JP5294953B2

JP5294953B2 - 三相交流電気車の制御装置および三相交流電気車の制御方法

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Publication number: JP5294953B2
Application number: JP2009092690A
Authority: JP
Inventors: 有里保科
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-04-07
Filing date: 2009-04-07
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2029-04-07
Also published as: JP2010246279A

Description

この発明は、三相交流電気車の制御装置および三相交流電気車の制御方法に関するものであり、特に、三相交流電気車の制御装置内で発生した地絡を検出する機能を有する三相交流電気車の制御装置および三相交流電気車の制御方法に関するものである。

三相交流電気車の制御装置は、三相交流架線から三相交流配電線に入力された交流電圧をＡＣ／ＤＣ変換器により所定出力の直流電圧に変換し、変換された直流電圧をＤＣ／ＡＣ変換器により交流電圧に変換して交流電動機を制御する。この三相交流電気車の制御装置は、電気車の円滑な運行を確保するため、三相交流架線とＡＣ／ＤＣ変換器の間（以下「三相交流回路部」という）の地絡検知だけでなく、ＡＣ／ＤＣ変換器からＤＣ／ＡＣ変換器の間（以下「中間直流回路部」という）やＤＣ／ＡＣ変換器から交流電動機の間（以下「交流電動機出力部」という）の地絡検知についても考慮する必要がある。

下記特許文献１に示される従来技術は、三相交流配電線の各相に設置された電流検出器によって相電流を計測し、計測された相電流に基づき相対的な零相電流を演算し、当該零相電流の変化量が予め設定された基準値を超えた場合には地絡が発生したと判定するように構成されている。そのため、中間直流回路部や交流電動機出力部の地絡を検出するための有効な手段となりうる。

特開平９−２５７８５８号公報

しかしながら、上記特許文献１に示される地絡検地手段を用いた従来の制御装置の制御手段では、検出された電流値に対して、例えば、制御装置の動作を即座に停止させるといった制御が行われているにすぎず、制御装置の動作に柔軟性を持たせることが困難であるという課題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、検出された電流値に対して制御装置の動作に柔軟性を持たせることができる三相交流電気車の制御装置および三相交流電気車の制御方法を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、三相交流架線から三相交流配電線に入力された交流電圧を直流電圧に変換するＡＣ／ＤＣ変換器と、直流電圧を交流電圧に変換するＤＣ／ＡＣ変換器と、前記ＤＣ／ＡＣ変換器によって制御・駆動される交流電動機とを有する交流電気車に適用され、前記三相交流配電線の相電流に基づき、前記ＡＣ／ＤＣ変換器と前記ＤＣ／ＡＣ変換器との動作制御、および前記三相交流配電線に接続された断流器の開放制御を行う制御部を備える三相交流電気車の制御装置において、前記三相交流配電線の各相に設置され前記相電流を検出する電流検出器を備え、前記制御部は、前記電流検出器が検出した前記相電流を加算した三相電流和を演算し、前記ＡＣ／ＤＣ変換器および前記ＤＣ／ＡＣ変換器の動作を停止するか否かを判定する第１の閾値と前記三相電流和とを比較した結果と、前記第１の閾値より大きい値に設定され前記ＡＣ／ＤＣ変換器および前記ＤＣ／ＡＣ変換器の動作を停止し、かつ、前記断流器を開放するか否かを判定する第２の閾値と前記三相電流和とを比較した結果とに応じて、前記ＡＣ／ＤＣ変換器および前記ＤＣ／ＡＣ変換器ならびに前記断流器の動作を制御する判定部を備えたことを特徴とする。

本発明にかかる三相交流電気車の制御装置によれば、三相電流和の絶対値が第２の閾値を超えた場合にはＡＣ／ＤＣ変換器およびＤＣ／ＡＣ変換器の動作を停止しかつ断流器を開放する信号を出力し、三相電流和の絶対値が第２の閾値未満かつ第１の閾値以上の場合にはＡＣ／ＤＣ変換器およびＤＣ／ＡＣ変換器の動作を停止する信号を出力するがその後絶対値が第１の閾値未満に変化したときにはＡＣ／ＤＣ変換器およびＤＣ／ＡＣ変換器を再動作する信号を出力するようにしたので、検出された電流値に対して制御装置の動作に柔軟性を持たせることができるという効果を奏する。

図１は、本実施の形態にかかる制御部の構成を主体として示す機能ブロック図である。図２は、制御部の構成を示す図である。図３は、制御部の動作手順を示すフローチャートである。

以下に、本発明にかかる三相交流電気車の制御装置（以下単に「制御装置」と称する）および三相交流電気車の制御方法の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
（制御装置の構成）
図１は、本実施の形態にかかる制御部の構成を主体として示す機能ブロック図であり、図２は、制御部の構成を示す図である。

図１において、制御装置３０は、車両システムの一部として電気車２０に搭載され、交流電動機２１の制御・駆動を主たる目的とするものである。

制御装置３０は、主たる構成部として、三相交流架線１０から三相交流配電線に入力された交流電圧を直流電圧に変換するＡＣ／ＤＣ変換器７０、ＡＣ／ＤＣ変換器７０の直流電圧を平滑化するコンデンサ８０、コンデンサ８０で平滑化された直流電圧を交流電圧に変換するＤＣ／ＡＣ変換器９０、断流器４０、Ｕ相〜Ｗ相電流検出器（以下単に「電流検出器」と称する）６０〜６２、および制御部２００を有して構成されている。

断流器４０は、制御装置３０の内部で地絡が発生したとき、変電システムに当該地絡の影響を与えぬように、三相交流配電線と三相交流架線１０との電力系統を遮断する。電流検出器６０〜６２は、三相交流回路部における三相交流配電線の各相に設置され、制御部２００は、当該電流検出器６０〜６２で計測された零相電流成分に基づき、三相交流回路部の地絡Ｅ１、中間直流回路部における地絡Ｅ２、および交流電動機出力部における地絡Ｅ３の大きさを判定し、断流器４０、ＡＣ／ＤＣ変換器７０、およびＤＣ／ＡＣ変換器９０の動作を制御する。

なお、制御装置３０と交流電動機２１との構成数は、１対１に限定されるものではなく、例えば、１台の制御装置に対して複数の交流電動機を組み合わせてもよい。また、ＡＣ／ＤＣ変換器７０とＤＣ／ＡＣ変換器９０との構成数についても同様であり、１または複数台のＡＣ／ＤＣ変換器に１台または複数のＤＣ／ＡＣ変換器を接続してもよい。

（制御部の構成）
つぎに、制御部２００の構成および動作について説明する。図２において、制御部２００は、主たる構成として、判定部である地絡発生判定部１００、ゲート信号生成部１４０、断流器制御部１６０、および時素カウンタ１５０を有して構成されている。

地絡発生判定部１００は、Ａ／Ｄ変換器１１０ａ、Ａ／Ｄ変換器１１０ｂ、およびＡ／Ｄ変換器１１０ｃ、ならびに入力三相電流演算部（以下単に「演算部」と称する）１２０および閾値比較部１３０を有して構成されている。

Ａ／Ｄ変換器１１０ａ〜１１０ｃは、電流検出器６０〜６２によって計測された三相交流配電線のＵ相入力電流ＩＳＵ、Ｖ相入力電流ＩＳＶ、およびＷ相入力電流ＩＳＷ（以下単に「三相電流ＩＳＵ〜ＩＳＷ」と称する）の値を、演算部１２０が認識可能なデジタル値に変換する。

演算部１２０は、Ａ／Ｄ変換器１１０ａ〜１１０ｃから出力された三相電流ＩＳＵ〜ＩＳＷの加算値Ａ（以下「三相電流和Ａ」と称する）を求め、三相電流和Ａの絶対値｜Ａ｜を閾値比較部１３０に出力する。

閾値比較部１３０は、第１の閾値である閾値Ｓ１と絶対値｜Ａ｜とを比較する比較器１３１、および、閾値Ｓ１より大きな値に設定された第２の閾値である閾値Ｓ２と絶対値｜Ａ｜とを比較する比較器１３２を有して構成されている。

ここで、地絡Ｅ１〜Ｅ３が発生していない場合（以下単に「正常時」と称する）には、各相の関係に不平衡が生じていないため絶対値｜Ａ｜は略０となる。ただし、地絡Ｅ１〜Ｅ３が発生している場合には、絶対値｜Ａ｜は０以外の値となる。すなわち、制御部２００は、絶対値｜Ａ｜の値が所定の閾値を超えた時に地絡を検知する。

上述した閾値の設定については、初品型式試験において、正常時の実零相電流を測定し、その測定値に電流検出器６０〜６２の公差・演算公差を考慮することによって導き出される。このように、閾値に正常時の実零相電流値を考慮しているので、入力三相電流計算式に補正係数を乗ずる必要はない。また、絶対値｜Ａ｜は、演算部１２０で演算されるため、制御部２００は、三相電流和Ａを具体的な数値として認識することができる。

このように、制御部２００は、閾値比較部１３０に２つ以上の閾値を持たせて、これらの閾値を場合分けすることによって、絶対値｜Ａ｜が０以外の値の場合において、故障検出時の保護動作にバリエーションを持たせることができるように構成されている。

例えば、閾値Ｓ１を小さい値に設定して、絶対値｜Ａ｜が閾値Ｓ１を瞬時に上回った場合、制御部２００は、ＡＣ／ＤＣ変換器７０およびＤＣ／ＡＣ変換器９０の動作を停止させるが、その後、絶対値｜Ａ｜が閾値Ｓ１を下回ったときには、自動的にＡＣ／ＤＣ変換器７０およびＤＣ／ＡＣ変換器９０を再動作させる。

一方、閾値Ｓ２を確実に地絡故障が発生したと判定できる値に設定し、絶対値｜Ａ｜が、閾値Ｓ２を一定時素Ｔ１以上継続して上回っている場合、制御部２００は、確実に地絡故障が発生したと認識してＡＣ／ＤＣ変換器７０およびＤＣ／ＡＣ変換器９０の動作を停止させ、かつ、断流器４０を開放する。その結果、制御装置を完全に架線から切り離すことが可能となる。

このように閾値を場合分けすることで、閾値Ｓ１をよりセンシテイブな値（小さい値）に設定したとしても、誤検知であれば即時にＡＣ／ＤＣ変換器７０およびＤＣ／ＡＣ変換器９０を再動作させることができ、地絡故障発生時には、閾値Ｓ１を上回った段階でＡＣ／ＤＣ変換器７０およびＤＣ／ＡＣ変換器９０の動作を停止させ、かつ、閾値２を上回った段階で断流器４０を開放させることができる。

以下、フローチャートを用いて制御部２００の動作を説明する。図３は、制御部の動作手順を示すフローチャートである。電流検出器６０〜６２は、三相電流ＩＳＵ〜ＩＳＷを検出し（ステップＳ１０）、Ａ／Ｄ変換器１１０ａ〜１１０ｃは、検出された三相電流ＩＳＵ〜ＩＳＷをＡ／Ｄ変換する（ステップＳ２０）。演算部１２０は、三相電流和Ａを求めると共に（ステップＳ３０）、三相電流和Ａの絶対値｜Ａ｜を求める（ステップＳ４０）。

比較器１３１は、絶対値｜Ａ｜と閾値Ｓ１とを比較する。絶対値｜Ａ｜が閾値Ｓ１未満の場合には（ステップＳ５０,Ｎｏ）、ＡＣ／ＤＣ変換器７０およびＤＣ／ＡＣ変換器９０は、動作を継続する（ステップＳ５２）。絶対値｜Ａ｜が閾値Ｓ１以上の場合には（ステップＳ５０,Ｙｅｓ）、比較器１３１は、第１の信号である停止信号ＮＳ１をゲート信号生成部１４０に出力する。

停止信号ＮＳ１を受信したゲート信号生成部１４０は、ゲート制御指令ＧＳ１１とゲート制御指令ＧＳ２１を出力し、ＡＣ／ＤＣ変換器７０およびＤＣ／ＡＣ変換器９０の動作を停止する（ステップＳ５１）。

一方、比較器１３２は、絶対値｜Ａ｜と閾値Ｓ２とを比較し、絶対値｜Ａ｜が閾値Ｓ２未満の場合（ステップＳ６０,Ｎｏ）、制御部２００は、ステップＳ１０からのプロセスを実行する。

その後、閾値Ｓ１を越えていた絶対値｜Ａ｜が、閾値Ｓ１未満に変化した場合（ステップＳ５０,Ｎｏ）、比較器１３１は、第２の信号である再動作信号ＮＳ２をゲート信号生成部１４０に出力する。再動作信号ＮＳ２を受信したゲート信号生成部１４０は、ＡＣ／ＤＣ変換器７０にゲート制御指令ＧＳ１２を出力し、ＤＣ／ＡＣ変換器９０にゲート制御指令ＧＳ２２を出力し、ステップＳ５１で停止したＡＣ／ＤＣ変換器７０およびＤＣ／ＡＣ変換器９０の動作を再開する（ステップＳ５２）。

ステップＳ６０において、絶対値｜Ａ｜が閾値Ｓ２以上の場合（ステップＳ６０,Ｙｅｓ）、比較器１３２は、第３の信号である比較信号ＬＳ１を時素カウンタ１５０に出力する。

比較信号ＬＳ１を受信した時素カウンタ１５０は、予め設定された時素Ｔ１と比較信号ＬＳ１とを比較し、比較信号ＬＳ１の継続時間が時素Ｔ１を超えた場合（ステップＳ７０,Ｙｅｓ）、ゲート信号生成部１４０と断流器制御部１６０に、地絡故障が発生したことを示す第４の信号を出力する。なお、動作説明を容易にするため、以下、ゲート信号生成部１４０に送出される第４の信号は停止信号ＮＳ３と称し、断流器制御部１６０に送出される第４の信号は断流器開放信号ＬＯと称する。

停止信号ＮＳ３を受信したゲート信号生成部１４０は、ＡＣ／ＤＣ変換器７０およびＤＣ／ＡＣ変換器９０の動作を停止させるため、ＡＣ／ＤＣ変換器７０にゲート制御指令ＧＳ１１を出力し、ＤＣ／ＡＣ変換器９０にゲート制御指令ＧＳ２１を出力する。また、断流器開放信号ＬＯを受信した断流器制御部１６０は、断流器４０を開放させるため、断流器４０に断流器開放指令ＬＯ１を出力する（ステップＳ７１）。

ステップＳ７０において、比較信号ＬＳ１の継続時間が時素Ｔ１未満の場合（ステップＳ７０,Ｎｏ）、時素カウンタ１５０は、停止信号ＮＳ３および断流器開放信号ＬＯを出力せず、制御部２００は、ステップＳ１０からのプロセスを実行する。

なお、閾値比較部１３０では、一例として２つ閾値Ｓ１およびＳ２を用いているが、例えば、３つ以上の閾値を予め設定し、保護動作により多くのバリエーションを持たせてもよい。また、本実施の形態にかかる制御装置３０では、絶対値｜Ａ｜を用いて制御を行っているが、絶対値に限定されず、三相電流和Ａの大きさを用いて制御するように構成してもよい。

以上説明したように、本実施の形態にかかる制御装置３０によれば、入力三相電流演算器１２０が各相の関係に不平衡が生じているか否かを監視し、三相電流和Ａの絶対値｜Ａ｜が閾値Ｓ２を超えた場合には時素カウンタ１５０に比較信号ＬＳ１し、絶対値｜Ａ｜が閾値Ｓ２未満かつ閾値Ｓ１以上の場合には停止信号ＮＳ１をゲート信号生成部１４０に出力し、停止信号ＮＳ１を出力した後に絶対値｜Ａ｜が閾値Ｓ１未満に変化したときには再動作信号ＮＳ２をゲート信号生成部１４０に出力する地絡発生判定部１００を有する制御部２００を備えるようにしたので、故障検出時の保護動作にバリエーションを持たせることが可能である。その結果、制御装置３０は、検出された電流検出器６０〜６２が瞬間的なものである場合には、一旦停止させた制御装置を再動作させることができる。また、確実に地絡故障が発生したと認識した場合には、ＡＣ／ＤＣ変換器７０およびＤＣ／ＡＣ変換器９０の動作を停止しかる断流器４０を開放するので、電気車２０が存在する変電所区間で走行している他の電気車の運行に影響を与えるという事態を回避することができる。

なお、本実施の形態に示した三相交流電気車の制御装置の構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、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ことは無論である。

以上のように、本発明は、制御装置内で発生した地絡を検出する機能を備えた三相交流電気車の制御装置および三相交流電気車の制御方法に適用可能であり、特に、検出された電流値に対して制御装置の動作に柔軟性を持たせることができる発明として有用である。

１０三相交流架線
２０電気車
２１交流電動機
３０三相交流電気車の制御装置
４０断流器
６０Ｕ相電流検出器
６１Ｖ相電流検出器
６２Ｗ相電流検出器
７０ＡＣ／ＤＣ変換器
８０コンデンサ
９０ＤＣ／ＡＣ変換器
１００地絡発生判定部（判定部）
１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃＡ／Ｄ変換器
１２０入力三相電流演算部
１３０閾値比較部
１３１比較器（第１の比較器）
１３２比較器（第２の比較器）
１４０ゲート信号生成部
１５０時素カウンタ
１６０断流器制御部
２００制御部
Ｅ１三相交流回路部の地絡
Ｅ２中間直流回路部の地絡
Ｅ３交流電動機出力部の地絡
ＧＳ１１，１２，２１，２２ゲート制御指令
ＩＳＵＵ相入力電流
ＩＳＶＶ相入力電流
ＩＳＷＷ相入力電流
ＬＯ断流器開放信号（第４の信号）
ＬＯ１断流器開放指令
ＬＳ１比較信号（第３の信号）
ＮＳ１停止信号（第１の信号）
ＮＳ３停止信号（第４の信号）
ＮＳ２再動作信号（第２の信号）
Ｓ１閾値（第１の閾値）
Ｓ２閾値（第２の閾値）
Ｔ１時素

Claims

三相交流架線から三相交流配電線に入力された交流電圧を直流電圧に変換するＡＣ／ＤＣ変換器と、直流電圧を交流電圧に変換するＤＣ／ＡＣ変換器と、前記ＤＣ／ＡＣ変換器によって制御・駆動される交流電動機とを有する交流電気車に適用され、前記三相交流配電線の相電流に基づき、前記ＡＣ／ＤＣ変換器と前記ＤＣ／ＡＣ変換器との動作制御、および前記三相交流配電線に接続された断流器の開放制御を行う制御部を備える三相交流電気車の制御装置において、
前記三相交流配電線の各相に設置され前記相電流を検出する電流検出器を備え、
前記制御部は、
前記電流検出器が検出した前記相電流を加算した三相電流和を演算し、前記ＡＣ／ＤＣ変換器および前記ＤＣ／ＡＣ変換器の動作を停止するか否かを判定する第１の閾値と前記三相電流和とを比較した結果と、前記第１の閾値より大きい値に設定され前記ＡＣ／ＤＣ変換器および前記ＤＣ／ＡＣ変換器の動作を停止し、かつ、前記断流器を開放するか否かを判定する第２の閾値と前記三相電流和とを比較した結果とに応じて、前記ＡＣ／ＤＣ変換器および前記ＤＣ／ＡＣ変換器ならびに前記断流器の動作を制御する判定部を備えたことを特徴とする三相交流電気車の制御装置。
前記判定部は、
前記三相電流和の大きさに応じて、前記ＡＣ／ＤＣ変換器および前記ＤＣ／ＡＣ変換器の動作を停止させる第１の信号と、停止した前記ＡＣ／ＤＣ変換器および前記ＤＣ／ＡＣ変換器を再動作させる第２の信号とを出力すること、
を特徴とする請求項１に記載の三相交流電気車の制御装置。
前記判定部は、
前記三相電流和の大きさに応じて、前記ＡＣ／ＤＣ変換器および前記ＤＣ／ＡＣ変換器の動作を停止させ、かつ、前記断流器を開放させる第３の信号を出力すること、
を特徴とする請求項１に記載の三相交流電気車の制御装置。
前記制御部は、
前記第１の信号に基づいて前記ＡＣ／ＤＣ変換器および前記ＤＣ／ＡＣ変換器の動作を停止するゲート信号生成部を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の三相交流電気車の制御装置。
前記制御部は、
前記第３の信号の継続時間が予め設定された所定の時間を超えた場合、第４の信号を出力する時素カウンタと、
前記第４の信号に基づいて前記断流器を開放する断流器制御部と、
を備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の三相交流電気車の制御装置。
前記ゲート信号生成部は、
前記第２の信号に基づいて、停止した前記ＡＣ／ＤＣ変換器および前記ＤＣ／ＡＣ変換器を再動作することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の三相交流電気車の制御装置。
前記ゲート信号生成部は、
前記第４の信号に基づいて、前記ＡＣ／ＤＣ変換器および前記ＤＣ／ＡＣ変換器の動作を停止することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の三相交流電気車の制御装置。
前記判定部は、
前記三相電流和と前記第１の閾値とを比較し前記第１の信号または前記第２の信号を出力する第１の比較器、および前記三相電流和と前記第２の閾値とを比較し前記第３の信号を出力する第２の比較器を有する閾値比較部を備えたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の三相交流電気車の制御装置。
三相交流架線から三相交流配電線に入力された交流電圧を直流電圧に変換するＡＣ／ＤＣ変換器と、直流電圧を交流電圧に変換するＤＣ／ＡＣ変換器と、前記ＤＣ／ＡＣ変換器によって制御・駆動される交流電動機と、前記三相交流配電線の各相に設置された電流検出器とを有する交流電気車に適用可能な三相交流電気車の制御方法であって、
前記電流検出器によって前記三相交流配電線の相電流を検出する検出ステップと、
前記検出ステップで検出された前記相電流を加算して三相電流和を演算する演算ステップと、
前記ＡＣ／ＤＣ変換器および前記ＤＣ／ＡＣ変換器の動作を停止するか否かを判定する第１の閾値と前記演算ステップからの前記三相電流和とを比較する第１の比較ステップと、
前記第１の比較ステップの比較結果に基づいて、前記ＡＣ／ＤＣ変換器および前記ＤＣ／ＡＣ変換器の動作を制御する第１の電力変換器制御ステップと、
を含むことを特徴とする三相交流電気車の制御方法。
前記第１の電力変換器制御ステップの後に、前記第１の閾値より大きい値に設定され前記ＡＣ／ＤＣ変換器および前記ＤＣ／ＡＣ変換器の動作を停止し、かつ、前記三相交流配電線に接続された断流器を開放するか否かを判定する第２の閾値と前記演算ステップからの前記三相電流和とを比較する第２の比較ステップと、
前記第２の比較ステップの比較結果に基づいて、前記ＡＣ／ＤＣ変換器および前記ＤＣ／ＡＣ変換器と前記断流器との動作を制御する第２の電力変換器制御ステップと、
を含むことを特徴とする請求項９に記載の三相交流電気車の制御方法。
前記第１の電力変換器制御ステップは、
前記第１の閾値以上の場合、前記ＡＣ／ＤＣ変換器および前記ＤＣ／ＡＣ変換器の動作を停止する停止ステップと、
前記停止ステップの後に、前記三相電流和の大きさが前記第１の閾値未満に変化したとき、前記ＡＣ／ＤＣ変換器および前記ＤＣ／ＡＣ変換器を再動作するステップと、
を含み、
前記第２の電力変換器制御ステップは、
前記第２の閾値以上の場合、前記ＡＣ／ＤＣ変換器および前記ＤＣ／ＡＣ変換器の動作を停止し、かつ、前記断流器を開放するステップを含むこと、
を特徴とする請求項９または１０に記載の三相交流電気車の制御方法。