| 【発明の名称】 |
交流電気車の駆動制御装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】矢島 敦
【氏名】長沼 克範
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| 【要約】 |
【課題】架線側電力変換装置で発生する高調波電流の発生周波数と、線路側の信号周波数との競合を避けることができる交流電気車の駆動制御装置を得ることである。
【解決手段】交流架線から単相交流電力変圧器で降圧させ、降圧された単相二次電圧を、架線側電力変換装置で搬送波の位相をずらしてＰＷＭ制御により直流電圧に変換する。この場合の搬送波は、パルスモード切換部で切り換えられて選択された周波数の搬送波である。そして、駆動側電力変換装置は、架線側電力変換装置により変換された直流電圧を三相交流に変換し、誘導電動機に供給する。これにより、架線側電力変換装置の主回路素子のスイッチングによって発生する高調波電流の発生周波数をずらす。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 交流架線から単相交流電力を一次側へ入力し降圧する主変圧器と、前記主変圧器の複数個の二次巻線に接続され、前記変圧器で降圧された単相二次電圧を搬送波の位相をずらしてＰＷＭ制御により直流電圧に変換する架線側電力変換装置と、前記架線側電力変換装置により変換された直流電圧を三相交流に変換する駆動側電力変換装置と、前記駆動側電力変換装置により変換された三相交流により駆動される誘導電動機とを備えた交流電気車を駆動制御する交流電気車の駆動制御装置において、前記架線側電力変換装置のＰＷＭ制御の搬送波周波数を切り換えるパルスモード切換部を備えたことを特徴とする交流電気車の駆動制御装置。
【請求項２】 前記架線側電力変換装置の故障を検出する故障検出部を設け、前記パルスモード切換部は、前記故障検出部が前記架線側電力変換装置の故障を検出したときは正常な前記架線側電力変換装置のＰＷＭ制御の搬送波周波数を切り換えることを特徴とする請求項１に記載の交流電気車の駆動制御装置。
【請求項３】 前記パルスモード切換部は、前記架線側電力変換装置の主回路素子のスイッチングにより発生する高調波電流周波数が前記交流電気車の線路側にて使用している信号周波数帯から外れるように、ＰＷＭ制御の搬送波周波数を切り換えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の交流電気車の駆動制御装置。
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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、単相交流電力を一旦直流に変換しさらに三相交流電力に変換して交流電気車を駆動制御する交流電気車の駆動制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】交流電気車では交流架線から電力の供給を受け、架線側電力変換装置にて単相交流電力を直流電力に変換し、駆動側電力変換装置にて直流電力を三相交流電力に変換して、複数台の誘導電動機を駆動している。
【０００３】図５は、そのような交流電気車の駆動制御装置のブロック図である。交流架線からパンタグラフ１０を介して単相交流電力を変圧器１１の一次側へ入力する。変圧器１１の二次巻線には架線側電力変換装置１２が接続され、変圧器１１で降圧された単相二次電圧を直流電圧に変換する。図５では２個の二次巻線が設けられ、一つの変圧器１１から２個の架線側電力変換装置１２に単相交流電力が供給されているものを示している。
【０００４】架線側電力変換装置１２により変換された直流電圧は駆動側電力変換装置１３で三相交流に変換され、誘導電動機１４に供給される。これにより、交流電気車が駆動される。
【０００５】架線側電力変換装置１２ではパルス幅変調制御（ＰＷＭ制御）による電力変換制御を行っており、主回路素子にＧＴＯサイリスタやＩＧＢＴ素子を使用してスイッチング制御している。一般に、主回路素子のスイッチング周波数（搬送波周波数）は架線周波数の整数倍に設定されており、主回路素子からの発生損失や電流制御能力、スイッチングにより発生する帰線電流高調波発生周波数により各条件を満足するように決定している。
【０００６】また、帰線電流高調波はＰＷＭ制御を行う電力変換装置として、高調波発生周波数をｆｈ、搬送波周波数をｆｃ，架線電源周波数をｆｓとすると、理論的に次の周波数が現れる。
【０００７】ｆｈ＝ｎ・ｆｃ±ｍ・ｆｓ （ｎ＝偶数、ｍ＝奇数）
例えば、ｎ＝２、ｍ＝１とし、搬送波周波数ｆｃを５００Ｈｚにすると、高調波発生周波数ｆｈは１０００Ｈｚとなり、１０００Ｈｚ付近での高調波電流値が最大値となる。
【０００８】ここで、交流電気車では１台の主変圧器１１と複数個Ｎの巻線（図５ではＮ＝２）に接続された架線側電力変換装置１２にて構成されるグループ（以下１ユニットとする）内で架線側電力変換装置１２の搬送波位相差を複数台Ｎの回路間にて均等間隔にずらして多重動作を行っている。すなわち、変圧器１１で降圧された単相二次電圧を、搬送波の位相をずらしてＰＷＭ制御により直流電圧に変換している。この場合には、高調波電流値の高調波発生周波数はｆｈ×Ｎ倍を中心に現れる。つまり、図５のように、Ｎ＝２である場合には２０００Ｈｚとなる。
【０００９】一方、線路側においては、電力供給以外にも所定の周波数帯の信号電流を流して保安情報等を車両に伝えるようにしている。この周波数は、ｌｋＨｚ〜５ｋＨｚの領域が多い。この周波数帯は架線側電力変換装置１２の多重運転の周波数領域と競合するため、架線側電力変換装置１２では、発生高調波周波数がこの信号周波数領域の特定周波数を避けるように、搬送波周波数を予め決定している。
【００１０】図６は、従来の架線側電力変換装置１２の制御ブロック図である。架線側電力変換装置１２は交流電力を直流電力に変換するために、以下に示すパルス幅変調制御（ＰＷＭ制御）を行っている。
【００１１】電圧制御部１５は、直流電力を求めるために、出力直流電圧検出値ＶＤと直流電圧指令値ＶＤＲとの偏差をとり交流入力電流値Ｉｍを演算する。この交流入力電流値量Ｉｍは電流制御部１６に入力される。電流制御部１６では、交流入力電流値量Ｉｍに位相同期部１７からの架線電圧ＶＳに同期したｓｉｎ波が乗算され二次電流指令値ＩｍＲを求め、さらに、この二次電流指令値ＩｍＲと入力電流検出値ＩＳとの偏差を求めて出力電圧指令値ＶＣＲを得る。出力電圧指令値ＶＣＲはＰＷＭ信号生成部１８に入力される。
【００１２】一方、位相同期部１７では、架線電圧ＶＳを電源位相同期信号演算手段１９に入力し、架線電圧の電源位相の同期信号を取り出して位相同期信号ｓｙｎを演算し、架線電圧ＶＳと電流制御の位相を同期させる。この位相同期信号ｓｙｎによりｓｉｎ波生成部２０にてｓｉｎ波を発生させ、電流制御部１６で交流入力電流値量Ｉｍに乗じて二次電流指令値ＩｍＲを得る。
【００１３】また、搬送波の演算は以下のように行われる。架線電圧検出値ＶＳから求めた位相同期信号ｓｙｎにパルスモードＰＭを乗じ、基準搬送波演算手段２１により基準搬送波ｆｃＲｅｆを求める。編成内の各号車の位相は号車認識コード等により行われ、位相設定部２２は号車設定を入力すると、編成内のＮ台の架線側電力変換装置１２の各々の位相角設定値を演算する。この各位相設定値ｃａｒと基準搬送波ｆｃＲｅｆとにより搬送波ｆｃＲを演算する。ＰＷＭ信号生成部１８は、この搬送波ｆｃＲと出力電圧指令値ＶＣＲによりＰＷＭ制御を行い、主回路素子のスイッチング論理を得る。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、編成内の交流電気車の架線側電力変換装置１２の何らかの故障により、多重運転での搬送波位相差の均等性が崩れると、高調波電流値の増加に繋がる。この場合には、残った架線側電力変換装置１２にて、再度、等間隔にて変調波位相差を再設定することになる。
【００１５】主変圧器１１と複数個の架線側電力変換装置１２で構成される１ユニット単位での架線側電力変換装置１２の数や架線側電力変換装置１２の搬送波周波数の設定値によっては、避けられない周波数帯もあった。
【００１６】本発明の目的は、架線側電力変換装置で発生する高調波電流の発生周波数と線路側の信号周波数との競合を避けることができる交流電気車の駆動制御装置を得ることである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係わる交流電気車の駆動制御装置は、交流架線から単相交流電力を一次側へ入力し降圧する主変圧器と、前記主変圧器の複数個の二次巻線に接続され、前記変圧器で降圧された単相二次電圧を搬送波の位相をずらしてＰＷＭ制御により直流電圧に変換する架線側電力変換装置と、前記架線側電力変換装置により変換された直流電圧を三相交流に変換する駆動側電力変換装置と、前記駆動側電力変換装置により変換された三相交流により駆動される誘導電動機とを備えた交流電気車を駆動制御する交流電気車の駆動制御装置において、前記架線側電力変換装置のＰＷＭ制御の搬送波周波数を切り換えるパルスモード切換部を備えたことを特徴とする。
【００１８】請求項１の発明に係わる交流電気車の駆動制御装置においては、交流架線から単相交流電力変圧器で降圧させ、降圧された単相二次電圧を、架線側電力変換装置で搬送波の位相をずらしてＰＷＭ制御により直流電圧に変換する。この場合の搬送波は、パルスモード切換部で切り換えられて選択された周波数の搬送波である。そして、駆動側電力変換装置は、架線側電力変換装置により変換された直流電圧を三相交流に変換し、誘導電動機に供給する。これにより、架線側電力変換装置の主回路素子のスイッチングによって発生する高調波電流の発生周波数をずらす。
【００１９】請求項２の発明に係わる交流電気車の駆動制御装置は、請求項１の発明において、前記架線側電力変換装置の故障を検出する故障検出部を設け、前記パルスモード切換部は、前記故障検出部が前記架線側電力変換装置の故障を検出したときは正常な前記架線側電力変換装置のＰＷＭ制御の搬送波周波数を切り換えることを特徴とする。
【００２０】請求項２の発明に係わる交流電気車の駆動制御装置においては、請求項１の発明の作用に加え、故障検出部が架線側電力変換装置の故障を検出したときは、パルスモード切換部は、自動的に正常な架線側電力変換装置のＰＷＭ制御の搬送波周波数を切り換える。
【００２１】請求項３の発明に係わる交流電気車の駆動制御装置は、請求項１または請求項２の発明において、前記パルスモード切換部は、前記架線側電力変換装置の主回路素子のスイッチングにより発生する高調波電流周波数が前記交流電気車の線路側にて使用している信号周波数帯から外れるように、ＰＷＭ制御の搬送波周波数を切り換えることを特徴とする。
【００２２】請求項３の発明に係わる交流電気車の駆動制御装置は、請求項１または請求項２の発明の作用に加え、架線側電力変換装置の主回路素子のスイッチングにより発生する高調波電流周波数が前記交流電気車の線路側にて使用している信号周波数帯から外れるように、ＰＷＭ制御の搬送波周波数を切り換える。
【００２３】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の実施の形態に係わる交流電気車の駆動制御装置のブロック図である。この実施の形態は、図５に示した従来例に対し、架線側電力変換装置１２内にＰＷＭ制御の搬送波周波数を切り換えるパルスモード切換部２３を設けたものである。
【００２４】図１では、主変圧器１１の２個の二次巻線にそれぞれか線側電力変換装置１２が接続された１ユニット単位の構成を示している。このような１ユニット単位では、交流架線１０からの交流電力を主変圧器１１にて降圧し、２個の架線側電力変換装置１２に電力を供給し、それぞれ直流電力に変換する。それぞれの架線側電力変換装置１２には、ＰＷＭ制御の搬送波周波数を切り換えるパルスモード切換部２３が設けられており、いずれかの架線側電力変換装置１２に故障が生じた場合には、正常な架線側電力変換装置１２のパルスモード切換部２３にて搬送波周波数を切り換える。
【００２５】図２は、本発明の実施の形態における架線側電力変換装置１２の制御ブロック図である。電圧制御部１５は、直流出力電圧をその指令値に追従させるものであり、出力直流電圧検出値ＩＤと直流電圧指令値ＶＤＲとの電圧偏差を演算し、交流入力電流値Ｉｍとして電流制御部１６に出力する。
【００２６】電流制御部１６では、電圧制御部１５からの交流入力電流値量Ｉｍに位相同期部１７からの架線電圧ＶＳに同期したｓｉｎ波を乗算し、二次電流指令値ＩｍＲを求め、さらに、この二次電流指令値ＩｍＲと入力電流検出値ＩＳとの偏差を求めて出力電圧指令値ＶＣＲを得る。出力電圧指令値ＶＣＲはＰＷＭ信号生成部１８に入力される。
【００２７】一方、位相同期部１７は交流入力電流と架線電圧との位相を同期させると共に、搬送波周波数を演算するものである。すなわち、位相同期部１７では、架線電圧ＶＳを電源位相同期信号演算手段１９に入力し、架線電圧の電源位相の同期信号を取り出して位相同期信号ｓｙｎを演算し、架線電圧ＶＳと電流制御の位相を同期させる。この位相同期信号ｓｙｎによりｓｉｎ波生成部２０にてｓｉｎ波を発生させ、電流制御部１６で交流入力電流値量Ｉｍに乗じて二次電流指令値ＩｍＲを得る。
【００２８】また、位相同期部１７の基準搬送波演算手段２１は、架線電圧検出値ＶＳから求めた位相同期信号ｓｙｎにパルスモード切換部２３からのパルスモードＰＭを乗じ、基準搬送波演算手段２１により基準搬送波ｆｃＲｅｆを求める。
【００２９】パルスモード切換部２３は、基準搬送波ｆｃＲｅｆの周波数を決定するものであり、複数個のパルスモードＰＭの設定値を持ち、１ユニット内の各号車の運転状況により、搬送波周波数の切り換えを可能としている。すなわち、同一編成内において、他号車の架線側電力変換装置１２が故障したときには、そのパルス数を切り換えることによって、架線側電力変換装置１２の主回路素子のスイッチングによって発生する高調波電流の発生周波数ををずらす。
【００３０】これにより、架線側電力変換装置１２の主回路素子のスイッチングによって発生する高調波電流の発生周波数を、保安情報等を車両に伝える信号電流の周波数とずらすようにしている。
【００３１】位相設定部２２は、編成内の自号車を認識してその号車の初期位相を設定するものであり、編成内の各号車の位相は号車認識コード等により行われ、位相設定部２２は号車設定を入力すると、編成内のＮ台の架線側電力変換装置１２の各々の位相角設定値を演算する。この各位相設定値ｃａｒと基準搬送波ｆｃＲｅｆとにより搬送波ｆｃＲを演算する。ＰＷＭ信号生成部１８は、この搬送波ｆｃＲと出力電圧指令値ＶＣＲによりＰＷＭ制御を行い、主回路素子のスイッチング論理を得る。
【００３２】ここで、図３に示すように、架線側電力変換装置１２にその故障を検出する故障検出部２４を設け、他号車の故障検出部２４がその架線側電力変換装置１２の故障を検出したときは自号車の正常な架線側電力変換装置１２のパルスモード切換部１２に故障信号を送信して、ＰＷＭ制御の搬送波周波数を切り換えるようにしても良い。
【００３３】すなわち、それぞれの架線側電力変換装置１２で互いの故障信号を入力して、搬送波周波数を切り換える。これにより、パルスモード切換部２３の切換を自動切換と、ユニット内の他号車の故障信号を入力したときは、パルスモードＰＭを自動的に切り換える。
【００３４】図４は、本発明の実施の形態に係わる交流電気車の監視制御装置の特性を示す特性図である。図４（ａ）は、ユニット内の２個の架線側電力変換装置１２が両者とも健全な状態での帰線電流高調波の発生状態を示す。
【００３５】いま、架線周波数ｆｓを５０Ｈｚとし、パルスモードＰＭを３０パルスとし（搬送波周波数ｆｃ＝ｆｓ×ＰＭ＝５０×３０＝１５００Ｈｚ）、ｎ＝２、ｍ＝１であるとする。また、線路側の保安信号の周波数帯が３ｋＨｚ付近に設定されているとする。２台の架線側電力変換装置１２（Ｎ＝２）であるから、発生高調波ｆｈは、下式で示される。
【００３６】
ｆｈ＝（ｎｆＣ±ｍｆｓ）・Ｎ＝（２・１５００Ｈｚ±１・５０Ｈｚ）・２＝６ｋＨｚ従って、発生高調波ｆｈは６ｋＨｚを中心に発生し、線路側の保安信号の周波数帯が３ｋＨｚ付近に設定されているので、２台の架線側電力変換装置１２は線路側の保安信号の周波数帯と競合することはない。
【００３７】この状態で、ユニット内の１台の架線側電力変換装置１２が故障等により停止した場合には、帰線電流高調波の発生状態は、図４（ｂ）に示すように、３ｋＨｚを中心に発生することになる。従って、１台の架線側電力変換装置１２が停止すると、帰線電流高調波は３ｋＨｚを中心に発生することになり、帰線電流高調波と保安信号の周波数とが一致して、保安信号に障害を与える可能性がある。
【００３８】そこで、このような場合に、パルスモード切替部４にてパルスモードＰＭを３０パルスから２５パルスに切り換える。従って、図４（ｃ）に示すように、発生する帰線電流高調波が２．５ｋＨｚとなり、線路側の保安信号周波数との競合が回避できる。
【００３９】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、架線側電力変換装置の故障によって、架線側電力変換装置の搬送波周波数を切り換えるので、高調波電流の発生周波数帯を変化させることができ、線路側の信号周波数との競合を避けることができる。従って、高調波電流による悪影響を避けることができる。
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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１３年３月８日（２００１．３．８） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００８３２３１
【弁理士】
【氏名又は名称】紋田 誠
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| 【公開番号】 |
特開２００２−２７１９０６（Ｐ２００２−２７１９０６Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１４年９月２０日（２００２．９．２０） |
| 【出願番号】 |
特願２００１−６４２２１（Ｐ２００１−６４２２１） |
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