JP5296942B1

JP5296942B1 - 制御装置

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Publication number: JP5296942B1
Application number: JP2013504042A
Authority: JP
Inventors: 庸泰柿崎
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-07-20
Filing date: 2012-07-20
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2032-07-20
Also published as: WO2014013614A1; US20150188473A1; US9793843B2; JPWO2014013614A1; DE112012006581T5

Abstract

電圧制御部（１３）は、運転指令信号および三相電流に基づき、ｄ軸電圧指令値およびｑ軸電圧指令値を生成する。断線検知部（１４）は、ｄ軸電圧指令値およびｑ軸電圧指令値の合成ベクトルの絶対値が定めた所定範囲でない状態が、所定時間以上継続した場合に、電力変換器（１１）と交流電動機（４）との間が断線していると判断する。ゲート制御部（１５）は、断線検知部（１４）が電力変換器（１１）と交流電動機（４）との間が断線していると判断した場合には、電力変換器（１１）が備えるスイッチング素子をオフにするためのゲート指令を電力変換器（１１）に送る。

Description

この発明は、電動機を駆動するために電力を変換する電力変換器を制御し、電力変換器と電動機との間の断線を検知する制御装置に関する。

電気車は、集電装置により架線から取り入れた電力を電力変換器で変換し、変換した電力で電動機を駆動させて走行する。電力変換器と電動機との間で断線が生じた場合には、電動機に電力を供給することができなくなるため、電気車の牽引力が失われる。また１つの電力変換器が複数の電動機に電力を供給する場合に、電力変換器と１つの電動機との間で断線が生じた状態で電力変換器が作動し続けると、他の電動機に印加される電圧が上昇し、他の電動機に過負荷がかかって電動機が故障する恐れがある。そこで電力変換器と電動機との間で生じた断線を検知する必要がある。

特許文献１に開示される駆動制御装置は、駆動制御装置が電動機へ出力する三相電流の平均値を算出し、平均値とそれぞれの相電流との差が定めた値を超えた場合に、その相電流を供給するためのケーブルが断線していると判断する。特許文献２に開示される電力変換装置は、電力変換器の出力電流の変動が定めた値を超え、かつ、該出力電流の最小値が定めた値を下回る場合に、電力変換器と電動機との間で断線が生じていると判断する。

特許文献３に開示される電気車制御装置は、電動機のトルクの変動が定めた値を超えた場合に、電力変換器と電動機との間で断線が生じていると判断する。特許文献４に開示される電動機駆動装置は、起動後の定めた時間内における出力回路が出力する各相電圧に基づき、出力回路と電動機との間で断線が生じているか否かを判断する。特許文献５に開示される技術では、電動機の始動前に、電力変換器の各相のアームの中点電圧に基づき、各相のアームと電動機との間で断線が生じているか否かを判断する。

特開平６−２４５３０１号公報特開２００３−３０４６３４号公報特開２００５−１７６５７１号公報特開２００６−５０７０７号公報特開２０１０−２３３３４３号公報

特許文献１に開示される駆動制御装置は、三相全てのケーブルが断線している場合には、三相電流の対称性が失われず、三相電流の平均値と各相電流との差が定めた値を超えないため、断線を検知することができない。同様に、特許文献２に開示される電力変換装置は、三相全てのケーブルが断線している場合には、電力変換器の出力電流の変動が定めた値を超えないため、断線を検知することができない。

特許文献３に開示される電気車制御装置ではトルク演算回路が必要であり、回路が複雑化する。同様に、特許文献４に開示される電動機駆動装置は、電動機に供給される電圧を検出するモニタが必要であり、回路が複雑化する。特許文献５に開示される技術では、電動機の始動後に断線を検知することができない。

本発明は、上述のような事情に鑑みてなされたものであり、簡易な構成で電力変換器と電動機との間における断線の検知精度を向上させることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の制御装置は、電力変換器、電流検出部、電圧制御部、断線検知部、およびゲート制御部を備える。電力変換器は、スイッチング素子のオンとオフを切り替えることにより、入力された電力を変換し、交流電動機を駆動する。電流検出部は、電力変換器が交流電動機に対して出力する電流を検出する。電圧制御部は、交流電動機の回転動作を指令する運転指令および電流検出部が検出した電流に基づき、電力変換器の制御に用いる電圧指令値を生成する。断線検知部は、交流電動機の角速度を取得し、交流電動機の始動から電力変換器が出力できる最大電圧値により決定される閾値に到達するまでの間において、電圧指令値の合成ベクトルの絶対値が、角速度の関数である、断線が生じていない状態で交流電動機が駆動された場合の電圧指令値の合成ベクトルの絶対値に予め定められた値を乗算した値が上限値である所定範囲にない状態が、所定時間以上継続した場合には、電力変換器と交流電動機との間で断線が生じていると判断する。ゲート制御部は、電圧指令値に基づき、電力変換器が備えるスイッチング素子のオンとオフの切り替えを制御するゲート指令を出力する。

本発明によれば、簡易な構成で電力変換器と電動機との間における断線の検知精度を向上させることが可能となる。

本発明の実施の形態に係る制御装置の構成例を示すブロック図である。実施の形態におけるモータ電圧とモータ電流との関係を示す図である。実施の形態における電圧指令値の合成ベクトルの絶対値の所定範囲の例を示す図である。実施の形態における運転指令に対応する所定範囲の例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお図中、同一または同等の部分には同一の符号を付す。

図１は、本発明の実施の形態に係る制御装置の構成例を示すブロック図である。図１は、制御装置１を電車に用いた例である。制御装置１は、架線２から集電装置３によって電力を取り入れ、電力を変換し、変換した電力で交流電動機４を駆動する。交流電動機４は、車両を走行させる駆動力を生じる電動機である。図１の例においては、交流電動機４として三相誘導電動機を用いる。制御装置１は、電力変換器１１、電流検出部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、電圧制御部１３、断線検知部１４およびゲート制御部１５を備える。

電力変換器１１は、ゲート制御部１５が出力するゲート指令ＧＡＴＥに基づいてスイッチング素子のオンとオフを切り替えることにより、取り入れた電力を交流電動機４に供給する三相交流電力に変換し、交流電動機４を駆動する。電流検出部１２ａ、１２ｂ、１２ｃは、それぞれ電力変換器１１が交流電動機４に供給する相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを検出し、電圧制御部１３に送る。電流検出部１２ａ、１２ｂ、１２ｃは、電力変換器１１と交流電動機４との結線に流れる電流を検出するＣＴ（Current Transformer）に限られない。また相電流はＩｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗ＝０という関係を満たすので、例えば電流検出部１２ｃを省略し、電流検出部１２ａ、１２ｂがそれぞれ検出した相電流Ｉｕ、Ｉｖから相電流Ｉｗを算出してもよい。

電圧制御部１３には、交流電動機４の回転動作を指令する運転指令信号Ｓ１が入力される。運転指令信号Ｓ１に基づき、例えば交流電動機４の角速度や出力トルクが決定される。交流電動機４の角速度とは、交流電動機４の回転子の角速度である。図１のように制御装置１を電車に用いる場合には、運転指令信号Ｓ１は、車両の走行を制御するための信号であって、運転台からの指令信号である力行指令信号およびブレーキ指令信号を含む。力行指令信号およびブレーキ指令信号は、運転台における力行指令およびブレーキ指令の入力または解除によりそれぞれ信号レベルが変化する。

電圧制御部１３は、従来技術を用いて、運転指令信号Ｓ１に基づき、回転座標上のｄ軸電流指令値Ｉｄ＊およびｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を生成する。また電圧制御部１３は、従来技術を用いて、相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗについて、交流電動機４を駆動するための定めた座標である駆動座標から回転座標への座標変換を行い、回転座標上のｄ軸電流Ｉｄおよびｑ軸電流Ｉｑを生成する。回転座標とは、交流電動機４において生じる回転磁界に同期して回転する座標である。ｄ軸は回転磁界の主磁束と同方向であり、ｑ軸はｄ軸に直交する方向である。交流電動機４が三相誘導電動機である場合は、駆動座標は、Ｕ相軸、Ｖ相軸およびＷ相軸を有する座標である。

電圧制御部１３は、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊、ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊、ｄ軸電流Ｉｄおよびｑ軸電流Ｉｑに基づき、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊とｄ軸電流Ｉｄとの偏差およびｑ軸電流指令値Ｉｑ＊とｑ軸電流Ｉｑとの偏差がなくなるように、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を生成し、断線検知部１４およびゲート制御部１５に送る。

断線検知部１４には、運転指令信号Ｓ１および車両の速度を示す信号である速度信号Ｓ２が入力される。速度信号Ｓ２には、例えば交流電動機４に取り付けた角速度センサが検出した角速度に基づく車両速度、ＡＴＣ（Automatic Train Control：自動列車制御装置）の速度情報を用いることができる。またｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊、ｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊、ｄ軸電流Ｉｄ、ｑ軸電流Ｉｑ、および交流電動機４の一次抵抗値に基づき、交流電動機４の角速度を算出し、角速度から車両速度を算出する速度算出部を設け、速度算出部が算出する速度を速度信号Ｓ２として断線検知部１４に送るよう構成してもよい。また速度信号Ｓ２を、角速度センサが検出した角速度または上述のように算出した角速度とし、断線検知部１４が角速度から車両速度を算出するよう構成してもよい。

断線検知部１４は、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊の合成ベクトルの絶対値が所定範囲にない状態が、所定時間以上継続した場合には、電力変換器１１と交流電動機４との間で断線が生じていると判断する。所定範囲は、例えば車両の速度の関数である。所定時間は、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊の変動による断線の誤検知を防止するために設けられた任意の時間である。

断線検知部１４は、ゲート制御部１５に断線信号ＯＦＦを送る。例えば断線信号ＯＦＦは、断線検知部１４が電力変換器１１と交流電動機４との間で断線が生じていると判断した場合にＨ（High）レベルであり、電力変換器１１と交流電動機４との間で断線が生じていないと判断した場合にＬ（Low）レベルである信号である。

ゲート制御部１５は、断線信号ＯＦＦがＬレベルである場合には、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊に基づき、電力変換器１１が備えるスイッチング素子のオンとオフの切り替えを制御するゲート指令ＧＡＴＥを電力変換器１１に送る。ゲート制御部１５は、断線信号ＯＦＦがＨレベルである場合には、電力変換器１１が備えるスイッチング素子をオフにするゲート指令ＧＡＴＥを電力変換器１１に送る。電力変換器１１が備えるスイッチング素子をオフにすることで、交流電動機４への電力供給が停止し、交流電動機４に過負荷がかかるのを防止することが可能となる。

断線検知部１４が、電力変換器１１と交流電動機４との間で断線が生じているか否かを判断する動作について以下に説明する。図２は、実施の形態におけるモータ電圧とモータ電流との関係を示す図である。Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の電圧の合成ベクトルの絶対値をモータ電圧という。また相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの合成ベクトルの絶対値をモータ電流という。実際のモータ電圧を検出することはできないため、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊の合成ベクトルの絶対値をモータ電圧とみなす。

図２に示すように、交流電動機４の始動直後は、モータ電流は一定に保たれ、車両速度がある速度を超えると、車両速度が増すにつれて徐々に減少する。交流電動機４の始動後、モータ電圧は徐々に増加していき、リミット電圧に達すると、一定に保たれる。リミット電圧は、電力変換器１１が出力することができる電圧の最大値によって決定される値である。

断線検知部１４は、交流電動機４の始動からモータ電圧がリミット電圧に到達するまでの間において、モータ電圧が所定範囲にない状態が、所定時間以上継続した場合には、電力変換器１１と交流電動機４との間で断線が生じていると判断する。図３は、実施の形態における電圧指令値の合成ベクトルの絶対値の所定範囲の例を示す図である。図３の実線で示す値以下であって０より大きい範囲を所定範囲とする。

図１に示すように、１つの制御装置１が複数の交流電動機４を駆動する場合であって、例えば１つの交流電動機のＵ相のケーブルが断線した場合には、電流検出部１２ａが検出する相電流Ｉｕは一時的に減少する。制御装置１は、交流電動機４に供給する電流が一定となるようベクトル制御を行うため、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊の値が大きくなる。その後ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊の合成ベクトルの絶対値が所定範囲にない状態が、所定時間以上継続した場合には、断線検知部１４は、電力変換器１１と交流電動機４との間で断線が生じていると判断する。

図３において黒丸で示すように、車両の速度がＶ１でモータ電圧がＶｍ１である場合には、モータ電圧が所定範囲にある。この場合には、断線検知部１４は、電力変換器１１と交流電動機４との間に断線が生じていないと判断する。図３において白丸で示すように、車両の速度がＶ２でモータ電圧がＶｍ２である場合には、モータ電圧が所定範囲にない。この状態が所定時間以上継続した場合には、断線検知部１４は、電力変換器１１と交流電動機４との間に断線が生じていると判断する。

所定範囲の上限値は、例えば図３において点線で示す非断線時のモータ電圧にある定数を乗算した値とする。また所定範囲の上限値と非断線時のモータ電圧との差が車両の速度の増加に伴って一定の割合で増加するように、所定範囲の上限値を定義してもよい。

断線検知部１４は、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊の合成ベクトルの絶対値に基づき、電力変換器１１と交流電動機４との間が断線しているか否かを判断するため、１つの交流電動機４の全ての相のケーブルが断線した場合でも、断線を検知することが可能である。また全ての交流電動機４の全ての相のケーブルが断線した場合には、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊の合成ベクトルの絶対値が０になるため、所定範囲に０を含まないようにすることで、そのような場合でも断線を検知することが可能である。

交流電動機４の始動後のモータ電圧の上昇の仕方は、運転指令信号Ｓ１の種類によって異なるので、所定範囲を運転指令ごとに定義してもよい。

図４は、実施の形態における運転指令に対応する所定範囲の例を示す図である。例えば運転指令信号Ｓ１がパターン１である場合、パターン２である場合のそれぞれに対応する所定範囲を定義する。運転指令信号Ｓ１には、例えば無段階の力行指令信号や段階的な力行指令信号などの種類がある。図４において、一点鎖線のグラフが運転指令信号Ｓ１がパターン１である場合の所定範囲の上限値であり、二点鎖線のグラフが運転指令信号Ｓ１がパターン２である場合の所定範囲の上限値である。運転指令信号Ｓ１がパターン１であり、車両の速度がＶ３でモータ電圧がＶｍ３である場合には、断線検知部１４は、電力変換器１１と交流電動機４との間に断線が生じていないと判断する。

一方、運転指令信号Ｓ１がパターン２であり、車両の速度がＶ３でモータ電圧がＶｍ３である場合には、断線検知部１４は、電力変換器１１と交流電動機４との間に断線が生じていると判断する。運転指令に対応する所定範囲を定義することで、電力変換器１１と交流電動機４との間における断線の検知精度を向上させることが可能となる。

以上説明したとおり、本実施の形態に係る制御装置１によれば、簡易な構成で電力変換器と電動機との間における断線の検知精度を向上させることが可能となる。

断線検知部１４は、運転指令信号Ｓ１を用いないように構成してもよい。その場合には、運転指令信号の種類によらず、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊の合成ベクトルの絶対値が定めた所定範囲にない状態が所定時間以上継続した場合に、電力変換器１１と交流電動機４との間で断線していると判断する。

また断線検知部１４は、電力変換器１１と交流電動機４との間で断線していると判断した場合には、断線信号ＯＦＦをゲート制御部１５ではなく制御装置１の外部に出力するよう構成してもよい。例えば断線信号ＯＦＦを運転台の表示装置に送り、運転手に電力変換器１１と交流電動機４との間で断線していることを通知するよう構成してもよい。

交流電動機４は、三相誘導電動機に限られず、単相誘導電動機であってもよい。また交流電動機４は複数個に限られず、１つでもよい。交流電動機４は、誘導電動機でもよいし、回転電動機でもよい。また交流電動機４の代わりに、リニア誘導電動機、リニア同期電動機、およびソレノイドなどを用いるよう構成してもよい。

制御装置１が駆動する交流電動機４は、車両を走行させる駆動力を生じる電動機に限られない。所定範囲は、車両の速度の関数ではなく、交流電動機４の角速度の関数としてもよい。その場合、断線検知部１４に入力される速度信号Ｓ２は、交流電動機４の角速度である。そして断線検知部１４は、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊の合成ベクトルの絶対値が、交流電動機４の角速度の関数である所定範囲にない状態が所定時間以上継続した場合に、電力変換器１１と交流電動機４との間で断線していると判断する。

上記実施の形態は、いずれも本発明の趣旨の範囲内で各種の変形が可能である。上記実施の形態は本発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定することを意図したものではない。本発明の範囲は実施形態よりも添付した請求項によって示される。請求項の範囲内、および発明の請求項と均等の範囲でなされた各種変形は本発明の範囲に含まれる。

本発明は、電動機を駆動するために電力を変換する電力変換器を制御し、電力変換器と電動機との間の断線を検知する制御装置に好適に採用され得る。

１制御装置
２架線
３集電装置
４交流電動機
１１電力変換器
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ電流検出部
１３電圧制御部
１４断線検知部
１５ゲート制御部

Claims

スイッチング素子のオンとオフを切り替えることにより、入力された電力を変換し、交流電動機を駆動する電力変換器と、
前記電力変換器が交流電動機に対して出力する電流を検出する電流検出部と、
前記交流電動機の回転動作を指令する運転指令および前記電流検出部が検出した前記電流に基づき、前記電力変換器の制御に用いる電圧指令値を生成する電圧制御部と、
前記交流電動機の角速度を取得し、前記交流電動機の始動から前記電力変換器が出力できる最大電圧値により決定される閾値に到達するまでの間において、前記電圧指令値の合成ベクトルの絶対値が、前記角速度の関数である、断線が生じていない状態で前記交流電動機が駆動された場合の前記電圧指令値の合成ベクトルの絶対値に予め定められた値を乗算した値が上限値である所定範囲にない状態が、所定時間以上継続した場合には、前記電力変換器と前記交流電動機との間で断線が生じていると判断する断線検知部と、
前記電圧指令値に基づき、前記電力変換器が備える前記スイッチング素子のオンとオフの切り替えを制御するゲート指令を出力するゲート制御部と、
を備える制御装置。
前記交流電動機は車両を走行させる駆動力を生じる電動機であって、
前記電圧制御部は、前記運転指令として、前記車両の走行を制御する運転指令を用い、
前記断線検知部は、前記車両の速度を取得し、前記電圧指令値の合成ベクトルの絶対値が前記車両の速度の関数である前記所定範囲にない状態が、前記所定時間以上継続した場合には、前記電力変換器と前記交流電動機との間で断線が生じていると判断し、
前記ゲート制御部は、前記断線検知部が前記電力変換器と前記交流電動機との間で断線が生じていると判断した場合に、前記電力変換器が備える前記スイッチング素子をオフにする前記ゲート指令を出力する、
請求項１に記載の制御装置。
前記電力変換器は複数の三相電動機を駆動し、
前記電流検出部は、前記電力変換器が出力する三相それぞれの電流を検出する、
請求項１または２に記載の制御装置。