JP5481088B2

JP5481088B2 - 鉄道車両駆動制御装置

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Description

本発明は、電動機を駆動源とした鉄道車両を駆動制御する鉄道車両駆動制御装置に関するものである。

従来技術の鉄道車両駆動制御装置の構成を図１７と図１８に示す。

１は直流電源である架線、２は集電器、３は直流回路遮断器、４は直流回路開閉器、５は充電用開閉器、６は充電回路抵抗器、７は平滑リアクトル、８は車輪、９は帰線であるレール、１０は電源電圧検出手段、１１は平滑コンデンサ、１２は直流電圧検出手段、２１は車両を駆動する永久磁石形同期電動機、２２はインバータ回路である電力変換手段、２３Ｕ〜２３Ｚはインバータ回路のスイッチング素子、２４Ｕ、２４Ｖ、２４Ｗは電動機回路に流れる電流を検出するための電動機電流検出手段、２５は電動機回路開閉器である。

平滑リアクトル７及び平滑コンデンサ１１は、架線１から電力変換手段２２への電圧と電流を平滑する機能を有する。

インバータ回路である電力変換手段２２は、スイッチング素子２３Ｕ〜２３Ｚを内蔵しており、この６個のスイッチング素子を任意にＯＮ・ＯＦＦ動作することによって、直流電圧を任意の電圧と任意の周波数の３相交流電圧に変換する機能を有している。

永久磁石形同期電動機２１には、電力変換手段２２からＵ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流Ｉｖ、Ｗ相電流Ｉｗの３相交流電力が供給される。又このとき、それぞれの永久磁石形同期電動機２１の各端子には電力変換手段２２から線間電圧Ｖｕｖ、Ｖｖｗ、Ｖｗｕが印加される。

直流回路遮断器３は、機能的には開閉器の一種であり、直流電源である架線と鉄道車両駆動制御装置との間の回路の接続・切り離しをおこなう。このように遮断器は、通常動作時はＯＮしており、保護動作が機能した場合に、正常回路を保護するために、電流を遮断するスイッチである。

充電用開閉器５と充電回路抵抗器６は、電力変換手段２２を起動する前に平滑コンデンサ１１を充電するためのものである。

鉄道車両駆動制御装置の運転を開始する場合や、走行中に保護機能が保護検知したために一旦鉄道車両駆動制御装置を停止した後に再度運転を開始する場合には、まず、充電用開閉器５を投入して充電回路抵抗器６で制限された電流によって平滑コンデンサ１１が充電される。平滑コンデンサ１１の充電が完了した後に直流回路開閉器４と電動機回路開閉器２５が投入されるとともに、充電用開閉器５が開放される。

直流回路開閉器４と電動機回路開閉器２５を投入するタイミングについては、充電回路抵抗器６の抵抗値と平滑コンデンサ１１の静電容量から予め求められる充電時間を考慮して、充電用開閉器５を投入した後に前記の充電時間が経過したことで、直流回路開閉器４と電動機回路開閉器２５を投入するとともに充電用開閉器５を開放する。又は別の方式として、直流電圧検出手段１２の出力信号である電圧検出値を監視して平滑コンデンサ１１の電圧が予め設定された閾値を超えたときに直流回路開閉器４と電動機回路開閉器２５を投入するとともに充電用開閉器５を開放しても良い。

直流回路遮断器３と直流回路開閉器４と電動機回路開閉器２５が投入されて鉄道車両駆動制御装置の回路が構成された後、電力変換手段２２は内蔵するスイッチング素子のＯＮ・ＯＦＦ動作を開始して起動する。

図１８は従来技術の鉄道車両駆動制御装置の制御回路及び制御部２０１の構成を示す図である。

１０１は制御回路電源、１０２は制御回路電源グラウンド、１０３は直流回路遮断器３の駆動操作コイル、１０４は直流回路開閉器４の駆動操作コイル、１０５は充電用開閉器５の駆動操作コイル、１２５は電動機回路開閉器２５の駆動操作コイル、１１０は電源電圧検出手段１０の出力信号、１１２は直流電圧検出手段１２の出力信号、１２４Ｕ〜１２４Ｗは電動機電流検出手段２４Ｕ〜２４Ｗの出力信号、２０１は制御部、２０２はインバータ制御手段、２０３は直流回路遮断器３の投入手段、２０４は直流回路開閉器４の投入手段、２０５は運転指令、２０６は運転停止指令出力手段、２０７は運転停止指令、２０８は電力変換手段起動指令出力手段、２０９は電力変換手段起動指令、２２５は電動機回路開閉器投入手段である。

継電器１０６ａは、直流回路遮断器３の駆動操作コイル１０３に電源を供給する制御回路であり、直流回路遮断器投入手段２０３からの投入指令信号によって投入される。

継電器１０６ｂは、直流回路開閉器４の駆動操作コイル１０４に電源を供給する制御回路であり、直流回路開閉器投入手段２０４からの投入指令信号によって投入される。このように継電器は、遮断器あるいは開閉器を動作させるコイルの駆動電流をＯＮ・ＯＦＦするスイッチである。

継電器１０６ｃは、充電用開閉器５の駆動操作コイル１０５に電源を供給する制御回路であり、直流回路開閉器投入手段２０４からの投入指令信号によって投入される。

継電器１０６ｄは、電動機回路開閉器２５の駆動操作コイル１２５に電源を供給する制御回路であり電動機回路開閉器投入手段２２５からの投入指令信号によって投入される。

インバータ制御手段２０２は、直流電圧検出手段の出力信号１１２と、電動機電流検出手段の出力信号１２４Ｕ〜１２４Ｗと、電力変換手段起動指令出力手段２０８の出力である電力変換手段起動指令２０９を入力として、電力変換手段２２の各スイッチング素子をＯＮ・ＯＦＦ動作させるためのゲート信号１２３Ｕ〜１２３Ｚを出力する。

運転停止指令出力手段２０６は、例えば鉄道車両駆動制御装置が有する保護機能が保護を検知した場合に、鉄道車両駆動制御装置の運転を停止するために、運転停止指令２０７を出力する。

電力変換手段起動指令出力手段２０８は、鉄道車両（列車）の運転台などからの運転指令２０５と、直流回路遮断器３の連動補助接点信号３０３と、直流回路開閉器４の連動補助接点信号３０４と、電動機回路開閉器２５の連動補助接点信号３２５と、運転停止指令２０７を入力として、電力変換手段２２が動作する場合に、各スイッチング素子のＯＮ・ＯＦＦ動作を許可する指令である電力変換手段起動指令２０９を出力する。

ここで、例えば鉄道車両駆動制御装置が有する保護機能が故障等を検知して図１７の鉄道車両駆動制御装置を停止する場合、運転停止指令出力手段２０６が運転停止指令２０７を出力すると、直流回路開閉器投入手段２０４が直流回路開閉器投入指令信号の出力を停止することによって、継電器１０６ｂを経て直流回路開閉器４が開放され、又、電動機回路開閉器投入手段２２５が電動機回路開閉器投入指令信号の出力を停止することによって、継電器１０６ｄを経て電動機回路開閉器２５が開放され、更に、電力変換手段起動指令出力手段２０８が電力変換手段起動指令２０９の出力を停止することによって、インバータ制御手段２０２はスイッチング素子のゲート信号１２３Ｕ〜１２３Ｚを全て阻止状態（ＯＦＦ）として電力変換手段２２の動作が停止する。

ところで、鉄道車両の場合、鉄道車両駆動制御装置が故障しても故障が発生した場所で停車したままでいることは、同じ路線を走行する他の列車の運転を妨げることになるので、最寄の駅まで、又は修理をおこなう車庫まで故障した列車を回送できる必要があるという、鉄道車両としての特殊な技術的要請がある。

本システムの鉄道車両駆動制御装置では、鉄道車両を駆動する電動機として永久磁石形同期電動機を適用している。永久磁石形同期電動機は、鉄道車両の駆動用電動機として従来利用されていた誘導電動機と比較して、電動機の効率が向上するという長所を有している反面、永久磁石形同期電動機が回転していると永久磁石の磁束によって永久磁石形同期電動機の端子に誘起電圧が発生する。

鉄道車両駆動制御装置のインバータ回路が内蔵しているスイッチング素子が短絡モードで故障すると、永久磁石形同期電動機の端子が短絡されて閉回路が構成されることになる。このため、永久磁石形同期電動機が回転すると誘起電圧によって永久磁石形同期電動機から、故障したインバータ回路に電流が流れ込み、損傷を更に拡大してしまう。又このとき、永久磁石形同期電動機とインバータ回路との間の閉回路に流れる電流のために、永久磁石形同期電動機にブレーキ力が発生する。よって、鉄道車両を回送することができなくなる。

このため、例えば、インバータ回路と永久磁石電動機の間に設けた電流検出手段によって、インバータの出力電流に異常を検出するか、又は直流電圧監視手段（直流電圧検出手段）によって、平滑コンデンサの直流電圧に異常を検出するなどの方法によって、インバータ回路が故障したことを保護機能が検出した場合に、インバータ回路と永久磁石形同期電動機との間の回路を開放する必要がある。このために、例えば特許文献１に示すような方式が提案され、インバータ回路と永久磁石形同期電動機との間の回路に開閉器を設けている。

特開平８−１８２１０５

鉄道車両を駆動する電動機として、従来の誘導電動機に代えて永久磁石形同期電動機を適用する場合には、インバータ回路と永久磁石形同期電動機との間の回路開閉器は、従来の誘導電動機用の鉄道車両駆動制御装置と異なり、追加が必須になる部品である。

つまり、鉄道車両の駆動用電動機に永久磁石形同期電動機を適用したシステムにおいては、鉄道車両駆動制御装置が内蔵しているインバータ回路が故障した場合には、故障したインバータ回路２２と電源である架線１との間の回路を開放し、かつ、故障したインバータ回路２２と永久磁石形同期電動機２１の間の回路を切り離す必要がある。

しかしながら、従来の鉄道車両駆動制御装置では、インバータ回路２２と永久磁石形同期電動機２１の間の回路を開閉器によって開放する場合に、次のような問題があった。

開閉器や遮断器は、その接触子が開放動作して電流を遮断すると、一般的に接触子の両端にサージ電圧を発生する。接触子が遮断する電流が微小電流の場合には、サージ電圧は小さいので問題にならないが、比較的大きな電流を遮断した場合には、サージ電圧のピークは数百から数千ボルトに達することもある。

ここで、前述の図１７を例に説明すると、インバータ回路（電力変換手段）が内蔵しているスイッチング素子と電動機回路開閉器の接触子は直接接続されているため、接触子の両端で発生したサージ電圧はスイッチング素子に印加されることになる。このサージ電圧がスイッチング素子の両端（コレクタとエミッタ間）に通常印加される電圧（スイッチング素子とダイオードがＯＦＦ状態の場合はほぼ直流回路側の電圧であり、又スイッチング素子がＯＮ状態からＯＦＦ状態へ移行する場合には過渡的な電圧が印加される）に重畳すると、スイッチング素子の両端に過大な電圧が印加され、スイッチング素子の電圧耐量を超えた場合にはスイッチング素子が破損に至ることになる。

本発明はこれらの技術的課題に鑑みてなされたもので、車両を駆動する永久磁石形同期電動機とインバータ回路（電力変換手段）との間の電動機回路に設けた電動機回路開閉器を開放する場合に、インバータ回路（電力変換手段）に内蔵されるスイッチング素子に過大な電圧が印加されてスイッチング素子を破損することを防止可能な、鉄道車両駆動制御装置を提供することを目的とする。

かかる課題を解決するために、本発明の一実施例による鉄道車両駆動制御装置は、車両を駆動する永久磁石形同期電動機と、直流電圧を任意の電圧と任意の周波数のｎ相交流電圧（ｎは交流の相数を表す任意の数）に変換して前記永久磁石形同期電動機に交流電力を供給する電力変換手段と、前記電力変換手段と前記永久磁石形同期電動機との間のｎ相交流電動機回路（ｎは交流の相数を表す任意の数）の少なくともｎ−１相に設けられ、前記電動機回路を投入・開放するための電動機回路開閉器と、鉄道車両駆動制御装置の運転を停止するための運転停止指令を出力する運転停止指令出力手段と、前記電力変換手段と前記永久磁石形同期電動機との間の前記電動機回路に流れる電流を検出するための電動機電流検出手段と、前記運転停止指令と、前記電動機電流検出手段の出力である電流検出値を入力として、前記電動機回路開閉器を開放するための電動機回路開放指令を出力する電動機回路開放指令出力手段、を有し、前記電動機回路開放指令出力手段は、前記運転停止指令が入力され前記電動機回路開放指令を出力する場合に、前記電動機電流検出手段の出力である電流検出値の振幅又は絶対値が前記ｎ相全てにおいて予め設定された値よりも小さいことを条件として、前記電動機回路開閉器を同時に開放するための電動機回路開放指令を出力する。

更に、本発明の他の実施例による鉄道車両駆動制御装置は、車両を駆動する永久磁石形同期電動機と、直流電圧を任意の電圧と任意の周波数のｎ相交流電圧（ｎは交流の相数を表す任意の数）に変換して前記永久磁石形同期電動機に交流電力を供給する電力変換手段と、前記電力変換手段と前記永久磁石形同期電動機との間のｎ相交流電動機回路（ｎは交流の相数を表す任意の数）の少なくともｎ−１相に設けられ、前記電動機回路を投入・開放するための電動機回路開閉器と、鉄道車両駆動制御装置の運転を停止するための運転停止指令を出力する運転停止指令出力手段と、前記の電力変換手段が内蔵するスイッチング素子のスイッチング動作を許可する電力変換手段起動指令を出力する電力変換手段起動指令出力手段と、前記運転停止指令及び電力変換手段起動指令を入力とし、前記電動機回路開閉器を開放するための電動機回路開放指令を出力する電動機回路開放指令出力手段、を有する。

前記電動機回路開放指令出力手段は、前記運転停止指令が入力され前記電動機回路開放指令を出力する場合に、前記電力変換手段起動指令が入力されていないことを条件として、前記電動機回路開放指令を出力する。

本発明によれば、車両を駆動する永久磁石形同期電動機と電力変換手段との間の電動機回路に設けた電動機回路開閉器を開放する場合に、電力変換手段に内蔵されるスイッチング素子に過大な電圧が印加されてスイッチング素子を破損することを防止可能な、鉄道車両駆動制御装置を実現できる。

本発明の第１の実施形態の鉄道車両駆動制御装置の構成例を示す図。本発明の第１の実施形態の鉄道車両駆動制御装置の制御回路と制御部の構成例を示す図。本発明の第１の実施形態の鉄道車両駆動制御装置の電力変換手段起動指令出力手段の構成例を示す図。本発明の第１の実施形態の鉄道車両駆動制御装置の電動機回路開放指令出力手段の構成例を示す図。本発明の第１の実施形態の鉄道車両駆動制御装置の電動機回路開放指令出力手段の別の構成例を示す図。本発明の第１の実施形態の鉄道車両駆動制御装置の別の構成例を示す図。本発明の第２の実施形態の鉄道車両駆動制御装置の電動機回路開放指令出力手段の構成例を示す図。本発明の第２の実施形態の鉄道車両駆動制御装置の電動機回路開放指令出力手段の別の構成例を示す図。本発明の第２の実施形態の鉄道車両駆動制御装置の電動機回路開放指令出力手段の別の構成例を示す図。本発明の第３の実施形態の鉄道車両駆動制御装置の制御回路と制御部の構成例を示す図。本発明の第３の実施形態の鉄道車両駆動制御装置の電動機回路開放指令出力手段の構成例を示す図。本発明の第４の実施形態の鉄道車両駆動制御装置の制御回路と制御部の構成例を示す図。本発明の第４の実施形態の鉄道車両駆動制御装置の電動機回路開放指令出力手段の構成例を示す図。本発明の第４の実施形態の鉄道車両駆動制御装置の電動機回路開放指令出力手段の動作を示す図。本発明の第１の実施形態の鉄道車両駆動制御装置において、電力変換手段を中性点クランプ形の３レベル方式のインバータ回路で構成した例を示す図。本発明の第１の実施形態の鉄道車両駆動制御装置において、電源（架線）が交流電源である場合の鉄道車両駆動制御装置の構成例を示す図。従来技術の鉄道車両駆動制御装置の構成を示す図。従来技術の鉄道車両駆動制御装置の制御部の構成を示す図。

以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態による鉄道車両駆動制御装置の車両駆動装置の構成を主に示している。

図１の各構成要素を以下に説明する。１は直流電源である架線、２は集電器、３は直流回路遮断器、４は直流回路開閉器、５は充電用開閉器、６は充電回路抵抗器、７は平滑リアクトル、８は車輪、９は帰線であるレール、１０は電源電圧検出手段、１１は平滑コンデンサ、１２は直流電圧検出手段、２１は車両を駆動する永久磁石形同期電動機、２２はインバータ回路である電力変換手段、２３Ｕ〜２３Ｚはインバータ回路のスイッチング素子、２４Ｕ〜２４Ｗは電動機電流検出手段、２５は電動機回路開閉器である。

電力変換手段２２はインバータ回路であり、スイッチング素子２３Ｕ〜２３Ｚを内蔵しており、この６個のスイッチング素子を任意に導通（ＯＮ）・阻止（ＯＦＦ）動作させることによって、直流電圧を任意の電圧と任意の周波数の３相交流電圧に変換する機能を有している。

図１では、スイッチング素子２３Ｕ〜２３Ｚは、適用例として、逆並列に接続されたダイオードを内蔵したＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）として記載しているが、電流を導通（ＯＮ）・阻止（ＯＦＦ）する機能を有した素子であれば種類はＩＧＢＴに限定されず適用可能である。又、ダイオードを内蔵しないＩＧＢＴを適用してこれと逆並列に別構成要素のダイオードを接続した回路構成としても良い。

電力変換手段２２のスイッチング素子のＯＮ・ＯＦＦ動作の方法については例えばパルス幅変調（ＰＷＭ）方式などがあるが、周知の技術であるとともにどの方式を適用しても本発明の鉄道車両駆動制御装置の実施形態には影響しないため説明を省略する。

直流回路遮断器３は、機能的には開閉器の一種であり、直流電源である架線と電力変換手段２２との回路の接続・切り離しをおこなう。直流回路遮断器３は、例えば、鉄道車両駆動制御装置の制御回路電源が投入されると制御部２０１から出力される投入指令信号によって投入される。

平滑リアクトル７は、架線１から電力変換手段２２への電流を平滑する機能を有する。

充電用開閉器５と充電回路抵抗器６は、電力変換手段２２を起動する前に平滑コンデンサ１１を充電するためのものある。

平滑コンデンサ１１は、電力変換手段２２に供給される直流電圧を安定させる作用を持つ。

鉄道車両駆動制御装置の運転を開始する場合や、走行中に保護機能が故障（過電圧、過電流あるいはスイッチ動作不良等）を検知したために、一旦鉄道車両駆動制御装置を停止した後に再度運転を開始する場合には、まず、充電用開閉器５を投入して平滑コンデンサ１１を充電する。充電用開閉器５が投入されると充電回路抵抗器６で制限された電流によって平滑コンデンサ１１が充電される。平滑コンデンサ１１の充電が完了した後に直流回路開閉器４と電動機回路開閉器２５が投入されるとともに、充電用開閉器５が開放される。

永久磁石形同期電動機２１は、その回転子が歯車などを介して駆動用車輪の車軸と接続されるか、又は回転子が駆動用車輪の車軸と直接接続されて鉄道車両を駆動するためのもので、例えば永久磁石同期電動機や永久磁石補助形リラクタンス電動機などであり、永久磁石を利用し、それ故にその回転子（ロータ）の回転により誘起電圧を発生する方式の電動機である。永久磁石形同期電動機２１には電力変換手段２２からＵ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流Ｉｖ、Ｗ相電流Ｉｗの３相交流電力が供給される。又このとき、永久磁石形同期電動機２１のそれぞれの端子には電力変換手段２２から線間電圧Ｖｕｖ、Ｖｖｗ、Ｖｗｕが印加される。

図２は、図１に示した本発明の第１の実施形態による鉄道車両駆動制御装置の車両制御装置の構成例を主に示した図である。

図２において、１０１は制御回路電源、１０２は制御回路電源グラウンド、１０３は直流回路遮断器駆動操作コイル、１０４は直流回路開閉器駆動操作コイル、１０５は充電用開閉器駆動操作コイル、１２５は電動機回路開閉器駆動操作コイル、１１０は電源電圧検出手段１０の出力信号、１１２は直流電圧検出手段１２の出力信号、１２４Ｕ〜１２４Ｗは電動機電流検出手段２４Ｕ〜２４Ｗの出力信号、２０１は制御部、２０２はインバータ制御手段、２０３は直流回路遮断器投入手段、２０４は直流回路開閉器投入手段、２０５は運転指令、２０６は運転停止指令出力手段、２０７は運転停止指令、２０８は電力変換手段起動指令出力手段、２０９は電力変換手段起動指令、２１０は電動機回路開放指令出力手段、２１１は電動機回路開放指令、２２５は電動機回路開閉器投入手段である。

継電器１０６ａは、直流回路遮断器３の駆動操作コイル１０３に電源を供給する制御回路であり、直流回路遮断器投入手段２０３からの投入指令信号によって投入される。直流回路遮断器投入手段２０３は、例えば、鉄道車両駆動制御装置の制御回路電源が投入されると、直流回路遮断器３の投入指令信号を出力する。

継電器１０６ｂは、直流回路開閉器４の駆動操作コイル１０４に電源を供給する制御回路であり直流回路開閉器投入手段２０４からの投入指令信号によって投入される。又、継電器１０６ｃは、充電用開閉器５の駆動操作コイル１０５に電源を供給する制御回路であり直流回路開閉器投入手段２０４からの投入指令信号によって投入される。

直流回路開閉器投入手段２０４は、例えば、直流回路遮断器３が投入された後に鉄道車両（列車）の運転台を介して運転士から運転指令２０５が入力されると、電源電圧検出値である電源電圧検出手段１０の出力信号１１０が正常な範囲（低電圧検知も過電圧検知もしない範囲）であることを条件として、充電用開閉器５の投入指令信号を出力する。直流回路開閉器４の投入指令信号は、例えば、充電回路抵抗器６の抵抗値と平滑コンデンサ１１の静電容量から求められる充電時間を考慮して、充電用開閉器の投入指令信号を出力した後に前記の充電時間が経過したことで直流回路開閉器４の投入指令信号を出力する。又、運転停止指令２０７が入力された場合は、直流回路開閉器４の投入指令信号及び充電用開閉器５の投入指令信号出力はともに停止する。

継電器１０６ｄは、電動機回路開閉器２５の駆動操作コイル１２５に電源を供給する制御回路であり電動機回路開閉器投入手段２２５からの投入指令信号によって投入される。電動機回路開閉器投入手段２２５は、直流回路開閉器投入手段２０４が出力した直流回路開閉器の投入指令信号が入力されると、電動機回路開閉器の投入指令信号を出力する。又、電動機回路開放指令２１１が入力された場合は、電動機回路開閉器の投入指令信号の出力を停止する。

インバータ制御手段２０２は、直流電圧検出値である直流電圧検出手段１２の出力信号１１２と、電動機電流検出値である電動機電流検出手段２４Ｕ〜２４Ｗの出力信号１２４Ｕ〜１２４Ｗと、電力変換手段起動指令出力手段２０８の出力である電力変換手段起動指令２０９を入力として、永久磁石形同期電動機２１の発生トルクを制御するための演算をおこない、電力変換手段２２の各スイッチング素子を導通（ＯＮ）・阻止（ＯＦＦ）動作させるためのゲート信号１２３Ｕ〜１２３Ｚを出力する。又、電力変換手段起動指令２０９の入力が停止した場合は、ゲート信号１２３Ｕ〜１２３Ｚは全て阻止（ＯＦＦ）状態となり電力変換手段２２の動作が停止する。

インバータ制御手段２０２がおこなう永久磁石形同期電動機２１の発生トルクを制御するための演算の方法は、例えば、永久磁石形同期電動機２１に流れる電流（電流検出手段の検出値）を座標変換の方法を用いて磁束方向成分と磁束方向と直交方向成分とに分離して電流制御をおこなうベクトル制御などの方法があるが、周知の技術であるとともにどの方式を適用しても本発明の鉄道車両駆動制御装置の実施形態には影響しないため説明を省略する。

運転停止指令出力手段２０６は、例えば鉄道車両駆動制御装置が有する保護機能が鉄道車両駆動制御装置の故障を検知した場合に、鉄道車両駆動制御装置の運転を停止するために、運転停止指令２０７を出力する。

電力変換手段起動指令出力手段２０８は、鉄道車両（列車）の運転台などからの運転指令２０５と、直流回路遮断器３の連動補助接点信号３０３と、直流回路開閉器４の連動補助接点信号３０４と、電動機回路開閉器２５の連動補助接点信号３２５と、運転停止指令２０７を入力として、電力変換手段２２が動作可能な場合に、例えば、図３に示す論理に従って、各スイッチング素子の導通（ＯＮ）・阻止（ＯＦＦ）動作を許可する指令である電力変換手段起動指令２０９を出力する。

電動機回路開放指令出力手段２１０は、運転停止指令２０７と、電動機電流検出手段の出力信号１２４Ｕ〜１２４Ｗを入力として、例えば図４に示した構成によって、電動機回路開放指令２１１を出力する。

図４は電動機回路開放指令出力手段２１０の一実施例として電動機回路開放指令出力手段２１０Ａの構成を示すブロック図である。比較器２２１〜２１３は、電流検出値１２４Ｕ〜１２４Ｗが０か否かそれぞれ判断し、０の場合にハイレベル信号を出力する。電動機２１に流れる３相交流電流は、位相が互いに１２０°ずれているので、通常動作時は同時に０となることはない。

保護機能が故障等を検知し、運転停止指令出力手段２０６の出力停止指令２０７がアクティブ(active)レベル（ハイレベル）となると、ＮＯＴ回路２２４はローレベル信号を出力し、ＲＳフリップフロップ２２６のリセット（Ｒ）は解除される。次いで電流検出値１２４Ｕ〜１２４Ｗが全て０となると、ＡＮＤ回路２２５はハイレベル信号を出力するので、ＲＳフリップフロップ２２６のセット入力（Ｓ）にハイレベルが入力され、電動機回路開放指令２１１としてハイレベル信号が出力される。

このように、保護機能が故障などを検知し、運転停止指令出力手段２０６の出力停止指令２０７がアクティブレベルになると、同期電動機２１の３相電流がインバータ制御手段２０２により確実に全て０に制御された後、電動機回路開閉器２５により遮断される。従って、同期電動機の３相電流遮断に起因するサージ電圧はスイッチング素子２３の電流端子に発生しない。

又電動機回路開放指令出力手段２１０は、図５のような構成としても良い。図５は電動機回路開放指令出力手段２１０の他の実施例として電動機回路開放指令出力手段２１０Ｂの構成を示すブロック図である。絶対値検出部２３１〜２３３は、電動機２１の３相電流検出値１２４Ｕ〜１２４Ｗの絶対値をそれぞれ検出する。最大値選択部２３４は、絶対値検出部２３１〜２３３の出力信号値のうち最大の値を常に選択する。比較器２３５は最大値選択部２３４の出力信号値が０か否か判断し、出力信号値が０の場合にハイレベル信号を出力する。

保護機能が故障等を検知し、停止指令２０７がアクティブレベル（ハイレベル）となると、ＮＯＴ回路２３６はローレベル信号を出力し、ＲＳフリップフロップ２３８のリセット（Ｒ）は解除される。次いで３相電流検出値１２４Ｕ〜１２４Ｗが全て０となると、比較器２３５はハイレベル信号を出力し、ＡＮＤ回路２３７はハイレベル信号を出力する。このとき、ＲＳフリップフロップ２３８のセット入力（Ｓ）にハイレベルが入力され、電動機回路開放指令２１１としてハイレベル信号が出力される。ここで、例えば鉄道車両駆動制御装置が有する保護機能が鉄道車両駆動制御装置の故障（過電圧、過電流あるいはスイッチ動作不良等）を検知して、鉄道車両駆動制御装置を停止する場合、運転停止指令出力手段２０６が運転停止指令２０７を出力する。すると、直流回路開閉器投入手段２０４が直流回路開閉器４の投入指令信号出力を停止することによって、継電器１０６ｂを経て直流回路開閉器４の接触子が開放される。又、運転停止指令２０７が出力されると、電力変換手段の起動指令出力手段２０８が電力変換手段起動指令２０９の出力を停止することによって、インバータ制御手段２０２はスイッチング素子のゲート信号１２３Ｕ〜１２３Ｚを全て阻止状態（ＯＦＦ）として電力変換手段２２の動作が停止する。更に、電力変換手段２２の停止に伴って、図４又は図５に示すような電動機回路開放指令出力手段２１０が、電動機回路の電流がゼロであることを条件として電動機回路開放指令２１１を電動機回路開閉器投入手段２２５に出力する。これによって、電動機回路開閉器２５の投入指令信号の出力が停止し、継電器１０６ｄを経て電動機回路開閉器２５の接触子が開放される。

本発明の第１の実施形態の鉄道車両駆動制御装置によれば、車両を駆動する永久磁石形同期電動機２１と電力変換手段２２との間に設けた電動機回路開閉器２５を開放する場合に、電動機回路開閉器２５の接触子が電流を遮断してサージ電圧を発生することを防止し、電力変換手段２２に内蔵されるスイッチング素子に過大な電圧が印加されてスイッチング素子を破損することを防止できる。

なお、図１に示した鉄道車両駆動制御装置では、電動機回路開閉器２５の接触子は、電力変換手段２２と永久磁石形同期電動機２１との間の３相交流回路の３相全てに接触子を設けた構成としているが、この接触子は永久磁石形同期電動機２１の誘起電圧によって故障した電力変換手段２２に流れ込む電流を切り離すためのものであるから、図６のように、３相交流回路のうちの２相に接触子を設けた構成としても良い。

又、図１に示した鉄道車両駆動制御装置の説明及び図６では、電動機回路開閉器２５の動作機構がノーマルオープン（駆動操作コイルが無加圧のとき、接触子が開放状態になる機構）の場合で説明している。電動機回路開閉器２５の動作機構がノーマルクローズ（駆動操作コイルが無加圧のとき、接触子が投入状態になる機構）の場合は、電動機回路開閉器投入手段２２５から出力される電動機回路開閉器の投入指令信号が反転し、信号が無いとき電動機回路開閉器２５が投入状態となり、信号が有るとき電動機回路開閉器２５が開放状態となる。その他の部分の本発明の実施形態の各構成要素の動作は前述の説明と同様である。

次に、本発明の第２の実施形態の鉄道車両駆動制御装置について説明する。本発明の第２の実施形態の鉄道車両駆動制御装置は、前述の本発明の第１の実施形態の鉄道車両駆動制御装置に比較して、電動機回路開放指令出力手段２１０の構成と動作が異なる。

図７に第２の実施形態に係る電動機回路開放指令出力手段２１０Ｃの構成例を示す。電動機回路開放指令出力手段２１０Ｃは、運転停止指令２０７と、電動機電流検出手段の出力信号１２４Ｕ〜１２４Ｗを入力する。比較器２４１ａは、電動機電流検出値１２４Ｕが予め設定された値Ａよりも大きい（ここでＡ＜０の値）場合、ハイレベル信号を出力する。比較器２４１ｂは、電動機電流検出値１２４Ｕが予め設定された値Ｂよりも小さい（ここでＢ＞０の値）場合、ハイレベル信号を出力する。従ってＡＮＤ回路２４４は、電動機電流検出値１２４Ｕが予め設定された範囲（Ａ〜Ｂ）内の値であるとき、ハイレベル信号を出力する。即ち、電動機電流検出値が範囲（Ａ〜Ｂ）内の値であるとき、電動機電流は流れていないと判断される。比較器２４２、２４３、ＡＮＤ回路２４５、２４６の動作も同様である。又ＡＮＤ回路２４７、ＮＯＴ回路２４８、ＲＳフリップフロップ２４９の動作は、図４の第１の実施形態におけるＡＮＤ回路、ＮＯＴ回路、ＲＳフリップフロップと同様である。

以上のように電動機回路開放指令出力手段２１０Ｃは、電動機の各電流検出値が予め設定された負の値Ａよりも大きく、かつ予め設定された正の値Ｂよりも小さい範囲の値であることを条件として、電動機回路開放指令２１１を出力する。

又電動機回路開放指令出力手段の構成例として、図８に示した電動機回路開放指令出力手段２１０Ｄ又は図９に示した電動機回路開放指令出力手段２１０Ｅの構成を適用し、電動機電流検出値の絶対値が予め設定された値Ｂよりも小さい（ここでＢ＞０の値）範囲であることを条件として、電動機回路開放指令２１１を出力しても良い。電動機回路開放指令出力手段以外の構成要素と動作については、前述の本発明の第１の実施形態の鉄道車両駆動制御装置と同様であり、本実施形態は第１の実施形態の効果を同様に得ることができる。

次に、本発明の第３の実施形態の鉄道車両駆動制御装置について説明する。本発明の第３の実施形態の鉄道車両駆動制御装置は、前述の本発明の第１の実施形態の鉄道車両駆動制御装置に比較して、制御部２０１の構成と動作が異なる。

図１０に制御部２０１の構成例を示す。電動機回路開放指令出力手段２１０は、運転停止指令２０７と、電力変換手段起動指令２０９を入力として、図１１に示す論理に従って、電動機回路開放指令２１１を出力する。図１１は本実施形態に係る電動機回路開放指令出力手段２１０Ｆの構成例を示す図である。鉄道車両駆動制御装置の他の構成要素と動作については、前述の第１の実施形態と同様である。

図１１において、保護機能が故障等を検出して運転停止指令２０７がアクティブレベル（ハイレベル）となると、ＮＯＴ回路２５２はローレベル信号を出力し、ＲＳフリップフロップ２５４のリセット（Ｒ）は解除される。次いで、図３に示した論理で出力される電力変換手段起動指令２０９がインアクティブ(inactive)レベル（ローレベル）になると、ＮＯＴ回路２５１はハイベル信号を出力し、ＡＮＤ回路２５３はハイレベル信号を出力するので、ＲＳフリップフロップ２５４のセット入力（Ｓ）にハイレベルが入力され、電動機回路開放指令２１１としてハイレベル信号が出力される。

ここで、電力変換手段起動指令２０９がローレベルになると、電動機電流はインバータ制御手段２０２により０に制御される。従って、電力変換手段起動指令２０９のローレベル（電動機電流が０）を条件として、運転停止指令２０７に応じて、電動機回路開閉器２５が開放される。

本発明の第３の実施形態の鉄道車両駆動制御装置によれば、車両を駆動する永久磁石形同期電動機と電力変換手段との間の電動機回路に設けた電動機回路開閉器を開放する場合に、電力変換手段２２が停止して永久磁石形同期電動機２１への交流電力の供給が停止してから電動機回路開閉器２５が開放される。従って、電動機回路開閉器２５の接触子が電流を遮断してサージ電圧を発生することを防止し、電力変換手段２２に内蔵されるスイッチング素子に過大な電圧が印加されてスイッチング素子を破損することを防止可能になる。

次に、本発明の第４の実施形態の鉄道車両駆動制御装置について説明する。本発明の第４の実施形態の鉄道車両駆動制御装置は、前述の本発明の第１の実施形態の鉄道車両駆動制御装置に比較して、制御部２０１の構成と動作が異なる。

図１２に制御部２０１の構成例を示す。電動機回路開放指令出力手段２１０は、運転停止指令２０７を入力として、図１３に示した電動機回路開放指令出力手段２１０Ｇの論理に従って、図１４に示す動作タイミングで電動機回路開放指令２１１を出力する。即ち電動機回路開放指令出力手段２１０Ｇは、運転停止指令２０７をオンディレイ時間Ｔｄ１だけ遅延して、電動機回路開放指令２１１として出力する。

ここで、電力変換手段起動指令出力手段２０８及びインバータ制御手段２０２において、運転停止指令２０７が運転停止指令出力手段２０６から出力されてから電力変換手段のゲート信号１２３Ｕ〜１２３Ｚが全て阻止状態（ＯＦＦ）となるまでの動作遅れ時間の合計をＴｄ２と表す。更に、電動機回路開閉器投入手段２２５と継電器１０６ｄと電動機回路開閉器２５において、電動機回路開放指令２１１が電動機回路開放指令出力手段２１０から出力されてから、電動機回路開閉器２５の接触子が開放するまでの動作遅れ時間の合計をＴｄ３と表す。又、運転停止指令２０７が運転停止指令出力手段２０６から出力されてから電動機回路開放指令出力手段２１０に入力されるまでの遅れ時間をＴｄ４と表す。この遅れ時間Ｔｄ４は、制御部２０１をソフトウエアで構成した場合に特に発生する遅延である。

以上のように動作遅れ時間を定義した場合、予め設定されたオンディレイ時間Ｔｄ１として、
Ｔｄ１ ≧ ０かつ、
Ｔｄ１＞Ｔｄ２−Ｔｄ３−Ｔｄ４（式１）
の関係が成立する時間が設定される。

制御部２０１の他の構成要素と動作については、前述の本発明の第１の実施形態の鉄道車両駆動制御装置と同様である。

本発明の第４の実施形態の鉄道車両駆動制御装置によれば、車両を駆動する永久磁石形同期電動機と電力変換手段との間の電動機回路に設けた電動機回路開閉器を開放する場合に、電力変換手段２２が停止して永久磁石形同期電動機２１への交流電力の供給が停止してから電動機回路開閉器２５を開放する動作となる。従って、電動機回路開閉器２５の接触子が電流を遮断してサージ電圧を発生することを防止し、電力変換手段２２に内蔵されるスイッチング素子に過大な電圧が印加されてスイッチング素子を破損することを防止可能になる。

前述の本発明の第１から第４の実施形態の鉄道車両駆動制御装置の構成例を示した図１及び図６では、永久磁石形同期電動機とインバータ回路である電力変換手段をそれぞれ１台ずつ備えた構成としている。しかし、１台の鉄道車両駆動制御装置が複数の永久磁石形同期電動機を駆動制御する場合には、複数の永久磁石形同期電動機と、これに対応する複数の電力変換手段を備えることになる。このような構成は、永久磁石形同期電動機と電力変換手段と電動機回路開閉器と電動機電流検出手段の組み合わせの数が増加したのみで、各構成要素の動作は前述した本発明の実施形態における動作と同様であり、本発明の効果を同様に得ることができる。

又、本発明の第１の実施形態から第４の実施形態の鉄道車両駆動制御装置では、それぞれの実施形態を示した図におけるインバータ回路である電力変換手段２２について、２レベル回路で構成した例で示したが、例えば図１５に示す鉄道車両駆動制御装置のように、インバータ回路である電力変換手段２２を中性点クランプ形の３レベル回路で構成した場合においても本発明の効果を同様に得ることができる。

つまり、本発明の実施形態として示した図におけるインバータ回路である電力変換手段２２は、直流電圧を任意の大きさの電圧と任意の周波数の交流電圧に変換するインバータ回路であれば、その内部回路の構成によらず適用可能であり、本発明の効果を同様に得ることができる。

前述の本発明の第１の実施形態から第４の実施形態の鉄道車両駆動制御装置では、架線１が直流架線（直流電源）の場合を例として記載しているが、架線１が交流架線（交流電源）の場合には、図１６に示した構成例のように、集電器２と平滑コンデンサ１１との間に、交流電源を任意の電圧の直流電圧に変換してインバータ回路に供給するための、コンバータ回路を設置することになる。

又、前述の本発明の第１の実施形態から第４の実施形態の鉄道車両駆動制御装置では、鉄道車両駆動制御装置の電源が架線の場合を例として記載しているが、電源が電池の場合には、架線１と集電器２と帰線９の代わりに、電源である電池を接続することになる。又、電源が発電機の場合には、架線１と集電器２と帰線９の代わりに、電源である発電機を接続することになり、更に発電機の出力が交流電圧である場合は、交流電圧を直流電圧に変換する整流回路やコンバータ回路を設けることになる。

以上の説明はこの発明の実施形態であって、この発明の装置及び方法を限定するものではなく、様々な変形例を容易に実施することができるものである。

１…直流電源（架線）、２…集電器、３…直流回路遮断器、４…直流回路開閉器、５…充電用開閉器、６…充電回路抵抗器、７…平滑リアクトル、８…車輪、９…レール（帰線）、１０…電源電圧検出手段、１１…平滑コンデンサ、１２…直流電圧検出手段、２１…永久磁石形同期電動機、２２…電力変換手段（インバータ回路）、２３Ｕ〜２３Ｚ…電力変換手段（インバータ回路）のスイッチング素子、２４Ｕ〜２４Ｗ…電動機電流検出手段、２５，２５Ｕ〜２５Ｗ…電動機回路開閉器、３２…コンバータ回路、３３Ｕ〜３３Ｙ…コンバータ回路のスイッチング素子、６１…交流電源（架線）、６２…交流回路遮断器、６３…変圧器１次巻線、６４…変圧器２次巻線、６５…変圧器３次巻線、６６…交流電圧検出手段、６７…交流回路開閉器、６８…交流回路電流検出手段、１０１…制御回路電源、１０２…制御回路電源グラウンド、１０３…直流回路遮断器駆動操作コイル、１０４…直流回路開閉器駆動操作コイル、１０５…充電用開閉器駆動操作コイル、１０６ａ〜１０６ｄ…継電器、１１０…電源電圧検出手段の出力信号、１１２…直流電圧検出手段の出力信号、１２３Ｕ〜１２３Ｚ…電力変換手段ゲート信号、１２４Ｕ〜１２４Ｗ…電動機電流検出手段の出力信号、１２５…電動機回路開閉器駆動操作コイル、２０１…制御部、２０２…インバータ制御手段、２０３…直流回路遮断器投入手段、２０４…直流回路開閉器投入手段、２０５…運転指令、２０６…運転停止指令出力手段、２０７…運転停止指令、２０８…電力変換手段起動指令出力手段、２０９…電力変換手段起動指令、２１０…電動機回路開放指令出力手段、２１１…電動機回路開放指令、２２５…電動機回路開閉器投入手段、３０３…直流回路遮断器連動補助接点、３０４…直流回路開閉器連動補助接点、３２５…電動機回路開閉器連動補助接点

Claims

車両を駆動する永久磁石形同期電動機と、
直流電圧を任意の電圧と任意の周波数のｎ相交流電圧（ｎは交流の相数を表す任意の数）に変換して前記永久磁石形同期電動機に交流電力を供給する電力変換手段と、
前記電力変換手段と前記永久磁石形同期電動機との間のｎ相交流電動機回路（ｎは交流の相数を表す任意の数）の少なくともｎ−１相に設けられ、前記電動機回路を投入・開放するための電動機回路開閉器と、
鉄道車両駆動制御装置の運転を停止するための運転停止指令を出力する運転停止指令出力手段と、
前記電力変換手段と前記永久磁石形同期電動機との間の前記電動機回路に流れる電流を検出するための電動機電流検出手段と、
前記運転停止指令と、前記電動機電流検出手段の出力である電流検出値を入力として、前記電動機回路開閉器を開放するための電動機回路開放指令を出力する電動機回路開放指令出力手段、を有し、
前記電動機回路開放指令出力手段は、前記運転停止指令が入力され前記電動機回路開放指令を出力する場合に、前記電動機電流検出手段の出力である電流検出値の振幅又は絶対値が前記ｎ相全てにおいて予め設定された値よりも小さいことを条件として、前記電動機回路開閉器を同時に開放するための電動機回路開放指令を出力することを特徴とする鉄道車両駆動制御装置。