JP4639961B2 - 電気車用インバータ装置 - Google Patents

Description

この発明は、直流電気車に車両用補助電源装置として搭載されたインバータ装置における直流電源の中断等に伴う電源電圧復帰時の突入電流および過電圧充電の抑制に関する。

電気鉄道の直流電気車には補助電源装置としてインバータ装置が搭載される。このような電気車用インバータ装置として、従来から特許文献１に示すような装置が知られている。

図４は、この特許文献１に示されたインバータ装置の回路構成を示すものである。この図において、５はき電線１０からパンタグラフ１、高速遮断器２を介して供給される直流電力を交流電力に変換して電気車内の交流負荷にインバータである。このインバータ５の直流電源側には、このインバータの発生する高調波電流を抑制するためのリアクトル４１とコンデンサ４２とによって構成されたフィルタ回路４が設けられる。このフィルタ回路４は、インバータ５の起動のために直流電圧が印加されるとＬＣ直列共振を起こし、大きな共振電流が流れると共に、コンデンサ４２が印加電圧の２倍の電圧まで過充電される。これを抑制するために入力回路に直列に充電抵抗３１とサイリスタ３２との並列回路からなる充電制御回路３を設けている。そして、コンデンサ４２の電圧を検出するための電圧検出器６が設けられる。また、ＬＶＲは、パンタグラフ１から抵抗Ｒを介して加わる入力電圧Ｅ_Iの電圧低下を検出して高速度遮断器２をトリップさせる定電圧リレーである。

通常にインバータを起動するときは、サイリスタ３２をオフにして必ず充電抵抗３１を通してコンデンサ４２が充電されるようにして高速度遮断器２を投入する。これによりコンデンサ４２は、充電抵抗３１で制限された充電電流で充電され、充電電圧が入力電圧まで達して充電が完了すると、充電抵抗３１に並列に接続されたサイリスタ３２をオンにして充電抵抗３１を短絡した上でインバータ７の運転を開始するようにしているので、コンデンサの充電に伴う過電流および過充電は発生しない。

このような電気車用インバータ装置の場合、運転の途中でパンタグラフ１の離線やき電線のセクション部通過等により入力電圧の短時間の中断が頻繁に起きるが、このときは、充電制御回路３のサイリスタ３２がオンし、充電抵抗３１が短絡されているので、入力電圧が復帰する度に、フィルタ回路４のコンデンサ４２の充電のために過電流および過充電が発生する。このような入力電圧の短時間の中断後の復帰に伴うフィルタコンデンサの充電による過電流および過充電の発生を抑制するために、電圧検出器６が設けられている。

そして、この電圧検出器６によりコンデンサ電圧Ｅｃを監視し、この電圧が予め設定された低電圧設定値Ｅ_Lより低下したとき、インバータ５の運転を停止すると共にサイリスタ３２へのゲート信号を停止してこれをオフにするような制御方法がとられている。

このような制御方法を実施した際のインバータ装置の各部の動作波形を図５および図６に示す。図５は、インバータ装置への入力電圧Ｅ_Iの中断期間中にコンデンサ電圧Ｅ_Cが低電圧設定値Ｅ_L以下に低下した場合の状態を示し、図６は、中断期間中にコンデンサ電圧Ｅ_C低下が低電圧設定値に達しない場合の状態を示すものである。

図５および図６において、それぞれ（ａ）は、パンタグラフ１を介して加わる入力電圧Ｅ_I、（ｂ）は、フィルタコンデンサ４２の電圧Ｅ_C、（ｃ）は、パンタグラフ１、高速度遮断器２を通してインバータ５へ流れる入力電流Ｉ、（ｄ）は、インバータ５の運転状態、（ｅ）は、サイリスタ３２のゲート信号Ｇを示すものである。

入力電圧の中断期間中にコンデンサ電圧Ｅ_Cが低電圧設定値Ｅ_L以下まで低下した場合は、図５から明らかなとおり、入力電圧Ｅ_Iが中断したｔ51時点からコンデンサ４２の電圧Ｅ_Cが次第に低下し、低電圧設定値Ｅ_Lに達するｔ52時点で電圧検出器６によりこれが検知されると、インバータ５へ運転停止が指令され、かつサイリスタ３２のゲートへのゲート信号Ｇがオフされる。インバータ５の運転が停止されることによりコンデンサ４２の電圧Ｅ_CはＥ_Lに保たれる。ｔ53時点で入力電圧Ｅ_IがＥ₀に復帰すると、サイリスタ３２は、ゲート信号がオフされ、オフとなっているため、コンデンサ４２には充電抵抗３１を通して充電されるので、フィルタ回路４での共振が抑えられ、入力電流Ｉは、図５（ｃ）に示すようにコンデンサへの突入電流で流れるが、共振電流のような過大電流とはならない。またコンデンサ電圧Ｅ_Cも、図５（ｂ）に示すように、Ｅ₀までしか上昇せず、過電圧に充電されることはない。コンデンサ電圧Ｅ_CがＥ₀まで上昇したｔ54時点で、再びインバータ５に運転指令を与え、これを再起動する（図５（ｄ）参照）。

このように、この場合は、入力電圧が中断から復帰した際のフィルタコンデンサ４２の充電に伴う過電流および過充電が防止されるので全く問題がない。

しかし、入力電圧の中断期間中にコンデンサ電圧Ｅ_Cが低電圧設定値Ｅ_Lまで低下しない場合には、インバータ５の運転が停止がされず、またサイリスタ３２のゲート信号もオフされずオンのままとなる。

このため、図６に示すように、き電線からの入力電圧Ｅ_Iが中断したｔ61〜ｔ63の期間において、インバータ５は運転を停止されることなく運転を継続しており（図６（ｄ）参照）、サイリスタ３２ものゲート信号はオンのまま（図６（ｅ）参照）となる。

そして、入ｔ63時点で力電圧Ｅ_Iの復帰すると、サイリスタ３２に順電圧が加わり、このサイリスタ３２がオンするため、充電抵抗４を通さず直接復帰した入力電圧によりコンデンサ４２が充電される。したがって、この充電に充電抵抗３１の制動がかからず、回路には、図６（ｃ）に示すように過電流レベルＩ_Hを越える大きなフィルタ回路の共振による振動電流が流れる。過電流レベルＩ_Hを越えることにより、高速度遮断器２が過電流トリップされることもある。また、コンデンサ４２の電圧Ｅ_Cは、充電抵抗３１による制動がかからないため、図６（ｂ）に示すように、入力電圧Ｅ₀よりも高い電圧までは跳ね上がってしまう。このため、コンデンサ６の電圧が過電圧レベルＥ_Hを越えて過電圧となることもある。コンデンサ４２の電圧Ｅ_Cが過電圧になると、インバータ５を構成する半導体素子を過電圧破壊させるなどの問題が生じる。
特開昭６０−１４８３０４号公報

このようにフィルタコンデンサの電圧を検出し、この電圧が所定の低電圧設定値以下に低下したとき、インバータの運転を停止すると共に充電制御回路のサイリスタをオフすることにより、入力電圧が復帰したときのフィルタコンデンサの充電時の過電流および過充電を抑制するようにした従来の電気車用インバータ装置おいては、入力電圧の中断時にコンデンサ電圧が低電圧設定値以下に低下したときにはコンデンサの充電に伴う過電流をおよび過充電を防止でき問題ないが、入力電圧の中断時にコンデンサ電圧の低下がこの低電圧設定値に至らない場合に、電圧復帰時のフィルタコンデンサの充電に伴う過電流および過充電を防止することができない。したがって、従来装置は、パンタグラフの離線やセクション部通過時の入力電圧の短時間の中断発生時にフィルタコンデンサの充電に伴う過電流および過充電を完全に防止することができない問題がある。

この発明はこのような問題を解消するために、パンタグラフの離線やセクション部通過時の入力電圧の短時間の中断発生時にフィルタコンデンサの充電に伴う過電流および過充電を完全に防止することのできる電気車用インバータ装置を提供することを課題とするものである。

この発明は、前記の課題を解決するため、直流電源側にリアクトルとコンデンサで構成されたフィルタ回路と、このフィルタ回路のコンデンサの充電電流を制限する充電抵抗とこの抵抗を短絡するためのサイリスタで構成された充電制御回路とを備えたインバータにより電気車のパンタグラフを介して給電される直流電力を交流電力に変換して電気車内に給電するようにした電気車用インバータ装置において、前記フィルタ回路のコンデンサの電圧を検出しこの電圧が予め定めた所定の低電圧設定値以下に低下したとき前記インバータに運転の停止を指令する手段と、前記フィルタ回路のコンデンサの電圧とパンタグラフからインバータに入力される入力電圧とを比較し、コンデンサ電圧が入力電圧より大きくなったとき、前記サイリスタをオフにする手段と、前記コンデンサの充電完了を検知した後に前記サイリスタをオンにする手段とを設けたことを特徴とする。

前記の発明において、コンデンサの充電完了を検知した後に前記サイリスタをオンにする手段における充電完了を検知する手段として、入力電圧の復帰から計時を開始して、所定時間に達すると出力を発生するタイマーを用いることができる。

また、コンデンサの充電完了を検知した後に前記サイリスタをオンにする手段における充電完了を検知する手段として、入力電圧の復帰後コンデンサ電圧を監視しこの電圧が所定の電圧に達したときに出力を発生する電圧比較手段を用いることもできる。

この発明によれば、電気車用インバータ装置におけるフィルタコンデンサの電圧と入力電圧とを比較して、コンデンサ電圧が入力電圧より大きくなったときに充電制御回路のサイリスタへのゲート信号をオフにするようにしているので、入力電圧の中断期間にコンデンサ電圧が所定の低電圧設定値以下に低下しないような状態においても入力電圧の復帰時に充電抵抗を通してフィルタコンデンサを充電することができるため、コンデンサの充電にともなって発生する過電流および過充電を防止することができる。また、入力電圧の中断中に充電制御回路のサイリスタにコンデンサ電圧が逆電圧として加わっているとき、ゲート信号がオフされることにより、このサイリスタの逆電圧印加による破壊が防止される。

以下に、この発明の実施の形態を、図に示す実施例について説明する。

図１は、この発明の実施例を示す回路構成図である。

この図１において、５は電気車に補助電源装置として搭載された直流電力を交流電力に変換して車内に供給するインバータである。このインバータ５にはき電線１０からパンタグラフ１、高速度遮断器２、充電制御回路３、フィルタ回路４を介して直流電力が供給される。充電制御回路３は、充電抵抗３１とこれに並列に接続されたこれを短絡するためのサイリスタ３２とで構成される。フィルタ回路４はリアクトル４１とコンデンサ４２とを備える。

６はコンデンサ４２の電圧Ｅ_Cを検出するための電圧検出器、７はパンタグラフ１を介してインバータ５に印加される入力電圧Ｅ_Iを検出するための電圧検出器である。８はインバータ５および充電制御回路３を制御する制御回路である。この制御回路８には、電圧検出器６、７の検出信号をＥ_CとＥ_Iとを比較し、Ｅ_C＞Ｅ_Iとなったとき、出力信号Ｓ１を発生する比較器８１、入力電圧_Iの立ち上りから計時を開始し、予め設定した設定時間に達したとき出力信号Ｓ２を発生するタイマー８２、前記比較器８１の出力信号Ｓ１によりオフにされ、タイマー８２の出力信号Ｓ２によりオンにされる、サイリスタ３２へのゲート信号Ｇを発生するゲート信号発生回路８３、電圧検出器６の検出信号Ｅ_Cを監視し、予め設定した低電圧設定値以下になったとき出力信号Ｓ４を発生する低電圧検出器８４およびこの低電圧検出器８４の出力信号Ｓ４によりインバータ５への運転指令Ｄを停止する運転指令回路８５を備える。

このように構成されたこの発明の実施例における各部の動作波形を図２に示す。

図２の（ａ）はパンタグラフ１からインバータ４に加えられる入力電圧Ｅ_I、（ｂ）はコンデンサ４２の電圧Ｅ_C、（ｃ）は、パンタグラフ１からインバータ５へ供給される入力電流Ｉを、（ｄ）は、比較器８１の出力信号Ｓ１を、（ｅ）はインバータ５の運転状態、（ｆ）はサイリスタ３２へのゲート信号Ｇの時間的な経過を示している。

この図２を参照して、図１のこの発明の実施例の動作を説明する。

入力電圧Ｅ_Iが正常なときは、入力電圧Ｅ_Iおよびコンデンサ電圧Ｅ_Cは、それぞれ所定の電圧Ｅ₀に保たれており両電圧は等しいので、比較器８１の出力信号Ｓ１はＬレベルとなっている。このため、インバータ運転指令回路８５から運転指令信号Ｄが与えられるためインバータ５は図２（ｅ）に示すように運転状態にあり、そしてゲート信号発生回路８３もオンされ、サイリスタ３２へのゲート信号Ｇは図２（ｆ）に示すようにオンとなっている。

パンタグラフ１の離線等でｔ21〜ｔ22の期間、入力電圧Ｅ_Iが中断し、０となるため、Ｅ_C＞Ｅ_Iとなるため、比較器出力信号Ｓ１が図２（ｄ）示すようにＨレベルとなる。ゲート信号発生回路８３は、この信号Ｓ１を受けて、充電制御回路３のサイリスタ３２へのゲート信号Ｇをオフにするため、サイリスタ３２がオフとなる。コンデンサ電圧Ｅ_Cは、入力電圧Ｅ_Iの中断期間ｔ21〜ｔ22の間は、インバータ５はコンデンサ４２の電圧を電源として運転を継続することにより次第に低下するが、インバータ５の運転を停止すべく設定された低電圧設定値Ｅ_Lまでには至らないので、運転指令回路８５からインバータ５への運転指令は停止されることがないため、インバータ５は運転を継続する。

ｔ22時点で、入力電圧Ｅ_Iが元の電圧Ｅ₀に復帰すると、比較器８１の出力信号Ｓ１がＬレベルに変化する（図２（ｄ）参照）。これにより、サイリスタ３２がオフしているため、充電抵抗３１を通してフィルタコンデンサ４２が充電され、コンデンサ充電のために流れる電流は、この充電抵抗によって制限され、入力電流Ｉのピークは、図２（ｃ）に示すように過電流レベルＩ_H以下に抑えられる結果、過電流とはならない。また充電によりコンデンサ電圧Ｅ_Cは上昇するが、充電抵抗３１によって制動がかけられるため入力電圧のＥ₀のレベルに抑えられ、過電圧となることもない。

制御回路８は、コンデンサ４２の充電完了を検出するために、タイマー８２を備えており、このタイマー８２は、入力電圧Ｅ_IのＥ₀に復帰した時点（ｔ22）から計時し、予め設定されたコンデンサ４２の充電完了時間に達するｔ23時点でタイムアップ信号Ｓ３を発生する。ゲート信号発生回路８３はこのタイムアップ信号Ｓ３によりコンデンサ４２の充電完了を検知し、充電制御回路３のサイリスタ３２へのゲート信号Ｇをオンする（図２（ｆ）参照）。ゲート信号Ｇがオンになるとサイリスタ３２が導通しオンとなり、充電抵抗３１を短絡する。

このように、この発明によれば、入力電圧の中断によるフィルタ回路のコンデンサ４２の電圧低下が、インバータ５を停止させる低電圧設定値Ｅ_Lに達しない小さな低下であっても、充電制御回路３のサイリスタ３２を確実にオフすることができるので、入力電圧の復帰時にフィルタ回路のコンデンサの充電が必ず充電抵抗を通して行われることになり、充電時の過電流および過充電を防止することができる。また、入力電圧中断期間中に逆電圧の印加される充電制御回路３のサイリスタ３２は、ゲート信号がオフとなるので、逆電圧印加によるサイリスタの素子破壊が確実に防止される。

前記においては、コンデンサ４２の充電完了の検知を、タイマーにより行いようにしているが、制御回路８において、コンデンサ電圧を検出する電圧検出器６の検出信号を監視し、この電圧が入力電圧と等しい電圧に達したことにより充電完了を検知するようにすることもできる。

また、入力電圧の中断期間中に、コンデンサ電圧Ｅ_Cが、低電圧設定値Ｅ_Lより低下する場合は、図３に示すように、コンデンサ電圧Ｅ_Cが低電圧設定値Ｅ_Lのレベルまで達したｔ32時点で、制御回路８における低電圧検出器８４が検出信号Ｓ４を発生し、運転指令回路に８５に与えるので、この運転指令回路８５が運転指令信号Ｄを停止する。このため、インバータ５の運転が停止される（図３（ｅ）参照）。サイリスタ３２へのゲート信号Ｇは、入力電圧Ｅ_Iが中断したｔ３１時点でＥ_C＞Ｅ_Iとなることによりオフにされる（図３（ｆ）参照）。

入力電圧Ｅ_Iの復帰により、コンデンサ４２の充電が開始される。これはサイリスタ３２がオフされていることにより、充電抵抗３１を通して行われるので、前記の場合と同様にコンデンサの充電に伴う過電流および過充電の発生はない（図３（ｂ）、（ｃ）参照）。そして制御回路８においてコンデンサ４２の充電の間が検知されたｔ34時点で、タイマー８２からゲート信号発生回路８３および運転指令回路８５に充電完了信号Ｓ２が与えられ、サイリスタ３２へのゲート信号Ｇがオンにされるので、インバータ５は、充電抵抗３１を短絡した状態で運転が再開される。

この場合にも、入力電圧が中断して復帰した際に、フィルタ回路のコンデンサの充電に伴う過電流および過充電を抑えることができる。

この発明の実施例を示す回路構成図である。 図１のこの発明の実施例の動作説明図である。 図１のこの発明の実施例の他の動作説明図である。 従来の装置を示す回路構成図である。 図４の従来装置の動作説明図である。 図４の従来装置の他の動作説明図である。

１：パンタグラフ
２：高速度遮断器
３：充電制御回路
３１：充電抵抗
３２：サイリスタ
４：フィルタ回路
４１：リアクトル
４２：コンデンサ
５：インバータ
６、７：電圧検出器
８：制御回路
８１：比較器
８２：タイマー
８３：ゲート信号発生回路
８４：低電圧検出器
８５：運転指令回路
１０：き電線

Claims (3)

1. 直流電源側にリアクトルとコンデンサで構成されたフィルタ回路と、このフィルタ回路のコンデンサの充電電流を制限する充電抵抗とこの抵抗を短絡するためのサイリスタで構成された充電制御回路とを備えたインバータにより電気車のパンタグラフを介して給電される直流電力を交流電力に変換して電気車内に給電するようにした電気車用インバータ装置において、前記フィルタ回路のコンデンサの電圧を検出しこの電圧が予め定めた低電圧設定値以下に低下したとき前記インバータに運転の停止を指令する手段と、前記フィルタ回路のコンデンサの電圧とパンタグラフからインバータに入力される入力電圧とを比較し、コンデンサ電圧が入力電圧より大きくなったとき、前記サイリスタをオフにする手段と、前記コンデンサの充電完了を検知した後に前記サイリスタをオンにする手段を設けたことを特徴とする電気車用インバータ装置。
2. 請求項１記載の装置において、コンデンサの充電完了を検知した後に前記サイリスタをオンにする手段における充電完了を検知する手段として、入力電圧の復帰から計時を開始して、所定時間に達すると出力を発生するタイマーを用いることを特徴とする電気車用インバータ装置。
3. 請求項１記載の装置におけるコンデンサの充電完了を検知した後に前記サイリスタをオンにする手段における充電完了を検知する手段として、入力電圧の復帰後コンデンサ電圧を監視しこの電圧が所定の電圧に達したときに出力を発生する電圧比較手段を用いることを特徴とする電気車用インバータ装置。

Images