(57)【要約】【課題】直流き電システムにおいて、力行／回生運転がスムースに行えるような自励式電力変換装置を提供する。【解決手段】自励式電力変換装置に使用されるコンバータ装置２２の電圧制御を行う制御回路２００の電圧基準を以下のように力行、回生の運転モードに応じて切換える。回生時直流電圧基準２１０の値を、力行時直流電圧基準２１１の値より大きく設定する。直流電流検出器２７Ｂで検出された直流電流検出信号の極性を判別し、正であれば力行運転と見做し、負であれば回生運転と見做す。この結果により、切換え器２１２によって力行時直流電圧基準２１１と回生時直流電圧基準２１０を選択的に切換える。また、切換えをスムースに行うため、１次遅れ回路２１３を制御ループに挿入する。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力トランスを介し、交流電力を直流電力に変換するコンバータ装置と、
このコンバータ装置からの直流出力を平滑するための直流コンデンサと、
前記コンバータ装置の出力電圧を制御する制御回路
より構成され、
前記制御回路は、力行時の電圧基準と、力行時の電圧基準より大きい値の回生時の電圧基準の２つの電圧基準を有すると共に、
前記コンバータ装置が力行運転モードにあるか、または回生運転モードにあるかを検出する検出手段を有し、
この検出手段の出力に応じて前記２つの電圧基準を選択的に切換えるようにしたことを特徴とする自励式電力変換装置。
【請求項２】
前記検出手段は、直流電流の極性に依ることを特徴とする請求項１記載の自励式電力変換装置。
【請求項３】
前記検出手段は、直流電力の極性に依ることを特徴とする請求項１記載の自励式電力変換装置。
【請求項４】
前記検出手段は、交流有効電流の極性に依ることを特徴とする請求項１記載の自励式電力変換装置。
【請求項５】
前記検出手段は、交流有効電力の極性に依ることを特徴とする請求項１記載の自励式電力変換装置。
【請求項６】
前記検出手段の入力となる信号を、上下限リミット付増幅器で増幅し、この上限及び下限のリミット値を夫々回生時及び力行時の電圧基準とすることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の自励式電力変換装置。
【請求項７】
前記制御回路に１次遅れ回路を挿入したことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の自励式電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流電力を直流電力に変換する直流き電システムに１台若しくは複数台並列に用いられる自励式電力変換装置に関し、特に、直流電圧制御の特性を改良した自励式電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
直流が使用される電気鉄道の変電所では、交流電力を直流電力に変換するため、ダイオード整流器やサイリスタ素子を用いた他励式電力変換装置が採用されてきたが、近年になって、自己消弧素子を用いた自励式変換装置の採用も考慮されるようになってきた。自励式電力変換装置を用いると、力行、回生の運転モードに依らず、直流電圧を制御することが可能となるばかりでなく、入力高調波を低減したり、入力力率を改善することができる等の利点がある。
【０００３】
図６は、従来の自励式電力変換装置を用いた直流き電システムの構成図である。変電所内に設置された自励式電力変換装置２は、高電圧の交流入力を受け、電車駆動用の直流電圧を出力する。自励式電力変換装置２の主回路は、交流電圧を所定の電圧に変圧する入力変圧器２１、この入力変圧器２１の出力を受け、これを直流に変換するコンバータ装置２２、このコンバータ装置２２の出力を平滑するための直流コンデンサ２３、及び、短絡電流を限流するための直流リアクトル２４から構成されている。尚、コンバータ装置２２は、回生モードで運転される場合は、直流から交流に電力を逆変換するインバータ装置として動作することは周知のとおりである。自励式電力変換装置２の出力は、き電線１の短絡時の短絡電流を遮断するための直流遮断器２５Ａ及び２５Ｂを介して、き電線に給電される。
【０００４】
また、自励式電力変換装置３は、隣接する変電所内に設けられ、前記自励式電力変換装置２と並列運転するものである。ここで、３１乃至３４、３５Ａ及び３５Ｂは夫々上述の２１乃至２４、２５Ａ及び２５Ｂに対応する同一の機器を示しているのでその説明を省略する。
【０００５】
今、図６において、自励式電力変換装置２が、単独で運転している場合を考える。自励式電力変換装置２が所掌するき電区間に力行電車があると直流コンデンサ２３から力行電車に電流が流れ、直流コンデンサ２３の電圧は減少するので、自励式変換器２２は交流から直流に電力を供給し、直流コンデンサ２３の電圧を一定に保つように動作する。逆に、き電区間に回生電車がある場合には車両から直流コンデンサ２３に電流が流れ込み、直流コンデンサ２３の電圧が上昇するので、自励式変換器２２は直流コンデンサ２３の電圧を一定に保つように直流から交流に電力を回生する。このようにして自励式変換器２２は直流コンデンサ２３の電圧を一定に保つように制御される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
以上の説明のように、自励式電力変換装置２または、自励式電力変換装置３が、単独で動作している場合は、これらの制御は問題なく行われ、スムースな力行運転及び回生運転が可能となる。また、自励式電力変換装置２及び自励式電力変換装置３が共に力行運転または回生運転を行う場合も、協調して並列運転を行うことができる。
【０００７】
ところが、自励式電力変換装置２と自励式電力変換装置３の運転モードが異なる場合には注意が必要となる。
【０００８】
今、自励式電力変換装置２が力行運転、自励式電力変換装置３が回生運転を行っている場合を考える。この場合、自励式電力変換装置２の電圧基準が、自励式電力変換装置３の電圧基準より小さければ、協調運転に特に問題は生じない。しかし、この逆に自励式電力変換装置２の電圧基準が、自励式電力変換装置３の電圧基準より大きいと、力行運転している自励式電力変換装置２から回生運転している自励式電力変換装置３に向かって有効電流が流れ、いわゆる電力の回り込みを生じる恐れがある。
【０００９】
この電力の回り込みが生じると、自励式電力変換装置２及び３の扱い電力すなわち変換容量が不当に大きくなるばかりでなく、循環電流が近隣の電子機器にとって有害なノイズ源となる恐れもある。また、力行運転と回生運転の切換をスムースに行わないと、循環電流が運転中常時流れたり、あるいは大きな電流が過渡的に流れたりする不具合が生じることが考えられる。
【００１０】
従来の自励式電力変換装置２及び３は、力行運転時の電圧基準と回生運転時の電圧基準は同一としていたので、図６に示した直流き電システムにこれらを適用した場合、スムースな力行運転と回生運転の切換えが困難な場合があった。
【００１１】
従って、本発明は、スムースな力行運転と回生運転の切換えが可能で、直流き電システムに使用するのに適した自励式電力変換装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の自励式電力変換装置は、入力トランスを介し、交流電力を直流電力に変換するコンバータ装置と、このコンバータ装置からの直流出力を平滑するための直流コンデンサと、前記コンバータ装置の出力電圧を制御する制御回路より構成され、前記制御回路は、力行時の電圧基準と、力行時の電圧基準より大きい値の回生時の電圧基準の２つの電圧基準を有すると共に、前記コンバータ装置が力行運転モードにあるか、または回生運転モードにあるかを検出する検出手段を有し、この検出手段の出力に応じて前記２つの電圧基準を選択的に切換えるようにしたことを特徴とする。
【００１３】
本発明によれば、スムースな力行運転と回生運転の切換が可能で、直流き電システムに使用するのに適した自励式電力変換装置を提供することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下に、本発明による自励式電力変換装置の第１の実施の形態を図１を参照して説明する。図１は、本発明の自励式電力変換装置のブロック構成図である。
【００１５】
高電圧の交流入力は、入力変圧器２１を介し、コンバータ装置２２に給電される。コンバータ装置２２は、詳細を後述する制御回路２００の制御により、交流を所望の直流電圧に変換し、直流コンデンサ２３、直流リアクトル２４を介してき電線給電用の直流出力を得ている。また、交流入力部には交流電流検出器２７Ａ、直流出力部には直流電流検出器２７Ｂ及び直流電圧検出器２６Ｂが夫々取り付けられている。
【００１６】
次に制御回路２００の構成につき説明する。制御回路２００は、電圧基準切換制御回路２０１の出力とコンバータ装置２２の出力電圧を比較器２０２で比較し、この誤差信号をＡＶＲ（電圧増幅回路）２０３で増幅し、入力電流基準を作る。この入力電流基準と、交流電流検出器２７Ａで検出されたフィードバック入力電流を比較器２０４で比較し、この誤差出力をＡＣＲ（電流増幅回路）２０５で増幅し、これを、ＰＷＭ制御回路２０６でコンバータ装置２２の自己消弧素子用のパルス信号に変換し、コンバータ装置２２の出力電圧を制御している。
【００１７】
前述した電圧基準切換制御回路２０１の構成を説明する。電圧基準切換制御回路２０１は、力行時直流電圧基準２１０及び回生時直流電圧基準２１１の２つの電圧基準を有する。これらの電圧基準を選択的に切換えるための切換え回路２１２は、力行／回生基準設定器２１５で設定された設定値と、直流電流検出器２７Ｂの出力である直流電流検出信号とを入力とする力行／回生判定器２１４の出力により動作する構成となっている。切換え回路２１２の出力は、直流電圧切換え時の急変による動揺を防止するための１次遅れ回路２１３を経由して比較器２０２の入力となる。
【００１８】
以下、上記構成における電圧基準切換制御回路２０１を備える自励式電力変換装置の動作について説明する。直流電流検出器２７Ｂからの直流電流検出信号を力行／回生判定器２１４に入力する。今、直流電流検出信号の検出極性を力行で正、回生で負の極性で検出している場合を考える。力行／回生基準設定器２１５の設定値を０に設定すれば、力行／回生判定器２１４が、直流電流検出信号の正負の極性によって、コンバータ装置２２が力行運転モードにあるかまたは回生運転モードにあるかを判定し、切換え回路２１２の切換え信号を得る。切換え回路２１２は、この切換え信号により力行時直流電圧基準２１０と回生時直流電圧基準２１１を選択的に切換える。切換え時の直流電圧基準のステップ変化による動揺を防止するため１次遅れ回路２１３を挿入し、最終の直流電圧基準を得ている。
【００１９】
この結果、比較器２０２の入力となる直流電圧基準は、力行または回生の運転モードに応じた値となり、回生時直流電圧基準２１１の値を力行時直流電圧基準２１０より若干大きい値に設定しておけば、隣接する自励式電力変換装置と干渉を起こさない直流電圧制御が可能となる。尚、上記の力行時直流電圧基準２１０と回生時直流電圧基準２１１は、隣接する自励式電力変換装置についても、これらと同一の値に設定しておく。
【００２０】
上記のようにして得られた直流電圧基準と直流電圧検出器２６Ｂによって検出された直流電圧検出信号とが比較器２０２で比較され、この誤差出力をなくすようにコンバータ装置２２の出力電圧が制御される。これにより自励式電力変換装置が担当する車両の運転状態を自動的に検出し、力行運転時と回生運転時の直流電圧を選択的に切換えるようにした直流電圧制御を行うことが可能となる。
【００２１】
尚、変電所のき電区間に走行する車両が無い時、直流電流検出値が０近傍でふらつく場合があるが、その場合は力行／回生設定器２１５の判定値を若干回生側または力行側の値にバイアス設定して安定した動作を得るようにすれば良い。
【００２２】
以上説明したように、直流電流検出信号を運転モード判別信号とし、これを電圧基準切換制御回路と組み合わせることにより、スムースな力行運転と回生運転の切換が可能で、直流き電システムに使用するのに適した自励式電力変換装置を提供することができる。
【００２３】
（第２の実施の形態）
以下に、本発明による自励式電力変換装置の第２の実施の形態を図１及び図２を参照して説明する。
【００２４】
図２は、本発明の第２の実施の形態に係る自励式電力変換装置の電圧基準切換制御回路のブロック構成図である。図１の第１の実施の形態に係る自励式電力変換装置の電圧基準切換制御回路２０１を図２の電圧基準切換制御回路２０１Ａに置き換えれたものが、第２の実施の形態である。図２において、電圧基準切換制御回路２０１Ａは、直流電流検出信号の符号を反転させる反転回路２２５、この出力と力行／回生基準設定器２２６で設定された値とを比較する比較器２２７、この出力を受けＧＡＩＮ（増幅器）２２Ｂを経由した信号と上限リミット設定器２２１の値を加算する加算器２２９、及びこの出力信号を受け、直流電圧基準を出力するリミッタ付き１次遅れ回路２２３により構成されている。また、リミッタ付き１次遅れ回路２２３は上限リミット設定器２２０及び上記下限リミット設定器２２１の２つのリミット値の設定器を有している。
【００２５】
直流電流検出信号の検出極性を力行で正、回生で負の極性で検出する場合を考える。リミッタ付き１次遅れ回路２２３の上限リミット設定器２２０の設定値を回生時直流電圧基準となるようにし、下限リミット設定器２２１の設定値をこれより小さい値の力行時直流電圧基準となるようにする。リミッタ付き１次遅れ回路２２３の入力は、力行時直流電圧基準に相当する下限リミット設定器２２１の設定値とＧＡＩＮ２２８の出力信号を加算器２２９で加えた値となる。ここで直流電流検出信号を反転回路２２５で極性を反転し、ＧＡＩＮ２２８で信号を増幅することにより、力行運転時は、リミッタ付き１次遅れ回路２２３の出力は下限リミッタにかかり、下限リミット設定器２２１の設定値である力行時直流電圧基準を出力する。また、この逆に回生運転の直流電流が流れることにより、リミッタ付き１次遅れ回路２２３は上限リミッタにかかり、上限リミット設定器２２０の設定値である回生時直流電圧基準を出力する。このようにして、リミッタ付き１次遅れ回路２２３の下限及び上限のリミット値を夫々力行及び回生の直流電圧基準に設定すれば、力行あるいは回生の運転モードに応じて直流電圧基準を切換えることが可能になる。
【００２６】
変電所のき電区間に走行する車両が無い時、直流電流検出の値が０近傍でふらつく場合があるが、力行／回生基準設定器２２６の設定値を若干回生側または力行側の値に設定する対策が考えられることは前記第１の実施の形態の場合と同様である。また、直流電流検出信号の極性によっては、反転回路２２５は省略することもできる。
【００２７】
尚、この第２の実施の形態の、リミッタ付１次遅れ回路２２３を使用した自励式電力変換装置は、後述する第３乃至第６の実施の形態の自励式電力変換装置にも適用可能である。
【００２８】
以上のように、リミッタ付き１次遅れ回路２２３を用いることにより、スムースな力行／回生運転の移行が可能な自励式電力変換装置を提供することが可能となる。
【００２９】
（第３の実施の形態）
図３は、本発明の第３の実施の形態に係る自励式電力変換装置のブロック構成図である。この第３の実施の形態の各部について、図１の第１の実施の形態の自励式電力変換装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この第３の実施の形態が、第１の実施の形態と異なる点は、図１では、直流電流検出器２７Ｂから得られる直流電流検出信号を運転モード判別信号として、力行／回生判定器２１４の入力としていたのに対し、図３では、直流電流検出器２７Ｂと直流電圧検出器２６Ｂの信号をＤＣＰ（直流電力演算器）２８Ｂで演算し、直流電力検出信号を作り、これを運転モード判別信号として、力行／回生判定器２１４の入力とするようにしたことである。
【００３０】
このように直流電力検出信号を運転モード判別信号としても、スムースな力行運転と回生運転の切換が可能で、直流き電システムに使用するのに適した自励式電力変換装置を提供することができる。
【００３１】
（第４の実施の形態）
図４は、本発明の第４の実施の形態に係る自励式電力変換装置のブロック構成図である。この第４の実施の形態の各部について、図１の第１の実施の形態の自励式電力変換装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この第４の実施の形態が、第１の実施の形態と異なる点は、図１では、直流電流検出器２７Ｂから得られる直流電流検出信号を運転モード判別信号として、力行／回生判定器２１４の入力としていたのに対し、図４では、交流電流検出器２７Ａと交流電圧検出器２６Ａの信号をＡＣＩ（交流有効電流演算器）２９で演算し、交流有効電流検出信号を作り、この信号を運転モード判別信号として、力行／回生判定器２１４の入力とするようにしたことである。
【００３２】
このように交流有効電流検出信号を運転モード判別信号としても、スムースな力行運転と回生運転の切換が可能で、直流き電システムに使用するのに適した自励式電力変換装置を提供することができる。
【００３３】
（第５の実施の形態）
図５は、本発明の第５の実施の形態に係る自励式電力変換装置のブロック構成図である。この第５の実施の形態の各部について、図１の第１の実施の形態の自励式電力変換装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この第５の実施の形態が、第１の実施の形態と異なる点は、図１では、直流電流検出器２７Ｂから得られる直流電流検出信号を運転モード判別信号として、力行／回生判定器２１４の入力としていたのに対し、図５では、交流電流検出器２７Ａと交流電圧検出器２６Ａの信号をＡＣＰ（交流有効電力演算器）２８Ａで演算し、交流有効電力検出信号を作り、これを運転モード判別信号として、力行／回生判定器２１４の入力とするようにしたことである。
【００３４】
このように交流有効電力検出信号を運転モード判別信号としても、スムースな力行運転と回生運転の切換が可能で、直流き電システムに使用するのに適した自励式電力変換装置を提供することができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明よれば、スムースな力行運転と回生運転の切換が可能で、直流き電システムに使用するのに適した自励式電力変換装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る自励式電力変換装置のブロック構成図。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る自励式電力変換装置の電圧基準切換制御回路のブロック構成図。
【図３】本発明の第３の実施の形態に係る自励式電力変換装置のブロック構成図。
【図４】本発明の第４の実施の形態に係る自励式電力変換装置のブロック構成図。
【図５】本発明の第５の実施の形態に係る自励式電力変換装置のブロック構成図。
【図６】従来の自励式電力変換装置を用いた直流き電システムの構成図。
【符号の説明】
１・・・き電線
２、３・・・自励式電力変換装置
２１、３１・・・入力変圧器
２２、３２・・・コンバータ装置
２３、３３・・・直流コンデンサ
２４、３４・・・直流リアクトル
２５Ａ、３５Ａ・・・直流遮断器
２５Ｂ、３５Ｂ・・・直流遮断器
２６Ａ・・・交流電圧検出器
２６Ｂ・・・直流電圧検出器
２７Ａ・・・交流電流検出器
２７Ｂ・・・直流電流検出器
２８Ａ・・・ＡＣＰ（交流有効電力演算器）
２８Ｂ・・・ＤＣＰ（直流電力演算器）
２９・・・ＡＣＩ（交流有効電流演算器）
２００・・・制御回路
２０１・・・電圧基準切換制御回路
２０２・・・比較器
２０３・・・ＡＶＲ（電圧増幅回路）
２０４・・・比較器
２０５・・・ＡＣＲ（電流増幅回路）
２１０・・・回生時直流電圧基準
２１１・・・力行時直流電圧基準
２１２・・・切換え回路
２１３・・・１次遅れ回路
２１４・・・力行／回生判定器
２１５・・・力行／回生基準設定器
２２０・・・上限リミット設定器
２２１・・・下限リミット設定器
２２３・・・リミッタ付き１次遅れ回路
２２５・・・反転回路
２２６・・・力行／回生基準設定器
２２７・・・比較器
２２８・・・ＧＡＩＮ（増幅器）
２２９・・・加算器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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