JP6029693B2 - 電力変換装置および電力変換方法 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置および電力変換方法に関する。

電力変換装置を、地絡が発生した場合に保護する必要がある。

特許文献１に開示されている技術は、変圧器の二次巻線の両端のそれぞれに接触器を接続し、この接触器を地絡障害時に開放するものである。この技術によれば、２つの接触器を開放することで、地絡電流が変圧器に流れ込まないので、変圧器の損傷を防止できる。

地絡検出に関する技術が、特許文献２〜５に開示されている。特許文献２に開示されている技術は、電流検出器を設け、電流検出器で電流が検出された場合、地絡障害が発生したとみなし、架線に接続された遮断器を遮断するものである。この技術によれば、遮断器を遮断することで、架線から供給される電力を遮断するので、回路を保護できる。

特許文献３に開示されている技術は、変換器のプラス側の配線と変換器のマイナス側の配線とを、両方の配線を流れる電流が同一方向に流れるように、電流検出器に接続するものである。この技術によれば、変換器のマイナス側が地絡した場合、電流検出器に電流が流れなくなることで、変換器のマイナス側の地絡を検出できる。

特許文献４に開示されている技術は、重要負荷と電源装置とをブレーカで接続し、通常負荷と電源装置とを特定ブレーカで接続したものである。この技術は、重要負荷で地絡障害が発生するとブレーカをトリップさせ、通常負荷で地絡障害が発生すると特定ブレーカをトリップさせる。この技術によれば、一方の負荷で地絡障害が発生した場合でも、もう一方の負荷に継続して給電できる。

特許文献５に開示されている技術は、零相変流器を設け、零相変流器で電流が検出された場合、変電所から電力を供給する幹線に接続された遮断器を開放するものである。この技術によれば、遮断器を開放することで、幹線から流れ込む電流を遮断するので、高圧受電設備を保護できる。

特開平１１−２３５０３９号公報 特開平６−１４１４０４号公報 特開２０１２−２９４７９号公報 特開平７−１７７６０３号公報 特開平２−１０６１３１号公報

例えば特許文献１に開示される技術では、変圧器の二次巻線の両端のそれぞれに接触器を設ける必要があるため、電力変換装置が大型化するという問題があった。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、地絡電流を遮断する機能を有し、小型化が可能な電力変換装置および電力変換方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、この発明に係る電力変換装置の電力伝達回路は、外部回路から電力の供給を受けて、交流電力を出力する。第１接触器は、電力伝達回路と外部回路との間を流れる電流の通電および遮断を制御する。負荷回路は、電力伝達回路から出力された電力で動作し、接地された端子を流れる電流を検出することで、地絡の発生を検出可能である。第２接触器は、電力伝達回路と負荷回路との間を流れる電流の通電と遮断とを制御する。地絡位置検出部は、電力伝達回路から負荷回路へ流れる電流と負荷回路から電力伝達回路へ流れる電流との差に基づき、地絡が電力伝達回路側と負荷回路側とのいずれで発生したかを検出する。接触器制御部は、負荷回路での地絡の発生の検出結果、および、地絡位置検出部の検出結果に基づき、第１接触器および第２接触器を制御する。

本発明によれば、地絡電流を遮断できるうえ、小型化が可能である。

本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の構成図である。 図１に示す制御部のブロック図である。 図２に示す接触器制御部が実行する接触器制御処理のフローチャートである。 図２に示す接触器制御部が実行する接触器投入コマンド受信処理のフローチャートである。 地絡位置検出部の前段で地絡が発生した場合の地絡電流の流れを例示した図である。 地絡位置検出部の後段で地絡が発生した場合の地絡電流の流れを例示した図である。 負荷回路が２つある場合の電力変換装置を示す構成図である。 図７に示す制御部の構成図である。 図８に示す接触器制御部が実行する接触器制御処理のフローチャートである。 図８に示す接触器制御部が実行する接触器投入コマンド受信処理のフローチャートである。 本発明の実施の形態に係る電力変換装置を電気車に搭載した場合の構成図である。 図１１に示す制御部のブロック図である。 定常状態における電流の流れを例示した図である。 地絡位置検出部の前段で地絡が発生した場合の地絡電流の流れを例示した図である。 地絡位置検出部の後段で地絡が発生した場合の地絡電流の流れを例示した図である。

以下、本発明の実施の形態に係る電力変換装置を、図面を参照して説明する。

（実施の形態１）
実施の形態１に係る電力変換装置１０は、図１に示すように、電流入力端子１１と、第１接触器１２と、電力伝達回路１３と、第２接触器１４と、地絡位置検出部１５と、負荷回路１６と、制御部３０と、を備えている。

電流流入端子１１には、交流電圧が印加される。

第１接触器１２は、電磁接触器（Electromagnetic Contactor）等から構成され、その一端は電流入力端子１１に接続され、その他端は電力伝達回路１３の入力端子に接続されている。第１接触器１２は、制御部３０から出力される制御信号ＳｉｇＡに応答して、電流入力端子１１と電力伝達回路１３の入力端子とを接続する電路を閉路・開路することにより、電流入力端子１１と電力伝達回路１３との間を流れる電流を通電・遮断する。これにより、外部回路から電力伝達回路１３への電力の供給と遮断が制御される。

電力伝達回路１３は、第１接触器１２の投入（閉路）により電流入力端子１１と第１接触器１２とを介して外部回路より電力の供給を受ける。電力伝達回路１３は、例えば、第１接触器１２とグランドとの間に接続された一次巻線と、一対の出力端に両端が接続された二次巻線とを備える絶縁型の変圧器から構成される。

第２接触器１４は、電磁接触器から構成され、その一端が電力伝達回路１３の一方の出力端子に接続され、その他端が負荷回路１６の一方の入力端子に接続されている。第２接触器１４は、制御部３０から出力される制御信号ＳｉｇＢに応答して、電力伝達回路１３の一方の出力端子と負荷回路１６の一方の入力端子とを接続する電路を閉路・開路する。第２接触器１４は、電力伝達回路１３と負荷回路１６との間を流れる電流（電力伝達回路１３から負荷回路１６に供給される電力）を通電・遮断する。

地絡位置検出部１５は、電力変換装置１０に発生した地絡の位置が、地絡位置検出部１５の前段（電力伝達回路１３の出力端側）であるか、後段（負荷回路１６側）であるかを、制御部３０で検出するためのセンサである。地絡位置検出部１５は、ホール素子、変流器等を有し、電力伝達回路１３の一方の出力端子と負荷回路１６の一方の入力端子との間の第１の電路を流れる電流と、電力伝達回路１３の他方の出力端子と負荷回路１６の他方の入力端子との間の第２の電路を流れる電流と、の差を求め、求めた差を示す電圧信号ＳｉｇＣを制御部３０に出力する。

定常状態では、第１の電路を流れる電流と第２の電路を流れる電流とは、向きは逆で、値は等しい。従って、地絡位置検出部１５は、ほぼ０Ｖの電圧信号ＳｉｇＣを出力する。一方、地絡が地絡位置検出部１５の前段（電力伝達回路１３、又は電力伝達回路１３と地絡位置検出部１５の間）で発生した場合、第１の電路と第２の電路との一方に地絡電流が流れ、電流差が発生する。従って、地絡位置検出部１５は、電流差に対応する電圧を有する電圧信号ＳｉｇＣを出力する。一方、地絡位置検出部１５の後段（地絡位置検出部１５と負荷回路１６の間、又は負荷回路１６）で地絡が発生した場合には、第１の電路と第２の電路の両方に地絡電流が流れ、電流差は発生しない。このため、地絡位置検出部１５は、電圧信号ＳｉｇＣをほぼ０Ｖとする。

負荷回路１６は、電力伝達回路１３から供給された交流電力で動作する回路である。負荷回路１６の一方の入力端子は、第１の電路を介して第２接触器１４の他端に接続されている。負荷回路１６の他方の入力端子は、第２の電路を介して電力伝達回路１３の他方の出力端子に接続されている。負荷回路１６は、自機の出力端子のうちの接地された一つの端子に流れる地絡電流を検出することで、地絡を検出可能である。

負荷回路１６は、電源回路１７と、地絡検出部１８とを備えている。

電源回路１７は、入力電力から、後段の回路に供給するための出力電力を生成する。

地絡検出部１８は、制御部３０が地絡の発生を検出するための電流センサである。地絡検出部１８は、ホール素子、変流器等から構成され、電源回路１７の接地されている出力端子とグランドとの間を流れる地絡電流を測定し、測定した電流の大きさに対応する電圧を示す電圧信号ＳｉｇＤを制御部３０に出力する。

制御部３０は、地絡の発生の有無と地絡の発生位置とを判別し、発生した地絡の位置に応じて、第１接触器１２と第２接触器１４の開放と投入とを制御する回路である。

制御部３０は、図２に示すように、地絡監視部３１０と接触器制御部３２０とから構成される。

地絡監視部３１０は、例えば、コンパレータ群から構成され、地絡検出部１８から出力された電圧信号ＳｉｇＤの電圧と予め設定されている第１の閾値とを比較し、電圧信号ＳｉｇＤの電圧が第１の閾値以上であると判別した場合には、地絡が発生していることを示す地絡検出信号Ｓｇを出力する。

また、地絡監視部３１０は、地絡位置検出部１５から出力された電圧信号ＳｉｇＣの電圧と予め設定されている第２の閾値とを比較し、電圧信号ＳｉｇＣの電圧が第２の閾値以上であると判別した場合には、地絡発生位置が地絡位置検出部１５の前段であることを示す地絡位置検出信号Ｓｂを出力する。一方、地絡監視部３１０は、電圧信号ＳｉｇＣの電圧が第２の閾値未満であると判別した場合には、地絡発生位置が地絡位置検出部１５の後段であるため、地絡位置検出信号Ｓｂを出力しない。

接触器制御部３２０は、例えば、マイクロプロセッサから構成され、地絡監視部３１０からの地絡検出信号Ｓｇ及び地絡位置検出信号Ｓｂに応答して、制御信号ＳｉｇＡとＳｉｇＢを出力し、予め設定された第１接触器１２及び第２接触器１４の電路を開放・閉路する。

また、接触器制御部３２０は、ユーザの指示により、第１接触器１２及び第２の接触器１４の投入を指示する接触器投入コマンドを受け付ける。接触器制御部３２０は、通常時は、接触器投入コマンドに応答して、第１接触器１２及び第２接触器１４を投入するが、後述するように、地絡位置検出部１５の前段で地絡が発生し、第１接触器１２が開放された後は、接触器投入コマンドが供給されても、第１接触器１２を投入しない。この状態は、リセット信号により、リセット可能である。

より具体的には、接触器制御部３２０は、図３に示す接触器制御処理を実行し、周期的に、地絡監視部３１０から、地絡検出信号Ｓｇと地絡位置検出信号Ｓｂを取り込み、不揮発メモリに記憶する（ステップＳ１）。

次に、接触器制御部３２０は、地絡検出信号Ｓｇが出力されているか否かを判別し（ステップＳ２）、地絡検出信号Ｓｇが出力されていなければ（ステップＳ２；Ｎｏ）、地絡が発生していないので、ステップＳ１にリターンする。

一方、地絡検出信号Ｓｇが出力されていれば（ステップＳ２；Ｙｅｓ）、第１接触器１２及び第２接触器１４を開放する（ステップＳ３）。これにより、電力変換装置１０への電力の供給が停止され、地絡による装置の損傷が防止される。

また、接触器制御部３２０は、接触器投入コマンドを受信すると、図４に示す接触器投入コマンド受信処理を実行し、まず、地絡検出信号Ｓｇが記憶されているか否かを判別する（ステップＳ４）。地絡検出信号Ｓｇが記憶されていない場合（ステップＳ４；Ｎｏ）、第１接触器１２及び第２接触器１４を投入し（ステップＳ５）、処理を終了する。

一方、地絡検出信号Ｓｇが記憶されている場合（ステップＳ４；Ｙｅｓ）、地絡位置検出信号Ｓｂが記憶されているか否かを判別する（ステップＳ６）。地絡位置検出信号Ｓｂが記憶されている場合（ステップＳ６；Ｙｅｓ）、地絡位置が地絡位置検出部１５の前段なので、第１接触器１２の開放状態を維持する（ステップＳ７）。一方、地絡位置検出信号Ｓｂが記憶されていない場合（ステップＳ６；Ｎｏ）、地絡位置が地絡位置検出部１５の後段なので、第１接触器１２を投入し、第２接触器１４の開放状態を維持する（ステップＳ８）。

なお、接触器制御部３２０が記憶している信号Ｓｇ，Ｓｂ等は、リセット信号によりリセットされる。

次に、上記構成を有する電力変換装置１０の地絡検出動作及び接触器制御動作を具体例に基づいて説明する。

図５は、電力伝達回路１３の一方の出力端近傍の地点Ｐ１で地絡が発生したときの、地絡電流Ｉ１の流れを示す。図示するように、地絡電流Ｉ１は、地点Ｐ１からグランドに流れ、負荷回路１６の他方の出力端子、電源回路１７、第２の電路、電力伝達回路１３を介して、地点Ｐ１に戻る。

このとき、地絡検出部１８は、この地絡電流Ｉ１を検出し、検出した地絡電流Ｉ１の大きさに対応する電圧信号ＳｉｇＤを出力する。また、地絡電流Ｉ１により、第１の電路を流れる電流と第２の電路を流れる電流との間に差が生ずる。地絡位置検出部１５は、この電流の差を検出し、検出した差に対応する電圧を有する電圧信号ＳｉｇＣを出力する。

制御部３０の地絡監視部３１０は、電圧信号ＳｉｇＣとＳｉｇＤから、地絡が発生したことを示す地絡検出信号Ｓｇと、地絡位置が地絡位置検出部１５の前段であることを示す地絡位置検出信号Ｓｂを出力する。

接触器制御部３２０は、図３に示すように、地絡検出信号Ｓｇと地絡位置検出信号Ｓｂを取り込む（ステップＳ１）。

次に、接触器制御部３２０は、地絡検出信号Ｓｇが出力されていると判別し（ステップＳ２；Ｙｅｓ）、第１接触器１２及び第２接触器１４を開放する（ステップＳ３）。これにより、電力変換装置１０への電力の供給が停止され、地絡による装置の損傷が防止される。

その後、ユーザが、接触器制御部３２０に接触器投入コマンドを投入すると、図４の処理を開始し、接触器制御部３２０は、地絡検出信号Ｓｇが記憶されているか否かを判別する（ステップＳ４）。この例では、地絡検出信号Ｓｇが記憶されているので（ステップＳ４；Ｙｅｓ）、地絡位置検出信号Ｓｂが記憶されているか否かを判別する（ステップＳ６）。この例では、地絡位置検出信号Ｓｂが記憶されているので（ステップＳ６；Ｙｅｓ）、第１接触器１２の開放を維持する（ステップＳ７）。これにより、地絡電流が流れず、装置は損傷から保護される。

次に、図６は、負荷回路１６の一方の入力端近傍の地点Ｐ２で地絡が発生したときの、地絡電流Ｉ２の流れを示す。図示するように、地絡電流Ｉ２は、地点Ｐ２からグランドに流れ、負荷回路１６の他方の出力端子、電源回路１７、第２の電路、電力伝達回路１３、第１の電路を介して、地点Ｐ２に戻る。

このとき、地絡検出部１８は、地絡電流Ｉ２を検出し、検出した電流に対応する電圧信号ＳｉｇＤを出力する。地絡電流Ｉ２は、第１の電路と第２の電路を共に流れる。このため、地絡位置検出部１５は、第１の電路を流れる電流と第２の電路を流れる電流の差がほぼ０であることを検出し、検出した差に対応する電圧を有する電圧信号ＳｉｇＣを出力する。

制御部３０の地絡監視部３１０は、地絡が発生したことを示す地絡検出信号Ｓｇと、地絡位置が地絡位置検出部１５の後段であることを示す地絡位置検出信号Ｓｂを出力する。

接触器制御部３２０は、図３に示すように、地絡検出信号Ｓｇが出力されていると判別し（ステップＳ２；Ｙｅｓ）、第１接触器１２及び第２接触器１４を開放する（ステップＳ３）。これにより、電力変換装置１０への電力の供給が停止され、地絡よる装置の損傷が防止される。

その後、ユーザが、接触器制御部３２０に接触器投入コマンドを投入すると、図４の処理を開始し、接触器制御部３２０は、地絡検出信号Ｓｇが記憶されているか否かを判別する（ステップＳ４）。この例では、地絡検出信号Ｓｇが記憶されているので（ステップＳ４；Ｙｅｓ）、地絡位置検出信号Ｓｂが記憶されているか否かを判別する（ステップＳ６）。この例では、地絡位置検出信号Ｓｂが記憶されていないので（ステップＳ６；Ｎｏ）、第１接触器１２を投入し、第２接触器１４の開放を維持する（ステップＳ８）。これにより、電力伝達回路１３に負荷回路１６以外にも回路が接続されている場合には、地絡電流の発生を防いだ上で、負荷回路１６以外の回路に電力が供給される。

以上説明したように、本実施の形態１に係る電力変換装置１０によれば、地絡位置を検出し、第１接触器１２と第２の接触器１４とを開放する。その後、接触器投入コマンドが投入された場合、検出した地絡位置に応じて、地絡が発生しないように、第１接触器１２と第２接触器１４との投入・開放を制御する。このため、第１接触器１２と第２接触器１４とにより、地絡電流を遮断し、装置及び回路の損傷を防止することができる。電力伝達回路１３と負荷回路１６との間の電流の通電・遮断を制御する接触器として第２接触器１４のみを設ければよく、装置を小型化できる。さらに、地絡が、地絡位置検出部１５の後段で発生した場合には、電力伝達回路１３への給電を再開して、地絡が発生していない正常な回路への電力の供給を継続することができる。

（変形例）
以上の説明では、接触器投入コマンドが入力された際に、図４の処理を行ったが、地絡検出信号Ｓｇが記憶され且つ地絡位置検出信号Ｓｂが記憶されている場合（地絡位置が、地絡位置検出部１５の前段の場合）には、第１接触器１２を開放し（第２接触器１４は、開放しても閉路状態のままでもよい）、地絡検出信号Ｓｇが記憶され且つ地絡位置検出信号Ｓｂが記憶されていない場合（地絡位置が、地絡位置検出部１５の後段の場合）、第２接触器１４のみを開放するようにしてもよい。

地絡位置検出信号ＳｉｇＣ，地絡検出信号ＳｉｇＤの信号の形態として、電圧信号を示したが、これらは、電流信号でも、デジタル信号でもよい。

地絡位置検出部１５の位置は、第１電路を流れる電流と第２の電路を流れる電流の差を求めることができるならば、任意である。例えば、電力伝達回路１３と第２接触器１４の間でもよい。ただし、第２接触器１４の近傍に配置されることが望ましい。

地絡位置検出部１５は、ホール素子、変流器等に限定されず、第１の電路を流れる電流と第２の電路を流れる電流の差を求めることができるならば、どのような構成のものでもよい。また、地絡検出部１８は、ホール素子、変流器等に限定されず、地絡電路を検出できるならば、どのような構成のものでもよい。

制御部３０も、同様の機能を実現できるならば、その構成は任意である。

（実施の形態２）
実施の形態１において示したように、電力伝達回路１３には、複数の負荷回路を接続することが可能である。さらに、負荷回路毎に第２接触器１４、地絡位置検出部１５、地絡検出部１８等を配置することが可能である。

以下、負荷回路毎に、第２接触器１４、地絡位置検出部１５、地絡検出部１８等を配置した構成を有する電力変換装置２０を説明する。

実施形態２に係る電力変換装置２０は、図７に示すように、電力伝達回路１３０の出力端子を複数対有する。例えば、電力伝達回路１３０は、２つの２次巻線を有する変圧器から構成される。

第２接触器１４、地絡位置検出部１５および負荷回路１６は、電力伝達回路１３０の一対の出力端子毎に設けられている。

以下の説明では、第２接触器１４、地絡位置検出部１５および負荷回路１６の組を第１系統又は第２系統と呼ぶ。また、区別のため、参照番号の末尾にｉ（１又は２）を付す。

従って、第ｉ系統の回路は、第２接触器１４ｉ、地絡位置検出部１５ｉおよび負荷回路１６ｉを備え、電力伝達回路１３０の第ｉの出力端子に接続されている。

地絡位置検出部１５ｉは、電圧信号ＳｉｇＣｉを制御部３１に出力し、地絡検出部１８ｉは、電圧信号ＳｉｇＤｉを制御部３１に出力する。

制御部３１は、図８に示すように、地絡監視部３１１と接触器制御部３２１を備える。

地絡監視部３１１は、電圧信号ＳｉｇＤｉの電圧が第ｉの系統用の第１の閾値以上であるときに、地絡検出信号Ｓｇｉを出力する。また、地絡監視部３１１は、電圧信号ＳｉｇＣｉの電圧が第ｉの系統用の第２の閾値以上であるときに、地絡位置検出信号Ｓｂｉを出力する。

接触器制御部３２１は、図９に示すように、周期的に信号Ｓｇｉ（Ｓｇ１，Ｓｇ２）、Ｓｂｉ（Ｓｂ１，Ｓｂ２）を取り込み、記憶する（ステップＳ１１）。

接触器制御部３２１は、地絡検出信号Ｓｇ１又はＳｇ２が出力されているか否かを判別する（ステップＳ１２）。地絡検出信号Ｓｇ１とＳｇ２との何れも出力されていない場合（ステップＳ１２；Ｎｏ）、処理はステップＳ１１にリターンする。

一方、地絡検出信号Ｓｇ１又はＳｇ２が出力されている場合（ステップＳ１２；Ｙｅｓ）、地絡が発生しているので、接触器制御部３２１は、第１接触器１２と第２接触器１４１，１４２を開放し、地絡電流により装置の損傷を防止する（ステップＳ１３）。

接触器投入コマンドが供給されると、接触器制御部３２１は、図１０に示すように、地絡検出信号Ｓｇ１又はＳｇ２が記憶されているか否かにより、地絡が発生しているか否かを判別する（ステップＳ１４）。地絡が発生していないと判別した場合（ステップＳ１４；Ｎｏ）、第１接触器１２と第２接触器１４１，１４２を投入する（ステップＳ１５）。

一方、地絡検出信号Ｓｇ１又はＳｇ２が記憶されていれば（ステップＳ１４；Ｙｅｓ）、地絡が発生している系統ｉを判別する（ステップＳ１６）。地絡検出信号Ｓｇｉが記憶されていれば、第ｉ系統で発生していると判別する（ステップＳ１６）。

次に、接触器制御部３２１は、地絡位置検出信号Ｓｂｉが記憶されているか否かを判別する（ステップＳ１７）。

地絡位置検出信号Ｓｂｉが記憶されている場合（ステップＳ１７；Ｙｅｓ）、第ｉ系統で地絡が発生し、地絡発生位置は、地絡位置検出部１５ｉの前段である。このため、接触器制御部３２１は、第１接触器１２を開放した状態を維持する（ステップＳ１８）。

一方、地絡位置検出信号Ｓｂｉが出力されていない場合（ステップＳ１７；Ｎｏ）、第ｉ系統で地絡が発生し、発生位置は、地絡位置検出部１５ｉの後段である。このため、接触器制御部３２１は、第２接触器１４ｉの開放状態を維持したまま、制御信号ＳｉｇＡにより、第１接触器１２を投入する。そして制御信号ＳｉｇＢｊ（ｊ≠ｉ）により、第２接触器１４ｊを投入し、地絡が発生していない回路への電力供給を行う（ステップＳ１９）。

このような構成の電力変換装置２０によれば、何れかの系統の地絡位置検出部１５ｉの前段で地絡が発生した場合には、電力伝達回路１３０への電力の供給が停止され、装置の損傷が防止される。この状態で、接触器投入コマンドが入力されると、第ｉ系統の地絡位置検出部１５ｉの後段で地絡が発生した場合には、電力伝達回路１３０から第ｉ系統への電力の供給は停止するが、他の系統には、電力の供給が継続され、他の系統は動作を継続することができる。この電力変換装置２０で必要な接触器は、第１接触器１２と、系統数分の第２接触器１４ですむ。よって、電力変換装置２０によれば、装置の小型化が可能である。

なお、系統数は２に限定されず、３以上でもよい。また、全ての系統に第２接触器１４を設ける必要はなく、一部の系統のみに第２接触部１４を配置してもよい。

図８に示す接触器制御部３２１の動作において、ステップＳ１２において、地絡が発生していると検出したときに、第１接触器１２及び第２接触器１４を開放する代わりに、図１０のステップＳ１７以下の処理を行なってもよい。

（実施の形態３）
実施の形態１及び実施の形態２に係る電力変換装置を使用する場面は、任意である。以下では、一例として、図１に示す電力変換装置１０を、電気車に応用した実施の形態３を説明する。

実施の形態３の電力変換装置１０は、図１１に示すように、電流入力端子１１に相当するパンタグラフ１９と、第１接触器１２と、電力伝達回路１３に相当する変圧器１３ａと、第２接触器１４と、地絡位置検出部１５と、負荷回路１６と、第３接触器２１と、抵抗器２２と、制御部３０と、を備えている。

負荷回路１６は、地絡検出部１８と、ＡＣ−ＤＣコンバータ２３と、第１のフィルタコンデンサ２４ａと、第２のフィルタコンデンサ２４ｂと、直流電圧印加端子２５と、ＤＣ−ＡＣコンバータ２６と、を備えている。

パンタグラフ１９は、電気車の屋根に取り付けられている。パンタグラフ１９は、架線から供給される交流電流を第１接触器１２へ流す。

第１接触器１２は、制御部３０から出力された制御信号ＳｉｇＡに応じて状態を切り換える。第１接触器１２は、開放状態になると、架線から供給される交流電流を遮断する。また、第１接触器１２は、投入状態になると、架線から供給される交流電流を変圧器１３ａの一次巻線に流す。

第１接触器１２の一端は、パンタグラフ１９に接続され、第１接触器１２の他端は、変圧器１３ａの一次巻線の一端に接続されている。

変圧器１３ａは、絶縁型である。変圧器１３ａは、１次巻線に印加された電圧を変圧して、２次巻線から出力する。

変圧器１３ａの一次巻線の一端は、第１接触器１２の他端に接続されている。変圧器１３ａの一次巻線の他端は、接地されている。また、変圧器１３ａの二次巻線の一端は、第２接触器１４の一端および第３接触器２１の一端に接続されている。変圧器１３ａの二次巻線の他端は、ＡＣ−ＤＣコンバータ２３の他方の入力端子に接続されている。

第２接触器１４は、制御部３０から出力された制御信号ＳｉｇＢ１１に応じて状態を換える。第２接触器１４は、開放状態になると、変圧器１３ａの二次巻線の一端から出力されてＡＣ−ＤＣコンバータ２３の一方の入力端子に流れ込む電流を、遮断する。

第２接触器１４は、投入状態になると、ＡＣ−ＤＣコンバータ２３の一方の入力端子に、変圧器１３ａの二次巻線の一端から出力された交流電流を流す。

第２接触器１４の一端は、第３接触器２１の一端および変圧器１３ａの二次巻線の一端に接続されている。また、第２接触器１４の他端は、抵抗器２２の他端およびＡＣ−ＤＣコンバータ２３の一方の入力端子に接続されている。

第３接触器２１は、制御部３０から出力された制御信号ＳｉｇＢ１２に応じて状態を換える。第３接触器２１は、開放状態になると、抵抗器２２に流れ込む交流電流を遮断する。また、第３接触器２１は、開放状態になると、抵抗器２２への電流を、遮断する。第３接触器２１は、投入状態になると、抵抗器２２に交流電流を流す。

第３接触器２１の一端は、変圧器１３ａの二次巻線の一端に接続され、第３接触器２１の他端は、抵抗器２２の一端に接続されている。

抵抗器２２は、第３接触器２１を流れる交流電流の振幅を制限する。

抵抗器２２の一端は、第３接触器２１の他端に接続されている。抵抗器２２の他端は、第２接触器１４の他端およびＡＣ−ＤＣコンバータ２３の一方の入力端子に接続されている。

地絡位置検出部１５は、地絡が発生した場合、その発生した地絡の位置が、地絡位置検出部１５の前段であるか後段であるかを、制御部３０で検出するためのセンサである。

地絡位置検出部１５は、例えば、ホール素子を有している。地絡位置検出部１５は、抵抗器２２の他端、第２接触器１４の他端およびＡＣ−ＤＣコンバータ２３の一方の入力端子を接続する導線を流れる電流と、変圧器１３ａの二次巻線の他端およびＡＣ−ＤＣコンバータ２３の他方の入力端子を接続する導線を流れる電流との差を検出する。地絡位置検出部１５は、検出した電流の差に対応する電圧を示す電圧信号ＳｉｇＣを、制御部３０に出力する。

ＡＣ−ＤＣコンバータ２３は、入力端子に伝送された交流電圧を直流電圧に変換し、変換した直流電圧を、第１〜第３端子を有する出力端子から出力する。ＡＣ−ＤＣコンバータ２３の一方の入力端子は、第２接触器１４の他端および抵抗器２２の他端に接続されている。また、ＡＣ−ＤＣコンバータ２３の他方の入力端子は、変圧器１３ａの二次巻線の他端に接続されている。

また、ＡＣ−ＤＣコンバータ２３の出力端子の第１端子は、直流電圧印加端子２５のプラス端子、第１のフィルタコンデンサ２４ａの一端およびＤＣ−ＡＣコンバータ２６の一方の入力端子に接続されている。ＡＣ−ＤＣコンバータ２３の出力端子の第２端子は、第１のフィルタコンデンサ２４ａの他端および第２のフィルタコンデンサ２４ｂの一端に接続されている。そして、ＡＣ−ＤＣコンバータ２３の出力端子の第３端子は、直流電圧印加端子２５のマイナス端子、第２のフィルタコンデンサ２４ｂの他端およびＤＣ−ＡＣコンバータ２６の他方の入力端子に接続されている。

ＡＣ−ＤＣコンバータ２３は、例えば、入力端子に実効値１７００Ｖ（ボルト）の交流電圧が印加されている場合、第１端子−第２端子間から、１６５０Ｖの直流電圧Ｖａを出力し、第２端子−第３端子間から、１６５０Ｖの直流電圧Ｖｂを出力する。

第１のフィルタコンデンサ２４ａおよび第２のフィルタコンデンサ２４ｂからなる直列回路は、ＡＣ−ＤＣコンバータ２３の出力端子から出力された直流電圧で充電される。この充電で、第１のフィルタコンデンサ２４ａおよび第２のフィルタコンデンサ２４ｂからなる直列回路は、ＤＣ−ＡＣコンバータ２６の入力端子に印加される直流電圧を平滑化する。

第１のフィルタコンデンサ２４ａおよび第２のフィルタコンデンサ２４ｂからなる直列回路は、ＡＣ−ＤＣコンバータ２３の出力端子、直流電圧印加端子２５およびＤＣ−ＡＣコンバータ２６の入力端子に接続されている。

具体的には、第１のフィルタコンデンサ２４ａの一端は、ＡＣ−ＤＣコンバータ２３の第１端子、直流電圧印加端子２５のプラス端子およびＤＣ−ＡＣコンバータ２６の一方の入力端子に接続されている。また、第１のフィルタコンデンサ２４ａの他端は、ＡＣ−ＤＣコンバータ２３の第２端子および第２のフィルタコンデンサ２４ｂの一端に接続されている。

そして、第２のフィルタコンデンサ２４ｂの他端は、ＡＣ−ＤＣコンバータ２３の第３端子、直流電圧印加端子２５のマイナス端子およびＤＣ−ＡＣコンバータ２６の他方の入力端子に接続されている。

ここで、第１接触器１２が投入状態であり、第１と第２のフィルタコンデンサ２４ａ，２４ｂの電圧が閾値未満であることを示す情報が電圧計３２２（フィルタコンデンサ２４ａ，２４ｂの電圧を計測する計器、図１２参照）から出力されていれば、制御部３０は、第３接触器２１を投入させる制御信号ＳｉｇＢ１２を出力する。また、制御部３０は、第２接触器１４を開放させる制御信号ＳｉｇＢ１１を出力する。

これにより、第２接触器１４を流れる交流電流が遮断され、抵抗器２２で振幅が制限された交流電流が、ＡＣ−ＤＣコンバータ２３の一方の入力端子に流れ込む。よって、第１のフィルタコンデンサ２４ａおよび第２のフィルタコンデンサ２４ｂの初期充電時に、フィルタコンデンサ２４ａ，２４ｂに流れ込む電流を、抵抗器２２で制限することができる。

制御部３０は、図１２に示すように、地絡監視部３１０と接触器制御部３２０とを備える。接触器制御部３２０は、フィルタコンデンサ２４ａ，２４ｂの電圧を測定する電圧計３２２を備える。制御部３０は、第１接触器１２が投入状態であり、電圧計３２２で測定したフィルタコンデンサ２４ａ，２４ｂの電圧が閾値以上である場合に、第３接触器２１を開放させる制御信号ＳｉｇＢ１２を出力し、更に、第２接触器１４を投入させる制御信号ＳｉｇＢ１１を出力する。これにより、第３接触器２１および抵抗器２２を流れる電流が遮断され、変圧器１３ａの出力電流が第２接触器１４を介して、ＡＣ−ＤＣコンバータ２３に流れる。

第３接触器２１を流れる電流の振幅は抵抗器２２で制限される。一方、第２接触器１４を流れる電流の振幅は抵抗器２２で制限されない。このため、電流の振幅を抵抗器２２で制限しない第２接触器１４の許容電流値よりも、第３接触器２１は、許容電流値を小さくできる。よって、第３接触器２１は、第２接触器１４よりも小型化が可能である。

地絡検出部１８は、第１接触器１２が投入状態であるときに（交流電化区間に電気車が存在しているときに）、電力変換装置１０に地絡が発生した場合、地絡が発生したことを、制御部３０で検出するためのセンサである。

地絡検出部１８は、例えば、ホール素子を有している。地絡検出部１８は、第１のフィルタコンデンサ２４ａおよび第２のフィルタコンデンサ２４ｂの接続点とグランドとを接続する導線を流れる地絡電流を検出する。地絡検出部１８は、地絡電流の大きさに対応する値を示す電圧信号ＳｉｇＤを、制御部３０に出力する。

直流電圧印加端子２５は、直流電化区間に電気車が存在するときに、架線から供給される直流電圧が印加される。プラス端子には、架線から供給される直流電圧のプラス電位が印加される。マイナス端子には、架線から供給される直流電圧のマイナス電位（供給時に既に接地されている電位）が印加される。このマイナス端子は、接地されている。

ＤＣ−ＡＣコンバータ２６は、入力端子に入力された直流電力を交流電力に変換し、交流電力を、出力端子から出力する。ＤＣ−ＡＣコンバータ２６の一方の入力端子は、ＡＣ−ＤＣコンバータ２３の第１端子、第１のフィルタコンデンサ２４ａの一端および直流電圧印加端子２５のプラス端子に接続されている。また、ＤＣ−ＡＣコンバータ２６の他方の入力端子は、ＡＣ−ＤＣコンバータ２３の第３端子、第２のフィルタコンデンサ２４ｂの他端および直流電圧印加端子２５のマイナス端子に接続されている。そして、ＤＣ−ＡＣコンバータ２６の出力端子は、例えば、交流モータＭに接続されている。

上述した電力変換装置１０の、地絡が発生していない場合（定常状態）の動作を、図１３を参照して説明する。
交流電化区間に電気車が存在しているときに、第１接触器１２が投入された場合を例に説明する。

ここで、第３接触器２１が投入状態であり、第２接触器１４が開放状態であれば、変圧器１３ａから第３接触器２１および抵抗器２２を介して、ＡＣ−ＤＣコンバータ２３に電流が流れる。一方、第３接触器２１が開放状態であり、第２接触器１４が投入状態であれば、電流は、変圧器１３ａから第２接触器１４を介してＡＣ−ＤＣコンバータ２３に流れる。

ＡＣ−ＤＣコンバータ２３は、変圧器１３ａから供給された交流電力を整流し、その第１端子と第３端子間に直流電圧を出力する。第１のフィルタコンデンサ２４ａと第２のフィルタコンデンサ２４ｂは、この直流電圧により充電される。第１のフィルタコンデンサ２４ａ及び第２のフィルタコンデンサ２４ｂにより安定化された直流電圧は、ＤＣ−ＡＣコンバータ２６により三相交流電圧に変換され、交流モータＭに供給される。これにより、交流モータＭが回転し、電気車が駆動される。

ここで、地絡位置検出部１５を通る電流、具体的には、変圧器１３ａの一方の出力端とＡＣ−ＤＣコンバータ２３の一方の入力端子との間を流れる電流と、変圧器１３ａの他方の出力端とＡＣ−ＤＣコンバータ２３の他方の入力端子との間を流れる電流とは、向きは逆であるが、同じ電流値を示す。よって、地絡位置検出部１５で電流の差を検出せず、電圧信号ＳｉｇＣは、ほぼ０Ｖとなる。

また、地絡検出部１８を流れる電流もないため、地絡検出部１８で地絡電流は検出されない。従って、電圧信号ＳｉｇＤもほぼ０Ｖとなる。

なお、直流電圧印加端子２５に直流電圧が印加されている場合、第２接触器１４および第３接触器２１は、開放状態になる。よって、直流電圧印加端子２５のプラス端子から流れ出た直流電流は、ＤＣ−ＡＣコンバータ２６の一方の入力端子に流れ込む。その後、直流電流は、ＤＣ−ＡＣコンバータ２６の他方の入力端子から出力され、直流電圧印加端子２５のマイナス端子に流れ込む。

次に、地絡が発生した場合の電力変換装置１０の動作を説明する。

交流電化区間に電気車が存在し且つ第１接触器１２が投入されている状態で、地絡位置検出部１５の前段の地点Ｐ３で地絡が発生すると、図１４に示すように、地絡電流は、地絡点Ｐ３→大地→地絡検出部１８→第２のフィルタコンデンサ２４ｂ→ＡＣ−ＤＣコンバータ２３の第２端子→ＡＣ−ＤＣコンバータ２３の他方の入力端子→地絡位置検出部１５→変圧器１３ａの二次巻線の他端→地絡点Ｐ３、の順で流れる。

よって、地絡検出部１８は、地絡電流を検出する。地絡位置検出部１５は、電流の差を検出する。

一方、地絡位置検出部１５の後段の地点Ｐ４で地絡した場合、地絡電流は、図１５に示すように、地絡点Ｐ４→大地→第２のフィルタコンデンサ２４ｂ→ＡＣ−ＤＣコンバータ２３の第２端子→ＡＣ−ＤＣコンバータ２３の他方の入力端子→変圧器１３ａの二次巻線の他端→変圧器１３ａの二次巻線の一端、の順で流れる。続いて、地絡電流は、第３接触器２１が投入状態であり、第２接触器１４が開放状態であれば、第３接触器２１および抵抗器２２を流れ、第３接触器２１が開放状態であり、第２接触器１４が投入状態であれば、第２接触器１４を流れて、地絡点Ｐ４に至る。

よって、地絡検出部１８は、地絡電流を検出する。地絡位置検出部１５は、電流の差を検出しない。

地絡監視部３１０は、電圧信号ＳｉｇＤの電圧が閾値以上であれば、地絡が発生したと判定する。そして、地絡監視部３１０は、地絡が発生したことを示す地絡検出信号Ｓｇを接触器制御部３２０に出力する。

また、地絡監視部３１０は、取得した電圧信号ＳｉｇＣの電圧が閾値以上であれば、地絡位置検出部１５の前段で地絡が発生したと判定し、地絡位置検出信号Ｓｂを出力する接触器制御部３２０に出力する。また、地絡監視部３１０は、電圧信号ＳｉｇＣの電圧が閾値未満であれば、地絡位置検出部１５の後段で地絡したと判定し、地絡位置検出信号Ｓｂを出力しない。

接触器制御部３２０は、交流電化区間に電気車が存在しており、且つ、フィルタコンデンサ２４ａ，２４ｂの電圧が閾値未満であることを示す情報が電圧計３２２から出力されている場合、第２接触器１４を開放し、第３接触器２１を投入した後、第１接触器１２を投入する。これにより、第１のフィルタコンデンサ２４ａおよび第２のフィルタコンデンサ２４ｂは、初期充電状態になる。

その後、接触器制御部３２０は、フィルタコンデンサ２４ａ，２４ｂの電圧が閾値以上であることを示す情報が電圧計３２２から出力されると、第２接触器１４を投入し、第３接触器２１を開放して、電力変換装置１０を定常状態にする（第１接触器１２は投入状態に維持される）。

その後、接触器制御部３２０は、地絡が発生したことを示す地絡検出信号Ｓｇを受信すると、第１接触器１２、第２接触器１４および第３接触器２１を開放する。これにより、接触器制御部３２０は、地絡発生時の変圧器１３ａの損傷を防止する。

そして、接触器制御部３２０は、地絡位置検出信号Ｓｂが記憶されている場合、第１接触器１２を投入する指示が入力されても、変圧器１３ａに地絡電流が流れ込んで変圧器１３ａが損傷するのを防止するために、第１接触器１２の開放状態を維持する。

一方、地絡位置検出信号Ｓｂが記憶されていない場合には、接触器制御部３２０は、第１接触器１２を投入する指示が入力されると、第１接触器１２を投入する。

なお、接触器制御部３２０は、直流電化区間に電気車が存在する場合には、第１接触器１２、第２接触器１４および第３接触器２１を開放する。

なお、電気車に使用する場合にも、図７に例示したように、複数の負荷それぞれに接触器を配置してもよい。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、この発明は上述の実施の形態に限定されず、種々の変形および応用が可能である。

また、上述した図１１に示す電力変換装置１０は、第１のフィルタコンデンサ２４ａおよび第２のフィルタコンデンサ２４ｂの２つで、ＡＣ−ＤＣコンバータ２３の出力端子から出力された直流電圧で充電される直列回路を構成したが、これに限られるものではない。即ち、直列回路を構成するフィルタコンデンサは、例えば、一つでもよい。

本発明は、本発明の広義の思想と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、本発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。すなわち、本発明の範囲は、上述した実施の形態ではなく、請求の範囲によって示される。そして、請求の範囲内およびそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、本発明の範囲内とみなされる。

本発明は、電気車の他、電力を変換する様々な装置に利用することができる。

１０，２０ 電力変換装置、１１ 電流入力端子、１２ 第１接触器、１３，１３０ 電力伝達回路、１３ａ 変圧器、１４，１４１，１４２ 第２接触器、１５ 地絡位置検出部、１６ 負荷回路、１７ 電源回路、１８ 地絡検出部、１９ パンタグラフ、２１ 第３接触器、２２ 抵抗器、２３ ＡＣ−ＤＣコンバータ、２４ａ 第１のフィルタコンデンサ、２４ｂ 第２のフィルタコンデンサ、２５ 直流電圧印加端子、２６ ＤＣ−ＡＣコンバータ、３０，３１ 制御部、３１０，３１１ 地絡監視部、３２０，３２１ 接触器制御部、３２２ 電圧計。

Claims (7)

1. 外部回路から電力の供給を受けて、交流電力を出力する電力伝達回路と、
   前記電力伝達回路と前記外部回路との間を流れる電流の通電および遮断を制御する第１接触器と、
   前記電力伝達回路から出力された電力で動作し、接地された端子を流れる電流を検出することで、地絡の発生を検出可能な負荷回路と、
   前記電力伝達回路と前記負荷回路との間を流れる電流の通電と遮断とを制御する第２接触器と、
   前記電力伝達回路から前記負荷回路へ流れる電流と前記負荷回路から前記電力伝達回路へ流れる電流との差に基づき、地絡が電力伝達回路側と負荷回路側とのいずれで発生したかを検出する地絡位置検出部と、
   前記負荷回路での地絡の発生の検出結果、および、前記地絡位置検出部の検出結果に基づき、前記第１接触器および前記第２接触器を制御する接触器制御部と、
   を備える電力変換装置。
2. 前記接触器制御部は、前記負荷回路で地絡の発生が検出されると、前記第１接触器を開放し、前記地絡位置検出部で地絡位置が前記電力伝達回路側であると検出された場合、前記開放の後に、前記第１接触器の投入を指示する操作が行われても、前記第１接触器の開放を維持する、
   請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記接触器制御部は、前記負荷回路で地絡の発生が検出されると、前記第１接触器を開放し、前記地絡位置検出部で地絡が発生した位置が前記負荷回路側であると検出された場合、前記開放の後、前記第１接触器の投入を指示する操作が行われると、前記第２接触器を開放した上で、前記第１接触器を投入する、
   請求項１に記載の電力変換装置。
4. 前記電力伝達回路は、一対の出力端を有し、前記負荷回路は一対の入力端を有し、
   前記第２接触器は、前記電力伝達回路の一方の出力端と負荷回路の一方の入力端とを接続する電路に配置され、
   前記地絡位置検出部は、前記第２接触器と前記負荷回路とを接続する電路を流れる電流と、前記電力伝達回路の他方の出力端と負荷回路の他方の入力端とを接続する電路を流れる電流の差を求める、
   請求項１に記載の電力変換装置。
5. 前記電力伝達回路は、出力端子を複数対有し、
   前記第２接触器、前記負荷回路および前記地絡位置検出部は、前記電力伝達回路の一対の出力端子毎に設けられており、
   前記接触器制御部は、いずれかの前記負荷回路で地絡の発生が検出された場合に、前記第１接触器を開放し、その負荷回路に対応する地絡位置検出部で地絡位置が電力伝達回路側であると検出されると、前記開放の後に、前記第１接触器の投入を指示する操作が行われても、前記第１接触器の開放を維持する、
   請求項１に記載の電力変換装置。
6. 前記電力伝達回路は、前記第１接触器の投入で交流電圧が印加される変圧器を有し、
   前記負荷回路は、前記第２接触器の投入で前記変圧器から供給される交流電力を直流電力に変換して出力する電力変換器を備える、
   請求項１に記載の電力変換装置。
7. 外部から電力の供給を受けて、交流電力を出力する電力伝達回路と、
   前記電力伝達回路から供給された電力で動作する負荷回路と、を備える電力変換装置の電力変換方法であって、
   前記負荷回路の接地端に流れる地絡電流を測定することで、地絡の発生を検出し、
   前記電力伝達回路から前記負荷回路へ流れる電流と前記負荷回路から前記電力伝達回路へ流れる電流との差に基づき、地絡が電力伝達回路側と負荷回路側とのいずれで発生したかを検出し、
   地絡電流が検出されると、前記電力伝達回路への電力の供給を遮断し、地絡が前記電力伝達回路側の位置で発生したと検出された場合、前記遮断の後に、前記電力伝達回路への電力の供給を指示する操作が行われても、前記遮断を維持する、
   電力変換方法。

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