JPH0777859B2

JPH0777859B2 - 回生電力吸収装置の運転方法

Info

Publication number: JPH0777859B2
Application number: JP61257506A
Authority: JP
Inventors: 春樹吉川
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1986-10-29
Filing date: 1986-10-29
Publication date: 1995-08-23
Anticipated expiration: 2010-08-23
Also published as: JPS63112235A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、直流電気車が回生運転するときに発生する
余剰な回生電力を吸収する装置の一部が故障したときに
生ずる高調波電流を抑制することができる回生電力吸収
装置の運転方法に関する。

〔従来の技術〕

近年の直流電気車は、給電線路から取入れる直流電力を
チョッパで変換して直流電動機を回転させ、あるいはイ
ンバータで可変電圧・可変周波数の交流電力に変換して
交流電動機を回転させることが多くなっているので、こ
の直流電気車を減速させたり、下り坂を走行したりする
ときに、当該直流電気車が保有しているエネルギーを電
気エネルギーに変換して電源側へ返還する回生制動運転
が容易になった。

第５図は直流電気車の回生制動システムをあらわした説
明図である。この第５図において、変電所２は変圧器と
整流器とで構成されていて、この変電所２から出力され
る直流電力を給電線路４を介して直流電気車５と６へ供
給している。従ってこれら直流電気車5,6はこの直流電
力をパンタグラフ5P,6Pから取りこみ、スイッチ5S,6Sを
経て直流電動機5M,6Mを回転させたのち、車輪とレール
を介して大地へ放流させることで当該電気車を駆動して
いる。ただし直流電動機5M,6Mを制御するためのチョッ
パなどの図示は省略している。

この第５図において、一方の直流電気車５が力行運転中
であり、他方の直流電気車６は回生運転中であるとする
と、力行中の電気車５は、変電所２からのI₂なる電流
と、電気車６から回生されてくるI₆なる電流との合計で
力行運転することになるので、変電所２が出力する電力
は電気車６から回生される電力を差引いた値でよいこと
になるので、省エネルギーを図ることができる。

しかしながら、上述のように力行運転している電気車５
が必要とする電力が減少し、あるいは回生運転中の電気
車６から回生される電力が増大すると、これに見合って
変電所２から出力される電流I₂が減少し、遂には零とな
る。変電所２の出力が零になっても電気車６から回生さ
れる電力を力行中の電気車５で消費しきれないと、この
余剰な回生電力が給電線路４の電圧を上昇させるなどの
不具合を生じるので、これを防止するために、給電線路
４には回生電力吸収装置３を接続しておき、回生電力に
余剰を生じれば、この回生電力吸収装置３へ吸収させ
る。すなわち第５図において、変電所２からの出力電流
I₂は零であり、直流電気車５は直流電気車６から回生さ
れる電流I₆により力行運転し、さらに直流電気車６から
回生される余剰分の電流I₃が回生電力吸収装置３へ吸収
されることで、図示の回生制動システムはバランスしな
がら運転を継続できる。

第６図は回生電力吸収装置の従来例を示す回路図であっ
て、この装置の主回路は、給電線路４と大地との間に接
続された入力コンデンサ11と、この入力コンデンサ11に
並列接続された複数組の抵抗器と電流断続手段との直列
回路であって、この第６図においては４組の直列回路で
構成されている。すなわち符号21〜24がそれぞれ負荷抵
抗、符号31〜34がそれぞれ電流断続手段としてのチョッ
パである。また、入力コンデンサ11の電圧Vcと電圧設定
器12で設定される電圧Vsとの偏差を入力する電圧調節器
８と、この電圧調節器８の出力信号V₈を入力して４組の
チョッパ31〜34へ別個の動作信号B1〜B4を出力する移相
器７とで当該回生電力吸収装置の制御回路が形成されて
いる。

第６図に示す従来例回路において、給電線路４から回生
電流I₃が流入することにより入力コンデンサ11の電圧Vc
が上昇して設定電圧Vsよりも高くなると、電圧調節器８
はこの電圧Vcと電圧Vsとの偏差を入力し、この入力偏差
が零となるような制御信号V₈を移相器７へ送出するの
で、移送器７はこの制御信号V₈に対応した別個のオン・
オフ信号B1〜B4を各チョッパ31〜34へ送出するので、各
チョップ31〜34を構成しているスイッチ素子がオン・オ
フ動作することで回生電力が負荷抵抗21〜24で消耗する
量を調節し、給電線路４の電圧が設定値Vsになるよう制
御している。ここで設定値Vsは、通常は変電所２からの
送出電圧よりもやや高い値が選択される。

第７図は第６図に示す従来例回路における移相器の内部
を示した回路図であって、この移相器７は、基準信号発
生回路71と、４組のチョッパへ別個の動作信号を送出す
る４組のコンパレータ72〜75とで構成されている。すな
あち基準信号発生回路71は別個に４組の３角波基準信号
A1〜A4をそれぞれのコンパレータ72〜75へ出力してい
る。一方前述した電圧調節器８から出力される制御信号
V₈もコンパレータ72〜75へ入力されるので、この制御信
号V₈と上述の３角波基準信号A1〜A4とがそれぞれのコン
パレータ72〜75において比較されることにより、チョッ
パの通流率を定める信号B1〜B4が出力されるようになっ
ている。

第８図は第７図に示す移相器内部回路における基準信号
発生回路の内部を示す回路図であって、この基準信号発
生回路71は、発振器711,カウンタ712,メモリー713なら
びに４組のデジタル・アナログ変換器（以下ではD/A変
換器と略記する）714〜717とで構成されている。

第６図の従来例回路においては、４組のチョッパ31〜34
が使用されているので、これら４組のチョッパ同士がそ
れぞれ等しい位相差をもって運転するように（４組の場
合はそれぞれ1/4周期ずつ動作がずれるように、すなわ
ち電気角で90度の位相差を持たせる）、D/A変換器714〜
717から出力される３角波基準信号A1〜A4はそれぞれ90
度の位相差を有している。すなわちこれら３角波基準信
号A1〜A4の波形パターンをメモリー713にデジタル信号
で記憶させておき、これを発振器711から出力されるク
ロック信号にあわせて90度の位相差で読み出し、D/A変
換器714〜717によりアナログ信号に変換するのであっ
て、これらは通常用いられている方法であって周知であ
ることから、この詳細説明は省略する。

第９図は第６図，第７図および第８図に示されている従
来例回路の各部の動作を示す動作波形図であって、第９
図（イ）はコンパレータ72への入力信号の変化を、第９
図（ロ）はコンパレータ73への入力信号の変化を、第９
図（ハ）はコンパレータ74への入力信号の変化を、第９
図（ニ）はコンパレータ75への入力信号の変化を、第９
図（ホ）はコンパレータ72の出力信号B1の変化を、第９
図（ヘ）はコンパレータ73の出力信号B2の変化を、第９
図（ト）はコンパレータ74の出力信号B3の変化を、第９
図（チ）はコンパレータ75の出力信号B4の変化を、第９
図（リ）は入力コンデンサ11から流出する電流I₃の変化
を、第９図（ヌ）は入力コンデンサ11の電圧Vcの変化を
それぞれがあらわしている。

この第９図であきらかなように、４組のコンパレータ72
〜75へ入力する３角波基準信号A1〜A4は相互に1/4周期
すなわち90度の位相差を有しており、従ってコンパレー
タ72〜75からそれぞれのチョッパ31〜34へ与えられる動
作信号B1〜B4もそれぞれ90度の位相差を有している。

チョッパ31〜34に与えられる動作信号B1〜B4に対応して
当該チョッパが遅滞なく電流を断続するものとするなら
ば、チョッパ31を流れる電流I₃₁の波形はこのチョッパ3
1を動作させる信号B1と同じ波形となる。同様に他のチ
ョッパ32,33,34を流れる電流I₃₂,I₃₃,I₃₄とこれに対応
する動作信号B2,B3,B4とは同じ波形である。それ故当該
入力コンデンサ11から流出する電流I₃の波形は電流I₃₁
〜I₃₄を合成したもの、すなわち動作信号B1〜B4を合成
したもの（第９図（リ）参照）となり、電流リップルが
小となっている。さらに入力コンデンサ11の電圧Vcは第
９図（ヌ）の実線で示した波形となって、位相差運転を
しないとき、すなわち同相運転のとき（第９図（ヌ）の
破線で図示）にくらべ、電圧リップルも僅かでより利点
を有する。

第10図は直流電気車の回生運転時に、その余剰電力を回
生電力吸収装置で吸収する場合をあらわした図であっ
て、回生運転中の直流電気車６はその直流電動機6Mが発
電機となり、この発電機が発生する直流電力をパンタグ
ラフ6Pと給電線路４の線路インダクタンス4Lと線路抵抗
4Rとを介して回生電力吸収装置３へ送出している。

第11図は第10図に示す回生運転状態の等価回路図であっ
て、E_Mは直流電動機6Mの電圧を、L_Mは直流電動機6Mの電
機子インダクタンス値を、Ｌは給電線路４の線路インダ
クタンス4Lの値を、Ｒは同じく給電線路４の線路抵抗4R
の値を、Edは回生電力吸収装置３を構成している入力コ
ンデンサ11の電圧の直流分を、Vrは同じく入力コンデン
サ11の電圧の交流分をそれぞれがあらわしている。この
第11図に示す等価回路にもとづいて、給電線路４に流れ
るｎ次高調波電流成分Inを求めると下記の（１）式とな
る。

ただしVrnはｎ次高調波電圧であり、ωｎは（２）式で
示されるものである。（ただしは最低次周波数、ｎは
高調波の次数） ωｎ＝ｎ・ｚ・π・ ……（２）上記の（１）式に示す高調波電流成分が大であると、電
気鉄道システムに採用している信号制御用や踏切り制御
用の軌道回路に誤動作を生ぜしめ、大事故となる危険を
有することから、この高調波と軌道回路の周波数とが近
接しないようにするとともに、誤動作を生じないよう
に、高調波成分のレベルを十分に低い値に抑制する必要
がある。そこで第６図の従来例回路に示すように、回生
電力吸収装置には複数のチョッパを設け、これらチョッ
パを位相差運転することで入力コンデンサ11の電圧リッ
プル周波数を高くさせ、これにより（１）式に示すωｎ
を大にして高調波電流成分Inを小さくしている。

いま、チョッパの動作周波数を_Ｈ、入力コンデンサ11
の電圧リップル周波数をｃとし、Ｎ組のチョッパを36
0度/Nずつ位相をずらせたＮ相運転をした場合には、
（３）式に示す関係が得られる。

ｃ＝Ｎ・f_H ……（３）ここで給電線路への直流が第５図に示すように交流を整
流している場合には、50ヘルツ地区においては３相整流
リップルであるところの300ヘルツの電圧リップル周波
数をこの給電線路は持っているので、この電圧リップル
周波数がコンデンサ電圧リップル周波数ｃに選択され
ることが多い。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、第６図に示す従来例回路において、４組のチ
ョッパ31〜34のうち、たとえばチョッパ32が故障した場
合、この故障チョッパ32を除外すれば、回生電力吸収装
置は直ちに運転再開できるのであるが、このとき入力コ
ンデンサ11の電圧リップル周波数ｃは（３）式に示す
値とはならずにチョッパ動作周波数_Ｈと同じ値とな
る。すなわちコンデンサ電圧周波数が1/Nに低下する
し、それとともに高調波電流が増大する不都合を生じ
る。

第12図は第６図に示す従来例回路において１組のチョッ
パが故障した場合の各部の動作をあらわした動作波形図
であって、第12図（イ）はチョッパ31に流れる電流I₃₁
の変化を、第12図（ロ）は故障により除外されたチョッ
パ32を流れる電流I₃₂（除外されているのでI₃₂は零であ
る）の変化を、第12図（ハ）はチョッパ33を流れる電流
I₃₃の変化を、第12図（ニ）はチョッパ34を流れる電流I
₃₄の変化を、第12図（ホ）は回生電力吸収装置に流れる
電流I₃の変化を、第12図（ヘ）は入力コンデンサ11の電
圧Vcの変化をそれぞれがあらわしている。

この第12図からあきらかなように、チョッパ32が欠相し
ているためにｃ＝_Ｈとなり、高調波電流も増大す
る。すなわち前述の（１）式において、給電線路の抵抗
値Ｒは一般に下記の（４）式に示す値である。

Ｒ≪ωｎ・（Ｌ＋L_M） ……（４）この（４）式と（１）式から下記の（５）式を得る。

すなわち入力コンデンサの電圧リップル周波数ｃにほ
ぼ反比例して高調波電流が増大することになるので、故
障チョッパを除外してそのまま回生電力吸収装置の運転
を継続すると、正常時には発生しない低周波数の大高調
波電流が流れることになり、信号制御や踏切り制御に誤
動作を生じ、重大事故を起すおそれがある。

そこで、このような支障が生じないように、あらかじめ
チョッパ欠相時に発生する高調波電流の大きさ、および
周波数が問題のない値に抑制できるように、入力コンデ
ンサ11の容量を大きく、あるいはチョッパの動作周波数
を高い値に選定する対策が採用されている。しかしなが
ら、チョッパの動作周波数を高く選定することは、チョ
ッパ装置の増失が増大することを意味し、効率の低下と
装置の大形化によるコストの上昇を招き、また入力コン
デンサの容量増大も装置の大型化とコスト上昇を招くと
いう大きな欠点を有する。

この発明は、複数の電流断続手段を均等な位相差で運転
するようにして構成された回生電力吸収装置において、
故障などによりいくつかの電流断続手段を除外した場合
でも、高調波電流が増大することなく運転を継続できる
回生電力吸収装置の運転方法を提供することを目的とす
る。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明においては、電気車
へ直流電力を供給する給電線路と大地との間にコンデン
サを接続し、電流断続手段と抵抗器との直列回路の複数
Ｎ組をそれぞれ前記コンデンサに並列に接続し、各電流
断続手段の動作位相を360゜/Nだけ相互にずらして運転
して、電気車が回生運転するときの余剰電力を抵抗器へ
吸収させる回生電力吸収装置の運転に際して、電流断続
手段のＭ個の故障に応じて、残るＮ−Ｍ個の電流断続手
段のみでこれら電流断続手段の動作位相を360゜／（Ｎ
−Ｍ）相互にずらして運転するとともに、これら残るＮ
−Ｍ個の各電流断続手段の動作周波数をN/（Ｎ−Ｍ）倍
に上昇させる、こととする。

〔作用〕

上記構成を採ることにより、回生電力吸収装置を構成す
る複数（Ｎ個）の電流断続手段が相互に等しい位相差
（360゜/N）で動作しているときに、故障などによりこ
れら電流断続手段のいくつか（Ｍ個、Ｎ＞Ｍ≧１）が運
転から除外されたときは、残るＮ−Ｍ個の電流断続手段
が互いに均等な位相差360゜／（Ｎ−Ｍ）運転できるよ
うにし、且つこれら残るＮ−Ｍ個の各電流断続手段の動
作周波数をN/（Ｎ−Ｍ）倍に上昇させることにより、全
個数（Ｎ個）の電流断続手段が健全に動作しているとき
と全く同じ電圧リップル周波数と電流リップル成分に維
持する。

〔実施例〕

第１図は本発明の実施例を示す回路図であって、この第
１図にもとづき本発明の収容を以下に記述する。

第１図において、符号70なる基準信号発生回路は４組の
コンパレータへそれぞれ別個の３角波基準信号A1〜A4を
出力するのであるが、この基準信号発生回路70は、発振
器711,カウンタ712,メモリー713,4組のD/A変換器714〜7
17の他に、さらに選択回路718と切換えスイッチ719とで
構成されている。このような構成により、４組のチョッ
パ31〜34がすべて正常に運転しているときは、切換えス
イッチ719は正常側にあるが、チョッパが故障したとき
この切換えスイッチ719を故障側へ切換えることによ
り、この切換えスイッチ719に連動して選択回路718がメ
モリー713に対して正常運転時パターンか、それとも故
障運転時パターンかを指令し、この指令にもとづいてメ
モリー713は故障時の基準信号パターンを出力するよう
になっている。

第２図は４番目のチョッパが故障したときに本発明にも
とづいき残存チョッパ相互間の位相差を均等にしたとき
の各部の動作を示す動作波形図であって、破線で図示し
ているのは正常時の、また実線で図示しているのは故障
時の波形である。すなわち第２図（イ），（ロ），
（ハ），（ニ）はそれぞれD/A変換器714〜717から出力
される３角波基準信号A1〜A4の変化を、第２図（ホ），
（ヘ），（ト），（チ）はそれぞれコンパレータ72〜75
から出力される各チョッパ31〜34の動作信号B1〜B4（こ
れは各チョッパ31〜34から出力される断続電流I₃₁〜I₃₄
の波形と同じである）の変化を、第２図（リ）は回生電
力吸収装置へ流入する回生電流I₃の変化を、第２図
（ヌ）は入力コンデンサ1cの電圧V_Cの変化をそれぞれが
あらわしている。

この第２図に示すものは、各チョッパの動作周波数は変
更することなく、４台運転のときにそれぞれ90度の位相
差であったものを、４番目のチョッパ34が故障すること
で３台運転になったとき、それぞれの位相差を120度に
変更することにより、低次数の異常高調電流の発生を防
止している。

しかしながら、残存各チョッパの動作周波数は変更して
いないので、残存チョッパの運転による合成周波数は正
常時にくらべて低下するため、高調波電流の周波数が若
干低下し、従って高調波電流が若干増加することとな
る。

第３図は４番目のチョッパが故障したとき本発明にもと
づき残存チョッパ相互間の位相差を均等にするとともに
その動作周波数を上昇させたときの各部の動作を示す動
作波形図であって、第２図の場合と同様に正常時を破線
で、また故障時を実線で図示している。すなわち第３図
（イ），（ロ），（ハ），（ニ）はそれぞれD/A変換器7
14〜717から出力される３角波基準信号A1〜A4の変化
を、第３図（ホ），（ヘ），（ト），（チ）はそれぞれ
コンパレータ72〜75から出力される各チョッパ31〜34の
動作信号B1〜B4の変化を、第３図（リ）は入力コンデン
サ11から流出する電流I₃の変化を、第_３図（ヌ）は入力
コンデンサ11の電圧Vcの変化をそれぞれがあらわしてい
る。

この第３図においては90度の位相差で運転していた４台
のチョッパが３台に減少したとき、各チョッパ相互間の
位相差をそれぞれ120度にするとともに、各チョッパの
動作周波数を4/3倍に増加させることにより、合成周波
数はチョッパ運転台数の減少にも拘らず変化しないの
で、高調波電流の周波数も不変、従って高調波電流も増
大しない。

第４図は第１図に示す実施例回路の切換えスイッチ部分
をあらわした部分回路図であって、切換えスイッチ720
は正常モードと、チョッパの台数に対応して切換えられ
るモードとが、チョッパ故障時には切換えスイッチ720
をその位置に切換えることにより、そのチョッパを除外
し、残余のチョッパで相互間の位相差を均等にするよ
う、選択回路718を介してメモリー713へ指令が与えられ
るので、このメモリー713から、その故障モードに対応
したパターンが読み出されることになる。

上述の説明は、正常時に４台のチョッパを運転している
ときに、任意の１台が故障した場合の残存各チョッパ間
の位相差の修正ならびに動作周波数の変更について述べ
たが、正常時にＮ台のチョッパが運転中であって、その
うちの任意の１台または２台以上が故障した場合でも、
同様な各チョッパ間の位相差の修正と動作周波数の変更
とにより、高調波電流を正常時と同じ値に抑制できるこ
とは勿論である。

なお上述の説明における基準信号は三角波であるが、他
の波形の基準信号であっても差支えなく、またメモリー
とD/A変換器との組合せ以外のもので基準信号を形成さ
せることもできるし、このような多相チョッパ運転が回
生吸収装置以外の装置に使用される場合でも本発明を適
用できることは勿論である。

〔発明の効果〕

この発明によれば、回生電力吸収装置を構成する複数
（Ｎ個）の電流断続手段が相互に等しい位相差（360゜/
N）で動作しているときに、故障などによりこれら電流
断続手段のいくつか（Ｍ個、Ｎ＞Ｍ≧１）が運転から除
外されたときは、残るＮ−Ｍ個の電流断続手段が互いに
均等な位相差360゜／（Ｎ−Ｍ）で運転できるように
し、且つこれら残るＮ−Ｍ個の各電流断続手段の動作周
波数をN/（Ｎ−Ｍ）倍に上昇させて、全個数（Ｎ個）の
電流断続手段が健全に動作しているときと全く同じ電圧
リップル周波数と電流リップル成分に維持することによ
り、電圧リップル周波数の低下による高調波電流周波数
の低下を招くことがなく、コンデンサの容量増大や正常
時における電流断続手段の動作周波数の上昇によること
なく高調波電流値の増加を抑制でき、信号制御や踏切制
御等に悪影響を及ぼすことがない。電気鉄道システムに
おける信号制御や踏切り制御を、装置の大形化やコスト
の上昇をもたらすことなく、低価格で実現できるととも
に、これら各種制御に誤動作を生じることがない大きな
効果を得ることができる。

【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であり、第２図は
４番目のチョッパが故障したときに本発明にもとづき残
存チョッパ相互間の位相差を均等にしたときの各部の動
作を示す動作波形図、第３図は４番目のチョッパが故障
したとき本発明のもとづき残存チョッパ相互間の位相差
を均等にするとともにその動作周波数を上昇させたとき
の各部の動作を示す動作波形図、第４図は第１図に示す
実施例回路の切換えスイッチ部分をあらわした部分回路
図である。第５図は直流電気車の回生制動システムをあ
らわした説明図であり、第６図は回生電力吸収装置の従
来例を示す回路図、第７図は第６図に示す従来例回路に
おける移相器の内部を示した回路図、第８図は第７図に
示す位相器内部回路における基準信号発生回路の内部を
示す回路図である。また第９図は第６図，第７図および
第８図に示されている従来例回路の各部の動作を示す動
作波形図であり、第10図は直流電気車の回生運転時にそ
の余剰電力を回生電力吸収装置で吸収する場合をあらわ
した図、第11図は第10図に示す回生運転状態の等価回路
図、さらに第12図は第６図に示す従来例回路において１
組のチョッパが故障した場合の各部の動作をあらわした
動作波形図である。２……変電所、３……回生電力吸収装置、４……給電線
路、4L……線路インダクタンス、4R……線路抵抗、5,6
……直流電気車、5M,6M……直流電動機、5P,6P……パン
タグラフ、5S,6S……スイッチ、７……移相器、８……
電圧調節器、11……入力コンデンサ、12……電圧設定
器、21〜24……負荷抵抗、31〜34……電流断続手段とし
てのチョッパ、70,71……基準信号発生回路、72〜75…
…コンパレータ、711……発振器、712……カウンタ、71
3……メモリー、714〜717……D/A変換器、718……選択
回路、719,720……切換えスイッチ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電気車へ直流電力を供給する給電線路と大
地との間にコンデンサを接続し、電流断続手段と抵抗器
との直列回路の複数Ｎ組をそれぞれ前記コンデンサに並
列に接続し、前記各電流断続手段の動作位相を360゜/N
だけ相互にずらして運転して、前記電気車が回生運動す
るときの余剰電力を前記抵抗器へ吸収させる回生電力吸
収装置の運転方法において、前記電流断続手段のＭ個の故障に応じて、残るＮ−Ｍ個
の電流断続手段のみでこれら電流断続手段の動作位相を
360゜／（Ｎ−Ｍ）相互にずらして運転し、前記の残る各電流断続手段の動作周波数をN/（Ｎ−Ｍ）
倍に上昇させる、ことを特徴とする回生電力吸収装置の運転方法。