JP5461006B2 - 同期電動機制御装置 - Google Patents
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Description
本発明は、永久磁石型同期電動機を駆動する同期電動機制御装置に関する。
鉄道の分野では、インバータ装置に接続した誘導電動機で車両を駆動する方式が広く用いられてきた。一方で、環境問題への配慮から省エネルギ化のための技術開発が進められており、そのひとつとして、誘導電動機と比較して効率の高い永久磁石型同期電動機（以下、同期電動機という）の適用が検討されている。
鉄道車両では、走行中にインバータ装置を停止して惰性で走行する惰行という運転がある。同期電動機の場合、惰行時は回転子に実装された永久磁石が固定子に実装されたコイルの周りを回転するため誘起電圧が発生し、同期電動機は発電機として動作する。
このため、同期電動機の回転速度が高くなると、誘起電圧がインバータ装置の直流側の電圧より高くなり、電流が同期電動機からインバータ装置の直流側へ流れてブレーキトルクが発生するという課題がある。
これに対して、特許文献１ではインバータ装置の直流側に遮断器と電流がインバータ装置に流入する方向に導通するダイオードを並列に設置し、惰行時は遮断器を開放することで、同期電動機からインバータ装置の直流側に電流が流れるのを防ぎ、ブレーキトルクの発生を防止している。
特開２０００−３０８３８８号公報
前記特許文献１では、惰行時にブレーキトルクが発生しないように、インバータ装置の直流側に遮断器とダイオードを並列に設置しているため、部品点数の増加し装置のサイズが増加するという課題がある。鉄道車両の場合、同期電動機やインバータ装置は車両の床下の限られたスペースに実装されるため、装置のサイズは小さいほうが望ましい。また、部品点数の増加に伴いメンテナンス作業が増えるという課題もある。
本発明の目的は、同期電動機を駆動する同期電動機制御装置において、装置のサイズを増加させることなく、惰行時のブレーキトルクの発生を防止することである。
本発明による同期電動機制御装置は、直流電源と、インバータ装置と、前記直流電源と前記インバータ装置の間に接続されたフィルタコンデンサとを備え、前記インバータ装置により少なくとも１台以上の同期電動機を駆動して鉄道車両を走行させる同期電動機制御装置において、前記同期電動機の誘起電圧を判定する誘起電圧判定手段と、前記直流電源に対する制御指令と前記インバータ装置に対する制御指令を出力する制御手段とを備えており、前記インバータ装置を停止して前記鉄道車両が惰性で走行する惰行状態で、前記誘起電圧判定手段は、前記永久磁石型同期電動機の誘起電圧が第１の基準値以上になった場合、検知信号を出力し、前記制御手段は、前記検知信号に基づいて、前記インバータ装置の直流側の電圧が前記誘起電圧に比例して増加する第２の基準値以上になるように前記直流電源を動作させる制御指令を出力すると同時に、前記インバータ装置を起動し、前記永久磁石型同期電動機に流れる三相の電流が零となるように前記インバータ装置を動作させる制御指令を出力するものである。
本発明によれば、同期電動機を駆動する同期電動機制御装置において、装置の部品点数を増加することなく、惰行時のブレーキトルクの発生を防止できる。
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。
本発明の同期電動機制御装置における第１実施例について図１を用いて説明する。図１は本発明の第１実施例を示す図である。図１（ａ）において、インバータ装置３は、フィルタコンデンサ２を介して直流電源１と接続され、直流電力を３相交流電力に変換する。同期電動機４は、前記インバータ装置３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。
前述のように、惰行時の前記同期電動機４は発電機として動作する。惰行中の前記同期電動機４の誘起電圧は式（１）となる。式（１）を図示したのが図１（ｂ）である。
ここで、Ｅｍ：前記同期電動機４の誘起電圧、Ｋｅ：発電定数、ωｒ：ロータ角周波数である。また、前記同期電動機４の誘起電圧Ｅｍを前記インバータ装置３の直流側の電圧に換算した電圧Ｅ０は式（２）となる。式（２）を図示したものが図１（ｃ）の破線である。
惰行時にブレーキトルクが発生しないためには、前記同期電動機４から前記インバータ装置の直流側へ電流が流れないように、前記インバータ装置３の直流側の電圧Ｅが式（２）で表されるＥ０より高ければよい。よって、前記同期電動機４の誘起電圧Ｅｍが式（３）で表される第一の基準値Ｅｍ０以上となった場合、前記インバータ装置３の直流側の電圧ＥがＥ０以上となるように前記直流電源１を動作させる。Ｅを図示したものが図１（ｃ）の実線である。
このように、本実施例では従来技術のような遮断器を用いることなく、惰行時のブレーキトルクの発生を防止できる。
次に前記同期電動機４の誘起電圧を得る方法について図２〜６を用いて説明する。図２は、前記同期電動機４の電圧を検出する電圧検出手段７を設置する方法である。
前記電圧検出手段７で検出した前記同期電動機の電圧Ｅｕｖは誘起電圧判定手段５に入力される。前記誘起電圧判定手段５では、電圧Ｅｕｖに基づいて誘起電圧Ｅｍを演算する。演算した誘起電圧Ｅｍが式（３）で表される第一の基準値Ｅｍ０以上となった場合、検知信号Ｓｅｍを出力する。
制御手段６では、前記検知信号Ｓｅｍに基づいて前記同期電動機４の誘起電圧Ｅｍが式（３）で表される第一の基準値Ｅｍ０以上となったことを検知し、前記インバータ装置３の直流側の電圧Ｅが式（２）で表される第二の基準値Ｅ０以上となるように、前記直流電源１に対する制御指令Ｓｃを出力する。
図３は、前記同期電動機４の速度情報を検出する速度検出手段８を設置する方法である。 前記速度検出手段８で検出した前記同期電動機の速度情報Ｆｒは誘起電圧判定手段５に入力される。前記誘起電圧判定手段５では、速度情報Ｆｒと式（１）に基づいて誘起電圧Ｅｍを演算する。演算した誘起電圧Ｅｍが式（３）で表される第一の基準値Ｅｍ０以上となった場合、検知信号Ｓｅｍを出力する。
制御手段６では、前記検知信号Ｓｅｍに基づいて前記同期電動機４の誘起電圧Ｅｍが式（３）で表される第一の基準値Ｅｍ０以上となったことを検知し、前記インバータ装置３の直流側の電圧Ｅが式（２）で表される第二の基準値Ｅ０以上となるように、前記直流電源１に対する制御指令Ｓｃを出力する。
図４は、前記同期電動機４に流れる電流を検出する電流検出手段９を設置する方法である。前記電流検出手段９で検出した前記同期電動機に流れる電流Ｉｍは誘起電圧判定手段５に入力される。惰行時において、式（２）で表される電圧Ｅ０が前記インバータ装置の直流側の電圧Ｅより低ければ、前記同期電動機に電流は流れない。
このことを利用して、誘起電圧判定手段５では電流Ｉｍが零でない場合に前記同期電動機４の誘起電圧Ｅｍが式（３）で表される第一の基準値Ｅｍ０以上になったと判断して検知信号Ｓｅｍを出力する。
また、前記電流検出手段９の検出誤差を考慮して、電流Ｉｍが前記電流検出手段９の検出誤差に基づいて設定される基準値Ｉｍ１以上となった場合に検知信号Ｓｅｍを出力してもよい。制御手段６では、前記検知信号Ｓｅｍに基づいて前記同期電動機４の誘起電圧Ｅｍが式（３）で表される第一の基準値Ｅｍ０以上となったことを検知し、前記インバータ装置３の直流側の電圧Ｅが式（２）で表される第二の基準値Ｅ０以上となるように、前記直流電源１に対する制御指令Ｓｃを出力する。
図５は、前記インバータ装置３の直流側の電圧を検出する直流電圧検出手段１０を設置する方法である。前記直流電圧検出手段１０で検出した前記インバータ装置３の直流側の電圧Ｅは誘起電圧判定手段５に入力される。惰行時に直流電圧Ｅが上昇した場合、前記同期電動機４から前記インバータ装置３の直流側へ電流が流れていることになり、式（２）で表される電圧Ｅ０が前記インバータ装置の直流側の電圧Ｅより高くなったことを意味する。
このことを利用して、誘起電圧判定手段５では、直流電圧Ｅが上昇した場合に前記同期電動機４の誘起電圧Ｅｍが式（３）で表される第一の基準値Ｅｍ０以上になったと判断して検知信号Ｓｅｍを出力する。また、前記直流電圧検出手段１０の検出誤差を考慮して、直流電圧Ｅが前記直流電圧検出手段１０の検出誤差に基づいて設定される基準値Ｅ１以上となった場合に検知信号Ｓｅｍを出力してもよい。
制御手段６では、前記検知信号Ｓｅｍに基づいて前記同期電動機４の誘起電圧Ｅｍが式（３）で表される第一の基準値Ｅｍ０以上となったことを検知し、前記インバータ装置３の直流側の電圧Ｅが式（２）で表される第二の基準値Ｅ０以上となるように、前記直流電源１に対する制御指令Ｓｃを出力する。
図６は、前記インバータ装置３の直流側の電流を検出する直流電流検出手段１１を設置する方法である。前記直電流検出手段１１で検出した前記インバータ装置３の直流側の電流Ｉｉｎｖは誘起電圧判定手段５に入力される。惰行時に直流電流Ｉｉｎｖを検出した場合、前記同期電動機４から前記インバータ装置３の直流側へ電流が流れていることになり、式（２）で表される電圧Ｅ０が前記インバータ装置の直流側の電圧Ｅより高くなったことを意味する。
このことを利用して、誘起電圧判定手段５では直流電流Ｉｉｎｖが零でない場合に前記同期電動機４の誘起電圧Ｅｍが式（３）で表される第一の基準値Ｅｍ０以上になったと判断して検知信号Ｓｅｍを出力する。また、前記直電流検出手段１１の検出誤差を考慮して、直流電流Ｉｉｎｖが前記直電流検出手段１１の検出誤差に基づいて設定される基準値Ｉｉｎｖ１以上となった場合に検知信号Ｓｅｍを出力してもよい。
制御手段６では、前記検知信号Ｓｅｍに基づいて前記同期電動機４の誘起電圧Ｅｍが式（３）で表される第一の基準値Ｅｍ０以上となったことを検知し、前記インバータ装置３の直流側の電圧Ｅが式（２）で表される第二の基準値Ｅ０以上となるように、前記直流電源１に対する制御指令Ｓｃを出力する。
本発明の同期電動機制御装置における第２実施例について図７を用いて説明する。第１実施例と異なる点は、惰行時の前記同期電動機４の誘起電圧Ｅｍが式（３）で表される第一の基準値Ｅｍ０以上となった場合、前記インバータ装置３の直流側の電圧ＥがＥ０以上となるように前記直流電源１を動作させると同時に、前記インバータ装置３を起動し、前記同期電動機４に流れる電流Ｉｍが零となるように前記インバータ装置３を動作させる点である。
第１実施例では、前記インバータ装置３の直流側の電圧ＥがＥ０以上となるように前記直流電源１を動作させることで、ブレーキトルクの発生を防止している。しかし、前記同期電動機４の誘起電圧Ｅｍが急激に増加した場合、前記直流電源１の応答の遅れにより、前記同期電動機４に電流が流れて過渡的にブレーキトルクが発生することが予測される。
これに対して、第２実施例では、前記同期電動機４に流れる電流Ｉｍが零となるように前記インバータ装置３を動作させることで過渡的に発生するブレーキトルクの発生を防止できる。
次に前記同期電動機４の誘起電圧を得る方法について図８〜１２を用いて説明する。図８は、前記同期電動機４の電圧を検出する電圧検出手段７を設置する方法である。前記電圧検出手段７で検出した前記同期電動機の電圧Ｅｕｖは誘起電圧判定手段５に入力される。前記誘起電圧判定手段５では、電圧Ｅｕｖに基づいて誘起電圧Ｅｍを演算する。演算した誘起電圧Ｅｍが式（３）で表される第一の基準値Ｅｍ０以上となった場合、検知信号Ｓｅｍを出力する。
制御手段６では、前記検知信号Ｓｅｍに基づいて前記同期電動機４の誘起電圧Ｅｍが式（３）で表される第一の基準値Ｅｍ０以上となったことを検知し、前記インバータ装置３の直流側の電圧Ｅが式（２）で表される第二の基準値Ｅ０以上となるように、前記直流電源１に対する制御指令Ｓｃを出力すると同時に、前記インバータ装置３を起動し、前記同期電動機４に流れる三相の電流が零となるように前記インバータ装置３に対する制御指令Ｓｉを出力する。
図９は、前記同期電動機４の速度情報を検出する速度検出手段８を設置する方法である。 前記速度検出手段８で検出した前記同期電動機の速度情報Ｆｒは誘起電圧判定手段５に入力される。前記誘起電圧判定手段５では、速度情報Ｆｒと式（１）に基づいて誘起電圧Ｅｍを演算する。演算した誘起電圧Ｅｍが式（３）で表される第一の基準値Ｅｍ０以上となった場合、検知信号Ｓｅｍを出力する。
制御手段６では、前記検知信号Ｓｅｍに基づいて前記同期電動機４の誘起電圧Ｅｍが式（３）で表される第一の基準値Ｅｍ０以上となったことを検知し、前記インバータ装置３の直流側の電圧Ｅが式（２）で表される第二の基準値Ｅ０以上となるように、前記直流電源１に対する制御指令Ｓｃを出力すると同時に、前記インバータ装置３を起動し、前記同期電動機４に流れる三相の電流が零となるように前記インバータ装置３に対する制御指令Ｓｉを出力する。
図１０は、前記同期電動機４に流れる電流を検出する電流検出手段９を設置する方法である。前記電流検出手段９で検出した前記同期電動機に流れる電流Ｉｍは誘起電圧判定手段５に入力される。惰行時において、式（２）で表される電圧Ｅ０が前記インバータ装置の直流側の電圧Ｅより低ければ、前記同期電動機に電流は流れない。
このことを利用して、誘起電圧判定手段５では電流Ｉｍが零でない場合に前記同期電動機４の誘起電圧Ｅｍが式（３）で表される第一の基準値Ｅｍ０以上になったと判断して検知信号Ｓｅｍを出力する。また、前記電流検出手段９の検出誤差を考慮して、電流Ｉｍが前記電流検出手段９の検出誤差に基づいて設定される基準値Ｉｍ１以上となった場合に検知信号Ｓｅｍを出力してもよい。
制御手段６では、前記検知信号Ｓｅｍに基づいて前記同期電動機４の誘起電圧Ｅｍが式（３）で表される第一の基準値Ｅｍ０以上となったことを検知し、前記インバータ装置３の直流側の電圧Ｅが式（２）で表される第二の基準値Ｅ０以上となるように、前記直流電源１に対する制御指令Ｓｃを出力すると同時に、前記インバータ装置３を起動し、前記同期電動機４に流れる三相の電流が零となるように前記インバータ装置３に対する制御指令Ｓｉを出力する。
図１１は、前記インバータ装置３の直流側の電圧を検出する直流電圧検出手段１０を設置する方法である。前記直流電圧検出手段１０で検出した前記インバータ装置３の直流側の電圧Ｅは誘起電圧判定手段５に入力される。惰行時に直流電圧Ｅが上昇した場合、前記同期電動機４から前記インバータ装置３の直流側へ電流が流れていることになり、式（２）で表される電圧Ｅ０が前記インバータ装置の直流側の電圧Ｅより高くなったことを意味する。
このことを利用して、誘起電圧判定手段５では、直流電圧Ｅが上昇した場合に前記同期電動機４の誘起電圧Ｅｍが式（３）で表される第一の基準値Ｅｍ０以上になったと判断して検知信号Ｓｅｍを出力する。また、前記直流電圧検出手段１０の検出誤差を考慮して、直流電圧Ｅが前記直流電圧検出手段１０の検出誤差に基づいて設定される基準値Ｅ１以上となった場合に検知信号Ｓｅｍを出力してもよい。
制御手段６では、前記検知信号Ｓｅｍに基づいて前記同期電動機４の誘起電圧Ｅｍが式（３）で表される第一の基準値Ｅｍ０以上となったことを検知し、前記インバータ装置３の直流側の電圧Ｅが式（２）で表される第二の基準値Ｅ０以上となるように、前記直流電源１に対する制御指令Ｓｃを出力すると同時に、前記インバータ装置３を起動し、前記同期電動機４に流れる三相の電流が零となるように前記インバータ装置３に対する制御指令Ｓｉを出力する。
図１２は、前記インバータ装置３の直流側の電流を検出する直流電流検出手段１１を設置する方法である。前記直電流検出手段１１で検出した前記インバータ装置３の直流側の電流Ｉｉｎｖは誘起電圧判定手段５に入力される。惰行時に直流電流Ｉｉｎｖを検出した場合、前記同期電動機４から前記インバータ装置３の直流側へ電流が流れていることになり、式（２）で表される電圧Ｅ０が前記インバータ装置の直流側の電圧Ｅより高くなったことを意味する。
このことを利用して、誘起電圧判定手段５では直流電流Ｉｉｎｖが零でない場合に前記同期電動機４の誘起電圧Ｅｍが式（３）で表される第一の基準値Ｅｍ０以上になったと判断して検知信号Ｓｅｍを出力する。また、前記直電流検出手段１１の検出誤差を考慮して、直流電流Ｉｉｎｖが前記直電流検出手段１１の検出誤差に基づいて設定される基準値Ｉｉｎｖ１以上となった場合に検知信号Ｓｅｍを出力してもよい。
制御手段６では、前記検知信号Ｓｅｍに基づいて前記同期電動機４の誘起電圧Ｅｍが式（３）で表される第一の基準値Ｅｍ０以上となったことを検知し、前記インバータ装置３の直流側の電圧Ｅが式（２）で表される第二の基準値Ｅ０以上となるように、前記直流電源１に対する制御指令Ｓｃを出力すると同時に、前記インバータ装置３を起動し、前記同期電動機４に流れる三相の電流が零となるように前記インバータ装置３に対する制御指令Ｓｉを出力する。
鉄道車両の分野では、今後、電動機の高効率化を目的とした同期電動機への置き換えが進むと考えられる。特に鉄道車両の場合、同期電動機やインバータ装置は車両の床下の限られたスペースに実装されるため、装置全体のサイズは小さいほうが望ましい。このため、装置全体のサイズを増加させることなく、惰行時のブレーキトルクの発生を防止できる本発明は重要な技術である。
１ 直流電源
２ フィルタコンデンサ
３ インバータ装置
４ 同期電動機
５ 誘起電圧判定手段
６ 制御手段
７ 電圧検出手段
８ 速度検出手段
９ 電流検出手段
１０ 直流電圧検出手段
１１ 直流電流検出手段
Ｅｍ 誘起電圧
Ｅｍ０ 誘起電圧の基準値
Ｅ インバータ装置の直流側の電圧
Ｅ０ インバータ装置の直流側の電圧に換算した誘起電圧
Ｅ１ インバータ装置の直流側電圧の基準値
Ｅｕｖ 同期電動機の電圧
Ｉｍ 同期電動機に流れる電流
Ｉｍ１ 同期電動機に流れる電流の基準値
Ｉｉｎｖ インバータ装置の直流側の電流
Ｉｉｎｖ１ インバータ装置の直流側電流の基準値
Ｆｒ 速度情報
ωｒ ロータ角周波数
Ｋｅ 発電定数
Ｓｅｍ 同期電動機の誘起電圧Ｅｍが基準値Ｅｍ０以上であることを検知する信号
Ｓｉ インバータ装置に対する制御指令
Ｓｃ 直流電源に対する制御指令
２ フィルタコンデンサ
３ インバータ装置
４ 同期電動機
５ 誘起電圧判定手段
６ 制御手段
７ 電圧検出手段
８ 速度検出手段
９ 電流検出手段
１０ 直流電圧検出手段
１１ 直流電流検出手段
Ｅｍ 誘起電圧
Ｅｍ０ 誘起電圧の基準値
Ｅ インバータ装置の直流側の電圧
Ｅ０ インバータ装置の直流側の電圧に換算した誘起電圧
Ｅ１ インバータ装置の直流側電圧の基準値
Ｅｕｖ 同期電動機の電圧
Ｉｍ 同期電動機に流れる電流
Ｉｍ１ 同期電動機に流れる電流の基準値
Ｉｉｎｖ インバータ装置の直流側の電流
Ｉｉｎｖ１ インバータ装置の直流側電流の基準値
Ｆｒ 速度情報
ωｒ ロータ角周波数
Ｋｅ 発電定数
Ｓｅｍ 同期電動機の誘起電圧Ｅｍが基準値Ｅｍ０以上であることを検知する信号
Ｓｉ インバータ装置に対する制御指令
Ｓｃ 直流電源に対する制御指令
Claims (1)
- 直流電源と、インバータ装置と、前記直流電源と前記インバータ装置の間に接続されたフィルタコンデンサとを備え、前記インバータ装置により少なくとも１台以上の永久磁石型同期電動機を駆動して鉄道車両を走行させる同期電動機制御装置において、
前記同期電動機の誘起電圧を判定する誘起電圧判定手段と、前記直流電源に対する制御指令と前記インバータ装置に対する制御指令を出力する制御手段とを備えており、
前記インバータ装置を停止して前記鉄道車両が惰性で走行する惰行状態で、
前記誘起電圧判定手段は、前記永久磁石型同期電動機の誘起電圧が第１の基準値以上になった場合、検知信号を出力し、
前記制御手段は、前記検知信号に基づいて、前記インバータ装置の直流側の電圧が前記誘起電圧に比例して増加する第２の基準値以上になるように前記直流電源を動作させる制御指令を出力すると同時に、前記インバータ装置を起動し、前記永久磁石型同期電動機に流れる三相の電流が零となるように前記インバータ装置を動作させる制御指令を出力することを特徴とする同期電動機制御装置。
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