(57)【要約】【課題】本発明の目的は、電圧センサの故障が発生しても短絡電流が流れつづけないようにし、安定した再起動が可能なセンサレスベクトル制御を適用した電気車制御装置を提供することである。【解決手段】永久磁石式モータと、前記永久磁石モータに所望のトルクを発生させるべく電圧電流を供給するインバータと、前記永久磁石モータと前記インバータとの接続を電気的に切り離すために前記永久磁石モータと前記インバータの間に設けられたモータ開放接触器とを有し、前記永久磁石モータの回転中に前記インバータを再起動させる場合、前記モータ開放接触器投入に伴い流れるモータ電流に基づいてモータ回転子位置推定することを特徴とする電気車制御装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石式モータと、
前記永久磁石モータに所望のトルクを発生させるべく電圧電流を供給するインバータと、前記永久磁石モータと前記インバータとの接続を電気的に切り離すために前記永久磁石モータと前記インバータの間に設けられたモータ開放接触器とを有し、
前記永久磁石モータの回転中に前記インバータを再起動させる場合、前記モータ開放接触器投入に伴い流れるモータ電流に基づいてモータ回転子位置推定することを特徴とする電気車制御装置。
【請求項２】
前記請求項１記載の電気車制御装置において、
前記モータ開放接触器投入時の電流値に応じて、インバータ再起動時のモータ回転子位置の推定方法を切り替えることを特徴とする電気車制御装置。
【請求項３】
前記請求項２記載の電気車制御装置において、
前記モータ開放接触器投入時の電流が略ゼロである場合には、モータ電圧に基づくモータ回転子位置推定を行い、略ゼロ以外である場合には、モータ開放接触器投入に伴い流れるモータ電流に基づくモータ回転子位置推定を行うことを特徴とする電気車制御装置。
【請求項４】
前記請求項２記載の電気車制御装置において、
前記モータ開放接触器投入時の電流が略ゼロである場合には、インバータゼロ電圧出力時に流れる電流に基づいてモータ回転子位置を推定し、略ゼロ以外である場合には、モータ開放接触器投入に伴い流れるモータ電流に基づくモータ回転子位置推定に切り替えることを特徴とする電気車制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気車制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄道車両や電気自動車駆動用モータとして、高効率、小型軽量などの観点から永久磁石モータを適用する開発が進んでいる。永久磁石モータは、回転数に比例してモータ端子間に誘起電圧が発生する特徴がある。一方この永久磁石モータに電力を供給しモータ制御を司るインバータは、架線やバッテリ電圧の制約から決まる最大電圧があり、高速回転時にはこの最大電圧にモータ端子電圧がなるように一定制御する、いわゆる弱め磁束制御を行うのが一般的である。
【０００３】
従来、このような高速回転状態において、インバータが過電流保護動作などにより停止した場合には、前記弱め磁束制御を行うことが出来なくなり、過大なブレーキ電流がインバータを介して電源に流れ、予期せぬ大きなブレーキ力が働いてしまい、乗り心地の低下などの問題がある。電源側がダイオード整流器などで回生不可の場合には、直流電圧が上昇し、過電圧で最悪の場合、インバータが破壊に至る場合も想定される。これを防ぐために、インバータと永久磁石モータの電気的な接続を切り離すスイッチを入れる場合があった。
【０００４】
このような従来の永久磁石モータの制御装置において、高速走行時に過電流保護動作などが働いてスイッチによりモータとインバータの接続を切り離した場合、保護動作から復帰するために再度スイッチを投入すると、ブレーキ電流が流れてしまい、永久磁石モータの円滑な再起動ができない。
【０００５】
これを解決するために、特許文献１では、スイッチを再投入する前に永久磁石モータの無負荷誘起電圧に相当する値、または無負荷誘起電圧と同一方向のインバータ最大電圧を出力するようにインバータにスイッチング動作させた状態で、その後にスイッチを投入することにより円滑な再起動を可能にする方法が記載されている。
【０００６】
また、近年の技術開発の動向として、永久磁石モータを、レゾルバなどの回転子位置センサを用いずに精度よくトルクを制御するセンサレスベクトル制御の開発が盛んである。センサレスベクトル制御においては、インバータがモータに印加する電圧と流れる電流などの電気情報から回転子位置を推定する原理であるため、インバータが動作していない状態においては回転子位置を推定することが出来ない。
【０００７】
センサレスベクトル制御を適用した電気車制御装置において、上記円滑な再起動を可能にする方法として、モータ端子電圧センサをスイッチと永久磁石モータの間に設置し、スイッチ投入前のモータ端子電圧（＝無負荷誘起電圧）の検出値に基づいて、スイッチを再投入する前に永久磁石モータの無負荷誘起電圧に相当する値、または無負荷誘起電圧と同一方向のインバータ最大電圧を出力するようにインバータにスイッチング動作させた状態で、その後にスイッチを投入することにより円滑な再起動を可能にする方法も、特許文献１に記載されている。
【特許文献１】特開２０００−２９５８８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前述したモータ端子電圧センサが短絡故障などを起こした場合、モータの再起動時に、短絡電流によるブレーキ力の発生で加速不良などの問題が起こり、最悪の場合には電圧センサ内部をモータ無負荷誘起電圧による短絡電流が流れ続けることで電圧センサの発火などの問題を発生させることも起こりうることが新たにわかってきた。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、電圧センサの故障が発生しても短絡電流が流れつづけないようにし、安定した再起動が可能なセンサレスベクトル制御を適用した電気車制御装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題は、永久磁石式モータと、前記永久磁石モータに所望のトルクを発生させるべく電圧電流を供給するインバータと、前記永久磁石モータと前記インバータとの接続を電気的に切り離すために前記永久磁石モータと前記インバータの間に設けられたモータ開放接触器とを有し、前記永久磁石モータの回転中に前記インバータを再起動させる場合、前記モータ開放接触器投入に伴い流れるモータ電流に基づいてモータ回転子位置推定することにより達成することが出来る。
【発明の効果】
【００１１】
本発明により、電圧センサの故障が発生しても短絡電流が流れつづけないようにし、安定した再起動が可能なセンサレスベクトル制御を適用した電気車制御装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明に基づく第１の実施の形態の電気車制御装置について、図を参照し詳細に説明する。図１は、本発明に基づく第１の実施の形態の電気車制御装置の構成図である。図２は、本発明に基づく第１の実施の形態の電気車制御装置の再運転シーケンス制御部のタイムチャートである。図３は、本発明に基づく第１の実施の形態の電気車制御装置における電流波形である。図４は、図３の電流波形結果をベクトル表示した波形である。図５は、本発明に基づく第１の実施の形態の電気車制御装置における切替判定の説明図である。図６は、本発明に基づく第１の実施の形態の電気車制御装置におけるモータ電圧と電流の関係図である。
【００１３】
本実施の形態の電気車制御装置は、直流電力を交流電力に変換可能なインバータ１０１と、永久磁石モータ（ＰＭモータ）１０２と、インバータ１０１と永久磁石モータ１０２間に接続され電流を遮断することが出来るモータ開放接触器１０３と、インバータ１０１とモータ開放接触器１０３間に接続され電圧を検出する電圧センサ１０４と、インバータ１０１とモータ開放接触器１０３間に接続され電流を検出する電流センサ１０５と、運転台からの再運転指令Ｒｓｔの入力によりモータ開放接触器１０３の投入やインバータ１０１のゲートオン及びオフを制御する再運転シーケンス制御部１１と、インバータ起動時の永久磁石モータの回転子位置推定方法を切り替えを判定する切替判定部２１と、モータ電流に基づいてモータ回転子位相とモータ回転角周波数を演算する位相周波数推定部２２と、モータ回転角周波数とモータ回転子位相に基づき、３相電圧指令を演算する相電圧演算部２３と、モータ端子電圧に基づき三相電圧指令を演算する相電圧演算部２４と、相電圧演算部１及び相電圧演算部２からの電圧指令及び切替判定部２１からの切替フラグに基づいて、インバータ１０１への電圧指令を出力する相電圧切替部２５と、インバータゲートスタート信号とモータ電流に基づき電圧センサ１０４の短絡故障を検地する電圧センサ短絡故障検知部２６とで構成される。
【００１４】
このように構成された電気車制御装置において、インバータ１０１を再運転させる場合、
モータ開放接触器１０３の投入に伴いモータ電流が流れない場合には、電圧センサ１０４により検知されたモータ端子電圧に基づき三相電圧指令を演算する相電圧演算部２４にてインバータの出力電圧指令を出力し、モータ開放接触器１０３の投入に伴いモータ電流が流れる場合には、モータ電流に基づいてモータ回転子位相とモータ回転角周波数を位相周波数推定部２２で演算し、相電圧演算部２３にてインバータ１０１への電圧指令を出力する。
【００１５】
再運転シーケンス制御部１１では、運転台からの再運転指令Ｒｓｔを入力として、次の順序で、モータ開放接触器スイッチ投入指令ＳＷｏｎと、インバータ運転指令Ｇｓｔとを出力する。
【００１６】
Ｒｓｔが０→１に変化した瞬間を時刻ｔ＝０とおく。ｔ＝０で、モータ開放接触器ＳＷｏｎ＝１（０がスイッチオフ、１がスイッチオン）（ｔ１は正の実数、インバータが確実に動作開始するのに必要な時間以上の値）を出力する。ｔ＝ｔ１で、インバータ運転指令Ｇｓｔ＝１（０がインバータ停止指令、１がインバータ運転指令）を出力する。
【００１７】
切替判定部２１は、モータＵ相電流検出値ＩＵおよびモータＷ相電流検出値ＩＷを入力として、電流ベクトル振幅Ｉ１が一定値Ｉ１ＯＶ以上のときは、切替フラグＦｌｇ／Ｌ=１、電流ベクトル振幅Ｉ１が一定値Ｉ１ＯＶ以下のときは、切替フラグＦｌｇ／Ｌ=０を出力する。
【００１８】
位相周波数推定部２２は、モータＵ相電流検出値ＩＵおよびモータＷ相電流検出値ＩＷを入力として、数１にて３相→２相変換（ａｂ軸変換）し、ＩａとＩｂを演算する（Ｉａ及びＩｂについては図３参照）。２相変換により得られたＩａとＩｂに基づき、図４に示すような電流ベクトル回転位相角θＩを数２により求める。モータ電圧位相θを、あらかじめ記録していた電流電圧位相角Δθを用いて数３により求めて相電圧演算部２３に出力する。さらに、θの時間微分をモータ回転角周波数ωとして相電圧演算部２３に出力する。
【数１】
2007318968.tif 000003
【数２】
2007318968.tif 000004
【数３】
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【００１９】
相電圧演算部（１）２３は、位相周波数推定部２２により演算されたモータ回転角周波数ωとモータ回転子位相θを入力として数４により３相電圧指令Ｖｕ１、Ｖｖ１、Ｖｗ１を求めて相電圧切替部２５へ出力する。
【数４】
2007318968.tif 000006
【００２０】
相電圧演算部（２）２４は、電圧センサにより検出されたモータ端子電圧ＶｕｖとＶｖｗとを入力として数５により３相電圧指令Ｖｕ２，Ｖｖ２，Ｖｗ２を求めて出力する。
【数５】
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【００２１】
相電圧切替部２５は、相電圧演算部（１）２３から出力される３相電圧指令Ｖｕ１、Ｖｖ１、Ｖｗ１と、相電圧演算部（２）２４から出力される３相電圧指令Ｖｕ２、Ｖｖ２、Ｖｗ２と、切替判定部２１から出力される切替フラグＦｌｇ／Ｌを入力として、新たな３相電圧指令ＶＵ,ＶＶ、ＶＷを出力する。切替判定部２１からＦｌｇ／Ｌ＝０が入力された場合は、ＶＵ＝ＶＵ２、ＶＶ＝ＶＶ２、ＶＷ＝ＶＷ２としてインバータ１０１へ電圧指令を出力し、切替判定部２１からＦｌｇ／Ｌ=１が入力された場合、ＶＵ＝ＶＵ１、ＶＶ＝ＶＶ１、ＶＷ＝ＶＷ１としてインバータ１０１へ電圧指令を出力する。
【００２２】
電圧センサ短絡故障検知部２６は、インバータゲートスタート信号Ｇｓｔと、モータＵ相電流検出値ＩｕおよびモータＷ相電流検出値Ｉｗを入力として、次のアルゴリズムで電圧センサ短絡故障を検知して故障フラグPTDを出力する。インバータゲートスタート信号ＧＳＴ＝０において、電流ベクトル振幅Ｉ１＜Ilimit条件が一定時間以上継続した場合、電圧センサ短絡故障フラグＰＴＤを再起動シーケンス制御部１１へ出力する。
【００２３】
再起動シーケンス制御部１１においては、前記電圧センサ短絡故障フラグＰＴＤが入力され、ＰＴＤ＝１の場合（電圧センサ短絡故障検知時）は、モータ開放接触器をオフするＳｗｏｎ＝０とする。
【００２４】
このように構成された電気車制御装置は、電圧センサ１０４が短絡故障した場合、短絡電流が継続して流れ続けることなく、安定に切り離すことが可能になる。また、図５に示すようにモータ開放接触器１０３を投入しても電流が流れない領域（電流値が略ゼロ）では電圧値により永久磁石式モータの回転子位置を推定し、図５に示すモータ開放接触器１０３を投入すると電流が流れる領域では、電流値に基づき永久磁石式モータの回転子位置を推定することが出来るので、どの領域においても安定した制御を行うことが出来る。
【００２５】
このように構成された電気車制御装置を用いると、モータ端子電圧センサをモータ開放接触器よりもモータ側に取り付けることなく、スムーズな再起動を行うことが可能になり、ひいては、モータ端子電圧センサが短絡故障を起こした場合にも、短絡電流が継続的に流れ続ける問題を解決することが可能になる。
【００２６】
尚、本実施の形態の電気車制御装置では、モータ開放接触器１０３を投入した際に電流が流れない領域では、モータ端子電圧センサ１０４を用いてインバータを再起動するものとして説明したが、電圧センサを用いずモータの巻線電流に基きインバータを再起動する方法でも良い。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に基づく第１の実施の形態の電気車制御装置の構成図である。
【図２】本発明に基づく第１の実施の形態の電気車制御装置の再運転シーケンス制御部のタイムチャートである。
【図３】本発明に基づく第１の実施の形態の電気車制御装置における電流波形である。
【図４】図３の電流波形結果をベクトル表示した波形である。
【図５】本発明に基づく第１の実施の形態の電気車制御装置における切替判定の説明図である。
【符号の説明】
【００２８】
１０１・・・インバータ
１０２・・・ＰＭモータ
１０３・・・モータ開放接触器
【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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