JP2000050410A - 永久磁石形同期電動機電車の駆動回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 負荷接触器の開閉動作回数を低減し、その寿
命を延ばす。 【解決手段】 永久磁石形同期電動機１３が回生運転中
に架線に停電が発生すると、架線停電検知手段１４が架
線の停電を検知し、回生検知手段１５が永久磁石形同期
電動機の回生運転を検知し、かつ第２の過電圧検知手段
８ｂが過電圧検知信号を出力すると、制御手段１６が自
己消弧形素子１０を投入して永久磁石形同期電動機の回
生エネルギを直列回路の抵抗９に導いて消費させ、フィ
ルタコンデンサ７の電圧上昇を抑制する。したがって、
回生エネルギによってフィルタコンデンサ７の電圧が第
１の過電圧検知手段８ａが検知する第１の過電圧レベル
にまで到達する機会が少なくなって、第１の過電圧検知
手段による負荷接触器１２の開放動作回数が低減する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、永久磁石形同期電
動機電車の駆動回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、永久磁石形同期電動機電車の駆動
回路は、図７に示す構成であった。架線から交流電力を
集電するパンタグラフ１に架線電源を遮断するための遮
断器２、変圧器３、接地ブラシ４が接続されている。ま
た変圧器３の二次コイル側に接触器５、交流電力と直流
電力との変換を行うコンバータ６が接続されている。こ
のコンバータ６の直流側に、フィルタコンデンサ７、そ
してフィルタコンデンサ７の電圧を検出する電圧検出器
（ＶＤ）８が接続され、さらに回生エネルギ消費用の抵
抗９と自己消弧形素子１０とで成る直列回路が接続され
ている。そしてコンバータ６の直流側に、フィルタコン
デンサ７を介してインバータ１１の直流側が接続されて
おり、このインバータ１１の交流側に負荷接触器１２を
介して永久磁石形同期電動機（ＰＭＳＭ）１３が接続さ
れている。

【０００３】電圧検出器８に対して、その検出電圧が第
１の過電圧レベルＶ１を超えるときにインバータ１１を
ゲートオフし、また負荷接触器１２を開放動作させる第
１の過電圧検出部（ＯＶＤ−１）８ａが接続されてい
る。電圧検出器８に対しては、また、その検出電圧が第
１の過電圧レベルＶ１よりも大きい第２の過電圧レベル
Ｖ２（Ｖ２＞Ｖ１）を超えるとき自己消弧形素子１０を
ターンオンさせて抵抗９に直流電力を通流させる第２の
過電圧検出部（ＯＶＤ−２）８ｂが接続されている。

【０００４】この従来の永久磁石形同期電動機電車の駆
動回路において、電車が回生運転しているときのエネル
ギの流れを説明する。永久磁石形同期電動機１３の回生
エネルギはインバータ１１で直流電力に変換され、その
直流電力はフィルタコンデンサ７に充電された後、コン
バータ６で交流電力に変換される。この交流電力は変圧
器３で架線電圧に昇圧されて、パンタグラフ１を経て架
線に返還される。

【０００５】ところが、回生運転中に架線が停電して回
生エネルギを架線に返還できなくなることがあるが、そ
の場合には、回生エネルギは次のように流れる。架線が
停電すると、コンバータ６は直流電力を交流電力に変換
できない。このため、インバータ１１で直流電力に変換
された回生エネルギは、フィルタコンデンサ７に充電さ
れ続け、フィルタコンデンサ７の電圧が上昇する。フィ
ルタコンデンサ７の電圧が上昇して第１の過電圧レベル
Ｖ１に達すると、第１の過電圧検知部（ＯＶＤ−１）８
ａが過電圧を検知してインバータ１１をゲートオフ開放
する。

【０００６】ここで問題となるのは、永久磁石形同期電
動機電車では、インバータ１１がゲートオフしても電車
が惰性で動いている限り、永久磁石形同期電動機１３が
発電機として作用してしまうことである。このときの誘
起電圧最大値がフィルタコンデンサ７の電圧よりも大き
い場合、インバータ１１がゲートオフしていても、回生
エネルギはインバータ１１で整流されてフィルタコンデ
ンサ７に流れ込み、フィルタコンデンサ７の電圧がさら
に上昇することになる。

【０００７】そのため、フィルタコンデンサの電圧が第
２の過電圧レベルＶ２に達したときには、第２の過電圧
検知部（ＯＶＤ−２）８ｂが過電圧を検知して自己消弧
形素子１０をターンオンさせて直流回路に回生電流が流
れるようにし、抵抗９で回生エネルギを消費し、フィル
タコンデンサ７の電圧上昇を抑制する。なお、この抵抗
９は第２の過電圧レベルＶ２に達するまでにフィルタコ
ンデンサ７が蓄えたエネルギを消費するだけの容量を持
つ必要があり、また第２の過電圧レベルＶ２に対する耐
電圧特性を有している必要もあるので、抵抗９には比較
的大きな抵抗器が必要となるが、車両機器としての大形
化を避ける設計上の要求から無制限に大きな抵抗器を採
用することはできない。

【０００８】また、誘起電圧最大値がフィルタコンデン
サ７の電圧よりも大きい場合、永久磁石形同期電動機１
３とフィルタコンデンサ７との間にインピーダンスがな
いために、インバータ１１には大電流が流れ、インバー
タ１１内の半導体素子が破損する可能性がある。

【０００９】このため、従来では、上述したように第１
の過電圧レベルＶ１に達すると、インバータ１１をゲー
トオフすると共に、負荷接触器１２を開放することによ
り、誘起電圧最大値がフィルタコンデンサ７の電圧より
も大きくても回生エネルギがフィルタコンデンサ７に流
れ込まないようにしているのである。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
従来の永久磁石形同期電動機電車の駆動回路では、次の
ような問題点があった。例えば、新幹線では、切替セク
ションによる架線停電が約２０kmに１回あるので、電車
の１回の走行で回生運転中の架線停電による負荷接触器
１２の開閉操作が多数回に上る。この負荷接触器の寿命
はその開閉回数に大きく依存するので、回生運転中の架
線停電によって負荷接触器を頻繁に開放動作させること
は、負荷接触器の寿命を縮めることになる問題点があっ
た。

【００１１】本発明はこのような従来の問題点に鑑みて
なされたもので、回生運転中に架線が停電した場合で
も、負荷接触器を開く必要がある条件が成立する機会を
可能な限り低減することによって、負荷接触器の開閉回
数を低減し、その寿命を長くすることができる永久磁石
形同期電動機電車の駆動回路を提供することを目的とす
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明の永久磁
石形同期電動機電車の駆動回路は、車両駆動用の永久磁
石形同期電動機と、前記永久磁石形同期電動機を駆動す
るインバータと、前記永久磁石形同期電動機と前記イン
バータとの間に接続された負荷接触器と、前記インバー
タの直流側に挿入されたフィルタコンデンサと、架線か
らの交流電力を直流電力に変換するため、前記インバー
タの直流側に自身の直流側が接続されたコンバータと、
前記インバータの直流側に設置された回生エネルギ消費
用の抵抗と自己消弧形素子で成る直列回路と、前記フィ
ルタコンデンサの電圧を検出する電圧検出手段と、前記
電圧検出手段の検出する電圧が第１の過電圧レベルを超
えるときに、前記インバータをゲートオフし、かつ前記
負荷接触器を開放する第１の過電圧検知手段と、架線の
停電を検知する架線停電検知手段と、前記永久磁石形同
期電動機が回生運転中であることを検知する回生検知手
段と、前記電圧検出手段の検出する電圧が前記第１の過
電圧レベルよりも低い第２の過電圧レベルを超えるとき
に過電圧検知信号を出力する第２の過電圧検知手段と、
前記架線停電検知手段が架線の停電を検知し、前記回生
検知手段が前記永久磁石形同期電動機の回生運転を検知
し、かつ前記第２の過電圧検知手段が過電圧検知信号を
出力するときに、前記自己消弧形素子を投入する制御手
段とを備えたものである。

【００１３】請求項１の発明の永久磁石形同期電動機電
車の駆動回路では、永久磁石形同期電動機が回生運転中
に架線に停電が発生すると、架線停電検知手段が架線の
停電を検知し、回生検知手段が永久磁石形同期電動機の
回生運転を検知し、かつ第２の過電圧検知手段が過電圧
検知信号を出力すると、制御手段が自己消弧形素子を投
入して永久磁石形同期電動機の回生エネルギを直列回路
の抵抗に導いて消費させ、フィルタコンデンサの電圧上
昇を抑制する。したがって、回生エネルギによってフィ
ルタコンデンサの電圧が第１の過電圧レベルに達するま
で到達する機会が少なくなって、第１の過電圧検知手段
による負荷接触器の開放動作回数が低減する。

【００１４】請求項２の発明は、請求項１の発明の永久
磁石形同期電動機電車の駆動回路において、前記第２の
過電圧検知手段が前記第２の過電圧レベルに対してデッ
ドバンドを有し、前記自己消弧形素子をオフする電圧レ
ベルを前記第２の過電圧レベルよりも小さい値に設定し
たものであり、これによって、自己消弧形素子がオンし
て抵抗によって回生エネルギを有効に消費し、フィルタ
コンデンサの電圧が低下してくれば当該自己消弧形素子
をオフするようになるので、自己消弧形素子が頻繁にオ
ン／オフを繰返すことがなくて動作が安定する。

【００１５】請求項３の発明は、請求項１又は２の発明
の永久磁石形同期電動機電車の駆動回路において、さら
に、前記架線停電検知手段が架線の停電を検知し、かつ
前記回生検知手段が前記永久磁石形同期電動機の回生運
転を検知しているときに、前記永久磁石形動機電動機の
回生トルクが零になるように前記インバータをゲート制
御するトルク零制御手段を備えたものであり、これによ
って、回生運転中に架線停電が発生すれば、永久磁石形
動機電動機のトルク零制御を開始して回生エネルギを零
にし、フィルタコンデンサに流れ込む回生エネルギも零
とする。したがって、回生運転中に架線停電が発生して
もフィルタコンデンサ電圧が第１の過電圧レベルに達す
ることがなく、インバータをゲートオフし、負荷接触器
を開放動作させる機会がいっそう少なくなり、第１の過
電圧検知手段による負荷接触器の開放動作回数がより低
減する。

【００１６】請求項４の発明は、請求項１又は２の発明
の永久磁石形同期電動機電車の駆動回路において、さら
に、前記架線停電検知手段が架線の停電を検知し、かつ
前記回生検知手段が前記永久磁石形同期電動機の回生運
転を検知しているときに、当該同期電動機の磁束を小さ
くするように前記インバータをゲート制御する弱め磁束
制御手段を備えたものであり、これによって、回生運転
中に架線停電が発生すれば、同期電動機の磁束を小さく
するようにインバータをゲート制御することによって回
生エネルギを減少させ、フィルタコンデンサに流れ込む
回生エネルギを減少させる。したがって、回生運転中に
架線停電が発生してフィルタコンデンサ電圧が第２の過
電圧レベルに達しても、自己消弧形素子をオンして抵抗
で回生エネルギを消費させなければならないエネルギが
小さく、回生エネルギを消費させるための抵抗に容量の
小さい小形のものを採用できる。

【００１７】請求項５の発明の永久磁石形同期電動機電
車の駆動回路は、車両駆動用の永久磁石形同期電動機
と、前記永久磁石形同期電動機を駆動するインバータ
と、前記永久磁石形同期電動機と前記インバータとの間
に接続された負荷接触器と、前記インバータの直流側に
挿入されたフィルタコンデンサと、架線からの交流電力
を直流電力に変換するため、前記インバータの直流側に
自身の直流側が接続されたコンバータと、前記インバー
タの直流側に設置された回生エネルギ消費用の抵抗と自
己消弧形素子で成る直列回路と、前記フィルタコンデン
サの電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段
の検出する電圧が第１の過電圧レベルを超えるときに、
前記インバータをゲートオフし、かつ前記負荷接触器に
対する開放判定信号を出力する第１の過電圧検知手段
と、前記永久磁石形同期電動機の誘起電圧最大値を算出
する誘起電圧最大値演算手段と、前記電圧検出手段の検
出する前記フィルタコンデンサの電圧と前記誘起電圧最
大値演算手段の算出する前記誘起電圧最大値とを比較す
る比較手段と、前記第１の過電圧検知手段が前記接触器
に対する開放判定信号を出力し、かつ前記比較手段が前
記誘起電圧最大値の方が前記フィルタコンデンサの電圧
よりも大きいとする判断信号を出力するときに前記接触
器を開放する第１の制御手段と、架線の停電を検知する
架線停電検知手段と、前記永久磁石形同期電動機が回生
運転中であることを検知する回生検知手段と、前記電圧
検出手段の検出する電圧が前記第１の過電圧レベルより
も低い第２の過電圧レベルを超えるときに過電圧検知信
号を出力する第２の過電圧検知手段と、前記架線停電検
知手段が架線の停電を検知し、前記回生検知手段が前記
永久磁石形同期電動機の回生運転を検知し、かつ前記第
２の過電圧検知手段が過電圧検知信号を出力するとき
に、前記自己消弧形素子を投入する第２の制御手段とを
備えたものである。

【００１８】請求項５の発明の永久磁石形同期電動機電
車の駆動回路では、永久磁石形同期電動機が回生運転中
に架線に停電が発生し、架線停電検知手段が架線の停電
を検知し、回生検知手段が永久磁石形同期電動機の回生
運転を検知し、かつ第２の過電圧検知手段が過電圧検知
信号を出力すると、第２の制御手段が自己消弧形素子を
投入して直列回路に回生電流を導き、抵抗によって回生
エネルギを消費させる。そしてフィルタコンデンサの電
圧がさらに上昇して第１の過電圧レベルに達したときに
は、第１の過電圧検知手段がインバータをゲートオフ
し、かつ負荷接触器に対する開放判定信号を出力する
が、これと並行して比較手段が同期電動機の誘起電圧最
大値をフィルタコンデンサの電圧と比較し、同期電動機
の誘起電圧最大値の方がフィルタコンデンサの電圧より
も大きいとする判断信号を出力するときに初めて第１の
制御手段が負荷接触器を開放する。

【００１９】こうして、永久磁石形同期電動機が回生運
転中に架線に停電が発生し、回生エネルギによってフィ
ルタコンデンサの電圧が一時的に第１の過電圧レベルに
達するまでに上昇しても、同期電動機の誘起電圧最大値
がフィルタコンデンサ電圧よりも小さい間はフィルタコ
ンデンサの電圧が回生エネルギによってそれ以上に上昇
する恐れがなく、やがては抵抗で消費されることになる
ので、負荷接触器を開放させないようにすることによっ
てその開閉動作回数を低減する。

【００２０】請求項６の発明は、請求項５の発明の永久
磁石形同期電動機電車の駆動回路において、前記第２の
過電圧検知手段が前記第２の過電圧レベルに対してデッ
ドバンドを有し、前記自己消弧形素子をオフする電圧レ
ベルを前記第２の過電圧レベルよりも小さい値に設定し
たものであり、これによって、自己消弧形素子がオンし
て抵抗によって回生エネルギを有効に消費し、フィルタ
コンデンサの電圧が低下してくれば当該自己消弧形素子
をオフするようになるので、自己消弧形素子が頻繁にオ
ン／オフを繰返すことがなく、回生エネルギの消費動作
が安定する。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図に
基づいて詳説する。図１は本発明の第１の実施の形態の
永久磁石形同期電動機電車の駆動回路の構成を示してい
る。架線から交流電力を集電するパンタグラフ１に架線
電源を遮断するための遮断器２、変圧器３、接地ブラシ
４が接続されている。また変圧器３の二次コイル側に接
触器５、交流電力と直流電力との変換を行うコンバータ
６が接続されている。このコンバータ６の直流側に、フ
ィルタコンデンサ７、そしてフィルタコンデンサ７の電
圧を検出する電圧検出器（ＶＤ）８が接続され、さらに
回生エネルギ消費用の抵抗９と自己消弧形素子１０とで
成る直列回路が接続されている。そしてコンバータ６の
直流側に、フィルタコンデンサ７を介してインバータ１
１の直流側が接続されており、このインバータ１１の交
流側に負荷接触器１２を介して永久磁石形同期電動機
（ＰＭＳＭ）１３が接続されている。

【００２２】電圧検出器８に対して、その検出電圧が第
１の過電圧レベルＶ１を超えるときにインバータ１１を
ゲートオフし、また負荷接触器１２を開放動作させる第
１の過電圧検出部（ＯＶＤ−１）８ａが接続されてい
る。

【００２３】電圧検出器８に対してはまた、その検出電
圧が第１の過電圧レベルＶ１よりも低い第２の過電圧レ
ベルＶ２（Ｖ２＜Ｖ１とする）を超えるときに第２の過
電圧レベル到達信号ｓ１を出力する第２の過電圧検出部
（ＯＶＤ−２）８ｂが接続されている。

【００２４】加えて、架線停電を検知して架線停電検知
信号ｓ２を出力する架線停電検知部１４と、電車の回生
運転中であることを検知して回生検知信号ｓ３を出力す
る回生検知部１５と、第２の過電圧検出部８ｂからの第
２の過電圧レベル到達信号ｓ１、架線停電検知部１４か
らの架線停電検知信号ｓ２、回生検知部１５からの回生
検知信号ｓ３が共に入力されるときに自己消弧形素子１
０をターンオンさせ、それ以外の時には自己消弧形素子
１０をターンオフさせる制御手段としての論理積回路１
６とが設けられている。

【００２５】次に、上記の構成の永久磁石形同期電動機
電気車の駆動回路の動作を説明する。電車が回生運転し
ているときのエネルギの流れを説明する。永久磁石形同
期電動機１３の回生エネルギはインバータ１１で直流電
力に変換され、その直流電力はフィルタコンデンサ７に
充電された後、コンバータ６で交流電力に変換される。
この交流電力は変圧器３で架線電圧に昇圧されて、パン
タグラフ１を経て架線に返還される。

【００２６】ところが、回生運転中に架線が停電して回
生エネルギを架線に返還できなくなると、インバータ１
１で直流電力に変換された回生エネルギは、フィルタコ
ンデンサ７に充電され続け、フィルタコンデンサ７の電
圧が上昇する。フィルタコンデンサ７の電圧が上昇して
第２の過電圧レベルＶ２に達すると、第２の過電圧検知
部（ＯＶＤ−２）８ｂが第２の過電圧レベル到達信号ｓ
１を論理積回路１６に出力し始める。

【００２７】いま、架線は停電しているので架線停電検
知部１４は架線停電検知信号ｓ２を論理積回路１６に出
力し、また回生検知部１５は電車の回生運転中であるこ
とを検知して回生検知信号ｓ３を論理積回路１６に出力
している。

【００２８】したがって、論理積回路１６は第２の過電
圧検知部８ｂから第２の過電圧レベル到達信号ｓ１が入
力されると、信号ｓ１〜ｓ３の論理積により自己消弧形
素子１０をターンオンさせて直流回路に回生電流が流れ
るようにし、抵抗９で回生エネルギを消費し、フィルタ
コンデンサ７の電圧上昇を抑制する。

【００２９】ここで、抵抗９で消費されるエネルギが回
生エネルギよりも小さい場合、フィルタコンデンサ７の
電圧は回生エネルギの流入によってさらに上昇する。そ
こでフィルタコンデンサ７の電圧が第１の過電圧レベル
Ｖ１に達すると、第１の過電圧検知部８ａは過電圧検知
信号ｓ４を出力し、これによってインバータ１１をゲー
トオフし、同時に負荷接触器１２を開放させる。

【００３０】一方、抵抗９で消費されるエネルギが回生
エネルギよりも大きい場合、フィルタコンデンサ７の電
圧は低下する。そこでこのフィルタコンデンサ７の電圧
が第２の過電圧レベルＶ２よりも下がると、第２の過電
圧検知部８ｂからの第２の過電圧レベル到達信号ｓ１の
出力が停止し、論理積回路１６は自己消弧形素子１０を
ターンオフさせる。したがって、設計段階において抵抗
９として予想される回生エネルギよりも大きなエネルギ
を消費することができる容量の抵抗器を用意し、あるい
は負荷接触器１２の開閉動作を十分低減できる程度まで
回生エネルギを消費できる容量の抵抗器を採用すること
により、フィルタコンデンサ７の電圧はインバータ１１
をゲートオフする第１の過電圧レベルＶ１まで達しない
ので、回生運転中にインバータ１１をゲートオフし、負
荷接触器１２を開放動作させる必要がなくなり、あるい
はインバータ１１をゲートオフし、負荷接触器１２を開
放動作させる回数を低減することができるようになる。

【００３１】このようにして、第１の実施の形態によれ
ば、回生運転中に架線停電が発生すれば、フィルタコン
デンサ７の電圧がまず第２の過電圧レベルＶ２に達した
ときに自己消弧形素子１０をオンして抵抗９によって回
生エネルギを消費させることによってフィルタコンデン
サ７の電圧上昇を抑制し、あるいは低下させるようにし
たので、フィルタコンデンサ７が第１の過電圧レベルＶ
１（Ｖ１＞Ｖ２）に達してインバータ１１をゲートオフ
し、負荷接触器１２を開放動作させる機会を少なくし、
その開閉動作回数を低減して寿命を延ばすことができ
る。

【００３２】次に、本発明の第２の実施の形態を、図２
及び図３に基づいて説明する。第２の実施の形態の特徴
は、図１に示した第１の実施の形態における第２の過電
圧検知部（ＯＶＤ−２）８ｂに代えて、図３に示すよう
なヒシテリシス特性を備えた第３の過電圧検知部（ＯＶ
Ｄ−３）８ｃを備えた点にあり、その他の部分はすべて
図１に示した第１の実施の形態と共通である。

【００３３】すなわち、第３の過電圧検知部（ＯＶＤ−
３）８ｃは、電圧検出器（ＶＤ）８が検出するフィルタ
コンデンサ７の電圧が、第１の過電圧検知部（ＯＶＤ−
１）８ａの動作レベルである第１の過電圧レベルＶ１よ
りも低い第２の過電圧レベルＶ２を超えたときに第２の
過電圧レベル到達信号ｓ１を出力するが、逆に第２の過
電圧レベル到達信号ｓ１を出力している間は、フィルタ
コンデンサ７の電圧が復帰レベルＶ３（Ｖ３＜Ｖ２）を
切らなければその第２の過電圧レベル到達信号ｓ１の出
力を停止しない特性を持っている。

【００３４】この第２の実施の形態の場合、回生運転中
に架線停電が発生すると、次のように動作する。架線が
停電すると回生エネルギを架線に返還することができな
いので、回生エネルギはフィルタコンデンサ７に充電さ
れていく。これによってフィルタコンデンサ７の電圧Ｖ
Ｄは上昇し、第２の過電圧レベルＶ２を超える（ＶＤ＞
Ｖ２）と、第３の過電圧検知部８ｃが第２の過電圧レベ
ル到達信号ｓ１を出力するようになる。これにより、論
理積回路１６は自己消弧形素子１０をターンオンさせて
抵抗９に回生電力を導いて消費させ、フィルタコンデン
サ７の電圧上昇を抑制する。

【００３５】ここで、抵抗９による電力消費が回生エネ
ルギよりも大きければフィルタコンデンサ７の電圧ＶＤ
は低下する。その場合、第３の過電圧検知部８ｃのヒシ
テリシス特性により、フィルタコンデンサ電圧ＶＤが第
２の過電圧レベルＶ２を下回る復帰レベルＶ３まで低下
すれば第２の過電圧レベル到達信号ｓ１の出力を停止す
る。この結果、論理積回路１６は自己消弧形素子１０を
オフさせ、抵抗９に回生エネルギが流れるのを停止させ
る。この後も回生運転が継続され、回生エネルギが再び
フィルタコンデンサ７に充電されるようになれば、フィ
ルタコンデンサ電圧ＶＤが再び第２の過電圧レベルＶ２
を超えるようになれば自己消弧形素子１０を再びオンさ
せて抵抗９によって回生エネルギを消費させる。

【００３６】このようにして第２の実施の形態では、第
１の実施の形態と同様に負荷接触器１２の開閉動作回数
を低減することができる上に、第２の過電圧レベルＶ２
に対してデッドバンドＶ３〜Ｖ２を設定し、フィルタコ
ンデンサ電圧ＶＤが第２の過電圧レベルＶ２を超えなけ
れば自己消弧形素子１０をオンさせず、逆に復帰レベル
Ｖ３を切らなければ自己消弧形素子１０をオフさせない
ようにすることにより、回生エネルギが抵抗９の消費エ
ネルギと拮抗するような場合に自己消弧形素子１０が頻
繁にオン／オフ動作を繰返す事態が発生するのを避け、
動作の安定性を高めることができる。

【００３７】次に、本発明の第３の実施の形態を図４に
基づいて説明する。第３の実施の形態の永久磁石形同期
電動機電車の駆動回路は、図１に示した第１の実施の形
態において、さらに、架線停電検知部１４が架線の停電
を検知し、かつ回生検知部１５が永久磁石形同期電動機
１３の回生運転を検知しているときに、永久磁石形動機
電動機１３の回生トルクが零となるようにインバータ１
１をゲート制御するトルク零制御部１７を追加的に備え
たことを特徴とする。その他の構成については、図１に
示した第１の実施の形態と共通であり、同一の符号を用
いて示してある。

【００３８】この第３の実施の形態の永久磁石形同期電
動機電車の駆動回路では、電車が回生運転中に架線が停
電すると、架線停電検知部１４が架線停電信号ｓ２を出
力し、また回生検知部１５は回生検知信号ｓ３を出力す
る。トルク零制御部１７は、これらの信号ｓ２，ｓ３を
同時に受けるとトルク零制御を開始し、永久磁石形同期
電動機１３の回生トルクが零になるようにインバータ１
１にゲート信号を与える。

【００３９】ここで、回生トルクＴｍと回生エネルギＰ
ｍとの関係は、次の式（１）で表わされる。

【００４０】Ｐｍ＝k1・Ｎｒ・Ｔｍ …（１） ただし、Ｐｍ：回生エネルギ（Ｗ）、k1：第１の定数、
Ｎｒ：電動機回転速度（ｒｐｍ）、Ｔｍ：回生トルク
（Ｗ）である。

【００４１】いま、回生トルクＴｍ＝０となるように制
御しているので、回生エネルギＰｍ＝０となり、フィル
タコンデンサ７に流れ込む回生エネルギは零となり、フ
ィルタコンデンサ７の電圧は上昇しない。したがって各
部が正常に動作する時には、過電圧検知によってインバ
ータ１１をゲートオフする必要はなく、また、負荷接触
器１２を開く必要がなくなる。

【００４２】このようにして第３の実施の形態によれ
ば、架線停電検知時、かつ回生運転検知時にトルク零制
御を行うことにより、フィルタコンデンサ７の電圧上昇
を抑制することができ、負荷接触器１２の開閉動作回数
を低減することができ、その寿命を延ばすことができ
る。

【００４３】なお、この第３の実施の形態では、第２の
過電圧検知部８ｂに代えて、図２に示した第２の実施の
形態と同様のヒシテリシス特性を備えた第３の過電圧検
知部８ｃを使用することもできる。

【００４４】次に、本発明の第４の実施の形態を図５に
基づいて説明する。第４の実施の形態の永久磁石形同期
電動機電車の駆動回路は、図１に示した第１の実施の形
態において、さらに、架線停電検知部１４が架線の停電
を検知し、かつ回生検知部１５が永久磁石形同期電動機
１３の回生運転を検知しているときに、永久磁石形同期
電動機１３の磁束が小さくなるようにインバータ１１を
ゲート信号を与える弱め磁束制御部１８を備えたことを
特徴とする。その他の構成は、図１に示した第１の実施
の形態と共通であり、同一の部分には同一の符号を付し
て示してある。

【００４５】この第４の実施の形態の永久磁石形同期電
動機電車の駆動回路では、電車が回生運転中に架線が停
電すると、架線停電検知部１４が架線停電信号ｓ２を出
力し、また回生検知部１５は回生検知信号ｓ３を出力す
る。弱め磁束制御部１８は、これらの信号ｓ２，ｓ３を
同時に受けると弱め磁束制御を開始し、永久磁石形同期
電動機１３の磁束が小さくなるようにインバータ１１に
ゲート信号を与える。

【００４６】ここで、永久磁石形同期電動機１３の磁束
Φと回生エネルギＰｍとの関係は、次の（２）式によっ
て表わされる。

【００４７】Ｐｍ＝k2・Φ・Ｎｒ・Ｉｑ …（２） ただし、Ｐｍ：回生エネルギ（Ｗ）、k2：第２の定数、
Φ：永久磁石形同期電動機の磁束（Ｗｂ）、Ｎｒ：電動
機回転速度（ｒｐｍ）、Ｉｑ：トルク電流（Ａ）であ
る。

【００４８】いま、磁束Φが小さくなるように制御して
いるので、回生エネルギＰｍが小さくなる。したがっ
て、フィルタコンデンサ７に流れ込む回生エネルギは弱
め磁束制御を行わないときよりも小さくなる。この結
果、フィルタコンデンサ７の電圧が第２の過電圧レベル
Ｖ２に達して自己消弧形素子１０がオンしても、抵抗９
で消費しなければならないエネルギは小さいので、抵抗
９に消費エネルギ容量が小さいものを採用することがで
きる。また、抵抗９でエネルギを消費することによって
フィルタコンデンサ７の電圧が第１の過電圧レベルＶ１
に達することを抑制することができるので、各部が正常
に動作する時には、インバータ１１をゲートオフし、ま
た負荷接触器１２を開放動作させる機会が少なくなる。

【００４９】このようにして第４の実施の形態では、永
久磁石形同期電動機１３の回生運転中で架線停電が発生
しても、同期電動機１３を弱め磁束制御することによっ
てその回生エネルギを減少させ、フィルタコンデンサ７
の電圧上昇を抑制することができ、負荷接触器１２の開
閉回数を低減してその寿命を延ばすことができる。

【００５０】なお、この第３の実施の形態でも、第２の
過電圧検知部８ｂに代えて、図２に示した第２の実施の
形態と同様のヒシテリシス特性を備えた第３の過電圧検
知部８ｃを使用することができる。

【００５１】次に、本発明の第５の実施の形態を、図６
に基づいて説明する。第５の実施の形態の永久磁石形同
期電動機電車の駆動回路は、図１に示した第１の実施の
形態に対して、さらに、同期電動機１３の速度を検出す
る速度検出器（ＴＧ）１９と、この速度検出器１９の検
出速度に基づいて同期電動機１３の誘起電圧最大値Ｖmp
を算出する誘起電圧最大値演算部２０と、電圧検出器８
の検出するフィルタコンデンサ７の電圧ＶＤと誘起電圧
最大値演算部２０の算出する誘起電圧最大値Ｖmpとを比
較して、誘起電圧最大値Ｖmpの方が大きいときに信号ｓ
５を出力する比較部２１と、第１の過電圧検知部８ａが
出力する第１の過電圧レベル到達信号ｓ４と比較部２１
が出力する信号ｓ５とが共に入力されるときに負荷接触
器１２に開放信号を出力する第１の制御手段としての論
理積回路２２とを追加的に備えたことを特徴とする。

【００５２】次に、この第５の実施の形態の永久磁石形
同期電動機電車の駆動回路の動作を説明する。永久磁石
形同期電動機１３が回生運転中に架線に停電が発生し、
架線停電検知部１４が架線の停電を検知して信号ｓ２を
出力し、回生検知部１５が永久磁石形同期電動機１３の
回生運転を検知して信号ｓ３を出力し、かつ第２の過電
圧検知部８ｂがフィルタコンデンサ電圧ＶＤの第２の過
電圧レベルＶ２への到達を検知して第２の過電圧レベル
到達信号ｓ１を出力すると、第２の制御手段としての論
理積回路１６は自己消弧形素子１０をオンさせて直列回
路に回生電流を導き、抵抗９によって回生エネルギを消
費させる。

【００５３】そしてフィルタコンデンサ７の電圧ＶＤが
さらに上昇して第１の過電圧レベルＶ１に達したときに
は、第１の過電圧検知部８ａが第１の過電圧レベル到達
信号ｓ４をインバータ１１と論理積回路２２に出力す
る。インバータ１１はこの信号ｓ４によってゲートオフ
する。しかしながら、負荷接触器１２はこの信号ｓ４だ
けでは開放動作しない。

【００５４】これと並行して、誘起電圧最大値演算部２
０は、速度検出器１９の検出する電動機１３の回転速度
から、次の（３）式に基づいて誘起電圧最大値Ｖmpを算
出して比較部２１に出力する。

【００５５】Ｖmp＝k3・Φ・Ｎｒ …（３） ただし、Ｖmp：誘起電圧最大値（Ｖ）、k3：第３の定
数、Φ：永久磁石形同期電動機の磁束（Ｗｂ）、Ｎｒ：
電動機回転数（ｒｐｍ）である。

【００５６】比較部２１では、この誘起電圧最大値Ｖmp
をフィルタコンデンサ７の電圧ＶＤと比較し、同期電動
機１３の誘起電圧最大値Ｖmpの方がフィルタコンデンサ
７の電圧ＶＤよりも大きいと判断したときに初めて信号
ｓ５を第１の制御手段としての論理積回路２２に出力す
る。

【００５７】こうして、論理積回路２２は、フィルタコ
ンデンサ７が第１の過電圧レベルＶ１に到達し、かつ回
生運転中の同期電動機１３の誘起電圧最大値Ｖmpがフィ
ルタコンデンサ電圧ＶＤよりも大きくなったときに初め
て、負荷接触器１２を開放することになる。

【００５８】すなわち、永久磁石形同期電動機１３が回
生運転中に架線に停電が発生し、回生エネルギによって
フィルタコンデンサの電圧ＶＤが一時的に第１の過電圧
レベルＶ１に達するまで上昇しても、同期電動機１３の
誘起電圧最大値Ｖmpがフィルタコンデンサ電圧ＶＤより
も低い間はフィルタコンデンサ７の電圧ＶＤが回生エネ
ルギによってそれ以上に上昇する恐れがなく、やがては
抵抗９で消費されることになるので、負荷接触器１２を
開放させないようにすることによってその開閉動作回数
を低減するのである。この結果、負荷接触器１２の開閉
動作回数が低減してその寿命を延ばすことができる。

【００５９】なお、この第５の実施の形態でも、第２の
過電圧検知部８ｂに代えて、図２に示した第２の実施の
形態と同様のヒシテリシス特性を備えた第３の過電圧検
知部８ｃを使用することができる。

【００６０】

【発明の効果】以上のように、請求項１の発明によれ
ば、永久磁石形同期電動機が回生運転中に架線に停電が
発生した場合、フィルタコンデンサ電圧が第２の過電圧
レベルに到達すると第２の過電圧検知手段が自己消弧形
素子を投入して永久磁石形同期電動機の回生エネルギを
直列回路の抵抗に導いて消費させ、フィルタコンデンサ
の電圧上昇を抑制するので、回生エネルギによってフィ
ルタコンデンサの電圧が第２の過電圧レベルよりも高い
第１の過電圧レベルに到達する機会が少なくなって、第
１の過電圧検知手段による負荷接触器の開放動作回数を
低減し、その寿命の延ばすことができる。

【００６１】請求項２の発明によれば、請求項１の発明
の効果に加えて、第２の過電圧検知手段が第２の過電圧
レベルに対してデッドバンドを有し、自己消弧形素子を
オフする電圧レベルを第２の過電圧レベルよりも小さい
値に設定したので、自己消弧形素子がオンして抵抗によ
って動機電動機の回生エネルギを有効に消費し、フィル
タコンデンサの電圧が低下してくれば当該自己消弧形素
子をオフするようになり、自己消弧形素子が頻繁にオン
／オフを繰返すのを防止して動作を安定させることがで
きる。

【００６２】請求項３の発明によれば、請求項１又は２
の発明の効果に加えて、回生運転中に架線停電が発生す
れば、永久磁石形動機電動機のトルク零制御を開始して
回生エネルギを零にし、フィルタコンデンサに流れ込む
回生エネルギも零とすることにより、回生運転中に架線
停電が発生してもフィルタコンデンサ電圧が回生エネル
ギの充電によって第１の過電圧レベルに達するのを防止
し、インバータをゲートオフし、負荷接触器を開放動作
させる機会をいっそう少なくして、第１の過電圧検知手
段による負荷接触器の開放動作回数をより低減すること
ができる。

【００６３】請求項４の発明によれば、請求項１又は２
の発明の効果に加えて、回生運転中に架線停電が発生す
れば、永久磁石形同期電動機の磁束を小さくするように
インバータをゲート制御することによって回生エネルギ
を減少させ、フィルタコンデンサに流れ込む回生エネル
ギを減少させるようにしたので、回生運転中に架線停電
が発生してフィルタコンデンサ電圧が第２の過電圧レベ
ルに達しても、自己消弧形素子をオンして抵抗で回生エ
ネルギを消費させなければならないエネルギが小さくな
り、回生エネルギを消費させるための抵抗に容量の小さ
い小形のものが採用できる。

【００６４】請求項５の発明によれば、永久磁石形同期
電動機が回生運転中に架線に停電が発生し、回生エネル
ギによってフィルタコンデンサの電圧が一時的に第１の
過電圧レベルに達するまでに上昇しても、同期電動機の
誘起電圧最大値がフィルタコンデンサ電圧よりも小さい
間はフィルタコンデンサの電圧が回生エネルギによって
それ以上に上昇する恐れがなく、やがては抵抗で消費さ
れることになるので、その間は負荷接触器を開放させな
いようしたことにより、その開閉動作回数を低減するこ
とができ、寿命を延ばすことができる。

【００６５】請求項６の発明によれば、請求項５の発明
の効果に加えて、第２の過電圧検知手段が第２の過電圧
レベルに対してデッドバンドを有し、自己消弧形素子を
オフする電圧レベルを第２の過電圧レベルよりも小さい
値に設定したので、自己消弧形素子がオンして抵抗によ
って永久磁石形動機電動機の回生エネルギを有効に消費
し、フィルタコンデンサの電圧が低下してくれば当該自
己消弧形素子をオフするようになり、自己消弧形素子が
頻繁にオン／オフを繰返すのを防止して動作を安定させ
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の構成を示す回路
図。

【図２】本発明の第２の実施の形態の構成を示す回路
図。

【図３】上記の実施の形態における第２の過電圧検知部
のヒシテリシス特性を示すグラフ。

【図４】本発明の第３の実施の形態の構成を示す回路
図。

【図５】本発明の第４の実施の形態の構成を示す回路
図。

【図６】本発明の第５の実施の形態の構成を示す回路
図。

【図７】従来例の回路図。

【符号の説明】

１ パンタグラフ ３ 変圧器 ６ コンバータ ７ フィルタコンデンサ ８ 電圧検出器 ８ａ 第１の過電圧検知部 ８ｂ 第２の過電圧検知部 ８ｃ 第３の過電圧検知部 ９ 抵抗 １０ 自己消弧形素子 １１ インバータ １２ 負荷接触器 １３ 永久磁石形同期電動機 １４ 架線停電検知部 １５ 回生検知部 １６ 論理積回路 １７ トルク零制御部 １８ 弱め磁束制御部 １９ 速度検出器 ２０ 誘起電圧最大値演算部 ２１ 比較部 ２２ 論理積回路

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 車両駆動用の永久磁石形同期電動機と、 前記永久磁石形同期電動機を駆動するインバータと、 前記永久磁石形同期電動機と前記インバータとの間に接
   続された負荷接触器と、 前記インバータの直流側に挿入されたフィルタコンデン
   サと、 架線からの交流電力を直流電力に変換するため、前記イ
   ンバータの直流側に自身の直流側が接続されたコンバー
   タと、 前記インバータの直流側に設置された回生エネルギ消費
   用の抵抗と自己消弧形素子で成る直列回路と、 前記フィルタコンデンサの電圧を検出する電圧検出手段
   と、 前記電圧検出手段の検出する電圧が第１の過電圧レベル
   を超えるときに、前記インバータをゲートオフし、かつ
   前記負荷接触器を開放する第１の過電圧検知手段と、 架線の停電を検知する架線停電検知手段と、 前記永久磁石形同期電動機が回生運転中であることを検
   知する回生検知手段と、 前記電圧検出手段の検出する電圧が前記第１の過電圧レ
   ベルよりも低い第２の過電圧レベルを超えるときに過電
   圧検知信号を出力する第２の過電圧検知手段と、 前記架線停電検知手段が架線の停電を検知し、前記回生
   検知手段が前記永久磁石形同期電動機の回生運転を検知
   し、かつ前記第２の過電圧検知手段が過電圧検知信号を
   出力するときに、前記自己消弧形素子を投入する制御手
   段とを備えて成る永久磁石形同期電動機電車の駆動回
   路。
2. 【請求項２】 前記第２の過電圧検知手段は、前記第２
   の過電圧レベルに対してデッドバンドを有し、前記自己
   消弧形素子をオフする電圧レベルを前記第２の過電圧レ
   ベルよりも小さい値に設定したことを特徴とする請求項
   １に記載の永久磁石形同期電動機電車の駆動回路。
3. 【請求項３】 前記架線停電検知手段が架線の停電を検
   知し、かつ前記回生検知手段が前記永久磁石形同期電動
   機の回生運転を検知しているときに、前記永久磁石形動
   機電動機の回生トルクが零になるように前記インバータ
   をゲート制御するトルク零制御手段を備えて成る請求項
   １又は２に記載の永久磁石形同期電動機電車の駆動回
   路。
4. 【請求項４】 前記架線停電検知手段が架線の停電を検
   知し、かつ前記回生検知手段が前記永久磁石形同期電動
   機の回生運転を検知しているときに、当該同期電動機の
   磁束を小さくするように前記インバータをゲート制御す
   る弱め磁束制御手段を備えて成る請求項１又は２に記載
   の永久磁石形同期電動機電車の駆動回路。
5. 【請求項５】 車両駆動用の永久磁石形同期電動機と、 前記永久磁石形同期電動機を駆動するインバータと、 前記永久磁石形同期電動機と前記インバータとの間に接
   続された負荷接触器と、 前記インバータの直流側に挿入されたフィルタコンデン
   サと、 架線からの交流電力を直流電力に変換するため、前記イ
   ンバータの直流側に自身の直流側が接続されたコンバー
   タと、 前記インバータの直流側に設置された回生エネルギ消費
   用の抵抗と自己消弧形素子で成る直列回路と、 前記フィルタコンデンサの電圧を検出する電圧検出手段
   と、 前記電圧検出手段の検出する電圧が第１の過電圧レベル
   を超えるときに、前記インバータをゲートオフし、かつ
   前記負荷接触器に対する開放判定信号を出力する第１の
   過電圧検知手段と、 前記永久磁石形同期電動機の誘起電圧最大値を算出する
   誘起電圧最大値演算手段と、 前記電圧検出手段の検出する前記フィルタコンデンサの
   電圧と前記誘起電圧最大値演算手段の算出する前記誘起
   電圧最大値とを比較する比較手段と、 前記第１の過電圧検知手段が前記接触器に対する開放判
   定信号を出力し、かつ前記比較手段が前記誘起電圧最大
   値の方が前記フィルタコンデンサの電圧よりも大きいと
   する判断信号を出力するときに前記接触器を開放する第
   １の制御手段と、 架線の停電を検知する架線停電検知手段と、 前記永久磁石形同期電動機が回生運転中であることを検
   知する回生検知手段と、 前記電圧検出手段の検出する電圧が前記第１の過電圧レ
   ベルよりも低い第２の過電圧レベルを超えるときに過電
   圧検知信号を出力する第２の過電圧検知手段と、 前記架線停電検知手段が架線の停電を検知し、前記回生
   検知手段が前記永久磁石形同期電動機の回生運転を検知
   し、かつ前記第２の過電圧検知手段が過電圧検知信号を
   出力するときに、前記自己消弧形素子を投入する第２の
   制御手段とを備えて成る永久磁石形同期電動機電車の駆
   動回路。
6. 【請求項６】 前記第２の過電圧検知手段は、前記第２
   の過電圧レベルに対してデッドバンドを有し、前記自己
   消弧形素子をオフする電圧レベルを前記第２の過電圧レ
   ベルよりも小さい値に設定したことを特徴とする請求項
   ５に記載の永久磁石形同期電動機電車の駆動回路。