JP2635549B2 - 電気車制御装置 - Google Patents

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、例えばGTOサイリスタ（gate turn−off th
yristor）によって構成される電力変換器を用いて電気
車駆動用電動機を制御する電気車制御装置に関する。

（従来の技術） 電気車の駆動方式として、従来は直流電動機駆動方式
が多用されていたが、最近は車載の可変電圧・可変周波
数インバータにより直流電力を所望の交流電力に変換
し、この交流電力によって誘導電動機を駆動する方式が
採用されるようになった。

一方、GTOサイリスタは自己消弧能力を有し、従来の
機械的スイッチや、自己消弧能力がないため転流回路を
必要とするサイリスタを用いていた部分に採用すること
により回路構成が簡易化され、装置の小型、軽量化およ
び効率向上を図ることができる。また、GTOサイリスタ
は高速のスイッチングが可能で、例えば、オン状態でオ
フゲート信号を与えてからオフ状態に移行するまでの時
間が100〜150μｓと短かく、有接点式の遮断器をGTOサ
イリスタでなる無接点式の遮断器に置き換えることによ
ってさらに拘束の電流遮断が可能となる。

第４図は可変電圧・可変周波数インバータ（以下単に
インバータと言う）によって誘導電動機を制御する従来
の電気車制御装置の構成を示す回路図である。同図にお
いて、図示しない直流母線からパンタグラフ１を集電
端、車輪を接地端として集電された直流電力は、断流器
２、高速度遮断器３、断流器４およびリアクトル６を通
り、平滑用のコンデンサが並列接続されたインバータ８
に供給される。インバータ８はGTOサイリスタ9a〜9fを
グレーツ接続したものでなり、周知の手法によりゲート
を制御することによって得られた交流電力が誘導電動機
10に供給される。ここで、断流器４には充電用の抵抗器
５が並列接続され、コンデンサ７には過電圧抑制のため
の抵抗器12およびサイリスタ13の直列回路が並列接続さ
れており、さらに、サイリスタ13には直流変成器11が並
列接続されている。ここで、直流変成器11はコンデンサ
７の両端電圧を検出するもので、この電圧が所定値を超
えたときサイリスタ13を速やかにオン状態にすることに
より、抵抗器12を介して、コンデンサ７の電荷を放電し
て過電圧にならないようにしている。

上記のように構成された電気車制御装置の作用を第５
図および第６図のタイムチャートをも参照して以下に説
明する。

先ず、電気車を力行運転あるいは制動運転するとき、
インバータ８の運転指令が第５図（ａ）に示すように時
刻t₁でオンになり、これに追随して断流器２が第５図
（ｂ）に示すように時刻t₂でオンせしめられる。高速遮
断器３は後述するアーム短絡事故等が発生したときにイ
ンバータ８への流入電流が過大になったときのみオフす
るものと、上記運転指令に連動して通常時もオン、オフ
するものとがあるが、後者の場合には断流器２と同時に
オンになる。

このようにして、直流電力を供給する主回路が形成さ
れ、抵抗器５およびリアクトル６を介してコンデンサ７
へ充電電流が流れる。したがってコンデンサ７の電圧は
第５図（ｃ）に示すように徐徐に上昇する。

次にコンデンサ７の電圧が直流電源電圧Tv達すると充
電が完了し、この充電完了後の時刻t₃にて断流器４がオ
ンになり、抵抗器５は短絡される。しかして、抵抗器５
はインバータ８の起動時に過大な電流がコンデンサ７に
流れ込むことを阻止するための電流制限用のものであ
り、コンデンサ７の充電が完了した段階でこれが短絡さ
れて直流電流は断流器４を通して流れる。

次に、第５図（ｅ）に示すように時刻t₄でGTOサイリ
スタ9a〜9fの各々にゲート信号が与えられ、インバータ
８は誘導電動機10に所望の交流電力を供給し、電気車は
力行運転または制動運転される。

一方、インバータ８の運転を停止するとき、すなわ
ち、電気車が惰行あるいは停車するとき、第５図（ａ）
に示すように時刻t₅にてインバータ運転指令をオフにす
ると、第５図（ｂ）に示すように時刻t₆にて断流器２が
オフになって主回路が開放されると同時に、第５図
（ｅ）に示すようにGTOサイリスタのゲート信号もオフ
になる。また、断流器２がオフになった時刻t₆からコン
デンサ７の電荷は放電され、その電圧は第５図（ｃ）に
示すように降下し、断流器４は第５図（ｄ）に示すよう
にその途中でオフにされる。

次に、第６図を参照してインバータ８がアーム短絡事
故を起こした場合の動作について説明する。

アーム短絡事故は、インバータ８を構成するGTOサイ
リスタ9a〜9fのうち、直列接続された２個、例えば、GT
Oサイリスタ9aと9bとが同時にオン状態になる事故であ
る。この原因としては、例えば、制御装置の誤動作によ
りGTOサイリスタ9a,9bをオン状態にさせる、いわゆる、
オンゲート信号が両者に同時に与えられた場合や、片方
のGTOサイリスタが過電圧若しくは過電流によって破壊
してオン状態になった場合がある。

今、アーム短絡事故が発生し、第６図（ａ）に示すよ
うに、時刻t₁₁にてアーム短絡検知信号がオンとなった
場合、第６図（ｂ）に示すように、GTOサイリスタ9a〜9
fの全てに一斉にオンゲート信号が与えられる。これは
次のことを意味している。すなわち、アーム短絡事故が
発生したときコンデンサ７は短絡されることになり、直
流電源もリアクトル６を介して正側と負側とが短絡さ
れ、アーム短絡を起こしたGTOサイリスタには瞬時に大
電流が流れ込もうとするが、GTOサイリスタ9a〜9fの全
てを一斉にオン状態にすることにより大電流を分流させ
て健全なGTOサイリスタを保護している。

一方、主回路を流れる電流ｉは通常時ＵAであるとこ
ろが、アーム短絡事故によって第６図（ｃ）に示すよう
に急増する。この電流ｉがあらかじめ定められた高速度
遮断器３のトリップ電流値ＳAを超えると、高速度遮断
器３は第６図（ｄ）に示すようにＲ秒を経過した時刻t
₁₂にて自己トリップしてオフとなり、主回路が開放され
て主回路電流ｉは零になる。

続いて、断流器２が、第６図（ｅ）に示すように、時
刻t₁₃にてオフとなり、これと同時にGTOサイリスタ9a〜
9fの一斉オンゲート信号も、第６図（ｂ）に示すように
オフとなる。最後に断流器４が第６図（ｆ）に示すよう
に時刻t₁₄でオフとなる。

以上が、インバータ８のアーム短絡事故に対する一連
の保護動作であるが、主回路電流ｉが第６図（ｃ）に示
すように急増するとき、電気車に直流電力を供給する変
電所において電流の変化率が所定値を超えると直流電力
の供給を速やかに停止させる、いわゆる、ΔＩ動作と称
される保護動作が行なわれる。このΔＩ動作は一電気車
のアーム短絡事故によって同じ変電所から直流電力の供
給を受ける他の電気車の運転を停止させてしまうので好
ましいことではない。

しかるに、第４図の制御回路を有する電気車にあって
は、主回路電流ｉを遮断するに有接点式の高速度遮断器
３によるしかなく、この場合、主回路電流があらかじめ
定めたトリップ電流値ＳAを超えてから動作に必要なＲ
秒を経過するまで主回路電流ｉはさらに増加し続けてＷ
Aに達した時点で始めてオフになる。

従って、変電所のΔＩ動作が行なわれないようにする
にはこの電流値ＷAを十分に小さく押えればよく、その
ためにリアクトル６としてインダクタンスの大きいもの
を用い、電流の変化率di/dtを小さくしている。

一例として、直流電源電圧が1500V、変電所のΔＩ動
作検知レベルが2500A/20ms、高速遮断器３の動作時間Ｒ
を20msとすると、インバータのアーム短絡事故時に非常
に大きなインダクタンスを持つリアクトル６が必要であ
った。

（発明が解決しようとする問題点） 従来の電気車制御装置は以上のように構成され、イン
バータアームに短絡事故が発生した場合、電気車に直流
電力を供給する変電所との保護協調をとり、ΔＩ動作さ
せないために非常に大きなインダクタンスを持つリアク
トルが必要となる。このように、インダクタンスの大き
いリアクトルには、当然のことながらこれに蓄積される
電磁エネルギーも大きい。

一方、第４図に示す機械的な断流器２の代わりに、電
力用半導体制御素子を用い、インバータアームに短絡事
故が発生した場合にこの電力用半導体制御素子をターン
オフさせるようにすれば、機械的な断流器２をオフ状態
にする場合と比較して動作時間を格段に短くすることが
でき、また、直流電力を供給する主回路の構成要素の無
接点化、および小形、軽量化を図ることができる。

しかるに、インダクタンスの大きいリアクトルと、電
力用半導体制御素子とを直列接続し、その直列接続回路
を介して負荷電流を供給している状態で、電力用半導体
制御素子をターンオフさせると、この電力用半導体制御
素子の両端には、直流電源電圧と、リアクトルの両端に
発生する電圧とを重畳した過電圧が発生する。この過電
圧はリアクトルに蓄積される電磁エネルギーが大きくな
るほど大きく、サージ電圧に対処するスナバー回路を設
けるだけでは不十分であった。

本発明は上記の問題点を解決するためになされたもの
で、断流器として電力用半導体制御素子を用いた場合で
も、過電圧による破壊を未然に防止することのできる電
気車制御装置を提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） 本発明は、直流電力の集電端と接地端とに接続され、
直流電力を交流電力に変換して負荷に供給する電力変換
器と、集電端に電力変換器を接続する経路に設けられた
リアクトルと、このリアクトルに直列に接続された第１
のスイッチ素子と、この第１のスイッチ素子及びリアク
トルの相互接続点と接地端との間に、抵抗器を介して接
続された第２のスイッチ素子とを備え、電力変換器の運
転中に第１のスイッチ素子をオン状態にし、電力変換器
の故障時に第１のスイッチ素子をオフ状態にし、かつ、
第２のスイッチ素子をオン状態にするように構成したも
のである。

（作用） この発明においては、電力変換器の故障時に第１のス
イッチ素子をオフ状態にしたとき、第２のスイッチ素子
をオン状態にするので、リアクトルに蓄積されたエネル
ギーを抵抗器に速やかに消費させて、第１のスイッチ素
子の両端電圧を低く抑えており、これによって、断流器
に対応する第１のスイッチ素子として電力用半導体制御
素子を用いた場合でも過電圧による破壊を未然に防止す
ることができる。

（実施例） 第１図は本発明の一実施例の構成を示す回路図であ
り、図中第４図と同一の符号を付したものはそれぞれ同
一の要素を示している。そして、第４図中の断流器４お
よび充電抵抗器５を除去して高速度遮断器３にリアクト
ル６を直結する一方リアクトル６および過電圧抑制用の
抵抗器12の相互接合点と、コンデンサ７が接続されたイ
ンバータ８の直流側端子との間に、充電抵抗器５、GTO
サイリスタ14、およびダイオード15およびサージ吸収器
16を並列接続した点が第４図と異っている。

ここで、GTOサイリスタ14、ダイオード15およびサー
ジ吸収器16は従来の断流器に代わって無接点式の遮断器
17を構成するもので、このうち、GTOサイリスタ14は電
気車の力行運転時に直流電力をパンタグラフ１からイン
バータ８へ供給する向きに接続され、ダイオード15は電
気車の回生運転時にインバータ８からパンタグラフ１へ
直流電力を回生する向きに接続されている。また、サー
ジ吸収器16は、GTOサイリスタ14、ダイオード15がオ
ン、オフする際に過電圧が印加されることを抑制するも
ので、例えば、アレスタや、抵抗器およびコンデンサか
らなるスナバ回路が使用される。

以下、本発明の一実施例を、第２図および第３図のタ
イムチャートをも参照して説明する。

先ず、電気車を力行運転あるいは制動運転するべく、
第２図（ａ）に示すようにインバータ８の運転指令が時
刻t₁でオンになり、これによって断流器２が第２図
（ｂ）に示すように時刻_２でオンせしめられる。高速度
遮断器３は電気車の運転停止に拘わらず常時オンさせて
おき、万一の事故時のみオフさせるようにして動作頻度
を減らすことにより信頼性を高めている。一方、GTOサ
イリスタ14は、オンゲート信号が与えられておらず、オ
フ状態にある。しかして、断流器２がオンした瞬間から
主回路が形成され、リアクトル６および抵抗器５を介し
てコンデンサ７に直流電流が流れ込み、その両端電圧は
第２図（ｃ）に示すように時刻t₂から所定の時定数で上
昇する。

次に、コンデンサ７の両端電圧が直流電源電圧ＴVに
達すると充電が完了し、第２図（ｄ）に示すように充電
完了後の時刻t₃にてGTOサイリスタ14にオンゲート信号
を与えてターンオンさせると、抵抗器５は短絡される。
そして、第２図（ｆ）に示すように時刻t₄よりGTOサイ
リスタ9a〜9fに所定のゲート信号が与えられ、これによ
ってインバータ８が所望の交流電力を誘導電動機10に供
給して電気車は力行運転あるいは制動運転される。

一方、インバータ８の運転を停止するとき、すなわ
ち、電気車を惰行あるいは停止させるとき、第２図
（ａ）に示すように時刻t₅にてインバータ運転指令をオ
フにすると、第２図（ｂ）に示すように時刻t₆にて断流
器２がオフになって主回路が開放されると同時に、第２
図（ｆ）に示すようにGTOサイリスタ9a〜9fのゲート信
号もオフになる。そして、コンデンサ７の両端電圧は第
２図（ｃ）に示すように降下し、さらに、第２図
（ｄ），（ｅ）に示すように時刻t₇にてオンゲート信号
に代わってオフゲート信号をGTOサイリスタ14に加えて
主回路を開放させる。

次に、インバータ８がアーム短絡事故を起こした場合
の動作について説明する。

インバータ８にアーム短絡事故が発生し、第３図
（ａ）に示すようにアーム短絡検知信号が時刻t₁₁にて
オンになったとすると、第３図（ｂ）に示すようにGTO
サイリスタ9a〜9fの全てに対して一斉にオンゲート信号
が与えられ、これによって健全なGTOサイリスタの保護
が行なわれる。

一方、主回路電流ｉは第３図（ｆ）に示すように、通
常時ＵAであったものが、アーム短絡事故によって急増
しようとする。しかし、ここでは機械的な断流器に変え
てGTOサイリスタ14およびダイオード15等でなる無接点
方式の遮断器が設けられているので、アーム短絡を検知
すると同時に第３図（ｃ），（ｄ）に示すように、GTO
サイリスタ14に対してオンゲート信号に代わってオフゲ
ート信号を与えるようにすれば、この時点から100〜150
μｓ後にオフし、インバータ８の入力電流は抵抗器５を
通して流れようとする。また、アーム短絡を検知すると
同時に、第３図（ｅ）に示すように過電圧抑制用のサイ
リスタ13をオンさせてリアクトル６および直流電源側の
エネルギーを抵抗器12で消費させる。

かくして、直流電源から流入する電流は通常時のＵA
から、抵抗器５および抵抗器12の抵抗値によって定まる
電流ＸAに変化するだけであり、従来装置のように直流
電源からの流入電流が著しく増大するという事態を回避
することができる。

実験によれば、直流電源電圧が1500V、抵抗器５の抵
抗値が10Ω、抵抗器12の抵抗値が５Ωであった場合、ア
ーム短絡事故時の流入最大電流ＸAを450Aに押え得るこ
とが確認された。

続いて、対３図（ｇ）に示すように時刻t₁₂にて断流
器２をオフにし、これと同時にGTOサイリスタ9a〜9fお
よびサイリスタ13をオフにすると主回路電流ｉは第３図
（ｆ）に示すようにOAとなる。

かくして、この実施例によれば、GTOサイリスタ14、
ダイオード15およびサージ吸収器16により、従来の有接
点断流器の機能を果たすと同時に、インバータ８のアー
ム短絡事故によってGTOサイリスタ14をターンオフさせ
た時、過電圧抑制サイリスタ13をターンオンさせるの
で、インダクタンスの大きなリアクトル６に蓄積された
エネルギーを抵抗器12に速やかに消費させることがで
き、GTOサイリスタ14に加わる過電圧を低く抑制するこ
とができる。

なお、上記実施例ではGTOサイリスタによって構成さ
れる電力変換器を用いて電気車駆動電動機を制御するも
のについて説明したが、この電力変換器の代わりにチョ
ッパ回路によって電気車駆動電動機を制御する電気車に
も本発明を適用することができる。

なおまた、この実施例ではGTOサイリスタを用いた遮
断器を採用したが、このGTOサイリスタと同様に自己消
弧能力を有するものであれば、これ以外の電力用半導体
制御素子でもよい。

〔発明の効果〕

以上の説明によって明らかなように、この発明によれ
ば、集電端と接地端とに電力変換器を接続して直流電力
を交流電力に変換して負荷に供給する場合に、集電端に
電力変換器を接続する経路に設けられたリアクトルに対
して第１のスイッチ素子を直列接続し、かつ、この第１
のスイッチ素子及び前記リアクトルの相互接続点と接地
端との間に、抵抗器を介して第２のスイッチ素子を接続
し、電力変換器の運転中に第１のスイッチ素子をオン状
態にし、電力変換器の故障時に第１のスイッチ素子をオ
フ状態にすると共に第２のスイッチ素子をオン状態にす
るので、断流器として電力用半導体制御素子を用いた場
合でも、過電圧による破壊を未然に防止することができ
るという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構成を示す回路図、第２図
および第３図は同実施例の動作を説明するためのタイム
チャート、第４図は従来の電気車制御装置の構成を示す
回路図、第５図および第６図は同装置の動作を説明する
ためのタイムチャートである。 １……パンタグラフ、２……断流器、３……高速度遮断
器、５……抵抗器、６……リアクトル、７……コンデン
サ、８……可変電圧・可変周波数インバータ、10……誘
導電動機、12……抵抗器、13……サイリスタ、14……GT
Oサイリスタ、15……ダイオード、16……サージ吸収
器、17……遮断器。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】直流電力の集電端と接地端とに接続され、
   前記直流電力を交流電力に変換して負荷に供給する電力
   変換器と、前記集電端に前記電力変換器を接続する経路
   に設けられたリアクトルと、このリアクトルに直列に接
   続された第１のスイッチ素子と、この第１のスイッチ素
   子及び前記リアクトルの相互接続点と前記接地端との間
   に、抵抗器を介して接続された第２のスイッチ素子とを
   備え、前記電力変換器の運転中に前記第１のスイッチ素
   子をオン状態にし、前記電力変換器の故障時に前記第１
   のスイッチ素子をオフ状態にし、かつ、前記第２のスイ
   ッチ素子をオン状態にする電気車制御装置。