JP5681441B2

JP5681441B2 - 車両用駆動制御装置

Info

Publication number: JP5681441B2
Application number: JP2010233101A
Authority: JP
Inventors: 隆志高木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2010-10-15
Filing date: 2010-10-15
Publication date: 2015-03-11
Anticipated expiration: 2030-10-15
Also published as: JP2012090380A

Description

本発明の実施形態は、車両用駆動制御装置に関する。

近年、回転子に永久磁石を埋め込んでいる永久磁石同期電動機と、永久磁石同期電動機を制御する電力変換装置を永久磁石動機電動機と接続して構成する車両用駆動制御装置が普及してきている。永久磁石動機電動機は、電力変換装置の制御によって動作する回転子の回転と共に自発的に回転磁界を発生させることができる。そのため、誘導機とは異なり回転子に電流を流す必要がなく、回転子にはコイルも取り付けられていない。このような構成の永久磁石同期電動機は、回転子で損失が発生することがなく、誘導機よりも効率的に稼動することが可能である。

このようなメリットがある一方、永久磁石同期電動機では力行・回生を行っていない非制御時（惰性走行時）には、この回転磁界によって固定子端子に電圧（無負荷誘起電圧）が発生するというデメリットが存在する。永久磁石同期電動機の高速回転時に、永久磁石同期電動機で発生した無負荷誘起電圧の瞬時値が電力変換装置の直流電圧を超えた場合、永久磁石同期電動機で発生する電流は、電力変換装置の内部素子である逆導通ダイオードで整流され回生されてしまう。

この回生動作は、非制御時だけなく制御時にも生じるため、永久磁石同期電動機の高速回転時には、永久磁石同期電動機の磁束を弱める電流を、トルク電流に追加して流す弱め磁束制御が行われている。

上述したように永久磁石同期電動機を有する車両用駆動制御装置では、非制御時、制御時に関わらず、電力変換装置と永久磁石同期電動機間の配線、または永久磁石同期電動機内部で短絡・地絡が発生すると、永久磁石動機電動機内で発生する誘起電圧を起電力とした回路が形成される。この短絡・地絡回路が形成されることで、永久磁石同期電動機からの電流または、電力変換装置に接続されたフィルタコンデンサからの電流が、地絡箇所を介して電力変換装置や永久磁石同期電動機内へ事故電流として流れてしまう。事故電流の流通は、永久磁石同期電動機及び、電力変換装置の破損につながるおそれがあることから、短絡・地絡事故が発生した場合の事故電流の循環を防ぐため、電力変換装置と永久磁石同期電動機の間で、電流値のゼロ点付近で接触面を離し、電流を遮断する遮断方法をとっている真空遮断器が設けられている。

特開２００８−１６６０８５号公報特開２００８−２１４１８号公報

しかしながら、上述した車両用駆動制御装置は、電力変換装置の停止を真空遮断器の開放よりも先に行う制御のため、事故電流が電流値のゼロ点を有さない直流化されるという問題がある。

以下に、事故電流の直流化について説明する。通常、上述した短絡・地絡事故発生時は、電力変換装置の動作の停止と真空遮断器の遮断動作が行われることで、車両用駆動制御装置内に回生電流の流れを防ぐことになる。しかしながら、短絡・地絡事故の発生後、電力変換装置の停止時間は約数十μ秒で行われ、真空遮断器の遮断動作はコンマ数秒で行われる。真空遮断器の遮断動作よりも電力変換装置の動作停止が早く行われる。この動作時間の差のため、事故回路に流れる回生電流は図８に示すような、地絡・短絡を起こした相がゼロ点を通らない脈動する直流電流となり、その他の相は、ダイオードのみの回生動作により流れることになるため、プラスの電流を持たない波形となる。直流化された事故電流を真空遮断器が遮断しようとする場合、真空遮断器の遮断面でアースが発生し、真空遮断器が溶着する可能性がある。真空遮断器が溶着等の故障をすると、事故電流が永久に流れ続けるおそれがある。

本発明が解決しようとする課題は、地絡・短絡発生時に真空遮断器を開放した際も真空遮断器の故障を抑制する車両用駆動制御装置を提供することである。

実施形態の車両用駆動制御装置は、パンタグラフを介して受けた直流電力をスイッチング素子のスイッチング動作によって交流電力に変換する電力変換装置と、この電力変換装置から出力された交流電力によって駆動する永久磁石同期電動機と、前記電力変換装置と前記永久磁石同期電動機との間に設けられ、前記電力変換装置と前記永久磁石同期電動機とを電気的に接続または開放する接触器と、前記電力変換装置と前記永久磁石同期電動機との間に設けられた交流側電流センサと、制御部とを備え、この制御部は、前記電力変換装置と前記永久磁石同期電動機との間の配線で地絡・短絡が発生していることを検知し、地絡・短絡の発生が検知されると、前記スイッチング素子をオンに制御するゲート指令を出力し、前記ゲート指令が出力されてから所定時間が経過すると、前記接触器が開放されるように制御し、前記接触器を開放するように制御した後、前記交流側電流センサが検出した電流値によって前記接触器が開放されていないことが検知されると、再度、前記接触器が開放されるように制御する。

第１の実施形態の事故電流制御部を有する車両用駆動制御装置の回路構成図。第１の実施形態の事故電流制御部のフローチャート。第１の実施形態の事故電流の交流化の第１説明図。第１の実施形態の事故電流の交流化の第２説明図。第１の実施形態の事故電流の交流化の第３説明図。第２の実施形態の事故電流制御部を有する車両用駆動制御装置の回路構成図。第２の実施形態の事故電流制御部のフローチャート。短絡・地絡事故発生時の事故電流の波形図。

以下、実施形態の地絡に対する保護システムについて図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
第１の実施形態について図１乃至図４を参照し、詳細に説明する。図１は、第１の実施形態の事故電流制御部を有する車両用駆動制御装置の回路構成図である。図２は、第１の実施形態の事故電流制御部のフローチャートである。図３は、第１の実施形態の事故電流の交流化の第１説明図である。図４は、第１の実施形態の事故電流の交流化の第２説明図である。図５は、第１の実施形態の事故電流の交流化の第３説明図である。

（構成）
図１は、フィルタコンデンサ１、電力変換装置電力変換装置２、接触器３、永久磁石同期電動機４、第２電流センサ５、上アーム８、下アーム９、ダイオード１０、ＩＧＢＴ１１、第１電流センサ１２、パンタグラフ１３、接地１４、事故電流制御部１００、事故検知部１０１、ゲート指令部１０２、遮断器開放部１０３を有している車両用駆動回路を示している。図１に示すように、電力変換装置２の直流入力側にはパンタグラフ１３が接続され、直流出力側には接地１４が接続される。直流出力側の電力変換装置２と接地１４間に、第１電流センサ１２が接続される。また電力変換装置２の直流入出力間にフィルタコンデンサ１が、電力変換装置２と並列に接続される。電力変換装置２は、接触器３、第２電流センサ５を介してＵ相、Ｖ相、Ｗ相を形成する永久磁石同期電動機４と接続されている。電力変換装置２は、ダイオード１０とＩＧＢＴ１１が並列に接続された素子回路を有している。２つの素子回路を直列接続し、その直列接続された素子回路を３列に並列に接続することで構成している。電力変換装置２を構成する６つのスイッチング素子のうち、上側に位置している３つのスイッチング素子を上アーム８とし、下側に位置している３つのスイッチング素子を下アーム９とする。

また、事故検知部１０１、ゲート指令部１０２、遮断器開放部１０３を有する事故電流制御部１００は、電力変変換装置２、接触器３、第１電流センサ１２と接続される。事故検知部１０１は、第１電流センサ１２、ゲート指令部１０２と接続され、ゲート指令部１０２は、電力変換装置２、遮断器開放部１０３と接続され、遮断器開放部１０３は、ゲート指令部１０２、接触器３と接続される。

（作用）
以下に、本実施形態の事故電流を遮断する作用を説明するため、図２から図５を用いて、事故電流を検知するための方法から順に説明していく。第１電流センサ１２で検出された電流値（ＩＤＣ）が検出される（Ｓ３２）。検出された電流値（ＩＤＣ）は、事故検知部１０１に入力され、予め設定される所定値（β）と電流値（ＩＤＣ）が比較される（Ｓ３３）。比較後、所定値（β）＞電流値（ＩＤＣ）と判断された場合は、車両用駆動制御装置が正常に起動しているとし、再度、電流を検出し、その電流値（ＩＤＣ）を所定値（β）と比較する動作を行う。一方、比較後、所定値（β）≦電流値（ＩＤＣ）と判断された場合は、Ｕ相渡り配線、Ｖ相渡り配線、Ｗ相渡り配線の配線間のいずれかにおいて短絡または地絡事故が生じているとし、事故検知部１０１よりゲート指令部１０２へ事故検知信号を送信され、ゲート指令部１０２では事故電流を検知する（Ｓ３４）。

このような事故電流を交流電流化し、遮断器３で遮断可能に制御する事故電流制御部１００によって実施される事故電流制御部について図１を参照して説明する。事故検知信号を検知したゲート指令部１０２は、上アーム８のスイッチング素子をＯＮする制御信号を電力変換装置２及び遮断器開放部１０３へ出力する。上アーム８のスイッチング素子をＯＮする制御信号を受け取った電力変換装置２は、上アーム８をＯＮ、下アーム９をＯＦＦするように制御される。

ここで、上アーム８をＯＮし、下アーム９をＯＦＦした場合で、回生電流が交流化する電流経路３０、４０を図３及び図４に示している。図３の電流経路３０は、Ｕ相からＶ相へ電流が流れる際に、ＩＧＢＴとダイオードを通過している例である。また図４の電流経路４０は、Ｖ相からＵ相へ電流が流れる際に、ダイオード及びＩＧＢＴを通過している例である。このように上アーム８のスイッチング素子を使用することで図５に示すような電流値のゼロ点を通る電流波形が形成され、車両用駆動制御装置の３相の電流波形も電流値ゼロを通る波形となる。そのため、遮断器開放部１０３は、一定時間後、接触器３へ開放信号を出力する。開放信号を受け取った接触器３が開放される（Ｓ３５）。

接触器３が開放され、永久磁石動機電動機４と電力変換装置２間が電気的に遮断した一定時間（時素Ａ経過）後、ゲート指令部１０２より、電力変換装置２のゲートを停止するゲートオフ制御信号が電力変換装置２へ出力される（Ｓ３７）。ゲートオフの制御信号により電力変換装置２の稼動停止後、第２電流センサ５で検出される電流値（ＩＡＣ）がゲート指令部１０２で認識される（Ｓ３８）。さらに、ゲート指令部１０２では、電流値（ＩＡＣ）とゼロが比較される（Ｓ３０）。比較後、電流値（ＩＡＣ）＞０と判断された場合は、接触器３が開放されていないとし、再度、ゲート指令部１０２から遮断器開放部１０３で制御信号を入力し、遮断器開放部１０３から接触器３に開放信号を出力する。また一方で、比較後、電流値（ＩＡＣ）≦０と判断された場合は、接触器３が正常に開放され、事故電流が除去されたため、事故電流制御部の終了となる。

（効果）
以上に述べた実施形態の事故電流制御部によれば、事故電流を交流化することで真空遮断器により事故電流を遮断することが可能な車両用駆動制御装置を提供することが可能となる。

また、事故電流は、永久磁石同期電動機４と電力変換装置２間に設けた第２電流センサ５によって検出することも可能である。

その場合、第２電流センサ５でＵ相とＷ相の電流を検出する。検出された電流値は事故検知部１０１に入力される。入力されたＵ相及びＷ相の電流値からＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相和を算出し、ゼロとならなかった場合に事故電流とみなす。このとき、事故電流信号が事故検知部１０１からゲート指令部１０２へ出力される。事故電流信号を受け取ったゲート指令部１０２は、電力変換装置２の上アーム８を開放し、下アーム９を投入する制御信号を電力変換装置２及び、遮断器開放部１０３へ出力する。制御信号を受け取った電力変換装置２の下アーム９は、スイッチング動作が継続される。そのため事故電流は下アーム９によって交流化される。遮断器３には交流化された事故電流が流れることになるため、遮断器３の遮断機能によって事故電流は遮断されることになる。制御信号を受け取った遮断器開放部は、一定時間が経った後、遮断器３を開放する開放信号を遮断器３へ出力する。

また、下アーム９をＯＮし、上アーム８をＯＦＦするための制御信号をゲート指令部１０２から電力変換装置２に出力することも可能である。その場合も、事故電流が交流化するため、真空遮断器により事故電流を遮断することが可能である。

また、上アーム８、下アーム９をＯＮするための制御信号をゲート指令部１０２から電力変換装置２へ出力することも可能である。その場合も、事故電流が交流化するため、真空遮断器により事故電流を遮断することが可能である。

（第２の実施形態）
第２の実施形態について図を参照し、詳細に説明する。図６は、第２の実施形態の事故電流制御部を有する車両用駆動制御装置の回路構成図である。図７は、第２の実施形態の事故電流制御部のフローチャートである。尚、図１乃至５と同一の構成をとるものについては、同符号を付して説明を省略する。

本実施形態は、第１の実施形態とは、事故電流検知後の事故電流の制御方法が異なっている。以下、その点について詳細に説明する。

（構成）
事故電流制御部２００は、事故検知部２０１、ブレーキ出力部２０２で構成される。事故検知部２０１は、遮断器３、電流センサ５、ブレーキ出力部２０２と接続される。ブレーキ出力部２０２は、事故検知部２０１、ブレーキ２０３と接続される。ブレーキ２０３は機械的ブレーキであり、ディスクブレーキや空気ブレーキ、油圧ブレーキなどが挙げられる。

（作用）
このような構成の事故電流制御部について説明する。図５に示すように、電流センサ５により検出される電流値が事故検知部２０１に入力され、事故検知部２０１の演算結果に基づき事故電流が検出される（Ｓ２１）。事故電流が検知された事故検知部２０１は、事故電流信号をブレーキ出力部２０２に出力する。事故電流信号を受け取ったブレーキ出力部２０２は、ブレーキ２０３へブレーキ信号を出力する。ブレーキ信号を受け取ったブレーキ２０３は、機械的に永久磁石同期電動機４の回転を停止させる。永久磁石同期電動機４からの電流が検出されないことを第２電流センサ５によって検知することで、接触器３を開放する。その後、電力変換装置のゲートオフ制御をすることも可能である。

（効果）
以上述べた少なくともひとつの実施形態の地絡によれば、事故電流を制御する事故電流制御部により、大型化せずに地絡・短絡時の事故電流を真空遮断器で遮断するとことが可能な車両用駆動制御装置を提供することが可能となる。

１フィルタコンデンサ
２電力変換装置電力変換装置
３接触器
４永久磁石同期電動機
５第２電流センサ
８上アーム
９下アーム
１０ダイオード
１１ＩＧＢＴ
１２第１電流センサ
１３パンタグラフ
１４接地
１００事故電流制御部
１０１事故検知部
１０２ゲート指令部
１０３遮断器開放部
２００事故電流制御部
２０１事故検知部
２０２ブレーキ出力部
２０３ブレーキ

Claims

パンタグラフを介して受けた直流電力をスイッチング素子のスイッチング動作によって交流電力に変換する電力変換装置と、
この電力変換装置から出力された交流電力によって駆動する永久磁石同期電動機と、
前記電力変換装置と前記永久磁石同期電動機との間に設けられ、前記電力変換装置と前記永久磁石同期電動機とを電気的に接続または開放する接触器と、
前記電力変換装置と前記永久磁石同期電動機との間に設けられた交流側電流センサと、
制御部と、を備え、
この制御部は、
前記電力変換装置と前記永久磁石同期電動機との間の配線で地絡・短絡が発生していることを検知し、
地絡・短絡の発生が検知されると、前記スイッチング素子をオンに制御するゲート指令を出力し、
前記ゲート指令が出力されてから所定時間が経過すると、前記接触器が開放されるように制御し、
前記接触器を開放するように制御した後、前記交流側電流センサが検出した電流値によって前記接触器が開放されていないことが検知されると、再度、前記接触器が開放されるように制御する
ことを特徴とする車両用駆動制御装置。
前記制御部は、前記交流側電流センサが検出した電流値が所定の電流値より大きいときに地絡・短絡が発生していることを検知する請求項１に記載の車両用駆動制御装置。
前記電力変換装置と接地との間に設けられた直流側電流センサを更に備え、
前記制御部は、前記交流側電流センサが検出した電流値または前記直流側電流センサが検出した電流値が所定の電流値より大きいときに地絡・短絡が発生していることを検知する請求項１に記載の車両用駆動制御装置。
複数の前記スイッチング素子で前記電力変換装置の上アームと下アームが構成され、
前記制御部は、前記地絡・短絡が発生していることを検知すると、前記上アームおよび下アームのいずれか一方のスイッチング素子をオンに、そして他方のスイッチング素子をオフに制御するゲート指令を出力することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか1つに記載の車両用駆動制御装置。