JP5578972B2 - 交流電車のコンバータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は交流架線に接続される車両駆動システムにおいて、交流架線からの交流電力を直流電力に変換するコンバータ装置と、車両駆動用電動機を動作させるＶＶＶＦインバータ装置及び車両内の空調等の補助回路に電力を供給する電源装置（ＡＰＵ）を有する交流電車のコンバータ制御装置に適用される。

図６は従来の交流架線システムの構成及び動作を示す図である。

交流電車に電力を供給する交流架線には、路線のき電区間に応じて異なる変電所からの電力が供給されるため、各変電所のき電区間の間には無電区間（デッドセクション）が設けられており、電気的な絶縁を行っている。

交流電車は、走行によりこの無電区間を電力供給されずに通過することで、次のき電区間に移動し再び電力供給を受ける。その際、交流架線からの電力を変換するコンバータ装置は、無電区間進入により停電検出を行いコンバータ動作を停止し、次のき電区間進入により、再び電源（架線）電圧位相を検出し該電源電圧に同期したコンバータ制御を行う。

このとき、変電所間の電源位相は必ずしも一致していないため、コンバータが動作した状態で次のき電区間に進入することは、誤った電源位相指令でコンバータ動作を継続しようとするため、過電流、過電圧等の主回路異常動作が発生し、運行継続が困難となることがある。

又、このような過電流、過電圧に対する主回路保護動作は、主回路部品（コンバータ、インバータ）に一時的な電気的ストレスを与えるため、装置寿命低下にもつながり好ましいことではない。

無電区間進入時の停電検知手段として、コンバータの負荷が大きい力行中は、無電区間の進入により電源供給がなくなるため電源（架線）電圧低電圧検知を行い、回生ブレーキ中は電源電圧過電圧検知、直流過電圧検知、周波数変化検知等の停電検知手段により無電区間内で停電検知が行われていた。

しかしコンバータの負荷が小さい場合は、電源装置と回生ブレーキパワーとのパワーバランスが発生した際、停電検知が適切に行われずに、無電区間内で自らが発電所となり空調等の負荷に電力を供給し続けることがあった。このため、停電検知が行われないまま、次のき電区間に進入し保護動作に至っている。

本発明は、コンバータ負荷が小さく、電源装置と回生ブレーキのパワーバランスが生じた状態で車両が無電区間に進入した場合でも、次のき電区間進入時に主回路保護動作に至る前にコンバータを停止し、再動作を行う機能を備えた交流電車コンバータ制御装置を提供することを目的としている。

本実施形態に係るコンバータシステムは、第１の電圧位相を有する第１の交流電力および第２の電圧位相を有する第２の交流電力それぞれを、無電区間を挟んで設置された第１の架線または第２の架線を介して受電する車両に、インバータ装置および電源装置とともに搭載され、前記第１の架線または前記第２の架線および主変圧器を介して供給された前記第１の交流電力または前記第２の交流電力を直流電力に変換するとともに、車両駆動用電動機を制御するための可変周波数の交流電力に変換する前記インバータ装置およびこのインバータ装置の直流側に並列接続され車両内の補助回路に電力を供給する前記電源装置それぞれに、前記変換した直流電力を供給するコンバータ装置と、前記電源装置の出力電流が所定の値以下であるか判定する第１の判定手段と、前記第１の架線または前記第２の架線を介して供給された第１の交流電力または第２の交流電力に基づいて得たゼロクロスの間隔が、所定の許容変動範囲内にあるか判定する第２の判定手段と、前記第１の判定手段によって前記出力電流が所定の値以下と判定され、かつ前記第２の判定手段によって前記ゼロクロスの間隔が所定の許容範囲内にないと判定されると、前記第１の交流電力または前記第２の交流電力のエリアから無電区間を経て他方の交流電力のエリアに進入したことを検知する検知手段と、前記検知手段が前記他方の交流電力のエリアに進入したことを検知すると、前記コンバータ装置の動作を停止させるコンバータ制御手段と、を具備する。

電源装置と回生ブレーキのパワーバランスが生じた状態で車両が無電区間に進入した場合でも、次のき電区間進入時に主回路保護動作に至る前にコンバータを停止し、再動作を行う交流電車コンバータ制御装置が提供される。

本発明が適用される電気車の主回路の構成を示すブロック図である。 図１のコンバータ５を制御する制御装置の構成を示すブロック図及び関連する信号波形である。 パワーバランスして無電区間に進入し、再びき電区間に進入した時の架線電圧１４ａと電源同期信号１４ｂを示した図である。 本発明の一実施例に係る停電論理部１６の論理を示すブロック図である。 図１の電源装置とは異なる形式の電源装置を示すブロック図である。 従来の交流架線システムの構成及び動作を示す図である。

本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

［構成］
図１は、本発明が適用される電気車の主回路の構成を示すブロック図である。

架線からパンタグラフ１を介して供給された電力は、高速度遮断器２を通って主変圧器３の１次側巻線へ供給され、この電流は車輪１２を介して変電所へ戻る。又この電力は主変圧器３の２次側巻線から接触器４を通ってコンバータ５へ供給される。コンバータ５の直流側出力端子には、誘導電動機８を駆動するＶＶＶＦインバータ６と電源装置７が並列に接続される。電源装置７は直流電力を交流電力に変換する一定周波数コンバータであって、例えば３相、５０Ｈｚ、４４０Ｖ交流電圧を発生する。又電源装置７は、車内の空調、照明装置などの補助回路に交流電力を供給する。

入力電流検出器９、架線電圧検出器１０、直流電圧検出器１１は、コンバータを制御するために使用される検出器である。電流検出器２３は電源装置７の出力電流値を検出し、電源装置電流２３ａとして出力する。

図２（ａ）及び２（ｂ）は、図１のコンバータ５を制御する制御装置の構成を示すブロック図及び関連する信号波形である。

ハードウエアインターフェイス回路１３は、入力電流検知器９が検知した入力電流値に対応する例えば振幅±１０Ｖのアナログ入力電圧を１２ビットデジタル信号に変換し、入力電流１３ａとして出力する。同様にハードウエアインターフェイス回路１４は、架線電圧検出器１０が検知した架線電圧に対応するアナログ電圧をデジタル信号に変換し、図２（ｂ）に示すような架線電圧１４ａとして出力する。又ハードウエアインターフェイス回路１４は図２（ｂ）のように、架線電圧１４ａのゼロクロス同期信号を電源同期信号１４ｂとして出力する。ハードウエアインターフェイス回路１５は、直流電圧検出器１１が検知した直流電圧に対応するアナログ電圧をデジタル信号に変換し、直流電圧１５ａとして出力する。

停電検知論理部１６は、架線の停電状態を検出し停電検知信号１６ａを出力する。コンバータ制御部１７は、電源同期信号１４ｂから電源位相角を生成し、この電源位相角と入力電流１３ａ、架線電圧１４ａ、直流電圧１５ａ、停電検知信号１６ａに基づいて、コンバータ電流基準指令を生成する。又コンバータ制御部１７は、このコンバータ電流基準指令を基に、コンバータ５に対するゲート信号を生成しコンバータの制御を行う。

［作用］
次に、本発明に係るコンバータ制御装置の作用について説明する。

本来、無電区間を通過する場合、無電区間前後のき電区間において、電源電圧が同期していれば、すなわち架線電圧１４ａの位相差が許容範囲内に入っていれば、運転の継続が可能である。しかし、位相差が許容範囲を超えて大きい場合は、コンバータ５に過電流が流れ主回路保護動作が開始され、コンバータ５が停止することになる。停電検知論理部１６は、従来の架線電圧の低電圧検知（力行時）、直流過電圧検知（回生ブレーキ時）等に基づく停電（無電区間）検知を行い、更に以下に示す本発明による停電検知（無電区間からき電区間への進入検知）を行う。

図３はコンバータが低負荷状態でパワーバランスして無電区間に進入し、再びき電区間（図では変電所Ｂのき電区間）に進入した時の架線電圧１４ａと電源同期信号１４ｂを示した図である。このパワーバランスとは、回生ブレーキ電力と、空調装置など電源装置の負荷消費電力がほぼ等しい状態をいう。

無電区間に架線電圧１４ａが検出されているのは、自車両の回生電力が発生しているためである。このように通常の架線電圧が検出されているので、無電区間進入後も停電検知が行われないまま、コンバータ動作が継続する。時刻ｔ１の変電所Ｂのき電区間進入と同時に変電所Ｂの架線電圧が検出され、電源同期信号１４ｂが立ち上がり、無電区間とき電区間の境界が検出される。

図４は停電論理部１６の論理構成を示すブロック図である。この例では架線電圧周波数を５０Ｈｚとし、架線電圧の半周期±２％、すなわち１０ｍｓ±０．２ｍｓの範囲を電源周波数許容範囲とした例を示している。

図３において、無電区間における架線電圧１４ａのゼロクロス点ｔ０から半周期±２％の期間Ｐ２以前の期間Ｐ１に、電源同期信号１４ｂの論理が変化（この例では論理０から論理１へ変化）した場合、あるいは論理が変化せずに（この例では論理０のまま）期間Ｐ２を経過したとき（この例ではｔ０から１０．２ｍｓ経過した時点ｔ２）で、電源異常すなわち無電区間からき電区間への進入が検知される。

図４において、電源同期信号９．８ｍｓ以下検出部１８は、期間Ｐ１中の電源同期信号１４ｂの論理変化を検出すると論理１を出力する。電源同期信号１０．２ｍｓ以上検出部１９は、論理が変化せずに期間Ｐ２が経過したことを検出すると論理１を出力する。検出部１８又は１９が論理１を出力すると、ＯＲ回路２０は論理１をＡＮＤ回路２１に出力する。電源装置定格電流以下検出部１７は、図１の電流検出部２３により検出された電源装置電流２３ａが、電源装置７の定格電流以下のとき（電源装置７が低負荷のとき）、論理１を出力する。ＡＮＤ回路２１は、検出部１７及びＯＲ回路２０の出力論理レベルが共に１のとき、論理１を停電検知部２２に出力する。停電検知部２２は、架線電圧１４ａの低電圧検知（力行時）、直流電圧１５ａ又は架線電圧１４ａの過電圧検知（回生ブレーキ時）に基づく停電（無電区間）を検知したとき、あるいはＡＮＤ回路２１の出力論理が１のとき、電源（架線電圧）異常と判断し、コンバータ制御部１７にコンバータゲートオフ信号１６ａ（例えば論理１）を出力する。

コンバータゲートオフ信号１６ａに応答して、コンバータ制御部１７はコンバータ５の動作を停止する。尚このとき、インバータ６の動作も停止してもよい。次にコンバータ制御部１７は、電源同期信号１４ａから変電所Ｂの架線電圧位相を検出し、この架線電圧位相と、入力電流１３ａ、変電所Ｂの架線電圧１４ａ、直流電圧１５ａを基にゲート信号を生成し、コンバータ５を再起動する。

このように、電源同期信号を常時監視し、速やかに電源異常を検出しコンバータを停止させることで、検出遅れによる主回路異常動作が抑制される。

以上の説明はこの発明の装置及び方法を限定するものではなく、様々な変形例を容易に実施することができるものである。例えば電源装置は、図１のようにコンバータ５の直流電力を交流電力に変換する形式のみならず、図５のように主変圧器巻線にコンバータ５と並列に接続される形式のものでも良い。この場合、電源装置７は整流器とインバータ、又はコンバータとインバータで構成される。

［効果］
パワーバランスを起こしやすい無電区間での軽負荷状態において、無電区間内の停電検知は困難であったが、本発明による構成により、次セクション進入による電源異常状態を速やかに検知し、コンバータを停止させることで検知遅れによる２次的な主回路保護動作を抑制することができる。

１…パンタグラフ、２…高速度遮断器、３…トランス、４…接触器、５…コンバータ、６…ＶＶＶＦインバータ、７…電源装置、８…誘導電動機、９…入力電流検出器、１０…架線電圧検出器、１１…直流電圧検出器、１２…車輪。

Claims (5)

1. 第１の電圧位相を有する第１の交流電力および第２の電圧位相を有する第２の交流電力それぞれを、無電区間を挟んで設置された第１の架線または第２の架線を介して受電する車両に、インバータ装置および電源装置とともに搭載されるコンバータシステムにおいて、
   前記第１の架線または前記第２の架線および主変圧器を介して供給された前記第１の交流電力または前記第２の交流電力を直流電力に変換するとともに、車両駆動用電動機を制御するための可変周波数の交流電力に変換する前記インバータ装置およびこのインバータ装置の直流側に並列接続され車両内の補助回路に電力を供給する前記電源装置それぞれに、前記変換した直流電力を供給するコンバータ装置と、
   前記電源装置の出力電流が所定の値以下であるか判定する第１の判定手段と、
   前記第１の架線または前記第２の架線を介して供給された第１の交流電力または第２の交流電力に基づいて得たゼロクロスの間隔が、所定の許容変動範囲内にあるか判定する第２の判定手段と、
   前記第１の判定手段によって前記出力電流が所定の値以下と判定され、かつ前記第２の判定手段によって前記ゼロクロスの間隔が所定の許容範囲内にないと判定されると、前記第１の交流電力または前記第２の交流電力のエリアから無電区間を経て他方の交流電力のエリアに進入したことを検知する検知手段と、
   前記検知手段が前記他方の交流電力のエリアに進入したことを検知すると、前記コンバータ装置の動作を停止させるコンバータ制御手段と、
   を具備することを特徴とするコンバータシステム。
2. 前記架線を介して受電した第１の交流電力または第２の交流電力に基づき、ゼロクロス点で論理レベルが変化する電源同期信号を生成する同期信号生成手段をさらに備え、
   前記第２の判定手段は、前記電源同期信号の論理レベルが変化する間隔が前記所定の許容範囲内にあるか判定することを特徴とする請求項１記載のコンバータシステム。
3. 前記所定の許容範囲は、前記第１の交流電力または前記第２の交流電力の電圧周期の半周期±所定時間であることを特徴とする請求項１記載のコンバータシステム。
4. 前記主変圧器の出力に基づいて求められた架線電圧および前記コンバータの直流側の直流電圧に基づいて停電を検知する停電検知手段を更に備え、
   前記コンバータ制御手段は、前記停電検知手段が停電を検知すると前記コンバータの動作を停止させることを特徴とする請求項１に記載のコンバータシステム。
5. 前記コンバータ制御手段は、前記他方の交流電力のエリアに進入したことによって前記コンバータの動作を停止させた後、同期信号生成手段が生成した前記他方の交流電力に基づく電源同期信号を利用して前記コンバータを起動させることを特徴とする請求項２に記載のコンバータシステム。

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