JP7615399B2 - 電気車制御装置 - Google Patents

Description

本開示は、外部電源から電力を供給され、外部へ電力を放電する電気車制御装置に関する。

電気車は、直流電力をインバータで交流電力に変換して、補助電源装置に供給する。インバータを動作させる前に、フィルタコンデンサに電荷を充電する必要があり、また、インバータの動作停止後は、フィルタコンデンサに蓄積された電荷を放電する必要がある。特許文献１には、フィルタコンデンサを放電するための放電回路を備えることが開示されている。

特開２０１０－４１８０６号公報

特許文献１には、インバータ停止動作時にフィルタコンデンサからの初期充電回路を介した放電電流を検出し、故障検出部は、停止動作時に電流検出センサで検出された放電電流が所定値を超えているときは、初期充電回路の逆流防止素子の短絡故障と判定することが開示されている。しかしながら、特許文献１において、放電回路を構成している部品の接触不良などで放電回路に異常がある場合、フィルタコンデンサの電荷が放電できないという問題がある。

本開示は、上記のような問題を解決するためになされたものであって、放電回路に異常がある場合において、フィルタコンデンサの電荷を確実に放電することができる電気車制御装置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、本開示に係る電気車制御装置は、電気車に搭載され、電源から電力の供給を受けて、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置と、電源と電力変換装置との間を流れる電流の通電および遮断を切り替える第１のスイッチと、電力変換装置の直流側に接続されるコンデンサと、コンデンサの両端に接続され、放電用抵抗器および放電用接触器から構成される第１の放電回路と、コンデンサの両端に接続され、第２のスイッチおよび第１のスイッチとコンデンサとの間に直列に接続される充電抵抗かつ放電抵抗である第１の抵抗器から構成され、投入された第２のスイッチを介してコンデンサに接続される第１の抵抗器によってコンデンサを放電する第２の放電回路を備える。第１の放電回路の異常が検出された後、第１のスイッチが開放され、第１のスイッチの開放に連動して第２のスイッチが投入される。

本開示に係る電気車制御装置は、電気車に搭載され、電源から電力の供給を受けて、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置と、電源と電力変換装置との間を流れる電流の通電および遮断を切り替える第１のスイッチと、電力変換装置の直流側に接続されるコンデンサと、コンデンサの両端に接続され、放電用抵抗器および放電用接触器から構成される第１の放電回路と、コンデンサの両端に接続され、第２のスイッチおよび第１のスイッチとコンデンサとの間に直列に接続される第１の抵抗器から構成される第２の放電回路を備えることにより、フィルタコンデンサの電荷を確実に放電することができる。

実施の形態１にかかる電気車制御装置の構成例を示すブロック図である。 実施の形態１にかかる電気車制御装置の動作の一例を示す図である。 実施の形態２にかかる電気車制御装置の構成例を示すブロック図である。 実施の形態にかかる電気車制御装置を実現するハードウェアの一般的な構成例を示す図である。

以下、本開示に係る電気車制御装置の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
本明細書及び図面において、実質的に同一の機能を有する構成については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。また、図面において、回路および装置の構成を示す図は、あくまで概略構成を示す図である。以下の説明において、接続されるとは、電気的に接続されることを意味する。

実施の形態１．
図１は、本開示の実施の形態１にかかる電気車制御装置の構成例を示すブロック図である。図１において、電気車制御装置は、電力変換装置１０、フィルタコンデンサ２０、電圧検出器２１、第１のスイッチ３０、第２のスイッチ３１、遮断器４０、フィルタリアクトル５０、逆流防止サイリスタ６０、第１の抵抗器７０、放電用抵抗器８０、８１および放電用接触器９０を備えて構成される。

電力変換装置１０は、電源１２から供給された電力を直流電力または交流電力に変換し、変換した電力を負荷（図示しない）に供給する。ここで、負荷は、例えば、補助電源装置である。電力変換装置１０は、例えば、２レベル３相インバータ回路または３レベル３相インバータ回路などである。

集電装置１１は、電源１２を介して、外部回路である変電所（図示しない）から直流電力を取得し、電力変換装置１００に電力を供給する。集電装置１１は、例えば、架線からの電力の供給を受けるパンタグラフ、または、第三軌条から電力の供給を受ける集電靴である。

電源１２は、変電所と接続されており、変電所から直流電力が供給される。電源１２は、例えば、架線、または第三軌条である。

フィルタコンデンサ２０は、電力変換装置１０と並列に設けられる。フィルタコンデンサ２０の一端は、電力変換装置１０、電圧検出器２１、逆流防止サイリスタ６０、第１の抵抗器７０、放電用抵抗器８０および８１に接続される。フィルタコンデンサ２０の他端は接地される。フィルタコンデンサ２０は、電力変換装置１０の直流側に設けられる。

電圧検出器２１は、電力変換装置１０と並列に設けられる。電圧検出器２１の一端は、電力変換装置１０、フィルタコンデンサ２０、逆流防止サイリスタ６０、第１の抵抗器７０、放電用抵抗器８０および８１に接続される。電圧検出器２１の他端は接地される。

第１のスイッチ３０は、集電装置１１と電力変換装置１０との間に電気的に直列に設けられる。第１のスイッチ３０の一端は集電装置１１に接続される。第１のスイッチ３０の他端は遮断器４０に接続される。第１のスイッチ３０は、電気車への電力の供給を停止させる必要がある場合に、開放される。第１のスイッチ３０が開放されることで、集電装置１１および電力変換装置１０は電気的に遮断され、集電装置１１から電力変換装置１０への電力の供給が停止される。電気車に電力の供給をする必要がある場合には、第１のスイッチ３０は投入される。第１のスイッチ３０が投入されることで、集電装置１１および電力変換装置１００は電気的に接続され、電源１２から電力変換装置１０に電力が供給される。

遮断器４０は、集電装置１１と電力変換装置１０との間に電気的に直列に設けられる。遮断器４０の一端は第１のスイッチ３０に接続される。遮断器４０の他端はフィルタリアクトル５０に接続される。遮断器４０は、電気車への電力の供給を停止させる必要がある場合に、開放される。遮断器４０が開放されることで、集電装置１１および電力変換装置１０は電気的に遮断され、集電装置１１から電力変換装置１０への電力の供給が停止される。電気車に電力の供給をする必要がある場合には、遮断器４０は投入される。遮断器４０が投入されることで、集電装置１１および電力変換装置１０は電気的に接続され、電源１２から電力変換装置１００に電力が供給される。

フィルタリアクトル５０は、集電装置１１と電力変換装置１０との間に電気的に直列に設けられる。フィルタリアクトル５０の一端は遮断器４０に接続される。フィルタリアクトル５０の他端は第２のスイッチ３１、逆流防止サイリスタ６０および第１の抵抗器７０に接続される。フィルタリアクトル５０は、電源１２から電力変換装置１０に流れる電流を平滑する。フィルタリアクトル５０およびフィルタコンデンサ２０はＬＣフィルタ回路を構成し、電力変換装置１０が電力変換を行う際に発生する高調波が電源１２に流れることを抑制するために設けられる。

逆流防止サイリスタ６０は、集電装置１１と電力変換装置１０との間に電気的に直列に設けられる。逆流防止サイリスタ６０の一端は第２のスイッチ３１、フィルタリアクトル５０および第１の抵抗器７０に接続される。逆流防止サイリスタ６０の他端は電力変換装置１０、フィルタコンデンサ２０、電圧検出器２１、第１の抵抗器７０、放電用抵抗器８０および８１に接続される。逆流防止サイリスタ６０は、第１の抵抗器７０と並列に接続される。逆流防止サイリスタ６０は、フィルタコンデンサ２０から電源１２に電流が流れることを防止する。

第１の抵抗器７０は、集電装置１１と電力変換装置１０との間に電気的に直列に設けられる。第１の抵抗器７０の一端は第２のスイッチ３１、フィルタリアクトル５０および逆流防止サイリスタ６０に接続される。第１の抵抗器７０の他端は電力変換装置１０、フィルタコンデンサ２０、電圧検出器２１、逆流防止サイリスタ６０、放電用抵抗器８０および８１に接続される。第１の抵抗器７０は、逆流防止サイリスタ６０と並列に接続される。第１の抵抗器７０は、フィルタコンデンサ２０へ充電する際に突入電流を防ぐための充電抵抗である。また、第１の抵抗器７０は、フィルタコンデンサ２０の放電異常の際に、放電抵抗となる。詳細は後述する。第１の抵抗器７０は、第１のスイッチ３０とフィルタコンデンサ２０との間に直列に接続される。

放電用抵抗器８０および８１は、電力変換装置１０と並列に設けられる。放電用抵抗器８０および８１は並列に接続される。放電用抵抗器８０および８１の一端は、電力変換装置１０、フィルタコンデンサ２０、電圧検出器２１、逆流防止サイリスタ６０、第１の抵抗器７０に接続される。放電用抵抗器８０および８１の他端は、放電用接触器９０に接続される。電気車制御装置は、放電用抵抗器を複数備えるため、放電用抵抗器のうちの一方が接触不良などにより異常があった場合であっても、接触不良がない他方の放電用抵抗器を通電することで放電は可能となる。放電用抵抗器は、３つ以上備えていてもよい。

放電用接触器９０は、電力変換装置１０と並列に設けられる。放電用接触器９０の一端は、放電用抵抗器８０および８１に接続される。放電用接触器９０の他端は接地される。放電用抵抗器８０および８１は放電用接触器９０と直列に接続される。放電用抵抗器８０、８１および放電用接触器９０は、コンデンサの両端に接続され第１の放電回路を構成する。

第２のスイッチ３１は、電力変換装置１０と並列に設けられる。第２のスイッチ３１の一端は、フィルタリアクトル５０、逆流防止サイリスタ６０および第１の抵抗器７０に接続される。第２のスイッチ３１の他端は接地される。第２のスイッチ３１は、第１の抵抗器７０と直列に接続される。第２のスイッチ３１および第１の抵抗器７０は、第２の放電回路を構成する。第２のスイッチ３１は、正常時には、開放されており通電はしない。第２のスイッチ３１は、フィルタコンデンサ２０の放電異常の際に投入される。第２のスイッチ３１が投入されることで、フィルタコンデンサ２０に充電された電荷は放電される。詳細は後述する。

本開示の実施の形態１にかかる電気車制御装置の動作を説明する。フィルタコンデンサ２０に電荷を充電する充電動作について説明する。電力変換装置１０を動作させるために、フィルタコンデンサ２０が充電される。フィルタコンデンサ２０を充電するためには電源１２からの電力を供給する必要があり、第１のスイッチ３０および遮断器４０が投入される（閉じられる）。逆流防止サイリスタ６０をＯＦＦにして、逆流防止サイリスタ６０を通電させずに、第１の抵抗器７０を通電することで、フィルタコンデンサ２０には突入電流が流れず充電することが可能となる。電圧検出器２１において、予め定められた値以上の電圧を検出した後、逆流防止サイリスタ６０をＯＮにして、逆流防止サイリスタ６０を通電させることで、短絡して、フィルタコンデンサ２０を充電する。第１のスイッチ３０および遮断器４０は、フィルタコンデンサ２０を充電している期間、投入されている。

次に、実施の形態１にかかる電気車制御装置のフィルタコンデンサ２０が放電される動作を説明する図である。電気車制御装置の制御部（図示しない）は、フィルタコンデンサ２０の放電を開始するために、遮断器４０を開放する（Ｓ１１）。遮断器４０が開放されることで、電源１２からの電力の供給が停止される。次に、電力変換装置１０の動作が停止される（Ｓ１２）。放電用接触器９０が投入され（Ｓ１３）、フィルタコンデンサに蓄積された電荷が放電される。予め定められた期間経過後に電圧検出器２１の電圧値が、予め定められた値（所定値）以下になっているか確認される（Ｓ１４）。予め定められた期間経過後に電圧検出器２１の電圧値が、予め定められた値以下になっている場合（Ｓ１４：Ｙ）は、第１の放電回路に異常はないため、正常に放電が行われ、電圧検出器２１の電圧値が０Ｖであることを確認して（Ｓ１６）、放電動作は完了される。放電用接触器９０が投入された後、予め定められた期間経過後に電圧検出器２１の電圧値が、予め定められた値以下になっていない場合（Ｓ１４：Ｎ）は、放電されていない状態であるため、第１の放電回路に異常があるとされる。つまり、第１の放電回路の異常が検出される。、そのため、確実に放電を行うために、第１のスイッチ３０が開放され、第２のスイッチ３１が投入される（Ｓ１５）。第２のスイッチ３１が投入されることで、第１の抵抗器７０と第２のスイッチ３１による第２の放電回路が形成される。第２の放電回路により、フィルタコンデンサ２０の放電が行われ、電圧検出器２１の電圧値が０Ｖであることを確認して（Ｓ１６）、放電動作は完了される。

実施の形態１にかかる電気車制御装置は、第１の放電回路において、放電用抵抗器を複数備えることで、一方の放電用抵抗器が接触不良により通電しない場合であっても、接触不良がない他方の放電用抵抗器を通電することにより、放電が可能となる。また、放電用抵抗器に異常がない場合であっても、放電用接触器９０に異常がある場合は、正常に放電できない。その場合であっても、電気車制御装置は、電圧検出器２１の電圧値が監視されることで第１の放電回路の異常を検出し、第２の放電回路を形成する。第２の放電回路により放電が行なわれることにより、フィルタコンデンサ２０の電荷を確実に放電できる。

電圧検出器２１において予め定められた期間経過後に、電圧値が予め定められた値以下になっているか確認されるとしたが、ここで、予め定められた期間とは、例えば５分であり、予め定められた値とは、例えば５０Ｖであるが、これに限られない。予め定められた期間および予め定められた値は、適宜設定されればよい。

実施の形態１にかかる電気車制御装置は、第２の放電回路を形成する際に、第１のスイッチ３０と第２のスイッチ３１を連動して動作させる。第１のスイッチ３０と第２のスイッチ３１が連動することで、第１のスイッチ３０は開放されることにより電源１２側に電流が流れることはなく、第２のスイッチ３１は投入されることで、確実に接地側に電流を流すことが可能となる。また、第２の放電回路は、第１の抵抗器７０を通電するため、電圧降下を伴うことで、放電時の低インピーダンス化を防止できる。低インピーダンス化とは、フィルタコンデンサ２０の高圧側と低圧側が短絡するような場合である。放電時に低インピーダンス化すると、大電流が流れ、感電する危険性がある。しかしながら、実施の形態１にかかる電気車制御装置では、放電時の低インピーダンス化を防止できる。

実施の形態１にかかる電気車制御装置は、逆流防止サイリスタ６０は、接触器（図示しない）が直列に接続されていてもよい。この場合において、接触器は、フィルタコンデンサ２０が充電される場合に投入され、フィルタコンデンサ２０が放電される場合に開放されてもよい。逆流防止サイリスタ６０と直列に接触器を接続することで、第２の放電回路を形成して、フィルタコンデンサ２０が放電される際に、接触器は開放されるため、放電電流は逆流防止サイリスタ６０側を通電せず、第１の抵抗器７０側を通電するため、逆流防止サイリスタ６０が短絡した場合であっても、確実に第１の抵抗器７０側を通電し、放電時の低インピーダンス化を防止できる。

実施の形態１にかかる電気車制御装置は、電気車に搭載され、電源から電力の供給を受けて、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置と、電源と電力変換装置との間を流れる電流の通電および遮断を切り替える第１のスイッチと、電力変換装置の直流側に接続されるコンデンサと、コンデンサの両端に接続され、放電用抵抗器および放電用接触器から構成される第１の放電回路と、コンデンサの両端に接続され、第２のスイッチおよび第１のスイッチとコンデンサとの間に直列に接続される第１の抵抗器から構成される第２の放電回路を備えることにより、フィルタコンデンサの電荷を確実に放電することができる。

実施の形態１にかかる電気車制御装置は、コンデンサと並列に接続される電圧検出器を備え、電圧検出器の電圧が監視されることで、第１の放電回路の異常が検出されることにより、第１の放電回路ではフィルタコンデンサの電荷は放電できないことを検出する。

実施の形態１にかかる電気車制御装置は、第１の放電回路の異常が検出された後、第１のスイッチの開放および第２のスイッチの投入は連動して制御されることにより、放電経路を第２の放電回路に変更することが可能となる。

実施の形態１にかかる電気車制御装置は、放電用抵抗器は、複数の抵抗器が並列で接続されることにより、一方の抵抗器が不良であったとしても、フィルタコンデンサの電荷を確実に放電することができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、第１の抵抗器７０および第２のスイッチ３１により第２の放電回路を形成した。実施の形態２では、フィルタリアクトル５０を含む第２の放電回路を形成する。

図３は、本開示の実施の形態２にかかる電気車制御装置の構成例を示すブロック図である。図３において、接触器１００を備えているところが、実施の形態１と異なる。

接触器１００の一端は、遮断器４０およびフィルタリアクトル５０に接続される。接触器１００の他端は、第２のスイッチ３１に接続される。接触器１００は、フィルタコンデンサ２０が充電される際は開放される。そのため、フィルタコンデンサ２０が充電される制御は、実施の形態１と同じである。

接触器１００は、フィルタコンデンサ２０が放電される際に投入される。フィルタコンデンサ２０が放電される際に、図２のＳ１５において、第２のスイッチ３１が投入されるのと併せて、接触器１００が投入される。接触器１００が投入されることで、第２の放電回路は、第１の抵抗器７０、フィルタリアクトル５０、接触器１００および第２のスイッチ３１により構成される。第２の放電回路において、フィルタリアクトル５０を備えることにより、フィルタコンデンサ２０の電荷が放電される際に、フィルタリアクトル５０の時定数により、放電開始時の電流量を抑制でき、突入電流を抑えることが可能となる。

実施の形態２にかかる電気車制御装置は、第２のスイッチと第１の抵抗器との間に直列に接続されるフィルタリアクトルを備えることにより、フィルタコンデンサの電荷を放電する際に、放電開始時の電流量を抑制できる。

電気車制御装置の制御部（図示しない）は、少なくともプロセッサと、メモリと、受信器と、送信器とを備え、各装置の動作はソフトウェアにより実現することができる。図４は、実施の形態にかかる電気車制御装置の制御部を実現するハードウェアの一般的な構成例を示す図である。図４に示す装置は、プロセッサ１００１、メモリ１００２、受信器１００３および送信器１００４を備え、プロセッサ１００１は受信したデータを用いてソフトウェアによる演算および制御を行う。メモリ１００２は受信したデータ、またはプロセッサ１００１が演算および制御を行うに際して必要なデータを記憶し、ソフトウェアの記憶も行う。受信器１００３は、電気車制御装置に入力される信号または情報を受信するインターフェースである。送信器１００４は、電気車制御装置は出力される信号または情報を送信するインターフェースである。なお、プロセッサ１００１、メモリ１００２、受信器１００３および送信器１００４は、各々複数設けられていてもよい。

実施の形態１および２において、フィルタコンデンサ２０の電荷が放電される際、第１の放電回路および第２の放電回路を切り替えて、一方の放電回路を使用して放電されることを説明したが、両方の放電回路を同時に使用してもよい。両方の放電回路を使用する場合、一方の放電回路が接触不良などにより放電ができない場合であっても、切り替えを行うことなく他方の放電回路により放電を続けることが可能となる。また、放電ができない放電回路がある場合は、放電ができない放電回路に通電しないように、接触器または第２のスイッチは開放される。具体的には、第１の放電回路により放電できない場合は、放電用接触器９０は開放され、第２の放電回路により放電できない場合は、第２のスイッチ３１が開放される。

実施の形態１および２において、第１の放電回路が異常であることを検知する手段は、自動であっても、手動であってもよい。電圧検出器２１の電圧値を外部の装置に出力し、外部の装置が予め定められた期間経過後に電圧検出器２１の電圧値が、予め定められた値以下になっているかを確認してもよい。

実施の形態１および２において、第１の放電回路の放電用接触器９０および第２の放電回路の第２のスイッチ３１が投入される制御および開放される制御は自動で行ってもよいし、手動で行ってもよい。

１０ 電力変換装置、１１ 集電装置、１２ 電源、２０ フィルタコンデンサ、２１ 電圧検出器、３０ 第１のスイッチ、３１ 第２のスイッチ、４０ 遮断器、５０ フィルタリアクトル、６０ 逆流防止サイリスタ、７０ 第１の抵抗器、８０，８１ 放電用抵抗器、９０ 放電用接触器、１００ 接触器、１００１ プロセッサ、１００２ メモリ、１００３ 受信器、１００４ 送信器１０。

Claims (4)

1. 電気車に搭載され、電源から電力の供給を受けて、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置と、
   前記電源と前記電力変換装置との間を流れる電流の通電および遮断を切り替える第１のスイッチと、
   前記電力変換装置の直流側に接続されるコンデンサと、
   前記コンデンサの両端に接続され、放電用抵抗器および放電用接触器から構成される第１の放電回路と、
   前記コンデンサの両端に接続され、前記第１のスイッチと前記コンデンサとの間に直列に接続される充電抵抗かつ放電抵抗である第１の抵抗器および第２のスイッチから構成され、投入された前記第２のスイッチを介して前記コンデンサに接続される前記第１の抵抗器によって前記コンデンサを放電する第２の放電回路と、
   を備え、
   前記第１の放電回路の異常が検出された後、前記第１のスイッチが開放され、前記第１のスイッチの開放に連動して前記第２のスイッチが投入される、
   電気車制御装置。
2. 前記コンデンサと並列に接続される電圧検出器を備え、
   前記電圧検出器の電圧が監視されることで、前記第１の放電回路の異常が検出される、
   請求項１に記載の電気車制御装置。
3. 前記放電用抵抗器は、複数の抵抗器が並列で接続される、
   請求項１または２に記載の電気車制御装置。
4. 第２の放電回路は、前記第２のスイッチと前記第１の抵抗器との間に直列に接続されるフィルタリアクトルを備えた、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の電気車制御装置。

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