JP2015198544A - 駆動システム - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明では，電力変換装置の制御を変更する場合において，電源側の高調波成分の増加を抑制し，制御を変更する電力変換装置を選定する方法を提供することを目的とする。
【解決手段】
インバータとコンバータを有する電力変換装置を搭載した鉄道車両を複数両連結して編成しており，位相差制御が適用されている列車において，架線電流の制限値から稼働可能な電力変換装置の台数を決定する手段と，稼働可能な電力変換装置の台数と編成情報から電力変換装置の制御を変更して，各電力変換装置に接続されている主電動機への供給電力を低減させる手段を持つ駆動システムを備えることで達成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電力用変換装置を備えた編成列車の駆動システムに関するものである。

電力用変換器を使用したインバータ駆動システムが適用された鉄道車両を用いて編成されている列車が普及している。インバータ駆動システムに用いられる電力用変換器は，交流を直流に変換するコンバータが用いられる構成が一般的である。このようなコンバータとしては,ブリッジ結線されたダイオードのそれぞれに自己消弧形スイッチング素子を逆並列してなるPWMを採用したPWMコンバータが，広く用いられている。

PWMコンバータでスイッチング動作が行われると，電源側にはキャリア周波数の整数倍の周波数を中心とした高調波(以下，整数倍の高調波と呼ぶ)が現れる。このようなPWMコンバータを多数搭載している列車においては，整数倍の高調波がPWMコンバータの台数分だけ多重化され，その高調波が電源側に出現し，信号等のインフラの動作に影響を与える。

コンバータを用いる鉄道車両の多数を搭載した駆動方式では，発生する前記高調波を低減するために，架線より単相交流を受電する変圧器の2次側に備えられたPWMコンバータで構成された複数のユニット間，架線より単相交流を受電する変圧器間，編成間のキャリアに位相差をつけて運転する。キャリア位相差運転を適用することで，整数倍の高調波の出現を抑制することが特開平７−３０８００４号公報（特許文献1）にて開示されている。

特開平７−３０８００４号公報

列車を稼動するにあたり，変電所の最大供給電力に限界値があり，編成内の全電力変換装置を最大出力で動作させた場合に，変電所の当該限界値を超えてしまう場合などにより，架線電流が制限され，編成内の電力変換装置の制御を変更する場合がある。前記位相差制御が適用されている列車で，前記状況になった場合，架線電流の制限値を満足するために，位相差制御を考慮せずに編成内の電力変換装置の制御を変更すると，整数倍の高調波の出現を抑制するために設定されている各機器間の位相差の関係が成立せず，電源側の高調波成分の増加が考えられる。

しかしながら，特許文献1では、位相差の関係が成立しなくなった際の対処について考慮されていない。この結果，増加した電源側の高調波の周波数とインフラの信号の周波数が重なることで，インフラの動作に悪影響を与える恐れがある。

本発明では，電力変換装置の制御を変更する場合において，電源側の高調波成分の増加を抑制し，制御を変更する電力変換装置を選定する方法を提供することを目的とする。

上記目的は，架線から給電される交流電力を降圧する主変圧器と、主変圧器から供給される交流電力を直流電力へ変換するコンバータと、コンバータから供給される直流電力を交流電力へ変換するインバータと、インバータから供給される交流電力によって駆動される主電動機とを有し、位相差制御を行う編成列車の駆動システムにおいて、コンバータとインバータとを有する電力変換装置を複数備え、架線からの電流の制限値に基づいて、稼働する電力変換装置の台数、または複数の電力変換装置の出力を変更することで達成される。

または上記目的は，架線から給電される交流電力を降圧する主変圧器と、主変圧器から供給される交流電力を直流電力へ変換するコンバータと、コンバータから供給される直流電力を交流電力へ変換するインバータと、インバータから供給される交流電力によって駆動される主電動機とを有し、位相差制御を行う編成列車の駆動システムにおいて、コンバータとインバータとを有する電力変換装置を複数備え、架線からの電流の制限値から稼働可能な電力変換装置の台数を決定し、稼働可能な電力変換装置の台数と編成情報とに基づいて、電力変換装置自身が主電動機への供給電力を低減することで達成される。

本発明の適用により，架線電流が制限された場合において，電力変換装置の制御を変更しても，電源側の高調波成分の増加を抑制できる。

位相差制御が適用されている編成列車の例を説明する図。 本発明の選定を実施する装置を説明する図。 位相差制御が適用された編成の例における整数倍の高調波の発生状況を説明する図。 本発明の稼働する電力変換装置の選定方法を説明する図。 位相差制御が適用されている編成列車の例に本発明の選定方法を適用した際の高調波発生の状況を説明する図（その１）。 位相差制御が適用されている編成列車の例に本発明の選定方法を適用した際の高調波発生の状況を説明する図（その２）。 位相差制御が適用されている編成列車の例に本発明の選定方法を適用しない際の高調波発生の状況を説明する図。 本発明の電力変換装置の選定方法の別の選定方法を説明する図。 位相差制御が適用されている編成列車の例に本発明の電力変換装置の選定方法の別の選定方法を適用した際の高調波発生の状況を説明する図。 電力変換装置がコンバータ2群で構成されている編成列車における整数倍の高調波の発生状況を説明する図。

以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。

図１は，位相差制御が適用されている編成列車（以下、編成という）の例を説明する図である。図１の列車は，9つの車両により編成を構成し，車両2,3,5,7,8を駆動車(電力変換装置を搭載している車両)，車両1,4,6,9を付随車(電力変換装置を搭載してない車両)として構成される。

駆動車には，コンバータと，インバータと，平滑コンデンサの3つを搭載した電力変換装置と，主電動機とが搭載されている。また，車両1,4,9には，集電装置と，主変圧器とが搭載されている。さらに，編成には，電力変換装置を制御する手段を持つ駆動システムも搭載されている。

図２を用いて、編成に搭載されている駆動システムについて説明する。車上制御装置には，車上制御装置へ入力された架線電流の制限値から電力変換装置の稼働可能台数を決定する手段と，電力変換装置の稼働可能台数，編成情報から稼働させる電力変換装置を選定する手段とが備わっている。編成情報とは、編成列車を構成する車両の数や、備えられている装置の情報、及び駅間の走行時間・走行速度などを含むものである。

図3を用いて、位相差制御が適用された図１の編成における低次の高調波の発生状況について説明する。車両1,9の各主変圧器に備わっている電力変換装置のキャリアに90°の位相差を，車両1,9の主変圧器間に45°の位相差を，車両1と車両4と車両9の主変圧器間にそれぞれ22.5°の位相差を与えて位相差制御をする場合，キャリア周波数fsの2倍の周波数成分2fsを中心とする成分は180°の位相差となり互いに打ち消しあい，さらにキャリア周波数fsの4倍の周波数成分4fsを中心とする成分が打ち消され，キャリア周波数のfsの8倍の周波数成分8fsを中心とする成分が電源側に現れる。

このキャリア周波数のfsの8倍の周波数成分8fsは，車両4と車両1と車両9の主変圧器間の22.5°の位相差により，低減される。ただし，車両5が発生させるキャリア周波数fsの2倍の周波数成分2fsとキャリア周波数fsの4倍の周波数成分4fsは打ち消すことができないため，車両5の電力変換装置からキャリア周波数fsの2倍の周波数成分2fsとキャリア周波数fsの4倍の周波数成分4fsを中心とする成分がそれぞれ電源側に現れる。

図４の（１）〜（６）を用いて電力変換装置の稼働可能台数，編成情報から稼働させる電力変換装置を選定する手段について説明する。

（１）の処理にて，電力変換装置の稼働可能台数と現在の稼働している電力変換装置の台数を比較し，電力変換装置の稼働可能台数≧現在の稼働している電力変換装置の台数を満足するならば，選定終了，満足しないならば，（２）の処理に移る。

（２）にて，編成内に電力変換装置が1台しか備えられていない主変圧器が存在するならば，（３）の処理にて，主変圧器に1台しか備わっていない電力変換装置を停止させる。

一方，（２）にて，編成内に電力変換装置が1台しか備えられていない主変圧器が存在しなければ，（４）の処理にて，主変圧器に備えられた電力変換装置で構成されたユニット1つ内の全ての電力変換装置を停止させる。

（３），（４）の処理後に，（５）の処理にて，列車の稼働のために必要な電車性能に対して，現在の電車性能に不足があるか確認する。電車性能が十分であるなら，再度（１）の処理へ戻る。

一方，電車性能が不足しているならば，（６）の処理にて，直前の（３），（４）の処理にて停止させた電力変換装置を全て稼働させる。そして，架線電流の制限値を満足するように，現時点で稼働している電力変換装置の電車特性を変更し，選定終了とする。

前記構成を有する編成の列車において，架線電流の制限値に対する電力変換装置の稼働可能台数が3台の場合，本発明の選定方法を用いたときの選定の流れを図4で説明する。

（１）にて，現在稼働している電力変換装置の台数が5台で，電力変換装置の稼働可能台数の3台より多いため，（２）の処理へ移行する。

（２）にて，「編成内に電力変換装置が1台しか備えられていない主変圧器が存在する」として，車両4の主変圧器が該当するため，（３）の処理へ移行し，車両5の電力変換装置を停止させる。

（５）の処理へ移行し，「電車性能が十分である」に対して，電車性能が十分であるとすると，再び（１）の処理へ移行する。

（１）にて，現在の稼働している電力変換装置の台数が4台で，電力変換装置の稼働可能台数の3台より多いため，（２）の処理へ移行する。

（２）にて，編成内に電力変換装置が1台しか備えられていない主変圧器が存在しないため，（４）の処理へ移行する。

（４）にて，「主変圧器に備わっている電力変換装置の台数が最も小さい主変圧器」として，車両1，9の主変圧器が同数の2台の電力変換装置を備えているため，両車両の主変圧器が該当するので，どちらを選択してもよい。本例では，車両9を選択したため，「主変圧器に備わっている電力変換装置の台数が最も小さい主変圧器の全ての電力変換装置を停止」として，車両9の主変圧器に備わっている車両7と車両8の電力変換装置を停止させる。

（５）の処理へ移行し，電車性能が十分であるとすると，再度（１）の処理へ移行する。

（１）にて，現在の稼働している電力変換装置の台数が2台で，電力変換装置の稼働可能台数の3台より小さいため，選定終了となる。選定結果として，車両5,7,8の電力変換装置を停止することとなる。

図5を用いて、このように選定した場合の低次の高調波の発生状況について説明する。車両2,3のキャリア位相差により，キャリア周波数fsの2倍の周波数成分2fsを中心とする成分は180°の位相差となり互いに打ち消しあい，4倍の周波数成分4fsを中心とする成分が，最も低い周波数成分として電源側に現れる。

次に，前記の選定の流れの説明の中で，（１）→（２）→（３）→（５）→（１）→（２）→（４）の次の（５）の処理である「電車性能が十分である」の判断処理に対して，電車性能が不十分であるとした場合について説明する。（５）の処理にて，「電車性能が十分である」に対して，電車性能が不十分であるとすると，（６）の処理へ移行する。

（６）にて，「直前の処理で停止させた電力変換装置を稼働させ，」として，直前の処理である（４）にて，本例では，車両9の主変圧器に備わっている車両7と車両8の電力変換装置を停止させたので，車両7と車両8の電力変換装置を稼働させる。そして，「現状の電力変換装置の電車特性を変更する」として，現状の電力変換装置は車両2,3,7,8に搭載されている電力変換装置であるので，全ての電力変換装置の電車特性を，架線電流の制限値以内になるように変更し，選定終了となる。選定結果として，車両5の電力変換装置のみ停止させ，車両2,3,7,8の電力変換装置の電車特性を変更することになる。

このように選定した場合の低次の高調波の発生状況について，図6を用いて説明する。。車両2,3,7,8のキャリア位相差により，キャリア周波数fsの2倍の周波数成分2fsを中心とする成分は180°の位相差となり互いに打ち消しあい，さらにキャリア周波数fsの4倍の周波数成分4fsを中心とする成分が打ち消され，キャリア周波数のfsの8倍の周波数成分8fsを中心とする成分が最も低い周波数成分として電源側に現れる。

図7を用いて、本発明の選定方法を用いず，車両3,7の電力変換装置を停止させた場合の低次の高調波の発生状況について説明する。

車両1,4,9の各主変圧器に備わっている各電力変換装置は1台のみのため，キャリア周波数fsの2倍の周波数成分2fsを中心とする成分は打ち消しあうことが出来ない。つまり，位相差制御による低次の高調波の出現を抑制する効果は得られず，電源側には，車両2,5,8の電力変換装置から出現したキャリア周波数fsの2倍の周波数成分2fsを中心とする成分が多重化して出現する。このように，各機器間の位相差の関係を崩さない電力変換装置の出力制御の変更によって，電源側への低次の高調波の出現を抑制できる。

次いで，図8の（１）、（２）を用いて本発明の他の実施の形態である実施例２を説明する。

図１の構成を有する編成の列車において，架線電流の制限値に対する電力変換装置の稼働可能台数が3台の場合，（１）の処理「架線電流の制限値に対する電力変換装置の稼働可能台数＝現在の稼働台数を満足するために任意の電力変換装置を停止」として，位相差は考慮せずに，任意に電力変換装置を停止させる。本例では，現在の電力変換装置の稼働台数が5台であるため，2台の電力変換装置を停止させる必要があり，車両3,7の電力変換装置を停止させ，（２）の処理へ移行する。

（２）にて，「現在稼働している全ての電力変換装置の位相差を再設定」として，本例では，現在稼働している車両2,5,8の電力変換装置のキャリアに60°の位相差を再設定する。

このように位相差を再設定した場合の低次の高調波の発生状況について，図9を用いて説明する。

車両2,5,8のキャリア位相差により，キャリア周波数fsの2倍の周波数成分2fsを中心とする成分は180°の位相差となり互いに打ち消しあい，4倍の周波数成分4fsを中心とする成分が，最も低い周波数成分として電源側に現れる。

本発明での電力変換装置の選定は，車上制御装置によって実施されることを述べたが，本発明において，車上制御装置は必須の項目ではない。選定を実施する手段が編成内の各電力変換装置に備わっている駆動システムである場合においても，本発明の選定方法は適用可能であることは言うまでもない。

本発明の実施例として，図1の編成を例に説明したが，本発明において図1の編成構成は必須の項目ではない。編成列車内の主変圧器に備わっている電力変換装置の台数，編成内の主変圧器の数，編成の併合に関わらず，本発明は適用可能である。ただし，電源側に出現する周波数は編成構成によって変化する。図１の編成では，電力変換装置はコンバータ1群で構成されているため，図３のような周波数が出現する。一方，編成内の電力変換装置がコンバータ2群で構成されている場合，図10のように電力変換装置がコンバータ1群だけで構成されている場合に電源側に発生する周波数×2倍だけ高い周波数へ移動する。

1…電力変換装置，11…コンバータ，12…フィルタコンデンサ，
13…インバータ，2…主変圧器，3…集電器，4…主電動機，5…車上制御装置

Claims (6)

1. 架線から供給される交流電力を降圧する主変圧器と、
   前記主変圧器から供給される交流電力を直流電力へ変換するコンバータと、
   前記コンバータから供給される直流電力を交流電力へ変換するインバータと、
   前記インバータから供給される交流電力によって駆動される主電動機とを有し、位相差制御を行う編成列車の駆動システムにおいて、
   前記コンバータと前記インバータとを備える電力変換装置を複数有し、
   前記架線からの電流の制限値に基づいて、稼働する前記電力変換装置の台数、または前記複数の電力変換装置の出力を変更すること
   を特徴とする駆動システム。
2. 請求項１に記載の駆動システムにおいて、
   稼働する前記電力変換装置の位相差を再設定すること
   を特徴とする駆動システム。
3. 請求項１に記載の駆動システムにおいて，
   既に稼働している前記電力変換装置の台数での電車性能に基づいて、前記台数、または前記出力のいずれかを変更するか決定すること
   を特徴とする駆動システム。
4. 架線から給電される交流電力を降圧する主変圧器と、
   主変圧器から供給される交流電力を直流電力へ変換するコンバータと、
   前記コンバータから供給される直流電力を交流電力へ変換するインバータと、
   前記インバータから供給される交流電力によって駆動される主電動機とを有し、位相差制御を行う編成列車の駆動システムにおいて、
   前記コンバータと前記インバータとを有する電力変換装置を複数備え、
   前記架線からの電流の制限値から稼働可能な電力変換装置の台数を決定し、
   前記稼働可能な電力変換装置の台数と編成情報とに基づいて、前記電力変換装置自身が前記主電動機への供給電力を低減すること
   を特徴とする駆動システム。
5. 請求項４に記載の駆動システムにおいて，
   前記電力変換装置は、前記稼働可能な電力変換装置の台数と前記編成情報とに基づいて、前記電力変換装置自身を停止すること、または前記電力変換装置自身の電車特性を変更して出力を低減すること
   を特徴とする駆動システム。
6. 請求項５に記載の駆動システムにおいて，
   既に稼働している前記電力変換装置の台数での電車性能が前記編成列車の稼働に十分であるかを判断して，前記停止、または前記出力の低減のいずれかを行うか選択すること
   を特徴とする駆動システム。