JP5172122B2 - 鉄道車両用永久磁石同期電動機駆動システム - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両を駆動するための鉄道車両用永久磁石同期電動機駆動システムに関する。

一般に、鉄道車両駆動用電動機には誘導電動機が用いられる。近年高性能な永久磁石の出現により、鉄道車両駆動用電動機に永久磁石同期電動機を適用しようとする動きがある（例えば特許文献１〜４参照）。永久磁石同期電動機は、誘導電動機に比較して小型高効率の特徴があり今後の駆動方式として期待されているが、原理上、永久磁石に起因して電動機回転数に比例した無負荷誘起電圧が電源動作の有無にかかわらず発生する。

鉄道車両においてはひとつの編成に複数の電動機が搭載されそれらのトルクの合計で車両加速力を得る構成となっており、ひとつの電動機、それを駆動するインバータが故障した場合にも他の電動機・インバータにより列車を適正に運行継続することができる冗長性を有している。

このような冗長性を有することが求められる鉄道車両用駆動電動機に、前記のような、永久磁石に起因して電動機回転数に比例した無負荷誘起電圧が発生する永久磁石同期電動機を適用する場合、インバータが故障した場合にも、無負荷誘起電圧が架線電圧よりも高くなってブレーキ電流が電動機から架線側へ流れてしまうことを抑制するために、最高インバータ周波数においても、無負荷誘起電圧が、インバータ出力最大電圧を超過しないように、永久磁石電動機の鎖交磁束を低誘起電圧となるように設定されている。
特開２００４−２９７８６８号公報 特開２００２−９５３００号公報 特開２０００−８３３０２号公報 特開平１０−２４３６７９号公報

永久磁石同期電動機の鎖交磁束を低誘起電圧となるように設計すると、加速に必要なトルクを電流で稼ぐ必要性から、起動トルク電流が大きくなり、電流を流し込むためのインバータ装置のインバータ電流容量、装置損失冷却容量は、この部分の電流の大きさに耐えるように設定する必要があり、電流容量増大による装置の大型化高コスト化を招く問題があった。

本発明の目的は、インバータ必要最大電流および冷却容量が最小化され、システムとしての装置小型化・軽量化・低コスト化が可能になる鉄道車両用永久磁石同期電動機駆動システムを提供することである。

本発明の鉄道車両用永久磁石同期電動機駆動システムは、架線からの直流電力を交流電力に変換するインバータと、インバータを制御する制御装置と、鉄道車両の最高速度に対応した電動機回転数における電動機無負荷誘起電圧を下げる弱め磁束電流によりモータ電流が低速度でのモータ電流と同程度となるように鎖交磁束を設定した永久磁石同期電動機と、前記インバータと前記永久磁石同期電動機との間を切り離すモータ開放接触器と、インバータの直流過電圧時に前記モータ開放接触器の実動作までの過渡時間中に前記インバータの直流正負間を短絡する過電圧抑制装置を備えことを特徴とする。

本発明によれば、インバータ必要最大電流および冷却容量が最小化され、システムとしての装置小型化・軽量化・低コスト化が可能になる。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態に係る鉄道車両用永久磁石同期電動機駆動システムを示す。鉄道車両用永久磁石同期電動機駆動システムは、制御装置１１と、インバータ１２と、永久磁石同期電動機１３と、モータ開放接触器１４とから構成される。例えば、１５００Ｖの直流電流が架線からパンタグラフ１７を介して鉄道車両のフィルタリアクトル１５を介してインバータ１２に入力される。そして、制御装置１１はインバータ１２の交流出力を制御して鉄道車両の永久磁石電動機１３を駆動制御する。すなわち、永久磁石電動機１３に供給する交流駆動電力をインバータ１２からモータ開放接触器１４を介して永久磁石同期電動機１３に供給する。モータ開放接触器１４は、インバータ保護検知時にインバータ１２と永久磁石同期電動機１３とを電気的に切り離す動作を行う。

この第１の実施の形態の永久磁石同期電動機１３は、鉄道車両の最高速度に対応した電動機回転数における電動機無負荷誘起電圧が電動機に電力を供給するインバータ１２の出力可能最大電圧に対して１．２倍以上、２倍以下となるように鎖交磁束が設定される。以下に、その理由を説明する。

図２は、永久磁石同期電動機が４極である場合の、列車速度に対応したインバータ周波数と永久磁石同期電動機の無負荷誘起電圧との関係を示すグラフ、図３は、列車速度に対応したインバータ周波数とモータ電流との関係を示すグラフである。

永久磁石電動機１２の鎖交磁束の大きさに比例して、モータ誘起電圧傾きが変化する。以降、４極電動機での値で説明するが、４極以外の例えば６極、８極のモータにおいても同様であることはいうまでもない。

図２において、Ｖ１は従来における無負荷誘起電圧、Ｖ２は従来の無負荷誘起電圧Ｖ１を１．５倍とした本発明での無負荷誘起電圧、Ｖ３は従来の無負荷誘起電圧Ｖ１を３倍とした本発明での無負荷誘起電圧である。

従来システムは、列車最高速度におけるモータ無負荷誘起電圧が架線電圧を上回らないように、永久磁石同期電動機の鎖交磁束が設定されている。具体的には、最高インバータ周波数１８０Ｈｚにおいても、無負荷誘起電圧Ｖ１が、インバータ出力最大電圧（１１００Ｖ）を超過しないように、永久磁石電動機１４の鎖交磁束の大きさが設定されている。

永久磁石同期電動機の発生トルク（Torq）は、非突極型回転子の電動機の場合、モータ極対数をｐ、永久磁石磁束をΦ_PM、トルク成分電流をＩｑとすると、式１に示す関係がある。

Torq＝ｐ＊Φ_PM＊Ｉｑ・・・（式１）
式１から分かるように、必要トルク（Torq）を発生させるためのトルク成分電流Ｉｑは、永久磁石磁束Φ_PMを増大させるとこれに反比例して低減することができる。そこで、永久磁石磁束Φ_PMを１．５倍および３倍にした場合の無負荷誘起電圧Ｖ２、Ｖ３を図２に合わせて示す。

さらにこのときのモータ電流を図３に合わせて示す。図３において、Ｉ１は従来の無負荷誘起電圧Ｖ１における電流、Ｉ２は従来の無負荷誘起電圧Ｖ１を１．５倍にした無負荷誘起電圧Ｖ２における電流、Ｉ３は従来の無負荷誘起電圧Ｖ１を３倍にした無負荷誘起電圧Ｖ３における電流である。

図３に示すように、列車加速に必要なトルク特性が低速で高く、速度高くなるに連れて徐々に下がる特性があり、最高インバータ周波数１８０Ｈｚにおいて必要電流Ｉ１も７０Ａ位に低減する。図３に示す例では、０Ｈｚから６０Ｈｚまでの周波数範囲でモータ電流Ｉ１の実効値は３００Ａとなっており、インバータ電流容量、装置損失冷却容量は、この部分の電流の大きさに耐えるように設定する必要がある。

永久磁石磁束Φ_PMを高くすればするほど、図３の０Ｈｚ〜６０Ｈｚでの最大トルクを発生するのに必要なトルク成分電流Ｉｑは低減できることが分かる。

しかしながら、誘起電圧が高ければ高いほど、高速回転時の電流値が増加してしまい、無負荷誘起電圧を３倍になるように鎖交磁束を設定した場合は、高速回転時の電流が全速度領域の中で最大電流となり、インバータ電流容量、装置損失冷却容量は、この部分の電流の大きさに耐えるように設定する必要がある。結果として、インバータの小型化・低コスト化の目的を満たすことができない。無負荷誘起電圧がインバータ出力最大電圧を超過する高速回転時は、永久磁石同期電動機で一般的に用いられる弱め磁束制御のための無効電流（以下、弱め磁束電流という。）を流す必要があるが、無負荷誘起電圧が高ければ高いほどこの弱め磁束電流を多く流す必要があるためである。

インバータ電圧（Ｖｉｎｖ）は、インバータ角周波数をω、永久磁石磁束をΦ_PM、ｄ軸インダクタンスをＬｄ、弱め磁束電流をＩｄとすると、式２で表される。

Ｖｉｎｖ＝ω＊(Φ_PM＋Ｌｄ＊Ｉｄ)・・・（式２）
ｄ軸インダクタンスの大きさによって必要な弱め磁束電流Ｉｄは変わるが、これまでの試作モータで測定したｄ軸インダクタンスは１ｍＨから５．２ｍＨの範囲にある。鉄道車両用モータは、台車内部の限定された空間に設置しなければならない制約から電動機外形はほぼ決まっており、ｄ軸インダクタンスの大きさは、この範囲から大きくずれることはない。

この範囲のｄ軸インダクタンスで最高速度での電流値が低速度時の電流と同程度の弱め磁束電流となるためには、永久磁石磁束を１．１７[Ｗｂ]以上、１．９５［Ｗｂ］以下とする必要がある。これは無負荷誘起電圧を１．２倍以上、２倍以下とすることに相当する。

そこで例えば、ｄ軸インダクタンス２．６ｍＨの例において、無負荷誘起電圧を１．５倍（永久磁石磁束＝１．４６Ｗｂ）になるように鎖交磁束を設定した場合は、図３の０Ｈｚ〜６０Ｈｚでの最大トルクを発生するのに必要な電流と、高速回転時の電流値とが概略一致し、それらがインバータ最大電流となるため、インバータ電流最大値を最小化することが可能になる。

以上の説明のとおり、鉄道車両の最高速度に対応した電動機回転数における電動機無負荷誘起電圧が、永久磁石同期電動機１３に電力を供給するインバータ１２の出力可能最大電圧に対して１．５倍以上、２倍以下となるように、永久磁石同期電動機１３の鎖交磁束を設定することにより、インバータ必要最大電流および冷却容量が最小化され、システムとしての装置小型化・軽量化・低コスト化が可能になる。

この実施の形態のシステムでは、図３に示すように、最高回転数（車両の最高速度に対応した電動機回転数）に対して２／３以上の高速回転時に、インバータ出力電圧波形をパルス波形で出力するように構成して弱め磁束制御を行うことができ、これにより、インバータ必要最大電流および冷却容量の最小化が図られ、システムとしての装置小型化・軽量化・低コスト化が可能になる。

（第２の実施の形態）
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る無負荷誘起電圧がインバータ出力可能最大電圧を超過する永久磁石同期電動機を適用した場合の鉄道車両用永久磁石同期電動機駆動システムを示す。この鉄道車両用永久磁石同期電動機駆動システムは、インバータ１２と、永久磁石同期電動機１３と、両者を電気的に切り離すためのモータ開放接触器１４と、インバータの直流過電圧時に直流正負間を短絡する過電圧抑制装置１６とで構成される。過電圧抑制装置１６はスイッチング素子１６ａと抵抗器１６ｂとから構成される。

永久磁石同期電動機１３は、第１の実施の形態と同様に、鉄道車両の最高速度に対応した電動機回転数における電動機無負荷誘起電圧が、永久磁石同期電動機１３に電力を供給するインバータ１２の出力可能最大電圧に対して１．２倍以上、２倍以下となるように鎖交磁束が構成されている。

この実施の形態のシステムは、インバータの保護検知時にはインバータ１２と永久磁石同期電動機１３をモータ開放接触器１４により電気的に切り離す動作を行い、保護検知からモータ開放接触器実動作までの過渡時間中については、過電圧抑制装置１６を動作させるように構成されている。

この鉄道車両用永久磁石同期電動機駆動システムは、インバータ１２が正常動作している間は、弱め磁束制御により、モータ端子電圧はインバータ最大電圧に抑制制御される。しかし、インバータ１２が過電流などに対して保護動作停止すると弱め磁束制御ができなくなり、高い無負荷誘起電圧がインバータ端に直接印加されて、インバータ内部の逆導通ダイオードを介して直流側に高電圧が印加される。

このとき、架線側に他の力行車など電力消費可能な負荷が存在しない場合、インバータ直流端に接続されたフィルタコンデンサが、モータ無負荷誘起電圧によりピーク充電されてしまい、過電圧破壊を起こす。これを抑制するために、モータ開放接触器１４によりインバータ１２と永久磁石同期電動機１３を切り離せばよいが、低コスト化、信頼性の観点から機械接点式の開放接触器を用いると動作遅れが大きく、切り離しが間に合わなくなる問題がある。

この第２の実施の形態では、インバータ保護動作検知から開放接触器実動作までの遅れ時間の間のみ、過電圧抑制装置１６を動作させて過電圧を抑制し、過電圧破壊を回避することができる。過電圧抑制装置１６は過電圧抑制抵抗１６ｂにより過電圧を抑制する。過電圧抑制抵抗１６ｂは短時間のみ電流を流すので短時間容量の抵抗器が使用できるから、装置小型化低コスト化が可能になる。

本発明の第１の実施の形態に係る鉄道車両用永久磁石同期電動機駆動システムを示す概略の回路図。 永久磁石同期電動機が４極である場合の列車速度に対応したインバータ周波数と永久磁石同期電動機の無負荷誘起電圧との関係を示すグラフ。 列車速度に対応したインバータ周波数とモータ電流との関係を示すグラフ。 本発明の第２の実施の形態に係る鉄道車両用永久磁石同期電動機駆動システムを示す概略の回路図。

符号の説明

１１…制御装置、１２…インバータ、１３…永久磁石同期電動機、１４…モータ開放接触器、１５…フィルタリアクトル、１６…過電圧抑制装置、１７…パンタグラフ

Claims (2)

1. 架線からの直流電力を交流電力に変換するインバータと、インバータを制御する制御装置と、鉄道車両の最高速度に対応した電動機回転数における電動機無負荷誘起電圧を下げる弱め磁束電流によりモータ電流が低速度でのモータ電流と同程度となるように鎖交磁束を設定した永久磁石同期電動機と、前記インバータと前記永久磁石同期電動機との間を切り離すモータ開放接触器と、インバータの直流過電圧時に前記モータ開放接触器の実動作までの過渡時間中に前記インバータの直流正負間を短絡する過電圧抑制装置を備えことを特徴とする鉄道車両用永久磁石同期電動機駆動システム。
2. 前記制御装置は、前記永久磁石同期電動機の最高回転数に対して２／３以上の高速回転時に、前記インバータの出力電圧波形をパルス波形で出力することを特徴とする請求項１記載の鉄道車両用永久磁石同期電動機駆動システム。

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