(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源母線に並列に接続され、モータからの回生電力が直流電源母線に回生される際に回生電力をチョッパ回路を介して回生抵抗の発熱で吸収する複数の回生電力吸収部と、前記チョッパ回路の出力側に設けられた電流平滑用のリアクトルと、前記各チョッパ回路に設けられ、チョッパ電流を検出する電流検出器と、直流電源母線からの入力電圧の設定値と入力電圧との偏差に応じてチョッパ回路の一台当りのチョッパ電流の指令値を演算するチョッパ電流指令値演算部と、チョッパ電流指令値と各チョッパ電流検出値との偏差に応じて各チョッパ回路のデューティ比を演算するチョッパデューティ比演算部と、このデューティ比となるように各チョッパ回路のスイッチング素子のゲート信号を生成するチョッパゲート信号生成部とを備え、チョッパ電流の指令値と検出値との偏差がしきい値以上でスイッチング素子の故障を検出することを特徴とする回生電力吸収装置。
【請求項２】
チョッパ回路の電流検出値−電流指令値がしきい値より大きい状態が一定期間継続したことにより、チョッパ回路のスイッチング素子の短絡故障を検出することを特徴とする請求項１記載の回生電力吸収装置。
【請求項３】
チョッパ回路の電流指令値−電流検出値がしきい値より大きい状態が一定期間継続したことにより、チョッパ回路のスイッチング素子の開放故障を検出することを特徴とする請求項１記載の回生電力吸収装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は直流式電気鉄道等の回生電力吸収装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
直流式電気鉄道等の直流電気車が回生制動運転をすると、架線へ回生電力が放出され、架線の電圧が上昇する。架線の電圧が上昇すると、回生制動のききが悪くなり、さらには直流電気車及び架線の過電圧故障を起こす恐れがある。このような不都合を解消するために、回生電力を吸収する回生電力吸収装置が設けられている。図３は従来の直流式電気鉄道の回生制動システムの構成図を示し、１は交流電源であり、その出力電圧Ｖｓは変圧器と整流器からなる変電所２に供給され、変電所２は変圧と整流を行う。この変電所２から出力される直流電力は架線３及び架線インピーダンス４を介して直流電気車５へ供給される。又、架線３には回生電力吸収装置６が接続される。
【０００３】
直流電気車５が力行運転中には電力が変電所２から直流電気車５へ供給され、直流電気車５が回生制動中には回生電力が直流電気車５から回生電力吸収装置６へ吸収され、架線３の電圧の上昇は抑制される。回生電力吸収装置６はチョッパ回路７と回生抵抗８の直列回路からなり、この直列回路が装置容量に応じて複数並列に接続される。回生電力は回生抵抗８により熱として吸収される。チョッパ回路７はその入力電圧Ｖｄｃ１が設定電圧以上になったときに動作し、直流電気車５が回生電力を発生している期間、チョッパ回路７の入力電圧Ｖｄｃ１が設定値となるように動作する。Ｖｄｃ２は直流電気車５の電圧である。
【０００４】
図４は従来の回生電力吸収装置６の詳細な回路構成を示し、架線３（直流電源母線）に接続され、入力電圧Ｖｄｃ１が加えられる直流入力端子Ｔ１，Ｔ２間には回生電流を検出する電流検出器９及びリアクトルＬ１を介して複数のチョッパユニット１０の一端が並列に接続され、各チョッパユニット１０の他端には共通の回生抵抗８が接続される。各チョッパユニット１０は直流入力端子Ｔ１，Ｔ２側の接続端に並列に接続されたコンデンサＣとスイッチング素子ＳＷと環流ダイオードＤとから構成され、スイッチング素子ＳＷとダイオードＤと共通のリアクトルＬ１とによりチョッパ回路が形成される。又、リアクトルＬ１とコンデンサＣの直列回路によりＬＣフィルタが構成され、チョッパ動作により架線電圧に高調波が発生するのを防止する。チョッパユニット１０の並列設置数は回生電流に応じて決定する。
【０００５】
図５は前記した従来の回生電力吸収装置６の制御ブロック図を示し、直流電圧（入力電圧）設定値Ｖｄｃｒｅｆと直流電圧（入力電圧）Ｖｄｃ１とがチョッパデューティ比演算部１１の比較部１２に入力され、両者の偏差が求められる。この偏差は比例積分演算部１３に入力され、比例積分演算され、チョッパデューティ比（＝スイッチング素子ＳＷのオン時間／スイッチング周期）が演算される。チョッパデューティ比演算部１１の出力であるチョッパデューティ比はチョッパゲート信号生成部１４に入力され、チョッパゲート信号生成部１４はこのチョッパデューティ比になるようにゲート信号を生成し、このチョッパゲート信号をチョッパユニット１０のスイッチング素子ＳＷのゲートに入力し、そのデューティ比（通流率）を制御する。即ち、各チョッパユニット１０のスイッチング素子ＳＷのオン時間を変化させると、回生抵抗８に流れる平均電流が変化する。従って、このデューティ比を制御することにより、回生電力吸収装置６の回生電力吸収量が変化し、入力電圧Ｖｄｃ１が設定値Ｖｄｃｒｅｆと一致するように制御される。
【０００６】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、特許文献１〜３がある。
【特許文献１】特開昭６３−４９５５９号公報
【特許文献２】特開昭６３−１０３７４５号公報
【特許文献３】特開２００４−１６８２１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、前記した従来の回生電力吸収装置においては、回生抵抗８は、入力電圧設定値Ｖｄｃｒｅｆの下限でデューティ比を最大にした時に、最大回生電流を消費できる値に選定する。例えば、回生電流の最大値が１０００Ａ、入力電圧設定値の下限電圧が７５０Ｖ、上限電圧が９００Ｖ、デューティ比の最大値が０．９５の場合には、回生抵抗８≦７５０／１０００×０．９５＝０．７１より、回生抵抗８は０．７Ω程度の値に選定する。この場合に、スイッチング素子ＳＷの故障または誤配線等により、スイッチング素子ＳＷが短絡状態となった場合、スイッチング素子ＳＷと回生抵抗８を介して入力電圧Ｖｄｃ１と回生抵抗８で決まる電流がチョッパユニット１０に流れる。入力電圧Ｖｄｃ１が下限電圧７５０Ｖで回生抵抗８が０．７Ωの場合には回生電流は７５０／０．７＝１０７１Ａ程度流れ、入力電圧Ｖｄｃ１が上限電圧９００Ｖの場合には回生電流は９００／０．７＝１２８６Ａ程度流れる。これらの値は、下限電圧では回生電流最大値の１０７％となり、上限電圧では回生電流最大値の１２９％となる。一方、過電流検出レベルはこれより高く設定されているために、スイッチング素子ＳＷが短絡故障しても回生電流値から故障を検出することができない。
【０００８】
又、スイッチング素子ＳＷの故障または誤配線等により、スイッチング素子ＳＷが開放状態となった場合、回生電流が流れなくなり、回生電力を吸収することができなくなる。複数のチョッパユニット１０を並列に接続して使用する場合には、１つのチョッパユニット１０のスイッチング素子ＳＷが開放状態となっても、回生電流値が他のチョッパユニット１０によって吸収できる電流値であれば、回生電力吸収装置６は動作を継続するが、吸収できない電流値の場合には、直流電気車５の回生ブレーキを使用できなくなり、架線３が過電圧になる前に直流電気車５が回生電流を制限するために、スイッチング素子ＳＷの開放故障を検出することができない。
【０００９】
この発明は上記のような課題を解決するために成されたものであり、チョッパ回路を構成するスイッチング素子の開放、短絡故障を容易に検出することができる回生電力吸収装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明の請求項１に係る回生電力吸収装置は、直流電源母線に並列に接続され、モータからの回生電力が直流電源母線に回生される際に回生電力をチョッパ回路を介して回生抵抗の発熱で吸収する複数の回生電力吸収部と、前記チョッパ回路の出力側に設けられた電流平滑用のリアクトルと、前記各チョッパ回路に設けられ、チョッパ電流を検出する電流検出器と、直流電源母線からの入力電圧の設定値と入力電圧との偏差に応じてチョッパ回路の一台当りのチョッパ電流の指令値を演算するチョッパ電流指令値演算部と、チョッパ電流指令値と各チョッパ電流検出値との偏差に応じて各チョッパ回路のデューティ比を演算するチョッパデューティ比演算部と、このデューティ比となるように各チョッパ回路のスイッチング素子のゲート信号を生成するチョッパゲート信号生成部とを備え、チョッパ電流の指令値と検出値との偏差がしきい値以上でスイッチング素子の故障を検出するものである。
【００１１】
請求項２に係る回生電力吸収装置は、チョッパ回路の電流検出値−電流指令値がしきい値より大きい状態が一定期間継続したことにより、チョッパ回路のスイッチング素子の短絡故障を検出するものである。
【００１２】
請求項３に係る回生電力吸収装置は、チョッパ回路の電流指令値−電流検出値がしきい値より大きい状態が一定期間継続したことにより、チョッパ回路のスイッチング素子の開放故障を検出するものである。
【発明の効果】
【００１３】
以上のようにこの発明によれば、直流入力電圧とその設定値との偏差から一台当りのチョッパ回路のチョッパ電流の指令値を演算し、この指令値と各チョッパ電流の検出値との偏差からチョッパデューティ比を求め、このデューティ比となるように各チョッパ回路のスイッチング素子のゲート信号を生成しており、各スイッチング素子が正常であれば、チョッパ電流の指令値と各検出値が一致する。しかし、何れかのチョッパ回路においてスイッチング素子に故障が発生すると、チョッパ電流の指令値と検出値との間に大きな差が生じ、その偏差がしきい値以上になる。即ち、何れかのチョッパ回路のスイッチング素子に短絡故障が発生すると、そのチョッパ回路においては通常より大きなチョッパ電流が流れるので、チョッパ電流の検出値−指令値がしきい値より大きな状態が一定期間継続することになり、スイッチング素子の短絡故障を検出することができる。又、何れかのチョッパ回路のスイッチング素子に開放故障が発生すると、そのチョッパ回路にはチョッパ電流が流れないので、チョッパ電流の指令値−検出値がしきい値より大きな状態が一定期間継続することになり、スイッチング素子の開放故障を検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、この発明を実施するための最良の形態を図面とともに説明する。図１は
この発明の実施最良形態による直流式電気鉄道の回生電力吸収装置の制御ブロック図、図２は同じく回生電力吸収装置の回路構成図である。まず図２においてＴ１，Ｔ２は架線（直流電源母線）３に接続され、架線３からの入力電圧が入力される直流入力端子であり、直流入力端子Ｔ１，Ｔ２には回生電流検出器９及びリアクトルＬ１を介して複数のチョッパユニット１５が並列に接続される。各チョッパユニット１５はコンデンサＣとスイッチング素子ＳＷと環流ダイオードＤとこれらの出力側に設けられた電流平滑用のリアクトルＬ２及びチョッパ電流を検出する電流検出器１６とから構成され、このうち環流ダイオードＤとスイッチング素子ＳＷ、及びリアクトルＬ１によりチョッパ回路が構成され、このチョッパ回路の出力側には個別に回生抵抗８が接続され、このチョッパ回路と回生抵抗８とにより回生電力吸収部を構成し、この回生電力吸収部は直流入力端子Ｔ１，Ｔ２に並列に複数接続される。回生抵抗８を個別に設けるとともに、電流平滑用のリアクトルＬ２を設けたのは、チョッパ回路を電流制御するためである。コンデンサＣとリアクトルＬ１とにより、従来同様にＬＣフィルタが構成される。又、回生抵抗８は発熱により回生電力を吸収する。
【００１５】
次に、図１の制御ブロック図においては、直流入力端子Ｔ１，Ｔ２からの直流入力電圧Ｖｄｃ１とその設定値Ｖｄｃｒｅｆがチョッパ電流指令値演算部１７の比較部１８に入力され、その偏差が比例積分演算部１９に入力されて比例積分演算され、チョッパ回路（チョッパユニット１５）の一台当りに流すべきチョッパ電流指令値が演算される。このチョッパ電流指令値はチョッパデューティ比演算部２０の比較部２１に入力され、各チョッパ回路に個別に設けられた電流検出器１６の出力である各チョッパ電流の検出値と比較され、その偏差が比例積分演算部２２に入力されて、比例積分演算され、偏差に応じたチョッパ回路のオンオフのデューティ比が演算される。この各デューティ比は各チョッパゲート信号生成部２３にそれぞれ入力され、各チョッパゲート信号生成部２３は対応するチョッパ回路のデューティ比が演算されたデューティ比となるようにチョッパゲート信号を生成し、このチョッパゲート信号を各チョッパ回路のスイッチング素子ＳＷのゲートに供給する。
【００１６】
前記した回生電力吸収装置においては、その直流入力電圧Ｖｄｃ１とその設定値Ｖｄｃｒｅｆとの偏差から一台当りのチョッパ回路のチョッパ電流の指令値を演算し、この指令値と各チョッパ電流の検出値との偏差からチョッパデューティ比を求め、このデューティ比となるように各チョッパ回路のスイッチング素子ＳＷのゲート信号を生成しており、各スイッチング素子ＳＷが正常であれば、チョッパ電流の指令値と各チョッパ電流の検出値が一致するとともに、回生電力が各回生抵抗８の発熱により吸収されることから、直流入力電圧Ｖｄｃ１が設定値Ｖｄｃｒｅｆと一致するようになる。ここで、何れかのチョッパ回路においてスイッチング素子ＳＷに短絡故障が発生すると、そのチョッパ回路においては通常より大きなチョッパ電流が流れ、チョッパ電流の検出値−指令値がしきい値より大きい状態が一定期間継続することにより、スイッチング素子ＳＷの短絡故障を検出することができる。又、何れかのチョッパ回路においてスイッチング素子ＳＷに開放故障が発生すると、チョッパ電流が流れなくなり、チョッパ電流の指令値−検出値がしきい値より大きな状態が一定期間継続することにより、スイッチング素子ＳＷの開放故障を検出することができる。
【００１７】
なお、前記した実施最良形態においては、直流式電気鉄道の回生電力吸収装置に適用する場合について説明したが、多数のモータを個々にインバータで加減速駆動する工場設備等での直流電源母線に接続して、モータからの回生電力を回生抵抗で吸収する回生電力吸収装置として適用して同等の作用効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】この発明の実施最良形態による直流式電気鉄道の回生電力吸収装置の制御ブロック図である。
【図２】実施最良形態による直流式電気鉄道の回生電力吸収装置の回路構成図である。
【図３】従来の直流式電気鉄道の回生制動システムの構成図である。
【図４】従来の回生電力吸収装置の回路構成図である。
【図５】従来の回生電力吸収装置の制御ブロック図である。
【符号の説明】
【００１９】
１…交流電源
２…変電所
３…架線（直流電源母線）
５…直流電気車
８…回生抵抗
１５…チョッパユニット
１６…電流検出器
１７…チョッパ電流指令値演算部
２０…チョッパデューティ比演算部
２３…チョッパゲート信号生成部
Ｔ１，Ｔ２…直流入力端子
【図１】
0005353068.tif 000002
【図２】
0005353068.tif 000003
【図３】
0005353068.tif 000004
【図４】
0005353068.tif 000005
【図５】
0005353068.tif 000006