JP2004357448A

JP2004357448A - 高調波電流抑制装置及び電気車両

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Publication number: JP2004357448A
Application number: JP2003154104A
Authority: JP
Inventors: Seiji Ishida; 誠司石田; Takeshi Ogawa; 岳小川; Tetsuo Kojima; 徹郎児島
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-05-30
Filing date: 2003-05-30
Publication date: 2004-12-16

Abstract

【課題】鉄道車両では、軌道２に流す帰線電流に含まれ、在線検知に対して障害を及ぼす交流成分である障害電流を許容値以下に抑制する必要があり、本発明の目的は、小形の高調波電流抑制装置を提供することである。
【解決手段】導体２０を流れる電流Ｉｓの交流成分を検出する交流成分検出器１２と、その出力に基き、この交流成分を打消すように導体２０の一部２１に交流電圧を発生させる交流電圧源１３を備える。この交流電圧源１３は、導体２０に結合された磁性体コア１３２と、このコアに巻かれたコイル１３３及びこのコイルに接続された交流電圧発生部１３１とで構成される。検出した交流成分に基き、この交流成分を打消す方向に、交流電圧発生部を制御することにより、障害電流を抑制する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直流電流に含まれる交流成分を除去する高調波電流抑制装置及びこれを用いた電気車両に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鉄道車両では、架線及び軌道を介して駆動に必要な電力を供給する場合が多い。さらに、軌道を用いて、地上の保安装置に必要な車両の在線検知を行う場合が多い。このため、鉄道車両が軌道に流す帰線電流に含まれる交流成分が、在線検知に対して障害を及ぼす場合があり、障害を及ぼす交流成分を許容値以下に抑制する必要がある。
【０００３】
このような障害電流を抑制するために多くの提案がなされており、例えば、特許文献１や２等に開示された技術が知られている。特許文献１では、架線と軌道から電力の供給を受ける電力変換器と並列に高調波抑制用インバータを設けている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−９２８６２号公報（要約、そのほか全体）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に記載された技術では、架線と軌道から電力の供給を受ける電力変換器と並列に、抑制用追加インバータが必要である。このため、この抑制用追加インバータは、電力変換器と同等の電圧耐量が必要であり、容積が大きくなる。
【０００６】
本発明の目的は、小形の高調波電流抑制装置及びこれを用いた電気車両を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明はその一面において、導体を流れる電流の交流成分を検出する交流成分検出手段と、この交流成分検出手段の出力に基き、この交流成分を打消すように前記導体の一部に交流電圧を発生させる手段を備えたことを特徴とする。
【０００８】
この構成により、導体の一部に交流電圧を発生させ、障害電流を抑制するため、この発生電圧は低電圧でよく、小形化が可能である。
【０００９】
ここで、交流電圧を発生させる手段は、導体に結合された磁性体コアに巻かれたコイルに接続された交流電圧源と、前記交流成分検出手段の出力に基き交流成分を打消す方向に、この交流電圧源を制御する手段を備えることが望ましい。
【００１０】
これにより、コイルに流す交流電流により、磁気結合で導体に誘起電圧を発生し、障害電流を抑制することができる。
【００１１】
本発明は他の一面において、導体に流れる電流に基き内部に磁束を発生するように導体に結合された磁性体コアと、この磁性体コアに発生する磁束を検出する磁束検出手段の出力に基き、発生磁束を打消す方向に磁性体コアに巻かれたコイルに直流電圧を印加する直流電圧源と、導体に流れる電流の交流成分を検出する交流成分検出手段の出力に基き、この交流成分を打消す方向に磁性体コアに巻かれたコイルに交流電圧を印加する交流電圧源を備えたことを特徴とする。
【００１２】
この構成によれば、コイルに流す交流電流により、磁気結合で導体に誘起電圧を発生し、障害電流を抑制できるとともに、磁束検出手段に基き、磁性体コアの磁束密度を抑制するので磁性体コアを小型化でき、さらに高調波電流抑制装置を小型化できる。
【００１３】
本発明はさらに他の一面において、集電した直流を交流に変換する電力変換器から給電される車両駆動用の主電動機と、集電器から電力変換器を結ぶ導体に流れる高調波成分を抑制する高調波電流抑制装置を備えた電気車両において、前記導体を流れる電流の交流成分を検出する交流成分検出手段の出力に基きこの交流成分を打消す方向の交流電圧を、前記導体の一部に発生させる交流電圧発生手段を備えたことを特徴とする。
【００１４】
これにより、小型化した障害電流抑制手段を備えた電気車両を実現できる。
【００１５】
本発明のその他の目的及び特徴は、以下の実施形態の説明で明らかにする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明を鉄道電気車両に適用した一実施例の原理構成図である。図１において、架線１及び軌道２から、集電器３及び車輪４を介して直流電力を受電し、この直流を電力変換装置５により交流電力に変換し、車両駆動用の主誘導電動機６に電力を供給する。電力変換装置５は、リアクトル７及びコンデンサ８からなるフィルタと、電力変換器（３相インバータ）９とを備え、受電した直流を、可変電圧・可変周波数の３相交流に変換し、主誘導電動機６を可変速駆動する。
【００１７】
ここで、本実施例においては、集電器３から電力変換器９に至る直流電路に、高調波電流抑制装置１０を設けている。この高調波電流抑制装置１０は、前記直流電路の導体２０を流れる電流を検出する電流検出器１１と、その交流成分を検出する交流成分検出器（交流成分検出手段）１２及び交流電圧源（交流電圧発生手段）１３から構成されている。導体２０には、リアクトル７からコンデンサ８及び電力変換器９への架線電流Ｉｓが流れ、電流検出器１１は、この架線電流Ｉｓを検出し、交流成分検出器１２は、架線電流Ｉｓに含まれる直流成分を除去し、交流成分を出力する。交流電圧源１３は、架線電流Ｉｓの交流成分に応じた交流電圧を出力し、導体２０の一部２１に、この交流電圧Ｖｓを発生させる。
【００１８】
次に、本実施例の動作について説明する。
【００１９】
導体２０に交流成分を含む直流電流Ｉｓが流れると、電流検出器１１は検出電流として交流成分が重畳した直流の信号を出力する。交流成分検出器１２は、検出電流から交流成分のみを取り出し、交流電圧源１３は、検出された交流成分に応じてその出力電圧を制御され、導体２０の一部２１に交流電圧Ｖｓを発生させる。
【００２０】
架線電圧をＥｓ、リアクトル７のインダクタンスをＬ、その抵抗分をＲ、その両端電圧をＶＬ、コンデンサ８の容量をＣ、その両端電圧をＶｃ、電力変換器９に向って流れる負荷電流をＩＬとすると、次式が成り立つ。
【００２１】
Ｅｓ＝ＶＬ＋Ｖｓ＋Ｖｃ＝（Ｒ＋ｓＬ）Ｉｓ＋Ｖｓ＋（Ｉｓ−ＩＬ）／ｓＣ
なお、ｓは微分演算子である。
【００２２】
図２は、本発明の一実施例による高調波電流抑制装置１０の機能ブロック図、すなわち上式をブロック図で表したものである。ここで、伝達関数Ｇ（ｓ）は、交流成分検出器１２から交流電圧源１３に至る特性を示す伝達関数である。例えば、５［Ｈｚ］から２００［Ｈｚ］までを通過域とするバンドパスフィルタの特性と、その検出成分に応じた電圧発生特性である。
【００２３】
今、負荷電流ＩＬが上記の周波数帯域内で脈動しているとき、その脈動（増減）による動作について考える。負荷電流ＩＬが増加（減少）すると、コンデンサ８の電圧Ｅｃが減少（増加）し、リアクトル７の電圧ＶＬが増加（減少）し、架線電流Ｉｓが増加（減少）する。このため、負荷電流ＩＬの変動が、架線電流Ｉｓの脈動すなわち障害電流の原因となる。
【００２４】
これに対して、本発明の上記実施例によれば、架線電流Ｉｓが増加（減少）すると交流成分検出器１２の出力も増加（減少）し、交流電圧源１３による発生電圧Ｖｓも増加（減少）する。これにより、リアクトル７の電圧ＶＬの増加（減少）が抑制され、架線電流Ｉｓの増加（減少）を抑制することができる。したがって、障害の対象となる周波数帯域の交流電流成分を交流成分検出器１２で検出することにより、架線電流にＩｓに含まれる障害電流を抑制することができる。
【００２５】
また、交流電圧源１３の発生電圧Ｖｓは、負荷電流ＩＬの交流成分により生じるコンデンサ８の電圧の変動に相当する電圧を出力すれば十分であるため、架線電圧Ｅｓの直流分に比べて、はるかに小さな電圧で足りる。したがって、高調波電流抑制装置１０の電力容量及び寸法は極めて小さくて済む。
【００２６】
なお、電気車両は、電車や機関車いずれでもよく、主電動機６は同期電動機でも良い。また、電力変換器９を直流／直流電力変換器とし、直流可変電圧又は電流を出力し、主電動機６を直流電動機とする構成でもよい。さらに、図１に１個のみ示した主電動機６は、２個あるいは４個といった複数個であってもよい。
【００２７】
図３は、本発明による高調波電流抑制装置１０の第１の具体的実施例を示す構成図である。高調波電流抑制装置１０は、導体２０に流れる電流の交流成分を検出して、この交流成分を打消すような交流電圧を導体２０の一部２１に発生させる。このため、導体２０に流れる電流Ｉｓを検出する電流検出器１１と、その出力の交流成分を検出する交流成分検出器１２と、この交流成分に応じて交流電圧を発生する交流電圧源１３を備えている。交流電圧源１３は、交流成分検出器１２の出力に応じた電圧を発生する交流電圧発生部１３１と、この電圧により磁性体コア１３２を励磁するコイル１３３から構成されている。
【００２８】
磁性体コア１３２は、導体２０を流れる電流Ｉｓにより内部に磁束が発生するように設置されている。コイル１３３は、磁性体コア１３２に巻かれており、コイル１３３に電流が流れると磁性体コア１３２の内部に磁束が発生する。すなわち、コイル１３３も、導体２０と磁気的に結合されている。
【００２９】
次に、本実施例の動作について説明する。
【００３０】
導体２０に流れる交流成分を含む直流電流Ｉｓは、電流検出器１１で検出され、交流成分検出器１２の出力に交流成分が出力される。これに基き、交流電圧発生部１３１の出力電圧が制御され、コイル１３３に交流電流が流れ、磁性体コア１３２に交流磁束が発生する。磁性体コア１３２に交流磁束が発生すると、導体２０の一部２１に誘起電圧Ｖｓが発生する。この誘起電圧Ｖｓが、図１で述べたように架線電流Ｉｓの交流成分を打消すように働くため、導体２０に流れる障害電流を抑制することができる。
【００３１】
なお、磁性体コア１３２の材料としては、フェライトや積層したケイ素鋼板などを用いることができる。また、交流成分検出器１２の出力に基き、交流電圧源１３の出力交流電圧Ｖｓを制御しているが、交流電流を制御するように構成しても同様の効果が得られる。
【００３２】
図４は、本発明による高調波電流抑制装置１０の第２の具体的実施例を示す構成図である。図３と同一符号は同一物を示し、重複説明は避ける。図３と異なる点は、磁束検出器（磁束検出手段）１４、直流成分検出器（直流成分検出手段）１５及び直流電圧発生部１６から構成される直流電圧源により、磁性体コア１３２の磁気飽和を避ける点である。
【００３３】
磁束検出器１４は、例えばホール素子を用い、磁性体コア１３２に発生した磁束φを検出する。直流成分検出器１５は、検出磁束φから直流成分を検出し、この直流成分を打消す方向に、交流電圧発生部１３１と直列に接続された直流電圧発生部１６の発生電圧を制御する。
【００３４】
この構成により、図３で説明したと同一の効果が得られるほか、導体２０を流れる架線電流Ｉｓの直流成分による磁束を抑制し、磁性体コア１３２の磁束密度を低減でき、磁性体コア１３２を小型化することができる。
【００３５】
なお、交流電圧発生部１３１と直流電圧発生部１６を一体化し、交流成分検出器１２及び直流成分検出器１５の出力の和でその出力を制御する構成でもよい。
【００３６】
次に、本発明の第４の実施例を図５を用いて説明する。
【００３７】
図５は、本発明による高調波電流抑制装置１０の第３の具体的実施例を示す構成図である。図４と同一符号は同一物を示し、重複説明は避ける。図４と異なる点は、磁束検出器１４を省略し、電流検出器１１の出力から、直流成分検出器１５で直流成分を検出することによって、磁性体コア１３２に発生する磁束φを推定するようにしたことである。この発生磁束φの推定には、予め調べた導体２０に流れる電流Ｉｓと磁性体コア１３２の磁束φの関係を用いる。このように、直流成分検出器１５は、磁性体コア１３２に発生する磁束を推定する磁束推定手段を構成している。
【００３８】
この実施例によれば、図４と同様の効果が得られるほか、磁束検出器１４を省略でき、構成を簡素化することができる。
【００３９】
図６は、本発明による高調波電流抑制装置１０の第４の具体的実施例を示す構成図である。図４と同一符号は同一物を示し、重複説明は避ける。図４と異なる点は、磁性体コア１３２に第２のコイル１３４を設け、直流電圧発生部１６の直流出力電圧を、この第２のコイル１３４に印加するように構成したことである。
【００４０】
本実施例では、図４で説明したと同一の効果が得られる。また、障害電流を抑制するコイル１３３と磁束密度を抑制する第２のコイル１３４を別体としたことにより、それぞれに適した巻数を選択することができる。例えば、コイル１３３の巻数よりも、磁束密度を抑制する第２のコイル１３４の巻数を多くすることにより、少ない直流電流で架線電流Ｉｓの直流成分による磁束を相殺することができる。このとき、第２のコイル１３４には、直流電流しか流れないため、巻数の増加によるインダクタンス分の増加に伴う電圧降下の影響は小さい。
【００４１】
また、本実施例では、磁束検出器１４を用いて磁性体コア１３２の磁束を検出しているが、磁束検出器１４に代えて、図５の実施例と同様に、電流検出器１１で検出した電流から、発生磁束φを推定することもできる。これにより、磁束検出器１４を省略することができる。
【００４２】
以上説明したすべての実施例において、導体２０の電流Ｉｓを電流検出器１１で検出し、交流成分検出器１２の入力としている。しかし、障害電流が流れた場合、コンデンサ電圧Ｅｃやリアクトル電圧ＶＬにも交流成分が発生する。このため、コンデンサ電圧Ｅｃ又はリアクトル電圧ＶＬを検出し、交流成分検出器１２に入力しても、障害電流を検出し、これを抑制することが可能である。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によれば、小形の高調波電流抑制装置を提供することができる。
【００４４】
また、小形の高調波電流抑制装置を用いた電気車両を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例による高調波電流抑制装置を備えた鉄道電気車両の電気回路構成図。
【図２】本発明の一実施例による高調波電流抑制装置１０の機能ブロック図。
【図３】本発明による高調波電流抑制装置１０の第１の具体的実施例を示す構成図。
【図４】本発明による高調波電流抑制装置１０の第２の具体的実施例を示す構成図。
【図５】本発明による高調波電流抑制装置１０の第３の具体的実施例を示す構成図。
【図６】本発明による高調波電流抑制装置１０の第４の具体的実施例を示す構成図。
【符号の説明】
１…架線、２…軌道、３…集電器、４…車輪、５…電力変換装置、６…車両駆動用の主誘導電動機、７…リアクトル、８…コンデンサ、９…電力変換器（３相インバータなど）、１０…高調波電流抑制装置、１１…電流検出器、１２…交流成分検出器、１３…交流電圧源、１３１…交流電圧発生部、１３２…磁性体コア、１３３…励磁コイル、１３４…第２のコイル、１４…磁束検出器、１５…直流成分検出器、１６…直流電圧発生部、２０…導体。

Claims

導体に流れる電流に含まれる高調波成分を抑制する高調波電流抑制装置において、前記導体を流れる電流の交流成分を検出する交流成分検出手段と、この交流成分検出手段の出力に基き、この交流成分を打消す方向に前記導体の一部に交流電圧を発生させる交流電圧発生手段を備えたことを特徴とする高調波電流抑制装置。
請求項１において、前記交流電圧発生手段は、前記導体と磁気的に結合されたコイルと、このコイルに接続された交流電圧発生部を備えたことを特徴とする高調波電流抑制装置。
請求項１において、前記交流電圧を発生させる手段は、前記導体に結合された磁性体コアと、この磁性体コアに巻かれたコイルと、このコイルに接続された交流電圧発生部を備えたことを特徴とする高調波電流抑制装置。
請求項１において、直流を交流に変換する電力変換器と、この電力変換器から給電される交流電動機を備え、前記導体は、直流電源から前記電力変換器に給電する直流路を構成する導体の一部であることを特徴とする高調波電流抑制装置。
導体に流れる電流に含まれる高調波成分を抑制する高調波電流抑制装置において、前記導体に流れる電流に基き内部に磁束を発生するように前記導体に結合された磁性体コアと、この磁性体コアに発生する磁束を検出する磁束検出手段と、前記磁束検出手段の出力に基き、発生磁束を打消す方向に前記磁性体コアに巻かれたコイルに直流電圧を印加する直流電圧源と、前記導体に流れる電流の交流成分を検出する交流成分検出手段と、この交流成分検出手段の出力に基き、この交流成分を打消す方向に前記磁性体コアに巻かれたコイルに交流電圧を印加する交流電圧源を備えたことを特徴とする高調波電流抑制装置。
請求項５において、前記磁束検出手段は、前記導体に流れる電流に基き、前記磁性体コアに発生する磁束を推定する磁束推定手段を備えたことを特徴とする高調波抑制装置。
請求項５において、前記磁性体コアに巻かれた１つのコイルに接続された前記直流電圧源及び前記交流電圧源を備えたことを特徴とする高調波電流抑制装置。
請求項５において、前記磁性体コアに巻かれたコイルと、このコイルに接続された交流電圧発生部と、前記交流成分検出手段の出力に基き前記交流電圧発生部を制御する手段と、前記磁性体コアに巻かれた第２のコイルと、この第２のコイルに接続された直流電圧発生部と、前記磁束検出手段の出力に基き前記直流電圧発生部の直流出力電圧を制御する手段を備えたことを特徴とする高調波電流抑制装置。
直流を集電する集電器と、集電した前記直流を交流に変換する電力変換器と、この電力変換器から給電される車両駆動用の主電動機と、前記集電器から前記電力変換器を結ぶ導体に流れる高調波成分を抑制する高調波電流抑制装置を備えた電気車両において、前記導体を流れる電流の交流成分を検出する交流成分検出手段と、この交流成分検出手段の出力に基きこの交流成分を打消す方向の交流電圧を、前記導体の一部に発生させる交流電圧発生手段を備えたことを特徴とする電気車両。
請求項９において、前記交流電圧発生手段は、前記導体と磁気的に結合されたコイルと、このコイルに接続された交流電圧発生部を備えたことを特徴とする電気車両。
請求項９において、前記交流電圧発生手段は、前記導体に結合された磁性体コアと、この磁性体コアに巻かれたコイルと、このコイルに接続された交流電圧発生部と、前記交流成分検出手段の出力に基き前記交流電圧発生部を制御する手段を備えたことを特徴とする電気車両。
請求項９において、前記導体に流れる電流に基き内部に磁束を発生するように前記導体に結合された磁性体コアと、この磁性体コアに発生する磁束を検出する磁束検出手段と、前記磁束検出手段の出力に基き、この磁束を打消す方向に前記磁性体コアに巻かれたコイルに直流電圧を印加する直流電圧発生部と、前記交流成分検出手段の出力に基き、この交流成分を打消す方向に前記磁性体コアに巻かれたコイルに交流電圧を印加する交流電圧発生部を備えたことを特徴とする電気車両。
請求項１２において、前記磁束検出手段は、前記導体に流れる電流に基き、前記磁性体コアに発生する磁束を推定する磁束推定手段を備えたことを特徴とする電気車両。
請求項１２において、前記磁性体コアに巻かれた１つのコイルに接続された前記直流電圧発生部及び前記交流電圧発生部を備えたことを特徴とする電気車両。
請求項１２において、前記磁性体コアに巻かれたコイルと、このコイルに接続された前記交流電圧発生部と、前記磁性体コアに巻かれた第２のコイルと、この第２のコイルに接続された前記直流電圧発生部を備えたことを特徴とする電気車両。