JP2004096903A - コンバータシステム - Google Patents
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Abstract
【課題】コンバータ群の高調波を抑制するためのアクティブフィルタ5が、メインコンバータ1〜3のいずれかが動作停止に至っても、高調波抑制の効果を劣化させることのないようにした。
【解決手段】アクティブフィルタ5に設けた有効信号選択部12が、コンバータ群のメインコンバータ1〜3各々のスイッチング信号及び各コンバータが動作中であるか否かを示すコンバータ動作信号を入力し、動作中であるコンバータの数をMと、動作中であるメインコンバータのスイッチング信号をアクティブフィルタ5の出力電圧制御部6に出力する。出力電圧制御部6はこのM、動作中のメインコンバータのスイッチング信号と変調率に基づきアクティブフィルタ5のスイッチング信号を決定し、このスイッチング信号によりアクティブフィルタの出力電圧を制御し、メインコンバータ群の電源側に漏洩する高調波を抑制する。
【選択図】 図1
【解決手段】アクティブフィルタ5に設けた有効信号選択部12が、コンバータ群のメインコンバータ1〜3各々のスイッチング信号及び各コンバータが動作中であるか否かを示すコンバータ動作信号を入力し、動作中であるコンバータの数をMと、動作中であるメインコンバータのスイッチング信号をアクティブフィルタ5の出力電圧制御部6に出力する。出力電圧制御部6はこのM、動作中のメインコンバータのスイッチング信号と変調率に基づきアクティブフィルタ5のスイッチング信号を決定し、このスイッチング信号によりアクティブフィルタの出力電圧を制御し、メインコンバータ群の電源側に漏洩する高調波を抑制する。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コンバータシステムに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、交流電源電圧を変換して直流電圧を作り出すコンバータ装置においては、PWMコンバータのスイッチングにより発生する電圧、電流高調波が交流電源系統に流れこみ、系統に接続された他機器の異常発熱を引き起こしたり、高周波電流が電源系統に流れることにより発生する電磁波により、テレビなどへの電波障害や信号機器の誤動作を招くことがあった。
【0003】
これらを抑制するために、PWMコンバータにおいては、スイッチング周波数を高く設定したり、3レベルコンバータと呼ばれる高調波の少ない主回路方式が適用されたりしてきたが、電流高調波抑制効果が充分でなかった。
【0004】
これに対して、電源系統に流れ出す高調波電流を完全に抑制する方法が、鉄道総合技術研究所報告(RTRIレポートVol.12,No.1,1998)に記載されている。この提案されているPWMコンバータシステムは、PWMコンバータのPWMゲート信号と逆位相のゲート信号で動作する高調波補償器を変圧器の専用巻線に接続し、PWMコンバータの発生する高調波電流と、高調波補償器の発生する高調波電流とが変圧器の中で打ち消し合うようにし、この結果として、電源系統に接続された変圧器の一次巻線側には高調波が流れ出ない回路方式である。
【0005】
その回路方式を図2に示す。図2に示すコンバータシステムは、複数のコンバータ1〜3で成るコンバータ群により生じ、電源4へ流入出する高調波を抑制する好適な高調波抑制手段としてアクティブフィルタ5をコンバータ群と並設したものである。そしてこのアクティブフィルタ5の出力電圧を出力電圧制御部6のスイッチング信号によって制御するが、このスイッチング信号は、複数のコンバータ1〜3各々の出力電圧を制御する出力電圧制御部7〜8のスイッチング信号を入力し、これらの信号に基づいて調整する。
【0006】
この従来のコンバータシステムにおけるコンバータ群の動作とアクティブフィルタ5の動作を、図3〜図7を用いて説明する。
【0007】
<メインコンバータの動作>
メインコンバータであるPWMコンバータ1〜3のスイッチング信号の生成を簡単に説明する。単相PWMコンバータ1〜3各々にはU相とV相がある。
【0008】
まず、PWMコンバータ1のU相について説明する。変調波と搬送波(キャリア)を比較し、次のようにスイッチング素子S1UPへのスイッチング信号を生成する。
【0009】
【数1】
S1U=1,S1X=0 (変調波>搬送波)
S1U=0,S1X=1 (変調波<搬送波)
上記のS1U,S1X=1の場合、対応するスイッチング素子をオンするように、またS1U,S1X=0の場合、対応するスイッチング素子をオフするようにゲート回路を駆動する。
【0010】
PWMコンバータ1のV相の動作はU相に比べ、変調波を(−1)倍してV相の変調波を生成し、次のようにゲート信号を生成する。
【0011】
【数2】
S1V=0,S1Y=1 (変調波>搬送波)
S1V=1,S1Y=0 (変調波<搬送波)
PWMコンバータ1の出力電圧(UV線間電圧)VC1は、図3の第1のコンバータのゲート生成信号のようになる。出力電位は、0[V],+Vdc[V],−Vdc[V]の3電位となる。
【0012】
<コンバータ群(多重化運転)の動作>
PWMコンバータ1〜3が複数台、交流電源4に接続されたシステムの場合、搬送波の基準位相をPWMコンバータ間でずらして駆動する。
【0013】
いま、N台の多重化運転を仮定した場合、m台目(1<m<N)の搬送波位相θcは、数3式によって決定する。
【0014】
【数3】
ここに、αは初期位相である
単相PWMコンバータ単体の場合、出力電圧高調波および出力電流高調波は、スイッチング周波数FS[Hz]の2倍の周波数帯に大きなレベルが現れる。また、前述のN台のPWMコンバータによる多重化運転では、搬送波位相差運転により、スイッチング周波数FS[Hz]の2×N倍の周波数帯に大きなレベルが現れる。すなわち、単体のコンバータでレベルの高い周波数帯が互いに相殺され、高調波レベルが抑制されるのである。
【0015】
図3、図4には、第1のメインコンバータと第2のメインコンバータとの2台のメインPWMコンバータの多重化運転の場合の各スイッチング素子のスイッチング動作と出力電圧VC1,VC2またその合成電圧VC1+VC2の様子を示してある。この場合、第1のメインコンバータと第2のメインコンバータの搬送波の位相が相対的に90[deg]ずれている。
【0016】
<補償すべき高調波電圧>
メインコンバータ群の出力電圧(ここでは、各コンバータの出力電圧の和をコンバータ群の出力電圧と定義する。この解釈が正しいことは、後述する。)は、図4、図7のようになり、基本波成分以外に高調波成分を含んでいる。高調波電圧は、出力電圧から基本波電圧成分を引き去ることで求めることができる。
【0017】
このようにして算出した高調波電圧を高次成分と低次成分とに分離すると、図4及び図7に示すようなものとなる。逆に言えば、PWMコンバータ群の出力電圧=基本波正弦波電圧+低次高調波+高次高調波ということになる。
【0018】
従来例で採用されているアクティブフィルタ5は高調波を抑制するため、基本波電圧成分を持たず、低次高調波と高次高調波とを打ち消すように作用させるものである。
【0019】
<アクティブフィルタ>
アクティブフィルタ5の構成例を図5〜図7に示してある。このアクティブフィルタ5は、単相フルブリッジのコンバータ10,11を2台直列に接続した構成である。第1のコンバータ10は高次高調波を抑制するため、高次高調波電圧相当を出力する。第2のコンバータ11は低次高調波を抑制するため、低次高調波電圧相当を出力する。
【0020】
第1のコンバータ10の直流側は、電圧源VdcA1により一定に維持されている。4つのスイッチング素子は、スイッチング信号SA1U,SA1X,SA1V,SA1Yに応じてオンオフ動作をする。第2のコンバータ11の直流側は、流れる電流に応じた電圧VdcA2となる。この第2のコンバータ11の4つのスイッチング素子は、スイッチング信号SA2U,SA2X,SA2V,SA2Yに応じてオンオフ動作をする。
【0021】
<アクティブフィルタのスイッチング動作>
図5〜図7に示したアクティブフィルタでは、図3及び図4に示したコンバータ群のメインのPWMコンバータ1,2のスイッチング信号SC1U,SC1Y,SC2U,SC2Yに応じて、次のように信号S1を生成する。
【0022】
【数4】
S1=XOR(NOT(XOR(SC1U,SC1Y)),NOT(XOR(SC2U,SC2Y)))
=XOR(NOT(XOR1),NOT(XOR2))
また、コンバータ群の変調率に応じて、次のように信号S2を生成する。ただし、コンバータ群の変調率を各コンバータの変調率の平均値として定義する。すなわち、
【数5】
コンバータ群の変調率=1/N×ΣN台(各コンバータの変調率)
なお、「変調率×直流電圧=出力電圧」の関係がある。
【0023】
【数6】
S2=1 if 0.5 ≦変調率≦ 1.0
=0 if 0 ≦変調率< 0.5
=1 if −0.5 ≦変調率< 0
=0 if −1.0 ≦変調率≦ −0.5
これらの信号S1,S2に基づき、アクティブフィルタ5の上段のコンバータ10のスイッチング信号SA1U,SA1X,SA1V,SA1Yが生成される。
【0024】
【数7】
SA1U=NOT(XOR(S1,S2))
SA1X=NOT(SA1U)
SA1Y=SA1U
SA1V=NOT(SA1Y)
また、アクティブフィルタ5の下段のコンバータ11のスイッチング信号SA2U,SA2X,SA2V,SA2Yは、次の数8式で生成される信号S3に基づき、数9式により決定する。
【0025】
【数8】
【数9】
SA2U=S3
SA2X=NOT(SA2U)
SA2Y=S3
SA2V=NOT(SA2Y)
上記のように構成されるアクティブフィルタ5によれば、図7に示すようにメインコンバータ群が出力し、電源4へ流入出する高調波を理論的には完全に相殺できるため、電源4へ流入出する高調波を劇的に低減することができる。
【0026】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなPWMコンバータシステムでも、変圧器においてPWMコンバータの発生する高調波電流と高調波補償器が発生する高調波電流の打ち消し合いを行わせるため、PWMコンバータが接続された変圧器二次巻線及び高調波補償器が接続された専用巻線には高調波が流れこみ、その結果、変圧器には高調波電流による熱損失が発生し、冷却の必要から変圧器の重量増加、大型化が必要になってしまう。これにより、特に鉄道車両などへの適用において、重量物である変圧器を車両床下に搭載できれば低重心化によって車両の高速運転化が可能になるが、変圧器があまりに大型化、重量化すると車両床下の限られた空間に搭載することが困難になる問題点があった。
【0027】
また、線路周りには信号、踏切などの安全に関する信号機器が設置されているが、高調波電流が流れている変圧器を線路に近い床下に配置すると、これらの信号機器を誤動作させる可能性が高くなってしまう問題点もあった。
【0028】
また、コンバータ群のうちのいずれかのコンバータが故障や保護動作により動作停止した場合、上記の健全時のアクティブフィルタ動作によれば、高調波抑制の効果が低減あるいは逆に高調波を増大させることがある問題点があった。
【0029】
本発明はこのような従来の技術的課題を解決するためになされたもので、コンバータ群の高調波を抑制するためのアクティブフィルタにおいて、いずれかのメインコンバータが動作停止に至っても、高調波抑制の効果を劣化させることのないアクティブフィルタを備えたコンバータシステムを提供することを目的とする。
【0030】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明のコンバータシステムは、交流電源に少なくとも2台並列に接続されたコンバータで成るコンバータ群と、前記コンバータ群から前記交流電源への高調波を抑制するために、前記交流電源に接続されたアクティブフィルタと、前記コンバータ群の変調率に応じて、当該コンバータ群によって生じる高調波分を相殺するように前記アクティブフィルタの出力電圧を調整する出力電圧制御手段と、前記コンバータ群の中で、動作中であるコンバータの数とその変調率に応じて、前記出力電圧制御手段に作用して前記アクティブフィルタの出力電圧を調整する高調波抑制手段とを備えたものである。
【0031】
請求項1の発明のコンバータシステムでは、コンバータ群の変調率に応じて、当該コンバータ群によって生じる高調波分を相殺するように出力電圧制御手段がアクティブフィルタの出力電圧を調整し、高調波分の電源系統への漏洩を抑制する。そしてコンバータ群のいずれかのコンバータが動作停止に至った場合、動作中であるコンバータの数とその変調率に応じて、高調波抑制手段が出力電圧制御手段に作用してアクティブフィルタの出力電圧を調整し、その高調波抑制の効果を劣化させないようにする。
【0032】
請求項2の発明のコンバータシステムは、交流電源に少なくとも2台並列に接続されたコンバータで成るコンバータ群と、前記コンバータ群から前記交流電源への高調波を抑制するために、前記交流電源に接続されたアクティブフィルタと、前記コンバータ群のスイッチング信号に応じて、当該コンバータ群によって生じる高調波分を相殺するように前記アクティブフィルタの出力電圧を調整する出力電圧制御手段と、前記コンバータ群の中で、動作中であるコンバータの数とそのスイッチング信号に応じて、前記出力電圧制御手段に作用して前記アクティブフィルタの出力電圧を調整する高調波抑制手段とを備えたものである。
【0033】
請求項2の発明のコンバータシステムでは、コンバータ群のスイッチング信号に応じて、当該コンバータ群によって生じる高調波分を相殺するように出力電圧制御手段がアクティブフィルタの出力電圧を調整し、高調波分の電源系統への漏洩を抑制する。そしてコンバータ群のいずれかのコンバータが動作停止に至った場合、動作中であるコンバータの数とそのスイッチング信号に応じて、高調波抑制手段が出力電圧制御手段に作用してアクティブフィルタの出力電圧を調整し、その高調波抑制の効果を劣化させないようにする。
【0034】
請求項3の発明のコンバータシステムは、交流電源に少なくとも2台並列に接続されたコンバータで成るコンバータ群と、前記コンバータ群によって生じる高調波分を相殺するために、前記交流電源に接続されたアクティブフィルタと、前記コンバータ群の中で、動作中であるコンバータのスイッチング周波数に応じて、前記アクティブフィルタのスイッチング周波数を調整する高調波抑制手段とを備えたものである。
【0035】
請求項3の発明のコンバータシステムでは、コンバータ群によって生じる高調波分を相殺するようにアクティブフィルタが動作し、高調波分の電源系統への漏洩を抑制する。そしてコンバータ群のいずれかのコンバータが動作停止に至った場合、動作中であるコンバータのスイッチング周波数に応じて、高調波抑制手段がアクティブフィルタのスイッチング周波数を調整し、その高調波抑制の効果を劣化させないようにする。
【0036】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。図1は本発明の1つの実施の形態のコンバータシステムの回路構成を示している。図1に示した実施の形態のコンバータシステムの特徴は、従来例のコンバータシステムに対して、アクティブフィルタ5に対する出力電圧制御部6と共に、有効信号選択部12を備えた点にある。その他の回路要素については、図2〜図7に示した従来例のコンバータシステムと共通するので、共通の回路要素については共通の符号を用いて説明する。
【0037】
有効信号選択部12には、コンバータ群のメインコンバータ1〜3各々のスイッチング信号及び各コンバータが動作中であるか否かを示すコンバータ動作信号が入力される。そして有効信号選択部12では、動作中であるコンバータの数をMとし、動作中であるコンバータのスイッチング信号をアクティブフィルタ5側の出力電圧制御部6に出力する。
【0038】
アクティブフィルタの出力電圧制御部6では、コンバータ群の中で動作中であるコンバータの数M及びそのスイッチング信号と変調率に基づき、従来例と同様にアクティブフィルタ5への出力電圧、すなわち、スイッチング信号を決定する。
【0039】
次に、上記構成のコンバータシステムの動作について説明する。メインコンバータ1〜3の周波数がFS[Hz]であるとし、そのうちのM台が動作中である場合、コンバータシステムの特性として、概ね2×FS×M[Hz]近傍に大きなレベルの高調波が存在する。このうち、K台が故障や保護停止により、動作不能となった場合、このコンバータのみを切り離して運転継続しているならば、等価スイッチング周波数は、2×FS×(M−K)[Hz]と低下し、同周波数帯近傍に高調波が推移する。
【0040】
そこで本実施の形態のコンバータシステムでは、メインコンバータ1〜3の中で、有効信号選択部12がコンバータ群のメインコンバータ1〜3各々のスイッチング信号及び各コンバータが動作中であるか否かを示すコンバータ動作信号を入力し、動作中であるコンバータの数Mと、動作中であるメインコンバータのスイッチング信号をアクティブフィルタ5の出力電圧制御部6に出力する。そして、アクティブフィルタ5の出力電圧制御部6は、このM、動作中のメインコンバータのスイッチング信号と変調率に基づきアクティブフィルタ5のスイッチング信号を決定する。なお、アクティブフィルタ5に対する出力電圧制御部6による出力電圧制御方式は、図3〜図7に示した従来例と同様のものである。
【0041】
これにより、第1の実施の形態のコンバータシステムによれば、メインコンバータの一部が停止に至っても、残りの健全なメインコンバータが生じる高調波をアクティブフィルタ5によって抑制、低減することができるようになる。
【0042】
なお、上記の実施の形態ではメインコンバータ群の中の動作中のコンバータの数、スイッチング信号と変調率に基づいてアクティブフィルタ5のスイッチング信号を調整し、ひいてはメインコンバータ群から電源系統に漏洩する高調波分を抑制するようにしたが、これに限らず、メインコンバータ群の中の動作中のコンバータの数とスイッチング信号に基づいてアクティブフィルタ5側の出力電圧を制御し、あるいはメインコンバータ群の中の動作中のコンバータの数と変調率に基づいてアクティブフィルタ5側の出力電圧を制御し、さらにはメインコンバータ群の中の動作中のコンバータのスイッチング周波数に基づいてアクティブフィルタ5側のスイッチング周波数を制御する構成であってもよい。
【0043】
【発明の効果】
以上のように請求項1の発明によれば、コンバータ群の変調率に応じて、当該コンバータ群によって生じる高調波分を相殺するように出力電圧制御手段がアクティブフィルタの出力電圧を調整し、高調波分の電源系統への漏洩を抑制することができ、かつ、コンバータ群のいずれかのコンバータが動作停止に至った場合、動作中であるコンバータの数とその変調率に応じて、高調波抑制手段が出力電圧制御手段に作用してアクティブフィルタの出力電圧を調整し、その高調波抑制の効果を劣化させないようにすることができる。
【0044】
請求項2の発明によれば、コンバータ群のスイッチング信号に応じて、当該コンバータ群によって生じる高調波分を相殺するように出力電圧制御手段がアクティブフィルタの出力電圧を調整し、高調波分の電源系統への漏洩を抑制することができ、かつ、コンバータ群のいずれかのコンバータが動作停止に至った場合、動作中であるコンバータの数とそのスイッチング信号に応じて、高調波抑制手段が出力電圧制御手段に作用してアクティブフィルタの出力電圧を調整し、その高調波抑制の効果を劣化させないようにすることができる。
【0045】
請求項3の発明によれば、コンバータ群によって生じる高調波分を相殺するようにアクティブフィルタが動作し、高調波分の電源系統への漏洩を抑制することができ、かつ、コンバータ群のいずれかのコンバータが動作停止に至った場合、動作中であるコンバータのスイッチング周波数に応じて、高調波抑制手段がアクティブフィルタのスイッチング周波数を調整し、その高調波抑制の効果を劣化させないようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の1つの実施の形態のコンバータシステムの回路図。
【図2】従来のコンバータシステムの回路図。
【図3】従来のコンバータシステムにおけるメインコンバータ群の各メインコンバータの動作を示すタイミングチャート(その1)。
【図4】従来のコンバータシステムにおけるメインコンバータ群の各メインコンバータの動作を示すタイミングチャート(その2)。
【図5】従来のコンバータシステムにおけるアクティブフィルタの第1のコンバータの動作を示すタイミングチャート。
【図6】従来のコンバータシステムにおけるアクティブフィルタの第2のコンバータの動作を示すタイミングチャート。
【図7】従来のコンバータシステムにおけるメインコンバータ群の出力電圧と高調波分の波形図、アクティブフィルタの変調率、制御信号、出力電圧を示す波形図。
【符号の説明】
1 (メイン)コンバータ
2 (メイン)コンバータ
3 (メイン)コンバータ
4 電源
5 アクティブフィルタ
6 出力電圧制御部(アクティブフィルタ用)
7 出力電圧制御部(メインコンバータ用)
8 出力電圧制御部(メインコンバータ用)
9 出力電圧制御部(メインコンバータ用)
10 第1のコンバータ
11 第2のコンバータ
12 有効信号選択部
【発明の属する技術分野】
本発明は、コンバータシステムに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、交流電源電圧を変換して直流電圧を作り出すコンバータ装置においては、PWMコンバータのスイッチングにより発生する電圧、電流高調波が交流電源系統に流れこみ、系統に接続された他機器の異常発熱を引き起こしたり、高周波電流が電源系統に流れることにより発生する電磁波により、テレビなどへの電波障害や信号機器の誤動作を招くことがあった。
【0003】
これらを抑制するために、PWMコンバータにおいては、スイッチング周波数を高く設定したり、3レベルコンバータと呼ばれる高調波の少ない主回路方式が適用されたりしてきたが、電流高調波抑制効果が充分でなかった。
【0004】
これに対して、電源系統に流れ出す高調波電流を完全に抑制する方法が、鉄道総合技術研究所報告(RTRIレポートVol.12,No.1,1998)に記載されている。この提案されているPWMコンバータシステムは、PWMコンバータのPWMゲート信号と逆位相のゲート信号で動作する高調波補償器を変圧器の専用巻線に接続し、PWMコンバータの発生する高調波電流と、高調波補償器の発生する高調波電流とが変圧器の中で打ち消し合うようにし、この結果として、電源系統に接続された変圧器の一次巻線側には高調波が流れ出ない回路方式である。
【0005】
その回路方式を図2に示す。図2に示すコンバータシステムは、複数のコンバータ1〜3で成るコンバータ群により生じ、電源4へ流入出する高調波を抑制する好適な高調波抑制手段としてアクティブフィルタ5をコンバータ群と並設したものである。そしてこのアクティブフィルタ5の出力電圧を出力電圧制御部6のスイッチング信号によって制御するが、このスイッチング信号は、複数のコンバータ1〜3各々の出力電圧を制御する出力電圧制御部7〜8のスイッチング信号を入力し、これらの信号に基づいて調整する。
【0006】
この従来のコンバータシステムにおけるコンバータ群の動作とアクティブフィルタ5の動作を、図3〜図7を用いて説明する。
【0007】
<メインコンバータの動作>
メインコンバータであるPWMコンバータ1〜3のスイッチング信号の生成を簡単に説明する。単相PWMコンバータ1〜3各々にはU相とV相がある。
【0008】
まず、PWMコンバータ1のU相について説明する。変調波と搬送波(キャリア)を比較し、次のようにスイッチング素子S1UPへのスイッチング信号を生成する。
【0009】
【数1】
S1U=1,S1X=0 (変調波>搬送波)
S1U=0,S1X=1 (変調波<搬送波)
上記のS1U,S1X=1の場合、対応するスイッチング素子をオンするように、またS1U,S1X=0の場合、対応するスイッチング素子をオフするようにゲート回路を駆動する。
【0010】
PWMコンバータ1のV相の動作はU相に比べ、変調波を(−1)倍してV相の変調波を生成し、次のようにゲート信号を生成する。
【0011】
【数2】
S1V=0,S1Y=1 (変調波>搬送波)
S1V=1,S1Y=0 (変調波<搬送波)
PWMコンバータ1の出力電圧(UV線間電圧)VC1は、図3の第1のコンバータのゲート生成信号のようになる。出力電位は、0[V],+Vdc[V],−Vdc[V]の3電位となる。
【0012】
<コンバータ群(多重化運転)の動作>
PWMコンバータ1〜3が複数台、交流電源4に接続されたシステムの場合、搬送波の基準位相をPWMコンバータ間でずらして駆動する。
【0013】
いま、N台の多重化運転を仮定した場合、m台目(1<m<N)の搬送波位相θcは、数3式によって決定する。
【0014】
【数3】
ここに、αは初期位相である
単相PWMコンバータ単体の場合、出力電圧高調波および出力電流高調波は、スイッチング周波数FS[Hz]の2倍の周波数帯に大きなレベルが現れる。また、前述のN台のPWMコンバータによる多重化運転では、搬送波位相差運転により、スイッチング周波数FS[Hz]の2×N倍の周波数帯に大きなレベルが現れる。すなわち、単体のコンバータでレベルの高い周波数帯が互いに相殺され、高調波レベルが抑制されるのである。
【0015】
図3、図4には、第1のメインコンバータと第2のメインコンバータとの2台のメインPWMコンバータの多重化運転の場合の各スイッチング素子のスイッチング動作と出力電圧VC1,VC2またその合成電圧VC1+VC2の様子を示してある。この場合、第1のメインコンバータと第2のメインコンバータの搬送波の位相が相対的に90[deg]ずれている。
【0016】
<補償すべき高調波電圧>
メインコンバータ群の出力電圧(ここでは、各コンバータの出力電圧の和をコンバータ群の出力電圧と定義する。この解釈が正しいことは、後述する。)は、図4、図7のようになり、基本波成分以外に高調波成分を含んでいる。高調波電圧は、出力電圧から基本波電圧成分を引き去ることで求めることができる。
【0017】
このようにして算出した高調波電圧を高次成分と低次成分とに分離すると、図4及び図7に示すようなものとなる。逆に言えば、PWMコンバータ群の出力電圧=基本波正弦波電圧+低次高調波+高次高調波ということになる。
【0018】
従来例で採用されているアクティブフィルタ5は高調波を抑制するため、基本波電圧成分を持たず、低次高調波と高次高調波とを打ち消すように作用させるものである。
【0019】
<アクティブフィルタ>
アクティブフィルタ5の構成例を図5〜図7に示してある。このアクティブフィルタ5は、単相フルブリッジのコンバータ10,11を2台直列に接続した構成である。第1のコンバータ10は高次高調波を抑制するため、高次高調波電圧相当を出力する。第2のコンバータ11は低次高調波を抑制するため、低次高調波電圧相当を出力する。
【0020】
第1のコンバータ10の直流側は、電圧源VdcA1により一定に維持されている。4つのスイッチング素子は、スイッチング信号SA1U,SA1X,SA1V,SA1Yに応じてオンオフ動作をする。第2のコンバータ11の直流側は、流れる電流に応じた電圧VdcA2となる。この第2のコンバータ11の4つのスイッチング素子は、スイッチング信号SA2U,SA2X,SA2V,SA2Yに応じてオンオフ動作をする。
【0021】
<アクティブフィルタのスイッチング動作>
図5〜図7に示したアクティブフィルタでは、図3及び図4に示したコンバータ群のメインのPWMコンバータ1,2のスイッチング信号SC1U,SC1Y,SC2U,SC2Yに応じて、次のように信号S1を生成する。
【0022】
【数4】
S1=XOR(NOT(XOR(SC1U,SC1Y)),NOT(XOR(SC2U,SC2Y)))
=XOR(NOT(XOR1),NOT(XOR2))
また、コンバータ群の変調率に応じて、次のように信号S2を生成する。ただし、コンバータ群の変調率を各コンバータの変調率の平均値として定義する。すなわち、
【数5】
コンバータ群の変調率=1/N×ΣN台(各コンバータの変調率)
なお、「変調率×直流電圧=出力電圧」の関係がある。
【0023】
【数6】
S2=1 if 0.5 ≦変調率≦ 1.0
=0 if 0 ≦変調率< 0.5
=1 if −0.5 ≦変調率< 0
=0 if −1.0 ≦変調率≦ −0.5
これらの信号S1,S2に基づき、アクティブフィルタ5の上段のコンバータ10のスイッチング信号SA1U,SA1X,SA1V,SA1Yが生成される。
【0024】
【数7】
SA1U=NOT(XOR(S1,S2))
SA1X=NOT(SA1U)
SA1Y=SA1U
SA1V=NOT(SA1Y)
また、アクティブフィルタ5の下段のコンバータ11のスイッチング信号SA2U,SA2X,SA2V,SA2Yは、次の数8式で生成される信号S3に基づき、数9式により決定する。
【0025】
【数8】
【数9】
SA2U=S3
SA2X=NOT(SA2U)
SA2Y=S3
SA2V=NOT(SA2Y)
上記のように構成されるアクティブフィルタ5によれば、図7に示すようにメインコンバータ群が出力し、電源4へ流入出する高調波を理論的には完全に相殺できるため、電源4へ流入出する高調波を劇的に低減することができる。
【0026】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなPWMコンバータシステムでも、変圧器においてPWMコンバータの発生する高調波電流と高調波補償器が発生する高調波電流の打ち消し合いを行わせるため、PWMコンバータが接続された変圧器二次巻線及び高調波補償器が接続された専用巻線には高調波が流れこみ、その結果、変圧器には高調波電流による熱損失が発生し、冷却の必要から変圧器の重量増加、大型化が必要になってしまう。これにより、特に鉄道車両などへの適用において、重量物である変圧器を車両床下に搭載できれば低重心化によって車両の高速運転化が可能になるが、変圧器があまりに大型化、重量化すると車両床下の限られた空間に搭載することが困難になる問題点があった。
【0027】
また、線路周りには信号、踏切などの安全に関する信号機器が設置されているが、高調波電流が流れている変圧器を線路に近い床下に配置すると、これらの信号機器を誤動作させる可能性が高くなってしまう問題点もあった。
【0028】
また、コンバータ群のうちのいずれかのコンバータが故障や保護動作により動作停止した場合、上記の健全時のアクティブフィルタ動作によれば、高調波抑制の効果が低減あるいは逆に高調波を増大させることがある問題点があった。
【0029】
本発明はこのような従来の技術的課題を解決するためになされたもので、コンバータ群の高調波を抑制するためのアクティブフィルタにおいて、いずれかのメインコンバータが動作停止に至っても、高調波抑制の効果を劣化させることのないアクティブフィルタを備えたコンバータシステムを提供することを目的とする。
【0030】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明のコンバータシステムは、交流電源に少なくとも2台並列に接続されたコンバータで成るコンバータ群と、前記コンバータ群から前記交流電源への高調波を抑制するために、前記交流電源に接続されたアクティブフィルタと、前記コンバータ群の変調率に応じて、当該コンバータ群によって生じる高調波分を相殺するように前記アクティブフィルタの出力電圧を調整する出力電圧制御手段と、前記コンバータ群の中で、動作中であるコンバータの数とその変調率に応じて、前記出力電圧制御手段に作用して前記アクティブフィルタの出力電圧を調整する高調波抑制手段とを備えたものである。
【0031】
請求項1の発明のコンバータシステムでは、コンバータ群の変調率に応じて、当該コンバータ群によって生じる高調波分を相殺するように出力電圧制御手段がアクティブフィルタの出力電圧を調整し、高調波分の電源系統への漏洩を抑制する。そしてコンバータ群のいずれかのコンバータが動作停止に至った場合、動作中であるコンバータの数とその変調率に応じて、高調波抑制手段が出力電圧制御手段に作用してアクティブフィルタの出力電圧を調整し、その高調波抑制の効果を劣化させないようにする。
【0032】
請求項2の発明のコンバータシステムは、交流電源に少なくとも2台並列に接続されたコンバータで成るコンバータ群と、前記コンバータ群から前記交流電源への高調波を抑制するために、前記交流電源に接続されたアクティブフィルタと、前記コンバータ群のスイッチング信号に応じて、当該コンバータ群によって生じる高調波分を相殺するように前記アクティブフィルタの出力電圧を調整する出力電圧制御手段と、前記コンバータ群の中で、動作中であるコンバータの数とそのスイッチング信号に応じて、前記出力電圧制御手段に作用して前記アクティブフィルタの出力電圧を調整する高調波抑制手段とを備えたものである。
【0033】
請求項2の発明のコンバータシステムでは、コンバータ群のスイッチング信号に応じて、当該コンバータ群によって生じる高調波分を相殺するように出力電圧制御手段がアクティブフィルタの出力電圧を調整し、高調波分の電源系統への漏洩を抑制する。そしてコンバータ群のいずれかのコンバータが動作停止に至った場合、動作中であるコンバータの数とそのスイッチング信号に応じて、高調波抑制手段が出力電圧制御手段に作用してアクティブフィルタの出力電圧を調整し、その高調波抑制の効果を劣化させないようにする。
【0034】
請求項3の発明のコンバータシステムは、交流電源に少なくとも2台並列に接続されたコンバータで成るコンバータ群と、前記コンバータ群によって生じる高調波分を相殺するために、前記交流電源に接続されたアクティブフィルタと、前記コンバータ群の中で、動作中であるコンバータのスイッチング周波数に応じて、前記アクティブフィルタのスイッチング周波数を調整する高調波抑制手段とを備えたものである。
【0035】
請求項3の発明のコンバータシステムでは、コンバータ群によって生じる高調波分を相殺するようにアクティブフィルタが動作し、高調波分の電源系統への漏洩を抑制する。そしてコンバータ群のいずれかのコンバータが動作停止に至った場合、動作中であるコンバータのスイッチング周波数に応じて、高調波抑制手段がアクティブフィルタのスイッチング周波数を調整し、その高調波抑制の効果を劣化させないようにする。
【0036】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。図1は本発明の1つの実施の形態のコンバータシステムの回路構成を示している。図1に示した実施の形態のコンバータシステムの特徴は、従来例のコンバータシステムに対して、アクティブフィルタ5に対する出力電圧制御部6と共に、有効信号選択部12を備えた点にある。その他の回路要素については、図2〜図7に示した従来例のコンバータシステムと共通するので、共通の回路要素については共通の符号を用いて説明する。
【0037】
有効信号選択部12には、コンバータ群のメインコンバータ1〜3各々のスイッチング信号及び各コンバータが動作中であるか否かを示すコンバータ動作信号が入力される。そして有効信号選択部12では、動作中であるコンバータの数をMとし、動作中であるコンバータのスイッチング信号をアクティブフィルタ5側の出力電圧制御部6に出力する。
【0038】
アクティブフィルタの出力電圧制御部6では、コンバータ群の中で動作中であるコンバータの数M及びそのスイッチング信号と変調率に基づき、従来例と同様にアクティブフィルタ5への出力電圧、すなわち、スイッチング信号を決定する。
【0039】
次に、上記構成のコンバータシステムの動作について説明する。メインコンバータ1〜3の周波数がFS[Hz]であるとし、そのうちのM台が動作中である場合、コンバータシステムの特性として、概ね2×FS×M[Hz]近傍に大きなレベルの高調波が存在する。このうち、K台が故障や保護停止により、動作不能となった場合、このコンバータのみを切り離して運転継続しているならば、等価スイッチング周波数は、2×FS×(M−K)[Hz]と低下し、同周波数帯近傍に高調波が推移する。
【0040】
そこで本実施の形態のコンバータシステムでは、メインコンバータ1〜3の中で、有効信号選択部12がコンバータ群のメインコンバータ1〜3各々のスイッチング信号及び各コンバータが動作中であるか否かを示すコンバータ動作信号を入力し、動作中であるコンバータの数Mと、動作中であるメインコンバータのスイッチング信号をアクティブフィルタ5の出力電圧制御部6に出力する。そして、アクティブフィルタ5の出力電圧制御部6は、このM、動作中のメインコンバータのスイッチング信号と変調率に基づきアクティブフィルタ5のスイッチング信号を決定する。なお、アクティブフィルタ5に対する出力電圧制御部6による出力電圧制御方式は、図3〜図7に示した従来例と同様のものである。
【0041】
これにより、第1の実施の形態のコンバータシステムによれば、メインコンバータの一部が停止に至っても、残りの健全なメインコンバータが生じる高調波をアクティブフィルタ5によって抑制、低減することができるようになる。
【0042】
なお、上記の実施の形態ではメインコンバータ群の中の動作中のコンバータの数、スイッチング信号と変調率に基づいてアクティブフィルタ5のスイッチング信号を調整し、ひいてはメインコンバータ群から電源系統に漏洩する高調波分を抑制するようにしたが、これに限らず、メインコンバータ群の中の動作中のコンバータの数とスイッチング信号に基づいてアクティブフィルタ5側の出力電圧を制御し、あるいはメインコンバータ群の中の動作中のコンバータの数と変調率に基づいてアクティブフィルタ5側の出力電圧を制御し、さらにはメインコンバータ群の中の動作中のコンバータのスイッチング周波数に基づいてアクティブフィルタ5側のスイッチング周波数を制御する構成であってもよい。
【0043】
【発明の効果】
以上のように請求項1の発明によれば、コンバータ群の変調率に応じて、当該コンバータ群によって生じる高調波分を相殺するように出力電圧制御手段がアクティブフィルタの出力電圧を調整し、高調波分の電源系統への漏洩を抑制することができ、かつ、コンバータ群のいずれかのコンバータが動作停止に至った場合、動作中であるコンバータの数とその変調率に応じて、高調波抑制手段が出力電圧制御手段に作用してアクティブフィルタの出力電圧を調整し、その高調波抑制の効果を劣化させないようにすることができる。
【0044】
請求項2の発明によれば、コンバータ群のスイッチング信号に応じて、当該コンバータ群によって生じる高調波分を相殺するように出力電圧制御手段がアクティブフィルタの出力電圧を調整し、高調波分の電源系統への漏洩を抑制することができ、かつ、コンバータ群のいずれかのコンバータが動作停止に至った場合、動作中であるコンバータの数とそのスイッチング信号に応じて、高調波抑制手段が出力電圧制御手段に作用してアクティブフィルタの出力電圧を調整し、その高調波抑制の効果を劣化させないようにすることができる。
【0045】
請求項3の発明によれば、コンバータ群によって生じる高調波分を相殺するようにアクティブフィルタが動作し、高調波分の電源系統への漏洩を抑制することができ、かつ、コンバータ群のいずれかのコンバータが動作停止に至った場合、動作中であるコンバータのスイッチング周波数に応じて、高調波抑制手段がアクティブフィルタのスイッチング周波数を調整し、その高調波抑制の効果を劣化させないようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の1つの実施の形態のコンバータシステムの回路図。
【図2】従来のコンバータシステムの回路図。
【図3】従来のコンバータシステムにおけるメインコンバータ群の各メインコンバータの動作を示すタイミングチャート(その1)。
【図4】従来のコンバータシステムにおけるメインコンバータ群の各メインコンバータの動作を示すタイミングチャート(その2)。
【図5】従来のコンバータシステムにおけるアクティブフィルタの第1のコンバータの動作を示すタイミングチャート。
【図6】従来のコンバータシステムにおけるアクティブフィルタの第2のコンバータの動作を示すタイミングチャート。
【図7】従来のコンバータシステムにおけるメインコンバータ群の出力電圧と高調波分の波形図、アクティブフィルタの変調率、制御信号、出力電圧を示す波形図。
【符号の説明】
1 (メイン)コンバータ
2 (メイン)コンバータ
3 (メイン)コンバータ
4 電源
5 アクティブフィルタ
6 出力電圧制御部(アクティブフィルタ用)
7 出力電圧制御部(メインコンバータ用)
8 出力電圧制御部(メインコンバータ用)
9 出力電圧制御部(メインコンバータ用)
10 第1のコンバータ
11 第2のコンバータ
12 有効信号選択部
Claims (3)
- 交流電源に少なくとも2台並列に接続されたコンバータで成るコンバータ群と、
前記コンバータ群から前記交流電源への高調波を抑制するために、前記交流電源に接続されたアクティブフィルタと、
前記コンバータ群の変調率に応じて、当該コンバータ群によって生じる高調波分を相殺するように前記アクティブフィルタの出力電圧を調整する出力電圧制御手段と、
前記コンバータ群の中で、動作中であるコンバータの数とその変調率に応じて、前記出力電圧制御手段に作用して前記アクティブフィルタの出力電圧を調整する高調波抑制手段とを備えたことを特徴とするコンバータシステム。 - 交流電源に少なくとも2台並列に接続されたコンバータで成るコンバータ群と、
前記コンバータ群から前記交流電源への高調波を抑制するために、前記交流電源に接続されたアクティブフィルタと、
前記コンバータ群のスイッチング信号に応じて、当該コンバータ群によって生じる高調波分を相殺するように前記アクティブフィルタの出力電圧を調整する出力電圧制御手段と、
前記コンバータ群の中で、動作中であるコンバータの数とそのスイッチング信号に応じて、前記出力電圧制御手段に作用して前記アクティブフィルタの出力電圧を調整する高調波抑制手段とを備えたことを特徴とするコンバータシステム。 - 交流電源に少なくとも2台並列に接続されたコンバータで成るコンバータ群と、
前記コンバータ群によって生じる高調波分を相殺するために、前記交流電源に接続されたアクティブフィルタと、
前記コンバータ群の中で、動作中であるコンバータのスイッチング周波数に応じて、前記アクティブフィルタのスイッチング周波数を調整する高調波抑制手段とを備えたことを特徴とするコンバータシステム。
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KR20200032618A (ko) * | 2018-09-18 | 2020-03-26 | 한국에너지기술연구원 | Thd 저감을 위한 전력변환장치의 제어 |
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-
2002
- 2002-08-30 JP JP2002255779A patent/JP2004096903A/ja active Pending
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