JP2008312403A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電位の偏りが起こりうる現象の際に、対地電位の上昇あるいは下降による拡大被害を防ぐことができる電力変換装置を提供することである。
【解決手段】交流を直流に変換するコンバータ部と、コンバータ部で得られた直流を交流に変換するインバータ部と、コンバータ部とインバータ部との間に接続された直流リンク回路と、直流リンク回路の正電位と負電位との間に接続されるコンデンサと、直流リンク回路の正負の電位の中間電位を仮想中性点として接地する接地回路と、コンデンサの電荷を放電する放電回路と、直流リンク回路の地
絡を検出する地絡検知手段と、地絡検知手段が地絡を検知したときは放電回路を
流通させ直流リンク回路の電圧を放電する制御部とを備えたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、交流電力を一旦直流電力に変換し、その直流電力を再び所定の交流電力に変換する電力変換装置に関する。

例えば、鉄道列車用の電力変換装置では、架線からの交流電力を集電装置を介して入力し、電力変換装置で直流に変換し、所定の交流電力に変換するようにしている。

図８は従来の電力変換装置を交流鉄道主回路システムに適用した構成図である。集電装置１１から交流がき電され、遮断器１２及び主変圧器１３を介し、複数台の電力変換装置１４へ接続されている。さらに、主変圧器１３と電力変換装置１４との間には接触器１５が接続されている。なお、接触器１５は電力変換装置１４に内蔵される場合もある。

電力変換装置１４は、交流を直流に変換するコンバータ部１６と直流を交流に変換するインバータ部１７とを有し、コンバータ部１６とインバータ部１７とが直流リンク回路１８により接続され、直流リンク回路１８の正極線１９及び負極線２０の間にコンデンサ２１が接続されている。また、接地回路２２は直流リンク回路１８の正極線１９と負極線２０との正負のおよそ中間の電位となる箇所を仮想中性点２３として接地する。また、コンデンサ２１の電荷を放電する放電回路２４を有する。放電回路２４は回路不使用時に直流電圧を放電するものである。

仮想中性点２３は、直列に接続した接地コンデンサ２５や分圧抵抗２６を用いて形成される。地絡検出手段２７は、直流リンク回路１８の地絡を検出するものである。そして、電力変換装置１４で変換された交流電力で電動機２８を駆動する。

ここで、交流電源で駆動される鉄道車両の電力変換装置１４としては、正負２レベルを有する２レベルシステムと、正負及び中間出力を有する３レベルシステムとが一般に知られている（特許文献１参照）。

２レベルシステムでは、２レベルコンバータと２レベルインバータとの中間にある直流リンク回路１８は、負極側を接地するのが一般的である。その場合、接地電位と主回路との電圧が正極線１９と負極線２０との間の電圧と同等になる。なお、ここでいう「接地」とは車体の電位と同等の電位に接続することをいう。同様に、以下の「対地」は対車体と同義であり、「地絡」とは、車体電位との短絡をいうこととする。これに対し、図８のように、正極線１９と負極線２０との中間を仮想中性点２３として接地するものでは、主回路の対地電圧を正極線１９と負極線２０との間の電圧のおよそ半分に抑えられるという利点がある。仮想中性点２３は、直流リンク回路１８の正極線１９と負極線２０との間を直列に接続した接地コンデンサ２５や分圧抵抗２６で分圧して形成している。

また、従来の電力変換装置１４として、図９に示すようなものもある。図９のものは、図８のものに対し、放電回路２４に代えて、正側と中間電位、及び負側と中間電位に、それぞれ接触器を配して正側放電回路２９及び負側放電回路３０を設けたものである。
特開２００５−１１０３３６号公報

しかしながら、図８に示した従来のものでは、電力変換装置１４の地絡故障に対する保護はコンバータ部１６の上流にある接触器１５、あるいは主変圧器１３の上流にある遮断器１２によって電流を遮断するのみであった。従って、直流リンク回路１８の主回路に異常電圧が発生することがあった。

例えば、直流リンク回路１８の負側が地絡した場合、仮想中性点２３の電位と負側電位とが同電位になるため、正側の対地電位が上昇し正負間のコンデンサ２１にかかる電圧にほぼ等しくなる。一方で、主回路は正負にかかる電圧の半分を対地電圧として想定しているため、正側電位の上昇により、新たに地絡箇所とは別の箇所で絶縁破壊などの故障を起こし被害が拡大するおそれがあった。

また、図９に示した従来のものでは、接触器の動作不良などで、片側の接触器のみが開いて、他方が閉じたままとなる故障が想定される。この場合も、前述の地絡の場合と同様の現象となり、対地電位が上昇してしまう。また、３レベルシステムの場合には中性点が存在するが、正負間を接続し中性点に接続しないコンデンサ２１が存在する場合は、上記と同様の事象が起こる。

以上の様に、中性点を接地する方式で、中性点を介さないコンデンサ２１が存在する回路では、故障の仕方によって電位の偏りが起こり、対地の電圧が正負間電圧の中間値を大きく超えてしまう場合が想定され、結果として、絶縁破壊などの拡大事故を起こす恐れがある。

本発明の目的は、電位の偏りが起こりうる現象の際に、対地電位の上昇あるいは下降による拡大被害を防ぐことができる電力変換装置を提供することである。

本発明は、交流を直流に変換するコンバータ部と、前記コンバータ部で得られた直流を交流に変換するインバータ部と、前記コンバータ部とインバータ部との間に接続された直流リンク回路と、前記直流リンク回路の正電位と負電位との間に接続されるコンデンサと、前記直流リンク回路の正負の電位の中間電位を仮想中性点として接地する接地回路と、前記コンデンサの電荷を放電する放電回路と、前記直流リンク回路の地絡を検出する地絡検知手段と、前記地絡検知手段が地絡を検知したときは前記放電回路を流通させ前記直流リンク回路の電圧を放電する制御部とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、電位の偏りが起こりうる現象の際に、対地電位の上昇あるいは下降による拡大被害を防ぐことができる電力変換装置を提供できる。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係わる電力変換装置１４を交流鉄道主回路システムに適用した構成図である。集電装置１１の下流には遮断器１２が設けられ、遮断器１２には主変圧器１３が接続されている。主変圧器１３には複数ないし単数の電力変換装置１４が接触器１５を介して接続され、電力変換装置１４のそれぞれに複数ないし単数の電動機２８が接続され電動機２８を駆動する。そして、それぞれの電力変換装置１４は自身の主回路を接触器１５で遮断する。

電力変換装置１４は、交流を直流に変換するコンバータ部１６と、直流を交流に変換するインバータ部１７とを有し、コンバータ部１６とインバータ部１７との間に直流リンク回路１８が接続されている。直流リンク回路１８の正極線１９と負極線２０との間にコンデンサ２１が接続され、また、接地回路２２は、正極線１９と負極線２０との間のおよそ中間の電位となる箇所を仮想中性点２３として接地する。また、回路不使用時に直流電圧を放電するコンデンサ２１の電荷を放電する放電回路２４を有する。仮想中性点２３は、直列に接続した接地コンデンサ２５や分圧抵抗２６を用いて形成される。地絡検出手段２７は、図１では電流センサにより検出するものを想定したものを示しているが、継電器を駆動するものであってもよい。

制御部３１はコンバータ１６及びインバータ１７を制御する。また、地絡検知手段２７が地絡を検知したときは、制御部３１は遮断器１２及び接触器１５を開放するとともに、放電回路２４を流通させ直流リンク回路１８の電圧を放電する。図２は本発明の第１の実施の形態における制御内容の説明図である。本発明の第１の実施の形態では、地絡検出手段２７によって地絡を検出した際に、接触器１５や遮断器１２を開き、放電回路２４によりコンデンサ２１の電荷を放電する。

第１の実施の形態によれば、地絡検知手段２７が地絡を検知したとき、遮断器１２及び接触器１５を開放するとともに、放電回路２４を流通させ直流リンク回路１８の電圧を放電するので、主回路の対地電位を接地電位にすることができる。

（第２の実施の形態）
図３は、本発明の第２の実施の形態に係わる電力変換装置１４を交流鉄道主回路システムに適用した構成図である。この第２の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、放電回路２４に代えて、正側と中間電位、及び負側と中間電位に、それぞれ接触器を配して正側放電回路２９及び負側放電回路３０を設けたものである。

図３に示すように、正側放電回路２９及び負側放電回路３０は、仮想中性点２３を境に、正側と負側に分割されている。制御部３１はコンバータ１６及びインバータ１７を制御する。また、正側放電回路２９及び負側放電回路３０のいずれか一方が通流した場合に他方も通流させる。つまり、一方が通流した場合には双方を流通させる。

図４は本発明の第２の実施の形態における制御内容の説明図である。本発明の第２の実施の形態では、図４（ａ）に示すように、負側放電回路３０が通流した際には接触器１５及び正側放電回路２９も通流させる。逆に、正側放電回路２９が通流した場合には、図４（ｂ）に示すように、接触器１５及び負側放電回路３０を通流させる。

第２の実施の形態によれば、正側放電回路２９あるいは負側放電回路３０が閉じた場合には、直ちに他方の放電回路も閉じるので、主回路の対地電位を接地電位にできる。

（第３の実施の形態）
図５は、本発明の第３の実施の形態に係わる電力変換装置１４を交流鉄道主回路システムに適用した構成図である。この第３の実施の形態は、図３に示した第２の実施の形態に対し、放電回路２４を追加して設けたものである。図３と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

図５において、制御部３１はコンバータ１６及びインバータ１７を制御する。また、正側放電回路２９及び負側放電回路３０のいずれか一方が通流した場合に他方も通流させ、放電回路２４も通流させる。

図６は本発明の第３の実施の形態における制御内容の説明図である。本発明の第３の実施の形態では、図６（ａ）に示すように、負側放電回路３０が通流した際には接触器１５及び正側放電回路２９も通流させるとともに放電回路２４も通流させる。逆に、正側放電回路２９が通流した場合には、図６（ｂ）に示すように、接触器１５及び負側放電回路３０を通流させるとともに放電回路２４も通流させる。

第３の実施の形態によれば、正側放電回路２９あるいは負側放電回路３０が閉じた場合には、直ちに他方の負側放電回路３０または正側放電回路２９及びも放電回路２４を閉じるので、主回路の対地電位を接地電位にできる。

（第４の実施の形態）
図７は本発明の第４の実施の形態に係わる電力変換装置１４を交流鉄道主回路システムに適用した構成図である。この第４の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、インバータ部１７は２レベルインバータ回路であり、直流リンク回路１８の正側から仮想中性点２３への正側電圧を検出する正側電圧検出手段３２と、直流リンク回路１８の負側から仮想中性点２３への負側電圧を検出する負側電圧検出手段３３とを設けたものである。

図７に示すように、制御部３１はコンバータ１６及びインバータ１７を制御する。また、制御部３１は正側電圧検出手段３２及び負側電圧検出手段３３の検出信号を入力し、正側電圧検出手段３２及び負側電圧検出手段３３の少なくもいずれか一方が設定値を超える電圧を検出したときは、放電回路２４を流通させ全電圧を放電する。

ここで、３レベルの回路では、正側電位を監視する正側電圧検出手段３２と負側電位を監視する負側電圧検出手段３３との双方を備えることは一般的である。一方、２レベルの回路では、一般には１台の電圧監視手段を正電位と負電位の間に備える構成となる。本発明の第４の実施の形態では、２レベルの回路に対して、正側電圧検出手段３２と負側電圧検出手段３３とを設けたものである。

例えば、制御部３１は正極線１９の電圧が設定値を超えた場合に回路異常と判断し、放電回路２４よりコンデンサ２１の電荷を放電する。同様に、負電位が設定値を超えた場合にも回路異常と判断し、放電回路２４よりコンデンサ２１の電荷を放電する。ここで、第４の実施の形態は、第１の実施の形態に対してではなく、放電回路２４を有する第３の実施の形態に対しても適用できる。

第４の実施の形態によれば、正側及び負側の電位を監視し、少なくともいずれか一方の電位が設定値を越えた場合には、放電回路を閉じるので主回路の対地電位を接地電位にできる。

本発明の第１の実施の形態に係わる電力変換装置を交流鉄道主回路システムに適用した構成図。 本発明の第１の実施の形態における制御内容の説明図。 本発明の第２の実施の形態に係わる電力変換装置を交流鉄道主回路システムに適用した構成図。 本発明の第２の実施の形態における制御内容の説明図。 本発明の第３の実施の形態に係わる電力変換装置を交流鉄道主回路システムに適用した構成図。 本発明の第３の実施の形態における制御内容の説明図。 本発明の第４の実施の形態に係わる電力変換装置を交流鉄道主回路システムに適用した構成図。 従来の電力変換装置を交流鉄道主回路システムに適用した構成図。 従来の他の一例の電力変換装置を交流鉄道主回路システムに適用した構成図。

符号の説明

１１…集電装置、１２…遮断器、１３…主変圧器、１４…電力変換装置、１５…接触器、１６…コンバータ部、１７…インバータ部、１８…直流リンク回路、１９…正極線、２０…負極線、２１…コンデンサ、２２…接地回路、２３…仮想中性点、２４…放電回路、２５…接地コンデンサ、２６…分圧抵抗、２７…地絡検出手段、２８…電動機、２９…正側放電回路、３０…負側放電回路、３１…制御部、３２…正側電圧検出手段、３３…負側電圧検出手段

Claims (5)

1. 交流を直流に変換するコンバータ部と、前記コンバータ部で得られた直流を交流に変換するインバータ部と、前記コンバータ部とインバータ部との間に接続された直流リンク回路と、前記直流リンク回路の正電位と負電位との間に接続されるコンデンサと、前記直流リンク回路の正負の電位の中間電位を仮想中性点として接地する接地回路と、前記コンデンサの電荷を放電する放電回路と、前記直流リンク回路の地絡を検出する地絡検知手段と、前記地絡検知手段が地絡を検知したときは前記放電回路を流通させ前記直流リンク回路の電圧を放電する制御部とを備えたことを特徴とする電力変換装置。
2. 交流を直流に変換するコンバータ部と、前記コンバータ部で得られた直流を交流に変換するインバータ部と、前記コンバータ部とインバータ部との間に接続された直流リンク回路と、前記直流リンク回路の正電位と負電位との間に接続されるコンデンサと、前記直流リンク回路の正負の電位を接地コンデンサで分圧して中間電位を仮想中性点として接地する接地回路と、前記接地回路の正側の接地コンデンサの電荷を放電する正側放電回路と、前記接地回路の負側の接地コンデンサの電荷を放電する負側放電回路と、前記正側放電回路及び負側放電回路のいずれか一方が通流した場合に他方も通流させる制御部とを備えたことを特徴とする電力変換装置。
3. 交流を直流に変換するコンバータ部と、前記コンバータ部で得られた直流を交流に変換するインバータ部と、前記コンバータ部とインバータ部との間に接続された直流リンク回路と、前記直流リンク回路の正電位と負電位との間に接続されるコンデンサと、前記コンデンサの電荷を放電する放電回路と、前記直流リンク回路の正負の電位を接地コンデンサで分圧して中間電位を仮想中性点として接地する接地回路と、前記接地回路の正側の接地コンデンサの電荷を放電する正側放電回路と、前記接地回路の負側の接地コンデンサの電荷を放電する負側放電回路と、前記正側放電回路及び負側放電回路のいずれか一方が通流した場合に他方も通流させる制御部とを備えたことを特徴とする電力変換装置。
4. 前記制御部は、前記正側放電回路及び負側放電回路のいずれか一方が通流した場合に、前記放電回路も通流することを特徴とする請求項３記載の電力変換装置。
5. 前記インバータ部は２レベルインバータ回路であり、前記直流リンク回路の正側から仮想中性点への正側電圧を検出する正側電圧検出手段と、直流リンク回路の負側から仮想中性点への負側電圧を検出する負側電圧検出手段とを有し、前記制御部は、前記正側電圧検出手段及び前記負側電圧検出手段の少なくもいずれか一方が設定値を超える電圧を検出したときは、前記放電回路を流通させ全電圧を放電することを特徴とする請求項１、３又は４記載の電力変換装置。

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