JP3672431B2 - 電気車制御装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は電気車の駆動に使用する電気車制御装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図17は、例えば、特公平5−26402号公報に示された従来の電気車制御装置であるインバータ装置の主回路を示す図であり、図において、1は変電所等の電源から架線などに供給された電力を集電する集電装置、2は第1のスイッチ、3は第2のスイッチ、4は後述するフィルタコンデンサ6の充電抵抗器、5はフィルタコンデンサ6と逆L字形フィルタ回路を構成するフィルタリアクトル、7はサイリスタ等の制御整流素子で構成されるインバータの電力制御手段、9はこの電力制御手段7により制御される電気車駆動用の誘導電動機(主電動機)である。17はフィルタコンデンサ6の電圧を検出するDCPT等の電圧検出手段、18は各スイッチ2、3の開閉を制御するスイッチ制御手段である。
【0003】
次に動作を説明する。図示しない運転台から、運転手等による運転指令が電力制御手段7に入力されると、図18(a)のインタロック信号に示すように、時点t1においてスイッチ制御手段18の指令により、第1のスイッチ2が投入され、集電装置1→第1のスイッチ2→充電抵抗器4→フィルタリアクトル5を通じて、フィルタコンデンサ6が、図18(b)のように充電され、その両端の電圧を電圧検出手段17が検出する。
【0004】
ここで、充電抵抗器4は、この充電時に、フィルタリアクトル5とフィルタコンデンサ6のLC共振によってフィルタコンデンサ6の電圧が振動しないような抵抗値Rにあらかじめ選定されている。第1のスイッチ2が投入された時点では、電力制御手段7は動作していないので、電力制御手段7と誘導電動機9には電流は流れていない。
【0005】
フィルタコンデンサ6の充電の完了時間は、フィルタリアクトル5のインダクタンスLとフィルタコンデンサ6の容量Cと充電抵抗器4の抵抗値Rによって決まっており、所定時間t2において、フィルタコンデンサ6の両端電圧が架線電圧の変動範囲の最低値より低い値に設定された比較値Vs以上である場合には、電力制御手段7の短絡故障なしとしてスイッチ制御手段18の指令により、第2のスイッチ3が投入され、充電抵抗器4が短絡される。そして、図18(c)に示す第2のスイッチ3のインタロック信号によって電力制御手段7の動作を開始し、直流電圧を3相交流に変換し、3相誘導電動機9を制御して電気車を駆動する。
【0006】
また、図18(d)に示すように、電力制御手段7の故障等によって、フィルタコンデンサ6以降の回路が短絡されている場合には、電源電圧は充電抵抗器4で分担され、フィルタコンデンサ6の電圧が上昇しないので、所定時間t2において、図18(c)に示すフィルタコンデンサ電圧が比較値Vs未満であることにより、電力制御手段7等の故障と判定して、スイッチ制御手段18の指令により、第2のスイッチ3を投入しないようにするとともに、第1のスイッチ2を開放して主回路を電源(変電所等)から切り離す。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
従来の電気車制御装置については、以上のように構成されているので、電力制御手段7等のフィルタコンデンサ6以降の回路が短絡故障を起こしている場合には、第1のスイッチ2が閉成してから、フィルタリアクトル5、フィルタコンデンサ6、充電抵抗器4から算出される充電時間より決まる所定時間(t2−t1)の間、充電抵抗器4には、電源電圧を充電抵抗器4の抵抗値Rで除した電流が連続して流れることになり、正常時の充電電流である逓減する電流による損失よりもはるかに大きな損失を発生させることになるので、充電抵抗器の大型化を招くという問題点があった。
【0008】
この発明は上記のような問題点を解消するためになされたものであり、充電抵抗器4の大型化を招くことなく、フィルタコンデンサ6以降の回路の短絡故障時にも、架線停電を起こすことなく、短絡故障を検知できるようにした電気車制御装置を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る電気車制御装置は、直流電源に接続される集電装置と、この集電装置に直列に接続された第1および第2のスイッチと、この第2のスイッチに並列に接続された充電抵抗器と、第2のスイッチにフィルタリアクトルおよびフィルタコンデンサを介して接続された電力制御手段と、この電力制御手段により制御される電気車駆動用の主電動機と、第1および第2のスイッチの開閉を制御するスイッチ制御手段とを備えたものであって、直流電源の電圧を検出する電圧検出器と、直流電源からフィルタコンデンサおよび電力制御手段への入力電流を検出する電流検出器と、この電流検出器の出力と上記電圧検出器の出力に対応して定められる異常判定基準値とを比較する比較器とを備え、比較器は、第1のスイッチが閉成されたとき、電流検出器の出力値が所定時間以内に異常判定基準値を下回るか、または第1のスイッチが閉成されたとき、電流検出器の出力値が異常判定基準値を所定時間(所定時間は零を含む)以上上回るかを判断し、電流検出器の出力値が異常判定基準値を所定時間以上上回った場合は故障出力信号をスイッチ制御手段に出し、スイッチ制御手段は、故障出力信号を受けないときは第2のスイッチを閉成し、故障出力信号を受けたときは第2のスイッチを閉成せず、閉成している第1のスイッチを開放するものである。
【0010】
また、上記構成において、比較器は、電流検出器の出力値が異常判定基準値を、充電抵抗器の抵抗値、フィルタコンデンサの容量、フィルタリアクトルのインダクタンスから算出される時定数の一定比率以上の時間の間上回ったときに故障出力信号を出すものである。
【0011】
また、異常判定基準値を、直流電源電圧値に相当する電圧検出器の出力値を充電抵抗器の抵抗値で除した値より一定比率減じた値としたものである。
【0012】
また、異常判定基準値を、直流電源電圧の最低値に相当する電圧検出器の出力値を充電抵抗器の抵抗値で除した値としたものである。
【0013】
また、異常判定基準値を、充電抵抗器の抵抗値、フィルタコンデンサの容量、フィルタリアクトルのインダクタンスから算出される時定数に従ったフィルタコンデンサの充電波形を一定比率上回る値としたものである。
【0015】
また、フィルタコンデンサに並列接続されると共に、互いに直列接続された放電抵抗器と制御整流素子を備え、異常判定基準値を、直流電源電圧値に相当する電圧検出器の出力値を充電抵抗器の抵抗値と放電抵抗器の抵抗値の和で除した値より一定比率減じた値としたものである。
【0016】
また、フィルタコンデンサに並列接続されると共に、互いに直列接続された放電抵抗器と制御整流素子を備え、異常判定基準値を、直流電源電圧の最低値に相当する電圧検出器の出力値を充電抵抗器の抵抗値と放電抵抗器の抵抗値の和で除した値としたものである。
また、電流検出器として、電力制御手段の積算電力量算出用電流検出器を使用したものである。
【0017】
【発明の実施の形態】
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1に係る電気車制御装置を示す回路図である。図において、1は変電所等の電源から架線などに供給された電力を集電する集電装置、2は第1のスイッチ、3は第2のスイッチ、4は後述するフィルタコンデンサ6の充電抵抗器、5はフィルタコンデンサ6と逆L字形フィルタ回路を構成するフィルタリアクトル、6はフィルタコンデンサ、7はサイリスタ等の制御整流素子で構成されるインバータの電力制御手段、9はこの電力制御手段7により制御される電気車駆動用の誘導電動機(主電動機)、18は第1および第2のスイッチ2、3の開閉を制御するスイッチ制御手段である。
【0018】
21は集電装置1の電圧、すなわち直流電源の電圧を検出する電圧検出器、22は直流電源からフィルタコンデンサ6および電力制御手段7への入力電流を検出する電流検出器、23は電圧検出器21の出力電圧Esから算出した所定の電流値(以下異常判定基準値と呼ぶ)Ispと電流検出器22の出力電流値Isを比較して、所定時間t0後にスイッチ制御手段18に信号を出力する比較器である。
【0019】
次に動作を説明する。電力制御手段7等のフィルタコンデンサ6以降の回路が短絡故障を起こしていない正常なときの動作は、上記従来例と同一であるので、ここでは説明を省略する。
【0020】
この正常な時の電流検出器22の出力値Is、すなわち充電電流波形を図2に示す。電圧検出器21の出力をEsとした場合、この充電電流Is=IchL は、RLC回路として算出した場合(図2(ア))、
となり、簡略化のため、RC回路と考えると(図2(イ))、
Ich=Es/R・exp(−1/RC)t ・・・・(1)
となる。計算式の簡略化のため、今後はRC回路の充電電流算出式(1)を使用して説明する。
【0021】
第1のスイッチ2が投入されたときに、電力制御手段7の故障等によってフィルタコンデンサ6以降の回路が短絡されている場合には、直流電源からの入力電流Isは、直流電源電圧Esを充電抵抗器4で制限した電流が流れ続ける。この電流Is=Issは、
Iss=Es/R ・・・・(2)
となる。この式(2)と式(1)を比較すると、
Ich=Iss (t=0)
Ich<Iss (t>0)
となり、t=0以外ではIssの方が大きくなる。
【0022】
この両者の関係を図で示したものが図3である。式(1)(2)および図3から明かなように、時間の経過に従い、IchとIssの差が広がって行くので、この関係を利用し、正常時すなわちIchと、異常時すなわちIssとの判別が可能となる。
【0023】
比較器23は、異常判定基準値Ispとして、電圧検出器21の出力値Esを充電抵抗器4の抵抗値Rで除した数値(Es/R)の例えば−10%の値、
Isp=(Es/R)×0.9 ・・・・(3)
を用い、電流検出器23の出力値Isと比較する。
【0024】
短絡等の故障発生時においては、Is=Issであり、上記Es/RはここではIssと等しいので、Ispを式(3)のように設定すれば、常時、
Isp<Is ・・・・(4)
が成立する。
【0025】
また、回路が正常であった場合には、Is=Ichなので、
Isp<Is (t<0.1053×RC) ・・・・(5)
Isp≧Is (t≧0.1053×RC) ・・・・(6)
となる。これは、下記のように算出される。
Es/R×0.9=Es/R・exp(−1/RC)t
exp(−1/RC)t=0.9
(1/RC)t=0.1053
t=0.1053×RC ・・・・(7)
つまり、0.1053=−ln0.9である。
【0026】
比較器23での比較時間t0を、フィルタリアクトル5(計算式上は省略)、フィルタコンデンサ6、充電抵抗器4からなる充電回路の時定数RCに対して、
t0=RC/3=0.333×RC ・・・・(8)
と設定すると、故障時には、式(4)より、t=t0時に電流検出器22の出力値Isは、異常判定基準値Ispを所定時間t0以上上回ることになり、故障検知の出力信号をスイッチ制御手段18に出力する。これを図4に示す。
【0027】
スイッチ制御手段18は、上記出力信号により、第2のスイッチ3を投入しないようにするとともに第1のスイッチ2を開放して、主回路を電源(変電所等)から切り離す。
【0028】
従来例における所定時間(t2−t1)は、フィルタコンデンサに充電された電圧を確認しなければ得られないため充分長い時間をとる必要があったのに対して、上記所定時間t0はこれより充分短くすることが可能であり、そのため、充電抵抗器4に電流Issが流れる時間を短くし、ひいては、充電抵抗器4の容量を小さくすることが可能である。
【0029】
一方、正常時には、式(5)(6)より、電流検出器22の出力値Isは、式(3)による異常判定基準値Ispを、式(8)による所定時間t0以上上回ることはない。これを図5に示す。
【0030】
実施の形態2.
図6はこの発明の実施の形態2を説明する図であり、図1と同様の部分には同一の符号を付して説明を省略する。直流電源は、変電所の特性や、その給電区間にある他の電気車の負荷としての状態等により電圧変動を発生する。その範囲は、通常DC1500V定格の直流電源の場合は、900〜1800Vになる。比較器23は、異常判定基準値Ispとして、直流電源最低値(すなわち上記電圧変動範囲の場合には900V)に相当する電圧検出器21の出力値Emin(=900)を充電抵抗器4の抵抗値Rで除した数値、
Isp=Emin/R ・・・・(9)
を用い、電流検出器22の出力値Isと比較する。
【0031】
短絡等の故障発生時においては、Is=Issとなり、上記Emin/Rは、
Emin<Es ・・・・(10)
が必ず成立しているので、式(10)より、
Isp=Emin/R<Es/R=Iss
となり、異常判定基準値Ispを上記のように設定すれば、常時、
Isp<Is ・・・・(11)
が成立する。
【0032】
また、回路が正常であった場合には、Is=Ichなので、
Isp<Is (t<−ln(Emin/Es)×RC) ・・(12)
Isp≧Is (t≧−ln(Emin/Es)×RC) ・・(13)
となる。これは、下記のように算出される。
Emin/R=Es/R・exp(−1/RC)t
exp(−1/RC)t=Emin/Es<1.0
(1/RC)t=−ln(Emin/Es)
t=−ln(Emin/Es)×RC ・・・・(14)
(式(14)において、Emin=900、Es=1500とすると、
t=−ln(900/1500)×RC=0.51×RCとなる)
【0033】
充電回路の時定数RCに対する比較器23での比較時間t0を、上記(12)(13)式でEs=900〜1800としたときに成立する値として、例えば、
t0=0.75×RC ・・・・(15)
と設定すると、(式(14)において、Es=1800とすると、
t=−ln(900/1800)×RC=0.693×RCとなる)
故障時には、式(11)より、t=t0時に、電流検出器22の出力値Isは、式(9)による異常判定基準値Ispを、式(15)による所定時間t0以上上回ることになり、故障検出の出力信号をスイッチ制御手段18に出力する。
【0034】
スイッチ制御手段18は、上記故障出力信号により、第2のスイッチ3を投入しないようにするとともに第1のスイッチ2を開放して、主回路を電源(変電所等)から切り離す。
【0035】
従来例における所定時間(t2−t1)は、フィルタコンデンサに充電された電圧を確認しなければならないため、充分長い時間をとる必要があったのに対して、上記所定時間t0はそれより充分短くすることが可能であり、そのため、充電抵抗器4に電流Issが流れる時間を短くし、ひいては、充電抵抗器4の容量を小さくすることが可能である。
【0036】
一方、正常時には、式(12)(13)より、電流検出器22の出力値Isは、式(9)による異常判定基準値Ispを、式(15)による所定時間t0以上上回ることはない。
【0037】
実施の形態3.
図7はこの発明の実施の形態3を説明する図であり、図1と同様の部分には同一の符号を付して説明を省略する。比較器23は、異常判定基準値Ispとして式(1)から算出されるIchの+10%の数値、
を用い、電流検出器22の出力値Isと比較する。
【0038】
短絡等の故障発生時においては、Is=Issなので、
Isp<Is (t<0.095×RC) ・・・・(17)
Isp≧Is (t≧0.095×RC) ・・・・(18)
となる。これは下記のように算出される。
【0039】
また、回路が正常であった場合には、Is=Ichなので、常時、
Isp>Is ・・・・(20)
であり、故障信号出力の条件を満たすことはない。
【0040】
比較器23での比較時間t0を、t0=0と設定すると、比較器23は、故障時には、電流検出器22の出力値Isが、式(16)による異常判定基準値Ispを上回った時点で、故障検出の出力信号をスイッチ制御手段18に出力する。これを図8に示す。
【0041】
スイッチ制御手段18は、上記故障出力信号により、第2のスイッチ3を投入しないようにするとともに第1のスイッチ2を開放して、主回路を電源(変電所等)から切り離す。
【0042】
従来例における所定時間(t2−t1)は、フィルタコンデンサに充電された電圧を確認しなければならないため、充分な時間をとる必要があったのに対して、上記所定時間t0はそれより充分短くすることが可能であり、そのため、充電抵抗器4に電流Issが流れる時間を短くし、ひいては、充電抵抗器4の容量を小さくすることが可能である。
【0043】
実施の形態4.
図9は実施の形態4を説明する図である。図1と同様の部分には同一の符号を付して説明を省略する。24はフィルタコンデンサ6の過電圧発生時等にフィルタコンデンサ6の強制放電回路を形成するサイリスタ等から成る放電用制御整流素子、25は上記放電用制御整流素子24と直列に接続され放電回路を形成する放電抵抗器である。
【0044】
電力制御手段7は、ゲートターンオフサイリスタ(GTO)やIGBT等の制御整流素子から構成されており、それぞれ最大電圧定格が規定されている。通常は、その最大電圧定格をはるかに下回る回路電圧で使用されているが、何らかの異常が発生し、フィルタコンデンサ6の電圧が上昇した場合には、制御整流素子に印加される電圧も上昇し、最大電圧定格に近づいてしまう。この場合、電力制御手段7は、自己の制御整流素子を保護するため、フィルタコンデンサ電圧の過電圧を検出し、保護動作を行なう。
【0045】
この保護動作は、スイッチ2、3をすばやく開放して、主回路を開放する。しかしながら、フィルタコンデンサ6には電荷が充電されたままであり、電圧は印加されたままである。このため、過電圧印加状態を解消するため、フィルタコンデンサ6の放電回路を形成し、フィルタコンデンサ電圧を放電するのである。この放電回路が、上記放電用制御整流素子24と放電抵抗器25から成るものである。上記保護動作の詳細については、この発明とは直接関係ないので、ここでは省略する。
【0046】
第1のスイッチ2が投入されたとき、電力制御手段7が正常であった場合でも、放電用制御整流素子24が短絡故障等を起こしていることが想定される。この場合には、直流電源からの入力電流Isは、直流電源電圧Esを充電抵抗器4の抵抗値Rと放電抵抗器25の抵抗値OVRで制限した電流が流れ続ける。この電流Is=Isoは、
Iso=Es/(R+OVR) ・・・・(21)
となる。この式(21)と、式(1)を比較すると、図10のようになり、時間の経過に従い、IchとIsoの大小関係が逆転し、差が広がっていくので、この関係を利用し、正常時すなわちIchと、異常時すなわちIsoとの判別が可能となる。
【0047】
比較器23は、異常判定基準値Ispとして、電圧検出器21の出力値Esを充電抵抗器4の抵抗値Rと放電抵抗器25の抵抗値OVRの和で除した数値、
Es/(R+OVR) ・・・・(22)
の、例えば−10%の値、
Isp=Es/(R+OVR)×0.9 ・・・・(23)
を用い、電流検出器28の出力値Isと比較する。
【0048】
放電用制御整流素子24の短絡等の故障発生時においては、Is=Isoなので、式(22)によるEs/(R+OVR)は、ここではIsoと等しいので、Ispを式(23)のように設定すれば、常時、
Isp<Is ・・・・(24)
が成立する。
【0049】
また、回路が正常であった場合には、Is=Ichなので、
となる。これは、下記のように算出される。
Es/(R+OVR)×0.9=Es/R・exp(−1/RC)t
exp(−1/RC)t=0.9×R/(R+OVR)
(−1/RC)t=ln(0.9×R/(R+OVR))
t=−RC×ln(0. 9×R/(R+OVR)) ・・・・(27)
ここで式(27)において、例えばOVR=Rとすると、
となる。
【0050】
比較器23での比較時間t0を、フィルタリアクトル5(計算式上は省略)、フィルタコンデンサ6、充電抵抗器4からなる充電回路の時定数RCに対して、
t0=RC ・・・・(28)
と設定すると、故障時には式(24)より、t=t0時に、電流検出器22の出力値Isは、式(23)による異常判定基準値Ispを、式(28)による所定時間t0以上上回ることになり、故障検出の出力信号をスイッチ制御手段18に出力する。これを図11に示す。
【0051】
スイッチ制御手段18は、上記故障出力信号により、第2のスイッチ3を投入しないようにするとともに第1のスイッチ2を開放して、主回路を電源(変電所等)から切り離す。
【0052】
以上の様に、放電用制御整流素子24の故障時にも、電力制御手段7の故障時と同様に保護することが可能となる。
【0053】
一方、正常時には、式(25)(26)より、電流検出器22の出力値Isは異常判定基準値Ispを所定時間t0以上上回ることはない。これを、図12に示す。
【0054】
実施の形態5.
図13は、この発明の実施の形態5を説明する図であり、図9と同様の部分には同一の符号を付して説明を省略する。比較器23は、異常判定基準値Ispとして、直流電源最低値(上記変動範囲の場合は900V)に相当する電圧検出器21の出力値Emin(=900)を充電抵抗器4の抵抗値Rと放電抵抗器25の抵抗値OVRの和で除した数値、
Isp=Emin/(R+OVR) ・・・・(29)
を用い、電流検出器23の出力値Isと比較する。
【0055】
放電用制御整流素子24の短絡等の故障発生時においては、Is=Isoとなり、式(29)において、Emin<Esが必ず成立しているので、
Isp=Emin/(R+OVR)<Es/(R+OVR)=Iso
となり、Ispを式(29)のように設定すれば、常時、
Isp<Is ・・・・(30)
が成立する。
【0056】
また、回路が正常であった場合には、Is=Ichなので、
Isp<Is (t<−ln(Emin/Es)×RC) ・・(31)
Isp≧Is (t≧−ln(Emin/Es)×RC) ・・(32)
となる。これは、下記のように算出される。
ここで式(33)において、Emin=900、Es=1500、OVR=Rとすると、
t=−ln(900×R/(1500×2R))×RC=1.204×RC
となる。
【0057】
充電回路の時定数RCに対する比較器28での比較時間t0を、上記(31)(32)式で、Es=900〜1800とした時に成立する値として、例えば、
t0=1.5×RC ・・・・(34)
と設定すると、(式(33)において、Es=1800とすると、
t=−ln(900/3600)×RC=1.368×Rとなる)
故障時には、式(30)より、t=t0時に、電流検出器22の出力値Isは、式(29)による異常判定基準値Ispを、式(34)による所定時間t0以上上回ることになり、故障検出の出力信号をスイッチ制御手段18に出力を出す。
【0058】
スイッチ制御手段18は、上記故障出力信号により、第2のスイッチ3を投入しないようにするとともに第1のスイッチ2を開放して、主回路を電源(変電所等)から切り離す。
【0059】
一方、正常時には、式(31)(32)より、電流検出器22の出力値Isは、式(29)による異常判定基準値Ispを、式(34)による所定瞬間t0以上上回ることはない。
【0060】
実施の形態6.
図14はこの発明の実施の形態6に係る電気車制御装置を示す図である。図において、図1と同様の部分には同一の符号を付して説明を省略する。26は電流検出器22の出力値に対し、第1のスイッチが投入された時点からの時間積分値を出力する積分器であり、27は上記積分器26の出力値Sisが、充電抵抗器4の容量に従って算出された数値(以下故障判定基準値と呼ぶ)Srを上回ったときに故障と判断してスイッチ制御手段18に信号を出力する比較器である。
【0061】
次に動作について説明する。充電抵抗器4は、通常は式(1)による充電電流Ichを通電している。このときの充電抵抗器4での発生損失は、
∫(Ich2 R)dt=R×∫Ich2 dt ・・・・(35)
と表される。このため、充電抵抗器4の容量としては、式(35)と式(1)より、
R×∫(Es/R・exp(−1/RC)t)2 dt
=Es2 /R×∫(exp(−1/RC)2t)dt
=Es2 /R×(RC/2)
=Es2 ×C/2 ・・・・(36)
の繰り返しにより算出する。
【0062】
一般に、電気車制御装置の動作としては、充電動作の頻度は数分から数10分間隔が普通であり、それから考えると、抵抗器の熱時定数から考えて、上記式(36)はほぼ単発と考えてもよいことになる。すなわち、充電抵抗器4の容量Wとしては、
W=Es2 ×C/2+α(余裕分) ・・・・(37)
として設定できる。
【0063】
第1のスイッチ2が投入されたときに、電力制御手段7の故障等によって、フィルタコンデンサ6以降の回路が短絡されている場合には、直流電源からの入力電流Isは、直流電源電圧Esを充電抵抗器4で制限した電流が流れ続ける。この電流Is=Issは式(2)となる。この時の積分器26の出力値Sisは、電流はIss一定であるため、第1のスイッチ2の投入からの経過時間tに対して、
Sis=Iss2 ×t ・・・・(38)
と表される。
【0064】
通常、抵抗器は定格容量に対し通電時間が短時間の場合には、定格容量を超えた電流を通電することが可能である。詳細な数値は抵抗器の種類によっても異なるが、短時間通電限定、繰り返し回数無しか小、という条件がついている。
【0065】
比較器27は、故障判定基準値Srとして、充電抵抗器4の1秒間短時間容量、
Wr=W(定格容量)×K ・・・・(39)
から算出した数値、
Sr=Wr/R ・・・・(40)
を用い、積分器26の出力値Sisと比較する。
【0066】
短絡等の故障発生時においては、Is=Issなので、
式(37)、(38)、(39)より、
K×(Es2 ×C/2+α)/R=Iss2 ×t
K×(Es2 ×C/2+α)/R=(Es/R)2 ×t
(Es2 ×C/2+α)/R=(Es/R)2 ×t/K
C/2+α’=K/R×t
t=2/K×RC+α” ・・・・(41)
より、式(41)において、α≒0とすれば、
t≒2/K×RC ・・・・(42)
となる。
【0067】
通常K=2〜10程度なので、ここで例えば式(42)においてK=5とすると、
t≒0.4×RC ・・・・(43)
となる。
【0068】
よって、比較器27は、短絡等の故障時には、式(43)による、t≒0. 4×RCの時点で故障検出の出力信号をスイッチ制御手段18に出力する。これを、図15に示す。
【0069】
スイッチ制御手段18は、上記故障出力信号により、第2のスイッチ3を投入しないようにするとともに第1のスイッチ2を開放して、主回路を電源(変電所等)から切り離す。
【0070】
実施の形態7.
通常の電気車においては、主にそのランニングコスト算出のため、電気車制御装置の消費電力および回生ブレーキ時の回生電力を算出するための積算電力量算出器を搭載している。積算電力量は、
直流電源電圧(またはその相当値)×入力電流(±)
で算出されるので、積算電力算出器は、この入力電流検出用の電流検出器を有ししている。
【0071】
図16は、実施の形態7の詳細を示した図である。28は積算電力量算出用の電流検出器である。積算電力量算出用の電圧検出器としては、直流電圧検出器21、もしくは、相当量として、従来例の電圧検出器17を用いる。
【0072】
実施の形態7の動作は、電流検出器28を用い、実施の形態1乃至実施の形態6と同様の動作を行なう。
【0073】
この実施の形態では、電流検出器を特別に付加することなく、目的の性能が得られるので、低コスト化、小型化が図れる。
【0074】
また、上記各実施の形態においては、主電動機として誘導電動機を用いた場合について説明したが、同期電動機でも、直流電動機でも同等の効果を奏することは明らかである。
【0075】
また、上記各実施の形態においては、主電動機駆動用電力制御装置として、VVVFインバータ装置を用いた場合について説明したが、コンバータや整流装置と組み合わせた、いわゆるコンバータ/インバータ装置等を使用しても、また、直流電動機駆動用としてチヨッパ装置を使用しても同等の効果を奏することは明らかである。
【0076】
また、上記各実施の形態においては、主電動機の数量を1個としたが、これを複数個としてもよい。
【0077】
また、上記各実施の形態においては、電流検出器の位置をフィルタリアクトルの後段としたが、同一の電流を検出できるところであればどの位置に挿入してもよい。
【0078】
また、上記実施の形態4および実施の形態5においては、放電用制御整流素子をサイリスタとしたが、オン状態を制御できる他の制御整流素子でもよい。
【0079】
【発明の効果】
以上のように、この発明に係る電気車制御装置は、直流電源の電圧を検出する電圧検出器と、直流電源から入力される電流を検出する電流検出器と、上記電流検出器の出力と、上記電圧検出器の出力に対する充電電流値から算出する異常判定基準値とを比較する比較器を備え、第1のスイッチを閉成後の電流検出器の出力値が、上記異常判定基準値を所定時間以上上回ったときに、上記比較器は故障出力信号を出力し、スイッチ制御手段は、その信号により、第2のスイッチを閉成せずに、第1のスイッチを開放するようにしたので、従来例に比べて短時間に故障検出ができ、そのため、充電抵抗器に電流が流れる時間を短くし、充電抵抗器の容量を小さくし、機器の小型化を実現することが可能である。
【0080】
また、電流検出器の出力を2乗積分する積分器の出力と、充電抵抗器の容量に従って算出する異常判定基準値とを比較する比較器を備え、第1のスイッチを閉成後の積分器の出力が、上記異常判定基準値を上回ったときに、上記比較器は故障出力信号を出力し、スイッチ制御手段は、その信号により、第2のスイッチを閉成せずに、第1のスイッチを開放するようにしたので、従来例に比べて短時間に故障検出ができ、そのため、充電抵抗器に電流が流れる時間を短くし、充電抵抗器の容量を小さくし、機器の小型化を実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施の形態1に係る電気車制御装置を示す結線図である。
【図2】 実施の形態1における正常時の電流検出器の出力値(充電電流値)を示す図である。
【図3】 実施の形態1における正常時と異常時の電流検出器の出力値(充電電流値)の比較を示す図である。
【図4】 実施の形態1における異常時の動作を説明するタイミングチャートである。
【図5】 実施の形態1における正常時の動作を説明するタイミングチャートである。
【図6】 この発明の実施の形態2に係る電気車制御装置を示す結線図である。
【図7】 この発明の実施の形態3に係る電気車制御装置を示す結線図である。
【図8】 実施の形態3における異常時の動作を説明するタイミングチャートである。
【図9】 この発明の実施の形態4に係る電気車制御装置を示す結線図である。
【図10】 実施の形態4における正常時と異常時の電流検出器の出力値(充電電流値)の比較を示す図である。
【図11】 実施の形態4における異常時の動作を説明するタイミングチャートである。
【図12】 実施の形態4における正常時の動作を説明するタイミングチャ ートである。
【図13】 この発明の実施の形態5に係る電気車制御装置を示す結線図である。
【図14】 この発明の実施の形態6に係る電気車制御装置を示す結線図である。
【図15】 実施の形態6における異常時の動作を説明するタイミングチャートである。
【図16】 この発明の実施の形態7に係る電気車制御装置を示す結線図である。
【図17】 従来の電気車制御装置を示す結線図である。
【図18】 従来の電気車制御装置の動作を説明するタイミングチャートである。
【符号の説明】
1 集電装置、2 第1のスイッチ、3 第2のスイッチ、4 充電抵抗器、
5 フィルタリアクトル、6 フィルタコンデンサ、7 電力制御手段、
9 誘導電動機(主電動機)、18 スイッチ制御手段、
21 直流電源電圧検出器、22 電流検出器、23 比較器、
24 放電用制御整流素子、25 放電抵抗器、26 積分器、
27 比較器、28 積算電力算出用電流検出器。
Claims (8)
- 直流電源に接続される集電装置と、この集電装置に直列に接続された第1および第2のスイッチと、この第2のスイッチに並列に接続された充電抵抗器と、上記第2のスイッチにフィルタリアクトルおよびフィルタコンデンサを介して接続された電力制御手段と、この電力制御手段により制御される電気車駆動用の主電動機と、上記第1および第2のスイッチの開閉を制御するスイッチ制御手段とを備えた電気車制御装置であって、直流電源の電圧を検出する電圧検出器と、直流電源から上記フィルタコンデンサおよび電力制御手段への入力電流を検出する電流検出器と、この電流検出器の出力と上記電圧検出器の出力に対応して定められる異常判定基準値とを比較する比較器とを備え、上記比較器は、上記第1のスイッチが閉成されたとき、上記電流検出器の出力値が所定時間以内に上記異常判定基準値を下回るか、または上記第1のスイッチが閉成されたとき、上記電流検出器の出力値が上記異常判定基準値を所定時間(所定時間は零を含む)以上上回るかを判断し、上記電流検出器の出力値が上記異常判定基準値を所定時間以上上回った場合は故障出力信号を上記スイッチ制御手段に出し、上記スイッチ制御手段は、故障出力信号を受けないときは、フィルタコンデンサ電圧が充電された場合には、上記第2のスイッチを閉成し、故障出力信号を受けたときは上記第2のスイッチを閉成せず、閉成している上記第1のスイッチを開放することを特徴とする電気車制御装置。
- 比較器は、電流検出器の出力値が異常判定基準値を、充電抵抗器の抵抗値、フィルタコンデンサの容量、フィルタリアクトルのインダクタンスから算出される時定数の一定比率以上の時間の間上回ったときに故障出力信号を出すことを特徴とする請求項1記載の電気車制御装置。
- 異常判定基準値を、直流電源電圧値に相当する電圧検出器の出力値を充電抵抗器の抵抗値で除した値より一定比率減じた値としたことを特徴とする請求項1または請求項2記載の電気車制御装置。
- 異常判定基準値を、直流電源電圧の最低値に相当する電圧検出器の出力値を充電抵抗器の抵抗値で除した値としたことを特徴とする請求項1または請求項2記載の電気車制御装置。
- 異常判定基準値を、充電抵抗器の抵抗値、フィルタコンデンサの容量、フィルタリアクトルのインダクタンスから算出される時定数に従ったフィルタコンデンサの充電波形を一定比率上回る値としたことを特徴とする請求項1記載の電気車制御装置。
- フィルタコンデンサに並列接続されると共に、互いに直列接続された放電抵抗器と制御整流素子を備え、異常判定基準値を、直流電源電圧値に相当する電圧検出器の出力値を充電抵抗器の抵抗値と放電抵抗器の抵抗値の和で除した値より一定比率減じた値としたことを特徴とする請求項1または請求項2記載の電気車制御装置。
- フィルタコンデンサに並列接続されると共に、互いに直列接続された放電抵抗器と制御整流素子を備え、異常判定基準値を、直流電源電圧の最低値に相当する電圧検出器の出力値を充電抵抗器の抵抗値と放電抵抗器の抵抗値の和で除した値としたことを特徴とする請求項1または請求項2記載の電気車制御装置。
- 電流検出器として、電力制御手段の積算電力量算出用電流検出器を使用したことを特徴とする請求項1乃至請求項7のいずれか一項記載の電気車制御装置。
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