JP4776743B2 - 駆動制御システム - Google Patents
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Description
前記電動機と前記電気車の駆動機構部との間には、前記電動機から前記駆動機構部への駆動力の伝達を遮断する回転遮断器が設けられ、前記駆動制御装置は、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前記電動機を駆動する電力変換器および、この電力変換器を制御する第1の制御部を有する電力変換部と、前記電力変換部、前記電動機および前記回転遮断器の動作状態ならびに自己の動作状態に基づいて、前記回転遮断器を制御する第2の制御部と、を備えたことを特徴とする。
10 電力変換部
11 電流検出器
12 開閉器
14 電圧検出器
15 電動機
16 第2の制御部
18 駆動部
21 電力変換器
22 第1の制御部
26 第1のセンサ
27 第2のセンサ
28 回転遮断器
29 駆動機構部
30 駆動軸
35 状態判定部
38 断線検出部
40 電流検出部
42 電圧検出部
43 温度検出部
44 回転遮断器状態検出部
45 短絡検出部
46 開閉器状態検出部
47,48 制御部状態検出部
50 電流判定部
51 電圧判定部
52 温度判定部
60 異常判定部
70 遮断器制御部
100 駆動制御システム
(駆動制御システムの構成)
図1は、本発明の実施の形態1にかかる駆動制御システムの一構成例を示す図である。図1において、実施の形態1にかかる駆動制御システム100は、主たる構成部として電力変換器21および第1の制御部22を具備する電力変換部10、電流検出器11(11a,11b,11c)、開閉器12、電圧検出器14(14a,14b)、電動機15、第2の制御部16、ならびに、回転遮断器28および駆動機構部29を具備する駆動部18を備えて構成されている。なお、駆動制御システム100において、電動機15および駆動部18を除く他の構成部を総称して「駆動制御装置」と呼称する。
(1)電動機における異常
(ア)短絡:電動機の鉄心に巻回されたコイル巻線のターン間で素線絶縁破壊が起こり、コイル巻線内で短絡回路が形成された状態
(イ)地絡:電動機の鉄心に巻回されたコイル巻線と当該鉄心間で絶縁破壊が起こり、コイル巻線と前記鉄心とが通電している状態
(2)電力変換器の異常
(ア)動作不良:電力変換器内に搭載された複数のスイッチング素子うちの少なくとも一つが動作不能となった状態
(イ)素子短絡:電力変換器内に搭載された複数のスイッチング素子うちの少なくとも一つが短絡している状態
なお、以下に詳述する第2の制御部は、これら電動機および電力変換器の異常に対しても、効果的に対処し得るよう構成されている。
図2は、本発明の実施の形態1にかかる第2の制御部16の一構成例を示す図である。図2において、第2の制御部16は、状態判定部35および遮断器制御部70を備えている。また、状態判定部35は、電流検出部40、電圧検出部42、温度検出部43、回転遮断器状態検出部44、短絡検出部45、開閉器状態検出部46、制御部状態検出部47,48、電流検出部40の後段に配される電流判定部50、電圧検出部42の後段に配される電圧判定部51、温度検出部43の後段に配される温度判定部52ならびに、電流判定部50、電圧判定部51、温度判定部52、回転遮断器状態検出部44、短絡検出部45、開閉器状態検出部46、および制御部状態検出部47,48からの信号に基づいて動作する異常判定部60を備えている。
フェールセーフの考え方により、実施の形態1にかかる制御機能の要部である回転遮断器および第2の制御部が故障した場合は、その時点で開動作できるようにしておくモードである。
電動機のコイル内部にて短絡が生起すると、電動機が回っている限り、短絡電流による発熱によってコイルが溶断するまで、短絡電流を抑制することができない。さらに、短絡電流によりコイル周辺が焼損する可能性があるため、短絡が生じた場合は、即座に電動機の回転を停止する必要がある。これらに鑑みて設けられたモードである。
電動機の温度が設定値よりも高くなると、発火に至る可能性があり、電動機の負荷を抑えるため、回転遮断器を開とする必要がある。なぜなら、電動機コイル内部で短絡が起き、短絡電流に起因する温度上昇であった場合は、電力供給を停止しても温度上昇を防ぐことができない。また、このモードは、短絡検出に失敗していた場合の2重保護となる。これらの観点により、電動機温度異常の場合は本異常のみで回転遮断器を「開」に制御する。
開閉器が故障しても、電力変換部が正常であれば、その時点では何も問題ない。しかし、電力変換部または電動機において、電気的な異常状態(検出電圧が設定値よりも大きい、検出電圧波形が定義した波形と逸脱する、検出電流が設定値よりも大きい)が起きた場合は、電力変換部および電動機の更なる損傷を防ぐため、電動機の回転を停止する必要がある。また、これらの電気的異常が一つでも生起した場合、機器損傷の可能性があるため、開閉器が故障した場合には、検出電流または検出電圧の何れか一つの異常で回転遮断器を「開」に制御する。
電力変換部に異常が発生した場合、通常、開閉器は「開」に制御される。しかしながら、開閉器が「開」となった場合、上記故障モード5に記載したような検出電流または検出電圧の異常があると、開閉器の開動作の失敗や、電動機短絡の可能性がある。このため、電力変換部に異常が発生した場合、故障モード5と同様に、検出電流または検出電圧の何れか一つの異常で回転遮断器を「開」に制御する。なお、開閉器が開動作に失敗する場合も考慮し、第1の制御部または第2の制御部からの指令により開となるべき状態下で開状態とならない状態を判別できるように、開閉器からの開動作信号(接点状態信号MKF)が第2の制御部に入力される構成としていることは前述のとおりである。
電力変換部および開閉器が故障した場合、上記故障モード6で説明した開閉器の開動作が失敗した状態となる。したがって、電力変換部および開閉器が故障した場合には、回転遮断器を「開」に制御する。
図4は、本発明の実施の形態2にかかる第2の制御部の一構成例を示す図である。図4において、実施の形態2にかかる第2の制御部16は、状態判定部35の入力段に断線検出部38を備えるとともに、断線検出部38が検出した断線信号bが遮断器制御部70に入力される構成である。なお、その他の構成については、図2に示した実施の形態1における第2の制御部16の構成と同一または同等であり、同一符号を付して示すと共に、当該構成部にかかる詳細な説明は省略する。
故障モード5の項で説明したように、電力変換部または電動機において、電気的な異常状態が生起した場合は、電力変換部および電動機の損傷を防ぐため、電動機の回転を停止する必要がある。このため、電流検出器および電圧検出器からの信号線に断線が生じた場合には、電気的な異常状態を検出する機能が損なわれるので、回転遮断器を「開」とする制御を行う。
故障モード6の項で説明したように、電力変換部に異常が発生した場合には、開閉器は「開」に制御される。しかしながら、開閉器に異常があると開閉器の開動作に失敗し、開閉器が「開」にならない場合がある。この場合、車輪によって駆動される電動機による誘起電圧が電力変換部に印加され、電力変換部が損傷する虞がある。このため、開閉器および電力変換部からの信号線に断線が生じた場合には、回転遮断器を「開」とする制御を行う。
故障モード3の項で説明したように、電動機のコイル内部にて短絡が生起すると、電動機が回っている限り、短絡電流による発熱によってコイルが溶断するまで、短絡電流を抑制することができない。一方、温度検出器または短絡検出器のうちの何れか一方の機能により電動機の発熱現象を検出または抑止可能であるが、これらの両者の機能が欠落した場合には、電動機の発熱現象を検出し、抑止することは不可能である。このため、温度検出器および短絡検出器からの信号線に断線が生じた場合には、回転遮断器を「開」とする制御を行う。
上記断線モード3で説明したように、電動機のコイル内部にて短絡が生起した場合には、電動機が回っている限り、短絡電流を抑制することができない。一方、回転遮断器および開閉器の機能が欠落した場合、電力変換部と車輪との間の接続を機械的に切断する手段がない。このため、回転遮断器および開閉器からの信号線に断線が生じた場合には、回転遮断器を「開」とする制御を行う。
Claims (22)
- 永久磁石を内蔵した電動機と、この電動機を制御する駆動制御装置とを有し、これらの駆動制御装置および電動機を搭載した電気車に適用される駆動制御システムにおいて、
前記電動機と前記電気車の駆動機構部との間には、前記電動機から前記駆動機構部への駆動力の伝達を遮断する回転遮断器が設けられ、
前記駆動制御装置は、
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前記電動機を駆動する電力変換器および、この電力変換器を制御する第1の制御部を有する電力変換部と、
前記電力変換部、前記電動機および前記回転遮断器の動作状態ならびに自己の動作状態に基づいて、前記回転遮断器を制御する第2の制御部と、
を備えたことを特徴とする駆動制御システム。 - 前記駆動制御装置は、
前記電動機の温度を検出する温度検出器および前記電動機のコイル巻線における短絡状態または地絡状態を検出する短絡検出器を備えており、
前記第2の制御部は、
前記温度検出器および前記短絡検出器から検出した信号、ならびに前記回転遮断器および自己の動作状態を表す信号をモニタし、これらの信号のうちの少なくとも一つを異常と判定した場合に、前記駆動制御装置に異常が発生したことを表す判定信号を生成する状態判定部と、
前記判定信号に基づいて前記回転遮断器を遮断する信号を生成して当該回転遮断器に出力する遮断器制御部と、
を備えたことを特徴とする請求項1に記載の駆動制御システム。 - 前記駆動制御装置は、
前記電動機に流れる電流を検出する電流検出器、前記電動機の誘起電圧を検出する電圧検出器、および、前記電動機と前記電力変換部との間に接続され、前記電動機への電力を開閉する開閉器を備えており、
前記第2の制御部は、
前記電流検出器および前記電圧検出器から検出した信号、ならびに前記開閉器、前記回転遮断器、前記電力変換部および自己の動作状態を表す信号をモニタし、前記回転遮断器および自己の動作状態が正常であり、且つ、前記電力変換部または前記開閉器の何れかの動作状態が異常であり、且つ、前記電流検出器および前記電圧検出器から検出した信号のうちの少なくとも一つが異常である場合に、前記駆動制御装置に異常が発生したことを表す判定信号を生成する状態判定部と、
前記判定信号に基づいて前記回転遮断器を遮断する信号を生成して当該回転遮断器に出力する遮断器制御部と、
を備えたことを特徴とする請求項1に記載の駆動制御システム。 - 前記駆動制御装置は、
前記電動機に流れる電流を検出する電流検出器、前記電動機の誘起電圧を検出する電圧検出器および、前記電動機と前記電力変換部との間に接続され、前記電動機への電力を開閉する開閉器を備えており、
前記第2の制御部は、
前記電流検出器および前記電圧検出器から検出した信号、ならびに前記開閉器、前記回転遮断器、前記電力変換部および自己の動作状態を表す信号をモニタし、前記回転遮断器および自己の動作状態が正常であり、且つ、前記電流検出器および前記電圧検出器から検出した信号が正常であり、且つ、前記電力変換部および前記開閉器の動作状態が共に異常である場合に、前記駆動制御装置に異常が発生したことを表す判定信号を生成する状態判定部と、
前記判定信号に基づいて前記回転遮断器を遮断する信号を生成して当該回転遮断器に出力する遮断器制御部と、
を備えたことを特徴とする請求項1に記載の駆動制御システム。 - 前記駆動制御装置は、
前記電動機の温度を検出する温度検出器および前記電動機のコイル巻線における層間短絡または地絡を検出する短絡検出器、前記電動機に流れる電流を検出する電流検出器、前記電動機の誘起電圧を検出する電圧検出器および、前記電動機と前記電力変換部との間に接続され、前記電動機への電力を開閉する開閉器を備えており、
前記第2の制御部は、
前記温度検出器および前記短絡検出器から検出した信号、前記回転遮断器および自己の動作状態を表す信号、前記電流検出器および前記電圧検出器から検出した信号、ならびに前記開閉器および前記電力変換部の動作状態を表す信号をモニタし、前記温度検出器および前記短絡検出器から検出した信号ならびに、前記回転遮断器および自己の動作状態を表す信号のうちの少なくとも一つに異常があると判定した場合、前記電力変換部、前記開閉器ならびに、前記電流検出器および前記電圧検出器から検出した信号に異常がなくとも前記駆動制御装置に異常が発生したことを表す判定信号を生成する状態判定部と、
前記判定信号に基づいて前記回転遮断器を遮断する信号を生成して当該回転遮断器に出力する遮断器制御部と、
を備えたことを特徴とする請求項1に記載の駆動制御システム。 - 前記駆動制御装置は、
前記電動機の温度を検出する温度検出器および前記電動機のコイル巻線における層間短絡または地絡を検出する短絡検出器、前記電動機に流れる電流を検出する電流検出器、前記電動機の誘起電圧を検出する電圧検出器および、前記電動機と前記電力変換部との間に接続され、前記電動機への電力を開閉する開閉器を備えており、
前記第2の制御部は、
前記温度検出器および前記短絡検出器から検出した信号、前記回転遮断器および自己の動作状態を表す信号、前記電流検出器および前記電圧検出器から検出した信号、ならびに前記開閉器および前記電力変換部の動作状態を表す信号をモニタし、前記温度検出器および前記短絡検出器から検出した信号ならびに、前記回転遮断器および自己の動作状態を表す信号の全てが正常であり、且つ、前記電力変換部または前記開閉器の何れかの動作状態が異常であり、且つ、前記電流検出器および前記電圧検出器から検出した信号のうちの少なくとも一つが異常である場合に、前記駆動制御装置に異常が発生したことを表す判定信号を生成する状態判定部と、
前記判定信号に基づいて前記回転遮断器を遮断する信号を生成して当該回転遮断器に出力する遮断器制御部と、
を備えたことを特徴とする請求項1に記載の駆動制御システム。 - 前記駆動制御装置は、
前記電動機の温度を検出する温度検出器および前記電動機のコイル巻線における層間短絡または地絡を検出する短絡検出器、前記電動機に流れる電流を検出する電流検出器、前記電動機の誘起電圧を検出する電圧検出器および、前記電動機と前記電力変換部との間に接続され、前記電動機への電力を開閉する開閉器を備えており、
前記第2の制御部は、
前記温度検出器および前記短絡検出器から検出した信号、前記回転遮断器および自己の動作状態を表す信号、前記電流検出器および前記電圧検出器から検出した信号、ならびに前記開閉器および前記電力変換部の動作状態を表す信号をモニタし、前記温度検出器および前記短絡検出器から検出した信号、前記回転遮断器および自己の動作状態を表す信号ならびに、前記電流検出器および前記電圧検出器から検出した信号の全てが正常であり、且つ、前記電力変換部および前記開閉器の動作状態が共に異常である場合に、前記駆動制御装置に異常が発生したことを表す判定信号を生成する状態判定部と、
前記判定信号に基づいて前記回転遮断器を遮断する信号を生成して当該回転遮断器に出力する遮断器制御部と、
を備えたことを特徴とする請求項1に記載の駆動制御システム。 - 前記駆動制御装置は、
前記電動機の温度を検出する温度検出器および前記電動機のコイル巻線における層間短絡または地絡を検出する短絡検出器、前記電動機に流れる電流を検出する電流検出器、前記電動機の誘起電圧を検出する電圧検出器および、前記電動機と前記電力変換部との間に接続され、前記電動機への電力を開閉する開閉器を備えており、
前記第2の制御部は、
前記温度検出器および前記短絡検出器から検出した信号、前記回転遮断器および自己の動作状態を表す信号、前記電流検出器および前記電圧検出器から検出した信号、ならびに前記開閉器および前記電力変換部の動作状態を表す信号をモニタし、これらの信号のうちの三つ以上を異常と判定した場合に、前記駆動制御装置に異常が発生したことを表す判定信号を生成する状態判定部と、
前記判定信号に基づいて前記回転遮断器を遮断する信号を生成して当該回転遮断器に出力する遮断器制御部と、
を備えたことを特徴とする請求項5〜7の何れか1項に記載の駆動制御システム。 - 前記状態判定部は、
前記温度検出器、前記短絡検出器、前記電流検出器および前記電圧検出器から検出した信号、ならびに前記回転遮断器、前記開閉器および前記電力変換部の動作状態を表す信号をモニタし、前記電流検出器および前記電圧検出器からの信号入力が途絶した場合、または、前記開閉器および前記電力変換部からの信号入力が途絶した場合、または、前記温度検出器および前記短絡検出器からの信号入力が途絶した場合、または、前記開閉器および前記回転遮断器からの信号入力が途絶した場合に、前記各信号を伝送する信号線に断線が発生したことを表す断線信号を生成して前記遮断器制御部に出力する断線検出部を備え、
前記遮断器制御部は、前記断線信号に基づき、前記回転遮断器を遮断する信号を生成して当該回転遮断器に出力する
ことを特徴とする請求項5〜8の何れか1項に記載の駆動制御システム。 - 前記状態判定部は、
前記温度検出器、前記短絡検出器、前記電流検出器および前記電圧検出器から検出した信号、ならびに前記回転遮断器、前記開閉器および前記電力変換部の動作状態を表す信号をモニタし、これらの信号のうちの三つ以上信号入力が途絶した場合に、前記各信号を伝送する信号線に断線が発生したことを表す断線信号を生成して前記遮断器制御部に出力する断線検出部を備え、
前記遮断器制御部は、前記断線信号に基づき、前記回転遮断器を遮断する信号を生成して当該回転遮断器に出力する
ことを特徴とする請求項5〜8の何れか1項に記載の駆動制御システム。 - 前記状態判定部は、前記電流検出器から検出した電流値が所定の判定値より大きな値である場合に前記駆動制御装置に異常が発生したと判定することを特徴とする請求項5〜10の何れか1項に記載の駆動制御システム。
- 前記状態判定部は、前記電圧検出器から検出した電圧値が所定の判定値より大きな値である場合に前記駆動制御装置に異常が発生したと判定することを特徴とする請求項5〜10の何れか1項に記載の駆動制御システム。
- 前記所定の判定値は、前記電力変換器に対する入力許容電圧に設定されていることを特徴とする請求項12に記載の駆動制御システム。
- 前記状態判定部は、前記温度検出器が検出した検出温度の上昇率に基づいて前記駆動制御装置の異常を判定することを特徴とする請求項5〜10の何れか1項に記載の駆動制御システム。
- 前記状態判定部は、前記開閉器からの開動作信号に基づき、前記開閉器が前記第1の制御部または前記第2の制御部からの指令により開となるべき状態において、前記開閉器が開状態とならない状態を判別して前記判定信号を生成することを特徴とする請求項5〜14の何れか1項に記載の駆動制御システム。
- 前記電動機における短絡状態は、前記電動機の鉄心に巻回されたコイル巻線のターン間で素線絶縁破壊が起こり、前記コイル巻線内で短絡回路が形成された状態であることを特徴とする請求項5〜15の何れか1項に記載の駆動制御システム。
- 前記電動機における地絡状態は、前記電動機の鉄心に巻回されたコイル巻線と当該鉄心間で絶縁破壊が起こり、前記コイル巻線と前記鉄心とが通電している状態であることを特徴とする請求項5〜15の何れか1項に記載の駆動制御システム。
- 前記電力変換部の異常状態は、前記電力変換器内に搭載された複数のスイッチング素子うちの少なくとも一つが動作不能となった状態であることを特徴とする請求項5〜17の何れか1項に記載の駆動制御システム。
- 前記電力変換部の異常状態は、前記電力変換器内に搭載された複数のスイッチング素子うちの少なくとも一つが短絡状態となった場合であることを特徴とする請求項5〜17の何れか1項に記載の駆動制御システム。
- 前記第2の制御部には、外部からの制御信号が入力される構成とされ、
前記遮断器制御部は、前記外部からの制御信号に基づき、前記回転遮断器を遮断する信号を生成して当該回転遮断器に出力することを特徴とする請求項5〜19の何れか1項に記載の駆動制御システム。 - 前記第2の制御部は、前記回転遮断器を開とする制御に併せて、前記電力変換器の動作を停止する制御を行うことを特徴とする請求項5〜20の何れか1項に記載の駆動制御システム。
- 前記回転遮断器は、前記第2の制御部からの制御信号が途絶えた場合に、前記電動機から前記駆動機構部への駆動力の伝達が遮断される構成であることを特徴とする請求項1〜21の何れか1項に記載の駆動制御システム。
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