JPH0379926B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は電気車用直流電動機の制御装置に係
り、特に、電機子チヨツパの外に界磁を別に制御
する直流電気車に好適な制御装置に関する。

〔従来の技術〕

利用粘着係数を向上させ、一編成中の電動車の
数を減らすことは、車両のイニシアルコストの低
減、メンテナンスコストの低減から、従来より望
まれてきた。その実現のための１つの方式は、誘
導電動機を用いた、可変電圧可変周波数制御であ
る。しかし、もう１つの方式として、従来同様に
直流電動機を用い、電機子に流れる電流と界磁に
流れる電流をそれぞれ別々に制御し、電動機に定
速特性を持たせることが考えられる。そして、電
機子電流の制御のためには、チヨツパを用いるこ
とが望ましく、界磁電流を制御するためにはチヨ
ツパあるいは制御整流回路などの電圧制御手段が
考えられる。

さて、これらの制御方式で共通している電機子
電流を制御するための電機子チヨツパ回路は、用
いられる半導体素子の種類によつて、第１図〜第
３図の方式に大別される。チヨツパ方式として
は、この他にも存在するが、電気車用として主に
用いられるのは、第１図〜第３図の方式に限られ
ているのが現状である。

第１図は、逆阻止形サイリスタを用いた並列消
弧型反発パルス転流方式チヨツパ１であり、主サ
イリスタ１０１、補助サイリスタ１０２、バイパ
スダイオード１０３、転流ダイオード１０４、転
流リアクトル１０５、転流コンデンサ１０６とか
ら構成されている。この転流モードは、各種文献
に紹介されているため、ここでは省略する。

第２図は、逆導通サイリスタを用いた直流消弧
型反発パルス転流方式チヨツパ２であり、大部分
の主回路チヨツパに本方式が採用されている。主
サイリスタ２０１、補助サイリスタ２０２、転流
リアクトル２０３、転流コンデンサ２０４から構
成され、この転流モードも極めて一般的であるた
め、ここでは省略する。

第３図は、近年急激に大容量化が進み、主回路
チヨツパへの応用が可能となつた自己消弧機能を
有するゲートターンオフサイリスタ（GTO）に
よるGTOチヨツパ３で、ゲートターンオフサイ
リスタ３０１、逆並列に接続されたバイパスダイ
オード３０２とから構成されるのが一般的であ
る。ゲートターンオフサイリスタ３０１は、ゲー
ト電流によつてオン、オフ制御できるため、第３
図の如く、極めて簡略な構成でチヨツパを形成す
ることができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、このようなチヨツパを電機子チヨツ
パとして用い、別に界磁電流制御手段を設けた場
合、電気車に予期せぬブレーキが作用して乗心地
を悪化させたり、１つの電動機の故障が他の電動
機にも波及することがある。

本発明の目的とするところは、電機子チヨツパ
の他に、界磁電流制御手段を備えた電気車におい
て、予期せぬブレーキが作用することのない制御
装置を提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

上記問題点を解決するため、電気車駆動用の直
流電動機の電機子と、この電機子に並列接続され
この電機子に流れる電流と逆方向の電流を導通さ
せるダイオードと、この電機子に直列接続され逆
方向に導通性を有するチヨツパと、上記電機子の
電流路外に接続された上記直流電動機の界磁とこ
の界磁の電流を制御する手段と、上記電機子とチ
ヨツパを含む電機子電流路であつて、上記電機子
及び上記ダイオードを含む閉回路内に挿入された
逆方向電流阻止手段とを備えるようにしたもので
ある。

〔作用〕

以下、本発明の原理を第４図〜第８図を用いて
説明する。

電機子電流を制御するチヨツパの外に、独立し
て電流を制御される界磁を備えるものとしては、
分巻、他励あるいは複巻電動機がある。ここで
は、分巻電動機を例に採り、界磁制御手段として
もチヨツパを用いた場合につき述べる。

第４図は、分巻電動機を用いた場合の簡略主回
路接続図を示す。電機子４に流れる電流は、電機
子チヨツパ５によつて制御される。電機子チヨツ
パ５がオフすると、電機子電流はフリーホイール
ダイオード６を通して循環する。また、分巻界磁
７に流れる電流は、界磁チヨツパ８によつて制御
される。界磁チヨツパ８がオフすると、界磁電流
は界磁フリーホイールダイオード９を通して循環
する。なお、チヨツパによるリツプルを低減させ
るために、フイルタリアクトル１０、フイルタコ
ンデンサ１１が、集電のためのパンタグラフ１２
との間に接続されている。ここで、電機子チヨツ
パ５は、第１図〜第３図で説明したいずれかの回
路構成をもつものとする。

まず、本方式の利点を簡単に説明すると、第１
に粘着性能が優れていることである。すなわち、
電気車においては通常、電機子の定電流制御が行
われるため、直巻電動機の場合には空転するとそ
れを助長してしまうが、本方式のように、界磁電
流を別に制御しているため、例えば界磁を一定に
保つておれば、分巻電動機の定速特性によつて再
粘着し易くなる。第２に、起動加速時の直巻特性
制御と、高速領域での弱界磁制御とを連続的に実
行できることである。第３に、界磁７と界磁チヨ
ツパ８（あるいは他の電圧制御手段）の簡単な接
続の工夫で、正逆転換器（通称PB転換器）を省
略することができる等である。

しかしながら、この構成では、予期しない回生
電流I_bが流れてブレーキが作用し、電気車の乗心
地を損うことがある。すなわち、前述の第１図〜
第３図のチヨツパで共通しているのは、逆方向に
対し導通性を有することである。このようにチヨ
ツパに逆方向に対して導通性をもたせている理由
は、チヨツパがサイリスタである場合、転流コン
デンサの再充電性を良くするためであり、また、
チヨツパがGTOの場合、何らかの原因でフイル
タコンデンサ電圧が不安定になり、チヨツパに逆
方向耐圧を越えた電圧が印加されたとき、素子が
破壊されることを防止するためである。いずれに
しても、チヨツパに逆導通性を有させることは必
須の事項である。

このように電機子チヨツパ５は逆導通性を有す
るため、第４図に示される主回路接続とした場
合、次のような不具合が発生する。

電車線電圧は、かなりの範囲で変動するが、電
車線電圧が急激に減少すると、界磁７に流れる電
流を減らすよう界磁チヨツパ８を制御しても、応
答速度が遅いため、界磁電流は減らず、電機子４
の電気が電車線電圧を上まわる。このとき、電機
子電流は、第４図に示すように、チヨツパが逆導
通性のため、電機子４からフイルタリアクトル１
０、パンタグラフ１２を通して回生するようにな
り、電動機には、ブレーキ力が働く。このときの
電気車のトルク変動は大きく、乗客はシヨツクを
感じることとなる。回路にはフイルタリアクトル
１０が挿入されているため、電流の変化する割合
はある程度和らげられ、また界磁チヨツパの応答
性を向上することで、乗心地を改善することも考
えられるが、電車線電圧変動が大きい時には不可
避の現象となる。

一方、通常のチヨツパ電気車としては、第４図
のような１相チヨツパとして用いられることは、
ほとんどなく、大部分はチヨツパを２台設けた２
相チヨツパである。

この場合も、架線電圧の急低下に対しては第４
図同様、回生電流I_bが流れてしまう。

この種の問題は、従来から用いられている直巻
電動機の場合には、電機子と界磁とが、直列に接
続されているため、電機子電流が減少すれば界磁
電流も減少し、電機子電流が零では、界磁電流も
零となり、第４図のような電機子電流の逆転は生
ぜず、問題はない。

次に、分巻電動機を例に採り、界磁制御手段と
してもチヨツパを用いた場合につき述べる。

第５図は、電気車の主回路簡略図であり、第４
図と異なるところは、電機子チヨツパとして、逆
方向電流を阻止する能力のあるチヨツパ１３を用
いたことである。

逆阻止能力のあるチヨツパの回路構成例を第６
図〜第８図に示す。

第６図の逆阻止チヨツパ１４が第１図と異なる
点は、主サイリスタ１４１のバイパスダイオード
を省いたことである。他は第１図と同様に、補助
サイリスタ１４２、転流ダイオード１４４、転流
リアクトル１４５およびコンデンサ１４６から成
り、その転流動作も第１図とほぼ同じである。た
だ、異なる点は、主サイリスタ１４１が消弧した
あとは、振動回路が形成されず、次の転流へ向け
ての転流コンデンサ１４６の再充電に時間を要す
ることである。このため、チヨツパの転流周期に
比べて、転流コンデンサ１４６の再充電が不十分
となる場合には、公知の補充電回路を設けること
が望ましい。

第７図は、第２図の逆導通サイリスタ２０１に
代えて、逆阻止サイリスタ１５１を用いた逆阻止
チヨツパ１５である。これも、前述の第６図と同
一の考え方と問題点がある。

第８図は、第３図のバイパスダイオード３０２
を省き、単にGTO１６１のみで構成した逆阻止
チヨツパ１６である。

もちろん、以上は原理図であつて、実際にはい
ずれもスナバ回路等の付属部品が必要である。特
に、第８図において、GTO１６１の逆耐圧が問
題となる場合には、スナバ回路に双方向性をもた
せることが望ましい。

さて、このような逆阻止チヨツパ１３を電機子
チヨツパとして用いた第５図等の構成によれば、
電車線電圧Esがいかに急低下しようとも、予期
せぬ回生電流が流れることはなく、電気車は通常
頻繁に使用される惰行状態へ、滑らかに移行す
る。

従つて、予期せぬ回生ブレーキによる乗心地の
悪化を防止することができる。

第９図は、他励電動機を用いた場合の簡略主回
路接続図を示す。電機子電流は、分巻電動機の場
合と同様、逆阻止の電機子チヨツパ１３で制御さ
れるが、他励界磁７は、交流発電機１７からの交
流出力を可逆性のサイリスタ位相制御整流器１８
によつて制御される点が異なつている。この例で
は、第５図と同様の効果の外に、前に触れたよう
に、電気車を逆方向へ走行させるためには整流器
１８の出力電圧の向きを逆にすればよく、PB転
換器は不要である。

第１０図は、複巻電動機を用いた場合の簡略主
回路接続図を示す。電機子電流は、逆阻止の電機
子チヨツパ１３で、他方界磁電流は界磁チヨツパ
８によつて制御される点は分巻電動機を用いた第
６図の場合と同じであり、電機子４と直列に直巻
界磁１９を有するところのみ異なつている。

また第１１図は、分巻電動機を２台並列に接続
し、それぞれの電機子４，４ａを２台の逆阻止電
機子チヨツパ１３，１３ａで制御する２相チヨツ
パである。６ａは２相目の電機子電流を循環する
ためのフリーホイールダイオード、７ａは２相目
の分巻電動機の分巻界磁を示している。

一般的には、本図の如く、複数のチヨツパで複
数の電動機を制御する方式が電気車用として採用
される。

〔実施例〕

以上、電機子チヨツパ自身に逆阻止能力をもた
せることにより、本発明者等がその原因を解明し
た予期せぬ回生ブレーキを回避することができる
ことを説明した。

しかし、既述したように、現実的には、電機子
チヨツパに逆導通性をもたせることは、必要不可
欠な事項である。ところが、逆導通路をもたせる
と再び予期せぬ回生ブレーキがかかる問題が生じ
てしまう。

この様な相反する問題を解決する実施例で第１
２図、第１３図を用いて説明する。ここでは分巻
電動機の場合を例に採つているが、他励電動機、
複巻電動機の場合についても適用が可能である。
第１２図は、逆導通性の電機子チヨツパ５と直列
にダイオード２０を電機子４とフリーホイールダ
イオード６の閉回路に接続した場合で、このダイ
オード２０以外は第４図と同様である。このよう
にダイオード２０を挿入すれば、電機子４に逆電
流が流れることはなく、予期せぬブレーキは作用
しない。また、完成された逆導通性のチヨツパ５
を用いうることも前述の問題点を解決する上で大
きな利点である。

一般的な２相チヨツパの場合の適用例を第１３
図に示す。すなわち、２組の電機子４と４ａおよ
びチヨツパ５と５ａは、いずれも並列関係に接続
されている。もちろん実際には電流バランサ等が
挿入される。

ここで、ダイオード２０および２０ａは、電機
子４，４ａとフリーホイールダイオード６，６ａ
の循環回路内で、電機子４，４ａと夫々直列に接
続されている。

このようにすれば、予期しない回生ブレーキお
よび、任意の電動機のフラツシユアースに対する
他の電動機への波及び防止することができる。

本発明によれば、逆導通性チヨツパにより制御
される直流電動機に流れる逆電流を阻止できるた
め、予期しない回生電流による電気車の乗心地の
悪化を防止することができる。

また、第１４図のように、第２相電動機の電機
子４ａがフラツシユアースした場合、つまり、第
２相の電動機の電機子４ａがフラツシユアースす
ると、チヨツパ５が逆導通性のため、第１相の電
機子４から第２相の電機子４ａのフラツシユアー
ス点へ向けて過大な短絡電流が流れる。この短絡
電流は、電機子を焼損させるに充分な大きさをも
ち、この電流が流れないようにするか、あるい
は、すみやかに回路をしや断し、電機子を焼損か
ら保護する必要がある。１相の事故が、その相だ
けにとどまらず、他相にまで影響を及ぼす問題を
もなくすという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は電気車に用いられるチヨツパ
の回路構成図、第４図は予期せぬ回生ブレーキを
説明する電気車用直流電動機の主回路図、第５図
〜第１１図は本発明の作用を説明する同主回路
図、第１２図〜第１３図は本発明の実施例を示す
主回路図、第１４図は本発明の効果を示す図であ
る。 ４，４ａ……電動機電機子、５，５ａ……逆導
通性電機子チヨツパ、７，７ａ……電動機界磁、
８，１８……界磁電流制御手段、１３，１３ａ…
…逆阻止形電機子チヨツパ、２０，２１……逆電
流阻止手段。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 電気車駆動用の直流電動機の電機子と、この
   電機子に並列接続されこの電機子に流れる電流と
   逆方向の電流を導通させるダイオードと、この電
   機子に直列接続され逆方向に導通性を有するチヨ
   ツパと、上記電機子の電流路外に接続された上記
   直流電動機の界磁とこの界磁の電流を制御する手
   段と、上記電機子とチヨツパを含む電機子電流路
   であつて、上記電機子及び上記ダイオードを含む
   閉回路内に挿入された逆方向電流阻止手段とを備
   えた電気車用直流電動機の制御装置。