JP5395652B2

JP5395652B2 - インバータ制御装置

Info

Publication number: JP5395652B2
Application number: JP2009296855A
Authority: JP
Inventors: 周一立原; 豊田　　瑛一
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2009-12-28
Filing date: 2009-12-28
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2029-12-28
Also published as: JP2011139559A

Description

本発明は、交流電動機を駆動するインバータ制御装置に関する。

鉄道車両の分野では、インバータ装置に接続した交流電動機で車両を駆動する方式が広く用いられている。交流電動機やインバータ装置は車両を駆動する重要な機器であるため、過電圧や過電流から保護するためにさまざまな故障検知が実装されている。

そのひとつに、インバータ装置と交流電動機間の配線が断線して起こる欠相の検知がある。欠相が発生すると、欠相していない相に電流が集中して交流電動機の焼損やインバータ装置が破壊してしまう。また、インバータ装置が破壊しない場合でも交流電動機に異常なトルク振動が発生するため、速やかに検知してインバータ装置を停止させることが必須となる。

これに対して、特許文献１では交流電動機に流入する電流を検出し、検出した電流値を交流電動機の磁束方向とそれに直交する方向に軸を持ち前記交流電動機内部の磁束と同期して回転する座標系上に座標変換して、磁束軸方向の電流値の変化率が判定値を超えたとき、欠相検知する方法が記載されている。

この方法により、欠相が発生したとき速やかに検知することができる。また、誤検知防止のため、磁束軸方向の電流値の変化率が判定値を超えた状態が所定の時間継続したとき欠相検知とする方法も記載されている。

特開２００３−３４８８９８号公報

中野孝良著交流モータのベクトル制御日刊工業新聞社

しかしながら、前記特許文献１では、交流電動機の磁束軸方向の電流値を監視し、その変化率が判定値以上となったときに欠相を検知するが、電流の変化率が判定値以上となるような振動が発生すると欠相検知の条件に当てはまってしまうため、例えばソフトウェアの不良等による制御異常で発生する振動を欠相と誤検知してしまう可能性がある。

本発明の目的は、交流電動機を駆動するインバータ制御装置において、誤検知することなく速やかに欠相を検知することである。

本発明のインバータ制御装置は、少なくとも１台以上の交流電動機を駆動するインバータ装置と、前記交流電動機に流入する電流値を得る手段と、前記交流電動機に流入する電流値を前記交流電動機内部の磁束方向とそれに直交する方向に軸を持ち前記交流電動機内部の磁束と同期して回転する座標系上に座標変換する手段と、前記座標変換する手段から得られた電流値に基づいて前記インバータ装置に対する電圧指令および周波数指令を生成する手段とを有するインバータ制御装置において、前記座標変換する手段から得られた前記交流電動機内部の磁束方向の電流値に含まれる前記インバータ装置に対する周波数指令の２倍の周波数成分である第１の交流成分と磁束に直交する方向の電流値に含まれる前記インバータ装置に対する周波数指令の２倍の周波数成分である第２の交流成分を得るハイパスフィルタまたはバンドパスフィタである交流成分を得る手段と、前記第１交流成分と前記第２の交流成分に基づいて前記インバータ装置の欠相検知に用いる電流値を得る手段と、欠相検知の判定値を得る手段とを有し、前記欠相検知に用いる電流値が前記判定値以上になったとき、前記インバータ装置の欠相を検知する欠相検知信号を出力することを特徴とする。

本発明によるインバータ制御装置は、少なくとも１台以上の交流電動機を駆動するインバータ装置と、前記交流電動機に流入する電流値を得る手段と、前記交流電動機に流入する電流値を前記交流電動機内部の磁束方向とそれに直交する方向に軸を持ち前記交流電動機内部の磁束と同期して回転する座標系上に変換する座標変換する手段と、前記座標変換する手段から得られた電流値に基づいて前記インバータ装置に対する電圧指令および周波数指令を生成する手段とを有するインバータ制御装置において、前記座標変換する手段から得られた前記交流電動機内部の磁束方向の電流値に含まれる前記インバータ装置に対する周波数指令の２倍の周波数成分である第１の交流成分と磁束に直交する方向の電流値に含まれる前記インバータ装置に対する周波数指令の２倍の周波数成分である第２の交流成分を得るハイパスフィルタまたはバンドパスフィタである交流成分を得る手段と、前記交流成分に基づいて前記インバータ装置の欠相検知に用いる電流値を得る手段と、欠相検知の判定値を得る手段とを有し、前記欠相検知に用いる電流値が前記判定値以上になった状態で出力される欠相検知信号が、欠相発生時に交流電動機内部の磁束方向の電流値と磁束に直交する方向の電流値に発生する最大の振動周波数の１周期以上の所定の時間継続したとき、前記インバータ装置の欠相を検知する第２の欠相検知信号を出力することを特徴とする。

本発明によれば、交流電動機を駆動するインバータ制御装置において、誤検知することなく速やかに欠相を検知できる。

図１は本発明を適用した第１実施例を示す図である。図２は欠相が発生した時のＩｕ,Ｉｖ,Ｉｗを示す図である。図３は欠相が発生した時のＩｄ,Ｉｑを示す図である。図４は第１実施例におけるＩｅを示す図である。図５は本発明を適用した第２実施例を示す図である。図６は本発明を適用した第３実施例を示す図である。図７は欠相が発生した時のＩｄｈ,Ｉｑｈを示す図である。図８は第３実施例におけるＩｅを示す図である。図９は本発明を適用した第４実施例を示す図である。図１０は本発明を適用した第５実施例を示す図である。図１１は第５実施例の説明図である。図１２は本発明を適用した第６実施例を示す図である。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

本発明のインバータ制御装置における第１実施例について図１から図４を用いて説明する。図１において、インバータ装置１は、直流電力を３相交流電力に変換して出力する。交流電動機２は、前記インバータ装置１から出力される前記３相交流電力を入力として、これを軸トルクに変換して出力する。図１では、交流電動機を１台として記載しているが１台のインバータ装置で複数台の交流電動機を駆動する構成でもよい。

電流検出手段３は、前記交流電動機２に流入する電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを検出する。座標変換手段４は、Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを、前記交流電動機２の磁束方向の電流（以下、ｄ軸電流という）Ｉｄと磁束に直交する方向の電流（以下、ｑ軸電流という）Ｉｑに座標変換する。

電流制御手段５は、ＩｄとＩｑと、ここでは図示していないＩｄに対する指令値とＩｑに対する指令値と前記交流電動機２の回転速度情報と前記交流電動機２の抵抗値やインダクタンス値に基づいて、前記インバータ装置１に対するｄ軸方向の電圧指令Ｖｄとｑ軸方向の電圧指令Ｖｑと周波数指令Ｆｉを出力する。交流電動機の制御方法の詳細は、例えば非特許文献１に記載されており公知の技術であるため省略する。フィルタ６以降の項番については後述する。

ここで、本発明における欠相検知の原理について説明する。図２は、前記交流電動機２に流入する電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを図示している。横軸は時間を表しており、時刻Ｔｅにおいて、欠相が発生しＩｕが０になっている。

交流電動機は構造上、Ｉｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗ＝０となる。この時、Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗはそれぞれ１２０度の位相差の正弦波で、周波数はインバータ装置に対する周波数指令Ｆｉとなる。欠相発生後（時刻Ｔｅ以後）は、周波数は欠相発生前と同じだがＩｖとＩｗが１８０度の位相差を持った正弦波となる。

このときのＩｄ、Ｉｑを図示すると図３になる。欠相発生前はＩｄ、Ｉｑとも直流量であるが、欠相発生後はＩｄ、ＩｑのいずれもＩｕ、Ｉｖ、Ｉｗの２倍の周波数で振動する。

このことから、Ｉｄ、Ｉｑに含まれるインバータ装置に対する周波数指令Ｆｉの２倍の交流成分に着目すれば欠相を検知することができる。

欠相検知の構成を再び図１を用いて説明する。フィルタ６とフィルタ７は、それぞれＩｄとＩｑに含まれるＦｉの２倍の交流成分を検出するハイパスフィルタまたはバンドパスフィルタである。

前述のように、欠相が発生するとＩｄとＩｑはＦｉの２倍の周波数で振動する。そのため、ＩｄとＩｑに含まれるＦｉの２倍の周波数成分をそれぞれフィルタ６とフィルタ７で検出して欠相検知を行うことで誤検知を抑制することができる。

絶対値演算手段８は、前記フィルタ６の出力であるＩｄの交流成分Ｉｄｈの絶対値｜Ｉｄｈ｜を出力する。絶対値演算手段９は、前記フィルタ７の出力であるＩｑの交流成分Ｉｑｈの絶対値｜Ｉｑｈ｜を出力する。加算器１０は｜Ｉｄｈ｜と｜Ｉｑｈ｜を加算して欠相検知に用いる電流値Ｉｅを出力する。

Ｉｅを図示すると図４のようになる。欠相発生前のＩｅは０だが、欠相発生後はある大きさの値を示す。本発明のように、｜Ｉｄｈ｜と｜Ｉｑｈ｜を加算して欠相検知に用いる電流値Ｉｅとすることで、Ｉｅはほぼ直流量となるため判定が容易になり、誤検知の可能性を低減できる。

判定値設定手段１１は、欠相検知の判定値Ｉｅ０を設定する。比較器１２は、ＩｅとＩｅ０を比較してＩｅがＩｅ０より大きければ第１の欠相検知信号Ｓｅ１を出力する。

本発明のインバータ制御装置における第２実施例について図５を用いて説明する。第１実施例と異なる点は、比較器１２の出力段に遅延時素１３を設けた点である。

前記遅延時素１３は、前記比較器１２の出力である第１の欠相検知信号Ｓｅ１がある時間以上継続したら第２の欠相検知信号Ｓｅ２を出力する。これにより、ＩｅがＩｅ０より大きい状態がある時間継続したとき欠相検知となるため、運転指令の変化や欠相以外の故障で発生した電流振動による誤検知を回避することができる。Ｓｅ２を出力するまでの時間は欠相を誤検知しない程度に設定する。

例えば、鉄道車両の場合、インバータ装置に対する周波数指令Ｆｉは最大で２５０Ｈｚ程度である。そのため、欠相が発生したときにＩｄとＩｑには最大で５００Ｈｚ程度の振動が発生する。

このことから、Ｓｅ２を出力するまでの時間は、欠相発生時にＩｄとＩｑに発生する最大の振動周波数の１周期分（１／５００＝２ｍｓ）以上とするのが良い。

本発明のインバータ制御装置における第３実施例について図６から図８を用いて説明する。第１実施例と異なる点は、｜Ｉｄｈ｜と｜Ｉｑｈ｜を加算して欠相検知に用いる電流値Ｉｅとする代わりに、ＩｄｈとＩｑｈの二乗平均値をＩｅとした点である。

図６において、インバータ装置１は、直流電力を３相交流電力に変換して出力する。交流電動機２は、前記インバータ装置１から出力される前記３相交流電力を入力として、これを軸トルクに変換して出力する。図６では、交流電動機を１台として記載しているが１台のインバータ装置で複数台の交流電動機を駆動する構成でもよい。

電流検出手段３は、前記交流電動機２に流入する電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを検出する。座標変換手段４は、Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを、ｄ軸電流Ｉｄとｑ軸電流Ｉｑに座標変換する。

電流制御手段５は、ＩｄとＩｑと、ここでは図示していないＩｄに対する指令値とＩｑに対する指令値と前記交流電動機２の回転速度情報と前記交流電動機２の抵抗値やインダクタンス値に基づいて、前記インバータ装置１対するｄ軸方向の電圧指令Ｖｄとｑ軸方向の電圧指令Ｖｑと周波数指令Ｆｉを出力する。

フィルタ６とフィルタ７は、それぞれＩｄとＩｑに含まれるＦｉの２倍の交流成分を検出するハイパスフィルタまたはバンドパスフィルタである。二乗平均演算手段１４は、前記フィルタ６の出力であるＩｄの交流成分Ｉｄｈと前記フィルタ７の出力であるＩｑの交流成分Ｉｑｈの二乗平均値を求めて欠相検知に用いる電流値Ｉｅを出力する。Ｉｄｈを横軸としＩｑｈを縦軸として図示すると図７のようになる。欠相が発生するとＩｄｈとＩｑｈはＦｉの２倍の周波数で回転する円を描く。よって、ＩｄｈとＩｑｈの二乗平均値はこの円の半径に相当する。

Ｉｅを図示すると図８のようになる。第１実施例のＩｅと比較すると計算は複雑になるが、脈動が少なくなり欠相の誤検知を抑制する効果が期待できる。

本発明のインバータ制御装置における第４実施例について図９を用いて説明する。第３実施例と異なる点は、比較器１２の出力段に遅延時素１３を設けた点である。

本発明のインバータ制御装置における第５実施例について図１０を用いて説明する。第１〜４実施例と異なる点は、フィルタ出力の交流成分の絶対値の輪｜Ｉｄｈ｜＋｜Ｉｑｈ｜、あるいは、ＩｄｈとＩｑｈの二乗平均値を欠相検知に用いるのではなく、フィルタ出力の交流成分Ｉｄｈと交流成分Ｉｑｈを直接、欠相検知に用いる点である。

図１０において、フィルタ６の出力であるＩｄの交流成分Ｉｄｈは、比較器１７において、判定値設定手段１５で設定された設定値Ｉｄ０と比較され、比較器１７は、交流成分Ｉｄｈが設定値Ｉｄ０よりも大きくなると、出力して、フリップフロップ１９をオンに設定する。また、同様に、フィルタ７の出力であるＩｑの交流成分Ｉｑｈは、比較器１８において、判定値設定手段１６で設定された設定値Ｉｑ０と比較され、比較器１８は、交流成分Ｉｑｈが設定値Ｉｑ０よりも大きくなると、出力して、フリップフロップ２０をオンに設定する。

フリップフロップ１９とフリップフロップ２０の出力は論理積回路（ＡＮＤ回路）２１に入力され、論理積回路（ＡＮＤ回路）２１は欠相発生時に欠相検知信号を出力する。

図１１は、欠相発生時に発生するＩｄとＩｑはＦｉの２倍の周波数成分をそれぞれフィルタ６とフィルタ７で検出したＩｄの交流成分Ｉｄｈと交流成分Ｉｑｈと、判定値設定手段１５、１６で設定した設定値Ｉｄ０、Ｉｑ０との関係を示している。

交流成分Ｉｄｈ，Ｉｑｈが、設定値Ｉｄ０，Ｉｑｏよりも大きくなると、比較器１７，１８を出力し、交流成分Ｉｄｈ，Ｉｑｈの双方が設定値Ｉｄ０，Ｉｑｏよりも大きくなると、論理積回路（ＡＮＤ回路）２１から欠相検知信号が出力される。論理積回路（ＡＮＤ回路）２１を用いることにより、より確実に欠相検知を行うことができる。

本発明のインバータ制御装置における第６実施例について図１２を用いて説明する。第１〜５実施例と異なる点は、フィルタ出力の交流成分の絶対値の輪｜Ｉｄｈ｜＋｜Ｉｑｈ｜、あるいは、ＩｄｈとＩｑｈの二乗平均値を欠相検知に用いるのではなく、フィルタ出力の交流成分Ｉｄｈと交流成分Ｉｑｈを直接、欠相検知に用いる点であり、第５実施例と異なる点は、論理積回路（ＡＮＤ回路）２１の代わりに、論理和回路（ＯＲ回路）２２を用いた点である。

図１２において、フィルタ６の出力であるＩｄの交流成分Ｉｄｈは、比較器１７において、判定値設定手段１５で設定された設定値Ｉｄ０と比較され、比較器１７は、交流成分Ｉｄｈが設定値Ｉｄ０よりも大きくなると、出力して、フリップフロップ１９をオンに設定する。また、同様に、フィルタ７の出力であるＩｑの交流成分Ｉｑｈは、比較器１８において、判定値設定手段１６で設定された設定値Ｉｑ０と比較され、比較器１８は、交流成分Ｉｑｈが設定値Ｉｑ０よりも大きくなると、出力して、フリップフロップ２０をオンに設定する。

フリップフロップ１９とフリップフロップ２０の出力は論理和回路（ＯＲ回路）２２に入力され、論理和回路（ＯＲ回路）２２は、欠相発生時に欠相検知信号を出力する。

交流成分Ｉｄｈ，Ｉｑｈが、設定値Ｉｄ０，Ｉｑｏよりも大きくなると、比較器１７，１８を出力し、交流成分Ｉｄｈ，Ｉｑｈの一方が設定値Ｉｄ０，Ｉｑｏよりも大きくなると、論理和回路（ＯＲ回路）２２から欠相検知信号が出力される。論理和（ＯＲ回路）２２を用いることにより、より迅速に欠相検知を行うことができる。

本発明は、鉄道車両の分野に限らず、過電圧や過電流から交流電動機やインバータ装置の保護する故障検知は重要な機能である。本発明の欠相検知方法を用いることで、欠相を誤検知することなく速やかな検知が可能となるため、様々な分野への展開が期待できる。

１インバータ装置
２交流電動機
３電流検出手段
４座標変換手段
５電流制御手段
６ハイパスフィルタまたはバンドパスフィルタ
７ハイパスフィルタまたはバンドパスフィルタ
８絶対値演算手段
９絶対値演算手段
１０加算器
１１判定値設定手段
１２比較器
１３遅延時素
１４二乗平均演算手段
１５判定値設定手段
１６判定値設定手段
１７比較器
１８比較器
１９フリップフロップ
２０フリップフロップ
２１論理積回路（ＡＮＤ回路）
２２論理和回路（ＯＲ回路）
Ｆｉ周波数指令
Ｖｄｄ軸方向の電圧指令
Ｖｑｑ軸方向の電圧指令
Ｉｕ,Ｉｖ,Ｉｗ交流電動機に流入する交流電流
Ｉｄｄ軸方向の電流値
Ｉｑｑ軸方向の電流値
ＩｄｈＩｄに含まれる交流成分
ＩｑｈＩｑに含まれる交流成分
Ｉｅ０欠相検知の判定値
Ｉｅ欠相検知に用いる電流値
Ｓｅ１第１の欠相検知信号
Ｓｅ２第２の欠相検知信号
Ｔｅ欠相が発生した時刻

Claims

少なくとも１台以上の交流電動機を駆動するインバータ装置と、前記交流電動機に流入する電流値を得る手段と、前記交流電動機に流入する電流値を前記交流電動機内部の磁束方向とそれに直交する方向に軸を持ち前記交流電動機内部の磁束と同期して回転する座標系上に座標変換する手段と、前記座標変換する手段から得られた電流値に基づいて前記インバータ装置に対する電圧指令および周波数指令を生成する手段とを有するインバータ制御装置において、
前記座標変換する手段から得られた前記交流電動機内部の磁束方向の電流値に含まれる前記インバータ装置に対する周波数指令の２倍の周波数成分である第１の交流成分と磁束に直交する方向の電流値に含まれる前記インバータ装置に対する周波数指令の２倍の周波数成分である第２の交流成分を得るハイパスフィルタまたはバンドパスフィタである交流成分を得る手段と、
前記第１交流成分と前記第２の交流成分に基づいて前記インバータ装置の欠相検知に用いる電流値を得る手段と、欠相検知の判定値を得る手段とを有し、
前記欠相検知に用いる電流値が前記判定値以上になったとき、前記インバータ装置の欠相を検知する欠相検知信号を出力することを特徴とするインバータ制御装置。
少なくとも１台以上の交流電動機を駆動するインバータ装置と、前記交流電動機に流入する電流値を得る手段と、前記交流電動機に流入する電流値を前記交流電動機内部の磁束方向とそれに直交する方向に軸を持ち前記交流電動機内部の磁束と同期して回転する座標系上に変換する座標変換する手段と、前記座標変換する手段から得られた電流値に基づいて前記インバータ装置に対する電圧指令および周波数指令を生成する手段とを有するインバータ制御装置において、
前記座標変換する手段から得られた前記交流電動機内部の磁束方向の電流値に含まれる前記インバータ装置に対する周波数指令の２倍の周波数成分である第１の交流成分と磁束に直交する方向の電流値に含まれる前記インバータ装置に対する周波数指令の２倍の周波数成分である第２の交流成分を得るハイパスフィルタまたはバンドパスフィタである交流成分を得る手段と、前記交流成分に基づいて前記インバータ装置の欠相検知に用いる電流値を得る手段と、欠相検知の判定値を得る手段とを有し、
前記欠相検知に用いる電流値が前記判定値以上になった状態で出力される欠相検知信号が、欠相発生時に交流電動機内部の磁束方向の電流値と磁束に直交する方向の電流値に発生する最大の振動周波数の１周期以上の所定の時間継続したとき、前記インバータ装置の欠相を検知する第２の欠相検知信号を出力することを特徴とするインバータ制御装置。
請求項１または請求項２に記載のインバータ制御装置において、前記インバータ装置の欠相検知に用いる電流値を得る手段は、第１の交流成分の絶対値と第２の交流成分の絶対値を加算して欠相検知に用いることを特徴とするインバータ制御装置。
請求項１または請求項２に記載のインバータ制御装置において、前記インバータ装置の欠相検知に用いる電流値を得る手段は、第１の交流成分の絶対値と第２の交流成分の二乗平均値を欠相検知に用いることを特徴とするインバータ制御装置。
請求項１または請求項２に記載のインバータ制御装置において、前記インバータ装置の欠相検知に用いる手段は、第１の交流成分と第１の所定値を比較し、第２の交流成分と第２の所定値を比較し、前記第１の交流成分が前記第１の所定値よりも大きくなり、しかも、前記第２の交流成分が前記第２の所定値よりも大きくなった場合に、前記欠相検知信号を出力することを特徴とするインバータ制御装置。
請求項１または請求項２に記載のインバータ制御装置において、
前記インバータ装置の欠相検知に用いる手段は、第１の交流成分と第１の所定値を比較し、第２の交流成分と第２の所定値を比較し、前記第１の交流成分が前記第１の所定値よりも大きくなり、あるいは、前記第２の交流成分が前記第２の所定値よりも大きくなった場合に、前記欠相検知信号を出力することを特徴とするインバータ制御装置。