JP2799033B2

JP2799033B2 - 電気車制御装置

Info

Publication number: JP2799033B2
Application number: JP2053197A
Authority: JP
Inventors: 寿郎長谷部
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-03-05
Filing date: 1990-03-05
Publication date: 1998-09-17
Anticipated expiration: 2013-09-17
Also published as: JPH03256505A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）この発明は、例えばディーゼルエンジンのような内燃
機関によって主発電機と励磁機とを駆動し、主発電機の
発生電力を直流主電動機に供給して車両を駆動する方式
の電気車制御装置に関する。

（従来の技術）例えば、ディーゼル電気車と呼ばれるエンジン電気車
では、直流直巻電動機を駆動用主電動機としている。こ
の主電動機に給電するための主発電機には、車両の起動
に際しては大きな牽引力を出し得るように低電圧、大電
流を発生し、車両の速度が上昇するに伴なって電圧を上
げ、且つ電流を減らす制御が行なえることが要求され
る。

しかも、車両の走行中には、その全速度領域でエンジ
ン出力を最大限に利用することが望ましいため、主発電
機の入力が常にエンジンの最大出力とほぼ等しくなるよ
うな特性が求められ、このような要望に応えるために従
来から種々の励磁方式が提案されている。

第５図は、このような電気車制御装置の従来例を示し
ており、ディーゼルエンジン（図示せず）によって駆動
される回転界磁型主発電機１は、同一軸上に設置された
励磁機２の出力により励磁されるようになっている。

そして励磁機２は、バッテリ３を電源とする回転電機
子型の交流発電機であり、その交流出力を、同一回転軸
上に設置した回転整流器４により直流に変換して主発電
機１の回転界磁５を励磁するようになっている。

また、バッテリ３により励磁される励磁機２の界磁巻
線６とバッテリ３との間には、エンジンのガバナー（図
示せず）により制御される可変抵抗値のロードレギュレ
ータ７が挿入されている。このロードレギュレータ７の
抵抗値の調整によって、主発電機１の交流出力を、主整
流器８により直流に変換した後の主発電機出力電力W
_g（I_g・V_g）がほぼ一定となるように調整している。

このときの主整流器８の出力電圧V_g及び負荷電流I_gの
関係は第６図に示すようなものとなり、使用領域のほぼ
全体に渡ってV_g・I_g≒一定となっている。

しかしながら、この主発電機１の出力特性に直巻主電
動機９を接続しただけでは、狭い範囲の速度領域でしか
エンジンの出力が牽引力として発生しない。そのため、
一般的には第５図に示すように主電動機９の直巻界磁巻
線10に並列に弱め抵抗11を接触器12を介して接続し、あ
る速度ｖまで全界磁（FF）で運転し、速度ｖに到達した
ときに主電動機９の直巻界磁巻線10に流れる電流を弱め
抵抗11に分流させ、弱め界磁（WF）となるように制御し
ている。

このような制御により、第７図及び第８図に示すよう
に、直巻界磁巻線10に流れる電流は、弱め抵抗11に流れ
る分流分がプラスされるため、主電動機９に流れる全電
流の制御幅を大きくすることができ、より広い範囲でエ
ンジン出力を有効に牽引力に転換することができるよう
になっている。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、このような従来の電気車制御装置にあ
っても、次のような問題点があった。

すなわち、第７図に示すように、速度ｖにおいて弱め
抵抗11を投入した時に主電動機９の電流増加するが、こ
の時の速度ｖにおける安定した電流だけを見るならば、
主電動機９の牽引力は弱め界磁となる前後で同一となっ
ている。ところが、ごく短時間の過渡現象として見ると
きには、この主電動機９のトルクは変動したものとなっ
ている。

つまり、第９図に過渡的な現象について示してある
が、同図（ａ）に示すように時刻t₁で弱め抵抗11が投入
されたとすると、同図（ｂ）に示すように主電動機電流
1_aは比較的短時間T₁（＝数10ms程度）で上昇して安定す
る。しかし、同図（ｃ）に示すように、主発電機１の出
力電圧V_gは主電動機電流1_aの変化を受けて負荷が増加し
たことによるエンジン回転数の微小変化をガバナーが感
知してロードレギュレータ７を調整し、励磁機２の界磁
巻線６に流れる電流を変化させるようにしている。した
がって励磁機２の出力電圧を変化させ、主電動機１の回
転界磁５に流れる電流を調整するという機械的、電気的
な遅れ要素が幾重にも重なっているため、安定するまで
にかなりの時間T₂（数100ms〜1s程度）を要している。

この結果として、電圧が低い値で安定するまでの間
は、同図（ｄ）に示すように主電動機トルクが短時間T₃
の間増加する結果となり、この主電動機トルクの瞬間的
な増加がトルクショックとして表われ、特に客車牽引時
には乗心地を悪くしたり、車輪がスリップしてフラット
（部分的な車輪の摩耗）を発生するという問題点があっ
た。

また、主電動機トルクの瞬間的な増加は、主発電機１
の過負荷につながり、場合によっては、エンジンの過負
荷耐量をオーバーし、エンストの原因となる等の問題点
もあった。

この発明は、このような事情に鑑みてなされたもので
あり、弱め界磁制御を行うときの、主電動機トルクの瞬
間的な増加を防止し、安定した牽引力を得ることができ
る電気車制御装置を提供しようとするものである。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段）本発明は上記課題を解決するための手段として、内燃
機関の駆動によって主発電機から交流出力を得、この交
流出力を整流して直巻主電動機を駆動するようにし、し
かも、この直巻主電動機の高速域では、その直巻界磁巻
線に並列接続された分路回路へ界磁電流の一部を分流さ
せて弱め界磁制御を行うようにした電気車制御装置にお
いて、前記主発電機からの交流出力の電圧を所定の割合
に降圧する降圧手段と、前記分路回路の一部を形成する
分路手段と、前記分路手段に直列接続されてこの分路手
段と共に前記分路回路を形成し、前記降圧手段からの降
圧された交流出力を整流する整流手段と、を備えた構成
としたものである。

（作用）上記構成において、主発電機の交流出力は車両の走行
状態に応じて変化する。そして、この交流出力は、降圧
状態に応じて変化する。そして、この交流出力は、降圧
手段で降圧されて整流手段に送られる。したがって、整
流手段から出力される直流は主発電機の交流出力の変化
に伴なって変化することになる。

そのため、この整流手段と直列に接続されている分路
手段を流れる電流も、主発電機の交流出力の変化に応じ
て変化する。分路手段を流れる電流が変化するというこ
とは、取りも直さず、直巻界磁巻線を流れる界磁電流が
変化することを意味している。

換言すれば、直巻界磁巻線を流れる界磁電流は、常に
主発電機の交流出力の変化に対応して、連続的且つ滑ら
かに変化することになる。

（実施例）以下、本発明の実施例を第１図乃至第４図に基いて説
明する。但し、第５図乃至第９図と同様の構成要素には
同一符号を付し、重複した説明を省略することとする。

第１図は、本実施例の構成を示す回路図であり、直巻
界磁巻線10と並列に分路回路14が接続されている。この
分路回路14はリアクトル15と、これに直列接続された、
ダイオードから成る三相全波整流ブリッジ16とから形成
されている。そして、主発電機15からの交流出力の電圧
は、三相降圧トランス17により降圧され、この降圧され
た電圧が三相全波整流ブリッジ16に印加されるようにな
っている。

次に、第１図の動作について説明する。第２図は、第
１図の要部について簡略化した等価回路図である。

いま、主電動機電流（電機子電流）をI_a、直巻界磁巻
線10の抵抗，電流をR_f,I_f、リアクトル15の抵抗，電流
をR_sh,I_sh、整流ブリッジ16の出力電圧をe_gとすると、
これらの間には下式の関係が成立する。

I_a＝I_f＋I_sh ……（１） R_f・I_f＝R_sh・I_sh−e_g ……（２）（１）式及び（２）式よりI_fを求めると、となる。

ここで、電圧e_gは、主電動機１の出力電圧V_gと比例関
係にあり、定数をｋとすれば、 e_g＝ｋ・V_g ……（４）と表わすことができる。

上記（３）式によれば、e_gがゼロのときにI_fはI_aに対
して最大の値となり、以後e_gが大きくなるにしたがっ
て、I_fはI_aに対して小さな値となっていくことがわか
る。

そこで、（３）式及び（４）式に具体的な数値を代入
して、起動時、定格時、及び最高電圧時の三つの場合に
おけるI_fの値を検討してみる。

まず、主電動機９の定格容量，定格電圧，定格電流を
それぞれ230〔KW〕,500〔ｖ〕,500〔Ａ〕とし、R_f＝0.0
1〔Ω〕,R_sh＝0.04〔Ω〕とする。そして、V_g＝500
〔ｖ〕のときに、e_g＝８〔ｖ〕であったとすると、定数
ｋはｋ＝8/500＝0.016 となる。

車両起動時にはV_g＝０であるが、このときの電機子電
流I_aを、I_a＝800〔Ａ〕とする。すると、（４）式よ
り、e_g＝０であるから、（３）式よりとなる。

同様に、（３）式及び（４）式を用いて計算すれば、
定格時のe_g,I_fは e_g＝0.016×500＝８〔ｖ〕となる。

また、主電動機９の最高電圧を710〔ｖ〕、そのとき
の電流を350〔Ａ〕とすると、 e_g＝0.016×710＝11.36〔ｖ〕となる。

そして、主電動機９の定格時において全界磁となるよ
うに、直巻界磁巻線10の設計を行い、定格時の電機子電
流及び界磁電流をそれぞれI_ao,I_foとし、界磁率をF_sと
する。すると、これらの間にはなる関係が成立する。よって、（５）式からF_s〔％〕を
求めると、となる。

この（６）式に基いて、上記した三つの場合における
界磁率F_sを計算してみると、次のようになる。

これらの結果から明らかなように、起動時等の低速時
には100％以上の界磁率（強め界磁）となって、主電動
機９は大トルクを発生する。一方、最高電圧時等の高速
時には100％以下の界磁率（弱め界磁）となって、主電
動機９は高速回転することになる。

第３図は上記の変化を示すもので、同図（ａ）に示す
ように、主発電機１の出力電圧V_gは、負荷電流I_gとの関
係がV_g・I_g≒（一定）となるように変化する。このと
き、三相全波整流ブリッジ16の電圧e_gもV_gに比例して変
化する。

そして、電圧e_gの変化によって、電機子電流I_a及び界
磁電流I_fは第３図（ｂ）のように変化し、また、界磁率
F_sは第３図（ｃ）のように変化する。

このように、第１図の構成によれば、従来のような高
速時における弱め界磁制御ばかりか、起動時には界磁率
を100％以上にして強め界磁制御を行うことができる。
しかも、この変化は滑らかな曲線に沿って連続的に生じ
るため、第５図の接触器12の投入時のように、不連続状
態を生じることがない。

第４図（ａ），（ｂ）は、このような制御によって得
られる特性曲線である。第７図及び第８図と対比してみ
れば、車両の起動時から最高速度時まで、変化が連続的
且つ滑らかになっていることが明らかである。したがっ
て、第９図（ｄ）の期間T₃において生じていた、主電動
機トルクの瞬間的な増加も生じることがなく、このトル
ク特性曲線は平坦なものとなる。

また、第１図の構成では、第５図の接触器12が不要に
なったため、この接触器12の開閉時点を検知するための
電圧検知回路も不要となっている。したがって、回路構
成もより簡略化されたものとなっている。

なお、上記実施例では、分路回路中の分路手段とし
て、三相全波整流ブリッジのリップルを低減するためリ
アクトル15を用いているが、リアクトルと抵抗器とを組
合せて用いてもよく、また、リップルについて考慮する
必要がなければ抵抗器だけを用いることとしてもよい。

さらに、上記実施例では、主発電機１が３相用のもの
である場合につき説明したが、もちろん本発明は単相用
のものについても適用可能である。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明によれば、主発電機からの交流
出力の電圧を降圧手段が降圧し、この降圧した電圧を、
分路手段に直列接続された整流手段に印加する構成とし
たので、従来、弱め界磁制御を行うときに生じていた主
電動機トルクの瞬間的増加を防止することができ、さら
に、起動時には強め界磁制御を行うことができる。しか
も、起動時から最高速度時までのこれらの界磁制御を連
続的且つ円滑に行うことが可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す回路図、第２図は第１図
の動作を説明するための等価回路図、第３図及び第４図
は本発明の実施例の特性図、第５図は従来例を示す回路
図、第６図乃至第９図は従来例の特性図である。１……主発電機、９……直巻主電動機、10……直巻界磁
巻線、14……分路回路、15……分路手段（リアクト
ル）、16……整流手段（３相全波整流ブリッジ）、17…
…降圧手段（３相降圧トランス）。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】内燃機関の駆動によって主発電機から交流
出力を得、この交流出力を整流して直巻主電動機を駆動
するようにし、しかも、この直巻主電動機の高速域で
は、その直巻界磁巻線に並列接続された分路回路へ界磁
電流の一部を分流させて弱め界磁制御を行うようにした
電気車制御装置において、前記主発電機からの交流出力の電圧を所定の割合に降圧
する降圧手段と、前記分路回路の一部を形成する分路手段と、前記分路手段に直列接続されてこの分路手段と共に前記
分路回路を形成し、前記降圧手段からの降圧された交流
出力を整流する整流手段と、を備えたことを特徴とする電気車制御装置。