JP6533132B2 - 電気車の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気車の制御装置に係り、特に電気車駆動用の三相交流誘導電動機への出力線の相順が誤配線された場合に、その誤配線を検知可能とする電気車の制御装置に関する。

誘導電動機をベクトル制御する方式のインバータ装置は、検出した電動機電流をトルク電流成分と励磁電流成分とに分離変換し、それぞれがＰＩ制御等で目標値に収束するように電動機電流を制御している。

電気車において、インバータ装置と誘導電動機間の配線は基本的に手作業にて接続を行うことが多い。鉄道事業者や電気車メーカでは、配線の接続先が記載された図面を使用したり、作業手順や注意事項を記載した作業要領書及び作業チェックシートを図面と併用することにより、配線接続を正しく行うようにしている。また、作業後の確認でもこの図面等を使用することにより誤配線を摘出可能としている。

特開２０１４−２３２８２号公報

鉄道事業者や電気車メーカでは、上記の図面や作業要領書、作業チェックシート等を使用して作業不良を防止し誘導電動機の誤配線を発生させないようにしている。しかし、ヒューマンエラーは避けようがなく、それにより誤配線を発生させその後の確認においても誤配線を摘出できなかった場合には、電気車走行時に誤配線のまま駆動される誘導電動機が過熱し焼損する可能性がある。

誘導電動機を駆動するインバータ装置において、トルク電流目標値（トルク電流パタン）と検出した電動機電流から得られるトルク電流検出値との差から求めるトルク電流（Ｉｑ）ＡＣＲ操作量が、誘導電動機に誤配線があった際に正常配線時よりも大きくなることを利用してその誤配線を検知することができる。なおここで、ＡＣＲは、Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｒｅｇｕｌａｔｏｒの略である。

モータとインバータ間の誤配線を検知する類似の技術として、先行技術文献に掲げた特開２０１４−２３２８２号公報（特許文献１）に記載された技術がある。この公報には、「モータを駆動するインバータと、モータへ入力する入力電流を検出する電流センサと、電流センサと前記インバータと接続され、入力電流または運転指令をもとに演算される実際値と指令値を比較し、その比較結果がある一定値以上となる場合に、前記複数台のモータと前記インバータ間に誤配線が生じていることを検知する制御部とを有している」という記載がある。しかし、特許文献１には、モータ延いてはそれを搭載する電気車を保護し安全に走行（運行）させるために、その誤配線の検知を如何に早期にかつ的確に発見し如何なる対策を施すかについての言及がなく実用性に関して課題がある。

誘導電動機の保護に関しては、ＩｑＡＣＲ操作量が所定の閾値よりも大きくなった際に誘導電動機への電力供給を遮断することにより、誘導電動機の加熱焼損を回避することが可能となる。
一方、配線が正常に接続されていれば、誘導電動機は焼損することなく正常に動作することが可能であるから、一度誘導電動機が正常に動作することを確認できれば、次に誘導電動機の配線を接続し直す時まで誤配線の検知は不要となる。

以上により、電気車が誘導電動機の配線接続後に初めて起動し高速走行する前に誤配線を検知して、車速が一定速度以上となれば誘導電動機の誤配線の検知は行わない機能を有することにより、誤配線による誘導電動機の焼損を防止できるインバータ装置を提供する。
なお以下では、誘導電動機を、単に電動機として呼称する場合がある。

本発明は、複数の誘導電動機を駆動する電力変換器を備えた電気車の制御装置において、電気車の運転台からのノッチ指令が所定値以下でかつ電気車の速度が第１の所定値以上及び第２の所定値以下であり、なおかつ、前記速度及び前記ノッチ指令から得られるトルク電流パタンと電力変換器から出力される電動機電流の検出値から得られるトルク電流検出値との差から求めるトルク電流ＡＣＲ操作量が所定の閾値以上となることで、複数の誘導電動機の内少なくとも１台の相順が誤配線であることを検知する。

本発明によれば、複数台の誘導電動機を駆動するベクトル制御方式のインバータ装置を搭載する電気車において、誘導電動機の相順を誤って配線した場合でも、電気車が鉄道事業者の営業線を走行する前に、車両基地内で誘導電動機の誤配線を検知して誘導電動機への電力供給を遮断する。これにより、誘導電動機の過熱焼損を防止すると共に、電気車の乗務員に誘導電動機の誤配線を通知することができる。

本発明の実施例に係る電気車の制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例に係る誘導電動機の誤配線を検知するためのフローチャートを示す図である。

以下、本発明の実施形態を実施例として、図面を用いて説明する。

図１は、本発明の実施例に係る電気車の制御装置の構成を示すブロック図である。
運転台１は、力行ノッチＰを出力し、この力行ノッチＰを電流指令演算器２及び電動機誤配線判定器５に入力する。
電流指令演算器２は、力行ノッチＰ及び速度検出器６の出力であるロータ周波数ｆｒを入力とし、トルク電流パタンＩｑｐを出力する。

トルク電流ＡＣＲ演算器３は、トルク電流パタンＩｑｐ及び電流ベクトル変換器７の出力であるトルク電流検出値Ｉｑｆを入力とし、トルク電流Ｉｑ及びトルク電流ＡＣＲ操作量ＩｑＡＣＲを出力する。
速度検出器６は、速度信号発生器１１の出力であるＰＧ１〜ＰＧ４を入力とし、ロータ周波数ｆｒを出力する。なお、ここでは４台の速度信号発生器１１を示したが、これに限定されるものではなく、搭載する複数の誘導電動機に対応した複数台であればよい。
電流ベクトル変換器７は、電流検出器９ａ、９ｂ、９ｃから得られる電動機電流検出値ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを入力し、トルク電流検出値Ｉｑｆを出力する。

ベクトル制御演算器４は、トルク電流Ｉｑ、ロータ周波数ｆｒ及び電動機誤配線判定器５の出力である電動機誤配線フラグＭＭＷＷを入力とし、出力電圧指令Ｖｐを出力する。
ＰＷＭインバータ８では出力電圧指令Ｖｐが入力され、これにより演算されるゲート信号は主回路を構成するスイッチング素子を動作させる。これにより、直流電源（架線）１２より得られる直流電力が三相交流電力に変換され、その電力は複数の誘導電動機１０に供給される。

複数の誘導電動機１０の内一つでも誤配線があった場合、誤配線の誘導電動機は電気車の進行方向と反対向きのトルクを出力したまま強制的に電気車の進行方向に回転させられる状態となり、正常時と異なった電動機電流が流れる。この結果、電流ベクトル変換器７の出力であるトルク電流検出値Ｉｑｆも正常時とは異なった値を示し、トルク電流パタンＩｑｐとの差が正常時よりも大きくなる。そうすると、トルク電流パタンＩｑｐとトルク電流検出値Ｉｑｆの差が大きいほど、トルク電流ＡＣＲ演算器３から出力されるトルク電流ＡＣＲ操作量ＩｑＡＣＲが大きくなる。

電動機誤配線判定器５は、力行ノッチＰ、トルク電流ＡＣＲ操作量ＩｑＡＣＲ及びロータ周波数ｆｒを入力とし、電動機誤配線フラグＭＭＷＷを出力する。電動機誤配線判定器５は、その内部にトルク電流ＡＣＲ操作量ＩｑＡＣＲと閾値Ｄとの比較部を設け、誘導電動機の誤配線によりトルク電流ＡＣＲ操作量ＩｑＡＣＲが閾値Ｄ以上となった場合に、電動機誤配線フラグＭＭＷＷを出力する。ここで、閾値Ｄは、後述するように、電動機配線を誤配線とみなす場合のトルク電流ＡＣＲ操作量ＩｑＡＣＲの値である。

ベクトル制御演算器４は、電動機誤配線フラグＭＭＷＷが入力された場合に、出力電圧指令Ｖｐの出力を遮断することで、ＰＷＭインバータ８から誘導電動機１０への電力供給を遮断する。これにより、誤配線時における誘導電動機１０の焼損の防止を図ることができる。また、電動機誤配線フラグＭＭＷＷは運転台等に設置されたモニタ装置１３へも入力され、電気車の乗務員へ誘導電動機の誤配線を通知することができる。

電動機誤配線判定器５は、誘導電動機の主回路結線作業を行った後、初回の電気車走行（以下、単に「走行」という）時にて誘導電動機の誤配線の有無を検知する。すなわち、誘導電動機の誤配線があった場合は、誘導電動機の主回路結線作業を行った後の初回に低速で走行している内に、電動機誤配線フラグＭＭＷＷが出力されるように論理を構成するものである。

即ち、以下の３つの条件（１）〜（３）が全て成立した場合に、誘導電動機は誤配線されていると検知する。
（１）誘導電動機の主回路結線作業後、初回の走行で、トルク電流ＡＣＲ操作量ＩｑＡＣＲが閾値Ｄ以上となる。
（２）誘導電動機の主回路結線作業後、初回の走行で、力行ノッチＰの値が閾値Ａ以下である。
（３）誘導電動機の主回路結線作業後、初回の走行で、走行速度が閾値Ｂ以上でかつ閾値Ｃ以下であり閾値Ｃを一度も超過していない。

結局のところ、誘導電動機の主回路結線作業後、初回の走行で、誘導電動機の誤配線を検知しない場合には、電動機配線は正常とみなす。そこで、誘導電動機の主回路結線作業後、初回の走行速度が閾値Ｃを超えると、インバータ制御装置の主電源を遮断するに至るまではトルク電流ＡＣＲ操作量ＩｑＡＣＲが閾値Ｄ以上となっても電動機誤配線フラグＭＭＷＷを出力しない。すなわち、誘導電動機の誤配線の検知を不能にする。要するに、誘導電動機の誤配線の検知を、誘導電動機の主回路結線作業後、初回の走行速度が閾値Ｃを超えるまでに終えるようにするものである。

ここで、閾値Ａ〜Ｄについては以下のように定める。
閾値Ａについては、電気車が誘導電動機の主回路結線を行う敷地（例えば、車両基地）内で取り得る最大ノッチの値とする。誘導電動機の主回路結線作業を行った後の敷地内の走行において、この閾値Ａ以下のノッチで異常が検知されなければ電動機配線は正常といえる。これにより、電気車は営業線上へ移動し走行することが可能であり誤配線検知を行う必要が無くなったとみなす。

閾値Ｂについては、電動機誤配線時にあって、トルク電流ＡＣＲ操作量ＩｑＡＣＲが閾値Ｄ以上となる時点の速度とする。この閾値Ｂを設けることにより、起動直後の速度が０ｋｍ／ｈ時においてトルク電流ＡＣＲ操作量ＩｑＡＣＲの値が不安定となっても、電動機誤配線以外の要因によって誤検知することを防止する。

閾値Ｃについては、電気車が誘導電動機の主回路結線を行う敷地（例えば、車両基地）内を走行する場合の定められた最高速度とする。この速度を超えるまでに異常が検知されなければ電動機配線は正常といえる。これにより、電気車は営業線上へ移動し走行することが可能であり誤配線検知を行う必要が無くなったとみなす。

閾値Ｄについては、電動機配線を誤配線とみなす場合のトルク電流ＡＣＲ操作量ＩｑＡＣＲの値とする。ただし、電動機配線が正常でも誘導電動機が過熱すると、トルク電流ＡＣＲ操作量ＩｑＡＣＲは誘導電動機の低温時と比較して数倍大きい値となる。そこで、誘導電動機の高温時における誤検知防止を考慮して閾値Ｄを決定する必要がある。例えば、想定される最悪条件下にて誘導電動機が取り得る最大温度よりも高い２００℃の電動機温度において、トルク電流ＡＣＲ操作量ＩｑＡＣＲが、閾値Ｂ以上閾値Ｃ以下の間の車両速度で閾値Ａのノッチ状態にて発生する最大値の１．２倍のマージンを見込んだ値を、閾値Ｄとする。

電動機誤配線判定器５は、誘導電動機の誤配線を検知し電動機誤配線フラグＭＭＷＷを出力した場合には、インバータ制御装置の主電源を遮断するに至るまでは電動機誤配線フラグＭＭＷＷの出力を保持する。これを受けて、図１のベクトル制御演算器４は、その出力である出力電圧指令Ｖｐを遮断し続け、図１の誘導電動機１０への電力供給を遮断する。

次に、第２図を参照して、車両運転時に誘導電動機の誤配線を検知し誘導電動機への電力供給を遮断するための処理フローについて説明する。第２図は、そのためのフローチャートを示す図である。

先ず、ステップＳ１００で、運転者が電気車の運転台から力行ノッチを投入する。これにより誘導電動機に電力が供給され電気車が起動する。
ステップＳ１１０で、トルク電流ＡＣＲ演算器３からトルク電流ＡＣＲ操作量ＩｑＡＣＲが出力される。

ステップＳ１２０で、電動機誤配線判定器５は、トルク電流ＡＣＲ操作量ＩｑＡＣＲが閾値Ｄ以上であるか否かを判定する。
トルク電流ＡＣＲ操作量ＩｑＡＣＲが閾値Ｄ以上である場合に（Ｙｅｓ）、ステップＳ１３０で、電動機誤配線判定器５は、力行ノッチＰの値が閾値Ａ以下であるか否かを判定する。

力行ノッチＰの値が閾値Ａ以下である場合（Ｙｅｓ）、ステップＳ１４０で、電動機誤配線判定器５は、電気車の速度が閾値Ｂ以上でかつ閾値Ｃ以下であるか否かを判定する。
電気車の速度が閾値Ｂ以上でかつ閾値Ｃ以下である場合に（Ｙｅｓ）、ステップＳ１５０で、電動機誤配線判定器５は、インバータ制御装置の主電源を投入後、電気車の速度が閾値Ｃ以上となったことはあるか否かを判定する。

電気車の速度が閾値Ｃ以上となったことがない場合（Ｎｏ）、ステップＳ１６０で、電動機誤配線判定器５は、電動機配線は誤配線であると検知（判定）し、誘導電動機への電力供給を遮断する。すなわち、このステップＳ１６０は、前述した誘導電動機の誤配線検知のための３つの条件を全て満たす場合に相当する。

以上のステップＳ１２０からＳ１４０の判定がそれぞれ否定される場合（Ｎｏ）、またはステップＳ１５０の判定が肯定される場合（Ｙｅｓ）には、周期的に以上のステップによる判定ループの処理が繰り返される。すなわち、誘導電動機への電力供給は継続され、電気車は走行を続けることになる。
なお、上記ステップＳ１２０からＳ１５０までの判定ステップは、その判定順序が固定されるものではなく、どのステップから判定を始めてもよい。

また、２台以上の複数台の誘導電動機に誤配線がなされていた場合であっても、上記の処理フローを通して誤配線を検知すると、全ての誘導電動機の配線を点検することになるから、その時に誤配線の誘導電動機を２台以上であっても見つけることができればその場で対処が図れるものである。たとえ、その時の点検を経てもまだ誤配線の見逃しが残った場合でも、点検修復後に当然車両基地内で上記処理フローの作業が再度行われることから、見逃した誤配線による異常が再度検知されることになる。

このように、電動機誤配線判定器５を電気車の制御装置に適用することにより、鉄道事業者の営業線上における誤検知動作を防止し、不要な保護動作の排除を可能にする。そして、車両基地内での低速走行時に限って誘導電動機の誤配線を検知することにより、電気車が営業線上を走行する前に、誤配線による誘導電動機の過熱焼損の防止を図ることができる。すなわち、本発明は、よりフェイルセーフな状態で電気車が営業線上を安全に走行（運行）することに寄与し実用性に優れたものである。

１…運転台、２…電流指令演算器、３…トルク電流ＡＣＲ演算器、４…ベクトル制御演算器、５…電動機誤配線判定器、６…速度検出器、７…電流ベクトル変換器、８…ＰＷＭインバータ、９…電流検出器、１０…誘導電動機、１１…速度信号発生器、１２…直流電源、１３…モニタ装置

Claims (4)

1. 複数の誘導電動機を駆動する電力変換器を備えた電気車の制御装置において、
   電気車の運転台からのノッチ指令が所定値以下でかつ該電気車の速度が第１の所定値以上及び第２の所定値以下であり、なおかつ、前記速度及び前記ノッチ指令から得られるトルク電流パタンと前記電力変換器から出力される電動機電流の検出値から得られるトルク電流検出値との差から求めるトルク電流ＡＣＲ操作量が所定の閾値以上となることで、前記複数の誘導電動機の内少なくとも１台の相順が誤配線であることを検知し、
   前記所定の閾値は、前記誘導電動機が取り得る最大温度より高い温度の下で、前記ノッチ指令が前記所定値以下でかつ前記速度が前記第１の所定値以上及び前記第２の所定値以下の状態で発生する前記トルク電流ＡＣＲ操作量に基づいて設定される
   ことを特徴とする電気車の制御装置。
2. 請求項１記載の電気車の制御装置において、
   前記ノッチ指令の所定値は、前記電気車が営業線へ移動して走行する前の走行状態で取り得る最大ノッチの値であり、
   前記速度の第１の所定値は、前記トルク電流ＡＣＲ操作量が前記誘導電動機の前記誤配線時に前記所定の閾値となる時点の速度であり、
   前記速度の第２の所定値は、前記電気車が営業線へ移動して走行する前の走行状態で定められた最高速度である
   ことを特徴とする電気車の制御装置。
3. 請求項１または２に記載の電気車の制御装置において、
   前記誤配線を検知すると前記複数の誘導電動機への電源供給を遮断する
   ことを特徴とする電気車の制御装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の電気車の制御装置において、
   当該制御装置の主電源が投入されてから前記誤配線が検知される前に、前記速度が前記第２の所定値を超える場合には前記誤配線の検知を不能とする
   ことを特徴とする電気車の制御装置。
   

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