WO2021140544A1 - ノイズ抑制装置及び電気車制御装置 - Google Patents

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WO2021140544A1
WO2021140544A1 PCT/JP2020/000072 JP2020000072W WO2021140544A1 WO 2021140544 A1 WO2021140544 A1 WO 2021140544A1 JP 2020000072 W JP2020000072 W JP 2020000072W WO 2021140544 A1 WO2021140544 A1 WO 2021140544A1
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noise suppression
signal
control unit
inverter
unit
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PCT/JP2020/000072
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英俊 北中
西尾　直樹
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三菱電機株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a noise suppression device that suppresses a noise component current leaking from a power converter, and an electric vehicle control device provided with the noise suppression device mounted on the electric vehicle.
  • the electric train control device is equipped with a power converter that receives electric power supplied from the overhead wire and uses the received electric power to drive the traction motor.
  • the power converter is provided with a conversion element inside. Due to the switching operation of the conversion element of the power converter, the return current including the noise component current flows through the rail that is the return path to the substation that is the power supply. Noise component
  • the AC component contained in the current may cause the railway security equipment including the existing railroad crossing control device and line detection device to malfunction. Therefore, it may be required to reliably attenuate the AC component included in the noise component current.
  • Patent Document 1 provides a power source for the DC voltage in an electric vehicle control device having a configuration in which a DC voltage is received via a filter circuit including a filter reactor and a filter capacitor.
  • a configuration is disclosed in which a filter circuit that increases the input impedance with respect to the power supply frequency of an AC power supply is connected in parallel with an existing filter circuit.
  • the entire filter circuit including the existing filter circuit and the additional filter circuit includes not only the noise component current to be reduced but also the originally required DC current component, specifically several hundred [A] to one thousand [. A] About current flows. Therefore, the circuit element to be added has to be increased in size, which causes a problem that the weight of the vehicle and the amount of heat generated are increased. Therefore, it is desired to suppress the noise component current while avoiding the increase in size of the circuit element to be added.
  • the present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to obtain a noise suppression device capable of suppressing a noise component current while avoiding an increase in the size of an additional circuit element.
  • the present invention is mounted on an electric vehicle provided with an inverter and a filter circuit arranged between the overhead wire and the inverter, and leaks from the inverter to the overhead wire or rail. It is a noise suppression device that suppresses the noise component current.
  • the inverter converts the DC power supplied through the positive bus, which is electrically connected to the overhead wire, and the negative bus, which is electrically connected to the rail, into AC power to the load.
  • the noise suppression device includes a noise suppression unit and a control unit.
  • the noise suppression section includes a capacitor whose negative side is electrically connected to the negative bus via a connecting conductor.
  • the noise suppression unit has an upper arm semiconductor element and a lower arm semiconductor element connected in series, the upper arm semiconductor element is connected to the positive side of the capacitor, and the lower arm semiconductor element is connected to the negative side of the capacitor. It is equipped with a switching circuit unit. Further, the noise suppression unit includes a reactor in which one end is connected to the connection point between the upper arm semiconductor element and the lower arm semiconductor element and the other end is electrically connected to the positive bus. The control unit controls the switching circuit unit according to the current flowing through the positive bus or negative bus.
  • the noise suppression device According to the noise suppression device according to the present invention, there is an effect that the noise component current can be suppressed while avoiding an increase in the size of the circuit element to be added.
  • the figure which shows the structural example of the control part in Embodiment 1. A block diagram showing an example of a hardware configuration that realizes the functions of the inverter control unit and the control unit according to the first embodiment.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a railway system 150 including a noise suppression device 100 according to the first embodiment.
  • the railway system 150 includes an overhead wire 1, a current collector 2, a switch 3, a power conversion unit 11, a load 8, wheels 9, and rails 10.
  • the electric vehicle control device according to the first embodiment includes a noise suppression device 100 and a power conversion unit 11.
  • the railway system 150 is a DC overhead line type railway system.
  • the overhead line 1 is connected to a substation (not shown).
  • the substation and the power conversion unit 11 are electrically connected via a current collector 2, a positive bus 2a, a negative bus 2b, a switch 3, wheels 9, and a rail 10.
  • a DC voltage is supplied to the overhead wire 1. Typical DC voltage ratings are in the range of 600V to 3000V.
  • the current collector 2 is provided in an electric vehicle (not shown). The current collector 2 receives DC power supplied from the overhead wire 1 by sliding in contact with the overhead wire 1. The received DC power is input to the switch 3 through the positive bus 2a.
  • the switch 3 is a switch that opens and closes the electrical connection between the overhead wire 1 and the power conversion unit 11.
  • the switch 3 may be arranged inside the power conversion unit 11. The switch 3 switches whether or not to supply power to the power conversion unit 11. During normal operation, the switch 3 is controlled to be in the ON state. Further, when the inverter 6 is stopped or malfunctions, the switch 3 is controlled to be in the off state.
  • an overhead electric wire is shown as an overhead wire 1
  • a pantograph-shaped current collector is shown as a current collector 2
  • the overhead line 1 may be a third rail used in a subway or the like, and the current collector 2 may use a current collector for the third rail in accordance with this.
  • the power conversion unit 11 includes a filter reactor 4a, a filter capacitor 4b arranged after the filter reactor 4a, and an inverter 6 including a plurality of semiconductor elements 6a.
  • the filter reactor 4a is a component in which a conductor is wound in a coil shape.
  • the filter circuit 4 is configured by the filter reactor 4a and the filter capacitor 4b.
  • the filter circuit 4 is arranged between the overhead wire 1 and the inverter 6.
  • a return current including a noise component current flows through the rail 10 which is a return path to the substation which is a power source.
  • the AC component included in the noise component current may cause the railway security equipment including the existing railroad crossing control device and the existing line detection device to malfunction.
  • the filter circuit 4 attenuates the noise component current included in the return current to suppress the outflow of the AC component included in the noise component current to the overhead wire 1 and the rail 10. Further, in addition to the DC component, the AC component voltage generated by the rectifying ripple generated by the rectifying device of the substation is superimposed on the DC voltage output by the overhead wire 1. When the AC component voltage is large, the filter circuit 4 suppresses the noise component current caused by the AC component voltage from flowing to the overhead wire 1 and the rail 10 side.
  • the filter reactor 4a A large amount of electric power is required to drive an electric car. Therefore, a large current flows through the filter reactor 4a. In order to cope with this, the cross-sectional area of the conductor of the filter reactor 4a made of aluminum or copper becomes large. Further, in order to secure the required inductance, the conductor of the filter reactor 4a is configured to be wound many times. In the case of a general commuter train, the filter reactor 4a is required to have a current capacity capable of withstanding a current of several hundred [A] to a thousand [A]. Therefore, the filter reactor 4a is a heavy component as much as 500 [kg].
  • the inverter 6 provided in an electric vehicle is generally composed of a two-level or three-level three-phase inverter circuit using a plurality of semiconductor elements 6a.
  • the inverter 6 is controlled by the inverter control unit 7.
  • a load 8 is connected to the inverter 6.
  • the load 8 is a traction motor for driving an electric vehicle.
  • the inverter control unit 7 operates the inverter 6 at a variable voltage and a variable frequency, and controls the power running or regenerative control of the traction motor to drive and brake the electric vehicle.
  • the load 8 is an auxiliary machine including an air conditioner, a lighting device, a safety device, a compressor, a battery, and a control power supply.
  • the inverter control unit 7 supplies stable electric power to the load 8 by operating the inverter 6 at a constant voltage and constant frequency.
  • the inverter control unit 7 performs switching control on the semiconductor element 6a provided in the inverter 6 based on a command from a higher-level control system (not shown). By this control, the inverter 6 converts the DC power held in the filter capacitor 4b into AC power and supplies it to the load 8.
  • the signal S6 output from the control unit 90 is input to the inverter control unit 7. Further, the inverter control unit 7 outputs the signal S3 to the control unit 90 and outputs the signal S7 to the switch 3. The signal S4 output from the control unit 90 is also input to the switch 3. The operation of each part by these signals S3, S4, S6, and S7 will be described later.
  • the noise suppression device 100 includes a noise suppression unit 80 and a control unit 90 that controls the noise suppression unit 80.
  • the noise suppression device 100 is a device that suppresses the noise component current leaking from the inverter 6 to the overhead wire 1 or the rail 10.
  • the noise suppression device 100 complements or enhances the functions of the filter circuit 4 described above. Although detailed functions will be described later, the noise suppression device 100 can effectively reduce the alternating current component included in the noise component current that flows superimposed on the return current.
  • the noise suppression unit 80 includes a capacitor 50, a switching circuit unit 40, a reactor 30, an switching circuit unit 20, current detectors 60 and 70, and voltage detectors 81 and 82.
  • the current detector 60 may be referred to as a “first current detector” and the current detector 70 may be referred to as a “second current detector”.
  • the current detector 70 and the voltage detector 82 may be configured to use an existing detector.
  • the switching circuit unit 40 includes an upper arm semiconductor element 41 and a lower arm semiconductor element 42.
  • the upper arm semiconductor element 41 and the lower arm semiconductor element 42 are connected in series.
  • the upper arm semiconductor element 41 is connected to the positive side of the capacitor 50.
  • the lower arm semiconductor element 42 is connected to the negative side of the capacitor 50.
  • the negative side of the capacitor 50 is connected to the negative bus 2b via the connecting conductor 84.
  • One end of the reactor 30 is connected to a connection point between the upper arm semiconductor element 41 and the lower arm semiconductor element 42.
  • the other end of the reactor 30 is connected to the positive bus 2a via the opening / closing circuit section 20. That is, the other end of the reactor 30 is electrically connected to the positive bus 2a.
  • the control unit 90 controls the switching circuit unit 40 according to the current IS1 flowing through the positive bus 2a or the negative bus 2b.
  • the opening / closing circuit unit 20 is a switch that opens / closes the electrical connection between the reactor 30 and the positive bus 2a.
  • the opening / closing circuit unit 20 has a circuit unit in which a circuit by the main switch 21 and a charging circuit in which the charging switch 22 and the charging resistor 23 are connected in series are connected in parallel with each other.
  • the signal S5 output from the control unit 90 is input to the opening / closing circuit unit 20.
  • the on / off of the main switch 21 and the charging switch 22 is controlled by the signal S5.
  • the charging switch 22 is first controlled to be turned on.
  • the electric power from the positive bus 2a flows into the capacitor 50 via the charging switch 22 and the charging resistor 23, and the capacitor 50 is charged.
  • the main switch 21 is controlled to be turned on.
  • the main switch 21 and the charging switch 22 are controlled by the signal S5 output from the control unit 90, which will be described later.
  • the reactor 30 is a component in which a conductor is wound in a coil shape, similarly to the filter reactor 4a.
  • the current flowing through the reactor 30 is as small as several [A] at the maximum. Therefore, the reactor 30 may have a significantly smaller current capacity than the filter reactor 4a. Therefore, the reactor 30 is a small and lightweight component of about several [kg].
  • the current detector 60 detects the current ICH1 flowing through the reactor 30.
  • the detected value ICH of the current ICH1 detected by the current detector 60 is input to the control unit 90.
  • the detected value ICH may be referred to as "first output”.
  • the current flowing through the reactor 30 and the current flowing through the connecting conductor 84 have the same magnitude and opposite directions. Therefore, the current detector 60 may be arranged on the connecting conductor 84.
  • the current detector 70 detects the current IS1 flowing through the positive bus 2a.
  • the current IS1 is also an input current to the filter circuit 4.
  • the detected value IS of the current IS1 detected by the current detector 70 is input to the control unit 90.
  • the detected value IS may be referred to as "second output”.
  • the current flowing through the positive bus 2a and the current flowing through the negative bus 2b have the same magnitude and opposite directions. Therefore, the current detector 70 may be arranged on the negative bus 2b.
  • An example of the upper arm semiconductor element 41 and the lower arm semiconductor element 42 is an insulated gate bipolar transistor (IGBT) having a built-in antiparallel diode, but other switching elements may be used.
  • Another example of the upper arm semiconductor element 41 and the lower arm semiconductor element 42 is a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET).
  • MOSFET metal oxide semiconductor field effect transistor
  • the material constituting the switching element not only silicon (Si) but also wide bandgap semiconductors such as silicon carbide (SiC), gallium nitride (GaN), gallium oxide (Ga 2 O 3 ), and diamond are used. May be good. If the upper arm semiconductor element 41 and the lower arm semiconductor element 42 are formed of a wide bandgap semiconductor-based material, low loss and high-speed switching can be achieved.
  • Signals S1 and S2 output from the control unit 90 are input to the switching circuit unit 40.
  • the signal S1 is a switching signal that controls the continuity of the upper arm semiconductor element 41.
  • the signal S2 is a switching signal that controls the continuity of the lower arm semiconductor element 42.
  • the voltage detector 82 detects the overhead wire voltage, which is the voltage of the overhead wire 1.
  • the detection value ES of the overhead wire voltage detected by the voltage detector 82 is input to the control unit 90.
  • the voltage detector 81 detects the capacitor voltage, which is the voltage across the capacitor 50.
  • the detection value ECH of the capacitor voltage detected by the voltage detector 81 is input to the control unit 90.
  • the capacitor 50 holds a DC voltage higher than the overhead wire voltage under the control of the control unit 90.
  • the capacitor 50 functions as a main power source for the noise suppression device 100.
  • FIG. 2 is a diagram showing a configuration example of the control unit 90 according to the first embodiment.
  • the control unit 90 includes a first control unit 90a, a second control unit 90b, a third control unit 90c, a subtractor 90d, a divider 90e, and a sequence control unit 91.
  • the detected value IS of the current IS1 detected by the current detector 70 is input to the first control unit 90a.
  • the first control unit 90a cuts the DC component of the detected value IS of the current IS1 and generates a signal IAC * mainly containing a noise component.
  • the signal IAC * represents a noise component flowing through the filter reactor 4a.
  • the detection value ECH of the capacitor voltage detected by the voltage detector 81 is input to the second control unit 90b.
  • the deviation DE between the signal ECH * which is the command value of the capacitor voltage, and the detected value ECH is controlled by proportional integral (PI), and the control value is generated as a signal DEP.
  • PI control is a calculation control by a proportional element and an integral element, and is a general calculation method for calculating a signal DEP.
  • the signal DEP is a signal for maintaining the detected value ECH of the capacitor voltage in the signal ECH * representing the command value of the capacitor voltage.
  • the signal DEP is generated so that the capacitor 50 is discharged.
  • the signal DEP is generated so that the current in the direction of charging the capacitor 50 flows.
  • the signal IAC * and the signal DEP are input to the subtractor 90d.
  • the signal DEP is subtracted from the signal IAC * , and the calculated value is generated as the signal ICH *.
  • the signal ICH * is a current command signal representing a command value of the current to be passed through the reactor 30.
  • the signal ICH * that is the output of the subtractor 90d may be referred to as the "first signal”
  • the signal IAC * that is the input of the subtractor 90d may be referred to as the "second signal”.
  • the detection value ES of the overhead wire voltage and the detection value ICH of the current ICH1 detected by the current detector 60 are input to the divider 90e.
  • the detected value ES is divided by the detected value ECH, and the calculated value is generated as a signal EM.
  • the signal EM is a signal representing the ratio between the voltage on the input side and the voltage on the output side in the switching circuit unit 40.
  • the input side is the side of the capacitor 50, and the output side is the side of the reactor 30.
  • the signal EM has a value of 0 or more and 1 or less.
  • the third control unit 90c includes a signal ICH * which is the output of the subtractor 90d, a detection value ICH of the current ICH1, a signal EM which is the output of the divider 90e, and a signal which is the output of the sequence control unit 91 which will be described later. S8 is input.
  • the deviation DI between the signal ICH * and the detected value ICH of the current ICH1 is PI-controlled, and the control value is generated as a signal DIP.
  • the signal DIP and the signal EM are added, and the calculated value is generated as the signal M *.
  • the signal M * represents the fluxion of the switching circuit unit 40.
  • the signals S1 and S2 are generated by the pulse width modulation (PWM) control of the signal M *.
  • PWM pulse width modulation
  • the signal S1 is a switching signal for controlling the continuity of the upper arm semiconductor element 41
  • the signal S2 is a switching signal for controlling the continuity of the lower arm semiconductor element 42.
  • a known technique can be used for PWM control.
  • a triangular wave comparison method using a triangular wave as a comparison signal, a sawtooth wave comparison method using a sawtooth wave as a comparison signal, and the like are common.
  • the sequence control unit 91 receives the signal S3 output from the inverter control unit 7.
  • the signal S3 is a signal representing an operation command or a stop command to the noise suppression unit 80.
  • the sequence control unit 91 sets the signal S8 to ON to execute PWM control, and sets the signal S5 to ON to execute the PWM control, and sets the signal S5 to ON to perform the PWM control. 20 is controlled on.
  • the sequence control unit 91 sets the signal S8 to off to stop the execution of the PWM control and sets the signal S5 to off.
  • the opening / closing circuit unit 20 is controlled to be turned off.
  • the sequence control unit 91 when the noise suppression unit 80 fails, the sequence control unit 91 generates a signal S6 indicating the failure and sends it to the inverter control unit 7.
  • the inverter control unit 7 stops the operation of the inverter 6 and sets the signal S7 to off to control the switch 3 to off.
  • "when the noise suppression unit 80 fails" means the case where any of the components of the noise suppression unit 80 fails.
  • the sequence control unit 91 generates a signal S4 when the noise suppression unit 80 fails.
  • the signal S4 is a signal for controlling the switch 3 to be turned off, and is output to the switch 3.
  • the signal S4 from the control unit 90 and the signal S7 from the inverter control unit 7 are output to the switch 3. Therefore, even if not only the noise suppression unit 80 but also the control unit 90 fails, the switch 3 can be reliably controlled to be turned off. As a result, the reliability of the device can be improved.
  • the signals S3 and S7 output from the inverter control unit 7 may be referred to as a “third signal” and a “seventh signal”, respectively.
  • the signals S4, S5, S6, and S8 output from the sequence control unit 91 may be referred to as "fourth signal”, “fifth signal”, “sixth signal”, and “eighth signal”, respectively.
  • the negative side is electrically connected to the negative side bus 2b via the connecting conductor 84, and the upper arm semiconductor element 41 is on the positive side of the capacitor 50.
  • the lower arm semiconductor element 42 is provided with a switching circuit unit 40 connected to the negative side of the capacitor 50.
  • the noise suppression unit 80 includes a reactor 30 having one end connected to a connection point between the upper arm semiconductor element 41 and the lower arm semiconductor element 42 and the other end electrically connected to the positive bus 2a.
  • the control unit 90 includes a second control unit 90b that performs voltage feedback control so that the detected value ECH of the capacitor voltage matches the signal ECH * which is the command value of the capacitor voltage.
  • the capacitor 50 can obtain the required power from the overhead wire 1 side via the reactor 30 and the switching circuit unit 40, and maintain the capacitor voltage at the command value. This eliminates the need for a configuration in which the capacitor voltage is maintained using another charging device or another power supply device. Therefore, the noise suppression device 100 can be made smaller and lighter and easier to handle.
  • control unit 90 includes a third control unit 90c that controls current feedback so that the detected value ICH of the current ICH1 flowing through the reactor 30 matches the signal ICH * which is the command value of the current to be passed through the reactor 30.
  • the noise suppression unit 80 can generate a current having the same magnitude as the noise component current included in the current IS1 flowing through the filter reactor 4a and having an opposite phase.
  • the noise component currents at the points of the current collector 2 and the wheel 9 cancel each other out, so that the noise component current can be reduced.
  • the overhead wire voltage can be boosted and supplied to the capacitor 50, so that a voltage higher than the overhead wire voltage can be maintained.
  • the high-voltage energy held without having an external power supply device or the like can be used, so that the outflow of noise component current to the overhead wire 1 and the rail 10 is effectively suppressed while making the noise suppression unit 80 compact and lightweight. be able to.
  • the noise suppression unit 80 only the current having the same magnitude as the noise component current and the opposite phase is sent to the positive bus 2a and the negative bus 2b, and the inflow of the direct current required for driving the electric vehicle is Be blocked.
  • the weight of the upper arm semiconductor element 41, the lower arm semiconductor element 42, the capacitor 50, and the reactor 30, which are the added circuit elements can be suppressed to about several tens [kg] as a whole.
  • the increase is about several hundred [kg]. Is expected. Therefore, if the method of the first embodiment is used, the noise component current can be suppressed while avoiding an increase in the size of the circuit element to be added.
  • the inverter control unit 7 is configured to be able to instruct the operation and stop of the noise suppression device 100. Therefore, the operation of the inverter 6 and the operation of the noise suppression device 100 can be linked. As a result, the noise suppression device 100 operates only when the inverter 6 is operating, so that unnecessary operation can be eliminated and the noise suppression device 100 can be operated efficiently.
  • the opening / closing circuit unit 20 can be controlled off by the control unit 90. As a result, it is possible to prevent an unintended noise component current from flowing out to the overhead wire 1 or the rail 10.
  • the switch 3 can be controlled off by the control unit 90 or the inverter control unit 7, and the operation of the inverter 6 can also be stopped. Therefore, the inverter 6 does not continue to operate without noticing the failure of the noise suppression unit 80. As a result, it is possible to prevent an unnecessary noise component current from flowing out to the overhead wire 1 or the rail 10.
  • the other end of the reactor 30 is electrically connected to the positive bus 2a between the current collector 2 and the filter reactor 4a.
  • the other end of the reactor 30 is connected to the positive bus 2a between the filter reactor 4a and the inverter 6, most of the current ICH1 generated by the noise suppression device 100 is absorbed by the filter capacitor 4b. Therefore, the noise component current cannot be passed, and the desired effect cannot be exhibited.
  • FIG. 3 is a block diagram showing an example of a hardware configuration that realizes the functions of the inverter control unit 7 and the control unit 90 according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a block diagram showing another example of a hardware configuration that realizes the functions of the inverter control unit 7 and the control unit 90 according to the first embodiment.
  • the processor 300 that performs the calculation and the program read by the processor 300 are stored.
  • the memory 302 to be used and the interface 304 for inputting / outputting signals can be included.
  • the processor 300 may be a computing means such as an arithmetic unit, a microprocessor, a microcomputer, a CPU (Central Processing Unit), or a DSP (Digital Signal Processor).
  • the memory 302 includes a non-volatile or volatile semiconductor memory such as a RAM (Random Access Memory), a ROM (Read Only Memory), a flash memory, an EPROM (Erasable Program ROM), or an EEPROM (registered trademark) (Electrically EPROM). Examples thereof include magnetic disks, flexible disks, optical disks, compact disks, mini disks, and DVDs (Digital Versaille Disc).
  • the memory 302 stores a program that executes the functions of the inverter control unit 7 and the control unit 90 according to the first embodiment.
  • the processor 300 sends and receives necessary information via the interface 304, the processor 300 executes a program stored in the memory 302, and the processor 300 refers to a table stored in the memory 302 to perform the above-described processing. It can be carried out.
  • the calculation result by the processor 300 can be stored in the memory 302.
  • the processing circuit 303 shown in FIG. 4 can also be used.
  • the processing circuit 303 corresponds to a single circuit, a composite circuit, an ASIC (Application Specific Integrated Circuit), an FPGA (Field-Programmable Gate Array), or a combination thereof.
  • the information input to the processing circuit 303 and the information output from the processing circuit 303 can be obtained via the interface 304.
  • processing in the inverter control unit 7 and the control unit 90 may be performed in the processing circuit 303, and processing that is not performed in the processing circuit 303 may be performed in the processor 300 and the memory 302.
  • FIG. 5 is a diagram showing a configuration example of a railway system 150A including the noise suppression device 100A according to the second embodiment.
  • the noise suppression device 100 is replaced by the noise suppression device 100A
  • the switch 3 is replaced by the charging circuit unit 3A.
  • the opening / closing circuit unit 20 is deleted in the configuration of the noise suppression device 100 shown in FIG.
  • the connection destination of the other end of the reactor 30 is changed to the positive bus 2a between the charging circuit unit 3A and the filter reactor 4a.
  • the output destinations of the signals S4, S5, and S7 are changed from the switch 3 to the charging circuit unit 3A.
  • Other configurations are the same as or equivalent to those in FIG.
  • the same or equivalent components are designated by the same reference numerals, and duplicate explanations are omitted.
  • the switch 3 and the opening / closing circuit unit 20 are installed for the purpose of opening / closing the circuit, and therefore are not essential parts of the present invention. Further, in a general electric vehicle, a charging circuit for performing initial charging of the filter capacitor 4b having a large capacity is provided.
  • the charging circuit unit 3A of FIG. 5 corresponds to this charging circuit.
  • the charging circuit unit 3A has a circuit unit in which a circuit by the main switch 3A1 and a charging circuit in which the charging switch 3A2 and the charging resistor 3A3 are connected in series are connected in parallel with each other. ing.
  • the on / off of the main switch 3A1 and the charging switch 3A2 is controlled by the signals S4 and S5 output from the control unit 90 and the signal S7 output from the inverter control unit 7.
  • the configuration and operation of the control unit 90 are the same as those in the first embodiment, and the description thereof is omitted here.
  • control unit 90 and the inverter control unit 7 are described as separate components, but the present invention is not limited to this. Both control units may be integrated into one control unit.
  • the noise suppression device 100 has been described as a device included inside the electric vehicle control device, but the present invention is not limited to this.
  • the noise suppression device 100 and the power conversion unit 11 may be electrically connected to each other, and the noise suppression device 100 may be configured as a device outside the electric train control device.

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Abstract

ノイズ抑制装置（１００）は、ノイズ抑制部（８０）と、制御部（９０）とを備える。ノイズ抑制部（８０）は、負側が接続導体を介して負側母線（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。更に、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。制御部（９０）は、正側母線（２ａ）又は負側母線（２ｂ）に流れる電流に応じてスイッチング回路部（４０）の制御を行う。

Description

ノイズ抑制装置及び電気車制御装置
　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。
　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。
　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。
特開２００６－６００２号公報
　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。
　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。
　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、正側母線又は負側母線に流れる電流に応じてスイッチング回路部の制御を行う。
　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。
実施の形態１に係るノイズ抑制装置を含む鉄道システムの構成例を示す図 実施の形態１における制御部の構成例を示す図 実施の形態１におけるインバータ制御部及び制御部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 実施の形態１におけるインバータ制御部及び制御部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 実施の形態２に係るノイズ抑制装置を含む鉄道システムの構成例を示す図
　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。
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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　除算器９０ｅには、架線電圧の検出値ＥＳと、電流検出器６０によって検出された電流ＩＣＨ１の検出値ＩＣＨ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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。

Claims (11)

  1. 　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インバータと、前記架線と前記インバータとの間に配置されるフィルタ回路とを備えた電気車に搭載され、前記インバータから前記架線又は前記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って、
    　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、
    　前記正側母線又は前記負側母線に流れる電流に応じて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。
  2. 　前記コンデンサには、前記架線の電圧よりも高い電圧が保持される
    　ことを特徴とする請求項１に記載のノイズ抑制装置。
  3. 　前記リアクトル又は前記接続導体に流れる電流を検出する第１の電流検出器と、
    　前記正側母線又は前記負側母線に流れる電流を検出する第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する
    　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。
  4. 　前記制御部には、前記第２出力が入力され、
    　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３に記載のノイズ抑制装置。
  5. 　前記電気車は、前記インバータの動作を制御するインバータ制御部を備え、
    　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４の何れか１項に記載のノイズ抑制装置。
  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５の何れか１項に記載のノイズ抑制装置。
  7. 　前記リアクトルと前記正側母線との間の電気的接続を開閉する開閉回路部を備え、
    　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６の何れか１項に記載のノイズ抑制装置。
  8. 　前記開閉回路部は、前記ノイズ抑制装置に搭載されることを特徴とする請求項７に記載のノイズ抑制装置。
  9. 　請求項８に記載のノイズ抑制装置と、前記インバータ、前記フィルタ回路、及び前記インバータの動作を制御するインバータ制御部が搭載された電力変換部とを備えた電気車制御装置であって、
    　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。
  10. 　請求項６に記載のノイズ抑制装置と、前記インバータ、前記フィルタ回路、及び前記インバータの動作を制御するインバータ制御部が搭載された電力変換部とを備えた電気車制御装置であって、
    　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。
  11. 　請求項６に記載のノイズ抑制装置と、前記インバータ、前記フィルタ回路、及び前記インバータの動作を制御するインバータ制御部が搭載された電力変換部とを備えた電気車制御装置であって、
    　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。
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