JP4410769B2

JP4410769B2 - Power conversion system for AC train vehicles

Info

Publication number: JP4410769B2
Application number: JP2006108151A
Authority: JP
Inventors: 啓太畠中
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-04-11
Filing date: 2006-04-11
Publication date: 2010-02-03
Anticipated expiration: 2026-04-11
Also published as: JP2007282434A

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。 The present invention relates to a technique for reducing harmonic components of a power conversion system composed of a plurality of power supply units connected to the same power supply, and in particular, is driven at variable speed with AC power of variable voltage and variable frequency. The present invention relates to a PWM converter in a power conversion system applied to an AC train vehicle system propelled by an electric motor.

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）。 As a conventional power conversion device, the modulation wave used for pulse width modulation control in all of the plurality of PWM converters has the same phase as the power supply voltage, and the PWM converters of the PWM converters are divided between the PWM converters of the group in which the driving vehicles forming the train are equally divided. A carrier wave used for pulse width modulation control has a predetermined phase difference (see, for example, Patent Document 1).

特開平０８−０５１７０３号公報（図１）Japanese Patent Laid-Open No. 08-051703 (FIG. 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。 However, in the conventional PWM converter control method disclosed in Patent Document 1, it is necessary to divide the load evenly, and even division may be difficult to implement as an actual problem depending on the driving vehicle. Therefore, there is a problem that harmonics cannot be sufficiently reduced.

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。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to obtain a power conversion system capable of reducing harmonics even when a load cannot be divided equally.

この発明に係る交流列車車両用の電力変換システムは、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と、この複数の電源ユニットに制御指令信号を出力する制御装置とが設けられ電力変換システム制御装置は、電源ユニットに設けられている各ＰＷＭコンバータの電圧指令Ｖｃと直流電源ＶｄｃとからＶｋ＝Ｖｃ／Ｖｄｃで求まる変調率Ｖｋを算出するとともに、変調率Ｖｋの各ベクトルの合成ベクトルの大きさが最小となるような位相差を演算し、この位相差を各ＰＷＭコンバータの搬送波の位相差として、各ＰＷＭコンバータを制御することを特徴とするものである。 A power conversion system for an AC train vehicle according to the present invention is provided with a plurality of power supply units that are supplied with common power and have different load amounts, and a control device that outputs a control command signal to the plurality of power supply units. The conversion system control device calculates a modulation rate Vk obtained by Vk = Vc / Vdc from a voltage command Vc and a DC power supply Vdc of each PWM converter provided in the power supply unit, and a combined vector of the vectors of the modulation rate Vk A phase difference that minimizes the size of the PWM converter is calculated, and each PWM converter is controlled using the phase difference as the phase difference of the carrier wave of each PWM converter .

この発明に係る交流列車車両用の電力変換システムは、上記のような構成を備えているので、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。 Since the power conversion system for an AC train vehicle according to the present invention has the above-described configuration, it is possible to reduce harmonic components even when the load amounts of the respective PWM converters are different. There is.

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。 Embodiment 1 FIG.
Hereinafter, the first embodiment will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an AC vehicle system as an application example of a power conversion system 200. Of the three driving vehicles 110, 120, 130 constituting the train, the first vehicle 110 has a power supply unit 10, the second vehicle 120 has a power supply unit 20, and the third vehicle 130 has a power supply unit. 30 are mounted and supplied with power from a common power source 5. The power supply unit 10 is composed of a transformer 1, a PWM converter 2a, and two inverters 3a, and two motors 4a having the same capacity are connected as loads. The power supply unit 20 includes a transformer 1a, a PWM converter 2b, and one inverter 3b, and one motor 4b is connected as a load. The power supply unit 30 includes a transformer 1, a PWM converter 2c, and two inverters 3a, to which two motors 4a that are loads having the same capacity as the power supply unit 10 are connected. The first vehicle 110 is provided with a control device 6 that outputs a control command signal to the power supply units 10 to 30, and the train travels in the left direction in FIG.

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。 As described above, the load power amounts of the PWM converters 2a and 2c of the power supply units 10 and 30 of the first and third vehicles 110 and 130 and the PWM converter 2b of the power supply unit 20 of the second vehicle 120 are different. The modulated wave signals of the PWM converters 2a to 2c are in phase with each other in the PWM converters 2a and 2c of the power supply units 10 and 30, but the PWM converters 2a and 2c and the PWM converter 2b of the power supply unit 20 It is shifted by the amount of power difference. The carrier signal output from the carrier signal generator provided in the control device 6 provided in the first vehicle 110 is shifted by a predetermined phase.

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。 2 shows a voltage command of the PWM converter 2b that drives one motor 4b mounted on the second vehicle 120, and FIG. 3 shows two of the motors 4a mounted on the first and third vehicles 110 and 130. The voltage command of PWM converter 2a, 2c which drives a stand is represented.
In FIG. 2, Vs is the voltage of the power supply unit, ω is the frequency of the power supply unit, L is the inductance of the transformer 1a, Ic2 is the current value flowing through the power supply unit 20, Vc2 is the voltage command value of the PWM converter 2b, and θ2 is the voltage. The phase between the command value Vc2 and the power supply voltage Vs is shown. Also in FIG. 3, Ic1 and Ic3 are current values flowing through the power supply units 10 and 30, Vc1 and Vc3 are voltage command values of the PWM converters 2a and 2c, and θ1 and θ3 are the voltage command values Vc1 and Vc3 and the power supply voltage Vs. Indicates the phase.
As can be seen from FIGS. 2 and 3, the voltage command values Vc1 and Vc3 of the PWM converters 2a and 2c that drive the two motors 4a mounted on the first and third vehicles 110 and 130 are the second vehicle 120. The magnitude and phase are larger than the voltage command value Vc2 of the PWM converter 2b that drives one motor 4b mounted on the motor.

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。

The voltage command Vc of the PWM converter is determined from the voltage Vs of the power source, the frequency ω of the power source, the inductance L of the transformer, and the current Ic, and is expressed by the following formula 1.

Therefore, the magnitude of the voltage command Vc of the PWM converter and the phase θ from the power supply voltage are expressed by the following

formulas

2 and 3.

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。

Since the harmonic component has the same phase as the voltage command Vc of the PWM converter, the phase difference of the carrier wave signal is determined by the magnitude and phase of the voltage command Vc of each PWM converter. The phase difference is such that the magnitude of the combined vector of each vector of the modulation factor Vk shown in the following formula 4 obtained from the voltage command Vc of the PWM converter and the DC voltage Vdc is sufficiently close to the phase of the voltage command Vc of the PWM converter. Find the smallest phase difference and add them.

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）
（５）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。 FIG. 4 shows the relationship between the modulation rates Vk1 to Vk3 of the PWM converters 2a to 2c. The phase difference of each modulation rate Vk is obtained so that the combined vector of the three modulation rate vectors is minimized.
For example, in FIG. 4, when Vk2 is used as a reference, the combined vector becomes the minimum when the following equation holds.
Vk1 × sin (180 ° −θ12) = Vk3 × sin (180 ° −θ23)
... (5)
Vk1 × cos (180 ° −θ12) + Vk3 × cos (180 ° −θ23) = Vk2 (6)
Vk1 = Vk3 (7)
From ( 5 ) and (7),
θ12 = θ23 (8)
Substituting equation (7) and equation (8) into equation (6), θ12 = θ23 = 180 ° −acos ⁻¹ (Vk2 / Vk1 / 2) (9)
θ12 + θ23 + θ13 = 360 ° (10)
(9) From equation (10) θ13 = 2 × acos ⁻¹ (Vk2 / Vk1 / 2)
Considering the reference vector, the phase that minimizes the component in the same direction as the reference vector and also minimizes the direction perpendicular to the reference vector is determined.
When Vk1 = Vk2 = Vk3, θ12 = θ23 = θ13.
In addition, the minimum value of the magnitude | size of a synthetic | combination vector is zero (zero).
Although the case where there are three modulation factor vectors has been described here, when there are four or more modulation factor vectors, when the number is not uniquely determined (when there are a plurality of minimum phase differences), any of the minimum phase differences But you can.

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。 FIG. 5 shows the phase relationship of the carrier wave signals of the PWM converters 2a to 2c. As can be seen from FIG. 5, the carrier wave (2) of the PWM converter 2b is delayed in time by θ12 which is a predetermined phase difference with respect to the carrier wave (1) of the PWM converter 2a. Similarly, the carrier wave (3) of the PWM converter 2c is delayed by a predetermined phase difference of θ12 + θ23.

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。 As described above, in the control device 6 provided in the power conversion system 200 of the first embodiment, the phase difference of the carrier wave signals of the PWM converters 2a to 2c is the magnitude of the combined vector of the modulation factor vectors of the PWM converters. Is added to the phase difference that minimizes the phase difference to obtain a predetermined phase difference, and the predetermined phase difference is output to each of the PWM converters 2a to 2c so as to be the phase difference of the carrier waves of the plurality of PWM converters. . That is, the control device 6 obtains the phase θ from the load amounts (Ic, L) and the voltage command value Vc of the vehicles 110 to 130, and commands the phase difference of the carrier signal to each PWM converter as described above. is there.
That is, in PWM, a pulse is created by comparing a signal wave (sine wave) and a carrier wave (triangular wave). When a plurality of converters are connected to a common power source, the signal wave is almost determined by the phase of the power source, so that the carrier wave is shifted to reduce the harmonics, as shown in the first embodiment. Further, the method of shifting the carrier wave is shifted by the phase difference of FIG. Therefore, there is an effect that harmonic components can be reduced even when the load power amount of each PWM converter as in the first embodiment is different.

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。 In the first embodiment, the example in which the control device 6 is provided only in the first vehicle 110 has been shown. However, the control device 6 may be provided in each vehicle, and one control device to be used may be determined for each train formation. .

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。 Moreover, although the case of the AC vehicle system has been described as an example, the present invention can also be used in the field of a steel rolling system in which a plurality of PWM converters having different loads are connected to the same power source.

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。 Embodiment 1 of the present invention can be used for an AC train vehicle system that is propelled by an electric motor driven at a variable speed with AC power having a variable voltage and variable frequency, and a PWM converter of a steel rolling system.

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。It is a figure which shows the alternating current vehicle system which applied the power conversion system of Embodiment 1 of this invention. 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。It is a figure showing the voltage command of the PWM converter which drives one motor of Embodiment 1 of this invention. 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。It is a figure showing the voltage command of the PWM converter which drives the two motors of Embodiment 1 of this invention. 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。It is a figure showing the relationship of the modulation factor of each PWM converter of Embodiment 1 of this invention. 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。It is a figure which shows the phase relationship of the carrier wave signal of each PWM converter of Embodiment 1 of this invention.

Explanation of symbols

２ａ〜２ｃＰＷＭ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。 2a to 2c PWM converter, 5 power supply, 6 control device,
10, 20, 30 Power supply unit, 200 Power conversion system.

Claims

In a power conversion system for an AC train vehicle provided with a plurality of power supply units that are supplied with common power and have different load amounts, and a control device that outputs a control command signal to the plurality of power supply units,
The control device calculates a modulation rate Vk obtained by Vk = Vc / Vdc from a voltage command Vc and a DC power supply Vdc of each PWM converter provided in the power supply unit, and combines the vectors of the modulation rate Vk. A power conversion for an AC train vehicle, wherein a phase difference that minimizes the magnitude of a vector is calculated, and the PWM converter is controlled using the phase difference as a phase difference of a carrier wave of each PWM converter. system.