WO2022054243A1 - 電力変換装置、車両用補助電源装置及び電力変換装置の停止方法 - Google Patents

電力変換装置、車両用補助電源装置及び電力変換装置の停止方法 Download PDF

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陽一 福田
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三菱電機株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a power conversion device that converts input power into AC power and supplies it to a load, an auxiliary power supply device for a vehicle provided with the power conversion device, and a method of stopping the power conversion device.
  • Patent Document 1 high-voltage DC power input from a collector is converted to AC power by a three-phase inverter, and AC power output from the three-phase inverter is supplied to a transformer via an AC reactor.
  • an auxiliary power supply device for a vehicle configured to convert the transformer into a desired low voltage AC power.
  • the target of power supply by the auxiliary power supply device for vehicles is the auxiliary load.
  • the auxiliary load is a name that refers to a load other than the traction motor among the loads mounted on a railway vehicle. Examples of auxiliary loads are in-vehicle lighting devices, door switchgears, air conditioners, security devices, compressors, batteries, and control power supplies.
  • a compressor is a device that produces an air source for a vehicle brake.
  • a general vehicle auxiliary power supply is equipped with an overcurrent detector.
  • the overcurrent detector detects the overcurrent flowing in the auxiliary load circuit.
  • the auxiliary load circuit is an electric circuit for supplying electric power from the three-phase inverter to the auxiliary load.
  • the auxiliary power supply device for the vehicle performs a protective operation to stop the operation of the three-phase inverter.
  • the auxiliary load Since the auxiliary load is mounted on railroad cars, the progress of insulation deterioration is faster than that of home appliances. As the insulation deterioration progresses, the current flowing through the auxiliary load circuit becomes larger than when the insulation deterioration does not occur.
  • the current flowing through the auxiliary load circuit when the insulation deteriorates is called a "ground fault current".
  • the ground fault current is smaller than the overcurrent described above. Therefore, the ground fault current rarely reaches the determination value of overcurrent protection, and it is difficult to accurately detect the insulation deterioration of the auxiliary load circuit. Although it is conceivable to lower the judgment value of overcurrent protection, erroneous detection of overcurrent protection increases, which poses a practical problem.
  • the present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to obtain a power conversion device capable of detecting insulation deterioration of an auxiliary load circuit quickly and accurately.
  • the power conversion device converts the input power into AC power via a filter circuit including a three-phase reactor circuit and a three-phase capacitor circuit. It is equipped with a three-phase inverter that supplies the converted AC power to the load.
  • the power converter is based on a voltage detector that detects the three-phase voltage, which is the voltage at each connection point between the three-phase reactor circuit and the three-phase capacitor circuit, and the three-phase voltage detected by the voltage detector.
  • a control device for controlling the operation of the phase inverter is provided.
  • the control device has a calculation unit that calculates the zero-phase voltage by adding the three-phase voltages, a separation unit that separates the instantaneous value of the zero-phase voltage into an AC signal and a DC signal, and the ground based on the effective value of the AC signal.
  • a first determination unit for determining the presence or absence of entanglement is provided.
  • the figure which shows the 2nd configuration example of the power supply source which generates the input power to the three-phase inverter shown in FIG. The first figure used for explaining the principle of ground fault detection in this embodiment.
  • the second figure used for explaining the principle of ground fault detection in this embodiment.
  • FIG. 3 used to explain the principle of ground fault detection in this embodiment.
  • the figure which shows the structural example of the control apparatus in this embodiment The figure which shows the structural example of the zero-phase voltage calculation part shown in FIG.
  • FIG. 1 A block diagram showing an example of a hardware configuration when the function of the control device in the present embodiment is realized by software.
  • FIG. 1 A block diagram showing another example of the hardware configuration when the function of the control device in the present embodiment is realized by software.
  • connection The method of stopping the power conversion device, the auxiliary power supply device for vehicles, and the power conversion device according to the embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings below.
  • the present invention is not limited to the following embodiments.
  • the power conversion device mounted on the railroad vehicle will be described as an example, but it is not intended to exclude the application to other uses.
  • the electrical connection and the physical connection are not distinguished, and are simply referred to as “connection”.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of an auxiliary power supply device 100 for a vehicle according to the present embodiment.
  • the vehicle auxiliary power supply device 100 includes a power conversion device 1 and a filter circuit 2.
  • the power conversion device 1 includes a three-phase inverter 10, a voltage detector 11, and a control device 12.
  • the three-phase inverter 10 and the auxiliary load 4 are connected to each other via the filter circuit 2 by using three electric wires 5.
  • the three electrical wirings 5 are "U-phase", "V-phase”, and "W-phase” electrical wirings.
  • the filter circuit 2 includes a three-phase reactor circuit 21 and a three-phase capacitor circuit 22.
  • the three-phase reactor circuit 21 includes three reactor elements.
  • the three-phase capacitor circuit 22 includes three capacitor elements.
  • the three reactor elements in the three-phase reactor circuit 21 are inserted into the corresponding U-phase, V-phase or W-phase electrical wiring 5.
  • Each end of each of the three reactor elements is connected to the three-phase inverter 10.
  • the other ends of each of the three reactor elements are connected to each end of the corresponding capacitor element of the three-phase capacitor circuit 22 at the connection points 8a, 8b, 8c in the electric wiring 5.
  • the other ends of each of the three capacitor elements are connected to each other at one point. This connection is called a Y connection.
  • the connection point 7, which is the connection point of the Y connection is grounded via the ground resistance 6.
  • An LC filter circuit is configured by the three-phase reactor circuit 21 and the three-phase capacitor circuit 22.
  • auxiliary load 4 examples of the auxiliary load 4 are an in-vehicle lighting device, a door opening / closing device, an air conditioner, a security device, a compressor, a battery, and a control power supply.
  • the vehicle interior lighting device, door opening / closing device, air conditioning device, security device, and compressor are AC loads that operate by being supplied with AC power.
  • the battery and the control power supply are DC loads that operate by receiving the supply of DC power.
  • the voltage detector 11 detects the three-phase voltage appearing at the connection points 8a, 8b, 8c. That is, the three-phase voltage is the voltage at each connection point between the three-phase reactor circuit 21 and the three-phase capacitor circuit 22.
  • the detection result of the voltage detector 11 is input to the control device 12.
  • the control device 12 controls the operation of the three-phase inverter 10 based on the three-phase voltage detected by the voltage detector 11.
  • the voltage detector 11 is shown so as to detect the voltage at the connection points 8a, 8b, 8c between the three-phase reactor circuit 21 and the three-phase capacitor circuit 22, but the voltage detector 11 is limited to this. Not done.
  • the voltage at the point shifted to the three-phase reactor circuit 21 side or the point shifted to the auxiliary load 4 side may be detected from the connection points 8a, 8b, 8c shown in the figure. That is, the voltage detector 11 may detect the voltage at any place as long as it is a portion considered to have the same potential as the potential of each connection point.
  • the three-phase inverter 10 converts the input power into AC power under the control of the control device 12, and supplies the converted AC power to the auxiliary load 4 via the filter circuit 2.
  • the filter circuit 2 reduces harmonics included in the output voltage of the three-phase inverter 10. As a result, a more sinusoidal AC voltage is applied to the auxiliary load 4 as compared with the case where the filter circuit 2 is not provided.
  • FIG. 2 is a diagram showing a first configuration example of a power supply source that generates input power to the three-phase inverter 10 shown in FIG.
  • the DC power supplied from the DC overhead line 30 is received via the current collector 31.
  • the received DC power is converted into AC power by the single-phase inverter 50.
  • the converted AC power is stepped down by the transformer 52 and supplied to the single-phase converter 61.
  • the step-down AC power is converted into DC power by the single-phase converter 61 and supplied to the three-phase inverter 10.
  • FIG. 3 is a diagram showing a second configuration example of a power supply source that generates input power to the three-phase inverter 10 shown in FIG.
  • the DC overhead line 30 is replaced with the AC overhead line 30A
  • the current collector 31 for the DC overhead line is replaced with the current collector 31A for the AC overhead line.
  • the transformer 41 and the single-phase converter 42 are placed in this order between the current collector 31A and the single-phase inverter 50. It is provided in.
  • the AC power supplied from the AC overhead line 30A is received by the transformer 41 via the current collector 31A.
  • the received AC power is stepped down by the transformer 41 and supplied to the single-phase converter 42.
  • the step-down AC power is converted into DC power by the single-phase converter 42 and supplied to the single-phase inverter 50. Subsequent operations are the same as in FIG. In FIGS. 2 and 3, the single-phase inverter 50, the transformer 52, and the single-phase converter 61, which are common components, are indicated by the same reference numerals. It goes without saying that the methods will be different.
  • FIG. 4 is a first diagram used for explaining the principle of ground fault detection in the present embodiment.
  • FIG. 5 is a second diagram used for explaining the principle of ground fault detection in the present embodiment.
  • FIG. 4 is an example in which the auxiliary load 4 connected to the vehicle auxiliary power supply device 100 of FIG. 1 is an AC load 4A.
  • FIG. 4 shows an example in which the insulation of the W-phase electric wiring deteriorates and a ground fault occurs in the W-phase.
  • the phase relationship of the three-phase voltages Vu, Vv, and Vw output from the three-phase inverter 10 is shown as a vector.
  • the ground fault that occurs when the auxiliary load 4 is the AC load 4A is referred to as an “AC ground fault”.
  • connection points 7 are connected to each other, they have a common potential. Therefore, the three-phase voltages Vu, Vv, and Vw are applied to each capacitor of the three-phase capacitor circuit 22. Therefore, when no ground fault has occurred, the zero-phase voltage does not appear at the connection point 7. On the other hand, when an AC ground fault occurs, the value of the zero-phase voltage Vu + Vv + Vw does not become zero, and the connection point 7 has a three-phase voltage cycle as shown by the broken line frame in FIG. A changing zero-phase voltage appears.
  • FIG. 6 is a third diagram used for explaining the principle of ground fault detection in the present embodiment.
  • FIG. 6 is an example in which the auxiliary load 4 connected to the vehicle auxiliary power supply device 100 of FIG. 1 is a DC load 4B.
  • the DC load 4B is connected to the electrical wiring 5 via the rectifier 9.
  • FIG. 6 shows an example in which the insulation of the electric wiring arranged between the rectifier 9 and the DC load 4B deteriorates and a ground fault occurs in one of the electric wirings.
  • the ground fault that occurs when the auxiliary load 4 is the DC load 4B is referred to as a “DC ground fault”.
  • a voltage appears at the connection point 7 as in the case of an AC ground fault.
  • the voltage that appears in the case of a DC ground fault is a DC voltage.
  • FIG. 7 is a diagram showing a configuration example of the control device 12 according to the present embodiment.
  • the control device 12 in the present embodiment includes a zero-phase voltage calculation unit 121 and a ground fault detection unit 122.
  • FIG. 8 is a diagram showing a configuration example of the zero-phase voltage calculation unit 121 shown in FIG. 7.
  • the zero-phase voltage calculation unit 121 includes an adder 121a.
  • the zero-phase voltage calculation unit 121 may be simply referred to as a "calculation unit".
  • the three-phase voltages Vu, Vv, and Vw detected by the voltage detector 11 are input to the zero-phase voltage calculation unit 121.
  • the adder 121a calculates the zero-phase voltage V0 by adding the three-phase voltages Vu, Vv, and Vw, respectively.
  • the calculated zero-phase voltage V0 is output to the ground fault detection unit 122.
  • FIG. 9 is a diagram showing a configuration example of the ground fault detection unit 122 shown in FIG. 7.
  • the ground fault detection unit 122 includes an AC / DC separation unit 122a, an effective value calculation unit 122b, an absolute value calculation unit 122c, comparers 122d, 122e, 122g, and a logical product calculation unit 122f.
  • a logical sum calculation unit 122h is provided.
  • the AC / DC separation unit 122a may be simply referred to as a "separation unit".
  • the zero-phase voltage V0 calculated by the zero-phase voltage calculation unit 121 is input to the AC / DC separation unit 122a.
  • the AC / DC separation unit 122a separates the instantaneous value of the zero-phase voltage V0 into an AC component and a DC component.
  • the AC component of the signals separated by the AC / DC separation unit 122a is called an AC signal and is represented by "a1".
  • the DC component of the signal separated by the AC / DC separation unit 122a is called a DC signal and is represented by "d1".
  • the AC signal a1 can be generated by high-pass filter processing, band-pass filter processing, or the like.
  • the DC signal d1 can be generated by low-pass filter processing or the like.
  • the AC signal a1 is input to the effective value calculation unit 122b and the comparator 122e.
  • the DC signal d1 is input to the absolute value calculation unit 122c.
  • the effective value calculation unit 122b calculates the effective value a2 of the AC signal a1.
  • the calculated effective value a2 is input to the comparator 122d.
  • the comparator 122d compares the effective value a2 with the determination value 1, and outputs the comparison result a3.
  • the comparison result a3 is a logical value. If the effective value a2 is larger than the determination value 1, the logic "1" is output. If the effective value a2 is the determination value 1 or less, the logic "0" is output.
  • the effective value calculation unit 122b and the comparator 122d constitute a first determination unit.
  • the first determination unit can determine the presence or absence of an AC ground fault that may occur on the power supply path to the AC load 4A.
  • the absolute value calculation unit 122c calculates the absolute value d2 of the DC signal d1.
  • the absolute value d2 is input to the comparator 122g.
  • the comparator 122g compares the absolute value d2 with the determination value 2, and outputs the comparison result d3.
  • the comparison result d3 is a logical value. If the absolute value d2 is larger than the determination value 2, the logic "1" is output. If the absolute value d2 is the determination value 2 or less, the logic "0" is output.
  • the absolute value calculation unit 122c and the comparator 122g constitute a second determination unit.
  • the second determination unit can determine the presence or absence of a DC ground fault that may occur on the power supply path to the DC load 4B.
  • the comparator 122e compares the AC signal a1 with the determination value 3, and outputs the comparison result a4.
  • the comparison result a4 is a logical value. If the AC signal a1 is larger than the determination value 3, the logic "1" is output. If the AC signal a1 is the determination value 3 or less, the logic "0" is output.
  • the determination value 3 is a determination value for detecting the instantaneous value zero point shown in FIG.
  • the comparison result a3 by the comparator 122d and the comparison result a4 by the comparator 122e are input to the AND calculation unit 122f.
  • the logical product calculation unit 122f calculates the logical product of the comparison results a3 and a4. If both of the comparison results a3 and a4 are logic "1", logic "1" is output. On the other hand, if at least one of the comparison results a3 and a4 is the logic "0", the logic "0" is output.
  • the operation result a5 by the AND calculation unit 122f and the comparison result d3 by the comparator 122g are input to the OR unit 122h.
  • the OR unit 122h calculates the OR S1 of the operation result a5 and the comparison result d3. If at least one of the calculation result a5 and the comparison result d3 is the logic "1", the logic "1" is output. On the other hand, if both the calculation result a5 and the comparison result d3 are the logic "0", the logic "0" is output.
  • the comparator 122e and the AND calculation unit 122f form a zero point detection unit.
  • the zero point detection unit can detect the zero point of the zero phase voltage in the AC ground fault based on the instantaneous value of the zero phase voltage.
  • the control device 12 determines that there is a ground fault by the function of the zero point detection unit and the function of the first determination unit, the control device 12 has three timings at which the zero point detection unit detects the zero point. The operation of the phase inverter 10 can be stopped.
  • the control device 12 monitors the zero-phase voltage calculated by using the three-phase voltage which is the voltage at each connection point between the three-phase reactor circuit 21 and the three-phase capacitor circuit 22. In the auxiliary load circuit, when an AC ground fault occurs, a zero-phase voltage is generated. Using this principle, the control device 12 determines the effective value of the AC component of the zero-phase voltage as a threshold value, and when it becomes larger than the threshold value, it is determined that an AC ground fault has occurred.
  • the auxiliary load 4 connected to the vehicle auxiliary power supply device 100 is generally an AC load, but a DC load may also be connected.
  • One method is to use a control circuit for determining the occurrence of an AC ground fault for determining the occurrence of a DC ground fault, but the determination accuracy is difficult. Therefore, a control circuit for determining the occurrence of a DC ground fault is separately constructed.
  • a DC ground fault occurs in an auxiliary load circuit including a DC load
  • a zero-phase voltage is generated as in the case of an AC ground fault.
  • the control device 12 determines the absolute value of the DC component of the zero-phase voltage as a threshold value, and determines that a DC ground fault has occurred when the value becomes larger than the threshold value.
  • the control device 12 stops the operation of the vehicle auxiliary power supply device 100 and stops the power supply to the auxiliary load 4.
  • the voltage at the time of three-phase imbalance may remain as a residual voltage in the three-phase capacitor circuit 22.
  • the timing at which the operation of the vehicle auxiliary power supply device 100 is stopped is controlled so that the residual voltage becomes zero as much as possible.
  • the control device 12 stops the operation of the three-phase inverter 10 at the timing when the zero point of the zero-phase voltage is detected.
  • the residual voltage of the three-phase capacitor circuit 22 is in the same state as in the three-phase equilibrium, so that the residual voltage can be controlled to a value close to zero.
  • FIG. 8 and 9 are examples of cases where the functions of the zero-phase voltage calculation unit 121 and the ground fault detection unit 122 shown in FIG. 7 are realized by the control circuit, but the present invention is not limited to these examples.
  • the function of the control device 12 in the present embodiment can be represented in the form of a flowchart.
  • FIG. 10 is a flowchart showing the flow of processing by the control device 12 of the present embodiment.
  • the control device 12 calculates the zero-phase voltage (step S101).
  • the control device 12 separates the zero-phase voltage into an AC signal, which is a signal sequence of an AC component, and a DC signal, which is a signal sequence of a DC component, using arithmetic data for at least one cycle of the zero-phase voltage (step). S102).
  • the AC signal is used in the processing after step S103, and the DC signal is used in the processing after step S105. Further, these processes are executed in parallel under the control of the control device 12.
  • the control device 12 calculates the effective value of the AC signal (step S103).
  • the control device 12 compares the effective value calculated in step S103 with the determination value 1 (step S104). If the effective value is less than the determination value 1 (step S104, No), the process returns to step S101. After that, the process from step S101 is repeated.
  • the control device 12 detects the zero point of the zero-phase voltage (step S107). Then, the control device 12 stops the operation of the vehicle auxiliary power supply device 100 at the timing when the zero point of the zero-phase voltage is detected (step S108), and ends the processing flow of FIG.
  • step S104 the case where the effective value and the determination value 1 are equal is determined as “Yes”, but it may be determined as "No". That is, the case where the effective value and the determination value 1 are equal may be determined by either "Yes” or "No".
  • the control device 12 calculates the absolute value of the DC signal (step S105).
  • the control device 12 compares the absolute value calculated in step S105 with the determination value 3 (step S106). If the absolute value is less than the determination value 3 (step S106, No), the process returns to step S101. After that, the process from step S101 is repeated.
  • the absolute value is 3 or more (step S106, Yes)
  • the control device 12 immediately stops the operation of the vehicle auxiliary power supply device 100 (step S108), and ends the processing flow of FIG. .. In the case of a DC signal, no voltage zero occurs. Therefore, the point that the operation of the auxiliary power supply device 100 for a vehicle is immediately stopped is different from the processing in the case of an AC signal.
  • step S106 the case where the absolute value and the determination value 3 are equal is determined as “Yes”, but it may be determined as "No". That is, the case where the absolute value and the determination value 3 are equal may be determined by either "Yes” or "No".
  • step S101 may be referred to as a "calculation step”, and the process of step S102 may be referred to as a "separation step”.
  • step S104 may be referred to as a "first determination step”
  • step S106 may be referred to as a "second determination step”.
  • step S107 may be referred to as a "zero point detection step”
  • the process of step S108 may be referred to as a "stop step”.
  • FIG. 11 is a block diagram showing an example of a hardware configuration when the function of the control device 12 in the present embodiment is realized by software.
  • FIG. 12 is a block diagram showing another example of the hardware configuration when the function of the control device 12 in the present embodiment is realized by software.
  • a program read by the processor 300 and the processor 300 that perform the calculation is used. It can be configured to include a memory 302 to be stored and an interface 304 to input / output signals.
  • the processor 300 may be an arithmetic unit, a microprocessor, a microcomputer, a CPU (Central Processing Unit), or a DSP (Digital Signal Processor).
  • the memory 302 includes a non-volatile or volatile semiconductor memory such as a RAM (Radom Access Memory), a ROM (Read Only Memory), a flash memory, an EPROM (Erasable Project ROM), and an EEPROM (registered trademark) (Electrically EPROM). Examples thereof include magnetic discs, flexible discs, optical discs, compact discs, mini discs, and DVDs (Digital entirely Disc).
  • the memory 302 stores a program that executes the functions of the zero-phase voltage calculation unit 121 and the ground fault detection unit 122.
  • the processor 300 sends and receives necessary information via the interface 304, and the processor 300 executes a program stored in the memory 302 to execute the functions of the zero-phase voltage calculation unit 121 and the ground fault detection unit 122 described above. can do.
  • the processor 300 and the memory 302 shown in FIG. 11 may be replaced with the processing circuit 303 as shown in FIG.
  • the processing circuit 303 corresponds to a single circuit, a composite circuit, an ASIC (Application Specific Integrated Circuit), an FPGA (Field-Programmable Gate Array), or a combination thereof.
  • the control device calculates a zero-phase voltage obtained by adding the three-phase voltage which is the voltage at each connection point between the three-phase reactor circuit and the three-phase capacitor circuit. Then, the control device separates the calculated instantaneous value of the zero-phase voltage into an AC signal and a DC signal, and determines the presence or absence of a ground fault based on the effective value of the separated AC signal.
  • the ground fault current flowing in the auxiliary load circuit when the insulation deteriorates is small. Therefore, it is difficult to accurately detect the presence or absence of a ground fault by the method of directly detecting the ground fault current.
  • the present embodiment is a method of using a three-phase voltage which is a voltage at each connection point between a three-phase reactor circuit and a three-phase capacitor circuit, and is a method of using a ground fault as compared with a method of directly detecting a ground fault current. It is possible to increase the detection accuracy of. As a result, the insulation deterioration of the auxiliary load circuit can be detected with high accuracy.
  • the control device determines the presence or absence of a ground fault by using a determination logic different from the overcurrent protection. Therefore, unlike the overcurrent protection, a determination value specialized for determining the presence or absence of a ground fault can be used. This makes it possible to detect the insulation deterioration of the auxiliary load circuit at an early stage.
  • the control device detects the zero point of the zero-phase voltage based on the instantaneous value of the zero-phase voltage. Then, when the AC ground fault is detected, the control device controls to stop the operation of the three-phase inverter at the timing when the zero point of the zero-phase voltage is detected.
  • This control makes it possible to control the residual voltage of the three-phase capacitor circuit to a value close to zero. As a result, when the auxiliary power supply device for the vehicle is restarted, the adverse effect on the operation of the auxiliary load can be reduced.
  • FIG. 1 shows a configuration example in which the connection point 7 of the three-phase capacitor circuit 22 is grounded via the ground resistance 6, but the configuration is not limited to this. If the resistance value of the electrical wiring for grounding the connection point 7 satisfies the electrical equipment technical standard, the connection point 7 is also grounded without going through the grounding resistance 6.
  • FIG. 1 shows a configuration example in which three capacitor elements of the three-phase capacitor circuit 22 are Y-connected, but the configuration is not limited to this configuration.
  • the configuration may be such that three capacitor elements are connected by ⁇ .
  • the three-phase inverter 10 and the three-phase capacitor circuit 22 are generally connected via a transformer connected by ⁇ Y.
  • the midpoint of the secondary coil of the transformer (not shown) is grounded. Therefore, the voltage at the midpoint of the secondary coil may be detected and the above-described method according to the present embodiment may be applied.

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Abstract

電力変換装置（１）は、三相リアクトル回路（２１）と三相コンデンサ回路（２２）とを備えたフィルタ回路（２）を介して、変換した交流電力を負荷に供給する三相インバータ（１０）と、三相リアクトル回路（２１）と三相コンデンサ回路（２２）との接続点（８ａ，８ｂ，８ｃ）の電圧である三相電圧を検出する電圧検出器（１１）と、電圧検出器（１１）によって検出された三相電圧に基づいて三相インバータ（１０）の動作を制御する制御装置（１２）と、を備える。制御装置（１２）は、三相電圧をそれぞれ加算した零相電圧を演算する演算部と、零相電圧の瞬時値を交流信号と直流信号とに分離する分離部と、交流信号の実効値に基づいて地絡の有無を判定する第１判定部と、を備える。

Description

電力変換装置、車両用補助電源装置及び電力変換装置の停止方法
　本発明は、入力電力を交流電力に変換して負荷に供給する電力変換装置、電力変換装置を備えた車両用補助電源装置及び電力変換装置の停止方法に関する。
　下記特許文献１には、集電器から入力される高電圧の直流電力を三相インバータで交流電力に変換し、三相インバータから出力される交流電力を、交流リアクトルを介して変圧器に供給し、当該変圧器で所望の低電圧交流電力に変換する構成の車両用補助電源装置が開示されている。
　車両用補助電源装置による電力の供給対象は、補助負荷である。補助負荷とは、鉄道車両に搭載される負荷のうち、主電動機以外の負荷を指して呼ぶ名称である。補助負荷の例は、車内照明装置、ドア開閉装置、空調装置、保安機器、コンプレッサ、バッテリ、制御電源である。コンプレッサは、車両ブレーキの空気源を生成する装置である。
　一般的な車両用補助電源装置は、過電流検出器を備えている。過電流検出器は、補助負荷回路に流れる過電流を検出する。補助負荷回路は、三相インバータから補助負荷に電力を供給するための電気回路である。過電流検出器によって過電流が検出された場合、車両用補助電源装置は、三相インバータの動作を停止する保護動作を行う。
特開２０１１－２１１７７７号公報
　補助負荷は、鉄道車両に搭載されているため、家電機器などと比べて絶縁劣化の進行が速い。絶縁劣化が進むと、補助負荷回路に流れる電流は、絶縁劣化が生じていない場合と比べて大きくなる。ここでは、絶縁劣化時に補助負荷回路に流れる電流を「地絡電流」と呼ぶ。地絡電流は、上述した過電流と比べて小さい。このため、地絡電流は、過電流保護の判定値に到達することは希であり、補助負荷回路の絶縁劣化を精度良く検知することは困難である。過電流保護の判定値を下げることも考えられるが、過電流保護の誤検知が多くなり、実用上の問題点となる。
　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、補助負荷回路の絶縁劣化を早期且つ精度良く検知することができる電力変換装置を得ることを目的とする。
　上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明に係る電力変換装置は、入力された電力を交流電力に変換し、三相リアクトル回路と三相コンデンサ回路とを備えたフィルタ回路を介して、変換した交流電力を負荷に供給する三相インバータを備える。また、電力変換装置は、三相リアクトル回路と三相コンデンサ回路との各接続点の電圧である三相電圧を検出する電圧検出器と、電圧検出器によって検出された三相電圧に基づいて三相インバータの動作を制御する制御装置と、を備える。制御装置は、三相電圧をそれぞれ加算した零相電圧を演算する演算部と、零相電圧の瞬時値を交流信号と直流信号とに分離する分離部と、交流信号の実効値に基づいて地絡の有無を判定する第１判定部と、を備える。
　本発明によれば、補助負荷回路の絶縁劣化を早期且つ精度良く検知することができるという効果を奏する。
本実施の形態に係る車両用補助電源装置の構成例を示す図 図１に示す三相インバータへの入力電力を発生させる電力供給源の第１の構成例を示す図 図１に示す三相インバータへの入力電力を発生させる電力供給源の第２の構成例を示す図 本実施の形態における地絡検出の原理の説明に使用する第１の図 本実施の形態における地絡検出の原理の説明に使用する第２の図 本実施の形態における地絡検出の原理の説明に使用する第３の図 本実施の形態における制御装置の構成例を示す図 図７に示す零相電圧演算部の構成例を示す図 図７に示す地絡検知部の構成例を示す図 本実施の形態の制御装置による処理の流れを示すフローチャート 本実施の形態における制御装置の機能をソフトウェアで実現する場合のハードウェア構成の一例を示すブロック図 本実施の形態における制御装置の機能をソフトウェアで実現する場合のハードウェア構成の他の例を示すブロック図
　以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態に係る電力変換装置、車両用補助電源装置及び電力変換装置の停止方法について詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により、本発明が限定されるものではない。また、以下の実施の形態では、鉄道車両に搭載される電力変換装置を例示して説明するが、他の用途への適用を除外する趣旨ではない。また、以下では、電気的な接続と物理的な接続とを区別せずに、単に「接続」と称して説明する。
実施の形態．
　図１は、本実施の形態に係る車両用補助電源装置１００の構成例を示す図である。本実施の形態に係る車両用補助電源装置１００は、図１に示すように、電力変換装置１と、フィルタ回路２とを備える。電力変換装置１は、三相インバータ１０と、電圧検出器１１と、制御装置１２とを備える。三相インバータ１０と補助負荷４とは、フィルタ回路２を介し、３本の電気配線５を用いて接続されている。３本の電気配線５は、「Ｕ相」、「Ｖ相」及び「Ｗ相」の電気配線となる。
　フィルタ回路２は、三相リアクトル回路２１と、三相コンデンサ回路２２とを備える。三相リアクトル回路２１は、３つのリアクトル素子を備える。三相コンデンサ回路２２は、３つのコンデンサ素子を備える。三相リアクトル回路２１における３つのリアクトル素子は、対応するＵ相、Ｖ相又はＷ相の電気配線５に挿入される。３つのリアクトル素子の各一端は、三相インバータ１０に接続される。３つのリアクトル素子の各他端は、電気配線５における接続点８ａ，８ｂ，８ｃにおいて、三相コンデンサ回路２２の対応するコンデンサ素子の各一端にそれぞれ接続される。３つのコンデンサ素子の各他端同士は相互に１点で接続される。この接続は、Ｙ結線と呼ばれる。Ｙ結線の接続点である接続点７は、接地抵抗６を介して接地される。三相リアクトル回路２１と三相コンデンサ回路２２とによって、ＬＣフィルタ回路が構成される。
　前述したように、補助負荷４の例は、車内照明装置、ドア開閉装置、空調装置、保安機器、コンプレッサ、バッテリ、制御電源である。これらの補助負荷４のうち、車内照明装置、ドア開閉装置、空調装置、保安機器及びコンプレッサは、交流電力の供給を受けて動作する交流負荷である。また、バッテリ及び制御電源は、直流電力の供給を受けて動作する直流負荷である。
　電圧検出器１１は、図１に示されるように、接続点８ａ，８ｂ，８ｃに表れる三相電圧を検出する。即ち、三相電圧は、三相リアクトル回路２１と三相コンデンサ回路２２との各接続点の電圧である。電圧検出器１１の検出結果は、制御装置１２に入力される。制御装置１２は、電圧検出器１１によって検出された三相電圧に基づいて三相インバータ１０の動作を制御する。
　なお、図１において、電圧検出器１１は、三相リアクトル回路２１と三相コンデンサ回路２２との間の接続点８ａ，８ｂ，８ｃの電圧を検出するように図示されているが、これに限定されない。図示の接続点８ａ，８ｂ，８ｃから、三相リアクトル回路２１側にずれた点、又は補助負荷４側にずれた点の電圧を検出してもよい。即ち、電圧検出器１１は、各接続点の電位と同電位と見なされる部位であれば、どのような場所の電圧を検出してもよい。
　三相インバータ１０は、制御装置１２の制御によって、入力電力を交流電力に変換し、変換した交流電力を、フィルタ回路２を介して補助負荷４に供給する。フィルタ回路２は、三相インバータ１０の出力電圧に含まれる高調波を低減させる。これにより、補助負荷４には、フィルタ回路２がないときと比べてより正弦波状の交流電圧が印加される。
　図２は、図１に示す三相インバータ１０への入力電力を発生させる電力供給源の第１の構成例を示す図である。図２に示す第１の構成例では、直流架線３０から供給される直流電力は集電装置３１を介して受電される。受電した直流電力は、単相インバータ５０で交流電力に変換される。変換された交流電力は、変圧器５２で降圧されて単相コンバータ６１に供給される。降圧された交流電力は、単相コンバータ６１で直流電力に変換されて三相インバータ１０に供給される。
　図３は、図１に示す三相インバータ１０への入力電力を発生させる電力供給源の第２の構成例を示す図である。図３に示す第２の構成例では、直流架線３０が交流架線３０Ａに置き替えられ、直流架線用の集電装置３１が交流架線用の集電装置３１Ａに置き替えられている。また、図３に示す構成と図２に示す構成とを比較すると、図３では、集電装置３１Ａと単相インバータ５０との間に、変圧器４１と、単相コンバータ４２とが、この順で設けられている。交流架線３０Ａから供給される交流電力は、集電装置３１Ａを介して変圧器４１で受電される。受電した交流電力は変圧器４１で降圧されて単相コンバータ４２に供給される。降圧された交流電力は、単相コンバータ４２で直流電力に変換されて単相インバータ５０に供給される。以後の動作は、図２と同じである。なお、図２及び図３では、共通の構成部である単相インバータ５０、変圧器５２及び単相コンバータ６１を同一の符号で示しているが、架線電圧の差異によって、各構成部の容量又は方式が異なるものになることは言うまでもない。
　図４は、本実施の形態における地絡検出の原理の説明に使用する第１の図である。図５は、本実施の形態における地絡検出の原理の説明に使用する第２の図である。図４は、図１の車両用補助電源装置１００に接続される補助負荷４が交流負荷４Ａである場合の例である。図４には、Ｗ相電気配線の絶縁が劣化し、Ｗ相に地絡が発生した例が示されている。図５では、三相インバータ１０から出力される三相電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの位相関係がベクトルで示されている。なお、本明細書では、補助負荷４が交流負荷４Ａである場合に発生する地絡を「交流地絡」と呼ぶ。
　地絡が生じていない場合、三相電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗは、図５に示されるように、互いに１２０°の位相関係を保持している。１２０°の位相関係が保持されている場合、零相電圧を表す三相電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの和は、零になる。即ち、Ｖｕ＋Ｖｖ＋Ｖｗ＝０の関係がある。
　また、接続点７は相互に接続されているため共通電位である。このため、三相コンデンサ回路２２の各コンデンサには、三相電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗが印加される。このため、地絡が発生していない場合、接続点７には、零相電圧が表れない。これに対し、交流地絡が発生している場合、零相電圧Ｖｕ＋Ｖｖ＋Ｖｗの値は零にはならず、接続点７には、図４の破線枠で示されるような、三相電圧の周期で変化する零相電圧が表れる。
　また、図６は、本実施の形態における地絡検出の原理の説明に使用する第３の図である。図６は、図１の車両用補助電源装置１００に接続される補助負荷４が直流負荷４Ｂである場合の例である。直流負荷４Ｂは、整流器９を介して、電気配線５に接続されている。図６には、整流器９と直流負荷４Ｂとの間に配されている電気配線の絶縁が劣化し、電気配線の１つに地絡が発生した例が示されている。なお、本明細書では、補助負荷４が直流負荷４Ｂである場合に発生する地絡を「直流地絡」と呼ぶ。直流地絡の場合も、交流地絡の場合と同様に、接続点７に電圧が表れる。但し、直流地絡の場合に表れる電圧は、直流電圧である。
　次に、本実施の形態における制御装置１２の構成及び動作について説明する。図７は、本実施の形態における制御装置１２の構成例を示す図である。本実施の形態における制御装置１２は、図７に示すように、零相電圧演算部１２１と、地絡検知部１２２とを備える。また、図８は、図７に示す零相電圧演算部１２１の構成例を示す図である。零相電圧演算部１２１は、図８に示すように、加算器１２１ａを備える。なお、以下の記載において、零相電圧演算部１２１を単に「演算部」と呼ぶ場合がある。
　零相電圧演算部１２１には、電圧検出器１１によって検出された三相電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗが入力される。加算器１２１ａは、三相電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗをそれぞれ加算して零相電圧Ｖ０を演算する。演算された零相電圧Ｖ０は、地絡検知部１２２へ出力される。
　図９は、図７に示す地絡検知部１２２の構成例を示す図である。地絡検知部１２２は、図９に示すように、交流直流分離部１２２ａと、実効値演算部１２２ｂと、絶対値演算部１２２ｃと、比較器１２２ｄ，１２２ｅ，１２２ｇと、論理積演算部１２２ｆと、論理和演算部１２２ｈとを備える。なお、以下の記載において、交流直流分離部１２２ａを単に「分離部」と呼ぶ場合がある。
　交流直流分離部１２２ａには、零相電圧演算部１２１によって演算された零相電圧Ｖ０が入力される。交流直流分離部１２２ａは、零相電圧Ｖ０の瞬時値を交流成分と直流成分とに分離する。交流直流分離部１２２ａによって分離された信号のうちの交流成分を交流信号と呼び、「ａ１」で表す。また、交流直流分離部１２２ａによって分離された信号のうちの直流成分を直流信号と呼び、「ｄ１」で表す。交流信号ａ１は、ハイパスフィルタ処理、バンドパスフィルタ処理などによって生成することができる。直流信号ｄ１は、ローパスフィルタ処理などによって生成することができる。交流信号ａ１は、実効値演算部１２２ｂと、比較器１２２ｅとに入力される。直流信号ｄ１は、絶対値演算部１２２ｃに入力される。
　実効値演算部１２２ｂは、交流信号ａ１の実効値ａ２を演算する。演算された実効値ａ２は、比較器１２２ｄに入力される。比較器１２２ｄは、実効値ａ２と判定値１とを比較し、その比較結果ａ３を出力する。比較結果ａ３は、論理値である。実効値ａ２が判定値１よりも大きければ、論理“１”が出力される。実効値ａ２が判定値１以下であれば、論理“０”が出力される。
　本実施の形態において、実効値演算部１２２ｂと、比較器１２２ｄとは、第１判定部を構成する。上記機能により、第１判定部は、交流負荷４Ａへの電力供給経路上で生じ得る交流地絡の有無を判定することができる。
　絶対値演算部１２２ｃは、直流信号ｄ１の絶対値ｄ２を演算する。絶対値ｄ２は、比較器１２２ｇに入力される。比較器１２２ｇは、絶対値ｄ２と判定値２とを比較し、その比較結果ｄ３を出力する。比較結果ｄ３は、論理値である。絶対値ｄ２が判定値２よりも大きければ、論理“１”が出力される。絶対値ｄ２が判定値２以下であれば、論理“０”が出力される。
　本実施の形態において、絶対値演算部１２２ｃと、比較器１２２ｇとは、第２判定部を構成する。上記機能により、第２判定部は、直流負荷４Ｂへの電力供給経路上で生じ得る直流地絡の有無を判定することができる。
　比較器１２２ｅは、交流信号ａ１と判定値３とを比較し、その比較結果ａ４を出力する。比較結果ａ４は、論理値である。交流信号ａ１が判定値３よりも大きければ、論理“１”が出力される。交流信号ａ１が判定値３以下であれば、論理“０”が出力される。判定値３は、図４に示した瞬時値零点を検出するための判定値である。
　比較器１２２ｄによる比較結果ａ３と、比較器１２２ｅによる比較結果ａ４とは、論理積演算部１２２ｆに入力される。論理積演算部１２２ｆは、比較結果ａ３，ａ４の論理積を演算する。比較結果ａ３，ａ４の両方が論理“１”であれば、論理“１”が出力される。一方、比較結果ａ３，ａ４のうちの少なくとも１つが論理“０”であれば、論理“０”が出力される。
　論理積演算部１２２ｆによる演算結果ａ５と、比較器１２２ｇによる比較結果ｄ３とは、論理和演算部１２２ｈに入力される。論理和演算部１２２ｈは、演算結果ａ５と、比較結果ｄ３との論理和Ｓ１を演算する。演算結果ａ５及び比較結果ｄ３のうちの少なくとも１つが論理“１”であれば、論理“１”が出力される。一方、演算結果ａ５及び比較結果ｄ３の両方が論理“０”であれば、論理“０”が出力される。
　本実施の形態において、比較器１２２ｅと、論理積演算部１２２ｆとは、零点検出部を構成する。零点検出部は、零相電圧の瞬時値に基づいて、交流地絡における零相電圧の零点を検出することができる。この零点検出部の機能と、上記第１判定部の機能とにより、制御装置１２は、第１判定部によって地絡有りと判定されている場合、零点検出部によって零点が検出されるタイミングで三相インバータ１０の動作を停止させることができる。
　次に、実施の形態１の制御装置１２による制御の態様について説明する。まず、制御装置１２は、三相リアクトル回路２１と三相コンデンサ回路２２との各接続点の電圧である三相電圧を用いて演算した零相電圧を監視している。補助負荷回路において、交流地絡が発生すると、零相電圧が発生する。この原理を利用し、制御装置１２は、零相電圧の交流成分の実効値を閾値判定し、閾値よりも大きくなった場合に、交流地絡が発生したと判定する。
　車両用補助電源装置１００に接続される補助負荷４は、交流負荷が一般的であるが、直流負荷が接続される場合もある。直流地絡の発生の判定に、交流地絡の発生を判定するための制御回路を利用することも１つの方法であるが、判定精度に難がある。このため、直流地絡の発生を判定する制御回路を別途構築する。直流負荷を含む補助負荷回路において、直流地絡が発生すると、交流地絡の場合と同様に、零相電圧が発生する。制御装置１２は、零相電圧の直流成分の絶対値を閾値判定し、閾値よりも大きくなった場合に、直流地絡が発生したと判定する。
　制御装置１２は、交流地絡又は直流地絡が発生した場合には、車両用補助電源装置１００の動作を停止して、補助負荷４への電力供給を停止する。このとき、車両用補助電源装置１００の動作を停止するタイミングによって、三相コンデンサ回路２２に三相不平衡時の電圧が残留電圧として残る場合がある。残留電圧が存在する場合、車両用補助電源装置１００を再起動した際に、補助負荷４の動作に悪影響を与える場合がある。そこで、残留電圧が可能な限り零となるように、車両用補助電源装置１００の動作を停止するタイミングを制御する。具体的には、上述したように、制御装置１２は、零相電圧の零点が検出されるタイミングで三相インバータ１０の動作を停止する。この制御により、三相コンデンサ回路２２の残留電圧は三相平衡時と同じ状態になるので、残留電圧を零に近い値に制御することが可能となる。
　図８及び図９は、図７に示す零相電圧演算部１２１及び地絡検知部１２２の機能を制御回路で実現する場合の一例であるが、これらの例に限定されない。本実施の形態における制御装置１２の機能は、フローチャートの形式で表すことができる。図１０は、本実施の形態の制御装置１２による処理の流れを示すフローチャートである。
　制御装置１２は、零相電圧を演算する（ステップＳ１０１）。制御装置１２は、少なくとも零相電圧の１周期以上の演算データを用いて、零相電圧を交流成分の信号列である交流信号と、直流成分の信号列である直流信号とに分離する（ステップＳ１０２）。交流信号は、ステップＳ１０３以降の処理で使用され、直流信号は、ステップＳ１０５以降の処理で使用される。また、これらの処理は、制御装置１２の制御下において、同時並行的に実行される。
（交流信号の処理）
　制御装置１２は、交流信号の実効値を演算する（ステップＳ１０３）。制御装置１２は、ステップＳ１０３で演算された実効値と判定値１とを比較する（ステップＳ１０４）。実効値が判定値１未満である場合（ステップＳ１０４、Ｎｏ）、ステップＳ１０１に戻る。以降、ステップＳ１０１からの処理が繰り返される。また、実効値が判定値１以上である場合（ステップＳ１０４、Ｙｅｓ）、制御装置１２は、零相電圧の零点を検出する（ステップＳ１０７）。そして、制御装置１２は、零相電圧の零点が検出されるタイミングで車両用補助電源装置１００の動作を停止して（ステップＳ１０８）、図１０の処理フローを終える。
　なお、上記ステップＳ１０４の処理では、実効値と判定値１とが等しい場合を“Ｙｅｓ”と判定しているが、“Ｎｏ”と判定してもよい。即ち、実効値と判定値１とが等しい場合を“Ｙｅｓ”又は“Ｎｏ”の何れで判定してもよい。
（直流信号の処理）
　制御装置１２は、直流信号の絶対値を演算する（ステップＳ１０５）。制御装置１２は、ステップＳ１０５で演算された絶対値と判定値３とを比較する（ステップＳ１０６）。絶対値が判定値３未満である場合（ステップＳ１０６、Ｎｏ）、ステップＳ１０１に戻る。以降、ステップＳ１０１からの処理が繰り返される。また、絶対値が判定値３以上である場合（ステップＳ１０６、Ｙｅｓ）、制御装置１２は、車両用補助電源装置１００の動作を即座に停止して（ステップＳ１０８）、図１０の処理フローを終える。直流信号の場合、電圧零点は生じない。このため、車両用補助電源装置１００の動作を即座に停止する点が、交流信号の場合の処理と異なっている。
　なお、上記ステップＳ１０６の処理では、絶対値と判定値３とが等しい場合を“Ｙｅｓ”と判定しているが、“Ｎｏ”と判定してもよい。即ち、絶対値と判定値３とが等しい場合を“Ｙｅｓ”又は“Ｎｏ”の何れで判定してもよい。
　また、以下の記載において、ステップＳ１０１の処理を「演算ステップ」と呼び、ステップＳ１０２の処理を「分離ステップ」と呼ぶ場合がある。また、ステップＳ１０４の処理を「第１判定ステップ」と呼び、ステップＳ１０６の処理を「第２判定ステップ」と呼ぶ場合がある。また、ステップＳ１０７の処理を「零点検出ステップ」と呼び、ステップＳ１０８の処理を「停止ステップ」と呼ぶ場合がある。
　次に、本実施の形態における制御装置１２の機能をソフトウェアで実現するためのハードウェア構成について、図１１及び図１２の図面を参照して説明する。図１１は、本実施の形態における制御装置１２の機能をソフトウェアで実現する場合のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。図１２は、本実施の形態における制御装置１２の機能をソフトウェアで実現する場合のハードウェア構成の他の例を示すブロック図である。
　上述した制御装置１２における零相電圧演算部１２１及び地絡検知部１２２の機能をソフトウェアで実現する場合には、図１１に示すように、演算を行うプロセッサ３００、プロセッサ３００によって読みとられるプログラムが保存されるメモリ３０２、及び信号の入出力を行うインタフェース３０４を含む構成とすることができる。
　プロセッサ３００は、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）、又はＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）といった演算手段であってもよい。また、メモリ３０２には、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　ＲＯＭ）、ＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ　ＥＰＲＯＭ）といった不揮発性又は揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ　Ｄｉｓｃ）を例示することができる。
　メモリ３０２には、零相電圧演算部１２１及び地絡検知部１２２の機能を実行するプログラムが格納されている。プロセッサ３００は、インタフェース３０４を介して必要な情報を授受し、メモリ３０２に格納されたプログラムをプロセッサ３００が実行することにより、上述した零相電圧演算部１２１及び地絡検知部１２２の機能を実行することができる。
　また、図１１に示すプロセッサ３００及びメモリ３０２は、図１２のように処理回路３０３に置き換えてもよい。処理回路３０３は、単一回路、複合回路、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｓｐｅｃｉｆｉｃ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ－Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｇａｔｅ　Ａｒｒａｙ）、又は、これらを組み合わせたものが該当する。
　以上説明したように、本実施の形態によれば、制御装置は、三相リアクトル回路と三相コンデンサ回路との各接続点の電圧である三相電圧をそれぞれ加算した零相電圧を演算する。そして、制御装置は、演算した零相電圧の瞬時値を交流信号と直流信号とに分離し、分離した交流信号の実効値に基づいて地絡の有無を判定する。絶縁劣化時に補助負荷回路に流れる地絡電流は小さい。このため、地絡電流を直接検出する手法では、地絡の有無を精度良く検知することは困難である。一方、本実施の形態は、三相リアクトル回路と三相コンデンサ回路との各接続点の電圧である三相電圧を使用する手法であり、地絡電流を直接検出する手法に比べて、地絡の検出精度を高くすることが可能である。これにより、補助負荷回路の絶縁劣化を精度良く検知することができる。
　また、本実施の形態によれば、制御装置は、過電流保護とは異なる判定ロジックを用いて、地絡の有無を判定する。このため、過電流保護とは異なり、地絡の有無の判定に特化した判定値を用いることができる。これにより、補助負荷回路の絶縁劣化を早期に検知することができる。
　また、本実施の形態によれば、制御装置は、零相電圧の瞬時値に基づいて零相電圧の零点を検出する。そして、制御装置は、交流地絡が検知された場合、零相電圧の零点が検出されるタイミングで三相インバータの動作を停止させる制御を行う。この制御により、三相コンデンサ回路の残留電圧を零に近い値に制御することが可能となる。これにより、車両用補助電源装置を再起動した際に、補助負荷の動作に与える悪影響を小さくすることができる。
　なお、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
　例えば図１では、三相コンデンサ回路２２の接続点７が接地抵抗６を介して接地される構成例を示しているが、この構成に限定されない。接続点７を接地するための電気配線の抵抗値が電気設備技術基準を満足している場合、接続点７は、接地抵抗６を介さずに接地することも行われる。
　また、図１では、三相コンデンサ回路２２の３つのコンデンサ素子がＹ結線される構成例を示しているが、この構成に限定されない。３つのコンデンサ素子がΔ結線される構成であってもよい。なお、３つのコンデンサ素子がΔ結線される構成の場合、三相インバータ１０と三相コンデンサ回路２２とは、Δ－Ｙ結線の変圧器を介して接続される構成が一般的である。この構成の場合、図示しない変圧器の二次側コイルの中点は接地される構成となる。このため、当該二次側コイルの中点の電圧を検出し、上述した本実施の形態に係る手法を適用すればよい。
　１　電力変換装置、２　フィルタ回路、４　補助負荷、４Ａ　交流負荷、４Ｂ　直流負荷、５　電気配線、６　接地抵抗、７，８ａ，８ｂ，８ｃ　接続点、９　整流器、１０　三相インバータ、１１　電圧検出器、１２　制御装置、２１　三相リアクトル回路、２２　三相コンデンサ回路、３０　直流架線、３０Ａ　交流架線、３１，３１Ａ　集電装置、４１，５２　変圧器、４２，６１　単相コンバータ、５０　単相インバータ、１００　車両用補助電源装置、１２１　零相電圧演算部、１２１ａ　加算器、１２２　地絡検知部、１２２ａ　交流直流分離部、１２２ｂ　実効値演算部、１２２ｃ　絶対値演算部、１２２ｄ，１２２ｅ，１２２ｇ　比較器、１２２ｆ　論理積演算部、１２２ｈ　論理和演算部、３００　プロセッサ、３０２　メモリ、３０３　処理回路、３０４　インタフェース。

Claims (7)

  1. 　入力された電力を交流電力に変換し、三相リアクトル回路と三相コンデンサ回路とを備えたフィルタ回路を介して、変換した前記交流電力を負荷に供給する三相インバータと、
    　前記三相リアクトル回路と前記三相コンデンサ回路との各接続点の電圧である三相電圧を検出する電圧検出器と、
    　前記電圧検出器によって検出された三相電圧に基づいて前記三相インバータの動作を制御する制御装置と、
    　を備え、
    　前記制御装置は、
    　前記三相電圧をそれぞれ加算した零相電圧を演算する演算部と、
    　前記零相電圧の瞬時値を交流信号と直流信号とに分離する分離部と、
    　前記交流信号の実効値に基づいて地絡の有無を判定する第１判定部と、
    　を備えたことを特徴とする電力変換装置。
  2. 　前記直流信号に基づいて地絡の有無を判定する第２判定部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
  3. 　前記負荷は、交流電力の供給を受けて動作する交流負荷と、直流電力の供給を受けて動作する直流負荷とであり、
    　前記第１判定部は、前記交流負荷への電力供給経路上で生じ得る交流地絡の有無を判定し、
    　前記第２判定部は、前記直流負荷への電力供給経路上で生じ得る直流地絡の有無を判定する
    　ことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
  4. 　前記制御装置は、前記零相電圧の瞬時値に基づいて前記零相電圧の零点を検出する零点検出部を備え、
    　前記第１判定部によって地絡有りと判定されている場合、前記零点検出部によって前記零点が検出されるタイミングで前記三相インバータの動作を停止させる
    　ことを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の電力変換装置。
  5. 　請求項１から４の何れか１項に記載の電力変換装置と、
    　前記フィルタ回路と、を備えて鉄道車両に搭載され、
    　架線から供給された直流電力又は交流電力を使用して、主電動機以外の前記負荷である補助負荷に前記交流電力を供給する
    　ことを特徴とする車両用補助電源装置。
  6. 　入力された電力を交流電力に変換し、三相リアクトル回路と三相コンデンサ回路とを備えたフィルタ回路を介して、変換した前記交流電力を負荷に供給する三相インバータと、前記三相リアクトル回路と前記三相コンデンサ回路との各接続点の電圧である三相電圧を検出する電圧検出器と、を備えた電力変換装置の停止方法であって、
    　前記三相電圧をそれぞれ加算した零相電圧を演算する演算ステップと、
    　前記零相電圧の瞬時値を交流信号と直流信号とに分離する分離ステップと、
    　前記交流信号の実効値に基づいて地絡の有無を判定する第１判定ステップと、
    　前記零相電圧の瞬時値に基づいて前記零相電圧の零点を検出する零点検出ステップと、
    　前記第１判定ステップによって地絡有りと判定されている場合、前記零点検出ステップによって前記零点が検出されるタイミングで前記三相インバータの動作を停止させる停止ステップと、
    　を含むことを特徴とする電力変換装置の停止方法。
  7. 　前記直流信号の絶対値に基づいて地絡の有無を判定する第２判定ステップを更に有し、
    　前記第２判定ステップによって地絡有りと判定された場合、前記停止ステップでは、前記零点検出ステップによって前記零点が検出されたか否かに関わらず前記三相インバータの動作を停止させる処理が実行される
    　ことを特徴とする請求項６に記載の電力変換装置の停止方法。
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