JP7111901B2 - 三相交流電動機用駆動装置、それを備えた鉄道車両、及び三相交流電動機の駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、三相交流電動機用駆動装置、それを備えた鉄道車両、及び三相交流電動機の駆動方法に関する。

鉄道車両用の電動機の駆動装置では、三相交流電動機が広く使用されており、近年では、鉄道車両用の駆動システムの小型化、高効率化を目的に、三相交流電動機として永久磁石型同期電動機（Permanent Magnet Synchronous Motor：以下、「ＰＭＳＭ」の略称も用いる）の適用が進んでいる。

ＰＭＳＭは、回転すると永久磁石磁束によって電動機の端子間に誘起電圧が発生する。このため、ＰＭＳＭを駆動するためのインバータ装置に短絡故障等が生じた状態で運転を継続した場合、ＰＭＳＭの誘起電圧によってインバータ装置に短絡電流が流れ続けるとともに、ＰＭＳＭにブレーキ力が発生する。

１台のインバータ装置でもこのような状態になると、列車の加速性能の低下や、短絡事故電流が連続的に通流することになり機器の焼損等の可能性がある。このため、１台のインバータ装置の故障により、列車の正常運転ができなくなることから、ＰＭＳＭを駆動させるＰＭＳＭの駆動装置では、インバータ装置の故障時にＰＭＳＭとインバータ装置とを電気的に切り離す電動機開放用開閉器（Motor Cutout Contacts：以下、「ＭＣＯＫ」の略称も用いる）を設けることがある。

また、ＰＭＳＭ等の三相交流電動機を駆動するインバータ装置は、三相の相電流を検出する電流検出器の相電流情報や、三相の相間の電圧を検出する電圧検出器の線間電圧情報を制御装置に入力し、この相電流や線間電圧の情報を使って三相交流電動機をインバータ駆動するための制御演算に使用したり、保護検知用の情報に使用して、インバータ装置等を停止させ、安全を担保したり、装置の故障を防止するために使用する。この構成の例として、特許文献１及び特許文献２には、装置の故障時にＰＭＳＭとインバータ装置を切り離す回路構成例が示されている。これらに関連した技術を、図９に比較例１、図１０に比較例２として最後に説明する。

特開２０１１－７８２５４号公報 特開２０１３－１９２３００号公報

特許文献１及び特許文献２に示される回路構成では、例えば次の２つの課題がある。
第１に、電圧検出器（Alternating Current Potential Transformer：以下、「ＡＣＰＴ」の略称も用いる）が相間で短絡故障した場合に、電動機開放用開閉器（ＭＣＯＫ）が釈放（すなわち開放）した状態にあると、電流検出器で電圧検出器の相間短絡電流を検出できないといった課題がある。なお、これに対し、インバータ装置と電動機、なかでもＰＭＳＭの場合は特に、その電動機との接続が切断された場合であっても、インバータ装置側に付設又は内蔵された電流計で、電動機が発生する回生電流を検出したいという要望があった。

第２に、鉄道車両の用途では、インバータ装置を車両の床下に艤装する場合が多く、その場合、インバータ装置から見て、ＭＣＯＫよりも後段（すなわち、電動機に近づけた位置）に、電流検出器とＡＣＰＴを艤装する配置の方が望ましいことがあるという課題がある。その理由は、例えば以下の２点である。１つは、インバータ装置等の駆動装置の寸法制約により、電流検出器やＡＣＰＴをインバータ装置内に艤装できない場合があるためである。もう１つは、インバータ装置内にＭＣＯＫを後付けで艤装する場合等に、既存のインバータ装置の電流検出器の艤装位置の観点から、ＭＣＯＫの後段に電流検出器及びＡＣＰＴを艤装する構成の方が望ましい場合があるためである。

上述した課題は、例えば、三相交流電動機に誘導電動機を用いた駆動システムと、ＰＭＳＭを用いた駆動システムで互換性を確保し省力化と簡素化を図る場合にもあり得る。実際の鉄道車両において、既存の誘導電動機をＰＭＳＭに換装することが順次進められている。

上記課題を解決する本発明は、負荷を駆動する三相交流電動機用駆動装置であって、一方向に流れる電流を導通又は遮断する電流制御素子と該電流制御素子に対し並列接続されており当該電流制御素子と逆方向に電流を導通させる整流素子とを組み合わせた電流制御部を複数個有し、電源から供給される直流電力を三相交流電力に変換して前記負荷を駆動するインバータ装置と、前記インバータ装置と前記負荷を電気的に接続するか又は切り離しを行う電動機開放用開閉器と、三相の相間の電圧を検出するために少なくとも二相の回路に各端子が接続された電圧検出器と、三相の相電流を検出する電流検出器と、を備え、前記インバータ装置から前記負荷までの接続において、前記インバータ装置から前記負荷までの接続において、前記インバータ装置、前記電動機開放用開閉器、前記電圧検出器、前記電流検出器、及び前記負荷、の順に並んでいる、ものである。

本発明の三相交流電動機用駆動装置は、電圧検出器が短絡故障したような場合に、電動機開放用開閉器が釈放される。この電動機開放用開閉器の釈放により、インバータ装置と交流電動機が電気的に切り離される。そのような状態であっても、負荷と電圧検出器の経路を流れる短絡電流を電流検出器で検出することが可能となる。

電動機開放用開閉器が釈放される場合として、例えば、鉄道車両に適用された三相交流電動機用駆動装置の負荷が永久磁石型同期電動機であり、しかも、電圧検出器の短絡故障のほか、インバータ装置の出力低下等の故障の場合が該当する。その場合、永久磁石型同期電動機の回生制動作用を無くして、他の残存動力で運行継続するような運転士等による最適な保安対応もあり得る。

また、負荷が誘導電動機から永久磁石型同期電動機に換装される場合、上述の故障時に生じる回生制動作用を避けるために必要となる電動機開放用開閉器、及び電圧検出器を、インバータ装置の直近に、この順序で配置するように基本設計しておけば良い。電動機開放用開閉器のスペースを確保するため、そのスペースを避けるように電流検出器は負荷の直近に配置している。換言すれば、当初設計のインバータ装置内に、電動機開放用開閉器が不要であったとしても、該当スペースを確保しておけば、後付けする必要に迫られても困らない。つまり、電動機開放用開閉器の有無にかかわらず、インバータ装置の艤装上の構成や機器配置の互換性を確保することが容易となる。

本発明の実施形態に係る三相交流電動機用駆動装置（本装置）の一例を示す構成図である。 電圧検出器の接続形態の変形例を示す構成図である。 図３（ａ）は、インバータユニット構成の一例を示す構成図である。図３（ｂ）は、インバータユニット構成の別の一例を示す構成図である。 図４（ａ）は、インバータユニット配置の第１の比較例を示す構成図である。図４（ｂ）は、インバータユニット配置の第２の比較例（比較装置６１ｂ）を示す構成図である。図４（ｃ）は、実施例１に係る（本装置６１ｃ）インバータユニット配置を示す構成図である。 実施例２に係る本装置の構成図である。 実施例３に係る本装置の構成図である。 実施例４に係る本装置の構成図である。 実施例５に係る本装置の構成図である。 比較例１に係る三相交流電動機用駆動装置（比較装置７１）の構成図である。 比較装置７２の構成図である。

以下、本発明を実施する形態として、実施例１について図面を用いて説明する。なお、三相交流電動機用駆動装置のうち、本発明の実施形態に係るものを本装置と略称し、比較例に係るものを比較装置と略称している。

図１は、実施例１に係る本装置６１の一例を示す構成図である。インバータ装置１は、高圧側から低圧側に流れる電流を導通又は遮断できる電流制御素子と、電流制御素子と逆方向に電流を導通できるダイオードにより構成される。

一般的に電流制御素子としては、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor；絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）やパワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor；金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）等のパワー半導体素子が用いられる。

これらのパワー半導体素子は、材料としてシリコンを用いているものが多いが、近年になってＳｉＣ（炭化珪素）やＧａＮ（窒化ガリウム）を用いたものも増えており、システムの低損失化に貢献している。そのため、本発明に係るインバータ装置１に使用する電流制御素子についても、ＳｉＣやＧａＮを用いたものでも良い。

インバータ装置１は、図示しない直流電源から出力される直流電力を三相交流電力に変換して、交流電動機２を駆動する。インバータ装置１に入力する直流電源は、インバータ装置の直流電源入力部で、平滑コンデンサ３をインバータ装置１と並列接続し、前記平滑コンデンサ３を介して上位の直流電源と接続される。なお、交流電動機２を負荷として説明することもある。

交流電動機２は、誘導電動機やＰＭＳＭ＿２’等が用いられる。図１では、インバータ装置１が１台の交流電動機２を駆動する構成を示しているが、インバータ装置１が複数台の交流電動機２を駆動する構成であっても良い。なお、図において、ＰＭＳＭ＿２’には、符号２’を付して区別している。

インバータ装置１の交流出力側には、各相の電流値を検出するＡＣＰＴ＿１１ａ～１１ｃと、ＭＣＯＫ＿Ａ＿４ａ～４ｃが設けられている。なお、ＭＣＯＫ＿Ａ＿４ａ～４ｃをまとめてＭＣＯＫ＿Ａ＿４とし、ＡＣＰＴ＿１１ａ～１１ｃをまとめてＡＣＰＴ＿１１とする。制御装置３１は、このＡＣＰＴ＿１１の検出出力を取り込み、それに基づいて交流電動機２を所望のトルク出力となるように、インバータ装置１の各電流制御素子のスイッチング動作を操作する。

また、ＡＣＰＴ＿１１で検出した電流値が異常に高くなった場合等には、機器保護や安全のために、インバータ装置１を停止させたり、ＭＣＯＫ＿Ａ＿４を釈放動作し、インバータ装置１と交流電動機２を電気的に切り離したりする。

ＭＣＯＫ＿Ａ＿４は、制御装置３１から出力される釈放指令に従い、インバータ装置１と交流電動機２との三相各相を電気的に接続する主回路接点の接続及び切り離しを行う。また、各相個別に投入と釈放する構成でも、複数相を連動させて投入と釈放する構成とする構成でも良い。

また、ＡＣＰＴ＿１１は、例えばＡＣＰＴ＿１１ａ，１１ｃの二相にのみ備え付けた構成でも足りる。すなわち、必ずしも三相全ての電流を検出する必要はなく、三相の内の何れか二相を検出し、残る一相は三相電流が平衡状態であると仮定して演算により求める構成としても良い。

インバータ装置１の交流出力側には、さらに、交流電動機２側に相間のＡＣＰＴ＿２１ａを設け（図１の例ではＵ相とＶ相の間）、相間の電圧、すなわち交流電動機の端子間電圧を検出する。制御装置３１等は、このＡＣＰＴ＿２１ａの検出値を取り込み、交流電動機２がＰＭＳＭ＿２’等の場合に、その端子電圧を確認した後に、インバータ装置１の出力を制御することで、安定してインバータとしての動作を開始させることができる。

ここで、インバータ装置１、交流電動機２、ＭＣＯＫ＿Ａ＿４、電流検出器１１、ＡＣＰＴ＿２１ａの各機器の接続順序は、インバータ装置１、ＭＣＯＫ＿Ａ＿４、ＡＣＰＴ＿２１ａ、電流検出器１１ａ～１１ｃ、交流電動機２の順に接続構成されている。

本装置６１は、以上のような接続構成とすることで、ＭＣＯＫ＿Ａ＿４が釈放され、インバータ装置１と交流電動機２が電気的に切り離された状態であっても、ＡＣＰＴ＿２１ａが短絡故障（図１の場合、Ｕ相とＶ相で短絡）した場合に、交流電動機２からＡＣＰＴ＿２１ａの経路を流れる短絡電流を電流検出器１１ａ、１１ｂで検出することが可能となる。

また、本装置６１は、ＡＣＰＴ＿２１ａの短絡故障だけでなく、交流電動機２や配線のコイル焼損や絶縁劣化による相間短絡が発生しても運転士当が検知可能となる。本装置６１は、例えば、鉄道車両用の駆動装置等の用途に好適である。その用途において、このような短絡電流を検出した場合、ＭＣＯＫ＿Ａ＿４の全てが釈放されていても、短絡電流が流れていることを運転台等の上位装置に情報を届けることが可能である。運転台に情報が届いたならば、運転士等がその情報に基づいて保安対応できる。具体的には、該当する車両の運転を中止して、機器故障の被害拡大を防ぐことも可能となる。

図２は、図１の本装置６１に対し、ＡＣＰＴ＿２１ａの接続形態が異なる変形例による本装置６２を示す構成図である。なお、図１では、ＡＣＰＴ＿２１ａがＵ相とＶ相の間の一か所に接続した例を示しているが、図２（制御装置３１は図示しない）に示すように、Ｕ相とＶ相の間（ＡＣＰＴ＿２１ａ）に、Ｖ相とＷ相の間（ＡＣＰＴ＿２１ｂ）を加えた２か所以上の相間に電圧検出器を接続した構成であっても良い。

図３は、実施例１に係る本装置６１を説明するために、異なるインバータユニット６を例示した構成図であり、図３（ａ）は各相に電流検出器１１のみを介挿（接続）したもの、図３（ｂ）は各相に電流検出器１１及びＭＣＯＫを介挿したほか、相間にＡＣＰＴ＿２１ａも配設したものである。また、図３（ａ）は鉄道車両の一般的な駆動装置のユニット構成例を示しており、平滑コンデンサ３とインバータ装置１と電流検出器１１は、筐体等によりインバータユニット６内に内蔵された構成である。従来の鉄道車両の駆動装置では、交流電動機２に三相誘導電動機を用いているため、主に図３（ａ）の点線枠で囲った部分でインバータユニット６を構成する。なお、介挿とは回路に接続されていることをいう。

近年、上述した駆動システムの小型化、高効率化のために交流電動機２にＰＭＳＭ＿２’を用いた鉄道車両がある。この場合は、図３（ｂ）に示すように、インバータユニット６内に、平滑コンデンサ３と、インバータ装置１と、電流検出器１１ｃとＡＣＰＴ＿２１ａとを備えた構成とする。

特に、従来の交流電動機２に誘導電動機を用いた車両を、インバータユニット６の筐体寸法や形状をそのままにして互換性を保ちながら交流電動機２をＰＭＳＭ＿２’に換装する場合がある。例えば、鉄道車両の駆動装置を装置更新等する場合は、ＭＣＯＫ＿Ａ＿４、及びＡＣＰＴ＿２１ａが、インバータユニット６内の内蔵機器として増加することになる。この場合、以下に示す艤装上の課題がある。

図４は、鉄道車両へのインバータユニット配置の概略説明図であり、図４（ａ）は比較例、図４（ｂ）は（ａ）にＭＣＯＫを追加した比較装置６１ｂ、図４（ｃ）は、図１、図２及び図３（ｂ）の本装置６１により艤装を簡易化したものである。図４（ａ）には、インバータユニット６を鉄道車両に艤装する概略の一例を示しており、従来のインバータユニット６内部の機器配置の例を示す。

従来の車両で図４（ａ）の下方に示すように、インバータユニット６内の機器実装スペースの制約のため、インバータユニット６において、外部出力用の端子付近に電流検出器１１を配置する場合がある。上述したように、交流電動機２をＰＭＳＭ＿２’に換装した場合、ＭＯＣＫ＿４、及び電圧検出器２１ａが増える。このとき、機器の接続順序が、従来と同じ図１０に示される順序であれば、インバータ装置１、電流検出器１１、ＭＯＣＫ＿４の順序となる。その結果、図４（ｂ）の比較装置６１ｂに示すように、インバータユニット６内の艤装が複雑化する。

一方、図１に示す実施例１の本装置６１のように、インバータ装置１、ＭＯＣＫ＿４、電流検出器１１の順序とすれば、図４（ｃ）の本装置６１ｃに示すように、インバータユニット６内の艤装を簡易にすることができる。これにより、従来の交流電動機２に誘導電動機を用いた車両を、インバータユニット６の筐体寸法や形状をそのままにして互換性を保ちながら交流電動機２をＰＭＳＭ＿２’に換装することが簡略化でき、省力化できる効果がある。

次に、図５を用いて本発明に係る実施例２について説明する。図５は、実施例２に係る本装置６２の構成図である。図５に示す実施例２の本装置６２は、実施例１の本装置６１に対し、Ｕ相回路において、ＡＣＰＴ＿２１ａの一方の接続端子がインバータ装置１とＭＣＯＫ＿Ａ＿４ａとの間に接続されている点が異なる。

このような構成により、図５に示す実施例２の本装置６２は、前記短絡電流を遮断することが可能となる。これについて、本装置６２は、ＭＣＯＫ＿Ａが各相に１つずつ全相に介挿された構成であっても、ＡＣＰＴ＿２１ａが短絡故障した場合、ＡＣＰＴ＿２１ａと交流電動機２との間で短絡電流が流れる。この短絡電流は電流検出器１１ａ，１１ｂで検出されて制御装置３１に入力される。

短絡電流が制御装置３１に入力されたならば、例えば、電気車の運転台で運転員が手動による保安対応するか、制御装置３１が自動的に保安対応することも可能である。すなわち、制御装置３１は、この短絡電流が所定の電流値以上となった場合に、ＭＣＯＫ＿Ａ＿４ａ～４ｃ（図５の場合は特に４ａ，４ｂ）に対し釈放指令を出力する。これにより、ＭＣＯＫ＿Ａ＿４ａ～４ｃ（図５の場合は特に４ａ，４ｂ）が釈放動作することで、前記短絡電流を遮断することが可能となる。

なお、図５は、本装置６２の構成について、一例を示したものに過ぎない。すなわち、電圧検出器２１の一方の接続点（端子）は、Ｕ相回路のインバータ装置１とＭＣＯＫ＿Ａ＿４ａとの間に接続されている。また、ＡＣＰＴ＿２１ａの他方の接続点（端子）は、Ｖ相の回路のＭＣＯＫ＿Ａ＿４ｂと電流検出器１１ｂとの間に接続されている。

この構成例に対し、Ｕ相とＶ相の接続関係を逆にしても良い。すなわち、三相のうち二相に接続するＡＣＰＴ＿２１ａの接続点について、一方をインバータ装置１とＭＣＯＫ＿Ａとの間に接続し、他方をＭＣＯＫ＿Ａと電流検出器の間に接続されていれば良い。

次に、図６を用いて本発明に係る実施例３について説明する。図６は、実施例３に係る本装置６３の構成図である。図６に示す実施例３の本装置６３は、図５で示した実施例２の本装置６２に対し、Ｖ相のみに、第１のＭＣＯＫ＿Ａ＿４ｂと、第２のＭＣＯＫ＿Ｂ＿５ｂと、を備えて直列二段開閉の構成にした点が異なる。

第２のＭＣＯＫ＿Ｂ＿５ｂは、ＡＣＰＴ＿２１ａの接続点と電流検出器１１ｂとの間に介挿されている。すなわち、ＡＣＰＴ＿２１ａのＶ相側の接続点は、第１のＭＣＯＫ＿Ａ＿４ｂと、第２のＭＣＯＫ＿Ｂ＿５ｂと、の接続点に一致するように接続されている。

図６に示す実施例３の本装置６３は、さらに、電圧検出器２１ｂをＶ相とＷ相との相間にも配設した例を示している。本装置６３において、電圧検出器２１ｂのＶ相側の接続点は、第１のＭＣＯＫ＿Ａ＿４ｂと、第２のＭＣＯＫ＿Ｂ＿５ｂと、の接続点に一致するように接続されている。

本装置６３は、地絡回路（すなわち地絡電流）を遮断することができる。本装置６３において、例えば、ＡＣＰＴ＿２１ａがＶ相と接続する側で地絡した場合、電流検出器１１ｂによって、地絡電流を検出し、これを制御装置３１に入力される。

制御装置３１で検出された地絡電流が所定の値以上となったら、制御装置３１は、第２のＭＣＯＫ＿Ｂ＿５ｂに釈放指令を出力する。これにより、第２のＭＣＯＫ＿Ｂ＿５ｂが釈放され、地絡回路（すなわち地絡電流）を遮断することができる。

次に、図７を用いて本発明に係る実施例４について説明する。図７は、実施例４に係る本装置６４の構成図である。図７に示す実施例４の本装置６４は、実施例１の本装置６１に対し、電流検出器１１ａ～１１ｃと交流電動機２の間に、第２のＭＣＯＫ＿Ｂ＿５ａ～５ｃが介挿されて、Ｕ，Ｖ，Ｗの三相全部を直列二段開閉の構成にした点が異なる。

図７に示す実施例４の本装置６４を適用された鉄道車両等では、上述の短絡電流を遮断することにより、運転を継続させる作用効果がより確実である。ここで、図１、図２、及び図３（ｂ）に示す実施例１の本装置６１，６２と対比説明する。本装置６１，６２では、ＡＣＰＴ＿２１ａが短絡故障すると、ＡＣＰＴ＿２１ａと交流電動機２との間で短絡電流が流れ、電流検出器１１ａ，１１ｂが検出した短絡電流を制御装置３１に入力させる。

上述の短絡電流を遮断することができれば、本装置６４を適用された鉄道車両等では、運転を継続させることができる。つまり、鉄道車両用の駆動装置等では、同一の回路を複数構成しているため、故障した駆動装置のみを切り離すことで、他に残された駆動装置で運転継続可能である。

制御装置３１は、第２のＭＣＯＫ＿Ｂ＿５ａ～５ｃに対し、釈放指令を出力する。なお、図７の本装置６４では、特に５ａ，５ｂを釈放動作させることで、ＡＣＰＴ＿２１ａの短絡故障による短絡電流を遮断する効果が高い。

図７の本装置６４では、ＡＣＰＴ＿２１ａ等の故障時における、このような対応により、ＡＣＰＴ＿２１ａと交流電動機２（特に、交流電動機がＰＭＳＭ＿２’の場合）による回生電力による短絡電流が流れ続けて交流電動機２に制動力が発生することを防止できる。

また、図７のように電動機開放用開閉器を各相２台とすることで、インバータ装置１の起動時において、交流電動機２（ＰＭＳＭ＿２’）の側に設けられた第２のＭＣＯＫ＿Ｂ＿５を投入（閉路）させた後に、第１のＭＣＯＫ＿Ａ＿４を投入する。

さらに詳細には、先に第２のＭＣＯＫ＿Ｂ＿５を投入させ、ＡＣＰＴ＿２１ａで交流電動機２の相間電圧（端子間電圧）を検出して、電動機の回転子位置や速度を推定する。

その後、推定した位置、速度情報に基づき、制御装置３１でインバータ装置１を起動した状態で、第１のＭＣＯＫ＿Ａを投入させる。これにより、過電流やトルク振動等の動作を防ぎ、安定してインバータとしての動作を開始させることができる。

図８は、実施例５に係る本装置６５の構成図である。図８に示す実施例５本装置６５は、図７に示す実施例４の本装置６４に対し、次の相違点がある。すなわち、本装置６５は、電流検出器１１ａ～１１ｃが第２のＭＣＯＫ＿Ｂ＿５ａ～５ｃより交流電動機２’の側に設けられている。

また、本装置６５は、ＡＣＰＴ＿２１ａを接続する二相のうち、片側一相（図８ではＵ相側）を第１のＭＣＯＫ＿Ａ＿４ａと第２のＭＣＯＫ＿Ｂ＿５ａの間に接続されている。また、本装置６５は、もう片側の一相（図８ではＶ相）を第２のＭＣＯＫ＿Ｂ＿５ｂと電流検出器１１ｂとの間に接続されている。

このような構成の本装置６５は、図７に示す実施例４の本装置６４のように、安定してインバータとしての動作を開始することができるとともに、安全性が向上する。すなわち、本装置６５は、第１のＭＣＯＫ＿Ａ＿４ａ～４ｃと、第２のＭＣＯＫ＿Ｂ＿５ａ～５ｃの投入順序により、過電流やトルク振動等の動作を防ぐことができる。

その結果、安定してインバータとしての動作を開始することができる。また、本装置６５は、電流検出器１１ａ～１１ｃが交流電動機２（２’）の直近に配置されるため、より交流電動機側での短絡故障による短絡電流を検知できるようになり、安全性が向上する。

以下、図９の比較装置７１と、図１０の比較装置７２と、において、故障時に永久磁石型同期電動機（ＰＭＳＭ＿２’）２’が回生動作することの不具合を説明する。なお、図１～図８に示した本装置６１～６５の交流電動機２は、誘導電動機又はＰＭＳＭ＿２’の何れかであったところ、図９、図１０の比較装置７１，７２では、ＰＭＳＭ＿２’に限定して説明しているので、電動機の符号を２’として区別している。

［比較例１］
図９は、比較例１に係る三相交流電動機用駆動装置（比較装置７１）の構成図である。図９に比較例１として示す比較装置７１は、インバータ装置１とＰＭＳＭ＿２’との接続配線に、相別の電流検出器１１ａ，１１ｂと、ＭＣＯＫ＿Ａ＿４ａ～４ｃと、が介挿されている。そのほか、比較装置７１は、相間にＡＣＰＴ＿２１ａが配設されている。

これらの機器の接続順序は、インバータ装置１からＰＭＳＭ＿２’に至るまでの間において、ＭＣＯＫ＿４＿４ａ～４ｃを境界にして、電流検出器１１ａ，１１ｂは、インバータ装置１に近い側に介挿されているのでＰＭＳＭ＿２’からは遠い。したがって、ＭＣＯＫ＿Ａ＿４ａ～４ｃが釈放状態において、ＰＭＳＭ＿２’の回生電流を計測することはできない。

なお、ＡＣＰＴ＿２１ａは、ＭＣＯＫ＿Ａ＿４ａ～４ｃを境界にして、ＰＭＳＭ＿２’に近い側に配設されている。したがって、ＭＣＯＫ＿Ａ＿４ａ～４ｃが釈放状態において、ＰＭＳＭ＿２’の回生電圧を計測することはできるが、ＡＣＰＴ＿２１ａが短絡故障した場合、運転台からの操作だけでは、その故障個所を切り離すことが困難である。その結果、他の健常な動力による電車の運転継続は断念せざるを得ない。

［比較例２］
図１０は、比較装置７２の構成図である。図１０に比較例２として示す比較装置７２は、一般的な直流電気車としての鉄道車両の用途を例示している。比較装置７２が直流電気車ならば、一方は直流電車線に接続され、他方は、車輪等の接地をとる部分と接続される構成である。直流電車線に対し、平滑コンデンサ３の直流電源上位側が、平滑リアクトル５１と集電装置であるパンタグラフ５２を介して接続される。

その他、交流架線による交流電力を整流して直流電力を得る構成、又は、第三軌条方式により直流電力を得る構成が知られている。さらに、非接触電力伝送により交流電力を得て整流器により直流電力に変換する構成等も用いられる。

図１０の比較装置７２は、インバータ装置１とＰＭＳＭ＿２’との接続配線に、相別の電流検出器１１ａ，１１ｂと、ＭＣＯＫ＿Ａ＿４ａ，４ｃと、が介挿されているほか、相間にＡＣＰＴ＿２１ａが配設されている。

図１０の比較装置７２と、図９の比較装置７１と、の両者は、電流検出器１１ａ，１１ｂが、インバータ装置１と、ＭＣＯＫ＿Ａ＿４ａ，４ｃ、又はＡＣＰＴ＿２１ａと、の間に設けられている点で共通する。したがって、ＭＣＯＫ＿Ａ＿４ａ～４ｃが釈放状態において、電流検出器１１ａ，１１ｂにより、ＰＭＳＭ＿２’の回生電流を計測することはできない点も同様である。

一方、図１０の比較装置７２と、図９の比較装置７１と、の両者は、以下の点で異なる。すなわち、比較装置７２に３つあるＭＣＯＫ＿Ａ＿４ａ～４ｃのうち、ただ１つのＭＣＯＫ＿Ａ＿４ｂだけが、がＡＣＰＴ＿２１ａとＰＭＳＭ＿２’との間に介挿された回路構成である。また、ＭＣＯＫ＿Ａ＿４ｂを境界にして、電流検出器１１ａ，１１ｂは、インバータ装置１に近い側に配設され、ＰＭＳＭ＿２’からは遠い。

図１０の比較装置７２は、上述の開路構成により、ＭＣＯＫ＿Ａ＿４ａ～４ｃが釈放状態において、ＰＭＳＭ＿２’の回生電圧及び回生電流の両方ともに計測することができなくなる。しかし、ＡＣＰＴ＿２１ａが短絡故障した場合、運転台からの操作だけで、その故障個所を切り離すことが可能である。その結果、他の健常な動力による電車の運転継続も可能である。

本装置６１～６５は、以下のように総括できる。特に図１，２、図３（ｂ）に示す実施例１の本装置６１，６２は、代表例である。
［１］本装置６１，６２は、負荷としての三相交流電動機２をインバータ装置１で駆動する三相交流電動機用駆動装置である。これに用いるインバータ装置１は、電流制御部を複数個有し、電源から供給される直流電力をＵ，Ｖ，Ｗ相三相交流電力に変換して負荷を駆動する。

電流制御部は、電流制御素子と、整流素子と、を組み合わせたものである。電流制御素子は、一方向に流れる電流を導通又は遮断する。整流素子は、その電流制御素子に対し並列接続されて電流制御素子と逆方向に電流を導通させる。

本装置６１，６２は、インバータ装置１と負荷との間に電動機開放用開閉器ＭＣＯＫ＿Ａ＿４を接続し、このＭＣＯＫ＿Ａ＿４により、インバータ装置１と、負荷と、を電気的に接続するか又は切り離した状態にするかの区別ができる。

また、インバータ装置１により生成されたＵ，Ｖ，Ｗ相の三相交流電力は、負荷へと供給される。これに対し、一対２端子を有する電圧検出器ＡＣＰＴ＿２１ａの各端子が、例えばＵ相とＶ相といった、少なくとも二相の回路に接続されている。Ｕ，Ｖ，Ｗ相の相間の電圧を検出するために、図１に示す１つのＡＣＰＴ＿２１ａ、又は、図２に示す２つのＡＣＰＴ＿２１ａ，２１ｂがあれば足りる。

また、インバータ装置１から負荷へと供給される三相の相電流を検出する電流検出器１１が、Ｕ，Ｖ，Ｗ相のそれぞれ各相に１つずつ接続されている。ここで、インバータ装置１から負荷までの回路構成は、次のとおりである。すなわち、インバータ装置１、負荷、ＭＣＯＫ＿Ａ＿４、電流検出器１１、及びＡＣＰＴ＿２１ａの各機器の接続順序は、インバータ装置１の直近にＭＣＯＫ＿Ａ＿４、その次にＡＣＰＴ＿２１ａ、その次に電流検出器１１、その次に負荷、といった順に接続されている。

このような接続構成の本装置６１，６２は、ＡＣＰＴ＿２１ａが短絡故障（例えば、図１のＵ相とＶ相で短絡）したような場合に、ＭＣＯＫ＿Ａ＿４が釈放される。このＭＣＯＫ＿Ａ＿４の釈放により、インバータ装置１と交流電動機２が電気的に切り離される。そのような状態であっても、交流電動機２とＡＣＰＴ＿２１ａの経路を流れる短絡電流を電流検出器１１ａ，１１ｂで検出することが可能となる。その情報は、運転台等にリアルタイムで届けることも可能である。その結果、運転士等が最適な保安対応することが容易である。

ＭＣＯＫ＿Ａ＿４が釈放される場合として、本装置６１，６２の負荷がＰＭＳＭ＿２’であり、例えば鉄道車両に適用され、しかも、ＡＣＰＴ＿２１ａの短絡故障のほか、インバータ装置１の出力低下等の故障の場合が該当する。その場合、ＰＭＳＭ＿２’の回生制動作用を無くして、他の残存動力で運行継続するような運転士等による最適な保安対応もあり得る。

本装置６１，６２の構成により、次の利便性も得られる。すなわち、設計当初の負荷が誘導電動機であれば、回生制動作用も少ないためＭＣＯＫが不要で、インバータ装置１内に既設されてなかったところ、負荷を誘導電動機からＰＭＳＭ＿２’に換装することに伴って必要となるＭＣＯＫ、及びＡＣＰＴ＿２１ａを、インバータ装置１の直近にこの順序で配置するように、基本設計しておけば良い。

すなわち、ＭＣＯＫ、及びＡＣＰＴ＿２１ａのスペースを確保するため、そのスペースを避けるように電流検出器１１は負荷の直近に配置している。換言すれば、当初設計のインバータ装置１内に、ＭＣＯＫ、及びＡＣＰＴ＿２１ａが不要であったとしても、該当スペースを確保しておけば、後付けする必要に迫られても困らない。つまり、ＭＣＯＫ、及びＡＣＰＴ＿２１ａの有無にかかわらず、インバータ装置１の艤装上の構成や機器配置の互換性を確保することが容易となる。

［２］図１，２、図３（ｂ）に示す実施例１の本装置６１，６２は、ＭＣＯＫ＿Ａ＿４が、インバータ装置１と電圧検出器ＡＣＰＴ＿２１ａとの接続点の間に接続されていることが好ましい。このように、ＭＣＯＫ＿Ａ＿４が、インバータ装置１の直近に配置されることの優位性について、上述したとおりである。

［３］図５に示す実施例２の本装置６２は、ＡＣＰＴ＿２１ａを接続する二相の回路の接続形態は次のとおりである。二相の回路のうち、一方の相（例えばＵ相）の回路は、ＡＣＰＴ＿２１ａの接続点と電流検出器１１ａとの間にＭＣＯＫ＿Ａ＿４ａが接続されている。また、他方の相（例えばＶ相）の回路は、インバータ装置１とＡＣＰＴ＿２１ａの接続点の間にＭＣＯＫ＿Ａ＿４ｂが接続されている。

図５に示す制御装置３１は、相間電圧の検出について、ＡＣＰＴ＿２１ａが故障したとしても、電流検出器１１ａ～１１ｃによる各相電流値を検出できる状態が維持されるので、相当の保安対応することも容易である。

［４］図６に示す実施例３の本装置６３は、Ｖ相において、インバータ装置１と、ＡＣＰＴ＿２１ａの接続点と、の間には、第１の電動機開放用開閉器として、ＭＣＯＫ＿Ａ＿４ｂが接続されている。このＶ相において、ＡＣＰＴ＿２１ａの接続点と、電流検出器１１ｂと、の間には、第２の電動機開放用開閉器として、ＭＣＯＫ＿Ｂ＿５ｂが接続されている。

図６に示す制御装置３１によれば、例えば、ＡＣＰＴ＿２１ａの地絡によるＶ相地絡事故が発生しても、電流検出器１１ｂによって、Ｖ相地絡電流を検出できる状態が維持されるので、相当の保安対応することも容易である。

［５］図７に示す実施例４の本装置６４は、電流検出器１１と負荷との間に、第２の電動機開放用開閉器として、ＭＣＯＫ＿Ｂ＿５を備えている。これによれば、第１の電動機開放用開閉器としてのＭＣＯＫ＿Ａ＿４に対し、第２の電動機開放用開閉器としてのＭＣＯＫ＿Ｂ＿５が、直列二段の開閉器を構成することになる。

図７に示す制御装置３１は、例えば、ＰＭＳＭ＿２’を装備した車両において、ＡＣＰＴ＿２１ａの短絡故障により、回生制動状態が発生しても、電流検出器１１ａ，１１ｂによって、回生電流を検出できる状態が維持される。そのとき、制御装置３１がＭＣＯＫ＿Ｂ＿５を釈放すれば、相当の保安対応することも容易である。

また、インバータ装置１の起動時に、ＰＭＳＭ＿２’の側に設けられた第２のＭＣＯＫ＿Ｂ＿５のみを投入（閉路）させることにより、ＡＣＰＴ＿２１ａでＰＭＳＭ＿２’の相間電圧（端子間電圧）を検出すれば、電動機の回転子位置や速度を推定する。その後、推定した位置、速度情報に基づき、制御装置３１でインバータ装置１を起動した状態で、第１のＭＣＯＫ＿Ａを投入させる。これにより、過電流やトルク振動等の動作を防ぎ、安定してインバータとしての動作を開始させることができる。

［６］図８に示す実施例５の本装置６５は、インバータ装置１と電流検出器１１ａ～１１ｃの間で、各相に第１のＭＣＯＫ＿Ａ＿４と、第２のＭＣＯＫ＿Ｂ＿５と、による直列二段の開閉器をそれぞれ備えている。また、電圧検出器ＡＣＰＴ＿２１ａが接続された二相のうち一方のＵ相の回路は、第１のＭＣＯＫ＿Ａ＿４ａと第２のＭＣＯＫ＿Ｂ＿５ａとの間で接続されている。また、他方のＶ相の回路は、第２のＭＣＯＫ＿Ｂ＿５ｂと電流検出器１１ｂの間に接続されている。

このような構成の本装置６５は、図７に示す実施例４の本装置６４を、より高度に安定してインバータとしての動作を開始することができるとともに、安全性が向上する。すなわち、本装置６５は、第１のＭＣＯＫ＿Ａ＿４ａ～４ｃと、第２のＭＣＯＫ＿Ｂ＿５ａ～５ｃの投入順序により、過電流やトルク振動等の動作を防ぐことができる。また、本装置６５は、電流検出器１１ａ～１１ｃが交流電動機２の直近に配置されるため、より交流電動機側での短絡故障による短絡電流を検知できるようになり、安全性が向上する。

１ インバータ装置、２ （負荷としての）三相交流電動機、２’ （負荷としてのＰＭＳＭ）永久磁石型同期電動機、４，４ａ～４ｃ 第１の電動機開放用開閉器（ＭＣＯＫ＿Ａ）、５，５a～５ｃ 第２の電動機開放用開閉器（ＭＣＯＫ＿Ｂ）、１１，１１a～１１ｃ 電流検出器、２１a，２１ｂ 電圧検出器（ＡＣＰＴ）、３１ 制御装置、６１～６５ 三相交流電動機用駆動装置（本装置）

Claims (13)

1. 負荷を駆動する三相交流電動機用駆動装置であって、
   一方向に流れる電流を導通又は遮断する電流制御素子と該電流制御素子に対し並列接続されており当該電流制御素子と逆方向に電流を導通させる整流素子とを組み合わせた電流制御部を複数個有し、電源から供給される直流電力を三相交流電力に変換して前記負荷を駆動するインバータ装置と、
   前記インバータ装置と前記負荷を電気的に接続するか又は切り離しを行う電動機開放用開閉器と、
   三相の相間の電圧を検出するために少なくとも二相の回路に各端子が接続された電圧検出器と、
   三相の相電流を検出する電流検出器と、
   を備え、
   前記インバータ装置から前記負荷までの接続において、前記インバータ装置、前記電動機開放用開閉器、前記電圧検出器、前記電流検出器、及び前記負荷、の順に並んでいる、
   三相交流電動機用駆動装置。
2. 前記電動機開放用開閉器は、前記インバータ装置と前記電圧検出器との接続点の間に接続されている、
   請求項１に記載の三相交流電動機用駆動装置。
3. 前記電圧検出器を接続する二相の回路のうちの一方の相の回路では、前記電圧検出器の接続点と前記電流検出器とに前記電動機開放用開閉器が接続されており、他方の相の回路では、前記インバータ装置と前記電圧検出器の接続点とに前記電動機開放用開閉器が接続されている、
   請求項１に記載の三相交流電動機用駆動装置。
4. 前記インバータ装置と前記電圧検出器の接続点との間に第１の電動機開放用開閉器を備えた相において、前記電圧検出器の接続点と前記電流検出器とに第２の電動機開放用開閉器が接続されている、
   請求項３に記載の三相交流電動機用駆動装置。
5. 前記電流検出器と前記負荷との間に、第２の電動機開放用開閉器を備えた、
   請求項１に記載の三相交流電動機用駆動装置。
6. 前記インバータ装置と前記電流検出器の間で、各相に第１の電動機開放用開閉器と、第２の電動機開放用開閉器と、による直列二段の開閉器をそれぞれ備え、前記電圧検出器が接続された二相のうち一方の相の回路は、前記第１の電動機開放用開閉器と前記第２の電動機開放用開閉器との間で接続し、他方の相の回路は、前記第２の電動機開放用開閉器と前記電流検出器の間に接続した、
   請求項１に記載の三相交流電動機用駆動装置。
7. 請求項１～６の何れか１項に記載の三相交流電動機用駆動装置を備えた鉄道車両。
8. 電源から供給される直流電力を三相交流電力に変換するインバータ装置が三相交流電動機を負荷として駆動する方法であって、
   前記インバータ装置は、一方向に流れる電流を導通又は遮断する電流制御素子及び該電流制御素子と並列に接続して当該電流制御素子と逆方向に電流を導通させる整流素子とを組み合わせた電流制御部を複数個有し、
   前記インバータ装置から前記負荷まで、前記インバータ装置、電動機開放用開閉器、電圧検出器、電流検出器、及び前記負荷の順序で接続されている回路構成のうちの、少なくとも二相の回路に各端子が接続された前記電圧検出器が、三相の相間電圧を検出し、
   前記電流検出器が三相の相電流を検出し、
   前記検出された前記相間電圧又は前記相電流に基づいて、前記インバータ装置と前記負荷との間に接続された電動機開放用開閉器により前記インバータ装置と前記負荷とを電気的に接続するか又は切り離す、
   三相交流電動機の駆動方法。
9. 前記電動機開放用開閉器は、前記インバータ装置と前記電圧検出器との接続点の間に接続されている、
   請求項８に記載の三相交流電動機の駆動方法。
10. 前記電圧検出器を接続する二相の回路のうちの一方の相の回路では、前記電圧検出器の接続点と前記電流検出器とに前記電動機開放用開閉器が接続されており、他方の相の回路では、前記インバータ装置と前記電圧検出器の接続点とに前記電動機開放用開閉器が接続されている、
    請求項８に記載の三相交流電動機の駆動方法。
11. 前記インバータ装置と前記電圧検出器の接続点との間に第１の電動機開放用開閉器を備えた相において、前記電圧検出器の接続点と前記電流検出器とに第２の電動機開放用開閉器が接続されている、
    請求項１０に記載の三相交流電動機の駆動方法。
12. 前記電流検出器と前記負荷との間に、第２の電動機開放用開閉器が配設されている、
    請求項８に記載の三相交流電動機の駆動方法。
13. 前記インバータ装置と前記電流検出器の間で、各相に第１の電動機開放用開閉器と、第２の電動機開放用開閉器と、による直列二段の開閉器がそれぞれ配設されており、前記電圧検出器が接続された二相のうち一方の相の回路は、前記第１の電動機開放用開閉器と前記第２の電動機開放用開閉器との間に接続されており、他方の相の回路は、前記第２の電動機開放用開閉器と前記電流検出器の間に接続されている、
    請求項８に記載の三相交流電動機の駆動方法。

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