JP3407159B2 - 直流式電気鉄道の回生用インバータ装置 - Google Patents

直流式電気鉄道の回生用インバータ装置

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JP3407159B2 JP28574394A JP28574394A JP3407159B2 JP 3407159 B2 JP3407159 B2 JP 3407159B2 JP 28574394 A JP28574394 A JP 28574394A JP 28574394 A JP28574394 A JP 28574394A JP 3407159 B2 JP3407159 B2 JP 3407159B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、直流式電気鉄道用変電
所に設置される回生用サイリスタインバータの循環電流
を低減せしめた回生用インバータ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】一般に直流式電気鉄道における回生用イ
ンバータは、図5に示すような電流−電圧特性を有して
いる。従来、き電線下の電気車が回生ブレーキをかけな
い時は絶えず回生用インバータと整流器(シリコンダイ
オード又はサイリスタ)の間に循環電流を流している。
この循環電流は30A〜200A程度である。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】前記循環電流を流す理
由は次のとおりである。列車が回生ブレーキをかける
と、他に力行車がない場合、き電線電圧が急激に上昇す
る。回生用のインバータが停止している状態からこの回
生車のエネルギーを吸収するには、制御の問題が出て来
て、スムーズに吸収することが出来なくなる。
【0004】即ち停止状態から定常の運転状態へ移るの
に時間がかかり、この立ち上がりのところで回生車のエ
ネルギーを吸収しきれずに、き電線は高い電圧に上昇し
てしまう。そしてついには車両側の電圧の上限値を越え
てしまい、車両側の過電圧保護装置が動作してしまう。
【0005】この理由からインバータへ絶えず整流器か
ら電流を流して、運転状態にしておいて、回生車の回生
エネルギーを瞬時に吸収できるようにしておく必要があ
る。しかしながらこの循環電流はインバータ→整流器→
インバータのように還流するため、常時ロスが発生す
る。特に循環電流は30A〜200Aと、非常に大きい
ため、大きなロスが発生して電力料金が増加しランニグ
コストが増大てしまう。
【0006】本発明は上記の点に鑑みてなされたもので
その目的は、回生時の応答速度を遅くすることなく、且
つ循環電流を減少させランニグコストの低減を図った直
流式電気鉄道の回生用インバータ装置を提供することに
ある。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は、交流電源の電
力を直流変換してき電線に供給する順電力変換器と、前
記き電線下の電気車が発生する回生エネルギーを交流変
換して回生する回生用インバータとを備えた直流式電気
鉄道の回生用インバータ装置において、(1)前記回生
用インバータの直流側とき電線を結ぶ電路に介挿された
直流リアクトルと、前記直流リアクトルのインバータ側
端とレールを結ぶ電路に介挿された第1半導体スイッチ
および第1抑制抵抗から成る第1直列回路と、前記直流
リアクトルのき電線側端とレールを結ぶ電路に介挿され
た第2半導体スイッチおよび第2抑制抵抗から成る第2
直列回路と、常時は回生用インバータの直流設定電圧を
高くして該インバータを待機せしめ、き電線電圧が所定
値以上になったときに前記第1および第2半導体スイッ
チをオン制御するとともに、回生用インバータの直流設
定電圧を低くし、回生用インバータの電流が所定値以上
になったときに前記第1および第2半導体スイッチをオ
フ制御する制御部とを備えたことを特徴とし、(2)前
記第1および第2半導体スイッチはゲートターンオフサ
イリスタで構成されていることを特徴としている。
【0008】
【作用】回生車両の存在しない常時は、回生用インバー
タの直流電圧は高く設定されているので、順電力変換
器、例えば整流器と回生用インバータ間には循環電流は
流れない。これによって常時発生する損失は低減され
る。電気車が回生動作を行いき電線電圧が上昇すると、
第1、第2半導体スイッチのオンにより、回生エネルギ
ーは第1、第2抑制抵抗によって消費される。また回生
用インバータの直流設定電圧が低く設定されることによ
り該インバータが動作し、回生エネルギーは回生され
る。このため制御の応答が遅れることはなく、き電線電
圧の上昇は抑制される。
【0009】
【実施例】以下図面を参照しながら本発明の一実施例を
説明する。図1は主回路構成を示しており、1は交流電
源の交流電力を直流電力に変換してき電線下の電気車
(図示省略)に供給する整流器である。2は前記電気車
の回生運転時の回生エネルギーを交流電力に変換して交
流電源側へ回生する回生用インバータである。整流器1
と回生用インバータ2の正極端どうしを結ぶ電路には、
直流高速度遮断器3(HSCB)および直流リアクトル
4(DCX)が直列に介挿されている。整流器1と回生
用インバータ2の負極端はレール(図示省略)に接続さ
れている。
【0010】直流リアクトル4の回生用インバータ2側
端とレールを結ぶ電路には、GTOスイッチ5(GTO
SW1)および抵抗6(R1)が直列に介挿されてい
る。直流リアクトル4の直流高速度遮断器3側端とレー
ルを結ぶ電路には、GTOスイッチ7(GTOSW2)
および抵抗8(R2)が直列に介挿されている。
【0011】上記のように構成された装置において、通
常はGTOスイッチ5、7はオフとし、回生用インバー
タ2を高い電圧で待機させ、整流器1−回生用インバー
タ2間の循環電流を小さく、又は零にしておく。回生車
が入ると、き電線電圧が上昇するので、GTOスイッチ
5、7をオンし、同時に回生用インバータ2の直流電圧
を下げる。これにより回生車のエネルギーはGTOスイ
ッチ7を通し、次にGTOスイッチ5を通して抵抗6、
8で消費される。GTOスイッチ5がオンして直流リア
クトル4に電流が流れ、直流電流が断続状態から完全に
つながると、回生用インバータ2に電流が流れ始める。
【0012】尚直流電流が小さいと、直流リアクトル4
のインダクタンスにより電流が断続状態となる。元々の
電圧波形は図2(a)のようになっており、直流リアク
トル4のため図2(b)のような電流状態になってい
る。したがって図2(a)のxの値が大きくなれば直流
電流は完全につながる。
【0013】回生用インバータ2に電流が流れ始めた
ら、GTOスイッチを、GTOスイッチ7、GTOスイ
ッチ5の順にオフする。以上のような制御により常時の
電力損失は低減されるとともに、回生動作時は即座に応
答することができる。
【0014】次に図1の装置の具体的な制御回路を図3
とともに説明する。図3において図1と同一部分は同一
符号をもって示し、整流器1および直流高速度遮断器3
は図示省略している。
【0015】図3において11〜14は電圧検出用の分
圧抵抗、15,16は電流検出用の変流器、17,18
は絶縁アンプである。19は回生用インバータ2に限界
電流以上の電流を流さない垂下特性を持たせるための垂
下設定器、20はつき合わせ回路、21はコンパレータ
である。22は回生用インバータ2の回生動作時の電圧
を設定する電圧設定器(VR1)、23は回生用インバ
ータ2の設定電圧を上げて常時待機状態にさせるための
循環電流設定器(VR2)、24は後述するオフディレ
ータイマー40によりオン、オフ制御されるアナログス
イッチである。25は前記絶縁アンプ17、コンパレー
タ21、電圧設定器22およびアナログスイッチ24の
各出力が入力されるつき合わせ回路である。つき合わせ
回路25の出力はVアンプ26および位相制御回路27
を介して回生用インバータ2にゲート信号として供給さ
れる。
【0016】28は前記変流器16と電流設定器29の
出力が入力されるつき合わせ回路、30はコンパレータ
である。31は電流増加時にセット、電圧上昇時にリセ
ットされ、その出力信号をゲートオフ信号として前記G
TOスイッチ5,7に供給するフリップフロップ(FF
1)である。32はGTOスイッチ5,7のオフを所定
時間遅らせるオンディレータイマー(T0)である。
【0017】33は回生動作に切り換えるときの電圧を
設定する電圧設定器(VR3)、34は前記絶縁アンプ
18と電圧設定器33の出力が入力されるつき合わせ回
路、35はコンパレータである。コンパレータ35の出
力はゲートオン信号としてGTOスイッチ5,7に供給
されるとともに、リセット信号としてフリップフロップ
31および後述するフリップフロップ39に供給され
る。
【0018】36は電流設定器、37は前記変流器16
と電流設定器36の出力が入力されるつき合わせ回路、
38はコンパレータである。39は、電流が微小となっ
たときにコンパレータ38の出力によりセットされ、電
圧が上昇したときにコンパレータ35の出力によりリセ
ットされるフリップフロップである。40はフリップフ
ロップ39の出力が絞り信号として入力され、該信号を
所定時間遅らせてアナログスイッチ24に供給するオフ
ディレータイマー(T1)である。
【0019】次に上記のように構成された回路の動作を
図4のタイムチャートとともに述べる。 (1)まず時刻t1以前において、回生車両が存在しな
い通常時はGTOスイッチ5,7はオフとなっている。
またインバータ電流が零または微小であるためフリップ
フロップ39はセットされており、アナログスイッチ2
4はオン制御されている。このためつき合わせ回路25
には循環電流設定器23の設定上げ指令が入っており、
回生用インバータ2の出力電圧は高くなっている。これ
によって図示しない整流器と回生用インバータ2間に循
環電流は流れない。
【0020】(2)次に回生車の回生動作により、き電
線電圧が上昇し、時刻t1においてき電線電圧検出値が
電圧設定器33の設定値を超えたとする。すると、コン
パレータ35の出力によりGTOスイッチ5,7は即座
にオン制御される。このため直流リアクトル4、抵抗
6,8に電流が流れ、回生エネルギーは消費される。ま
たコンパレータ35の出力によりフリップフロップ39
がリセットされるためアナログスイッチ24はオフ制御
される。このため循環電流設定器23が切り離されるの
で、回生用インバータ2の出力電圧は、電圧設定器22
の設定電圧によって前記よりも低い電圧に制御される。
これによって回生車のエネルギーが回生される。
【0021】(3)次に直流リアクトル4の電流が確立
される時刻t2から回生用インバータ2に電流が流れ始
める。前記インバータ電流が増加すると、時刻t2又は
2直後にコンパレータ30の出力によってフリップフ
ロップ31がセットされ、オンディレータイマー32の
遅延時間後の時刻t3においてGTOスイッチ7が先に
オフ制御され、さらにタイマー遅延後の時刻t4におい
てGTOスイッチ5がオフ制御される。
【0022】(4)次に時刻t5において、き電線に回
生車両が存在しなくなると、き電線電圧が下がるととも
に、回生用インバータ2の電流が減少し、時刻t6にお
いてコンパレータ38の出力によりフリップフロップ3
9がセットされる。するとオフディレータイマー40の
遅延時間後の時刻t7においてアナログスイッチ24が
オン制御され、循環電流設定器23の設定上げ指令がつ
き合わせ回路25に入力される。このため前記(1)の
場合と同様に回生用インバータ2の出力電圧は高く制御
され、これによって前記循環電流は流れない。
【0023】尚前記半導体スイッチは、GTOスイッチ
5,7に限らず自己消弧型の他の半導体スイッチを用い
ても良い。
【0024】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、回生用イ
ンバータの直流側とき電線を結ぶ電路に介挿された直流
リアクトルと、前記直流リアクトルのインバータ側端と
レールを結ぶ電路に介挿された第1半導体スイッチおよ
び第1抑制抵抗から成る第1直列回路と、前記直流リア
クトルのき電線側端とレールを結ぶ電路に介挿された第
2半導体スイッチおよび第2抑制抵抗から成る第2直列
回路と、常時は回生用インバータの直流設定電圧を高く
して該インバータを待機せしめ、き電線電圧が所定値以
上になったときに前記第1および第2半導体スイッチを
オン制御するとともに、回生用インバータの直流設定電
圧を低くし、回生用インバータの電流が所定値以上にな
ったときに前記第1および第2半導体スイッチをオフ制
御する制御部とを備えたので、次のような優れた効果が
得られる。
【0025】すなわち、大きな循環電流を流す必要はな
く、常時の損失は著しく低減され、これに伴って電力料
金、ランニングコストを下げることができる。しかも回
生用インバータの制御応答速度が早いので、回生車の回
生エネルギーを即座に吸収することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示す主回路構成図。
【図2】本発明の一実施例の回路中の直流電流を説明す
るための電流波形図。
【図3】本発明の一実施例の詳細を示す回路図。
【図4】図3の回路の動作を説明するためのタイムチャ
ート。
【図5】直流式電気鉄道における回生用インバータの特
性図。
【符号の説明】
1…整流器 2…回生用インバータ 3…直流高速度遮断器 4…直流リアクトル 5,7…GTOスイッチ 6,8…抵抗 19…垂下設定器 20,25,28,34,37…つき合わせ回路 21,30,35,38…コンパレータ 22,33…電圧設定器 23…循環電流設定器 24…アナログスイッチ 31,39…フリップフロップ 32…オンディレータイマー 40…オフディレータイマー
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B60M 3/02 H02M 7/155

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 交流電源の電力を直流変換してき電線に
    供給する順電力変換器と、前記き電線下の電気車が発生
    する回生エネルギーを交流変換して回生する回生用イン
    バータとを備えた直流式電気鉄道の回生用インバータ装
    置において、 前記回生用インバータの直流側とき電線を結ぶ電路に介
    挿された直流リアクトルと、前記直流リアクトルのイン
    バータ側端とレールを結ぶ電路に介挿された第1半導体
    スイッチおよび第1抑制抵抗から成る第1直列回路と、
    前記直流リアクトルのき電線側端とレールを結ぶ電路に
    介挿された第2半導体スイッチおよび第2抑制抵抗から
    成る第2直列回路と、常時は回生用インバータの直流設
    定電圧を高くして該インバータを待機せしめ、き電線電
    圧が所定値以上になったときに前記第1および第2半導
    体スイッチをオン制御するとともに、回生用インバータ
    の直流設定電圧を低くし、回生用インバータの電流が所
    定値以上になったときに前記第1および第2半導体スイ
    ッチをオフ制御する制御部とを備えたことを特徴とする
    直流式電気鉄道の回生用インバータ装置。
  2. 【請求項2】 前記第1および第2半導体スイッチはゲ
    ートターンオフサイリスタで構成されていることを特徴
    とする請求項1に記載の直流式電気鉄道の回生用インバ
    ータ装置。
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