(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流を交流に変換し、該交流を車両用主電動機である誘導電動機に供給するＶＶＶＦインバータと、前記電動機の回転周波数を検出する手段と、前記電動機に流れるトルク分電流を検出するトルク分電流検出手段と、トルク分電流指令と前記検出した回転周波数とを入力として求めたインバータ周波数指令に基づいて前記インバータを制御するゲート信号発生手段と、前記トルク分電流検出手段の出力信号の二乗値を得る掛算手段と、前記電動機の定格回転周波数に対する前記電動機から検出した回転周波数の０．４乗を加味した前記電動機の放熱時定数に見合う放熱テーブルを有する函数発生器と、該函数発生器からの放熱データと前記掛算手段の出力とを加算し、その積分値から前記電動機の温度上昇を得て、それより前記電動機を熱的に保護する手段を備えたことを特徴とする車両用主電動機の保護装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両用主電動機の保護装置に係り、特に、鉄道車両用の主電動機を熱的に保護する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の技術として、図２に示す特開平９−２９４３２９号公報に記載の保護装置が挙げられる。この公報によれば、誘導電動機に流れるトルク分電流から演算した温度上昇データと、誘導電動機の放熱時定数に見合う放熱テーブルを有する函数発生器からの放熱データを加算して、誘導電動機の温度上昇値を得る。
ＶＶＶＦインバータ制御の場合、モータ電流はその指令値に合うように制御されるから、（１）式の計算式でモータ電流の指令値を基準に計算しても温度上昇値はほぼ実際の値になる。
【数１】
0003840627.tif 000002
温度上昇限度値より若干低い第１の限度値及び若干高い温度上昇限度値そのものの第２の限度値と、計算によって算出された値とを比較し、第１の限度値を越えた場合、回生打ち切りとし、第２の限度値を越えた場合、インバータを停止させる。
以上のような内容から、前記公報に記載の保護装置は、次のように構成される。直流を交流に変換するＶＶＶＦインバータ２によって駆動する誘導電動機４と、この誘導電動機４に流れる電流を検出する電流検出器３と、この電流検出器３からの信号を入力するトルク分電流検出器７と、誘導電動機４の回転周波数ＦＭを検出する回転検出器５と、運転指令ａ及び他の制御信号指令ｂを入力するトルク演算器６と、トルク分電流検出器７の出力信号とトルク演算器の出力信号を入力する加算器８と、回転検出器５の出力信号と加算器８の出力信号をアンプ９を介して入力する周波数加算器１０と、この周波数加算器１０の出力するインバータ周波数指令信号ｆｉを入力してインバータ２の電圧変調率Ａを算出する関数発生器１１と、インバータ周波数指令信号ｆｉと電圧変調率Ａの両者を入力し、その出力信号をインバータ２とトルク分電流検出器７に与えるゲート信号発生器１２からなり、誘導電動機の制御を行う車両用主電動機において、トルク分電流検出器７の出力信号とパルス発生器２１の出力信号の両者を入力して電流の二乗の値を得る掛算器２２と、この掛算器２２の出力信号及び誘導電動機の放熱時定数に見合う放熱テーブルを有する函数発生器２７の出力信号の両者を加算する加算器２５と、その偏差を積分する積分器２６と、掛算器２２の出力信号と放熱用の函数発生器２７の出力信号をパルスにより所定間隔でスイッチ２３，２４を用いてオンオフするパルス発生器２１と、積分器２６の出力信号と予め設定された温度設定値ｃとを比較して警報出力２９を発生せしめるコンパレータ２８とを設け、また、コンパレータ２８においては、温度上昇の所定の限度値を高、低の２段階設け、低い限度値に達した時は回生モードをカットしてカ行モードのみの運転とすると共に、ブレーキ時は機械ブレーキとし、高い限度値に達した時はＶＶＶＦインバータの運転を停止させる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記した図２に示す保護装置では、誘導電動機の放熱データを発生する函数発生器２７には、誘導電動機の回転周波数の情報は入力されておらず、函数発生器２７が出力する放熱データは、誘導電動機の回転周波数と無関係なものとなっている。しかし、実際の誘導電動機の放熱時定数は回転周波数と共に変化し、例えば図３に示すように、回転周波数の０．４乗程度に反比例した特性を示すのが一般的である。このことから、放熱データを発生する函数発生器２７に回転周波数が考慮されていないと、誘導発電機の回転周波数が変化したときに、実際の誘導発電機の放熱時定数の変化が函数発生器の出力する放熱データに反映されず、精度の高い誘導発電機の温度上昇値の演算が望めない、という問題点がある。
また、従来、鉄道車両用の主電動機は、走行する路線、駅間距離、速度制限、車両重量などから走行シミュレーションを行ない、熱容量を決定していたが、編成中の他の機器の故障等が原因で、等価的に電流が増加するケースを想定するため、熱容量は広い範囲の温度の余裕をとることになり、主電動機全体が大きくなる、という欠点がある。
【０００４】
本発明の課題は、上述した点に鑑み、誘導発電機の回転周波数をとり入れて精度の高い誘導電動機の温度上昇の演算を行ない、温度上昇の限度値を越える前に回生モードを停止し、また、ＶＶＶＦインバータの運転を停止させ、誘導電動機の焼損を防止することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、直流を交流に変換し、該交流を車両用主電動機である誘導電動機に供給するＶＶＶＦインバータと、前記電動機の回転周波数を検出する手段と、前記電動機に流れるトルク分電流を検出するトルク分電流検出手段と、トルク分電流指令と前記検出した回転周波数とを入力として求めたインバータ周波数指令に基づいて前記インバータを制御するゲート信号発生手段と、前記トルク分電流検出手段の出力信号の二乗値を得る掛算手段と、前記電動機の定格回転周波数に対する前記電動機から検出した回転周波数の０．４乗を加味した前記電動機の放熱時定数に見合う放熱テーブルを有する函数発生器と、該函数発生器からの放熱データと前記掛算手段の出力とを加算し、その積分値から前記電動機の温度上昇を得て、それより前記電動機を熱的に保護する手段を備える。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態を示す全体構成のブロック図である。図１において、ＶＶＶＦインバータ制御は、直流主電源１を電源とし、インバータ２で誘導電動機４を制御する。
本実施形態は、誘導電動機４に流れる電流を検出する電流検出器３と、この電流検出器３からの信号を入力するトルク分電流検出器７と、誘導電動機４の回転周波数ＦＭを検出する回転検出器５と、運転指令ａ及び他の制御信号指令ｂを入力するトルク演算器６と、トルク分電流検出器７の出力信号とトルク演算器６の出力信号を入力する加算器８と、回転検出器５の出力信号と加算器８の出力信号をアンプ９を介して入力する周波数加算器１０と、この周波数加算器１０の出力するインバータ周波数指令信号ｆｉを入力してインバータ２の電圧変調率Ａを算出する関数発生器１１と、インバータ周波数指令信号ｆｉと電圧変調率Ａの両者を入力し、その出力信号をインバータ２とトルク分電流検出器７に与えるゲート信号発生器１２と、トルク分電流検出器７の出力信号とパルス発生器２１の出力信号の両者を入力して電流の二乗の値を得る掛算器２２と、回転検出器５の出力信号が入力され、誘導電動機４の回転周波数に見合う放熱テーブルを有し、積分器２６の出力を入力し、それに見合う放熱値を出力する放熱用の函数発生器２７と、掛算器２２の出力信号及び放熱用の函数発生器２７の出力信号との両者を加算してその偏差を積分する積分器２６と、掛算器２２の出力信号と放熱用の函数発生器２７の出力信号をパルスにより所定間隔でスイッチ２３，２４を用いてオンオフするパルス発生器２１と、積分器２６の出力信号と予め設定された温度設定値ｃとを比較して警報出力２９を発生せしめるコンパレータ２８とから構成される。
【０００７】
運転指令ａ及び他の制御信号ｂとから、トルク指令としてトルク分電流指令Ｉｐをトルク演算器６から出力する。トルク分電流指令Ｉｐとトルク分電流検出器７の出力であるトルク分電流Ｉｉを加算器８で加算し、その和をアンプ９で利得位相補償し、スベリ周波数ｆｓを出力する。一方、誘導電動機４の回転周波数ＦＭを回転検出器５で検出し、回転周波数ＦＭとスベリ周波数ｆｓを加算器１０で加算し、インバータ周波数指令ｆｉを出力する。そして、このインバータ周波数指令ｆｉを関数発生器１１とゲート信号発生器１２に与える。関数発生器１１は入力信号のインバータ周波数指令ｆｉに基づいてインバータ２の電圧変調率Ａをゲート信号発生器１２へ出力する。インバータ２は電力スイッチング素子によって構成した周知の２レベルのインバータであるが、本発明の要旨とするところではないので、その説明を省略する。
ゲート信号発生器１２は、入力信号のインバータ周波数指令ｆｉと電圧変調率Ａとから、直流主電源１の直流電源から誘導電動機４へ励磁用交流電力をインバータ２で発生すべくその構成素子である電力スイッチング素子を制御する。従って、インバータ２の交流出力位相はゲート信号発生器１２の管理下にある。また、ゲート信号発生器１２では３相２相変換手法による位相信号Ｓｉｎφｄ，−Ｃｏｓφｄを求めており、この位相信号をトルク分電流検出器７に出力する。
トルク分電流検出器７では、前記位相信号と電流検出器３で検出する交流電流の瞬時値とからトルク分電流−Ｉｉを出力する。トルク分電流−Ｉｉは電流検出器３で検出したＵ，Ｖ相電流の瞬時値Ｉｕ，Ｉｖ値から、３相・２相変換した電流Ｉｄ，Ｉｑを求め、この電流Ｉｄ，Ｉｑと、前記位相信号Ｓｉｎφｄと、３相２相変換時の等電力に換算する係数Ｋとから、
【数２】
0003840627.tif 000003
として求められる。この式を展開すると、
【数３】
0003840627.tif 000004
となり、Ｃｏｓ（φｕ−θ）は力率であり、Ｉｉは直流で出力される。上述により、ＶＶＶＦ制御により誘導電動機は速度制御される。
【０００８】
ところで、トルク分電流Ｉｉの演算を実施するサンプリング時間毎にパルス発生器２１よりパルスを発生し、スイッチ２３，２４をオンする。掛算器２２は、トルク分電流Ｉｉを掛算し、Ｉｉ2値を得る。この出力はスイッチ２３がオンする毎に加算器２５に加わる。加算器２５の出力は積分器２６に与えられ、この積分器２６の出力上昇の時定数は誘導電動機４の熱時定数に合わせる。函数発生器２７は、回転検出器５の出力信号が入力され、誘導電動機４の回転周波数に見合う放熱テーブルに基づいて積分器２６の出力に見合う放熱値を出力する。この放熱データをスイッチ２４を介して加算器２５に与える。
これにより、積分器２６には、トルク分電流Ｉｉによる上昇データと、函数発生器２７よりの放熱データとが加わり、誘導電動機４の温度上昇値と等価な信号が積分器２６より出力される。この出力をコンパレータ２８により温度設定値ｃと比較し、警報出力２９を出力する。この場合、コンパレータ２８においては、温度上昇の所定の限度値を高、低の２段階設け、低い限度値に達した時は回生モードをカットしてカ行モードのみの運転とすると共に、ブレーキ時は機械ブレーキとし、高い限度値に達した時はＶＶＶＦインバータ２の運転を停止させる。
なお、この警報出力２９は、トルク演算器６に与え、トルク分電流指令出力Ｉｐを引き下げても良いし、また、運転士に警報を出力しても良い。
【０００９】
ここで、本実施形態の特徴とする放熱テーブルを有する放熱用の函数発生器２７において、誘導電動機４の放熱時定数に誘導電動機４の回転周波数を考慮した計算式を（４）式に示す。ここでは、巻線の放熱時定数は回転周波数と共に変化し、例えば図３に示すように、回転周波数の０．４乗程度に反比例する特性を用いた。なお、ロータに流れる電流は、一般に、入力電圧に対して位相差（Φ）をもつが、入力電流に力率をかけたものに比例する。この入力電流に力率をかけたものをトルク分電流と称している。したがって、このトルク分電流をもとに温度を演算すると、ロータの温度上昇を想定することができる。
【数４】
0003840627.tif 000005
誘導電動機の回転と発熱の関係をみると、▲１▼誘導電動機の回転が高速になると、飽和温度が下がり（それ程高温にならない）、▲２▼温度変化が早くなる、という現象がある。
▲１▼については、飽和温度を決める要素「Ｔｆ×（Ｉ／ＩO）2」の項に、また、▲２▼については、熱時定数の要素「−Δｔ／Ｔ1」の項に、それぞれ誘導電動機の回転周波数情報すなわち「（Ｆ／ＦO）0・4」を加味することが必要になる。
（４）式は、このような観点から成立する計算式である。
【００１０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、電気車のモータを運転する際、モータの回転周波数をとり入れ、モータの温度上昇を高い精度でモニターできるので、モータの焼損等の事故を防止することができる。
また、精度の高いモータの温度上昇のモニターにより、事故となりそうな場合は、回生ブレーキをカットし、または、ＶＶＶＦインバータの運転を停止させ、未然に事故を防ぐことができる。
また、モータの温度上昇の演算をモータの回転周波数をとり入れて行なうので、精度の高いモータの温度上昇の演算が可能になり、広い範囲の温度の余裕をとる必要がなくなり、車両用主電動機全体を小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の車両用主電動機の保護装置の一実施形態を示す全体ブロック図
【図２】従来例を示す車両用主電動機の保護装置
【図３】誘導電動機の回転周波数と放熱時定数の関係を示したグラフ
【符号の説明】
１…直流主電源、２…ＶＶＶＦインバータ、３…電流検出器、４…誘導電動機、５…回転検出器、６…トルク演算器、７…トルク分電流検出器、８…加算器、９…増巾器、１０…周波数加算器、１１…関数発生器、１２…ゲート信号発生器、２１…パルス発生器、２２…掛算器、２３…スイッチ、２４…スイッチ、２５…加算器、２６…積分器、２７…函数発生器、２８…コンパレータ、２９…警報出力
【図１】
0003840627.tif 000006
【図２】
0003840627.tif 000007
【図３】
0003840627.tif 000008