| 【発明の名称】 |
交流電気車の制御装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】赤川 英爾
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| 【要約】 |
【課題】故障発生時の性能低下を防止した交流電気車の制御装置を得る。
【解決手段】交流架線１からの第１の交流電圧Ｖａ１を第１の直流電圧Ｖｄ１に変換するコンバータ４と、第１の直流電圧を平滑して第２の直流電圧Ｖｄ２を生成する平滑コンデンサ５と、第２の直流電圧から所定周波数の第２の交流電圧Ｖａ２を生成して電動機７に供給するインバータ６と、コンバータおよびインバータを制御する制御回路１１Ａと、コンバータおよびインバータの故障を検出する故障検出回路２１、２２とを備え、制御回路は、コンバータおよびインバータのいずれに故障が発生したかを判別する故障判別手段を含み、故障判別手段の判別結果に応答して故障発生した一方のみの動作を停止させる。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 交流架線から主変圧器を介して入力される第１の交流電圧を第１の直流電圧に変換するコンバータと、前記第１の直流電圧を平滑して第２の直流電圧を生成する平滑コンデンサと、前記第２の直流電圧から所定周波数の第２の交流電圧を生成して電動機に供給するインバータと、前記コンバータおよび前記インバータを制御する制御回路と、前記コンバータおよび前記インバータの少なくとも一方の故障を検出して故障検出信号を出力する故障検出回路とを備えた交流電気車の制御装置において、前記制御回路は、前記故障検出信号が生成された場合に、前記コンバータおよび前記インバータのいずれに故障が発生したかを判別する故障判別手段を含み、前記故障判別手段の判別結果に応答して、前記コンバータおよび前記インバータのうちの故障発生した一方のみの動作を停止させることを特徴とする交流電気車の制御装置。
【請求項２】 前記故障検出回路は、前記コンバータおよび前記インバータに個別に対応した複数の回路により構成され、前記制御回路内の故障判別手段は、前記複数の故障検出回路からの個別の故障検出信号に応答して、前記コンバータおよび前記インバータのいずれかの故障発生を判別することを特徴とする請求項１に記載の交流電気車の制御装置。
【請求項３】 前記コンバータは、自己消弧型素子と、前記自己消弧型素子に逆並列接続されたダイオードとにより組合せられた複数の素子対を含み、前記制御回路は、前記コンバータの故障が判別された場合には、前記コンバータ内の自己消弧型素子のパルス幅変調動作を停止させて、前記コンバータをダイオード整流器として機能させることを特徴とする請求項１に記載の交流電気車の制御装置。
【請求項４】 前記コンバータおよび前記インバータ、前記制御回路および前記故障検出回路は、１編成列車を構成する交流電気車に並列に搭載された複数系統からなり、前記制御回路は、前記複数系統内の少なくとも１台のインバータの故障が判別された場合には、前記故障が判別されたインバータを停止させるとともに、前記故障が判別されたインバータに接続されたコンバータを所定のパルス幅変調動作させ、前記複数系統から個別に発生する高調波を互いに相殺することにより、前記交流架線側の高調波発生量を健全運転時と同等に維持することを特徴とする請求項１に記載の交流電気車の制御装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、コンバータまたはインバータの故障検出回路を備えた交流電気車の制御装置に関し、特にコンバータまたはインバータの故障発生時に故障した一方のみの制御を停止させて他方の動作を継続することにより、交流電気車の性能を向上させた交流電気車の制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図５はたとえば特開平７−３１００１号公報に記載された従来の交流電気車の制御装置を示すブロック構成図である。図５において、交流架線１は電気車の軌道に沿って設けられており、交流架線１には、交流電気車のパンタグラフ２が接触している。
【０００３】主変圧器３は、交流架線１からパンタグラフ２を介して受電される交流電圧を変圧して車載回路に取り込む。パルス幅変調コンバータ（以下、単に「コンバータ」と称す）４は、主変圧器３の二次巻線に接続されており、交流架線１からパンタグラフ２および主変圧器３を介して入力される第１の交流電圧Ｖａ１を第１の直流電圧Ｖｄ１に変換する。
【０００４】平滑コンデンサ５は、中間直流回路を構成しており、第１の直流電圧Ｖｄ１を平滑して第２の直流電圧Ｖｄ２を生成する。インバータ６は、第２の直流電圧Ｖｄ２から所定周波数の第２の交流電圧Ｖａ２を生成し、電動機７は、第２の交流電圧Ｖａ２の供給により駆動する。
【０００５】コンバータ４およびインバータ６は、それぞれ、故障検出器８および９を内蔵している。故障検出器８および９は、たとえば電流計または電圧計により構成されており、電流値または電圧値からなる検出信号Ｄ１およびＤ２を出力する。
【０００６】故障検出回路１０は、各故障検出器８および９からの検出信号Ｄ１およびＤ２に基づいてコンバータ４およびインバータ６の故障を検出し、故障発生時に故障検出信号Ｅを出力する。
【０００７】制御回路１１は、各種運転指令（図示せず）および故障検出信号Ｅに応答して動作指令信号Ｃを出力し、コンバータ４およびインバータ６を制御する。
【０００８】次に、図５に示した従来の交流電気車の制御装置の動作について説明する。まず、交流架線１からパンタグラフ２を介して主変圧器３に印加された交流電圧は、変圧器３の二次巻線を介して降圧され、第１の交流電圧Ｖａ１としてコンバータ４に入力される。
【０００９】コンバータ４は、第１の交流電圧Ｖａ１に対してパルス幅変調制御を行うことにより、力率をほぼ１に保ちながら第１の直流電圧Ｖｄ１を出力し、第１の直流電圧Ｖｄ１を一定値に制御する。
【００１０】第１の直流電圧Ｖｄ１の出力側に接続された平滑コンデンサ５は、第２の直流電圧Ｖａ２を生成する直流電圧源として機能する。インバータ６は、第２の直流電圧Ｖａ２に基づいて、可変電圧可変周波数（ＶＶＶＦ）の第２の交流電圧Ｖａ２を出力し、電動機７を駆動制御する。
【００１１】一方、コンバータ４およびインバータ６内に収納された故障検出器８および９は、コンバータ４またはインバータ６の電流値または電圧値などの検出信号Ｄ１およびＤ２を故障検出回路１０に入力する。
【００１２】故障検出回路１０は、検出信号Ｄ１およびＤ２が異常値を示す場合には故障が発生したものと見なし、故障検出信号Ｅを制御回路１１に入力する。制御回路１１は、故障検出信号Ｅに応答して、コンバータ４およびインバータ６に対する動作指令信号Ｃを直ちにオフとし、交流電気車の制御装置の動作を停止させる。
【００１３】このとき、コンバータ４またはインバータ６のいずれか一方のみが故障した場合であっても、動作指令信号Ｃのオフによりコンバータ４およびインバータ６の両方の動作が停止するので、制御装置全体が動作停止状態となる。
【００１４】したがって、１編成の電気車列車に複数台の制御装置が搭載されている場合には、１台の制御装置の完全停止により車両性能が低下してしまい、また、１台の制御装置のみで電気車列車を運行している場合には、列車自体が運行不能に陥ることになる。
【００１５】また、たとえば特開平８−５０７０３号公報に参照されるように、１編成列車の交流電気車に図５と同構成の制御装置を複数台搭載し、各コンバータ４毎のパルス幅変調制御に位相差（２個の場合には、高調波の波長λの１／２の位相差）を持たせることにより、各コンバータ４から発生する高調波を列車全体で相殺して交流架線１上の交流電圧への影響を抑制する技術も提案されている。
【００１６】しかし、このように高調波を相殺する装置において、複数台のうちの１台の制御装置が動作停止すると、列車全体から発生する高調波を相殺することができなくなり、高調波が大幅に増加して、交流架線１上の交流電圧に悪影響を与えてしまうことになる。
【００１７】また、１台の制御装置が故障停止した場合に高調波を相殺するためには、残りの制御装置内の各コンバータ４に設定されたパルス幅変調制御の位相差を、再度設定し直す必要が生じてしまうことになる。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】従来の交流電気車の制御装置は以上のように、たとえば特開平７−３１００１号公報に記載された装置の場合には、コンバータ４またはインバータ６のいずれか一方のみが故障してもコンバータ４およびインバータ６の両方の動作停止させているので、車両性能が低下したり列車自体が運行不能になるという問題点があった。
【００１９】また、たとえば特開平８−５０７０３号公報に記載された装置のように、複数台の制御装置から発生する高調波を相殺するように構成した場合には、１台の制御装置の動作停止時に列車全体から発生する高調波が大幅に増加し、交流架線１上の交流電圧に悪影響を与えるという問題点があった。
【００２０】さらに、高調波の相殺機能を復帰させるためには、故障停止していない他のコンバータ４のパルス幅変調制御の位相差を再度設定し直す必要があるという問題点があった。
【００２１】この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、コンバータまたはインバータの故障発生時に、故障した一方のみを停止させて他方を運転することにより、性能の低下を防止することのできる交流電気車の制御装置を得ることを目的とする。
【００２２】また、複数台の制御装置を搭載して高調波を相殺する装置の場合には、１台の制御装置内のインバータが故障停止しても、その故障制御装置内のコンバータを運転して高調波の相殺機能を保持することにより、高調波の増加を抑制することのできる交流電気車の制御装置を得ることを目的とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】この発明の請求項１に係る交流電気車の制御装置は、交流架線から主変圧器を介して入力される第１の交流電圧を第１の直流電圧に変換するコンバータと、第１の直流電圧を平滑して第２の直流電圧を生成する平滑コンデンサと、第２の直流電圧から所定周波数の第２の交流電圧を生成して電動機に供給するインバータと、コンバータおよびインバータを制御する制御回路と、コンバータおよびインバータの少なくとも一方の故障を検出して故障検出信号を出力する故障検出回路とを備え、制御回路は、故障検出信号が生成された場合に、コンバータおよびインバータのいずれに故障が発生したかを判別する故障判別手段を含み、故障判別手段の判別結果に応答して、コンバータおよびインバータのうちの故障発生した一方のみの動作を停止させるものである。
【００２４】また、この発明の請求項２に係る交流電気車の制御装置は、請求項１において、故障検出回路は、コンバータおよびインバータに個別に対応した複数の回路により構成され、制御回路内の故障判別手段は、複数の故障検出回路からの個別の故障検出信号に応答して、コンバータおよびインバータのいずれかの故障発生を判別するものである。
【００２５】また、この発明の請求項３に係る交流電気車の制御装置は、請求項１において、コンバータは、自己消弧型素子と、自己消弧型素子に逆並列接続されたダイオードとにより組合せられた複数の素子対を含み、制御回路は、コンバータの故障が判別された場合には、コンバータ内の自己消弧型素子のパルス幅変調動作を停止させて、コンバータをダイオード整流器として機能させるものである。
【００２６】また、この発明の請求項４に係る交流電気車の制御装置は、請求項１において、コンバータおよびインバータ、制御回路および故障検出回路は、１編成列車を構成する交流電気車に並列に搭載された複数系統からなり、制御回路は、複数系統内の少なくとも１台のインバータの故障が判別された場合には、故障が判別されたインバータを停止させるとともに、故障が判別されたインバータに接続されたコンバータを所定のパルス幅変調動作させ、複数系統から個別に発生する高調波を互いに相殺することにより、交流架線側の高調波発生量を健全運転時と同等に維持するものである。
【００２７】
【発明の実施の形態】実施の形態１．以下、この発明の実施の形態１を図について詳細に説明する。図１はこの発明の実施の形態１を示すブロック構成図であり、図１において、前述（図５参照）と同様のものについては同一符号を付して、それぞれ詳述を省略する。また、制御回路１１Ａは、前述の制御回路１１に対応している。
【００２８】この場合、コンバータ４およびインバータ６に対応してそれぞれ分離された故障検出回路２１および２２が設けられている。
【００２９】コンバータ４に接続された故障検出回路２１は、故障検出器８からの検出信号Ｄ１に基づいてコンバータ４のみの故障を検出し、コンバータ４の故障発生時に故障検出信号Ｅ１を出力する。
【００３０】インバータ６に接続された故障検出回路２２は、故障検出器９からの検出信号Ｄ２に基づいてインバータ６のみの故障を検出し、インバータ６の故障発生時に故障検出信号Ｅ２を出力する。
【００３１】制御回路１１Ａは、故障検出回路２１および２２により故障が検出された場合に、故障検出信号Ｅ１およびＥ２に応答して、コンバータ４およびインバータ６のいずれに故障が発生したかを判別する故障判別手段を含んでいる。
【００３２】制御回路１１Ａは、故障検出信号Ｅ１、Ｅ２に基づく故障判別手段の判別結果に応答して動作指令信号Ｃ１、Ｃ２をオフに切り換え、故障した一方の回路のみの動作を停止させる。
【００３３】すなわち、制御回路１１Ａは、コンバータ４に関する故障検出信号Ｅ１とインバータ６に関する故障検出信号Ｅ２とが別々に入力されるので、各故障検出信号Ｅ１またはＥ２に応じて、非故障のコンバータ４またはインバータ６のみが動作できるように、動作指令信号Ｃ１またはＣ２を分離して出力する。
【００３４】たとえば、制御回路１１Ａは、コンバータ４の故障を示す故障検出信号Ｅ１が入力された場合には、インバータ６に対する動作指令信号Ｃ２のみを出力し、インバータ６の故障を示す故障検出信号Ｅ２が入力された場合には、コンバータ４に対する動作指令信号Ｃ１のみを出力する。
【００３５】図２は図１内のコンバータ４の基本的な構成例を示す回路図である。一般に、パルス幅変調動作を行うコンバータ４は、図２のように、半導体スイッチング素子を有する整流ブリッジ回路により構成されている。
【００３６】すなわち、コンバータ４内の整流ブリッジ回路は、ＧＴＯやＩＧＢＴなどからなる自己消弧型素子４Ｇと、自己消弧型素子４Ｇに逆並列接続されたダイオード４Ｄとにより組合せられた複数の半導体素子対を含んでいる。
【００３７】次に、図２の回路図を参照しながら、図１に示したこの発明の実施の形態１によるコンバータ４の故障時の具体的な動作について説明する。まず、健全時におけるコンバータ４は、制御回路１１Ａからの動作指令信号Ｃ１に応答して、自己消弧型素子４Ｇをスイッチング制御して昇圧動作を行うことにより、直流電圧Ｖｄ１を一定値に制御する。
【００３８】一方、コンバータ４の故障検出時においては、制御回路１１Ａは、動作指令信号Ｃ１をオフして、コンバータ４の制御動作を停止させる。このとき、コンバータ４は、昇圧動作は停止するものの、ダイオード４Ｄを介した整流動作は可能なので、ダイオード整流器として機能する。
【００３９】したがって、コンバータ４は、平滑コンデンサ５を介して、インバータ６に直流電圧Ｖｄ２を供給することができる。これにより、コンバータ４の故障時においては、直流電圧Ｖｄ１が所定の目標値よりも低下する分だけ性能は低下するものの、インバータ６の制御動作を継続させることができるので、電気車として運行することができる。
【００４０】このように、コンバータ４またはインバータ６の故障を判別して、故障回路部のみの動作を停止させて健全な回路部の制御動作を継続することにより、最小限の運転機能を維持して制御機能の低下を抑制することができる。
【００４１】次に、図３および図４の波形図を参照しながら、図１の制御装置を複数系統有する場合における１台のインバータ６の故障時の動作について説明する。図３および図４はコンバータ４のパルス幅変調動作時の入力電流波形を示し、１編成列車中にコンバータ４およびインバータ６を含む制御装置が２系統設けられた場合の各電流波形を示している。
【００４２】図３は２系統の各コンバータ４およびインバータ６がともに健全な場合の電流波形、図４は２系統のうちの１番目（Ｎｏ．１）の制御回路内のインバータ６が故障停止した場合の電流波形である。
【００４３】各図において、２系統のうちの１番目のコンバータ４の入力電流ｉａ１１と、２系統のうちの２番目のコンバータ４の入力電流ｉａ１２と、列車全体の交流架線１からの入力電流ｉａ１との各時間変化が対比的に示されている。
【００４４】図３のように、コンバータ４およびインバータ６が健全な場合、１編成列車内のコンバータ４は、高調波を相殺するように位相差をもって変調動作している。すなわち、破線で示すように、２系統のうちの１番目のコンバータ４の入力電流ｉａ１１と２番目のコンバータ４の入力電流ｉａ１２とは、高調波の波長λの１／２の位相差を有し、高調波が互いに相殺されるようになっている。
【００４５】したがって、交流架線１上の交流電圧に高調波の影響を与えることはなく、図３のように、交流架線１からの入力電流ｉａ１は、高調波をほとんど含まない波形を示す。
【００４６】一方、２系統内の１番目のインバータ６が故障停止しても、故障系統内の１番目のコンバータ４は所定のパルス幅変調動作を継続する。すなわち、図４のように、１番目のコンバータ４の入力電流ｉａ１１は、インバータ６の負荷のない無負荷状態で、２番目のコンバータ４の入力電流ｉａ１２に対して、図３の場合と同一の位相差（破線参照）を維持しながら、変調動作を継続的に実行する。
【００４７】このとき、１番目のコンバータ４から発生する高調波電流は、負荷の大きさにほとんど影響されず、コンバータ４の変調動作周波数にのみに影響される。したがって、１番目のインバータ６の故障時に１番目の系統のコンバータ４のみの動作を継続させることにより、交流架線１上の入力電流ｉａ１（図４参照）は、健全運転時（図３参照）と同様の波形を維持する。
【００４８】このように、複数系統を並列運転する場合に１つのインバータ６が故障停止しても、コンバータ４のパルス幅変調動作を継続することにより、交流架線１側の高調波発生量を故障発生前の健全運転時と同等に維持することができ、交流架線１上への高調波重畳による悪影響を防止することができる。
【００４９】このように、コンバータ４またはインバータ６の故障を判別して、故障部のみの制御を停止して他方の動作を継続することにより、大幅な性能低下や大幅な高調波増加を防止することができ、高性能な制御を維持することができる。
【００５０】
【発明の効果】以上のようにこの発明の請求項１によれば、交流架線から主変圧器を介して入力される第１の交流電圧を第１の直流電圧に変換するコンバータと、第１の直流電圧を平滑して第２の直流電圧を生成する平滑コンデンサと、第２の直流電圧から所定周波数の第２の交流電圧を生成して電動機に供給するインバータと、コンバータおよびインバータを制御する制御回路と、コンバータおよびインバータの少なくとも一方の故障を検出して故障検出信号を出力する故障検出回路とを備え、制御回路は、故障検出信号が生成された場合に、コンバータおよびインバータのいずれに故障が発生したかを判別する故障判別手段を含み、故障判別手段の判別結果に応答して、コンバータおよびインバータのうちの故障発生した一方のみの動作を停止させるので、性能の低下を防止することのできる交流電気車の制御装置が得られる効果がある。
【００５１】また、この発明の請求項２によれば、請求項１において、故障検出回路は、コンバータおよびインバータに個別に対応した複数の回路により構成され、制御回路内の故障判別手段は、複数の故障検出回路からの個別の故障検出信号に応答して、コンバータおよびインバータのいずれかの故障発生を判別するので、性能の低下を防止することのできる交流電気車の制御装置が得られる効果がある。
【００５２】また、この発明の請求項３によれば、請求項１において、コンバータは、自己消弧型素子と、自己消弧型素子に逆並列接続されたダイオードとにより組合せられた複数の素子対を含み、制御回路は、コンバータの故障が判別された場合には、コンバータ内の自己消弧型素子のパルス幅変調動作を停止させて、コンバータをダイオード整流器として機能させるので、コンバータの故障発生時にコンバータのみを停止させてインバータを運転することができ、性能の低下を防止することのできる交流電気車の制御装置が得られる効果がある。
【００５３】また、この発明の請求項４によれば、請求項１において、コンバータおよびインバータ、制御回路および故障検出回路は、１編成列車を構成する交流電気車に並列に搭載された複数系統からなり、制御回路は、複数系統内の少なくとも１台のインバータの故障が判別された場合には、故障が判別されたインバータを停止させるとともに、故障が判別されたインバータに接続されたコンバータを所定のパルス幅変調動作させ、複数系統から個別に発生する高調波を互いに相殺することにより、交流架線側の高調波発生量を健全運転時と同等に維持するので、１台の制御装置内のインバータが故障停止しても、その故障制御装置内のコンバータを運転して高調波の相殺機能を保持することができ、高調波の増加を抑制することのできる交流電気車の制御装置が得られる効果がある。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００６０１３
【氏名又は名称】三菱電機株式会社
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| 【出願日】 |
平成１１年６月３０日（１９９９．６．３０） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００５７８７４
【弁理士】
【氏名又は名称】曾我 道照 （外６名）
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| 【公開番号】 |
特開２００１−１６７０１（Ｐ２００１−１６７０１Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年１月１９日（２００１．１．１９） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−１８５０３３ |
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