JPS63112233A - 回生電力吸収装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 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であって。

特に高電圧の回路に適した回生電力吸収装置に関する。

〔従来技術とその問題点〕

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拳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４図は直流電気車の回生制動システムをあられした説
明図である。この第４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
′１カをパンタグラフ５Ｐ、６Ｐから取りこみ、スイッ
チ５８．６８を経て直流電動機５Ｍ、６Ｍを回転させた
のち、車輪とレ−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、　５
Ｍ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４図において、一方の直流電気車５がカ行運転中
でちゃ、他方の直流電気車６は回生運転中であるとする
と、カ行中の１気車５は、変電所２からの工２なる電流
と、電気車６から回生されてくる■６なる電流との合計
でカ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、上述のようにカ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■２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１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４図において、変電所２からの
出力電流工２は零であし、直流電気車５は直流電気車６
から回生される電流工６によりカ行運転し、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１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、 直流電気車の回路電圧としては、相対的に低圧のもの、
たとえばＤＣ６００ボルトあるいはＤＣ７５０ボルトを
用いるものと、相対的に高圧のもの、たとえばＤＣ１５
００ボルト以上のものとがある。。

第５図は低電圧回路に用いられている回生電力吸収装置
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９
と、この入力コンデンサ９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５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１１〜１４がそれぞれ負荷抵抗、符号１５〜１８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９の電圧Ｖｃと電圧設定器１０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１５〜１８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′成力吸収装置の制御回路が形成
されている。

第５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９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（財）信号■８を移相器
７へ送出するので、移相器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１５
〜１８へ送出するので、各チョッパ１５〜１８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１１〜１４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。

移相器７の内部には４組のチ確ツバ１５〜１８　Ｋ対応
した数の３角波基準信号Ａ１〜Ａ４を出力する４組の基
準信号発生回路と、この３角波基準信号Ａ１〜Ａ４と電
圧調節器８から出力される制御信号Ｖ８との大小関係を
比較して、各チ四ツバの通流率を別個に決定する４組の
コンパレータが備えられていて。

これらのコンパレータから出力される信号Ｂ１〜Ｂ４が
チョッパ１５〜１８に与えられて、これらチョッパ１５
〜１Ｂの動作により電流を断続するようになっている。

第５図の従来例回路においては、４組のチョッパ１５〜
１８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）、３角波
基準信号Ａ１〜Ａ４にはそれぞれ９０度の位相差を持た
せている。

第６図は第５図に示す従来例回路の各部の動作を示す動
作波形図であって、第６図（イ）、（ロ）、（ハ）、に
）は相互に９０度ずつ位相がずれている３角波基準信号
Ａ１〜Ａ４０波形を、第６図（ホ）、（へ）、（））、
（イ）は移相器７から出力されてチョッパを動作させる
信号Ｂ１〜Ｂ４の波形を、第６図（男は回生電力吸収装
置へ流入する回生電流工３の変化を、第６図体）は入力
コンデンサ９の電圧Ｖｃの波形をそれぞれがあられして
いる。

この第６図であきらかなように、４組の３角波基準信号
Ａ１〜Ａ４は相互に１７４周期すなわち９０度の位相差
を有しており、従って移相器７からそれぞれのチョッパ
１５〜１８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１５〜１８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１ツバ１５を流れる゛電流１１５の波形
はこのチョッパ１５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１６，１７．１８を流れる電
流１１６　＋１１７　ｙｌｌｇとこれに対応する動作信
号Ｂ２゜８３、Ｂ４とは同じ波形である。それ故当該回
生電力吸収装置へ流入する回生電流Ｉ３の波形は電流１
１５〜１１８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６図（１乃参照）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９の
電圧Ｖｃは第６図体）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
６図体）の破線で図示）Ｋ＜らべ、電圧リップルも僅か
でよい利点を有する。

第７図はチョッパを構成するスイッチング素子の例を示
す回路図であって、ゲートターンオフサイリスタ（以下
ではＧＴＯサイリスタと略記する）がスイッチング素子
として用いられている場合を図示してｂる３、すなわち
符号１５１がＧＴＯサイリスタであって、符号１５２は
スナバダイオード、符号１５３はスナバ抵抗で、符号１
５４がスナバコンデンサである。

給″電線路４０回路電圧が低圧、たとえば７５０ボルト
の場合、　ＧＴＯサイリスタとして２５００ボルト耐圧
のものが用いられるが１回路電圧が高圧、たとえば１５
００ボルトであるならば、　４５００ボルト耐圧のＧＴ
Ｏサイリスタを選定することとなる。回生電力吸収装置
３の容量が回路電圧には関係なく同一であるとするなら
ば、当該回生電力吸収装置３へ流入する回生電流工３の
値は、　１５００ボルト系統では７５０ボルト系統の場
合の半分でよいことから、スイッチング素子としてのＧ
ＴＯサイリスタ１５１の電流容量が耐電圧値には関係な
く等しいとすれば、入力コンデンサに並列させるチョッ
パの台数を半減できる。

第８図は高電圧回路に用いられている回生電力吸収装置
の従来例を示す主回路接続図であって。

給電線路４と大地との間に接続された入力コンデンサ２
０に、負荷抵抗２１と電流断続手段としてのチョツィク
２３との直列回路ならびに負荷抵抗２２と電流断続手段
としてのチョッパ２４との直列回路がそれぞれ並列に接
続されており、第５図に示す従来例回路に比して、チョ
ッパ台数が１／２になっているにも拘らず、同一の回生
電力を吸収することができる。なおこの回生電力吸収装
置を制御するための回路は、第５図において既述したも
のと同じであることから、この制御回路の図示ならびに
動作説明は省略する。

第５図と第８図とを比較してあきらかなように。

１５００ボルト回路では耐圧が４５００ボルトのＧＴＯ
サイリスタを使用することでチ３ツバの並列数を半減で
きるのであるが、このようにすると、下記に記述する各
種の問題点を生じる。すなわち。

イ）、チョッパの並列数が少なくなるため、これらチョ
ッパの動作位相をずらして運転することによる高調波電
流抑制効果が小さくなる。電気鉄道システムでは、軌道
に流れる高調波電流の太さを抑制しないと、信号制御装
置や踏切り制御装置が誤動作するおそれがあり、大事故
を生じる危険があるにも拘らず、高調波電流が増大する
欠点がある。

口）、現在のＧＴＯサイリスタは、電流容量が同一であ
れば、耐圧２５００ボルトのものでも、耐圧４５００ボ
ルトのものでも、スナバコンデンサ１５４は同じものを
使用することになる１、いまスナバコンデンサ１５４の
静電容量をＣ１回路電圧を■、チヲッパの動作周波数を
ｆとすると、スナバ抵抗１５３で発生する損失Ｐは（１
）式で示される。

Ｐ＝ＩＣ・■２・ｆ・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・曲・・（１）この（１１式から
あきらかなように、チョッパ周波数ｆとスナバコンデン
サ容量Ｃが同一であっても。

回路電圧が７５０ボルトから２倍の１５００ボルトに上
昇することで、スナバ抵抗損失Ｐは４倍になる。

並列数が半分であることから、結局装置全体でのスナバ
抵抗損失Ｐは２倍となり、装置効率の低下や、この損失
を放散させるために装置を大形化する必要があり、コス
トが上昇する。

ハ）、チョッパ台数の減少にも拘らず高調波電流の増大
を抑制させるために（前述（イ）項の対策）は。

チョッパ周波数ｆを２倍にしなければならないが。

これＫよりω℃サイリスタ１５１のスイッチング損失が
増大する。またこのチョッパ周波数ｆの上昇により、ス
ナバ抵抗損失Ｐがさらに増大することになり、ますます
装置の効率が低下するし、発生損失処理のために装置を
大形化しなければならず。

コスト上昇を招く欠点がある。

二）、現状では、耐圧４５００ボルトのＧＴＯサイリス
タは、耐圧２５００ボルトのものにくらべてその価格が
大幅に高いので、装置のコストが上昇する欠点がある。

〔発明の目的〕

この発明は、給電滞路の電圧が相対的に高い場合の電気
鉄道システムにおいて、装置の損失増大や高調波電流の
増大をもたらすことなく１回生運転によシ生じる余剰な
回生電力を安価に吸収することができる回生電力吸収装
置を提供することを目的とする。

°〔発明の要点〕 この発明は１回生電力吸収装置を構成している電流断続
手段の運転台数を多くするとともに、これら電流断続手
段の動作位相を相互にずらして運転するならば、′当該
電流断続手段の運転周波数を高くしなくても高調波電流
を抑制できることに着目したものであって１回路電圧が
高ければ複数のコンデンサを直列接続したものを給電線
路と大地との間に接続することで線路電圧を分割し、低
い耐電圧特性のスイッチング素子で構成された電流断続
手段と抵抗との直列回路を前述の各コンデンサに対して
それぞれ複数組を並列に接続し、これら複数の電流断続
手段を相互に等しい位相差でかつ比較的低い周波数で動
作させることにより、スイッチング損失やスナバ抵抗損
失を低いレベルに抑制して装置の小形形量化を図るとと
もに、各種制御装置の誤動作の原因となる高調波電流の
レベルも抑制しようとするものである１、 〔発明の実施例〕 第１図は本発明の実施例を示す主回路接続図であり、こ
の第１図により本発明の詳細を以下に説明する。なおこ
の第１図における給電線路の電圧は高電圧、たとえば１
５００ボルトとし、これに対して４組の電流断続手段と
してのチ３ツバ４１〜４４に使用しているスイッチング
素子としてのＧＴＯサイリスタは耐圧２５００ボルト（
これは回路電圧７５０ボルトに使用するものである）の
ものである。

第１図において、　１５００ボルトの給電線路と大地と
の間には入力コンデンサとして上段コンデンサ３０Ａと
下段コンデンサ３０Ｂとの直列回路を接続することによ
り、線路電圧を２分割している。ｊ４組の電流断続手段
としてのチ摺ツバ４１〜４４　Ｋはそれぞれ負荷抵抗３
１〜３４が直列に接続されており、このようにして構成
された４組の直列回路のうちの２組が上段コンデンサ３
０Ａに並列接続され、残余の２組は下段コンデンサ３０
Ｂに並列接続されている。なお、これらチョッパ４１〜
４４を制御するための回路は第５図に図示の従来例回路
と同じであるから、その制御回路の図示と動作説明は省
略する。

第１図に示す４組のチョッパ４１〜４４は下記により運
転される。すなわち上段コンデンサ３０ＡＫ並列接続さ
れた２組のチ確ツバ４１．４２は２相運転すなわち１８
０度の位相差で運転される。また下段コンデンサ３０Ｂ
に接続された２組のチョッパ４３．４４も相互に１８０
度の位相差で運転するのであるが。

このとき上段のチョッパ４１と下段のチ運ツバ４３との
間には９０度の位相差があるようＫする。かくして４組
のチョッパ４１〜４４は相互に等しい９０度の位相差で
運転することとなる。

第２図は第１図に示す実施例回路の動作例をあられした
動作波形図であって、上記の動作をした場合である。す
なわち第２図（イ）はチョッパ４１を流れる電流Ｉ４１
の変化を、第２図（ロ）はチョッパ４２を流れる電流Ｉ
４２の変化を、第２図（ハ）は上段チョッパに流れる合
成電流Ｉ４１＋Ｉ４２の変化を、第２図に）は上段コン
デンサ３０Ａの電圧Ｖムを、第２図（ホ）はチョッパ４
３を流れる電流Ｉ４３の変化を、第２図（へ）はチョッ
パ４４を流れる電流Ｉ４４の変化を、第２図（ト）は下
段チョッパに流れる合成電流Ｉ４３＋Ｉ４４の変化を、
第２図（ト）は下段コンデンサ３０Ｂの電圧ＶＢの変化
を、第２図（す）は入力電圧（すなわち上段コンデンサ
３０Ａと下段コンデンサ３０Ｂの電圧）Ｖｃの変化をそ
れぞれがあられしている。

この第２図であきらかなように、上段コンデンサ３０人
と下段コンデンサ３０Ｂの電圧リップルは各チョッパの
周波数の２倍の周波数であるが入力電圧Ｖｃの電圧リッ
プル周波数はチョッパ周波数の４倍であり、かつ電圧リ
ップル値が小となる（第２図（男の実線を参照）。なお
この第２図（男に図示の破線は、第８図に示す従来例回
路でチョッパを２相運転した場合の入力電圧の変化をあ
られしたものであって、この図の実線と破線との比較で
もあきらかなように、スイッチング素子として４５００
ボルト耐圧のＧＴＯサイリスタを使用した２組のチョッ
パにくらべて、電圧リップル周波数は２倍、電圧リップ
ルはｌ／４となる。

第１図に示す実施例回路において、４組のチョッパ４１
〜４４を下記に記載の第２動作例のように運転させるこ
ともできる。すなわち上段コンデンサ３０Ａに並列接続
されているチョッパ４１とチｉ　ツバ４２とは９０度の
位相差で運転させ、下段コンデンサ３０Ｂ　Ｉｃ並列接
続されているチョッパ４３とチョッパ４４とを９０度の
位相差で運転させるとともに、上段側のチョッパ４１と
下段側のチクツバ４３とは１８０度の位相差で運転させ
ることで、結局４組のチ３フパ４１〜４４は等しい９０
度なる位相差で運転することとなる。

第３図は第１図に示す実施例回路の第２の動作例をあら
れした動作波形図であって、第３図（イ）、（ロ）は上
段側のチョッパ４１．４２を流れる電流Ｉ４１とＩ４２
の変化を、＠３図（ハ）は上段チョッパの合成電流Ｉ４
１＋工４２の変化を、第３図に）は上段コンデンサ３０
Ａの電圧７人の変化を、第３図（ホ）、（へ）は下段側
のチョッパ４３．４４を流れる電流Ｉ４３とＩ４４の変
化を、第３図例は下段チョッパの合成電流Ｉ４３＋１．
４４の変化を、第３図（１）は下段コンデンサ３０Ｂの
電圧ＶＢの変化を、第３図（す）は入力電圧Ｖｃの変化
をそれぞれがあられしている。

第３図に示される第２の動作例では、上段コンデンサ３
０Ａと下段コンデンサ３０Ｂの電圧リップルは第２図に
示した動作例の場合にくらべて大であることから、コン
デンサ容量を大きくする必要があるが、入力電圧Ｖｃは
第２図に示した動作例の場合と同じであり、従って高調
波電流も同様に抑制できる。

上述の説明は４組のチョッパを使用した場合であるが、
Ｎ組のチ確ツバを上下に分けて相互に位相差を設けて運
転する場合であっても、また入力コンデンサをよシ多数
直列接続して電圧を分割する場合でも本発明を適用でき
ることは勿論である。

さらにスイッチング素子として他の半導体素子を使用し
ても本発明の趣旨を損うものでないことも勿論である。

〔発明の効果〕

この発明によれば、複数のコンデンサの直列接続回路を
高電圧の給電線路と大地との間に接続することで線路電
圧をこのコンデンサで分割し、低い耐電圧特性のスイッ
チング素子で構成された電流断続手段と抵抗との直列回
路を、前記の各コンデンサととに複数組づつ並列に接続
して回生電力吸収装置を構成する。直流電気車の回生運
転により回生電力に余剰を生じたとき、これら電流断続
手段を相互に等しい位相差で運転するならば、その運転
周波数が低い値であっても、この回生電力吸収装置への
入力電圧のリップル周波数は高くなり、電圧リップルも
小さくなることから、高調波電流も抑制され、電気鉄道
システムの各種制御装置が高調波電流で誤動作する危険
を回避できる。

さらに電流断続手段の運転周波数が低いことから。

スイッチング素子のスイッチング損失やスナバ損失も小
さく抑制できて装置の効率向上と小形化・低コスト化に
貢献できる。またスイッチング素子として低耐圧のもの
が使用できるので、これにより更に装置の低コスト化を
図ることができる効果も合わせて有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の主回路接続図であり、第２図は第１図
に示す実施例回路の動作例をあられした動作波形図、第
３図は第１図に示す実施例回路の第２の動作例をあられ
した動作波形図である。第４図は直流電気車の回生制動
システムをあられした説明図であり、第５図は低電圧回
路に用いられている回生成力吸収装置の従来例を示す回
路図。 第６図は第５図に示す従来例回路の各部の動作を示す動
作波形図であって、第７図はチョッパを構成するスイッ
チング素子の例を示す回路図、第８図は高電圧回路に用
いられている回生電力吸収装置の従来例を示す主回路接
続図である。 ２・・・変電所、３・・・回生電力吸収装置、４・・・
給電線路、５，６・・・直流電気車、　　５Ｍ、５Ｍ・
・・直流電動機。 ５Ｐ　、６Ｐ・・・パンタグラフ、　　５８．５８・・
・スイッチ、７・・・移相器、８・・・電圧調節器、　
９．２０・・・入力コンデンサ。 １０・・・電圧設定器、１１〜１４，２１，２２．３１
〜３４・・・負荷抵抗。 １５〜１Ｂ、２３，２４．４１〜４４・・・電流断続手
段としてのチョッパ、３０Ａ・・・上段コンデンサ、３
０Ｂ・・・下段コンデンサ、１５１・・・スイッチング
素子としてのＧＴＯサイリスタ、１５２・・・スナバダ
イオード、１５３・・・スナバ抵抗、１５４・・・スナ
バコンデンサ。 可入弁理士山　口　　　ｐ６、　　： ゛　九〆 第１図 第２図 Ｔ：開明 第３図 第５図 第６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 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
   回路の複数組をそれぞれこの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あらかじめ定められ
   た値だけ相互にずらして運転することで、前記電気車が
   回生運転するときの余剰電力を前記抵抗器へ吸収させる
   回生電力吸収装置において、前記給電線路と大地との間
   には複数のコンデンサを直列接続したものを接続し、動
   作位相の差がそれぞれ相互に等しくなっている電流断続
   手段を備えた前記直列回路を前記各コンデンサごとに必
   要数を並列に接続していることを特徴とする回生電力吸
   収装置。