JPS63114501A - 直流電気車用電力変換装置の保護装置 - 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】 〔発明の属する技術分野〕 この発明は、直流電気車に塔載されている電力変換装置
を保護するための保護方式に関する。

〔従来技術とその問題点〕

近年の直流電気車は、電力変換装置としてたとえばチ璽
ツバを塔載し、このチ、ツバで車軸に結合されている直
流電動機を駆動し、あるいは可変電圧・可変周波数の交
流を出力するインバータを電力変換器として塔載し、車
軸に結合されている誘導電動機をこのインバータで駆動
する方式が多用されるようになったが、このような方式
によれば、を動機を効率よく駆動できるばかりでなく、
回生制動運転により、直流電気車が保有しているエネル
ギーを電気エネルギーに変換して電源側へ返還すること
ができるので、エネルギーの節約を図ることができる。

Ｍ４図は電力変換装置を塔載している直流電気車の従来
例を示した主回路接続図である。この第４図ｔこおいて
、変電所から給電線路２へ送用された直流電力は、パン
タグラフ３により車内へ取込まれるのであるが、この直
流電力は電源開閉器としての高速度遮断器４、直列抵抗
器５、フィルタリアクトル６とフィルタコンデンサ７と
で構成された入力フィルタ回路、ならびに並列抵抗器１
１と短絡スイッチ１２との並列回路とを介して、電力変
換装置としてのサイリスタインバータ８へ入力されるよ
うになっている。このサイリスクインバータ８は入力直
流電力を可変電圧・可変周波数の交流電力に変換して出
力するので、誘導電動機９はこの交流電力で駆動され、
従って当該直流電気車を所望の速度で走行させることが
できる。

フィルタリアクトル６とフィルタコンデンサ７とで構成
された入力フィルタ回路は、サイリスタインバータ８が
発生する大きな高調波電流を抑制するとともに、給電線
路２の電圧が急激に変動するとき、サイリスタインバー
タ８へこれを緩和して印加する役割りを有する。さらに
短絡事故発生時に電流が急上昇するのを抑制する効果も
発揮する。

また並列抵抗器１１と短絡スイッチ１２との並列回路は
、フィルタコンデンサ７を充電するさいに、過大な突入
電流が生じるのを抑制するためのものであって、短絡ス
イッチ１２がオフの状態で高速度遮断器４をオンにする
と、フィルタコンデンサ７へはこの並列抵抗器１１を経
て充電電流が流れるので、異常な大電流が突入するおそ
れがない。この並列抵抗器１１の抵抗値と、フィルタコ
ンデンサ１２の静電容量で定まる時間が経過して当該フ
ィルタコンデンサ１２の充電が完了すれば、短絡スイッ
チ１２を閉路して並列抵抗器１１を短絡する。

高速度遮断器４はサイリスタインバータ８の内部での事
故、たとえばアーム短絡事故時の短絡電流を素早く遮断
するためのものであって、従来から接点式のものが用い
られている。また直列抵抗器５はこの短絡電流が高速遮
断器４の遮断能力以上に増大するのを抑制するために設
置されている。

第５図は電力変換装置を塔載している直流電気車の第２
の従来例を示した主回路接続図であって、給電線路２、
パンタグラフ３、電源開閉器としての高速度遮断器４、
直列抵抗器５、フィルタリアクトル６、フィルタコンデ
ンサ７、電力変換装置としてのサイリスタインバータ８
、誘導電動機９および並列抵抗器１１の名称・用途・機
能は第４図に図示している従来例回路の場合と同じであ
るから、これらの説明は省略する。

第５図に示している第２の従来例回路では、並列抵抗器
１１を適切な時期に短絡するための手段として短絡用ゲ
ートターンオフサイリスク（以下では短絡用ＧＴＯサイ
リスタと略記する）１３を使用することで、無接点化を
図るとともに動作速度の向上を期待している。

第６図は、第４図あるいは第５図に図示している従来例
回路で高速度遮断器により事故電流遮断時の電流波形を
あられしたグラフであって、縦軸が電流、横軸が時間軸
である。

何らかの原因により、サイリスタインバータ８の内部、
またはフィルタコンデンサ７の部分で短絡事故を生じる
と、第６図に示すように、短絡電流は回路のインダクタ
ンス値と回路の抵抗値とで定まる時定数で増大し、最終
的には入力電圧と回路の抵抗値とで定まる最大電流値に
まで到達することになる。一般にこの最大電流値はきわ
めて大きな値であって、これを遮断するのは大変に困難
である。そこで、高速度遮断器４はこの事故電流が定格
電流値よりは大であるが、上述の最大電流値よりもはる
かに下側に定められた工０なる過電流設定値まで増大す
れば、遮断指令が発せられて遮断動作を開始させるよう
にしている。しかしながら高速度遮断器４は接点式であ
るが故に、遮断指令が発せられてから実際に接点が開離
しはじめるまでに可成りの遅れ時間（第６図では１５〜
３０ミリ秒）があり、この間に事故電流は上述の時定数
に従って増大し続けている。高速度遮断器４の接点が開
離しはじめるとアークが生じ、ここで事故電流はやっと
減少しはじめることになるが、このアークが消滅して事
故電流の遮断が完了するまでには、更に余分の時間（第
６図においては２０〜４０ミリ秒）が必要である。この
ときの事故電流の極大値はたとえば数千アンペアの大き
さに達する。

第４図あるいはＭ５図に示している従来例回路では、上
述のようにして事故電流を遮断するのであるが、これら
の従来例回路では、以下１こ述べる各種の不都合がある
。すなわち、 イ）事故電流の最大値を抑制するための直列抵抗器５は
、サイリスタインバータ８を運転するさいに１常時損失
を発生することになるので装置の効率を低下させる（一
般に効率が２〜５０％低下する）ばかりでなく、嶋該直
列抵抗器５の重量・寸法が大となり、収納スペースに制
限のある車両に塔載するのに大きな障害となる。また、
短絡事故時にのみ効果を期待するこの直列抵抗器５が通
常運転時に常時大きな損失を発生しており、エネルギー
の浪費である。

口）フィルタリアクトル６の飽和インダクタンス値を大
きくして事故時の回路時定数を大にし、事故電流の上昇
速度を緩和させる必要があるが、そのためには当該フィ
ルタリアクトル６の外形寸法と重量とが増大し、高価に
なる欠点がある。第７図は鉄心入りリアクトルの特性を
あられしたグラフであって、縦軸がインダクタンス値を
、横軸が電流値をあられしている。この第７図であきら
かなように、鉄心入りのりアクドルはＩＮなる通常運転
時の最大電流に到達するまでは、そのインダクタンス値
はＬｌなる大きな値を呈しているが、これより大きなあ
る電流値以上では、鉄心の磁気飽和によりそのインダク
タンス値はＬｌなる小さな値に急変する。短絡事故時に
は上述のＩＮなる電流値を大幅に越えるので、そのとき
に磁気飽和してもインダクタンス値が上述のＬｌよりも
大なる値Ｌ３になるようにするためには（第７図におけ
る破線の特性）、当該フィルタリアクトル６の外形寸法
・重量を大幅に増大させなければならない０ ハ）サイリスタインバータ８を構成している各種半導体
素子などに大きな過電流耐量を付与しなければならない
ので、装置が大形かつ高価になる欠点を有する。すなわ
ち、接点式の高速度遮断器４では、短絡事故発生から短
絡電流の遮断完了までに長い時間を要し、頂上電流も大
きな値となるため、たとえばサイリスタインバータ８が
アーム短絡事故を起したときに、このサイリスタインバ
ータ８を構成している各種半導体素子は、この大きなＩ
２・ｔに耐えるような素子を選定しなければならないの
で大形かつ高価なものとなる。また直列抵抗器５の抵抗
値を大きく、あるいはフィルタリアクトル６のインダク
タンス値を大きくすることで短絡電流の頂上値を抑制し
て工２・ｔを低減すれば、半導体素子の容量は小でよい
けれども、直列抵抗器５やフィルタリアクトル６が大形
・高価になり、かつ損失が増大する不都合をもたらすこ
ととなる。

〔発明の目的〕

この発明は、通常運転時には損失を発生せず、かつ短絡
事故時の短絡電流を抑制することで装置の大形化を阻止
できる直流電気車用電力変換装置の保護方式を提供する
ことを目的とする。

〔発明の要点〕

この発明は、直流電気車用電力変換装置の入力フィルタ
回路を構成しているフィルタコンデンサを充電するさい
の突入電流を抑制するための抵抗器が、機該電力変換装
置運転中は使用除外されているので、短絡事故時にはこ
れを短絡電流抑制用に使用しようとするものであって、
動作がきわめて高速かつ遮断機能を有する半導体スイッ
チ素子を上記の抵抗器に並列に接続する。この抵抗器の
抵抗値を適切に選定するならば、フィルタコンデンサ充
電時の突入電流抑制とともに短絡事故時の短絡電流を大
幅に抑制できるので、を源開閉器として低遮断容量で緩
速動作のものを使用できるし、通常運転中は上記抵抗器
は半導体スイッチ素子で短絡されていることから損失も
発生せず、従って装置を小形・軽量にしようとするもの
である。

〔発明の実施例〕

第１図は本発明の実施例を示す主回路接続図であり、こ
の第１図にもとづいて本発明の詳細を以下に記述する。

第１図に８いて、袷！線路２からの直流電力はパンタグ
ラフ３により直流電気車内に引込まれ、電源開閉器とし
ての電磁接触器２１、フィルタリアクトル６とフィルタ
コンデンサ７とで構成された入力フィルタ回路、および
限流抵抗器２２七スイ、チ素子としての短絡用ＧＴＯサ
イリスタ２３との並列接続回路とを介して電力変換装置
としてのサイリスタインバータ８へこの直流電力が与え
られるのであるが、サイリスタインバータ８は入力した
直流電力を可変電圧・可変周波数の交流電力に変換して
誘導電動機９を駆動するので、この誘導電動機９により
、当該直流電気車は所望の速度で走行することができる
。

サイリスクインバータ８の運転に先立って、まずフィル
タコンデンサ７を充電しなければならないが、この充電
は下記の手順で行われる。すなわち短絡用ＧＴＯサイリ
スタ２３をオフ状態のままで電磁接触器２１を閉路する
と、給電線路２→パンタグラフ３→電磁接触器２１→フ
イルタリアクトル６→限流抵抗器２２→フイルタコンデ
ンサ７の経路で充電電流が流れるが、この電流は限流抵
抗器２２で制限されるために、大きな値とならない。一
定時間経過後にこのフィルタコンデンサ７の充電がほぼ
完了すれば、短絡用ＧＴＯサイリスタ２３をオンさせる
ことにより、限流抵抗器２２は短絡されるので、それ以
降ではサイリスクインバータ８を運転するときの電流で
損失を発生することはない。

上述の手順に従って始動完了し、運転中のサイリスクイ
ンバータ８の内部でたとえばアーム短絡事故を生じたと
すると、図示されていない短絡電流検出手段でこの短絡
電流を検出し、直ちに短絡用ＧＴＯサイリスタ２３と電
磁接触器２１とにオフ指令が与えられ、このオフ指令に
従って、この短絡用ＧＴＯサイリスタ２３は素早くオフ
状態になることから、短絡電流が上昇過程にあるうちに
回路に限流抵抗器２２が挿入されることになって、この
短絡電流の上昇が抑制される。一方冗磁接触器２工は接
点式であって、オフ指令が与えられてから実際に接点が
開離しはじめるまでに動作時間の遅れがあるので、この
電磁接触器２１が上述の制限された短絡電流を遮断し、
保護動作を完了する。

第２図は第１図に示す実施例回路の動作をあられした動
作波形図であって、第２図ビ）は直流電気車へ流入する
入力電流工の変化を、第２図（ＣＩ）は短絡用ＧＴＯサ
イリスタ２３の電圧Ｖ　ＧＴＯの変化をそれぞれがあら
れしている。

この第２図において、アーム短絡事故などにより入力電
流工が上昇してＩｏ　なる異常電流値に到達した時点ｔ
（１からごく僅かな時間Ｔ１　が経過した時点ｔ１　　
において、短絡用ＧＴＯサイリスタ２３がオンからオフ
に変化するため、短絡電流は第２図ピ）に示す破線に従
って上昇するはずのものが抑制され、それと同時に短絡
用ＧＴＯサイリスタ２３の電圧ＶＧＴＯがあられれ１時
刻１．）からＴ２　なる時間が経過すれば、磁接触器２
１が開路しはじめて短絡電流の遮断を完了することとな
る。ここでＴ１　なる遅れ時間は、過電流検出器が工０
なる異常電流レベルを越えたことを検出してオフ信号を
出力するまでの時間と、ゲート駆動回路内部の時間遅れ
と、短絡用ＧＴＯサイリスタ２３のキャリヤ蓄積時間の
合計であって、数１０マイクロ秒程度のごく短い時間で
ある７ 第３図は第１図に示す実施例回路における短絡用ＧＴＯ
サイリスタの詳細をあられした回路図であって、短絡用
ＧＴＯサイリスタ２３にはスナバコンデンサ３１とスナ
バダイオード３２とスナバ抵抗３３とで形成されたスナ
バ回路３０が並列ｌこ接続されていて、当該短絡用ＧＴ
Ｏサイリスタ２３がターンオフするときの動作責務を軽
減する役割りを果たしている。すなわちこの短絡用ＧＴ
Ｏサイリスタ２３は殆ど瞬時に電流を遮断するので。

上記のスナバ回路３０へ電流が転流し、第２図（ロ）に
示すように電圧ＶＧＴＯが上昇「るのに比例して限流抵
抗器２２に電流が流れはじめ、最終的には入力電圧とこ
の限流抵抗器２２の抵抗値で定まる電流値となる。

電磁接触器２１の動作遅れ時間Ｔ２は上述の短絡用ＧＴ
Ｏサイリスタ２３の動作遅れ時間Ｔ１　にくらべて十分
に長く、短絡電流は上述のようにして限流抵抗６２２で
抑制された値になっているので、その遮断電流容量は大
きな値を必要とせず、かつ素早い動作も必要としないの
で、電磁接触器程度の電源開閉器を使用すれば十分１こ
遮断することができ、その動作遅れ時間は５０〜１００
　ミＩＪ秒程度である。

第１図と第３図に示す本発明の実施例回路においては、
限流抵抗器２２に並列接続するスイッチ素子としてＧＴ
Ｏサイリスタを使用した場合について記述したが、他の
自己消弧形半導体スイッチ素子や、転流回路を付属して
いるサイリスタなどが使用できることはもちろんである
。

〔発明の効果〕

この発明によれば、直流電気車用電力変換装置の入力フ
ィルタ回路を構成しているフィルタコンデンサを充電す
るさいの突入電流を抑制するための抵抗器を、電力変換
装置運転中はこの抵抗器に並列されたスイッチ素子で短
絡しておくのであるが、短絡故障などにより電流が所定
値以上に増大したことを検出すれば、前記スイッチ素子
を素早（開路させて抵抗器を回路へ挿入することで異常
電流を抑制したのち電流開閉器で電気車を’ｉ源から切
離すようにしているのであるが、このようにすることで
従来回路中に挿入されたままであった直列抵抗器が不要
になるので、無駄なエネルギー消費が屏消されて装置効
率が向上するばかりでなく、この抵抗器分だけ装置を小
形・＠１化できるし、フィルタリアクトルの飽和インダ
クタンス値を太き（する必要がなくなるので、従来より
も小形・軽量のフィルタリアクトルにすることができる
こと、電力変換装置内部を流れる事故電流の１２・ｔを
従来に（らべて大幅に低減できるので、各種半導体素子
の過電流耐量を減少でき、装置の小形化とコストダウン
に寄与できること、さらに電源開閉器に低価格の電磁接
触器を使用できるなど装置の小形化番軽量化Φコストダ
ウンおよびエネルギー節約など、各種の効果を発揮でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す主回路接続図であり、第
２図は第１図に示す実施例回路の動作をあられした動作
波形図、第３図は第１図に示す実施例回路における短絡
用ＧＴＯサイリスタの詳細をあられした回路図である。 第４図は電力変換装置を搭載している直流電気車の従来
例を示した主回路接続図であり、第５図は電力変換装置
を搭載している直流電気車の第２の従来例を示した主回
路接続図、第６図は第４図あるいは第５図に図示してい
る従来例回路で高速度遮断器により事故電ＲＭ断時の電
流波形をあられしたグラフ、第７図は鉄心入りリアクト
ルの特性をあられしたグラフである。 ２：給１！線路、３：パンタグラフ、４：電源開閉器と
しての高速度遮断器、５：直列抵抗器、６：フィルタリ
アクトル、７：フィルタコンデンサ、８：電力変換装置
としてのサイリスタインバータ、９：誘導電動機、１１
：並列抵抗器、１２：短絡スイッチ、１３：短絡用ＧＴ
Ｏサイリスタ、２１：電源開閉器としての電磁接触器、
２２：限流抵抗器、２３：スイッチ素子としての短絡用
ＧＴＯサイリスタ、３０：スナバ回路、３１：スナバコ
ンデンサ、３２：スナバダイオード、３３：スナバ抵抗
。 第３図 第４図 第５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）直流電気車に塔載されている電力変換装置の入力側
   に、フィルタリアクトルとフィルタコンデンサとで構成
   された入力フィルタ回路を接続し、給電線路からの直流
   電力を電源開閉器を介して前記電力変換装置へ供給する
   ようにしている直流電気車において、抵抗器とスイッチ
   素子との並列回路を前記電源開閉器に直列に接続し、前
   記スイッチ素子がオフの状態で前記電源開閉器をオンし
   たのち、一定時間経過後にこのスイッチ素子をオンにし
   て前記電力変換装置の運転を開始させるとともに、当該
   電力変換装置運転中にその入力電流が所定値以上に増大
   するのを検出すれば、直ちに前記スイッチ素子をオフに
   し、しかるのち前記電源開閉器をオフにすることを特徴
   とする直流電気車用電力変換装置の保護方式。