JPH08168101A - 電力変換装置 - Google Patents
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- JPH08168101A JPH08168101A JP6331834A JP33183494A JPH08168101A JP H08168101 A JPH08168101 A JP H08168101A JP 6331834 A JP6331834 A JP 6331834A JP 33183494 A JP33183494 A JP 33183494A JP H08168101 A JPH08168101 A JP H08168101A
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Abstract
な直流平滑コンデンサの突入電流を最小にすると共に過
充電を抑制し、また、運転の取扱上、運転開始時間のバ
ラツキを最小限に抑えるに好適な電力変換装置を提供す
ることにある。 【構成】 交流電源と、PWMコンバータ、PWMイン
バータと、該コンバータと該インバータとの間に接続さ
れた直流平滑コンデンサと、前記コンバータと前記交流
電源との間に接続された第一の接触器8と、電気車を駆
動する交流電動機とからなる電力変換装置において、前
記交流電源から第二の接触器17を介して前記直流平滑
コンデンサを充電する初期充電回路を有し、電気車のカ
行及び回生の始動時に、前記第二の接触器を閉じて前記
直流平滑コンデンサを一定値に初期充電し、前記第一の
接触器を投入するときに、前記交流電源電圧の変動に対
応して前記初期充電電圧を調整する手段100を設け
る。
Description
流、直流間の変換を行う電力変換装置に関する。
を駆動する交流電気車の電力変換装置として、図7に示
すPWMコンバータ、インバータが用いられている。図
7において、PWMコンバータ、インバータからなる電
力変換装置は、交流電源1、変圧器1次巻線2、変圧器
2次巻線3、PWMコンバータ4、直流平滑コンデンサ
5、PWMインバータ6、誘導電動機7、回路を入切す
る交流接触器8,9、充電抵抗10を有し、PWMコン
バータ4及びPWMインバータ6はGTO、IGBTな
ど自己消弧形素子とそれに逆並列に接続したダイオード
から構成される。この電力変換装置は、電気車のカ行時
には、PWMコンバータ4が電源側の単相交流を直流に
変換し、PWMインバータ6が直流を3相交流に変換
し、3相交流を誘導電動機7に供給することにより、誘
導電動機7を駆動し、電気車が走行する。また、回生時
には、誘導電動機7を電源とし、PWMインバータ6で
直流に変換し、PWMコンバータ4で単相交流に変換し
て交流電源1に電力を返すことにより、回生ブレーキを
かける。カ行及び回生時には、交流接触器8は閉じてお
き、交流接触器9は開いておく。ところで、電気車を最
初に起動するとき、あるいは、惰行状態からカ行、回生
状態に移るとき、直流平滑コンデンサ5が充電されてい
ない場合には、カ行時には交流電源1から、また、回生
時には誘導電動機7を電源として、直流平滑コンデンサ
5に大きな突入電流が流れ、機器や素子を破壊する恐れ
があり、また、直流平滑コンデンサ5を過充電し、過電
圧が発生してしまう。これを防ぐには、PWMインバー
タ6を起動する前に、直流電源に相当する直流平滑コン
デンサ5を初期充電する必要がある。この場合には、交
流接触器8を開いて、交流接触器9を閉じることによ
り、交流電源1から変圧器2次巻線3を経て充電抵抗1
0、PWMコンバータ4のダイオードを通して直流平滑
コンデンサ5に充電する。充電が終了すると、交流接触
器9を開いて、交流接触器8を閉じることにより、カ行
または回生状態に移ることができる。このように交流接
触器8,9を切り替えて充電抵抗10を通して充電する
ことで、突入電流を流すことなく、直流平滑コンデンサ
5を充電することができる。
変換装置では、交流電源1の電圧が変動すると、直流平
滑コンデンサ5の初期充電電圧も変動する。すなわち、
交流電源1の電圧がAボルトのとき、回路定数により直
流平滑コンデンサ5に初期充電される電圧をaボルトと
すると、交流電源1の電圧がBボルトのとき、回路定数
により直流平滑コンデンサ5に初期充電される電圧はb
ボルトとなる。ここでA<B、a<bとする。そのた
め、交流接触器8が閉じる直前の交流電源1の電圧がA
ボルトで、直流平滑コンデンサ5の初期充電電圧がaボ
ルトになっている状態において、交流接触器8を閉じた
時、交流電源1の電圧がBボルトに変動すると、交流電
源1の電圧が高いことから、直流平滑コンデンサ5に大
きな突入電流が流れ、また、過充電による過電圧を起こ
し、機器や素子を破壊する恐れや、直流平滑コンデンサ
を過充電する可能性が高くなる。ここで、図8に、交流
電源1の電圧と直流平滑コンデンサ5の充電電圧及び突
入電流の関係を示す。直流平滑コンデンサ5の初期充電
電圧を一定(例えば、1000V一定とした場合)にす
ると、交流電源1の電圧が高い場合、直流平滑コンデン
サ5の突入電流は大きくなり、また、直流平滑コンデン
サ5電圧を過充電する恐れがある。また、図9に、交流
電源1の電圧と直流平滑コンデンサ5の初期充電時間の
関係を示す。直流平滑コンデンサ5の初期充電電圧を一
定(例えば、1000V一定とした場合)にすると、交
流電源1の電圧の変動によって、直流平滑コンデンサ5
の初期充電時間も変動し、つまり、交流電源1の電圧が
低い程、初期充電時間が長く、運転動作開始時間の変動
(バラツキ)が起きてしまい、運転の取扱上の問題が発
生する。
流電源の電圧の変動によって発生する大きな直流平滑コ
ンデンサの突入電流を最小にすると共に過充電を抑制
し、また、運転の取扱上、運転開始時間のバラツキを最
小限に抑えるに好適な電力変換装置を提供することにあ
る。
と、PWMコンバータ、PWMインバータと、該コンバ
ータと該インバータとの間に接続された直流平滑コンデ
ンサと、前記コンバータと前記交流電源との間に接続さ
れた第一の接触器と、電気車を駆動する交流電動機とか
らなる電力変換装置において、前記交流電源から第二の
接触器を介して前記直流平滑コンデンサを充電する初期
充電回路を有し、電気車のカ行及び回生の始動時に、前
記第二の接触器を閉じて前記直流平滑コンデンサを一定
値に初期充電し、前記第一の接触器を投入するときに、
前記交流電源電圧の変動に対応して前記初期充電電圧を
調整することによって、または、電気車のカ行及び回生
の始動時に、前記直流平滑コンデンサの初期充電後、前
記第一の接触器を投入するまでの時間を一定にすること
によって、達成される。
は、交流電源の電圧と直流平滑コンデンサの初期充電電
圧の差電圧が高い程大きくなる。そこで、本発明では、
第一の接触器を閉じるときの直流平滑コンデンサの初期
充電電圧値を交流電源の電圧に比例して調整することに
より、交流電源の電圧と直流平滑コンデンサの差電圧を
一定に保つことができ、交流電源の電圧が高いときで
も、突入電流を抑制でき、また、過充電を防止できる。
また、交流電源の電圧と直流平滑コンデンサの差電圧
を、初期充電開始から一定時間充電することにより、小
さくすることができ、交流電源の電圧が変動しても突入
電流を抑制でき、また、過充電を防止できると共に、運
転の取扱上、運転開始時間のバラツキを最小限に抑える
ことができる。このようにして、本発明は、交流電源の
電圧の変動に対応して、直流平滑コンデンサへの突入電
流、過充電を防ぐことができ、また、運転の取扱上、運
転開始時間のバラツキを最小限に抑えることができ、装
置の高い安全性、小形化、コスト安を実現できる。
る。図1は、本発明の一実施例による電力変換装置を示
す。図1において、電力変換装置は、交流電源1、変圧
器1次巻線2、変圧器2次巻線3、PWMコンバータ
4、直流平滑コンデンサ5、PWMインバータ6、誘導
電動機7、変圧器2次巻線3側に接続された交流接触器
8を有し、PWMコンバータ4及びPWMインバータ6
はGTO、IGBTなど自己消弧形素子とそれに逆並列
に接続したダイオードから構成される。また、初期充電
回路を有し、初期充電回路は、変圧器2次巻線3より電
圧の低い変圧器3次巻線15、変圧器3次巻線15側に
接続された交流接触器17、充電抵抗18、ダイオード
ブリッジ回路19、変圧器21からなる。ここで、変圧
器21の昇圧は、直流平滑コンデンサ5の初期充電電圧
を高くセットして、交流接触器8を閉じたときの突入電
流をできるだけ減らすために行なう。また、変圧器2次
巻線3側に接続された交流接触器8を投入する投入論理
装置100を設け、この投入論理装置100は充電開始
指令S、変圧器1次巻線電圧V2−1または変圧器2次
巻線電圧V3−1または変圧器3次巻線電圧V15−
1、及び直流平滑コンデンサ5の初期充電電圧実効値V
05−1の電圧を入力し、変圧器2次巻線3側に接続さ
れた交流接触器8の投入手段8−1または変圧器3次巻
線15側に接続された交流接触器17の投入手段17−
1に信号を出力する。
に示す。図2は、変圧器1次巻線電圧V2−1を投入論
理装置100に入力する場合で、投入論理装置100
は、初期充電電圧設定手段101、比較論理手段10
2、論理回路103,104から構成する。ここで、初
期充電電圧設定手段101は、変圧器1次巻線電圧Vに
比例して直流平滑コンデンサの初期充電電圧設定値V0
*を求める手段である。なお、初期充電電圧設定手段1
01は、一般的には、交流電源電圧と直流平滑コンデン
サの初期充電電圧の関係を求める手段であり、図6に、
交流電源電圧に比例して初期充電電圧が求められる関係
を示す。具体的には、例えば、交流電源1電圧が250
00Vであると、変圧器3次巻線15電圧を400V
(実効値)となり、変圧器21で3倍に昇圧すると12
00V(実効値)となって、直流平滑コンデンサ5の初
期充電電圧は、そのルート2倍の1697Vになる。こ
こで、交流電源1電圧が19000Vに変動すると、変
圧器3次巻線電圧を304V(実効値)となり、変圧器
21で3倍に昇圧すると912V(実効値)となって、
直流平滑コンデンサ5の初期充電電圧は、そのルート2
倍の1290Vになる。また、交流電源1電圧が310
00Vに変動すると、変圧器3次巻線電圧を496V
(実効値)となり、変圧器21で3倍に昇圧すると14
88V(実効値)となって、直流平滑コンデンサ5の初
期充電電圧は、そのルート2倍の2104Vになる。
電気車の運転において、電気車のカ行時には、PWMコ
ンバータ4が電源側の単相交流を直流に変換し、PWM
インバータ6が直流を3相交流に変換し、3相交流を誘
導電動機7に供給することにより、誘導電動機7を駆動
し、電気車を走行させる。また、回生時には、誘導電動
機7を電源とし、PWMインバータ6で直流に変換し、
PWMコンバータ4で単相交流に変換して交流電源1に
電力を返すことにより、回生ブレーキをかける。ところ
で、電気車を最初に起動するとき、あるいは、惰行状態
からカ行、回生状態に移るとき、直流平滑コンデンサ5
が充電されていない場合には、カ行時には交流電源1か
ら、また、回生時には誘導電動機7を電源として、直流
平滑コンデンサ5に大きな突入電流が流れ、機器や素子
を破壊する恐れがあり、また、直流平滑コンデンサ5を
過充電し、過電圧が発生してしまう。これを防ぐには、
PWMインバータ6を起動する前に、直流電源に相当す
る直流平滑コンデンサ5を初期充電する必要がある。こ
の場合には、まず、投入論理装置100に充電開始指令
Sが与えられ、論理手段104の一方にOK信号が入力
されるが、他方に比較論理手段102からOK信号が入
力されないため、投入手段8−1にはOK信号が与えら
れず、交流接触器8を開き、同時に、論理手段103を
介して投入手段17−1にはOK信号が与えられ、交流
接触器17を閉じる。交流接触器17が閉じると、変圧
器1次巻線2から変圧器3次巻線15によって充電抵抗
18、変圧器21、ダイオードブリッジ回路19を通し
て、変圧器3次巻線電圧により、変圧器21で昇圧した
電圧のルート2倍の電圧まで直流平滑コンデンサ5を一
定値に初期充電する。この時、従来技術では、交流接触
器8を閉じ、通常の運転に入るが、ここで交流電源1の
電圧が変動して高くなると、直流平滑コンデンサ5に大
きな突入電流が流れ、機器や素子を破壊してしまう事態
が発生する。そこで、本実施例では、交流電源1の電圧
の変動を変圧器1次巻線2の電圧より監視し、初期充電
電圧設定手段101において、交流電源1の電圧によっ
て、直流平滑コンデンサ5の初期充電電圧V0*を設定
し、比較論理手段102において設定値V0*と直流平
滑コンデンサ5の初期充電電圧の実効値V0とを比較
し、V0≧V0*になったことを条件に、比較論理手段1
02からOK信号を論理手段104の他方に入力し、投
入手段8−1にOK信号を与え、交流接触器8を投入す
る。一方、比較論理手段102のOK信号は論理手段1
03の禁止端子に与えられ、交流接触器17を開く。す
なわち、本実施例の特徴は、直流平滑コンデンサ5の初
期充電が終了し、交流接触器8を投入しようとしたと
き、交流電源1の電圧が変動して高くなると、この変動
電圧に対応する直流平滑コンデンサ5の初期充電電圧を
求め、この充電電圧を設定値として直流平滑コンデンサ
5を初期充電した後、初めて交流接触器8を投入するこ
とにある。なお、本実施例において、交流電源1の電圧
が変動して低くなる場合も同様である。このように、本
実施例によれば、交流電源1の電圧が変動しても、直流
平滑コンデンサ5には交流電源1の電圧変動に見合う適
切な初期充電をした後、交流接触器8を投入するので、
直流平滑コンデンサ5に流れる突入電流を最小にし、ま
た、過充電を抑制して、機器や素子の破壊を防ぐことが
できる。この結果、突入電流を最小にし、また、過充電
を抑制することによって、装置として小型化、コスト安
が可能となり、また、安全性の高い装置を提供すること
が可能となる。
ックを図3に示す。図3に示す投入論理装置100が図
2のそれと異なるところは、変圧器1次巻線電圧V2−
1に替えて変圧器2次巻線電圧V3−1を投入論理装置
100に入力する点にあり、したがって、図3の初期充
電電圧設定手段101は、変圧器2次巻線電圧Vに比例
して直流平滑コンデンサの初期充電電圧設定値V0*が
求められる関係にある。その他の構成と動作は図2と同
じである。
ロックを図4に示す。図4に示す投入論理装置100が
図2のそれと異なるところは、変圧器1次巻線電圧V2
−1に替えて変圧器3次巻線電圧V15−1を投入論理
装置100に入力する点にあり、したがって、図4の初
期充電電圧設定手段101は、変圧器3次巻線電圧Vに
比例して直流平滑コンデンサの初期充電電圧設定値V0
*が求められる関係にある。その他の構成と動作は図2
と同じである。
図2に示す投入論理装置100に置き換えて電力変換装
置に設ける実施例である。図5において、投入論理装置
200は、緩動時素手段105、論理回路103,10
4から構成する。ここで、緩動時素手段105は、充電
開始指令がオンしてから所定時間Tが経過したとき、変
圧器2次巻線側交流接触器8を投入するON信号を出力
する機能を有する。なお、図6に、直流平滑コンデンサ
5の初期充電電圧を交流電源1の電圧の比例関係とした
場合の充電時間を示す。この場合、交流電源1の電圧が
変動しても、図示のように直流平滑コンデンサの初期充
電時間は一定である。電気車を最初に起動するとき、あ
るいは、惰行状態からカ行、回生状態に移るとき、直流
平滑コンデンサ5が充電されていない状態において、ま
ず、直流平滑コンデンサの初期充電に当たって、充電開
始指令Sを投入論理装置200に与えると、論理手段1
04の一方にOK信号が入力されるが、他方に緩動時素
手段105からON信号が入力されないため、投入手段
8−1にはOK信号が与えられず、交流接触器8を開
き、同時に、論理手段103を介して投入手段17−1
にはOK信号が与えられ、交流接触器17を閉じる。交
流接触器17が閉じると、変圧器1次巻線2から変圧器
3次巻線15によって充電抵抗18、変圧器21、ダイ
オードブリッジ回路19を通して、変圧器3次巻線電圧
により、変圧器21で昇圧した電圧のルート2倍の電圧
まで直流平滑コンデンサ5を一定値に初期充電する。一
方、充電開始指令Sをオンした時点から図6に示す一定
時間Tが経過すると、緩動時素手段105からON信号
を出力し、論理手段104を介して投入手段8−1にO
K信号を与え、交流接触器8を投入する。一方、緩動時
素手段105のON信号は論理手段103の禁止端子に
与えられ、交流接触器17を開く。すなわち、本実施例
の特徴は、直流平滑コンデンサ5の初期充電が終了し、
交流接触器8を投入しようとしたとき、交流電源1の電
圧が変動しても、この変動電圧に対応する直流平滑コン
デンサ5の初期充電時間は一定であるので、この充電時
間を経過して直流平滑コンデンサ5を初期充電した後、
初めて交流接触器8を投入することにある。このよう
に、本実施例によれば、交流電源1の電圧が変動して
も、直流平滑コンデンサ5には一定時間充電して適切な
初期充電をした後、交流接触器8を投入するので、直流
平滑コンデンサ5に流れる突入電流を最小にし、また、
過充電を抑制して、機器や素子の破壊を防ぐことがで
き、また、初期充電時間を一定にしているので、運転の
取扱上、運転開始時間のバラツキを最小限に抑えること
ができる。この結果、装置として小型化、コスト安が可
能となり、また、安全性の高い装置を提供することが可
能となる。
初期充電回路を有する電力変換装置について説明した
が、図7に示す初期充電回路を有する電力変換装置に図
2、図3及び図5の投入論理手段を適用しても、同等の
動作と効果が得られる。また、図10〜図13に、初期
充電回路を有する電力変換装置を示す。これらの電力変
換装置に図2、図3、図4及び図5の投入論理手段を適
用しても、同等の動作と効果が得られる。図10に示す
電力変換装置は、電気車の力行時及び回生時の動作は図
1と同様であり、初期充電回路を昇圧用変圧器21と混
合ブリッジ回路16から構成する。この初期充電回路に
よる初期充電は、混合ブリッジ回路16のサイリスタの
点弧角を調整する回路(図示せず)を用い、サイリスタ
の点弧角を調整して徐々に電圧を発生させることによ
り、直流平滑コンデンサ5を充電する。ここで、サイリ
スタは回路を入切する機能を合わせ持つ。なお、この変
圧器21の昇圧は、平滑コンデンサ5の初期充電電圧を
高くセットして、交流接触器8を閉じたときの突入電流
をできるだけ減らすために行なう。図11に示す電力変
換装置は、電気車の力行時及び回生時の動作は図1と同
様であり、初期充電電圧回路を接触器17、充電抵抗1
8及び電池など直流電源20から構成する。この初期充
電回路による初期充電は、電池20から接触器17、充
電抵抗18を通して直流平滑コンデンサ5を充電する。
図12に示す電力変換装置は、図1の変圧器2次巻線
3、交流接触器8、PWMコンバータ4を2つ並列接続
し、それぞれを変圧器2次巻線3a,3b、交流接触器
8a,8b、PWMコンバータ4a,4bとしている。
これはPWMコンバータの自己消弧形素子の電流容量の
関係によるものであり、初期充電回路の構成には影響し
ない。また、誘導電動機7は1台としているが、複数台
並列接続することもある。このような構成による電力変
換装置においても、電気車の力行時及び回生時の動作は
図1と同様である。初期充電電圧回路は、交流接触器1
7、充電抵抗18、昇圧用変圧器21及びダイオードブ
リッジ回路19から構成する。この初期充電回路による
初期充電は、接触器17、充電抵抗18、昇圧用変圧器
21を通してダイオードブリッジ回路19により整流し
て、直流平滑コンデンサ5を充電する。図13に示す電
力変換装置は、図1のPWMコンバータ4、PWMイン
バータ6の代わりに3レベルPWMコンバータ13、3
レベルPWMインバータ14としたものである。このと
き直列平滑コンデンサは5a,5bのように2つのコン
デンサを直列接続したものになる。このような3レベル
PWMコンバータ13、3レベルPWMインバータ14
からなる電力変換装置においても電気車の力行時及び回
生時の動作は図1と同様である。また、初期充電回路は
図1と同様に平滑コンデンサ5a,5bの両端に接続す
ればよく、初期充電回路の動作も図1と同じである。
交流電源の電圧の変動に対応して、直流平滑コンデンサ
の初期充電電圧を調整することによって、直流平滑コン
デンサには交流電源の電圧変動に見合う適切な初期充電
をした後、または、交流電源1の電圧が変動しても、直
流平滑コンデンサ5には一定時間充電することによっ
て、適切な初期充電をした後、交流接触器を投入するの
で、直流平滑コンデンサに流れる突入電流を最小にし、
また、過充電を抑制して、機器や素子の破壊を防ぐこと
ができ、また、運転の取扱上、運転開始時間のバラツキ
を最小限に抑えることができる。この結果、装置として
小型化、コスト安が可能となり、また、安全性の高い装
置を提供することが可能となる。
細ブロック図
滑コンデンサ初期充電電圧の関係を示す図
成を示す図
び突入電流の関係を示す図
間の関係を示す図
構成を示す図
構成を示す図
構成を示す図
構成を示す図
Claims (6)
- 【請求項1】 交流電源と、PWMコンバータ、PWM
インバータと、該コンバータと該インバータとの間に接
続された直流平滑コンデンサと、前記コンバータと前記
交流電源との間に接続された第一の接触器と、電気車を
駆動する交流電動機とからなる電力変換装置において、
前記交流電源から第二の接触器を介して前記直流平滑コ
ンデンサを充電する初期充電回路を有し、電気車のカ行
及び回生の始動時に、前記第二の接触器を閉じて前記直
流平滑コンデンサを一定値に初期充電し、前記第一の接
触器を投入するときに、前記交流電源電圧の変動に対応
して前記初期充電電圧を調整することを特徴とする電力
変換装置。 - 【請求項2】 交流電源と、PWMコンバータ、PWM
インバータと、該コンバータと該インバータとの間に接
続された直流平滑コンデンサと、前記コンバータと前記
交流電源との間に接続された第一の接触器と、電気車を
駆動する交流電動機とからなる電力変換装置において、
前記交流電源から第二の接触器を介して前記直流平滑コ
ンデンサを一定値に初期充電する初期充電回路と、初期
充電電圧値を前記交流電源電圧に対応して設定する設定
手段と、該設定した初期充電電圧値と前記一定値の初期
充電電圧を比較する比較手段を有し、電気車のカ行及び
回生の始動に際して、前記交流電源電圧が変動したと
き、前記直流平滑コンデンサの初期充電電圧が前記設定
値に達したことを条件に前記第一の接触器を投入するこ
とを特徴とする電力変換装置。 - 【請求項3】 請求項2において、設定手段は、交流電
源を変圧した電圧を入力し、該電圧に比例した初期充電
電圧設定値を出力することを特徴とする電力変換装置。 - 【請求項4】 交流電源と、PWMコンバータ、PWM
インバータと、該コンバータと該インバータとの間に接
続された直流平滑コンデンサと、前記コンバータと前記
交流電源との間に接続された第一の接触器と、電気車を
駆動する交流電動機とからなる電力変換装置において、
前記交流電源から第二の接触器を介して前記直流平滑コ
ンデンサを一定値に初期充電する初期充電回路を有し、
電気車のカ行及び回生の始動に際して、前記直流平滑コ
ンデンサの初期充電後、前記第一の接触器を投入するま
での時間を一定にすることを特徴とする電力変換装置。 - 【請求項5】 請求項1、請求項2または請求項3にお
いて、初期充電回路は、電源変圧器と第二の接触器と充
電用抵抗及び整流器から構成される回路、または、第一
の接触器と並列接続された第二の接触器と充電用抵抗の
直列回路から構成される回路、または、電源変圧器と第
二の接触器と混合ブリッジ整流回路から構成される回
路、または、直流電源からなることを特徴とする電力変
換装置。 - 【請求項6】 請求項1から請求項5のいずれかににお
いて、PWMコンバータ、PWMインバータは、3レベ
ルPWMコンバータ、3レベルPWMインバータである
ことを特徴とする電力変換装置。
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1994
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