JP6082316B2

JP6082316B2 - 誘導電動機制御装置

Info

Publication number: JP6082316B2
Application number: JP2013111159A
Authority: JP
Inventors: 多田　征史; 征史多田
Original assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Current assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Priority date: 2013-05-27
Filing date: 2013-05-27
Publication date: 2017-02-15
Anticipated expiration: 2033-05-27
Also published as: JP2014230467A

Description

本発明は、１台以上の誘導電動機を制御する誘導電動機制御装置に関するものである。

一般的に列車等の車両においては、複数台の誘導電動機のトルクを一括制御し、台車制御や１車両制御を行っている。

図２は、このような制御を行う従来の誘導電動機制御装置の構成例を示すブロック図である。なお、図２には４台の誘導電動機１０１〜１０４を示しているが、誘導電動機は何台であっても良い。以下、誘導電動機は４台とし、また各誘導電動機１０１〜１０４のモータ定数が同じであるものとして説明するが、その他の構成をとることもできる。

図２に示す誘導電動機制御装置では、特許文献１等に記載されるように、小型化等の観点から、誘導電動機には回転速度検出器が取り付けられていない。そして、誘導電動機の総和電流ｉと電力変換部２に入力される電圧指令ｖとから、誘導電動機の回転速度ωｍを演算する。以下にその手順を示す。

総和電流検出部２００は、電力変換部２から個々の誘導電動機１０１〜１０４に流れる三相電流の総和である総和電流ｉを検出する。

電圧系磁束演算部３は、総和電流ｉと、電力変換部２に入力される電圧指令ｖとから、誘導電動機磁束φを式(1)で演算する。

ここで、Ｒ１は全誘導電動機の一次抵抗合成値、Ｌ２は二次自己インダクタンス合成値、Ｍは相互インダクタンス合成値、Ｌｅｋは漏れインダクタンス合成値である。なお漏れインダクタンス合成値Ｌｅｋは、下記の式(2)で与えられる。

ここで、Ｌ１は全誘導電動機の一次自己インダクタンス合成値である。

回転速度演算部４は、総和電流ｉと誘導電動機磁束φとから、式(3)〜式(5)を用いて誘導電動機回転速度ωｍを演算する。

ここで、Ｒ２は全誘導電動機の二次抵抗合成値、ＦＡ及びＦＢは誘導電動機磁束φの各成分である。

式(5)で演算される誘導電動機回転速度ωｍは、式(6)のように、各誘導電動機１０１〜１０４の回転速度ωｍ１〜ωｍ４の平均値となる。

ここで、ωｍ１〜ωｍ４はそれぞれ、誘導電動機１０１〜１０４の回転速度である。

次にトルク制御部１は、誘導電動機回転速度ωｍと総和電流ｉとに基づいて、誘導電動機磁束φが磁束指令φ＊に、全誘導電動機の総トルクがトルク指令τ＊になるような電圧指令ｖを出力する。

電力変換部２は電圧指令ｖを増幅し、負荷である誘導電動機１０１〜１０４に電力を供給する。

以上の構成とすることにより、全誘導電動機の総トルクをトルク指令τ＊に追従させる制御ができる。ここで示す例では、各誘導電動機のモータ定数が同じであるため、各誘導電動機は、トルク指令τ＊の１／４ずつのトルク（τ＊／４）を出力する。

特開平１１−６９８９５号公報

上述したような従来の誘導電動機制御装置には、以下に示す問題点がある。

誘導電動機制御装置は、既知の誘導電動機のモータ定数に基づいて、上述した制御を行う。

ここで、誘導電動機のいずれかが誤配線されている場合、具体的には、誘導電動機１０１のＶ相、Ｗ相がそれぞれ、電力変換部２のＷ相、Ｖ相に接続されている場合を考える。

この場合には、正常に配線されている場合と比較して、誘導電動機１０１は、同一の電圧入力に対して異なるモータ定数を持つように振る舞う。その結果、誘導電動機のモータ定数が、誘導電動機制御装置が想定しているものとは異なるものとなるため、誘導電動機が正しく制御されないおそれがあり、また過電流が発生するおそれがある。

このような場合、誘導電動機の誤配線を速やかに検知して対処する必要がある。しかしながら、電車との車両は通常、１台の誘導電動機制御装置で制御されているわけではなく、例えばそれぞれが誘導電動機制御装置を有する複数台の車両を連結して運行している。そのため、いずれかの誘導電動機が誤配線されている場合でも、車両全体の動作は保たれ、過電流等の大きな異常が発生するまで気付かない場合があり、最悪の場合、誘導電動機の破壊や、電力変換器素子の破壊へとつながるおそれがあった。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、誘導電動機の誤配線等の異常を検知することを課題とするものである。

この発明の誘導電動機制御装置は、１台以上の誘導電動機と、試験指令に応答して前記各誘導電動機のトルク制御を停止し、前記各誘導電動機に一定の正弦波状の電圧を印加して電流を流すトルク制御部と、各誘導電動機に入力される前記電流を検出する電流検出部と、前記各誘導電動機に入力される前記電流の電流ベクトルの回転方向を求める電流ベクトル演算部と、前記電流ベクトルの回転方向のいずれかが異常であることを検知する回転方向異常検知部と、を備え、前記電流ベクトル演算部は、前記電流ベクトルの微分と、前記電流ベクトルとの外積から前記電流ベクトルの回転方向を求め、前記回転方向異常検知部は、前記外積の、前記電流ベクトルに直交する成分の符号に基づいて、前記電流ベクトルの回転方向の異常を検知することを特徴とする。

この発明に係る誘導電動機制御装置によれば、誘導電動機の誤配線等の異常を検知することができる。

本発明の誘導電動機制御装置の一構成例を示すブロック図である。従来の誘導電動機制御装置の一構成例を示すブロック図である。誘導電動機に入力される電流の電流ベクトルの回転方向ＲｏｔＸと、回転方向異常検知部が演算するＫＸとの関係を示す図である。

本発明の一実施形態の誘導電動機制御装置は、図１に示すように、回転方向異常検知部６と、電流ベクトル演算部５とを新たに設けることにより、誘導電動機１０１〜１０４のいずれかが誤配線されていること等の異常を検知することができる。そして運転台７は、回転方向異常検知部６が出力する検知信号Ｋを受け取って、例えば誤配線されていることを運転台表示部に表示することができる。

図１は、本発明の一構成例を示すブロック図である。なお、上述した図２と同様の構成要素については、図２と同じ符号を付して説明を省略する。また上述したように、誘導電動機は４台とし、各誘導電動機１０１〜１０４のモータ定数は同じであるものとして説明するが、それ以外の構成をとることもできる。

電流検出部２０１〜２０４はそれぞれ、誘導機１０１〜１０４に入力される電流を検出する。本実施形態では、電流ベクトル演算部５で、電流検出部２０１〜２０４が検出した、各誘導機１０１〜１０４に入力される三相電流を、αβ座標系の二相電流に変換している。ここでα軸は各誘導機のＵ相軸と一致し、β軸はα軸と直交している。

電流ベクトル演算部５は、電流ベクトルｉ１〜ｉ４を用いて、式(7)〜(10)のように、電流ベクトルｉ１〜ｉ４の微分と、当該電流ベクトルとの外積を求める。

ここで、記号「ｐ」は微分演算子を示す。またベクトルＲｏｔ１〜Ｒｏｔ４の要素はそれぞれ、（０，０，ｒｏｔ１）、（０，０，ｒｏｔ２）、（０，０，ｒｏｔ３）、（０，０，ｒｏｔ４）として表され、電流ベクトルｉ１〜ｉ４にそれぞれ直交する成分であるｒｏｔ１〜ｒｏｔ４の符号は、電流ベクトルｉ１〜ｉ４の回転方向を示す。

なおこの実施形態では、電流ベクトルｉ１〜ｉ４の微分を、所定のサンプリング周期で取得した電流ベクトルｉ１〜ｉ４の変化量に基づいて演算しているが、他の方法で電流ベクトルｉ１〜ｉ４の微分を求めることもできる。

回転方向異常検知部６は、電流ベクトル演算部５が求めた値ｒｏｔ１〜ｒｏｔ４を入力とし、ｒｏｔ１〜ｒｏｔ４の符号に基づいて検知信号Ｋを出力する。検知信号Ｋは、各誘導電動機１０１〜１０４に入力される電流の電流ベクトルｉ１〜ｉ４の回転方向のいずれかが異常であることを示す。

検知信号Ｋの算出方法をより詳細に示す。まず、各誘導電動機１０１〜１０４の回転方向情報Ｋ１〜Ｋ４を、下記の式(11)〜(14)によって求める。式(11)〜(14)に示すｒｏｔＸ（この実施形態では、Ｘ＝１〜４）と、ＫＸとの関係を図示すると、図３のようになる。

そして、式(15)のように、Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４の積をとって検知信号Ｋを求め、出力する。なお、式(15)における記号「×」は単なる積を示す。

すなわち、検知信号Ｋは、Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４が全て正の値であれば１となり、一つでも０以下の値であれば０となる。

また運転台７は、検知信号Ｋに基づいて、誘導電動機の誤配線の有無を、図示しない運転台表示台に表示する。なお、どの誘導電動機が誤配線されているかを表示することもできる。

テスト指令作成部を構成する運転台７は、回転方向異常検知部６が求めた検知信号Ｋと、試験指令ｔとを入力とし、Ｋとｔとの論理積をとってテスト指令Ｔを求め、出力する。

試験指令ｔは、誘導機１０１から１０４の誤配線を検知する場合に１とし、その他の場合には０とする。試験指令ｔを１にする場合とは、例えば車両製造後や電動誘導機交換後である。

トルク制御部１は、テスト指令Ｔがオン（１）のときには、各誘導電動機１０１〜１０４のトルク制御を停止して、誘導電動機１０１〜１０４が正しく配線されている場合に、上述したｒｏｔ１、ｒｏｔ２、ｒｏｔ３、ｒｏｔ４がそれぞれ正の値となるような電流が、誘導電動機１０１〜１０４に流れるように、一定の正弦波状の電圧指令ｖを出力する。

一方、トルク制御部１は、テスト指令Ｔがオフ（１）のときには、誘導電動機回転速度ωｍと総和電流ｉを基に、全誘導電動機の磁束及び総トルクが、磁束指令φ＊及びトルク指令τ＊となるような電圧指令ｖを出力し、各誘導電動機１０１〜１０４のトルク制御を行う。

電力変換部２は電圧指令ｖを増幅し、負荷である誘導電動機１０１〜１０４に電力を供給する。電力の供給は、ＰＷＭ制御等で行うことができる。

以上の構成とすることにより、運転台７に対して外部信号である試験指令ｔを入力することで、列車運用を開始する前に、各誘導電動機のいずれかが誤配線されたことを検知することができる。

なお、図１に示す実施形態では、誘導電動機回転速度ωｍを回転速度演算部４で演算しているが、代わりに誘導電動機回転速度を計測するように構成することもできる。

この発明に係る誘導電動機制御装置は、列車等の車両に用いて、複数台の誘導電動機を制御するのに好適である。

１０１、１０２、１０３、１０４誘導電動機
２０１、２０２、２０３、２０４電流検出部
２００総和電流検出部
１トルク制御部
２電力変換部
３磁束演算部
４回転速度演算部
５電流ベクトル演算部
６回転方向異常検知部
７運転台

Claims

１台以上の誘導電動機と、
試験指令に応答して前記各誘導電動機のトルク制御を停止し、前記各誘導電動機に一定の正弦波状の電圧を印加して電流を流すトルク制御部と、
各誘導電動機に入力される前記電流を検出する電流検出部と、
前記各誘導電動機に入力される前記電流の電流ベクトルの回転方向を求める電流ベクトル演算部と、
前記電流ベクトルの回転方向のいずれかが異常であることを検知する回転方向異常検知部と、
を備え、
前記電流ベクトル演算部は、前記電流ベクトルの微分と、前記電流ベクトルとの外積から前記電流ベクトルの回転方向を求め、
前記回転方向異常検知部は、前記外積の、前記電流ベクトルに直交する成分の符号に基づいて、前記電流ベクトルの回転方向の異常を検知することを特徴とする誘導電動機制御装置。