JP3085406B2 - 交流電気車用電力変換装置 - Google Patents

交流電気車用電力変換装置

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JP3085406B2 JP09505654A JP50565497A JP3085406B2 JP 3085406 B2 JP3085406 B2 JP 3085406B2 JP 09505654 A JP09505654 A JP 09505654A JP 50565497 A JP50565497 A JP 50565497A JP 3085406 B2 JP3085406 B2 JP 3085406B2
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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、交流架線から電力を供給する電気車に関
し、特に電気車駆動用電動機の制御装置に接続され、該
制御装置と前記交流架線間で前記電動機の力行,回生に
伴う電力の授受を前記交流側の力率の制御により行う力
率制御手段を備えた交流電気車用電力変換装置に関す
る。
背景技術 交流き電区間を走行する電気車において、この電気車
に搭載される架線から受電した交流を直流に変換する電
力変換器としては、ダイオードブリッジにより交直変換
するもの(回生作用はない)、サイリスタブリッジによ
り交流の位相を制御し直流の電圧制御を行う他励コンバ
ータ(回生作用有)及び、自己消弧形半導体素子を用い
てPWM制御を施すことにより力率1を実現する力行,回
生の可逆運転が可能な自励コンバータが用いられてい
る。この自励コンバータは、例えば特開昭62−123961号
公報に記載されている。
近年、GTO(ゲートターンオフサイリスタ)やIGBT
(インシュレーテッドゲートバイポーラトランジスタ)
などの大容量自己消弧形半導体スイッチング素子の発達
に伴い、回生ブレーキ運転が可能な自励コンバータが採
用され始めている。また輸送力の増強に伴って、扱う電
力量も増加している。
従来は、自励コンバータの制御は、力行,回生でも交
流架線の無効電力に注目し常にこれが零となる。すなわ
ち力率1となるようにしか行われていなかった。
しかし、電力量の増加が伴ってくると、この力率1の
制御では、変電所から遠方で力行運転を行うと、架線電
圧が低下し所定の走行性能が得られない場合や、逆に変
電所から遠方で回生ブレーキ運動を行うと、架線電圧が
上昇し所定のブレーキ力が得られない場合がでてきた。
本発明の目的は、架線電圧を安定化し、力行性能の低
下や、回生ブレーキ性能の低下を防止することのできる
交流電気車の電力変換装置を提供することにある。
発明の開示 上記目的は、交流側が変圧器を介して交流架線に接続
され、直流側が電気車駆動用電動機の制御装置に接続さ
れ、該制御装置と前記交流架線間で前記電動機の力行,
回生に伴う電力の授受を前記交流側の力率の制御により
行う力率制御手段を備えた交流電気車用電力変換装置に
おいて、前記変換装置の直流側の電圧が所定値になるよ
うに制御する直流電圧制御手段と、前記電動機が力行か
回生かどうかを検出する力行回生検出手段と、前記架線
電圧を検出する架線電圧検出手段とを備え、前記力率制
御手段は、前記架線電圧検出手段と力行回生検出手段か
らの各検出信号に応じて前記電動機の力行,回生に伴う
前記架線電圧の変動を抑えるように前記交流側の力率を
制御させることにより達成される。
本発明によれば、電動機の力行,回生時に応じて電力
変換器の力率を制御することで、それにより無効電力が
大きくなることがあるも(力率1の制御を行わないた
め)、電力変換器の交流側の電圧は常に所定値に保たれ
る。これにより、特に回生時における直流電圧は架線側
の交流電圧より高くなり、その差分に応じた電力量が架
線側に回生されるので、交流電気車用電力変換装置とし
て回生ブレーキ能力を損なうことがなくなる。
図面の簡単な説明 第1図は、本発明の一実施例を示す電力変換装置の構
成図であり、第2図は、第1図におけるα設定器の実施
例であり、第3図は第1図におけるα設定器の他の実施
例であり、第4図は本発明の自励コンバータの動作を説
明する図である。
また、第5図は、本発明の原理を説明する上で用い
た、き電系のインピーダンスの説明図であり、第6図
は、本発明の原理を説明する上で用いた変電所電圧ES
架線電圧EPの関係を示す図であり、第7図は、本発明の
原理を説明する上で用いた位相と架線電圧の関係を示す
図である。
発明を実施するための最良の形態 先ず、本願発明の実施例を説明する前に、発明の原理
を第5図から第7図を用いて説明する。
架線電圧の低下する原理は、第5図より解析的に説明
される。ここで、第6図はき電系のインピーダンスを模
式的に表わしたものである。変電所1、及び変電所のト
ランスのリアクタンス成分をXS,架線の抵抗成分をRL,架
線のリアクタンス成分をXLとする。一般的には、XS=7.
44Ω,RL=0.28Ω/Km,XL=0.769Ω/Km程度の値となる。
ここで変電所のリアクタンスXSを含まない送り出し電
圧をES,電気車のパンタグラフ点の電圧をEPとする。
電気車用電力変換装置は、架線電圧を扱い易い電圧に
変換する変圧器2,変圧器からの交流電圧を直流電圧に変
換するPWMコンバータ3,直流を交流に変換し誘導電動機
5を制御するPWMインバータ4などから構成されてい
る。
この時、電気車が変電所からの距離20Kmの離れた地点
において、力行運転時、ピーク8MW,回生ブレーキ運転時
−8MWの電力を制御するものとして、その時の架線電圧E
Pを求めることにする。変電所の送り出し電圧ESを20KV
とする。
第6図は、力行運転モードと回生運転モードにおける
架線電圧EPと変電所送り出し電圧ESの関係をベクトル図
で示したものである。
架線電流をIPとし、PWMコンバータ3は、架線電圧EP
に対して力率を制御出来るので、EPに対するIPの位相を
遅れ方向に位相角αで制御するものとする。
電気車を制御する電力をPとすると、架線電圧EPと架
線電流IPとの関係は、次式が成立する。
P=IP×EP×cosα …(1) また、架線電圧EPと変電所電圧ESとの関係は、次式と
なる。
(1)式から、IP=P/(EP・cosα)となる。これを
(2)式に代入して、EPを求めると次式が得られる。
(3)式より、前述した条件において、架線電圧EP
計算した結果を第7図に示す。
変電所から20Km離れた地点において、8MWの力行電力
を制御しようとすると、力率1で制御しても架線電圧の
低下が著しく変電所の送り出し電圧20KVに対し、16KV以
下に低下して力行不能状態に陥ることを示している。こ
の様な場合には、PWMコンバータ3の制御する電流IP
位相を、進み方向に制御することにより、架線電圧EP
回復して力行性能を出せることが分る。
逆に−8MWの回生電力を制御しようとすると、力率1
で制御する場合、多少架線電圧が低下する傾向にある
が、他の力行中の電気車(従来からの他励コンバータ車
が存在する場合、力率0.8程度の遅れ電流を消費すると
架線電圧が著しく低下する。)により架線電圧が低下し
ている場合、PWMコンバータ3の制御する電流IPの位相
を遅れ方向に制御することにより、架線電圧EPが回復し
て、他の力行中の電気車の力行性能を損なうことなく、
架線電圧の安定化が図れることが分る。
以上説明した考えに基づく本願発明の一実施例を第1
図を用いて説明する。
架線を介して得られる変電所などの交流電源1からの
交流は、図示しないパンタグラフにより集電されてトラ
ンス2に供給される。トランス2は、インダクタンスLT
(トランスの巻線にて共用)を介して自励コンバータで
あるパルス幅変調(PWM)コンバータ3に接続される。
PWMコンバータ3の直流側は平滑コンデンサ6を介し
て3相PWMインバータ4に接続される。PWMインバータ4
により生成される可変電圧・可変周波数の交流により負
荷である誘導電動機5が駆動される。
PWMコンバータ3は、直流電圧Vdが設定された値とな
る様に動作する。直流電圧指令Vd*と平滑コンデンサ6
の両端の電圧として検出される直流電圧検出値Vdとが加
算器10で比較され、その偏差が電圧調節器11に入力され
る。電圧調節器11はPWMコンバータ3の交流側に流す電
流Isの波高値指令Ismを出力する。
一方、トランス2の2次側から検出された交流電源1
の電圧Esは、その波高値Esmで除算器14により単位の正
弦波sin wtに変換され、このsin wtと電圧調節器11の出
力の波高値指令Ismとが乗算器12により乗じられ、瞬時
の交流電流指令Is*となる。この瞬時の交流電流指令Is
*とPWMコンバータ出力電流Isとが加算器13で比較され
その偏差が電流調節器17に入力される。電流調節器17
は、PWMコンバータの交流電圧指令に相当する変調波を
出力し、この変調波と三角波発生器18により生成された
三角波とが比較器19で比較されパルス幅変調信号が出力
される。この信号がゲート回路20にて増幅され、PWMコ
ンバータ3を構成する自己消弧形スイッチング素子をオ
ン・オフ制御する。
このPWMコンバータ3による力行,回生運転モードを
ベクトル図を用いて説明する。第4図(a)は、力行運
動モードを示している。コンバータの出力する電圧位相
を電源電圧ESより遅らせ、ESとコンバータ入力電圧EC
の差電圧、すなわちトランス2内のインダクタンスLT
印加される電圧が、電源電圧ESに対して90゜進んだ位相
となる様に制御する。結果としてLTに流れる電流Isは、
電源電圧ESと同相となる。
同図(b)は回生運転モードを示している。力行運転
モードとは逆にコンバータの入力電圧ECを電源電圧ES
り進ませ、ESとECとの差電圧、すなわちトランス2内の
インダクタンスLTに印加される電圧が、電源電圧ESに対
して90゜遅れた位相となる様に制御する。結果としてLT
に流れる電流Isは、電源電圧ESと逆相となる。
次に、本発明による力率の調整について説明する。前
述した様に交流電源1の電圧信号は、(トランス2次電
圧ESにより、トランスの変圧比により、架線電圧を逆算
しEPを求めることができるし、トランスの内部インダク
タンスLTにより、ESからEPを求められない場合は、直接
EPを求めれば良い。)除算器14によって単位正弦波信号
sinωtを算出した後、力行,回生ブレーキを説明し
て、力行時は、架線電圧EPが低い時に、進み位相αを負
に、回生ブレーキ時は、架線電圧EPが高い時に、進み位
相αを負に設定するα設定器により、交流電源ESの位相
よりα程遅れた位相の単位正弦波sin(ωt−α)を出
力する。その後Ismとの乗算により、トランス2のイン
ダクタンスLTに流すべき交流電流の瞬時値を指令するIs
*となる。第2図及び第3図はα設定器の一例を示すも
のである。
第2図の例は、力行時、架線電圧の低下を検出して、
その低下を抑制するために電流位相を進み側に制御し、
回生ブレーキ時、架線電圧の上昇を検出して、その上昇
を抑制するために電流位相を進み側に制御する目的で使
用する。その逆の制御が必要な場合進み側の制御をす
る。
第3図は、力行時、架線電圧が上昇している場合に、
架線電圧を低下させるため、電流位相を遅れ側に制御
し、回生ブレーキ時、架線電圧が低下している場合に、
架線電圧を上昇させるため、電流位相を遅れ側に制御
し、架線電圧を、安定化する目的で使用する。
この様に、力行,回生ブレーキを判別して、架線電圧
に応じてαを設定するα設定器を追加したことにより、
架線電圧を安定化することができるので、安定した交流
電気車の運行が可能となる。
以上、本発明によれば、交流電気車の力行,回生ブレ
ーキ運転時に、架線電圧の低下、あるいは、上昇を防止
することができるので、交流電気車の安定した運行が可
能となる。
尚、以上の実施例では、電気車駆動用の電動機を誘導
電動機として説明したが、これに限らず、チョッパやカ
ム軸に制御される直流電動機であっても一向に差しつか
えない。
また、上記実施例では、PWMコンバータを2レベルコ
ンバータとして説明したが、3レベルコンバータでもそ
の効果は同様である。
利用上の利用可能性 以上のように、本発明にかかる交流電気車用電力変換
装置は、架線電圧が変動する、例えば交流き電区間を走
行する電気車が多数の場合、または交流き電区間に電力
を供給する変電所が少なく、き電区間が長い場合に用い
られるのに適している。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H02M 7/12 - 7/19 B60L 9/12 B60L 9/24

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】交流側が変圧器を介して交流架線に接続さ
    れ、直流側が電気車駆動用電動機の制御装置に接続さ
    れ、該制御装置と前記交流架線間で前記電動機の力行,
    回生に伴う電力の授受を前記交流側の力率の制御により
    行う力率制御手段を備えた交流電気車用電力変換装置に
    おいて、 前記変換装置の直流側の電圧が所定値になるように制御
    する直流電圧制御手段と、前記電動機が力行か回生かど
    うかを検出する力行回生検出手段と、前記架線電圧を検
    出する架線電圧検出手段とを備え、前記力率制御手段
    は、前記架線電圧検出手段と力行回生検出手段からの各
    検出信号に応じて前記電動機の力行,回生に伴う前記架
    線電圧の変動を抑えるように前記交流側の力率を制御さ
    せるようにしたことを特徴とする交流電気車用電力変換
    装置。
  2. 【請求項2】請求項1において、前記力率制御手段は、
    力行時に架線電圧が所定値以下になると、前記電力変換
    装置の制御する電流位相を、架線電圧位相より進ませる
    手段を備えたことを特徴とする交流電気車用電力変換装
    置。
  3. 【請求項3】請求項1において、前記力率制御手段は、
    回生時中に架線電圧が所定値以上になると、電力変換装
    置の制御する電流位相を、架線電圧位相より進ませる手
    段を備えたことを特徴とする交流電気車用電力変換装
    置。
  4. 【請求項4】請求項1において、前記架線電圧検出手段
    は、架線電圧の大きさと電圧位相のそれぞれを検出する
    手段を有し、前記力率制御手段は、前記架線電圧の大き
    さと前記力行回生検出手段からの検出信号に基づいて交
    流電流位相角αを設定する位相角設定器と、該位相角と
    前記架線電圧位相と前記直流電圧制御手段からの出力信
    号より前記電力変換装置に入力する交流電流の瞬時値の
    指令値を生成し、該指令値に実際の前記電力変換装置に
    入力する交流電流の瞬時値がなるように制御する交流電
    流制御手段を備えたことを特徴とする交流電気車用電力
    変換装置。
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