JPH05199607A

JPH05199607A - 電気車の電力変換装置

Info

Publication number: JPH05199607A
Application number: JP4139114A
Authority: JP
Inventors: Shiroji Yamamoto; 城二山本; Nozomi Furusawa; のぞみ古澤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1991-08-12
Filing date: 1992-05-29
Publication date: 1993-08-06
Anticipated expiration: 2015-07-31
Also published as: JP3071944B2

Abstract

(57)【要約】【目的】小形、低耐圧のコンデンサを用いてパンタグ
ラフの離線時のインバータ回路の動作継続時間を長く
し、かつ、インバータ回路の短絡事故に対して素子破壊
の保護動作が確実にできる電力変換装置を構成する。【構成】この発明の電力変換装置は、フィルタコンデ
ンサ６に並列に、自己消弧型半導体素子１６を介して充
電される外付けフィルタコンデンサバンク１４と、外付
けフィルタコンデンサバンクからインバータ回路７の直
流入力側への放電のみを許可する整流素子１５と、外付
けフィルタコンデンサバンクの両端電圧がインバータ回
路の入力直流電圧の定格値よりも低い所定の設定電圧を
維持するように自己消弧型半導体素子のオンオフ動作を
制御する手段１７と、外付けフィルタコンデンサバンク
からの放電電流値を検出し、インバータ回路のアーム短
絡事故時にインバータ回路から外付けフィルタコンデン
サバンクを電気的に遮断する手段２０，２２，２３，２
４とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、架線または第３軌条
から直流電源の供給を受ける電気車において、パンタグ
ラフの離線により一時的に電流の供給が停止する時間に
も、インバータ回路を継続して動作させ、負荷への電力
供給を続けることができる電気車の電力変換装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】直流架線または第３軌条から直流電源の
供給を受ける電気車において、その空調装置や照明装置
など各種の負荷に対して電源を与えるために備えられて
いる電力変換装置として、従来一般に、インバータ回路
が広く用いられている。

【０００３】この従来のインバータ回路を用いた電気車
の電力変換装置は、図７に示すような構成であり、架線
または第３軌条１を流れる直流電力がパンタグラフ２に
より集電され、単位スイッチ３を通し、直流フィルタリ
アクトル４、ＧＴＯ遮断器５を介してフィルタコンデン
サ６を充電し、これと並列に接続されるインバータ回路
７に直流電力を供給するようになっている。フィルタコ
ンデンサ６に並列に電圧検出器８が接続され、これによ
ってフィルタコンデンサ６の電圧を検出するようになっ
ている。また、ＧＴＯ遮断器５と並列に設けられた充電
抵抗９は起動時にフィルタコンデンサ６を充電するため
のもので、充電後にはＧＴＯ遮断器５によって短絡され
る。

【０００４】インバータ回路７は三相で構成され、各ア
ームには図７に示すようなＩＧＢＴあるいはＧＴＯその
他のスイッチング素子７１〜７６が配置されて構成され
ている。

【０００５】さらに、フィルタコンデンサ６とインバー
タ回路７との間には、インバータ回路内のスイッチング
素子７１〜７６のいずれかが破壊して上下アームが短絡
した場合にフィルタコンデンサ６からの放電電流を検出
し、ＧＴＯ遮断器５をオフさせて単位スイッチ３を遮断
し、架線または第３軌条１から電流が流れ込まないよう
にするための電流検出器１０が配置されている。

【０００６】インバータ回路７の出力側には交流フィル
タ１１を介して変圧器１２が接続され、変圧器１２の出
力が電気車の各種負荷に供給されるようになっている。

【０００７】そして、このような従来の電気車の電力変
換装置では、走行する電気車にとって、特に、パンタグ
ラフ２が１つしかないような場合には、走行中にパンタ
グラフ２と架線または第３軌条１が離れるという離線現
象が起きると、一時的にインバータ回路７への直流電力
の供給が断たれることになる。この離線時間は線区によ
り異なるものであるが、図７に示す従来の電気車の電力
変換装置では、離線時におけるインバータ回路７の動作
継続時間が一般に数ｍｓ〜１０数ｍｓである。ところ
が、この動作継続時間は理想的には離線が解消するまで
延長できることが望ましい。そこで、離線時のインバー
タ回路の動作継続時間を延長するために、従来から出力
パワーを低減し、あるいは図８に示すように莫大な量の
コンデンサバンク１３をフィルタコンデンサ６と並列に
なるように外付けで追加設置し、離線時における電圧の
低下に対応するようにしていた。

【０００８】ところが、このように外付けでフィルタコ
ンデンサバンク１３を追加設置する場合には、次のよう
な問題点があった。

【０００９】いま、インバータ回路７の入力電流をｉと
すると、ｉ＝インバータ回路の容量×力率／（効率×直流入力電圧） …（１）ｉΔｔ＝ＣΔＶ …（２）の関係がある。

【００１０】電気車の場合、電力の供給元である架線ま
たは第３軌条１が定格の±５０％以上変動する。そのた
め、フィルタコンデンサを構成する場合、定格の＋５０
％以上の耐圧がコンデンサに要求される。例えば、架線
電圧が１５００Ｖとして、４００Ｖ−３３００μＦのコ
ンデンサによってフィルタコンデンサを構成する場合、
マージンを考慮して、８Ｓ〜９Ｓ（Ｓは、シリーズ接続
を意味している）となる。

【００１１】そこで、図８に示す電気車の電力変換装置
において、図９に示すようにＤＣ１５００Ｖの時に容量
が２００ｋＶＡで６０ｍｓの離線が生じたとすると、力
率０．８５、効率０．９（一般的に用いられる数値であ
る）として、コンデンサバンク１３に必要なコンデンサ
容量は、上記の（１）式、（２）式および図９のグラフ
より、ｉ＝２００×１０³ＶＡ×０．８５／（０．９×１５００Ｖ）＝約１２６Ａ１２６Ａ×６０ｍｓ＝Ｃ×（１５００Ｖ−９００Ｖ）したがって、Ｃ＝約１２６００μＦとなる。なお、この図９は、インバータ回路７の入力が
ＤＣ９００Ｖで低電圧検知を行ない、インバータ回路を
停止させるという条件で、離線時のインバータ入力電圧
の動きを表したものである。

【００１２】このため、フィルタコンデンサ６は通常、
９Ｓ９Ｐ（Ｐは、パラレル数を意味する）の構成のもの
を用いるので、外付けフィルタコンデンサバンク１３に
は、９Ｓ２５Ｐ（９１６７μＦ、２２５個）という膨大
な数のコンデンサで構成されるコンデンサバンクが必要
であった。

【００１３】ところで、このような外付けフィルタコン
デンサバンクによりパンタグラフの離線時のインバータ
回路の動作継続時間を長くしようとすると、上述のよう
に多数のコンデンサで構成される外付けフィルタコンデ
ンサバンクを用いなければならないが、このような大容
量の外付けフィルタコンデンサバンクを用いる場合に
は、インバータ回路のアームの短絡事故が発生したとき
に、外付けフィルタコンデンサバンクに充電されている
大電流が急激に放電され、インバータ回路のスイッチン
グ素子が破壊されてしまう問題点が発生する恐れがあ
る。

【００１４】例えば、図８の従来の電力変換装置におい
て、インバータ回路７のスイッチング素子７１，７６が
オン状態であるときに、スイッチング素子７２が破壊す
ると、スイッチング素子７１，７２の間が短絡された状
態となる。この場合、図７に示したような外付けフィル
タコンデンサバンク１３がない装置では、架線または第
３軌条１からの直流電流とフィルタコンデンサ６からの
放電電流がインバータ回路７に流れ込もうとするが、電
流検出器８がこの電流値を検出し、ＧＴＯ遮断器５をオ
フすると共に、単位スイッチ３を遮断すれば、架線また
は第３軌条１からの直流電流が遮断され、フィルタコン
デンサ６からの放電電流のみがインバータ回路７に流れ
ることになり、スイッチング素子の破損度は少なくて済
む。

【００１５】しかしながら、外付けフィルタコンデンサ
バンク１３を備えた図８に示すような電力変換装置で
は、ＧＴＯ遮断器５をオフし、単位スイッチ３を遮断し
たとしても、外付けフィルタコンデンサバンク１３から
過電流が放出されることになるので、場合によってはス
イッチング素子が破壊され、素子周辺の部品まで被害を
受ける恐れがある問題点があった。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、従来の
電気車の電力変換装置では、離線時のインバータ回路の
動作継続時間を延長するためには、フィルタコンデンサ
に対して莫大な量のコンデンサで成る高耐圧の外付けフ
ィルタコンデンサバンクを追加するか、性能を制限する
かしなければならない問題点があった。

【００１７】また外付けフィルタコンデンサバンクを追
加設置する場合には、インバータ回路のスイッチング素
子の短絡事故が発生したときに、外付けフィルタコンデ
ンサバンクから急激に放電電流が短絡したスイッチング
素子の部分に流れ込み、スイッチング素子が大規模に破
壊されてしまう恐れがある問題点があった。

【００１８】この発明は、このような従来の問題点に鑑
みなされたもので、比較的少量の低耐圧のコンデンサで
構成される外付けフィルタコンデンサバンクと、簡単な
周辺回路の追加によって、パンタグラフの離線に対して
インバータ回路の動作継続時間を長くすることができる
電気車の電力変換装置を提供することを目的とする。

【００１９】この発明はまた、インバータ回路のスイッ
チング素子の短絡事故発生時において、インバータ回路
の素子破壊などの被害を最小限にくい止めることができ
る電気車の電力変換装置を提供することを目的とする。

【００２０】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
架線または第３軌条から直流電力をパンタグラフを介し
て取り込み、フィルタコンデンサを介してこれに並列に
接続されたインバータ回路に供給し、直流・交流電力変
換して電気車の各種負荷に供給する電気車の電力変換装
置において、フィルタコンデンサに並列に、自己消弧型
半導体素子と、この自己消弧型半導体素子を介して充電
される複数のコンデンサから成る外付けフィルタコンデ
ンサバンクと、この外付けフィルタコンデンサバンクか
ら前記インバータ回路の直流入力側への放電のみを許可
する整流素子と、前記外付けフィルタコンデンサバンク
の両端電圧を検出し、この両端電圧が前記インバータ回
路の入力直流電圧の定格値よりも低い所定の設定電圧を
維持するように前記自己消弧型半導体素子のオンオフ動
作を制御する手段とを備えたものである。

【００２１】また請求項２記載の発明は、上記電気車の
電力変換装置において、フィルタコンデンサに並列に接
続され、パンタグラフの瞬時離線時においてもインバー
タ回路に直流電力を供給するための複数のコンデンサか
ら成る外付けフィルタコンデンサバンクと、この外付け
フィルタコンデンサバンクからの放電電流値を検出し、
前記インバータ回路のアーム短絡事故時に前記インバー
タ回路と前記外付けフィルタコンデンサバンクとの間を
電気的に遮断する手段とを備えたものである。

【００２２】また請求項３記載の発明は、上記電気車の
電力変換装置において、フィルタコンデンサに並列に、
自己消弧型半導体素子と、この自己消弧型半導体素子を
介して充電される複数のコンデンサから成る外付けフィ
ルタコンデンサバンクと、前記外付けフィルタコンデン
サバンクから前記インバータ回路の直流入力側への放電
のみを許可する整流素子と、前記外付けフィルタコンデ
ンサバンクの両端電圧を検出し、この両端電圧が前記イ
ンバータ回路の入力直流電圧の定格値よりも低い所定の
設定電圧を維持するように前記自己消弧型半導体素子の
オンオフ動作を制御する手段と、前記外付けフィルタコ
ンデンサバンクからの放電電流値を検出し、前記インバ
ータ回路のアーム短絡事故時に前記インバータ回路と前
記外付けフィルタコンデンサバンクとを電気的に遮断す
る手段とを備えたものである。

【００２３】

【作用】請求項１記載の発明の電気車の電力変換装置で
は、通常動作時に、電圧検出手段の制御により、外付け
フィルタコンデンサバンクに対して、自己消弧型半導体
素子を介して定格電圧よりも低い所定の電圧を維持する
ように充電しておく。

【００２４】そして、パンタグラフの離線時には、イン
バータ回路が継続動作している間に直流入力電圧が所定
値まで低下してきて外付けフィルタコンデンサバンクの
両端電圧と等しくなると、整流素子が動作してこの外付
けフィルタコンデンサバンクに充電されていた電流をイ
ンバータ回路に放電し、インバータ回路の動作をさらに
長い時間継続させる。

【００２５】こうして、定格電圧よりも低い設定電圧下
での外付けフィルタコンデンサバンクの放電によりイン
バータ回路の動作を継続させることにより、その動作継
続時間を長くとることができる。

【００２６】また請求項２記載の発明の電気車の電力変
換装置では、インバータ回路のスイッチング素子が破壊
されて上下アームの短絡事故が起きた場合には、外付け
フィルタコンデンサバンクから過電流が放出されたこと
を検出し、インバータ回路と外付けフィルタコンデンサ
バンクとを電気的に遮断し、外付けフィルタコンデンサ
バンクから過大な放電電流が急激にインバータ回路内に
流れ込まないようにして、インバータ回路の素子破壊を
最小限に止めることができる。

【００２７】さらに請求項３記載の発明の電気車の電力
変換装置では、通常動作時に、電圧検出手段の制御によ
り、外付けフィルタコンデンサバンクに対して、自己消
弧型半導体素子を介して定格電圧よりも低い所定の電圧
を維持するように充電しておき、パンタグラフの離線時
には、インバータ回路が継続動作している間に直流入力
電圧が所定値まで低下してきて外付けフィルタコンデン
サバンクの両端電圧と等しくなると、整流素子が動作し
てこの外付けフィルタコンデンサバンクに充電されてい
た電流をインバータ回路に放電し、インバータ回路の動
作をさらに長い時間継続させることにより、定格電圧よ
りも低い設定電圧下での外付けフィルタコンデンサバン
クの放電によりインバータ回路の動作を継続させること
ができる。

【００２８】そしてこれと共に、インバータ回路のスイ
ッチング素子が破壊されて上下アームの短絡事故が起き
た場合には、外付けフィルタコンデンサバンクから過電
流が放出されたことを検出し、インバータ回路と外付け
フィルタコンデンサバンクとを電気的に遮断し、外付け
フィルタコンデンサバンクから過大な放電電流が急激に
インバータ回路内に流れ込まないようにして、インバー
タ回路の素子破壊を最小限に止めることができる。

【００２９】

【実施例】以下、この発明の実施例を図に基づいて詳説
する。

【００３０】図１は請求項１記載の発明の一実施例の回
路ブロック図であり、従来例として示した図７および図
８の回路構成要素と共通する部分については、同一の符
号を付して示してある。

【００３１】この実施例の特徴として、従来例に新たに
付加された要素は、フィルコンデンサ６に並列に設けら
れた外付けフィルタコンデンサバンク１４、フィルタコ
ンデンサ６の両端電圧が定格電圧である１５００Ｖより
も低い所定の設定電圧、例えば１１００Ｖ以下になった
ときに外付けフィルタコンデンサバンク１４の放電のみ
を許可する整流素子１５である。

【００３２】また、自己消弧型整流素子としてのＧＴＯ
サイリスタ１６、外付けフィルタコンデンサバンク１４
の両端電圧を常時検出していて、所定の設定電圧以下に
なった時にＧＴＯサイリスタ１６のゲートをオンする手
段としての電圧検出器１７、そして、これらのＧＴＯサ
イリスタ１６、電圧検出器１７各々に対する電流制限を
行なうための制限抵抗１８，１９を備えている。

【００３３】次に、上記の構成の電気車の電力変換装置
の動作について説明する。

【００３４】架線または第３軌条１にパンタグラフ２が
接触して集電しながら電気車を走行させている定格時に
は、パンタグラフ２が集電した定格電圧１５００Ｖの直
流電力がフィルタリアクトル４およびフィルタコンデン
サ６を介してインバータ回路７に入力され、ここで直流
・交流変換されて、所定の電圧の交流として各種負荷に
出力されていく。

【００３５】この定格時には、外付けフィルタコンデン
サバンク１４が所定の設定電圧にまで充電されるまで
は、電圧検出器１７が外付けフィルタコンデンサバンク
１４の両端電圧を検出していて、設定電圧である１１０
０ＶになるまでＧＴＯサイリスタ１６のゲートをオンさ
せて充電を行なう。

【００３６】そして、外付けフィルタコンデンサバンク
１４の両端電圧が設定電圧１１００Ｖに達すると、電圧
検出器１７がこれを検出してＧＴＯサイリスタ１６のゲ
ートをオフし、充電を停止する。

【００３７】以降も、電圧検出器１７は常に外付けフィ
ルタコンデンサバンク１４の両端電圧を検出していて、
放電により両端電圧が設定電圧１１００Ｖ以下になるた
びに、ＧＴＯサイリスタ１６のゲートをオンにして再充
電を繰り返し行なう。

【００３８】そこで、定格電圧１５００Ｖで動作中にパ
ンタグラフ２が架線または第３軌条１から離線した時に
は、図２に示すようにこの定格電圧１５００Ｖよりも低
い所定の設定電圧１１００Ｖになる約１０ｍｓまでの間
は、インバータ回路７が継続して動作する。

【００３９】そして、設定電圧１１００Ｖにまで低下す
ると、外付けフィルタコンデンサバンク１４の両端電圧
がフィルタコンデンサ６の両端電圧に等しくなり、整流
素子１５がオンとなってこの外付けフィルタコンデンサ
バンク１４に充電されていた電流がインバータ回路７に
対して放電出力されるようになる。そしてその後、イン
バータ回路７の停止電圧９００Ｖに達する約６０ｍｓま
で、この外付けフィルタコンデンサバンク１４の放電電
流によりインバータ回路７の動作が継続される。

【００４０】ここで、１５００Ｖ架線の２００ｋＶＡの
インバータ回路によって６０ｍｓ離線した場合、図９の
ようなフィルタコンデンサ電圧にするためには、従来例
では１２６００μＦの容量のコンデンサバンクが必要で
あって、当初配置している９Ｓ９Ｐのフィルタコンデン
サ６の他に、さらに容量９１６７μＦのコンデンサを９
Ｓ２５Ｐに２２５個接続した外付けフィルタコンデンサ
バンクを追加する必要があった。

【００４１】これに対して、上記の実施例では、図２に
示すように離線時の架線電圧がＤＣ１５００Ｖから１１
００Ｖまで低下する間は、外付けフィルタコンデンサバ
ンク１４から電力は供給されず、設定電圧１１００Ｖか
ら保護電圧の設定値である９００Ｖまでの間に追加した
外付けフィルタコンデンサバンク１４から電力を供給す
るようにしている。このため、１１００Ｖに下がるまで
にかかる時間Δｔは式（２）によって、１２６Ａ×Δｔ＝３３００μＦ×（１５００Ｖ−１１００Ｖ）から、 Δｔ＝約１０ｍｓである。

【００４２】また、１１００Ｖから９００Ｖまでの電圧
が低下する時に必要な外付けフィルタコンデンサバンク
１４の容量Ｃは、前述の（１），（２）式から、ｉ＝２００×１０³ＶＡ×０．８５／（０．９×１１００Ｖ）＝約１７２Ａ１７２Ａ×（６０ｍｓ−１０ｍｓ）＝Ｃ×（１１００Ｖ−９００Ｖ）となり、Ｃ＝約４３０００μＦである。そして、このとき、外付けフィルタコンデンサ
バンク１４にかかる電圧は最大でも１１００Ｖであるの
で、定格電圧４００Ｖのコンデンサであれば、３Ｓ（シ
リーズ）の接続として３Ｓ４０Ｐの１２０個のコンデン
サで実現できる。このように、コンデンサの耐圧を低く
することによって、従来例と比較して、１００個以上の
コンデンサが削減できることになる。

【００４３】また、従来例では、外付けフィルタコンデ
ンサバンクの体積はおよそ０．２７６ｍ³、重量は約１
６０ｋｇとなるが、この実施例で付加する回路は、外付
けフィルタコンデンサバンク１４の他に整流素子１５、
ＧＴＯサイリスタ１６、電圧検出器１７、抵抗１８，１
９を含めてもおよそ０．１１７ｍ³、重量は約５０ｋｇ
となる。つまり、体積は従来例に比べて約２／５、重量
は約１／３と大幅に小形、軽量化されることにもなる。
しかも、外付けフィルタコンデンサバンク１４を構成す
るコンデンサは低圧時のみ動作するので、コンデンサの
寿命が従来例よりも長くなり、一般の電解コンデンサを
使用できるようになり、安価に構成できるようになる。

【００４４】なお、この発明は上記の実施例に限定され
ず、自己消弧型半導体素子として、ＧＴＯサイリスタに
代えてＧＴＲ（Giant Transistor）、ＩＧＢＴ（Insula
tedGate Bipolar Transistor ）素子などを利用するこ
ともできる。

【００４５】次に、請求項２記載の発明の実施例を図３
〜図５に基づいて説明する。

【００４６】図３に示す実施例において、図７および図
８に示した従来の電力変換装置と異なる点は、フィルタ
コンデンサ６に並列に外付けフィルタコンデンサ装置２
５を接続したことである。この外付けフィルタコンデン
サ装置２５は、図１の実施例と同様の外付けフィルタコ
ンデンサバンク１４と直列に外付けフィルタコンデンサ
バンク１４の放電方向を順方向として接続された通常時
にオンするＧＴＯサイリスタ２０と、このＧＴＯサイリ
スタ２０と逆並列に接続された整流素子としてのダイオ
ード２１と、ＧＴＯサイリスタ２０と直列に接続された
外付けフィルタコンデンサバンク１４の放電電流を検出
する電流検出器２２と、この電流検出器２２によって検
出された放電電流値を監視し、外付けフィルタコンデン
サバンク１４から過電流が放電されたことを検知したと
きにＧＴＯサイリスタ２０をオフさせる信号を送る異常
急放電検出回路２３と、この信号を受けてＧＴＯサイリ
スタ２０をオフするゲートドライブ回路２４から構成さ
れている。

【００４７】次に、上記構成の電気車の電力変換装置の
動作について説明する。

【００４８】パンタグラフ２から集電した直流電流は、
フィルタコンデンサ６を充電すると共に、ダイオード２
１を介して外付けフィルタコンデンサバンク１４をも充
電する。インバータ回路７には、パンタグラフ２から集
電した直流電流と、フィルタコンデンサ６からの放電電
流と、外付けフィルタコンデンサバンク１４からの放電
電流が供給され、三相交流に変換されて出力される。こ
のインバータ回路７の動作中、外付けフィルタコンデン
サバンク１４は、ダイオード２１を介して充電され、Ｇ
ＴＯサイリスタ２０を介して放電する動作を繰り返す。

【００４９】上記構成の電気車の電力変換装置におい
て、従来問題となっていたインバータ回路７の上下アー
ムが短絡事故を起こしたときの保護動作について説明す
ると、外付けフィルタコンデンサバンク１４から放出さ
れる過電流はＧＴＯサイリスタ２０を介してインバータ
回路７に流れ込もうとするが、ＧＴＯサイリスタ２０に
直列に接続された電流検出器２２が過電流を検出し、異
常急放電検出回路２３がＧＴＯサイリスタ２０をオフさ
せる信号をゲートドライブ回路２４に送り、ＧＴＯサイ
リスタ２０をオフさせ、外付けフィルタコンデンサバン
ク１４から過電流が放出されてインバータ回路７に流れ
込むのを阻止する。

【００５０】次に、異常急放電検出回路２３の動作を図
４を用いてさらに詳しく説明すると、電流検出器２２が
検出した外付けフィルタコンデンサバンク１４の放電電
流値ｉについて、２つの方法で正常、異常の判断が行な
われる。その１つは、放電電流値ｉの時間的変化（ｄｉ
／ｄｔ）を監視する方法で、放電電流値ｉがサンプリン
グホールド回路（ＳＨ）２６を介して１サンプリング分
保持され、この１サンプリング前の電流値と現在の電流
値との差を減算回路２７を通して出力し、この差を比較
器２８で基準値Ｃ１と比較し、基準値Ｃ１よりも大なら
ば“Ｈ”、小ならば“Ｌ”信号を出力する。他の１つは
放電電流値ｉの大きさを監視する方法で、放電電流値ｉ
を比較器２９で基準値Ｃ２と比較し、基準値Ｃ２より大
ならば“Ｈ”、小ならば“Ｌ”信号を出力する。そし
て、これらの比較器２８，２９の出力信号はＯＲゲート
３０に通され、この出力が“Ｈ”であればＧＴＯサイリ
スタオフ信号がゲートドライブ回路２４に送られる。つ
まり、上記のいずれかの方法で基準値Ｃ１またはＣ２よ
りも大きな値を示せば、ＯＲゲート３０から“Ｈ”信号
が出力され、ＧＴＯサイリスタ２０がオフされ、インバ
ータ回路７の短絡事故発生時に、外付けフィルタコンデ
ンサバンク１４から急放電による過電流がインバータ回
路７に流れ込むのを阻止するのである。

【００５１】上記のように２つの方法で過電流の放出を
阻止するのは、インバータ回路７の上下アームが短絡
し、外付けフィルタコンデンサバンク１４から過電流が
発生したことを直ちに検知し、ＧＴＯサイリスタ２０を
オフさせるためである。なお、基準値Ｃ１，Ｃ２は、正
常時とインバータ回路７の上下アームが短絡した異常時
とでは電流値そのものにも、また電流の時間的変化にも
非常に大きな差があるために、容易に決定することがで
きる。

【００５２】このようにして、この請求項２記載の発明
の実施例の電気車の電力変換装置では、インバータ回路
７の上下アームが短絡した場合においても、外付けフィ
ルタコンデンサバンク１４から放出した過電流を検出
し、異常急放電検出回路２３およびゲートドライブ回路
２４の働きによってＧＴＯサイリスタ２０をオフするの
で、インバータ回路７に過電流が流れるのを防止し、イ
ンバータ回路７のスイッチング素子の破壊を最小限にく
い止めることができる。

【００５３】次に、図５および図６に基づき、請求項３
記載の発明の実施例について説明する。

【００５４】図５に示す実施例は、図１に示した請求項
１記載の発明の実施例と図３に示した請求項２記載の発
明の実施例とを組み合わせた構成のものであり、図７お
よび図８に示した従来例と異なる点は、フィルタコンデ
ンサ６に並列に外付けフィルタコンデンサ装置３１を接
続したことにある。

【００５５】この外付けフィルタコンデンサ装置３１
は、図１の実施例と共通する要素として、フィルコンデ
ンサ６に並列に設けられた外付けフィルタコンデンサバ
ンク１４と、フィルタコンデンサ６の両端電圧が定格電
圧である１５００Ｖよりも低い所定の設定電圧、例えば
１１００Ｖ以下になったときに外付けフィルタコンデン
サバンク１４の放電のみを許可する整流素子１５と、自
己消弧形整流素子としてのＧＴＯサイリスタ１６と、外
付けフィルタコンデンサバンク１４の両端電圧を常時検
出していて、所定の設定電圧以下になった時にＧＴＯサ
イリスタ１６のゲートをオンする手段としての電圧検出
器１７と、これらのＧＴＯサイリスタ１６、電圧検出器
１７各々に対する電流制限を行なうための制限抵抗１
８，１９を備えている。

【００５６】そして、前記電圧検出器１７は、外付けフ
ィルタコンデンサバンク１４の電圧を検出する電圧検出
素子３２と、この電圧検出素子３２の電圧検出値が比較
値以上になればＧＴＯサイリスタ１６をオフとし、比較
値以下になればＧＴＯサイリスタ１６をオンとするオン
オフ指令信号を出力する架線電圧検出回路３３と、この
架線電圧検出回路３３からのオンオフ指令信号に基づ
き、ＧＴＯサイリスタ１６のオンオフ制御を行なうゲー
トドライブ回路３４から構成される。

【００５７】外付けフィルタコンデンサ装置３１はま
た、図３に示した実施例と共通する要素として、外付け
フィルタコンデンサバンク１４と直列に外付けフィルタ
コンデンサバンク１４の放電方向を順方向として接続さ
れた通常時にオンするＧＴＯサイリスタ２０と、このＧ
ＴＯサイリスタ２０と逆並列に接続された整流素子とし
てのダイオード２１と、ＧＴＯサイリスタ２０と直列に
接続された外付けフィルタコンデンサバンク１４の放電
電流を検出する電流検出器２２と、この電流検出器２２
によって検出された放電電流値を監視し、外付けフィル
タコンデンサバンク１４から過電流が放電されたことを
検知したときにＧＴＯサイリスタ２０をオフさせる信号
を送る異常急放電検出回路２３と、この信号を受けてＧ
ＴＯサイリスタ２０をオフするゲートドライブ回路２４
を備えている。

【００５８】次に、上記構成の請求項３記載の発明の実
施例の電気車の電力変換装置の動作について説明する。

【００５９】定格時には、架線電圧を電圧検出器１７の
電圧検出素子３２で検出しながら、架線電圧検出回路３
３およびゲートドライブ回路３４によりＧＴＯサイリス
タ１６をスイッチング制御することにより、離線用外付
けフィルタコンデンサバンク１４に低電圧保護電圧（こ
こでは、９００Ｖ）より少し高めのほぼ一定の電圧値
（ここでは、１１００Ｖに設定される）になるように充
電する。

【００６０】この電圧検出器１７の架線電圧検出回路３
３の制御機能について、図６のブロック図に基づいて説
明すると、電圧検出素子３２で検出した架線電圧値ｖを
２つの比較器３５，３６に与え、ここで基準値Ｄ１（こ
こでは１１００Ｖ）よりも電圧値ｖが高いときにはＧＴ
Ｏサイリスタ１６のオフ信号を出力し、基準値Ｄ２（こ
こでは１１００Ｖ）よりも電圧値ｖが低いときにはＧＴ
Ｏサイリスタ１６のオン信号を出力し、ゲートドライブ
回路３４がこのオンオフ信号を受けて、ＧＴＯサイリス
タ１６のスイッチング制御を行ない、外付けフィルタコ
ンデンサバンク１４に架線または第３軌条１の定格電圧
１５００Ｖより低いほぼ一定の設定電圧１１００Ｖに充
電され、維持される。

【００６１】そして、電圧検出素子３２の検出する電圧
が１１００Ｖよりも高いときには、離線用外付けフィル
タコンデンサバンク１４からは整流素子１５によってブ
ロックされて放電がなされず、パンタグラフ２の離線が
起こり、フィルタコンデンサ６の電圧が１１００Ｖ以下
になれば整流素子１５がオンし、外付けフィルタコンデ
ンサバンク１４の電力をインバータ回路７に供給する。
このときのインバータ回路７の入力電圧の変化は、図２
に示したものとなる。そして、この第３実施例において
も、図１に示した請求項１記載の発明の実施例と同様
に、外付けフィルタコンデンサバンク１４にかかる電圧
は最大でも１１００Ｖであるので、定格電圧４００Ｖの
コンデンサであれば、３Ｓ（シリーズ）の接続として３
Ｓ４０Ｐの１２０個のコンデンサで実現できる。このよ
うに、コンデンサの耐圧を低くすることによって、従来
例と比較して、１００個以上のコンデンサが削減できる
ことになる。

【００６２】また、外付けフィルタコンデンサバンク１
４を付加することにはパンタグラフ２の離線時間の延長
に効果があるが、同時にインバータ回路７にアーム短絡
が生じると、この外付けフィルタコンデンサバンク１４
から大電流が流れ込み、素子破壊やさらには周辺の回路
部品にまで被害を与える恐れがあるが、これを防ぐため
に、インバータ回路７の上下アームの短絡事故の発生時
には、異常急放電検出回路２３およびゲートドライブ回
路２４によるＧＴＯサイリスタ２０の遮断動作がなされ
る。

【００６３】すなわち、請求項２記載の発明の実施例の
動作として図４に基づいて説明したように、外付けフィ
ルタコンデンサバンク１４から放出される過電流はＧＴ
Ｏサイリスタ２０を介してインバータ回路７に流れ込も
うとするが、ＧＴＯサイリスタ２０に直列に接続された
電流検出器２２が過電流を検出し、異常急放電検出回路
２３がＧＴＯサイリスタ２０をオフさせる信号をゲート
ドライブ回路２４に送り、ＧＴＯサイリスタ２０をオフ
させ、外付けフィルタコンデンサバンク１４から放出さ
れた過電流がインバータ回路７に流れ込むのを阻止す
る。

【００６４】こうして、この請求項３記載の発明の実施
例の電気車の電力変換装置では、パンタグラフの離線時
間を延長するための外付けフィルタコンデンサ装置を比
較的小形に構成することができ、しかも、インバータ回
路の上下アームの短絡事故発生時に、外付けフィルタコ
ンデンサ装置の存在により過電流がインバータ回路のス
イッチング素子に流れ込むのを防止することができる。

【００６５】なお、上記各実施例において、外付けフィ
ルタコンデンサバンクの容量、構成、比較基準値Ｃ１，
Ｃ２、Ｄ１，Ｄ２などは限定されるものではなく、必要
に応じて変更できるものである。

【００６６】

【発明の効果】以上のように請求項１記載の発明によれ
ば、パンタグラフの離線時のインバータ回路を長い時間
継続動作させることができ、しかも比較的低い電圧で外
付けフィルタコンデンサバンクが充電されるようにして
いるために、このコンデンサバンクの構成のためコンデ
ンサを耐圧の低いもので構成することができ、小形化、
低コスト化が図れる。

【００６７】また請求項２記載の発明によれば、インバ
ータ回路のスイッチング素子が破壊されて上下アームの
短絡事故が起きた場合には、外付けフィルタコンデンサ
バンクから過大な放電電流が急激にインバータ回路内に
流れ込むことを防止し、インバータ回路の短絡事故時の
素子破壊を最小限にくい止めることができる。

【００６８】さらに請求項３記載の発明によれば、外付
けフィルタコンデンサバンクの小形化、低コスト化が図
れ、同時に、外付けフィルタコンデンサバンクが付加さ
れていても、インバータ回路の短絡事故時に外付けフィ
ルタコンデンサバンクから過電流がインバータ回路に流
入するのを確実に防止し、素子破壊を最小限にくい止め
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１記載の発明の実施例の回路ブロック
図。

【図２】上記実施例の動作を示すタイミングチャート。

【図３】請求項２記載の発明の実施例の回路ブロック
図。

【図４】上記実施例における異常急放電検出回路の制御
機能を示すブロック図。

【図５】請求項３記載の発明の実施例の回路ブロック
図。

【図６】上記実施例における架線電圧検出回路の制御機
能を示すブロック図。

【図７】従来例の回路ブロック図。

【図８】他の従来例の回路ブロック図。

【図９】従来例の動作を示すタイミングチャート。

【符号の説明】

１架線または第３軌条２パンタグラフ６フィルタコンデンサ７インバータ回路１４外付けフィルタコンデンサバンク１５整流素子１６ＧＴＯサイリスタ１７電圧検出器２０ＧＴＯサイリスタ２１ダイオード２２電流検出器２３異常急放電検出回路２４ゲートドライブ回路２５外付けフィルタコンデンサ装置３２電圧検出素子３３架線電圧検出回路３４ゲートドライブ回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】架線または第３軌条から直流電力をパン
タグラフを介して取り込み、フィルタコンデンサを介し
てこれに並列に接続されたインバータ回路に供給し、直
流・交流電力変換して電気車の各種負荷に供給する電気
車の電力変換装置において、前記フィルタコンデンサに並列に、自己消弧型半導体素
子と、この自己消弧型半導体素子を介して充電される複
数のコンデンサから成る外付けフィルタコンデンサバン
クと、前記外付けフィルタコンデンサバンクから前記イ
ンバータ回路の直流入力側への放電のみを許可する整流
素子と、前記外付けフィルタコンデンサバンクの両端電
圧を検出し、この両端電圧が前記インバータ回路の入力
直流電圧の定格値よりも低い所定の設定電圧を維持する
ように前記自己消弧型半導体素子のオンオフ動作を制御
する手段とを備えて成る電気車の電力変換装置。
【請求項２】架線または第３軌条から直流電力をパン
タグラフを介して取り込み、フィルタコンデンサを介し
てこれに並列に接続されたインバータ回路に供給し、直
流・交流電力変換して電気車の各種負荷に供給する電気
車の電力変換装置において、前記フィルタコンデンサに並列に接続され、前記パンタ
グラフの瞬時離線時においても前記インバータ回路に直
流電力を供給するための複数のコンデンサから成る外付
けフィルタコンデンサバンクと、前記外付けフィルタコ
ンデンサバンクからの放電電流値を検出し、前記インバ
ータ回路のアーム短絡事故時に前記インバータ回路と前
記外付けフィルタコンデンサバンクとを電気的に遮断す
る手段とを備えて成る電気車の電力変換装置。
【請求項３】架線または第３軌条から直流電力をパン
タグラフを介して取り込み、フィルタコンデンサを介し
てこれに並列に接続されたインバータ回路に供給し、直
流・交流電力変換して電気車の各種負荷に供給する電気
車の電力変換装置において、前記フィルタコンデンサに並列に、自己消弧型半導体素
子と、この自己消弧型半導体素子を介して充電される複
数のコンデンサから成る外付けフィルタコンデンサバン
クと、前記外付けフィルタコンデンサバンクから前記イ
ンバータ回路の直流入力側への放電のみを許可する整流
素子と、前記外付けフィルタコンデンサバンクの両端電
圧を検出し、この両端電圧が前記インバータ回路の入力
直流電圧の定格値よりも低い所定の設定電圧を維持する
ように前記自己消弧型半導体素子のオンオフ動作を制御
する手段と、前記外付けフィルタコンデンサバンクから
の放電電流値を検出し、前記インバータ回路のアーム短
絡事故時に前記インバータ回路と前記外付けフィルタコ
ンデンサバンクとを電気的に遮断する手段とを備えて成
る電気車の電力変換装置。