WO2009107233A1

WO2009107233A1 - 交流電動機の駆動制御装置

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Publication number: WO2009107233A1
Application number: PCT/JP2008/053650
Authority: WO
Inventors: 英俊北中; 岡山　秀夫; 古谷　真一; 敏恵竹内; 月間　満
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2008-02-29
Filing date: 2008-02-29
Publication date: 2009-09-03
Also published as: CN101953047B; US8598837B2; KR20100103725A; EP2256892B1; CA2714709A1; EP2256892A4; BRPI0822265A2; KR101182881B1; EP2256892A1; JPWO2009107233A1; JP4316005B1; CN101953047A; US20100289439A1

Abstract

　インバータと電動機との間を流れる故障電流に、電流ゼロ点が生じない相と生じる相とが混在する場合においても、発生した故障の形態に依らず、電動機の線間や電動機開放接触器の接点間に過大な電圧が生ずるのを防止でき、また電動機開放接触器の接点間でアークが継続するのを防止できる構成を備えた交流電動機の駆動制御装置を得ることを目的として、制御部１７Ａは、基本接触投入指令ＭＫＣ０がオフ（Ｌレベル）になっても、電動機側接触器１６を開路する制御を、検出された電流の状態が異常であると判定した時点ではなくその後に正常であると判定できた時点に応答して実行する構成を備えている。

Description

交流電動機の駆動制御装置

　この発明は、電気車に搭載した永久磁石同期電動機を駆動する上で好適な交流電動機の駆動制御装置に関する。

　永久磁石同期電動機（以下、特に区別を要するとき以外は単に「電動機」と記す）は、従来から各種の分野で広く使用されている誘導電動機と比較して、ロータに内蔵された永久磁石による磁束が確立しているので励磁電流が不要であることや、誘導電動機のようにロータに電流が流れないので二次銅損が発生しないことなどの特徴を有し、高効率な電動機であるとして知られている。そこで、電気車でも、従来は、誘導電動機が使用されてきたが、近年、効率の向上を図るために永久磁石同期電動機の適用が検討されている。

　電気車は、連結して編成される複数の車両に、交流電動機の駆動制御装置と電動機とが搭載されている。このような電気車では、一般に、走行中に一部の車両において交流電動機の駆動制御装置に短絡故障が生じた場合においても、他の健全な交流電動機の駆動制御装置および電動機によって走行を継続することが可能である。この結果、故障した交流電動機の駆動制御装置に接続された電動機は、車輪側から駆動され続けるので、短絡故障を生じた交流電動機の駆動制御装置の故障部位（短絡箇所）には電動機の誘起電圧による短絡電流が流れ続けることになる。

　そのため、この状態を放置すると、短絡電流による発熱等によって交流電動機の駆動制御装置の故障部位の損傷をさらに拡大したり、当該故障部位あるいは電動機の発熱や焼損を招来したりする虞があり好ましくない。

　このようなケースへの対処として、例えば特許文献１では、電気車の走行中に永久磁石同期電動機を駆動制御する交流電動機の駆動制御装置内のインバータが故障した場合において、電動機の誘起電圧によってインバータの損傷を拡大しないように、インバータと電動機との間の接続を電気的に切り離す電動機側開閉部である電動機開放接触器を設け、制御部が、インバータの故障を検出した場合に、この接触器を開路制御してインバータと電動機とを電気的に切り離す方法が開示されている。

特開平８－１８２１０５号公報

　一般に知られているように、正弦波状の交流電流は電流波形の半周期毎に電流ゼロ点が生じるので、この電流ゼロ点を利用して電流を遮断することができる。上記の特許文献１に示される電動機開放接触器は、この電流ゼロ点を利用して電流を遮断する交流遮断用の接触器である。一般に交流遮断用の接触器としては、電流ゼロ点で電流を遮断する仕組みを応用した真空接触器等が挙げられる。

　ところが、本発明者は、交流電動機の駆動制御装置に発生した故障の形態によっては、交流電動機の駆動制御装置内のインバータと電動機との間を流れる故障電流に、電流ゼロ点が生じない相と生じる相とが混在する場合があることを知見した。このような故障電流に対して上述したような電流ゼロ点で電流を遮断する仕組みを利用した電動機開放接触器に遮断動作を行わせると、電流ゼロ点の存在する相の電流は遮断されるが、電流ゼロ点の生じない他相では、電流の遮断ができずに、継続して発生するアークによって電気的に接続された状態のままとなる。

　そして、このような故障状態では、電動機は、三相のうち電流遮断が行われた相のみがインバータから切り離された不平衡な状態になるので、電動機の線間や電動機開放接触器の接点間に過大な電圧が生ずる。この過大な電圧は、電動機内のコイルや電動機開放接触器、電動機開放接触器と電動機を接続するケーブルなどの絶縁を破壊するという問題を惹起する。また、電動機開放接触器の接点間でアークが継続することにより、電動機開放接触器を損傷するという問題も惹起する。

　この発明は、上記に鑑みてなされたものであり、インバータと電動機との間を流れる故障電流に、電流ゼロ点が生じない相と生じる相とが混在する場合においても、発生した故障の形態に依らず、電動機の線間や電動機開放接触器の接点間に過大な電圧が生ずるのを防止でき、また電動機開放接触器の接点間でアークが継続するのを防止できる構成を備えた交流電動機の駆動制御装置を得ることを目的とする。

　上述した目的を達成するために、この発明は、オンオフ制御される複数のスイッチング素子を有し直流電圧を任意周波数の交流電圧に変換して交流電動機を駆動するインバータと、前記インバータと前記交流電動機との間に接続された電動機側開閉部と、前記インバータの出力電流を検出する電流検出器と、少なくとも前記電流検出器が検出した電流に基づき前記インバータにおける前記複数のスイッチング素子のオンオフ制御と前記電動機側開閉部に対する開閉制御とを行う制御部とを備える交流電動機の駆動制御装置であって、前記制御部は、前記電流検出器が検出した電流が異常な状態であるか否かを判定した判定信号を生成する電流状態判定部と、前記判定信号に基づいて前記電動機側開閉部を開路制御するタイミングを適切に制御できるように構成した接触器制御部とを備えたことを特徴とする。

　この発明によれば、インバータと電動機との間を流れる故障電流に、電流ゼロ点が生じない相と生じる相とが混在する場合においても、発生した故障の形態に依らず、電動機の線間や電動機開放接触器の接点間に過大な電圧が生ずるのを防止でき、また電動機開放接触器の接点間でアークが継続するのを防止できる。したがって、発生した故障の形態に依らず、電動機内のコイルや電動機開放接触器、電動機開放接触器と電動機を接続するケーブルなどの絶縁が破壊したり、また電動機開放接触器の接点間で発生するアークにより電動機開放接触器が損傷したりすることのない交流電動機の駆動制御装置が得られるという効果を奏する。

図１は、この発明の実施の形態１による交流電動機の駆動制御装置の構成例を示すブロック図である。図２は、図１に示すインバータの構成例を示す回路図である。図３は、故障電流に電流ゼロ点が生じない相と生じる相とが混在して生ずる故障の一例とその時の電流波形及び電動機の線間電圧波形を示す波形図である。図４は、故障電流に電流ゼロ点が生じない相と生じる相とが混在して生ずる故障時に電流ゼロ点が生じている相が遮断されたタイミングにおける非遮断相電流の大きさと電動機に生じた線間電圧の大きさとの関係を示す特性図である。図５は、図１に示す制御部の構成例を示すブロック図である。図６は、図５に示す電流状態判定部の構成例を示すブロック図である。図７は、図３に示した故障が発生した場合に電流ゼロ点が生じていない相に電流ゼロ点を生じさせて遮断するこの実施の形態１による制御動作を説明する波形図である。図８は、この発明の実施の形態２による交流電動機の駆動制御装置の構成例を示すブロック図である。図９は、図８に示す制御部の構成例を示すブロック図である。

符号の説明

　１　集電装置
　２　レール
　３　車輪
　６　交流電動機
　７　回転検出器
　１０Ａ，１０Ｂ　交流電動機の駆動制御装置
　１１　電源開放接触器
　１２　インバータ
　１３，１４，１５　電流検出器
　１６　電動機開放接触器
　１７Ａ，１７Ｂ　制御部
　１８　放電回路
　１９　フィルタコンデンサ
　２０　電流状態判定部
　２１　電流ゼロ点状態検出部
　２１ａ　電流ゼロ点検出部
　２１ｂ　発振部
　２１ｃ　カウンタ部
　２１ｄ　比較器
　２２　電流ピーク値状態検出部
　２２ａ　電流ピーク値検出部
　２２ｂ　比較器
　２３　電流実効値状態検出部
　２３ａ　電流実効値検出部
　２３ｂ　比較器
　２５Ｕ　Ｕ相検知論理部
　２５Ｖ　Ｖ相検知論理部
　２５Ｗ　Ｗ相検知論理部
　２７　判断部
　３０　ゲート信号論理部
　３１　ラッチ回路
　３２　論理反転回路（ＮＯＴ）
　３３　論理積回路（ＡＮＤ）
　４０Ａ、４０Ｂ　接触器制御部
　４１、４２　論理反転回路（ＮＯＴ）
　４３　オン時素回路（ＯＮＴＤ）
　４４　論理積回路（ＡＮＤ）
　４５　論理和回路（ＯＲ）
　４６　ラッチ回路
　４７　ワンショット回路
　Ｐ　正極側導体
　Ｎ　負極側導体
　ＵＩ　インバータ側Ｕ相導体
　ＶＩ　インバータ側Ｖ相導体
　ＷＩ　インバータ側Ｗ相導体
　ＵＭ　電動機側Ｕ相導体
　ＶＭ　電動機側Ｖ相導体
　ＷＭ　電動機側Ｗ相導体
　ＵＰ　Ｕ相上アーム素子
　ＶＰ　Ｖ相上アーム素子
　ＷＰ　Ｗ相上アーム素子
　ＵＮ　Ｕ相下アーム素子
　ＶＮ　Ｖ相下アーム素子
　ＷＮ　Ｗ相下アーム素子

　以下に図面を参照して、この発明にかかる交流電動機の駆動制御装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。

実施の形態１．
　図１は、この発明の実施の形態１による交流電動機の駆動制御装置の構成例を示すブロック図である。図１において、符号１は、電気車において架線に接して電力を受電する集電装置である。符号２は、レールであり、符号３は、電気車の車輪であり、符号６は、交流電動機である。交流電動機６は、実施の形態１による交流電動機の駆動制御装置１０Ａと共に車両に搭載され、その回転軸が、車輪３に機械的に結合されている。交流電動機６には、回転検出器７が装備されている。

　図１に示す交流電動機の駆動制御装置１０Ａは、この発明に関わる基本的な構成要素として、電源開放接触器１１と、インバータ１２と、電流検出器１３，１４，１５と、電動機開放接触器１６と、制御部１７Ａとを備えている。

　電源開放接触器１１は、一端が集電装置１の出力端に接続され、他端が正極側導体Ｐを介してインバータ１２の正極側入力端に接続されている。すなわち、電源開放接触器１１は、インバータ１２の直流入力側を電源である集電装置１から切り離すことができる電源側開閉部である。

　インバータ１２の負極側入力端は、負極側導体Ｎを介して車輪３に接続されている。この構成により、インバータ１２には、電源開放接触器１１を経由した集電装置１及び車輪３を経由したレール２から直流電力が入力される。インバータ１２は、例えば図２に示す構成によって、正極側導体Ｐ及び負極側導体Ｎから入力される直流電力を交流電力へ変換する。

　図２は、図１に示すインバータ１２の構成例を示す回路図である。図２に示すように、インバータ１２は、正極側導体Ｐと負極側導体Ｎとの間に、例えば、所謂三相２レベルインバータ回路が設けられている。そして、正極側導体Ｐと負極側導体Ｎとの間に並列に、放電回路１８とフィルタコンデンサ１９とが設けられている。

　三相２レベルインバータ回路は、正極側導体Ｐに接続された３つの正側アームスイッチング素子（Ｕ相上アーム素子ＵＰ、Ｖ相上アーム素子ＶＰおよびＷ相上アーム素子ＷＰ）と、負極側導体Ｎに接続された３つの負側アームスイッチング素子（Ｕ相下アーム素子ＵＮ、Ｖ相下アーム素子ＶＮおよびＷ相下アーム素子ＷＮ）とのブリッジ回路である。それぞれのスイッチング素子には、ダイオードが逆並列に接続されている。そして、それぞれの相の上アーム素子と下アーム素子との接続点が三相の出力端を構成し、それぞれの出力端に、インバータ側Ｕ相導体ＵＩ、インバータ側Ｖ相導体ＶＩ、インバータ側Ｗ相導体ＷＩが接続される。なお、それぞれのスイッチング素子は、図２では、良く知られているＩＧＢＴを示してあるが、ＩＧＢＴ以外でも構わない。また図２では、三相２レベルインバータ回路を示してあるが、３レベルインバータ回路等のマルチレベルインバータ回路であっても構わない。

　図２では、図示を省略したが、インバータ１２には、図１において制御部１７Ａからインバータ１２に出力されるゲート信号ＧＳを受け取る駆動回路が存在する。この駆動回路は、ゲート信号ＧＳに従って６つのスイッチング素子をそれぞれ個別にオンオフ制御する構成を備えている。

　図１に示すように、インバータ１２の三相出力端と電動機開放接触器１６とは、インバータ側Ｕ相導体ＵＩ、インバータ側Ｖ相導体ＶＩおよびインバータ側Ｗ相導体ＷＩを介して接続される。電動機開放接触器１６と交流電動機６とは、電動機側Ｕ相導体ＵＭ、電動機側Ｖ相導体ＶＭおよび電動機側Ｗ相導体ＷＭを介して接続される。

　以上の構成によってインバータ１２は、制御部１７Ａから入力されるゲート信号ＧＳに従ってインバータ回路の各スイッチング素子がオンオフ動作することで、入力される直流電圧を任意周波数の三相交流電圧に変換し、電動機開放接触器１６を介して交流電動機６を駆動する。これによって交流電動機６が、機械的に結合された車輪３を回転させて電気車をレール２上で走行駆動する構成である。

　次に、フィルタコンデンサ１９の端子電圧は、集電装置１からの受電電圧（つまり、架線電圧）とほぼ等しく、一般的な電気車では、ＤＣ６００Ｖ～ＤＣ３０００Ｖ程度になっている。

　放電回路１８は、詳細な内部構成は図示しないが、抵抗体とスイッチ（半導体スイッチを含む）との直列回路と、放電指令ＯＶに基づいてフィルタコンデンサ１９の電荷を放電する制御を行う回路とで構成されている。この放電指令ＯＶは、制御部１７Ａ、または図示しない上位装置から、交流電動機の駆動制御装置１０Ａに異常が発生した場合等の所定の場合に入力される。なお、図示してないが、放電回路１８に放電動作を行わせる場合には、同時に制御部１７Ａあるいは図示しない上位装置により、電源開放接触器１１は、開路制御されるようになっている。

　図１に戻って電流検出器１３，１４，１５は、インバータ１２の三相出力端と電動機開放接触器１６との間を接続するインバータ側Ｕ相導体ＵＩ、インバータ側Ｖ相導体ＶＩ、及びインバータ側Ｗ相導体ＷＩにそれぞれ設けてある。電流検出器１３，１４，１５がそれぞれ検出するＵ相電流ＩＵ、Ｖ相電流ＩＶおよびＷ相電流ＩＷは、それぞれ制御部１７Ａに入力される。なお、図１では、電流検出器は、インバータ１２の三相出力電流をそれぞれ検出する構成を示してあるが、任意の二相の電流を検出する構成でもよい。電流検出器を設けてない他の一相の電流は演算で算出することができる。

　電動機開放接触器１６は、制御部１７Ａの指示（接触器投入指令ＭＫＣ）に従って、インバータ１２の三相出力端と交流電動機６との間を切り離すことができる電動機側開閉部である。電動機開放接触器１６は、交流電流の遮断が可能な接触器で構成されている。交流電流は、電流波形の半周期毎に電流ゼロ点が生じるので、交流電流の遮断が可能な接触器は、この電流ゼロ点を利用して電流を遮断する構成が一般的である。

　電動機開放接触器１６は、制御部１７Ａからの接触器投入指令ＭＫＣがオン状態になると、投入コイルが励磁され、投入コイルと機械的に接続される主接点が投入されて三相をそれぞれ閉路し、インバータ１２と交流電動機６との間を電気的に接続する構成である。また、電動機開放接触器１６は、制御部１７Ａからの接触器投入指令ＭＫＣがオフ状態になると、投入コイルの励磁がなくなり、主接点が解放されて三相をそれぞれ開路し、インバータ１２と交流電動機６との間を電気的に切り離す構成である。

　なお、電動機開放接触器１６は、三相分の主接点を一つの投入コイルで一括駆動する構成でもよいし、三相分の主接点それぞれに投入コイルを設ける構成としてもよい。後者の構成では、各相の投入、開放タイミングを個別に設定することが可能となる。

　交流電動機６の回転状態は、回転検出器７にて検出され、制御部１７Ａに入力される。なお、回転検出器７を用いずに交流電動機６を制御する所謂センサレス制御方式も実用化されている。このセンサレス制御方式を採用する場合には、回転検出器７は不要となる。センサレス制御方式の場合は、電動機開放接触器１６の入力段（インバータ側Ｕ相導体ＵＩ～Ｗ相導体ＷＩ）、あるいは、出力段（電動機側Ｕ相導体ＵＭ～Ｗ相導体ＷＭ）に電圧検出器（図示せず）を設けて、インバータ１２の出力電圧あるいは交流電動機６の端子電圧を検出して制御部１７Ａに入力する構成とする場合がある。

　なお、交流電動機６としては、この実施の形態では、上述したように永久磁石同期電動機を想定している。但し、例えば、誘導電動機のロータに永久磁石を埋め込んだ形態の電動機が存在するので、そのようなロータに永久磁石を内蔵する電動機であれば永久磁石同期電動機以外でもこの発明は適用できる。

　さて、前記したように、本発明者は、交流電動機の駆動制御装置に発生した故障の形態によっては、交流電動機の駆動制御装置１０Ａ内のインバータ１２と交流電動機６との間を流れる故障電流に、電流ゼロ点が生じない相と生じる相とが混在する場合があること、などを知見した。

　制御部１７Ａは、そのような電流ゼロ点が生じない相と生じる相とが混在する場合のある故障電流でも、電流検出器１３，１４，１５にて検出された三相電流ＩＵ，ＩＶ，ＩＷと、インバータ１２に与えるゲート信号ＧＳ及び放電指令ＯＶと、図示しない外部の上位装置からの基本ゲート信号ＧＣ及び基本接触器投入指令ＭＫＣ０とに基づき、交流電動機６の線間や電動機開放接触器１６の接点間に過大な電圧が生ずるのを防止し、また電動機開放接触器１６の接点間でアークが継続するのを防止して、交流遮断用の電動機開放接触器１６が、三相において確実に開路動作を行えるようにする構成を備えている。

　ここでは、理解を容易にするため、まず、電流ゼロ点が生じない相と生じる相とが混在する故障電流の発生態様及び過大電圧の発生態様を具体的に説明し（図３、図４）、その後、制御部１７Ａの構成（図５、図６）と動作（図７）を詳細に説明する。

　電流ゼロ点が生じない相と生じる相とが混在する故障電流の発生態様としては、端的には、正極側導体Ｐに接続される３つの上アーム素子（ＵＰ、ＶＰ、ＷＰ）の中の任意の１以上のスイッチング素子と、負極側導体Ｎに接続される３つの下アーム素子（ＵＮ、ＶＮ、ＷＮ）の中の任意の１以上のスイッチング素子とが、共に短絡故障した場合や、それらのスイッチング素子や図示しない駆動回路の故障によってオン動作したままとなった場合が挙げられる。

　図３は、故障電流に電流ゼロ点が生じない相と生じる相とが混在して生ずる故障の一例とその時の電流波形及び電動機の線間電圧波形を示す波形図である。図４は、故障電流に電流ゼロ点が生じない相と生じる相とが混在して生ずる故障時に電流ゼロ点が生じている相が遮断されたタイミングにおける非遮断相電流の大きさと電動機に生じた線間電圧の大きさとの関係を示す特性図である。

　例えば、交流電動機の駆動制御回路１０Ａの運転によって交流電動機６が回転している状態において、Ｕ相上アーム素子ＵＰとＶ相下アーム素子ＶＮとが共に短絡故障を起こした場合で、残りのスイッチング素子（ＶＰ，ＷＰ，ＵＮ，ＷＮ）は、制御部１７Ａの図示しない上位装置が備える故障検出部が働いて、すべてオフした状態を考える。

　この場合、短絡故障してオンのままとなっているＵ相上アーム素子ＵＰおよびＶ相下アーム素子ＶＮと、残りのスイッチング素子（ＶＰ，ＷＰ，ＵＮ，ＷＮ）に接続されているダイオードとを通して、交流電動機６とインバータ１２との間で故障電流が流れる。

　図３では、上記のように、Ｕ相上アーム素子ＵＰとＶ相下アーム素子ＶＮとが共に短絡故障を起こし、残りのスイッチング素子（ＶＰ，ＷＰ，ＵＮ，ＷＮ）は、すべてオフした状態における各相の電流波形（１）～（３）と、交流電動機６のＶＷ相間の線間電圧波形（４）とが示されている。

　図３において、時刻Ｔ１Ｂは、Ｕ相上アーム素子ＵＰとＶ相下アーム素子ＶＮとに短絡故障が発生した時刻であり、時刻Ｔ１Ｂ以前は正常運転が行われ、時刻Ｔ１Ｂ以降は故障状態で運転が行われている。電動機開放接触器１６は、時刻Ｔ１Ｂ直後の時刻Ｔ２Ｂまで接触器投入指令ＭＫＣがオンしていることにより閉路動作を行い、時刻Ｔ２Ｂにて接触器投入指令ＭＫＣがオフしたことにより開路動作を行うことが示されている。

　Ｕ相上アーム素子ＵＰとＶ相下アーム素子ＶＮとに短絡故障が発生する時刻Ｔ１Ｂ以前は、インバータ１２のすべてのスイッチング素子が健全状態であり、交流電動機６は、回転周波数６３Ｈｚで駆動されている。各相の電流波形（１）～（３）には、正規の電流ゼロ点が現れている。交流電動機６のＶＷ相間の線間電圧波形（４）には、正規の正負電圧波形が現れている。

　交流電動機６が回転周波数６３Ｈｚで駆動されている状態において、時刻Ｔ１Ｂの時点にて、Ｕ相上アーム素子ＵＰとＶ相下アーム素子ＶＮとが共に短絡故障を起こしたので、残りのスイッチング素子（ＶＰ，ＷＰ，ＵＮ，ＷＮ）がすべてオフ状態に制御される。すると、電動機開放接触器１６を開路動作させる時刻Ｔ２Ｂまでの間は、Ｕ相電流ＩＵは、波形（１）に示すように、正極側に大きくオフセットしていき、また、Ｖ相電流ＩＶは、波形（２）に示すように、負極側に大きくオフセットしていき、共に電流ゼロ点が存在しない波形になる。一方、Ｗ相電流ＩＷは、波形（３）に示すように、非対称な電流変化を示すが、電流ゼロ点の存在が認められる。

　Ｕ相電流ＩＵ、Ｖ相電流ＩＶが正側あるいは負側にオフセットして大きく増加する理由は、Ｕ相上アーム素子ＵＰとＶ相下アーム素子ＶＮとが、共にオン動作状態に固定されるために、フィルタコンデンサ１９から交流電動機６のＵ相、Ｖ相間に直流電圧が印加されて、これに伴ってＵ相電流ＩＵ、Ｖ相電流ＩＶに直流成分が生じるためである。この状態を放置すると、Ｕ相電流ＩＵ、Ｖ相電流ＩＶの直流成分は、さらに増加し続けることになり、交流電動機の駆動制御装置１０Ａを損傷してしまう。

　これを回避するため、電源開放接触器１１を開路させると同時に、放電回路１８をオン動作させて、フィルタコンデンサ１９の充電電荷を放電し、交流電動機６に直流成分が印加されないようにする。また同時に、交流電動機６からインバータ１２への電流の流れ込みを防止するために、電動機開放接触器１６を開路させ、速やかにインバータ１２を交流電動機６から切り離さなくてはならない。

　そこで、従来では、短絡故障が生じた時刻Ｔ１Ｂの直後に、故障を検出した図示しない上位装置が、電動機開放接触器１６の投入コイルを非励磁として消勢するので、時刻Ｔ２Ｂの経過時点で電動機開放接触器１６の主接点が開路するという経過をとる。

　図３では、この動作により、電動機開放接触器１６の主接点が開路した直後の時刻Ｔ３Ｂにおいて、電流ゼロ点が生じた波形（３）のＷ相の電流ＩＷが遮断されてゼロレベルになっていることが示され、波形（４）に交流電動機６のＶＷ相間の線間に過大な電圧が生じていることが示されている。そして、波形（１）（２）では、Ｕ相電流ＩＵとＶ相電流ＩＶは、オフセットしていて電流ゼロ点が存在しないために、電動機開放接触器１６の主接点を開路させた時刻Ｔ２Ｂ以降も遮断できず、電流ゼロ点が生じる時刻Ｔ４Ｂに至るまでの間、流れ続けることが示されている。

　このような状態が継続すると、電動機開放接触器１６のＵ相接点間とＶ相接点間には、アークが継続して発生するので、それによる発熱により電動機開放接触器１６を破損させる可能性がある。また、アークによるガスにより周囲の絶縁低下を招き、電動機開放接触器１６内部や周辺主回路の短絡を招く可能性もある。

　また、交流電動機６のＶＷ相間の線間に生ずる過大な電圧は、ロータに永久磁石を埋め込んだ構成の永久磁石同期電動機に特有の要因で発生するものである。具体的には、ロータの回転角度に応じて変化する固定子コイルのインダクタンスの大きさと時間変化、電流大きさと時間変化を主要因として発生する。この過大な電圧の大きさは、図３では、定格電圧の２倍弱の大きさとして示してあるが、図４にて説明するように、電動機開放接触器１６の主接点の開路時における電流が大きいほど、また交流電動機６の回転周波数が高いほど大きくなり、最大値は定格電圧の１０倍にも達する。

　図４では、Ｗ相電流ＩＷが遮断されたタイミングにおけるＵ相電流ＩＵの大きさと交流電動機６に生じた線間電圧の大きさとの関係特性例が示されている。符号５０は、交流電動機６の回転周波数ＦＭが３３２Ｈｚである場合の特性を示し、符号５１は、交流電動機６の回転周波数ＦＭが６３Ｈｚである場合の特性を示している。

　図４において、交流電動機６の回転周波数ＦＭが６３Ｈｚである特性５１において、Ｗ相電流ＩＷが遮断されたタイミングでのＵ相電流ＩＵが１５００Ａ程度であった場合は、５ｋＶを超過する過大な電圧が交流電動機６の線間に印加される。これに対して、交流電動機６の回転周波数ＦＭが最高周波数である３３２Ｈｚの特性５０において、Ｗ相電流ＩＷが遮断されたタイミングでのＵ相電流ＩＵが１５００Ａ程度であった場合は、３０ｋＶを超過する過大な電圧が交流電動機６の線間に印加されることが分かる。

　特性５０における過大な線間電圧は、定格電圧の１０倍程度の大きさを有するものである。そのため、交流電動機６や電動機開放接触器１６以降の交流電動機６側の主回路（たとえば電動機開放接触器１６、電動機開放接触器１６と交流電動機６とを接続する電動機側Ｕ相導体ＵＭ、電動機側Ｖ相導体ＶＭ、電動機側Ｗ相導体ＷＭ）の絶縁を破壊してしまう虞があり、交流電動機の駆動制御装置１０Ａの損傷を惹起してしまうことになる。

　なお、インバータ１２に印加される電圧（母線電圧）や、インバータ１２と電動機開放接触器１６とを接続するインバータ側Ｕ相導体ＵＩ、インバータ側Ｖ相導体ＶＩおよびインバータ側Ｗ相導体ＷＩの電圧（線間電圧、対地電圧）は、スイッチング素子に内蔵されたダイオード素子の働きにより、フィルタコンデンサ１９の端子電圧（つまり架線電圧）以上には上昇しない。つまり、インバータ１２の上下アーム素子間の絶縁やインバータ１２と電動機開放接触器１６とを接続するインバータ側Ｕ相導体ＵＩ、インバータ側Ｖ相導体ＶＩおよびインバータ側Ｗ相導体ＷＩの絶縁を破壊することはない。

　制御部１７Ａは、以上説明した知見に基づき構成してある。図５は、図１に示す制御部１７Ａの構成例を示すブロック図である。図６は、図５に示す電流状態判定部２０の構成例を示すブロック図である。

　図５に示すように、制御部１７Ａは、例えば、電流状態判定部２０と、ゲート信号論理部３０と、接触器制御部４０Ａとを備えている。以下、この順に説明する。

　電流状態判定部２０には、電流検出器１３，１４，１５にて検出された三相電流ＩＵ、ＩＶ、ＩＷが入力される。電流状態判定部２０は、後述する図６に示す構成によって、検出された三相電流ＩＵ、ＩＶ、ＩＷの状態を監視し、その監視結果を判定信号である電流状態信号ＦＤとして出力する。電流状態信号ＦＤは、ゲート信号論理部３０と接触器制御部４０Ａとに出力される。また、電流状態信号ＦＤは、放電指令ＯＶとして放電回路１８に出力される。

（ゲート信号論理部３０の構成）
　ゲート信号論理部３０は、ラッチ回路３１と、論理反転回路（ＮＯＴ）３２と、２入力の論理積回路（ＡＮＤ）３３とを備えている。ラッチ回路３１のセット端Ｓには電流状態信号ＦＤが入力され、リセット端Ｒには図示しない上位装置が発生するリセット信号ＲＳＴ信号が入力される。ラッチ回路３１の出力端Ｑへの保持出力レベルは、論理反転回路３２にて反転されて論理積回路３３の一方の入力となる。論理積回路３３の他方の入力は外部の図示しない上位装置が発生する基本ゲート信号ＧＣである。論理積回路３３の出力はインバータ１２へのゲート信号ＧＳとなる。

　なお、基本ゲート信号ＧＣは、インバータ１２の６つのスイッチング素子のオンオフ状態を指定する２値レベルの制御信号である。この基本ゲート信号ＧＣは、図示しない外部の上位装置にて、電気車の加速時や減速時に必要な交流電動機６のトルクあるいは回転数を得るためにベクトル制御等の手法により生成された信号である。

（ゲート信号論理部３０の動作）
　電流状態信号ＦＤがオフ状態である低レベル（以降「Ｌレベル」と記す）の場合は、論理反転回路３２の出力は、オン状態である高レベル（以降「Ｈレベル」と記す）であるので、論理積回路３３は、基本ゲート信号ＧＣの論理値をそのままゲート信号ＧＳとして出力する。これによって、インバータ１２は６つのスイッチング素子に所定のオンオフ動作を行わせる。

　また、電流状態信号ＦＤがＬレベルからＨレベルに変化した場合は、論理反転回路３２の出力は、Ｌレベルになるので、論理積回路３３は、基本ゲート信号ＧＣの論理状態に関わらず、Ｌレベルのゲート信号ＧＳを出力する。これによって、インバータ１２は６つのスイッチング素子にオフ動作を行わせる。

　つまり、電流状態信号ＦＤが、一旦ＬレベルからＨレベルに変化した場合は、ラッチ回路３１がそのＨレベルを保持するので、基本ゲート信号ＧＣの論理状態に関わらず、ゲート信号ＧＳのＬレベル（オフ状態）は維持される。再度スイッチング素子をオンオフ制御する場合は、別途、図示しない上位装置は、リセット信号ＲＳＴを生成してラッチ回路３１のラッチを解除して、基本ゲート信号ＧＣの論理状態に応じたゲート信号ＧＳが出力されるようにする。

（接触器制御部４０Ａの構成）
　接触器制御部４０Ａは、論理反転回路４１，４２と、オン時素回路（ＯＮＴＤ）４３と、２入力の論理積回路（ＡＮＤ）４４と、２入力の論理和回路（ＯＲ）４５と、ラッチ回路４６とを備えている。図示しない上位装置が生成する基本接触器投入指令ＭＫＣ０は、論理反転回路４２とラッチ回路４６のセット端Ｓとに入力される。また、電流状態判定部２０からの電流状態信号ＦＤは論理反転回路４１に入力される。

　オン時素回路４３は、論理反転回路４２にて反転された基本接触器投入指令ＭＫＣ０を設定時間内遅延して、論理和回路４５の一方の入力端に出力する。論理積回路４４は、論理反転回路４２にて反転された基本接触器投入指令ＭＫＣ０と、論理反転回路４１にて反転された電流状態信号ＦＤとの論理積をとり、それを論理和回路４５の他方の入力端に出力する。論理和回路４５の出力は、ラッチ回路４６のリセット端Ｒに入力される。ラッチ回路４６の出力端Ｑに保持されるレベル信号は、接触器投入指令ＭＫＣとして電動機開閉接触器１６に与えられる。

　なお、基本接触器投入指令ＭＫＣ０は、交流電動機６の運転中では電動機開放接触器１６を閉路状態に制御し、交流電動機６の運転を停止する場合やインバータ１２に故障が生じた場合等に電動機開放接触器１６を開路状態に制御する指示を制御部１７Ａに与える２値レベルの制御信号である。

（接触器制御部４０Ａの動作）
　電流状態信号ＦＤがＬレベルの場合には、論理反転回路４１の出力はＨレベルとなるので、ラッチ回路４６は、リセットされ、基本接触器投入指令ＭＫＣ０のオン（Ｈレベル）オフ（Ｌレベル）に同期してオン（Ｈレベル）オフ（Ｌレベル）する接触器投入指令ＭＫＣを出力する。

　電流状態信号ＦＤがＬレベルからＨレベルに変化した場合は、論理反転回路４１の出力はＬレベルとなる。この状態で、基本接触器投入指令ＭＫＣ０がＨレベルであると、ラッチ回路４６は、Ｈレベルの接触器投入指令ＭＫＣを出力する。しかし、基本接触器投入指令ＭＫＣ０がＬレベルに変化しても、論理反転回路４１の出力はＨレベルになるが、ラッチ回路４６は、オン時素回路４３での設定時間が経過するまではリセットされない。

　つまり、電流状態信号ＦＤがＬレベルからＨレベルに変化した場合は、基本接触器投入指令ＭＫＣ０がＬレベルになっても、オン時素回路４３での設定時間が経過するまでの間は、ラッチ回路４６は、そのままＨレベルを保持するので、接触器投入指令ＭＫＣがオフ（Ｌレベル）になるのが禁止される。このケースでは、電流状態信号ＦＤがＨレベルからＬレベルに変化した後に、論理積回路４４の出力でラッチ回路４６をリセットして、接触器投入指令ＭＫＣをオフ（Ｌレベル）にするようにした。

　そして、電流状態信号ＦＤがＨレベルのままである場合には、基本接触器投入指令ＭＫＣ０がＬレベルに変化した後において、オン時素回路４３での設定時間が経過した時に、ラッチ回路４６をリセットして、接触器投入指令ＭＫＣをオフ（Ｌレベル）にするようにした。これによって、何らかの原因で電流状態信号ＦＤがＨレベルのままの状態が不正に継続した場合等において、接触器投入指令ＭＫＣを強制的にオフすることを可能とする構成としている。

　次に、図６を参照して電流状態判定部２０の構成と動作について説明する。

（電流状態判定部２０の構成）
　図６に示すように、電流状態判定部２０は、Ｕ相検知論理部２５Ｕと、Ｖ相検知論理部２５Ｖと、Ｗ相検知論理部２５Ｗと、判断部２７とを備えている。検出された三相電流ＩＵ、ＩＶ、ＩＷがＵ相検知論理部２５Ｕ、Ｖ相検知論理部２５Ｖ、Ｗ相検知論理部２５Ｗの対応する検知論理部に入力され、各検知論理部の出力を並列に受ける判断部２７から電流状態信号ＦＤが出力される構成である。

　３つの検知論理部は、それぞれ同一の構成であって、それぞれＵ相検知論理部２５Ｕに示す構成を有している。ここでは、代表としてＵ相検知論理部２５Ｕを取り上げて説明する。

　Ｕ相検知論理部２５Ｕは、Ｕ相電流ＩＵが並列に入力される電流ゼロ点状態検出部２１と電流ピーク値状態検出部２２と電流実効値状態検出部２３とで構成されている。つまりＶ相検知論理部２５ＶおよびＷ相検知論理部２５Ｗも同様の構成になっている。

　電流ゼロ点状態検出部２１は、電流ゼロ点検出部２１ａと発振部２１ｂとカウンタ部２１ｃと比較器２１ｄとを備え、入力されるＵ相電流ＩＵから電流ゼロ点状態信号ＮＺＵを生成して出力する。電流ピーク値状態検出部２２は、電流ピーク値検出部２２ａと比較器２２ｂとを備え、入力されるＵ相電流ＩＵから電流ピーク値状態信号ＭＸＵを生成して出力する。電流実効値状態検出部２３は、電流実効値検出部２３ａと比較器２３ｂとを備え、入力されるＵ相電流ＩＵから電流実効値状態信号ＲＭＵを生成して出力する。

（Ｕ相検知論理部２５Ｕの動作）
　まず、電流ゼロ点状態検出部２１では、電流ゼロ点検出部２１ａは、入力されたＵ相電流ＩＵをゼロ値と比較し、Ｕ相電流がゼロクロスするたびにカウンタリセット信号ＲＳＴをカウンタ部２１ｃに出力する。カウンタ部２１ｃは、発振部２１ｂが一定周期で発振出力するクロックパルスＣＬＫによりカウントアップ動作を行い、そのカウント値ＣＮＴを比較器２１ｄに出力する。比較器２１ｄは、カウント値ＣＮＴを第一の設定値ＳＥＴ１と比較し、カウント値ＣＮＴが第一の設定値ＳＥＴ１を超過した場合に、電流ゼロ点が生じていないと判断して、電流ゼロ点状態信号ＮＺＵをオン（Ｈレベル）にする。カウンタ部２１ｃは、上述したカウンタリセット信号ＲＳＴが入力されると、リセットされ、カウント値ＣＮＴがゼロなどの初期値になる構成である。

　インバータ１２が健全である場合は、Ｕ相電流ＩＵは規則的にゼロクロスを生ずる正弦波波形であるので、ゼロクロスに同期して発生するカウンタリセット信号ＲＳＴによりカウンタ部２１ｃのカウント値ＣＮＴは、所定値でリセットされ、ゼロ等に戻ることを繰り返す。このため、カウンタ部２１ｃのカウント値ＣＮＴは、第一の設定値ＳＥＴ１を超過することはなく、電流ゼロ点状態信号ＮＺＵはオフ（Ｌレベル）のままである。

　一方、インバータ１２に異常が発生し、Ｕ相電流ＩＵがオフセットを有してゼロクロスが消失した場合、ゼロクロスに同期して発生していたカウンタリセット信号ＲＳＴは発生しなくなり、カウンタ部２１ｃのカウント値ＣＮＴは増加し続ける。このため、カウンタ部２１ｃのカウント値ＣＮＴは、第一の設定値ＳＥＴ１を超過することになり、電流ゼロ点状態信号ＮＺＵがオン（Ｈレベル）となる。

　なお、第一の設定値ＳＥＴ１は、交流電動機６が低速（低周波数）で回転している場合に誤検知しない程度の大きさに設定するのが好ましい。交流電動機６の回転数が減少すると、それに伴って電流の基本波周波数が減少して周期が長くなるため、電流のゼロクロス毎の時間が長くなる。

　このため、第一の設定値ＳＥＴ１は、交流電動機６の回転周波数あるいは交流電動機６の駆動電流の基本波周波数に応じて変化させるか、交流電動機６がごく低速で運転している場合は電流ゼロ点状態信号ＮＺＵの出力をマスクする等の工夫を施して、電流ゼロ点状態信号の誤出力を回避するのが好ましい。

　次に、電流ピーク値状態検出部２２では、電流ピーク値状態検出部２２ａは、入力されたＵ相電流ＩＵの大きさの最大値を検出し、その大きさを信号ＭＸとして比較器２２ｂに出力する。比較器２２ｂは、入力された信号ＭＸを第二の設定値ＳＥＴ２と比較し、信号ＭＸが第二の設定値ＳＥＴ２を超過した場合に電流ピーク値が過大であると判断し、電流ピーク値状態信号ＭＸＵをオン（Ｈレベル）とする。なお、第二の設定値ＳＥＴ２は、誤検知を避けるためにインバータ１２が健全である場合に、交流電動機６に通常生じうる最大電流を少し超える程度に設定するのが好ましい。

　インバータ１２が健全である場合は、Ｕ相電流ＩＵの大きさは過大ではなく、その大きさ信号ＭＸは第二の設定値ＳＥＴ２以下であるので、電流ピーク値状態信号ＭＸＵはオフ（Ｌレベル）となっている。

　一方、インバータ１２に異常が発生し、図３に示したようにＵ相電流ＩＵのピーク値が過大となった場合には、その大きさ信号ＭＸは第二の設定値ＳＥＴ２を超過することになるので、電流ピーク値状態信号ＭＸＵはオン（Ｈレベル）となる。

　次に、電流実効値状態検出部２３では、電流実効値状態検出部２３ａは、入力されたＵ相電流ＩＵの実効値を検出し、その大きさを信号ＲＭとして比較器２３ｂに出力する。比較器２３ｂは、入力された信号ＲＭを第三の設定値ＳＥＴ３と比較し、信号ＲＭが第三の設定値ＳＥＴ３を超過した場合に、電流実効値が過大であると判断して、電流実効値状態信号ＲＭＵをオン（Ｈレベル）とする。なお、第三の設定値ＳＥＴ３は、誤検知を避けるためにインバータ１２が健全である場合に、交流電動機６に通常生じうる最大電流を少し超える程度に設定するのが好ましい。

　インバータ１２が健全である場合は、Ｕ相電流ＩＵの実効値は過大ではなく、その大きさ信号ＲＭは第三の設定値ＳＥＴ３以下であるので、電流実効値状態信号ＲＭＵはオフ（Ｌレベル）となっている。

　一方、インバータ１２に異常が発生し、図３に示したようにＵ相電流ＩＵの実効値が過大となった場合には、その大きさ信号ＲＭは第三の設定値ＳＥＴ３を超過することになるので、電流実効値状態信号ＲＭＵはオン（Ｈレベル）となる。

　Ｖ相、Ｗ相に関しても、Ｖ相検知論理２５Ｖ、Ｗ相検知論理２５Ｗにおいて、以上説明した方法で同様の動作が行われる。すなわち、Ｖ相検知論理２５Ｖは、Ｖ相電流ＩＶから電流ゼロ点状態信号ＮＺＶと、電流ピーク値状態信号ＭＸＶと、電流実効値状態信号ＲＭＶとを生成する。また、Ｗ相検知論理２５Ｗは、Ｗ相電流ＩＷから電流ゼロ点状態信号ＮＺＷと、電流ピーク値状態信号ＭＸＷと、電流実効値状態信号ＲＭＷとを生成する。

　このようにして得た信号ＮＺＵ、ＭＸＵ、ＲＭＵ、ＮＺＶ、ＭＸＶ、ＲＭＶ、ＮＺＷ、ＭＸＷ、ＲＭＷは、並列に判断部２７に入力される。判断部２７では、これらの信号のいずれかがオン（Ｈレベル）である場合に、電流状態信号ＦＤをオン（Ｈレベル）として異常発生を示す。また、その後、これらの信号のすべてがオフ（Ｌレベル）となった場合には、電流状態信号ＦＤをオフ（Ｌレベル）として正常状態になったことを示す。なお、インバータ１２が健全状態であれば、電流状態信号ＦＤをオフ（Ｌレベル）のままである。

　このように構成することで、制御部１７Ａは、相電流ＩＵ、ＩＶ、ＩＷの状態を常に把握し、異常が生じた場合にはゲート信号ＧＳをオフ（Ｌレベル）にするとともに、電動機開放接触器１６への開路指示を、基本接触器投入指令ＭＫＣ０がオフ（Ｌレベル）であるのに関わらず、電流状態が遮断に適した状態である場合に、すなわち電流にゼロ点が生じ、そのピーク値、実効値が所定の値以下である場合に行うことができる。

　次に、図７を参照して、以上のように構成した制御部１７Ａによって行われる故障発生時の制御動作について説明する。なお、図７は、図３に示した故障が発生した場合に電流ゼロ点が生じていない相に電流ゼロ点を生じさせて遮断するこの実施の形態１による制御動作を説明する波形図である。

　図７では、図３と同様に、Ｕ相上アーム素子ＵＰとＶ相下アーム素子ＶＮとが共に短絡故障を起こし、残りのスイッチング素子（ＶＰ，ＷＰ，ＵＮ，ＷＮ）は、すべてオフした状態における各相の電流波形（１）～（３）と、交流電動機６のＶＷ相間の線間電圧波形（４）とが示されている。

　図７において、時刻Ｔ１Ａは、Ｕ相上アーム素子ＵＰとＶ相下アーム素子ＶＮとに短絡故障が発生した時刻であり、時刻Ｔ１Ａ以前は正常運転が行われ、時刻Ｔ１Ａ以降は故障状態で運転が行われている。電動機開放接触器１６は、時刻Ｔ１Ａ後の時刻Ｔ２Ａまで接触器投入指令ＭＫＣがオン（Ｈレベル）であることにより閉路動作を行い、時刻Ｔ２Ａにて接触器投入指令ＭＫＣがオフ（Ｌレベル）になることにより開路動作を行うことが示されている。図７に示すように、電動機開放接触器１６が開路動作を行う時刻Ｔ２Ａは、図３に示した従来技術による時刻Ｔ２Ｂよりもかなり遅れた時刻になっている。

　Ｕ相上アーム素子ＵＰとＶ相下アーム素子ＶＮとに短絡故障が発生する時刻Ｔ１Ａ以前は、インバータ１２のすべてのスイッチング素子が健全状態であり、交流電動機６は、回転周波数６３Ｈｚで駆動されている。各相の電流波形（１）～（３）には、正規の電流ゼロ点が現れている。交流電動機６のＶＷ相間の線間電圧波形（４）には、正規の正負電圧波形が現れている。

　交流電動機６が回転周波数６３Ｈｚで駆動されている状態において、時刻Ｔ１Ａの時点にて、Ｕ相上アーム素子ＵＰとＶ相下アーム素子ＶＮとが共に短絡故障を起こしたので、残りのスイッチング素子（ＶＰ，ＷＰ，ＵＮ，ＷＮ）がすべてオフ状態に制御される。すると、Ｕ相電流ＩＵは、波形（１）に示すように、正極側に大きくオフセットしていき、また、Ｖ相電流ＩＶは、波形（２）に示すように、負極側に大きくオフセットしていき、共に電流ゼロ点が存在しない波形になる。一方、Ｗ相電流ＩＷは、波形（３）に示すように、非対称な電流変化を示すが、電流ゼロ点の存在が認められる。このようになる理由は図３にて説明した通りである。

　時刻Ｔ１Ａにて短絡故障が発生すると、それを検出した図示しない上位装置は、短絡故障が生じた時刻Ｔ１Ａの直後に、図３にて説明したように、電源開放接触器１１を開路させると共に、放電回路１８をオン動作させて、フィルタコンデンサ１９の充電電荷を放電し、交流電動機６への直流電圧の印加を防止する。また同時に、図示しない上位装置は、交流電動機６からインバータ１２への電流の流れ込みを防止するために、基本接触器投入指令ＭＫＣ０をオフ（Ｌレベル）にする。

　ここで、この実施の形態１による制御部１７Ａは、基本接触器投入指令ＭＫＣ０がオフ（Ｌレベル）となった後も、接触器投入指令ＭＫＣをオン（Ｈレベル）のまま維持する。その間に、電源開放接触器１１の開路と放電回路１８によるフィルタコンデンサ１９の放電動作とにより、交流電動機６への直流電圧の印加が解消する。

　これによって、波形（１）～（３）に示すように、Ｕ相電流ＩＵ、Ｖ相電流ＩＶが減衰してＵ相電流ＩＵ、Ｖ相電流ＩＶ、Ｗ相電流ＩＷに電流ゼロ点が生ずるようになる。そして、電流ピーク値、実効値ともに所定値以下となった時点（時刻Ｔ２Ａ）において接触器投入指令ＭＫＣをオフ（Ｌレベル）にすることで、電動機開放接触器１６の投入コイルが非励磁となり消勢する。

　そうすると、電動機開放接触器１６の主接点は、時刻Ｔ２Ａ直後の時刻Ｔ３Ａにて開路するので、まずＷ相電流ＩＷが電流ゼロ点で遮断され、以降Ｖ相電流ＩＶ、Ｕ相電流ＩＵの順に電流ゼロ点で遮断できることとなり、時刻Ｔ４Ａにおいて、三相すべての電流の遮断が完了する。

　この動作によって、時刻Ｔ３Ａにおいて、Ｗ相電流ＩＷが電流ゼロ点で遮断されると、波形（４）に示すように、交流電動機６の線間電圧には過大な電圧が発生しなくなる。これによって、交流電動機６や電動機開放接触器１６以降の交流電動機側の主回路（例えば電動機開放接触器１６や、電動機開放接触器１６と交流電動機６を接続する電動機側Ｕ相導体ＵＭ、電動機側Ｖ相導体ＶＭおよび電動機側Ｗ相導体ＷＭ）の絶縁を破壊してしまうことはなく、交流電動機の駆動制御装置１０Ａの損傷を避けることができる。

　また、すべての相に電流ゼロ点が存在してから電動機開放接触器１６の主接点を開路するため、電動機開放接触器１６の接点間に生じるアークの時間は時刻Ｔ２Ａ～時刻Ｔ４Ａのわずかな時間であり、図３に示した従来技術による場合のように、長時間（時刻Ｔ２Ｂ～時刻Ｔ４Ｂ）のアークが発生することを回避できるので、発熱により電動機開放接触器１６を破損させることを回避できる。また、アークによるガスにより周囲の絶縁低下を招くことを回避できるので、電動機開放接触器１６内部や周辺主回路の短絡を招くことを回避できる。

　なお、図７に示すように、短絡故障が生じた時刻Ｔ１Ａ以降も電動機開放接触器１６を投入状態としておいた場合でも、Ｕ相電流ＩＵ、Ｖ相電流ＩＶおよびＷ相電流ＩＷは、時刻Ｔ１Ａ直後に一時的に電流振幅が大きくなるが、その後は、フィルタコンデンサ１９の放電によって減少してゆき、やがて三相共に電流ゼロ点が生じる挙動となることが理解できる。

　時刻Ｔ１Ａ以降も電動機開放接触器１６を投入状態で維持しているため、速やかに短絡電流を遮断することができない点は、一見電動機開放接触器１６を設けた本来の目的に反するように思える。しかし、電動機開放接触器１６を投入状態としておいても、過大な電流が継続的に流れることはないため、短絡箇所の損傷を拡大する可能性は低く、むしろ電動機開放接触器１６の遮断に伴う過大な電圧の発生を抑制できることのメリットの方が大きい。つまり、以上説明した制御部１７Ａの構成は、この相電流の挙動をうまく利用したものであると言える。当然ながら、電源開放接触器１１の開路と放電回路１８によるフィルタコンデンサ１９の放電は、電動機開放接触器１６の開路よりも前に行われることが必要となる。

　また、以上のように、Ｕ相電流ＩＵの複数の監視項目、すなわち、電流ゼロ点の有無状態、ピーク値の状態および実効値の状態を監視することにより、異常発生によって正弦波からひずんだ複雑な波形の電流波形が生じた場合においても、確実に電流の異常状態を把握することが可能となる。もちろん、電流ゼロ点の有無状態、ピーク値の状態、実効値の状態のうち少なくとも一つの状態を監視することでも良いが、例えば、電流実効値の状態のみを監視していた場合、異常発生によりピーク値は大きいが実効値が小さい電流波形となった場合にこれを検出することができなくなる。

　なお、図５に示すオン時素回路４３と論理和回路４５との働きにより、万一、放電回路１８や電源開放接触器１１の故障によって、フィルタコンデンサ１９の電荷が放電されずに、Ｕ相電流ＩＵ、Ｖ相電流ＩＶの異常状態が解消されない場合で、電流状態信号ＦＤがオン（Ｈレベル）のままの状態が継続した場合は、オン時素回路４３の設定遅れ時間が経過した時点で、接触器投入指令ＭＫＣを強制的にオフすることができるので、交流電動機６を含めた短絡回路が何時までも形成され続ける事態を回避することができる。

　以上説明したように、この実施の形態１によれば、インバータ１２と交流電動機６との間に、電流ゼロ点が生じない相と生じる相とが混在する故障電流が流れる場合に、発生した故障の形態に依らず、交流電動機６の線間や電動機開放接触器１６の接点間に過大な電圧が生ずるのを防止でき、また電動機開放接触器の接点間でアークが継続するのを防止できる構成を備えたので、発生した故障の形態に依らず、電動機内のコイルや電動機開放接触器、電動機開放接触器と電動機を接続するケーブルなどの絶縁が破壊したり、また電動機開放接触器の接点間で発生するアークにより電動機開放接触器が損傷したりすることのない交流電動機の駆動制御装置が得られる。

実施の形態２．
　図８は、この発明の実施の形態２による交流電動機の駆動制御装置の構成例を示すブロック図である。なお、図８では、図１（実施の形態１）に示した構成要素と同一ないしは同等である構成要素には同一の符号が付されている。ここでは、この実施の形態２に関わる部分を中心に説明する。

　図８に示すように、この実施の形態２による交流電動機の駆動制御装置１０Ｂでは、図１（実施の形態１）に示した構成において、制御部１７Ａに代えて制御部１７Ｂが設けられている。制御部１７Ｂは、例えば、図９に示すように構成されている。

　以下、図９を参照して制御部１７Ｂの構成と動作について説明する。なお、図９では、図５（実施の形態１）に示した構成要素と同一ないしは同等である構成要素には同一の符号が付されている。ここでは、この実施の形態２に関わる部分を中心に説明する。

　図９に示すように、制御部１７Ｂでは、図５（実施の形態１）に示した構成において、接触器制御部４０Ａに代えて接触器制御部４０Ｂが設けられている。接触器制御部４０Ｂでは、接触器制御部４０Ａにおいて、論理反転回路４１の入力段にワンショット回路４７が設けられ、オン時素回路４３と論理和回路４５とを削除して論理積回路４４の出力を直接ラッチ回路４６のリセット端Ｒに接続した構成になっている。したがって、ここでは、制御部１７Ｂの動作として、接触器制御部４０Ｂの動作を説明する。

（接触器制御部４０Ｂの動作）
　電流状態信号ＦＤがＬレベルの場合には、論理反転回路４１の出力はＨレベルとなるので、ラッチ回路４６は、リセットされ、基本接触器投入指令ＭＫＣ０のオン（Ｈレベル）オフ（Ｌレベル）に同期してオン（Ｈレベル）オフ（Ｌレベル）する接触器投入指令ＭＫＣを出力する。

　電流状態信号ＦＤがＬレベルからＨレベルに変化した場合は、ワンショット回路４７の出力が設定した所定時間だけオン（Ｈレベル）となり、その所定期間だけ論理反転回路４１の出力がＬレベルになるので、ラッチ回路４６は、リセットされない。

　つまり、電流状態信号ＦＤがＬレベルからＨレベルに変化した場合は、ワンショット回路４７の出力がオン（Ｈレベル）している所定時間は、基本接触器投入指令ＭＫＣ０がオフ（Ｌレベル）となっても、接触器投入指令ＭＫＣはオフ（Ｌレベル）にならない。ワンショット回路４７の出力がオフ（Ｌレベル）になった時点で、論理反転回路４１の出力はＨレベルとなるので、ラッチ回路４６は、リセットされ、接触器投入指令ＭＫＣがオフ（Ｌレベル）となる。

　なお、ワンショット回路４７がオン（Ｈレベル）になる時間幅は、インバータ１２の故障後に電流が異常状態でなくなるまでの時間をシミュレーションなどで予め求めておき設定しておくのが好ましい。具体的には、例えば図７に示した波形例で言えば、１００ｍｓ程度が適当である。

　このように構成すれば、実施の形態１と同等の機能を少ない論理処理数で構成することができる。

　なお、実施の形態１，２で示した制御部１７Ａ，１７Ｂの機能のうち、電流状態判定部２０と、接触器制御部４０Ａ，４０Ｂとは、電動機開放接触器１６に内蔵させてもよい。

　また、電動機開放接触器１６内部に遅延機構を設け、制御部１７Ａ，１７Ｂから入力された接触器投入指令ＭＫＣがオフ（Ｌレベル）になった場合に、所定の遅延時間の経過後に、電動機開放接触器１６内部の主接点が開路できるようにしてもよい。

　このような遅延機構を設ければ、例えば制御部１７Ａ，１７Ｂに電源を供給する制御電源（図示せず）が故障した場合等において、制御部１７Ａ，１７Ｂが実施の形態１，２にて説明した所定の論理処理を実行することができずに接触器投入指令ＭＫＣがオフ（Ｌレベル）になった場合においても、電動機開放接触器１６の主接点が開路するまでに所定の遅延時間が確保できるため、交流電動機６等に過大な電圧が印加されるのを防止できる。

　もちろん、制御部１７Ａ，１７Ｂに電源を供給する制御電源は、故障時にもしばらくの間は制御部１７Ａ，１７Ｂに電源供給が可能なバックアップ機能を有したものであることが望ましい。

　また、以上説明した構成を有する制御部１７Ａ，１７Ｂによる故障時の制御では、電動機開放接触器１６を開路させることにより過大な電圧の発生を回避できるが、なんらかの要因で電流状態信号ＦＤがオン（Ｈレベル）のままであった場合で、オン時素回路４３やワンショット回路４７の設定時間を超過した場合や、制御部１７Ａ，１７Ｂが故障した場合には、電動機開放接触器１６が電流状態によらず開路制御されるケースも考えられる。そのため、電流検出器１３，１４，１５やその他のたとえば電圧検出器（図示せず）は、このような場合でも破損させないために、インバータ側Ｕ相導体ＵＩ、インバータ側Ｖ相導体ＶＩおよびインバータ側Ｗ相導体ＷＩに設置することが望ましい。

　その理由は、上述のように、電動機側Ｕ相導体ＵＭ、電動機側Ｖ相導体ＶＭおよび電動機側Ｗ相導体ＷＭには、インバータ１２の異常時に電動機開放接触器１６を開路制御した場合に発生する過大な電圧により、電流検出器１３，１４，１５や、その他のたとえば電圧検出器の絶縁が破壊され損傷する可能性があるためである。一方、インバータ側Ｕ相導体ＵＩ、インバータ側Ｖ相導体ＶＩおよびインバータ側Ｗ相導体ＷＩには、このような場合も過大な電圧が発生することはなく、電流検出器１３，１４，１５や、その他のたとえば電圧検出器を損傷することがないためである。

　なお、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能である。また、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。

　例えば、本明細書では、集電装置１から直流電圧を受電し、それを電源開放接触器１１を介して直接インバータ１２に入力する構成で説明したが、集電装置１から交流電圧を受電し、それを電源開放接触器１１を介して、交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ回路に入力し、コンバータ回路の出力として得た直流電圧をインバータ１２に入力する構成としてもよい。このような構成は、交流電化区間用の電気車に好適となる。

　また、本明細書では、電気車に搭載の交流電動機の駆動制御装置への適用を考慮して発明内容の説明しているが、適用分野はこれに限られるものではなく、他の同期電動機駆動システム、例えば電気自動車等の関連分野への応用が可能であることも言うまでもない。

　以上のように、この発明にかかる交流電動機の駆動制御装置は、インバータと電動機との間を流れる故障電流に、電流ゼロ点が生じない相と生じる相とが混在する場合においても、発生した故障の形態に依らず、電動機内のコイルや電動機開放接触器、電動機開放接触器と電動機を接続するケーブルなどの絶縁が破壊したり、また電動機開放接触器の接点間で発生するアークにより電動機開放接触器が損傷したりすることのない交流電動機の駆動制御装置として有用であり、特に、電気車に搭載した交流電動機が永久磁石同期電動機である場合に適している。

Claims

　オンオフ制御される複数のスイッチング素子を有し直流電圧を任意周波数の交流電圧に変換して交流電動機を駆動するインバータと、前記インバータと前記交流電動機との間に接続された電動機側開閉部と、前記インバータの出力電流を検出する電流検出器と、少なくとも前記電流検出器が検出した電流に基づき、前記インバータにおける前記複数のスイッチング素子のオンオフ制御と前記電動機側開閉部に対する開閉制御とを行う制御部と、を備える交流電動機の駆動制御装置であって、
　前記制御部は、
　前記電流検出器が検出した電流が異常な状態であるか否かを判定した判定信号を生成する電流状態判定部と、
　前記判定信号に基づいて前記電動機側開閉部を開路制御するタイミングを適切に制御できるように構成した接触器制御部と、
　を備えたことを特徴とする交流電動機の駆動制御装置。
　オンオフ制御される複数のスイッチング素子を有し直流電圧を任意周波数の交流電圧に変換して交流電動機を駆動するインバータと、前記インバータと前記交流電動機との間に接続された電動機側開閉部と、前記インバータの出力電流を検出する電流検出器と、少なくとも前記電流検出器が検出した電流に基づき、前記インバータにおける前記複数のスイッチング素子のオンオフ制御と前記電動機側開閉部に対する開閉制御とを行う制御部と、前記インバータの直流入力側と電源との間に設けられる電源側開閉部と、を備える交流電動機の駆動制御装置であって、
　前記制御部は、
　前記電流検出器が検出した電流が異常な状態であるか否かを判定した判定信号を生成する電流状態判定部と、
　前記判定信号に基づいて前記電動機側開閉部を開路制御するタイミングを適切に制御できるように構成した接触器制御部と、を備え、
　前記電源側開閉部は、前記電動機側開閉部が開路する前に、前記インバータの直流入力側を前記電源から切り離すように開路制御される、
　ことを特徴とする交流電動機の駆動制御装置。
　オンオフ制御される複数のスイッチング素子を有し直流電圧を任意周波数の交流電圧に変換して交流電動機を駆動するインバータと、前記インバータと前記交流電動機との間に接続された電動機側開閉部と、前記インバータの出力電流を検出する電流検出器と、少なくとも前記電流検出器が検出した電流に基づき、前記インバータにおける前記複数のスイッチング素子のオンオフ制御と前記電動機側開閉部に対する開閉制御とを行う制御部と、前記直流電圧が印加される前記インバータの正極側導体および負極側導体の間に設けられるコンデンサと並列に接続される放電回路と、を備える交流電動機の駆動制御装置であって、
　前記制御部は、
　前記電流検出器が検出した電流が異常な状態であるか否かを判定した判定信号を生成する電流状態判定部と、
　前記判定信号に基づいて前記電動機側開閉部を開路制御するタイミングを適切に制御できるように構成した接触器制御部と、を備え、
　前記放電回路は、前記電動機側開閉部が開路する前に、前記コンデンサの充電電荷を放電するように制御される、
　ことを特徴とする交流電動機の駆動制御装置。
　前記制御部は、
　前記判定信号に基づいて前記複数のスイッチング素子のオンオフ制御に加えてオフ制御も行うゲート信号を生成するゲート信号論理部、
　を備えていることを特徴とする請求項１～３のいずれか一つに記載の交流電動機の駆動制御装置。
　前記電流状態判定部は、前記検出された電流のゼロクロス有無に関する指標と、前記検出された電流のピーク値に関する指標と、前記検出された電流の実効値に関する指標との少なくとも１つを対応する設定値と比較しその比較結果に基づいて前記判定信号を生成する、ことを特徴とする請求項１～３のいずれか一つに記載の交流電動機の駆動制御装置。
　前記電流状態判定部は、前記検出された電流の状態を複数の観点から評価して前記判定信号を生成する、ことを特徴とする請求項１～３のいずれか一つに記載の交流電動機の駆動制御装置。
　前記電流状態判定部は、前記検出された電流のゼロクロス有無に関する指標と、前記検出された電流のピーク値に関する指標と、前記検出された電流の実効値に関する指標とを、それぞれ第一の設定値、第二の設定値、第三の設定値と比較し、その比較結果に基づいて前記判定信号を生成する、ことを特徴とする請求項１～３いずれか一つに記載の交流電動機の駆動制御装置。
　前記電流状態判定部は、前記検出された三相の電流のうちいずれか一つの電流のゼロクロス有無に関する指標がゼロクロスの不存在により第一の設定値を超過している場合に、あるいは前記検出された電流のピーク値に関する指標が第二の設定値を超過している場合に、あるいは前記検出された電流の実効値に関する指標が第三の設定値を超過している場合に、電流が異常な状態であると判定し、電流異常を示す前記判定信号を生成する構成、を備えていることを特徴とする請求項１～３のいずれか一つに記載の交流電動機の駆動制御装置。
　前記電流状態判定部は、前記検出された三相の全電流のゼロクロス有無に関する指標がゼロ点の存在により第一の設定値を下回っている場合で、前記検出された電流のピーク値に関する指標が第二の設定値を下回り、かつ、前記検出された電流の実効値に関する指標が第三の設定値を下回っている場合に、電流が正常な状態であると判定し、電流正常を示す前記判定信号を生成する構成、を備えていることを特徴とする請求項１～３のいずれか一つに記載の交流電動機の駆動制御装置。
　前記接触器制御部は、前記電流状態判定部が前記検出された電流の状態が異常であると判定した時点では、前記電動機側開閉部を開路しないようにする構成、を備えていることを特徴とする請求項１～３のいずれか一つに記載の交流電動機の駆動制御装置。
　前記接触器制御部は、前記電流状態判定部が前記検出された電流の状態が異常であると判定している状態が継続する場合において一定の条件が成立した場合は、所定時間経過後に前記電動機側開閉部を開路する制御を行う構成、を備えていることを特徴とする請求項１～３のいずれか一つに記載の交流電動機の駆動制御装置。
　前記接触器制御部は、前記電動機側開閉部を開路するタイミングを、前記電流状態判定部が前記検出された電流の状態が異常であると判定した時点から所定時間だけ遅延させるように動作する構成、を備えていることを特徴とする請求項１～３のいずれか一つに記載の交流電動機の駆動制御装置。
　オンオフ制御される複数のスイッチング素子を有し直流電圧を任意周波数の交流電圧に変換して交流電動機を駆動するインバータと、前記インバータと前記交流電動機との間に接続された電動機側開閉部と、を備える交流電動機の駆動制御装置において、
　前記インバータの出力側の電気量を検出する検出器を設ける場合、前記検出器は、前記インバータと前記電動機側開閉部との間の回路に設けられる、ことを特徴とする交流電動機の駆動制御装置。