| 【発明の名称】 |
交流電気車の制御装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】寺澤 清
【氏名】三宅 亙
【氏名】稲荷田 聡
【氏名】小澤 寛之
【氏名】佐川 哲
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| 【要約】 |
【課題】ＰＷＭコンバータにより電源系統に発生した高調波成分を、電流検出器やフィルタを使用することなく、高調波低減用ＰＷＭコンバータによりこの高調波を精度よく低減し、低コスト化することにある。
【解決手段】ＰＷＭコンバータ４ａ，４ｂは、コンバータ入力側に発生すべき交流電圧の基本波を変調波として制御回路１１ａ，１１ｂでＰＷＭ制御を行い、得られたゲート信号にしたがってＰＷＭ動作する。高調波低減用ＰＷＭコンバータの制御回路１２では、制御回路１１ａ，１１ｂから取込んだゲート信号から同じく取込んだ変調波を引算して打消したい高調波成分を得る。これを逆位相としたものを高調波低減用ＰＷＭコンバータ８の変調波としてＰＷＭ制御を行い、ＰＷＭコンバータ４ａ，４ｂによって発生した打消したい高調波成分と同周波数成分で逆位相の高調波を主変圧器３の１次側に発生し、その高調波成分を打消す。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 交流を電源とする電気車において、主変圧器により降圧された交流電圧を直流電圧に電力変換する駆動用ＰＷＭコンバータと、駆動用ＰＷＭコンバータの出力を交流変換して電動機に供給するインバータと、駆動用ＰＷＭコンバータのスイッチング動作により電源系統に発生した高調波を打ち消すための高調波低減用ＰＷＭコンバータを備え、前記駆動用ＰＷＭコンバータのゲート信号と変調波信号を取り込み、これらに基づいて高調波低減制御を実施することを特徴とした交流電気車の制御装置。
【請求項２】 請求項１において、前記駆動用ＰＷＭコンバータのゲート信号と変調波を使って前記高調波低減用ＰＷＭコンバータのＰＷＭ制御を行う機能を付加した駆動用ＰＷＭコンバータの制御回路を有することを特徴とした交流電気車の制御装置。
【請求項３】 請求項１において、前記駆動用ＰＷＭコンバータのゲート信号と変調波を出力する駆動用ＰＷＭコンバータ制御回路と、前記ゲート信号と変調波に基づいて前記高調波低減用ＰＷＭコンバータのＰＷＭ制御を行う高調波低減用ＰＷＭコンバータ制御回路を有することを特徴とした交流電気車の制御装置。
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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、交流電気車において架線電圧を直流電圧に変換するパルス幅変調制御コンバータ（以下、駆動用ＰＷＭコンバータと云う。）より電力系統に発生する高調波成分を打ち消す機能を備えた交流電気車の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】交流電気車の制御装置の電源系統に発生した高調波成分を抑制する方法の一例として、図３に、特開平９−１５４２０３号公報に記載された交流電気車の制御装置の構成を示す。図３において、１は交流架線、２はパンタグラフ、３はパンタグラフ２と１次巻線３Ｐが電気的に接続され、１次巻線３Ｐに印加された交流電圧（例えば、ＡＣ２０ｋＶ）を降圧する主変圧器、４ａ，４ｂは主変圧器３の各２次巻線３Ｓに接続され、交流電圧を例えばＤＣ１８００Ｖの直流に変換する駆動用ＰＷＭコンバータ、５は駆動用ＰＷＭコンバータ４の出力に接続され、直流電圧を可変電圧可変周波数の交流に変換し、車両駆動用の誘導電動機６に供給する可変電圧可変周波数インバータ（以下、ＶＶＶＦインバータと云う。）である。７は主変圧器３に設けられた３次巻線であり、この３次巻線７には高調波低減用ＰＷＭコンバータ８が接続されている。１２は高調波低減用ＰＷＭコンバータの制御回路である。１０は主変圧器３の２次巻線３Ｓに設置された２次側電流検出器であり、この２次側電流検出器１０は検出した２次側電流を高調波低減用ＰＷＭコンバータの制御回路１２に入力する。
【０００３】次に、従来装置の動作について説明する。まず初めに、交流電気車のＰＷＭコンバータによる電源系統側での高調波の発生について説明する。図３において、交流架線１からパンタグラフ２を介して主変圧器３の１次巻線３Ｐに交流電圧が印加されると、この交流電圧は降圧されて２次巻線３Ｓより各駆動用ＰＷＭコンバータ４ａ，４ｂに入力される。各駆動用ＰＷＭコンバータ４ａ，４ｂはパルス幅変調制御（以下、ＰＷＭ制御と云う。）を行うことによって、力率をほぼ１に保ちながら、交流電圧を直流電圧に電力変換し、一定の直流出力電圧をＶＶＶＦインバータ５に供給する。ＶＶＶＦインバータ５では、直流電圧を可変電圧可変周波数の交流電圧に変換して誘導電動機６のトルク・速度制御を行う。
【０００４】駆動用ＰＷＭコンバータ４ａ，４ｂに使用される主回路スイッチング素子は、自励形の大電力半導体を用いる必要があり、最近ではＧＴＯサイリスタやＩＧＢＴを使用している。これらの素子のスイッチング周波数は約５００Ｈｚ〜１５００Ｈｚ程度であり、駆動用ＰＷＭコンバータ４ａ，４ｂの動作により、主変圧器３の各々の２次巻線３Ｓにはスイッチング周波数の２倍の約１〜３ｋＨｚ程度の高調波成分が発生する。この各々の２次巻線３Ｓに発生した高調波は、お互いに位相差をつけることにより、主変圧器３の１次側においては、特定の高調波成分を打ち消すことができる。そのために、駆動用ＰＷＭコンバータ４ａ，４ｂを複数個設けて各々のＰＷＭ制御に位相差を設定して多重運転を行う場合がある。しかし、多くの駆動用ＰＷＭコンバータ４ａ，４ｂを設置することは難しく、一般には２〜４台程度であり、打消せなかったスイッチング周波数の整数倍（２×多重運転台数）の高調波成分が電源系統側に発生する。
【０００５】そこで、従来装置においては、主変圧器３の３次巻線７に高調波低減用ＰＷＭコンバータ８を接続し、駆動用ＰＷＭコンバータ４ａ，４ｂの多重運転により打消せなかった高調波成分を打ち消すように制御して、電源系統側に発生する高調波成分を抑制している。以下にその動作を述べる。高調波低減用ＰＷＭコンバータの制御回路１２は、２次側電流検出器１０より主変圧器３の２次側電流を入力し、バンドパスフィルタ（以下、ＢＰＦと云う。）を通して打消したい高調波成分（付近の信号機や通信設備に障害を与える恐れがある周波数帯、例えば１ｋＨｚ）を検出する。次に、検出成分の逆位相の成分（プラスとマイナスを逆にしたもの）をＰＷＭ制御部に入力して、高調波低減用ＰＷＭコンバ―タ８の入力電流制御パタンとする。この結果、高調波低減用ＰＷＭコンバータ８は、駆動用ＰＷＭコンバータ４ａ，４ｂによって発生した打消したい高調波成分と同周波数成分で逆位相の高調波を主変圧器３に発生させ、その高調波成分を打ち消す。高調波低減用ＰＷＭコンバータ８は、高調波の発生源である２次側電流から２次側電流検出器１０により高調波を検出しているため、高調波成分の打消しをフィードフォワード的な制御により行っていることとなる。
【０００６】この外に、高調波の検出手段としては、２次側電流検出器１０に代り１次側電流検出器を用いて１次側電流中の高調波成分を検出してフィードバック的に高調波低減する方法や、装置構成としては、主変圧器３次巻線の代りに２次巻線に接続したＰＷＭコンバータにより高調波を打ち消す方法があり、いずれも前述の特開平９−１５４２０３号公報に記載されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】このように従来の制御装置では、打消したい高調波を検出するために、１次巻線または２次巻線に流れる高調波成分を含んだ電流を電流検出器によって検出し、これをフィルタに通して高調波成分のみ取出すようにしている。この方法では、電流検出器の検出遅れやフィルタの位相特性が高調波の検出精度に大きく影響し、検出した高調波の位相が実際の高調波と少しでもずれると、高調波を打ち消す効果が著しく減少することとなる。したがって、高調波低減効果は、電流検出器の精度、周波数特性や、フィルタの性能に大きく依存しており、高調波に対応した高精度な電流検出器と性能の良いフィルタが必須となり、装置が高価となる。また、実際に流れている高調波成分を検出してから、これを打ち消すように制御するため、高調波低減用ＰＷＭコンバータの動作が少なからず遅れることとなり、特に、２次巻線から高調波成分を検出するフィードフォワード的制御では、高調波低減の効果が減少することとなる。
【０００８】本発明の課題は、上記のような問題点に鑑み、電源系統側に発生した高調波成分を精度よく低減し、かつ、低コストの交流電気車の制御装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記課題は、交流を電源とする電気車において、主変圧器により降圧された交流電圧を直流電圧に電力変換する駆動用ＰＷＭコンバータと、駆動用ＰＷＭコンバータの出力を交流変換して電動機に供給するインバータと、駆動用ＰＷＭコンバータのスイッチング動作により電源系統に発生した高調波を打ち消すための高調波低減用ＰＷＭコンバータを備え、前記駆動用ＰＷＭコンバータのゲート信号と変調波信号を取り込み、これらに基づいて高調波低減制御を実施することによって、解決される。ここで、駆動用ＰＷＭコンバータのゲート信号と変調波を使って高調波低減用ＰＷＭコンバータのＰＷＭ制御を行う機能を付加した駆動用ＰＷＭコンバータの制御回路を有する。また、駆動用ＰＷＭコンバータのゲート信号と変調波を出力する駆動用ＰＷＭコンバータ制御回路と、ゲート信号と変調波に基づいて高調波低減用ＰＷＭコンバータのＰＷＭ制御を行う高調波低減用ＰＷＭコンバータ制御回路を有する。
【００１０】本発明は、高調波発生源である駆動用ＰＷＭコンバータのスイッチング動作に関する情報を高調波低減用ＰＷＭコンバータに教えることができるため、高調波低減用ＰＷＭコンバータでは主変圧器の２次側電流にどのような高調波が発生するかを予め知ることができるので、電流検出器とフィルタを用いて高調波成分を検出する必要がなく、これらを省略して装置のコスト低減を図ることができる。また、高調波が発生することを前もって知ることにより、高調波を打ち消す動作が遅れずにすみ、高調波低減効果を向上させることができる。
【００１１】
【発明の実施形態】以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態による交流電気車の制御装置を示す。なお、図中、図３と同一符号の部分は図３に同一あるいは相当する部分である。図１において、７は主変圧器３に設けられた３次巻線であり、この３次巻線７には高調波低減用ＰＷＭコンバータ８が接続されている。１１ａ，１１ｂは駆動用ＰＷＭコンバータの制御回路である。１２は高調波低減用ＰＷＭコンバータの制御回路であり、制御回路１１ａ，１１ｂより駆動用ＰＷＭコンバータ４ａ，４ｂのゲート信号と変調波信号を取り込む。
【００１２】次に、本実施形態の動作について説明する。駆動用ＰＷＭコンバータ４ａ，４ｂは、コンバータ入力側に発生すべき交流電圧の基本波を変調波として制御回路１１ａ，１１ｂでＰＷＭ制御を行い、得られたゲート信号にしたがってＰＷＭ動作する。このとき、２次側電流には駆動用ＰＷＭコンバータ４ａ，４ｂのスイッチングによる高調波が発生する。これを打ち消すため、高調波低減用ＰＷＭコンバータ８では次の考えに基づいて制御する。ＰＷＭ制御回路１１ａ，１１ｂでは、変調波と搬送波との大小比較によりパルス状の波形を作ることで、変調波を基本波成分にもち、かつ、高調波成分を含んだ交流波形を生成する。よって、ＰＷＭ制御回路１１ａ，１１ｂにより得られたパルス状の波形からその基本波成分を引くことにより、高調波成分のみを特定することができる。言換えると、ＰＷＭ制御回路１１ａ，１１ｂにより得られたゲート信号波形から変調波を引算することで、そのＰＷＭ動作に起因する高調波成分を検出することができることとなる。このときのゲート信号波形と変調波および高調波成分の波形図を図４に示す。図４において、ゲート信号波形ＹGから変調波ＹCを引き算すると、高調波成分ＹHを得る。以上の考えに基づき、高調波低減用ＰＷＭコンバータの制御回路１２では、駆動用ＰＷＭコンバータの制御回路１１ａ，１１ｂから取込んだゲート信号から同じく取り込んだ変調波を引算して打消したい高調波成分を得る。これを逆位相としたものを高調波低減用ＰＷＭコンバータ８の変調波としてＰＷＭ制御を行う。この結果、高調波低減用ＰＷＭコンバータ８は、駆動用ＰＷＭコンバータ４ａ，４ｂによって発生した打消したい高調波成分と同周波数成分で逆位相の高調波を主変圧器３の１次側に発生し、その高調波成分を打ち消す。図１では、高調波低減用ＰＷＭコンバータ８を主変圧器３の３次巻線７に接続したものとしているが、２次巻線３Ｓに接続した場合でも同様の手法により、高調波成分を検出して高調波低減を図ることができる。
【００１３】図２は、本発明の他の実施形態を示す。なお、図中、図１と同一符号の部分は、図１に同一あるいは相当する部分である。図２において、１３は高調波低減用ＰＷＭコンバータ８の制御機能を備えた駆動用ＰＷＭコンバータ４ａの制御回路である。制御回路１３では、ＰＷＭ制御により駆動用ＰＷＭコンバータ４ａにゲート信号を与えると同時に、そのゲート信号から駆動用ＰＷＭコンバータ４ａの変調波を引算し、これを逆位相としたものを高調波低減用ＰＷＭコンバータ８の変調波としてＰＷＭ制御を行い、高調波低減用ＰＷＭコンバータ８にゲート信号を出力する。この結果、高調波低減用ＰＷＭコンバータ８は、駆動用ＰＷＭコンバータ４ａによって発生した打消したい高調波成分と同周波数成分で逆位相の高調波を主変圧器３の１次側に発生し、その高調波成分を打ち消す。図２では、高調波低減用ＰＷＭコンバータ８を主変圧器３の３次巻線７に接続したものとしているが、２次巻線３Ｓに接続した場合でも同様の手法により、高調波成分を検出して高調波低減を図ることができる。
【００１４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、駆動用ＰＷＭコンバータのスイッチングに起因する高調波の検出のために、高精度かつ高周波数対応の電流検出器と性能の良いフィルタを使用する必要がなく、これらを省略して装置のコスト低減を図ることができる。また、高調波の原因である駆動用ＰＷＭコンバータのスイッチング動作に即応して、高調波低減用ＰＷＭコンバータを制御するため、高調波低減効果の向上を図ることができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００５１０８
【氏名又は名称】株式会社日立製作所
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| 【出願日】 |
平成１１年１月２２日（１９９９．１．２２） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００９９３０２
【弁理士】
【氏名又は名称】笹岡 茂 （外１名）
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| 【公開番号】 |
特開２０００−２１７２０２（Ｐ２０００−２１７２０２Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年８月４日（２０００．８．４） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−１４２７２ |
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