JP2003070160A - 直流機器及びこれを用いた車両 - Google Patents
直流機器及びこれを用いた車両Info
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Abstract
れる交流成分を抑制すること。 【解決手段】 電力変換器8に印加される電圧を電圧検
出器7により検出し、この検出電圧Ecfに比例した電
圧を関数発生器14から出力するとともに電圧Ecfに
重畳した交流分をハイパスフィルタ101で検出し、こ
の交流分にバイアス電圧Ebを加算器103で加算し、
加算器103の出力と関数発生器14の出力とを加算器
14で加算し、加算器14の出力と三角波発生器13の
出力による三角波とを比較し、比較結果に応じてスイッ
チング素子12をスイッチング素子12をスイッチング
動作し、交流成分によって直流電流Idcが減少すると
きには抵抗電流Ibを増加させて、直流電流Idcと抵
抗電流Ibに重畳した交流成分を相殺する。
Description
特に、電源電流の交流成分が抑制された直流電圧を電源
として用いるに好適な直流機器およびこれを用いた車両
に関する。
電圧を電力変換器を用いて可変周波数・可変電圧の交流
電圧に変換し、電力変換器の出力により誘導機を制御
し、誘導機により、電気車を駆動する方式が広く普及し
ている。
線から電力変換器に供給された直流電圧の帰線電流を、
電気車が走行する軌道に流すようになっており、軌道
は、地上に設置される保安装置などが電気車の在線を検
知する軌道回路として利用されている。このため、電力
変換器の帰線電流に、軌道回路が利用する交流信号と同
一の周波数成分である障害電流が含まれていると、軌道
回路が誤動作する可能性がある。したがって、軌道を走
行する電気車を誘導機によって駆動するに際しては、帰
線電流に含まれる障害電流を除去する必要がある。な
お、軌道に流れる帰線電流とフィルタリアクトルに流れ
る架線電流は同じ値であるため、以下では、特に区別が
必要な場合を除いて架線電流で統一する。
力変換器との間に設けられたフィルタリアクトルやフィ
ルタコンデンサにより除去することはできるが、分倍周
軌道回路のように、低い周波数、例えば、25Hzまた
は30Hzを用いる軌道回路に対応させるためには、フ
ィルタリアトルのインダクタンスやフィルタコンデンサ
の容量を大きくする必要がある。しかし、これらの素子
の容量を大きくすると重量が増加し、加減速性能が低下
したり消費電力が増加したりするなどの問題が発生す
る。
に記載されているように、フィルタコンデンサの両端電
圧に含まれる障害電流成分を検出し、この検出出力を基
に誘導機の周波数を操作することにより、障害電流を減
少させる方式が提案されている。
接続された抵抗器とスイッチング素子を接続し、抵抗器
と並列にダイオードを接続し、フィルタコンデンサの両
端電圧を電圧検出器により検出し、電圧検出器の出力を
関数発生器に入力し、この関数発生器から、フィルタコ
ンデンサの電圧Ecfが第1の基準電圧E1未満の場合
は0を出力し、第2の基準電圧E2以上の場合は1を出
力し、E1以上E2未満の場合にはフィルタコンデンサ
の電圧Ecfと第1の基準電圧E1との差に比例した電
圧を出力し、関数発生器の出力を比較器に入力するとと
もに、比較器に三角波発生器から、0〜1までの振幅を
有する三角波を入力し、比較器で三角波と関数発生器の
出力とを比較し、関数発生器の出力が三角波よりも大き
いときにスイッチング素子を導通し、小さいときにはス
イッチング素子を開放状態とし、比較器の出力によって
スイッチング素子をオンオフ制御して、電力変換器をバ
イパスして流れる電流を制御するようにしたものが提案
されている。
などにおいては、回転方向と逆方向のトルクを発生させ
ることにより、誘導機の運動エネルギーが電気エネルギ
ーに変換され、さらに電力変換器に入力された交流が直
流に変換される。すなわち誘導機を回生運転するときに
は、電気エネルギーが電力変換器を介して架線に回生さ
れる。しかし、電気エネルギーを架線を介して直流電源
に回生できないときには、フィルタコンデンサの電圧E
cfは増加する。フィルタコンデンサEcfが過大にな
ると、電力変換器やフィルタコンデンサが破損すること
がある。
に、関数発生器の出力が大きくなるように設定するとと
もに、スイッチング素子の導通期間を増やすことによ
り、抵抗器に流れる電流を増加させる制御が行われるよ
うになっている。抵抗器に流れる電流が増加すると電気
エネルギーが抵抗器によって消費されるため、フィルタ
コンデンサの電圧Ecfが高くなるのを抑制することが
できる。なお、ダイオードはスイッチング素子がオフす
る際に、抵抗器の誘導成分により流れる電流を還流させ
る働きを備えている。
よれば、障害電流を減衰させることはできるが、誘導機
の周波数を操作して架線電流を制御しているため、操作
量である周波数と制御量である架線電流との間に制御遅
れが存在し、また誘導機の動作状態によって特性が変化
するため、障害電流を効果的に抑制することができず、
しかも減衰量は限られたものとなる。
ィルタコンデンサの電圧Ecfが高くなると、スイッチ
ング素子がスイッチング動作している場合、すなわち、
回生動作時には、架線電流に含まれる障害電流を抑制す
ることはできるが、フィルタコンデンサの電圧Ecfが
低くなる誘導機の力行動作中には、スイッチング素子が
オフになるので障害電流を抑制することができない。
直流の電気量に含まれる交流成分を抑制することができ
る直流器およびこれを用いた車両を提供することにあ
る。
に、本発明は、直流電源から供給される直流の電気量に
従って動作する電気機器と、前記直流電源の出力による
直流の電気量を検出する電気量検出器と、前記電気量検
出器の検出出力に重畳した交流分を検出する交流分検出
器と、前記電気機器をバイパスして流れる電流を前記交
流分検出器の検出出力に基づいて制御する制御系とを備
えてなる直流機器を構成したものである。
直流の電気量に従って動作する電気機器と、前記直流電
源の出力による直流の電気量に重畳した交流分を検出す
る交流分検出器と、前記電気機器をバイパスして流れる
電流を前記交流分検出器の検出出力に基づいて制御する
制御系とを備えてなる直流機器を構成したものである。
下の要素を付加することができる。
接続されて前記電気機器をバイパスして流れる電流をス
イッチング信号に従って制御するスイッチング素子と、
前記交流分検出器の検出出力に基づいてスイッチング信
号を生成して前記スイッチング素子のスイッチング動作
を制御するスイッチング制御器とを備えてなる。
流分検出器の検出出力に基づいて、前記直流機器に供給
される直流の電気量に重畳した交流分と前記スイッチン
グ素子を流れる電流に重畳した交流分とが相殺関係とな
るスイッチング信号を生成してなる。
流電源の出力による直流の電気量が第1の設定値以下
で、かつ前記第1の設定値より小さい第2の設定値以上
の場合には、前記スイッチング素子が1秒間のうち少な
くとも1回は導通状態となるスイッチング信号を生成し
てなる。
る。
アクトルと、前記電気機器に並列に接続されたコンデン
サとを備え、前記電気量検出器は、前記コンデンサの両
端電圧を検出してなる。
アクトルと、前記電気機器に並列に接続されたコンデン
サとを備え、前記交流分検出器は、前記リアクトルの両
端電圧を検出してなる。
圧に変換する電力変換器である。
機を接続してなる。
機器を備え、前記電力変換器に接続された誘導機により
車両を駆動してなる車両を構成したものである。
出出力に重畳した交流分または直流電源の出力による直
流の電気量に重畳した交流分を検出し、この検出出力に
基づいて、電気機器をバイパスして流れる電流を制御す
るようにしたため、直流電源から供給される直流の電気
量に重畳した交流成分を抑制することができる。
に流れる障害電流の交流成分を相殺するための電流を電
気機器をバイパスして流れる電流として制御系に流すこ
とで、直流の電気量に含まれる交流成分である障害電流
を抑制することができる。
に基づいて説明する。
形態を示す直流機器のブロック構成図である。図1にお
いて、直流電源(1500V)1には架線2と軌道3が
接続されており、架線2には、直流電源1からの直流の
電気量を導入する集電器4が摺動自在に配置されてい
る。集電器4の出力側にはフィルタリアクトル5が接続
されており、フィルタリアクトル5の出力側にはフィル
タコンデンサ6、電力変換器8などが接続されている。
フィルタコンデンサ6は電力変換器8の直流入力側に並
列に接続されており、フィルタコンデンサ6には直流電
源1の出力による直流の電気量として直流電圧を検出す
る電圧検出器7が設置されている。さらにフィルタコン
デンサ6と並列に、互いに直列に接続された抵抗器10
とスイッチング素子12が並列に接続されており、抵抗
器10の両端にはダイオード11が接続されている。ス
イッチング素子12としては、例えば、IGBTが用い
られている。
と、各スイッチング素子に逆並列接続されたダイオード
などを備え、スイッチング信号に応答して直流電圧を可
変周波数・可変電圧の交流電圧に変換し、変換された交
流電圧を4台の誘導機9に出力するようになっている。
各誘導機9は車輪に連結されており、誘導機9の駆動に
より車輪が回転駆動されることで、車両が軌道3に沿っ
て走行するように構成されている。
オード11は、電気機器としての電力変換器8をバイパ
スして流れる電流を制御するための制御系の1要素とし
て構成されており、本実施形態における制御系には、ス
イッチング素子12のスイッチング動作を制御するスイ
ッチング制御器として、三角波発生器13、関数発生器
14、比較器15、ハイパスフィルタ101、バイアス
発生器102、加算器103、104が設けられてい
る。
有する三角波を比較器15に出力するようになってい
る。関数発生器14は電圧検出器7の検出による電圧に
応じた信号を加算器104に出力するようになってい
る。この関数発生器14は、図2の1点鎖線の特性で示
すように、電圧検出器7の検出によるフィルタコンデン
サ電圧Ecfの値が第1の基準電圧E1以下のときには
0を出力し、第2の基準電圧E2以上のときには1の信
号を出力し、フィルタコンデンサ電圧EcfがE1以上
E2未満の場合には、フィルタコンデンサ電圧Ecfと
E1との差に比例する振幅(0〜1)の信号を出力する
ようになっている。
ば、遮断周波数として数100Hzの特性を有し、フィ
ルタコンデンサ電圧Ecfに重畳した交流分を検出する
交流分検出器として構成されており、ハイパスフィルタ
101からは交流成分の信号(25Hz、30Hzの交
流信号)が加算器103に出力されるようになってい
る。バイアス発生器102は、直流のバイアス電圧Eb
を加算器103に出力するようになっている。加算器1
03は、ハイパスフィルタ101の出力による交流分と
バイアス電圧Ebとを加算した信号を加算器104に出
力するようになっている。加算器104は関数発生器1
4の出力と加算器103の出力とを加算した信号を比較
器15に出力するようになっている。比較器15におい
ては、加算器104の出力電圧と三角波発生器13の出
力による三角波とが比較され、この比較結果に応じてパ
ルス幅が変化するスイッチング信号がスイッチング素子
12に出力されるようになっている。
換器8に供給される直流電流Idcに重畳した交流分と
スイッチング素子12に流れる抵抗電流Ibに重畳した
交流分とが相殺関係を保つようなスイッチング信号が生
成され、このスイッチング信号によってスイッチング素
子12がスイッチング動作され、このスイッチング素子
12のスイッチング動作により、障害電流の原因となる
障害電流の交流分が相殺されるようになっている。
明する。まず、関数発生器14の出力が0の場合、すな
わち、フィルタコンデンサ電圧Ecfが関数発生器14
における第1の基準電圧E1以下である場合について述
べる。
流成分が含まれている場合、この交流成分はフィルタリ
アクトル5とフィルタコンデンサ6で構成されるフィル
タ回路により減衰し、その一部が架線電流Isの交流分
となり、この交流分が軌道回路に障害を与える障害電流
となる。このとき、フィルタコンデンサ電圧Ecfに着
目すると、直流電流Idcが交流分により減少するとき
には、フィルタコンデンサ電圧Ecfは増加する。この
増加分は交流成分であるため、ハイパスフィルタ101
で減衰することなく、ハイパスフィルタ101を通過し
て加算器103に加算され、加算器104の出力が増加
する。加算器104の出力は、三角波発生器13の出力
による三角波と比較器15で比較され、比較器15の出
力によってスイッチング素子12がスイッチング動作さ
れ、抵抗器10に流れる電流の期間が決定される。
場合、抵抗器10に流れる電流の期間が増加すると、図
3に示すように、抵抗器10に平均的に流れる抵抗電流
Ibが増加し、交流成分によって減少する直流電流Id
cを相殺することができ、障害電流を抑制することがで
きる。
増加する場合は、フィルタコンデンサ電圧Ecfが減少
し、交流成分を検出するハイパスフィルタ101の出力
が減少する。ハイパスフィルタ101の出力が減少する
と、そのままでは、加算器104の出力が負になり、ス
イッチング素子12の導通期間が負になる恐れがある。
しかし、本実施形態においては、加算器104の出力が
負の値とならないように、加算器103にはバイアス電
圧Ebが加算されている。これにより、直流電流Idc
が増加した場合でも、直流電流Idcの交流分を相殺す
る交流成分が抵抗電流Ibとして流れるため、障害電流
を抑制することができる。
い場合について述べる。この場合、第1の基準電圧E1
とフィルタコンデンサ電圧Ecfとの差に比例する量の
信号が関数発生器14から出力されるため、直流電流I
dcが減少し、フィルタコンデンサ電圧Ecfが増加し
たときには、入力電圧の増加に伴って、関数発生器14
の出力は増加する。このとき、フィルタコンデンサ電圧
Ecfに重畳した交流成分の増加に伴って、ハイパスフ
ィルタ101の出力も増加するとともに加算器103の
出力も増加する。すなわち、関数発生器14の出力とフ
ィルタコンデンサ電圧Ecfの増加を抑制するように動
作する。したがって、直流電流Idcの交流分を相殺す
る交流成分が抵抗電流Ibとして流れ、障害電流を抑制
することができる。また直流電流Idcが増加したとき
も同様の動作により障害電流を抑制することができる。
電流の原因となる直流電流Idcに含まれる交流成分
が、フィルタコンデンサ電圧Ecfを変動させることに
着目してスイッチング素子12をスイッチング動作させ
ることで、障害電流を抑制することができる。
り、加算器104の出力が1以上になったときには、ス
イッチング素子12のオフ期間を0より小さくすること
ができないため、直流電流の増加を相殺することはでき
ない。
ならないように、抵抗器10を選定する必要がある。ま
た加算器104の出力が1近傍になった場合、電力変換
器8の回生電流を抑制するように、電力変換器8を制御
してもよい。
タコンデンサ電圧Ecfの大きさや力行回生状態によら
ず、スイッチング素子12を常にスイッチング動作させ
ることにより、障害電流を抑制することができる。
となる第1の基準電圧E1以下では、関数発生器の出力
が三角波発生器の出力よりも小さくなるため、スイッチ
ング素子は導通状態とならない。
発生器14の出力およびハイパスフィルタ101の出力
がともに0になった場合でも、バイアス発生器102の
出力によるバイアス電圧Ebにより、三角波発生器13
から出力される三角波の1周期に1度は、スイッチング
素子12が導通状態になる。
破損することを防止するために、フィルタコンデンサ電
圧Ecfが第1の設定電圧より大きくなった場合、動作
を停止する。すなわち、スイッチング素子12は導通状
態とはならない。また、フィルタコンデンサ電圧Ecf
が第1の設定電圧より小さい第2の設定電圧より小さく
なった場合、直流電源1や架線2に異常が発生すた可能
性が高いため、動作を停止する。それ以外の場合、すな
わち、フィルタコンデンサ電圧Ecfが第1の設定電圧
以下で、かつ第1の設定電圧より小さい第2の設定電圧
以上の場合には、三角波発生器13の1周期に1度は、
スイッチング素子が導通状態になる。
る応答から少なくとも1秒以下に設定することが望まし
い。よって、フィルタコンデンサ電圧Ecfが第1の設
定電圧以上、かつ第2の設定電圧以下の場合には、少な
くとも1秒に1度はスイッチング素子12が導通状態と
なり、抵抗器10に電流が流れる。
態を図4にしたがって説明する。本実施形態は、架線電
流Isを検出する電流検出器201を設け、電流検出器
201の出力をハイパスフィルタ202に入力し、ハイ
パスフィルタ202により直流分を除去し、直流分の除
去された架線電流、すなわち架線電流Isに含まれる交
流分を減算器203に入力し、減算器203においてバ
イアス電圧Ebからハイパスフィルタ202の出力を減
算し、この減算結果を加算器104に出力するようにし
たものであり、他の構成は図1のものと同様である。
原因となる直流電流Idcに含まれる交流成分が、フィ
ルタコンデンサ電圧Ecfを変動させることに着目して
障害電流を抑制しているのに対して、本実施形態では、
架線電流Isを電流検出器201によって直接検出し、
架線電流Isに含まれる交流分をハイパスフィルタ20
2から出力し、バイアス電圧Ebから交流分を減算する
ようにしたものである。
流分が増加するときには、抵抗電流Ibが減少し、抵抗
電流Ibの減少に伴って架線電流Isの増加が抑制され
るため、障害電流を抑制することきる。また架線電流に
含まれる交流成分が減少したときには、抵抗電流Ibが
増加することで、障害電流の発生を抑制することができ
る。
出力は、加算器14の出力が1以上にならなければ、実
施形態1と同様に、障害電流を抑制する効果を有するた
めに、上記動作による障害電流の抑制効果を阻害するこ
とはない。
態を図5にしたがって説明する。本実施形態は、図1に
示すバイアス発生器102、加算器103を削除し、関
数発生器14の代わりに、関数発生器301を設けたも
のであり、他の構成は図1のものと同様である。
示すように、フィルタコンデンサ電圧Ecfが第1の基
準電圧E1以下の場合、関数発生器301の出力はバイ
アス電圧Ebとなり、フィルタコンデンサ電圧Ecfが
第2の基準電圧E2以上のときには1を出力し、E1以
上E2未満の場合にはEcfとE1との差に比例する振
幅の信号であってバイアス電圧Ebが加算された信号を
出力するようになっている。すなわち、関数発生器30
1の特性は、出力の下限値がバイアスEbに設定されて
いる。これにより、加算器104の出力が負になるのを
防止することができ、バイアス発生器102、加算器1
03を用いることなく、常にスイッチング素子12をス
イッチング動作させることができる。
2、加算器103を用いることなく、フィルタコンデン
サ電圧Ecfの大きさや力行回生状態によらず、スイッ
チング素子12を常にスイッチング動作させることによ
り、障害電流を抑制することができる。
態を図6にしたがって説明する。本実施形態は、ハイパ
スフィルタ101の代わりにハイパスフィルタ202を
用い、架線電流Isを検出する電流検出器201の出力
をハイパスフィルタ202に入力し、ハイパスフィルタ
202の出力の符号を合わせるために、加算器104の
代わりに減算器302を用いたものであり、他の構成は
図5のものと同様である。
の特性は、出力の下限値がバイアス電圧Ebに設定され
ているため、バイアス発生器102、加算器103を用
いることなく、スイッチング素子12を常にスイッチン
グ動作させることができるとともに、障害電流の発生を
抑制することができる。
2、加算器103を用いることなく、フィルタコンデン
サ電圧Ecfの大きさや力行回生状態によらず、スイッ
チング素子12を常にスイッチング動作させることによ
り、障害電流を抑制することができる。
て電力変換器8を用いたものについて述べたが、電気機
器としては、直流によって動作する機器であれば、他の
機器であっても、電気機器に入力される障害電流を抑制
することができる。
おいては、回生時におけるフィルタコンデンサ電圧Ec
fの上昇を抑制するために、関数発生器14および加算
器104を備えているが、障害電流の抑制のみを目的と
する場合、関数発生器14および加算器104を省略す
ることも可能である。この場合、抵抗器10で消費され
る電力が小さくなるため、小型の抵抗器を用いることが
できる。
おいては、電流検出器201を用いて架線電流Isを検
出しているが、電流検出器201を用いる代わりに、フ
ィルタリアクトル5の両端の電圧を検出する電圧検出器
を用い、この電圧検出器を交流分検出器として用いるこ
とでも、障害電流を抑制することができる。この場合、
フィルタリアクトル5の両端電圧を交流分として検出し
ており、しかも、この検出電圧には直流分が含まれてい
ないため、ハイパスフィルタ202を省略することがで
きる。
源1、架線2、軌道3を除くものを直流機器として車両
に搭載し、電力変換器8に接続された誘導機9により車
輪を駆動することもできる。
タリアクトル5やフィルタコンデンサ6を大型化するこ
となく、また誘導機9の力行・回生動作によらず、架線
電流Isに含まれる障害電流を効果的に抑制することが
できる。
フィルタリアクトルやフィルタコンデンサを大型化する
ことなく、直流電源から供給される直流の電気量に重畳
した交流成分を抑制することができる。
ク構成図である。
る。
波形図である。
ク構成図である。
ク構成図である。
ク構成図である。
Claims (11)
- 【請求項1】 直流電源から供給される直流の電気量に
従って動作する電気機器と、前記直流電源の出力による
直流の電気量を検出する電気量検出器と、前記電気量検
出器の検出出力に重畳した交流分を検出する交流分検出
器と、前記電気機器をバイパスして流れる電流を前記交
流分検出器の検出出力に基づいて制御する制御系とを備
えてなる直流機器。 - 【請求項2】 直流電源から供給される直流の電気量に
従って動作する電気機器と、前記直流電源の出力による
直流の電気量に重畳した交流分を検出する交流分検出器
と、前記電気機器をバイパスして流れる電流を前記交流
分検出器の検出出力に基づいて制御する制御系とを備え
てなる直流機器。 - 【請求項3】 請求項1または2に記載の直流機器にお
いて、前記制御系は、前記電気機器に並列接続されて前
記電気機器をバイパスして流れる電流をスイッチング信
号に従って制御するスイッチング素子と、前記交流分検
出器の検出出力に基づいてスイッチング信号を生成して
前記スイッチング素子のスイッチング動作を制御するス
イッチング制御器とを備えてなることを特徴とする直流
機器。 - 【請求項4】 請求項3に記載の直流機器において、前
記スイッチング制御器は、前記交流分検出器の検出出力
に基づいて、前記直流機器に供給される直流の電気量に
重畳した交流分と前記スイッチング素子を流れる電流に
重畳した交流分とが相殺関係となるスイッチング信号を
生成してなることを特徴とする直流機器。 - 【請求項5】 請求項3または4に記載の直流機器にお
いて、前記スイッチング制御器は、前記直流電源の出力
による直流の電気量が第1の設定値以下で、かつ前記第
1の設定値より小さい第2の設定値以上の場合には、前
記スイッチング素子が1秒間のうち少なくとも1回は導
通状態となるスイッチング信号を生成してなることを特
徴とする直流機器。 - 【請求項6】 請求項1、2、3、4または5のうちい
ずれか1項に記載の直流機器において、前記直流の電気
量は、直流電圧であることを特徴とする直流機器。 - 【請求項7】 請求項1、2、3、4または5のうちい
ずれか1項に記載の直流機器において、前記直流電源に
直列に接続されたリアクトルと、前記電気機器に並列に
接続されたコンデンサとを備え、前記電気量検出器は、
前記コンデンサの両端電圧を検出してなることを特徴と
する直流機器。 - 【請求項8】 請求項1、2、3、4または5のうちい
ずれか1項に記載の直流機器において、前記直流電源に
直列に接続されたリアクトルと、前記電気機器に並列に
接続されたコンデンサとを備え、前記交流分検出器は、
前記リアクトルの両端電圧を検出してなることを特徴と
する直流機器。 - 【請求項9】 請求項1から8のうちいずれか1項に記
載の直流機器において、前記電気機器は、直流電圧を交
流電圧に変換する電力変換器であることを特徴とする直
流機器。 - 【請求項10】 請求項9に記載の直流機器において、
前記電力変換器の交流出力側に電動機を接続してなるこ
とを特徴とする直流機器。 - 【請求項11】 請求項10に記載の直流機器を備え、
前記電動機により車輪を駆動してなることを特徴とする
車両。
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