JP6058150B2

JP6058150B2 - 電気車の電力変換装置および電力変換装置の制御方法

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Inventors: 太一吉田
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Description

この発明は、電気車の電力変換装置および電力変換装置の制御方法に関する。

電気鉄道車両（以下、電気車という）において用いられる電力変換器のように、電動機を駆動する電力変換器は、入力された電力を変換し、電動機を駆動するための電力を出力する。電力変換器は、運転指令、および速度センサによって検出された電動機の角速度に基づき、電動機のトルクが所望の値となるように電力を出力する。

例えば速度センサに異常が生じた場合には、電動機のトルクが所望の値となるように制御することができなくなり、電動機が破損する可能性がある。そこで特許文献１に開示されるパルスジェネレーター断線検出付速度制御装置は、電動機の角速度を示すパルスジェネレーターの出力信号が検出できない状態であって、電流基準またはトルク基準がほぼ制限値になっている状態が一定時間継続した場合に、パルスジェネレーターの断線を検出する。

特開２０００−３５４３８８号公報

特許文献１に開示されるパルスジェネレーター断線検出付速度制御装置は、パルスジェネレーターの電源ケーブルおよび信号線等が完全に断線はしていないが異常が生じている状態で、上記一定時間内にパルスジェネレーターの出力信号が再度検出される場合には、パルスジェネレーターの異常を検出することができない。またパルスジェネレーターの異常によって、パルスジェネレーターの出力信号が瞬間的に減少する場合においても、パルスジェネレーターの異常を検出することができない。

本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、電動機の速度センサにおける異常の検出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、本発明の電気車の電力変換装置は、入力された電力を変換し、複数の電動機を駆動する電力を出力する電気車の電力変換装置であって、速度演算部、加速度演算部、平均値演算部、および異常検出部を備える。速度演算部は、電動機のそれぞれの回転に応じた信号を出力する複数の速度センサから取得した信号に基づき、電動機のそれぞれの角速度を演算する。加速度演算部は、電動機のそれぞれの角加速度を演算する。平均値演算部は、複数の電動機の角速度の平均値を演算する。異常検出部は、平均値演算部の演算結果が定めた範囲内である場合であって、定めた時間内において、電動機のそれぞれの角加速度に基づく値が定めた範囲を超えた回数が閾値以上である場合に、複数の速度センサの内、少なくともいずれかに異常が生じていることを検出する。

本発明によれば、定めた時間内において、電動機の角加速度に基づく値が定めた範囲を超えた回数が閾値以上である場合に、速度センサに異常が生じていることを検出することで、電動機の速度センサにおける異常の検出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１に係る電力変換装置の構成例を示すブロック図である。実施の形態１に係る異常検出部の構成例を示すブロック図である。実施の形態１に係る異常検出部における異常の検出の一例を示すタイムチャートである。実施の形態１に係る電力変換装置の制御動作の一例を示すフローチャートである。本発明の実施の形態２に係る電力変換装置の構成例を示すブロック図である。実施の形態２に係る加速度差演算部の構成例を示すブロック図である。実施の形態２に係る異常検出部の構成例を示すブロック図である。実施の形態２に係る電力変換装置の制御動作の一例を示すフローチャートである。本発明の実施の形態３に係る電力変換装置の構成例を示すブロック図である。実施の形態３に係る異常検出部の構成例を示すブロック図である。本発明の実施の形態４に係る異常検出部の構成例を示すブロック図である。実施の形態４に係る異常検出部の異なる構成例を示すブロック図である。実施の形態４に係る電力変換装置の構成例を示すブロック図である。実施の形態４に係る異常検出部の異なる構成例を示すブロック図である。

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。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の構成例を示すブロック図である。電力変換装置１は、電気車に備えられ、車輪を駆動する電動機１１に対し電力を出力する。電力変換装置１は、入力された電力を変換して出力する電力変換器２、電動機１１の角速度を演算する速度演算部３、電動機１１の角加速度を演算する加速度演算部４、電動機１１の角加速度の絶対値を演算する絶対値演算部５、電動機１１の角加速度の絶対値に基づき電動機１１の異常を検出する異常検出部６、および電動機１１の異常が検出された場合に電力変換器２を停止する停止部７を備える。

より詳細には、電力変換器２の入力端子の一端は、パンタグラフなどの集電装置を介して架線に接続され、他端は接地される。電力変換器２は、図示しない電力変換器制御部によって制御され、入力された電力を変換し、電動機１１を駆動する電力を出力する。上記電力変換器制御部は、力行指令およびブレーキ指令などの運転指令、および、速度演算部３で演算した電動機１１の角速度に基づき、電力変換器２を制御する。電力変換器２は任意数の電動機１１を駆動することができる。実施の形態１においては、電力変換器２は１つの電動機１１を駆動する。電動機１１は、誘導電動機などの交流電動機に限られず、電動機１１として任意の電動機を用いることができる。

電動機１１の回転軸には速度センサの一種であるＰＧ（Pulse Generator）１２が取り付けられている。ＰＧ１２は、電動機１１の回転数に応じてパルス信号を出力する。例えばＰＧ１２は、電動機１１の回転軸が１回転する度に、数十から数百のパルスを発生させる。点線で囲まれた部分は、センサ異常検出部１０であり、センサ異常検出部１０の各部が協働してＰＧ１２の異常を検出する。

速度演算部３は、ＰＧ１２が出力するパルス信号に基づき、単位時間あたりのパルス数を検出して電動機１１の角速度を演算し、加速度演算部４に送る。加速度演算部４は、電動機１１の角速度に基づき、定めた時間における角速度の変化を検出して電動機１１の角加速度を演算し、絶対値演算部５に送る。角速度の変化を検出する定めた時間の長さは任意に決めることができる。絶対値演算部５は、電動機１１の角加速度の絶対値を演算し、異常検出部６に送る。

異常検出部６は、定めた時間内において、電動機１１の角加速度に基づく値が定めた範囲を超えた回数が閾値以上である場合に、ＰＧ１２に異常が生じていることを検出する。ＰＧ１２の異常を検出するための定めた時間の長さは任意に決めることができる。実施の形態１に係る電力変換装置１においては、異常検出部６は、定めた時間内において、電動機１１の角加速度の絶対値が第１の閾値以上となる回数が第２の閾値以上である場合に、ＰＧ１２に異常が生じていることを検出する。なおＰＧ１２に異常が生じているとは、ＰＧ１２自体の異常に加え、ＰＧ１２に接続される電源ケーブル等の異常を含む。

異常検出部６は、ＰＧ１２に異常が生じていることを検出すると、停止部７にその旨を通知する。例えば、異常検出部６は、ＰＧ１２に異常が生じていることを検出すると、一定時間Ｈレベルとなる異常検出信号を停止部７に送る。停止部７は、異常検出信号がＨレベルであることを検出すると、電力変換器２に停止信号を出力し、電力変換器２を停止する。なお異常検出信号がＨレベルとなった場合の動作は電力変換器２の停止に限定されない。異常検出信号がＨレベルとなった場合に、例えば電力変換器制御部が、運転指令、および電動機１１に供給される電流などに基づき推定した電動機１１の角速度に基づき、電力変換器２を制御してもよい。

異常検出部６の異常検出の動作の詳細について説明する。図２は、実施の形態１に係る異常検出部の構成例を示すブロック図である。異常検出部６は、比較器６１およびカウント回路６２を備える。比較器６１は、絶対値演算部５が出力する電動機１１の角加速度の絶対値が、第１の閾値以上であるか否かを判定し、電動機１１の角加速度の絶対値が第１の閾値以上である場合にはＨレベルである信号を出力する。第１の閾値は、任意に定めることができる。ＰＧ１２が正常に動作している間は、電動機１１の角速度は連続的に変化する。一方、ＰＧ１２に異常が生じた場合には、電動機１１の角速度は急激に変化する。第１の閾値を、ＰＧ１２が正常に動作している際の電動機１１の角加速度の大きさに比べて十分に大きい値とすることで、異常検出部６における誤検出を防止することが可能となる。

カウント回路６２は、比較器６１の出力信号の立ち上がりを検出し、定めた時間内において、立ち上がりを検出した回数が第２の閾値以上となるか否かを判定し、立ち上がりを検出した回数が第２の閾値以上となった場合にＨレベルとなる異常検出信号を出力する。すなわち、カウント回路６２は、電動機１１の角加速度の絶対値が第１の閾値以上となる回数が第２の閾値以上となった場合にＨレベルとなる異常検出信号を出力する。第２の閾値は任意に定めることができる。第２の閾値を例えば２以上とすると、車輪の空転や滑走による瞬間的な電動機１１の加速度の変化に基づき、即時にＰＧ１２の異常を検出しないため、車輪の空転や滑走の際の異常検出部６における誤検出を防止することができる。

図３は、実施の形態１に係る異常検出部における異常の検出の一例を示すタイムチャートである。横軸が時間である。時刻Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５のそれぞれの間隔は時間Ｔ秒である。ＰＧ１２は、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までＮ個のパルスを含むパルス信号を出力し、時刻Ｔ２から時刻Ｔ３まで、および時刻Ｔ３から時刻Ｔ４まではそれぞれＮ／ａ個のパルスを含むパルス信号を出力し、時刻Ｔ４から時刻Ｔ５まではＮ個のパルスを含むパルス信号を出力する。

速度演算部３は、パルス信号に含まれる単位時間Ｔ秒あたりのパルス数を計測し、電動機１１の角速度を演算する。電動機１１の角速度はＮ／Ｔに比例するため、比例定数をｂとすると、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までのＰＧ１２の出力に基づき演算される電動機１１の角速度はｂＮ／Ｔとなる。ｂの値はＰＧ１２の特性によって決定される。同様に、時刻Ｔ４から時刻Ｔ５までのＰＧ１２の出力に基づき演算される電動機１１の角速度は、ｂＮ／Ｔである。なお時刻Ｔ１の直前のＴ秒間においても、ＰＧ１２はＮ個のパルスを出力したとする。また時刻Ｔ２から時刻Ｔ３まで、および時刻Ｔ３から時刻Ｔ４までのＰＧ１２の出力に基づき演算される電動機１１の角速度は、ｂＮ／ａＴである。したがって、速度演算部３の出力は、時刻Ｔ１から時刻Ｔ３までにおいてｂＮ／Ｔであり、時刻Ｔ３から時刻Ｔ５までにおいてｂＮ／ａＴであり、時刻Ｔ５以降はｂＮ／Ｔである。

加速度演算部４は、予め定められた時間ｔ秒間における電動機１１の角加速度を算出する。ｔの値は任意に定めることができる。加速度演算部４は、例えば、ある時刻における電動機１１の角速度から、ある時刻のｔ秒前の時刻における電動機１１の角速度を減算する演算を行い、演算結果をｔで除算し、電動機１１の角加速度を演算する。例えば、時刻Ｔ３における電動機１１の角加速度は、（１／ａ−１）・ｂＮ／Ｔｔである。また時刻Ｔ５における電動機１１の角加速度は、（１−１／ａ）・ｂＮ／Ｔｔである。

異常検出部６は、定めた時間内において、絶対値演算部５が出力する電動機１１の角速度の絶対値が第１の閾値以上となった回数が第２の閾値以上であるか否かを判定する。図３において第１の閾値を一点鎖線で示す。時刻Ｔ３および時刻Ｔ５における電動機１１の角速度の絶対値｜（１−１／ａ）・ｂＮ／Ｔｔ｜は、第１の閾値より大きい。ここで定めた時間を４Ｔ秒とし、第２の閾値を２とすると、異常検出部６は、時刻Ｔ５においてＨレベルとなる異常検出信号を出力する。停止部７は、異常検出信号がＨレベルであることを検出すると、電力変換器２に停止信号を出力し、電力変換器２を停止する。

特許文献１に開示されるパルスジェネレーター断線検出付速度制御装置では、図３に示すように、ＰＧ１２が出力するパルスの数が大きく減少したが、ＰＧ１２の出力が完全にはなくならない場合には、異常を検出することができない。一方、実施の形態１に係る電力変換装置１においては、ＰＧ１２の角加速度に基づきＰＧ１２の異常を検出するため、図３に示す場合においてもＰＧ１２の異常を検出することが可能となり、異常の検出精度を向上させることができる。

図４は、実施の形態１に係る電力変換装置の制御動作の一例を示すフローチャートである。速度演算部３は、ＰＧ１２が出力するパルス信号に基づき、電動機１１の角速度を演算する（ステップＳ１１０）。加速度演算部４は、電動機１１の角速度に基づき、電動機１１の角加速度を演算する（ステップＳ１２０）。異常検出部６は、定めた時間内において、電動機１１の角加速度の絶対値が定めた範囲を超えた回数が閾値以上であるか否かに基づき、ＰＧ１２に異常が生じているか否かを判定する（ステップＳ１３０）。

異常検出部６がＰＧ１２に異常が生じていることを検出した場合には（ステップＳ１４０；Ｙ）、停止部７は、電力変換器２を停止する（ステップＳ１５０）。ステップＳ１５０の停止処理が完了すると、電力変換装置１は処理を終了する。異常検出部６がＰＧ１２に異常が生じていないことを検出した場合には（ステップＳ１４０；Ｎ）、電力変換器制御部は、運転指令および速度演算部３で算出した電動機１１の角速度に基づき電力変換器２を制御し、電力変換器２は動作を継続する（ステップＳ１６０）。そして、ステップＳ１１０に戻り、上述の処理を繰り返し行う。

電力変換器２が複数の電動機１１を駆動する場合には、異常検出部６は入力数に応じて比較器６１およびカウント回路６２を備え、停止部７はいずれかの異常検出信号がＨレベルである場合に電力変換器２を停止する。

実施の形態１に係る電力変換装置１では、絶対値演算部５を設けたが、絶対値演算部５を設けずに、異常検出部６が電動機１１の角加速度が定めた範囲にあるか否かを判断してもよい。定めた範囲は任意に決めることができ、例えばＰＧ１２が正常に動作している際の電動機１１の角加速度が取り得る値の範囲に比べて十分に広い範囲を定めた範囲とする。上述のように絶対値演算部５を設けた場合には、電動機１１の角加速度が正の値であっても負の値であっても、異常検出部６は、１つの比較器６１において入力値と第１の閾値を比較すればよく、異常検出部６の構成が簡易になる。

以上説明したとおり、実施の形態１に係る電力変換装置１によれば、電動機の速度センサにおける異常の検出精度を向上させることが可能となる。

（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２に係る電力変換装置の構成例を示すブロック図である。実施の形態２に係る電力変換装置１は、電動機１１ａ、１１ｂを駆動する。電動機の数は２以上の任意の値である。電動機１１ａ、１１ｂの回転軸にはそれぞれ、ＰＧ１２ａ、１２ｂが取り付けられている。実施の形態２に係る電力変換装置１は、定めた時間内において電動機１１ａ、１１ｂの角加速度のばらつきが定めた範囲を超えた回数が閾値以上である場合に、ＰＧ１２ａ、１２ｂの内、少なくともいずれかに異常が生じていることを検出する。図５の例では、加速度のばらつきを示す値として、電動機１１ａ、１１ｂのそれぞれの角加速度の絶対値と、電動機１１ａ、１１ｂの角加速度の絶対値の最小値との差を用いる。

速度演算部３ａは、ＰＧ１２ａが出力するパルス信号に基づき電動機１１ａの角速度を演算し、加速度演算部４ａに送る。速度演算部３ｂは、ＰＧ１２ｂが出力するパルス信号に基づき電動機１１ｂの角速度を演算し、加速度演算部４ｂに送る。加速度演算部４ａは、電動機１１ａの角速度に基づき電動機１１ａの角加速度を演算し、絶対値演算部５に送る。加速度演算部４ｂは、電動機１１ｂの角速度に基づき電動機１１ｂの角加速度を演算し、絶対値演算部５に送る。

絶対値演算部５は、入力の絶対値を演算し、出力する。すなわち、絶対値演算部５は、電動機１１ａの角加速度の絶対値および電動機１１ｂの角加速度の絶対値をそれぞれ演算し、加速度差演算部８に送る。加速度差演算部８は、電動機１１ａ、１１ｂのそれぞれの角加速度の絶対値と、電動機１１ａ、１１ｂの角加速度の絶対値の最小値との差をそれぞれ算出し、異常検出部６に送る。異常検出部６は、定めた時間内において、加速度差演算部８の演算結果の内、少なくともいずれかの値が定めた範囲を超えた回数が閾値以上である場合に、ＰＧ１２ａ、１２ｂの内、少なくともいずれかに異常が生じていることを検出する。定めた範囲は任意に決めることができ、例えばＰＧ１２ａ、１２ｂが正常に動作している際の電動機１１ａ、１１ｂの角加速度のばらつきが取り得る値の範囲に比べて十分に広い範囲を定めた範囲とする。

異常検出部６は、例えば、ＰＧ１２ａ、１２ｂのそれぞれについて、異常が生じていることを検出すると、一定時間Ｈレベルとなる異常検出信号をそれぞれ停止部７に送る。停止部７は、いずれかの異常検出信号がＨレベルであることを検出すると、電力変換器２に停止信号を出力し、電力変換器２を停止する。

加速度差演算部８の加速度のばらつきを演算する動作の詳細について説明する。図６は、実施の形態２に係る加速度差演算部の構成例を示すブロック図である。加速度差演算部８は、最小値演算部８１を備える。絶対値演算部５が出力する、電動機１１ａの角加速度の絶対値をＡＤＶ１とし、電動機１１ｂの角加速度の絶対値をＡＤＶ２とする。最小値演算部８１は、ＡＤＶ１およびＡＤＶ２の最小値を検出し、出力する。加速度差演算部８は、ＡＤＶ１と最小値との差ＤＤＶ１、およびＡＤＶ２と最小値との差ＤＤＶ２をそれぞれ異常検出部６に送る。

異常検出部６の異常検出の動作の詳細について説明する。図７は、実施の形態２に係る異常検出部の構成例を示すブロック図である。異常検出部６は、入力に応じた数の比較器およびカウント回路を備える。実施の形態２においては、異常検出部６は、比較器６３ａ、６３ｂ、およびカウント回路６２ａ、６２ｂを備える。

比較器６３ａは、ＤＤＶ１が、第３の閾値以上であるか否かを判定し、ＤＤＶ１が第３の閾値以上である場合にはＨレベルである信号を出力する。第３の閾値は、任意に定めることができる。第１の閾値と同様に、第３の閾値を、ＰＧ１２ａ、１２ｂが正常に動作している際の電動機１１ａ、１１ｂの加速度の大きさのばらつきに比べて、十分に大きい値とすることで、異常検出部６における誤検出を防止することが可能となる。

カウント回路６２ａは、比較器６３ａの出力信号の立ち上がりを検出し、定めた時間内において、立ち上がりを検出した回数が第２の閾値以上となるか否かを判定し、立ち上がりを検出した回数が第２の閾値以上となった場合にＨレベルとなる異常検出信号を出力する。すなわち、カウント回路６２ａは、ＤＤＶ１が第３の閾値以上となる回数が第２の閾値以上となった場合にＨレベルとなる異常検出信号を出力する。実施の形態１と同様に、第２の閾値は任意に定めることができる。

同様に、比較器６３ｂは、ＤＤＶ２が、第３の閾値以上であるか否かを判定し、ＤＤＶ２が第３の閾値以上である場合にはＨレベルである信号を出力する。カウント回路６２ｂは、比較器６３ｂの出力信号の立ち上がりを検出し、定めた時間内において、立ち上がりを検出した回数が第２の閾値以上となるか否かを判定し、立ち上がりを検出した回数が第２の閾値以上となった場合にＨレベルとなる異常検出信号を出力する。すなわち、カウント回路６２ｂは、ＤＤＶ２が第３の閾値以上となる回数が第２の閾値以上となった場合にＨレベルとなる異常検出信号を出力する。

異常検出部６は、電動機１１ａ、１１ｂの角加速度のばらつきに基づき、ＰＧ１２ａ、１２ｂの異常を検出するため、通常の力行またはブレーキ時に発生し得る加速度の変化に基づき、ＰＧ１２ａ、１２ｂの異常を誤検出することを防ぐことができる。

なお加速度差演算部８および異常検出部６の構成は、上述の構成に限られない。例えば加速度差演算部８は、入力の最大値と最小値との差を出力し、異常検出部６は加速度差演算部８の出力が定めた範囲を超える回数が閾値以上となるか否かに基づき、異常検出信号を出力してもよい。

図８は、実施の形態２に係る電力変換装置の制御動作の一例を示すフローチャートである。ステップＳ１１０、Ｓ１２０の処理は、図４に示す実施の形態１に係る電力変換装置１が行う制御動作と同様である。加速度差演算部８は、電動機１１ａ、１１ｂのそれぞれの角加速度の絶対値と、電動機１１ａ、１１ｂの角加速度の絶対値の最小値との差をそれぞれ算出する（ステップＳ１２１）。異常検出部６は、定めた時間内において、加速度差演算部８の演算結果の内、いずれかの値が定めた範囲を超えた回数が閾値以上であるか否かに基づき、ＰＧ１２ａ、１２ｂの内、少なくともいずれかに異常が生じているか否かを判定する（ステップＳ１３１）。ステップＳ１４０、Ｓ１５０、Ｓ１６０の処理は、図４に示す実施の形態１に係る電力変換装置１が行う制御動作と同様である。

以上説明したとおり、実施の形態２に係る電力変換装置１によれば、電動機の速度センサにおける異常の検出精度を向上させることが可能となる。

（実施の形態３）
図９は、本発明の実施の形態３に係る電力変換装置の構成例を示すブロック図である。実施の形態２に係る電力変換装置１と同様に、実施の形態３に係る電力変換装置１は、電動機１１ａ、１１ｂを駆動する。電動機の数は２以上の任意の値である。実施の形態３に係る電力変換装置１は、実施の形態２に係る電力変換装置１が備える加速度差演算部８の代わりに平均値演算部９を備える。その他の構成は実施の形態２と同様である。実施の形態３に係る電力変換装置１は、電動機１１ａ、１１ｂの角速度の平均値が定めた範囲内にある場合に、ＰＧ１２ａ、１２ｂの異常検出を行う。定めた範囲は任意に決めることができ、例えばＰＧ１２ａ、１２ｂが正常に動作している際の電動機１１の角速度の平均値が取り得る値の範囲に比べて十分に広い範囲を定めた範囲とする。実施の形態１、２と異なる、実施の形態３に係る電力変換装置１の動作について説明する。

平均値演算部９は、電動機１１ａ、１１ｂの角速度の平均値を演算し、異常検出部６に送る。異常検出部６は、電動機１１ａ、１１ｂの角速度の平均値が定めた範囲内にある場合であって、定めた時間内において、電動機１１ａ、１１ｂの少なくともいずれかの角加速度の絶対値が第１の閾値以上となる回数が第２の閾値以上である場合に、ＰＧ１２ａ、１２ｂの内、少なくともいずれかに異常が生じていることを検出する。

異常検出部６の異常検出の動作の詳細について説明する。図１０は、実施の形態３に係る異常検出部の構成例を示すブロック図である。異常検出部６は、入力に応じた数の比較器、カウント回路、スイッチ、およびＮＯＴ回路を備える。実施の形態３においては、異常検出部６は、比較器６１ａ、６１ｂ、カウント回路６２ａ、６２ｂ、スイッチ６４ａ、６４ｂ、平均値比較器６５、およびＮＯＴ回路６６ａ、６６ｂを備える。

電動機１１ａの角加速度の絶対値をＡＤＶ１とし、電動機１１ｂの角加速度の絶対値をＡＤＶ２とする。比較器６１ａは、ＡＤＶ１が第１の閾値以上であるか否かを判定し、ＡＤＶ１が第１の閾値以上である場合にはＨレベルである信号を出力する。同様に、比較器６１ｂは、ＡＤＶ２が、第１の閾値以上であるか否かを判定し、ＡＤＶ２が第１の閾値以上である場合にはＨレベルである信号を出力する。平均値比較器６５は、平均値演算部９が出力する電動機１１ａ、１１ｂの角速度の平均が閾値以上であるか否かを判定し、電動機１１ａ、１１ｂの角速度の平均値が閾値以上である場合にはＨレベルである信号を出力する。

スイッチ６４ａ、６４ｂは、平均値比較器６５の出力に応じて接続先が切り替えられる。例えば、スイッチ６４ａ、６４ｂは、平均値比較器６５の出力がＨレベルである場合には、比較器６１ａ、６１ｂとカウント回路６２ａ、６２ｂをそれぞれ接続する。またスイッチ６４ａ、６４ｂは、平均値比較器６５の出力がＬレベルである場合には、カウント回路６２ａ、６２ｂの一端をそれぞれ接地する。ＮＯＴ回路６６ａ、６６ｂは、平均値比較器６５の出力を反転し、それぞれカウント回路６２ａ、６２ｂに出力する。

カウント回路６２ａは、スイッチ６４ａを介した入力信号の立ち上がりを検出し、定めた時間内において、立ち上がりを検出した回数が第２の閾値以上となるか否かを判定し、立ち上がりを検出した回数が第２の閾値以上となった場合にＨレベルとなる異常検出信号を出力する。すなわち、カウント回路６２ａは、電動機１１ａ、１１ｂの角速度の平均値が閾値以上である場合であって、定めた時間内において、ＡＤＶ１が第１の閾値以上となる回数が第２の閾値以上となった場合にＨレベルとなる異常検出信号を出力する。カウント回路６２ａは、ＮＯＴ回路６６ａを介した入力信号の立ち上がりを検出した場合には、カウント値をリセットする。例えば、電動機１１ａ、１１ｂの角速度の平均値が閾値以上である状態から閾値未満である状態に変わった場合には、カウント回路６２ａの入力側は接地され、カウント値はリセットされる。電動機１１ａ、１１ｂの角速度の平均値が閾値未満である間は、異常検出の処理は行われず、異常検出信号はＨレベルにはならない。実施の形態１と同様に、第１の閾値および第２の閾値は任意に定めることができる。

同様に、カウント回路６２ｂは、スイッチ６４ｂを介した入力信号の立ち上がりを検出し、定めた時間内において、立ち上がりを検出した回数が第２の閾値以上となるか否かを判定し、立ち上がりを検出した回数が第２の閾値以上となった場合にＨレベルとなる異常検出信号を出力する。すなわち、カウント回路６２ｂは、電動機１１ａ、１１ｂの角速度の平均値が閾値以上である場合であって、定めた時間内において、ＡＤＶ２が第１の閾値以上となる回数が第２の閾値以上となった場合にＨレベルとなる異常検出信号を出力する。カウント回路６２ｂは、ＮＯＴ回路６６ｂを介した入力信号の立ち上がりを検出した場合には、カウント値をリセットする。例えば、電動機１１ａ、１１ｂの角速度の平均値が閾値以上である状態から閾値未満である状態に変わった場合には、カウント回路６２ｂの入力側は接地され、カウント値はリセットされる。電動機１１ａ、１１ｂの角速度の平均値が閾値未満である間は、異常検出の処理は行われず、異常検出信号はＨレベルにはならない。

電動機１１ａ、１１ｂの角速度の平均値が閾値以上である場合に、ＰＧ１２ａ、１２ｂの異常検出を行うことで、例えば電動機１１ａ、１１ｂが低速で動作している場合に、ＰＧ１２ａ、１２ｂの異常を誤検出することを防ぐことができる。ＰＧ１２ａ、１２ｂの特性にあわせて、電動機１１ａ、１１ｂの角速度の平均値が一定の範囲内である、または閾値以下である場合に、ＰＧ１２ａ、１２ｂの異常検出を行ってもよい。

以上説明したとおり、実施の形態３に係る電力変換装置１によれば、電動機の速度センサにおける異常の検出精度を向上させることが可能となる。

（実施の形態４）
本発明の実施の形態４に係る電力変換装置１の構成は、図１に示す実施の形態１に係る電力変換装置１の構成と同様である。ただし、異常検出部６には、電気車における運転指令が入力される。実施の形態４に係る電力変換装置１は、運転指令に力行指令または惰行指令が入力されている場合であって、定めた時間内において、電動機１１の角加速度が定めた範囲を超えた回数が閾値以上である場合に、ＰＧ１２に異常が生じていることを検出する。実施の形態１ないし３と異なる、実施の形態４に係る電力変換装置１の動作について説明する。

異常検出部６は、電気車における運転指令を取得し、運転指令に力行指令または惰行指令が入力されている場合であって、定めた時間内において、電動機１１の角加速度の絶対値が第１の閾値以上となる回数が第２の閾値以上である場合に、ＰＧ１２に異常が生じていることを検出する。

異常検出部６の異常検出の動作の詳細について説明する。図１１は、本発明の実施の形態４に係る異常検出部の構成例を示すブロック図である。異常検出部６は、比較器６１、カウント回路６２、スイッチ６４、ＮＯＴ回路６６、および運転指令判定部６７を備える。比較器６１は、実施の形態１と同様に、電動機１１の角加速度の絶対値が、第１の閾値以上であるか否かを判定し、電動機１１の角加速度の絶対値が第１の閾値以上である場合にはＨレベルである信号を出力する。

運転指令判定部６７は、運転指令が力行指令または惰行指令であるか否かを判定し、運転指令が力行指令または惰行指令である場合には、Ｈレベルとなる信号を出力する。スイッチ６４は、運転指令判定部６７の出力に応じて接続先が切り替えられる。例えば、スイッチ６４は、運転指令判定部６７の出力がＨレベルである場合には、比較器６１とカウント回路６２を接続する。またスイッチ６４は、運転指令判定部６７の出力がＬレベルである場合には、カウント回路６２の一端を接地する。

ＮＯＴ回路６６は、運転指令判定部６７の出力を反転し、カウント回路６２に出力する。カウント回路６２は、スイッチ６４を介した入力信号の立ち上がりを検出し、定めた時間内において、立ち上がりを検出した回数が第２の閾値以上となるか否かを判定し、立ち上がりを検出した回数が第２の閾値以上となった場合にＨレベルとなる異常検出信号を出力する。すなわち、カウント回路６２は、運転指令が力行指令または惰行指令である場合であって、定めた時間内において、電動機１１の角加速度の絶対値が第１の閾値以上となる回数が第２の閾値以上となった場合にＨレベルとなる異常検出信号を出力する。カウント回路６２は、ＮＯＴ回路６６を介した入力信号の立ち上がりを検出した場合には、カウント値をリセットする。例えば、運転指令が力行指令または惰行指令である状態から、ブレーキ指令である状態に変わった場合には、カウント回路６２の入力側は接地され、カウント値はリセットされる。運転指令が力行指令および惰行指令のいずれでもない間は、異常検出の処理は行われず、異常検出信号はＨレベルにはならない。実施の形態１と同様に、第１の閾値および第２の閾値は任意に定めることができる。

運転指令が力行指令または惰行指令である場合に、ＰＧ１２の異常検出を行うことで、例えばブレーキ時の滑走による電動機１１の角加速度の急激な変化に基づき、ＰＧ１２の異常を誤検出することを防ぐことができる。

図１２は、実施の形態４に係る異常検出部の異なる構成例を示すブロック図である。図１２に示す異常検出部６は、図１０に示す実施の形態３に係る異常検出部６の構成に加え、運転指令判定部６７およびＯＲ回路６８をさらに備える。スイッチ６４ａ、６４ｂは、ＯＲ回路６８の出力に応じて接続先が切り替えられる。ＯＲ回路６８は、平均値比較器６５の出力と運転指令判定部６７の出力のいずれかがＨレベルである場合に、Ｈレベルとなる信号を出力する。

例えば、スイッチ６４ａ、６４ｂは、ＯＲ回路６８の出力がＨレベルである場合には、比較器６１ａ、６１ｂとカウント回路６２ａ、６２ｂをそれぞれ接続する。またスイッチ６４ａ、６４ｂは、ＯＲ回路６８の出力がＬレベルである場合には、カウント回路６２ａ、６２ｂの一端をそれぞれ接地する。ＮＯＴ回路６６ａ、６６ｂは、ＯＲ回路６８の出力を反転し、それぞれカウント回路６２ａ、６２ｂに出力する。図１２に示す異常検出部６は、電動機１１ａ、１１ｂの角速度の平均値が定めた範囲である、または、運転指令が力行指令もしくは惰行指令である、場合に異常検出を行う。

図１３は、実施の形態４に係る電力変換装置の構成例を示すブロック図である。図１３に示す電力変換装置１は、図５に示す実施の形態２に係る電力変換装置の構成に加え、平均値演算部９をさらに備える。図１４は、実施の形態４に係る異常検出部の異なる構成例を示すブロック図である。図１３に示す電力変換装置１は、図１４に示す異常検出部６を備える。図１４に示す異常検出部６は、図７、図１０、図１１に示す異常検出部６を組み合わせた構成であり、さらにＯＲ回路６８を備える。ＯＲ回路６８の動作は、図１２に示す異常検出部６と同様である。

例えば、スイッチ６４ａ、６４ｂは、ＯＲ回路６８の出力がＨレベルである場合には、比較器６３ａ、６３ｂとカウント回路６２ａ、６２ｂをそれぞれ接続する。またスイッチ６４ａ、６４ｂは、ＯＲ回路６８の出力がＬレベルである場合には、カウント回路６２ａ、６２ｂの一端をそれぞれ接地する。ＮＯＴ回路６６ａ、６６ｂは、ＯＲ回路６８の出力を反転し、それぞれカウント回路６２ａ、６２ｂに出力する。図１４に示す異常検出部６は、電動機１１ａ、１１ｂの角速度の平均値が定めた範囲である、または、運転指令が力行指令もしくは惰行指令である、場合であって、定めた時間内において電動機１１ａ、１１ｂの角加速度のばらつきが定めた範囲を超えた回数が閾値以上である場合に、ＰＧ１２ａ、１２ｂの内、少なくともいずれかに異常が生じていることを検出する。

以上説明したとおり、実施の形態４に係る電力変換装置１によれば、電動機の速度センサにおける異常の検出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は上述の実施の形態に限られず、上述の実施の形態のうち複数の形態を任意に組み合わせたもので構成してもよい。

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、電動機を駆動する電力変換装置に好適に採用され得る。

１電力変換装置、２電力変換器、３、３ａ、３ｂ速度演算部、４、４ａ、４ｂ加速度演算部、５、５ａ、５ｂ絶対値演算部、６異常検出部、７停止部、８加速度差演算部、９平均値演算部、１０センサ異常検出部、１１、１１ａ、１１ｂ電動機、１２、１２ａ、１２ｂＰＧ、６１、６１ａ、６１ｂ比較器、６２、６２ａ、６２ｂカウント回路、６３ａ、６３ｂ比較器、６４、６４ａ、６４ｂスイッチ、６５平均値比較器、６６、６６ａ、６６ｂＮＯＴ回路、６７運転指令判定部、６８ＯＲ回路、８１最小値演算部。

Claims

入力された電力を変換し、複数の電動機を駆動する電力を出力する電気車の電力変換装置であって、
前記電動機のそれぞれの回転に応じた信号を出力する複数の速度センサから取得した信号に基づき、前記電動機のそれぞれの角速度を演算する速度演算部と、
前記電動機のそれぞれの角加速度を演算する加速度演算部と、
前記複数の電動機の角速度の平均値を演算する平均値演算部と、
前記平均値演算部の演算結果が定めた範囲内である場合であって、定めた時間内において、前記電動機のそれぞれの角加速度に基づく値が定めた範囲を超えた回数が閾値以上である場合に、前記複数の速度センサの内、少なくともいずれかに異常が生じていることを検出する異常検出部と、
を備える電気車の電力変換装置。
前記異常検出部は、前記平均値演算部の演算結果が定めた範囲内である場合であって、定めた時間内において、前記複数の電動機の内、少なくともいずれかの電動機の角加速度が定めた範囲を超えた回数が閾値以上である場合に、前記複数の速度センサの内、少なくともいずれかに異常が生じていることを検出する請求項１に記載の電気車の電力変換装置。
前記異常検出部は、前記平均値演算部の演算結果が定めた範囲内である場合であって、定めた時間内において、前記複数の電動機の角加速度のばらつきが定めた範囲を超えた回数が閾値以上である場合に、前記複数の速度センサの内、少なくともいずれかに異常が生じていることを検出する、
請求項１に記載の電気車の電力変換装置。
前記電動機のそれぞれの角加速度の絶対値と前記複数の電動機の角加速度の絶対値の最小値との差を演算する加速度差演算部をさらに備え、
前記異常検出部は、前記平均値演算部の演算結果が定めた範囲内である場合であって、定めた時間内において、前記加速度差演算部の演算結果の内、少なくともいずれかの値が定めた範囲を超えた回数が閾値以上である場合に、前記複数の速度センサの内、少なくともいずれかに異常が生じていることを検出する請求項３に記載の電気車の電力変換装置。
前記異常検出部は、電気車における運転指令を取得し、前記運転指令に力行指令または惰行指令が入力されており、かつ、前記平均値演算部の演算結果が定めた範囲内である場合であって、定めた時間内において、前記複数の電動機の内、少なくともいずれかの電動機の角加速度が定めた範囲を超えた回数が閾値以上である場合に、前記速度センサに異常が生じていることを検出する請求項１に記載の電気車の電力変換装置。
入力された電力を変換し、複数の電動機を駆動する電力を出力する電力変換装置の制御方法であって、
前記電動機のそれぞれの回転に応じた信号を出力する複数の速度センサから取得した信号に基づき、前記電動機のそれぞれの角速度を演算する速度演算ステップと、
前記電動機のそれぞれの角加速度を演算する加速度演算ステップと、
前記複数の電動機の角速度の平均値を演算する平均値演算ステップと、
前記平均値演算ステップの演算結果が定めた範囲内である場合であって、定めた時間内において、前記電動機のそれぞれの角加速度に基づく値が定めた範囲を超えた回数が閾値以上である場合に、前記複数の速度センサの内、少なくともいずれかに異常が生じていることを検出する異常検出ステップと、
を備える電力変換装置の制御方法。