JP3220924B2 - 電気車の電力変換装置 - Google Patents
電気車の電力変換装置Info
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
- Y02T10/72—Electric energy management in electromobility
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- Inverter Devices (AREA)
- Rectifiers (AREA)
- Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、交流電気車に用いる交
流、直流間の変換を行う電気車の電力変換装置に関す
る。
流、直流間の変換を行う電気車の電力変換装置に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】従来から、交流を電源とし、誘導電動機
を駆動する交流電気車の電力変換装置として、図７に示
すＰＷＭコンバータ、インバータが用いられている。図
７において、ＰＷＭコンバータ、インバータからなる電
力変換装置は、交流電源１、変圧器１次巻線２、変圧器
２次巻線３、ＰＷＭコンバータ４、直流平滑コンデンサ
５、ＰＷＭインバータ６、誘導電動機７、回路を入切す
る交流接触器８，９、充電抵抗１０を有し、ＰＷＭコン
バータ４及びＰＷＭインバータ６はＧＴＯ、ＩＧＢＴな
ど自己消弧形素子とそれに逆並列に接続したダイオード
から構成される。この電力変換装置は、電気車のカ行時
には、ＰＷＭコンバータ４が電源側の単相交流を直流に
変換し、ＰＷＭインバータ６が直流を３相交流に変換
し、３相交流を誘導電動機７に供給することにより、誘
導電動機７を駆動し、電気車が走行する。また、回生時
には、誘導電動機７を電源とし、ＰＷＭインバータ６で
直流に変換し、ＰＷＭコンバータ４で単相交流に変換し
て交流電源１に電力を返すことにより、回生ブレーキを
かける。カ行及び回生時には、交流接触器８は閉じてお
き、交流接触器９は開いておく。ところで、電気車を最
初に起動するとき、あるいは、惰行状態からカ行、回生
状態に移るとき、直流平滑コンデンサ５が充電されてい
ない場合には、カ行時には交流電源１から、また、回生
時には誘導電動機７を電源として、直流平滑コンデンサ
５に大きな突入電流が流れ、機器や素子を破壊する恐れ
があり、また、直流平滑コンデンサ５を過充電し、過電
圧が発生してしまう。これを防ぐには、ＰＷＭインバー
タ６を起動する前に、直流電源に相当する直流平滑コン
デンサ５を初期充電する必要がある。この場合には、交
流接触器８を開いて、交流接触器９を閉じることによ
り、交流電源１から変圧器２次巻線３を経て充電抵抗１
０、ＰＷＭコンバータ４のダイオードを通して直流平滑
コンデンサ５に充電する。充電が終了すると、交流接触
器９を開いて、交流接触器８を閉じることにより、カ行
または回生状態に移ることができる。このように交流接
触器８，９を切り替えて充電抵抗１０を通して充電する
ことで、突入電流を流すことなく、直流平滑コンデンサ
５を充電することができる。
を駆動する交流電気車の電力変換装置として、図７に示
すＰＷＭコンバータ、インバータが用いられている。図
７において、ＰＷＭコンバータ、インバータからなる電
力変換装置は、交流電源１、変圧器１次巻線２、変圧器
２次巻線３、ＰＷＭコンバータ４、直流平滑コンデンサ
５、ＰＷＭインバータ６、誘導電動機７、回路を入切す
る交流接触器８，９、充電抵抗１０を有し、ＰＷＭコン
バータ４及びＰＷＭインバータ６はＧＴＯ、ＩＧＢＴな
ど自己消弧形素子とそれに逆並列に接続したダイオード
から構成される。この電力変換装置は、電気車のカ行時
には、ＰＷＭコンバータ４が電源側の単相交流を直流に
変換し、ＰＷＭインバータ６が直流を３相交流に変換
し、３相交流を誘導電動機７に供給することにより、誘
導電動機７を駆動し、電気車が走行する。また、回生時
には、誘導電動機７を電源とし、ＰＷＭインバータ６で
直流に変換し、ＰＷＭコンバータ４で単相交流に変換し
て交流電源１に電力を返すことにより、回生ブレーキを
かける。カ行及び回生時には、交流接触器８は閉じてお
き、交流接触器９は開いておく。ところで、電気車を最
初に起動するとき、あるいは、惰行状態からカ行、回生
状態に移るとき、直流平滑コンデンサ５が充電されてい
ない場合には、カ行時には交流電源１から、また、回生
時には誘導電動機７を電源として、直流平滑コンデンサ
５に大きな突入電流が流れ、機器や素子を破壊する恐れ
があり、また、直流平滑コンデンサ５を過充電し、過電
圧が発生してしまう。これを防ぐには、ＰＷＭインバー
タ６を起動する前に、直流電源に相当する直流平滑コン
デンサ５を初期充電する必要がある。この場合には、交
流接触器８を開いて、交流接触器９を閉じることによ
り、交流電源１から変圧器２次巻線３を経て充電抵抗１
０、ＰＷＭコンバータ４のダイオードを通して直流平滑
コンデンサ５に充電する。充電が終了すると、交流接触
器９を開いて、交流接触器８を閉じることにより、カ行
または回生状態に移ることができる。このように交流接
触器８，９を切り替えて充電抵抗１０を通して充電する
ことで、突入電流を流すことなく、直流平滑コンデンサ
５を充電することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記した電力
変換装置では、交流電源１の電圧が変動すると、直流平
滑コンデンサ５の初期充電電圧も変動する。すなわち、
交流電源１の電圧がＡボルトのとき、回路定数により直
流平滑コンデンサ５に初期充電される電圧をａボルトと
すると、交流電源１の電圧がＢボルトのとき、回路定数
により直流平滑コンデンサ５に初期充電される電圧はｂ
ボルトとなる。ここでＡ＜Ｂ、ａ＜ｂとする。そのた
め、交流接触器８が閉じる直前の交流電源１の電圧がＡ
ボルトで、直流平滑コンデンサ５の初期充電電圧がａボ
ルトになっている状態において、交流接触器８を閉じた
時、交流電源１の電圧がＢボルトに変動すると、交流電
源１の電圧が高いことから、直流平滑コンデンサ５に大
きな突入電流が流れ、また、過充電による過電圧を起こ
し、機器や素子を破壊する恐れや、直流平滑コンデンサ
を過充電する可能性が高くなる。ここで、図８に、交流
電源１の電圧と直流平滑コンデンサ５の充電電圧及び突
入電流の関係を示す。直流平滑コンデンサ５の初期充電
電圧を一定（例えば、１０００Ｖ一定とした場合）にす
ると、交流電源１の電圧が高い場合、直流平滑コンデン
サ５の突入電流は大きくなり、また、直流平滑コンデン
サ５電圧を過充電する恐れがある。また、図９に、交流
電源１の電圧と直流平滑コンデンサ５の初期充電時間の
関係を示す。直流平滑コンデンサ５の初期充電電圧を一
定（例えば、１０００Ｖ一定とした場合）にすると、交
流電源１の電圧の変動によって、直流平滑コンデンサ５
の初期充電時間も変動し、つまり、交流電源１の電圧が
低い程、初期充電時間が長く、運転動作開始時間の変動
（バラツキ）が起きてしまい、運転の取扱上の問題が発
生する。
変換装置では、交流電源１の電圧が変動すると、直流平
滑コンデンサ５の初期充電電圧も変動する。すなわち、
交流電源１の電圧がＡボルトのとき、回路定数により直
流平滑コンデンサ５に初期充電される電圧をａボルトと
すると、交流電源１の電圧がＢボルトのとき、回路定数
により直流平滑コンデンサ５に初期充電される電圧はｂ
ボルトとなる。ここでＡ＜Ｂ、ａ＜ｂとする。そのた
め、交流接触器８が閉じる直前の交流電源１の電圧がＡ
ボルトで、直流平滑コンデンサ５の初期充電電圧がａボ
ルトになっている状態において、交流接触器８を閉じた
時、交流電源１の電圧がＢボルトに変動すると、交流電
源１の電圧が高いことから、直流平滑コンデンサ５に大
きな突入電流が流れ、また、過充電による過電圧を起こ
し、機器や素子を破壊する恐れや、直流平滑コンデンサ
を過充電する可能性が高くなる。ここで、図８に、交流
電源１の電圧と直流平滑コンデンサ５の充電電圧及び突
入電流の関係を示す。直流平滑コンデンサ５の初期充電
電圧を一定（例えば、１０００Ｖ一定とした場合）にす
ると、交流電源１の電圧が高い場合、直流平滑コンデン
サ５の突入電流は大きくなり、また、直流平滑コンデン
サ５電圧を過充電する恐れがある。また、図９に、交流
電源１の電圧と直流平滑コンデンサ５の初期充電時間の
関係を示す。直流平滑コンデンサ５の初期充電電圧を一
定（例えば、１０００Ｖ一定とした場合）にすると、交
流電源１の電圧の変動によって、直流平滑コンデンサ５
の初期充電時間も変動し、つまり、交流電源１の電圧が
低い程、初期充電時間が長く、運転動作開始時間の変動
（バラツキ）が起きてしまい、運転の取扱上の問題が発
生する。
【０００４】本発明の目的は、上記した事情に鑑み、交
流電源の電圧の変動によって発生する大きな直流平滑コ
ンデンサの突入電流を最小にすると共に過充電を抑制
し、また、運転の取扱上、運転開始時間のバラツキを最
小限に抑えるに好適な電気車の電力変換装置を提供する
ことにある。
流電源の電圧の変動によって発生する大きな直流平滑コ
ンデンサの突入電流を最小にすると共に過充電を抑制
し、また、運転の取扱上、運転開始時間のバラツキを最
小限に抑えるに好適な電気車の電力変換装置を提供する
ことにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、１次巻線が架線の交流電源に接続される変圧器と、
変圧器の２次巻線に第一の接触器を介して接続されるＰ
ＷＭコンバータと、直流平滑コンデンサを介して接続さ
れ、交流を電気車駆動用交流電動機に供給するＰＷＭイ
ンバータとを備えた電気車の電力変換装置において、変
圧器に設けられる２次巻線より低い電圧を出力する３次
巻線と、３次巻線の出力に第二の接触器を介して接続さ
れ、３次巻線の出力電圧を昇圧する昇圧トランスと、昇
圧トランスの昇圧側の出力を整流して直流平滑コンデン
サを充電する整流回路からなる初期充電回路を備え、直
流平滑コンデンサの初期充電電圧値を交流電源の電圧の
変動に対応して変更設定する設定手段と、電気車のカ行
始動の指令を受けて第二の接触器の投入を許可する手段
と、この投入により直流平滑コンデンサの初期充電電圧
が設定値に達したことを条件に第一の接触器の投入を許
可する手段を備える。
に、１次巻線が架線の交流電源に接続される変圧器と、
変圧器の２次巻線に第一の接触器を介して接続されるＰ
ＷＭコンバータと、直流平滑コンデンサを介して接続さ
れ、交流を電気車駆動用交流電動機に供給するＰＷＭイ
ンバータとを備えた電気車の電力変換装置において、変
圧器に設けられる２次巻線より低い電圧を出力する３次
巻線と、３次巻線の出力に第二の接触器を介して接続さ
れ、３次巻線の出力電圧を昇圧する昇圧トランスと、昇
圧トランスの昇圧側の出力を整流して直流平滑コンデン
サを充電する整流回路からなる初期充電回路を備え、直
流平滑コンデンサの初期充電電圧値を交流電源の電圧の
変動に対応して変更設定する設定手段と、電気車のカ行
始動の指令を受けて第二の接触器の投入を許可する手段
と、この投入により直流平滑コンデンサの初期充電電圧
が設定値に達したことを条件に第一の接触器の投入を許
可する手段を備える。
【０００６】
【作用】第一の接触器を閉じるときに流れる突入電流
は、交流電源の電圧と直流平滑コンデンサの初期充電電
圧の差電圧が高い程大きくなる。そこで、本発明では、
第一の接触器を閉じるときの直流平滑コンデンサの初期
充電電圧値を交流電源の電圧に比例して調整することに
より、交流電源の電圧と直流平滑コンデンサの差電圧を
一定に保つことができ、交流電源の電圧が高いときで
も、突入電流を抑制でき、また、過充電を防止できる。
また、本発明は、運転の取扱上、運転開始時間のバラツ
キを最小限に抑えることができ、装置の高い安全性、小
形化、コスト安を実現できる。
は、交流電源の電圧と直流平滑コンデンサの初期充電電
圧の差電圧が高い程大きくなる。そこで、本発明では、
第一の接触器を閉じるときの直流平滑コンデンサの初期
充電電圧値を交流電源の電圧に比例して調整することに
より、交流電源の電圧と直流平滑コンデンサの差電圧を
一定に保つことができ、交流電源の電圧が高いときで
も、突入電流を抑制でき、また、過充電を防止できる。
また、本発明は、運転の取扱上、運転開始時間のバラツ
キを最小限に抑えることができ、装置の高い安全性、小
形化、コスト安を実現できる。
【０００７】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて説明す
る。図１は、本発明の一実施例による電気車の電力変換
装置を示す。図１において、電力変換装置は、架線の交
流電源１、変圧器１次巻線２、変圧器２次巻線３、ＰＷ
Ｍコンバータ４、直流平滑コンデンサ５、ＰＷＭインバ
ータ６、誘導電動機７、変圧器２次巻線３側に接続され
た交流接触器８を有し、ＰＷＭコンバータ４及びＰＷＭ
インバータ６はＧＴＯ、ＩＧＢＴなど自己消弧形素子と
それに逆並列に接続したダイオードから構成される。ま
た、初期充電回路を有し、初期充電回路は、変圧器２次
巻線３より電圧の低い変圧器３次巻線１５、変圧器３次
巻線１５側に接続された交流接触器１７、充電抵抗１
８、ダイオードブリッジ回路１９、変圧器２１からな
る。ここで、変圧器２１の昇圧は、直流平滑コンデンサ
５の初期充電電圧を高くセットして、交流接触器８を閉
じたときの突入電流をできるだけ減らすために行なう。
また、変圧器２次巻線３側に接続された交流接触器８を
投入する投入論理装置１００を設け、この投入論理装置
１００は充電開始指令Ｓ、変圧器１次巻線電圧Ｖ２−１
または変圧器２次巻線電圧Ｖ３−１または変圧器３次巻
線電圧Ｖ１５−１、及び直流平滑コンデンサ５の初期充
電電圧実効値Ｖ0５−１の電圧を入力し、変圧器２次巻
線３側に接続された交流接触器８の投入手段８−１また
は変圧器３次巻線１５側に接続された交流接触器１７の
投入手段１７−１に信号を出力する。
る。図１は、本発明の一実施例による電気車の電力変換
装置を示す。図１において、電力変換装置は、架線の交
流電源１、変圧器１次巻線２、変圧器２次巻線３、ＰＷ
Ｍコンバータ４、直流平滑コンデンサ５、ＰＷＭインバ
ータ６、誘導電動機７、変圧器２次巻線３側に接続され
た交流接触器８を有し、ＰＷＭコンバータ４及びＰＷＭ
インバータ６はＧＴＯ、ＩＧＢＴなど自己消弧形素子と
それに逆並列に接続したダイオードから構成される。ま
た、初期充電回路を有し、初期充電回路は、変圧器２次
巻線３より電圧の低い変圧器３次巻線１５、変圧器３次
巻線１５側に接続された交流接触器１７、充電抵抗１
８、ダイオードブリッジ回路１９、変圧器２１からな
る。ここで、変圧器２１の昇圧は、直流平滑コンデンサ
５の初期充電電圧を高くセットして、交流接触器８を閉
じたときの突入電流をできるだけ減らすために行なう。
また、変圧器２次巻線３側に接続された交流接触器８を
投入する投入論理装置１００を設け、この投入論理装置
１００は充電開始指令Ｓ、変圧器１次巻線電圧Ｖ２−１
または変圧器２次巻線電圧Ｖ３−１または変圧器３次巻
線電圧Ｖ１５−１、及び直流平滑コンデンサ５の初期充
電電圧実効値Ｖ0５−１の電圧を入力し、変圧器２次巻
線３側に接続された交流接触器８の投入手段８−１また
は変圧器３次巻線１５側に接続された交流接触器１７の
投入手段１７−１に信号を出力する。
【０００８】投入論理装置１００の詳細ブロックを図２
に示す。図２は、変圧器１次巻線電圧Ｖ２−１を投入論
理装置１００に入力する場合で、投入論理装置１００
は、初期充電電圧設定手段１０１、比較論理手段１０
２、論理回路１０３，１０４から構成する。ここで、初
期充電電圧設定手段１０１は、変圧器１次巻線電圧Ｖに
比例して直流平滑コンデンサの初期充電電圧設定値Ｖ0
＊を求める手段である。なお、初期充電電圧設定手段１
０１は、一般的には、交流電源電圧と直流平滑コンデン
サの初期充電電圧の関係を求める手段であり、図６に、
交流電源電圧に比例して初期充電電圧が求められる関係
を示す。具体的には、例えば、交流電源１電圧が２５０
００Ｖであると、変圧器３次巻線１５電圧が４００Ｖ
（実効値）となり、変圧器２１で３倍に昇圧すると１２
００Ｖ（実効値）となって、直流平滑コンデンサ５の初
期充電電圧は、そのルート２倍の１６９７Ｖになる。こ
こで、交流電源１電圧が１９０００Ｖに変動すると、変
圧器３次巻線電圧が３０４Ｖ（実効値）となり、変圧器
２１で３倍に昇圧すると９１２Ｖ（実効値）となって、
直流平滑コンデンサ５の初期充電電圧は、そのルート２
倍の１２９０Ｖになる。また、交流電源１電圧が３１０
００Ｖに変動すると、変圧器３次巻線電圧が４９６Ｖ
（実効値）となり、変圧器２１で３倍に昇圧すると１４
８８Ｖ（実効値）となって、直流平滑コンデンサ５の初
期充電電圧は、そのルート２倍の２１０４Ｖになる。
に示す。図２は、変圧器１次巻線電圧Ｖ２−１を投入論
理装置１００に入力する場合で、投入論理装置１００
は、初期充電電圧設定手段１０１、比較論理手段１０
２、論理回路１０３，１０４から構成する。ここで、初
期充電電圧設定手段１０１は、変圧器１次巻線電圧Ｖに
比例して直流平滑コンデンサの初期充電電圧設定値Ｖ0
＊を求める手段である。なお、初期充電電圧設定手段１
０１は、一般的には、交流電源電圧と直流平滑コンデン
サの初期充電電圧の関係を求める手段であり、図６に、
交流電源電圧に比例して初期充電電圧が求められる関係
を示す。具体的には、例えば、交流電源１電圧が２５０
００Ｖであると、変圧器３次巻線１５電圧が４００Ｖ
（実効値）となり、変圧器２１で３倍に昇圧すると１２
００Ｖ（実効値）となって、直流平滑コンデンサ５の初
期充電電圧は、そのルート２倍の１６９７Ｖになる。こ
こで、交流電源１電圧が１９０００Ｖに変動すると、変
圧器３次巻線電圧が３０４Ｖ（実効値）となり、変圧器
２１で３倍に昇圧すると９１２Ｖ（実効値）となって、
直流平滑コンデンサ５の初期充電電圧は、そのルート２
倍の１２９０Ｖになる。また、交流電源１電圧が３１０
００Ｖに変動すると、変圧器３次巻線電圧が４９６Ｖ
（実効値）となり、変圧器２１で３倍に昇圧すると１４
８８Ｖ（実効値）となって、直流平滑コンデンサ５の初
期充電電圧は、そのルート２倍の２１０４Ｖになる。
【０００９】次に、本実施例の動作を説明する。通常の
電気車の運転において、電気車のカ行時には、ＰＷＭコ
ンバータ４が電源側の単相交流を直流に変換し、ＰＷＭ
インバータ６が直流を３相交流に変換し、３相交流を誘
導電動機７に供給することにより、誘導電動機７を駆動
し、電気車を走行させる。また、回生時には、誘導電動
機７を電源とし、ＰＷＭインバータ６で直流に変換し、
ＰＷＭコンバータ４で単相交流に変換して交流電源１に
電力を返すことにより、回生ブレーキをかける。ところ
で、電気車を最初に起動するとき、あるいは、惰行状態
からカ行、回生状態に移るとき、直流平滑コンデンサ５
が充電されていない場合には、カ行時には交流電源１か
ら、また、回生時には誘導電動機７を電源として、直流
平滑コンデンサ５に大きな突入電流が流れ、機器や素子
を破壊する恐れがあり、また、直流平滑コンデンサ５を
過充電し、過電圧が発生してしまう。これを防ぐには、
ＰＷＭインバータ６を起動する前に、直流電源に相当す
る直流平滑コンデンサ５を初期充電する必要がある。こ
の場合には、まず、投入論理装置１００に充電開始指令
Ｓが与えられ、論理手段１０４の一方にＯＫ信号が入力
されるが、他方に比較論理手段１０２からＯＫ信号が入
力されないため、投入手段８−１にはＯＫ信号が与えら
れず、交流接触器８を開き、同時に、論理手段１０３を
介して投入手段１７−１にはＯＫ信号が与えられ、交流
接触器１７を閉じる。交流接触器１７が閉じると、変圧
器１次巻線２から変圧器３次巻線１５によって充電抵抗
１８、変圧器２１、ダイオードブリッジ回路１９を通し
て、変圧器３次巻線電圧により、変圧器２１で昇圧した
電圧のルート２倍の電圧まで直流平滑コンデンサ５を一
定値に初期充電する。この時、従来技術では、交流接触
器８を閉じ、通常の運転に入るが、ここで交流電源１の
電圧が変動して高くなると、直流平滑コンデンサ５に大
きな突入電流が流れ、機器や素子を破壊してしまう事態
が発生する。そこで、本実施例では、交流電源１の電圧
の変動を変圧器１次巻線２の電圧より監視し、初期充電
電圧設定手段１０１において、交流電源１の電圧によっ
て、直流平滑コンデンサ５の初期充電電圧Ｖ0＊を設定
し、比較論理手段１０２において設定値Ｖ0＊と直流平
滑コンデンサ５の初期充電電圧の実効値Ｖ0とを比較
し、Ｖ0≧Ｖ0＊になったことを条件に、比較論理手段１
０２からＯＫ信号を論理手段１０４の他方に入力し、投
入手段８−１にＯＫ信号を与え、交流接触器８を投入す
る。一方、比較論理手段１０２のＯＫ信号は論理手段１
０３の禁止端子に与えられ、交流接触器１７を開く。す
なわち、本実施例の特徴は、直流平滑コンデンサ５の初
期充電が終了し、交流接触器８を投入しようとしたと
き、交流電源１の電圧が変動して高くなると、この変動
電圧に対応する直流平滑コンデンサ５の初期充電電圧を
求め、この充電電圧を設定値として直流平滑コンデンサ
５を初期充電した後、初めて交流接触器８を投入するこ
とにある。なお、本実施例において、交流電源１の電圧
が変動して低くなる場合も同様である。このように、本
実施例によれば、交流電源１の電圧が変動しても、直流
平滑コンデンサ５には交流電源１の電圧変動に見合う適
切な初期充電をした後、交流接触器８を投入するので、
直流平滑コンデンサ５に流れる突入電流を最小にし、ま
た、過充電を抑制して、機器や素子の破壊を防ぐことが
できる。この結果、突入電流を最小にし、また、過充電
を抑制することによって、装置として小型化、コスト安
が可能となり、また、安全性の高い装置を提供すること
が可能となる。
電気車の運転において、電気車のカ行時には、ＰＷＭコ
ンバータ４が電源側の単相交流を直流に変換し、ＰＷＭ
インバータ６が直流を３相交流に変換し、３相交流を誘
導電動機７に供給することにより、誘導電動機７を駆動
し、電気車を走行させる。また、回生時には、誘導電動
機７を電源とし、ＰＷＭインバータ６で直流に変換し、
ＰＷＭコンバータ４で単相交流に変換して交流電源１に
電力を返すことにより、回生ブレーキをかける。ところ
で、電気車を最初に起動するとき、あるいは、惰行状態
からカ行、回生状態に移るとき、直流平滑コンデンサ５
が充電されていない場合には、カ行時には交流電源１か
ら、また、回生時には誘導電動機７を電源として、直流
平滑コンデンサ５に大きな突入電流が流れ、機器や素子
を破壊する恐れがあり、また、直流平滑コンデンサ５を
過充電し、過電圧が発生してしまう。これを防ぐには、
ＰＷＭインバータ６を起動する前に、直流電源に相当す
る直流平滑コンデンサ５を初期充電する必要がある。こ
の場合には、まず、投入論理装置１００に充電開始指令
Ｓが与えられ、論理手段１０４の一方にＯＫ信号が入力
されるが、他方に比較論理手段１０２からＯＫ信号が入
力されないため、投入手段８−１にはＯＫ信号が与えら
れず、交流接触器８を開き、同時に、論理手段１０３を
介して投入手段１７−１にはＯＫ信号が与えられ、交流
接触器１７を閉じる。交流接触器１７が閉じると、変圧
器１次巻線２から変圧器３次巻線１５によって充電抵抗
１８、変圧器２１、ダイオードブリッジ回路１９を通し
て、変圧器３次巻線電圧により、変圧器２１で昇圧した
電圧のルート２倍の電圧まで直流平滑コンデンサ５を一
定値に初期充電する。この時、従来技術では、交流接触
器８を閉じ、通常の運転に入るが、ここで交流電源１の
電圧が変動して高くなると、直流平滑コンデンサ５に大
きな突入電流が流れ、機器や素子を破壊してしまう事態
が発生する。そこで、本実施例では、交流電源１の電圧
の変動を変圧器１次巻線２の電圧より監視し、初期充電
電圧設定手段１０１において、交流電源１の電圧によっ
て、直流平滑コンデンサ５の初期充電電圧Ｖ0＊を設定
し、比較論理手段１０２において設定値Ｖ0＊と直流平
滑コンデンサ５の初期充電電圧の実効値Ｖ0とを比較
し、Ｖ0≧Ｖ0＊になったことを条件に、比較論理手段１
０２からＯＫ信号を論理手段１０４の他方に入力し、投
入手段８−１にＯＫ信号を与え、交流接触器８を投入す
る。一方、比較論理手段１０２のＯＫ信号は論理手段１
０３の禁止端子に与えられ、交流接触器１７を開く。す
なわち、本実施例の特徴は、直流平滑コンデンサ５の初
期充電が終了し、交流接触器８を投入しようとしたと
き、交流電源１の電圧が変動して高くなると、この変動
電圧に対応する直流平滑コンデンサ５の初期充電電圧を
求め、この充電電圧を設定値として直流平滑コンデンサ
５を初期充電した後、初めて交流接触器８を投入するこ
とにある。なお、本実施例において、交流電源１の電圧
が変動して低くなる場合も同様である。このように、本
実施例によれば、交流電源１の電圧が変動しても、直流
平滑コンデンサ５には交流電源１の電圧変動に見合う適
切な初期充電をした後、交流接触器８を投入するので、
直流平滑コンデンサ５に流れる突入電流を最小にし、ま
た、過充電を抑制して、機器や素子の破壊を防ぐことが
できる。この結果、突入電流を最小にし、また、過充電
を抑制することによって、装置として小型化、コスト安
が可能となり、また、安全性の高い装置を提供すること
が可能となる。
【００１０】次に、投入論理装置１００の他の詳細ブロ
ックを図３に示す。図３に示す投入論理装置１００が図
２のそれと異なるところは、変圧器１次巻線電圧Ｖ２−
１に替えて変圧器２次巻線電圧Ｖ３−１を投入論理装置
１００に入力する点にあり、したがって、図３の初期充
電電圧設定手段１０１は、変圧器２次巻線電圧Ｖに比例
して直流平滑コンデンサの初期充電電圧設定値Ｖ0＊が
求められる関係にある。その他の構成と動作は図２と同
じである。
ックを図３に示す。図３に示す投入論理装置１００が図
２のそれと異なるところは、変圧器１次巻線電圧Ｖ２−
１に替えて変圧器２次巻線電圧Ｖ３−１を投入論理装置
１００に入力する点にあり、したがって、図３の初期充
電電圧設定手段１０１は、変圧器２次巻線電圧Ｖに比例
して直流平滑コンデンサの初期充電電圧設定値Ｖ0＊が
求められる関係にある。その他の構成と動作は図２と同
じである。
【００１１】さらに、投入論理装置１００の他の詳細ブ
ロックを図４に示す。図４に示す投入論理装置１００が
図２のそれと異なるところは、変圧器１次巻線電圧Ｖ２
−１に替えて変圧器３次巻線電圧Ｖ１５−１を投入論理
装置１００に入力する点にあり、したがって、図４の初
期充電電圧設定手段１０１は、変圧器３次巻線電圧Ｖに
比例して直流平滑コンデンサの初期充電電圧設定値Ｖ0
＊が求められる関係にある。その他の構成と動作は図２
と同じである。
ロックを図４に示す。図４に示す投入論理装置１００が
図２のそれと異なるところは、変圧器１次巻線電圧Ｖ２
−１に替えて変圧器３次巻線電圧Ｖ１５−１を投入論理
装置１００に入力する点にあり、したがって、図４の初
期充電電圧設定手段１０１は、変圧器３次巻線電圧Ｖに
比例して直流平滑コンデンサの初期充電電圧設定値Ｖ0
＊が求められる関係にある。その他の構成と動作は図２
と同じである。
【００１２】図５は、他の投入論理装置２００を示し、
図２に示す投入論理装置１００に置き換えて電力変換装
置に設ける実施例である。図５において、投入論理装置
２００は、緩動時素手段１０５、論理回路１０３，１０
４から構成する。ここで、緩動時素手段１０５は、充電
開始指令がオンしてから所定時間Ｔが経過したとき、変
圧器２次巻線側交流接触器８を投入するＯＮ信号を出力
する機能を有する。なお、図６に、直流平滑コンデンサ
５の初期充電電圧を交流電源１の電圧の比例関係とした
場合の充電時間を示す。この場合、交流電源１の電圧が
変動しても、図示のように直流平滑コンデンサの初期充
電時間は一定である。電気車を最初に起動するとき、あ
るいは、惰行状態からカ行、回生状態に移るとき、直流
平滑コンデンサ５が充電されていない状態において、ま
ず、直流平滑コンデンサの初期充電に当たって、充電開
始指令Ｓを投入論理装置２００に与えると、論理手段１
０４の一方にＯＫ信号が入力されるが、他方に緩動時素
手段１０５からＯＮ信号が入力されないため、投入手段
８−１にはＯＫ信号が与えられず、交流接触器８を開
き、同時に、論理手段１０３を介して投入手段１７−１
にはＯＫ信号が与えられ、交流接触器１７を閉じる。交
流接触器１７が閉じると、変圧器１次巻線２から変圧器
３次巻線１５によって充電抵抗１８、変圧器２１、ダイ
オードブリッジ回路１９を通して、変圧器３次巻線電圧
により、変圧器２１で昇圧した電圧のルート２倍の電圧
まで直流平滑コンデンサ５を一定値に初期充電する。一
方、充電開始指令Ｓをオンした時点から図６に示す一定
時間Ｔが経過すると、緩動時素手段１０５からＯＮ信号
を出力し、論理手段１０４を介して投入手段８−１にＯ
Ｋ信号を与え、交流接触器８を投入する。一方、緩動時
素手段１０５のＯＮ信号は論理手段１０３の禁止端子に
与えられ、交流接触器１７を開く。すなわち、本実施例
の特徴は、直流平滑コンデンサ５の初期充電が終了し、
交流接触器８を投入しようとしたとき、交流電源１の電
圧が変動しても、この変動電圧に対応する直流平滑コン
デンサ５の初期充電時間は一定であるので、この充電時
間を経過して直流平滑コンデンサ５を初期充電した後、
初めて交流接触器８を投入することにある。このよう
に、本実施例によれば、交流電源１の電圧が変動して
も、直流平滑コンデンサ５には一定時間充電して適切な
初期充電をした後、交流接触器８を投入するので、直流
平滑コンデンサ５に流れる突入電流を最小にし、また、
過充電を抑制して、機器や素子の破壊を防ぐことがで
き、また、初期充電時間を一定にしているので、運転の
取扱上、運転開始時間のバラツキを最小限に抑えること
ができる。この結果、装置として小型化、コスト安が可
能となり、また、安全性の高い装置を提供することが可
能となる。
図２に示す投入論理装置１００に置き換えて電力変換装
置に設ける実施例である。図５において、投入論理装置
２００は、緩動時素手段１０５、論理回路１０３，１０
４から構成する。ここで、緩動時素手段１０５は、充電
開始指令がオンしてから所定時間Ｔが経過したとき、変
圧器２次巻線側交流接触器８を投入するＯＮ信号を出力
する機能を有する。なお、図６に、直流平滑コンデンサ
５の初期充電電圧を交流電源１の電圧の比例関係とした
場合の充電時間を示す。この場合、交流電源１の電圧が
変動しても、図示のように直流平滑コンデンサの初期充
電時間は一定である。電気車を最初に起動するとき、あ
るいは、惰行状態からカ行、回生状態に移るとき、直流
平滑コンデンサ５が充電されていない状態において、ま
ず、直流平滑コンデンサの初期充電に当たって、充電開
始指令Ｓを投入論理装置２００に与えると、論理手段１
０４の一方にＯＫ信号が入力されるが、他方に緩動時素
手段１０５からＯＮ信号が入力されないため、投入手段
８−１にはＯＫ信号が与えられず、交流接触器８を開
き、同時に、論理手段１０３を介して投入手段１７−１
にはＯＫ信号が与えられ、交流接触器１７を閉じる。交
流接触器１７が閉じると、変圧器１次巻線２から変圧器
３次巻線１５によって充電抵抗１８、変圧器２１、ダイ
オードブリッジ回路１９を通して、変圧器３次巻線電圧
により、変圧器２１で昇圧した電圧のルート２倍の電圧
まで直流平滑コンデンサ５を一定値に初期充電する。一
方、充電開始指令Ｓをオンした時点から図６に示す一定
時間Ｔが経過すると、緩動時素手段１０５からＯＮ信号
を出力し、論理手段１０４を介して投入手段８−１にＯ
Ｋ信号を与え、交流接触器８を投入する。一方、緩動時
素手段１０５のＯＮ信号は論理手段１０３の禁止端子に
与えられ、交流接触器１７を開く。すなわち、本実施例
の特徴は、直流平滑コンデンサ５の初期充電が終了し、
交流接触器８を投入しようとしたとき、交流電源１の電
圧が変動しても、この変動電圧に対応する直流平滑コン
デンサ５の初期充電時間は一定であるので、この充電時
間を経過して直流平滑コンデンサ５を初期充電した後、
初めて交流接触器８を投入することにある。このよう
に、本実施例によれば、交流電源１の電圧が変動して
も、直流平滑コンデンサ５には一定時間充電して適切な
初期充電をした後、交流接触器８を投入するので、直流
平滑コンデンサ５に流れる突入電流を最小にし、また、
過充電を抑制して、機器や素子の破壊を防ぐことがで
き、また、初期充電時間を一定にしているので、運転の
取扱上、運転開始時間のバラツキを最小限に抑えること
ができる。この結果、装置として小型化、コスト安が可
能となり、また、安全性の高い装置を提供することが可
能となる。
【００１３】以上、本発明の実施例として、図１に示す
初期充電回路を有する電力変換装置について説明した
が、図７に示す初期充電回路を有する電力変換装置に図
２、図３及び図５の投入論理手段を適用しても、同等の
動作と効果が得られる。また、図１０〜図１３に、初期
充電回路を有する電力変換装置を示す。これらの電力変
換装置に図２、図３、図４及び図５の投入論理手段を適
用しても、同等の動作と効果が得られる。図１０に示す
電力変換装置は、電気車の力行時及び回生時の動作は図
１と同様であり、初期充電回路を昇圧用変圧器２１と混
合ブリッジ回路１６から構成する。この初期充電回路に
よる初期充電は、混合ブリッジ回路１６のサイリスタの
点弧角を調整する回路（図示せず）を用い、サイリスタ
の点弧角を調整して徐々に電圧を発生させることによ
り、直流平滑コンデンサ５を充電する。ここで、サイリ
スタは回路を入切する機能を合わせ持つ。なお、この変
圧器２１の昇圧は、平滑コンデンサ５の初期充電電圧を
高くセットして、交流接触器８を閉じたときの突入電流
をできるだけ減らすために行なう。図１１に示す電力変
換装置は、電気車の力行時及び回生時の動作は図１と同
様であり、初期充電電圧回路を接触器１７、充電抵抗１
８及び電池など直流電源２０から構成する。この初期充
電回路による初期充電は、電池２０から接触器１７、充
電抵抗１８を通して直流平滑コンデンサ５を充電する。
図１２に示す電力変換装置は、図１の変圧器２次巻線
３、交流接触器８、ＰＷＭコンバータ４を２つ並列接続
し、それぞれを変圧器２次巻線３ａ，３ｂ、交流接触器
８ａ，８ｂ、ＰＷＭコンバータ４ａ，４ｂとしている。
これはＰＷＭコンバータの自己消弧形素子の電流容量の
関係によるものであり、初期充電回路の構成には影響し
ない。また、誘導電動機７は１台としているが、複数台
並列接続することもある。このような構成による電力変
換装置においても、電気車の力行時及び回生時の動作は
図１と同様である。初期充電電圧回路は、交流接触器１
７、充電抵抗１８、昇圧用変圧器２１及びダイオードブ
リッジ回路１９から構成する。この初期充電回路による
初期充電は、接触器１７、充電抵抗１８、昇圧用変圧器
２１を通してダイオードブリッジ回路１９により整流し
て、直流平滑コンデンサ５を充電する。図１３に示す電
力変換装置は、図１のＰＷＭコンバータ４、ＰＷＭイン
バータ６の代わりに３レベルＰＷＭコンバータ１３、３
レベルＰＷＭインバータ１４としたものである。このと
き直列平滑コンデンサは５ａ，５ｂのように２つのコン
デンサを直列接続したものになる。このような３レベル
ＰＷＭコンバータ１３、３レベルＰＷＭインバータ１４
からなる電力変換装置においても電気車の力行時及び回
生時の動作は図１と同様である。また、初期充電回路は
図１と同様に平滑コンデンサ５ａ，５ｂの両端に接続す
ればよく、初期充電回路の動作も図１と同じである。
初期充電回路を有する電力変換装置について説明した
が、図７に示す初期充電回路を有する電力変換装置に図
２、図３及び図５の投入論理手段を適用しても、同等の
動作と効果が得られる。また、図１０〜図１３に、初期
充電回路を有する電力変換装置を示す。これらの電力変
換装置に図２、図３、図４及び図５の投入論理手段を適
用しても、同等の動作と効果が得られる。図１０に示す
電力変換装置は、電気車の力行時及び回生時の動作は図
１と同様であり、初期充電回路を昇圧用変圧器２１と混
合ブリッジ回路１６から構成する。この初期充電回路に
よる初期充電は、混合ブリッジ回路１６のサイリスタの
点弧角を調整する回路（図示せず）を用い、サイリスタ
の点弧角を調整して徐々に電圧を発生させることによ
り、直流平滑コンデンサ５を充電する。ここで、サイリ
スタは回路を入切する機能を合わせ持つ。なお、この変
圧器２１の昇圧は、平滑コンデンサ５の初期充電電圧を
高くセットして、交流接触器８を閉じたときの突入電流
をできるだけ減らすために行なう。図１１に示す電力変
換装置は、電気車の力行時及び回生時の動作は図１と同
様であり、初期充電電圧回路を接触器１７、充電抵抗１
８及び電池など直流電源２０から構成する。この初期充
電回路による初期充電は、電池２０から接触器１７、充
電抵抗１８を通して直流平滑コンデンサ５を充電する。
図１２に示す電力変換装置は、図１の変圧器２次巻線
３、交流接触器８、ＰＷＭコンバータ４を２つ並列接続
し、それぞれを変圧器２次巻線３ａ，３ｂ、交流接触器
８ａ，８ｂ、ＰＷＭコンバータ４ａ，４ｂとしている。
これはＰＷＭコンバータの自己消弧形素子の電流容量の
関係によるものであり、初期充電回路の構成には影響し
ない。また、誘導電動機７は１台としているが、複数台
並列接続することもある。このような構成による電力変
換装置においても、電気車の力行時及び回生時の動作は
図１と同様である。初期充電電圧回路は、交流接触器１
７、充電抵抗１８、昇圧用変圧器２１及びダイオードブ
リッジ回路１９から構成する。この初期充電回路による
初期充電は、接触器１７、充電抵抗１８、昇圧用変圧器
２１を通してダイオードブリッジ回路１９により整流し
て、直流平滑コンデンサ５を充電する。図１３に示す電
力変換装置は、図１のＰＷＭコンバータ４、ＰＷＭイン
バータ６の代わりに３レベルＰＷＭコンバータ１３、３
レベルＰＷＭインバータ１４としたものである。このと
き直列平滑コンデンサは５ａ，５ｂのように２つのコン
デンサを直列接続したものになる。このような３レベル
ＰＷＭコンバータ１３、３レベルＰＷＭインバータ１４
からなる電力変換装置においても電気車の力行時及び回
生時の動作は図１と同様である。また、初期充電回路は
図１と同様に平滑コンデンサ５ａ，５ｂの両端に接続す
ればよく、初期充電回路の動作も図１と同じである。
【００１４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
電気車を駆動する架線の交流電源の電圧の変動に対応し
て、直流平滑コンデンサの初期充電電圧を調整すること
によって、直流平滑コンデンサには交流電源の電圧変動
に見合う適切な初期充電をした後、交流接触器を投入す
るので、直流平滑コンデンサに流れる突入電流を最小に
し、また、過充電を抑制して、機器や素子の破壊を防ぐ
ことができ、また、運転の取扱上、運転開始時間のバラ
ツキを最小限に抑えることができる。この結果、装置と
して小型化、コスト安が可能となり、また、安全性の高
い装置を提供することが可能となる。
電気車を駆動する架線の交流電源の電圧の変動に対応し
て、直流平滑コンデンサの初期充電電圧を調整すること
によって、直流平滑コンデンサには交流電源の電圧変動
に見合う適切な初期充電をした後、交流接触器を投入す
るので、直流平滑コンデンサに流れる突入電流を最小に
し、また、過充電を抑制して、機器や素子の破壊を防ぐ
ことができ、また、運転の取扱上、運転開始時間のバラ
ツキを最小限に抑えることができる。この結果、装置と
して小型化、コスト安が可能となり、また、安全性の高
い装置を提供することが可能となる。
【図１】本発明の一実施例を示す電力変換装置
【図２】本発明の投入論理装置の詳細ブロック図
【図３】本発明の投入論理装置の他の詳細ブロック図
【図４】本発明の投入論理装置の他の詳細ブロック図
【図５】本発明の他の実施例としての投入論理装置の詳
細ブロック図
細ブロック図
【図６】本発明の実施例に用いる交流電源電圧と直流平
滑コンデンサ初期充電電圧の関係を示す図
滑コンデンサ初期充電電圧の関係を示す図
【図７】交流電気車の電力変換器及び初期充電回路の構
成を示す図
成を示す図
【図８】交流電源電圧と直流平滑コンデンサ充電電圧及
び突入電流の関係を示す図
び突入電流の関係を示す図
【図９】交流電源電圧と直流平滑コンデンサ初期充電時
間の関係を示す図
間の関係を示す図
【図１０】交流電気車の電力変換器及び初期充電回路の
構成を示す図
構成を示す図
【図１１】交流電気車の電力変換器及び初期充電回路の
構成を示す図
構成を示す図
【図１２】交流電気車の電力変換器及び初期充電回路の
構成を示す図
構成を示す図
【図１３】交流電気車の電力変換器及び初期充電回路の
構成を示す図
構成を示す図
１ 交流電源 ２ 変圧器１次巻線 ３ 変圧器２次巻線 ４ ＰＷＭコンバータ ５ 直流平滑コンデンサ ６ ＰＷＭインバータ ７ 誘導電動機 ８、９、１７ 交流接触器 １５ 変圧器３次巻線 １００ 投入論理装置 １０１ 初期充電電圧設定手段 １０２ 比較論理手段 １０３，１０４ 論理手段 １０５ 緩動時素手段
フロントページの続き (72)発明者 小澤 寛之 茨城県ひたちなか市市毛1070番地 株式 会社日立製作所 水戸工場内 (56)参考文献 特開 平４−355673（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−17292（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−30746（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−76103（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−271204（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H02M 7/48 B60L 3/00 B60L 9/24
Claims (1)
- 【請求項１】 １次巻線が架線の交流電源に接続される
変圧器と、該変圧器の２次巻線に第一の接触器を介して
交流側が接続され、交流を直流に変換するＰＷＭコンバ
ータと、該コンバータの直流側に直流平滑コンデンサを
介して接続され、直流を交流に変換してその交流を電気
車駆動用交流電動機に供給するＰＷＭインバータとを備
えた電気車の電力変換装置において、 前記変圧器に設けられる前記２次巻線より低い電圧を出
力する３次巻線と、該３次巻線の出力に第二の接触器を
介して接続され、該３次巻線の出力電圧を昇圧する昇圧
トランスと、該昇圧トランスの昇圧側の出力を整流して
前記直流平滑コンデンサを充電する整流回路からなる初
期充電回路を備え、前記直流平滑コンデンサの初期充電
電圧値を前記交流電源電圧の変動に対応して変更設定す
る設定手段と、電気車のカ行始動の指令を受けて前記第
二の接触器の投入を許可する手段と、該投入により前記
直流平滑コンデンサの初期充電電圧が前記設定値に達し
たことを条件に前記第一の接触器の投入を許可する手段
を備えたことを特徴とする電気車の電力変換装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP33183494A JP3220924B2 (ja) | 1994-12-09 | 1994-12-09 | 電気車の電力変換装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP33183494A JP3220924B2 (ja) | 1994-12-09 | 1994-12-09 | 電気車の電力変換装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08168101A JPH08168101A (ja) | 1996-06-25 |
| JP3220924B2 true JP3220924B2 (ja) | 2001-10-22 |
Family
ID=18248172
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP33183494A Expired - Fee Related JP3220924B2 (ja) | 1994-12-09 | 1994-12-09 | 電気車の電力変換装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3220924B2 (ja) |
Families Citing this family (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE19827872B4 (de) * | 1998-06-23 | 2009-04-09 | Daimler Ag | Antriebsschaltung für ein Schienenfahrzeug |
| DE19930880A1 (de) * | 1999-07-05 | 2001-01-18 | Siemens Ag | Schaltungsanordnung |
| JP4839597B2 (ja) * | 2004-10-27 | 2011-12-21 | 富士電機株式会社 | 電力変換装置の初期充電装置 |
| DE102005006175A1 (de) * | 2005-02-10 | 2006-08-24 | Siemens Ag Österreich | Schaltnetzteil mit vom Betriebszustand des Leistungsteils unabhängiger Versorgung von Einrichtungen |
| WO2006112002A1 (ja) * | 2005-04-12 | 2006-10-26 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | 電気車制御装置 |
| JP2014222956A (ja) * | 2013-05-13 | 2014-11-27 | パナソニック株式会社 | パワーコンディショナ |
| DE112018007054T5 (de) | 2018-02-08 | 2020-10-15 | Mitsubishi Electric Corporation | Elektrischer Wechselstrom-Schienenfahrzeug-Regler |
-
1994
- 1994-12-09 JP JP33183494A patent/JP3220924B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH08168101A (ja) | 1996-06-25 |
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