JP2012029479A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 電力変換器内部で地絡したことを検知できる電力変換装置を提供する。
【解決手段】 本発明の１実施例に係る電力変換装置は、電力変換器３と、前記電力変換器のプラス側入力配線に設けられた第１電流検出器ＣＴ１と、前記電力変換器のマイナス側入力配線に設けられた第２電流検出器ＣＴ２と、前記第１電流検出器の検出値を平均化すると共に、１より小さい係数を乗算する１次遅れ回路６と、前記第２電流検出器ＣＴ２の検出値と、前記１次遅れ回路６の乗算結果を比較する比較器７とを具備する。前記第２電流検出器ＣＴ２の検出値が前記乗算結果より小さい時、地絡が検知され、前記電力変換器３の動作が停止される。
【選択図】 図１Ａ

Description

本発明は電力変換器の地絡を検知する電力変換装置に関する。

図７に電力変換装置の従来回路構成を示す。

架線からパンタグラフ２０を介して供給される入力直流電流は、電流検出器１及びリアクトル２を通り電力変換器３に供給される。電流検出器１は、入力電流に対応する電圧を出力する。電力変換器３は、例えば直流電力を交流電力に変換するインバータ又は直流電圧値を変換するＤＣ／ＤＣコンバータ等の変換器である。

変換器３のマイナス側入力は接地されている。また、入力電圧を検出する電圧検出器４が変換器入力のプラス・マイナス間に接続され、変換器３の出力電流を検出する電流検出器５が変換器の出力配線に設けられている。

電流検出器１又は電流検出器５に過電流が検出されると過電流が発生したと判断され、変換器３及びその周辺回路を保護するために、変換器３の動作が停止される。

従来の電力変換装置では、変換器３のマイナス側が地絡しても検知することができなかった。変換器３のマイナス側が地絡すると、例えば変換器のフレームあるいは車体に変換器３を通った電流が流れ、車体に装備された電子機器に対してノイズが発生し、電子機器の動作に悪影響を与えることがある。

そこで本発明は、電力変換器のマイナス側で発生した地絡を検知できる電力変換装置を提供することを目的としている。

本発明の１実施例に係る電力変換装置は、電力変換器と、前記電力変換器のプラス側入力配線に設けられた第１電流検出器と、前記電力変換器のマイナス側入力配線に設けられた第２電流検出器と、前記第１電流検出器の検出値に１より小さい係数を乗算する乗算器と、前記第２電流検出器の検出値と前記乗算器の乗算結果とを比較する比較器とを具備する。前記第２電流検出器の検出値が前記乗算結果より小さい時、地絡が検知され、前記電力変換器の動作が停止される。

電力変換器のマイナス側で発生した地絡を検知できる電力変換装置が提供される。

本発明による電力変換装置の第１実施例の構成を示すブロック図である。 上記第１実施例の動作を示すタイムチャートである。 本発明による電力変換装置の第２実施例の構成を示すブロック図である。 上記第２実施例の動作を示すタイムチャートである。 本発明による電力変換装置の第３実施例の構成を示すブロック図である。 上記第３実施例の動作を示すタイムチャートである。 本発明による電力変換装置の第４実施例の構成を示すブロック図である。 上記第４実施例の動作を示すタイムチャートである。 本発明による電力変換装置の第５実施例の構成を示すブロック図である。 上記第５実施例の動作を示すタイムチャートである。 本発明による電力変換装置の第６実施例の構成を示すブロック図である。 上記第６実施例の動作を示すタイムチャートである。 電力変換装置の従来回路構成を示す図である。

以下、本発明に係る電力変換装置の実施例について、図面を参照して説明する。

図１Ａは、本発明による電力変換装置の第１実施例の構成を示すブロック図である。

直流架線からパンタグラフ２０を介して入力される電流Ｉａは、電流検出器ＣＴ１、リアクトル２を通り電力変換器３のプラス側端子に供給される。変換器３のマイナス側端子は電流検出器ＣＴ２を介して接地点（車輪）１７で接地される。電流検出器ＣＴ１は変換器プラス側の入力電流を検出するように接続され、別の電流検出器ＣＴ２は変換器３のマイナス側から接地点１７に流れる電流Ｉｂを検出する。電流検出器ＣＴ１、ＣＴ２は、検出した電流値に対応する電圧値Ｖｃｔ１、Ｖｃｔ２を出力する。また電流検出器ＣＴ１、ＣＴ２は共にプラス電圧を出力するよう接続される。

変換器３は、例えば直流電力を交流電力に変換する電動機駆動用インバータあるいは補助電源用インバータ、又は直流電圧を降圧するＤＣ／ＤＣコンバータ等の変換器である。シーケンス回路８は、変換器３を制御する回路であって、変換器３にゲート指令を出力する。

変換器プラス側の電流検出器ＣＴ１の出力は一次遅れ回路６に接続され、急激な電圧変動があっても緩やかに変化するように構成されている。すなわち一次遅れ回路６は、入力電圧を平均化する。この一次遅れ回路６の出力電圧Ｖ６は、その入力電圧より低い出力となるようなゲイン（例えば０．５）が選ばれている。つまり一次遅れ回路６は乗算器としても機能する。一次遅れ回路６の出力Ｖ６及び電流検出器ＣＴ２の出力Ｖｃｔ２は比較回路７に供給される。

図１Ｂは本実施例の動作を示すタイムチャートである。

電流検出器ＣＴ１の出力Ｖｃｔ１は電流Ｉａを示す電圧であり、電流検出器ＣＴ２の出力Ｖｃｔ２は電流Ｉｂを示す電圧である。説明を簡単にするため、起動（電源ＯＮ）後、変換器３に流れる電流Ｉａは一定値とする。電力変換装置が正常に動作している時、電流ＩａとＩｂは同一であり、従って電流検出器ＣＴ１、ＣＴ２の出力Ｖｃｔ１、Ｖｃｔ２も同一である。このとき、電流Ｉａ、Ｉｂに対応する電流検出器出力電圧をＶＩａ、ＶＩｂとする。

１次遅れ回路６の出力電圧Ｖ６は例えばＶＩａ／２である。従って比較回路７の出力Ｖ７はＬレベルである。ここで、変換器３のマイナス側が変換器内部あるいは接地点１７以外で地絡した場合、電流検出器ＣＴ１を流れる電流に変化は殆ど無いが、電流検出器ＣＴ２には電流が流れなくなる。従って、電流検出器ＣＴ２の出力Ｖｃｔ２はゼロ、比較回路７の出力Ｖ７はＨレベルとなり、シーケンス回路８に装置の停止指令が出力される。この停止指令に応答してシーケンス回路８は変換器３の動作を停止する。

［効果］
本実施例によれば、変換器３のマイナス側が変換器内部あるいは接地点１７以外で地絡した場合、その地絡を検知可能である。

図２Ａは、本発明による電力変換装置の第２実施例の構成を示すブロック図である。

この第２実施例では、変換器入力回路のプラス側配線に第１の電流検出器ＣＴ１を設け、マイナス側配線に第２の電流検出器ＣＴ２を設け、電流検出器ＣＴ２の出力電圧がマイナスとなる向きに配線を電流検出器ＣＴ２に貫通させている。加算回路９は電流検出器ＣＴ１、ＣＴ２の出力を加算する。従って、正常動作中の加算回路９の出力はゼロとなる。

入力電流演算回路１０は電圧検出器４で検出される変換器の入力電圧Ｖ４、電流検出器５の出力値（変換器出力電流）Ｉ５、及び電圧検出器１５で検出される変換器の出力電圧（線間電圧実効値）Ｖ１５に基づいて、下記計算式により変換器入力電流Ｉａを概算する。

入力電流≒（出力電圧）ｘ（出力電流）ｘ１．７３２／（入力電圧）
（１．７３２倍は三相交流出力の場合であり、単相または直流の場合は１．０倍となる。）
そして演算回路１０は出力Ｖ１０として、演算した電流値Ｉａより低い電流（例えば１／２倍）に対応する電圧ＶＩａ／２を出力する。この出力Ｖ１０及び加算回路９の出力Ｖｃｔ１２は比較回路７に入力される。

図２Ｂは本実施例の動作を示すタイムチャートである。

正常動作中の加算回路９の出力Ｖｃｔ１２は、前述したようにゼロである。変換器３のマイナス側が地絡した場合、電流検出器ＣＴ２には電流が流れなくなり、加算器９の出力Ｖｃｔ１２は、入力電流Ｉａに相当する電圧ＶＩａとなる。演算回路１０の出力値Ｖ１０は、電流Ｉａ／２に相当する電圧のままである。従って、比較回路７の出力Ｖ７はＨレベルとなり、シーケンス回路８に装置の停止指令が入力される。

尚、この実施例の変形例として、演算回路１０の代わりに、電流検出器ＣＴ１の出力電圧を１／２に分圧する抵抗直列回路を使用して、両抵抗の接続点の電圧を比較回路７のマイナス側入力端子に供給しても良い。

［効果］
変換器３のマイナス側が地絡した場合でも、地絡を検知することが可能となる。

図３Ａは、本発明による電力変換装置の第３実施例の構成を示すブロック図である。

この第３実施例では、第２の電流検出器ＣＴ２の配線貫通方向を上記第２実施例とは逆にすることにより、電流検出器ＣＴ２はプラス電圧Ｖｃｔ２を出力する。第１の電流検出器ＣＴ１の出力Ｖｃｔ１と第２の電流検出器ＣＴ２の出力Ｖｃｔ２は減算回路１１に供給される。

入力電流演算回路１０は上記第２実施例のように、電圧検出器４で検出される入力電圧Ｖ４、電流検出器５で検出される出力電流Ｉ５、及び変換器３の出力電圧（線間電圧実効値）Ｖ１５に基づいて、下記計算式により変換器入力電流Ｉａを概算する。

入力電流≒（出力電圧）ｘ（出力電流）ｘ１．７３２／（入力電圧）
（１．７３２倍は三相交流出力の場合であり、単相または直流の場合は１．０倍となる。）
そして演算回路１０は出力電圧Ｖ１０として、演算した電流値Ｉａより低い電流（例えば１／２倍）に対応する電圧ＶＩａ／２を出力する。この出力Ｖ１０及び減算回路１１の出力Ｖｃｔ１２は比較回路７に入力される。

図３Ｂは本実施例の動作を示すタイムチャートである。装置が正常動作中、減算回路１１の出力電圧Ｖｃｔ１２はゼロとなっている。変換器３のマイナス側が地絡した場合、電流検出器ＣＴ２には電流が流れなくなり、減算器１１の出力Ｖｃｔ１２は、入力電流Ｉａに相当する電圧ＶＩａとなる。演算回路１０の出力値Ｖ１０は、Ｉａ／２に相当する電圧ＶＩａ／２のままである。従って、比較回路７の出力Ｖ７はＨレベルとなり、シーケンス回路８に装置の停止指令が入力される。

尚、この実施例の場合も変形例として、演算回路１０の代わりに、電流検出器ＣＴ１の出力電圧を１／２に分圧する抵抗直列回路を使用して、両抵抗の接続点の電圧を比較回路７のマイナス側入力端子に供給しても良い。

［効果］
変換器３のマイナス側が地絡した場合でも、地絡を検知することが可能となる。

図４Ａは、本発明による電力変換装置の第４実施例の構成を示すブロック図である。

この第４実施例では、上記第３実施例のように、電流検出器ＣＴ１、ＣＴ２は共にプラスの電圧を出力し、変換器３の入力電圧検出器４と出力電流検出器５及び出力電圧検出器１５の検出値は入力電流演算回路１０に入力され、前述の第２実施例と同様に下記計算式により、変換器入力電流Ｉａが概算される。

入力電流≒（出力電圧）ｘ（出力電流）ｘ１．７３２／（入力電圧）
（１．７３２倍は三相交流出力の場合であり、単相または直流の場合は１．０倍となる。）
そして入力電流演算回路１０は出力電圧Ｖ１０として、演算した入力電流Ｉａより低い電流（例えば０．５倍）に対応する電圧ＶＩａ／２を出力する。この出力Ｖ１０と電流検出器ＣＴ１の出力Ｖｃｔ１は比較回路１２に入力される。また、入力電流演算回路１０の出力Ｖ１０と電流検出器ＣＴ２の出力Ｖｃｔ２は比較回路１３に入力される。比較回路１２、１３の出力Ｖ１２、Ｖ１３は論理積回路１４に供給され、その出力Ｖ１４はシーケンス回路８に供給される。

比較回路１２は、電流検出器ＣＴ１の出力Ｖｃｔ１と、入力電流演算回路１０の出力電圧Ｖ１０（＝ＶＩａ／２）とを比較して、電流検出器ＣＴ１の出力Ｖｃｔ１が、電圧Ｖ１０より大きければ、Ｈレベルを出力する。比較回路１３は、電流検出器ＣＴ２の出力Ｖｃｔ２と、入力電流演算回路１０の出力電圧Ｖ１０（＝ＶＩａ／２）とを比較して、電流検出器ＣＴ２の出力Ｖｃｔ２が、電圧Ｖ１０より大きければ、Ｈレベルを出力する。

図４Ｂは本実施例の動作を示すタイムチャートである。

通常動作時は、電流検出器ＣＴ１、ＣＴ２は共に同一の電流Ｉａに相当する電圧ＶＩａを出力する。変換器３のマイナス側が地絡すると電流検出器ＣＴ２に電流が流れなくなるので、電流検出器ＣＴ２の出力Ｖｃｔ２はゼロとなる。そのため、比較回路１３の出力Ｖ１３はＬレベルとなる。このとき、演算回路１０の出力値Ｖ１０及び比較回路１２の出力値Ｖ１２は変わらない。比較回路１３の出力Ｖ１３がＬレベルになると論理積回路１４の出力Ｖ１４はＬレベルとなり、シーケンス回路８に装置の停止指令が入力される。

尚、この実施例の場合も変形例として、演算回路１０の代わりに、電流検出器ＣＴ１の出力電圧を１／２に分圧する抵抗直列回路を使用して、両抵抗の接続点の電圧を比較回路１２、１３のマイナス側入力端子に供給しても良い。

［効果］
変換器３のマイナス側が地絡した場合でも、地絡を検知することが可能となる。

図５Ａは、本発明による電力変換装置の第５実施例の構成を示すブロック図である。

この第５実施例では、変換器入力回路のプラス側配線を２ターン貫通させた電流検出器ＣＴ３に、マイナス側配線をプラス側の電流を打ち消す方向に貫通させる。

入力電圧検出器４と出力電流の検出器５及び出力電圧検出器１５の出力は入力電流演算回路１０に入力され、上記第２実施例のように下記の計算式により、変換器入力電流Ｉａが概算される。

入力電流≒（出力電圧）ｘ（出力電流）ｘ１．７３２／（入力電圧）
（１．７３２倍は三相交流出力の場合であり、単相または直流の場合は１．０倍となる。）
入力電流演算回路１０は出力電圧Ｖ１０として、演算した電流値より高いが２倍以下（例えば１．５倍）に相当する電圧１．５ＶＩａを出力する。その出力電圧Ｖ１０及び電流検出器ＣＴ３の出力Ｖｃｔ３は比較回路７に接続され、その出力Ｖ７はシーケンス回路８に供給される。

図５Ｂは本実施例の動作を示すタイムチャートである。

通常動作時は、変換器３の入力電流をＩａとすると、電流検出器ＣＴ３の出力電圧Ｖｃｔ３は電流Ｉａに対応する電圧ＶＩａである。変換器３のマイナス側で地絡が発生すると、電流検出器ＣＴ３にはマイナス側の電流が流れなくなり、出力電圧Ｖｃｔ３は通常時の２倍の値２ＶＩａとなる。この結果、比較回路７の出力Ｖ７はＨレベルとなり、シーケンス回路８に装置の停止指令が入力される。

［効果］
従来ある電流検出器への配線方法を変更することにより、変換器３のマイナス側の地絡が検知可能となる。

図６Ａは、本発明による電力変換装置の第６実施例の構成を示すブロック図である。

この第６実施例では、変換器入力回路のプラス側とマイナス側の配線を、互いの電流が同一方向に流れるように電流検出器ＣＴ４に貫通させる。

変換器３の入力電圧検出器４と出力電流検出器５及び出力電圧検出器１５の検出値は入力電流演算回路１０に入力され、前述の第２実施例と同様に下記計算式により、変換器入力電流Ｉａが概算される。

入力電流≒（出力電圧）ｘ（出力電流）ｘ１．７３２／（入力電圧）
（１．７３２倍は三相交流出力の場合であり、単相または直流の場合は１．０倍となる。）
そして、入力電流演算回路１０は演算した電流Ｉａより高いが２倍より低い値（例えば１．５倍）に相当する電圧１．５ＶＩａを出力する。演算回路１０の出力Ｖ１０及び電流検出器ＣＴ４の出力Ｖｃｔ４は比較回路７に供給され、その出力Ｖ７はシーケンス回路８に供給される。

図６Ｂは本実施例の動作を示すタイムチャートである。

変換器３の入力電流をＩａとすると、通常動作時に電流検出器ＣＴ４で検出される電流値は、２Ｉａに対応する電圧値２ＶＩａである。

変換器３のマイナス側が地絡した場合、電流検出器ＣＴ４にはマイナス側の電流が流れなくなり、出力電圧は通常時に比べ１／２倍、すなわちＩａに相当する電圧ＶＩａとなる。この結果、比較回路７の出力Ｖ７はＨレベルとなり、シーケンス回路８に装置の停止指令が入力される。

［効果］
従来ある電流検出器への配線方法を変更することにより、変換器３のマイナス側の地絡が検知可能となる。

以上の説明はこの発明の実施の形態であって、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。

ＣＴ１〜ＣＴ４…電流検出器、２…リアクトル、３…電力変換器、４…電圧検出器、５…電流検出器、６…一次遅れ回路、７…比較回路、８…シーケンス回路、９…加算回路、１０…入力電流演算回路、１１…減算回路、１２…比較回路、１３…比較回路、１４…論理積回路、１５…電圧検出器。

Claims (6)

1. 直流電力が供給される電力変換器と、
   前記電力変換器のプラス側入力配線に設けられた第１電流検出器と、
   前記電力変換器のマイナス側入力配線に設けられた第２電流検出器と、
   前記第１電流検出器の検出値に１より小さい係数を乗算する乗算器と、
   前記第２電流検出器の検出値と、前記乗算器の乗算結果を比較し、前記第２電流検出器の検出値が前記乗算結果より小さい時、地絡検知信号を出力する比較器と、
   前記地絡検知信号に応じて、前記電力変換器の動作を停止する制御部と、
   を具備することを特徴とする電力変換装置。
2. 直流電力が供給される電力変換器と、
   前記電力変換器のプラス側入力配線に設けられた第１電流検出器と、
   前記電力変換器のマイナス側入力配線に設けられ、前記電力変換器の通常動作時にマイナスの電圧が発生するように前記マイナス側入力配線が貫通された第２電流検出器と、
   前記第１電流検出器の検出値と前記第２電流検出器の検出値を加算する加算器と、
   前記電力変換器の入力電圧値と出力電圧値及び出力電流値から、前記電力変換器の入力電流値を演算し、該演算値に１より小さい係数を乗算する演算回路と、
   前記加算器の加算結果と前記演算回路の演算結果を比較し、前記演算結果より前記加算結果が大きい時、地絡検知信号を出力する比較器と、
   前記地絡検知信号に応じて、前記電力変換器の動作を停止する制御部と、
   を具備することを特徴とする電力変換装置。
3. 直流電力が供給される電力変換器と、
   前記電力変換器のプラス側入力配線に設けられた第１電流検出器と、
   前記電力変換器のマイナス側入力配線に設けられた第２電流検出器と、
   前記第１電流検出器の検出値から前記第２電流検出器の検出値を減算する減算器と、
   前記電力変換器の入力電圧値と出力電圧値及び出力電流値から、前記電力変換器の入力電流値を演算し、該演算値に１より小さい係数を乗算する演算回路と、
   前記減算器の減算結果と前記演算回路の演算結果を比較し、前記演算結果より前記減算結果が大きい時、地絡検知信号を出力する比較器と、
   前記地絡検知信号に応じて、前記電力変換器の動作を停止する制御部と、
   を具備することを特徴とする電力変換装置。
4. 直流電力が供給される電力変換器と、
   前記電力変換器のプラス側入力配線に設けられた第１電流検出器と、
   前記電力変換器のマイナス側入力配線に設けられた第２電流検出器と、
   前記電力変換器の入力電圧値と出力電圧値及び出力電流値から、前記電力変換器の入力電流値を演算し、該演算値に１より小さい係数を乗算する演算回路と、
   前記第２電流検出器の電流検出結果と前記演算回路の演算結果を比較し第１比較結果を出力する第１比較回路と、
   前記第１電流検出器の電流検出結果と前記演算回路の演算結果を比較し第２比較結果を出力する第２比較回路と、
   前記第１比較結果と前記第２比較結果の論理積演算を行う論理積回路と、
   前記論理積回路の演算結果に応じて、前記電力変換器の動作を停止する制御部と、
   を具備することを特徴とする電力変換装置。
5. 直流電力が供給される電力変換器と、
   前記電力変換器のプラス側入力配線を２ターン貫通させるとともに、マイナス側入力配線をプラス側の電流を打ち消す方向に貫通させた電流検出器と、
   前記電力変換器の入力電圧値と出力電圧値及び出力電流値から、前記電力変換器の入力電流値を演算し、該演算値に１より大きい係数を乗算する演算回路と、
   前記電流検出器の検出結果と前記演算回路の演算結果を比較し、前記演算結果より前記検出結果が大きい時、地絡検知信号を出力する比較器と、
   前記地絡検知信号に応じて、前記電力変換器の動作を停止する制御部と、
   を具備することを特徴とする電力変換装置。
6. 直流電力が供給される電力変換器と、
   前記電力変換器のプラス側とマイナス側の入力配線を互いに電流が同一方向に流れるように貫通させた電流検出器と、
   前記電力変換器の入力電圧値と出力電圧値及び出力電流値から、前記電力変換器の入力電流値を演算し、該演算値に１より大きい係数を乗算する演算回路と、
   前記電流検出器の検出結果と前記演算回路の演算結果を比較し、前記演算結果より前記検出結果が小さい時、地絡検知信号を出力する比較器と、
   前記地絡検知信号に応じて、前記電力変換器の動作を停止する制御部と、
   を具備することを特徴とする電力変換装置。

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