(57)【要約】【課題】フィルタコンデンサの電荷を放電するために設けられた放電抵抗器の異常を検知すること、また異常に伴う災害の危険性を低減することのできる電気車用電力変換装置を提供する。【解決手段】架線１からの電力を負荷に供給するための電力に変換するインバータ８を含む電気車用電力変換装置において、インバータの入力端子に並列に接続するフィルタコンデンサ６と、フィルタコンデンサと並列に接続する少なくとも一つの放電抵抗器５と、架線からの電力が遮断されてから所定時間経過時におけるフィルタコンデンサの両端の電圧に基づいて、放電抵抗器の異常有無を判定する制御装置５０とを有する、電気車用電力変換装置１００である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
架線からの電力を負荷に供給するための電力に変換するインバータを含む電気車用電力変換装置において、
前記インバータの入力端子に並列に接続するフィルタコンデンサと、
前記フィルタコンデンサと並列に接続する少なくとも一つの放電抵抗器と、
前記架線からの電力が遮断されてから所定時間経過時における前記フィルタコンデンサの両端の電圧に基づいて、前記放電抵抗器の異常有無を判定する制御装置と
を有する、電気車用電力変換装置。
【請求項２】
前記制御装置は、前記遮断から所定時間経過時における前記フィルタコンデンサの両端の電圧が所定の閾値よりも大きい場合に、少なくとも一つの前記放電抵抗器が異常であると判断する、請求項１に記載の電気車用電力変換装置。
【請求項３】
前記制御装置は、前記遮断から所定時間経過時における前記フィルタコンデンサの両端の電圧と、前記遮断時の前記フィルタコンデンサの両端の電圧との比が、所定の閾値よりも大きい場合に、少なくとも一つの前記放電抵抗器が異常であると判断する、請求項１に記載の電気車用電力変換装置。
【請求項４】
前記制御装置は、前記所定の閾値を複数有し、それぞれの閾値に対応して複数の異常状態を判別する、請求項２又は３に記載の電気車用電力変換装置。
【請求項５】
前記制御装置は、全ての前記放電抵抗器が異常であると判断したときは、前記インバータを所定時間駆動する請求項１乃至４のうちのいずれか１項に記載の電気車用電力変換装置。
【請求項６】
前記電気車用電力変換装置は、コンバータを更に備え、
前記制御装置は、全ての前記放電抵抗器が異常であると判断したときは、前記インバータ、コンバータの少なくとも一つを所定時間駆動する請求項１乃至４のうちのいずれか１項に記載の電気車用電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、電気車用電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気車用電力変換装置である補助電源装置（ＳＩＶ）は、電気車に搭載される照明設備、空調装置、各種制御装置などに電力を供給する設備である。
【０００３】
このような電気車用電力変換装置には、設備に異常が発生した場合であっても電気車の安全が確保でき、また感電などの人身事故が発生しないように、安全装置が設けられている。例えば、電気車用電力変換装置を構成するインバータの前段に設けられたフィルタコンデンサに並列に接続する放電抵抗器が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２７４９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、従来の方式では放電抵抗器が１系統しか設けられていないため、この放電抵抗器が断線故障した場合には、フィルタコンデンサに蓄積された電荷を放電することができなくなる。従って、災害を発生させる危険性が高くなり、安全上好ましくない。
【０００６】
そこで、放電抵抗器を複数系統設けることによって、１系統が断線故障した場合であっても、残る系統で放電することを可能にして、安全性を高めることができる。しかし、残る系統で放電できるように構成した場合であっても、結局全系統が断線故障した時点で初めて使用者が故障を認識することになる。
【０００７】
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであって、フィルタコンデンサの電荷を放電するために設けられた放電抵抗器の異常を検知すること、また異常に伴う災害の危険性を低減することのできる電気車用電力変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するための本発明の実施の形態によれば、架線からの電力を負荷に供給するための電力に変換するインバータを含む電気車用電力変換装置において、前記インバータの入力端子に並列に接続するフィルタコンデンサと、前記フィルタコンデンサと並列に接続する少なくとも一つの放電抵抗器と、前記架線からの電力が遮断されてから所定時間経過時における前記フィルタコンデンサの両端の電圧に基づいて、前記放電抵抗器の異常有無を判定する制御装置とを有する、電気車用電力変換装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施形態の電気車用電力変換装置の構成を示す図。
【図２】第１の実施形態の電気車用電力変換装置におけるフィルタコンデンサの放電状態を説明するための模式図。
【図３】第１の実施形態における放電抵抗器の異常の有無を判断する論理回路を示す図。
【図４】第２の実施形態における放電抵抗器の健全性を判断する論理回路を示す図。
【図５】第３の実施形態におけるインバータの強制駆動を指示する論理回路を示す図。
【図６】第４の実施形態の電気車用電力変換装置の構成を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
[第１の実施の形態]  
第１の実施形態について図を参照し、詳細に説明する。  
図１は、第１の実施形態の電気車用電力変換装置の構成を示す図である。
【００１１】
直流電力が架線（不図示）から集電装置１を介して電気車用電力変換装置１００に取り込まれる。電気車用電力変換装置１００は、取り込んだ直流電力を交流に変換し、その交流電力を負荷９に供給する。ここで、架線は、例えば定格が直流電圧１５００Ｖの直流電力を供給する。集電装置１は、架線と電気的に接触するようになされる、例えばパンタグラフである。
【００１２】
電気車用電力変換装置１００は、主回路１０１及び制御装置５０を備えている。
【００１３】
主回路１０１には、高速度遮断器２、接触器３、フィルタリアクトル４、放電抵抗器５ａ、５ｂ、フィルタコンデンサ６、電圧検出器（ＤＣＰＴ）７及びインバータ８が設けられている。
【００１４】
高速度遮断器２は、異常な直流電流を高速度で検知し、故障電流を遮断する。接触器３は、集電装置１とインバータ８とを接続する電気経路を切断又は接続する。フィルタリアクトル４は、集電装置１とインバータ８とを接続する電気経路の間に直列に設けられている。フィルタコンデンサ６は、インバータ８の直流電力側の入力端子に並列に設けられている。フィルタリアクトル４及びフィルタコンデンサ６は、インバータ８に入力される直流電力のフィルタ回路を構成する。電圧検出器７は、集電装置１を介して供給された直流電圧を検出する。
【００１５】
インバータ８は、集電装置１を介して供給された直流電力を交流電力に変換して負荷９に出力する。インバータ８は、例えば、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相インバータとして構成され、一つの相は、インバータ８の正極端子と負極端子との間に、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子が複数直列に接続された構成である。この構成は公知であるため、その詳細の動作は省略する。また、インバータ８の負極端子は、車輪を介してレール（アース）と接続されている。
【００１６】
制御装置５０は、主回路１０１の動作を統括して制御する。制御装置５０は、シーケンス制御部５０ａとインバータ制御部５０ｂを備えている。
【００１７】
シーケンス制御部５０ａは、高速度遮断器２、接触器３、電圧検出器７と接続され、それぞれからの情報を取得している。そのためシーケンス制御部５０ａは、それぞれの検知器が検知した情報、主回路１０１を構成する機器の状態などの情報に基づいて主回路１０１のシーケンス動作を制御し、またインバータ制御部５０ｂに処理情報を出力する。
【００１８】
インバータ制御部５０ｂは、入力された処理情報に基づいてゲート指令をインバータ８のスイッチング素子に出力してインバータ８を駆動し、またシーケンス制御部５０ａに処理情報を出力する。
【００１９】
続いて、フィルタコンデンサ６の電荷が放電される場合について説明する。  
フィルタコンデンサ６の電荷が放電されるのは、電気車用電力変換装置１００の電源が停止した場合である。
【００２０】
例えば、電気車用電力変換装置１００に過電流などの異常が発生して接触器３が開放（オープン）された場合、あるいは、電気車が点検などのために整備工場に搬入されて作業者によって電源を強制的にオフする指令が入力されて、接触器３が開放された場合などが該当する。この場合、インバータ８内に残留した電荷は、フィルタコンデンサ６と放電抵抗器５ａ、５ｂとが形成するＣＲ回路を介して放電される。
【００２１】
図２は、第１の実施形態の電気車用電力変換装置におけるフィルタコンデンサの放電状態を説明するための模式図である。
【００２２】
図２の横軸は放電開始からの経過時間を表し、縦軸は電圧検出器７が検出するフィルタコンデンサ６の両端の電圧（以下、フィルタコンデンサ電圧という。）を表している。曲線Ａは、放電抵抗器５ａ、５ｂが共に健全である場合の放電曲線である。曲線Ｂは、放電抵抗器５ａ、５ｂのいずれか一つが断線し、残りの一つが健全である場合の放電曲線である。放電抵抗器５ａ、５ｂがフィルタコンデンサ６に対してそれぞれ並列に接続されているため、１本が断線することにより、フィルタコンデンサ６から見た抵抗値が増加する。その結果、放電の時定数が増加し、放電の速度が遅くなる。曲線Ｃは、放電抵抗器５ａ、５ｂの全てが断線しているある場合の放電曲線である。
【００２３】
放電開始時（時間Ｔ０）でのフィルタコンデンサ電圧をＶｉとすると、所定時間Ｔ１経過後のフィルタコンデンサ電圧Ｖｔは、曲線Ａ〜Ｃについて、それぞれＶ１、Ｖ２、Ｖ３である。なお、放電抵抗器５ａ、５ｂはともに同じ抵抗値である。
【００２４】
従って、放電開始後、所定時間経過後のフィルタコンデンサ電圧を調べることで、放電抵抗器の健全性を判断することができる。  
ここで、放電開始時（時間Ｔ０）でのフィルタコンデンサ電圧Ｖｉが一定値であれば、所定時間経過後のフィルタコンデンサ電圧Ｖｔと閾値とを直接比較することで放電抵抗器の健全性を判断することができる。例えば、フィルタコンデンサ電圧Ｖｔが所定の閾値（例えば、Ｖ１）よりも小さい場合は、放電抵抗器は断線していないと判断する。また、フィルタコンデンサ電圧Ｖｔが所定の閾値Ｖ１よりも大きい場合は、放電抵抗器は一つ以上断線していると判断する。
【００２５】
しかし、放電開始時（時間Ｔ０）でのフィルタコンデンサ電圧Ｖｉが一定値でなく変動する場合は、フィルタコンデンサ電圧を正規化した値（＝フィルタコンデンサ電圧Ｖｔ／フィルタコンデンサ電圧Ｖｉ）を閾値と比較することで放電抵抗器の健全性を判断することができる。例えば、フィルタコンデンサ電圧Ｖｔ／フィルタコンデンサ電圧Ｖｉが所定の閾値Ｖ１／Ｖｉよりも小さい場合は、放電抵抗器は断線していないと判断する。また、フィルタコンデンサ電圧Ｖｔ／フィルタコンデンサ電圧Ｖｉが所定の閾値Ｖ１／Ｖｉよりも大きい場合は、放電抵抗器は一つ以上断線していると判断する。
【００２６】
なお、放電抵抗器５ａ、５ｂはともに同じ値でなくとも良い。異なる抵抗値であった場合でも、並列に合成された抵抗値は単独の抵抗値よりも小さくなるため、上述の断線判断アルゴリズムは同様に適用することができる。さらに、異なる抵抗値とすることによって、いずれの放電抵抗器が断線したかを判別することが可能となる。
【００２７】
図３は、第１の実施形態における放電抵抗器の異常の有無を判断する論理回路を示す図である。この回路は、放電抵抗器５ａ、５ｂのうちのいずれか１つが断線したことを検知するための構成例である。この回路は、制御装置５０に設けられている。
【００２８】
上述のように、接触器３が開放（オープン）された場合、あるいは、電源を強制的にオフする指令が入力されたとき、フィルタコンデンサ６の放電が開始されるとともに、放電開始信号１３が「１」にセットされる。この放電開始信号１３は、ステータス信号である。放電開始信号１３は、遅延要素１４に入力される。遅延要素１４は、放電開始信号１３を所定時間遅延して論理積算器１５に出力する。
【００２９】
一方、電圧検出器７が検出したフィルタコンデンサ電圧１０と断線検知閾値１１とは比較器１２において比較され、その結果が論理積算器１５に出力される。即ち、フィルタコンデンサ電圧１０＞断線検知閾値１１の場合は、比較器１２は「１」を出力し、フィルタコンデンサ電圧１０≦断線検知閾値１１の場合は、比較器１２は「０」を出力する。
【００３０】
論理積算器１５は、２つの入力信号がともに「１」の場合に、放電回路断線検知信号１６に「１」を出力し、放電回路に断線が生じていることを表す信号を出力する。従って、放電回路断線検知信号１６は、放電開始から所定時間経過後のフィルタコンデンサ電圧１０が、ある閾値よりも大きいときは放電回路に断線が生じていることを表す信号を出力する。
【００３１】
なお、上述のように現時点でのフィルタコンデンサ電圧と、放電開始時のフィルタコンデンサ電圧との比率を求め、その比率と閾値とを比較して、その結果を論理積算器１５に出力するようにしても良い。
【００３２】
なお、放電回路断線検知信号１６は、放電抵抗器がすべて断線している場合を除き、時間が経過することによって放電が進行して「０」にリセットされる。従って、後段の処理回路では、放電回路断線検知信号１６が「１」になったときにその状態をホールドするなど、使用用途によって適宜必要な形態の信号に変換することが必要である。
【００３３】
また、フィルタコンデンサ電圧により放電抵抗器の異常有無を調べる所定時間としては、秒単位の時間（例えば、３〜５秒）を設定することができる。これは、時間が短い場合（例えば、１／１０秒オーダ）では、信号の安定性（信頼性）が低下することになり、時間が長い場合（例えば、数１０秒オーダ）では、安全面から好ましくないからである。
【００３４】
[第２の実施の形態]  
第２の実施の形態では、複数の断線検知閾値を用いて異常を判定する点が第１の実施の形態と異なっている。第１の実施の形態と同一の部位には同一の符号を付してその詳細の説明は省略する。
【００３５】
図４は、第２の実施形態における放電抵抗器の健全性を判断する論理回路を示す図である。この回路は、制御装置５０に設けられている。
【００３６】
上述のように、接触器３が開放（オープン）された場合、あるいは、電源を強制的にオフする指令が入力されたとき、フィルタコンデンサ６の放電が開始されるとともに、放電開始信号１３が「１」にセットされる。この放電開始信号１３は、ステータス信号である。放電開始信号１３は、遅延要素１４に入力される。遅延要素１４は、放電開始信号１３を所定時間遅延して論理積算器１５に出力する。
【００３７】
一方、電圧検出器７が検出したフィルタコンデンサ電圧１０と断線検知閾値１１ａ、１１ｂ、１１ｃとはそれぞれ比較器１２ａ、１２ｂ、１２ｃにおいて比較され、その結果がそれぞれ論理積算器１５ａ、１５ｂ、１５ｃに出力される。即ち、フィルタコンデンサ電圧１０＞断線検知閾値１１ａ、１１ｂ、１１ｃの場合は、それぞれ比較器１２ａ、１２ｂ、１２ｃは「１」を出力し、フィルタコンデンサ電圧１０≦断線検知閾値１１ａ、１１ｂ、１１ｃの場合は、それぞれ比較器１２ａ、１２ｂ、１２ｃは「０」を出力する。
【００３８】
論理積算器１５ａ、１５ｂ、１５ｃは、２つの入力信号がともに「１」の場合に、放電回路断線検知信号１６ａ、１６ｂ、１６ｃに「１」を出力し、放電回路に断線が生じていることを表す信号を出力する。従って、それぞれ放電回路断線検知信号１６ａ、１６ｂ、１６ｃは、放電開始から所定時間経過後のフィルタコンデンサ電圧１０が、それぞれ所定の閾値よりも大きいときは放電回路に断線が生じていることを表す信号を出力する。
【００３９】
なお、上述のように現時点でのフィルタコンデンサ電圧と、放電開始時のフィルタコンデンサ電圧との比率を求め、その比率と閾値とを比較して、その結果を論理積算器１５に出力するようにしても良い。
【００４０】
フィルタコンデンサ電圧を複数の閾値と比較して判定することにより、より詳細に放電抵抗器の異常有無を判断することができる。例えば、放電回路に断線の可能性がある場合、確実に１つの放電回路が断線していると判断できる場合、一つ以上（２つの）放電回路が断線していると判断できる場合などを判別して検知することができる。そして、その検知結果に応じて、単に警報を報知する、複数回発生している場合は停止する、直ちに停止する、など複数の対応を図ることができる。
【００４１】
[第３の実施の形態]  
第３の実施の形態では、放電抵抗器の異常を検出した場合、インバータ８を強制的に駆動して放電させる点が第１の実施の形態と異なっている。第１の実施の形態と同一の部位には同一の符号を付してその詳細の説明は省略する。
【００４２】
図２の放電抵抗器５ａ、５ｂの両方が断線した場合、フィルタコンデンサ６に蓄積された電荷を放電抵抗器５ａ，５ｂを介して放電することはできなくなる。一方、インバータ８は、スイッチング素子を制御して放電経路を構成するように動作させることで、フィルタコンデンサ６に蓄積された電荷の放電手段として利用することが可能である。
【００４３】
図５は、第３の実施形態におけるインバータの強制駆動を指示する論理回路を示す図である。この回路は、制御装置５０に設けられている。
【００４４】
指示生成部２０は、放電抵抗器５ａ、５ｂの両方が断線したことを表す放電回路断線検知信号１６ｄを受信すると、シングルショット信号１７を生成してインバータ動作指令１８として出力する。このインバータ動作指令１８を入力した制御装置５０は、インバータ８の動作を継続して実行させる。ここで、制御装置５０は、シングルショット信号１７がオンとなっている間、インバータ８の動作を継続して実行させる。
【００４５】
この際のインバータの動作は、負荷に交流を供給するインバータ動作とは異ならせることができる。例えば、インバータ８と負荷９との間の電気的な接続を接触器（不図示）によって開放し、インバータ８を動作させる。これによって、放電経路を確保することができるため、フィルタコンデンサ６に蓄積された電荷を消費させることができる。あるいは、インバータ８と負荷９との間の電気的な接続をそのままとして、インバータ８の出力電圧の指令値を０ボルトに設定してインバータ８を動作させる。インバータ８は無負荷で動作させた場合であっても、同様に放電経路を確保することができるため、これによって、フィルタコンデンサ６に蓄積された電荷を消費することができる。
【００４６】
なお、インバータ８を動作させて放電を行う方法には種々の方式が有り得る。例えば、通常のインバータ動作を実行することで電力損失を生じるためフィルタコンデンサ６の電荷を放電することができる。従って、インバータ８の動作については適宜の方式を採用することができる。
【００４７】
なお、インバータ８の動作時間は、１〜２秒程度であれば所要の目的を達成することができる。  
また、上述の動作を制御する制御装置５０及びその他の装置は、電気車用電力変換装置１００に電力が供給されていない状態であっても、電気車に搭載されたバッテリによって動作することができる。
【００４８】
[第４の実施の形態]  
第４の実施の形態では、放電抵抗器の異常を検出した場合の強制駆動を、交流架線からき電する電力変換装置に適用する。第１の実施の形態と同一の部位には同一の符号を付してその詳細の説明は省略する。
【００４９】
図６は、第４の実施形態の電気車用電力変換装置の構成を示す図である。
【００５０】
第４の実施の形態の電気車用電力変換装置１００は、新たに主変圧器３０、コンバータ３１を備えている。  
主変圧器３０は、架線（不図示）から取り出した交流電力の電圧を降圧する。降圧された交流電力は、コンバータ３１へ供給される。コンバータ３１は、入力される単相交流電圧を直流電圧に変換する整流器であり、コンバータ用のスイッチング素子を組み合わせた全波整流器として構成されている。制御装置５０が、コンバータ用のスイッチング素子を直接駆動することで、整流動作が実行される。
【００５１】
上述のように、指示生成部２０が、放電抵抗器５ａ、５ｂの両方が断線したことを表す放電回路断線検知信号１６ｄを受信すると、シングルショット信号１７を生成して動作指令１９として出力する。この動作指令１９を入力した制御装置５０は、インバータ８、コンバータ３１の少なくとも一方の動作を継続して実行させる。ここで、制御装置５０は、シングルショット信号１７がオンとなっている間、インバータ８、コンバータ３１の少なくとも一方の動作を継続して実行させる。なお、インバータ８とコンバータ３１の両方を動作させると、１方のみを動作させた場合と比較して、より有効に放電させることができる。
【００５２】
なお、インバータ８とコンバータ３１の放電のための動作については上述のように種々の方法を採用することができるため、適宜の方式で動作させれば良い。
【００５３】
なお、上述の各実施の形態では、放電抵抗器が２つ設けられた電力変換装置を例として説明したが、本願発明はこの実施の形態に限定されず、放電抵抗器が１つ以上設けられた電力変換装置に適用できることは明らかである。
【００５４】
[効果]  
以上説明した本実施の形態によれば、放電抵抗器の断線を検知できるため、ユーザが異常の発生を認識することができ、故障に伴う災害の発生を低減して、安全を確保することができる。  
また、放電抵抗器の断線の状態を複数レベルで検知できるため、異常の状況に応じた柔軟な対応を図ることができる。
【００５５】
尚、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。  
上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。
【符号の説明】
【００５６】
１…集電装置、２…高速度遮断器、３…接触器、４…フィルタリアクトル、５ａ．５ｂ…放電抵抗器、６…フィルタコンデンサ、７…電圧検出器、８…インバータ、９…負荷、１０…フィルタコンデンサ電圧、１１…断線検知閾値、３０…主変圧器、３１…コンバータ、５０…制御装置、１００…電気車用電力変換装置、１０１…主回路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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