JP4475401B2 - 電気車制御装置 - Google Patents

Description

この発明は電気車の誘導電動機を駆動制御する電気車制御装置に関するものである。

従来の３レベル（ＰＷＭ）コンバータを有する電力変換装置は、３レベルコンバータの直流側に接続された２つのフィルタコンデンサに、それぞれの電圧を検出する２つの直流電圧検出器を備えている。そして、２つの直流電圧検出器の検出したフィルタコンデンサの電圧に基づいて、３レベルコンバータをＰＷＭ制御している（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、負荷の急激な変動などにより、フィルタコンデンサの両端電圧が通常より高くなると、３レベルコンバータの半導体素子に異常電圧が加わることになる。

また、上記のような弊害を防止するために、過電圧抑制用抵抗器とサイリスタからなる過電圧抑制回路を、２つのフィルタコンデンサに並列に接続する方法がある。その動作は、フィルタコンデンサの両端電圧が所定の値よりも高くなると、それを過電圧検出器が検出し、サイリスタを点弧することにより、過電圧抑制用抵抗器を介してフィルタコンデンサを短絡し、フィルタコンデンサに蓄えられたエネルギーを放出し、所定時間後に３レベルコンバータの電源側にある交流スイッチを開放して続流を絶つというものである（例えば、特許文献２参照）。
しかし、この方法では、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、過電圧抑制用抵抗器の加熱焼損を招くことがないよう、過電圧抑制用抵抗器の電流を検出する電流検出器が必要であり、装置が過大となってしまう。

そこで、上記のような問題点を解決するために、３レベル（ＰＷＭ）インバータを有する電気車制御装置において、サイリスタに第１の電圧センサを並列接続して中間直流全電圧を検出するとともに、サイリスタの誤点弧の検知を行う方法がある。ここで、３レベルインバータの端子の負極側に接続されたフィルタコンデンサに第２の電圧センサを並列接続してフィルタコンデンサの端子間電圧である下位半電圧を検出している。そして、第１、第２の電圧センサより検出した電圧値を用いて中間直流電圧の上位半電圧と下位半電圧の値が等しくなるように３レベルインバータのパルス幅を制御している（例えば、特許文献３参照）。

この場合、３レベルインバータの正極側に接続されたフィルタコンデンサの端子間電圧である上位半電圧は、サイリスタに並列接続された第１の電圧センサで検出した全電圧から、３レベルインバータの端子の負極側に接続されたフィルタコンデンサに並列接続された第２の電圧センサで検出した下位半電圧を引いた値となる。しかしながら、第１の電圧センサの分解能が第２の電圧センサの分解能より低い場合、この２台の電圧センサより検出した電圧から演算した上位半電圧は直接検出した下位半電圧より精度の低い値となり、その結果、制御の精度も低くなる。したがってこの電圧検出方式で制御を行うためには、電圧センサの分解能を低い方に合わせる必要がある。なお、３レベルコンバータについても同様のことがいえる。

特開平１１−１１３２６３号公報 特開平７−１５４９７４号公報 特開平８−３３１０２号公報

従来の電気車制御装置では、３レベルインバータおよび３レベルコンバータの半導体素子に異常電圧がかかることを防止するために、過電圧抑制回路を設けている。しかし、過電圧抑制回路を設けると、過電圧抑制用抵抗器の電流を検出する電流検出器が必要であった。また、電流検出器を使用しないよう、サイリスタに第１の電圧センサを並列接続して中間直流全電圧を検出するとともに、サイリスタの誤点弧の検知を行う方法がある。しかしながら、この方法では、電圧センサの分解能を低い方に合わせなければならないという問題点があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、直流電圧の検出精度を向上させた電気車制御装置を提供することを目的とする。

この発明に係る電気車制御装置は、架線から供給される電力により誘導電動機を駆動する電気車制御装置であって、最大電位端子と中間電位端子と最小電位端子とを有し、最大電位端子と中間電位端子との間に接続された上位側コンデンサ及び中間電位端子と最小電位端子との間に接続された下位側コンデンサとを有する直流電源装置と、抵抗器とサイリスタとを有して、最大電位端子と最小電位端子との間に接続された過電圧抑制手段と、中間電位端子と最小電位端子との間に直列に接続され、下位半電圧を検出する下位電圧センサと、抵抗器とサイリスタとの接続点と中間電位端子との間に、下位電圧センサと直列に接続され、上位半電圧を検出する上位電圧センサと、最大電位端子と中間電位端子と最小電位端子とに接続されて、誘導電動機に交流電力を供給する３レベルインバータとを備え、３レベルインバータは下位電圧センサと上位電圧センサとでそれぞれ検出された下位半電圧と上位半電圧とを用いて制御され、サイリスタは、直列接続された下位電圧センサ及び上位電圧センサと並列に接続され、上位半電圧に基づいて誤点弧検知されるものである。

この発明によれば、直流電圧の上位電圧と下位電圧を検出する２つの電圧センサの分解能を同等にすることができ、電圧検出精度を向上させることができるとともに、精度の高い制御をすることができる。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における電気車制御装置を示す回路構成図である。図１において、架線１からパンタグラフ２により集電された直流電力は、最大電位端子Ａと中間電位端子Ｂと最小電位端子Ｃとを有する３レベルインバータ３に入力され、交流電力に変換されて誘導電動機４を駆動している。また、３レベルインバータ３には、端子間の直流電圧を２分圧するフィルタコンデンサ回路５が並列接続されている。フィルタコンデンサ回路５は直列接続された上位フィルタコンデンサ６（上位側コンデンサ）と下位フィルタコンデンサ７（下位側コンデンサ）により構成されている。上位フィルタコンデンサ６は、３レベルインバータ３の最大電位端子Ａと中間電位端子Ｂとの間に接続され、下位フィルタコンデンサ７は、３レベルインバータ３の中間電位端子Ｂと最小電位端子Ｃとの間に接続されている。
ここで、図１の構成では、架線から直流電力が得られるので、直列に接続された上位フィルタコンデンサ６と下位フィルタコンデンサ７のみから直流電源装置は構成される。架線から交流電力が得られる場合等は、直流電源装置はコンバータを有する。

また、３レベルインバータ３の端子側において、最大電位端子Ａと最小電位端子Ｃの間には直列接続された抵抗器８およびサイリスタ９からなる過電圧抑制手段が接続されている。抵抗器８は、３レベルインバータ３の端子の正極側に位置し、サイリスタ９は、３レベルインバータ３の負極側に位置するように接続されている。これにより、過電圧抑制手段は、フィルタコンデンサ回路５に並列に接続されている。ここで、３レベルインバータ３の構成および動作は従来装置と同様である。

下位電圧センサ１０は３レベルインバータ３の端子の中間電位端子Ｂと最小電位端子Ｃとの間に接続されている。また、上位電圧センサ１１は、抵抗器８とサイリスタ９との接続点と上位フィルタコンデンサ６と下位フィルタコンデンサ７との接続点との間に接続されている。ここで、下位電圧センサ１０と上位電圧センサ１１の接続点は３レベルインバータ３の中間電位端子Ｂと接続されている。

このような電気車制御装置の電圧検出方式において、抵抗器８は下位電圧センサ１０および上位電圧センサ１１の内部抵抗に比べて十分小さいので、架線１より供給される直流電圧の抵抗器８における電圧降下は実質的に０と見なすことができ、全電圧がサイリスタ９に印加されているといえる。したがって、下位電圧センサ１０と上位電圧センサ１１が検出した電圧値の和を、図１の回路に印加されたほぼ全電圧と見なすことができる。

また、下位電圧センサ１０と上位電圧センサ１１の接続点が３レベルインバータ３の中間電位端子Ｂに設けられているので、下位電圧センサ１０には下位半電圧が印加されることになり、上位電圧センサ１１には上位半電圧が印加されることになる。この上位半電圧は上位フィルタコンデンサ６の端子間電圧とほぼ等しくなる。

サイリスタ９の故障や誤点弧によりサイリスタ９が短絡状態にあるときは、フィルタコンデンサ回路５に蓄えられた電荷が放電されるため、上位電圧センサ１１より検出した上位半電圧が低下するので、上位電圧センサ１１により検出した上位半電圧を監視することにより、サイリスタ９の故障や誤点弧を検知することが可能となる。

このように直列に接続した２台の電圧センサをサイリスタ９に並列に接続して直流全電圧を検出し、半電圧を検出するためには、サイリスタ９に並列に接続した２台の電圧センサの接続点を上位フィルタコンデンサ６と下位フィルタコンデンサ７との接続点と接続することにより２台の電圧センサの分解能を同等にすることができる。

また、サイリスタ９の誤点弧検知用に別途電流センサを設ける必要がなく、装置を小型化することができる。

実施の形態２．
図２はこの発明の実施の形態２における電気車制御装置を示す回路構成図である。図２において、架線１から供給された交流電力は、変圧器１２を通して３レベルコンバータ１３に入力され、最大電位端子と中間電位端子と最小電位端子から出力された直流電力がインバータ１４に入力されている。その他の構成は実施の形態１と同様の構成である。

３レベルコンバータ１３において、このように直列に接続した２台の電圧センサをサイリスタ９に並列に接続して直流全電圧を検出し、半電圧を検出するためには、サイリスタ９に並列に接続した２台の電圧センサの接続点を上位フィルタコンデンサ６と下位フィルタコンデンサ７との接続点と接続することにより、実施の形態１の３レベルインバータ３に使用する場合と同様、電圧センサの分解能を同等にすることができる。また、サイリスタ９の誤点弧検知用のセンサを設ける必要がなく、装置を小型化することができる。

この発明の実施の形態１に係る電気車制御装置を示す回路構成図である。 この発明の実施の形態２に係る電気車制御装置を示す回路構成図である。

符号の説明

３ ３レベルインバータ、５ フィルタコンデンサ回路、６ 上位フィルタコンデンサ、７ 下位フィルタコンデンサ、８ 抵抗器、９ サイリスタ、１０ 下位電圧センサ、１１ 上位電圧センサ、１３ ３レベルコンバータ、１４ インバータ、Ａ 最大電位端子、Ｂ 中間電位端子、Ｃ 最小電位端子。

Claims (2)

1. 架線から供給される電力により誘導電動機を駆動する電気車制御装置であって、
   前記電力を変換して直流電力を供給する最大電位端子と中間電位端子と最小電位端子とを有し、前記最大電位端子と前記中間電位端子との間に接続された上位側コンデンサ及び前記中間電位端子と前記最小電位端子との間に接続された下位側コンデンサとを有する直流電源装置と、
   抵抗器とサイリスタとを有して、前記最大電位端子と前記最小電位端子との間に接続された過電圧抑制手段と、
   前記中間電位端子と前記最小電位端子との間に直列に接続され、下位半電圧を検出する下位電圧センサと、
   前記抵抗器と前記サイリスタとの接続点と前記中間電位端子との間に、前記下位電圧センサと直列に接続され、上位半電圧を検出する上位電圧センサと、
   前記最大電位端子と前記中間電位端子と前記最小電位端子とに接続されて、誘導電動機に交流電力を供給する３レベルインバータと
   を備え、
   前記３レベルインバータは前記下位電圧センサと前記上位電圧センサとでそれぞれ検出された前記下位半電圧と前記上位半電圧とを用いて制御され、
   前記サイリスタは、直列接続された前記下位電圧センサ及び前記上位電圧センサと並列に接続され、前記上位半電圧に基づいて誤点弧検知されること
   を特徴とする電気車制御装置。
2. 架線から供給される電力により誘導電動機を駆動する電気車制御装置であって、
   架線から供給される交流電力を直流電力に変換する最大電位端子と中間電位端子と最小電位端子とを有する３レベルコンバータと、
   前記最大電位端子と前記中間電位端子との間に接続された上位側コンデンサと、
   前記中間電位端子と前記最小電位端子との間に接続された下位側コンデンサと、
   抵抗器とサイリスタとを有して、前記最大電位端子と前記最小電位端子との間に接続された過電圧抑制手段と、
   前記中間電位端子と前記最小電位端子との間に直列に接続され、下位半電圧を検出する下位電圧センサと、
   前記抵抗器と前記サイリスタとの接続点と前記中間電位端子との間に、前記下位電圧センサと直列に接続され、上位半電圧を検出する上位電圧センサと、
   少なくとも前記最大電位端子と前記最小電位端子とに接続されて、誘導電動機に交流電力を供給するインバータと
   を備え、
   前記３レベルコンバータは前記下位電圧センサと前記上位電圧センサとでそれぞれ検出された前記下位半電圧と前記上位半電圧とを用いて制御され、
   前記サイリスタは、直列接続された前記下位電圧センサ及び前記上位電圧センサと並列に接続され、前記上位半電圧に基づいて誤点弧検知されること
   を特徴とする電気車制御装置。

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