JPH0646501A - 電気車用電力変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】電力回生ブレーキ中における交流電源の停電の
検出を、電力系統の諸条件或いは制動力の強さの如何に
関わらず、確実にできるものを得ることにある。 【構成】単相交流電力を入力して該電圧を変成する変圧
器３の二次電圧を入力して直流電力に変換するためのコ
ンバータ５と、このコンバータ５の出力を三相交流電力
に変換して電動機８の回転制御を行うためのインバータ
６を有し、変圧器３の一次巻線の電圧を検出する電圧検
出手段１０と、この検出電圧のうち、特定の周波数成分
を抽出するための帯域通過フィルタ１１と、この出力と
電圧検出手段１０で検出された電圧の差を演算する減算
手段１２と、この手段１２の出力の絶対値が予め設定し
た値よりも大きくなったことを以て交流電源の停電検出
信号を出力する比較手段１４とを具備したもの。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、単相交流電力を入力し
て三相交流電力に変換して電気車駆動用電動機を駆動す
る電力変換装置に係り、特に電力回生ブレーキ中の停電
を検出可能にした電気車用電力変換装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の電気車用電力変換装置の一例とし
て、図８に示すように構成されたものがある。すなわ
ち、架線９に供給されている単相交流電力は、集電器１
により集電され、開閉器２を介して変圧器３の一次巻線
により供給され、ここで電圧が降圧されるようになって
いる。変圧器３により降圧された電圧は、二次巻線に直
列にリアクトル４を介して、ＧＴＯ（ゲートターンオフ
サイリスタ）５１〜５４とダイオード５５〜５８からな
り、かつパルス幅変調制御される自励式のコンバータ５
に印加されるようになっている。コンバータ５に供給さ
れた単相交流電力はパルス幅変調制御により直流電力に
変換され、該直流出力回路に設けられたフィルタコンデ
ンサ７で電圧が平滑化された後、ＧＴＯ６１〜６６とダ
イオード６７〜７２からなるインバータ６によりさらに
三相交流電力に変換されて、電気車駆動用交流電動機例
えば誘導電動機８に供給され、これにより電動機８が駆
動されるようになっている。

【０００３】尚、このようなシステムでは電気車にブレ
ーキをかける場合、誘導電動機８を発電機として動作さ
せ、運動エネルギーを電力として電源側に変換する電力
回生ブレーキが可能となっている。

【０００４】一方、図８に示すように交流電力を架線９
に供給するき電システムでは、架線９の位相切り換えの
必要性から一定区間毎にき電されない区間（ギャップ）
があり、その区間を走行する電気車にとっては必ず短時
間の停電が生じる。また、機器の故障や電力系統の諸条
件等の要因により停電が発生する場合もある。

【０００５】停電が発生すると、電気車が力行状態にあ
る場合は、電力の供給が断たれることにより駆動力が失
われる。この状態、即ち停電状態が長時間継続した場
合、電気車は停止に至ることになるが、この場合特に危
険な事態となることは無い。しかし、電力回生ブレーキ
中に停電が発生した場合、次の二つの問題が生ずる。

【０００６】第１の問題は、電力回生ブレーキ中に停電
が発生すると、回生電力を架線９に戻すことができなく
なる。この結果、制動力が失効するため、一刻も早く停
電を検出して他の機械ブレーキなどに切り換える必要が
ある。

【０００７】第２の問題は、図８に示すように自励式の
コンバータ５が交流電源側に用いられているので、交流
電源が停電してもコンバータ５自らが交流電圧を発生す
る。電力系統の諸条件等によっては、この発生した交流
電圧が再度制御回路に取り込まれ、電力変換装置自らで
ループを構成し、電圧を発生し続けることがある。この
ような現象は意図的に停電を発生させることにより、電
気車を停止させようとした場合、停電を指令しているに
も関わらず架線９に電圧が発生し危険である。

【０００８】このようなことから、交流電源の停電は一
刻も早く検出して処置をする必要があり、その停電の検
出方法が種々考えられている。特に電力回生ブレーキ中
に停電が発生して回生電力を架線９に戻すことができな
くなった場合、誘導電動機８によって電力に変換された
制動力はフィルタコンデンサ７を充電し、この充電電圧
を上昇させる。従って、回生ブレーキ中の停電の検出と
してはフィルタコンデンサ７の上昇を検出するのが、最
も簡単で有効な方法として一般に行われている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、電気車にお
いては、電力回生ブレーキ時に回生される電力が走行状
態によって大きく異なる。このため、前述のような従来
例では、次のような問題が生じる。

【００１０】第１に、制動力、即ち、回生電力が小さい
状態での回生ブレーキ中に停電が発生した場合、フィル
タコンデンサ７の電圧の上昇が緩やかに行われるため、
電圧上昇によって停電を検出するまでに時間がかかり、
その間回路が動作し続ける問題が生じる。

【００１１】第２に、電力回生ブレーキ中の電気車の回
生電力が、同一の電力系統に接続される他車の消費電
力、或いは、自車の補助電源などの消費電力とほぼ等し
い状態の時に停電が発生した場合、フィルタコンデンサ
７の電圧は上昇せずに、回生電力により発生した交流電
圧が再度制御回路に取り込まれ、電力変換装置自らでル
ープを構成し、電圧を発生し続ける問題が生じる。

【００１２】そこで、本発明は、電力回生ブレーキ中に
おける交流電源の停電の検出を、電力系統の諸条件或い
は制動力の強さの如何に関わらず、確実に行うことので
きる電力変換装置を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は前記目的を達成
するため、交流電源よりき電区間に供給される単相交流
電力を入力して該電圧を変成する変圧器と、この変圧器
の二次電圧を入力して直流電力に変換するためのパルス
幅変調形コンバータと、このコンバータの出力である直
流電力を三相交流電力に変換して電気車駆動用三相交流
電動機の回転制御を行うためのインバータを有する電力
変換装置において、前記変圧器の一次巻線、二次巻線、
三次巻線のいずれかの電圧を検出する電圧検出手段と、
この電圧検出手段により検出された電圧のうち、特定の
周波数成分を抽出するための帯域通過フィルタと、この
帯域通過フィルタの出力と前記電圧検出手段で検出され
た電圧の差を演算する演算手段と、

【００１４】この演算手段の出力の絶対値が予め設定し
た値よりも大きくなったことを以て前記交流電源が停電
となったことを示す停電検出信号を出力する出力手段と
具備したものである。

【００１５】

【作用】本発明によれば、変圧器の一次巻線、二次巻
線、三次巻線のいずれかの電圧が検出され、この検出電
圧のうち特定の周波数成分が抽出され、この抽出出力の
絶対値が予め設定した値よりも大きくなったとき、交流
電源が停電となったことを示す停電検出信号が出力され
る。従って、電力系統の諸条件或いは制動力の強さによ
る影響を受け易いフィルタコンデンサの電圧上昇を監視
すること無く、停電の検出を行うことができる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。図１は本発明の第１の実施例に係る電力変
換装置の主回路構成を示す図である。図１において、図
８と同一の構成要素には同一の符号を付して説明を省略
する。

【００１７】図１において、電圧検出手段１０は、変圧
器３の一次巻線の電圧を検出するものである。帯域通過
フィルタ１１は、後述するように電圧検出手段１０によ
り検出された一次電圧信号のうち、特定の周波数成分を
抽出するものである。演算手段例えば減算手段１２は、
帯域通過フィルタ１１の出力と電圧検出手段１０で検出
された電圧の差を演算するものである。絶対値演算手段
１３は、減算手段１２の出力の絶対値を演算するもので
ある。出力手段例えば比較手段１４は、絶対値演算手段
１３の出力と、予め設定した値とを比較し、絶対値演算
手段１３の出力が、予め設定した値よりも大きくなった
とき、交流電源が停電となったことを示す停電検出信号
を出力するものである。

【００１８】前記帯域通過フィルタ１１は、図２に示す
ように、コンデンサ（キャパシタ）１１１とコイル（リ
アクタ）１１３の直列回路と、コンデンサ（キャパシ
タ）１１２とコイル（リアクタ）１１４の並列回路と、
増幅手段１１５からなっている。

【００１９】このように構成された回路において、コン
デンサ１１１，１１２と、コイル１１３，１１４の値を
以下のように設定した定Ｋ形帯域通過フィルタである。
すなわち、コンデンサ１１１のキャパシタンスを２・Ｃ
１、コンデンサ１１２のキャパシタンスをＣ２／２、コ
イル１１３のインダクタンスをＬ１／２、コイル１１４
のインダクタンスを２・Ｌ２として、 Ｃ１・Ｌ１＝Ｃ２・Ｌ２

【００２０】となるようにＣ１、Ｃ２、Ｌ１、Ｌ２の値
を選んだものである。本実施例では、Ｃ１、Ｃ２、Ｌ
１、Ｌ２を適当に選んで、更に増幅手段１１５を設ける
ことにより、図３に示されるような周波数対利得特性を
得ている。

【００２１】次に、以上のように構成された電気車用電
力変換装置の動作について説明する。ここでは、周波数
６０Hzの単相交流電力を電源として動作させる場合につ
いて考える。この状態における変圧器３の一次巻線の電
圧、即ち、一次電圧の波形は、図４（ａ）に示される如
く、架線９を介して供給される６０Hzの電圧波形にその
数分の一の周期の脈動が重畳されたものとなる。この一
次電圧の波形に現れる数分の一の周期の脈動は、コンバ
ータ５を構成するＧＴＯ５１〜５４が開閉動作をする際
に生じるものである。脈動の周期はコンバータ５の動作
周波数（スイッチング周波数）に依存するが、本実施例
の動作には影響を与えないので説明を省略する。この一
次電圧の波形は電圧検出手段１０により検出され、帯域
通過フィルタ１１に送られる。この帯域通過フィルタ１
１は、図３に示す如く、入力波形中の周波数成分のうち
６０Hzより０．５Hz以上低い周波数成分と０．５Hz以上
高い周波数成分が、減衰して出力される性質を持ってい
る。この結果、帯域フィルタ１１の出力としては図４
（ｂ）に示される如く、一次電圧の波形のうち脈動分が
除去された波形が得られる。減算手段１２は、帯域通過
フィルタ１１の出力と、一次電圧との差を演算する構成
となっているので、出力としては図４（ｃ）のような一
次電圧の波形の脈動分、即ち基本波以外の成分が得られ
る。この信号は絶対値演算手段１３で絶対値が演算され
るので、比較手段１４の入力は図４（ｄ）のような波形
となる。

【００２２】次に、停電が発生した場合、即ち架線９に
接続される電力が喪失した場合について考える。本実施
例のような電気車両における停電時の挙動についての解
明は現在でも不十分であるが、実験によれば、変圧器３
の一次電圧の波形に現れる脈動分が増加することが知ら
れている。この状態における一次電圧の波形を図５
（ａ）に示す。本実施例では、前述のように比較手段１
４の入力信号としては一次電圧の波形の脈動分の絶対値
が得られる構成となっている。従って、停電が発生して
一次電圧の脈動分が増加すると、比較手段１４に入力さ
れる信号の大きさも、図５（ｂ）に示されるように増加
することになる。

【００２３】また、本実施例のようなシステムでは電気
車にブレーキをかける場合、誘導電動機８を発電機とし
て動作させ、運動エネルギーを電力として電源側に変換
する電力回生ブレーキが可能である。この電力回生ブレ
ーキ中に停電が発生した場合、前述の電力系統の諸条件
等によっては回生電力により発生した交流電圧が再度制
御回路に取り込まれることにより、電力変換装置自ら電
圧を発生し続ける現象が生ずる。架線９の停電が発生し
てから、この電力変換装置自ら電圧を発生し続けるモー
ドに移行する際に電源電圧の振幅が過渡的に変動するこ
とも停電発生時に見られる現象として知られている。

【００２４】電源電圧の振幅の過渡的な振動とは、電源
電圧（本実施例の場合６０Hz）に別の周波数成分が重畳
された状態を意味する。一方、本実施例の構成による電
力変換装置では、比較手段１４の入力は、一次電圧即ち
電源電圧の基本波以外の成分の絶対値が入力される構成
となっているので、電源電圧に基本波以外の成分が重畳
されると、重畳された成分の絶対値の分だけ比較器手段
１４に入力される信号は大きくなることになる。

【００２５】このように、架線の停電が発生して、電力
変換装置自ら電圧を発生し続けるモードに移行する際に
も、比較手段１４に入力される信号は、停電が発生して
いない場合に比して大きくなる。

【００２６】以上説明したように、第１の実施例におい
て、停電が発生すると、比較手段１４に入力される信号
は停電が発生していない場合に比して大きくなる。前述
のように比較手段１４では入力された信号が予め設定し
た値（以下停電判定値と称する）よりも大きくなったこ
とを以て停電検出信号を発生する構成となっている。従
って、停電判定値を、停電が発生していない状態におい
て比較手段１４に入力される信号の大きさより僅かに大
きな値に設定することにより、停電が発生した場合にの
み停電検出信号を出力することができる。

【００２７】図６は本発明の第２の実施例に係る電力変
換装置の主回路構成を示す図である。図６において、図
１と同一の構成要素には同一の符号を付して説明を省略
する。

【００２８】本実施例の構成は、図１の電圧検出手段１
０により変圧器３の一次電圧を検出する代わりに、変圧
器３の二次電圧を電圧検出手段２０で検出する構成を除
き、図１の実施例と変わりはない。この場合、コンバー
タ５の入力電圧は、電圧検出手段２０で検出される。一
般に変圧器の性質として、一次電圧の波形と他の巻線に
現れる電圧の波形は、振幅の相違を除けばほぼ同一の波
形となる。従って、第２の実施例のように、第１の実施
例における一次電圧の代わりに変圧器３の二次電圧を用
いても、第１の実施例と同じ効果が得られる。

【００２９】図７は本発明の第３の実施例に係る電力変
換装置の主回路構成を示す図である。図７において、図
１と同一の構成要素には同一の記号を付し説明を省略す
る。本実施例も第１の実施例の変形例である。本実施例
の構成は、変圧器３の一次電圧を用いる代わりに、変圧
器３の三次巻線の電圧を用いる点を除き、第１の実施例
と変わりはない。

【００３０】ここで、変圧器３の三次巻線および三次電
圧について、簡単に説明する。三次巻線は変圧器３の有
する巻線のうち、電源およびコンバータの何れにも接続
されない巻線で、特に電気車に用いられる変圧器の、電
灯装置および空調装置等、駆動電源以外の用途に用いら
れる電力を供給する巻線を三次巻線と称し、該巻線に現
れる電圧を三次電圧と称する。さて、本実施例では変圧
器の三次電圧は電圧検出手段３０で検出される。第２の
実施例の説明の際にも述べたが、変圧器の性質として、
一次電圧の波形と他の巻線に現れる電圧の波形は、振幅
の相違を除けばほぼ同一の波形となる。従って、本実施
例のように、第１の実施例における一次電圧の代わりに
変圧器３の三次電圧を用いても、第１の実施例と同様に
電源の停電を検出することができる。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、電気車の走行状態ある
いは電力系統の諸条件に関わらず、確実に電源停電を検
出することができる。これにより、停電検出の遅れに伴
う回生ブレーキ中の不要な残留動作による電圧発生など
の危険を未然に防止することができ、安全性および信頼
性の高い電気車用電力変換装置を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の構成を示すブロック
図。

【図２】図１の帯域通過フィルタ１１の構成を示すブロ
ック図。

【図３】図１の帯域通過フィルタ１１の減衰特性図。

【図４】（ａ）〜（ｄ）は図１の実施例の動作を説明す
るための各部の波形図。

【図５】（ａ），（ｂ）は図１の実施例の動作を説明す
るための各部の波形図。

【図６】本発明の第２の実施例の構成を示すブロック
図。

【図７】本発明の第３の実施例を示すブロック図。

【図８】従来例の構成を示すブロック図。

【符号の説明】

１…集電器、２…開閉器、３…変圧器、４…リアクト
ル、５…コンバータ、６…インバータ、７…フィルタコ
ンデンサ、８…誘導電動機、１０，２０，３０…電圧検
出手段、１１…帯域通過フィルタ、１１１，１１２…コ
ンデンサ、１１３，１１４…コイル、１１５…増幅手
段、１２…減算手段、１３…絶対値演算手段、１４…比
較手段。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西尾 敦彦 東京都府中市東芝町１番地 株式会社東芝 府中工場内 (72)発明者 氏家 昭彦 東京都府中市東芝町１番地 株式会社東芝 府中工場内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 交流電源よりき電区間に供給される単相
   交流電力を入力して該電圧を変成する変圧器と、この変
   圧器の二次電圧を入力して直流電力に変換するためのパ
   ルス幅変調形コンバータと、このコンバータの出力であ
   る直流電力を三相交流電力に変換して電気車駆動用三相
   交流電動機の回転制御を行うためのインバータを有する
   電力変換装置において、 前記変圧器の一次巻線、二次巻線、三次巻線のいずれか
   の電圧を検出する電圧検出手段と、 この電圧検出手段により検出された電圧のうち、特定の
   周波数成分を抽出するための帯域通過フィルタと、 この帯域通過フィルタの出力と前記電圧検出手段で検出
   された電圧の差を演算する演算手段と、 この演算手段の出力の絶対値が予め設定した値よりも大
   きくなったことを以て前記交流電源が停電となったこと
   を示す停電検出信号を出力する出力手段と、 具備した電気車用電力変換装置。