(57)【要約】【課題】後段の制御回路と接地を共通とする場合にも、コモンモードノイズを確実に抑制して精度の高い電圧検出を可能とすることができる電圧検出装置を得ることを目的とする。【解決手段】電圧検出装置２９の接地ＧＮＤと後段の制御回路２６の接地ＧＮＤとを共通とするものであって、抵抗分圧手段１００で分圧した電圧を絶縁アンプ１２を介して制御回路２６に送出するようにし、絶縁アンプ１２の両入力端と接地ＧＮＤとの間にコンデンサ２７、２８を接続する。【選択図】図１
2012117929.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧端と接地端との間に印加される被検出電圧を抵抗分圧手段により分圧し、当該分圧した電圧を後段の制御回路に送出する電圧検出装置において、
前記電圧検出装置の接地と前記制御回路の接地とを共通とするものであって、前記抵抗分圧手段で分圧した電圧を絶縁アンプを介して前記制御回路に送出するようにしたことを特徴とする電圧検出装置。
【請求項２】
前記抵抗分圧手段は、前記電圧端と前記絶縁アンプの入力端子の一方との間に接続された高圧側分圧抵抗器、前記接地端と前記絶縁アンプの入力端子の他方との間に接続された低圧側分圧抵抗器および前記絶縁アンプの入力端子の前記一方と前記他方との間に接続された検出抵抗器を備え、前記絶縁アンプの入力端子の前記一方および前記他方と前記接地端との間にそれぞれ接続されたコンデンサを備えたことを特徴とする請求項１記載の電圧検出装置。
【請求項３】
前記抵抗分圧手段は、前記各抵抗器の抵抗値を下式の関係となるよう設定したことを特徴とする請求項２記載の電圧検出装置。
（前記検出抵抗器の抵抗値＋前記低圧側分圧抵抗器の抵抗値）＜（前記高圧側分圧抵抗器の抵抗値＋前記検出抵抗器の抵抗値＋前記低圧側分圧抵抗器の抵抗値）×（１／２）
【請求項４】
前記抵抗分圧手段は、前記電圧端に鉄道車両の直流架線電圧が印加され、前記制御回路とともに前記鉄道車両に搭載されるものであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電圧検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、被検出電圧を分圧抵抗手段により分圧して検出する電圧検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
直流の被検出電圧を分圧抵抗を介して分圧して検出する電圧検出装置として、例えば、特許文献１や特許文献２に紹介された電圧検出装置が挙げられる。
前者は、直列接続された電池ユニット２の電圧を検出する装置、後者は、正常時は０、異常時は電圧が現れる、２個のスター結線ＣＲフィルタの中性点間の電圧を検出することで、ＣＲフィルタの異常検出を行うもので、いずれも、被検出電圧を、３個の互いに直列に接続した抵抗器で分圧し、その中央の抵抗器の電圧を差動アンプを介して出力する構成のものである。
【０００３】
抵抗値が等しい３個の抵抗器を接続することで、被検出電圧が印加される両端子からの抵抗値が互いに等しくなる一対の分圧端子の出力を差動アンプを介して取り出すことで、いわゆるコモンモードノイズの影響を抑制して精度の高い電圧検出を可能としたものと考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１１６３１号公報（図２）
【特許文献２】特開２００３−１１１２６７号公報（図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、鉄道車両に搭載される電気機器にあっては、パンタグラフを介して入力される高圧の直流架線電圧を検出する電圧検出装置が必要となる。そして、この電圧検出装置の検出出力は、後段の、車両電動機を駆動するインバータ等の駆動装置の制御回路に送出される。
この種の電圧検出装置に、上述した従来の電圧検出装置の方式を採用すると以下のような課題が生じることになる。
【０００６】
即ち、共に鉄道車両に搭載される装置であることから、電圧検出装置とその後段の制御回路とは、構成上、両者の接地を共通とする必要がある。更に、鉄道車両に搭載する装置は、線路に接地されることになり、この線路には、インバータは勿論、回生ブレーキによって発生する電流などが流れ、その電流値は数百Ａもの大電流にも達する。
そのため、差動アンプを介して接続される電圧検出装置と後段の制御回路との接地が共通であると、線路の抵抗と線路に流れる大電流とによって、数百Ｖの大きなコモンモードノイズが発生し得ることになる。一方、一般的に差動アンプの許容入力電圧は１０Ｖ程度であるので、記述した従来のような、差動アンプを採用した方式は採用することができない。
【０００７】
この発明は、以上のような従来の課題を解決するためになされたもので、後段の制御回路と接地を共通とする場合にも、コモンモードノイズを確実に抑制して精度の高い電圧検出を可能とすることができる電圧検出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】
【０００８】
この発明に係る電圧検出装置は、電圧端と接地端との間に印加される被検出電圧を抵抗分圧手段により分圧し、当該分圧した電圧を後段の制御回路に送出する電圧検出装置において、
電圧検出装置の接地と制御回路の接地とを共通とするものであって、抵抗分圧手段で分圧した電圧を絶縁アンプを介して制御回路に送出するようにしたものである。
【発明の効果】
【０００９】
この発明に係る電圧検出装置は、以上のように、抵抗分圧手段で分圧した電圧を絶縁アンプを介して制御回路に送出するようにしたので、電圧検出装置の接地と後段の制御回路の接地とを共通とするものであっても、コモンモードノイズが有効に抑制され精度の高い電圧検出が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１による電圧検出装置の基本的な構成を、その後段の制御回路を含めて示す回路図である。
【図２】図１の絶縁アンプ１２の内部構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施の形態１による電圧検出装置の外観を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１．
本発明の実施の形態１として、鉄道車両の直流高圧架線電圧を分圧抵抗で分圧、低電圧として更に絶縁して検出する電圧検出装置を例として取り上げる。そして、その検出出力は、該検出信号の変動をもとに鉄道車両の電源・駆動装置として用いられるＳＩＶ（静止形インバータ）やＶＶＶＦインバータをフィードバック制御する制御回路に送出される。
【００１２】
図１は、本発明の基本的な構成を示し、図１において、直流架線電圧は、パンタグラフである電圧端１と接地端ＧＮＤとの間に印加され、抵抗分圧手段１００により分圧される。分圧抵抗手段１００は、互いに直列に接続された、分圧抵抗器２〜８からなる高圧側分圧抵抗器と、分圧抵抗器１０、１１からなる低圧側分圧抵抗器と検出抵抗器とから構成される。そして、検出抵抗器９の両端が、絶縁アンプ１２の一対の入力端に接続されている。また、検出抵抗器９の両端は、それぞれコンデンサ２７および２８を介してＧＮＤに接続されている。
【００１３】
絶縁アンプ１２によって絶縁された電圧検出信号は、ＳＩＶまたはＶＶＶＦインバータ等の駆動装置３０のマイコン等で構成された制御回路２６に入力され、電圧検出信号の変動をもとにＳＩＶやＶＶＶＦインバータがフィードバック制御される。
一般的には、コモンモードノイズが電圧検出装置２９と駆動装置３０の制御回路２６との間を流れるのを防ぐため、電圧検出装置２９のＧＮＤと制御回路２６側のＧＮＤとは分離される。しかし、鉄道車両用装置においては、システム構成上、両者のＧＮＤが共通になっている。このため、記述したように、また、図１の下段に略図で図示したように、線路の抵抗Ｒｌと線路に流れる大電流（矢印）とによって、数百Ｖの大きなコモンモードノイズが発生し得ることになり、この発明では、このノイズを遮断するため、従来の差動アンプに替わって絶縁アンプ１２を採用する。
【００１４】
図２は、この絶縁アンプ１２の内部構成である基本的な回路構成例を示すブロック図である。絶縁アンプ１２は、２つの絶縁トランス（伝送トランス１６、電源トランス１７）を使って１次―２次間を絶縁しており、検出信号（直流電圧）をアナログスイッチ１４、１８の動作により振幅変調する。
Ｖｃｃ−ＧＮＤ間に制御用の直流電源Ｖｃｃを供給すると、定電圧回路ＲＥＧ２２で安定化された直流電源が発振回路ＯＳＣ２０に供給される。電源トランス１７の１次巻線Ｐ１に接続された発振回路ＯＳＣ２０は、周波数ｆｏｓｃ［Ｈｚ］で発振しており、電源トランス１７の全巻線は巻線方向が同一のため、巻線Ｐ２，Ｓには１次巻線Ｐ１と同じ極性の電圧Ｖｓが発生する。
この電圧Ｖｓは、入／出力段アナログスイッチ１４、１８のスイッチング信号の役割を持つ。更に、電圧Ｖｓは、平滑回路１５，１９で直流電圧に平滑され、入／出力段の反転増幅回路１３，２１およびアナログスイッチ１４，１８の電源電圧として供給される。
【００１５】
入力端子Ｐ、Ｎに入力された検出信号（直流電圧）Ｖｉｎは、入力段の反転増幅回路１３で信号（−Ｖｉｎ）に反転された後、入力段アナログスイッチ１４に入力される。入力段アナログスイッチ１４は、周波数ｆｏｓｃ［Ｈｚ］でスイッチングしており、直流電圧（−Ｖｉｎ）を周波数ｆｏｓｃ［Ｈｚ］の交流電圧に変調している。
伝送トランス１６の１次巻線には直流から交流に変調された前記信号が印加される。伝送トランス１６の巻数比を１：１とすると、伝送トランス１６の２次巻線には、１次巻線に印加された変調信号と同じ信号が発生する。
【００１６】
出力段アナログスイッチ１８は、入力段アナログスイッチ１４と同様に、周波数ｆｏｓｃ［Ｈｚ］でスイッチングしており、交流に変調された信号（−Ｖｉｎ）を直流に復調する。復調された信号（−Ｖｉｎ）は、出力段の反転増幅回路２１で反転増幅され、もとの検出信号Ｖｉｎに戻りＶｏｕｔとして出力される。
【００１７】
図３は、本実施の形態１における電圧検出装置２９の外観図を示す。
図３に示すように、分圧抵抗器２〜８，１０、１１と検出抵抗器９および絶縁アンプ１２は、プリント基板２３に実装される。プリント基板２３の、絶縁トランス１６、１７の取り付け箇所には、その１次−２次間の部分に沿面距離を確保するためスリット２４が設けてある。また、プリント基板２３の端部には端子台２５を備え、図３に示すように、被検出電圧である直流架線電圧および絶縁アンプ１２の制御用の直流電源Ｖｃｃの入力、絶縁アンプ１２の出力信号Ｖｏｕｔの出力、また、ＧＮＤとの接続を行う。
【００１８】
ところで、国内在来線の直流架線電圧は、一部地下鉄などを除いて１５００Ｖで、欧州（イタリア等）においては３０００Ｖである。そこで、被検出電圧である直流架線電圧を３０００Ｖとし、検出抵抗器９の両端電圧を１０Ｖとすると、その他９個の分圧抵抗器２〜８、１０、１１には２９９０Ｖが印加される。
従って、分圧抵抗器２〜８、１０、１１の抵抗値を互いに同一とすると、分圧抵抗器２〜８、１０，１１の各分圧値は、約３３２Ｖ（≒２９９０Ｖ／９直列）になる。
【００１９】
本実施の形態１では、検出抵抗器９とＧＮＤとの間に分圧抵抗器１０、１１が直列に接続されており、絶縁アンプ１２の入力電圧は、ＧＮＤに対して６７４Ｖ（＝１０Ｖ＋３３２Ｖ×２）になり、絶縁アンプ１２の１次−２次間には、６７４Ｖの直流電圧が印加される。
従来のような差動アンプを使用した電圧検出装置の抵抗分圧手段における分圧仕様にあっては、差動アンプの入力端への対称性を確保するため、その中心電位が被検出電圧の１／２になるよう設定された検出抵抗器の両端の電圧が検出電圧として取り出されるため、この取り出し電位は、被検出電圧の１／２を越え、ここで例示した直流架線電圧３０００Ｖの場合に従来の分圧仕様をそのまま採用すると、絶縁アンプの１次−２次間には、１５００Ｖを越える直流電圧が印加されることになる。
【００２０】
そのため、本実施の形態１と比べ、従来の電圧検出装置の分圧仕様では、絶縁アンプの１次−２次間の沿面距離を２倍以上確保しなければならず、電圧検出装置の小型化が困難となる。鉄道車両用推進制御装置に関する代表的な絶縁規格であるＩＥＣ６００７７−１によれば、絶縁アンプの１次−２次間に必要な沿面距離は電圧検出装置の周囲環境によるが、汚損度をＰＤ３、マテリアルグループをＩと仮定すると、電圧６７４Ｖでは１０ｍｍ以上必要なのに対し、１５００Ｖでは１８．７５ｍｍ以上必要となる。また、絶縁トランス内部の１次−２次巻線間にも別途規定の沿面距離を確保する必要があり、従来の電圧検出装置では絶縁トランスのサイズを大きくするか、絶縁トランス内部を樹脂モールドする必要があり、電圧検出装置の小型・低コスト化が困難となる。
【００２１】
これに対し、本実施の形態１によれば、絶縁アンプ１２を採用し電圧検出装置２９と後段の制御回路２６とをこの絶縁アンプ１２で絶縁的に遮断することによりコモンモードノイズを抑制する構成としたので、分圧仕様として上述した対称性が要求されることが無い。
【００２２】
即ち、この発明における抵抗分圧手段１００の分圧仕様としては、
（検出抵抗器９の抵抗値＋低圧側分圧抵抗器（１０、１１）の抵抗値）＜（高圧側分圧抵抗器（２〜８）の抵抗値＋検出抵抗器９の抵抗値＋低圧側分圧抵抗器（１０、１１）の抵抗値）×（１／２）の関係を満たす設定が可能となる訳である。
本実施の形態１では、上述した具体例に示すように、絶縁アンプ１２の１次−２次間に印加される直流電圧を、６７４（＜（３０００×（１／２））Ｖという低電圧に抑えることができ、電圧検出装置の小型・低コスト化が可能となる。
【００２３】
また、絶縁トランスが大きく、その１次巻線と２次巻線との間の距離が大きく離れている場合、絶縁トランスの１次−２次間の磁気結合が粗になる。磁気結合が粗になると絶縁トランスの出力波形には歪みが発生しやすく、１次側から２次側へ正確な信号伝達ができないため、出力電圧に誤差が生じる。
本実施の形態１における電圧検出装置によれば、絶縁トランスの小型化により、１次巻線と２次巻線との間の距離が短くなり、１次−２次間の磁気結合が密になるため出力電圧の精度向上が期待できる。
【００２４】
また、一般的に電圧検出装置の小型化と分圧抵抗器との電力損失を抑えるため、分圧抵抗器の抵抗値は高く設定される。本実施の形態１によれば、各分圧抵抗器の分圧値は３３２Ｖである。電圧検出装置の小型化のため分圧抵抗器に１／４Ｗ品を選定した場合、電力損失のディレーティングを３０％（７５ｍＷ＝２５０ｍＷ×０．３）とすると、各分圧抵抗器の抵抗値は１．４７ＭｅｇΩ（≒３３２Ｖ＾２／７５ｍＷ）と求められ、抵抗値を１．４７ＭｅｇΩ以上に設定する必要がある。
【００２５】
この点に関し、従来の電圧検出装置によれば、直流高電圧の中間電位に位置する検出抵抗器両端の電圧を検出するため、検出抵抗器とＧＮＤとの間のインピーダンスは７．５ＭｅｇΩ（＝１．５ＭｅｇΩ×５個）と高インピーダンスになり、ノイズが重畳しやすいといった問題があった。
これに対し、本実施の形態１によれば、直流高電圧の中間電位よりも、低い電位に位置する検出抵抗器９の両端の電圧を検出電圧として絶縁アンプ１２に入力するため、検出抵抗器９とＧＮＤとの間のインピーダンスは、３．０ＭｅｇΩ（＝１．５ＭｅｇΩ×２個）に低減する。検出抵抗器９とＧＮＤとの間のインピーダンスの低下により、検出信号へのノイズ重畳が抑えられるので電圧検出装置の出力精度向上が期待できる。
【００２６】
更に、本実施の形態１によれば、検出抵抗器９の両端、従って、絶縁アンプ１２の両入力端とＧＮＤとの間にコンデンサ２７、２８を接続したことにより、分圧抵抗器２〜８、１０、１１と検出抵抗器９、及びコンデンサ２７、２８で形成されるローパスフィルタによってコモンモードノイズが除去される。検出信号へのノイズ重畳がより確実に抑えられ電圧検出装置の出力精度が更に向上する。
【００２７】
コンデンサ２７、２８が無い場合、コモンモードノイズは、分圧抵抗器１０、１１に流れ、分圧抵抗器１０、１１における電圧降下がノイズとして検出信号へ重畳することになる。分圧抵抗器１０、１１のインピーダンスは、前述のように数ＭｅｇΩと高いため、仮に数μＡのコモンモードノイズが分圧抵抗器１０、１１に流れたとすると数Ｖものノイズが検出信号に重畳し、装置によっては、十分な電圧検出精度が得られない場合もあり得る。
【００２８】
以上のように、本実施の形態１による電圧検出装置は、その抵抗分圧手段１００で分圧した電圧を絶縁アンプ１２を介して後段の制御回路２６に送出することで電圧検出装置２９と制御回路２６との間を絶縁的に遮断し、更に、絶縁アンプ１２の両入力端と接地ＧＮＤとの間にコンデンサ２７、２８を接続することで僅かなノイズもコンデンサ２７、２８からＧＮＤに流すようにしたので、電圧検出装置２９のＧＮＤと制御回路２６のＧＮＤとを共通とするものであっても、コモンモードノイズを有効確実に抑制することができ、高精度の電圧検出が可能となる。
【００２９】
更に、抵抗分圧手段１００の分圧仕様として、絶縁アンプ１２の１次−２次間の電圧が被検出電圧である直流架線電圧の１／２未満の低電圧となるようにしたので、電圧検出装置の小型・低コストが実現し、絶縁の信頼性も向上する。
【００３０】
なお、本発明の実施の形態１では、コモンモードノイズ抑制の効果をより確実にするため、絶縁アンプ１２の両入力端とＧＮＤとの間にコンデンサ２７、２８を接続するようにしたが、装置の種別や要求される検出精度によっては、この発明の適用上、コンデンサの接続を省略することもできる。
【００３１】
また、本発明の実施の形態１では、鉄道車両の直流架線電圧を絶縁して電圧検出する場合を例にあげたが、高周波高電圧を絶縁して検出する電圧検出装置として本発明を用いることもでき、その場合、絶縁アンプ１２の１次−２次間の印加電圧を低電圧に抑えることができるため、絶縁トランス部において、コロナ放電が発生し難く電圧検出装置の長寿命化と長期信頼性の向上が期待できる。
【００３２】
更に、本実施の形態１では、分圧抵抗器の直列数を１０直列、検出抵抗器９とＧＮＤとの間の分圧抵抗器の数を２直列としたが、分圧抵抗器の直列数を増やし、検出抵抗器とＧＮＤとの間の分圧抵抗器の数を減らし、絶縁アンプの１次−２次間の電圧を更に低減することで、本実施の形態１と同等以上の効果が得られることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００３３】
１  電圧端、２〜８，１１，１２  分圧抵抗器、９  検出抵抗器、１２  絶縁アンプ、１６，１７  絶縁トランス、２３  プリント基板、２６  制御回路、
２７，２８  コンデンサ、２９  電圧検出装置、３０  駆動装置、
１００  抵抗分圧手段、ＧＮＤ  接地。
【図１】
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【図２】
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【図３】
2012117929.tif 000005