JP2531153B2

JP2531153B2 - 回生電力吸収装置の保護装置

Info

Publication number: JP2531153B2
Application number: JP61251207A
Authority: JP
Inventors: 春樹吉川
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1986-10-22
Filing date: 1986-10-22
Publication date: 1996-09-04
Anticipated expiration: 2011-09-04
Also published as: JPS63103745A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、直流電気車が回生運転するときに発生す
る余剰な回生電力を吸収する装置の故障を検出して素早
く故障部分を除外させるようにしている回生電力吸収装
置の保護装置に関する。

〔従来の技術〕

近年の直流電気車は、給電線路から取入れる直流電力
をチョッパで変換して直流電動機を回転させ、あるいは
インバータで可変電圧・可変周波数の交流電力に変換し
て交流電動機を回転させることが多くなっているので、
この直流電気車に減速させたり、下り坂を走行したりす
るときに、当該直流電気車が保有しているエネルギーを
電気エネルギーに変換して電源側へ返還する回生制動運
転が容易になった。

第９図は直流電気車の回生制動システムをあらわした
説明図である。この第９図において、変電所２は変圧器
と整流器とで構成されていて、この変電所２から出力さ
れる直流電力を給電線路４を介して直流電気車５と６へ
供給している。従ってこれら直流電気車5,6はこの直流
電力をパンタグラフ5P,6Pから取りこみ、スイッチ5S,6S
を経て直流電動機5M,6Mほ回転させたのち、車輪とレー
ルを介して大地へ放流させることで当該電気車を駆動し
ている。ただし直流電動機5M,6Mを制御するためのチョ
ッパなどの図示は省略している。

この第９図において、一方の直流電気車５が力行運転
中であり、他方の直流電気車６は回生運転中であるとす
ると、力行中の電気車５は、変電所２からのI₂なる電流
と、電気車６から回生されてくるI₆なる電流との合計で
力行運転することになるので、変電所２が出力する電力
は電気車６から回生される電力を差引いた値でよいこと
になるので、省エネルギーを図ることができる。

しかしながら、上述のように力行運転している電気車
５が必要とする電力が減少し、あるいは回生運転中の電
気車６から回生される電力が増大すると、これに見合っ
て変電所２から出力される電流I₂が減少し、遂には零と
なる。変電所２の出力が零になっても電気車６から回生
される電力を力行中の電気車５で消費しきれないと、こ
の余剰な回生電力が給電線路４の電圧を上昇させるなど
の不具合を生じるので、これを防止するために、給電線
路４には回生電力吸収装置３を接続しておき、回生電力
に余剰を生じれば、この回生電力吸収装置３へ吸収させ
る。すなわち第９図において、変電所２からの出力電流
I₂は零であり、直流電気車５は直流電気車６から回生さ
れる電流I₆により力行運転し、さらに直流電気車６から
回生される余剰分の電流I₃が回生電力吸収装置３へ吸収
されることで、図示の回生制動システムはバランスしな
がら運転を継続できる。

第10図は回生電力吸収装置の従来例を示す回路図であ
って、給電線路４と大地との間には入力コンデンサ31が
接続されており、負荷抵抗32と電流断続手段としてのチ
ョッパ33との直列回路をこの入力コンデンサ31に並列接
続することにより回生電力吸収装置３が構成されてい
る。なお負荷抵抗32とチョッパ33との直列回路は、当該
回生電力吸収装置の容量を増大させるために、複数組を
それぞれ入力コンデンサ31に並列に接続し、さらにこの
回生電力吸収装置運転時の高調波を抑制するために、こ
れら複数のチョッパを位相差をつけて運転する、いわゆ
る多相運転方法が採用されるのが通常であるが、この従
来例においては、図示を簡略にするために、上述の直列
回路は１組にしている。なお符号38は当該回生電力吸収
装置３を給電線路４から切離すための高速度遮断器であ
る。

回生電力に余剰分があるとき、給電線路４から回生電
力吸収装置３へ回生電流I₃が流入し、入力コンデンサ31
の電圧Vcを上昇させる。電圧設定器36で設定されている
電圧Vsとこのコンテンサ電圧Vcとの偏差が電圧調節器34
へ入力され、この電圧調節器34は入力偏差を零にする制
御信号V₃₄を移相器35へ出力し、さらにこの移相器35で
チョッパ33を制御しているので、入力コンデンサ31の電
圧Vcが上昇すれば、これを設定電圧Vsと同じ値にするべ
くチョッパ33の通流率が適切な値に調節され、これに従
って流れる断続電流が負荷抵抗32で消費されることにな
る。

電圧設定器36で設定する所定電圧Vsの値は、通常変電
所２から送出されるよりも若干高く設定されていて、電
気車が回生運転して電力に余剰を生じたとき以外でこの
回生電力吸収装置３が作動することを防ぎ、変電所２か
ら送出される電力が当該回生電力吸収装置３で消費され
るようなエネルギーの無駄使いを防止している。

第11図は第10図に図示のチョッパを構成している主ス
イッチング素子の回路図であって、符号331が主スイッ
チング素子としてのゲートターンオフサイリスタ（以下
ではGTOサイリスタと略記する）であり、符号332はこの
GTOサイリスタ331のゲートに電流を流して当該GTOサイ
リスタ331のオン・オフを制御するゲート駆動回路、ま
た符号333はこのGTOサイリスタ331がスイッチング動作
するときの電圧責務を軽減するために設置されているス
ナバ回路である。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述の第10図と第11図に図示の回路で構成されている
従来の回生電力吸収装置において、たとえばチョッパ33
を構成しているGTOサイリスタ331が短絡破壊やスナバ回
路333の短絡故障あるいはゲート駆動回路332がオン指令
を出し続ける故障かオフ指令を出力しない故障などを生
じると、チョッパ33が短絡状態になるため、負荷抵抗32
には連続して電流が流れることになる。電気鉄道システ
ムにおいては、回生運転のパターンは断続的であること
が通常であり、負荷抵抗32の容量はこのようなパターン
にあわせ設計されているので、上述のような故障でこの
負荷抵抗32に連続電流が流れると、過熱・焼損すること
になり、最悪の場合には火災となる危険がある。

またGTOサイリスタ331が開放破壊（すなわち素子破壊
により主端子間が開放状態となる破壊）したり、ゲート
駆動回路332がオン指令を出力しないかまたはオフ指令
を出力しつづける故障などが発生すると、第10図に示す
従来例回路のように１台のチョッパ33で構成された回生
電力吸収装置３では、チョッパ33がオフの状態を継続、
すなわち回生電力吸収装置３はその電力吸収機能を停止
することになるので、給電線路４の電圧が上昇して回生
失効の事態となる。回生運転により下り坂を抑速行中あ
るいは回生制動で減速中の電気車が回生失効状態になる
と、下り坂を高速走行し、あるいは所定位置での停止が
できないなど、極めて危険な状態におち入ることとな
る。また複数のチョッパが位相をずらして並列運転する
ようにしているいわゆるチョッパの多相運転による回生
電力吸収装置では、故障チョッパが停止するため欠相を
生じ、軌道回路に低次の大きな高調波電流を流すことに
なるが、信号制御装置や踏切り制御装置などがこの高調
波電流で誤動作を起すおそれがある。

この発明は、回生電力吸収装置を構成している電流断
続手段の故障を検出して素早く装置の運転を停止させ、
事故の拡大を防止できる回生電力吸収装置の保護装置を
提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、第１発明においては、電
流断続手段の各々の出力電流を検出する電流検出器と、
該電流検出器毎に設けられ、前記電流検出器の出力と調
節信号とに基づいて当該電流断続手段を故障と判定する
故障検出回路とを備え、該故障検出回路は、電流検出器
の出力と前記調節信号との時間的なずれを求め、この時
間的なずれがあらかじめ定めた値を越えたとき当該故障
検出回路が設けられている電流断続手段を故障と判定
し、該電流断続手段の運転を停止させるとともに、遮断
器を開放して回生電力吸収装置を給電線路から切り離す
ものとする。

また、第２発明においては、電流断続手段の各々の出
力電流を検出する電流検出器と、該電流検出器毎に設け
られ、前記電流検出器の出力と調節信号とに基づいて当
該電流断続手段を故障と判定する故障検出回路とを備
え、該故障検出回路は、電流検出器の出力と前記調節信
号とを比較して両者の時間的なずれを求め、この時間的
なずれがあらかじめ定めた値を越え、かつ、前記調節信
号との論理積が論理ハイとなった場合には当該電流断続
手段が短絡故障であると判定し、前記時間的なずれがあ
らかじめ定めた値を越え、かつ、前記調節信号の反転信
号との論理積が論理ハイとなった場合には、当該電流断
続手段の開放故障であると判定し、前記故障のいずれか
を検出したとき当該故障検出回路が設けられている電流
断続手段を故障と判定し、該電流断続手段の運転を停止
させるとともに、遮断器を開放して回生電力吸収装置を
給電線路から切り離すものとする。

〔作用〕

第1,第２発明において、電流断続手段の通流率を調節
する調節信号（以下においては、チョッパ制御信号とい
う）のパルス幅と電流断続手段の出力電流の波形とを比
較し、両者の時間的な差が許容範囲にあるか否かをチェ
ックすることにより、電流断続手段の短絡故障および開
放故障の双方を１つの故障検出回路により検出し、当該
電流断続手段を回生電力吸収装置から除外するか、或い
は回生電力吸収装置を給電線路から切り離す。

また、第２発明においては、故障が短絡故障および開
放故障のいずれであるかを判別する。

第１図は本発明の実施例を示す回路図であって、この
第１図にもとづいて本発明の詳細を以下に記述する。

第１図において、給電線路４と大地との間には入力コ
ンデンサ31が接続されており、負荷抵抗32Aと電流断続
手段としてのチョッパ33Aとの直列回路および負荷抵抗3
2Bと電流断続手段としてのチョッパ33Bとの直列回路が
それぞれ上記入力コンデンサ31に並列接続されている。
なおこれら負荷抵抗とチョッパとの直列回路は、回生電
力吸収装置の容量を増大させるために、更に多数組を並
列接続できることは勿論であり、またこれら複数のチョ
ッパを相互に位相をずらして運転する、いわゆる多相運
転により高調波電流を抑制することができる。また当該
回生電力吸収装置と給電線路４との間には、高速度遮断
器38が備えられていて、事故時には速かに給電線路４か
ら装置を切離すことができるようになっている。

電気車の回生運転により回生電力に余剰を生じて入力
コンデンサ31の両端電圧が電圧設定器36で定めている所
定値以上に上昇するならば、この両者の偏差が電圧調節
器34へ入力し、この入力偏差を零にする制御信号が電圧
調節器34から出力される。この制御信号が移相器35を介
してチョッパ33Aと33Bとに与えられ、これらチョッパの
動作に従って負荷抵抗32A,32Bに電流が流れ、回生電力
をここで消費させるようにしているのは、第10図におい
て既述の従来例回路の場合と同じである。

本発明においては、複数のチョッパのそれぞれに出力
電流を検出する手段と、故障を検出する手段とが設けら
れている。すなわちチョッパ33Aには電流検出器10と故
障検出回路７が、またチョッパ33Bには電流検出器11と
故障検出回路８とが備えられていて、故障検出回路7,8
はそれぞれの電流検出器10,11からの電流信号と、移相
器35からのチョッパ制御信号とが入力され、この両者の
時間的な差異を比較することにより、故障の有無を判定
している。

故障検出回路７または８が故障を検出すれば、その故
障信号によりすべてのチョッパをゲートオフして停止さ
せるとともに論理和素子９を介して、たとえば高速度遮
断器38へトリップ信号を与えることにより、この回生電
力吸収装置を給電線路４から切離すようにして、故障状
態のままで運転を継続したために生じる故障の拡大や、
重大事故をひきおこす危険を未然に防止する。

第２図は第１図に示す故障検出回路８の本願第１発明
による実施例のブロック図であって、この故障検出回路
７はレベル変換回路71,排他的論理和素子72,タイマ73お
よびフリップフロップ74とで構成されている。この第２
図に示すレベル変換回路71は電流検出器10で検出したＡ
なる電流信号の波形をＤなる論理信号レベルの信号波形
に変換する機能を有する。そこで移相器35からチョッパ
33Aへ与えられるＣなるチョッパ制御信号と、上述のレ
ベル変換回路71の出力信号Ｄとを排他的論理和素子72へ
入力させて演算させると、両入力の時間的な差異が信号
Ｅとなって出力される。タイマ73は、チョッパ33Aの動
作の時間遅れによる上述の差異が許容値以内であるか否
かを判定するために設けられており、許容値内であれば
その出力信号Ｆは論理零信号、従ってフリップフロップ
74の出力信号Ｂも論理零信号であり、当該チョッパはそ
のまま運転を継続できる。しかし動作の遅れ時間が許容
値を越えれば、タイマ73の出力信号Ｆとフリップフロッ
プ74の出力信号Ｂはいずれも論理１信号となって故障で
あることを知らせる。なおフリップフロップ74はタイマ
73の出力信号Ｆが論理１信号となったとき、これを記憶
して保持する働きをなす。

第３図は第１図と第２図に示す実施例回路におけるチ
ョッパが正常運転しているときの各部の動作をあらわし
た動作波形図であって、第３図（イ）はチョッパ制御信
号Ｃの波形を、第３図（ロ）は電流検出器10の出力信号
Ａの波形を、第３図（ハ）はレベル変換回路71の出力信
号Ｄの波形を、第３図（ニ）は排他的論理和素子72の出
力信号Ｅの波形を、第３図（ホ）はタイマ73の出力信号
Ｆの波形を、第３図（ヘ）はフリップフロップ74の出力
信号、すなわち故障検出回路７の出力信号Ｂの波形をそ
れぞれがあらわしている。

この第３図からあきらかなように、チョッパ33Aを制
御する信号Ｃと、この制御信号で制御された結果このチ
ョッパ33Aから出力される電流をレベル変換した結果の
信号Ｄとでは、僅かな時間差があるが（第３図（ニ）参
照）、その差異は許容範囲内にあることから、故障信号
は出力されない（第３図（ヘ）参照）ことを示してい
る。

第４図は第１図と第２図に示す実施例回路においてチ
ョッパが短絡状態になる故障の場合の各部の動作をあら
わした動作波形図、第５図は第１図と第２図に示す実施
例回路においてチョッパがオフ状態になる故障の場合の
各部の動作をあらわした動作波形図であって、これら第
４図と第５図はいずれも（イ）がチョッパ制御信号Ｃの
波形を、（ロ）は電流検出器10の出力信号Ａの波形を、
（ハ）はレベル変換回路71の出力信号Ｄの波形を、
（ニ）は排他的論理和素子72の出力信号Ｅの波形を、
（ホ）はタイマ73の出力信号Ｆの波形を、（ヘ）は故障
検出回路７の出力信号Ｂの波形をそれぞれがあらわして
いる。

これら第４図・第５図の動作波形図と正常時をあらわ
した第３図の動作波形図とを比較すればあきらかなよう
に、故障時にはいずれもチョッパ制御信号Ｃの論理信号
のレベルとレベル変換回路71の出力信号Ｄの論理信号レ
ベルとが異なることから、排他的論理和素子72が論理１
信号を出力し、これがタイマ73とフリップフロップ74と
を経て、故障信号として出力されている。

第６図は第１図に示す故障検出回路８の本願第２発明
による実施例のブロック図であって、レベル変換回路7
1,排他的論理和素子72およびタイマ73の部分は前述の第
２図と同じ構成であり、これに反転素子75,論理積素子7
6と77,フリップフロップ78と79および論理和素子80とが
付加されている。

第６図に示す回路構成、すなわちタイマ73の出力信号
Ｆとチョッパ制御信号Ｃとを論理積素子76に入力させ、
フリップフロップ78を経由して出力させることにより、
このフリップフロップ78の出力信号Ｋは、チョッパがオ
フ状態を継続する故障の場合に論理１信号となる。また
タイマ73の出力信号Ｆとチョッパ制御信号Ｃの反転信号
Ｇとを論理積素子77に入力させ、フリップフロップ79を
経由して出力させることにより、このフリップフロップ
79の出力信号Ｌは、チョッパが短絡故障した場合に論理
１信号となる。それ故フリップフロップ78と79の出力を
論理和素子80を介することにより、その出力信号Ｂでチ
ョッパ故障を検出することができるとともに、チョッパ
が短絡故障なのか、それともオフ状態を継続する故障で
あるかの判別が、フリップフロップ78・79のいずれが論
理１信号になったかで知ることができる。

第７図は第１図と第６図とで示す実施例回路において
チョッパが短絡故障時の各部の動作をあらわした動作波
形図であり、第８図は第１図と第６図とで示す実施例回
路においてチョッパが開放となる故障時の各部の動作を
あらわした動作波形図であって、これら第７図と第８図
のいずれにおいても、（イ）はチョッパ制御信号Ｃの波
形を、（ロ）は電流検出器10の出力信号Ａの波形を、
（ハ）はレベル変換回路71の出力信号Ｄの波形を、
（ニ）は排他的論理和素子72の出力信号Ｅの波形を、
（ホ）はタイマ73の出力信号Ｆの波形を、（ヘ）は反転
素子75の出力信号Ｇの波形を、（ト）は論理積素子76の
出力信号Ｈの波形を、（チ）は論理積素子77の出力信号
Ｊの波形を、（リ）はフリップフロップ78の出力信号Ｋ
の波形を、（ヌ）はフリップフロップ79の出力信号Ｌの
波形を、（ル）は論理和素子80の出力信号すなわち故障
検出回路７の出力信号Ｂの波形をそれぞれがあらわして
いる。

〔発明の効果〕

この発明によれば、給電線路と大地との間にコンデン
サを接続し、抵抗器と電流断続手段との直列回路の必要
数を前記コンデンサに並列に接続し、電気車の回生運転
により回生電力に余剰分を生じれば、各電流断続手段を
動作させて余剰電力を抵抗器に消費させるようにしてい
る回生電力吸収装置において、前記電流断続手段をオン
・オフ動作させる制御信号の波形と、当該電流断続手段
が出力する電流の波形との時間的な差異を比較し、この
差異が許容範囲よりも大であるときは当該電流断続手段
を故障と判定して除外させ、あるいは回生電力吸収装置
の運転を停止させるようにしたので、従来の電流検出の
みでは発見できなかった電流断続手段の故障が容易に検
出できるようになり、そのために負荷抵抗の過熱・焼損
や、これに伴う火災の発生を未然に防止できるととも
に、多相運転中の電流断続手段が欠相運転となることに
よる高調波電流の発生を抑制できることから、この高調
波電流による各種の障害、たとえば信号制御回路や踏切
り制御回路等の誤動作を防ぐことができ、大事故になる
危険を排除できるなど、大きな効果を発揮できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す回路図であり、第２図は
第１図に示す故障検出回路の本願第１発明による実施例
のブロック図、第３図は第１図と第２図に示す実施例回
路におけるチョッパが正常運転しているときの各部の動
作をあらわした動作波形図、第４図は第１図と第２図に
示す実施例回路においてチョッパが短絡状態になる故障
の場合の各部の動作をあらわした動作波形図、第５図は
第１図と第２図に示す実施例回路においてチョッパがオ
フ状態になる故障の場合の各部の動作をあらわした動作
波形図である。第６図は第１図に示す故障検出回路の本
願第２発明による実施例のブロック図であり、第７図は
第１図と第６図とで示す実施例回路においてチョッパが
短絡故障時の各部の動作をあらわした動作波形図、第８
図は第１図と第６図とで示す実施例回路においてチョッ
パが開放となる故障時の各部の動作をあらわした動作波
形図である。第９図は直流電気車の回生制動システムを
あらわした説明図であり、第10図は回生電力吸収装置の
従来例を示す回路図、第11図は第10図に図示のチョッパ
を構成している主スイッチング素子の回路図である。２……変電所、３……回生電力吸収装置、４……給電線
路、5,6……直流電気車、5M,6M……直流電動機、5P,6P
……パンタグラフ、5S,6S……スイッチ、7,8……故障検
出回路、９……論理和素子、10,11……電流検出器、31
……入力コンデンサ、32,32A,32B……負荷抵抗、33,33
A,33B……電流断続手段としてのチョッパ、34……電圧
調節器、35……移相器、36……電圧設定器、38……高速
度遮断器、71……レベル変換回路、72……排他的論理和
素子、73……タイマ、74,78,79……フリップフロップ、
75……反転素子、76,77……論理積素子、80……論理和
素子、331……主スイッチング素子としてのGTOサイリス
タ、332……ゲート駆動回路、333……スナバ回路。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】電気車へ直流電力を供給する給電線路と大
地との間に遮断器を介して接続されたコンデンサと、このコンデンサに並列接続された複数組の電流断続手段
と抵抗器との直列回路と、前記コンデンサの両端電圧を検出して、この両端電圧を
所定値に一致させる制御信号を出力する電圧調節器と、前記制御信号に基づいて前記電流断続手段の通流率を調
節する調節信号をこの電流断続手段へそれぞれ出力する
移相器と、からなり、前記電気車が回生運転するときの余剰電力を
前記抵抗器へ吸収させる回生電力吸収装置の保護装置で
あって、前記電流断続手段の各々の出力電流を検出する電流検出
器と、該電流検出器毎に設けられ、前記電流検出器の出力と前
記調節信号とに基づいて当該電流断続手段を故障と判定
する故障検出回路とを備え、該故障検出回路は、電流検出器の出力と前記調節信号と
の時間的なずれを求め、この時間的なずれがあらかじめ
定めた値を越えたとき当該故障検出回路が設けられてい
る電流断続手段を故障と判定し、該電流断続手段の運転
を停止させるとともに、前記遮断器を開放して回生電力
吸収装置を給電線路から切り離すことを特徴とする回生
電力吸収回路の保護装置。
【請求項２】電気車へ直流電力を供給する給電線路と大
地との間に遮断器を介して接続されたコンデンサと、このコンデンサに並列接続された複数組の電流断続手段
と抵抗器との直列回路と、前記コンデンサの両端電圧が所定値以上になったことを
検出して、この両端電圧を所定値に一致させる制御信号
を出力する電圧調節器と、前記制御信号に基づいて前記電流断続手段の通流率を調
節する調節信号をこの電流断続手段へ出力する移相器
と、からなり、前記電気車が回生運転するときの余剰電力を
前記抵抗器へ吸収させる回生電力吸収装置の保護装置で
あって、前記電流断続手段の各々の出力電流を検出する電流検出
器と、該電流検出器毎に設けられ、前記電流検出器の出力と前
記調節信号とに基づいて当該電流断続手段を故障と判定
する故障検出回路とを備え、該故障検出回路は、電流検出器の出力と前記調節信号と
を比較して両者の時間的なずれを求め、この時間的なずれがあらかじめ定めた値を越え、かつ、
前記調節信号との論理積が論理ハイとなった場合には当
該電流断続手段が短絡故障であると判定し、前記時間的なずれがあらかじめ定めた値を越え、かつ、
前記調節信号の反転信号との論理積が論理ハイとなった
場合には、当該電流断続手段の開放故障であると判定
し、前記故障のいずれかを検出したとき当該故障検出回路が
設けられている電流断続手段を故障と判定し、該電流断
続手段の運転を停止させるとともに、前記遮断器を開放
して回生電力吸収装置を給電線路から切り離すことを特
徴とする回生電力吸収回路の保護装置。