JP3707237B2 - 電力回生インバータ装置 - Google Patents

電力回生インバータ装置 Download PDF

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【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電気車から回生される電力を電力系統に回生する電力回生インバータ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
図11に従来技術の実施例を示す。本図では、直流電車5へ電力を電力系統1から供給するための変圧器2、整流器3と直流電車5からの回生電力を電力系統1に回生する電力回生インバータ装置9による構成が記載されている。
電力系統1から直流電車5へ電力を供給する場合、電力系統1から変圧器2を介し整流器3で交流電力から直流電力へ変換し、き電線4を介して直流電車5に直流電力を供給している。直流電車5では図12のように記電線4から直流電力をパンタグラフ10、コンデンサ11を介して電力変換器12をインバータ動作させることでモータ13を駆動させる。また、直流電車5が減速する場合は、モータ13を発電動作させ、電力変換器12を整流器動作させてき電線4に電力を回生させる(回生ブレーキ)。ここで、直流電車5からの回生電力は他の直流電車に供給されることが多いが、他の直流電車が電力を必要としない場合は、この回生電力によって直流電圧が上昇することで回生ブレーキが失効するため、電力回生インバータ装置9で交流に変換し電力系統1に回生する。
【0003】
ここで、電力回生インバータ装置9はインバータ7、リアクトル6、変圧器8で構成されている。図13はインバータ7の構成例であり、この図では電圧型インバータで構成した場合を示している。図13のインバータ7はGTOやIGBTのような自己消弧型半導体素子15a〜15f、ダイオード16a〜16f、コンデンサ14で構成されている。また、整流器3はダイオードまたはサイリスタで構成されている。
【0004】
ここで、電圧型インバータの動作原理を図14に示す。電圧型インバータは位相と振幅を自由に制御できる電圧源Viとしてみなすことができ、電力系統1の電圧をVsとすると、ViとVsの関係は変圧器8の漏れインダクタンスXを介して(抵抗分は無視)接続される等価回路として表せる。図14(b)、(c)に示すベクトル図のように、Vsに対してViの振幅を変えることで無効電力の制御が可能となる。
【0005】
このように変圧器8は、図13に示したインバータ7の電圧を電力系統1の電圧に昇圧又は降圧するとともに、その漏れインダクタンスを用いて電力系統1に電力を回生する時の連系リアクトルとして用いられる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、図13に示すインバータで電力回生インバータ装置9を構成した場合、変圧器8は連系リアクトルとして必要であるが、変圧器8によって電力回生インバータ装置9全体の設置スペースが大きくなり、またコストが高くなるという問題があった。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記のような課題を解決するために、この発明では、電力回生インバータ装置の交流側を直接又はリアクトルあるいは単巻線変圧器を介してき電変電所の変圧器とダイオードまたはサイリスタからなる整流器との間に接続する。
【0008】
【発明の実施の形態】
第1の発明を示す実施例を図1に示す。図1では、電力系統1から変圧器2を介し、整流器3にて交流電力を直流電力に変換し、き電線4を介して直流電車5に電力を供給するき電変電所に、直流電車5からの回生電力を電力系統1に回生する電力回生インバータ装置9の交流側を直接き電変電所の変圧器2と整流器3の間に接続した構成を示している。
【0009】
直流電車5の回生電力によって、直流電圧Edは上昇し、電力系統1から整流器3への電力供給は無くなり、インバータ7は変圧器2の漏れインダクタンスを連系リアクトルとし、電力系統1に接続された回路となる。この回路において、電力系統1の電圧に対してインバータ7の出力電圧の位相、振幅を変えることで直流電車5からの回生電力を電力系統1に回生することができる。
【0010】
このように電力回生インバータ装置9のインバータ7の交流側を直接き電変電所の変圧器2と整流器3の間に接続することで、設置スペースが小さい、低コストな電力回生インバータ装置9を構成することができる。
第2の発明を示す実施例を図2に示す。図2では、電力系統1から変圧器2を介し、整流器3にて交流電力を直流電力に変換し、き電線4を介して直流電車5に電力を供給するき電変電所に、直流電車5からの回生電力を直流変換装置17を介して電力系統1に回生する電力回生インバータ装置9の交流側を直接き電変電所の変圧器2と整流器3の間に接続した構成を示している。
【0011】
本構成は、インバータ7の出力電圧が変圧器2と整流器3の間の電圧より低い場合に適用できる。
インバータ7は一般にPWM変調によって制御されることが多く、その出力電圧Viは、変調方式、直流電圧E、変調度a、インバータ構成により異なるが、正弦波変調、3相ブリッヂインバータの場合は数1のようになる。
【0012】
【数1】
【0013】
ここで、変圧器2と整流器3の間の電圧Vs=1200Vとし、数1においてEd=1650V、a=0.9とした場合、Vi909Vとなり、Vsより低くなるため変圧器2と整流器3との間にインバータ7は連系できない。このため
、直流電圧Edを直流変換装置17で昇圧させ、インバータ7を連系できるようにする。
【0014】
図3に直流変換装置17の構成例を示す。図3の直流変換装置17はコンデンサ18、リアクトル19、自己消弧型半導体素子20、ダイオード21で構成され、一般に昇圧チョッパと呼ばれている。
直流電車5の回生電力によって、直流電圧Edは上昇し、電力系統1から整流器3への電力供給は無くなり、電力回生インバータ装置9のインバータ7は変圧器2の漏れインダクタンスを連系リアクトルとし、電力系統1に接続された回路となる。この回路において、電力系統1の電圧に対してインバータ7の出力電圧の位相、振幅を変えることで直流電車5からの回生電力を電力系統1に回生することができる。
【0015】
このように電力回生インバータ装置9のインバータ7の交流側を直接き電変電所の変圧器2と整流器3との間に接続し、直流側に直流変換装置17を接続したことで、設置スペースが小さい、低コストな電力回生インバータ装置9を構成することができる。
第3の発明を示す実施例を図4に示す。図4では、電力系統1から3巻線変圧器22を介し、整流器23、24にて交流電力を直流電力に変換し、き電線4を介して直流電車5に電力を供給するき電変電所に、直流電車5からの回生電力を電力系統1に回生する電力回生インバータ装置9の交流側を直接き電変電所の3巻線変圧器22と整流器24との間に接続した構成を示している。ここで、電力回生インバータ装置9の交流側はき電変電所の3巻線変圧器22と整流器23との間に接続されている。
【0016】
本構成は、き電変電所の変圧器が3巻線変圧器22で構成された場合に適用できる。
直流電車5の回生電力によって、直流電圧Edは上昇し、電力系統1から整流器23、24への電力供給は無くなり、電力回生インバータ装置9のインバータ7は変圧器22の漏れインダクタンスを連系リアクトルとし、電力系統1に接続された回路となる。この回路において、電力系統1の電圧に対してインバータ7の出力電圧の位相、振幅を変えることで直流電車5からの回生電力を電力系統1に回生することができる。
【0017】
このように電力回生インバータ装置9のインバータ7の交流側を直接き変電所の3巻線変圧器22と整流器24(又は23)との間に接続したことで、設置スペースが小さい、低コストな電力回生インバータ装置9を構成することができる。
第4の発明を示す実施例を図5に示す。図5では、電力系統1から変圧器2を介し、整流器3にて交流電力を直流電力に変換し、き電線4を介して直流電車5に電力を供給するき電変電所に、直流電車5からの回生電力を電力系統1に回生する電力回生インバータ装置9の交流側をリアクトル25を介してき電変電所の変圧器2と整流器3との間に接続した構成を示している。
【0018】
本構成は、整流器3と電力回生インバータ装置9が同時に動作する時、整流器3の転流による線間短絡時に電力回生インバータ装置9からの過電流を抑制する場合に適用できる。
直流電車5の回生電力によって、直流電圧Edは上昇し、電力系統1から整流器3への電力供給は無くなり、インバータ7は変圧器2の漏れインダクタンスとリアクトル25を連系リアクトルとし、電力系統1に接続された回路となる。この回路において、電力系統1の電圧に対してインバータ7の出力電圧の位相、振幅を変えることで直流電車5からの回生電力を電力系統1に回生することができる。
【0019】
また、整流器3から直流電車5へ力行電力を供給している場合、電力回生インバータ装置9により整流器3の力率を補償することも考えられる。この場合、電力回生インバータ装置9の交流側を直接接続すると、整流器3の転流時に整流器3の線間が一瞬短絡されるモードにより、電力回生インバータ装置9から過大な電流が流れ、機器を破壊させることになる。このことから、リアクトル25を設置することで、整流器3の転流時の過電流を抑制することができる。
【0020】
このように電力回生インバータ装置9のインバータ7の交流側をリアクトル25を介して、き電変電所の変圧器2と整流器3との間に接続したことで、設置スペースが小さい、低コストな電力回生インバータ装置9を構成することができる。また、この電力回生インバータ装置9は整流器3の力率補償機能も有する。
第5の発明を示す実施例を図6に示す。図6では、電力系統1から変圧器2を介し、整流器3にて交流電力を直流電力に変換し、き電線4を介して直流電車5に電力を供給するき電変電所に、直流電車5からの回生電力を直流変換装置を介して電力系統1に回生する電力回生インバータ装置9の交流側をリアクトル25を介してき電変電所の変圧器2と整流器3との間に接続した構成を示している。
【0021】
本構成は、インバータ7の出力電圧が変圧器2と整流器3との間の電圧より低い場合、整流器3と電力回生インバータ装置9が同時に動作する時、整流器3の転流による線間短絡時に電力回生インバータ装置9からの過電流を抑制する場合に適用できる。
直流電車5の回生電力によって、直流電圧Edは上昇し、電力系統1から整流器3への電力供給は無くなり、インバータ7は変圧器2の漏れインダクタンスとリアクトル25を連系リアクトルとし、電力系統1に接続された回路となる。この回路において、電力系統1の電圧に対して、直流変換装置17で直流電圧Edを昇圧し、インバータ7の出力電圧の位相、振幅を変えることで直流電車5からの回生電力を電力系統1に回生することができる。
【0022】
また、整流器3から直流電車5へ力行電力を供給している場合、電力回生インバータ装置9により整流器3の力率を補償することも考えられる。この場合、電力回生インバータ装置9の交流側を直接接続すると、整流器3の転流時に整流器3の線間が一瞬短絡されるモードにより、電力回生インバータ装置9から過大な電流が流れ、機器を破壊させることになる。このことから、リアクトル25を設置することで、整流器3の転流時の過電流を抑制することができる。
【0023】
このように電力回生インバータ装置9のインバータ7の交流側をリアクトル25を介してき電変電所の変圧器2と整流器3との間に接続し、直流側に直流変換装置17を接続したことで、設置スペースが小さい、低コストな電力回生インバータ装置9を構成することができる。また、この電力回生インバータ装置9は整流器3の力率補償機能も有する。
【0024】
第6の発明を示す実施例を図7に示す。図7では、電力系統1から3巻線変圧器22を介し、整流器23、24にて交流電力を直流電力に変換し、き電線4を介して直流電車5に電力を供給するき電変電所に、直流電車5からの回生電力を電力系統1に回生する電力回生インバータ装置9の交流側をリアクトル25を介してき電変電所の3巻線変圧器22と整流器24との間に接続した構成を示している。ここで、電力回生インバータ装置9の交流側をき電変電所の3巻線変圧器22と整流器23との間に接続してもよい。
【0025】
本構成は、き電変電所の変圧器が3巻線変圧器22で構成された場合、整流器24(又は23)と電力回生インバータ装置9が同時に動作する時、整流器の転流による線間短絡時に電力回生インバータ装置9からの過電流を抑制する場合に適用できる。
直流電車5の回生電力によって、直流電圧Edは上昇し、電力系統1から整流器23、24への電力供給は無くなり、電力回生インバータ装置9のインバータ7は変圧器22の漏れインダクタンスとリアクトル25を連系リアクトルとし、電力系統1に接続された回路となる。この回路において、電力系統1の電圧に対してインバータ7の出力電圧の位相、振幅を変えることで直流電車5からの回生電力を電力系統1に回生することができる。
【0026】
また、整流器23、24から直流電車5へ力行電力を供給している場合、電力回生インバータ装置9により整流器24(又は23)の力率を補償することも考えられる。この場合、電力回生インバータ装置9の交流側を直接接続すると、整流器が転流する時に整流器23、24の線間が一瞬短絡されるモードにより、電力回生インバータ装置9から過大な電流が流れ、機器を破壊させることになる。このことから、リアクトル25を設置することで、整流器の転流時の過電流を抑制することができる。
【0027】
このように電力回生インバータ装置9のインバータ7の交流側をリアクトル25を介してき電変電所の3巻線変圧器22と整流器24(又は23)との間に接続したことで、設置スペースが小さい、低コストな電力回生インバータ装置9を構成することができる。また、この電力回生インバータ装置9は整流器24(又は23)の力率補償機能も有する。
【0028】
第7の発明を示す実施例を図8に示す。図8では、電力系統1から変圧器2を介し、整流器3にて交流電力を直流電力に変換し、き電線4を介して直流電車5に電力を供給するき電変電所に、直流電車5からの回生電力を電力系統1に回生する電力回生インバータ装置9の交流側を単巻線変圧器26を介してき電変電所の変圧器2と整流器3との間に接続した構成を示している。
【0029】
本構成は、インバータ7の出力電圧が変圧器2と整流器3との間の電圧より低い場合に適用できる。
直流電車5の回生電力によって、直流電圧Edは上昇し、電力系統1から整流器3への電力供給は無くなり、インバータ7は単巻線変圧器26と変圧器2の漏れインダクタンスを連系リアクトルとし、電力系統1に接続された回路となる。この回路において、電力系統1の電圧に対してインバータ7の出力電圧の位相、振幅を変えることで直流電車5からの回生電力を電力系統1に回生することができる。単巻線変圧器26の結線例を図9に示す。
【0030】
このように電力回生インバータ装置9のインバータ7の交流側を単巻線変圧器26を介してき電変電所の変圧器2と整流器3との間に接続したことで、設置スペースが小さい、低コストな電力回生インバータ装置9を構成することができる。
第8の発明を示す実施例を図10に示す。図10では、電力系統1から変圧器2を介し、整流器3にて交流電力を直流電力に変換し、き電線4を介して直流電車5に電力を供給するき電変電所に、直流電車5からの回生電力を電力系統1に回生する電力回生インバータ装置9の交流側を単巻線変圧器26、リアクトル25を介してき電変電所の変圧器2と整流器3との間に接続した構成を示している。
【0031】
本構成は、インバータ7の出力電圧が変圧器2と整流器3との間の電圧より低い場合、整流器3と電力回生インバータ装置9が同時に動作する時、整流器3の転流による線間短絡時に電力回生インバータ装置9からの過電流を抑制する場合に適用できる。
直流電車5の回生電力によって、直流電圧Edは上昇し、電力系統1から整流器3への電力供給は無くなり、インバータ7は単巻線変圧器26と変圧器2の漏れインダクタンス、リアクトル25を連系リアクトルとし、電力系統1に接続された回路となる。この回路において、電力系統1の電圧に対してインバータ7の出力電圧の位相、振幅を変えることで直流電車5からの回生電力を電力系統1に回生することができる。
【0032】
また、整流器3から直流電車5へ力行電力を供給している場合、電力回生インバータ装置9により整流器3の力率を補償することも考えられる。この場合、電力回生インバータ装置9の交流側を単巻線変圧器26を介して接続すると、この単巻線変圧器26の漏れインダクタンスによって、整流器3の転流時による電力回生インバータ装置9からの過大な電流を抑制できると考えられる。しかし、単巻線変圧器26の漏れインダクタンスだけでは抑制効果が充分得られない場合は、電力回生インバータ装置9から過大な電流が流れ、機器を破壊させることになる。このことから、リアクトル25を設置することで、整流器3の転流時の過電流を抑制することができる。
【0033】
このように電力回生インバータ装置9のインバータ7の交流側をリアクトル25、単巻線変圧器26を介してき電変電所の変圧器2と整流器3との間に接続したことで、設置スペースが小さい、低コストな電力回生インバータ装置9を構成することができる。また、この電力回生インバータ装置9は整流器3の力率補償機能も有する。
【0034】
【発明の効果】
電力回生インバータ装置の交流側を直接、又はリアクトルあるいは単巻線変圧器を介してき電変電所の変圧器と整流器の間に接続することで設置スペースが小さく、低コストな電力回生インバータ装置を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の発明の実施例を示す構成図である。
【図2】第2の発明の実施例を示す構成図である。
【図3】直流変換装置の構成図である。
【図4】第3の発明の実施例を示す構成図である。
【図5】第4の発明の実施例を示す構成図である。
【図6】第5の発明の実施例を示す構成図である。
【図7】第6の発明の実施例を示す構成図である。
【図8】第7の発明の実施例を示す構成図である。
【図9】単巻線変圧器の結線例を示す図である。
【図10】第8の発明の実施例を示す構成図である。
【図11】従来技術を示す構成図である。
【図12】直流電車の構成例を示す図である。
【図13】インバータの構成例を示す図である。
【図14】インバータの動作原理を示す図である。
【符号の説明】
1…電力系統、2…変圧器、3…整流器、4…き電線、5…直流電車、6…リアクトル、7…インバータ、8…変圧器、9…電力回生インバータ装置、10…パンタグラフ、11…コンデンサ、12…電力変換器、13…モータ、14…コンデンサ、15a〜15f…自己消弧型半導体素子、16a〜16f…ダイオード、17…直流変換装置、18…コンデンサ、19…リアクトル、20…自己消弧型半導体素子、21…ダイオード、22…3巻線変圧器、23…整流器、24…整流器、25…リアクトル、26…単巻線変圧器

Claims (8)

  1. 電力系統から電気車へ電力を供給するために変圧器、ダイオードまたはサイリスタからなる整流器で構成されたき電変電所に設置され、電気車からの回生電力を電力系統に回生するためのインバータ装置の交流側を直接き電変電所の変圧器と整流器との間に接続することを特徴とした電力回生インバータ装置。
  2. 電力系統から電気車へ電力を供給するために変圧器、ダイオードまたはサイリスタからなる整流器で構成されたき電変電所に設置され、電気車からの回生電力を電力系統に回生するインバータ装置の直流側に直流変換装置を接続し、交流側を直接き電変電所の変圧器と整流器との間に接続することを特徴とした電力回生インバータ装置。
  3. 電力系統から電気車へ電力を供給するために3巻変圧器、ダイオードまたはサイリスタからなる整流器で構成されたき電変電所に設置され、電気車からの回生電力を電力系統に回生するインバータ装置の交流側を直接き電変電所の3巻変圧器と整流器との間に接続することを特徴とした電力回生インバータ装置。
  4. 電力系統から電気車へ電力を供給するために変圧器、ダイオードまたはサイリスタからなる整流器で構成されたき電変電所に設置され、電気車からの回生電力を電力系統に回生するインバータ装置の交流側をリアクトルを介してき電変電所の変圧器と整流器との間に接続することを特徴とした電力回生インバータ装置。
  5. 電力系統から電気車へ電力を供給するために変圧器、ダイオードまたはサイリスタからなる整流器で構成されたき電変電所に設置され、電気車からの回生電力を電力系統に回生するインバータ装置の直流側に直流変換装置を接続し、交流側をリアクトルを介してき電変電所の変圧器と整流器との間に接続することを特徴とした電力回生インバータ装置。
  6. 電力系統から電気車へ電力を供給するために3巻変圧器、ダイオードまたはサイリスタからなる整流器で構成されたき電変電所に設置され、電気車からの回生電力を電力系統に回生するインバータ装置の交流側をリアクトルを介してき電変電所の3巻変圧器と整流器との間に接続することを特徴とした電力回生インバータ装置。
  7. 電力系統から電気車へ電力を供給するために変圧器、ダイオードまたはサイリスタからなる整流器で構成されたき電変電所に設置され、電気車からの回生電力を電力系統に回生するインバータ装置の交流側を単巻線変圧器を介してき電変電所の変圧器と整流器との間に接続することを特徴とした電力回生インバータ装置。
  8. 電力系統から電気車へ電力を供給するために変圧器、ダイオードまたはサイリスタからなる整流器で構成されたき電変電所に設置され、電気車からの回生電力を電力系統に回生するインバータ装置の交流側を単巻線変圧器、リアクトルを介してき電変電所の変圧器と整流器との間に接続することを特徴とした電力回生インバータ装置。
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