JP3707237B2

JP3707237B2 - 電力回生インバータ装置

Info

Publication number: JP3707237B2
Application number: JP08990898A
Authority: JP
Inventors: 博篠原; 茂雄小西; 謙二馬場
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1998-04-02
Filing date: 1998-04-02
Publication date: 2005-10-19
Anticipated expiration: 2018-04-02
Also published as: JPH11286229A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電気車から回生される電力を電力系統に回生する電力回生インバータ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１１に従来技術の実施例を示す。本図では、直流電車５へ電力を電力系統１から供給するための変圧器２、整流器３と直流電車５からの回生電力を電力系統１に回生する電力回生インバータ装置９による構成が記載されている。
電力系統１から直流電車５へ電力を供給する場合、電力系統１から変圧器２を介し整流器３で交流電力から直流電力へ変換し、き電線４を介して直流電車５に直流電力を供給している。直流電車５では図１２のように記電線４から直流電力をパンタグラフ１０、コンデンサ１１を介して電力変換器１２をインバータ動作させることでモータ１３を駆動させる。また、直流電車５が減速する場合は、モータ１３を発電動作させ、電力変換器１２を整流器動作させてき電線４に電力を回生させる（回生ブレーキ）。ここで、直流電車５からの回生電力は他の直流電車に供給されることが多いが、他の直流電車が電力を必要としない場合は、この回生電力によって直流電圧が上昇することで回生ブレーキが失効するため、電力回生インバータ装置９で交流に変換し電力系統１に回生する。
【０００３】
ここで、電力回生インバータ装置９はインバータ７、リアクトル６、変圧器８で構成されている。図１３はインバータ７の構成例であり、この図では電圧型インバータで構成した場合を示している。図１３のインバータ７はＧＴＯやＩＧＢＴのような自己消弧型半導体素子１５ａ〜１５ｆ、ダイオード１６ａ〜１６ｆ、コンデンサ１４で構成されている。また、整流器３はダイオードまたはサイリスタで構成されている。
【０００４】
ここで、電圧型インバータの動作原理を図１４に示す。電圧型インバータは位相と振幅を自由に制御できる電圧源Ｖｉとしてみなすことができ、電力系統１の電圧をＶｓとすると、ＶｉとＶｓの関係は変圧器８の漏れインダクタンスＸを介して（抵抗分は無視）接続される等価回路として表せる。図１４（ｂ）、（ｃ）に示すベクトル図のように、Ｖｓに対してＶｉの振幅を変えることで無効電力の制御が可能となる。
【０００５】
このように変圧器８は、図１３に示したインバータ７の電圧を電力系統１の電圧に昇圧又は降圧するとともに、その漏れインダクタンスを用いて電力系統１に電力を回生する時の連系リアクトルとして用いられる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、図１３に示すインバータで電力回生インバータ装置９を構成した場合、変圧器８は連系リアクトルとして必要であるが、変圧器８によって電力回生インバータ装置９全体の設置スペースが大きくなり、またコストが高くなるという問題があった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記のような課題を解決するために、この発明では、電力回生インバータ装置の交流側を直接又はリアクトルあるいは単巻線変圧器を介してき電変電所の変圧器とダイオードまたはサイリスタからなる整流器との間に接続する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
第１の発明を示す実施例を図１に示す。図１では、電力系統１から変圧器２を介し、整流器３にて交流電力を直流電力に変換し、き電線４を介して直流電車５に電力を供給するき電変電所に、直流電車５からの回生電力を電力系統１に回生する電力回生インバータ装置９の交流側を直接き電変電所の変圧器２と整流器３の間に接続した構成を示している。
【０００９】
直流電車５の回生電力によって、直流電圧Ｅｄは上昇し、電力系統１から整流器３への電力供給は無くなり、インバータ７は変圧器２の漏れインダクタンスを連系リアクトルとし、電力系統１に接続された回路となる。この回路において、電力系統１の電圧に対してインバータ７の出力電圧の位相、振幅を変えることで直流電車５からの回生電力を電力系統１に回生することができる。
【００１０】
このように電力回生インバータ装置９のインバータ７の交流側を直接き電変電所の変圧器２と整流器３の間に接続することで、設置スペースが小さい、低コストな電力回生インバータ装置９を構成することができる。
第２の発明を示す実施例を図２に示す。図２では、電力系統１から変圧器２を介し、整流器３にて交流電力を直流電力に変換し、き電線４を介して直流電車５に電力を供給するき電変電所に、直流電車５からの回生電力を直流変換装置１７を介して電力系統１に回生する電力回生インバータ装置９の交流側を直接き電変電所の変圧器２と整流器３の間に接続した構成を示している。
【００１１】
本構成は、インバータ７の出力電圧が変圧器２と整流器３の間の電圧より低い場合に適用できる。
インバータ７は一般にＰＷＭ変調によって制御されることが多く、その出力電圧Ｖｉは、変調方式、直流電圧Ｅ、変調度ａ、インバータ構成により異なるが、正弦波変調、３相ブリッヂインバータの場合は数１のようになる。
【００１２】
【数１】

【００１３】
ここで、変圧器２と整流器３の間の電圧Ｖｓ＝１２００Ｖとし、数１においてＥｄ＝１６５０Ｖ、ａ＝０．９とした場合、Ｖｉ９０９Ｖとなり、Ｖｓより低くなるため変圧器２と整流器３との間にインバータ７は連系できない。このため
、直流電圧Ｅｄを直流変換装置１７で昇圧させ、インバータ７を連系できるようにする。
【００１４】
図３に直流変換装置１７の構成例を示す。図３の直流変換装置１７はコンデンサ１８、リアクトル１９、自己消弧型半導体素子２０、ダイオード２１で構成され、一般に昇圧チョッパと呼ばれている。
直流電車５の回生電力によって、直流電圧Ｅｄは上昇し、電力系統１から整流器３への電力供給は無くなり、電力回生インバータ装置９のインバータ７は変圧器２の漏れインダクタンスを連系リアクトルとし、電力系統１に接続された回路となる。この回路において、電力系統１の電圧に対してインバータ７の出力電圧の位相、振幅を変えることで直流電車５からの回生電力を電力系統１に回生することができる。
【００１５】
このように電力回生インバータ装置９のインバータ７の交流側を直接き電変電所の変圧器２と整流器３との間に接続し、直流側に直流変換装置１７を接続したことで、設置スペースが小さい、低コストな電力回生インバータ装置９を構成することができる。
第３の発明を示す実施例を図４に示す。図４では、電力系統１から３巻線変圧器２２を介し、整流器２３、２４にて交流電力を直流電力に変換し、き電線４を介して直流電車５に電力を供給するき電変電所に、直流電車５からの回生電力を電力系統１に回生する電力回生インバータ装置９の交流側を直接き電変電所の３巻線変圧器２２と整流器２４との間に接続した構成を示している。ここで、電力回生インバータ装置９の交流側はき電変電所の３巻線変圧器２２と整流器２３との間に接続されている。
【００１６】
本構成は、き電変電所の変圧器が３巻線変圧器２２で構成された場合に適用できる。
直流電車５の回生電力によって、直流電圧Ｅｄは上昇し、電力系統１から整流器２３、２４への電力供給は無くなり、電力回生インバータ装置９のインバータ７は変圧器２２の漏れインダクタンスを連系リアクトルとし、電力系統１に接続された回路となる。この回路において、電力系統１の電圧に対してインバータ７の出力電圧の位相、振幅を変えることで直流電車５からの回生電力を電力系統１に回生することができる。
【００１７】
このように電力回生インバータ装置９のインバータ７の交流側を直接き変電所の３巻線変圧器２２と整流器２４（又は２３）との間に接続したことで、設置スペースが小さい、低コストな電力回生インバータ装置９を構成することができる。
第４の発明を示す実施例を図５に示す。図５では、電力系統１から変圧器２を介し、整流器３にて交流電力を直流電力に変換し、き電線４を介して直流電車５に電力を供給するき電変電所に、直流電車５からの回生電力を電力系統１に回生する電力回生インバータ装置９の交流側をリアクトル２５を介してき電変電所の変圧器２と整流器３との間に接続した構成を示している。
【００１８】
本構成は、整流器３と電力回生インバータ装置９が同時に動作する時、整流器３の転流による線間短絡時に電力回生インバータ装置９からの過電流を抑制する場合に適用できる。
直流電車５の回生電力によって、直流電圧Ｅｄは上昇し、電力系統１から整流器３への電力供給は無くなり、インバータ７は変圧器２の漏れインダクタンスとリアクトル２５を連系リアクトルとし、電力系統１に接続された回路となる。この回路において、電力系統１の電圧に対してインバータ７の出力電圧の位相、振幅を変えることで直流電車５からの回生電力を電力系統１に回生することができる。
【００１９】
また、整流器３から直流電車５へ力行電力を供給している場合、電力回生インバータ装置９により整流器３の力率を補償することも考えられる。この場合、電力回生インバータ装置９の交流側を直接接続すると、整流器３の転流時に整流器３の線間が一瞬短絡されるモードにより、電力回生インバータ装置９から過大な電流が流れ、機器を破壊させることになる。このことから、リアクトル２５を設置することで、整流器３の転流時の過電流を抑制することができる。
【００２０】
このように電力回生インバータ装置９のインバータ７の交流側をリアクトル２５を介して、き電変電所の変圧器２と整流器３との間に接続したことで、設置スペースが小さい、低コストな電力回生インバータ装置９を構成することができる。また、この電力回生インバータ装置９は整流器３の力率補償機能も有する。
第５の発明を示す実施例を図６に示す。図６では、電力系統１から変圧器２を介し、整流器３にて交流電力を直流電力に変換し、き電線４を介して直流電車５に電力を供給するき電変電所に、直流電車５からの回生電力を直流変換装置を介して電力系統１に回生する電力回生インバータ装置９の交流側をリアクトル２５を介してき電変電所の変圧器２と整流器３との間に接続した構成を示している。
【００２１】
本構成は、インバータ７の出力電圧が変圧器２と整流器３との間の電圧より低い場合、整流器３と電力回生インバータ装置９が同時に動作する時、整流器３の転流による線間短絡時に電力回生インバータ装置９からの過電流を抑制する場合に適用できる。
直流電車５の回生電力によって、直流電圧Ｅｄは上昇し、電力系統１から整流器３への電力供給は無くなり、インバータ７は変圧器２の漏れインダクタンスとリアクトル２５を連系リアクトルとし、電力系統１に接続された回路となる。この回路において、電力系統１の電圧に対して、直流変換装置１７で直流電圧Ｅｄを昇圧し、インバータ７の出力電圧の位相、振幅を変えることで直流電車５からの回生電力を電力系統１に回生することができる。
【００２２】
また、整流器３から直流電車５へ力行電力を供給している場合、電力回生インバータ装置９により整流器３の力率を補償することも考えられる。この場合、電力回生インバータ装置９の交流側を直接接続すると、整流器３の転流時に整流器３の線間が一瞬短絡されるモードにより、電力回生インバータ装置９から過大な電流が流れ、機器を破壊させることになる。このことから、リアクトル２５を設置することで、整流器３の転流時の過電流を抑制することができる。
【００２３】
このように電力回生インバータ装置９のインバータ７の交流側をリアクトル２５を介してき電変電所の変圧器２と整流器３との間に接続し、直流側に直流変換装置１７を接続したことで、設置スペースが小さい、低コストな電力回生インバータ装置９を構成することができる。また、この電力回生インバータ装置９は整流器３の力率補償機能も有する。
【００２４】
第６の発明を示す実施例を図７に示す。図７では、電力系統１から３巻線変圧器２２を介し、整流器２３、２４にて交流電力を直流電力に変換し、き電線４を介して直流電車５に電力を供給するき電変電所に、直流電車５からの回生電力を電力系統１に回生する電力回生インバータ装置９の交流側をリアクトル２５を介してき電変電所の３巻線変圧器２２と整流器２４との間に接続した構成を示している。ここで、電力回生インバータ装置９の交流側をき電変電所の３巻線変圧器２２と整流器２３との間に接続してもよい。
【００２５】
本構成は、き電変電所の変圧器が３巻線変圧器２２で構成された場合、整流器２４（又は２３）と電力回生インバータ装置９が同時に動作する時、整流器の転流による線間短絡時に電力回生インバータ装置９からの過電流を抑制する場合に適用できる。
直流電車５の回生電力によって、直流電圧Ｅｄは上昇し、電力系統１から整流器２３、２４への電力供給は無くなり、電力回生インバータ装置９のインバータ７は変圧器２２の漏れインダクタンスとリアクトル２５を連系リアクトルとし、電力系統１に接続された回路となる。この回路において、電力系統１の電圧に対してインバータ７の出力電圧の位相、振幅を変えることで直流電車５からの回生電力を電力系統１に回生することができる。
【００２６】
また、整流器２３、２４から直流電車５へ力行電力を供給している場合、電力回生インバータ装置９により整流器２４（又は２３）の力率を補償することも考えられる。この場合、電力回生インバータ装置９の交流側を直接接続すると、整流器が転流する時に整流器２３、２４の線間が一瞬短絡されるモードにより、電力回生インバータ装置９から過大な電流が流れ、機器を破壊させることになる。このことから、リアクトル２５を設置することで、整流器の転流時の過電流を抑制することができる。
【００２７】
このように電力回生インバータ装置９のインバータ７の交流側をリアクトル２５を介してき電変電所の３巻線変圧器２２と整流器２４（又は２３）との間に接続したことで、設置スペースが小さい、低コストな電力回生インバータ装置９を構成することができる。また、この電力回生インバータ装置９は整流器２４（又は２３）の力率補償機能も有する。
【００２８】
第７の発明を示す実施例を図８に示す。図８では、電力系統１から変圧器２を介し、整流器３にて交流電力を直流電力に変換し、き電線４を介して直流電車５に電力を供給するき電変電所に、直流電車５からの回生電力を電力系統１に回生する電力回生インバータ装置９の交流側を単巻線変圧器２６を介してき電変電所の変圧器２と整流器３との間に接続した構成を示している。
【００２９】
本構成は、インバータ７の出力電圧が変圧器２と整流器３との間の電圧より低い場合に適用できる。
直流電車５の回生電力によって、直流電圧Ｅｄは上昇し、電力系統１から整流器３への電力供給は無くなり、インバータ７は単巻線変圧器２６と変圧器２の漏れインダクタンスを連系リアクトルとし、電力系統１に接続された回路となる。この回路において、電力系統１の電圧に対してインバータ７の出力電圧の位相、振幅を変えることで直流電車５からの回生電力を電力系統１に回生することができる。単巻線変圧器２６の結線例を図９に示す。
【００３０】
このように電力回生インバータ装置９のインバータ７の交流側を単巻線変圧器２６を介してき電変電所の変圧器２と整流器３との間に接続したことで、設置スペースが小さい、低コストな電力回生インバータ装置９を構成することができる。
第８の発明を示す実施例を図１０に示す。図１０では、電力系統１から変圧器２を介し、整流器３にて交流電力を直流電力に変換し、き電線４を介して直流電車５に電力を供給するき電変電所に、直流電車５からの回生電力を電力系統１に回生する電力回生インバータ装置９の交流側を単巻線変圧器２６、リアクトル２５を介してき電変電所の変圧器２と整流器３との間に接続した構成を示している。
【００３１】
本構成は、インバータ７の出力電圧が変圧器２と整流器３との間の電圧より低い場合、整流器３と電力回生インバータ装置９が同時に動作する時、整流器３の転流による線間短絡時に電力回生インバータ装置９からの過電流を抑制する場合に適用できる。
直流電車５の回生電力によって、直流電圧Ｅｄは上昇し、電力系統１から整流器３への電力供給は無くなり、インバータ７は単巻線変圧器２６と変圧器２の漏れインダクタンス、リアクトル２５を連系リアクトルとし、電力系統１に接続された回路となる。この回路において、電力系統１の電圧に対してインバータ７の出力電圧の位相、振幅を変えることで直流電車５からの回生電力を電力系統１に回生することができる。
【００３２】
また、整流器３から直流電車５へ力行電力を供給している場合、電力回生インバータ装置９により整流器３の力率を補償することも考えられる。この場合、電力回生インバータ装置９の交流側を単巻線変圧器２６を介して接続すると、この単巻線変圧器２６の漏れインダクタンスによって、整流器３の転流時による電力回生インバータ装置９からの過大な電流を抑制できると考えられる。しかし、単巻線変圧器２６の漏れインダクタンスだけでは抑制効果が充分得られない場合は、電力回生インバータ装置９から過大な電流が流れ、機器を破壊させることになる。このことから、リアクトル２５を設置することで、整流器３の転流時の過電流を抑制することができる。
【００３３】
このように電力回生インバータ装置９のインバータ７の交流側をリアクトル２５、単巻線変圧器２６を介してき電変電所の変圧器２と整流器３との間に接続したことで、設置スペースが小さい、低コストな電力回生インバータ装置９を構成することができる。また、この電力回生インバータ装置９は整流器３の力率補償機能も有する。
【００３４】
【発明の効果】
電力回生インバータ装置の交流側を直接、又はリアクトルあるいは単巻線変圧器を介してき電変電所の変圧器と整流器の間に接続することで設置スペースが小さく、低コストな電力回生インバータ装置を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の発明の実施例を示す構成図である。
【図２】第２の発明の実施例を示す構成図である。
【図３】直流変換装置の構成図である。
【図４】第３の発明の実施例を示す構成図である。
【図５】第４の発明の実施例を示す構成図である。
【図６】第５の発明の実施例を示す構成図である。
【図７】第６の発明の実施例を示す構成図である。
【図８】第７の発明の実施例を示す構成図である。
【図９】単巻線変圧器の結線例を示す図である。
【図１０】第８の発明の実施例を示す構成図である。
【図１１】従来技術を示す構成図である。
【図１２】直流電車の構成例を示す図である。
【図１３】インバータの構成例を示す図である。
【図１４】インバータの動作原理を示す図である。
【符号の説明】
１…電力系統、２…変圧器、３…整流器、４…き電線、５…直流電車、６…リアクトル、７…インバータ、８…変圧器、９…電力回生インバータ装置、１０…パンタグラフ、１１…コンデンサ、１２…電力変換器、１３…モータ、１４…コンデンサ、１５ａ〜１５ｆ…自己消弧型半導体素子、１６ａ〜１６ｆ…ダイオード、１７…直流変換装置、１８…コンデンサ、１９…リアクトル、２０…自己消弧型半導体素子、２１…ダイオード、２２…３巻線変圧器、２３…整流器、２４…整流器、２５…リアクトル、２６…単巻線変圧器

Claims

電力系統から電気車へ電力を供給するために変圧器、ダイオードまたはサイリスタからなる整流器で構成されたき電変電所に設置され、電気車からの回生電力を電力系統に回生するためのインバータ装置の交流側を直接き電変電所の変圧器と整流器との間に接続することを特徴とした電力回生インバータ装置。
電力系統から電気車へ電力を供給するために変圧器、ダイオードまたはサイリスタからなる整流器で構成されたき電変電所に設置され、電気車からの回生電力を電力系統に回生するインバータ装置の直流側に直流変換装置を接続し、交流側を直接き電変電所の変圧器と整流器との間に接続することを特徴とした電力回生インバータ装置。
電力系統から電気車へ電力を供給するために３巻変圧器、ダイオードまたはサイリスタからなる整流器で構成されたき電変電所に設置され、電気車からの回生電力を電力系統に回生するインバータ装置の交流側を直接き電変電所の３巻変圧器と整流器との間に接続することを特徴とした電力回生インバータ装置。
電力系統から電気車へ電力を供給するために変圧器、ダイオードまたはサイリスタからなる整流器で構成されたき電変電所に設置され、電気車からの回生電力を電力系統に回生するインバータ装置の交流側をリアクトルを介してき電変電所の変圧器と整流器との間に接続することを特徴とした電力回生インバータ装置。
電力系統から電気車へ電力を供給するために変圧器、ダイオードまたはサイリスタからなる整流器で構成されたき電変電所に設置され、電気車からの回生電力を電力系統に回生するインバータ装置の直流側に直流変換装置を接続し、交流側をリアクトルを介してき電変電所の変圧器と整流器との間に接続することを特徴とした電力回生インバータ装置。
電力系統から電気車へ電力を供給するために３巻変圧器、ダイオードまたはサイリスタからなる整流器で構成されたき電変電所に設置され、電気車からの回生電力を電力系統に回生するインバータ装置の交流側をリアクトルを介してき電変電所の３巻変圧器と整流器との間に接続することを特徴とした電力回生インバータ装置。
電力系統から電気車へ電力を供給するために変圧器、ダイオードまたはサイリスタからなる整流器で構成されたき電変電所に設置され、電気車からの回生電力を電力系統に回生するインバータ装置の交流側を単巻線変圧器を介してき電変電所の変圧器と整流器との間に接続することを特徴とした電力回生インバータ装置。
電力系統から電気車へ電力を供給するために変圧器、ダイオードまたはサイリスタからなる整流器で構成されたき電変電所に設置され、電気車からの回生電力を電力系統に回生するインバータ装置の交流側を単巻線変圧器、リアクトルを介してき電変電所の変圧器と整流器との間に接続することを特徴とした電力回生インバータ装置。