JP5291271B1 - 電力変換装置および電力変換方法 - Google Patents

Abstract

変圧器（２）は、入力された交流電力を降圧してコンバータ（３）に供給する。電圧検出器（８）で検出された変圧器（２）の１次電圧はＢＰＦ（５）を介してコンバータ制御部（４）および周波数検出部（６）に送られる。コンバータ制御部（４）は、１次電圧に基づいて、力率が所定の値以上となるようにコンバータ（３）を制御し、コンバータ（３）は交流電力を直流電力に変換する。周波数検出部（６）は、ＢＰＦ（５）を介した１次電圧が閾値を超える時点間の間隔に基づき、１次電圧の周波数を検出する。フィルタ調節部（７）は、検出された周波数をＢＰＦ（５）の中心周波数としてフィルタ特性を算出し、フィルタ特性に基づきＢＰＦ（５）を調節する。

Description

この発明は、電力変換装置および電力変換方法に関する。

交流型の電気鉄道車両（以下、電気車という）は、交流架線からパンタグラフなどの集電装置を介して交流電力を得て主変圧器で降圧し、交流電力変換装置の交流電源を得る。交流電力変換装置は、交流電力を直流電力に変換するコンバータ部、直流電力を交流電力に変換して主電動機を駆動するインバータ部、コンバータ部とインバータ部を接続する直流中間コンデンサを備える。コンバータ部の制御においては、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）方式が採用され、コンバータの入力電力の力率を限りなく１に近づける高効率力率１制御が行われている。

高効率力率１制御を実現するために、コンバータのマイコン制御部は、主変圧器の１次回路から架線電圧を検出し、コンバータの入力電圧と架線電圧の位相が一致するように制御する。架線電圧の位相を正確に知るために、架線電圧の周波数を検出することが必要となる。

また従来、停電時に回生インバータ動作中のＰＷＭコンバータが発電機として動作し、自己の出力周波数に同期して制御動作することで生じる出力周波数の架線電圧の周波数範囲からのずれを検出することが行われている。出力周波数のずれを検知するための閾値を、架線電圧の周波数が異なる区間で切り替えるためにも、架線電圧の周波数を検知することが必要となる。

そこで特許文献１に開示される電車用周波数検知器は、架線電源周波数の種類と同数のＢＰＦ（Band-Pass Filter：帯域フィルタ）を設け、ＢＰＦの中心周波数を各電源周波数に一致させて設定し、一番出力の大きいＢＰＦの中心周波数を架線周波数として検出する。

特開昭６３−５６１０１号公報

特許文献１に開示される電車用周波数検知器では、既知の架線周波数の種類と同数のＢＰＦおよび包絡線処理回路を設ける必要があり、回路が複雑化する。また日本国内では周波数は５０Ｈｚまたは６０Ｈｚであるが、他の国においては１６．７Ｈｚや２５Ｈｚが架線周波数として採用されている。特許文献１に開示される電車用周波数検知器では、車両が走行する区間の周波数の種類に応じてＢＰＦを複数個用意し、各ＢＰＦのフィルタ特性を設定し、また各包絡線処理回路の設定をする必要があり、回路構成を標準化することができない。また架線周波数と予め設定されたＢＰＦの中心周波数との間にずれが生じている場合には、コンバータの動作が不安定化してしまう。

本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、入力電圧の周波数をより簡易な回路構成で検出し、コンバータの動作をより安定させることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の電力変換装置は、変圧器、周波数検出部、フィルタ調節部、および変換部を備える。変圧器は入力された交流電圧を変圧する。周波数検出部は、複数の閾値の内、最も大きい閾値から順に用いて、帯域フィルタを介した交流電圧が該閾値を超える時点間の間隔に基づき、交流電圧の周波数を検出する。フィルタ調節部は、周波数検出部で検出された交流電圧の周波数が所定の値より大きい場合に、該交流電圧の周波数を帯域フィルタの中心周波数としてフィルタ特性を算出し、フィルタ特性に基づき帯域フィルタを調節する。変換部は、帯域フィルタを介した交流電圧に基づき、力率が所定の値以上となるように制御を行い、変圧器で変圧された交流電圧を直流電圧に変換して出力する。

本発明によれば、入力電圧の周波数をより簡易な回路構成で検出し、コンバータの動作をより安定させることが可能となる。

本発明の実施の形態に係る電力変換装置の構成例を示すブロック図である。 実施の形態に係る電力変換装置の電気車への配置例を示すブロック図である。 実施の形態に係る周波数検出部の構成例を示すブロック図である。 実施の形態におけるＢＰＦの出力の例を示す図である。 実施の形態に係る周波数検出部が行う周波数検出の例を示す図である。 実施の形態に係る周波数検出部が行う周波数検出の例を示す図である。 実施の形態に係る電力変換装置が行う周波数検出の動作の一例を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお図中、同一または同等の部分には同一の符号を付す。

図１は、本発明の実施の形態に係る電力変換装置の構成例を示すブロック図である。電力変換装置１は、変圧器２、コンバータ３、コンバータ制御部４、ＢＰＦ（Band-Pass Filter：帯域フィルタ）５、周波数検出部６、フィルタ調節部７および電圧検出器８を備える。コンバータ制御部４は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）および内部メモリなどから構成されるプロセッサ、およびＲＡＭ（Random Access Memory）およびフラッシュメモリなどから構成されるメモリを備える。コンバータ制御部４は、メモリに記憶されている制御プログラムを実行し、コンバータ３の制御を行う。コンバータ制御部４とコンバータ３が協働して変換部としての動作を行う。

図２は、実施の形態に係る電力変換装置の電気車への配置例を示すブロック図である。架線１１から集電装置１２を介して、交流電力が変圧器２の１次側に供給される。変圧器２は、１次側に供給される交流電力を降圧してコンバータ３に降圧した交流電力を供給する。コンバータ３は、該交流電力を直流電力に変換し、フィルタコンデンサ１３を備える中間回路を介して、インバータ１４に出力する。インバータ１４は、直流電力を交流電力に変換して、電動機１５に供給し、電動機１５を駆動する。電動機１５が駆動されると、電気車の推進力が生じる。

変圧器２の１次側の電圧（以下、架線電圧という）は、電圧検出器８で検出され、ＢＰＦ５を介して、コンバータ制御部４および周波数検出部６に供給される。コンバータ制御部４は、ＢＰＦ５を介した架線電圧に基づき、ゲートパルスを生成し、コンバータ３が備えるスイッチング素子の制御を行う。コンバータ制御部４は、コンバータ３の入力電力の力率が所定の値以上となるように、例えば力率をできるだけ１に近づけるように制御を行う。

周波数検出部６は、ＢＰＦ５を介した架線電圧が閾値を超える時点間の間隔に基づき、架線電圧の周波数を検出し、フィルタ調節部７に送る。周波数検出部６の動作の詳細については後述する。フィルタ調節部７は、周波数検出部６から送られる周波数が所定の値より大きく、周波数検出部６で架線電圧の周波数を検出したとみなせる場合には、該周波数をＢＰＦ５の中心周波数としてフィルタ特性を算出し、該フィルタ特性に基づきＢＰＦ５を調節する。フィルタ調節部７は、例えば周波数検出部６から送られる周波数が０より大きい場合には、該周波数をＢＰＦ５の中心周波数としてフィルタ特性を算出し、該フィルタ特性に基づきＢＰＦ５を調節する。ＢＰＦ５のフィルタ特性を随時調節することにより、ＢＰＦ５を介した架線電圧に基づきコンバータ制御部４により制御されるコンバータ３の動作をより安定化させることが可能となる。

図３は、実施の形態に係る周波数検出部の構成例を示すブロック図である。周波数検出部６は、コンパレータ６１、周波数カウント部６２、周波数閾値出力部６３、コンパレータ６４、および電圧閾値出力部６５を備える。コンパレータ６１には、ＢＰＦ５を介した架線電圧および電圧閾値出力部６５が出力する電圧閾値が入力される。コンパレータ６１は、ＢＰＦ５を介した架線電圧が電圧閾値より大きい場合にはＨレベルであり、ＢＰＦ５を介した変圧器２の１次電圧が電圧閾値以下である場合にはＬレベルである信号を出力する。

周波数カウント部６２は、コンパレータ６１の出力の立ち上がりにおいて所定の周期でのカウントを開始し、次のコンパレータ６１の出力の立ち上がりまでのカウント数と周期の積の逆数を、架線電圧の周波数としてコンパレータ６４およびフィルタ調節部７に出力する。周波数カウント部６２は、次のコンパレータ６１の出力の立ち上がりにおいてカウント値をリセットして新たに所定の周期でカウントを開始することを繰り返す。所定の周期を短くすることで、周波数カウント部６２における架線電圧の周波数の検出の精度を向上させることが可能である。

コンパレータ６４には、周波数カウント部６２の出力および周波数閾値出力部６３が出力する周波数閾値が入力される。コンパレータ６４は、周波数カウント部６２の出力が周波数閾値より大きい場合にはＨレベルであり、周波数カウント部６２の出力が周波数閾値以下である場合にはＬレベルである信号を出力する。

図４は、実施の形態におけるＢＰＦの出力の例を示す図である。横軸は周波数（Ｈｚ）、縦軸はＢＰＦ５を介した架線電圧と架線電圧の振幅比である。ＢＰＦ５の中心周波数が１６．７Ｈｚ、５０Ｈｚ、および６０Ｈｚのときの特性をグラフで示す。ＢＰＦ５の中心周波数が５０Ｈｚの場合を例にして説明する。架線電圧の周波数が５０Ｈｚである場合の振幅比は点Ａで、６０Ｈｚである場合の振幅比は点Ｂで、１６．７Ｈｚである場合の振幅比は点Ｃで表される。架線電圧が１６．７Ｈｚであって、ＢＰＦ５の中心周波数が５０Ｈｚである場合には、減衰量が大きくＢＰＦ５を介した電圧の値は小さくなる。

ＢＰＦ５における減衰が大きく、ＢＰＦ５を介した架線電圧が、電圧閾値出力部６５が出力する電圧閾値以下である場合には、周波数カウント部６２で架線電圧の周波数を検出することができない。架線電圧の周波数が取り得る値が不明な場合や、架線周波数が変動する場合でも架線電圧の周波数の検出を可能にするために、電圧閾値出力部６５は、複数の電圧閾値を用意する。電圧閾値出力部６５は、最も大きい閾値から順に出力する。

周波数カウント部６２は、電圧閾値とＢＰＦ５を介した架線電圧によって決定されるコンパレータ６１の出力に基づき、周波数を検出する。ＢＰＦ５を介した架線電圧が、電圧閾値出力部６５が出力する電圧閾値以下である場合には、周波数カウント部６２の出力は０であり、コンパレータ６４の出力はＬレベルである。コンパレータ６４の出力が一定時間以上Ｌレベルである場合には、架線電圧が電圧閾値以下であり、周波数検出ができていないため、電圧閾値出力部６５は、閾値を小さい値に変更する。上述の処理を繰り返すことにより、架線電圧の周波数が取り得る値が不明な場合や、架線周波数が変動する場合でも、架線電圧の周波数を検出することが可能となる。以下に複数の電圧閾値を用いる場合の周波数検出部６の動作について説明する。

図５および図６は、実施の形態に係る周波数検出部が行う周波数検出の例を示す図である。図５の上段は、ＢＰＦ５の中心周波数が５０Ｈｚであって、架線電圧の周波数が５０Ｈｚである場合のＢＰＦ５を介した架線電圧のグラフである。図４で示したように、ＢＰＦ５の中心周波数と架線電圧の周波数が共に５０Ｈｚである場合には、減衰量は非常に小さく、ＢＰＦ５を介した架線電圧は、一点鎖線で示す電圧閾値１を上回る。コンパレータ６１は、図５の中段に示すように、ＢＰＦ５を介した架線電圧が電圧閾値１を上回るとＬレベルからＨレベルとなり、ＢＰＦ５を介した架線電圧が電圧閾値１以下となるとＨレベルからＬレベルになる信号を出力する。

周波数カウント部６２は、図５の下段に示すように、コンパレータ６１の出力の立ち上がりにおいて所定の周期でのカウントを開始し、次のコンパレータ６１の出力の立ち上がりまでのカウント数と周期の積の逆数に基づき架線電圧の周波数５０Ｈｚを算出し、コンパレータ６４およびフィルタ調節部７に出力する。周波数カウント部６２は、次のコンパレータ６１の出力の立ち上がりにおいてカウント値をリセットして新たに所定の周期でカウントを開始することを繰り返す。周波数閾値を例えば１０Ｈｚとすると、コンパレータ６４の出力はＨレベルになる。電圧閾値出力部６５は、コンパレータ６４の出力がＨレベルであるため、電圧閾値の変更は行わない。フィルタ調節部７は、５０ＨｚをＢＰＦ５の中心周波数としてフィルタ特性を算出し、フィルタ特性に基づきＢＰＦ５を調節する。

一方、図６の上段は、ＢＰＦ５の中心周波数が５０Ｈｚであって、架線電圧の周波数が１６．７Ｈｚである場合のＢＰＦ５を介した架線電圧のグラフである。図４で示したように、ＢＰＦ５の中心周波数が５０Ｈｚで架線電圧の周波数が１６．７Ｈｚである場合には、減衰量が大きく、ＢＰＦ５を介した架線電圧は、電圧閾値１を下回る。この場合に、電圧閾値出力部６５の出力が電圧閾値１のままであると、コンパレータ６１の出力はＬレベルのままであり、周波数カウント部６２は架線電圧の周波数を検出することができず、周波数カウント部６２の出力は０である。周波数閾値を例えば１０Ｈｚとすると、コンパレータ６４の出力はＬレベルのままである。

電圧閾値出力部６５は、コンパレータ６４の出力がＬレベルである状態が一定時間以上続いた場合には、閾値を小さい値に変更する。電圧閾値出力部６５は、例えばコンパレータ６４の出力がＬレベルである状態が一定時間以上続いた場合には、電圧閾値１に代えて二点鎖線で示す電圧閾値２を出力する。

ＢＰＦ５を介した架線電圧は、電圧閾値２を上回る。コンパレータ６１は、図６の中段に示すように、ＢＰＦ５を介した架線電圧が電圧閾値２を上回るとＬレベルからＨレベルとなり、ＢＰＦ５を介した架線電圧が電圧閾値２以下となるとＨレベルからＬレベルになる信号を出力する。周波数カウント部６２は、図６の下段に示すように、コンパレータ６１の出力の立ち上がりにおいて所定の周期でのカウントを開始し、次のコンパレータ６１の出力の立ち上がりまでのカウント数と周期の積の逆数に基づき架線電圧の周波数１６．７Ｈｚを算出し、コンパレータ６４およびフィルタ調節部７に出力する。周波数カウント部６２は、次のコンパレータ６１の出力の立ち上がりにおいてカウント値をリセットして新たに所定の周期でカウントを開始することを繰り返す。フィルタ調節部７は、１６．７ＨｚをＢＰＦ５の中心周波数としてフィルタ特性を算出し、フィルタ特性に基づきＢＰＦ５を調節する。

電圧閾値出力部６５に複数の閾値をもたせることで、架線電圧の周波数が異なる区間を走行する場合や、架線電圧の周波数が変動する場合であっても、架線電圧の周波数を正確に検出することができる。また電圧閾値出力部６５の閾値の内、最も小さい閾値を０に近い値にしておくことで、ＢＰＦ５を介した架線電圧が微小な値であっても、周波数を検出することが可能となる。

また電圧閾値を大きくすることでノイズの影響を抑えて、架線電圧の周波数をより正確に検出することができるので、上述のように最も大きい電圧閾値から順に用いることで、架線電圧の周波数の検出精度を向上させることが可能となる。

図７は、実施の形態に係る電力変換装置が行う周波数検出の動作の一例を示すフローチャートである。周波数カウント部６２は、コンパレータ６１の出力の立ち上がりにおいて所定の周期でのカウントを開始し、次のコンパレータ６１の出力の立ち上がりまでのカウント数と周期の積の逆数に基づき架線電圧の周波数を検出する。周波数カウント部６２は、次のコンパレータ６１の出力の立ち上がりにおいてカウント値をリセットして新たに所定の周期でカウントを開始することを繰り返す（ステップＳ１１０）。

検出した架線電圧の周波数が周波数閾値以下であり、コンパレータ６４の出力がＬレベルである状態が一定時間以上続いた場合には（ステップＳ１２０；Ｙ）、電圧閾値出力部６５は、閾値を小さい値に変更する（ステップＳ１３０）。検出した架線電圧の周波数が周波数閾値を上回り、コンパレータ６４の出力がＨレベルである場合には（ステップＳ１２０；Ｎ）、ステップＳ１３０を行わず、ステップＳ１４０に進む。そして、フィルタ調節部７は、周波数カウント部６２で検出した周波数が所定の値より大きく、周波数検出部６で架線電圧の周波数を検出したとみなせる場合には（ステップＳ１４０；Ｙ）、該周波数をＢＰＦ５の中心周波数としてフィルタ特性を算出し、該フィルタ特性に基づきＢＰＦ５を調節する（ステップＳ１５０）。周波数カウント部６２で検出した周波数が所定の値以下である場合には（ステップＳ１４０；Ｎ）、ステップＳ１５０の処理は行わない。電力変換装置１は、上述の周波数検出の処理を所定の間隔で繰り返す。また電力変換装置１は上述の周波数検出の処理とは独立したタイミングで、入力された交流電力を直流電力に変換する電力変換を行う。

電力変換装置１においては、ＢＰＦ５は１つのみであり、架線電圧が取り得る周波数の種類に応じて複数備える必要がない。一般的にＢＰＦ回路は、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）で構成するため、ＢＰＦ５を１つのみ有する構成にすることで、ＦＰＧＡの容量を低減し、基板の小型化が可能となる。

また検出した周波数に応じてＢＰＦ５のフィルタ特性を調節するので、架線電圧の周波数の変動に応じてＢＰＦ５の中心周波数が変更され、コンバータ３の動作をより安定させることが可能となる。

また電圧閾値出力部６５は、非常に小さい値である１つの電圧閾値を用いるように構成してもよい。電圧閾値を非常に小さい値としておくことで、架線電圧の周波数が変動した場合でも、ＢＰＦ５を介した架線電圧が電圧閾値を上回るようにすることができる。また電圧閾値が１つだけである場合には、周波数閾値出力部６３およびコンパレータ６４は不要となるため、より回路構成を簡易化することが可能となる。

以上説明したとおり、本発明の実施の形態に係る電力変換装置１によれば、入力電圧の周波数をより簡易な回路構成で検出し、コンバータの動作をより安定させることが可能となる。

上記実施の形態は、いずれも本発明の趣旨の範囲内で各種の変形が可能である。上記実施の形態は本発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定することを意図したものではない。本発明の範囲は実施形態よりも添付した請求項によって示される。請求項の範囲内、および発明の請求項と均等の範囲でなされた各種変形は本発明の範囲に含まれる。

本発明は、交流電力を直流電力に変換する電力変換装置に好適に採用され得る。

１ 電力変換装置、２ 変圧器、３ コンバータ、４ コンバータ制御部、５ ＢＰＦ、６ 周波数検出部、７ フィルタ調節部、８ 電圧検出器、１１ 架線、１２ 集電装置、１３ フィルタコンデンサ、１４ インバータ、１５ 電動機、６１ コンパレータ、６２ 周波数カウント部、６３ 周波数閾値出力部、６４ コンパレータ、６５ 電圧閾値出力部。

Claims (4)

1. 入力された交流電圧を変圧する変圧器と、
   複数の閾値の内、最も大きい閾値から順に用いて、帯域フィルタを介した前記交流電圧が該閾値を超える時点間の間隔に基づき、前記交流電圧の周波数を検出する周波数検出部と、
   前記周波数検出部で検出された前記交流電圧の周波数が所定の値より大きい場合に、該交流電圧の周波数を前記帯域フィルタの中心周波数としてフィルタ特性を算出し、前記フィルタ特性に基づき前記帯域フィルタを調節するフィルタ調節部と、
   前記帯域フィルタを介した前記交流電圧に基づき、力率が所定の値以上となるように制御を行い、前記変圧器で変圧された前記交流電圧を直流電圧に変換して出力する変換部と、
   を備える電力変換装置。
2. 前記周波数検出部が前記交流電圧の周波数を検出することができない状態が一定時間以上継続した場合に、前記周波数検出部が用いる前記閾値を該閾値の次に大きい閾値に変更する電圧閾値出力部をさらに備える請求項１に記載の電力変換装置。
3. 帯域フィルタを備える電力変換装置が行う電力変換方法であって、
   入力された交流電圧を変圧する変圧ステップと、
   複数の閾値の内、最も大きい閾値から順に用いて、前記帯域フィルタを介した前記交流電圧が該閾値を超える時点間の間隔に基づき、前記交流電圧の周波数を検出する周波数検出ステップと、
   前記周波数検出ステップで検出された前記交流電圧の周波数が所定の値より大きい場合に、該交流電圧の周波数を前記帯域フィルタの中心周波数としてフィルタ特性を算出し、前記フィルタ特性に基づき前記帯域フィルタを調節するフィルタ調節ステップと、
   前記帯域フィルタを介した前記交流電圧に基づき、力率が所定の値以上となるように制御を行い、前記変圧ステップで変圧された前記交流電圧を直流電圧に変換して出力する変換ステップと、
   を備える電力変換方法。
4. 前記周波数検出ステップにおいて、前記交流電圧の周波数を検出することができない状態が一定時間以上継続した場合に、前記閾値を該閾値の次に大きい閾値に変更する請求項３に記載の電力変換方法。

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