JP2004312939A - 電気車制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】小形化を図る。
【解決手段】交流区間での回生電力を第2の変換器12、第1の変換器6及びトランス4を介して交流区間の架線1に返還し、直流区間での回生電力を第2の変換器12を介して直流区間の架線15に返還するようにした電気車制御装置において、直流区間での回生電力が架線15に返還が不可能のときに回生電力を消費するブレーキ抵抗器19と、このブレーキ抵抗器19を第1の変換器6のU相又はV相を構成する上下アーム9a,9b,10a,10bのいずれかに並列接続する抵抗接続スイッチ18とを備え、ブレーキ抵抗器19を接続した側の上下アームをブレーキチョッパ回路として回生電力をブレーキ抵抗器19に消費させるようにしたものである。
【選択図】 図1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、交流区間及び直流区間を直通運転される電気車の誘導電動機を制御する電気車制御装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来の電気車制御装置においては、交流区間では交流区間の架線を通して供給される交流電圧をトランスで降圧し、降圧された交流電圧をパルス幅変調コンバータからなる第1の変換器で整流して直流電圧として、整流された直流電圧をパルス幅変調インバータからなる第2の変換器で三相交流電圧に変換して誘導電動機を駆動する。直流区間では直流区間の架線を通して供給される直流電圧を第2の変換器で三相交流電圧に変換して誘導電動機を駆動する。そして、交流区間での回生電力を第2の変換器、第1の変換器及びトランスを介して交流区間の架線に返還する。また、直流区間での回生電力は第2の変換器を介して直流区間の架線に返還する。直流区間において、回生電力が架線に返還が不可能のときは、別途設置したブレーキチョッパを介して回生電力をブレーキ抵抗器に消費させる(例えば、非特許文献1)。
【0003】
【非特許文献1】
第34回鉄道サイバネ・シンポジウム論文集、日本サイバネティックス協議会、1997年10月、論文番号504、p.160−161
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
従来の電気車制御装置では、回生電力をブレーキ抵抗器に消費させるのにブレーキチョッパを別途設置する必要があるので、小形化を図るのが困難であるという問題点があった。
【0005】
この発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、第1の変換器にブレーキチョッパの機能を備えることにより小形化を図ることができる電気車制御装置を提供することを目的としたものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
この発明に係わる電気車制御装置は、三相交流電圧で駆動用誘導電動機を駆動して交流区間と直流区間とを直通運転される電気車の交流区間では交流区間の架線を通して供給される交流電圧をトランスで降圧し、降圧された交流電圧をU相及びV相の単相ブリッジで構成された第1の変換器で直流電圧に変換し、変換された直流電圧を第2の変換器で三相交流電圧に変換して誘導電動機を駆動し、直流区間では直流区間の架線を通して供給される直流電圧を第2の変換器で三相交流電圧に変換して誘導電動機を駆動し、交流区間での回生電力を第2の変換器、第1の変換器及びトランスを介して交流区間の架線に返還し、直流区間での回生電力を第2の変換器を介して直流区間の架線に返還するようにした電気車制御装置において、直流区間での回生電力が架線に返還が不可能のときに回生電力を消費するブレーキ抵抗器と、このブレーキ抵抗器を第1の変換器のU相又はV相を構成する上下アームのいずれかに並列接続する抵抗接続スイッチとを備え、ブレーキ抵抗器を接続した側の上下アームをブレーキチョッパ回路として回生電力をブレーキ抵抗器に消費させるようにしたものである。
【0007】
【発明の実施の形態】
実施の形態1.
図1は実施の形態1を示す構成図である。図1において、交流区間では交流区間の架線1からパンタグラフ2及び交直切換スイッチ3の交流側接点3aを介してトランス4の1次コイル4aに交流高電圧が給電される。トランス4で所定の電圧に降圧された2次側電圧は2次コイル4bから交流スイッチ5を通して第1の変換器6に供給される。第1の変換器6はU相及びV相からなる単相ブリッジのコンバータで、スイッチング用のIGBT素子等のスイッチング素子7a,7b,7c,7dとダイオード8a,8b,8c,8dで構成されている。なお、スイッチング素子7aとダイオード8aとでU相の上アーム9aを、スイッチング素子7bとダイオード8bとでU相の下アーム9bを、スイッチング素子7cとダイオード8cとでV相の上アーム10aを、スイッチング素子7dとダイオード8dとでV相の下アーム10bを構成している。
【0008】
そして、コンデンサからなる直流結合回路11を介して例えばパルス幅変調インバータ等の第2の変換器12が接続されている。さらに、第2の変換器12で変換された三相交流電圧が供給される誘導電動機13が接続されている。なお、トランス4の1次コイル4aは帰線系14を介してレール(図示せず)に接続される。変換器12の負側入力電流は帰線系14を介してレール(図示せず)に流れる。
直流区間では直流区間の架線15からパンタグラフ2によって集電された直流電圧が交直切換スイッチ3の直流側接点3b、直流スイッチ16及び直流フィルタリアクトル17を介して直流結合回路11に供給される。また、U相の上下アーム9a,9b間と帰線系14との間に抵抗接続スイッチ18とブレーキ抵抗器19とが下アーム9bと並列接続されている。
【0009】
このように構成された電気車制御装置においては、交流区間ではトランス4を介して第1の変換器6に入力された交流電圧は第1の変換器6で直流電圧に変換された後、直流結合回路11を介して第2の変換器12に供給される。第2の変換器12では直流電圧を三相交流電圧に変換すると共に、電圧及び周波数を制御して電気車駆動用の誘導電動機13を駆動する。ここで、電気車の速度、即ち誘導電動機13の回転数は、第2の変換器12で電圧及び周波数を制御することにより行われる。
回生制動により電気車の減速が行われるときは、誘導電動機13が発電機として動作する。誘導電動機13により発生した交流電圧は第2の変換器12で直流電圧に変換され、さらに第1の変換器6で交流電圧に逆変換された後、トランス4を介して架線1に回生電力として返還される。
【0010】
次に直流区間では交直切換スイッチ3の交流側接点3aが開路されて直流側接点3bが閉路されている。そこで、直流区間では直流区間の架線15からパンタグラフ2によって集電された直流電圧は交直切換スイッチ3の直流側接点3b,直流スイッチ16及び直流フィルタリアクトル17を介して直流結合回路11に印加される。さらに、直流結合回路11の両端間の直流電圧は第2の変換器12で三相交流電圧に変換されると共に、電圧及び周波数が制御されて誘導電動機13が駆動される。また、第2の変換器12の負側入力電流は帰線系14を介してレール(図示せず)に流れる。
回生制動時に誘導電動機13が発生した三相交流の回生電力は、第2の変換器12で直流電圧に変換された後、直流結合回路11、直流フィルタリアクトル17、直流スイッチ16、交直切換スイッチ3の直流側接点3b及びパンタグラフ2を順次経由して架線15に変換される。
【0011】
ここで、3相交流の回生電力を発生した誘導電動機13が搭載された電気車と同一の架線15に存在する他の電気車の電気車制御装置(図示せず)が回生電力を消費できないため、架線15に回生電力の返還が不可能な状態にある場合には、抵抗接続スイッチ18を閉路して回生電力をブレーキ抵抗器19に消費させる。即ち、第1の変換器6を構成するU相のスイッチング素子7b及びV相のスイッチング素子7c,7dはOFF状態として、U相のスイッチング素子7aをスイッチング動作させると共に、U相のダイオード8bをフライホイールダイオードとして作用させる。このようにU相のスイッチング素子7aとダイオード8bとでブレーキチョッパ回路を構成することにより、回生電力をブレーキ抵抗器19に消費させる。
なお、U相の下アーム9bと並列にブレーキ抵抗器19とが接続されたものについて説明したが、上アーム9aと並列に抵抗接続スイッチ18を介してブレーキ抵抗器19とを接続しても同様の効果を期待することができる。さらに、V相側においても上アーム10a又は下アーム10bに抵抗接続スイッチ18を介してブレーキ抵抗器19を並列接続しても同様の効果を期待することができる。
【0012】
以上のように、ブレーキ抵抗器19を第1の変換器6のU相またはV相を構成する上下アームの9a,9b,10a0,10bのいずれかに抵抗接続スイッチ18で接続し、ブレーキ抵抗器19を接続した側の上下アームをブレーキチョッパ回路として回生電力をブレーキ抵抗器19に消費させることにより、回生電力を架線1,15へ返還させる第1の変換器6をブレーキチョッパ回路としても動作させることができるので、装置の小形化を図ることができる。
【0013】
実施の形態2.
図2は実施の形態2を示す構成図である。図2において、1〜6,11〜15は実施の形態1のものと同様のものである。第1の変換器6を構成するU相の上下アーム9a,9b間とV相の上下アーム10a,10b間との間に抵抗接続スイッチ20とブレーキ抵抗器21とが直列接続されている。
このように構成された電気車制御装置においては、交流区間及び直流区間における誘導電動機13は実施の形態1と同様に第2の変換器12により変換された3相交流電圧で駆動制御が行われる。
さらに、直流区間における回生制動時に誘導電動機13が発生した3相交流の回生電力も実施の形態1と同様に、第1の変換器12で直流電圧に変換されてから直流フィルタリアクトル17、直流スイッチ16、交直切換スイッチ3の直流側接点3b及びパンタグラフ2を介して架線15へ変換される。
【0014】
次に、直流区間において架線15に回生電力の変換が不可能な状態にある場合には、抵抗接続スイッチ20を閉路してブレーキ抵抗器21に消費させる。
例えば、図3のブレーキチョッパ回路動作説明図に示す動作1において、第1の変換器6のスイッチング素子7b,7cをOFF、スイッチング素子7dをONとして、スイッチング素子7aにスイッチング動作させると共に、ダイオード8bをフライホイールダイオードとして作用させる。これによりブレーキチョッパ回路が構成されるので、ブレーキ抵抗器21に回生電力を消費させることができる。
また、図3の動作2〜4に示すように各スイッチング素子7a〜7d及びダイオード8a〜8dを動作させることによりブレーキチョッパ回路を構成することができる。
【0015】
【発明の効果】
この発明によれば、ブレーキ抵抗器を第1の変換器のU相またはV相を構成する上下アームのいずれかに抵抗接続スイッチで接続し、ブレーキ抵抗器を接続した側の上下アームをブレーキチョッパ回路として回生電力をブレーキ抵抗器に消費させることにより、回生電力を架線へ返還させる第1の変換器をブレーキチョッパ回路としても動作させることができるので、装置の小形化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施の形態1を示す構成図である。
【図2】この発明の実施の形態2を示す構成図である。
【図3】図2のブレーキチョッパ回路動作を示す説明図である。
【符号の説明】
1,15 架線、4 トランス、6 第1の変換器、
9a,10a 上アーム、9b,10b 下アーム、12 第2の変換器、
13 誘導電動機、18,20 抵抗接続スイッチ、
19,21 ブレーキ抵抗器。

Claims (2)

  1. 三相交流電圧で駆動用誘導電動機を駆動して交流区間と直流区間とを直通運転される電気車の上記交流区間では上記交流区間の架線を通して供給される交流電圧をトランスで降圧し、降圧された交流電圧をU相及びV相の単相ブリッジで構成された第1の変換器で直流電圧に変換し、変換された直流電圧を第2の変換器で三相交流電圧に変換して上記誘導電動機を駆動し、上記直流区間では上記直流区間の架線を通して供給される直流電圧を上記第2の変換器で三相交流電圧に変換して上記誘導電動機を駆動し、上記交流区間での回生電力を上記第2の変換器、上記第1の変換器及び上記トランスを介して上記交流区間の架線に返還し、上記直流区間での回生電力を上記第2の変換器を介して上記直流区間の架線に返還するようにした電気車制御装置において、上記直流区間での回生電力が架線に返還が不可能のときに上記回生電力を消費するブレーキ抵抗器と、このブレーキ抵抗器を上記第1の変換器の上記U相又は上記V相を構成する上下アームのいずれかに並列接続する抵抗接続スイッチとを備え、上記ブレーキ抵抗器を接続した側の上記上下アームをブレーキチョッパ回路として上記回生電力を上記ブレーキ抵抗器に消費させるようにしたことを特徴とする電気車制御装置。
  2. 三相交流電圧で駆動用誘導電動機を駆動して交流区間と直流区間とを直通運転される電気車の上記交流区間では上記交流区間の架線を通して供給される交流電圧をトランスで降圧し、降圧された交流電圧をU相及びV相の単相ブリッジで構成された第1の変換器で直流電圧に変換し、変換された直流電圧を第2の変換器で三相交流電圧に変換して上記誘導電動機を駆動し、上記直流区間では上記直流区間の架線を通して供給される直流電圧を上記第2の変換器で三相交流電圧に変換して上記誘導電動機を駆動し、上記交流区間での回生電力を上記第2の変換器、上記第1の変換器及び上記トランスを介して上記交流区間の架線に返還し、上記直流区間での回生電力を上記第2の変換器を介して上記直流区間の架線に返還するようにした電気車制御装置において、上記直流区間での回生電力が架線に返還が不可能のときに上記回生電力を消費するブレーキ抵抗器と、このブレーキ抵抗器を上記第1の変換器の上記U相の上下アーム間と上記V相の上下アーム間との間に接続する抵抗接続スイッチとを備え、上記第1の変換器のいずれか一方の相と、他方の相の上下アームのいずれかのアームとをブレーキチョッパ回路として上記回生電力を上記ブレーキ抵抗器に消費させるようにしたことを特徴とする電気車制御装置。
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