JPH0813173B2 - エネルギー蓄勢装置 - Google Patents

エネルギー蓄勢装置

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JPH0813173B2
JPH0813173B2 JP12400486A JP12400486A JPH0813173B2 JP H0813173 B2 JPH0813173 B2 JP H0813173B2 JP 12400486 A JP12400486 A JP 12400486A JP 12400486 A JP12400486 A JP 12400486A JP H0813173 B2 JPH0813173 B2 JP H0813173B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] この発明は、例えば電車線の余剰電力を運動エネルギ
ーに変換して、フライホイールに蓄勢しておき、電力不
足が生じたとき、蓄勢した運動エネルギーを電気エネル
ギーに再変換して放出し、電車線の電力不足を補償する
エネルギー蓄勢装置に関するものである。
[従来の技術] 従来、この種の装置として、特開昭59−194643号公報
に記載されたものがある。
第3図はこの種の従来装置を回路図で示したものであ
る。
図において、1は直流き電回路(以下、電車線とい
う)、2は接地線、3は開閉器、4は直流リアクトル、
5はコンデンサ、6は電力変換器の主回路(以下、単に
電力変換器という)、7は3相の誘導機、8はこの誘導
機7に連結されたフライホイールである。電力変換器6
は、半導体スイッチング素子、この例ではゲートターン
オフサイリスタ(GTO)12〜17を6相ブリッジ接続して
なる矩形波インバータであり、GTO12〜17のそれぞれに
ダイオード18〜23が逆並列接続してある。24は直流電流
検出器、25は直流電圧検出器であり、両検出器の出力は
乗算器26に導かれる。27は蓄勢電力基準値設定器、28は
蓄勢電力基準値設定器27とは異なる極性の信号を出力す
る放勢電力基準値設定器であって、両設定器の出力を、
それぞれ、スイッチ29、30を通して電力制御器31に供給
し、この電力制御器31は誘導機7の要求すべり周波数Δ
fを演算によって生成する。32は速度検出器であって、
誘導機7の回転速度に基づいて、電力変換器6の出力周
波数から誘導機7のすべり周波数を減じた周波数信号f0
(以下、回転周波数f0と呼ぶ)を検出する。33は周波数
制御器であり、電力制御器31と速度検出器32の出力が導
かれている。34は発信器であり、周波数制御器33が送出
する周波数指令信号fSに対応する制御信号をゲートパル
ス発生器35に供給する。26〜35で電力変換器6の制御回
路を構成している。
次に、この装置の動作について説明する。
回生制動を行っている車両からの回生電動に余剰分が
生じたり、力行車両の数が少なく電車線電力に余裕があ
るときは、これらの余剰電力を電車線1から直流リアク
トル4、コンデンサ5からなる平滑回路を通して電力変
換器6によって、交流電力に変換して誘導機7に供給
し、誘導機7を電動機動作(力行運転)させる。
このエネルギー蓄勢時には、図示しない制御器によ
り、スイッチ29が閉路され、蓄勢電力基準値設定器27の
出力P*と乗算器26の出力P(電力変換器6の実際の変換
電力)とから、電力制御器31で誘導機7の要求すべり周
波数Δf(ここでΔf>0である)を演算し生成する。
周波数制御器33で要求すべり周波数Δfと回転周波数f0
とを加算し、加算結果である運転周波数fSに従って電力
変換器6のGTO12〜17をスイッチング制御して、電車線
1からの電力Pを誘導機7を介して運動エネルギーに変
換しフライホイール8に蓄える。
第4図(A)にエネルギー蓄勢時の動作波形を示す。
図において、(a)は電力変換器6の出力波形、
(b)は誘導機7の電流、(c)はGTO12〜17を通流す
る電流、(d)はダイオード18〜23に流れる電流、φは
位相角である。
一方、ラッシュ時など、力行車両が多く電車線1に大
きな電力の要求があるときは、誘導機7を発電機動作と
して、フライホイールが蓄勢している運動エネルギーを
放出し、電力変換器6により直流電力に変換して電車線
1に送出し、電車線の電圧降下を補償する。
このエネルギー放勢時には、図示しない制御器によ
り、スイッチ30が閉路され、電力制御器31では、放勢電
力基準値設定器28の出力P**(ここで、|P**|>|P*|
である)と乗算器26の出力(電力変換器6の実際の変換
電力)Pとから誘導機7の要求すべり周波数Δf(ここ
で、Δf>0である)を演算して生成する。誘導機7の
回転周波数f0と要求すべり周波数Δfを周波数制御器33
で加算して運転周波数fSを生成し、この運転周波数fSに
従って、電力変換器6のGTO12〜17を制御する。そし
て、誘導機7を発電機動作させ、フライホイール8に蓄
えた運動エネルギーが、交流電力に交換され、さらに電
力変換器6を介して直流電力に変換し電車線1へ放出す
る。
第4図(B)にエネルギー放勢時の動作波形を示す。
図において、(a)は誘導機7の発電電圧、(b)は
誘導機7の発電電流、(c)はGTO12〜17を通流する電
流、(d)はダイオード18〜23に流れる電流である。
[発明が解決しようとする問題点] ところで、電車線1の直流電圧Edは、例えば、公称直
流電圧1500Vの電車線では、通常、900〜1800Vの範囲で
変動する。他方、誘導機7に供給する交流電力の周波数
は、フライホイール8の運動エネルギー吸収あるいは放
出に伴って変化するフライホイール8の回転数に応じて
変化させる必要がある。
誘導機7の電気角速度をωm、スリップ角速度ω
S(ここで、ωS>0とする)とすると、誘導機7に供
給する交流電力の角周波数ω0を、ω0=ωm±ω
S(但し、+記号はフライホイール8が運動エネルギー
を蓄勢するとき、−記号は放出するとき)となるように
調整する必要がある。
今、このエネルギー蓄勢装置の利用エネルギーを25kW
hとし、この装置の回転部GD2を14300kg−m2、上限回転
数を3000rpmとすると、回転数の変化範囲は2100〜3000r
pmである。また、誘導機7の極数を2とし、同期速度の
数%以下であるスリップ速度を無視すると、誘導機7の
交流入力周波数の範囲は、35〜50Hzである。矩形波イン
バータである電力変換器6から誘導機7に供給する交流
電圧の基本波の大きさは、電力変換器6の入力直流電圧
をEdとすると、√6×Ed/πとなり、直流電圧Edの大き
さに比例する。従って、公称電圧直流1500Vの電車線か
らエネルギーを蓄勢・放勢する装置の場合、誘導機7と
しては、電力変換器6の入力直流電圧範囲が900〜1800
V、交流側が35〜50Hzの周波数範囲にわたって所定の出
力を発生する構造のものを使用しなくてはならない。こ
のためには、1403V(√6×1800/π)、35Hzで磁気的に
飽和せず、701V(√6×900/π)、50Hzの弱め界磁でも
所定出力が得られる低インピーダンス機とする必要があ
り、単位出力あたりの体積の大きい誘導機にならざるを
得ず、非現実的な設計諸元となる場合がある。
この発明は、上記した従来のエネルギー蓄積装置にお
ける問題を解消するためになされたもので、汎用的な誘
導機をフライホイールと連結して使用しても、入力直流
電圧の大幅な変動に対処することができ、従来に比し
て、装置を安価にすることができるエネルギー蓄勢装置
を得ることを目的とする。
[問題を解決するための手段] この発明は上記の目的を達成するため、電力変換回路
を、入力側の直流電圧が変動しても、出力側の交流電圧
が常に一定になるような動作を行わせる構成としたもの
である。
[作用] この発明では、入力側の直流電圧が変動しても、電力
変換回路の出力側の交流電圧が常に一定になるよう動作
するので、入力側の直流電圧が大幅に変動しても、誘導
機に加わる交流電圧は常に一定となる。
[発明の実施例] 以下、この発明の一実施例を図面を参照して説明す
る。
第1図はこの発明によるエネルギー蓄勢装置を回路図
で示したものである。
図において、1〜35は従来装置として説明した第3図
と同一の構成要素である。100は第4象限チョッパであ
って、直流リアクトル4とコンデンサ5からなる平滑回
路と電力変換器6との間に挿入してある。4象限チョッ
パ100は、GTO101とこれに逆並列接続したダイオード11
1、GTO102とこれに逆並列接続したダイオード112、GTO1
03とこれに逆並列接続したダイオード113、GTO104とこ
れに逆並列接続したダイオード114、GTO101と102の接続
点とGTO103と104の接続点との間に挿入した平滑リアク
トル200を有し、GTO101と102の直列回路はコンデンサ5
の端子間に接続しており、GTO103と104の直列回路は電
力変換器6の直流側端子間に接続してある。121は電力
変換器6の直流側端子間に挿入したフィルタコンデンサ
で、このコンデンサ121と並列に、電力変換器6の直流
入力電圧Vdを検出する電圧検出器251が接続してある。2
41は電流検出器であり、電力変換器6の直流回路を流れ
る直流電流Idin(電力変換器6の入力電流)を検出す
る。331は電圧基準制御器、341は電流制御器である。こ
の電流制御器341は電圧基準制御器331の出力と電流検出
器24が検出する直流電流とから電流制御指令信号を生成
する。電圧基準制御器331は電力変換器6の直流側端子
間に加わる電圧の基準値(入力基準電圧)Vd *と電流制
御指令信号との偏差を生成する。電圧制御器351は電流
制御器341の出力と電圧検出器251が検出する電力変換器
6の直流側端子間電圧(入力電圧)Vdとを比較演算し
て、電圧Vdが入力基準電圧Vd *と一致するようにゲート
制御信号を生成してゲート制御器361に供給する。ゲー
ト制御器361はゲート制御信号の大きさに対応したパル
ス幅のゲートパルスを送出する。このゲートパルスを象
限切換器371が指定するGTO101〜104に供給する。
この実施例では、蓄勢・放勢電力基準値を電車線電流
基準発生器321と、乗算器261により生成している。電車
線電流基準発生器321は、電圧検出器25の電圧検出値Ed
を電車線電圧基準値Ed *と比較して電流基準値Id *を生成
する。この電流基準値Id *を乗算器261で電圧検出値Edと
乗算する。この乗算器26Eの出力は蓄勢・放勢電力基準
値P*であって、電力制御器31で乗算器26の出力である電
力変換器6の変換電力Pと比較される。311は速度制限
要素であって、フライホイール8の回転周波数f0が制限
周波数f0MAX以上にならないよう電流基準値Id *を修正す
る。
次に、この実施例の装置の動作について説明する。
第2図は、この装置の動作特性の一例を示したもので
あって、電車線電圧Edが1500V以上の時は電車線1から8
00Aを限度とした電流Idを取り込んでフライホイール8
に運動エネルギーを蓄勢し、1500V以下に下った場合に
は、2000Aを限度として電流を電車線に放出する。
電力変換器6は、エネルギー蓄勢時には、4象限チョ
ッパ100を介して取り込んだ直流入力(入力電圧Vd)を
交流電力に変換して誘導機7に供給し、誘導機7が力行
運転される。このエネルギー蓄勢時には乗算器261の出
力P*と乗算器26の出力P(電力変換器6の実際の変換電
力)とから誘導機7の要求すべり周波数Δfが電力制御
器31で演算生成され、従来の場合と同様に、加算周波数
fS=f0+Δfに従って電力変換器6のGTO12〜17がスイ
ッチング制御され、誘導機7を介してフライホイール8
には電車線1から電力Pに相当する運動エネルギーが蓄
えられる。
また、エネルギーの放勢時には、従来の場合と同様に
してフライホイール8に蓄勢した運動エネルギーを誘導
機7によって交流電力に変換し、さらに電力変換器6に
よって直流電力に再変換し、4象限チョッパ100を介し
て電車線1に送出して電車線1の電圧降下を補償する。
次に、この4象限チョッパ100の動作について説明す
る。
今、フライホイール8が電車線1からエネルギーを吸
収する蓄勢モードにあるとする、このとき、Ed≧Vd *で
あると、4象限チョッパ100は、GTO101がチョッパ駆動
され、ダイオード112がフライホイール動作を行う力行
降圧チョッパとなり、電力変換器6の入力電圧Vdが入力
基準電圧Vd *となるように降圧する。逆に、Ed>Vd *であ
ると、GTO101がオン、GTO104がチョッパ駆動され、ダイ
オード113が直列ダイオード動作を行う力行昇圧チョッ
パとなる。
また、フライホイール8が電車線1にエネルギーを放
出する放勢モードにある場合、Ed≧Vd *であると、4象
限チョッパ100は、GTO103がオン、GTO102がチョッパ駆
動され、ダイオード111が直列ダイオード動作を行う回
生昇圧チョッパとなる。逆に、Ed<Vd *であると、GTO10
3がチョッパ駆動され、ダイオード114がフライホイール
動作を行う回生降圧チョッパとなる。
この4象限チョッパ100の象限切換え、すなわち力行
降圧動作、力行昇圧動作、回生降圧動作および回生昇圧
動作の切換えは、電車線電圧Edと入力基準電圧Vd *およ
び第2図の動作特性から象限切換器371で判定して行
う。
このように、本実施例では、電車線電力に余剰分があ
るとき誘導機7を力行駆動し、電力不足時には、誘導機
7を回生駆動する電力変換器6の前段に、4象限チョッ
パ100を設けたので、力行駆動時に電車線電圧Edが変動
し、あるいは、回生駆動時に、電車線電圧Edが変動して
も、電力変換器6の直流端子間電圧を基準電圧値Vd *に
維持することができる。このため、矩形波インバータで
ある電力変換器6から誘導機7に印加される交流電圧の
基本波の大きさは常に一定となり誘導機7は、電車線電
圧が変動しても、常に、一定の交流定電圧で駆動される
ことになる。
[発明の効果] この発明は以上説明した通り、直流電源の電圧が大幅
に変動しても、誘導機に印加する交流電圧は変動しない
ので、誘導機としては、特殊定格・特殊構造のものを使
用することなく、通常定格・構造のものが使用できるの
で、従来に比して、エネルギー蓄勢装置を安価に実現す
ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の実施例を示す回路図、第2図は上記
実施例の動作特性の1例を示す特性曲線図、第3図は従
来のエネルギー蓄勢装置を示す回路図、第4図は上記従
来例における各部波形図である。 図において、1……電車線、6……電力変換器、7……
誘導機、8……フライホイール、100……4象限チョッ
パ。 なお、図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】直流側を直流電源に接続する電力変換回
    路、該電力変換回路の交流側に接続した誘導機、該誘導
    機に連結したフライホイールとを備え、エネルギー蓄勢
    時には前記電力変換回路により直流電力を交流電力に変
    換し前記誘導機に供給して電動機運転することにより前
    記フライホイールを駆動して、前記フライホイールに運
    動エネルギーを蓄勢し、エネルギー放勢時には前記フラ
    イホイールに蓄勢した運動エネルギーにより前記誘導機
    を駆動して発電機運転することにより、交流電力を前記
    電力変換回路に供給し直流電力に変換して前記直流電源
    に供給するエネルギー蓄勢装置において、 前記電力変換回路が、昇圧チョッパ動作と降圧チョッパ
    動作を行い一定の直流電圧を出力する4象限チョッパ
    と、該4象限チョッパの出力を交流電力に変換する矩形
    波インバータからなることを特徴とするエネルギー蓄勢
    装置。
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