JP4521421B2 - 電気車制御装置 - Google Patents
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Description
をなどの主変換装置備えた交流電車において、架線電圧が上昇すると、コンバータの出力
電圧が飽和し、架線電流の歪みが増加したり、架線過電圧による保護動作により運転停止
する場合がある。また、逆に、架線電圧が低下した場合には、コンバータはインバータに
同一電力を供給するため有効電流を増加させるが、これがコンバータの電流容量を越えた
場合には、電流制限がかかり、主電動機のトルクが低減される。このため、加減速度が所
定値より低下し、運行ダイヤを乱す恐れがある。
整することが特許文献1に開示されている。
の主変換装置がそれぞれに応じた検出した架線電圧や主電動機の電力に応じて無効電流や
力率を制御すると、検出系の差異や制御方法の差異により、無効電流の補正量がアンバラ
ンスする場合がある。 近年の交流電車では、主変換装置にPWMコンバータが用いられ
るが、このPWM制御のため架線電圧にPWMリプルが重畳する。このため正確にその基
本波電圧を抽出するのは困難であり、電圧検出系としての誤差は大きい。また、架線電圧
は定格20kV〜25kVと高電圧であり絶縁の困難性から検出機器のコスト・サイズ・
重量が大きくなる。一方、主変圧器を介して、低圧化された電圧は概ね架線電圧を反映し
ており、架線電圧に等価な信号として用いられる場合が多い。しかしながら、この主変圧
器の巻線は、編成内の制御電源や蛍光灯・空調機器・ファン・ブロアなどの負荷電源のた
めの巻線と共有される場合があり、負荷に応じて、検出点電圧は変動する。よって、主変
換装置毎に検出された架線電圧は、かならずしも、同一の値を示さない。
のに対し、ある主変換装置では小さい無効電流を流す、あるいは、逆向きの無効電流を流
す場合も考えられる。このように特定の主変換装置で大きな無効電流を流した場合、上述
のように電流制限にかかり、トルクが制限される。
る)の高周波成分は、信号機器への信号として用いられており、主変換装置から流れる帰
線電流高調波には規定値が設けられている。前述のPWM制御方式のコンバータでは、キ
ャリア周波数成分の高調波が多く生じ、前記規定に影響を及ぼす。よって、同成分を打ち
消すため、編成内にある主変換装置のコンバータのキャリア位相差を、故意にずらす位相
差運転を実施して効果を得ている。 この位相差運転は、すべてのコンバータが同一の電
流を流すことが理想的であり、主変換装置に電流アンバランスがあると、高調波の相殺効
果は低減する。 すなわち、前記の無効電流のアンバランスによって、厳密な位相差運転
ができず、帰線高調波が増加し、各種の信号機器に影響を与える恐れがある。
提供することを目的とする。
にフィルタコンデンサを介して接続され主電動機を駆動するVVVFインバータとから構
成される主変換装置が複数台搭載される電気車制御装置において、前記主変換装置は、前
記コンバータの交流側の電流を検出する電流検出手段と、前記フィルタコンデンサ電圧が
所定値となるように演算された電流指令値と、前記電流検出手段により検出された電流値
が一致するように、コンバータ出力電圧を制御する電圧制御手段と、前記架線の電圧を検
出する電圧検出手段と、当該検出された架線電圧に基づき無効電流の指令を演算する無効
電流指令演算手段と、当該無効電流指令値に基づき前記電流指令値を補正する手段とを有
し、前記無効電流指令演算手段において、入出力利得の低周波数域のゲインが有限である
ことにより達成できる。
供することができる。
本発明に基づく第1の実施の形態の電気車制御装置について、図を参照し詳細に説明す
る。図1は、本発明に基づく第1の実施の形態の電気車制御装置の概略構成を示すブロッ
ク図である。図2は、本発明に基づく第1の実施の形態の電気車制御装置におけるコンバ
ータ制御部の構成図である。
単相交流が変電所(図示しない)より給電されている。架線1よりパンタグラフ2で集電
し、3つの巻線を有した主変圧器5を介して、コンバータ11が接続される。コンバータ
11の直流側には、平滑のためのフィルタコンデンサ12と主電動機15を駆動するVV
VFインバータ14が接続される。コンバータ制御部16は、電圧検出器13によって検
出されるフィルタコンデンサ電圧Vdc1が所定値となるように、電流検出器9によって
検出された交流側電流や主変圧器の第3巻線8に備えられた電圧検出器の出力,架線電圧
制御部17により算出された無効電流振幅指令IQA*に基づき、コンバータ11を制御
するものである。
を図2に示す。コンバータ制御部16への入力は、コンバータの交流側電流である出力電
流Isと、フィルタコンデンサ電圧Vdcと、主変圧器5の第3巻線の電圧である3次電
圧Vs、無効電流振幅指令IQA*である。3次電圧は、架線電圧の代替として用いられ
るものであり、主変圧器5の第1巻線電圧である1次電圧を検出したものであってもかま
わない。
線電圧に相当する3次電圧Vsに基づきにそのゼロクロスを検知する。位相同期制御部2
8は、架線電圧のゼロクロス点より、制御上の架線電圧位相θsを算出する。ここに位相
θsのゼロ点は、架線電圧のゼロクロス点であると定義する。電圧制御部19には、減算
器18の出力であるフィルタコンデンサ電圧Vdcとその目標値である直流電圧指令Vd
c*との偏差が入力され、その偏差が零となるように前記の架線電圧位相θsに基づき、
コンバータの有効電流指令値IP*を演算する。また、無効電流指令演算部25には、架
線電圧位相θsと外部入力で別途記述する無効電流振幅指令IQA*が入力され、無効電
流指令値IQ*を演算出力する。加算器20に起いて、前記有効電流指令IP*と無効電流
指令IQ*とを加算して、コンバータ出力電流指令Is*を算出する。これらの関係は、数
1のようになる。同式において、前記電圧制御部19にはPI制御器を用いた場合である
。右辺第1項が有効電流指令、第2項が無効電流指令である。
mpとを加算することで、コンバータの出力電圧指令値Vc*が算出できる。PWM制御
24は、コンバータの出力電圧指令値Vc*に一致した出力電圧が得られるように、コン
バータ11へのゲートを三角波比較PWM制御等により生成する。
変換装置が備わる場合があるため、特に2つに限定するものではない。また、パンタグラ
フは共通としてあるが、別個な構成であってもかまわない。
よって、その実効値Vs1Rmsを演算出力する。架線電圧制御部17では、3次電圧実
効値Vs1Rmsに応じて、例えば、数4のように、無効電流の振幅指令IQA*を算出する
。ここに、Vs3Rms*は、架線定格電圧実効値の3次電圧換算値である。
バータ制御部16に共通に入力される。
のフィルタコンデンサ電圧Vdcがその目標電圧Vdc*と一致するように、コンバータ
出力電流のうち、それぞれの有効電流を制御する。一方、架線電圧の変動を抑制するよう
に、架線電圧制御部17により、無効電流指令が演算され、各主変換装置に共通の指令値
が与えられる。
電流指令を演算する。各主変換装置は、唯一の無効電流指令に一致する電流が流れるよう
に作用するため、主変換装置間で無効電流がアンバランスする状態を極力回避することが
できる。
を回避することを可能になる。また、従来のように、各主変換装置内に架線電圧制御部を
有する構成の場合、数4のゲインKpが高い場合、主変換装置間で無効電流制御が干渉し
、不安定化を引き起こす恐れもある。本実施の形態では、編成で架線電圧制御部は唯一で
あるため、制御干渉を引き起こすことなく、安定な架線電圧を維持できる。
めに用いる架線電圧を同一点から検出した構成であるが、別な検出点を別な検出器で検出
しても問題ない。
できる。
本発明に基づく第2の実施の形態の電気車制御装置について、図を参照し詳細に説明す
る。図3は、本発明に基づく第2の実施の形態の電気車制御装置の概略構成を示すブロッ
ク図である。尚、図1及び図2に記載したものと構造上同一のものについては同符号を付
して説明を省略する。尚、本発明に基づく第2の実施の形態の電気車制御装置は、第1の
実施の形態の電気車制御装置とは、架線電圧制御部の構成位置が異なる。
各コンバータ制御部16にそれぞれ設けられている。すなわち、コンバータ制御部16を
構成する一要素と考えている(特に図示しない)。
1を検出し、実効値演算部39において、架線電圧実効値を演算している。この唯一の架
線電圧実効値を、各架線電圧制御部17へと入力している。ここで、架線電圧制御部17
の制御方法は、定常特性、過渡特性を含め、全く同一の特性となるようにする。
備わる架線電圧制御部17の特性は等しいことから、各主変換装置の無効電流指令は同一
となる。よって、第1の実施の形態の電気車制御装置と同様な作用効果を得ることができ
る。
架線電圧制御部17が分散配置された点に特徴がある。すなわち、第1の実施の形態の電
気車制御装置では、架線電圧制御部17は、主電動機を駆動するための前記主変換装置、
あるいは、その上位指令として編成としての情報制御を司る車両情報制御装置の一部とし
て構成されるにしても、車両で唯一の制御部となる。よって、その機器が故障等により動
作停止した場合、編成としての架線電圧の安定化の機能を喪失する。一方、第2の実施の
形態の電気車制御装置では、架線電圧制御部17を各主変換装置に分散配置していること
で、特定機器への依存性が低減され、システムの信頼性を向上させることができる。
できる。
本発明に基づく第3の実施の形態の電気車制御装置について、図を参照し詳細に説明する
。 図4は、本発明に基づく第3の実施の形態の概略構成を示すブロック図である。尚、
図1乃至図3に記載したものと構造上同一のものについては同符号を付して説明を省略す
る。本発明に基づく第3の実施の形態の電気車制御装置は、第2の実施の形態の電気車制
御装置とは、架線電圧制御部への入力が異なる。
制御部17への入力電圧は、唯一の電圧検出器によって検出された架線電圧に基づくもの
であった。一方、本発明に基づく第3の実施の形態の電気車制御装置では、二つの電圧検
出器10によって検出された架線電圧をそれぞれの主変換装置に備わる実効値演算部39
によって架線電圧実効値を演算し、その二つの架線電圧実効値を平均電圧演算部29に入
力している。平均電圧演算部29では、二つの架線電圧実効値に基づき平均値を求め、そ
れぞれの架線電圧制御部17へと出力している。
その唯一の電圧値に基づき各架線電圧制御部17は無効電流指令値を演算する。よって、
第2の実施の形態の電気車制御装置と同様な作用効果を得る。更に、第2の実施の形態の
電気車制御装置では、特定の電圧検出器の出力を用いるため、それが故障等により動作停
止した場合、編成としての架線電圧の安定化の機能を喪失する。一方、本実施の形態の電
気車制御装置では、複数の電圧検出器10から得られた情報に基づくため、ある一つの電
圧検出器10が異常でありその誤差が大きくとも平均電圧への影響は小さい。また、異常
の見られる電圧検出器10を切り離しても、架線電圧制御への影響はない。すなわち、シ
ステムの信頼性が向上できる。
置に備わる実効値演算部39で演算された架線電圧実効値が入力される。この平均電圧演
算部29が、主変換装置外に置かれるとすれば、主変換装置との間でしかるべき伝送手段
で情報を伝送する必要がある。しかしながら、架線電圧が50Hzあるいは60Hzの交
流であるのに対し、伝送処理間隔は数msというオーダーである。また、架線電圧周波数
と同期がとれているとも限らない。よって、データのサンプリングにより、直流を含む低
周波誤差が伝送される架線電圧情報として重畳する可能性が高い。しかし、本実施の形態
の電気車制御装置によれば、主変換装置内にて実効値演算まで行い、これを伝送するため
、低周波成分が重畳する要因を排除することができる。これにより、無効電流補償量に低
周波の擾乱を引き起こすことなく、安定した補償を可能にすることができる。
できる。
本発明に基づく第4の実施の形態の電気車制御装置について、図を参照し詳細に説明す
る。 図5は、本発明に基づく第4の実施の形態の概略構成を示すブロック図である。尚
、図1乃至図4に記載したものと構造上同一のものについては、同符号を付して説明を省
略する。
置とは、エネルギー蓄積変換部34があること、架線電圧制御部17の出力が主変換装置
のコンバータ制御部に作用するのでなく、エネルギー蓄積変換部34の第2コンバータ制
御部37へと作用する点で異なる。
した第1の実施の形態の電気車制御装置における主変換装置と同様な構成と作用をもつ。
バータ制御部16へと作用していない。
える事を特徴の1つとしている。エネルギー蓄積変換部34は、第2コンバータ36、エ
ネルギー蓄積部35、第2コンバータ制御部37から成る。第2コンバータ36は、コン
バータ11と同構成であり、単相で4象限動作が可能なフルブリッジコンバータである。
される。エネルギー蓄積部35としては、電気2重層コンデンサやバッテリ、あるいは通
常のコンデンサであってもよい。
の詳細ブロックである。図2で示したコンバータ制御部16の構成と同一である。ただし
、電流指令Is3*は、無効電流指令IQ3*であり、有効電流指令は加算されていない。
バータ制御部16と等価であることから、電流指令Is3*に一致した電流Is3を流す
ことができる。ここで、架線電圧制御部17によって演算された無効電流指令が第2コン
バータ制御部37の指令値であるため、エネルギー蓄積変換部34によって、架線電圧の
変動を抑制することが可能である。
、唯一の別途設けられたエネルギ−蓄積変換装置がその機能をはたす。よって、請求項1
と同様、主変換装置内の無効電流アンバランスという状況は生じない。更に、仮に主変換
装置の無効電流が各装置間でバランスした状況にあっても、無効電流を流すこと自体で、
コンバータの出力電流を増加させる。これは、前述のとおり、コンバータの電流制限によ
る主電動機のトルク低減を引き起こす要因である。本実施の形態では、付属的なエネルギ
ー蓄積変換装置に無効電流を流すため、トルク低減などを引き起こす可能性を排除できる
。
シタやバッテリーを用い、有効電力の蓄積が可能であるようにする利用法が既に技術とし
てある(特許文献2)。ここに本実施の形態の機能を共有させることも可能である。
て、通常容量のキャパシタで(平均的な有効電力の授受がないため)十分であり、エネル
ギー蓄積変換部のサイズ・重量・コストを低減することが可能である。
きる。
本発明に基づく第5の実施の形態の電気車制御装置について、図を参照し詳細に説明す
る。図7は、本発明の請求項5に関する第5の実施の形態として、架線電圧制御部17の
特性に関するものである。尚、図1乃至図6に記載したものと構造上同一のものについて
は、同符号を付して説明を省略する。
中に複数台の主変換装置を備える場合で、それぞれの主変換装置に架線電圧制御部17を
有し、各々の主変換装置で検出した架線電圧に応じて、無効電流制御を行うものであるが
、架線電圧制御部17の入出力特性を限定するものである。
力される。無効電流振幅指令IQA1*を出力とする。出力は、入力に基づき数5で演算す
る。ここに、Vs3*Rmsは、架線定格電圧の実効値の3次電圧換算値である。
周波成分のゲインを低減したものである。図7は、この伝達特性のうち、ゲイン特性を示
している。ハイパスフィルタを組み合わせたため、低周波ゲインが低減し、特に直流成分
が有限となったことが特徴である。
分、特に、直流分の誤差分を架線電圧制御部17で増幅するためである。架線電圧制御部
17の入出力特性が直流分で無限大のゲインをとるPI制御(厳密にはそのI制御)など
は、実効値の直流分誤差を、時間とともに拡大していくため、ある主変換装置は、プラス
方向に、ある主変換装置はマイナス方向にと、無効電流指令が発散していく。本実施の形
態のように、低周波成分が有限である場合、発散していくような現象を回避することがで
きる。
できる。
本発明に基づく第6の実施の形態の電気車制御装置について、図を参照し詳細に説明す
る。図8は、本発明の請求項6に関する第6の実施の形態として、実効値演算部39への
入力にオフセット調整部30が存在する。 図9は、オフセット調整部30の構成例を示
すものである。尚、図1乃至図7に記載したものと構造上同一のものについては、同符号
を付して説明を省略する。
は、切替器32に入力される。切替器32は、コンバータ11への運転指令Gst(Gs
t=1である場合にコンバータ11が動作し、Gst=0である場合には動作停止する)を入
力とし、Gst=1である場合、3次電圧Vs1を出力し、Gst=0である場合、フィルタ
31の出力である補償電圧Vs1offsetを、出力する。フィルタ31は、低周波成
分だけをとおすローパスフィルタである。減算器33において,3次電圧Vs1から補償
電圧Vs1offsetを減算し、オフセット調整部30から出力する。
場合、架線電圧に相当する3次電圧Vs1がフィルタ31に入力され、その低周波数成分
、すなわち、直流分を抽出する。コンバータ11が運転状態(Gst=1)になると、切替器
32によって、フィルタ31への入力は、フィルタ31の出力となる。すなわち、フィル
タ31の値は保持される。コンバータ11が運転停止しているときの直流成分Vs1of
fsetを取得し、コンバータが運転中には、このオフセット分を補償電圧として、検出
値から減算器33で補償している。すなわち、電圧検出器10を含む電圧検出系において
重畳する直流分を除去することが可能になる。前述のように、無効電流アンバランスは、
検出された直流電圧の低周波分に起因するものである。よって、検出電圧から直流オフセ
ット分を除去することで、無効電流アンバランスを低減することができる。
できる。
2…パンタグラフ
3…レール
4…車輪
5…主変圧器
6…1次巻線
7…2次巻線
8…3次巻線
9…電流検出器
10…電圧検出器
11…単相コンバータ
12…フィルタコンデンサ
13…電圧検出器
14…VVVFインバータ
15…主電動機
16…コンバータ制御部
17…架線電圧制御部
18…減算器
19…直流電圧制御部
20…加算器
21…減算器
22…電流制御部
23…加算器
24…PWM制御部
25…無効電流指令演算部
26…電源電圧FF演算部
27…ゼロクロス検知部
28…位相同期制御部
29…平均電圧演算部
30…オフセット調整部
31…フィルタ
32…切替器
33…減算器
34…エネルギー蓄積変換部
35…エネルギー蓄積部
36…第2コンバータ
37…第2コンバータ制御部
38…電流検出器
39…実効値演算部
Claims (1)
- 架線に主変圧器を介して接続されたコンバータと、当該コンバータの直流側にフィルタコ
ンデンサを介して接続され主電動機を駆動するVVVFインバータとから構成される主変
換装置が複数台搭載される電気車制御装置において、
前記主変換装置は、
前記コンバータの交流側の電流を検出する電流検出手段と、
前記フィルタコンデンサ電圧が所定値となるように演算された電流指令値と、前記電流検
出手段により検出された電流値が一致するように、コンバータ出力電圧を制御する電圧制
御手段と、
前記架線の電圧を検出する電圧検出手段と、
当該検出された架線電圧に基づき無効電流の指令を演算する無効電流指令演算手段と、
当該無効電流指令値に基づき前記電流指令値を補正する手段とを有し、
前記無効電流指令演算手段において、入出力利得の低周波数域のゲインが有限であること
を特徴とする電気車制御装置。
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