(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
開閉器と、フィルタコンデンサとフィルタリアクトルとで構成したＬＣフィルタ及び電力変換装置とを車両に搭載し、給電線から供給される直流電力を前記開閉器とＬＣフィルタとを介して前記電力変換装置へ供給する構成の車両用電力変換装置において、
抵抗器と自己消弧形半導体スイッチ素子との直列回路を前記フィルタコンデンサに並列に接続し、前記自己消弧形半導体スイッチ素子の制御回路には過電圧検出回路とオンパルス発生回路とを備え、前記フィルタコンデンサの電圧が予め定めた過電圧設定値を越えれば、前記オンパルス発生回路は前記自己消弧形半導体スイッチ素子をオンにする所定の幅のパルス信号を出力し、前記パルス信号の幅は前記フィルタコンデンサの静電容量と前記抵抗器との抵抗値で定まる時定数に基づいて前記フィルタコンデンサの電圧が前記過電圧設定値よりも下側に設定した復帰電圧設定値に低下するまでの時間幅とすることを特徴とする車両用電力変換装置の過電圧保護装置。
【請求項２】
開閉器と、フィルタコンデンサとフィルタリアクトルとで構成した複数のＬＣフィルタ及び複数の電力変換装置を車両に搭載し、給電線から前記開閉器を介して供給される直流電力を、それぞれが入力側にＬＣフィルタを備えている複数の電力変換装置へ供給する構成の車両用電力変換装置において、
抵抗器と自己消弧形半導体スイッチ素子との直列回路を前記の各フィルタコンデンサに別個に並列接続し、いずれかのフィルタコンデンサ電圧が予め定めた過電圧設定値を越えれば全ての前記自己消弧形半導体スイッチ素子を同時にオンにすると共に全ての前記電力変換装置の動作を停止させることを特徴とする車両用電力変換装置の過電圧保護装置。
【請求項３】
開閉器と、フィルタコンデンサとフィルタリアクトルとで構成した複数のＬＣフィルタ及び複数の電力変換装置を車両に搭載し、給電線から前記開閉器を介して供給される直流電力を、それぞれが入力側にＬＣフィルタを備えている複数の電力変換装置へ供給する構成の車両用電力変換装置において、
抵抗器と自己消弧形半導体スイッチ素子との直列回路を前記の各フィルタコンデンサに別個に並列接続し、各フィルタコンデンサにはその電圧が予め定めた過電圧設定値を越えたことを別個に検出する過電圧検出回路と、各過電圧検出回路が出力する過電圧検出信号を共通して入力する論理和回路とを備え、この論理和回路の論理演算結果に従って全ての前記自己消弧形半導体スイッチ素子を同時にオンさせることを特徴とする車両用電力変換装置の過電圧保護装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、車両に搭載している電力変換装置を直流過電流圧から保護する車両用電力変換装置の過電圧保護装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６は車両用電力変換装置の従来の主回路を示した主回路接続図である。この図６の従来例回路において、電車や電気機関車の走行用電動機へ電力を供給し、或いは車内の照明・通信・空気調和装置等に電力を供給するために、これらの車両に電力変換装置としてのインバータ１０を搭載する。地上の変電所から架線１とパンタグラフ２とを介して車両へ送りこまれる電力は、高速度遮断器３と電磁接触器４、及びフィルタリアクトル６とフィルタコンデンサ７とで構成しているＬＣフィルタとを介してインバータ１０へ与えられ、その後車輪８とレール９とを経て大地へ放流される。
【０００３】
ところで架線１は他の車両にも電力を供給しているから、他車の遮断器や電磁接触器の動作の際に発生する開閉サージ電圧や、長大な架線１に誘導される雷サージ電圧などの過大なサージ電圧が当該車両に印加される。又インバータ１０が例えば可変電圧可変周波数の交流電力を出力するＶＶＶＦインバータであって、このＶＶＶＦインバータが走行用電動機を駆動している場合は、回生ブレーキを使って車両を減速させる際に発生する回生エネルギーを受け取る負荷（例えば力行運転中の電気車）が無いと、この回生エネルギーが架線１の電圧を上昇させるので、フィルタコンデンサ７には過電圧が印加されることになる。
【０００４】
車両に搭載しているインバータ１０には前述した理由で頻繁に過電圧が印加されるが、過電圧が印加されるたびに当該インバータ１０の運転を中断すると同時にフィルタコンデンサ７の電荷を放電して過電圧状態を解消させることにより、装置を構成する各機器や各素子を過電圧から保護する。
ところで走行用電動機へ電力を供給するインバータ１０の場合は、車両を減速させる際に発生する回生エネルギーが非常に大きいので、回生エネルギーを消費する抵抗器を車両に設置して、架線１に回生エネルギーを受け止める負荷が接続されていないために架線１の電圧が上昇してしまうのを回避しようとすると、この抵抗器の寸法と重量を極めて大きくする必要がある。或いは抵抗器を冷却する適切な装置を付加しなければならなくなって、車両に搭載するのが困難になる。そこで回生エネルギーを吸収する装置は設けずに、回生エネルギーにより電源が過電圧になれば、インバータ１０やＬＣフィルタを回路から切り離して、各機器や各素子が損傷するのを予防するようにしている。
【０００５】
即ち図６の従来例回路では、フィルタコンデンサ７の電圧を電圧検出器１３で監視して、その値が過電圧レベルを越えたことを過電圧検出器１４が検出すれば、短絡用サイリスタ１２へ点弧信号を送ってこれをターンオンさせると共に、図示はしていないがインバータ１０へ動作停止を指令する。このとき高速度遮断器３と電磁接触器４もオフにする。その結果フィルタコンデンサ７は制限抵抗器１１を介して短絡されるので、フィルタコンデンサ７の静電容量と制限抵抗器１１の抵抗値とで定まる時定数に従ってフィルタコンデンサ７の電荷は放電され、その電圧は低下する。
【０００６】
図７は図６の従来例回路の各部の動作を示したタイムチャートであって、図７▲１▼はフィルタコンデンサ７の電圧の変化、図７▲２▼はインバータ１０の動作状態の変化、図７▲３▼は高速度遮断器３の動作、図７▲４▼は電磁接触器４の動作、図７▲５▼は短絡用サイリスタ１２の動作をそれぞれが表している。
この図７において、フィルタコンデンサ７の電圧がｔ0 の時点で過電圧レベルＶH に達するとインバータ１０は停止となり、高速度遮断器３と電磁接触器４はオフとなり、且つ短絡用サイリスタ１２はオンになるから、フィルタコンデンサ７は制限抵抗器１１を介して短絡されてその電圧は低下し、遂には零となる。ここで短絡用サイリスタ１２はオフとなリ、フィルタコンデンサ７の短絡状態は解除になる。
【０００７】
次いでｔ1 時点で電磁接触器４がオフ状態のままで高速度遮断器３をオンにするので、架線１からの電力は充電抵抗器５を経てフィルタコンデンサ７へ与えられる。よってフィルタコンデンサ７の電圧は、当該フィルタコンデンサ７の静電容量と充電抵抗器５の抵抗値とで決まる時定数に従って上昇する。この電圧が所定値まで上昇したｔ2 時点で電磁接触器４をオンにして充電抵抗器５を短絡すると共にインバータ１０の運転を再開する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで図６に図示の従来例回路では、フィルタコンデンサ７の電圧が過電圧レベルＶH に達したときに当該フィルタコンデンサ７に蓄えられているエネルギーをＥ1 とすると、このエネルギーＥ1 は下記の数式１で表される。但しＣはフィルタコンデンサ７の静電容量である。
【０００９】
【数１】
Ｅ1 ＝（Ｃ・ＶH 2 ）／２
制限抵抗器１１はこのエネルギーＥ1 を消費するが、その際の発熱で高温になるのを防ぐために、当該制限抵抗器１１の寸法・重量を大きくしなければならない欠点がある。
【００１０】
更に、短絡用サイリスタ１２はその通流電流が保持電流値以下に低下しないと消弧しない。よって当該短絡用サイリスタ１２にまだ保持電流程度の小電流が流れているにもかかわらず、インバータ１０の運転を再開しようとして高速度遮断器３と電磁接触器４とをオンにすると、架線１→パンタグラフ２→高速度遮断器３→電磁接触器４→フィルタリアクトル６→制限抵抗器１１→短絡用サイリスタ１２→車輪８→レール９の経路で電源を短絡することになるので、このときの短絡電流で制限抵抗器１１を焼損してしまう。それ故短絡用サイリスタ１２が点弧した後は、サイリスタ電流が保持電流以下に低下するのに十分な時間を経過した後に電源側開閉器をオンにして再起動状態にしなければならない。即ち、フィルタコンデンサ７の電圧が過電圧レベルを越えてインバータ１０の運転を中断してから再起動状態までに時間が必要である。この再起動状態になってからフィルタコンデンサ７の充電が完了するまでに更に時間が必要になる。即ち過電圧でインバータ１０が停止してから運転を再開するまでに長い時間が必要になる欠点を有する。
【００１１】
そこでこの発明の目的は、車両の電源電圧上昇の際はフィルタコンデンサを短絡して電力変換装置の運転を中断するが、電源電圧が復帰したときの運転再開までの時間を短縮すると共に、フィルタコンデンサ短絡時のエネルギー損失を低減することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するためにこの発明の車両用電力変換装置の過電圧保護装置は、
開閉器と、フィルタコンデンサとフィルタリアクトルとで構成したＬＣフィルタ及び電力変換装置とを車両に搭載し、給電線から供給される直流電力を前記開閉器とＬＣフィルタとを介して前記電力変換装置へ供給する構成の車両用電力変換装置において、
抵抗器と自己消弧形半導体スイッチ素子との直列回路を前記フィルタコンデンサに並列に接続し、当該フィルタコンデンサの電圧が予め定めた過電圧設定値を越えれば前記自己消弧形半導体スイッチ素子をオンにすると共に前記電力変換装置の動作を停止させ、前記フィルタコンデンサの電圧が予め定めた復帰電圧設定値を下回れば、前記自己消弧形半導体スイッチ素子をオフにするものとする。
【００１３】
【作用】
車両搭載用電力変換装置の入力側に設けたＬＣフィルタを構成するフィルタコンデンサの電圧が過電圧レベルを越えれば、当該フィルタコンデンサを制限抵抗器を介して短絡させるが、この短絡用として自己消弧形半導体スイッチ素子を使用し、フィルタコンデンサ電圧が過電圧レベルよりも下側に設けた復帰電圧設定値まで低下すれば前記自己消弧形半導体スイッチ素子をオフにする。
【００１４】
【実施例】
図１は本発明の第１実施例を表した主回路接続図であるが、この図１の第１実施例回路に図示している架線１，パンタグラフ２，高速度遮断器３，電磁接触器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，車輪８，レール９，インバータ１０，制限抵抗器１１，及び電圧検出器１３の名称・用途・機能は、図６で既述の従来例回路の場合と同じであるから、これらの説明は省略する。
【００１５】
この第１実施例回路では、過電圧状態時には自己消弧形半導体スイッチ素子としての短絡用ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）２１を使って、フィルタコンデンサ７を短絡する。短絡用ＩＧＢＴ２１などの自己消弧形半導体スイッチ素子は、制御回路２２からの指令に基づいて、任意の時点でのターンオン・ターンオフが可能であるから、電圧検出器１３で検出する電圧が過電圧レベルＶH まで上昇すれば、制御回路２２が短絡用ＩＧＢＴ２１へオン信号を出力し、フィルタコンデンサ７の電圧がこの過電圧レベルＶH より下側に設定した適切な復帰電圧ＶL まで低下すれば、短絡用ＩＧＢＴ２１へオフ信号を与える。このとき制限抵抗器１１で消費されるエネルギーをＥ2 とすると、このＥ2 は下記の数式２で表される。
【００１６】
【数２】
Ｅ2 ＝｛Ｃ・（ＶH −ＶL ）2 ｝／２
この数式２で表されるエネルギーＥ2 は、前述した従来例回路で制限抵抗器１１が消費するエネルギーＥ1 （数式１で表示）よりも遙かに少ない。
図２は図１の第１実施例回路の各部の動作を示したタイムチャートであって、図２▲１▼はフィルタコンデンサ７の電圧の変化、図２▲２▼はインバータ１０の動作状態の変化、図２▲３▼は高速度遮断器３の動作、図２▲４▼は電磁接触器４の動作、図２▲５▼は短絡用ＩＧＢＴ２１の動作をそれぞれが表している。
【００１７】
この図２において、フィルタコンデンサ７の電圧がｔ0 の時点で過電圧レベルＶH に達すると、インバータ１０は停止となり高速度遮断器３と電磁接触器４はオフとなり、且つ短絡用ＩＧＢＴ２１はオンになる。よってフィルタコンデンサ７の電圧は急激に減少し、ｔ3 時点には復帰電圧値ＶL まで低下し、このｔ3 時点で短絡用ＩＧＢＴ２１はオフとなる。
【００１８】
短絡用ＩＧＢＴ２１がオフしたことを確認する時間が経過した後のｔ4 時点で、高速度遮断器３と電磁接触器４とを同時にオンにし、且つインバータ１０の運転も同時に再開させる。フィルタコンデンサ７の電圧値がＶL まで低下したときに短絡用ＩＧＢＴ２１をオフにするが、このＶL なる値は正常電圧付近の値であるから、充電抵抗器５を介してフィルタコンデンサ７を所定電圧まで充電する時間は不必要であり、インバータ１０も直ちに運転を再開できる。
【００１９】
図３は本発明の第２実施例を表した制御回路の構成図であって、図１の第１実施例回路に図示の制御回路２２の構成を表している。図３の第２実施例回路に図示の制御回路２２はオフ電圧検知回路２３と過電圧検知回路２４とで構成し、電圧検出器１３が検出したフィルタコンデンサ７の電圧が過電圧レベルＶH に達すれば、過電圧検知回路２４がインバータ１０へゲートオフ信号を与えると共に、短絡用ＩＧＢＴ２１へオン信号を与える。その結果フィルタコンデンサ７の電圧が復帰電圧ＶL まで低下すれば、オフ電圧検知回路２３が短絡用ＩＧＢＴ２１へオフ信号を与えるので、フィルタコンデンサ７の短絡は解除になり、インバータ１０は直ちに運転を再開することができる。
【００２０】
図４は本発明の第３実施例を表した制御回路の構成図であって、図１の第１実施例回路に図示の制御回路２２の構成を表している。図４の第３実施例回路に図示の制御回路２２は過電圧検知回路２４とパルス発生器２５とで構成し、電圧検出器１３が検出したフィルタコンデンサ７の電圧が過電圧レベルＶH に達すれば、過電圧検知回路２４がインバータ１０へゲートオフ信号を与えると共に、パルス発生器２５へ信号を出力する。この信号を受けて、パルス発生器２５は予め定めていた時間幅のパルス信号を短絡用ＩＧＢＴ２１へ出力してこれをオンにする。一方、フィルタコンデンサ７の静電容量と制限抵抗器１１の抵抗値とで定まる時定数に基づいて、フィルタコンデンサ７の電圧が復帰値ＶL に低下するまでの時間を計算することができるから、パルス発生器２５が出力するパルスの時間幅をこの計算値に定め、高レベルだったパルスがこの時間経過後に低レベルに切り換われば、短絡用ＩＧＢＴ２１はオフとなる。
【００２１】
図５は本発明の第４実施例を表した主回路接続図であって、複数（この図５では２組）のインバータを共通の電源に接続する場合を表しているが、図５の第４実施例回路に図示の架線１，パンタグラフ２，高速度遮断器３，電磁接触器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，車輪８，レール９，インバータ１０，制限抵抗器１１，短絡用ＩＧＢＴ２１，及び制御回路２２の名称・用途・機能は、図１で既述の第１実施例回路の場合と同じであるから、これらの説明は省略する。更に、本発明ではフィルタリアクトル３６，フィルタコンデンサ３７，インバータ４０，制限抵抗器４１，電圧検出器４３，及び制御回路５２が２組目の装置として新たに付加されているが、これらは既に説明済みの各装置と同じ機能を有するから、その説明は省略する。
【００２２】
本発明では、一方の装置の構成要素である短絡用ＩＧＢＴ２１へオン・オフ信号を与える制御回路２２の出力信号と、他方の装置を構成している短絡用ＩＧＢＴ５１へオン・オフ信号を与える制御回路５２の出力信号とを、論理和素子５３へ入力させ、当該論理和素子５３の出力信号を、短絡用ＩＧＢＴ２１と短絡用ＩＧＢＴ５１とへ与える回路構成にしている。これにより、検出電圧にばらつきがあっても、両短絡用ＩＧＢＴ２１と５１とを同時にオン・オフさせることができる。
【００２３】
【発明の効果】
この発明によれば、走行中の車両が減速する際に生じる回生エネルギーや、長大な架線に誘導される雷サージなどが原因で、車両用電力変換装置に規定値以上の高電圧が印加されると、当該電力変換装置の運転を中断させると共に、自己消弧形半導体スイッチ素子をターンオンさせて電力変換装置の入力側に設けたフィルタコンデンサを制限抵抗器を介して短絡状態にする。次いで電圧が規定値まで低下すればこの自己消弧形半導体スイッチ素子をターンオフさせる。この動作のときの制限抵抗器で消費するエネルギーを、従来よりも大幅に低減できるので、当該制限抵抗器の寸法と重量を抑制できる効果が得られる。又フィルタコンデンサ電圧が規定値まで低下したときに電力変換装置の運転が再開できる状態になるので、運転中断期間が従来よりも大幅に短縮できる効果も得られる。更に、複数の電力変換装置を共通の電源に接続して運転中に、各フィルタコンデンサの短絡開始電圧或いは短絡解除電圧にばらつきがあっても、全装置を同時にオン・オフ動作させることができるので、各ＬＣフィルタ間に横流が流れて無用の共振振動が発生するのを回避できる効果も得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を表した主回路接続図
【図２】図１の第１実施例回路の各部の動作を示したタイムチャート
【図３】本発明の第２実施例を表した制御回路の構成図
【図４】本発明の第３実施例を表した制御回路の構成図
【図５】本発明の第４実施例を表した主回路接続図
【図６】車両用電力変換装置の従来の主回路を示した主回路接続図
【図７】図６の従来例回路の各部の動作を示したタイムチャート
【符号の説明】
１        架線
３        高速度遮断器
４        電磁接触器
５        充電抵抗器
６，３６  フィルタリアクトル
７，３７  フィルタコンデンサ
１０，４０  電力変換装置としてのインバータ
１１，４１  制限抵抗器
１２        短絡用サイリスタ
１３，４３  電圧検出器
１４        過電圧検出器
２１，５１  自己消弧形半導体スイッチ素子としての短絡用ＩＧＢＴ
２２，５２  制御回路
２３        オフ電圧検知回路
２４        過電圧検知回路
２５        パルス発生器
５３        論理和素子
【図１】
0003540843.tif 000002
【図２】
0003540843.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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