JP2006174646A - チョッパ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 直列接続された自己消弧形半導体素子間の電圧アンバランス量に応じて各素子のスイッチングタイミングを自動的に調整できるチョッパ制御装置を提供する。
【解決手段】 直流電動機Ｍを駆動する自己消弧形半導体素子２１，２２から成るチョッパ装置を制御するチョッパ制御装置３０において、自己消弧形半導体素子２１，２２の入力信号Ｓｃｈｕ、Ｓｃｈｄと端子電圧Ｅｃｈｕ，Ｅｃｈｄから自己消弧型半導体素子２１，２２のオン・オフタイミングを補正する信号ΔＴｄ、ΔＴｕを出力するチョッパ信号補正演算部３０３と、この出力により自己消弧形半導体素子を複数個直列接続して使用する場合の電圧アンバランスを抑制するチョッパ信号演算手段３０２を備えた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、直流電動機や抵抗器等の負荷を駆動するチョッパ制御装置に係り、特に自己消弧形半導体素子を複数個直列接続して使用する際の電圧アンバランス抑制方法に関する。

鉄道車両におけるチョッパ制御装置では主回路電圧が高いことから、ＧＴＯやＩＧＢＴなどの自己消弧形半導体素子を複数個直列接続して使用する場合が多い、このため、鉄道車両におけるチョッパ制御装置は、素子やこれを駆動するゲートドライバのオン、オフ時間に誤差があると各素子が分担する電圧が異なってしまい、最悪の場合素子破壊を招く恐れがある。

このような問題に対して、従来から電圧アンバランス抑制方法が提案されている。この一例として記載の方式では、各素子の端子電圧が過電圧になったことを定電圧素子に流れる電流で検出し、次回からターンオフタイミングを一定時間遅らせるようにする電圧アンバランス抑制方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、直列に接続された自己消弧形半導体素子のそれぞれのゲートドライバのゲート線あるいはエミッタ線を磁気結合することにより、ゲート信号のオン・オフタイミングのバラツキを自動的に補正するようにした電圧アンバランス抑制方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００１−２３１２４７号公報 特開２００３−２９９３４３号公報

鉄道車両に供給される架線の電圧は変電設備の問題や路線を運行する車両台数（負荷）の関係で時々刻々変動している。このため、上記特許文献１に記載のような直列接続された自己消弧形半導体素子の各素子の過電圧検知だけではアンバランスが発生しているとは言いがたい。

また、鉄道車両の寿命は長いためゲートドライブだけではなく主回路素子を含む全ての部品の劣化が考えられ、このため、上記特許文献２に記載のようなゲートドライブのタイミングバラツキ調整だけでは、直列接続された自己消弧形半導体素子間の電圧アンバランスは完全に解消されないものと思われる。

本発明の目的は、直列接続された自己消弧形半導体素子間の電圧アンバランス量に応じて各素子のスイッチングタイミングを自動的に調整可能なチョッパ制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係るチョッパ制御装置では、直列接続された自己消弧形半導体素子間の電圧アンバランスを直接検出する手段と、この結果より各素子のオン、オフタイミングを自動的に調整する手段を備えた。

すなわち、本発明は、直流電動機や抵抗器等の負荷を駆動する自己消弧形半導体素子から成るチョッパ装置を制御するチョッパ制御装置において、前記自己消弧形半導体素子を複数個直列接続して使用する場合の電圧アンバランスを抑制する手段を備えた。さらに、本発明は、上記チョッパ制御装置において、前記直列接続された自己消弧形半導体素子にオフ信号を出力してから所定時間経過後に各自己消弧形半導体素子の端子電圧を取り込み、この差に応じて以降の各自己消弧形半導体素子に与えるオン、オフ信号の出力タイミングを調整するようにした。

さらに、本発明は、上記チョッパ制御装置であって、前記それぞれの自己消弧形半導体素子へのオン・オフ信号およびそれぞれの自己消弧形半導体素子の端子電圧に基づいて、各自己消弧形半導体素子に与えるオン・オフ信号のタイミングを調整するチョッパ信号補正演算部を備えた。

本発明によれば、直列接続された自己消弧形半導体素子間の電圧アンバランスを直接検出しているため、架線電圧の変動や部品の劣化の影響を全て考慮したスイッチングタイミングの補正を行うことができる。

以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。図１に本発明を適用した一般的な直流電車用チョッパ装置の構成を示す。

直流電車用チョッパ装置は、パンタグラフ１、高速度遮断器２、断流器３、並列接続された断流器５と抵抗器４、リアクトル６（以下、フィルタリアクトルと呼ぶ）およびコンデンサ７（以下、フィルタコンデンサと呼ぶ）から成るフィルタ回路、に入力され、このフィルタ回路で平滑化された直流電力がチョッパ回路

架線の直流電力は、パンタグラフ１、高速度遮断器２、断流器３，および並列接続された断流器５と抵抗器４を介して、リアクトル６（以下、フィルタリアクトルと呼ぶ）とコンデンサ７（以下、フィルタコンデンサと呼ぶ）から成るフィルタ回路、抵抗器８、界磁巻線９、切替スイッチ１０、前進（Ｆ）スイッチ１１、前進（Ｆ）スイッチ１２、後進（Ｒ）スイッチ１３、後進（Ｒ）スイッチ１４、電機子巻線１５、界磁巻線１６、リアクトル１７、ダイオード１８、切替スイッチ１９、ダイオード２０、ＩＧＢＴ２１、ＩＧＢＴ２２、励磁回路２３、抵抗器２４、抵抗器２５、スナバ回路２６、スナバコンデンサ２７、スナバ回路２８、スナバコンデンサ２９、チョッパ回路３０、電圧検出器４０〜４２を有している。

チョッパ回路３０は、通流率演算部３０１と、チョッパ演算部３０２と、チョッパ信号補正演算部３０３を有している。

フィルタコンデンサ７の正側端子は、力行（Ｐ）回生（Ｂ）切替スイッチ１０のＰ側端子に接続され、切替スイッチ１０の出力端子Ｎは前進（Ｆ）スイッチ１１と後進（Ｒ）スイッチ１３の一方の端子にそれぞれ接続される。

前進（Ｆ）スイッチ１１の他方の端子と後進（Ｒ）スイッチ１４の一方の端子の接続点と、後進（Ｒ）スイッチ１３の他方の端子と前進（Ｆ）スイッチ１２の一方の端子の接続点間には直流電動機の電機子巻線１５が接続され後進（Ｒ）スイッチ１４と前進（Ｆ）スイッチ１２の他方の端子の接続点には直流電動機の界磁巻線１６（直巻分）の一方の端子が接続される。

界磁巻線１６の他方の端子にはリアクトル１７の一方の端子が接続され、リアクトル１７の他方の端子にはダイオード１８のアノード端子とＩＧＢＴ２１のコレクタ端子がそれぞれ接続される。

ＩＧＢＴ２１のエミッタ端子にはＩＧＢＴ２２のコレクタ端子が接続され、ＩＧＢＴ２２のエミッタ端子は前記フィルタコンデンサ７の負側端子に接続される。このように、ＩＧＢＴ２１とＩＧＢＴ２２は直列に接続される。

ダイオード１８のカソード端子は切替スイッチ１９の出力端子Ｎとダイオード２０のカソード端子および励磁回路２３の負側端子にそれぞれ接続され、切替スイッチ１９のＰ側端子は抵抗器８の一方の端子と直流電動機の界磁巻線９（分巻分）の一方の端子および抵抗器２４の一方の端子にそれぞれ接続される。抵抗器２４の他方の端子は励磁回路２３の正側端子に接続される。

また、切替スイッチ１９のＢ側端子はダイオード２０のアノード端子と抵抗器８の他方の端子およびフィルタコンデンサ７の正側端子にそれぞれ接続され、界磁巻線９の他方の端子は切替スイッチ１０のＰ側端子に接続される。

抵抗器２５の一方の端子は切替スイッチ１０のＢ側端子に接続され、他方の端子はフィルタコンデンサ７の負側端子に接続される。最後に、フィルタコンデンサ７の負側端子は車輪およびレールを介して架線の負側に接続される。

抵抗器２６とコンデンサ２７の直列接続体および抵抗器２８とコンデンサ２９の直列接続体はスナバ回路であり、ＩＧＢＴ２１およびＩＧＢＴ２２にそれぞれ並列に接続される。

一方、チョッパ制御装置３０は、電圧検出器４０で検出したフィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆと電圧検出器４１，４２で検出したＩＧＢＴ２１，２２の各コレクタ・エミッタ間電圧（以下、ＣＥ間電圧と呼ぶ）Ｅｃｈｕ，Ｅｃｈｄおよび電流検出器４３で検出したチョッパ電流Ｉｃｈを入力として演算を実行し、チョッパ信号Ｓｃｈｕ，Ｓｃｈｄを出力する。このゲート信号ＳｃｈｕはＩＧＢＴ２１のゲート端子に、チョッパ信号ＳｃｈｄはＩＧＢＴ２２のゲート端子にそれぞれ接続される。

図１において、電源投入のシーケンスを簡単に説明する。すなわち、高速度遮断器２は通常システムリセット時に投入され、異常が発生するまではこの状態を保持するように制御される。また、断流器３は起動と同時に投入され、抵抗器４およびフィルタリアクトル６を介してフィルタコンデンサ７を充電し、フィルタコンデンサ７の電圧が所定値以上になると断流器５を投入して抵抗器４を短絡する。

以上により電源が投入されると、続いてチョッパ回路を動作させるため、チョッパ制御装置３０からチョッパ信号Ｓｃｈｕ，Ｓｃｈｄが出力される。このとき、チョッパ回路の切替スイッチ１０，１９は、力行運転時にはＰ側に、回生運転時にはＢ側に切り替わり、スイッチ１１〜１４は、前進時には前進（Ｆ）スイッチ１１，１２が閉じて後進（Ｒ）スイッチ１３，１４が開放となり、後進時には後進（Ｒ）スイッチ１３，１４が閉じて前進（Ｆ）スイッチ１１，１２が開放となる。

次に、図２，図３を用いて、チョッパ回路３０の動作を簡単に説明する。ここで、図２では前進力行時の概略の回路構成と電流の経路を、図３では前進回生時の概略の回路構成と電流の経路を示す。切替スイッチ１０，１９は、力行時にはＰ側に、回生時にはＢ側に切替えられる。

図２において、力行時にＩＧＢＴ２１，２２がオンすると、電流は太実線Ｉで示すように架線１→切替スイッチ１０→前進（Ｆ）スイッチ１１→電機子巻線１５→前進（Ｆ）スイッチ１２→界磁巻線１６→リアクトル１７→ＩＧＢＴ２１，２２の経路で流れると共に、太実線ＩＩで示すように界磁巻線９の起電力により、界磁巻線９→ダイオード２０→切替スイッチ１９→界磁巻線９の経路で還流する。

続いて、ＩＧＢＴ２１，２２がオフすると、電流は太点線ＩＩＩで示すように回路のインダクタンス分の起電力により、電機子巻線１５→前進（Ｆ）スイッチ１２→界磁巻線１６→リアクトル１７→ダイオード１８→切替スイッチ１９→界磁巻線９→切替スイッチ１０→前進（Ｆ）スイッチ１１→電機子巻線１５の経路で流れる。

図３に示す回生時は、まず励磁回路２３により界磁巻線９を励磁するため、電流は太実線Ｉで示すように、励磁回路２３→抵抗器２４→界磁巻線９→切替スイッチ１９→励磁回路２３の経路で流れ、次に、ＩＧＢＴ２１，２２がオンすると電機子巻線１５の起電力により、電流は太実線ＩＩで示すように、電機子巻線１５→前進（Ｆ）スイッチ１２→界磁巻線１６→リアクトル１７→ＩＧＢＴ２１，２２→抵抗器２５→切替スイッチ１０→前進（Ｆ）スイッチ１１→電機子巻線１５の経路で流れる。

続いて、ＩＧＢＴ２１，２２がオフすると、電流は太点線ＩＩＩで示すように回路のインダクタンス分の起電力により、電機子巻線１５→前進（Ｆ）スイッチ１２→界磁巻線１６→リアクトル１７→ダイオード１８→切替スイッチ１９→架線１→抵抗器２５→切替スイッチ１０→前進（Ｆ）スイッチ１１→電機子巻線１５の経路で流れ、架線へ電力を回生する。

上記、本実施例の回路において、ＩＧＢＴ２１およびＩＧＢＴ２２のオン、オフタイミングに時間差があると、各スナバ回路のコンデンサ２７，２９に蓄積される電圧がアンバランスとなり場合によってはＩＧＢＴを破損する恐れがある。
例えば、図４に示すようにオフタイミングにΔｔの時間差があり、ＩＧＢＴ２１が僅かに早くオフした場合は、ＣＥ間電圧Ｅｃｈｕが先に立ち上がる分だけＩＧＢＴ２２のＣＥ間電圧ＥｃｈｄよりΔＥｃｈだけ大きくなる。

また、図５に示すようにオンタイミングにΔｔの時間差があり、ＩＧＢＴ２１が僅かに早くオンした場合は、ＣＥ間電圧Ｅｃｈｕが先に立ち下がる分だけＩＧＢＴ２２のＣＥ間電圧Ｅｃｈｄが基準電圧に対してΔＥｃｈだけ大きくなる。

このような直列接続された素子の電圧アンバランスを補正する本実施例のチョッパ制御装置３０の動作について以下説明する。図１に示すチョッパ制御装置３０は、フィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆとチョッパ電流Ｉｃｈからチョッパの通流率γを求める通流率演算手段３０１と、通流率γに基いてＩＧＢＴ２１，２２のチョッパ信号を出力するチョッパ信号演算手段３０２、およびＩＧＢＴ２１，２２のチョッパ信号Ｓｃｈｕ，Ｓｃｈｄの出力タイミングとＣＥ間電圧Ｅｃｈｕ，Ｅｃｈｄからチョッパ信号補正時間ΔＴｕ，ΔＴｄを出力するチョッパ信号補正演算手段３０３で構成され、このチョッパ信号補正時間ΔＴｕ，ΔＴｄによりＩＧＢＴ２１，２２の動作時間差による電圧アンバランスを補正する。

図６のフローチャートを用いて、本発明のチョッパ信号補正演算手段３０３の動作を説明する。本実施例では、まず、ステップ１００におい、てチョッパ信号Ｓｃｈｕ（Ｓｃｈｄでもよい）がオフしたか否かを判定し、オフした場合はステップ１０１，１０２において、所定時間ΔＴ経過後（図４のＡ点）、すなわち、電圧が安定した時点の各ＩＧＢＴ２１，２２の電圧Ｅｃｈｕ，Ｅｃｈｄを取り込む。

次に、ステップ１０３において、各ＩＧＢＴ２１，２２の電圧Ｅｃｈｕ，Ｅｃｈｄの差電圧ΔＥｃｈを求め、ステップ１０４においてこの差電圧ΔＥｃｈが正か否か判定する。差電圧Ｅｃｈが正の場合上側のＩＧＢＴ２１が早めにオフしているため、ステップ１０５において下記（１）式によりΔＴｕを求め（ΔＴｄ＝０）、図７に点線で示すようにチョッパ信号ＳｃｈｕをΔＴｕだけ遅らせる。（１）式において、ｋは変換係数である。
ΔＴｕ＝ｋ×ΔＥｃｈ……（１）

一方、ステップ１０４において、差電圧ΔＥｃｈが負の場合はステップ１０６においてΔＥｃｈの極性を反転し、ステップ１０７において下記（２）式によりΔＴｄを求め（ΔＴｕ＝０）チョッパ信号ＳｃｈｄをΔＴｄだけ遅らせる。（２）式において、ｋは変換係数である。
ΔＴｄ＝ｋ×ΔＥｃｈ……（２）

なお、ステップ１００においてチョッパ信号Ｓｃｈｕ（Ｓｃｈｄでもよい）がオフでない場合は前記ステップ１０１〜１０７の処理を実行しないで終了する。

以上のように、本実施例によれば、直列接続されたＩＧＢＴ素子の電圧アンバランスを直接検出し、オンオフタイミングを自動的に補正するため、素子やゲートドライブ回路の時間的劣化や温度変化によるオンオフタイミングの変動に対しても素子を破損する恐れが無い。

本発明の実施形態を示す図。 図１に示す実施例の動作説明図。 図１に示す実施例の動作説明図。 オフ時の電圧アンバランス状態を示す図。 オン時の電圧アンバランス状態を示す図。 本発明のチョッパ信号補正演算フローチャート図。 チョッパ信号補正演算説明図。

符号の説明

１…直流架線、２…高速遮断器、３，５…断流器、４…充電抵抗器、６…フィルタリアクトル、７…フィルタコンデンサ、８，２４，２５…抵抗器、９，１６…直流電動機の界磁巻線、１０，１９…切替スイッチ、１１〜１４…スイッチ、１５…直流電動機の電機子巻線、１７…リアクトル、１８，２０…ダイオード、２１，２２…ＩＧＢＴ素子、２３…励磁回路、２６，２８…スナバ抵抗器、２７，２９…スナバコンデンサ、３０…チョッパ制御装置、４０〜４２…電圧検出器、４３…電流検出器、３０１…通流率演算手段、３０２…チョッパ信号演算手段、３０３…チョッパ信号補正演算手段

Claims (3)

1. 直流電動機や抵抗器等の負荷を駆動する自己消弧形半導体素子から成るチョッパ装置を制御するチョッパ制御装置において、
   前記自己消弧形半導体素子を複数個直列接続して使用する場合の電圧アンバランスを抑制する手段を備えたことを特徴とするチョッパ制御装置。
2. 請求項１のチョッパ制御装置において、
   前記直列接続された自己消弧形半導体素子にオフ信号を出力してから所定時間経過後に各自己消弧形半導体素子の端子電圧を取り込み、この差に応じて以降の各自己消弧形半導体素子に与えるオン、オフ信号の出力タイミングを調整するようにしたことを特徴とするチョッパ制御装置。
3. 請求項１または請求項２のチョッパ制御装置であって、
   前記それぞれの自己消弧形半導体素子へのオン・オフ信号およびそれぞれの自己消弧形半導体素子の端子電圧に基づいて、各自己消弧形半導体素子に与えるオン・オフ信号のタイミングを調整するチョッパ信号補正演算部
   を備えたことを特徴とするチョッパ制御装置。

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