JPH09131072A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ＬＣフィルタを備えた電力変換器において、出
力急変によって発生するコンデンサ電圧の上昇にともな
う過電圧保護動作を防止し、電力変換器の運転を継続す
る。 【解決手段】直流電源１をインバータ装置２によって交
流に変換し、リアクトル３１およびコンデンサ３２によ
って構成されるＬＣフィルタ３を介して、交流電力を得
る電力変換器において、負荷電流の最大値ilmax と、コ
ンデンサ電圧目標値Ｖmax と過電圧保護装置の動作電圧
Ｖｐの差電圧Ｖｒに対し、ＬＣフィルタの特性インピー
ダンスＺをＶｒ／ilmax より小さく設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は無停電源、鉄道車両
用補助電源装置などＬＣフィルタを要する電力変換装置
に係り、特に、負荷急変時の電圧上昇を抑制するための
ＬＣフィルタ定数の設定に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１に、交流側にＬＣフィルタを持つ直
流電源から交流電圧を得る電力変換器の一例として鉄道
車両よう補助電源装置の構成図を示す。図１では、直流
電源１をインバータ装置２によって交流に変換し、リア
クトル３１およびコンデンサ３２によって構成されるＬ
Ｃフィルタ３を介して、負荷装置４および列車を制御す
るための制御装置９に交流電力を供給している。また、
電圧制御装置５は、電圧検出手段８４によって検出した
コンデンサ３２の電圧ｖが目標瞬時電圧ｖ＊と一致する
ようにインバータの電圧指令値ｖｒを出力する。ＰＷＭ
信号発生電圧７はｖｒに基づいてインバータ装置２を駆
動するためのＰＷＭ信号を発生する。また、コンデンサ
３２の電圧を検出し、この電圧が設定値以上になった場
合にインバータ装置２を停止する過電圧保護装置１５が
設けられている。ＬＣフィルタ３は、インバータ装置２
の発生する高調波を低減する目的で、インバータ装置２
と負荷４の間に挿入し、低減する高調波の周波数に応じ
て、

【０００３】

【数４】

【０００４】で決定する共振周波数ｆｒを設定しｆｒ以
上の周波数成分を低減することができる。ここで、Ｌは
リアクトル３１のリアクトル容量、Ｃはコンデンサ３２
のコンデンサ容量である。

【０００５】ここで、図１の電力変換器で負荷に電流ｉ
ｌが流れている状態から、短絡事故等の負荷側の理由に
より断路器６が開放された場合について考える。断路器
６が閉じている状態では、リアクトル３１にはコンデン
サ３２の電圧ｖを目標電圧ｖ＊に制御するためのコンデ
ンサ電流ｉｃと負荷電流ｉｌが流れている。この状態
で、断路器６が開放されると本来コンデンサ３２の電圧
をｖ＊に制御するために流れている電流ｉｃに加え、負
荷電流ｉｌもコンデンサ３２に流れ込みコンデンサ電圧
を上昇させる。このとき、過電圧保護装置１５の過電圧
検出の設定値を越えると、過電圧保護装置が働きインバ
ータ装置２を停止する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来の方式では、負荷
電流ｉｌの大きさによっては過電圧保護装置が働き、イ
ンバータ装置２が停止されるため、制御装置９への電力
供給が停止され列車の運行が継続できなくなるといった
問題が生じる本発明の目的は、負荷急変，出力急変によ
って発生するコンデンサ電圧の上昇にともなう、過電圧
保護動作を防止し、電力変換器の運転を継続することに
ある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】直流電源１をインバータ
装置２によって交流に変換し、リアクトル３１およびコ
ンデンサ３２によって構成されるＬＣフィルタ３を介し
て、交流電力を得る電力変換器において、負荷電流の最
大値ilmax と、コンデンサ電圧目標値Vmaxと過電圧保護
装置の動作電圧Ｖｐの差電圧Ｖｒに対し、ＬＣフィルタ
の特性インピーダンスＺを次式のように設定する。

【０００８】

【数５】

【０００９】ＬＣフィルタの特性インピーダンスを上記
のように設定することによって、断路器６が開放され負
荷が切り放された場合にも、コンデンサ電圧が過電圧保
護装置の動作電圧Ｖｐを越えることがなくなり、負荷開
放によって過電圧保護機能が動作することがなくなり、
インバータの停止を防止することができ、電力変換器お
よび制御装置の運転を継続することができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】ここで、図１において負荷電流ｉ
ｌがコンデンサ３２に流れ込むために起こるコンデンサ
電圧の変動分ΔＶについて考える。負荷電流ｉｌがリア
クトル３１を流れることによってリアクトルに蓄えられ
るエネルギは

【００１１】

【数６】

【００１２】である。一方で、コンデンサに蓄えられる
エネルギは、エネルギが蓄えられることによってコンデ
ンサ電圧の変動分ΔＶによって次式で表される。

【００１３】

【数７】

【００１４】負荷電流ｉｌによってリアクトルに蓄えら
れるエネルギが、負荷遮断によってすべてコンデンサに
流れ込むものとする数６と数７は等しい。

【００１５】この結果、負荷電流ｉｌとコンデンサ電圧
の変動分ΔＶの関係は、ΔＶ＝Ｚ・ｉｌとなる。ここ
で、ＺはＬＣフィルタの特性インピーダンスで、

【００１６】

【数８】

【００１７】である。

【００１８】これにより、負荷４の遮断によるコンデン
サ電圧の最大値Ｖｘは、コンデンサ電圧目標値Ｖmax 、
負荷電流の最大値ilmax およびＬＣフィルタの特性イン
ピーダンスＺによって、Ｖｘ＝Ｖmax＋Ｚ・ilmaxと表す
ことができる。負荷４の遮断によって発生するコンデン
サ電圧の最大値Ｖｘが、過電圧保護装置の動作電圧Ｖｐ
以下であるためには、Ｖｐ＞Ｖｘ＝Ｖmax＋Ｚ・ilmaxで
ある必要がある。ここで、ＶｐとＶmax の差電圧をＶｒ
とし、数７をＺについて整理すると、Ｚ＜Ｖｒ／ilmax
と変形できる。

【００１９】つまり、ＬＣフィルタの特性インピーダン
スを数８のように設定することによって、負荷４が遮断
された場合にもコンデンサ電圧が過電圧保護装置の動作
電圧を越えることがないので、電力変換装置が停止する
ことなく動作を継続することができる。

【００２０】このとき、前述したフィルタの共振周波数
ｆｒと特性インピーダンスＺはリアクトルＬとコンデン
サＣの組み合わせによって、それぞれ設定することがで
きるのでフィルタの高調波低減特性を失うことなくコン
デンサ電圧の過電圧保護装置の動作による電力変換装置
を防止することができる。図１に実施例では、単相の場
合を例にとって説明したが、３相の場合にも本発明は適
応できる。さらに、本発明は、図３に示すような直流の
負荷と直流に交換するコンバータ間に接続されるフィル
タにも適用できる。

【００２１】本発明を鉄道車両用インバータの直流側に
設けられるフィルタに適用する場合の実施例を図２に示
す。図２においては、図示していない架線から電力を取
り込む集電装置１０と誘導電動機１１を駆動するインバ
ータ装置１２とをリアクトル１３１とコンデンサ１３２
によって構成されるフィルタ装置を介して接続する。ま
た、コンデンサ１３２の電圧を検出し、この電圧が設定
値以上になった場合にインバータ装置１２を停止する過
電圧保護装置１４が設けられている。図２で誘導電動機
１１が空転する等してインバータ１２の出力が急激に減
少もしくは、急激に零になった場合、図１に示した実施
例と同様にコンデンサ１３２の電圧が上昇する。この電
圧上昇が大きいと過電圧保護装置１４が動作し、インバ
ータ１２を停止させる。インバータの運転を続行するた
めにはインバータ装置の制御装置をリセットする必要が
あるため、空走時間が発生してしまい列車の運行に支障
をきたすことになる。ここで、インバータ１２の出力急
変によるインバータ１２の直流入力電流の変化をΔｉｄ
とすれば、出力急変によるコンデンサ１３２の電圧上昇
ΔＥは、ΔＥ＝Ｚ・Δｉｄ（Ｚは、リアクトル容量Ｌ，
コンデンサ容量Ｃに対し

【００２２】

【数９】

【００２３】である。）となるので、コンデンサ１３２
の電圧上昇の最大値ΔＥmax は、インバータの出力が最
大から零に急変した場合であるから、インバータの出力
が最大である時の直流入力電流idmax にたいし、ΔＥma
x＝Ｚ・idmaxとなる。これにより、インバータ動作時の
コンデンサ電圧Ｅｄと過電圧保護の動作電圧Ｅｐとの差
電圧Ｅｒに対して、Ｅｒ＜ΔＥmaxつまり、Ｚ＜Ｅｒ／i
dmaxであればインバータ１２の出力急変による過電圧の
発生は防止され、インバータ１２が停止されることがな
くなり、列車の運行を円滑に行うことができる。

【００２４】

【発明の効果】本発明によれば、負荷開放等の電力変換
器の出力が急変する場合に発生する電圧上昇によって過
電圧保護機能が動作することがなくなり、インバータの
停止を防止することができ、電力変換器および制御装置
の運転を継続することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す回路図。

【図２】本発明の第二の実施例を示す回路図。

【図３】本発明の第三の実施例を示す回路図。

【符号の説明】

１…直流電源、２…インバータ装置、４…交流負荷、５
…電圧制御手段、６…断路器、７…ＰＷＭ信号発生手
段、１５…過電圧保護装置、３１…フィルタリアクト
ル、３２…フィルタコンデンサ。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】直流電源から交流を得るインバータ装置の
   交流側に接続されるリアクトルおよびコンデンサによっ
   て構成されるフィルタ装置と、前記コンデンサの電圧が
   装置の保護のために設定される設定電圧よりも高くなっ
   た場合に前記インバータ装置を停止する過電圧保護装置
   によって構成される電力変換装置において、前記リアク
   トルの容量Ｌと前記コンデンサの容量Ｃを前記フィルタ
   装置に接続される負荷の最大出力電流ilmax と、前記コ
   ンデンサの電圧の最大値Ｖｃと過電圧保護装置の設定電
   圧Ｖｐの差分Ｖｒに対し、 【数１】 を満たすように設定することを特徴とする電力変換装
   置。
2. 【請求項２】直流電源から任意の直流を得るコンバータ
   の装置の負荷側に接続されるリアクトルおよびコンデン
   サによって構成されるフィルタ装置と、前記コンデンサ
   の電圧が装置の保護のために設定される設定電圧よりも
   高くなった場合に前記コンバータ装置を停止する過電圧
   保護装置によって構成される電力変換装置において、前
   記リアクトルの容量Ｌと前記コンデンサの容量Ｃを前記
   フィルタ装置に接続される負荷の最大出力電流idmax
   と、前記コンデンサの設定電圧Ｅｄと過電圧保護装置の
   設定電圧Ｅｐの差分Ｅｒに対し、 【数２】 を満たすように設定することを特徴とする電力変換装
   置。
3. 【請求項３】直流電源から交流を得るインバータ装置の
   直流側に接続されるリアクトルおよびコンデンサによっ
   て構成されるフィルタ装置と、前記コンデンサの電圧が
   装置の保護のために設定される設定電圧よりも高くなっ
   た場合に、前記インバータ装置を停止する過電圧保護装
   置によって構成される電力変換器において、前記リアク
   トルの容量Ｌと前記コンデンサの容量Ｃを前記インバー
   タ装置の直流入力電流の最大値idmax と、前記コンデン
   サの設定電圧Ｅｄと過電圧保護装置の設定電圧Ｅｐの差
   分Ｅｒに対し、 【数３】 を満たすように設定することを特徴とする電力変換装
   置。