JP2980796B2 - 電力変換装置 - Google Patents

電力変換装置

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JP2980796B2
JP2980796B2 JP5298089A JP29808993A JP2980796B2 JP 2980796 B2 JP2980796 B2 JP 2980796B2 JP 5298089 A JP5298089 A JP 5298089A JP 29808993 A JP29808993 A JP 29808993A JP 2980796 B2 JP2980796 B2 JP 2980796B2
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voltage
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capacitor
resistor
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幸雄 植田
祥一 河本
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    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
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  • Inverter Devices (AREA)
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  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、例えば交流または交
直流電気車に搭載されるPWMコンバータとインバータ
とから構成される電力変換装置に係り、特にその過電圧
抑制装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】図5は、一般に良く知られているPWM
コンバータとインバータとを備えた交流電気車の主回路
構成を示す図で、例えば、1990年2月発行第26回
「鉄道におけるサイバネティクス利用国内シンポジウム
論文集」P191〜195に紹介されているものであ
る。図において、1は架線に摺動して交流電源と接続さ
れるパンタグラフ、2は交流遮断器、3は変圧器、4は
GTOサイリスタとこれに逆並列接続されたダイオード
とからなるアーム要素をブリッジ構成してなるPWMコ
ンバータ、5はPWMコンバータ4の直流側に接続され
たフィルタコンデンサ、6はフィルタコンデンサ5に接
続されたPWMインバータ、7はPWMインバータ6の
3相交流側に接続された電動機である。
【0003】8は変圧器3とPWMコンバータ4との間
に接続挿入された交流スイッチ、9および10は交流ス
イッチ8の両極間に接続されたそれぞれ充電用スイッチ
および充電用抵抗器である。11および12はフィルタ
コンデンサ5の両端間に接続されたそれぞれ過電圧抑制
用抵抗器および過電圧抑制用サイリスタ、13はフィル
タコンデンサ5に印加される過電圧を検出する過電圧検
出器で、以上11ないし13により過電圧抑制回路14
を構成する。
【0004】次に動作について説明する。パンタグラフ
1より集電された交流電源からの高圧の交流電力は交流
遮断器2を通して変圧器3の1次巻線に供給される。そ
して、変圧器3の2次巻線で所定の電圧に降圧された交
流電力は、交流スイッチ8を経てPWMコンバータ4に
供給される。PWMコンバータ4は単相交流電力を直流
電力に変換するとともに、フィルタコンデンサ5の両端
電圧を一定に保持するよう動作する。PWMインバータ
6はフィルタコンデンサ5からの直流電力を可変電圧、
可変周波数の3相交流電力に変換して交流負荷である電
動機7を駆動する。PWMコンバータ4およびPWMイ
ンバータ6は、力行動作は勿論、回生ブレーキ動作も可
能でブレーキ時には、前記した動作とは逆に、電動機7
からの交流電力を変圧器3を介してパンタグラフ1から
架線側に返還する。
【0005】ところで、回生ブレーキ中にパンタグラフ
1の離線や負荷の急変などにより、当該電気車から見た
負荷が急減してフィルタコンデンサ5の両端電圧が通常
より高くなるとPWMコンバータ4やPWMインバータ
6の半導体素子に異常電圧が加わることになる。そこ
で、このような弊害を防止するため過電圧抑制回路14
が設けられている。
【0006】即ち、フィルタコンデンサ5の両端電圧が
所定の値より高くなると、これを過電圧検出器13が検
出し、その検出出力信号によって過電圧抑制用サイリス
タ12を点弧することにより、フィルタコンデンサ5を
過電圧抑制用抵抗器11を介して短絡しフィルタコンデ
ンサ5に蓄えられたエネルギーを放出してその電圧を低
下させる。この状態を放置すると、交流電源側からPW
Mコンバータ4のダイオードを通して過電圧抑制用抵抗
器11に電流が流れ続けるので、過電圧抑制用サイリス
タ12の点弧から所定時間経過後、交流スイッチ8を開
放して続流を断つ。従って過電圧抑制用抵抗器11の熱
容量も上記動作を前提に比較的小さい値に設定されてい
る。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】従来の電気車における
過電圧抑制回路は以上のように構成されているので、万
一、故障などによって開放指令が出力されているにもか
かわらず交流スイッチ8が開放動作をしないと、過電圧
抑制用抵抗器11に電流が流れ続けるため、過熱焼損に
至り重大事故に発展するといった問題点があった。
【0008】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、たとえ交流スイッチが故障等で
正常な開放動作をしない場合にも過電圧抑制用抵抗器の
過熱焼損を招くことがない信頼性の高い電力変換装置を
得ることを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】この発明の請求項1に係
る電力変換装置は、その抵抗器の電流を検出する電流検
出器を備え、交流スイッチが開放動作をしないとき、上
記電流検出器の出力と交流スイッチの開放動作指令出力
とのアンド条件で交流遮断器を開放するようにしたもの
である。
【0010】また、請求項2に係る電力変換装置は、そ
のコンバータの交流側電流を検出する電流検出器を備
え、交流スイッチが開放動作をしないとき、上記電流検
出器の出力と交流スイッチの開放動作指令出力とのアン
ド条件で交流遮断器を開放するようにしたものである。
【0011】また、請求項3に係る電力変換装置は、そ
の抵抗器両端の電圧を検出する電圧検出器を備え、交流
スイッチが開放動作をしないとき、上記電圧検出器の出
力と交流スイッチの開放動作指令出力とのアンド条件で
交流遮断器を開放するようにしたものである。
【0012】
【作用】この発明の請求項1に係る電力変換装置におい
ては、開放動作指令が出力されているにもかかわらず交
流スイッチが正常に開放動作をしないときは、抵抗器の
電流を検出する電流検出器の出力を条件に交流遮断器が
回路を開放して抵抗器への続流を遮断する。
【0013】また、請求項2に係る電力変換装置におい
ては、開放動作指令が出力されているにもかかわらず交
流スイッチが正常に開放動作をしないときは、コンバー
タの交流側電流を検出する電流検出器の出力を条件に交
流遮断器が回路を開放して抵抗器への続流を遮断する。
【0014】また、請求項3に係る電力変換装置におい
ては、開放動作指令が出力されているにもかかわらず交
流スイッチが正常に開放動作をしないときは、抵抗器両
端の電圧を検出する電圧検出器の出力を条件に交流遮断
器が回路を開放して抵抗器への続流を遮断する。
【0015】
【実施例】実施例1.図1は、この発明の実施例1によ
る交流電気車の主回路構成を示す図である。従来と異な
るところは過電圧抑制用抵抗器11の電流を検出する電
流検出器15を設けた点で、従来からの過電圧抑制用抵
抗器11、過電圧抑制用サイリスタ12、過電圧検出器
13および電流検出器15により過電圧抑制回路16を
構成する。
【0016】次に、回生ブレーキ中、フィルタコンデン
サ5に過電圧が発生した場合の電圧抑制保護動作につい
て、図2のフローチャートをも参照して説明する。電動
機7からの発生交流電力をPWMインバータ6、PWM
コンバータ4および変圧器3を介して架線側に返還回生
している状態で、パンタグラフ1の離線などにより、回
生電力の吸収能力が低下すると、フィルタコンデンサ5
の両端電圧が急上昇する。この電圧が所定の値を越える
と、過電圧検出器13がこの過電圧を検出し(ステップ
S1)、PWMインバータ6およびPWMコンバータ4
をゲートオフして(ステップS2,S3)回生ブレーキ
動作を停止するとともに、過電圧抑制用サイリスタ12
を点弧し(ステップS4)、フィルタコンデンサ5に蓄
えられたエネルギーを過電圧抑制用抵抗器11を介して
放電させて(ステップS5)その両端電圧を降下させ
る。
【0017】過電圧抑制用サイリスタ12の点弧と同時
に、PWMコンバータ4のダイオードを通して架線側か
ら過電圧抑制用抵抗器11に電流が供給される。このた
め、過電圧抑制用サイリスタ12の点弧から一定時間経
過後交流スイッチ8を開放するため開放動作指令を出力
する(ステップS6)。その結果、交流スイッチ8が正
常に開放動作すれば、過電圧抑制用抵抗器11に流れる
電流は無くなる(ステップS7でYES)。しかし、交
流スイッチ8が故障などで正常に開放動作をせず(ステ
ップS7でNO)、電流検出器15の出力がオンのまま
であった場合(ステップS8)には交流遮断器2を開放
して(ステップS9)架線側から過電圧抑制用抵抗器1
1に供給される電流を遮断する。これによって、過電圧
抑制用抵抗器11の過熱焼損が防止される。
【0018】なお、交流遮断器2への開放動作指令は交
流スイッチ8への開放動作指令の出力と電流検出器15
の出力とのアンド条件で行うが、その指令出力のタイミ
ングを、交流スイッチ8への開放動作指令出力のタイミ
ングから当該交流スイッチ8の正常時の遮断に要する時
間を考慮して予め設定した時間だけ遅らせる。これによ
って、実質的に交流スイッチ8の開放不動作(ステップ
S7でのNOのフロー)の判断を行う。
【0019】実施例2.図3は、この発明の実施例2に
よる交流電気車の主回路構成を示す図である。この実施
例ではPWMコンバータ4の交流側に電流検出器17を
設け、過電圧抑制用抵抗器11、過電圧抑制用サイリス
タ12、過電圧検出器13および電流検出器17により
過電圧抑制回路18を構成する。ここでは、過電圧抑制
用サイリスタ12の点弧による過電圧抑制保護動作の
後、交流スイッチ8が故障などで正常に開放動作をしな
い場合、電流検出器17の出力がオンのままであるのを
条件に交流遮断器2を開放する。
【0020】PWMコンバータ4の交流側には通常、コ
ンバータ制御や過電流保護の目的で電流検出器が元々設
けられているので、電流検出器17としてはこれら常設
の電流検出器を利用することができるので、その分コス
トが低減する利点がある。
【0021】実施例3.図4はこの発明の実施例3によ
る交流電気車の主回路構成を示す図である。この実施例
では、過電圧抑制用抵抗器11の両端電圧を検出する電
圧検出器19を設け、過電圧抑制用抵抗器11、過電圧
抑制用サイリスタ12、過電圧検出器13および電圧検
出器19により過電圧抑制回路20を構成する。ここで
は、過電圧抑制用サイリスタ12の点弧による過電圧抑
制保護動作の後、交流スイッチ8が故障などで正常に開
放動作をしない場合、電圧検出器19の出力がオンのま
まであるのを条件に交流遮断器2を開放する。
【0022】例えば、既設品にこの発明を適用する改造
を行う場合、前述した電流検出器または電圧検出器の追
設が必要となるが、前者の電流検出器では回路の通電用
導体に直列に挿入することになるが、後者の電圧検出器
ではその必要がなく、回路導体に並列に接触させるため
の接続で済み、一般にその改造内容が簡便になる利点が
ある。
【0023】実施例4.なお、上記各実施例では、交流
電気車に適用した場合について説明したが、交直流電車
もその交流区間走行時に形成される回路構成は交流電気
車の場合と同様であるので、この発明は交直流電車にも
全く同様に適用することができるのは勿論でありその場
合も上記実施例と同等の効果を奏する。また、フィルタ
コンデンサ5に過電圧が発生する要因は、パンタグラフ
の離線に限られるものではないので、この発明は、コン
バータとインバータとを備え、更に前述の過電圧抑制回
路を備えた電力変換装置に広く適用することができ同等
の効果を奏するものである。
【0024】
【発明の効果】この発明は以上のように、過電圧抑制回
路の抵抗器の電流を検出し、この検出出力と交流スイッ
チの開放動作指令出力とのアンド条件で交流遮断器を開
放するようにしたので、交流スイッチの開放動作がなく
ても抵抗器の過熱焼損が防止される。
【0025】また、コンバータの交流側電流を検出し、
この検出出力と交流スイッチの開放動作指令出力とのア
ンド条件で交流遮断器を開放するようにしたので、交流
スイッチの開放動作がなくても抵抗器の過熱焼損が防止
される。更に、この場合、必要となる電流検出器は他の
用途で必要な電流検出器と兼用できるという利点があ
る。
【0026】また、過電圧抑制回路の抵抗器両端の電圧
を検出し、この検出出力と交流スイッチの開放動作指令
出力とのアンド条件で交流遮断器を開放するようにした
ので、交流スイッチの開放動作がなくても抵抗器の過熱
焼損が防止される。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施例1による交流電気車の主回路
構成を示す図である。
【図2】図1の過電圧抑制保護の動作を説明するフロー
チャートである。
【図3】この発明の実施例2による交流電気車の主回路
構成を示す図である。
【図4】この発明の実施例3による交流電気車の主回路
構成を示す図である。
【図5】従来の交流電気車の主回路構成を示す図であ
る。
【符号の説明】
1 パンタグラフ 2 交流遮断器 4 PWMコンバータ 5 フィルタコンデンサ 6 PWMインバータ 7 電動機 8 交流スイッチ 11 過電圧抑制用抵抗器 12 過電圧抑制用サイリスタ 13 過電圧検出器 15、17 電流検出器 16、18、20 過電圧抑制回路 19 電圧検出器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H02M 7/42 - 7/98 B60L 3/00

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 交流遮断器を介して交流電源に接続され
    たコンバータ、このコンバータの直流側に接続されたコ
    ンデンサ、このコンデンサと交流負荷との間に接続され
    たインバータ、上記コンデンサの電圧が所定の値を超え
    たとき上記コンデンサを抵抗器を介して短絡することに
    より上記コンデンサの過電圧を抑制する過電圧抑制回
    路、および上記交流遮断器とコンバータとの間に接続さ
    れ上記過電圧抑制回路の動作から所定の時間経過後開放
    動作し上記交流電源から上記抵抗器への続流を遮断する
    交流スイッチを備えた電力変換装置において、 上記抵抗器の電流を検出する電流検出器を備え、上記交
    流スイッチが開放動作をしないとき、上記電流検出器の
    出力と上記交流スイッチの開放動作指令出力とのアンド
    条件で上記交流遮断器を開放するようにしたことを特徴
    とする電力変換装置。
  2. 【請求項2】 交流遮断器を介して交流電源に接続され
    たコンバータ、このコンバータの直流側に接続されたコ
    ンデンサ、このコンデンサと交流負荷との間に接続され
    たインバータ、上記コンデンサの電圧が所定の値を超え
    たとき上記コンデンサを抵抗器を介して短絡することに
    より上記コンデンサの過電圧を抑制する過電圧抑制回
    路、および上記交流遮断器とコンバータとの間に接続さ
    れ上記過電圧抑制回路の動作から所定の時間経過後開放
    動作し上記交流電源から上記抵抗器への続流を遮断する
    交流スイッチを備えた電力変換装置において、 上記コンバータの交流側電流を検出する電流検出器を備
    え、上記交流スイッチが開放動作をしないとき、上記電
    流検出器の出力と上記交流スイッチの開放動作指令出力
    とのアンド条件で上記交流遮断器を開放するようにした
    ことを特徴とする電力変換装置。
  3. 【請求項3】 交流遮断器を介して交流電源に接続され
    たコンバータ、このコンバータの直流側に接続されたコ
    ンデンサ、このコンデンサと交流負荷との間に接続され
    たインバータ、上記コンデンサの電圧が所定の値を超え
    たとき上記コンデンサを抵抗器を介して短絡することに
    より上記コンデンサの過電圧を抑制する過電圧抑制回
    路、および上記交流遮断器とコンバータとの間に接続さ
    れ上記過電圧抑制回路の動作から所定の時間経過後開放
    動作し上記交流電源から上記抵抗器への続流を遮断する
    交流スイッチを備えた電力変換装置において、 上記抵抗器両端の電圧を検出する電圧検出器を備え、上
    記交流スイッチが開放動作をしないとき、上記電圧検出
    器の出力と上記交流スイッチの開放動作指令出力とのア
    ンド条件で上記交流遮断器を開放するようにしたことを
    特徴とする電力変換装置。
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JP5367444B2 (ja) * 2009-04-28 2013-12-11 株式会社東芝 電気車制御装置及びその試験方法
WO2015097868A1 (ja) 2013-12-27 2015-07-02 三菱電機株式会社 電力変換装置
WO2019146179A1 (ja) 2018-01-26 2019-08-01 株式会社日立製作所 電力変換装置および電力変換装置を搭載する電気鉄道車両

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