JP2004282811A - Harmonics current detector of electric railway - Google Patents

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Haruki Yoshikawa
春樹 吉川
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Fuji Electric Co Ltd
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Fuji Electric Systems Co Ltd
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    • Y02T10/72Electric energy management in electromobility

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To detect that a harmonics current of such frequency as causes malfunction at a signal system is generated from a power converter mounted on a vehicle, for reducing the harmonics current. <P>SOLUTION: An input harmonic current detector 11 detects a current flowing an inverter 6, which is FFT-analyzed by an FFT analysis calculation device 12. Meanwhile, a current tolerable value setter 13 sets a current tolerable value within a specific frequency range. A comparator 14 compares an analysis result of the FET analysis calculation device 12 to a set value of the current tolerable value setter 13, for determining whether a signal system malfunctions or not. The comparison result with the comparator 14 is displayed on a specific place of a vehicle. If the analysis result of the FFT analysis calculation device 12 exceeds a set value of the current tolerable value, an alarm 15 issues a warning. Or, a current reduction of the inverter 6 is commanded to a controller 17 of the inverter 6 along with the warning through a current reduction signal line 16. Otherwise, a command for stopping the inverter 6 is issued. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、車両に搭載している電力変換装置から発生する高調波電流が、電気鉄道の信号系を誤動作させないようにするための電気鉄道における高調波電流の検知方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
電気鉄道は、変電所から架線あるいは第3軌条などの給電線により供給される電力をパンタグラフなどの集電装置で車内に取り込み、この電力で駆動電動機を回転させて当該車両を走行させるのであるが、この電力は軌道を経て変電所へ戻る構成にするのが一般的である。
従来の電気鉄道は、架線から供給される直流電力が駆動電動機としての直流電動機を回転させて走行していたが、近年ではこの直流電動機の代わりに構造が頑丈で保守点検の手間をあまり必要としない誘導電動機を使用し、この誘導電動機と電力変換装置としてのインバータとを組み合わて使用することにより、所望のトルクと回転速度が得られるようになった。また駆動用電動機が直流電動機の場合でも、車内の通信・照明や空気調和装置などには交流電源を必要とするので、これらのための補助電源としてインバータが搭載されている。これら駆動電源用あるいは補助電源用インバータはスイッチング動作により直流電力を交流電力に変換しているので、この電力変換の際に発生する高調波電流が、軌道を経て、電源である変電所へ流れる。電気鉄道では軌道に信号電流を流しており、前述の高調波電流が信号系統を誤動作させる恐れがあり、極端な場合は衝突などの大事故に至る恐れがある。そこでインバータが発生する高調波電流を抑制することが必要になる。
【0003】
高調波電流の抑制には、インバータの電源側にフィルタ回路を設置するのが効果的であるが、このフィルタ回路は大容量のコンデンサとリアクトルを組み合わせて構成するので重くて大形になるのであるが、これらを設置スペースに制約がある車両に搭載しなければならない。そこでフィルタ回路を構成するコンデンサやリアクトルに工夫をこらすことになる(例えば、特許文献1参照。)。
図4はインバータの電源側にフィルタ回路を備えている従来の車両用インバータの構成を示した構成図であって、特許文献1に記載されたものである。この図4において、給電線1からパンタグラフ3と遮断器4を経て取り込まれた直流電流は、フィルタ5を介して電力変換装置としてのインバータ6へ入力して交流電力に変換され、交流電動機7を駆動する。インバータ6を作動させた直流電流は車輪8を介してレール2を流れて変電所へ戻る。
【0004】
【特許文献1】
特開2002−315101号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
電気鉄道では、一般にレール2に信号電流を流すシステムを採用しており、この信号電流には数種類の周波数が用いられている。ところで電気鉄道では、車両へは給電線1を経て変電所から電力が供給されるが、この電力は車両に搭載しているインバータ6からはレール2を流れて変電所へ戻るようになっている。よってインバータ6が動作する際に、信号電流と同じ周波数の高調波電流が発生すると、信号系統に誤動作を生じる恐れがある。そこで図4で既述のようにインバータ6の入力側にフィルタ5を設置することにより、レール2へ流れる高調波電流の大きさを、信号系統を誤動作させない程度にまで抑制している。
【0006】
しかしながらこの高調波電流抑制用のフィルタ5に異常を生じたり、あるいはインバータ6が故障するなどにより、大きな高調波電流がレール2に流れると、信号系統を誤動作させてしまうことになるし、最悪の場合は衝突などの大事故にまで発展する恐れもある。そして特に重要なことは、このように、信号系統に誤動作を生ぜしめる恐れがある高調波電流が流れているにもかかわらず、このような高調波電流が発生していることが分からないということである。
そこでこの発明の目的は、信号系統に誤動作を生ぜしめるような周波数の高調波電流が車両に搭載している電力変換装置から生じていることを検知し、この高調波電流を低減させることにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、この発明の電気鉄道における高調波電流の検知装置は、
給電線を流れる電流を車両内部に取り込んで電力変換装置を作動させた後に、軌道を経てこの電流を変電所へ戻している電気鉄道において、前記電力変換装置に流れる電流波形を検出する電流検出器と、検出した電流波形を高速フーリェ変換により解析する演算装置と、特定の周波数範囲における電流許容値を設定する電流許容値設定器と、前記演算装置の解析結果と前記電流許容値設定器の設定値とを比較する比較器とを備える。
【0008】
または、前記比較器での比較結果を前記車両の特定場所に表示し、前記演算装置での解析結果が前記電流許容値設定値を上回った場合は警報を発する。
または、前記比較器での比較結果を前記車両の特定場所に表示し、前記演算装置での解析結果が前記電流許容値設定値を上回った場合は前記電力変換装置の電流を低減させ、または停止させる。
【0009】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の第1実施例を表したブロック図であるが、この図1に記載の給電線1,レール2,パンタグラフ3,遮断器4,フィルタ5およびインバータ6の名称・用途・機能は、図4で既述の従来例と同じであるから、これらの説明は省略する。
図1の第1実施例では、フィルタ5からレール2へ流れる帰線電流を入力高調波電流検出器11で検出し、この検出電流を高速フーリェ変換による解析(以下ではFFT解析と略記する)演算を行うFFT解析演算装置12により、高調波電流の周波数とその大きさを演算する。一方、各周波数毎に誤動作を生じる恐れがない許容値を、電流許容値設定器13で設定する。比較器14はこれら両者の値を比較してその大小を判定する。なお、入力高調波電流検出器11はフィルタ5とレール2との間に挿入されているが、パンタグラフ3とフィルタ5との間に挿入しても差し支えないのは勿論である。更に、符号17はインバータ6の制御装置である。
【0010】
図2は本発明の第2実施例を表したブロック図であるが、この図2は図1で既述の第1実施例に警報器15と電流低減信号線16を付加した構成である。
図2の第2実施例では車両内の適切な場所,例えば運転台に警報器15を設置しておき、FFT解析演算装置12での演算結果が電流許容値設定器13で設定した値を上回っていることを比較器14が検知すれば、警報器15が警報を発して信号系統に誤動作の恐れがあることを知らせる。更にこの警報は電流低減信号線16を経て制御装置17へ入力され、当該制御装置17からはインバータ6の電流を低減させる指令が発せられる。あるいはインバータ6を停止させる指令を発することもあり得る。
【0011】
図3は信号系統の電流許容値とFFT解析演算装置の解析結果とを重ねて表示したグラフであって、縦軸は電流値を表し、横軸は周波数を表している。この電気鉄道では線路横断道路用に4種類の周波数すなわち1700±40Hz,2000±40Hz,2300±40Hz,2600±40Hzを使用し、車両用に3500Hz以上の多数の周波数を使用している。よってこのグラフでは、これらの各周波数での許容電流値を40mAに設定しており、太線で記載のAが信号系統の電流許容値である。なおB点は40mAを越えているが、周波数が使用範囲外であることから、このB点は信号系統に誤動作を与えない。
【0012】
【発明の効果】
電気鉄道で、車両に搭載している電力変換装置が動作する際には高調波電流が発生して給電線やレールに流れるから、レールを流れる信号電流がこの高調波電流により誤動作する恐れがある。そこで従来は、電力変換装置の入力側にフィルタを設置して、高調波電流が外部へ流出するのを抑制していた。しかしこのフィルタに異常を生じたり、電力変換装置が故障した場合には信号系統に誤動作を生ぜしめるような高調波電流が流れてしまって、衝突などの大事故が発生する恐れがあるにもかかわらず、従来はこのような高調波電流が流れていることを検知できない不都合があった。
【0013】
これに対して本発明では、電力変換装置から流出する高調波電流をFFT解析演算装置により解析し、その解析結果から得られる周波数と電流値が信号系統に許容できる値であるか否かを判定して警報を発し、あるいは高調波電流を抑制する措置を講じることで、信号系統の誤動作を未然に防止し、衝突などの大事故発生の恐れを未然に解消できる効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例を表したブロック図
【図2】本発明の第2実施例を表したブロック図
【図3】信号系統の電流許容値とFFT解析演算装置の解析結果とを重ねて表示したグラフ
【図4】インバータの電源側にフィルタ回路を備えている従来の車両用インバータの構成を示した構成図
【符号の説明】
1 給電線
2 レール
3 パンタグラフ
4 遮断器
5 フィルタ
6 電力変換装置としてのインバータ
8 車輪
11 入力高調波電流検出器
12 FFT解析演算装置
13 電流許容値設定器
14 比較器
15 警報器
16 電流低減信号線
17 制御装置
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for detecting a harmonic current in an electric railway to prevent a harmonic current generated from a power converter mounted on a vehicle from causing a signal system of the electric railway to malfunction.
[0002]
[Prior art]
In an electric railway, electric power supplied from a substation via a power supply line such as an overhead line or a third rail is taken into a vehicle by a current collecting device such as a pantograph, and the electric power is used to rotate a drive motor to drive the vehicle. In general, this electric power is configured to return to a substation via an orbit.
In conventional electric railways, DC power supplied from overhead lines was run by rotating a DC motor as a drive motor, but in recent years, instead of this DC motor, the structure is sturdy and requires much labor for maintenance and inspection. By using an induction motor which is not used, and using the induction motor in combination with an inverter as a power converter, desired torque and rotation speed can be obtained. Even when the driving motor is a DC motor, an AC power supply is required for communication and lighting in the vehicle, an air conditioner, and the like, and therefore, an inverter is mounted as an auxiliary power supply for these. Since these drive power supply or auxiliary power supply inverters convert DC power into AC power by a switching operation, harmonic currents generated at the time of this power conversion flow through a track to a substation as a power supply. In an electric railway, a signal current flows through a track, and the above-described harmonic current may cause a malfunction of a signal system. In an extreme case, a major accident such as a collision may occur. Therefore, it is necessary to suppress the harmonic current generated by the inverter.
[0003]
To suppress the harmonic current, it is effective to install a filter circuit on the power supply side of the inverter, but this filter circuit is made up of a large-capacity capacitor and a reactor, so it is heavy and large. However, they must be mounted on vehicles with limited installation space. Thus, the capacitor and the reactor constituting the filter circuit are devised (for example, see Patent Document 1).
FIG. 4 is a configuration diagram showing the configuration of a conventional vehicle inverter having a filter circuit on the power supply side of the inverter, which is described in Patent Document 1. In FIG. 4, a DC current taken in from a power supply line 1 through a pantograph 3 and a circuit breaker 4 is input to an inverter 6 as a power conversion device via a filter 5 and is converted into AC power. Drive. The DC current that has activated the inverter 6 flows through the rails 2 via the wheels 8 and returns to the substation.
[0004]
[Patent Document 1]
JP, 2002-315101, A
[Problems to be solved by the invention]
An electric railway generally employs a system in which a signal current flows through the rail 2, and the signal current uses several types of frequencies. In an electric railway, electric power is supplied to a vehicle from a substation via a power supply line 1. This electric power flows from an inverter 6 mounted on the vehicle to a rail 2 and returns to the substation. . Therefore, when a harmonic current having the same frequency as the signal current is generated when the inverter 6 operates, a malfunction may occur in the signal system. Therefore, by providing the filter 5 on the input side of the inverter 6 as described above with reference to FIG. 4, the magnitude of the harmonic current flowing to the rail 2 is suppressed to such an extent that the signal system does not malfunction.
[0006]
However, if a large harmonic current flows through the rail 2 due to an abnormality in the filter 5 for suppressing the harmonic current or a failure of the inverter 6, the signal system will malfunction and the worst case will occur. In some cases, it may lead to a major accident such as a collision. What is particularly important is that despite the fact that harmonic currents that may cause malfunctions in the signal system are flowing, it is not known that such harmonic currents are occurring. It is.
Therefore, an object of the present invention is to detect that a harmonic current having a frequency that causes a malfunction in a signal system is generated from a power converter mounted on a vehicle, and to reduce the harmonic current. .
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a device for detecting a harmonic current in an electric railway according to the present invention includes:
A current detector that detects a waveform of a current flowing through the power conversion device in an electric railway that takes in a current flowing through a power supply line into a vehicle, activates the power conversion device, and returns the current to a substation via a track. An arithmetic device for analyzing the detected current waveform by fast Fourier transform, a current allowable value setting device for setting a current allowable value in a specific frequency range, an analysis result of the arithmetic device, and setting of the current allowable value setting device And a comparator for comparing the value with the value.
[0008]
Alternatively, a result of the comparison by the comparator is displayed at a specific location of the vehicle, and an alarm is issued when the result of the analysis by the arithmetic unit exceeds the set value of the allowable current value.
Alternatively, the result of the comparison by the comparator is displayed at a specific location of the vehicle, and when the result of the analysis by the arithmetic device exceeds the set value of the allowable current value, the current of the power conversion device is reduced or stopped. Let it.
[0009]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is a block diagram showing a first embodiment of the present invention. The names, applications, and functions of a feeder 1, a rail 2, a pantograph 3, a circuit breaker 4, a filter 5, and an inverter 6 shown in FIG. Is the same as the conventional example described above with reference to FIG.
In the first embodiment of FIG. 1, a retrace current flowing from the filter 5 to the rail 2 is detected by the input harmonic current detector 11, and the detected current is analyzed by fast Fourier transform (hereinafter abbreviated as FFT analysis). The frequency and the magnitude of the harmonic current are calculated by the FFT analysis calculation device 12 that performs the above. On the other hand, an allowable value that does not cause a malfunction for each frequency is set by the current allowable value setting unit 13. The comparator 14 compares these two values to determine the magnitude. Although the input harmonic current detector 11 is inserted between the filter 5 and the rail 2, it is needless to say that the input harmonic current detector 11 may be inserted between the pantograph 3 and the filter 5. Further, reference numeral 17 denotes a control device of the inverter 6.
[0010]
FIG. 2 is a block diagram showing a second embodiment of the present invention. FIG. 2 shows a configuration in which an alarm 15 and a current reduction signal line 16 are added to the first embodiment described in FIG.
In the second embodiment shown in FIG. 2, an alarm device 15 is installed at an appropriate place in the vehicle, for example, a cab, and the calculation result of the FFT analysis calculation device 12 exceeds the value set by the current allowable value setting device 13. Is detected by the comparator 14, the alarm 15 issues an alarm to notify the signal system that there is a risk of malfunction. Further, this alarm is input to the control device 17 via the current reduction signal line 16, and the control device 17 issues a command to reduce the current of the inverter 6. Alternatively, a command to stop the inverter 6 may be issued.
[0011]
FIG. 3 is a graph in which the allowable current value of the signal system and the analysis result of the FFT analysis operation device are superimposed and displayed. The vertical axis represents the current value, and the horizontal axis represents the frequency. In this electric railway, four kinds of frequencies, that is, 1700 ± 40 Hz, 2000 ± 40 Hz, 2300 ± 40 Hz, and 2600 ± 40 Hz are used for crossing roads, and many frequencies of 3500 Hz or more are used for vehicles. Therefore, in this graph, the allowable current value at each of these frequencies is set to 40 mA, and A indicated by a thick line is the current allowable value of the signal system. The point B exceeds 40 mA, but since the frequency is out of the usable range, the point B does not cause a malfunction to the signal system.
[0012]
【The invention's effect】
In an electric railway, when a power conversion device mounted on a vehicle operates, a harmonic current is generated and flows to a power supply line or a rail. Therefore, a signal current flowing in a rail may malfunction due to the harmonic current. . Therefore, conventionally, a filter has been installed on the input side of the power converter to suppress the outflow of the harmonic current to the outside. However, if an abnormality occurs in this filter or the power converter breaks down, a harmonic current that may cause a malfunction in the signal system may flow, causing a serious accident such as a collision. Conventionally, there has been an inconvenience that such a high-frequency current cannot be detected.
[0013]
On the other hand, in the present invention, the harmonic current flowing out of the power conversion device is analyzed by the FFT analysis calculation device, and it is determined whether the frequency and the current value obtained from the analysis result are values allowable for the signal system. By issuing a warning and taking measures to suppress the harmonic current, it is possible to prevent the malfunction of the signal system beforehand and to obtain the effect that the possibility of occurrence of a major accident such as a collision can be eliminated.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a block diagram showing a second embodiment of the present invention. FIG. 3 is an analysis result of an allowable current value of a signal system and an FFT analysis operation device. FIG. 4 is a configuration diagram showing the configuration of a conventional vehicle inverter provided with a filter circuit on the power supply side of the inverter.
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Power supply line 2 Rail 3 Pantograph 4 Circuit breaker 5 Filter 6 Inverter 8 as a power converter 8 Wheel 11 Input harmonic current detector 12 FFT analysis / calculation device 13 Current allowable value setting device 14 Comparator 15 Alarm device 16 Current reduction signal line 17 Control device

Claims (3)

給電線を流れる電流を車両内部に取り込んで電力変換装置を作動させた後に、軌道を経てこの電流を変電所へ戻している電気鉄道において、
前記電力変換装置に流れる電流波形を検出する電流検出器と、検出した電流波形を高速フーリェ変換により解析する演算装置と、特定の周波数範囲における電流許容値を設定する電流許容値設定器と、前記演算装置での解析結果と前記電流許容値設定器の設定値とを比較する比較器と、を備えることを特徴とする電気鉄道における高調波電流の検知装置。
After taking the current flowing through the power supply line into the vehicle and activating the power converter, the electric railway returns this current to the substation via the track.
A current detector that detects a current waveform flowing through the power converter, an arithmetic device that analyzes the detected current waveform by fast Fourier transform, a current allowable value setting device that sets a current allowable value in a specific frequency range, A detector for detecting a harmonic current in an electric railway, comprising: a comparator that compares an analysis result of an arithmetic device with a set value of the current allowable value setting device.
請求項1に記載の電気鉄道における高調波電流の検知装置において、
前記比較器での比較結果を前記車両の特定場所に表示し、前記演算装置での解析結果が前記電流許容値設定値を上回った場合は警報を発することを特徴とする電気鉄道における高調波電流の検知方法。
A detection device for a harmonic current in an electric railway according to claim 1,
The comparison result in the comparator is displayed at a specific location of the vehicle, and when the analysis result in the arithmetic device exceeds the current allowable value set value, a warning is issued, and the harmonic current in the electric railway is characterized by Detection method.
請求項1または請求項2に記載の電気鉄道における高調波電流の検知装置において、
前記演算装置での解析結果が前記電流許容値設定値を上回った場合は前記電力変換装置の電流を低減させ、または停止させることを特徴とする電気鉄道における高調波電流の検知方法。
A device for detecting a harmonic current in an electric railway according to claim 1 or 2,
A method for detecting a harmonic current in an electric railway, wherein the current of the power converter is reduced or stopped when an analysis result of the arithmetic device exceeds the set value of the allowable current value.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN103926462A (en) * 2014-04-28 2014-07-16 东南大学 Rapid harmonic wave analyzing method and device of power system

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