JP2010259202A

JP2010259202A - 電気車制御装置

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Publication number: JP2010259202A
Application number: JP2009105523A
Authority: JP
Inventors: Tsunenori Kawamura; 恒毅河村; Satoshi Nakamura; 中村　　聡; Hiromitsu Ueda; 浩充植田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2009-04-23
Filing date: 2009-04-23
Publication date: 2010-11-11
Anticipated expiration: 2029-04-23
Also published as: CN102405149A; US20120032533A1; US8648554B2; EP2423025B1; EP2423025A4; KR20120009453A; KR101297766B1; CN102405149B; WO2010122692A1; JP5268765B2; EP2423025A1

Abstract

【課題】主電動機開放スイッチを有する電気車制御装置において、主電動機の浮遊容量に蓄積された電荷による感電を防止する電気車制御装置を提供する。
【解決手段】主電動機開放スイッチ１５と並列に抵抗器１７を接続、又は主電動機１３の各端子を接地するスイッチ１８を設け、主電動機の浮遊容量１６に蓄積された電荷を放電するようにして、主電動機浮遊容量に蓄積された電荷による感電を防止する電気車制御装置を特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、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。

図９に、従来の主電動機開放スイッチを有さない電気車制御装置の典型的な主回路構成を、図１０に、従来の主電動機開放スイッチを有する電気車制御装置の典型的な主回路構成を、図１１に、主電動機の浮遊容量に電荷が蓄積される原理を示す。一般に、電気車制御装置では、主電動機に誘導電動機を使用する場合には図９の構成が用いられ、主電動機に永久磁石同期電動機を使用する場合には図１０の構成が用いられている。

図９において、１は架線、２はパンタグラフ、３は主スイッチ、４は高速度遮断器、５は断流器、６はフィルタリアクトル、７はフィルタコンデンサ、８ａはＶＶＶＦインバータ、９はフィルタコンデンサ８ａの電圧検出器、１０はフィルタコンデンサ８ａ等のための放電抵抗器、１１は放電スイッチ、１２はアースである。主スイッチ３と放電スイッチ１１は、一方が閉の時に他方は開となる連動動作をする。さらに、図９において、１３ａは主電動機、１４ａは主電動機Ｕ相端子、１４ｂは主電動機Ｖ相端子、１４ｃは主電動機Ｗ相端子を示している。

図１０において、図９に示した従来例と共通する要素に加えて、１５ａは主電動機Ｕ相開放スイッチ、１５ｂは主電動機Ｖ相開放スイッチ、１５ｃは主電動機Ｗ相開放スイッチを示している。加えて、図１１において、１６ａは主電動機Ｕ相浮遊容量、１６ｂは主電動機Ｖ相浮遊容量、１６ｃは主電動機Ｗ相浮遊容量を示している。

図９、図１０いずれの電気車制御装置の場合も、ＶＶＶＦインバータ８ａは、架線１から取り入れた直流電力を主電動機１３ａで必要とする三相交流電力に変換して供給する。この時、フィルタコンデンサ７の電圧は、架線１とほぼ同じ値まで上昇する。そこで、電気車を整備する場合など、主回路配線に整備員が触る場合は感電の危険を避けるために、主スイッチ３を開放する時には、これと連動して放電スイッチ１１を閉じてアース１２に接地することでフィルタコンデンサ７に蓄えられた電荷を放電抵抗１０にて消費させ、フィルタコンデンサ７の電圧を安全な値まで低下させるようにしている。

図１１に示すように、主電動機１３ａのＵＶＷ各相端子１４ａ，１４ｂ，１４ｃとアース１２の間には、浮遊容量１６ａ，１６ｂ，１６ｃが寄生的に発生する。そのため、主電動機１３ａを駆動するために電力を架線１から取り入れ、フィルタコンデンサ７を充電させると、浮遊容量１６ａ，１６ｂ，１６ｃにも充電が行われ、浮遊容量１６ａ，１６ｂ，１６ｃの電圧は、フィルタコンデンサ７の約半分まで上昇する。

図９の構成の場合、放電スイッチ１１を閉じることで、フィルタコンデンサ７と浮遊容量１６ａ，１６ｂ，１６ｃに蓄えられた電荷は放電抵抗１０で消費される。よって、放電スイッチ１１を閉じた後の主電動機端子電圧１４ａ，１４ｂ，１４ｃは０になり、放電後に主電動機に触れても感電のおそれはない。

しかし、図１０の構成の場合、つまり、ＶＶＶＦインバータ８ａと主電動機１３ａの間に主電動機開放スイッチ１５ａ，１５ｂ，１５ｃを設けた構成であると、主電動機開放スイッチ１５ａ，１５ｂ，１５ｃを開いた状態においては、放電スイッチ１１を閉じても、浮遊容量１６ａ，１６ｂ，１６ｃに蓄えられた電荷を放電抵抗１０で消費させることができなくなる。この場合、整備員が主電動機の各相端子１４ａ，１４ｂ，１４ｃのいずれかに触れると、感電するおそれがある問題点があった。

特開２００９−７２０４９号公報

本発明は、このような従来の技術的な課題に鑑みてなされたもので、主電動機開放スイッチを有する電気車制御装置にあって、主電動機開放スイッチが開いた状態であっても、主電動機の浮遊容量に蓄えられた電荷を確実に放電する手段を設けることにより、主電動機の浮遊容量に蓄えられた電荷による感電を防止することができる電気車制御装置を提供することを目的とする。

本発明は、直流電源に、主スイッチを介して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に並列に接続され、直流を交流に変換するインバータと、前記インバータの交流側に接続された交流の主電動機と、前記インバータの交流側と主電動機との間の交流各相の配線に挿入された主電動機開放スイッチと、前記フィルタコンデンサに接続された放電抵抗と、前記主スイッチと連動し、主スイッチが閉の時には開となり、主スイッチが開の時には閉となって前記放電抵抗をアースに接地させる放電スイッチと、前記交流各相の主電動機開放スイッチのうちの少なくとも１相の主電動機開放スイッチと並列に前記配線に接続された抵抗器とを備えた電気車制御装置を特徴とする。

本発明によれば、主電動機開放スイッチを有する電気車制御装置において、主電動機開放スイッチを有さない電気車制御装置と同様、主電動機浮遊容量に蓄えられた電荷を放電することができ、主電動機の浮遊容量に蓄えられた電荷による感電を防止することができる。

本発明の第１の実施形態の主電動機開放スイッチと抵抗器を並列接続した電気車制御装置の主回路構成を示した回路図。本発明の第２の実施形態の２直列接続された主電動機開放スイッチの各々に抵抗器を並列接続した電気車制御装置の主回路構成を示した回路図。本発明の第３の実施形態の２直列接続された主電動機開放スイッチを１個の抵抗器にて並列接続した電気車制御装置の主回路構成を示した回路図。本発明の第４の実施形態の主電動機に接地スイッチを接続した電気車制御装置の主回路構成を示した回路図。本発明の第５の実施形態の主電動機に整流器を介して接地スイッチを接続した電気車制御装置の主回路構成を示した回路図。本発明の第６の実施形態の接地スイッチと主スイッチを連動させた電気車制御装置の主回路構成を示した回路図。本発明の第７の実施形態の接地スイッチと主スイッチを連動させた電気車制御装置の主回路構成を示した回路図。本発明の第８の実施形態の電気車制御装置において採用した接地スイッチ閉状態にて高速度遮断器・断流器を投入できないようにした制御のシーケンス図。従来の主電動機開放スイッチを有さない電気車制御装置の典型的な主回路構成を示した回路図。従来の主電動機開放スイッチを有する電気車制御装置の典型的な主回路構成を示した回路図。主電動機の浮遊容量と主回路との関係を示した模式図。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。尚、以下の説明において、同一若しくは類似する構成要素については同一若しくは類似する符号を用いて示し、重複する構成については説明を省略する。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態の電気車制御装置について、図１、図１０、図１１を参照して説明する。図１に示す本発明の第１の実施形態の電気車制御装置は、図１０に示した従来の電気車制御装置に対して、Ｕ相の主電動機開放スイッチ１５ａに抵抗器１７ａを並列接続した点に特徴がある。その他の構成は、図１０に示した従来例と共通する。

本実施形態の電気車制御装置では、主スイッチ３を開放する時には、これと連動して放電スイッチ１１を閉じることでフィルタコンデンサ７に蓄えられた電荷を放電抵抗１０にて消費させ、フィルタコンデンサ７の電圧を安全な値まで低下させる。また、開放スイッチ１５，１５ｂ，１５ｃを開放して主電動機１３ａからインバータ８ａを切り離す。

本実施形態の場合、このように開放スイッチ１５ａを開いた状態であっても、主電動機１３ａと抵抗器１７ａにより、図１１に示した浮遊容量１６ａ，１６ｂ，１６ｃと放電抵抗１０が接続されるため、放電スイッチ１１を閉じることで、フィルタコンデンサ８ａの電荷と共に浮遊容量１６ａ，１６ｂ，１６ｃに蓄えられた電荷を放電抵抗１０によって放電させ、浮遊容量１６ａ，１６ｂ，１６ｃの電圧を安全な値まで低下させることができる。

尚、本実施形態において、抵抗器１７ａは主電動機３相分のうちのＵ相１相だけに並列接続したが、適宜に２相分接続し、あるいは３相全てに接続しても同様の効果を得られる。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態の電気車制御装置について、図２を参照して説明する。図２に示す本発明の第２の実施形態の電気車制御装置は、図１に示した第１の実施形態に対して、インバータ８ａの交流側のＵＶＷ各相で主電動機開放スイッチ１５ａ，１５ｄ；１５ｂ，１５ｅ；１５ｃ，１５ｆを２直列接続とし、かつ、そのうちのＵ相１相の主電動機開放スイッチ１５ａ，１５ｄ各々に抵抗器１７ａ，１７ｂを並列接続した点に特徴がある。その他の構成は、第１の実施形態と共通する。

本実施形態によれば、各相の主電動機開放スイッチが２直列構成であっても、第１の実施形態と同等の効果が得られる。尚、本実施形態においても、抵抗器１７ａ，１７ｂは主電動機３相分のうちのＵ相１相だけに並列接続したが、適宜に２相分接続し、あるいは３相全てに接続しても同様の効果を得られる。

（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態の電気車制御装置について、図３を参照して説明する。図３に示す本発明の第３の実施形態の電気車制御装置は、図１に示した第１の実施形態に対して、インバータ８ａの交流側のＵＶＷ各相で主電動機開放スイッチ１５ａ，１５ｄ；１５ｂ，１５ｅ；１５ｃ，１５ｆを２直列接続とし、かつ、そのうちのＵ相１相の主電動機開放スイッチ１５ａ，１５ｄの両方に対して１つの抵抗器１７ａを並列接続した点に特徴がある。その他の構成は、第２の実施形態と共通する。

本実施形態によれば、主電動機開放スイッチ２個分を１個の抵抗器１７ａにて並列接続したことにより、主電動機開放スイッチ１５ａ，１５ｄが２直列構成であっても、第１の実施形態と同等の効果が得られる。

（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態の電気車制御装置について、図４、図１０、図１１を参照して説明する。図４に示す本発明の第４の実施形態の電気車制御装置は、図１０に示した従来例の電気車制御装置に対して、Ｗ相１相の主電動機端子１４ｃとアース１２との間に、接地スイッチ１８を設けた点に特徴を有する。尚、いずれの相端子に接続するかは特に限定されない。

本実施形態の電気車制御装置では、主スイッチ３を開放する時には、これと連動して放電スイッチ１１を閉じることでフィルタコンデンサ７に蓄えられた電荷を放電抵抗１０にて消費させ、フィルタコンデンサ７の電圧を安全な値まで低下させる。また、開放スイッチ１５，１５ｂ，１５ｃを開放して主電動機１３ａからインバータ８ａを切り離す。さらに、接地スイッチ１８を閉じて主電動機端子１４ｃをアース１２に接地させる。

本実施形態の場合、このように開放スイッチ１５ａを開いた状態であっても、接地スイッチ１８により、図１１に示した浮遊容量１６ａ，１６ｂ，１６ｃが主電動機１３ａを介してアース１２に接地されるため、浮遊容量１６ａ，１６ｂ，１６ｃに蓄えられた電荷をアース１２に放出させ、浮遊容量１６ａ，１６ｂ，１６ｃの電圧を安全な値まで低下させることができる。

尚、図４に示した実施形態では、接地スイッチ１８は主電動機３相分のうちのＷ相１相だけに接続したが、２相分、又は３相全てに接続しても同様の効果を得られる。

（第５の実施形態）
本発明の第５の実施形態の電気車制御装置について、図５を参照して説明する。図５に示す本発明の第５の実施形態の電気車制御装置は、図４に示した第４の実施形態に対して、複数台の主電動機１３ａ，１３ｂを並列に駆動する構成に特徴を有している。

本実施の形態の電気車制御装置では、インバータ８ａ，８ｂの２台がフィルタコンデンサ７に対して並列に接続され、一方のインバータ８ａの交流側の主電動機端子１４ａ，１４ｂ，１４ｃに対して主電動機１３ａを接続し、他方のインバータ８ｂの交流側の主電動機端子１４ｄ，１４ｅ，１４ｆに対してもう１台の主電動機１３ｂを接続し、さらにインバータ８ａの交流側には開放スイッチ１５ａ，１５ｂ，１５ｃを設置し、インバータ８ｂの交流側には開放スイッチ１５ｇ，１５ｈ，１５ｉを設置している。さらに、整流器１９ａ，１９ｂにより、主電動機１３ａ側のＷ相１相の主電動機端子１４ｃと主電動機１３ｂ側のＵ相１相の主電動機端子１４ｄとをアース１２に対して共通の１つの接地スイッ１８にて接地するようにしている。尚、これらのいずれの相端子に接続するかは特に限定されない。

本実施形態の電気車制御装置によれば、整流器１９ａ，１９ｂを設けることにより、主電動機通電時の主電動機端子１４ｃ，１４ｄ間の短絡を回避できるため、主電動機１３ａ，１３ｂを複数有する場合であっても、１つの接地スイッチ１８により、浮遊容量電荷の放電が可能となる。

尚、本実施形態にあっては、主電動機２台の場合を例示したが、主電動機は３台以上でも、同じように各主電動機の１相の主電動機端子を共通の１つの接地スイッチ１８に対してそれぞれ整流器１９を介して突合せすれば放電可能であり、主電動機の数は限定されるものではない。通常、電車のインバータは、主電動機が４台または８台あるので、それら４台ないし８台の主電動機をそれぞれ整流器１９を介して１個の接地スイッチ１８に接続することによって、それぞれの浮遊容量の電荷を安全に放電させることができる。また、フィルタコンデンサとインバータとは１：１の構成にすることもできる。

（第６の実施形態）
本発明の第６の実施形態の電気車制御装置について、図６を参照して説明する。図６に示す第６の実施形態の電気車制御装置は、図４に示した第４の実施形態に対して、接地スイッチ１８と主スイッチ３とを連動させ、接地スイッチ１８が閉じている間は、主スイッチ３が開くようインタロックを構成したことを特徴とする。その他の構成は第４の実施形態と同様である。

本実施形態によれば、第４の実施形態の効果に加えて、接地スイッチ１８を閉じたまま主スイッチ３を閉じてＶＶＶＦインバータ８ａに通電させたときに発生する主電動機１３ａの地絡事故を防止できる。尚、本実施形態の構成は、図５に示した第５の実施形態に対しても同様に適用でき、同様の効果が得られる。

（第７の実施形態）
本発明の第７の実施形態の電気車制御装置について、図７を参照して説明する。図７に示す第７の実施形態の電気車制御装置は、図５に示した第５の実施形態に対して、接地スイッチ１８と主スイッチ３を連動させ、接地スイッチ１８が閉じている間は、主スイッチ３が開くようインタロックを構成したことを特徴とする。その他の構成は第５の実施形態と同様である。

本実施形態によれば、第５の実施形態の効果に加えて、接地スイッチ１８を閉じたまま主スイッチ３を閉じてＶＶＶＦインバータ８ａ，８ｂに通電させたときに発生する主電動機１３ａ，１３ｂの地絡事故を防止できる。

（第８の実施形態）
本発明の第８の実施形態の電気車制御装置について、図４、図８、図１０を参照して説明する。本実施形態の電気車制御装置は、図４に示す第４の実施形態の回路構成において、さらに図８に示す制御論理により高速度遮断器４の投入、断流器５の投入を可能にしたことを特徴とする。

本実施形態の電気車制御装置では、図１０に示した従来の方式に対して、Ｗ相１相の主電動機端子１４ｃとアース１２との間に接地スイッチ１８を設け、さらに、この接地スイッチ１８が閉じた状態（指令２０がＨ状態）では、高速度遮断器投入指令２１も投入指令２２も阻止され、高速度遮断器４又は断流器５が投入されないようにインタロックを構成したことを特徴とする。

これにより、第４の実施形態の効果に加えて、接地スイッチ１８を閉じたまま主スイッチ３を閉じ、高速度遮断器４及び断流器５を投入し、ＶＶＶＦインバータ８ａに通電させたときに発生する主電動機１３ａの地絡事故を防止できる。

本実施形態における図８の制御論理は、高速度遮断器投入信号２３、断流器投入信号２４を流す電気回路に、接地スイッチ１８の補助接点を直列接続することにより実現できる他、電気車制御装置が有するマイクロプロセッサの演算によっても実現可能である。

尚、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、種々の変化態様が可能である。例えば、主電動機１３は永久磁石型電動機であることが好ましいが、交流電動機であれば広く適用できる。また、接地スイッチ１８については、図４、図５の実施形態の場合、手動開閉方式であっても開放スイッチと連動する方式であってもよい。また、作業員が主回路に触れる作業が必要となる際に開閉する容器の蓋の開閉と連動する構成にすることもできる。さらに、抵抗器１７については、開放スイッチ本来の設置目的である主電動機の惰性回転時の回生電力によりインバータ８が損なわれるのを防止する目的を損なわないために、適切な抵抗値のものを採用することができる。

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、８ａ…ＶＶＶＦインバータ、８ｂ…ＶＶＶＦインバータ、９…フィルタコンデンサ電圧検出器、１０…放電抵抗器、１１…放電スイッチ、１２…アース、１３ａ…主電動機、１３ｂ…主電動機、１４ａ…主電動機Ｕ相端子、１４ｂ…主電動機Ｖ相端子、１４ｃ…主電動機Ｗ相端子、１５ａ…主電動機開放スイッチ、１５ｂ…主電動機開放スイッチ、１５ｃ…主電動機開放スイッチ、１５ｄ…主電動機開放スイッチ、１５ｅ…主電動機開放スイッチ、１５ｆ…主電動機開放スイッチ、１５ｇ…主電動機開放スイッチ、１５ｈ…主電動機開放スイッチ、１５ｉ…主電動機開放スイッチ、１６ａ…主電動機Ｕ相浮遊容量、１６ｂ…主電動機Ｖ相浮遊容量、１６ｃ…主電動機Ｗ相浮遊容量、１７ａ…抵抗器、１７ｂ…抵抗器、１８…接地スイッチ、１９ａ…整流器
１９ｂ…整流器、２０…接地スイッチ閉状態信号、２１…高速度遮断器投入指令、２２…断流器投入指令、２３…高速度遮断器投入信号、２４…断流器投入信号。

Claims

直流電源に、主スイッチを介して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に並列に接続され、直流を交流に変換するインバータと、
前記インバータの交流側に接続された交流の主電動機と、
前記インバータの交流側と主電動機との間の交流各相の配線に挿入された主電動機開放スイッチと、
前記フィルタコンデンサに接続された放電抵抗と、
前記主スイッチと連動し、主スイッチが閉の時には開となり、主スイッチが開の時には閉となって前記放電抵抗をアースに接地させる放電スイッチと、
前記交流各相の主電動機開放スイッチのうちの少なくとも１相の主電動機開放スイッチと並列に前記配線に接続された抵抗器とを備えたことを特徴とする電気車制御装置。
前記電動機開放スイッチは、各相に２個ずつ直列に挿入し、
少なくとも１相の２個の電動機開放スイッチそれぞれに並列に２個の抵抗器それぞれを接続したことを特徴とする請求項１に記載の電気車制御装置。
前記電動機開放スイッチは、各相に２個ずつ直列に挿入し、
少なくとも１相の２個の電動機開放スイッチの両方に対して並列に１個の抵抗器を接続したことを特徴とする請求項１に記載の電気車制御装置。
前記抵抗器に代えて、前記交流各相の主電動機開放スイッチのうちの少なくとも１相の主電動機開放スイッチと主電動機との間に接地スイッチを設けたことを特徴とする請求項１に記載の電気車制御装置。
前記主電動機は複数台あり、各主電動機に前記主電動機開放スイッチが接続され、前記複数台の主電動機それぞれの交流各相の主電動機開放スイッチのうちの少なくとも１相ずつの間に逆流防止用の整流器を介して１つの接地スイッチを設けたことを特徴とする請求項４に記載の電気車制御装置。
前記接地スイッチは、前記主スイッチと連動し、主スイッチが閉の時には開となり、主スイッチが開の時には閉となるように設定したことを特徴とする請求項４又は５に記載の電気車制御装置。
前記接地スイッチにより前記主電動機が接地された状態にある時は、前記インバータに電源電力が供給されないように制御する制御手段を設けたことを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の電気車制御装置。