JP5760761B2 - 直流き電電源の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、直流電気車に給電する直流き電電源の制御装置に係り、特に回生インバータを並列接続したコンバータ（順変換器）の出力電圧制御に関する。

図４は、直流き電電源の主回路を示す。サイリスタ整流器１は、図示省略する交流電源から変圧器２を介して導かれる交流電力をサイリスタの位相制御で電圧を制御した直流電力に変換するコンバータであり、この直流出力がき電線（架線）を介して負荷となる電気車３に供給される。回生インバータ４は、電気車３が回生運転時に発生する回生電力をＩＧＢＴ等の自己消弧型素子のオン・オフ制御で交流電力に変換し、この交流電力を変圧器５を介して図示省略する交流電源に回生する。この変換に際し、回生インバータ４は、電圧・周波数・位相を回生側の交流電源と一致させる同期制御を行う。６は電気車３からの回生電力を回生インバータ４の直流側に導入するダイオードであり、そのアノードをき電線側に接続し、カソードを回生インバータ側に接続する。７はダイオード６のカソード側で回生電流を検出する電流検出器、８はき電線側でき電電圧を検出する電圧検出器である（例えば、特許文献１参照）。

この直流き電電源によるき電電圧制御を説明する。サイリスタ整流器１は、予め設定された一定電圧Ｖｄ１を目標値としてき電線電圧との偏差を比例積分（ＰＩ）演算して電圧一定制御（ＡＶＲ）を行い、この電圧Ｖｄ１を制御出力電圧としてき電線を通して電気車３に電力を供給する。回生インバータ４は、電気車３がブレーキをかけた際の回生エネルギーによって、き電線電圧がき電線制御電圧Ｖｄ１よりも高く、過電圧検出レベルよりも少し低い電圧Ｖｄ２を超過したときに回生動作を開始し、き電線電圧を電圧Ｖｄ２近辺に抑制できるよう電圧制御（ＡＶＲ）をする（例えば、特許文献２参照）。

特開昭５９−５０８２６号公報 特開昭６１−９４８３３号公報

図４において、サイリスタ整流器（コンバータ）１は、き電電圧が設定電圧Ｖｄ１よりも低下しないように出力電圧を制御し、電気車３に直流き電する。回生インバータ４は、常時は運転を停止した待機状態にしておき、電気車３がブレーキをかけた際の回生エネルギーによりき電線電圧が上昇して設定電圧Ｖｄ２を超過したときにき電線電圧が該設定電圧Ｖｄ２を超えないよう回生制御する。

この回生制御中、き電線電圧は設定電圧Ｖｄ２近辺に制御されるが、サイリスタ整流器１は電圧Ｖｄ２よりも低い設定電圧Ｖｄ１にＡＶＲ制御されるため、サイリスタ整流器１のＡＶＲ制御電圧はき電線電圧がＶｄ１になるように制御量を最小限（下限リミッタ値）に絞り込んだＰＩ制御状態に保持されている。そのため、電気車３の回生動作が終わり、サイリスタ整流器１から給電する状態になったときのＡＶＲ機能の応答遅れにより、サイリスタ整流器１の電圧制御出力が最も低い状態から目標電圧Ｖｄ１を確立するまでの遅れが生じ、電気車が回生運転終了から短時間で力行運転に移行するときは力行運転開始時のき電線電圧不足で加速応答性が悪い場合が生じる。

このような不都合を無くすため、特許文献３（特開昭５５−３１８０号公報）では、回生インバータ４の回生動作開始電圧Ｖｄ２を、サイリスタ整流器（コンバータ）１の制御電圧Ｖｄ１よりも若干低く設定しておき、無負荷の状態（小電流の領域）でサイリスタ整流器１から回生インバータ４に循環電流を流しておくことを提案している。この方式によれば、サイリスタ整流器１の出力電圧は電気車の回生動作中も電圧Ｖｄ１に近い値に保持されており、回生動作終了時にはサイリスタ整流器１の出力が電圧Ｖｄ１に近い値から応答性よく、給電を再開することができる。

しかし、無負荷状態においても、サイリスタ整流器１から回生インバータ４に循環電流が流れ続け、この循環電流によるスイッチング素子等での損失が発生するという問題がある。

本発明の目的は、循環電流による電力損失を無くし、しかも回生動作終了時には安定して応答性よく給電できる直流き電電源の制御装置を提供することにある。

本発明は、前記の課題を解決するため、回生インバータの回生動作中または回生運転が予想されるときには、順変換器の出力電圧指令値Ｖｄ１を回生開始電圧Ｖｄ２に切換えておく切換制御手段、または順変換器の出力電圧指令値Ｖｄ１と比較する出力電圧検出値をき電線電圧検出値から出力電圧指令値Ｖｄ１よりも低くそれに近い電圧Ｖｄ１’に切り換えておく切換制御手段を備えたもので、以下の構成を特徴とする。

（１）交流電力から出力電圧指令値Ｖｄ１に一致する電圧に制御した直流電力をき電線を介して電気車に給電する順変換器と、
前記順変換器とは直流側で並列接続され、電気車の回生運転時に発生する回生電力でき電線電圧が前記出力電圧指令値Ｖｄ１よりも高い回生開始電圧Ｖｄ２を超えたときに該回生電力を交流電力に変換して交流電源側に回生する回生インバータを備えた直流き電電源において、
前記回生インバータの回生動作中または回生運転が予想されるときには、前記順変換器の出力電圧指令値Ｖｄ１を回生開始電圧Ｖｄ２に切換えておく切換制御手段を備えたことを特徴とする。

（２）交流電力から出力電圧指令値Ｖｄ１に一致する電圧に制御した直流電力をき電線を介して電気車に給電する順変換器と、
前記順変換器とは直流側で並列接続され、電気車の回生運転時に発生する回生電力でき電線電圧が前記出力電圧指令値Ｖｄ１よりも高い回生開始電圧Ｖｄ２を超えたときに該回生電力を交流電力に変換して交流電源側に回生する回生インバータを備えた直流き電電源において、
前記回生インバータの回生動作中または回生運転が予想されるときには、前記順変換器の出力電圧指令値Ｖｄ１と比較する出力電圧検出値をき電線電圧検出値から出力電圧指令値Ｖｄ１よりも低くそれに近い電圧Ｖｄ１’に切り換えておく切換制御手段を備えたことを特徴とする。

以上のとおり、本発明によれば、回生インバータの回生動作中または回生運転が予想されるときには、順変換器の出力電圧指令値Ｖｄ１を回生開始電圧Ｖｄ２に切換えておくこと、または順変換器の出力電圧指令値Ｖｄ１と比較する出力電圧検出値をき電線電圧検出値から出力電圧指令値Ｖｄ１よりも低くそれに近い電圧Ｖｄ１’に切り換えておくこととしたため、順変換器から回生インバータへの循環電流による電力損失を無くし、しかも回生動作終了時には安定して応答性よく給電できる。

実施形態１の直流き電電源の要部回路図。 実施形態１の切換制御における電圧−電流特性図。 実施形態２の直流き電電源の要部回路図。 直流き電電源の主回路図。

（実施形態１）
図１は、本実施形態を示す直流き電電源の要部回路図であり、図４と同等の回路は同一符号で示す。

回生インバータ４の制御回路は、回生動作開始電圧Ｖｄ２が設定され、この電圧Ｖｄ２と電圧検出器８で検出するき電線電圧との偏差を電圧制御器１１で比例積分（ＰＩ）演算し、この演算結果でＰＷＭ制御部１２のＰＷＭパルス出力（周波数、位相が同期）のパルス幅を制御し、電気車３からの回生電力でき電線電圧が電圧Ｖｄ２を超えた場合に回生動作を開始し、交流電源側に回生する。

サイリスタ整流器１の制御回路は、切換スイッチ２１で切換えられる電圧Ｖｄ１またはＶｄ２が目標値として設定され、この電圧と電圧検出器８で検出するき電線電圧との偏差を電圧制御器２２で比例積分（ＰＩ）演算し、この演算結果を位相制御器２３の位相制御指令とすることでサイリスタ整流器１のサイリスタの点弧位相を制御し、き電線電圧が電圧Ｖｄ１以下またはＶｄ２以下になるときにそれぞれ電圧Ｖｄ１またはＶｄ２まで高める。

電圧切換制御部２４は、切換スイッチ２１の出力を電圧Ｖｄ１またはＶｄ２に切換制御し、このときの切換条件は回生電流検出器７で検出する回生電流値または電圧検出器８で検出するき電線電圧で決める。この切換条件は、回生電流を基にした切換条件（Ａ）とき電線電圧を基にした切換条件（Ｂ）とされる。

切換条件（Ａ）は、回生動作中を切換条件とし、回生電流ゼロでは切換スイッチ２１の出力を電圧Ｖｄ２→電圧Ｖｄ１に切換え、き電線電圧が上昇して回生電流が発生したときに切換スイッチ２１の出力を電圧Ｖｄ１→電圧Ｖｄ２に切換える。

切換え条件（Ｂ）は、回生運転が予想される場合を切換条件とし、き電線電圧がＶｄ２以下でＶｄ１以上の所定の電圧値Ｖｄ３以下になったときに切換スイッチ２１の出力を電圧Ｖｄ２→電圧Ｖｄ１に切換え、き電線電圧が電圧値Ｖｄ３を超えたときに切換スイッチ２１の出力を電圧Ｖｄ１→電圧Ｖｄ２に切換える。

図２は、図１に示すサイリスタ整流器の切換制御における電圧−電流特性図である。図１における電圧Ｖｄ１は無負荷または電気車の力行運転におけるサイリスタ整流器１の出力電圧指令値であり、電圧Ｖｄ２は回生インバータ４の回生運転開始時の電圧であり、Ｖｄ１＜Ｖｄ２に設定される。電圧切換制御部２４は、例えば前記の条件（Ａ）が設定され、回生電流がゼロか有りの違いで電圧Ｖｄ１とＶｄ２を切換える。

この条件（Ａ）によるき電線電圧制御は、無負荷または電気車３が力行運転時にはサイリスタ整流器１は電圧Ｖｄ１を電圧指令値として出力電圧がＶｄ１に維持されるよう制御し続ける。そして、電気車３が回生運転に入り、電気車３からの回生でき電線電圧がＶｄ２まで上昇したとき、回生インバータ４が回生動作を開始し、回生電流を交流電源側に供給する。

この回生電流の発生で、切換制御部２４は、切換スイッチ２１を電圧Ｖｄ２側に切換え、サイリスタ整流器１の出力電圧をＶｄ２に制御する。この制御状態では回生インバータ４が回生動作する電圧Ｖｄ２と同じ、または一定電圧（例えば１０Ｖ）だけ低い値とすることで、サイリスタ整流器１の出力電圧制御は電圧Ｖｄ２未満、または電圧制御器（ＡＶＲ）２２に設定される上限リミッタ値に制限され、サイリスタ整流器１から回生インバータ４側への循環電流が流れることはなく、循環電流による電力損失も発生しない。

次に、電気車３の回生運転が終了または無負荷状態になり、き電線電圧がＶｄ２から低下したとき、回生電流がゼロになることで、切換制御部２４は電圧指令をＶｄ２からＶｄ１に切換える。この切換えにより、サイリスタ整流器１の出力電圧制御はＶｄ２からＶｄ１に向かって降下する。このとき、電圧制御器２２等の制御遅れによって、サイリスタ整流器１の出力電圧はＶｄ１よりも低い値に落ちるアンダーシュートが発生することが想定されるが、回生電流のゼロ判定を早期に検出すること、すなわち回生インバータの運転終了をその直流電圧が回生動作中から一定電圧だけ低下したときに終了と判定することでアンダーシュートを低く抑え、回生動作終了時にはサイリスタ整流器１からは力行運転時の電圧Ｖｄ１に向けて安定して応答性よく制御して給電できる。

なお、電圧Ｖｄ３を基にした前記の切換条件（Ｂ）の場合も同様の切換制御ができ、循環電流による電力損失を無くし、しかも回生動作終了時には安定して応答性よく給電できる。この場合、電圧Ｖｄ１とＶｄ２の差が１００Ｖ程度などにあっても、電圧Ｖｄ３をその中間値｛＝（Ｖｄ１＋Ｖｄ２）／２｝に設定するなど、適宜設定することによって同様の作用効果を得ることができる。

（実施形態２）
図３は、本実施形態を示す直流き電電源の要部回路図であり、図１と異なる部分は回生動作中はサイリスタ整流器１へのき電線電圧検出値に代えて電圧指令値Ｖｄ１よりも低くそれに近い電圧Ｖｄ１’に切換える点にある。例えば、電圧Ｖｄ１’は電圧Ｖｄ１よりも１０Ｖだけ低い電圧に設定される。

切換スイッチ２５は、電圧検出器８で検出するき電線電圧検出値と設定電圧Ｖｄ１’を切換え、この切換えを切換制御部２４が前記の切換条件（Ａ），（Ｂ）に応じて行う。

例えば、条件（Ａ）によるき電線電圧制御は、無負荷または電気車３が力行運転時にはサイリスタ整流器１は電圧Ｖｄ１を電圧指令値として出力電圧がＶｄ１に維持されるよう制御し続ける。そして、電気車３が回生運転に入り、電気車３からの回生でき電線電圧がＶｄ２まで上昇したとき、回生インバータ４が回生動作を開始し、回生電流を交流電源側に供給する。

この回生電流の発生で、切換制御部２４は、切換スイッチ２５を電圧Ｖｄ１’側に切換え、サイリスタ整流器１の出力電圧制御を電圧制御器（ＡＶＲ）２２の上限リミッタ値に制御する。この制御状態では回生インバータ４が回生動作する電圧Ｖｄ２に比べて低い電圧となり、サイリスタ整流器１から回生インバータ４側への循環電流が流れることはなく、循環電流による電力損失も発生しない。

次に、電気車３の回生運転が終了または無負荷状態になり、き電線電圧がＶｄ２から低下したとき、回生電流がゼロになり、切換制御部２４はフィードバック電圧をＶｄ１’から電圧検出値に切換える。この切換えにより、サイリスタ整流器１の出力電圧制御は電圧ＶＤ２に近い値または上限リミッタ値にあって、その値から電圧Ｖｄ１に向けて低下させる。このとき、電圧制御器２２等の制御遅れにも、サイリスタ整流器１の出力電圧は電圧Ｖｄ２に近い値または上限リミッタ値から制御され、極端なアンダーシュートが発生することなく、回生動作終了時にはサイリスタ整流器１からは力行運転時の電圧Ｖｄ１に向けて安定して応答性よく制御して給電できる。

なお、電圧Ｖｄ２とＶｄ１の範囲内の電圧Ｖｄ３を基にした前記の切換条件（Ｂ）の場合も同様の切換制御ができ、循環電流による電力損失を無くし、しかも回生動作終了時には安定して応答性よく給電できる。

本実施形態は、実施形態１と同様に、力行運転時と回生動作時のサイリスタ整流器１の出力電圧切換制御ができ、循環電流による電力損失を無くし、しかも回生動作終了時には安定して応答性よく給電できる。

（変形例）
実施形態１，２において、条件（Ａ）または（Ｂ）の判定による切換えには、ヒステリシスを持たせることで制御状態の振動的な切換えを無くし、安定した切換えができる。

また、サイリスタ整流器１に代えて、ＩＧＢＴなどをスイッチング制御素子とした順変換器（コンバータ）とする装置に適用して同等の作用効果を得ることができる。

１ サイリスタ整流器
３ 電気車
４ 回生インバータ
６ ダイオード
７ 電流検出器
８ 電圧検出器
１１ 電圧制御器
１２ ＰＷＭ制御部
２１ 切換スイッチ
２２ 電圧制御器
２３ 位相制御器
２４ 電圧切換制御部
２５ 切換スイッチ

Claims (2)

1. 交流電力から出力電圧指令値Ｖｄ１に一致する電圧に制御した直流電力をき電線を介して電気車に給電する順変換器と、
   前記順変換器とは直流側で並列接続され、電気車の回生運転時に発生する回生電力でき電線電圧が前記出力電圧指令値Ｖｄ１よりも高い回生開始電圧Ｖｄ２を超えたときに該回生電力を交流電力に変換して交流電源側に回生する回生インバータを備えた直流き電電源において、
   前記回生インバータの回生動作中または回生運転が予想されるときには、前記順変換器の出力電圧指令値Ｖｄ１を回生開始電圧Ｖｄ２に切換えておく切換制御手段を備えたことを特徴とする直流き電電源の制御装置。
2. 交流電力から出力電圧指令値Ｖｄ１に一致する電圧に制御した直流電力をき電線を介して電気車に給電する順変換器と、
   前記順変換器とは直流側で並列接続され、電気車の回生運転時に発生する回生電力でき電線電圧が前記出力電圧指令値Ｖｄ１よりも高い回生開始電圧Ｖｄ２を超えたときに該回生電力を交流電力に変換して交流電源側に回生する回生インバータを備えた直流き電電源において、
   前記回生インバータの回生動作中または回生運転が予想されるときには、前記順変換器の出力電圧指令値Ｖｄ１と比較する出力電圧検出値をき電線電圧検出値から出力電圧指令値Ｖｄ１よりも低くそれに近い電圧Ｖｄ１’に切り換えておく切換制御手段を備えたことを特徴とする直流き電電源の制御装置。

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