JP2723219B2 - 交流電気車の制御装置 - Google Patents
交流電気車の制御装置Info
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Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の目的〕
（産業上の利用分野）
本発明は、交流電気車の制御装置に関し、特にサージ
電圧吸収回路に関するものである。 （従来の技術） ゲートタンオフ（以下、GTOと言う。）サイリスタな
どの電力高速スイッチング素子の発達により、パルス幅
変調制御を用いて交流側電力の力率がよく、かつ高周波
電流の少い交流直流変換器が用いられるようになってい
る。 単相交流電力を入力とする交流電気車においても交流
直流変換器が用いられる。第２図に従来の交流電気車の
主回路図を示す。交流電力は集電器PANにより入力され
スイッチＶを通してトランスT1に入力される。P1はトラ
ンスT1の１次巻線を示している。トランスT1の２次巻線
S1にはリアクトルL,接触器Ｋを介してGTOサイリスタG1
〜G4及びダイオードD1〜D4にて構成される高周波変調交
直変換器（以下、PWMコンバータと言う。）CONVが接続
される。またこの出力側にはコンデンサC1と、電動機回
路を含む負荷回路LOADが接続される。 トランスT1の２次巻線S1に接続されるコンデンサC2及
び抵抗R2は、サージ吸収回路を構成している。また、S2
はトランスの３次巻線であり補助回路AUXに電力を供給
する。この回路における接触器Ｋの必要性を説明する。
まず、第１はPWMコンバータCONVのGTOサイリスタあるい
はダイオードが短絡故障となった場合、トランスT1の２
次巻線S1が短絡を防止するために接触器Ｋが無いと、ス
イッチＶを開放する以外にないが、この場合、補助回路
AUXの電源もしゃ断される。最近の電気車では乗客サー
ビス向上のため車内冷房などを３次巻線S2から得ている
ため、主回路側の故障によって以降の運用が不可能とな
る。もしも補助回路だけでも動作できれば乗客は乗せた
まま他の車両の救援で以降の運行を続けることができ
る。このような理由から接触器Ｋは必要となる。 またもう１つの理由は、回路構成上接触器Ｋが無い
と、スイッチＶの投入によってトランス巻線及びPWMコ
ンバータCONVのダイオードを通してコンデンサC1が急速
に充電される。この充電々源は制限するインピーダンス
がほとんど無いため大きな突入電流となり、機器に損傷
を与えるなどの不具合を生じる。従って、第２図に示す
ように接触器Ｋに並列に高い抵抗値を持つ抵抗器R3と開
放用の接触器K1を設けて接触器Ｋを開放，接触器K1の投
入の状態にてスイッチＶを投入し抵抗器R3を通してコン
デンサC1をある時間をもって充電した後に接触器Ｋを投
入する方法が用いられる。このような理由から接触器Ｋ
は必要となる。 以上により、接触器Ｋを開放した状態でスイッチＶの
投入，しゃ断は通常行われることになるが、トランスT1
の１次側は20000V〜30000Vの特高圧であるため、スイッ
チＶとしては真空しゃ断器などが用いられる。一般にこ
のような高圧の投入しゃ断では、トランスT1の励磁エネ
ルギを短時間で入切するため、瞬時的に大きなサージが
発生し、空間や電線を伝わって制御回路などの低電圧回
路へノイズとなって伝わり、誤動作などを起こさせる原
因となる。接触器Ｋが投入されたままであれば、直流回
路のコンデンサC1及び第２図の図面では省略されている
が実際にはGTOサイリスタ，ダイオードに並列に取付け
られた小容量の抵抗，コンデンサで構成されるサージ吸
収回路である程度これを吸収することができる。しかし
接触器Ｋが開かれている場合のスイッチＶの開閉を考え
ると、これを吸収するためコイデンサC2と抵抗器R2によ
るサージ吸収回路をトランスT1の２次巻線S1に接続する
ことが行われている。 ところで、PWMコンバータは原理的に交流回路のリア
クタンスによってこれにかかる電圧で交流電流や直流電
圧を制御するため、交流回路のリアクトルＬが必要とな
る。しかし一方ではこのリアクトルは外形も大きく重量
も大となるため、この一部をトランスT1の２次巻線S1の
漏れリアクタンス分で分担することが行われている。こ
のようにした場合、トランスT1の重量をそれ程増加させ
ないで、交流回路に必要なリアクタンスを得ることがで
きる。 （発明が解決しようとする問題点） しかし、上述の構成において、次に示す欠点がある。 第３図はPWMコンバータCONV動作中における交流電圧
電流を示したもので、（ａ）はトランスT1の１次電圧を
示し、これが正弦波々形であることを示す。これに対
し、（ｂ）は２次電圧波形を示すが、先述したように巻
線の漏れリアクタンスとリアクトルＬにて電圧を分担す
るため、高周波変調動作による高周波々形が生じ、高周
波の凹凸を生じる。このような電圧波形の部分にコンデ
ンサC2と抵抗器R2で構成されるフィルタ回路を接続する
と電圧が急激に変化する時点でコンデンサC2の充電及び
放電々流が第３図（ｃ）のように流れ、これは抵抗器R2
にも流れるため抵抗器の熱容量として非常に大きなもの
が必要となる。 本発明はこの点に関して成されたもので、その目的は
熱損失が少くかつ、接触器Ｋが開放された場合にスイッ
チＶを開閉してもサージ電圧の生じない交流電気車の主
回路を提供するものである。 〔発明の構成〕 （問題点を解決するための手段） 上述した目的を達成するために、本発明は、交流電源
に第１の開閉手段を介して接続される１次巻線、２次巻
線及び３次巻線とを有し、前記１次巻線と前記２次巻線
との結合を疎結合とし、前記１次巻線と前記３次巻線と
の結合を密結合とした主変圧器と、この主変圧器の２次
巻線に第２の開閉手段を介して接続される交直変換器
と、コンデンサと抵抗器とからなり前記主変圧器の３次
巻線に接続され、前記第１の開閉手段の開閉動作に伴っ
て前記主変圧器に発生するサージ電圧を吸収するサージ
吸収回路とを有してなる。 （作用） 交直変換器は主変換器の２次巻線より得た電力を変換
して負荷に供給する。サージ吸収回路を３次巻線に接続
することにより、サージ吸収回路への流入電流を少なく
することができ、熱損失を低減することができる。サー
ジ電圧は１次巻線に接続される第１の開閉手段の開閉動
作により発生する。このサージ電圧は３次巻線に多く流
入して、サージ吸収回路で抑制される。また結果として
３次巻線に結合される１次巻線、２次巻線のすべてのサ
ージ電圧を抑制することができる。一方、サージ吸収回
路で発生する損失は、サージ吸収回路を流れる電流で決
まるが、主変圧器の電圧波形の瞬時的変化値が少ないほ
うが損失低減には効果的である。３次巻線に発生する電
圧は高周波の凹凸が２次巻線に発生する電圧よりも小さ
くなるため、２次巻線で生じる大きな電圧変動が３次巻
線に伝達されると、電圧変動幅が低下し、サージ吸収回
路での損失も少なくなる。またもちろんのこと、１次巻
線で発生するサージ電圧の吸収効果に変わりはない。 （実施例） 本発明に基づく一実施例を図面を用いて説明する。第
１図は本発明に基づく一実施例の交流電気車の主回路図
を示す。第１図中、第２図に示されるものと同一のもの
には同一符号を付する。交直変換器直流出力側のコンデ
ンサC1の負荷側には、GTOサイリスタG11〜G16及びダイ
オードD11〜D16により構成されるインバータ回路INVと
誘導電動機IMが接続される。また、トランスT1の３次巻
線S2にはサージ吸収回路のコンデンサＣ及び抵抗Ｒ、ま
た、これと並列に補助回路AUXが接続される。この場合
トランスT1の各巻線の結合度は次のようにする。先に説
明したように２次巻線S1はある程度の漏れリアクタンス
が必要となるため１次巻線P1との結合は疎な関係となる
必要がある。一方、３次巻線S2は、１次巻線P1と密結合
の関係に構成することが可能である。サージ電圧は１次
巻線P1に接続されるスイッチＶの開閉動作により発生す
る。このサージ電圧は１次巻線P1との結合度が密なる結
合関係にある３次巻線S2に多く流入して、コンデンサＣ
および抵抗器Ｒからなるサージ吸収回路で抑制される。
また、結果として３次巻線S2に結合される１次巻線P1、
２次巻線S1のすべてのサージ電圧を抑制することができ
る。一方サージ吸収回路の抵抗器Ｒで発生する損失は、
サージ吸収回路を流れる電流で決まるが、この電流分は
大きく分けて、（１）交流電流の基本波分によるもの、
（２）電圧波形が瞬時的に変化するときに生じる充放電
電流によるものとがある。サージ吸収回路に流れる電流
は、（１）よりも（２）の電流のほうが比較的大きいた
め、トランスの電圧波形の瞬時的変化値が少ないほうが
抵抗器Ｒの損失低減には効果的である。２次巻線S1と１
次巻線P1との結合度は疎なる結合関係にあるため、２次
巻線S1と１次巻線P1との相互インダクタンス分は小さい
が、３次巻線S2と１次巻線P1との相互インダクタンス分
は大きいため、１次巻線P1を介した２次巻線S1と３次巻
線S2との結合度は結果的に疎なる結合関係となる。 上述のようにトランス巻線T1を構成した場合、PWMコ
ンバータCONV動作中の交流電圧波形は第３図のようにな
る。すなわち、２次巻線S1は（ｂ）のように凹凸の多い
波形となるが、３次巻線S2は（ｄ）のように多少の凹凸
はあるものの、（ｂ）の波形に比較すると小さい。 このように構成することにより、３次巻線S2に取付け
られたフィルタ回路には過渡的な変動分はほとんど流れ
ないため、抵抗器容量を小とすることができる。 〔発明の効果〕 以上説明したように第２の開閉手段が開放されている
状態における第１の開閉手段の開閉動作によるサージを
吸収することができ、さらにサージ吸収回路を３次巻線
に接続し、主変圧器を構成する各巻線の結合度を調整す
ることで、サージ吸収回路への流入電流を少なくでき、
サージ吸収回路での熱損失を低減することができる。
電圧吸収回路に関するものである。 （従来の技術） ゲートタンオフ（以下、GTOと言う。）サイリスタな
どの電力高速スイッチング素子の発達により、パルス幅
変調制御を用いて交流側電力の力率がよく、かつ高周波
電流の少い交流直流変換器が用いられるようになってい
る。 単相交流電力を入力とする交流電気車においても交流
直流変換器が用いられる。第２図に従来の交流電気車の
主回路図を示す。交流電力は集電器PANにより入力され
スイッチＶを通してトランスT1に入力される。P1はトラ
ンスT1の１次巻線を示している。トランスT1の２次巻線
S1にはリアクトルL,接触器Ｋを介してGTOサイリスタG1
〜G4及びダイオードD1〜D4にて構成される高周波変調交
直変換器（以下、PWMコンバータと言う。）CONVが接続
される。またこの出力側にはコンデンサC1と、電動機回
路を含む負荷回路LOADが接続される。 トランスT1の２次巻線S1に接続されるコンデンサC2及
び抵抗R2は、サージ吸収回路を構成している。また、S2
はトランスの３次巻線であり補助回路AUXに電力を供給
する。この回路における接触器Ｋの必要性を説明する。
まず、第１はPWMコンバータCONVのGTOサイリスタあるい
はダイオードが短絡故障となった場合、トランスT1の２
次巻線S1が短絡を防止するために接触器Ｋが無いと、ス
イッチＶを開放する以外にないが、この場合、補助回路
AUXの電源もしゃ断される。最近の電気車では乗客サー
ビス向上のため車内冷房などを３次巻線S2から得ている
ため、主回路側の故障によって以降の運用が不可能とな
る。もしも補助回路だけでも動作できれば乗客は乗せた
まま他の車両の救援で以降の運行を続けることができ
る。このような理由から接触器Ｋは必要となる。 またもう１つの理由は、回路構成上接触器Ｋが無い
と、スイッチＶの投入によってトランス巻線及びPWMコ
ンバータCONVのダイオードを通してコンデンサC1が急速
に充電される。この充電々源は制限するインピーダンス
がほとんど無いため大きな突入電流となり、機器に損傷
を与えるなどの不具合を生じる。従って、第２図に示す
ように接触器Ｋに並列に高い抵抗値を持つ抵抗器R3と開
放用の接触器K1を設けて接触器Ｋを開放，接触器K1の投
入の状態にてスイッチＶを投入し抵抗器R3を通してコン
デンサC1をある時間をもって充電した後に接触器Ｋを投
入する方法が用いられる。このような理由から接触器Ｋ
は必要となる。 以上により、接触器Ｋを開放した状態でスイッチＶの
投入，しゃ断は通常行われることになるが、トランスT1
の１次側は20000V〜30000Vの特高圧であるため、スイッ
チＶとしては真空しゃ断器などが用いられる。一般にこ
のような高圧の投入しゃ断では、トランスT1の励磁エネ
ルギを短時間で入切するため、瞬時的に大きなサージが
発生し、空間や電線を伝わって制御回路などの低電圧回
路へノイズとなって伝わり、誤動作などを起こさせる原
因となる。接触器Ｋが投入されたままであれば、直流回
路のコンデンサC1及び第２図の図面では省略されている
が実際にはGTOサイリスタ，ダイオードに並列に取付け
られた小容量の抵抗，コンデンサで構成されるサージ吸
収回路である程度これを吸収することができる。しかし
接触器Ｋが開かれている場合のスイッチＶの開閉を考え
ると、これを吸収するためコイデンサC2と抵抗器R2によ
るサージ吸収回路をトランスT1の２次巻線S1に接続する
ことが行われている。 ところで、PWMコンバータは原理的に交流回路のリア
クタンスによってこれにかかる電圧で交流電流や直流電
圧を制御するため、交流回路のリアクトルＬが必要とな
る。しかし一方ではこのリアクトルは外形も大きく重量
も大となるため、この一部をトランスT1の２次巻線S1の
漏れリアクタンス分で分担することが行われている。こ
のようにした場合、トランスT1の重量をそれ程増加させ
ないで、交流回路に必要なリアクタンスを得ることがで
きる。 （発明が解決しようとする問題点） しかし、上述の構成において、次に示す欠点がある。 第３図はPWMコンバータCONV動作中における交流電圧
電流を示したもので、（ａ）はトランスT1の１次電圧を
示し、これが正弦波々形であることを示す。これに対
し、（ｂ）は２次電圧波形を示すが、先述したように巻
線の漏れリアクタンスとリアクトルＬにて電圧を分担す
るため、高周波変調動作による高周波々形が生じ、高周
波の凹凸を生じる。このような電圧波形の部分にコンデ
ンサC2と抵抗器R2で構成されるフィルタ回路を接続する
と電圧が急激に変化する時点でコンデンサC2の充電及び
放電々流が第３図（ｃ）のように流れ、これは抵抗器R2
にも流れるため抵抗器の熱容量として非常に大きなもの
が必要となる。 本発明はこの点に関して成されたもので、その目的は
熱損失が少くかつ、接触器Ｋが開放された場合にスイッ
チＶを開閉してもサージ電圧の生じない交流電気車の主
回路を提供するものである。 〔発明の構成〕 （問題点を解決するための手段） 上述した目的を達成するために、本発明は、交流電源
に第１の開閉手段を介して接続される１次巻線、２次巻
線及び３次巻線とを有し、前記１次巻線と前記２次巻線
との結合を疎結合とし、前記１次巻線と前記３次巻線と
の結合を密結合とした主変圧器と、この主変圧器の２次
巻線に第２の開閉手段を介して接続される交直変換器
と、コンデンサと抵抗器とからなり前記主変圧器の３次
巻線に接続され、前記第１の開閉手段の開閉動作に伴っ
て前記主変圧器に発生するサージ電圧を吸収するサージ
吸収回路とを有してなる。 （作用） 交直変換器は主変換器の２次巻線より得た電力を変換
して負荷に供給する。サージ吸収回路を３次巻線に接続
することにより、サージ吸収回路への流入電流を少なく
することができ、熱損失を低減することができる。サー
ジ電圧は１次巻線に接続される第１の開閉手段の開閉動
作により発生する。このサージ電圧は３次巻線に多く流
入して、サージ吸収回路で抑制される。また結果として
３次巻線に結合される１次巻線、２次巻線のすべてのサ
ージ電圧を抑制することができる。一方、サージ吸収回
路で発生する損失は、サージ吸収回路を流れる電流で決
まるが、主変圧器の電圧波形の瞬時的変化値が少ないほ
うが損失低減には効果的である。３次巻線に発生する電
圧は高周波の凹凸が２次巻線に発生する電圧よりも小さ
くなるため、２次巻線で生じる大きな電圧変動が３次巻
線に伝達されると、電圧変動幅が低下し、サージ吸収回
路での損失も少なくなる。またもちろんのこと、１次巻
線で発生するサージ電圧の吸収効果に変わりはない。 （実施例） 本発明に基づく一実施例を図面を用いて説明する。第
１図は本発明に基づく一実施例の交流電気車の主回路図
を示す。第１図中、第２図に示されるものと同一のもの
には同一符号を付する。交直変換器直流出力側のコンデ
ンサC1の負荷側には、GTOサイリスタG11〜G16及びダイ
オードD11〜D16により構成されるインバータ回路INVと
誘導電動機IMが接続される。また、トランスT1の３次巻
線S2にはサージ吸収回路のコンデンサＣ及び抵抗Ｒ、ま
た、これと並列に補助回路AUXが接続される。この場合
トランスT1の各巻線の結合度は次のようにする。先に説
明したように２次巻線S1はある程度の漏れリアクタンス
が必要となるため１次巻線P1との結合は疎な関係となる
必要がある。一方、３次巻線S2は、１次巻線P1と密結合
の関係に構成することが可能である。サージ電圧は１次
巻線P1に接続されるスイッチＶの開閉動作により発生す
る。このサージ電圧は１次巻線P1との結合度が密なる結
合関係にある３次巻線S2に多く流入して、コンデンサＣ
および抵抗器Ｒからなるサージ吸収回路で抑制される。
また、結果として３次巻線S2に結合される１次巻線P1、
２次巻線S1のすべてのサージ電圧を抑制することができ
る。一方サージ吸収回路の抵抗器Ｒで発生する損失は、
サージ吸収回路を流れる電流で決まるが、この電流分は
大きく分けて、（１）交流電流の基本波分によるもの、
（２）電圧波形が瞬時的に変化するときに生じる充放電
電流によるものとがある。サージ吸収回路に流れる電流
は、（１）よりも（２）の電流のほうが比較的大きいた
め、トランスの電圧波形の瞬時的変化値が少ないほうが
抵抗器Ｒの損失低減には効果的である。２次巻線S1と１
次巻線P1との結合度は疎なる結合関係にあるため、２次
巻線S1と１次巻線P1との相互インダクタンス分は小さい
が、３次巻線S2と１次巻線P1との相互インダクタンス分
は大きいため、１次巻線P1を介した２次巻線S1と３次巻
線S2との結合度は結果的に疎なる結合関係となる。 上述のようにトランス巻線T1を構成した場合、PWMコ
ンバータCONV動作中の交流電圧波形は第３図のようにな
る。すなわち、２次巻線S1は（ｂ）のように凹凸の多い
波形となるが、３次巻線S2は（ｄ）のように多少の凹凸
はあるものの、（ｂ）の波形に比較すると小さい。 このように構成することにより、３次巻線S2に取付け
られたフィルタ回路には過渡的な変動分はほとんど流れ
ないため、抵抗器容量を小とすることができる。 〔発明の効果〕 以上説明したように第２の開閉手段が開放されている
状態における第１の開閉手段の開閉動作によるサージを
吸収することができ、さらにサージ吸収回路を３次巻線
に接続し、主変圧器を構成する各巻線の結合度を調整す
ることで、サージ吸収回路への流入電流を少なくでき、
サージ吸収回路での熱損失を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明に基づく一実施例の交流電気車の主回路
図、第２図は従来の交流電気車の主回路図、第３図は主
回路の各部の波形図を示す。 T1…トランス、Ｌ…リアクトル Ｋ…接触器、CONV…PWMコンバータ Ｃ…コンデンサ、Ｒ…抵抗器
図、第２図は従来の交流電気車の主回路図、第３図は主
回路の各部の波形図を示す。 T1…トランス、Ｌ…リアクトル Ｋ…接触器、CONV…PWMコンバータ Ｃ…コンデンサ、Ｒ…抵抗器
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(56)参考文献 特公 昭44−13884（ＪＰ，Ｂ１)
東芝レビュー 23〔11〕 （昭43−
11） 1444〜1450頁ＥＦ71形交流電気機
関車−サイリスタを用いた回生ブレーキ
式電気機関車
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 １．交流電源に第１の開閉手段を介して接続される１次
巻線、２次巻線及び３次巻線とを有し、前記１次巻線と
前記２次巻線との結合を疎結合とし、前記１次巻線と前
記３次巻線との結合を密結合とした主変圧器と、 この主変圧器の２次巻線に第２の開閉手段を介して接続
される交直変換器と、コンデンサと抵抗器とからなり前
記主変圧器の３次巻線に接続され、前記第１の開閉手段
の開閉動作に伴って前記主変圧器に発生するサージ電圧
を吸収するサージ吸収回路と を有する交流電気車の制御装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62052032A JP2723219B2 (ja) | 1987-03-09 | 1987-03-09 | 交流電気車の制御装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62052032A JP2723219B2 (ja) | 1987-03-09 | 1987-03-09 | 交流電気車の制御装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63220701A JPS63220701A (ja) | 1988-09-14 |
| JP2723219B2 true JP2723219B2 (ja) | 1998-03-09 |
Family
ID=12903470
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62052032A Expired - Lifetime JP2723219B2 (ja) | 1987-03-09 | 1987-03-09 | 交流電気車の制御装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2723219B2 (ja) |
-
1987
- 1987-03-09 JP JP62052032A patent/JP2723219B2/ja not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 東芝レビュー ２３〔１１〕 （昭４３−１１） １４４４〜１４５０頁ＥＦ７１形交流電気機関車−サイリスタを用いた回生ブレーキ式電気機関車 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS63220701A (ja) | 1988-09-14 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |