本發(fā)明涉及鐵道車輛驅動控制裝置，特別涉及具備在從電力變換裝置對電動機提供3相交流電力的驅動系統(tǒng)中探測負載電動機的異常狀態(tài)的功能的鐵道車輛電力變換裝置。

背景技術：

作為探測驅動1臺負載電動機的逆變器裝置的輸出的缺相的方法，在專利文獻1中公開了通過檢測q軸電流指令與q軸電流輸出的偏差的絕對值、或d軸電流指令與d軸電流輸出的偏差的絕對值來進行保護動作的技術。

另外，在專利文獻2中公開了如下技術：在被矢量控制的1臺逆變器裝置中并聯(lián)連接多臺感應電動機來進行驅動的系統(tǒng)中，在超過預先設定的時間幅度下的轉矩變動幅度基準值時，探測1臺感應電動機的僅1相發(fā)生了斷線的狀態(tài)。

現(xiàn)有技術文獻

專利文獻

專利文獻1：jp特開2005-147672號公報

專利文獻2：jp特開2005-176571號公報

鐵道用電氣車輛被認為會因行駛中的振動而產生電動機布線的連接不良，該連接不良成為電動機的過熱、燒毀事故的起因。

在被矢量控制的1臺逆變器裝置中并聯(lián)連接多臺例如4臺感應電動機來進行驅動這樣的系統(tǒng)中，在4臺感應電動機當中3臺因連接不良而成為缺相狀況從而僅與1臺感應電動機之間的布線健全的情況下，由于等價地是與專利文獻1記載的對1臺感應電動機進行控制的驅動系統(tǒng)相同的電路結構，因此即使將專利文獻1記載的斷線檢測裝置應用到并聯(lián)連接4臺感應電動機來進行驅動那樣的系統(tǒng)中，也不能檢測這樣的連接不良狀況。

另外，在文獻2中，是計算從感應電動機輸出的轉矩并想要基于該輸出轉矩的變動來探測1臺感應電動機的斷線狀態(tài)的技術，但在利用使輸出轉矩與來自駕駛臺的轉矩指令值一致的反饋控制來使輸出轉矩的變動變小的情況下，不能精度良好地探測斷線狀態(tài)。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于，提供能精度良好地檢測逆變器裝置與感應電動機間的缺相或相序顛倒的誤布線等連接不良狀態(tài)的鐵道車輛用的電力變換裝置。

本發(fā)明中的電力變換裝置具備：電流矢量檢測部，其根據(jù)電力變換裝置與多個感應電動機之間的電流檢測值來生成轉矩電流檢測值和勵磁電流檢測值；轉差頻率運算部，其基于轉矩電流指令值和勵磁電流指令值來生成轉差頻率；速度估計部，其基于所述轉矩電流檢測值與所述轉矩電流指令值的偏差來生成所述感應電動機的估計速度；連接不良判斷裝置，其基于所述勵磁電流檢測值來探測所述多個感應電動機的連接不良；和電壓矢量運算部，其基于逆變器頻率、轉矩電流指令值和所述勵磁電流指令值來生成電壓指令值，其中，所述逆變器頻率按照使所述轉矩電流檢測值追隨所述轉矩電流指令值的方式基于所述轉差頻率和所述估計速度而生成。

發(fā)明效果

根據(jù)本發(fā)明，即使不設置對連接部的開放進行探測的傳感器也能根據(jù)勵磁電流檢測值來探測連接不良，能不增加裝置成本地探測連接不良。

附圖說明

圖1是表示本發(fā)明中的驅動控制裝置的1個實施方式的圖。

圖2是表示逆變器裝置與感應電動機(8d)之間的布線斷線的狀態(tài)的圖。

圖3是表示逆變器裝置與感應電動機(8d)之間的三相的布線順序成為反相的狀態(tài)的圖。

圖4是表示探測連接不良的判定條件的圖。

圖5是表示探測連接不良的其他判定條件的圖。

標號的說明

1電壓矢量運算部

2脈沖寬度調制方式控制輸出部

3轉差頻率運算部

4速度估計部

4a轉矩電流acr控制部

4b速度估計用初始收斂部

5電流矢量檢測部

6連接不良判定裝置

6a絕對值偏差運算部

6b連接不良判定部

7逆變器裝置

8感應電動機

8a感應電動機1

8b感應電動機2

8c感應電動機3

8d感應電動機4

9電流檢測器

9au相用電流檢測器

9bv相用電流檢測器

9cw相用電流檢測器

具體實施方式

圖1表示本發(fā)明的第1實施方式中的鐵道車輛用驅動控制裝置的控制框圖。如圖1所示那樣，對逆變器裝置7提供從架線經由受電弓得到的直流電力，在逆變器裝置7的交流側連接4臺感應電動機8a、8b、8c、8d。這4臺感應電動機8a、8b、8c、8d相互并聯(lián)連接，在1臺逆變器裝置7實施矢量控制。設置于逆變器裝置7的內部的開關元件基于從脈沖寬度調制方式控制部(pwm控制部)2輸出的柵極信號進行開關，由此對與逆變器裝置7并聯(lián)連接的4臺感應電動機8a、8b、8c、8d提供所期望的交流電力。

本實施方式中的驅動控制裝置具備：基于勵磁電流指令值idp和轉矩電流指令值iqp以及逆變器頻率finv來輸出電壓指令值和相位各指令的電壓矢量運算部1；基于所述電壓指令值、相位各指令、逆變器頻率finv和直流電壓檢測值來輸出逆變器裝置的開關指令的脈沖寬度調制方式控制部(pwm)2；基于勵磁電流指令值idp和轉矩電流指令值iqp來生成轉差頻率的轉差頻率運算部3；基于轉矩電流指令值iqp和轉矩電流檢測值iqf來生成估計速度的速度估計部4；對逆變器裝置的各輸出電流進行坐標變換來生成轉矩電流分量iqf和勵磁電流分量idf的電流矢量檢測部5；和基于勵磁電流指令值idp與勵磁電流分量idf的差分來檢測連接不良的連接不良檢測裝置6。

由相電流檢測器9a、9b、9c檢測從逆變器裝置7輸出的各相電流iu、iv、iw。檢測到的各相電流iu、iv、iw由電流矢量檢測部5進行坐標變換而變換成轉矩電流分量iqf和勵磁電流分量idf。該轉矩電流分量iqf與轉矩電流指令值iqp的差分被輸入到速度估計部4。速度估計部4對在前次的速度估計中生成的速度估計值進行補正來生成速度估計值fr，以使得所輸入的轉矩電流分量iqf與轉矩電流指令值iqp的差分成為零。速度估計部4在逆變器裝置的剛剛起動后的初始期間中對初始速度進行估計的情況下，由于不存在前次的速度估計值，因此對預先決定的初始速度估計值進行補正來生成速度估計值fr。

在此，在逆變器裝置的剛剛起動后的初始期間中對初始速度進行估計的情況下，施加微小的勵磁電流，使電動機內部產生磁通，來使與速度成正比的電動勢產生。由于在速度估計部所估計的速度估計值與實際的速度存在誤差的情況下流過轉矩電流iq，因此通過由速度估計部4調整速度估計值以使得轉矩電流iq成為零，從而在逆變器剛剛起動后的期間中，也能使速度估計值與實際的速度一致。

進而，將在速度估計部4中用上述方法計算出的估計速度和從轉差頻率運算部3輸出的轉差頻率fs在加法器中相加而生成逆變器頻率finv，該逆變器頻率finv被輸入到電壓矢量運算部1。在電壓矢量運算部1中，計算電壓矢量指令|v|，對脈沖寬度調制方式控制部輸出該指令。在脈沖寬度調制方式控制部中，生成基于所輸入的電壓矢量指令而進行了脈沖寬度調制的脈沖信號，以脈沖寬度調制方式來控制逆變器裝置。

在本實施方式中，不在電動機設置速度傳感器，而是實施由速度估計部4估計速度的無速度傳感器矢量控制。在該無速度傳感器矢量控制中，利用估計速度與實際速度的誤差成為轉差頻率的誤差且成為轉矩電流的偏差而呈現(xiàn)這點，來補正逆變器頻率，以使得轉矩電流檢測值iqf追隨轉矩電流指令值iqp，由此消除估計速度的誤差。

因溫度變化而電動機特性發(fā)生變化，發(fā)生感應電動機的轉矩變動。為了抑制該轉矩變動，勵磁電流不進行如轉矩電流那樣對檢測值和指令值進行比較的控制而設為開環(huán)控制。通過這樣的控制，以勵磁電流負擔溫度變化等引起的電動機電流變化的影響，抑制給轉矩電流的影響，由此能抑制轉矩變動。

逆變器裝置根據(jù)由測量車輛的質量的重量傳感器檢測到的載重補償信號和通過駕駛臺的操作桿(主控制器)的操作而輸入的動力行駛指令以及制動指令來計算車輛的驅動所需的所需要轉矩，計算用于輸出該所需要轉矩的轉矩電流指令值和勵磁電流指令值。即，轉矩電流指令值和勵磁電流指令值基于載重補償信號和主控制器操作量來決定。

在上述的無速度傳感器矢量控制中，連接不良判定部6b能檢測逆變器裝置7與多個感應電動機8a、8b、8c、8d的至少1個電動機的斷線狀態(tài)以及1個感應電動機中的三相(uvw)的連接順序的誤連接狀態(tài)(反相連接)。

該連接不良檢測裝置6由絕對值偏差運算部6a和連接不良判定部6b構成。該絕對值偏差運算部6a檢測流過感應電動機的勵磁電流idf的絕對值與預先決定的勵磁電流指令idp的絕對值的偏差。在發(fā)生了缺相狀態(tài)或相序顛倒的誤布線狀態(tài)的連接不良的情況下，勵磁電流值變得比通常時大。為此，在該偏差成為預先決定的規(guī)定值以上的狀態(tài)持續(xù)了一定時間以上的情況下，判斷為缺相狀態(tài)或相序顛倒的誤布線狀態(tài)。在由連接不良檢測裝置6判斷為缺相狀態(tài)或相序顛倒的誤布線狀態(tài)的情況下，將表示發(fā)生了連接不良的信息發(fā)送給駕駛臺，或采用無線方式發(fā)送給保養(yǎng)工廠等，由此使駕駛員或保養(yǎng)員獲知發(fā)生了連接不良。

在此，由于因連接不良發(fā)生時的勵磁電流值與勵磁電流指令成正比地增加而判斷為連接不良，因此所述規(guī)定值可以設為與當前的勵磁電流指令值成正比地變化的值，另外也可以設為固定值。或者，也可以將成為與當前的勵磁電流指令值成正比地變化的值以上且成為固定值以上的狀態(tài)持續(xù)一定時間以上作為連接不良的判斷條件。

在圖1的構成中，在逆變器裝置正常運轉的情況下，若感應電動機8a、8b、8c、8d的等效常數(shù)未急劇變化，則從電流檢測器9a、9b、9c檢測到的感應電動機的勵磁電流與預先決定的勵磁電流指令值的偏差大致維持在零。

逆變器裝置與感應電動機間的斷線狀態(tài)、以及感應電動機中的三相(uvw)的連接順序的誤連接狀態(tài)難以在逆變器裝置的運轉開始前事前檢測，另外，即使在逆變器裝置的運轉開始后成為這些連接不良的狀態(tài)，在未利用本發(fā)明的情況下，也會從逆變器控制裝置認識為正常狀態(tài)，會控制為要流過預先決定的轉矩電流指令值和勵磁電流指令值。例如在專利文獻1中，由于對勵磁電流以及轉矩電流進行反饋控制，因此在連接不良為原因而輸出轉矩降低的情況下，也會控制轉矩電流指令值和勵磁電流指令值以使得輸出轉矩增加，不能精度良好地探測在多個感應電動機的一部分中存在連接不良的狀態(tài)。

圖2表示逆變器裝置與感應電動機(8d)之間的布線發(fā)生了斷線的狀態(tài)的一例。在如圖2那樣在逆變器裝置與感應電動機間發(fā)生了斷線的狀態(tài)的情況下，成為負載的感應電動機的數(shù)量減少，負載的電阻值上升。為此，流過感應電動機的來自多個感應電動機的總輸出轉矩比正常時減少。在此，在上述的本實施方式中的控制中，轉矩電流進行前述的acr控制，并進行反饋控制以使得轉矩電流值和轉矩電流指令值一致，勵磁電流不進行如轉矩電流那樣對檢測值和指令值進行比較的控制而是進行開環(huán)控制。為此，與負載電阻的上升相伴的電動機電流的補正所帶來的大的舉動全都反映在勵磁電流。在本實施方式中，利用與負載電阻的上升相伴的大的舉動反映在勵磁電流這一特征，連接不良判定部6b基于檢測到的勵磁電流值與勵磁電流指令值的偏差的大小來檢測逆變器裝置與感應電動機間的缺相狀態(tài)。如此，根據(jù)本實施方式，由于基于反映了與負載電阻的上升相伴的大的舉動的勵磁電流的檢測值來判斷連接不良，因此能精度更好地判斷連接不良。在圖2中示出了感應電動機8d的1相發(fā)生了斷線的示例，但由于感應電動機8d的3相全都發(fā)生斷線的情況也同樣是與負載電阻的上升相伴的大的舉動被反映在勵磁電流中，因此能精度更好地檢測斷線狀態(tài)。

圖3表示逆變器裝置與感應電動機(8d)之間的三相的布線順序成為反相的狀態(tài)的一例。在如圖3那樣感應電動機(8d)的三相的布線順序成為反相的誤連接狀態(tài)的情況下，感應電動機8a、8b、8c在控制下在預定的方向上產生轉矩，但感應電動機8d在控制下在與預定的方向相反的方向上產生轉矩。為此，輸出相反方向的轉矩的感應電動機8d和感應電動機8c的輸出轉矩彼此相抵，總輸出轉矩成為2個感應電動機的量，實際轉矩小于正常時的4個感應電動機的量。在此，在上述的本實施方式中的控制中，轉矩電流進行前述的acr控制，并進行反饋控制以使得轉矩電流值和轉矩電流指令值一致，勵磁電流不進行如轉矩電流那樣對檢測值和指令值進行比較的控制而是進行開環(huán)控制。為此，與負載電阻的上升相伴的電動機電流的補正所帶來的大的舉動全都反映在勵磁電流。在本實施方式中，利用與負載電阻的上升相伴的大的舉動反映在勵磁電流這一特征，連接不良判定部6b基于檢測到的勵磁電流值與勵磁電流指令值的偏差的大小來檢測感應電動機uvw相序顛倒的誤布線狀態(tài)。如此，根據(jù)本實施方式，由于基于反應了與負載電阻的上升相伴的大的舉動的勵磁電流的檢測值來判斷連接不良，因此能精度更好地判斷感應電動機uvw相序顛倒的誤布線狀態(tài)。

如本實施例所記載的那樣，不在感應電動機中設置速度傳感器，通過檢測電動機電流來估計感應電動機的旋轉速度，從而控制逆變器裝置的脈沖寬度，在這樣的無速度傳感器矢量控制中，在逆變器裝置的起動時設置速度估計期間，在該速度估計期間中使勵磁電流變動來檢測轉矩電流值，由此估計感應電動機的速度。在該速度估計期間中，勵磁電流的檢測值與勵磁電流指令值的偏差變大。為此，從逆變器起動時起設定為規(guī)定期間的初始速度估計期間內，不進行連接不良判定部6b的連接不良的判定，在從逆變器起動時起經過了規(guī)定期間后，進行連接不良判定部6b的連接不良的判定。通過如此來確定連接不良判定的執(zhí)行定時，從而能防止無速度傳感器矢量控制所引起的連接不良的誤探測，能使無速度傳感器矢量控制和連接不良判定的功能并用。

已知即使停止逆變器裝置，感應電動機內部的磁通也不會立即消失而有殘留。進而，近年來，電阻值小的節(jié)能的感應電動機成為主流，到殘留磁通的能量被消耗而殘留磁通消失為止的時間有變長的傾向。若在該殘留磁通殘留的狀態(tài)下再起動逆變器裝置，則根據(jù)因殘留磁通而產生的感應電壓和從逆變器裝置輸出的電壓的相位而流過過大的電流，有可能會破壞逆變器裝置。為此，在本實施例中，為了迅速去除殘留磁通，在逆變器停止前進行使勵磁電流放電的消磁控制。在此，一般鐵道車輛重復進站停車、動力行駛、慣性行駛、制動、進站停車的動作，在動力行駛和制動時使逆變器裝置動作。為此，在動力行駛后的慣性行駛時以及制動后的進站停車時進行消磁控制。

在該消磁控制期間，為了使勵磁電流放電，勵磁電流暫時增大，與勵磁電流指令值的偏差變大。為此，在從駕駛臺輸入停止逆變器裝置的指令起實施的消磁控制的控制期間內，不進行連接不良判定部6b的連接不良的判定。通過如此來確定連接不良判定的執(zhí)行定時，能防止消磁控制所引起的連接不良的誤探測，能使消磁控制和連接不良判定的功能并用。

使用圖4來說明連接不良判定裝置6探測連接不良的判定條件。在處理401中，算出勵磁電流的檢測值的絕對值與勵磁電流的指令值的絕對值的偏差，判斷該偏差成為規(guī)定值以上的狀態(tài)是否持續(xù)了規(guī)定時間以上，在持續(xù)了規(guī)定時間以上的情況下，對and電路404輸出high信號。在處理402中，判斷從柵極啟動起是否經過了設定為規(guī)定的時間的初始速度估計期間，在經過了初始速度估計期間的情況下對and電路404輸出high信號。在處理403中，判斷是否是在從駕駛臺輸入慣性行駛或停車的指令等情況下實施的消磁控制期間內，在不是消磁控制期間的情況下，對and電路404輸出high信號。在and電路404中，在從處理401、402、403分別輸入high信號的情況下，判斷為發(fā)生了連接不良。

在上述的實施方式中，說明了連接不良判定裝置6基于勵磁電流檢測值的絕對值與勵磁電流指令值的絕對值的偏差的大小來進行連接不良的判斷的示例，但在與感應電動機連接的連接狀態(tài)正常的情況的勵磁電流指令值被控制在大致恒定值的情況下，不一定需要算出勵磁電流的檢測值與指令值的偏差，能基于勵磁電流的檢測值的大小來判斷有無連接不良。使用圖5來說明在該實施方式中由連接不良判定裝置6探測連接不良的判定條件。在圖5中，僅處理501不同于圖4的處理401，其他處理都相同。在處理501中，判斷勵磁電流的檢測值的絕對值成為規(guī)定值以上的狀態(tài)是否持續(xù)了規(guī)定時間以上，在持續(xù)了規(guī)定時間以上的情況下對and電路404輸出high信號。在and電路404中，在從處理501、402、403分別輸入high信號的情況下，判斷為發(fā)生了連接不良。