JP2015122908A - 車両用制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】接地回路の中性点の電位の変動を抑制することができる車両用制御装置を提供することである。
【解決手段】実施形態の車両用制御装置は、コンバータ回路とインバータ回路と中間直流リンク回路と接地回路とコンデンサとを持つ。前記コンバータ回路は、架線を通じて車両に供給された交流が入力され、前記交流を直流に変換して出力する。前記インバータ回路は、前記コンバータ回路から出力された直流を所望の交流に変換して前記車両に搭載された負荷装置に供給する。前記中間直流リンク回路は、前記コンバータ回路と前記インバータ回路との間に接続され、前記コンバータ回路から出力された直流を前記インバータ回路に伝送する。前記接地回路は、前記中間直流リンク回路の高電位と低電位との間の中性点を接地する。前記コンデンサは、前記中間直流リンク回路の高電位または低電位の何れかと前記中性点との間に接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、車両用制御装置に関する。

従来、鉄道交通システムにおいて、架線から供給される交流を所望の交流に変換して電気車両の走行用モータを駆動制御する車両用制御装置があり、コンバータ回路とインバータ回路とが備えられている。通常、この種の車両用制御装置には、コンバータ回路とインバータ回路とを連結する中間直流リンク回路の正極と負極との間の中性点を接地する接地回路が設けられている。

特開２００８−３１２４０３号公報

本発明が解決しようとする課題は、接地回路の中性点の電位の変動を抑制することができる車両用制御装置を提供することである。

実施形態の車両用制御装置は、コンバータ回路と、インバータ回路と、中間直流リンク回路と、接地回路と、コンデンサとを持つ。前記コンバータ回路は、架線を通じて車両に供給された交流が入力され、前記交流を直流に変換して出力する。前記インバータ回路は、前記コンバータ回路から出力された直流を所望の交流に変換して前記車両に搭載された負荷装置に供給する。前記中間直流リンク回路は、前記コンバータ回路と前記インバータ回路との間に接続され、前記コンバータ回路から出力された直流を前記インバータ回路に伝送する。前記接地回路は、前記中間直流リンク回路の高電位と低電位との間の中性点を接地する。前記コンデンサは、前記中間直流リンク回路の高電位または低電位の何れかと前記中性点との間に接続されている。

第１の実施形態の車両用制御装置を交流鉄道車両に適用した場合の構成図。 第１の実施形態の車両用制御装置を交流鉄道車両に適用した場合の構成の詳細図。 第１の実施形態の車両用制御装置を交流鉄道車両に適用した場合の等価回路図。 第１の実施形態の車両用制御装置の動作波形図。 第２の実施形態の車両用制御装置を交流鉄道車両に適用した場合の構成図。 第２の実施形態の車両用制御装置の動作波形図。 第３の実施形態の車両用制御装置の構成上の特徴部を示す構成図。 第４の実施形態の車両用制御装置を交流鉄道車両に適用した場合の構成図。 第４の実施形態の車両用制御装置を交流鉄道車両に適用した場合の等価回路図。

以下、実施形態の車両用制御装置を、図面を参照して説明する。
実施形態の車両用制御装置は、交流鉄道車両等の電気車両に搭載される一種の電力変換装置であり、架線から供給された電力を所望の電力に変換して電気車両に搭載された走行用モータ等の負荷装置に供給する。実施形態では、車両用制御装置に備えられた後述の接地回路の中性点の電位の変動を抑制することにより、走行用モータ等の負荷装置の耐圧に関する仕様を緩和すると共に、地絡の誤検知を防止することを可能とする。ここで、「地絡」とは、車両用制御装置の電気回路と電気車両の車体電位との短絡を指す。

実施形態では、車両用制御装置に接続される負荷装置を電気車両の走行用モータとする場合について説明するが、負荷装置は、走行用モータに限らず、例えば電気車両に搭載された空調システム等、任意の装置であり得る。また、実施形態の車両用制御装置は、交流鉄道車両に限らず、任意の電気車両に適用することができる。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の車両用制御装置１０を交流鉄道車両（以下、「車両」と称す。）に適用した場合の構成図である。図１に示すように、架線１から受電するための集電装置２には、真空遮断器３を介して変圧器（主変圧器）４の１次巻線の一端が接続されている。変圧器４の１次巻線の他端は接地されている。ここで、「接地」とは、車両の車体電位と同等の電位に接続することを指す。通常、車両の車体は接地電位となっているので、この場合、「接地」は、接地電位に接続することを意味する。ただし、接地電位以外の固定電位に接続することを接地として定義してもよい。変圧器４の２次巻線には、車両用制御装置１０の入力部が接続されている。また、車両用制御装置１０の出力部には負荷装置である走行用モータ（三相交流モータ）５が接続されている。

車両用制御装置１０は、コンバータ回路１１と、中間直流リンク回路１２と、インバータ回路１３と、接地回路１４と、コンデンサ１５とを備えている。コンバータ回路１１には、架線１を通じて車両に供給された交流が変圧器４から入力される。コンバータ回路１１は、変圧器４から入力された交流を直流に変換して中間直流リンク回路１２に出力するものである。コンバータ回路１１は、例えば同期整流回路やブリッジ整流回路等、任意の整流回路であり得る。コンバータ回路１１は、正極端子と負極端子とを有し、これら正極端子と負極端子との間に直流電圧（中間直流リンク電圧）Ｖｄを発生させる。

中間直流リンク回路１２は、コンバータ回路１１の出力部（正極端子、負極端子）とインバータ回路１３の入力部との間に接続されている。第１の実施形態では、中間直流リンク回路１２は、正極線１２Ｐと負極線１２Ｎとから構成されている。正極線１２Ｐはコンバータ回路１１の正極端子に接続され、負極線１２Ｎはコンバータ回路１１の負極端子に接続されている。中間直流リンク回路１２の正極線１２Ｐと負極線１２Ｎとの間には、コンバータ回路１１から出力された直流電圧Ｖｄが印加される。中間直流リンク回路１２は、コンバータ回路１１から出力された直流電圧Ｖｄを正極線１２Ｐと負極線１２Ｎとによりインバータ回路１３に伝送する。

インバータ回路１３は、コンバータ回路１１から出力された直流電圧Ｖｄを所望の交流電圧に変換して車両に搭載された走行用モータ５に供給する。第１の実施形態では、インバータ回路１３は、直流電圧Ｖｄから三相交流電圧を発生させ、走行用モータ５の各相の巻線を励磁する。その構成の詳細については後述する。

接地回路１４は、中間直流リンク回路１２の正極線１２Ｐの正電位（高電位）と負極線１２Ｎの負電位（低電位）との間の電気的な中性点Ｍを接地するものである。これにより、接地回路１４は、中間直流リンク回路１２の正極線１２Ｐおよび負極線１２Ｎの各電位の偏りを、中性点Ｍの電位（接地電位）を基準として安定化させる。接地回路１４は、中間直流リンク回路１２の正極線１２Ｐと負極線１２Ｎとの間に直列接続された二つの抵抗１４１，１４２を有している。抵抗１４１の一端は、中間直流リンク回路１２の正極線１２Ｐに接続されている。抵抗１４１の他端は、抵抗１４２の一端に接続されている。抵抗１４２の他端は中間直流リンク回路１２の負極線１２Ｎに接続されている。接地回路１４は、抵抗１４１と抵抗１４２との間の接続点を上記中性点Ｍとして接地する。

第１の実施形態では、地絡が発生したときに抵抗１４１，１４２に過電流が流れ込まないように、抵抗１４１，１４２の各抵抗値は比較的高い値に設定されている。抵抗１４１，１４２の各抵抗値は、例えば、回路が地絡した場合に接地電流が１Ａ以下となる様に設定される。また、抵抗１４１の抵抗値と抵抗１４２の抵抗値との比は１：１に設定されている。即ち、抵抗１４１の抵抗値と抵抗１４２の抵抗値は等しい値に設定されている。この場合、上記中性点Ｍの電位は、中間直流リンク回路１２の正極線１２Ｐの正電位と負極線１２Ｎの負電位との間の中間電位になる。上記中性点Ｍは接地されているので、正極線１２Ｐの正電位と負極線１２Ｎの負電位との間の中間電位は接地電位になる。その結果、正極線１２Ｐの正電位の絶対値と負極線１２Ｎの負電位の絶対値は等しく、それらの電位の極性は相互に逆極性になる。抵抗１４１の抵抗値と抵抗１４２の抵抗値との比は、１：１に限定されるものではなく、２：１等、任意の比に設定することが可能である。例えば、抵抗１４１の抵抗値と抵抗１４２の抵抗値との比は、走行用モータ５の耐圧仕様や、抵抗１４１，１４２の電圧降下から地絡の発生を検知する場合の地絡検出方法等に合わせて設定してもよい。

中間直流リンク回路１２の負極線１２Ｎと接地回路１４の中性点Ｍとの間には、コンデンサ１５が接続されている。これにより、コンデンサ１５は抵抗１４２と並列接続される。コンデンサ１５の容量Ｃｎは、例えば、走行用モータ５の浮遊容量Ｃｓｕ，Ｃｓｖ，Ｃｓｗの各値の５倍に設定される。好ましくは、コンデンサ１５の容量Ｃｎは、走行用モータ５の浮遊容量Ｃｓｕ，Ｃｓｖ，Ｃｓｗの各値の５倍以上の容量に設定される。ただし、この例に限定されず、中性点Ｍの電位の変動を抑制することができることを限度に、コンデンサ１５の容量Ｃｎは任意に設定し得る。

図２は、第１の実施形態の車両用制御装置１０を車両に適用した場合の構成の詳細図であり、図１に示すインバータ回路１３の構成例を示す。図２に示すように、インバータ回路１３は、ＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)等のスイッチング素子ＱＰｕ，ＱＰｖ，ＱＰｗ，ＱＮｕ，ＱＮｖ，ＱＮｗを備えている。このうち、スイッチング素子ＱＰｕ，ＱＰｖ，ＱＰｗの各ドレインは、中間直流リンク回路１２の正極線１２Ｐに共通に接続されている。また、スイッチング素子ＱＮｕ，ＱＮｖ，ＱＮｗの各ソースは、中間直流リンク回路１２の負極線１２Ｎに共通に接続されている。

スイッチング素子ＱＰｕのソースはスイッチング素子ＱＮｕのドレインに接続され、これらの接続点は、車両用制御装置１０のＵ相の出力部を形成し、配線Ｈｕを通じて走行用モータ５のＵ相の巻線５ｕの一端に接続される。また、スイッチング素子ＱＰｖのソースはスイッチング素子ＱＮｖのドレインに接続され、これらの接続点は、車両用制御装置１０のＶ相の出力部を形成し、配線Ｈｖを通じて走行用モータ５のＶ相の巻線５ｖの一端に接続される。更に、スイッチング素子ＱＰｗのソースはスイッチング素子ＱＮｗのドレインに接続され、これらの接続点は、車両用制御装置１０のＷ相の出力部を形成し、配線Ｈｗを通じて走行用モータ５のＷ相の巻線５ｗの一端に接続される。スイッチング素子ＱＰｕ，ＱＰｖ，ＱＰｗ，ＱＮｕ，ＱＮｖ，ＱＮｗのそれぞれには、還流用のダイオードＤＰｕ，ＤＰｖ，ＤＰｗ，ＤＮｕ，ＤＮｖ，ＤＮｗが並列接続されている。

次に、車両用制御装置１０の動作を、接地回路１４およびコンデンサ１５に着目して説明する。
集電装置２は架線１から交流を受電する。集電装置２により受電された交流は、真空遮断器３を経て変圧器４に供給される。変圧器４は、集電装置２により受電された交流を降圧し、架線１を通じて車両に供給された交流として車両用制御装置１０に供給する。車両用制御装置１０のコンバータ回路１１は、変圧器４から供給された交流を直流電圧Ｖｄに変換して中間直流リンク回路１２を通じてインバータ回路１３に出力する。インバータ回路１３は、図示しない制御回路の制御の下、スイッチング素子ＱＰｕ，ＱＰｖ，ＱＰｗ，ＱＮｕ，ＱＮｖ，ＱＮｗのスイッチング動作により、直流電圧Ｖｄを所望の三相交流に変換して走行用モータ５に供給する。このように、車両用制御装置１０は、架線１から供給された交流を所望の交流に電力変換して走行用モータ５を駆動制御する。

上述の電力変換動作の過程で、中間直流リンク回路１２の正極線１２Ｐと負極線１２Ｎとの間に直流電圧Ｖｄが発生すると、この直流電圧Ｖｄを接地回路１４の抵抗１４１と抵抗１４２とにより分圧して得られる電圧が中性点Ｍに発生する。このとき、中性点Ｍは接地されているので、正極線１２Ｐと負極線１２Ｎとの間に直流電圧Ｖｄを維持したまま、中性点Ｍの電位を接地電位とするように正極線１２Ｐおよび負極線１２Ｎの各電位が定まる。

ここで、インバータ回路１３のスイッチング動作において、図２に示す例えばスイッチング素子ＱＰｕがオンすると、スイッチング素子ＱＰｕを通じて、走行用モータ５のＵ相の巻線５ｕの一端に接続された配線Ｈｕが中間直流リンク回路１２の正極線１２Ｐと電気的に接続される。この結果、走行用モータ５のＵ相の巻線５ｕに形成された浮遊容量Ｃｓｕが正極線１２Ｐと車両の車体（接地）との間に電気的に接続された状態となる。このときの浮遊容量Ｃｓｕとコンデンサ１５と抵抗１４１，１４２との電気的な接続関係は図３に示すものとなる。

図３は、第１の実施形態の車両用制御装置１０を車両に適用した場合の等価回路図であり、図２に示す浮遊容量Ｃｓｕ，Ｃｓｖ，Ｃｓｗのそれぞれを表す浮遊容量Ｃｓとコンデンサ１５と抵抗１４１，１４２とにより形成される回路を示す。図３に示す浮遊容量Ｃｓは、図２に示すスイッチング素子ＱＰｕがオンした状態では浮遊容量Ｃｓｕを表し、スイッチング素子ＱＰｖがオンした状態では浮遊容量Ｃｓｖを表し、スイッチング素子ＱＰｗがオンした状態では浮遊容量Ｃｓｗを表す。

スイッチング素子ＱＰｕがオンしてインバータ回路１３が走行用モータ５を駆動している状態では、図３に示すように、コンデンサ１５と浮遊容量Ｃｓ（Ｃｓｕ）は、接地回路１４の中性点Ｍを介して中間直流リンク回路１２の正極線１２Ｐと負極線１２Ｎとの間に直列接続された状態となる。具体的には、浮遊容量Ｃｓ（Ｃｓｕ）は、中間直流リンク回路１２の正極線１２Ｐと接地回路１４の中性点Ｍとの間に電気的に接続され、コンデンサ１５は、中性点Ｍを介して浮遊容量Ｃｓ（Ｃｓｕ）と直列接続された状態となる。この場合、中性点Ｍは、抵抗１４１と抵抗１４２との間の接続点であると共に、浮遊容量Ｃｓとコンデンサ１５との間の接続点となる。

ここで、前述のように、接地回路１４に備えられた抵抗１４１，１４２は比較的高い抵抗値を有しているので、説明の簡略化のため、抵抗１４１，１４２を無視する。この場合、負極線１２Ｎを基準にした中性点Ｍの電圧は、中間直流リンク回路１２の正極線１２Ｐと負極線１２Ｎとの間の直流電圧Ｖｄを、（１／Ｃｎ）／｛（１／Ｃｎ）＋（１／Ｃｓ）｝により表される比率Ｒで分圧した電圧になる。ここで、コンデンサ１５の容量Ｃｎと浮遊容量Ｃｓの何れもゼロでなければ、比率Ｒは「１」よりも小さな値になる。この場合、負極線１２Ｎを基準にした中性点Ｍの電圧は、直流電圧Ｖｄに比率Ｒを乗じた電圧になり、直流電圧Ｖｄよりも低い電圧になる。このことは、中性点Ｍを基準にしたときの中間直流リンク回路１２の正極線１２Ｐおよび負極線１２Ｎの各電圧の絶対値は、直流電圧Ｖｄよりも小さくなることを意味する。計算上、コンデンサ１５の容量Ｃｎを浮遊容量Ｃｓと等しくすれば、上記比率Ｒは「０．５」となり、負極線１２Ｎを基準にしたときの中性点Ｍの電圧は直流電圧Ｖｄの２分の１の電圧になる。

これに対し、仮にコンデンサ１５を備えていないものとした場合、即ち、コンデンサ１５の容量Ｃｎをゼロとした場合、上述の（１／Ｃｎ）／｛（１／Ｃｎ）＋（１／Ｃｓ）｝により表される比率Ｒは「１」になる。この場合、負極線１２Ｎを基準にした中性点Ｍの電圧は直流電圧Ｖｄに等しくなる。このことは、中性点Ｍを基準にしたときの中間直流リンク回路１２の負極線１２Ｎの電圧の絶対値、即ち、負極線１２Ｎの対地電圧の絶対値は、一時的に直流電圧Ｖｄと等しい電圧に達することを意味する。実際には、接地回路１４の抵抗１４１，１４２が存在するため、負極線１２Ｎの対地電圧の絶対値は直流電圧Ｖｄに達しないにしても、コンデンサ１５を備えない場合に比較すれば、コンデンサ１５を備えた場合の負極線１２Ｎの対地電圧の絶対値は低下することが理解される。

上述のように、コンデンサ１５を備えたことにより、接地回路１４の中性点Ｍの電圧は、コンデンサ１５の容量Ｃｎと浮遊容量Ｃｓとにより、中間直流リンク回路１２の正極線１２Ｐと負極線１２Ｎとの間の直流電圧Ｖｄを分圧した電圧になる。このことは、正極線１２Ｐおよび負極線１２Ｎを基準にすれば、スイッチング素子ＱＰｕがオンした際の中性点Ｍの電圧変動が抑制されることを意味する。第１の実施形態では、接地回路１４により、中間直流リンク回路１２の正極線１２Ｐと負極線１２Ｎの各電位は、中性点Ｍの電位（接地電位）を中間電位とするように安定化されるので、コンデンサ１５を備えたことにより、スイッチング素子ＱＰｕがオンした際の浮遊容量Ｃｓの影響が抑制され、接地回路１４による安定状態が維持される。
なお、上述の例では、スイッチング素子ＱＰｕがオンした場合を説明したが、スイッチング素子ＱＰｖ，ＱＰｗがオンした場合も同様に説明される。

具体例として、直流電圧Ｖｄを２８００Ｖとし、抵抗１４１の抵抗値と抵抗１４２の抵抗値とが等しいものとし、コンデンサ１５の容量Ｃｎを浮遊料量Ｃｓの５倍とした場合について、負極線１２Ｎの対地間電圧Ｕｉを検討する。この場合、上記比率Ｒは１／６である。また、国際規格ＩＥＣ６００７７−１によれば、耐電圧は、対地間電圧Ｕｉを用いて、２×Ｕｉ＋２０００Ｖにより与えられる。この場合の対地間電圧Ｕｉは振幅値ではなく、振幅値を２^１／２で除算して得られる実効値の絶対値を表している。

コンデンサ１５を備えない場合、前述のように、スイッチング素子ＱＰｕがオンすると、負極線１２Ｎを基準にした中性点Ｍの電圧は直流電圧Ｖｄと一時的に概ね等しくなる。このため、抵抗１４２には一時的に直流電圧Ｖｄに等しい電圧が印加される。これにより、負極線１２Ｎの対地間電圧Ｕｉ（振幅値）は−２８００Ｖになる。従って、この場合、国際規格ＩＥＣ６００７７−１による耐電圧は、２×Ｕｉ（実効値）＋２０００Ｖ＝２×｜−２８００Ｖ｜／２^１／２＋２０００Ｖ＝５９６０Ｖになる。

これに対し、コンデンサ１５を備えた場合、負極線１２Ｎの対地間電圧Ｕｉ（振幅値）は、抵抗１４１と抵抗１４２とにより分圧された電圧（−１４００Ｖ）と、コンデンサ１５と浮遊容量Ｃｓとにより上記比率Ｒ（＝１／６）で分圧された電圧（−２８００Ｖ／６）とが重畳された電圧、即ち−１８７０Ｖ（＝−１４００Ｖ−２８００Ｖ／６）になる。従って、この場合、国際規格ＩＥＣ６００７７−１による耐電圧は、２×Ｕｉ（実効値）＋２０００Ｖ＝２×｜−１８７０Ｖ｜／２^１／２＋２０００Ｖ＝４６４４Ｖになる。

上述の例から理解されるように、コンデンサ１５を備えない場合、車両用制御装置１０および走行用モータ５の絶縁耐圧として少なくとも５９６０Ｖの耐圧が必要となり、鉄道一般の直流１５００Ｖ架線用の絶縁クラスとして規定されている５４００Ｖを超える絶縁耐圧が必要になる。このため、浮遊容量Ｃｓの大きさによっては、車両用制御装置１０を鉄道車両に適用できない場合が起こり得る。これに対し、コンデンサ１５を備えた場合、車両用制御装置および走行用モータの絶縁耐圧は４６４４Ｖ以上であればよく、上記絶縁クラスの５４００Ｖを満足する。このため、走行用モータ５に浮遊容量Ｃｓが存在しても、コンデンサ１５を備えたことにより、車両用制御装置を鉄道車両に適用することが可能となる。

図４は、第１の実施形態の車両用制御装置１０の動作波形図である。図４（Ａ）〜（Ｄ）のそれぞれにおいて、横軸は時間を表し、縦軸は電圧値を表している。ここで、図４（Ａ）は、上述のコンデンサ１５を備えない場合の負極線１２Ｎを基準とした中性点Ｍの電圧波形である。図４（Ｂ）は、コンデンサ１５を備えない場合の車両用制御装置１０の出力部（配線Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗ）の電圧波形である。図４（Ｃ）は、コンデンサ１５を備えた場合の負極線１２Ｎを基準とした中性点Ｍの電圧波形である。図４（Ｄ）は、コンデンサ１５を備えた場合の車両用制御装置１０の出力部（配線Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗ）の電圧波形である。図４（Ａ），（Ｂ）の各動作波形から理解されるように、コンデンサ１５を備えない場合、中性点Ｍの電位の変動が大きく、車両用制御装置１０から出力される電圧のピーク値が上昇している。これに対し、図４（Ｃ），（Ｄ）の各動作波形から理解されるように、コンデンサ１５を備えた場合、図４（Ａ），（Ｂ）の動作波形に比較して、中性点Ｍの電位の変動が抑制され、また、車両用制御装置１０から出力される電圧のピーク値の上昇も抑制されている。

第１の実施形態によれば、コンデンサ１５を備えたことにより、走行用モータ５の動作に伴って、走行用モータ５の浮遊容量Ｃｓｕ，Ｃｓｖ，Ｃｓｗを通じて接地回路１４の中性点Ｍに電流が流れ込んでも、中性点Ｍの電位の変動を小さく抑えることができる。従って、走行用モータ５として高耐圧仕様のモータを用いる必要がなくなる。また、車両用制御装置１０の対地電圧の上昇を抑え、車両用制御装置１０の対地絶縁耐圧を確保することが容易になる。更に、中性点Ｍの電位が安定するので、接地回路１４に備えられた抵抗１４１，１４２の電圧降下から地絡の発生を適正に検知することも可能になる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態を説明する。
図５は、第２の実施形態の車両用制御装置２０を交流鉄道車両に適用した場合の構成図である。車両用制御装置２０は、上述の第１の実施形態の図１に示す車両用制御装置１０の構成において、電圧検出部２１と、制御部２２とを更に備えている。その他の車両用制御装置２０の構成は、第１実施形態と同様である。

電圧検出部２１は、接地回路１４の中性点Ｍの電圧を検出するものである。電圧検出部２１は、中間直流リンク回路１２の負極線１２Ｎを基準とした中性点Ｍの電圧、即ち、抵抗１４２の電圧降下を検出する。制御部２２は、電圧検出部２１により検出された電圧に基づき地絡の発生の有無を判定するものである。制御部２２は、地絡が発生した場合、コンバータ回路１１に入力される交流を遮断する。例えば、制御部２２は、真空遮断器３を制御することにより、コンバータ回路１１に入力される交流を遮断する。ただし、この例に限定されず、コンバータ回路１１に入力される交流を遮断する手法は任意である。

次に、車両用制御装置２０の動作を説明する。
コンバータ回路１１、中間直流リンク回路１２、インバータ回路１３、接地回路１４、コンデンサ１５の各動作については、上述した第１の実施形態と同様である。ここでは、電圧検出部２１および制御部２２に着目して車両用制御装置２０の動作を説明する。

電圧検出部２１は、接地回路１４の中性点Ｍの電圧を逐次検出して制御部２２に出力する。制御部２２は、電圧検出部２１から出力される中性点Ｍの電圧から正極線１２Ｐまたは負極線１２Ｎの地絡の発生を検知する。例えば接地回路１４の抵抗１４１の抵抗値と抵抗１４２の抵抗値との比（分圧比）が１：１である場合、制御部２２は、中性点Ｍの電圧が直流電圧Ｖｄに概ね等しければ、正極線１２Ｐの地絡の発生を検知する。また、制御部２２は、中性点Ｍの電圧が概ねゼロＶであれば、負極線１２Ｎの地絡の発生を検知する。

また、制御部２２は、次に説明するように、電圧検出部２１により検出された中性点Ｍの電圧波形から地絡が発生したか否かを判定することも可能である。ここで、中性点Ｍの電圧波形の特徴は地絡が発生した部位に応じて異なるため、制御部２２は、この中性点Ｍの電圧波形の特徴から地絡の発生を検知することが可能である。

図６は、第２の実施形態の車両用制御装置２０の動作波形図であり、中性点Ｍの電圧波形の一例を示す図である。図６（Ａ）〜（Ｃ）のそれぞれにおいて、横軸は時間を表し、縦軸は電圧値を表している。ここで、図６（Ａ）は、中間直流リンク回路１２の正極線１２Ｐで地絡が発生した場合の電圧波形であり、コンバータ回路１１およびインバータ回路１３がスイッチング動作を開始した後の波形である。図６（Ｂ）は、中間直流リンク回路１２の負極線１２Ｎで地絡が発生した場合の電圧波形であり、コンバータ回路１１およびインバータ回路１３がスイッチング動作を開始した後の波形である。

図６（Ｃ）は、中間直流リンク回路１２の正極線１２Ｐで地絡が発生した場合の電圧波形であり、コンバータ回路１１およびインバータ回路１３がスイッチング動作を開始する前の波形である。図６（Ｄ）は、中間直流リンク回路１２の負極線１２Ｎで地絡が発生した場合の電圧波形であり、コンバータ回路１１およびインバータ回路１３がスイッチング動作を開始する前の波形である。

図６（Ｅ）は、車両用制御装置１０の出力部の地絡、即ち走行用モータ５の巻線に接続された配線（例えば、配線Ｈｕ）で地絡が発生した場合の電圧波形である。図６（Ｆ）は、車両量制御装置１０の入力部での地絡、即ち変圧器４の２次巻線の端子で地絡が発生した場合の波形であり、コンバータ回路１１およびインバータ回路１３がスイッチング動作を開始した後の波形である。

図６（Ｇ）は、車両量制御装置１０の入力部での地絡、即ち変圧器４の２次巻線の端子で地絡が発生した場合の波形であり、コンバータ回路１１およびインバータ回路１３がスイッチング動作を開始する前の波形である。
なお、図６の例では、コンバータ回路１１から出力される直流電圧Ｖｄを「２８００Ｖ」としている。即ち、中性点Ｍの接地電位を基準とした正極線１２Ｐの電圧を「＋１４００Ｖ」とし、中性点Ｍの接地電位を基準とした負極線１２Ｎの電圧を「−１４００Ｖ」としている。

図５において、中間直流リンク回路１２の正極線１２Ｐで地絡が発生した場合、接地回路１４の抵抗１４１の両端が電気的に短絡され、抵抗１４２に直流電圧Ｖｄの大部分が印加される。このため、図６（Ａ），（Ｃ）の例に示すように、スイッチング動作の有無によらず、中性点Ｍの電圧は、概ね１８００Ｖ以上の値になる。また、中間直流リンク回路１２の負極線１２Ｎの地絡が発生した場合、接地回路１４の抵抗１４２の両端が短絡され、抵抗１４１に直流電圧Ｖｄの大部分が印加される。このため、図６（Ｂ），（Ｄ）の例に示すように、スイッチング動作の有無によらず、中性点Ｍの電圧は概ねゼロＶになる。

車両用制御装置１０の出力側で地絡が発生した場合、スイッチング素子ＱＰｕ，ＱＰｖ，ＱＰｗのスイッチング動作に伴い、スイッチング素子ＱＰｕ，ＱＰｖ，ＱＰｗの何れかにより抵抗１４１の両端が断続的に短絡される。この場合、正極線１２Ｐで地絡が断続的に発生した状況に等しくなる。このため、図６（Ｅ）に示すように、負極線１２Ｎを基準とした中性点Ｍの電圧は、概ねゼロＶから概ね１８００Ｖ付近までの間で繰り返し変動する。

また、車両量制御装置１０の入力側で地絡が発生した場合、コンバータ回路１１の出力が、接地電位を基準とした電圧波形として中性点Ｍに出現する。この場合、コンバータ回路１１およびインバータ回路１３のスイッチング動作により、図６（Ｆ）に示すように、スイッチング動作の周期に応じた繰り返し波形が中性点Ｍに発生する。また、車両量制御装置１０の入力側で地絡が発生した場合、コンバータ回路１１およびインバータ回路１３がスイッチング動作していなければ、図６（Ｇ）に示すように、変圧器４からコンバータ回路１１を経由して出力される交流の繰り返し波形が中性点Ｍに出現する。

上述のように、地絡の発生部位に応じて中性点Ｍの電圧波形の特徴が異なる。このような電圧波形の特徴は、次の３つの電圧波形パターンに分類される。
・電圧波形パターン１
１８００Ｖ以上の電圧を維持する波形パターン（図６（Ａ），（Ｃ））
・電圧波形パターン２
１０００Ｖ以下の電圧を維持する波形パターン（図６（Ｂ），（Ｄ））
・電圧波形パターン３
１０００Ｖ以下の電圧と１８００Ｖ以上の電圧とを交互に繰り返す波形パターン（図６（Ｅ），（Ｆ））
ただし、図６（Ａ）〜（Ｇ）に例示される電圧波形の特徴の分類方法は、上述の例に限定されない。

制御部２２は、中性点Ｍの電圧波形が上述の電圧波形パターン１〜３の何れに属するかを判定することにより地絡の発生を検知すると共に、地絡の発生部位を特定することができる。
なお、前述の図４（Ａ）に例示する電圧波形は、上述の電圧波形パターン３に属し、これから、地絡の発生部位が、車両用制御装置の入力側または出力側であることを特定することができる。コンデンサ１５を備えた場合、浮遊容量Ｃｓによる中性点Ｍの電位の変動が抑制された状態での電圧波形を得ることができる。

上述したように、第２の実施形態によれば、コンデンサ１５を備えたことにより、中性点Ｍの電圧に与える浮遊容量Ｃｓ（Ｃｓｕ，Ｃｓｖ，Ｃｓｗ）の影響を抑制することができ、浮遊容量Ｃｓによる中性点の電位の変動を抑制することができる。このため、電圧検出部２１の検出結果には浮遊容量Ｃｓの影響がほとんど含まれず、電圧検出部２１は、地絡に起因した中性点Ｍの電圧変動を精度よく検出することができる。従って、中性点Ｍの電圧から地絡の発生を精度よく検知することができ、地絡の誤検知を抑制する効果が得られる。しかも、浮遊容量Ｃｓの影響を考慮する必要がないので、地絡の発生の有無の判定基準となる閾値の設定が容易になる。
なお、車両用制御装置１０は、例えば、電力変換装置、駆動装置、電源装置等として表現することも可能である。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態を説明する。
図７は、第３の実施形態の車両用制御装置３０の構成図である。車両用制御装置３０は、前述の第１の実施形態の車両用制御装置１０の構成において、コンデンサ１５に代えて、コンデンサ３５を備えている。コンデンサ１５の定格電圧は、変圧器４からコンバータ回路１１に入力される交流の実効電圧に２^１／２（２の平方根）を乗じて得られる値、即ち、コンバータ回路１１に入力される交流の振幅値に相当する電圧に設定されている。ただし、浮遊容量Ｃｓによる中性点Ｍの電位の変動を抑制することができことを限度に、コンデンサ３５の定格電圧を、コンバータ回路１１に入力される交流の実効電圧に２^１／２を乗じて得られる値以上に設定してもよい。

図７の例では、説明の便宜上、コンバータ回路１１は、ダイオード１１１，１１２，１１３，１１４を備えたフルブリッジ整流回路として構成されている。ただし、前述したように、コンバータ回路１１の回路形式は任意である。図７の例では、図１のインバータ回路１３は省略されているが、コンデンサ３５の定格電圧を除けば、車両用制御装置３０は、第１の実施形態の車両用制御装置１０と同様に構成される。
なお、第２の実施形態の車両用制御装置２０の構成において、コンデンサ１５に代えてコンデンサ３５を備えたものとして車両用制御装置３０を構成してもよい。

車両用制御装置３０の動作を、コンデンサ３５に着目して説明する。
変圧器４の２次側とコンバータ１１の入力部との間で地絡が発生し、変圧器４の２次巻線の一端と接地との間に地絡経路Ｂが形成されると、図７に示すように、変圧器４の２次巻線の出力電流が地絡電流Ｉｂとなって地絡経路Ｂを経由し、車両の車体（接地）を通じてコンデンサ３５に流れ込む。このとき、抵抗１４２の抵抗値は高い値に設定されているので、地絡電流Ｉｂの大部分は、コンデンサ３５に変位電流となって流れ込む。そして、そして、地絡電流Ｉｂは、コンデンサ３５からコンバータ回路１１を構成するダイオード１１４を通じて変圧器４の２次巻線の他端に流れ込む。

このように地絡電流Ｉｂが発生すると、コンデンサ３５には、変圧器４の２次巻線から出力される電圧がそのまま印加される。この場合、コンデンサ３５に印加される最大電圧は、変圧器４の２次巻線から出力される交流電圧の最大実効値に２^１／２を乗じた電圧になる。しかしながら、第３の実施形態では、コンデンサ３５の定格電圧は、変圧器４からコンバータ回路１１に出力される交流の実効電圧に２^１／２を乗じて得られる値に設定されている。このため、変圧器４の２次側で地絡が発生しても、この地絡によりコンデンサ３５に印加される電圧がコンデンサ３５の定格電圧を超えることはない。
従って、第３の実施形態によれば、車両用制御装置３０の入力側で地絡が発生した場合に、変圧器４から出力される交流によるコンデンサ３５のダメージを防止することができる。第３の実施形態のその他の効果は、第１の実施形態と同様である。

（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態を説明する。
図８は、第４の実施形態の車両用制御装置４０を交流鉄道車両に適用した場合の構成図である。第４の実施形態よる車両用制御装置４０は、第１の実施形態の図１に示す車両用制御装置１０の構成において、コンデンサ１５に代えて、正極線１２Ｐと中性点Ｍとの間に接続されたコンデンサ４５を備えている。コンデンサ４５は接地回路１４の抵抗１４１と並列接続されている。コンデンサ４５の容量Ｃｐは、例えば浮遊容量Ｃｓ（Ｃｓｕ，Ｃｓｖ，Ｃｓｗ）の各値の５倍の容量であるが、この例に限定されない。その他の構成は、第１の実施形態と同様である。

車両用制御装置４０の動作を、コンデンサ４５に着目して説明する。
前述の第１の実施形態では、インバータ回路１３のスイッチング素子ＱＰｕ，ＱＰｖ，ＱＰｗの何れかがオンしたときの中性点Ｍの電位変動を抑制したが、第２の実施形態では、インバータ回路１３のスイッチング素子ＱＮｕ，ＱＮｖ，ＱＮｗがオンしたときの浮遊容量Ｃｓｕ，Ｃｓｖ，Ｃｓｗによる中性点Ｍの電位変動を抑制する。

図９は、第４の実施形態の車両用制御装置４０を車両に適用した場合の等価回路図であり、図８に示す浮遊容量Ｃｓｕ，Ｃｓｖ，Ｃｓｗのそれぞれを表す浮遊容量Ｃｓとコンデンサ４５と抵抗１４１，１４２とにより形成される電気回路を示す。第４実施形態では、図９に示す浮遊容量Ｃｓは、図８に示すスイッチング素子ＱＮｕがオンした状態では浮遊容量Ｃｓｕを表し、スイッチング素子ＱＮｖがオンした状態では浮遊容量Ｃｓｖを表し、スイッチング素子ＱＮｗがオンした状態では浮遊容量Ｃｓｗを表す。

図８において、例えばスイッチング素子ＱＮｕがオンしてインバータ回路１３が走行用モータ５を駆動している状態では、図９に示すように、コンデンサ４５と浮遊容量Ｃｓ（Ｃｓｕ）は、接地回路１４の中性点Ｍを介して中間直流リンク回路１２の正極線１２Ｐと負極線１２Ｎとの間に直列接続された状態となる。具体的には、浮遊容量Ｃｓ（Ｃｓｕ）は、中間直流リンク回路１２の負極線１２Ｎと接地回路１４の中性点Ｍとの間に電気的に接続され、コンデンサ４５は、中性点Ｍを介して浮遊容量Ｃｓ（Ｃｓｕ）と直列接続された状態となる。この場合、中性点Ｍは、抵抗１４１と抵抗１４２との間の接続点であると共に、浮遊容量Ｃｓとコンデンサ４５との間の接続点となる。

第４の実施形態でも、第１の実施形態と同様に抵抗１４１，１４２を無視すれば、負極線１２Ｎを基準にした中性点Ｍの電圧は、中間直流リンク回路１２の正極線１２Ｐと負極線１２Ｎとの間の直流電圧Ｖｄを、（１／Ｃｓ）／｛（１／Ｃｐ）＋（１／Ｃｓ）｝により表される比率ＲＢで分圧した電圧になる。ここで、コンデンサ４５の容量Ｃｐおよび浮遊容量Ｃｓの何れもゼロでなければ、比率ＲＢは「１」よりも小さな値になる。この場合、負極線１２Ｎを基準にした中性点Ｍの電圧は、直流電圧Ｖｄに比率ＲＢを乗じた電圧になり、直流電圧Ｖｄよりも低い電圧になる。このため、第１の実施形態と同様に、浮遊容量Ｃｓｕ，Ｃｓｖ，Ｃｓｗの影響が抑制され、中性点Ｍの電位の変動を抑制することができる。その他は、第１の実施形態と同様である。

従って、第４の実施形態によれば、インバータ回路１３のスイッチング素子ＱＮｕ，ＱＮｖ，ＱＮｗがオンしたとき中性点Ｍの電位の変動を抑制することができる。その他、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

前述した第１の実施形態と第４の実施形態とを組み合わせてもよい。即ち、例えば図８に示す第４の実施形態の車両用制御装置４０の構成において、図１に示す第１の実施形態のコンデンサ１５を更に備えてもよい。この場合、インバータ回路１３のスイッチング素子ＱＰｕ，ＱＰｖ，ＱＰｗがオンしたときに浮遊容量Ｃｓｕ，Ｃｓｖ，Ｃｓｗが中性点Ｍの電位に与える影響と、スイッチング素子ＱＮｕ，ＱＮｖ，ＱＮｗがオンしたときに浮遊容量Ｃｓｕ，Ｃｓｖ，Ｃｓｗが中性点Ｍの電位に与える影響の双方を考慮して、中性点Ｍの電位変動が抑制されるように、コンデンサ１５およびコンデンサ４５の各容量を定めればよい。

前述した第１の実施形態と第４の実施形態との組み合わせによれば、インバータ回路１３のスイッチング素子ＱＰｕ，ＱＰｖ，ＱＰｗがオンしたときの中性点Ｍの電位の変動と、スイッチング素子ＱＮｕ，ＱＮｖ，ＱＮｗがオンしたとき中性点Ｍの電位の変動の両方を抑制することができる。

以上述べた少なくともひとつの実施形態の車両用制御装置によれば、接地回路１４の中性点Ｍと中間直流リンク回路１２の正極線１２Ｐまたは負極線１２Ｎとの間にコンデンサを持つことにより、接地回路の中性点の電位の変動を抑制することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０，２０，３０，４０…車両用制御装置
１１…コンバータ回路
１２…中間直流リンク回路
１２Ｐ…正極線
１２Ｎ…負極線
１３…インバータ回路
１４…接地回路
１５，３５，４５…コンデンサ
２１…電圧検出部
２２…制御部
１４１，１４２…抵抗

Claims (6)

1. 架線を通じて車両に供給された交流が入力され、前記交流を直流に変換して出力するコンバータ回路と、
   前記コンバータ回路から出力された直流を所望の交流に変換して前記車両に搭載された負荷装置に供給するインバータ回路と、
   前記コンバータ回路と前記インバータ回路との間に接続され、前記コンバータ回路から出力された直流を前記インバータ回路に伝送する中間直流リンク回路と、
   前記中間直流リンク回路の高電位と低電位との間の中性点を接地する接地回路と、
   前記中間直流リンク回路の高電位または低電位の何れかと前記中性点との間に接続されたコンデンサと、
   を備えた車両用制御装置。
2. 前記中性点の電圧を検出する電圧検出部と、
   前記電圧検出部により検出された電圧に基づき地絡の発生の有無を判定し、地絡が発生した場合、前記コンバータ回路に入力される交流を遮断する制御部と、
   を更に備えた、請求項１に記載の車両用制御装置。
3. 前記コンデンサの定格電圧は、
   前記コンバータ回路に入力される交流の実効値に２の平方根を乗じて得られる値以上である、請求項１または２に記載の車両用制御装置。
4. 前記コンデンサは、
   前記インバータ回路が前記負荷装置を駆動している状態で前記負荷装置の浮遊容量と電気的に直列接続される、請求項１から３の何れか１項に記載の車両用制御装置。
5. 前記コンデンサの容量は、
   前記浮遊容量の５倍以上に設定された、請求項４に記載の車両用制御装置。
6. 前記接地回路は、
   前記中間直流リンク回路の高電位と低電位との間に直列接続された二つの抵抗を有し、前記二つの抵抗間の接続点を前記中性点として接地する、請求項１から５の何れか１項に記載の車両用制御装置。