(57)【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】
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または請求項２記載の電気車制御装置。
【請求項７】
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または請求項２記載の電気車制御装置。
【請求項８】
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７のいずれか一項記載の電気車制御装置。
【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５−２６４０２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る値としたものである。
【００１５】
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Ｉｓ、すなわち充電電流波形を図２に示す。電圧検出器２１の出力をＥｓとした場合、この充電電流Ｉｓ＝ＩｃｈL は、ＲＬＣ回路として算出した場合（図２（ア））、
0003672431.tif 000002
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＝Ｉｓｓ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）ｔ
ｅｘｐ（−１／ＲＣ）ｔ＝０．９
（１／ＲＣ）ｔ＝０．１０５３
ｔ＝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Ｉｓｐ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ＤＣ１５００Ｖ定格の直流電源の場合は、９００〜１８００Ｖ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Ｅｍｉｎ（＝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＝Ｉｓｓ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）ｔ
ｅｘｐ（−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＝１５００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、
0003672431.tif 000003
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＝Ｉｓｓ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。
0003672431.tif 000004
【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Ｉｓｏ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、
0003672431.tif 000005
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）ｔ
ｅｘｐ（−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、
0003672431.tif 000006
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。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Ｉｓｐを所定時間ｔ０以上上回ることはない。これを、図１２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。
0003672431.tif 000007
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（２９）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ｔ０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、
∫（Ｉｃｈ2 Ｒ）ｄｔ＝Ｒ×∫Ｉｃｈ2 ｄｔ          ・・・・（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）2 ｄｔ
＝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＝Ｉｓｓなので、
式（３７）、（３８）、（３９）より、
Ｋ×（Ｅｓ2 ×Ｃ／２＋α）／Ｒ＝Ｉｓｓ2 ×ｔ
Ｋ×（Ｅｓ2 ×Ｃ／２＋α）／Ｒ＝（Ｅｓ／Ｒ）2 ×ｔ
（Ｅｓ2 ×Ｃ／２＋α）／Ｒ＝（Ｅｓ／Ｒ）2 ×ｔ／Ｋ
Ｃ／２＋α’＝Ｋ／Ｒ×ｔ
ｔ＝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。
【図１】
0003672431.tif 000008
【図２】
0003672431.tif 000009
【図３】
0003672431.tif 000010
【図４】
0003672431.tif 000011
【図５】
0003672431.tif 000012
【図６】
0003672431.tif 000013
【図７】
0003672431.tif 000014
【図８】
0003672431.tif 000015
【図９】
0003672431.tif 000016
【図１０】
0003672431.tif 000017
【図１１】
0003672431.tif 000018
【図１２】
0003672431.tif 000019
【図１３】
0003672431.tif 000020
【図１４】
0003672431.tif 000021
【図１５】
0003672431.tif 000022
【図１６】
0003672431.tif 000023
【図１７】
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【図１８】
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