JP5058393B1 - 電動機の過温度保護装置 - Google Patents

Abstract

１台または複数台のインバータ装置を用いて複数台の電動機を並列運転する鉄道車両駆動システムに適用可能な電動機の過温度保護装置であって、インバータ装置１０の動作を制御する制御装置１４と、インバータ装置１０が電動機１２ａ，１２ｂに対し電圧と周波数の比を一定にする制御を行っているときの周波数情報を含む周波数信号ｆ_sおよび、電動機１２ａ，１２ｂに流れる少なくとも一つの相の電流Ｉ₁，Ｉ₂に基づいて、電動機１２ａ，１２ｂに生じ得る過温度を検知すると共に、電動機１２ａ，１２ｂを過温度から保護するための過温度保護信号Ｔ_fを生成して制御装置１４に出力する保護装置２０と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動機の過温度保護装置に関する。

鉄道車両を駆動するシステム（鉄道車両駆動システム）では、１台または複数台のインバータ装置を用いて複数台の電動機（交流電動機）を並列運転することが行われる。

ここで、鉄道車両駆動システムへの適用技術ではないが、下記特許文献１に開示される電動機並列運転システムでは、複数台ある電動機の異常を検知するため、電動機間の差電流を常時把握し、この差電流が設定値以上になった場合に、何らかの異常が発生したと判断して、異常信号を発生するようにしている。

特開平７−１９４１８６号公報（「０００８」、図１）

しかしながら、例えば、上記のような電動機間の差電流を用いた異常検出機能を過温度保護機能として鉄道車両駆動システムに組み込む場合、鉄道車両用電動機（以下、特に区別する場合を除き、単に「電動機」と称する）に連結されている各車輪間の車輪径の差異が問題となる。例えば、車輪径の差異が顕著である場合、各電動機を同一のトルクで駆動したとしても、車輪径の大きな車輪を駆動する側の電動機には大きな電流が流れ、車輪径の小さな車輪を駆動する側の電動機には小さな電流が流れる。このため、差電流の大小を判定するための設定値（閾値）を決める場合、予め許容される車輪径の差異を考慮した設定値とせざるを得ず、精度のよい判定を行うことができないという問題点があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、電動機に連結されている各車輪間の車輪径に有意な差異がある場合であっても、車輪径の差異の影響を殆ど受けることなく、精度のよい過温度保護を行うことができる電動機の過温度保護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、本発明に係る電動機の過温度保護装置は、１台または複数台のインバータ装置を用いて複数台の電動機を並列運転する鉄道車両駆動システムに適用可能な電動機の過温度保護装置であって、前記インバータ装置の動作を制御する制御装置と、前記インバータ装置が前記電動機に対し電圧と周波数の比を一定にする制御を行っているときの周波数の情報と、前記各電動機に流れる少なくとも一つの相の電流検出値とに基づいて、前記各電動機に生じ得る過温度を検知すると共に、前記電動機を過温度から保護するための過温度保護信号を生成して前記制御装置に出力する保護装置と、を備えたことを特徴とする。

本発明に係る電動機の過温度保護装置によれば、電動機に連結されている各車輪間の車輪径に有意な差異がある場合であっても、車輪径の差異の影響を殆ど受けることなく、精度のよい過温度保護を行うことができるという効果を奏する。

図１は、本実施の形態に係る電動機の過温度保護装置を含む鉄道車両駆動システムの主要部の構成を示す図である。 図２は、図１に示す保護装置の内部構成を示す機能ブロック図である。 図３は、鉄道車両用電動機の加速力特性の一例を示す図である。 図４は、各車輪間の車輪径に有意な差異がある場合に生じ得る誤検知を説明するタイムチャートである。 図５は、各車輪間の車輪径に有意な差異がある場合であっても誤検知を生じさせない本実施の形態に係る過温度保護装置の動作を説明するタイムチャートである。 図６は、鉄道車両駆動システムにおける電動機側の一相分の等価回路を示す回路図である。

以下、添付図面を参照し、本発明の実施の形態に係る電動機の過温度保護装置について説明する。なお、以下に示す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＞
図１は、実施の形態に係る電動機の過温度保護装置を含む鉄道車両駆動システムの主要部の構成を示す図である。本実施の形態に係る鉄道車両駆動システムは、図示のように、インバータ装置１０、電動機１２ａ，１２ｂ、制御装置１４および、保護装置２０を備えて構成される。

制御装置１４は、インバータ装置１０に具備される図示しないスイッチング素子を制御するためのゲート駆動信号ＧＩを生成してインバータ装置１０に出力する。インバータ装置１０は、制御装置１４から出力されるゲート駆動信号ＧＩに基づき、複数台の電動機の一例として例示した電動機１２ａ，１２ｂを駆動する。インバータ装置１０と電動機１２ａ，１２ｂとを接続するＵ、Ｖ，Ｗ相の接続導体のうちの少なくとも１相（図示ではＵ相を例示）には、それぞれ電流検出器１６ａ，１６ｂが設けられている。これらの電流検出器１６ａ，１６ｂのうち、電流検出器１６ａは電動機１２ａのＵ相に流れる電流Ｉ₁を検出し、電流検出器１６ｂは電動機１２ｂのＵ相に流れる電流Ｉ₂を検出する。なお、電流検出器１６ａ，１６ｂが検出した電流Ｉ₁，Ｉ₂は、保護装置２０に入力される。

保護装置２０には、制御装置１４からの周波数信号ｆ_sも入力される。この周波数信号ｆ_sは、インバータ装置１０が電動機１２ａ，１２ｂに対し、電圧と周波数の比を一定にする制御（Ｖ／ｆ一定制御）を行っているときの周波数（インバータ周波数）の情報を含む信号である。保護装置２０は、入力される電流Ｉ₁，Ｉ₂および周波数信号ｆ_sに基づき、電動機１２ａ，１２ｂに生じ得る過温度を検知する。

図２は、図１に示す保護装置２０の内部構成を示す機能ブロック図である。保護装置２０は、図示のように、差電流演算部２２および、過温度保護信号生成部としてのコンパレータ２４を備えて構成され、差電流演算部２２には、電流Ｉ₁，Ｉ₂および周波数信号ｆ_sが入力される。差電流演算部２２は、周波数信号ｆ_sに含まれる周波数が予め設定された規定値よりも低い場合に、電流Ｉ₁と電流Ｉ₂との間の差電流ΔＩ（＝｜Ｉ₁−Ｉ₂｜）を演算してコンパレータ２４に出力する。コンパレータ２４は、差電流ΔＩが予め設定された規定値よりも大きい場合、電動機１２ａ，１２ｂのうちの何れかが過温度に達する可能性が有ると判定し、過温度保護信号Ｔ_fを生成して制御装置１４に出力する。過温度保護信号Ｔ_fを受領した制御装置１４は、インバータ装置１０の動作を停止するなどして、電動機１２ａ，１２ｂを保護する。

上述した過温度保護装置の機能によれば、温度センサを設けることなく過温度保護を行うことができるという利点がある。温度センサの検出情報を利用する手法では、温度センサを電動機の台数分設ける必要があり、部品点数の増加とメンテナンスコストの増加を招来するが、本実施の形態の過温度保護装置では、温度センサを設ける必要がないので、これらのコスト増を抑制することができる。

なお、図２では、周波数信号ｆ_sを差電流演算部２２に入力する構成について開示したが、周波数信号ｆ_sをコンパレータ２４に入力する構成としても構わない。この構成の場合、差電流演算部２２は、電流Ｉ₁と電流Ｉ₂との間の差電流ΔＩを常時演算して出力する。一方、コンパレータ２４は、差電流ΔＩが予め設定された規定値よりも大きく、且つ、周波数信号ｆ_sに含まれる周波数が予め設定された規定値よりも低い場合、電動機１２ａ，１２ｂのうちの何れかが過温度に達している可能性が有ると判定し、過温度保護信号Ｔ_fを生成して制御装置１４に出力する。その後の動作については、上述の通りである。

つぎに、本実施の形態の過温度保護装置が有する固有の効果について、図３〜図６の図面を参照して説明する。図３は、鉄道車両用電動機の加速力特性の一例を示す図であり、図４は、電動機に連結されている各車輪間の車輪径に有意な差異がある場合に生じ得る誤検知を説明するタイムチャートであり、図５は、各車輪間の車輪径に有意な差異がある場合であっても誤検知を生じさせない本実施の形態に係る過温度保護装置の動作を説明するタイムチャートであり、図６は、鉄道車両駆動システムにおける電動機側の一相分の等価回路を示す回路図である。

図３において、横軸は車両速度（電動機の回転数と同義）を表し、縦軸は電流指令（実線波形）および、電圧指令（破線波形）を表している。破線波形において、図示の太破線で示す部分は、Ｖ／ｆ一定制御区間（定トルク駆動区間）であり、車両速度ｖ（周波数ｆと等価）に応じて電動機への印加電圧を増加させる制御を行う。図示の例では、車両速度ｖ₀（周波数ｆ₀）まではＶ／ｆ一定制御を行い、車両速度ｖ₀以降は、電圧指令を一定とし、電流指令を低減させる曲線を２段階（図示の例では車両速度ｖ₁（周波数ｆ₁））で切り替える制御を行う。なお、図３では、車両速度ｖ₀以降、電流指令を２段階で切り替える場合を例示したが、車両速度ｖ₁にて電流指令曲線を切り替えない制御を採用する場合もある。

つぎに、図４のタイムチャートについて説明する。図４は、本実施の形態の制御手法を採用しない場合の誤検知を説明するタイムチャートであり、横軸は時間を表し、縦軸は、上段部から、電流Ｉ₁、電流Ｉ₂、差電流ΔＩおよび、過温度保護信号Ｔ_fを示している。なお、図４の例では、電動機１２ａに連結されている車輪の車輪径が電動機１２ｂに連結されている車輪の車輪径よりも大きい場合の一例である。

電動機に流れる電流は、起動時においては、図示のようにほぼ等しい電流が流れる（Ｉ₁₀≒Ｉ₂₀）。一方、起動時以降においては、車輪径の大きな車輪に連結されている電動機の方が電流は大きくなる。１台のインバータ装置が複数台の電動機を制御する構成の場合、複数台の電動機全体で見る電流指令は一定であるため、図示のように車輪径の大きな車輪に連結されている電動機１２ａに流れる電流Ｉ₁が大きくなり、逆に、車輪径の小さな車輪に連結されている電動機１２ｂに流れる電流Ｉ₂は小さくなる。その結果、差電流ΔＩは大きくなり、各車輪間の車輪径に有意な差異がある場合には、過温度保護の設定値ｔｈ１を超えてしまうことになる。このため、従来の考え方では、許容される車輪径差において想定される差電流によって誤検知が起こらないように、過温度保護の設定値ｔｈ２を大きくせざるを得ず（ｔｈ２＞ｔｈ１）、精度のよい過温度保護（過温度検知）を行うことができなかった。

つぎに、図５のタイムチャートについて説明する。図５は、本実施の形態の制御手法を採用した場合の動作を説明するタイムチャートであり、横軸は時間を表し、縦軸は、上段部から、電流Ｉ₁、電流Ｉ₂、差電流ΔＩ、周波数信号ｆ_s、過温度保護イネーブル信号および、過温度保護信号Ｔ_fを示している。ここで図５の例では、電動機１２ａにおける冷却用空気の取入口（空気取入口）に例えば新聞紙などの異物が挟まり、電動機１２ａの温度が上昇して過温度保護に至る場合を想定している。なお、図４および図５において、縦軸における電流および差電流の大きさは、必ずしも統一していない。

ここで、本実施の形態に係る鉄道車両駆動システムにおける電動機側の一相分の等価回路は、図６のように表すことができる。電動機１２ａ，１２ｂは、各々が一次抵抗３１（３１ａ，３１ｂ）、一次インダクタンス３２（３２ａ，３２ｂ）、二次抵抗３３（３３ａ，３３ｂ）、二次インダクタンス３４（３４ａ，３４ｂ）、結合抵抗３５（３５ａ，３５ｂ）および、相互インダクタンス３６（３６ａ，３６ｂ）を備えた回路構成を成している。

上記のように想定外の異物により、電動機１２ａの冷却機構が働かず電動機１２ｂが加熱される状況を想定した場合、電動機１２ｂの温度上昇が電動機１２ａの温度上昇よりも高くなる。それに伴い、電動機１２ｂの一次抵抗３１ｂの温度上昇が電動機１２ａの一次抵抗３１ａの温度上昇よりも高くなり、一次抵抗３１ｂの抵抗値が一次抵抗３１ａの抵抗値よりも大きくなる。つまり、インバータ装置１０から電動機側を見たときのインピーダンスは、電動機１２ｂの方が大きくなる。この点に加え、製作誤差等により電動機１２ｂの一次インダクタンス３２ｂおよび二次インダクタンス３４ｂが電動機１２ａの一次インダクタンス３２ａおよび二次インダクタンス３４ａよりも大きくなっている場合には、インピーダンスの差がさらに増大する。その結果、図５の上段部に示すように電動機１２ｂに流れる電流Ｉ₂よりも電動機１２ａに流れる電流Ｉ₁の方が大きくなり、差電流ΔＩが上昇して行く。

一方、本実施の形態の過温度保護装置では、周波数信号ｆ_sに含まれる周波数情報に基づいて過温度保護イネーブル信号を内部的に生成する。図５の例では、同図の中下段部に示すように、周波数の規定値をｆ_thに設定し、周波数がｆ_thに達するまでの間、過温度保護イネーブル信号をオンとしている。図２の構成の場合、この過温度保護イネーブル信号は差電流演算部２２において生成される。差電流演算部２２は、過温度保護イネーブル信号が生成されている状態下において、差電流ΔＩを演算してコンパレータ２４に出力する。コンパレータ２４は、受領した差電流ΔＩを予め設定された規定値ｔｈ３と比較し、差電流ΔＩが規定値ｔｈ３を超えている場合に、過温度保護信号Ｔ_fを生成して出力する。

なお、周波数信号ｆ_sをコンパレータ２４に入力する構成の場合、過温度保護イネーブル信号は、コンパレータ２４にて生成される。この場合、コンパレータ２４は過温度保護イネーブル信号が生成されている状態下において、差電流演算部２２から受領した差電流ΔＩを予め設定された規定値ｔｈ３と比較し、差電流ΔＩが規定値ｔｈ３を超えている場合に、過温度保護信号Ｔ_fを生成して出力する。

また、上記の処理では、差電流演算部２２もしくはコンパレータ２４の何れかが過温度保護イネーブル信号を生成するとして説明したが、必ずしも過温度保護イネーブル信号を生成する必要はなく、過温度保護イネーブル状態であるか否かが内部的に把握できていれば充分である。

図５のタイムチャートに戻り、想定外の異物が挟まって電動機の冷却機構が低下するような事象の場合、差電流ΔＩの増加は急峻になる。このため、過温度保護イネーブル信号が生成されている間に過温度保護信号Ｔ_fが生成されることになる。

一方、電動機の冷却機構は正常である場合であって、電動機に連結されている各車輪間の車輪径に有意な差異がある場合、差電流ΔＩの増加率は大きくないものの、速度が大きくなるに従って、差電流ΔＩも増加して行く。しかしながら、速度が大きい場合、図５に示すように、過温度保護イネーブル信号は生成されない。このため、車輪径に有意な差異がある場合、車両速度が大きい区間にて差電流ΔＩが大きくなっても、過温度保護信号Ｔ_fは生成されない。

このように、本実施の形態の過温度保護装置によれば、電動機の冷却機構が低下するような事象の場合に想定される差電流を確実に検知する一方で、車輪径に有意な差がある場合に生じ得る差電流が検出されないように周波数の規定値ｆ_thを設定し、このように設定した周波数の規定値ｆ_thを用いて過温度保護イネーブル信号を生成するようにしているので、電動機に連結されている各車輪間の車輪径に有意な差異がある場合であっても、車輪径の差異の影響を殆ど受けることなく、精度のよい過温度保護を行うことが可能となる。

また、本実施の形態の過温度保護装置によれば、温度センサを用いることなく、過温度保護が可能となるので、部品点数の増加とメンテナンスコストの増加を抑制することが可能となる。

また、本実施の形態の過温度保護装置によれば、複数台の電動機の特性の差異に起因する誤検知の確率を低減できるので、装置の信頼性を高めることができる。

なお、上記の説明では、簡潔な説明とするため、１台のインバータ装置が２台の電動機を制御する場合を一例として説明したが、この構成に限定されるものではない。例えば、１台のインバータ装置がＮ台（Ｎは３以上の整数）の電動機を制御する構成にも適用可能である。

具体的に、例えば１台のインバータ装置が３台の電動機を制御する構成の場合、電流検出器の出力Ｉ₁，Ｉ₂，Ｉ₃のうち、例えば、出力Ｉ₁，Ｉ₂の差電流ΔＩ₁＝｜Ｉ₁−Ｉ₂｜、出力Ｉ₂，Ｉ₃の差電流ΔＩ₂＝｜Ｉ₂−Ｉ₃｜（もしくは、出力Ｉ₁，Ｉ₃の差電流ΔＩ₂＝｜Ｉ₁−Ｉ₃｜）を演算し、これら差電流ΔＩ₁，ΔＩ₂のうちの少なくとも一つが規定値を超えている場合に、３台の電動機により構成される電動機群に過温度が生じ得ると判定し、過温度保護信号を生成して制御装置１４に出力すればよい。

また、例えば１台のインバータ装置が４台の電動機を制御する構成の場合、電流検出器の出力Ｉ₁，Ｉ₂，Ｉ₃，Ｉ₄のうち、例えば、出力Ｉ₁，Ｉ₂の差電流ΔＩ₁＝｜Ｉ₁−Ｉ₂｜、出力Ｉ₂，Ｉ₃の差電流ΔＩ₂＝｜Ｉ₂−Ｉ₃｜、出力Ｉ₃，Ｉ₄の差電流ΔＩ₃＝｜Ｉ₃−Ｉ₄｜（もしくは、出力Ｉ₁，Ｉ₃の差電流ΔＩ₂＝｜Ｉ₁−Ｉ₃｜、出力Ｉ₁，Ｉ₄の差電流ΔＩ₃＝｜Ｉ₁−Ｉ₄｜）を演算し、これら差電流ΔＩ₁〜ΔＩ₃のうちの少なくとも一つが規定値を超えている場合に、４台の電動機により構成される電動機群に過温度が生じ得ると判定し、過温度保護信号を生成して制御装置１４に出力すればよい。

すなわち、１台のインバータ装置がＮ台（Ｎは３以上の整数）の電動機を制御する構成の場合、図１と同様に分岐後の接続導体のうちの少なくとも１相に電流検出器をそれぞれ設け、電流検出器の出力Ｉ₁，Ｉ₂，…，Ｉ_Nのうちの隣接する２つの電流検出値の差電流をＮ−１個演算し、それらＮ−１個の演算値のうちの少なくとも一つが規定値を超えている場合に、Ｎ台の電動機により構成される電動機群に過温度が生じ得ると判定し、過温度保護信号を生成して制御装置１４に出力すればよい。

なお、Ｎ台の電動機を制御する構成の場合において、演算されるＮ−１個の差電流については、必ずしも隣接する差電流である必要はなく、それらＮ−１個の演算値のうちの何れかに出力Ｉ₁，Ｉ₂，…，Ｉ_Nの情報が少なくとも一つ含まれていればよく、全ての電動機の過温度保護が可能となる。

また、Ｍ台（Ｍは２以上の整数）のインバータ装置がＮ台の電動機を制御する構成の場合、１台のインバータ装置によって駆動される電動機群毎に上記の制御手法を適用すればよい。

また、図１の構成では、保護装置２０を制御装置１４とは独立した装置として構成しているが、保護装置２０の機能を制御装置１４内に取り込むように構成しても構わない。このような構成により、車両用電動機を制御する制御装置の省スペース化を図ることが可能となる。

以上のように、本発明は、鉄道車両用電動機の過温度保護装置として有用である。

１０ インバータ装置
１２ａ，１２ｂ 電動機
１４ 制御装置
１６ａ，１６ｂ 電流検出器
２０ 保護装置
２２ 差電流演算部
２４ コンパレータ
３１（３１ａ，３１ｂ） 一次抵抗
３２（３２ａ，３２ｂ） 一次インダクタンス
３３（３３ａ，３３ｂ） 二次抵抗
３４（３４ａ，３４ｂ） 二次インダクタンス
３５（３５ａ，３５ｂ） 結合抵抗
３６（３６ａ，３６ｂ） 相互インダクタンス

Claims (5)

1. １台または複数台のインバータ装置を用いて複数台の電動機を並列運転する鉄道車両駆動システムに適用可能な電動機の過温度保護装置であって、
   前記インバータ装置の動作を制御する制御装置と、
   前記インバータ装置が前記電動機に対し電圧と周波数の比を一定にする制御を行っているときの周波数の情報と、前記各電動機に流れる少なくとも一つの相の電流を検出し、前記周波数の情報が規定値よりも低いか否かの判定結果と、前記複数台の電動機のうちの所定の２台の電動機に流れる電流検出値の差電流が規定値よりも大きいか否かの判定結果に基づいて、前記電動機を過温度から保護するための過温度保護信号を生成して前記制御装置に出力する保護装置と、
   を備えたことを特徴とする電動機の過温度保護装置。
2. 前記インバータ装置が２台の電動機を制御する構成の場合、
   前記保護装置は、
   前記周波数が規定値よりも低い場合に、前記２台の電動機に流れる電流検出値の差電流を演算する差電流演算部と、
   前記差電流が規定値よりも大きい場合に、前記２台の電動機のうちの何れかが過温度に達する可能性があると判定して前記過温度保護信号を生成する過温度保護信号生成部と、
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電動機の過温度保護装置。
3. 前記インバータ装置が２台の電動機を制御する構成の場合、
   前記保護装置は、
   前記２台の電動機に流れる電流検出値の差電流を演算する差電流演算部と、
   前記差電流が規定値よりも大きく、且つ、前記周波数が規定値よりも低い場合に、前記２台の電動機のうちの何れかが過温度に達する可能性があると判定して前記過温度保護信号を生成する過温度保護信号生成部と、
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電動機の過温度保護装置。
4. 前記インバータ装置がＮ台（Ｎは３以上の整数）の電動機を制御する構成の場合、
   前記保護装置は、
   前記周波数が規定値よりも低い場合に、前記Ｎ台の電動機に流れる各電流検出値のうちの少なくとも一つが含まれるＮ−１個の差電流を演算する差電流演算部と、
   前記Ｎ−１個の差電流のうちの少なくとも一つが規定値よりも大きい場合に、前記Ｎ台の電動機により構成される電動機群に過温度が生じ得ると判定して前記過温度保護信号を生成する過温度保護信号生成部と、
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電動機の過温度保護装置。
5. 前記インバータ装置がＮ台（Ｎは３以上の整数）の電動機を制御する構成の場合、
   前記保護装置は、
   前記Ｎ台の電動機に流れる各電流検出値のうちの少なくとも一つが含まれるＮ−１個の差電流を演算する差電流演算部と、
   前記Ｎ−１個の差電流のうちの少なくとも一つが規定値よりも大きく、且つ、前記周波数が規定値よりも低い場合に、前記Ｎ台の電動機により構成される電動機群に過温度が生じ得ると判定して前記過温度保護信号を生成する過温度保護信号生成部と、
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電動機の過温度保護装置。

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