JPH11234802A

JPH11234802A - 電気車制御装置

Info

Publication number: JPH11234802A
Application number: JP3252198A
Authority: JP
Inventors: Yumiko Asano; 裕美子浅野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1998-02-16
Filing date: 1998-02-16
Publication date: 1999-08-27
Anticipated expiration: 2018-02-16
Also published as: JP3672431B2

Abstract

(57)【要約】【課題】電力制御手段の短絡故障等の検知を、充電抵
抗の容量を大きくすることなく、すばやく検出し、保護
動作として第１と第２のスイッチを開放状態とすること
ができる電気車制御装置を得る。【解決手段】比較器２３により、電流検出器２２の出
力を、フィルタリアクトル５のインダクタンス、フィル
タコンデンサ６の容量、充電抵抗器４の抵抗値、直流電
源電圧検出器２１の出力値から算出した異常判定基準値
と比較することにより、故障出力信号をスイッチ制御手
段１８に出力し、スイッチ制御手段１８は故障出力信号
を受けたときは第２のスイッチ３を閉じず、第１のスイ
ッチ２を開くようにしたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電気車の駆動に使用
する電気車制御装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図１７は、例えば、特公平５−２６４０
２号公報に示された従来の電気車制御装置であるインバ
ータ装置の主回路を示す図であり、図において、１は変
電所等の電源から架線などに供給された電力を集電する
集電装置、２は第１のスイッチ、３は第２のスイッチ、
４は後述するフィルタコンデンサ６の充電抵抗器、５は
フィルタコンデンサ６と逆Ｌ字形フィルタ回路を構成す
るフィルタリアクトル、７はサイリスタ等の制御整流素
子で構成されるインバータの電力制御手段、９はこの電
力制御手段７により制御される電気車駆動用の誘導電動
機（主電動機）である。１７はフィルタコンデンサ６の
電圧を検出するＤＣＰＴ等の電圧検出手段、１８は各ス
イッチ２、３の開閉を制御するスイッチ制御手段であ
る。

【０００３】次に動作を説明する。図示しない運転台か
ら、運転手等による運転指令が電力制御手段７に入力さ
れると、図１８（ａ）のインタロック信号に示すよう
に、時点ｔ１においてスイッチ制御手段１８の指令によ
り、第１のスイッチ２が投入され、集電装置１→第１の
スイッチ２→充電抵抗器４→フィルタリアクトル５を通
じて、フィルタコンデンサ６が、図１８（ｂ）のように
充電され、その両端の電圧を電圧検出手段１７が検出す
る。

【０００４】ここで、充電抵抗器４は、この充電時に、
フィルタリアクトル５とフィルタコンデンサ６のＬＣ共
振によってフィルタコンデンサ６の電圧が振動しないよ
うな抵抗値Ｒにあらかじめ選定されている。第１のスイ
ッチ２が投入された時点では、電力制御手段７は動作し
ていないので、電力制御手段７と誘導電動機９には電流
は流れていない。

【０００５】フィルタコンデンサ６の充電の完了時間
は、フィルタリアクトル５のインダクタンスＬとフィル
タコンデンサ６の容量Ｃと充電抵抗器４の抵抗値Ｒによ
って決まっており、所定時間ｔ２において、フィルタコ
ンデンサ６の両端電圧が架線電圧の変動範囲の最低値よ
り低い値に設定された比較値Ｖｓ以上である場合には、
電力制御手段７の短絡故障なしとしてスイッチ制御手段
１８の指令により、第２のスイッチ３が投入され、充電
抵抗器４が短絡される。そして、図１８（ｃ）に示す第
２のスイッチ３のインタロック信号によって電力制御手
段７の動作を開始し、直流電圧を３相交流に変換し、３
相誘導電動機９を制御して電気車を駆動する。

【０００６】また、図１８（ｄ）に示すように、電力制
御手段７の故障等によって、フィルタコンデンサ６以降
の回路が短絡されている場合には、電源電圧は充電抵抗
器４で分担され、フィルタコンデンサ６の電圧が上昇し
ないので、所定時間ｔ２において、図１８（ｃ）に示す
フィルタコンデンサ電圧が比較値Ｖｓ未満であることに
より、電力制御手段７等の故障と判定して、スイッチ制
御手段１８の指令により、第２のスイッチ３を投入しな
いようにするとともに、第１のスイッチ２を開放して主
回路を電源（変電所等）から切り離す。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来の電気車制御装置
については、以上のように構成されているので、電力制
御手段７等のフィルタコンデンサ６以降の回路が短絡故
障を起こしている場合には、第１のスイッチ２が閉成し
てから、フィルタリアクトル５、フィルタコンデンサ
６、充電抵抗器４から算出される充電時間より決まる所
定時間（ｔ２−ｔ１）の間、充電抵抗器４には、電源電
圧を充電抵抗器４の抵抗値Ｒで除した電流が連続して流
れることになり、正常時の充電電流である逓減する電流
による損失よりもはるかに大きな損失を発生させること
になるので、充電抵抗器の大型化を招くという問題点が
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あり、充電抵抗器４の大型化を招
くことなく、フィルタコンデンサ６以降の回路の短絡故
障時にも、架線停電を起こすことなく、短絡故障を検知
できるようにした電気車制御装置を提供することを目的
とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明に係る電気車制
御装置は、直流電源に接続される集電装置と、この集電
装置に直列に接続された第１および第２のスイッチと、
この第２のスイッチに並列に接続された充電抵抗器と、
第２のスイッチにフィルタリアクトルおよびフィルタコ
ンデンサを介して接続された電力制御手段と、この電力
制御手段により制御される電気車駆動用の主電動機と、
第１および第２のスイッチの開閉を制御するスイッチ制
御手段とを備えたものであって、直流電源の電圧を検出
する電圧検出器と、直流電源からフィルタコンデンサお
よび電力制御手段への入力電流を検出する電流検出器
と、この電流検出器の出力と上記電圧検出器の出力に対
応して定められる異常判定基準値とを比較する比較器と
を備え、比較器は、第１のスイッチが閉成されたとき、
電流検出器の出力値が所定時間以内に異常判定基準値を
下回るか、または第１のスイッチが閉成されたとき、電
流検出器の出力値が異常判定基準値を所定時間（所定時
間は零を含む）以上上回るかを判断し、電流検出器の出
力値が異常判定基準値を所定時間以上上回った場合は故
障出力信号をスイッチ制御手段に出し、スイッチ制御手
段は、故障出力信号を受けないときは第２のスイッチを
閉成し、故障出力信号を受けたときは第２のスイッチを
閉成せず、閉成している第１のスイッチを開放するもの
である。

【００１０】また、上記構成において、比較器は、電流
検出器の出力値が異常判定基準値を、充電抵抗器の抵抗
値、フィルタコンデンサの容量、フィルタリアクトルの
インダクタンスから算出される時定数の一定比率以上の
時間の間上回ったときに故障出力信号を出すものであ
る。

【００１１】また、異常判定基準値を、直流電源電圧値
に相当する電圧検出器の出力値を充電抵抗器の抵抗値で
除した値より一定比率減じた値としたものである。

【００１２】また、異常判定基準値を、直流電源電圧の
最低値に相当する電圧検出器の出力値を充電抵抗器の抵
抗値で除した値としたものである。

【００１３】また、異常判定基準値を、充電抵抗器の抵
抗値、フィルタコンデンサの容量、フィルタリアクトル
のインダクタンスから算出される時定数に従ったフィル
タコンデンサの充電波形を一定比率上回わる値としたも
のである。

【００１４】また、この発明に係る電気車制御装置は、
直流電源に接続される集電装置と、この集電装置に直列
に接続された第１および第２のスイッチと、この第２の
スイッチに並列に接続された充電抵抗器と、第２のスイ
ッチにフィルタリアクトルおよびフィルタコンデンサを
介して接続された電力制御手段と、この電力制御手段に
より制御される電気車駆動用の主電動機と、第１および
第２のスイッチの開閉を制御するスイッチ制御手段とを
備えたものであって、直流電源の電圧を検出する電圧検
出器と、直流電源からフィルタコンデンサおよび電力制
御手段への入力電流を検出する電流検出器と、この電流
検出器の出力値を２乗積分する積分器と、この積分器の
出力と充電抵抗器の容量に従って算出された異常判定基
準値とを比較する比較器とを備え、比較器は、第１のス
イッチが閉成されたとき、電流検出器の出力値の積分値
が所定時間以内に異常判定基準値を下回るか、または第
１のスイッチが閉成されたとき、異常判定基準値を所定
時間（所定時間は零を含む）以上上回るかを判断し、電
流検出器の出力値の積分値が異常判定基準値を所定時間
以上上回った場合には故障出力信号を上記スイッチ制御
手段に出し、スイッチ制御手段は、故障出力信号を受け
ないときは第２のスイッチを閉成し、故障出力信号を受
けたときは第２のスイッチを閉成せず、閉成している第
１のスイッチを開放するものである。

【００１５】また、上記構成において、異常判定基準値
を、充電抵抗器の短時間定格値としたものである。ま
た、フィルタコンデンサに並列接続されると共に、互い
に直列接続された放電抵抗器と制御整流素子を備え、異
常判定基準値を、直流電源電圧値に相当する電圧検出器
の出力値を充電抵抗器の抵抗値と放電抵抗器の抵抗値の
和で除した値より一定比率減じた値としたものである。

【００１６】また、フィルタコンデンサに並列接続され
ると共に、互いに直列接続された放電抵抗器と制御整流
素子を備え、異常判定基準値を、直流電源電圧の最低値
に相当する電圧検出器の出力値を充電抵抗器の抵抗値と
放電抵抗器の抵抗値の和で除した値としたものである。
また、電流検出器として、電力制御手段の積算電力量算
出用電流検出器を使用したものである。

【００１７】

【発明の実施の形態】実施の形態１．図１はこの発明の
実施の形態１に係る電気車制御装置を示す回路図であ
る。図において、１は変電所等の電源から架線などに供
給された電力を集電する集電装置、２は第１のスイッ
チ、３は第２のスイッチ、４は後述するフィルタコンデ
ンサ６の充電抵抗器、５はフィルタコンデンサ６と逆Ｌ
字形フィルタ回路を構成するフィルタリアクトル、６は
フィルタコンデンサ、７はサイリスタ等の制御整流素子
で構成されるインバータの電力制御手段、９はこの電力
制御手段７により制御される電気車駆動用の誘導電動機
（主電動機）、１８は第１および第２のスイッチ２、３
の開閉を制御するスイッチ制御手段である。

【００１８】２１は集電装置１の電圧、すなわち直流電
源の電圧を検出する電圧検出器、２２は直流電源からフ
ィルタコンデンサ６および電力制御手段７への入力電流
を検出する電流検出器、２３は電圧検出器２１の出力電
圧Ｅｓから算出した所定の電流値（以下異常判定基準値
と呼ぶ）Ｉｓｐと電流検出器２２の出力電流値Ｉｓを比
較して、所定時間ｔ０後にスイッチ制御手段１８に信号
を出力する比較器である。

【００１９】次に動作を説明する。電力制御手段７等の
フィルタコンデンサ６以降の回路が短絡故障を起こして
いない正常なときの動作は、上記従来例と同一であるの
で、ここでは説明を省略する。

【００２０】この正常な時の電流検出器２２の出力値Ｉ
ｓ、すなわち充電電流波形を図２に示す。電圧検出器２
１の出力をＥｓとした場合、この充電電流Ｉｓ＝Ｉｃｈ
_Lは、ＲＬＣ回路として算出した場合（図２（ア））、Ｉｃｈ_L＝Ｅｓ／｛〔（Ｒ／２）²−Ｌ／Ｃ〕^1/2・ｅ
ｘｐ（−Ｒ／２Ｌ）｝ｔ×ｓｉｎｈ｛〔（Ｒ／２）²−
１／ＬＣ〕^1/2｝ｔとなり、簡略化のため、ＲＣ回路と考えると（図２
（イ））、Ｉｃｈ＝Ｅｓ／Ｒ・ｅｘｐ（−１／ＲＣ）ｔ・・・・（１）となる。計算式の簡略化のため、今後はＲＣ回路の充電
電流算出式（１）を使用して説明する。

【００２１】第１のスイッチ２が投入されたときに、電
力制御手段７の故障等によってフィルタコンデンサ６以
降の回路が短絡されている場合には、直流電源からの入
力電流Ｉｓは、直流電源電圧Ｅｓを充電抵抗器４で制限
した電流が流れ続ける。この電流Ｉｓ＝Ｉｓｓは、Ｉｓｓ＝Ｅｓ／Ｒ・・・・（２）となる。この式（２）と式（１）を比較すると、Ｉｃｈ＝Ｉｓｓ（ｔ＝０）Ｉｃｈ＜Ｉｓｓ（ｔ＞０）となり、ｔ＝０以外ではＩｓｓの方が大きくなる。

【００２２】この両者の関係を図で示したものが図３で
ある。式（１）（２）および図３から明かなように、時
間の経過に従い、ＩｃｈとＩｓｓの差が広がって行くの
で、この関係を利用し、正常時すなわちＩｃｈと、異常
時すなわちＩｓｓとの判別が可能となる。

【００２３】比較器２３は、異常判定基準値Ｉｓｐとし
て、電圧検出器２１の出力値Ｅｓを充電抵抗器４の抵抗
値Ｒで除した数値（Ｅｓ／Ｒ）の例えば−１０％の値、Ｉｓｐ＝（Ｅｓ／Ｒ）×０．９・・・・（３）を用い、電流検出器２３の出力値Ｉｓと比較する。

【００２４】短絡等の故障発生時においては、Ｉｓ＝Ｉ
ｓｓであり、上記Ｅｓ／ＲはここではＩｓｓと等しいので、Ｉｓｐを式（３）のように設定すれば、常時、Ｉｓｐ＜Ｉｓ・・・・（４）が成立する。

【００２５】また、回路が正常であった場合には、Ｉｓ
＝Ｉｃｈなので、Ｉｓｐ＜Ｉｓ（ｔ＜０．１０５３×ＲＣ）・・・・（５）Ｉｓｐ≧Ｉｓ（ｔ≧０．１０５３×ＲＣ）・・・・（６）となる。これは、下記のように算出される。Ｅｓ／Ｒ×０．９＝Ｅｓ／Ｒ・ｅｘｐ（−１／ＲＣ）ｔｅｘｐ（−１／ＲＣ）ｔ＝０．９（１／ＲＣ）ｔ＝０．１０５３ｔ＝０．１０５３×ＲＣ・・・・（７）つまり、０．１０５３＝−ｌｎ０．９である。

【００２６】比較器２３での比較時間ｔ０を、フィルタ
リアクトル５（計算式上は省略）、フィルタコンデンサ
６、充電抵抗器４からなる充電回路の時定数ＲＣに対し
て、ｔ０＝ＲＣ／３＝０．３３３×ＲＣ・・・・（８）と設定すると、故障時には、式（４）より、ｔ＝ｔ０時
に電流検出器２２の出力値Ｉｓは、異常判定基準値Ｉｓ
ｐを所定時間ｔ０以上上回ることになり、故障検知の出
力信号をスイッチ制御手段１８に出力する。これを図４
に示す。

【００２７】スイッチ制御手段１８は、上記出力信号に
より、第２のスイッチ３を投入しないようにするととも
に第１のスイッチ２を開放して、主回路を電源（変電所
等）から切り離す。

【００２８】従来例における所定時間（ｔ２−ｔ１）
は、フィルタコンデンサに充電された電圧を確認しなけ
れば得られないため充分長い時間をとる必要があったの
に対して、上記所定時間ｔ０はこれより充分短くするこ
とが可能であり、そのため、充電抵抗器４に電流Ｉｓｓ
が流れる時間を短くし、ひいては、充電抵抗器４の容量
を小さくすることが可能である。

【００２９】一方、正常時には、式（５）（６）より、
電流検出器２２の出力値Ｉｓは、式（３）による異常判
定基準値Ｉｓｐを、式（８）による所定時間ｔ０以上上
回ることはない。これを図５に示す。

【００３０】実施の形態２．図６はこの発明の実施の形
態２を説明する図であり、図１と同様の部分には同一の
符号を付して説明を省略する。直流電源は、変電所の特
性や、その給電区間にある他の電気車の負荷としての状
態等により電圧変動を発生する。その範囲は、通常ＤＣ
１５００Ｖ定格の直流電源の場合は、９００〜１８００
Ｖになる。比較器２３は、異常判定基準値Ｉｓｐとし
て、直流電源最低値（すなわち上記電圧変動範囲の場合
には９００Ｖ）に相当する電圧検出器２１の出力値Ｅｍ
ｉｎ（＝９００）を充電抵抗器４の抵抗値Ｒで除した数
値、Ｉｓｐ＝Ｅｍｉｎ／Ｒ・・・・（９）を用い、電流検出器２２の出力値Ｉｓと比較する。

【００３１】短絡等の故障発生時においては、Ｉｓ＝Ｉ
ｓｓとなり、上記Ｅｍｉｎ／Ｒは、Ｅｍｉｎ＜Ｅｓ・・・・（１０）が必ず成立しているので、式（１０）より、Ｉｓｐ＝Ｅｍｉｎ／Ｒ＜Ｅｓ／Ｒ＝Ｉｓｓとなり、異常判定基準値Ｉｓｐを上記のように設定すれ
ば、常時、Ｉｓｐ＜Ｉｓ・・・・（１１）が成立する。

【００３２】また、回路が正常であった場合には、Ｉｓ
＝Ｉｃｈなので、Ｉｓｐ＜Ｉｓ（ｔ＜−ｌｎ（Ｅｍｉｎ／Ｅｓ）×ＲＣ）・・（１２）Ｉｓｐ≧Ｉｓ（ｔ≧−ｌｎ（Ｅｍｉｎ／Ｅｓ）×ＲＣ）・・（１３）となる。これは、下記のように算出される。Ｅｍｉｎ／Ｒ＝Ｅｓ／Ｒ・ｅｘｐ（−１／ＲＣ）ｔｅｘｐ（−１／ＲＣ）ｔ＝Ｅｍｉｎ／Ｅｓ＜１．０（１／ＲＣ）ｔ＝−ｌｎ（Ｅｍｉｎ／Ｅｓ）ｔ＝−ｌｎ（Ｅｍｉｎ／Ｅｓ）×ＲＣ・・・・（１４）（式（１４）において、Ｅｍｉｎ＝９００、Ｅｓ＝１５
００とすると、ｔ＝−ｌｎ（９００／１５００）×ＲＣ
＝０．５１×ＲＣとなる）

【００３３】充電回路の時定数ＲＣに対する比較器２３
での比較時間ｔ０を、上記（１２）（１３）式でＥｓ＝
９００〜１８００としたときに成立する値として、例え
ば、ｔ０＝０．７５×ＲＣ・・・・（１５）と設定すると、（式（１４）において、Ｅｓ＝１８００
とすると、ｔ＝−ｌｎ（９００／１８００）×ＲＣ＝
０．６９３×ＲＣとなる）故障時には、式（１１）よ
り、ｔ＝ｔ０時に、電流検出器２２の出力値Ｉｓは、式
（９）による異常判定基準値Ｉｓｐを、式（１５）によ
る所定時間ｔ０以上上回ることになり、故障検出の出力
信号をスイッチ制御手段１８に出力する。

【００３４】スイッチ制御手段１８は、上記故障出力信
号により、第２のスイッチ３を投入しないようにすると
ともに第１のスイッチ２を開放して、主回路を電源（変
電所等）から切り離す。

【００３５】従来例における所定時間（ｔ２−ｔ１）
は、フィルタコンデンサに充電された電圧を確認しなけ
ればならないため、充分長い時間をとる必要があったの
に対して、上記所定時間ｔ０はそれより充分短くするこ
とが可能であり、そのため、充電抵抗器４に電流Ｉｓｓ
が流れる時間を短くし、ひいては、充電抵抗器４の容量
を小さくすることが可能である。

【００３６】一方、正常時には、式（１２）（１３）よ
り、電流検出器２２の出力値Ｉｓは、式（９）による異
常判定基準値Ｉｓｐを、式（１５）による所定時間ｔ０
以上上回ることはない。

【００３７】実施の形態３．図７はこの発明の実施の形
態３を説明する図であり、図１と同様の部分には同一の
符号を付して説明を省略する。比較器２３は、異常判定
基準値Ｉｓｐとして式（１）から算出されるＩｃｈの＋
１０％の数値、Ｉｓｐ＝Ｉｃｈ×１．１＝１．１×Ｅｓ／Ｒ・ｅｘｐ（−１／ＲＣ）ｔ・・・・（１６）を用い、電流検出器２２の出力値Ｉｓと比較する。

【００３８】短絡等の故障発生時においては、Ｉｓ＝Ｉ
ｓｓなので、Ｉｓｐ＜Ｉｓ（ｔ＜０．０９５×ＲＣ）・・・・（１７）Ｉｓｐ≧Ｉｓ（ｔ≧０．０９５×ＲＣ）・・・・（１８）となる。これは下記のように算出される。Ｉｓｓ＝Ｉｓ
ｐＥｓ／Ｒ＝１．１×Ｅｓ／Ｒ・ｅｘｐ（−１／ＲＣ）ｔｅｘｐ（−１／ＲＣ）ｔ＝１／１．１＝０．９０９ｔ＝０．０９５×ＲＣ・・・・（１９）

【００３９】また、回路が正常であった場合には、Ｉｓ
＝Ｉｃｈなので、常時、Ｉｓｐ＞Ｉｓ・・・・（２０）であり、故障信号出力の条件を満たすことはない。

【００４０】比較器２３での比較時間ｔ０を、ｔ０＝０
と設定すると、比較器２３は、故障時には、電流検出器
２２の出力値Ｉｓが、式（１６）による異常判定基準値
Ｉｓｐを上回った時点で、故障検出の出力信号をスイッ
チ制御手段１８に出力する。これを図８に示す。

【００４１】スイッチ制御手段１８は、上記故障出力信
号により、第２のスイッチ３を投入しないようにすると
ともに第１のスイッチ２を開放して、主回路を電源（変
電所等）から切り離す。

【００４２】従来例における所定時間（ｔ２−ｔ１）
は、フィルタコンデンサに充電された電圧を確認しなけ
ればならないため、充分な時間をとる必要があったのに
対して、上記所定時間ｔ０はそれより充分短くすること
が可能であり、そのため、充電抵抗器４に電流Ｉｓｓが
流れる時間を短くし、ひいては、充電抵抗器４の容量を
小さくすることが可能である。

【００４３】実施の形態４．図９は実施の形態４を説明
する図である。図１と同様の部分には同一の符号を付し
て説明を省略する。２４はフィルタコンデンサ６の過電
圧発生時等にフィルタコンデンサ６の強制放電回路を形
成するサイリスタ等から成る放電用制御整流素子、２５
は上記放電用制御整流素子２４と直列に接続され放電回
路を形成する放電抵抗器である。

【００４４】電力制御手段７は、ゲートターンオフサイ
リスタ（ＧＴＯ）やＩＧＢＴ等の制御整流素子から構成
されており、それぞれ最大電圧定格が規定されている。
通常は、その最大電圧定格をはるかに下回る回路電圧で
使用されているが、何らかの異常が発生し、フィルタコ
ンデンサ６の電圧が上昇した場合には、制御整流素子に
印加される電圧も上昇し、最大電圧定格に近づいてしま
う。この場合、電力制御手段７は、自己の制御整流素子
を保護するため、フィルタコンデンサ電圧の過電圧を検
出し、保護動作を行なう。

【００４５】この保護動作は、スイッチ２、３をすばや
く開放して、主回路を開放する。しかしながら、フィル
タコンデンサ６には電荷が充電されたままであり、電圧
は印加されたままである。このため、過電圧印加状態を
解消するため、フィルタコンデンサ６の放電回路を形成
し、フィルタコンデンサ電圧を放電するのである。この
放電回路が、上記放電用制御整流素子２４と放電抵抗器
２５から成るものである。上記保護動作の詳細について
は、この発明とは直接関係ないので、ここでは省略す
る。

【００４６】第１のスイッチ２が投入されたとき、電力
制御手段７が正常であった場合でも、放電用制御整流素
子２４が短絡故障等を起こしていることが想定される。
この場合には、直流電源からの入力電流Ｉｓは、直流電
源電圧Ｅｓを充電抵抗器４の抵抗値Ｒと放電抵抗器２５
の抵抗値ＯＶＲで制限した電流が流れ続ける。この電流
Ｉｓ＝Ｉｓｏは、Ｉｓｏ＝Ｅｓ／（Ｒ＋ＯＶＲ）・・・・（２１）となる。この式（２１）と、式（１）を比較すると、図
１０のようになり、時間の経過に従い、ＩｃｈとＩｓｏ
の大小関係が逆転し、差が広がっていくので、この関係
を利用し、正常時すなわちＩｃｈと、異常時すなわちＩ
ｓｏとの判別が可能となる。

【００４７】比較器２３は、異常判定基準値Ｉｓｐとし
て、電圧検出器２１の出力値Ｅｓを充電抵抗器４の抵抗
値Ｒと放電抵抗器２５の抵抗値ＯＶＲの和で除した数
値、Ｅｓ／（Ｒ＋ＯＶＲ）・・・・（２２）の、例えば−１０％の値、Ｉｓｐ＝Ｅｓ／（Ｒ＋ＯＶＲ）×０．９・・・・（２３）を用い、電流検出器２８の出力値Ｉｓと比較する。

【００４８】放電用制御整流素子２４の短絡等の故障発
生時においては、Ｉｓ＝Ｉｓｏなので、式（２２）によ
るＥｓ／（Ｒ＋ＯＶＲ）は、ここではＩｓｏと等しいの
で、Ｉｓｐを式（２３）のように設定すれば、常時、Ｉｓｐ＜Ｉｓ・・・・（２４）が成立する。

【００４９】また、回路が正常であった場合には、Ｉｓ
＝Ｉｃｈなので、Ｉｓｐ＜Ｉｓ（ｔ＜−ＲＣ×ｌｎ（０．９×Ｒ／（Ｒ＋ＯＶＲ））・・・・（２５）Ｉｓｐ≧Ｉｓ（ｔ≧−ＲＣ×ｌｎ（０．９×Ｒ／（Ｒ＋ＯＶＲ））・・・・（２６）となる。これは、下記のように算出される。Ｅｓ／（Ｒ＋ＯＶＲ）×０．９＝Ｅｓ／Ｒ・ｅｘｐ（−１／ＲＣ）ｔｅｘｐ（−１／ＲＣ）ｔ＝０．９×Ｒ／（Ｒ＋ＯＶＲ）（−１／ＲＣ）ｔ＝ｌｎ（０．９×Ｒ／（Ｒ＋ＯＶＲ））ｔ＝−ＲＣ×ｌｎ（０. ９×Ｒ／（Ｒ＋ＯＶＲ））・・・・（２７）ここで式（２７）において、例えばＯＶＲ＝Ｒとする
と、ｌｎ（０．９×Ｒ／（Ｒ＋ＯＶＲ））＝ｌｎ（０．９×０．５）＝−０．７９９ｔ＝０．７９９×ＲＣとなる。

【００５０】比較器２３での比較時間ｔ０を、フィルタ
リアクトル５（計算式上は省略）、フィルタコンデンサ
６、充電抵抗器４からなる充電回路の時定数ＲＣに対し
て、ｔ０＝ＲＣ・・・・（２８）と設定すると、故障時には式（２４）より、ｔ＝ｔ０時
に、電流検出器２２の出力値Ｉｓは、式（２３）による
異常判定基準値Ｉｓｐを、式（２８）による所定時間ｔ
０以上上回ることになり、故障検出の出力信号をスイッ
チ制御手段１８に出力する。これを図１１に示す。

【００５１】スイッチ制御手段１８は、上記故障出力信
号により、第２のスイッチ３を投入しないようにすると
ともに第１のスイッチ２を開放して、主回路を電源（変
電所等）から切り離す。

【００５２】以上の様に、放電用制御整流素子２４の故
障時にも、電力制御手段７の故障時と同様に保護するこ
とが可能となる。

【００５３】一方、正常時には、式（２５）（２６）よ
り、電流検出器２２の出力値Ｉｓは異常判定基準値Ｉｓ
ｐを所定時間ｔ０以上上回ることはない。これを、図１
２に示す。

【００５４】実施の形態５．図１３は、この発明の実施
の形態５を説明する図であり、図９と同様の部分には同
一の符号を付して説明を省略する。比較器２３は、異常
判定基準値Ｉｓｐとして、直流電源最低値（上記変動範
囲の場合は９００Ｖ）に相当する電圧検出器２１の出力
値Ｅｍｉｎ（＝９００）を充電抵抗器４の抵抗値Ｒと放
電抵抗器２５の抵抗値ＯＶＲの和で除した数値、Ｉｓｐ＝Ｅｍｉｎ／（Ｒ＋ＯＶＲ）・・・・（２９）を用い、電流検出器２３の出力値Ｉｓと比較する。

【００５５】放電用制御整流素子２４の短絡等の故障発
生時においては、Ｉｓ＝Ｉｓｏとなり、式（２９）にお
いて、Ｅｍｉｎ＜Ｅｓが必ず成立しているので、Ｉｓｐ
＝Ｅｍｉｎ／（Ｒ＋ＯＶＲ）＜Ｅｓ／（Ｒ＋ＯＶＲ）＝
Ｉｓｏとなり、Ｉｓｐを式（２９）のように設定すれ
ば、常時、Ｉｓｐ＜Ｉｓ・・・・（３０）が成立する。

【００５６】また、回路が正常であった場合には、Ｉｓ
＝Ｉｃｈなので、Ｉｓｐ＜Ｉｓ（ｔ＜−ｌｎ（Ｅｍｉｎ／Ｅｓ）×ＲＣ）・・（３１）Ｉｓｐ≧Ｉｓ（ｔ≧−ｌｎ（Ｅｍｉｎ／Ｅｓ）×ＲＣ）・・（３２）となる。これは、下記のように算出される。Ｅｍｉｎ／（Ｒ＋ＯＶＲ）＝Ｅｓ／Ｒ・ｅｘｐ（−１／ＲＣ）ｔｅｘｐ（−１／ＲＣ）ｔ＝Ｅｍｉｎ×Ｒ／（Ｅｓ×（Ｒ＋ＯＶＲ））（１／ＲＣ）ｔ＝−ｌｎ（Ｅｍｉｎ×Ｒ／（Ｅｓ×（Ｒ＋ＯＶＲ））ｔ＝−ｌｎ（Ｅｍｉｎ×Ｒ／（Ｅｓ×（Ｒ＋ＯＶＲ））×ＲＣ・・・・（３３）ここで式（３３）において、Ｅｍｉｎ＝９００、Ｅｓ＝
１５００、ＯＶＲ＝Ｒとすると、ｔ＝−ｌｎ（９００×Ｒ／（１５００×２Ｒ））×ＲＣ
＝１．２０４×ＲＣとなる。

【００５７】充電回路の時定数ＲＣに対する比較器２８
での比較時間ｔ０を、上記（３１）（３２）式で、Ｅｓ
＝９００〜１８００とした時に成立する値として、例え
ば、ｔ０＝１．５×ＲＣ・・・・（３４）と設定すると、（式（３３）において、Ｅｓ＝１８００
とすると、ｔ＝−ｌｎ（９００／３６００）×ＲＣ＝
１．３６８×Ｒとなる）故障時には、式（３０）より、
ｔ＝ｔ０時に、電流検出器２２の出力値Ｉｓは、式（２
９）による異常判定基準値Ｉｓｐを、式（３４）による
所定時間ｔ０以上上回ることになり、故障検出の出力信
号をスイッチ制御手段１８に出力を出す。

【００５８】スイッチ制御手段１８は、上記故障出力信
号により、第２のスイッチ３を投入しないようにすると
ともに第１のスイッチ２を開放して、主回路を電源（変
電所等）から切り離す。

【００５９】一方、正常時には、式（３１）（３２）よ
り、電流検出器２２の出力値Ｉｓは、式（２９）による
異常判定基準値Ｉｓｐを、式（３４）による所定瞬間ｔ
０以上上回ることはない。

【００６０】実施の形態６．図１４はこの発明の実施の
形態６に係る電気車制御装置を示す図である。図におい
て、図１と同様の部分には同一の符号を付して説明を省
略する。２６は電流検出器２２の出力値に対し、第１の
スイッチが投入された時点からの時間積分値を出力する
積分器であり、２７は上記積分器２６の出力値Ｓｉｓ
が、充電抵抗器４の容量に従って算出された数値（以下
故障判定基準値と呼ぶ）Ｓｒを上回ったときに故障と判
断してスイッチ制御手段１８に信号を出力する比較器で
ある。

【００６１】次に動作について説明する。充電抵抗器４
は、通常は式（１）による充電電流Ｉｃｈを通電してい
る。このときの充電抵抗器４での発生損失は、 ∫（Ｉｃｈ²Ｒ）ｄｔ＝Ｒ×∫Ｉｃｈ²ｄｔ・・・・（３５）と表される。このため、充電抵抗器４の容量としては、
式（３５）と式（１）より、Ｒ×∫（Ｅｓ／Ｒ・ｅｘｐ（−１／ＲＣ）ｔ）²ｄｔ＝Ｅｓ²／Ｒ×∫（ｅｘｐ（−１／ＲＣ）２ｔ）ｄｔ＝Ｅｓ²／Ｒ×（ＲＣ／２）＝Ｅｓ²×Ｃ／２・・・・（３６）の繰り返しにより算出する。

【００６２】一般に、電気車制御装置の動作としては、
充電動作の頻度は数分から数１０分間隔が普通であり、
それから考えると、抵抗器の熱時定数から考えて、上記
式（３６）はほぼ単発と考えてもよいことになる。すな
わち、充電抵抗器４の容量Ｗとしては、Ｗ＝Ｅｓ²×Ｃ／２＋α（余裕分）・・・・（３７）として設定できる。

【００６３】第１のスイッチ２が投入されたときに、電
力制御手段７の故障等によって、フィルタコンデンサ６
以降の回路が短絡されている場合には、直流電源からの
入力電流Ｉｓは、直流電源電圧Ｅｓを充電抵抗器４で制
限した電流が流れ続ける。この電流Ｉｓ＝Ｉｓｓは式
（２）となる。この時の積分器２６の出力値Ｓｉｓは、
電流はＩｓｓ一定であるため、第１のスイッチ２の投入
からの経過時間ｔに対して、Ｓｉｓ＝Ｉｓｓ²×ｔ・・・・（３８）と表される。

【００６４】通常、抵抗器は定格容量に対し通電時間が
短時間の場合には、定格容量を超えた電流を通電するこ
とが可能である。詳細な数値は抵抗器の種類によっても
異なるが、短時間通電限定、繰り返し回数無しか小、と
いう条件がついている。

【００６５】比較器２７は、故障判定基準値Ｓｒとし
て、充電抵抗器４の１秒間短時間容量、Ｗｒ＝Ｗ（定格容量）×Ｋ・・・・（３９）から算出した数値、Ｓｒ＝Ｗｒ／Ｒ・・・・（４０）を用い、積分器２６の出力値Ｓｉｓと比較する。

【００６６】短絡等の故障発生時においては、Ｉｓ＝Ｉ
ｓｓなので、式（３７）、（３８）、（３９）より、Ｋ×（Ｅｓ²×Ｃ／２＋α）／Ｒ＝Ｉｓｓ²×ｔＫ×（Ｅｓ²×Ｃ／２＋α）／Ｒ＝（Ｅｓ／Ｒ）²×ｔ（Ｅｓ²×Ｃ／２＋α）／Ｒ＝（Ｅｓ／Ｒ）²×ｔ／ＫＣ／２＋α’＝Ｋ／Ｒ×ｔｔ＝２／Ｋ×ＲＣ＋α” ・・・・（４１）より、式（４１）において、α≒０とすれば、ｔ≒２／Ｋ×ＲＣ・・・・（４２）となる。

【００６７】通常Ｋ＝２〜１０程度なので、ここで例え
ば式（４２）においてＫ＝５とすると、ｔ≒０．４×ＲＣ・・・・（４３）となる。

【００６８】よって、比較器２７は、短絡等の故障時に
は、式（４３）による、ｔ≒０. ４×ＲＣの時点で故障
検出の出力信号をスイッチ制御手段１８に出力する。こ
れを、図１５に示す。

【００６９】スイッチ制御手段１８は、上記故障出力信
号により、第２のスイッチ３を投入しないようにすると
ともに第１のスイッチ２を開放して、主回路を電源（変
電所等）から切り離す。

【００７０】実施の形態７．通常の電気車においては、
主にそのランニングコスト算出のため、電気車制御装置
の消費電力および回生ブレーキ時の回生電力を算出する
ための積算電力量算出器を搭載している。積算電力量
は、直流電源電圧（またはその相当値）×入力電流（±）で算出されるので、積算電力算出器は、この入力電流検
出用の電流検出器を有ししている。

【００７１】図１６は、実施の形態７の詳細を示した図
である。２８は積算電力量算出用の電流検出器である。
積算電力量算出用の電圧検出器としては、直流電圧検出
器２１、もしくは、相当量として、従来例の電圧検出器
１７を用いる。

【００７２】実施の形態７の動作は、電流検出器２８を
用い、実施の形態１乃至実施の形態６と同様の動作を行
なう。

【００７３】この実施の形態では、電流検出器を特別に
付加することなく、目的の性能が得られるので、低コス
ト化、小型化が図れる。

【００７４】また、上記各実施の形態においては、主電
動機として誘導電動機を用いた場合について説明した
が、同期電動機でも、直流電動機でも同等の効果を奏す
ることは明らかである。

【００７５】また、上記各実施の形態においては、主電
動機駆動用電力制御装置として、ＶＶＶＦインバータ装
置を用いた場合について説明したが、コンバータや整流
装置と組み合わせた、いわゆるコンバータ／インバータ
装置等を使用しても、また、直流電動機駆動用としてチ
ヨッパ装置を使用しても同等の効果を奏することは明ら
かである。

【００７６】また、上記各実施の形態においては、主電
動機の数量を１個としたが、これを複数個としてもよ
い。

【００７７】また、上記各実施の形態においては、電流
検出器の位置をフィルタリアクトルの後段としたが、同
一の電流を検出できるところであればどの位置に挿入し
てもよい。

【００７８】また、上記実施の形態４および実施の形態
５においては、放電用制御整流素子をサイリスタとした
が、オン状態を制御できる他の制御整流素子でもよい。

【００７９】

【発明の効果】以上のように、この発明に係る電気車制
御装置は、直流電源の電圧を検出する電圧検出器と、直
流電源から入力される電流を検出する電流検出器と、上
記電流検出器の出力と、上記電圧検出器の出力に対する
充電電流値から算出する異常判定基準値とを比較する比
較器を備え、第１のスイッチを閉成後の電流検出器の出
力値が、上記異常判定基準値を所定時間以上上回ったと
きに、上記比較器は故障出力信号を出力し、スイッチ制
御手段は、その信号により、第２のスイッチを閉成せず
に、第１のスイッチを開放するようにしたので、従来例
に比べて短時間に故障検出ができ、そのため、充電抵抗
器に電流が流れる時間を短くし、充電抵抗器の容量を小
さくし、機器の小型化を実現することが可能である。

【００８０】また、電流検出器の出力を２乗積分する積
分器の出力と、充電抵抗器の容量に従って算出する異常
判定基準値とを比較する比較器を備え、第１のスイッチ
を閉成後の積分器の出力が、上記異常判定基準値を上回
ったときに、上記比較器は故障出力信号を出力し、スイ
ッチ制御手段は、その信号により、第２のスイッチを閉
成せずに、第１のスイッチを開放するようにしたので、
従来例に比べて短時間に故障検出ができ、そのため、充
電抵抗器に電流が流れる時間を短くし、充電抵抗器の容
量を小さくし、機器の小型化を実現することが可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態１に係る電気車制御装
置を示す結線図である。

【図２】実施の形態１における正常時の電流検出器の
出力値（充電電流値）を示す図である。

【図３】実施の形態１における正常時と異常時の電流
検出器の出力値（充電電流値）の比較を示す図である。

【図４】実施の形態１における異常時の動作を説明す
るタイミングチャートである。

【図５】実施の形態１における正常時の動作を説明す
るタイミングチャートである。

【図６】この発明の実施の形態２に係る電気車制御装
置を示す結線図である。

【図７】この発明の実施の形態３に係る電気車制御装
置を示す結線図である。

【図８】実施の形態３における異常時の動作を説明す
るタイミングチャートである。

【図９】この発明の実施の形態４に係る電気車制御装
置を示す結線図である。

【図１０】実施の形態４における正常時と異常時の電
流検出器の出力値（充電電流値）の比較を示す図であ
る。

【図１１】実施の形態４における異常時の動作を説明
するタイミングチャートである。

【図１２】実施の形態４における正常時の動作を説明
するタイミングチャートである。

【図１３】この発明の実施の形態５に係る電気車制御
装置を示す結線図である。

【図１４】この発明の実施の形態６に係る電気車制御
装置を示す結線図である。

【図１５】実施の形態６における異常時の動作を説明
するタイミングチャートである。

【図１６】この発明の実施の形態７に係る電気車制御
装置を示す結線図である。

【図１７】従来の電気車制御装置を示す結線図であ
る。

【図１８】従来の電気車制御装置の動作を説明するタ
イミングチャートである。

【符号の説明】

１集電装置、２第１のスイッチ、３第２のスイッ
チ、４充電抵抗器、５フィルタリアクトル、６フ
ィルタコンデンサ、７電力制御手段、９誘導電動機
（主電動機）、１８スイッチ制御手段、２１直流電
源電圧検出器、２２電流検出器、２３比較器、２４
放電用制御整流素子、２５放電抵抗器、２６積分
器、２７比較器、２８積算電力算出用電流検出器。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】直流電源に接続される集電装置と、この
集電装置に直列に接続された第１および第２のスイッチ
と、この第２のスイッチに並列に接続された充電抵抗器
と、上記第２のスイッチにフィルタリアクトルおよびフ
ィルタコンデンサを介して接続された電力制御手段と、
この電力制御手段により制御される電気車駆動用の主電
動機と、上記第１および第２のスイッチの開閉を制御す
るスイッチ制御手段とを備えた電気車制御装置であっ
て、直流電源の電圧を検出する電圧検出器と、直流電源
から上記フィルタコンデンサおよび電力制御手段への入
力電流を検出する電流検出器と、この電流検出器の出力
と上記電圧検出器の出力に対応して定められる異常判定
基準値とを比較する比較器とを備え、上記比較器は、上
記第１のスイッチが閉成されたとき、上記電流検出器の
出力値が所定時間以内に上記異常判定基準値を下回る
か、または上記第１のスイッチが閉成されたとき、上記
電流検出器の出力値が上記異常判定基準値を所定時間
（所定時間は零を含む）以上上回るかを判断し、上記電
流検出器の出力値が上記異常判定基準値を所定時間以上
上回った場合は故障出力信号を上記スイッチ制御手段に
出し、上記スイッチ制御手段は、故障出力信号を受けな
いときは、フィルタコンデンサ電圧が充電された場合に
は、上記第２のスイッチを閉成し、故障出力信号を受け
たときは上記第２のスイッチを閉成せず、閉成している
上記第１のスイッチを開放することを特徴とする電気車
制御装置。
【請求項２】比較器は、電流検出器の出力値が異常判
定基準値を、充電抵抗器の抵抗値、フィルタコンデンサ
の容量、フィルタリアクトルのインダクタンスから算出
される時定数の一定比率以上の時間の間上回ったときに
故障出力信号を出すことを特徴とする請求項１記載の電
気車制御装置。
【請求項３】異常判定基準値を、直流電源電圧値に相
当する電圧検出器の出力値を充電抵抗器の抵抗値で除し
た値より一定比率減じた値としたことを特徴とする請求
項１または請求項２記載の電気車制御装置。
【請求項４】異常判定基準値を、直流電源電圧の最低
値に相当する電圧検出器の出力値を充電抵抗器の抵抗値
で除した値としたことを特徴とする請求項１または請求
項２記載の電気車制御装置。
【請求項５】異常判定基準値を、充電抵抗器の抵抗
値、フィルタコンデンサの容量、フィルタリアクトルの
インダクタンスから算出される時定数に従ったフィルタ
コンデンサの充電波形を一定比率上回わる値としたこと
を特徴とする請求項１記載の電気車制御装置。
【請求項６】直流電源に接続される集電装置と、この
集電装置に直列に接続された第１および第２のスイッチ
と、この第２のスイッチに並列に接続された充電抵抗器
と、上記第２のスイッチにフィルタリアクトルおよびフ
ィルタコンデンサを介して接続された電力制御手段と、
この電力制御手段により制御される電気車駆動用の主電
動機と、上記第１および第２のスイッチの開閉を制御す
るスイッチ制御手段とを備えた電気車制御装置であっ
て、直流電源の電圧を検出する電圧検出器と、直流電源
から上記フィルタコンデンサおよび電力制御手段への入
力電流を検出する電流検出器と、この電流検出器の出力
値を２乗積分する積分器と、この積分器の出力と上記充
電抵抗器の容量に従って算出された異常判定基準値とを
比較する比較器とを備え、上記比較器は、第１のスイッ
チが閉成されたとき、上記電流検出器の出力値の積分値
が所定時間以内に上記異常判定基準値を下回るか、また
は第１のスイッチが閉成されたとき、上記異常判定基準
値を所定時間（所定時間は零を含む）以上上回るかを判
断し、上記電流検出器の出力値の積分値が上記異常判定
基準値を所定時間以上上回った場合には故障出力信号を
上記スイッチ制御手段に出し、上記スイッチ制御手段
は、故障出力信号を受けないときは、フィルタコンデン
サ電圧が充電された場合には、上記第２のスイッチを閉
成し、故障出力信号を受けたときは上記第２のスイッチ
を閉成せず、閉成している上記第１のスイッチを開放す
ることを特徴とする電気車制御装置。
【請求項７】異常判定基準値を、充電抵抗器の短時間
定格値としたことを特徴とする請求項６記載の電気車制
御装置。
【請求項８】フィルタコンデンサに並列接続されると
共に、互いに直列接続された放電抵抗器と制御整流素子
を備え、異常判定基準値を、直流電源電圧値に相当する
電圧検出器の出力値を充電抵抗器の抵抗値と放電抵抗器
の抵抗値の和で除した値より一定比率減じた値としたこ
とを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか一項記
載の電気車制御装置。
【請求項９】フィルタコンデンサに並列接続されると
共に、互いに直列接続された放電抵抗器と制御整流素子
を備え、異常判定基準値を、直流電源電圧の最低値に相
当する電圧検出器の出力値を充電抵抗器の抵抗値と放電
抵抗器の抵抗値の和で除した値としたことを特徴とする
請求項１乃至請求項７のいずれか一項記載の電気車制御
装置。
【請求項１０】電流検出器として、電力制御手段の積
算電力量算出用電流検出器を使用したことを特徴とする
請求項１乃至請求項９のいずれか一項記載の電気車制御
装置。