JP3843430B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流を電源としてそれを直流に変換する電力変換装置に係り、特に、該装置の地絡に伴う対応技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の交流を電源としてそれを直流に変換する電力変換装置としては、例えば、特開昭６３−１８６５０５号公報がある。同公報の電力変換装置は交流鉄道電気車に特定されたものであり、それは図２に示される以下のような構成を有する。
架線より交流電力を取り込むパンタグラフ１と変圧器３の１次巻線４とは交流遮断器２が介在されて接続され、変圧器３の１次巻線４の他方はレール（接地）に接する車輪１５に接地ブラシ１３を介して接続される。変圧器３の２次巻線５の一端は接触器７を介して単相コンバータ５１の交流入力端（ｕ相）に、２次巻線５の他端は単相コンバータの交流入力端（ｖ相）に接続される。接触器７の両端には充電抵抗器６と補助接触器８の直列体が接続される。
単相コンバータ５１の直流出力端には、フィルタコンデンサ１１、３相インバータ５２の直流側が接続され、該インバータの交流側には電動機１２が接続される。
ここで、単相コンバータ５１は、ｕ相においては上アームが半導体スイッチング素子（以下、素子と略す）２０ｕとフリーホイールダイオード２４ｕを逆極性で並列接続した並列体から構成され、下アームも同様に素子２１ｕとフリーホイールダイオード２５ｕから構成され、同相アームは上下アームの直列体からなっている。また、ｖ相においてもｕ相と同様に素子２０ｖ，２１ｖ、及びフリーホイールダイオード２４ｖ，２５ｖから構成される。
一方、３相インバータ５２は、上記コンバータと同様のアーム構成を有し、ｕ〜相の３相分の素子３０ｕ，３１ｕ，３０ｖ，３１ｖ，３０ｗ，３１ｗとフリーホイールダイオード３４ｕ，３５ｕ，３４ｖ，３５ｖ，３４ｗ，３５ｗから構成される。
また、単相コンバータ５１の直流側の一端（図ではフィルタコンデンサのマイナス側）は、接地線１４により接地ブラシ１３に接続（接地）され、該接地線には地絡電流を検出する接地継電器５３が設けられる。
筺体６０は、いわゆる制御装置内の機器を納める制御箱であり、同図記載のものでは単相コンバータ５１、３相インバータ５２、フィルタコンデンサ１１、接触器７、充電抵抗器６、補助接触器８が筺体６０に収納される。この筺体６０は電気的に接地ブラシ１３に接続（接地）される。
【０００３】
ここで、接触器７、充電抵抗器６及び補助接触器８の機能は、フィルタコンデンサ１１が充電されていない状態から接触器７を投入すると、過大な充電電流が変圧器３から単相コンバータ５１に流れ込むことを防止することにある。そこで、
フィルタコンデンサ１１を充電するときには、まず補助接触器８を投入して充電抵抗器６により制限された充電電流でフィルタコンデンサ１１を充電し、ある程度の電荷が充電されてから接触器７を投入する。
また、フィルタコンデンサ１１のマイナス側と接地ブラシ１３間を接続する接続線１４に設けられる接地継電器５３の機能は、フィルタコンデンサ１１のプラス側、又は単相コンバータ５１、又は３相インバータ等が地絡して接地ブラシ１３と同一の電位に電気的に接続された場合に、地絡電流を検知して交流遮断器２を開放して地絡電流が流れ続けることを防止するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図２の電力変換装置で地絡事故が発生した場合を考える。前述のようにフィルタコンデンサ１１のプラス側、又は単相コンバータ５１、又は３相インバータ５２が地絡すると、接地継電器５３が地絡電流を検出して交流遮断器２を開放すると同時に、接触器７及び補助交流接触器８を開放する。その後、運転を再開するために交流遮断器２を投入するが、このときに地絡箇所がまだ取り除かれておらず、特にその地絡箇所が２次巻線５と接触器７との間に発生していた場合には、接触器７、補助接触器８が開放されていても交流遮断器２の投入と同時に再度地絡が図２の矢印で示した経路（筺体６０−接地線１４−フリーホイールダイオード２３ｖ−２次巻線５）で発生する。
このときの変圧器３の１次巻線には、２次巻線側の地絡による電流と、交流遮断器２を投入する時の電源位相とのタイミングによっては大きな励磁突入電流も流れることになり、変圧器のコイルに機械的耐量を超えた大きな電磁力が働き、変圧器が破損するという課題があった。
一般的に、変圧器に電源を投入するときに１次巻線に励磁突入電流が流れ、それは電源投入時に最も大きく時間と共に減少する。励磁突入電流の大きさは、電源電圧、電源位相、鉄心の残留磁気等により左右され、同じ電源電圧であれば、電源位相０度，残留磁気最大の時に最も大きく、例えば、１次巻線定格２０ｋＶ，８０Ａ，２次巻線定格９００Ｖ，７５０Ａ×２の鉄道車両用変圧器の励磁突入電流は、１次電圧２３ｋＶのときに１次巻線に最大５５０Ａが流れる。
したがって、交流遮断器２の投入時に地絡電流と突入電流が重なる電流が変圧器に流れると、定格電流をはるかに越え、このような電流が流れても短時間であれば、破壊しないだけの電気的、機械的耐量を有するよう設計する必要があり、特に電気車ではそれに伴う重量の増加が問題となる。
【０００５】
そこで、本発明の課題は、電力変換装置の如何なる場所で地絡事故が発生してもその地絡による電流を確実に遮断すると共に、地絡事故が発生して交流遮断器が開放した後に、接地箇所が取り除かれないままに再度交流遮断器が投入されたとしても、変圧器に励磁突入電流と地絡電流が重なり合って流れる過大電流を防止することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、半導体スイッチング素子にフリーホイールダイオードが逆極性で並列接続された並列体を複数個直列接続した直列体を２組有して交流を直流に変換する単相コンバータと、単相交流電源が交流遮断器を介して１次巻線に接続された変圧器であって、その変圧器の２次巻線の両端とコンバータの交流側両端の接続をする第１と第２の接触器と、コンバータの直流側端子間に接続されたフィルタコンデンサと、少なくとも第１，第２の接触器とコンバータ及びフィルタコンデンサが収納された筺体と、コンバータの直流側の一端及び筺体を接地線によって接地する手段と、第２の接触器に並列接続される抵抗器と、
コンバータの直流側の一端から接地への電流を検出する接地継電器とを備え、変圧器の２次巻線と第２の接触器との間で地絡事故が発生した場合、接地継電器が地絡電流を検出し、この検出に応動して交流遮断器を遮断すると同時に第１と第２の接触器を遮断し、地絡事故がまだ取り除かれていない状態で運転を再開する場合であって、その時は先ず交流遮断器を投入し、その後（所定時間後）、第１の接触器を投入する。
【０００７】
これにより、本発明は、前述の地絡事故と同様に２次巻線５と接触器７との間で地絡が発生したとしても、接地継電器からの信号により少なくとも第１の接触器が開放されるので、図２で示した経路で流れる地絡電流を遮断できる。また、接地箇所が取り除かれないままで交流遮断器２が再投入された場合においても、第１と第２の接触器により変圧器３の２次巻線５は開放されているため、変圧器には励磁突入電流しか流れない。その後、第１の接触器が投入された時点で地絡電流が流れ２次巻線は短絡された状態になるが、このときには励磁突入電流は減衰して消滅しているので、励磁突入電流と短絡電流が同時に流れることを防止できる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
図１は、本発明に基づく鉄道電気車の電力変換装置に応用した一実施形態を示す。なお、図１の基本構成は図２と同じで同一符号で示しており、その詳細な説明は前述しているので省略する。図２と構成的に異なるところは、変圧器３の２次巻線５と単相コンバータ５１との接続部分と、接地線１４にスイッチを設けたことである。
変圧器３の２次巻線５の両端と単相コンバータ５１の交流側両端子が第１の接触器９と第２の接触器７を介してそれぞれ接続される。第２の接触器７の両端には充電抵抗器６が並列接続される。
また、フィルタコンデンサ１１のマイナス側と接地ブラシ１３は、スイッチ５４を介在させて接続線１４で接続される。このスイッチ５４は電力変換装置の絶縁試験用に設けられるもので、試験時には開放し、定常動作時には投入されている。
【０００９】
次に、上記電力変換装置の構成において本発明の課題を解決させるための交流遮断器２と第１の接触器と第２の接触器相互間における開閉動作機能について説明する。
〈初期充電モード〉
電動機１２に３相インバータ５２より可変周波数可変電圧の交流を給電し、所定のトルクを発生させて起動させるために、通常、フィルタコンデンサ１１の直流電圧が所定値に達するまで待機する。そこで、フィルタコンデンサ１１を初期充電する場合には次のシーケンスで行う。
先ず、交流遮断器２を投入し、続いて第１の接触器９を投入する。するとフィルタコンデンサ１１には、２次巻線５の電圧が充電抵抗器６、フリーホイールダイオード２４ｕ，２３ｖを介して印加され充電電流が流れる。そして充電が完了した後第２の接触器７を投入する。
〈地絡、運転再開モード〉
地絡の仮定として、従来技術では対応できなかった２次巻線５と第２の接触器７との間で地絡事故が発生した場合とする。この場合の地絡経路は、筺体６０−接地線１４−フリーホイールダイオード２３ｖ−第１の接触器９−２次巻線５で地絡電流が流れる。この時、接地継電器５３が地絡電流を検出し、この検出に応動して交流遮断器２を開放すると同時に、第１及び第２の接触器９，７を開放する（地絡電流を遮断する意味では必ずしもこのとき第２の接触器を開放しなくともよい）。これにより、この経路の地絡電流は遮断されることになる。
【００１０】
その後、地絡原因不明のままで上記地絡箇所がまだ取り除かれていない状態で運転を再開する場合がある。その時にも先ず交流遮断器２が投入される。この時点では、未だ第１と第２の接触器により変圧器３の２次巻線５は投入されておらず、開放状態を維持する。それにより変圧器には１次巻線に励磁突入電流しか流れない。その後（所定時間後）、第１の接触器９を投入する。この時点で再度同じ経路で地絡電流が流れ、２次巻線は短絡された状態になるが、このときには励磁突入電流は減衰して消滅しているので、励磁突入電流と短絡電流が同時に流れることはない。
これにより、例え上記条件の最悪箇所での地絡が発生し、これを無視して再運転の動作が実行されたとしても、地絡に伴う変圧器での過大電流の発生を防止することができる。
なお、地絡事故が単相コンバータ５１や３相インバータ５２側で発生している場合は、第１の接触器９を投入した時点で該当部にかかる電圧は変圧器２次巻線の電圧が充電抵抗器６を介したものとなるので、上記地絡条件での地絡電流は小さいものとなる。
したがって、接地箇所を取り除かずに再運転を動作させた場合、接地継電器より地絡電流の大きさにより接地箇所を見分けることができる。
【００１１】
以上、本実施形態における交流遮断器２、第１及び第２の接触器９，７の投入、遮断時のシーケンスを纏めると、次のようになる。
投入順序：交流遮断器２−第１の接触器９−第２の接触器７（９より所定時間遅らせる）。
遮断順序（地絡時）：交流遮断器２、第１及び第２の接触器９，７共にほぼ同時に動作させる。
【００１２】
次に、本発明の他の実施形態を図３より説明する。図１と異なるところは、単相コンバータ５１を３レベルのコンバータとしたことである。
この単相コンバータ５１は、ｕ相分として、素子２０ｕ〜２３ｕ、フリーホイールダイオード２４ｕ〜２７ｕ、及びクランプダイオード２８ｕ，２９ｕから構成され、ｖ相分として、素子２０ｖ〜２３ｖ、フリーホイールダイオード２４ｖ〜２７ｖ、及びクランプダイオード２８ｖ，２９ｖから構成される。２直列に接続されているクランプダイオード２８ｕと２９ｕ、及び２８ｖと２９ｖの接続点は、２直列に接続されているフィルタコンデンサ１１ｐと１１ｎの接続点にそれぞれ接続されて中性点を構成している。そして、この３レベルのコンバータは、各相の４直列に接続された素子のスイッチングの仕方により、フィルタコンデンサ１１ｐのプラス側、中性点、フィルタコンデンサの１１ｎのマイナス側の３つの電位を選択して出力するものである。
【００１３】
接地構造としては、中性点を接地ブラシ１３の電位に接続している。この例においては、２次巻線５と第２の接触器７の間が地絡すると、地絡電流はフィルタコンデンサ１１ｎを経由して流れることになるが、従来例で問題となる地絡事故後の交流遮断器２の再投入時には、先の地絡事故の時点でフィルタコンデンサ１１ｎの電荷は全て放電してしまっており、再度の地絡発生時の地絡電流の第１波は２次巻線を短絡したものと同等の電流が流れるため、本実施形態により励磁突入電流と、地絡電流が重なり合うことを防ぐことができる。
なお、同図実施形態での接地構造として中性点を接地するのが通常であるが、
場合によってはフィルタコンデンサのマイナス側が接地されることもある。しかし、接地構造が変わっても本発明による効果は何ら変わることはない。
【００１４】
【発明の効果】
本発明によれば、地絡事故が発生して交流遮断器が開放した後に、接地箇所が取り除かれないままに再度交流接触器を投入しても、変圧器に励磁突入電流と変圧器の短絡電流が重なり合って流れ、変圧器のコイルに過大な電磁力が働いて変圧器が破壊に至ることを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す交流鉄道車両の電力変換装置の構成図。
【図２】従来の交流鉄道車両の電力変換装置の構成図。
【図３】本発明の他の実施形態を示す交流鉄道車両の電力変換装置の構成図。
【符号の説明】
１…パンタグラフ、２…交流遮断器、３…変圧器、４…１次巻線、５…２次巻線、６…充電抵抗器、７…第２の接触器、９…第１の接触器、１１…フィルタコンデンサ、１２…電動機、１３…接地ブラシ、１４…接地線、１５…車輪、２０ｕ，２０ｖ，２１ｕ，２１ｖ…スイッチング素子、２４ｕ，２５ｕ，２２ｖ，２３ｖ…フリーホイールダイオード、５１…単相コンバータ、５２…３相インバータ、５３…接地継電器、５４…スイッチ、６０…筺体

Claims (1)

1. 半導体スイッチング素子にフリーホイールダイオードが逆極性で並列接続された並列体を複数個直列接続した直列体を２組有して交流を直流に変換する単相コンバータと、単相交流電源が交流遮断器を介して１次巻線に接続された変圧器であって、その変圧器の２次巻線の両端と前記コンバータの交流側両端の接続をする第１と第２の接触器と、前記コンバータの直流側端子間に接続されたフィルタコンデンサと、少なくとも前記第１，第２の接触器と前記コンバータ及び前記フィルタコンデンサが収納された筺体と、前記コンバータの直流側の一端及び前記筺体を接地線によって接地する手段と、前記第２の接触器に並列接続される抵抗器と、前記コンバータの直流側の一端から接地への電流を検出する接地継電器とを備え、
   前記変圧器の２次巻線と前記第２の接触器との間で地絡事故が発生した場合、
   前記接地継電器が地絡電流を検出し、この検出に応動して前記交流遮断器を遮断すると同時に前記第１と第２の接触器を遮断し、前記地絡事故がまだ取り除かれていない状態で運転を再開する場合であって、その時は先ず前記交流遮断器を投入し、その後（所定時間後）、前記第１の接触器を投入することを特徴とする電力変換装置。

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