JP4808289B2 - 交流電動機の駆動制御装置 - 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交流電動機の駆動制御装置に関するものである。

永久磁石同期電動機は、従来から各種分野で広く使用されている誘導電動機と比較して、高効率な電動機として知られており、近年、自動車や電車の駆動用としての適用が検討されている。このような交流電動機および、電動機の駆動制御装置が搭載された車両を複数台連結して走行する電気車において、走行中に一部の車両の電動機用駆動制御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、他の健全な交流電動機の駆動制御装置と電動機により電気車の走行を継続することが可能である。但し、故障した交流電動機の駆動制御装置に接続された電動機は、車輪側から駆動され続けるので、短絡故障を生じた交流電動機の駆動制御装置の故障部位（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。

このように、電気車の走行中に永久磁石同期電動機を駆動制御する交流電動機の駆動制御装置内のインバータが故障した場合の対処として、例えば下記特許文献１では、電動機の誘起電圧によりインバータの損傷を拡大しないように、インバータと電動機との間を電気的に切り離す電動機開放接触器を設け、制御部がインバータの故障を検出した場合に、制御部がこの接触器を開路制御してインバータと電動機とを電気的に切り離す方法が開示されている。

また、開放接触器としては、下記特許文献２では、高い遮断性能を有する真空接点式の接触器を挙げている。さらに、前記接触器の上流側および下流側にフェライトを配置することで、真空接触器投入時の接点間のプレアーク現象や投入サージ電圧を制限する方法が開示されている。

特開平８−１８２１０５号公報 特開２００８−７９４９６号公報

通常、電動機開放接触器は、無電圧で開閉するよう設計されており、インバータをゲートオフしてから接触器への投入指令をオフする、あるいは、インバータがゲートオフしている状態で接触器への投入指令をオンするシーケンスとしている。ところが、接触器が誤動作した場合（接触器への制御線の断線や、その他の予期されない原因による誤動作）、上記投入指令に反して、接触器が動作してしまうケースが考えられる。特に、インバータがゲートオンしている時に接触器をオンしてしまうと、真空接点特有の投入サージ（サージ電圧）が発生する可能性がある。真空接点の特徴として、他のガス中接点や油中接点と比べて、高い周波数領域（数百ｋＨｚ）まで遮断性能を有する。電圧が印加された真空接点を投入動作させる時、接点間距離の縮小に伴い絶縁破壊を引き起こしプレアークが発生して高周波電流が流れるが、真空中における急速な絶縁回復力によってプレアークは遮断され、遮断に伴なう再起電圧が発生する。この再起電圧の上昇により再度、絶縁破壊、高周波電流の遮断、という過程が、接点が機械的に接触するまで繰り返される。このようにして発生したサージ電圧は、数ｋＶ〜数十ｋＶに達することもあり、電動機や駆動制御装置内部の部品の絶縁を破壊する場合があるため、サージ電圧値は低く抑える必要がある。

上記特許文献２では、サージを抑制するためにフェライトコアを使用し、３相分ある真空接点の各相それぞれに、かつ真空接点の上流側と下流側の両方の導体周囲に配置している。しかしながら、交流電動機の駆動制御装置内に電動機１台あたり６個分のフェライトコアを配置するスペースが必要にあり、動力車１両あたり４〜６台の電動機を搭載している場合、これを駆動制御する駆動制御装置内に計３４〜３６個のフェライトコアを配置することに相当するため、駆動制御装置が大型化してしまう。このような、駆動制御装置の大型化や重量増加は、装置の製造コストや走行時のエネルギー効率を悪化させる要因となる。さらには、通電電流の高周波成分によるフェライトコア表面に誘起される渦電流によるコアの過熱も課題として推定される。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、電動機開放接触器の開閉に伴う有害な開閉サージの発生を回避することができる交流電動機の駆動制御装置を得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に、本発明は、オンオフ制御される複数のスイッチング素子を有し直流電圧を任意周波数の交流電圧に変換し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電動機側開閉部と、前記電動機側開閉部の開閉動作を主接点の接離よりも早く検知し、開閉動作事前検知信号を出力する開閉動作事前検知部と、前記複数のスイッチング素子に対するオンオフ制御を行い、前記開閉動作事前検知信号に基づき前記インバータのスイッチング素子を全てオフ状態とするゲート信号を出力する制御部を有する制御部と、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、インバータが動作している間、なんらかの原因で電動機開放接触器が誤動作してしまう場合、電動機開放接触器が電流を遮断ないしは投入する前に、電動機開放接触器の動作（開閉動作（接離））を事前検知して前記電動機開閉部の前記主接点間に前記インバータのオンオフ電圧（パスル状に変化する電圧）が加わらないように前記インバータを制御するため、電動機開放接触器の開閉に伴う有害な開閉サージの発生を回避することができるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態１または２における交流電動機の駆動制御装置の構成例を示す図である。 図２は、本発明の実施の形態１におけるインバータの構成例を示す図である。 図３は、図１に示される電動機開放接触器の動作を説明するための図である。 図４は、接点が投入された電動機開放接触器を示す図である。 図５は、真空接点式接触器のさい断サージ波形を示すグラフである。 図６は、交流回路とインバータ回路におけるさい断電流値の違いを示す実測グラフである。 図７は、電動機開放接触器である真空接点式接触器の投入・開放動作を説明するチャートである。 図８は、図３に示したコイルの電位差をモニターする開閉動作事前検知部の構成例である。 図９は、図３に示したコイルの励磁電流をモニターする開閉動作事前検知部の構成例である。 図１０は、本発明の実施の形態１における制御部の構成例を示す図である。 図１１は、本発明の実施の形態１における動作を示す時系列チャートである。 図１２は、電磁石等の変位をモニターする開閉動作事前検知部の構成例である。 図１３は、本発明の実施の形態２における制御部の構成例を示す図である。 図１４は、本発明の実施の形態２における動作を示す時系列チャートである。

以下に、本発明にかかる電力変換装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１または２における交流電動機の駆動制御装置１００の構成例を示す図である。図１に示す交流電動機の駆動制御装置１００は、主たる構成として、架線に接して電力を受電する集電装置１と、レール２と接し電気車を駆動する車輪３と、集電装置１から電力を受電し電源側の主回路の開閉を行う電源側開閉部である電源開放接触器ＬＢと、正側導体Ｐ、負側導体Ｎを介して受電した直流電力を交流電力へ電力変換を行うインバータＩＮＶと、正側導体Ｐと負側導体Ｎに両端が接続されたコンデンサＦＣと、インバータＩＮＶで変換した交流電力を負荷へ伝達するインバータ側Ｕ相導体ＵＩ、インバータ側Ｖ相導体ＶＩ、インバータ側Ｗ相導体ＷＩと、インバータＩＮＶの出力を切り離すことのできる電動機側開閉部である電動機開放接触器ＭＭＫと、電動機側Ｕ相導体ＵＭ、電動機側Ｖ相導体ＶＭ、電動機側Ｗ相導体ＷＭを介して接続された交流電動機６と、主としてインバータＩＮＶ、電動機開放接触器ＭＭＫを制御する制御部１０Ａとを有して構成されている。

図２は、インバータＩＮＶの構成例を示す図である。図２に示すとおり、所謂三相２レベルインバータ回路で構成しており、正側導体Ｐに接続された正側アームのスイッチング素子であるＵ相上アーム素子ＵＰ、Ｖ相上アーム素子ＶＰ、Ｗ相上アーム素子ＷＰと、負側導体Ｎに接続された負側アームのスイッチング素子であるＵ相下アーム素子ＵＮ、Ｖ相下アーム素子ＶＮ、Ｗ相下アーム素子ＷＮの６つのスイッチング素子からなるブリッジ回路で構成され、それぞれの相の上アーム素子と下アーム素子の接続点にインバータ側Ｕ相導体ＵＩ、インバータ側Ｖ相導体ＶＩ、インバータ側Ｗ相導体ＷＩが接続された構成である。それぞれのスイッチング素子は、図２に図示しているとおり、ＩＧＢＴ素子と逆並列に接続されたダイオード素子で構成されたものである。なお、インバータＩＮＶの構成は、電圧形ＰＷＭインバータが好適である。３レベルインバータ回路等のマルチレベルインバータ回路であってもよいし、スイッチング素子は、ＩＧＢＴ素子以外で構成したものでも構わない。各スイッチング素子は、後述する制御部１０Ａから出力されたゲート信号ＧＳに基づいてそれぞれオンオフ制御（スイッチング制御）される。なお、図示しないが制御部１０Ａあるいは制御部１０Ａの上位の図示しないシステム制御部により、電源開放接触器ＬＢは開放・投入（オフ・オン）される。なお、ゲート信号ＧＳは、各素子ＵＰ〜ＷＮへの個別のオンオフ信号の代表例と考えてもよいし、各素子ＵＰ〜ＷＮのオンオフ制御を一括オンあるいはオフ状態に制御する信号と考えてもよい。

図１において、電動機開放接触器ＭＭＫは、交流電流の遮断が可能な接触器であり、インバータＩＮＶと交流電動機６の間に接続される。交流電流は、電流波形の半周期毎に電流ゼロ点が生じるため、この電流ゼロ点にて電流を遮断する。

図３は、図１に示される電動機開放接触器ＭＭＫの動作を説明するための図であり、図４は、接点が投入された電動機開放接触器ＭＭＫを示す図である。内部に可動接点６４と固定接点６３対を有する消弧室６２と、この可動接点６４を開閉操作するための操作用電磁石から構成される。制御部１０Ａからの開閉指令ＭＫＣがオンとなると、開放接触器ＭＭＫの操作用電磁石のコイル６０が励磁され、可動鉄片６１が吸引されることで、これと係合する可動接点６４が上方に駆動され、その結果、図４に示すように接点は投入され、導体ＵＭ（またはＶＭ、ＷＭ）と導体ＵＩ（またはＶＩ、ＷＩ）とが接続されて、インバータＩＮＶと交流電動機６を電気的に接続する。一方、図４において、開放ばね６５は圧縮されており、開閉指令ＭＫＣがオフとなると、コイル６０への励磁がなくなり、可動鉄片６１の吸引力が低下することで、開放ばね６５の荷重により可動接点６４は下方へ駆動され、接点は開放され、主接点がオフしてインバータＩＮＶと交流電動機６を電気的に切り離される。

なお、図３と図４に示される開放接触器ＭＭＫは、単相構造図を示しているが、同じ構造を３つ並列に配置することで３相器を構成することができる。電磁石は、各相個別にあってもよいし、電磁石１台で３相接点を一括して駆動するよう機械的に連結してもよい。また、図３や図４の構成は一例であって、電動機開放接触器（以下単に「接触器」と称する）ＭＭＫの外形をコンパクトにするために、コイル６０や消弧室６２の配置（レイアウト）を変更しても本質的な機能は変わらない。また、図３と図４は、常励式の接触器の場合を示したが、投入状態を保持する機構を有するラッチ式の接触器であってもかまわない。この場合、ラッチを解除するための開放コイルを設け、開放コイルを励磁することで開放動作する構成としてもよい。接触器ＭＭＫの後段には、電動機側Ｕ相導体ＵＭ、電動機側Ｖ相導体ＶＭ、電動機側Ｗ相導体ＷＭを介して交流電動機６が接続されており、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構成である。なお、交流電動機６は、上述したとおり永久磁石同期電動機を想定するが、ロータに永久磁石を内蔵する電動機以外でも本発明は有効である（例えば、誘導電動機など）。

ところで、真空接点に関わる開閉サージには投入サージと開放サージの２種類存在する。開放サージとは、図５に示すように、交流電流を遮断した時に電流零点で遮断されず、電流零点の前に急速に電流が遮断（＝さい断）されることで生じる現象である。このとき発生するサージ電圧の大きさＶｓは、Ｖｓ＝√（Ｌ／Ｃ）・Ｉｃで表されることが知られている。ここで、Ｉｃは、さい断電流値であり、Ｌは、回路のインダクタンス成分であり、Ｃは、回路のコンデンサ成分である。つまり、さい断電流値Ｉｃが小さければ、発生するさい断サージは小さく問題にならないことを意味する。このさい断電流値Ｉｃは、真空接点の接点材料に依存することが知られており、通常の真空接点式の開放接触器では、好適な接点材料が選定されているため、さい断電流値Ｉｃは小さく、従って、サージ電圧Ｖｓは問題になるレベルではない。

しかしながら、通常の真空タイプの開放接触器は、中電圧クラス（３．３ｋＶ〜３３ｋＶ）の配変電系統における交流回路（商用周波数の正弦波交流電源からなる回路、以下単に交流回路と示す）での適用を想定しているため、インバータで制御された交流回路（以下「インバータ回路」と称する）を想定して設計されていなかった。

図６は、交流回路とインバータ回路におけるさい断電流値Ｉｃの違いを示す実測グラフである。この実測グラフは、発明者らが実施した実験結果であり、図６の結果から、交流回路でのさい断電流値Ｉｃと比較して、インバータ回路でのさい断電流値Ｉｃは、４倍ほど増加することを新たに発見した。インバータ回路は、図２に示す複数のスイッチング素子（ＵＰ、ＶＰ、ＷＰ、ＵＮ、ＶＮ、ＷＮ）を高速にスイッチング（オン・オフ切替え）することで交流出力を生成するが、このオンオフ切り替えがさい断電流値Ｉｃの増加に影響していることが新たに判明した。

つまり、インバータ回路では、スイッチング動作にともない真空接点間の電圧にパルス状に変化する電圧が重畳されることになるが、これにより真空接点間のアークが不安定となり、さい断が生じる。そこで、本発明の実施の形態１では、図１に示すように、特別な構成の制御部１０Ａを設けて、接触器ＭＭＫの予期しない動作を事前に予測し、インバータＩＮＶのスイッチング動作を制御することを特徴としている。

図１に示すとおり、制御部１０Ａは、接触器ＭＭＫの開閉動作と開閉指令ＭＫＣとの不一致を判断するための不一致判断手段である判断部（不一致判断部）４０と、ゲート信号を制御するためのゲート信号制御部３０とから構成されており、制御部１０Ａの上位に位置する外部のシステム制御部（図示せず）から基本ゲート信号ＧＣと、基本接触器投入指令（以下単に「投入指令」と称する）ＭＫＣ０と、開閉動作事前検知信号（以下単に「事前検知信号」と称する）ＭＣＯとが入力される。なお、判断部４０およびゲート信号制御部３０は、複数のスイッチング素子に対するオンオフ制御を行うインバータ制御部７０として機能する。

なお、基本ゲート信号ＧＣは、電気車を加減速させるために交流電動機６のトルク、あるいは回転数を制御するためにベクトル制御等の手法により生成され、インバータＩＮＶに内蔵されたスイッチング素子へのオンオフ指令となる信号である。また、投入指令ＭＫＣ０は、同様に制御部１０Ａの上位の図示しないシステム制御部から入力された信号であり、交流電動機６が運転中には接触器ＭＭＫをオンし、交流電動機６の運転を停止する場合やインバータＩＮＶに故障が生じた場合等に接触器ＭＭＫをオフするために制御部１０Ａに入力される信号である。

次に、上述した判断部４０とゲート信号制御部３０を含む制御部１０Ａについて詳細構成例および動作について以下に説明する。

図１０は、本発明の実施の形態１における制御部１０Ａの構成例を示す図である。制御部１０Ａは、主たる構成として、判断部４０とゲート信号制御部３０Ａとを有して構成されている。

まず、判断部４０について説明する。判断部４０は、信号調整回路４１、排他的論理和（ＸＯＲ）回路４２、およびラッチ回路４３で構成されており、投入指令ＭＫＣ０と接触器ＭＭＫの事前検知信号ＭＣＯとが入力される。事前検知信号ＭＣＯは、信号調整回路４１にて論理回路の電圧レベル（ＨレベルとＬレベル）に変換され信号ＳＩＧとして出力され、投入指令ＭＫＣ０との排他的論理和出力が、信号ＧＯＦとして出力される。信号調整回路４１は、通常のリミッタ回路や二値化回路でよく、一般によく知られた回路であるため、詳細は省略する。

このように構成された判断部４０の動作を以下に説明する。投入指令ＭＫＣ０がＨ（オン）であり、かつ、開閉動作の事前検出を示す信号ＳＩＧがＨ（オン）の場合、不一致は生じないので、ＸＯＲ出力はＬである。また、共にＬ（オフ）であっても、不一致は生じないので、ＸＯＲ出力はＬである。しかしながら、投入指令ＭＫＣ０がＨにも関わらず、信号ＳＩＧがＬ（オフ）になると、ＸＯＲから不一致信号（Ｈ）が出力され、ラッチ回路４３で保持された信号ＧＯＦがＨとなり、ゲート信号制御部３０Ａに出力される。もちろん、投入指令ＭＫＣ０がＬで信号ＳＩＧがＨの場合でも、信号ＧＯＦはＨを出力する。なお、一旦、不一致を示す信号ＧＯＦがＬからＨになった場合、不一致信号がエラー出力ＥＲＲとして上位のシステム制御部に出力される。

次に、ゲート信号制御部３０Ａについて説明する。ゲート信号制御部３０Ａは、論理反転回路３１およびＡＮＤ回路３２で構成され、信号ＧＯＦおよび基本ゲート信号ＧＣが入力され、ゲート信号ＧＳを出力する構成である。このように構成されたゲート信号制御部３０Ａの動作を以下に説明する。不一致を示す信号ＧＯＦがＬの場合、基本ゲート信号ＧＣがそのままゲート信号ＧＳとしてインバータＩＮＶに出力される。しかし、信号ＧＯＦがＬからＨに変化した場合、ゲート信号ＧＳはＬ（オフ）となり、インバータＩＮＶの全てのスイッチング素子のスイッチング動作（オンオフ動作）をオフ状態に制御する。なお、基本ゲート信号ＧＣ、ゲート信号ＧＳは、各素子ＵＰ〜ＷＮへの個別のオンオフ信号の代表例と考えてもよいし、各素子ＵＰ〜ＷＮのオンオフ制御を一括オンあるいはオフ状態に制御する信号と考えてもよい。

次に、実施の形態１にかかる動作について説明する。例えば、接触器ＭＭＫになんらかの不具合、例えば、コイル６０の断線や、リレー５２の故障、制御電源５１の消失等があった場合、コイル６０への励磁電流は失われるため、図４に示すように、可動鉄片６１への吸引力は消失し、その結果、接触器ＭＭＫの主接点は開放される。

図７は、接触器ＭＭＫである真空接点式接触器の投入・開放動作を説明するチャートである。時刻ＰＣ１にて操作コイルに電圧が印加され、コイルに励磁電流が供給される。コイル電流は、巻線のインダクタンスの影響のため有限の傾きをもって上昇する。ある励磁電流レベルに達すると操作電磁石が可動鉄片６１の吸引動作を開始し、時刻Ｃにて接触器ＭＭＫの主接点が接触する。次に、なんらかの不具合によって時刻ＰＯ１にて制御電源が消失されると、コイル間の印加電圧が低下し、その結果、励磁電流が消失し、電磁石が開放動作することで、時刻Ｏにて主接点が開離する。

図８は、図３に示したコイルの電位差をモニターする開閉動作事前検知部の構成例であり、図９は、図３に示したコイルの励磁電流をモニターする開閉動作事前検知部の構成例である。図８において、開閉動作事前検知部（以下単に「事前検知部」と称する）５５Ａは、分圧回路であり、制御部１０Ａに入力可能な電圧レベルに変換するものである。一般的な制御電源５１は、ＡＣ１００Ｖや１１０Ｖ、ＤＣ１００Ｖ等であり、制御部への入力電圧としては、５Ｖや１２Ｖなどがある。もちろん、事前検知部５５Ａと信号調整回路４１等の他の回路やシステムと一体化して、それらに含めてもよい。

ここで、上記したように、接触器ＭＭＫへの投入指令ＭＫＣが出力されているにも関わらず、不具合によって開放動作した場合、コイル６０の電位差が低下するため、主接点が開放する時刻Ｏよりも前の時刻ＰＯ１に開放動作を検出することが可能である。電圧低下は、図７に示す閾値電圧ＴＨ１を下回るか否かで判断されるため、信号調整回路４１において閾値電圧ＴＨ１を適切に選択することにより、制御電圧の変動による誤検出を回避しつつ、接触器ＭＭＫの開放動作を正確に事前検知することが可能である。

図８に示す事前検知部５５Ａにて検知されたコイル印加電圧信号（＝開閉動作事前検知信号）ＭＣＯは、図１に示す判断部４０にて、投入指令ＭＫＣ０との差異が判断される。コイル印加電圧信号ＭＣＯと投入指令ＭＫＣ０との差異が検出されると、ゲートオフするための信号ＧＯＦが出力され、ゲート信号制御部３０へ引き渡される。

図１１は、本発明の実施の形態１における動作を示す時系列チャートである。図１１に示すように、時刻ＰＯで信号ＳＩＧがＬとなることで、指令不一致を示す信号ＧＯＦが時刻Ｔ１でＨとなり、ゲート信号制御部３０に入力されると、上位制御系からの基本ゲート信号ＧＣはオフされ、インバータＩＮＶのスイッチング素子を全てオフ状態に制御する。なお、このスイッチングオフまでが、図７の時刻Ｏ以前に完了するように構成される。時刻ＰＯ１と時刻Ｏとの時間差は、２０〜５０ｍｓ程度あるため、処理時間としては十分である。従って、インバータＩＮＶのスイッチング素子をオフに制御することにより、主接点間にパルス状に変化する電圧が重畳されることがない状態で接触器ＭＭＫが開放されるため、さい断に伴う有害な開放サージの発生を回避することができる効果がある。

図８では、接触器ＭＭＫのコイル６０の両端電圧をモニターしたが、図９に示すように、開閉動作事前検知部である電流検出器５５Ｂによりコイル６０の励磁電流そのものをモニターしてもよい。接触器ＭＭＫの励磁電流の制御手法によっては、投入保持状態での励磁電流による消費電力を抑制するために、投入保持状態においては励磁電流を抑制する場合がある。この場合、図７に示すように、閾値電流ＴＨ２を保持電流以下に設定しておけばよい。この場合、時刻ＰＯ２で開放接触器ＭＭＫの開放動作を事前検出することができる。なお、時刻ＰＯ２と時刻Ｏの時間差は、２０〜５０ｍｓ程度が一般的であるので、処理時間としては十分にある。

また、図８や図９では、開閉動作事前検知部として電磁石コイル６０の操作回路をモニターした例を示しているが、電磁石等（電磁石のコアや以下に示す機構部分）の変位をモニターしてもよい。

図１２は、電磁石等の変位をモニターする開閉動作事前検知部の構成例である。図１２は電磁石部を拡大したものであり、可動鉄片６１や、可動鉄片６１と連動する図示しないレバーの変位を距離センサが示されている。ここでは、開閉動作事前検知部として渦電流式の近距離センサ５５Ｃを示しているが、この近距離センサ５５Ｃは、可動鉄片６１が接近したとき、および、レバーが接近したときのみ事前検知信号ＭＣＯを出力するものであり、センサの位置を調整することで、図７に示すように、電磁石変位の投入位置近傍ＴＨ３Ｃに閾値を設定すれば、主接点が投入される時刻Ｃよりも前の時刻ＰＣ３に投入動作を検出することが可能であり、また、電磁石変位の開放位置近傍ＴＨ３Ｏに閾値を設定すれば、主接点が開放される時刻Ｏよりも前の時刻ＰＯ３に開放動作を検出することが可能である。もちろん、電磁石等の変位を検出する手段として、一般的に知られているレーザーの反射光を三角測量法にて読み取るタイプのストロークセンサや、運動部と機械的に連結した可変抵抗式のストロークセンサを用いても、同様である。この他の手段によってもよい。

なお、以上は、主接点の開放動作の事前検知について記述したが、主接点の投入動作についても、全く同様の考え方で同じように機能できることはいうまでもない。このように、制御部１０Ａは、電動機開放接触器ＭＭＫの開閉動作を主接点の開閉（接離）よりも早く検知し、少なくとも電動機開放接触器ＭＭＫが交流電動機６への電流を遮断または投入するタイミングには、電動機開放接触器ＭＭＫの主接点間にパルス状に変化する電圧が重畳しないようにインバータＩＮＶを制御する。

次に、以上のように構成した場合の効果を以下に説明する。通常、接触器ＭＭＫは、インバータＩＮＶが停止した無電圧状態で開閉するよう設計されているが、接触器ＭＭＫになんらかの不具合、例えば、コイル６０の断線や、リレー５２の故障、制御電源５１の消失等があった場合、インバータＩＮＶ動作中に接触器ＭＭＫが開放してしまう。実施の形態１における交流電動機の駆動制御装置１００は、接触器ＭＭＫの主接点（６３、６４）が開離する前に、これを事前検知してインバータＩＮＶのスイッチング素子を全てオフ状態に制御するため、有害な開放サージの発生を回避することができる。なお、インバータＩＮＶが故障した場合は、インバータが停止しているため、開放動作しても有害なサージは発生しない。従って、有害なサージによるシステムへの悪影響を回避できるため、信頼性の高い交流電動機の駆動制御装置を得ることができる。また、インバータＩＮＶ動作中に接触器ＭＭＫを誤投入した場合も、接触器ＭＭＫの投入動作を事前検知することで、インバータＩＮＶのスイッチング素子を全てオフ状態に制御するため、主接点間にパルス状に変化する電圧が重畳されることがなく、さい断に伴う有害な投入サージの発生を回避することができる。

また、実施の形態１における交流電動機の駆動制御装置１００によれば、従来のように、フェライトコアやサージ吸収体を多数配置する必要がないため、交流電動機の駆動制御装置自体をコンパクトかつ軽量化することができ、製造コストの低減、電気車運行時のエネルギー効率を向上される利点がある。

実施の形態２．
図１３は、本発明の実施の形態２における制御部１０Ｂの構成例を示す図であり、図１４は、本発明の実施の形態２における動作を示す時系列チャートである。図１３に示すように、実施の形態２の構成では、実施の形態１のゲート信号制御部３０Ｂの内部構成が異なっている。以下、実施の形態１と異なる部分のみを説明する。

まず、ゲート信号制御部３０Ｂの構成を説明する。ゲート信号制御部３０Ｂは、ワンショット回路３４と、Ｄ形フリップフロップ回路３３とを有して構成されている。動作の不一致を判断する判断部４０から出力された信号ＧＯＦがワンショット回路３４に入力され、ワンショット回路３４の出力と、制御部１０Ｂの上位の図示しないシステム制御部から入力された基本ゲート信号ＧＣが、Ｄ形フリップフロップ回路３３に入力される。

このように構成されたゲート信号制御部３０Ｂの動作を以下に説明する。判断部４０から出力された不一致を示す信号ＧＯＦは、ワンショット回路３４にて、予め設定された一定時間幅のパルス波形として、Ｄ形フリップフロップ回路３３に入力される。従って、不一致を示す信号ＧＯＦがＬからＨになった後、ワンショット回路で設定された一定時間の間、基本ゲート信号ＧＣの状態が保持されたゲート信号ＧＳ（ＨならＨが保持、ＬならＬが保持）が出力される。

例えば、図１４に示すように、基本ゲート信号ＧＣが、ＰＷＭ変調されたゲート信号の場合、時刻ＰＯで信号ＳＩＧがＬとなると、時刻Ｔ１からＴ２までの間、ＰＷＭ変調がマスクされ各スイッチング素子（ＵＰ、ＶＰ、ＷＰ、ＵＮ、ＶＮ、ＷＮ）のスイッチングがオン（ないしはオフ）のまま保持された状態に制御する。ワンショット回路３４で決まるマスク時間は、好ましくは接触器ＭＭＫの主接点の接離までの時間よりも長く設定され、好適にはおよそ５０〜１５０ｍｓ程度である。なお、実施の形態１、２で示した制御部１０Ａ、１０Ｂの機能の内、判断部４０は、接触器ＭＭＫに内蔵させてもよく、配置場所に制限はない。

次に、以上のように構成した場合の効果を以下に説明する。実施の形態２における交流電動機の駆動制御装置１００は、インバータＩＮＶが動作している間、なんらかの原因で接触器ＭＭＫが誤動作してしまう場合、接触器ＭＭＫの主接点（６３、６４）が開閉（接離）する前に、これを事前検知してインバータＩＮＶの各スイッチング素子（ＵＰ、ＶＰ、ＷＰ、ＵＮ、ＶＮ、ＷＮ）のスイッチングがオン（ないしはオフ）のまま保持された状態に制御するため、主接点間の電圧を一定にでき、主接点間にパルス状に変化する電圧が重畳されることがなく、接触器ＭＭＫのさい断に伴う有害な開閉サージの発生を回避することができる。

また、実施の形態２における交流電動機の駆動制御装置１００によれば、従来のように、フェライトコアやサージ吸収体を多数配置する必要がないため、交流電動機の駆動制御装置自体をコンパクトかつ軽量化することができ、電気車運行時のエネルギー効率を向上される利点がある。

実施の形態３．
実施の形態２で示したようにスイッチング動作のオン又はオフ状態を一時的に保持すると、交流電動機に電動機の回転に同期しない電圧を加えることになり、過電流やトルクショックを生じる可能性がある。そこで、実施の形態３においては、インバータ制御部７０は、時刻Ｔ１からＴ２の間、インバータＩＮＶのスイッチング状態をゼロ電圧ベクトル状態（上アーム側スイッチング素子ＵＰ、ＶＰ、ＷＰの組が全てオンで且つ下アーム側ＵＮ、ＶＮ、ＷＮの組が全てオフの状態、あるいはこの逆の状態）に制御する。なお、時刻Ｔ２以降は全スイッチング素子をオフに制御するのが好ましい。

以上の構成の場合、実施の形態２と同じ効果が得られるのみならず、時刻Ｔ１からＴ２の間に交流電動機に印加される電圧をゼロとできるので、トルクショックや過電流が抑制できる効果がある。

なお、実施の形態１〜３に示した構成は、本発明を実施する上の一形態であって、一部の構成要素を削除したり、別の公知の要素を追加したりして変更してもよい。たとえば判断部４０を設けなくとも本発明が実施可能である。具体的には、事前検知部５５Ａ〜Ｃからの主接点の事前検知信号ＭＣＯに基づき、主接点の開閉（接離）が予測される場合に、少なくとも電動機側開閉部が前記交流電動機への電流を遮断するタイミングにおいて、接触器ＭＭＫの主接点間にパルス状に変化する電圧が重畳されることがないように、インバータＩＮＶのスイッチング素子を制御するインバータ制御手段を具備していればよい。

以上のように、本発明は、電気車に搭載した交流電動機の駆動制御装置に適用可能であり、特に、電動機開放接触器の開閉に伴う有害な開閉サージの発生を回避することができる発明として有用である。

１ 集電装置
２ レール
３ 車輪
６ 交流電動機
１０Ａ，１０Ｂ 制御部
３０，３０Ａ，３０Ｂ ゲート信号制御部
３１ 論理反転回路
３２ ＡＮＤ回路
３３ Ｄ形フリップフロップ回路
３４ ワンショット回路
４０ 判断部（不一致判断部）
４１ 信号調整回路
４２ 排他的論理和（ＸＯＲ）回路
４３ ラッチ回路
５１ 制御電源
５２ リレー
５５Ａ，５５Ｂ，５５Ｃ 開閉動作事前検知部
６０ 開放接触器の操作コイル
６１ 可動鉄片
６２ 消弧室
６３ 固定接点
６４ 可動接点
６５ 開放ばね
７０ インバータ制御部
１００ 駆動制御装置
ＥＲＲ エラー出力
ＦＣ コンデンサ
ＧＣ 基本ゲート信号
ＧＯＦ 不一致を示す信号
ＧＳ ゲート信号
Ｉｃ さい断電流値
ＩＮＶ インバータ
ＬＢ 電源開放接触器
ＭＣＯ 開閉動作事前検知信号，コイル印加電圧信号
ＭＫＣ 開閉指令
ＭＫＣ０ 基本接触器投入指令
ＭＭＫ 電動機開放接触器
Ｎ 負側導体
Ｐ 正側導体
ＳＩＧ 開閉動作事前検出信号
ＴＨ１ 閾値電圧
ＴＨ２ 閾値電流
ＴＨ３Ｃ 投入位置近傍
ＴＨ３Ｏ 開放位置近傍
ＵＩ インバータ側Ｕ相導体
ＵＭ 電動機側Ｕ相導体
ＵＮ Ｕ相下アーム素子
ＵＰ Ｕ相上アーム素子
ＶＩ インバータ側Ｖ相導体
ＶＭ 電動機側Ｖ相導体
ＶＮ Ｖ相下アーム素子
ＶＰ Ｖ相上アーム素子
ＷＩ インバータ側Ｗ相導体
ＷＭ 電動機側Ｗ相導体
ＷＮ Ｗ相下アーム素子
ＷＰ Ｗ相上アーム素子

Claims (13)

1. オンオフ制御される複数のスイッチング素子を有し直流電圧を任意周波数の交流電圧に変換し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電動機側開閉部と、
   前記電動機側開閉部の開閉動作を主接点の接離よりも早く検知し、開閉動作事前検知信号を出力する開閉動作事前検知部と、
   前記複数のスイッチング素子に対するオンオフ制御を行い、前記開閉動作事前検知信号に基づき前記インバータのスイッチング素子を全てオフ状態とするゲート信号を出力する制御部と、
   を備えることを特徴とする交流電動機の駆動制御装置。
2. オンオフ制御される複数のスイッチング素子を有し直流電圧を任意周波数の交流電圧に変換し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電動機側開閉部と、
   前記電動機側開閉部の開閉動作を主接点の接離よりも早く検知し、開閉動作事前検知信号を出力する開閉動作事前検知部と、
   前記複数のスイッチング素子に対するオンオフ制御を行い、前記開閉動作事前検知信号と前記電動機側開閉部の開閉指令との差異を判断する不一致判断部を有する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記不一致判断部にて不一致が判断されたとき、前記インバータを制御することを特徴とする交流電動機の駆動制御装置。
3. オンオフ制御される複数のスイッチング素子を有し直流電圧を任意周波数の交流電圧に変換し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真空接点を有した電動機側開閉部と、
   前記電動機側開閉部の開閉動作を主接点の接離よりも早く検知し、開閉動作事前検知信号を出力する開閉動作事前検知部と、
   前記複数のスイッチング素子に対するオンオフ制御を行い、前記開閉動作事前検知信号に基づき前記電動機側開閉部の主接点間にパルス状に変化する電圧が重畳しないように前記インバータを制御するとともに、所定時間後に前記複数のスイッチング素子を全てオフに制御する制御部と、
   を備えることを特徴とする交流電動機の駆動制御装置。
4. オンオフ制御される複数のスイッチング素子を有し直流電圧を任意周波数の交流電圧に変換し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電動機側開閉部と、
   前記電動機側開閉部の可動接点を開閉操作する操作電磁石への印加電圧、前記操作電磁石の励磁電流、または前記電動機側開閉部の可動部の変位量に基づき、前記電動機側開閉部の開閉動作を主接点の接離よりも早く検知し、開閉動作事前検知信号を出力する開閉動作事前検知部と、
   前記複数のスイッチング素子に対するオンオフ制御を行い、前記開閉動作事前検知信号に基づき前記インバータを制御するインバータ制御部を有する制御部と、
   を備えることを特徴とする交流電動機の駆動制御装置。
5. 前記制御部は、前記電動機側開閉部が前記交流電動機への電流を遮断または投入するタイミングには、前記電動機側開閉部の主接点間にパルス状に変化する電圧が重畳しないように前記インバータを制御すること、
   を特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の交流電動機の駆動制御装置。
6. 前記制御部は、電動機側開閉部が前記交流電動機への電流を遮断または投入するタイミングには、前記電動機側開閉部の主接点間の電圧を一定にすべく前記インバータを制御すること、
   を特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の交流電動機の駆動制御装置。
7. 前記制御部は、前記開閉動作事前検知信号と前記電動機側開閉部の開閉指令との差異を判断する不一致判断部を備たことを特徴とする請求項１、３、または４に記載の交流電動機の駆動制御装置。
8. 前記制御部は、前記開閉動作事前検知信号に基づき、前記インバータのスイッチング素子を全てオフ状態とするゲート信号を出力することを特徴とする請求項２、３、または４に記載の交流電動機の駆動制御装置。
9. 前記制御部は、前記開閉動作事前検知信号に基づき、前記インバータのスイッチング素子のスイッチングを所定の状態で保持したゲート信号を出力することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の交流電動機の駆動制御装置。
10. 前記制御部は、前記開閉動作事前検知信号に基づき、前記インバータの出力をゼロ電圧ベクトル状態とするゲート信号を出力することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の交流電動機の駆動制御装置。
11. 前記開閉動作事前検知部は、前記電動機側開閉部の開閉動作を、前記電動機側開閉部の可動接点を開閉操作する操作電磁石への印加電圧から検知することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の交流電動機の駆動制御装置。
12. 前記開閉動作事前検知部は、前記電動機側開閉部の開閉動作を、前記電動機側開閉部の可動接点を開閉操作する操作電磁石の励磁電流から検知することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の交流電動機の駆動制御装置。
13. 前記開閉動作事前検知部は、前記電動機側開閉部の開閉動作を、前記電動機側開閉部の可動部の変位量から検知することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の交流電動機の駆動制御装置。

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