JPS6139802A - 誘導電動機駆動電気車の運転制御方式 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の属する技術分野） この発明は、直流電力を電力変換器により交流電力に変
換して誘導電動機に与え、この誘導電動機により駆動さ
れる電気車を力行運転から惰行運転へ切換えるときの運
転制御方式に関する。

（従来技術とその問題点） 直流電力が供給さ□れる電気車を誘導電動機で駆動しよ
うとするとき、大きく分けて次の２つの駆動方式がある
。第１は直流電力をチョッパと電流形□インバータとに
より交流電力に変換して誘導電動機を駆動する方式であ
り、第２は電圧制御機能を有する電圧形インバータによ
り直流電力を交流電力に変換して誘導電動機を側御する
方式であるが、本発明は前者の駆動方式による電気車を
力行運転から惰行運転に切換えるときの運転制御方式第
３図は誘導電動機駆動電気車の従来例を示す回路図であ
って、パンタグラフｌから取込まれた直流電力は入カフ
イ、ルタ２と平滑リアクトル７を経て第１電力変換器と
してのチョッパ４と第２電力変換器としての電流形イン
バータ８により可変電流・可変周波数の受流電力に変換
され、この交流電力により誘導電動機９を駆動する。こ
こでスイッチ３は力行門松と制動運転とを切換えるスイ
ッチ４であり、符号５は還流ダイオード、符号６はブレ
ーキダイオードである。

この電気車を力行運転するときスイッチ３は閉にしてお
きチョッパ４をオンさせるとパンタグラフｌから取込ま
れた電流は、入力フィルタ２→スイツチ３→平滑リアク
トル７→インバータ８→電動機９→インバータ８→チョ
ッパ４→入カフィルタ２の経路で流れて増加し、このチ
ョッパ４をオフにすると電動機９に流れていた電流は電
動機９→インバ一タ８→還流ダイオード５→スイツチ３
→平滑リアクトル７→インバータ８→電動機９の径路で
循環しつつ次第に減少する。それ故この電動機９に流れ
る電流はチョッパ４の全時間に対するオン時間の比率す
なわち通流率を変化させることで制御できる。このとき
誘導電動機９の滑り周波数は正であり、電流形インバー
タ８の直流入力側には第３図に示すｖｉなる電圧が矢印
方向に誘起され、電動機９はインバータ８から電力を供
給されて駆動トルクを発生する。

一方回生制動運転をするときはスイッチ３を開にする。

誘導電動機９の滑り周波数は負となってこの電動機９は
発電機運転をすることにより制動・トルクを発生し、イ
ンバータ８の直流端子側に発生する電圧の極性は力行運
転時とは反転されたものとなる。チョッパ４をオンさせ
ると電動機９の発電機運転による電流は、電動［９→イ
ンバータ８→チヨツパ４→ブレーキダイオード６→平滑
リアクトル７→インバータ８→電動ＩＩ９の径路で流れ
て増加し、チョゾパ４がオフのときの電流ｊま電動機９
→インバータ８→還流ダイオード５→入力フイルタ２→
直流電源→入カフイルタ２→ブレーキダイオード６→平
滑リアク、トル７→インバータ８→電動機９の径路を通
ってエネルギーを直流電源に返還しながら減少する。こ
のとき誘導−電動機９に流れる電流は力行運転時と同様
にチョッパ４の通流率を変化させることで制御できる。

力行運転時に閉、制動運転時に開となって直流回路を流
れる電流を切換えているスイッチ３は、前述のように運
転状態に合わせて開閉動作をすることと、電流遮断能力
を必要とすることから半導体スイッチを使用するのは不
経済であり、接１点により回路の開閉を行なういわゆる
接触器が使用される。

ところで第３図に示す従来例の回路により電気車を運転
するとき、電気車には力行運転モードと制動運転モード
の他に、通常は惰行運転モ゛−ドが設けられる。なぜな
らば電気車は力行運転から直接制動運転に切換ねること
は希であり、通常は力行運転により電気車が所定速度に
到達すれば電動機への電力供給を中断して、そのままの
状態で走行（いわゆる惰行）を続け、当該電気車がある
速度まで低下したときあるいは所定位置に到達すると再
び力行運転または制動運転に切換わるような電動機を主
回路から切離すことにより惰行運転が実施されているが
、第゛３図の従来例に示す回路では惰行運転時に誘導電
動機９を回路から解放してしまうとこの・誘導電動機９
は励磁が失なわれるので、たとえば次に制動運転に入っ
て再び電動機電流を立上げようとしても、それができな
くなる。

そこで第３図に示す従来例回路の電気車では次の制動の
機会に備えて惰行運転時でもこの誘導電動機９に電流は
流しておくけれどもトルクは発゛生しないように制御し
ておくのであるが、これが惰行運転モードである。

惰行運転モードでは、スイッチ３は開にしておき電流を
電動機９→インバ一タ８→チヨツノゞ４→ブレーキダイ
オード６→平滑リアクトル７→インバータ８→電動機９
なる径路で循環させるのであるが、このときチョッパ４
にはチョッピング動作をさせず連続的にオン状態を維持
（これを全導通という）さセル。

第４図は惰行運転時の誘導電動機の制御系を示すブロッ
ク図で”あらて電動機電流指令値工ｐと電動機電流検出
値工Ｍとの偏差を零にする制−信号を出力する調節器１
０の作用に゛より電動機滑り周波数１８を制御する弓と
で電流が制御される。この滑り周波数ｆ８は結果的には
零にごく近い負の値となる。これは上述した循環電流に
より発生する回路の損失は電動機９側から供給しなけれ
ばならないからである。なおこの惰行運転モードから回
生制動運転モードへの切換□えは、チョツノぐ４を全導
通状態から所要の通流率での運転にするとともに制御系
を切換えればよい。

なお、誘導電動機９に電流を流すとともにトルクを発生
しないようにしている惰行運転モード法前述の力行運転
時の回路にしておいて電動機９の滑り周波数ｆ、を零に
することでもよいように考えられるが、滑り周波数ｆＢ
が零の状態ではインバータ８の直流端子側電圧も零でな
ければならないが、チョッパ４の通流率αは実際には転
流時間などの制限により通流率の下限α１１と上限α％
ｔＬｔが定めもれるために、インバータ８の直流端子側
電圧を零にすることはできないので、力行運転の回路の
ままで惰行運転モードにすることはできない。

力行運転モードから惰行運転モードに切換えるにあたっ
ては、上述の説明から明らかなようにスイッチ３を閉か
ら開にしなければならないが、このスイッチ３は接触器
など機械的動作により回路の開閉を行なうもので”ある
から、このスイッチ３に開指令を与えてから”：′ｔｈ
路が解放されるまでには、実際に接点が開極を開始する
までの動作遅れ時間と、接点が開極を開始してから電流
遮断時のアークが消滅して電流が完全に遮断されるまで
のアーク時間との合計時間が必要である。

第５図は理想的スイッチによる惰行運転への切換えダイ
ヤグラムであって第５図（イ）は力行運転から惰行運転
への切換え指令、第５図（ロ）は電動機滑り周波数ｆ８
の変化、第５図（））はスイッチ９３の開閉状態、第５
図（ニ）はチョッパ通流率αの変化、第５図（へ）は制
御系の切換え状態をそれぞれ示している。この第５図に
おいてＴ。

なる時刻に力行運転を惰行運転に切換える指令が与えら
れると電動機９の滑り周波数１８は零に向かって絞られ
、インバータ８の直流端子側電圧が減少するためチョッ
パ４の通流率αも減少する。

滑り周波数が十分に零に近づいたＴ、なる時刻にスイッ
チ３を閉から開にするとともにチョッパ４を全導通にし
、制御系を惰行制御系に切換えれば、この切換えに伴な
う電流の急変などを発生することなく力行運転から惰行
運転への切換えは米子する。ただしこの切換えは、スイ
ッチ３が動作時間遅れが零、かつアーク時間が零である
理想的なスイッチの場合である。

第６図と第７図は惰行運転への切換えの従来例　　　　
□を示すダイヤグラムであって、この両図（イ）は力行
運転から惰行運転への切換指令、両図（ロ）は電動機滑
り１周波数１８の変化、両図（ハ）はスイッチ３の開閉
状態であるが動作遅れ時間とアーク時間の合計にｔｌな
る時間を必要とする接触器を使用する場合、両図（ニ）
はチョッパ通流率αの変化、両図（へ）は制御系の切換
え状態をそれぞれ示している。

第６図においてはＴ１なる時刻に惰行運転指令が発せら
れ、電動機滑り周波数／ｓが十分に零に近づいた時刻Ｔ
２にスイッチ３に開指令を与えると同時にチョッパ４を
全導通にするのであるが、このときスイッチ３はまだ電
流遮断が完了していないので入力フィルタ２→スイツチ
３→平滑リアクトル７→インバータ８→電動機９→イン
バータ８→チョッパ４→入力フィルタａの径路で直流電
源側か−ら電流が流入するのであるが、このときインバ
ータ８の直流、端子側電圧は、はぼ零に近い値であるた
め、流入する電流は急激に増大して過電流となる。

第７図においては、Ｔ、なる時刻に惰行運転指令が発令
され、電動機滑り周波数ｆ８が十分に零に近づいた時刻
Ｔ、にスイッチ３に開指令を与えるのであるが、このス
イッチ３が電流を完全に遮断するのに必要な時間ｔ１　
よりも長いｔ、なる時間を経過してからチョッパ４を全
導通にする。このようにすればスイッチ３は電流遮断を
完了しているので第６図の場合のように直流電源側から
電流が流入することはないが、インバータ８側からの電
流を循環できる径路もないので、電動機９の電流は減少
して消滅するにいたる。

スイッチ３はその接点が機械的に開閉されるものたとえ
ば接触器であれば、電動機９の電流を急変させることな
く力行運転モードから惰行運転モードに切換わるために
は原理的にはチョッパ４のもつ平均電圧とスイッチ３．
の接点間の電圧との和が常に電源電圧に等しいことが必
要である。しかしスイッチ３が電流を遮断しつつあると
きの接点間電圧はアークによる不確定な電圧であるから
、チョッパ４の電圧を前記条件が成立するように制御す
ることは困難である。それ故現状ではスイッチ３に開指
令を与えてからチョッパ４を全導通にするまでの時間（
すなわち第７図における　ｔ２なる時間）を、このスイ
ッチ３が完全に電流を遮断すると見込まれる時間（すな
わち第９図におけるｔ、なる時間）よりも僅かに短かく
設定しているが、スイッチ３に見込んでいる時間ｔ１　
は変動することがあるので、惰行運転モードに切換える
にあたって電流の急増あるいは落ち込みを生ずるばかり
ではなく、過電流あるいは電流消失のおそれもあった。

（発明の目的） この発明は、直流電力を第１電力変換器と第２電力変換
器により可変電流・可変周波数の交流電力に変換して誘
導電動機に与えて電気車を駆動させる場合に、当該電気
車を力行運転モードから惰行運転モードに切換えるにあ
たって誘導電動機電流を急変させることなく安定に切換
えることができる誘導電動１警気車の運転制御方式を提
供することを目的とする。

（発明の要点） この発明は、惰行運転指令に基づいて誘導電動機滑り周
波数が十分零に近づいたとき、直流電力を交流電力に変
換する第２電力変換器の直流側にこの第２電力変換器に
並列するバイパス回路を形成させて第２電力変換器側の
電流を環流させるとともに第１電力変換器をオフにし、
その間にスイッチを操作して直流回路を力行運転状態か
ら制動運転状態に切換える。このスイッチが電流を完全
に遮断して直流回路の切換えが完了すると見込まれる時
間が経過したのち前記第１電力変換器を全導通にするこ
とにより電流が急変したり、過電流あるいは電流消失し
たりすることなく安定に惰行運転モードに切換えようと
するものである。

（発明の実施例） 第１図は本発明の実施例を示す回路図であり、この第１
図により本発明の詳細を以下に説明する。

第１図において、パンタグラフ１により電気車内に取込
まれた直流電力はりアクドルとコンデンサで構成されて
いる入力フィルタ２を介して、正極側に設けら□れてい
るスイッチ３と平滑リアクトルクおよび負極側に設置さ
れている第１電力変換器としてのチョッパ４を経て第２
電力変換器としての電流形インバータ８に入力され、こ
のインバータ８により変換された交流電力が誘導電動機
９に与えられ、当該電気車は所要の速度で運行する。

ここで符号５は還流ダイオード、符号６はブレーキダイ
オードであり、さらに本発明に基づきバイパスサイリス
タ２１とバイパス抵抗２２の直列接続回路がインバータ
８の直流側に並列に設けられており、必要時点でバイパ
スサイリスタ２１をオンさせることによりバイパス回路
を形成できるようになっている。

第２図は第１図に示す実施例での惰行運転への切換えダ
イヤグラムであって、第２図（イ）は力行運転から惰行
運転への切換え指令、第２図（ロ）は電動機滑り周波数
１８の変化、第２図（ハ）はスイッチ３の開閉状態、第
２図（ニ）はチョッパ通流率αの変化、第２図（ホ）は
バイパスサイリスタ２１のオンオフ状態、第２図（へ）
は制御系の切換え状態をそれぞれ示している。

力行運転中の電気車に時刻Ｔ１　なる屏間に惰行運転指
令が与えられると、誘導電動機９の滑り周波数ｆ８が零
に向って絞られるのは前述の従来例の場合と同様である
。この滑り周波数ｆ８が十分に零に近づいたＴ２　なる
時刻に、スイッチ３を閉から開にする指令を与えると同
時にバイパスサイリス”りｚｌを点弧し、チョッパ４は
オフにする。

このとき、電動機９→インノ４−タ８→還流ダイオード
５→スイッチ３→平滑リアクトル７→インバータ８→電
動機９の径路で流れていた電流は、スイッチ３が開極す
るにつれて次第に１１機９→インバータ８−〉バイパス
抵抗２２→バイパスサイリスタ２１→平滑リアクトル７
→インバータ８→電動機９なる径路に移る。

その後スイッチ３が完全に電流を遮断したのちすなわち
スイッチ３の電流遮断完了時間ｔ、よりも長い時間ｔ、
が経過して！、なる時刻にチョッパ４を全導通させると
、チョッパ４の全導通時の抵抗値はバイパス抵抗２２の
抵抗値よりもはるかに小であるから、バイパスサイリス
タ２１とバイパス抵抗２２で構成されるバイパス回路に
痺れていた電流の大部分はこのチョッパ４とブレーキダ
イオード６を経由する回路に移る。

上述のようにして電動機電流がチョッパ４側にシフトさ
れてバイパスサイリスタ２１に流れる電流がこのバイパ
スサイリスタ２１の保持電流以下になれば、当該サイリ
スタ２１は自然消弧する。

しかしチョッパ４が全導通しているときのオン電圧があ
まり低くないためにバイパスサイリスタ２１に流れる電
流がこれの保持電流以上であれば、この電流がバイパス
回路を流れつづけることになる。

チョッパ４が転流回路により消弧する素子たとえばサイ
リスタなどで構成されている場合は、この惰行運転モー
ドでバイパスサイリスタ２１が消弧していなくても、惰
台運転モードから再び力行運転モードに切換われば、電
流形インバータｈの直流端子間電圧が上昇し、これによ
りバイパスサイリスタ２１を逆バイアスするので、力行
運転モードになれば自動的に消弧するし、惰行運転モー
ドから制動運転モードに切換わればチョツノぐ４が再び
チョッピングを開始するので、このチョツノく４ノ転流
回路の働きによりチョッパ４のスイッチング素子と同時
にこのバイパスサイリスタ２１も消弧されるから、惰行
運転時にバイパスサイリスタ２１が消弧していなくても
差支えない。

チョッパ４がトランジスタやゲートターンオフサイリス
タのような自己溝弧形素子で構成されている場合イくイ
パスサイリスタ２１に保持電流以上の電流が流れつづけ
ているときに制動運転モードに切換わったとしても、バ
イパスサイリスタ２１の消弧は行なわれないから、あら
かじめ惰行運転モードにおけるチョッパ４が全導通のと
きのオ〉゛電圧とバイパスサイリスタ２１のオン電圧と
を適切に選定して、チョッパ４が全導通になればノ（イ
バスサイリスタ２１が自然消弧するようにしておくか、
あるいはバイパスサイリスタ２１として他の自己溝弧形
素子たとえばトランジスタやゲートターンオアサイリス
タなどを使用する。

なおバイパス抵抗２２は、チョッパ４が全導通になった
後の惰行運転モードの期間中にバイパス回路に流れる電
流を抑制して当該バイパス回路の　　　　□容量を低減
するためのものである。このように）くイパス抵抗２２
を設けることにより、バイパスサイリスタ２１に大電流
が流れるのは力行運転モードから惰行運転モードへ切換
えるときのバイパスサイリスタ２１を点弧してからチョ
ッパ４が全導通になるまでのごく短時間に限定できるの
で、バイパスサイリスタ２１とバイパス抵抗２２の容量
を小さくすることができる。

走行中の電気車を駆動している誘導電動機９の滑り周波
数ｆＢを負の値にすると、この誘導電動機９は発電機運
転となるので、この発生電力をインバータ８とチョッパ
４を介して直流電源に返還するいわゆる回生制動運転に
ついては既に述べたが、スイッチング素子と制動抵抗と
の直列接続回路を平滑リアクトル７を含むインバータ８
の直流端子間に、このインバータ８に並列に接続し、こ
のスイッチング素子をオンにして発電機運転している誘
導電動機９が発生するエネルギーを制動抵抗に消費させ
ることにより、この電気車を減速させることができるが
、これがいわゆる発電制動運転である。この発電制動運
転に必要なスイッチング素子と制動抵抗の接続場所は第
１図に示す回路図のバイパスサイリスタ２１とバイパス
抵抗２２と同じ接続場所である。それ故発電制動運転が
できるようになされている第１図の回路を有する電気車
では、力行運転モードから惰行運転モードに切換わると
きに電流をバイパスさせるバイパス回路を設置せずに発
電制動用のスイッチング素子と制動抵抗を電流バイパス
のために利用できる。この場合は主回路に追加するもの
は零であるから、本発明を僅かなコスト上昇のみで実施
できる。

（発明の効果） この発明によれば、チョッパなどの第１電力変換器と電
流形インバータなどの第２電力変換器で得られる可変電
流・可変周波数の交流電力を電気車駆動用誘導電動機に
与えるよう構成されている電気車を力行運転モードから
惰行運転モードに切換える際に、平滑リアクトルを含む
第２電力変換器の直流端子間に形成されるバイパス回路
に第２電力変換器側の電流を還流させ、その間に回路を
力行運転回路から惰行運転回路に切換えるようにしてい
るので、回路切換えの動作遅れ時間やアーク時間に影響
されずに、電動機電流を急変させることなく安定に切換
えを行なうことができる。さらにこの電気車に発電制動
回路が用意されているならば、この発電制動回路を上述
のバイパス回路として利用できるので、新たにバイパス
回路を設置する必要がないので、上述せる本発明の効果
を低コストで得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す回路図であり、第２図は
第１図に示す実施例における惰行運転への切換えダイヤ
グラムである。第３図は誘導電動機駆動電気車の従来例
を示す回路図、第４図は惰行運転時の誘導電動機の制御
系を示すブロック図であり、第５図は理想的スイッチに
よる惰行運転への切換えダイヤグラム、第６図は惰行運
転への切換えの従来例を示す切換えダイヤグラムであり
、第７図は惰行運転への切換えの別の従来例を示す切換
えダイヤグラムである。 ｌ：パンタグラス、２＝入力フイルタ、３：スイッチ、
４：第１電力変換器としてのチョッパ、５：還流ダイオ
ード、６：ブレーキダイオード、７：平滑りアクドル、
８：第２電力変換器としての電流形インバータ、９：誘
導電動機、１ｏ：ｌ１節器、２１：バイパスサイリスタ
、２２：バイパ露 第１図 第２Ｉｌ 第３＠ 第４ｍ１１ １１１５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）直流電源に接続されてその直流出力電流を制御する
   第１の電力変換器と、該第１電力変換器出力を交流電力
   に変換する第２の電力変換器により得られる可変電流・
   可変周波数の交流電力を電気車駆動用誘導電動機に与え
   て当該電気車を力行運転させるとともに、制動運転時に
   は前記誘導電動機が発生する電力を前記第２電力変換器
   と第１電力変換器を介して前記直流電源に返還するよう
   直流回路を切換えて制動運転を行う電気車において、前
   記電気車が力行運転時に前記第１電力変換器の通流率を
   零方向にシフトして前記誘導電動機の滑り周波数がほぼ
   零になるとき前記第２電力変換器の直流側に該第２電力
   変換器に並列な電流バイパス回路を形成させるとともに
   直流回路を前記制動運転状態に切換え、当該直流回路切
   換え動作完了後に前記第１電力変換器を全導通にして前
   記電気車を力行運転から惰行運転に切換えることを特徴
   とする誘導電動機駆動電気車の運転制御方式。 ２）特許請求の範囲第１項記載の運転制御方式において
   、前記第２電力変換器直流側に形成させる電流バイパス
   回路は当該電気車の発電制動回路を利用することを特徴
   とする誘導電動機駆動電気車の運転制御方式。