JP4350548B2 - 電気車制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、インバータによって電動機を駆動する電気車制御装置に関する。

この種の電気車制御装置内でその構成要素が故障した場合、保護動作として故障検知を実施している（例えば、特許文献１参照。）。保護動作の種類は、モニタ機器によって表示され、乗務員によって確認することが可能になっている。
特開平６−２４５３０２号公報

しかしながら、従来の電気車制御装置では、モニタ機器に表示される情報は、構成要素の保護を目的とした保護情報であることから、故障部位を判断する情報が少なく、故障部位の特定が難しかった。このため、乗務員は保護情報を地上側へ連絡し、故障部位については地上側で特定していた。この場合、車両がメンテナンス工場に入ってから車両情報を整理し、故障部位を最終的に特定し、予備品を準備し、機器を復旧させることになるため、故障部位の特定に多くの時間を要し、また、故障時の復旧時間が長引いてしまうという問題があった。

本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので、故障部位の特定及び故障時の復旧時間を短縮することができ、これによって、営業車両を効率的に使用することを可能にする電気車制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、インバータによって電動機を駆動する電気車制御装置において、インバータ及び電動機の動作に直接又は間接に関連する物理量をそれぞれ検出する複数の物理量検出手段と、検出された物理量が所定の変化又は所定値を超えて変化したときそれぞれ故障と判定する故障判定手段と、１つ又は複数の前記故障判定手段の故障判定の結果に基づいて、故障が発生しているものと判定された個別の故障判定手段を特定することにより、車上において故障部位を特定する故障部位判断手段と、を備えたことを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の電気車制御装置において、特定された故障部位を乗務員に報知するモニタ手段を備えたことを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の電気車制御装置において、特定された故障部位を記録する記録手段を備えたことを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電気車制御装置において、特定された故障部位を無線にて地上側に送信する送信手段を備えたことを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の電気車制御装置において、特定された故障部位の情報をパソコンに表示させ、かつ、前記パソコンに故障箇所の確認方法をガイダンスする機能を持たせたことを特徴とする。
請求項６に係る発明は、請求項１に記載の電気車制御装置において、前記物理量検出手段は、送風器に流れる電流を検出する電流検出器と、冷却フィンの温度を検出する温度センサを含み、前記故障判定手段は、前記温度センサで検出された前記冷却フィンの温度が予め設定された閾値を超えた時に過温度信号を出力する過温度判断手段と、前記電流検出器で検出された前記送風器に流れる電流が予め設定した値以下でかつ電流無状態ではないときにフィルタ目詰まり故障に対応するフィルタ目詰まり信号としての電流低下信号を出力する電流低下判断手段と、前記電流検出器で検出された電流がゼロになったときに前記送風器の停止に対応する送風器停止信号としての電流無信号を出力する電流無検出手段と、を含み、前記故障部位判断手段は、前記故障判断手段より出力される前記過温度信号、前記電流低下信号及び前記電流無信号の論理演算に基づいて、前記温度センサ、前記冷却フィン、半導体を含む冷却ユニットの故障、前記送風器及び前記冷却フィンが設置された車両床下の空洞への塵埃の侵入を防止するフィルタの目詰まり、前記送風器の故障のうちの何れかの故障とその発生部位とを判断することを特徴とする。
請求項７に係る発明は、請求項６に記載の電気車制御装置において、前記故障部位判断手段は、前記過温度信号が前記過温度判断手段より出力されると共に前記電流低下判断手段が前記フィルタ目詰まり信号としての前記電流低下信号を出力しないで前記電流無検出手段が前記送風器停止信号としての前記電流無信号を出力しないという条件が成立したときに前記冷却ユニットが故障部位であることを判断することを特徴とする。
請求項８に係る発明は、請求項６に記載の電気車制御装置において、前記故障部位判断手段は、前記電流低下判断手段が前記フィルタ目詰まり信号としての前記電流低下信号を出力すると共に前記電流無検出手段が前記送風器停止信号としての前記電流無信号を出力しないという条件が成立したときに前記フィルタが故障部位である目詰まり故障が発生しているものを判断することを特徴とする。
請求項９に係る発明は、請求項６に記載の電気車制御装置において、前記故障部位判断手段は、前記電流無検出手段が前記送風器停止信号としての前記電流無信号を出力するという条件が成立したときに前記送風器が故障部位であることを判断することを特徴とする。
請求項１０に係る発明は、請求項１に記載の電気車制御装置において、前記物理量検出手段は、該電気車を駆動する電動機の速度を検出する速度センサと、前記電動機に電力を供給する経路の電流を検出する電流検出器と、を含み、前記故障判定手段は、前記速度センサで検出された速度信号が所定の値以外の場合に前記速度センサの異常を判別する速度センサ異常判別手段と、前記電流検出器で検出された電流値が過大である場合に主回路が過負荷異常であることを判別する主回路過負荷判別と、を含み、前記故障部位判断手段は、入力された信号を論理演算することにより、前記速度センサ異常判別手段より速度センサ異常信号が出力したときに前記速度センサを故障部位と判断し、前記速度センサ異常判別手段より速度センサ異常信号が出力されると共に前記主回路過負荷判別手段より主回路過負荷異常信号が出力されたときに前記モータ軸の故障を判断し、前記速度センサ異常判別手段より速度センサ異常信号が出力されていないときに前記主回路過負荷判別手段が前記主回路過負荷異常信号を出力しているときに電力変換部が故障部位であることを判断することを特徴とする。

本発明は、上記のように構成したことにより、故障部位の特定及び故障時の復旧時間を短縮することができ、これによって、営業車両を効率的に使用することを可能にする電気車制御装置を提供することができる。

以下、本発明を図面に示す好適な実施例に基づいて詳細に説明する。

図１は本発明に係る電気車制御装置の第１実施例の全体的な構成を示すブロック図である。同図において、ある１台の車両の電動機１ａを駆動するためにインバータ２ａが設けられ、他の１台の車両の電動機１ｂ及び１ｃを駆動するためにそれぞれインバータ２ｂ及び２ｃが設けられている。これらのインバータ２ａ〜２ｃはそれぞれ半導体スイッチング素子が３相ブリッジ接続されたものでなり、このうち、インバータ２ａは伝送ライン６でインバータ制御装置３ａに接続され、インバータ２ｂ及びインバータ２ｃは伝送ライン６によってインバータ制御装置３ｎに接続されている。これにより、全てのインバータ２ａ〜２ｃの各半導体スイッチング素子（以下、単に半導体ともいう）は、図示を省略した直流電圧を可変電圧可変周波数の交流又は定電圧定周波数の交流に変換するようにオン、オフ制御される。

そして、全ての車両のインバータ制御装置３ａ〜３ｎは、伝送ライン７によって、運転台のモニタ中央装置４ａ及び乗務員室のモニタ中央装置４ｂに共通に接続され、このうち、モニタ中央装置４ａに表示器５ａが接続され、モニタ中央装置４ｂに表示器５ｂが接続されている。

本実施例はインバータ制御装置３ａ〜３ｎに、インバータ及び電動機の動作に直接又は間接に関連する物理量をそれぞれ検出する複数の物理量検出手段と、検出された物理量が所定の変化又は所定値を超えて変化したとき故障と判定する故障判定手段と、１つ又は複数の前記故障判定手段の判定結果に基づいて、車上にて故障部位を特定する故障部位判断手段とを設け、さらに、特定された故障部位を表示器５ａや５ｂに表示させるモニタ手段、故障部位を記録する記録手段、故障部位を無線にて地上側に送信する送信手段、故障部位の情報をパソコンに表示させ、かつ、パソコンに故障箇所の確認方法をガイダンスする機能等を持たせたものである。

図２は上述した物理量検出手段及び故障判定手段の具体例を示したもので、例えば、インバータ２ａを構成する半導体を強制空冷するシステムに適用した例である。ここで、車両の床下に形成した空洞に送風器１１が装着されている。送風器１１の下流側に冷却フィン１４を突出させ、この冷却フィン１４の外側の平面に半導体１６を搭載してなる冷却ユニット１５が装着されている。送風器１１の上流側には塵埃の侵入を防ぐためのフィルタ１７が装着されている。送風器１１は交流電源８によって駆動される。

この強制空冷システムの故障を検出するために、その動作に直接又は間接に関連する物理量をそれぞれ検出する物理量検出手段として、送風器１１に流れる電流を検出する電流検出器１２と、冷却フィン１４の温度を検出する温度センサ１３とが設けられている。そして、電流検出器１２の電流検出信号と温度センサ１３の温度検出信号とが故障判定手段２０に取り込まれる。この故障判定手段２０は、温度センサ１３で検出された冷却フィン１４の温度が予め設定した閾値を超えたとき過温度信号を出力する過温度判断手段２１と、電流検出器１２で検出された電流が予め設定した値以下で、かつ、電流無状態ではないときにフィルタ目詰り故障に対応する電流低下信号（フィルタ目詰り信号）を出力する電流低下判断手段２２と、電流検出器１２で検出された電流がゼロになったとき送風器１１の停止に対応する電流無信号（送風器停止信号）を出力する電流無検出手段２３とで構成されている。これらの過温度信号、電流低下信号（フィルタ目詰り信号）及び電流無信号（送風器停止信号）はそれぞれ故障信号として故障部位判断手段に供給される。

図３は故障該当部位を判断する故障部位判断手段３０の概略機能と、その判断結果を処理する具体的な要素を示した説明図である。ここで、故障部位判断手段３０は過温度信号「有」、電流低下信号（フィルタ目詰り信号）「無」、電流無信号（送風器停止信号）「無」という条件が成立したとき「冷却ユニット故障」と判断する。また、電流低下信号（フィルタ目詰り信号）「有」、電流無信号（送風器停止信号）「無」の条件が成立したとき「フィルタ目詰り故障」と判断する。さらに、電流無信号（送風器停止信号）「有」の条件のみで「送風器故障」と判断する。

このようにして、故障部位判断手段３０によって特定された故障部位を乗務員に報知するモニタ表示装置４１、その故障部位を記録する記録手段４２、特定された故障部位を無線にて地上側に送信する無線送信手段４３、特定された故障部位の情報をパソコンに表示させ、かつ、パソコンに故障箇所の確認方法をガイダンスする機能を持たせたパソコン４４と、特定された故障部位を運転台の表示器５ａ及び乗務員室の表示器５ｂにそれぞれ表示させるか、あるいは、表示器以外の表示灯に表示させる表示手段４５とを備えている。

上述した故障部位判断手段３０の故障部位を特定するための機能は、インバータ制御装置３ａ〜３ｃを構成するマイクロコンピュータ（ＭＣＵ）に持たせるが、その処理手順を説明する代わりに論理回路を用いると図４で示したものとなる。ここで、過温度判断手段２１の過温度信号「有」が論理レベルの“１”に、電流低下判断手段２２の電流低下信号（フィルタ目詰り信号）「有」が論理レベルの“１”に、電流無検出手段２３の電流無信号（送風器停止信号）「有」が論理レベルの“１”にそれぞれ対応している。

これらの信号を入力して故障部位を特定する故障部位判断手段３０ＡはＮＯＴ回路３１及び３２と、ＡＮＤ回路３３及び３４とを構成要素としており、過温度判断手段２１の出力信号がＡＮＤ回路３３の第１の入力端子に、電流低下判断手段２２の出力信号をＮＯＴ回路３１で反転した信号がＡＮＤ回路３３の第２の入力端子に、電流無検出手段２３の出力信号をＮＯＴ回路３２で反転した信号がＡＮＤ回路３３の第３の入力端子にそれぞれ加えられる。この結果、過温度判断手段２１が過温度と判定して“１”の信号を出力し、電流低下判断手段２２が電流低下と判定せずに“０”の信号を出力し、電流無検出手段２３が電流無と判断せずに“０”の信号を出力したとき、ＡＮＤ回路３３から冷却ユニット異常５１を示す信号“１”が出力される。また、電流無検出手段２３の出力信号をＮＯＴ回路３２で反転した信号がＡＮＤ回路３４の第１の入力端子に、電流低下判断手段２２の出力信号がＡＮＤ回路３４の第２の入力端子にそれぞれ加えられ、これによって、電流無検出手段２３が“０”の信号を出力し、電流低下判断手段２２が“１”の信号を出力したとき、ＡＮＤ回路３４からフィルタ目詰り５２を示す信号“１”が出力される。さらに、電流無検出手段２３が“１”の信号を出力したとき、この信号はそのまま送風器故障５３として出力される。

この図４に示した故障部位判断手段３０Ａによって、図３の故障部位判断手段３０が行っている故障該当部位判断の機能を実現することができる。

かくして、本発明の第１実施例によれば、故障部位の特定及び故障時の復旧時間を短縮することができ、これによって、営業車両を効率的に使用することができる。

図５は本発明に係る電気車制御装置の第２実施例として、電動機駆動系統の故障部位を特定するための物理量検出手段、故障判定手段及び故障部位判断手段の構成を、部分的に論理回路で示したブロック回路図である。ここで、物理量検出手段として電動機１の速度を検出する速度センサ１８と、この電動機１に電力を供給する経路の電流を検出する電流検出器１９とが設けられ、各検出信号が故障判定手段２０Ｂに加えられる。

この故障判定手段２０Ｂは速度センサ異常判別手段２４と主回路過負荷判別手段２５とを備えている。このうち、速度センサ異常判別手段２４は速度センサ１８の速度信号が実際にある値にあるべきときにゼロであったり、その値が過大であったり、極端な振動を繰り返したりしたときに速度センサ異常と判断して“１”の信号を出力し、主回路過負荷判別手段２５は電流検出器１９で検出される電流が過大であるときに主回路過負荷が異常であると判断して“１”の信号を出力するものである。

故障部位判断手段３０ＢはＡＮＤ回路３５、ＮＯＴ回路３６及びＡＮＤ回路３７を構成要素としており、速度センサ異常判別手段２４の出力信号がＡＮＤ回路３５の第１の入力端子に、主回路過負荷判別手段２５の出力信号がＡＮＤ回路３５の第２の入力端子にそれぞれ加えられ、ＡＮＤ回路３５の出力信号が、ＮＯＴ回路３６を介して、ＡＮＤ回路３７の第１の入力端子に、主回路過負荷判別手段２５の出力信号がＡＮＤ回路３７の第２の入力端子にそれぞれ加えられる。これによって、速度センサ異常判別手段２４が速度センサの異常と判断したとき、センサ故障５４の信号“１”が出力される。速度センサ異常判別手段２４が速度センサの異常信号を出力し、かつ、主回路過負荷判別手段２５が過負荷信号を出力したとき、ＡＮＤ回路３５からモータ軸故障５５を示す信号“１”が出力される。また、ＡＮＤ回路３５の出力が“０”、すなわち、モータ軸は正常であり主回路過負荷判別手段２５が主回路過負荷と判断したとき、ＡＮＤ回路３７から電力変換部故障５６を示す信号“１”が出力される。

なお、これら故障部位を特定した信号は、ここでは図示及び説明を省略した図３中のモニタ表示装置４１、記録手段４２、無線送信手段４３、パソコン４４及び表示手段４５に供給される。

かくして、本発明の第２実施例によっても、故障部位の特定及び故障時の復旧時間を短縮することができ、これによって、営業車両を効率的に使用することができる。

上述した第１及び第２実施例では故障部位判断手段３０Ａや故障部位判断手段３０Ｂで特定された故障部位の情報を処理するために、モニタ表示装置４１、記録手段４２、無線送信手段４３、パソコン４４及び表示手段４５を備えているが、必ずしもこれらの全てを備えなくとも、故障時の復旧時間を短縮することを可能にするという観点で、これらのうちのいずれか１つ又は複数を備える構成とすることもできる。

本発明に係る電気車制御装置の第１実施例の全体的な構成を示すブロック図。 第１実施例を構成する物理量検出手段及び故障判定手段の具体例を示した図。 第１実施例を構成する故障部位判断手段の概略機能と、その判断結果を処理する具体的な要素を示した説明図。 第１実施例を構成する故障部位判断手段の処理手順を説明するための論理回路図。 本発明に係る電気車制御装置の第２実施例を構成する物理量検出手段、故障判定手段、故障部位判断手段を、部分的に論理回路で示したブロック回路図。

符号の説明

１，１ａ〜１ｃ 電動機
２ａ〜２ｃ インバータ
３ａ〜３ｎ インバータ制御装置
４ａ，４ｂ モニタ中央装置
５ａ，５ｂ 表示器
１１ 送風器
１２ 電流検出器
１３ 温度センサ
１８ 速度センサ
１９ 電流検出器
２０，２０Ａ，２０Ｂ 故障判定手段
２１ 過温度判断手段
２２ 電流低下判断手段
２３ 電流無検出手段
２４ 速度センサ異常判別手段
２５ 主回路過負荷判別手段
３０，３０Ａ，３０Ｂ 故障部位判断手段
４１ モニタ表示装置
４２ 記録手段
４３ 無線送信手段
４４ パソコン
４５ 表示手段

Claims (10)

1. インバータによって電動機を駆動する電気車制御装置において、
   前記インバータ及び電動機の動作に直接又は間接に関連する物理量をそれぞれ検出する複数の物理量検出手段と、
   検出された物理量が所定の変化又は所定値を超えて変化したときそれぞれ故障と判定する故障判定手段と、
   １つ又は複数の前記故障判定手段の故障判定の結果に基づいて、故障が発生しているものと判定された個別の故障判定手段を特定することにより、車上において故障部位を特定する故障部位判断手段と、
   を備えたことを特徴とする電気車制御装置。
2. 特定された故障部位を乗務員に報知するモニタ手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電気車制御装置。
3. 特定された故障部位を記録する記録手段を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の電気車制御装置。
4. 特定された故障部位を無線にて地上側に送信する送信手段を備えたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電気車制御装置。
5. 特定された故障部位の情報をパソコンに表示させ、かつ、前記パソコンに故障箇所の確認方法をガイダンスする機能を持たせたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１
   項に記載の電気車制御装置。
6. 前記物理量検出手段は、送風器に流れる電流を検出する電流検出器と、冷却フィンの温度を検出する温度センサを含み、
   前記故障判定手段は、前記温度センサで検出された前記冷却フィンの温度が予め設定された閾値を超えた時に過温度信号を出力する過温度判断手段と、前記電流検出器で検出された前記送風器に流れる電流が予め設定した値以下でかつ電流無状態ではないときにフィルタ目詰まり故障に対応するフィルタ目詰まり信号としての電流低下信号を出力する電流低下判断手段と、前記電流検出器で検出された電流がゼロになったときに前記送風器の停止に対応する送風器停止信号としての電流無信号を出力する電流無検出手段と、を含み、
   前記故障部位判断手段は、前記故障判断手段より出力される前記過温度信号、前記電流低下信号及び前記電流無信号の論理演算に基づいて、前記温度センサ、前記冷却フィン、半導体を含む冷却ユニットの故障、前記送風器及び前記冷却フィンが設置された車両床下の空洞への塵埃の侵入を防止するフィルタの目詰まり、前記送風器の故障のうちの何れかの故障とその発生部位とを判断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。
7. 前記故障部位判断手段は、前記過温度信号が前記過温度判断手段より出力されると共に前記電流低下判断手段が前記フィルタ目詰まり信号としての前記電流低下信号を出力しないで前記電流無検出手段が前記送風器停止信号としての前記電流無信号を出力しないという条件が成立したときに前記冷却ユニットが故障部位であることを判断することを特徴とする請求項６に記載の電気車制御装置。
8. 前記故障部位判断手段は、前記電流低下判断手段が前記フィルタ目詰まり信号としての前記電流低下信号を出力すると共に前記電流無検出手段が前記送風器停止信号としての前記電流無信号を出力しないという条件が成立したときに前記フィルタが故障部位である目詰まり故障が発生しているものを判断することを特徴とする請求項６に記載の電気車制御装置。
9. 前記故障部位判断手段は、前記電流無検出手段が前記送風器停止信号としての前記電流無信号を出力するという条件が成立したときに前記送風器が故障部位であることを判断することを特徴とする請求項６に記載の電気車制御装置。
10. 前記物理量検出手段は、該電気車を駆動する電動機の速度を検出する速度センサと、前記電動機に電力を供給する経路の電流を検出する電流検出器と、を含み、
    前記故障判定手段は、前記速度センサで検出された速度信号が所定の値以外の場合に前記速度センサの異常を判別する速度センサ異常判別手段と、前記電流検出器で検出された電流値が過大である場合に主回路が過負荷異常であることを判別する主回路過負荷判別と、を含み、
    前記故障部位判断手段は、入力された信号を論理演算することにより、前記速度センサ異常判別手段より速度センサ異常信号が出力したときに前記速度センサを故障部位と判断し、前記速度センサ異常判別手段より速度センサ異常信号が出力されると共に前記主回路過負荷判別手段より主回路過負荷異常信号が出力されたときに前記モータ軸の故障を判断し、前記速度センサ異常判別手段より速度センサ異常信号が出力されていないときに前記主回路過負荷判別手段が前記主回路過負荷異常信号を出力しているときに電力変換部が故障部位であることを判断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。

Images