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JP7502016B2 - POWER CONVERSION DEVICE AND CURRENT CONTROL METHOD THEREFOR - Google Patents
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Description

本発明は、電力変換装置および電力変換装置における電流制御方法に関する。 The present invention relates to a power conversion device and a current control method in a power conversion device.

鉄道車両駆動用の電機品である電力変換装置やフィルタリアクトルは、車両の床下に搭載されている。近年では、車両のメンテナンス性を向上するために、レールや架線の劣化および故障を把握するためのモニタリング装置の搭載が検討されている。車両の床下スペースは有限であることから、これらのモニタリング装置を車両に搭載するためには、駆動電機品を小型化する必要がある。 Power conversion devices and filter reactors, which are electrical equipment used to drive railway vehicles, are installed under the floor of the vehicle. In recent years, in order to improve the maintainability of vehicles, the installation of monitoring devices to detect deterioration and failures in rails and overhead lines has been considered. Since the space under the floor of a vehicle is limited, in order to install these monitoring devices on the vehicle, it is necessary to miniaturize the drive electrical equipment.

電力変換装置では、電圧駆動型のパワー半導体であるIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)やMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)が適用されている。IGBTやMOSFETをはじめとするパワー半導体は、高速なスイッチング動作によりスイッチング損失を低減できることから、電力変換装置の冷却器を小型化することができる。 Power conversion devices use voltage-driven power semiconductors such as IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) and MOSFETs (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors). Power semiconductors such as IGBTs and MOSFETs can reduce switching losses through high-speed switching operations, allowing the coolers used in power conversion devices to be made smaller.

電力変換装置は、フィルタリアクトルを有する。フィルタリアクトルの小型化にはそのインダクタンス値を低減することが有効であるものの、電力変換装置の故障やフィルタリアクトルが地絡時に生じる事故電流の傾きは、フィルタリアクトルのインダクタンス値の低減により増加する。このため、変電所をトリップさせないよう事故電流を高速に減流する必要がある。 The power conversion device has a filter reactor. Although reducing the inductance value is an effective way to make the filter reactor smaller, the slope of the fault current that occurs when the power conversion device fails or the filter reactor has a ground fault increases as the inductance value of the filter reactor decreases. For this reason, it is necessary to reduce the fault current quickly to prevent the substation from tripping.

また、直流架線の鉄道車両では、直流架線の電圧が急激に変動することがある。この架線電圧急変が原因となり、フィルタリアクトルと電力変換装置に搭載されたフィルタキャパシタにより共振電流が生じる。フィルタリアクトルを小型化し、フィルタリアクトルのインダクタンス値を低減すると、この共振電流のピーク値が増加し、変電所の許容電流を超過する恐れがある。そこで、直流架線と電力変換装置の間に半導体素子と抵抗器で構成された装置を搭載することで、上記の事故電流と共振電流を抑制する技術が開発されている。 In addition, in railway vehicles that use DC overhead lines, the voltage of the DC overhead line can fluctuate suddenly. This sudden change in the overhead line voltage causes a resonant current to occur in the filter reactor and the filter capacitor installed in the power conversion device. If the filter reactor is made smaller and its inductance value is reduced, the peak value of this resonant current will increase, and there is a risk that it will exceed the allowable current of the substation. Therefore, technology has been developed to suppress the above-mentioned fault current and resonant current by installing a device consisting of a semiconductor element and a resistor between the DC overhead line and the power conversion device.

例えば特許文献1には、「限流抵抗と並列にトランジスタを接続する。電流センサーからの電流検出信号が設定値を越えるとトランジスタをOFFして入力電流を限流し、電流が設定値未満となるとトランジスタをONさせ限流抵抗を短絡する制御回路を設ける。さらに、遮断条件が成立したときトランジスタをオフしかかる後直流遮断器を解放させる遮断順次回路を設ける」ことが開示されている(特許文献1の要約書参照)。 For example, Patent Document 1 discloses that "a transistor is connected in parallel with a current-limiting resistor. When the current detection signal from the current sensor exceeds a set value, the transistor is turned OFF to limit the input current, and when the current falls below the set value, a control circuit is provided which turns the transistor ON to short-circuit the current-limiting resistor. Furthermore, a sequential cutoff circuit is provided which turns the transistor OFF when the cutoff condition is met and then releases the DC circuit breaker" (see the abstract of Patent Document 1).

特開平6-70457号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-70457

しかしながら、特許文献1では、半導体減流装置よりも架線側にフィルタリアクトルが接続されており、電流センサーがフィルタリアクトルより負荷側に接続されているため、フィルタリアクトルの地絡による事故電流は検出できず、当該事故電流を減流することができない。 However, in Patent Document 1, the filter reactor is connected closer to the overhead line than the semiconductor current reduction device, and the current sensor is connected closer to the load than the filter reactor, so a fault current caused by a ground fault in the filter reactor cannot be detected and the fault current cannot be reduced.

本発明は以上の点を考慮してなされたもので、鉄道車両において、フィルタリアクトルの地絡による事故電流および架線電圧急変時の共振電流をともに抑制することを目的とする。 The present invention was made in consideration of the above points, and aims to suppress both fault currents caused by ground faults in filter reactors and resonant currents caused by sudden changes in overhead line voltage in railway vehicles.

かかる課題を解決するため本発明においては、電力変換装置は、架線から供給された直流電力を交流電力に変換するインバータと、前記インバータの前記架線側に接続されたリアクトルとを有する。また、電力変換装置は、前記リアクトルの前記架線側に接続された半導体素子と、前記半導体素子に並列に接続された抵抗器と、前記半導体素子の前記架線側に接続され、前記直流電力を遮断する遮断器と、前記架線の架線電圧を検出する電圧検出手段と、前記架線を流れる架線電流を検出する電流検出手段とを有する。また、電力変換装置は、前記電圧検出手段により検出された前記架線電圧、または、前記電流検出手段により検出された前記架線電流に基づいて、前記半導体素子をスイッチング制御してチョッピング動作させる第一の制御と、前記半導体素子をオフ制御した後に前記遮断器を解放させて前記直流電力を遮断する第二の制御とを行う制御部を有する。 In order to solve such problems, in the present invention, a power conversion device includes an inverter that converts DC power supplied from an overhead line into AC power, and a reactor connected to the overhead line side of the inverter. The power conversion device also includes a semiconductor element connected to the overhead line side of the reactor, a resistor connected in parallel to the semiconductor element, a circuit breaker connected to the overhead line side of the semiconductor element and cutting off the DC power, a voltage detection means for detecting the overhead line voltage of the overhead line, and a current detection means for detecting the overhead line current flowing through the overhead line. The power conversion device also includes a control unit that performs a first control for switching-controlling the semiconductor element to perform a chopping operation based on the overhead line voltage detected by the voltage detection means or the overhead line current detected by the current detection means, and a second control for opening the circuit breaker to cut off the DC power after controlling the semiconductor element to be off.

本発明によれば、鉄道車両において、フィルタリアクトルの地絡による事故電流および架線電圧急変時の共振電流をともに抑制できる。 The present invention makes it possible to suppress both fault currents caused by ground faults in filter reactors and resonant currents caused by sudden changes in overhead line voltage in railway vehicles.

実施例1における電気車の概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram of an electric vehicle in a first embodiment. 実施例1における駆動装置の回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram of a drive device according to the first embodiment. 実施例1における事故電流抑制時の駆動装置の動作波形である。4 shows operational waveforms of the drive device when a fault current is suppressed in the first embodiment. 実施例1における共振電流抑制時の駆動装置の動作波形である。4 shows operational waveforms of the driving device when suppressing resonance current in the first embodiment. 実施例1における架線電圧を用いた場合の駆動装置の処理例を示すフローチャートである。5 is a flowchart showing an example of processing performed by the driving device when an overhead line voltage is used in the first embodiment. 実施例1における架線電流を用いた場合の駆動装置の処理例を示すフローチャートである。5 is a flowchart showing an example of processing of the driving device when an overhead line current is used in the first embodiment. 実施例2における駆動装置の回路図である。FIG. 11 is a circuit diagram of a drive device according to a second embodiment. 実施例3における駆動装置の回路図である。FIG. 11 is a circuit diagram of a drive device according to a third embodiment. 実施例4における駆動装置の回路図である。FIG. 13 is a circuit diagram of a drive device according to a fourth embodiment. 実施例4における架線電圧を用いた場合の駆動装置の処理例を示すフローチャートである。13 is a flowchart showing an example of processing performed by a driving device when an overhead line voltage is used in a fourth embodiment. 実施例4における架線電流を用いた場合の駆動装置の処理例を示すフローチャートである。13 is a flowchart showing an example of processing performed by a driving device when an overhead line current is used in a fourth embodiment. 実施例5における駆動装置の回路図である。FIG. 13 is a circuit diagram of a drive device according to a fifth embodiment. 実施例6における駆動装置の回路図である。FIG. 13 is a circuit diagram of a drive device according to a sixth embodiment. 実施例6におけるフィルタリアクトルの二次巻線の電圧を用いた場合の駆動装置の処理例を示すフローチャートである。23 is a flowchart showing an example of processing performed by the driving device when a voltage of a secondary winding of a filter reactor is used in the sixth embodiment. 実施例7における鉄道車両(電気車)の駆動装置の構成の一例を示す図である。FIG. 23 is a diagram illustrating an example of the configuration of a drive device for a railway vehicle (electric vehicle) in a seventh embodiment. 実施例7における駆動装置を構成する各機器の制御(駆動装置のインバータ動作中の主回路入力電流(架線電流Is)の急変発生時)を表すタイミングチャートの一例を示す図である。FIG. 23 is a diagram showing an example of a timing chart showing the control of each device constituting the drive device in Example 7 (when a sudden change occurs in the main circuit input current (overhead wire current Is) during inverter operation of the drive device). 実施例8における駆動装置を構成する各機器の制御(駆動装置のインバータ動作中の主回路入力電流(架線電流Is)の急変発生時)を表すタイミングチャートの一例を示す図である。FIG. 23 is a diagram showing an example of a timing chart showing the control of each device constituting the drive device in Example 8 (when a sudden change occurs in the main circuit input current (overhead wire current Is) during inverter operation of the drive device). 実施例9における鉄道車両(電気車)の駆動装置の構成の一例を示す図である。FIG. 13 is a diagram illustrating an example of the configuration of a drive device for a railway vehicle (electric vehicle) in a ninth embodiment.

以下図面に基づき、本発明の実施例を詳述する。以下の実施例を説明するための各図において、同一の参照番号で同一あるいは類似の機能を有する要素または処理を示し、後出の説明が省略される。また、実施例および変形例のそれぞれは、本発明の技術思想の範囲内および整合する範囲内でその一部または全部を組合せることができる。 The following describes in detail the embodiments of the present invention with reference to the drawings. In each of the drawings for explaining the following embodiments, the same reference numbers indicate elements or processes having the same or similar functions, and subsequent explanations are omitted. Furthermore, each of the embodiments and modified examples can be combined in whole or in part within the scope and consistency of the technical concept of the present invention.

<電気車および駆動装置の構成>
図1は、実施例1に示す電気車の概略図である。図2は、実施例1における駆動装置の回路図である。
<Configuration of electric vehicle and drive unit>
Fig. 1 is a schematic diagram of an electric vehicle shown in embodiment 1. Fig. 2 is a circuit diagram of a drive device in embodiment 1.

図1において、電気車100を加速するための力行動作では、電力源の架線1から集電装置7を介して車両8に電力が供給される。図2に示すように、架線1から供給された直流電力は、遮断器11と半導体減流装置10とフィルタリアクトル9と電力変換装置6を介して直流電力から交流電力に変換される。電動機5は、変換された交流電力により駆動される。電動機5の駆動により、車輪3が回転し車両8が前進する。電動機5は、誘導電動機または永久磁石同期電動機のどちらでもよい。 In FIG. 1, in power running operation for accelerating the electric vehicle 100, power is supplied from the overhead line 1, which is a power source, to the vehicle 8 via the current collector 7. As shown in FIG. 2, the DC power supplied from the overhead line 1 is converted from DC power to AC power via the circuit breaker 11, the semiconductor current reducer 10, the filter reactor 9, and the power converter 6. The electric motor 5 is driven by the converted AC power. The driving of the electric motor 5 rotates the wheels 3 and moves the vehicle 8 forward. The electric motor 5 may be either an induction motor or a permanent magnet synchronous motor.

電気車100を減速するための回生動作では、電力の流れが力行動作の逆になる。すなわち、発電機として動作する電動機5が発電した交流電力は、電力変換装置6により直流電力に変換されたのちに、フィルタリアクトル9と半導体減流装置10と遮断器11と集電装置7を介して架線1に回生される。 In the regenerative operation for decelerating the electric vehicle 100, the flow of power is the opposite of that in the power running operation. That is, the AC power generated by the electric motor 5 operating as a generator is converted to DC power by the power conversion device 6, and then regenerated to the overhead line 1 via the filter reactor 9, the semiconductor current reduction device 10, the circuit breaker 11, and the current collector 7.

電力変換装置6の負電圧側は、電気的なグラウンドとして、車輪3を介してレール2に接続されている。電動機5は台車4に搭載されており、台車4は車両8を支えている。以下では架線1の電圧は一例として直流1500Vとして説明する。 The negative voltage side of the power conversion device 6 is connected to the rail 2 via the wheels 3 as an electrical ground. The electric motor 5 is mounted on a bogie 4, which supports a vehicle 8. In the following, the voltage of the overhead line 1 will be described as 1500 V DC as an example.

図2に示す駆動装置1Sは、電力変換装置6と、フィルタリアクトル9と、半導体減流装置10と、遮断器11と、電流検出手段12と、電圧検出手段13と、制御論理部15とを有する。電動機5を駆動する電力変換装置6は、キャパシタ105およびスイッチング素子Q1~Q6を有する。スイッチング素子Q1、Q2は直列接続されてU相を構成し、スイッチング素子Q3、Q4は直列接続されてV相を構成し、スイッチング素子Q5、Q6は直列接続されてW相を構成する。 The drive device 1S shown in FIG. 2 has a power conversion device 6, a filter reactor 9, a semiconductor current reduction device 10, a circuit breaker 11, a current detection means 12, a voltage detection means 13, and a control logic unit 15. The power conversion device 6 that drives the electric motor 5 has a capacitor 105 and switching elements Q1 to Q6. The switching elements Q1 and Q2 are connected in series to form the U phase, the switching elements Q3 and Q4 are connected in series to form the V phase, and the switching elements Q5 and Q6 are connected in series to form the W phase.

電力変換装置6は、例えばインバータである。電力変換装置6のスイッチング素子Q1~Q6には、ダイオードD1~D6がそれぞれ逆並列接続される。ここで、スイッチング素子Q1~Q6がIGBTの場合には、ダイオードD1~D6を接続する必要がある。スイッチング素子Q1~Q6がMOSFETなどボディダイオードを有する素子である場合には、ダイオードD1~D6を接続せずにMOSFETのボディダイオードを利用することができる。また、直列接続されたスイッチング素子もしくはダイオードが同一のパッケージに搭載された2in1素子を用いてもよい。 The power conversion device 6 is, for example, an inverter. Diodes D1 to D6 are connected in inverse parallel to the switching elements Q1 to Q6 of the power conversion device 6, respectively. Here, if the switching elements Q1 to Q6 are IGBTs, it is necessary to connect the diodes D1 to D6. If the switching elements Q1 to Q6 are elements having body diodes, such as MOSFETs, it is possible to use the body diodes of the MOSFETs without connecting the diodes D1 to D6. Also, a 2-in-1 element in which series-connected switching elements or diodes are mounted in the same package may be used.

なお、本実施例では例えばインバータ自体を電力変換装置6と呼ぶが、電力変換装置6とフィルタリアクトル9と半導体減流装置10と遮断器11と電流検出手段12と電圧検出手段13と制御論理部15とを含んだ駆動装置1Sも、電力変換装置と言い得る。 In this embodiment, for example, the inverter itself is called the power conversion device 6, but the drive device 1S including the power conversion device 6, the filter reactor 9, the semiconductor current reduction device 10, the circuit breaker 11, the current detection means 12, the voltage detection means 13, and the control logic unit 15 can also be called a power conversion device.

スイッチング素子Q1~Q6は、MOSFETやIGBTなどの電圧制御型スイッチング素子や、サイリスタなどの電流制御型スイッチング素子でよい。ダイオードD1~D6は、PNダイオードやSBD(Schottky Barrier Diode)などでよい。スイッチング素子Q1~Q10およびダイオードD1~D10の半導体は、Si(シリコン)やSiよりもバンドギャップが広い半導体であるSiC(炭化ケイ素)やGaN(窒化ガリウム)でもよい。 The switching elements Q1 to Q6 may be voltage-controlled switching elements such as MOSFETs or IGBTs, or current-controlled switching elements such as thyristors. The diodes D1 to D6 may be PN diodes or SBDs (Schottky Barrier Diodes). The semiconductors of the switching elements Q1 to Q10 and the diodes D1 to D10 may be Si (silicon) or SiC (silicon carbide) or GaN (gallium nitride), which are semiconductors with a wider band gap than Si.

電力変換装置6は、U相、V相、W相のスイッチング素子Q1~Q6が、例えばPWM(Pulse Width Modulation)制御されることにより、入力された直流電力を変換した交流電力を出力することで、電動機5に交流電力を供給する。PWM制御の指令は、論理部(図示せず)で生成される。ここで、フィルタリアクトル9とキャパシタ105は、フィルタ回路としての機能を有しており、架線1へ流れ出るノイズ電流を低減している。 The power conversion device 6 supplies AC power to the motor 5 by outputting AC power obtained by converting the input DC power through, for example, PWM (Pulse Width Modulation) control of the U-, V-, and W-phase switching elements Q1 to Q6. PWM control commands are generated by a logic unit (not shown). Here, the filter reactor 9 and capacitor 105 function as a filter circuit, reducing the noise current flowing out to the overhead line 1.

架線1の直流電圧は電圧センサー等の電圧検出手段13を用いて検出される。また、架線1から電力変換装置6へ流れる電流は電流センサー等の電流検出手段12を用いて検出される。制御論理部15は、電圧検出手段13で検出された架線電圧の値、および/または、電流検出手段12で検出された架線電流の値を用いた演算処理結果に基づいて、半導体減流装置10および遮断器11に制御信号を出力する。なお、制御論理部15は、電力変換装置6の論理部(図示せず)と共通でもよい。 The DC voltage of the overhead line 1 is detected using a voltage detection means 13 such as a voltage sensor. The current flowing from the overhead line 1 to the power conversion device 6 is detected using a current detection means 12 such as a current sensor. The control logic unit 15 outputs a control signal to the semiconductor current reducer 10 and the circuit breaker 11 based on the results of calculation processing using the overhead line voltage value detected by the voltage detection means 13 and/or the overhead line current value detected by the current detection means 12. The control logic unit 15 may be common to the logic unit (not shown) of the power conversion device 6.

本実施例の駆動装置1Sでは、遮断器11とフィルタリアクトル9の間に半導体減流装置10が接続されている。半導体減流装置10は、スイッチング素子Q7と、ダイオードD7と、抵抗器101とで構成されている。スイッチング素子Q7には冷却器(図示せず)が接続されており、冷却器によりスイッチング素子Q7の発熱が冷却される。 In the drive unit 1S of this embodiment, a semiconductor current reducer 10 is connected between the circuit breaker 11 and the filter reactor 9. The semiconductor current reducer 10 is composed of a switching element Q7, a diode D7, and a resistor 101. A cooler (not shown) is connected to the switching element Q7, and the heat generated by the switching element Q7 is cooled by the cooler.

電力変換装置6の動作を説明する。電力変換装置6を駆動するためにはキャパシタ105を初期充電する必要がある。キャパシタ105の初期充電時には、スイッチング素子Q7をオフ状態とし、遮断器11を閉路とする。キャパシタ105の充電電流は、架線1から遮断器11と抵抗器101とフィルタリアクトル9を介して流れる。この充電電流によりキャパシタ105は充電され、キャパシタ105の電圧は架線1の電圧まで上昇する。 The operation of the power conversion device 6 will now be described. To drive the power conversion device 6, it is necessary to initially charge the capacitor 105. When initially charging the capacitor 105, the switching element Q7 is turned off and the circuit breaker 11 is closed. The charging current for the capacitor 105 flows from the overhead line 1 through the circuit breaker 11, resistor 101, and filter reactor 9. The capacitor 105 is charged by this charging current, and the voltage of the capacitor 105 rises to the voltage of the overhead line 1.

キャパシタ105が充電されると、半導体減流装置10のスイッチング素子Q7はオン状態になる。電力変換装置6が動作を開始すると架線1から遮断器11とスイッチング素子Q7とフィルタリアクトル9を介して電力変換装置6に直流電力が供給される。 When the capacitor 105 is charged, the switching element Q7 of the semiconductor current reducer 10 is turned on. When the power converter 6 starts operating, DC power is supplied to the power converter 6 from the overhead line 1 via the circuit breaker 11, the switching element Q7, and the filter reactor 9.

<実施例1の事故電流の抑制方法>
ここで、フィルタリアクトル9は車両8の床下の搭載されているため雨風等で絶縁性能が低下し、地絡することがある。例えば、フィルタリアクトル9と電力変換装置6の間で地絡が起きた場合、架線1から事故電流が流入する。同様に、電力変換装置6のU相、V相、W相のいずれかの相が短絡状態になると事故電流が流れる。この事故電流は架線1に直流電力を供給している変電所から流れるため、事故電流が変電所の許容電流を超過すると架線1への電力の供給が停止される。すなわち、事故電流は速やかに減流し遮断する必要がある。
<Method of Suppressing Fault Current in the First Embodiment>
Here, since the filter reactor 9 is mounted under the floor of the vehicle 8, its insulation performance may deteriorate due to rain and wind, etc., causing a ground fault. For example, if a ground fault occurs between the filter reactor 9 and the power conversion device 6, a fault current flows from the overhead line 1. Similarly, if any of the U-phase, V-phase, or W-phase of the power conversion device 6 is short-circuited, a fault current flows. Since this fault current flows from the substation that supplies DC power to the overhead line 1, if the fault current exceeds the allowable current of the substation, the supply of power to the overhead line 1 is stopped. In other words, the fault current needs to be reduced and cut off quickly.

図3の動作波形を用いて、本実施例の電力変換装置における事故電流の抑制方法を説明する。図3は、実施例1における事故電流抑制時の駆動装置の動作波形である。時刻t=t11において、フィルタリアクトル9の地絡または電力変換装置6の故障等により、図3の直線301で示すように架線電圧Esが低下し始めると共に、直線302で示すように事故電流が流れ始める。この事故は電流検出手段12もしくは電圧検出手段13を用いて検出する。時刻t=t11(あるいは時刻t=t11と時刻=t12の間)で事故が検出されると、時刻t=t12において半導体減流装置10のスイッチング素子Q7がオフ状態にされる。 The method of suppressing the fault current in the power conversion device of this embodiment will be described using the operating waveforms in Figure 3. Figure 3 shows the operating waveforms of the drive device when suppressing the fault current in Example 1. At time t = t11, due to a ground fault in the filter reactor 9 or a failure in the power conversion device 6, the overhead line voltage Es begins to drop as shown by the straight line 301 in Figure 3, and the fault current begins to flow as shown by the straight line 302. This fault is detected using the current detection means 12 or the voltage detection means 13. If a fault is detected at time t = t11 (or between time t = t11 and time = t12), the switching element Q7 of the semiconductor current reduction device 10 is turned off at time t = t12.

スイッチング素子Q7がオフ状態になると架線1と抵抗器101が接続されるため、架線から流入する事故電流は架線1の電圧と抵抗器101の抵抗値の除算で定まる電流に抑制される。例えば、架線1の直流電圧が1500V、抵抗器101の抵抗値が10Ωの場合、150Aとなる。その後、時刻t=t13において遮断器11が解放され、事故電流が0Aまで遮断される。また、半導体減流装置10はフィルタリアクトル9よりも架線1側に接続されているため、電力変換装置6の故障のみならずフィルタリアクトル9の地絡による事故電流も抑制することができる。 When switching element Q7 is turned off, the overhead line 1 and resistor 101 are connected, so the fault current flowing in from the overhead line is suppressed to a current determined by dividing the voltage of the overhead line 1 by the resistance value of resistor 101. For example, if the DC voltage of the overhead line 1 is 1500 V and the resistance value of resistor 101 is 10 Ω, the current becomes 150 A. After that, at time t = t13, the circuit breaker 11 is opened and the fault current is cut off to 0 A. In addition, since the semiconductor current reducer 10 is connected closer to the overhead line 1 than the filter reactor 9, it is possible to suppress not only the fault current due to a failure of the power conversion device 6 but also the fault current due to a ground fault of the filter reactor 9.

<実施例1の共振電流の抑制方法>
一方、架線1の直流電圧は急激に変動することがある。例えば、架線1の直流電圧が1500Vから1800Vに急激に上昇すると、フィルタリアクトル9とキャパシタ105でのLC共振回路が形成され、架線1から共振電流が流れる。フィルタリアクトル9のインダクタンス値を低減すると共振電流の正のピーク値が増加するため、速やかに抑制する必要がある。この架線電圧急変は事故ではないため、電力変換装置6の動作は継続する必要がある。
Method for suppressing resonant current according to the first embodiment
On the other hand, the DC voltage of the overhead line 1 may fluctuate suddenly. For example, if the DC voltage of the overhead line 1 rises suddenly from 1500 V to 1800 V, an LC resonant circuit is formed by the filter reactor 9 and the capacitor 105, and a resonant current flows from the overhead line 1. Since reducing the inductance value of the filter reactor 9 increases the positive peak value of the resonant current, it is necessary to suppress it quickly. Since this sudden change in the overhead line voltage is not an accident, it is necessary to continue the operation of the power conversion device 6.

図4の動作波形を用いて、本実施例の電力変換装置における共振電流の抑制方法を説明する。図4は、実施例1における共振電流抑制時の駆動装置の動作波形である。時刻t=t21において、架線電圧急変が発生し、図4の破線401で示すような共振電流が流れ始める。この共振電流は電流検出手段12もしくは電圧検出手段13を用いて検出する。架線電圧急変が検出されると時刻t=t22において半導体減流装置10のスイッチング素子Q7がチョッピング動作を開始し、時刻t=t23までチョッピング動作を継続する。 The method of suppressing the resonant current in the power conversion device of this embodiment will be described using the operating waveforms in Figure 4. Figure 4 shows the operating waveforms of the drive device when suppressing the resonant current in Example 1. At time t = t21, a sudden change in the overhead line voltage occurs, and a resonant current as shown by the dashed line 401 in Figure 4 begins to flow. This resonant current is detected using the current detection means 12 or the voltage detection means 13. When the sudden change in the overhead line voltage is detected, the switching element Q7 of the semiconductor current reduction device 10 starts a chopping operation at time t = t22, and continues the chopping operation until time t = t23.

チョッピング動作とはスイッチング素子Q7のオン状態およびオフ状態を小刻みに繰り返すことである。スイッチング素子Q7がオン状態の場合、架線1の直流電圧とキャパシタ105の電圧の電位差により架線1からキャパシタ105に向かって電流が流れる。スイッチング素子Q7がオフ状態の場合、架線1とキャパシタ105の間に抵抗器101が接続されるため、架線1からキャパシタ105に流れる電流が減流される。このようにチョッピング動作することで、半導体減流装置10は等価的に抵抗として機能し、図4の実線402で示すように、共振電流の正のピーク値を低減し、共振電流を速やかに抑制することができる。 Chopping operation refers to the repeated on and off states of switching element Q7. When switching element Q7 is on, a current flows from overhead line 1 to capacitor 105 due to the potential difference between the DC voltage of overhead line 1 and the voltage of capacitor 105. When switching element Q7 is off, resistor 101 is connected between overhead line 1 and capacitor 105, so the current flowing from overhead line 1 to capacitor 105 is reduced. By performing chopping operation in this way, semiconductor current reduction device 10 functions equivalently as a resistor, and as shown by solid line 402 in Figure 4, the positive peak value of the resonant current can be reduced and the resonant current can be quickly suppressed.

スイッチング素子Q7のチョッピング動作におけるスイッチング周波数は、商用電源の周波数である50Hzもしくは60Hzの倍数の周波数とする。一例として、スイッチング素子Q7のチョッピング動作におけるスイッチング周波数は、商用電源の周波数が50Hzの場合には300Hzとし、商用電源の周波数が60Hzの場合には360Hzとする。架線1の直流電圧は、交流商用電源を全波整流して生成している。このため、架線1の直流電圧は交流商用電源の周波数の倍数成分を含んでおり、通常、信号設備や通信設備はこれらの周波数を使用していない。すなわち、商用電源の周波数の倍数の周波数でスイッチング素子Q7がチョッピング動作を行うことで、信号設備や通信設備に障害を与えることなく、チョッピング動作により共振電流を抑制できる。 The switching frequency in the chopping operation of the switching element Q7 is a multiple of the commercial power frequency of 50 Hz or 60 Hz. As an example, the switching frequency in the chopping operation of the switching element Q7 is 300 Hz when the commercial power frequency is 50 Hz, and 360 Hz when the commercial power frequency is 60 Hz. The DC voltage of the overhead line 1 is generated by full-wave rectifying the AC commercial power. Therefore, the DC voltage of the overhead line 1 contains multiple components of the frequency of the AC commercial power, and these frequencies are not usually used by signal equipment or communication equipment. In other words, by performing chopping operation of the switching element Q7 at a frequency that is a multiple of the commercial power frequency, the resonant current can be suppressed by the chopping operation without causing any damage to the signal equipment or communication equipment.

以上より、半導体減流装置10は、事故電流発生時にはスイッチング素子Q7をオフ状態にしたのちに遮断器11を解放することで事故電流を速やかに減流および遮断することができる。また、半導体減流装置10は、架線電圧急変時にはスイッチング素子Q7をチョッピング動作することで共振電流を速やかに抑制することができる。この結果、フィルタリアクトル9のインダクタンス値を低減しても、事故電流および共振電流を変電所の許容電流以下に抑制できる。 As described above, when a fault current occurs, the semiconductor current reducer 10 turns off the switching element Q7 and then opens the circuit breaker 11, thereby quickly reducing and cutting off the fault current. Furthermore, when the overhead line voltage suddenly changes, the semiconductor current reducer 10 chops the switching element Q7 to quickly suppress the resonant current. As a result, even if the inductance value of the filter reactor 9 is reduced, the fault current and resonant current can be suppressed to below the allowable current of the substation.

<実施例1の架線電圧を用いた駆動装置の処理>
図5を用いてスイッチング素子Q7の動作フローを説明する。図5は、実施例1における架線電圧を用いた場合の駆動装置の処理例を示すフローチャートである。図5は架線の電圧検出手段13を用いてスイッチング素子Q7の動作状態を制御する方法を示す。電圧検出手段13を用いてスイッチング素子Q7の動作状態を制御する方法を用いる場合には、駆動装置1Sにおいて、電流検出手段12を省略可能である。
<Processing of the driving device using overhead line voltage in the first embodiment>
The operation flow of the switching element Q7 will be described with reference to Fig. 5. Fig. 5 is a flowchart showing an example of processing of the drive device when the overhead line voltage is used in the first embodiment. Fig. 5 shows a method of controlling the operation state of the switching element Q7 using the overhead line voltage detection means 13. When using the method of controlling the operation state of the switching element Q7 using the voltage detection means 13, the current detection means 12 can be omitted in the drive device 1S.

図5に示すように、先ず、ステップS11では、制御論理部15は、電圧検出手段13を用いて架線1の架線電圧Esを検出する。続いて、ステップS12では、制御論理部15は、ステップS11で検出した架線電圧Esから架線の基準電圧Es0を減算した偏差ΔEs(=Es-Es0)を演算する。例えば、制御論理部15は、一定周期でサンプリングした架線電圧Esと架線の基準電圧Es0との電圧差を偏差ΔEsとする。 As shown in FIG. 5, first, in step S11, the control logic unit 15 detects the overhead line voltage Es of the overhead line 1 using the voltage detection means 13. Next, in step S12, the control logic unit 15 calculates the deviation ΔEs (=Es-Es0) by subtracting the overhead line reference voltage Es0 from the overhead line voltage Es detected in step S11. For example, the control logic unit 15 determines the voltage difference between the overhead line voltage Es sampled at a constant period and the overhead line reference voltage Es0 to be the deviation ΔEs.

続いて、ステップS13では、制御論理部15は、ステップS12で演算した偏差ΔEsが例えば200Vより大であるかを判定する。制御論理部15は、ステップS12で演算した偏差ΔEsが200Vより大である場合(ステップS13:Yes)、ステップS14に処理を移し、偏差ΔEsが200V以下である場合(ステップS13:No)、ステップS15に処理を移す。 Next, in step S13, the control logic unit 15 determines whether the deviation ΔEs calculated in step S12 is, for example, greater than 200 V. If the deviation ΔEs calculated in step S12 is greater than 200 V (step S13: Yes), the control logic unit 15 proceeds to step S14, and if the deviation ΔEs is 200 V or less (step S13: No), the control logic unit 15 proceeds to step S15.

ステップS14では、制御論理部15は、スイッチング素子Q7にチョッピング動作を行わせる。ステップS14が終了すると、制御論理部15は、ステップS11に処理を戻す。 In step S14, the control logic unit 15 causes the switching element Q7 to perform a chopping operation. When step S14 ends, the control logic unit 15 returns the process to step S11.

他方ステップS15では、制御論理部15は、ステップS12で演算した偏差ΔEsが例えば-200Vより小であるかを判定する。制御論理部15は、ステップS12で演算した偏差ΔEsが-200Vより小である場合(ステップS15:Yes)、ステップS16に処理を移し、偏差ΔEsが-200V以上である場合(ステップS13:No)、ステップS11に処理を戻す。 On the other hand, in step S15, the control logic unit 15 determines whether the deviation ΔEs calculated in step S12 is, for example, less than -200 V. If the deviation ΔEs calculated in step S12 is less than -200 V (step S15: Yes), the control logic unit 15 proceeds to step S16, and if the deviation ΔEs is -200 V or greater (step S13: No), the control logic unit 15 returns to step S11.

ステップS16では、制御論理部15は、スイッチング素子Q7をオフ動作させて遮断器11により遮断可能な程度まで事故電流を抑制する。続いて、ステップS17では、制御論理部15は、遮断器11を解放する。ステップS17が終了すると、制御論理部15は、実施例1における架線電圧を用いた場合の駆動装置の処理を終了する。 In step S16, the control logic unit 15 turns off the switching element Q7 to suppress the fault current to a level that can be interrupted by the circuit breaker 11. Then, in step S17, the control logic unit 15 opens the circuit breaker 11. When step S17 ends, the control logic unit 15 ends the processing of the drive device when the overhead line voltage in Example 1 is used.

図3に示すとおり、フィルタリアクトル9の地絡等が生じると架線電圧Esは低下していくため、架線電圧の偏差ΔEsが発生する。この偏差ΔEsにしきい値を設け、例えば偏差ΔEsが-200Vより低くなると地絡の発生を検出し、スイッチング素子Q7をオフ状態にしたのちに遮断器11を解放する。 As shown in Figure 3, when a ground fault or the like occurs in the filter reactor 9, the overhead line voltage Es drops, causing a deviation ΔEs in the overhead line voltage. A threshold value is set for this deviation ΔEs, and when the deviation ΔEs falls below -200 V, for example, the occurrence of a ground fault is detected, and the switching element Q7 is turned off, and then the circuit breaker 11 is opened.

また、図4に示すとおり、架線電圧急変が生じると架線電圧Esに偏差ΔEsが発生する。制御論理部15は、この偏差ΔEsにしきい値を設け、例えば偏差ΔEsが200Vより高くなると架線電圧急変の発生を検出しスイッチング素子Q7のチョッピング動作を開始する。このように架線電圧Esの偏差ΔEsを検出することで架線電圧急変および地絡を切り分けることができる。 As shown in Figure 4, when a sudden change in the overhead line voltage occurs, a deviation ΔEs occurs in the overhead line voltage Es. The control logic unit 15 sets a threshold value for this deviation ΔEs, and when the deviation ΔEs becomes higher than 200 V, for example, it detects the occurrence of a sudden change in the overhead line voltage and starts the chopping operation of the switching element Q7. In this way, by detecting the deviation ΔEs in the overhead line voltage Es, it is possible to distinguish between a sudden change in the overhead line voltage and a ground fault.

<実施例1の架線電流を用いた駆動装置の処理>
図6は電流検出手段12を用いてスイッチング素子Q7を制御するときの動作フローを示す。図6は、実施例1における架線電流を用いた場合の駆動装置の処理例を示すフローチャートである。図6は、電流検出手段12を用いて架線1から流入する電流を検出する方法を示す。電流検出手段12を用いてスイッチング素子Q7の動作状態を制御する方法を用いる場合には、駆動装置1Sにおいて、電圧検出手段13を省略可能である。
<Processing of the driving device using overhead line current in the first embodiment>
Fig. 6 shows an operation flow when controlling switching element Q7 using current detection means 12. Fig. 6 is a flowchart showing an example of processing of the drive device when overhead line current is used in embodiment 1. Fig. 6 shows a method of detecting a current flowing in from the overhead line 1 using current detection means 12. When using the method of controlling the operating state of switching element Q7 using current detection means 12, the voltage detection means 13 can be omitted in the drive device 1S.

ここで、電流検出手段12を架線1と遮断器11の間に接続することで、フィルタリアクトル9の地絡および電力変換装置6の故障による事故電流を共に検出することができる。例えば、フィルタリアクトル9と電力変換装置6の間に電流検出手段を接続すると、電力変換装置6の故障による事故電流は検出できるが、フィルタリアクトル9の地絡は検出できない。 Here, by connecting the current detection means 12 between the overhead line 1 and the circuit breaker 11, it is possible to detect both a ground fault in the filter reactor 9 and a fault current caused by a failure in the power conversion device 6. For example, if a current detection means is connected between the filter reactor 9 and the power conversion device 6, it is possible to detect a fault current caused by a failure in the power conversion device 6, but it is not possible to detect a ground fault in the filter reactor 9.

図6に示すように、先ず、ステップS21では、制御論理部15は、電流検出手段12で架線電流Isを検出する。続いて、ステップS22では、制御論理部15は、ステップS21で検出した架線電流Isの変化率dIs/dtを演算する。 As shown in FIG. 6, first, in step S21, the control logic unit 15 detects the overhead line current Is using the current detection means 12. Next, in step S22, the control logic unit 15 calculates the rate of change dIs/dt of the overhead line current Is detected in step S21.

続いて、ステップS23では、制御論理部15は、ステップS22で演算した変化率dIs/dtが例えば10A/msより大であるかを判定する。制御論理部15は、ステップS22で演算した変化率dIs/dtが10A/msより大である場合(ステップS23:Yes)、ステップS24に処理を移す。一方、制御論理部15は、変化率dIs/dtが10A/ms以下である場合(ステップS23:No)、ステップS21に処理を戻す。 Next, in step S23, the control logic unit 15 determines whether the rate of change dIs/dt calculated in step S22 is greater than, for example, 10 A/ms. If the rate of change dIs/dt calculated in step S22 is greater than 10 A/ms (step S23: Yes), the control logic unit 15 moves the process to step S24. On the other hand, if the rate of change dIs/dt is 10 A/ms or less (step S23: No), the control logic unit 15 returns the process to step S21.

ステップS24では、制御論理部15は、スイッチング素子Q7にチョッピング動作を行わせる。続いて、ステップS25では、制御論理部15は、架線電流Isを検出する。 In step S24, the control logic unit 15 causes the switching element Q7 to perform a chopping operation. Then, in step S25, the control logic unit 15 detects the overhead line current Is.

続いて、ステップS25では、制御論理部15は、ステップS25で検出した架線電流Isが例えば1500Aより大であるかを判定する。制御論理部15は、ステップS25で検出した架線電流Isが1500Aより大である場合(ステップS26:Yes)、ステップS27に処理を移し、架線電流Isが1500A以下である場合(ステップS26:No)、ステップS21に処理を戻す。 Next, in step S25, the control logic unit 15 determines whether the overhead line current Is detected in step S25 is, for example, greater than 1500 A. If the overhead line current Is detected in step S25 is greater than 1500 A (step S26: Yes), the control logic unit 15 proceeds to step S27, and if the overhead line current Is is 1500 A or less (step S26: No), the control logic unit 15 returns to step S21.

ステップS27では、制御論理部15は、スイッチング素子Q7にチョッピング動作を行わせる。続いて、制御論理部15は、スイッチング素子Q7のチョッピング動作をオフにする。続いて、ステップS28では、制御論理部15は、遮断器11を解放する。ステップS28が終了すると、制御論理部15は、実施例1における架線電流を用いた場合の駆動装置の処理を終了する。 In step S27, the control logic unit 15 causes the switching element Q7 to perform a chopping operation. Then, the control logic unit 15 turns off the chopping operation of the switching element Q7. Then, in step S28, the control logic unit 15 opens the circuit breaker 11. When step S28 ends, the control logic unit 15 ends the processing of the drive device when the overhead line current in Example 1 is used.

図4に示す通り、架線電圧急変が生じ架線電圧が上昇すると、架線電流Isが上昇し始める。この電流変化率を検出し、しきい値を越えるとスイッチング素子Q7はチョッピング動作を開始する。電流変化率は制御論理部15で演算され、例えば一定周期でサンプリングした架線電流Isと架線の基準電流Is0との電流差を算出し、その値をサンプリング周期で除算して変化率dIs/dtを求める。ここで、電流変化率のしきい値は架線1のインダクタンス値も考慮して設定することが望ましい。上記のように、例えば、電流変化率が10A/msより大となった場合にスイッチング素子Q7にチョッピング動作を開始させる。 As shown in Figure 4, when a sudden change in the overhead line voltage occurs and the overhead line voltage rises, the overhead line current Is begins to rise. This current change rate is detected, and when it exceeds a threshold, the switching element Q7 starts chopping operation. The current change rate is calculated by the control logic unit 15, and for example, the current difference between the overhead line current Is sampled at a constant period and the overhead line reference current Is0 is calculated, and this value is divided by the sampling period to obtain the change rate dIs/dt. Here, it is desirable to set the threshold value for the current change rate taking into account the inductance value of the overhead line 1. As described above, for example, when the current change rate becomes greater than 10 A/ms, the switching element Q7 starts chopping operation.

図6において、ステップS23で変化率dIs/dtがしきい値を超えると判定された架線電流Isの変化が、架線電圧急変による共振電流であれば、ステップS24のスイッチング素子Q7のチョッピング動作により低減することができる。一方、ステップS23で変化率dIs/dtがしきい値を超えると判定された架線電流Isの変化が、フィルタリアクトル9の地絡による事故電流であれば、ステップS24のスイッチング素子Q7のチョッピング動作では抑制できず、架線電流Isは増大する。 In FIG. 6, if the change in the overhead line current Is determined in step S23 to have a rate of change dIs/dt exceeding the threshold is a resonant current caused by a sudden change in the overhead line voltage, it can be reduced by the chopping operation of the switching element Q7 in step S24. On the other hand, if the change in the overhead line current Is determined in step S23 to have a rate of change dIs/dt exceeding the threshold is a fault current caused by a ground fault in the filter reactor 9, it cannot be suppressed by the chopping operation of the switching element Q7 in step S24, and the overhead line current Is increases.

そこで、図6のステップS25に示すように、ステップS24のスイッチング素子Q7のチョッピング動作開始後も架線1の電流を電流検出手段12で検出する。そして、ステップS26に示すように、架線1の架線電流Isにしきい値を設け、しきい値を越えるとスイッチング素子Q7をオフ状態とする。スイッチング素子Q7がオフ状態になると抵抗器101で事故電流が減流され遮断器11を解放することで事故電流を0Aまで遮断する。 As shown in step S25 of FIG. 6, the current in the overhead line 1 is detected by the current detection means 12 even after the chopping operation of the switching element Q7 starts in step S24. Then, as shown in step S26, a threshold value is set for the overhead line current Is of the overhead line 1, and when the threshold value is exceeded, the switching element Q7 is turned off. When the switching element Q7 is turned off, the fault current is reduced by the resistor 101, and the circuit breaker 11 is opened, thereby cutting off the fault current to 0 A.

このように、架線1の電流の変化率dIs/dtがしきい値以上になるとスイッチング素子Q7にチョッピング動作を開始させ、チョッピング動作後の架線1の架線電流Isがしきい値以上になるとスイッチング素子Q7をオフ状態にして遮断器11を解放させる。これにより、共振電流および事故電流を共に抑制することができる。本実施例は、架線1の電流値をもとにスイッチング素子Q7のチョッピング動作を開始する特許文献1と比較して、架線1の電流変化率に応じてチョッピング動作を開始するので、遅延時間が短く、チョッピング動作に伴うスイッチング素子Q7の損失を低減できる。 In this way, when the rate of change dIs/dt of the current in the overhead line 1 becomes equal to or greater than the threshold value, the switching element Q7 is caused to start chopping, and when the overhead line current Is in the overhead line 1 after chopping becomes equal to or greater than the threshold value, the switching element Q7 is turned off and the circuit breaker 11 is opened. This makes it possible to suppress both the resonant current and the fault current. Compared to Patent Document 1, which starts the chopping operation of the switching element Q7 based on the current value of the overhead line 1, this embodiment starts the chopping operation according to the current change rate in the overhead line 1, so the delay time is short and the loss of the switching element Q7 associated with the chopping operation can be reduced.

本実施例の駆動装置1Sでは、フィルタリアクトル9と、架線1側に接続された遮断器11との間に半導体減流装置10が接続されている。このため、フィルタリアクトル9の地絡による事故電流および架線電圧急変時の共振電流を共に検出して、抑制することができる。 In the driving device 1S of this embodiment, a semiconductor current reduction device 10 is connected between the filter reactor 9 and the circuit breaker 11 connected to the overhead line 1. This makes it possible to detect and suppress both the fault current caused by a ground fault in the filter reactor 9 and the resonant current caused by a sudden change in the overhead line voltage.

なお、制御論理部15は、ステップS22での架線電流Isの変化率dIs/dtの演算に代えて、基準電流Is0と架線電流Isとの偏差ΔIsを演算し、ステップS23で偏差ΔIsをしきい値判定するとしてもよい。あるいは、制御論理部15は、ステップS22での架線電流Isの変化率dIs/dtの演算を省略し、ステップS23で架線電流Isそのものをしきい値判定するとしてもよい。また、制御論理部15は、架線電流Isの変化率dIs/dtまたは偏差ΔIsに代えて、架線電圧Esの変化率dEs/dtまたは偏差ΔEsを用いて共振電流および事故電流を検出するとしてもよい。 In addition, instead of calculating the rate of change dIs/dt of the overhead line current Is in step S22, the control logic unit 15 may calculate the deviation ΔIs between the reference current Is0 and the overhead line current Is, and may perform a threshold judgment of the deviation ΔIs in step S23. Alternatively, the control logic unit 15 may omit the calculation of the rate of change dIs/dt of the overhead line current Is in step S22, and may perform a threshold judgment of the overhead line current Is itself in step S23. Furthermore, the control logic unit 15 may detect the resonant current and the fault current using the rate of change dEs/dt or deviation ΔEs of the overhead line voltage Es, instead of the rate of change dIs/dt or deviation ΔIs of the overhead line current Is.

図7は、実施例2における駆動装置の回路図である。実施例2の駆動装置2Sにおける半導体減流装置10Bは、実施例1の駆動装置2Sの半導体減流装置10と比較して、スイッチング素子Q8およびスイッチング素子Q8の逆並列ダイオードD8と、抵抗器102とが追加されている。スイッチング素子Q8と抵抗器102とは、直列に接続されている。また、スイッチング素子Q8と抵抗器102とは、スイッチング素子Q7および抵抗器101に対して並列に接続されている。 Figure 7 is a circuit diagram of the drive device in Example 2. Compared to the semiconductor current reducer 10 of the drive device 2S in Example 1, the semiconductor current reducer 10B in the drive device 2S in Example 2 has a switching element Q8, an anti-parallel diode D8 for the switching element Q8, and a resistor 102 added. The switching element Q8 and the resistor 102 are connected in series. The switching element Q8 and the resistor 102 are also connected in parallel to the switching element Q7 and the resistor 101.

電力変換装置6を駆動するためにキャパシタ105を初期充電する際、キャパシタ105の初期充電時にはスイッチング素子Q7、Q8をオフ状態とし、架線1から遮断器11、抵抗器101、フィルタリアクトル9を介してキャパシタ105に充電電流が流れる。すなわち、抵抗器101はキャパシタ105の充電抵抗として動作する。 When initially charging the capacitor 105 to drive the power conversion device 6, the switching elements Q7 and Q8 are turned off during the initial charging of the capacitor 105, and a charging current flows from the overhead line 1 to the capacitor 105 via the circuit breaker 11, the resistor 101, and the filter reactor 9. In other words, the resistor 101 acts as a charging resistor for the capacitor 105.

キャパシタ105の初期充電が完了するとスイッチング素子Q7、Q8をオン状態とする。共振電流を抑制するためにスイッチング素子Q8をオン状態にしたままスイッチング素子Q7をチョッピング動作させる、もしくは、事故電流を抑制するためにスイッチング素子Q8をオン状態にしたままスイッチング素子Q7をオフ状態にする。このとき、抵抗器101、102に電流が流れるため、これらの合成抵抗は抵抗器101、102の並列値となる。 When the initial charging of capacitor 105 is completed, switching elements Q7 and Q8 are turned on. To suppress the resonant current, switching element Q7 is chopped while switching element Q8 is turned on, or to suppress the fault current, switching element Q7 is turned off while switching element Q8 is turned on. At this time, current flows through resistors 101 and 102, so the combined resistance of these becomes the parallel value of resistors 101 and 102.

上記のように、実施例2に示す半導体減流装置10Bでは、キャパシタ105の初期充電時の抵抗値と、スイッチング素子Q7がオフ時の抵抗値を切り替えることができる。架線1の直流電圧が例えば1500Vの場合、キャパシタ105を充電するときの抵抗値は充電電流のピーク値を抑制するため10Ω前後である。一方、スイッチング素子Q7をオフにするときの抵抗値はサージ電圧を抑制するために数Ωとする。 As described above, in the semiconductor current reducer 10B shown in Example 2, the resistance value of the capacitor 105 during initial charging and the resistance value when the switching element Q7 is off can be switched. When the DC voltage of the overhead line 1 is, for example, 1500 V, the resistance value when charging the capacitor 105 is around 10 Ω to suppress the peak value of the charging current. On the other hand, the resistance value when the switching element Q7 is turned off is set to a few Ω to suppress the surge voltage.

このように、抵抗器101と抵抗器102とを切り替える実施例2の半導体減流装置10Bは、キャパシタ105の充電電流を抑制し、スイッチング素子Q7がオフ時のサージ電圧を低減することができる。 In this way, the semiconductor current reducing device 10B of Example 2, which switches between resistors 101 and 102, can suppress the charging current of capacitor 105 and reduce the surge voltage when switching element Q7 is off.

なお、実施例2における架線電圧を用いた場合の駆動装置の処理、および、実施例2における架線電流を用いた場合の駆動装置の処理は、それぞれ、図5に示すフローチャート、および、図5に示すフローチャートと同様である。 The processing of the drive device when the overhead line voltage in Example 2 is used, and the processing of the drive device when the overhead line current in Example 2 is used are the same as the flowchart shown in FIG. 5 and the flowchart shown in FIG. 5, respectively.

図8は、実施例3における駆動装置の回路図である。実施例3の駆動装置3Sは、実施例2の駆動装置2Sと比較して、フィルタリアクトル9に二次側巻線を設け第二の電力変換装置14を接続している点が異なる。 Figure 8 is a circuit diagram of a drive device in Example 3. Drive device 3S in Example 3 differs from drive device 2S in Example 2 in that a secondary winding is provided in filter reactor 9 and a second power conversion device 14 is connected.

第二の電力変換装置14は、架線1を流れるノイズ電流を抑制する機能を有する。このノイズ電流は数A程度であるのに対し、スイッチング素子Q7が共振電流を抑制するためにチョッピング動作を実施すると、架線1には数十A程度のリプル電流が重畳する場合があるが、第二の電力変換装置14は、このリプル電流を抑制する必要はない。そのため、制御論理部15は、第二の電力変換装置14の電力容量を低減するために、スイッチング素子Q7のチョッピング動作時には、第二の電力変換装置14の動作を停止させる。 The second power conversion device 14 has the function of suppressing the noise current flowing through the overhead line 1. This noise current is on the order of several amperes, but when the switching element Q7 performs a chopping operation to suppress the resonant current, a ripple current of several tens of amperes may be superimposed on the overhead line 1. However, the second power conversion device 14 does not need to suppress this ripple current. Therefore, in order to reduce the power capacity of the second power conversion device 14, the control logic unit 15 stops the operation of the second power conversion device 14 during the chopping operation of the switching element Q7.

実施例4の説明に先立ち、半導体減流装置(SHB)とアクティブフィルタ(第二の電力変換装置)を組合せることで、フィルタリアクトル9を低インダクタンス化できる点について述べておく。フィルタリアクトル9は、インダクタンス値を低減して小型化を図ることで、重量軽減や駆動装置の設計容易性を高めるというメリットがある。しかし、フィルタリアクトル9は、事故電流発生時の架線電流の増加速度(時間傾き)の抑制機能と、架線から駆動装置に入り帰線に至るまでの電流経路に流れる帰線電流ノイズの抑制機能の要件充足が求められるため、インタクタンス値の低減に制限がある。 Prior to describing the fourth embodiment, it will be noted that the inductance of the filter reactor 9 can be reduced by combining a semiconductor current reducer (SHB) and an active filter (second power conversion device). The filter reactor 9 has the advantage of being compact with a reduced inductance value, which reduces weight and makes it easier to design the drive unit. However, the filter reactor 9 is required to satisfy the requirements of suppressing the rate of increase (time gradient) of the overhead line current when a fault current occurs, and suppressing return line current noise that flows in the current path from the overhead line to the drive unit and then to the return line, so there is a limit to how much the inductance value can be reduced.

そこで、架線電流の増加速度(時間傾き)の抑制に関しては半導体減流装置(SHB)を用い、帰線電流ノイズの抑制に関してはアクティブフィルタ(第二の電力変換装置)を用いて、フィルタリアクトル9の機能を補助することで、フィルタリアクトル9のインタクタンス値を、例えば従来の半分である4mH以下にできる。このように、フィルタリアクトル9の低インダクタンス化を図るため、駆動装置において半導体減流装置(SHB)とアクティブフィルタ(第二の電力変換装置)を組合せて用いる。 Therefore, by using a semiconductor current reducer (SHB) to suppress the rate of increase (time gradient) of the overhead line current, and an active filter (second power conversion device) to suppress return current noise, the function of the filter reactor 9 can be supplemented, making it possible to reduce the inductance value of the filter reactor 9 to, for example, 4 mH or less, half the conventional value. In this way, in order to reduce the inductance of the filter reactor 9, a combination of a semiconductor current reducer (SHB) and an active filter (second power conversion device) is used in the drive unit.

図9は、実施例4における駆動装置4Sの回路図である。実施例4の駆動装置4Sの半導体減流装置10Cは、実施例3の駆動装置3Sの半導体減流装置10Bと比較して、スイッチング素子Q9およびスイッチング素子Q9の逆並列ダイオードD9と、抵抗器103とが追加されている。 9 is a circuit diagram of the drive device 4S in Example 4. Compared to the semiconductor current reducer device 10B of the drive device 3S in Example 3, the semiconductor current reducer device 10C of the drive device 4S in Example 4 has a switching element Q9, an anti-parallel diode D9 of the switching element Q9, and a resistor 103 added thereto.

本実施例での電力変換装置6の動作を説明する。電力変換装置6を駆動するためにはキャパシタ105を初期充電する必要がある。キャパシタ105の初期充電時には、スイッチング素子Q7、Q8、Q9をオフ状態とし、遮断器11を閉路とする。キャパシタ105の充電電流は、架線1から遮断器11と抵抗器101とフィルタリアクトル9を介して流れる。すなわち、抵抗器101はキャパシタ105の充電抵抗として動作する。この充電電流によりキャパシタ105は充電され、キャパシタ105の電圧は架線1の電圧まで上昇する。 The operation of the power conversion device 6 in this embodiment will be described. To drive the power conversion device 6, the capacitor 105 needs to be initially charged. During the initial charging of the capacitor 105, the switching elements Q7, Q8, and Q9 are turned off, and the circuit breaker 11 is closed. The charging current for the capacitor 105 flows from the overhead line 1 through the circuit breaker 11, the resistor 101, and the filter reactor 9. In other words, the resistor 101 acts as a charging resistor for the capacitor 105. The capacitor 105 is charged by this charging current, and the voltage of the capacitor 105 rises to the voltage of the overhead line 1.

キャパシタ105の初期充電が完了すると、半導体減流装置10Cのスイッチング素子Q7、Q8、Q9をオン状態とする。電力変換装置6が動作を開始すると架線1から遮断器11とスイッチング素子Q7とフィルタリアクトル9を介して電力変換装置6に直流電力が供給される。 When the initial charging of the capacitor 105 is completed, the switching elements Q7, Q8, and Q9 of the semiconductor current reducer 10C are turned on. When the power converter 6 starts operating, DC power is supplied to the power converter 6 from the overhead line 1 via the circuit breaker 11, the switching element Q7, and the filter reactor 9.

ここで、フィルタリアクトル9の地絡や電力変換装置6の故障が発生し、架線電流Isの変化率dIs/dt、架線電圧Esの変化率dEs/dtもしくは偏差ΔEsが閾値を超過したことを検出した場合に、スイッチング素子Q7のチョッピング動作を行い事故電流および架線電圧急変時の共振電流を抑制する。 If a ground fault occurs in the filter reactor 9 or a failure occurs in the power conversion device 6, and it is detected that the rate of change dIs/dt of the overhead line current Is, the rate of change dEs/dt of the overhead line voltage Es, or the deviation ΔEs exceeds a threshold value, the chopping operation of the switching element Q7 is performed to suppress the fault current and the resonant current when the overhead line voltage suddenly changes.

このスイッチング素子Q7のチョッピング動作時には、架線電流Isと抵抗器101、102、103の合成抵抗の積の電位変動がフィルタリアクトル9の一次側にあらわれる。この電位変動は、フィルタリアクトル9の一次巻線と二次巻線の結合係数に応じて、第二の電力変換装置14に印加され、第二の電力変換装置14は印加された電圧に応じて電流を出力する。第二の電力変換装置14は、架線1に流れるノイズ電流を抑制する機能を有するため、半導体減流装置10Cのスイッチング素子Q7のチョッピング動作による電位変動に対して動作してしまうと、架線1に流れるノイズ電流の抑制を行う機能が損なわれる。 During the chopping operation of switching element Q7, a potential fluctuation of the product of the overhead line current Is and the combined resistance of resistors 101, 102, and 103 appears on the primary side of filter reactor 9. This potential fluctuation is applied to second power conversion device 14 according to the coupling coefficient of the primary and secondary windings of filter reactor 9, and second power conversion device 14 outputs a current according to the applied voltage. Since second power conversion device 14 has the function of suppressing noise current flowing in overhead line 1, if it operates in response to the potential fluctuation caused by the chopping operation of switching element Q7 of semiconductor current reducer 10C, the function of suppressing noise current flowing in overhead line 1 will be impaired.

このため、抵抗器101、102、103の合成抵抗を小さくするために抵抗器103の抵抗値を例えば1Ω以下とし、スイッチング素子Q7のチョッピング動作時の電位変動を小さくして、半導体減流装置10Cのスイッチング素子Q7のチョッピング動作時も、第二の電力変換装置14の動作を継続させ、架線1に流れるノイズ電流の抑制機能が損なわれないようにする。スイッチング素子Q7のチョッピング動作後も架線電流Isが増加する場合や架線電圧Esの変化率dEs/dtの抑制ができない場合には、スイッチング素子Q8をオン状態にしたまま、スイッチング素子Q7、Q9をオフし、抵抗器101、102で事故電流を減流した後、遮断器11にて電流を遮断する。 For this reason, in order to reduce the combined resistance of resistors 101, 102, and 103, the resistance value of resistor 103 is set to, for example, 1 Ω or less, and the potential fluctuation during the chopping operation of switching element Q7 is reduced, so that the operation of second power conversion device 14 continues even during the chopping operation of switching element Q7 of semiconductor current reduction device 10C, and the function of suppressing the noise current flowing through overhead line 1 is not impaired. If overhead line current Is increases even after the chopping operation of switching element Q7, or if the rate of change dEs/dt of overhead line voltage Es cannot be suppressed, switching element Q8 is left on, switching elements Q7 and Q9 are turned off, the fault current is reduced by resistors 101 and 102, and the current is then interrupted by circuit breaker 11.

<実施例4の駆動装置の処理>
図10は、実施例4における架線電圧を用いた場合の駆動装置4Sの処理例を示すフローチャートである。実施例4における架線電圧を用いた場合の駆動装置4Sの処理は、図に示す実施例のフローチャートと比較して、ステップS16に続くステップS16Bにおいて、制御論理部15が、スイッチング素子Q9をオフにして減流動作を行う点が異なる。ステップS16Bが終了すると、制御論理部15は、事故電流/共振電流を抵抗器101、102に転流し減流動作を行った後、ステップS17で遮断器を開放し、ステップS18で第二の電力変換装置14をオフにして、実施例4における架線電圧を用いた場合の駆動装置の処理を終了する。
<Processing of the driving device in the fourth embodiment>
Fig. 10 is a flowchart showing an example of processing of the drive device 4S when the overhead line voltage is used in the fourth embodiment. The processing of the drive device 4S when the overhead line voltage is used in the fourth embodiment is different from the flowchart of the first embodiment shown in Fig. 5 in that in step S16B following step S16, the control logic unit 15 turns off the switching element Q9 to perform a current reduction operation. When step S16B is completed, the control logic unit 15 commutates the fault current/resonant current to the resistors 101 and 102 to perform a current reduction operation, then opens the circuit breaker in step S17, turns off the second power conversion device 14 in step S18, and ends the processing of the drive device when the overhead line voltage is used in the fourth embodiment.

図11は、実施例4における架線電流を用いた場合の駆動装置4Sの処理例を示すフローチャートである。実施例4における架線電流を用いた場合の駆動装置4Sの処理は、図に示す実施例のフローチャートと比較して、ステップS27に続くステップS27Bにおいて、スイッチング素子Q9をオフにして減流動作を行う点が異なる。ステップS27Bが終了すると、制御論理部15は、事故電流/共振電流を抵抗器101、102に転流し減流動作を行った後、ステップS28で遮断器を開放し、ステップS29で第二の電力変換装置14をオフにして、実施例4における架線電流を用いた場合の駆動装置の処理を終了する。 Fig. 11 is a flowchart showing an example of processing of the drive device 4S when the overhead line current is used in the fourth embodiment. The processing of the drive device 4S when the overhead line current is used in the fourth embodiment is different from the flowchart of the first embodiment shown in Fig. 6 in that in step S27B following step S27, the switching element Q9 is turned off to perform a current reduction operation. When step S27B is completed, the control logic unit 15 commutates the fault current/resonant current to the resistors 101 and 102 to perform a current reduction operation, then opens the circuit breaker in step S28 and turns off the second power conversion device 14 in step S29, thereby completing the processing of the drive device when the overhead line current is used in the fourth embodiment.

このように実施例4に示す半導体減流装置10Cでは、キャパシタ105の初期充電時の抵抗値と、チョッピング動作時の抵抗値と、減流時の抵抗値を切り替えることができる。これにより、架線電圧急変時にも第二の電力変換装置14の動作を継続することができ電気車100の運転が継続可能である。 In this way, the semiconductor current reduction device 10C shown in Example 4 can switch between the resistance value during initial charging of the capacitor 105, the resistance value during chopping operation, and the resistance value during current reduction. This allows the second power conversion device 14 to continue operating even when the overhead line voltage suddenly changes, and allows the electric vehicle 100 to continue operating.

図12は、実施例5における駆動装置5Sの回路図である。実施例5の駆動装置5Sの半導体減流装置10Dは、実施例4の駆動装置4Sの半導体減流装置10Cと比較して、充電抵抗として機能する抵抗器101と減流抵抗として機能する抵抗器102を、充電/減流用の抵抗器104に集約した点が異なる。 12 is a circuit diagram of the drive unit 5S in Example 5. The semiconductor current reducer 10D of the drive unit 5S in Example 5 is different from the semiconductor current reducer 10C of the drive unit 4S in Example 4 in that the resistor 101 functioning as a charging resistor and the resistor 102 functioning as a current reducing resistor are integrated into a resistor 104 for charging/current reducing.

本実施例での電力変換装置6の動作を説明する。電力変換装置6を駆動するためのキャパシタ105の初期充電時には、スイッチング素子Q7、Q9をオフ状態とし、遮断器11を閉路とする。キャパシタ105の充電電流は架線1から遮断器11と抵抗器104とフィルタリアクトル9を介して流れる。キャパシタ105の初期充電が完了するとスイッチング素子Q7、Q9をオン状態とする。 The operation of the power conversion device 6 in this embodiment will be described. During initial charging of the capacitor 105 to drive the power conversion device 6, the switching elements Q7 and Q9 are turned off and the circuit breaker 11 is closed. The charging current for the capacitor 105 flows from the overhead line 1 through the circuit breaker 11, resistor 104, and filter reactor 9. When the initial charging of the capacitor 105 is completed, the switching elements Q7 and Q9 are turned on.

共振電流を抑制する際には、スイッチング素子Q9をオン状態にしたままスイッチング素子Q7をチョッピング動作させる。そしてチョッピング動作後、スイッチング素子Q9をオフし、抵抗器104で減流後に遮断器11で電流を遮断する。 When suppressing the resonant current, switching element Q7 is chopped while switching element Q9 is kept on. After the chopping operation, switching element Q9 is turned off, and the current is reduced by resistor 104, and then the current is cut off by circuit breaker 11.

このとき、チョッピング動作時は抵抗器104、103に電流が流れるため、これらの合成抵抗は抵抗器104、103の並列値となる。前述のように抵抗器103の抵抗値は1Ω以下であるため、第二の電力変換装置14は電位変動により動作を阻害されない。 At this time, during chopping operation, current flows through resistors 104 and 103, and the combined resistance is the parallel value of resistors 104 and 103. As described above, the resistance value of resistor 103 is 1 Ω or less, so the operation of second power conversion device 14 is not hindered by potential fluctuations.

また事故電流を減流する場合には、スイッチング素子Q7、Q9を共にオフ状態にする。このとき、抵抗器104に電流が流れ減流される。 When the fault current is to be reduced, both switching elements Q7 and Q9 are turned off. At this time, the current flows through resistor 104 and is reduced.

本実施例のように、抵抗器101と抵抗器102とを抵抗器104に集約した場合でもスイッチング素子Q7とスイッチング素子Q9を切り替えることで、キャパシタ105の充電時の充電電流の抑制、事故電流および架線電圧急変時の共振電流の抑制、チョッピング動作時の第二の電力変換装置14へ印加される電圧の抑制が可能である。また本実施例によれば、抵抗器101と抵抗器102とを抵抗器104へ集約することによって半導体減流装置10Dの小型化を図ることができる。 Even when resistors 101 and 102 are integrated into resistor 104 as in this embodiment, by switching switching elements Q7 and Q9, it is possible to suppress the charging current when capacitor 105 is charged, suppress the resonant current when a fault current or a sudden change in overhead line voltage occurs, and suppress the voltage applied to second power conversion device 14 during chopping operation. Furthermore, according to this embodiment, by integrating resistors 101 and 102 into resistor 104, it is possible to reduce the size of semiconductor current reduction device 10D.

なお実施例4では、抵抗器101では充電電流のピーク値を抑制するためその抵抗値を10Ω前後とし、抵抗器102はサージ電圧を抑制するためその抵抗値を数Ωとしていた。本実施例では、抵抗器104の抵抗値を、抵抗器101と同様に10Ω前後とした場合にはサージ電圧によりスイッチング素子Q7を破壊してしまうため、数Ωとする。 In the fourth embodiment, the resistance value of resistor 101 is set to about 10 Ω to suppress the peak value of the charging current, and the resistance value of resistor 102 is set to several Ω to suppress the surge voltage. In this embodiment, if the resistance value of resistor 104 is set to about 10 Ω like resistor 101, the surge voltage would destroy switching element Q7, so it is set to several Ω.

また、抵抗器104の抵抗値を数Ωとした場合には、充電電流のピーク値は、実施例4のように抵抗器101を充電抵抗として用いた場合よりも高くなる。充電電流のピーク値が高くなった場合、車両の編成長によってはフィルタコンデンサ(キャパシタ105)の初期充電電流により変電所の遮断器をトリップさせないようにする必要がある。このため、充電電流のピーク値が変電所の遮断器をトリップさせないよう、同一編成内の各車両がフィルタコンデンサを同じタイミングで充電するのではなく、車両ごとに充電タイミングをずらす等の措置が必要となる。 Furthermore, when the resistance value of resistor 104 is set to several ohms, the peak value of the charging current will be higher than when resistor 101 is used as the charging resistor as in Example 4. When the peak value of the charging current becomes high, it is necessary to prevent the substation circuit breaker from being tripped by the initial charging current of the filter capacitor (capacitor 105) depending on the length of the train. For this reason, measures such as staggering the charging timing for each car, rather than charging the filter capacitor at the same time for each car in the same train, are required to prevent the peak value of the charging current from tripping the substation circuit breaker.

なお実施例5の駆動装置5Sの処理フローは、実施例4と同様であり、架線電圧を用いる場合は図10と同様であり、架線電流を用いる場合は図11と同様である。 The process flow of the driving device 5S of the fifth embodiment is the same as that of the fourth embodiment, and is the same as that of FIG. 10 when the overhead line voltage is used, and is the same as that of FIG. 11 when the overhead line current is used.

図13は、実施例6における駆動装置6Sの回路図である。実施例6の駆動装置6Sは、実施例5の駆動装置5Sと比較して、フィルタリアクトル9の二次巻線の電圧を検出する手段を有している点が異なる。 13 is a circuit diagram of a driving device 6S in Example 6. The driving device 6S in Example 6 is different from the driving device 5S in Example 5 in that the driving device 6S in Example 6 has a means for detecting the voltage of the secondary winding of the filter reactor 9.

実施例1~5に記載のフィルタリアクトル9の地絡事故やインバータの短絡事故を検出する方法は、一定のサンプリング周期にて架線電圧の変動や架線電流の変動を検出するため、事故を検出するまでにサンプリング周期の数倍の時間がかかる。実施例1~5にかかる主回路構成では、フィルタリアクトルのインダクタンスを低減しているために、地絡事故や短絡事故が発生した際、事故電流の傾きが急峻である。このため、事故電流を検知するまでの時間が長い場合、事故電流を検知した時には既に大きな電流となっていることから事故電流を抑制できず、変電所をトリップさせてしまう可能性がある。 The methods for detecting a ground fault in the filter reactor 9 or a short circuit fault in the inverter described in Examples 1 to 5 detect fluctuations in the overhead line voltage and overhead line current at a fixed sampling period, so it takes several times the sampling period to detect a fault. In the main circuit configurations according to Examples 1 to 5, the inductance of the filter reactor is reduced, so when a ground fault or short circuit fault occurs, the slope of the fault current is steep. For this reason, if it takes a long time to detect the fault current, the fault current is already large when it is detected, so the fault current cannot be suppressed, and there is a possibility that the substation will trip.

そこで、本実施例では、図13に例示するように、駆動装置6Sは、フィルタリアクトル9の二次巻線の電圧を検出する電圧検出手段16を設けている。このように電圧検出手段16を設けることで、フィルタリアクトル9の地絡事故および電力変換装置6の短絡事故による事故電流を共に高速に検出することができる。例えば、フィルタリアクトル9と電力変換装置6の間に電流検出手段を接続すると、電力変換装置6の短絡事故による事故電流は検出できるが、フィルタリアクトル9の地絡による事故電流は検出できない。 13 , the drive device 6S is provided with a voltage detection means 16 that detects the voltage of the secondary winding of the filter reactor 9. By providing the voltage detection means 16 in this manner, it is possible to quickly detect both a ground fault in the filter reactor 9 and a fault current due to a short-circuit fault in the power conversion device 6. For example, if a current detection means is connected between the filter reactor 9 and the power conversion device 6, it is possible to detect a fault current due to a short-circuit fault in the power conversion device 6, but it is not possible to detect a fault current due to a ground fault in the filter reactor 9.

このようにすることで、本実施例では、架線電流Isの変化率dIs/dtや架線電圧Esの変化率dEs/dtといった差分処理に基づく検知と比較して、差分処理を行わずに事故を検知するため、短絡事故や地絡事故を高速に検知し、事故電流や共振電流を抑制することが可能である。 By doing this, in this embodiment, compared to detection based on differential processing such as the rate of change dIs/dt of the overhead line current Is and the rate of change dEs/dt of the overhead line voltage Es, accidents are detected without differential processing, making it possible to quickly detect short circuit accidents and ground fault accidents and suppress accident currents and resonant currents.

<実施例6の駆動装置の処理>
図14は、実施例6におけるフィルタリアクトルの二次巻線の電圧を用いた場合の駆動装置6Sの処理例を示すフローチャートである。
<Processing of the driving device in the sixth embodiment>
FIG. 14 is a flowchart showing an example of processing by the driving device 6S in the case where the voltage of the secondary winding of the filter reactor in the sixth embodiment is used.

図14に示すように、先ず、ステップS31では、制御論理部15は、電圧検出手段16でフィルタリアクトル9の二次電圧値(以下、VAFLと称す)を検出する。続いて、ステップS32では、制御論理部15は、ステップS31で検出したVAFLが例えば200Vより大であるかを判定する。制御論理部15は、VAFLが200Vより大である場合(ステップS32:Yes)、ステップS33に処理を移す。一方、制御論理部15は、VAFLが200V以下である場合(ステップS32:No)、ステップS31に処理を戻す。 14 , first, in step S31, the control logic unit 15 detects a secondary voltage value (hereinafter referred to as VAFL) of the filter reactor 9 by the voltage detection means 16. Then, in step S32, the control logic unit 15 determines whether the VAFL detected in step S31 is greater than, for example, 200 V. If VAFL is greater than 200 V (step S32: Yes), the control logic unit 15 moves the process to step S33. On the other hand, if VAFL is equal to or less than 200 V (step S32: No), the control logic unit 15 returns the process to step S31.

ステップS33では、制御論理部15は、スイッチング素子Q7にチョッピング動作を行わせる。続いて、ステップS34では、制御論理部15は、VAFLを検出する。続いて、ステップS35では、制御論理部15は、ステップS34で検出したVAFLが例えば200Vより大であるかを判定する。制御論理部15は、VAFLが200Vより大である場合(ステップS35:Yes)、ステップS36に処理を移す。一方、制御論理部15は、VAFLが200V以下である場合(ステップS35:No)、ステップS31に処理を戻す。 In step S33, the control logic unit 15 causes the switching element Q7 to perform a chopping operation. Then, in step S34, the control logic unit 15 detects VAFL. Then, in step S35, the control logic unit 15 determines whether the VAFL detected in step S34 is greater than, for example, 200 V. If VAFL is greater than 200 V (step S35: Yes), the control logic unit 15 moves the process to step S36. On the other hand, if VAFL is 200 V or less (step S35: No), the control logic unit 15 returns the process to step S31.

ステップS36では、制御論理部15は、スイッチング素子Q7をオフにする。続いてステップS37では、制御論理部15は、スイッチング素子Q9をオフにし、減流動作を行う。減流動作後のステップS38で、制御論理部15は、遮断器11を開放し、共振電流/事故電流の遮断を行う。 In step S36, the control logic unit 15 turns off the switching element Q7. Then, in step S37, the control logic unit 15 turns off the switching element Q9 and performs a current reduction operation. In step S38 after the current reduction operation, the control logic unit 15 opens the circuit breaker 11 and cuts off the resonant current/fault current.

続いて、ステップS39では、制御論理部15は、第二の電力変換装置14をオフにする。ステップS39が終了すると、制御論理部15は、実施例6におけるフィルタリアクトルの二次巻線の電圧を用いた場合の駆動装置の処理を終了する。 Next, in step S39, the control logic unit 15 turns off the second power conversion device 14. When step S39 ends, the control logic unit 15 ends the processing of the drive device when the voltage of the secondary winding of the filter reactor in Example 6 is used.

なお、駆動装置6Sは、半導体減流装置10Dに代えて、実施例1~4における半導体減流装置10、10B、10Cを備えても良い。半導体減流装置10Dに代えて半導体減流装置10、10Bを備える場合の駆動装置6Sの処理フローは、図14に示す処理フローからステップS37が省略される。半導体減流装置10Dに代えて半導体減流装置10Cを備える場合の駆動装置6Sの処理フローは、図14に示す処理フローと同様である。 The driving device 6S may be equipped with the semiconductor current reducer 10, 10B, or 10C in the first to fourth embodiments instead of the semiconductor current reducer 10D. In the process flow of the driving device 6S when the semiconductor current reducer 10 or 10B is provided instead of the semiconductor current reducer 10D, step S37 is omitted from the process flow shown in Fig. 14. In the process flow of the driving device 6S when the semiconductor current reducer 10C is provided instead of the semiconductor current reducer 10D, the process flow is the same as the process flow shown in Fig. 14 .

次に、架線電流の急変時に、アクティブフィルタへのサージ電流流入を回避するためにアクティブフィルタの動作を停止させた後、速やかにアクティブフィルタを動作再開させる実施例7について、図15および図16を用いて説明する。 Next, a seventh embodiment in which the operation of the active filter is stopped in order to avoid a surge current flowing into the active filter when the overhead line current suddenly changes, and then the operation of the active filter is promptly resumed will be described with reference to Figs. 15 and 16 .

先ず、実施例7における鉄道車両(電気車)の駆動装置7Sの構成について説明する。図15は、実施例7における鉄道車両(電気車)の駆動装置7Sの構成の一例を示す図である。 First, a configuration of a driving device 7S for a railway vehicle (electric vehicle) in the seventh embodiment will be described. Fig. 15 is a diagram showing an example of the configuration of a driving device 7S for a railway vehicle (electric vehicle) in the seventh embodiment.

図15に示すように、駆動装置7Sは、実施例3の駆動装置3Sと比較して、第二の電力変換装置14(AF:アクティブフィルタ)の出力端子を2次巻線52から切り離す交流スイッチ53(ACSW)が設けられている点が異なる。架線電流Isの過電流発生時に交流スイッチ53をオフすることでサージの侵入経路を遮断する。 15 , the drive device 7S differs from the drive device 3S of the third embodiment in that it is provided with an AC switch 53 (ACSW) that separates the output terminal of the second power conversion device 14 (AF: active filter) from the secondary winding 52. When an overcurrent occurs in the overhead line current Is, the AC switch 53 is turned off to block the intrusion path of the surge.

半導体減流装置10Bは、通常運転時の電流通流動作時には、スイッチング素子Q7(SHBTr1)、スイッチング素子Q8(SHBTr2)を共にオン状態とし、スイッチング素子Q7経由で架線電流を通流する。 When the semiconductor current reducer 10B is in normal operation and conducting current, it turns on both switching element Q7 (SHBTr1) and switching element Q8 (SHBTr2) and conducts the overhead line current via switching element Q7.

また半導体減流装置10Bは、事故電流が発生した場合には、スイッチング素子Q7、スイッチング素子Q8を共にオフ状態とすることで架線電流を抵抗器101に転流する。架線電流は抵抗器101を介して流れるようになるため、事故電流の増加は止まり、減少に転じる。遮断器11の能力で十分に電流遮断可能なレベルまで架線電流が減衰した後に遮断器11をオフすることで、架線電流が遮断される。 When a fault current occurs, the semiconductor current reducer 10B switches both switching element Q7 and switching element Q8 to the off state, thereby diverting the overhead line current to resistor 101. Because the overhead line current flows through resistor 101, the increase in the overhead line current stops and the fault current begins to decrease. After the overhead line current has attenuated to a level where the circuit breaker 11's capacity is sufficient to interrupt the current, the circuit breaker 11 is turned off, thereby interrupting the overhead line current.

第二の電力変換装置14は、図示しない電流センサを用いて架線電流に含まれる帰線電流ノイズを検出し、これを打ち消すために必要な出力を演算し、この演算結果に基づく出力を、交流スイッチ53を介して、主回路のフィルタリアクトル9(FL1)に設けた2次巻線52(FL2)へ供給するノイズ低減動作を行う。第二の電力変換装置14の出力は、フィルタリアクトル9と2次巻線52間の磁気結合を介して架線電流の通過経路に注入され、帰線電流ノイズを低減する。 The second power conversion device 14 detects the return current noise contained in the overhead line current using a current sensor (not shown), calculates the output required to cancel it, and performs a noise reduction operation by supplying an output based on the calculation result to a secondary winding 52 (FL2) provided in a filter reactor 9 (FL1) of the main circuit via an AC switch 53. The output of the second power conversion device 14 is injected into the path through which the overhead line current passes via the magnetic coupling between the filter reactor 9 and the secondary winding 52, thereby reducing the return current noise.

架線電流の通過経路と第二の電力変換装置14の出力端子は、フィルタリアクトル9と2次巻線52間の磁気結合を介して結合されている。このため架線電流が急峻に変化すると、フィルタリアクトル9の通過電流が急峻に変化するため、第二の電力変換装置14の出力端子にサージ電圧・電流が流れ込み、第二の電力変換装置14の回路を破損する可能性がある。このため、第二の電力変換装置14へのサージ侵入を低減する手段が必要である。 The path through which the overhead line current passes and the output terminal of the second power conversion device 14 are connected via magnetic coupling between the filter reactor 9 and the secondary winding 52. Therefore, when the overhead line current changes abruptly, the current passing through the filter reactor 9 also changes abruptly, causing a surge voltage/current to flow into the output terminal of the second power conversion device 14, which may damage the circuit of the second power conversion device 14. For this reason, a means for reducing the intrusion of surges into the second power conversion device 14 is required.

サージの抑制には、複数の手段が考えられる。第二の電力変換装置14側で可能な対策は、次の手段が挙げられる。第一の手段は、第二の電力変換装置14で使用する素子の定格を大きくして耐電圧や耐電流特性を増強することである。第二の手段は、図15に示すように、第二の電力変換装置14の出力端子を2次巻線52から切り離す交流スイッチ53(ACSW)を設け、過電流発生時に交流スイッチ53をオフすることでサージの侵入経路を遮断する。 There are several possible means for suppressing surges. Possible measures on the side of the second power conversion device 14 include the following means. The first means is to increase the ratings of elements used in the second power conversion device 14 to enhance the withstand voltage and withstand current characteristics. The second means is to provide an AC switch 53 (ACSW) that separates the output terminal of the second power conversion device 14 from the secondary winding 52, as shown in Fig. 15 , and to cut off the intrusion path of the surge by turning off the AC switch 53 when an overcurrent occurs.

なお、交流スイッチ53は、アクティブフィルタ減流抵抗54(AFDRe)が並列接続されることが望ましい。アクティブフィルタ減流抵抗54を接続することにより、交流スイッチ53がオフの状態で架線電流が急峻に変化した場合に、交流スイッチ53の両端に印可される電圧を抑制することができ、交流スイッチ53に必要な耐電圧仕様を軽減できる。 It is preferable that an active filter current reduction resistor 54 (AFDRe) is connected in parallel to the AC switch 53. By connecting the active filter current reduction resistor 54, when the overhead line current changes suddenly while the AC switch 53 is off, the voltage applied to both ends of the AC switch 53 can be suppressed, and the withstand voltage specification required for the AC switch 53 can be reduced.

アクティブフィルタ減流抵抗54の抵抗値が小さいほど交流スイッチ53の両端に印可される電圧が低減されるが、第二の電力変換装置14の出力端子に流入する電流値が大きくなり、交流スイッチ53のAF保護機能が低下する。このため、アクティブフィルタ減流抵抗54の抵抗値は、第二の電力変換装置14の過電流耐量と交流スイッチ53の過電圧耐量の両方を加味して決定する必要がある。 The smaller the resistance value of the active filter current reduction resistor 54, the more the voltage applied to both ends of the AC switch 53 is reduced, but the current value flowing into the output terminal of the second power conversion device 14 increases, and the AF protection function of the AC switch 53 decreases. For this reason, the resistance value of the active filter current reduction resistor 54 must be determined taking into account both the overcurrent tolerance of the second power conversion device 14 and the overvoltage tolerance of the AC switch 53.

鉄道車両用の駆動装置は、通常動作時においても1000Aオーダーの架線電流が流れる大電流のシステムであるため、架線電流Isの時間傾き(dIs/dt)が大きい。このため、上述の第一の手段では、第二の電力変換装置14の素子定格増大に伴う質量・コストの上昇が大きく、現実的ではない。 Since railway vehicle drive systems are high-current systems in which overhead line currents of the order of 1000 A flow even during normal operation, the overhead line current Is has a large time gradient (dIs/dt). For this reason, the first method described above is not practical because it results in a large increase in mass and cost due to an increase in the element rating of the second power conversion device 14.

また上述の第二の手段では、交流スイッチ53をオフしている期間中は、過電流から第二の電力変換装置14を保護できるものの、第二の電力変換装置14の本来の機能である帰線電流ノイズの低減が行えないという問題がある。帰線電流ノイズの強度を信号機器の妨害規定値以下に保つため、集電装置7から帰線までの電流経路が導通しているとき、つまり遮断器11と、半導体減流装置10Bを構成するスイッチング素子Q7との両方がオンしているときには、基本的に第二の電力変換装置14が動作している必要がある。やむを得ず第二の電力変換装置14の動作を一時的に停止する場合には、信号機器に影響を与えない時素の時間内に、第二の電力変換装置14の動作を再開する必要がある。 In addition, the second means described above can protect the second power conversion device 14 from overcurrent while the AC switch 53 is off, but there is a problem in that it cannot reduce return current noise, which is the original function of the second power conversion device 14. In order to keep the intensity of return current noise below the interference threshold value for signaling equipment, the second power conversion device 14 basically needs to be operating when the current path from the current collector 7 to the return line is conducting, that is, when both the circuit breaker 11 and the switching element Q7 constituting the semiconductor current reduction device 10B are on. If it is unavoidable to temporarily stop the operation of the second power conversion device 14, it is necessary to resume the operation of the second power conversion device 14 within a time period that does not affect the signaling equipment.

一方で主回路側のサージ抑制手段としては、半導体減流装置10Bを構成するスイッチング素子の動作シーケンスにより、架線電流Isの時間傾き(dIs/dt)を小さくすることができる。急峻な架線電流の変化を検知した場合に、スイッチング素子Q8がオンの状態でスイッチング素子Q7をオフし、架線電流を抵抗器102に転流することで、電流変化を抑制することができる。結果としてフィルタリアクトル9の電流変化が抑制されるため、第二の電力変換装置14に流入する突入電圧・電流の強度も抑制される。 On the other hand, as a surge suppression means on the main circuit side, the time gradient (dIs/dt) of the overhead line current Is can be reduced by the operating sequence of the switching elements constituting the semiconductor current reducer 10B. When a steep change in the overhead line current is detected, the current change can be suppressed by turning off switching element Q7 while switching element Q8 is on, and commutating the overhead line current to resistor 102. As a result, the current change in the filter reactor 9 is suppressed, and the intensity of the inrush voltage and current flowing into the second power conversion device 14 is also suppressed.

なお、スイッチング素子Q7をチョッピング動作することで、抵抗器101、抵抗器102の並列合成抵抗と0Ωの中間の抵抗値を疑似的に作り出すことができる。架線電流の転流先の抵抗値を連続的に変化させることができ、スイッチング素子Q7オン時の架線電流の変動を抑制できる。抵抗器102への架線電流転流後にスイッチング素子Q7をオンすると、転流先の抵抗値が瞬間的に0Ωに変化するため、スイッチング素子Q7オンの瞬間に電流が急変し、第二の電力変換装置14へのサージ原因となるが、チョッピング動作の通流率を段階的に時間変化させることで転流先の抵抗値を連続的に変化させ、電流の急変が無くサージの抑制が可能である。 By chopping the switching element Q7, it is possible to artificially create a resistance value intermediate between the parallel combined resistance of resistors 101 and 102 and 0Ω. The resistance value of the destination of the overhead line current can be changed continuously, and fluctuations in the overhead line current when switching element Q7 is turned on can be suppressed. When switching element Q7 is turned on after the overhead line current is diverted to resistor 102, the resistance value of the destination changes instantaneously to 0Ω, causing a sudden change in current at the moment switching element Q7 is turned on, which can cause a surge to the second power conversion device 14. However, by changing the conduction rate of the chopping operation stepwise over time, the resistance value of the destination of the diversion can be changed continuously, making it possible to suppress surges without a sudden change in current.

<架線電流の急変時の制御>
次に、実施例7における、架線電流の急変時に、第二の電力変換装置14へのサージ電流流入を回避するために第二の電力変換装置14の動作を停止させた後、速やかに第二の電力変換装置14を動作再開させる処理について、図16を用いて説明する。図16は、実施例7における駆動装置7Sを構成する各機器の制御(駆動装置7Sのインバータ動作中の主回路入力電流(架線電流Is)の急変発生時)を表すタイミングチャートの一例を示す図である。なお図示の横軸のtは時刻を表わす。
<Control during sudden changes in overhead line current>
Next, a process of stopping the operation of the second power conversion device 14 in order to avoid a surge current flowing into the second power conversion device 14 when the overhead line current suddenly changes, and then quickly restarting the operation of the second power conversion device 14 in the seventh embodiment will be described with reference to Fig. 16. Fig. 16 is a diagram showing an example of a timing chart showing the control of each device constituting the drive device 7S in the seventh embodiment (when a sudden change occurs in the main circuit input current (overhead line current Is) during inverter operation of the drive device 7S). Note that t on the horizontal axis in the figure represents time.

図16に示すように、定常的な力行動作中(t10~t11)では架線電流Is>0であり、スイッチング素子Q7(SHBTr1)およびスイッチング素子Q8(SHBTr2)は共にオンである。t10~t11において、第二の電力変換装置14は、信号機器に影響を与えないように帰線電流ノイズを低減するために動作しており、交流スイッチ53(ACSW)はオン、第二の電力変換装置14の出力を示すAF制御ゲインは100%である。 16 , during steady power running operation (t10 to t11), the overhead line current Is>0, and the switching element Q7 (SHBTr1) and the switching element Q8 (SHBTr2) are both on. From t10 to t11, the second power conversion device 14 operates to reduce return current noise so as not to affect signaling devices, the AC switch 53 (ACSW) is on, and the AF control gain indicating the output of the second power conversion device 14 is 100%.

ここで、架線電圧の急変等が発生(t11)すると、架線電流Isが大きな時間変化(dIs/dt)で増加する(t11~t12)。この架線電流Isが所定閾値を超える時間傾きで時間変化したことが検知されると(t12)、交流スイッチ53(ACSW)がオフにされることで第二の電力変換装置14への突入電流経路が遮断され、第二の電力変換装置14のAF制御ゲインが0%にされることで第二の電力変換装置14は動作を停止し保護される。同時にスイッチング素子Q7(SHBTr1)がオフにされ、架線電流Isを抵抗器102に転流する。ここで、抵抗値の大小関係は抵抗器101>抵抗器102であるため、転流される架線電流Isは抵抗器102を優先的に流れる。架線電流Isは、抵抗器102を介して流れるため、架線電流Isの時間傾きは所定範囲内へ収束してゆく。 When a sudden change in the overhead line voltage occurs (t11), the overhead line current Is increases with a large time change (dIs/dt) (t11 to t12). When it is detected that the overhead line current Is has changed with a time gradient exceeding a predetermined threshold (t12), the AC switch 53 (ACSW) is turned off to cut off the inrush current path to the second power conversion device 14, and the AF control gain of the second power conversion device 14 is set to 0%, so that the second power conversion device 14 stops operating and is protected. At the same time, the switching element Q7 (SHBTr1) is turned off to commutate the overhead line current Is to the resistor 102. Here, the relationship of the resistance value is resistor 101>resistor 102, so the commutated overhead line current Is flows preferentially through resistor 102. Since the overhead line current Is flows through resistor 102, the time gradient of the overhead line current Is converges to a predetermined range.

第二の電力変換装置14を動作させても第二の電力変換装置14が破損しないレベルの範囲内まで架線電流Isの時間傾きが収束したことが検知されると(t13)、交流スイッチ53(ACSW)がオンにされる。t13以降、第二の電力変換装置14のAF制御ゲインが0%から徐々に上げられ、100%まで復帰する。 When it is detected (t13) that the time gradient of the overhead line current Is has converged to a level within a range where the second power conversion device 14 will not be damaged even if the second power conversion device 14 is operated, the AC switch 53 (ACSW) is turned on. After t13, the AF control gain of the second power conversion device 14 is gradually increased from 0% and returned to 100%.

t13からさらに時間経過し、スイッチング素子Q7(SHBTr1)をチョッピング動作させても第二の電力変換装置14が破損しないレベルの範囲内まで架線電流Isの時間傾きが収束すると(t14)、スイッチング素子Q7(SHBTr1)のチョッピング動作を行う(t14~t15)。チョッピング動作開始後、スイッチング素子Q7(SHBTr1)の通流率は徐々に上昇され、100%つまり定常的なオン状態まで復帰される。 After a further time has elapsed from t13, when the time gradient of the overhead line current Is converges to a level within a range where the second power conversion device 14 will not be damaged even if the switching element Q7 (SHBTr1) is chopped (t14), the chopping operation of the switching element Q7 (SHBTr1) is performed (t14 to t15). After the chopping operation starts, the conduction rate of the switching element Q7 (SHBTr1) gradually increases and is returned to 100%, i.e., a steady on state.

スイッチング素子Q7(SHBTr1)が定常オン状態に戻ると(t16)、駆動装置7Sは、t10と同一の状態に復帰したことになり、通常力行状態に復帰する。なお、スイッチング素子Q7(SHBTr1)が定常オン状態に戻るタイミングは、第二の電力変換装置14のAF出力ゲインが信号機器に影響を与えないように帰線電流ノイズを低減するために必要な値まで上昇したタイミングと同一であっても良い。 When the switching element Q7 (SHBTr1) returns to the steady on state (t16), the drive device 7S has returned to the same state as t10, and returns to the normal power running state. The timing at which the switching element Q7 (SHBTr1) returns to the steady on state may be the same as the timing at which the AF output gain of the second power conversion device 14 rises to a value necessary to reduce return current noise so as not to affect the signal equipment.

なお、図16に示すシーケンスにおいて、架線電流Isの時間傾き(dIs/dt)が所定閾値を超過したことが検知されると(t13)、直ちにチョッピング動作を行わず、抵抗器102への転流を先に行うのは、時間傾き(dIs/dt)が所定範囲内へ収束する前にチョッピング動作を行うと、チョッピング周波数の大振幅電流振動が架線電流Isとして流れ、第二の電力変換装置14を破損させる可能性があるためである。抵抗転流により架線電流Isの時間変化が十分に収束してからスイッチング素子Q7(SHBTr1)のチョッピング動作を行うことで、第二の電力変換装置14を破損させることなく、滑らかにスイッチング素子Q7(SHBTr1)を定常オン状態に戻すことができる。 16 , when it is detected (t13) that the time gradient (dIs/dt) of the overhead line current Is exceeds a predetermined threshold, the chopping operation is not performed immediately, but commutation to the resistor 102 is performed first. This is because, if the chopping operation is performed before the time gradient (dIs/dt) converges within a predetermined range, large amplitude current oscillations at the chopping frequency will flow as the overhead line current Is, which may damage the second power conversion device 14. By performing the chopping operation of the switching element Q7 (SHBTr1) after the time change of the overhead line current Is has sufficiently converged by resistive commutation, the switching element Q7 (SHBTr1) can be smoothly returned to a steady on state without damaging the second power conversion device 14.

本実施例によれば、架線電流急変を検知した際に半導体減流装置10B(SHB)を動作状態とし第二の電力変換装置14(AF)を停止状態としてから、第二の電力変換装置14の動作再開までの時間を、信号機器が誤動作を起こさない時素以上とすることなく、架線電流変動による第二の電力変換装置14へのサージ電流流入を抑制することができる。 According to this embodiment, when a sudden change in the overhead line current is detected, the semiconductor current reducer 10B (SHB) is activated and the second power converter 14 (AF) is stopped, and the time until the second power converter 14 resumes operation is not longer than the time when the signaling equipment does not malfunction, and it is possible to suppress the inflow of surge current into the second power converter 14 due to fluctuations in the overhead line current.

実施例7では、交流スイッチ53(ACSW)オンおよびAF制御ゲインの立ち上げ開始後に、スイッチング素子Q7(SHBTr1)のチョッピング動作を開始するとしたが、これに限らず、スイッチング素子Q7(SHBTr1)のチョッピング動作を開始後に、交流スイッチ53(ACSW)のオンおよびAF制御ゲインの立ち上げ開始を行ってもよい。この場合を実施例8として、図17を参照して説明する。 In the seventh embodiment, the chopping operation of the switching element Q7 (SHBTr1) is started after the AC switch 53 (ACSW) is turned on and the AF control gain starts to rise, but this is not limiting, and the AC switch 53 (ACSW) may be turned on and the AF control gain starts to rise after the chopping operation of the switching element Q7 (SHBTr1) starts. This case will be described as an eighth embodiment with reference to FIG. 17 .

図17は、実施例8における駆動装置7Sを構成する各機器の制御(駆動装置7Sのインバータ動作中の主回路入力電流(架線電流Is)に急変発生時)を表すタイミングチャートの一例を示す図である。実施例8では、実施例7との相違点を主に説明し、実施例7との共通点については説明を省略または簡略する。なお、実施例8の駆動装置の構成は、実施例7の駆動装置7Sと同様である。 FIG. 17 is a diagram showing an example of a timing chart showing the control of each device constituting the drive device 7S in Example 8 (when a sudden change occurs in the main circuit input current (overhead line current Is) during inverter operation of the drive device 7S). In Example 8, differences from Example 7 will be mainly described, and descriptions of commonalities with Example 7 will be omitted or simplified. The configuration of the drive device in Example 8 is the same as that of the drive device 7S in Example 7.

架線電流Isの急峻な時間傾き(dIs/dt)が発生し(t31)、この架線電流Isの時間傾きが所定閾値を超過したことが検知されると(t32)、交流スイッチ53(ACSW)がオフ、第二の電力変換装置14のAF制御ゲインが0%にされることで、第二の電力変換装置14が保護される。同時にスイッチング素子Q7(SHBTr1)がオフにされ、架線電流Isを抵抗器102に転流する。 When a steep time gradient (dIs/dt) of the overhead line current Is occurs (t31) and it is detected that the time gradient of this overhead line current Is exceeds a predetermined threshold (t32), the AC switch 53 (ACSW) is turned off and the AF control gain of the second power conversion device 14 is set to 0%, thereby protecting the second power conversion device 14. At the same time, the switching element Q7 (SHBTr1) is turned off and the overhead line current Is is commutated to the resistor 102.

架線電流Isの時間傾きが、第二の電力変換装置14の動作を再開できる所定範囲内に収束していないが、スイッチング素子Q7(SHBTr1)のチョッピング動作を行っても第二の電力変換装置14に影響を与えないレベルの範囲内まで収束すると、スイッチング素子Q7(SHBTr1)のチョッピング動作を開始する(t33)。第二の電力変換装置14の動作を再開しても第二の電力変換装置14に損傷を与えないレベルの範囲内まで架線電流Isの時間傾きが収束すると(t34)、交流スイッチ53(ACSW)をオンし、AF制御ゲインを100%に向かって徐々に戻してゆく。AF制御ゲインが100%まで上昇かつスイッチング素子Q7(SHBTr1)のチョッピング動作が終了し定常的なオン状態となった時点で(t35)、駆動装置7Sは、t30と同一の状態に復帰となる。 When the time gradient of the overhead line current Is does not converge to within a predetermined range in which the operation of the second power conversion device 14 can be resumed, but converges to a level within a range in which the chopping operation of the switching element Q7 (SHBTr1) does not affect the second power conversion device 14, the chopping operation of the switching element Q7 (SHBTr1) is started (t33). When the time gradient of the overhead line current Is converges to a level within a range in which the operation of the second power conversion device 14 is resumed without damaging the second power conversion device 14 (t34), the AC switch 53 (ACSW) is turned on, and the AF control gain is gradually returned toward 100%. When the AF control gain rises to 100% and the chopping operation of the switching element Q7 (SHBTr1) ends and the steady on state is reached (t35), the drive device 7S returns to the same state as t30.

スイッチング素子Q7(SHBTr1)のチョッピング動作は、半導体減流装置10B(SHB)の両端から見た抵抗値を、スイッチング素子Q7(SHBTr1)オフにより架線電流Isを転流した抵抗器の抵抗値と0Ωとの間で連続的に変化させる効果を持つ。そのため、チョッピング動作中は、半導体減流装置10B(SHB)の結線位置に等価的に抵抗が挿入されている形となる。スイッチング素子Q7(SHBTr1)の通流率が高い領域では、半導体減流装置10B(SHB)の等価的な抵抗値が下がるが、信号機器の時素よりも短くなる周期となるようにチョッピングの周波数を設定することで、信号機器への妨害を防止することができる。以上から、本シーケンスの通り、第二の電力変換装置14(AF)がオンになる前にスイッチング素子Q7(SHBTr1)のチョッピング動作を行っても問題無い。 The chopping operation of the switching element Q7 (SHBTr1) has the effect of continuously changing the resistance value seen from both ends of the semiconductor current reducer 10B (SHB) between the resistance value of the resistor that commutates the overhead line current Is by turning off the switching element Q7 (SHBTr1) and 0Ω. Therefore, during the chopping operation, a resistor is equivalently inserted at the connection position of the semiconductor current reducer 10B (SHB). In the region where the conduction rate of the switching element Q7 (SHBTr1) is high, the equivalent resistance value of the semiconductor current reducer 10B (SHB) decreases, but interference with the signal equipment can be prevented by setting the chopping frequency so that the period is shorter than the time element of the signal equipment. From the above, there is no problem in chopping the switching element Q7 (SHBTr1) before the second power conversion device 14 (AF) is turned on, as in this sequence.

実施例2、3、7、8における半導体減流装置の構成方法の変形例として、図18に示す半導体減流装置10Iの構成(第2の構成)が考えられる。図18は、実施例9における鉄道車両(電気車)の駆動装置9Sの構成の一例を示す図である。 As a modified example of the configuration method of the semiconductor current reducer in the second, third, seventh, and eighth embodiments, a configuration (second configuration) of a semiconductor current reducer 10I shown in Fig. 18 is considered. Fig. 18 is a diagram showing an example of the configuration of a drive unit 9S of a railway vehicle (electric car) in the ninth embodiment.

半導体減流装置10Iは、図7、図8、図15に記載の半導体減流装置10Bの構成(第1の構成)との差異として、スイッチング素子Q7(SHBTr1)と並列に接続されているスイッチング素子Q8(SHBTr2)と2つの抵抗器の配置が異なる。第1の構成では、スイッチング素子Q8(SHBTr2)による抵抗器101、102の合成抵抗の切り替えが抵抗の並列接続により行われるのに対し、第2の構成では、直列接続された2つの抵抗器101a、102aのうち1つの抵抗器101aの両端を短絡することで抵抗値の切り替えを行う。 7, 8, and 15 (first configuration), the semiconductor current reducer 10I is different in the arrangement of the switching element Q8 (SHBTr2) connected in parallel with the switching element Q7 (SHBTr1) and the two resistors. In the first configuration, the switching of the combined resistance of the resistors 101 and 102 by the switching element Q8 (SHBTr2) is performed by connecting the resistors in parallel, whereas in the second configuration, the resistance value is switched by shorting both ends of one resistor 101a of the two resistors 101a and 102a connected in series.

図18の形態においても、実施例7~8で示したタイミングチャート(図16図17参照)の通り各要素を動作させることで、実施例7~8で述べた同様の効果が得られる。 In the embodiment of FIG. 18 as well, by operating each element according to the timing charts (see FIGS. 16 and 17 ) shown in the seventh and eighth embodiments, the same effects as those described in the seventh and eighth embodiments can be obtained.

上記の実施例1~9の駆動装置1S~7S、9Sを電気車に適用することで、電気車における事故電流や共振電流を抑制することが可能となる。また、上記の実施例1~9の駆動装置1S~7S、9Sを自動車や建機などの車両や、エレベータ装置に適用した場合にも、同様の効果を得ることができる。 By applying the drive units 1S to 7S, and 9S of the above-mentioned Examples 1 to 9 to an electric vehicle, it is possible to suppress fault currents and resonance currents in the electric vehicle. In addition, the same effects can be obtained when the drive units 1S to 7S, and 9S of the above-mentioned Examples 1 to 9 are applied to vehicles such as automobiles and construction machines, and elevator devices.

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例を含む。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換・統合・分散をすることが可能である。また実施例で示した各処理は、処理効率または実装効率に基づいて適宜分散または統合してもよい。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, but includes various modified examples. For example, the above-described embodiments have been described in detail to clearly explain the present invention, and are not necessarily limited to those having all of the configurations described. It is also possible to replace part of the configuration of one embodiment with the configuration of another embodiment, and it is also possible to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment. It is also possible to add, delete, replace, integrate, or distribute other configurations to part of the configuration of each embodiment. Furthermore, each process shown in the embodiments may be appropriately distributed or integrated based on processing efficiency or implementation efficiency.

1S,2S,3S,4S,5S,6S,7S,9S:駆動装置、1:架線、2:レール、5:電動機、6:電力変換装置、7:集電装置、8:車両、9:フィルタリアクトル、10,10B,10C,10D,10I:半導体減流装置、11:遮断器、12:電流検出手段、13:電圧検出手段、14:第二の電力変換装置、15:制御論理部、16:電圧検出手段、52:2次巻線、53:交流スイッチ、54:アクティブフィルタ減流抵抗、100:電気車、101,101a,102,102a,103,104:抵抗器、105:キャパシタ 1S, 2S, 3S, 4S, 5S, 6S, 7S, 9S: Drive unit, 1: Overhead line, 2: Rail, 5: Motor, 6: Power converter, 7: Current collector, 8: Vehicle, 9: Filter reactor, 10, 10B, 10C, 10D, 10I: Semiconductor current reduction device, 11: Circuit breaker, 12: Current detection means, 13: Voltage detection means, 14: Second power converter, 15: Control logic unit, 16: Voltage detection means, 52: Secondary winding, 53: AC switch, 54: Active filter current reduction resistor, 100: Electric vehicle, 101, 101a, 102, 102a, 103, 104: Resistor, 105: Capacitor

Claims (17)

架線から供給された直流電力を交流電力に変換するインバータと、
前記インバータの前記架線側に接続されたリアクトルと、
前記リアクトルの前記架線側に接続された半導体素子と、
前記半導体素子に並列に接続された抵抗器と、
前記半導体素子の前記架線側に接続され、前記直流電力を遮断する遮断器と、
前記架線の架線電圧を検出する電圧検出手段と、
前記遮断器の前記架線側に接続され、該架線から前記インバータへ流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記電圧検出手段により検出された前記架線電圧、または、前記電流検出手段により検出された前記電流に基づいて、前記半導体素子をスイッチング制御してチョッピング動作させる第一の制御と、前記半導体素子をオフ制御した後に前記遮断器を解放させて前記直流電力を遮断する第二の制御とを行う制御部と
を有し、
前記制御部は、
前記電圧検出手段により検出された前記架線電圧から該架線電圧の基準電圧を減算した電圧差第1の閾値よりも大であると判定した場合、または、前記電流検出手段により検出された前記電流の変化率が第2の閾値よりも大であると判定した場合に、前記リアクトルと前記インバータを駆動するためのキャパシタによってLC共振回路が形成され前記架線から前記インバータへ流れる共振電流が発生したとして前記第一の制御を行い、
前記電圧差が第3の閾値以下であると判定した場合、または、記電流が第4の閾値よりも大であると判定した場合に、前記リアクトルと前記インバータとの間で発生した地絡又は該インバータの故障によって前記架線から前記インバータへ流れる事故電流が発生したとして前記第二の制御を行う
ことを特徴とする電力変換装置。
An inverter that converts DC power supplied from the overhead line into AC power;
A reactor connected to the overhead line side of the inverter;
A semiconductor element connected to the overhead line side of the reactor;
a resistor connected in parallel to the semiconductor element;
A circuit breaker connected to the overhead line side of the semiconductor device and cutting off the DC power;
A voltage detection means for detecting an overhead line voltage of the overhead line;
a current detection means connected to the overhead line side of the circuit breaker and detecting a current flowing from the overhead line to the inverter;
A control unit performs a first control for switching-controlling the semiconductor element to perform a chopping operation based on the overhead line voltage detected by the voltage detection means or the current detected by the current detection means, and a second control for opening the circuit breaker to cut off the DC power after controlling the semiconductor element to be off,
The control unit is
when it is determined that a voltage difference obtained by subtracting a reference voltage of the overhead line voltage from the overhead line voltage detected by the voltage detection means is greater than a first threshold value , or when it is determined that a rate of change of the current detected by the current detection means is greater than a second threshold value, it is determined that an LC resonant circuit is formed by the reactor and a capacitor for driving the inverter, and a resonant current flows from the overhead line to the inverter, and the first control is performed;
when it is determined that the voltage difference is equal to or less than a third threshold value , or when it is determined that the current is greater than a fourth threshold value , it determines that a fault current has occurred flowing from the overhead line to the inverter due to a ground fault occurring between the reactor and the inverter or a failure of the inverter, and performs the second control.
前記電圧検出手段は、前記遮断器の前記架線側に接続されている
ことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
The power conversion device according to claim 1 , wherein the voltage detection means is connected to the overhead line side of the circuit breaker.
前記半導体素子に対して並列に接続され、第二の半導体素子と第二の抵抗器とが直列に接続された回路をさらに有し、
前記制御部は、
前記第二の半導体素子をオン制御した状態で前記第一の制御および前記第二の制御を行う
ことを特徴とする請求項1~の何れか1項に記載の電力変換装置。
a circuit connected in parallel to the semiconductor element and including a second semiconductor element and a second resistor connected in series;
The control unit is
The power conversion device according to any one of claims 1 to 2 , characterized in that the first control and the second control are performed in a state in which the second semiconductor element is controlled to be on.
前記リアクトルに二次側巻線を設け、該二次側巻線に接続されている、前記架線流れるノイズ電流を抑制する第二の電力変換装置をさらに有し、
前記架線を流れるノイズ電流を抑制する場合に前記第二の電力変換装置を動作させ、
前記第一の制御の際、前記第二の電力変換装置の動作を停止させる
ことを特徴とする請求項1~の何れか1項に記載の電力変換装置。
The reactor is provided with a secondary winding, and a second power conversion device is connected to the secondary winding to suppress a noise current flowing through the overhead line.
Operate the second power conversion device when suppressing a noise current flowing through the overhead line;
The power conversion device according to any one of claims 1 to 3 , characterized in that, during the first control, an operation of the second power conversion device is stopped.
前記リアクトルに二次側巻線を設け、該二次側巻線に接続されている、前記架線流れるノイズ電流を抑制する第二の電力変換装置をさらに有し、
前記架線を流れるノイズ電流を抑制する場合に前記第二の電力変換装置を動作させ、
前記第一の制御の際、前記半導体素子のチョッピング動作に応じて前記リアクトルの一次側巻線に現れる電位変動を抑制することで、前記第二の電力変換装置の動作を継続させ
前記第二の制御の際、前記第二の電力変換装置の動作を停止させる
ことを特徴とする請求項1~の何れか1項に記載の電力変換装置。
The reactor is provided with a secondary winding, and a second power conversion device is connected to the secondary winding to suppress a noise current flowing through the overhead line.
Operate the second power conversion device when suppressing a noise current flowing through the overhead line;
During the first control, a potential fluctuation appearing in a primary winding of the reactor in response to a chopping operation of the semiconductor element is suppressed, thereby continuing the operation of the second power conversion device ;
During the second control, the operation of the second power conversion device is stopped.
The power conversion device according to any one of claims 1 to 2 .
前記半導体素子に対して並列に接続され、第二の半導体素子と第二の抵抗器とが直列に接続された回路と、前記半導体素子に対して並列に接続され、第三の半導体素子と第三の抵抗器とが直列に接続された回路と、をさらに有し、
前記制御部は、
前記第二の半導体素子と前記第三の半導体素子をオン制御した状態で前記第一の制御を行い、
前記第二の半導体素子をオン制御し、前記第三の半導体素子をオフ制御した状態で、前記第二の制御を行う
ことを特徴とする請求項に記載の電力変換装置。
a circuit connected in parallel to the semiconductor element and including a second semiconductor element and a second resistor connected in series; and a circuit connected in parallel to the semiconductor element and including a third semiconductor element and a third resistor connected in series,
The control unit is
performing the first control in a state in which the second semiconductor element and the third semiconductor element are controlled to be on;
The power conversion device according to claim 5 , wherein the second control is performed in a state in which the second semiconductor element is controlled to be on and the third semiconductor element is controlled to be off.
前記第三の抵抗器の抵抗値が、前記抵抗器と前記第二の抵抗器の各抵抗値よりも小さい
ことを特徴とする請求項に記載の電力変換装置。
The power conversion device according to claim 6 , wherein a resistance value of the third resistor is smaller than each of the resistance values of the resistor and the second resistor.
前記半導体素子に対して並列に接続され、第二の半導体素子と第二の抵抗器とが直列に接続された回路をさらに有し、
前記制御部は、
前記第二の半導体素子をオン制御した状態で前記第一の制御を行い、前記第二の半導体素子をオフ制御した状態で前記第二の制御を行う
ことを特徴とする請求項に記載の電力変換装置。
a circuit connected in parallel to the semiconductor element and including a second semiconductor element and a second resistor connected in series;
The control unit is
The power conversion device according to claim 5 , wherein the first control is performed in a state in which the second semiconductor element is controlled to be on, and the second control is performed in a state in which the second semiconductor element is controlled to be off.
前記抵抗器の抵抗値は、前記インバータを駆動するために、該インバータの前記架線電圧側と負電圧側との間に接続されて前記リアクトルと共にフィルタ回路を構成して前記架線へ流れ出るノイズ電流を低減するキャパシタを初期充電する際の所定の充電抵抗値よりも小さく、
前記第二の抵抗器の抵抗値は、前記抵抗器の抵抗値よりも小さい
ことを特徴とする請求項に記載の電力変換装置。
the resistance value of the resistor is smaller than a predetermined charging resistance value when initially charging a capacitor that is connected between the overhead line voltage side and the negative voltage side of the inverter to drive the inverter and that forms a filter circuit together with the reactor to reduce noise current flowing out to the overhead line;
The power conversion device according to claim 8 , wherein the resistance value of the second resistor is smaller than the resistance value of the resistor.
前記二次側巻線の電圧を検出する二次側電圧検出手段をさらに有し、
前記制御部は、
前記二次側電圧検出手段により検出された電圧に基づいて、前記第一の制御と前記第二の制御を行う
ことを特徴とする請求項の何れか1項に記載の電力変換装置。
Further, a secondary voltage detection means for detecting a voltage of the secondary winding is provided.
The control unit is
The power conversion device according to any one of claims 5 to 9 , characterized in that the first control and the second control are performed based on the voltage detected by the secondary side voltage detection means.
前記半導体素子のチョッピング動作におけるスイッチング周波数は、前記直流電力を生成する商用電源の電源周波数の倍数の周波数である
ことを特徴とする請求項1~10の何れか1項に記載の電力変換装置。
The power conversion device according to any one of claims 1 to 10 , characterized in that a switching frequency in the chopping operation of the semiconductor element is a multiple of a power supply frequency of a commercial power supply that generates the DC power.
前記リアクトルに二次側巻線を設け、該二次側巻線に接続されている、前記架線流れるノイズ電流を抑制する第二の電力変換装置をさらに有し、
前記架線を流れるノイズ電流を抑制する場合に前記第二の電力変換装置を動作させ、
前記インバータの動作中において前記電流が所定閾値を超える時間傾きで変化した場合に、前記半導体素子をオフ状態、かつ、前記第二の電力変換装置を停止状態にし、
前記電流の時間傾きが所定範囲内まで収束すると、前記半導体素子がオフ状態、かつ、前記第二の電力変換装置の停止状態から、前記第二の電力変換装置の動作を開始後、前記半導体素子を定常的なオン状態にする
ことを特徴とする請求項1~の何れか1項に記載の電力変換装置。
The reactor is provided with a secondary winding, and a second power conversion device is connected to the secondary winding to suppress a noise current flowing through the overhead line,
Operate the second power conversion device when suppressing a noise current flowing through the overhead line;
When the current changes with a time gradient exceeding a predetermined threshold during operation of the inverter, the semiconductor element is turned off and the second power conversion device is turned off;
The power conversion device according to any one of claims 1 to 2, characterized in that when the time gradient of the current converges to within a predetermined range, the semiconductor element is switched to a steady on-state after starting operation of the second power conversion device from an off-state and a stopped state of the second power conversion device.
前記電流の時間傾きが所定範囲内まで収束すると、前記半導体素子がオフ状態、かつ、前記第二の電力変換装置の停止状態から、前記第二の電力変換装置の動作を開始後、前記半導体素子の通流率を段階的に時間変化させて増加させるチョッピング動作を行ったのちに前記半導体素子を定常的なオン状態にする
ことを特徴とする請求項12に記載の電力変換装置。
13. The power conversion device according to claim 12, wherein, when the time gradient of the current converges within a predetermined range, after starting operation of the second power conversion device from a state in which the semiconductor element is off and a state in which the second power conversion device is stopped, a chopping operation is performed in which a conduction rate of the semiconductor element is increased stepwise over time, and then the semiconductor element is brought into a steady on state.
前記電流の時間傾きが所定範囲内まで収束すると、前記半導体素子がオフ状態、かつ、前記第二の電力変換装置の停止状態から、前記半導体素子の通流率を段階的に時間変化させて増加させるチョッピング動作を開始後、前記第二の電力変換装置の動作を開始したのちに前記半導体素子を定常的なオン状態にする
ことを特徴とする請求項12に記載の電力変換装置。
13. The power conversion device according to claim 12, wherein, when the time gradient of the current converges to within a predetermined range, a chopping operation is started in which a conduction rate of the semiconductor element is increased by changing it stepwise over time from an off state of the semiconductor element and a stopped state of the second power conversion device, and then the operation of the second power conversion device is started and the semiconductor element is brought into a steady on state.
前記第二の電力変換装置の動作を開始後、前記第二の電力変換装置の出力が0%から上昇して100%になったのちに、前記半導体素子を定常的なオン状態にする
ことを特徴とする請求項1214の何れか1項に記載の電力変換装置。
A power conversion device as described in any one of claims 12 to 14, characterized in that after operation of the second power conversion device is started, the semiconductor element is put into a steady on state after the output of the second power conversion device rises from 0 % to 100 % .
前記半導体素子を通流率を段階的に時間変化させて増加させるチョッピング動作させても前記第二の電力変換装置が破損しない範囲に前記電流の時間傾きが収束したタイミングで、前記半導体素子のチョッピング動作を開始する
ことを特徴とする請求項1314の何れか1項に記載の電力変換装置。
A power conversion device as described in any one of claims 13 to 14, characterized in that the chopping operation of the semiconductor element is started at a timing when the time gradient of the current converges to a range in which the second power conversion device is not damaged even if the semiconductor element is subjected to a chopping operation in which the conduction rate is gradually changed over time and increased .
電力変換装置における電流制御方法であって、
前記電力変換装置は、
架線から供給された直流電力を交流電力に変換するインバータと、
前記インバータの前記架線側に接続されたリアクトルと、
前記リアクトルの前記架線側に接続された半導体素子と、
前記半導体素子に並列に接続された抵抗器と、
前記半導体素子の前記架線側に接続され、前記直流電力を遮断する遮断器と、
前記架線の架線電圧を検出する電圧検出手段と、
前記遮断器の前記架線側に接続され、該架線から前記インバータへ流れる電流を検出する電流検出手段と、
制御部と
を有し、
前記制御部が、
前記電圧検出手段により検出された前記架線電圧から該架線電圧の基準電圧を減算した電圧差第1の閾値よりも大であると判定した場合、または、前記電流検出手段により検出された前記電流の変化率が第2の閾値よりも大であると判定した場合に、前記リアクトルと前記インバータを駆動するためのキャパシタによってLC共振回路が形成され前記架線から前記インバータへ流れる共振電流が発生したとして前記半導体素子をスイッチング制御してチョッピング動作させる第一の制御を行い、
前記電圧差が第3の閾値以下であると判定した場合、または、記電流が第4の閾値よりも大であると判定した場合に、前記リアクトルと前記インバータとの間で発生した地絡又は該インバータの故障によって前記架線から前記インバータへ流れる事故電流が発生したとして前記半導体素子をオフ制御した後に前記遮断器を解放させて前記直流電力を遮断する第二の制御を行う
ことを特徴とする電流制御方法。
A current control method in a power conversion device, comprising:
The power conversion device is
An inverter that converts DC power supplied from the overhead line into AC power;
A reactor connected to the overhead line side of the inverter;
A semiconductor element connected to the overhead line side of the reactor;
a resistor connected in parallel to the semiconductor element;
A circuit breaker connected to the overhead line side of the semiconductor device and cutting off the DC power;
A voltage detection means for detecting an overhead line voltage of the overhead line;
a current detection means connected to the overhead line side of the circuit breaker and detecting a current flowing from the overhead line to the inverter;
A control unit and
The control unit:
when it is determined that a voltage difference obtained by subtracting a reference voltage of the overhead line voltage from the overhead line voltage detected by the voltage detection means is greater than a first threshold value , or when it is determined that a rate of change of the current detected by the current detection means is greater than a second threshold value , a first control is performed in which an LC resonant circuit is formed by the reactor and a capacitor for driving the inverter, and a resonant current flows from the overhead line to the inverter, and a first control is performed in which the semiconductor element is switched and controlled to perform a chopping operation;
a second control is performed in which, when it is determined that the voltage difference is equal to or less than a third threshold value , or when it is determined that the current is greater than a fourth threshold value , a second control is performed in which the semiconductor element is turned off and then the circuit breaker is opened to cut off the DC power, assuming that a ground fault has occurred between the reactor and the inverter or a malfunction of the inverter has caused a fault current to flow from the overhead line to the inverter.
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