JP2012023921A - Electric power converter - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To enable precise calculation of an input power amount by accurately obtaining an instantaneous value of an input voltage of a converter without adding a hardware part.SOLUTION: An electric power converter includes at least a converter 5 for converting an AC voltage into a DC voltage and a converter control section 110 for generating a driving pulse of switching elements 51-54 by PMW control so as to control the DC voltage to be constant and maintain a power factor of the converter 5 equal to one. The converter control section 110 includes a converter control software section 111 for calculating a fundamental wave input voltage of the converter 5 as a modulated wave to perform PWM control; voltage conversion means CONfor converting the fundamental wave input voltage into a voltage instantaneous value; electric current conversion means CONfor converting an input electric current into an electric current instantaneous value; multiplication means MPfor multiplying both the instantaneous values; and power running/regenerating electric power integration means INTand INTfor calculating the input electric power of the converter 5 by accumulating the instantaneous electric power which is the output.

Description

本発明は、少なくともコンバータ及びその制御部を備えた電力変換装置に関し、詳しくは、例えば高電圧の単相交流架線から給電される交流電気車に適用され、主変圧器の2次側に接続されるコンバータと、このコンバータの直流側に接続されて車両駆動用誘導電動機に可変電圧・可変周波数の3相交流電力を供給するインバータとを備えたコンバータ・インバータシステムにおけるコンバータの入力電力量演算技術に関するものである。   The present invention relates to a power conversion device including at least a converter and a control unit thereof, and more specifically, for example, is applied to an AC electric vehicle fed from a high-voltage single-phase AC overhead line and connected to a secondary side of a main transformer. The present invention relates to a converter input power amount calculation technique in a converter / inverter system including a converter connected to a DC side of the converter and an inverter that supplies three-phase AC power of variable voltage / variable frequency to a vehicle drive induction motor Is.

図2は、交流電気車用のコンバータ・インバータシステムの従来技術を示す構成図であり、例えば、特許文献1や非特許文献1に記載されているものである。
この従来技術は、パルス幅変調(PWM)制御によってコンバータの交流側電圧を2つの電圧レベルに制御するものであり、いわゆる2レベルコンバータ・インバータシステムとして知られている。
FIG. 2 is a configuration diagram showing a conventional technique of a converter / inverter system for an AC electric vehicle, which is described in, for example, Patent Document 1 and Non-Patent Document 1.
This prior art controls the AC side voltage of the converter to two voltage levels by pulse width modulation (PWM) control, and is known as a so-called two-level converter / inverter system.

図2において、車両駆動電力は単相の交流架線からパンタグラフ1を通して主変圧器2の1次巻線21に供給され、車輪3及びレールを介して帰還される。主変圧器2は、1次巻線21に供給される高電圧の1次電圧Vを、2次巻線22及び3次巻線23により、負荷に適合する2次電圧V及び3次電圧Vにそれぞれ降圧する。 In FIG. 2, vehicle driving power is supplied from a single-phase AC overhead line to the primary winding 21 of the main transformer 2 through the pantograph 1 and returned via the wheels 3 and rails. The main transformer 2 converts the high primary voltage V 1 supplied to the primary winding 21 into the secondary voltage V 2 and the tertiary that are suitable for the load by the secondary winding 22 and the tertiary winding 23. each stepped down to the voltage V 3.

コンバータ5は、入力された2次電圧Vを半導体スイッチング素子51〜54のオンオフ動作により直流電圧Eに変換して出力する。コンデンサ6は、コンバータ5の出力電圧に含まれるリプル電圧を平滑するためにコンバータ5の直流出力端子間(直流中間回路)に接続される。
一方、インバータ8は、コンデンサ6により平滑された直流電圧Eをスイッチング素子のオンオフ動作により3相交流電力に変換し、電気車駆動用の誘導電動機9に可変電圧・可変周波数の交流電力を供給する。
Converter 5, the input secondary voltage V 2 into a DC voltage E d by on-off operation of the semiconductor switching elements 51 to 54 outputs. Capacitor 6 is connected between the DC output terminals (DC intermediate circuit) of converter 5 in order to smooth the ripple voltage included in the output voltage of converter 5.
On the other hand, the inverter 8, a DC voltage E d that is smoothed into a 3-phase AC power by on-off operation of the switching element by the condenser 6, supplies AC power of variable voltage and variable frequency to induction motor 9 for driving an electric vehicle To do.

コンバータ制御部10は、コンバータ制御ソフト部101及び電力量演算ソフト部102から構成されている。
コンバータ制御ソフト部101は、後述するようにコンバータ5の力率1制御機能及び直流電圧一定制御機能を備え、PWM制御によりコンバータ5のスイッチング素子51〜54に対するゲート駆動パルスを生成して出力する。電力量演算ソフト部102は、力行動作時及び回生動作時の電力変換装置の消費電力量(コンバータ5の入力電力量)を演算し、その電力量をモニタ(伝送)ソフトへ送信する。
The converter control unit 10 includes a converter control software unit 101 and an electric energy calculation software unit 102.
The converter control software unit 101 has a power factor 1 control function and a DC voltage constant control function of the converter 5 as will be described later, and generates and outputs gate drive pulses for the switching elements 51 to 54 of the converter 5 by PWM control. The power amount calculation software unit 102 calculates a power consumption amount (input power amount of the converter 5) of the power conversion device during the power running operation and the regenerative operation, and transmits the power amount to the monitor (transmission) software.

前記3次巻線23の3次電圧Vは、エアコンや照明器具等の車載補機11に電源電圧として供給されると共に、交流電圧検出器12及びバンドパスフィルタ13により3次電圧検出値vに変換されてコンバータ制御部10に入力される。
また、コンバータ5の入力電流Iは交流電流検出器4により検出され、2次電流検出値iとしてコンバータ制御部10に入力される。直流中間回路の電圧Eは直流電圧検出器7により検出され、直流電圧検出値eとしてコンバータ制御部10に入力される。
The tertiary voltage V 3 of the third winding 23, air-conditioning and is supplied as a power supply voltage to the on-vehicle auxiliary machine 11 such as a lighting equipment, the AC voltage detector 12 and the band pass filter 13 3 primary voltage detection value v 3 is input to the converter control unit 10.
Further, the input current I 2 of the converter 5 is detected by the AC current detector 4 and input to the converter control unit 10 as the secondary current detection value i 2 . Voltage E d of DC intermediate circuit is detected by the DC voltage detector 7 is input to the converter control unit 10 as a DC voltage detection value e d.

図3は、前記電力量演算ソフト部102において、従来用いられている電力量演算方法の一例を示す機能ブロック図である。
なお、図3において、「ハードウェア」と記した部分は、図2における3次電圧検出値vを得るための交流電圧検出器12及びバンドパスフィルタ13、並びに、2次電流検出値iを得るための交流電流検出器4に相当している。
FIG. 3 is a functional block diagram showing an example of a conventionally used power amount calculation method in the power amount calculation software unit 102.
In FIG. 3, “hardware” indicates the AC voltage detector 12 and the band-pass filter 13 for obtaining the tertiary voltage detection value v 3 in FIG. 2 and the secondary current detection value i 2. This corresponds to the AC current detector 4 for obtaining the above.

3次電圧検出値vは電力量演算ソフト部102に入力され、2次電圧換算手段102aにより2次電圧(瞬時値)V2eに換算される。2次電流検出値iは、2次電流換算手段102bにより2次電流(瞬時値)I2eに換算される。V2eとI2eとは乗算手段102cにより乗算されて瞬時電力Wに変換される。力行動作時は力行選択接点機能PCがオンとなり、Wが力行電力積算手段102dにより積算され、力行電力量WTとして出力される。また、回生動作時は回生選択接点機能GCがオンとなり、Wが回生電力積算手段102eにより積算され、回生電力量WTとして出力される。
これらの電力量WT,WTはモニタ(伝送)ソフト103の通信処理部103aに送信され、車上にてモニタされる。
Tertiary voltage detection value v 3 is input to the power amount calculation software unit 102, it is converted by the secondary voltage converting means 102a to a secondary voltage (instantaneous value) V 2e. Secondary current detection value i 2 is the secondary current (instantaneous value) by the secondary current conversion means 102b is converted into I 2e. The V 2e and I 2e is converted is multiplied by the multiplication unit 102c instantaneous power W e. Power running operation powering the selective contact function PC is turned on, W e is accumulated by running power accumulating unit 102d, and output as a running power amount WT P. Further, during regenerative operation Regenerative selected contact function GC is turned on, W e is accumulated by the regenerative electric power accumulating means 102e, and output as regenerated electric energy WT G.
These electric power amounts WT P and WT G are transmitted to the communication processing unit 103a of the monitor (transmission) software 103 and monitored on the vehicle.

次に、図4は、主変圧器2の3次電圧を2次電圧に換算する理論を説明するための主変圧器及び負荷回路を示す構成図である。なお、図4におけるコンバータ・インバータシステム200は、図2におけるコンバータ5及びインバータ8を含む主回路と、コンバータ制御部10とを纏めて示したものであり、その他の構成要素には図2と同じ符号を付してある。   Next, FIG. 4 is a configuration diagram showing a main transformer and a load circuit for explaining a theory for converting a tertiary voltage of the main transformer 2 into a secondary voltage. The converter / inverter system 200 in FIG. 4 shows the main circuit including the converter 5 and the inverter 8 in FIG. 2 and the converter control unit 10 together, and other components are the same as those in FIG. The code | symbol is attached | subjected.

図4において、Z,Z及びZは主変圧器2の1次巻線21、2次巻線22及び3次巻線23のインピーダンスであり、それぞれ、巻線の漏洩インダクタンス、抵抗等が含まれる。I,I及びIは各巻線21,22,23を流れる電流であり、V’,V’及びV’は各巻線21,22,23の誘起電圧である。また、V,V及びVは各巻線21,22,23の端子電圧であり、それぞれ、1次電圧、2次電圧及び3次電圧と呼ぶ。 In FIG. 4, Z 1 , Z 2 and Z 3 are impedances of the primary winding 21, the secondary winding 22 and the tertiary winding 23 of the main transformer 2. Is included. I 1 , I 2 and I 3 are currents flowing through the windings 21, 22 and 23, and V 1 ′, V 2 ′ and V 3 ′ are induced voltages of the windings 21, 22 and 23. V 1 , V 2, and V 3 are terminal voltages of the windings 21, 22, and 23, and are referred to as a primary voltage, a secondary voltage, and a tertiary voltage, respectively.

ここで、本来的に、コンバータ・インバータシステム200の電力量は、図4において、瞬時入力電力値としての[V瞬時値]×[I瞬時値]の積算値でなければならない。
しかるに、従来の[V瞬時値],[I瞬時値]の近似値演算は、図3に示したように、それぞれ、3次電圧検出値vと2次電流検出値iとを用いて行われている。
Here, inherently, the amount of power converter inverter system 200 in FIG. 4, must be integrated value of [V 2 instantaneous value] × [I 2 instantaneous value] as instantaneous input power values.
However, conventional [V 2 instantaneous value, approximate value calculation of [I 2 instantaneous value], as shown in FIG. 3, respectively, third order voltage detection value v 3 and a secondary current detection value i 2 Has been done using.

ここで、3次電圧Vを2次電圧Vに換算する方法としては、一般にV×(V’/V’)の換算式が用いられているが、これは、3次電圧Vの負荷がゼロの時、すなわちI=0でV=V’となる時にのみ成り立つ式である。しかしながら、3次電圧Vを電源とする負荷は、車載補機11の起動時や車両のセクション通過時等に大きく変動するので、常にV=V’になるとは限らない。更に、2次電圧Vは、IのZによる電圧降下(I×Z)によって変動するが、従来の3次電圧Vを2次電圧Vに換算する方法では、上記電圧降下(I×Z)による変動分は考慮されていない。
このように、2次電圧Vは主変圧器2の3次巻線23及び2次巻線22の負荷変動により変化するので、図3に示した従来の方法では、3次電圧Vを2次電圧(瞬時値)V2eに精度よく換算しているとは言えない。
Here, as a method for converting the tertiary voltage V 3 to the secondary voltage V 2 , a conversion formula of V 3 × (V 2 ′ / V 3 ′) is generally used. This is an equation that holds only when the load of V 3 is zero, that is, when I 3 = 0 and V 3 = V 3 ′. However, since the load using the tertiary voltage V 3 as a power source greatly fluctuates when the in-vehicle auxiliary machine 11 is started or when the vehicle passes through a section, V 3 = V 3 ′ is not always satisfied. Furthermore, the secondary voltage V 2 will vary by the voltage drop caused by Z 2 of I 2 (I 2 × Z 2), in the method for converting a conventional tertiary voltage V 3 to the secondary voltage V 2, the voltage Variation due to the descent (I 2 × Z 2 ) is not considered.
Thus, since the secondary voltage V 2 varies due to load fluctuation of the main transformer 2 of tertiary winding 23 and secondary winding 22, in the conventional method shown in FIG. 3, the third order voltage V 3 It cannot be said that the secondary voltage (instantaneous value) V 2e is accurately converted.

一方、2次電流Iについては、図2に示したように交流電流検出器4によって精度よく電流検出値iが得られ、図3の2次電流換算手段102bによって2次電流(瞬時値)I2eに換算されるので、常にI2e=Iとなる。
以上のように、図3に示す従来技術を用いる限り、2次電圧(瞬時値)V2eは3次電圧Vを精度よく換算したものとはならないため、コンバータ・インバータシステム200における入力電力量の演算精度は満足できるものではなかった。
On the other hand, as for the secondary current I 2 , the current detection value i 2 is obtained with high accuracy by the AC current detector 4 as shown in FIG. 2, and the secondary current (instantaneous value) is obtained by the secondary current conversion means 102b of FIG. ) Since it is converted to I 2e , I 2e = I 2 is always established.
As described above, as long as the conventional technique shown in FIG. 3 is used, the secondary voltage (instantaneous value) V 2e does not accurately convert the tertiary voltage V 3. The calculation accuracy of was not satisfactory.

特許第2946106号公報(第6頁右欄第46行〜第8頁右欄第20行、第1図〜第3図等)Japanese Patent No. 2946106 (page 6, right column, line 46 to page 8, right column, line 20, FIG. 1 to FIG. 3)

「最新電気鉄道工学」,P.60〜P.67,社団法人電気学会,電気鉄道における教育調査専門委員会編“Latest Electric Railway Engineering”, P.60-P.67, The Institute of Electrical Engineers of Japan, Ed.

図3に示した従来技術によりコンバータ・インバータシステム200の入力電力量を演算する場合には、3次電圧Vから換算した2次電圧(瞬時値)V2eが真値に一致するように、如何に精度よく換算されるかが電力量演算精度の向上に当たっての課題である。そのためには、2次電圧(瞬時値)V2eを正確に検出して[V瞬時値]×[I瞬時値]により瞬時電力Wを求め、この瞬時電力Wを積算すればよいことは前述のとおりである。 When calculating the input electric energy of the converter / inverter system 200 according to the prior art shown in FIG. 3, the secondary voltage (instantaneous value) V 2e converted from the tertiary voltage V 3 matches the true value. How to convert accurately is a problem in improving the power calculation accuracy. To do so, seek instantaneous power W e by the secondary voltage (instantaneous value) V 2e to accurately detect [V 2 instantaneous value] × [I 2 instantaneous value, may be integrated with the instantaneous power W e This is as described above.

ここで、図5はコンバータ5が力率1制御されているときの、図4における2次巻線22側の電圧及び電流の基本波成分の関係を表したものであり、図5(a)は力行時、図5(b)は回生時のベクトル図である(なお、ベクトルを示す記号「→」は、本文中では便宜的に省略する)。また、図6(a),(b)は、図5(a),(b)に対応して、それぞれ、力行時及び回生時のコンバータ5の入力電圧の瞬時値V2pと基本波電圧Vとを示した波形図である。 Here, FIG. 5 shows the relationship between the fundamental wave components of the voltage and current on the secondary winding 22 side in FIG. 4 when the converter 5 is controlled with a power factor of 1, and FIG. Is a vector diagram during power running and FIG. 5B is a vector diagram during regeneration (note that the symbol “→” indicating the vector is omitted in the text for convenience). 6 (a) and 6 (b) correspond to FIGS. 5 (a) and 5 (b), respectively, the instantaneous value V 2p and the fundamental voltage V 2 of the input voltage of the converter 5 during power running and regeneration. it is a waveform diagram showing a 2.

図5(a),(b)において、電源周波数をfとするとω=2πfであり、2次巻線インピーダンスZは漏れインダクタンスLz2が主要部を占めるので、Z=Lz2として近似している。IとV’とは、力行動作時は同相、回生動作時は逆相となるように、Vの基本波電圧位相θが図2のコンバータ制御ソフト部101によって制御される。 5A and 5B, assuming that the power supply frequency is f s , ω = 2πf s , and the secondary winding impedance Z 2 occupies the main part of the leakage inductance L z2, so that Z 2 = L z2 Approximate. The fundamental wave voltage phase θ of V 2 is controlled by the converter control software unit 101 of FIG. 2 so that I 2 and V 2 ′ are in phase during power running operation and in reverse phase during regenerative operation.

図2において、コンバータ5を構成する半導体スイッチング素子51〜54は、図5に示す正弦波状の基本波電圧Vを変調波として周波数fのキャリア波により変調された駆動パルス(PWMパルス)により駆動される。その結果、図6に示すように、電圧Vの瞬時値V2pは波高値がE及び−EのPWMパルス列電圧となり、この場合、瞬時値V2pの基本波は図5に示す正弦波状の電圧Vに一致する。 2, the semiconductor switching elements 51 to 54 constituting the converter 5, the modulated drive pulse by a carrier wave of frequency f c of the fundamental wave voltage V 2 of the sinusoidal as a modulated wave (PWM pulse) as shown in FIG. 5 Driven. As a result, as shown in FIG. 6, the instantaneous value V 2p of the voltage V 2 becomes a PWM pulse train voltage whose peak values are E d and −E d , and in this case, the fundamental wave of the instantaneous value V 2p is the sine shown in FIG. to match the voltage V 2 of wavy.

前述した如く、コンバータ・インバータシステム200の入力電力量の演算精度を向上させるには、[V瞬時値]×[I瞬時値]の積算値を演算するためにV瞬時値を高精度に求める必要がある。実際に図2のコンバータ5の入力側に電圧検出器を取り付けて求めたVの電圧波形は、図6に示す瞬時値V2pのようなパルス列電圧になる。 As described above, converter To inverters improve the calculation accuracy of the input power of the system 200, [V 2 instantaneous value] × high precision V 2 instantaneous value integrated value to calculate the [I 2 instantaneous value] It is necessary to ask for. Actually the voltage waveform V 2 obtained by attaching the voltage detector to the input side of the converter 5 of FIG. 2, the pulse train voltage, such as the instantaneous values V 2p shown in FIG.

スイッチング素子51〜54としてIGBTを用いた場合のキャリア周波数fは、一般に2[kHz]程度まで上げられることがある。このような高周波のパルス列電圧からなる瞬時値V2pを正確に検出するためには、電圧サンプリング周波数を数10倍以上、すなわち、100[kHz]程度に設定しなければならず、これはソフトウェア構成の上で大きな負担となるので実用的ではない。
一方、コンバータ5の交流入力側に電圧検出器を設けてその出力をフィルタに通して基本波を求めることも可能であるが、キャリヤ周波数fが変化した場合、基本波電圧が常に正確に検出されるとは限らない。しかも、このような瞬時電圧検出方法では、電圧検出器、フィルタ等のハードウェア部品を追加することが必要となる。
Carrier frequency f c in the case of using the IGBT as the switching element 51 to 54, generally may be raised to the extent 2 [kHz]. In order to accurately detect the instantaneous value V 2p composed of such a high-frequency pulse train voltage, the voltage sampling frequency must be set to several tens of times, that is, about 100 [kHz]. It is not practical because it is a heavy burden on the top.
On the other hand, it is also possible to determine the fundamental wave passed through its output to filter a voltage detector provided to the AC input side of the converter 5, when the carrier frequency f c is changed, always accurately detect the fundamental wave voltage It is not always done. Moreover, in such an instantaneous voltage detection method, it is necessary to add hardware components such as a voltage detector and a filter.

そこで、本発明の解決課題は、ハードウェア部品を追加することなく、コンバータ入力電圧の瞬時値を正確に求めて入力電力量を高精度に演算可能とした電力変換装置を提供することにある。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a power converter that can accurately calculate an instantaneous value of a converter input voltage and calculate an input power amount with high accuracy without adding hardware components.

上記課題を解決するため、請求項1に係る発明は、複数の半導体スイッチング素子のオンオフにより交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、前記直流電圧を一定に制御し、かつ前記コンバータの力率を1に保つように、PWM制御によって前記スイッチング素子をオンオフさせるための駆動パルスを生成するコンバータ制御部と、を少なくとも備えた電力変換装置において、
前記コンバータ制御部は、
前記PWM制御を行うための変調波として前記コンバータの基本波入力電圧を演算する手段と、
前記基本波入力電圧を電圧瞬時値に換算する電圧換算手段と、
前記コンバータの入力電流を電流瞬時値に換算する電流換算手段と、
前記電圧瞬時値と電流瞬時値との乗算値を積算して前記コンバータの入力電力量を演算する手段と、を備えたものである。
In order to solve the above problems, an invention according to claim 1 is directed to a converter that converts an AC voltage into a DC voltage by turning on and off a plurality of semiconductor switching elements, to control the DC voltage to be constant, and to control the power factor of the converter A power converter including at least a converter control unit that generates a drive pulse for turning on and off the switching element by PWM control so as to maintain 1;
The converter controller is
Means for calculating a fundamental wave input voltage of the converter as a modulated wave for performing the PWM control;
Voltage conversion means for converting the fundamental wave input voltage into an instantaneous voltage value;
Current conversion means for converting the input current of the converter into an instantaneous current value;
Means for integrating the product of the instantaneous voltage value and the instantaneous current value to calculate the input electric energy of the converter.

請求項2に係る発明は、請求項1に記載した電力変換装置において、
前記コンバータは力行動作及び回生動作が可能であり、前記コンバータ制御部は、力行電力量と回生電力量とを分離して積算する機能を備えたものである。
The invention according to claim 2 is the power conversion device according to claim 1,
The converter can perform a power running operation and a regenerative operation, and the converter control unit has a function of separating and integrating the power running power amount and the regenerative power amount.

請求項3に係る発明は、請求項1または2に記載した電力変換装置において、
前記コンバータ制御部における演算及び換算機能をソフトウェアにより実現することを特徴とする。
The invention according to claim 3 is the power conversion device according to claim 1 or 2,
The calculation and conversion function in the converter control unit is realized by software.

請求項4に係る発明は、請求項1〜3のいずれか1項に記載した電力変換装置において、
前記コンバータの直流側に、平滑用のコンデンサを介してインバータが接続されていることを特徴とする。
The invention according to claim 4 is the power conversion device according to any one of claims 1 to 3,
An inverter is connected to the DC side of the converter via a smoothing capacitor.

本発明においては、コンバータを備えた電力変換装置の入力電力量を演算するために、コンバータの入力電圧の瞬時値を、入力側の力率が1となるようにコンバータをPWM制御するための変調波に基づいて生成する。この変調波は、PWMパルス列電圧よりなるコンバータの基本波入力電圧を現すものであるため、この基本波入力電圧からコンバータの入力電圧の瞬時値を生成すれば、その中に主変圧器の3次巻線の負荷変動による電圧降下や2次巻線のインピーダンスの影響による補償も包含されているので、電圧瞬時値として、より正確な値となる。
コンバータの入力電圧瞬時値と、入力電流検出値から求めた入力電流瞬時値とを乗算して瞬時電力を演算し、これを力行時と回生時に分けて積算することにより、コンバータひいては電力変換装置の入力電力量を高精度に演算することができる。また、これらの演算はすべてソフトウェアによって処理可能であるから、ハードウェア部品の追加が不要であり、回路構成の簡略化、装置の小型化等が可能になる。
In the present invention, in order to calculate the input electric energy of the power converter provided with the converter, the instantaneous value of the input voltage of the converter is modulated for PWM control of the converter so that the power factor on the input side becomes 1. Generate based on the wave. Since this modulated wave represents the fundamental wave input voltage of the converter consisting of the PWM pulse train voltage, if an instantaneous value of the converter input voltage is generated from this fundamental wave input voltage, the third order of the main transformer is included therein. Since compensation by the influence of the voltage drop due to the load fluctuation of the winding and the impedance of the secondary winding is also included, the instantaneous voltage value is more accurate.
The instantaneous power is calculated by multiplying the instantaneous value of the input voltage of the converter and the instantaneous value of the input current obtained from the input current detection value, and this is integrated separately during power running and regeneration. The amount of input power can be calculated with high accuracy. In addition, since all these operations can be processed by software, it is not necessary to add hardware parts, and the circuit configuration can be simplified and the apparatus can be downsized.

本発明の実施形態に係るコンバータ制御部の機能ブロック図である。It is a functional block diagram of the converter control part which concerns on embodiment of this invention. 交流電気車に適用されるコンバータ・インバータシステムの従来技術を示す構成図である。It is a block diagram which shows the prior art of the converter inverter system applied to an alternating current electric vehicle. 図2の電力量演算ソフト部において、従来用いられている電力量演算方法の一例を示す機能ブロック図である。FIG. 3 is a functional block diagram illustrating an example of a conventionally used power amount calculation method in the power amount calculation software unit of FIG. 2. 図2における主変圧器及び負荷回路を示す構成図である。It is a block diagram which shows the main transformer and load circuit in FIG. 図4における2次巻線側の電圧及び電流の基本波成分の関係を示すベクトル図である。FIG. 5 is a vector diagram showing a relationship between fundamental wave components of voltage and current on the secondary winding side in FIG. 4. コンバータの入力電圧波形の説明図である。It is explanatory drawing of the input voltage waveform of a converter.

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図1は、本発明の実施形態に係るコンバータ制御部110の機能ブロック図であり、図2に示した従来のコンバータ制御部10に代わるものである。
すなわち、図1に示すコンバータ制御部110内のコンバータ制御ソフト部111には、主変圧器2の3次電圧検出値vと2次電流検出値iと直流電圧検出値eとが入力されて、コンバータ5の半導体スイッチング素子51〜54に対する駆動パルスが生成され、出力される。また、電力量演算ソフト部112には、コンバータ制御ソフト部111により演算される後述の入力基本波電圧Vと前記2次電流検出値iとが入力されて、力行電力量WT及び回生電力量WTが演算され、出力される。これらの電力量WT,WTは、図3と同様に車上でモニタするために外部に送信されるようになっている。
なお、電力量演算ソフト部112の機能は、電圧換算手段CONを除けば基本的に図3の電力量演算ソフト部102と同一であり、上記電圧換算手段CON、2次電流換算手段CON、力行選択接点機能PC、回生選択接点機能GC及び力行電力積算手段INTからなるものである。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a functional block diagram of a converter control unit 110 according to an embodiment of the present invention, which replaces the conventional converter control unit 10 shown in FIG.
That is, the converter control software unit 111 in the converter control unit 110 shown in FIG. 1, the main transformer 2 of 3 primary voltage detection value v 3 and the secondary current detection value i 2 and the DC voltage detection value e d and the input Then, drive pulses for the semiconductor switching elements 51 to 54 of the converter 5 are generated and output. The power amount calculation software unit 112 includes an input fundamental wave voltage V c to be described later is calculated and the secondary current detection value i 2 is input by the converter control software unit 111, the running power amount WT P and regeneration The amount of power WT G is calculated and output. These electric power amounts WT P and WT G are transmitted to the outside for monitoring on the vehicle as in FIG.
The function of the power amount calculation software unit 112 is basically the same as that of the power amount calculation software unit 102 of FIG. 3 except for the voltage conversion unit CON v . The voltage conversion unit CON v and the secondary current conversion unit CON i, powering selected contact function PC, a made of regenerative selective contact function GC and running power integrator INT P.

図1のコンバータ制御ソフト部111において、図2における直流中間回路の電圧Eを一定値に制御するために、直流電圧指令値e が加算手段ADに入力されて直流電圧検出値eとの偏差が算出され、この偏差がゼロ(e=e )となるように電圧調節手段AVRが調節動作する。電圧調節手段AVRの出力は直流量I のコンバータ入力電流指令値となる。
主変圧器2の3次電圧検出値vは位相検出手段111aに入力され、電源電圧のゼロクロス点が検出されると共に、基準正弦波データ111bを介して電源電圧と同位相の正弦波信号√2sinθが生成される。ここで、電源電圧のゼロクロス点は理論的には2次電圧から検出されるべきであるが、実際には、例えば特許第2509890号公報(発明の名称:交直変換装置のパルス幅変調制御方式)の第1図に示されるように、電圧の低い3次電圧から検出されている。
In the converter control software unit 111 of FIG. 1, in order to control the voltage E d of the DC intermediate circuit in FIG. 2 to a constant value, a DC voltage command value e d * is input to the adding means AD 1 and the detected DC voltage value e The deviation from d is calculated, and the voltage adjusting means AVR adjusts so that this deviation becomes zero ( ed = ed * ). The output of the voltage adjusting means AVR becomes a converter input current command value of the DC amount I s * .
Tertiary voltage detection value v 3 of the main transformer 2 is input to the phase detecting section 111a, together with the zero-cross point of the power supply voltage is detected, the supply voltage and in phase via the reference sine wave data 111b sinusoidal signal √ 2sinθ is generated. Here, the zero cross point of the power supply voltage should theoretically be detected from the secondary voltage, but actually, for example, Japanese Patent No. 2509890 (Title of Invention: Pulse Width Modulation Control Method of AC / DC Converter) As shown in FIG. 1, the third voltage is detected from a low voltage.

乗算手段MPはI ×√2sinθの演算を行い、電源電圧と同位相の正弦波電流指令値i (=I √2sinθ)を加算手段ADに出力する。
加算手段ADでは、上記の電流指令値i と主変圧器2の2次電流検出値iとの偏差を算出し、この偏差がゼロ(i=i 、すなわちi=i =I √2sinθ)となるように電流調節手段ACRが調節動作することにより、電圧信号eを出力する。
The multiplying means MP 1 calculates I s * × √2 sin θ, and outputs a sine wave current command value i s * (= I s * √2 sin θ) in phase with the power supply voltage to the adding means AD 2 .
The adding means AD 2 calculates a deviation between the current command value i s * and the secondary current detection value i 2 of the main transformer 2, and this deviation is zero (i 2 = i s * , i 2 = i s * = I s * √2sinθ ) and so as a current regulating means ACR is by operating adjusting, and outputs a voltage signal e c.

上記電圧信号eには、加算手段ADにより主変圧器2の3次電圧検出値vが加算され、その出力はec0=e+vとなる。このec0は、除算器DVにおいて直流電圧検出値eにより除算して基準化され、コンバータ入力基本波電圧Vとなる。このコンバータ入力基本波電圧Vは、前述した図5のベクトル図におけるVに一致する。
上記基本波電圧VはPWM演算手段PWMの変調波となり、キャリア波との比較により生成したパルス列電圧をコンバータ5のスイッチング素子51〜54の駆動パルスとして出力する。
The aforementioned voltage signal e c, 3 primary voltage detection value v 3 of the main transformer 2 are added by the adding means AD 3, its output is e c0 = e c + v 3 . The e c0 is scaled by dividing by the DC voltage detection value e d in divider DV, a converter input fundamental wave voltage V c. This converter input fundamental wave voltage V c matches V 2 in the vector diagram of FIG. 5 described above.
The fundamental wave voltage V c becomes a modulated wave of the PWM arithmetic means PWM, and a pulse train voltage generated by comparison with the carrier wave is output as a drive pulse for the switching elements 51 to 54 of the converter 5.

以上の説明より、前述した[V瞬時値]×[I瞬時値]の積算値を演算するために、コンバータ入力電圧VをPWM制御するための基本波電圧Vの瞬時値を[V瞬時値]に代わって用いれば、より正確に入力電力量を演算できることがわかる。
すなわち本実施形態では、図1の電力量演算ソフト部112において、乗算手段MPが、
[Vから換算した電圧瞬時値:V2e]×[I(i)から換算した電流瞬時値:I2e]を演算して瞬時電力を求め、この瞬時電力を力行電力積算手段INT及び回生電力積算手段INTが積算することにより、入力電力量を演算するものである。
From the above description, in order to calculate the integrated value of [V 2 instantaneous value] × [I 2 instantaneous value] described above, the instantaneous value of the fundamental wave voltage V c for PWM control of the converter input voltage V 2 is [ by using instead of the V 2 instantaneous value, it can be seen that calculates input power amount more accurately.
That is, in this embodiment, the power amount calculation software unit 112 of FIG. 1, the multiplication unit MP 0,
[V c voltage instantaneous value converted from: V 2e] × [I 2 (i 2) converted from the current instantaneous value: I 2e] calculated instantaneous power by calculating a running power integrating means the instantaneous power INT P And the regenerative power integration means INT G calculates the input power amount by integrating.

なお、電力量演算ソフト部112において、電圧換算手段CONは基本波電圧Vを実電圧の瞬時値V2eに換算し、電流換算手段CONは2次電流検出値iを実電流の瞬時値I2eに換算する。力行選択接点機能PC、回生選択接点機能GC、力行電力積算手段INT及び回生電力積算手段INTの機能は図3と同様であり、各積算手段INT,INTから出力される電力量がモニタ(伝送)処理部に送信されて車上にてモニタされることになる。 In the electric energy calculation software unit 112, the voltage conversion means CON v converts the fundamental wave voltage V c into the instantaneous value V 2e of the actual voltage, and the current conversion means CON i converts the secondary current detection value i 2 into the actual current value. Convert to instantaneous value I 2e . The functions of the power running selection contact function PC, the regeneration selection contact function GC, the power running power integration means INT P, and the regenerative power integration means INT G are the same as in FIG. 3, and the amount of power output from each integration means INT P and INT G is The data is transmitted to the monitor (transmission) processing unit and monitored on the vehicle.

本発明は、いわゆるコンバータ・インバータ方式の電力変換装置ばかりでなく、少なくともコンバータ及びその制御部を備えた電力変換装置一般に利用可能である。   The present invention can be used not only for a so-called converter / inverter type power converter but also for a power converter generally provided with at least a converter and its control unit.

1:パンタグラフ
2:主変圧器
21:1次巻線
22:2次巻線
23:3次巻線
3:車輪
4:交流電流検出器
5:コンバータ
51〜54:半導体スイッチング素子
6:コンデンサ
7:直流電圧検出器
8:インバータ
9:誘導電動機
10:コンバータ制御部
101:コンバータ制御ソフト部
102:電力量演算ソフト部
103:モニタソフト
103a:通信処理部
11:車載補機
12:交流電圧検出器
13:バンドパスフィルタ
110:コンバータ制御部
111:コンバータ制御ソフト部
111a:位相検出手段
111b:基準正弦波データ
112:電力量演算ソフト部
200:コンバータ・インバータシステム
AD,AD,AD:加算手段
AVR:電圧調節手段
ACR:電流調節手段
MP,MP:乗算手段
DV:除算手段
PWM:PWM演算手段
CON:電圧換算手段
CON:電流換算手段
PC:力行選択接点機能
GC:回生選択接点機能
INT:力行電力積算手段
INT:回生電力積算手段
1: Pantograph 2: Main transformer 21: Primary winding 22: Secondary winding 23: Tertiary winding 3: Wheels 4: AC current detector 5: Converters 51-54: Semiconductor switching element 6: Capacitor 7: DC voltage detector 8: Inverter 9: Induction motor 10: Converter control unit 101: Converter control software unit 102: Electric energy calculation software unit 103: Monitor software 103a: Communication processing unit 11: In-vehicle accessory 12: AC voltage detector 13 : Band pass filter 110: Converter control unit 111: Converter control software unit 111 a: Phase detection means 111 b: Reference sine wave data 112: Electric energy calculation software part 200: Converter / inverter system AD 1 , AD 2 , AD 3 : Addition means AVR: Voltage adjusting means ACR: Current adjusting means MP 0 , MP 1 : Multiplier Stage DV: Division means PWM: PWM calculation means CON v : Voltage conversion means CON i : Current conversion means PC: Power running selection contact function GC: Regenerative selection contact function INT P : Power running power integration means INT G : Regenerative power integration means

Claims (4)

複数の半導体スイッチング素子のオンオフにより交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、前記直流電圧を一定に制御し、かつ前記コンバータの力率を1に保つように、PWM制御によって前記スイッチング素子をオンオフさせるための駆動パルスを生成するコンバータ制御部と、を少なくとも備えた電力変換装置において、
前記コンバータ制御部は、
前記PWM制御を行うための変調波として前記コンバータの基本波入力電圧を演算する手段と、
前記基本波入力電圧を電圧瞬時値に換算する電圧換算手段と、
前記コンバータの入力電流を電流瞬時値に換算する電流換算手段と、
前記電圧瞬時値と電流瞬時値との乗算値を積算して前記コンバータの入力電力量を演算する手段と、
を備えたことを特徴とする電力変換装置。
A converter that converts an AC voltage into a DC voltage by turning on and off a plurality of semiconductor switching elements, and a PWM control that turns the switching elements on and off so that the DC voltage is controlled to be constant and the power factor of the converter is maintained at 1. In a power converter comprising at least a converter control unit that generates a drive pulse for
The converter controller is
Means for calculating a fundamental wave input voltage of the converter as a modulated wave for performing the PWM control;
Voltage conversion means for converting the fundamental wave input voltage into an instantaneous voltage value;
Current conversion means for converting the input current of the converter into an instantaneous current value;
Means for calculating the input electric energy of the converter by integrating the product of the voltage instantaneous value and the current instantaneous value;
A power conversion device comprising:
請求項1に記載した電力変換装置において、
前記コンバータは力行動作及び回生動作が可能であり、
前記コンバータ制御部は、力行電力量と回生電力量とを分離して積算する機能を備えたことを特徴とする電力変換装置。
In the power converter device according to claim 1,
The converter is capable of power running operation and regenerative operation,
The converter control unit is provided with a function of separating and integrating a power running power amount and a regenerative power amount.
請求項1または2に記載した電力変換装置において、
前記コンバータ制御部における演算及び換算機能をソフトウェアにより実現することを特徴とする電力変換装置。
In the power converter device according to claim 1 or 2,
A power conversion device characterized in that the calculation and conversion functions in the converter control unit are realized by software.
請求項1〜3のいずれか1項に記載した電力変換装置において、
前記コンバータの直流側に、平滑用のコンデンサを介してインバータが接続されていることを特徴とする電力変換装置。
In the power converter device according to any one of claims 1 to 3,
An inverter is connected to the DC side of the converter via a smoothing capacitor.
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