JP4865892B2 - 交流電気車用電力変換装置及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、交流電気車用の電力変換装置及びその制御方法に係わる。

交流電気車の電源力率を改善する制御方式として、交流電源周波数より高い周波数で交流電圧のパルス幅変調方式（ＰＷＭ）を採用したＰＷＭコンバータが実用されている。また、電気車を駆動する電動機を制御する方式としては電動機に誘導電動機を用いてこれに印加する電圧と周波数をパルス幅変調によって連続的に制御するＰＷＭインバータが実用されている。近年の交流電気車の電力変換装置として、この両者を組み合わせたＰＷＭコンバータ・ＰＷＭインバータ方式が主流となっている。

従来のＰＷＭコンバータ・ＰＷＭインバータ方式の交流電気車用電力変換装置構成を、図５を用いて説明する。従来の交流電気車用電力変換装置は、交流電圧を直流電圧に変換するＰＷＭコンバータ１と、直流電圧を所望の電圧と周波数の交流電圧に変換するＰＷＭインバータ２と、直流電圧の脈動を抑制するためのフィルタコンデンサ３と、ＰＷＭコンバータ１の動作を制御するコンバータ制御装置４と、ＰＷＭインバータ２の動作を制御するインバータ制御装置５と、交流電圧を所望の電圧に変換する主変圧器６と、ＰＷＭコンバータ１の直流出力電圧を検出する直流電圧検出器８とを有して構成される。

ＰＷＭコンバータ１は、４個の半導体スイッチング素子１１と該半導体スイッチング素子１１の各々にそれぞれ逆並列に接続された４個のダイオード１２からなる全波整流ブリッジ回路を備えて構成される。ＰＷＭコンバータ１の交流入力側には、パンタグラフ６１から主変圧器６を介して交流架線電圧が供給され、直流出力側に接続された平滑コンデンサ（フィルタコンデンサ）３に直流電圧ＶＤが供給される。

ＰＷＭインバータ２は、６個の半導体スイッチング素子２１と該半導体スイッチング素子２１の各々にそれぞれ逆並列に接続された６個のダイオード２２を備えて構成される。ＰＷＭインバータ２の直流入力側にはＰＷＭコンバータ１の直流出力ＶＤが供給され、交流出力側には誘導電動機７が接続される。

コンバータ制御装置４は、直流電圧ＶＤを監視してＰＷＭコンバータ１の動作を制御する手段である。

パンタグラフ６１によって取り込まれた交流電圧は、主変圧器６によって所望の電圧に変換された後に、ＰＷＭコンバータ１に入力される。ＰＷＭコンバータ１は、入力された交流電圧を所望の電圧の直流電圧に変換して、ＰＷＭインバータ２へ出力する。ＰＷＭインバータ２は入力された直流電圧を所望の電圧および周波数の交流電圧に変換して誘導電動機７を駆動する。

ＰＷＭコンバータ・ＰＷＭインバータ方式の交流電気車用電力変換装置は、主変圧器を介して架線から取り込まれた電圧を、一旦ＰＷＭコンバータで所望の直流電圧ＶＤに変換し、その後この直流電圧ＶＤをＰＷＭインバータで所望の電圧および周波数の交流電圧に再変換して誘導電動機を制御する。

ここで、電力変換装置、主変圧器、電動機などの交流電気車の制御システム全体のサイズ小型化軽量化やコストのパフォーマンスの向上を考えた場合、ＰＷＭコンバータで変換して出力される直流電圧ＤＶをどのように設定するかがシステム構成上の重要なポイントとなる。

一般に、電気車におけるＰＷＭインバータによる誘導電動機の制御は、速度の低い領域では、ＰＷＭインバータの発生電圧Ｖｍと、ＰＷＭインバータの発生周波数ω０の比（Ｖｍ／ω０）がほぼ一定となるようにパルス幅変調を行ういわゆる多パルスモードによって制御される。しかし、ＰＷＭインバータが発生し得る最大の出力電圧Ｖｍ（ｍａｘ）は、下記（１）式の関係式に示すように、入力側の直流電圧ＶＤによって上限が制限されるため、ＰＷＭインバータの出力電圧Ｖｍが直流電圧ＶＤによって定まる最大値Ｖｍ（ｍａｘ）に達した後は、周波数制御のみで誘導電動機を制御する。この領域ではＰＷＭインバータは、パルス幅制御を行わずに最大電圧Ｖｍ（ｍａｘ）を出力するいわゆる１パルスモードで動作する。

一方、１パルスモードの領域のように、インバータの出力電圧Ｖｍが一定の状態において、インバータの周波数ω０のみを上昇させると、誘導電動機の１次巻線のインピーダンスωＬが増加するため、誘導電動機に流れる電流は減少し、発生するトルクも減少してしまう。したがって、１パルスモード領域でトルクを増加させるためには、ＰＷＭインバータ出力電圧Ｖｍを上昇させること、ひいては直流電圧ＶＤを上昇させることが有効な手段であり、例えばインバータの周波数が一定以上になると、ＰＷＭコンバータの出力直流電圧ＶＤを上昇させる制御方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図６の特性図を用いて、従来の一般的なＰＷＭコンバータ・ＰＷＭインバータ方式の交流電気車用電力変換装置における、直流電圧ＶＤ、ＰＷＭインバータ出力電圧Ｖｍ、誘導電動機電流Ｉｍおよび誘導電動機トルクＴＥの特性を説明する。ＰＷＭインバータの出力周波数ω０が、０＜ω０＜ω１の領域では、ＰＷＭインバータは出力電圧Ｖｍと周波数Ｆｉｎｖ（ω０）をパルス幅変調によって制御し、周波数ω０の増加に比例してＰＷＭインバータの出力電圧Ｖｍを増加させ、誘導電動機電流Ｉｍは一定に制御される。この領域を多パルスモード領域と称する。ＰＷＭインバータ出力電圧Ｖｍが前記（１）式に基づき直流電圧ＶＤによって定まる最大電圧（Ｖｍ（ｍａｘ）＝√６／πＶＤ）に到達するインバータ出力周波数がω１となる。

一方、ＰＷＭインバータ出力周波数ω０が、ω０＞ω１の領域では、ＰＷＭインバータは１パルスモードによって制御され、ＰＷＭインバータの出力電圧Ｖｍは前記（１）式によって得られる電圧√６／πＶＤに制限され、ω０の増加に伴い誘導電動機電流Ｉｍが減少し、誘導電動機トルクＴＥも減少する。この領域を１パルスモード領域と称する。ここで、ＰＷＭコンバータの出力電圧である直流電圧ＶＤは周波数ω０にかかわらず一定であるとする。

特公平０８−００８７９２号公報

上記のように、誘導電動機のトルクの増加には、直流電圧ＶＤを上昇させることが有効であるが、一方で、ＰＷＭコンバータやＰＷＭインバータを構成する半導体スイッチング素子のスイッチング動作に伴い発生するスイッチング損失は、そのスイッチングする電圧すなわち直流電圧ＶＤが高いほど大きくなる傾向にある。特に、パルス幅変調を実施するいわゆる多パルス領域においては、スイッチング動作の頻度が増えるため、その発生損失は１パルス領域と比較して格段に増加し、半導体スイッチング素子の冷却装置ひいては電力変換装置の大型化やコスト増加の要因となる。

このことは、電気車の速度が高い１パルス領域でトルクを増加させるために直流電圧ＶＤを高く設定すると、速度の低い多パルス領域での半導体スイッチング素子の損失が増加してしまうという課題を示している。

本発明は、上述の課題を解決し、多パルス領域での半導体スイッチング素子の損失を抑え、小型軽量で低コストである交流電気車用電力変換装置を提供することにある。すなわち、本発明は、ＰＷＭコンバータ・ＰＷＭインバータ方式の交流電気車用電力変換装置において、１パルス領域での誘導電動機のトルクを確保しつつ、多パルス領域における半導体スイッチング素子の発生損失の低減を図ることを目的とする。

上記課題を解決するための手段として、本発明は、交流電気車用電力変換装置において、多パルス領域における直流電圧ＶＤをＰＷＭコンバータが制御しうる下限の電圧近くまで極力低下させることを特徴とする。

ＰＷＭコンバータは、入力される交流電圧の大小によって、出力しうる直流電圧の下限値が左右される。本発明は、ＰＷＭコンバータに入力される交流電圧の大小に関連して、多パルス領域における直流電圧ＶＤを極力低くなるようにＰＷＭコンバータを制御することによって、多パルス領域における半導体スイッチング素子の発生損失の低減を図りつつ、１パルス領域での誘導電動機のトルクを確保するものである。

本発明にかかる交流電気車用電力変換装置の構成を説明する図。 本発明にかかる交流電気車用電力変換装置を用いた場合の出力特性を説明する図。 本発明の交流電気車用電力変換装置における交流架線電圧とＰＷＭコンバータの出力直流電圧の関係を説明する図。 本発明におけるコンバータ制御装置における直流電圧目標値発生機能を説明する図。 従来の交流電気車用電力変換装置の構成を説明する図。 従来の交流電気車用電力変換装置を用いた場合の出力特性を説明する図。

以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態を示す交流電気車用電力変換装置の構成図である。本発明にかかる交流電気車用電力変換装置は、交流電圧を直流電圧に変換するＰＷＭコンバータ１と、直流電圧を所望の電圧と周波数の交流電圧に変換するＰＷＭインバータ２と、直流電圧の脈動を抑制するためのフィルタコンデンサ３と、ＰＷＭコンバータ１の動作を制御するコンバータ制御装置４と、ＰＷＭインバータ２の動作を制御するインバータ制御装置５と、交流電圧を所望の電圧に変換する主変圧器６と、ＰＷＭコンバータ１の直流出力電圧を検出する直流電圧検出器８と、架線電圧を検出する交流電圧検出器９とを有して構成される。

ＰＷＭコンバータ１は、４個の半導体スイッチング素子１１と該半導体スイッチング素子１の各々にそれぞれ逆並列に接続された４個のダイオード１２からなる全波整流ブリッジ回路を備えて構成される。ＰＷＭコンバータ１の交流入力側には、パンタグラフ６１から主変圧器６を介して交流架線電圧が供給され、直流出力側に接続された平滑コンデンサ（フィルタコンデンサ）３に直流電圧ＶＤが供給される。

ＰＷＭインバータ２は、６個の半導体スイッチング素子２１と該半導体スイッチング素子２１の各々にそれぞれ逆並列に接続された６個のダイオード２２を備えて構成される。ＰＷＭインバータ２の直流入力側にはＰＷＭコンバータ１の直流出力ＶＤが供給され、交流出力側には誘導電動機７が接続される。

コンバータ制御装置４は、第１の直流電圧目標値ＶＤＰ１を発生する第１の直流電圧目標値発生ブロックと、第２の直流電圧目標値ＶＤＰ２を発生する第２の直流電圧目標値発生ブロックと、第１の直流電圧目標値発生手段の出力である第１の直流電圧目標値ＶＤＰ１と第２の直流電圧目標値発生手段の出力である第２の直流電圧目標値ＶＤＰ２のいずれか高い方の値を選択して直流電圧目標値ＶＤＰを出力する最大値選択手段を有している。

パンタグラフ６１によって取り込まれた交流電圧Ｅｐは、主変圧器６によって所望の電圧に変換された後に、ＰＷＭコンバータ１に入力される。ＰＷＭコンバータ１は、入力された交流電圧を所望の電圧の直流電圧ＶＤに変換して、ＰＷＭインバータ２へ出力する。ＰＷＭインバータ２は入力された直流電圧ＶＤを所望の電圧および周波数の交流電圧に変換して誘導電動機７を駆動する。

図２の特性図を用いて、本発明にかかるＰＷＭコンバータ・ＰＷＭインバータ方式の交流電気車用電力変換装置における、直流電圧ＶＤ、ＰＷＭインバータ出力電圧Ｖｍ、誘導電動機電流Ｉｍおよび誘導電動機トルクＴＥの特性を説明する。

ＰＷＭインバータの出力電圧Ｖｍおよび誘導電動機電流Ｉｍは、図６と同一であり、したがって誘導電動機トルクＴＥも同一であるが、０＜ω０＜ω２の多パルスモード領域におけるＰＷＭコンバータ１の出力直流電圧である直流電圧（多パルスモード直流電圧）ＶＤ１を、ω０＞ω１の１パルスモード領域における直流電圧（１パルスモード直流電圧）ＶＤ２より低く設定していることが特徴である。

ここで、０＜ω０＜ω２の多パルスモード領域における直流電圧ＶＤは、架線電圧に関連してＰＷＭコンバ−タ１が発生しうる下限値直流電圧に近い直流電圧ＶＤ１に制御され、ω０＞ω１の１パルスモード領域では、ＰＷＭインバータ２が出力電圧Ｖｍを出力するために必要な（１）式を満足する直流電圧ＶＤ２に制御される。ＰＷＭインバータ出力電圧Ｖｍが、直流電圧ＶＤ１を超えるＰＷＭインバータの出力周波数ω２となる時点からインバータ電圧Ｖｍが前記（１）式で表される直流電圧ＶＤ２になる出力周波数ω１の時点までは、直流電圧ＶＤは第１の直流電圧（多パルスモード直流電圧）ＶＤ１から第２の直流電圧（１パルスモード直流電圧）ＶＤ２までＰＷＭインバータ２の出力周波数ω０に追従して移行する。ＰＷＭインバータ２は、ω２の時点から１パルスモードで運転される。

架線電圧Ｅｐは、当該電気車の負荷の状況や周囲の電気車の運転状況などによって変動する。したがって、下限直流電圧に近い第１の直流電圧ＶＤ１は、交流架線電圧Ｅｐの変動に関連して変動する。このため周波数ω２は交流架線電圧Ｅｐの変動に関連して変動する。

図３を用いて、架線電圧ＥｐとＰＷＭコンバータが出力しうる直流電圧ＶＤの下限値との関係を説明する。図３に実線で示すように、架線電圧Ｅｐと、直流電圧ＶＤ下限値は、架線電圧Ｅｐに比例している。ＰＷＭコンバータは、その回路構成上、ダイオード１２によって構成される全波整流ブリッジ回路が入力端子に接続されるため、半導体スイッチング素子１１が動作しなくても入力電圧の波高値に相当する電圧にフィルタコンデンサ３が充電される。このため、この電圧がＰＷＭコンバータ１の出力しうる直流電圧の下限値になり、その電圧値は、ＰＷＭコンバータ１の交流入力電圧に正比例し、ＰＷＭコンバータ１は、主変圧器６を介して架線に接続されるため、つまるところ図３に示すように、架線電圧Ｅｐと直流電圧ＶＤの下限値は正比例の関係になる。

ここで、直流電圧の下限値は、架線電圧Ｅｐに関連することから、実際の設定値ＶＤＰ１は、架線電圧ＥＰの急激な変動の影響を避けるため、破線に示すように通常直流電圧下限値の５％ないし１０％上の値に設定される。

これにより、図１のコンバータ制御装置４には、架線電圧Ｅｐを検出する交流電圧検出器９の出力Ｅｐ、直流電圧ＶＤを検出する直流電圧検出器８の出力ＶＤおよびインバータ制御装置１２からのインバータ周波数ω０がそれぞれ入力され、これをもとにＰＷＭコンバータ１が出力する直流電圧ＶＤを制御する。

次に、コンバータ制御装置４が備える具体的な手段とこの手段を用いたＰＷＭコンバータにおける直流電圧ＶＤの目標値ＶＤＰを発生させる制御方法を、図４を用いて説明する。

コンバータ制御装置４は、通常のコンバータ制御装置としての機能のほかに、架線電圧Ｅｐに関連した第１の直流電圧目標値ＶＤＰ１を発生する第１の直流電圧目標値発生ブロック４１と、インバータ周波数ω０による第２の直流電圧目標値ＶＤＰ２を発生する第２の直流電圧目標値発生ブロック４２と、第１の直流電圧目標値ＶＤＰ１と第２の直流電圧目標値ＶＤＰ２大きい方の目標値を最終的な直流電圧目標値ＶＤＰとして出力する最大値選択手段４３とを有している。

この構成により、第２の直流電圧目標値ＶＤＰ２が第１の直流電圧目標値ＶＤＰ１を上回るＰＷＭインバータ２の出力周波数ω０が０からω２までは第１の直流電圧目標値ＶＤＰ１が直流電圧目標値ＶＤＰとして出力され、ＰＷＭコンバータ１の直流出力ＶＤは多パルスモード直流電圧ＶＤ１に制御される。ＰＷＭインバータ出力周波数ω０が前述のω２からＰＷＭインバータ２の最大出力電圧Ｖｍ（ｍａｘ）となる時点ω１までは第２の直流電圧目標値ＶＤＰ２が選択されて、ＰＷＭコンバータ１は第１の直流電圧ＶＤ１から第２の直流電圧ＶＤ２に移行するように出力直流電圧ＶＤが制御される。ＰＷＭインバータ２の出力電圧Ｖｍが最大値に達する直流電圧目標値ＶＤＰ２に達すると、ＰＷＭコンバータ１は出力直流電圧が最大値ＶＤ２となるように制御される。

このようにして、本発明によれば、ＰＷＭコンバータ・ＰＷＭインバータ方式の交流電気車用電力変換装置において、多パルスモード領域では、ＰＷＭコンバータの出力直流電圧ＶＤを架線電圧に関連して第１の直流電圧である下限値近くの直流電圧ＶＤ１まで低下させ、１パルスモード領域では最大直流電圧ＶＤ２または第１の直流電圧ＶＤ１より高い第２の直流電圧ＶＤ２に上げて運転することができ、ＰＷＭインバータの多パルス領域における発生損失を低減させることができ、１パルス領域において誘導電動機のトルクを高い値に維持することができる。

１ ＰＷＭコンバータ
１１ 半導体スイッチング素子
１２ ダイオード
２ ＰＷＭインバータ
２１ 半導体スイッチング素子
２２ ダイオード
３ フィルタコンデンサ（平滑コンデンサ）
４ コンバータ制御装置
４１ 第１の直流電圧目標値発生ブロック
４２ 第２の直流電圧目標値発生ブロック
４３ 最大値選択手段
５ インバータ制御装置
６ 主変圧器
６１ パンタグラフ
７ 誘導電動機
８ 直流電圧検出器
９ 交流電圧検出器。

Claims (4)

1. 交流架線から給電される交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、前記コンバータが変換した直流電圧を交流電圧に変換して誘導電動機を駆動するインバータと、前記コンバータを制御するコンバータ制御装置と、を有する交流電気車用電力変換装置において、
   交流架線電圧を検出する交流電圧検出手段を備え、
   前記コンバータ制御装置は、前記インバータが多パルスモードで動作している際には、前記交流架線電圧から定められる前記コンバータで出力可能な直流電圧の下限値の５％ないし１０％大きな値の直流電圧を出力するように前記コンバータを制御し、
   前記インバータが１パルスモードで動作している際には、多パルスモード時における前記コンバータの出力直流電圧よりも大きな直流電圧を出力するように前記コンバータを制御することを特徴とする交流電気車用電力変換装置。
2. 請求項１に記載の交流電気車用電力変換装置において、
   前記インバータ出力電圧が、前記インバータが多パルスモードで動作している際の前記コンバータの出力直流電圧を超えるインバータ周波数と比べて、前記インバータの出力周波数が大きい場合に、前記インバータは１パルスモードで制御されることを特徴とする交流電気車用電力変換装置。
3. 交流架線から給電される交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、前記コンバータが変換した直流電圧を交流電圧に変換して誘導電動機を駆動するインバータと、交流架線電圧を検出する交流電圧検出手段と、を備える交流電気車用電力変換装置の制御方法において、
   前記インバータが多パルスモードで動作している際には、前記交流架線電圧から定められる前記コンバータで出力可能な直流電圧の下限値の５％ないし１０％大きな値の直流電圧を出力するように前記コンバータを制御し、
   前記インバータが１パルスモードで動作している際には、多パルスモード時における前記コンバータの出力直流電圧よりも大きな直流電圧を出力するように前記コンバータを制御することを特徴とする交流電気車用電力変換装置の制御方法。
4. 請求項３に記載の交流電気車用電力変換装置の制御方法において、
   前記インバータ出力電圧が、前記インバータが多パルスモードで動作している際の前記コンバータの出力直流電圧を超えるインバータ周波数と比べて、前記インバータの出力周波数が大きい場合に、前記インバータは１パルスモードで制御されることを特徴とする交流電気車用電力変換装置の制御方法。

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