JPH01248968A - 電力変換装置 - 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） 本発明は、交流から直流への順変換および直流から交流
への逆変換が可能な電力変換装置に係り、特に、この電
力変換装置が接続される交流電源の停電を検知する停電
検知装置を備えた電力変換装置に間する。

（従来の技術） 電車などの交流電気車に搭載されている電力変換装置は
、通常、自己消弧能力のないサイリスタやダイオードを
主体にして構成されている。これらの素子を用いた場合
、回路構成やサイリスタのゲート信号の制御方法を工夫
することによって、直流電力から交流電力への逆変換、
すなわち回生運転を行うことが可能である。しかし、こ
のような電力変換装置では、交流側の力率が悪いという
問題があった。

このようなことから、最近、交流側の力率の改善を目的
として、ゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯサイリス
ク）などの自己消弧能力素子を用いるとともにパルス幅
変調制御方式を採用した電力変換装置、いわゆるＰＷＭ
コンバータを交流電気車に搭載しようとする動きが活発
になっている。

しかしながら、このような電力変換装置を用いた場合に
は以下の問題が生じる。すなわち、電車にとって、パン
タグラフと架線とのＭ線による停電と、電車が変電所切
換区分を通過する際の停電とは避けられないものである
が、このように運転中に停電が生じると、電力変換装置
の二次側および一次側に高周波成分の多く含まれた矩形
波状の電圧が発生する。この電圧によって交流側に接続
されている機器、変圧器等の破壊や寿命の劣化など非常
に好ましくない結果を引き起こす恐れがあった。

停電時にも変圧器巻線に電圧が生じるのは、電力変換装
置が自己消弧能力素子を用いた自動式変換器であること
による。このため、交流電源が切り離されても動作が可
能で、直流側電圧値をピーク値とする矩形波状の電圧が
電力変換装置の交流側に発生する。

このような問題があるため、自己消弧能力素子を用いた
電力変換装置を交流電車に適用する場合には、交流電源
の停電に対する何らかの対策が必要である。その対策と
しては停電を検知し、電力変換装置の運転を停止すれば
よい、したがって、交流電源の停電を検知する機能を備
えた電力変換装置の出現が望まれている。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は、上記事情を考慮してなされたちので、交流電
源の停電時に各機器の十分な保護を可能にする電力変換
装置を提供することを目的としている。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） ＰＷＭコンバータは、通常、交１１１１１がリアクトル
を介して交流電源に接続され、直流側に平滑コンデンサ
および負荷が接続される。

そして、ＰＷＭコンバータでは、コンバータの交流側電
圧■、を制御して、交流電力＝直流電力となるように電
力の流れを制御している。この結果として、直流回路の
平滑コンデンサの両端電圧Ｖｄが一定値に保たれる。

停電が発生すると交流電源との電力授受はなくなるから
、ＰＷＭコンバータが働いていても、つまりコンバータ
交流ＩＩＩＩ電圧ＶＣの制御が持続していても電力の流
れは正しく制御できなくなる。その結果、たとえば電気
車のカ行運転中に停電が発生した場合には、直流負荷へ
の電力の供給は平滑コンデンサに蓄えられているエネル
ギーを放出することで行なわれる。したがって、直流電
圧Ｖｄが降下することになる。一方、回生運転中に停電
が発生した場合には、負荷からの回生電力は平滑コンデ
ンサに蓄えられることになり、直流電圧Ｖ、が上昇する
。

本発明は上記現象に着目したものである。すなわち、本
発明に係る電力変換装置は、負荷変動等ら考慮に入れて
直流電圧Ｖ、を監視し、この直流電圧Ｖ、が予め定めら
れた条件内のとき停電検知信号を送出する停電検知装置
を備えている。

また、停電が発生すると、リアクトルに流れるｔ流Ｉ、
が急激に変化する０本発明に係る電力変換装置では、負
荷変動等ら考慮に入れてリアクトルに流れるｔ流Ｉ　を
監視し、このｔ流Ｉ、が予め定められた粂件内のとき停
電検知信号を送出する停電検知装置を備えている。

（作用） 上述の如く、停電が発生すると、この発生は直流電圧ｖ
ｄあるいはりアクドルに流れるｔ流Ｉ、の変化として現
われる。したがって、停電が発生すると、停電検知装置
から速やかに出力信号が送出され、この出力信号でＰＷ
Ｍコンバータの動作を停止させ、停電時に電源側機器に
不要な電圧が印加されるのを防止することが可能となる
。

（実施例） 以下、図面を参照しながら実施例を説明する。

第１図は一実施例に係る電力変換装置（Ｐ　Ｗ　Ｍコン
バータ）を交流電気車に搭載した例の回路図である。

交流電源である変電所から架線１に供給されている交流
電力は、パンタグラフ２を介して電気車に受電される。

この交流電力は変圧器３、リアクトル４を介してＰＷＭ
コンバータ本体５へ供給され、Ｐ　’ｖＶ　Ｍコンバー
タ本体５により直流電力に変換されるとともに平滑コン
デンサ６で平滑されて直流負荷に供給される。電気車の
場合の直流負荷は、直流モータあるいは交流モータを駆
動する直流−交流変換装置いわゆるＶＶＶＦインバータ
となる。

架線１に交流電力が供給されているとき、電気車のカ行
運転時にはＰＷＭコンバータ本体５が交流−直流変換（
順変換）を正しく行ない、また回生運転時にはＰＷＭコ
ンバータ本体５が直流−交流変換（逆変換）を正しく行
なう、これらの制御は図示しない制御回路からのゲート
信号によって行なわれる。コンバータの変換損失を無視
すれば、交流入力電力（又は交流回生電力）＝直流消費
電力（又は直流回生電力）となるように運転される。

すなわち、コンバータの交流＠電圧■。が制御されて、
交流電力＝直流電力となるように電力の流れが制御され
る。その結果として直流回路の平滑コンデンサ６の電圧
■ｄが一定値に保たれる。

図中１１は、停電検知装置である。この停電検知装置１
１は、レベル判定器１２．１３．１４゜１５と、微分器
１６．１７と、包絡線検出器１８と、論理回路１９とで
構成されている。

停電が発生すると交流電源との電力授受はなくなるから
、ＰＷＭコンバータ本体５が働いていても電力の流れは
正しく制御できなくなる。その結果、電気車のカ行運転
中に停電が発生した場合には直流負荷への電力の供給は
平滑コンデンサ６に蓄えられているエネルギーを放出こ
とで行なわれる。したがって、直流電圧ｖｄが降下する
ことになる。一方、回生運転中に停電が発生した場合に
は直流負荷からの回生電力はコンデンサ６に蓄えられる
ことになり、直流電圧Ｖ、が上昇する。

レベル判定器１２は、直流電圧Ｖ、の大きさが所定の範
囲外にあるかどうか判定するもので、予め定められた下
限電圧値Ｖ　と上限電圧値ＶｄＦｌをＬ 用い、■〉■ｄＨあるいはｖｄくｖｄ［であるときに論
理値で「１」となる信号Ｐ１を出方する。したがって、
信号Ｐ１はｖｄが所定範囲よりも大きいか小さい時に「
１」となる。

レベル判定器１３は、微分器１６で生成されたＶ、変化
率が所定の範囲外にあるかどうか判定するもので、予め
定められた上限電圧変化率ＶｄｄＬと上限電圧変化率ｖ
ｄｄＨを用い、 ときに論理値で「１」となる信号Ｐ２を出力する。

このレベル判定器１３は停電に対する検知速度を速める
のに寄与する。

レベル判定器１２．１３の出力Ｐ１．Ｐ２は論理回路１
９の一部を構成しているオアー回路２゜に導入され、出
力信号Ｐ４となってアンドゲート回路２１の一方の入力
端に導入される。

レベル判定器１４は、微分器１７で生成された直流負荷
電流輸の変化率が所定の範囲内にあるかどうか判定する
もので、予め定められた下＠電流変化率Ｉ　　と上限＠
流変化率Ｉ　　を用い、ｄｄＬ　　　　　　　　　　ｄ
ｄＨ 「１」となる信号Ｐ３を出力する。この出力Ｐ３はアン
ドゲート２１の他方の入力端に導入される。

このようにレベル判定器１４を設けているのは次のよう
な理由に基く、すなわち、直流負荷（消費電力あるいは
回生電力）の大きさは直流電流！。

の大きさに比例しており、直流負荷が急変すればＩｄも
急変する。ＰＷＭコンバータ本体５による直流電圧Ｖ、
の一定制御には一般に制御遅れがある。したがって、通
常の場合においてもＩｄの急変によりＶ、が変化する可
能性があり、停電時におけるＶ、変化と区別する必要が
ある。このため、レベル判定器１４で！。の時間変化率
を監視し、この変化率がさほど大きくない時、Ｖｄに変
化が生じたときにアンドゲート回路２１で停電と判定さ
せているのである。したがって、アンドゲート回路２１
の出力信号Ｐ５は、Ｉｄの急変が無い時にＶ　が急激に
変化したり、あるいはＶｄの変化が大きかったりした場
合に論理値で「１」となり、停電の発生を示す信号とな
る。この出力信号Ｐ５はオアー回路２２を介して停電検
知信号Ｐ７として各機器に導入される。

停電の発生を検知した場合、各機器を保護するなめにＰ
ＷＭコンバータ本体５の運転は中止される。コンバータ
の動作が止まるとコンバータの交流側電圧Ｖ、も生成さ
れず、停電が持続しておれば変圧器二次巻線電圧Ｖ、は
ゼロとなる。停電検知装置として機能させるには停電の
持続も検知する必要があるから、■、の大きさを監視し
停電の持続も検出しなければならない。

この実施例では、変圧器３の二次巻線電圧Ｖ。

を検出する手段として、包絡線検出器１８でＶ。

の包絡線電圧を検出し、この検出器１８の出力をレベル
判定器１５に導入している。レベル判定器１５は、ＶＳ
の大きさが予め定められた下限交流電圧値ＶＳＬよりも
小さいかどうか判定するもので、Ｖ　　＜Ｖ、［である
とき、論理値で「１」となる信号Ｐ　を出力する。この
信号Ｐ６はオアー回路２２に導入される。

したがって、オアー回路２２の出力信号Ｐ７は、停電の
発生時および停電の持続中に論理値で「１」となり、停
電検知信号として利用される。

上記実施例においては、停電時の直流電圧ｖｄの変化に
着目して停電検知装置を実現しているが、リアクトル４
に流れる交流電流■、の変化に着目して停電検知装置を
実現することもできる。

前述の如く、停電時においてもＰＷＭコンノ〈−タ本体
５が動作していれば、コンバータの交流側電圧Ｖ　は発
生している。このとき、リアクトル４に流れる交流電流
Ｉ、の大きさは、電圧ＶＣと交流回路のインピーダンス
とで決まる。交流回路のインピーダンスはりアクドル４
と変圧器３の二次例から見た一次側の等価インピーダン
スである。

停電時における等価インピーダンスは一般に太きい、故
にＩ　も小さな電流値となる。したがって。

■　の大きさが小さくなったことを検知して停電発生と
見なすことができる。

第２図はりアクドルに流れている電Ｋ　Ｉ　３を監視す
ることによって停電を検知するようした停電検知装置１
１ａを組込んでなる電力変換装置を示している。

この電力変換装置に組込まれた停電検知装置１１ａは、
レベル判定器３１．３２．３３と、包絡線検出器３４．
３５と、論理回路３６とで構成されている。

レベル判定器３１は、包絡線検出器３４によって検出さ
れた■、の大きさが予め定められた下限交流を流値”ｓ
Ｌよりも小さいかどうか判定するもめで、Ｉ　　＜Ｉ、
［であるときに論理値で「１」となる信号Ｐ、を出力す
る。レベル判定器３２は、直流負荷電流■、の大きさが
予め定められた下限直流を流値■ｄＬより小さい（Ｉ、
＜Ｉｄ［＞かあるいは予め定められた上限直流電流値■
ｄＨより太きい（Ｉ　　＞ＩｄＨ）、ときに論理値で「
１」となる信号Ｐ９を出力する。レベル判定器３２を設
けているのは次のような理由に基く、すなわち、直流負
荷が小さいときには交流電流Ｉ、も小さくなる。

このことによる■　の減少と停電による■、の減少とを
区別する必要がある。このため直流電流■、の大きさら
監視しているのである。

レベル判定器３１の出力信号Ｐ８およびレベル判定器３
２の出力信号Ｐ９は論理回路３６の一部を構成している
アンドゲート回路３７に導入される。したがって、アン
ドゲート回路３７の出力信号Ｐ５は、直流電流■、が所
定値より大きいときに交流電流Ｉ、が小さくなれば論理
値で「１」となり、停電の発生を示す信号となる。この
信号Ｐ５はオアー回路３８を介して信号Ｐ７となり、停
電検知信号として出力される。なお、レベル判定器３３
、包絡線検出器３５は、第１図に示したものと同様に停
電継続時間を検出するものである。

したがって、この実施例においても信号Ｐ７は、停電の
発生および停電の持続中に論理値で「１」となり、停電
検知信号が得られることになる。

なお、上記各実施例は、停電時における直流電圧ｖｄの
変化と交流電流■、の変化とに別々に着目して停電検知
装置を構成しているが、両方を組み合せて１つの停電検
知装置を構成することも可能である。

また、上記実施例ではいずれも電気車制御に用いられる
電力変換装置について説明したが、パルス幅変調制御方
式の電力変換装置がリアクトルを介して交流電源に接続
され、交流電源の停電によって即時に電力変換装置の運
転を停止しなければならない場合に適用することができ
る。

［発明の効果］ 以上の説明によって明らかな如く、本発明によれば、交
流電源の停電時に電力変換装置の変換動作を即刻停止さ
せ得るので、その交流側および直流側に高電圧が発生す
ることを防ぎ得、接続されている各機器を十分に保護す
ることができる。

また、本発明を電気車制御用の電力変換装置に適用した
場合、運転台等に停電表示することら容易となり、停電
時に運転士による特別な処置が可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は一実施例に係る電力変換装置を電気車の給電系
統に組込んだ例の構成ブロック図、第２図は別の実施例
に係る電力変換装置を組込んだ例の構成図である。 １・・・架線、３・・・変圧器、４・・・リアクトル、
５・・・ＰＷＭコンバータ本体、６・・・平滑コンデン
サ、１１、ｌｌａ・・・停電検知装置、１２，１３．１
４゜１５．３１．３２．３３・・・レベル判定器、１６
゜１７・・・微分器、１８，３４．３５・・・包絡線検
出器、１９．３６・・・論理回路。 出願人代理人　弁理士　鈴　江　武　彦第１図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）交流側がリアクトルを介して交流電源に接続され
   、直流側に平滑コンデンサおよび負荷が接続され、パル
   ス幅変調制御により電力の順変換および逆変換が可能な
   電力変換装置において、前記負荷へ流れる直流電流の時
   間に対する電流変化率が所定の範囲内であることを判定
   する第１の判定部と、前記平滑コンデンサに印加されて
   いる直流電圧の時間に対する電圧変化率が所定の範囲外
   であることを判定する第２の判定部と、前記直流電圧の
   大きさが所定の範囲外であることを判定する第３の判定
   部と、前記交流電源の電圧の大きさが所定値よりも小さ
   いことを判定する第４の判定部と、前記第２の判定部の
   出力と前記第３の判定部の出力との論理和結果と前記第
   １の判定部の出力との論理積をとり、この論理積結果と
   前記第４の判定部の出力との論理和結果を停電検知信号
   として出力する論理回路とを含んだ構成の停電検知装置
   を具備してなることを特徴とする電力変換装置。
2. （２）交流側がリアクトルを介して交流電源に接続され
   、直流側に平滑コンデンサおよび負荷が接続され、パル
   ス幅変調制御により電力の順変換および逆変換が可能な
   電力変換装置において、前記負荷に流れる直流電流の大
   きさが所定の範囲外であることを判定する第５の判定部
   と、前記リアクトルに流れる交流電流の大きさが所定値
   よりも小さいことを判定する第６の判定部と、前記交流
   電源の電圧の大きさが所定値よりも小さいことを判定す
   る第７の判定部と、前記第５の判定部の出力と前記第６
   の判定部の出力との論理積をとり、この論理積結果と前
   記第７の判定部の出力との論理和結果を停電検知信号と
   して出力する論理回路とを含んだ構成の停電検知装置を
   具備してなることを特徴とする電力変換装置。