JPH0584121B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、半導体チヨツパを用いた直流電動機
の回生制動装置に係り、特に回生制動を解除した
ときの制御特性を改善した回生制動制御装置に関
する。

〔発明の背景〕

サイリスタやGTOなどの半導体スイツチング
装置の進歩改良に伴なつて、直流電動機の制御に
も各種のチヨツパ装置が広く利用されるようにな
つてきた。

このようなチヨツパ装置による電気車の回生制
動制御装置の一例を第１図に示す。

この第１図は主電動機を回生制動状態に制御し
たときの主回路結線と、このときでの制御信号の
流れを示した図で、この図において、１は主電動
機の電機子、２は主電動機の界磁巻線、３は平滑
用のリアクトル、４はダイオード、５，６は開閉
器、７はパンタグラフ、８はチヨツパ、９はチヨ
ツパ８に用いられているサイリスタ、GTOなど
のスイツチング素子のゲートを制御するゲート制
御部、１０はブレーキ操作に応じてブレーキの作
動と解放を指示するブレーキオン・オフ信号を発
生するためのブレーキ指令制御部である。なお、
はブレーキ指令制御部１０から出力されるブレ
ーキ指令出力信号を、は開閉器５から出力さ
れ、この開閉器５の動作を確認する動作確認信号
を、そしては同じく開閉器６の動作確認信号を
それぞれ表わし、IAは回生制動状態での電機子
電流を表わす。

次に、この装置の動作について説明する。

いま、ブレーキハンドルが操作され、ブレーキ
動作が指令されると、これにより信号がブレーキ
指令制御部１０に入力され、この指令部１０から
ブレーキ指令出力信号が出力される。

この結果、信号→開閉器５のオン動作→信号
→開閉器６のオン動作→信号→ゲート制御部
９のゲート制御信号発生動作開始→チヨツパ８の
動作開始の順に制御が逐次進行し、主電動機は回
生制動状態になつてブレーキトルクを発生するよ
うにされる。

回生制動状態での動作は以下のようになる。

ブレーキ動作が指令された状態では、主電動機
は負荷側から強制的に回転させられており、磁気
回路に存在する残留磁気により電機子１は起電力
を発生している。

そこで、いま、チヨツパ８がオン期間に入つた
とすれば、電機子１→界磁巻線２→リアクトル３
→チヨツパ８→開閉器５→電機子１からなる短絡
回路が形成され、主電動機の自励発電特性により
電機子電流IAが流れる。

次に、この電機子電流IAが所定値に達したと
きを見計らつてチヨツパ８をオフに制御する。そ
うすると、上記したチヨツパ８のオン期間に流れ
ていた電機子電流IAによつてリアクトル３に逆
起電圧が発生し、このリアクトル３の逆起電圧と
電機子１の発電電圧との和が電源側電圧（架線電
圧）より高くなるので、アース→開閉器５→電機
子１→界磁巻線２→リアクトル３→ダイオード４
→開閉器６→パンタグラフ７→架線の経路で電機
子電流IAが流れ、電源側に回生電力が送られて
主電動機に回生制動トルクが得られるようにな
る。一方、このチヨツパ８のオフ期間における回
生状態に入ると、リアクトル３の逆起電圧は暫時
減少し、やがてリアクトル３の逆起電圧と電機子
１の発電電圧との和が架線電圧以下になると回生
電流は流れなくなり、回生制動トルクもゼロにな
る。

そこで、再びチヨツパ８をオンしてやれば電機
子電流IAが増加し、その後、チヨツパ８をオフ
することにより再び回生制動を行なうことがでる
ようになる。

従つて、チヨツパ８を所定の周期でオン・オフ
してやれば、ほぼ連続した回生制動動作を行なわ
せることができ、このときの回生制動トルクの大
きさは、チヨツパ８のオン期間とオフ期間との割
合い、つまり流通率を制御することにより任意に
制御することができる。

なお、このときのチヨツパ８のオン・オフ周期
は、スイツチング素子としてGTOを用いたりす
ることにより相当に短かく（周波数でいえば数
KH_Z程度）することができ、この場合にはリア
クトル３を別個の機器として備えなくても、電機
子１を含む短絡回路内に存在するインダクタンス
分だけで充分に回生電圧が得られるようになり、
リアクトル３を不要にすることができる。

次に、ブレーキハンドルが戻され、ブレーキ解
放が指令されたときには、ブレーキ指令制御部１
０からブレーキをオフにする信号が出力され、
信号→開閉器５のオフ動作→信号→開閉器６
のオフ動作→信号→ゲート制御部９のゲート制
御信号の発生動作停止→チヨツパ８の動作停止、
の順に制御動作が移り、回生制動動作が停止され
る。

このときの動作をタイミングチヤートで示すと
第２図に示すようになり、時刻t₀でブレーキオフ
が指令されて信号が出力され、その後、開閉器
５の動作遅れ時間τ₁が経過した時点t₁で開閉器５
がオフし、同時に信号が発生している。そし
て、同じく開閉器６の動作遅れ時間τ₂が経過した
時点t₂で開閉器６がオフし、信号が発生してチ
ヨツパ８が動作停止する。

従つて、第１図に示した従来の装置では、第２
図から明らかなように、ブレーキオフ時にはいつ
も開閉器５によつて電機子電流のしや断が行なわ
れていることになり、開閉器５の定格電流値に近
い電流でのしや断ひん度が高くなつて保守、点検
作業が増え、かつ、その耐用期間を永くすること
ができないという欠点があつた。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、回生制動動作に伴なう開閉器
の定格電流近傍での電流しや断ひん度を少くし、
上記した従来技術の欠点を除くことができるよう
にした電気車用回生制動制御装置を提供するにあ
る。

〔発明の概要〕

この目的を達成するため、本発明は、ブレーキ
オフ時での制御がチヨツパ装置の動作停止から開
始するようにした点を特徴とする。

〔発明の実施例〕

以下、本発明による電気車用回生制動制御装置
の実施例を図面について説明する。

ここで、まず、本発明の実施例について説明す
る前に、本発明に至る過程で考え出された先行例
について、第３図により説明する。

この先行例は、第１図の従来例と主回路の構成
は同じであるが、チヨツパ８のゲート制御部９に
対する制御信号の供給方法が異なり、ゲート制御
部９の動作開始を行なわせるON入力は信号に
よつて与えられるが、ゲート制御部９の動作を停
止させる（つまりチヨツパ８をオフしたままに保
つ）ためのOFF入力は信号によつて与えられ
るようになつている。

次に、この先行例の動作を第４図のタイミング
チャートで説明する。なお、回生制動動作は第１
図の従来例と同じように得られることはいうまで
もない。

いま、時刻t₀でブレーキオフが指令され、ブレ
ーキ指令制御部１０から信号が出力されたとす
る。そうすると、この信号は第１図の従来例と
同様に開閉器５に与えられ、開閉器５がオフする
と信号が開閉器６に供給される。しかしなが
ら、このときには、開閉器６がオフするので、ゲ
ート制御部９のON入力に対する信号は発生さ
れない。

一方、この先行例では、時刻t₀で信号が出力
されると、この信号はゲート制御部９のOFF
入力にも供給され、従つて、ゲート制御部９は時
刻t₀で動作を停止し、チヨツパ８は時刻t₀以降、
ただちにオフ状態に移行し、電機子１を含む短絡
回路はオフされてしまう。

このため、電機子電流IAは時刻t₀以後、所定の
時定数で減少し、リアクトル８の逆起電圧と電機
子１の発電電圧との和が架線電圧より僅かに高い
状態になつたとき、電機子電流IAはゼロになる。

そこで、いま、チヨツパ８がオフしてから電機
子電流IAがゼロになるまでの時間をτ₀とし、こ
の時間τ₀が開閉器５の動作遅れ時間τ₁より長くな
らないようにできれば、時点t₁で開閉器５がオフ
したときには、電機子電流IAはゼロになつてい
るため、開閉器５は電流しや断を行なうことなく
オフ動作を終了する。

しかして、このときの電機子電流IAの減衰時
間τ₀は、主電動機の特性、回生制動時での電機子
１の発電電圧、主回路のインダクタンス分と抵抗
分の値などで決まり、実用上からは上記した条
件、即ち、τ₀＜τ₁を満すことは極めて容易であ
り、従つて、この先行例によれば、回生制動時で
の開閉器５による電流しや断のひん度をほとんど
ゼロにすることができる。

第５図は第４図をさらに詳細に示した図で、時
刻t₀以前は回生制動状態を示し、電機子電流IAは
チヨツパ８のオン期間での上昇とオフ期間での下
降を周期的に繰り返しており、この電機子電流
IAの大きさはチヨツパ８のオン期間とオフ期間
の比によつて制御されている。また、この状態で
ダイオード４を通つてパンタグラフ７から架線に
流れ込む回生電流はIBで表わされ、この電流IB
はチヨツパ８がオフしている期間だけ流れてい
る。

また、ブレーキオフ指令が発せられた時刻t₀で
チヨツパ８は動作を停止（オフしたままになる）
し、この時点t₀以降、電機子電流IAとIBは同じ
値となり、上記した主電動機の特性などの条件で
決まる減衰特性となり、時間τ₀後にゼロになる。

次に、本発明の実施例について説明する。

第６図は本発明の一実施例で、第３図の先行例
を改良したものであり、第３図の先行例と異なる
点は、ブレーキオフ時にブレーキ指令制御部１０
から出力される信号を開閉器５には供給せず、
直接開閉器６に供給するようにした点である。な
お、ブレーキオン時での信号については省略して
ある。

従つて、この実施例のブレーキオフ時での動作
は第７図に示すようになり、ブレーキオフ時には
開閉器５はオフ動作しないから、この開閉器５の
オフ動作は回生制動時以外の場合だけとなり、オ
フ動作ひん度を充分に少くすることができる。

また、第５図から明らかなように、この方式の
電気車用回生制動制御装置では、チヨツパ８が動
作した後の回生電流IBは電機子電流IAと等しく
なる。

従つて、この実施例においても、時刻t₀以後で
の電機子電流IAの減衰時間τ₀を開閉器６のオフ
動作遅れ時間τ₂より小さくなるようにしておけ
ば、開閉器６がブレーキオフ時に電流しや断をす
るのを防止することができる。なお、この実施例
では、開閉器６が電流しや断を行なうと、つまり
回生電流IBがゼロにならないうちにオフ動作す
ると、リアクトル３など回路に含まれているイン
ダクタンス分のため、dI／dtによる高電圧が発生
し、チヨツパ８に過電圧が印加されてしまう。従
つて、この実施例では、上記したτ₀＜τ₂の条件が
充分に保たれるようにする必要がある。

次に、第８図は主電動機として直流分巻電動機
を用い、界磁チヨツパ制御方式を適用した場合の
実施例で、図において、１１は界磁制御用チヨツ
パ、１２は界磁制御用ゲート制御部、１３は循環
電流用のダイオードである。なお、IFは界磁電
流を表わし、その他は第６図の実施例と同じであ
る。

この第８図の実施例の動作は次のとおりであ
る。

ブレーキオン時には、ブレーキ指令制御部１０
→信号→開閉器６→信号→ゲート制御部９、
界磁制御用ゲート制御部１２→チヨツパ８、界磁
制御用チヨツパ１１の順に制御が進み、回生制動
動作に入る。そして、この状態では、チヨツパ８
のオン期間には、電機子１→リアクトル３→チヨ
ツパ８→開閉器５→電機子１、の回路で電機子電
流IAが流れ、この期間中電流値を増加してゆき、
チヨツパ８のオフ期間には、アース→開閉器５→
電機子１→リアクトル３→ダイオード４→パンタ
グラフ６→架線、の回路で回生電流となり、この
期間中は電流値を減少してゆく。

また、これと並行して界磁制御用チヨツパ１１
も所定の周期でオン・オフ動作し、界磁電流IF
の制御を行なう。このときの動作は、界磁制御用
チヨツパ１１がオンしている期間では、架線→パ
ンタグラフ７→開閉器６→界磁巻線２→界磁制御
用チヨツパ１１→アース、の回路によつて界磁電
流IFの値を増加してゆき、界磁制御用チヨツパ
１１がオフしている期間では、界磁巻線２→ダイ
オード１３→界磁巻線２、の循環回路によつて減
衰する。

従つて、この実施例によれば、チヨツパ８と界
磁制御用チヨツパ１１の両方の通流率を制御する
ことにより主電動機による回生制動トルクの大き
さを制御することができる。

次に、ブレーキオフ時には、ブレーキ指令制御
部１０から発生したブレーキオフ指令信号がゲ
ート制御部９，１２と開閉器６に供給され、第６
図の実施例の場合と同様、第７図に示すように、
ブレーキオフ指令が発生した時刻t₀以後、電機子
電流IAと界磁電流IFが共に減衰してゆき、開閉
器６は電流しや断を行なうことなくオフ動作し、
過電圧を発生することもない。

従つて、この実施例によつても、開閉器５のオ
フ動作ひん度を少くすることができる上、開閉器
６の電流しや断動作ひん度を少くすることができ
る。

なお、この第８図の実施例の場合、界磁電流
IFの大きさは電機子電流IAの大きさに比してか
なり小さくなつているのが通例であり、この為、
開閉器６が界磁電流IFだけをしや断した場合に
は過電圧が発生する虞れはあまりなく、開閉器６
の寿命に影響を与えることもほとんどない。従つ
て、この実施例のような界磁チヨツパ制御方式の
場合、界磁制御用チヨツパ１１をブレーキオフ時
に制御しないように構成してもよく、これによつ
ても本発明の目的を充分に達成することができ、
かつ構成を簡単にすることができる。

ここで、以上の実施例における電機子電流IA
の減衰時間τ₀の一例を示すと、架線電圧と電機子
の発電電圧との差の電圧を50〔Ｖ〕、短絡回路中の
インダクタンス分を２〔mH〕、電機子電流IAの初
期値を500〔Ａ〕とした場合、この電機子電流IA
のdI／dtは約25000〔Ａ／Ｓ〕となり、τ₀≒20
〔mS〕となる。また、第５図で説明したように、
時刻t₀以後はIA＝IBである。

従つて、上記実施例においては、開閉器５、又
は開閉器６のオフ動作時間が20〔mS〕以上のもの
を用いれば充分に本発明の作用効果を発揮させる
ことができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、回生制
動制御に際しての開閉器の開路動作ひん度を少く
することができるから、従来技術の欠点を除き、
回生制動動作による開閉器の耐用期間の短縮や保
守の増加がなく、かつ開閉器制御のための回路が
簡単になり、継電器などの補助機器が少くて済
み、ローコスト化と信頼性の向上に役立つ電気車
用回生制動制御装置を容易に提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は回生制動制御装置の従来例を示す主回
路結線図、第２図はその動作説明用のタイミング
チヤート、第３図は回生制動制御装置の先行例を
示す主回路結線図、第４図及び第５図はその動作
説明用のタイミングチヤート、第６図は本発明の
一実施例を示す主回路結線図、第７図はその動作
説明用のタイミングチヤート、第８図は本発明の
他の一実施例を示す主回路結線図である。 １……主電動機の電機子、２……主電動機の界
磁巻線、３……リアクトル、４……ダイオード、
５，６……開閉器、７……パンタグラフ、８……
チヨツパ、９……ゲート制御部、１０……ブレー
キ指令制御部、１１……界磁制御用チヨツパ、１
２……界磁制御用ゲート制御部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 第１の開閉器６と、ダイオード４と、リアク
   トル３又はインダクタンス成分と、主電動機の界
   磁巻線２と、主電動機の電機子１と、第２の開閉
   器５とがパンタグラフ７とアース間に直列接続さ
   れ、チヨツパ８と、ゲート制御部９と、ブレーキ
   指令制御部１０とを備え、リアクトル３より第２
   の開閉器５に至る直列接続部分がチヨツパ８によ
   り周期的に短絡されることにより、ダイオード４
   と第１の開閉器６を介して架線に電力が回生され
   る電気車用回生制動制御装置であつて、 第１の開閉器６は、ブレーキ指令制御部１０か
   らのブレーキオン指令に基づいて制御される第２
   の開閉器５のオンに応じてオン制御されてオン動
   作確認信号を発生してゲート制御部９に供給
   し、ブレーキ指令制御部１０からのブレーキオフ
   指令に基づいて直接オフ制御されるものであり、 ゲート制御部９は、第１の開閉器６からのオン
   動作確認信号、又はブレーキ指令制御部１０か
   らのブレーキオフ指令により制御されてチヨツパ
   ８のオンオフ制御を開始、または中止するもので
   あり、 ブレーキ指令制御部１０は、ブレーキオフ指令
   発生時には、このブレーキオフ指令を、第２の開
   閉器５を除き、第１の開閉器６とゲート制御部９
   に供給し、ブレーキオン指令発生時には、このブ
   レーキオン指令を第２の開閉器５のみに供給する
   ものである。 電気車用回生制動制御装置。 ２ 主電動機の界磁巻線２は、第１の開閉器６と
   接地との間に界磁制御用チヨツパ１１を介して直
   列に接続され、界磁電流が制御されるものである 特許請求の範囲第１項に記載の電気車用回生制
   動制御装置。