JP5198232B2 - Power converter - Google Patents
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Description
この発明は電力変換装置に関するものであり、特に複数のコンバータをスイッチング制御するに際してキャリア周波数の変化や変動によりノイズが放出されるのを抑制するように工夫した装置である。 The present invention relates to a power conversion device, and in particular, is a device devised to suppress noise emission due to a change or fluctuation in carrier frequency when switching control of a plurality of converters.
交流電車システムでは、架線にかかる単相交流を、パルス幅変調(PWM)コンバータによって、交流直流変換を行い、インバータおよびその負荷である主電動機に電力の供給を行っている。PWMコンバータの制御法は、一定周波数の三角波キャリアと変調波(正弦波)の比較により、パルス幅変調波信号を生成し、このパルス幅変調波信号に基づいて、PWMコンバータのスイッチ素子を制御する、いわゆるPWM制御法が広く適用されている。しかし、複数コンバータのうち1群を開放した場合は編成としての一定のキャリア周波数により生じる不要な高調波成分が増大してしまい、き電系統や通信回線に誘導障害を与える恐れがある。 In an AC train system, single-phase AC applied to an overhead wire is AC / DC converted by a pulse width modulation (PWM) converter, and electric power is supplied to an inverter and a main motor as a load thereof. The PWM converter control method generates a pulse width modulated wave signal by comparing a triangular wave carrier having a constant frequency and a modulated wave (sine wave), and controls the switching element of the PWM converter based on the pulse width modulated wave signal. The so-called PWM control method is widely applied. However, when one group of the plurality of converters is opened, unnecessary harmonic components generated by a certain carrier frequency as a train increase, which may cause inductive disturbances to the feeder system and the communication line.
このような問題を改善するための対応技術としては、不要な高調波成分を発生させないように、キャリア周波数を一定にせず、様々な周波数へと変化させることによって、高調波スペクトルを分散するPWM制御法が提案されている。 As a countermeasure technique to solve such problems, PWM control that disperses the harmonic spectrum by changing the carrier frequency to various frequencies without making the carrier frequency constant so as not to generate unnecessary harmonic components. A law has been proposed.
上記の技術を示した文献として特許文献1、2、3がある。特許文献1ではPWMコンバータのキャリア周波数を可変にすることについて、一般論を述べているに過ぎない。特許文献2はキャリア周波数を時間的に変化させることを記載されている。また特許文献3は、異なるキャリア周波数を使用することを述べている。このとき電源電圧の絶対値に基づいて連続的に変化するキャリア周波数を演算する。
上記した従来の技術を採用しても電力変換装置の周辺より不要高調波信号が発生することがあった。本発明者は従来の技術では抑圧することができない不要高調波信号の発生要因があることに着目した。 Even if the above-described conventional technique is employed, an unnecessary harmonic signal may be generated from the periphery of the power converter. The inventor of the present invention has noticed that there are generation factors of unnecessary harmonic signals that cannot be suppressed by the conventional technique.
そこで本発明の目的は上記の事情に鑑みてなされたもので、PWM制御コンバータのキャリア周波数を可変にする時、複数のコンバータの動作状態を判別し、状態に応じて予め設定されているキャリア周波数を使用することにより、不要高調波成分の発生を抑制することができる電力変換装置を提供することにある。 Accordingly, the object of the present invention has been made in view of the above circumstances. When the carrier frequency of the PWM control converter is made variable, the operation states of a plurality of converters are discriminated, and the carrier frequencies set in advance according to the states. It is in providing the power converter device which can suppress generation | occurrence | production of an unnecessary harmonic component by using.
一実施形態によれば、交流を直流に変換する複数のコンバータと、前記複数のコンバータの複数のスイッチング素子のスイッチング動作を三角波キャリアと変調波との比較で生成したパルス幅変調出力により制御するPWM制御部と、前記複数のコンバータの各動作状態に応じて、前記三角波キャリアのキャリア周波数を変化させるキャリア周波数演算部であって、前記複数のコンバータの状態判別結果に応じて、かつインバータの出力パワーが異常でない前記コンバータのキャリア周波数を変化させるキャリア周波数演算部と、を有する。 According to one embodiment, a PWM that controls a plurality of converters that convert alternating current into direct current, and a pulse width modulation output that is generated by comparing a triangular wave carrier and a modulated wave with a switching operation of a plurality of switching elements of the plurality of converters. A control unit, and a carrier frequency calculation unit that changes a carrier frequency of the triangular wave carrier in accordance with each operation state of the plurality of converters, the output power of the inverter in accordance with the state determination result of the plurality of converters A carrier frequency calculation unit that changes the carrier frequency of the converter that is not abnormal .
上記の手段によると、複数のコンバータの各動作状態に応じて、キャリア周波数を変化させて、高調波を設定し不要高調波が生じるのを抑制することができる。 According to said means, according to each operation state of a some converter, a carrier frequency can be changed, a harmonic can be set and generation | occurrence | production of an unnecessary harmonic can be suppressed.
以下図面を参照して、この発明の実施の形態を説明する。図1は、本発明の第1実施例の概略構成を示すブロック図である。図2は図1のコンバータ14aの基本構成例を示す図である。図3は図1のキャリア周波数演算部116の構成例を示す図である。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a diagram showing a basic configuration example of the
図1から説明する。図ではコンバータ14aの1つの系統に符号を付して示しているが、複数のコンバータの系統がある。変電所より給電され、架線にかかる単相交流を、パンタグラフ10から車輪12の系路で集電する。この集電系路の主変圧器13には、コンバータ14aが接続されている。更に、コンバータ14aの直流側の端子には、平滑のためのフィルタコンデンサ15aと主電動機17aを駆動するVVVFインバータ16aが接続されている。ここで、コンバータ14aの負荷は、インバータ16aおよび主電動機17aである。
It demonstrates from FIG. In the figure, one system of the
コンバータ14aはコンバータ制御部111により制御される。コンバータ制御部111は、コンバータスイッチング回路に用いるスイッチング素子の導通状態を制御するものである。 Converter 14a is controlled by converter control unit 111. The converter control unit 111 controls the conduction state of the switching element used in the converter switching circuit.
コンバータ制御部111の入力は、電圧検出器100によって検出された架線電圧Vsと、電流検出器19aによって検出されたコンバータ14aの交流側の電流である出力電流Isと、電圧検出器18aによって検出されたフィルタコンデンサ15aの端子電圧Vdである。
The input of the converter control unit 111 is detected by the overhead voltage Vs detected by the
コンバータ制御部111において、電圧制御演算部113には、フィルタコンデンサ15aの電圧Vdが入力される。電圧制御演算部113は、例えば電圧Vdと目標値指令する直流指令基準電圧Vdrefとの差に応じた振幅の電流Isrefを出力する。この電流Isrefの変化は、電圧Vdの変化に対応する。電流Isrefは、基準電流として電流制御演算部114に入力される。ここで
Isref=(Kpdc+Kidc/s)×(Vdref−Vd)
Kpdc:直流電圧制御の比例ゲイン
Kidc:直流電圧制御の積分ゲイン
s:ラプラス演算子
である。
In the converter control unit 111, the voltage
Kpdc: DC voltage control proportional gain Kidc: DC voltage control integral gain s: Laplace operator.
位相θs信号は、電流制御演算部114に入力される。電流制御演算部114は、位相θs信号と電流Isrefとの乗算を行い、一旦、位相θs信号の周波数を持つ検出電流Isdetを作成する。次に電流制御演算部114は、コンバータ14aの交流側の出力電流Isと、検出電流Isdetの振幅差に応じた制御電圧Vcrefを出力する。ここで
Isdet=Isref×sin(θs)
Vcref=Kp×(Isdet−Isref)
である。
The phase θs signal is input to the current
Vcref = Kp × (Isdet−Isref)
It is.
位相θs信号は、電流演算部114に入力される。電流演算部114は、位相θs信号と電流Isrefとの乗算を行い、一旦、位相θs信号の周波数を持つ検出電流Isdetを作成する。次に電流制御演算部114は、コンバータ14aの交流側の出力電流Isと、検出電流Isdetの振幅差に応じた制御電圧Vcrefを出力する。ここで
Isdet=Isref×sin(θs)
Vcref=Kp×(Isdet−Isref)
である。
The phase θs signal is input to the
Vcref = Kp × (Isdet−Isref)
It is.
上記の電流制御演算部114は、コンバータ電流制御を行い、フィルタコンデンサ18aの電圧Vdとその目標値である直流電圧指令Vdrefとの偏差が零になるように、コンバータ出力電圧指令としての制御電圧Vcrefを制御する。この制御電圧Vcrefは、PWM演算部115に入力される。PWM演算部115には、さらにキャリア位相演算部117から位相制御された三角波キャリアが入力される。
The current
ところでキャリア位相演算部117には、キャリア周波数演算部116からキャリア周波数fcの信号が入力している。
By the way, the carrier
キャリア位相演算部117は、キャリア周波数演算部116の出力であるキャリア周波数fcに基づき、式(1)のようにキャリアの位相θcarを算出している。
キャリア位相演算部117では、キャリア位相θcarに基づき、このキャリア位相に対応した前記三角波キャリアを発生し、PWM演算部115に供給している。PWM演算部115は、コンバータ出力電圧指令値Vcに一致した出力電圧がコンバータから得られるようにコンバータへのゲート制御信号を三角波比較PWM制御により生成している。
The carrier
従来の複数のPWMコンバータでは、それぞれに割り当てられているキャリア周波数fcは一定となっている。しかしながら編成としてキャリア位相θcarは位相差をとっているため、コンバータが1群開放した場合には出力電流にはキャリア周波数成分のリプルが大きくなり、き電系統や通信回線に誘導障害を与える恐れがある。 In a plurality of conventional PWM converters, the carrier frequency fc assigned to each is constant. However, since the carrier phase θcar has a phase difference as a knitting, when the converter is opened in one group, the ripple of the carrier frequency component becomes large in the output current, and there is a risk of causing inductive disturbance to the feeder system and communication line. is there.
つまり通常は複数のコンバータが正常に動作している状態において、それぞれのキャリア周波数とそのキャリア位相を設定しているが、複数のコンバータの1つが何らかの要因で停止された場合、残りのコンバータで運転が行われる。このような場合には設定されたキャリア周波数が維持されると、特定周波数の高調波成分が増大し、き電系統や通信回線に誘導障害を与える恐れがある。 In other words, each carrier frequency and its carrier phase are normally set when multiple converters are operating normally. If one of the multiple converters is stopped for some reason, it operates with the remaining converters. Is done. In such a case, if the set carrier frequency is maintained, the harmonic component of the specific frequency increases, which may cause inductive interference to the feeder system and the communication line.
そこで本実施例のポイントはキャリア周波数演算部116において、複数のコンバータの状態に応じて予め設定したキャリア周波数を発生し、上記の誘導障害を抑制できるようにしている。その詳細を以下に説明する。
Therefore, the point of the present embodiment is that the carrier
まず、複数のコンバータの状態、例えば停止状態がコンバータ状態検出部200により検出される。コンバータは素子の破壊あるいは対応する負荷の状況によっては自動的に停止される場合がある。コンバータ状態検出部200からのコンバータ開放群数COVnは、キャリア演算部116に情報として入力される。今、この段階でこのコンバータ制御部111に対応するコンバータ14aは、正常運転されているものとする。
First, the converter
図2はコンバータ14aの基本構成例を示している。例えば、絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ(以下IGBTと略称)を用いて構成している。即ち、IGBT31,32が直列接続され、IGBT33,34が直列接続される。そしてこの直列回路が並列接続され、IGBT31、33のコレクタがフィルタコンデンサ15aのプラス端子に接続され、IGBT32,34のエミッタがフィルタコンデンサ15aのマイナス端子に接続される。そしてIGBT31−34の各ゲート電極には、ゲート回路41−44がそれぞれ接続され、各トランジスタのターンオン、ターンオフタイミングを制御することができる。ゲート回路41−44にはPWM制御演算部115から制御パルスが供給される。
FIG. 2 shows a basic configuration example of the
図3はキャリア周波数演算部116の構成を示す。fc選定テーブル118では、全コンバータの群開放数COVnによってfcが切替わる構成となっている。編成としては全n群からなるコンバータにおいて、コンバータ開放数0からn-1までのfc出力パターンが予め設定されており、コンバータ開放群数COVnによって選定される。この選定されたfcは、現在の正常使用コンバータ数に対して、もっとも上記の誘導障害を抑制できるように計算されたキャリア周波数である。
FIG. 3 shows the configuration of the carrier
交流電車システムでは、コンバータ14aから架線へと流出する電流高調波の制約上(信号系の制御を行う軌道回路がある)、電源周波数の整数倍(同期)の成分は許容できるため、例えば、式(2)のnはコンバータ群開放数としてもよい。
ただし、Tは電源電圧の周期[sec]、t0は任意の時刻[sec]である。t0は任意の時刻であるので、例えば、電源電圧がゼロクロスする時刻[sec]として考えてもよい。 However, T is the period [sec] of the power supply voltage, and t0 is an arbitrary time [sec]. Since t0 is an arbitrary time, for example, it may be considered as a time [sec] when the power supply voltage crosses zero.
上記した実施形態によると、複数のコンバータの各動作状態に応じて、キャリア周波数を変化させて、高調波を設定し不要高調波が生じるのを抑制することができる。 According to the above-described embodiment, it is possible to suppress the generation of unnecessary harmonics by setting the harmonics by changing the carrier frequency in accordance with the operation states of the plurality of converters.
この発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。図4はこの発明の他の実施の形態である。図1の構成と重複する部分の説明は省略し、異なる部分を説明する。この実施の形態は、電流検出器19aによって検出されたコンバータ14aの交流側の電流である出力電流Isがキャリア周波数演算部116にも入力されている。
The present invention is not limited to the above embodiment. FIG. 4 shows another embodiment of the present invention. A description of the same parts as those in FIG. 1 will be omitted, and different parts will be described. In this embodiment, the output current Is, which is the current on the AC side of the
このときのキャリア周波数演算部116は、図5に示すような構成となっている。一般的にインバータのパワー制限はコンバータ入力電流検出器19aで検出した出力電流Isによって決定している。コンバータ開放群数が変わらずにインバータパワー制限をしないとコンバータスイッチング損失が増加してしまうため、インバータパワー制限の条件としての上記Isにさらにコンバータ開放群数COVnを加える。Isの値が大きくなるにつれて、また、COVnの値が増えるにつれて、fcの値が大きくなるようなfc選定表118を使用する。
The carrier
例えば、Is(m)はm, Kを任意の整数とし
Km≦Is(m)≦K(m+1) (3)
を満たす値とする。ここで、n,mは正の整数であるから、式(2)のnを式(4)のようにn+mと置き換えても良い。
Km ≦ Is (m) ≦ K (m + 1) (3)
A value that satisfies Here, since n and m are positive integers, n in equation (2) may be replaced with n + m as in equation (4).
したがってこの考え方は、複数のコンバータの状態の判別結果に応じて、かつインバータの出力パワーが異常でないコンバータのキャリア周波数を変化させることである。 Therefore, this idea is to change the carrier frequency of the converter in which the output power of the inverter is not abnormal according to the determination results of the states of the plurality of converters.
通常の運転において、あるキャリア周波数から特定のキャリア周波数へ上昇させたときコンバータスイッチング損失は増加するが、上記からインバータパワー制限をすることによって損失は抑制されているため、コンバータキャリア周波数を上昇させることができる。 In normal operation, when switching from a certain carrier frequency to a specific carrier frequency, the converter switching loss increases, but since the loss is suppressed by limiting the inverter power from the above, increasing the converter carrier frequency Can do.
また、コンバータキャリア周波数を上昇させることによって、特定周波数の高調波成分を抑制することができる。 Moreover, the harmonic component of a specific frequency can be suppressed by raising the converter carrier frequency.
なお、この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. Further, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, you may combine suitably the component covering different embodiment.
10・・・パンタグラフ、12・・・車輪、13・・・主変圧器、14a・・・コンバータ、15a・・・フィルタコンデンサ、16a・・・VVVFインバータ、17a・・・主電動機、18a・・・電圧検出器、19a・・・電流検出器、100・・・電圧検出器、111・・・コンバータ制御部、112・・・位相演算部、113・・・電圧制御演算部、114・・・電流制御演算部、115・・・PWM演算部、116・・・キャリア周波数演算部、117・・・キャリア位相演算部、200・・・コンバータ状態検出部。
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記複数のコンバータの複数のスイッチング素子のスイッチング動作を三角波キャリアと変調波との比較で生成したパルス幅変調出力により制御するPWM制御部と、
前記複数のコンバータの各動作状態に応じて、前記三角波キャリアのキャリア周波数を変化させるキャリア周波数演算部であって、前記複数のコンバータの状態判別結果に応じて、かつインバータの出力パワーが異常でない前記コンバータのキャリア周波数を変化させるキャリア周波数演算部と、
を有することを特徴とする電力変換装置。 A plurality of converters for converting alternating current to direct current;
A PWM controller that controls a switching operation of a plurality of switching elements of the plurality of converters by a pulse width modulation output generated by comparing a triangular wave carrier and a modulated wave;
A carrier frequency calculation unit that changes a carrier frequency of the triangular wave carrier according to each operation state of the plurality of converters, and according to a state determination result of the plurality of converters, and the output power of the inverter is not abnormal A carrier frequency calculation unit for changing the carrier frequency of the converter;
The power converter characterized by having.
前記複数のコンバータの複数のスイッチング素子のスイッチング動作を三角波キャリアと変調波との比較で生成したパルス幅変調出力により制御するPWM制御部と、
前記複数のコンバータの各動作状態に応じて、前記三角波キャリアのキャリア周波数を変化させるキャリア周波数演算部であって、前記複数のコンバータの状態判別結果を示すコンバータ群開放数と前記コンバータの交流側の出力電流値に対応して複数の設定キャリア周波数を設定するテーブルを有するキャリア周波数演算部と、
を有することを特徴とする電力変換装置。 A plurality of converters for converting alternating current to direct current;
A PWM controller that controls a switching operation of a plurality of switching elements of the plurality of converters by a pulse width modulation output generated by comparing a triangular wave carrier and a modulated wave;
A carrier frequency calculation unit that changes a carrier frequency of the triangular wave carrier according to each operation state of the plurality of converters, the number of open converter groups indicating a state determination result of the plurality of converters and an AC side of the converter A carrier frequency calculator having a table for setting a plurality of set carrier frequencies corresponding to output current values;
The power converter characterized by having.
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