(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部回路から電力の供給を受けて、交流電力を出力する電力伝達回路と、 
前記電力伝達回路と前記外部回路との間を流れる電流の通電および遮断を切り換える遮断器と、 
前記電力伝達回路から出力された交流電力を直流電力に変換するコンバータと、 
前記コンバータの直流側に接続されるコンデンサと、 
前記電力伝達回路と前記コンバータの間に直列に接続される充電抵抗器および第１接触器と、 
前記充電抵抗器および前記第１接触器を迂回して、前記電力伝達回路と前記コンバータとの間を流れる電流の通電と遮断とを切り換える第２接触器と、 
を備え、前記コンバータの出力する直流電力で作動し、回生電力を発生可能な負荷回路に接続される電力変換装置であって、 
前記コンデンサの両端の電圧が定めた電圧以上であることを検出する過電圧検出器と、 
前記コンデンサの電圧が前記定めた値を超えたときに前記コンデンサを抵抗器を介して短絡する過電圧抑制回路と、 
前記コンデンサの両端の電圧が前記定めた電圧以上である場合に、前記過電圧抑制回路が作動していないことを検出する検出部と、 
前記コンデンサの電圧が前記定めた値を超え、かつ、前記過電圧抑制回路が作動していないことを検出した場合に、前記遮断器および前記第２接触器を開放し、前記第１接触器を投入して、前記コンデンサの一端と前記充電抵抗器に接続する前記コンバータの素子、および、前記コンデンサの他端と前記電力伝達回路の前記充電抵抗器に接続しない端子とに接続する前記コンバータの素子、を点弧する、制御部と、 
を備え、
前記電力伝達回路は、前記遮断器を開放した場合に、出力側の端子の間に直流電流を流すことができるものである、電力変換装置。 
【請求項２】
前記過電圧抑制回路は、前記コンデンサの両端に接続される抵抗器とスイッチの直列回路から構成される、請求項１に記載の電力変換装置。 
【請求項３】
前記過電圧抑制回路は、前記コンデンサの一方の端子と前記充電抵抗器に接続する第１のコンバータ素子と、前記充電抵抗器と、前記充電抵抗器の第１のコンバータ素子に接続しない端子と前記コンデンサの他方の端子の間に接続されるスイッチと、から構成される請求項１に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンバータとインバータから構成される電力変換装置に関わり、特にその過電圧抑制に関する。
【背景技術】
【０００２】
コンバータとインバータを備える交流電気車は、交流電源からの高圧の交流電力を、コンバータで直流電力に変換し、インバータで可変電圧、可変周波数の３相交流電力に変換して、電動機を駆動する。コンバータの出力の直流電圧を安定に保つために、コンバータの直流側に負荷（インバータ）に並列にフィルタコンデンサが接続される。コンバータとインバータは、回生ブレーキ動作が可能である。回生ブレーキ動作では、前述の動作と逆に、電動機が発生する交流電力をパンタグラフから交流電源に返す。【０００３】
ところで、回生ブレーキ動作中にパンタグラフの離線が発生したり、架線に繋がる他の電気車の負荷の急変などにより、当該電気車から見た回生負荷が急減してフィルタコンデンサの両端電圧が通常より高くなる場合がある。コンデンサの両端電圧が高くなるとコンバータとインバータの半導体素子、および、フィルタコンデンサに異常電圧が印加されることになる。異常電圧が印加されるとこれらの部品を損傷することになるので、これを回避する為、フィルタコンデンサの両端を抵抗を介して短絡する過電圧抑制回路が設けられている。【０００４】
すなわち、フィルタコンデンサの両端電圧が所定の値より高くなったことを検出すると、インバータおよびコンバータをゲートオフして、回生ブレーキ動作を停止する。そして、過電圧抑制スイッチを点弧して、フィルタコンデンサを過電圧抑制用抵抗器を介して短絡し、インバータが出力する回生電力を放出して、フィルタコンデンサの電圧を低下させる。この状態を放置すると交流電源側からコンバータのダイオードを通して過電圧抑制用抵抗器に電流が流れ続ける。そこで、過電圧抑制スイッチを点弧すると同時に、コンバータの入力側の交流スイッチを開放する。【０００５】
特許文献１には、交流電気車に搭載する電力変換装置において、たとえ交流スイッチが故障等で正常な開放動作をしない場合にも過電圧抑制用抵抗器の過熱焼損を招くことがない電力変換装置が記載されている。特許文献１の電力変換装置では、過電圧抑制用抵抗器の電流を検出する電流検出器を備え、交流スイッチが正常に開放動作をしない場合、電流検出器の出力を条件に交流遮断器を開放して交流電源側から過電圧抑制用抵抗器への続流を断つ。【０００６】
フィルタコンデンサの充電と放電に関して、特許文献２には、初期充電抵抗、初期充電用開閉器の利用効率を向上させ、初期充電用開閉器と放電用開閉器が誤って同時に投入した場合にも備えることが記載されている。特許文献２の主回路コンデンサの放電回路は、交流電源の電力を交流リアクトルおよび閉回路を介して、電路に挿入される初期充電回路、三相ブリッジ回路および主コンデンサに給電するようにした回生機能付き正弦波コンバータにおいて、放電用開閉器を備える。放電用開閉器の投入によって、初期充電回路を形成する初期充電抵抗を放電抵抗として使用する電路を形成する。【０００７】
その他、特許文献３には、充電用の接触器を投入しコンバータの自己消弧型素子を点弧させて、フィルタコンデンサの放電を行うことが記載されている（特許文献３の図５）。また、特許文献４には、コンバータ素子と初期充電用接触器とその充電抵抗を含む経路に電流を流して、コンデンサを放電させることが記載されている（特許文献４の図５）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平０７−１５４９７４号公報
【特許文献２】特開平０８−３３１８７０号公報
【特許文献３】特開平１１−０９８６１０号公報
【特許文献４】国際公開第２００７／１２９４６９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１の過電圧抑制回路では、例えば、過電圧抑制用スイッチの故障により、過電圧抑制回路が構成されない場合、コンバータとインバータの半導体素子、および、フィルタコンデンサに異常電圧が長時間印加されることになる。その結果、半導体素子またはフィルタコンデンサが故障に至るおそれがある。特許文献２の放電回路でも、放電用開閉器が故障した場合には、同様の問題がある。【００１０】
この発明は上述のような事情に鑑みてなされたもので、過電圧抑制用スイッチの故障により、過電圧抑制回路が構成されない場合にも、半導体素子およびフィルタコンデンサに過電圧がかかることを防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る電力変換装置は、外部回路から電力の供給を受けて、交流電力を出力する電力伝達回路と、電力伝達回路と外部回路との間を流れる電流の通電および遮断を切り換える遮断器と、電力伝達回路から出力された交流電力を直流電力に変換するコンバータと、コンバータの直流側に接続されるコンデンサと、電力伝達回路とコンバータの間に直列に接続される充電抵抗および第１接触器と、充電抵抗および第１接触器を迂回して、電力伝達回路とコンバータとの間を流れる電流の通電と遮断とを切り換える第２接触器と、を備える。電力変換装置は、コンバータの出力する直流電力で作動し、回生電力を発生可能な負荷回路に接続される。そして、コンデンサの両端の電圧が定めた電圧以上であることを検出する過電圧検出器と、コンデンサの電圧が定めた値を超えたときにコンデンサを抵抗器を介して短絡する過電圧抑制回路と、コンデンサの両端の電圧が定めた電圧以上である場合に、過電圧抑制回路が作動していないことを検出する検出部と、コンデンサの電圧が定めた値を超え、かつ、過電圧抑制回路が作動していないことを検出した場合に、遮断器および第２接触器を開放し、第１接触器を投入して、コンデンサの一端と充電抵抗に接続するコンバータの素子、および、コンデンサの他端と電力伝達回路の充電抵抗に接続しない端子とに接続するコンバータの素子、を点弧する、制御部と、を備える。電力伝達回路は、遮断器を開放した場合に、出力側の端子の間に直流電流を流すことができるものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、既存の回路素子を用いて、過電圧抑制スイッチを経由しない別の放電経路を構成するので、過電圧抑制用スイッチの故障により、過電圧抑制回路が構成されない場合にも、半導体素子およびフィルタコンデンサに過電圧がかかることを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の構成例を示す図である。
【図２】実施の形態１に係る電力変換装置の制御部の構成例を示す図である。
【図３】実施の形態１における過電圧抑制動作の一例を示すフローチャートである。
【図４】本発明の実施の形態２に係る電力変換装置の構成例を示す図である。
【図５】実施の形態２における過電圧抑制動作の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、図中、同一または同等の部分には同じ符号を付す。
【００１５】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の構成例を示す図である。電力変換装置は、パンタグラフ１で集電される交流電力を変圧器３で変圧し、コンバータ４で直流電力に変換したのち、インバータ６で可変電圧、可変周波数の３相交流電力に変換して電動機７を駆動する。電力変換装置は、回生動作も可能である。回生動作では、電動機７からの交流電力を、インバータ６で直流電力に変換し、コンバータ４で交流電力に変換して変圧器３を介してパンタグラフ１から架線側に返す。
【００１６】
架線（図示せず）に摺動して交流電源と接続されるパンタグラフ１は、交流遮断器２を介して変圧器３の一次巻き線に接続される。交流遮断器２は、パンタグラフ１と変圧器３との間を流れる電流の通電および遮断を切り換える。変圧器３とコンバータ４の間に充電用スイッチ（第１接触器）９および充電抵抗器１０が直列に接続されている。また、充電用スイッチ９および充電抵抗器１０と並列に、交流スイッチ（第２接触器）８が接続されている。交流スイッチ８は、充電用スイッチ９および充電抵抗器１０を迂回して、変圧器３とコンバータ４との間を流れる電流の通電と遮断とを切り換える。
【００１７】
コンバータ４は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated-Gate Bipolar Transistor）とフライホイールダイオード等の半導体素子からなるアーム要素のブリッジ回路で構成される。コンバータ４の直流側に、フィルタコンデンサ５とインバータ６が並列に接続される。インバータ６は、直流電力を三相交流に変換する。インバータ６の三相交流側に電動機７が接続される。
【００１８】
フィルタコンデンサ５と並列に、過電圧検出器１３と過電圧抑制回路１４が接続されている。過電圧抑制回路１４は、過電圧抑制抵抗器１１と過電圧抑制用スイッチ１２が直列に接続される構成である。過電圧抑制用スイッチ１２は、例えば、サイリスタやＩＧＢＴ等の半導体素子である。
【００１９】
過電圧検出器１３は、フィルタコンデンサ５の両端の電圧を検出する。過電圧検出器１３の検出信号ＥＦＣは、制御部２４に伝達される。制御部２４は、交流遮断器２、交流スイッチ８、充電用スイッチ９、コンバータ４、過電圧抑制回路１４、インバータ６を制御して、電動機７を駆動し、電動機７から回生電力を交流電源側に返す。電力変換装置は、以下のように動作する。
【００２０】
パンタグラフ１より集電された交流電源（図示せず）からの高圧の交流電力は、交流遮断器２を通して変圧器３の１次巻線に供給される。変圧器３の２次巻線で所定の電圧に降圧された交流電力は、コンバータ４に供給される。制御部２４は、電力変換装置の作動の初期には、交流スイッチ８を開放した状態で充電用スイッチ９を投入し、充電抵抗器１０を経由して、交流電力をコンバータ４に供給する。コンバータ４は、交流電力を直流に変換する。初期動作で、フィルタコンデンサ５が充電される。フィルタコンデンサ５の充電が完了すると制御部２４は、交流スイッチ８を投入し充電用スイッチ９を開放する。
【００２１】
コンバータ４は単相交流電力を直流電力に変換するとともに、フィルタコンデンサ５の両端電圧を一定に保持するよう動作する。インバータ６はフィルタコンデンサ５から直流電力を可変電圧、可変周波数の３相交流電力に変換して交流負荷である電動機７を駆動する。
【００２２】
制御部２４は、回生動作のときに、コンバータ４およびインバータ６を逆に働かせて、電動機７からの交流電力を変圧器３を介してパンタグラフ１から架線側に返す。このとき、交流遮断器２および交流スイッチ８は投入された状態で、充電用スイッチ９は開放されている。また、過電圧抑制用スイッチ１２は開放されて、過電圧抑制回路１４には電流が流れない。
【００２３】
例えば、回生動作中、電動機７からの発生交流電力をインバータ６、コンバータ４および変圧器３を介して架線側に回生している状態で、パンタグラフ１の離線などにより、回生電力の吸収能力が低下すると、フィルタコンデンサ５の両端電圧が急上昇する。制御部２４は、過電圧検出器１３の検出する電圧を監視して、電圧が所定の値を超えると、回生動作を停止して過電圧抑制用スイッチ１２を投入する。
【００２４】
図２は、実施の形態１に係る電力変換装置の制御部の構成例を示す図である。制御部２４は電圧判定部３１、接触器オンオフ判定部３２および半導体素子オンオフ判定部３３から構成される。電圧判定部３１は、過電圧検出器１３の信号ＥＦＣが所定の電圧ＯＶＤｒｅｆ以上の場合に、過電圧信号ＯＶＤを出力する。過電圧信号ＯＶＤは、接触器オンオフ判定部３２および半導体素子オンオフ判定部３３に入力される。
【００２５】
接触器オンオフ判定部３２は、過電圧信号ＯＶＤを受け取ると過電圧抑制用オン信号ＯＶＴを発生する。過電圧抑制用オン信号ＯＶＴは、過電圧抑制回路１４に送られ（図１）、過電圧抑制用スイッチ１２を投入する。接触器オンオフ判定部３２は同時に、交流スイッチ８を開放するＫ用オフ信号ＫＯＦＦを発生する。Ｋ用オフ信号ＫＯＦＦは、交流スイッチ８を開放する（図１）。
【００２６】
半導体素子オンオフ判定部３３は、過電圧信号ＯＶＤを受け取ると、コンバータオフ信号ＧＣＯＦＦを発生する。コンバータオフ信号ＧＣＯＦＦはコンバータ４に送られ（図１）、すべてのコンバータ素子４１〜４４をオフ状態にする。半導体素子オンオフ判定部３３は同時に、インバータオフ信号ＧＩＯＦＦを発生する。インバータオフ信号ＧＩＯＦＦはインバータ６に送られ（図１）、すべてのインバータ素子６１〜６６をオフ状態にする。
【００２７】
制御部２４は、過電圧抑制用オン信号ＯＶＴを出力している間に、過電圧抑制回路１４が作動しているかどうか判定する。例えば、過電圧抑制用オン信号ＯＶＴを出力し始めてから一定時間継続して過電圧信号ＯＶＤが出力されている場合に、過電圧抑制回路１４が作動していないと判定する。
【００２８】
過電圧抑制回路１４が作動していないことは、例えば、過電圧抑制抵抗器１１を流れる電流を検知して判定することができる。他にも、例えば、過電圧抑制抵抗器１１の両端の電位差が所定の値より大きい場合に、過電圧抑制回路１４が作動していないと判定することができる。
【００２９】
過電圧抑制回路１４が作動していないと判定される場合、接触器オンオフ判定部３２は、充電用スイッチ９を投入するＡＫ用オン信号ＡＫＯＮと、交流遮断器２を開放するＶＣＢ用オフ信号ＶＣＢＯＦＦを発生する。ＡＫ用オン信号ＡＫＯＮは、充電用スイッチ９に送られ（図１）、充電用スイッチ９を投入する。また、ＶＣＢ用オフ信号ＶＣＢＯＦＦは、交流遮断器２に送られ（図１）、交流遮断器２を開放する。
【００３０】
過電圧抑制回路１４が作動していないと判定される場合、半導体素子オンオフ判定部３３は、ＯＶＤ時コンバータオン信号ＧＣＯＮ＿ＯＶを発生する。ＯＶＤ時コンバータオン信号ＧＣＯＮ＿ＯＶは、コンバータ４に送られ（図１）、例えばコンバータ素子４１とコンバータ素子４４を点弧する。
【００３１】
そうすると、フィルタコンデンサ５は、端子５１、コンバータ素子４１、充電抵抗器１０、充電用スイッチ９、変圧器３の２次巻き線、コンバータ素子４４および端子５２の経路で短絡され、充電抵抗器１０を介して放電される。その結果、コンバータ４、インバータ６およびフィルタコンデンサ５にかかっていた過電圧は解消される。
【００３２】
ＯＶＤ時コンバータオン信号ＧＣＯＮ＿ＯＶによって、コンバータ素子４２とコンバータ素子４３が点弧されてもよい。その場合フィルタコンデンサ５は、端子５１、コンバータ素子４２、変圧器３の２次巻き線、充電用スイッチ９、充電抵抗器１０、コンバータ素子４３および端子５２の経路で短絡される。
【００３３】
すなわち、ＯＶＤ時コンバータオン信号ＧＣＯＮ＿ＯＶによって、フィルタコンデンサ５の端子５１（または端子５２）と充電抵抗器１０に接続するコンバータ素子４１（またはコンバータ素子４３）、および、フィルタコンデンサ５の他の端子５２（または端子５１）と変圧器３の充電抵抗器１０に接続しない端子とに接続するコンバータ素子４４（またはコンバータ素子４２）を、点弧する。
【００３４】
図３は、実施の形態１における過電圧抑制動作の一例を示すフローチャートである。制御部２４は、過電圧信号ＯＶＤが発生することを待機している（ステップＳ０１；ＮＯ）。過電圧信号ＯＶＤが発生すると（ステップＳ０１；ＹＥＳ）、インバータオフ信号ＧＩＯＦＦを出力し（ステップＳ０２）、コンバータオフ信号ＧＣＯＦＦを出力する（ステップＳ０３）。そして、交流スイッチ８を開放するＫ用オフ信号ＫＯＦＦを出力し（ステップＳ０４）、過電圧抑制用オン信号ＯＶＴを出力する（ステップ０５）。過電圧抑制用抵抗器１１に通電する（ステップＳ０６）はずであるが、フィルタコンデンサ５の電圧を監視して、過電圧抑制回路１４が作動しているかどうか判定する（ステップＳ０７）。
【００３５】
過電圧抑制回路１４が作動していると判定される場合（ステップＳ０７；ＹＥＳ）、そのまま待機状態になる。その後、フィルタコンデンサ５の電圧が低下し、パンタグラフ１の電圧が架線電圧に復帰すれば、初期状態に戻る（図示せず）。
【００３６】
過電圧抑制回路１４が作動していないと判定される場合（ステップＳ０７；ＮＯ）、交流遮断器２を開放するＶＣＢ用オフ信号ＶＣＢＯＦＦを出力し（ステップＳ０８）、充電用スイッチ９を投入するＡＫ用オン信号ＡＫＯＮを出力する（ステップＳ０９）。そして、ＯＶＤ時コンバータオン信号ＧＣＯＮ＿ＯＶを出力して（ステップＳ１０）、動作を終了する。
【００３７】
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２に係る電力変換装置の構成例を示す図である。実施の形態２では、充電抵抗器１０を過電圧抑制用抵抗としても用いる。充電抵抗器１０は、実施の形態１と同様に、過電圧信号ＯＶＤが発生した場合に過電圧抑制用回路が動作していないと判定されるときに、フィルタコンデンサ５を短絡する抵抗器でもある。
【００３８】
実施の形態２では、実施の形態１の構成のうち、過電圧抑制抵抗器１１および過電圧抑制用スイッチ１２がなく、その代わりに、過電圧抑制用スイッチ１５が設けられている。過電圧抑制用スイッチ１５は、充電用スイッチ９と充電抵抗器１０の接続点と、フィルタコンデンサ５の端子５２との間に接続される。この場合、過電圧抑制回路は、コンバータ素子４１、充電抵抗器１０および過電圧抑制用スイッチ１５で構成される。
【００３９】
制御部２４は、実施の形態１と同様に、過電圧検出器１３で所定の電圧ＯＶＤｒｅｆ以上の電圧を検出した場合に、インバータオフ信号ＧＩＯＦＦ、コンバータオフ信号ＧＣＯＦＦ、交流スイッチオフ信号ＫＯＦＦ、および、過電圧抑制用オン信号ＯＶＴを出力する。ただし、実施の形態２では、コンバータオフ信号ＧＣＯＦＦで、コンバータ素子４２〜４４をオフ状態にするが、一部コンバータオン信号ＧＣＯＮを出力してコンバータ素子４１を点弧する。その結果、フィルタコンデンサ５は、端子５１、コンバータ素子４１、充電抵抗器１０、過電圧抑制用スイッチ１５および端子５２の経路で短絡される。
【００４０】
実施の形態２では、充電抵抗器１０を過電圧抑制抵抗として、実施の形態１と同様に、過電圧抑制回路が作動しているかどうか判定する。過電圧抑制回路が作動していないと判定される場合の動作は、実施の形態１と同様である。
【００４１】
過電圧抑制回路が作動していないと判定される場合、制御部２４は、ＶＣＢ用オフ信号ＶＣＢＯＦＦを出力して交流遮断器２を開放し、ＡＫ用オン信号ＡＫＯＮを出力して充電用スイッチ９を投入する。そして、ＯＶＤ時コンバータオン信号ＧＣＯＮ＿ＯＶを出力して、コンバータ素子４１およびコンバータ素子４４、または、コンバータ素子４２およびコンバータ素子４３を点弧する。ただし、コンバータ素子４２およびコンバータ素子４３を点弧する場合は、コンバータ素子４１を消弧する。
【００４２】
図５は、実施の形態２における過電圧抑制動作の一例を示すフローチャートである。実施の形態２では、図３のフローチャートのうち、ステップＳ０３の代わりにステップＳ１３を実行する。それ以外は、実施の形態１と同様である。
【００４３】
実施の形態２では、過電圧信号ＯＶＤが発生すると（ステップＳ０１；ＹＥＳ）、インバータオフ信号ＧＩＯＦＦを出力し（ステップＳ０２）、コンバータオフ信号ＧＣＯＦＦと一部コンバータオン信号ＧＣＯＮを出力する（ステップＳ１３）。その後の動作は、図３のステップＳ０４〜ステップＳ１０と同様である。
【００４４】
なお、実施の形態では、外部回路から電力の供給を受けて、交流電力を出力する電力伝達回路として、変圧器３の場合を想定して説明した。電力伝達回路は、電力伝達回路と外部回路との間を流れる電流の通電および遮断を切り換える遮断器（交流遮断器２）を開放した場合に、出力側の端子の間を電力伝達回路を通じて直流電流を流すことができるものであればよく、変圧器には限定されない。
【００４５】
本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態および変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、本発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。本発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内およびそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、本発明の範囲内とみなされる。
【符号の説明】
【００４６】
１  パンタグラフ、２  交流遮断器、３  変圧器、４  コンバータ、５  フィルタコンデンサ、６  インバータ、７  電動機、８  交流スイッチ（第２接触器）、９  充電用スイッチ（第１接触器）、１０  充電抵抗器、１１  過電圧抑制抵抗器、１２  過電圧抑制用スイッチ、１３  過電圧検出器、１４  過電圧抑制回路、１５  過電圧抑制用スイッチ、２４  制御部、３１  電圧判定部、３２  接触器オンオフ判定部、３３  半導体素子オンオフ判定部、４１，４２，４３，４４  コンバータ素子、５１，５２  端子、６１，６２，６３，６４  インバータ素子。
【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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