(57)【要約】      （修正有）【課題】主電動機開放スイッチとして真空接触器を適用した電気車制御装置を提供する。【解決手段】実施の形態の電気車制御装置は、直流電圧を任意周波数の交流電圧に変換する電力変換器８と、電力変換器の交流側に接続された主電動機開放スイッチ１４と、電力変換器の交流端に接続された電動機１３と、電力変換器の直流側に接続されたフィルタコンデンサ７と、フィルタコンデンサのプラス側に接続され、フィルタコンデンサの電荷を放電させるためのコンデンサ電荷放電手段１０と、フィルタコンデンサの放電を伴う回路動作を行う時は、電力変換器の交流側の電流周波数が特定の閾値以上である場合に限り、主電動機開放スイッチを開放動作させるように制御する制御回路２０を備えたものである。【選択図】図１
2013034316.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電圧を任意周波数の交流電圧に変換し、その逆変換も行う電力変換器と、
前記電力変換器の交流側に接続される主電動機と、
前記電力変換器の交流側と主電動機との間に挿入された主電動機開放スイッチと、
前記電力変換器の直流側に接続されたフィルタコンデンサと、
前記フィルタコンデンサのプラス側に接続され、前記フィルタコンデンサの電荷を放電させるためのコンデンサ電荷放電手段と、
前記電力変換器の交流側の周波数を検出する周波数検出手段と、
前記電力変換器の停止時に、前記コンデンサ電荷放電手段に前記フィルタコンデンサの放電を伴う回路動作を行わせると共に、前記電力変換器の交流側の周波数が特定の周波数以上である場合に限り前記主電動機開放スイッチを開放動作させる制御回路とを備えたことを特徴とする電気車制御装置。
【請求項２】
前記制御回路は、前記フィルタコンデンサの放電を伴わない回路動作を行う時は、前記電力変換器の交流側の周波数に関わらず、前記主電動機開放スイッチを開放動作させない制御をすることを特徴とする請求項１に記載の電気車制御装置。
【請求項３】
前記コンデンサ電荷放電手段として、自己消弧形半導体素子を用いたことを特徴とする請求項１又は２に記載の電気車制御装置。
【請求項４】
直流電圧を任意周波数の交流電圧に変換し、その逆変換も行う電力変換器と、
前記電力変換器の交流側に接続される主電動機と、
前記電力変換器の交流側と主電動機との間に挿入された主電動機開放スイッチと、
前記電力変換器の直流側に接続されたフィルタコンデンサと、
前記フィルタコンデンサのプラス側に接続され、前記フィルタコンデンサの電荷を放電させるためのコンデンサ電荷放電手段と、
前記電力変換器の停止時に、前記コンデンサ電荷放電手段に前記フィルタコンデンサの放電を伴う回路動作を行わせると共に、前記電力変換器の交流側の周波数が特定の周波数以上である場合に限り前記主電動機開放スイッチを開放動作させる制御回路とを備え、
前記コンデンサ電荷放電手段として自己消弧不可能な素子を用い、当該自己消弧不可能な素子の保持電流は前記主電動機からコンデンサ電荷放電手段へ定常的に流入する直流電流より大きいものとしたことを特徴とする電気車制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
実施の形態は、主電動機開放スイッチを有する電気車制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
主電動機に永久磁石同期電動機を採用する電気車制御装置では、電力変換器と電動機との間に主電動機開放スイッチを設置している。この主電動機開放スイッチとしては、一般に真空接触器が用いられる。真空接触器は、小型軽量であるといった利点があるためである。反面、真空接触器はその特性上、直流または極低周波の交流電流が流れている際に開放すると、アークが発生し、溶着等により破損する恐れがあり、直流や極低周波数の交流を遮断することはできない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４３１６００５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の実施の形態は、上記従来技術の課題に鑑みてなされたもので、主電動機開放スイッチとして真空遮断器を用いつつ、フィルタコンデンサの電荷放電動作が必要な場合でも、電力変換器の交流側に直流や極低周波数の交流だけが流れる時には主電動機開放スイッチを開放動作させず、電力変換器の交流側に所定以上の周波数の交流が流れる場合にだけ主電動機開放スイッチを開放動作させて回路保護を図る電気車制御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】
【０００５】
実施の形態の電気車制御装置は、直流電圧を任意周波数の交流電圧に変換し、その逆変換も行う電力変換器と、前記電力変換器の交流側に接続される主電動機と、前記電力変換器の交流側と主電動機との間に挿入された主電動機開放スイッチと、前記電力変換器の直流側に接続されたフィルタコンデンサと、前記フィルタコンデンサのプラス側に接続され、前記フィルタコンデンサの電荷を放電させるためのコンデンサ電荷放電手段と、前記電力変換器の交流側の周波数を検出する周波数検出手段と、前記電力変換器の停止時に、前記コンデンサ電荷放電手段に前記フィルタコンデンサの放電を伴う回路動作を行わせると共に、前記電力変換器の交流側の周波数が特定の周波数以上である場合に限り前記主電動機開放スイッチを開放動作させる制御回路とを備えたものである。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】第１、第２の実施の形態の電気車制御装置の主回路構成を示した回路図。
【図２】第１、第２の実施の形態の電気車制御装置における制御回路の論理回路図。
【図３】第１の実施の形態において、放電スイッチを一定時間後に強制オフさせた場合の各部動作を示すタイミングチャート。
【図４】第２の実施の形態において、フィルタコンデンサ電圧が所定値以下となった時に放電スイッチを強制オフさせた場合の各部動作を示すタイミングチャート。
【図５】第３の実施の形態の電気車制御装置の主回路構成を示した回路図。
【図６】第３の実施の形態において、放電スイッチの保持電流以下にて放電スイッチをオフさせた場合の各部動作を示すタイミングチャート。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、実施の形態を図に基づいて詳説する。
【０００８】
（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態の電気車制御装置の主回路構成を示している。架線１からパンタグラフ２、主スイッチ３、高速度遮断器４、断流器５を介して高圧直流電力を取り込み、フィルタリアクトル６、フィルタコンデンサ７を通じて定電圧に調整し、ＶＶＶＦインバータである電力変換器８の直流側に入力する。フィルタコンデンサ７には、その両端電圧を監視するために、フィルタコンデンサ電圧検出器（ＤＣＰＴ）９が接続してある。また、フィルタコンデンサ７の電荷を強制的に放電させるために放電抵抗器１０、放電スイッチ１１が設置してある。放電スイッチ１１は自己消弧形半導体素子が採用されている。これら放電抵抗器１０と放電スイッチ１１によりコンデンサ電荷放電手段を構成している。１２はアースであり、通常は車輪を通じて地絡されている。
【０００９】
負荷としての主電動機は永久磁石同期電動機１３であり、電力変換器８の交流側に接続してある。電力変換器８の交流側には永久磁石電動機１３との接続を開放するために、主電動機開放スイッチ１４が設置してある。この主電動機開放スイッチ１４は、小型化、軽量化のために、真空接触器が採用されている。
【００１０】
図２は、制御回路２０の構成を示している。この制御回路２０は、フィルタコンデンサ７の放電を要する回路動作指令２１、ＶＶＶＦインバータで成る電力変換器８の出力交流周波数信号２２、主電動機開放スイッチ開放動作許可周波数閾値２３を入力とする。そしてこの制御回路２０は、インバータ周波数信号２２を主電動機開放スイッチ開放動作許可周波数閾値２３と比較し、インバータ周波数信号２２の示すインバータ周波数が主電動機開放スイッチ開放動作許可周波数閾値２３よりも大きい時に主電動機開放スイッチ開放動作許可指令２５を出力する比較器２４と、放電を要する回路動作指令２１とこの比較器２４の許可指令２５とが共にある時に主電動機開放スイッチ開放動作指令２７を出力するＡＮＤ回路２６から構成されている。
【００１１】
次に、上記構成の電気車制御装置による主電動機開放スイッチ１４の制御動作について説明する。
【００１２】
（１）コンデンサ電荷放電スイッチ１１をオンする動作の伴う回路動作の場合。
【００１３】
例えば、フィルタコンデンサ電圧検出器９の出力３１からフィルタコンデンサ７の過電圧検知をした時の保護動作を行う場合には、主電動機開放スイッチ１４の開放が必要である。この場合、制御回路２０は、真空接触器である主電動機開放スイッチ１４における直流または極低周波の交流電流遮断を回避するため、電力変換器８にて演算されたインバータ周波数信号２２の示すインバータ周波数と主電動機開放スイッチ開放動作許可周波数閾値２３とを比較器２４により比較し、インバータ周波数の方が高い場合にのみ、主電動機開放スイッチ開放動作許可信号２５を出力する。
【００１４】
このように主電動機開放スイッチ開放動作許可信号２５が出力されている場合、ＡＮＤ回路２６は、フィルタコンデンサ７の放電を要する回路動作指令２１が入力されれば、主電動機開放スイッチ開放動作指令２７を出力し、制御回路２０は主電動機開放スイッチ２７を開放動作させる。
【００１５】
ここで、インバータ周波数は電力変換器８にて演算されるが、インバータ周波数を得る方法として、インバータ出力側に電圧検出器・電流検出器を設けて周波数情報を得る方法、電力変換器８の周波数指令値を用いる方法がある。これら何れの方法を用いても制御が成立するため、インバータ出力各相電流の零点を正確に検出する必要はない。
【００１６】
以上により、フィルタコンデンサ電荷の放電を要する回路動作指令２１があっても、インバータ周波数信号２２の示すインバータ周波数が閾値２３より低い場合は主電動機開放スイッチ１４をオフしないことになる。このため、本実施の形態の電気車制御装置では、主電動機開放スイッチ１４にて電力変換器８の交流側に流れる直流または極低周波の交流を遮断する動作をすることがなく、真空接触器で成るこの主電動機開放スイッチ１４が直流遮断動作により損傷することを防止できる。
【００１７】
（２）コンデンサ電荷放電スイッチ１１のオン動作を伴わない回路動作を行う場合。
【００１８】
主電動機１３として永久磁石同期電動機を適用する場合、主電動機１３が発生する誘起電圧から主回路部品を保護するため、誘起電圧が主回路部品の耐圧を超えないよう、主電動機および主回路部品を設計する。したがって、フィルタコンデンサ７の放電を行わずに電力変換器８の動作を止める場合、例えば主電動機１３の大空転検知に対する保護動作の場合、断流器５をオフしておけば、主電動機開放スイッチ１４をオフしなくても、主電動機１３にて発生した誘起電圧によりフィルタコンデンサ７がその耐圧以下まで充電されるだけで終わり、車両の運動エネルギーが電力に変換されて架線１に戻り、回生ブレーキとして作用することはなく、電気車制御装置の運用上何ら支障はない。そこで、本実施の形態では、この場合には、放電を要する回路動作指令２１が制御回路２０に入力されない
これにより、本実施の形態では、例えば、インバータ周波数が主電動機開放スイッチ開放動作許可周波数の閾値２３の値以上であり、主電動機開放スイッチ開放動作許可条件が成立して主電動機開放スイッチ開放動作許可信号２５が出力されても、フィルタコンデンサ電荷の放電を要する回路動作指令２１が入力されないので、ＡＮＤ回路２６から主電動機開放スイッチ開放動作指令２７は出力されない。以上により、主電動機開放スイッチ１４を開放動作させる必要のない場合には、導通状態が維持される。
【００１９】
このようにして、本実施の形態の電気車制御装置によれば、電力変換器８の交流側に直流および極低周波数の交流が流れる場合を含め、電力変換器８の交流側の電流遮断動作自体を最小限に抑制できる。
【００２０】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態の電気車制御装置について図１〜図４を参照して説明する。本実施の形態における電気車制御装置の特徴は、コンデンサ電荷放電スイッチ１１として、ＩＧＢＴなどの自己消弧形素子（素子外部からの信号により、オンオフ状態を自由に制御可能な素子）を用いたことである。制御回路２０のその他の構成、制御動作は、第１の実施の形態と共通である。
【００２１】
第１の実施の形態を採り入れると、車両の零速度付近では主電動機開放スイッチ１４が導通状態のままになるが、車両が僅かでも動いていると、主電動機１３は僅かながら誘起電圧を発生するため、断流器５をオフして主回路を架線１から切り離した上で、放電スイッチ１１をオンしてフィルタコンデンサ７の放電を開始しても、主電動機１３の僅かな誘起電圧により、フィルタコンデンサ電圧３１は主電動機１３の誘起電圧以下には下がらない。（但し、フィルタコンデンサ７に残留する電圧は一般に約１０Ｖ程度と低い。）そのため、主電動機１３が回転している限り、放電抵抗器１０には主電動機１３を電源とする電流３２が主電動機開放スイッチ１４を経由して流れ続けることになる。
【００２２】
そこで、放電スイッチ１１として自己消弧形素子を適用し、制御回路２０の制御により、図３のように放電開始（ｔ１）後一定時間経過したタイミング（ｔ２）、または図４のようにフィルタコンデンサ７の電圧が放電スイッチオフ電圧閾値３３以下になったタイミング（ｔ３）（どちらか一方だけを用いてもよい）にて放電スイッチ１１を強制的にオフさせ、主電動機１３から放電抵抗器１０へ流れる電流３２を遮断する。これにより、主電動機開放スイッチ１４に流れる電流が無くなるため、直流または極低周波数の交流電流を主回路開放スイッチ１４にて遮断することを回避し、電力変換器８の交流側の電流遮断動作自体を最小限に抑制できる。
【００２３】
（第３の実施の形態）
第３の実施の形態の電気車制御装置について、図５及び図６を参照して説明する。本実施の形態の車両駆動制御装置は、放電スイッチ１１′として、サイリスタなどの非自己消弧形半導体素子（ＧＴＯサイリスタをゲート駆動回路にて消弧させずに使う場合も含む）を用いたことを特徴とする。尚、図５の回路構成において、図１に示した第１の実施の形態の回路構成と共通する要素には共通の符号を付して示してある。
【００２４】
放電スイッチ１１′として非自己消弧形半導体素子を適用すると、第２の実施の形態において示したような、制御回路２０のＯＮ／ＯＦＦ指令信号にて放電スイッチ１１を強制的にオフさせる使い方はできなくなる。そこで、非自己消弧形素子の保持電流３４を、放電抵抗器電流３２が減衰した後の定常電流値より高くなるよう設定することにより、第２の実施の形態と同様の効果を得られる。
【００２５】
主電動機開放スイッチ１４としては、一般に真空接触器が用いられる。真空接触器は、小型、軽量であるためである。反面、真空接触器は原理上、直流電流を遮断することができない。そのため、真空接触器にて直流および極低周波数の交流を遮断することがないよう、制御シーケンス上の配慮が必要になる。
【００２６】
主電動機１３に永久磁石同期電動機を適用する場合、永久磁石同期竜動機は誘導電動機と異なり、外部かち機械的エネルギーを与えるだけで発電機として動作する。このことは、主回路上に故障部位があると、主電動機１３から故障部位に対して電流を流し込むことを意味するため、主電動機１３を電動機関放スイッチ１４によって主回路から開放可能な構成とすることで、故障範囲の拡大防止を図る回路構成としている。
【００２７】
電気車制御装置が行う一連のシーケンス制御動作には、放電スイッチ１１をオンすることにより、フィルタコンデンサ７に蓄積された電荷を放電する必要のある制御動作がある。主として保護動作（例えば、フィルタコンデンサ７の過電圧検知など）である。主電動機１３として永久磁石同期電動機を用いると、主電動機開放スイッチ１４が導通状態にある間は、主電動機１３が発電機となって発生した電流がフィルタコンデンサ７に流入するため、断流器５をオフして架線１から主回路を切り離した後に放電スイッチ１１をオンしてもフィルタコンデンサ７の電圧は低下せず、放電の目的が達成できない。
【００２８】
また、その間、放電スイッチ１１および放電抵抗器１０にも主電動機１３にて発生した電流が流れることになるが、一般に放電スイッチ１１および放電抵抗器１０には主電動機１３にて発生した電流を連続して通電できるだけの熱容量を有さないため、放電スイッチ１１および放電抵抗器１０を焼損させる恐れがある。そこで、放電スイッチ１１をオンする際には、主電動機開放スイッチ１４を開放動作させ、主電動機１３を主回路から切り離す制御をする。
【００２９】
しかし、主電動機開放スイッチ１４に真空接触器を採用していると、真空遮断器には直流や極低周波数の交流電流を遮断する能力がないため、直流および極低周波数の交流電流を遮断しないよう、インバータ周波数が零または零に近い領域においては、電動機関放スイッチ１４を開放動作させない制御シーケンスを構築する必要がある。
【００３０】
主電動機開放スイッチ１４における直流電流遮断回避策として、特許第４３１６００５号（特許文献１）に示される方法では、主電動機開放スイッチ１４をオフする前に放電スイッチ１１をオンさせる必要がある。一方で、主電動機開放スイッチ１４のオフは、主電動機開放スイッチ１４に通電される各相電流の零点を確実に検出することを前提にしているが、現実に存在する電流検出器には出力誤差やオフセットが含まれるため、零点検出に失敗する可能性がある。３相中の何れか１相以上でも零点検出に失敗すると、主電動機開放スイッチ１４をオフできなくなり、主電動機１３にて発生した電流がフィルタコンデンサ７に流入し続けるため、フィルタコンデンサ７の電荷放電ができず、主回路保護が成立しなくなることがあり得る。
【００３１】
これに対して、上述した第１〜第３の実施の形態の電気車制御装置によれば、電流検出器から得た零クロス点情報を使用せず、代わりに電気車制御装置が有する周波数情報とフィルタコンデンサの電荷放電を要する回路動作指令とを用い、電力変換器８の交流側に流れる電流が特定の周波数以上であれば主電動機開放スイッチ１４を開放動作させるが、電力変換器８の交流側に流れる電流が直流や極低周波数の交流である場合には主電動機開放スイッチ１４を開放動作させない制御をすることにより、この主電動機開放スイッチ１４の直流遮断能力のない真空接触器を用いても放電抵抗器１０の保護を図ることができる。
【００３２】
また、実施の形態によれば、主電動機１３から放電抵抗器１０への流入電流をオフする機能を放電スイッチ１１，１１′に備えることにより、主電動機開放スイッチ１４に真空接触器が適用できて小型・軽量化が図れる。
【符号の説明】
【００３３】
１  架線
２  パンタグラフ
３  主スイッチ
４  高速度遮断器
５  断流器
６  フィルタリアクトル
７  フィルタコンデンサ
８  電力変換器
９  フィルタコンデンサ電圧検出器
１０  放電抵抗器
１１，１１′  放電スイッチ
１２  アース
１３  主電動機
１４  主電動機開放スイッチ
２０  制御回路
２１  放電を要する回路動作指令
２２  インバータ周波数
２３  主電動機開放スイッチ開放動作許可周波数閾値
２４  比較器
２５  主電動機開放スイッチ開放動作許可信号
２６  ＡＮＤ回路
２７  主電動機開放スイッチ開放動作指令
３１  フィルタコンデンサ電圧
３２  放電抵抗器電流
３３  放電スイッチオフ電圧閾値
３４  保持電流
【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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