JP2018093724A - 車両用制御装置及び鉄道車両 - Google Patents

Abstract

【課題】低速度域における異常の発生を速やかに検知することができる車両用制御装置及びこれを備えた鉄道車両を提供すること。
【解決手段】車両用制御装置４は、直流電力を３相の交流電力に変換し、車両を駆動するモータ８に供給するインバータ６を備える。検出器７ａ、７ｂは、インバータ６とモータ８との間の電流値を検出する。制御部９は、検出器７ａ、７ｂが検出した電流値、速度指令信号、及びモータ８のロータ周波数に基づき、インバータ６をＰＷＭ制御する。制御部９は、ロータ周波数が所定値以下で、ＰＷＭ変調率が所定値以上である場合に、異常が発生したと判定する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、車両用制御装置及び鉄道車両に関する。

鉄道車両には、車両を駆動するモータと、架線から電力を受け取り、必要な電圧・電流に変換してモータに供給する車両用制御装置とが設けられている。車両用制御装置における電圧・電流の変換は主にインバータ装置により行われる。例えば、インバータ装置から出力される３相交流がモータに供給される。

インバータ装置を駆動するための指令線の断線や、インバータ装置の出力である３相交流の欠相等の異常が発生した場合、モータを正常に駆動させることができない。そのため、欠相等の異常を速やかに、特に車両の低速度域において、検知することが求められている。

特許第２９８０６９８号公報

本発明が解決しようとする課題は、低速度域における異常の発生を速やかに検知することができる車両用制御装置及びこれを備えた鉄道車両を提供することである。

実施形態の車両用制御装置は、直流電力を３相の交流電力に変換し、車両を駆動するモータに供給するインバータを備える。検出器は、インバータとモータとの間の電流値を検出する。制御部は、検出器が検出した電流値、速度指令信号、及びモータのロータ周波数に基づき、インバータをＰＷＭ制御する。制御部は、車両の速度が低速度域であるか否かを判定する速度判定部と、速度判定部が、車両の速度が低速度域であると判定したとき、ＰＷＭ変調率が所定値より大きいか否かを判定する変調率判定部とを有し、車両の速度が低速度域であり、かつ、ＰＷＭ変調率が所定値より大きいとき、異常が発生したと判定する。

本実施形態に係る車両用制御装置の概略構成図である。 ロータ周波数ｆとモータ電圧Ｖとの関係を示すグラフである。 ロータ周波数ｆと変調率との関係を示すグラフである。 異常発生時のロータ周波数ｆと変調率との関係を示すグラフである。 本実施形態に係る異常検知方法を説明するフローチャートである。 変形例による車両用制御装置の概略構成図である。 変形例による車両用制御装置の概略構成図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本実施形態に係る車両用制御装置の概略構成を示している。車両用制御装置４は、コンバータ５、インバータ６、及びコントローラ（制御部）９を備えている。コントローラ９は車両用制御装置４の外部に設けることも可能である。図１に示すように、交流架線１０からパンタグラフ１を介して集電された交流電力が、断流器（ＶＣＢ：Vacuum Circuit Breaker）２、メイントランス３を通してコンバータ５に取り込まれる。

コンバータ５は、取り込んだ交流電力を、直流電力に変換して出力する。コンバータ５は、例えばＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）コンバータであり、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等の半導体スイッチング素子や、半導体スイッチング素子に並列に接続されたダイオード又はクランプダイオード等を内蔵している。半導体スイッチング素子のオン／オフはコントローラ９により制御される。

インバータ６は、コンバータ５から出力された直流電力を交流電力に変換し、位相が相互に１２０°ずれたＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相交流を生成する。インバータ６は、ＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子や、半導体スイッチング素子に並列に接続されたダイオード又はクランプダイオード等を内蔵するＶＶＶＦ（Variable Voltage Variable Frequency）インバータである。インバータ６の半導体スイッチング素子は、コントローラ９から出力されたゲート信号によりオン／オフ動作する。すなわち、コントローラ９は、コンバータ５から出力された直流電力に対して、ＰＷＭ方式による変調が行われるようインバータ６の半導体スイッチング素子を制御する。

インバータ６は、生成した３相交流をモータ（３相誘導電動機）８に供給し、鉄道車両を駆動制御する。モータ８は、そのロータ（図示せず）が歯車などを介して駆動用車輪の車軸と接続されるか、またはロータが駆動用車輪の車軸と直接接続されて、鉄道車両を駆動する。また、ロータの角度（位置）を検出するロータリーエンコーダ等の角度検出手段（図示せず）が設けられており、コントローラ９は、角度検出手段から検出結果を取得する。コントローラ９は、角度検出手段の検出結果に基づいてロータ周波数（モータ速度）を算出することができる。

図１に示すように、インバータ６から出力される３相電流のうちの２相の相電流値を検出する電流検出器７ａ、７ｂが設けられている。コントローラ９は、電流検出器７ａ、７ｂが検出した電流値を取得する。３相交流では、２相の電流値を加算して符号を逆にしたものが、残りの１相の電流値となる。そのため、電流検出器７ａ、７ｂが検出した電流値から、電流検出器７ａ、７ｂの設けられていない相の相電流を求めることができる。

コントローラ９は、速度指令信号と現在のモータ速度とを比較して加速／減速の指令を生成する速度制御部９１、速度制御部９１からの指令と電流検出器７ａ、７ｂで検出された電流値から求めた現在のモータ電流とを用いて電流指令値を生成する電流制御部９２、及び電流指令値に対応するモータ電流が流れるようにＰＷＭ信号を生成してインバータ６へ送信するＰＷＭ信号生成部９３を有する。インバータ６の半導体スイッチング素子はＰＷＭ信号に基づいてオン・オフ動作する。また、ＰＷＭ信号生成部９３は、コンバータ５の半導体スイッチング素子をオン・オフ動作させるＰＷＭ信号を生成して、コンバータ５へ送信する。

また、図１に示すように、コントローラ９は、車両速度が所定値以下の低速度域にあるか否かを判定する速度判定部９４、及びインバータ６のＰＷＭ変調率（ＰＷＭのパルス幅の割合）が所定値より大きいか否か判定する変調率判定部９５、及び電流判定部９６を有する。例えば、速度判定部９４は、ロータ周波数が所定値未満の場合、車両速度が低速度域にあり、所定値以上の場合、車両速度は低速度域にないと判定する。ＰＷＭ変調率（以下、単に「変調率」とも称する）については後述する。

図２は、通常時（異常が発生していない時）のロータ周波数ｆとモータ電圧Ｖとの関係を示すグラフである。図２に示すように、ＶＶＶＦインバータのベクトル制御では、所定の周波数（図中、周波数ｆ１）以下の範囲では、ロータ周波数ｆとモータ電圧Ｖとは比例関係にある。そして、ロータ周波数ｆが周波数ｆ１以上となると、モータ電圧Ｖが電圧Ｖ１で一定となるように制御される。

図３は、通常時のロータ周波数ｆと変調率との関係を示すグラフである。変調率は例えば以下の式で算出することができる。
変調率（％）＝現在のモータ電圧／モータ最大電圧
ここでモータ最大電圧は、図２の電圧Ｖ１に相当する。また、現在のモータ電圧は、電流指令値に基づいて算出することができる。

図２、図３に示すように、モータ電圧Ｖが一定となるとき、変調率は１００％となる。また、図３に示すように、ロータ周波数が低い場合、すなわち車両速度が低い場合、変調率とロータ周波数ｆとは比例関係にある。

ここで、車両用制御装置１４に何らかの異常が発生した場合、ロータ周波数ｆと変調率との関係は、図４に示すグラフ４１のようになる。比較のため、通常時のロータ周波数ｆと変調率との関係を破線４２で示している。異常が発生し、電流指令値に対応する実電流が流れなくなると、変調率（モータ電圧）を上げて所望の電流が流れるような制御が行われる。そのため、異常発生時は、通常時と比較して、低速度域（ロータ周波数ｆが低い領域）において、電流指令値が大きくなる。つまり、現在のモータ電圧が高くなるため、変調率が高くなる。

そのため、本実施形態では、このような特性を利用して、低速度域において変調率が所定の閾値を超えた場合、コントローラ９が車両用制御装置４に異常が発生したと判断し、異常発生を報知する。例えば、車両の（通常走行時の）最高速度の３０％以下を低速度域とみなし、ロータ周波数ｆが０．３×ｆ１に達していない状態で、変調率が３０％を超えた場合、コントローラ９は異常が発生したと判断する。

このように、変調率を利用することで、低速度域において、異常の発生を速やかに検知することができる。

さらに、コントローラ９は、異常が発生したと判断した後、電流検出器７ａ及び７ｂが検出した電流値を用いて、発生した異常が欠相であるか否かを判定することができる。電流検出器７ａが検出した電流値、電流検出器７ｂが検出した電流値、または電流検出器７ａ及び７ｂが検出した電流値の和が所定の閾値未満である場合、コントローラ９は、発生した異常が欠相であると判断する。

このような異常及び欠相の検知方法を、図５に示すフローチャートを用いて説明する。

（ステップＳ１０１）速度判定部９４により、車両速度が所定値未満であるか否かが判定される。車両速度が所定値未満である場合は、速度判定部９４は変調率判定部９５へ判定要求信号を送る（つまり、ステップＳ１０２へ進む）。車両速度が所定値以上である場合は処理が終了する。本実施形態では、低速度域における異常（欠相）の発生を検知するためである。ここで、車両速度はロータ周波数ｆ（モータ速度）に置き換えてもよい。

（ステップＳ１０２）速度判定部９４からの判定要求信号が入力された変調率判定部９５は、ＰＷＭ変調率が所定値より大きいか否かを判定する。ＰＷＭ変調率が所定値より大きい場合は、異常が発生したと判定し、変調率判定部９５から電流判定部９６へ電流判定要求信号が出力される（つまり、ステップＳ１０３へ進む）。ＰＷＭ変調率が所定値以下の場合は処理が終了する。なお、異常が発生したとの判定は、ＰＷＭ変調率が所定値より大きい状態が一定時間継続することを条件としてもよい。

（ステップＳ１０３）電流指令値に対応した実電流が流れなくなっているため、装置に何らかの異常が発生したと判定する。

（ステップＳ１０４）変調率判定部９５からの電流判要求頼信号が入力された電流判定部９６は、電流検出器７ａ、７ｂが検出した電流値を取得する。電流検出器７ａの検出した電流値、電流検出器７ｂが検出した電流値、または電流検出器７ａ及び７ｂが検出した電流値の和が、電流判定部９６に予め設定されている所定値未満の場合は、発生した異常は欠相であると判定する（つまり、ステップＳ１０５へ進む）。

（ステップＳ１０５）コントローラ９の電流判定部９６は、発生した異常は欠相であると判定する。例えば、電流検出器７ａの検出値が所定値未満である場合、電流検出器７ａが設けられた配線に断線が生じたと判定される。また、電流検出器７ｂの検出値が所定値未満である場合、電流検出器７ｂが設けられた配線に断線が生じたと判定される。また、電流検出器７ａ及び７ｂの検出値の和が所定値未満である場合、電流検出器７ａ、７ｂが設けられていない配線に断線が生じたと判定される。このとき、必要に応じて外部へ異常発生の信号を出力し、外部表示器で表示を行うことも可能である。

このように、変調率と、電流検出器７ａ、７ｂの検出結果を用いることで、車両の低速度域において、欠相の発生を的確に検知することができる。

なお、ステップＳ１０４において、電流検出器７ａの検出値、電流検出器７ｂの検出値、電流検出器７ａ及び７ｂの検出値の和が所定値以上の場合は、欠相以外の異常（故障）が発生したと判定される。

図６に示すように、２つのモータ８ａ、８ｂを設けた構成にしてもよい。３相交流が流れる配線は分岐点１６により第１配線と第２配線とに分岐し、第１配線がモータ８ａに接続され、第２配線がモータ８ｂに接続される。図６に示す構成では、電流検出器７ａ、７ｂが、インバータ６と分岐点１６との間に設けられているが、この構成は、分岐点１６とモータ８ａ、８ｂとの間で欠相が生じた場合、異常が発生したことは検知できるが、どの相で欠相が生じたかを検知することができない。

そのため、図７に示すように、２つのモータ８ａ、８ｂを設ける場合は、分岐点１６とモータ８ａ、８ｂとの間に、それぞれ電流検出器７ａ、７ｂを設けることが好ましい。各モータ８ａ、８ｂに対応して電流検出器７ａ、７ｂを設けることで、どの相で欠相が生じたかを検知することができる。

上記実施形態では、インバータ６とモータ８との間に流れる３相電流のうちの２相の相電流を検出する電流検出器７ａ、７ｂを設ける例について説明したが、３つの電流検出器を設け、各相の相電流を検出するようにしてもよい。

上記実施形態では架線１０が交流架線（交流電源）の場合を例として説明したが、架線１０を直流架線（直流電源）としてもよく、その場合、メイントランス３やコンバータ５を省略し、リアクトル及びコンデンサからなるＬＣフィルタを設ければよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

Claims (7)

1. 直流電力を３相の交流電力に変換し、車両を駆動するモータに供給するインバータと、
   前記インバータと前記モータとの間の電流値を検出する検出器と、
   前記検出器が検出した電流値、速度指令信号、及び前記モータのロータ周波数に基づき、前記インバータをＰＷＭ制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   前記車両の速度が低速度域であるか否かを判定する速度判定部と、
   前記速度判定部が、前記車両の速度が低速度域であると判定したとき、ＰＷＭ変調率が所定値より大きいか否かを判定する変調率判定部とを有し、
   前記車両の速度が低速度域であり、かつ、ＰＷＭ変調率が所定値より大きいとき、異常が発生したと判定することを特徴とする車両用制御装置。
2. 前記制御部は、異常が発生したと判定した際に、前記検出器が検出した電流値が所定値未満である場合、欠相による異常であると判定することを特徴とする請求項１に記載の車両用制御装置。
3. 前記インバータは、前記３相の交流電力を、車両を駆動する第１モータ及び第２モータに供給することを特徴とする請求項１に記載の車両用制御装置。
4. 前記インバータと前記第１モータ及び第２モータとを接続する配線は、分岐点において第１配線及び第２配線に分岐し、前記第１配線は前記第１モータに接続され、前記第２配線は前記第２モータに接続され、
   前記検出器は、前記第１配線に設けられた第１の検出器と前記第２配線に設けられた第２の検出器とで構成されることを特徴とする請求項３に記載の車両用制御装置。
5. 前記第１の検出器が検出した電流値、前記第２の検出器が検出した電流値、または、前記第１の検出器および第２の検出器が検出した２つの電流値の和が所定の閾値未満である場合、前記制御部は、前記欠相による異常であると判定することを特徴とする請求項４に記載の車両用制御装置。
6. 請求項１に記載の車両用制御装置と、
   前記インバータから前記３相の交流電力が供給されるモータと、
   を備える鉄道車両。
7. 請求項３に記載の車両用制御装置と、
   前記インバータから前記３相の交流電力が供給される第１のモータおよび第２のモータと、
   を備える鉄道車両。

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