JP4647684B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気車に搭載した永久磁石同期電動機を駆動する上で好適な電力変換装置に関する。

永久磁石同期電動機（以下、特に区別を要するとき以外は単に電動機と記す）は、従来より多用されている誘導電動機と比較して、以下に示す特徴がある。
（１）ロータに内蔵された永久磁石による磁束が確立しているので励磁電流が不要である。
（２）誘導電動機のようにロータに電流が流れないため、二次銅損が発生しない。
（３）これら（１）、（２）項の特徴を備えているため、高効率な電動機として知られている。

電気車には、従来、誘導電動機が使用されてきたが、近年、さらなる効率の向上を図るため、上記の特徴を有する永久磁石同期電動機の適用が検討されている。

一般に、電気車は複数の車両を連結して編成を成して走行しており、電力変換装置と電動機は、それぞれ複数台が複数の車両に分散搭載されている。このため、たとえば編成中の複数の電力変換装置のうち、一部の電力変換装置が故障して一部の電動機が運転不能になった場合においても、電気車は他の健全な電力変換装置および電動機により走行を継続することが可能である。

ところで、永久磁石同期電動機は、従来、多用されてきた誘導電動機と異なり、外部からの電力供給がなくとも、すなわち電力変換装置が停止していても、電動機のロータに内蔵されている永久磁石の磁束の働きにより、ロータの回転中は常に電動機の端子に誘起電圧を発生する。このため、電気車の走行中に電力変換装置が故障した場合において、当該電力変換装置の運転が停止しても、電気車が走行しつづける間、電動機のロータは直結されている車輪側から回され続けることになり、電動機は回転数に比例した誘起電圧を発生し続ける。

このような事象は、当業者には公知であるため、電力変換装置は、この誘起電圧に耐えられるように設計されている。

しかしながら、電力変換装置内部で短絡故障が発生した場合には、電動機からの誘起電圧を短絡する回路が構成されてしまうことが考えられ、電動機の誘起電圧により短絡電流が流れる可能性がある。

実際、本願発明者は、ある電気車向けに設計された電動機において、電動機の端子間をその最高回転数の状態下で短絡した場合に、最大数百Ａの短絡電流が発生することを確認している。

電気自動車等、一台の電動機で駆動されるシステムの場合、電力変換装置に上記したような短絡故障が発生した場合には、車両は直ちに走行不能となり、電動機の回転は停止することになる。このため、短絡電流は速やかに解消する。

しかしながら、本発明の対象である電気車においては、走行中に一部の電力変換装置に短絡故障が生じた場合においても他の健全な電力変換装置と電動機により電気車は走行を続けることになる。この結果、短絡故障を生じた電力変換装置の故障部位（短絡箇所）には、電動機の誘起電圧による短絡電流が流れ続けることになる。この状態を放置すると、電力変換装置の故障部位の損傷をさらに拡大し、あるいは、当該故障部位あるいは電動機の発熱や焼損を招く虞があり大きな問題点となる。

なお、当然のことながら、従来の誘導電動機の場合は、回転中の誘導電動機の端子間を短絡しても短絡電流は流れないため、この種の問題点は発生しない。

このようなケースへの対処として、電気車の走行中に永久磁石同期電動機を駆動制御する電力変換装置であるインバータが故障した場合において、電動機の誘起電圧によりインバータの損傷が拡大しないように、インバータと電動機との間の接続を電気的に切り離すための開閉部である接触器を設け、制御部がインバータの故障を検出した場合には、制御部がこの接触器をオフとしてインバータと電動機とを切り離すことが、下記特許文献１に示されている。

特開平８−１８２１０５号公報

しかしながら、インバータの故障時に制御部が接触器をオフとした場合でも、接触器の故障により接触器に内蔵される接点がオフできない場合や、短絡電流の大きさが接触器の遮断能力を越えていた場合等で接触器をオフしてもアーク電流が継続する等して短絡電流の遮断が不可能となることが考えられる。

また、接触器と電動機との間や、電動機内部の巻線間にて短絡が発生した場合には、インバータと電動機との間に位置する上記の接触器をオフしても短絡回路は解消されないため、電動機内部の誘起電圧に伴う短絡電流を遮断することは当然ながら不可能である。これらの事象への対処は、特許文献１に開示された方法では不可能である。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、接触器をオフしても電流の遮断が不可能である場合や、接触器と電動機との間、あるいは電動機内部の巻線間にて短絡が発生した場合等であっても、電力変換装置や電動機の損傷の拡大を抑止することが可能となる電力変換装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる電力変換装置は、直流電圧または交流電圧を任意の周波数の交流電圧に変換して永久磁石を内蔵する交流電動機を駆動するインバータと、前記インバータと前記交流電動機との間に接続された開閉部と、前記インバータおよび前記開閉部を制御する制御部と、前記開閉部と前記交流電動機との間に設けられた電圧検出器と、前記インバータと前記開閉部との間に設けられた電流検出器と、を備え、前記制御部は、前記インバータがオフに制御された状態にあり、当該状態下における前記交流電動機の誘起電圧を観測して正常時に生じうる誘起電圧と比較することで前記交流電動機の異常を判定し、前記交流電動機に異常があると判定した場合には、前記開閉部をオフに制御し、前記開閉部をオフに制御したのにも関わらず前記電流検出器により所定値以上の電流が検出された場合には、前記開閉部に異常があるか、もしくは前記電流が前記開閉器における遮断可能な電流に比して過大であると判定し、前記交流電動機の回転を低下させる制御を行うことを特徴とする。

本発明にかかる電力変換装置によれば、インバータと交流電動機との間に開閉部が接続されるとともに、開閉部と交流電動機との間に電圧検出器が設けられ、且つ、インバータと開閉部との間に電流検出器が設けられるとき、インバータおよび開閉部を制御する制御部は、インバータがオフに制御された状態にあり、当該状態下における交流電動機の誘起電圧を観測して正常時に生じうる誘起電圧と比較することで交流電動機の異常を判定し、交流電動機に異常があると判定した場合には、開閉部をオフに制御し、開閉部をオフに制御したのにも関わらず電流検出器により所定値以上の電流が検出された場合には、開閉部に異常があると判定して交流電動機の回転を低下させる制御を行うようにしているので、電力変換装置や電動機の損傷の拡大を抑止することができるという効果を奏する。

以下に、本発明の好適な実施における電力変換装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。

実施の形態
（電力変換装置の構成）
図１は、本発明の好適な実施の形態における電力変換装置の構成例を示す図である。同図に示す電力変換装置１００は、少なくともインバータＩＮＶ、電流検出器ＣＴＵ，ＣＴＶ，ＣＴＷ、接触器ＭＭＫ、電圧検出器５、および制御部１０を備えて構成されている。

図１において、電力変換装置１００の入力端、すなわちインバータＩＮＶの入力端には、集電装置１および車輪３を介したレール２と接続されており、車輪３を介して集電装置１およびレール２から集電した直流電力は、インバータＩＮＶに入力される。インバータＩＮＶは、入力された直流電圧を任意の周波数の交流電圧に変換して交流電動機を駆動する。なお、インバータＩＮＶとしては、電圧形ＰＷＭインバータを用いるのが好適である。また、電圧形ＰＷＭインバータの構成は既に既知であるため、ここでの詳細な説明は省略する。

インバータＩＮＶの出力端側には、各相ごとに電流検出器ＣＴＵ，ＣＴＶ，ＣＴＷが設けられており、検出された電流ＩＵ，ＩＶ，ＩＷは制御部１０に入力される。また、電流検出器ＣＴＵ，ＣＴＶ，ＣＴＷの後段には、開閉部である接触器ＭＭＫが設けられている。電流検出器は、図１に示すように三相共に設けてもよいし、任意の二相に設けてもよい。なお、電流検出器を任意の二相に設ける場合、電流検出器が設けられていない他の一相の電流は、これら任意の二相に流れる電流に基づいて算出することができる。

接触器ＭＭＫは、制御部１０からの投入信号ＭＫＣがオンになると投入コイルが励磁され、三相に設けられた主接点が投入される一方で、投入信号ＭＫＣがオフになると投入コイルへの励磁がなくなり、主接点が開放される構成である。接触器ＭＭＫの主接点の状態は、接点状態信号ＭＫＦとして制御部１０に入力される。なお、制御部１０に入力される接点状態信号ＭＫＦは、例えば主接点に機械的に結合された補助接点からの信号によっても得ることが可能である。

接触器ＭＭＫの後段には、電圧検出器５が設けられており、検出された三相の電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷは制御部１０に入力される。また、接触器ＭＭＫの後段側に位置する電力変換装置１００の出力端には、交流電動機６が接続されている。交流電動機６の回転状態は、回転検出器ＲＺで検出され、制御部１０に入力される。なお、回転検出器ＲＺを用いずに交流電動機６を制御する所謂センサレス制御方式も実用化されており、センサレス制御方式を採用する場合には、回転検出器ＲＺは不要となる。

このように、図１に示す本実施の形態にかかる電力変換装置は、交流電動機６を通じて、交流電動機６と機械的に結合された車輪３を回転させて電気車を駆動する電気車の駆動装置を構成する。なお、図１では、電力変換装置の好適な実施の形態として、直流き電の電気車を一例として示したが、長距離系の電気車等に多用される交流き電の電気車に対しても同様に適用することができる。交流入力の電気車に適用する場合、変圧器およびコンバータ部をインバータＩＮＶの入力側に設けるように構成すればよい。

また、図１における交流電動機６は、上述したような永久磁石同期電動機を想定しているが、ロータに永久磁石を内蔵する電動機であれば同期電動機以外のもでもよい。例えば、誘導電動機のロータに永久磁石を埋め込んだ形態の電動機が存在しており、この種の電動機であれば、本発明の技術思想に基づく構成および制御手法を適用することができる。

（制御部１０の構成）
図２は、本発明の実施の形態における制御部１０の構成例を示す図である。制御部１０は、少なくとも図２に示すように、電流ＩＵ，ＩＶ，ＩＷを入力とし、電流の有無を判定する電流有無判定部２０と、電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷを入力とし、電圧波形の異常を判定する波形判定部３０と、その他の回路（論理回路）である論理反転回路（以下「ＮＯＴ」と表記）５１，５４、論理積回路（以下「ＡＮＤ」と表記）５２，５５、および論理和回路（以下「ＯＲ」と表記）５３を有して構成される。

また、制御部１０は、少なくとも図２に示すように、接触器ＭＭＫの主接点状態を示す信号ＭＫＦが入力され、外部の機器管理装置、ブレーキ制御装置、力行指令回路等（何れも図示省略）への異常検出信号ＳＴＤ、および接触器ＭＭＫへの投入信号ＭＫＣを出力する。

なお、制御部１０は上記した以外のインバータＩＮＶの制御機能である、例えば電力変換装置１００内部の過電流や過電圧に対する保護機能、電力変換装置１００の外部の機器管理装置（図示省略）との通信機能、運転台等の外部装置（図示省略）からの指令受信機能（例えば電気車の力行、ブレーキ指令の受信）等を含む電気車の電力変換装置に必要となる機能を有するものである。

（制御部１０の動作）
つぎに、制御部１０の動作について説明する。

図２において、電流有無判定部２０は、インバータＩＮＶの出力電流が存在する場合、例えば電流ＩＵ，ＩＶ，ＩＷのいずれかが所定値以上である場合に電流ありと判断し、信号ＩＯＮを出力する。

このとき、制御部１０は、接触器ＭＭＫの接点状態信号ＭＫＦがオフ（つまり接触器ＭＭＫがオフしている状態）であり、且つ電流有無判定部２０からの信号ＩＯＮがオンの場合に異常検出信号ＳＴＤを出力する。なお、接点状態信号ＭＫＦを用いずに、接触器ＭＭＫの投入信号ＭＫＣをオフした状態で、且つ電流有無判定部２０からの信号ＩＯＮがオンの場合に異常検出信号ＳＴＤをオンとする構成でもよい。このようなケースは、例えば電力変換装置１００あるいは電動機６に異常が生じて接触器ＭＭＫをオフしたにも係わらず、電流ＩＵ，ＩＶ，ＩＷが流れ続けている状態を想定しており、例えば接触器ＭＭＫに異常が生じたか、あるいは電流が大きすぎて接触器ＭＭＫにて電流の遮断が不可であった場合が考えられる。

一方、波形判定部３０は、電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷが異常値を示した場合に信号ＶＡＢを出力する。例えば、各相の電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷの各実効値の差が所定値以上である場合に異常と判断し、信号ＶＡＢをオンすることが考えられる。

ここで、信号ＶＡＢがオンとされる動作を、電気車がある速度で惰行中の場合を一例として説明する。インバータＩＮＶがオフしている状態において、交流電動機６は車輪３により回されている状態であり、ロータは回転している。このため電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷには、交流電動機６による誘起電圧が現れる。ここで、交流電動機６のステータコイルの構成は、よく知られているように巻き数の等しい各相コイルがステータ鉄心内のスロットに均一に収納されている。このため、交流電動機６の誘起電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷは、通常時では対称形の三相交流電圧となる。

ところが、交流電動機６内部のステータコイルの一部に相間短絡や地絡が発生すると、等価的に各相コイルの巻き数が異なってしまうため誘起電圧は対称形の三相交流電圧ではなくなり、不平衡な三相交流電圧となる。すなわち、インバータＩＮＶがオフしている状態での誘起電圧を観測して正常時に生じうる誘起電圧と比較することで、交流電動機６の異常を検出することができる。

制御部１０は、信号ＶＡＢがオンの場合には、制御部１０の他の機能よりＭＭＫオン要求があった場合であっても、接触器ＭＭＫの投入信号ＭＫＣをオフとしている。すなわち、信号ＶＡＢがオンの場合には、接触器ＭＭＫの投入が禁止される。

上記のような制御部１０を構成することにより、交流電動機６に異常が発生している場合には、接触器ＭＭＫの投入が禁止される。その結果、インバータＩＮＶに過電流が生じてインバータＩＮＶを破損する等の被害の拡大を抑止することが可能となる。なお、信号ＶＡＢが生成された場合には、図２に示すように、異常検出信号ＳＴＤをオンとする構成としてもよい。

（異常が発生した場合の動作の流れ）
つぎに、異常が発生した場合の制御部１０における全体的な動作の流れについて説明する。

まず、電気車が運転中であって、インバータＩＮＶにより交流電動機６が駆動されている状態において、ステータコイルが短絡故障した場合について考える。この場合、電流ＩＵ，ＩＶ，ＩＷが過大となるためインバータＩＮＶに具備された過電流保護機能（図示省略）によってインバータＩＮＶは停止し、接触器ＭＭＫはオフとなる。ただし、電流ＩＵ，ＩＶ，ＩＷが接触器ＭＭＫの遮断容量に比して過大であった場合や、接触器ＭＭＫに異常があり接触器ＭＭＫをオフしたにも係わらず電流が遮断不可能であった場合には、誘起電圧によって異常電流が流れ続ける可能性がある。この場合、制御部１０の電流有無判定部２０は、例えば電流検出器ＣＴＵ，ＣＴＶ，ＣＴＷからの値を所定の閾値と比較すること等により電流の有無を判定し、電流が存在する場合には信号ＩＯＮをオンとすることにより異常検出信号ＳＴＤを出力するようにしている。

一方、接触器ＭＭＫのオフにより電流が遮断できた場合でも、交流電動機６の誘起電圧が異常である場合には、交流電動機６の内部で短絡が生じている可能性がある。このような場合に備え、制御部１０の波形判定部３０は、例えば各相の電圧ＶＵ、ＶＶ、ＶＷの各実効値の差を所定の閾値と比較することにより交流電動機６の誘起電圧の異常を判定し、誘起電圧の異常が有りと判定された場合には、信号ＶＡＢをオンとして接触器ＭＭＫの投入を禁止する（接触器ＭＭＫに対する投入信号ＭＫＣをオフにする）とともに、異常検出信号ＳＴＤを出力するようにしている。

この異常検出信号ＳＴＤは、外部の機器管理装置やブレーキ制御装置、力行指令回路等（何れも図示省略）に入力され、異常検出信号ＳＴＤがオンの場合には電気車の力行を中断するとともに、ブレーキを利かせるなどして電気車の速度、すなわち車輪３に接続されている交流電動機６の回転数を十分に低下（ゼロを含む）させるための制御信号として用いることができる。

上述したように、本実施の形態にかかる電力変換装置によれば、接触器ＭＭＫが破損した場合、電流ＩＵ，ＩＶ，ＩＷが接触器ＭＭＫの遮断容量に比して過大である場合、接触器ＭＭＫにて電流が遮断不可となった場合、または交流電動機６内部のステータコイルの一部に相間短絡や地絡が発生した場合に、接触器ＭＭＫの投入禁止を制御する投入信号ＭＫＣや、異常の有無を表す異常検出信号ＳＴＤを出力するようにしているので、電気車の速度を十分に低下させることが可能となり交流電動機６の誘起電圧を十分に小さい値に低減することができ、また、異常電流の大きさを十分に小さくする（ゼロを含む）ことができるとともに、電力変換装置１００や交流電動機６のさらなる被害の拡大を抑止することが可能となる。

なお、上記の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるとともに、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更または変形して構成することも可能であることは言うまでもない。

さらに、本明細書では、電気車に搭載の電力変換装置への適用を主とする発明内容の説明を行っているが、適用用途は電気車に限定されるものではなく、電気自動車等の関連分野への適用が可能であることも言うまでもない。

以上のように、本発明にかかる電力変換装置は、接触器をオフしても電流の遮断が不可能である場合や、接触器と電動機との間、あるいは電動機内部の巻線間にて短絡が発生した場合等であっても、電力変換装置や電動機の損傷の拡大を抑止可能とする発明として有用である。

本発明の好適な実施の形態における電力変換装置の構成例を示す図である。 本発明の好適な実施の形態における制御部の構成例を示す図である。

符号の説明

１ 集電装置
２ レール
３ 車輪
５ 電圧検出器
６ 交流電動機
１０ 制御部
２０ 電流有無判定部
３０ 波形判定部
１００ 電力変換装置
ＩＮＶ インバータ
ＣＴＵ，ＣＴＶ，ＣＴＷ 電流検出器
ＭＭＫ 接触器
ＲＺ 回転検出器
５１，５４ 論理反転回路
５２，５５ 論理積回路
５３ 論理和回路

Claims (9)

1. 直流電圧または交流電圧を任意の周波数の交流電圧に変換して永久磁石を内蔵する交流電動機を駆動するインバータと、
   前記インバータと前記交流電動機との間に接続された開閉部と、
   前記インバータおよび前記開閉部を制御する制御部と、
   前記開閉部と前記交流電動機との間に設けられた電圧検出器と、
   前記インバータと前記開閉部との間に設けられた電流検出器と、
   を備え、
   前記制御部は、
   前記インバータがオフに制御された状態にあり、当該状態下における前記交流電動機の誘起電圧を観測して正常時に生じうる誘起電圧と比較することで前記交流電動機の異常を判定し、
   前記交流電動機に異常があると判定した場合には、前記開閉部をオフに制御し、
   前記開閉部をオフに制御したのにも関わらず前記電流検出器により所定値以上の電流が検出された場合には、前記開閉部に異常があるか、もしくは前記電流が前記開閉器における遮断可能な電流に比して過大であると判定し、前記交流電動機の回転を低下させる制御を行うことを特徴とする電力変換装置。
2. 直流電圧または交流電圧を任意の周波数の交流電圧に変換して永久磁石を内蔵する交流電動機を駆動するインバータと、
   前記インバータと前記交流電動機との間に接続された開閉部と、
   前記インバータおよび前記開閉部を制御する制御部と、
   前記開閉部と前記交流電動機との間に設けられた電圧検出器と、
   前記インバータと前記開閉部との間に設けられた電流検出器と、
   を備え、
   前記制御部は、
   前記インバータがオフに制御された状態にあり、当該状態下における前記交流電動機の誘起電圧を観測して正常時に生じうる誘起電圧と比較することで前記交流電動機の異常を判定し、
   前記交流電動機に異常があると判定した場合には、前記開閉部をオフに制御し、
   前記開閉部をオフに制御したのにも関わらず前記交流電動機に異常である誘起電圧が観測される場合には、前記交流電動機のステータコイルの一部に相間短絡または地絡が発生している可能性があると判定することを特徴とする電力変換装置。
3. 前記交流電動機と前記開閉部の少なくとも一方が異常と判定された場合、前記交流電動機の回転を低下させる制御を行うための異常検知信号を生成して外部へ送出することを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
4. 前記異常検知信号は、前記電気車を減速させるための制御信号として送出されることを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
5. 前記異常検知信号は、前記電気車のブレーキを動作させるための制御信号として送出されることを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
6. 前記異常検知信号は、前記電気車の力行をオフに制御するための制御信号として送出されることを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
7. 前記制御部は、
   前記交流電動機に異常があると判定した場合、前記開閉部のオン要求があった場合もオフに制御する論理回路を有し、前記開閉部の再投入を禁止する
   ことを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の電力変換装置。
8. 前記制御部は、前記電圧検出器により検出した前記交流電動機の各相電圧の差が所定値を超える不平衡状態であるときに、前記交流電動機に異常があると判定することを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の電力変換装置。
9. 前記制御部は、
   前記開閉部の接点の状態を表す接点状態信号に基づいて前記開閉部のオン・オフの状態を判定することを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載の電力変換装置。

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