JPS6237241A - 直流変電所の制御装置 - 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】 （産業上の利用分野） この発明は、電気鉄道用等の直流変電所の制御装置に関
し、特に負荷で発生する回生直流電力をインへ−夕で逆
変換して電源に戻す方式の直流変電所め制御装置につい
て、整流装置からインバータへの循環電流を所定の設定
値に制限し、インバータ電圧をできるだけ低くして回生
効率を向上することができる制御装置に関する。

（従来の技術） 電気鉄道用の直流変電所には、最近、電気車からの回生
エネルギをインバータで逆変換して電源に戻す方式のも
のが増加している。この場合に、電源の交流出力を整流
する整流装置として第４図（Ａ）に示すサイリスタ方式
と同図ＣＢ）に示すダイオード方式とが知られている。

これらの図において、２１は電源変圧器であり、同図（
Ａ）の２２Ａはサイリスタよりなる整流装置、同図（Ｂ
）の２２Ｂはダイオードよりなる整流装置である。２３
は直流負荷としての電気車、２４はサイリスタよりなる
インバータ、２５は回生変圧器、２６は整流装置からイ
ンバータへの循環電流抑制用リアクトルである。

上記の構成において、カ行時には電源の交流出力が電源
変圧器２１を経て整流装置２２Ａ又は２２Ｂで整流され
、架線Ｔを介して電気車２３に供給され、また回生時に
は電気車２３で発生した回生直流電力がインバータ２４
で交流に逆変換され、回生変圧器２５を経て電源に戻さ
れる。

（発明が解決しようとする問題点） 第４図（Ａ）に示すサイリスタ方式では、架線Ｔの電圧
はサイリスタの位相制御によりつねに一定に保たれる。

そのためインバータ２４の電圧もつねに一定に設定され
ているものが多い、そして回生中は、整流装置２２Ａの
出力をゼロにしてインバータ２４への循環電流をゼロに
することができる。

これに対し、第４図（Ｂ）に示すダイオード方式は、サ
イリスタ方式と比較して整流装置２２Ｂがダイオードで
構成されるためコストを低減することができる等の利点
がある反面、架線Ｔの電圧は電源電圧によって定まるの
で電源が変動すると（電源電圧変動はｌＥＣ−１４６で
±ｌＯ％である）、それに伴って架線Ｔの電圧も変動す
る。この観点からは、インバータ２４の電圧を電源電圧
の変動にかかわらず常時整流装置２２Ｂの電圧よりも高
くしておく必要があるが、実際上は、回生効率の低下を
避けるためにインバータ２４の電圧を常時高くしておく
ことができない。

そのため第５図に示すように、回生中は、整流装置２２
Ｂからインバータ２４へ循環電流が流れることになる。

これは、同図（ａ）に示すように、平均電圧では（整流
装置電圧くインバータ電圧）であるが、ある時刻では（
整流装置電圧〉インバータ電圧）になり、（ｂ）に示す
ように整流装置２２Ｂからインバータ２４へ電流を流す
からである。なお（Ｃ）は電気車からの回生電流を示し
、したがってインバータ２４の全電流は（ｄ）に示すよ
うになる。上記の循環電流が大きいと、電力損失が増加
する欠点を生ずる。

したがって、この発明は、ダイオードよりなる整流装置
を備え、負荷で発生する回生直流電力をインバータで逆
変換して電源に戻す方式の直流変電所の制御装置の前述
の欠点を解消し、電源変動等にかかわらず、整流装置か
らインバータへの循環電流を所定の設定値に制限し、イ
ンバータ電圧をできるだけ低くして回生効率を向上する
ことができる制御装置を提供することを目的とする。

さらに、この発明は、上記の目的を達成するとともに、
カ行運転から回生運転への切り換えの・応答速度を速く
することができる制御装置を提供することを目的とする
。

（問題点を解決するための手段） この発明の直流変電所の制御装置は、上記の目的を達成
するため、電源の交流出力を整流して負荷に直流電力を
供給するダイオードよりなる整流袋ごと、負荷で発生す
る回生直流電力を交流に変換して電源に戻すインバータ
と、前記整流装置の電流に比例する信号と同電流の第１
の設定値との偏差量を入力とし、前者が後者より大きい
ときその出力が上限値になるよう構成されている電流制
御手段と、架線電圧に比例する信号と、電源定格時の整
流装置の無負荷電圧より幾分高めに設定されたインバー
タ基準電圧設定値及び前記電流制御手段の出力信号との
偏差量を入力とする電圧制御手段と、前記整流装置の電
流がその第２の設定値以下であり、前記インバータの電
流がその設定値より大きく、かつ、前記電流制御手段の
出力電流が所定値以下であるときに、前記電流制御手段
を不動作にするスイッチ手段とを備えるものである。

（作　用） この発明の直流変電所の制御装置は、上記の構成に基づ
き、無負荷又は負荷電流が第１の設定値以下であれば、
常時インバータに少しの循環電流を流し、カ行運転から
回生運転への切り換えの際のインバータの電圧制御の応
答を速くする。そして、整流装置電流が第１の設定値よ
り大きくなるとインバータの電圧設定値を制御上杵され
る上限まで高くし、整流装置からインへ−夕への循環電
流を極力抑える。また回生時には、インバータ基準電圧
設定値を電源定格時の整流装置の無負荷電圧より幾分高
めに設定されているため、前記循環電流が前記第２の設
定値を超えようとするときは、同電波が前記第１の設定
値になるようにインバータ電圧を変化させ、前記循環電
流が前記第２の設定値以下であれば特にインバータ設定
電圧を変更することなく、インバータのＡＶＲ動作によ
り制御するようにする。

（実施例） 以下第１図〜第３図を参照してこの発明の直流変電所の
制御装置の実施例の構成及び作用の順序で詳細に説明す
る。

（この発明の直流変電所の制御装置の実施例の構成）（
第１図） 第１図はこの発明の直流変電所の制御装置の一実施例の
要部を示し、図中１はダイオードよりなる整流装置であ
って入力側は電源変圧器（第４図の２１参照）を介して
交流電源に接続され、出力側は負荷としての例えば電気
車（第４図の２３参照）に給電する架線Ｔに接続され、
その内部構成は、例えば第４図（Ｂ）の２２Ｂで示す回
路よりなる。２はサイリスタよりなるインバータであっ
て入力側は循環電流抑制用リアクトル３を介して架線Ｔ
に接続され、出力側は回生変圧器（第４図の２５参照）
を介して交流電源に接続され、その内部構成は、例えば
第４図の２４で示す回路よりなる。４は前記電流制御手
段の主要部を構成するところの電流制御アンプ（Ｉａｍ
ｐ）、５は前記電圧制御手段の主要部を構成するところ
の電圧制御アンプ（Ｖａ＋＊ｐ）である。

電流制御アンプ４の入力信号は、整流装置ｌの電流ＩＲ
を変流器６ａを介して取り出し、ＡＣ／ＤＣ変換器７ａ
で直流に変換した、整流装置電流ＩＲに比例する信号（
マイナス入力）と整流装置電流ＩＲを設定する第１の設
定値１ｓｔ　（プラス入力）とよりなる。ここで前記の
設定値ＩＳＩはシステムの設計によって定められるが、
以下の説明では５０Ａに設定されているとする。また前
記の整流装置電流ＩＲに比例する信号が整流装置電流Ｉ
Ｒを設定する第１の設定値ＩＳ１より所定値以上大きい
とき、電流同書アンプ４の出力はプラスの」二限値（■
＋とする）になるよう構成されている。

電流制御アンプ４に並列にスイッチ８が接続され、スイ
ッチ８はナンド回路９の出力によりオン、オフ制御され
る。すなわち、図中Ａ点の電位がローレベルであればス
イッチ８がオンになり、電流制御アンプ４が短絡され、
Ａ点の電位がハイレベルであればスイッチ８がオフにな
り、電流制御アンプ４が動作する。なおスイッチ８は、
例えば電界効果トランジスタで構成され、そのゲートに
ナンド回路９の出力が供給されるようにする。

ナンド回路９の入力には、比較器（＋ｃｐｔ　）　　。

（−ＣＲ２）及び（−ＣＲ２）の出力信号が供給される
。比較器（＋Ｃ：ＰＩ）は整流装置１の電流ＩＲを検出
するものであって、その出力は、プラス入力でハイに、
マイナス入力でローになる。比較器（＋ＣＰ１）の入力
信号は、整流装置電流ＩＲを変流器６ａを介して取り出
し、ＡＣ／ＤＣ変換器７ａで直流に変換した、整流装置
電流ＩＲに比例する信号（マイナス入力）と、設定値Ｉ
Ｓ２　（プラス入力）とよりなる、ここで設定値ＩＳ２
は前記のＩＳＩより少し大きな値 工ｓ２＝工ｓ１＋Δ１１ に設定される。なお設定値ＩＳ２をＩｓｔより少し大き
な値にしたのは、後述の制御動作にヒステリシス幅をも
たせてハンチングを防止するためである。

比較器（−ＣＲ２）はインバータ２の電流ＩＩを検出す
るものであって、その出力は、プラス入力でローに、マ
イナス入力でハイになる。比較器（−ＣＲ２）の入力信
号は、インバータ電流ＩＩを変流器６ｂを介して取り出
し、Ａ　Ｃ／Ｄ　Ｃ変換器７ｂで直流に変換した、イン
バータ電流Ｉ！に比例する信号（マイナス入力）と、設
定値ｌ５３（プラス入力）とよりなる。ここで設定値Ｉ
ｓ３は前記のＩｓｌより少し大きな値 ｌ５３＝Ｉｓ１＋ΔＩ２ に設定される。なおΔ工１とΔ１２とは一般的には異な
る値であるが、両者は等しくてもよい。

比較器（−ＣＦ３）は電流制御アンプ２の１．を検出す
るものであって、その出力は、プラス入力でローに、マ
イナス入力でハイになる。比較器（−ＣＦ２）の入力信
号は、電流ＩＯに比例する信号と、設定値（−ΔＶ）と
よりなり、ここで設定値（−ΔＶ）は、電流制御アンプ
の出力電流Ｉ。

がゼロであるとき比較器（−ＣＦ２）の出力をハイにす
るに必要な値であり、またこの出力電流Ｉ。

はプラスの場合とマイナスの場合とがある。したがって
、後述のように、整流装置ｌの電流ＩＲ及びインバータ
２の電流ＩＩと設定値１ｓｔ〜Ｉｓ３との大小関係によ
り比較器（＋ＣＰ１）。

（−ＣＦ２）及び（−ＣＦ２）の出力がすべてハイにな
ったときだけスイッチ８がオンになり、その他の場合に
はスイッチ８はオフになる。

、インバータ電圧制御アンプ５　（Ｖａ■ｐ）は、イン
バータ基準電圧設定値Ｖｓ（プラス入力）、架線電圧検
出用Ｄ　Ｃ／Ｄ　Ｃ変換器１０の出力信号（マイナス入
力）及び電流制御アンプ４の出力電流ＩＯに比例する信
号（プラス又はマイナス入力）により制御される。ここ
で上記のインバータ基準電圧設定値Ｖｓは、電源定格時
の整流装置１の無負荷電圧（第３図のＥ　ｄｏ）より幾
分高めに設定される。電圧制御アンプ５の出力信号は、
公知のように位相器１１及びゲート回路１２を経てイン
バータ２を構成するサイリスタの制御電極に供給され、
その位相を制御する。

第１図に示す制御系において、電流制御アンプ４、電圧
制御アンプ５１位相器１１、ゲート回路１２、インバー
タ２、整流装置ｔ、変流器６ａ及びＡＣ／ＤＣ変換器７
ａを通るループで整流装置１とインバータ２どの間の循
環電流を制御するループ（主ループ）を構成し、電圧制
御アンプ５、位相器１１、ゲート回路１２、インバータ
２及びＤ　Ｃ／Ｄ　Ｃ変換器８を通るループでインバー
タ電圧を制御するループ（副ループ）を構成する。

（この発明の直流変電所の制御装置の実施例の作用）（
第１図〜第３図） 次に第２図及び第３図をも参照して第１図の実施例の作
用について説明する。第１図に示す制御装置の作用の概
要は、先に（作用）の欄で述べたとおりであるが、前記
のそれぞれの場合について詳細について説明すると、 （１）　ｆｉ負荷時 電源投入の時点では、整流装置電流ＩＲ及びインバータ
電流Ｘｌはともにゼロであり、比較器（＋ＣＰ１）の出
力がハイ、比較器（−ＣＦ２）の出力がローであってス
イッチ８はオフである。これにより整流装置電流ＩＲが
設定値ＩＳ１になるようにインバータ２の電圧が制御さ
れる。このときインバータ電流ＩｌもＩｓｘになる。

（２）設定値ＩＳｌまでの負荷時 無負荷の状態から負荷電流ＩＬがＩＳＩまでの範囲では
、少なくとも比較器（−ＣＦ２）の出力がローである条
件が満たされるためスイッチ８はオフのままであり、第
１図の制御系は、第２図に示すように整流装置電流がｌ
５１一定になるように定電流制御動作を行う、なお負荷
電流ＩＬがＩＬＬまで増加すれば、インバータ電流Ｉｔ
はゼロになる。

上記の説明は電源が定格時についてのものであるが、第
１図の制御系は、電源が変動したときは下記のように動
作する。すなわち、上記の運転状態において電源電圧が
第３図に示すように上昇したときは整流装置電流ＩＲも
これに伴って増加する。しかしながら、電流制御アンプ
４のマイナス入力が、電流ＩＲの増加によって増加する
ためその出力電流ＩＯがプラス量に変化し、電圧制御ア
ンプ５の電圧設定値は、出力電流１．のプラス分だけ前
記の基準値ｖｓより実効的に増加するのでインバータ電
圧がこれに応じて高くなり（第３図のＶＡ）、整流装置
電流ＩＲはその設定値Ｉｓ１に維持される。また電源電
圧が下降したときは、上記と逆の動作により、電圧制御
アンプ５の電圧設定値は出力電流１．のマイナス方向の
変化分だけ前記の基準値ＶＳより実効的に減少するので
インバータ電圧がこれに応じて低くなり（第３図のＶａ
）、整流装置電流ＩＲはやはりその設定値に維持される
。

これに反して、電源電圧の変動に対して電圧制御アンプ
５の電圧設定値が■Ｓのままであるとすると、上記（２
）の動作による制Ｗａ囲が電圧上昇時には第３図のＩＳ
Ｉ’まで拡張し、電圧下降時には同じ＜ＩＳ１″まで縮
小し、整流装置電流ＩＲを設定値Ｉｓｔに維持すること
は不可能になる。

なお電源変動に対する上記の動作は、（１）の無負荷時
についても同様である。

（３）設定値Ｉｓ１以上の負荷時 負荷電流ＩＬが設定値Ｉｓｔ以上であれば、少なくとも
比較器（＋ＣＰ１）の出力がローである条件が満たされ
るためスイッチ８はオフである。

値以上であれば、アンプ４の出力はプラスの上限値（■
＋とする）に制限される。実際のカ行運転時にはＩ　Ｌ
　＞＞　Ｉ　ｓ　１であるため電流制御アンプ４はこの
状態で動作する。

これにより電圧制御アンプ５のインバータ電圧設定値は
実効的に（Ｖｓ＋Ｖ＋）になり、インバータ２の電圧は
、ガンマ上限値まで上げられる。したがって整流装置１
からインバータ２への循環電流は実質的に阻止され、ま
た上記のインバータ電圧設定値は上限であるので電源が
変動しても上記の循環電流は同様に阻止される。

（４）回生時 回生時には、インバータ２は、原則として、基準設定電
圧Ｖｓで運転しようとするが、この場合に整流装置ｌか
らの循環電流ＩＲが設定値ｌ５２（＝Ｉｓｌ＋ΔＩｆ）
を超えようとするときと、設定値Ｉ３２以下であるとき
がある。第１図の制御系は、これらの場合について下記
のように動作する。

（５）回生時で循環電流が設定値Ｉ３２を超えようとす
るとき 上記の循環電流ＩＲが設定値ＩＳ２を超えようとすると
、比較器（＋ＣＰ１）の出力がローになるためスイッチ
８はオフであり、電流制御アンプ４を主体とする制御系
は循環電流ＩＲが設定値Ｉｓ１になるように定電流制御
動作を行う。

循環電流ＩＲが設定値ＩＳ１になった後、電源変動等に
より循環電流自体が変動し、その結果電流制御アンプ４
の出力Ｉｏがプラス量になる場合とマイナス量になる場
合とがある。１．がプラス量であるときは、比較器（＋
ＣＰ１　）　　、　（−ＣＲ２）の出力はともにハイ、
比較器（−１Ｐ３）の出力はローであり、スイッチ８は
オフのままで循環電流ＩＲを設定値ＩＳ１に維持するよ
うに動作する。

すなわち、電圧制御アンプ５の入力設定値は、第３図の
Ｖｓ’のように、工ｏがプラスになった分だけ実効的に
増加するためインバータ２の電圧が上昇し、循環電流Ｉ
Ｒが設定値ＩＳＩになるようにする。

これに対して、Ｉｏがマイナス量であるときは、比較器
（＋ＣＰ１）、　　（−ＣＲ２）及び（−Ｃｐ３”＋の
出力がハイになり、スイッチ８がオンになって電流制御
アンプ４が短絡され、Ｉ　Ｑ＝Ｏになる。したがって電
圧制御アンプ５の電圧設定値は、ＩＯがマイナス量であ
るときに比べて、これがゼロに変化した分だけ第３図の
Ｖｓ″から実効的に増加したことになり、電圧制御アン
プ５は基準設定電圧Ｖｓで動作する。そして比較器（−
ＣＦ２）は、その出力がハイに保たれ、全制御系がこの
状態で運転される。

すなわち、第１図の制御系では、電源変動等により電圧
制御アンプ５の電圧設定値が基準値より変動しようとし
ても、制御系がこの電圧設定値を自動的にその基準値に
維持するように動作するので、インバータ電圧をできる
だけ低くして回生効率を向上することができる。これに
反して、電源変動を見こんで電圧制御アンプ５の基準電
圧設定値を高くすると、回生時の回生効率が低下するこ
とになる。

（６）回生時で循環電流が設定値Ｉ５２以下であるとき 上記の循環電流ＩＲが設定値ＩＳ２以下であるときは、
（＋ＣＰ１）の出力はハイである。そしてインバータ電
流が設定値Ｉｓ３以上であるか、以下であるかになんら
関係なく、スイッチ８がオフになり、循環電流ＩＲが設
定値ＩＳＩになるように定電ｉ制御が行われる。循環電
流ＩＲが設定値ＩＳ１になると、（＋ＣＰ１）の出力は
ハイであり、また（−ＣＦ２）の出力は、インバータ電
流の Ｉｘが循環電流÷キ設定値Ｉｓ１と回生電流との和であ
るため同じくハイになる。したがって、電流制御アンプ
４の出力電流のプラス又はマイナスに従って（５）で説
明した制御が行われる。

次にインバータ電流ＩＩが設定値Ｉｓ３を超えていれば
、比較器（−ＣＦ２）の出力がハイであり、上記と同様
に、電流制御アンプ４の出力電流のプラス又はマイナス
に従って（５）で説明した制御が行われる。

（発明の効果） 前述のように、この発明によれば、無負荷又は負荷電流
が前記第１の設定値以下であれば、常時インバータに少
しの循環電流を流し、カ行運転から回生運転への切り換
えの際のインバータの電圧制御の応答を速くシ、そして
整流装置電流が第１の設定値より大きくなるとインバー
タの電圧設定値を制御上杵される上限まで高くし、整流
装置からインバータへの循環電流を極力抑え、また回生
時には、インバータ基準電圧設定値を電源定格時の整流
装置の無負荷電圧より幾分高めに設定されているため、
前記循環電流が前記第２の設定値を超えようとするとき
は、同電流が前記第１の設定値になるようにインバータ
電圧を変化させ、前記循環電流が前記第２の設定値以下
であれば特にインバータ設定電圧を変更することなく、
インバータのＡＶＲ動作により制御する。したがって、
電源変動等にかかわらず、整流装置からインバータへの
循環電流を所定の設定値に制限し、インバータ電圧をで
きるだけ低くして回生効率を向上することができ、さら
に、カ行運転から回生運転への切り換えの応答速度を速
くすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の直流変電所の制御装置の一実施例の
要部を示すブロック図、第２図は第１図の装置において
負荷電流に対する整流装置電流及びインバータ電流の変
化を示す曲線図、第３図は第１図の装置の電源変動時の
動作の説明図、第４図（Ａ）及び（Ｂ）は従来の直流変
電所の制御装置の回路図、第５図（ａ）ないしくｄ）は
第４図（Ｂ）に示す従来の制御装置の動作を説明する波
形図である。 符号の説明 ｌ：整流装置、２：インバータ、３：循環電流抑制用リ
アクトル、４：電流制御アンプ、５：電圧制御アンプ、
６ａ、６ｂ：変流器、７ａ、７ｂ：ＡＣ／ＤＣ変換器、
８：スイッチ、９°：ナンド回路、ｌ　Ｏ：　ＤＣ／Ｄ
Ｃ変換器、（＋ＣＰ１　）　。 （−ＣＦ２　）　　、　　（−ＣＦ２　）　　：比較器
。 第１図 ！ ＝Ｃ１ｓｔ＋ＡＩ２ノ 狛２図 負伺霊′／危（ＩＬ） 第３図 回住□　□カ行 第４図（Ａ） ？、２Ａ 竿４区（８）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 電源の交流出力を整流して負荷に直流電力を供給するダ
   イオードよりなる整流装置と、 負荷で発生する回生直流電力を交流に変換して電源に戻
   すインバータと、 前記整流装置の電流に比例する信号と同電流の第１の設
   定値との偏差量を入力とし、前者が後者より大きいとき
   その出力が上限値になるよう構成されている電流制御手
   段と、 架線電圧に比例する信号と、電源定格時の整流装置の無
   負荷電圧より幾分高めに設定されたインバータ基準電圧
   設定値及び前記電流制御手段の出力信号との偏差量を入
   力とする電圧制御手段と、 前記整流装置の電流がその第２の設定値以下であり、前
   記インバータの電流がその設定値より大きく、かつ、前
   記電流制御手段の出力電流が所定値以下であるときに、
   前記電流制御手段を不動作にするスイッチ手段と、 を備える直流変電所の制御装置。