JP4969504B2

JP4969504B2 - 車両用電力変換装置及び車両用駆動制御装置

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Publication number: JP4969504B2
Application number: JP2008106862A
Authority: JP
Inventors: 聖東; 彰佐竹
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-04-16
Filing date: 2008-04-16
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2028-04-16
Also published as: JP2009261129A

Description

この発明は、永久磁石電動機で駆動される車両を対象とし、特に高速運転時の電動機誘起電圧に対応可能な車両用電力変換装置及び車両用駆動制御装置に関するものである。

従来の車両用駆動制御装置においては、例えばインバータと永久磁石電動機の間に設けた電流検出器によってインバータの出力電流に異常を検出した場合、永久磁石電動機とインバータ間に接続されている開閉器を遮断する。（特許文献１参照）。

特開２００７−２８８５２号公報（段落[０２１８]―[０２３２]、図５８―図６３）

従来の車両用駆動制御装置では、インバータに異常が発生すると、永久磁石電動機とインバータ間に接続されている開閉器を遮断する。従って前記異常が発生する毎に開閉器の遮断・投入の動作が発生し、開閉器の動作寿命が制限されるという問題点があった。

この発明は、上述のような問題点を解消するためになされたもので、惰行運転開始時に、永久磁石電動機からコンデンサの向きへのエネルギーの逆流が防止でき、かつ、弱め界磁制御を行うインバータが過電流検出又は過熱検出でオフしたときに、コンデンサの電圧を永久磁石電動機の電圧よりも高く制御することにより、永久磁石電動機からコンデンサの向きにエネルギーが逆流しないで、過電流又は過熱でオフしたインバータを安定して開放できる車両用電力変換装置及び車両用駆動制御装置を得ることを目的とする。

また、惰行運転終了時に、永久磁石電動機からコンデンサの向きへのエネルギーの逆流が防止でき、かつ、弱め界磁制御を行うインバータが過電流検出又は過熱検出でオフしたときに、コンデンサの電圧を永久磁石電動機の電圧よりも高く制御することにより、永久磁石電動機からコンデンサの向きにエネルギーが逆流しないで、過電流又は過熱でオフしたインバータを安定して開放できる車両用電力変換装置及び車両用駆動制御装置を得ることを目的とする。

この発明に係わる車両用電力変換装置は、電源系統から受電し直流電圧を得るコンバータと、前記コンバータの出力側に接続されたコンデンサと、前記コンデンサの直流電圧を交流電圧に変換し、永久磁石電動機に電力を供給すると共に前記永久磁石電動機を弱め界磁制御するインバータと、前記インバータ又は前記永久磁石電動機の異常を検出する異常検出器とを備え、惰行運転開始時には、前記コンバータにより前記コンデンサの電圧を上昇させた後に、前記インバータの運転を停止して、前記コンデンサの電圧を前記永久磁石電動機が発生する電圧以上とし、前記異常検出器が前記インバータ又は前記永久磁石電動機の異常を検出すると、前記インバータの動作を停止させると共に、前記コンバータにより前記コンデンサの電圧を前記永久磁石電動機が発生する電圧以上に上昇させるものである。

また、電源系統から受電し直流電圧を得るコンバータと、前記コンバータの出力側に接続されたコンデンサと、前記コンデンサの直流電圧を交流電圧に変換し、永久磁石電動機に電力を供給すると共に前記永久磁石電動機を弱め界磁制御するインバータと、前記インバータ又は前記永久磁石電動機の異常を検出する異常検出器とを備え、惰行運転終了時に、前記インバータが弱め界磁電流を出力して、前記永久磁石電動機が発生する電圧を低下させた後に、前記コンバータにより前記コンデンサの電圧を低下させると共に、前記コンデンサの電圧を前記永久磁石電動機が発生する電圧以上とし、前記異常検出器が前記インバータ又は前記永久磁石電動機の異常を検出すると、前記インバータの動作を停止させると共に、前記コンバータにより前記コンデンサの電圧を前記永久磁石電動機が発生する電圧以上に上昇させるものである。

この発明の車両用電力変換装置によれば、弱め界磁制御を行うインバータを有し、
惰行運転開始時には、前記コンバータにより前記コンデンサの電圧を上昇させた後に、前記インバータの運転を停止して、前記コンデンサの電圧を前記永久磁石電動機が発生する電圧以上とするので、永久磁石電動機からコンデンサの向きへのエネルギーの逆流が防止でき、かつ、弱め界磁制御を行うインバータが過電流検出又は過熱検出でオフしたときに、コンデンサの電圧を永久磁石電動機の電圧以上に制御することにより、永久磁石電動機からコンデンサの向きにエネルギーが逆流しないで、過電流又は過熱でオフしたインバータを安定して開放できる。

また、惰行運転終了時に、前記インバータが弱め界磁電流を出力して、前記永久磁石電動機が発生する電圧を低下させた後に、前記コンバータにより前記コンデンサの電圧を低下させると共に、前記コンデンサの電圧を前記永久磁石電動機が発生する電圧以上とするので、永久磁石電動機からコンデンサの向きへのエネルギーの逆流が防止でき、かつ、
弱め界磁制御を行うインバータが過電流検出又は過熱検出でオフしたときに、コンデンサの電圧を永久磁石電動機の電圧以上に制御することにより、永久磁石電動機からコンデンサの向きにエネルギーが逆流しないで、過電流又は過熱でオフしたインバータを安定して開放できる。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１である車両用駆動制御装置を示す構成図である。図１において、１は交流架線、２はパンタグラフ、３はレール、４は主変圧器、５は主変換装置、９は永久磁石電動機（例えば、永久磁石同期電動機）、１０〜１２は開閉器である。主変換装置５は、交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ６、平滑用のコンデンサ８、直流電圧を交流電圧に変換するインバータ７で構成される。また１０９はインバータ７と永久磁石電動機９間の各相の電流を検出するように設けられ、そのいずれかの相においてインバータ７又は永久磁石電動機９に流れる電流が過電流となることを検知する過電流検出器である電流計、１１０はインバータ制御器で過電流検出時にも動作する。１１１はコンバータ制御器で過電流検出時にも動作する。車両用電力変換装置は、主変換装置５,及び
電流計１０９で構成される。

図２は、実施の形態１である車両用駆動制御装置の動作を説明するタイミング図である。図２において、（ａ）は車両運転指令、（ｂ）はインバータ運転指令、（ｃ）はコンデンサ８の電圧及び永久磁石電動機９の電圧（つまり、永久磁石電動機９の端子間電圧）を模式的に示したものである。時刻ｔ１までは加速（又は減速）運転指令が発令されており、周知の弱め界磁制御で永久磁石電動機９を運転し、永久磁石電動機９が発生する電圧をＶｍ１に抑制する。このときコンデンサ８の電圧Ｖｃ１は、Ｖｃ１＞Ｖｍ１となるようにコンバータ６が周知の変換制御により制御する。このため、Ｖｍ１がＶｃ１を超えることが無く、永久磁石電動機９に所望のトルクを発生させることができる。

次に時刻ｔ１にて加速から惰行運転に車両運転指令が発令されると、まずコンバータ６によりコンデンサ８の電圧をＶｃ１からＶｃ２に上昇させる（時刻ｔ２）。なおＶｃ２はインバータ７による弱め界磁制御が消失したときの惰行運転により発生する永久磁石電動機９の電圧Ｖｍ２に対して、Ｖｃ２＞Ｖｍ２の関係となるように設定する。更に時刻ｔ２にて電圧Ｖｃ２にコンデンサ８が上昇した後、時刻ｔ３にてインバータ７をオフする。インバータ７のオフに伴い弱め界磁制御が消失するため、永久磁石電動機９の電圧がＶｍ２に上昇するが、コンデンサ８の電圧はコンバータ６の動作によりＶｃ２（＞Ｖｍ２）に保持されるため、永久磁石電動機９からコンデンサ８の向きにエネルギーが逆流しない。従ってインバータ７が破損した時などの保護用にインバータ７と永久磁石電動機９の間に設けられた開閉器１０〜１２は、加速・減速運転から惰行運転への移行において常に投入しておけばよい。なお、図２では、加速運転から惰行運転に移行する場合のタイミング図を示すが、減速運転でも弱め界磁運転を実施しているので、減速運転から惰行運転に移行する場合のタイミング図も図２と同様である。

このように惰行運転時において、コンデンサ８の電圧を永久磁石電動機９の電圧よりも高くなるように制御することで、永久磁石電動機９からコンデンサ８の向きにエネルギーが逆流しないため、惰行運転時も安定した運転が得られるという効果がある。また永久磁石電動機９の誘起電圧定数を高く設定できるため、より多くの励磁磁束が永久磁石により確立され、結果としてトルク発生に必要な電流が低下されるため、電力変換装置の損失が低下されるという効果がある。また加速・減速運転から惰行運転への移行において開閉器を常に投入しておけばよいため、不要な開閉器の投入・遮断の動作がなくなり、開閉器の寿命を長くできるという効果がある。

図３は実施の形態１である車両用駆動制御装置の動作を説明するタイミング図である。図３において、（ａ）は車両運転指令、（ｂ）はインバータ運転指令、（ｃ）はコンデンサ８の電圧及び永久磁石電動機９の電圧を模式的に示したものである。時刻ｔ４までは惰行運転指令が発令されており、永久磁石電動機９が発生する電圧Ｖｍ２に対してＶｍ２＜Ｖｃ２となるようにコンデンサ８の電圧がコンバータ６により制御される。このため安定した惰行運転が得られる。

次に時刻ｔ４にて惰行運転から加速（又は減速）に車両運転指令が発令されると、まずインバータ７を起動し弱め界磁制御運転を行う。これに伴い永久磁石電動機９の電圧はＶｍ１に低下する（時刻ｔ５）。更に時刻ｔ６にて、コンバータ６によりコンデンサ８の電圧降下を開始し、Ｖｃ２からＶｃ１に下げる（時刻ｔ７）。このときＶｃ１＞Ｖｍ１となるようにＶｃ１を設定する。従ってＶｍ１がＶｃ１を超えることが無く、永久磁石電動機９に所望のトルクを発生させることができる。なお前記惰行運転から加速に移行する過程において、開閉器は常に投入しておけばよい。

このように惰行運転時においてコンデンサ８の電圧を永久磁石電動機９の電圧よりも高くなるように制御することで、永久磁石電動機９からコンデンサ８の向きにエネルギーが逆流しないため、惰行運転時も安定した運転が得られるという効果がある。また永久磁石電動機９の誘起電圧定数を高く設定できるため、より多くの励磁磁束が永久磁石により確立され、結果としてトルク発生に必要な電流が低下されるため、電力変換装置の損失が低下されるという効果がある。また惰行運転から加速・減速運転への移行において開閉器を常に投入しておけばよいため、不要な開閉器の投入・遮断の動作がなくなり、開閉器の寿命を長くできるという効果がある。また加速時のコンデンサ８の電圧をＶｃ２よりも低い電圧に設定するため、コンバータ６やインバータ７で発生するスイッチング損失やＥＭＩ（electro-magnetic interference）ノイズを低くできるという効果がある。

図４は実施の形態１である車両用駆動制御装置を示す構成図で、特にその制御構成を示している。図４において、１０２は永久磁石電動機９の励磁電流指令ｉｄ＊を与える自動弱め制御器、１０３はトルク指令τ＊に従って永久磁石電動機９がトルクを発生するようにトルク電流指令ｉｑ＊を発生するトルク電流指令発生器、１０１は励磁電流指令ｉｄ＊とトルク電流指令ｉｑ＊に従ってインバータ７の出力電圧指令ｖｉｎｖ＊を発生して、永久磁石電動機９の電流を制御する電流制御器、１０４は切替器、１０５はローパスフィルタ、１０６は永久磁石電動機９の回転数から、惰行運転時のコンデンサ電圧指令Ｖｃ２＊を発生させる電圧指令発生器である。１０８は永久磁石電動機９の回転数や回転角速度を検出する回転検出器である。図４では、交流架線１、パンタグラフ２、レール３、主変圧器４、及び開閉器１０〜１２を省略して示している。なお、各図において、同一符号は同一又は相当部分を示し、その説明を省略する。

惰行運転が発令されていない場合（加速時又は減速時）は、切替器１０４の出力として惰行運転時以外のコンデンサ８の電圧指令Ｖｃ１＊（加速時又は減速時のコンデンサ電圧指令）が選択される。ローパスフィルタ１０５の出力としてコンデンサ８の電圧指令Ｖｃｆｉｌ＊を得る。ローパスフィルタ１０５を接続することにより、電圧指令を切り替えるときのショックを低減する。コンデンサ電圧指令Ｖｃｆｉｌ＊によりコンバータ６でコンデンサ８の電圧をＶｃ１に制御する（図２の時刻ｔ１の前の状態である）。一方トルク電流指令発生器１０３にはトルク指令τ＊が入力され、トルク電流に相当するトルク電流指令ｉｑ＊を得る。また自動弱め制御器１０２にはインバータ出力電圧指令ｖｉｎｖ＊と電圧指令Ｖｃｆｉｌ＊が入力され、公知の方法によりｖｉｎｖ＊とＶｃｆｉｌ＊の大きさを比較して、ｖｉｎｖ＊の大きさがＶｃｆｉｌ＊におさまるように永久磁石電動機９の磁束方向の励磁電流指令ｉｄ＊を得る。なお電流制御器１０１はｉｄ＊とｉｑ＊からインバータ出力電圧指令ｖｉｎｖ＊を得る。

惰行運転が発令されると（図２の時刻ｔ１）、切替器１０４の出力として惰行運転時のコンデンサ電圧指令Ｖｃ２＊が選択される。また電圧指令発生器１０６にて、永久磁石電動機９の回転角速度ωｒより永久磁石電動機９が発生する誘起電圧Ｖｍ２を演算し、Ｖｃ２＞Ｖｍ２となる電圧指令Ｖｃ２＊を得る。コンデンサ電圧指令Ｖｃ２＊によりコンバータ６でコンデンサ８の電圧をＶｃ２になるように制御する。コンデンサ８の電圧がＶｃ２に一致すると（図２の時刻ｔ２）、自動弱め制御器１０２にてｉｄ＊をゼロに設定する（図２の時刻３）。このとき惰行運転発令によりτ＊がゼロであるからｉｑ＊もゼロとなる。

また惰行運転から加速又は減速運転が発令されると、自動弱め制御器１０２により永久磁石電動機９の誘起電圧をＶｍ１まで下降させた後（図３の時刻ｔ３）、切替器１０４にてＶｃ１＊を選択する（図３の時刻ｔ４）。ここではＶｃ１＞Ｖｍ１となるように設定する。次にトルク電流指令発生器１０３によりトルク電流指令ｉｑ＊を与え、永久磁石電動機９を運転する。

前述により、実施の形態１では、次のように２とおりに、動作させるものである。
惰行運転時以外は、惰行運転時以外のコンデンサ電圧指令を切替器で選択し、その惰行運転時以外のコンデンサ電圧指令に従ってコンバータによりコンデンサの電圧を制御し、その惰行運転時以外のコンデンサ電圧指令とインバータの出力電圧指令より自動弱め制御器が励磁電流指令を発生して、永久磁石電動機が発生する電圧を低下すると共に、惰行運転開始時には、電圧指令発生器により発生させた惰行運転時のコンデンサ電圧指令を切替器で選択し、その惰行運転時のコンデンサ電圧指令に従ってコンバータによりコンデンサの電圧を制御し、自動弱め制御器が励磁電流指令をゼロとする。

また、惰行運転時は、電圧指令発生器により発生させた惰行運転時のコンデンサの電圧指令を切替器で選択し、その惰行運転時のコンデンサ電圧指令に従ってコンバータによりコンデンサの電圧を制御すると共に、惰行運転終了後は、惰行運転時以外のコンデンサ電圧指令を切替器で選択し、自動弱め制御器により永久磁石電動機の励磁電流指令を与える。

このように加速又は減速指令から惰行運転に移行する場合、及びその逆に移行する場合に、図４の制御構成により図２及び図３の電力変換装置の動作が達成される。また惰行運転時においてコンデンサ８の電圧を永久磁石電動機９の電圧よりも高くなるように制御することで、永久磁石電動機９からコンデンサ８の向きにエネルギーが逆流しないため、惰行運転時も安定した運転が得られるという効果がある。また永久磁石電動機９の誘起電圧定数を高く設定できるため、より多くの励磁磁束が永久磁石により確立され、結果としてトルク発生に必要な電流が低減されるため、電力変換装置の損失が低減されるという効果がある。

また加速・減速運転から惰行運転への移行、又はその逆の移行において開閉器を常に投入しておけばよいため、不要な開閉器の投入・遮断の動作がなくなり、開閉器の寿命を長くできるという効果がある。また加速又は減速時のコンデンサ８の電圧をＶｃ２よりも低い電圧に設定するため、コンバータ６やインバータ７で発生するスイッチング損失やＥＭＩノイズを低くできるという効果がある。

図５は実施の形態１である車両用駆動制御装置を示す構成図で、特にその制御構成を示している。図５において、１０７は励磁電流制御器であり、電圧指令発生器が励磁電流制御器１０７に置き換わった以外の構成については図４と同様である。惰行運転が発令されていない場合（加速時又は減速時）は、切替器１０４の出力として、惰行運転時以外のコンデンサ８の電圧指令Ｖｃ１＊（加速時又は減速時のコンデンサ電圧指令）が選択され、ローパスフィルタ１０５の出力としてコンデンサ８の電圧指令Ｖｃｆｉｌ＊を得る。コンデンサ電圧指令Ｖｃｆｉｌ＊によりコンバータ６でコンデンサ８の電圧をＶｃ１に制御する（図２の時刻ｔ１の前の状態である）。

一方トルク電流指令発生器１０３にはトルク指令τ＊が入力され、トルク電流に相当するトルク電流指令ｉｑ＊を得る。また自動弱め制御器１０２にはインバータ出力電圧指令ｖｉｎｖ＊と電圧指令Ｖｃｆｉｌ＊が入力され、公知の方法によりｖｉｎｖ＊とＶｃｆｉｌ＊の大きさを比較して、ｖｉｎｖ＊の大きさがＶｃｆｉｌ＊におさまるように永久磁石電動機９の磁束方向の電流指令ｉｄ＊を得る。なお電流制御器１０１はｉｄ＊とｉｑ＊からインバータ出力電圧指令ｖｉｎｖ＊を得る。

惰行運転が発令されると、切替器１０４の出力として惰行運転時のコンデンサ電圧指令Ｖｃ２＊が選択される。また励磁電流制御器１０７にて、励磁電流がゼロとなるようにコンデンサ８の電圧指令を上昇させＶｃ２＊を得る。コンデンサ電圧指令Ｖｃ２＊によりコンバータ６でコンデンサ８の電圧をＶｃ２になるように制御する（結果として、図２の時刻ｔ２の状態になる）。このとき惰行運転発令によりτ＊がゼロであるからｉｑ＊もゼロとなる。また惰行運転から加速又は減速運転が発令されると（図３の時刻ｔ４）、自動弱め制御器１０２により永久磁石電動機９の誘起電圧をＶｍ１まで下降させた後（図３の時刻ｔ５）、切替器１０４にてＶｃ１＊を選択する。コンデンサ電圧指令Ｖｃｆｉｌ＊によりコンバータ６でコンデンサ８の電圧をＶｃ１に制御する（結果として図３の時刻ｔ７の状態になる）。ここではＶｃ１＞Ｖｍ１となるように設定する。次にトルク電流指令発生器１０３によりトルク電流指令ｉｑ＊を与え、永久磁石電動機９を運転する。

前述により、まとめると、実施の形態１では、次のように２とおりに、動作させるものである。惰行運転時以外は、惰行運転時以外のコンデンサ電圧指令を切替器で選択し、その惰行運転時以外のコンデンサ電圧指令に従ってコンバータによりコンデンサの電圧を制御し、その惰行運転時以外のコンデンサ電圧指令とインバータの出力電圧指令より自動弱め制御器が励磁電流指令を発生して、永久磁石電動機が発生する電圧を低下すると共に、惰行運転開始時には、励磁電流制御器の出力であるコンデンサ電圧指令を切替器で選択し、励磁電流制御器の出力であるコンデンサ電圧指令に従ってコンバータによりコンデンサの電圧を制御する。

また、惰行運転時は、励磁電流制御器の出力であるコンデンサ電圧指令を切替器で選択し、励磁電流制御器の出力であるコンデンサ電圧指令に従ってコンバータによりコンデンサの電圧を制御すると共に、惰行運転終了後は、惰行運転時以外のコンデンサ電圧指令を切替器で選択し、自動弱め制御器により永久磁石電動機の励磁電流指令を与える。

このように加速又は減速指令から惰行運転に移行する場合、及びその逆に移行する場合に、図５の制御構成により図２及び図３の電力変換装置の動作が達成される。また励磁電流制御器１０７によりコンデンサ８の電圧Ｖｃ２が必要最小限に確保され、コンデンサ８、コンバータ６及びインバータ７に印加される直流電圧を必要最小限に低下でき、信頼性を更に向上できるという効果がある。また惰行運転時においてコンデンサ８の電圧を永久磁石電動機９の電圧よりも高くなるように制御することで、永久磁石電動機９からコンデンサ８の向きにエネルギーが逆流しないため、惰行運転時も安定した運転が得られるという効果がある。また永久磁石電動機９の誘起電圧定数を高く設定できるため、より多くの励磁磁束が永久磁石により確立され、結果としてトルク発生に必要な電流が低減されるため、電力変換装置の損失が低減されるという効果がある。

また、加速・減速運転から惰行運転への移行、又はその逆の移行において開閉器を常に投入しておけばよいため、不要な開閉器の投入・遮断の動作がなくなり、開閉器の寿命を長くできるという効果がある。また、加速又は減速時のコンデンサ８の電圧をＶｃ２よりも低い電圧に設定するため、コンバータ６やインバータ７で発生するスイッチング損失やＥＭＩノイズを低くできるという効果がある。

図６は実施の形態１における図１の車両用駆動制御装置の動作を説明するタイミング図である。図６において、（ａ）はトリップ信号、（ｂ）はインバータ運転指令、（ｃ）はコンデンサ８の電圧及び永久磁石電動機９の電圧を模式的に示したものである。時刻ｔ２１までは、加速（又は減速）運転指令が発令されており、周知の弱め界磁制御で永久磁石電動機９を運転し、永久磁石電動機９が発生する電圧をＶｍ１に抑制すると共に、コンデンサ８の電圧Ｖｃ１を、Ｖｃ１＞Ｖｍ１となるようにコンバータ制御器１１１からの指令でコンバータ６が周知の変換制御により制御する。このため、Ｖｍ１がＶｃ１を超えることが無く、永久磁石電動機９に所望のトルクを発生させることができる。

次に時刻ｔ２１にて、永久磁石電動機９又はインバータ７に流れる電流に対して、過電流が流れこれを電流計１０９で検出する。この過電流検出によりインバータ制御器１１０がインバータ７をオフ（オンオフ動作を停止）する。なお、このときの過電流とは、過電流を放置すると、機器（永久磁石電動機９又はインバータ７など）に異常が発生する電流で、速やかに遮断する必要のある電流である。インバータ７をオフすると、インバータ７による弱め界磁制御が消失し、高速惰行運転の場合には永久磁石電動機９の電圧Ｖｍ２がコンデンサ８の電圧Ｖｃ１を超える。この状態が継続すると永久磁石電動機９からコンデンサ８の向きにエネルギーが逆流し続ける。これを回避するために、時刻ｔ２１において電流計１０９で過電流を検出すると、コンバータ制御器１１１によりコンデンサ８の電圧をＶｃ２まで昇圧させる（時刻ｔ２２）。なおｔ２１とｔ２２の間はできるだけ短期間とすることが望ましい。ｔ２２以降についてもコンバータ６によりＶｃ２の電圧を保持することにより、永久磁石電動機９からコンデンサ８の向きにエネルギーが逆流しない。その結果、コンデンサ８の電圧を永久磁石電動機９の電圧よりも高くなるように制御することにより、過電流でオフしたインバータには電流は流れなく、インバータを安定して開放できたことになる。

このように弱め界磁制御を行うインバータ７が過電流検出でオフしたときに、コンデンサ８の電圧を永久磁石電動機９の電圧よりも高くなるように制御することで、永久磁石電動機９からコンデンサ８の向きにエネルギーが逆流しないため、ブレーキトルクが発生せずに、安定した車両運転が継続できるという効果がある。また、インバータオフ後に永久磁石電動機９に流れる電流がゼロになってから開閉器１０〜１２をオフすることにより、永久磁石電動機９と主変換装置５を切離してもよい。

また、図６における時刻ｔ２１にて電流計１０９が過電流を検出した後、インバータ制御器１１０,コンバータ制御器１１１でインバータ７とコンバータ６を同時にオフとしてもよい。この様子を図７に示す。図７において、（ａ）はトリップ信号、（ｂ）はインバータ運転指令、（ｃ）はコンバータ運転指令、（ｄ）はコンデンサ８の電圧及び永久磁石電動機９の電圧を模式的に示したものである。時刻ｔ３１までは、加速（又は減速）運転指令が発令されており、周知の弱め界磁制御で永久磁石電動機９を運転し、永久磁石電動機９が発生する電圧をＶｍ１に抑制すると共に、コンデンサ８の電圧Ｖｃ１を、Ｖｃ１＞Ｖｍ１となるようにコンバータ制御器１１１からの指令でコンバータ６が周知の変換制御により制御する。このため、Ｖｍ１がＶｃ１を超えることが無く、永久磁石電動機９に所望のトルクを発生させることができる。

次に時刻ｔ３１にてインバータ７又は永久磁石電動機９に流れる電流に対して過電流が流れこれを電流計１０９で検出する。この過電流検出によりインバータ制御器１１０がインバータ７をオフ（オンオフ動作を停止）する。するとインバータ７による弱め界磁制御が消失し、高速惰行運転の場合には永久磁石電動機９の電圧Ｖｍ２がコンデンサ８の電圧Ｖｃ１を超える。この状態が継続すると永久磁石電動機９からコンデンサ８の向きにエネルギーが逆流し続ける。これを回避するために、時刻ｔ３１において電流計１０９で過電流を検出すると、コンバータ制御器１１１でコンバータ運転も同時にオフすることにより、架線へのエネルギーの逆流を遮断する。また同時に永久磁石電動機９の電圧Ｖｍ２によりコンデンサ８が充電されるが、その充電電圧はＶｍ２と等しくなる。コンバータ６の運転は停止しているため、コンデンサ８が充電されるとその状態を保持するため、永久磁石電動機９からコンデンサ８の向きにエネルギーが逆流しない。その結果、インバータ７と共にコンバータ６もオフすることにより、電源系統へのエネルギー流出が遮断され、永久磁石電動機からコンデンサ８の向きにエネルギーが逆流しないので、過電流でオフしたインバータ７には電流は流れなく、インバータ７を安定して開放できたことになる。

このように弱め界磁制御を行うインバータ７が過電流検出でオフしたときに、インバータ７と共にコンバータ６も同時にオフすることにより架線へのエネルギーフローを遮断すると共に、コンデンサ８の電圧が永久磁石電動機９の電圧と等しくなることにより、永久磁石電動機９からコンデンサ８の向きにエネルギーが逆流しないため、ブレーキトルクが発生せずに、安定した車両運転が継続できるという効果がある。またインバータオフ後に永久磁石電動機９に流れる電流がゼロになってから開閉器１０〜１２をオフすることにより、永久磁石電動機９と主変換装置５を切離してもよい。

なお実施の形態１では、インバータ７又は永久磁石電動機９の過電流を異常として検知したが、インバータ７又は永久磁石電動機９の温度を検出する温度計を備え、インバータ又は永久磁石電動機９の過熱を異常として検知してもよい。なお、このときの過熱とは、過熱を放置すると、機器（インバータ７又は永久磁石電動機９など）に異常が発生する温度で、速やかにその原因を取り除く必要のある温度である。温度計でインバータ７又は永久磁石電動機９の過熱を検出すると、同様に、インバータ７をオフさせる。するとインバータ７による弱め界磁制御が消失し、高速惰行運転の場合には永久磁石電動機９の電圧Ｖｍ２がコンデンサ８の電圧Ｖｃ１を超える。

この状態が継続すると永久磁石電動機９からコンデンサ８の向きにエネルギーが逆流し続ける。これを回避するために、時刻ｔ２１において温度計で過熱を検出すると、コンバータ制御器１１１によりコンデンサ８の電圧をＶｃ２まで昇圧させる。ｔ２２以降についてもコンバータ６によりＶｃ２の電圧を保持することにより、永久磁石電動機９からコンデンサ８の向きにエネルギーが逆流しない。そのため、ブレーキトルクが発生せずに、安定した車両運転が継続できる。

また、図６における時刻ｔ２１にて温度計が過熱を検出した後、インバータ制御器１１０,コンバータ制御器１１１でインバータ７とコンバータ６を同時にオフとしてもよい。
図７の時刻ｔ３１で、インバータ７又は永久磁石電動機９の過熱が検出されると、この過熱検出によりインバータ制御器１１０がインバータ７をオフする。するとインバータ７による弱め界磁制御が消失し、高速惰行運転の場合には永久磁石電動機９の電圧Ｖｍ２がコンデンサ８の電圧Ｖｃ１を超える。

この状態が継続すると永久磁石電動機９からコンデンサ８の向きにエネルギーが逆流し続ける。これを回避するために、時刻ｔ３１において温度計で過熱を検出すると、コンバータ制御器１１１でコンバータ運転も同時にオフすることにより、架線へのエネルギーの逆流を遮断する。また同時に永久磁石電動機９の電圧Ｖｍ２によりコンデンサ８が充電されるが、その充電電圧はＶｍ２と等しくなる。コンバータ６の運転は停止しているため、コンデンサ８が充電されるとその状態を保持するため、永久磁石電動機９からコンデンサ８の向きにエネルギーが逆流しない。そのため、ブレーキトルクが発生せずに、安定した車両運転が継続できるという効果がある。

なお、コンバータ６やインバータ７を構成するスイッチング素子として、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート形バイポーラ素子）やＦＥＴ（電界効果トランジスタ）等のスイッチで構成してもよいし、シリコンのみならず、シリコンカーバイド・ガリウムナイトライドなどの他の材料によるスイッチで構成しても同様の効果が得られることは言うまでもない。

この発明の実施の形態１である車両用駆動制御装置を示す構成図である。実施の形態１である車両用駆動制御装置の動作を説明するタイミング図である。実施の形態１である車両用駆動制御装置の動作を説明するタイミング図である。実施の形態１である車両用駆動制御装置を示す構成図である。実施の形態１である車両用駆動制御装置を示す構成図である。実施の形態１における図１の車両用駆動制御装置の動作を説明するタイミング図である。実施の形態１における図１の車両用駆動制御装置の動作を説明するタイミング図である。

符号の説明

１交流架線２パンタグラフ
３レール４主変圧器
５主変換装置６コンバータ
７インバータ８コンデンサ
９永久磁石電動機１０〜１２開閉器
１０１電流制御器１０２自動弱め制御器
１０３トルク電流指令発生器１０４切替器
１０５フィルタ１０６電圧指令発生器
１０７励磁電流制御器１０８回転検出器
１０９電流計１１０インバータ制御器
１１１コンバータ制御器

Claims

電源系統から受電し直流電圧を得るコンバータと、
前記コンバータの出力側に接続されたコンデンサと、
前記コンデンサの直流電圧を交流電圧に変換し、永久磁石電動機に電力を供給すると共に前記永久磁石電動機を弱め界磁制御するインバータと、
前記インバータ又は前記永久磁石電動機の異常を検出する異常検出器とを備え、
惰行運転開始時には、前記コンバータにより前記コンデンサの電圧を上昇させた後に、前記インバータの運転を停止して、前記コンデンサの電圧を前記永久磁石電動機が発生する電圧以上とし、
前記異常検出器が前記インバータ又は前記永久磁石電動機の異常を検出すると、前記インバータの動作を停止させると共に、前記コンバータにより前記コンデンサの電圧を前記永久磁石電動機が発生する電圧以上に上昇させることを特徴とする車両用電力変換装置。
電源系統から受電し直流電圧を得るコンバータと、
前記コンバータの出力側に接続されたコンデンサと、
前記コンデンサの直流電圧を交流電圧に変換し、永久磁石電動機に電力を供給すると共に前記永久磁石電動機を弱め界磁制御するインバータと、
前記インバータ又は前記永久磁石電動機の異常を検出する異常検出器とを備え、
惰行運転終了時に、前記インバータが弱め界磁電流を出力して、前記永久磁石電動機が発生する電圧を低下させた後に、前記コンバータにより前記コンデンサの電圧を低下させると共に、前記コンデンサの電圧を前記永久磁石電動機が発生する電圧以上とし、
前記異常検出器が前記インバータ又は前記永久磁石電動機の異常を検出すると、前記インバータの動作を停止させると共に、前記コンバータにより前記コンデンサの電圧を前記永久磁石電動機が発生する電圧以上に上昇させることを特徴とする車両用電力変換装置。
請求項１又は請求項２記載の車両用電力変換装置を備えた車両用駆動制御装置。