JPS6046639B2 - チヨツパ制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、チョッパを使用して電気車等における駆動
電動機を回生制動運転する場合のチョッパ制御装置に関
するものである。

電気車等においては、力行時の速度制御の効率向上や乗
心地の向上を図るためにチョッパが多用されている。

また、このチョッパを使用して制動時に回生制動を行い
、消費電力の低減を図つている。一般の電気車において
は、駆動源動機に直流直巻電動機を使用する場合が多い
が、この場合でも高速度から安定にしかもできるだけ大
きな制動力および回生電力が得られるようチョッパ制御
を行うことが望まれる。一般に、駆動電動機として直流
直巻電動機を使用した電気車において、チョッパを使用
して安定した回生制動を行うには、電動機発生電圧を常
に架線電圧以下に制限する必要がある。

このため、ｊ電動機を高速度から回生制動するには、電
動機電流を制限したり、電動機を弱界磁て使用する等の
必要が生じる。しカルながら、このように電動機を制御
した場合、電動機の制動力が減少するので、この制動力
が電気車としての所要制動力に達丁しない時には空気制
動で補足している。このような不都合を解消するため、
従来においては、制動時に電動機回路に抵抗を挿入し、
電動機発生電圧を高くして制動力を高める工夫がなされ
ている。

一般に、この場合に使用される抵抗は、電動機の回転速
度が低下すれば短絡する方法がとられている。しかしな
がら、前記抵抗短絡時には電源側に挿入されているフィ
ルタコンデンサの電圧がはね上がり、電動機のトルクの
急変やチョッパの破壊を生じる虞れがある。このため、
前記フィルタコンデンサの電圧のはね上がりが許容値内
に入るようにしたり、電動機のトルクの急変による乗り
心地の低下を防ぐための方策が要求される。この種の要
求に対処すべく提案されている公知の回生制動時の主回
路構成を第１図に示す。

なお、第１図において、実際には電源側にコンデンサと
リアクトルとで構成されるフィルタ回路が接続されるが
、説明の便宜上省略してある。すなわち、第１図におい
て、Ｐは架線Ｔより給電を行うパンタグラフ、ＣＨはチ
ョッパ、ＭＳＬは平滑リアクトル、Ｍは電動機、Ｆは電
動機界磁、ＢＤはブロッキングダイオード、ＢＲはブレ
ーキ抵抗器であり、前記ブロッキングダイオードＢＤと
ブレーキ抵抗器ＢＲとの直列回路にバイパスサイリスタ
ＴＨが並列接続されている。第１図に示す回路構成によ
れば、電動機電圧が規定値を上まわる高速域（ＡＶＲ）
では、バイパスサイリスタＴＨを点弧せず、直列にブレ
ーキ抵抗器ＢＲを挿入した状態で電動機電圧を制御する
。

次いで、中速域（ＡＣＲｌ）では、バイパスサイリスタ
ＴＨをオン状態にし、通流率を制御して電動機電流を一
定に保つ。さらに、中速域以下（ＡＣＲ２）では、バイ
パスサイリスタＴＨを最大通流率にしてチヨツノ＼０Ｈ
の通流率を制御し電圧値を一定に保つ。このようにして
、前記ブレーキ抵抗器ＢＲの抵抗値を連続的に制御して
ブレーキ抵抗器ＢＲの短絡時のフィルタ回路を構成する
コンデンサ（図示せず）の電圧のはね上がりを低減する
と共に電動機Ｍの急激なトルク変動を回避することがで
きる。前述した回路の動作特性をさらに詳細に説明すれ
ば、第２図乃至第５図に示す通りである。

すなわち、第２図は回生制動時におけるチョッパＣＨの
動作特性を示すものである。第２図において、横軸上の
Ｖ．．ａＯはブレーキ時の最高速度を示し、またＶ１は
電動機の発生電圧ＥＭが最大電動機電流ＩＭ．．ａｘで
架線電圧に等しくなる速度を示す。そこで、前記速度Ｖ
１より高速で回生制動をかける場合、最大電動機電流１
Ｍｍ．８では電動機発生電圧ＥＭが、電源電圧Ｅｓを超
えてしまうので、常に次式を満足するよう電動機電流１
Ｍを低減制御する。但し、ＥＭ：電動機発生電圧 Ｅ，
：電源電圧 ＩＭ：電動機電流 ＲＢ：ブレーキ抵抗 α１ ：チヨツパの通流率 第２図においては、最高速度Ｖ．ｎａｘで所定の電動機
電流１Ｍ１に低減する場合を示している。

なお、破線は、ブレーキ抵抗器ＢＲを接続しない場合の
特性を示すものである。一方、チョッパＣＨの通流率α
１は、速度Ｖ１〜Ｖ．．ａｘの範囲（中速域以下および
高速域）では略小通流率α１．ｎｉｎであり、速度Ｖ１
〜Ｏの範囲（中速域）では電動機電流１Ｍを最大電流１
Ｍｍａｘとなるように制御するので最小通流率α１．．
ｉｎから略直線的に増加する。

この場合、電動機の発生トルクは、速度０−Ｖ１″の範
囲（中速域および中速域以下）では一定であるが、速度
Ｖ／〜Ｖ．ｎ〜の範囲（高速域）では低減する。また、
速度Ｖ１〜Ｖ１″の範囲（中速域以下）では、バイパス
サイリスタＴＨの通流率α２を制御して電動機電流１Ｍ
を一定に保つ。第３図は、ノッチ特性を示すものである
。

第３図において、特性曲線イ，ハはブレーキ抵抗器ＢＲ
が接続されている場合で、イは電源電圧最大の時の特性
であり、ハは電源電圧最小の時の特性である。また、破
線で示す特性曲線口は、ブレーキ抵抗器ＢＲを接続しな
い場合の特性である。特性曲線イのａ″〜ｂ″の範囲は
、バイパスサイリスタＴＨがオフ状態のままで電動機電
圧を一定値に保持している高速域（ＡＶＲ）である。バ
イパスサイリスタＴＨはｂ″点で点弧し制御を開始する
。ｂ″〜ｂ点の範囲はバイパスサイリスタＴＨの通流率
α２を制御して電動機電流しを一定（最大値ＩＭ．．ａ
ｘ）に制御する中速域（ＡＣＲｌ）である。この場合、
ｂ点で電動機電圧Ｖ１と電源電圧とが等しくなり、バイ
パスサイリスタＴＨの通流率α２は最大となる。さらに
、ｂ−ｃ点の範囲は、チョッパＣＨの通流率α１を制御
する中速域以下（ＡＣＲ２）の場合である。

なお、第３図において、特性曲線口のａ−ｂの範囲は、
ブレーキ抵抗器ＢＲを接続しない場合の高速域（ＡＶＲ
）である。第４図は、中速域（ＡＣＲｌ）での第１図に
示す回路の動作特性を示す波形図である。すなわち、第
４図の動作波形に基づいて第１図に示す回路の動作を説
明する。今、チョッパＣＨを時間ｔ＝ＴＯでオン状態に
すると〔第４図１，３，４参照〕、電動機電流１Ｍは電
動機電圧により増加していく〔第４図８参照〕。最小流
通時間に等しい時間ｔ＝ちてチョッパＣＨをオフ状態に
すると、電動機電流１Ｍは直列接続されたブレーキ抵抗
器ＢＲおよびブロッキングダイオードＢＤを介して電源
側に流れ、電力を電源に回生しながら電流１Ｍは減少し
ていく〔第４図５，７，８参照〕。次いで、時間ｔ＝Ｔ
２でバイパスサイリスタＴＨをオン状態にすると〔第４
図２参照〕、ブレーキ抵抗器ＢＲに流れていた電流１Ｒ
〔第４図５参照〕は、バイパスサイリスタＴＨに移り、
電動機電流１Ｍは再び増加していく〔第４図６，７，８
参照〕。この時、電動機電圧は、電源電圧より大きい。
そこで、時間ｔ＝Ｔ３で再びチョッパＣＨをオン状態に
すると〔第４図１参照〕、バイパスサイリスタＴＨはオ
フ状態となる〔第４図２参照〕。以下同様にして、バイ
パスサイリスタＴＨの点弧時期Ｔ２を制御することによ
り、ブレーキ抵抗器ＢＲの抵抗値は連続的に可変にする
ことができる。前述した制御方式において、ブレーキ抵
抗器ＢＲの抵抗値ＲＢは、前記式（１）に基づいて次式
により求められる。

但し、ＩＭｌ″：最高速度■．。

、における電動機許 容最大電流 ＥＭＯ。

、：最高速度■。。、における電動機 許容最
大電流で発生する電動機電 圧 Ｅｓ．〜：電
源電圧最大値 α１ｍｉｎ：チヨツパの最小通流率 第３図に示す特性曲線イのａ″〜ｂ″点間の電動機の特
性を第５図に示す。

すなわち、第５図において、特性曲線１は最高速度にお
ける電動機の電圧−電流特性を示すものである。また、
特性曲線■，■はチョッパＣＨの端子電圧ＥｃＨ（チョ
ッパＣＨは最小通流率α１．，ｎで動作する）で、■は
電源電圧最大（Ｅｓ．．．−）の場合を示し、■は電源
電圧最小（Ｅ，ｍｉｎ）の場合を示す。電源電圧が最大
の場合は、電動機Ｍの動作点はＡとなり、電動機許容最
大電流１Ｍ１″が流れるが、電源電圧が最小になると、
高速域（ＡＶＲ）制御のためにバイパスサイリスタＴＨ
はオフ状態であり、ブレーキ抵抗器ＢＲの抵抗値ＲＢが
変わらないため、電動機Ｍの動作点はＢまで移動し、電
動機許容最大電流はＩＭｌ″まで減少させなければなら
ない。この時のノッチ特性曲線は第３図ハのようになる
。ここで、電源電圧最大値Ｅ，．ｎへを１，６５０■、
電源電圧最小値ＥＳ．．ｉｎを１，０００Ｖとすれば、
電動機許容最大電流１Ｍ１″は電動機電流１Ｍ１の約６
０％まで低下してしまう（第２図参照）。このように、
第１図に示す制御方式では、電源電圧が低下すると、制
動電流が低下するために回生電力が低下してしまい、さ
らに回生制動力が下足してしまうという欠点がある。

また、第１図に・示す制御方式によると、高速制動時に
転流失敗した場合、電流を制限する抵抗が入つていない
ために電動機電流は非常に大きくなる。そこで、チョッ
パや電動機の過電流保護協調のため、回路に制動時のみ
相間リアクトルを追加する必要が生じたり、動作時間の
短い遮断器を使用する必要がある。さらに、第１図に示
す制御方式では、チョッパに電動機電圧が加わり、しか
もこの電圧は電源電圧の２倍近くにも達するので、チョ
ッパを構成する部品はこの電圧を考慮して選定する必要
があノるばかりでなく。高耐圧化のために装置も大型化
する難点がある。そこで、本発明者等は、前述したチョ
ッパ制御装置の欠点を全て克服すべく種々検討並びに試
作を重ねた結果、電源に対し電動機と直列接続する７ブ
レーキ抵抗器をチョッパと並列になるよう接続配置し、
このブレーキ抵抗器とブロッキングダイオードとの直列
回路にバイパスサイリスタを並列接続することにより、
電動機の発生電圧が電源電圧以上の時でもチョッパの電
圧が電源電圧以上にフならないようにすると共に、電動
機の発生電圧が電源電圧以上の時チョッパの通流率を最
小に保ち、しかも電動機電流を規定された値になるよう
バイパスサイリスタの通流率を制御し、バイパスサイリ
スタの通流率が最大または規定の大きさになつた後チョ
ッパの通流率を制御するようにして、電源電圧に関係な
く電動機電流を規定値になるよう前記ブレーキ抵抗器の
抵抗値を連続的に制御することにより、電動機の回生制
動時における回生率、回生電力、回生制動力の増大を図
り、前述の問題点を一拳に解消し得ることを突き止めた
。

従つて、本発明の目的は、簡単な回路構成によりチョッ
パの責務を増大させることなく回生率、回生電力および
回生制動力の増大を図ることができるチョッパ制御装置
を提供するにある。

前記の目的を達成するため、本発明においては、直流電
源に電動機とチョッパとを並列に接続し、さらに直流電
源に対し電動機と直列にダイオードとブレーキ抵抗器と
を接続すると共にこのダイオードとブレーキ抵抗器との
直列回路にバイパスサイリスタを並列接続し、前記バイ
パスサイリスタの通流率を制御して電動機の回生制動を
行うよう構成したチョッパ制御装置において、前記ブレ
ーキ抵抗器をチョッパに対し電動機側回路に接続し、こ
のブレーキ抵抗器と直列接続するダイオードをチョッパ
に対し直流電源側回路に設けると共にそれらブレーキ抵
抗器とダイオードに対しバイパスサイリスタを並列接続
し、さらにブレーキ抵抗器に短絡スイッチを並列接続し
、最高速度で電源電圧最小値において許容電動機電流が
流れるように前記ブレーキ抵抗器の合成抵抗値を設定し
、電動機電流または電動機端子電圧が規定値になるよう
バイパスサイリスタの通流率を制御すると共に電動機端
子電圧が規定値以下の場合短絡ス．インチによりブレー
キ抵抗器を短絡するよう構成することを特徴とする。

前記のチョッパ制御装置において、電動機側回路に安定
抵抗器を接続すれば、電動機電圧が電源電圧より高い高
速域での電源電圧急変等に際して．電動機の駆動の安定
性を増大することが可能となる。

この場合、安定抵抗器に短絡スイッチを並列接続して、
このスイッチを前記ブレーキ抵抗器の短絡スイッチと同
様に操作すれば、安定抵抗器の発・生損失を軽減するこ
とがでできる。

次に、本発明に係るチョッパ制御装置の実施例につき添
付図面を参照しながら以下詳細に説明する。

第６図は、本発明に係るチョッパ制御装置の基本構成を
示す回路図で、参照符号１０は架線、１２はパンタグラ
フ、１４はチョッパ、１６は電動機てある。

電動機１６と直列に電動機界磁１８および平滑リアクト
ル２０が接続されている。また、電源に対し、電動機１
６と直列にブ冶ツキングダイオード２２とブレーキ抵抗
器２４が接続され、さらにこれらのブロッキングダイオ
ード２２とブレーキ抵抗器２４との直列回路にバイパス
サ）イリスタ２６が並列に接続されている。この場合、
本発明においては、ブロッキングダイオード２２とブレ
ーキ抵抗器２４との接続点Ｐと電源負側との間にチョッ
パ１４を接続配置したことを特徴とするものである。な
お、第６図に示す回路において、実際には電源側にコン
デンサとリアクトルとで構成されるフィルタ回路が接続
されるが、説明の便宜上省略してある。次に、第６図に
示す回路の動作特性につき、第７図に示す波形図を参照
しながら以下説明する。

今、チョッパ１４を時間ｔ＝ＴＯでオン状態にすると〔
第７図１，３，４参照〕、電動機１６はブレーキ抵抗器
２４を介して短絡されるので、電動機電流１Ｍは増加し
ていく〔第７図８参照〕。次に、最小通流時間に等しい
時間ｔ＝ｔ１でチョッパ１４をオフ状態にすると、電動
機電流１Ｍはブレーキ抵抗器２４およびブロッキングダ
イオード２２を介して電源側に流れ、電力を電源に回生
しながら電流１Ｍは減少していく〔第７図５，７，８参
照〕。次いで、時間ｔ＝しでバイパスサイリスタ２６を
点弧すると、ブレーキ抵抗器２４に流れていた電流１Ｒ
はバイパスサイリスタ２６に移り、電動機電流１Ｍは再
び増加していく 〔第７図６，７，８参照〕。この時、
電動機電圧より大きい。そこで、時間ｔ＝Ｔ３で再びチ
ョッパ１４をオン状態にすると〔第７図１参照〕、バイ
パスサイリスタ２６には電源電圧とブレーキ抵抗器２４
ａの端子電圧との差が逆方向に加わり、バイパスサイリ
スタ２６はオフ状態となる〔第７図２参照〕。以下、同
様にして、バイパスサイリスタ２６の点弧時間ちを制御
することにより、ブレーキ抵抗器２４の抵抗値は連続的
に可変することができる。なお、バイパスサイリスタ２
６は、電動機電流１Ｍあるいは電動機１６の端子電圧が
規定値になるようその通流率を制御する。以上の動作特
性は、前述した第１図に示す従来のチョッパ制御装置と
略同一の動作特性を有する（第４図参照）。本発明に係
るチョッパ制御装置においては、最高速度で電源電圧最
小値ＥＳｍｉｎにおいて、許容電動機電流し，″が流れ
るような抵抗値、すなわちブレーキ抵抗器２４ａ，２４
ｂの合成抵抗値ＲＢは次式で示される。

但し、ＩＭｌ″：最高速度■．ＡＯにおける電動機許
容最大電流 ＥＭｍａｘ：最高速度Ｖｍａｘに
おける電動機 許容最大電流で発生する電動機
電 圧 ＥＳｍｉｎ：電源電圧最小値 α１．ｎｉｎ：チヨツパの最小通流率このような抵
抗値にすることにより、電動機１６の動作特性は第８図
に示すようになる。

すなわち、第８図において、特性曲線１は最高速度にお
ける電動機の電圧一電流特性を示すものである。また、
特性曲線■，■はチョッパ１４の端子Ｅ。Ｈ（チョッパ
１４は最小通流率α１ｍ，ｎで動作する）で、■は電源
電圧最大（ＥｓｍａＯ）の場合を示し、■は電源電圧最
小（Ｅ，ｍｉｎ）の場合を示す。なお、本発明において
は、特性曲線■の場合、バイパスサイリスタ２６の通流
率α２は零になり、電動機１６の動作点はＡとなり、電
源電圧が最大の場合（第８図の特性曲線■）と同様電動
機許容最大電流１Ｍ１″を流すことができる。すなわち
、従来のチョッパ制御装置では、電源電圧最小値Ｅｓｍ
，ｎの特性曲線は■（破線で示す）となると共に電動機
の動作点もＢとなり、電動機電流がＩＭｌ″であつたも
のをＩＭｌ″まで高めることができる。また、電源電圧
が最大（Ｅ，７．、）の場合は、第８図−の特性曲線■
に示す特性とする必要があり、この場合バイパスサイリ
スタ２６の通流率を大きくして等価的に■の特性とする
。本発明に係るチョッパ制御装置において、ノッチ特性
は電源電圧に関係なく第９図の特性曲線二に示すように
なる。

なお、第９図に示す特性曲線イ，ハは、従来のチョッパ
制御装置のノッチ特性であり、イは電源電圧最大の場合
を示し、ハは電源電圧最小の場合を示す。第９図から明
らかなように、本発明装置は、従来装置と比較して高速
における電動機電流を大きくすることができるのて、制
動力、回生電力および回生率の向上を図ることができる
。また補足の空気制動が必要な場合は、その負担する割
合を減少させることができる。特に電源電圧が低くなる
と前記効果は一層大きくなる。第１０図乃至第１２図は
、本発明に係るチョッパ制御装置の夫々別の実施例を示
すものである。

″すなわち、第１０図は、第６図に示す回路構成におい
て、安定抵抗器２８を挿入接続したものである。このよ
うに安定抵抗器２８を挿入することにより、電動機電圧
が電源電圧より高い高速域での電源電圧急変等に際して
電動機の駆動の安定性を増大することがてきる。第１１
図は、第６図に示す回路構成において、ブレーキ抵抗器
２４に短絡スイッチ３０を並列に接続した本発明の一実
施例を示すものてある。

このように構成することにより、回生制動時にバイパス
サイリスタ２６が最大通流率でしかも一定の条件になつ
た際ブレーキ抵抗器２４を短絡すれば、ブレーキ抵抗器
２４の発生損失を軽減することができる。第１２図は、
第１０図に示す回路構成において、ブレーキ抵抗器２４
および安定抵抗器２８に夫々短絡スイッチ３０，３２を
並列に接続し、前記実施例と同様にブレーキ抵抗器２４
および安定抵抗器２８の発生損失を軽減するようにした
ものである。

前述の第１１図乃び第１２図に示す実施例において、短
絡スイッチ３０，３２を夫々機械的スイッチで例示した
が、サイリスタ等の半導体スイッチを使用し得ることは
勿論である。

前述した実施例から明らかなように、本発明に係るチョ
ッパ制御装置は、従来装置に比べて種々の利点を有する
ものであり、それらを要約して列拳すれば次の通りであ
る。

（１）電源電圧に関係なく電動機電流を許容値一杯まで
流せるので、回生制動力、回生電力および回生率の増大
を図ることができる。

（２）回生制動力のみでは制動力が不足し、空気制動を
補足する場合、空気制動力を減らすことができ、保守費
等の軽減を図ることができる。

（３）特に、電源電圧が低い楊合は、前記（１），（２
）の効果が大きい。（４）高速回生制動時にチョッパが
転流失敗しても、回路に抵抗（ブレーキ抵抗器）が挿入
されているので電動機電流が制限され、過電流保護協調
が容易となる。

（５）回生制動時にチョッパに印加される電圧は、電動
機電圧より低くなるので、チョッパ装置の小型化を図る
ことができる。

本発明に係るチョッパ制御装置は、直流電動機から直流
電源に電力を回生するものであるから、電気車や電気自
動車に好適に応用することができるばかりでなく、その
他の凡ゆる半導体変換器においても、直流中間回路にチ
ョッパを介在して回生制御を行うものに適用すれば前記
各効果を期待することができる。

以上、本発明の好適な実施例として、一相一重のチョッ
パの場合について説明したが、本発明は多相多重方式チ
ョッパにも応用し得るばかりでなく、その他本発明の精
神を逸脱しない範囲内において種々の設計変更をなし得
ることは勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のチョッパ制御装置の主回路構成を示す結
線図、第２図は第１図に示す回路の回生制動時の動作特
性曲線図、第３図は第１図に示す回路の回生制動時のノ
ッチ特性曲線図、第４図は第１図に示す回路の動作波形
図、第５図は第３図に示すノッチ特性を有する場合の電
動機の動作特性曲線図、第６図は本発明に係るチョッパ
制御装置の一実施例を示す主回路構成結線図、第７図は
”第６図に示す回路の動作波形図、第８図は第６図に示
す回路の電動機の動作特性曲線図、第９図は第６図に示
す回路の回生制動時のノッチ特性曲線図、第１０図乃至
第１２図は本発明に係るチョッパ制御装置の夫々別の実
施例を示す主回路構成結線図である。 １０・・・・・・架線、１２・・・・・パンタグラフ、
１４・・・・・チョッパ、１６・・・・・・電動機、１
８・・・・・・電動機界磁、２０・・・・・・平滑リア
クトル、２２・・・・・・ブロッキングダイオード、２
４・・・・・・ブレーキ抵抗器、２６・・・・バイパス
サイリスタ、２８・・・・・・安定抵抗器、３０，３２
・・・・・・短絡スイッチ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 直流電源に電動機とチョッパとを並列に接続し、さ
   らに直流電源に対し電動機と直列にダイオードとブレー
   キ抵抗器とを接続すると共にこのダイオードとブレーキ
   抵抗器との直列回路にバイパスサイリスタを並列接続し
   、前記バイパスサイリスタの通流率を制御して電動機の
   回生制動を行うよう構成したチョッパ制御装置において
   、前記ブレーキ抵抗器をチョッパに対し電動機側回路に
   接続し、このブレーキ抵抗器と直列接続するダイオード
   をチョッパに対し直流電源側回路に設けると共にこれら
   ブレーキ抵抗器とダイオードに対しバイパスサイリスタ
   を並列接続し、さらにブレーキ抵抗器に短絡スイッチを
   並列接続し、最高速度で電源電圧最小値において許容電
   動機電流が流れるように前記ブレーキ抵抗器の合成抵抗
   値を設定し、電動機電流または電動機端子電圧が規定値
   になるようバイパスサイリスタの通流率を制御すると共
   に電動機端子電圧が規定値以下の場合短絡スイッチによ
   りブレーキ抵抗器を短絡するよう構成ことを特徴とする
   チョッパ制御装置。 ２ 特許請求の範囲第１項記載のチョッパ制御装置にお
   いて、電動機側回路に安定抵抗器を接続してなるチョッ
   パ制御装置。 ３ 特許請求の範囲第２項記載のチョッパ制御装置にお
   いて、安定抵抗器に短絡スイッチを並列接続し、電動機
   端子電圧が規定値以下の場合前記短絡スイッチにより安
   定抵抗器を短絡するよう構成してなるチョッパ制御装置
   。