JPWO2011080822A1 - 電気車の電力変換装置 - Google Patents

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Abstract

誘導機1を駆動する電力変換器2と、電力変換器2を制御する制御部5と、を備え、制御部5は、誘導機1にて検出された電流(d軸電流検出値Idおよびq軸電流検出値Iqまたはd軸電流指令Id*およびq軸電流指令Iq*)と、電流に基づいて演算されたインバータ角周波数ωinvと、外部速度情報検出部14にて検出された電気車の速度情報ωtrainと、に基づいて、誘導機1の2次抵抗の温度上昇を検出する2次抵抗温度検出部30と、電気車の速度情報ωtrainと2次抵抗温度検出部30からの出力(偏差)とに基づいて、電力変換器2の駆動動作を停止する駆動停止信号Gstopを出力する駆動停止信号出力部31と、を備えた駆動停止部10を有する。

Description

本発明は、鉄道車両もしくは電気自動車も含む電気車などに用いられる交流回転機駆動を対象とする電力変換装置に関するものであり、特にモータの回転子の異常な温度上昇を検知して電力変換器の動作を停止してモータの故障を防止する技術に関するものである。
電車用モータの場合、モータの回転子の発熱を抑制するために冷却用のブロアが付けられている。そのため、ブロアの吸入口が目づまりを起こした場合、冷却不足となるためモータの回転子が温度上昇して、回転子の絶縁破壊を起こしてモータが故障する場合がある。そのため、ブロアの吸入口が目づまりなどによって生じるモータの固定子あるいは回転子の異常な温度上昇を検知し、インバータの動作を停止することでモータの故障を未然に防ぐ必要がある。
従来の技術として、例えば下記特許文献1には、誘導電動機のロータ(回転子)をモータのすべりと電流とから温度を演算する方法が開示されている。
特開2006−280142号公報(請求項1、「0016」、図1)
しかしながら、上記特許文献1に示される誘導電動機の回転子の温度を演算方法では、誘導機に速度センサが取り付けられていることが前提であり、つまり速度センサ付制御を採用した電力変換装置であった。そのため、速度センサが無ければ、正確に回転子側の2次抵抗値を推定できず、回転子側の温度も演算できない課題があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、誘導機の速度センレス制御において誘導機の異常な温度上昇を検出することができる電気車の電力変換装置を得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に、本発明は、誘導機を駆動する電力変換器と、前記電力変換器を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記誘導機にて検出された電流と、前記電流に基づいて演算された誘導機の速度情報と、外部速度情報検出部にて検出された電気車の速度情報と、に基づいて、前記誘導機の2次抵抗の温度上昇を検出する2次抵抗温度検出部と、前記電気車の速度情報と前記2次抵抗温度検出部からの出力とに基づいて、前記電力変換器の駆動動作を停止する駆動停止信号を出力する駆動停止信号出力部と、を備えた駆動停止部を有すること、を特徴とする。
この発明によれば、誘導機の速度センレス制御において誘導機の異常な温度上昇を検出することができるという効果を奏する。
図1は、本発明の実施の形態1にかかる電力変換装置を示す構成図である。 図2は、本発明の実施の形態1にかかる駆動停止部を示す構成図である。 図3は、本発明の実施の形態1にかかる2次抵抗温度上昇異常検知の原理を説明する図である。 図4は、本発明の実施の形態2にかかる電力変換装置を示す構成図である。 図5は、本発明の実施の形態2にかかる駆動停止部を示す構成図である。
以下に、本発明にかかる電気車の電力変換装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1にかかる電気車の電力変換装置を示す構成図であり、図2は、本発明の実施の形態1にかかる駆動停止部を示す構成図である。図1において、本実施の形態にかかる電気車の電力変換装置は、主たる構成として、誘導機1を駆動させる電力変換器2と、電流検出器3a、3b、3cと、制御部5とを有して構成されている。また、図1には、誘導機1と、外部速度検出部14と、電力変換器2の直流のプラス(+)側に接続されたパンタグラフ12と、電力変換器2の直流のマイナス(−)側に接続された車輪13とが示されている。
車輪13には、電気車の速度を検出するために外部速度検出部14が接続されているが、この外部速度検出部14は、運転台の速度メータ、速度表示器の速度を表示するためにシステム的に備えられているものである。電流検出器3a、3b、3cは、誘導機1に発生する相電流Iu、Iv、Iwを検出する。図1は、交流側の電流検出器3として、電力変換器2と誘導機1との接続する結線を流れる電流をCT等により検出するものを記載しているが、他の公知の手法を用いて、母線電流など電力変換器2内部に流れる電流を用いて相電流を検出してもよい。なお、Iu+Iv+Iw=0の関係が成立するので、u、v2相分の検出電流からw相の電流を求めることもできるので、w相の電流検出部3cを省略してもよい。もちろん、u、w2相分の検出電流からv相の電流を求めてもよいことは言うまでもない。
次に制御部5の構成を説明する。制御部5は、主たる構成として、dq/uvv相変換部9と、電圧指令演算部8と、電流指令演算部4と、運転指令部11と、PWM制御部6と、積分部7と、駆動停止部10とを有して構成されている。
なお、dq/uvw相変換部9は、公知の通り、三相電流を回転直交二軸へ座標変換をするときに制御座標軸が必要となる。この制御座標軸の位相をθとすると、この位相θは、積分部7によってモータ速度ωを積分された値である。dq/uvv相変換部9は、電流検出器3から得られた相電流Iu、Iv、Iwを位相θの回転直交二軸(d−q軸)(以下「回転二軸座標」と称する)上のd軸電流検出値Id、q軸電流検出値Iqに座標変換する。座標変換されたd軸電流検出値Id、q軸電流検出値Iqは、電圧指令演算部8に入力される。
外部速度検出部14は、電気車の速度を検出し、検出された電気車の速度は、運転指令部11に入力される。運転指令部11は、入力された電気車の速度が駆動停止部10に入力されるように単位変換を行う。例えば、検出された電気車の速度の単位が[km/h]であるとすると、運転指令部11で係数を掛けてωtrain[rad/sec]に変換され、電車の速度情報ωtrainとして駆動停止部10に入力される。
また、運転指令部11は、トルク指令τ*を電流指令演算部4に出力し、電流指令演算部4は、(1)式に示すように、運転指令部11からのトルク指令τ*と、誘導機1のモータ定数および特性から決めることができる2次磁束指令φ*と、モータ定数(モータの相互インダクタンスM、モータの二次インダクタンスLr、および極対数P)とを用いて、q軸電流指令Iq*を演算する。
Figure 2011080822
また、電流指令演算部4は、(2)式に示すように、2次磁束指令と、モータ定数であるモータの相互インダクタンスMとから、d軸電流指令Id*を演算する。
Figure 2011080822
電流指令演算部4で演算されたq軸電流指令Iq*、d軸電流指令Id*は、電圧指令演算部8に入力される。
以下、電圧指令演算部8で行われる演算を(3)式〜(11)式を用いて説明する。まず、電圧指令演算部8は、q軸電流指令Iq*と、d軸電流指令Id*と、誘導機1のモータ定数(モータの二次インダクタンスLr、およびモータの二次抵抗値Rr)とを用いて、すべり角周波数指令ωs*を(3)式で演算する。
Figure 2011080822
モータ角周波数ωは、誘導機1に速度センサを取り付けない速度センサレス制御であるため、d軸電圧指令Vd*、q軸電圧指令Vq*を入力とし、更にフィードバック信号として、1次d軸磁束推定値pds、1次q軸磁束推定値pqs、2次d軸磁束推定値pdr、2次q軸磁束推定値pqr、インバータ角周波数ωinv、モータ角周波数ωを入力とする。電圧指令演算部8は、これら入力に基づいて、各磁束推定値の微分値dpds、dpqs、dpdr、dpqrを(4)式で演算する。
Figure 2011080822
電圧指令演算部8は、(4)式の各磁束推定値の微分値dpds、dpqs、dpdr、dpqrを積分して各磁束推定値pds、pqs、pdr、pqrを(5)式で演算する。
Figure 2011080822
電圧指令演算部8は、各磁束推定値pds、pqs、pdr、pqrに基づいて、d軸電流推定値idsおよびq軸電流推定値iqsを(6)式で演算する。
Figure 2011080822
電圧指令演算部8は、dq軸の電流推定値ids、iqsと、dq軸の電流検出値id、iqとから、d軸電流誤差ベクトルeidおよびq軸電流誤差ベクトルeiqを(7)式で演算する
Figure 2011080822
電圧指令演算部8は、dq軸の電流誤差ベクトルeid、eiqと2次d軸磁束推定値pdr、2次q軸磁束推定値pqrとを入力とし、ロータ回転加減速演算値aωを(8)式で演算する。ただし、kapはロータ回転加減速演算比例ゲインであり、Tapiはロータ回転加減速積分時定数であり、sはラプラス演算子である。
Figure 2011080822
電圧指令演算部8は、この(8)式で演算したロータ回転加減速演算値aωを積分して、モータ角周波数ωを(15)式で演算する。
Figure 2011080822
電圧指令演算部8は、(3)式のすべり角周波数指令ωs*と、(9)式のモータ角周波数ωと電力変換器1は出力する電圧指令の周波数に相当するインバータ角周波数ωinvを(10)式で演算する。
Figure 2011080822
電圧指令演算部8は、インバータ角周波数ωinv、q軸電流指令Iq*、およびd軸電流指令Id*に基づいて、回転二軸上のd軸電圧指令Vd*およびq軸電圧指令Vq*を(11)式で演算する。
Figure 2011080822
電圧指令演算部8は、(11)式で演算されたdq軸電圧指令Vd*、Vq*をPWM制御部6に出力するとともに、(10)式で演算されたインバータ角周波数ωinvを積分部7に出力する。
積分部7は、公知の通り、三相電圧或いは三相電流を回転直交二軸へ座標変換をするときに、制御座標軸が必要となるが、任意の角周波数ωinvに基づいて回転二軸座標である制御座標軸の位相θを演算する。この位相θは、(12)式に示すように、インバータ角周波数ωinvを積分することにより得られる。
Figure 2011080822
PWM制御部6は、(5)より得られたd軸電圧指令Vd*およびq軸電圧指令Vq*と、(6)式より得られた位相θとを用いて、三相電圧指令Vu*、Vv*、Vw*を演算((8)式を参照)するが、電圧指令の電圧位相θvは、位相θより若干進んでいるので、以下の(13)式から算出する。
Figure 2011080822
PWM制御部6は、(13)で得られた電圧位相θvと、d軸電圧指令Vd*と、q軸電圧指令Vq*とに基づいて三相電圧指令Vu*、Vv*、Vw*を(14)式で算出する。
Figure 2011080822
PWM制御部6は、電力変換器2がパルス幅制御を行うことができるように、三相電圧指令Vu*、Vv*、Vw*に基づくゲート信号を演算して電力変換器2に出力する。その結果、電力変換器2は、トルク指令τ*に応じて誘導機1を制御する。
次に、本発明の最も重要な構成要素である駆動停止部10について述べる。図2において、駆動停止部10は、インバータ角周波数ωinv、q軸電流指令Iq*、d軸電流指令Id*、電車の速度情報ωtrainを入力として、誘導機1の2次抵抗の温度上昇を検知して異常である場合、電力変換器2の駆動動作を停止するように駆動停止信号Gstopを出力する。図2に示される駆動停止部10は、主たる構成として、2次抵抗温度検出部30と、駆動停止信号出力部31とを有して構成されている。2次抵抗温度検出部30は、基準すべり角周波数演算部26と、減算器15と、比較器24とを有しており、駆動停止信号出力部31は、時素(10sec)23、論理積部22、外部速度検出部の異常検知部(以下単に「検知部」と称する)19とを有して構成されている。
なお、本実施の形態では、駆動停止部10の演算にd軸電流指令Id*、q軸電流指令Iq*を用いているが、d軸電流検出値Id、q軸電流検出値Iqを用いてもよいことは言うまでもない。
基準すべり角周波数演算部26において、掛算器16は、d軸電流指令Id*にモータの二次インダクタンス値Lrを掛ける。除算器17は、その掛けた値でq軸電流指令Iq*を除算する。掛算器18は、その除算した値に、モータの115度換算の二次抵抗値Rr_115を掛けて基準すべり角周波数を演算する。
減算器15は、この基準すべり角周波数をインバータ角周波数ωinvから減算する。そのことにより、モータ角周波数ωが演算され、減算器20は、そのωから電車の速度情報ωtrainを減算する。
比較器24は、その減算した値(偏差=モータ角周波数ω−電車の速度情報ωtrain)と、異常検知値fov(=2×π×2Hz)とを比較し、偏差が異常検知値fovより大きくなったとき、誘導機1の2次抵抗の温度が異常に上昇していることを検知したとして、1を出力する。なお、比較器24で比較する異常検知値fov(=2×π×2Hz)は、誘導機1のモータ定数や構造、材料の絶縁の種類によって誘導機の温度限界値が決まるので、その温度限界値になる前に異常を検知できる値に設定する必要がある。
図3は、本発明の実施の形態1にかかる2次抵抗温度上昇異常検知の原理を説明する図である。以下、図3を用いて本発明の実施の形態にかかる異常検知の原理を説明する。
図3に示すように通常時は、モータ角周波数ωと電車の速度情報ωtrainとは、概ね同じ値となる。しかし、誘導機1の2次抵抗の温度が上昇し、2次抵抗の値が大きくなるとモータ角周波数ωは、2次抵抗上昇分を含むことになるため、電車の速度情報ωtrainよりかなり大きい値になる。そのことを利用して、本発明は誘導機1の2次抵抗の温度異常上昇を検知している。
図2において、比較器24の出力値は時素(10sec)23に入力され、時素(10sec)23は、比較器24の出力値1が10秒以上継続したときに1を出力する。比較器24の出力値を時素(10sec)23に通す理由は、モータ角周波数ωが空転や滑走時に大きく変化して電車の速度情報ωtrainより大きくなることもあるためである。例えば、誘導機の温度上昇は10秒以上の時定数であり、空転や滑走などの速度変化は1〜2秒程度の急激な変化である。この2現象の時定数の違いを利用して、時素(10sec)23を設けることにより、空転時などにおけるモータ角周波数ωの変化を、温度上昇と誤検知することを防止することができる効果がある。
検知部19は、電車の速度情報ωtrainを検出する外部速度検出部14が故障したときに、温度上昇と誤検知することを防止するために設けられている。検知部19の比較器21は、電車の速度情報ωtrainが2×π×30Hzを超えたら1を出力する。そのことにより、温度異常上昇を検知することが可能である。
論理積部22は、検知部19からの値と時素(10sec)23の出力値とを取り込み、検知部19の出力値が1であり、かつ、時素(10sec)23の出力値が1のときに、電力変換器2の動作を停止する駆動停止信号Gstopを出力する。電力変換器2は、その駆動停止信号Gstopを受けて駆動動作を停止する。なお、検知部19からの値が1、かつ、時素23からの値が0の場合、外部速度検出部14が故障していたとしても誘導機1の二次抵抗の値は小さいため、論理積部22から駆動停止信号Gstopが出力されることはない。
以上に説明したように、本実施の形態にかかる電気車の電力変換装置は、速度情報ωtrainと、インバータ角周波数ωinvと、q軸電流指令Iq*またはq軸電流検出値Iqと、d軸電流指令Id*またはd軸電流検出値Idと、に基づいて、誘導機の2次抵抗の温度上昇を検出し、この2次抵抗の温度が誘導機1の温度限界値を超える前に電力変換器2の駆動動作を停止する駆動停止部10を備えるようにしたので、ブロアの吸入口が目づまりなどによって発生するモータの回転子(2次側)の異常な温度上昇を検知することができる。すなわち、誘導機1のセンサレス制御において、誘導機1の異常な温度上昇が発生した場合でも、この異常な温度上昇を検出することが可能である。その結果、誘導機1の2次抵抗の温度が誘導機1の温度限界値を超える前に電力変換器2の動作を停止して、モータの故障を防止することができ、誘導機1の長期使用が可能である。また、本実施の形態にかかる電気車の電力変換装置は、外部速度検出部の異常検知部19を備えるようにしたので、電車速度情報検出部の異常時において、外部速度検出部14が故障した際、誘導機1の2次抵抗の温度上昇と誤検出することを防止することが可能である。さらに、本実施の形態にかかる電気車の電力変換装置は、比較器24の出力値1が10秒以上継続したときに1を出力する時素(10sec)23を備えるようにしたので、空転や滑走が発生した際にモータ角周波数ωが大きく変化して電車の速度情報ωtrainより大きくなった場合でも、空転などによるモータ角周波数ωの変化を、誘導機1の2次抵抗の温度上昇と、誤検知することを防止することが可能である。
実施の形態2.
図4は、本発明の実施の形態2にかかる電気車の電力変換装置を示す構成図であり、図5は、本発明の実施の形態2にかかる駆動停止部を示す構成図である。なお、前記第1の実施の形態と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
図4において、実施の形態2では、第1の実施の形態と比較して、駆動停止部25が異なる部分である。図5に示される駆動停止部25は、第1の実施の形態にかかる駆動停止部10と比較して、基準すべり角周波数演算部27の構成が異なる。基準すべり角周波数演算部27の演算に用いる2次抵抗値を、例えば、モータ温度限界値の240度とした場合に、このモータ温度限界値よりも低い値である230度換算の二次抵抗値Rr_230を用いることが特徴である。その結果、駆動停止部25は、第1の実施の形態にかかる駆動停止部10と比べて、減算器20が不要となる。
より具体的には、減算器15は、基準すべり角周波数演算部27からの基準すべり角周波数をインバータ角周波数ωinvから減算する。そのことにより、モータ角周波数ωが得られる。比較器28は、モータ角周波数ωと速度情報ωtrainとを比較し、モータ角周波数ωが速度情報ωtrainより大きくなったとき、誘導機1の2次抵抗の温度がモータ温度限界値付近であることを検知したとして、1を出力する。なお、上述したモータ温度限界値は、一例であり、誘導機1の構造などによって任意に設定すればよい。
なお、本実施の形態では、駆動停止部25の基準すべり角周波数演算部27の演算にd軸電流検出値Id、q軸電流検出値Iqを用いているが、d軸電流指令Id*、q軸電流指令Iq*を用いても同様の効果が得ることができる。
以上に説明したように、本実施の形態にかかる電気車の電力変換装置は、速度情報ωtrainと、インバータ角周波数ωinvと、q軸電流指令Iq*またはq軸電流検出値Iqと、d軸電流指令Id*またはd軸電流検出値Idと、モータ温度限界値よりも低い値に設定された二次抵抗値Rrとに基づいて、誘導機の2次抵抗の温度上昇を検出するようにしたので、実施の形態1と同様に、誘導機1のセンサレス制御において、ブロアの吸入口が目づまりなどによって発生するモータの回転子(2次側)の異常な温度上昇を検知し、誘導機1の2次抵抗の温度が誘導機1の温度限界値を超える前に電力変換器2の動作を停止して、モータの故障を防止することが可能である。また、実施の形態1に比してソフトウエアの演算量を減らすことが可能である。
なお、実施の形態1、2では、電車の速度情報ωtrainを用いているが、これに限定されるものではなく、電車以外の電気車に搭載される速度検出手段から得られた速度情報を用いてもよいことは言うまでもない。また、実施の形態1、2では、一例として、モータの二次抵抗値Rrとして115度換算の値あるいは230度換算の値を使用し、異常検知値fovとして2×π×2Hzを使用し、比較器21の値として30Hz×2πを使用しているが、これらに限定されるものではない。
以上のように、本発明は、鉄道車両もしくは電気自動車も含む電気車などの電力変換装置に適用可能であり、特に、モータの回転子の異常な温度上昇を検知し電力変換器の動作を停止することでモータの故障を防止することができる発明として有用である。
1 誘導機
2 電力変換器
3a,3b,3c 電流検出器
4 電流指令演算部
5 制御部
6 PWM制御部
7 積分部
8 電圧指令演算部
9 dq/uvw変換部
10,25 駆動停止部
11 運転指令部
12 パンタグラフ部
13 車輪
14 外部速度検出部
15,20 減算器
16,18 掛算器
17 除算器
19 外部速度検出部の異常検知部
21,24,28 比較器
22 論理積(AND)部
23 時素(10sec)
26,27 基準すべり角周波数演算部
30 2次抵抗温度検出部
31 駆動停止信号出力部
fov 異常検知値
Gstop 停止信号
Id d軸電流検出値
Id* d軸電流指令
Iq q軸電流検出値
Iq* q軸電流指令
Iu,Iv,Iw 相電流
Lr モータの二次インダクタンス
Rr モータの二次抵抗値
Vd* d軸電圧指令
Vq* q軸電圧指令
θ 位相
τ* トルク指令
ω モータ角周波
ωinv インバータ角周波数
ωtrain 電車の速度情報
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、誘導機を駆動する電力変換器と、前記電力変換器を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記誘導機にて検出された電流と前記誘導機のモータ定数とに基づいて演算された前記誘導機のすべり角周波数と、前記電流に基づいて演算された誘導機の速度情報と、外部速度情報検出部にて検出された電気車の速度情報と、に基づいて、前記誘導機の2次抵抗の温度上昇を検出する2次抵抗温度検出部と、前記電気車の速度情報と前記2次抵抗温度検出部からの出力とに基づいて、前記電力変換器の駆動動作を停止する駆動停止信号を出力する駆動停止信号出力部と、を備えた駆動停止部を有すること、を特徴とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、誘導機を駆動する電力変換器と、前記電力変換器を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記誘導機にて検出された電流と前記誘導機のモータ定数とに基づいて演算された前記誘導機のすべり角周波数と、前記電流に基づいて演算された誘導機の速度情報と、外部速度情報検出部にて検出された電気車の速度情報と、に基づいて、前記誘導機の2次抵抗の温度上昇を検出する2次抵抗温度検出部と、前記2次抵抗温度検出部からの出力により前記2次抵抗の温度上昇が所定の時素以上継続したことを検出する時素を有し、前記時素からの出力と前記電気車の速度情報とに基づいて、前記電力変換器の駆動動作を停止する駆動停止信号を出力する駆動停止信号出力部と、を備えた駆動停止部を有すること、を特徴とする。

Claims (3)

  1. 誘導機を駆動する電力変換器と、
    前記電力変換器を制御する制御部と、
    を備え、
    前記制御部は、
    前記誘導機にて検出された電流と、前記電流に基づいて演算された誘導機の速度情報と、外部速度情報検出部にて検出された電気車の速度情報と、に基づいて、前記誘導機の2次抵抗の温度上昇を検出する2次抵抗温度検出部と、
    前記電気車の速度情報と前記2次抵抗温度検出部からの出力とに基づいて、前記電力変換器の駆動動作を停止する駆動停止信号を出力する駆動停止信号出力部と、
    を備えた駆動停止部を有すること、
    を特徴とする電気車の電力変換装置。
  2. 前記駆動停止信号出力部は、前記電気車の速度情報が所定の値以上の場合、前記停止信号を出力することを特徴とする請求項1に記載の電気車の電力変換装置。
  3. 前記駆動停止信号出力部は、前記2次抵抗の温度が所定の時素以上継続した場合、前記停止信号を出力することを特徴とする請求項1に記載の電気車の電力変換装置。
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