JP6159659B2 - 電力変換器の制御装置及び電気車 - Google Patents

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Description

この発明は、１台の電力変換器により複数台の誘導電動機を駆動するシステムにおいて、複数台の誘導電動機のうち少なくとも１台の誘導電動機の相順の誤配線検出機能を備えた電力変換器の制御装置、及び、この制御装置を備えた電気車に関するものである。
特許文献１には、誤配線検出機能を備えた三相同期電動機の制御装置が開示されている。
図６は、この従来技術の全体的な構成を示すブロック図である。図６において、トルク指令発生部１は、速度指令値Ｖｃとフィードバック速度信号ＶｃＦとの偏差からトルク指令値ＴＣＭＤを演算する。電流指令発生部２は、トルク指令値ＴＣＭＤに基づいてｑ軸電流指令値ＩｑＣ及びｄ軸電流指令値ＩｄＣを演算し、これらの電流指令値ＩｑＣ，ＩｄＣは電機子電流供給装置３に入力される。
電機子電流供給装置３はインバータ等の電力変換器３ｅを備え、その三相出力電圧は同期電動機Ｍに供給されている。同期電動機Ｍにはエンコーダ６が取り付けられており、回転子位置信号θｍがフィードバック速度信号発生部７に入力されて前記フィードバック速度信号ＶｃＦが生成される。
同期電動機Ｍの入力側には電流検出器４が設けられており、電流検出器４により検出したＵ相及びＶ相の電流信号ＩＵ，ＩＶが直交二軸変換部５に入力される。直交二軸変換部５では、回転子位置信号θｍに基づいて信号発生器９が生成したＳＩＮ信号、ＣＯＳ信号を用いて、前記電流信号ＩＵ，ＩＶをｄ軸電流フィードバック信号ＩｄＦ、ｑ軸電流フィードバック信号ＩｑＦに変換する。
電機子電流供給装置３において、電流制御器３ａ，３ｂは、電流指令値ＩｑＣ，ＩｄＣとフィードバック信号ＩｑＦ，ＩｄＦとのそれぞれの偏差をなくすようなｑ軸電圧指令値ＶｑＣ、ｄ軸電圧指令値ＶｄＣを演算し、これらの電圧指令値ＶｑＣ，ＶｄＣが座標変換器３ｃに入力される。
座標変換器３ｃは、前記ＳＩＮ信号、ＣＯＳ信号を用いて、電圧指令値ＶｑＣ，ＶｄＣを三相電圧指令値ＶＵＣ，ＶＶＣ，ＶＷＣに変換し、ＰＷＭ制御器３ｄに供給する。
ＰＷＭ制御器３ｄは、電圧指令値ＶＵＣ，ＶＶＣ，ＶＷＣから生成した駆動信号により電力変換器３ｅをＰＷＭ制御し、直流電圧を三相交流電圧に変換して同期電動機Ｍを駆動している。
さて、図６に示す従来技術には、電力変換器３ｅの出力相に対する同期電動機Ｍの相順の二相誤配線または三相誤配線を検出する誤配線検出部８が設けられている。誤配線検出部８は、二相誤配線または三相誤配線がある場合にはｑ軸電流指令値ＩｑＣが飽和状態になり、ｑ軸電流フィードバック信号ＩｑＦが所定値以上になると共に、ｑ軸電流フィードバック信号ＩｑＦとフィードバック速度信号ＶｃＦとが逆極性になることに着目して誤配線を検出し、アラーム信号ＡＳを出力する。
誤配線検出部８は、図７に示すごとく、飽和状態判定部８ａ、ｑ軸電流フィードバック信号判定部８ｂ、積算部８ｃ及び判定部８ｄによって構成されている。
次に、誤配線検出部８による相順の二相誤配線（例えば、電力変換器３ｅの出力相Ｕ-Ｖ-Ｗに対し、同期電動機Ｍの入力相がＵ-Ｗ-Ｖの相順で接続されているような状態）の検出動作を、図７，図８に基づいて説明する。
飽和状態判定部８ａは、図８（ｂ）に示すようにｑ軸電流指令値ＩｑＣが飽和状態になったことを判定してその判定結果を積算部８ｃに出力する。また、ｑ軸電流フィードバック信号判定部８ｂは、ｑ軸電流フィードバック信号ＩｑＦが所定値以上であることを判定してその判定結果を積算部８ｃに出力する。積算部８ｃでは、ｑ軸電流フィードバック信号ＩｑＦが正極性であることを判定した時から、図８（ａ），（ｃ）に示すように、速度指令Ｖｃに追従せずに振動するフィードバック速度信号ＶｃＦの負極性の時間を積算し、これを積算値ＩＶとして出力する。判定部８ｄでは、図８（ｃ），（ｄ）に示すごとく、積算値ＩＶが累積時間ＲＴに達した時点で、誤配線を報知するためのアラーム信号ＡＳを出力する。
特開２０１０−２１３５５７号公報（段落[００２１]，[００２２]、図４等）
しかしながら、互いに並列に接続され、かつ機械的に結合された複数台の誘導電動機を１台の電力変換器により駆動する場合、仮に１台の電動機の相順が誤配線されていたとしても、正常に配線された電動機の出力トルクに牽引されて誤配線状態の電動機も駆動される結果、負荷の速度は指令値どおりに調整可能となってしまう。従って、速度や速度指令値を用いる従来技術を複数台の誘導電動機に適用することができない。
特許文献１に記載された従来技術では、複数台の電動機を電力変換器により駆動する場合の誤配線検出方法について記載されておらず、上記のように複数台の電動機の中に誤配線の電動機が含まれている場合の問題を解決することができない。そもそも、特許文献１は同期電動機を対象にしたものであり、誘導電動機の誤配線については言及されていない。
そこで、本発明の解決課題は、互いに並列に接続され、かつ機械的に結合された複数台の誘導電動機のうち少なくとも１台の電動機の相順が誤配線であることを検出可能とした電力変換器の制御装置、及び、この制御装置を備えた電気車を提供することにある。
上記課題を解決するため、請求項１に係る電力変換器の制御装置は、半導体スイッチング素子の動作により直流電圧を変換して得た三相交流電圧を、互いに並列に接続されて機械的に結合された複数台の誘導電動機に供給してこれらの誘導電動機を運転する電力変換器の制御装置において、
前記電力変換器の出力電流を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段による電流検出値を電流指令値に一致させるような電圧指令値を生成する電流制御手段と、
前記電圧指令値の振幅を演算する電圧指令振幅演算手段と、
サンプリング周期ごとに前記誘導電動機の一次周波数とその時の前記電圧指令値の振幅との組み合わせを記憶する記憶手段と、
前記記憶手段の記憶情報に基づいて前記電圧指令値の振幅の増加分を前記一次周波数の増加分で除算した値を演算し、その除算結果が所定の基準値を下回るときに、複数台の前記誘導電動機の中に前記電力変換器に対して相順が誤配線された誘導電動機が少なくとも１台存在することを判定して故障信号を出力する勾配検出手段と、
を備えたものである。
請求項２に係る電力変換器の制御装置は、半導体スイッチング素子の動作により直流電圧を変換して得た三相交流電圧を、互いに並列に接続されて機械的に結合された複数台の誘導電動機に供給してこれらの誘導電動機を運転する電力変換器の制御装置において、
前記電力変換器の出力電流を検出する電流検出手段と、
前記電力変換器の出力電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電流検出手段による電流検出値を電流指令値に一致させるような電圧指令値を生成する電流制御手段と、
前記電圧検出手段による電圧検出値の振幅を演算する電圧検出値振幅演算手段と、
サンプリング周期ごとに前記誘導電動機の一次周波数とその時の前記電圧検出値の振幅との組み合わせを記憶する記憶手段と、
前記記憶手段の記憶情報に基づいて前記電圧指令値の振幅の増加分を前記一次周波数の増加分で除算した値を演算し、その除算結果が所定の基準値を下回るときに、複数台の前記誘導電動機の中に前記電力変換器に対して相順が誤配線された誘導電動機が少なくとも１台存在することを判定して故障信号を出力する勾配検出手段と、
を備えたものである。
また、請求項３に係る電気車は、請求項１または請求項２に記載した制御装置が前記電力変換器と共に車両に搭載され、前記電力変換器により車輪駆動用の複数台の誘導電動機を運転することを特徴とする。
また、請求項４に係る電気車は、請求項３に係る電気車において、前記車両が最も低いトルク性能の力行ノッチで運転されているときに、前記勾配検出手段が前記故障信号を出力することを特徴とする。
また、請求項５に係る電気車は、請求項３に係る電気車において、前記車両の速度が所定値以下のときに、前記勾配検出手段が前記故障信号を出力することを特徴とする。
また、請求項６に係る電気車は、請求項３に係る電気車において、前記車両が最も低いトルク性能の力行ノッチで運転されているときであって、かつ前記車両の速度が所定値以下のときに、前記勾配検出手段が前記故障信号を出力することを特徴とする。
本発明によれば、互いに並列に接続され、かつ機械的に結合されている複数台の誘導電動機の中で、電力変換器に対して相順が誤配線された誘導電動機が少なくとも１台存在することを、一次周波数の増加分に対する電圧指令値または電圧検出値の振幅の増加分の比に基づいて確実に検出することができる。
本発明の実施形態が適用される誘導電動機の駆動システムを示すブロック図である。 誘導電動機のＴ形等価回路を示す図である。 複数台の誘導電動機を並列接続した場合の等価回路を示す図である。 １台の誘導電動機の正常配線時と誤配線時とにおいて、二次側インピーダンスの大きさの計算例を比較した図である。 複数台の誘導電動機が正常配線されている場合と誤配線された１台の誘導電動機を含む場合とにおいて、複数台の誘導電動機の合成インピーダンスの大きさの計算例を比較した図である。 特許文献１に記載された従来技術のブロック図である。 図６における誤配線検出部の構成を示すブロック図である。 図６における誤配線検出部の動作説明図である。
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の実施形態が適用される誘導電動機の駆動システムを示しており、請求項１に係る発明に相当する。図１において、インバータ等の電力変換器１０には直流電源２０が接続されており、電力変換器１０内の半導体スイッチング素子の動作により、直流電源２０の直流電圧が三相交流電圧に変換されて誘導電動機群４０に供給されている。
誘導電動機群４０は、互いに並列に接続され、かつ機械的に結合された複数台(例えば４台)の誘導電動機４１によって構成されている。
ここで、電力変換器１０の制御装置は以下のように構成されている。
すなわち、すべり周波数（すべり角周波数）指令値ωｓｅ ＊と誘導電動機群４０の回転速度検出値ωｒｅとが一次周波数演算手段５０により加算され、一次周波数（一次角周波数）ω１が生成される。この一次周波数ω１は、積分手段６０により積分されてベクトル制御に必要な角度θが演算されると共に、記憶手段１１０にも入力されている。
また、電力変換器１０の出力側には電流検出手段３０が設けられ、三相の電流検出値ｉｕ，ｉｖ，ｉｗが座標変換手段７０に入力されている。座標変換手段７０では、電流検出値ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを角度θに基づいて二相量のｄ軸電流検出値ｉｄ、ｑ軸電流検出値ｉｑに変換し、電流制御手段９０に出力する。
電流制御手段９０は、ｄ軸電流検出値ｉｄをｄ軸電流指令値ｉｄ ＊に一致させ、ｑ軸電流検出値ｉｑをｑ軸電流指令値ｉｑ ＊に一致させるようなｄ軸電圧指令値ｖｄ ＊及びｑ軸電圧指令値ｖｑ ＊を演算して出力する。なお、ｄ軸電流指令値ｉｄ ＊及びｑ軸電流指令値ｉｑ ＊は、図示されていない上位コントローラから与えられている。
座標変換手段８０は、ｄ軸電圧指令値ｖｄ ＊及びｑ軸電圧指令値ｖｑ ＊を角度θに基づいて三相の電圧指令値に変換し、この電圧指令値を電力変換器１０に与える。電力変換器１０は、半導体スイッチング素子のスイッチング動作により、上記電圧指令値に従った三相交流電圧を生成して誘導電動機群４０に供給する。
電流制御手段９０から出力されたｄ軸電圧指令値ｖｄ ＊及びｑ軸電圧指令値ｖｑ ＊は、電圧指令振幅演算手段１００にも入力されている。電圧指令振幅演算手段１００は、数式１により電圧指令値の振幅ｖａ ＊を演算して記憶手段１１０に記憶させる。
Figure 0006159659
記憶手段１１０は、一定の間隔でサンプリングされた一次周波数ω１及び電圧指令値の振幅ｖａ ＊を記憶している。例えば、ｋ回目のサンプリング周期で得られた一次周波数をω１（ｋ）、電圧指令値の振幅をｖａ ＊（ｋ）とすると、これらのω１（ｋ）とｖａ ＊（ｋ）との組み合わせが記憶手段１１０に記憶される。
勾配検出手段１２０は、新たに得られたｋ回目のデータであるω１（ｋ），ｖａ ＊（ｋ）と前回のデータであるω１（ｋ−１），ｖａ ＊（ｋ−１）とを用いて、数式２により、一次周波数の増加分に対する電圧指令値の振幅の増加分の比（Δｖａ ＊／Δω１）を求める。
Figure 0006159659
そして、勾配検出手段１２０は、上記の比（Δｖａ ＊／Δω１）が所定の基準値を下回った場合に、誘導電動機群４０の中で少なくとも１台の誘導電動機４１の相順が電力変換器１０の出力相に対して二相誤配線であること（例えば、電力変換器１０の出力相Ｕ-Ｖ-Ｗに対し、誘導電動機４１の入力相がＵ-Ｗ-Ｖの相順で接続されているような状態）を検出して故障信号を生成し、電力変換器１０に出力する。故障信号を受け取った電力変換器１０は、全ての半導体スイッチング素子をオフ（全ゲートオフ）することにより、誘導電動機群４０への電力供給を停止する。
次に、図１に示す構成により、誘導電動機４１の二相誤配線を検出可能な理由について述べる。
誘導電動機のベクトル制御では、電力変換器の出力周波数（一次周波数）で回転する座標系（ｄ−ｑ軸座標系）を用いて解析するため、仮に電力変換器の三相出力のうち二相が誤配線されて入力相の相順が入れ替わっている誘導電動機は、等価的に回転子側が逆回転しているものとして解析する。この場合、誘導電動機の一次周波数ω１の極性を正とすると、回転速度ωｒｅの極性は負になるが、すべり周波数の極性は正になる。誤配線された誘導電動機のすべり周波数をωｓｅ２とすると、ωｓｅ２，ωｒｅ，ω１の関係は数式３のようになり、すべり周波数ωｓｅ２が回転速度ωｒｅの２倍程度までになることがわかる。
［数３］
ωｓｅ２＝ωｒｅ＋ω１
図２は、誘導電動機４１のＴ形等価回路である。図示するように、電力変換器から誘導電動機にｄ軸電圧ｖｄ，ｑ軸電圧ｖｑ（図中、ｖｄｑにて表す）が印加され、一次抵抗Ｒｓ、一次側漏れインダクタンスＬｓ、二次側漏れインダクタンスＬｒ、励磁インダクタンスＭ及び二次抵抗Ｒｒによって表される誘導電動機にｄ軸電流ｉｄ，ｑ軸電流ｉｑ（図中、ｉｄｑにて表す）が流入すると考えることができる。
なお、図３は、図１のように複数台の誘導電動機４１が互いに並列に接続されている場合の等価回路である。
ここで、誘導電動機４１の電圧方程式を複素ベクトル形式で表すと、数式４となる。
Figure 0006159659
 数式４において、ｖｄｑ：電力変換器１０による印加電圧、φｄｑ：二次磁束ベクトル、ｉｄｑ：電流ベクトル、ω１：一次周波数、σＬｓ：漏れインダクタンス（Ｍ／Ｌｒ（Ｌｓ＋Ｌｒ）にほぼ等しい値をとる）である。
いま、印加電圧ｖｄｑから一次抵抗Ｒｓ及び漏れインダクタンスσＬｓにおける電圧降下を差し引いた二次磁束φｄｑによって発生する誘起電圧をｅｄｑとおくと、一次側のｄｑ軸電流ｉｄｑと誘起電圧ｅｄｑとの関係は、数式５のようになる。なお、数式５では微分項を無視しており、定常状態を考慮している。
Figure 0006159659
 数式５は、一次電流ｉｄｑと誘起電圧ｅｄｑとの関係を表しており、両辺を一次電流ｉｄｑによって除算することにより、誘導電動機の二次側のインピーダンスＺを得ることができる。
次に、一次周波数が２．５［Ｈｚ］〜１０［Ｈｚ］（誘導電動機の回転速度が１６［ｒａｄ／ｓ］〜６３［ｒａｄ／ｓ］に相当）まで増加した場合における、１台の正常配線された誘導電動機及び相順が誤配線された誘導電動機の二次側インピーダンスＺの大きさの計算例を、図４に示す。なお、電動機定数は、定格電圧２００［Ｖ］、定格出力７．５［ｋＷ］のベクトル制御用誘導電動機の定数を用いている。
相順が誤配線された誘導電動機では、前述した数式３のように回転速度と一次周波数との合計値がすべり周波数となっている。すなわち、すべり周波数が一定のもとでは回転速度が上昇するにつれて一次周波数が低下するため、数式５から求められる二次側のインピーダンスＺは、図４に示すように、回転速度が上昇しても低い値にとどまっている。
また、誘導電動機全体としての合成インピーダンスの大きさは、一次周波数が上昇するにつれて二次側インピーダンスが支配的となる。図５は、並列接続された複数台（例えば４台）の誘導電動機がすべて正しい相順で正常に配線されている場合と、複数台の誘導電動機のうち１台の相順が二相誤配線されている場合の合成インピーダンスの計算結果を示している。
図５によれば、全ての誘導電動機が正常配線されている場合に比べて誤配線の誘導電動機を含む場合では、回転速度に対する合成インピーダンスの傾きが減少していることがわかる。
一方、電力変換器１０の制御装置は電流制御を行っているため、図３に示すように、複数台の誘導電動機４１に対して電流源として振舞っている。従って、同一の電流指令値に基づく電流を各誘導電動機４１に流した場合、全ての電動機４１の正常配線時と１台でも誤配線を含む場合とでは、それぞれ図５に示したような合成インピーダンスの大きさに比例する振幅の電圧が、電力変換器１０の出力端に現れることになる。
このため、図１に示した如く、記憶手段１１０に一次周波数ω１と電圧指令の振幅ｖａ ＊とを記憶させておき、勾配検出手段１２０が数式２の演算を行って一次周波数ω１の増加分（回転速度の増加分）に対する電圧指令の振幅ｖａ ＊の増加分の比（Δｖａ ＊／Δω１）を検出し、この比が所定の基準値を下回ったこと、言い換えれば回転速度に対する合成インピーダンスの変化分が所定の基準値を下回ったことに基づいて、少なくとも１台の誘導電動機４１の相順の誤配線を検出することができる。
こうして誘導電動機４１の誤配線を検出した場合には、勾配検出手段１２０から故障信号を出力させて電力変換器１０の運転停止等の処理を実行すれば良い。
上記実施形態では、誤配線の検出に電圧指令値の振幅を用いているが、電圧検出値の振幅を用いても良い。すなわち、図示されていないが、請求項２に記載するように、電力変換器１０の出力電圧を電圧検出手段により検出し、その電圧検出値の振幅を図１の電圧指令振幅演算手段１００に代わる電圧検出値振幅演算手段により演算すると共に、この電圧検出値の振幅と一次周波数との組み合わせを記憶手段１１０に記憶させる。
そして、勾配検出手段１２０では、一次周波数の増加分に対する電圧検出値の振幅の増加分の比を演算し、この比が所定の基準値を下回ったときに誘導電動機４１の相順の誤配線を検出するものである。
なお、本発明は、車両に搭載された１台の可変電圧可変周波数インバータ（ＶＶＶＦインバータ）等の電力変換器により、車輪駆動用の複数台の誘導電動機を運転する電気車としても実現可能である。
電気車では、車両の組立や整備・点検時に電気機器及び機器間配線の取り外しと取付けが行われる場合がある。そして、車両または電気機器の組立後には、電気車を力行１ノッチで起動し、低速度から徐々に加速するなどの走行試験が実施される。このような走行試験によって、各電気機器が正常に動作することを確認することができる。力行１ノッチは、最も低いトルク性能が割り当てられた力行ノッチである。
従って、本発明を電気車に適用する場合、車両が力行１ノッチで運転されているときに、誘導電動機４１の誤配線を検出するのが良い。また、車両が所定の速度（例えば、力行１ノッチで加速できる最高速度）以下のときに、誘導電動機４１の誤配線を検出するようにしても良い。更に、車両が力行１ノッチで運転されているときであって、かつ車両が所定の速度以下のときに、誘導電動機４１の誤配線を検出するようにしても良い。
このようにすれば、車両または電気機器の組立後の早い段階で、誘導電動機４１の誤配線を検出することができる。
１０：電力変換器
２０：直流電源
３０：電流検出手段
４０：誘導電動機群
４１：誘導電動機
５０：一次周波数演算手段
６０：積分手段
７０，８０：座標変換手段
９０：電流制御手段
１００：電圧指令振幅演算手段
１１０：記憶手段
１２０：勾配検出手段

Claims (6)

  1. 半導体スイッチング素子の動作により直流電圧を変換して得た三相交流電圧を、互いに並列に接続されて機械的に結合された複数台の誘導電動機に供給してこれらの誘導電動機を運転する電力変換器の制御装置において、
    前記電力変換器の出力電流を検出する電流検出手段と、
    前記電流検出手段による電流検出値を電流指令値に一致させるような電圧指令値を生成する電流制御手段と、
    前記電圧指令値の振幅を演算する電圧指令振幅演算手段と、
    サンプリング周期ごとに前記誘導電動機の一次周波数とその時の前記電圧指令値の振幅との組み合わせを記憶する記憶手段と、
    前記記憶手段の記憶情報に基づいて前記電圧指令値の振幅の増加分を前記一次周波数の増加分で除算した値を演算し、その除算結果が所定の基準値を下回るときに、複数台の前記誘導電動機の中に前記電力変換器に対して相順が誤配線された誘導電動機が少なくとも１台存在することを判定して故障信号を出力する勾配検出手段と、
    を備えたことを特徴とする電力変換器の制御装置。
  2. 半導体スイッチング素子の動作により直流電圧を変換して得た三相交流電圧を、互いに並列に接続されて機械的に結合された複数台の誘導電動機に供給してこれらの誘導電動機を運転する電力変換器の制御装置において、
    前記電力変換器の出力電流を検出する電流検出手段と、
    前記電力変換器の出力電圧を検出する電圧検出手段と、
    前記電流検出手段による電流検出値を電流指令値に一致させるような電圧指令値を生成する電流制御手段と、
    前記電圧検出手段による電圧検出値の振幅を演算する電圧検出値振幅演算手段と、
    サンプリング周期ごとに前記誘導電動機の一次周波数とその時の前記電圧検出値の振幅との組み合わせを記憶する記憶手段と、
    前記記憶手段の記憶情報に基づいて前記電圧指令値の振幅の増加分を前記一次周波数の増加分で除算した値を演算し、その除算結果が所定の基準値を下回るときに、複数台の前記誘導電動機の中に前記電力変換器に対して相順が誤配線された誘導電動機が少なくとも１台存在することを判定して故障信号を出力する勾配検出手段と、
    を備えたことを特徴とする電力変換器の制御装置。
  3. 請求項１または請求項２に記載した電力変換器の制御装置が前記電力変換器と共に車両に搭載され、前記電力変換器により車輪駆動用の複数台の誘導電動機を運転することを特徴とする電気車。
  4. 前記車両が最も低いトルク性能の力行ノッチで運転されているときに、前記勾配検出手段が前記故障信号を出力することを特徴とする請求項３に記載の電気車。
  5. 前記車両の速度が所定値以下のときに、前記勾配検出手段が前記故障信号を出力することを特徴とする請求項３に記載の電気車。
  6. 前記車両が最も低いトルク性能の力行ノッチで運転されているときであって、かつ前記車両の速度が所定値以下のときに、前記勾配検出手段が前記故障信号を出力することを特徴とする請求項３に記載の電気車。
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