JPH0866055A

JPH0866055A - 電力変換装置

Info

Publication number: JPH0866055A
Application number: JP6194231A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Inarida; 聡稲荷田; Satoru Ito; 知伊東
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-08-18
Filing date: 1994-08-18
Publication date: 1996-03-08

Abstract

(57)【要約】【目的】自己消弧能力を持たないスイッチング素子に
よって構成されるコンバータの全回生電力範囲での力率
を改善する。【構成】位相を制御して直流出力電圧を得るサイリス
タ等の自己消弧しない素子によるコンバータ３と、リア
クトル４及びコンデンサ５とを有し、負荷として電力の
回生が可能なインバータ８、電動機９が接続されてい
る。コンバータ制御装置７は、電力の回生時、検出され
たインバータ回生電力Ｗｒの大きさ入力応じて、すなわ
ち、回生電力の値の減少に応じて、目標コンデンサ電圧
Ｅｄ* を高く設定し、コンデンサ５の電圧Ｅｄが高くな
るようにサイリスタの点弧位相を制御する。【効果】自己消弧能力を持たないスイッチング素子に
よって構成されるコンバータにおいて、回生電力が小さ
い場合の力率を改善することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自己消弧能力を持たな
いスイッチング素子によって構成される交流を直流に変
換するコンバータを備える電力変換装置に係り、特に、
電力回生運転が行われる電力変換装置に関する。

【０００２】

【従来技術】交流電源を使用してインバータに電力を供
給する場合、一般に、交流を直流に変換するコンバータ
を必要する。この種のコンバータ、インバータを有する
電力変換装置に関する従来技術として、例えば、特開平
２−３０７３０３号公報等に記載された技術が知られて
いる。

【０００３】この従来技術は、サイリスタブリッジ回路
を位相制御することにより交流を直流に変換するコンバ
ータと、該コンバータに平滑リアクトル及び平滑コンデ
ンサを介し接続されたインバータと、該インバータによ
り駆動される誘導電動機とを備え、前記コンバータの出
力の制御を、前記平滑コンデンサの電圧が一定電圧とな
るように行い、これにより、コンバータの力行運転及び
回生運転を行うというものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】一般に、自己消弧しな
いスイッチング素子によって構成されるコンバータは、
その回生運転時に、回生電力の増大によって転流期間
（転流が開始されてから終了するまでの期間）が長くな
り、交流電圧の極性が反転するまでに電力の回生が終了
しない場合、転流失敗を生じ電力の回生を継続すること
ができなくなることがある。このため、コンバータは、
通常、インバータを介して誘導電動機からの回生される
電力が最大となっても、電力の回生を継続することがで
きるように、すなわち、転流失敗が生じることがないよ
うに、変圧器の二次電圧、リアクトル、コンデンサ電圧
等の定数が設定されている。

【０００５】自己消弧しないスイッチング素子によって
構成される前記従来技術によるコンバータは、前述した
ように、電力の回生を確実に継続することができるよう
に、コンデンサ電圧を設定しているものであるが、コン
バータが回生する回生電力（インバータから回生される
電力に等しい）の減少に伴い交流入力の力率が著しく低
下するという問題点を有している。

【０００６】本発明の目的は、自己消弧しないスイッチ
ング素子により構成されるコンバータを備える電力変換
装置において、回生電力の大きさによらず、電力回生時
の交流入力の力率の改善を図ると共に、転流失敗を生じ
ることなく電力の回生を継続することができる電力変換
装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】一般に、自己消弧しない
スイッチング素子により構成されるコンバータは、コン
デンサ電圧を高く設定した場合に入力交流の力率が改善
されるため、コンデンサ電圧を高く設定することによ
り、回生電力が小さい場合の力率の改善を図ることがで
きる。しかし、逆に、コンデンサ電圧を高く設定する
と、コンバータが転流失敗を生じることなく回生するこ
とができる電力（回生可能電力）が小さくなってしま
い、回生される回生電力がコンバータの回生可能電力よ
りも大きくなると、転流失敗を生じて、電力の回生が継
続できなくなってしまう。

【０００８】本発明によれば前記目的は、前述したよう
なコンバータの回生可能電力とコンデンサ電圧との間の
関係に基づいてなされたものであり、コンバータの回生
運転時に前記コンバータの回生電力の減少に応じて、イ
ンバータを介して誘導電動機から回生される回生電力よ
りもコンバータの回生可能電力が大きくなる範囲で、前
記コンデンサ電圧を上昇させる方向に、コンバータの点
弧位相を調整するようにすることにより達成される。

【０００９】

【作用】本発明は、回生電力を検出し検出された回生電
力の大きさに応じて、コンデンサ電圧の設定値を変更し
ているので、常に、コンバータの力率が最大となるよう
に、しかも、転流失敗を生じることなく、全回生電力の
領域で電力の回生を行うことが可能である。

【００１０】すなわち、本発明は、回生電力が大きい場
合、コンデンサ電圧が低く設定され、転流失敗を生じる
ことなくその回生電力の回生を継続することができる。
そして、電力の回生が継続され、インバータを介して駆
動されている誘導電動機に制動力が加わることにより、
電動機の回転速度が低下し回生電力が徐々に減少してい
くと、この回生電力の低下に伴ってコンデンサ電圧が高
く設定される。

【００１１】本発明は、前述により、コンバータの力率
を低下させることなく、また、転流失敗を生じさせるこ
となく、電力回生の動作を継続することができる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明による電力変換装置の一実施例
を図面により詳細に説明する。

【００１３】図１は本発明の一実施例の構成を示すブロ
ック図、図２はコンバータの回生電力に対する力率の特
性を説明する図、図３はコンバータの回生電力に対する
目標コンデンサ電圧Ｅｄ* の関係を説明する図、図４は
本発明の一実施例によるコンバータの回生電力に対する
力率の特性を説明する図である。図１において、１は交
流電源、２は電源内部、架線及び主変圧器のインピーダ
ンス、３はコンバータ、４はフィルタリアクトル、５は
フィルタコンデンサ、７はコンバータ制御装置、８はイ
ンバータ、９は誘導電動機、１０はインバータ制御装
置、１１は力行回生切換スイッチ、１２はパンタグラ
フ、１３は主変圧器、６１、６２は電圧検出器、６３、
６４、６７は電流検出器、６５は有効電動機電流演算
器、６６はパルスジェネレータ、７０は目標コンデンサ
電圧発生器、７１、７３は減算器、７２は電圧制御器、
７４は電流制御器、７５は乗算器、７８は位相発生器、
７９はゲートパルス発生器である。

【００１４】図１に示す本発明の一実施例は、列車を駆
動する誘導電動機に電力を供給するインバータと、この
インバータに接続されるコンバータとを備えた電力変換
装置に本発明を適用したものである。図示本発明の一実
施例は、発電所、変電所を含む交流電源１からパンタグ
ラフ１２を介して受電する、一次巻線と二次巻線との比
がｎであり、パンタグラフからの電圧Ｅｐを変圧器二次
電圧Ｅｓまで低下させるる変圧器１３と、この変圧器１
３の二次電圧Ｅｓを整流するブリッジ接続された自己消
去能力を持たないスイッチング素子であるサイリスタＴ
ｈ１〜Ｔｈ４によって構成されるコンバータ３と、力行
回生切換スイッチ１１、フィルタリアクトル４、フィル
タコンデンサ５を介してコンバータ３からの直流電力が
入力されるインバータ８と、インバータ８からの交流電
力により列車を駆動する誘導電動機９と、コンバータ制
御装置７と、インバータ制御装置１０とにより構成され
る。

【００１５】コンバータ制御装置７は、目標コンデンサ
電圧発生器７０と、減算器７１、７３と、電圧制御器７
２と、電流制御器７４と、位相発生器７８と、ゲートパ
ルス発生器７９とにより構成される。そして、目標コン
デンサ電圧発生器７０は、乗算器７５により、電圧検出
器６２によって検出されたコンデンサ電圧Ｅｄと電流検
出器６７によって検出されたインバータ直流電流Ｉinv
とを乗算して算出されたコンバータの回生電力Ｗｒに応
じた目標コンデンサ電圧Ｅｄ* を、後述するようにして
発生する。減算器７１は、この目標コンデンサ電圧Ｅｄ
* からコンデンサ電圧Ｅｄを減算し、その値を電圧制御
器（ＡＶＲ）７２に入力する。電圧制御器７２は、電圧
偏差に比例する（比例制御だけでなく積分制御も含まれ
る）直流電流指令値ｉｄ* を発生する。

【００１６】減算器７３は、この直流電流指令値ｉｄ*
から直流電流ｉｄを減算し、その値を電流制御器（ＡＣ
Ｒ）７４に入力する。電流制御器７４は、与えられた電
流偏差に基づいて制御遅れ角αを発生しゲートパルス発
生装置７９に入力する。また、位相発生器７８は、電圧
検出器６１により検出された変圧器１３の一次電圧Ｅｐ
が入力され、これより得た交流電圧の位相である電気角
θをゲートパルス発生器７９に入力する。ゲートパルス
発生器７９は、入力された制御角αと、電気角θとを比
較し、その結果に基づいて所定のゲート信号をサイリス
タコンバータ３に入力する。

【００１７】一方、インバータ制御装置１０は、外部か
ら入力される誘導電動機９に対する目標有効電流Ｉｍｒ
* と、電流検出器６４により検出された誘導電動機９の
入力電流に基づいて有効電動機電流演算器６５が演算し
た有効電動機電流Ｉｍｒ（電動機電流と同相の有効電流
成分）と、誘導電動機９に取り付けられているパルスジ
ェネレータ６６により検出された電動機回転周波数ｆｒ
とにより、所定のゲートパルスを発生してインバータ８
を制御する。

【００１８】図１に示す本発明の一実施例は、前述の構
成を備えることにより、インバータ８、コンバータ３に
より電気車駆動用の誘導電動機９を力行回生制御する。

【００１９】次に、コンデンサ電圧Ｅｄと回生電力Ｗｒ
とコンバータの力率との関係について説明する。

【００２０】図２にはコンデンサ電圧Ｅｄをパラメータ
とした回生電力Ｗｒに対するサイリスタコンバータの力
率特性が示されている。この図２から回生電力Ｗｒの減
少に伴って、コンバータの力率が低下していくことが判
る。そして、図２には、コンデンサ電圧ＥｄがＥｄ０の
場合、回生電力ＷｒがＷ０まで回生可能であること、コ
ンデンサ電圧ＥｄがＥｄ１の場合、回生電力ＷｒがＷ１
まで回生可能であること、コンデンサ電圧ＥｄがＥｄ２
の場合、回生電力ＷｒがＷ２まで回生可能であることが
示されている。但し、前述において、Ｅｄ０＞Ｅｄ１＞
Ｅｄ２、Ｗ０＜Ｗ１＜Ｗ２である。

【００２１】すなわち、コンデンサ電圧ＥｄをＥｄ０、
Ｅｄ１、Ｅｄ２に設定した場合にコンバータが回生でき
る最大電力である回生可能最大電力Ｗは、図２よりそれ
ぞれ、Ｗ０、Ｗ１、Ｗ２であり、これ以上の電力がイン
バータ８から回生された場合、コンバータは、転流失敗
を生じて電力の回生を継続することができない。いま、
インバータ８を介して誘導電動機９から回生される回生
電力Ｗｒの最大値をＷrmaxとすると、サイリスタコンバ
ータ３が転流失敗を生じることなく、全回生電力の範囲
で電力の回生を可能とするためには、次に示す式（１）Ｗ＞Ｗrmax …（１）を満たすようにコンデンサ電圧Ｅｄを設定することが必
要である。

【００２２】また、図２から回生最大電力Ｗrmaxは、次
に示す式（２）Ｗ１＜Ｗrmax＜Ｗ２ …（２）の関係があるので、サイリスタコンバータ３の回生可能
電力Ｗに余裕を持たせ、コンデンサ電圧Ｅｄを一定に設
定する場合、コンデンサ電圧Ｅｄは、Ｅｄ２に設定する
ことが妥当である。

【００２３】一方、図２から判るように、コンデンサ電
圧ＥｄをＥｄ２からＥｄ１、Ｅｄ０と高く設定すると、
そのコンデンサ電圧で決まる回生可能な電力を回生する
場合の力率特性が改善することができる。しかし、コン
デンサ電圧Ｅｄの設定値を高くするとサイリスタコンバ
ータの回生可能電力Ｗが低下するため、前記式（１）を
満たすことができなくなり、回生最大電力Ｗrmaxまでの
電力の回生を行うことができなくなる。

【００２４】すなわち、コンバータは、コンデンサ電圧
Ｅｄが高く設定されると、電力回生時における力率の改
善が可能となるが、回生可能電力Ｗが低下するため、全
回生電力範囲での電力の回生が不可能となり、一方、全
回生電力範囲で回生を可能とするために、コンデンサ電
圧Ｅｄが低く設定されると電力回生時の力率改善効果が
得られないということになる。

【００２５】前述したように、図１に示すサイリスタコ
ンバータ３が転流に失敗することなく全回生電力領域に
おいて電力の回生を継続するためには、図２により説明
したように、インバータ８からの回生電力の最大値をＷ
rmaxとすると、式（１）を満たすコンデンサ電圧、すな
わち、コンデンサ電圧ＥｄをＥｄ２に設定することが必
要である。しかし、誘導電動機９の回転速度の低下によ
って回生電力Ｗｒが減少し、Ｗｒ＜Ｗ１となった場合、
コンデンサ電圧ＥｄをＥｄ１に、また、さらに回生電力
Ｗｒが減少し、Ｗｒ＜Ｗ０となった場合、コンデンサ電
圧ＥｄをＥｄ０に設定しても、コンバータは、転流に失
敗することなく電力の回生を継続することが可能であ
る。

【００２６】本発明は、前述した考察に基づき、回生電
力を検出し、検出された回生電力の大きさに応じて、コ
ンデンサ電圧Ｅｄを可変に制御するようにすることによ
り、すなわち、回生電力Ｗｒの減少に応じて、コンデン
サ電圧Ｅｄを上昇させるように制御し、これにより、全
回生電力領域において転流に失敗することなく電力の回
生を継続可能とし、また、力率の改善を図ることができ
るものである。

【００２７】図３には、サイリスタコンバータ３の回生
可能電力Ｗがインバータ８を介して誘導電動機９から回
生される回生電力Ｗｒと等しくなるコンデンサ電圧Ｅｄ
の値、すなわち、サイリスタコンバータ３が転流失敗を
生じることなく、誘導電動機９から回生される回生電力
Ｗｒを回生することが可能となるコンデンサ電圧Ｅｄの
限界値が示されている。但し、図３において、Ｅdmax
は、サイリスタコンバータ３及びインバータ８を構成す
る半導体素子の耐圧によって決定されるコンデンサ電圧
Ｅｄの最大値である。

【００２８】図３から判るように、インバータ８を介し
て回生される回生電力Ｗｒに対し、コンデンサ電圧Ｅｄ
を図３に示す特性曲線よりも低く設定すれば、サイリス
タコンバータ３は、転流失敗を生じることなく電力の回
生を継続することができる。また、コンデンサ電圧Ｅｄ
を高く設定すればコンバータの力率を改善することがで
きる。

【００２９】本発明の実施例は、前述により、検出され
た回生電力Ｗｒに対してコンデンサ電圧Ｅｄを図３に示
すように設定する。

【００３０】すなわち、図１に示す本発明の一実施例に
おいて、目標コンデンサ電圧発生器７０は、乗算器７５
からの回生電力Ｗｒに応じ目標コンデンサ電圧Ｅｄ* を
図３に示す特性に従って発生する。そして、コンバータ
制御装置７は、コンバータ３を回生動作させるとき、目
標コンデンサ電圧発生器７０からの目標コンデンサ電圧
Ｅｄ* に従って、サイリスタコンバータ３の回生可能電
力Ｗがインバータを介して回生される回生電力Ｗｒより
も大きくなる範囲で、コンデンサ電圧Ｅｄが高くなるよ
うに、ゲートパルス発生装置７９を介してコンバータ３
を構成するスイッチング素子であるサイリスタＴｈ１〜
Ｔｈ４の点弧位相を制御する。

【００３１】図４にコンデンサ電圧Ｅｄを回生電力Ｗｒ
に応じて図３に示すように変化させて設定した場合の本
発明の一実施例のコンバータにおける力率特性と、全電
力範囲でコンデンサ電圧をＥｄ２に一定に設定した場合
の従来技術のコンバータにおける力率特性とが示されて
いる。

【００３２】図４の中に斜線により示すように、本発明
の一実施例によれば、全回生電力の範囲でコンデンサ電
圧をＥｄ２一定に設定した場合に対してコンバータの力
率が大きく改善されていることが判る。すなわち、図１
に示す本発明の一実施例は、全回生電力範囲において、
コンバータの力率の改善を図って、電力の回生を行うこ
とができる。

【００３３】前述した本発明の一実施例は、コンデンサ
電圧目標値Ｅｄ* を発生させるために、コンデンサ電圧
Ｅｄとインバータ電流Ｉinv との積によるコンバータの
回生電力Ｗｒを求めてこれを用いるとしたが、回生電力
Ｗｒは、コンバータが回生する電力を示す値であればよ
く、例えば、コンデンサ電圧Ｅｄとコンバータ電流ｉｄ
との積として求めたものであってもよい。

【００３４】前述した本発明の一実施例は、本発明の一
実施例が電力回生動作を行う場合についてのみ、その動
作を説明したが、力行動作時には、コンデンサ電圧を従
来技術の場合と同様に一定の値に設定しておいてもよ
く、目標コンデンサ電圧発生器の特性を、コンバータの
出力電力に対応した目標コンデンサ電圧を発生するよう
に切り替えてもよい。

【００３５】前述した本発明の一実施例は、列車を駆動
するために使用するコンバータに本発明を適用したもの
として説明したが、本発明は、図１に示す誘導電動機が
他の用途に使用される場合にも、また、コンバータが三
相交流が入力されるものであっても適用することができ
る。また、本発明は、コンバータの出力にチョッパー回
路を介して直流電動機が接続される場合にも適用するこ
とができる。

【００３６】すなわち、本発明は、コンバータに対する
負荷が電力回生機能を持つものであれば、どのようなシ
ステムに対しても適用することができる。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、自
己消弧能力を持たないスイッチング素子によって構成さ
れるコンバータにおいて、全回生電力範囲おいて電力回
生時のコンバータの力率を低下させることなく、コンバ
ータに確実に電力の回生を継続させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の構成を示すブロック図であ
る。

【図２】コンバータの回生電力に対する力率特性を説明
する図である。

【図３】コンバータの回生電力に対する目標コンデンサ
電圧Ｅｄ* の関係を説明する図である。

【図４】図４は本発明の一実施例によるコンバータの回
生電力に対する力率の特性を説明する図である。

【符号の説明】

１交流電源２電源内部、架線及び主変圧器のインピーダンス３コンバータ４フィルタリアクトル５フィルタコンデンサ７コンバータ制御装置８インバータ９誘導電動機１０インバータ制御装置１１力行回生切換スイッチ１２パンタグラフ１３主変圧器６１、６２電圧検出器６３、６４、６７電流検出器６５有効電動機電流演算器６６パルスジェネレータ７０目標コンデンサ電圧発生器７１、７３減算器７２電圧制御器７４電流制御器７５乗算器７８位相発生器７９ゲートパルス発生器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】自己消弧しないスイッチング素子により
構成され、このスイッチング素子の点弧位相を制御する
ことにより交流を直流に変換するコンバータと、このコ
ンバータにリアクトル及びコンデンサを介して接続さ
れ、回生電力を発生する負荷とにより構成される電力変
換装置において、前記負荷から回生される回生電力の減
少に応じて、前記コンデンサの電圧が上昇する方向に前
記コンバータを構成するスイッチング素子の点弧位相を
制御するコンバータ制御手段を備えたことを特徴とする
電力変換装置。
【請求項２】前記負荷から回生される回生電力は、前
記コンデンサの実電圧の検出値及び前記リアクトルの実
電流の検出値に基づいて演算されることを特徴とする請
求項１記載の電力変換装置。
【請求項３】前記負荷から回生される回生電力は、前
記コンデンサの実電圧の検出値及び前記負荷からの実電
流の検出値に基づいて演算されることを特徴とする請求
項１記載の電力変換装置。
【請求項４】前記点弧位相を制御するコンバータ制御
手段は、負荷から回生される回生電力に対応するコンデ
ンサに対する電圧指令である目標コンデンサ電圧を発生
する目標コンデンサ電圧発生手段を備え、前記コンデン
サの電圧が、前記目標コンデンサ電圧発生手段からの目
標コンデンサ電圧より低い値になるように前記スイッチ
ング素子の点弧位相を制御することを特徴とする請求項
１、２または３記載の電力変換装置。
【請求項５】前記負荷が、インバータと、該インバー
タの出力に接続される誘導電動機により構成されること
を特徴とする請求項１ないし４のうち１記載の電力変換
装置。
【請求項６】前記負荷が、チョッパーと、該チョッパ
ーの出力に接続される直流電動機により構成されること
を特徴とする請求項１ないし４のうち１記載の電力変換
装置。