JPH01136503A - 交流電気車制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、推進用電動機として誘導電動機などの交流電
動機を用い、電圧形コンバータと電圧形インバータを用
いて交流給電により駆動する方式の電気車の制御に係り
、特に、給電電圧の変動が大きくなる虞れのある電鉄シ
ステムに好適な交流電気車制御装置に関する。

〔従来の技術〕

近年、車両のメンテナンスフリー化の向上が強まり、こ
れにより交流電源を用いた鉄道車両の駆動システムとし
て、電圧形コンバータ及びインバータによる誘導電動機
の駆動システムが採用されるようになってきた。

このシステムでは、架線などから給電される交流電圧を
コンバータで直流に変換して平滑コンデンサに加え、さ
らに平滑コンデンサの直流電圧をインバータに加えて可
変電圧、可変周波数の三相交流電圧を発生させ、駆動用
の誘導電動機に印加し、車両を走行させるようになって
おり、このとき、コンバータは、電気車の運転状態に応
じた、所要の電力が、インバータの直流入力として供給
されるように制御されている。

ところで、電気鉄道システムでは、一般に、その給電電
圧の変動率に比較的大きな許容度が与えられており、例
えば同一変電所の給電区間内に複数の電気車が存在した
ときなどでは、±２０％にも達する電圧変動が現われる
。

しかして、上記しｆｃ＊動シフシステム、このような交
流給電電圧の変動にもかかわらず、そのコンバータの制
御により常に所要の直流電力をインバータに供給するこ
とができるが、これには限度があり、特に、交流給電電
圧が大きく低下したときには、コンバータの入力電流を
増加させなければならないが、このとき、コンバータを
構成する主回路素子の電流しゃ断能力の限界から、従来
は、例えば、昭和６２年電気学会全国大会講演論文集（
１９８７年）の１０９９〜１１００頁により開示されて
いるように制御していた。すなわち、コンバータには、
その直流出力電圧を制御する電圧調整器と、交流入力電
流を制御する入力交流電流調整器があるが、この電圧調
整器の出力にリミッタを設け、このリミッタの出力を入
力交流電流調整器の基準入力とし、このときのリミット
値をコンバータの主回路素子の電流しゃ断能力の限界に
対応させるようにするのである。

こうして、上記した従来技術では、低入力電圧時でも、
入力交流電流が主回路素子の１１ｉｉ、流しゃ断能力を
超えないようにしているが、この結果、当然のこととし
て、この従来技術では、コンバータの出力電力も制限さ
れてしまう。

一方、これとは別に、電気鉄道システムでは、複数の変
電所から架線を介して電力を供給しており、各変電所毎
に架線が分割されている。このため、ある変電所の給電
区間から、他の変電所の給電区間へと電気車が渡る際に
０．５秒程度の無電圧期間が存在する。

しかして、この無電圧期間においては、コンバータの運
転が出来ないばかりでなく、再び電圧が印加されたとき
などに過大な電圧、電流がコンバータを構成するスイッ
チング素子に加わり、これを損傷する虞れがある。

そこで、従来の交流電気車制御装置では、例えば特開昭
６０−２００７９０号公報記載のごとく制御している。

すなわち、入力交流電圧等の監視手段を設け、無電圧期
間を検知したなら、電動機のトルク制御等に優先して回
生運転を行うようインバータの運転状態を切替えるよう
にし、これにより、無電圧期間においてはインバータか
ら平滑コンデンサに回生電力を供給し、コンバータの直
流側出力電圧が給電区間での電圧にほぼ等しく保たれる
ようにするのである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術では、コンバータの入力交流電圧が低下し
たときにコンバータの出力電力が制限されてしまう点に
ついては配慮されていない。このため、電気車のカ行運
転中に、コンバータが出力可能な最大直流電力より大き
な電力をインバータが負荷として消費すると、平滑コン
デンサの直流電圧が低下してコンバータ及びインバータ
の協調運転が出来なくなり、電気車が制御不能になる虞
れがある。

また、従来技術では、回生運転時に、コンバータが電源
へ回生可能な最大電力より大きな電力を、このインバー
タが平滑コンデンサに回生ずると、その電圧が過大とな
り、コンバータ及びインバータを構成する主回路素子等
を損傷する虞れがある。

本発明の目的は、入力交流電圧が変動してもコンバータ
とインバ・−夕の協調運転が崩れる虞れがなく、常に安
定した運行が可能な交流電気車制御装置を提供すること
にある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、電気車推進用交流電動機の電流を、インバ
ータの直流側電圧維持のために制御することによシ達成
される。

〔作　用〕

カ行運転中にコンバータの入力交流電流が制限値に達し
た場合には、それに応じてインバータの消費電力も制限
され、これにより、コンバータの供給電力とインバータ
の消費電力を等しく保ち、平滑コンデンサの電圧低下を
防止する。

一方二回生運転中にコンバータの電流が制限値に達した
場合には、インバータの回生電力が制限され、このこと
により、コンバータとインバータの回生電力を等しく保
ち、平滑コンデンサの電圧が過大となるのを防止する。

この結果、平滑コンデンサの電圧が維持され、電気車の
維続的な運行が可能になる。

〔実施例〕

以下、本発明による交流電気車制御装置について、図示
の実施例により詳細に説明する。

第１図は本発明の一実施例で、この実施例では、図示し
てない変電所からの交流電圧を、架線１゜パンタグラフ
２を介して変圧器３の一次側に加え、その二次電圧Ｅ、
をリアクトル４を介して電圧形コンバータ５に加えるよ
うになっている。

ここで、コンバータ５は、ＧＴＯサイリスタ等の自己消
弧可能なスイッチング素子とダイオードより構成され、
その交流入力端子電圧Ｅｃを、後述するようにして操作
することにより、入力電流Ｉｓの大きさと位相が制御さ
れる。

これらの関係をベクトル図で表したのが、第２図である
。すなわち、二次電圧Ｅ３に対して、入力端子電圧Ｂｃ
を図示のごとく設定すると、両者の差がリアクトル４に
印加されるリアクトル電圧ＥＬとなる。ここで、入力電
流１．とりアクドル電圧ＥＬとは直交関係にあるので、
入力電流工＄は図示のようになる。したがって、入力交
流電圧Ｅｃの虚軸成分（二次電圧Ｅｓと直交する成分）
Ｗｃ＋を操作することにより、入力電流Ｉｓの有効成分
（二次電圧ｈａｓと同相成分）が制御され、入力交流電
圧Ｅｃの実軸成分Ｗｃｒを操作することにより、入力電
流Ｉ８の位相（基本波力率）が制御される。そして、直
流側に＝７＝ は、入力交流電力に等しい直流電力が発生し、これによ
り平滑コンデンサ６の端子電圧はＥｄになる。

一方、電圧形インバータ７は、自己消弧可能なスイッチ
ング素子とダイオードよシ構成され、直流電圧Ｅｄをも
とに、公知ノＰＷＭ（Ｐｕ１ｓｅ　ＷｉｄｔｈＭｏｄｕ
ｌａｔｉｏｎ　、　　パルス幅変調）制御技術により、
可変電圧、可変周波数の三相交流電圧を発生し、推進用
の誘導電動機８に加え、この結果電流Ｉｕ。

Ｉｖ、　　Ｉｗが流れる。

ここで、誘導電動機８への供給電流を制御する方法につ
いて説明する。まず、電動機８０を流■。

Ｉｖ、Ｉｗのうち、有効電動機電流Ｉｎ、ｒ（ｔＥＥと
の同相成分）を電流検出器９で検出し、有効電動機電流
指令Ｉｍｒと比較し、電動機１１流調節器１０は、その
偏差に応じて、すベク周波数ｆ、を出力する。

さらに、電動機８０ロ一タ回転周波数ｆ、を、パルスジ
ェネレータ１１を介して検出し、すベク周波数ｆ、に加
算して、インバータ周波数ｆｌを定め、変調展制御器１
２は、電動機８の電圧がインバータ周波数ｆ、に比例す
るように、変ｐ４ＪｉＫを制御する。

そして、ＰＷＭ変調回路１３は、インバータ周波数ｆ、
と変調度Ｋに応じてパルス幅変調制御を行い、ゲートパ
ルスを発生してインバータ７に加える。このようにして
、有効電動機−流Ｉｍｒが、有効電動機電流指令工ｍｒ
と等しくなるよう制御される。

ここで、有効電動機電流指令ＩｍＦは極性を備えており
、これが正の場合には、すべり周波数ｆ、も正となり、
電動機８は正トルクを発生してカ行運転となる。また、
このときのインバータ入力電流Ｉ＋は図示の極性である
。

一方、有効電動機電流指令Ｉｍｒが負の場合には、すべ
り周波数ｆ、も負となり、電動＠８は負トルクを発生し
て回生ブレーキ運転となυ、このときのインバータ入力
を流Ｉ＋は図示のものと逆極性となる。

次に、コンバータ５による直流′電圧Ｅｄの制御方法に
ついて説明する。

ます、直流電圧ｌｅａを直流電圧指令Ｅｄ　　と比較し
、電圧調節器１４はその偏差に応じた出力信号εｅｄを
発生し、リミッタ１５に加え、リミッタ１５は、有効入
力電流指令Ｔ、ｓｒ”と、電動機電流補正指令Ｉｍｒｃ
を出力する。

一方、入力電流検出器１６は、入力電流Ｉ３のうち、二
次を圧Ｅ８と同相成分、すなわち有効入力電流ｘｓｒを
検出し、これを有効入力電流指令１．−と比較し、その
偏差を電流調節器１７に加え、コンバータ５０入力端子
電圧Ｅ。の虚軸成分Ｅｃｉを出力する。

また、位相検出器１８は、入力電流Ｉ８と二次電圧Ｅｓ
との位相差φを検出し、位相指令φとの偏差を位相調節
器１９に加え、コンバータ５の入力端子電圧Ｅｃの実軸
成分Ｅｃｒを出力する。

そして、ＰＷＭ変調回路加は、ＥＣの実軸成分ＥＣＲ。

虚軸成分Ｅｃｉに応じてパルス幅変真制御を行い、ゲー
トパルスを発生してコンバータ５に加える。

このようにして、入力％ＩＮ、Ｉｓの有効成分、すなわ
ち有効入力電流Ｉ８ｒが指令Ｉｓｒと等しく、位相差φ
が、位相指令φ”と等しくなるよう制御される。

ここに、有効入力電流指令Ｉｓｒ“及び有効入力電流Ｉ
Ｓｒは極性を備えており、正の場合には二次電圧りと同
相、すなわちカ行運転を意味し、コンバータ出力電流Ｉ
ｄは図示の極性で流れる。

一方、負の場合には回生運転を意味し、コンバータ出力
電流Ｉｄは図示のものと逆極性となる。

ところで、リミッタ１５は、第３図に示した特性を備え
ており、電圧調節器１４の出力信号ｆｆｅｄに応じて、
有効入力電流指令Ｉｓｒ”と電動機電流補正指令Ｉｍｒ
ｃを制御する。ここに、入力電流限界１１１Ｍはコンバ
ータ５を構成する主回路素子の電流遮断能力等から定ま
る入力電流■３の許容最大電流である。

通常の運転状態では、電圧調節器１４の出力信号εａｄ
は、第３図中のａからｂの間で変化し、この範囲では有
効入力電流指令Ｉｓ−は出力信号εｅｄに比例し、電動
機電流補正指令Ｉｍｒｃは零である。

そこで、カ行運転時、すなわち、運転指令工、が正の場
合において、インバータ入力電流Ｉｔよシコンバータ出
力電流Ｉｄが小さく、直流電圧Ｅｄが低下すると、電圧
調節器１４の出力信号’ｅｄが増大し、有効入力％流指
令Ｉｓｒ”が太きくなり、コンバータ出力電流■ｄが増
大する。

このようにして、インバータ入力電流Ｉ＋の値に係わら
ず、直流電圧Ｅｄは一定に制御される。

一方、回生ブレーキ運転時にはインバータ入力電流Ｉ＋
の極性が反転し、インバータ７から平滑コンデンサ６に
電流が流入する。この結果、直流電圧Ｅｄが増大すると
、電圧調節器１４の出力信号’ｅｄは負となり、有効入
力電流指令Ｉｓｒ”も負となる。

この結果、コンバータ５は回生運転となってコンバータ
出力電流工ｄの極性が反転し、平滑コンデンサ６からコ
ンバータ５へ電流が流れ、直流電圧ｇｄが一定に保たれ
る。

以上が通常運転時、すなわち電圧調節器１４の出力信号
εｅｄが、第３図中のａからｂの範囲にある場合の動作
説明である。

次に、カ行時において二次電圧Ｅｓが減少すると、コン
バータ５の入力電力が減少し、コンバータ出力電流Ｉｄ
が減少する。このため、直流電圧Ｅｄが減少し、電圧調
節器１４の出力信号Ｅｅｄが増大する。

ぞして、出力信号εｅｄが第３図中のｂより大きくなる
と、有効入力電流指令Ｉｓｒ“は、入力電流限界１１１
Ｍに保たれる。

この結果、コンバータ出力電流Ｉａも一定に保たれるが
、電動機電流補正指令Ｉｍｒｃが増大する。そこで、第
４図中−点鎖線で示したごとく、有効入力電流指令工ｍ
ｒ”が減少し、インバータ入力電流Ｉ＋も減少して、直
流電圧Ｅｄが一定に保たれる。

一方、回生ブレーキ運転時において二次電圧Ｅｓが減少
すると、コンバータ５０回生電力が減少し、コンバータ
出力電流Ｉａ　（図示のものとは逆極性）が減少する。

このため、直流電圧Ｅｄが増大し、電圧調節器１４の出
力信号Ｅａｄが減少する。ここで、出力信号εｅｄが第
３図中のａより小さくなると、有効入力電流指令Ｉｓｒ
”は、絶対値が入力電流ＩＩＭに等しく、極性が負の値
に保たれる。

この結果、コンバータ出力電流Ｉｄは一定に保たれるが
、第４図ウニ点鎖線で示したごとく、有効電動機′ｔＬ
流指令Ｉｍｒの絶対値が減少し、インバータ入力電流Ｉ
ｔの絶対値も減少し、直流電圧Ｅｄが一定に保たれる。

従って、この実施例によれば、二次電圧Ｅ、が城少し、
有効電動電流指令工ｓｒがｔ流限界工ｓＭに保たれた場
合においても、直流電圧Ｅｄを一定に制御して電気車の
運転を可能とすることが出来る。

また、この実施例によれば、電気車が給電区間を渡る際
の無電圧期間においても、二次電圧ＦＪｓが低下した場
合と同様、有効電動機電流指令Ｉｍｒが操作され、直流
電圧Ｅｄが一定に保持されることは明らかである。

〔発明の効果〕

本発明によれば、交流給ｆＬｉａ圧が低下し、その結果
、コンバータ入力電流が主回路素子のｔ流容量等から定
する限界値に制限されｆｃ場合でも、電動機電流の操作
により直流電圧は一定に保たれるから、低入力電圧時に
おいても安定しター賊軍の運転継続が可能になる効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による父流電気車制御装置の一実施例を
がす説明図、第２図は動作説明用のベクトル図、第３図
及び第４図はそれぞれ動作説明用の特性図である。 ３・・・・・・変圧器、４・・・・・・リアクトル、５
・・・・・・電圧形コンバータ、６・・・・・・平滑コ
ンデンサ、７・・・・・・電圧形インバータ、８・・・
・・・推進用誘導電動機、９・・・・・・電流検出器、
　１０・・・・・・電動機電流調節器、１１・・・・・
・パルスジェネレータ、１２・・・・・・変調度制御器
、１３・・・・・・ＰＷＭ変調回路、１４・・・・・・
電圧調節器、　１５・・・・・・リミッタ、１６・・・
・・・入力電流検出器、１７・・・・・・電流一部器、
１８・・・・・・位相検出器、１９・・・・・・位相調
節器、２０・・・・・・ＰＷＭ変調回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、出力電流を所定値に制限するリミッタ機能が付与さ
   れている電圧形コンバータと、電圧形インバータと、こ
   れらコンバータとインバータの直流側結合部に接続した
   平滑コンデンサとを備え、推進用電動機として交流電動
   機を用いるようにした交流給電方式の電気車において、
   上記交流電動機の電流を制御目標値から独立に制御する
   電流制御手段を設け、上記平滑コンデンサの端子電圧に
   応じて上記交流電動機の電流を制御するように構成した
   ことを特徴とする交流電気車制御装置。 ２、特許請求の範囲第１項において、上記電流制御手段
   は、上記平滑コンデンサの端子電圧が所定値以下になら
   ないように、上記交流電動機の電流を制御するように構
   成されていることを特徴とする交流電気車制御装置。 ３、特許請求の範囲第１項において、上記電圧形インバ
   ータが回生制御手段を有し、上記電圧形コンバータの入
   力交流電圧が消滅したとき、上記交流電動機の回生出力
   により上記平滑コンデンサの端子電圧が上記所定値に維
   持されるように構成されていることを特徴とする交流電
   気車制御装置。