(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
インバータの電源とインバータアーム間に一方向導通手段と開閉手段との並列接続回路を直列に挿入し、インバータを介して永久磁石形同期電動機を駆動する駆動装置であって、
インバータの停止中には前記開閉手段を開放し、
インバータの運転開始時には前記開閉手段を開放したままで、前記電動機の端子電圧が所定の値になるように励磁電流を制御し、前記電動機の端子電圧が所定値に達したとき前記開閉手段を閉とした状態で前記電動機のトルク電流を制御して電動機を加減速運転し、
運転中のインバータを停止させるときは、前記電動機の端子電圧が所定値になるように励磁電流を制御したままでトルク電流をゼロに減少させた後、前記開閉手段を開放し、しかる後励磁電流を減少させてインバータの運転を停止させることを特徴とする電気車用永久磁石電動機の駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、鉄道車両や電気自動車などのように永久磁石電動機を備え、惰行運転を行なうことがある場合に用いて好適な永久磁石電動機駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、二酸化炭素による地球温暖化や大気汚染等の環境問題に対する取り組みとして、電気自動車の実用化が進められている。また、鉄道車両においても省エネルギーや保守軽減等の観点から、ＶＶＶＦインバータを利用した交流電動機駆動システムが主流となりつつある。
図３に交流電動機(誘導電動機)駆動システムの従来例を示す。
同図において、１は電源(架線)、２はパンタグラフ、３は遮断器、４はフィルタリアクトル、９は交流電動機、１０は例えばＩＧＢＴ(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)等の電力変換素子１１〜１６およびフリーホイーリングダイオード２１〜２６などからなるインバータ、３０はフィルタコンデンサ、３１〜３３はスナバコンデンサである。
【０００３】
すなわち、架線１またはバッテリ等から供給される直流電力を、半導体電力変換素子１１〜１６およびダイオード２１〜２６からなるインバータ１０で可変電圧可変周波数(ＶＶＶＦ)の交流電力に変換し、交流電動機９を可変速駆動する。交流電動機９としては通常誘導電動機を使用し、いわゆるベクトル制御にもとづいて、その励磁電流成分やトルク電流成分を調整することで、電動機の発生トルクや端子電圧を制御する。
【０００４】
これらの駆動システムに適用される電動機は、低速で大トルクを発生する必要があるが、同時に小形軽量であることが必須であることから、電動機を高速回転形とし、減速ギアを用いて低速におけるトルク不足を補うようにしている。
近年、希土類磁石の高性能化により、低速トルクの発生が容易でエネルギー効率にも優れた、永久磁石形同期電動機(以下、ＰＭモータとも略記する)を用いた自動車，電車の駆動システムの研究開発が盛んになっている。
【０００５】
ＰＭモータの場合、永久磁石による磁束が一定であるため、電動機単体の特性としては、磁束密度と電動機の回転速度との積に比例した誘起電圧を発生する。これを無負荷誘起電圧といい、図４に点線で示すような特性を持つ。これに対して、インバータは入力の直流電圧以上の電圧を発生することはできないことから、無負荷誘起電圧がインバータの最大出力電圧を越える領域では、永久磁石による磁束を打ち消すような磁束を電機子巻線で発生させる、いわゆる界磁弱め制御を行なって、高速までの運転を行なっている(図４の実線参照)。
【０００６】
自動車や電車では、駆動システムによる加速，減速を行なわずに惰性で走行(惰行)することがその運転モードの大きな特徴である。このような場合、ＰＭモータを使用する駆動システムでは前述のような無負荷誘起電圧が発生し、この無負荷誘起電圧がインバータの直流電圧(コンデンサ３０の両端電圧に相当)よりも大きな領域では、ＰＭモータの誘起電圧が半導体電力変換素子１１〜１６に逆並列接続されたダイオード２１〜２６を介して全波整流され、直流中間電圧(コンデンサ３０の両端電圧)を上昇させたり、電源側１に電力回生されて、駆動システム全体としてはブレーキ動作を行なうことになる。
【０００７】
このため、ＰＭモータを使用した自動車，電車駆動システムでは加速／減速／惰行にかかわらず、ＰＭモータの端子電圧を一定のレベルになるように、常時、弱め界磁制御のための励磁電流を流したり、あるいは、図５のシステム構成に示すように、インバータ１０の出力とＰＭモータ５の端子間に断路器６を設け、インバータ停止(惰行)時にＰＭモータ５の無負荷誘起電圧がインバータ１０の出力端子に直接印加されないようにしている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
電車や自動車が惰行中に、界磁弱め制御のための励磁電流を流すべくインバータ運転することは、ＰＭモータの巻線に電流が流れることによって生じる銅損やインバータの変換損失が発生するため、省エネルギーの観点から好ましくない。特に、エネルギー効率が最重要課題の電気自動車では、致命的な問題である。
また、惰行中に断路器６を開放する図５のような方式では、惰行中の電力損失や不要な制動力は発生しないが、惰行状態から再度加速したり減速したりするためにインバータ運転を再開する場合は、断路器６を閉じる必要がある。
【０００９】
しかしながら、ＰＭモータ５が高速回転中に断路器６を閉じることは、ＰＭモータ５の過大な無負荷誘起電圧がインバータ１０を構成する素子１１〜１６および２１〜２６に一気に印加されることになり、急激な電圧上昇による半導体電力変換素子の破壊や、無負荷誘起電圧の急激な電源回生による走行速度のショックで乗り心地に悪影響を与えるおそれがあった。このため、一旦、断路器６を開放してしまうと、電車または自動車が減速してＰＭモータ５の過大な無負荷誘起電圧がインバータ１０の出力電圧以下に低下するまで、断路器６の閉成(導通)とインバータ運転の再開を待たねばならず、実用にならないという問題が生じる。さらには、図３のような従来の誘導電動機駆動システムでは断路器は不要であるのに対し、図５では部品点数の増加によるコスト，質量，サイズの増加や、有接点部品であることから保守，信頼性の点からも問題があった。
したがって、この発明の課題は部品点数を増加させることなく、電動機の無負荷誘起電圧による過電圧対策やインバータの再起動を容易とすることにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するため、この発明では、インバータの電源とインバータアーム間に一方向導通手段と開閉手段との並列接続回路を直列に挿入し、インバータを介して永久磁石形同期電動機を駆動する駆動装置であって、
インバータの停止中には前記開閉手段を開放し、
インバータの運転開始時には前記開閉手段を開放したままで、前記電動機の端子電圧が所定の値になるように励磁電流を制御し、前記電動機の端子電圧が所定値に達したとき前記開閉手段を閉とした状態で前記電動機のトルク電流を制御して電動機を加減速運転し、
運転中のインバータを停止させるときは、前記電動機の端子電圧が所定値になるように励磁電流を制御したままでトルク電流をゼロに減少させた後、前記開閉手段を開放し、しかる後励磁電流を減少させてインバータの運転を停止させることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の実施の形態を示す構成図である。
同図からも明らかなように、図３に示すものに対し主コンデンサ３０とインバータ１０との間に直列に、スイッチのような開閉手段７とダイオードのような電力の一方向の導通手段８との並列回路を挿入した点が特徴である。導通手段８は駆動システムが加速運転を行なうとき、電源１側からインバータ１０に電力を供給する方向に導通する。
また、４０は制御装置で、所定のアルゴリズム（例えば、交流電動機のベクトル制御のための）に従い、インバータ１０および開閉手段７のオン，オフ制御を行なう。なお、制御に必要な電圧，電流を含む諸量の検出、ＩＧＢＴへのゲート信号の供給等については記述を省略した。
【００１２】
そして、インバータ運転の停止中には、制御装置４０により開閉手段７を開放することで、インバータアームの各相ごとのコンデンサ３１〜３３は、フリーホイーリングダイオード２１〜２６を介して、そのときＰＭモータ５が発生する無負荷誘起電圧までいわゆるピーク充電されるが、この電圧はＰＭモータの諸特性と回転速度から決まる有限の電圧であり、ダイオード２１〜２６によって全波整流された比較的安定した電圧であることから、半導体素子１１〜１６とコンデンサ３１〜３３の電圧定格を適切に選ぶことで、十分に対処できる。
【００１３】
また、無負荷誘起電圧は電力の一方向の導通手段８によって電源１側と遮断されるため、惰行運転中の無負荷誘起電圧が電源側に回生されることによって生じる無用なブレーキ力の発生とそれに伴うエネルギーの損失を防ぐことができる。さらに、電力の一方向の導通手段８から電源側の電圧が通常の電源電圧以上に上昇することがないので、大容量が要求されるフィルタコンデンサ３０は通常の電圧定格のものが適用可能であり、過電圧で駆動システム外の電機品へ影響を及ぼすおそれもない。また、インバータの各アームに付随したスナバコンデンサ３１，３２および３３の電圧はいわゆるピーク充電によって上昇するため、定格電圧を高くとる必要があるが、フィルタコンデンサに比べて低容量でよいことから選定は比較的容易である。
【００１４】
ＰＭモータ５の回転中にインバータ運転を再開する場合、制御装置４０により開閉手段７を開放したままでインバータ運転を再開し、有効電力（トルク電流）成分はゼロのまま、無効電力（励磁電流）成分のみを制御してＰＭモータの端子電圧が所定の値になるようにする。その結果、ＰＭモータ５の磁束は弱められて誘起電圧は低下するとともに、コンデンサ３１〜３３に充電された電荷は、この間のインバータ動作のスイッチング損失やＰＭモータ５の巻線の銅損で消費されて低下する。このときの損失が電源電圧に対するコンデンサ３１〜３３の充電電圧の過剰分を上回っている場合は、電力は一方向の導通手段８を介して電源側１から供給される。しかる後、開閉手段７を閉じることで、駆動（力行）／回生（制動）運転にかかわらず、通常の運転動作を始めることができる。
回生（制動）運転の場合、負荷電流がインバータ１０を介してＰＭモータ５から電源１側へ回生されることになるが、開閉手段７の開放中は上述のように、トルク電流成分をゼロに制御することで、開閉手段７を閉じたままでも回生動作による電圧上昇は起こらない。
【００１５】
以上の動作を状態遷移図で示すと図２のようになる。なお、図１の架線電圧は常に印加、開閉器３は常に閉としている。また、ＶPMおよびＶINVはそれぞれＰＭモータの誘起電圧およびインバータの出力電圧を示している。
▲１▼モード１：初期状態
▲２▼モード２：制御装置４０は開閉手段７を開放状態にする。その結果、ＰＭモータ５の運転状態，その無負荷誘起電圧の有無にかかわらず、コンデンサ３０の電圧は架線電圧１と一致している。
▲３▼モード３：制御装置４０はインバータ運転に先立ち、開閉手段７を開放のままでインバータ１０を運転して、ＰＭモータ５の端子電圧が所定のレベルになるよう励磁電流を制御する。このとき、ＰＭモータ５の誘起電圧がインバータ１０の出力電圧以下であれば、励磁電流の通流に伴う電力損失は、電力の一方向の導通手段８を介して電源１側から供給される。また、ＰＭモータ５の誘起電圧がインバータ１０の出力電圧を超える場合、励磁電流の通流に伴う電力損失は、インバータ１０の各アームに備わるコンデンサ３１〜３３に充電されたエネルギー、または、電力の一方向の導通手段８を介して電源側から供給され、コンデンサ３１〜３３の電圧およびＰＭモータ５の誘起電圧は所定の電圧に制御されるようになる。
【００１６】
▲４▼モード４：制御装置４０はＰＭモータ５の誘起電圧が所定のレベルになったことを確認して、開閉手段７を閉じる（接続する）。
▲５▼モード５：制御装置４０はＰＭモータ５のトルク分電流の制御を開始して、所定の加速トルクまたは減速トルクが得られるようにする。
▲６▼モード６：加速または減速動作が終了したら、制御装置４０は、ＰＭモータ５の端子電圧が所定のレベルに保たれるようインバータ１０の励磁電流を制御しながら、トルク分電流を減少させる。
▲７▼モード７：制御装置４０はトルク分電流がゼロになったところで、開閉手段７を開放するとともに励磁電流を減少させ、励磁電流がゼロになったところで、インバータ１０の運転を終了する。
以上を表にすると表１となる。
【表１】
0004269197.tif 000002
【００１７】
【発明の効果】
この発明によれば、下記のような効果を期待することができる。
１）電動機の惰行運転中の無負荷誘起電圧によってピーク充電される部位が限定され、かつ、その電圧も安定していることから、適切な電圧定格の素子，部品を適用することで、電動機の無負荷誘起電圧による過電圧の対策が容易となる。
２）電動機の惰行運転中の無負荷誘起電圧が電源側に回生されることがないため、不必要なブレーキ力が発生しない。
３）惰行運転中に停止しているインバータを起動する場合でも、インバータ起動および電動機巻線の初期励磁に必要な電力を負荷側の高電圧を阻止した状態で供給できるため、容易に起動することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態を示す構成図である。
【図２】図１の動作を説明するための状態遷移図である。
【図３】第１の従来例を示す構成図である。
【図４】界磁弱め制御の説明図である。
【図５】第２の従来例を示す構成図である。
【符号の説明】
１…電源(架線)、２…パンタグラフ、３…遮断器、４…フィルタリアクトル、５…永久磁石電動機(ＰＭ)、６…断路器、７…開閉手段、８…一方向の導通手段、９…交流電動機、１０…インバータ、１１〜１６…半導体電力変換素子、２１〜２６…フリーホイーリングダイオード、３０…フィルタコンデンサ(主コンデンサ)、３１〜３３…スナバコンデンサ、４０…制御装置。
【図１】
0004269197.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
0004269197.tif 000006
【図５】
0004269197.tif 000007