KR20120065441A - 교류 전동기의 구동 제어장치 - Google Patents

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Abstract

온 오프 제어되는 복수의 스위칭 소자를 가지고, 직류 전압을 임의 주파수 교류 전압으로 변환해서 교류 전동기(6)를 구동하는 인버터(INV)와, 상기 인버터(INV)와 상기 교류 전동기(6) 사이에 접속된 전동기 개방 접촉기(MMK)와, 전동기 개방 접촉기 (MMK)의 개폐 동작을 주접점의 접리보다 빨리 검지하고, 개폐 동작 사전 검지 신호를 출력하는 개폐 동작 사전 검지부(55)와, 상기 복수의 스위칭 소자에 대한 온 오프 제어와, 전동기 개방 접촉기(MMK)에 대한 개폐 제어를 실시함과 아울러 상기 개폐 동작 사전 검지 신호에 기초해서 상기 인버터(INV)를 제어하는 인버터 제어부(70)를 가지는 제어부(10A)를 구비하는 교류 전동기의 구동 제어장치.

Description

교류 전동기의 구동 제어장치{DRIVE CONTROL DEVICE OF ALTERNATING-CURRENT MOTOR}
본 발명은 전기차에 탑재한 영구자석 동기 전동기를 구동하는데 있어서 바람직한 교류 전동기의 구동 제어장치에 관한 것이다.
영구자석 동기 전동기는 종래부터 각종 분야에서 넓게 사용되고 있는 유도 전동기와 비교해서 고효율인 전동기로 알려져 있어 근년, 자동차나 전철의 구동용으로서의 적용이 검토되고 있다. 이와 같은 교류 전동기 및 전동기의 구동 제어장치가 탑재된 차량을 복수대 연결하여 주행하는 전기차는, 주행 중에 일부 차량의 전동기용 구동 제어장치가 고장나 일부의 전동기가 운전 불능이 된 경우에도, 다른 건전한 교류 전동기의 구동 제어장치와 전동기에 의해 전기차의 주행을 계속하는 것이 가능하다. 단, 고장난 교류 전동기의 구동 제어장치에 접속된 전동기는, 차바퀴측으로부터 구동이 계속되므로 단락 고장을 일으킨 교류 전동기의 구동 제어장치의 고장 부위(단락 개소)에는, 전동기의 유기 전압에 의한 단락 전류가 계속 흐르게 된다.
이와 같이, 전기차의 주행 중에 영구자석 동기 전동기를 구동 제어하는 교류 전동기의 구동 제어장치 내의 인버터가 고장 났을 경우의 대처로서 예를 들면, 아래와 같이 특허 문헌 1에서는, 전동기의 유기 전압에 의해 인버터의 손상을 확대하지 않게 인버터와 전동기의 사이를 전기적으로 떼어내는 전동기 개방 접촉기를 마련해 제어부가 인버터의 고장을 검출했을 경우에, 제어부가 이 접촉기를 개로(開路) 제어하여 인버터와 전동기를 전기적으로 떼어내는 방법이 개시되어 있다.
또한, 개방 접촉기로서는, 하기와 같이 특허 문헌 2에서는, 높은 차단 성능을 가지는 진공 접점식의 접촉기를 예로 들고 있다. 게다가 상기 접촉기의 상류측 및 하류측에 페라이트를 배치하는 것으로, 진공 접촉기 투입시의 접점간의 프리 아크 현상이나 투입 서지 전압을 제한하는 방법이 개시되어 있다.
특허 문헌 1 : 특개평 8－182105호 공보 특허 문헌 2 : 특개 2008－79496호 공보
통상, 전동기 개방 접촉기는 무전압으로 개폐하도록 설계되고 있어 인버터를 게이트 오프하고 나서 접촉기로의 투입 지령을 오프하거나 혹은, 인버터가 게이트 오프하고 있는 상태로 접촉기에 투입 지령을 온 하는 순서로 하고 있다. 그런데 접촉기가 오동작했을 경우(접촉기로의 제어선 단선이나, 그 외의 예기되지 않는 원인에 의한 오동작), 상기 투입 지령에 반하여, 접촉기가 동작해 버리는 케이스가 생각된다. 특히, 인버터가 게이트 온 하고 있을 때에 접촉기를 온 해 버리면, 진공 접점 특유의 투입 서지(서지 전압)가 발생할 가능성이 있다. 진공 접점의 특징으로서 다른 가스 중 접점이나 유중 접점과 비교해서 높은 주파수 영역(수백 kHz)까지 차단 성능을 가진다. 전압이 인가된 진공 접점을 투입 동작시킬 때, 접점간 거리의 축소에 수반하는 절연 파괴를 일으켜 프리 아크가 발생해 고주파 전류가 흐르지만, 진공 중에 있어서의 급속한 절연 회복력으로 프리 아크는 차단되고 차단에 따르는 재기 전압이 발생한다. 이 재기 전압의 상승에 의해 재차, 절연 파괴, 고주파 전류의 차단하는 과정이, 접점이 기계적으로 접촉할 때까지 반복된다. 이와 같이 발생한 서지 전압은 수kV~수십kV에 이르기도 해, 전동기나 구동 제어장치 내부의 부품의 절연을 파괴하는 경우가 있기 때문에 서지 전압 값은 낮게 억제할 필요가 있다.
상기 특허 문헌 2에서는 서지를 억제하기 위해서 페라이트 코어를 사용하여 3상분 있는 진공 접점의 각 상 각각에, 한편 진공 접점의 상류측과 하류측의 양쪽 모두의 도체 주위에 배치하고 있다. 그렇지만 교류 전동기의 구동 제어장치 내에 전동기 1대당 6개 분의 페라이트 코어를 배치하는 스페이스가 필요하여 동력차 1 대당 4~6대의 전동기를 탑재하고 있는 경우, 이것을 구동 제어하는 구동 제어장치 내에 합계 34~36개의 페라이트 코어를 배치하는 것에 상당하기 때문에 구동 제어장치를 대형화해 버린다. 이와 같은 구동 제어장치의 대형화나 중량 증가는 장치의 제조 비용이나 주행시의 에너지 효율을 악화시키는 요인이 된다. 또한, 통전 전류의 고주파 성분에 의한 페라이트 코어 표면에 야기되는 와전류에 의한 코어의 과열도 과제로 추정된다.
본 발명은 상기를 감안하여 이루어진 것으로서 전동기 개방 접촉기의 개폐에 수반하는 유해한 개폐 서지의 발생을 회피할 수 있는 교류 전동기의 구동 제어장치를 얻는 것을 목적으로 한다.
앞서 말한 과제를 해결해, 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 온 오프 제어되는 복수의 스위칭 소자를 가지고, 직류 전압을 임의 주파수의 교류 전압으로 변환해서 교류 전동기를 구동하는 인버터와, 상기 인버터와 상기 교류 전동기 사이에 접속된 전동기측 개폐부와, 상기 전동기측 개폐부의 개폐 동작을 주접점의 접리(接離)보다 빨리 검지하고, 개폐 동작 사전 검지 신호를 출력하는 개폐 동작 사전 검지부와, 상기 복수의 스위칭 소자에 대한 온 오프 제어와 상기 전동기측 개폐부에 대한 개폐 제어를 실시함과 아울러 상기 개폐 동작 사전 검지 신호에 기초해서 상기 인버터를 제어하는 인버터 제어부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 인버터가 동작하고 있는 동안 하등의 원인으로 전동기 개방 접촉기가 오동작해 버리는 경우, 전동기 개방 접촉기가 전류를 차단 내지 투입하기 전에, 전동기 개방 접촉기의 동작(개폐 동작(접리))을 사전 검지해 상기 전동기 개폐부의 상기 주접점 간에 상기 인버터의 온 오프 전압(펄스 형상으로 변화하는 전압)이 더해지지 않게 상기 인버터를 제어하기 때문에, 전동기 개방 접촉기의 개폐에 수반하는 유해한 개폐 서지의 발생을 회피할 수 있다고 하는 효과를 달성한다.
도 1은 본 발명의 실시의 형태 1 또는 2에 있어서의 교류 전동기의 구동 제어장치의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시의 형태 1에 있어서의 인버터의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1에 나타나는 전동기 개방 접촉기의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 접점이 투입된 전동기 개방 접촉기를 나타내는 도면이다.
도 5는 진공 접점식 접촉기의 쵸핑 서지 파형을 나타내는 그래프이다.
도 6은 교류 회로와 인버터 회로에 있어서의 쵸핑 전류치의 차이를 나타내는 실측 그래프이다.
도 7은 전동기 개방 접촉기인 진공 접점식 접촉기의 투입 개방 동작을 설명하는 차트이다.
도 8은 도 3에 나타낸 코일의 전위차를 모니터하는 개폐 동작 사전 검지부의 구성예이다.
도 9는 도 3에 나타낸 코일의 여자 전류를 모니터하는 개폐 동작 사전 검지부의 구성예이다.
도 10은 본 발명의 실시의 형태 1에 있어서의 제어부의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시의 형태 1에 있어서의 동작을 나타내는 시계열 차트이다.
도 12는 전자석등의 변위를 모니터 하는 개폐 동작 사전 검지부의 구성예이다.
도 13은 본 발명의 실시의 형태 2에 있어서의 제어부의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시의 형태 2에 있어서의 동작을 나타내는 시계열 차트이다.
이하에, 본 발명에 대한 전력 변환 장치의 실시의 형태를 도면에 근거해 자세하게 설명한다. 또한, 이 실시의 형태로 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
실시의 형태 1.
도 1은 본 발명의 실시의 형태 1 또는 2에 있어서의 교류 전동기의 구동 제어장치(100)의 구성예를 나타내는 도면이다. 도 1에 나타내는 교류 전동기의 구동 제어장치(100)는 주된 구성으로서 가선에 접해 전력을 수전하는 집전장치(1)와, 레일(2)에 접해 전기차를 구동하는 차바퀴(3)와, 집전장치(1)로부터 전력을 수전해 전원측의 주회로의 개폐를 실시하는 전원측 개폐부인 전원 개방 접촉기(LB)와, 정측 도체(P), 부측 도체(N)를 통하여 수전한 직류 전력을 교류 전력으로 전력 변환을 하는 인버터(INV)와, 정측 도체(P)와 부측 도체(N)에 양단이 접속된 콘덴서(FC)와, 인버터(INV)로 변환한 교류 전력을 부하에 전달하는 인버터측 U상도체(UI), 인버터 V상도체(VI), 인버터측 W상도체(WI)와, 인버터(INV)의 출력을 떼어낼 수 있는 전동기측 개폐부인 전동기 개방 접촉기(MMK)와, 전동기측 U상도체(UM), 전동기측 V상도체(VM), 전동기측 W상도체(WM)를 통하여 접속된 교류 전동기(6)와, 주로 인버터(INV), 전동기 개방 접촉기(MMK)를 제어하는 제어부(10A)로 구성되어 있다.
도 2는 인버터(INV)의 구성예를 나타내는 도면이다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 소위 삼상 2 레벨 인버터 회로로 구성하고 있어, 정측 도체(P)에 접속된 정측 암의 스위칭 소자인 U상 상측암 소자(UP), V상 상측암 소자(VP), W상 상측암 소자(WP)와 부측 도체(N)에 접속된 부측 암의 스위칭 소자인 U상 하측암 소자(UN), V상 하측암 소자(VN), W상 하측암 소자(WN)의 6개의 스위칭 소자로 이루어진 브릿지 회로로 구성되어 각 상의 상측암 소자와 하측암 소자의 접속점에 인버터측 U상도체(UI), 인버터측 V상도체(VI), 인버터측 W상도체(WI)가 접속된 구성이다. 각각의 스위칭 소자는 도 2에 도시하고 있는 바와 같이, IGBT 소자와 역병렬에 접속된 다이오드 소자로 구성된 것이다. 또한, 인버터(INV)의 구성은 전압형 PWM 인버터가 매우 적합하다. 3 레벨 인버터 회로 등의 멀티 레벨 인버터 회로여도 괜찮고, 스위칭 소자는 IGBT 소자 이외로 구성한 것이라도 상관없다. 각 스위칭 소자는 후술하는 제어부(10A)로부터 출력된 게이트 신호(GS)에 기초로 해서 각각 온 오프 제어(스위칭 제어)된다. 또한, 도시하지 않은 이 제어부(10A) 혹은 제어부(10A)의 상위의 시스템 제어부(도시하지 않음) 에 의해 전원 개방 접촉기(LB)는 개방?투입(오프?온)된다. 또한, 게이트 신호(GS)는 각 소자 UP~WN로의 개별의 온 오프 신호의 대표 예라고 생각해도 괜찮고, 각 소자 UP~WN의 온 오프 제어를 일괄 온 혹은 오프 상태로 제어하는 신호라고 생각해도 괜찮다.
도 1에 있어서, 전동기 개방 접촉기(MMK)는 교류 전류의 차단이 가능한 접촉기이며, 인버터(INV)와 교류 전동기(6)의 사이에 접속된다. 교류 전류는 전류 파형의 반주기마다 전류 제로점이 발생하기 때문에 이 전류 제로점에서 전류를 차단한다.
도 3은 도 1에 나타나는 전동기 개방 접촉기(MMK)의 동작을 설명하기 위한 도면이며, 도 4는 접점이 투입된 전동기 개방 접촉기(MMK)를 나타내는 도면이다. 내부에 가동 접점(64)과 고정 접점(63) 쌍을 가지는 소호실(消弧室, 62)과 이 가동 접점(64)을 개폐 조작하기 위한 조작용 전자석으로 구성된다. 제어부(10A)로부터의 개폐 지령(MKC)이 온이 되면, 개방 접촉기(MMK)의 조작용 전자석의 코일(60)이 여자되어 가동 철편(61)이 흡인됨으로써, 이것과 맞물림 하는 가동 접점(64)이 위쪽으로 구동되어 그 결과, 도 4에 나타내는 바와 같이 접점은 투입되어 도체(UM 또는 VM, WM)와 도체 (UI 또는 VI, WI)가 접속되고, 인버터(INV)와 교류 전동(6)을 전기적으로 접속한다. 한편, 도 4에 있어서, 개방 용수철(65)은 압축되어 있고, 개폐 지령(MKC)이 오프가 되면, 코일(60)의 여자가 없어져 가동 철편(61)의 흡인력이 저하하는 것으로, 개방 용수철(65)의 하중에 의해 가동 접점(64)은 아래쪽으로 구동되어 접점은 개방되고, 주접점이 오프해서 인버터(INV)와 교류 전동기(6)를 전기적으로 분리한다.
또한, 도 3과 도 4에 나타나는 개방 접촉기(MMK)는 단상 구조도를 나타내고 있지만, 동일한 구조를 3개 병렬에 배치하는 것으로 3상기(相器)를 구성할 수 있다. 전자석은 각 상 개별적으로 있어도 괜찮고, 전자석 1대로 3상접점을 일괄해 구동하도록 기계적으로 연결해도 괜찮다. 또한, 도 3이나 도 4의 구성은 일례이고, 전동기 개방 접촉기(MKK, 이하 단지 「접촉기」라고 칭한다)의 외형을 컴팩트하게 하기 위해서 코일(60)이나 소호실(62)의 배치(레이아웃)를 변경해도 본질적인 기능은 변함없다. 또한, 도 3과 도 4는 상려식(常勵式)의 접촉기의 경우를 나타냈지만, 투입 상태를 유지하는 기구를 가지는 빗장식의 접촉기여도 상관없다. 이 경우, 빗장을 해제하기 위한 개방 코일을 마련해 개방 코일을 여자함으로써 개방 동작하는 구성으로 하여도 좋다. 접촉기(MMK)의 후단에는 전동기측 U상도체(UM), 전동기측 V상도체(VM), 전동기측 W상도체(WM)를 통하여 교류 전동기(6)가 접속되고 있어 교류 전동기(6)와 기계적으로 결합된 차바퀴(3)를 회전시켜 전기차를 구동하는 구성이다. 또한, 교류 전동기(6)는 앞서 말한 바와 같이 영구자석 동기 전동기를 상정하지만, 로터에 영구자석을 내장하는 전동기 이외에도 본 발명은 유효하다(예를 들면, 유도 전동기 등)
그런데 진공 접점에 관련되는 개폐 서지에는 투입 서지와 개방 서지의 2 종류가 존재한다. 개방 서지란, 도 5에 나타내는 바와 같이 교류 전류를 차단했을 때에 전류 영점에서 차단되지 않고, 전류 영점의 전에 급속히 전류가 차단(=쵸핑)되어 발생하는 현상이다. 이때 발생하는 서지 전압의 크기 Vs는,
Figure pct00001
로 표현된다고 알려져 있다. 여기서, Ic는 쵸핑 전류치이며, L은 회로의 인덕턴스 성분이며, C는 회로의 콘덴서 성분이다. 즉, 쵸핑 전류치 Ic가 작으면, 발생하는 쵸핑 서지는 작아지고, 그것은 문제가 되지 않는 것을 의미한다. 이 쵸핑 전류치 Ic는 진공 접점의 접점재료에 의존하는 것이 알려져 있어 통상의 진공 접점식의 개방 접촉기에서는 바람직한 접점재료가 선정되고 있기 때문에 쵸핑 전류치 Ic는 작고, 따라서, 서지 전압 Vs는 문제가 되는 레벨은 아니다.
그렇지만 통상의 진공 타이프의 개방 접촉기는 중전압 클래스(3.3kV~33kV)의 배변전 계통에 있어서의 교류 회로(상용 주파수의 정현파 교류 전원으로 이루어진 회로, 이하 단지 교류 회로로 나타낸다)로의 적용을 상정하고 있기 때문에 인버터로 제어된 교류 회로(이하 「인버터 회로」라고 칭한다)를 상정해 설계되어 있지 않았다.
도 6은 교류 회로와 인버터 회로의 쵸핑 전류치 Ic의 차이를 나타내는 실측 그래프이다. 이 실측 그래프는 발명자 등이 실시한 실험 결과이며, 도 6의 결과로부터 교류 회로로의 쵸핑 전류치 Ic와 비교하고, 인버터 회로로의 쵸핑 전류치 Ic는 4배 정도 증가하는 것을 새로 발견했다. 인버터 회로는 도 2에 나타내는 복수의 스위칭 소자(UP, VP, WP, UN, VN, WN)를 고속으로 스위칭(온?오프 변환)하는 것으로 교류 출력을 생성하지만, 이 온 오프 변환이 쵸핑 전류치 Ic의 증가에 영향을 주고 있는 것으로 새로 판명되었다.
즉, 인버터 회로에서는 스위칭 동작에 따라 진공 접점간의 전압에 펄스 형상으로 변화하는 전압이 중첩되게 되지만, 이것에 의해 진공 접점간의 아크가 불안정이 되어 쵸핑이 발생한다. 그래서 본 발명의 실시의 형태 1에서는 도 1에 나타내는 바와 같이, 특별한 구성의 제어부(10A)를 마련하고, 접촉기(MMK)의 예기치 않은 동작을 사전에 예측해 인버터(INV)의 스위칭 동작을 제어하는 것을 특징으로 하고 있다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 제어부(10A)는 접촉기(MMK)의 개폐 동작과 개폐 지령(MKC)의 불일치를 판단하기 위한 불일치 판단 수단인 판단부(불일치 판단부, 40)와 게이트 신호를 제어하기 위한 게이트 신호 제어부(30)로 구성되어 있고, 제어부(10A)의 상위에 위치하는 외부의 시스템 제어부(도시하지 않음)로부터 기본 게이트 신호(GC)와 기본 접촉기 투입 지령(이하 단지 「투입 지령」이라고 칭한다, MKC0)과 개폐 동작 사전 검지 신호(이하 단지 「사전 검지 신호」라고 칭한다, MCO)가 입력된다. 또한, 판단부(40) 및 게이트 신호 제어부(30)는 복수의 스위칭 소자에 대한 온 오프 제어를 실시하는 인버터 제어부(70)로서 기능한다.
또한, 기본 게이트 신호(GC)는 전기차를 가감속시키기 위한 교류 전동기(6)의 토크 혹은 회전수를 제어하기 위해서 벡터 제어 등의 수법에 의해 생성되어, 인버터(INV)에 내장된 스위칭 소자로의 온 오프 지령이 되는 신호이다. 또한, 투입 지령(MKC0)은 동일하게 제어부(10A)의 상위의 도시하지 않은 시스템 제어부로부터 입력된 신호이며, 교류 전동기(6)가 운전 중에는 접촉기(MMK)를 온 하고, 교류 전동기(6)의 운전을 정지하는 경우나 인버터(INV)에 고장이 생겼을 경우 등에 접촉기(MMK)를 오프하기 위해서 제어부(10A)에 입력되는 신호이다.
다음으로, 앞서 말한 판단부(40)와 게이트 신호 제어부(30)를 포함한 제어부(10A)에 대해서 자세한 내용 구성 예 및 동작에 대해서 이하에 설명한다.
도 10은 본 발명의 실시의 형태 1에 있어서의 제어부(10A)의 구성 예를 나타내는 도면이다. 제어부(10A)는 주된 구성으로서 판단부(40)와 게이트 신호 제어부(30A)로 구성되어 있다.
우선, 판단부(40)에 대해서 설명한다. 판단부(40)는 신호 조정 회로(41), 배타적 논리합(XOR) 회로(42) 및 빗장 회로(43)로 구성되어 있고, 투입 지령(MKC0)과 접촉기(MMK)의 사전 검지 신호(MCO)가 입력된다. 사전 검지 신호(MCO)는 신호 조정 회로(41)에서 논리 회로의 전압 레벨(H레벨과 L레벨)로 변환되어 신호(SIG)로서 출력되고, 투입 지령(MKC0)과 배타적 논리합 출력이 신호(GOF)로서 출력된다. 신호 조정 회로(41)는 통상의 리미터 회로나 이치화(二値化) 회로로 좋고, 일반적으로 잘 알려진 회로이기 때문에 자세한 것은 생략한다.
이와 같이 구성된 판단부(40)의 동작을 이하에 설명한다. 투입 지령(MKC0)이 H(온)이고, 한편, 개폐 동작의 사전 검출을 나타내는 신호(SIG)가 H(온)의 경우, 불일치는 생기지 않기 때문에 XOR 출력은 L이다. 또한, 모두 L(오프)이어도 불일치는 생기지 않기 때문에 XOR 출력은 L이다. 그렇지만 투입 지령(MKC0)이 H에도 불구하고, 신호(SIG)가 L(오프)이 되면, XOR로부터 불일치 신호(H)가 출력되며, 빗장 회로(43)에서 유지된 신호(GOF)가 H가 되고, 게이트 신호 제어부(30A)에 출력된다. 물론, 투입 지령(MKC0)이 L이고, 신호(SIG)가 H의 경우에서도 신호(GOF)는 H를 출력한다. 또한, 일단, 불일치를 나타내는 신호(GOF)가 L로부터 H가 되었을 경우, 불일치 신호가 에러 출력(ERR)으로서 상위의 시스템 제어부에 출력된다.
다음으로, 게이트 신호 제어부(30A)에 대해서 설명한다. 게이트 신호 제어부(30A)는 논리 반전 회로(31) 및 AND 회로(32)로 구성되고, 신호(GOF) 및 기본 게이트 신호(GC)가 입력되고, 게이트 신호(GS)를 출력하는 구성이다. 이와 같이 구성된 게이트 신호 제어부(30A)의 동작을 이하에 설명한다. 불일치를 나타내는 신호(GOF)가 L의 경우, 기본 게이트 신호(GC)가 그대로 게이트 신호(GS)로서 인버터(INV)에 출력된다. 그러나 신호(GOF)가 L로부터 H로 변화했을 경우, 게이트 신호(GS)는 L(오프)이 되어, 인버터(INV)의 모든 스위칭 소자의 스위칭 동작(온 오프 동작)을 오프 상태로 제어한다. 또한, 기본 게이트 신호(GC), 게이트 신호(GS)는 각 소자 UP~WN의 개별의 온 오프 신호의 대표 예라고 생각해도 괜찮고, 각 소자 UP~WN의 온 오프 제어를 일괄적으로 온 혹은 오프 상태로 제어하는 신호라고 생각해도 괜찮다.
다음으로, 실시의 형태 1에 대한 동작에 대해서 설명한다. 예를 들면, 접촉기(MMK)에 하등의 오류, 예를 들면, 코일(60)의 단선이나 릴레이(52)의 고장, 제어 전원(51)의 소실 등이 있었을 경우, 코일(60)로 여자 전류는 없어지기 때문에 도 4에 나타내는 바와 같이, 가동 철편(61)으로의 흡인력은 소실해, 그 결과, 접촉기(MMK)의 주접점은 개방된다.
도 7은 접촉기(MMK)인 진공 접점식 접촉기의 투입?개방 동작을 설명하는 차트이다. 시각 PC1에서 조작 코일에 전압이 인가되고, 코일에 여자 전류가 공급된다. 코일 전류는 코일의 인덕턴스의 영향때문에 유한의 기울기를 가지고 상승한다. 어느 여자 전류 레벨에 이르면, 조작 전자석이 가동 철편(61)의 흡인 동작을 개시하고, 시각 C에서 접촉기(MMK)의 주접점이 접촉한다. 그리고 하등의 오류로 시각 PO1에서 제어 전원이 소실되면, 코일간의 인가 전압이 저하해, 그 결과, 여자 전류가 소실하고, 전자석이 개방 동작함으로써 시각 O에서 주접점이 개리(開離)한다.
도 8은 도 3에 나타낸 코일의 전위차를 모니터하는 개폐 동작 사전 검지부의 구성 예이며, 도 9는 도 3에 나타낸 코일의 여자 전류를 모니터하는 개폐 동작 사전 검지부의 구성 예이다. 도 8의 개폐 동작 사전 검지부(이하 단지 「사전 검지부」라고 칭한다, 55A)는 분압 회로이며, 제어부(10A)에 입력 가능한 전압 레벨로 변환하는 것이다. 일반적인 제어 전원(51)은 AC 100V 또는 110V, DC 100V 등이며, 제어부로의 입력 전압으로서는 5V 또는 12V 등이 있다. 물론, 사전 검지부(55A)와 신호 조정 회로(41) 등의 다른 회로 또는 시스템과 일체화하고, 그것들에 포함해도 괜찮다.
여기서, 상기와 같이, 접촉기(MMK)의 투입 지령(MKC)이 출력되고 있는 것에도 불구하고, 오류로 개방 동작했을 경우, 코일(60)의 전위차가 저하하기 때문에 주접점이 개방하는 시각 O보다 전의 시각 PO1에 개방 동작을 검출하는 것이 가능하다. 전압저하는 도 7에 나타내는 임계전압(TH1)을 하회하는지 여부로 판단되기 때문에 신호 조정 회로(41)에 대해 임계전압(TH1)을 적절히 선택하는 것으로서, 제어 전압의 변동에 의한 오류 검출을 회피하면서 접촉기(MMK)의 개방 동작을 정확하게 사전 검지하는 것이 가능하다.
도 8에 나타내는 사전 검지부(55A)에서 검지된 코일 인가 전압 신호(=개폐 동작 사전 검지 신호, MCO)는, 도 1에 나타내는 판단부(40)에서, 투입 지령(MKC0)과의 차이가 판단된다. 코일 인가 전압 신호(MCO)와 투입 지령(MKC0)의 차이가 검출되면, 게이트 오프하기 위한 신호(GOF)가 출력되어 게이트 신호 제어부(30)에 인도된다.
도 11은 본 발명의 실시의 형태 1에 있어서의 동작을 나타내는 시계열 차트이다. 도 11에 나타내는 바와 같이, 시각 PO에서 신호(SIG)가 L이 되고, 지령 불일치를 나타내는 신호(GOF)가 시각 T1에서 H가 되기 때문에 게이트 신호 제어부(30)에 입력되면 상위 제어계로부터의 기본 게이트 신호(GC)는 오프되어 인버터(INV)의 스위칭 소자를 모두 오프 상태로 제어한다. 또한, 이 스위칭 오프까지가 도 7의 시각 O 이전에 완료하도록 구성된다. 시각 PO1과 시각 O의 시간 차이는 20~50ms 정도이기 때문에 처리시간으로서는 충분하다. 따라서, 인버터(INV)의 스위칭 소자를 오프로 제어하는 것으로서, 주접점 간에 펄스 형상으로 변화하는 전압이 중첩되는 것이 없는 상태로 접촉기(MMK)가 개방되기 때문에 쵸핑에 수반하는 유해한 개방 서지의 발생을 회피할 수 있는 효과가 있다.
도 8에서는 접촉기(MMK)의 코일(60)의 양단 전압을 모니터했지만, 도 9에 나타내는 바와 같이, 개폐 동작 사전 검지부인 전류 검출기(55B)에 의해 코일(60)의 여자 전류 그 자체를 모니터해도 괜찮다. 접촉기(MMK)의 여자 전류의 제어 수법에 따라서는, 투입 유지 상태로의 여자 전류에 의한 소비 전력을 억제하기 위해서 투입 유지 상태에 대해 여자 전류를 억제하는 경우가 있다. 이 경우, 도 7에 나타내는 바와 같이, 임계전류(TH2)를 유지 전류 이하로 설정해 두면 좋다. 이 경우, 시각 PO2에서 개방 접촉기(MMK)의 개방 동작을 사전 검출할 수 있다. 또한, 시각 PO2와 시각 O의 시간차이는 20~50ms 정도가 일반적이므로 처리 시간으로서는 충분하다.
또한, 도 8 또는 도 9에서는 개폐 동작 사전 검지부로서 전자석 코일(60)의 조작 회로를 모니터한 예를 나타내고 있지만, 전자석 등(전자석의 코어 또는 이하에 나타내는 기구 부분)의 변위를 모니터해도 괜찮다.
도 12는 전자석 등의 변위를 모니터하는 개폐 동작 사전 검지부의 구성 예이다. 도 12는 전자석부를 확대한 것이고, 가동 철편(61)이나, 가동 철편(61)과 연동하는 도시하지 않은 레버의 변위를 거리 센서가 나타내고 있다. 여기에서는, 개폐 동작 사전 검지부로서 와전류식의 근거리 센서(55C)를 나타내고 있지만, 이 근거리 센서(55C)는 가동 철편(61)이 접근했을 때 및 레버가 접근했을 때 사전 검지 신호(MCO)를 출력하는 것이고, 센서의 위치를 조정하여 도 7에 나타내는 바와 같이, 전자석 변위의 투입 위치 근방(TH3C)에 임계압을 설정하면, 주접점이 투입되는 시각 C보다 전의 시각 PC3에 투입 동작을 검출하는 것이 가능하고, 또한, 전자석 변위의 개방 위치 근방(TH3O)에 임계압을 설정하면, 주접점이 개방되는 시각 O보다 전의 시각 PO3에 개방 동작을 검출하는 것이 가능하다. 물론, 전자석 등의 변위를 검출하는 수단으로서 일반적으로 알려져 있는 레이저의 반사광을 삼각측량법으로 읽어내는 타입의 스트로크 센서나, 운동부와 기계적으로 연결된 가변 저항식의 스트로크 센서를 이용해도 마찬가지다. 이 외의 수단으로도 좋다.
또한, 이상은 주접점의 개방 동작의 사전 검지에 대해서 기술했지만, 주접점의 투입 동작에 대해서도, 완전히 같은 사고방법으로 동일하게 기능할 수 있는 것은 말할 필요도 없다. 이와 같이, 제어부(10A)는 전동기 개방 접촉기(MMK)의 개폐 동작을 주접점의 개폐(접리)보다 빨리 검지해, 적어도 전동기 개방 접촉기(MMK)가 교류 전동기(6)의 전류를 차단 또는 투입하는 타이밍에는, 전동기 개방 접촉기(MMK)의 주접점간에 펄스 형상으로 변화하는 전압이 중첩하지 않게 인버터(INV)를 제어한다.
다음으로, 이상과 같이 구성했을 경우의 효과를 이하에 설명한다. 통상, 접촉기(MMK)는 인버터(INV)가 정지한 무전압상태로 개폐하도록 설계되고 있지만, 접촉기(MMK)에 하등의 오류, 예를 들면, 코일(60)의 단선이나, 릴레이(52)의 고장, 제어 전원(51)의 소실 등이 있었을 경우, 인버터(INV) 동작 중에 접촉기(MMK)가 개방해 버린다. 실시의 형태 1에 있어서의 교류 전동기의 구동 제어장치(100)는 접촉기(MMK)의 주접점(63, 64)이 개리(開離)하기 전에, 이것을 사전 검지해 인버터(INV)의 스위칭 소자를 모두 오프 상태로 제어하기 때문에 유해한 개방 서지의 발생을 회피할 수 있다. 또한, 인버터(INV)가 고장났을 경우는 인버터가 정지하고 있기 때문에 개방 동작해도 유해한 서지는 발생하지 않는다. 따라서, 유해한 서지에 의한 시스템의 악영향을 회피할 수 있기 때문에 신뢰성의 높은 교류 전동기의 구동 제어장치를 얻을 수 있다. 또한, 인버터(INV) 동작 중에 접촉기(MMK)를 오투입했을 경우도, 접촉기(MMK)의 투입 동작을 사전 검지하는 것으로, 인버터(INV)의 스위칭 소자를 모두 오프 상태로 제어하기 때문에 주접점 간에 펄스 형상으로 변화하는 전압이 중첩되는 것이 없고, 쵸핑에 수반하는 유해한 투입 서지의 발생을 회피할 수 있다.
또한, 실시의 형태 1에 있어서의 교류 전동기의 구동 제어장치(100)에 의하면, 종래와 같이, 페라이트 코어나 서지 흡수체를 다수 배치할 필요가 없기 때문에 교류 전동기의 구동 제어장치 자체를 컴팩트하고 경량화할 수 있어 제조 비용의 저감, 전기차 운행 시의 에너지 효율이 향상되는 이점이 있다.
실시의 형태 2.
도 13은 본 발명의 실시의 형태 2에 있어서의 제어부(10B)의 구성예를 나타내는 도면이며, 도 14는 본 발명의 실시의 형태 2에 있어서의 동작을 나타내는 시계열 차트이다. 도 13에 나타내는 바와 같이, 실시의 형태 2의 구성에서는 실시의 형태 1의 게이트 신호 제어부(30B)의 내부 구성이 차이가 난다. 이하, 실시의 형태 1과 다른 부분만을 설명한다.
우선, 게이트 신호 제어부(30B)의 구성을 설명한다. 게이트 신호 제어부(30B)는 one-shot 회로(34)와 D형 플립플롭 회로(33)로 구성되어 있다. 동작의 불일치를 판단하는 판단부(40)로부터 출력된 신호(GOF)가 one-shot 회로(34)에 입력되고, one-shot 회로(34)의 출력과 제어부(10B)의 상위의 도시하지 않은 시스템 제어부로부터 입력된 기본 게이트 신호(GC)가 D형 플립플롭 회로(33)에 입력된다.
이와 같이 구성된 게이트 신호 제어부(30B)의 동작을 이하에 설명한다. 판단부(40)로부터 출력된 불일치를 나타내는 신호(GOF)는 one-shot 회로(34)에서 미리 설정된 일정시간 폭의 펄스 파형으로서 D형 플립플롭 회로(33)에 입력된다. 따라서, 불일치를 나타내는 신호(GOF)가 L로부터 H가 된 후, one-shot 회로로 설정된 일정시간의 사이, 기본 게이트 신호(GC) 상태가 유지된 게이트 신호 GS(H라면 H가 유지, L이라면 L이 유지)가 출력된다.
예를 들면, 도 14에 나타내는 바와 같이, 기본 게이트 신호(GC)가 PWM 변조된 게이트 신호의 경우, 시각 PO에서 신호(SIG)가 L이 되면, 시각 T1으로부터 T2까지의 사이, PWM 변조가 마스크 되어 각 스위칭 소자(UP, VP, WP, UN, VN, WN)의 스위칭이 온(또는 오프)인 채 유지된 상태로 제어한다. one-shot 회로(34)로 정해지는 마스크 시간은 바람직하게는 접촉기(MMK)의 주접점의 접리(接離)까지의 시간보다 길게 설정되고, 매우 적합하게는 대략 50~150ms 정도이다. 또한, 실시의 형태 1, 2에서 나타낸 제어부(10A, 10B)의 기능 중 판단부(40)는 접촉기(MMK)에 내장시켜도 좋고, 배치 장소에 제한은 없다.
다음으로, 이상과 같이 구성했을 경우의 효과를 이하에 설명한다. 실시의 형태 2에 있어서의 교류 전동기의 구동 제어장치(100)는 인버터(INV)가 동작하고 있는 동안, 하등의 원인으로 접촉기(MMK)가 오동작해 버리는 경우, 접촉기(MMK)의 주접점(63, 64)이 개폐(접리) 하기 전에, 이것을 사전 검지해 인버터(INV)의 각 스위칭 소자(UP, VP, WP, UN, VN, WN)의 스위칭이 온(또는 오프)인 채 유지된 상태로 제어하기 때문에 주접점간의 전압을 일정하게 할 수 있어 주접점간에 펄스 형상으로 변화하는 전압이 중첩되는 일이 없고, 접촉기(MMK)의 쵸핑에 수반하는 유해한 개폐 서지의 발생을 회피할 수 있다.
또한, 실시의 형태 2에 있어서의 교류 전동기의 구동 제어장치(100)에 의하면, 종래와 같이, 페라이트 코어나 서지 흡수체를 다수 배치할 필요가 없기 때문에 교류 전동기의 구동 제어장치 자체를 컴팩트하고 경량화할 수 있어 전기차 운행 시의 에너지 효율이 향상되는 이점이 있다.
실시의 형태 3.
실시의 형태 2에서 보여준 것처럼 스위칭 동작의 온 또는 오프 상태를 일시적으로 유지하면, 교류 전동기에 전동기의 회전에 동기하지 않는 전압을 더하게 되어, 과전류나 토크 쇼크를 발생하는 가능성이 있다. 이에, 실시의 형태 3에 대해서는, 인버터 제어(70)는 시각 T1으로부터 T2의 사이, 인버터(INV)의 스위칭 상태를 제로 전압 벡터 상태(상측암 스위칭 소자 UP, VP, WP의 조가 모두 온으로 하는 동시에 하측암 UN, VN, WN의 조가 모두 오프 상태 혹은 이 반대 상태)로 제어한다. 또한, 시각 T2 이후는 모든 스위칭 소자를 오프로 제어하는 것이 바람직하다.
이상의 구성의 경우, 실시의 형태 2와 동일한 효과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 시각 T1으로부터 T2의 사이에 교류 전동기에 인가되는 전압을 제로로 할 수 있기 때문에 토크 쇼크나 과전류를 억제할 수 있는 효과가 있다
또한, 실시의 형태 1 내지 3에 나타낸 구성은 본 발명을 실시하는 위의 한 형태로서 일부의 구성요소를 삭제하거나 다른 공지된 요소를 추가하거나 변경해도 좋다. 예를 들어, 판단부(40)를 마련하지 않아도 본 발명이 실시 가능하다. 구체적으로는, 사전 검지부(55A~55C)로부터 주접점의 사전 검지 신호(MCO)에 기초해서, 주접점의 개폐(접리)가 예측되는 경우에, 적어도 전동기측 개폐부가 상기 교류 전동기로의 전류를 차단하는 타이밍에 있어서 접촉기(MMK)의 주접점 간에 펄스 형상으로 변화하는 전압이 중첩되는 일이 없게 인버터(INV)의 스위칭 소자를 제어하는 인버터 제어 수단을 구비하고 있으면 좋다.
이상과 같이, 본 발명은 전기차에 탑재한 교류 전동기의 구동 제어장치에 적용 가능하고, 특히, 전동기 개방 접촉기의 개폐에 수반하는 유해한 개폐 서지의 발생을 회피할 수 있는 발명으로서 유용하다.
1　집전장치
2　레일
3　차바퀴
6　교류전동기
10A, 10B　제어부
30, 30A, 30B　게이트 신호 제어부
31　논리 반전 회로
32　AND 회로
33　D형 플립플롭 회로
34　one-shot 회로
40　판단부(불일치 판단부)
41　신호 조정 회로
42　배타적 논리합(XOR) 회로
43　빗장 회로
51　제어 전원
52　릴레이
55A, 55B, 55C　개폐 동작 사전 검지부
60　개방 접촉기의 조작 코일
61　가동 철편
62　소호실
63　고정 접점
64　가동 접점
65　개방 용수철
70　인버터 제어부
100　구동 제어장치
ERR　에러 출력
FC　콘덴서
GC　기본 게이트 신호
GOF　불일치를 나타내는 신호
GS　게이트 신호
Ic　쵸핑 전류치
INV　인버터
LB　전원 개방 접촉기
MCO　개폐 동작 사전 검지 신호, 코일 인가 전압 신호
MKC　개폐 지령
MKC0　기본 접촉기 투입 지령
MMK　전동기 개방 접촉기
N　부측 도체
P　정측 도체
SIG　개폐 동작 사전 검출 신호
TH1　임계전압
TH2　임계전류
TH3C　투입 위치 근방
TH3O　개방 위치 근방
UI　인버터측 U상도체
UM　전동기측 U상도체
UN　U상 하측암 소자
UP　U상 상측암 소자
VI　인버터측 V상도체
VM　전동기측 V상도체
VN　V상 하측암 소자
VP　V상 상측암 소자
WI　인버터측 W상도체
WM　전동기측 W상도체
WN　W상 하측암 소자
WP　W상 상측암 소자

Claims (10)

  1. 온 오프 제어되는 복수의 스위칭 소자를 가지고, 직류 전압을 임의 주파수의 교류 전압으로 변환해서 교류 전동기를 구동하는 인버터와,
    상기 인버터와 상기 교류 전동기 사이에 접속된 전동기측 개폐부와,
    상기 전동기측 개폐부의 개폐 동작을 주접점의 접리(接離)보다 빨리 검지하고, 개폐 동작 사전 검지 신호를 출력하는 개폐 동작 사전 검지부와,
    상기 복수의 스위칭 소자에 대한 온 오프 제어를 실시하고, 상기 개폐 동작 사전 검지 신호에 기초해서 상기 인버터를 제어하는 인버터 제어부를 가지는 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 교류 전동기의 구동 제어장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 인버터 제어부는, 상기 전동기측 개폐부가 상기 교류 전동기로의 전류를 차단 또는 투입하는 타이밍에는, 상기 전동기측 개폐부의 주접점간에 펄스 형상으로 변화하는 전압이 중첩하지 않게 상기 인버터를 제어하는 것을 특징으로 하는 교류 전동기의 구동 제어장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 인버터 제어부는, 전동기측 개폐부가 상기 교류 전동기로의 전류를 차단 또는 투입하는 타이밍에는, 상기 전동기측 개폐부의 주접점간의 전압을 일정하게 하도록 상기 인버터를 제어하는 것을 특징으로 하는 교류 전동기의 구동 제어장치.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는 상기 개폐 동작 사전 검지 신호와 상기 전동기측 개폐부의 개폐 지령과의 차이를 판단하는 불일치 판단부를 구비하고, 상기 불일치 판단부에서 불일치가 판단되었을 때 상기 인버터를 제어하는 것을 특징으로 하는 교류 전동기의 구동 제어장치.
  5. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는 상기 개폐 동작 사전 검지 신호에 기초해서, 상기 인버터의 스위칭 소자를 모두 오프 상태로 하는 게이트 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 교류 전동기의 구동 제어장치.
  6. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는 상기 개폐 동작 사전 검지 신호에 기초해서, 상기 인버터의 스위칭 소자의 스위칭을 소정 상태로 유지한 게이트 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 교류 전동기의 구동 제어장치.
  7. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는 상기 개폐 동작 사전 검지 신호에 기초해서, 상기 인버터의 출력을 제로 전압 벡터 상태로 하는 게이트 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 교류 전동기의 구동 제어장치.
  8. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 개폐 동작 사전 검지부는 상기 전동기측 개폐부의 개폐 동작을, 상기 전동기측 개폐부의 가동 접점을 개폐 조작하는 조작 전자석으로의 인가 전압으로부터 검지하는 것을 특징으로 하는 교류 전동기의 구동 제어장치.
  9. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 개폐 동작 사전 검지부는 상기 전동기측 개폐부의 개폐 동작을, 상기 전동기측 개폐부의 가동 접점을 개폐 조작하는 조작 전자석의 여자 전류로부터 검지하는 것을 특징으로 하는 교류 전동기의 구동 제어장치.
  10. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 개폐 동작 사전 검지부는 상기 전동기측 개폐부의 개폐 동작을, 상기 전동기측 개폐부의 가동부의 변위량으로부터 검지하는 것을 특징으로 하는 교류 전동기의 구동 제어장치.
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