JP4690937B2 - 永久磁石モータドライブ装置 - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石モータを駆動するインバータの短絡故障時の運転継続性、冗長性を得るようにした永久磁石モータドライブ装置に関する。

永久磁石モータは小型で軽量、かつ高効率のモータであり、近年、鉄道車両駆動用のモータとして使用しようとする動きがある。

鉄道車両の場合、鉄道車両を駆動制御する装置側が故障した場合、故障が発生した場所で鉄道車両が停止したままで立ち往生してしまうことは、他の列車の運転を妨げることになる。このため、１台の鉄道車両駆動制御装置が故障しても運転継続が可能になる冗長性を有することが求められる。

永久磁石モータは、鉄道車両駆動用として従来利用されてきた誘導電動機と比較して前述のとおり小型軽量高効率の長所を有する反面、永久磁石モータが回転すると永久磁石磁束によってモータ端子に誘起電圧が発生する。永久磁石モータの制御には電力変換装置であるインバータが用いられるのが一般的である。しかし、このインバータを構成するＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)などの半導体スイッチング素子が短絡モードで故障すると、永久磁石モータの端子間が短絡されて短絡回路が構成されることになる。この状態で車両が運転を継続すると、永久磁石モータが車両走行に伴って回転させられ、その誘起電圧により短絡電流が流れ続け、インバータの損傷をさらに拡大させてしまう場合がある。また、このとき、前記短絡電流により永久磁石モータでブレーキ力が発生し、正常な運転継続が出来なくなってしまう。

このため、インバータの故障検知時に永久磁石モータとインバータとを電気的に切り離す開閉器（以後、モータ開放接触器と称する）を設けるようにしている。

ところが、従来、モータ開放接触器は３相一括動作のものが３相交流回路につき１個のみ使用される構成であった。このため、インバータが短絡故障し、かつ、前記モータ開放接触器が固渋により開放動作できなくなってしまった場合は、モータ開放接触器がない場合と同様に、短絡電流が流れ続け、インバータの拡大破壊とブレーキ力による正常運転継続不可の状態に陥ってしまうという不具合があった。

そこで、この問題を解決する方法として、特許文献１（特開２００５−３２８６１９号公報）には、図７に示すように、インバータ５０１と永久磁石モータ５０２との間に２個の３相モータ開放接触器５０３，５０４を直列に接続設置し、一方が固渋により開放動作できなくなった場合であっても他方で開放することにより、確実な開放を可能にする方法が提案されている。

また、図８は永久磁石モータ２台がユニット単位となるシステム、図９は永久磁石モータ４台がユニット単位となるシステムを示している。いずれのシステムにおいてもインバータと永久磁石モータとの間に２個の３相モータ開放接触器を直列に接続設置し、一方が固渋により開放動作できなくなった場合であっても他方で開放するように構成されている。
特開２００５−３２８６１９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術は、２台のモータ開放接触器を直列接続する構成であるため、装置が大型化してしまう。また、モータ開放接触器は永久磁石モータ１台につき１セットずつ必ず必要であり、各モータ開放接触器の装置外形が大きくなることは、鉄道車両の限られた装置搭載空間への搭載が困難になるばかりでなく、装置コストの上昇を招いてしまうという課題があった。

本発明は上記事情に鑑み、モータ開放接触器を２直列接続することなく、永久磁石モータ駆動システムのインバータ短絡故障時の運転継続性と冗長性を得ることのできる永久磁石モータドライブ装置を提供することを目的としている。

上記の目的を達成するために本発明は、車両駆動用の３相永久磁石モータと、この３相永久磁石モータを駆動するインバータと、このインバータと前記３相永久磁石モータとの間の３相それぞれに設けられ、装置故障時に前記インバータと永久磁石モータとを電気的に切り離すモータ開放接触器と、このモータ開放接触器の入り切りを制御する制御装置とを備え、前記モータ開放接触器は、３相がそれぞれ独立となるように主回路配線が接続されて成ることを特徴としている。

また、本発明の他の態様では、車両駆動用の複数台の３相永久磁石モータと、これらの３相永久磁石モータを各別に駆動する複数台のインバータと、各インバータと各３相永久磁石モータとの間の３相それぞれに設けられ、装置故障時に前記インバータと永久磁石モータとを電気的に切り離すモータ開放接触器と、これらのモータ開放接触器の入り切りを制御する制御装置とを備え、前記モータ開放接触器は、駆動部を他群のドライブ装置と共有され、かつ、各群の３相が独立の駆動部で動作するように、主回路配線を接続構成することを特徴としている。
また、本発明の更に他の態様では、車両駆動用の４台の３相永久磁石モータと、これらの３相永久磁石モータを各別に駆動する４台のインバータと、各インバータと各３相永久磁石モータとの間の３相それぞれに設けられ、装置故障時に前記インバータと永久磁石モータとを電気的に切り離す３相一括駆動でかつ３極式のモータ開放接触器と、これらのモータ開放接触器の入り切りを制御する制御装置とを備え、同一のインバータからの３相出力のうち、２相以上が前記モータ開放接触器のうちの同一のものに接続されないように配線したことを特徴としている。

この場合、モータ開放接触器は、一括駆動の単位を３相としている。

本発明によれば、モータ開放接触器を２直列接続することなく、永久磁石モータ駆動システムのインバータ短絡故障時の運転継続性と冗長性を得ることのできる永久磁石モータドライブ装置を提供することができる。

《第１の実施形態》
図１は本発明に係る永久磁石モータドライブ装置の第１の実施形態の構成を示すブロック図である。第１の実施形態における永久磁石モータドライブ装置は、永久磁石モータ１台がユニット単位となるシステムを前提とした構成例である。

同図に示す永久磁石モータドライブ装置１ａは、永久磁石モータ（ＰＭＳＭモータ）１２を駆動するインバータ１１と、インバータ１１とモータ１２との間の各相に設けられたＵ相モータ開放接触器（ＭＣＯＫＵ）２１ａ、Ｖ相モータ開放接触器（ＭＣＯＫＶ）２２ａ、及びＷ相モータ開放接触器（ＭＣＯＫＷ）２３ａと、インバータ１１を制御するとともにモータ開放接触器２１ａ，２２ａ，２３ａの入り切りを制御する制御装置１３とを備えている。

インバータ１１はパンタグラフ２、フィルタリアクトル３、およびフィルタコンデンサ４を介して直流電圧を取り込んで所望電圧、所望周波数の交流を生成して永久磁石モータ１２に供給する一般的な車両用インバータである。具体的には、インバータ１１は６個の半導体スイッチング素子（ＩＧＢＴ）で構成され、制御装置１３から送られてくる各素子のオンオフＰＷＭゲート信号指令に従って動作する。その動作は従来技術と同様であり詳細説明は省略する。

制御装置１３は、永久磁石（ＰＭＳＭ）モータ１２の回転子位置を検出する位置センサ（図示せず）からの位置検出値と、インバータ１１の出側に設けられた各相の電流値を検出する電流センサ（図示せず）からの３相電流検出値などのフィードバック信号と、モータトルク指令とを入力として、永久磁石モータ１２がトルク指令どおりのトルクを出力できるようにインバータ１１へ各素子のオンオフＰＷＭゲート信号指令を出力する。また、インバータの実際のオンオフ動作をゲートフィードバック信号としてインバータ１１から入力され、前記オンオフＰＷＭゲート信号指令と不一致があった場合、モータ電流検出値が一定値以上で過電流となった場合、またはインバータ直流入力電圧があらかじめ設定した一定値以下になった場合等、インバータ故障と判断する基準を満たした場合には、インバータ故障と判断して、各相のモータ開放接触器２１ａ，２２ａ，２３ａに開放指令を出力する。

Ｕ相モータ開放接触器（ＭＣＯＫＵ）２１ａ、Ｖ相モータ開放接触器（ＭＣＯＫＶ）２２ａ、及びＷ相モータ開放接触器（ＭＣＯＫＷ）２３ａは、制御装置１３から出力される開放指令に従い、インバータ１１とＰＭＳＭモータ１２とのＵＶＷ各相を電気的に接続する主回路接点を入り切りする。

図２（ａ）は、従来例においてモータ開放接触器が固渋して開放できなくなった場合の短絡電流経路を示している。同図に示すように、モータ開放接触器が固渋して開放できなくなった場合、短絡電流が流れ続けることになる。一方、図２（ｂ）は、本実施形態において、一相（Ｖ相）のみモータ開放接触器が固渋して開放できなくなった場合の状態を示す。他の２相のうちいずれか１つも同時に固渋して開放できなくなる２重故障（インバータ短絡故障とあわせると３重故障）が発生しない限り、短絡電流は阻止されており、目的が達成できることがわかる。

このように、第１の実施形態の永久磁石モータドライブ装置１ａによれば、インバータ短絡故障が発生した場合に、モータ開放接触器２１ａ，２２ａ，２３ａの駆動機構のうち１台が固渋して開放できなくなった場合にも、３相独立に駆動機構を有するため、短絡回路は構成されず、従来例のように２台直列にモータ開放接触器を接続すること無しに、運転継続が可能な主回路構成を実現することが可能になる。

《第２の実施形態》
図３は本発明に係る永久磁石モータドライブ装置の第２の実施形態の構成を示すブロック図である。第２の実施形態における永久磁石モータドライブ装置１ｂは、永久磁石モータ２台がユニット単位となるシステムを前提とした構成例である。

同図に示す永久磁石モータドライブ装置１ｂは、第１の永久磁石モータ（ＰＭＳＭモータ）１２１を駆動する第１のインバータ１１１と、第２の永久磁石モータ（ＰＭＳＭモータ）１２２を駆動する第２のインバータ１１２と、制御装置１３と、Ｕ相モータ開放接触器（ＭＣＯＫＵ）２１ｂと、Ｖ相モータ開放接触器（ＭＣＯＫＶ）２２ｂと、Ｗ相モータ開放接触器（ＭＣＯＫＷ）２３ｂとで構成される。なお、５は第２のインバータ１１２の入側に設けられたフィルタコンデンサである。

Ｕ相モータ開放接触器（ＭＣＯＫＵ）２１ｂ、Ｖ相モータ開放接触器（ＭＣＯＫＶ）２２ｂ、及びＷ相モータ開放接触器（ＭＣＯＫＷ）２３ｂは、それぞれ２極の接点を持つ２極開閉器で構成され、第１の実施形態と同様、制御装置１３から出力される開放指令に従い、インバータ１１１とＰＭＳＭモータ１２１、インバータ１１２とＰＭＳＭモータ１２２とのＵＶＷ各相をそれぞれ電気的に接続する主回路接点を入り切りする。

Ｕ相モータ開放接触器２１ｂは、２極の接点のうち一方が第１のインバータ１１１のＵ相と、第１のＰＭＳＭモータ１２１のＵ相との接続を開閉するように接続され、他方の接点が、第２のインバータ１１２のＵ相と、第２のＰＭＳＭモータ１２２のＵ相との接続を開閉するように接続される。

Ｖ相モータ開放接触器２２ｂは、２極の接点のうち一方が第１のインバータ１１１のＶ相と、第１のＰＭＳＭモータ１２１のＶ相との接続を開閉するように接続され、他方の接点が、第２のインバータ１１２のＶ相と、第２のＰＭＳＭモータ１２２のＶ相との接続を開閉するように接続される。

Ｗ相モータ開放接触器２３ｂは、２極の接点のうち一方が第１のインバータ１１１のＷ相と、第１のＰＭＳＭモータ１２１のＷ相との接続を開閉するように接続され、他方の接点が、第２のインバータ１１２のＷ相と、第２のＰＭＳＭモータ１２２のＷ相との接続を開閉するように接続される。

従って、第２の実施形態の永久磁石モータドライブ装置１ｂによれば、インバータ短絡故障が発生した場合に、モータ開放接触器２１ｂ〜２３ｂの駆動機構のうち１台が固渋して開放できなくなった場合にも、３相独立に駆動機構を有するため、短絡回路は構成されず、２台直列にモータ開放接触器を接続すること無しに、運転継続が可能な主回路構成を実現することが可能になる。

《第３の実施形態》
図４は本発明に係る永久磁石モータドライブ装置の第３の実施形態の構成を示すブロック図である。第３の実施形態における永久磁石モータドライブ装置１ｃも、永久磁石モータ２台がユニット単位となるシステムを前提とした構成例である。モータ開放接触器を３相一括の駆動装置をもつ３極のモータ開放接触器を適用する点が第２の実施形態と異なる。

図５に示すように、Ｕ相モータ開放接触器２１ｃは、３極の接点のうち一方がインバータ１１１のＵ相と、ＰＭＳＭモータ１２１のＵ相との接続を開閉するように接続され、他方の接点が、インバータ１１２のＵ相と、ＰＭＳＭモータ１２２のＵ相との接続を開閉するように接続される。残りの一極は、非接続とするか、両端を配線などにより短絡しておく。

Ｖ相モータ開放接触器２２ｃは、２極の接点のうち一方がインバータ１１１のＶ相と、ＰＭＳＭモータ１２１のＶ相との接続を開閉するように接続され、他方の接点が、インバータ１１２のＶ相と、ＰＭＳＭモータ１２２のＶ相との接続を開閉するように接続される。残りの一極は、非接続とするか、両端を配線などにより短絡しておく。

Ｗ相モータ開放接触器２３ｃは、２極の接点のうち一方がインバータ１１１のＷ相と、ＰＭＳＭモータ１２１のＷ相との接続を開閉するように接続され、他方の接点が、インバータ１１２のＷ相と、ＰＭＳＭモータ１２２のＷ相との接続を開閉するように接続される。残りの一極は、非接続とするか、両端を配線などにより短絡しておく。

開閉器は３相一括駆動の３極式が一般的であり、大量生産により設計の最適化による小型化、低コスト化が図られている。３極式を適用することにより、第２の実施形態と同様に、インバータ短絡故障が発生した場合に、モータ開放接触器の駆動機構のうち１台が固渋して開放できなくなった場合にも、３相独立に駆動機構を有するため、短絡回路は構成されず、２台直列にモータ開放接触器を接続すること無しに、運転継続が可能な主回路構成を実現することが可能になるとともに、より一層の装置小型化低コスト化を図ることが出来る。

《第４の実施形態》
図６は本発明に係る永久磁石モータドライブ装置の第４の実施形態の構成を示すブロック図である。第４の実施形態における永久磁石モータドライブ装置は、永久磁石モータ４台がユニット単位となるシステムを前提とした構成例である。

第４の実施形態の永久磁石モータドライブ装置１ｄは、第１の永久磁石モータ（ＰＭＳＭモータ）１２１を駆動する第１のインバータ１１１と、第２の永久磁石モータ（ＰＭＳＭモータ）１２２を駆動する第２のインバータ１１２と、第３の永久磁石モータ（ＰＭＳＭモータ）１２３を駆動する第３のインバータ１１３と、第４の永久磁石モータ（ＰＭＳＭモータ）１２４を駆動する第４のインバータ１１４と、制御装置１３と、第１のモータ開放接触器（ＭＣＯＫ１）２１ｄと、第２のモータ開放接触器（ＭＣＯＫ２）２２ｄと、第３のモータ開放接触器（ＭＣＯＫ３）２３ｄと、第４のモータ開放接触器（ＭＣＯＫ４）２４ｄとで構成される。なお、６は第３のインバータ１１３の入側に設けられたフィルタコンデンサ、７は第４のインバータ１１４の入側に設けられたフィルタコンデンサである。

第１のモータ開放接触器（ＭＣＯＫ１）２１ｄと、第２のモータ開放接触器（ＭＣＯＫ２）２２ｄと、第３のモータ開放接触器（ＭＣＯＫ３）２３ｄと、第４のモータ開放接触器（ＭＣＯＫ４）２４ｄとは、それぞれ３極の接点を持つ３極開閉器で構成され、第１の実施形態と同様、制御装置１３から出力される開放指令に従い、インバータ１１１とＰＭＳＭモータ１２１、インバータ１１２とＰＭＳＭモータ１２２、インバータ１１３とＰＭＳＭモータ１２３、インバータ１１４とＰＭＳＭモータ１２４とのＵＶＷ各相をそれぞれ電気的に接続する主回路接点を入り切りする。

第１のモータ開放接触器２１ｄは、３極の接点がそれぞれ以下の組合せで接続される。

組合せ１：第１のインバータ１１１のＵ相と第１のＰＭＳＭモータ１２１のＵ相
組合せ２：第２のインバータ１１２のＵ相と第２のＰＭＳＭモータ１２２のＵ相
組合せ３：第３のインバータ１１３のＵ相と第３のＰＭＳＭモータ１２３のＵ相
第２のモータ開放接触器２２ｄは、３極の接点がそれぞれ以下の組合せで接続される。

組合せ４：第１のインバータ１１１のＶ相と第１のＰＭＳＭモータ１２１のＶ相
組合せ５：第２のインバータ１１２のＶ相と第２のＰＭＳＭモータ１２２のＶ相
組合せ６：第４のインバータ１１４のＵ相と第４のＰＭＳＭモータ１２４のＵ相
第３のモータ開放接触器２３ｄは、３極の接点がそれぞれ以下の組合せで接続される。

組合せ７：第１のインバータ１１１のＷ相と第１のＰＭＳＭモータ１２１のＷ相
組合せ８：第２のインバータ１１２のＶ相と第２のＰＭＳＭモータ１２２のＶ相
組合せ９：第４のインバータ１１４のＶ相と第４のＰＭＳＭモータ１２４のＶ相
第４のモータ開放接触器２４ｄは、３極の接点がそれぞれ以下の組合せで接続される。

組合せ１０：第２のインバータ１１２のＷ相と第２のＰＭＳＭモータ１２２のＷ相
組合せ１１：第３のインバータ１１３のＷ相と第３のＰＭＳＭモータ１２３のＷ相
組合せ１２：第４のインバータ１１４のＷ相と第４のＰＭＳＭモータ１２４のＷ相
上記接続組合せは第４の実施形態の一例であり、同一インバータからのＵＶＷ３相出力のうち、２相以上がモータ開放接触器２１ｄ〜２４ｄのうちの同一のものに接続されないよう配慮した接続方法であれば、配線接続方法は、上記に限定されない。

このように第４の実施形態の永久磁石モータドライブ装置１ｄによれば、インバータ短絡故障が発生した場合に、モータ開放接触器２１ｄ〜２４ｄの駆動機構のうち１台が固渋して開放できなくなった場合にも、３相独立に駆動機構を有するため、短絡回路は構成されず、２台直列にモータ開放接触器を接続すること無しに、運転継続が可能な主回路構成を実現することが可能になる。

また、従来方法では８個の３極開閉器（モータ開放接触器）が必要であったが、第４の実施形態では４個の３極開閉器（モータ開放接触器）のみで目的が達成でき、装置の小型化低コスト化が実現できる。

本発明に係る永久磁石モータドライブ装置の第１の実施形態の構成を示すブロック図である。 第１の実施形態の作用を従来例と比較して示す説明図である。 本発明に係る永久磁石モータドライブ装置の第２の実施形態の構成を示すブロック図である。 本発明に係る永久磁石モータドライブ装置の第３の実施形態の構成を示すブロック図である。 第３の実施形態におけるモータ開放接触器の構成を示す説明図である。 本発明に係る永久磁石モータドライブ装置の第４の実施形態の構成を示すブロック図である。 永久磁石モータドライブ装置の従来例構成を示すブロック図である。 永久磁石モータドライブ装置の他の従来例構成を示すブロック図である。 永久磁石モータドライブ装置のさらに他の従来例構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ：永久磁石モータドライブ装置
２：パンタグラフ
３：フィルタリアクトル
４，５，６，７：フィルタコンデンサ
１１，１１１，１１２，１１３，１１４：インバータ
１２，１２１，１２２，１２３，１２４：永久磁石（ＰＭＳＭ）モータ
１３：制御装置
２１ａ，２１ｂ，２１ｃ：Ｕ相モータ開放接触器
２２ａ，２２ｂ，２２ｃ：Ｖ相モータ開放接触器
２３ａ，２３ｂ，２３ｃ：Ｗ相モータ開放接触器
２１ｄ：第１のモータ開放接触器
２２ｄ：第２のモータ開放接触器
２３ｄ：第３のモータ開放接触器
２４ｄ：第４のモータ開放接触器

Claims (4)

1. 車両駆動用の３相永久磁石モータと、
   この３相永久磁石モータを駆動するインバータと、
   このインバータと前記３相永久磁石モータとの間の３相それぞれに設けられ、装置故障時に前記インバータと永久磁石モータとを電気的に切り離すモータ開放接触器と、
   このモータ開放接触器の入り切りを制御する制御装置とを備え、
   前記モータ開放接触器は、３相がそれぞれ独立となるように主回路配線が接続されて成ることを特徴とする永久磁石モータドライブ装置。
2. 車両駆動用の複数台の３相永久磁石モータと、
   これらの３相永久磁石モータを各別に駆動する複数台のインバータと、
   各インバータと各３相永久磁石モータとの間の３相それぞれに設けられ、装置故障時に前記インバータと永久磁石モータとを電気的に切り離すモータ開放接触器と、
   これらのモータ開放接触器の入り切りを制御する制御装置とを備え、
   前記モータ開放接触器は、駆動部を他群のドライブ装置と共有され、かつ、各群の３相が独立の駆動部で動作するように、主回路配線を接続構成することを特徴とする永久磁石モータドライブ装置。
3. 請求項２に記載の永久磁石モータドライブ装置において、
   前記モータ開放接触器は、一括駆動の単位を３相とすることを特徴とする永久磁石モータドライブ装置。
4. 車両駆動用の４台の３相永久磁石モータと、
   これらの３相永久磁石モータを各別に駆動する４台のインバータと、
   各インバータと各３相永久磁石モータとの間の３相それぞれに設けられ、装置故障時に前記インバータと永久磁石モータとを電気的に切り離す３相一括駆動でかつ３極式のモータ開放接触器と、
   これらのモータ開放接触器の入り切りを制御する制御装置とを備え、
   
   同一のインバータからの３相出力のうち、２相以上が前記モータ開放接触器のうちの同一のものに接続されないように配線したことを特徴とする永久磁石モータドライブ装置。

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