JP6349269B2 - 車両駆動システム - Google Patents

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Description

本発明は車両の駆動システムに係り、特に交流電気車の主変換器にて発生するビート現象を抑制する制御技術に関する。
交流架線から供給される電力を入力とする鉄道車両の駆動システムは、単相交流電力を直流電力に変換するコンバータと、コンバータにより出力される直流電力を任意の周波数の三相交流電力に変換するインバータと、インバータにより出力される交流電力により駆動される主電動機から構成されている。また、コンバータとインバータを繋ぐ直流回路を直流ステージと呼ぶ。
直流ステージの電圧は、架線から供給される単相交流電圧を全波整流して生成される為、交流架線周波数の２倍の周波数が重畳する性質がある。一方で、インバータにより直流電圧を交流電圧に変換すると、インバータの出力電圧にはインバータ基本波の周波数と前記直流電圧の振動周波数の和と差の成分が現れる。特に周波数の差の成分については、インバータ基本波の周波数と直流電圧の振動周波数が近づくほど当該差の周波数成分は低くなり、これに併せて主電動機のインピーダンスも低下することから、主電動機の電流が当該差の周波数で脈動することが知られている。一般的にこの脈動はビート現象と呼ばれている。
上述したビート現象を抑制する方法としては、交流架線の２倍の周波数を共振点とする共振フィルタを設置する方法や、インバータのスイッチング制御により、インバータの出力電圧の周波数を調節して、インバータの出力電圧のビート現象の周波数成分を抑制するビートレス制御等の方法がある。共振フィルタを設置する方法は、特許文献１（ＥＰ１２８８０６０Ａ）に開示されており、ビートレス制御については特許文献２（特開平１１−１６４５６５）にその構成が開示されている。
ＥＰ１２８８０６０Ａ 特開平１１−１６４５６５号公報
しかしながら上述した各特許文献１，２に記載されたビート現象を抑制する技術には以下に述べる課題があった。
まず，特許文献１に記載された共振フィルタを用いる場合、交流架線の周波数の異なる複数区間から成る路線を走行し、複数周波数の交流電力を電源とする交流電気車は，それぞれの周波数に合わせた共振フィルタを搭載する必要があり，車上機器（共振フィルタ）が大型化するという問題がある。
一方、特許文献２に記載されたビートレス制御を用いる場合，周波数の低い交流電源から電力供給を受けるときに、直流ステージのコンバータとインバータに対して並列接続される平滑コンデンサの静電容量を十分に大きくしないと、インバータの出力電圧の脈動を抑えることができなくなる。そのため、周波数の低い交流電源から電力供給を受ける場合には、出力する交流電圧を安定化させるために、直流ステージの平滑コンデンサの静電容量を大きくする必要があり、車上機器（平滑コンデンサ）が大型化するという問題がある。
上記の課題を解決するために、特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
第一の単相交流電力を供給する第一の電車線が設置された路線と、前記第一の単相交流電力よりも周波数の高い第二の単相交流電力を供給する第二の電車線が設置された路線を走行する車両の車両駆動システムにおいて、
前記第一の電車線もしくは前記第二の電車線から供給された単相交流電力を直流電力に変換し、直流電力線に出力する第一の電力変換装置と、
前記直流電力線に出力された前記直流電力を三相交流電力に変換する第二の電力変換装置と、
当該三相交流電力が供給される車両駆動用の電動機と、
前記第一の電力変換装置と並列に直流電力線に接続され、前記第一の単相交流の二倍の周波数帯に共振点を有する共振フィルタと、
前記直流電力線の電圧を検出する電圧検出器と、
前記電圧検出器の検出値に応じて前記第二の電力変換装置の出力を制御し、前記三相交流電力に重畳する脈動を抑制する脈動抑制手段を備えることにより実現できる。
本発明によれば、周波数の異なる複数区間を運行する交流電気車の車上機器を小型化することが可能となる。
第一の実施例における駆動システムの構成を示す図 第二の実施例の構成を示す図 第三の実施例の構成を示す図 第一の実施例における電源周波数と平滑コンデンサ静電容量の関係を示す図
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
本発明における第１の実施例を図１を用いて説明する。図１に本実施例における車両駆動システムの構成を示す。
１は集電装置、２は変圧器、５はコンバータ、コンバータ５を構成する５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄはコンバータ５のスイッチング素子、６は共振フィルタ回路、共振フィルタ回路６を構成する６ａは共振リアクトル、６ｂは共振コンデンサ、８は平滑コンデンサ、９はインバータ、インバータ９を構成する９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ｅ、９ｆはインバータ９のスイッチング素子、１１は電動機、２１は車輪である。
また、３は変圧器２の二次側電圧を測定する電圧検出器、４は変圧器２の二次側電流を測定する電流検出器、７は平滑コンデンサ８の両端電圧を測定する電圧検出器、１０は主電動機１１の電流を測定する電流検出器である。
さらに、２２は第一の交流電源、２３は第一の交流電源２２とは周波数の異なる第二の交流電源、２４は第一の交流電源２２の電力を車両に供給する第一の電車線、２５は第二の交流電源２３の電力を車両に供給する第二の電車線、２６は第一の電車線２４と第二の電車線２５を絶縁する無電化区間、２７は車両の軌道である。
本実施例では一例として、コンバータ５は２レベル単相フルブリッジの電力変換装置、インバータ９は２レベル三相フルブリッジの電力変換装置としているが、コンバータ及びインバータは、これ以外の形態の電力変換装置、例えば３レベル回路で構成することも可能である。
本駆動システムは、車両を加速および減速させるための装置であり、車両は第一の交流電源２２より供給される交流電力を電車線２４と軌道２７を介して、もしくは第二の交流電源２３より供給される交流電力を電車線２５と軌道２７を介して、集電装置１および車輪２１より入力させる。加速時においては、この入力された交流電力を主変圧器２にて降圧し、コンバータ５にて直流電力に変換する。直流に変換された電力は平滑コンデンサ８により平滑された後、インバータ９にて交流電力に逆変換され、主電動機１１に供給されることで、可変速駆動により車両を加速する。
また減速時には、主電動機１１の回生ブレーキにより発生する交流電力はインバータ９にて直流電力に変換される。直流に変換された電力は平滑コンデンサ８により平滑された後、コンバータ５にて交流電力に逆変換され、主変圧器２で昇圧された後，集電装置から電車線２４もしくは電車線２５に戻される。
この周波数の異なる電車線２４と電車線２５のどちらから電力の供給を受けているかの識別は、電圧検出器３による電圧の周波数を検知することにより行うことが可能であり、他にも車両の位置検出技術を用いることで可能である。この位置検出手段としては、図示しない軌道回路を用いた検出手段や、車両の速度情報を積算して求めた走行距離情報を用いた検出手段、又は、GPSを用いた検出手段が適用できる。後述する共振フィルタおよびビートレス制御部によるビート抑制機能は、このような電圧検出器や位置検出技術により識別された電源に応じて切り替えることができる。仮に、電車線２４の電源周波数が電車線２５の電源周波数よりも低い場合、電車線２５から電力供給を受けていると判断した場合には、ビートレス制御部を動作させて、ビートレス制御による脈動抑制を行う。また、電車線２４から電力供給を受けていると判断した場合には、共振フィルタにより脈動抑制が行われる。共振フィルタによる脈動抑制を行う場合には、ビートレス制御は不要となるため、ビートレス制御を停止させても良いが、停止させずに動作させたままでも良い。
続いて同図の１００はコンバータ５の電力変換制御を行うコンバータ制御装置である。１０１は電源位相検出器、１０２は正弦波発生器、１０３と１０６、１０８は減算器、１０４は電圧制御器、１０５は乗算器、１０７は電流制御器、１０９はＰＷＭ制御器である。
コンバータ制御装置１００は、主変圧器２の二次側電圧を電圧検出器３にて検出し、その電気角を電源位相検出器１０１にて検出する。正弦波発生器１０２は、その電気角の情報に基づいて電源電圧と同位相で振幅が１となる正弦波を生成する。
それと並列に、平滑コンデンサ８の直流電圧Ｅｄを電圧検出器７より検出し、減算器１０３にて直流電圧指令Ｅｄ＊から直流電圧Ｅｄを減算する。電圧制御器１０４は、その減算結果に基づいて直流電圧Ｅｄを指令値Ｅｄ＊に一致させるための二次電流実効値指令Ｉｓ＊を生成する。この指令Ｉｓ＊と正弦波発生器１０２で発生させた正弦波を乗算器１０５で乗算して、主変圧器２の二次電流指令ｉｓ＊を生成する。この二次電流指令ｉｓ＊は主変圧器２の二次電圧と同位相で、これによりコンバータ５の入力を力率１になるように制御する。
その後、二次電流指令ｉｓ＊と電流検出器４より検出する二次電流ｉｓを減算器１０６で減算する。電流制御器１０７は、その減算結果に基づいて交流電圧指令ｅｃを生成する。その後、減算器１０８で二次電圧ｅｓから交流電圧指令ｅｃを減算して、この減算結果に基づきＰＷＭ制御器１０９でコンバータパルス指令Ｓｃを生成する。
このコンバータパルス指令Ｓｃをコンバータ５に入力し、コンバータパルス指令Ｓｃに基づいて５ａ〜５ｄをスイッチングさせることで、直流電圧Ｅｄを一定に制御する。
さらに同図の２００はインバータ９の電力変換制御を行うインバータ制御装置であり、２０１は座標変換器、２０２と２０３は減算器、２０４は電流制御器、２０５はビートレス制御器、２０６は加算器、２０７はＰＷＭ制御器である。
インバータ制御装置２００は、電流検出器１０より検出した三相交流電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを座標変換器２０１に入力してｄ軸電流Ｉｄとｑ軸電流Ｉｑを生成する。減算器２０２にて、ｄ軸電流指令Ｉｄ＊からｄ軸電流Ｉｄを減算し、減算器２０３にて、ｑ軸電流指令Ｉｑ＊からｑ軸電流Ｉｑを減算する。電流制御器２０４は、減算器２０２と減算器２０３でそれぞれ算出された減算結果に基づいて主電動機１１の可変速運転に必要な変調率Ｖｃ、出力周波数Ｆｉ、出力偏角δを計算する。ビートレス制御器２０５は、電圧検出器７で検出された平滑コンデンサ８の直流電圧Ｅｄに基づいて出力周波数の補正値ΔＦｉを出力し、加算器２０６は出力周波数Ｆｉと補正値ΔＦｉを加算して出力周波数指令Ｆｉ＊を生成する。その後、ＰＷＭ制御器２０７は、変調率Ｖｃ、出力周波数指令Ｆｉ＊、出力偏角δに基づいてインバータパルス指令Ｓｉを生成し、インバータ９に入力することで、主電動機１１を駆動させる。
ここで、複数周波数の交流電力の周波数に合わせた複数の共振フィルタを搭載した場合には，車上機器（共振フィルタ）が大型化するという課題があり、ビートレス制御を用いる場合には，周波数の低い交流電源に備えて、直流ステージの平滑コンデンサの静電容量を大きくする必要があり、車上機器（平滑コンデンサ）が大型化するという課題がある。また、平滑コンデンサの静電容量を大きくした場合の他の問題として、コンバータ又はインバータの短絡故障時に流れる放電電流が大きくなり二次故障のリスクが増大するという問題がある。
そのため詳細は後述するが、本実施例は２種類以上の電源周波数をもつ路線に乗り入れる鉄道車両において、直流電圧に重畳する交流電源電圧の２倍の周波数の脈動に起因して主電動機１１の電流に現れるビート現象を抑制するために、共振フィルタ６とビートレス制御器２０５の両方を備えており、周波数の最も低い架線電圧に対しては、共振点が交流電源電圧の２倍の周波数となる共振フィルタ６を用いて直流電圧に重畳する交流電源電圧の２倍の周波数の脈動を抑制するとともに、それ以外の周波数の架線電圧に対しては、インバータのスイッチング制御であるビートレス制御により主電動機の電流に生じる脈動を抑制することを特徴とする。
一例として、交流電源として１６．７Ｈｚと５０Ｈｚの２種類を持つ路線を走行する鉄道車両に本発明を適用する場合を考えると、周波数の低い１６．７Ｈｚの交流電源に対してはハードウェアである共振フィルタにより直流電圧に重畳する交流電源電圧の２倍の周波数の脈動を抑制するとともに、周波数の高い５０Ｈｚの架線電圧に対しては、ソフトウェアであるビートレス制御により主電動機の電流に生じる脈動を抑制する。
まず、直流ステージに共振フィルタ６が無い場合における直流電圧Ｅｄの脈動について以下に説明する。
交流車の直流電圧Ｅｄの脈動は、コンバータ５の整流に起因するものと、インバータ９の電圧変換に起因するものがある。
コンバータ５の整流に起因する脈動は、単相交流の整流により発生するものなので、当該脈動の主な周波数帯は架線電圧の２倍の周波数となる。このときの直流電圧Ｅｄの脈動とビートレス制御に必要な平滑コンデンサ８の静電容量との関係を数（１）に示す。

Figure 0006349269
ここで、ΔＥｃｆは直流電圧の脈動幅、Ｐは車両駆動システムの最大電力、ωｃは架線電圧の角周波数、Ｃｆは平滑コンデンサ８の静電容量、Ｅｃｆは直流電圧の直流分である。
数（１）から分かるように、直流電圧の脈動幅ΔＥｃｆは架線電圧の交流周波数ωｃに反比例する。
一方でインバータの電圧変換に起因する脈動は、直流を三相交流に変換することにより発生するものなので、当該脈動の主な周波数帯はインバータの出力周波数の６倍の周波数となる。このときの直流電圧の脈動とビートレス制御に必要な平滑コンデンサ８の静電容量の関係を数（２）に示す。

Figure 0006349269
ここで、ωｉはインバータの出力電力が最大となる点における角周波数である。直流ステージに共振フィルタ６を持たないシステムでは、インバータのビートレス制御によりインバータの交流出力電圧の脈動を抑制する必要があるため、数（１）と数（２）に示された平滑コンデンサの静電容量Ｃｆを有する必要がある。 そのため、交流架線が２種類の路線、例えば交流架線の周波数が１６．７Ｈｚと５０Ｈｚの場合では、下記の３つの直流電圧脈動に対して、ビートレス制御を用いてインバータの交流出力電圧の脈動を抑制する必要がある。
（ａ）架線周波数１６．７Ｈｚの場合のコンバータ５の整流に起因する直流電圧脈動
（ｂ）架線周波数５０Ｈｚの場合のコンバータ５の整流に起因する直流電圧脈動
（ｃ）インバータ動作における直流電圧脈動が最大となる条件での直流電圧脈動

ここで、インバータ動作における直流電圧脈動が最大となる条件とは、インバータ９の出力電圧が最大となる場合である。鉄道車両のインバータ装置は、電圧利用効率を高くするために、定格速度の半分程度に対応するインバータ周波数Ｆｉで出力電圧を飽和させ、それ以上の速度ではインバータ周波数Ｆｉのみを制御する。この出力電圧が飽和する速度を、Ｖ／ｆ終端速度といい、この終端速度よりも高い速度においてはインバータの出力電力が最大となり、直流電圧の脈動幅ΔＥｃｆも最大となる。
このときにビートレス制御に必要となる平滑コンデンサ８の静電容量Ｃｆについて以下に説明する。
直流電圧Ｅｄに重畳する脈動率をｋとして、コンバータ動作により発生する脈動幅をΔＥｃｆ以下としたい場合のビートレス制御に必要な平滑コンデンサ８の静電容量Ｃｆは数（３）となる。

Figure 0006349269

Figure 0006349269

また、インバータ動作により発生する脈動幅をΔＥｃｆ以下にしたい場合のビートレス制御に必要な平滑コンデンサ８の静電容量Ｃｆは数（４）となる。

Figure 0006349269

Figure 0006349269

例えば、直流ステージに共振フィルタ６が接続されていない車両駆動システムで、Ｐ＝１６３０ｋＷ、Ｅｃｆ＝２４００Ｖ、ｋ＜０．０４となる条件について検討した場合、上記した３つの直流電圧脈動（ａ）〜（ｃ）に対して、ビートレス制御を用いてインバータの交流出力電圧の脈動を抑制するために必要な平滑コンデンサの静電容量Ｃｆは下記のようになる。

（ａ）架線周波数が１６．７Ｈｚの場合、数（３）における架線周波数ωｃ＝２×π×１６．７ｒａｄ／ｓとなるため、架線周波数が１６．７Ｈｚの場合のコンバータ５の整流に起因する直流電圧脈動に対して、ビートレス制御を用いてインバータの交流出力電圧の脈動を抑制するために必要となる平滑コンデンサ８の静電容量は、Ｃｆ＞２８８００μＦとなる。

（ｂ）架線周波数が５０Ｈｚの場合、数（３）における架線周波数ωｃ＝２×π×５０ｒａｄ／ｓとなるため、架線周波数が５０Ｈｚの場合のコンバータ５の整流に起因する直流電圧脈動に対して、ビートレス制御を用いてインバータの交流出力電圧の脈動を抑制するために必要となる平滑コンデンサ８の静電容量は、Ｃｆ＞９６００μＦとなる。

（ｃ）インバータ動作における直流電圧脈動が最大となる場合、Ｖ／ｆ終端の出力電力が最大になる点で、インバータ動作による直流電圧脈動ΔＥｃｆは最も大きくなり、数（４）におけるインバータ動作周波数Ｆｉが５０Ｈｚ、各周波数ωｉ＝２×π×５０ｒａｄ／ｓとなるため、インバータ動作による直流電圧脈動に対して、ビートレス制御を用いてインバータの交流出力電圧の脈動を抑制するために必要となる平滑コンデンサの静電容量は、Ｃｆ＞３２００μＦとなる。
上述した通り、周波数が低い１６．７Ｈｚの交流電圧をコンバータで直流電圧へ変換する際に発生する直流電圧脈動に対して、ビートレス制御を用いてインバータの交流出力電圧の脈動を抑制するために必要な平滑コンデンサ８の静電容量Ｃｆが最も大きく、つづいて周波数５０Ｈｚの交流電圧をコンバータで直流電圧へ変換する際に発生する直流電圧脈動に対して、ビートレス制御を用いてインバータの交流出力電圧の脈動を抑制するために必要な平滑コンデンサ８の静電容量Ｃｆが大きく、インバータ動作により発生する直流電圧脈動が最大となる条件おける直流電圧脈動に対して、ビートレス制御を用いてインバータの交流出力電圧の脈動を抑制するために必要な平滑コンデンサ８の静電容量Ｃｆが最も小さくなる。
この直流電圧脈動に対して、ビートレス制御を用いてインバータの交流出力電圧の脈動を抑制するために必要となる、電源周波数と平滑コンデンサ８の静電容量の関係を図４に示す。横軸が電源周波数で、縦軸が平滑コンデンサ８の静電容量である。同図は数（３）をもとに。直流電圧に重畳する脈動成分に対して、ビートレス制御を用いてインバータの交流出力電圧の脈動を抑制するために必要となる平滑コンデンサの静電容量を試算したものである。計算条件は上述の（ａ）と（ｂ）の値を用いた。
この結果より、コンバータ動作により発生する脈動を、ビートレス制御を用いて抑制するために必要となる平滑コンデンサ８の静電容量は、電源の周波数に対して反比例の関係にあることがわかる。そのため、交流架線の周波数が低い１６．７Ｈｚの２倍の周波数（低周波数）に対しては、共振フィルタ６の共振特性を合わせることで、直流電圧の脈動を抑制する。一方で、交流架線の周波数が高い５０Ｈｚの２倍の周波数（高周波数）に対しては、ビートレス制御を適用することで直流電圧の脈動ΔＥｃｆをインバータ出力側の主電動機１１に伝えないようにする。このように、共振フィルタ６とビートレス制御機能を備え、共振フィルタ６の共振特性を最も周波数の低い直流電圧脈動と一致させることで、図４に示すように、平滑コンデンサ８に必要とされる静電容量を約１／３以下に抑えることができる。
ここで、ビートレス制御に必要となる静電容量は、平滑コンデンサ８と共振フィルタ６の共振コンデンサ６ｂの静電容量から分担できるため、共振コンデンサ６ｂに必要な静電容量は数（５）となる。

Figure 0006349269

ここでＣｌｃは共振コンデンサ６ｂの静電容量である。
さらに、共振リアクトル６ａのインダクタンスおよび共振コンデンサ６ｂの静電容量の関係は、共振フィルタ６の共振点を架線周波数１６．７Ｈｚの２倍に定めればよいため、数（６）の関係を満たせばよい。

Figure 0006349269
ここでＬｌｃは共振リアクトル６ａのインダクタンスである。
よって本実施例における共振リアクトル６ａのインダクタンスは、数（６）を展開して数（７）により定まる。

Figure 0006349269
上述の構成とすることにより、平滑コンデンサ８の静電容量Ｃｆが定まれば、共振コンデンサ６ｂの静電容量Ｃｌｃと共振リアクトル６ａのインダクタンスＬｌｃを定めることができ、複数周波数を電源とする車両駆動システムの装置容積と重量の小型化、最適化ができる。
なお、架線周波数が１６．７Ｈｚの場合のコンバータ５の整流に起因する直流電圧脈動に対して、ビートレス制御を用いてインバータの交流出力電圧の脈動を抑制するために必要となる平滑コンデンサ８の静電容量Ｃｆ＞２８８００μＦは、架線周波数１６．７Ｈｚの２倍の脈動成分を抑制するために必要な共振コンデンサ６ｂの静電容量や、５０Ｈｚの２倍の脈動成分に対してビートレス制御を用いてインバータの交流出力電圧の脈動を抑制するために必要な平滑コンデンサ８の静電容量Ｃｆ＞９６００μＦと比較して非常に大きい。そのため、架線周波数１６．７Ｈｚの２倍の脈動成分を抑制するために必要な共振コンデンサ６ｂの静電容量と、５０Ｈｚの２倍の脈動成分に対してビートレス制御を用いてインバータの交流出力電圧の脈動を抑制するために必要な平滑コンデンサ８の静電容量Ｃｆ＞９６００μＦをそれぞれ備えた方が、システム全体として必要なコンデンサの静電容量を小さくすることができる。
また、コンバータ５ないしインバータ９に短絡故障が起きた際に、故障箇所には平滑コンデンサ８に蓄えられている電荷が放電され故障箇所に事故電流が流れることになるが、上述の構成により、平滑コンデンサの静電容量を小さくできるため電流を抑制でき、装置の二次破壊を防止することができる。
本発明における第２の実施例を図２を用いて説明する。図２に本実施例の構成を示す。
同図における図１と同一の箇所は同じ符号で表現しており、その部分の説明は省略する。
同図の１２は共振フィルタを示しており、共振フィルタ１２は、共振リアクトル１２ａ、共振リアクトル１２ａと直列接続された共振コンデンサ１２ｂ、共振リアクトル１２ａと並列接続された接触器１２ｃで構成される。
共振フィルタ回路１２は実施例１の共振フィルタ回路６に対して、外部から投入される投入開放指令に従い接触器１２ｃを投入することにより、共振フィルタのリアクトルを短絡できるという特長を有する。
本実施例における車両駆動システムは、２種類以上の電源周波数を持つ路線に乗り入れる鉄道車両において、直流電圧に重畳する電源周波数の２倍の周波数の脈動に起因して主電動機１１の電流に現れるビート現象を抑制するために、共振フィルタ回路１２と、ビートレス制御器２０５の両方を備えている点では、実施例１と同一であるが、共振フィルタ１２の構成部品として、共振リアクトル１２ａと共振コンデンサ１２ｂの他に、接触器１２ｃが含まれている。
本実施例では、交流電源の電源周波数に応じて直流ステージ電圧の脈動抑制の方式を切り替える。共振フィルタ１２の共振周波数は、実施例１と同様に、複数の交流電源の中で、一番低い周波数の２倍に合わせて共振フィルタ１２（共振リアクトル１２ａと共振コンデンサ１２ｂの直列接続体）の共振周波数を定めて脈動抑制を行い、それ以外の交流電源の周波数については、ビートレス制御器２０５により抑制する。
ビートレス制御器２０５は電圧検出器７により測定された平滑コンデンサ８の電圧に重畳する脈動の周波数により、共振フィルタ１２による脈動抑制とビートレス制御による抑制を切り替える。
接触器１２ｃが投入されている状態で電圧検出器７により共振フィルタ１２の共振周波数と同一の脈動を検出した場合、接触器の開放指令がビートレス制御器２０５より出力され、共振フィルタ１２の接触器１２ｃが開放状態になり、共振フィルタ１２により直流ステージの脈動を抑制する。また、この場合にはビートレス制御は不要となるため、ビートレス制御を停止させても良いが、ビートレス制御を動作させたままにしても良い。
一方で、接触器１２ｃが開放されている状態で電圧検出器７により共振フィルタ１２の共振周波数以外の脈動を検出した場合、接触器の投入指令がビートレス制御器２０５より出力され、共振フィルタ１２の接触器１２ｃが投入されて、ビートレス制御により直流ステージの脈動を抑制する。このとき、接触器１２ｃが投入されることで、共振リアクトル１２ａの部分が短絡されるため、共振コンデンサ１２ｂを直流ステージの平滑コンデンサとして用いることができる。
本実施例は、実施例１と比較して、直流電圧に重畳する脈動を抑制するために必要となる平滑コンデンサ８の静電容量Ｃｆが異なる。つまり、本実施例を適用することで、共振コンデンサ１２ｂを平滑コンデンサの一部として利用できるため、直流電圧の脈動ΔＥｃｆを抑えるために必要となる平滑コンデンサ８の静電容量Ｃｆを小さくすることができ、装置を小型化することができる。またビートレス制御において共振リアクトル６ａで発生する損失を低減できる。
本実施例では、平滑コンデンサの電圧に基づいてビートレス制御器２０５が接触器１２ｃの投入開放及びビートレス制御の動作停止を制御する形態を示したが、実施例１と同様に、電圧検出器３により検知された電圧、または位置検出手段により識別された電源周波数に基づいて、接触器１２ｃの投入開放及びビートレス制御の動作停止を制御しても良い。
この場合、共振フィルタ１２の共振周波数と一致する周波数の交流電源から電力供給を受けていると判断した場合には、接触器の開放指令が出力され、共振フィルタ１２の接触器１２ｃが開放状態になり、共振フィルタ１２により直流ステージの脈動を抑制する。また、共振フィルタ１２の共振周波数とは異なる周波数の交流電源から電力供給を受けていると判断した場合には、接触器の投入指令が出力され、共振フィルタ１２の接触器１２ｃが投入されて、ビートレス制御により直流ステージの脈動を抑制する。
なお、本実施例では、コンバータ制御装置１００内に、平滑コンデンサ８の電圧が共振フィルタ１２の共振周波数と同一か否かを判断し、当該判断結果に基づいて、接触器１２ｃへ投入開放の制御指令を出力し、インバータ制御装置２００内のビートレス制御器２０５へビートレス制御の開始停止の制御指令を出力するようにしても良い。
本発明における第３の実施例を図３を用いて説明する。図３に本実施例の構成を示す。
同図における図１と同一の箇所は同じ符号で表現しており、実施例１と同様の機能を有するためその部分の説明は省略する。
同図の共振フィルタ１３は、共振リアクトル１３ａ、共振リアクトル１３ａと直列接続された共振コンデンサ１３ｂ、及び共振リアクトル１３ａと更に直列接続された接触器１３ｃを備え、コンバータ制御装置１００は、故障検出器１１０を備え、インバータ制御装置２００は、出力調整器２０８を備えている。
共振フィルタ回路１３は実施例１の共振フィルタ回路６に対して、外部から入力される投入開放指令に従い、接触器１３ｃの投入と開放を自在に制御できる特徴を有する。なお、共振フィルタ１３が正常動作しているときには共振フィルタ回路１３の接触器１３ｃは投入状態となっている。
本実施例における車両駆動システムは、共振フィルタ回路１３の共振リアクトル１３ａないし共振コンデンサ１３ｂが故障した際に、故障検出器１１０にて故障状態を検出する。その検出方法は、電圧検出器７より検出した直流電圧Ｅｄより、共振フィルタ回路の共振周波数を検出することで判別する。
電圧検出器７より共振フィルタ１３の共振周波数以外の脈動を検出した場合、もしくは、実施例１に記載された電源周波数の識別機能により周波数が最も低い電源から電力供給を受けていると判断した場合には、ビートレス制御を実行し、ビートレス制御器は直流電圧振動に伴う主電動機１１のビート現象を抑制するためのビートレス制御指令ΔＳｉをＰＷＭ制御器２０７に対して出力する。
一方、実施例１に記載された電源周波数の識別機能により周波数が最も低い電源から電力供給を受けていると判断した場合には、ビートレス制御を停止させて、共振フィルタ１３により直流電圧に重畳する脈動を抑制する。ここで、ビートレス制御を停止させて、共振フィルタ１３により直流ステージの脈動を抑制しているときに、電圧検出器７より共振フィルタ回路の共振周波数を検出したときは、共振フィルタ回路１３に故障が発生したと判断し、故障検出器１１０より、共振フィルタ回路１３の接触器１３ｃに対して、接触器開放指令を出力する。これにより故障した共振フィルタ回路１３を回路から切り離すことで、故障による影響を他の回路に与えないようにする。それと同時に、ビートレス制御器２０５と出力調整器２０８に故障検知情報を出力する。
ビートレス制御器２０５は、共振フィルタ１３が正常動作しているときには停止しており、故障検知情報を受信したときに動作をして、直流電圧振動に伴う主電動機１１のビート現象を抑制するためのビートレス制御指令ΔＳｉをＰＷＭ制御器２０７に対して出力する。
共振フィルタ１３を設置している車両駆動システムにおいて、共振フィルタ１３が故障して、接触器１３ｃによりそれを回路から切り離した場合に、平滑コンデンサ８の静電容量が不足するため、制御による全負荷での振動抑制は困難となる。一方で、直流電圧Ｅｄの振動は、平滑コンデンサ８に流れる電流に比例することから、車両の運転速度を低くして主電動機１１の負荷を下げれば、平滑コンデンサ８の電流もそれに比例して小さくなるため、直流電圧の振動を小さくでき、制御による主電動機１１のビート現象抑制も可能となる。そこで故障検出時は、出力調整器２０８に故障検知情報を入力して、電流指令を絞ることで、主電動機１１に流れる電流を少なくでき、ビートレス制御によるビート現象抑制が可能となるため、共振フィルタ故障時における車両の継続運転が可能となる。
本実施例によると、他の実施例と同様に、直流電圧の脈動ΔＥｃｆを抑えるために必要となる平滑コンデンサ８の静電容量Ｃｆを小さくすることができ、装置を小型化することができることに加えて、故障した共振フィルタ回路１３を回路から切り離すことで、故障による影響を他の回路に与えないようにすることができる。更に、共振フィルタ回路１３の故障検出時にビートレス制御を実行することで、共振フィルタ故障が発生した場合であっても車両の継続運転が可能となる。
本実施例では、故障検出器１１０をコンバータ制御装置１００内に備える形態を説明したが、故障検出器１１０はインバータ制御装置２００内に設けることもできる。
１ 集電装置
２ 主変圧器
３ 電圧検出器
４ 電流検出器
５ コンバータ（第一の電力変換手段）
５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ スイッチング素子
６ 共振フィルタ
６ａ 共振リアクトル
６ｂ 共振コンデンサ
７ 電圧検出器
８ 平滑コンデンサ
９ インバータ（第二の電力変換手段）
９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ｅ、９ｆ スイッチング素子
１０ 電流検出器
１１ 主電動機
１２ 共振フィルタ
１２ａ 共振リアクトル
１２ｂ 共振コンデンサ
１２ｃ 接触器
１３ 共振フィルタ
１３ａ 共振リアクトル
１３ｂ 共振コンデンサ
１３ｃ 接触器
２１ 車輪
２２、２３ 交流電源
２４、２５ 電車線
２６ 無電化区間
２７ 軌道
１００ コンバータ制御装置
１０１ 電源位相検出器
１０２ 正弦波発生器
１０３ 減算器
１０４ 電圧制御器
１０５ 乗算器
１０６ 減算器
１０７ 電流制御器
１０８ 減算器
１０９ ＰＷＭ制御器
１１０ 故障検出器
２００ インバータ制御装置
２０１ 座標変換器
２０２ 減算器
２０３ 減算器
２０４ 電流制御器
２０５ ビートレス制御器
２０６ 加算器
２０７ ＰＷＭ制御器
２０８ 出力調整器

ｅｓ 二次電圧
ｅｃ 交流電圧指令
Ｅｄ 直流電圧
Ｅｄ＊ 直流電圧指令
Ｆｉ 出力周波数
ｉｄ ｄ軸電流
ｉｑ ｑ軸電流
ｉｓ 二次電流
ｉｕ ｕ相電流
ｉｖ ｖ相電流
ｉｗ ｗ相電流
ｉｄ＊ ｄ軸電流指令
ｉｑ＊ ｑ軸電流指令
ｉｓ＊ 二次電流指令
Ｉｓ＊ 二次電流実効値指令
Ｓｃ コンバータパルス指令
Ｓｉ インバータパルス指令
ΔＳｉ ビートレス制御指令
δ 出力偏角
ω 電源角周波数
ｔ 時間
Ｐ 電力変換装置の最大電力
Ｅｃｆ 直流電圧の直流分
ΔＥｃｆ 直流電圧の脈動分
Ｃｆ 平滑コンデンサの静電容量
ωｃ 架線角周波数
ωｉ 出力角周波数
ｋ 脈動率
Ｌｌｃ 共振リアクトルのインダクタンス
Ｃｌｃ 共振コンデンサの静電容量

Claims (6)

  1. 第一の単相交流電力を供給する第一の電車線が設置された路線と、前記第一の単相交流電力よりも周波数の高い第二の単相交流電力を供給する第二の電車線が設置された路線を走行する車両の車両駆動システムにおいて、
    前記第一の電車線もしくは前記第二の電車線から供給された単相交流電力を直流電力に変換し、直流電力線に出力する第一の電力変換装置と、
    前記直流電力線に出力された前記直流電力を三相交流電力に変換する第二の電力変換装置と、
    当該三相交流電力が供給される車両駆動用の電動機と、
    前記第一の電力変換装置と並列に直流電力線に接続され、前記第一の単相交流の二倍の周波数帯に共振点を有する共振フィルタと、
    前記直流電力線の電圧を検出する電圧検出器と、
    前記電圧検出器の検出値に応じて前記第二の電力変換装置の出力を制御し、前記三相交流電力に重畳する脈動を抑制する脈動抑制手段と、
    前記第一の電力変換装置と並列に前記直流電力線に接続され、前記第一の電力変換装置が前記第一の単相交流電力を前記直流電力に変換する際に発生する脈動を前記脈動制御手段により抑制するために必要となる静電容量より小さく、前記第一の単相交流電力よりも周波数の高い前記第二の単相交流電力を前記直流電力に変換する際に発生する脈動を前記脈動制御手段により抑制するために必要となる静電容量より大きい平滑コンデンサと、を備えることを特徴とする車両駆動システム。
  2. 請求項１に記載の車両駆動システムにおいて、
    前記共振フィルタは、前記直流電力に重畳する前記第一の単相交流電力の二倍の周波数成分の脈動を吸収するとともに、
    前記脈動抑制手段は、前記三相交流電力に重畳する前記第二の単相交流電力の二倍の周波数成分の脈動を抑制するように前記第二の電力変換装置の出力を制御することを特徴とする車両駆動システム。
  3. 請求項２に記載の車両駆動システムにおいて、
    前記第一の電車線と前記第二の電車線のいずれかから電力供給を受けているかを判断する電源判定手段を備え、
    前記第一の電車線から電力供給を受けていると判断した場合には、脈動抑制手段を停止し、
    前記第二の電車線から電力供給を受けていると判断した場合には、脈動抑制手段を動作させることを特徴とする車両駆動システム。
  4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の車両駆動システムにおいて、
    前記共振フィルタは、互いに直列接続された共振リアクトルと共振コンデンサを備える、ことを特徴とする車両駆動システム。
  5. 請求項４に記載の車両駆動システムにおいて、
    前記共振フィルタは、前記共振リアクトルに対して並列に接続される接触器を更に備え、
    前記電圧検出器により前記共振フィルタの共振周波数と同一の脈動を検出した場合に、前記接触器を開放し、
    前記電圧検出器により前記共振フィルタの共振周波数以外の脈動を検出した場合に、前記接触器が投入されることを特徴とする車両駆動システム。
  6. 請求項４に記載の車両駆動システムにおいて、
    前記共振フィルタは、前記共振リアクトルに対して直列に接続される接触器を更に備え、
    前記電圧検出器により前記共振フィルタの共振周波数の脈動を検出したときは、前記接触器を開放させると共にビートレス制御を実行し、
    前記電圧検出器により前記共振フィルタの共振周波数の脈動を検出しないときは、前記接触器を投入させると共にビートレス制御を停止することを特徴とする車両駆動システム。
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