JP2008043069A - 電気車制御装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】インバータ10は電力を直流から交流に変換する。永久磁石同期電動機12はインバータ10から供給される交流電力により駆動される。電圧センサ36は永久磁石同期電動機12の電動機電圧Vuを検出する。故障判定手段23は電動機電圧Vuを元に電動機12に関する故障判定を行う。例えば故障判定手段は、電圧センサ36にて検出された電動機電圧Vuから電気車速度Vmotを演算し、制御装置外部から得られた電気車速度V_MONと前記演算した電気車速度Vmotとの差が、基準速度差より大きい場合、故障判定信号を出力する。
【選択図】 図1A
Description
センサレスベクトル制御においては、電動機に印加したインバータ電圧指令と、電動機に流れた電流検出値とから電動機逆起電圧を推定演算するのが一般的である。しかしながら、インバータ動作開始前には、電動機の回転子位置を知ることが出来ず、特に電動機が高速に回転して逆起電圧振幅が高いときには、インバータ再起動時に、電流制御不安定による、望まざるトルク発生や、最悪の場合には過電流保護動作により、再起動できなくなる場合もあった。
本発明による電気車制御装置100の第1実施例の構成を図1Aの制御ブロック図を用いて説明する。
トルクパターン生成部21は、運転指令、応荷重指令、ブレーキ力指令を入力として、トルク指令TrqRefを出力する。運転指令はハイまたはローの信号で、操縦レバーがニュートラルポジションのときロー、他のポジションのときハイの信号である。応荷重指令は乗客の総重量の増加に応じて大きくなる値であって、電気車制御装置外部のセンサにより算出された値である。
電動機速度演算部37は、周波数ωmotから次式のように電動機速度Vmotを求める。
ここでαは、車輪径、駆動系のギヤ比等から決まる一定値である。
|V_MON−Vmot|>基準速度差
である場合、故障と判定し、AND論理ゲート24へ“L”を出力する。
である場合、正常と判定し、AND論理ゲート24へ“H”を出力する。
基準速度差生成部104は、車輌速度V_MONに応じて変化する基準速度差ΔVrefを出力する。図1Dは、車輌速度V_MONと基準速度差ΔVrefの関係を示すグラフである。基準速度差ΔVrefは、例えば車輌速度V_MONの5%の値である。
本実施形態では、制御装置の外部から得られた電気車速度と電動機電圧より演算した電動機速度Vmotを比較し、その差が過大となった場合、故障判定を出力するため、電圧センサ30の故障を確実に判定することが可能となり、早期に保護停止させることができる。すなわち、装置の信頼性を上げることができる。また、電圧センサを開放用接触器と永久磁石同期電動機との間に取り付けることにより、故障・保護動作により開放用接触器を開放した状態においても、制御装置の外部から得られた電気車速度と電動機電圧より演算した電動機速度を常に比較し、その差が過大となった場合、電圧センサの故障を検知できるため、信頼性の向上といった利点も得られる。
本発明による電気車制御装置100の第2実施例の構成を図2の制御ブロック図を用いて説明する。
電動機周波数演算部38は、開放用接触器11と永久磁石同期電動機12とに接続された電圧センサ36からのUV間電圧信号Vuvを入力として電動機周波数ωmotを出力する。電動機周波数ωmotの生成方法は図1Bを参照して説明した通りである。推定周波数演算部39は、ベクトル制御部26の出力信号VuRef、VvRef、VwRefおよび電流センサ30の出力信号Iu、Iwを入力として、電動機推定周波数ωestを出力する。推定周波数演算部39では、電動機の回転子位置を検出するセンサを用いずに回転子位置を推定し、推定された回転子位置から回転周波数を演算する。これを「センサレス制御」 と称する。現在までに公知となっているセンサレス制御の主要例として、誘起電圧利用方法と高周波電圧重畳方法がある。前者は同期電動機の回転によって誘起される誘起電圧が、同期電動機の制御回転軸のq軸方向に観測されることを利用して回転子位置を推定する手法であり、後者は同期電動機を制御するための電圧指令もしくは電流指令に高周波成分を能動的に重畳し、それに対応する周波数の応答を検出することにより同期電動機のインピーダンスを推定もしくは評価関数を演算することにより回転子位置を推定する手法である。尚、本発明は永久磁石同期電動機のセンサレス制御手法を述べるものではないので詳細な説明は割愛する。
|ωmot−ωest|>基準周波数差
である場合、故障と判定し、AND論理ゲート24へ“L”を出力する。
である場合、正常と判定し、AND論理ゲート24へ“H”を出力する。
尚、電動機周波数演算部38は、電圧センサ36より得られた電動機電圧Vuv(UV間電圧)により計算した電動機周波数ωmotを求めているが、電圧センサ36で得られる電動機電圧として、Vvw(VW間電圧)もしくはVwu(WU間電圧)を用いても良い。
本実施形態では、電動機電圧より演算した電動機周波数と推定周波数演算部により演算した電動機推定周波数を比較し、その差が過大となった場合、故障判定を出力するため、推定周波数演算の異常を判定することが可能となり、早期に保護停止させることができる。すなわち、装置の信頼性を上げることができる。また、速度センサや回転子位置センサを用いず、推定周波数異常を検知することができるため、部品点数の削減や信頼性の向上といった利点も得られる。
本発明による電気車制御装置100の第3実施例を図3Aの制御ブロック図を用いて説明する。
本実施例に係る故障判定手段23は、電動機周波数ωmotおよび推定周波数ωestをモニタして故障を検出した場合、その故障が電動機周波数ωmot側(電圧センサ側回路)で発生しているか、推定周波数ωest側(電流センサ側回路)で発生しているかを、車輌速度V_MONを基準にして判定する。
ここでαは、前述したように車輪径、駆動系のギヤ比等から決まる一定値である。
比較器205は、差分絶対値aωd1と基準速度差Δωrefとを比較し、比較結果cωを出力する。比較器103は、差分絶対値aωd1が基準速度差Δωrefより大きい場合(aωd1>Δωref)、比較結果cωとして例えば“L”を出力する。また比較器205は、差分絶対値aωd1が基準速度差Δωref以下の場合(aωd1≦Δωref)、比較結果Vcdとして“H”を出力する。
このように本実施例では、信頼性の高い車輌速度V_MONを基準として、電動機周波数ωmotおよび推定周波数ωestをモニタしている。従って、周波数情報に異常が発生した場合、どちらに異常が発生しているか確実に検出することができ、該検出結果は、セットリセットフリップフロップ208、214のQ出力端子から故障個所信号として出力される。すなわち、故障を検出した場合、その故障が電動機周波数ωmot側(電圧センサ側回路)で発生しているか、推定周波数ωest側(電流センサ側回路)で発生しているかを、故障個所信号によって容易に判断することができる。
本発明による電気車制御装置100の第4実施例の構成を図4Aの制御ブロック図を用いて説明する。
電動機周波数演算部38は、開放用接触器11と永久磁石同期電動機12とに接続された電圧センサ36の出力Vuvを入力として電動機周波数ωmotを出力する。無負荷誘起電圧特性演算部40は、電動機周波数演算部38の出力ωmotを入力として、電動機周波数に対する電動機定格温度時の無負荷誘起電圧(実行値)を演算する。電動機周波数に対する無負荷誘起電圧特性は、インバータがオフの状態、すなわち電動機がフリーランしている時に、永久磁石の起電力により発生する電圧であり、図4Bのように電動機周波数とともに上昇する。しかし、永久磁石の磁束密度は電動機の温度上昇と共に減少し、その結果、電動機の誘起電圧も減少する。
|Vnoload−Vuv|>基準電圧差
である場合、故障と判定し、AND論理ゲート24へ“L”を出力する。
である場合、正常と判定し、AND論理ゲート24へ“H”を出力する。
本実施形態では、ゲートオフ中すなわちインバータオフ中に、電動機無負荷誘起電圧と電圧センサより得られた電動機電圧を比較し、その差が過大となった場合、故障と判定する。電圧センサより得られた電動機電圧Vuvが電動機定格温度時の無負荷誘起電圧Vnoloadより小さくなる場合は、
Vnoload(=ωΦ)> Vuv(=ωΦ’)
より、Φ> Φ’となる。
Φ:電動機定格温度時の電動機磁束、
Φ’:電動機過温度時の電動機磁束
すなわち、電動機が過温度になることで、電動機磁束が定格温度時に比べ減少する。よって、VnoloadとVuvを検出することで電動機過温度を確実に判定することが可能となり、早期に保護停止させることができる。すなわち、装置の信頼性を上げることができる。また、電動機過温度を検出するための温度センサが不要なため、部品点数の削減や信頼性の向上といった利点も得られる。また、電圧センサを開放用接触器と永久磁石同期電動機との間に取り付けることにより、故障・保護動作により開放用接触器を開放した状態においても、電動機無負荷誘起電圧と電圧センサより得られた電動機電圧を常に比較し、その差が過大となった場合、電動機過温度を検知できるため、信頼性の向上といった利点も得られる。
本発明による電気車制御装置100の第5実施例の構成を図5の制御ブロック図を用いて説明する。
運転指令信号は、運転指令ありの場合“H”、なしの場合“L”として開放用接触器動作判定手段43へ入力される。故障判定手段23は、故障なし(正常)の場合“H”を、故障ありの場合“L”を開放用接触器動作判定手段43へ出力する。尚、図5では、故障判定手段の故障判定条件については、第1の実施の形態を用いて示したが、この条件に代えて、第2〜4実施例および後述の第8実施例のいずれかに示す故障判定条件を用いてもよい。
本実施形態では、インバータオフするとともに開放用接触器を開放することにより、インバータと電動機の間が切り離される。従って、電動機が高速で回転している場合、電動機が発生する誘起電圧からインバータを保護することができるため、装置の信頼性を上げることができる。
本発明による電気車制御装置100の第6実施例の構成を図6Aの制御ブロック図を用いて説明する。
運転指令信号は、運転指令ありの場合“H”、なしの場合“L”として断流器動作判定手段44へ入力される。故障判定手段23は、故障なし(正常)の場合“H”を、故障ありの場合“L”を断流器動作判定手段44へ出力する。尚、図6Aでは、故障判定手段の故障判定条件については、第1の実施の形態を用いて示したが、この条件に代えて、発明の第2〜4実施例及び後述の第7実施例のいずれかに示す故障判定条件を用いてもよい。
本実施形態では、故障を検出した場合、インバータをオフするとともに断流器を開放することにより、フィルタコンデンサを含めたインバータ側と架線側の間が切り離される。従って、架線側との不要な電力の入出力を避け、インバータを保護することができるため、装置の信頼性を上げることができる。
本発明による電気車制御装置100の第2実施例の構成を図7の制御ブロック図を用いて説明する。
運転指令信号は、運転指令ありの場合“H”、なしの場合“L”として断流器動作判定手段44および開放用接触器動作判定手段43へ入力される。故障判定手段23は、故障なし(正常)の場合“H”を、故障ありの場合“L”を開放用接触器動作判定手段43および断流器動作判定手段44へ出力する。尚、図7では、故障判定手段の故障判定条件については、第1の実施の形態を用いて示したが、この条件に代えて、発明の実施の形態第2〜4および後述の第8実施例のいずれかに示す故障判定条件を用いてもよい。
本実施形態では、故障を検出すると、インバータオフするとともに開放用接触器かつ断流器を開放することにより、インバータと電動機の間が切り離され、かつフィルタコンデンサを含めたインバータ側と架線側の間も切り離される。従って、電動機が高速で回転している場合、電動機が発生する誘起電圧からインバータを保護することもできることに加え、架線側との不要な電力の入出力を避け、インバータを保護することができるため、より一層装置の信頼性を上げることができる。
本発明による電気車制御装置100の第8実施例の構成を図8Aの制御ブロック図を用いて説明する。
温度推定手段31は、電動機周波数演算部38の出力である電動機周波数ωmotと、電圧センサ36の出力である電動機電圧Vuvを入力として、図8Bに示す温度推定手段にて電動機の温度推定を行う。
TEMP>基準温度
である場合、電動機過温度、すなわち故障と判定し、AND論理ゲート24へ“L”を出力する。
である場合、電動機が通常動作温度範囲内、すなわち正常と判定し、AND論理ゲート24へ“H”を出力する。
本実施形態では、ゲートオフ中すなわちインバータオフ中に、電圧センサより得られた電動機電圧と電動機周波数により、電動機温度を推定し、電動機温度が基準温度より過大の場合、故障判定を出力するため、電動機過温度を確実に判定することが可能となり、早期に保護停止させることができる。すなわち、装置の信頼性を上げることができる。また、電動機温度を検出するための温度センサおよび速度センサや回転子位置センサを用いずに電動機温度を推定することができるため、部品点数の削減や信頼性の向上、センサ用配線が不要ならびにメンテナンス性向上といった利点も得られる。また、電圧センサを開放用接触器と永久磁石同期電動機との間に取り付けることにより、故障・保護動作により開放用接触器を開放した状態においても、電圧センサより得られた電動機電圧と電動機周波数により、電動機温度を常に推定し、電動機温度が基準温度より過大の場合、電動機過温度を検知できるため、信頼性の向上といった利点も得られる。
4・・・断流器
6・・・平滑用リアクトル
9・・・フィルタコンデンサ
10・・・インバータ
11・・・開放用接触器
12・・・永久磁石同期電動機
20・・・制御ブロック全体
21・・・トルクパターン生成部
23・・・故障判定手段
24・・・AND論理ゲート
26・・・ベクトル制御部
28・・・ゲートスタート・ストップ制御部
29・・・PWMゲートパルス生成ゲートロジック部
30・・・電流センサ
31・・・温度推定手段
33・・・磁束補正手段
36・・・電圧センサ
37・・・電動機速度演算部
38・・・電動機周波数演算部
39・・・推定周波数演算部
40・・・無負荷誘起電圧特性演算部
42・・・伝送線
43・・・開放用接触器動作判定手段
44・・・断流器動作判定手段
Claims (12)
- 電力を直流から交流に変換するインバータと、
前記インバータから供給される交流電力により駆動される永久磁石同期電動機と、
前記永久磁石同期電動機の電動機電圧を検出する電圧センサと、
前記電動機電圧を元に前記電動機の故障判定を行う故障判定手段を備えたことを特徴とする電気車制御装置。 - 前記故障判定手段は、前記電圧センサにて検出された電動機電圧から電気車速度を演算する速度演算手段を備え、
前記制御装置の外部から得られた電気車速度と前記演算した電気車速度との差が、基準速度差より大きい場合、故障判定信号を出力することを特徴とする請求項1に記載の電気車制御装置。 - 前記基準速度差は、前記制御装置の外部から得られた電気車速度の増加に応じて増加する値であることを特徴とする請求項2に記載の電気車制御装置。
- 前記故障判定手段は、前記電圧センサにて検出された電動機電圧から電動機回転周波数を演算する電動機周波数演算手段と、前記インバータに対する3相電圧指令を含む信号から、前記電動機の回転周波数を推定する周波数推定手段とを備え、
前記電動機周波数演算手段にて演算した電動機回転周波数と、前記周波数推定手段にて推定した電動機回転周波数との差が、基準周波数差より大きい場合、故障判定信号を出力することを特徴とする請求項1に記載の電気車制御装置。 - 前記故障判定手段は、前記電圧センサにて検出された電動機電圧から電動機回転周波数を演算する電動機周波数演算手段と、前記インバータに対する3相電圧指令を含む信号から、前記電動機の回転周波数を推定する周波数推定手段と、前記制御装置の外部から得られた電気車速度から前記電動機の回転周波数を算出する算出手段とを備え、
前記算出手段にて算出した電動機回転周波数と前記電動機周波数演算手段にて演算した電動機回転周波数との差、または前記算出手段にて算出した電動機回転周波数と前記周波数推定手段にて推定された電動機回転周波数との差が、基準周波数差より大きい場合、前記故障判定信号を出力することを特徴とする請求項1に記載の電気車制御装置。 - 前記基準周波数差は、前記制御装置の外部から得られた電気車速度の増加に応じて増加する値であることを特徴とする請求項5に記載の電気車制御装置。
- 前記故障判定手段は、前記電圧センサにて検出された電動機電圧から電動機回転周波数を演算する電動機周波数演算手段と、前記電動機回転周波数から、前記電動機の無負荷誘起電圧を演算する無負荷誘起電圧演算手段とを備え、
前記インバータの非動作時に、前記無負荷誘起電圧演算手段にて演算された前記無負荷誘起電圧と、前記電圧センサから得られる前記電動機電圧との差が、基準電圧差より大きい場合、前記故障判定信号を出力することを特徴とする請求項1に記載の電気車制御装置。 - 前記インバータと前記電動機との間を開放/接続する開放用接触器を更に備え、
前記故障判定手段は、故障を判定した場合に、前記開放用接触器を開放することを特徴とする請求項1乃至7のうち1項に記載の電気車制御装置。 - 前記インバータと架線側との間を接続/開放する断流器を更に備え、
前記故障判定手段は、故障を判定した場合に前記断流器を開放することを特徴とする請求項1乃至7のうち1項に記載の電気車制御装置。 - 請求項6に記載の電気車制御装置において、
前記インバータと架線側との間を接続/開放する断流器を更に備え、
前記故障判定手段は、故障を判定した場合に前記開放用接触器及び前記断流器を開放することを特徴とする請求項8に記載の電気車制御装置。 - 前記故障判定手段は、前記電圧センサにて検出された電動機電圧から電動機回転周波数を演算する電動機周波数演算手段と、前記電動機電圧の実効値と前記電動機電圧の周波数との関係を電動機温度ごとに示すテーブルデータを有し、前記電動機周波数演算手段にて演算された前記電動機回転周波数から、前記電動機の温度を前記テーブルデータを参照して推定する温度推定手段とを備え、
前記インバータの非動作時に、前記温度推定手段にて推定された前記電動機の温度が基準温度より高い場合、故障判定信号を出力することを特徴とする請求項1に記載の電気車制御装置。 - 前記電圧センサは前記開放用接触器と前記永久磁石同期電動機との間に取り付けらていることを特徴とする請求項1乃至11のうち1項に記載の電気車制御装置。
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