(57)【要約】【課題】大きな容量性負荷においても振動を抑制し安定な直流電力を提供できる直流チョッパ装置を得る。【解決手段】直流電源１にＬＣフィルタ３，４を介して接続された降圧チョッパ回路と、降圧チョッパ回路の出力側の電圧を検出し出力電圧基準１３と比較して生成した指令値に対応してパルスを発生させ降圧チョッパ回路のスイッチング素子５の通流率を制御する制御回路とを備えた直流チョッパ装置において、降圧チョッパ回路の出力電流を検出し、コンデンサ２０と２つの抵抗２１，２３と制御アンプ２２とからなるダンピング回路１９によって出力電流に比例した高周波ゲインを生成し、この高周波ゲインを制御回路で生成される指令値に加算するように構成した。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源に接続され、スイッチング素子とダイオードと平滑リアクトルとフィルタコンデンサとからなり容量性の負荷に直流電力を供給する降圧チョッパ回路と、上記降圧チョッパ回路の出力側の電圧を検出し出力電圧基準と比較して生成した指令値に対応してパルスを発生させ上記スイッチング素子の通流率を制御する制御回路とを備えた直流チョッパ装置において、上記降圧チョッパ回路の出力電流を検出し、コンデンサと第１の抵抗の直列回路に第２の抵抗と制御アンプの並列回路を接続してなるダンピング回路によって上記出力電流に比例した高周波ゲインを生成し、この高周波ゲインを上記制御回路で生成される上記指令値に加算するように構成したことを特徴とする直流チョッパ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば直流架線を走行する列車に搭載した車両用補助電源装置に使用される直流チョッパ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の直流チョッパ装置は、例えば、地下鉄電車等の空調用の補助電源装置に使用される直流チョッパ装置として次のようなものがある。まず、高圧直流架線（ＤＣ１５００Ｖ等）からパンタグラフで集電された直流電圧を抵抗器を経由しフィルタリアクトルと第１のフィルタコンデンサからなるＬＣフィルタの第１のフィルタコンデンサに充電する。充電された電圧は、スイッチング素子，フライホイルダイオード，平滑リアクトル，第２のフィルタコンデンサで構成された降圧チョッパ回路によって、例えばＤＣ６００Ｖの直流電圧に変換されて負荷へ供給される。負荷への安定な電力を供給するための制御回路として、出力電圧を電圧センサで検出し、出力電圧基準と比較するために加算器で加算し、計算された誤差電圧を電圧制御器で増幅して指令値とし、この指令値に対応するパルスを生成してスイッチング素子の通流率を制御するように構成されている。
【０００３】
上述のように、入力側に、抵抗器と、第１のフィルタコンデンサとフィルタリアクトルからなる共振回路とを有し、この抵抗器は省エネルギーの観点から通常非常に小さい値に設定されるため、制御系としては振動系になっており、外乱等で振動現象が出やすくなっている。これを押さえるため、降圧チョッパ回路の入力側の電圧を検出し、ダンピング回路で安定化するように構成されている。
【０００４】
このダンピング回路は、架線電圧の変動幅をΔＶとし、降圧チョッパ回路の入力側から見た負荷の抵抗分をＲＬとし、架線変動分に対するダンピング回路のゲインをＫｄとすると、架線電圧の変動幅ΔＶに対しては、Ｋｄ×ＲＬの抵抗が第１のフィルタコンデンサに並列に入ったものと同様に作用する。すなわち、等価回路で表せば、ΔＶの電源にフィルタリアクトルを介し第１のフィルタコンデンサとＫｄ×ＲＬの抵抗の並列回路が接続された形となる。従って、Ｋｄとして適切な値を選ぶことにより、振動分に対して減衰項（Ｄａｍｐｉｎｇ）を与えることになり、制御系として安定化を図ることができる（例えば、非特許文献１参照）。
【０００５】
【非特許文献１】
坪井克剛、他２名、「入力ＬＣフィルタ付きチョッパ系の不安定現象とその対策」、平成１２年電気学会論文誌Ｄ、１２０巻、１０号、ｐ．１１７１−１１８０
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の直流チョッパの制御装置は上記のように構成されているので、減衰項が負荷の抵抗分ＲＬに依存することになり、負荷の種類によっては安定化が難しく、特に負荷として使用するケースの多い大容量コンデンサやバッテリ等の容量性負荷の場合には出力電圧変動時の大きな電流変化に追従出来ず不安定になりやすいという問題点があった。
【０００７】
この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、容量性負荷でも安定に動作する直流チョッパ装置を得ることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明の直流チョッパ装置は、直流電源に接続され、スイッチング素子とダイオードと平滑リアクトルとフィルタコンデンサとからなり容量性の負荷に直流電力を供給する降圧チョッパ回路と、降圧チョッパ回路の出力側の電圧を検出し出力電圧基準と比較して生成した指令値に対応してパルスを発生させスイッチング素子の通流率を制御する制御回路とを備えた直流チョッパ装置において、降圧チョッパ回路の出力電流を検出し、コンデンサと第１の抵抗の直列回路に第２の抵抗と制御アンプの並列回路を接続してなるダンピング回路によって出力電流に比例した高周波ゲインを生成し、この高周波ゲインを制御回路で生成される指令値に加算するように構成したものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による直流チョッパ装置として、電気車に搭載した電力変換装置に使用する場合を例示した回路図であり、図２は図１の平滑リアクトル以降と負荷部分の等価回路を示す回路図である。図において、まず高圧直流架線（ＤＣ１５００Ｖ等）からパンタグラフ１で集電された直流電圧は、抵抗器２を経由してフィルタリアクトル３と第１のフィルタコンデンサ４とからなるＬＣフィルタの第１のフィルタコンデンサ４に充電される。充電された電圧はスイッチング素子５，フライホイルダイオード６，平滑リアクトル７，第２のフィルタコンデンサ８で構成される降圧チョッパ回路で低圧の直流電圧、例えばＤＣ６００Ｖに変換され、負荷９へ直流電力として供給される。負荷９は抵抗分１０と容量分１１からなる容量性の負荷である。
【００１０】
降圧チョッパ回路の制御回路としては次のように構成される。すなわち、降圧チョッパ回路の出力電圧を電圧センサ１２で検出し、出力電圧基準１３と比較するため第１の加算器１４で加算する。そこで計算された誤差電圧は電圧制御器１５で増幅されて誤差電圧に対応する指令値が生成される。この指令値を第２の加算器１６を介しゲート論理回路１７で指令値に対応するパルス信号を作成する。また、降圧チョッパ回路の出力側に設けた電流センサ１８により出力電流を検出し、本発明の特長であるダンピング回路１９により生成した指令値が第２の加算器１６に入力され、前述の誤差電圧に対応する指令値に加算される。ダンピング回路１９は、コンデンサ２０と第１の抵抗器２１の直列回路に制御アンプ２２と第２の抵抗器２３の並列回路を直列に接続して構成されている。
【００１１】
次に制御回路のうちのダンピング回路１９の作用について説明する。スイッチング素子５の出力電圧をＥｃｈ，平滑リアクトル７のインダクタンスをＬ，電流をｉ、第２のフィルタコンデンサ８の容量をＣ２，負荷９の容量分１１の容量をＣＬ，Ｃ２とＣＬの和をＣとし、負荷９の抵抗分１０の抵抗値ＲＬが小さく無視できるものとすれば、図１のチョッパ部分以降は図２に示すような等価回路として表され、負荷としては容量性となり、次に示す式１が成り立つ。なお、図中の抵抗Ｒは後述する。
【００１２】
【数１】
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【００１３】
上記の式１の解としては完全に振動系であり直流チョッパ回路の出力電圧は不安定になる。そこでこの振動を押さえるためにダンピング回路１９を使用するものである。ダンピング回路１９の動作について説明すると、電流センサ１８で検出された出力電流は制御アンプ２２で増幅されるが、このときの高周波ゲインＧはコンデンサ２０の容量を十分に大きく設定すればＧ≒Ｒ２／Ｒ１となる。但し、Ｒ１は第１の抵抗２１の抵抗値、Ｒ２は第２の抵抗２３の抵抗値である。そこで、図１に示すようなダンピング回路１９により、降圧チョッパ回路の出力電流の変動に比例した高周波ゲインＧを生成して、制御回路で生成した指令値に加算し出力電圧を調整するように構成しているので、このダンピング回路１９は実効的に抵抗器と等価な効果を得る。すなわち、高周波ゲインＧ→Ｒと置き替え、第２のフィルタコンデンサ８の容量Ｃ２と負荷９の容量分１１の容量ＣＬの和をＣとすれば、図２に示すように、Ｃに直列に抵抗Ｒを接続した回路として表され、式２が成り立つ。
【００１４】
【数２】
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【００１５】
この式は良く知られているＲ−Ｌ−Ｃの直列回路に関する式である。この解としてはＲ＞２（Ｌ／Ｃ）１／２の場合は安定系、Ｒ＜２（Ｌ／Ｃ）１／２の場合は振動系となるのは周知の通りである。
そこで、Ｒに相当するダンピング回路１９の第１の抵抗２１と第２の抵抗２３の割合（Ｒ２／Ｒ１）を、上式のＲ＞２（Ｌ／Ｃ）１／２のような関係を十分満足するような値に設定している。従って、このような構成のダンピング回路１９を備えたことによって振動を抑制した安定な制御系を得ることができる。
【００１６】
但し直流分に対してこのダンピング回路１９を入れた場合には大きな定常偏差が生じるため、直流分はカットするようコンデンサ２０を入れている。このコンデンサ２０は振動分の周波数ｆ＝１／｛２π（ＬＣ）１／２｝に対し、カットオフ周波数が十分小さくなるように容量の大きいものを選定する。
【００１７】
以上のように、実施の形態１の発明によれば、チョッパ回路の出力電流を検出して、ダンピング回路によりゲインを調整してスイッチング素子を制御するようにしたので、降圧チョッパ回路の出力側に直列に抵抗器を接続するのと等価な振動抑制効果が得られ、容量性負荷でも定常偏差がなく、また（実際に抵抗を挿入するのではないので）抵抗による消費もない制御回路を備えたチョッパ装置を得ることができる。
【００１８】
【発明の効果】
以上のように、本発明のチョッパ装置によれば、降圧チョッパ回路の出力電流を検出し、コンデンサと２つの抵抗と制御アンプとからなるダンピング回路によって出力電流に比例した高周波ゲインを生成し、この高周波ゲインを、制御回路で生成される出力電圧と出力電圧基準とを比較して生成した指令値に加算するように構成したので、容量性負荷でも振動を抑制して安定に動作する直流チョッパ装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１の直流チョッパ装置の回路図である。
【図２】図１の等価回路を示す回路図である。
【符号の説明】
３  フィルタリアクトル              ４  第一のフィルタコンデンサ
５  スイッチング素子                ６  フライホイルダイオード
７  平滑リアクトル                  ８  第二のフィルタコンデンサ
９  負荷                          １２  電圧センサ
１３  出力電圧基準                  １４  第一の加算器
１５  電圧制御器                    １６  第二の加算器
１７  ゲート論理回路                １８  電流センサ
１９  ダンピング回路                ２０  コンデンサ
２１  第１の抵抗器                  ２２  制御アンプ
２３  第２の抵抗器。
【図１】
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【図２】
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