JP2007282434A - 電力変換システム - Google Patents

Abstract

【課題】従来の複数のＰＷＭコンバータのパルス幅変調制御に用いる搬送波は、負荷を均等分割したグループ毎に所定の位相差をもたせるものがあるが、負荷の均等分割が困難な場合には適用できないという課題に対し、負荷容量が異なるグループであっても、所定の位相差を有した搬送波とする。
【解決手段】負荷量の異なる複数の電源ユニットの各ＰＷＭコンバータの変調率ベクトルの合成ベクトルが最小となる位相差を求めこの位相差を加算して所定の位相差とし搬送波の位相差とするよう制御装置が指令する。
【選択図】図１

Description

この発明は、同一の電源に接続された複数台の電源ユニットで構成される電力変換システムの高調波成分を低減する技術に関するものであり、特に可変電圧可変周波数の交流電力で、可変速駆動される電動機にて推進される交流列車車両システムに適用された電力変換システムにおけるＰＷＭコンバータに係るものである。

従来の電力変換装置として、複数台すべてのＰＷＭコンバータにおけるパルス幅変調制御に用いる変調波は電源電圧と同位相とし、列車を編成する駆動車両を均等分割したグループのＰＷＭコンバータ間で、ＰＷＭコンバータのパルス幅変調制御に用いる搬送波に、所定の位相差を持たせるものが示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平０８−０５１７０３号公報（図１）

しかしながら、前記特許文献１に示された従来のＰＷＭコンバータの制御方法では、負荷を均等に分割する必要があり、均等分割は駆動車両によっては現実問題として、実施することが困難な場合があり、それ故に高調波の低減が十分に実施できないという問題点があった。

この発明は前記の課題を解決するためになされたものであり、負荷が均等に分割できない場合でも、高調波を低減することが可能な電力変換システムを得ることを目的としている。

この発明に係る電力変換システムは、共通の交流電源から直流に変換する複数の電源ユニットを備え、この電力変換システムの制御装置が、複数の電源ユニット毎に設けられた各ＰＷＭコンバータの変調率ベクトルの、合成ベクトルの大きさが十分に零に近くなる変調率ベクトルの位相差を求めるとともに、この位相差を加算して所定の位相差とし、この所定の位相差が各ＰＷＭコンバータの搬送波の位相差となるよう、各ＰＷＭコンバータを制御するものである。

この発明に係る電力変換システムは、制御装置が、複数の電源ユニット毎に設けられた各ＰＷＭコンバータの変調率ベクトルの、合成ベクトルの大きさが十分に零に近くなる変調率ベクトルの位相差を求めるとともに、この位相差を加算して所定の位相差とし、所定の位相差が各ＰＷＭコンバータの搬送波の位相差となるよう、各ＰＷＭコンバータを制御するので、各ＰＷＭコンバータの負荷量が異なる場合であっても、高調波成分を低減することができるという効果がある。

実施の形態１．
以下、この実施の形態１を図に基づいて説明する。
図１は電力変換システム２００の一応用例である交流車両システムを示す概略構成図である。列車を構成する３台の駆動車両１１０、１２０、１３０の内、１番目の車両１１０には電源ユニット１０が、２番目の車両１２０には電源ユニット２０が、３番目の車両１３０には電源ユニット３０がそれぞれ搭載され共通の電源５より電力を供給されている。前記電源ユニット１０は変圧器１、ＰＷＭコンバータ２ａ、２台のインバータ３ａで構成されるとともに、負荷として同一容量の２台のモータ４ａが接続されている。電源ユニット２０は変圧器１ａ、ＰＷＭコンバータ２ｂ、１台のインバータ３ｂで構成され、負荷として１台のモータ４ｂが接続されている。電源ユニット３０は変圧器１、ＰＷＭコンバータ２ｃ、２台のインバータ３ａで構成され、前記電源ユニット１０と同一容量の負荷である２台のモータ４ａが接続されている。また１番目の車両１１０には電源ユニット１０〜３０に制御指令信号を出力する制御装置６が設けられており、列車は図１の左方向に進行する。

前述したように、１、３番目の車両１１０、１３０の電源ユニット１０、３０のＰＷＭコンバータ２ａ、２ｃと、２番目の車両１２０の電源ユニット２０のＰＷＭコンバータ２ｂの負荷電力量が異なっている。各ＰＷＭコンバータ２ａ〜２ｃの変調波信号は、前記電源ユニット１０、３０のＰＷＭコンバータ２ａ、２ｃでは互いに同位相であるが、このＰＷＭコンバータ２ａ、２ｃと電源ユニット２０のＰＷＭコンバータ２ｂとは、負荷電力量の相違分だけずれている。そして１番目の車両１１０に設けられた制御装置６に設けられた搬送波信号発生部の出力する搬送波信号は所定の位相だけずれている。

図２は、２番目の車両１２０に搭載された１台のモータ４ｂを駆動するＰＷＭコンバータ２ｂの電圧指令を、図３は１番目および３番目の車両１１０、１３０に搭載されたモータ４ａの２台を駆動するＰＷＭコンバータ２ａ、２ｃの電圧指令を表したものである。
図２において、Ｖｓは電源ユニットの電圧、ωは電源ユニットの周波数、Ｌは変圧器１ａのインダクタンス、Ｉｃ２は電源ユニット２０を流れる電流値、Ｖｃ２はＰＷＭコンバータ２ｂの電圧指令値、θ２は前記電圧指令値Ｖｃ２と電源電圧Ｖｓとの位相を示す。図３においてもＩｃ１、Ｉｃ３は電源ユニット１０、３０を流れる電流値、Ｖｃ１、Ｖｃ３はＰＷＭコンバータ２ａ、２ｃの電圧指令値を、θ１、θ３は前記電圧指令値Ｖｃ１、Ｖｃ３と電源電圧Ｖｓとの位相を示す。
図２、図３から判るように、１、３番目の車両１１０、１３０に搭載された２台のモータ４ａを駆動するＰＷＭコンバータ２ａ、２ｃの電圧指令値Ｖｃ１、Ｖｃ３が、２番目の車両１２０に搭載された１台のモータ４ｂを駆動するＰＷＭコンバータ２ｂの電圧指令値Ｖｃ２より、大きさと位相が大きくなる。

ＰＷＭコンバータの電圧指令Ｖｃは、電源の電圧Ｖｓと電源の周波数ωと変圧器のインダクタンスＬと電流Ｉｃから決まり、次の数式１で表される。

よって、ＰＷＭコンバータの電圧指令Ｖｃの大きさと電源電圧からの位相θは次の数式２、３となる。

高調波成分はＰＷＭコンバータの電圧指令Ｖｃと同位相となるため、搬送波信号の位相差は各ＰＷＭコンバータの電圧指令Ｖｃの大きさと位相により決定する。その位相差は、ＰＷＭコンバータの電圧指令Ｖｃの位相に、ＰＷＭコンバータの電圧指令Ｖｃと直流電圧Ｖｄｃから求まる下記数式４に示す変調率Ｖｋの各ベクトルの合成ベクトルの大きさが十分に零に近くなるような最小の位相差を求め、それらを加算する。

図４は各ＰＷＭコンバータ２ａ〜２ｃの変調率Ｖｋ１〜Ｖｋ３の関係を表したもので、３つの変調率ベクトルの合成ベクトルの大きさが最小となるように各変調率Ｖｋの位相差を求める。
例えば、図４において、Ｖｋ２を基準とすると、次式が成り立つとき合成ベクトルが最小となる。
Ｖｋ１×ｓｉｎ（１８０°−θ１２）＝Ｖｋ３×ｓｉｎ（１８０°−θ２３）
・・・（５）
Ｖｋ１×ｃｏｓ（１８０°−θ１２）＋Ｖｋ３×ｃｏｓ（１８０°−θ２３）＝Ｖｋ２ ・・・（６）
Ｖｋ１＝Ｖｋ３ ・・・（７）
（１）式と（７）式より、
θ１２＝θ２３ ・・・（８）
（７）（８）式を（６）式に代入すると
θ１２＝θ２３＝１８０°−ａｃｏｓ^−１（Ｖｋ２／Ｖｋ１／２）・・・（９）
θ１２＋θ２３＋θ１３＝３６０° ・・・（１０）
（９）（１０）式より
θ１３＝２×ａｃｏｓ^−１（Ｖｋ２／Ｖｋ１／２）
基準ベクトルを考え、基準ベクトルと同じ方向の成分を最小とし、基準ベクトルと鉛直な方向も最小となる位相を決定する。
Ｖｋ１＝Ｖｋ２＝Ｖｋ３の場合、θ１２＝θ２３＝θ１３となる。
なお、合成ベクトルの大きさの最小値は零（ゼロ）である。
なおここで変調率ベクトルが３個の場合について述べたが、変調率ベクトルが４個以上の場合、一意に決まらない場合（極小となる位相差が複数ある場合）は極小となる位相差のいずれでもよい。

図５は各ＰＷＭコンバータ２ａ〜２ｃの搬送波信号の位相の関係を表したものである。図５から判るように、ＰＷＭコンバータ２ａの搬送波（１）に対し、ＰＷＭコンバータ２ｂの搬送波（２）は所定の位相差であるθ１２分だけ時間的に遅れている。また同様にＰＷＭコンバータ２ｃの搬送波（３）は所定の位相差であるθ１２＋θ２３分だけ遅れている。

このように、この実施の形態１の電力変換システム２００に設けられた制御装置６は、各ＰＷＭコンバータ２ａ〜２ｃの搬送波信号の位相差は、各ＰＷＭコンバータの変調率ベクトルの合成ベクトルの大きさが最小となる位相差に、この位相の差を加算して所定の位相差とし、この所定の位相差を前記複数のＰＷＭコンバータの搬送波の位相差となるよう各ＰＷＭコンバータ２ａ〜２ｃに出力する。つまり、制御装置６は、各車両１１０〜１３０の各負荷量（Ｉｃ、Ｌ）、電圧指令値Ｖｃから位相θを求めて、前述の如く搬送波信号の位相差を各ＰＷＭコンバータに指令するものである。
すなわちＰＷＭでは、信号波（正弦波）と搬送波（三角波）を比較してパルスを作成する。共通の電源に複数の変換器が接続された場合、信号波の方は電源の位相でほぼ決まるので、搬送波をずらして高調波を低減しようとするものであり、この実施の形態１に示すように搬送波のずらし方を図４の位相差でずらすものである。したがって、この実施の形態１のような各ＰＷＭコンバータの負荷電力量が異なる場合でも高調波成分を低減することができるという効果がある。

なお、この実施の形態１では、１番目の車両１１０にのみ制御装置６を設ける例を示したが、各車両に設け、列車編成の都度、使用する制御装置１台を定めるようにしてもよい。

また交流車両システム場合を例に説明したが、同一電源に負荷の大きさの異なる複数のＰＷＭコンバータが接続される鉄鋼圧延システムの分野にも利用できる。

この発明の実施の形態１は、可変電圧可変周波数の交流電力で、可変速駆動される電動機にて推進される交流列車車両システムや、鉄鋼圧延システムのＰＷＭコンバータに利用できる。

この発明の実施の形態１の電力変換システムを応用した交流車両システムを示す図である。 この発明の実施の形態１の１台のモータを駆動するＰＷＭコンバータの電圧指令を表す図である。 この発明の実施の形態１の２台のモータを駆動するＰＷＭコンバータの電圧指令を表す図である。 この発明の実施の形態１の各ＰＷＭコンバータの変調率の関係を表す図である。 この発明の実施の形態１の各ＰＷＭコンバータの搬送波信号の位相関係を示す図である。

符号の説明

２ａ〜２ｃ ＰＷＭコンバータ、５ 電源、６ 制御装置、
１０，２０，３０ 電源ユニット、２００ 電力変換システム。

Claims (1)

1. 共通の電力が供給され、互いに負荷量が異なる複数の電源ユニットを備えた電力変換システムにおいて、該電力変換システムの制御装置が、前記複数の電源ユニット毎に設けられた各ＰＷＭコンバータの変調率ベクトルの、合成ベクトルの大きさが十分に零に近くなる変調率ベクトルの位相差を求めるとともに、この位相差を加算して所定の位相差とし、前記各ＰＷＭコンバータの搬送波の位相差となるよう、前記各ＰＷＭコンバータを制御することを特徴とする電力変換システム。

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