JPH11511949A - 高電圧電力コンバータシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は例えば鉄道車両の駆動システム（１）に使用される高電圧電力コンバータシステムに関するものである。電流整流システム（２）は利用システム（３）のいくつかのモータの電源として複数の部分整流システム（２．１〜２．ｎ）を具備する。交流高電圧（５．１）は、他の方法においては必要とされる主要部の変圧器の使用をしないような方法で部分整流システム（２．１〜２．ｎ）の直列回路として供給される。整流システム（２）は複数システムとしてそして直流電圧（５．２）をも供給するようにしても比較的簡単に設計することができる。

Description

【発明の詳細な説明】 高電圧電力コンバータシステム 本発明は少なくとも１つの負荷に高電圧電力源から電力を供給する少なくとも ２つの部分コンバータシステム（ｐａｒｔｉａｌ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｓｙｓ ｔｅｍ）を有するコンバータシステムに関するもので、各部分コンバータシステ ムは少なくとも１つの入力コンバータ、少なくとも１つの電圧中間回路（ｖｏｌ ｔａｇｅ ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ ｃｉｒｃｕｉｔ）、および少なくとも１ つのインバータを有するものである。 かかるコンバータシステムは鉄道車両の駆動システムにおいて特に有効に利用 し得る。それ故、以下の記述は他の負荷例えば高電圧電源とは異なる種類を使用 する固定負荷などに電力を供給する場合にも原理的に使用できるコンバータシス テムに係る駆動システムにも関係するものである。 鉄道車両のための駆動システムの分野における部分コンバータシステムについ ては、本発明に関係するコンバータシステムに使用することのできる多数の変形 された回路が知られている。 図６は請求項１の先行文献に関するコンバータシステムを示す。図６は文献“ Ｓｙｓｔｅｍｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅ；Ｆａｈｒｅｕｇｔｅｃｈｎｉｋ ｆｕｒ ａｌｌｅ Ａｎｗｅｎｄｕｎｇｅｎ（システムテクノロジイ；車両技術への応 用）”ＡＢＢ Ｈｅｎｓｃｈｅｌ Ｌｏｋｏｍｏｔｉｖｅｎ ＧｍｂＨ，Ｍａｎ ｎｈｅｉｍ，１９９３年２月、の第４６頁からの引用である。図示された接続ラ インとレールの間は高電圧であり、この電圧の大きさと周波数は鉄道システムに より異なるものである。例えば、ドイツ連邦鉄道は１５ｋＶ，１６ 2/3 Ｈｚで 運行する。この牽引電圧はスイッチＨＳを経て変圧器（図示されていない）の１ 次巻線に接続されている。部分コンバータシステムＳＲ２，ＳＲ３はそれぞれこ の変圧器の２つの２次巻線に接続されている。これら部分コンバータシステムは 、モータに直列のインダクタを経て２つの並列に接続された牽引モータＦＭ２， ＦＭ３に接続されている。 この部分コンバータシステムはそれぞれ入力コンバータとして２相４象限コン トローラ４ｑ−Ｓを有し、これはキャパシタで示される電圧中間回路に直流電圧 を供給する。それぞれの多相インバータＷＲは牽引モータに対し３相電力を供給 する。 変圧器が４つの２次巻線を有し、それぞれが部分コンバータシステムに接続さ れた同様の構造がＩＣＥ高速鉄道において使用され、例えば、ＡＥＧ，ＡＢＢお よびシーメンスによる共同発行の文献 ＶＴ ６２，８９／２６，１０００３５ ，に記載されている。 シュテファン エストランド（Ｓｔｅｆａｎ Ｏｓｔｌｕｎｄ）氏による論文 “Ａ Ｐｒｉｍａｒｙ Ｓｗｉｔｃｈｅｄ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｔｒａｃ ｔｉｏｎ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”，Ｔｒｉｔａ−ＥＭＫ−９２０１，ＩＳ ＳＮ１１００−１６３１、Ｒｏｙａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎ ｏｌｏｇｙ，Ｓｔｏｃｋｈｏｌｍ，に図６．２．３として鉄道車両のためのコン バータ回路が記載されており、この中で４つの電力供給コンバータが直列に接続 されている。変圧器の１次巻線が電力供給コンバータの各出力に接続されている 。変圧器の単一の２次巻線が４象限コントローラに接続され、それは直流電圧中 間回路に接続され、図２．２．１に示される回路により、インバータを経てモー タに接続されている。 これら既知の駆動システムは、部分コンバータシステムおよびモータ側の回路 と、その内部の設計に関して一般的に互いに相違するが、基本的特徴としてこれ らのシステムは変圧器を電源供給側に備えている。 本発明は請求項１に予め記載された内容に対応するコンバータシステムに係る 装置を基本とし、重量、容積および価格を低減し、そして特に駆動システムのた めに使用されるものである。それはまたマルチモードシステムとしてのコンバー タシステムの設計を可能にすることを目的とし、異なる電圧および直流をも含む 異なる周波数で動作するためのものと言える。 請求項１に予め記載されたコンバータシステムの場合、この装置はこの請求項 の特有の構成により形成される。 本発明は大きな入力交流電圧に対して余裕のある電力供給側変圧器を使用しな いコンバータ回路についての要件を規定 する。 その効果は、変圧器を使用しないことにより駆動システム（コンバータシステ ムとモータ）の重量、容積および価格が３０％低減されるばかりでなく、マルチ モードシステムの設計の単純化を可能とし、そして、結合される冗長性ある部分 システムによりその利用性が改善されることである。 変圧器の１次側に配列された電力供給コンバータの直列回路を有する上記エス トランド氏の論文の構成と比較し、エネルギー変換段が少ない。既知の構成の場 合においては、電力供給コンバータ、４象限コントローラおよびインバータによ り、３つのエネルギー変換が必要とされ、一方、本発明による装置の場合には、 主に入力コンバータとインバータの２つのエネルギー変換が必要とされるだけで ある。さらに相違点は、価格に関する相違が重要であり、既知の装置が対称的に 電流を阻止する半導体素子を有する直流コンバータを必要とするのに対し、本発 明のシステムはより価格的に効果のある非対称半導体により動作する。加えて、 中間周波数変圧器がなく、そして直流絶縁はモータそれ自身、すなわち直流絶縁 された星形ポイント（ｓｔａｒ ｐｏｉｎｔ）を有する多重星形システムにより 行なわれる。 コンバータシステムの有効な改良が他の請求項により規定されており、下記の 典型的実施例の記述に図面を参照しながら示されている。 図１ 複数の電源システムを有する駆動システムの コンバータシステムの摸式図を示す。 図２ 図１のコンバータシステムの部分システムの 構成を示す。 図３ 電流補償入力インダクタコイルを有する部分 コンバータシステムを示す。 図４ 図１または図２に関するシステムにおけるモ ータ直列インダクタの配置を示す。 図５ トロイダルコアを有するモータ直列インダク タを示す。 図６ 従来技術におけるコンバータの配置を示す。 図７ 保護装置を有するコンバータの配置を示す。 図８ ２入力コンバータの直列接続の摸式図を示す。 図９ 平衡負荷に対するベクトル図を示す。 図１０および図１１ 不平衡負荷の分布を示す。 図１２ コントローラの渦変調（ｏｖｅｒｍｏｄｕｌ ａｔｉｏｎ）を示す。 図１３〜１６ 基本補償（ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ ｃｏ ｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ）を示す。 図１は鉄道車両に関する駆動システム１の構成を示す。 駆動システム１はコンバータシステム２と負荷システム３を含む。駆動システ ム１の一部として図示されている入力インダクタコイル４は、その様に変更する ことで、コンバータシステム２の一部とすることもできる。インダクタはまた集 中入力インダクタコイル４に代えて、過電圧保護に関して好都合な分布方式で配 置することができる。 図１は一方では、使用される要素を規定するのに用いられるが、他方では、い わゆるマルチシステム回路における本発明による駆動システム１の構成をも示し ている。 マルチシステム回路という用語は、コンバータシステム２の部分システムを相 違する高電圧システムにおいて動作可能とするように編成し直すかまたは変更で きること意味する。この場合の相違は、電圧および周波数の大きさおよび直流電 圧に関する。図１において相違は、例えば、２５ｋＶ−５０Ｈｚまたは１５ｋＶ −１６2/3 Ｈｚの交流電圧システム５．１と、３ｋＶまたは１．５Ｖの直流電圧 システム５．２として図示されている。 駆動システム１は、図示された例において、複数の部分コンバータシステム２ ．１〜２．ｎを有し、それぞれは入力側において４つの接続部Ｅ１〜Ｅ４を有す る。 負荷システム３は、複数の負荷３．１〜３．ｎ含むことができ、部分コンバー タシステム２．１〜２．ｎの１つまたはそれ以上から１つの負荷へ負荷の特性に 対応した電力供給を可能とする。ここで考慮される駆動システムの場合は、負荷 システムは例えば単一の星形または多重星形回路、または他の多重巻線構造を有 するモータシステムである。巻線回路に応じて、部分コンバータシステム２．１ 〜２．ｎと負荷間の接続線８は、２または３導体接続となる。 高電圧システムに関し、部分コンバータシステム２．１〜 ２．ｎは異なった接続で、すなわち、並列または直列回路で、そして部分コンバ ータシステム２．１〜２．ｎの入力コントローラ（図２参照）を使用してまたは 使用せずに動作する。図１は電流ピックオフ３３を経て交流電圧システム５．１ からの、または直流電圧システム５．２からの、電力供給に対応する複数の回路 の選択について示す。参照番号６は車輪を、そして７は車輪用レールとレールシ ステムを記載する。 図２は例として図１に対応する部分コンバータシステム２．１〜２．ｎの設計 の詳細を示し、これらはそれぞれ同じ構造である。 部分コンバータシステムは、入力インダクタ構造２０、好ましくは４象限コン トローラとして設計された入力コンバータ２１、中間回路キャパシタＣ_ZWを含む 電圧中間回路２２、およびマシンコンバータとしてのインバータ２３を有する。 第１の切替えスイッチ２４および第２の切替えスイッチ２５が異なる高電圧シ ステムに切替えるために配置される。第１の切替えスイッチ２４が第１のスイッ チ位置にあるとき、入力コンバータ２１は第１の部分コンバータシステム２．１ の入力Ｅ２を経て供給される交流高電圧５．１で動作するように直列に接続され る。第１の切替えスイッチ２４が第２のスイッチ位置２にあるとき、直流電圧５ ．２が全ての部分コンバータシステム２．１〜２．ｎの入力Ｅ１を経て供給され 、入力コントローラ２１は使用されない。電源はスイッチ位置が２である第２の 切替えスイッチ２５を経て、そして直流負 荷と組み合わされるインダクタコイルＬ_DRAINを経て、それぞれの部分コンバー タシステム２．１〜２．ｎの電圧中間回路２２に並列となる。 第１の高電圧システム５．１からの交流電圧電源に対しては、第２の切替えス イッチ２５はスイッチ位置１にあり、インダクタコイルＬ_DRAINは直列同調回路 キャパシタＣ_DRAINと共に直列同調回路を形成する。 並列に供給される直流電圧の大きさはインバータ半導体の絶縁耐力により制限 されることは自明である。 図３は、電流補償インダクタとして適切に設計された入力インダクタ構造２０ を備えた例えば、２．１の部分コンバータシステムの配列を示し、この手段によ り部分コンバータシステムの入力コンバータ２１間の寄生等化電流（ｐａｒａｓ ｔｉｃ ｅｑｕａｌｉｚｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ）が減少する。加えて、図３は 部分コンバータとアース間に生じ得る寄生結合（集中キャパシタ素子１３として 単純な形で記載されている）を示し、これはモータ３．１とアース間に集中キャ パシタ素子１４として記載されているものと同様のものである。 図４はかかる寄生効果を低減するための電流補償モータ直列インダクタ１５（ 文献で既知）としての可能な一配置を示し、電流の合計は実質上ゼロとなり、図 ５に示すような電流補償モータ直列インダクタ１５の鉄のコア１６が極めて小さ くなるように設計できる。 図７は複数の保護装置と冗長性を与える手段を示し、図１ および図２に示される異なる高電圧システム間のスイッチによる選択は省略され ている。図は直列に接続された部分コンバータシステム２．１〜２．ｎを示す。 ヒューズ９と過電圧抑制器１０に加え、メインスイッチ１１、電源フィルタ１ ２、電源インダクタコイル１７、２つのコンバータ１８そして、過電圧保護装置 としてのバリスタ１９が電源電流経路に配置される。コンバータ１８は差動保護 装置３０に接続されており、これはコンバータシステム２の入力および出力間に 電流差が生じた場合メインスイッチ１１を駆動する。 ３−星形モータ（ｔｈｒｅｅ−ｓｔａｒ ｍｏｔｏｒｓ） ３．１〜３．ｎがモータスイッチ３１を介して負荷として接続され、それぞれの １つモータスイッチ３１が１つの部分コンバータシステムを１つのモータの１つ の星形システムに接続する。 各部分コンバータシステム２．１〜２．ｎは橋絡スイッチ３２により接続され ないようにすることができる。故障の場合には、部分コンバータシステムの代わ りに部分コンバータシステムのための冗長システムとして設置された、または故 障した部分コンバータシステムを橋絡するための、適切な回路配置が使用され、 これを準備するために上記に対応する冗長性のための回路設計が考慮される。 部分コンバータシステム、特にこれら直列に接続された入力コンバータ、の制 御と調整は既知の制御方法を用いて異なる方法で実行される。しかしここで入力 電流を負荷の関数と して中間回路電圧に対する別の方法による通常の制御技術により定めることは困 難であることが自明である。各部分コンバータシステムは直列に接続されている という事実により、入力電流は全ての入力コンバータについて同じである。 入力電流、即ちコンバータシステムの電源電流はコンバータシステムにより消 費される全ての電圧−電流（ｖｏｌｔ−ａｍｐｅｒｅｓ）により制御される。電 圧−電流は単に個々の入力コンバータの電圧を介して個々の部分コンバータシス テム間で分配され、同時に，２つの部分コンバータシステム間で平衡負荷配分を 有する場合に関する図９の例に示すような加算ベクトル図を満足する。 図１０は不平衡負荷配分を示す。図１１は他の可能な不平衡負荷配分を示し、 ここで個々の電圧は全電圧とその位相が相違する。 図８は、４象限コントローラ４−ＱＳ１および４−ＱＳ２を示し、図９に対応 する２つの入力コンバータ２１の直列回路の基準階層を示す。ここに開示するも のは駆動モータの電源に関するものであり、そして、正弦波電源電流に関するも のである。 動作モードについては個々の部分コンバータシステムが異なる負荷に対して動 作するという事実を考慮する必要がある。負荷の相違は例えば動作点が異なる場 合に生ずる。例えばオープン巻線を有する装置において、オープン巻線の正弦波 電流が時間と共に変るこよにより、特に装置の速度が遅い場合などである。 コンバータシステム全体が異なる負荷からなる複数の装置（図６又は図７参照 ）を駆動する場合、部分コンバータシステムの負荷が相違する他の場合が生ずる 。 部分コンバータシステムにより消費される電圧−電流は電圧と電流の積で求め られ、電流は個々の電力の合計と全電圧［ｓｉｃ］から求められる。全電流（直 列回路であるのため各部分の電流に等しい）は全体のコンバータシステムの全て の負荷により変化する。部分コンバータシステムの電圧−電流は、各々に入力さ れるコンバータ電圧により、直列回路を通してそれぞれに流れる入力電流に留意 して制御される。 平衡負荷における入力コンバータの名目電圧（ｎｏｍｉｎａｌ ｖｏｌｔａｇ ｅ）は、部分コンバータシステムの数に対する全電圧の比により決定される。 不平衡負荷の場合の入力コンバータの名目電圧は、全コントローラの名目電圧 を掛けた全コンダクタンスに対する個々の入力コンバータのコンダクタンスの比 により定まる。一方、コントローラの名目電圧は電圧−電流成分の複素数分析か ら導くことができ、最大コントロール電圧が特定された場合に電圧−電流成分間 により大きな差異が可能となる。 部分コンバータが直列に接続された場合は、個々の部分コンバータシステムに ついては電源供給側で過変調で動作することができ、過変調なしで動作する部分 コンバータシステムの制御電圧は、正弦波によって全電圧が供給されるような方 法が選択される。この方法は、これら部分コンバータの電圧−電流が、このコン バータシステムの全電圧−電流が同じに 維持される間に、最大２７％増の過変調で動作することを認めるものである。こ のことは大きな不平衡負荷配分が必要とされる場合において全体としての分配率 を低減させる。図１２は、２つの部分コンバータが直列に接続された場合におい て、コントローラが過変調となる場合を示す。この場合、第２のコントローラは 全電圧が正弦波であるような方法で電圧を供給する。２つのコントローラに関す るこの動作モードは図１２に示されているが、同様な方法で複数のコントローラ に拡張することができる。 図１３から図１６はコントローラが過変調で動作した場合の電圧の基本補償を 示す。中間回路電圧を限定するコントローラ電圧がシステムに依存する結果、追 加の処理がなされない場合には、もはや必要とされる基本電圧が達成されるわけ ではない。しかしながら、これは名目コントローラ電圧を予め増加する場合には 補償することができる。この電圧は要求される基本電圧が再び達成されるような 係数により正確に増加される。この係数は予め計算され表として記録される。さ らに、ここで過変調では動作していないコントローラは、本来要求された電圧と 最終的に変調された電圧間の相違として生ずる電圧を引受なければならない。最 終的に変調された電圧は、中間回路電圧の制限がなされない限り、中間回路電圧 と基本補償がされた後の電圧から供給される電圧から得られる。 図１３は、基本補償なしで過変調されたコントローラ電圧を示す。 図１４は、基本補償前後のコントローラの名目電圧を示す。 黒く塗られた領域は他のコントローラにより処理しなければならない。 図１５は、基本補償後の、過変調で動作するコントローラの名目電圧を示す。 図１６は、負荷のない場合のコントローラの名目電圧を示し、過変調されたコ ントローラと直列で動作する。コントローラに負荷がかかる場合には、過変調さ れたコントローラの基本補償の結果にそのコントローラの名目電圧が加わる。 ここに示した、２つの部分コンバータの例を使用する方法は、同じシステムに 使用する２つより多いコントローラの場合にも容易に拡張することができるが、 そのためにさらなる例を示す必要はない。 基本補償は要求されるコントロールと可能なコントロール電圧との間の不一致 を防止する。基本補償は基本パルスの最高部変調領域の直線的なコントロールを 可能とする。 参照番号の一覧表 １ 駆動システム ２ コンバータシステム ２．１から２．ｎ 部分コンバータシステム ３ 負荷システム ３．１から３．ｎ 負荷（モータ） ４ 入力インダクタ ５．１ 第１の高電圧電力源（交流電圧） ５．２ 第２の高電圧電力源（直流電圧） ６ 車輪 ７ レール ８ 接続線 ９ ヒューズ １０ 過電圧抑制器 １１ メインスイッチ １２ 電源フィルタ １３ 部分コンバータとアース間の寄生結 合 １４ モータとアース間の寄生結合 １５ モータ直列インダクタ １６ 鉄のコア １７ 電源インダクタコイル １８ コンバータ １９ バリスタ ２０ 入力インダクタ構造 ２１ 入力コンバータ ２２ 電圧中間回路 ２３ インバータ ２４ 第１の切替えスイッチ ２５ 第２の切替えスイッチ ３０ 差動保護装置 ３１ モータスイッチ ３２ 橋絡スイッチ ３３ 電流ピックオフ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 少なくとも１つの負荷（３、３．１〜３．ｎ）に高電圧電源（５．１、５ ．２）から電力を供給するコンバータシステムであって、該コンバータシステム （２）は複数の部分コンバータシステム（２．１〜２．ｎ）を含み、各コンバー タシステム（２．１〜２．ｎ）は少なくとも１つの入力コンバータ（２１）、電 圧中間回路（２２）、およびインバータ（２３）を含み、 それぞれが何等上位に接続される変圧器を有せず、中間位置または下位に、 ａ）電源が交流高電圧（５．１，例えば１５ｋＶ−１６2/3 Ｈｚ，２５ｋＶ− ５０Ｈｚ）の場合には、直列に部分コンバータシステム（２．１〜２．ｎ）の入 力コンバータ（２１）を接続し、 ｂ）電源が直流電圧（５．２，例えば１．５ｋＶまたは３ｋＶ）の場合には、 部分コンバータシステム（２．１〜２．ｎ）の電圧中間回路（２２）に並列の電 源を供給する手段（２４、２５）を備えていることを特徴とするコンバータシス テム。 ２．前記コンバータシステムが鉄道車両の駆動システム（１）の一部であること を特徴とする請求項１に記載のコンバータシステム。 ３． 負荷（３．１〜３．ｎ）が多重星形回路の複数のオープン巻線または巻線 を有する少なくとも１つの非同期モータであることを特徴とする請求項１または ２に記載のコンバータシステム。 ４． 入力インダクタ（２０）が電源（５．１，５．２）と各入力コンバータ（ ２１）の間に配置されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項 に記載のコンバータシステム。 ５． 全ての部分コンバータシステ（２．１〜２．ｎ）に共通する電源インダク タコイル（１７）が配置されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれ か１項に記載のコンバータシステム。 ６． 部分コンバータシステ（２．１〜２．ｎ）が２ポイント（ｔｗｏ−ｐｏｉ ｎｔ）または多重ポイント（ｍｕｌｔｉｐｏｉｎｔ）回路で構成されることを特 徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載のコンバータシステム。 ７． インバータ（２３）が２相または多相で構成されていることを特徴とする 請求項１ないし６のいずれか１項に記載のコンバータシステム。 ８． 直列に接続され電源側に配置されたコントローラ（２ １）のいくつかは過変調で動作し、他のコントローラ（２１）の少なくとも１つ は全電圧が正弦波となるような電圧を提供することを特徴とする請求項１ないし ７のいずれか１項に記載のコンバータシステムを制御する方法。 ９． 直列に接続され、電源側に配置されたコントローラ（２１）のいくつかは 過変調で動作し、システムに従属するコントローラ電圧が中間回路電圧を限定す るのように前もって計算された係数に基づき増加する名目基準電圧が補償され、 その結果全電圧が正弦波となることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１ 項に記載のコンバータシステムを制御する方法。