JP2010259300A

JP2010259300A - 電気車制御装置及びその試験方法

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Publication number: JP2010259300A
Application number: JP2009110094A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Arai; 達也新井; Shinichi Toda; 伸一戸田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2009-04-28
Filing date: 2009-04-28
Publication date: 2010-11-11
Anticipated expiration: 2029-04-28
Also published as: JP5367444B2

Abstract

【課題】本発明は、過電圧抑制保護回路の誤動作を確実に検出できるようにした電気車制御装置及び試験方法を提供する。
【解決手段】本発明は、電源投入後、フィルタコンデンサが充電された状態かつ架線と切り離した状態で過電圧抑制保護回路の半導体スイッチング素子へ点弧信号を出し、このときに過電圧抑制保護回路に流れる電流を検出する電流センサの電流値をフィードバックで制御回路に入力し、検出電流と閾値を比較し過電圧抑制保護回路の電流センサの動作確認を行う誤点弧検知動作確認機能を有することを基本としている。
【選択図】図１

Description

本発明は電気車制御装置及びその試験方法に関し、架線からの電力を変換する電力変換装置に対する過電圧を保護する過電圧保護装置を改善したものである。

電気車制御装置には過電圧保護装置が設けられている。この過電圧保護装置は、電気車制御装置のフィルタコンデンサが過電圧状態となる時には、架線と可変電圧可変周波数（VVF）インバータ間を遮断器が切り離すことで開放している。そしてフィルタコンデンサの電圧を過電圧抑制抵抗で放電することによりフィルタコンデンサの過電圧抑制を行っている。

また、この保護動作が誤動作したかどうかは、過電圧抑制保護回路に流れる電流を検出することで判断し、誤動作しているときは架線と過電圧抑制保護回路との間に接続された遮断器をオフし、架線からの電流が過電圧抑制抵抗に流れ込まないようにし、過電圧抑制抵抗が焼損することを防止している（例えば特許文献１）。

ところが過電圧抑制保護回路の誤動作すなわち同回路に使用されている半導体スイッチング素子の誤点弧の有無を判断する方法として、同保護回路に流れる電流を検出して判断する方法がある。この方法の場合、次のような課題がある。即ち、(a)電流検出するセンサが故障していた場合、または(b)センサへ接続するコネクタが抜けていた場合には、該半導体スイッチング素子が誤点弧しても正常に検出する動作ができない。このような場合、架線からか電圧抑制保護回路への大電流の流れ込みにより過電圧抑制用放電抵抗が焼損することがある。

特開平４−１２７８０１号公報

上記したように、過電圧抑制保護回路の誤動作を検出する場合、(a)電流検出するセンサが故障していた場合、または(b)センサへ接続するコネクタが抜けていた場合には、半導体スイッチング素子が誤点弧しても正常に検出する動作ができず架線からの流れ込みにより過電圧抑制用放電抵抗が焼損することがある。

そこで本発明は、過電圧抑制保護回路の誤動作或いは故障を確実に検出できるようにした電気車制御装置及び試験方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために本発明は、
電源投入後、架線からの電力で充電されるフィルタコンデンサと、
前記フィルタコンデンサと並列であって、保護抵抗、半導体スッチング素子、電流センサを直列に有した過電圧抑制保護回路と、
前記フィルタコンデンサが充電された状態で、かつ、前記フィルタコンデンサ及び過電圧抑制保護回路が前記架線と切り離された状態で、前記半導体スイッチング素子へ点弧信号を出力する回路と、
前記半導体スイッチング素子へ点弧信号が供給されたとき、前記電流センサの検出電流値と閾値を比較し前記電流センサの動作確認を通じて誤点弧検知動作確認出力を得る比較器を有することを基本としている。

上記の手段によると、誤点弧検知回路が正常に動作しているか確認できるため、誤点弧による焼損の被害を未然に防ぐことができる、また大事故に発展するのを事前に防止することができる。

本発明の一実施例を示す構成説明図である。本発明の他の実施例を示す構成説明図である。本発明のさらに他の実施例を示す構成説明図である。本発明のまた他の実施例を示す構成説明図である。本発明の装置が過電圧抑制保護回路の動作確認を行う各種のタイミングの例を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。図1は、この発明の一実施例である。架線11からの直流電力は、高速度遮断器12を介して、第1の遮断器13の入力端子に供給される。第1の遮断器13の出力端子は、第２の遮断器14と充電抵抗15の並列回路の入力端子に接続されている。この並列回路の出力端子は、フィルタリアクトル16を介して、VVVFインバータ18の正側入力端子18aに接続されている。VVVFインバータ18の正側入力端子18aと負側入力端子18bとの間には、電圧変動抑制用のフィルタコンデンサ19が接続されている。

さらに、前記正側入力端子18aと負側入力端子18bとの間には、電圧センサ21、過電圧保護回路20が並列に接続されている。

過電圧抑制保護回路20は、端子18a側から端子18b側へ保護抵抗20a、半導体スイッチング素子20b、電流センサ20cを直列接続して構成されている。

過電圧保護回路20の電圧検出状況は充電完了信号処理部41でモニタされており、予め設定している電圧が検出されたとき出力「１」が得られる。この充電完了信号処理部41の出力は、誤点弧検知回路30内のアンド回路31に入力される。アンド回路31には、レバーサオフ処理部42の出力も入力されている。レバーサオフ処理部42は、架線と制御装置が切り離された状態を検出したとき、出力「１」となる。この出力もアンド回路31に入力される。従って、アンド回路31は、フィルタコンデンサ19が充電完了状態であることを電圧センサ21が検出し、かつ架線と制御装置が切り離されたレバーサオフ状態のとき、アンド回路31は、出力「１」となりは導体スイッチング素子20bをオンする。

このとき電流センサ20cの検出出力は、比較器32に入力され、設定値部33に設定されている設定値と比較される。電流センサ20cの検出出力が設定値より大きい場合は、比較器32はハイレベル（H)を出力し、このときは誤点弧検知部34が、過電圧抑制保護回路20が正常に働いているものと判定する。逆に電流センサ20cの検出出力が設定値を越えない場合は、比較器32はローレベル（L)を出力し、このときは誤点弧検知部35が、過電圧抑制保護回路20が異常であるものと判定する。

過電圧抑制保護回路20が正常に動作していると判定されたときは、VVVFインバータ18には、正常時駆動出力部51からの駆動信号がスイッチ51を介して供給される。しかし過電圧保護回路20が異常状態であると判定されたときは、スイッチ51が異常時駆動出力部52側に切り替えられる。このときは、例えばVVVFインバータ18の動作が停止される。

上記したように誤点弧検知回路30により過電圧保護回路20が正常に動作しているか否かを確認できる。このため、過電圧抑制保護回路20内の半導体スイッチング素子20bの誤点弧による保護抵抗20aなどの焼損・被害を未然に防ぐことができる。

上記の過電圧保護回路20の動作確認を行うタイミングとしては各種のタイミングが可能であり、動作確認タイミングについては後述する。

この発明は、上記の実施の形態に限定されるものではない。以下他の実施例について説明する。図1の実施例と同じ部分には同一符号を付して重複説明は省略する。

図2はこの発明の他の実施例である。図1の実施例と異なる部分は、アンド回路41の入力を追加していることである。即ち、フィルタコンデンサ19の充電不良保護検知中信号処理部43の出力を反転器44で反転して入力している。充電不良保護検知中信号処理部43は、電圧センサ21の出力を監視し、コンデンサ19が充電中であるかどうかを判定している。

充電不良保護検知中信号処理部43と反転器44は、フィルタコンデンサ19が充電中であるときはアンド回路31に「０」を与え、アンド回路31自身が不要な誤動作をするのを禁止している。

過電圧抑制保護回路20の点弧によりフィルタコンデンサ19の電圧が下がり充電不良保護とならないように保護検知中は誤点弧動作確認を行わず、検知解除後に確認する。この機能により、充電不良保護にならずに誤点弧動作確認が行える。

なお、先の実施例も同様であるが、過電圧抑制保護回路20が正常に動作していると判定されたときは、VVVFインバータ18には、正常時駆動出力部51からの駆動信号がスイッチ51を介して供給される。しかし過電圧保護回路20が異常状態であると判定されたときは、スイッチ51が異常時駆動出力部52側に切り替えられる。このときは、例えばVVVFインバータ18の動作が停止される
図3はさらに他の実施例を示している。図2の実施例と異なる部分は、設定値部33が、過電圧抑制抵抗値部33bと、割り算器33aを有する点である。割り算器33aは、電圧センサ21の出力を過電圧抑制抵抗値で割り算して、比較器32に供給している。

この実施例は、比較器32に設定される閾値を決める方法として、フィルタコンデンサ19の電圧検出値（電圧センサ21による検出電圧）と過電圧抑制抵抗値（保護抵抗20aの値）により電流の最小値を計算して設定する方法を用いている。

この方法であると、フィルタコンデンサ19の電圧を過電圧抑制抵抗値で割った電流値の誤差を含めた最小値を閾値として設定する。よって、閾値をフィルタコンデンサ電圧の変化に合わせて変更することができる。

図4はさらにまた他の実施の例である。図3の実施例と異なる部分は、フィルタコンデンサ19の電圧を割り算した値が、加算器33dから与えられることである。そしてこの加算器33dは、過電圧抑制抵抗値部33bからの値と、充電抵抗値部33cからの値を加算し、その加算出力を割り算器33aに供給している。また割り算器33aは、架線電圧検出器60からの架線電圧検出値を加算器33dの出力で割り算している。

この実施例は、閾値を決める方法として、架線電圧検出値（電圧センサ60による検出電圧）と過電圧抑制抵抗値（保護抵抗20aの値）と充電抵抗値（充電抵抗15の値）により電流の最小値を計算して設定している。架線電圧を過電圧抑制抵抗値と充電抵抗の和で割った電流値の誤差を含めた最小値を閾値として設定する。これにより充電抵抗が接続された状態でも誤点弧動作確認が行える。

ところで、上記の過電圧保護回路20の動作確認を行うタイミングとしては各種のタイミングが可能である。例えば、電源投入後最初のレバーサオフのタイミングで半導体スイッチング素子20bへ点弧信号を出力してみて、過電圧保護回路20が正常動作するかどうかを確認できるようにする。レバーサオフのタイミングは、例えば試験期間として運転者がレバーサオフを手動で行ってもよいし、又は自動で実施されてもよい。

また図５（A)に示す力行スタート時の運転工程内で、例えば、電源投入後最初のノッチが入力したタイミングで半導体スイッチング素子20bへ点弧信号を出力して動作確認を行ってもよい。力行スタート時の運転工程内で設定される。力行スタート時には、遮断器１２、１３がオンし、架線11から例えば直流1500Vが導入される（ステップSA1）。次に前進或いは後進を決めるレバーサがオンされる（ステップSA2）。次に、力行指令を与えるためにノッチがオンされる（ステップSA3）。ここで何も異常が無ければ、遮断器１４が自動的にオンして力行運転状態となる（ステップSA4）。つまりフィルタコンデンサ１９を再充電し、運転が開始される。しかし、最初のノッチが入力したタイミングで上記動作確認の結果異常があった場合は、例えばVVFインバータ１８が停止、遮断器１２がオフされる。

また上記の過電圧保護回路20の動作確認を行うタイミングは、電源投入後最初のノッチオフのタイミングであってもよい。例えば図５（B)に示すように、電気車のブレーキ時には、ブレーキノッチがオン（ブレーキ指令が入力）される（ステップSB1）。次に電車が停止又は減速され（ステップSB2）、またブレーキノッチがオフ（ブレーキ指令がオフ）される（ステップSB3）。このような工程においてノッチオフとされたときに過電圧保護回路20の動作確認を行ってもよい。

また上記の過電圧保護回路20の動作確認を行うタイミングは、電源投入後最初のレバーサオフのタイミングで半導体スイッチング素子20bへ点弧信号を出力するようにしてもよい。例えば図５（C)に示すように、電気車が終点まで行き、逆方向へ戻るときは、レバーサオフの状態となり（ステップSC1）、次に後進するためにレバーサを逆方向へオンする（ステップSC2）。したがって、このようなタイミングで点検の意味で過電圧保護回路20の動作確認を行ってもよい。なお上記した過電圧保護回路20の動作確認は、上記したタイミングに限定されるものではなく、各種のタイミングを設定可能である。

上記した本発明は、直流電車、交流電気車両、交直流車両などのような電気車の制御装置に適用されて有効である。

11・・・架線、12・・・高速遮断器、13、14・・・第1、第２の遮断器、15・・・充電抵抗、16・・・フィルタリアクトル、17・・・主電動機、18・・・VVVFインバータ、19・・・フィルタコンデンサ、20・・・過電圧抑制保護回路、20a・・・保護抵抗、20b・・・半導体スイッチング素子、20c・・・電流センサ、21・・・電圧センサ、30・・・誤点弧検知回路、31・・・アンド回路、32・・・比較器、33・・・設定値部、34・・・誤点弧検知部（正常）、35・・・誤点弧検知部（異常）。

Claims

電源投入後、架線からの電力で充電されるフィルタコンデンサと、
前記フィルタコンデンサと並列であって、保護抵抗、半導体スッチング素子、電流センサを直列に有した過電圧抑制保護回路と、
前記フィルタコンデンサが充電された状態で、かつ、前記フィルタコンデンサ及び過電圧抑制保護回路が前記架線と切り離された状態で、前記半導体スイッチング素子へ点弧信号を出力する回路と、
前記半導体スイッチング素子へ点弧信号が供給されたとき、前記電流センサの検出電流値と閾値を比較し前記電流センサの動作確認を通じて誤点弧検知動作確認出力を得る比較器と
を有する電気車制御装置。
請求項１において、電源投入後最初のレバーサオフのタイミングで前記半導体スイッチング素子へ点弧信号を出力する誤点弧動作確認機能を有する電気車制御装置。
請求項１において、電源投入後最初のノッチが入力したタイミングで半導体スイッチング素子へ点弧信号を出力する誤点弧動作確認機能を有する電気車制御装置。
請求項３において、前記電源投入後最初のノッチが入力したタイミングで半導体スイッチング素子へ点弧信号を出力し誤点弧動作確認し、次にフィルタコンデンサを再充電する機能を有する電気車制御装置。
請求項１において、電源投入後最初のノッチオフのタイミングで半導体スイッチング素子へ点弧信号を出力する誤点弧動作確認機能を有する電気車制御装置。
請求項１において、乗務員の操作により半導体スイッチング素子へ点弧信号を出力する誤点弧動作確認機能を有する電気車制御装置。
請求項１から６のいずれかにおいて、試験モードの場合に半導体スイッチング素子へ点弧信号を出力する誤点弧動作確認機能を有する電気車制御装置。
請求項１から７のいずれかにおいて、半導体スイッチング素子への点弧信号で、フィルタコンデンサ充電不良保護とならないように保護検知時間中は過電圧抑制保護回路の誤点弧動作確認は行わず、検知解除後に確認する機能を有する電気車制御装置。
請求項１から８のいずれかにおいて、前記閾値の決め方としてフィルタコンデンサ電圧検出値と過電圧抑制抵抗値により電流の最小値を計算して設定する方式を有する電気車制御装置。
請求項１から８のいずれかにおいて、前記閾値の決め方として架線に接続した場合でも誤点弧が判別できるように架線電圧検出値と過電圧抑制抵抗値と充電抵抗により電流の最小値を計算して設定する方式を有する電気車制御装置。
架線からの電力で充電されるフィルタコンデンサと、前記フィルタコンデンサと並列であって、保護抵抗、半導体スッチング素子、電流センサを直列に有した過電圧抑制保護回路とを有する電気車制御装置の試験方法であって、
電源投入後、前記フィルタコンデンサが充電された状態で、前記架線と前記フィルタコンデンサ及び前記過電圧抑制保護回路とを切り離し、
前記半導体スイッチング素子へ点弧信号を出し、このときに前記電流センサの検出電流値と閾値を比較し、前記電流センサの動作確認を通じて前記過電圧抑制保護回路が正常動作しているか否かを確認することを特徴とする電気車制御装置の試験方法。