JPH08107604A - 交流電気車の主電動機回路の接続切換方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 電動機回路自体が持っている電源の急変に対
して過敏に応答する特性を抑制して、整流火花やトルク
変化等の悪化を軽減できる交流電気車の主電動機回路の
接続切換方法を提供する。 【構成】 電動機の電機子回路に接続されている電流平
滑用リアクトル１の一部又は全部を、界磁回路の一部と
して共用させると共に、力行運転から回生運転に切り換
わったときには、電機子回路の極性を反転させるよう切
り換えるスイッチ（６−１，６−２，７−１，７−２）
を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、交流電源から得た交流
電力をサイリスタ均一ブリッジから成る主整流器により
直流出力に変換すると共に、該直流出力の電圧制御を行
って駆動用直流電動機の力行及び回生運転を行う交流電
気車の主電動機回路における接続切換方法に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来、直流電動機を使用して、力行，回
生運転を行う交流電気車では、次の２つの運転方式によ
るものが代表的である。 （ａ）力行時は直流直巻励磁方式の回路接続とし、回生
時は電機子回路と界磁回路を分離して他励方式の回路接
続として構成する運転方式。 （ｂ）力行時，回生時ともに電機子回路と界磁回路を分
離して、他励電動機方式の回路接続を構成する運転方
式。

【０００３】（ａ）の回路例を図６、（ｂ）の回路例を
図７に示す。先ず図６を参照して従来の方式（ａ）を説
明する。図６において、１は平滑リアクトル、２−１，
３−１，４−１，５−１は駆動用電動機の電機子、補極
巻線、２−２，３−２，４−２，５−２は駆動用電動機
の界磁巻線、６−１，６−２は力行用接触器、７−１，
７−２，７−３は回生用接触器、８−１，８−２は前進
力行／後進回生用接触器、９−１，９−２は後進力行／
前進回生用接触器、１０は高速度しゃ断器、１１は電機
子回路スイッチ、１２は界磁回路スイッチ、１３は電機
子用整流器、１４は界磁用整流器、１５は電源変圧器、
１６は交流しゃ断器、１７はパンダグラフ、である。

【０００４】図６において、力行時には、回生用接触器
７−１，７−２，７−３をオフにし、力行用接触器６−
１，６−２をオンにし、しかも前進力行／後進回生のと
きは前進力行／後進回生用接触器８−１，８−２をオ
ン、或いは後進力行／前進回生のときは後進力行／前進
回生用接触器９−１，９−２をオンにして運転を行い、
回生時には、力行用接触器６−１，６−２をオフにし、
回生用接触器７−１，７−２，７−３をオンにして、し
かも前進力行／後進回生のときは前進力行／後進回生用
接触器８−１，８−２をオン、或いは後進力行／前進回
生のときは後進力行／前進回生用接触器９−１，９−２
をオンにして運転を行うことにより、力行時には直流直
巻励磁方式、回生時には他励方式の回路接続としてい
る。

【０００５】次に図７を参照して従来の方式（ｂ）を説
明する。図７においては、図から分かるように、力行
時、回生時とも電機子回路と界磁回路は分離されてお
り、他励電動機方式の回路接続になっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来の電気車において
は、電源が直流，交流方式にかかわらず駆動用直流電動
機の励磁方式は直巻方式とするのが一般的であった。こ
れは、パンタグラフの離線による電源電圧の急変や短時
間喪失、あるいは同一のき電線下の他の列車の運転に伴
う電圧急変等に対して、駆動用電動機の電流急変による
整流火花の悪化やトルク急変等の悪影響が起こりにくい
特性を有していることが大きな理由の１つである。

【０００７】しかし、直流電動機によって駆動される交
流電気車において回路構成を簡素にして回生制動の機能
を持たせる場合には、上述した (ａ), (ｂ) に示すよう
な他励電動機制御を行うことになる。その結果として、
上述の電気車特有とも言える電源上の変動に対しては過
渡的な電流変化量は直巻電動機回路の場合に比べて大き
くなり、整流火花やトルク変化等の悪化傾向になるとい
う問題があった。

【０００８】その具体的な現象例としては次のようなケ
ースがある。他励電動機回路接続により力行運転を行う
方式では、 （イ）電源電圧の急増に追従して電機子電流が増大する
のに対して界磁電流は回路時定数が比較的大きいため、
増大する変化が遅れて発生する。そのため電動機内部の
磁束遅れもてつだって、その逆起電力が増加するのが遅
れ、結果的に電機子電流の増大がまっ先に起こることに
なり、電動機の整流花火の増加を招く。

【０００９】（ロ）電源電圧の０．１秒間程度の瞬断に
ついても再加圧時は、急増と同様に電機子電流が急増し
てしまう。 （ハ）電動機のフラッシュオーバに対しては、逆起電力
の急激な減少分に応じて過大な電機子電流の突入が起こ
り、連鎖的なフラッシュオーバに至ったり、健全なまま
の電動機軸に急に過大トルクが加わることになって機械
的な二次損傷を与える可能性がある。

【００１０】他励電動機回路接続により回生運転を行う
方式では、 （ニ）電源電圧の急減に追従して、電機子電流が増大す
るのに対して界磁電流は回路時定数が比較的大きいこと
により減少する変化が遅れて発生する。そのため、電動
機内部の磁束遅れもてつだって、電機子電流の増大がま
っ先に起こり、整流火花の増加を招く。 （ホ）電源電圧の瞬断に対しては、回生すべき電源電圧
喪失の状態となり、電力変換部である整流回路の転流失
敗になるため、電機子電流の突入が起こり、フラッシュ
オーバを引起こしたり、健全な状態の電動機軸に急に過
大トルクが加わることになり、機械的な二次損傷を与え
る可能性がある。このとき、界磁電流の減少やそれに伴
う逆起電力の減少は遅れるため何ら軽減作用を持たな
い。

【００１１】以上のような、構成される回路方式が本質
的に持っている弱点を補うために、従来から次のような
方法が使用されてきた。つまり、電機子回路電流の平滑
用リアクトルのインダクタンスを大きくして過渡的な電
流変化を抑制する。電機子回路過電流の検出点を低く設
定したり、検出してから回路の保護開放までの時間を速
めてやる。界磁回路の電力変換器の出力制御を速めて電
機子回路電流の変化を抑制するような制御を行う。しか
し、そのような方法を講じてもなおかつ対策としては不
十分であった。

【００１２】本発明の目的は、電動機回路自体が持って
いる電源の急変に対して過敏に応答する特性を抑制し
て、その過敏な特性により波及する悪影響を軽減するこ
とのできる交流電気車の主電動機回路の接続切換方法を
提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的達成のため、本
発明では、交流電気車の主電動機回路において、電動機
の電機子回路に接続されている電流平滑用リアクトルの
一部又は全部を、界磁回路の一部として共用させると共
に、力行運転から回生運転に切り換わった時には、電機
子回路の極性を反転させるよう切り換えるスイッチを設
けた。

【００１４】

【作用】力行運転の場合には、上記電流平滑用リアクト
ルを流れる電流が、電機子回路成分としての電流と界磁
回路成分としての電流を打ち消し合いさせるよう作用す
る如く回路を接続しておくことにより、電源側の急変や
電動機のフラッシュオーバに起因して電機子電流が急増
しても、そのことによりリアクトル部の両端に発生する
逆起電力が界磁電流を増加するように作用するために、
電動機内部の磁束遅れはあるものの逆起電力は増大して
電機子電流の増大は抑制され、直巻的な作用が得られ
る。

【００１５】一方、回生運転の場合は、電機子回路の極
性を反転するようにスイッチで回路を切り換えるので、
電機子回路電流成分と界磁回路電流成分とが加算し合う
方向にリアクトルを流れる電流が作用することにより、
電源側の急変や整流回路の転流失敗に伴って電機子電流
が急増すると、リアクトル部の両端に発生する逆起電力
が界磁電流を減少するように作用するために、電動機内
部の磁束遅れはあるものの、逆起電力は低下して電機子
電流の増大が抑制されるような作用が働く。

【００１６】

【実施例】図１は本発明の一実施例を示す回路図であ
る。同図において、１は平滑リアクトル、２−１，３−
１，４−１，５−１は駆動用電動機の電機子、補極巻
線、２−２，３−２，４−２，５−２は駆動用電動機の
界磁巻線、６−１，６−２は力行用接触器、７−１，７
−２は回生用接触器、８−１，８−２は前進用接触器、
９−１，９−２は後進用接触器、１０は高速度しゃ断
器、１１は電機子回路スイッチ、１２は界磁回路スイッ
チ、１３は電機子用整流器、１４は界磁用整流器、１５
は電源変圧器、１６は交流しゃ断器、１７はパンダグラ
フ、である。

【００１７】図１において、力行運転時には、力行用接
触器６−１，６−２がオン、回生用接触器７−１，７−
２がオフ、前進時であれば前進用接触器８−１，８−２
がオンで後進用接触器９−１，９−２がオフになるよう
になっているので、そのときの回路構成は結局、図２に
示す如くなる。

【００１８】また図１において、回生運転時には、力行
用接触器６−１，６−２がオフ、回生用接触器７−１，
７−２がオン、前進時であれば前進用接触器８−１，８
−２がオンで後進用接触器９−１，９−２がオフになる
ようになっているので、そのときの回路構成は結局、図
３に示すようになる。

【００１９】図２において、力行時に、電機子電流は平
滑リアクトル１を実線で示す方向に流れ、界磁電流は破
線で示す方向（電機子電流の流れる方向とは逆）に流れ
ることになる。つまり、平滑リアクトル１を流れる電流
が、電機子電流成分としての電流と界磁電流成分として
の電流を互いに打ち消し合わせるように作用する如く回
路が接続されているわけである。

【００２０】ここで電源側の急変や電動機のフラッシュ
オーバに起因して電機子電流が増加しようとした場合を
考えると、そのことにより平滑リアクトル１の両端には
それに逆らう逆起電力が発生し、界磁電流を助けてそれ
を増加させようとする作用が働く。その結果、界磁電流
が増加するのに伴い、電動機内部の磁束遅れはあるもの
の、電機子における逆起電力は増大し、電機子電流の増
大は抑制され、直巻的な作用が得られる。

【００２１】一方、図３において、電力回生時に、電機
子電流は平滑リアクトル１を実線で示す方向に流れ、界
磁電流は破線で示す方向（電機子電流の流れる方向と同
じ方向）に流れることになる。つまり、平滑リアクトル
１を流れる電流が、電機子電流成分としての電流と界磁
電流成分としての電流を互いに加算し合うように作用す
る如く回路が接続されているわけである。ここで電源側
の急変や整流回路の転流失敗に伴って電機子電流が急増
したとすると、そのことにより平滑リアクトル１の両端
にそれに逆らう逆起電力が発生し、これは界磁電流に逆
らってそれを減少させようとする方向に作用する。

【００２２】その結果、界磁電流が減少するのに伴い、
電動機（回生時であるから発電機）内部の磁束遅れはあ
るものの、電機子における逆起電力は低下し、電機子電
流の増大が抑制されるような作用が働く。以上に述べた
実施例によれば、従来の交流電気車での駆動用電動機に
対する悪影響を排除することができるが、その反面、主
電動機の界磁回路の脈動が従来の回路に比して増大する
ために整流火花の悪化を生じやすくなるという問題が起
きる。これは即ち、電機子電流と界磁電流の両方が流れ
るリアクトル部分に、分担印加される脈動電圧が界磁整
流器の直流出力電圧に重畳されて界磁巻線回路に印加さ
れるためである。

【００２３】よって、かかる界磁回路電流脈動分の増大
を抑制することのできる実施例を、本発明の他の実施例
として、図４及び図５にそれぞれ示す。図４において、
図１と相違している点は、駆動用電動機の界磁回路に直
列にリアクトルＳＬを挿入している点である。

【００２４】かかる直列リアクトルＳＬを接続した場
合、このリアクトルＳＬを流れる界磁回路電流成分の方
向は、力行、回生運転にかかわらず一定であり、界磁巻
線回路電流の脈動はこのリアクトルのインダクタンスの
作用によって抑制される。

【００２５】図４における実施例では、電機子電流平滑
用リアクトル（１の右端部分）と、電機子、界磁回路の
共用のリアクトル（１の中央部分）と、さらに界磁電流
平滑用リアクトルＳＬ（１の左端部分）が、共通鉄心か
らなる一体形として表されているが、これはリアクトル
構造の小形化を指向しつつ併せて本発明を実施した場合
を示しているからである（一般的には、これら三つの部
分のリアクトルは独立した構造のものとして構成するこ
とになる）。

【００２６】次に図５を参照する。図５において、図１
と相違している点は、駆動用電動機の界磁回路に並列に
抵抗器Ｒを挿入している点である。このように駆動用電
動機の界磁回路に並列に抵抗器Ｒを接続した場合、この
抵抗器Ｒと界磁巻線の交流インピーダンス比に応じて界
磁巻線回路電流の脈動分は、抵抗器Ｒに分流するために
界磁巻線電流の脈動分は低減されることになる。この発
明はまた、鉄鋼の圧延ライン等に適用される、同様な直
流電動機によって運転する回路に対しても共通と考えら
れる。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
次の如き効果を期待することができる。即ち力行運転時
には、電源電圧が急増しても、それに追従するように電
機子電流が増加しはじめるとリアクトルの両端電圧が逆
起電圧となって界磁電流を増加するように作用するため
に、電動機の逆起電力は増加し、電機子電流の増大は抑
制され、整流火花の発生が抑えられる。

【００２８】電動機のフラッシュオーバに対しても、逆
起電力の急減に応じて電機子電流が急増しようとする
と、電源電圧の急増の場合と同様に、リアクトルの両端
電圧が逆起電圧となって界磁電流を増加するように作用
すると同時に回路抵抗として作用するために電流値は抑
制され、連鎖的なフラッシュオーバの発生を防止した
り、回路上直列に接続されている健全な電動機に働く過
大トルクを軽減して、機械的な二次損傷を防止すること
に寄与する。

【００２９】一方、回生運転時には、電源電圧が急減し
ても、それに追従するように電機子電流が増加しはじめ
ると、リアクトルの両端電圧が逆起電圧となって界磁電
流を減少するように作用するために電動機の（発電機と
しての）起電力は減少し、電機子電流の増大は抑制さ
れ、整流火花の発生が抑えられる。電源電圧の瞬断に対
しても、電源電圧の喪失に応じて電機子電流の突入に伴
ってリアクトルの両端電圧が逆起電圧となって界磁電流
を減少するように作用すると同時に、回路抵抗として作
用するために電流値は抑制され、フラッシュオーバへ発
展することを防止したり、電動機に働く過大トルクを軽
減して、機械的な二次損傷を防止することに寄与する。

【００３０】本発明による回路において、回生運転中の
転流失敗を想定したときの電動機回路の電機子、界磁各
電流の挙動について計算シミュレーションにより求めた
結果の例を図８に示す。これに対して、従来回路におけ
る例を図９に示す。両図を比較することにより、本発明
の効果が定量的に理解されるであろう。

【００３１】さらに本発明によれば、駆動用電動機の界
磁回路に直列にリアクトルを挿入するか、界磁回路に並
列に抵抗器を接続することにより、力行、回生運転時と
もに界磁巻線電流の脈動分を軽減でき、主電動機の整流
火花の悪化も防止できるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す回路図である。

【図２】力行運転時における本発明の一実施例（図１）
の回路構成を示す接続図である。

【図３】回生運転時における本発明の一実施例（図１）
の回路構成を示す接続図である。

【図４】本発明の他の実施例を示す回路図である。

【図５】本発明の別の実施例を示す回路図である。

【図６】従来の運転方式の一例を示す回路図である。

【図７】従来の運転方式の他の例を示す回路図である。

【図８】回生運転中の転流失敗を想定したときの電動機
回路の電機子、界磁各電流の挙動例を本発明実施時につ
いて示す特性図である。

【図９】同挙動例を従来回路について示す特性図、であ
る。

【符号の説明】 符号の説明 １…平滑リアクトル、２−１，３−１，４−１，５−１
…駆動用電動機の電機子、補極巻線、２−２，３−２，
４−２，５−２…駆動用電動機の界磁巻線、６−１，６
−２…力行用接触器、７−１，７−２…回生用接触器、
８−１，８−２…前進用接触器、９−１，９−２…後進
用接触器、１０…高速度しゃ断器、１１…電機子回路ス
イッチ、１２…界磁回路スイッチ、１３…電機子用整流
器、１４…界磁用整流器、１５…電源変圧器、１６…交
流しゃ断器、１７…パンダグラフ、ＳＬ…直列リアクト
ル、Ｒ…抵抗器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 長谷部 和則 埼玉県大宮市大成町１−５ ＪＲアパート ９−401 (72)発明者 星野 栄雄 川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機 株式会社内 (72)発明者 諸星 幸信 川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機 株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 交流電源から得た交流電力をサイリスタ
   均一ブリッジから成る主整流器により直流出力に変換す
   ると共に、該直流出力の電圧制御を行って駆動用直流電
   動機の力行及び回生運転を行う交流電気車の主電動機回
   路において、 前記電動機の電機子回路に接続されている電流平滑用リ
   アクトルの一部又は全部を、前記電動機の界磁回路に共
   用的に接続し、力行運転時には、該リアクトルを流れる
   電流が、電機子回路電流成分としての電流と界磁回路電
   流成分としての電流を互いに打ち消し合わせるように作
   用する如く回路を接続しておき、 回生運転時には、前記主整流器の直流出力回路をその極
   性を反転させるようにスイッチによって切り換えること
   により、前記リアクトルを流れる電流が、電機子回路電
   流成分としての電流と界磁回路電流成分としての電流を
   互いに加算し合うように作用する如く、回路のつなぎ換
   えを行うことを特徴とする交流電気車の主電動機回路の
   接続切換方法。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の交流電気車の主電動機
   回路の接続切換方法において、前記電動機の界磁回路に
   おける界磁巻線に脈動抑圧用のリアクトルを予め直列に
   接続しておくか、又は該界磁巻線に並列に抵抗器を接続
   しておくことを特徴とする交流電気車の主電動機回路の
   接続切換方法。