JP6378343B2 - 車両用電力変換装置 - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、車両用電力変換装置に関する。
近年、鉄道車両等の車両の駆動方式については、パワーエレクトロニクス技術の発展に伴い、直流電力を交流電力に変換するインバータを用いて、交流電動機を制御する方式が主流となっている。
しかし、インバータ制御を行う場合、電磁騒音が発生するという課題がある。これは、直流電力を交流電力に変換する際、インバータに対してＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御を行っていることに起因している。ＰＷＭ制御では、インバータのスイッチング素子のオン／オフ制御に使用されるパルス電圧は矩形波であり、その立上がりと立下りにおいて急峻な電圧変化が発生する。
この急峻な電圧変化により、インバータの出力電流には基本波に対して高調波が常時重畳されることとなる。ここで、基本波とは、交流電動機に出力したい周波数の交流成分のことをいう。この基本波と高調波が合成された交流電流を交流電動機に通電すると、交流電動機の固定子や回転子において電流の周波数成分に起因した物理的振動が発生する。そして、この物理的振動の振動周波数に依存した電磁騒音（直接騒音）が発生する。
交流電動機で発生する電磁騒音には、上記の直接騒音の他、交流電動機が取り付けられた台車等のモータ設置台および車体本体を交流電動機の振動が伝播することによって発生する個体伝播騒音もある。
特許第３２４７５３９号
本発明が解決しようとする課題は、電磁騒音を抑制し、車両の車内および車外における静粛性を向上させることが可能な車両用電力変換装置を提供することである。
実施形態に係る車両用電力変換装置は、モータ設置台に設置された車両走行用の複数の交流電動機を制御する車両用電力変換装置である。この車両用電力変換装置は、複数のインバータ回路と、複数の制御部とを備える。複数のインバータ回路は、複数のスイッチング素子のオン／オフ動作により直流電力を三相交流電力に変換するように構成され、前記複数の交流電動機のうち対応付けられた交流電動機に前記三相交流電力を供給する。複数の制御部は、信号波と搬送波との比較結果に基づいて、前記インバータ回路の前記複数のスイッチング素子をオン／オフ制御するための制御信号を生成し、前記複数のインバータ回路のうち対応付けられたインバータ回路に対して前記制御信号によりＰＷＭ制御を行う。前記複数の制御部は、互いに位相の異なる搬送波を使用して生成された制御信号により前記対応付けられたインバータ回路に対するＰＷＭ制御を行い、前記搬送波の位相差は、前記モータ設置台に設置された前記複数の交流電動機の台数に基づく。
本発明の第１の実施形態に係る車両用電力変換装置１の概略的な構成を示す図である。 インバータ回路２，３の制御信号を生成するために使用される搬送波Ａ，Ｂの波形を示す図である。 相間電圧の和を周波数解析したシミュレーション結果を示す図である。 ２つの搬送波の位相差と、周波数解析で得られたスペクトル成分の積分値との関係を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態に係る車両用電力変換装置１Ａの概略的な構成を示す図である。
以下、本発明に係る実施形態の車両用電力変換装置について図面を参照しながら説明する。
（第１の実施形態）
第１の実施形態に係る車両用電力変換装置について図１を参照して説明する。図１は、第１の実施形態に係る車両用電力変換装置１の概略的な構成を示している。
車両用電力変換装置１は、同一のモータ設置台５０に設置された、車両走行用の交流電動機５１，５２を制御する。ここで、モータ設置台５０は、鉄道車両の台車であるが、その他の車両の台車であってもよい。また、交流電動機５１，５２は、例えば、永久磁石同期電動機（ＰＭＳＭ：Permanent Magnet Synchronous Motor）等の三相交流モータである。なお、鉄道車両用の場合、車両用電力変換装置１は、通常、台車ではなく鉄道車両本体に設けられる。
車両用電力変換装置１は、図１に示すように、交流電動機５１，５２に接続されたインバータ回路２，３と、インバータ回路２，３に制御信号（ゲート信号）を出力する制御部４，５と、インバータ回路２，３に直流電力を供給する直流電源１１と、インバータ回路２，３に直流電力を投入／開放するための接触器１２，１３と、平滑コンデンサ１４，１５と、直流電圧検出器１６，１７と、交流電流検出器１８ａ，１８ｂ，１９ａ，１９ｂとを備えている。以下、各構成要素について詳しく説明する。
インバータ回路２，３は、図１に示すように、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６と、各スイッチング素子に並列接続されたダイオードＤ１〜Ｄ６とを有している。インバータ回路２，３は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のオン／オフ動作により、直流電源１１から入力した直流電力を、所定の周波数および電圧の三相交流電力に変換するように構成されている。インバータ回路２により変換された三相交流電力は、交流供給線２１ａ，２２ａ，２３ａを介して交流電動機５１に供給される。同様に、インバータ回路３により変換された三相交流電力は、交流供給線２１ｂ，２２ｂ，２３ｂを介して交流電動機５２に供給される。
なお、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６は、半導体スイッチング素子であり、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）であるが、これに限るものではなく、バイポーラトランジスタまたはＭＯＳＦＥＴ等であってもよい。また、インバータ回路の構成は、図１に示すものに限られず、直流電力を交流電力に変換するものであれば他の構成でもよい。
インバータ回路２，３は、図１に示すように、複数の交流電動機５１，５２のうち対応付けられた交流電動機に三相交流電力を供給する。即ち、インバータ回路２は交流電動機５１に三相交流電力を供給し、インバータ回路３は交流電動機５２に三相交流電力を供給する。
制御部４は、インバータ回路２に入力される直流電圧の電圧値を直流電圧検出器１６から入力するとともに、インバータ回路２から出力される交流電流の電流値を交流電流検出器１８ａ，１８ｂから入力する。同様に、制御部５は、インバータ回路３に入力される直流電圧の電圧値を直流電圧検出器１７から入力するとともに、インバータ回路３から出力される交流電流の電流値を交流電流検出器１９ａ，１９ｂから入力する。なお、制御部４，５は、例えば、一つのプロセッサで構成されてもよいし、個別のプロセッサで構成されてもよい。
制御部４，５は、インバータ回路２，３のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６をオン／オフ制御するための制御信号を生成し、この制御信号により対応付けられたインバータ回路に対してＰＷＭ制御を行う。即ち、制御部４はインバータ回路２に対してＰＷＭ制御を行い、制御部５はインバータ回路３に対してＰＷＭ制御を行う。
より詳しくは、制御部４，５は、互いに位相の異なる搬送波（キャリア）を使用して生成された制御信号により、インバータ回路２，３に対するＰＷＭ制御を行う。搬送波の位相差については、後ほど詳しく説明する。
制御信号の生成方法についてより詳しくは、制御部４，５は、信号波と搬送波との比較結果に基づいて制御信号を生成する。ここで、信号波は、インバータ回路の入力直流電圧値（直流電圧検出器１６，１７で計測された値）およびインバータ回路の出力交流電流（交流電流検出器１８ａ，１８ｂ，１９ａ，１９ｂで計測された値）に基づいて生成される。搬送波は、例えば所定の周波数の三角波が用いられるが、のこぎり波など他の形状の波形が用いられてもよい。なお、互いに位相の異なる搬送波は、例えば、１つの発振器から出力された搬送波を２つに分岐させ、オペアンプを用いた位相シフト回路または遅延回路などの位相調整手段によって一方もしくは両方の搬送波の位相を調整することにより生成される。
接触器１２は、直流電源１１とインバータ回路２を電気的に接続または切断する。同様に、接触器１３は、直流電源１１とインバータ回路３を電気的に接続または切断する。接触器１２，１３によりインバータ回路２，３をそれぞれ開放または投入することが可能である。これにより、例えばインバータ回路２が故障した場合、接触器１２により直流電源１１とインバータ回路２を電気的に切断することで、インバータ回路３によるモータ制御を続行することが可能である。
平滑コンデンサ１４，１５は、直流電源１１から出力される電圧を平滑化するためのコンデンサであり、例えばフィルタコンデンサが用いられる。
直流電圧検出器１６は、インバータ回路２に入力される直流電圧を計測し、計測された電圧値は制御部４に出力される。同様に、直流電圧検出器１７は、インバータ回路３に入力される直流電圧を計測し、計測された電圧値は制御部５に出力される。
交流電流検出器１８ａは、交流供給線２１ａに設けられ、交流電動機５１のＵ相に流れる交流電流を計測する。交流電流検出器１８ｂは、交流供給線２３ａに設けられ、交流電動機５１のＷ相に流れる交流電流を計測する。同様に、交流電流検出器１９ａは、交流供給線２１ｂに設けられ、交流電動機５２のＵ相に流れる交流電流を計測し、交流電流検出器１９ｂは交流供給線２３ｂに設けられ、交流電動機５２のＷ相に流れる交流電流を計測する。なお、交流電流の計測は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相のうち任意の二相について行ってよいし、あるいは、交流電流検出器を追加して三相全てについて行ってもよい。
次に、制御部４，５が制御信号を生成するために使用する搬送波の波形について図２を参照して説明する。図２は、インバータ回路２および３の制御信号を生成するために使用される搬送波Ａ，Ｂの波形を示している。ここで、搬送波Ａはインバータ回路２の制御信号を生成するために使用され、搬送波Ｂはインバータ回路３の制御信号を生成するために使用される。
図２に示すように、搬送波Ａおよび搬送波Ｂの位相差は９０°である。この位相差は、モータ設置台５０に設置された交流電動機の台数に基づいている。なお、電磁騒音の低減効果を大きくするために、搬送波Ａおよび搬送波Ｂの周波数は略同一であることが好ましい。
ここで、本実施形態における搬送波の位相差についてより詳しく説明する。モータ設置台５０に設置された交流電動機の台数がＮ台（Ｎは２以上の整数）であると仮定する。インバータ回路は各交流電動機について設けられるため、車両用電力変換装置１にはＮ個のインバータ回路が設けられる。Ｎ個のインバータ回路のうち所定のインバータ回路を基準とし、当該インバータ回路に出力する制御信号を生成するために使用される搬送波の位相を０°としたとき、他の（Ｎ−１）個のインバータ回路に出力する制御信号を生成するために使用される搬送波の位相はそれぞれ、（１８０／Ｎ）°，｛２×（１８０／Ｎ）｝°，｛３×（１８０／Ｎ）｝°，・・・，｛（Ｎ−１）×（１８０／Ｎ）｝°を中心とした所定の角度範囲内にある。
例えば、モータ設置台５０に２台の交流電動機が設置されている場合、各インバータ回路の制御信号を生成するために使用される搬送波の位相は、０°，９０°を中心として所定の角度範囲内の値である。また、モータ設置台５０に４台の交流電動機が設置されている場合、各インバータ回路の制御信号を生成するために使用される搬送波の位相は、０°，４５°，９０°，１３５°を中心として所定の角度範囲内の値である。
ここで、所定の角度範囲は、例えば、隣接する搬送波と重ならない範囲、即ち、±（９０／Ｎ）°である。
ところで、相間電圧に起因して脈動する電流が発生し、この脈動電流の発生により電磁騒音が発生する。即ち、相間電圧が車両の電磁騒音の主要原因となっている。このため、電磁騒音を評価するために相間電圧を分析することが有効である。図３を参照して、相間電圧を周波数解析した結果について説明する。
図３は、Ｎ＝２の場合における、Ｕ相−Ｖ相間の相間電圧の和の周波数解析（ＦＦＴ）のシミュレーション結果を示している。より詳しくは、インバータ回路２から交流電動機５１に供給されるＵＶ相間の相間電圧と、インバータ回路３から交流電動機５２に供給されるＵＶ相間の相間電圧との和の電圧を周波数解析した結果を示している。
図３において、破線は２つの搬送波の位相差が０°の場合における相間電圧のスペクトルを示し、実線は位相差が９０°の場合における相間電圧のスペクトルを示している。なお、搬送波の周波数はいずれも周波数は７５０Ｈｚである。また、スペクトル成分は、基本波を除いた可聴域（１００Ｈｚ〜２０ｋＨｚ）について示している。また、インバータ回路２，３から出力される三相交流電力は、同一位相の対称三相であると仮定している。
図３に示すように、位相差が０°の場合、１．５ｋＨｚにおいて最もピーク値の高いスペクトル成分が現れる。これに対して、位相差が９０°の場合、１．５ｋＨｚにおけるピークが消失している。加えて、位相差が９０°の場合は、４．５ｋＨｚ付近のピークも消失している。１００Ｈｚ〜２０ｋＨｚの可聴域についてスペクトル成分を積分した値は、位相差０°の場合が２．１１であるのに対して、位相差９０°の場合は０．９９であり、９０°の位相差を設けることで積分値が半分以上減少していることがわかる。これは以下の理由による。
即ち、搬送波の位相差を設けることで、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６をオン／オフ制御するタイミングがインバータ回路２とインバータ回路３との間でずれる。その結果、各インバータ回路が生成する高調波成分が互いに打ち消し合うことになる。これにより、相間電圧の和の電圧の高調波ピークが消滅し、スペクトル成分の積分値は大幅に減少する。
次に、搬送波の位相差を変えながら上記周波数解析を行うことにより得られた、位相差と積分値との関係について説明する。図４は、Ｎ＝２の場合における、２つの搬送波の位相差と、スペクトル成分の積分値との関係を示すグラフである。図４に示すように、一方の搬送波の位相（０°）に対して、もう一方の搬送波の位相を９０°または２７０°（即ち−９０°）としたときに、積分値はほぼ最小となる。図４において、９０°より小さい位相差（約７５°）において積分値が最小になっているのは、力率が理想的な値（１）ではなく、０．８５程度であること等が影響している。
なお、図４から分かるように、搬送波の位相は９０°（または２７０°）を中心として、±３０°の角度範囲にあることが好ましく、±１５°の角度範囲にあることがさらに好ましい。
上記のように、第１の実施形態では、同一のモータ設置台５０に複数の交流電動機５１，５２が設置されている場合において、これら複数の交流電動機５１，５２をそれぞれに割り当てられたインバータ回路２，３でＰＷＭ制御する際に、互いに位相の異なる搬送波に基づいて生成された制御信号を用いる。これにより、インバータ回路２，３で発生する高調波成分が互いに打ち消し合う。その結果、モータ設置台５０に設置された交流電動機５１，５２の振動は変化しないものの、当該振動がモータ設置台５０や車体本体を伝播することで発生する個体伝播騒音を低減させることができる。
よって、第１の実施形態によれば、電磁騒音を抑制し、鉄道車両等の車両の車内および車外における静粛性を向上させることができる。
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。第２の実施形態と第１の実施形態との間の相違点の一つは、第１の実施形態では各インバータ回路についてそれぞれ制御部が個別に設けられていたのに対し、第２の実施形態では各インバータを制御する共通制御部が一つだけ設けられている点である。以下、第１の実施形態との相違点を中心に第２の実施形態について説明する。
図５は、第２の実施形態に係る車両用電力変換装置１Ａの概略的な構成を示している。図５において、第１の実施形態と同じ機能を有する構成については図１と同じ参照符号を付している。
車両用電力変換装置１Ａは、図５に示すように、インバータ回路２，３と、インバータ回路２，３に制御信号を出力する共通制御部６と、インバータ回路２，３に直流電力を供給する直流電源１１と、平滑コンデンサ１４と、直流電圧検出器１６と、交流電流検出器１８ａ，１８ｂ，１９ａ，１９ｂとを備えている。
直流電圧検出器１６は、インバータ回路２，３に入力される直流電圧を計測する。直流電圧検出器１６により計測された電圧値は共通制御部６に出力される。
共通制御部６は、インバータ回路２，３に入力される直流電圧を直流電圧検出器１６から入力するとともに、インバータ回路２，３から出力される交流電流を交流電流検出器１８ａ，１８ｂ，１９ａ，１９ｂから入力する。
共通制御部６は、複数のインバータ回路の各々について、信号波と搬送波との比較結果に基づいて、インバータ回路の複数のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６をオン／オフ制御するための制御信号を生成する。そして、共通制御部６は、生成された制御信号により、複数のインバータ回路に対してＰＷＭ制御を行う。
このように共通制御部６は、インバータ回路２，３の各々について制御信号を生成し、生成されたそれらの制御信号によりインバータ回路２，３に対してＰＷＭ制御を行う。
また、共通制御部６は、互いに位相の異なる搬送波を使用して生成された制御信号により複数のインバータ回路に対するＰＷＭ制御を行う。搬送波の位相差は、第１の実施形態と同様、モータ設置台５０に設置された交流電動機の台数に基づく値である。即ち、Ｎ＝２の場合、位相差は９０°であり、より一般には（１８０／Ｎ）°である。その他、搬送波の位相差に関する特徴は、第１の実施形態と同様であるので詳しい説明は繰り返さない。
第２の実施形態では、第１の実施形態と同様、複数の交流電動機５１，５２をインバータ回路２，３でＰＷＭ制御する際に、位相の異なる搬送波に基づいて生成された制御信号を用いる。これにより、インバータ回路２，３で発生する高調波成分が互いに打ち消し合う。その結果、モータ設置台５０に設置された交流電動機５１，５２の振動がモータ設置台５０や車体本体を伝播することで発生する個体伝播騒音を低減させることができる。
よって、第２の実施形態によれば、鉄道車両等の車両の車内および車外における静粛性を向上させることができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
１，１Ａ 車両用電力変換装置
２，３ インバータ回路
４，５ 制御部
６ 共通制御部
１１ 直流電源
１２，１３ 接触器
１４，１５ 平滑コンデンサ
１６，１７ 直流電圧検出器
１８ａ，１８ｂ，１９ａ，１９ｂ 交流電流検出器
２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂ 交流供給線
５０ モータ設置台
５１，５２ 交流電動機
Ａ，Ｂ 搬送波
Ｑ１〜Ｑ６ スイッチング素子
Ｄ１〜Ｄ６ ダイオード

Claims (10)

  1. モータ設置台に設置された車両走行用の複数の交流電動機を制御する車両用電力変換装置であって、
    複数のスイッチング素子のオン／オフ動作により直流電力を三相交流電力に変換するように構成され、前記複数の交流電動機のうち対応付けられた交流電動機に前記三相交流電力を供給する複数のインバータ回路と、
    信号波と搬送波との比較結果に基づいて、前記インバータ回路の前記複数のスイッチング素子をオン／オフ制御するための制御信号を生成し、前記複数のインバータ回路のうち対応付けられたインバータ回路に対して前記制御信号によりＰＷＭ制御を行う複数の制御部と、
    を備え、
    前記複数の制御部は、互いに位相の異なる搬送波を使用して生成された制御信号により、前記対応付けられたインバータ回路に対するＰＷＭ制御を行い、前記搬送波の位相差は、前記モータ設置台に設置された前記複数の交流電動機の台数に基づくことを特徴とする車両用電力変換装置。
  2. 前記複数の交流電動機の台数がＮ台（Ｎは２以上の整数）である場合であって、前記複数のインバータ回路のうち所定のインバータ回路に出力する制御信号を生成するために使用される搬送波の位相を０°としたとき、他の（Ｎ−１）個のインバータ回路に出力する制御信号を生成するために使用される搬送波の位相はそれぞれ、（１８０／Ｎ）°，｛２×（１８０／Ｎ）｝°，｛３×（１８０／Ｎ）｝°，・・・，｛（Ｎ−１）×（１８０／Ｎ）｝°を中心とした所定の角度範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載の車両用電力変換装置。
  3. 前記角度範囲は、±（９０／Ｎ）°であることを特徴とする請求項２に記載の車両用電力変換装置。
  4. 前記複数の交流電動機の台数が２台であり、前記角度範囲は、±３０°であることを特徴とする請求項２に記載の車両用電力変換装置。
  5. 前記複数の交流電動機は、同一のモータ設置台に設置されていることを特徴とする請求項１に記載の車両用電力変換装置。
  6. モータ設置台に設置された車両走行用の複数の交流電動機を制御する車両用電力変換装置であって、
    複数のスイッチング素子のオン／オフ動作により直流電力を三相交流電力に変換するように構成され、前記複数の交流電動機のうち対応付けられた交流電動機に前記三相交流電力を供給する複数のインバータ回路と、
    前記複数のインバータ回路の各々について、信号波と搬送波との比較結果に基づいて、前記インバータ回路の前記複数のスイッチング素子をオン／オフ制御するための制御信号を生成し、前記制御信号により前記複数のインバータ回路に対してＰＷＭ制御を行う共通制御部と、
    を備え、
    前記共通制御部は、互いに位相の異なる搬送波を使用して生成された制御信号により、前記複数のインバータ回路に対するＰＷＭ制御を行い、前記搬送波の位相差は、前記モータ設置台に設置された前記複数の交流電動機の台数に基づくことを特徴とする車両用電力変換装置。
  7. 前記複数の交流電動機の台数がＮ台（Ｎは２以上の整数）である場合であって、前記複数のインバータ回路のうち所定のインバータ回路に出力する制御信号を生成するために使用される搬送波の位相を０°としたとき、他の（Ｎ−１）個のインバータ回路に出力する制御信号を生成するために使用される搬送波の位相はそれぞれ、（１８０／Ｎ）°，｛２×（１８０／Ｎ）｝°，｛３×（１８０／Ｎ）｝°，・・・，｛（Ｎ−１）×（１８０／Ｎ）｝°を中心とした所定の角度範囲内にあることを特徴とする請求項６に記載の車両用電力変換装置。
  8. 前記角度範囲は、±（９０／Ｎ）°であることを特徴とする請求項７に記載の車両用電力変換装置。
  9. 前記複数の交流電動機の台数が２台であり、前記角度範囲は、±３０°であることを特徴とする請求項７に記載の車両用電力変換装置。
  10. 前記複数の交流電動機は、同一のモータ設置台に設置されていることを特徴とする請求項６に記載の車両用電力変換装置。
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