない。この為、インバータ出力電流が電流閾値未満になった場合に時間Ｔ４のカウントをリセットすると、素子温度が素子許容温度に到達する可能性がある。しかし、制御ユニット２９は、インバータ出力電流が電流閾値未満になった場合であっても、上記の時間Ｔ４のカウントを継続することにより、インバータ１８の動作を停止させ、インバータ１８の素子の破壊を防ぐことができる。

（第４実施形態）
第４実施形態は、制御ユニット２９がインバータ１８を停止させるか否かを判断するタイミングを決定する基準が第１実施形態と異なる。第４実施形態の構成は、第１実施形態と同様であるため、構成の説明を省略する。

図１０は、第４実施形態に係るインバータ装置の制御ユニットの動作の例について説明するための説明図である。図１０の素子温度と時間との関係に示されるように、素子温度が素子許容温度に到達寸前である状態で、運転台２８からインバータ動作指令が制御ユニット２９に入力された場合、所定時間（時間Ｔ１、時間Ｔ２、時間Ｔ３、または時間Ｔ４など）の経過を待たずに素子の温度が素子許容温度を超える可能性がある。

この為、制御ユニット２９は、インバータ動作指令が入力されてから、素子温度があらかじめ設定された温度閾値未満になるのに十分な時間である時間Ｔ５が経過するまで、インバータ停止指令を出力し続ける。制御ユニット２９は、時間Ｔ５が経過してから、所定時間（時間Ｔ１）経過後に、ブレーキ解除指令をオフからオンに切り替える。ブレーキ解除指令がオンになると、空気ブレーキが解除される。

制御ユニット２９は、空気ブレーキの解除後、インバータ出力電流があらかじめ設定された電流閾値以上であるか否か判断する。

上記のように、制御ユニット２９は、素子温度があらかじめ設定された温度閾値未満になるのに十分な時間である時間Ｔ５が経過するまで、インバータ１８の動作を停止させる。これにより、素子の温度が素子許容温度を超えることを防ぐことができる。

なお、制御ユニット２９は、素子温度があらかじめ設定された温度閾値未満になるまでの間、インバータ停止指令を出力し続ける構成であってもよい。

また、制御ユニット２９は、素子温度があらかじめ設定された温度閾値未満になってからの経過時間が、予め設定された時間に達するまでの間、インバータ停止指令を出力し続ける構成であってもよい。

（第５実施形態）
第５実施形態は、制御ユニット２９がインバータ１８を停止させる条件が第１実施形態と異なる。第５実施形態の構成は、第１実施形態と同様であるため、構成の説明を省略する。

図１１は、第５実施形態において、運転台から電動機の試験を指示する信号（試験状態信号）が入力されている場合の制御ユニットの動作の例について説明するための説明図である。試験状態信号が入力されている場合、制御ユニット２９は、真空接触器の投入を維持し、インバータ１８を動作させ、且つ車両側機器２７による空気ブレーキをかけて永久磁石同期電動機１９の軸を停止させる。即ち、ブレーキ解除指令がオフのままとなる。

制御ユニット２９は、インバータ動作信号をオフからオンに切り替えてから、所定時間（時間Ｔ６）が経過するまでの間、インバータ出力電流が第１電流値の電流になるようにインバータ１８を制御する。即ち、制御ユニット２９は、インバータ出力電流が運転台２８からの指令に応じた電流値である第２電流値よりも低い値となるように、インバータ１８を制御する。

制御ユニット２９は、インバータ動作信号をオフからオンに切り替えてからの経過時間が時間Ｔ６に達した場合、インバータ停止指令をインバータ１８に出力する。

これにより、制御ユニット２９は、試験状態信号が入力されている場合、即ち試験中にインバータ出力電流の電流値を低く抑え、且つインバータ１８の動作を開始させてから時間Ｔ６が経過後、インバータ１８の動作を停止させる。これにより、インバータ１８の特定の素子に電流が流れ続け、素子が発熱によって破壊されることを防ぐことができる。

次に、上記の実施形態における所定時間の決定方法について説明する。
図１２は、第１乃至第５実施形態においてインバータ１８を停止させるか否かの判断を行うタイミングを決定する為の判定時間（時間Ｔ２、時間Ｔ３、時間Ｔ４、時間Ｔ５、または時間Ｔ６）の決定方法について説明するためのフローチャートである。

制御ユニット２９は、上記の実施形態において、インバータ１８の動作を開始した場合、サーミスタ２１により検出された温度が、予め設定された閾値（以下時間設定用温度閾値と称する）より大きいか否か判断する（ステップＳ１）。

制御ユニット２９は、サーミスタ２１により検出された温度が、時間設定用温度閾値より大きいと判断した場合（ステップＳ１、ＹＥＳ）、時間設定用温度閾値以下であると判断した場合（ステップＳ１、ＮＯ）に比べて、判定時間を短時間に設定する（ステップＳ２）。

また、制御ユニット２９は、サーミスタ２１により検出された温度が、時間設定用温度閾値以下であると判断した場合（ステップＳ１、ＮＯ）、時間設定用温度閾値より大きいと判断した場合（ステップＳ１、ＹＥＳ）に比べて、判定時間を長時間に設定する（ステップＳ３）。

即ち、制御ユニット２９は、サーミスタ２１により検出された温度が、時間設定用温度閾値以下であるか否かに基づいて、インバータ１８を停止させるか否かの判断を行うタイミングを決定するための所定時間（時間Ｔ２、時間Ｔ３、時間Ｔ４、時間Ｔ５、時間Ｔ６）を短くする。これにより、素子温度が素子許容温度に近い場合に、インバータ１８の停止を早めることができる。この結果、インバータ１８の特定の素子に電流が流れ続け、素子が発熱によって破壊されることを防ぐことができる。

なお、上述の各実施の形態で説明した機能は、ハードウエアを用いて構成するに留まらず、ソフトウエアを用いて各機能を記載したプログラムをコンピュータに読み込ませて実現することもできる。また、各機能は、適宜ソフトウエア、ハードウエアのいずれかを選択して構成するものであっても良い。

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。

１…電気車制御装置、２…電車線、１１…集電シュー、１２…高速度遮断器、１３…断流器、１４…充電抵抗、１５…断流器、１６…フィルタリアクトル、１７…フィルタコンデンサ、１８…インバータ、１９…永久磁石同期電動機、２０…レゾルバ、２１…サーミスタ、２２…Ｕ相電流センサ、２３…Ｗ相電流センサ、２４…真空接触器、２５…真空接触器、２６…真空接触器、２７…車両側機器、２８…運転台、２９…制御ユニット、３１…第１レグ、３２…第２レグ、３３…第３レグ。

Claims

電気車に搭載された永久磁石同期電動機に三相交流電力を供給するインバータ装置であって、
複数の半導体スイッチの直列接続が直流電源に並列に複数接続されたインバータと、
前記インバータを制御する制御ユニットと、
を具備し、
前記インバータは、
前記半導体スイッチのスイッチングによって、前記直流電源からの直流電力を交流電力に変換し、
前記交流電力を前記永久磁石同期電動機に供給し、
前記制御ユニットは、
前記インバータと前記永久磁石同期電動機との間に接続された真空接触器の投入を維持し、
前記永久磁石同期電動機の速度が予め設定された閾値未満である場合、前記インバータを停止させる、
インバータ装置。
前記制御ユニットは、前記インバータの動作開始から所定時間経過後の前記永久磁石同期電動機の速度が予め設定された閾値未満である場合、前記インバータを停止させる請求項１に記載のインバータ装置。
前記制御ユニットは、
前記インバータの動作開始から所定時間経過するまで、前記永久磁石同期電動機に連動する前記電気車の車輪にブレーキをかけ、
前記ブレーキの解除から所定時間経過後の前記永久磁石同期電動機の速度が予め設定された閾値未満である場合、前記インバータを停止させる請求項１に記載のインバータ装置。
前記制御ユニットは、
前記インバータの動作開始から所定時間経過するまで、前記永久磁石同期電動機に連動する前記電気車の車輪にブレーキをかけ、
前記ブレーキの解除後、前記インバータから前記永久磁石同期電動機に供給される電流が、予め設定された閾値以上になってから所定時間経過後の、前記永久磁石同期電動機の速度が予め設定された閾値未満である場合、前記インバータを停止させる請求項１に記載のインバータ装置。
前記制御ユニットは、前記インバータから前記永久磁石同期電動機に供給される電流が、予め設定された閾値以上になってから閾値未満になった場合に、経過時間のカウントを維持する請求項４に記載のインバータ装置。
前記制御ユニットは、
前記ブレーキを解除するまでの間、前記インバータから前記永久磁石同期電動機に供給される電流の電流値を第１電流値に制御し、
前記ブレーキの解除後、前記インバータから前記永久磁石同期電動機に供給される電流の電流値を、運転台からの指令に応じ且つ前記第１電流値よりも大きい第２電流値に制御する請求項３乃至５のいずれか１項に記載のインバータ装置。
前記インバータの前記半導体スイッチの温度を検出するサーミスタをさらに具備し、
前記制御ユニットは、前記サーミスタの検出温度と、予め設定された閾値とに基づいて、前記インバータを停止させる時間を制御する請求項１に記載のインバータ装置。
前記制御ユニットは、前記サーミスタの検出温度が予め設定された閾値以上である場合、所定時間経過後に、前記インバータの停止を解除する請求項７に記載のインバータ装置。
前記制御ユニットは、前記サーミスタの検出温度が予め設定された閾値未満になってから所定時間経過後に、前記インバータの停止を解除する請求項７に記載のインバータ装置。