JPH02146901A - 直流電気車の給電方式 - 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、二象限チョッパを搭載した車両を含む複数車
両により編成される直流電気車の給電方式に関する。

（従来の技術） 電気車用給電システム全体の簡略化、低価格化を図るこ
とを目的として、例えば特願昭６２−２２５３６４号に
提案されている給電方式がある。

この方式の基本原理を以下に簡単に説明する。

まず、直流電気車に二象限動作が可能なチョッパ等の直
流−直流変換装置を設け、電車線の高電圧を所望の電圧
に降圧させる。次に、この降圧した直流電圧を、各車両
に引通された引通し線（以下、「低電圧直流給電線」と
いう）を介して電動機駆動用電力変換装置に給電すると
共に、照明、空調設備を含む各種設備のための補助電源
装置にも給電する。

第５図は、この方式を示す具体的な回路図である。電車
線１からパンタグラフ２０により車両２内に、遮断器２
１及び入力フィルタ２２を介して取り込まれた高電圧の
直流電力は、直流−直流変換装置２３に入力される。こ
の直流−直流変換装置２３は、直流入力電圧を降圧し、
この降圧した直流電力を低電圧直流給電線２５．２６を
介し、車両２，３に設けられた電動機駆動用電力変換装
置２７　、３７及び補助電源装置２８．３８並びに車両
４に設けられた補助電源装置４８に供給している。

ここで、電動機駆動用電力変換装置２７はインバータ２
７１とフィルタコンデンサ２７２とから、電動機駆動用
電力変換装置３７はインバータ３７１とフィルタコンデ
ンサ３７２とからそれぞれ構成され、各電力変換装［２
７，３７は直流入力電力を交流電力に変換して車両駆動
用誘導電動機（ＩＭ）２９ａ〜２９ｄ、３９ａ〜３９ｄ
にそれぞれ供給し、補助電源装置２８，３８゜４８は照
明等の各種設備への電力供給をそれぞれ行っている。

第６図は、上記直流−直流変換装置２３の具体例を示す
回路図である。この直流−直流変換装置２３はいわゆる
二象限チョッパ（電流可逆チョッパ）であり、この二象
限チョッパはそれぞれＲＣＧＴＯ（逆導通ゲートターン
オフサイリスタ）からなる降圧用チョッパ２３１．昇圧
用チョッパ２３２及びリアクトル２３３とコンデンサ２
３４とからなるフィルタにより構成されている。

このような直流−直流変換装置２３は、よく知られてい
るように、電流が第６図に示す矢印Ａ１の方向のときは
降圧チョッパとして動作し、電流が矢印Ａ、の方向のと
きには昇圧チョッパとして動作する。そして、その出力
電圧は、一般産業用装置が適用可能な電圧レベル、例え
ば６００ｖ程度となるように制御される。

この制御により、例えば、車両２では、電動機駆動用電
力変換装置２７に低電圧直流給電線２５．２６から６０
０　Ｖ程度の電圧が供給される。したがって、前記イン
バータ２７１としてＶＶＶＦインバータを採用した場合
には、このＶＶＶＦインバータのスイッチング素子に一
般産業用のトランジスタを使用することができる。

第７図はこのようなインバータ２７１の一例を示す回路
図である。同図において、インバータ２７１はトランジ
スタにより構成された３相ブリッジ回路２７３を備えて
いる。また、このブリッジ回路２７３の入力端子間には
、各トランジスタに対して一括して作用するスナバ回路
２７４が設けられている。

一方、上記車両２の補助電源装置２８へも低電圧直流給
電線２５．２６を介して給電が行われるが、この場合に
もこの補助電源装置２８として一般産業用機器により構
成したものが使用可能となる。第８図はこのような補助
電源装置２８の一例を示す回路図である。同図において
、直流電力は、低電圧直流給電線２５．２６を介しイン
バータエアコン２８１〜２８３及びトランジスタ式の補
助電源２８４に供給される。

そして補助電源２８４は、三相負荷２８５．照明器２８
６等の負荷に給電を行っている。

以上、第５図の車両２における給電システムについて説
明したが、車両３についての給電システムについても同
様である。すなわち、車両３には。

低電圧直流給電線２５．２６を介して直流電力が供給さ
れ、車両２の場合と同様に、電動機駆動用電力変換装置
３７を介し車両駆動用誘導電動機３９ａ〜３９ｄへの給
電が行われる。また、補助電源装置３８へも同じ低電圧
直流給電線２５．２６から給電が行われる。さらに、第
５図において非電動車両として示されている車両４へも
低電圧直流給電線２５．２６を介して車両２の直流−直
流変換装置２３から直流電力が給電され、補助電源装置
４８が駆動される。

なお、従来、第６図に示した二象限チョッパ（直流−直
流変換装置２３）は、電車線側の特定高調波を抑制する
ために一定周波数可変オン時間で動作させており、可変
周波数制御は行われていない。

（発明が解決しようとする課Ｍ） ところで、上記直流−直流変換装置２３としての二象限
チョッパの降圧側（非電車線側）の電圧（以下、「出力
電圧」という）は、チョッパの導通率の制御により規定
値に保たれる。ところが、前述のように二象限チョッパ
の出力側には電動機駆動用電力変換装置や補助電源装置
が並列的に接続されており、これらの各装置の動作によ
って二象限チョッパの負荷は無負荷に近い軽負荷から最
大負荷まで大きく変化する。さらにこの負荷の変化を事
前に知ることは困難である。同時に、二象限チョッパは
電車線側の高電圧（以下、「入力電圧」という）を導通
率の制御によって低い電圧に変換するものであり、この
二象限チョッパでは負荷が小さくなると出力電圧を規定
値に保てなくなり、出力電圧が規定値を上回ってしまう
ことになる。

このため、従来では以下に掲げる問題が生じていた。

（１）一般に半導体スイッチング素子として用いられる
ＧＴＯサイリスタやパワトランジスタを二象限チョッパ
のスイッチング素子として使用する場合は最小導通時間
が決められており、これを無限に小さくすることができ
ない、従って、負荷が小さいときには、負荷が要求する
所望、の電力を供給しようとしても出力電圧は所望値以
上となる。

第９図は、第６図の二象限チョッパが動作周波数ｆでか
つ最小導通時間で動作している場合のりアクドル２３３
を流れる電流ｉｃと二象限チョッパの出力電圧ｖ雪の変
化の様子を示す波形図である。

第９図の電流ｉｃの波形図では、最小導通時間Ｔｏｓｍ
ｉｎでｉｔがピーク電流値Ｉ、まで増加し、チョッパが
オフする。とｉＬが減少して次のオンまでに零となって
いる様子が示されている。この結果リアクトル２０３に
は平均電流Ｉｔが流れることになる。ここで、負荷電流
工ｄが平均電流ＩＬより小さいと両電流工ｄとＩＬとが
バランスするまでコンデンサ２３４は充電され、その端
子電圧が上昇する。

そして、このコンデンサ２３４が充電されるに従ってＩ
＋、が減少する。

また、第９図の電圧ｖ２の波形図においては。

二象限チョッパの出力電圧ｖ２が規定値ｖｄより大きく
なっている場合が示されている。ここでｖｌは二象限チ
ョッパの入力側の電圧である。出力電圧Ｖｚが規定値■
ｄより大きくなると、二象限チョッパの高力側に接続さ
れている小容量の機器（例えば第８図の補助電源２８４
．負荷２８５．照明器２８６等）の入力が過電圧となり
、これらの機器が制御不能または故障に到ってしまう。

（２）さらに、上述の如く低電圧直流給電線２５．２６
に電動機駆動用電力変換装置や補助電源装置等を接続す
る給電システムでは、これらの各種装置は低電圧に対応
した設計となっている。このため二象限チョッパに動作
異常または故障が発生すると低電圧直流給電線２５．２
６に電車線１の高電圧が加わり、上記給電線２５．２６
に接続されている各種機器や装置に危険な過電圧が印加
されるという大きな問題があった。

このため従来方式では直流−直流変換装置２３としての
二象限チョッパの信頼性を高めたり、低電圧直流給電線
２５．２６にギャップレスアレスタを接続するなどして
低電圧直流給電線２５．２６に過電圧が発生することを
防止していた。しかし、これらの防止策は何れも装置の
価格や重量、大きさの増加を招く等、給電システムを実
現する上で大きな障害となっていた。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので
、軽負荷となっても出力側電圧が規定値以上に増加する
ことがなく、また５二象限チヨツパの出力側に過電圧が
生じたときは、速やかに前記二象限チョッパを高圧入力
側から開放するようにした直流電気車の給電方式を提供
することを目的とする。

（ｉｌ１頭を解決するための手段） 上記問題点は、降圧動作においても、昇圧用チョッパを
オフとしたままで降圧用チョッパを一定周波数で動作さ
せているため、軽負荷時にこの動作を行うと、降圧用チ
ョッパの半導体スイッチング素子の最小導通時間の制限
により二象限チョッパの出力電圧を規定値に保てないと
いう点、及び、負荷の変化を予め予測できず、二象限チ
ョッパに動作異常または故障が発生した場合には、事後
的にギャップレスアレスタ等により低電圧直流給電線の
過電圧発生を防止していたという事実によるものである
。なお、従来、軽負荷時においてチョッピング周波数を
変更し、或いはチョッパ出力側を入力側から開放すると
いうことも考えられていなかった。

従って、本発明者は、上記最小導通時間またはこれに近
い導通時間で動作させたために出力電圧を規定値に保て
ないときには、二象限チョッパの出力の導通率を小さく
した状況と等価な状況を作ればよく、このためにはチョ
ッピング周波数を低減すれば二象限チョッパの出力電圧
を規定値に保つことができ、また、二象限チョッパの出
力側電圧（低圧側）を監視してこれが規定の過電圧にな
ったときに昇圧チョッパ用半導体スイッチング素子を強
制的にオンさせ、降圧チョッパの回路を開いて入力側（
高圧側）から開放すれば低電圧直流給電線の過電圧発生
を未然に防止することができるとの知見を得た。

すなわち、第１の発明は、二象限チョッパの出力電圧が
規定値を越えるときは、二象限チョッパのチョッピング
周波数を低減させて前記出力電圧を前記規定値以下にす
ることを特徴とし、また第２の発明は、二象限チョッパ
の出力側に設けられた検出器により出力側電圧を検出し
、前記出方側電圧が規定の過電圧値を越えるときは、二
象限チョッパを構成する昇圧用半導体スイッチング素子
をオンして出力側を短絡すると共に、二象限チョッパの
入力側に設けたヒユーズ等の入力開放手段により入力側
から前記昇圧用半導体スイッチング素子に流れる短絡電
流を遮断することを特徴とする。

（作用） 第１の発明において、二象限チョッパの負荷が減少して
その出力電圧を規定値に保てないときは、出力電圧の増
大に応じてチョッピング周波数を下げ、等価的に負荷に
応じた導通率にする。この結果、軽負荷になっても二象
限チョッパに接続された機器等の入力側が過電圧になる
ことがない。この時、負荷が小さいことから、チョッピ
ング周波数が低下した高調波電流が発生しても、電車線
に対する影響は小さく問題とならない。

第２の発明においては、入力側の降圧用チョッパの短絡
故障等により低圧直流給電線に過電圧が発生すると、二
象限チョッパの出力側の昇圧用チョッパを速やかにかつ
強制的にオンさせて電源が短絡される。これにより、低
圧直流給電線の危険な過電圧が抑制されると共に、二象
限チョッパの入力側に設けられた入力開放手段としての
ヒユーズの溶断により、昇圧用チョッパに過大電流が流
れるのを防止する。また、前記入力開放手段として遮断
器を設けたときは、昇圧用チョッパのオンと共に二象限
チョッパの入力側の遮断器を開にし。

電源側から流れ込む短絡電流を遮断して昇圧用チョッパ
に過大な電流が流れるのを抑制する。

（実施例） 以下１本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

まず、第１の発明の一実施例を第１図の回路図により説
明する。なお、同図に示す直流−直流変換装置２３は、
第６図において説明した二象限チョッパと同様の構成を
しているが、第１図では、第６図で便宜上図示を省略し
た抵抗及び変流器から成るチョッパ出力電圧検出器２３
５が図示しである。

なお、本発明は直流−直流変換装”置２３として二象限
チョッパを用いる給電方式であるため、以下。

直流−直流変換装置２３を二象限チョッパ２３として説
明する。

チョッパ出力電圧検出器２３５は制御回路２３６に接続
されており、この制御回路２３６には、出力電圧設定回
路２３７及びチョッパ周波数設定回路２３８が接続され
ている。そして、制御回路２３６は、各設定回路２３７
及び２３８からの設定信号に応じて降圧用。

昇圧用チョッパ２３１　、２３２のオン／オフを制御し
て二象限チョッパ２３の出力電圧を規定値に保つように
各導通率を制御する。

ここまでの構成は、従来方式に用いる回路と同様である
が、本発明が適用される第１図の回路では、更に、チョ
ッパ周波数指令回路２３９を設けである。

このチョッパ周波数指令回路２３９は、出力電圧設定回
路２３７．チョッパ出力電圧検出器２３５及びチョッパ
周波数設定回路２３８に接続されており、設定回路２３
７及び検出器２３５からの信号を入力し、チョッパ周波
数指令を上記設定回路２３８に出力する。

すなわち、チョッパ周波数指令回路２３９は二象限チョ
ッパ２３の出力電圧を監視しており、該出力電圧が規定
電圧ｖｄを超えたときには、低減したチョッパ周波数指
令信号をチョッパ周波数設定回路２３８に出力し、チョ
ッパ周波数設定回路２３８は前記指令信号に応じた出力
周波数信号を制御回路２３６に出力するものである。

次に、チョッパ周波数指令回路２３９の動作を第２図に
示す特性図により説明する。ここで、チョッパ出力電圧
が規定値Ｖｄの前後ではチョッパ周波数はｆであり、負
荷が減少し、チョッパ出力電圧がｖｄを超えてＶｚに達
するとチョッパ周波数をｆからｆｉに下げる。さらに負
荷が減少して電圧がｖ２まで上昇するとチョッパ周波数
をさらにｆ２まで下げる。

このような動作を行わせることにより、１５００Ｖ程度
の高い電車線電圧を二象限チ目ツバ２３により４００ｖ
配ｆｆｉ網に相当する直流電圧にまで降圧させることが
でき、かつ、二象限チョッパ２３の出力電圧が過電圧に
なることはない、このため、ＶＶＶＦインバータ、ＣＶ
ＣＦインバータ等のインバータ（第５図における２７１
　、３７１参照）や補助電源装置（同２８，３８．４８
参照）を規定値を越えた耐圧設計とする必要がない、ま
た、これらの装置や機塁の小型、軽量化が可能となるほ
か、Ｉｔ造ココスト低減を図ることができる。

次に、第２の発明の一実施例を第３ｙＡの回路図により
説明する。

同図に示す各回路構成要素のうち、第１図及び第５図の
回路構成要素と同一の要素には同一の符号を付しである
。本実施例では、二象限チョッパ２３の出力側電圧の過
電圧を検出する過電圧検出器２４１がコンデンサ２３４
の両端に設けられている。この検出器２４１の２つの出
力端子は、降圧用チョッパ２３１．昇圧用チョッパ２３
２をそれぞれオン／オフさせるゲート回路２４２，２４
３に接続されており、これらのゲート回路２４２，２４
３には制御回路２３６′が接続されている。

通常の動作においては、各ゲート回路２４２，２４３は
制御回路２３６′により駆動され、ゲート回路２４２は
降圧チョッパ動作時に降圧用チョッパ２３１を動作させ
、ゲート回路２４３は昇圧チョッパ動作時に昇圧用チョ
ッパ２３２を動作させる。また、過電圧検出器２４１が
、二象限チョッパ２３の出力側電圧が規定値を超えたこ
とを検出した場合には、過電圧検出器２４１からの一方
の検出信号により昇圧用チョッパ２３２を強制的にオン
させ、他方の検出信号により降圧用チョッパ２３１を強
制的にオフさせるようになっている。

また、入力フィルタ２２．降圧用チョッパ２３１間には
、ヒユーズ、遮断器等からなる入力開放手段（第３図に
おいてはヒユーズ２４４）が設けられている。このヒユ
ーズ２４４は、降圧用チョッパ２３１の短絡故障時にお
いて昇圧用チョッパ２３２を強制的にオンさせたとき、
入力フィルタ２２のコンデンサの過大な放電電流が昇圧
用チョッパ２３２を介して流れることを防止するため、
上記放電電流を有効に遮断するべく溶断するものである
。

第４図は、第３図に示す回路において降圧用チョッパ２
３１が短絡故障した場合の、コンデンサ２３４の電圧、
過電圧検出器２４１の検出信号、ゲート回路２４３の出
力信号、昇圧用チョッパ２３２の電流及びヒユーズ２４
４の電流の変化の様子を示す動作波形図である。

まず、時刻Ｔ０で降圧用チョッパ２３１が短絡故障する
と、二象限チョッパ２３の入力側の高電圧が短絡故障し
た降圧用チョッパ２３１を介して出力側（低圧側）に印
加される。すると、出力側のコンデンサ２３４の端子電
圧が正常値Ｖｄ、から上昇する。そして、この低圧側電
圧が過電圧規定値Ｖｄｐに達すると（時刻Ｔ工）、検出
器２４１が過電圧を検出し、検出信号をゲート回路２４
３に出力する。ゲート回路２４３は、昇圧用チョッパ２
３２にゲート信号を出力し昇圧用チョッパ２３２をオン
する（時刻Ｔ２）、この後。

昇圧用チョッパ２３２の両端電圧はほぼ零となるのでコ
ンデンサ２３４の端子電圧は減少していく。

このとき、入力フィルタ２２のフィルタコンデンサは、
降圧用チョッパ２３１．昇圧用チョッパ２３２を介して
短絡されることになるので、ヒユーズ２４４には上記フ
ィルタコンデンサの短絡電流が流れる。

そして、この短絡電流により時刻Ｔ、でヒユーズ２４４
が溶断し、上記短絡電流が遮断されることになる。なお
、第４図におけるコンデンサ２３４の電圧を示す波形中
、点線で示す曲線は、降圧用チョッパ２３１の短絡故障
時に昇圧用チョッパ２３２をオンさせない場合の電圧変
化を示している。

なお、上記各発明の実施例においては、二象限チョッパ
２３を構成するスイッチング素子としてＲＣＧＴＯを用
いて説明したが、半導体スイッチング素子であれば、ト
ランジスタ等の他の種類の素子を用いてもよい。

（発明の効果） 以上のように第１の発明によれば、特に二象限チョッパ
の軽負荷時にチョッパの出力側電圧が規定値以上に増加
するときは、チョッピング周波数を低減させるようにし
たので、二象限チョッパの出力電圧が過電圧になること
はない。これにより、チョッパの出力側に接続されてい
る各種機器の入力電圧が過電圧になることがなく、これ
らの制御不能や故障等の事態を招くおそれがないと共に
、各種機器は規定値の耐圧設計でよく、絶縁が容易とな
り、小型軽量化及び低価格化を図ることができる。

また、第２の発明によれば、二象限チョッパの出力側の
過電圧を検出し、該過電圧が生じたときは昇圧用チョッ
パをオンして前記出力側を短絡すると共に入力側を開放
するため、やはりチョッパの出力側の各種機器に過電圧
による悪影響を与えるおそれがない等の効果がある。更
に、降圧用チョッパの短絡故障が発生した場合、ヒユー
ズ等によって昇圧用チョッパの短絡電流を制限すること
ができるため、確実にかつ経済的にチョッパの過電流保
護を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は第１の発明の一実施例を説明するための二象限
チョッパ及びその制御系を示す回路図。 第２図は第１図の回路図におけるチョッパ出力電圧とチ
ョッパ周波数との関係を示す特性図、第３図は第２の発
明の一実施例を説明するための二象限チョッパ及びその
制御系を示す回路図、第４図は第３図の回路図における
各部の動作を説明するための波形図、第５図は直流電気
車用給電システムを示す構成図、第６図は従来技術を説
明するための二象限チョッパの回路図、第７図は第５図
で用いられる電動機駆動用電力変換装置の一例を示す回
路図、第８図は第５図で用いられる補助電源装置の一例
を示す構成図、第９図は第６図の二象限チョッパの動作
説明図である。 ２３５・・・チョッパ出力電圧検出器 ２３６、２３６’・・・制御回路　２３７・・・出力電
圧設定回路２３８・・・チョッパ周波数設定回路 ２３９・・・チョッパ周波数指令回路 ２４１・・・過電圧検出器　　　２４２，２４３・・・
ゲート回路２４４・・・ヒユーズ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）直流電気車に搭載した二象限チョッパを一定のチ
   ョッピング周波数で動作させて電車線電圧を直流−直流
   変換して降圧し、前記二象限チョッパの出力パルスの導
   通率を変化させて、前記二象限チョッパの出力電圧を規
   定値に保つべく制御して直流電力を供給する直流電気車
   の給電方式において、前記二象限チョッパの出力電圧が
   前記規定値を越えるときは、前記チョッピング周波数を
   低減させて前記出力電圧を前記規定値以下にすることを
   特徴とする直流電気車の給電方式。
2. （２）直流電気車に搭載した二象限チョッパを一定のチ
   ョッピング周波数で動作させて電車線電圧を直流−直流
   変換して降圧し、前記二象限チョッパの出力パルスの導
   通率を変化させて、前記二象限チョッパの出力電圧を規
   定値に保つべく制御して直流電力を供給する直流電気車
   の給電方式において、前記二象限チョッパの出力側に設
   けられた検出器により出力側電圧を検出し、前記出力側
   電圧が規定の過電圧値を越えるときは、前記二象限チョ
   ッパを構成する昇圧用半導体スイッチング素子をオンし
   て出力側を短絡すると共に、前記二象限チョッパの入力
   側に設けた入力開放手段により入力側から前記昇圧用半
   導体スイッチング素子に流れる短絡電流を遮断すること
   を特徴とする直流電気車の給電方式。