JP2519715B2

JP2519715B2 - 車両用インバ−タ装置

Info

Publication number: JP2519715B2
Application number: JP62078602A
Authority: JP
Inventors: 克範長沼
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1987-03-31
Filing date: 1987-03-31
Publication date: 1996-07-31
Anticipated expiration: 2011-07-31
Also published as: JPS63245274A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明は保護方式の改良を図った車両用インバータ装
置に関するものである。

（従来の技術）パワエレクトロニクスの発展に伴い、スイッチ素子と
してGTOサイリスタを用いたインバータ装置が広く使用
されるようになった。GTOサイリスタは、ゲート信号の
みで電流を遮断できるが、素子によって定まる電流値以
上の電流を遮断しようとすると、GTOサイリスタを破壊
してしまう。これを防ぐため、通常、電流検出器を設け
GTOサイリスタに許容値以上の電流が流れた時にはオフ
ゲート信号を阻止し、入力側に設置された高速度遮断器
を開く保護システムが設けられている。

ところが、インバータ装置の運転中にGTOサイリスタ
のオフゲート信号を阻止すると、変圧器を介して直流入
力電源を短絡する回路が形成されてしまい、高速度遮断
器は短絡電流を遮断しなければならない。大電流を遮断
するための高速度遮断器は外形が大きく、重量も大き
い。このため、システムによっては直流入力側の保護を
遮断容量の小さい断流器とヒューズによって行う場合が
ある。

しかし、この場合はGTOサイリスタの過電流を検知し
てGTOサイリスタのオフゲート信号を阻止すると、断流
器は開けないため、短絡電流により必ずヒューズを溶断
することになる。車両用インバータ装置でこのようなサ
イリスタの過電流が発生する原因としては、GTOサイリ
スタの破壊、GTOサイリスタのゲートに供給する信号の
乱れの他、車両の集電装置の架線に対する離線／再着線
によってフィルタコンデンサ圧が急上昇して生ずるトラ
ンスの飽和に起因する場合がある。

特に集電装置が架線に離線／再着線することにより生
じるGTOサイリスタの過電流は、車両にとって常に起り
得る現象である。

ところで、車両用インバータ装置は直流入力側にフィ
ルタコンデンサが設置されており、これに対する充電電
流を制限するための充電抵抗が設けられる。また、コン
デンサの充電が終了した後に、この充電抵抗を短絡する
ための充電スイッチが必要であるが、この充電スイッチ
をGTOサイリスタで構成すると、ブリッジのGTOサイリス
タの過電流発生時には、充電スイッチのGTOサイリスタ
をオフすることにより、直流電流側から、大電流が流れ
込む前に、入力を遮断することが出来る。

第４図はこのようにして構成されたインバータ装置の
主回路構成例を示す。第４図において、１は集電装置、
２はヒューズ、３は断流器、４は直流リアクトル、５は
充電抵抗、６は充電スイッチであるGTOサイリスタ、７
はフィルタコンデンサ、８は分流回路であり、限流抵抗
器9,空芯リアクトル10,スイッチとしてのサイリスタ11
の直列回路より構成してある。12はGTOサイリスタ13,1
4,ダイオード15により構成されるインバータの三相ブリ
ッジ回路であり、集電装置１で集電された直流電力はヒ
ューズ２、断流器３、直流リアクトル４、GTOサイリス
タ６を通ってインバータの三相ブリッジ回路12に送られ
る。フィルタコンデンサ７はこの三相ブリッジ回路12に
並列に接続され、三相ブリッジ回路12の入力電圧変動を
抑え、安定化させる。三相ブリッジ回路12はGTOサイリ
スタ，ダイオードによりブリッジ接続して構成され、前
記印加される直流電源を三相交流に変換し、変圧器16に
与える。車両はこの変圧器16からの交流変圧出力を車内
の交流機器の電源に利用する。

ところで、この三相ブリッジ回路12のGTOサイリスタ
に過電流が発生した場合、充電スイッチであるGTOサイ
リスタ６をオフすることによって直流入力側からの短絡
電流の流入を防止する。この時、GTOサイリスタ６の前
段、正負極に接続された分流回路８のサイリスタ11を点
弧することによって直流リアクトル４のエネルギをここ
に流し、消費する必要があるが、この時の流れる電流値
は限流抵抗器９によって制限されることになるので、ヒ
ューズ２を溶断させることなく、断流器３で遮断するこ
とが出来る。

（発明が解決しようとする問題点）ところが、車両用インバータ装置は車両の補助電源装
置としての役割を担っているので、保護動作、例えば、
前述のようなGTOサイリスタ過電流でインバータ装置を
止めた場合でも，ある一定時間後に再起動を試みるシー
ケンスを要求されるケースも多い。

この再起動の試みで起動できれば、そのまま運転を続
ける。また、起動できなければ重大故障扱いとして、シ
ーケンスをロックアウトし、手動でリセットするまで停
止し続ける形をとる。

しかし、第４図のインバータ装置において、１回目の
GTO過電流による保護動作時に、ブリッジ回路12のGTOサ
イリスタのうち、１アーム分（例えば、GTOサイリスタ1
2,13）が短絡故障を起している状態で、再起動したとす
ると、GTOサイリスタ６→13→14のループで短絡電流が
流れ、このとき、もしGTOサイリスタ６のゲートにオフ
信号を与えると、GTOサイリスタ６は破壊する。また、G
TOサイリスタ６を点弧させたままにしておくと、今度は
ヒューズ２が溶断することになり、いずれにせよ、事故
の拡大を招くことになる。

更に、フィルタコンデンサ７の電圧を、直流変圧器で
レベル変換し、制御に使用するシステムでは、フィルタ
コンデンサ７の電圧低下時には全てのGTOサイリスタを
オフし、フィルタコンデンサの電圧がインバータ装置を
動かすのに十分な電圧になるまでGTOサイリスタのスイ
ッチングを行わない低電圧検知保護機能をつけることが
多いが、第４図の如き回路構成で低電圧検知保護機能を
持たせると、前述のようにブリッジ回路の１アーム分の
GTOサイリスタが短絡故障を起している状態で接触器３
が投入された場合、充電抵抗器５の抵抗値で制限される
電流が常時流れ続けることになる。充電抵抗器５は連続
定格では設計していないため、このような事態が生じる
と、充電抵抗器５は焼損に至る。

そこでこの発明の目的とするところは、充電抵抗器を
短絡する充電スイッチとして、GTOサイリスタを用いた
インバータにおいて、ブリッジのGTOサイリスタがアー
ム短絡故障を生じた状態で、接触器が投入されても事故
を拡大することなく、インバータを停止させることが出
来るようにして保護を図った車両用インバータ装置を提
供することにある。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段）上記目的を達成するため本発明は次のように構成す
る。すなわち、入力段にフィルタコンデンサを有するイ
ンバータ回路に補助電極を有する断流器を介して直流電
源を入力し、交流出力に変換するとともにインバータ回
路の直流電源入力側には前記フィルタコンデンサの充電
用抵抗とこの充電用抵抗を短絡する充電スイッチを設け
たインバータ装置において、第１図に示すようにフィル
タコンデンサ電圧51を得る電圧検出手段52と、この電圧
検出手段出力を基準電圧とを比較して前記フィルタコン
デンサ電圧の正常レベル到達を検出する比較器と、直流
入力側に設けられた前記断流器の補助接点信号54を所定
の遅延時間を以て得るオンディレイ要素55と、前記比較
器出力信号をこのオンディレイ要素55を介して得た信号
により保持することによりフィルタコンデンサ到達電圧
情報を保持するラッチ回路57と、このラッチ回路57情報
が所定フィルタコンデンサ電圧未到達のとき前記断流器
の開放を行う断流器開放制御手段60と、前記ラッチ回路
出力が所定フィルタコンデンサ電圧未到達のとき前記充
電スイッチの閉路を阻止する充電スイッチ制御手段61と
より構成する。

（作用）このような構成において、インバータ装置の直流入力
側の断流器が投入されると、断流器の補助接点54が閉じ
るとともに、フィルタコンデンサの充電が始まる。フィ
ルタコンデンサの電圧51は電圧検出手段52により低電圧
の制御電源レベルに変換されて検出され、比較器53に供
給される。一方、断流器の補助接点54を信号は、オンデ
ィレイ要素55を通って、フィルタコンデンサの充電が完
了すべき時刻にラッチ回路57にホールド信号を伝達す
る。このとき比較器53によって「フィルタコンデンサ電
圧なし」と判断された場合、この信号はラッチ回路57で
ホールドされる。これはアーム短絡が発生していること
を示すものであり、断流器開放制御手段60に信号を送っ
て速やかに、断流器を開放すると同時に、充電スイッチ
のGTOサイリスタの点弧を制限する充電スイッチ制御手
段61に信号を送って充電スイッチのGTOサイリスタが点
弧するのを阻止する。

この結果、フィルタコンデンサの充電抵抗器を短絡す
る充電スイッチに、GTOサイリスタを用いたインバータ
において、インバータを構成するブリッジのGTOサイリ
スタがアーム短絡故障を生じた状態で、接触器を投入し
ても直ちに異常を検出して直流電源入力の遮断を行うの
で、事故を拡大することなく、インバータを停止させる
ことが出来るようになり、確実に保護を図ることが出来
るようにした車両用インバータ装置を提供することが出
来る。

（実施例）以下、本発明の一実施例を第２図，第３図を参照して
説明する。第２図は本装置の構成例を示す回路図であ
り、アーム短絡検知機能を持たせたインバータ装置であ
る。第２図において、直流入力電源側は集電装置1,ヒュ
ーズ２、断流器３、直流リアクトル４が直列に接続さ
れ、直流リアクトル４より限流抵抗器９、空芯リアクト
ル10、サイリスタ11からなる分流回路８、およびフィル
タコンデンサ７の充電抵抗器５が接続される。充電抵抗
器５には並列に充電スイッチのGTOサイリスタ６が接続
される。充電抵抗器５の他方は変流器18を介してフィル
タコンデンサ７に接続される。フィルタコンデンサ７に
はGTOサイリスタ14とこれに逆並列に接続されたダイオ
ード15とからなる三相ブリッジ回路12及び直流変圧器17
が並列に接続される。三相ブリッジ回路12の交換出力側
は、変圧器16に接続される。変圧器16の一時側は変流器
19,20を貫通する分流回路８、フィルコンデンサ７、三
相ブリッジ回路12は負極側は一括して電源の負極側に接
続される。

一方、制御電源22の正極は断流器３の補助接点21に接
続され、補助接点21の他方の端子は、アーム短絡検知回
路24のフォトカプラ26に接続される。フォトカプラ26の
出力は、オンディレイ回路27を経てラッチ回路28のホー
ルド信号端子に接続される。また、直流電圧器７の出力
はアーム短絡検知回路24の構成要素の一つである比較器
25に接続され、比較器25の出力はラッチ回路28の入力端
子に接続される。ラッチ回路28の出力は断流器開放シー
ケンス回路29にて接点信号に変換され、断流器３の励磁
コイル23に対する操作信号となる。断流器３の励磁コイ
ル23は断流器３を開放操作するための操作コイルであ
り、この励磁コイル23は制御電源22とこの接点信号の間
に挿入される。ラッチ回路28の出力は充電スイッチのGT
Oサイリスタゲート論理回路30に入り、充電スイッチのG
TOサイリスタゲート論理回路28の出力はGTOサイリスタ
６にゲート信号を供給する。

このような構成において、正常起動の場合、断流器３
が投入されると、集電装置１から受電された直流入力は
ヒューズ2,断流器3,直流リアクトル4,充電抵抗器５を経
てフィルタコンデンサ７を充電する。フィルタコンデン
サ７の電圧は直流変圧器17ので制御電源レベルに変換さ
れ、アーム短絡検知回路24の比較器25に入力される。フ
ィルタコンデンサ充電の時定数τは、充電抵抗器５の抵
抗値をＲ［Ω］，フィルタコンデサ７の容量をＣ［Ｆ］
とすると、 τ＝RC ［sec］であるから、断流器３の投入から３τ［sec］経過した
時点ではフィルタコンデンサの電圧は最終値の95％に達
し、充電はほぼ終わったと見て良い。

アーム短絡検知回路24におけるオンディレイ要素27の
入力は断流器３の補助接点21の信号がフォトカプラ26を
経て伝送されるが、オンディレイ要素を３τ秒にセット
すると、フィルタコンデンサ７の充電がほぼ終わった時
点でラッチ回路28にホールド信号が入力される。

正常な起動では、この時刻では比較器25の出力は「フ
ィルタコンデンサ電圧あり」のレベルとなり、この信号
がラッチ回路28にラッチされる。このラッチされた信号
は、断流器開放シーケンス回路29及び充電スイッチ用GT
Oサイリスタ論理回路30に対して作用せず、従って、予
め定められた時素で充電スイッチ用GTOサイリスタ６に
オンゲート信号が与えられるとともに、三相ブリッジ回
路12のGTOサイリスタのスイッチングが始まり、変圧器1
6の一次側に三相交流出力が供給される。

インバータ運転中に、三相ブリッジ回路12のGTOサイ
リスタに過電流が発生した場合は、変流器18,19,20によ
って検出し、架線から短絡電流が流れ込まれないうちに
GTOサイリスタ６をオフするとともに、直流リアクトル
４のエネルギを消費するために、分流回路８のサイリス
タ11を点弧する。また、このとき、断流器３をオフす
る。

次に、三相ブリッジ回路12のGTOサイリスタのうち、
１アーム分（例えば、GTOサイリスタ13,14）が短絡故障
を生じた状態で断流器３が投入された場合を考える。

この場合、断流器３が投入されると、集電装置１から
受電した直流入力はヒューズ２、断流器３、直流リアク
トル４、充電抵抗器５、GTOサイリスタ13、直流リアク
トル４、充電抵抗器５、GTOサイリスタ13、GTOサイリス
タ14のループで流れる。そして、GTOサイリスタ13、GTO
サイリスタ14の短絡のため、フィルタコンデンサ７は充
電することが出来ない。従って、直流電圧器17の出力は
立ち上らず、比較器25の出力は「フィルタコンデンサ電
圧なし」のレベルのままである。断流器３が投入されて
から３τ秒後にオンディレイ回路27よりラッチ回路28に
ホールド信号が入力されると、ラッチ回路28は「フィル
タコンデンサ電圧なし」のレベルを読み込み、断流器開
放シーケンス回路29および充電スイッチのGTOサイリス
タゲート論理回路30にこの信号を取り込む。

ラッチ回路28の信号を受けて充電スイッチのGTOサイ
リスタゲート論理回路30では充電スイッチのGTOサイリ
スタ６のゲートにオン信号が送られるのを阻止し、充電
スイッチのGTOサイリスタ６をオフ状態に保つ。

一方、ラッチ回路28の信号を受けた断流器開放シーケ
ンス回路29は、断流器３を速やかに開放し、直流入力を
遮断する。

このように本装置によれば、アーム短絡事故が発生し
ている時、断流器が投入されても、充電スイッチのGTO
サイリスタを点弧する前に、フィルタコンデンサ電圧を
立ち上らないことでアームの短絡を検知し、充電スイッ
チのGTOサイリスタの点弧を阻止するとともに、断流器
を開放するため、充電スイッチのGTOサイリスタ、断流
器、ヒューズに過電流を流すことなく保護することが出
来る。また、このとき、断流器が遮断する電流は直流入
力電源の電圧をＥ［Ｖ］とし、充電抵抗器充電抵抗器の
抵抗値をＲ［Ω］とすると、E/R［Ａ］であり、入力電
圧600V,105KVAインバータ装置では、Ｒの値は15Ω程度
であるから、遮断電流は40A程度に過ぎない。また、ア
ーム短絡を検知して断流器を開くことにより、充電抵抗
器に前述のE/Rの電流が流れ続けて充電抵抗器が焼損す
るのを防止できる。

第３図は本発明の他の実施例を示すもので、第２図の
断流器３を高速度遮断器32に、充電スイッチのGTOサイ
リスタ６をサイリスタ33に、また、充電スイッチ用GTO
サイリスタ論理回路を30を充電スイッチ用サイリスタ論
理回路34にそれぞれ置換え、そして分流回路８を除いた
ものである。

このような構成のインバータ装置は、充電スイッチの
サイリスタ33は自己消弧能力を持たず、自然消弧による
ものである。従って、インバータ装置の運転中に三相ブ
リッジ回路12のGTOサイリスタに過電流が発生した場
合、GTOサイリスタのオフゲートを阻止すると、直流入
力側短絡電流が流れ込むが、この電流は高速度遮断器32
の作用で遮断する。しかし、アーム短絡の発生した状態
で高速遮断器32が投入された場合は、上述した実施例と
全く同様な動作で充電スイッチのサイリスタ33を点弧す
る前に高速度遮断器32を開くことによって、過電流を流
す前に回路を電源から切り離すことが出来る。また、充
電スイッチのサイリスタ33がオフのまま、充電抵抗器５
に電流が流れ続けて、充電抵抗器が焼損することも防止
出来る。

〔発明の効果〕

以上、詳述したように本発明によれば、充電スイッチ
にサイリスタを用いたインバータ装置において、アーム
短絡が発生している状態で起動したときにも充電スイッ
チのGTOサイリスタや充電抵抗器を壊すことなく安全に
保護することが出来るようになり、また、直流入力側か
ら、短絡電流が流れることもないので、ヒューズの溶断
が防止でき、且つ、このとき電流遮断が行う断流器に大
電流を遮断させる心配もない。そのため、インバータ装
置の保守上、極めて有用なばかりでなく、保安上も安全
性が高くなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の要部構成を示すブロック図、第２図，
第３図は本発明の一実施例を示す回路図、第４図は従来
例を示す要部回路図である。１……集電装置、２……ヒューズ、３……断流器、４…
…直流リアクトル、９……限流抵抗器、10……空芯リア
クトル、11……サイリスタ、８……分流回路、７……フ
ィルタコンデンサ、５……充電抵抗器、６……充電スイ
ッチのGTOサイリスタ、12……三相ブリッジ回路、13,14
……GTOサイリスタ、15……ダイオード、16……変圧
器、17……直流変圧器、19,20……変流器、22……制御
電流、21……断流器の補助接点、23……断流器の励磁コ
イル、24……アーム短絡検知回路、25……比較器、26…
…フォトカプラ、27……オンディレイ回路、28……ラッ
チ回路、29……断流器開放シーケンス回路、30……GTO
サイリスタゲート論理回路。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】入力段にフィルタコンデンサを有するイン
バータ回路に補助電極を有する断流器を介して直流電源
を入力し、交流出力に変換するとともにインバータ回路
の直流電源入力側には前記フィルタコンデンサの充電用
抵抗とこの充電用抵抗を短絡する充電スイッチを設けた
インバータ装置において、フィルタコンデンサ電圧を得
る電圧検出手段と、この電圧検出手段出力を基準電圧と
比較してフィルタコンデンサ電圧の正常レベル到達を検
出する比較器と、直流入力側に設けられた前記断流器の
補助接点信号を所定の遅延時間を以て得るオンディレイ
要素と、前記比較器出力をこのオンディレイ要素を介し
て得た信号により保持することによりフィルタコンデン
サ電圧情報を保持するラッチ回路と、このラッチ回路情
報が所定フィルタコンデンサ電圧未到達のとき前記断流
器の開放を行う断流器開放制御手段と、前記ラッチ回路
情報が所定フィルタコンデンサ電圧未到達のとき前記充
電スイッチの閉路を阻止する充電スイッチ制御手段とを
具備することを特徴とする車両用インバータ装置。