JP4673175B2 - 電力用変換器の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気鉄道車両駆動用の電力用変換器の制御装置に関する。

近年普及しているインバータ駆動方式の鉄道車両においては、車両を駆動するための電力用変換器を、冷却ブロア（送風機）を用いて冷却することが行われている。この冷却ブロアを用いた冷却は、一定の冷却効率を得ることができる。一方、車体下部に搭載した電力用変換器を走行風によって冷却することによって、冷却ブロアによる冷却を不要とする制御方法が考えられている。

冷却用ブロアを有する電力用変換器では、ブロアの動作状態を監視する機能を有しており、ブロアが停止している場合や、装置内温度が所定値より高い場合、周囲温度や素子電流などから算出するなどした半導体素子の温度が許容値より高い場合などは、異常として電力用変換器を停止させる。主にこれらの機能は、制御装置により実現されている。

一方、ブロアなしの電力用変換器では、冷却ブロアそのものが存在しないことからブロアの状態を監視する必要がない一方、冷却効率や熱抵抗さらに熱時定数が冷却フロア付電力用変換器と異なり、装置内温度が所定値より高い場合スイッチング素子である半導体素子を劣化させる恐れがあり、周囲温度や素子電流から算出するなどした半導体素子の温度や、列車速度から予測した走行風による冷却効率などを用いて電力用変換器を制御する点が、冷却ブロア付電力用変換器と異なっている。

このため、上記２種類の電力用変換器の制御装置は、共通化ができず、それぞれに適した機能を有する制御装置を準備する必要がある。しかしながら、スペアパーツの管理や保守の観点からは、制御装置の共通化が不可欠である。

本発明は、鉄道車両用の電力用変換器の制御装置を、制御対象の電力用変換器が冷却用ブロア付であるかブロアなしであるかにかかわらず、共通化し、スペアパーツの管理や保守を容易にすることを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために、電気鉄道列車を編成する車両に搭載される電力用変換器の制御装置において、制御対象となる電力用変換器の半導体素子の温度を演算する温度演算式を少なくとも２つ格納する半導体素子温度演算式格納部と、制御対象の電力用変換器が冷却用ブロアを有しているか否かを示すブロア有無情報を出力するブロア有無情報出力部と、前記ブロア有無情報に基づいて前記半導体素子温度演算式格納部から１つの演算式を取り出し、この演算式を用いて半導体素子の温度を演算し、半導体素子の温度に基づいて電力用変換器の動作を制御する電力用変換器制御部を設けた。さらに、本発明は、上記電力用変換器の制御装置において、前記半導体素子温度演算式格納部に格納される前記温度演算式は、少なくとも冷却用ブロア付電力用変換器の温度演算式とブロアなし電力用変換器の温度演算式とした。また、本発明は、上記電力用変換器の制御装置において、前記温度演算式は、気またはクーリングプレートの温度Ｔ、列車速度ｖ、変換器電流Ｉ、変換器のスイッチングモード情報ＰＭを用いて半導体素子の温度を演算する演算式とした。

本発明は、上記電力用変換器の制御装置において、制御対象の電力用変換器の起動を許可するか否かを判定する起動許可判定部を設け、該起動許可判定部は、制御対象の電力用変換器が冷却ブロアを有しており、冷却ブロアが起動中であるときに電力用変換器の起動を許可する起動許可情報を出力する手段であり、前記電力用変換器制御部は、半導体素子の温度が、許容値を上回ったときに当該電力用変換器を停止させるか出力を下げるかスイッチング周波数を下げるように制御する手段である。

本発明によれば、冷却用ブロア付電力用変換器またはブロアなし電力用変換器の制御装置を共通化して、スペアパーツの管理や保守を容易とすることができる。

図１を用いて、本発明にかかる電力用変換器の制御装置の構成を、図１を用いて説明する。図１は、制御装置１が、ブロア付電力用変換器３ｂを制御するか、ブロアなし電力用変換器３Ｂｌｓを制御するかによって、異なる制御態様をとることを、制御装置１の構成とともに示している。制御装置１は、電力用変換器３を制御する。

制御装置１は、起動許可判定部１１と、半導体素子温度演算式格納部１２（演算式格納部ということもある）と、電力用変換器制御部１３と、ブロア付フラグ設定部１４を有して構成される。

電力用変換器３は、コンバータ３１と平滑コンデンサ３２とインバータ３３を有しており、集電器４からの交流電力が、変圧器５の一次巻線５１および二次巻線５２を介してインバータ３１に供給される。冷却ブロア付電力用変換器３ｂは、上記構成に加えて冷却ブロア３４を有している。

起動許可判定部１１は、制御対象の電力用変換器３が冷却ブロアを有しているか否かのブロア有無情報（ブロア付フラグ）、および冷却用ブロアが起動しているか否かのブロア起動情報（ブロア起動フラグ）を用いて、電力用変換器の起動を許可するかもしくは不許可とするかを判断し、起動許可情報（起動許可フラグ）または起動不許可情報（起動不許可フラグ）を出力する働きを有している。

起動許可判定部１１は、冷却ブロアの有無情報に基づいて起動条件を切り替える手段であり、例えば、図２（ａ）に示すように、冷却ブロアが起動していることを示すブロア起動フラグが立っており電力用変換器がブロア付であることを示すブロア付フラグが立っているときのアンド出力と、ブロアなし電力用変換器であるときのブロアなしフラグ（またはブロア付フラグの負論理）が立っているときのオア出力が起動許可フラグとなる。すなわち、制御対象がブロア付電力用変換器３ｂであるときには、ブロアが起動しているときに当該電力用変換器３ｂの起動を許可し、ブロアなし電力用変換器３ｂｌｓであるときには、そのまま起動を許可する。また、図２（ｂ）に示すように、少なくともブロア起動フラグかブロアなしフラグのいずれかが立っているときにも、起動を許可するフラグを出力し、そのまま当該電力用変換器１３の起動を許可する。すなわちブロアが起動しているときには電力用変換器１３の起動を許可し、ブロアなし電力用変換器であることにもブロアなし電力用変換器１３ｂｌｓの起動を許可する。

図２（ｃ）に示すように、ブロア起動なしフラグ（ブロア起動フラグの負論理）が立っておりブロア付フラグが立っているときには、ブロア付電力用変換器３ｂの起動を不許可とする起動不許可フラグを出力し、ブロア起動なしフラグが立っておらずブロア付フラグも立っていないときには、ブロアなし電力用変換器３ｂｌｓの起動不許可フラグを出力しない。

以上のように、本発明では、冷却ブロア付電力用変換器３ｂの制御においては、ブロア起動の検出を有効にして、ブロアが起動しているときに当該ブロア付電力用変換器の起動を許可し、ブロアが起動していないときには当該ブロア付電力用変換器の起動を不許可とする。また、ブロアなし電力用変換においては、ブロアの起動の検知を、起動条件に反映せずに起動を許可する。

半導体素子温度演算式格納部１２は、外気または電力用変換器に設けたクーリングプレートの温度Ｔと、列車速度ｖと、変換器電流Ｉと、他パルス運転かワンパルス運転かの変換器のスイッチングモードＰＭなどを考慮して、半導体素子（ジャンクション）の温度を演算する式を格納する手段であり、冷却ブロア付電力用変換器用演算式（１）と、ブロアなし電力用変換器用演算式（２）の二つの式を格納しており、いずれの式を用いるかは、ブロア付フラグの有無によって、選択される。

それぞれの電力用変換器用の演算式は、たとえば、下記の冷却ブロア付電力変換起用半導体素子温度Ｔｊｂ演算式（１）およびブロアなし電力用変換器用半導体素子温度Ｔｊｂｌｓ演算式（２）に示される。
Ｔｊｂ＝ｆ１（Ｔ，ｖ，Ｉ，ＰＭ）…（１）
Ｔｊｂｌｓ＝ｆ２（Ｔ，ｖ，Ｉ，ＰＭ）…（２）

半導体素子温度演算式格納部１２には、上記式に加えて、冷却ブロア付電力用変換器３ｂおよびブロアなし電力用変換器３ｂｌｓにおける半導体素子のジャンクション温度の許容値Ｔｊｂｔｈ／Ｔｊｂｌｓｔｈを格納しておく。

電力用変換器制御部１３は、図示を省略した列車の主幹制御器から電力用変換器の駆動指令（電動機駆動開始指令）を受信すると、起動許可判定部１１に起動許可フラグが立っているか否かを判断し、起動許可フラグが立っているときに演算式記憶部１２から、自己用の半導体素子温度演算式を取り出し、この演算式に基づいて、外気またはクーリングプレート温度Ｔ、列車速度ｖ、変換器電流Ｉ、変換器のスイッチングモードＰＭを用いて、電力用変換器の半導体素子のジャンクション温度Ｔｊｂ／Ｔｊｂｌｓを算出して、この温度が上述のジャンクション温度の許容値Ｔｊｂｔｈ／Ｔｊｂｌｓｔｈ以内であるか否かを判断する働きを有している。電力用変換器制御部１３は、前記ジャンクション温度が前記許容値内にあるときに、駆動指令に基づいてそれぞれの電力用変換器３の制御信号を出力する。電力用変換器制御部１３は、前記ジャンクション温度が前記許容値を超えたときに当該電力用変換器を停止させたり出力を下げたり、スイッチング周波数を下げるなどの電力用変換器を保護する制御を行う。

ブロア付フラグ設定部１４は、制御対象となる電力用変換器が冷却用ブロアを有しているか否かの情報を出力する手段であり、例えば、冷却用ブロアが設けられているか否かを設定する設定用スイッチ、またはブロア有り／なし信号が設定される有無信号設定装置、もしくは列車編成中のブロア付・ブロアなし電力用変換器が搭載されている車両の号車番号が既知であるときには列車編成中の当該電力用変換器が搭載された車両の号車番号を示す信号、ハードウェア情報から検出する。ブロア付フラグ設定部１４が、設定用スイッチであるときには、ブロア付フラグは、例えば、制御対象となる電力用変換器３に制御装置１を接続する際に、ディップスイッチに設定することによって設定できる。

以上のように、本発明によれば、列車を編成する車両に搭載する電力用変換器にブロアがついている場合であってもブロアがついていない場合であっても、制御装置に、二つの半導体素子温度演算式を記憶するとともに、冷却用ブロア付か否かを設定する簡単な処理を行うことにより、共通の制御装置によって二種類の電力用変換器に対応して制御することができ、スペアパーツの種類を減少し、保守の簡便化を図ることができる。

本発明にかかる電力用変換器の制御装置の構造を説明する図。 本発明にかかる電力用変換器の制御装置の起動伽可変底部の働きを説明する図。

符号の説明

１…制御装置、１１…起動許可判定部、１２…半導体素子温度演算式格納部、１３…電力用変換器制御部、１４…ブロア付フラグ設定部、３ｂ…ブロア付電力用変換器、３ｂｌｓ…ブロアなし電力用変換器、３１…コンバータ、３２…平滑コンデンサ、３３…インバータ、３４…冷却用ブロア、４…集電器、５…変圧器、５１…一次巻線、５２…二次巻線。

Claims (5)

1. 電気鉄道列車を編成する車両に搭載される電力用変換器の制御装置において、
   制御対象の電力用変換器の半導体素子の温度を演算する温度演算式を少なくとも２つ格納する半導体素子温度演算手段と、
   制御対象の電力用変換器が冷却用ブロアを有しているか否かを示すブロア有無情報を出力するブロア有無情報出力部と、
   前記ブロア有無情報に基づいて前記半導体素子温度演算手段から１つの演算式を取り出し、この演算式を用いて半導体素子の温度を演算し、半導体素子の温度に基づいて電力用変換器の動作を制御する電力用変換器制御部
   を有することを特徴とする電力用変換器の制御装置。
2. 請求項１の電力用変換器の制御装置において、
   前記半導体素子温度演算手段に格納される前記温度演算式は、少なくとも冷却用ブロア付電力用変換器の温度演算式とブロアなし電力用変換器の温度演算式である
   ことを特徴とする電力用変換器の制御装置。
3. 請求項２の電力用変換器の制御装置において、
   前記温度演算式は、外気またはクーリングプレートの温度Ｔ、列車速度ｖ、変換器電流Ｉ、変換器のスイッチングモード情報ＰＭを用いて半導体素子の温度を演算する式である
   ことを特徴とする電力用変換器の制御装置。
4. 請求項１ないし請求項３記載の電力用変換器の制御装置において、
   制御対象の電力用変換器の起動を許可するか否かを判定する起動許可判定部を設け、
   該起動許可判定部は、制御対象の電力用変換器が冷却ブロアを有しており、冷却ブロアが起動中であるときに電力用変換器の起動を許可する起動許可情報を出力する手段である
   ことを特徴とする電力用変換器の制御装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の電力用変換器の制御装置において、
   前記電力用変換器制御部は、半導体素子の温度が、許容値を上回ったときに当該電力用変換器を停止させるか出力を下げるかスイッチング周波数を下げるように制御する手段である
   ことを特徴とする電用力変換器の制御装置。

Images