JPS62207177A - パルス幅変調コンバ−タの制御方法 - 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】 ［発明の属する技術分野］ 本発明は、主として電鉄用変電所等において用いられる
順・逆変換可能なパルス幅変調コンバータ（以下、ＰＷ
Ｍコンバータという）の制御方法に関する。

［従来技術とその問題点］ 電鉄用変電所には、送電網からの高圧の三相交流電力を
降圧・整流して直流電力に変換し、この直流電力を電車
線路にき電する直流変電所がある。

この直流変電所のシステム例を示すと第５図に示すとお
りであり１図において高圧の三相系統１には降圧および
絶縁用の変圧器２が接続され、その後段には交流電力を
直流電力に変換するコンバータ３が接続される。そして
、このコンバータ３からの直流電力は、直流き電回路の
事故電流を遮断する高速度遮断器４および電車線路５を
介して負荷としての電気車６に供給されるようになって
いる。

ここで、コンバータ３としていわゆるＰＷＭコンバータ
を用いれば、入力力率を改善できると共に入力電流の高
調波が除去され、また電気車６のカ行・回生運転に応じ
て交流電源との間で電力を効率よく授受できることが知
られている。

このＰＷＭコンバータの主回路は、例えば第６図に示す
如く構成されている。すなわち同図において、Ｌは交流
リアクトル、Ｄ□〜Ｄ６は三相ブリッジ結線されて順変
換部を構成するダイオード整流器、ＧＴ工〜ＧＴＧは各
ダイオード整流器Ｄ工〜Ｄ６に逆並列接続された自己消
弧性を有する半導体スイッチング素子としてのゲートタ
ーンオフサイリスタ（以下、ＧＴＯサイリスタという）
、Ｃは平滑用のコンデンサを示している。なお、交流リ
アクトルＬは変圧器２の漏れインダクタンスで代用され
、省略される場合もある。

このＰＷＭコンバータは、周知のようにその出力電圧す
なわちコンデンサＣの両端の直流電圧が一定になるよう
に交流電源からの入力電流を制御するもので、その動作
を略述すれば、まず適宜な手段により検出したコンデン
サＣの直流電圧値と目標になる電圧指令値との偏差に応
じて電源電圧に同期した電流指令値を得る。この電流指
令値は交流電源から供給されるべき入力電流の値であり
、かかる電流指令値と実際に検出された入力電流との偏
差に応じてパルス幅変調のための制御信号を得る。この
制御信号は例えば周波数ｌＫ１１ｚの三角波と比較され
、その偏差に応じてゲート回路を介してＧＴＯサイリス
タＧＴ□〜ＧＴ、を所定のパルス幅にて高速スイッチン
グし、実際の入力電流が正弦波状の電流指令値に等しく
なるように追従制御される。

これにより、負荷としての電気車６のカ行運転または回
生運転時には交流電源からの入力電流が電源電圧と同相
または逆相の正弦波状に制御されてコンデンサＣの電圧
を一定値に保つように動作し、交流電源と負荷側との間
で電力の授受が自動的に行なわれるものである。

従って、このＰＷＭコンバータを用いれば別個に回生用
インバータを設けなくとも電力の順・逆変換を行なうこ
とができ、また電源同期の入力電流により力率１の運転
ができるため変圧器２の容量を低減できると共に、入力
電流が正弦波状に制御されるため高調波が除去される等
の利点を有している。

しかしながらこのＰＷＭコンバータでは、入力電流を正
弦波とするために通常のサイリスタコンバータに比べて
数倍から士数倍のスイッチング周波数に’ｘａＴｏサイ
リスタＧＴ工〜ＧＴ、を駆動する必要があり、スイッチ
ング周波数に比例するスナバ回路の損失や、ＧＴＯサイ
リスタＧＴ１〜ＧＴ、自体における損失が極めて大きく
、本来的にコンバータ全体の効率が低いという欠点があ
る６特に、電鉄用変電所においては電気車６がその変電
所の給電区間内にあり、しかも、第７図に示す如くカ行
または回生運転している間だけ負荷電流が流れる間欠負
荷であるため、コンバータが無負荷状態で運転されてい
る割合が非常に大きい。

しかるに、任意の時点で加わる負荷に対処するために無
負荷時にもＰＷＭコンバータとして運転していると、こ
の無負荷状態ではスナバ回路のスイッチング損失等は実
負荷時と殆ど変わりないためコンバータの無負荷損失が
極めて大きいものとなる。

このようにＰＷＭコンバータにおいては、特に電鉄用変
電所の如く負荷率が小さい場合に無負荷損失が大きくな
り、変電所の供給電力に占めるコンバータ損失の割合が
大きく変電所効率が低いという問題があった。

［発明の目的］ 本発明は上記の点に鑑み提案されたもので、その目的と
するところは、ＰＷＭコンバータの無負荷損失を低減し
て変電所等の効率を向上させるようにしたＰＷＭコンバ
ータの制御方法を提供することにある。

［発明の要点コ 上記目的を達成するため１本発明は、複数のダイオード
整流器等からなる順変換部の入力側に交流電源を、また
出力側にコンデンサを接続すると共に、ダイオード整流
器にＧＴＯサイリスタ等の自己消弧性を有する半導体ス
イッチング素子をそれぞれ逆並列接続して構成したＰＷ
Ｍコンバータにおいて、直流側のコンデンサを介して接
続された負荷の状態を例えば負荷電流の大きさにより検
出し、実負荷時には半導体スイッチング素子を駆動する
運転指令信号によりＰＷＭコンバータとして運転すると
共に、無負荷時には半導体スイッチング素子の駆動を停
止する停止指令信号により通常のダイオード整流器と等
価の状態にして運転するようにしたことをその要旨とす
る。

［発明の実施例］ 以下、図に沿って本発明の一実施例を説明する。

第１図は本発明が適用される電鉄変電所のシステム例を
単線図にて示すもので、第５図と同様に１は高圧の三相
系統、２は変圧器、３′はＰＷＭコンバータ、４は高速
度遮断器、５は電車線路、６は負荷としての電気車を示
す。しかしてこの実施例では、電車線路５に負荷電流を
検出するための直流変流器等の負荷検出器７を設け、こ
の負荷検出器７による検出信号を運転・停止指令装置８
に加えてＰＷＭコンバータ３１の運転を制御するもので
ある。

すなわち、第２図に示す如く、運転・停止指令装置８は
負荷検出器７に接続された指令回路８Ａと、この指令回
路８Ａの出力信号が加えられるゲート制御回路８Ｂとか
ら構成され、ゲート制御回路８Ｂは周知のＰＷＭ制御回
路やオンゲート回路、オフゲート回路等を備えていてこ
れらのゲート信号はＧＴＯサイリスタＧＴ工〜ＧＴ、の
ゲートに加えられる。

ここで、指令回路８Ａは、負荷検出器７によって検出し
た負荷電流の有無に応じてＰＷＭ制御回路や各ゲート回
路を駆動し、またはオフゲート回路を駆動するトランジ
スタ等のスイッチング素子によって構成される。

なお、ＰＷＭコンバータ３′の主回路の構成は第６図に
示したものと全く同一であるため、同一の素子には同一
の符号を付して説明を省略する。

次に、この動作を説明する。まず、電気車６がこの変電
所の給電区間外にあり、または給電区間内にあっても惰
行運転もしくは停車している場合には無負荷であるから
、電車線路５に流れる電流は漏れ電流を除けば殆どゼロ
である。従って負荷検出器７によりこれを検出し、指令
回路８Ａを介してゲート制御回路８ＢにＰＷＭコンバー
タとしての運転の停止指令信号を送り、ゲート制御回路
８Ｂ内のオフゲート回路を動作させてすべてのＧＴＯサ
イリスタＧＴ工〜ＧＴ、のゲートにゲートオフ信号を出
力する。これにより、ＰＷＭコンバータ３′は無負荷損
の極めて少ないダイオード整流器Ｄ１〜Ｄ６からなるコ
ンバータと等価になり、その出力電圧波形すなわち電車
線路５の電圧波形は第３図のａにて示すような三相全波
の整流・平滑波形となる。

次いで、この変電所の給電区間内に入った電気車６がカ
行または回生運転を行なうと、第４図に示す如く正また
は負の負荷電流が流れるためこの負荷電流を負荷検出器
７により検出し、指令回路８Ａを介してゲート制御回路
８Ｂに運転指令信号を送るにれによってゲート制御回路
８Ｂはパルス幅変調制御を行なうべく動作し、オンゲー
ト回路およびオフゲート回路を駆動して各ＧＴＯサイリ
スタＧＴ工〜ＧＴ、のゲートに所定のオンゲート信号お
よびオフゲート信号を送り、コンバータをＰＷＭコンバ
ータとして動作させる。従って、ＰＷＭコンバータ３′
の出力電圧は第３図のｂに示す如く電源電圧の絶対値よ
りも高い一定値に維持され。

例えば、電気車６の回生運転時にコンデンサＣの電圧が
上昇した場合でも前述したＰＷＭ動作によってその電圧
がやがて第３図のｂの一定値に保たれることになる。

従って、この実施例におけるＰＷＭコンバータ３′の損
失は、実負荷時のダイオード整流器Ｄ□〜Ｄ６やＧＴＯ
サイリスタＧＴ１〜ＧＴ、による電力損失、同じくスナ
バ回路のスイッチング損失およびゲート制御回路８Ｂ等
における損失のみとなり、第４図に示すように無負荷損
失はほぼ皆無となってコンバータ全体の損失が著しく減
少する。特に、この実施例の如く電鉄用変電所において
は負荷率が小さいため本発明による省エネルギー効果が
大きく、また電気車６の運転本数が少ないほど無負荷損
失を一層低減できることは言うまでもない。

なお、負荷の状態を検出する手段としては、直流変流器
によって負荷電流を検出する方法のほか、給電区間内に
ある電気車６の主電動機のトルクを検出し、これをディ
ジタル信号として電車線路５に重畳して運転・停止指令
装置８に伝送してもよし１　。

また、自己消弧性を有する半導体スイッチング素子とし
ては、ＧＴＯサイリスタに代えてパワトランジスタを用
いることも可能である、一方、順変換部を構成する半導
体整流素子として通常のサイリスタ（ＳＣＲ）を用いれ
ば、その点弧制御角を変えることで出力電圧を可変にで
き、この場合に点弧制御角をＯａとすればこの実施例の
ダイオード整流器と等価になることが明らかである。

更に、この実施例では本発明を電鉄用変電所のコンバー
タに適用した場合について説明したが。

本発明は間欠負荷を駆動する各種インバータ等のシステ
ムにおけるコンバータとしても用いることができ、また
、三相ばかりでなく単相電源にも勿論適用することがで
きる。

［発明の効果］ 以上詳述したように本発明によれば、負荷状態に応じて
ＰＷＭコンバータの運転・停止を制御するためＰＷＭコ
ンバータの無負荷損失を非常に小さくすることができ、
コンバータ自体の効率、ひいては変電所等の効率を大幅
に向上させて省エネルギーを達成することができる。

また、本発明は従来のＰＷＭコンバータに簡単な構成の
回路を付加するだけで実施可能なため、極めて経済的で
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第４図は本発明の一実施例を示すもので、
第１図は本発明が適用される電鉄用変電所のシステム例
を示す図、第２図はＰＷＭコンバータおよび運転・停止
指令装置の構成図、第３図はＰＷＭコンバータの出力電
圧波形を示す図、第４図は時間軸に対する負荷電流とコ
ンバータの損失とを対比して示す図、第５図は従来の電
鉄用変電所のシステム例を示す図、第６図はコンバータ
の構成図、第７図は時間軸に対する負荷電流とコンバー
タの損失とを対比して示す図である。 ３′・・・ＰＷＭコンバータ　　　５・・・電車線路６
・・・電気車　　　７・・・負荷検出器８・・・運転・
停止指令装置　　　８Ａ・・・指令回路８Ｂ・・・ゲー
ト制御回路 Ｄ１〜Ｄ、・・・ダイオード整流器 ＧＴ工〜ＧＴ、・・・ＧＴ○サイリスタＣ・・・コンデ
ンサ　　　Ｌ・・・交流リアクトル特許出願人　　　富
士電機株式会社 第３図 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 複数の半導体整流素子をブリッジ結線してなる順変換部
   の入力側に交流電源を接続し、前記順変換部の出力側に
   コンデンサを接続すると共に前記半導体整流素子に自己
   消弧性を有する半導体スイッチング素子をそれぞれ逆並
   列接続し、これらの半導体スイッチング素子のパルス幅
   変調制御により前記交流電源とコンデンサとの間で電力
   を順・逆変換するパルス幅変調コンバータにおいて、前
   記コンデンサを介して接続された負荷が実負荷状態であ
   るか無負荷状態であるかを検出し、実負荷時には前記半
   導体スイッチング素子を駆動する運転指令信号によりパ
   ルス幅変調コンバータとして運転すると共に、無負荷時
   には前記半導体スイッチング素子の駆動を停止する停止
   指令信号により前記順変換部のみを運転するようにした
   ことを特徴とするパルス幅変調コンバータの制御方法。