JP2011097674A - 電気車用電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フィルタコンデンサの充電電流を制御するＣＨＳユニットの大型化・複雑化を伴うことなく、ＣＨＳユニット内のＩＧＢＴ等で地絡が発生しても、ヒューズ溶断・変電所トリップに至ることのない電気車用電源装置を提供する。
【解決手段】インバータ１２の直流側端子にはフィルタコンデンサ８が並列に接続されている。ＣＨＳユニット１５は、フィルタコンデンサ８の充電用抵抗器９及びＣＨＲ短絡スイッチ１０を含み、インバータ１２の負側直流端子と接地間に接続される。ＣＨＳユニット１５には架線電圧が直接印加されないため、ＣＨＳユニット１５に地絡が発生しても、短絡電流が流れることはない。
【選択図】 図１

Description

本発明は、架線から供給される直流電力を３相交流電力に変換し、電気車に装備された機器に電力を供給する電気車用電源装置に関する。

一般に、電気車用電源装置においては、架線から電力を受け取り、電気車の照明や空調装置などに電源を供給する。この電気車用電源装置は、電圧検出器にて架線電圧の有無を取得し、電圧が印加されている場合に動作を開始する。

図３は、従来の電気車用電源装置の回路構成を示す図である。

架線１からパンタグラフ２を通して電気車用電源装置３に電力が供給され、電源装置３は車輪４等を介して接地されている。電気車用電源装置３は、過電流時の保護用ヒューズ５、接触器６、入力フィルタリアクトル７、チャージングスイッチ（ＣＨＳ）ユニット１５、入力フィルタコンデンサ（ＦＣ）８、インバータ１２、交流フィルタ１３、変圧器１４等で構成される。変圧器１４の二次側には、電気車の空調、照明などの負荷が接続される。

このような電気車用電源装置では、入力フィルタコンデンサ８に電荷を蓄積する際に、突入電流を抑制するため、一定時間は抵抗９を介してコンデンサ８に架線電圧が供給される回路構成としている。電荷が蓄積された後、抵抗９を短絡する回路部があり、この部分は例えばＣＨＳユニットと呼ばれる。ＣＨＳユニット１５内には、上記短絡動作や逆流阻止のための半導体素子及び抵抗が設けられている。すなわちＣＨＳユニット１５は、図３に示すように、ＣＨＲ短絡スイッチ（ＣＨＳ）１０及び逆流阻止ダイオード（ＢＤ）１１等の半導体素子、及びＦＣ充電用抵抗器（ＣＨＲ）９を含んでいる。この半導体素子には、ＧＴＯやサイリスタ、ＩＧＢＴなどを用いるのが一般的である。

短絡スイッチ１０として使用されるＩＧＢＴには、圧接型ＩＧＢＴとモジュール型ＩＧＢＴがある。ＣＨＳユニット１５に内蔵する短絡スイッチ１０として、モジュール型のＩＧＢＴを用いる場合、過電圧、過電流などによりモジュール型ＩＧＢＴが故障すると、ＩＧＢＴの内部配線とＣＨＳユニット１５のフレームがショートすることがある。

図４はＩＧＢＴを２回路有するモジュール型ＩＧＢＴを示す図であり、（ａ）は概観図、（ｂ）は（ａ）に示すＩＧＢＴの内部配線の様子を示す図である。尚、図４（ｂ）の右側のＩＧＢＴ回路では、短絡故障により配線及び端子などが破壊されている様子が示されている。

このような短絡故障が発生した際、ＣＨＳユニット１５が、絶縁せずに電気車用電源装置に取付けられていたり、絶縁耐圧レベルが低かった場合は、電気車用電源装置の地絡となり、ヒューズ溶断、変電所のトリップに至る可能性がある。ここで変電所のトリップとは、架線に過電流が流れ、過電流保護のために、変電所の遮断スイッチがＯＦＦする状態を示す。

地絡へ至るメカニズムの一例を示すと次のようになる。すなわち、モジュール型ＩＧＢＴの端子部分と、銅プレート(モジュールのケース下にある取付用の板で、ＣＨＳユニットフレームに取り付けられる部分)の間には、元々絶縁抵抗が数十ＭΩ〜数百ＭΩ以上あったものが、品質劣化により数ｋΩ程度と著しく低下する。すると、端子、銅プレート、ＣＨＳユニットフレームと接続される。フレームからは電源装置箱枠、車両、レールすなわちアースと接続されることから、結局、ＩＧＢＴの端子が直接アースに繋がったことになるため、地絡故障となる。

電源装置の地絡とならない様にＣＨＳユニットを絶縁取付け、すなわち絶縁性を十分高くして装置に取付ける場合、ＪＩＳの規定により、２．２５Ｕ＋２０００Ｖの耐圧が必要となる。つまり、定格電圧Ｕが１５００Ｖの場合、５３７５Ｖの絶縁耐圧が必要となる。この様に絶縁耐圧を高くする場合、絶縁構造の複雑化や、絶縁物の大型化、空間を広げることによるＣＨＳユニットの大型化など、コスト・大きさに悪影響を与えるものとなっていた。

そこで本発明は、ＣＨＳユニットの大型化・複雑化を伴うことなく、ＣＨＳユニット内のＩＧＢＴ等で地絡が発生しても、ヒューズ溶断・変電所トリップに至ることのない電気車用電源装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一実施例にかかる電気車用電源装置は、架線から直流電力が供給され、該直流電力を３相交流電力に変換するインバータと、前記インバータの直流側端子に並列に接続されたフィルタコンデンサと、前記インバータの負側直流端子と接地間に接続され、装置の起動時、前記フィルタコンデンサに充電電流を供給する充電用抵抗器と、前記充電用抵抗器に並列に接続され、前記フィルタコンデンサが充電された後、前記充電用抵抗器を短絡する半導体短絡スイッチとを具備する。前記半導体短絡スイッチは例えばモジュール型ＩＧＢＴであって、このＩＧＢＴはＣＨＳユニット内に設けられる。

フィルタコンデンサの充電電流を制御するＣＨＳユニットの大型化・複雑化を伴うことなく、ＣＨＳユニット内のＩＧＢＴ等で地絡が発生しても、ヒューズ溶断・変電所トリップに至ることのない電気車用電源装置が提供される。

本発明による電気車用電源装置の第１実施例の構成を示すブロック図である。 図２は、本発明による電気車用電源装置の第２実施例の構成を示すブロック図である。 従来の電気車用電源装置の回路構成を示す図である。 ＩＧＢＴを２回路有するモジュール型ＩＧＢＴを示す図である。

以下、本発明に係る電気車用電源装置の実施例について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明による電気車用電源装置の第１実施例の構成を示すブロック図である。

（構成）
変電所（図示されず）から架線１及びパンタグラフ２を通して電気車用電源装置３に直流電力が供給される。電気車用電源装置３は、この直流電力を例えば６０Ｈｚ、６３０Ｖの３相交流電力に変換して、空調などの補機に交流電力を供給する。電源装置３は車輪４等を介して接地されている。

電気車用電源装置３において、架線から供給された電力は、過電流時の保護用ヒューズ５、接触器６、入力フィルタリアクトル７を介してインバータ１２に供給される。インバータ１２の直流端子には、入力フィルタコンデンサ（ＦＣ）８が並列に接続され、交流端子はそれぞれ交流フィルタ１３を介して変圧器１４の一次側に接続される。変圧器１４の２次側は空調などの負荷に接続される。インバータ１２の負側直流端子はＣＨＳユニット１５を介して接地されている。

ＣＨＳユニット１５は、ＦＣ充電用抵抗器（ＣＨＲ）９、ＣＨＲ短絡スイッチ（ＣＨＳ）１０、逆流阻止ダイオード（ＢＤ）１１で構成されている。ＣＨＳ１０としては、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）等の半導体素子が用いられる。尚、ＣＨＳユニット１５をＣＨＳ１０及びＢＤ１１で構成し、このユニットにＣＨＲ９を外付けすることもある。

従来は図３のように、ＣＨＳユニット１５はインバータ１２に対して架線側に接続していたが、本実施例では図１のように接地側に接続される。

（作用）
本実施例では、ＣＨＳユニット１５をインバータ１２の接地側に接続したため、コンデンサ８とインバータ１２により、ＣＨＳユニット１５に架線電圧が直接印加されない。従って、ＣＨＳユニット１５を電気車用電源装置３に絶縁取付けしなくても、ＣＨＳユニット１５内のＣＨＳ１０やＢＤ１１の故障により、ＣＨＳユニット１５が地絡した場合に、架線１から接地への短絡電流が流れることはない。従って、電源装置３に過大な電流が流れることはなく、ヒューズ溶断や変電所トリップには至らない。

以上説明したように本発明の一実施例によれば、ＣＨＳユニット１５の絶縁取付けの必要がないため、絶縁構造の複雑化や、ＣＨＳユニット・車体間の絶縁物の大型化、空間を広げるためのＣＨＳユニット大型化などの必要がなくなり、小型化、コスト低減を図ることが可能となる。

また装置始動時に、フィルタコンデンサ８に電荷が蓄積されていない場合、従来は抵抗ＣＨＲ９に架線電圧が印加される。そのため、抵抗ＣＨＲ９としては高耐圧の抵抗器を使用する必要があった。しかし本実施例では、ＣＨＳユニットが架線に直接接続されないため、ＣＨＲ９の耐圧を低く抑えることが可能となる。

次に、本発明の第２実施例について説明する。

図２は、本発明による電気車用電源装置の第２実施例の構成を示すブロック図である。

（構成）
この第２実施例は、上記実施例１に対して、ＣＨＳユニット短絡用の接触器１６を追加したものである。接触器１６はＣＨＳユニット１５に並列に接続される。また接触器１６はｂ接点、すなわち非動作時にクローズする接点である。

（作用）
電気車用電源装置３を動作させるまで、接触器６はオープン、接触器１６はクローズとなっている。電気車用電源装置３の動作を開始するとき、接触器６をクローズする前に、接触器１６をオープンとする。

本発明の第２実施例によれば、第１実施例の構成に接触器１６を追加することにより、インバータ１２のＮ側（負側直流端子）の電位を接地（車輪４）とすることが可能となり、インバータ１２の電位が浮いた状態とならなくなる。従って装置が稼動していない時、コンデンサ８の高電圧が長時間維持されることを防止でき、例えば点検時に、作業者の安全を確保できる。

以上の説明はこの発明の実施の形態であって、この発明の装置及び方法を限定するものではなく、様々な変形例を容易に実施することができるものである。例えば本発明の構成は、前述したように車両の照明、空調などの電源装置のみでなく、主電動機を駆動する駆動装置（ＶＶＶＦインバータ）にも適用できることは明らかである。

１…架線、２…パンタグラフ、３…電気車用電源装置、４…車輪等、５…ヒューズ、６…接触器、７…入力フィルタリアクトル、８…入力フィルタコンデンサ（ＦＣ）、９…ＦＣ充電用抵抗器（ＣＨＲ）、１０…ＣＨＲ短絡スイッチ（ＣＨＳ）、１１…逆流阻止ダイオード（ＢＤ）、１２…インバータ、１３…交流フィルタ、１４…変圧器、１５…ＣＨＳユニット、１６…接触器。

Claims (5)

1. 架線から直流電力が供給され、該直流電力を３相交流電力に変換するインバータと、
   前記インバータの直流側端子に並列に接続されたフィルタコンデンサと、
   前記インバータの負側直流端子と接地間に接続され、装置の起動時、前記フィルタコンデンサに充電電流を供給する充電用抵抗器と、
   前記充電用抵抗器に並列に接続され、前記フィルタコンデンサが充電された後、前記充電用抵抗器を短絡する半導体短絡スイッチと、
   を具備することを特徴とする電気車用電源装置。
2. 架線から直流電力が供給され、該直流電力を３相交流電力に変換するインバータと、
   前記インバータの直流側端子に並列に接続されたフィルタコンデンサと、
   ＩＧＢＴと逆流阻止ダイオードの直列回路で構成され、前記インバータの負側直流端子と接地間に接続されたＣＨＳユニットと、
   前記ＩＧＢＴに並列に接続され、装置の起動時、前記フィルタコンデンサに充電電流を供給する充電用抵抗器と、
   を具備することを特徴とする電気車用電源装置。
3. 架線から直流電力が供給され、該直流電力を３相交流電力に変換するインバータと、
   前記インバータの直流側端子に並列に接続されたフィルタコンデンサと、
   ＩＧＢＴと充電用抵抗器の並列回路及び該並列回路に直列に接続された逆流阻止ダイオードで構成され、前記インバータの負側直流端子と接地間に接続されたＣＨＳユニットと、
   を具備することを特徴とする電気車用電源装置。
4. インバータの架線側直流端子にフィルタコンデンサ充電用抵抗器が接続される電気車用電源装置比べ、絶縁耐圧が低い充電用抵抗器が使用されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電気車用電源装置。
5. 前記インバータの負側直流端子と接地間に接続された接触器を更に具備することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電気車用電源装置。

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