WO2010116417A1

WO2010116417A1 - 駆動制御システム

Info

Publication number: WO2010116417A1
Application number: PCT/JP2009/001641
Authority: WO
Inventors: 坂根正道; 金子健太
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2009-04-08
Filing date: 2009-04-08
Publication date: 2010-10-14
Also published as: AU2009343996C1; ES2525210T3; KR101314413B1; EP2418116A4; MX2011010534A; AU2009343996B2; JPWO2010116417A1; AU2009343996A1; US20120019183A1; CN102387933B; EP2418116A1; JP4776743B2; US8587243B2; EP2418116B1; CN102387933A; KR20110125267A

Abstract

　永久磁石を内蔵した電動機１５と電気車の駆動機構部２９との間には電動機１５から駆動機構部２９への駆動力の伝達を遮断する回転遮断器２８が設けられる。第２の制御部１６は、直流電圧または交流電圧を任意の周波数の交流電圧に変換して電動機１５を駆動する電力変換器２１および電力変換器２１を制御する第１の制御部２２を有する電力変換部１０の動作状態、電動機１５および回転遮断器２８の動作状態ならびに自己の動作状態に基づいて、回転遮断器２８を制御する。

Description

駆動制御システム

　本発明は、永久磁石を内蔵した電動機（永久磁石式電動機）と、この永久磁石式電動機により駆動される駆動制御装置を備えた駆動制御システムに関する。

　永久磁石式電動機（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、回転子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回転子導体に電流が流れないため、二次銅損が発生しないことなどから、高効率な電動機として知られている。電気車には従来、誘導電動機が使用されてきたが、近年、効率の向上、小型高出力化、冷却構造の簡素化を図るために永久磁石式同期電動機の適用が検討されている。

　一般に、電動機および駆動制御装置が搭載された複数の車両を連結した編成を成して走行する電気車においては、走行中に一部の車両における駆動制御装置が、例えば短絡故障を起こして機能停止となり、この駆動制御装置に接続される電動機が運転不能になった場合においても、他の健全な駆動制御装置および電動機により電気車は走行を継続することが可能である。この結果、故障した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、短絡電流あるいは短絡電流による発熱等によって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い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、電気車の走行中に電動機を駆動制御する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り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は、制御部がこの接触器をオフとしてインバータと電動機とを切り離す方法が開示されている（例えば、特許文献１）。

特開平８－１８２１０５号公報

　しかしながら、インバータの故障時に制御部が接触器をオフとした場合でも、接触器の故障により接触器に内蔵される接点がオフできない場合や、短絡電流の大きさが接触器の遮断能力を越えていた場合等で接触器をオフしてもアーク電流が継続する等して短絡電流の遮断が不可能となる。

　また、接触器と電動機との間で地絡が発生した場合や、電動機内部のコイル巻線間にて短絡（層間短絡）または地絡が発生した場合には、インバータと電動機との間に位置する上記の接触器をオフしても短絡回路は解消されないため、電動機内部の誘起電圧に伴う短絡電流を遮断することは不可能である。

　その他、制御部自身が故障したり、インバータに取り付けられているセンサが故障したりする場合や、複数の故障が同時期に複合的に発生することも考えられる。これらの不具合事象への対処は、上記特許文献１に開示された方法では不可能である。

　また、永久磁石式電動機では、前述したような、従来の電動機にはない特徴があるため、不具合が起こった場合、従来の電動機では予想し得ない被害が発生する可能性がある。このため、永久磁石式電動機を有する駆動制御システムにおいては、想定される種々の不具合事象に対処し得る機能を具備することが望まれている。

　本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、永久磁石式電動機を有する駆動制御システムにおいて、駆動制御装置および電動機に想定される種々の不具合事象に総合的に対処し得る駆動制御システムを提供することを目的とする。

　上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる駆動制御システムは、永久磁石を内蔵した電動機と、この電動機を制御する駆動制御装置とを有し、これらの駆動制御装置および電動機を搭載した電気車に適用される駆動制御システムにおいて、
　前記電動機と前記電気車の駆動機構部との間には、前記電動機から前記駆動機構部への駆動力の伝達を遮断する回転遮断器が設けられ、前記駆動制御装置は、直流電圧または交流電圧を任意の周波数の交流電圧に変換して前記電動機を駆動する電力変換器および、この電力変換器を制御する第１の制御部を有する電力変換部と、前記電力変換部、前記電動機および前記回転遮断器の動作状態ならびに自己の動作状態に基づいて、前記回転遮断器を制御する第２の制御部と、を備えたことを特徴とする。

　本発明にかかる駆動制御システムによれば、永久磁石式電動機（電動機）を制御する駆動制御装置は、電動機からの駆動力の伝達を遮断する回転遮断器を制御する際に、電動機および電動機を駆動する電力変換部の動作状態、回転遮断器の動作状態、ならびに回転遮断器を制御する第２の制御部自身の動作状態に基づいて回転遮断器を制御することとしているので、駆動制御装置および電動機に想定される種々の不具合事象に総合的に対処し得る駆動制御システムを提供することができるという効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態１にかかる駆動制御システムの一構成例を示す図である。図２は、実施の形態１にかかる第２の制御部の一構成例を示す図である。図３は、実施の形態１における故障モードを示す図表である。図４は、本発明の実施の形態２にかかる第２の制御部の一構成例を示す図である。図５は、実施の形態２における断線モードを示す図表である。

　３　車輪
　１０　電力変換部
　１１　電流検出器
　１２　開閉器
　１４　電圧検出器
　１５　電動機
　１６　第２の制御部
　１８　駆動部
　２１　電力変換器
　２２　第１の制御部
　２６　第１のセンサ
　２７　第２のセンサ
　２８　回転遮断器
　２９　駆動機構部
　３０　駆動軸
　３５　状態判定部
　３８　断線検出部
　４０　電流検出部
　４２　電圧検出部
　４３　温度検出部
　４４　回転遮断器状態検出部
　４５　短絡検出部
　４６　開閉器状態検出部
　４７，４８　制御部状態検出部
　５０　電流判定部
　５１　電圧判定部
　５２　温度判定部
　６０　異常判定部
　７０　遮断器制御部
　１００　駆動制御システム

　以下に添付図面参照して、本発明にかかる「駆動制御システム」の実施の形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
（駆動制御システムの構成）
　図１は、本発明の実施の形態１にかかる駆動制御システムの一構成例を示す図である。図１において、実施の形態１にかかる駆動制御システム１００は、主たる構成部として電力変換器２１および第１の制御部２２を具備する電力変換部１０、電流検出器１１（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ）、開閉器１２、電圧検出器１４（１４ａ，１４ｂ）、電動機１５、第２の制御部１６、ならびに、回転遮断器２８および駆動機構部２９を具備する駆動部１８を備えて構成されている。なお、駆動制御システム１００において、電動機１５および駆動部１８を除く他の構成部を総称して「駆動制御装置」と呼称する。

　電力変換器２１には、図示を省略した架線からの電力が供給される。電力変換器２１は、入力された直流電圧または交流電圧を任意の周波数の交流電圧に変換して電動機１５を駆動する構成である。ここで、電力変換器２１に入力される電圧は、き電設備が直流の場合には直流電圧が入力され、き電設備が交流の場合には交流電圧が入力される。なお、電力変換器２１の構成は、直流き電および交流き電の何れの場合においても既知であるため、ここでの詳細な説明は省略する。

　電力変換器２１の出力端側には、各相毎に電流検出器１１（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ）が設けられており、検出された電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗは第１の制御部２２および第２の制御部１６に入力される。電流検出器１１は、図１の構成では、各相毎に設けているが、任意の２相に設けることでもよい。なお、電流検出器１１を任意の２相に設ける場合、電流検出器を設けていない相の電流は、電流検出器を設けている他の２相の電流から算出することができる。

　電流検出器１１の後段には、電動機１５に対する電力供給を開閉する開閉器１２が設けられている。開閉器１２は、第１の制御部２２からの投入信号ＭＫＣがオンになると投入コイルが励磁され、３相に設けられた主接点が投入される一方で、投入信号ＭＫＣがオフになると投入コイルへの励磁がなくなり、主接点が開放される構成である。開閉器１２の主接点の状態は、接点状態信号ＭＫＦとして第１の制御部２２および第２の制御部１６に入力される。この接点状態信号ＭＫＦは、例えば主接点に機械的に結合された補助接点からの信号によっても得ることが可能である。なお、図１では、開閉器１２の制御する投入信号ＭＫＣは、第１の制御部２２から出力される構成としているが、第２の制御部２２から出力される構成としてもよい。

　開閉器１２の後段には、電動機１５の誘起電圧を検出する電圧検出器１４（１４ａ，１４ｂ）が設けられており、検出された線間電圧Ｖｕｖ，Ｖｖｗは第１の制御部２２および第２の制御部１６に入力される。また、開閉器１２の出力端には、永久磁石式電動機である電動機１５が接続されている。電動機１５には、電動機１５の温度（コイル温度）を検出する第１のセンサ２６ならびに、電動機１５の層間短絡および地絡（以下単に「短絡」という）を検出する第２のセンサ２７が設けられている。第１のセンサ２６が検出した信号（温度検出信号Ｔ）および第２のセンサ２７が検出した信号（短絡信号Ｓ）は第２の制御部１６に入力される。なお、第１のセンサ２６としては、熱電対、サーミスタ、温度ＩＣなどの一般的な温度センサを用いることができる。また、第２のセンサ２７としては、例えば特開２０００－２８７４１１号公報などに開示されているセンサ（固定子コイルの周辺部に設けられた短絡検知コイル）を用いることができる。

　電動機１５と電気車の車輪３との間には駆動部１８が設けられている。より詳細に説明すると、駆動部１８を構成する駆動機構部２９は車輪３に繋がる駆動軸３０に接続され、電動機１５と駆動機構部２９との間には、電動機１５から駆動機構部２９への駆動力の伝達を遮断するための回転遮断器２８が設けられている。回転遮断器２８が遮断状態にあるか否かを表す信号（回転遮断器状態信号Ｇ）は、第２の制御部１６に入力される。一方、第２の制御部１６からは、回転遮断器２８に対して回転遮断器２８をオフ（遮断状態）にする信号（回転遮断器制御信号Ｏ）が出力される。また、第２の制御部１６からは、必要に応じ、回転遮断器２８をオフにする制御に併せて、電力変換器２１の動作を停止するための制御信号（電力変換器停止信号Ｃ３）が出力される。

　また、図１における電動機１５は、上述したような永久磁石式電動機を想定しているが、ロータに永久磁石を内蔵する電動機であれば同期電動機以外のものでもよい。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しており、この種の電動機であれば、本発明の技術思想に基づく構成および制御手法の適用が可能である。

　ここで、永久磁石式電動機電動機の異常（層間短絡および地絡）、ならびに電力変換器の異常について補足する。永久磁石式電動機電動機の異常および電力変換器の異常とは、例えば次のようなものである。
（１）電動機における異常
　（ア）短絡：電動機の鉄心に巻回されたコイル巻線のターン間で素線絶縁破壊が起こり、コイル巻線内で短絡回路が形成された状態
　（イ）地絡：電動機の鉄心に巻回されたコイル巻線と当該鉄心間で絶縁破壊が起こり、コイル巻線と前記鉄心とが通電している状態
（２）電力変換器の異常
　（ア）動作不良：電力変換器内に搭載された複数のスイッチング素子うちの少なくとも一つが動作不能となった状態
　（イ）素子短絡：電力変換器内に搭載された複数のスイッチング素子うちの少なくとも一つが短絡している状態
　なお、以下に詳述する第２の制御部は、これら電動機および電力変換器の異常に対しても、効果的に対処し得るよう構成されている。

（第２の制御部の構成）
　図２は、本発明の実施の形態１にかかる第２の制御部１６の一構成例を示す図である。図２において、第２の制御部１６は、状態判定部３５および遮断器制御部７０を備えている。また、状態判定部３５は、電流検出部４０、電圧検出部４２、温度検出部４３、回転遮断器状態検出部４４、短絡検出部４５、開閉器状態検出部４６、制御部状態検出部４７，４８、電流検出部４０の後段に配される電流判定部５０、電圧検出部４２の後段に配される電圧判定部５１、温度検出部４３の後段に配される温度判定部５２ならびに、電流判定部５０、電圧判定部５１、温度判定部５２、回転遮断器状態検出部４４、短絡検出部４５、開閉器状態検出部４６、および制御部状態検出部４７，４８からの信号に基づいて動作する異常判定部６０を備えている。

　電流検出部４０は、検出電流Ｉ（Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ）を入力として電流の有無を検出するとともに、検出した電流値の情報を電流判定部５０に出力する。電圧検出部４２は、検出電圧Ｖ（Ｖｕｖ，Ｖｖｗ）を入力として電圧の有無を検出するとともに、検出した電圧値の情報を電圧判定部５１に出力する。温度検出部４３は、第１のセンサ２６が検出した温度検出信号Ｔを入力とし、温度検出信号Ｔに基づき生成した温度情報を温度判定部５２に出力する。回転遮断器状態検出部４４は、回転遮断器２８が遮断状態にあるか否かを表す回転遮断器状態信号Ｇを入力とし、回転遮断器２８が動作中であるか否か、および回転遮断器２８が正常であるか否かを判定した判定信号ｇを生成して異常判定部６０に出力する。短絡検出部４５は、第２のセンサ２７が検出した短絡信号Ｓに基づき、他の判定信号と同様な信号形式に変換した短絡信号ｓを生成して異常判定部６０出力する。

　開閉器状態検出部４６は、開閉器１２からの接点状態信号ＭＫＦを入力とし、開閉器１２が正常であるか否かを判定した判定信号ｍｋｆを生成して異常判定部６０に出力する。制御部状態検出部４７は、第１の制御部２２に対して設けられた状態検出部であり、第１の制御部２２が正常の場合に出力される状態信号Ｃ１を入力とし、第１の制御部２２が正常であるか否かを表す状態信号ｃ１を生成して異常判定部６０に出力する。制御部状態検出部４８は、第２の制御部１６、すなわち自己の動作状態を検出するための状態検出部であり、自己の動作状態が異常であるかを表す状態信号ｗ１を異常判定部６０に出力する。なお、自己の動作状態が異常であるか否かを診断する機能については、公知の技術（例えばウォッチドッグ回路など）を用いることにより実現可能である。

　電流判定部５０は、電流検出部４０の出力を所定の判定値と比較した判定信号ｉを生成して異常判定部６０に出力する。例えば、各相に流れる電流の少なくとも一つが判定値以上の場合、電流判定部５０は、検出電流の異常を表す判定信号ｉを生成して出力する。ここで、検出電流の異常としては、開閉器１２をオフしたにも関わらず電流が流れ続けている状態を想定しており、例えば開閉器１２に異常が生じたか、あるいは電流が大きすぎて開閉器１２にて電流の遮断が不可であった場合などが考えられる。なお、本実施の形態では、後者の場合を含めて開閉器１２の異常として捉えることとする。

　電圧判定部５１は、電圧検出部４２の出力を所定の判定値（と比較した判定信号ｖを生成して異常判定部６０に出力する。例えば、各線間電圧の少なくとも一つが判定値以上の場合、電圧判定部５１は、検出電圧の異常を表す判定信号ｖを生成して出力する。なお、上記判定値を電力変換器２１に対する入力許容電圧に設定すれば、電動機１５の誘起電圧による電力変換器２１の損傷を抑止することが可能となる。

　ここで、検出電圧を異常として判定する場合について、電気車がある速度で惰行中の場合を一例として説明する。電力変換部１０がオフに制御されている状態において、電動機１５は車輪３により回されている状態であり、電動機１５のロータは回転している。このため電動機１５の入力側端子には、電動機１５による誘起電圧が現れる。ここで、電動機１５のステータコイルの構成は、よく知られているように巻き数の等しい各相コイルがステータ鉄心内のスロットに均一に収納されている。このため、電動機１５の誘起電圧による各線間電圧は、通常時では対称形の交流電圧となる。

　ところが、電動機１５内部のステータコイルの一部に層間短絡や地絡が発生すると、等価的に各相コイルの巻き数が異なってしまうため誘起電圧は対称形の交流電圧ではなくなり、不平衡な交流電圧となる。すなわち、電力変換部１０がオフに制御されている状態での誘起電圧を観測して正常時に生じうる誘起電圧と比較することで、電動機１５の異常検出が可能となる。

　図２に戻り、温度判定部５２は、温度検出部４３からの温度情報を継続的にモニタし、例えば温度の上昇率がある判定値を超えた場合、温度異常を表す判定信号ｔを生成して異常判定部６０に出力する。

　異常判定部６０は、電流判定部５０からの判定信号ｉ、電圧判定部５１からの判定信号ｖ、温度判定部５２からの判定信号ｔ、回転遮断器状態検出部４４からの判定信号ｇ、短絡検出部４５からの短絡信号ｓ、開閉器状態検出部４６からの判定信号ｍｋｆ、制御部状態検出部４７からの状態信号ｃ１および、制御部状態検出部４８からの状態信号ｗ１を入力とし、後述する故障モードに従って駆動制御システム１００の異常を判定し、異常と判定した場合には異常信号ｗ２を生成して遮断器制御部７０に出力する。

　遮断器制御部７０は、状態判定部３５からの異常信号ｗ２を受領した場合、回転遮断器制御信号Ｏに基づいて回転遮断器２８をオフに制御して車輪３と電動機１５とを遮断状態に制御する。なお、遮断器制御部７０に入力される制御信号Ｃ２は、外部装置（例えば運転台等）からの制御指令に基づく制御信号であり、本実施の形態では、第１の制御部２２を介して入力される構成としている。

　図３は、実施の形態１における故障モードを示す図表である。図３に示す図表では、表側に異常判定項目、表頭に故障モードを示している。また、表中の「○」印は異常判定項目が正常であることを表し、表中の「×」印は異常判定項目に異常が発生していることを表している。一方、最下部の行では、回転遮断器の開閉状態として回転遮断器が開となることを示している。すなわち、図３に示す図表は、回転遮断器を「開」に制御する条件を示したものである。

　故障モード１～４は、ハッチングで示した異常判定項目のうち一つでも「×」となれば回転遮断器を「開」に制御する故障モードである。すなわち、これらの故障モードでは、電力変換部および開閉器に異常がなく、且つ、検出電流および検出電圧に異常がない場合であっても、第２の制御部または回転遮断器の何れかに異常があり、また第２の制御部および回転遮断器に異常がない場合であっても、電動機温度（コイル温度）に異常があるか、電動機が短絡状態にある場合には、回転遮断器を「開」に制御する。なお、第２の制御部または回転遮断器の何れかに異常がある場合に、回転遮断器を「開」に制御する機能は、フェールセーフ機能として設けるものである。このフェールセーフ機能にかかる具体的な実現手段を一例として挙げるならば、第２の制御部自身が正常である場合には回転遮断器を「閉」に制御する回転遮断器制御信号Ｏを出力し続け、第２の制御部に異常が生じた場合には、回転遮断器に対する回転遮断器制御信号Ｏの出力が途絶え、回転遮断器が「開」に制御される構成とすればよい。また、回転遮断器が正常である場合に、回転遮断器状態信号Ｇを出力し続けるものとし、回転遮断器状態信号Ｇの出力が停止した場合、回転遮断器に異常が生じたものとして、回転遮断器に対する回転遮断器制御信号Ｏの出力が停止する構成とすればよい。

　一方、故障モード５～７は、ハッチングで示した異常判定項目以外に基づいて定まる故障モードである。すなわち、これらの故障モードでは、第２の制御部、回転遮断器および電動機温度にも異常がなく、且つ、電動機が短絡状態ではない場合であっても、電力変換部、開閉器、検出電流、または検出電圧のうち、二つ以上に異常がある場合には、回転遮断器を「開」に制御する。なお、八つの異常判定項目（第２の制御部、回転遮断器、電動機温度、電動機短絡状態、電力変換部、開閉器、検出電流、および検出電圧）において、三つ以上を異常と判定した場合には、故障モードを判定することなく回転遮断器を「開」に制御することとすれば、故障モードの判定処理をスキップすることができるので、回転遮断器を「開」に制御する処理を迅速化できるという効果が得られる。

　つぎに、各故障モードについて説明する。

＜故障モード１，２＞
　フェールセーフの考え方により、実施の形態１にかかる制御機能の要部である回転遮断器および第２の制御部が故障した場合は、その時点で開動作できるようにしておくモードである。

＜故障モード３＞
　電動機のコイル内部にて短絡が生起すると、電動機が回っている限り、短絡電流による発熱によってコイルが溶断するまで、短絡電流を抑制することができない。さらに、短絡電流によりコイル周辺が焼損する可能性があるため、短絡が生じた場合は、即座に電動機の回転を停止する必要がある。これらに鑑みて設けられたモードである。

＜故障モード４＞
　電動機の温度が設定値よりも高くなると、発火に至る可能性があり、電動機の負荷を抑えるため、回転遮断器を開とする必要がある。なぜなら、電動機コイル内部で短絡が起き、短絡電流に起因する温度上昇であった場合は、電力供給を停止しても温度上昇を防ぐことができない。また、このモードは、短絡検出に失敗していた場合の２重保護となる。これらの観点により、電動機温度異常の場合は本異常のみで回転遮断器を「開」に制御する。

＜故障モード５＞
　開閉器が故障しても、電力変換部が正常であれば、その時点では何も問題ない。しかし、電力変換部または電動機において、電気的な異常状態（検出電圧が設定値よりも大きい、検出電圧波形が定義した波形と逸脱する、検出電流が設定値よりも大きい）が起きた場合は、電力変換部および電動機の更なる損傷を防ぐため、電動機の回転を停止する必要がある。また、これらの電気的異常が一つでも生起した場合、機器損傷の可能性があるため、開閉器が故障した場合には、検出電流または検出電圧の何れか一つの異常で回転遮断器を「開」に制御する。

＜故障モード６＞
　電力変換部に異常が発生した場合、通常、開閉器は「開」に制御される。しかしながら、開閉器が「開」となった場合、上記故障モード５に記載したような検出電流または検出電圧の異常があると、開閉器の開動作の失敗や、電動機短絡の可能性がある。このため、電力変換部に異常が発生した場合、故障モード５と同様に、検出電流または検出電圧の何れか一つの異常で回転遮断器を「開」に制御する。なお、開閉器が開動作に失敗する場合も考慮し、第１の制御部または第２の制御部からの指令により開となるべき状態下で開状態とならない状態を判別できるように、開閉器からの開動作信号（接点状態信号ＭＫＦ）が第２の制御部に入力される構成としていることは前述のとおりである。

＜故障モード７＞
　電力変換部および開閉器が故障した場合、上記故障モード６で説明した開閉器の開動作が失敗した状態となる。したがって、電力変換部および開閉器が故障した場合には、回転遮断器を「開」に制御する。

　なお、図３に示す故障モードの考え方、および異常判定項目は一例を示すものであり、これらに限定されるものではない。例えば、故障モード５～７を定義せず、故障モード１～４のみで対処することも可能である。この場合、図１において、電流検出器１１および電圧検出器１４を設ける必要がなく、また、図２において、電圧検出部４２および電圧判定部５１、電流検出部４０および電流判定部５０、開閉器状態検出部４６、ならびに制御部状態検出部４７の省略が可能となる。さらに、図１において、開閉器１２を省略しても構わない（この場合、図２において、開閉器状態検出部４６の省略が可能）。開閉器１２がなくても、電動機１５と車輪３との接続を回転遮断器２８にて遮断可能であり、電動機１５が車輪３側から駆動され続けることはない。

　故障モード３，４を定義せず、故障モード１，２，５～７で対処することも可能である。この場合、図１において、第１のセンサ２６および第２のセンサ２７を設ける必要がなく、また、図２において、温度検出部４３、温度判定部５２、および短絡検出部４５の省略が可能となる。なお、上述したように電力変換器２１がオフに制御されている状態時に、電圧検出器１４にて計測される電圧は、電動機１５の回転によって生じる誘起電圧であるため、この誘起電圧の不平衡状態を観測することにより、電動機１５の異常検出が可能となる。すなわち、第１のセンサ２６および第２のセンサ２７ならびに、温度検出部４３、温度判定部５２および短絡検出部４５を備えていなくても、電動機１５の異常検出は可能となる。

　また、図３において、故障モード３または故障モード４の何れか一つを省略してもよい。例えば、故障モード４を省略する場合、図１において、第１のセンサ２６を設ける必要がなく、また、図２において、温度検出部４３および温度判定部５２の省略が可能となる。また、故障モード３を省略する場合、図１において、第２のセンサ２７を設ける必要がなく、また、図２において、短絡検出部４５の省略が可能となる。

　以上説明したように、実施の形態１の駆動制御システムによれば、電動機からの駆動力の伝達を遮断する回転遮断器を制御する際に、電動機および電動機を駆動する電力変換部の動作状態、回転遮断器の動作状態、ならびに回転遮断器を制御する第２の制御部自身の動作状態に基づいて回転遮断器を制御することとしているので、電動機を制御する駆動制御装置および電動機に想定される種々の不具合事象に総合的に対処することが可能となる。

実施の形態２．
　図４は、本発明の実施の形態２にかかる第２の制御部の一構成例を示す図である。図４において、実施の形態２にかかる第２の制御部１６は、状態判定部３５の入力段に断線検出部３８を備えるとともに、断線検出部３８が検出した断線信号ｂが遮断器制御部７０に入力される構成である。なお、その他の構成については、図２に示した実施の形態１における第２の制御部１６の構成と同一または同等であり、同一符号を付して示すと共に、当該構成部にかかる詳細な説明は省略する。

　断線検出部３８は、検出電流Ｉ、検出電圧Ｖ、温度検出信号Ｔ、回転遮断器状態信号Ｇ、短絡信号Ｓ、接点状態信号ＭＫＦ、および状態信号Ｃ１を常時または定期的に監視する。断線検出部３８は、これらの信号が途絶えた場合には、当該信号線に断線が発生したと判定し、後述する断線モードに従い、断線信号ｂを生成して遮断器制御部７０に出力する。なお、信号の途絶には、断線以外にも機器の故障等も考えられるが、断線検出部３８による処理では、機器の故障等も含めて断線として取り扱うこととする。

　図５は、実施の形態２における断線モードを示す図表である。図５に示す図表では、表側に検出対象、表頭に断線モードを示している。また、表中の「○」印は検出対象が正常であることを表し、表中の「×」印は検出対象に断線が発生していることを表している。一方、最下部の行では、回転遮断器の開閉状態として回転遮断器が開となることを示している。すなわち、図５に示す図表は、回転遮断器を「開」に制御する条件を示したものである。

　図５に示すように、実施の形態２における断線モードとして、断線モード１～４が定義されている。断線モード１は、電流検出器および電圧検出器からの信号線に断線が生じた場合のモードである。以下同様に、断線モード２は、開閉器および電力変換部からの信号線に断線が生じた場合のモードであり、断線モード３は、温度検出器および短絡検出器からの信号線に断線が生じた場合のモードであり、断線モード４は、回転遮断器および開閉器からの信号線に断線が生じた場合のモードである。

　なお、各検出項目中、２箇所に断線が生じた場合では、上記断線モード１～４の場合のみ、回転遮断器を「開」とする制御を行うものとする。また、１箇所のみに断線が生じた場合では、回転遮断器を「開」とする制御は行わない。逆に、３箇所以上に断線が生じた場合には、上記断線モードを判定することなく回転遮断器を「開」に制御する。この場合、断線モードであるか否かの判定処理をスキップできるので、回転遮断器を「開」に制御する処理を迅速化できるという効果が得られる。

　つぎに、各断線モードについて説明する。

＜断線モード１＞
　故障モード５の項で説明したように、電力変換部または電動機において、電気的な異常状態が生起した場合は、電力変換部および電動機の損傷を防ぐため、電動機の回転を停止する必要がある。このため、電流検出器および電圧検出器からの信号線に断線が生じた場合には、電気的な異常状態を検出する機能が損なわれるので、回転遮断器を「開」とする制御を行う。

＜断線モード２＞
　故障モード６の項で説明したように、電力変換部に異常が発生した場合には、開閉器は「開」に制御される。しかしながら、開閉器に異常があると開閉器の開動作に失敗し、開閉器が「開」にならない場合がある。この場合、車輪によって駆動される電動機による誘起電圧が電力変換部に印加され、電力変換部が損傷する虞がある。このため、開閉器および電力変換部からの信号線に断線が生じた場合には、回転遮断器を「開」とする制御を行う。

＜断線モード３＞
　故障モード３の項で説明したように、電動機のコイル内部にて短絡が生起すると、電動機が回っている限り、短絡電流による発熱によってコイルが溶断するまで、短絡電流を抑制することができない。一方、温度検出器または短絡検出器のうちの何れか一方の機能により電動機の発熱現象を検出または抑止可能であるが、これらの両者の機能が欠落した場合には、電動機の発熱現象を検出し、抑止することは不可能である。このため、温度検出器および短絡検出器からの信号線に断線が生じた場合には、回転遮断器を「開」とする制御を行う。

＜断線モード４＞
　上記断線モード３で説明したように、電動機のコイル内部にて短絡が生起した場合には、電動機が回っている限り、短絡電流を抑制することができない。一方、回転遮断器および開閉器の機能が欠落した場合、電力変換部と車輪との間の接続を機械的に切断する手段がない。このため、回転遮断器および開閉器からの信号線に断線が生じた場合には、回転遮断器を「開」とする制御を行う。

　なお、図５に示す断線モードの考え方、および検出対象は一例を示すものであり、これらに限定されるものではない。例えば、電流検出器、電圧検出器、温度検出器、短絡検出器、または開閉器を設けない場合には、これら検出器等からの信号線を検出対象とする必要はない。

　以上説明したように、実施の形態２の駆動制御システムによれば、状態判定部に具備される断線検出部は、温度検出器、短絡検出器、電流検出器および電圧検出器から検出した信号、ならびに回転遮断器、開閉器および電力変換部の動作状態を表す信号をモニタし、電流検出器および電圧検出器からの信号入力が途絶した場合、または、開閉器および電力変換部からの信号入力が途絶した場合、または、温度検出器および短絡検出器からの信号入力が途絶した場合、または、開閉器および回転遮断器からの信号入力が途絶した場合に、これら各信号を伝送する信号線に断線が発生したことを表す断線信号を生成して前記遮断器制御部に出力するとともに、遮断器制御部は、断線信号基づいて回転遮断器を遮断する信号を生成して回転遮断器に出力することとしているので、永久磁石式電動機を具備する駆動制御システムの信頼性向上に寄与することが可能となる。

　以上のように、本発明にかかる駆動制御システムは、駆動制御装置および電動機に想定される種々の不具合事象に総合的に対処し得る発明として有用である。

Claims

　永久磁石を内蔵した電動機と、この電動機を制御する駆動制御装置とを有し、これらの駆動制御装置および電動機を搭載した電気車に適用される駆動制御システムにおいて、
　前記電動機と前記電気車の駆動機構部との間には、前記電動機から前記駆動機構部への駆動力の伝達を遮断する回転遮断器が設けられ、
　前記駆動制御装置は、
　直流電圧または交流電圧を任意の周波数の交流電圧に変換して前記電動機を駆動する電力変換器および、この電力変換器を制御する第１の制御部を有する電力変換部と、
　前記電力変換部、前記電動機および前記回転遮断器の動作状態ならびに自己の動作状態に基づいて、前記回転遮断器を制御する第２の制御部と、
　を備えたことを特徴とする駆動制御システム。
　前記駆動制御装置は、
　前記電動機の温度を検出する温度検出器および前記電動機のコイル巻線における短絡状態または地絡状態を検出する短絡検出器を備えており、
　前記第２の制御部は、
　前記温度検出器および前記短絡検出器から検出した信号、ならびに前記回転遮断器および自己の動作状態を表す信号をモニタし、これらの信号のうちの少なくとも一つを異常と判定した場合に、前記駆動制御装置に異常が発生したことを表す判定信号を生成する状態判定部と、
　前記判定信号に基づいて前記回転遮断器を遮断する信号を生成して当該回転遮断器に出力する遮断器制御部と、
　を備えたことを特徴とする請求項１に記載の駆動制御システム。
　前記駆動制御装置は、
　前記電動機に流れる電流を検出する電流検出器、前記電動機の誘起電圧を検出する電圧検出器、および、前記電動機と前記電力変換部との間に接続され、前記電動機への電力を開閉する開閉器を備えており、
　前記第２の制御部は、
　前記電流検出器および前記電圧検出器から検出した信号、ならびに前記開閉器、前記回転遮断器、前記電力変換部および自己の動作状態を表す信号をモニタし、前記回転遮断器および自己の動作状態が正常であり、且つ、前記電力変換部または前記開閉器の何れかの動作状態が異常であり、且つ、前記電流検出器および前記電圧検出器から検出した信号のうちの少なくとも一つが異常である場合に、前記駆動制御装置に異常が発生したことを表す判定信号を生成する状態判定部と、
　前記判定信号に基づいて前記回転遮断器を遮断する信号を生成して当該回転遮断器に出力する遮断器制御部と、
　を備えたことを特徴とする請求項１に記載の駆動制御システム。
　前記駆動制御装置は、
　前記電動機に流れる電流を検出する電流検出器、前記電動機の誘起電圧を検出する電圧検出器および、前記電動機と前記電力変換部との間に接続され、前記電動機への電力を開閉する開閉器を備えており、
　前記第２の制御部は、
　前記電流検出器および前記電圧検出器から検出した信号、ならびに前記開閉器、前記回転遮断器、前記電力変換部および自己の動作状態を表す信号をモニタし、前記回転遮断器および自己の動作状態が正常であり、且つ、前記電流検出器および前記電圧検出器から検出した信号が正常であり、且つ、前記電力変換部および前記開閉器の動作状態が共に異常である場合に、前記駆動制御装置に異常が発生したことを表す判定信号を生成する状態判定部と、
　前記判定信号に基づいて前記回転遮断器を遮断する信号を生成して当該回転遮断器に出力する遮断器制御部と、
　を備えたことを特徴とする請求項１に記載の駆動制御システム。
　前記駆動制御装置は、
　前記電動機の温度を検出する温度検出器および前記電動機のコイル巻線における層間短絡または地絡を検出する短絡検出器、前記電動機に流れる電流を検出する電流検出器、前記電動機の誘起電圧を検出する電圧検出器および、前記電動機と前記電力変換部との間に接続され、前記電動機への電力を開閉する開閉器を備えており、
　前記第２の制御部は、
　前記温度検出器および前記短絡検出器から検出した信号、前記回転遮断器および自己の動作状態を表す信号、前記電流検出器および前記電圧検出器から検出した信号、ならびに前記開閉器および前記電力変換部の動作状態を表す信号をモニタし、前記温度検出器および前記短絡検出器から検出した信号ならびに、前記回転遮断器および自己の動作状態を表す信号のうちの少なくとも一つに異常があると判定した場合、前記電力変換部、前記開閉器ならびに、前記電流検出器および前記電圧検出器から検出した信号に異常がなくとも前記駆動制御装置に異常が発生したことを表す判定信号を生成する状態判定部と、
　前記判定信号に基づいて前記回転遮断器を遮断する信号を生成して当該回転遮断器に出力する遮断器制御部と、
　を備えたことを特徴とする請求項１に記載の駆動制御システム。
　前記駆動制御装置は、
　前記電動機の温度を検出する温度検出器および前記電動機のコイル巻線における層間短絡または地絡を検出する短絡検出器、前記電動機に流れる電流を検出する電流検出器、前記電動機の誘起電圧を検出する電圧検出器および、前記電動機と前記電力変換部との間に接続され、前記電動機への電力を開閉する開閉器を備えており、
　前記第２の制御部は、
　前記温度検出器および前記短絡検出器から検出した信号、前記回転遮断器および自己の動作状態を表す信号、前記電流検出器および前記電圧検出器から検出した信号、ならびに前記開閉器および前記電力変換部の動作状態を表す信号をモニタし、前記温度検出器および前記短絡検出器から検出した信号ならびに、前記回転遮断器および自己の動作状態を表す信号の全てが正常であり、且つ、前記電力変換部または前記開閉器の何れかの動作状態が異常であり、且つ、前記電流検出器および前記電圧検出器から検出した信号のうちの少なくとも一つが異常である場合に、前記駆動制御装置に異常が発生したことを表す判定信号を生成する状態判定部と、
　前記判定信号に基づいて前記回転遮断器を遮断する信号を生成して当該回転遮断器に出力する遮断器制御部と、
　を備えたことを特徴とする請求項１に記載の駆動制御システム。
　前記駆動制御装置は、
　前記電動機の温度を検出する温度検出器および前記電動機のコイル巻線における層間短絡または地絡を検出する短絡検出器、前記電動機に流れる電流を検出する電流検出器、前記電動機の誘起電圧を検出する電圧検出器および、前記電動機と前記電力変換部との間に接続され、前記電動機への電力を開閉する開閉器を備えており、
　前記第２の制御部は、
　前記温度検出器および前記短絡検出器から検出した信号、前記回転遮断器および自己の動作状態を表す信号、前記電流検出器および前記電圧検出器から検出した信号、ならびに前記開閉器および前記電力変換部の動作状態を表す信号をモニタし、前記温度検出器および前記短絡検出器から検出した信号、前記回転遮断器および自己の動作状態を表す信号ならびに、前記電流検出器および前記電圧検出器から検出した信号の全てが正常であり、且つ、前記電力変換部および前記開閉器の動作状態が共に異常である場合に、前記駆動制御装置に異常が発生したことを表す判定信号を生成する状態判定部と、
　前記判定信号に基づいて前記回転遮断器を遮断する信号を生成して当該回転遮断器に出力する遮断器制御部と、
　を備えたことを特徴とする請求項１に記載の駆動制御システム。
　前記駆動制御装置は、
　前記電動機の温度を検出する温度検出器および前記電動機のコイル巻線における層間短絡または地絡を検出する短絡検出器、前記電動機に流れる電流を検出する電流検出器、前記電動機の誘起電圧を検出する電圧検出器および、前記電動機と前記電力変換部との間に接続され、前記電動機への電力を開閉する開閉器を備えており、
　前記第２の制御部は、
　前記温度検出器および前記短絡検出器から検出した信号、前記回転遮断器および自己の動作状態を表す信号、前記電流検出器および前記電圧検出器から検出した信号、ならびに前記開閉器および前記電力変換部の動作状態を表す信号をモニタし、これらの信号のうちの三つ以上を異常と判定した場合に、前記駆動制御装置に異常が発生したことを表す判定信号を生成する状態判定部と、
　前記判定信号に基づいて前記回転遮断器を遮断する信号を生成して当該回転遮断器に出力する遮断器制御部と、
　を備えたことを特徴とする請求項５～７の何れか１項に記載の駆動制御システム。
　前記状態判定部は、
　前記温度検出器、前記短絡検出器、前記電流検出器および前記電圧検出器から検出した信号、ならびに前記回転遮断器、前記開閉器および前記電力変換部の動作状態を表す信号をモニタし、前記電流検出器および前記電圧検出器からの信号入力が途絶した場合、または、前記開閉器および前記電力変換部からの信号入力が途絶した場合、または、前記温度検出器および前記短絡検出器からの信号入力が途絶した場合、または、前記開閉器および前記回転遮断器からの信号入力が途絶した場合に、前記各信号を伝送する信号線に断線が発生したことを表す断線信号を生成して前記遮断器制御部に出力する断線検出部を備え、
　前記遮断器制御部は、前記断線信号に基づき、前記回転遮断器を遮断する信号を生成して当該回転遮断器に出力する
　ことを特徴とする請求項５～８の何れか１項に記載の駆動制御システム。
　前記状態判定部は、
　前記温度検出器、前記短絡検出器、前記電流検出器および前記電圧検出器から検出した信号、ならびに前記回転遮断器、前記開閉器および前記電力変換部の動作状態を表す信号をモニタし、これらの信号のうちの三つ以上信号入力が途絶した場合に、前記各信号を伝送する信号線に断線が発生したことを表す断線信号を生成して前記遮断器制御部に出力する断線検出部を備え、
　前記遮断器制御部は、前記断線信号に基づき、前記回転遮断器を遮断する信号を生成して当該回転遮断器に出力する
　ことを特徴とする請求項５～８の何れか１項に記載の駆動制御システム。
　前記状態判定部は、前記電流検出器から検出した電流値が所定の判定値より大きな値である場合に前記駆動制御装置に異常が発生したと判定することを特徴とする請求項５～１０の何れか１項に記載の駆動制御システム。
　前記状態判定部は、前記電圧検出器から検出した電圧値が所定の判定値より大きな値である場合に前記駆動制御装置に異常が発生したと判定することを特徴とする請求項５～１０の何れか１項に記載の駆動制御システム。
　前記所定の判定値は、前記電力変換器に対する入力許容電圧に設定されていることを特徴とする請求項１２に記載の駆動制御システム。
　前記状態判定部は、前記温度検出器が検出した検出温度の上昇率に基づいて前記駆動制御装置の異常を判定することを特徴とする請求項５～１０の何れか１項に記載の駆動制御システム。
　前記状態判定部は、前記開閉器からの開動作信号に基づき、前記開閉器が前記第１の制御部または前記第２の制御部からの指令により開となるべき状態において、前記開閉器が開状態とならない状態を判別して前記判定信号を生成することを特徴とする請求項５～１４の何れか１項に記載の駆動制御システム。
　前記電動機における短絡状態は、前記電動機の鉄心に巻回されたコイル巻線のターン間で素線絶縁破壊が起こり、前記コイル巻線内で短絡回路が形成された状態であることを特徴とする請求項５～１５の何れか１項に記載の駆動制御システム。
　前記電動機における地絡状態は、前記電動機の鉄心に巻回されたコイル巻線と当該鉄心間で絶縁破壊が起こり、前記コイル巻線と前記鉄心とが通電している状態であることを特徴とする請求項５～１５の何れか１項に記載の駆動制御システム。
　前記電力変換部の異常状態は、前記電力変換器内に搭載された複数のスイッチング素子うちの少なくとも一つが動作不能となった状態であることを特徴とする請求項５～１７の何れか１項に記載の駆動制御システム。
　前記電力変換部の異常状態は、前記電力変換器内に搭載された複数のスイッチング素子うちの少なくとも一つが短絡状態となった場合であることを特徴とする請求項５～１７の何れか１項に記載の駆動制御システム。
　前記第２の制御部には、外部からの制御信号が入力される構成とされ、
　前記遮断器制御部は、前記外部からの制御信号に基づき、前記回転遮断器を遮断する信号を生成して当該回転遮断器に出力することを特徴とする請求項５～１９の何れか１項に記載の駆動制御システム。
　前記第２の制御部は、前記回転遮断器を開とする制御に併せて、前記電力変換器の動作を停止する制御を行うことを特徴とする請求項５～２０の何れか１項に記載の駆動制御システム。
　前記回転遮断器は、前記第２の制御部からの制御信号が途絶えた場合に、前記電動機から前記駆動機構部への駆動力の伝達が遮断される構成であることを特徴とする請求項１～２１の何れか１項に記載の駆動制御システム。