JPS61273103A - 交直両用電車装置 - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は交流き電線あるいは直流き電線のどちらからで
も電力供給が受けられる交直両用電車装置に関するもの
である。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

我が１のよう藏；直流電化と交流電化とが共存するとこ
ろや、ヨーロッパのようにいろいろな電化方式をもつ国
の間を直通運転する場合には多電処方式の電気車が必要
鑑；なる。

我が国の在来線については直流１５００　Ｖ　、単相交
流２０　ＫＶ　、５０　Ｈｚおよび６０　Ｈｚ　’１０
１化区間があるので、それらを遥して運転する交直両用
電車が多い。

従来の交直両用電車装置は、抵抗制御の直流電車を基本
４；シて、交流電化区間走行時（：は主変圧器、主整流
器を介して交流を直流に変える方式が広く採用されてい
る。

第４図は従来の交直両用電車装置の構成図を示すもので
、ＢＯ２は交流又は直流の′＠電線、ＰＴは集電器、ｓ
ｗ、　、　ｓｗ、は切換え器、Ｔ几は主変圧器、ＲＩＩ
Ｃは主整流器、Ｌ−は直流リアクトル、Ｃ４は直流平滑
コンデンサ、Ｒは可変抵抗器、ＤＣＭは直流電動機であ
る。

直流き一区間では、切換え器＆Ｗ、はｂ側に投入され、
ＳＷ、も投入される。故に直流平滑コンデンチＣ４には
、き電線の電圧ＤＣ１５００Ｖが印加される。

直流電動機ＤＣＭの起動時は可変抵抗器Ｂを最大にし、
過大な風流が流れ込まないようＣ：する。

ＤＣＭの速度（列車の速度）が高くなるシー従って電動
機の逆起電力が大きくなり、ｆｌ！機子電子電流少する
。当核電機子亀流が適尚な値になるように可変抵抗器几
を除々に減らしていく。最終的には几を短絡し、列車を
加速する。列車が規定の速度に達したところで再び可変
抵抗器Ｒを最大にし。

回路を開放して、だ行運転する。ブレーキは機械ブレー
キである。

交流き一区間では、切換え器ＳＷ１を１側に投入し、Ｓ
Ｗ！を開放する。主変圧器ＴＨＥよって降圧し、それを
主整流器ＲＩＩＩＣで整流する。ＲＩＩＣＥよって交流
は直流に変換され、直流リアクトルＬａを介して、直流
平滑コンデンチＣ−：：充電される。

平滑コンデンｆＣ，の電圧Ｖ−はＤＣ１５００Ｖ　ｌ二
なるように主変圧器ＴＲの２大電圧Ｖ、が選ばれる。

直流電動機の駆動方式は、直流き亀の場合と同じである
。

このような従来の交直両用電車装置は、構成が簡単で経
済的）；優れているが１次のような問題点がある。

（１）　　電動機の速度を可変抵抗器Ｒの大きさを変え
ること；；よって制御しているため、列車の加減速運転
のたびＣ；抵抗器８に電力を消費させることになり、エ
ネルギーが無駄になる。

（２）　　列車を減速させるには機械ブレーキ又は発電
ブレーキをかけるしかない。発電ブレーキは。

ＤＣＭの機械エネルギーを抵抗器Ｒ（：磁気エネルギー
として消費させるもので、やはりエネルギーは無駄にな
る。また、列車の速度が遅い場合はプレー中の！龜が悪
く、機械ブレーキにたよらざるを得ない。

（３）　　第５図は主整流器ａＢＣの入力°電圧ｖ１と
入力電流Ｉ、の波形を示したものであるが、入力″磁流
１１は図示の如く矩形波電流となり、第３．第５、第７
．・・・の高調波成分を多く含んでおり、通信障害の原
因をひきおこしている。

（４）列車には車内照明やクーラ等の補機に電力を供給
する必要があるが、従来の装置ではバッテリ等の補機電
源を別に設けなければならなかった。

最近は補機が消費する電力が増大し、上記補機電源の容
量はますます大きくなる傾向を示している。

〔発明の目的〕

本発明は以上に鑑みてなされたもので、交流き一区間で
の運転での入力電流高調波の低減を因り、回生ブレーキ
による省エネルギーを達成し、かつ補機電源の確保を容
易にしだ交直両用電車装置を提供することを目的とする
。

〔発明の概要〕

本発明は従来の主整流器ＲＢＣに代り、パルス幅変調制
御される電力変換器（ＰＷＭコンバータと呼ぶ）を用意
し、交流き一区間での運転では、当該ＰＷＭコンバータ
Ｉ：よって、直流平滑コンデンサの電圧がほぼ一定にな
るように人力電流ＩＩを電源電圧Ｖ、と同相（力率＝１
）の正弦波（高調波が小）　Ｉ；制御している。故に１
回生ブレーキをかけることにより電動機の機械エネルギ
ーを電気エネルギーとして電源にもどすことが可能とな
り、省エネルギーが達成で倉、また入力電流は正弦波と
なゐため高調波の低減を図ることができる。

また補機電源は主変圧器の第３次巻線から取り出し、交
流き一区間ではき電線から主変圧器を介して直接電力供
給を受け、かつ、直流き一区間では前記ＰＷＭコンバー
タを定鴫圧、定周波数の直流／交流変換器として動作さ
せ、主変圧器を介して補機に電力を供給することができ
る。

〔発明の実施例〕

第１図は本発明の交直両用電車装置の実施例を示す構成
図である。

図中、ＢＯ２は交流又は直流き電線、ＰＴは集電器％ｓ
ｗ、　、　ｓｗ、は切換器、ＴＲは主変圧器。

Ｌ８は交流リアクトル、Ｃ０ＮＶはパルス幅変調制御（
ＰＷＭ制御）される′鑞力変換器（以下、ＰＷＭコンバ
ータと呼ぶ）、Ｃ１は直流平滑コンデンサ。

ＩＮＶは直流を可変′４圧可変周波数の３相交流（＝変
換するインバータ（ＶＶＶＰインバータと呼ぶ）、ＩＭ
は誘導電動機、ＬＤは補機な各々表わす。

ＰＷＭコンバータＣ０ＮＶは自己消弧能力のある素子、
例えばゲートターンオフサイリスタ４個で単相ブリッジ
結線し、ホイーリングダイオードを逆並列：；接続した
公知の回路（特開昭５９−６１４７５）で構成されてい
る。

また、ｖｖｖｒインバータＩＮｖはやはり自己消弧能力
のある素子（ゲートターンオフサイリスタ等）６個で３
相ブリツジ結線し、ホイーリングダイオードを逆並列に
接続した回路（特開昭５９−６１４７５を参照）で構成
されている。インバータＩＮＶは誘導電動ｍＩＭｌ二可
変鑞圧町変周波数の３相交流電流を供給するもので、Ｉ
Ｍのすべり周波数を正の値にして制御すること屯；より
加速トルクを得、逆にすべり周波数を負の値にシて制御
することにより減速トルク（すなわち回生ブレーキトル
ク）を得て、速度制御を行っている。

交流き電区間では、切換え器ＳＷ１はａ側に投入され、
ＳＷ、は開放される。

主変圧器ＴＲの１次巻線は上記切換え器ＳＷ、のａ側端
子とアース端子（レール）に接続され、２次巻線は交流
リアクトルＬ−を介して前記ＰＷＭコンバータの交流側
端子に接続されている。また、第３の巻線が補機に接続
されている。

第２図は、第１図の装置のＰＷＭコンバータ部の制御動
作を説明するためのブロック図である。

図中、Ｖ８Ｄは゛４＃゛礁圧検出器、Ｃｖ、Ｃ，は比較
器、Ｇｙ、Ｇ、は制御補償回路、ムＤ１．人Ｄ８は加算
器、ＭＬは乗算器、に１は演算増幅器、ＯＳＣは単相正
弧波発振器、人Ｓはアナログスイッチ、ＰＷＭはパルス
幅変調制御回路である。

交流き電区間ではアナログスイッ？Ａ８はａ側（：接続
されている。

まず、入力電流■１の制御動作を説明する。

入力電流！、は第１図の装置の変流器ＣＴ、によって検
出される。比較器Ｃ１によって電流指令値工、と喝流検
出値工、を比較し、偏差’ｔ　＝　Ｉｇ　−Ｉｓを求め
る、当該偏差Ｃ８を制御補償回路Ｇ、：；入力し、比例
増幅あるいは積分増幅を行う。ここでは説明を簡単にす
るため、Ｃ８は比例要素のみとし。

Ｇ□＝−に、とする。付号を負の値にしたのは、入力電
流工、の向きを第１図書：示した方向を正としたためで
ある。

制御補償回路Ｇ１の出力−に１・ｇＩは加算罪人り、を
介して、ＰＷＭ制御回路ＰＷＭに入力される。

ＰＷＭ制御回路ＰＷＭは、上記入方信号町に比例した電
圧ｖｃをＰＷＭコンバータの交流側端子に発生させるよ
うに、コンバータｃｏＮｖをパルス幅変調制御するもの
である。詳しくは特開昭５９−６１４７５号に開示され
ている。

一方、電源電圧ｖ１を゛電圧検出器Ｖ８Ｄで検出し、当
該１１１！源電圧ｖ１に同期した単位正弦波山ωｔを得
ている。尚咳単位正弦波自ωｔを演算増幅器−を介して
Ｋａ倍する。Ｋ、ａｊｎωｔは、加算罪人ＤＩを介して
、ＰＷＭ制御回路ＰＷＭに入力され、ｐｗｕ：＝ｒｙパ
ータからｖｃ＝ｖ、　＝ｖ、ｍ５５１ｍω電相轟分を発
生させる。すなわち、電ＩＩＩ電圧Ｖ、相当分をあらか
じめ発生させ、入力電流１１の制御砿；際し、外乱が入
らないように補償したものである。

さて、偏１１１．＝ＱＩＺ）場合　ｙ、＝ｙｃトナ’Ｊ
−交流リアすドルＬＩＩ撞印加される電圧ｖＬ−ｖ８−
ｖｃは零となり、入力゛峨流■、は増減しない。

Ｉ、　＞　Ｉ、となった場合、偏差ｇＸは正の値となり
、ａ、　＝　−ＫＸｍ　ｇ、　＋　Ｋ、ａｉｍ　ａｔが
減少し、その結果ｖｃがＶ、より小さくなって、入力電
流１．を第１図の矢印の方向ξ；増加させる。

逆Ｉ：：　Ｉｓ　＜　Ｉｓとなった場合、ｅ□く０とな
り。

・、を増加させ、ＶＣ＞ｖ、となり、入力電流！、を減
少させる。結果的；；はＩ”、　＠　Ｉ、となって落ち
着く。

従って、電流指令値工、を正弦波状に変化させても実電
流！、はそれ）；追従して制御され、Ｉ”、）ＩｍＩ−
制御される。

次：；直流電圧Ｖ、の制御動作を説明する。

平滑コンデンｆＣ４の直流電圧Ｖ、を絶縁増幅器を使っ
て検出し、比較器ＣＶに入力する。比較器ＣＶは電圧指
令値Ｖａと上記検出値ｖ４を比較し、偏！１Ｌ　＃ｖ　
−Ｖａ　−Ｖａを求めて、次の制御補償回路Ｇｙ　Ｅ入
力すゐ。ＧＶは比例要素あるいは積分要素等；；よって
構成されるが、ここでは説明を簡単Ｃ二するため、比例
要素ＫＶだけとし工説明する。制御補償回路Ｇマの出力
Ｋｙ＠ａｙは加算罪人ＤＩを介して乗算器Ｍ　Ｌ　Ｉ：
、入力される。また１乗算器ＭＬの他方の入力端子口は
前述の単位正弦波山ωｔが入力され、次の演算が行なわ
れる。

Ｉｌｌ　＝　Ｌ・自＠ｔ この信号Ｉｓは、前述の入力電流！鶏の指令値菟；なる
もので、その振幅値！、は、゛磁圧制御の偏差ａＶに比
例した値となっている。また、指令値Ｉｓは電源電圧Ｖ
、　＝　Ｖ、、・自ω目；同期した正弦波（ニなってい
る。

Ｖ、＞Ｖ、となった場合、偏差ε９は正の値となり、電
流波高値１．を正の値ζ；して、電源から有効電力’ｌ
　＝ｖＩ　”　Ｉｌ＝　Ｖ＊ｗａ＠Ｉ＋ａ”　（−岨）
！が供給される。この結果、平滑コンデンｆＣ，にはエ
ネルギー　フＣ４Ｖ、”　＝Ｐ＠　＊　ｔが蓄積され、
直流′電圧Ｖ−を増大させる。

逆に、ＶＢ（Ｙ−となった場合、εｖ（Ｏとなり。

波高値！。を負の値にして、有効電力を１ｆＩＡに回生
ずゐ。この結果、平滑コンデン？Ｃａの蓄積エネルギー
は減少し、直流電圧Ｖａを減少させる。

最終的艦二Ｖａ”ｑＶａとなって落ち着く。

ここで加算器ムＤ、　に入力されるもう１つの入力量に
’ＩＬを説明する。

ＩＬはインバータＩＮＶＩ：供給される直流電流で電流
検出器ＣＴｘ、（：よって検出される。インバータ側で
消費する有効電力Ｐｘ、は直流゛電圧をＶａｓ直流電流
なＩＸ、とした場合　ｐＬ−’ｌ／、・ＸＬである。

ＩＬが急変した場合、上記電力Ｐｌ、に見合う分の有効
電力Ｐ、を交流電源から供給してやれば、直流電圧Ｖ、
の変動を小さくすることができる。

故１：　、Ｖ、　＊　Ｉ、−ｖ、、ａ　ｆ、　／　２の
関係を導入し、！、　ｗｓ　＞ｍＩＬ＋＝　（２・Ｖａ
　／　ｖｍｍ　）・１１を加算罪人り、に入力し、電圧
制御応答の改善を図っているものである。

以上のように交流き電区間では直流電圧ｖ４はその指令
値Ｖ、ζニ一致するようにほぼ一定値：；制御され、イ
ンバータＩＮＶζ；安定した直流電圧を供給することが
できる。しかも交流電源から供給されろ入力域流！、は
！に源゛電圧Ｖ、と同相の正弦波に制御され、入力力率
り１に保持され、高調波含゛　　有事がきわめて小・さ
いシステムを提供することができる。また、轟然のこと
ながら、電動機！Ｍのすペリ周波数を負の値礪；するこ
とにより１回転エネルギーを一旦直流平滑コンデンチに
蓄積し、それをさらに電源にもどす、いわゆる回生ブレ
ーキをかけることができ、省エネルギー化を図ることが
できる。さらに交流き電の場合、補機ＩＩＥｉ１［は主
変圧器ＴＲを介して直接利用す、ることができる利点が
ある。

直流電電区間では、第１図の切換え器ＳＷ！はｂ側に投
入され、ＳＷ、もオンされる。ＶＶＶＰインバータの動
作は前述と同様である。

第２図の制御回路ζ；おいて、アナログスイッデムＳは
ｂ側に接続される。すなわち、パルス幅変調制御回路Ｐ
ＷＭの入力・１は、単相正弦波発生器ＯＳＣから供給さ
れる。

０ｆ９Ｃの出力ｖ；＝ｖシ１１自ａｒｔは交流き電の場
合の電源電圧ｖｌ　”　ｖａｍ・１ｌｉａ＃ｉｌ二相幽
する電圧をＰＷＭコンバータｃｏＮｖから発生させるも
ので。

Ｖ：ｍ！ｓｗ　７．、、　＠Ｉ’）　ｊｌ　（：選はれ
る。しかし、完全１；一致必要はない。

この結果、コンバータＣ０ＮＶの交流電圧ｖｃとしては
定電圧、定周波数の単相交流が発生され。

主変圧器ＴＲを介して補＄１１ＬＤｌ：：定電圧の交流
を供給すみことができる。

すなわち、直流１！ｉ亀区間においては、ＰＷＭコンバ
ータＣ０ＮＶは補１！Ａ１１Ｅ源となる。

〔他の実施例〕

第３図は１本発明装置の他の実施例を示す構成図である
。図の中の記号で、第１図に一致するものは、第１図の
記号の説明に準する。図中、ＣＩ（Ｏは直流デｌツバ装
置％ＤＩ　＋　Ｄｌはホイーリングダイオード、３＊、
は回生スイツ？、ＤＣＭは直流電動機、ＷＦはＤＣＭの
界磁巻線を各々示す。

ＰＷＭコンバータＣ０ＮＶの動作は第１図の説明と同様
なので省略する。

直流電動機ＤＣＭを加速する場合、まずスインｆ８Ｗ、
を投入し、直流チョッパ族ｆｆＣＨＯをオン・オフ制御
してＤＣＭの電機子電流！、を制御する。

■、を増加させれば、発生トルクが増大し加速され、１
．を減少させれば発生トルクは減少し、加速度は小さく
なる。

チョッパＣＨＯがオンで１１が増加し、オフでホイーリ
ングダイオードＤ、を介して工、は減衰する。

電動機ＤＣＭに回生ブレーキをかけるときは。

スインｆ８Ｗ、をオフし、界磁電流Ｉ／を反転させる。

すると、ＣＨＯがオンで、電機子電流！、が。

ＤＣＭ→Ｄ１→ＣＨＯ→ＤＣＭを通って増加し、ＣＨＯ
がオフで！、が　Ｄ　ＣＭ−＋Ｄ、　−＋Ｃ４−＊Ｃ４
−＋ｆ）、　−＊ＤＣＭと流れて、平滑コンテンｆＣ−
を充電する。すなわち、ＤＣＭの凹転工、ネルギーが平
滑コンデンチＣａＥ電気エネルギーとなって蓄積される
。ＰＷＭ　ニア　ンパータＣ０ＮＶは直流゛電圧Ｖａが
一定Ｃ二なるよう（；制御しているから、■鑞の上昇分
は交流′電源（−回生される。（交流き寛の場合）直流
き電の場合には、ｖ４の上昇分は直接き゛４線：；もど
される。

すなわち、電機子電流！、がほぼ一定（：なるよう迄二
回生ブレーキをかけれは、ブレーキトルクは一定になり
安定したブレーキ力を得ることができる。

以上のように本発明装置は直流電動機を用いたシステム
でも同様の効果を期待できるものである。

〔発明の効果〕

以上のように本発明の交直両用電車装置では、交流き°
亀区間での運転では、電源から供給される入力電流は゛
電源電圧と同相（又は逆樽）の正弦波に制御され、入力
力率は常（＝１となり、入力電流の高調波はきわめて小
さくなる。また１回生運転も自由にでき、省エネルギー
化を図ることができる。さらに交流、直流き線区間を問
わず補機電源を確保することができ、従来必要であった
バッテリ等は省略することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の交直両用電車装置の一実施例を示す構
成図、第２図は第１図の装置の動作を説明するための制
御ブロック図、第３図は本発明装置の他の実施例を示す
構成図、第４図は従来装置の構成図、第５図は第４図の
装置の動作を説明するための動作波形図である。 ＢＵＳ・・・交流又は直流き磁線　ＰＴ・・・集電器ｓ
ｗ、　、　ｓｗ、・・・切換え器　ＴＩ’Ｌ・・・主変
圧器り、・・・交流リアクトル　ＣＯＮ　Ｖ・・・ＰＷ
ＭコンバータＩＮＶ・・・ｖｖｖｒインバータ　ＩＭ・
・・誘導電動機ＬＤ・・・補機　　Ｃ）（Ｏ・・・直流
チョッパ装置ＤＩ　ｅ　Ｄ＊・・・ホイーリングダイオ
ードＳＷ、・・・回生用スイッチ　ＤＣＭ・・・直流電
動機（７３１７）代理人　弁理士　則　近　憲　佑　（
ほか１名）ａｔ／δ 第１図 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 交流または直流き電線と、当該き電線に接触する集電器
   と、交流／直流切換え器と、当該切換え器の一方（交流
   側）の端子に１次巻線が接続された主変圧器と、上記切
   換え器の他方（直流側）の端子に接続された直流平滑コ
   ンデンサと、前記主変圧器の２次巻線に接続された交流
   リアクトルと、当該交流リアクトルを介して前記主変圧
   器と前記直流平滑コンデンサ間の電力変換を行うパルス
   幅変調制御の電力変換器（コンバータ）と、前記直流平
   滑コンデンサを直流電圧源として列車を駆動する電動機
   に電力を供給する電動機駆動装置と、前主変圧器の３次
   巻線に接続された電車用補機と、前記集電器が交流き電
   線から電力供給を受ける場合前記平滑コンデンサの直流
   電圧がほぼ一定になるように前記コンバータの交流入力
   電流の値を制御する手段と、前記集電器が直流き電線か
   ら電力供給を受ける場合、前記コンバータの交流側端子
   電圧がほぼ一定周波数一定電圧になるように制御する手
   段とからなる交直両用電車装置。