JP5353068B2 - Regenerative power absorber - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は直流式電気鉄道等の回生電力吸収装置に関するものである。 The present invention relates to a regenerative power absorbing device such as a DC electric railway.
直流式電気鉄道等の直流電気車が回生制動運転をすると、架線へ回生電力が放出され、架線の電圧が上昇する。架線の電圧が上昇すると、回生制動のききが悪くなり、さらには直流電気車及び架線の過電圧故障を起こす恐れがある。このような不都合を解消するために、回生電力を吸収する回生電力吸収装置が設けられている。図3は従来の直流式電気鉄道の回生制動システムの構成図を示し、1は交流電源であり、その出力電圧Vsは変圧器と整流器からなる変電所2に供給され、変電所2は変圧と整流を行う。この変電所2から出力される直流電力は架線3及び架線インピーダンス4を介して直流電気車5へ供給される。又、架線3には回生電力吸収装置6が接続される。
When a DC electric vehicle such as a DC electric railway performs a regenerative braking operation, regenerative power is released to the overhead line, and the voltage of the overhead line rises. When the voltage of the overhead line rises, the regenerative braking becomes worse, and there is a risk of overvoltage failure of the DC electric vehicle and the overhead line. In order to eliminate such inconvenience, a regenerative power absorbing device that absorbs regenerative power is provided. FIG. 3 shows a configuration diagram of a conventional regenerative braking system for a DC electric railway, in which 1 is an AC power supply, and its output voltage Vs is supplied to a
直流電気車5が力行運転中には電力が変電所2から直流電気車5へ供給され、直流電気車5が回生制動中には回生電力が直流電気車5から回生電力吸収装置6へ吸収され、架線3の電圧の上昇は抑制される。回生電力吸収装置6はチョッパ回路7と回生抵抗8の直列回路からなり、この直列回路が装置容量に応じて複数並列に接続される。回生電力は回生抵抗8により熱として吸収される。チョッパ回路7はその入力電圧Vdc1が設定電圧以上になったときに動作し、直流電気車5が回生電力を発生している期間、チョッパ回路7の入力電圧Vdc1が設定値となるように動作する。Vdc2は直流電気車5の電圧である。
Electric power is supplied from the
図4は従来の回生電力吸収装置6の詳細な回路構成を示し、架線3(直流電源母線)に接続され、入力電圧Vdc1が加えられる直流入力端子T1,T2間には回生電流を検出する電流検出器9及びリアクトルL1を介して複数のチョッパユニット10の一端が並列に接続され、各チョッパユニット10の他端には共通の回生抵抗8が接続される。各チョッパユニット10は直流入力端子T1,T2側の接続端に並列に接続されたコンデンサCとスイッチング素子SWと環流ダイオードDとから構成され、スイッチング素子SWとダイオードDと共通のリアクトルL1とによりチョッパ回路が形成される。又、リアクトルL1とコンデンサCの直列回路によりLCフィルタが構成され、チョッパ動作により架線電圧に高調波が発生するのを防止する。チョッパユニット10の並列設置数は回生電流に応じて決定する。
FIG. 4 shows a detailed circuit configuration of a conventional regenerative power absorbing device 6, which is connected to the overhead line 3 (DC power supply bus) and detects a regenerative current between DC input terminals T 1 and
図5は前記した従来の回生電力吸収装置6の制御ブロック図を示し、直流電圧(入力電圧)設定値Vdcrefと直流電圧(入力電圧)Vdc1とがチョッパデューティ比演算部11の比較部12に入力され、両者の偏差が求められる。この偏差は比例積分演算部13に入力され、比例積分演算され、チョッパデューティ比(=スイッチング素子SWのオン時間/スイッチング周期)が演算される。チョッパデューティ比演算部11の出力であるチョッパデューティ比はチョッパゲート信号生成部14に入力され、チョッパゲート信号生成部14はこのチョッパデューティ比になるようにゲート信号を生成し、このチョッパゲート信号をチョッパユニット10のスイッチング素子SWのゲートに入力し、そのデューティ比(通流率)を制御する。即ち、各チョッパユニット10のスイッチング素子SWのオン時間を変化させると、回生抵抗8に流れる平均電流が変化する。従って、このデューティ比を制御することにより、回生電力吸収装置6の回生電力吸収量が変化し、入力電圧Vdc1が設定値Vdcrefと一致するように制御される。
FIG. 5 is a control block diagram of the above-described conventional regenerative power absorbing device 6, and a DC voltage (input voltage) set value Vdcref and a DC voltage (input voltage) Vdc 1 are input to the
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、特許文献1〜3がある。
ところで、前記した従来の回生電力吸収装置においては、回生抵抗8は、入力電圧設定値Vdcrefの下限でデューティ比を最大にした時に、最大回生電流を消費できる値に選定する。例えば、回生電流の最大値が1000A、入力電圧設定値の下限電圧が750V、上限電圧が900V、デューティ比の最大値が0.95の場合には、回生抵抗8≦750/1000×0.95=0.71より、回生抵抗8は0.7Ω程度の値に選定する。この場合に、スイッチング素子SWの故障または誤配線等により、スイッチング素子SWが短絡状態となった場合、スイッチング素子SWと回生抵抗8を介して入力電圧Vdc1と回生抵抗8で決まる電流がチョッパユニット10に流れる。入力電圧Vdc1が下限電圧750Vで回生抵抗8が0.7Ωの場合には回生電流は750/0.7=1071A程度流れ、入力電圧Vdc1が上限電圧900Vの場合には回生電流は900/0.7=1286A程度流れる。これらの値は、下限電圧では回生電流最大値の107%となり、上限電圧では回生電流最大値の129%となる。一方、過電流検出レベルはこれより高く設定されているために、スイッチング素子SWが短絡故障しても回生電流値から故障を検出することができない。
By the way, in the above-described conventional regenerative power absorbing device, the
又、スイッチング素子SWの故障または誤配線等により、スイッチング素子SWが開放状態となった場合、回生電流が流れなくなり、回生電力を吸収することができなくなる。複数のチョッパユニット10を並列に接続して使用する場合には、1つのチョッパユニット10のスイッチング素子SWが開放状態となっても、回生電流値が他のチョッパユニット10によって吸収できる電流値であれば、回生電力吸収装置6は動作を継続するが、吸収できない電流値の場合には、直流電気車5の回生ブレーキを使用できなくなり、架線3が過電圧になる前に直流電気車5が回生電流を制限するために、スイッチング素子SWの開放故障を検出することができない。
In addition, when the switching element SW is opened due to a failure of the switching element SW or incorrect wiring, the regenerative current does not flow and the regenerative power cannot be absorbed. When using a plurality of
この発明は上記のような課題を解決するために成されたものであり、チョッパ回路を構成するスイッチング素子の開放、短絡故障を容易に検出することができる回生電力吸収装置を得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a regenerative power absorbing device that can easily detect an open / short circuit failure of a switching element constituting a chopper circuit. To do.
この発明の請求項1に係る回生電力吸収装置は、直流電源母線に並列に接続され、モータからの回生電力が直流電源母線に回生される際に回生電力をチョッパ回路を介して回生抵抗の発熱で吸収する複数の回生電力吸収部と、前記チョッパ回路の出力側に設けられた電流平滑用のリアクトルと、前記各チョッパ回路に設けられ、チョッパ電流を検出する電流検出器と、直流電源母線からの入力電圧の設定値と入力電圧との偏差に応じてチョッパ回路の一台当りのチョッパ電流の指令値を演算するチョッパ電流指令値演算部と、チョッパ電流指令値と各チョッパ電流検出値との偏差に応じて各チョッパ回路のデューティ比を演算するチョッパデューティ比演算部と、このデューティ比となるように各チョッパ回路のスイッチング素子のゲート信号を生成するチョッパゲート信号生成部とを備え、チョッパ電流の指令値と検出値との偏差がしきい値以上でスイッチング素子の故障を検出するものである。 The regenerative power absorbing device according to claim 1 of the present invention is connected in parallel to the DC power supply bus, and when the regenerative power from the motor is regenerated to the DC power supply bus, the regenerative power is generated by the regenerative resistor via the chopper circuit. A plurality of regenerative power absorbers that absorb the current, a current smoothing reactor provided on the output side of the chopper circuit, a current detector provided in each chopper circuit for detecting a chopper current, and a DC power supply bus A chopper current command value calculation unit that calculates a command value of chopper current per chopper circuit according to the deviation between the input voltage setting value and the input voltage, and the chopper current command value and each chopper current detection value A chopper duty ratio calculation unit that calculates the duty ratio of each chopper circuit according to the deviation, and the gate signal of the switching element of each chopper circuit so that this duty ratio is obtained. And a chopper gate signal generator for generating a deviation between the command value and the detected value of the chopper current is for detecting a failure of the switching element at or above the threshold.
請求項2に係る回生電力吸収装置は、チョッパ回路の電流検出値−電流指令値がしきい値より大きい状態が一定期間継続したことにより、チョッパ回路のスイッチング素子の短絡故障を検出するものである。 The regenerative power absorbing device according to claim 2 detects a short-circuit failure of the switching element of the chopper circuit when a state in which the current detection value of the chopper circuit−the current command value is larger than the threshold value continues for a certain period. .
請求項3に係る回生電力吸収装置は、チョッパ回路の電流指令値−電流検出値がしきい値より大きい状態が一定期間継続したことにより、チョッパ回路のスイッチング素子の開放故障を検出するものである。 The regenerative power absorbing device according to claim 3 detects an open failure of the switching element of the chopper circuit when a state in which the current command value of the chopper circuit-current detection value is larger than the threshold value continues for a certain period. .
以上のようにこの発明によれば、直流入力電圧とその設定値との偏差から一台当りのチョッパ回路のチョッパ電流の指令値を演算し、この指令値と各チョッパ電流の検出値との偏差からチョッパデューティ比を求め、このデューティ比となるように各チョッパ回路のスイッチング素子のゲート信号を生成しており、各スイッチング素子が正常であれば、チョッパ電流の指令値と各検出値が一致する。しかし、何れかのチョッパ回路においてスイッチング素子に故障が発生すると、チョッパ電流の指令値と検出値との間に大きな差が生じ、その偏差がしきい値以上になる。即ち、何れかのチョッパ回路のスイッチング素子に短絡故障が発生すると、そのチョッパ回路においては通常より大きなチョッパ電流が流れるので、チョッパ電流の検出値−指令値がしきい値より大きな状態が一定期間継続することになり、スイッチング素子の短絡故障を検出することができる。又、何れかのチョッパ回路のスイッチング素子に開放故障が発生すると、そのチョッパ回路にはチョッパ電流が流れないので、チョッパ電流の指令値−検出値がしきい値より大きな状態が一定期間継続することになり、スイッチング素子の開放故障を検出することができる。 As described above, according to the present invention, the command value of the chopper current of each chopper circuit is calculated from the deviation between the DC input voltage and the set value, and the deviation between the command value and the detected value of each chopper current is calculated. The chopper duty ratio is obtained from this, and the gate signal of the switching element of each chopper circuit is generated so as to become this duty ratio. If each switching element is normal, the command value of the chopper current and each detected value match. . However, when a failure occurs in the switching element in any of the chopper circuits, a large difference occurs between the command value of the chopper current and the detected value, and the deviation becomes greater than or equal to the threshold value. That is, when a short circuit failure occurs in the switching element of any chopper circuit, a chopper current larger than usual flows in the chopper circuit, and thus the state where the detected value of the chopper current−the command value is larger than the threshold value continues for a certain period. Therefore, it is possible to detect a short circuit failure of the switching element. Also, if an open circuit failure occurs in the switching element of any chopper circuit, the chopper current does not flow in that chopper circuit, so that the state where the command value-detected value of the chopper current is larger than the threshold value continues for a certain period of time. Thus, an open circuit failure of the switching element can be detected.
以下、この発明を実施するための最良の形態を図面とともに説明する。図1は
この発明の実施最良形態による直流式電気鉄道の回生電力吸収装置の制御ブロック図、図2は同じく回生電力吸収装置の回路構成図である。まず図2においてT1,T2は架線(直流電源母線)3に接続され、架線3からの入力電圧が入力される直流入力端子であり、直流入力端子T1,T2には回生電流検出器9及びリアクトルL1を介して複数のチョッパユニット15が並列に接続される。各チョッパユニット15はコンデンサCとスイッチング素子SWと環流ダイオードDとこれらの出力側に設けられた電流平滑用のリアクトルL2及びチョッパ電流を検出する電流検出器16とから構成され、このうち環流ダイオードDとスイッチング素子SW、及びリアクトルL1によりチョッパ回路が構成され、このチョッパ回路の出力側には個別に回生抵抗8が接続され、このチョッパ回路と回生抵抗8とにより回生電力吸収部を構成し、この回生電力吸収部は直流入力端子T1,T2に並列に複数接続される。回生抵抗8を個別に設けるとともに、電流平滑用のリアクトルL2を設けたのは、チョッパ回路を電流制御するためである。コンデンサCとリアクトルL1とにより、従来同様にLCフィルタが構成される。又、回生抵抗8は発熱により回生電力を吸収する。
The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a control block diagram of a regenerative power absorbing device for a DC electric railway according to the best mode of the present invention, and FIG. 2 is a circuit configuration diagram of the regenerative power absorbing device. First, in FIG. 2, T1 and T2 are DC input terminals connected to an overhead line (DC power supply bus) 3 and input voltage from the overhead line 3 is input. The DC input terminals T1 and T2 include a regenerative
次に、図1の制御ブロック図においては、直流入力端子T1,T2からの直流入力電圧Vdc1とその設定値Vdcrefがチョッパ電流指令値演算部17の比較部18に入力され、その偏差が比例積分演算部19に入力されて比例積分演算され、チョッパ回路(チョッパユニット15)の一台当りに流すべきチョッパ電流指令値が演算される。このチョッパ電流指令値はチョッパデューティ比演算部20の比較部21に入力され、各チョッパ回路に個別に設けられた電流検出器16の出力である各チョッパ電流の検出値と比較され、その偏差が比例積分演算部22に入力されて、比例積分演算され、偏差に応じたチョッパ回路のオンオフのデューティ比が演算される。この各デューティ比は各チョッパゲート信号生成部23にそれぞれ入力され、各チョッパゲート信号生成部23は対応するチョッパ回路のデューティ比が演算されたデューティ比となるようにチョッパゲート信号を生成し、このチョッパゲート信号を各チョッパ回路のスイッチング素子SWのゲートに供給する。
Next, in the control block diagram of FIG. 1, the DC input voltage Vdc1 from the DC input terminals T1 and T2 and its set value Vdcref are input to the
前記した回生電力吸収装置においては、その直流入力電圧Vdc1とその設定値Vdcrefとの偏差から一台当りのチョッパ回路のチョッパ電流の指令値を演算し、この指令値と各チョッパ電流の検出値との偏差からチョッパデューティ比を求め、このデューティ比となるように各チョッパ回路のスイッチング素子SWのゲート信号を生成しており、各スイッチング素子SWが正常であれば、チョッパ電流の指令値と各チョッパ電流の検出値が一致するとともに、回生電力が各回生抵抗8の発熱により吸収されることから、直流入力電圧Vdc1が設定値Vdcrefと一致するようになる。ここで、何れかのチョッパ回路においてスイッチング素子SWに短絡故障が発生すると、そのチョッパ回路においては通常より大きなチョッパ電流が流れ、チョッパ電流の検出値−指令値がしきい値より大きい状態が一定期間継続することにより、スイッチング素子SWの短絡故障を検出することができる。又、何れかのチョッパ回路においてスイッチング素子SWに開放故障が発生すると、チョッパ電流が流れなくなり、チョッパ電流の指令値−検出値がしきい値より大きな状態が一定期間継続することにより、スイッチング素子SWの開放故障を検出することができる。
In the above-described regenerative power absorbing device, the command value of the chopper current of each chopper circuit is calculated from the deviation between the DC input voltage Vdc1 and the set value Vdcref, and the command value and the detected value of each chopper current are calculated. The chopper duty ratio is obtained from the deviation of the signal, and the gate signal of the switching element SW of each chopper circuit is generated so as to be this duty ratio. If each switching element SW is normal, the command value of the chopper current and each chopper Since the detected current values match and the regenerative power is absorbed by the heat generated by each
なお、前記した実施最良形態においては、直流式電気鉄道の回生電力吸収装置に適用する場合について説明したが、多数のモータを個々にインバータで加減速駆動する工場設備等での直流電源母線に接続して、モータからの回生電力を回生抵抗で吸収する回生電力吸収装置として適用して同等の作用効果を得ることができる。 In the above-described best embodiment, the case where the present invention is applied to a regenerative power absorbing device for a DC electric railway has been described. However, a large number of motors are individually connected to a DC power source bus in factory equipment that is accelerated and decelerated by an inverter. And it can apply as a regenerative electric power absorption apparatus which absorbs the regenerative electric power from a motor with regenerative resistance, and can obtain an equivalent effect.
1…交流電源
2…変電所
3…架線(直流電源母線)
5…直流電気車
8…回生抵抗
15…チョッパユニット
16…電流検出器
17…チョッパ電流指令値演算部
20…チョッパデューティ比演算部
23…チョッパゲート信号生成部
T1,T2…直流入力端子
1 ...
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