JP2000308388A - 電気車用永久磁石電動機の駆動装置。 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電気車用永久磁石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にする。 【解決手段】 電源（架線）１とインバータ１０との間
にダイオード８のような一方向導通手段と開閉手段７と
の並列接続回路を直列に挿入し、惰行運転等のインバー
タ運転の停止期間中は開閉手段７を開放し、インバータ
運転により磁束弱め制御が確立したときに開閉手段７を
閉じる。

Description

【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、３１〜３
３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、Ｖ_PMおよびＶ_INV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。 モード１：初期状態 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。 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】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）。 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。 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。 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】

【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。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5H115 PA08 PC02 PC06 PG01 PG04 PI03 PU11 PU21 PV09 PV22 QE11 SE04 TO13 TR01 TU05 TZ09 5H560 AA08 BB04 BB07 BB12 EB01 JJ03 UA06 5H575 AA17 AA20 BB07 DD03 DD06 FF03 GG04 HA10 HB11 MM03

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【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。