JP2821159B2

JP2821159B2 - 電気車の制御装置

Info

Publication number: JP2821159B2
Application number: JP1038227A
Authority: JP
Inventors: 亙三宅
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1989-02-20
Filing date: 1989-02-20
Publication date: 1998-11-05
Anticipated expiration: 2013-11-05
Also published as: JPH02219401A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、パルス幅変調（以下、PWMと称す）コンバ
ータ及びPWMインバータより成る電気車の制御装置に関
する。

〔従来の技術〕

架線より交流を集電し、変圧器により降圧し、PWMコ
ンバータにより直流に変換し、平滑コンデンサで平滑し
た後、PWMインバータで３相交流に変換し誘導電動機等
の交流電動機を駆動する電気車において、電気車が回生
運転を行つている時、電源が停電状態になると、変圧器
の１次側が開放状態となり、PWMコンバータから架線へ
回生電流が流れない。PWMインバータは誘導電動機が回
生エネルギーを発生するよう動作しているので、その結
果平滑コンデンサの蓄積エネルギーが増加し、平滑コン
デンサの電圧が増大する。この電圧が、コンバータ、イ
ンバータを構成する半導体素子（サイリスタ，ゲートタ
ーンオフサイリスタ，トランジスタ等）の耐圧を越える
と、これら素子は破壊されてしまう。

これを防止するために、特開昭60−200790号公報に
は、（１）PWMコンバータの交流側に大容量の抵抗器を接続
し、回生運転時に電源が停電し開放されたとき、この抵
抗器にエネルギーを消費させて平滑コンデンサの電圧上
昇を抑制する方法。

（２）回生運転時に電源が停電し開放されたとき、誘導
電動機が力行状態となるよう、PWMインバータにトルク
指令を発生させ、平滑コンデンサの電圧上昇を抑制する
方法。

が記載されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記従来技術は、平滑コンデンサの電
圧上昇防止するということには有効に動作するが、積極
的に電動機を発電機として使用しブレーキをかけるとい
う機能はない。

ここで、高速走行している電気車が制動動作している
時に電源停電となつた場合について考える。

上記従来技術を用いると、平滑コンデンサの電圧上昇
は防止できる。しかし、回生失効するため機械ブレーキ
のみのブレーキ力で電気車を停止させることとなる。こ
の時のブレーキシユーの摩耗はかなり激しいものとな
る。最悪の場合、ブレーキシユーの交換ということも考
え得る。

上記従来技術（１）の大容量抵抗器は、発電ブレーキ
用でないことは前述の通りであるが、電動機により発電
されたエネルギーを全て消費させるためには更に大容量
の抵抗器が必要となる。この抵抗器は重量及び寸法が大
きいため、特に、PWMコンバータ、インバータを搭載し
た電気車においては、床下の収納スペースの関係上、大
容量抵抗器の床下配置は困難なものとなる。

また、上記従来技術（２）においては、電気車が制動
動作中に電源停電が生じた場合、電動機が発電機として
発電したエネルギーを吸収する負荷が無いため、ブレー
キ力を得ることができないばかりでなく、制動動作中に
電動機を力行状態とするため、常に安全側に制御する原
則上好ましいものではなかつた。

本発明の目的は、電気車が制動動作中に電源停電とな
つた場合、機械ブレーキの負担を軽減するための、負荷
の電気エネルギー要求量に応じた発電ブレーキ力を得る
ことができる装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、交流電源に接続され複数
の巻線を備えた変圧器と、この変圧器のひとつの巻線に
交流側が接続されたパルス幅変調コンバータと、このパ
ルス幅変調コンバータの直流側に接続された平滑コンデ
ンサと、この平滑コンデンサに直流側が接続されたパル
ス幅変調インバータと、このパルス幅変調インバータの
交流側に接続された電気車駆動用交流電動機とを備えた
電気車の制御装置において、前記交流電源の停電を検出
する手段と、前記変圧器の他の巻線に接続された負荷
と、前記電気車が走行中に前記パルス幅変調インバータ
が回生モードで前記停電検出手段が停電を検出した時、
前記パルス幅変調インバータと前記パルス幅変調コンバ
ータとを制御して、前記交流電動機より発生される発電
エネルギーを前記負荷に吸収させる吸収制御手段を備え
たものである。

〔作用〕

電源電圧が確立している通常の状態では、パルス幅変
調コンバータは平滑コンデンサの電圧を所定の値になる
ように制御し、パルス幅変調インバータは、交流電動機
が所定のトルクを発生するように電動機電流を制御して
いる。

しかし、電源が停電した場合、または、電源が停電し
かつ回生ブレーキ指令がある場合は、パルス幅変調コン
バータを変圧器の他の巻線の電圧（電流，電力でも良
い）及び周波数が所定の値となるように制御し、パルス
幅変調インバータを平滑コンデンサの電圧が所定の値と
なるように制御する。即ち、パルス幅変調インバータに
接続された交流電動機を発電機として運転し、その電力
を変圧器の他の巻線に接続された負荷に消費させること
になる。

これにより、電源停電時にも、負荷の電力消費量に見
合つたブレーキ力を交流電動機が発生することになる。

〔実施例〕

第１図は、本発明の一実施例を示す構成図である。

図中、１はパンタグラフ、２は変圧器、３はパルス幅
変調（以下PWM）コンバータ、４はPWMインバータ、５は
交流電動機、６は負荷、７は平滑コンデンサ、８は電圧
目標値発生器、９は加算器、10は電圧検出器、11は電圧
調節器、12は電圧検出器、13は電流目標値発生器、14は
スイツチ、15は電流検出器、16は加算器、17は電流調節
器、18はパルス幅変調回路、19は主幹制御器、20はパル
ス発生器、21は回転数検出器、22は電流目標値発生器、
23はスイツチ、24は加算器、25は電流検出器、26は電流
調節器、27はパルス幅変調回路、28は停電検出器、29は
電圧目標値発生器、30は加算器、31は電圧調節器、32は
電流目標値発生器、33は電圧調節器、34,35は交流器、5
6は遮断器、57は論理積回路である。

第２図は、第１図のPWMコンバータ３およびPWMインバ
ータ４の具体的な構成を示す図である。PWMコンバータ
３は、整流素子（ダイオード等）36〜39、スイツチング
素子（ゲートターンオフサイリスタGTO,大容量トランジ
スタ，サイリスタ等）40〜43から成り、PWMインバータ
４は、整流素子（ダイオード等）44〜49、スイツチング
素子（ゲートターンオフサイリスタGTO,大容量トランジ
スタ，サイリスタ等）50〜55から成る。

まず、電源が確立した通常の状態における動作につい
て、第１図により説明する。

電源からは、パンタグラフ１を通して集電し、変圧器
２により絶縁および降圧し、電力を得る。変圧器２の２
次巻線に接続されたPWMコンバータ３により、交流電力
を直流電力に変換し、平滑コンデンサ７の電圧は所定の
値となるように制御される。

PWMインバータ４は、交流電動機５に供給する電流を
制御し、車両を駆動するためのトルクを発生させる。

PWMコンバータ３の制御は以下のようにして行われ
る。平滑コンデンサ７の電圧は、電圧目標値発生器８に
より設定され、電圧検出器10により検出されたフイード
バック値との偏差が、加算器９の出力として得られる。
電圧調節器11は、加算器９の出力値に基づき、この値が
零となるように、変圧器２の２次電流の振幅を指令す
る。電流目標値発生器13は、電圧調節器11の出力と、電
源電圧に同期した単位正弦波とを乗算することにより、
変圧器２の２次電流目標値を発生する。ここでは、電源
電圧に同期した信号として、変圧器２の３次電圧を電圧
検出器12で検出して用いた例を示している。

電源が確立している場合、スイツチ14はａ側に閉じて
いるので、加算器16には、電流目標値発生器13の出力が
与えられる。変圧器２の２次電流は、電流検出器15で検
出され、加算器16の一方に入力される。加算器16の出力
である電流偏差信号を、電流調節器17が演算し、その結
果をパルス幅変調回路18に与える。

パルス幅変調回路18は、周知のように、PWMコンバー
タ３を構成するスイツチング素子40〜43のオン・オフを
制御し、PWMコンバータ３の交流入力端にPWM電圧を発生
し、変圧器２の２次電流を制御する。

以上のようにして、PWMコンバータ３は、平滑コンデ
ンサ７の電圧を所定の値に制御する。

次に、PWMインバータ４の電源が確立している通常時
の動作について述べる。

主幹制御器19から指令が与えられると、電流目標値発
生器22は、回転数検出器21により検出した交流電動機５
の回転数に応じて、交流電動機５に流すべき電流の目標
値を発生する。

電源が確立している時は、スイツチ23はａ側に閉じて
いるので、電流目標値発生器22の出力が加算器24の一方
に入力され、加算器24のもう一方の入力である。電流検
出器25により検出された交流電動機５に流れる電流とが
等しくなるように、電流調節器26により制御される。電
流調節器26は、回転数検出器21の出力と、加算器24の出
力とから、PWMインバータ４の出力周波数および電圧を
演算し、指令をパルス幅変調回路27に与える。

パルス幅変調回路27は、入力に従い、周知の方法によ
つてスイツチング素子50〜55のオン・オフを制御し、所
要の電圧をPWMインバータ４から出力させ、交流電動機
５の電流を制御する。なお、変圧器２の３次巻線には負
荷が接続されている。

以上が、電源が確立している場合の動作であるが、電
源が停電した場合の動作について次に述べる。電源停電
は、き電系の故障時に発生する（数分から数時間にも及
ぶことがある）ことは当然であるが、この他にも、き電
線の接続部に設けられた交流−交流セクシヨンを通過す
る際に、ごく普通の動作として停電（１秒未満の場合が
最も多い）が発生する。

電源停電で、かつ回生ブレーキが指令されている際
は、停電検出器28の出力と、ブレーキ指令の論理積が、
論理積回路57によつてとられ、スイツチ14および23をｂ
側に切換える。なお、停電の検出方法としては、平滑コ
ンデンサ７の電圧を監視する方法や、変圧器２の巻線電
圧波形を観測する方法など、いくつかの周知な方法が提
案されている。

スイツチ14がｂ側に切換つたことにより、PWMコンバ
ータ３は、変圧器２の３次電圧が所定の値になるように
動作する。

電圧目標値発生器29は、変圧器２の３次電圧を指令す
る。加算器30からの、検出した３次電圧との偏差信号
を、電圧調節器31が演算を実行し、２次電流の振幅指令
値として、電流目標値発生器32へ出力する。電流目標値
発生器32は、内部で発生した、電源に等しい周波数の単
位正弦波と、電圧調節器31の出力とを乗じ、２次電流の
目標値を出力する。

スイツチ14はｂ側が閉じているので、加算器16へは、
電流目標値発生器32の出力が与えられる。この指令値に
従つて、電流調節器17は周波数と電圧を演算してパルス
幅変調回路18に出力する。その結果、PWMコンバータ３
が制御されるのは、前述の電源が確立している場合と同
様である。

この時の電力の流れは、平滑コンデンサ７から、PWM
コンバータ３、変圧器２を通り、負荷６へ至る。従つ
て、そのままでは平滑コンデンサ７は放電してしまう。

そこで、PWMインバータ４を回生モードとし、交流電
動機５により発電された電気エネルギーから、平滑コン
デンサ７側に電力を供給する。

加算器９の出力である、平滑コンデンサ７の電圧偏差
は、電圧調節器33に与えられる。スイツチ23はｂ側に閉
じており、電圧調節器33の出力は、交流電動機５の電流
目標値として、加算器24に与えられる。この目標値に従
つて、PWMインバータ４が制御されるのは、電源が確立
している前述の場合と同様である。

尚、変圧器２の３次巻線に接続されている負荷６は、
うず電流ブレーキ、主電動機冷却用フアン、半導体装置
冷却用フアン、冷暖房用空調設備、戸閉用コンプレツ
サ、照明設備及び車内放送設備等の車上設備としての補
機である。これらへの電力供給は、通常時は電源から変
圧器２を介して行なわれているが、電源停電でブレーキ
時は本実施例により、コンバータ３から変圧器２を介し
て行なわれる。また、通常回生時に近いブレーキ力を得
たい場合は、床下機器の増加をゆるすのであれば、大容
量抵抗器を接続すれば良い。この場合も負荷に見合つた
量のブレーキ力を得ることができる。

本実施例によれば、電源停電時においても、回生ブレ
ーキ指令がある場合には、変圧器２の３次巻線に接続さ
れた負荷に電力を吸収させることによりブレーキ力を得
ることができ、機械ブレーキの摩耗を最小限に抑えるこ
とが可能になる。

さらに、３次巻線の負荷６を、所定周波数で動作させ
ることが可能になる。

尚、負荷６としての補機の電力消費能力が季節や時間
帯によつて差がでてくることはあるが、負荷が零となつ
てしまうことはない。主電動機冷却用フアン及び、半導
体冷却用フアンが作動中であるためである。従つて、こ
れらの温度上昇を防止することができる。

また、負荷として空調機器が接続されている場合、電
気車に運動エネルギーがある限りそれらの動作は電源停
電時も可能となる。

第３図は、本発明の他の実施例の構成図である。第１
図の構成と相違する点は、58の電流目標値発生器、59の
電流検出器、60の電流調節器である。

電源が確立した通常の場合は、第１図の説明で述べた
動作と同一である。

停電検出器28が電源の停電を検出した場合、回生ブレ
ーキ指令があれば、スイツチ14,23がｂ側に閉じる。こ
の時、PWMインバータ４の動作は、第１図の場合と同一
であり、平滑コンデンサ７の電圧が所定の値によるよう
に制御する。

PWMコンバータ３は、変圧器２の３次巻線に接続され
た負荷６の電流を所定の値に制御する。電流目標値発生
器58から出力した目標値と、電流検出器59で検出した帰
還値により、電流調節器60がフイードバツク制御を行
う。スイツチ14はｂ側に閉じているので、電流調節器60
の出力に従つて、PWMコンバータ３は、第１図の場合と
同様に制御される。

本実施例においても、電源停電時にも回生ブレーキ力
が得られ、しかも負荷６を動作できることは第１図の場
合と同様である。本実施例特有の効果は、負荷６に電動
機が接続されるような場合、電流制御を行うことから、
電動機の発生トルクを容易に制御できることがあげられ
る。

第４図は、本発明の他の実施例を示す構成図である。

第１図と相違する構成は、61の電力目標値発生器、62
の電力検出器、63の電力調節器である。

停電検出器28が電源の停電を検出した場合、回生ブレ
ーキ指令があれば、スイツチ14,23がｂ側に閉じる。こ
の時、PWMインバータ４の動作は、第１図の場合と同一
であり、平滑コンデンサ７の電圧が所定の値になるよう
に制御する。

PWMコンバータ３は、変圧器２の３次巻線に接続され
た負荷６の消費する電力を所定の値に制御する。電力目
標値発生器61から出力した目標値と、電圧検出器12およ
び電流検出器59の出力から電力検出器62により検出した
帰還値により、電力調節器63がフイードバツク制御を行
う。スイツチ14はｂ側に閉じているので、電力調節器63
の出力に従つて、PWMコンバータ３は、第１図の場合と
同様に制御される。

本実施例においても、電源停電時にもブレーキ力が得
られ、しかも負荷６を動作できることは第１図の場合と
同様である。本実施例は負荷６の電力を制御したい場合
に好適である。

第５図は、本発明の他の実施例を示す構成図である。

第１図に示した実施例との相違は、スイツチ14,23の
切り換えを、停電検出器28が電源停電を検出したことに
よつて行うことである。

電源確立時、および電源停電時の各状態におけるPWM
コンバータ３およびPWMインバータ４の制御は、第１図
の場合と同様である。

本実施例によれば、電源停電時においても、車両が運
動エネルギーを持つた状態であれば、負荷９を無停電で
動作し続けることが可能になる。

なお、ここでは停電検出器28によるスイツチ14,28の
切り換えを第１図の構成に適用した場合について述べた
が、第３図および第４図の構成に適用することも、勿論
可能であり、負荷６の性質に応じて、望ましい方式を選
択する。

さらに、本発明の他の実施例を第６図に示す。

これは、変圧器２の３次巻線の負荷として、うず電流
ブレーキ70を備えたものである。うず電流ブレーキの一
使用例を以下に説明する。

一般に、電気車の編成は電動機を備えた動力車と電動
機のない非動力車が混在している。機械ブレーキは全て
の車両に設けられている。回生車の場合、回生ブレーキ
力は動輪に働く。しかし、回生ブレーキはブレーキ力が
欲しい時いつでも得られるのではなく、負荷車（同一き
電系内に存在する力行運転中の他の電気車を指す。）の
有無により左右される。うず電流ブレーキは、非動力車
に備えられ、上記の回生失効時に、変圧器２の３次巻線
を電源として動作するよう構成される。うず電流ブレー
キの特徴は、非接触式であるため、機械的摩耗がないこ
とである。従つて、上記の様に構成した場合、回生失効
時にもうず電流ブレーキが動作するので、機械ブレーキ
の負担は軽くなる。

ところで、電源停電時に、上記の構成をそのまま用い
ると、変圧器２からの電力の供給がなくなるため、うず
電流ブレーキは動作しない。

本実施例はその点を解決したもので、回生制御中に電
源停電となると、回生失効状態となるので、主幹制御器
19の指令によりうず電流ブレーキ装置70が動作する。上
記動作と同時に、スイツチ14,23が停電モードに切換え
られ、PWMインバータ４は、平滑コンデンサ７の電圧が
所定値となるよう動作し、PWMコンバータ３は負荷６、
うず電流ブレーキ70の要求量に見合つた電力を供給す
る。この時の電気エネルギーの流れは、電動機５から、
PWMインバータ4,PWMコンバータ3,変圧器２を介して、負
荷６及びうず電流ブレーキ70に至る。

本実施例によれば、電源停電時においても、電動機５
は発電機として作用し、その電力がうず電流ブレーキに
供給され、うず電流ブレーキが動作するので、どちら
も、電気車を減速させる方向に動作する。従つて、安全
側に制御され、機械ブレーキの負担が更に軽減されると
いう効果がある。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明によれば、回生ブレーキ指令と
電源停電が重なつた場合でも、変圧器の電源、PWMコン
バータが接続されていない巻線に接続された負荷として
の補機に電力を吸収させることにより、電動機にブレー
キ力を生じさせることが可能となり、平滑コンデンサの
電圧上昇や機械ブレーキのブレーキシユー等の摩耗を最
小限に抑えることができる。この際、平滑コンデンサの
電圧及び補機が接続された巻線の電圧は、夫々所定の電
圧、所定の周波数になるように、PWMコンバータ及びPWM
インバータにより制御される。よつて、負荷となる補機
に悪影響を及ぼすことはない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例を示す構成図、第２図は、
第１図の１部の具体的な構成を示す図、第３図〜第６図
は、それぞれ本発明の他の実施例を示す構成図である。２……変圧器、３……PWMコンバータ、４……PWMインバ
ータ、５……交流電動機、６……負荷、11……電圧調節
器、13……電流目標値発生器、17……電流調節器、18…
…パルス幅変調回路、22……電流目標値発生器、26……
電流調節器、27……パルス幅変調器、28……停電検出
器、29……電圧目標値発生器、31……電圧調節器、32…
…電流目標値発生器、33……電圧調節器、57……論理積
回路、58……電流目標値発生器、59……電流検出器、60
……電流検出器、61……電力目標値発生器、62……電力
検出器、63……電力調節器、70……うず電流ブレーキ装
置。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】交流電源に接続され複数の巻線を備えた変
圧器と、この変圧器のひとつの巻線に交流側が接続され
たパルス幅変調コンバータと、このパルス幅変調コンバ
ータの直流側に接続された平滑コンデンサと、この平滑
コンデンサに直流側が接続されたパルス幅変調インバー
タと、このパルス幅変調インバータの交流側に接続され
た電気車駆動用交流電動機とを備えた電気車の制御装置
において、前記交流電源の停電を検出する手段と、前記変圧器の他
の巻線に接続された負荷と、前記電気車が走行中に前記
パルス幅変調インバータが回生モードで前記停電検出手
段が停電を検出した時、前記パルス幅変調インバータと
前記パルス幅変調コンバータとを制御して、前記交流電
動機より発生される発電エネルギーを前記負荷に吸収さ
せる吸収制御手段を備えたことを特徴とする電気車の制
御装置。
【請求項２】請求項１において、前記吸収制御手段は、前記平滑コンデンサの電圧が所定値となるよう前記パル
ス幅変調インバータを動作させる手段と、前記負荷が接
続された前記変圧器の巻線の電圧が所定値となるよう前
記パルス幅変調コンバータを動作させる手段とを備えた
制御手段であることを特徴とする電気車の制御装置。
【請求項３】請求項１において、前記吸収制御手段は、前記平滑コンデンサの電圧が所定値となるよう前記パル
ス幅変調インバータを動作させる手段と、前記負荷に流
れる電流が所定値となるよう前記パルス幅変調コンバー
タを動作させる手段とを備えた制御手段であることを特
徴とする電気車の制御装置。
【請求項４】請求項１において、前記吸収制御手段は、前記平滑コンデンサの電圧が所定値となるよう前記パル
ス幅変調インバータを動作させる手段と、前記負荷の消
費電力が所定値となるよう前記パルス幅変調コンバータ
を動作させる手段とを備えた制御手段であることを特徴
とする電気車の制御装置。
【請求項５】請求項1,2,3又は４項記載の前記負荷は、
車上設備としての補機であるところのうず電流ブレー
キ、前記交流電動機の冷却ファン、半導体装置冷却用フ
ァン、戸閉用コンプレッサ、車内冷暖房用空調装置、照
明設備、及び車内放送用設備のうち少なくとも１つであ
ることを特徴とする電気車の制御装置。