JPH01274604A - 交流電気車駆動用半導体電力変換装置 - 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、交流電力を直流電力に変換する電源側変換装
置と、該変換装置から供給された直流電力を交流電力に
変換して電気車駆動用電動機に供給するインバータと、
から成る交流電気車駆動用半導体電力変換装置に関する
ものである。

〔従来の技術〕

従来、交流電気車に搭載されたかかる半導体電力変換装
置で、電車線へ電力を回生ずることの可能な半導体電力
変換装置では、その電源側変換装置として、一般に他励
式のサイリスタ純ブリツジ回路が用いられている。

第５図はかかる従来の半導体電力変換装置を示す回路図
である。

同図において、１０はパンタグラフ、１１は交流遮断器
、１２は主変圧器、２は電源側変換装置（一般に他動式
サイリスタ整流器が用いられる）、３は直流側主回路、
３１は直流遮断器、３２はカ行／回生制動切換器（Ｐ側
に切り換わったとき、電源側変換装置２を順変換動作さ
せ、Ｂ側に切り換わったとき、電源側変換装置２を逆変
換動作させる切換器）である。電源側変換装置２は、そ
こに流れる電流が一方向性であるため、負荷が後述の電
圧形ＰＷＭインバータである場合、カ行／回生で電源側
変換装置２に流れる電流方向が切り換わるので、この切
換器３２が必要になる。

３３は平滑リアクトル、３４は回生制動時に回路に付加
される平滑リアクトル、３５は回生制動時に回路に付加
される抵抗、３６はスイッチ（回生制動時にのみ開とな
って平滑リアクトル３４及び抵抗３５を平滑リアクトル
３３の接続回路に直列に挿入接続するためのスイッチ、
従ってカ行時には閉となる）、４１は前述の負荷として
のＰＷＭ・ＶＶＶＦインバータ、４１１は入力コンデン
サ、４１２はインバータ、５１は車両の一方の台車、５
２は他方の台車、５１１〜５１４はそれぞれ交流電動機
、である。

このように−車両骨４台の交流電動機５１１〜５１４を
１台（７）ＰＷＭ−ＶＶＶＦ４７バータ４１で駆動する
ので、その容量はＩＭＷ級にもなり、インバータ４１２
としてはＧＴＯインバータが使われている。

第５図に見られるようなＶＶＶＦインバータを用いた駆
動システムでは、電源側変換装置２は常に最大の直流出
力電圧を出力しており、インバータ４１２のＰＷＭ制御
によッテ、ＶＶＶＦ（可変電圧可変周波）制御を行う。

このような従来方式による半導体電力変換装置の性能に
ついて述べる。まずカ行動作の場合は、電源側変換装置
（以下、サイリスタ整流器と云うこともある）２は、最
大出力を出力するため、ダイオード整流器の場合と同じ
動作をさせる。第６図（ａ）が電源側変換装置（サイリ
スタ整流器）２の順変換動作（電気車のカ行運転）時の
動作波形である。その（イ）が入力交流電圧波形を、（
ロ）が直流出力電圧波形を、（ハ）が交流入力電流波形
を、それぞれ示す。

第６図（ａ）において、Ｉｄは直流出力電流で平滑リア
クトル３３のリアクトル値が充分大きく、これによって
平滑された場合の値で示しである。

ＥｄｐＯは直流出力電流１ｄが零の場合の直流出力電圧
値であり、Ｅｄｐは直流出力電流１ｄとして最大電流が
流れた場合の出力電圧値である。直流出力電流が零の場
合は、（ロ）に示す転流型なり角Ｕｐが生じないが、直
流出力電流が最大電流の場合は、転流型なり角ｕｐが発
生し、この転流による電圧降下のため、出力電圧がＥｄ
ｐＯからＥｄｐに減少する。

第６図（ｂ）は、電源側順変換装置（サイリスタ整流器
）２の逆変換動作（電気車の回生制動運転）時の動作波
形である。電源側変換装置（サイリスタ整流器）２は最
大出力電圧を出力するため、最小制御進み角βｌ１ｌｉ
ｎで動作させる。これにより転流後のサイリスタの転流
余裕角γは確保される。ＥｄｂＯは、直流出力電流が零
の場合の直流出力電圧値であり、Ｅｄｂは最大電流が流
れた場合の出力電圧値である。直流出力電流が零の場合
は、第６図（ロ）に示すように、転流型なり角Ｕｂが生
じないが、直流出力電流が最大電流の場合は、転流型な
り角Ｕｂが発生し、この転流による電圧降下のため、出
力電圧がＥｄｂＯからＥｄｂに減少する。

逆変換動作時の最大直流出力電圧ＥｄｂＯは次のように
なる。

ＥｄｂＯ＝Ｅｄｐ（ｌｃｏｓ７　　　””（１）転流余
裕角γを３０°とすると、逆変換動作時の最大直流出力
電圧ＥｄｂＯは、順変換動作時の最大直流出力電圧Ｅｄ
ｐＯの８６％となり、順変換動作時に比べ１４％電圧が
低下する。また逆変換動作時の電源側変換装置（サイリ
スタ整流器）２の直流出力電圧は、順変換動作時より電
圧脈動が大きくなる。

電気車の場合、制動は車両性能の重要な項目の一つであ
り、回生制動の場合、インバータの入力電圧の大きさお
よび直流電流の脈動もカ行時並みが必要となる。以上の
ことから従来方式では回生制動時のインバータの入力電
圧を高めるため、抵抗３５を挿入し、電流脈動をカ行時
並みにするためリアクトル３４を追加している。

第７図は従来方式による交流電気車駆動用半導体電力変
換装置でのインバータの入力電流と入力電圧の関係を示
したグラフである。同グラフにおける（１）は、カ行運
転時の特性、（２）は回生制動運転時の特性であって追
加抵抗なしの場合の特性、（３）は回生制動運転時の特
性で最大電流時の電圧値がカ行運転時のそれと同じ電圧
となるような抵抗を追加した場合の特性、（４）は上記
（３）の場合より大きな抵抗を追加した場合で、回生制
動運転時の特性である。

〔発明が解決しようとする課題〕

以上述べたように、従来方式による交流電気車駆動用半
導体電力変換装置では、電源側変換装置にサイリスタ整
流器を用いているため、逆変換動作時の直流電圧が順変
換動作時のそれより低下してしまうため、回生制動運転
時専用の抵抗、リアクトル、スイッチが必要となる。こ
のため主回路機器が大形化、高価格化すると共に重量が
重くなっていた。

更に従来方式による交流電気車駆動用の半導体電力変換
装置では、電源側変換装置としてのサイリスタ整流器の
電圧方向が一方向性であるため、カ行／回生時で電流方
向を切り換えるための切換器が必要であり、この保守を
必要とする。

本発明は、上述した従来の交流電気車駆動用半導体電力
変換装置の有する種々の問題点を解消するために提案さ
れたもので、その目的とするところは、上記電力変換装
置における電源側変換装置としての他動式サイリスタ整
流器のもつ欠点である逆変換動作時の性能低下を改善し
、更に保守を必要とする機械式のカ行／回生時に電流方
向を切り換えるための切゛換器を不要としたところの交
流電気車駆動用半導体電力変換装置を提供することにあ
る。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため、本発明では、電源側変換装置
を、サイリスタと自己消弧形逆阻止半導体スイッチ素子
（例えばＧＴＯサイリスタ）とを互いに逆並列接続して
成る半導体素子で構成したブリッジにすると共に、回生
時の逆変換動作時にはこの自己消弧形スイッチ素子を自
己消弧させることな（他動電力変換動作をさせ、更に転
流余裕角が零となるよう、他動動作により転流させ更に
電源電圧が反転してカ行動作に移行したときはこのスイ
ッチ素子を自己消弧させるようにした。

〔作用〕

ＧＴＯサイリスタのように自己消弧能力を持つ自己消弧
形半導体スイッチ素子と自己消弧能力を持たないサイリ
スタとを逆並列接続して成るスイッチ素子をブリッジに
組んで構成した電源側変換装置において、順変換動作時
にはサイリスタにより他動式電力変換動作を行わせ、逆
変換動作時には自己消弧形半導体スイッチ素子に他動電
力変換動作を行わせると共に、その自己消弧機能により
自己消弧させて転流余裕角を零とし、サイリスタによる
順変換時の動作と全く対称の動作を行なわせる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図に沿って説明する。

第１図は、本発明の一実施例としての交流電気車駆動用
半導体電力変換装置（主回路システム）を示した回路図
である。第１図において、第５図におけるのと同一のも
のには同一記号を付しである。第５図におけるのと異な
るところは電源側変換器６（第５図における電源側変換
装置２に相当）である。

サイリスタ６１１と自己消弧形素子６２１が互いに逆並
列接続されて成る半導体素子と、同様にサイリスタ６１
２〜６１４のそれぞれと自己消弧形素子６２２〜６２４
のそれぞれとが互いに逆並列接続されて成るそれぞれの
半導体素子と、でブリッジを組むことにより構成した回
路と、エネルギー吸収回路６３と、により電源側変換器
６が構成されている。なお自己消弧形素子６２１〜６２
４はＧＴＯサイリスタから成るものとして図には示しで
ある。

サイリスタ６１１〜６１４の極性は、電車カ行時におい
て電源側変換器６が該サイリスタにより順変換動作を行
うことができるような極性に定めである。

電源側変換器６が整流動作中に、自己消弧形素子がその
ゲートに制御信号を受けて電流を遮断すると、変圧器１
２の二次巻線から交流電源に至るまでの回路のインダク
タンス分にそれまで蓄積されていたエネルギーにより、
ブリッジの交流入力端子間に過電圧が発生する。エネル
ギー吸収回路６３は、この過電圧を吸収するために設け
られたものであり、ブリッジの交流入力端子間に接続さ
れている。

電車力行時は、電源側変換器（以下、単相ブリッジと云
うこともある）６におけるサイリスタ６１１〜６１４が
順変換動作を行う。

第２図は、電源側変換器６としてのブリッジが最大出力
電圧を出力するときの各部の動作波形を示した波形図で
ある。図中、■は交流電源電圧波形、Ｅｄは単相ブリッ
ジ６の直流側端子電圧波形、ｉは変圧器１２の二次電流
波形、ｉｌｌ、　　ｉ１２はサイリスタ６１１．６１２
の電流波形、をそれぞれ示す。

電車力行時は、サイリスタブリッジによる順変換動作が
行われ、これは第５図に示した従来技術によるサイリス
タブリッジ順変換動作と何等変わらない。

次に電車が回生制動に入った時の動作について説明する
。単相ブリッジ６を、直流電圧はカ行時と同じ極性で、
電流のみ反転する逆変換動作をさせて直流側に発生した
電力を交流側に回生ずるため、サイリスタ６１１〜６１
４の動作を止め、自己消弧形素子（以下、ＧＴＯサイリ
スタということもある）６２１〜６２４を動作させる。

ＧＴＯサイリスタはサイリスタとは向きを逆にしている
ので、単相ブリッジ６の逆変換動作は、ＧＴＯサイリス
タ６２１〜６２４により構成されるＧＴＯブリッジに分
担させる。

この逆変換動作時における制御方法を第１図及び第３図
により説明する。なお、この第３図は逆変換動作時のブ
リッジ各部の動作波形を示した波形図である。

第３図中、Ｖ、Ｅｄ、ｉは第２図の場合と同様、■は交
流電源電圧波形、Ｅｄは単相ブリッジ６の直流側端子電
圧波形、ｉは変圧器１２の二次電流波形である。ｉ２１
．　　ｉ２２はＧＴＯサイリスタ６２１．６２２の電流
波形である。

まず、変圧器１２の二次巻線の電圧Ｖが正であるとき（
第１図で矢印の向き）にＧＴＯサイリスタ６２１．６２
３が導通状態にあり、ＧＴＯサイリスタ６２２，６２４
を逆阻止状態としておく。

この時、単相ブリッジ６の直流側端子電圧Ｅｄは第３図
に示す如く負となっている。

次いで、点弧遅れ角α、即ち時刻Ｔ１でＧＴＯサイリス
タ６２２，６２４をそれぞれのゲートに正の信号を与え
ることにより点弧すると、ＧＴＯサイリスタ６２１，６
２３のアノード、カソード間には逆電圧が印加されるこ
とになるため、これらのＧＴＯサイリスタ６２１．６２
３は転流型なり角Ｕを経過した後に消弧する。ここで点
弧遅れ角αは、二次巻線の電圧Ｖの極性が反転する時刻
Ｔ（１”ＧＴｃｌイリスタロ２１．６２３の転流が終了
するように設定されている。

このことは、第３図のＥｄの波形かられかるように、 （点弧遅れ角α）＋（転流型なり角ｕ）＝πであり、転
流余裕角が零であることを意味している。これにより、
時刻Ｔｏでは消弧すべきＧＴＯサイリスタの遮断に伴う
転流エネルギーは発生しないことになる。

以下同様にしてＧＴＯサイリスタ６２２，６２４及びＧ
ＴＯサイリスタ６２１，６２３は点弧及び消弧を繰り返
す、なお、この転流余裕角を零とするためには、例えば
、従来から知られている転流余裕角一定制御方式により
行えばよい。

以上、説明したように、二次巻線の電圧反転時に転流を
完了させ、転流余裕時間を零とするように前もって点弧
遅れ角αでＧＴＯサイリスタを点弧する制御方法を採用
することにより、本発明の目的とする単相ブリッジの逆
変換動作時の性能を高めることが出来る。

しかるに、逆変換動作時に転流余裕角を零とすべく上記
転流余裕角一定制御方式による制御を行っても、転流余
裕角制御系の制御遅れや電源電圧の急変が原因となって
二次巻線の電圧の反転時（第３図の時刻Ｔｏ）にはまだ
転流が完了しておらず、または既に転流が完了してしま
っている場合もあり得る。

すなわち、転流余裕角が零となるように制御が行われた
場合、または二次巻線の電圧Ｖの反転時には既に転流が
完了してしまっている場合には問題がないが、電圧Ｖの
反転時にまだ転流が完了していない場合においては、導
通を阻止するべきＧＴＯサイリスタのアノード、カソー
ド間の電圧がこれから導通すべきＧＴＯサイリスタのア
ノード。

カソード間の電圧より高くなってしまうため、転流が行
われないことになる。

そこで、二次巻線の電圧■の反転時にまだＧＴＯサイリ
スタの転流が終了していない場合を考慮し、二次巻線の
電圧Ｖの反転時に導通を阻止するべきＧＴＯサイリスタ
のゲートに強制的に負の信号を与えて当該ＧＴＯサイリ
スタを自己消弧させ、導通させるべきＧＴＯサイリスタ
のゲートに正の信号を与えてＧＴＯサイリスタの転流を
確保させることとした。

第４図（ａ）は、制御指令どおりに転流余裕角が零とな
った場合、同図（ｂ）は二次巻線の電圧Ｖの反転時以前
にはまだ転流が終了していない場合、同図（Ｃ）は既に
転流が完了してしまっている場合のそれぞれの動作波形
を示したものである。

これらの各図において、前記同様にＶ、Ｅｄ、ｉ２１及
びｉ２２は前記と同じ各電圧、電流波形を示す。

ここでは、これから消弧するべきＧＴＯサイリスタを６
２１，６２３とし、導通するべきＧＴＯサイリスタを６
２２．６２４としている。同図（ｂ）においては、二次
巻線の電圧Ｖの極性が反転するＡ点では転流が完了して
おらず、ＧＴＯサイリスタ６２１，６２３のゲートに加
えられた負の信号によりこれらのＧＴＯサイリスタが強
制的に消弧された状態を示している。また、同図（ｂ）
のＥｄの波形で強制転流時にピークが現われるのは、交
流側のインダクタンスの影響によるものである。

更に、同図（ｂ）に示すｉ２１の波形において、Δｉｄ
は二次巻線Ｖによる転流後の電流であるため転流電流１
ｄの数分の１に減少している。このため、スナバ回路及
びエネルギー吸収回路が小容量であってもＧＴＯサイリ
スタが破壊することはない。また、同図（Ｃ）の場合に
はそのＥｄの波形から転流余裕角ＴＯが生じることが明
らかであるが、これは比較的小さいため電力逆変換の効
率が悪くなることもない。

なお、この実施例では、電力変換素子としてＧＴＯサイ
リスタを用いた単相の電力変換装置による制御方法を説
明したが、電力変換素子としてはＧＴＯサイリスタと等
価とみなせる強制転流回路を備えた半導体スイッチ素子
を用いてもよく、三相電力変換装置、あるいは三相以外
の多相電力変換装置に適用しても同様の効果が得られる
ことはいうまでもない。

〔発明の効果〕

以上詳述したように本発明によれば、サイリスタと自己
消弧形素子を逆並列接続して成る半導体素子を用いてブ
リッジ構成した変換装置を交流電気車駆動用半導体電力
変換装置の電源側変換装置とし、サイリスタにより順変
換動作させ、自己消弧形素子により逆変換動作させるよ
うにすると共に、電源側変換装置の逆変換動作時には交
流電源電圧反転時に転流を完了させ、転流余裕時間を零
とするように前もって点弧遅れ角αで自己消弧形素子を
点弧する方式を採用することにより、以下の効果を得る
ことができる。

（１）自己消弧形素子が遮断する電流は順変換動作時に
は零であり、逆変換動作時も零にすることができるので
、順・逆全く同一性能の電源側変換装置とすることが出
来る。これにより回生制動時に必要としていた平滑リア
クトルや抵抗器をなくすことが出来る。更に逆変換動作
時の電車線側の力率を大幅に向上させることが出来る。

（２）自己消弧形素子を用いることにより、順変換動作
時は交流電源による転流動作を行わせ、逆変換動作時に
は転流余裕時間の電源転流動作と、電源電圧反転時に自
己消弧を併用した転流動作とを行わせるため、上記効果
の他、逆変換動作において交流電源の電圧反転時に転流
が完了していなくても転流エネルギーが小さいため転流
エネルギー吸収回路を小型化できる等の効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す回路図、第２図は第１
図における電源側変換器としてのブリッジが最大出力電
圧を出力するときの各部の動作波形を示した波形図、第
３図は第１図における電源側変換器としてのブリッジが
逆変換動作をするときの各部の動作波形を示した波形図
、第４図はその様々な場合における各部の動作波形を示
した波形図、第５図は従来の半導体電力変換装置を示す
回路図、第６図は第５図における電源側変換装置の各部
の動作波形を示した波形図、第７図は従来の半導体電力
変換装置におけるインバータの入力電流と入力電圧の関
係を示しこグラフ、である。 符号の説明 １０・・・パンタグラフ、１１・・・交流遮断器、１２
・・・主変圧器、３３・・・平滑リアクトル、４１・・
・ＰＷＭ　−ＶＶＶＦインバー９．５１．５２−・・台
車、６・・・電源側変換器、６１１〜６１４・・・サイ
リスタ、６２１〜６２４・・・自己消弧形素子（ＧＴＯ
サイリスタ）、６３・・・エネルギー吸収回路代理人　
弁理士　並　木　昭　夫 代理人　弁理士　松　崎　　　清 第　１　図 平滑りｐトル １１２　図　　、　　　　　　　　　　薯３閏膚　４　
図 （ｂ）（す （ａ） ！６　口 （ｂ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）交流電力を直流電力に変換する電源側変換装置と、
   該変換装置から供給された直流電力を交流電力に変換し
   て電気車駆動用電動機に供給するインバータと、から成
   る交流電気車駆動用半導体電力変換装置において、 サイリスタと自己消弧形素子とを逆並列接続してなる半
   導体素子をブリッジ接続することにより前記電源側変換
   装置を構成し、電気車力行時にはサイリスタを動作させ
   て順変換動作を行わせ、電気車回生制動時には自己消弧
   形素子を動作させて逆変換動作を行わせると共に、 逆変換動作時には、自己消弧形素子には、電源転流動作
   により消弧動作を行わせ、かつ交流電源電圧の極性反転
   時に、消弧すべき自己消弧形素子を自己消弧させる制御
   回路を具備したことを特徴とする交流電気車駆動用半導
   体電力変換装置。