(57)【要約】【課題】永久磁石モータを駆動するインバータが短絡故障した時の運転継続性と冗長性を得ることができ、かつ、装置外形の小型化とコスト上昇の抑制を図ることができる永久磁石モータドライブ装置を提供する。【解決手段】本発明に係る永久磁石モータドライブ装置は、車両駆動用の永久磁石モータ８と、直流電源の直流電力を交流電力に変換して前記永久磁石モータ８に供給するインバータ６と、前記インバータ６の直流側に設置され、前記直流電源と前記インバータ６との電気的接続を入り切りする開放接触器５と、前記開放接触器５の入り切りを制御する制御装置７とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両駆動用の永久磁石モータと、
直流電源の直流電力を交流電力に変換して前記永久磁石モータに供給するインバータと、
前記インバータの直流側に設置され、前記直流電源と前記インバータとの電気的接続を入り切りする開放接触器と、
前記開放接触器の入り切りを制御する制御装置とを備えたことを特徴とする永久磁石モータドライブ装置。
【請求項２】
前記インバータと前記永久磁石モータとの間に、所定レベル以上の過電流が所定時間以上継続して流れた場合に溶断するヒューズを備えたことを特徴とする請求項１記載の永久磁石モータドライブ装置。
【請求項３】
前記インバータの直流側にフィルタコンデンサを備え、
前記制御装置は、前記フィルタコンデンサに充電されている電荷を放電させた後、前記永久磁石モータドライブ装置を再起動することを特徴とする請求項１記載の永久磁石モータドライブ装置。
【請求項４】
前記制御装置は、前記インバータが短絡故障した時、前記開放接触器を開放させることを特徴とする請求項１記載の永久磁石モータドライブ装置。
【請求項５】
前記制御装置は、前記永久磁石モータの誘起電圧が電車線電圧を越えない所定電圧になった時、前記開放接触器を開放させることを特徴とする請求項１記載の永久磁石モータドライブ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久磁石モータドライブ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、小型軽量高効率のメリットのある永久磁石モータを鉄道車両駆動用モータに適用しようとする動きがある。鉄道車両を駆動制御する装置が故障すると、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い、他の列車の運転を妨げることになる。このため、永久磁石モータを鉄道車両駆動用モータに適用する場合は、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。
【０００３】
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というメリットがある反面、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というデメリットがある。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を用いるのが一般的である。しかしながら、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よって回転し、その誘起電圧によって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、前記短絡電流によって永久磁石モータでブレーキ力が発生し、正常な運転を継続することができなくなってしまう。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（以下、モータ開放接触器と称する）が設けられている。
【０００４】
しかしながら、従来は、３相一括動作のモータ開放接触器を３相交流回路につき１個だけ使用するのが一般的であった。このため、インバータが短絡故障し、かつ、モータ開放接触器が固渋によって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、短絡電流が流れ続けることになる。その結果、インバータの損傷をさらに拡大させてしまうとともに、ブレーキ力発生によって正常な運転を継続することができなくなってしまうという問題があった。
【０００５】
この問題を解決する方法として、２個の３相モータ開放接触器を直列に接続設置し、一方のモータ開放接触器が固渋によって開放動作できなくなった場合でも、他方のモータ開放接触器が開放動作することによって確実な開放を可能にする方法が提案されている。しかしながら、この方法によれば、２個の３相モータ開放接触器を直列に接続することになるので、装置外形が大きくなってしまうという問題がある。
【０００６】
この問題を解決する技術として、特許文献１には、モータ開放接触器が３相それぞれ独立となるように主回路配線を行う方法が記載されている。図７は、特許文献１に記載されている永久磁石モータドライブ装置のブロック図である。この従来の永久磁石モータドライブ装置は、永久磁石モータ（ＰＭＳＭ）１０１と、永久磁石モータ１０１を駆動するインバータ１０２と、インバータ１０２と永久磁石モータ１０１との間の各相に設けられたモータ開放接触器ＭＣＯＫＵ、ＭＣＯＫＶ、ＭＣＯＫＷと、インバータ１０２を制御するとともにモータ開放接触器ＭＣＯＫＵ、ＭＣＯＫＶ、ＭＣＯＫＷの入り切りを制御する制御装置１０３とを備えている。
【０００７】
このような永久磁石モータドライブ装置によれば、インバータ１０２が短絡故障し、かつ、モータ開放接触器ＭＣＯＫＵ、ＭＣＯＫＶ、ＭＣＯＫＷの駆動機構のうちの１個が固渋して開放できなくなった場合でも、３相独立に駆動機構を有するため短絡回路は構成されない。従って、２個直列にモータ開放接触器を接続することなく、インバータ１０２が短絡故障した時の運転継続性と冗長性を得ることができる。なお、図７では、永久磁石モータ１個がユニット単位となるシステム構成としているが、永久磁石モータ２個がユニット単位となるシステム構成（図８参照）や、永久磁石モータ４個がユニット単位となるシステム構成（図９参照）とすることも可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−３０６６４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１に記載された従来の永久磁石モータドライブ装置によれば、２個直列にモータ開放接触器を接続することはなくなるが、装置外形の小型化を図るという点では効果が小さいと考えられる。また、装置内の主回路配線を３相独立に接続配置するので、３相線の配置が複雑化し、装置の製造コストやメンテナンスコストが上昇する懸念がある。
【００１０】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、永久磁石モータを駆動するインバータが短絡故障した時の運転継続性と冗長性を得ることができ、かつ、装置外形の小型化とコスト上昇の抑制を図ることができる永久磁石モータドライブ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記目的を達成するために、本発明に係る永久磁石モータドライブ装置は、車両駆動用の永久磁石モータと、直流電源の直流電力を交流電力に変換して前記永久磁石モータに供給するインバータと、前記インバータの直流側に設置され、前記直流電源と前記インバータとの電気的接続を入り切りする開放接触器と、前記開放接触器の入り切りを制御する制御装置とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、インバータが短絡故障してもインバータの直流側に設けられた接触器が瞬時に開放されて直流電源からインバータに流入する短絡電流が遮断されるので、インバータが短絡故障した時の運転継続性と冗長性を得ることができるのはもちろん、インバータの直流側に接触器を設けたことにより、３相線の配置が複雑化することもなく、装置外形の小型化とコスト上昇の抑制を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施の形態の永久磁石モータドライブ装置のブロック図である。
【図２】インバータの内部構成図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態の永久磁石モータドライブ装置のブロック図である。
【図４】ＰＭＳＭの回転速度と誘起電圧との関係を表す特性図である。
【図５】本発明の第４の実施の形態の永久磁石モータドライブ装置のブロック図である。
【図６】本発明の第５の実施の形態の永久磁石モータドライブ装置のブロック図である。
【図７】特許文献１に記載された従来の永久磁石モータドライブ装置のブロック図である。
【図８】特許文献１に記載された従来の永久磁石モータドライブ装置のブロック図である。
【図９】特許文献１に記載された従来の永久磁石モータドライブ装置のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１５】
（第１の実施の形態）
図１に示す本発明の第１の実施の形態の永久磁石モータドライブ装置は、永久磁石モータ１個がユニット単位となるシステム構成であり、パンタグラフ２と、フィルタリアクトル３と、フィルタコンデンサ４と、接触器５と、インバータ６と、制御装置７と、永久磁石モータ（以下、ＰＭＳＭと称する）８とを備えている。パンタグラフ２は、架線１から直流電力を得るために使用される集電力装置である。フィルタリアクトル３及びフィルタコンデンサ４は、架線１から得た直流電力を平滑化するためのものである。接触器５は、インバータ６の直流側に設けられ、ＰＭＳＭ８とインバータ６とを電気的に切り離す開閉器である。インバータ６は、直流電力から交流電力を生成してＰＭＳＭ８に供給する一般的な車両用インバータである。
【００１６】
インバータ６は、パンタグラフ２とフィルタリアクトル３とフィルタコンデンサ４と接触器５とを介して架線１から直流電力を取り込み、所望電圧、所望周波数の交流電力を生成してＰＭＳＭ８に供給する。インバータ６とＰＭＳＭ８との間の３相線はそれぞれ電気的に接続されている。このインバータ６は、図２に示すように、６個の半導体スイッチング素子（ＩＧＢＴ）で構成され、制御装置７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。
【００１７】
制御装置７は、ＰＭＳＭ８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６の交流側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、モータトルク指令通りのトルクをＰＭＳＭ８が出力できるようにインバータ６へ各素子のオンオフＰＷＭゲート信号指令を出力する。また、制御装置７は、インバータ６が短絡故障したことを検知すると、接触器５に開放指令を出力する。
【００１８】
通常動作時、３相モータ線に流れる電流は想定範囲内の電流値となる。このとき、接触器５はオンし、架線１側とインバータ６とを電気的に接続している。インバータ６が短絡故障すると、接触器５は、制御装置７から出力される開放指令に従い、ＰＭＳＭ８とインバータ６とを直流電源から切り離し、インバータ６に直流電力が入力するのを防止する。
【００１９】
このように、本発明の第１の実施の形態の永久磁石モータドライブ装置によれば、インバータ６が短絡故障してもインバータ６の直流側に設けられた接触器５が瞬時に開放されて直流電源からインバータ６に流入する短絡電流が遮断されるので、インバータ６が短絡故障した時の運転継続性と冗長性を得ることができるのはもちろん、インバータ６の直流側に接触器５を設けたことにより、３相線の配置が複雑化することもなく、装置外形の小型化とコスト上昇の抑制を図ることができる。
【００２０】
（第２の実施の形態）
一般的な永久磁石モータドライブ装置では、インバータが短絡故障した場合だけでなく、図示しないモータ電流検出値が一定値以上で過電流となった場合や、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など、インバータ故障と判断する所定の基準を満たした場合は、インバータを停止させるようになっている。
【００２１】
しかしながら、インバータを停止させても、車両は惰行運転状態で走行を継続する。車両が惰行運転状態で走行を継続すると過大な回生電流が発生し、この回生電流によってインバータを構成する半導体スイッチング素子が破壊される恐れがあった。本発明の第２の実施の形態では、このような不具合を回避することが可能な永久磁石モータドライブ装置について説明する。
【００２２】
図３に示す本発明の第２の実施の形態の永久磁石モータドライブ装置は、前記第１の実施の形態における構成に加え、インバータ６とＰＭＳＭ８との間の交流線にヒューズ９Ａ〜９Ｃを備えている。ヒューズ９Ａ〜９Ｃは、所定レベル以上の過電流が所定時間以上継続して流れた場合に溶断する安全装置である。車両が惰行運転状態で走行を継続し、過大な回生電流が発生すると、この回生電流によってヒューズ９Ａ〜９Ｃが溶断されるようになっている。
【００２３】
このように、本発明の第２の実施の形態の永久磁石モータドライブ装置によれば、過大な回生電流が発生してもヒューズ９Ａ〜９Ｃが溶断されて過大な回生電流が遮断されるので、半導体スイッチング素子の破壊を防止することが可能となる。
【００２４】
（第３の実施の形態）
ところで、前記第２の実施の形態の永久磁石モータドライブ装置によれば、インバータ短絡故障が発生した場合は短絡回路が構成されるのでヒューズ９Ａ〜９Ｃは溶断される。それに対して、インバータ短絡故障でないインバータ故障が発生した場合は短絡回路が構成されないのでヒューズ９Ａ〜９Ｃは溶断されない。
【００２５】
従って、インバータ短絡故障でないインバータ故障でインバータ６を停止させた場合は、意図しない回生ブレーキ力が発生すると（後述する）、正常な運転を継続することができなくなってしまうという不具合があった。本発明の第３の実施の形態では、このような不具合を回避することが可能な永久磁石モータドライブ装置について説明する。
【００２６】
図４は、ＰＭＳＭ８の回転速度と誘起電圧との関係を表している。既に説明した通り、ＰＭＳＭ８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。ＰＭＳＭ８の誘起電圧は、図４に示すように、ＰＭＳＭ８の回転速度に比例して大きくなる特性がある。ここで、ＰＭＳＭ８の回転速度がＶ以上である場合、ＰＭＳＭ８の誘起電圧は電車線電圧を超える。従って、ＰＭＳＭ８の回転速度がＶ以上の高速回転中にインバータ短絡故障でないインバータ故障でインバータ６を停止させた場合は、ＰＭＳＭ８の誘起電圧が電車線電圧を超えると、意図しない回生ブレーキ力が発生し、正常な運転を継続することができなくなってしまう。
【００２７】
そこで、本発明の第３の実施の形態の制御装置７は、ＰＭＳＭ８の誘起電圧が電車線電圧を越えそうになった時（電車線電圧を越えない所定電圧になった時）、接触器５を開放させる。これによって、接触器５は、制御装置７から出力される開放指令に従い、ＰＭＳＭ８とインバータ６とを直流電源から切り離す。
【００２８】
このように、本発明の第３の実施の形態の永久磁石モータドライブ装置によれば、インバータ短絡故障でないインバータ故障でインバータ６を停止させた場合、ＰＭＳＭ８の誘起電圧が電車線電圧を越えない所定電圧になった時に接触器５が開放されることになる。これによって、ＰＭＳＭ８の誘起電圧によって意図しない回生ブレーキ力が発生するのを抑制することが可能となる。
【００２９】
（第４の実施の形態）
前記第３の実施の形態で説明した通り、インバータ短絡故障でないインバータ故障でインバータ６を停止させた場合、ＰＭＳＭ８の誘起電圧が電車線電圧を越えない所定電圧になった時に接触器５が開放されることになる。これによって、ＰＭＳＭ８の誘起電圧によって意図しない回生ブレーキ力が発生するのを抑制することが可能となる。
【００３０】
しかしながら、永久磁石モータドライブ装置を再起動する際は、電車線電圧と同等かそれ以上の電圧が永久磁石モータドライブ装置（フィルタコンデンサ４）に充電されている場合がある。このような状態で再起動動作に入ると、起動直後に意図しないブレーキ力が発生する、もしくは電圧検知によって起動不可となる可能性があった。本発明の第４の実施の形態では、このような不具合を回避することが可能な永久磁石モータドライブ装置について説明する。
【００３１】
図５に示す本発明の第４の実施の形態の永久磁石モータドライブ装置は、前記第１の実施の形態における構成に加え、過電圧抑制抵抗器１０とＩＧＢＴなどの半導体素子１１とを備えている。そこで、第４の実施の形態の制御装置７は接触器５を開放させ、半導体素子１１をオンし、フィルタコンデンサ４に充電されている電荷を抵抗器１０を介して放電させた後、永久磁石モータドライブ装置を再起動するようになっている。
【００３２】
このように、第４の実施の形態の永久磁石モータドライブ装置によれば、フィルタコンデンサ４に充電されている電荷を放電させた後に永久磁石モータドライブ装置を再起動するようにしているので、意図しないブレーキ力が発生する、もしくは電圧検知によって起動不可となる不具合を回避することが可能となる。
【００３３】
（第５の実施の形態）
前記第１の実施の形態の永久磁石モータドライブ装置は、永久磁石モータ１個がユニット単位となるシステム構成である。本発明の第５の実施の形態では、永久磁石モータ２個がユニット単位となるシステム構成について説明する。
【００３４】
図６に示す本発明の第５の実施の形態の永久磁石モータドライブ装置は、パンタグラフ２と、フィルタリアクトル３と、フィルタコンデンサ４と、第１の接触器５Ａと、第２の接触器５Ｂと、第１のインバータ６Ａと、第２のインバータ６Ｂと、制御装置７と、第１のＰＭＳＭ８Ａと、第２のＰＭＳＭ８Ｂとを備えている。本発明の第５の実施の形態は、永久磁石モータ２個がユニット単位となるシステム構成としている点が前記第１の実施の形態と異なるだけであり、各構成部の機能は前記第１の実施の形態と同様である。
【００３５】
このように、本発明の第５の実施の形態の永久磁石モータドライブ装置によれば、前記第１の実施の形態と同様、インバータ６Ａ，６Ｂのいずれかが短絡故障してもその直流側に設けられた対応する接触器５Ａ又は５Ｂが開放されて短絡電流が遮断されるので、インバータ６Ａ，６Ｂのいずれかが短絡故障した時の運転継続性と冗長性を得ることができるのはもちろん、インバータ６Ａ，６Ｂの直流側に接触器５Ａ，５Ｂを設けたことにより、３相線の配置が複雑化することもなく、装置外形の小型化とコスト上昇の抑制を図ることができる。
【００３６】
ここで、特許文献１には、ＰＭＳＭ２個がユニット単位となるシステム構成（図８参照）や、ＰＭＳＭ４個がユニット単位となるシステム構成（図９参照）が記載されている。本発明によっても第５の実施の形態のようにＰＭＳＭ２個がユニット単位となるシステムを構成することができ、またＰＭＳＭ４個がユニット単位となるシステムを構成することもできる。その場合には、従来例によれば、装置内の主回路配線を３相独立に接続配置しているので、ユニット単位あたりのＰＭＳＭ個数が多くなるほど３相線の配置が複雑化するという問題があるが、本発明によれば、インバータの直流側に接触器を設けているので、ユニット単位あたりのＰＭＳＭ個数が多くなっても３相線の配置が複雑化することはない。また、本発明によれば、インバータが短絡故障して短絡回路が構成されても、インバータが短絡故障した部位のみを遮断することが可能となる。
【００３７】
なお、ここでは、ＰＭＳＭ２個がユニット単位となるシステム構成について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、ＰＭＳＭ４個がユニット単位となるシステム構成についても、３相線の配置を設計検討することなく同様の回路を構成するだけで同様の効果を得ることができる。
【００３８】
なお、この発明は、前記実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、前記実施の形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることによって種々の発明を形成できる。例えば、実施の形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施の形態に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００３９】
１…架線、２…パンタグラフ、３…フィルタリアクトル、４…フィルタコンデンサ、５…接触器、６…インバータ、７…制御装置、８…永久磁石モータ（ＰＭＳＭ）、９Ａ〜９Ｆ…ヒューズ、１０…抵抗器、１１…半導体素子。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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