JP5224655B2 - 電気車制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電気車制御装置に関する。
鉄道車両や電気自動車駆動用モータとして、高効率、小型軽量などの観点から永久磁石モータを適用する開発が進んでいる。永久磁石モータは、回転数に比例してモータ端子間に誘起電圧が発生する特徴がある。一方この永久磁石モータに電力を供給しモータ制御を司るインバータは、架線やバッテリ電圧の制約から決まる最大電圧があり、高速回転時にはこの最大電圧にモータ端子電圧がなるように一定制御する、いわゆる弱め磁束制御を行うのが一般的である。
従来、このような高速回転状態において、インバータが過電流保護動作などにより停止した場合には、前記弱め磁束制御を行うことが出来なくなり、過大なブレーキ電流がインバータを介して電源に流れ、予期せぬ大きなブレーキ力が働いてしまい、乗り心地の低下などの問題がある。電源側がダイオード整流器などで回生不可の場合には、直流電圧が上昇し、過電圧で最悪の場合、インバータが破壊に至る場合も想定される。これを防ぐために、インバータと永久磁石モータの電気的な接続を切り離すスイッチを入れる場合があった。
このような従来の永久磁石モータの制御装置において、高速走行時に過電流保護動作などが働いてスイッチによりモータとインバータの接続を切り離した場合、保護動作から復帰するために再度スイッチを投入すると、ブレーキ電流が流れてしまい、永久磁石モータの円滑な再起動ができない。
これを解決するために、特許文献１では、スイッチを再投入する前に永久磁石モータの無負荷誘起電圧に相当する値、または無負荷誘起電圧と同一方向のインバータ最大電圧を出力するようにインバータにスイッチング動作させた状態で、その後にスイッチを投入することにより円滑な再起動を可能にする方法が記載されている。
また、近年の技術開発の動向として、永久磁石モータを、レゾルバなどの回転子位置センサを用いずに精度よくトルクを制御するセンサレスベクトル制御の開発が盛んである。センサレスベクトル制御においては、インバータがモータに印加する電圧と流れる電流などの電気情報から回転子位置を推定する原理であるため、インバータが動作していない状態においては回転子位置を推定することが出来ない。
センサレスベクトル制御を適用した電気車制御装置において、上記円滑な再起動を可能にする方法として、モータ端子電圧センサをスイッチと永久磁石モータの間に設置し、スイッチ投入前のモータ端子電圧（＝無負荷誘起電圧）の検出値に基づいて、スイッチを再投入する前に永久磁石モータの無負荷誘起電圧に相当する値、または無負荷誘起電圧と同一方向のインバータ最大電圧を出力するようにインバータにスイッチング動作させた状態で、その後にスイッチを投入することにより円滑な再起動を可能にする方法も、特許文献１に記載されている。
特開２０００−２９５８８９号公報
しかしながら、前述したモータ端子電圧センサが短絡故障などを起こした場合、モータの再起動時に、短絡電流によるブレーキ力の発生で加速不良などの問題が起こり、最悪の場合には電圧センサ内部をモータ無負荷誘起電圧による短絡電流が流れ続けることで電圧センサの発火などの問題を発生させることも起こりうることが新たにわかってきた。
そこで、本発明の目的は、電圧センサの故障が発生しても短絡電流が流れつづけることがないセンサレスベクトル制御を適用した電気車制御装置を提供することである。
上記課題は、永久磁石モータと、前記永久磁石モータに所望のトルクを発生させるべく
電圧電流を供給するインバータと、前記永久磁石モータと前記インバータとの接続を電気
的に切り離すために前記永久磁石モータと前記インバータの間に設けられたモータ開放接
触器と、前記モータ開放接触器と前記永久磁石モータの間に設けられたヒューズ及び電圧
センサとを有し、前記電圧センサが短絡故障を起こした場合に、前記ヒューズは短絡電流
により溶断し、前記電圧センサは前記永久磁石モータ及び前記インバータと電気的に切断
されることを特徴とすることにより達成することが出来る。
本発明により、電圧センサの故障が発生しても短絡電流が流れつづけることがないセンサレスベクトル制御を適用した電気車制御装置を提供することができる。
本発明に基づく第１の実施の形態の電気車制御装置について、図を参照し詳細に説明する。図１は、本発明に基づく第１の実施の形態の電気車制御装置の構成図である。図２は、本発明に基づく第１の実施の形態の電気車制御装置の再運転シーケンス制御部のタイムチャートである。
本発明に基づく第１の実施の形態の電気車制御装置は、直流電力を交流電力に変換するインバータ１０１と、インバータ１０１と接続されインバータ１０１により供給される交流電力により駆動する永久磁石モータ（ＰＭモータ）１０２と、インバータ１０１とＰＭモータ１０２の間に設けられたモータ開放接触器１０３と、モータ開放接触キ１０３とＰＭモータ１０２の間に設けられた電圧センサ用ヒューズ１０５及び電圧センサ１０４と、再運転指令に基づきインバータ１０１の再運転時の制御を行う再運転シーケンス制御部１１と、電圧センサ１０４により検出されたモータ端子電圧値に基づきインバータ１０１の電圧指令を演算する３相電圧演算部１２とから構成される。
再運転シーケンス制御部１１に、運転台からの再運転指令Ｒｓｔが入力されると、図２に示す順序で、モータ開放接触器１０３のスイッチ投入指令ＳＷｏｎと、インバータ１０１のインバータ運転指令Ｇｓｔとを出力する。
再運転指令Ｒｓｔが０→１に変化した瞬間を時刻ｔ＝０とおく。ｔ＝０で、運転指令Ｇｓｔ＝１（０がインバータ停止指令、１がインバータ運転指令）とし、ｔ＝ｔ１で、スイッチ投入指令ＳＷｏｎ＝１（０がスイッチオフ、１がスイッチオン）（ｔ１は正の実数、インバータが確実に動作開始するのに必要な時間以上の値）を出力する。
電圧センサ用ヒューズ１０５は、電圧センサ１０４が短絡故障した場合に流れる短絡電流によって溶断するヒューズを選定する。これにより電圧センサが短絡故障した場合にも、短絡電流が継続して流れ続けることなく、安定に切り離すことが可能になる。
３相電圧演算部１３は、モータ端子電圧ＶｕｖとＶｖｗとを入力として数１に示す演算により３相電圧指令Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを求めて出力する。
Figure 0005224655
モータ端子電圧が３相交流であることから、ＰＬＬループ（位相同期ループ）を用いて、位相を検出し、３相電圧指令を演算することも出来る。
このように構成された電気車制御装置は、電圧センサ１０４が短絡故障した場合でも、電圧センサ用ヒューズ１０５に流れる短絡電流によってヒューズ１０５が溶断するので、電圧セン１０４の内部をモータ無負荷誘起電圧による短絡電流が流れることを防止することが出来る。
また本実施の形態の電気車の制御装置は、電圧センサ１０４が短絡故障していない通常の状態で、モータ１０２高速回転時にインバータ１０１とモータ１０２とを電気的に切り離すスイッチ１０３を再投入しても、永久磁石モータ１０２の誘起電圧とインバータ１０１の出力電圧との差電圧のみに起因した無効電流しか流れないためブレーキ力は働かず、安定した再投入を図ることが出来る。
本発明に基づく第１の実施の形態の電気車制御装置の構成図である。 本発明に基づく第１の実施の形態の電気車制御装置の再運転シーケンス制御部のタイムチャートである。
符号の説明
１１ ・・・再運転シーケンス制御部
１２ ・・・３相電圧演算部
１０１・・・インバータ
１０２・・・ＰＭモータ
１０３・・・モータ開放接触器

Claims (3)

  1. 永久磁石モータと、
    前記永久磁石モータに所望のトルクを発生させるべく電圧電流を供給するインバータと、
    前記永久磁石モータと前記インバータとの接続を電気的に切り離すために前記永久磁石モ
    ータと前記インバータの間に設けられたモータ開放接触器と、
    前記モータ開放接触器と前記永久磁石モータの間に設けられたヒューズ及び電圧センサと
    を有し、
    前記電圧センサが短絡故障を起こした場合に、前記ヒューズは短絡電流により溶断し、前
    記電圧センサは前記永久磁石モータ及び前記インバータと電気的に切断されることを特徴
    とする電気車制御装置。
  2. 永久磁石モータと、
    前記永久磁石モータに所望のトルクを発生させるべく電圧電流を供給するインバータと、
    前記永久磁石モータと前記インバータとの接続を電気的に切り離すために前記永久磁石モ
    ータと前記インバータの間に設けられたモータ開放接触器と、
    前記モータ開放接触器と前記永久磁石モータの間に接続された複数の電圧センサ用ヒュー
    ズと、
    前記モータ開放接触器と前記永久磁石モータの間に、前記複数の電圧センサ用ヒューズを
    介して設けられた複数の電圧センサと、
    前記電圧センサが短絡故障を起こした場合、前記電圧センサ用ヒューズは短絡電流により
    溶断することを特徴とする電気車制御装置。
  3. 永久磁石モータと、
    前記永久磁石モータに所望のトルクを発生させるべく電圧電流を供給するインバータと、
    前記永久磁石モータと前記インバータとの接続を電気的に切り離すために前記永久磁石モ
    ータと前記インバータの間に設けられたモータ開放接触器と、
    前記モータ開放接触器と前記永久磁石モータの間の３相に接続された３つの電圧センサ用
    ヒューズと、
    前記モータ開放接触器と前記永久磁石モータの間の３相に、前記３つの電圧センサ用ヒュ
    ーズを介して設けられた２つの電圧センサと、
    前記２つの電圧センサが短絡故障を起こした場合、前記３つの電圧センサ用ヒューズは短
    絡電流により溶断することを特徴とする電気車制御装置。
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