JP2994892B2 - 電気車の電力変換装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、単相交流電力を入力
して三相交流電力に変換して電気車駆動用交流電動機を
駆動する電力変換装置に関し、特に電力回生ブレーキ中
の停電を検出可能にした電気車の電力変換装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の電気車の電力変換装置として図４
に示す構成のものが知られている。この従来の電気車の
電力変換装置では、架線１に供給されている単相交流電
力が集電器２によって集電され、開閉器３を介して変圧
器４の一次巻線に供給され、ここで電圧が降圧されるよ
うにしている。そして、降圧された電圧は、二次巻線に
直列に接続されたリアクトル５を介してゲートターンオ
フ（ＧＴＯ）サイリスタ６１〜６４とダイオード６５〜
６８から構成され、パルス幅変調制御される自励式のコ
ンバータ６に印加され、ここでパルス幅変調制御により
直流電力に変換される。このコンバータ６から出力され
る直流電力は、フィルタコンデンサ７で分圧の平滑化を
受け、ＧＴＯサイリスタ８１〜８６とダイオード８７〜
８１２から構成されるインバータ８によって三相交流電
力に変換され、電気車駆動用交流電動機９に供給され、
これによって電動機９が駆動される。

【０００３】また、１１は基準周波数発生器であって、
コンバータ６の変調波の周波数を決定する動作周波数指
令Ｆ_VSA を出力する。図５はこの基準周波数発生器１１
の詳しい構成を示しており、１１１は水晶発振器、１１
２はこの水晶発振器１１１の出力を分周する分周器であ
り、水晶発振器１１１の出力を交流電源と同一の周波数
に分周するようになっている。

【０００４】図４において、１２は電流パターン発生器
であって、外部より与えられる二次電流波高値指令Ｉ
_SPAと、基準周波数発生器１１の出力Ｆ _VSA から、所定の
演算によって電流瞬時値指令Ｉ_SAを算出する。１３は変
圧器４の二次巻線を流れる電流である二次電流Ｉ_Sを検
出する電流検出器、１４は出力電圧基準算出回路であ
り、電流検出回路１３の出力である二次電流フィードバ
ック値Ｉ_Sと、電流パターン発生器１２の出力である電
流瞬時値指令Ｉ_SAを用いて、所定の制御理論に基づき実
際の二次電流Ｉ_Sが電流瞬時値指令Ｉ_SAに等しくなるよ
うな出力電圧基準を出力する。そして、この出力電圧基
準は、ＰＷＭゲートパルス制御回路１５で三角波搬送信
号と比較され、ゲートパルスとしてコンバータ６のＧＴ
Ｏサイリスタ６１〜６４を制御する。

【０００５】このような電気車の電力変換装置では、電
気車にブレーキをかける場合、電動機８を発電機として
動作させ、運動エネルギを電力として電源側に返還する
電力回生ブレーキが可能となっている。

【０００６】一方、図４に示すように交流電力を架線１
に供給するき電システムでは、架線１の位相切り換えの
必要性から、一定区間ごとにき電されない区間（ギャッ
プ）があり、その区間を走行する電気車にとっては必ず
短時間の停電が生じる。また、機器の故障や電力系統の
諸条件などの要因により停電が発生する場合もある。こ
のような停電が発生すると、電気車が力行状態にある場
合には、電力の供給が断たれることにより駆動力が失わ
れる。この状態、すなわち、停電状態が長時間継続した
場合、電気車は停止に至ることになるが、この場合は、
危険な事態となることはない。しかしながら、電力回生
ブレーキ中に停電が発生した場合、次の２つの問題が生
じる。

【０００７】その第１は、電力回生ブレーキ中に停電が
発生すると、回生電力を架線１に戻すことができなくな
る。この結果、制動力が失効するため、一刻も早く停電
を検出して他の機械ブレーキなどに切り換える必要があ
る。

【０００８】その第２は、図４に示すように自励式のコ
ンバータ６が交流電源側に用いられているので、交流電
源が停電してもコンバータ６自らが交流電圧を発生す
る。電力系統の諸条件などによっては、この発生した交
流電力が再度制御回路に取り込まれ、電力変換装置自ら
で閉鎖ループを構成し、電圧を発生し続けることがあ
る。このような現象は、意図的に停電を発生させること
により電気車を停止させようとした場合、停電を指令し
ているにもかかわらず、架線１に電圧が発生して危険で
ある。

【０００９】このようなことから、交流電源の停電は一
刻も早く検出して処置する必要があり、その検出方式が
種々考えられている。そして、その中でも特に、電力回
生ブレーキ中に停電が発生して回生電力を架線１に戻す
ことができなくなった場合、誘導電動機９によって電力
に変換された制動力がフィルタコンデンサ７を充電し、
この充電電圧を上昇させるので、回生ブレーキ中の停電
の検出として、フィルタコンデンサ７の電圧上昇を検出
するのがもっとも簡単で有効な方法として一般的に行な
われている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
従来の電気車の電力変換装置では、電力回生ブレーキ中
に回生される電力が走行状態によって大きく異なるた
め、次のような問題点があった。

【００１１】第１には、制動力、すなわち、回生電力が
小さい状態での回生ブレーキ中に停電が発生した場合、
フィルタコンデンサの電圧の上昇が緩やかに行なわれる
ため、電圧上昇によって停電を検出するまでに時間がか
かり、その間、回路が動作し続ける問題点があった。

【００１２】第２には、電力回生ブレーキ中の電気車の
回生電力が同一の電力系統に接続される他車の消費電
力、あるいは自車の補助電源などの消費電力とほぼ等し
い状態の時に停電が発生した場合、フィルタコンデンサ
の電圧は上昇せず、回生電力により発生した交流電圧が
再度制御回路に取り込まれ、電力変換装置自らで閉鎖ル
ープを構成し、電圧を発生し続ける問題点があった。

【００１３】この発明は、このような従来の問題点に鑑
みなされたもので、電力回生ブレーキ中における停電の
検出を、電力系統の諸条件あるいは制動力を強さの如何
にかかわらず、確実に行なうことができる電気車の電力
変換装置を提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】この発明は、交流電源よ
りき電区間に供給される単相交流電力を入力して電圧を
変成する変圧器と、前記変圧器の二次電圧を入力して直
流電力に変換するため、与えられる動作周波数基準に基
づいて当該変圧器の二次電圧をパルス幅変調して所定の
直流電力を得るパルス幅変調型コンバータと、前記コン
バータの出力である直流電力を三相交流電力に変換して
電気車駆動用交流電動機に与えるインバータとを備えて
成る電気車の電力変換装置において、前記変圧器の一次
巻線、二次巻線または三次巻線のいずれかの電圧を検出
する電圧検出手段と、前記電圧検出手段により検出され
た電圧の周波数を前記コンバータの交流側の周波数とし
て算定する周波数演算手段と、前記周波数演算手段の算
定した前記コンバータの交流側の周波数に当該コンバー
タの通常の動作に支障のない程度の一定値の外乱を加算
して前記コンバータの動作周波数基準として出力する加
算手段と、前記周波数演算手段の算定した前記コンバー
タの交流側の周波数を前記交流電源の周波数として規定
されている規定周波数と比較し、あらかじめ設定した範
囲を逸脱したことを以て前記交流電源が停電したことを
示す停電検出信号を出力する停電検出手段とを備えたも
のである。

【００１５】

【作用】この発明の電気車の電力変換装置では、電圧検
出手段によって変圧器の一次巻線、二次巻線または三次
巻線のいずれかの電圧を検出し、周波数演算手段によっ
てこの検出された電圧の周波数をコンバータの交流側の
周波数として算定する。そして、加算手段がこの周波数
演算手段の算定したコンバータの交流側の周波数に対し
て当該コンバータの通常の動作に支障のない程度の一定
値の外乱を加算してコンバータの動作周波数基準として
出力し、コンバータはこの動作周波数基準に基づいて変
圧器の二次電圧をパルス幅変調して所定の直流電力を出
力する。 ところがいま、交流電源が停電している状態で
は、変圧器の一次巻線、二次巻線及び三次巻線のいずれ
の電圧もコンバータの出力電圧によってのみに決定され
るので、交流電源の停電状態ではコンバータの交流側の
周波数として、周波数演算手段が以前に算定したコンバ
ータの交流側の周波数に対して一定値の外乱が加算され
たものが新たにコンバータの交流側の周波数としてフィ
ードバックされ、いわゆる正帰還の状態になり、その結
果として、コンバータの動作周波数基準が一定値の外乱
の符号の方向に急速にずれていき、コンバータの実際の
動作周波数も急速にずれていき、回生動作中のコンバー
タの交流側の周波数が交流電源の規定周波数から大きく
ずれていくことになる。 これにより、交流電源に停電が
発生すると、周波数演算手段が算定して停電検出手段に
入力されるコンバータの交流側の周波数が、停電してい
ない場合と比較して一定値の外乱の符号の方向へ急速に
ずれていくので、停電検出手段ではこのコンバータの交
流側の周波数が交流電源の規定周波数に対してあらかじ
め設定した範囲を逸脱したときに停電発生と判断して停
電検出信号を出力することができる。

【００１６】したがって、電力系統の諸条件あるいは制
動力の強さによる影響を受けやすいフィルタコンデンサ
の電圧上昇を監視することなく、停電の検出を正しく行
なうことができる。

【００１７】

【実施例】以下、この発明の実施例を図に基づいて詳説
する。

【００１８】図１はこの発明の一実施例の回路構成を示
している。この図１において、従来例として示した図４
の回路と共通する部分については、同一の符号を付して
示し、その説明を省略する。

【００１９】図１に示した実施例の電気車の電力変換装
置で特徴とするところは、変圧器４の二次巻線に設けた
電圧検出器２０と、この電圧検出器２０の検出した二次
電圧信号から周波数Ｆ_VSを演算する周波数演算部２１
と、この周波数演算部２１の求めた周波数Ｆ_VSとコンバ
ータ６の通常の動作に支障のない程度の一定値の外乱Ｄ
Ｆ _VS を加算し、動作周波数指令Ｆ_VSAとして電流パター
ン発生器１２へ出力する加算器２２と、周波数演算部２
１の出力があらかじめ設定した範囲を逸脱したときに交
流電源が停電となったことを示す検出信号を出力する比
較部２３を備えたことにある。

【００２０】次に、上記構成の電気車の電力変換装置の
特徴部分の動作について説明する。

【００２１】加算器２２より一定値の外乱ＤＦ_VSが加算
され、コンバータ６の変動すると、変圧器４の二次電流
が変動する。一方、交流電源が正常な場合、すなわち、
架線１に交流電源が供給されている場合には、交流電源
の容量はコンバータ６の容量と比較すると十分大きいと
考えられるので、その電圧位相に変化を受けない。した
がって、周波数演算部２１の出力であるＦ_VSは変化せ
ず、コンバータ６の動作周波数指令Ｆ_VSAも変化しない
ので、コンバータ６の出力電圧の周波数は変化しない。

【００２２】ところが、停電が発生した場合、すなわ
ち、架線１に接続される電力が喪失した場合には、次の
ようにして停電検出がなされることになる。

【００２３】加算器２２において、変圧器４の二次電圧
の周波数Ｆ_VSに一定値の外乱ＤＦ_VSを加算したものをコ
ンバータ６の動作周波数指令Ｆ_VSAとしているが、この
関係を式に表せば、 Ｆ_VSA＝Ｆ_VS＋ＤＦ_VS …（１） となる。

【００２４】一方、交流電源が停電している状態では、
変圧器４の二次巻線の電圧はコンバータ６の出力電圧に
よってのみ決定されるので、この状態では（１）式にお
けるＦ_VSとして、一定値の外乱ＤＦ_VSが加算されたもの
がフィードバックされ、いわゆる正帰還の状態になる。
この結果、コンバータ６の動作周波数指令Ｆ_VSAが一定
値の外乱ＤＦ_VSの符号の方向にずれ、コンバータ６の動
作周波数がずれていき、二次巻線電圧の周波数であるＦ
_VSもずれていく。

【００２５】このように、停電が発生すると、比較部２
３に入力される周波数信号Ｆ_VSが、停電していない場合
と比較して、一定値の外乱ＤＦ_VSの符号の方向にずれて
いくので、比較部２３では、周波数演算部２１の出力Ｆ
_VSがあらかじめ設定した範囲を逸脱したことを検出して
停電検出信号を出力させる。こうして、コンバータ６の
出力側のフィルタコンデンサ７の充電電圧によらず、変
圧器４の巻線の電圧から架線１の停電を検出する。

【００２６】なお、比較部２３に設定する停電判定値と
しては、停電が発生していない状態において比較部２３
に入力される信号の大きさよりも僅かに広い範囲とする
ことにより、停電が発生した場合にのみ停電検出信号を
出力することができるようにする。

【００２７】図２はこの発明の第２実施例の回路構成を
示している。この第２実施例では、図１の第１実施例が
電圧検出器２０によって変圧器４の二次巻線電圧を検出
するようにしていたのに対して、電圧検出器３０によっ
て変圧器４の一次巻線の電圧を検出するようにしてい
る。そして、その他の部分の構成は第１実施例と共通で
ある。

【００２８】変圧器４の一次電圧の波形は、他の巻線に
表れる電圧の波形と比較して、振幅の相違を除けばほぼ
同一の波形であるので、この第２実施例のように変圧器
４の一次巻線の電圧波形を電圧検出器３０によって検出
し、周波数演算部２１によって周波数を算出することに
より、第１実施例と同じ作用、効果が得られる。

【００２９】図３はこの発明の第３実施例の回路構成を
示している。この第３実施例では、図１の第１実施例が
電圧検出器２０によって変圧器４の二次巻線電圧を検出
するようにしていたのに対して、電圧検出器４０によっ
て変圧器４の三次巻線の電圧を検出するようにしてい
る。そして、その他の部分の構成は第１実施例および第
２実施例と共通である。

【００３０】ここで、変圧器４の三次巻線および三次電
圧について説明すれば、三次巻線は変圧器４の有する巻
線のうち、電源およびコンバータ６のいずれにも接続さ
れていない巻線であって、特に電気車の電灯装置、空調
装置など、電気車の駆動電源以外の用途に用いられる電
力を供給する巻線である。しかしながら、このような三
次巻線の電圧を電圧検出器４０によって検出して電圧周
波数を求めようとする場合でも、変圧器４の性質とし
て、変圧器のすべての巻線に現れる電圧の波形が振幅を
別にしてほぼ同一のものであるため、周波数演算部２１
で第１実施例および第２実施例と同じ電圧周波数を求め
ることができ、架線１の停電検出を確実に行なうことが
できるのである。

【００３１】

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、変圧器
の一次巻線、二次巻線あるいは三次巻線のいずれかの電
圧の周波数をコンバータの交流側の周波数として検出
し、この周波数に対してコンバータの通常の動作に支障
のない程度の一定値の外乱を加算してコンバータの動作
周波数基準としてコンバータをパルス幅変調制御によっ
て動作させる制御を繰り返し、コンバータの交流側の周
波数が交流電源の規定周波数からあらかじめ設定した範
囲を逸脱したときに交流電源が停電となったことを示す
停電検出信号を出力するようにしているため、交流電源
の停電状態ではコンバータの交流側の周波数に対して一
定値の外乱が加算されたものが新たにコンバータの交流
側の周波数としてフィードバックされ、いわゆる正帰還
の状態になり、停電していない場合と比較して一定値の
外乱の符号の方向へ急速にずれていき、電気車の走行状
態あるいは電力系統の諸条件にかかわらず、確実に停電
を検出することができ、この結果として、停電検出の遅
れに伴う回生ブレーキ中の不要な残留動作による電圧発
生などの危険を未然に防止することができ、安全性、信
頼性の高い電力変換装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例の回路図。

【図２】この発明の他の実施例の回路図。

【図３】この発明のさらに他の実施例の回路図。

【図４】従来例の回路図。

【図５】従来例における基準周波数発生器の内部構成を
示す回路図。

【符号の説明】

１ 架線 ２ 集電器 ３ 開閉器 ４ 変圧器 ５ リアクトル ６ コンバータ ７ フィルタコンデンサ ８ インバータ ９ 交流電動機 １２ 電流パターン発生器 １３ 電流検出器 １４ 電圧基準算出回路 １５ ＰＷＭゲートパルス制御回路 ２０ 電圧検出器 ２１ 周波数演算部 ２２ 加算器 ２３ 比較部 ３０ 電圧検出器 ４０ 電圧検出器

フロントページの続き (72)発明者 西尾 敦彦 東京都府中市東芝町１番地 株式会社東 芝 府中工場内 (72)発明者 氏家 昭彦 東京都府中市東芝町１番地 株式会社東 芝 府中工場内 (56)参考文献 特開 平１−60206（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−259702（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B60L 3/00 B60L 9/24

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 交流電源よりき電区間に供給される単相
   交流電力を入力して電圧を変成する変圧器と、前記変圧
   器の二次電圧を入力して直流電力に変換するため、与え
   られる動作周波数基準に基づいて当該変圧器の二次電圧
   をパルス幅変調して所定の直流電力を得るパルス幅変調
   型コンバータと、前記コンバータの出力である直流電力
   を三相交流電力に変換して電気車駆動用交流電動機に与
   えるインバータとを備えて成る電気車の電力変換装置に
   おいて、 前記変圧器の一次巻線、二次巻線または三次巻線のいず
   れかの電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手
   段により検出された電圧の周波数を前記コンバータの交
   流側の周波数として算定する周波数演算手段と、前記周
   波数演算手段の算定した前記コンバータの交流側の周波
   数に当該コンバータの通常の動作に支障のない程度の一
   定値の外乱を加算して前記コンバータの動作周波数基準
   として出力する加算手段と、前記周波数演算手段の算定
   した前記コンバータの交流側の周波数を前記交流電源の
   周波数として規定されている規定周波数と比較し、あら
   かじめ設定した範囲を逸脱したことを以て前記交流電源
   が停電したことを示す停電検出信号を出力する停電検出
   手段とを備えて成る電気車の電力変換装置。