JP2010041806A - Power supply for electric railcar - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、架線から電力を受け取り電気車の負荷に電力を供給する電気車用電源装置に関する。 The present invention relates to an electric vehicle power supply device that receives electric power from an overhead wire and supplies electric power to a load of the electric vehicle.
一般に、電気車用電源装置においては、架線から電力を受け取り、電気車に照明や空調装置などの電源を供給する。この電気車用電源装置は、電圧検出器にて架線電圧の有無を取得し、電圧が印加されている場合に動作を開始する。このような電気車用電源装置には、パンタグラフの下に、電気車を走行するため走行用モーターに電力を供給する主変換装置も同じく接続されている。 In general, in an electric vehicle power supply device, electric power is received from an overhead line, and electric power such as lighting and an air conditioner is supplied to the electric vehicle. This electric vehicle power supply device acquires the presence or absence of an overhead wire voltage with a voltage detector, and starts operation when a voltage is applied. A main converter for supplying electric power to a traveling motor for traveling on the electric vehicle is also connected to the electric vehicle power supply device under the pantograph.
主変換装置をVVVFインバータで構成し、VVVFインバータで交流電力に変換して電車の電動機を駆動し、電気車用電源装置をインバータユニットで構成し、インバータユニットで交流電力に変換し電車の車内負荷に電力を供給するように構成されたものがある(例えば、特許文献1参照)。そして、インバータユニットはフィルタコンデンサを介して直流電力を入力し、交流電力に変換し車内負荷に電力を供給するようにしている。
しかし、電気車用電源装置と主変換装置とは同じパンタグラフに同じように並列に接続されているため、パンタグラフが架線から離線すると一緒に停電してしまう。このパンタグラフが架線から離線する時間が短い場合には、電気車用電源装置はフィルタコンデンサに蓄積された電荷を利用して負荷側に電力を供給し、蛍光灯などの消灯を防止することができる。 However, since the electric vehicle power supply device and the main converter are connected to the same pantograph in parallel in the same manner, if the pantograph is disconnected from the overhead line, a power failure occurs. When the time for the pantograph to be disconnected from the overhead wire is short, the electric vehicle power supply device can supply electric power to the load side using the electric charge accumulated in the filter capacitor, and can prevent the fluorescent lamp and the like from being turned off. .
そのために、電気車用電源装置のフィルタコンデンサの電荷をパンタグラフから並列に接続された主変換装置へ流れ出さないように、一般的には、電気車用電源装置の入力回路には逆流防止素子(例えば、ダイオードやサイリスタ)が設けられている。 Therefore, in order to prevent the electric charge of the filter capacitor of the electric vehicle power supply device from flowing out from the pantograph to the main converter connected in parallel, in general, the input circuit of the electric vehicle power supply device has a backflow prevention element ( For example, a diode or a thyristor is provided.
この逆流防止素子が短絡故障しその短絡故障をそのまま放置しておくと、逆流防止素子内の破壊が進行して最終的には逆流防止素子内の絶縁破壊となる。逆流防止素子内の絶縁破壊が発生すると地絡故障となり、最悪の場合には、変電所のトリップを招き甚大な停電状況に到る可能性がある。この逆流防止素子については、定期検査でその短絡保障の有無を確認しているので、安全上は特に問題ないが、積極的に逆流防止素子の短絡故障を検知できるようにしておくことは望ましいことである。 If this backflow prevention element is short-circuited and the short-circuit failure is left as it is, the breakage in the backflow prevention element proceeds and eventually becomes a dielectric breakdown in the backflow prevention element. When a dielectric breakdown occurs in the backflow prevention element, a ground fault occurs, and in the worst case, a substation trip may be caused, resulting in a serious power outage situation. As for this backflow prevention element, since it is confirmed whether or not the short circuit is guaranteed by periodic inspection, there is no particular problem in terms of safety, but it is desirable to be able to detect short circuit failure of the backflow prevention element positively. It is.
本発明の目的は、フィルタコンデンサから架線側に電流が流れることを防止する逆流防止素子の短絡故障を検知できる電気車用電源装置を提供することである。 An object of the present invention is to provide a power supply device for an electric vehicle that can detect a short-circuit failure of a backflow prevention element that prevents a current from flowing from a filter capacitor to an overhead line.
本発明に係わる電気車用電源装置は、架線からパンタグラフ及び接触器を介して入力した直流を正弦波PWM交流に変換するフィルタコンデンサを有するインバータと、短絡スイッチと逆流防止素子との直列回路に並列に充電抵抗を接続して形成され電源投入時には前記短絡スイッチをオフし充電抵抗を介して前記フィルタコンデンサを充電し前記フィルタコンデンサの充電完了となると短絡スイッチをオンして電源投入時の前記フィルタコンデンサへの突入電流を抑制するための初期充電回路と、停止動作時に前記初期充電回路を介して前記フィルタコンデンサの電荷を放電する放電回路と、前記初期充電回路と前記放電回路との間に設置され停止動作時に前記フィルタコンデンサからの前記初期充電回路を介した放電電流を検出する電流検出センサと、停止動作時に前記電流検出センサで検出された放電電流が所定値を超えているときは前記初期充電回路の逆流防止素子の短絡故障であると判定する故障検出部とを備えたことを特徴とする。 An electric vehicle power supply device according to the present invention is connected in parallel to a series circuit of an inverter having a filter capacitor for converting a direct current input from an overhead wire via a pantograph and a contactor into a sinusoidal PWM alternating current, a short-circuit switch, and a backflow prevention element. When the power is turned on, the short-circuit switch is turned off and the filter capacitor is charged through the charge resistor. When the filter capacitor is fully charged, the short-circuit switch is turned on and the filter capacitor is turned on. An initial charging circuit for suppressing an inrush current to the battery, a discharging circuit for discharging the charge of the filter capacitor through the initial charging circuit during a stop operation, and the initial charging circuit and the discharging circuit. A current for detecting a discharge current from the filter capacitor through the initial charging circuit during a stop operation An output sensor, and a failure detection unit that determines a short-circuit failure of the backflow prevention element of the initial charging circuit when the discharge current detected by the current detection sensor during a stop operation exceeds a predetermined value. It is characterized by.
本発明によれば、フィルタコンデンサから架線側に電流が流れることを防止する逆流防止素子の短絡故障を検知できる。 According to the present invention, it is possible to detect a short-circuit failure of a backflow prevention element that prevents current from flowing from the filter capacitor to the overhead line side.
図1は本発明の第1の実施の形態に係わる電気車用電源装置13の構成図である。架線1からパンタグラフ2を介して直流を入力し電気車用電源装置13及び主変換装置14に入力する。主変換装置14は電車を駆動する電動機を駆動するものである。
FIG. 1 is a configuration diagram of an electric vehicle
電気車用電源装置13では、直流入力をON/OFFする接触器3及び入力リアクトル4を介して初期充電回路19に入力する。初期充電回路19は短絡スイッチ7と逆流防止素子8との直列回路に並列に充電抵抗6を接続して形成されている。電源投入時においては短絡スイッチ7が開いており、充電抵抗6を通して架線1からの電流を後述のフィルタコンデンサ9に供給する。これにより、フィルタコンデンサ9への突入電流を抑制する。フィルタコンデンサ9が充電された後は初期充電回路19の短絡スイッチ7を閉じる。
In the electric vehicle
初期充電回路19を通った直流はインバータ10に入力される。そして、ACフィルタ11は、インバータ10の出力を正弦波に波形整形し、変圧器12を介して車両電源を得る。つまり、変圧器12はACフィルタ11の出力を直流回路と絶縁して任意の電圧に変換し電車の負荷に電力を供給する。
The direct current that has passed through the
また、電気車用電源装置13の停止動作時に初期充電回路19を介してフィルタコンデンサ9の電荷を放電する放電回路20が設けられている。この放電回路20は放電抵抗15と放電接触器16との直列回路で形成されている。
In addition, a
そして、初期充電回路19と放電回路20との間には電流検出センサ5が設けられ、電流検出センサ5は、電気車用電源装置13の停止動作時にフィルタコンデンサ9からの初期充電回路19を介した放電電流を検出し、検出した放電電流は故障検出部18に入力される。故障検出部18は、電気車用電源装置13の停止動作時に電流検出センサ5で検出された放電電流が所定値を超えているときは、初期充電回路19の逆流防止素子8の短絡故障であると判定する。また、接触器3、初期充電回路19の短絡スイッチ7及び放電回路20の放電接触器16は、制御部11からの指令により開閉制御される。
A
図2は、電気車用電源装置13の停止動作時における初期充電回路19の逆流防止素子8が正常であるときの電流検出センサ5で検出された放電電流の波形図である。電気車電源装置13の停止動作時には、制御部17は放電回路20の放電接触器16をオフさせる(放電接触器16の接点はオン)。放電接触器16がオフすると放電接触器16の接点がオンするので、初期充電回路19の逆流防止素子8が正常であるときは、フィルタコンデンサ9の電荷は、初期充電回路19の充電抵抗6と放電回路20の放電抵抗15と放電接触器16を通って放電される。このときの電流検出センサ5で検出される電流i1のピーク値I1は、フィルタコンデンサ9の電圧を充電抵抗6と放電抵抗15との合計値で除算した値となる。
FIG. 2 is a waveform diagram of the discharge current detected by the
図3は、電気車用電源装置13の停止動作時における初期充電回路19の逆流防止素子8が短絡故障であるときの電流検出センサ5で検出された放電電流の波形図である。電気車電源装置13の停止動作時には、放電接触器16がオフし放電接触器16の接点がオンする。初期充電回路19の逆流防止素子8が短絡故障しているときは、フィルタコンデンサ9の電荷は、初期充電回路19の短絡した逆防止素子8及び短絡スイッチ7を通り放電回路20の放電抵抗15と放電接触器16を通って放電される。このときの電流検出センサ5で検出される電流i2のピーク値I2は、フィルタコンデンサ9の電圧を放電抵抗15の値で除算した値となる。
FIG. 3 is a waveform diagram of the discharge current detected by the
従って、電流検出センサ5で検出される電流が初期充電回路19の逆流防止素子8が正常であるときのピーク値I1より大きな値となるときは、初期充電回路19の逆流防止素子8に短絡故障が発生していると判断できる。そこで、故障検出部18は、電気車電源装置13の停止動作時に、電流検出センサ5で検出されたフィルタコンデンサ9の放電電流のピーク値を監視し、初期充電回路19の逆流防止素子8の短絡故障の有無の判断を行う。
Therefore, when the current detected by the
図4は第1の実施の形態における故障検出部18の処理内容の一例を示すフローチャートである。故障検出部18は電気車電源装置13の停止動作かどうかを判定し(S1)、電気車電源装置13の停止動作であるときは放電回路20の放電接触器16のオフ指令ありかどうかを判定する(S2)。放電接触器16のオフ指令があるときは、電流検出センサ5で検出されたフィルタコンデンサ9の放電電流のピーク値は所定値(ピーク値I1より大きくピーク値I2より小さな値)を超えているかどうかを判定し(S3)、超えているときは逆流防止素子8は故障である旨の通知を出力する(S4)。これにより、電気車電源装置13の停止動作中において、容易に逆流阻止素子8の短絡故障を検出できる。
FIG. 4 is a flowchart showing an example of processing contents of the
以上の説明では、電気車電源装置13の停止動作中に逆流阻止素子8の短絡故障を検出するようにしたが、電気車電源装置13の通常運転動作時において逆流阻止素子8の短絡故障を検出するようにしてもよい。
In the above description, the short circuit failure of the
図5は電気車用電源装置13の通常運転動作時において初期充電回路19の逆流防止素子8が正常で架線電圧が低下したときの電流検出センサ5で検出された放電電流の波形図、図6は電気車用電源装置13の通常運転動作時において初期充電回路19の逆流防止素子8が短絡故障した状態で架線電圧が低下したときの電流検出センサ5で検出された放電電流の波形図である。
FIG. 5 is a waveform diagram of the discharge current detected by the
電気車電源装置13の通常運転動作時において架線1の電圧が低下すると、フィルタコンデンサ9の電荷があるため、架線1の電圧とフィルタコンデンサ9の電圧とが同じになるまでの短い時間は入力電流が流れなくなる。図5に示すように、時点t1で架線1の電圧が低下したとすると、初期充電回路19の逆流防止素子8が正常状態であるときは、逆流防止素子8によりフィルタコンデンサ9の電荷が架線1側に流れることはない。架線1の電圧とフィルタコンデンサ9の電圧とが同じになると、供給電力を一定とするために、架線電圧1が低下している間は通常時より大きな電流が流れ、時点t2で架線1の電圧が回復すると、入力電流は通常の値に戻る。
When the voltage of the
一方、初期充電回路19の逆流防止素子8が短絡故障状態であるときは、図6に示すように、時点t1で架線1の電圧が低下したとすると、架線1の電圧とフィルタコンデンサ9の電圧とが同じになるまでの短期間において、フィルタコンデンサ9の電荷が架線1側に向かって流れる。すなわち、フィルタコンデンサ9の電荷は架線1側にも放電されるため、入力に対してマイナス方向に電流が流れる。
On the other hand, when the
従って、電流検出センサ5で検出される電流が通常運転動作時にフィルタコンデンサ9から架線1側に向かって流れているときは、初期充電回路19の逆流防止素子8の短絡故障であると判断できる。そこで、故障検出部18は、電気車電源装置13の停止動作時に、電流検出センサ5で検出されたフィルタコンデンサ9の放電電流の向きを監視し、初期充電回路19の逆流防止素子8の短絡故障の有無の判断を行う。
Therefore, when the current detected by the
図7は第1の実施の形態における故障検出部18の処理内容の他の一例を示すフローチャートである。故障検出部18は電気車電源装置13の通常運転動作中において架線1の電圧は低下したかどうかを判定し(S11)、架線1の電圧は低下したと判定されたときは電流検出センサ5で検出された電流の向きは架線1側かどうかを判定し(S12)、電流の向きが架線側1であるときは逆流防止素子8は故障である旨の通知を出力する(S13)。これにより、電気車電源装置13の通常運転動作中において、容易に逆流阻止素子8の短絡故障を検出できる。
FIG. 7 is a flowchart showing another example of processing contents of the
第1の実施の形態によれば、初期充電回路19と放電回路20との間に電流検出センサ5を設置し、電気車用電源装置13の停止動作時または通常運転動作時に電流検出センサ5で検出された電流の大きさまたは向きにより、初期充電回路19の逆流防止素子8の短絡故障を検出できるので、簡単な構成で確実に逆流阻止素子の短絡故障を検出できる。
According to the first embodiment, the
図8は本発明の第2の実施の形態に係わる電気車用電源装置の構成図である。この第2の実施の形態は、図1に示した第1の実施の形態に対し、電流検出センサ5を初期充電回路19と放電回路20との間に設置することに代えて、電流検出センサ5を初期充電回路19の短絡スイッチ7と逆流防止素子8との直列回路に設置し、電気車電源装置13の停止動作時に初期充電回路19の短絡スイッチ7と逆流防止素子8との直列回路に流れる電流を検出し、故障判定部18は、電気車電源装置13の停止動作時に電流検出センサ5で検出された電流が所定値を超えているときは、初期充電回路19の逆流防止素子8の短絡故障であると判断するようにしたものである。図1と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
FIG. 8 is a configuration diagram of a power supply device for an electric vehicle according to the second embodiment of the present invention. This second embodiment is different from the first embodiment shown in FIG. 1 in that the
図8に示すように、電流検出センサ5は、初期充電回路19内の短絡スイッチ7と逆流防止素子8との直列回路に設置されている。電流検出センサ5は、電気車電源装置13の停止動作時に初期充電回路19の短絡スイッチ7と逆流防止素子8との直列回路に流れる電流を検出し故障検出部18に出力する。
As shown in FIG. 8, the
図9は、電気車用電源装置13の停止動作時における初期充電回路19の逆流防止素子8が正常であるときの電流検出センサ5で検出された放電電流の波形図、図10は、電気車用電源装置13の停止動作時における初期充電回路19の逆流防止素子8が短絡故障したときの電流検出センサ5で検出された放電電流の波形図である。
FIG. 9 is a waveform diagram of the discharge current detected by the
電気車電源装置13の停止動作中において、放電回路20の放電接触器16がオフすると放電接触器16の接点がオンする。初期充電回路19の逆流防止素子8が正常であるときは、フィルタコンデンサ9の電荷は、初期充電回路19の充電抵抗6と放電回路20の放電抵抗15と放電接触器16を通って放電される。電流検出センサ5は、この電流経路には配置されていないので、初期充電回路19の逆流防止素子8が正常であるときは、図9に示すように電流検出センサ5の検出する電流は零である。
During the stop operation of the electric vehicle
一方、初期充電回路19の逆流防止素子8が短絡故障しているときは、フィルタコンデンサ9の電荷は、初期充電回路19の逆流防止素子8及び短絡スイッチ7を通り放電回路20の放電抵抗15と放電接触器16を通って放電される。従って、電流検出センサ5は、初期充電回路19の逆流防止素子8が短絡故障しているときは、図10に示すように電流検出センサ5の検出する電流はフィルタコンデンサ9の電圧を放電抵抗15の値で除算した値の電流値I2となる。従って、第2の実施の形態の電流検出センサ5で検出される電流が停止動作時に所定値(電流値I2が存在することを検出するための設定値)を超えているときは初期充電回路19の逆流防止素子8の短絡故障であると判定できる。
On the other hand, when the
図11は第2の実施の形態における故障検出部18の処理内容を示すフローチャートである。故障検出部18は電気車電源装置13の停止動作かどうかを判定し(S21)、電気車電源装置13の停止動作であるときは放電回路20の放電接触器16のオフ指令ありかどうかを判定する(S22)。放電接触器16のオフ指令があるときは、電流検出センサ5で検出された電流のピーク値は所定値(零より大きくピーク値I2より小さな値)を超えているかどうかを判定し(S23)、超えているときは逆流防止素子8は故障である旨の通知を出力する(S24)。これにより、電気車電源装置13の停止動作中において、容易に逆流阻止素子8の短絡故障を検出できる。
FIG. 11 is a flowchart showing the processing contents of the
第2の実施の形態によれば、電流検出センサ5を初期充電回路19の短絡スイッチ7と逆流防止素子8との直列回路に設置し、電気車電源装置13の停止動作時に初期充電回路19の短絡スイッチ7と逆流防止素子8との直列回路に流れる電流が所定値を超えているときは、初期充電回路19の逆流防止素子8の短絡故障であると判断するので、簡単な構成で確実に逆流阻止素子の短絡故障を検出できる。
According to the second embodiment, the
図12は本発明の第3の実施の形態に係わる電気車用電源装置の構成図である。この第3の実施の形態は、図1に示した第1の実施の形態に対し、電流検出センサ5を初期充電回路19と放電回路20との間に設置することに代えて、電流検出センサ5を初期充電回路19の充電抵抗6に直列に設置し、電気車電源装置13の停止動作時に初期充電回路19の充電抵抗6に流れる電流を検出し、故障判定部18は、電気車電源装置13の停止動作時に電流検出センサ5で検出された電流が所定値未満のときは、初期充電回路19の逆流防止素子8の短絡故障であると判断するようにしたものである。図1と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
FIG. 12 is a block diagram of an electric vehicle power supply apparatus according to the third embodiment of the present invention. This third embodiment is different from the first embodiment shown in FIG. 1 in that the
図12に示すように、電流検出センサ5は、初期充電回路19内の充電抵抗6に直列に設置されている。電流検出センサ5は、電気車電源装置13の停止動作時に初期充電回路19の充電抵抗6に流れる電流を検出し故障検出部18に出力する。
As shown in FIG. 12, the
図13は、電気車用電源装置13の停止動作時における初期充電回路19の逆流防止素子8が正常であるときの電流検出センサ5で検出された放電電流の波形図、図14は、電気車用電源装置13の停止動作時における初期充電回路19の逆流防止素子8が短絡故障したときの電流検出センサ5で検出された放電電流の波形図である。
FIG. 13 is a waveform diagram of the discharge current detected by the
電気車電源装置13の停止動作中において、放電回路20の放電接触器16がオフすると放電接触器16の接点がオンする。初期充電回路19の逆流防止素子8が正常であるときは、フィルタコンデンサ9の電荷は、初期充電回路19の充電抵抗6と放電回路20の放電抵抗15と放電接触器16を通って放電される。電流検出センサ5は、充電抵抗6を流れる電流を検出するので、初期充電回路19の逆流防止素子8が正常であるときは、図13に示すように電流検出センサ5の検出する電流は、フィルタコンデンサ9の電圧を充電抵抗6と放電抵抗15との合計値で除算した値の電流値I1となる。
During the stop operation of the electric vehicle
一方、初期充電回路19の逆流防止素子8が短絡故障しているときは、フィルタコンデンサ9の電荷は、初期充電回路19の逆流防止素子8及び短絡スイッチ7を通り放電回路20の放電抵抗15と放電接触器16を通って放電される。電流検出センサ5は、この電流経路には配置されていないので、電流検出センサ5の検出する電流は零である。従って、第3の実施の形態の電流検出センサ5で検出される電流が停止動作時に所定値(電流値I1より小さい値)未満のときは初期充電回路19の逆流防止素子8の短絡故障であると判定できる。
On the other hand, when the
図15は第3の実施の形態における故障検出部18の処理内容を示すフローチャートである。故障検出部18は電気車電源装置13の停止動作かどうかを判定し(S31)、電気車電源装置13の停止動作であるときは放電回路20の放電接触器16のオフ指令ありかどうかを判定する(S32)。放電接触器16のオフ指令があるときは、電流検出センサ5で検出された電流は所定値(電流値I1より小さい値)未満であるかどうかを判定し(S33)、所定値未満のときは逆流防止素子8は故障である旨の通知を出力する(S34)。これにより、電気車電源装置13の停止動作中において、容易に逆流阻止素子8の短絡故障を検出できる。
FIG. 15 is a flowchart showing the processing contents of the
第3の実施の形態によれば、電流検出センサ5を初期充電回路19の充電抵抗6に直列に設置し、電気車電源装置13の停止動作時に電流検出センサ5で検出された電流が所定値未満のときは、初期充電回路19の逆流防止素子8の短絡故障であるので、簡単な構成で確実に逆流阻止素子8の短絡故障を検出できる。
According to the third embodiment, the
1…架線、2…パンタグラフ、3…接触器、4…入力リアクトル、5…電流検出センサ、6…充電抵抗、7…短絡スイッチ、8…逆流防止素子、9…フィルタコンデンサ、10…インバータ、11…ACフィルタ、12…変圧器、13…電気車用電源装置、14…主変換装置、15…放電抵抗、16…放電接触器、17…制御部、18…故障検出部、19…初期充電回路、20…放電回路
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