(57)【要約】【課題】突入電流による不都合が生じてもその不都合を抑制可能なき電電圧補償装置を提供する。【解決手段】一端がスコット変圧器１に接続された直列コンデンサ３Ｍ（３Ｔ）と、直列コンデンサ３Ｍ（３Ｔ）の他端が接続されたき電線２Ｍ（２Ｔ）と、が設けられた交流電化鉄道システムに備えられるき電電圧補償装置において、負荷電流検出器８Ｍ（８Ｔ）と、き電電圧検出器１０Ｍ（１０Ｔ）と、変圧器５Ｍ（５Ｔ）と、インバータ６Ｍ（６Ｔ）と、き電電圧検出器１０Ｍ（１０Ｔ）が検出した電圧および負荷電流検出器８Ｍ（８Ｔ）が検出した電流に基づいて無効電力を算出し、無効電力の位相が、き電線２Ｍ（２Ｔ）の電圧に対して進みの場合にインバータ６Ｍ（６Ｔ）が動作しないように指令を出す制御部５０Ｍ（５０Ｔ）と、を備える。【選択図】図１
2011024367.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源と、一端が前記交流電源に接続された直列コンデンサと、前記直列コンデンサの他端が接続されたき電線と、が設けられた交流電化鉄道システムに備えられるき電電圧補償装置において、
前記き電線に流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記き電線の電圧を検出する電圧検出手段と、
前記直列コンデンサと前記き電線との共通接続点に一端が接続された変圧器と、
前記変圧器の他端が接続されたインバータと、
前記電圧検出手段が検出した電圧および前記電流検出手段が検出した電流に基づいて無効電力を算出し、前記無効電力の位相が、前記き電線の電圧に対して進みの場合に前記インバータが動作しないように指令を出す制御手段と、を備えたことを特徴とするき電電圧補償装置。
【請求項２】
前記制御手段は、突入電流が大きくなる時間帯のみ、前記インバータに前記指令を出すことを特徴とする請求項１に記載のき電電圧補償装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電化鉄道システムにおいて、負荷により生じる突入電流の影響を抑制するき電電圧補償装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図５は、３相−単相変換変圧器であるスコット変圧器１を用いた交流電化鉄道システムの概略図である。スコット変圧器１にはＭ（Ｍａｉｎ）座のき電線２ＭおよびＴ（Ｔｅａｓｅｒ）座のき電線２Ｔがそれぞれ接続されており、Ｍ座側には負荷である車両２０が走行している。この場合、車両２０の走行状態によりＭ座とＴ座の負荷が不平衡となりスコット変圧器１の利用率が低下して電圧降下が大きくなる。
【０００３】
き電電圧補償装置について、例えば特許文献１に以下の事項が記載されている。すなわち、交流電化鉄道システムのき電線のＭ座およびＴ座に各々インバータを接続して、各座毎に無効電力の補償を行うき電電圧補償装置（特許文献１の図８）と、Ｍ座とＴ座の有効電力の不平衡をインバータ間で電力融通を行い、前記有効電力を平衡化することによりき電電圧の電圧降下を補償するき電電圧補償装置（特許文献１の図９）と、が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−３０８０９６号公報。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
交流電化鉄道システムの課題について図６，７を用いて説明する。なお、図５と同一のものには同一の符号を付して説明を省略する。
【０００６】
交流電化鉄道システムのき電電圧は、新幹線（登録商標）の場合では３０ＫＶと高圧となっている。このため、直流―交流変換器に半導体を用いるき電電圧補償装置等のインバータにき電電圧が入力される場合、変圧器を利用して前記半導体にかかる電圧を下げる構成が必須となっている。
【０００７】
図６（ａ）は、図５においては省略しているき電線２Ｍ，２Ｔに設けられているセクション４と、車両２０の内部に設けられている変圧器２１およびインバータ２２と、を明示した交流電化鉄道システムの概略図である。
【０００８】
車両２０がセクション４を通過する際に、車両２０が変圧器２１を備えているため、図６（ｂ）のような突入電流が発生する。この突入電流は非対称波であるため図６（ｂ）の場合の突入電流を積分するとプラスの直流分となる。なお、この突入電流はマイナスの直流分になることもある。
【０００９】
次に図７を用いてこの突入電流の影響について述べる。き電線２Ｍに表記しているインダクタンスは等価的にき電線２Ｍのインダクタンス成分を表したものである。き電線２Ｍ，２Ｔの距離が長いので、このインダクタンスが大きくなり力率が低下するので、電圧降下も大きくなる。
【００１０】
スコット変圧器１とき電線２Ｍとの間に介挿された直列コンデンサ３Ｍはこのインダクタンス成分により生じる電圧降下を補償するためのものである。車両２０に対して矢印の方向に突入電流が流れるため、図６（ｂ）の突入電流のため直列コンデンサ３Ｍは、き電線２Ｍ側がマイナス、スコット変圧器１側がプラスに充電される。このように、直列コンデンサ３Ｍには突入電流による直流分によって充電され直流電圧が発生するため、き電電圧補償装置には以下の不都合が生じてしまう。
【００１１】
すなわち、直列コンデンサ３Ｍが充電されることで、き電電圧補償装置の変圧器が偏磁される。そして、この偏磁された変圧器から偏磁電流が生じ、き電電圧補償装置のインバータからの電流に重畳し場合により過電流を引き起こしてき電電圧補償装置が停止するという不都合である。
【００１２】
本発明は、前記課題に基づいてなされたものであり、突入電流による不都合が生じてもその不都合を抑制可能なき電電圧補償装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、前記課題の解決を図るために、交流電源と、一端が前記交流電源に接続された直列コンデンサと、前記直列コンデンサの他端が接続されたき電線と、が設けられた交流電化鉄道システムに備えられるき電電圧補償装置において、前記き電線に流れる電流を検出する電流検出手段と、前記き電線の電圧を検出する電圧検出手段と、前記直列コンデンサと前記き電線との共通接続点に一端が接続された変圧器と、前記変圧器の他端が接続されたインバータと、前記電圧検出手段が検出した電圧および前記電流検出手段が検出した電流に基づいて無効電力を算出し、前記無効電力の位相が、前記き電線の電圧に対して進みの場合に前記インバータが動作しないように指令を出す制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１４】
上記構成によれば、インバータは、車両に流れる無効電力がき電電圧に対して進みの場合には、運転を行わなくなる。無効電力がき電電圧に対して進みの場合、インバータの出力電流と突入電流に起因して生じる変圧器の偏磁電流とが加算されるため、き電電圧補償装置の出力電流が過電流になり、き電電圧補償装置が停止することがある。しかし、無効電力が進みの場合インバータは運転しないので、この過電流によるき電電圧補償装置の停止を抑制することができる。
【００１５】
また、前記制御手段は、突入電流が大きくなる時間帯のみ、前記インバータに前記指令を出すことを特徴とする。
【００１６】
上記構成によれば、突入電流が大きくなる時間帯のみ、インバータは進み無効電力の補償を行わない。車両の運転パターンは決まっているため、突入電流が大きくなる時間帯も決まっている。したがって、突入電流が大きくなる時間帯のみ進み無効電力の補償を行わないようにしたので、き電電圧補償装置を最大限有効活用できると共に、過電流を必要なときのみ抑制することができる。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１の発明によれば、インバータは、車両に流れる無効電力がき電電圧に対して進みの場合には、運転を行わなくなる。無効電力がき電電圧に対して進みの場合、インバータの出力電流と突入電流に起因して生じる変圧器の偏磁電流とが加算されるため、き電電圧補償装置の出力電流が過電流になり、き電電圧補償装置が停止することがある。しかし、無効電力が進みの場合インバータは運転しないので、この過電流によるき電電圧補償装置の停止を抑制することができる。
【００１８】
請求項２の発明によれば、突入電流が大きくなる時間帯のみ、インバータは進み無効電力の補償を行わない。車両の運転パターンは決まっているため、突入電流が大きくなる時間帯も決まっている。したがって、突入電流が大きくなる時間帯のみ進み無効電力の補償を行わないようにしたので、き電電圧補償装置を最大限有効活用できると共に、過電流を必要なときのみ抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本実施の形態におけるき電電圧補償装置の構成図。
【図２】き電電圧補償装置の制御部の構成図。
【図３】突入電流による影響を説明するための説明図。
【図４】通常特性および本発明の特性の特性図。
【図５】交流電化鉄道システムの課題を説明するための説明図。
【図６】交流電化鉄道システムの課題を説明するための説明図。
【図７】交流電化鉄道システムの課題を説明するための説明図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態におけるき電電圧補償装置を図面等に基づいて詳細に説明する。
【００２１】
き電電圧補償装置の主目的は、車両負荷時に車両のパンタ点電圧が低下するのを防ぐのが第一である。この点から考えると、無負荷時および軽負荷時にき電線の浮遊容量あるいは電圧降下補償用の直列コンデンサによりき電電圧が上昇するのを積極的に抑えて電圧を低下させる必要はない。このような理由から、本発明は、き電電圧補償装置の設定を変更して進み無効電力を意図的に補償しないようにし、車両突入時の過電流停止の発生確率を低減させるものである。
【実施例１】
【００２２】
図１を用いて本発明のき電電圧補償装置を説明する。図５〜７と同一のものには同一の符号を付して説明を省略する。なお、車両２０については省略する。
【００２３】
本発明のき電電圧補償装置は、Ｍ座においては、変圧器５Ｍ、インバータ６Ｍ、コンデンサ７、負荷電流検出器８Ｍ、装置出力電流検出器９Ｍ、き電電圧検出器１０Ｍおよび制御部５０Ｍを備えている。また、Ｔ座においては、変圧器５Ｔ、インバータ６Ｔ、コンデンサ７、負荷電流検出器８Ｔ、装置出力電流検出器９Ｔ、き電電圧検出器１０Ｔおよび制御部５０Ｔを備えている。
【００２４】
Ｔ座の説明は、Ｍ座の各構成の符号の後のかっこ内にＴ座の各構成の符号を記載しＭ座の説明と同時に行う。
【００２５】
変圧器５Ｍ（５Ｔ）は、一端がき電線２Ｍ（２Ｔ）と直列コンデンサ３Ｍ（３Ｔ）との共通接続点に接続され、他端がインバータ６Ｍ（６Ｔ）の交流側に接続されている。
【００２６】
インバータ６Ｍ（６Ｔ）は、交流側が変圧器５Ｍ（５Ｔ）に接続され、直流側がコンデンサ７に接続されている。
【００２７】
コンデンサ７は、Ｍ座およびＴ座に共通のものであり、インバータ６Ｍ（６Ｔ）の直流側に接続されている。
【００２８】
負荷電流検出器８Ｍ（８Ｔ）は、負荷である車両２０に流れる電流を検出するものであり、き電線２Ｍ（２Ｔ）に設けられている。
【００２９】
装置出力電流検出器９Ｍ（９Ｔ）は、インバータ６Ｍ（６Ｔ）から変圧器５Ｍ（５Ｔ）を介して出力された電流を検出するものである。
【００３０】
き電電圧検出器１０Ｍ（１０Ｔ）は、き電線２Ｍ（２Ｔ）の電圧を検出するものである。
【００３１】
制御部５０Ｍ（５０Ｔ）は、負荷電流検出器８Ｍ（８Ｔ）、装置出力電流検出器９Ｍ（９Ｔ）およびき電電圧検出器１０Ｍ（１０Ｔ）からの信号に基づいてインバータ６Ｍ（６Ｔ）を制御するものである。
【００３２】
ここで、電流検出手段は負荷電流検出器８Ｍ（８Ｔ）が相当し、電圧検出手段はき電電圧検出器１０Ｍ（１０Ｔ）が相当し、制御手段は制御部５０Ｍ（５０Ｔ）が相当する。
＜突入電流による影響＞
前述した、突入電流により直列コンデンサ３Ｍ（３Ｔ）が充電されることで生じる不都合について図３を用いて詳細に説明する。インバータ６Ｍ（６Ｔ）は、進み無効電力出力モード（以下、Ｌ動作と称す。）または遅れ無効電力出力モード（以下、Ｃ動作と称す。）で動作するが、まず、Ｌ動作の場合から説明する。
【００３３】
図３（ａ）は、インバータ６Ｍ（６Ｔ）がＬ動作の動作時における、上から順に、き電線２Ｍ（２Ｔ）の電圧、直列コンデンサ３Ｍ（３Ｔ）のき電線２Ｍ（２Ｔ）側の電圧、変圧器５Ｍ（５Ｔ）の偏磁電流、インバータ６Ｍ（６Ｔ）の出力電流およびき電電圧補償装置の出力電流のタイムチャートを示したものである。
【００３４】
き電線２Ｍ（２Ｔ）の電圧の波形は正弦波であり、ｓｉｎ波の１周期分を周期とし、この周期の各開始時（以下、開始時と称す。）を基準にとる。
【００３５】
直列コンデンサ３Ｍ（３Ｔ）は、突入電流により充電され、点線で現されるき電線２Ｍ（２Ｔ）側の電圧は負である。
【００３６】
変圧器５Ｍ（５Ｔ）には、直列コンデンサ３Ｍ（３Ｔ）の充電による偏磁電流が生じ、その波形はき電線２Ｍ（２Ｔ）の周期の開始時を頂点とする正のパルス波である。
【００３７】
インバータ６Ｍ（６Ｔ）の出力電流は、き電線２Ｍ（２Ｔ）の電圧に比べ９０度位相が進んでいる。
【００３８】
き電電圧補償装置の出力電流は、開始時において変圧器５Ｍ（５Ｔ）の偏磁電流およびインバータ６Ｍ（６Ｔ）の出力電流は共に正の最大値であるため、その波形は、インバータ６Ｍ（６Ｔ）の出力電流の波形の正の最大値付近が偏磁電流分である斜線部分だけ加算されている。
【００３９】
一方、インバータ６Ｍ（６Ｔ）がＣ動作で動作する場合は次のようになる。
【００４０】
インバータ６Ｍ（６Ｔ）の出力電流の位相がき電線２Ｍ（２Ｔ）の電圧より９０度遅れていること以外はＬ動作時と同じである。インバータ６Ｍ（６Ｔ）の出力電流は開始時においてマイナスの最大値となり、偏磁電流は図３（ａ）と同じで開始時においてプラスの最大値となる。したがって、この場合のき電電圧補償装置の出力電流の波形は偏磁電流分である斜線部分だけ減算され、図３（ｂ）のようになる。
【００４１】
前述したように突入電流は、プラス、マイナスいずれも生じる場合がある。突入電流により直列コンデンサ３Ｍ（３Ｔ）のき電線２Ｍ（２Ｔ）側がプラスに充電したとすると偏磁電流はマイナスになる。突入電流がマイナスの場合、偏磁電流の極性とインバータ６Ｍ（６Ｔ）の出力電流との位相が図３（ａ）の場合と比べて１８０度異なる。このため、この場合もインバータ６Ｍ（６Ｔ）の出力電流および偏磁電流の符号は、Ｌ動作時では同符号となり、Ｃ動作時では異符号となる。したがって、突入電流がプラス、マイナスいずれの場合も同じ現象が起きることになる。
【００４２】
図３（ｃ）は、Ｍ座の交流電化鉄道システムの概略図による図３（ａ）、（ｂ）の説明図である。図５〜７と同一のものには同一の符号を付して説明を省略する。インバータ６Ｍからは、インバータ出力電流Ａが出力され、変圧器５Ｍにより偏磁電流Ｃが加算されてき電電圧補償装置から出力される。
＜制御部＞
次に、図２を用いて制御部５０Ｍ，５０Ｔを説明する。制御部５０Ｍと制御部５０Ｔは同じものであるため、制御部５０Ｍの内部構成の符号の後ろのかっこ内に制御部５０Ｔの内部構成の符号を記載して制御部５０Ｔの内部構成の説明は制御部５０Ｍの説明と同時に行う。
【００４３】
制御部５０Ｍ，５０Ｔは、無効電力演算回路５１Ｍ（５１Ｔ）、リミッタ回路５２Ｍ（５２Ｔ）、減算器５３Ｍ（５３Ｔ）ならびに電流制御回路５５Ｍ（５５Ｔ）およびＰＷＭ制御回路５６Ｍ（５６Ｔ）が設けられたインバータ制御回路５４Ｍ（５４Ｔ）を備えている。
【００４４】
無効電力演算回路５１Ｍ（５１Ｔ）は、車両２０に流れる無効電力を、負荷電流検出器８Ｍ（８Ｔ）およびき電電圧検出器１０Ｍ（１０Ｔ）の検出信号に基づいて算出する。さらに、この無効電力の位相が、き電線２Ｍ（２Ｔ）の電圧に対して進みか遅れかを判断し、無効電力の算出値と共に、リミッタ回路５２Ｍ（５２Ｔ）に送信する。
【００４５】
リミッタ回路５２Ｍ（５２Ｔ）は、無効電力演算回路５１Ｍ（５１Ｔ）から送信された無効電力が進み無効電力の場合には、減算器５３Ｍ（５３Ｔ）にインバータ６Ｍ（６Ｔ）が動作しないようにする信号を送信する。一方、無効電力演算回路５１Ｍ（５１Ｔ）から送信された無効電力が遅れ無効電力の場合には、算出した無効電力を減算器５３Ｍ（５３Ｔ）へ送信する。
【００４６】
減算器５３Ｍ（５３Ｔ）は、無効電力が遅れの場合には、リミッタ回路５２Ｍ（５２Ｔ）から送信された無効電力の値と、装置出力電流検出器９Ｍ（９Ｔ）の検出値に基づいて算出されたインバータ６Ｍ（６Ｔ）が出力する無効電力の値との差分を取り、その差分信号を電流制御回路５５Ｍ（５５Ｔ）に送信する。一方、無効電力が進みの場合には、電流制御回路５５Ｍ（５５Ｔ）にインバータ６Ｍ（６Ｔ）が動作しないようにする信号を送信する。
【００４７】
電流制御回路５５Ｍ（５５Ｔ）は、無効電力が遅れの場合には、減算器５３Ｍ（５３Ｔ）から送信された差分信号に基づいてインバータ６Ｍ（６Ｔ）が出力すべき電流値を算出し、ＰＷＭ制御回路５６Ｍ（５６Ｔ）に送信する。一方、無効電力が進みの場合には、ＰＷＭ制御回路５６Ｍ（５６Ｔ）にインバータ６Ｍ（６Ｔ）が動作しないようにする信号を送信する。
【００４８】
ＰＷＭ制御回路５６Ｍ（５６Ｔ）は、電流制御回路５５Ｍ（５５Ｔ）からの信号に基づいてＰＷＭを実行し、それによって得られるパルス信号をゲート指令信号としてインバータ６Ｍ（６Ｔ）に送信する。一方、無効電力が進みの場合には、インバータ６Ｍ（６Ｔ）に動作しないようにする信号を送信する。
＜通常特性と本発明の特性＞
図４は、き電電圧補償装置の通常の特性と、本発明の特性を示したものである。横軸は、車両２０に流れる無効電力で、縦軸よりも右側は進み、縦軸よりも左側は遅れを示している。縦軸は、き電電圧補償装置が出力する無効電力で、横軸よりも上側は進み、横軸よりも下側は遅れを示している。横軸と平行な点線は、き電電圧補償装置が出力する進みまたは遅れの無効電力の上限である。
【００４９】
図４（ａ）は、通常の特性を示している。車両２０に流れる無効電力が進みであれば、その大きさに応じてそれと逆極性の無効電力をき電電圧補償装置は出力する。また、車両２０に流れる無効電力が遅れであれば、その大きさに応じてそれと逆極性の無効電力をき電電圧補償装置は出力する。
【００５０】
図４（ｂ）は、本発明の特性である。車両２０に流れる無効電力が遅れの場合は通常の特性と同じである。しかし、車両２０に流れる無効電力が進みの場合は、き電電圧補償装置は無効電力を出力しない。
【００５１】
このように、車両２０に流れる無効電力が進みの場合にリミッタ回路５２Ｍ（５２Ｔ）は、インバータ６Ｍ（６Ｔ）を動作させないようにしている。これにより、インバータ６Ｍ（６Ｔ）はＬ動作時の運転を行わなくなる。Ｌ動作時ではインバータ６Ｍ（６Ｔ）の出力電流と偏磁電流とが加算されるため、き電電圧補償装置の出力電流は過電流になり、き電電圧補償装置が停止する場合がある。しかし、Ｌ動作時にインバータ６Ｍ（６Ｔ）は運転しないので、この過電流によるき電電圧補償装置の停止を抑制することができる。
【実施例２】
【００５２】
本実施例の構成は、リミッタ回路５２Ｍ（５２Ｔ）を除いて実施例１と同様である。
【００５３】
図示省略の本実施例のリミッタ回路５７Ｍ（５７Ｔ）は、予め定められた時間帯のみ実施例１と同様の動作を行い（本発明の特性）、前記時間帯以外は、図４（ａ）のような、無効電力が進みおよび遅れのいずれにおいても無効電力補償を行う（通常特性）ようにする。
【００５４】
このような通常特性と本特性のリミッタ回路５７Ｍ（５７Ｔ）による切替えは、図示しない司令室から有線通信または無線通信によって遠方操作により行えるようになっている。
【００５５】
車両２０の運行計画は事前に用意されているので、その運行計画に沿ってリミッタ回路５７Ｍ（５７Ｔ）の動作パターンも決定される。
【００５６】
本発明の特性で行う例は次の場合が上げられる。
【００５７】
例えば、夜間に長距離の貨物列車が機関車を２重連で運用するといった大きな突入電流を発生させる車両２０が走行する場合である。機関車２台が連続して突入電流を発生するため、通常の場合よりも大きな直流偏磁が発生する。
【００５８】
また、車両本数が多いため突入電流の発生回数が多くなるラッシュ時の場合である。例えば７：３０〜９：００および／または１７：００〜１８：００の時間帯が有効である。
【００５９】
本実施例によれば、インバータ６Ｍ（６Ｔ）は所定時間帯のみ進み無効電力の補償を行わない。突入電流が小さければ、偏磁電流も小さくなるため、無効電力の補償により過電流となる可能性が低くなる。また、車両２０の運転パターンは決まっているため、突入電流が大きくなる時間帯も決まっている。したがって、上述したような突入電流が大きくなる時間帯のみ進み無効電力の補償を行わないようにすれば、き電電圧補償装置を最大限有効活用できると共に、過電流を必要なときのみ抑制することができる。
【００６０】
以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。
【符号の説明】
【００６１】
１…スコット変圧器
２Ｍ，２Ｔ…き電線
３Ｍ，３Ｔ…直列コンデンサ
４…セクション
５Ｍ，５Ｔ，２１…変圧器
６Ｍ，６Ｔ，２２…インバータ
７…コンデンサ
８Ｍ，８Ｔ…負荷電流検出器
９Ｍ，９Ｔ…装置出力電流検出器
１０Ｍ，１０Ｔ…き電電圧検出器
２０…車両
５０Ｍ，５０Ｔ…制御部
５１Ｍ，５１Ｔ…無効電力演算回路
５２Ｍ，５２Ｔ，５７Ｍ，５７Ｔ…リミッタ回路
５３Ｍ，５３Ｔ…減算器
５４Ｍ，５４Ｔ…インバータ制御部
５５Ｍ，５５Ｔ…電流制御回路
５６Ｍ，５６Ｔ…ＰＷＭ制御回路
【図１】
2011024367.tif 000003
【図２】
2011024367.tif 000004
【図３】
2011024367.tif 000005
【図４】
2011024367.tif 000006
【図５】
2011024367.tif 000007
【図６】
2011024367.tif 000008
【図７】
2011024367.tif 000009