| 【発明の名称】 |
電気車制御装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】萩 原 純 一
【氏名】山 本 城 二
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| 【要約】 |
【課題】通常時の補助電力変換器の動作時の騒音を従来の程度に抑えたまま、主電動機駆動用の主電力変換器の小形、軽量化を実現し得る電気車制御装置を提供する。
【解決手段】直流電力を可変電圧可変周波数の交流電力に変換して複数台の電気車駆動電動機に供給する複数台の主電力変換器と、直流電力を定電圧定周波数の交流電力に変換して電気車補助回路に供給する補助電力変換器と、補助電力変換器の異常時に、複数台の主電力変換器のうちの予め定められた1台の主電力変換器を、電気車駆動電動機から電気車補助回路に切替接続する切替接続手段とを備え、複数台の主電力変換器は2レベル方式の主回路構成とし、補助電力変換器は3レベル方式の主回路構成としたことを特徴とするものである。 |
【特許請求の範囲】
【請求項1】直流電力を可変電圧可変周波数の交流電力に変換して複数台の電気車駆動電動機に供給する複数台の主電力変換器と、直流電力を定電圧定周波数の交流電力に変換して電気車補助回路に供給する補助電力変換器と、前記補助電力変換器の異常時に、前記複数台の主電力変換器のうちの予め定められた1台の前記主電力変換器を、前記電気車駆動電動機から前記電気車補助回路に切替接続する切替接続手段と、を備え、前記複数台の主電力変換器は2レベル方式の主回路構成とし、前記補助電力変換器は3レベル方式の主回路構成としたことを特徴とする電気車制御装置。 【請求項2】予め定められた1台の前記主電力変換器は、主電力変換器用として機能させる第1の制御部と補助電力変換器用として機能させる第2の制御部とを有し、前記切替接続手段はこの主電力変換器を前記電気車補助回路に切替接続する場合に、前記第1の制御部から前記第2の制御部に切替えることを特徴とする請求項1に記載の電気車制御装置。 【請求項3】前記第2の制御部は、前記電気車補助回路に切替接続される前記主電力変換器のスイッチング周波数を、切替え前に制御されていた前記補助電力変換器のスイッチング周波数よりも高いスイッチング周波数で制御することを特徴とする請求項2に記載の電気車制御装置。 【請求項4】前記電気車補助回路に切替接続される前記主電力変換器の切替え後の保護セット値を、切替え前に電気車駆動電動機用として機能していた時の保護セット値よりも大きい値に変更することを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の電気車制御装置。 【請求項5】前記電気車補助回路に切替接続される前記主電力変換器の出力経路に誘導性のフィルタを接続したことを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の電気車制御装置。
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【発明の詳細な説明】【0001】 【発明の属する技術分野】本発明は、直流電力を可変電圧可変周波数(VVVF)の交流電力に変換して電気車駆動電動機に供給する複数台の主電力変換器と、定電圧定周波数(CVCF)の交流電力に変換して電気車補助回路に供給する補助電力変換器とを備える電気車制御装置に関する。 【0002】 【従来の技術】この種の電気車制御装置において、補助電力変換器(以下、CVCFインバータとも言う)の異常時等に、電気車補助回路に対していずれか1台の主電力変換器(以下、VVVFインバータとも言う)を切替接続している。この切替接続機能を有する電気車制御装置の構成を図4に示す。 【0003】同図において、直流1500Vの架線からパンタグラフ1を介して集電された直流電圧は、それぞれ断流器2と、フィルタリアクトル3及びフィルタコンデンサ4で構成される逆L−Cフィルタとを通して、VVVFインバータ5a〜5d及びCVCFインバータ9に供給される。 【0004】このうち、VVVFインバータ5a〜5dはそれぞれ直流電力を可変電圧可変周波数の交流電力に変換して電気車駆動用電動機(以下、主電動機と略記する)6a〜6dに供給するものであり、CVCFインバータ9は直流電力を定電圧定周波数の交流電力に変換し、三相交流フィルタ回路10及び三相変圧器11を介して、電気車補助回路に供給するものである。この場合、VVVFインバータ5dと主電動機6dとが、切替接触器8の1組の切替設点が端子x側に保持された状態で接続され、この切替接点がy側に切替えられたとき、VVVFインバータ5dと三相交流フィルタ回路10とが接続される構成になっている。また、CVCFインバータ9と三相交流フィルタ回路10とが、切替接触器8のもう1組の切替接点が端子x側に保持された状態で接続され、この切替接点がy側に切替えられたとき、CVCFインバータ9は三相交流フィルタ回路10から切り離される。切替接触器8はCVCFインバータ9が正常に動作しているとき、切替接点を端子x側に保持して、VVVFインバータ5dの出力を主電動機6dに供給すると共に、CVCFインバータ9の出力を電気車補助回路に供給し、CVCFインバータ9の異常時には切替接点を端子y側に切替えてVVVFインバータ5dの出力を電気車補助回路に供給する機能を有している。 【0005】このため、VVVFインバータ5dの制御部7は、制御用共通部7aを介して、VVVF制御部7bから制御信号を出力したり、CVCF制御部7cから制御信号を出力したりする構成になっている。このため、切替接触器8は制御用共通部7aに対して端子x側に保持してVVVF制御部7bに接続し、CVCFインバータ9の異常時には端子y側に切替えてCVCF制御部7cを接続するもう一つ他の切替接点を有している。 【0006】ここで、VVVFインバータ5a〜5d及びCVCFインバータ9はそれぞれ還流用ダイオードが逆並列接続されたGTOサイリスタを三相ブリッジ接続した構成になっているが、GTOサイリスタの代わりにIGBTを用いることもできる。また、VVVFインバータ5dの制御部7はVVVF制御部7b及びCVCF制御部7cの両方を備えているが、VVVFインバータ5dとCVCFインバータ9とは主回路構成が同一であるため、CVCF制御部7cの代わりに図示を省略したCVCFインバータ9の制御部をそのまま用いても良い。なおまた、図4には、1台のVVVFインバータがそれぞれ1台の主電動機に駆動電力を供給する構成のものを示したが、1台のVVVFインバータが2台の主電動機に駆動電力を供給する構成とすることもできる。 【0007】ところで、図4に示したVVVFインバータ5a〜5d及びCVCFインバータ9は、説明の簡単化のためにいずれも主回路素子のスイッチングにより入力電圧を0Vと1500Vの2通りのパターンで制御する、いわゆる、2レベル方式の主回路構成のものを例示したが、実際にはどちらのインバータも、入力直流電圧を0Vと1500Vのほかに、その中間の電圧である750Vも含めた3通りのパターンで制御する、いわゆる、3レベル方式の主回路構成でなるものが主流になっている。 【0008】 【発明が解決しようとする課題】上記2レベル方式あるいは3レベル方式の選択は、主回路素子の耐圧及び最大スイッチング周波数によるところが大きい。これは特にCVCFインバータではリアクトル、変圧器などの磁気騒音の低いことが要求されるためであり、その意味からもCVCFインバータでは3レベル方式が採用されているのが現状である。主回路素子、例えば、IGBTなどの耐圧が2000V程度しかないような場合にはVVVFインバータにおいても主回路構成は必然的に3レベル方式を採用せざるを得ないが、主回路素子としておよそ3300V程度まで耐える性能のものが出現した段階では、騒音面で制約を受けるCVCFインバータと比較してより制約の少ないVVVFインバータにおいては2レベル方式を採用した方が素子数が削減されるなど、小形、軽量化において有利である。 【0009】従来は、上述したような高耐圧の素子がなかったため、VVVFインバータ、CVCFインバータの両方とも3レベル方式を採用せざるを得ず、電力変換装置の外形形状、質量共に大きいものになっていた。 【0010】本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、通常時のCVCFインバータの動作時の騒音を従来の程度に抑えたまま、主電動機駆動用のVVVFインバータの小形、軽量化を実現し得る電気車制御装置を提供することを目的とする。 【0011】 【課題を解決するための手段】請求項1に係る発明は、直流電力を可変電圧可変周波数の交流電力に変換して複数台の電気車駆動電動機に供給する複数台の主電力変換器と、直流電力を定電圧定周波数の交流電力に変換して電気車補助回路に供給する補助電力変換器と、補助電力変換器の異常時に、複数台の主電力変換器のうちの予め定められた1台の主電力変換器を、電気車駆動電動機から電気車補助回路に切替接続する切替接続手段と、を備え、複数台の主電力変換器は2レベル方式の主回路構成とし、補助電力変換器は3レベル方式の主回路構成としたことを特徴とする電気車制御装置である。 【0012】請求項2に係る発明は、請求項1に記載の電気車制御装置において、予め定められた1台の主電力変換器は、主電力変換器用として機能させる第1の制御部と補助電力変換器用として機能させる第2の制御部とを有し、切替接続手段はこの主電力変換器を電気車補助回路に切替接続する場合に、第1の制御部から第2の制御部に切替えることを特徴とするものである。 【0013】請求項3に係る発明は、請求項2に記載の電気車制御装置において、第2の制御部は、電気車補助回路に切替接続される主電力変換器のスイッチング周波数を、切替え前に制御されていた補助電力変換器のスイッチング周波数よりも高いスイッチング周波数で制御することを特徴とするものである。 【0014】請求項4に係る発明は、請求項1ないし3のいずれかに記載の電気車制御装置において、電気車補助回路に切替接続される主電力変換器の切替え後の保護セット値を、切替え前に電気車駆動電動機用として機能していた時の保護セット値よりも大きい値に変更することを特徴とするものである。 【0015】請求項5に係る発明は、請求項1ないし4のいずれかに記載の電気車制御装置において、電気車補助回路に切替接続される主電力変換器の出力経路に誘導性のフィルタを接続したことを特徴とするものである。 【0016】 【発明の実施の形態】以下、本発明を好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。図1は本発明の第1の実施形態の構成を示す回路図である。図中、2レベル方式の主回転構成でなる従来装置を示す図4と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。ここでは、電気車保護回路に三相交流電力を供給する電力変換系統の構成が図4と構成を異にし、これ以外は図4に示す従来の装置と同一に構成されている。 【0017】ここで、電気車保護回路に三相交流電力を供給する系統には、従来のフィルタコンデンサ4の代わりに、容量が同一のフィルタコンデンサ4A,4Bの直列接続回路が設けられている。また、フィルタコンデンサ4A,4Bの直列接続回路の両端と、フィルタコンデンサ4A,4Bの相互接続点とをそれぞれ入力端とするCVCFインバータ9Aが従来のCVCFインバータ9の代わりに設けられている。 【0018】CVCFインバータ9Aは3レベル方式の主回路構成としたもので、その詳細な構成を図2に示す。同図において、フィルタコンデンサ4A,4Bの直列接続回路の両端から導出される正電圧母線Pと、負電圧母線Nとの間に耐圧が略等しいGTOサイリスタT11,T12,T41,T42の直列接続回路と、GTOサイリスタT21,T22,T51,T52の直列接続回路と、GTOサイリスタT31,T32,T61,T62の直列接続回路とが並列に接続されている。これらのGTOサイリスタT11,T12,・・・,T61,T62にはそれぞれ還流用のダイオードD11,D12,・・・,D61,D62が逆並列に接続されている。 【0019】一方、フィルタコンデンサ4A,4Bの相互接続点から中間電圧母線Mが導出され、この中間電圧母線Mに還流用のダイオードD13、D23,D33の各アノードが接続され、これら還流用のダイオードD13、D23,D33のカソードがGTOサイリスタT11とT12の相互接続点、GTOサイリスタT21とT22の相互接続点、GTOサイリスタT31とT32の相互接続点にそれぞれ接続されている。また、中間電圧母線Mに還流用のダイオードD43、D53,D63の各カソードが接続され、これら還流用のダイオードD43、D53,D63のアノードがGTOサイリスタT41とT42の相互接続点、GTOサイリスタT51とT52の相互接続点、GTOサイリスタT61とT62の相互接続点にそれぞれ接続されている。 【0020】また、GTOサイリスタが4個直列接続された各中間点、すなわち、GTOサイリスタT12とT41の相互接続点、GTOサイリスタT22とT51の相互接続点、GTOサイリスタT32とT61の相互接続点がそれぞれ電気車保護回路に三相交流電力を供給する端子U,V,Wに接続されている。端子U,V,Wは前述の切替接触器8の切替接点を介して、図2においては、図示を省略した三相交流フィルタ回路10に接続されている。 【0021】上記のように構成された本実施形態の動作について、特に従来装置と構成を異にする部分を中心にして以下に説明する。先ず、CVCFインバータ9Aが正常である場合、前述した通り、直流1500Vの架線からパンタグラフ1を介して集電された直流電圧は、それぞれ断流器2とフィルタリアクトル3及びフィルタコンデンサ4で構成される逆L−Cフィルタとを通して、VVVFインバータ5a〜5dに供給され、さらに、断流器2とフィルタリアクトル3及びフィルタコンデンサ4A,4Bで構成される逆L−Cフィルタとを通してCVCFインバータ9Aに供給される。このうち、VVVFインバータ5a〜5dはそれぞれ直流電力を交流電力に変換して主電動機6a〜6dに供給し、CVCFインバータ9Aは直流電力を交流電力に変換し、三相交流フィルタ回路10及び三相変圧器11を介して、電気車補助回路に供給する。 【0022】次に、CVCFインバータ9Aの異常時には、切替接触器8の接点がそれぞれ端子xから端子y側に切替接続され、VVVFインバータ5dから定電圧定周波数の三相交流電圧が出力され、三相交流フィルタ回路10及び三相変圧器11を介して、図示省略の電気車補助回路に供給される。 【0023】ところで、上述したVVVFインバータ5a〜5dは主回路素子をスイッチングすることにより入力直流電圧を0Vと1500Vの2通りのパターンで制御する、いわゆる、2レベル方式の主回路構成になっているが、CVCFインバータ9Aは、入力直流電圧を0Vと1500Vの他にその中間の電圧である750Vをも含めた3通りのパターンで制御する、いわゆる、3レベル方式の主回路構成になっている。この3レベル方式のインバータは2レベル方式のインバータに対して高調波の含有率が少ないため、リアクトル等で発生する磁気騒音が低くなる利点がある。 【0024】次に、図2を参照して3レベル方式としてのCVCFインバータ9Aの概略動作を説明する。ここで、パンタグラフ1によって集電された1500Vの直流点圧は容量の等しいフィルタコンデンサ4A,4Bによって分圧され、中間電圧母線Mに750Vが発生する。ここで、電気車補助回路に三相交流電圧を供給する端子U,V,Wのうち、端子U及びVに着目する。いま、GTOサイリスタT11及びT12をオン状態とし、かつ、GTOサイリスタT51をオン状態にすれば、端子Vから見て端子Uにはフィルタコンデンサ4Aの両端電圧である+750Vが出力される。この時、負荷電流はフィルタコンデンサ4Aの正極→GTOサイリスタT11→GTOサイリスタT12→端子U→負荷回路→端子V、GTOサイリスタT51→ダイオードD53→フィルタコンデンサ4Aの負極の経路で流れる。続いて、GTOサイリスタT11及びT12をオン状態としたまま、GTOサイリスタT51及びT52をオン状態にすれば、端子Vから見て端子Uにはフィルタコンデンサ4A,4Bの直列接続回路の両端電圧である+1500Vが出力される。この時、負荷電流はフィルタコンデンサ4Aの正極→GTOサイリスタT11→GTOサイリスタT12→端子U→負荷回路→端子V、GTOサイリスタT51→GTOサイリスタT52→フィルタコンデンサ4Bの負極の経路で流れる。次に、GTOサイリスタT52をオフ状態にすることにより、端子Vから見て端子Uにフィルタコンデンサ4Aの両端電圧である+750Vが出力され、上述した経路で負荷電流が流れる。 【0025】次に、GTOサイリスタT22をオン状態とし、かつ、GTOサイリスタT41及びT42をオン状態にすれば、端子Vから見て端子Uにはフィルタコンデンサ4Bの両端電圧である−750Vが出力される。この時、負荷電流はフィルタコンデンサ4Bの正極→ダイオードD23→GTOサイリスタT22→端子V→負荷回路→端子U→、GTOサイリスタT41→GTOサイリスタT42→フィルタコンデンサ4Bの負極の経路で流れる。続いて、GTOサイリスタT41及びT42をオン状態としたまま、GTOサイリスタT21及びT22をオン状態にすれば、端子Vから見て端子Uにはフィルタコンデンサ4A,4Bの直列接続回路の両端電圧である−1500Vが出力される。この時、負荷電流はフィルタコンデンサ4Aの正極→GTOサイリスタT21→GTOサイリスタT22→端子V→負荷回路→端子U→GTOサイリスタT41→GTOサイリスタT42→フィルタコンデンサ4Bの負極の経路で流れる。次に、GTOサイリスタT21をオフ状態にすることにより、上述したと同様に、端子Vから見て端子Uにフィルタコンデンサ4Bの両端電圧である−750Vが出力され、上述した経路で負荷電流が流れる。 【0026】以上、端子U,V間の1サイクル分の電圧の発生及び電流経路について説明したが、他の端子間の電圧の発生及び電流経路は、順次隣りのアームの対応するGTOサイリスタを同様にオン、オフ制御することにより説明でき、負の半サイクルにおいては中間電圧母線Mから見て、反対側の対応するGTOサイリスタをオン、オフ制御することにより説明できるので、以下、その説明を省略する。 【0027】ところで、このCVCFインバータ9Aの異常時に、切替接触器8は制御用共通部7aに対してVVVF制御部7bとCVCF制御部7cとを切替接続する。しかして、3レベル方式のCVCFインバータ9Aから2レベル方式のCVCFインバータに切替えられることになる。このとき、3レベル方式のCVCFインバータ9Aと同一の周波数でVVVFインバータ5dをオン、オフ制御すると磁気騒音は当然のことながら大きくなる。この実施形態では三相交流フィルタ回路10を構成するリアクトルや三相変圧器11の温度上昇の許せる限りスイッチング周波数を増大する方向に制御することにより、磁気騒音の増大を抑えている。このように、磁気騒音の増大を抑えたとしても、3レベル方式と比較して騒音レベルが若干増加する可能性があるものの、CVCFインバータ9Aの異常時のみに限定されるため、その影響は少ない。 【0028】また、CVCFインバータ9AからVVVFインバータ5dへの切替前後には制御方式が異なるため、保護動作に関しても、例えば、入力過電圧の保護設定値がVVVF制御部7bを用いる時の2000VからCVCF制御部7cを用いるときに2400Vというように切替えるようにしている。すなわち、入力電圧が2000Vの保護レベルを越えたことにより電気車駆動用電動機が停止に至った場合でも、車内灯、空気調和機等の動作を継続させることができる。 【0029】かくして、図1及び図2に示した第一の実施形態によれば、複数台の電気車駆動電動機に供給する複数台の主電力変換器を2レベル方式の主回路構成とし、電気車補助回路に供給する補助電力変換器を3レベル方式の主回路構成としたので、通常時のCVCFインバータの動作時の騒音を従来程度に抑えたまま、主電動機駆動用のVVVFインバータの小形、軽量化を実現することができる。 【0030】図3は本発明の第2の実施形態の構成を示す回路図である。図中、図1と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。ここでは、電気車保護回路に切替接続されるVVVFインバータ5dの出力回路に、フェライトコアを有するインダクタンスでなる高調波除去用の誘導性フィルタ12を設けた点が構成上異なっている。これによって、VVVFインバータ5dをCVCFインバータとして制御した場合のスイッチング周波数の違いによる高調波成分を除去することができる。 【0031】なお、上記の実施形態ではVVVFインバータ5a〜5d及びCVCFインバータ9Aの主回路を構成するスイッチング素子としてGTOサイリスタを用いたが、GTOサイリスタの代わりにIGBTを用いることもできる。 【0032】 【発明の効果】以上の説明によって明らかなように、請求項1に係る発明によれば、車両停止時においても、連続的に電磁騒音を発生する電気車補助回路用の定電圧定周波数型の補助電力変換器として主回路構成が3レベル方式のものを採用したので、高調波含有率を低く抑えることにより低騒音化が図られ、その一方で複数台の電気車駆動電動機に可変電圧可変周波数の交流電力を供給する複数台の主電力変換器として主回路構成が2レベル方式のものを採用したので、回路構成が簡易化されるとともに、小形、軽量化をも満足させる電気車制御装置が得られる。 【0033】請求項2に係る発明によれば、予め定められた1台の主電力変換器が可変電圧可変周波数の交流電力に変換する第1の制御部と、定電圧定周波数の交流電力に変換する第2の制御部とを備えているので、補助電力変換器の故障等の異常時に即応できる効果もある。 【0034】請求項3に係る発明によれば、第2の制御部は、電気車補助回路に切替接続されるときのスイッチング周波数を、切替え前よりも高くするので、電磁騒音を低減することができる。 【0035】請求項4に係る発明によれば、電気車補助回路に切替接続される主電力変換器の切替え後の保護セット値を、切替え前に電気車駆動電動機用として機能していた時の保護セット値に対して高い値に変更するので、電気車駆動用電動機が停止に至った場合でも、車内灯、空気調和機等の動作を継続させることができる。 【0036】請求項5に係る発明によれば、電気車補助回路に切替接続される主電力変換器の出力経路に誘導性のフィルタを接続したので、スイッチング周波数の違いによるノイズの増大を抑える効果もある。
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| 【出願人】 |
【識別番号】000221177 【氏名又は名称】東芝トランスポートエンジニアリング株式会社 【識別番号】000003078 【氏名又は名称】株式会社東芝
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| 【出願日】 |
平成9年(1997)8月26日 |
| 【代理人】 |
【弁理士】 【氏名又は名称】佐藤 一雄 (外3名)
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| 【公開番号】 |
特開平11−69501 |
| 【公開日】 |
平成11年(1999)3月9日 |
| 【出願番号】 |
特願平9−229867 |
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