JPS638711B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、整流装置のうち、特に多分割した２
次巻線をもつ変圧器のそれぞれの２次巻線に半導
体変換器を縦続接続して、整流出力を取り出す交
流電気車用整流装置に関するものである。 第１図は、この種の整流装置の基本的な構成を
示すもので、交流変圧器４の１次巻線の電源側端
子は遮断器３およびパンタグラフ２を介して架線
１に接続され、変圧器４の２次側には、１次電流
に含まれる高調波成分を少くするために多分割さ
れた２次巻線４−１，４−２，……４−ｍを備
え、これらの２次巻線４−１，４−２，……４−
ｍは変換器５−１，５−２，……５−ｍのそれぞ
れの入力端子に接続され、各変換器５−１，５−
２，……５−ｍの出力端子は縦続接続されて平滑
リアクトル６を介して電気車駆動電動機７に接続
されている。なお、変圧器４は、駆動電動機７以
外の負荷８に供給する電力を発生する３次巻線９
を備えている。 上記２次巻線を分割した利点について更に説明
すると、第２図は、変圧器４の２次巻線を分割し
ない場合（ｍ＝１）と、２分割した場合（ｍ＝
２）と、３分割した場合（ｍ＝３）とにおける変
圧器４の１次電流i₁〔第２図ａ〕と整流出力電圧
ed〔第２図ｂ〕とを整流出力電圧edの平均値が同
じになるよう位相制御した場合について示すもの
で、変圧器４の１次電流i₁の波形歪は分割数ｍの
増加に伴つて減少することが本図から知見され
る。 変圧器４の２次巻線の分割数をさらに増加し、
例えば、６分割（ｍ＝６）した場合の１次電流i₁
および整流出力電圧edは、第３図に示すような
波形となつて１次電流i₁の歪はさらに減少する。
一方、分割数がこの程度に多くなると、１次電流
i₁の歪は各２次巻線に接続された変換器の転流期
間uoにおける転流電流の波形により大きく影響
される。なお、第３図に示した１次電流i₁の波形
は各２次巻線４−１，４−２，……４−６に接続
された変換器５−１，５−２，……５−６の転流
電流is₁，is₂……is₆の波形が全く同一の場合を示
しているが、実際には変圧器巻線の異相なるもの
を適切に配置することによつて各巻線間の相互誘
導作用により各変換器の転流電流is₁，is₂……is₆
は第４図に示すように互いに干渉させ１次電流i₁
の波形歪ができるだけ少なくなるようにしてい
る。 また、この種の変換器をサイリスタを用いて構
成し、回生制動運転時には同変換器にインバータ
動作をさせるようにしたものもよく知られてい
る。 このようにすれば、発電ブレーキ装置等が不要
となり、省エネルギーや車両重量の軽減化に役立
つ。 しかしこのように変換器をインバータ運転する
場合にはサイリスタの転流失敗を避けるために、
点弧進み角は転流重なり角にサイリスタの順方向
阻止能力回復に必要とされる余裕角を加えたいわ
ゆる最小点弧進み角以上で制御されなければなら
ない。転流重なり角は変換器に流れる電流が大き
くなれば長くなり、又交流側リアクタンスが大き
いほど転流重なり角も大きくなる。 ところで交流側の回路の長さが時間的に変化す
るような電気鉄道用にあつては、上記リアクタン
スも交流側回路の長さに応じて変化する。サイリ
スタのブリツジ構成の変換器をインバータ運転す
る際、最小点弧進み角を固定しておき、この固定
した点弧進み角以下で、サイリスタの点弧が行な
われないようにすると、この固定した最小点弧進
み角は、変換器に流れる電流が最も大きく、架線
の長さが最も長くなる地点に電気車が位置する場
合を基準として設定しなければならない。従つ
て、上記固定式の最小点弧進み角設定方式では、
交流側リアクタンスや変換器電流が小さくなつて
も、この最小点弧進み角は同じであるため、サイ
リスタの変換器の出力は能力以下で使用すること
となり、又力率も悪く、インバータ制御範囲も小
さい。 このためこの固定式に対して各サイリスタ変換
器の転流重なり角を連続的に検出して、この角度
に設定した転流余裕角を加えたものがサイリスタ
変換器の最小点弧進み角になるようにして、交流
側リアクタンス、変換器電流に応じて転流余裕角
が設定値以上になるよう最小制御進み角を制御す
る方式も考えられる。 しかし、第１図に示すように、分割された各２
次巻線に接続される変換器が縦続接続されている
変換器では、上記のように変換器を同時に点弧さ
せて転流を行なわせると、巻線相互の干渉によつ
て転流電流の波形は複雑となり、転流電圧が負に
なる場合がある。 第５図はかかる従来例で、２次巻線が３巻線の
場合の動作波形図でａは２次巻線の電流波形を、
ｂは変換器の出力電圧波形を示すものであるが、
上記の内容をこれにより更に説明する。まず、第
１図の変圧器４の２次巻線４−１に接続されてい
る変換器５−１を転流余裕角θ₀₁で転流を完了さ
せるため、最小制御進み角βmin₁に等しい位相角
θ₁で転流させる。次に巻線４−２に接続されてい
る変換器５−２を転流余裕角θ₀₂で転流を完了さ
せるため最小制御進み角βmin₂に等しい位相角θ₂
で転流させる。 なお、第１図では省略しているが、同様に２次
巻線４−３に接続されている変換器５−３を最小
制御進み角βmin₃に等しい位相角θ₃で転流させ
る。変換器５−３を転流させると、５−３の転流
干渉により、変換器５−１の転流電圧は負とな
り、２次巻線４−１の転流電流は同図のように減
少する。 θ₄で、変換器５−２，５−３の転流が完了する
と、巻線４−２，４−３の転流干渉はなくなり、
変換器５−１の転流電圧は再び正となり、転流が
進行し、θ₅で転流が完了する。 この場合、変換器５−１の転出余裕角θ₀₁が設
定値以上になるようにβmin₁、βmin₂、βmin₃が
各々制御される。このように転流干渉によつて１
巻線でも転流電圧が負になると、この巻線の変換
器の転流余裕角が最も小さく、この角度が常に設
定値になるように制御されるが、他の変換器の転
流余裕角はこの値以上になつてしまう。すなわ
ち、各変換器の転流余裕角を全く同じく最小値に
制御することはできない。 従つて転流干渉で転流電圧が負となるような、
従来方式は、変換器の出力を最大に利用出来ない
ため、変圧器や変換器の重量や寸法が増大し、運
転力率も低下してしまうという欠点が生じる。 本発明の目的は上記従来例の不都合を解消し、
多分割された２次巻線を有する変圧器のそれぞれ
の２次巻線に変換器を接続し、これらの変換器を
縦続接続し、かつ変換器にサイリスタを使用し、
インバータ動作可能な変換器として整流出力を取
り出す整流装置において、変換器を転流させた時
に、変換器の入力に現われる転流電圧が負になら
ないような整流装置を提供することにある。 しかしてこの目的は本発明によれば、１次側又
は２次側に換算して表わした変圧器の巻線の等価
もれリアクタンスが、巻線間の等価相互リアクタ
ンスよりも大きくなるように、２次巻線にリアク
トルを接続することにより達成される。 以下図面について、本発明の実施例を詳細に説
明する。 第６図は本発明に用いる変圧器の回路図で、変
圧器４はその１次巻線４−Ｐに対して、４−１〜
４−ｍ〜４−ｎまでの分割された２次巻線を有
し、この２次巻線のうちの１つ４−３にリアクト
ルXoを付加している。 この第６図に示すように、変圧器４が多分割さ
れた２次巻線４−１，４−２，４−３，……４−
ｍ，……４−ｎをもつ場合、１次巻線４−Ｐの自
己リアクタンスをXpで表わし、２次巻線４−１，
４−２，４−３，……４−ｍ，……４−ｎのそれ
ぞれの自己リアクタンスをXs₁、Xs₂、Xs₃……
Xsm……Xsnで表わし、１次巻線４−Ｐとそれぞ
れの２次巻線４−１，４−２，４−３，……４−
ｍ，……４−ｎとの相互リアクタンスをXp₁，
Xp₂、Xp₃……Xpm……Xpnで表わし、２次巻線
４−ｍ（または４−ｎ）〔ｍ、ｎ……任意の互いに
異なる数〕と２次巻線４−ｎ（または４−ｍ）と
の相互リアクタンスをXsmn（＝Xsnm）で表わ
し、２次巻線４−１，４−２，４−３，……４−
ｍ，……４−ｎから見たそれぞれの漏れリアクタ
ンスをX₁₁₀、X₂₂₀、X₃₃₀、Xmmo……Xnnoで表
わし、２次巻線４−ｍ（または４−ｎ）〔ｍ、ｎ…
…任意の互いに異なる数〕の電流により２次巻線
４−ｎ（または４−ｍ）に誘起する電圧を表わす
等価相互リアクタンスをXmn（＝Xnm）で表わ
す。この場合、等価相互リアクタンスXmn（＝
Xnm）は次式により求めることができる。 Xmn＝Xp／am・an−Xpn／am−Xpm／an＋Xsmn ……(1) 但し、am・an……２次巻線Sm、Snと１次巻
線Ｐとの巻数比 また２次巻線４−３以外のリアクトルを接続し
てない巻線の等価もリアクタンス（X₁₁、X₂₂…
…Xmn……Xnn）は２次巻線からみた巻線の漏
れリアクタンス（X₁₁₀、X₂₂₀、……Xmmo、…
…Xnno）に等しいが、リアクトルを接続した巻
線S₃の等価もれリアクタンスX₃₃は次式のように
なる X₃₃＝X₃₃₀＋Xo ……(2) 上記の等価もれリアクタンスと等価相互リアク
タンスとの関係は次に示すようなマトリクスとな
る。

【表】 本発明は、第６図における２次多分割変圧器４
の各リアクタンスが上記マトリクスのようになる
場合に巻線相互間の干渉をリアクタンスで表わし
た等価相互リアクタンスと等価もれリアクタンス
とが、次の表に示すような関係になるような変圧
器４の２次巻線にリアクトルXoを接続するもの
である。

【表】

【表】 すなわち、第６図で巻線４−１とついてみると
もれリアクタンスはX₁₁₀で、等価相互リアクタン
スは４−２に対してX₁₂、４−３に対してX₁₃、
４−ｍに対してX₁m、４−ｎに対してX₁nであ
り、X₁₁₀との関係は次のようになる。 X₁₁₀≧X₁₂ X₁₁₀≧X₁₃ 〓 X₁₁₀≧X_1n 〓 X₁₁₀≧X_1o ……(3) 巻線４−１のもれリアクタンスは他のいかなる
巻線との等価相互リアクタンスより大きいので巻
線４−１にはリアクトルの接続の必要はない。 次に巻線４−３についてみると同様にリアクタ
ンスの関係は次のようになる。 X₃₃₀＜X₃₁ X₃₃₀≧X₃₂ 〓 X₃₃₀≧X_3n 〓 X₃₃₀≧X_3o ……(4) 上記(4)式から巻線４−３と巻線４−１とについ
てみると４−１のもれリアクタンスが等価相互リ
アクタンスX₃₁よりも小さくなつている。このた
め巻線４−３に直列に次式で示される値のリアク
トルXoを接続する。 Xo≧X₃₁−X₃₃₀ ……(5) この結果(4)式で示されたリアクタンスの関係
は、次のようになる。 X₃₃＝X₃₃₀＋Xo X₃₃≧X₃₁ X₃₃≧X₃₂ 〓 X₃₃≧X_3n X₃₃≧X_3o ……(6) なお第６図の場合は１巻線のみリアクトルを接
続した場合で示してあるが、上記のようなリアク
タンスの関係を得るため必要ならば２巻線以上に
リアクトルを接続することも考えられる。 次に、本発明での変圧器４を用いた場合の転流
時の動作を説明する。 巻線４−１と巻線４−３で４−３が転流してい
を場合で説明する。変換器５−３は等価もれリア
クタンスX₃₃と交流側電圧Vs₃とで転流する。こ
の転流によつてS₁側にX₁₃を介して電圧が誘起す
るので変換器５−１の転流電圧Vs₁cは次のよう
になる。 Vs₁c＝Vs₁−X₁₃／X₃₃・Vs₃ ……(7) ここでVs₁とVs₃は等しく且つX_B＝X₃₁≦X₃₃で
あるので Vs₁c≧０ ……(8) となり、転流電圧が負になることはない。 更に、本発明の変圧器４を用いた場合の変換器
４のインバータ運転時の動作について説明する。
第７図は本発明の変圧器４を用いた場合のインバ
ータ運転時の動作波形を第５図に対応して示した
ものである。この第７図が示すように、本発明で
は転流電圧は負になることがないから、各変換器
の転流余裕角を同じになるように各変換器の最小
制御進み角を制御することが可能となる。 以上述べたように、本発明の整流装置は、整流
装置に用いる変換器のインバータ運転時、各変換
器の転流余裕角を最小値に、しかも同じにするこ
とが可能となるので、インバータ出力、回生制動
力の増大、力率の向上が図れる。このため変圧器
や変換器の小形軽量化が図れ、車両用変換装置と
しての効果は極めて大きくなるものである。 更に、多分割２次巻線をもつ単相の変圧器を備
えた変換装置に限らず多分割２次巻線をもち多相
の変圧器を備えた変換装置にも応用することがで
きるものである。 また、上記実施例ではリアクトルを変圧器内部
に組込んだ場合を示したが、このリアクトルは変
圧器の外部で、巻線に接続しても動作、効果は同
様のものが得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は交流電気車に使用される一般の整流装
置の構成を示す回路図、第２図は第１図に示す装
置における変圧器の２次巻線の分割数と１次電流
および出力電圧の波形との関係を示す波形図、第
３図は第１図に示す装置において変圧器２次巻線
を６分割した場合の１次電流と出力電圧との波形
を示す波形図、第４図は第３図に示す１次電流波
形が転流期間において分散する状態を示す図、第
５図は従来方式の動作波形図、第６図は本発明の
実施例を示すもので本発明に用いる変圧器の回路
図、第７図は本発明装置を用いた場合のインバー
タ運転時の動作波形図である。 １……架線、２……パンタグラフ、３……遮断
器、４……変圧器、４−Ｐ……１次巻線、４−
１，４−２，４−３……４−ｍ……４−ｎ……２
次巻線、５−１，５−２……５−ｍ……変換器、
６……平滑リアクトル、７……電動機、８……負
荷、９……３次巻線、Xo……リアクトル。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 変圧器の２次巻線を複数個に分割し、各分割
   ２次巻線にインバータ動作が可能な変換器を接続
   し、これらの変換器を縦続接続して整流出力を取
   り出す整流装置において、変圧器の１次側又は２
   次側に換算して表わした巻線の等価もれリアクタ
   ンスが、巻線間の等価相互リアクタンスよりも大
   きくなるように２次巻線にリアクトルを接続した
   ことを特徴とする整流装置。