JPH03243102A - 電気車制御装置の保護回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） この発明は電気車制御装置の保護回路に関する。

（従来の技術） 一般に、可変電圧可変周波数（ＶＶＶＦ）インバータに
より誘導電動機を制御する電気車の主回路は第４図に示
すような構成を備えており、パンタグラフ１により集電
した電源電流を断流器２−高速遮断器３−フィルタリア
クトル４を通してフィルタコンデンサ５に充電し、この
フィルタコンデンサ５に並列に接続されているＶＶＶＦ
インバータ６に対して直流電力を供給するようにしてい
る。またフィルタコンデンサ５に並列に電圧検出器７を
接続し、フィルタコンデンサ５の両端電圧を検出するよ
うにしている。さらにＶＶＶＦインバータ６は３相であ
り、各アームにはスイッチング素子としてのＧＴＯサイ
リスタ８１〜８６が配置されており、各アームのＧＴＯ
サイリスク８１〜８６それぞれに流れる過電流を検知す
るための過電流検出器９１〜９６が短絡検出手段として
配置されている。

このＶＶＶＦインバータ６の出力側に誘導電動機ＩＭが
接続され、フィルタコンデンサ５の直流電力をＶＶＶＦ
インバータ６によって交流電力に変換してこの誘導電動
機ＩＭに与え、誘導電動機ＩＭの回転制御を行う。そし
てＶＶＶＦインバータ６の各ＧＴＯサイリスタ８１〜８
６のゲートオンオフ制御はゲートドライブ回路１０によ
り行われ、そのオンオフ時間の制御によりＶＶＶＦイン
バータ６の出力交流電力が制御されるのである。

このような電気車制御装置の主回路において、このＶＶ
ＶＦインバータ６は、正常な時には同相の上下一対のア
ームのＧＴＯサイリスタ、たとえばＧＴＯサイリスタ８
１とＧＴＯサイリスタ８２とが同時にオンすることは有
り得ないが、何らかの原因で上下一対のアームのＧＴＯ
サイリスタ８１．８２が同時にオンした場合には、その
相にフィルタコンデンサ５からの放電電荷が集中しない
ように３相すべてのＧＴＯサイリスタ８１〜８６を一斉
にオンさせてフィルタコンデンサ５の放電電流を６つの
アームに分散させるようにし、同時に高速度遮断器３を
オフすることにより架線側から電源電流が流れ込まない
ように過電流保護動作するように【、ている。

そしてこの保護動作のために、従来は第５図に示すよう
な保護回路を採用している。つまり、上下一対のアーム
それぞれに対する過電流検出器９１．９２；９３，９４
；９５，９６からの短絡検出信号を２人力とする論理積
回路１１と、論理積回路１１のハイレベル出力によって
反転するフリップフロップ回路１２とを備えており、フ
リップフロップ回路１２のハイレベル出力により故障表
示灯１３が点灯し、同時にフリップフロップ回路１２か
らのハイレベル信号により高速度遮断器（ＨＢ）３をト
リップさせるようにしている。加えて、フリップフロッ
プ回路１２のリセット端子には運転士の高速度遮断器リ
セットボタン１４が接続されており、フリップフロップ
回路１２が反転動作した時も、リセットボタン１４から
のリセット信号が入力されることによりハイレベル信号
の出力を停止するようにしている。

従って、■■ＶＦインバータ６のいずれかのアームのＧ
ＴＯサイリスタ、例えばＧＴＯサイリスタ８２の導通破
壊が発生した場合、上下一対のアーム各々に設けられて
いる過電流検出器９１，９２から同時に短絡検出信号が
論理積回路１１に入力され、論理積回路１１はハイレベ
ル信号をフリップフロップ回路１２に与え、フリップフ
ロップ回路１２は反転してハイレベル信号を故障表示灯
１３と高速度遮断器３とに与え、故障表示灯１３により
運転士に対してＶＶＶＦインバータの故障発生を知らせ
ると共に、高速度遮断器３をトリップさせて電源電力が
ＶＶＶＦインバータ６に入力されるのを遮断する。そし
て、運転士がリセットボタン１４を操作することにより
リセット信号をフリップフロップ回路１２のリセット端
子に入力すると、フリップフロップ回路１２の出力はロ
ーレベルとなり、故障表示灯１３を消灯すると共に高速
度遮断器３をリセットさせ、再び電源電力をＶＶＶＦイ
ンバータ６に、入力可能な状態に復帰させることができ
る。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、このような従来の電気車制御装置の保護
回路では、運転士はＶＶＶＦインバータが実際に故障し
たのか、単なる誤動作により一時的に短絡検出信号が入
力されるようになったのか判断できないために、運転士
はリセットボタン］４を操作して再度主回路を形成しよ
うとするが、実際にＶＶＶＦインバータ６のＧＴＯサイ
リスタ８１〜８６のいずれかに導通破壊が起こっている
ような場合、例えばＧＴＯサイリスタ８２が導通破壊し
ていたような場合には、リセットボタン１４の操作によ
って再起動した途端に正常なＧＴＯサイリスタ８１がオ
ンしてアーム短絡を起こしてしまうことになる。

そしてアーム短絡が発生すると、高速度遮断器３は大電
流を遮断するために大音響を轟かせることになるが、車
両に乗っている乗客はこの大音響により不安感を覚える
ようになる問題点があった。

また、とくに運転士がリセット再起動操作を２度、３度
繰り返すならばすべてのＧＴＯサイリスタに対して電流
過負荷動作を強いることになり、健全であったＧＴＯサ
イリスクまでが破壊されてしまったり、架線電力を供給
する変電所の遮断器をトリップさせてしまう可能性や、
すでに破壊してしまっているＧＴＯサイリスクに対して
何度も過電流が流れることにより損傷箇所の荒れがいっ
そう悪化することになり、事故調査、原因調査を困難に
してしまう等の問題点もあった。

この発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされた
ものであり、アーム短絡動作発生直後に自動的にＶＶＶ
Ｆインバータの各アームのＧＴＯサイリスタの１つに導
通破壊が発生しているような場合には運転士のリセット
ボタンの操作に対してもリセット動作を行わせないよう
にし、回路の保護を図ることができる電気車制御装置の
保護回路を提供することを目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） この発明の電気車制御装置の保護回路は、電源を遮断す
る断流手段と、この断流手段を通して入力される電源電
流に対するフィルタコンデンサと、このフィルタコンデ
ンサの両端電圧を検出する電圧検出手段と、前記フィル
タコンデンサからの直流を変換して誘導電動機に交流を
与える可変電圧可変周波数インバータと、この可変電圧
可変周波数インバータの各アームの上下のＧＴＯサイリ
スタを交互にオン、オフさせるゲートドライブ手段と、
前記可変電圧可変周波数インバータのいずれかのＧＴＯ
サイリスタの短絡を検出する短絡検出手段と、この短絡
検出手段の短絡検出信号を受けて前記断流手段を動作さ
せる断流制御手段と、前記短絡検出手段による短絡検出
後、前記断流制御手段により断流手段が動作し、前記フ
ィルタコンデンサの両端電圧がほぼＯＶとなるまでの一
定時間が経過した後にすべてのＧＴＯサイリスタに一斉
にオンゲート信号を与えるゲートターンオン手段と、こ
のゲートターンオン手段によりすべてのＧＴＯサイリス
タがゲートオンした時に前記ゲートドライブ手段内のゲ
ート電源出力電流を検出するゲート電源出力電流検出手
段と、このゲート電源出力電流検出手段により検出した
ゲート電源出力電流値が所定値以上である時に前記断流
制御手段のリセット動作を禁止する断流リセット禁止手
段とを備えたものである。

（作用） この発明の電気車制御装置の保護回路では、ＶＶＶＦイ
ンバータの一対の上下のアームに短絡故障が発生した場
合、短絡検出手段による保護検知動作が働き、短絡検出
信号を断流制御手段に与え、断流制御手段はこの短絡検
出信号を受けて断流手段を開放させ、電源電流がフィル
タコンデンサを通してＶＶＶＦインバータに供給される
のを停止する。

同時に、短絡検出手段が短絡検出信号をゲートドライブ
手段側のゲートターンオン手段に与え、ゲートターンオ
ン手段は短絡検出信号を受けてから一定時間後に断流手
段を開放信号によって開放する条件と、フィルタコンデ
ンサ電圧検出手段により検出するフィルタコンデンサ電
圧はぼＯｖという条件を受けてすべてのＧＴＯサイリス
タに一斉オンゲート信号を与える。

その時に、ゲート電源出力電流検出手段はゲートドライ
ブ手段に流れる電流を検知し、ゲート電源出力電流があ
る一定値以上であればＧＴＯサイリスクの導通破壊と判
断し、断流制御手段に対して断流手段の再投入動作を禁
止し、運転士のリセット操作に対しても断流手段の再投
入を防止し、主回路の保護を行うのである。

（実施例） 以下、この発明の実施例を図に基づいて詳説する。

第１図はこの発明の電気車制御装置の保護回路の一実施
例の回路ブロック図を示しており、短絡検出手段として
の電流検出器９１〜９６からの短絡検出信号１５を人力
とするデイレイ回路１６と、このデイレイ回路１６の出
力を１つの入力とする論理積回路１７と、この論理積回
路１７の他の１つの入力端子に人力を与える断流器２の
開放信号１８に対する否定回路１９と、論理積回路１７
のさらにもう１つの入力端子に対して入力を与えるため
にフィルタコンデンサ電圧検出器７の電圧検出信号２０
に対して設けられた比較回路２１とが備えられている。

この論理積回路１７の出力側には１ｋＨｚ、０．２秒の
パルスを発生するパルス発生器２２が設けられ、このパ
ルス発生器２２の出力が一斉ゲートオン信号２３となっ
ている。

また、短絡検出信号１５に対する否定回路２４の出力と
断流器２の再投入指令信号２５とを共に入力とする論理
積回路２６が備えられ、さらに運転士のリセットスイッ
チ信号２７と、後述するゲート電源出力電流検出回路か
らの電流検出信号２８に対して比較回路２９及び否定回
路３０を通して得られる信号とを入力とする論理積回路
３１とが備えられている。そして、これらの論理積回路
２６．３１０出力は論理積回路３２に入力され、この論
理積回路３２の出力が断流器再投入信号３３となるよう
に構成されている。

第２図に示すようにゲートドライブ回路１０は、ゲート
電源装置１０１と、各ＧＴＯサイリスタ８１〜８６のゲ
ートに接続され、ゲート電圧を与えるためのゲートアン
プ１０２，１０２．・・・と、ゲート電源線に設けられ
たゲート電源出力電流検出手段としての変流器１０３と
で構成されている。

次に、上記の構成の電気車制御装置の保護回路の動作に
ついて説明する。

論理積回路１７には、デイレイ回路１６を介して保護検
知信号である短絡検出信号１５と、否定回路１９を介し
て断流器開放信号１８と、フィルタコンデンサ電圧検出
器２０にて検出されたフィルタコンデンサ電圧検出信号
Ｖｆｃが比較回路２１で比較電圧ｋｌ（ＯＶ）と比較さ
れた結果の信号とが人力される。この論理積回路１７の
出力はパルス発生回路２２に入力され、出力パルス幅を
１ｋＨｚ、０．２秒に指定され、そのパルスがゲートド
ライブ回路１０に出力され、各々のＧＴＯサイリスタ８
１〜８６に一斉オンゲート信号２３を与える。

一方、第２図に示すようにゲートドライブ回路１０のゲ
ート電源出力線に設けられた変流器１０３により検出さ
れたゲート電源出力電流信号１ｇｐは、比較電流に２と
比較する比較回路２９に人力され、その出力は否定回路
３０を介して論理積回路３１に人力される。論理積回路
３１のもう一方の入力は運転士のリセットスイッチ信号
２７である。この論理積回路３１の出力は、断流器投入
指令信号２５に対する論理積回路２６の出力と共に論理
積回路３２に入力され、断流器投入信号３３として論理
積回路３２から出力される。

そこで、第４図に示す電気車制御装置の主回路において
、ｖｖＶＦインバータ６のＧＴＯサイリスタ８１〜８６
のうちのいずれか１個が導通破壊した時、その故障した
ＧＴＯサイリスタもほぼ同時に短絡し、過電流検出器９
１〜９６のうち短絡事故の起こったＧＴＯサイリスタに
対するものが短絡検出信号１５を出力し、保護検知動作
して断流器２を開放させ、主回路の電源側の電力供給を
直ちに停止することになる。

そして断流器２の開放により主回路が切られた後、運転
士が故障リセットスイッチ１４の操作によりリセット信
号２７を入力した場合、従来ならば断流器２の再投入が
許可されていたが、この実施例によると、リセットスイ
ッチ信号２７は短絡検出後にすべてのＧＴＯサイリスタ
８１〜８６に一斉ゲートオンさせ、どのＧＴＯサイリス
タにも異常のない場合にのみ、リセットスイッチ信号２
７が有効になるように動作することができるのである。

以下、それぞれのケースについて説明する。

（１）健全時（断流器投入可） 短絡検出信号１５が入力されていない場合、否定回路２
４の出力はハイレベルとなり、断流器投入指令信号２５
と共に論理積回路２６に入力され、この断流器投入指令
信号２５が投入指令によりハイレベルとなれば、論理積
回路２６の出力もハイレベルとなる。

一方、健全時はゲート電源出力検出器２８の出力はロー
レベルであり、否定回路３０の出力はハイレベルとなり
、運転士リセットスイッチ信号２７の出力と共に論理積
回路３１に入力される。運転士リセットスイッチ信号２
７は健全時はハイレベルである。

論理積回路３２の入力は前述の論理積回路２６及び論理
積回路３１の出力であり、断流器投入指令信号２５が与
えられると論理積回路３２の入力はすべてハイレベルと
なり、断流器２の再投入が行える。

（２）保護動作時 短絡検出により保護動作が働くと、前述の通り、断流器
２を開放させ、主回路の電源側の電力供給を停止させる
。

同時に短絡検出信号１５はデイレイ回路１６に入力され
、デイレイ回路１６は約１秒の遅れ時素をもってハイレ
ベル信号を出力する。

ここでデイレイ回路１６における遅れ時素１秒の根拠は
、第３図に示すように、短絡検出動作して断流器２を開
放するまでに要する時間ｔ１と、主回路が開放された後
、フィルタコンデンサ５の電荷が放電して約Ｏｖになる
までの時間ｔ２との和である。

後段の論理積回路１７には前述の１秒の遅れ時素を持っ
た短絡検出信号１５と、否定回路１９を介した断流器開
放信号１８と、フィルタコンデンサ電圧検出器７により
検出された電圧検出信号２０を比較電圧に１と比較する
比較回路２１の出力信号とが人力される。この３つの信
号がハイレベルとなると、パルス発生回路２２にパルス
発生指令を与える。

パルス発生回路２２は１ｋＨｚ、０．２秒のパルスをす
べてのＧＴＯサイリスタ８１〜８６のゲートドライブ回
路１０に出力し、−斉にゲートターンオンさせる。

ここで、第２図に示す回路において、各々のＧＴＯサイ
リスタ８１〜８６にゲートターンオン信号を与えると、
健全なＧＴＯサイリスタにはゲートＧ−カソードに間に
電流は流れないが、もし導通短絡しているＧＴＯサイリ
スタがあれば、インピーダンスが低下しているためにＧ
−に間に電流が流れ、その結果、ゲート電源出力電流１
ｇｐが流れ、これがゲート電源出力電流検出器１０３に
より検出され、検出信号２８が比較回路２９に与えられ
る。

この比較回路２９ては、ゲート電源出力電流検出値１ｇ
ｐが比較電流に２と比較され、ゲート電源出力電流の方
が比較電流に２よりも大きい場合には比較回路２９より
ハイレベル信号が出力され、これによりＧＴＯ故陣表示
灯３４が点灯される。

また、ＧＴＯサイリスタのいずれかに導通破壊が発生し
ていれば、上述のように比較回路２９の出力はハイレベ
ルとなり、否定回路３０を介してローレベル信号を論理
積回路３１の一方の入力端子に入力する。そしてこの信
号がローレベルであるかぎり、運転士がリセットボタン
１４の操作によりリセットスイッチ信号２７を入力して
来たとしても論理積回路３１の出力はローレベルのまま
である。また後段の論理積回路３２においても、短絡検
出信号１５がリセット信号によりリセットされてローレ
ベルとなったとしても、さらに断流器再投入指令信号２
５が入力されたとしても、その出力はローレベルのまま
であり、短絡故障があるかぎり断流器２が再投入される
ことはない。

なお、何等かの原因により短絡故障が検出されたものの
ＧＴＯサイリスタ８１〜８６はすべて健全である場合に
は、各ＧＴＯサイリスタのインピーダンスは高いもので
あるためにＧ−に間に電流が流れることはなく、ゲート
電源出力電流検出信号２８の電流値１ｇｐは比較電流に
２によりも十分低いものであり、比較回路２９の出力は
ローレベルのままである。したがって否定回路３０を介
して論理積回路３１に与えられる入力はハイレベルであ
り、運転士リセットスイッチ信号２７の入力により論理
積回路３１はハイレベル出力を与えることができ、断流
器投入指令信号２５が入力された時には、論理積回路３
２の出力はハイレベルとなり、断流器投入信号３３を出
力することができ、主回路の再起動が可能であり、短絡
故障の誤検出の場合には、ただちに再起動させることが
できるのである。

［発明の効果］ 以上のようにこの発明によれば、ＶＶＶＦインバータの
ＧＴＯサイリスタの１つに導通破壊が生じたような場合
、自動的にＧＴＯサイリスタの故障診断を行い、ＧＴＯ
サイリスタの１つに導通破壊が発生しているならばそれ
を検出して運転士のリセット操作を無効とし、主回路が
再投入されないようにしているため、従来のように導通
破壊による断流手段のトリップの後にも運転士のリセッ
ト操作により２度、３度断流手段が再投入されて大音響
を発し、乗客に不安感を与えるということがなく、変電
所の遮断器を開放させるという事態も極力防止すること
ができる。

また健全なＧＴＯサイリスタの一斉導通に起因した過電
流の通流による悪影響をも防止することができ、さらに
導通破壊の生じているＧＴＯサイリスタに再導通が行わ
れるために破損箇所の荒れがいっそう拡大するというこ
とも防止することができ、原因調査を容易なものとする
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の回路ブロック図、第２図
は上記の実施例のゲートドライブ回路におけるゲート電
源出力電流検出回路の構成を示す回路ブロック図、第３
図は上記の実施例の動作を示すタイミングチャート、第
４図は一般的な電気車制御装置の主回路の回路ブロック
図、第５図は従来例の回路ブロック図である。 １・・・パンタグラフ　　　２・・・断流器３・・・高
速度遮断器 ５・・・フィルタコンデンサ ６・・・ＶＶＶＦインバータ ７・・・電圧検出器 １０・・・ゲートドライブ回路 １５・・・短絡検出信号　　１６・・・デイレイ回路１
７．２６．３１．３２・・・論理積回路１８・・・断流
器開放信号 １９．２４．３０・・・否定回路 ２０・・・フィルタコンデンサ電圧検出信号２２・・・
パルス発生回路 ２３・・・−斉ゲートオン信号 ２５・・・断流器投入指令信号 ２７・・・リセットスイッチ信号 ２８・・・ゲート電源出力電流検出信号３３・・・断流
器投入信号 ２１．２９・・・比較回路 ８１〜８６・・・ＧＴＯサイリスタ ９１〜９６・・・電流検出器 １０１・・・ゲート電源装置 １０２・・・ゲートアンプ　１０３・・・変流器第２図 第３図 第４図 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　電源を遮断する断流手段と、 この断流手段を通して入力される電源電流に対するフィ
   ルタコンデンサと、 このフィルタコンデンサの両端電圧を検出する電圧検出
   手段と、 前記フィルタコンデンサからの直流を変換して誘導電動
   機に交流を与える可変電圧可変周波数インバータと、 この可変電圧可変周波数インバータの各アームの上下の
   ＧＴＯサイリスタを交互にオン、オフさせるゲートドラ
   イブ手段と、 前記可変電圧可変周波数インバータのいずれかのＧＴＯ
   サイリスタの短絡を検出する短絡検出手段と、 この短絡検出手段の短絡検出信号を受けて前記断流手段
   を動作させる断流制御手段と、 前記短絡検出手段による短絡検出後、前記断流制御手段
   により断流手段が動作し、前記フィルタコンデンサの両
   端電圧がほぼ０Ｖとなるまでの一定時間が経過した後に
   すべてのＧＴＯサイリスタに一斉にオンゲート信号を与
   えるゲートターンオン手段と、 このゲートターンオン手段によりすべてのＧＴＯサイリ
   スタがゲートオンした時に前記ゲートドライブ手段内の
   ゲート電源出力電流を検出するゲート電源出力電流検出
   手段と、 このゲート電源出力電流検出手段により検出したゲート
   電源出力電流値が所定値以上である時に前記断流制御手
   段のリセット動作を禁止する断流リセット禁止手段とを
   備えた電気車制御装置の保護回路。