JP4120708B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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Description

本発明は、永久磁石同期電動機を駆動制御する電力変換装置に関する。
永久磁石同期電動機（以下、単に電動機と記す）は、従来から多く使用されている誘導電動機と比較して、永久磁石による磁束が確立しているので励磁電流が不要であることや、回転子に電流が流れないため、二次銅損が発生しないことなどから高効率な電動機として知られている。電気車には従来、誘導電動機が使用されてきたが、近年、効率の向上を図るために永久磁石同期電動機の電気車への適用が検討されている。
永久磁石同期電動機を駆動制御する電気車の制御装置で使用される電力変換装置では、電気車の安定な運行を実現するために、故障により停止したり破損したりする可能性を極力低減した安定な動作が要求される。そのような要求を実現するために、永久磁石同期電動機を電気車に適用する上で最も重要な課題となるのが、電力変換装置の保護方法である。即ち電力変換装置に発生しうる異常現象を明確化し、それに対して装置の過剰な停止を排除しつつ、かつ装置が破損することのないように適切な措置を講ずることが必要である。
電力変換装置は、センサやマイクロコンピュータ等の電子部品やスイッチング素子等の半導体部品、それらを接続するケーブルやブスバー等の導電部材、絶縁材料等の数多くの電気・電子部品で構成されている。このため、電力変換装置を構成する各部品等の構成要素に故障や不良が発生する可能性があり、その際、回路に過電流や過電圧が発生する等の異常現象が発生する。また、電気鉄道特有の電源電圧変動、車両の振動やレールからの振動に伴う種々の外乱により、回路に一時的な過電圧や過電流が生じる場合もある。
また、永久磁石同期電動機は従来多く使用されてきた誘導電動機と異なり、外部からの電力供給がなくとも、内蔵されている永久磁石の磁束の働きにより電動機の回転中は常に電圧を発生する。
一般に、電気車は複数の車両を連結して編成を成して走行しており、電力変換装置と電動機は、それぞれ複数台が複数の車両に分散搭載されている。このため、たとえば編成中にある複数の電力変換装置のうち、一台の電力変換装置が故障して停止した場合においても、電気車は他の正常な電動機により走行を継続することが可能となる。半面、停止した電力変換装置に接続された電動機は車輪側から回され続けることになり、回転数に応じた電圧を発生する。
即ち、電気車が走行中に電力変換装置に生じた故障形態によっては、電動機が発生した電圧が故障部位に電流を供給し続けることになり、故障部位の損傷をさらに拡大させたり発熱させたりする恐れがある。
このような場合に電力変換装置内に設けられた電圧計測器、電流計測器等からの信号をシステム制御部で監視し、検出値が所定の値を超過するなどした場合に、異常現象の発生と判断し、所定の論理で内蔵されている接触器やスイッチング素子を切にし、電力変換装置が破損するのを防止する保護機能が必要となる。
ただし、異常現象が発生した場合に電力変換装置が有する全ての接触器やスイッチング素子を切にする構成とすることは、電力変換装置の再起動に時間を要することになり電気車の定時運行を阻害したり、接触器等の動作回数が必要以上に増加し、可動部の磨耗を早めたりするために適切ではない。また不適切な措置により異常部位の損傷を拡大する可能性もある。つまり、電力変換装置の過剰な停止を回避しつつ、破損を防止するためには、電力変換装置は、発生した異常現象、故障形態に適した措置を実施できる保護機能を有することが必要となる。
従来例として、電気車が走行中に永久磁石同期電動機を駆動制御するインバータが故障した場合において、電動機による発電電力によりインバータの損傷を拡大しないように、インバータと永久磁石同期電動機の間を切り離す接触器を設け、インバータの故障を検出した場合にはこの接触器でインバータと永久磁石同期電動機を切り離すことが特許文献１に示されている。
特開平８−１８２１０５
特許文献１の方法によれば、インバータの故障を検出した場合には接触器によりインバータと永久磁石同期電動機を切り離すことが可能となるため、上記のような走行中の電動機の発電電圧による故障部位の拡大を防ぐことが可能となる。しかし、上記特許文献１においては、インバータが故障した場合に電動機との間の接触器を切にすることが記述されているものの、インバータを含む電力変換装置内の各部に発生しうる具体的な異常現象とその内容に応じた措置方法が記載されていない。
上述したとおり、電力変換装置に発生しうる具体的な異常現象とそれに対する適切な措置方法を有した保護機能をあらかじめ構築しておくことは、電気車を安定に運用する上できわめて重要であるが、特許文献１の内容では、電力変換装置に発生しうる具体的な異常現象とその内容に応じた措置を講ずることができない。
本発明は、上記問題を解決するために考案されたものであり、永久磁石同期電動機を駆動制御する電力変換装置に発生しうる具体的な異常現象とその内容に応じた措置方法を示し、電力変換装置に発生しうる各種異常現象に対して措置を可能とする保護機能を有した電力変換装置を提供することが目的である。
この発明に係る電力変換装置は、交流電源からの交流電力を直流電力に変換し、スイッチング素子を有するコンバータと、該コンバータの直流側に並列に接続されたコンデンサと、該コンデンサに並列に接続されて永久磁石同期電動機を駆動制御し、スイッチング素子を有するインバータと、前記コンデンサに並列に接続された放電回路と、前記交流電源と前記コンバータの交流側の間に設けられた電源側開閉器と、前記インバータの交流側と前記永久磁石同期電動機の間に設けられた電動機側開閉器と、前記交流電源の電圧を計測する電源電圧計測器と、前記コンデンサの電圧を計測するコンデンサ電圧計測器と、前記コンバータの交流電流を計測する入力電流計測器と、前記インバータの交流電流を計測する出力電流計測器と、前記電源電圧計測器、前記コンデンサ電圧計測器、前記入力電流計測器及び前記出力電流計測器からの信号を入力として有し、入力された信号を所定の方法で処理して電力変換装置の異常の有無と異常内容を判定し、異常有りと判定した場合に、異常内容に応じて、前記コンバータ、前記インバータ及び前記放電回路のそれぞれを動作させるかどうか、前記コンバータ及び前記インバータのスイッチング素子、前記電源側開閉器及び前記電動機側開閉器のそれぞれを切にするかどうかを判断し、前記電源側開閉器、前記コンバータ、前記放電回路、前記インバータ及び前記電動機側開閉器の中で異常内容に応じて必要と判断するものを制御するシステム制御部とを備え、前記システム制御部は、前記コンデンサ電圧計測器により計測された電圧が第一の所定値以下である場合に、前記コンバータのすべての前記スイッチング素子と前記インバータのすべての前記スイッチング素子とを切にし、前記システム制御部は、前記コンデンサ電圧計測器により計測された電圧が前記第一の所定値より小さい第二の所定値以下である場合に、前記電源側開閉器を切にし、前記コンデンサ電圧計測器により計測された電圧が前記第二の所定値よりも大きい場合に前記電源側開閉器を切にしないことを特徴とするものである。
また、交流電源からの交流電力を直流電力に変換し、スイッチング素子を有するコンバータと、該コンバータの直流側に並列に接続されたコンデンサと、該コンデンサに並列に接続されて永久磁石同期電動機を駆動制御し、スイッチング素子を有するインバータと、前記コンデンサに並列に接続された放電回路と、前記交流電源と前記コンバータの交流側の間に設けられた電源側開閉器と、前記インバータの交流側と前記永久磁石同期電動機の間に設けられた電動機側開閉器と、前記交流電源の電圧を計測する電源電圧計測器と、前記コンデンサの電圧を計測するコンデンサ電圧計測器と、前記コンバータの交流電流を計測する入力電流計測器と、前記インバータの交流電流を計測する出力電流計測器と、前記電源電圧計測器、前記コンデンサ電圧計測器、前記入力電流計測器及び前記出力電流計測器からの信号を入力として有し、入力された信号を所定の方法で処理して電力変換装置の異常の有無と異常内容を判定し、異常有りと判定した場合に、異常内容に応じて、前記コンバータ、前記インバータ及び前記放電回路のそれぞれを動作させるかどうか、前記コンバータ及び前記インバータのスイッチング素子、前記電源側開閉器及び前記電動機側開閉器のそれぞれを切にするかどうかを判断し、前記電源側開閉器、前記コンバータ、前記放電回路、前記インバータ及び前記電動機側開閉器の中で異常内容に応じて必要と判断するものを制御するシステム制御部とを備え、前記システム制御部は、前記コンデンサ電圧計測器により計測された電圧が第一の所定値以下である場合に、前記コンバータのすべての前記スイッチング素子と前記インバータのすべての前記スイッチング素子とを切にし、前記システム制御部は、前記コンデンサ電圧計測器により計測された電圧が前記第一の所定値より小さい第二の所定値以下である場合に、前記電動機側開閉器を切にし、前記コンデンサ電圧計測器により計測された電圧が前記第二の所定値よりも大きい場合に前記電動機側開閉器を切にしないことを特徴とするものである。
この発明に係る電力変換装置は、交流電源からの交流電力を直流電力に変換し、スイッチング素子を有するコンバータと、該コンバータの直流側に並列に接続されたコンデンサと、該コンデンサに並列に接続されて永久磁石同期電動機を駆動制御し、スイッチング素子を有するインバータと、前記コンデンサに並列に接続された放電回路と、前記交流電源と前記コンバータの交流側の間に設けられた電源側開閉器と、前記インバータの交流側と前記永久磁石同期電動機の間に設けられた電動機側開閉器と、前記交流電源の電圧を計測する電源電圧計測器と、前記コンデンサの電圧を計測するコンデンサ電圧計測器と、前記コンバータの交流電流を計測する入力電流計測器と、前記インバータの交流電流を計測する出力電流計測器と、前記電源電圧計測器、前記コンデンサ電圧計測器、前記入力電流計測器及び前記出力電流計測器からの信号を入力として有し、入力された信号を所定の方法で処理して電力変換装置の異常の有無と異常内容を判定し、異常有りと判定した場合に、異常内容に応じて、前記コンバータ、前記インバータ及び前記放電回路のそれぞれを動作させるかどうか、前記コンバータ及び前記インバータのスイッチング素子、前記電源側開閉器及び前記電動機側開閉器のそれぞれを切にするかどうかを判断し、前記電源側開閉器、前記コンバータ、前記放電回路、前記インバータ及び前記電動機側開閉器の中で異常内容に応じて必要と判断するものを制御するシステム制御部とを備え、前記システム制御部は、前記コンデンサ電圧計測器により計測された電圧が第一の所定値以下である場合に、前記コンバータのすべての前記スイッチング素子と前記インバータのすべての前記スイッチング素子とを切にし、前記システム制御部は、前記コンデンサ電圧計測器により計測された電圧が前記第一の所定値より小さい第二の所定値以下である場合に、前記電源側開閉器を切にし、前記コンデンサ電圧計測器により計測された電圧が前記第二の所定値よりも大きい場合に前記電源側開閉器を切にしないことを特徴とするものなので、電源側開閉器の不要な開閉を防止しつつ、短絡発生時には確実な保護動作を可能とすることができる。
また、交流電源からの交流電力を直流電力に変換し、スイッチング素子を有するコンバータと、該コンバータの直流側に並列に接続されたコンデンサと、該コンデンサに並列に接続されて永久磁石同期電動機を駆動制御し、スイッチング素子を有するインバータと、前記コンデンサに並列に接続された放電回路と、前記交流電源と前記コンバータの交流側の間に設けられた電源側開閉器と、前記インバータの交流側と前記永久磁石同期電動機の間に設けられた電動機側開閉器と、前記交流電源の電圧を計測する電源電圧計測器と、前記コンデンサの電圧を計測するコンデンサ電圧計測器と、前記コンバータの交流電流を計測する入力電流計測器と、前記インバータの交流電流を計測する出力電流計測器と、前記電源電圧計測器、前記コンデンサ電圧計測器、前記入力電流計測器及び前記出力電流計測器からの信号を入力として有し、入力された信号を所定の方法で処理して電力変換装置の異常の有無と異常内容を判定し、異常有りと判定した場合に、異常内容に応じて、前記コンバータ、前記インバータ及び前記放電回路のそれぞれを動作させるかどうか、前記コンバータ及び前記インバータのスイッチング素子、前記電源側開閉器及び前記電動機側開閉器のそれぞれを切にするかどうかを判断し、前記電源側開閉器、前記コンバータ、前記放電回路、前記インバータ及び前記電動機側開閉器の中で異常内容に応じて必要と判断するものを制御するシステム制御部とを備え、前記システム制御部は、前記コンデンサ電圧計測器により計測された電圧が第一の所定値以下である場合に、前記コンバータのすべての前記スイッチング素子と前記インバータのすべての前記スイッチング素子とを切にし、前記システム制御部は、前記コンデンサ電圧計測器により計測された電圧が前記第一の所定値より小さい第二の所定値以下である場合に、前記電動機側開閉器を切にし、前記コンデンサ電圧計測器により計測された電圧が前記第二の所定値よりも大きい場合に前記電動機側開閉器を切にしないことを特徴とするものなので、電動機側開閉器の不要な開閉を防止しつつ、短絡発生時には確実な保護動作を可能とすることができる。
本発明の実施の形態１における電力変換装置を電気車の制御装置に適用した場合の構成例を示す図である。 本発明の実施の形態１における電源側接触器と電動機側接触器の構成例を示す図である。 本発明の実施の形態１における正常時の電力変換装置の接地系統を説明する図である。 本発明の実施の形態１における主回路地絡時の電力変換装置の接地系統を説明する図である。
符号の説明
１：架線 ２：集電装置
３：車輪 ４：レール
５：遮断器 ６：変圧器
１０、１０ｕ、１０ｖ：電源側接触器 １１：主接点
１２：電磁コイル １３：補助接点
２０：コンバータ ２１〜２４：スイッチング素子
３０：コンデンサ ４０：接地回路
４１、４２、４３：インピーダンス要素 ４４：地絡検出器
５０：放電回路 ５１：抵抗
５２：スイッチング部 ６０：インバータ
６１〜６６：スイッチング素子
７０、７０ｕ，７０ｖ，７０ｗ：電動機側接触器 ８０：永久磁石同期電動機（電動機）
９０：電圧計測器 ９１：電流計測器
９２：電圧計測器 ９３〜９５：電流計測器
９６：回転検出器 １００：システム制御部
２００：電力変換装置の筐体または車体
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における電力変換装置を電気車の制御装置に適用した場合の構成例を示す図である。図１に示すように、主回路は、架線１（交流２０ＫＶ〜２５ＫＶが一般的）から集電装置２を介して電力を取り入れ、遮断器５を介して変圧器６の一次側に電力を取り入れる。変圧器６の他端は車輪３を介して大地電位であるレール４に接続されている。なお、遮断器５は短絡時に発生する事故電流の遮断能力を有したものであり、後述する電源側接触器１０と電動機側接触器７０はこのような事故電流の遮断能力を有さない。
変圧器６は一次巻線に入力された電圧を降圧して二次巻線と三次巻線に出力し、二次巻線は、電源側開閉器である電源側接触器１０と入力電流計測器である電流計測器９１とを介してコンバータ２０に入力される。一方、三次巻線は、電源電圧計測器である電圧計測器９０に入力され、電圧計測器９０は三次巻線電圧である交流電源電圧ＶＳをシステム制御部１００に入力する。
なお、電圧計測器９０は架線１の電圧を計測するのが目的である。電圧計測器９０の配置位置は、図１に示す変圧器５の３次側がコンバータ２０からの高調波の影響を軽減できるほか、絶縁も容易であるため好適であるが、二次巻線の電源側接触器１０の交流電源側に配置しても良いし、変圧器６の一次側に配置してもよい。
電源側接触器１０は、変圧器６の二次巻線とコンバータ２０の間に配置され、システム制御部１００からの信号Ｋにより入切の制御が可能な構成とする。またその動作状態は、信号ＫＦとしてシステム制御部１００に入力する。なお、図１では２本ある交流入力線の両方を電源側接触器１０ｕ、１０ｖで切る構成で図示しているが、交流入力線のどちらか一方に接触器を配置することでもよい。この接触器の詳細構成については追って詳細説明する。
電流計測器９１では、コンバータ２０への入力電流ＩＳを検出し、検出値をシステム制御部１００に入力する。コンバータ２０はスイッチング素子２１，２２，２３，２４で構成したブリッジ回路からなり、システム制御部１００からの信号ＣＧに応じて各スイッチング素子をＰＷＭ制御することで入力された交流電圧を直流電圧に変換して出力する。各スイッチング素子の状態は信号ＣＧＦによりシステム制御部１００にフィードバックする。信号ＣＧＦは、スイッチング素子に過電流が発生した場合、スイッチング素子の駆動電圧が低下した場合、スイッチング素子の過温度が検知された場合、スイッチング素子の入切動作が指令ＣＧと不一致になった場合にそれらの情報をシステム制御部１００に入力する。
スイッチング素子２１〜２４は、逆並列ダイオードが内蔵されたＩＧＢＴ素子やＩＰＭ素子が好適である。コンバータ２０の詳細な構成と制御方法は種々の公知例があり、詳細な説明は省略する。なお、図１ではコンバータ２０は２レベルコンバータ回路として示してあるが、３レベル以上のコンバータ回路でもよい。
コンバータ２０の出力には、直流電圧の平滑のために並列にコンデンサ３０を接続する。コンデンサ３０の電圧ＶＤＣは、コンデンサ電圧計測器である電圧計測器９２により検出し、システム制御部１００に入力する。
コンバータ２０の出力にはさらに接地回路４０を接続する。接地回路４０は、インピーダンス要素４１、４２によりコンバータ２０の直流電圧ＶＤＣを分圧し、インピーダンス要素４１、４２の接続点はインピーダンス要素４３を介して電力変換装置の筐体または車体２００に接地されている。インピーダンス要素４３の電圧あるいは電流は地絡検出器４４により監視され、その監視状態を信号ＩＧとしてシステム制御部１００に入力する。なお、インピーダンス要素４１，４２は、それぞれコンデンサ、抵抗、あるいはコンデンサと抵抗の組み合わせで構成する。インピーダンス要素４３は、抵抗で構成するのが好適である。
次いで、放電手段である放電回路５０がコンデンサ３０の電荷を放電するために設けてある。放電回路５０は抵抗５１とスイッチング部５２とから構成し、システム制御部１００からの信号ＯＶＧによりスイッチング部５２が入切動作する構成であり、その動作状態を信号ＯＶＦによりシステム制御部１００に入力する。なお、スイッチング部５２はサイリスタやＩＧＢＴ、ＩＰＭ等のスイッチング素子により構成するのが好適である。
次に、コンデンサ３０の直流電圧を入力とし、任意の電圧、周波数の交流電圧に変換し出力するインバータ６０を配置する。インバータ６０は、スイッチング素子６１、６２、６３、６４、６５、６６で構成したブリッジ回路からなり、システム制御部１００からの信号ＩＧに基づいて各スイッチング素子をＰＷＭ制御する構成である。各スイッチング素子の状態は信号ＩＧＦによりシステム制御部１００にフィードバックする。信号ＩＧＦは、スイッチング素子に過電流が発生した場合、スイッチング素子の駆動電圧が低下した場合、スイッチング素子の過温度が検知された場合、スイッチング素子の入切動作が指令ＩＧと不一致となった場合にそれらの情報をシステム制御部１００に入力する。
スイッチング素子６１〜６６は、逆並列ダイオードが内蔵されたＩＧＢＴ素子やＩＰＭ素子が好適である。インバータ６０の詳細な構成と制御方法は種々の公知例があり、詳細な説明は省略する。なお、図１ではインバータ６０は２レベルインバータ回路として示してあるが、３レベル以上のインバータ回路でもよい。
インバータ６０の出力側には出力電流計測器である電流計測器９３，９４，９５を設置する。各電流計測器にて検出された値は、Ｕ相電流はＩＵ、Ｖ相電流はＩＶ、Ｗ相電流はＩＷとしてシステム制御部１００に入力される。
電流計測器９３，９４，９５の出力側に電動機側開閉器である電動機側接触器７０を配置する。電動機側接触器７０は、Ｕ相用接触器７０ｕ、Ｖ相用接触器７０ｖ、Ｗ相用接触器７０ｗから構成しており、それぞれはシステム制御部１００からの信号ＭＭＫで入切制御される。またその動作状態は信号ＭＭＫＦとしてシステム制御部１００に入力する。この接触器の詳細構成については追って説明する。
電動機側接触器７０の出力側には電気車を駆動する永久磁石同期電動機（電動機）８０を配置する。そのロータ位置は回転検出器９６により検出し、位置信号θとしてシステム制御部１００に入力する。なお、回転検出器９６を設けずに、位置信号θを電動機８０の電圧、電流から算出する位置センサレス制御としても良い。
前記の電源側接触器１０ｕ，１０ｖ、電動機側接触器７０ｕ，７０ｖ，７０ｗの詳細な説明を行う。図２は本発明の実施の形態１における電源側接触器１０ｕ，１０ｖ、電動機側接触器７０ｕ，７０ｖ，７０ｗの構成例を示す図である。図２に示すとおり、主回路を開閉する主接点１１、主接点１１を駆動する電磁コイル１２、主接点１１に機械的に接続され、主接点１１が投入されると連動して閉じ、開放されると連動して開く補助接点１３から構成される。
電磁コイル１２はシステム制御部１００から入力される信号Ｋあるいは信号ＭＭＫに応じて入切される電磁コイルであり、この電磁コイルの駆動力により主接点１１を入または切にする。電磁コイルを二つ設け、主接点１１の入と切をそれぞれ別の電磁コイルで実施してもよいし、電磁コイルを一つとし、コイルの励磁により発生する力により主接点１１が入にされ、コイルの消磁で力が発生しなくなるとバネなどによる主接点開放部により主接点１１が切となる構成でもよい。
なお、電動機側接触器７０ｕ，７０ｖ，７０ｗに関しては、電磁コイル１２の電源が切となった場合に、主接点１１は電磁コイル１２の駆動力によらずバネ力等により切にする構成とするのが望ましい。これは、以下に説明するとおり、システム制御部１００の制御電源がなくなった場合においても電動機８０をインバータ６０から切り離すことを可能とするためである。補助接点１３により検出された主接点１１の動作を示す信号ＫＦあるいは信号ＭＭＫＦは、システム制御部１００に入力する。
なお、以上の説明では電源側接触器１０ｕ，１０ｖ、電動機側接触器７０ｕ，７０ｖ，７０ｗを機械式の接触器として説明したが、回路の開閉（入切）とその動作確認が行える構成であればこれに限らず、例えば半導体式の無接点式接触器でもよい。また、補助接点１３は主接点１１が入されると連動して閉じ、切されると連動して開く構成としているが、この逆に主接点１１が入されると連動して開き、切されると連動して閉じる構成としてもよい。このように、主接点１１に連動する補助接点１３の状態をシステム制御部１００へ入力することで、以下に説明するとおり、システム制御部１００にて電源側接触器１０ｕ，１０ｖ、電動機側接触器７０ｕ，７０ｖ，７０ｗの動作を確実に把握することが可能となり、接触器の異常を検出することが可能となる。
システム制御部１００の説明を行う。システム制御部１００は、図示しないが、外部のたとえば電気車の運転台等からの前進、後進、力行、回生の各運転モード指令、力行ノッチ、ブレーキ力指令を含む信号を受け、以上に説明した電力変換装置の各部分を制御する構成である。また、既に説明したとおり、各部分からは動作状態を示す信号がシステム制御部１００に入力される構成である。このように構成することでシステム制御部１００により、運転台等からの信号に応じて電力変換装置の各部分を最適に制御することが可能となる。
なお、図１においては、変圧器６の二次巻線に対してコンバータ２０を一回路接続し、コンバータ２０の出力側にインバータ６０を一回路接続した形態で示したが、変圧器６の二次巻線に対してコンバータ２０を複数回路接続し、コンバータ２０の出力側にインバータ６０を複数回路並列接続する構成としてもよい。また、変圧器６の二次巻線を複数に分割し、それぞれにコンバータ２０とインバータ６０を接続する構成としても良い。
このように構成された電力変換装置において、発生が想定される異常現象の内容と、異常現象が発生したときに実施する適切な措置を以下に説明する。
ここで、異常の重要度と一過性のものかどうかにより、異常が発生してスイッチング素子や電源側接触器１０、電動機側接触器７０等を切にして装置を停止させた後の対処方法が異なるように、異常現象を以下の３種類のカテゴリーに区分けする。
分類Ａ：異常と判断した条件が解消されて所定の時間（数秒程度）を経過したことを条件に自動的に装置を再起動させる異常。
分類Ｂ：異常と判断した条件が解消されたことと、リセットボタンの操作等による人為的操作を介在させることとを条件に装置を再起動させる異常。
分類Ｃ：再起動自体を不可とする異常。
分類Ａ、分類Ｂ、分類Ｃの分類理由を説明する。分類Ａは、架線１の電圧変動や他の電気車の運行状態、車輪の空転等の外乱により一時的に発生することが想定される項目で、即装置の破損につながるものではない項目であるので、自動的な再起動を実施することで装置停止により電気車の走行性能が低下することを回避するものである。
分類Ｂは、上記の外乱による可能性は低く、装置自体に異常が発生した可能性が高く、自動的な再起動により装置の損傷をさらに拡大する恐れがある項目である。このため、人為的な操作を介することで人間が再起動を行うことを明示的に選択した場合にのみ、再起動を実施するものである。
分類Ｃは、再起動を行うことで装置の損傷を拡大することが明らかである項目であり、再起動自体を禁止するものである。
さらに、分類Ａの異常項目が所定の時間内に所定の回数発生した場合、分類Ｂの扱いとすることが好ましい。たとえば、３分間に分類Ａの異常項目が連続して２回発生した場合、外乱によるものである可能性は低いと考えられ、回路に異常が発生している可能性が高い。このような場合に自動的に再起動を繰り返すと、装置を損傷させる可能性があるため、分類Ｂの扱い、すなわち異常の発生を受けスイッチング素子や電源側接触器１０、電動機側接触器７０等を切にして装置を停止させた後、運転台等に設けられたリセットボタン（図示せず）の操作等による人為的操作を介在させることとを条件に装置を再起動させることとするのが好ましい。
以下に各異常項目の分類を示す。
（分類Ａ）
（１）入力過電圧（略称ＶＳＯＶ）
（２）入力低電圧（略称ＶＳＬＶ）
（３）コンバータ２次過電流（略称ＩＳＯＣ）
（４）コンデンサ過電圧（略称ＦＣＯＶ）
（５）コンデンサ低電圧（略称ＦＣＬＶ）
（６）電動機過電流（略称ＭＭＯＣ）
（分類Ｂ）
（７）放電回路異常（略称ＯＶＣＲＦＦ）
（８）充電異常（略称ＣＨＧＦ）
（９）マイコン異常（略称ＷＤＴ）
（１０）制御電源異常（略称ＰＳＬＶ）
（１１）電動機電流不平衡（略称ＰＵＤ）
（１２）回転検出器異常（略称ＲＳＤ）
（１３）主回路地絡検知（略称ＧＤ）
（１４）接触器異常（略称ＫＤ）
（分類Ｃ）
（１５）コンバータスイッチング素子異常（略称ＩＰＭＦＤＣ）
（１６）インバータスイッチング素子異常（略称ＩＰＭＦＤＩ）
以下で、異常項目ごとに判断方法と対処方法を説明する。
（１）入力過電圧（略称ＶＳＯＶ）
システム制御部１００は、電圧計測器９０にて検出された電圧ＶＳが所定の値以上である場合、入力過電圧（以下ＶＳＯＶを略す）と判断する。この現象は、電源側の外乱による一時的な電圧の上昇が発生したものと考えられる。
システム制御部１００がＶＳＯＶと判断した場合、コンバータ２０のスイッチング素子２１〜２４の破損を防ぐために信号ＣＧによりコンバータ２０のスイッチング素子２１〜２４を切にしてスイッチング動作を停止する。またコンバータ２０のスイッチング素子２１〜２４を切にすることでコンデンサ３０の電圧ＶＤＣが維持できなくなるため、信号ＩＧによりインバータ６０のスイッチング素子６１〜６６も切にする。
コンバータ２０が停止した状態が継続した場合、コンデンサ３０の電圧ＶＤＣが低下し、電動機８０の発電電圧の最大値を下回る場合が発生する。この場合、電動機８０の発電電圧によりスイッチング素子６１〜６６のダイオード部分を通してコンデンサ３０が充電され、コンデンサ３０の電圧ＶＤＣは発電電圧の最大値に等しくなる。電気車の最高速度における電動機８０の発電電圧の最大値を、スイッチング素子２１〜２４、６１〜６６の電圧耐量から決まるコンデンサ３０の電圧ＶＤＣの最大許容値以下になるように通常は設計されており、装置を破損することはないため、電動機側接触器７０は入のままでよい。
もちろんこの際、電動機側接触器７０を切にする構成でも良いが、電動機側接触器７０は機械的動作を伴うため、頻繁に入切させると接点や駆動機構が磨耗し、寿命を短縮することになるため好ましいことではない。また、再起動時に電動機側接触器７０を入にするステップが必要となるので装置の再起動時間が長くなり好ましくない。
電気車の最高速度における電動機８０の発電電圧の最大値が、スイッチング素子２１〜２４、６１〜６６の電圧耐量から決まるコンデンサ３０の電圧ＶＤＣの最大許容値より大きい場合は、電動機側接触器７０を切にする。
（２）入力低電圧（略称ＶＳＬＶ）
システム制御部１００は、電圧計測器９０にて検出された電圧ＶＳが所定の値以下である場合、架線１が停電したと判断し、入力低電圧（以下ＶＳＬＶを略す）と判断する。この現象は、架線１の停電、異常な電圧低下により生じるものと考えられる。
システム制御部１００がＶＳＬＶと判断した場合、架線１をコンバータ２０から逆加圧することを防止するために、ＶＳＯＶと同様に対処する。電動機側接触器７０が入のままでよいことも同様である。
（３）コンバータ２次過電流（略称ＩＳＯＣ）
システム制御部１００は、電流計測器９１により検出された電流ＩＳが、所定の値以上である場合にコンバータ２０の入力電流が過大であると判断し、コンバータ２次過電流（以下ＩＳＯＣと略す）と判断する。この現象は、架線１の電圧が急変する等の外乱、コンバータ２０の制御の異常、スイッチング素子２１〜２４の異常、コンバータ２０入出力部周辺の主回路の短絡故障により生じると考えられる
システム制御部１００がＩＳＯＣと判断した場合、コンバータ２０のスイッチング素子２１〜２４を過電流で破損することが無いように、信号ＣＧによりスイッチング素子２１〜２４を切にしてスイッチング動作を停止する。コンバータ２０のスイッチング素子２１〜２４を切にすることでコンデンサ３０の電圧ＶＤＣが維持できなくなるため、信号ＩＧによりインバータ６０のスイッチング素子６１〜６６も切にする。また、過電流を生じた要因がスイッチング素子２１〜２４の動作不良（指令ＣＧどおりに入／切にしない）や短絡、コンバータ２０入出力部の主回路の短絡故障である場合、スイッチング素子２１〜２４を切にするだけでは確実に過電流を防ぐことは難しいため信号Ｋにより電源側接触器１０も切にする。
なお、ＩＳＯＣが発生するほとんどのケースは、架線１の電圧が急変する等の外乱に起因するものであると考えられる。コンバータ２０の上アームと下アームのスイッチング素子が同時に短絡している場合とコンバータ２０の出力側が短絡故障を起こした場合を除いてコンデンサ３０の両端が短絡されることはなく、電動機８０側から電流が流れ込むことはないため、電動機側接触器７０は切にしない。
なお、万一コンバータ２０の上アームと下アームのスイッチング素子が同時に短絡している場合とコンバータ２０の出力側が短絡故障を起こした場合は、後述するようにコンデンサ３０の電圧ＶＤＣが急速に低下するため、これをもって電動機側接触器７０を切にする構成としているので、このようなケースにも装置の保護が可能である。
コンバータ２０が停止した状態が継続して、コンデンサ３０の電圧ＶＤＣが低下し、電動機８０の発電電圧の最大値を下回る場合が発生するが、前述のように電動機側接触器７０は入のままでよい。
（４）コンデンサ過電圧（略称ＦＣＯＶ）
システム制御部１００は、電圧計測器９２により検出された電圧ＶＤＣが、所定の値以上である場合にコンデンサ３０の電圧が過大であると判断し、コンデンサ過電圧（以下ＦＣＯＶと略す）と判断する。この現象は、コンバータ２０の制御が異常となりコンデンサ３０の電圧ＶＤＣが正常に制御できないとき、また電源側からの一時的な外乱により生じると考えられる。
システム制御部１００がＦＣＯＶと判断した場合、コンデンサ電圧ＶＤＣがコンバータ２０のスイッチング素子２１〜２４、インバータ６０のスイッチング素子６１〜６６の電圧耐量を超過することでスイッチング素子を破損することが無いように、信号ＣＧと信号ＩＧによりスイッチング素子２１〜２４とスイッチング素子６１〜６６を切にしてスイッチング動作を停止すると同時に、信号ＯＶＧにより放電回路５０を入とし、スイッチング部５２と抵抗５１とを介してコンデンサ３０の電荷を放電する。
この際、コンデンサ３０の電圧ＶＤＣがコンバータ２０の電源側の電圧より低くなると、コンバータ２０のスイッチング素子２１〜２４に内蔵された逆並列ダイオードを通して電源側からコンデンサ３０と、入にされた放電回路５０に電流が流入し、抵抗５１を焼損する可能性があるので、信号Ｋにより電源側接触器１０を切にする。
また、コンデンサ３０の電圧ＶＤＣが電動機８０の発電電圧の最大値より低くなると電動機８０側からインバータ６０のスイッチング素子６１〜６６に内蔵された逆並列ダイオードを通してコンデンサ３０、放電回路５０に電流が流入し、抵抗５１を焼損する可能性があるので、信号ＭＭＫにより電動機側接触器７０を切にする。
（５）コンデンサ低電圧（略称ＦＣＬＶ）
システム制御部１００は、電圧計測器９２により検出された電圧ＶＤＣが、第一の所定値以下である場合にコンデンサ３０の電圧ＶＤＣが過小であると判断し、コンデンサ低電圧（以下ＦＣＬＶと略す）と判断する。この現象は、架線１に電力を供給する変電所と電気車との距離が遠く、また同一架線から受電する他の電気車の力行が重なって架線１のインピーダンスにより電圧降下が大きくなった場合が主として考えられる。
システム制御部１００がＦＣＬＶと判断した場合、コンデンサ電圧ＶＤＣがさらに低下するのを防止するため、信号ＣＧと信号ＩＧによりスイッチング素子２１〜２４とスイッチング素子６１〜６６を切にしてスイッチング動作を停止し、電動機８０の消費電力を絞ることでコンデンサ３０の電圧ＶＤＣの低下を抑制する。
ところで、コンデンサ３０の電圧ＶＤＣが低下する原因が上記のとおり架線１のインピーダンス降下である場合は、以上の動作にてコンデンサ電圧ＶＤＣの低下は抑制できる。しかし、コンデンサ３０の両端やその付近が短絡して、電荷が放電されたことでコンデンサ３０の電圧ＶＤＣが低下した場合では、以上の動作を行ってもコンデンサ電圧ＶＤＣの低下は避けられない。この場合、コンデンサ３０の電圧ＶＤＣは上記第一の所定値よりもさらに低下することになり、コンデンサ電圧ＶＤＣがコンバータ２０の電源側の電圧より低くなると、コンバータ２０のスイッチング素子２１〜２４に内蔵された逆並列ダイオードを通して電源側からコンデンサ３０に電流が流入し、短絡箇所へ電流が供給されることになり装置を焼損する可能性がある。このため、コンデンサ電圧ＶＤＣが第一の所定値より小さい第二の所定値以下となった場合は、信号Ｋにより電源側接触器１０をさらに切にする。
また、コンデンサ３０の電圧ＶＤＣが電動機８０の発電電圧の最大値より低くなると電動機８０側からインバータ６０のスイッチング素子６１〜６６に内蔵された逆並列ダイオードを通してコンデンサ３０に電流が流入することになり、短絡箇所へ電流が供給されることになり装置を焼損する可能性がある。このため、コンデンサ電圧ＶＤＣが第二の所定値以下となった場合は、さらに信号ＭＭＫにより電動機側接触器７０を切にする。
なお、上記電源側接触器１０を切にする第二の所定値と、上記電動機側接触器７０を切にする第二の所定値はそれぞれ別の値としてもよいし、さらに電源側の電圧ＶＳあるいは電動機８０の回転速度に基づいて電源側接触器１０、電動機側接触器７０を切にする条件を変化させてもよい。例えば、電動機８０の回転速度が低い場合は電動機８０の発電電圧も低いため、電動機側接触器７０の切が必要となるコンデンサ電圧ＶＤＣは回転速度に応じた低い値でよいため、第二の所定値は低く設定する。このように工夫すれば、電源側接触器１０、電動機側接触器７０の動作機会が減少するため入切回数を減らすことが可能となり、接触器の可動部の磨耗を抑制し寿命を延ばすことが可能となる。
（６）電動機過電流（略称ＭＭＯＣ）
システム制御部１００は、電流計測器９３〜９５により検出された電流ＩＵ，ＩＶ．ＩＷのいずれかが、所定の値以上である場合に電動機電流が過大であると判断し、電動機過電流（以下ＭＭＯＣと略す）と判断する。この現象は、インバータ６０の出力線の短絡、電動機８０の巻線の短絡、インバータ６０の制御不良、あるいは電源電圧の急変等の一時的な外乱により生じると考えられる。
システム制御部１００がＭＭＯＣと判断した場合、特にインバータ６０の出力線の短絡が原因である場合には、電動機８０からの発電電圧による電流が短絡箇所に流入し、損傷を拡大する恐れがあるため、信号ＩＧによりインバータ６０のスイッチング素子６１〜６６を切にしてスイッチング動作を停止し、さらに信号ＭＭＫにより電動機側接触器７０を切にする。
なお、信号ＣＧによりコンバータ２０のスイッチング素子２１〜２４を、信号Ｋにより電源側接触器１０をさらに切にしてスイッチング動作を停止する構成としてもよい。
（７）放電回路異常（略称ＯＶＣＲＦＦ）
システム制御部１００は、放電回路５０のスイッチング部５２から入力されたフィードバック信号ＯＶＦがスイッチング部５２の異常を示す場合、放電回路異常（以下ＯＶＣＲＦＦと略す）であると判断する。スイッチング部５２の異常とは、スイッチング部５２に内蔵されたスイッチング素子(図示せず)に過電流が発生したこと、スイッチング素子の駆動電圧が低下したこと、スイッチング素子の過温度が検知されたこと、スイッチング素子の入切動作の指令との不一致が検知されたことの何れかを示すものである。
システム制御部１００がＯＶＣＲＦＦと判断した場合、スイッチング部５２が入にできないか、入のまま切にできない事態が想定されるので、コンデンサ電圧ＶＤＣの放電ができなくなるか、あるいは放電動作を停止できない場合が考えられる。
スイッチング部５２が入にできないでコンデンサ電圧ＶＤＣの放電ができない場合、コンデンサ電圧ＶＤＣがコンバータ２０のスイッチング素子２１〜２４、インバータ６０のスイッチング素子６１〜６６の電圧耐量を超過するとスイッチング素子を破損する可能性があるため、信号ＣＧと信号ＩＧによりスイッチング素子２１〜２４とスイッチング素子６１〜６６を切にしてスイッチング動作を停止する。また同時に、信号Ｋと信号ＭＭＫにより電源側接触器１０と電動機側接触器７０とを切にすることで電源側と電動機側を放電回路５０から切り離し、電流の流入によりコンデンサ３０の電圧が上昇する可能性を排除する。
また、スイッチング部５２が入のままとなり、切にすることができなくなり放電動作を停止できない場合は、コンデンサ３０の電圧ＶＤＣはゼロまで低下することになり、コンバータ２０のスイッチング素子２１〜２４に内蔵された逆並列ダイオードを通して電源側から放電回路５０に電流が流入し抵抗５１を焼損する可能性がある。これを回避するために電源側接触器１０を切にする。
さらに電動機８０側からインバータ６０のスイッチング素子６１〜６６に内蔵された逆並列ダイオードを通して放電回路５０に電流が流入し抵抗５１を焼損する可能性がある。これを回避するために電動機側接触器７０を切にする。
（８）充電異常（略称ＣＨＧＦ）
システム制御部１００は、コンデンサ３０の充電を行う場合に、コンデンサ３０の充電が所定の時間以内に完了しない場合に充電異常（以下ＣＨＧＦと略す）と判断する。コンデンサ３０の充電は、電力変換装置を起動する場合や再起動する場合に、変圧器６の３次巻線や補助電源装置（図示しない）の出力より、変圧器と整流器で構成された充電装置（図示しない）を介して充電する構成としているが、充電開始後所定の時間を経過してもコンデンサ３０の電圧ＶＤＣが所定の値に到達しないことを条件にＣＨＧＦと判断する。
システム制御部１００がＣＨＧＦと判断した場合、コンデンサ３０あるいはその周辺回路が地絡あるいは短絡している可能性があるため、信号ＣＧと信号ＩＧによりスイッチング素子２１〜２４とスイッチング素子６１〜６６を切にしてスイッチング動作を停止する。同時に、信号Ｋと信号ＭＭＫにより電源側接触器１０と電動機側接触器７０とを切状態とすることで電源側と電動機側をコンデンサ３０から切り離し、電源側あるいは電動機８０側から短絡箇所に電流が流入することを防止する。
（９）マイコン異常（略称ＷＤＴ）
システム制御部１００は、内蔵されたマイクロコンピュータ（以下マイコンと略す）の異常を検出するマイコン異常検出部（図示せず）によりマイコンの異常が検出された場合、マイコン異常（以下ＷＤＴと略す）と判断する。
マイコンの異常の検出方法は、種々の方法が公知例として存在するので、その詳細に関しては説明を省略するが、マイコンにより実行されるソフトウエアとは別のハードウエアで構成されたマイコン異常検出部により検出され、このマイコン異常検出部よりマイコンを介さずに電源側接触器１０、電動機側接触器７０、コンバータ２０、インバータ６０の切、放電回路５０の入が可能な構成を有するものである。この現象は、一時的なノイズによりマイコンによるソフトウエア処理結果に異常が発生した場合や、マイコンが搭載された電子基板上の部品等の故障によりマイコンが停止しソフトウエアの処理が停止した場合、マイコンで動作するソフトウエアのバグ等により生じることが考えられる。
システム制御部１００がＷＤＴと判断した場合、ソフトウエアが正常に実行されていない可能性があるため、コンバータ２０、インバータ６０、放電回路５０、電源側接触器１０、電動機側接触器７０に対して異常な信号を出力する可能性があり、スイッチング素子２１〜２４、スイッチング素子６１〜６６を破損する可能性がある。このため、マイコン異常検出部より、マイコンを介さずに信号ＣＧ、信号ＯＶＧ、信号ＩＧによりスイッチング素子２１〜２４、スイッチング素子６１〜６６を切にしてスイッチング動作を停止すると同時に放電回路５０を入とし、コンデンサ３０の電荷を放電することでスイッチング素子に電圧が印加されるのを防止する。コンデンサ３０の放電に伴いコンデンサ３０の電圧ＶＤＣが低下するので、コンバータ２０のスイッチング素子２１〜２４に内蔵された逆並列ダイオードを通して電源側から放電回路５０に電流が流入し、抵抗５１を焼損する可能性があるため信号Ｋにより電源側接触器１０を切にし、同様に電動機８０側からインバータ６０のスイッチング素子６１〜６６に内蔵された逆並列ダイオードを通して放電回路５０に電流が流入し、抵抗５１を焼損する可能性があるため信号ＭＭＫにより電動機側接触器７０を切にする。
（１０）制御電源異常（略称ＰＳＬＶ）
システム制御部１００は、内蔵された制御電源（図示せず）の異常を検出する制御電源異常検出部（図示せず）により制御電源（通常、１５Ｖ、５Ｖ等のマイコン、電子回路用低電圧電源）の電圧が所定の範囲内にない等の異常が検出された場合、制御電源異常（以下ＰＳＬＶと略す）と判断する。なお、電源側接触器１０、電動機側接触器７０の電磁コイル１２の電源、コンバータ２０、インバータ６０のスイッチング素子駆動用電源の電圧が所定値以下に低下する等の場合が発生した場合も、ＰＳＬＶと判断するものとする。
システム制御部１００がＰＳＬＶと判断した場合、マイコンが正常に動作しない恐れがあり、またコンバータ２０、インバータ６０のスイッチング素子駆動用電源の電圧が低下した場合は、電圧不足によりスイッチング素子２１〜２４、６１〜６６を破損する恐れがあるため、速やかにスイッチング素子２１〜２４、スイッチング素子６１〜６６を切にしてスイッチング動作を停止すると同時に放電回路５０を入としコンデンサ３０の電荷を放電することでスイッチング素子に電圧が印加されるのを防止する。コンデンサ３０の放電に伴いコンデンサ３０の電圧ＶＤＣが低下するので、コンバータ２０のスイッチング素子２１〜２４に内蔵された逆並列ダイオードを通して電源側から放電回路５０に電流が流入し、抵抗５１を焼損する可能性があるため信号Ｋにより電源側接触器１０を切にし、同様に電動機８０側からインバータ６０のスイッチング素子６１〜６６に内蔵された逆並列ダイオードを通して電動機側から放電回路５０に電流が流入し、抵抗５１を焼損する可能性があるため信号ＭＭＫにより電動機側接触器７０を切にする。
なお、制御電源が完全に絶たれた場合においても放電回路５０を確実に入にする必要があるので、システム制御部１００と、放電回路５０は、制御電源の供給がなくなった後も制御電源電圧を保持し、放電が完了するまでの間（通常３秒程度）、スイッチング部５２を入した状態で維持するために、電解コンデンサ等の電力貯蔵素子を用いた電源バックアップ回路（図示せず）を有する。以上の構成とすることにより、電力変換装置が動作中に突然制御電源が絶たれた場合においても、確実にコンデンサ３０の電荷を放電し、且つ電源側接触器１０、電動機側接触器７０を切にすることが可能となるので、スイッチング素子２１〜２４、６１〜６６をはじめ、電力変換装置が破損するのを回避できる。
（１１）電動機電流不平衡（略称ＰＵＤ）
システム制御部１００は、電流計測器９３〜９５により検出された電動機電流ＩＵ、ＩＶ、ＩＷの不平衡量が所定の値以上である場合に電動機電流不平衡（以下ＰＵＤと略す）と判断する。
システム制御部１００がＰＵＤと判断した場合、電動機８０の巻線の断線やスイッチング素子の欠相（入にならない故障）の恐れがあり、運転継続は困難であると判断し、スイッチング素子２１〜２４、スイッチング素子６１〜６６を切にしてスイッチング動作を停止し、信号Ｋにより電源側接触器１０を切にし、信号ＭＭＫにより電動機側接触器７０を切にする。
（１２）回転検出器異常（略称ＲＳＤ）
システム制御部１００は、回転検出器９６により検出された位置信号θが異常である場合に回転検出器異常（以下ＲＳＤと略す）と判断する。位置信号θの異常検出方法は、公知例が存在するのでその説明は省略する。
システム制御部１００がＲＳＤと判断した場合、電動機８０の電流制御が正常にできず、制御不良による電動機過電流やそれに伴うスイッチング素子の損傷、あるいは電動機８０の発電電力がコンデンサ３０に流入しコンデンサ電圧ＶＤＣが過電圧となる等の現象の発生が予想される。このため、運転継続は困難であると判断し、スイッチング素子２１〜２４、スイッチング素子６１〜６６を切にしてスイッチング動作を停止し、信号Ｋにより電源側接触器１０を切にし、信号ＭＭＫにより電動機側接触器７０を切にする。
（１３）主回路地絡検知（略称ＧＤ）
システム制御部１００は、接地回路４０に設けられた地絡検出器４４により入力される信号ＩＧが主回路の地絡を示す場合、主回路地絡（以下ＧＤと略す）と判断する。
ここで、本発明の電力変換装置の接地系統と主回路地絡現象の説明を行う。図３は、本発明の実施の形態１における正常時の電力変換装置の接地系統を説明する図である。図３に示すように、電力変換装置の接地系統は、接地回路４０が有するインピーダンス要素４１と４２とによりコンデンサ３０の電圧ＶＤＣを分圧し、インピーダンス要素４３を介してコンデンサ３０の電圧ＶＤＣの中間にあたる電位を電力変換装置の筐体または車体２００に接地する構成である。このように構成しているため、正常時においてはインピーダンス要素４３にはスイッチング素子２１〜２４、６１〜６６の動作に伴う高周波電流を除くと大きな電流が流れないので、地絡検出器４４がシステム制御部１００に入力する信号ＩＧは主回路の地絡を示さない。
図４は、本発明の実施の形態１における主回路地絡時の電力変換装置の接地系統を説明する図である。図４では一例として、電動機８０の三相線のうち一線が電力変換装置の筐体または車両２００に地絡した場合を示している。この場合、図４に破線で示すように電力変換装置の筐体または車両２００を介してインピーダンス要素４３に地絡電流が流れるため、これに基づいて地絡検出器４４はシステム制御部１００に入力する信号ＩＧにより主回路の地絡を示す。
この場合、電気車が走行中である場合、電動機８０が回転しているので発電電圧が生じているためにインバータ６０のスイッチング素子６１〜６６を切にしても、スイッチング素子６１〜６６に内蔵されているダイオードを介して地絡電流が流れ続け、装置を損傷することになる。従って、電動機側接触器７０の切が必要となる。
また、図４に示した接地箇所以外に、コンバータ２０入出力部周辺にて地絡が発生した場合において電源側からの地絡電流経路を切断するために、電源側接触器１０の切も必要となる。さらに、地絡電流の供給源となるコンデンサ３０の電荷を放電するために放電回路５０を入とする。
以上のとおり、システム制御部１００がＧＤと判断した場合、スイッチング素子２１〜２４、スイッチング素子６１〜６６を切にし、信号ＯＶＧにより放電回路５０を入にすることでコンデンサ３０の電荷を放電し、信号Ｋにより電源側接触器１０を切にし、信号ＭＭＫにより電動機側接触器７０を切にする。
（１４）接触器異常（略称ＫＤ）
システム制御部１００は、電源側接触器１０への信号Ｋあるいは電動機側接触器７０への信号ＭＭＫを入としたにも係わらず、主接点１１が入にならずに連動された補助接点１３が入にならず、結果としてフィードバック信号ＫＦあるいは信号ＭＭＫＦが入にならない状態が所定の時間継続した場合、また信号Ｋあるいは信号ＭＭＫを切にしたにも係わらず、主接点１１が切にならずに連動された補助接点１３が切にならず、結果としてフィードバック信号ＫＦあるいは信号ＭＭＫＦが切にならない状態が所定の時間継続した場合に、電源側接触器１０あるいは電動機側接触器７０の動作不良と判断し、接触器異常（以下ＫＤと略す）と判断する。これは、接触器に異常が有る場合には、動作時間が規定値よりも長くなる現象が発生するので、この現象を検出して接触器の異常を判断するものである。こうすることにより、異常がさらに進展して接触器が指令に対して動作しなくなる前に、異常を検出して対策を取ることができる。
なお、本異常検知は電源側接触器１０あるいは電動機側接触器７０単位で行っても良く、電源側接触器１０ｕ、１０ｖあるいは電動機側接触器７０ｕ，７０ｖ，７０ｗと個別に行ってもよい。
システム制御部１００がＫＤと判断した場合、正常に主回路が構成できないばかりでなく、既に説明した各異常現象が発生した場合において電動機８０をインバータ６０から切り離す、あるいは電源側からコンバータ２０を切り離す必要が生じた場合においても、それができなくなるために、装置のさらなる損傷を招く状態に至る可能性がある。
このため、信号ＣＧ、信号ＩＧによりスイッチング素子２１〜２４、スイッチング素子６１〜６６を切にしてスイッチング動作を停止し、信号ＯＶＧにより放電回路５０を入にすることでコンデンサ３０の電荷を放電し、信号Ｋにより電源側接触器１０を切にし、信号ＭＭＫにより電動機側接触器７０を切にする。
なお、ここでは接触器の入切が可能だが動作時間が遅くなる場合を想定しているので、電源側接触器１０と電動機側接触器７０を切にできるものとする。電源側接触器１０が異常と判断した場合には、電源側接触器１０が切にできない場合も考慮して、遮断器５も切にするようにしてもよい。
（１５）コンバータスイッチング素子異常（略称ＩＰＭＦＤＣ）
システム制御部１００は、コンバータ２０から入力された信号ＣＧＦを監視し、信号ＣＧＦが、スイッチング素子に過電流が発生したこと、スイッチング素子の駆動電圧が低下したこと、スイッチング素子の過温度が検知されたこと、スイッチング素子入切動作の指令との不一致が検知されたことの何れかを含む信号である場合に、コンバータスイッチング素子異常（以下ＩＰＭＦＤＣと略す）と判断する。これらの現象は、いずれもスイッチング素子の破壊につながる可能性のあるものである。
システム制御部１００がＩＰＭＦＤＣと判断した場合、コンバータ２０のスイッチング素子２１〜２４を破損することが無いように、信号ＣＧによりスイッチング素子２１〜２４を切にしてスイッチング動作を停止すると同時に、信号ＯＶＧにより放電回路５０を入とし、スイッチング部５２と抵抗５１とを介してコンデンサ３０の電荷を放電する。また同時に信号ＩＧによりインバータ６０のスイッチング素子６１〜６６も切にしてスイッチング動作を停止する。
この際、コンデンサ３０の電圧ＶＤＣがコンバータ２０の電源側の電圧より低くなると、コンバータ２０のスイッチング素子２１〜２４に内蔵された逆並列ダイオードを通して電源側からコンデンサ３０、放電回路５０に電流が流入し、抵抗５１を焼損する可能性があるので、信号Ｋにより電源側接触器１０を切にする。また、コンデンサ３０の電圧ＶＤＣが電動機８０の発電電圧の最大値より低くなると電動機８０側からインバータ６０のスイッチング素子６１〜６６に内蔵された逆並列ダイオードを通してコンデンサ３０、放電回路５０に電流が流入し、抵抗５１を焼損する可能性があるので、信号ＭＭＫにより電動機側接触器７０を切にする。
（１６）インバータスイッチング素子異常（略称ＩＰＭＦＤＩ）
システム制御部１００は、インバータ６０から入力された信号ＩＧＦを監視し、信号ＩＧＦが、スイッチング素子に過電流が発生したこと、スイッチング素子の駆動電圧が低下したこと、スイッチング素子の過温度が検知されたこと、スイッチング素子入切動作の指令との不一致が検知されたことの何れかを含む信号である場合に、インバータスイッチング素子異常（以下ＩＰＭＦＤＩと略す）と判断する。これらの現象は、いずれもスイッチング素子の破壊につながる可能性のあるものである。
システム制御部１００がＩＰＭＦＤＩと判断した場合、インバータ６０のスイッチング素子６１〜６６を破損することが無いように、信号ＩＧによりスイッチング素子６１〜６６を切にしてスイッチング動作を停止すると同時に、信号ＯＶＧにより放電回路５０を入とし、スイッチング部５２と抵抗５１とを介してコンデンサ３０の電荷を放電する。また同時に、信号ＣＧによりコンバータ２０のスイッチング素子２１〜２４も切にしてスイッチング動作を停止する。
この際、コンデンサ３０の電圧ＶＤＣがコンバータ２０の電源側の電圧より低くなると、コンバータ２０のスイッチング素子２１〜２４に内蔵された逆並列ダイオードを通して電源側からコンデンサ３０、放電回路５０に電流が流入し、抵抗５１を焼損する可能性があるので、信号Ｋにより電源側接触器１０を切にする。また、コンデンサ３０の電圧ＶＤＣが電動機８０の発電電圧の最大値より低くなると電動機８０側からインバータ６０のスイッチング素子６１〜６６に内蔵された逆並列ダイオードを通してコンデンサ３０、放電回路５０に電流が流入し、抵抗５１を焼損する可能性があるので、信号ＭＭＫにより電動機側接触器７０を切にする。
以上で各異常現象の検出方法と、対処方法の説明を終了する。なお、以上に説明した異常現象が発生した場合、システム制御部１００は、その異常内容を内部に記録し、同時に運転台等に設けられている外部装置にその異常を通知する構成としている。このように構成することで、異常現象の原因究明が迅速にできる。
なお、以下の異常項目が発生した場合は、主回路が短絡あるいは地絡している可能性が高く、大きな事故電流が発生する可能性があるためさらに遮断器５を切にする。
（８）充電異常（略称ＣＨＧＦ）
（１３）主回路地絡検知（略称ＧＤ）
（１５）コンバータスイッチング素子異常（略称ＩＰＭＦＤＣ）
（１６）インバータスイッチング素子異常（略称ＩＰＭＦＤＩ）
さらに、（１１）電動機電流不平衡（略称ＰＵＤ）、（１２）回転検出器異常（略称ＲＳＤ）は、電気車が惰行中に発生する可能性がないか、あるいは発生しても差支えがない項目であるので、電気車が惰行中（即ち、コンバータ２０、インバータ６０が停止中）は異常検出しないように検出処理を停止させる構成とするのが良い。
以上に説明のとおり、永久磁石同期電動機を駆動制御する電力変換装置に発生しうる具体的な異常現象、故障内容とその内容に応じた措置手段を示し、発生しうる故障に対して適切な措置ができる保護機能を有するシステム制御部を構築することで、例えば異常発生時の過剰な保護動作により接触器の入切回数が増えて接触器の寿命を縮めたり、接触器の再投入時間やコンデンサの充電に時間を要して装置の再起動に時間がかかったり、電力変換装置の頻繁な停止により電気車の運行に支障を及ぼしたりすることを避けることが可能となる。また不適切な措置により異常部位の損傷の拡大を防止できるので、安定に運用可能な電力変換装置を得ることができる。
このように、本発明によれば、永久磁石同期電動機を駆動制御する電力変換装置に発生しうる具体的な異常現象とその内容に応じた措置方法を有し、発生しうる各種異常現象に対して適切な措置を可能とする保護機能を有した電力変換装置を提供することが可能となる。
以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例であり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能である。
さらに、本明細書では、電力変換装置を電気車の制御装置に適用した場合で発明内容の説明しているが、適用分野はこれに限られるものではなく、電気自動車、エレベータ等、種々の関連分野への応用が可能である。

Claims (3)

  1. 交流電源からの交流電力を直流電力に変換し、スイッチング素子を有するコンバータと、
    該コンバータの直流側に並列に接続されたコンデンサと、
    該コンデンサに並列に接続されて永久磁石同期電動機を駆動制御し、スイッチング素子を有するインバータと、
    前記コンデンサに並列に接続された放電回路と、
    前記交流電源と前記コンバータの交流側の間に設けられた電源側開閉器と、
    前記インバータの交流側と前記永久磁石同期電動機の間に設けられた電動機側開閉器と、
    前記交流電源の電圧を計測する電源電圧計測器と、
    前記コンデンサの電圧を計測するコンデンサ電圧計測器と、
    前記コンバータの交流電流を計測する入力電流計測器と、
    前記インバータの交流電流を計測する出力電流計測器と、
    前記電源電圧計測器、前記コンデンサ電圧計測器、前記入力電流計測器及び前記出力電流計測器からの信号を入力として有し、入力された信号を所定の方法で処理して電力変換装置の異常の有無と異常内容を判定し、異常有りと判定した場合に、異常内容に応じて、前記コンバータ、前記インバータ及び前記放電回路のそれぞれを動作させるかどうか、前記コンバータ及び前記インバータのスイッチング素子、前記電源側開閉器及び前記電動機側開閉器のそれぞれを切にするかどうかを判断し、前記電源側開閉器、前記コンバータ、前記放電回路、前記インバータ及び前記電動機側開閉器の中で異常内容に応じて必要と判断するものを制御するシステム制御部とを備え、
    前記システム制御部は、前記コンデンサ電圧計測器により計測された電圧が第一の所定値以下である場合に、前記コンバータのすべての前記スイッチング素子と前記インバータのすべての前記スイッチング素子とを切にし、
    前記システム制御部は、前記コンデンサ電圧計測器により計測された電圧が前記第一の所定値より小さい第二の所定値以下である場合に、前記電源側開閉器を切にし、前記コンデンサ電圧計測器により計測された電圧が前記第二の所定値よりも大きい場合に前記電源側開閉器を切にしないことを特徴とする電力変換装置。
  2. 交流電源からの交流電力を直流電力に変換し、スイッチング素子を有するコンバータと、
    該コンバータの直流側に並列に接続されたコンデンサと、
    該コンデンサに並列に接続されて永久磁石同期電動機を駆動制御し、スイッチング素子を有するインバータと、
    前記コンデンサに並列に接続された放電回路と、
    前記交流電源と前記コンバータの交流側の間に設けられた電源側開閉器と、
    前記インバータの交流側と前記永久磁石同期電動機の間に設けられた電動機側開閉器と、
    前記交流電源の電圧を計測する電源電圧計測器と、
    前記コンデンサの電圧を計測するコンデンサ電圧計測器と、
    前記コンバータの交流電流を計測する入力電流計測器と、
    前記インバータの交流電流を計測する出力電流計測器と、
    前記電源電圧計測器、前記コンデンサ電圧計測器、前記入力電流計測器及び前記出力電流計測器からの信号を入力として有し、入力された信号を所定の方法で処理して電力変換装置の異常の有無と異常内容を判定し、異常有りと判定した場合に、異常内容に応じて、前記コンバータ、前記インバータ及び前記放電回路のそれぞれを動作させるかどうか、前記コンバータ及び前記インバータのスイッチング素子、前記電源側開閉器及び前記電動機側開閉器のそれぞれを切にするかどうかを判断し、前記電源側開閉器、前記コンバータ、前記放電回路、前記インバータ及び前記電動機側開閉器の中で異常内容に応じて必要と判断するものを制御するシステム制御部とを備え、
    前記システム制御部は、前記コンデンサ電圧計測器により計測された電圧が第一の所定値以下である場合に、前記コンバータのすべての前記スイッチング素子と前記インバータのすべての前記スイッチング素子とを切にし、
    前記システム制御部は、前記コンデンサ電圧計測器により計測された電圧が前記第一の所定値より小さい第二の所定値以下である場合に、前記電動機側開閉器を切にし、前記コンデンサ電圧計測器により計測された電圧が前記第二の所定値よりも大きい場合に前記電動機側開閉器を切にしないことを特徴とする電力変換装置。
  3. 前記システム制御部は、前記第二の所定値を、前記電源電圧計測器で計測された電圧または前記インバータの出力電圧の周波数に基づいて決めることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
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