JP3900358B2

JP3900358B2 - 電気車制御装置

Info

Publication number: JP3900358B2
Application number: JP2003416458A
Authority: JP
Inventors: 高央丸山; 秀人根来
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-12-15
Filing date: 2003-12-15
Publication date: 2007-04-04
Anticipated expiration: 2023-12-15
Also published as: JP2005176571A

Description

この発明は電気車制御装置に関し、特に、インバータ装置から誘導電動機に交流電力を供給するモータ線の断線を検知する機能を備えた電気車制御装置に関するものである。

従来の電気車制御装置の欠相検知方式においては、インバータ装置が出力する３相交流電流の各相電流の平均値Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗをとり、これら各相電流の平均値をさらに平均した値Ｉｏ＝（Ｉｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗ）／３を求め、各相電流の平均値とさらに平均した値との差｜Ｉｕ−Ｉｏ｜、｜Ｉｖ−Ｉｏ｜、｜Ｉｗ−Ｉｏ｜が基準値を超えたとき、欠相であることを検知する。

特開平６−２４５３０１号公報

上記のような従来の電気車制御装置において、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台の誘導電動機を並列接続して駆動するようなシステムの場合には、４台の誘導電動機の内の１台の誘導電動機の１相だけが断線した状態を検知することはできないという問題点があった。これは、ベクトル制御によって誘導電動機の電流が高速に制御されるようになったことにより、誘導電動機４台分の各相平均電流は１台の誘導電動機の１相が断線しても変化しない。このため、｜Ｉｕ−Ｉｏ｜、｜Ｉｖ−Ｉｏ｜、｜Ｉｗ−Ｉｏ｜が基準値を超えることがなくなるためである。

この発明は、かかる問題点を解決するためになされたものであり、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電動機を並列接続して駆動するようなシステムで１台の誘導電動機の１相だけが断線した状態をも検知することができる電気車制御装置を得ることを目的とする。

この発明は、１台のインバータ装置で並列接続された複数の誘導電動機をベクトル制御する電気車制御装置であって、前記インバータ装置から出力される各相電流の値に基づいて、前記誘導電動機のｑ軸電流Ｉ１ｑ、ｄ軸電流Ｉ１ｄ、ｑ軸電圧指令Ｅ１ｑｒ、ｄ軸電圧指令Ｅ１ｄｒおよびインバータ角周波数ωｉｎｖを演算するベクトル制御部と、前記ｑ軸電流Ｉ１ｑ、前記ｄ軸電流Ｉ１ｄ、前記ｑ軸電圧指令Ｅ１ｑｒ、前記ｄ軸電圧指令Ｅ１ｄｒおよび前記インバータ角周波数ωｉｎｖに基づき、前記誘導電導機のトルクを演算するトルク演算部と、前記トルク演算部で演算されたトルク演算結果に基づき、予め設定された時間幅におけるトルク演算結果の最大値と最小値とからトルク変動幅を演算するトルク変動幅演算部と、前記トルク変動幅演算部で演算された前記トルク変動幅と予め設定されたトルク変動幅基準値とを比較して、前記トルク変動幅が前記トルク変動幅基準値を超えたときに断線検知信号を出力する比較器とを備えた電気車制御装置である。

この発明によれば、以上のように構成されて、ベクトル制御部により得られる前記ｑ軸電流Ｉ１ｑ、前記ｄ軸電流Ｉ１ｄ、前記ｑ軸電圧指令Ｅ１ｑｒ、前記ｄ軸電圧指令Ｅ１ｄｒおよび前記インバータ角周波数ωｉｎｖに基づき、前記誘導電導機のトルクを演算し、このトルク演算結果が、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電動機を並列接続して駆動するようなシステムで１台の誘導電動機の１相だけが断線したときに変動することに着目して、トルク変動幅とトルク変動基準値とを比較して断線を検知するようにしたので、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電動機を並列接続して駆動するようなシステムで１台の誘導電動機の１相だけが断線した状態をも検知することができる。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における電気車制御装置を示すものである。図１に示すように、インバータ装置１には、４台の誘導電動機３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄが接続されている。これらの４台の誘導電動機３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄは並列接続されており、１台のインバータ装置１でベクトル制御されている。インバータ装置１には、ベクトル制御部２が接続されており、インバータ装置１はベクトル制御部２から出力されるゲート信号によって、インバータ装置１の内部に設けられたスイッチング素子（図示省略）をスイッチングすることにより、インバータ装置１に並列接続された４台の誘導電動機３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄに電力を供給する。インバータ装置１から出力される各相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗは相電流検出用ＣＴ４ａ、４ｂ、４ｃによって検出され、ベクトル制御部２に入力される。ベクトル制御部２で実施されるベクトル制御演算の過程で得られる誘導電動機のｑ軸電流Ｉ１ｑ、ｄ軸電流Ｉ１ｄ、ｑ軸電圧指令Ｅ１ｑｒ、ｄ軸電圧指令Ｅ１ｄｒおよびインバータ角周波数ωｉｎｖは、ベクトル制御部２からトルク演算部５に入力される。トルク演算部５では入力されたこれらの値に基づいてトルク演算結果Ｔｑｃａｌが演算される。トルク演算部５で演算された当該トルク演算結果Ｔｑｃａｌは、トルク変動幅演算部６に入力される。トルク変動幅演算部６で演算されたトルク変動幅ΔＴｑｃａｌは比較器７に入力される。比較器７では、予め設定されているトルク変動幅基準値ΔＴｑｒｅｆとトルク変動幅ΔＴｑｃａｌとを比較し、比較結果に基づき、断線検知信号をベクトル制御部２に出力する。

次に、動作について説明する。トルク演算部５では、ベクトル制御部２から入力された、ｑ軸電流Ｉ１ｑ、ｄ軸電流Ｉ１ｄ、ｑ軸電圧指令Ｅ１ｑｒ、ｄ軸電圧指令Ｅ１ｄｒおよびインバータ角周波数ωｉｎｖに基づき、以下の（式１）〜（式５）の演算を実施することで、トルク演算結果Ｔｑｃａｌを求める。

誘導電動機のｄ軸およびｑ軸一次磁束Φ１ｄ、Φ１ｑの演算
Φ１ｄ＝（Ｅ１ｑｒ−Ｒ１・Ｉ１ｑ−ｓΦ１ｑ）／ωｉｎｖ（式１）
Φ１ｑ＝（−Ｅ１ｄｒ＋Ｒ１・Ｉ１ｄ＋ｓΦ１ｄ）／ωｉｎｖ（式２）

誘導電動機のｄ軸およびｑ軸二次電流Ｉ２ｄ、Ｉ２ｑの演算
Ｉ２ｄ＝（Φ１ｄ−Ｌ１・Ｉ１ｄ）／Ｍ（式３）
Ｉ２ｑ＝（Φ１ｑ−Ｌ１・Ｉ１ｑ）／Ｍ（式４）

誘導電動機のトルクＴｑｃａｌの演算
Ｔｑｃａｌ＝ｐＭ（Ｉ１ｑ・Ｉ２ｄ−Ｉ１ｄ・Ｉ２ｑ）（式５）

ここで、Ｒ１は誘導電動機の一次抵抗、ｓは微分演算子、Ｌ１は誘導電動機の一次自己インダクタンス、Ｍは誘導電動機の相互インダクタンス、ｐは誘導電動機の極対数を示す。なお、このように（式１）〜（式５）によりトルクを演算するようにしたので、短時間で正確なトルクを演算することができる。

図２に、インバータ装置１と並列接続された誘導電動機３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ間の各相配線に断線の無い正常な状態における各相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗとトルク演算結果Ｔｑｃａｌの波形例を示す。トルク変動幅演算部６では、設定された時間幅Ｔｗ（図２のＴｗ１，Ｔｗ２，Ｔｗ３に相当する）における、トルク演算結果Ｔｑｃａｌの最大値と最小値を求めて時間幅Ｔｗ内のトルク変動幅ΔＴｑｃａｌを演算する。例えば、図２のＴｗ１内のトルク演算結果の最大値をＴｑｍａｘ、Ｔｗ１内のトルク演算結果の最小値をＴｑｍｉｎとするとＴｗ１内のトルク変動幅はΔＴｑｃａｌ＝Ｔｑｍａｘ−Ｔｑｍｉｎで演算される。

トルク変動幅演算部６で演算されたトルク変動幅ΔＴｑｃａｌは比較器７で、トルク変動幅基準値ΔＴｑｒｅｆと比較され、下記論理表にしたがって断線検知信号を出力する。

図２の状態ではトルク変動幅ΔＴｑｃａｌがトルク変動幅基準値ΔＴｑｒｅｆより小さく、上記論理表に示されるように、断線検知信号は“０”であるので、ベクトル制御部２からインバータ装置１にベクトル制御結果で決まるゲート信号が入力される。

しかしながら、図１の構成において、例えば、図４に示すように、インバータ装置１と並列接続された誘導電動機３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ間の各相配線の内、誘導電動機３ａのＷ相の１線が断線した場合について、説明する。図３に、その場合における各相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗとトルク演算結果Ｔｑｃａｌの波形例を示す。

図３から明らかなように、各相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの波形は図２に示した正常時の波形とほとんど変わらないが、トルク演算結果Ｔｑｃａｌは各相電流の周波数の２倍の周波数で変動する。また、トルク変動幅ΔＴｑｃａｌの絶対値はトルク変動幅基準値ΔＴｑｒｅｆよりも大きくなるので、上記論理表に示されるように、断線検知信号は“１”になる。ベクトル制御部２では、断線検知信号“１”が入力されると、ゲート信号を停止し、インバータ装置１から誘導電動機３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄへの電力供給を停止する。

なお、ベクトル制御部２、トルク演算部５、トルク変動幅演算部６および比較器７の処理は、通常マイクロコンピュータやデジタルシグナルプロセッサーなどを用いてデジタル演算により実施される。

以上のように、この発明によれば、ベクトル制御部により得られる前記ｑ軸電流Ｉ１ｑ、前記ｄ軸電流Ｉ１ｄ、前記ｑ軸電圧指令Ｅ１ｑｒ、前記ｄ軸電圧指令Ｅ１ｄｒおよび前記インバータ角周波数ωｉｎｖに基づき、前記誘導電導機のトルクを演算し、このトルク演算結果が、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電動機を並列接続して駆動するようなシステムで１台の誘導電動機の１相だけが断線したときに変動することに着目して、トルク変動幅とトルク変動基準値とを比較して断線を検知するようにしたので、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電動機を並列接続して駆動するようなシステムで１台の誘導電動機の１相だけが断線した状態をも検知することができる。

また、この発明を用いれば、ゲート信号が無くなった状態やインバータ装置出力の断線状態でも、トルク演算結果が大きく変動するので、これらの異常を検知することもできる。

尚、上記の説明では、誘導電動機の台数は４台として説明したが、この場合に限らず、１台でも２台でも５台でも６台でも何台でもよい。また、図１および図４では各相電流検出用ＣＴは、３相分あるとしているが、これについてもこの場合に限らず、２相分、例えば、ＩｕとＩｖを検出するための４ａと４ｂだけでもよい。この場合Ｉｗはベクトル制御部２でＩｗ＝−（Ｉｕ＋Ｉｖ）として演算される。

また、トルク変動幅を演算するときの時間幅Ｔｗは、適当な時間幅であればどんな値でもよいが、次のように決めてもよい。図３から明らかなようにトルク演算結果Ｔｑｃａｌの変動周波数は、相電流の周波数の２倍である。このことを考慮して、トルク変動幅を演算するときの時間幅Ｔｗは、演算時の相電流の周期の１／２以上に設定する。このように設定すれば、時間幅Ｔｗは必ずトルク変動周期以上になるので正確にトルク変動幅ΔＴｑｃａｌが演算できる。

この発明の実施の形態１の電気車制御装置の構成図である。この発明の実施の形態１の電気車制御装置における正常時の各相電流とトルク演算結果波形を示した説明図である。この発明の実施の形態１の電気車制御装置における１台の誘導電動機のＷ相が断線した状態における各相電流とトルク演算結果波形である。この発明の実施の形態１の電気車制御装置において、１台の誘導電動機のＷ相が断線した状態を示す説明図である。

符号の説明

１インバータ装置、２ベクトル制御部、３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ誘導電動機、４ａ，４ｂ，４ｃ相電流検出用ＣＴ、５トルク演算部、６トルク変動幅演算部、７比較器。

Claims

１台のインバータ装置で並列接続された複数の誘導電動機をベクトル制御する電気車制御装置であって、
前記インバータ装置から出力される各相電流の値に基づいて、前記誘導電動機のｑ軸電流Ｉ１ｑ、ｄ軸電流Ｉ１ｄ、ｑ軸電圧指令Ｅ１ｑｒ、ｄ軸電圧指令Ｅ１ｄｒおよびインバータ角周波数ωｉｎｖを演算するベクトル制御部と、
前記ｑ軸電流Ｉ１ｑ、前記ｄ軸電流Ｉ１ｄ、前記ｑ軸電圧指令Ｅ１ｑｒ、前記ｄ軸電圧指令Ｅ１ｄｒおよび前記インバータ角周波数ωｉｎｖに基づき、前記誘導電導機のトルクを演算するトルク演算部と、
前記トルク演算部で演算されたトルク演算結果に基づき、予め設定された時間幅におけるトルク演算結果の最大値と最小値とからトルク変動幅を演算するトルク変動幅演算部と、
前記トルク変動幅演算部で演算された前記トルク変動幅と予め設定されたトルク変動幅基準値とを比較して、前記トルク変動幅が前記トルク変動幅基準値を超えたときに断線検知信号を出力する比較器と
を備えたことを特徴とする電気車制御装置。
前記トルク変動幅演算部における予め設定された前記時間幅は、相電流の周期の１／２以上に設定することを特徴とする請求項１に記載の電気車制御装置。
前記トルク演算部は、前記ｑ軸電流Ｉ１ｑ、前記ｄ軸電流Ｉ１ｄ、前記ｑ軸電圧指令Ｅ１ｑｒ、前記ｄ軸電圧指令Ｅ１ｄｒおよび前記インバータ角周波数ωｉｎｖを用いて、誘導電動機のｄ軸およびｑ軸一次磁束とｄ軸およびｑ軸二次電流とを演算して、当該ｄ軸およびｑ軸一次磁束と当該ｄ軸およびｑ軸二次電流とから前記トルクを演算することを特徴とする請求項１または２に記載の電気車制御装置。