JP7170916B2 - Noise suppression device and electric vehicle control device - Google Patents
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Description
本発明は、電力変換器から漏洩するノイズ成分電流を抑制するノイズ抑制装置、及び電気車に搭載される当該ノイズ抑制装置を備えた電気車制御装置に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a noise suppression device that suppresses noise component current leaking from a power converter, and an electric vehicle control device equipped with the noise suppression device mounted on an electric vehicle.
電気車制御装置は、架線から供給される電力を受電し、受電した電力を利用して主電動機を駆動する電力変換器を備えている。電力変換器は、内部に変換素子を具備する。電力変換器の変換素子のスイッチング動作によって、電源となる変電所への帰路となるレールには、ノイズ成分電流を含む帰線電流が流れる。ノイズ成分電流に含まれる交流成分は、既設の踏切制御装置及び在線検知装置を含む鉄道用保安設備を誤動作させる可能性がある。このため、ノイズ成分電流に含まれる交流成分を確実に減衰させることが求められる場合がある。 An electric vehicle control device includes a power converter that receives power supplied from overhead lines and uses the received power to drive a traction motor. A power converter internally includes a conversion element. Due to the switching operation of the conversion element of the power converter, a return line current containing a noise component current flows in the rail that is the return path to the substation that serves as the power supply. The AC component contained in the noise component current may cause malfunction of railway safety equipment including existing railroad crossing control devices and railroad detection devices. Therefore, it may be required to reliably attenuate the AC component included in the noise component current.
上記のような技術的背景の下、下記特許文献1には、フィルタリアクトルとフィルタコンデンサとからなるフィルタ回路を介して直流電圧を受電する構成の電気車制御装置において、当該直流電圧の電源となる交流電源の電源周波数に対する入力インピーダンスを増加するフィルタ回路を既設のフィルタ回路に並列に接続する構成が開示されている。
Under the technical background as described above,
上記従来技術では、ノイズ成分電流に含まれる交流成分を抑制するために、新たなフィルタ回路を追加している。しかしながら、既設のフィルタ回路と追加のフィルタ回路とを含むフィルタ回路の全体には、減少させたいノイズ成分電流だけでなく、本来必要な直流電流成分、具体的には数百[A]から千[A]程度の電流が流れる。従って、追加する回路要素は大型化せざるを得ず、車両重量及び発熱量の増加に繋がるという課題が生じる。このため、追加する回路要素の大型化を回避しつつ、ノイズ成分電流を抑制することが望まれている。 In the prior art described above, a new filter circuit is added to suppress the AC component included in the noise component current. However, the entire filter circuit including the existing filter circuit and the additional filter circuit contains not only the noise component current to be reduced, but also the originally necessary DC current component, specifically several hundred [A] to a thousand [A]. A] current flows. Therefore, the added circuit elements are inevitably increased in size, leading to an increase in the weight of the vehicle and the amount of heat generated. Therefore, it is desired to suppress the noise component current while avoiding an increase in the size of additional circuit elements.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、追加する回路要素の大型化を回避しつつ、ノイズ成分電流を抑制することができるノイズ抑制装置を得ることを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a noise suppression device capable of suppressing a noise component current while avoiding an increase in the size of additional circuit elements.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、インバータと、架線とインバータとの間に配置されるフィルタ回路とを有する電力変換部を備えた電気車に搭載され、インバータから架線又はレールに漏洩するノイズ成分電流を抑制するノイズ抑制装置である。インバータは、架線に電気的に接続される正側母線と、レールに電気的に接続される負側母線とを通じて供給される直流電力を負荷への交流電力に変換する。ノイズ抑制装置は、ノイズ抑制部と、制御部とを備える。ノイズ抑制部は、負側が接続導体を介して負側母線に電気的に接続されるコンデンサを備える。また、ノイズ抑制部は、直列に接続される上アーム半導体素子及び下アーム半導体素子を有し、上アーム半導体素子がコンデンサの正側に接続され、下アーム半導体素子がコンデンサの負側に接続されるスイッチング回路部を備える。更に、ノイズ抑制部は、一端が上アーム半導体素子と下アーム半導体素子との接続点に接続され、他端が架線と電力変換部との間の正側母線に電気的に接続されるリアクトルを備える。制御部は、正側母線におけるリアクトルの接続点と電力変換部との間に流れる入出力電流、又は負側母線におけるコンデンサの接続点と電力変換部との間に流れる入出力電流に応じてノイズ成分電流が抑制されるようにスイッチング回路部の制御を行う。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, the present invention provides an electric vehicle equipped with a power conversion unit having an inverter and a filter circuit arranged between the overhead wire and the inverter. This is a noise suppressing device that suppresses noise component current leaking to overhead lines or rails. The inverter converts DC power supplied through a positive busbar electrically connected to the overhead line and a negative busbar electrically connected to the rail into AC power for a load. The noise suppression device includes a noise suppression section and a control section. The noise suppressor includes a capacitor having a negative side electrically connected to the negative bus via a connection conductor. Also, the noise suppression unit has an upper arm semiconductor element and a lower arm semiconductor element connected in series, the upper arm semiconductor element being connected to the positive side of the capacitor, and the lower arm semiconductor element being connected to the negative side of the capacitor. It has a switching circuit unit. Further, the noise suppression unit includes a reactor having one end connected to a connection point between the upper arm semiconductor element and the lower arm semiconductor element and the other end electrically connected to a positive bus line between the overhead wire and the power conversion unit. Prepare. The control unit detects noise according to input/output current flowing between the connection point of the reactor on the positive side bus and the power conversion unit, or input/output current flowing between the connection point of the capacitor on the negative side bus and the power conversion unit. The switching circuit section is controlled so that the component current is suppressed.
本発明に係るノイズ抑制装置によれば、追加する回路要素の大型化を回避しつつ、ノイズ成分電流を抑制することができるという効果を奏する。 According to the noise suppression device of the present invention, it is possible to suppress the noise component current while avoiding an increase in the size of additional circuit elements.
以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態に係るノイズ抑制装置及び電気車制御装置について詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により、本発明が限定されるものではない。 A noise suppression device and an electric vehicle control device according to embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings. In addition, the present invention is not limited by the following embodiments.
実施の形態1.
図1は、実施の形態1に係るノイズ抑制装置100を含む鉄道システム150の構成例を示す図である。鉄道システム150は、架線1と、集電装置2と、スイッチ3と、電力変換部11と、負荷8と、車輪9と、レール10とを備える。実施の形態1に係る電気車制御装置は、ノイズ抑制装置100と、電力変換部11とによって構成される。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a
鉄道システム150は、直流架線方式の鉄道システムである。架線1は、図示しない変電所に接続されている。変電所と電力変換部11とは、集電装置2、正側母線2a、負側母線2b、スイッチ3、車輪9及びレール10を介して電気的に接続される。
The
架線1には、直流電圧が供給されている。一般的な直流電圧の定格は、600Vから3000Vの範囲内にある。集電装置2は、図示しない電気車に設けられている。集電装置2は、架線1と接触摺動することで架線1から供給される直流電力を受電する。受電した直流電力は、正側母線2aを通じてスイッチ3に入力される。スイッチ3は、架線1と電力変換部11との間の電気的接続を開閉する開閉器である。スイッチ3は、電力変換部11の内部に配置されていてもよい。スイッチ3は、電力変換部11への電力供給の有無を切り替える。正常運転時において、スイッチ3は、オン状態に制御される。また、インバータ6の停止時又は故障時において、スイッチ3は、オフ状態に制御される。
A DC voltage is supplied to the
なお、図1では、架線1として架空電線を示し、集電装置2としてパンタグラフ状の集電装置をそれぞれ示しているが、これらに限定されない。架線1としては、地下鉄等で使用されている第三軌条でもよく、これに合わせ、集電装置2は第三軌条用の集電装置を用いてもよい。
In FIG. 1, an overhead wire is shown as the
電力変換部11は、フィルタリアクトル4aと、フィルタリアクトル4aの後段に配置されたフィルタコンデンサ4bと、複数の半導体素子6aを備えるインバータ6とを備える。フィルタリアクトル4aは、導体をコイル状に巻回した部品である。フィルタリアクトル4aと、フィルタコンデンサ4bとによって、フィルタ回路4が構成される。フィルタ回路4は、架線1とインバータ6との間に配置される。
The
インバータ6に具備される半導体素子6aのスイッチング動作によって、電源となる変電所への帰路となるレール10には、ノイズ成分電流を含む帰線電流が流れる。前述したように、ノイズ成分電流に含まれる交流成分は、既設の踏切制御装置及び在線検知装置を含む鉄道用保安設備を誤動作させる可能性がある。フィルタ回路4は、帰線電流に含まれるノイズ成分電流を減衰させることで、ノイズ成分電流に含まれる交流成分の架線1及びレール10側への流出を抑制する。また、架線1が出力する直流電圧には、直流成分以外に変電所の整流装置で生じた整流リプルによる交流成分電圧が重畳している。この交流成分電圧が大きい場合、フィルタ回路4は、これに起因したノイズ成分電流が架線1及びレール10側へ流れることを抑制する。
Due to the switching operation of the
電気車を駆動するためには、大きな電力が必要である。このため、フィルタリアクトル4aには、大電流が流れる。これに対応するため、アルミ又は銅で構成されるフィルタリアクトル4aの導体の断面積は大きくなる。また、必要なインダクタンスを確保するため、フィルタリアクトル4aの導体は、多数回、巻回される構成となる。一般的な通勤電車の場合、フィルタリアクトル4aには、数百[A]から千[A]程度の電流に耐え得る電流容量が必要とされる。このため、フィルタリアクトル4aは、500[kg]程度にも及ぶ重量部品となる。
A large amount of electric power is required to drive an electric vehicle. Therefore, a large current flows through the
電気車に具備されるインバータ6は、一般的に複数の半導体素子6aを用いて2レベル又は3レベルの三相インバータ回路で構成される。インバータ6は、インバータ制御部7で制御される。インバータ6には、負荷8が接続される。
The
インバータ6が推進制御装置のインバータである場合、負荷8は、電気車を駆動するための主電動機である。インバータ制御部7は、インバータ6を可変電圧可変周波数で動作させ、主電動機を力行制御又は回生制御することで、電気車の駆動制動を行う。インバータ6が補助電源装置のインバータである場合、負荷8は、空調機器、照明機器、保安機器、コンプレッサ、バッテリ、制御電源を含む補機である。インバータ制御部7は、インバータ6を定電圧定周波数で動作させることで、負荷8へ安定した電力を供給する。
If the
インバータ制御部7は、図示しない上位の制御系からの指令に基づいて、インバータ6に具備される半導体素子6aに対するスイッチング制御を行う。この制御により、インバータ6は、フィルタコンデンサ4bに保持された直流電力を交流電力に変換して負荷8に供給する。
The inverter control unit 7 performs switching control for the
インバータ制御部7には、制御部90から出力される信号S6が入力される。また、インバータ制御部7は、制御部90に信号S3を出力し、スイッチ3に信号S7を出力する。スイッチ3には、制御部90から出力される信号S4も入力される。なお、これら信号S3,S4,S6,S7による各部の動作については、後述する。
A signal S<b>6 output from the
次に、ノイズ抑制装置100について説明する。ノイズ抑制装置100は、ノイズ抑制部80と、ノイズ抑制部80を制御する制御部90とを備える。ノイズ抑制装置100は、インバータ6から架線1又はレール10に漏洩するノイズ成分電流を抑制する装置である。ノイズ抑制装置100は、前述したフィルタ回路4の機能を補完し、もしくは強化する。詳細な機能は後述するが、ノイズ抑制装置100は、帰線電流に重畳して流れるノイズ成分電流に含まれる交流成分を効果的に低減することが可能である。
Next, the
ノイズ抑制部80は、コンデンサ50と、スイッチング回路部40と、リアクトル30と、開閉回路部20と、電流検出器60,70と、電圧検出器81,82とを備える。以下の記載において、電流検出器60を「第1の電流検出器」と呼び、電流検出器70を「第2の電流検出器」と呼ぶ場合がある。なお、電流検出器70及び電圧検出器82については、既設の検出器を利用する構成でもよい。
The
スイッチング回路部40は、上アーム半導体素子41と、下アーム半導体素子42とを備える。上アーム半導体素子41と下アーム半導体素子42とは、直列に接続される。上アーム半導体素子41は、コンデンサ50の正側に接続される。下アーム半導体素子42は、コンデンサ50の負側に接続される。コンデンサ50の負側は、接続導体84を介して負側母線2bに接続される。リアクトル30の一端は、上アーム半導体素子41と下アーム半導体素子42との接続点に接続される。リアクトル30の他端は、開閉回路部20を介して正側母線2aに接続される。即ち、リアクトル30の他端は、正側母線2aに電気的に接続される。
The switching
制御部90は、正側母線2a又は負側母線2bに流れる電流IS1に応じてスイッチング回路部40の制御を行う。
The
開閉回路部20は、リアクトル30と正側母線2aとの間の電気的接続を開閉するスイッチである。開閉回路部20は、主スイッチ21による回路と、充電スイッチ22と充電抵抗23とが直列に接続される充電回路とが互いに並列に接続される回路部を有している。開閉回路部20には、制御部90から出力される信号S5が入力される。主スイッチ21及び充電スイッチ22のオンオフは、信号S5によって制御される。
The switching
ノイズ抑制装置100を停止状態から起動する場合、コンデンサ50を充電する必要がある。このため、最初に充電スイッチ22のみがオンに制御される。正側母線2aからの電力は、充電スイッチ22及び充電抵抗23を経由してコンデンサ50に流れ込み、コンデンサ50が充電される。コンデンサ50の充電が完了すると、主スイッチ21がオンに制御される。なお、主スイッチ21及び充電スイッチ22は、後述する制御部90から出力される信号S5によって制御される。
When starting the
リアクトル30は、フィルタリアクトル4aと同様に、導体をコイル状に巻回した部品である。一方、リアクトル30に流れる電流は、最大でも数[A]程度と小さい。従ってリアクトル30は、フィルタリアクトル4aと比べて、大幅に小さい電流容量でよい。このため、リアクトル30は、数[kg]程度の小型軽量の部品である。
The
電流検出器60は、リアクトル30に流れる電流ICH1を検出する。電流検出器60によって検出された電流ICH1の検出値ICHは、制御部90へ入力される。以下の記載において、検出値ICHを「第1出力」と呼ぶ場合がある。なお、リアクトル30に流れる電流と、接続導体84に流れる電流とは、大きさは同じで向きが逆である。このため、電流検出器60は、接続導体84に配置してもよい。
電流検出器70は、正側母線2aに流れる電流IS1を検出する。電流IS1は、フィルタ回路4への入力電流でもある。電流検出器70によって検出された電流IS1の検出値ISは、制御部90へ入力される。以下の記載において、検出値ISを「第2出力」と呼ぶ場合がある。なお、正側母線2aに流れる電流と、負側母線2bに流れる電流とは、大きさは同じで向きが逆である。このため、電流検出器70は、負側母線2bに配置してもよい。
上アーム半導体素子41及び下アーム半導体素子42の一例は、逆並列ダイオードが内蔵された図示の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(Insulated Gate Bipolar Transistor:IGBT)であるが、他のスイッチング素子を用いてもよい。上アーム半導体素子41及び下アーム半導体素子42の他の例は、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor:MOSFET)である。また、スイッチング素子を構成する材料は、ケイ素(Si)だけでなく、ワイドバンドギャップ半導体である炭化ケイ素(SiC)、窒化ガリウム(GaN)、酸化ガリウム(Ga2O3)、ダイヤモンドなどを用いてもよい。上アーム半導体素子41及び下アーム半導体素子42をワイドバンドギャップ半導体系の材料で形成すれば、低損失化及び高速スイッチング化を図ることができる。An example of the upper
スイッチング回路部40には、制御部90から出力される信号S1,S2が入力される。信号S1は、上アーム半導体素子41の導通を制御するスイッチング信号である。信号S2は、下アーム半導体素子42の導通を制御するスイッチング信号である。
Signals S1 and S2 output from the
電圧検出器82は、架線1の電圧である架線電圧を検出する。電圧検出器82によって検出された架線電圧の検出値ESは、制御部90に入力される。
A
電圧検出器81は、コンデンサ50の両端電圧であるコンデンサ電圧を検出する。電圧検出器81によって検出されたコンデンサ電圧の検出値ECHは、制御部90に入力される。
コンデンサ50には、制御部90の制御によって、架線電圧よりも高い直流電圧が保持される。コンデンサ50は、ノイズ抑制装置100の主電源として機能する。
A DC voltage higher than the overhead line voltage is held in the
次に、制御部90の詳細な構成について説明する。図2は、実施の形態1における制御部90の構成例を示す図である。制御部90は、第1制御部90aと、第2制御部90bと、第3制御部90cと、減算器90dと、除算器90eと、シーケンス制御部91とを備える。
Next, a detailed configuration of the
第1制御部90aには、電流検出器70によって検出された電流IS1の検出値ISが入力される。第1制御部90aでは、電流IS1の検出値ISの直流成分がカットされ、ノイズ成分が主に含まれる信号IAC*が生成される。信号IAC*は、フィルタリアクトル4aに流れるノイズ成分を表している。A detection value IS of the current IS1 detected by the
第2制御部90bには、電圧検出器81によって検出されたコンデンサ電圧の検出値ECHが入力される。第2制御部90bでは、コンデンサ電圧の指令値である信号ECH*と、検出値ECHとの偏差DEが比例積分(Proportional Integral:PI)制御され、その制御値が信号DEPとして生成される。PI制御は、比例要素と積分要素とによる演算制御であり、信号DEPを演算するための一般的な演算手法である。A detection value ECH of the capacitor voltage detected by the
信号DEPは、コンデンサ電圧の検出値ECHを、コンデンサ電圧の指令値を表す信号ECH*に維持するための信号である。検出値ECHが信号ECH*よりも大きい場合、コンデンサ50の放電が行われるように信号DEPが生成される。検出値ECHが信号ECH*よりも小さい場合、コンデンサ50を充電する方向の電流が流れるように信号DEPが生成される。The signal DEP is a signal for maintaining the detected value ECH of the capacitor voltage at the signal ECH * representing the command value of the capacitor voltage. If detected value ECH is greater than signal ECH * , signal DEP is generated such that
減算器90dには、信号IAC*と、信号DEPとが入力される。減算器90dでは、信号IAC*から信号DEPが減算され、その演算値が信号ICH*として生成される。信号ICH*は、リアクトル30に流すべき電流の指令値を表す電流指令信号である。The signal IAC * and the signal DEP are input to the
なお、以下の記載において、減算器90dの出力である信号ICH*を「第1信号」と呼び、減算器90dの入力である信号IAC*を「第2信号」と呼ぶ場合がある。In the following description, the signal ICH * , which is the output of the
除算器90eには、架線電圧の検出値ESと、電圧検出器81によって検出されたコンデンサ電圧の検出値ECHとが入力される。除算器90eでは、検出値ESが検出値ECHで除算され、その演算値が信号EMとして生成される。信号EMは、スイッチング回路部40における入力側の電圧と出力側の電圧との間の比率を表す信号である。入力側はコンデンサ50の側であり、出力側はリアクトル30の側である。信号EMは、0以上、1以下の値をとる。
The overhead line voltage detection value ES and the capacitor voltage detection value ECH detected by the
第3制御部90cには、減算器90dの出力である信号ICH*と、電流ICH1の検出値ICHと、除算器90eの出力である信号EMと、後述するシーケンス制御部91の出力である信号S8とが入力される。第3制御部90cでは、信号ICH*と電流ICH1の検出値ICHとの偏差DIがPI制御され、その制御値が信号DIPとして生成される。信号DIPと信号EMとは加算され、その演算値が信号M*として生成される。信号M*は、スイッチング回路部40の通流率を表している。The
更に、第3制御部90cでは、信号M*がパルス幅変調(Pulse Width Modulation:PWM)制御によって、信号S1,S2が生成される。前述したように、信号S1は、上アーム半導体素子41の導通を制御するスイッチング信号であり、信号S2は、下アーム半導体素子42の導通を制御するスイッチング信号である。PWM制御には、公知の技術を用いることができる。比較信号に三角波を用いる三角波比較方式、比較信号に鋸波を用いる鋸波比較方式などが一般的である。Furthermore, in the
次に、シーケンス制御部91について説明する。シーケンス制御部91は、インバータ制御部7から出力される信号S3を受信する。信号S3は、ノイズ抑制部80への動作指令又は停止指令を表す信号である。信号S3がノイズ抑制部80の動作を指示する動作指令である場合、シーケンス制御部91は、信号S8をオンに設定してPWM制御を実行させると共に、信号S5をオンに設定して開閉回路部20をオンに制御する。
Next, the
信号S3がノイズ抑制部80の動作の停止を指示する停止指令である場合、シーケンス制御部91は、信号S8をオフに設定してPWM制御の実行を停止させると共に、信号S5をオフに設定して開閉回路部20をオフに制御する。
When the signal S3 is a stop command instructing to stop the operation of the
また、シーケンス制御部91は、ノイズ抑制部80が故障した場合、故障したことを示す信号S6を生成して、インバータ制御部7へ送出する。信号S6がノイズ抑制部80の故障を示している場合、インバータ制御部7は、インバータ6の動作を停止すると共に、信号S7をオフに設定してスイッチ3をオフに制御する。なお、「ノイズ抑制部80が故障した場合」とは、ノイズ抑制部80の構成要素の何れかに故障が生じた場合を意味する。
Further, when the
更に、シーケンス制御部91は、ノイズ抑制部80が故障した場合、信号S4を生成する。信号S4は、スイッチ3をオフに制御するための信号であり、スイッチ3に出力される。
Furthermore, the
なお、実施の形態1の構成では、ノイズ抑制部80が故障した場合、スイッチ3には、制御部90からの信号S4と、インバータ制御部7からの信号S7とが出力される。このため、ノイズ抑制部80だけでなく制御部90が故障した場合であっても、スイッチ3を確実にオフに制御することができる。これにより、装置の信頼性を高めることができる。
In the configuration of
なお、以下の記載において、インバータ制御部7から出力される信号S3,S7を、それぞれ「第3信号」及び「第7信号」と呼ぶ場合がある。また、シーケンス制御部91から出力される信号S4,S5,S6,S8を、それぞれ「第4信号」、「第5信号」、「第6信号」及び「第8信号」と呼ぶ場合がある。
In the following description, the signals S3 and S7 output from the inverter control section 7 may be called "third signal" and "seventh signal", respectively. Signals S4, S5, S6, and S8 output from
以上のように、実施の形態1におけるノイズ抑制部80は、負側が接続導体84を介して負側母線2bに電気的に接続されるコンデンサ50と、上アーム半導体素子41がコンデンサ50の正側に接続され、下アーム半導体素子42がコンデンサ50の負側に接続されるスイッチング回路部40とを備える。また、ノイズ抑制部80は、一端が上アーム半導体素子41と下アーム半導体素子42との接続点に接続され、他端が正側母線2aに電気的に接続されるリアクトル30を備える。更に、制御部90は、コンデンサ電圧の検出値ECHがコンデンサ電圧の指令値である信号ECH*に一致するように電圧フィードバック制御する第2制御部90bを備えている。この電圧フィードバック制御により、コンデンサ50は、リアクトル30及びスイッチング回路部40を介し、架線1側から必要な電力を得て、コンデンサ電圧を指令値に維持することができる。これにより、コンデンサ電圧を、別の充電装置又は別の電源装置を使って維持する構成が不要となる。このため、ノイズ抑制装置100の小型軽量化、及び取扱いの容易化を図ることができる。As described above, the
また、制御部90は、リアクトル30に流れる電流ICH1の検出値ICHが、リアクトル30に流すべき電流の指令値である信号ICH*と一致するように電流フィードバック制御する第3制御部90cを備えている。電流フィードバック制御により、ノイズ抑制部80は、フィルタリアクトル4aに流れる電流IS1に含まれるノイズ成分電流と同じ大きさで逆位相の電流を発生させることができる。これにより、集電装置2及び車輪9の地点におけるノイズ成分電流は、両者で打ち消しあうので、ノイズ成分電流を小さくすることができる。また、リアクトル30及びスイッチング回路部40の作用により、コンデンサ50には、架線電圧を昇圧して供給できるので架線電圧よりも高い電圧を保持することができる。これにより、外部の電源装置等を有することなく保持した高電圧のエネルギーを利用できるので、ノイズ抑制部80を小型軽量としながら架線1及びレール10へのノイズ成分電流の流出を効果的に抑制することができる。The
また、ノイズ抑制部80からは、正側母線2a及び負側母線2bに対し、ノイズ成分電流と同じ大きさで逆位相の電流のみが送出され、電気車の駆動に必要な直流電流の流入は阻止される。これにより、追加される回路要素である上アーム半導体素子41、下アーム半導体素子42、コンデンサ50及びリアクトル30は、全体で数十[kg]程度の重量に抑えることができる。同等のノイズ抑制効果を得るために、フィルタリアクトル4aのインダクタンス値を増加させたり、フィルタコンデンサ4bの容量を増加させたり、新たなフィルタ回路を追加したりする場合、数百[kg]程度の増加が見込まれる。従って、実施の形態1の手法を用いれば、追加する回路要素の大型化を回避しつつ、ノイズ成分電流を抑制することができる。
In addition, from the
また、インバータ制御部7は、ノイズ抑制装置100の動作及び停止を指示することができるように構成されている。従って、インバータ6の動作とノイズ抑制装置100の動作とを連携させることができる。これにより、インバータ6が動作しているときのみ、ノイズ抑制装置100が動作するので、無駄な動作を排除して、ノイズ抑制装置100を効率よく動作させることができる。
In addition, the inverter control section 7 is configured to be able to instruct the operation and stop of the
また、ノイズ抑制部80が故障した場合、制御部90によって、開閉回路部20をオフに制御することができる。これにより、意図しないノイズ成分電流が架線1又はレール10に流出することを回避できる。
In addition, when the
また、ノイズ抑制部80が故障した場合、制御部90又はインバータ制御部7によって、スイッチ3をオフに制御することができ、インバータ6の動作も停止することができる。従って、ノイズ抑制部80の故障に気付かないままインバータ6が動作を継続することはない。これにより、不要なノイズ成分電流が架線1又はレール10に流出することを回避できる。
Further, when the
なお、図1に示されるように、リアクトル30の他端は、集電装置2とフィルタリアクトル4aとの間の正側母線2aに電気的に接続することが肝要な点である。例えば、リアクトル30の他端をフィルタリアクトル4aとインバータ6との間の正側母線2aに接続すると、ノイズ抑制装置100が生成した電流ICH1の大部分はフィルタコンデンサ4bに吸収されてしまう。従って、ノイズ成分電流を流すことができず、所望の効果が発揮できない。
It is important to electrically connect the other end of the
次に、実施の形態1におけるインバータ制御部7及び制御部90の機能を実現するためのハードウェア構成について、図3及び図4の図面を参照して説明する。図3は、実施の形態1におけるインバータ制御部7及び制御部90の機能を実現するハードウェア構成の一例を示すブロック図である。図4は、実施の形態1におけるインバータ制御部7及び制御部90の機能を実現するハードウェア構成の他の例を示すブロック図である。
Next, a hardware configuration for realizing the functions of the inverter control unit 7 and the
実施の形態1におけるインバータ制御部7及び制御部90の機能の一部又は全部を実現する場合には、図3に示されるように、演算を行うプロセッサ300、プロセッサ300によって読みとられるプログラムが保存されるメモリ302、及び信号の入出力を行うインタフェース304を含む構成とすることができる。
When implementing some or all of the functions of the inverter control unit 7 and the
プロセッサ300は、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、CPU(Central Processing Unit)、又はDSP(Digital Signal Processor)といった演算手段であってもよい。また、メモリ302には、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、フラッシュメモリ、EPROM(Erasable Programmable ROM)、EEPROM(登録商標)(Electrically EPROM)といった不揮発性又は揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、DVD(Digital Versatile Disc)を例示することができる。
The processor 300 may be an arithmetic means such as an arithmetic unit, a microprocessor, a microcomputer, a CPU (Central Processing Unit), or a DSP (Digital Signal Processor). The
メモリ302には、実施の形態1におけるインバータ制御部7及び制御部90の機能を実行するプログラムが格納されている。プロセッサ300は、インタフェース304を介して必要な情報を授受し、メモリ302に格納されたプログラムをプロセッサ300が実行し、メモリ302に格納されたテーブルをプロセッサ300が参照することにより、上述した処理を行うことができる。プロセッサ300による演算結果は、メモリ302に記憶することができる。
The
また、実施の形態1におけるインバータ制御部7及び制御部90の機能の一部を実現する場合には、図4に示す処理回路303を用いることもできる。処理回路303は、単一回路、複合回路、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、FPGA(Field-Programmable Gate Array)、又は、これらを組み合わせたものが該当する。処理回路303に入力する情報、及び処理回路303から出力する情報は、インタフェース304を介して入手することができる。
Further, when realizing part of the functions of the inverter control unit 7 and the
なお、インバータ制御部7及び制御部90における一部の処理を処理回路303で実施し、処理回路303で実施しない処理をプロセッサ300及びメモリ302で実施してもよい。
Note that the
実施の形態2.
図5は、実施の形態2に係るノイズ抑制装置100Aを含む鉄道システム150Aの構成例を示す図である。図5に示す鉄道システム150Aでは、図1に示す鉄道システム150の構成において、ノイズ抑制装置100がノイズ抑制装置100Aに置き替えられ、スイッチ3が充電回路部3Aに置き替えられている。また、ノイズ抑制装置100Aにおいては、図1に示すノイズ抑制装置100の構成において、開閉回路部20が削除されている。また、図5において、リアクトル30の他端の接続先は、充電回路部3Aとフィルタリアクトル4aとの間の正側母線2aに変更されている。更に、信号S4,S5,S7の出力先は、スイッチ3から充電回路部3Aに変更されている。その他の構成については、図1と同一又は同等である。なお、同一又は同等の構成部には同一の符号を付して、重複する説明は割愛する。
FIG. 5 is a diagram showing a configuration example of a
実施の形態1において、スイッチ3及び開閉回路部20は、回路の開閉を行う目的で設置されているため、本発明の本質的な部位ではない。また、一般的な電気車においては、大容量であるフィルタコンデンサ4bの初期充電を行うための充電回路が設けられている。図5の充電回路部3Aは、この充電回路に対応している。
In
充電回路部3Aは、開閉回路部20と同様に、主スイッチ3A1による回路と、充電スイッチ3A2と充電抵抗3A3とが直列に接続される充電回路とが互いに並列に接続される回路部を有している。充電回路部3Aにおいて、主スイッチ3A1及び充電スイッチ3A2のオンオフは、制御部90から出力される信号S4,S5、及びインバータ制御部7から出力される信号S7によって制御される。なお、制御部90の構成及び動作は、実施の形態1と同等であり、ここでの説明は割愛する。
The charging
なお、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。 It should be noted that the configuration shown in the above embodiment shows an example of the contents of the present invention, and it is possible to combine it with another known technique, and the configuration can be changed without departing from the gist of the present invention. It is also possible to omit or change part of
例えば、図1では、制御部90とインバータ制御部7とを別の構成要素として記載しているが、これに限定されない。両制御部は、1つの制御部に統合して構成されていてもよい。
For example, in FIG. 1, the
また、ノイズ抑制装置100は、電気車制御装置の内部に含まれる装置として説明したが、これに限定されない。ノイズ抑制装置100と電力変換部11とが電気的に接続されていればよく、ノイズ抑制装置100を電気車制御装置外の装置として構成してもよい。
Further, although the
また、本明細書では、電気車制御装置への適用を考慮して発明内容を説明しているが、適用分野はこれに限られるものではなく、種々の関連分野への応用が可能であることは言うまでもない。 Also, in this specification, the content of the invention is described with consideration given to its application to an electric vehicle control device, but the field of application is not limited to this, and application to various related fields is possible. Needless to say.
1 架線、2 集電装置、2a 正側母線、2b 負側母線、3 スイッチ、3A 充電回路部、3A1 主スイッチ、3A2 充電スイッチ、3A3 充電抵抗、4 フィルタ回路、4a フィルタリアクトル、4b フィルタコンデンサ、6 インバータ、6a 半導体素子、7 インバータ制御部、8 負荷、9 車輪、10 レール、11 電力変換部、20 開閉回路部、21 主スイッチ、22 充電スイッチ、23 充電抵抗、30 リアクトル、40 スイッチング回路部、41 上アーム半導体素子、42 下アーム半導体素子、50 コンデンサ、60,70 電流検出器、80 ノイズ抑制部、81,82 電圧検出器、84 接続導体、90 制御部、90a 第1制御部、90b 第2制御部、90c 第3制御部、90d 減算器、90e 除算器、91 シーケンス制御部、100,100A ノイズ抑制装置、150,150A 鉄道システム、300 プロセッサ、302 メモリ、303 処理回路、304 インタフェース。 1 overhead line, 2 collector, 2a positive bus, 2b negative bus, 3 switch, 3A charging circuit, 3A1 main switch, 3A2 charging switch, 3A3 charging resistor, 4 filter circuit, 4a filter reactor, 4b filter capacitor, 6 inverter, 6a semiconductor device, 7 inverter control unit, 8 load, 9 wheel, 10 rail, 11 power conversion unit, 20 switching circuit unit, 21 main switch, 22 charging switch, 23 charging resistor, 30 reactor, 40 switching circuit unit , 41 upper arm semiconductor element, 42 lower arm semiconductor element, 50 capacitor, 60, 70 current detector, 80 noise suppression unit, 81, 82 voltage detector, 84 connection conductor, 90 control unit, 90a first control unit, 90b Second controller, 90c Third controller, 90d Subtractor, 90e Divider, 91 Sequence controller, 100, 100A Noise suppression device, 150, 150A Railway system, 300 Processor, 302 Memory, 303 Processing circuit, 304 Interface.
Claims (10)
負側が接続導体を介して前記負側母線に電気的に接続されるコンデンサと、直列に接続される上アーム半導体素子及び下アーム半導体素子を有し、前記上アーム半導体素子が前記コンデンサの正側に接続され、前記下アーム半導体素子が前記コンデンサの負側に接続されるスイッチング回路部と、一端が前記上アーム半導体素子と前記下アーム半導体素子との接続点に接続され、他端が前記架線と前記電力変換部との間の前記正側母線に電気的に接続されるリアクトルと、
を備えたノイズ抑制部と、
前記正側母線における前記リアクトルの接続点と前記電力変換部との間に流れる入出力電流、又は前記負側母線における前記コンデンサの接続点と前記電力変換部との間に流れる入出力電流に応じて前記ノイズ成分電流が抑制されるように前記スイッチング回路部の制御を行う制御部と、
を備えたことを特徴とするノイズ抑制装置。 an inverter that converts DC power supplied through a positive busbar electrically connected to an overhead line and a negative busbar electrically connected to a rail into AC power for a load; and the overhead line and the inverter. A noise suppression device mounted on an electric vehicle including a power conversion unit having a filter circuit disposed therebetween and suppressing noise component current leaking from the inverter to the overhead wire or the rail,
A capacitor having a negative side electrically connected to the negative side bus via a connection conductor, and an upper arm semiconductor element and a lower arm semiconductor element connected in series, the upper arm semiconductor element being the positive side of the capacitor. a switching circuit unit connected to the lower arm semiconductor element to the negative side of the capacitor, one end connected to a connection point between the upper arm semiconductor element and the lower arm semiconductor element, and the other end connected to the overhead wire and a reactor electrically connected to the positive bus between the power conversion unit;
a noise suppressor comprising
Depending on the input/output current flowing between the connection point of the reactor on the positive side bus and the power conversion unit, or the input/output current flowing between the connection point of the capacitor on the negative side bus and the power conversion unit a control unit that controls the switching circuit unit so that the noise component current is suppressed by
A noise suppression device comprising:
ことを特徴とする請求項1に記載のノイズ抑制装置。 The noise suppression device according to claim 1, wherein the capacitor holds a voltage higher than the voltage of the overhead wire.
前記入出力電流を検出する第2の電流検出器と、
を備え、
前記制御部は、前記第1の電流検出器の出力である第1出力が、前記第2の電流検出器の出力である第2出力に基づいて生成される第1信号に一致するように前記スイッチング回路部を制御し、
前記第1信号は、前記第2出力に含まれる直流成分を除去して得た第2信号に基づいて生成される
ことを特徴とする請求項1又は2に記載のノイズ抑制装置。 a first current detector that detects a current flowing through the reactor or the connection conductor;
a second current detector that detects the input/output current;
with
The control unit controls the first output, which is the output of the first current detector, to match the first signal generated based on the second output, which is the output of the second current detector. controls the switching circuit,
3. The noise suppression device according to claim 1, wherein the first signal is generated based on a second signal obtained by removing a DC component contained in the second output.
前記制御部は、前記インバータ制御部から前記ノイズ抑制部の動作を指示する第3信号が入力されるように構成され、
前記第3信号によって前記スイッチング回路部の動作が指示された場合に、前記上アーム半導体素子及び下アーム半導体素子に対するスイッチング制御を行う
ことを特徴とする請求項1から3の何れか1項に記載のノイズ抑制装置。 The electric vehicle includes an inverter control unit that controls the operation of the inverter,
the control unit is configured to receive a third signal instructing the operation of the noise suppression unit from the inverter control unit;
4. The device according to any one of claims 1 to 3, wherein switching control is performed on the upper arm semiconductor element and the lower arm semiconductor element when the operation of the switching circuit section is instructed by the third signal. noise suppression device.
前記制御部は、前記ノイズ抑制部の構成要素の何れかに故障が生じている場合には、前記開閉回路部をオフに制御する第5信号を生成して前記開閉回路部に出力する
ことを特徴とする請求項1から4の何れか1項に記載のノイズ抑制装置。 A switching circuit section for opening and closing an electrical connection between the reactor and the positive bus,
The control unit generates a fifth signal for turning off the switching circuit unit and outputs the fifth signal to the switching circuit unit when any of the components of the noise suppressing unit has failed. 5. A noise suppression device according to any one of claims 1 to 4.
前記制御部は、前記ノイズ抑制部の構成要素の何れかに故障が生じている場合には、前記スイッチをオフにする第4信号を生成して前記スイッチに出力する
ことを特徴とする請求項1から6の何れか1項に記載のノイズ抑制装置。 The electric car includes a switch that opens and closes an electrical connection between the overhead wire and the inverter in a stage preceding the filter circuit,
3. The control unit generates a fourth signal for turning off the switch and outputs the fourth signal to the switch when a failure occurs in any component of the noise suppression unit. 7. The noise suppression device according to any one of 1 to 6.
前記電気車は、前記フィルタ回路の前段に前記架線と前記インバータとの間の電気的接続を開閉するスイッチを備え、
前記制御部は、前記ノイズ抑制部に故障が生じているかどうかの情報を含む第6信号を生成して前記インバータ制御部に出力し、
前記インバータ制御部は、前記第6信号が前記ノイズ抑制部の故障を示している場合は、前記スイッチをオフにする第7信号を生成して前記スイッチに出力する
ことを特徴とする電気車制御装置。 An electric vehicle control device comprising: the noise suppressing device according to claim 6; and a power conversion unit equipped with an inverter control unit that controls the operation of the inverter, the filter circuit, and the inverter,
The electric car includes a switch that opens and closes an electrical connection between the overhead wire and the inverter in a stage preceding the filter circuit,
The control unit generates a sixth signal including information indicating whether or not the noise suppression unit has failed, and outputs the sixth signal to the inverter control unit;
The inverter control unit generates a seventh signal for turning off the switch and outputs the seventh signal to the switch when the sixth signal indicates a failure of the noise suppression unit. Device.
前記フィルタ回路は、フィルタコンデンサを備え、
前記電気車は、前記フィルタコンデンサを充電する充電回路部を備え、
前記制御部は、前記ノイズ抑制部の構成要素の何れかに故障が生じている場合には、前記充電回路部をオフに制御する第5信号を生成して前記充電回路部に出力することを特徴とする電気車制御装置。 7. An electric vehicle control device comprising: the noise suppressing device according to claim 5 or 6; and a power conversion unit equipped with an inverter control unit that controls operations of the inverter, the filter circuit, and the inverter,
The filter circuit comprises a filter capacitor,
The electric car includes a charging circuit unit that charges the filter capacitor,
The control unit generates a fifth signal for controlling the charging circuit unit to be off and outputs the fifth signal to the charging circuit unit when a failure occurs in any of the components of the noise suppressing unit. An electric vehicle control device characterized by:
前記フィルタ回路はフィルタコンデンサを備え、
前記電気車は、前記フィルタコンデンサを充電する充電回路部を備え、
前記制御部は、前記ノイズ抑制部に故障が生じているかどうかの情報を含む第6信号を生成して前記インバータ制御部に出力し、
前記インバータ制御部は、前記第6信号が前記ノイズ抑制部の故障を示している場合は、前記充電回路部をオフにする第7信号を生成して前記充電回路部に出力する
ことを特徴とする電気車制御装置。 7. An electric vehicle control device comprising: the noise suppressing device according to claim 5 or 6; and a power conversion unit equipped with an inverter control unit that controls operations of the inverter, the filter circuit, and the inverter,
the filter circuit comprises a filter capacitor;
The electric car includes a charging circuit unit that charges the filter capacitor,
The control unit generates a sixth signal including information indicating whether or not the noise suppression unit has failed, and outputs the sixth signal to the inverter control unit;
The inverter control unit generates a seventh signal for turning off the charging circuit unit and outputs the seventh signal to the charging circuit unit when the sixth signal indicates a failure of the noise suppressing unit. electric car controller.
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