JP7344845B2

JP7344845B2 - 鉄道車両用アクティブフィルタ装置およびそれを備える鉄道車両

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Application number: JP2020104725A
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Inventors: 将太三次; 悟秋山; 浩史小暮; 航成木
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Description

本発明は、鉄道車両用アクティブフィルタ装置に関し、特に、可変電圧・可変周波数インバータ制御の誘導電動機により駆動する鉄道車両の運転時における誘導障害抑制技術に関するものである。

図１に、鉄道車両を駆動する誘導電動機を可変電圧・可変周波数インバータ(以下、ＶＶＶＦインバータという。)により制御する、代表的な鉄道車両制御装置の主回路構成を示す。パンタグラフ５０１により集電した直流電圧は、インダクタ４０及びコンデンサ７０を接続して構成したローパスフィルタ回路を介してＶＶＶＦインバータであるモータ駆動用インバータ５０に給電し、このモータ駆動用インバータ５０により可変電圧・可変周波数の三相交流に変換して誘導電動機６０を制御している。

鉄道車両においては、ＶＶＶＦインバータに使用したスイッチング素子により断続制御された電流に起因する誘導障害、すなわち低周波から高周波までの幅広い可変周波数運転を行う際に生ずる帰線電流が、図１中のｉに示す如く流れ、この高調波電流の誘導により信号機や踏切等の各種保安設備を誤動作させる問題がある。このため、例えば帰線電流ｉに含まれる交流成分で５０Ｈｚ及び６０Ｈｚの商用周波数帯の場合は、０.７Ａ以下に抑える必要がある。

したがって、従来のＶＶＶＦインバータ制御の誘導電動機により駆動する鉄道車両では、帰線電流に含まれるノイズ電流を低減するために、直流入力側にインダクタとコンデンサを用いたＬＣローパスフィルタが用いられている。この方式により商用周波数帯を前記の値以下に低減するためには、インダクタ及びコンデンサの値を大きくする必要がある。しかし、鉄道車両の場合は大電流・高耐圧用の素子が必要となり、インダクタ及びコンデンサの値を大きくすると各々の体積が増加し、取り付けスペースの制約等が課題となる。インダクタは大型かつ重量の大きい部品構成である。このインダクタは小型化すると、インダクタンスが低減しＬＣローパスフィルタのカットオフ周波数が上昇するため、ノイズ電流が増加する。このノイズ電流を低減するために、アクティブフィルタ装置を用いることが提案されている。

特許文献１には、「負荷から発生した高調波電流を、電源系統と負荷との間に接続した交流フィルタにより吸収し、且つ、上位系と下位系との高調波干渉を阻止するバッファリアクトルを交流フィルタと電源系統との間に挿入した高調波電流抑制装置において、上記バッファリアクトルの両端に変圧器を介して接続したＰＷＭインバータを有することにより系統に直列に設置されたアクティブフィルタを具備し、上記インバータから変圧器を介して高調波電流と逆位相の電圧を系統に直列に発生してアクティブフィルタを所定次数の高調波に対して等価抵抗として作動させ、低次高調波電流を抑制して低次共振拡大発生を防止したことを特徴とする高調波電流抑制装置。」（特許請求の範囲参照）が開示されている。

特開平１１－６９６２７号公報

インバータ装置においては、上下アームのスイッチング素子が同時に導通しないように、デッドタイムが必要とされる。特許文献１に記載の高調波電流抑制装置において、高調波電流と逆位相の電圧を生成するＰＷＭインバータの上下アーム間が導通しないようにデッドタイムを設けるとすると、デッドタイムにより出力電圧波形が歪み、所望の出力電圧波形が得られなくなり、高調波電流を抑制する効果が低減する虞がある。

本発明の目的は、鉄道車両の帰線電流に重畳されるノイズ電流分を抑圧するアクティブフィルタ装置において、インバータの上下アームのデッドタイムにより生じるインバータの出力電圧誤差を補償し、ノイズ電流低減能力を強化することである。

上記課題を解決するための、本発明の「鉄道車両用アクティブフィルタ装置」の一例を挙げるならば、
鉄道車両のモータを駆動するモータ駆動用インバータの直流入力側に設けるアクティブフィルタ装置であって、一次巻線と二次巻線を備え、前記一次巻線が前記モータ駆動用インバータの直流側線路に接続される変圧器と、半導体スイッチング素子の直列回路で構成されるアクティブフィルタインバータ回路と、前記アクティブフィルタインバータ回路の直流部に接続した直流電源と、前記アクティブフィルタインバータ回路と前記変圧器の二次巻線との間に接続される高周波フィルタ回路と、前記変圧器の一次巻線を通して前記モータ駆動用インバータに流れるノイズ電流を検出する第１の電流センサと、前記第１の電流センサの検出信号に基づいて前記アクティブフィルタインバータ回路のスイッチング信号を生成する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記第１の電流センサの検出信号に基づいて、前記アクティブフィルタインバータ回路の上下アームが同時に開放となるデッドタイムにより出力平均電圧が低下することを補償するデッドタイム補償ブロックを備えることを特徴とする。

本発明によれば、アクティブフィルタ装置において、インバータの上下アームのデッドタイムにより生じるインバータの出力電圧誤差を補償し、ノイズ電流低減能力を強化することができる。
上記した以外の課題、構成および効果は以下の実施例の説明により明らかにされる。

従来の直流架線を走行する鉄道車両の主回路構成を示す図である。本発明の実施例１に係るアクティブフィルタを含む電力変換装置のシステム構成の一例を示す図である。実施例１に係るアクティブフィルタの制御装置内のブロック構成を示す図である。図２に示すシステム構成の等価回路を示す図である。ＰＷＭ演算器の動作波形を示す図である。実施例１に係るＰＷＭ演算器の動作波形を示す図である。実施例１に係るパルス幅補償電圧と電圧指令の関係の一例を示す図である。実施例１に係るパルス幅補償電圧の有無によるインバータ出力平均電圧波形の一例を示す図である。実施例２に係るアクティブフィルタを含む電力変換装置のシステム構成の一例を示す図である。実施例２に係るアクティブフィルタの制御装置内のブロック構成を示す図である。実施例２に係るパルス幅補償電圧と電流指令の関係の一例を示す図である。

本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。実施の形態は、本発明を説明するための例示であって、説明の明確化のため、適宜、省略および簡略化がなされている。本発明は、他の種々の形態でも実施することが可能である。特に限定しない限り、各構成要素は単数でも複数でもかまわない。なお、実施の形態を説明するための各図において、同一の構成要素には同一の名称、符号を付して、その繰り返しの説明を省略する。
本明細書等における「第１」、「第２」、「第３」等の表記は、構成要素を識別するために付するものであり、必ずしも、数又は順序を限定するものではない。

以下の実施の形態においては、便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらは互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合及び原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特性の数以上でも以下でもよい。

さらに、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。

図２は、本発明の実施例１に係るアクティブフィルタ装置を含む電力変換装置のシステム構成の一例を示す図である。図２には、直流き電区間を走行する鉄道車両５００に搭載される電力変換装置のシステムを示す。き電システム６００は、直流電源Ｖｓｙｓとき電回路（インダクタンス成分Ｌｓ）の直列回路として等価回路で示す。また、き電システム６００に、パンタグラフ５０１および車輪５０２を介して鉄道車両５００が電気的に接続される。

鉄道車両５００が搭載する車両電気回路８０は、主に車両加減速用モータ６０を駆動するモータ駆動用インバータ５０、平滑コンデンサ７０およびアクティブフィルタ１により構成され、アクティブフィルタ１は、モータ駆動用インバータ５０に対して直列に接続される。

アクティブフィルタ１は、変圧器７、高周波フィルタ回路３０、アクティブフィルタインバータ回路１０を主回路構成とし、アクティブフィルタインバータ回路１０の直流部に直流電源３を接続する。

また、アクティブフィルタ１は、変圧器７を介して、き電回路に接続される。高周波フィルタ回路３０は、インダクタ３１およびキャパシタ３２のＬＣフィルタと、ＬＣフィルタのダンピングキャパシタ３３およびダンピング抵抗３４で構成される。

更に、アクティブフィルタ１は、検出器として、帰線電流Ｉｓを検出する電流センサ２０（第１の電流センサ）を備える。電流センサ２０の検出値は、アクティブフィルタ１の制御装置１００に入力される。

制御装置１００は、電流センサ２０の検出値を基にアクティブフィルタ１の出力電圧指令値を算出し、アクティブフィルタインバータ回路１０内のＵ相アーム１０ｕおよびＶ相アーム１０ｖ内の各半導体スイッチング素子のゲート信号を生成する。

アクティブフィルタインバータ回路１０内のＵ相アーム１０ｕおよびＶ相アーム１０ｖそれぞれは、逆並列接続されるダイオードを備えるＩＧＢＴの直列回路により構成され、単相インバータを構成する。ただし、各相アームが備える半導体スイッチング素子をＩＧＢＴとして図示するが、これに限定されるものではなくＭＯＳなど他の自己消弧型スイッチング素子を用いることができる。

次に、アクティブフィルタ装置の基本動作について説明する。はじめにアクティブフィルタ装置は、帰線電流Ｉｓに含まれるノイズ電流を電流センサ２０にて検出する。電流センサ２０は、例えば直流電流は検出しないで、交流電流を検出するロゴスキ型電流センサである。
電流センサ２０の検出値は、制御装置１００に入力される。制御装置１００は、電流センサ２０の検出値に基づいてアクティブフィルタインバータ回路１０のゲート駆動信号を生成する。但し、制御装置１００の詳細な動作は後述する。制御装置１００から駆動信号を受けたアクティブフィルタインバータ回路１０は、電源入力容量２３に印加された電圧振幅のパルスを出力する。このとき、アクティブフィルタインバータ回路１０の制御方式は例えばＰＷＭ制御を用いており、信号と搬送波を出力する。

アクティブフィルタインバータ回路１０の出力するパルスは、高周波フィルタ３０に入力される。高周波フィルタ３０はインダクタ３１とキャパシタ３２により構成されるＬＣローパスフィルタによって、アクティブフィルタインバータ回路１０が出力する搬送波を除去し、信号を取り出す。但し、ＬＣローパスフィルタはＬＣ共振により共振周波数近傍の信号を増幅してしまうため、ダンピングキャパシタ３３とダンピング抵抗３４により共振増幅を抑制する。

高周波フィルタ３０の出力電圧波形は、変圧器７に印加される。変圧器７のパンタグラフと接続している１次側は、ノイズ電流を発生させる電位差が印加されているが、高周波フィルタと接続された２次側にはノイズ電流を発生される電位差を低減する電圧が印加されるため、ノイズ電流を変圧器７で抑圧することができる。

次に、アクティブフィルタ１を制御する制御装置１００について説明する。
図３は、実施例１に係るアクティブフィルタ１の制御装置１００内のブロック構成（演算器等を含む具体的構成）を示す図である。

電流センサ２０で検出された信号は、帯域通過フィルタ１００１に入力される。帯域通過フィルタ１００１は、帰線電流Ｉｓの検出値から鉄道車両５００の走行区間における通信周波数帯域を含んだ周波数帯域成分を抽出し、乗算器１００２に出力する。乗算器１００２（第１の乗算器）は、正の定数Ｋ_１を帯域通過フィルタ１００１の出力に乗算し、その積を加算器１１０３に出力する。さらに、乗算器１００２の出力は乗算器１１０１（第２の乗算器）に入力され、正の定数Ｋ_２を乗算する。乗算器１１０１の出力は、リミッタ１１０２に入力される。リミッタ１１０２の出力は加算器１１０３に入力され、乗算器１００２の出力に加算される。乗算器１１０１、リミッタ１１０２および加算器１１０３は、後述するデッドタイム補償ブロックを構成している。

加算器１１０３の出力は、Ｕ相用ＰＷＭ演算器１００５ｕおよびＶ相用ＰＷＭ演算器１００５ｖに入力される。アクティブフィルタ１は、２相のアームにより構成される単相インバータであるため、Ｖ相用ＰＷＭ演算器１００５ｖには、乗算器１００７により符号反転された出力電圧指令値が入力される。

ＰＷＭ演算器１００５ｕおよび１００５ｖでは、入力された出力電圧指令値と搬送波算出器１００６の出力である三角波とが大小比較され、Ｕ相アーム１０ｕおよびＶ相アーム１０ｖに出力するゲート信号（ＧａｔｅＵＰとＵＮ、およびＧａｔｅＶＰとＶＮ）が算出され出力される。

以上のように、本発明に係るアクティブフィルタ１は、ノイズ源であるモータ駆動用インバータ５０に対して直列に接続されながら、電圧制御系で動作する。

次に、本発明により、モータ駆動用インバータ５０が、き電システム６００に流出するノイズ電流を低減できるメカニズムについて、図４を用いて説明する。

図４は、図２に示すシステム構成の等価回路を示す図である。説明の煩雑さを回避するため、ここでは変圧器７の巻数比を１：１として説明する。
モータ駆動用インバータ５０を、ノイズ電流を出力する電流源Ｉｉｎｖとして表現する。

変圧器７を、漏れインダクタンスＬ１、Ｌ２および相互インダクタンスＬｍを備えるＴ型等価回路として表現する。すなわち、Ｌ１は、き電回路側巻線（一次巻線）の漏れインダクタンス、Ｌ２は、二次側巻線の漏れインダクタンス、Ｌｍは、変圧器７の相互インダクタンスである。

Ｌｓは、き電システム６００のインダクタンス、Ｃｆｃは、平滑コンデンサ７０の容量、Ｌｆは、インダクタ３１のインダクタンス、Ｃｆは、フィルタコンデンサ３２の容量、ＣｄとＲｄはＬｆとＣｆによる共振利得を低減するためのダンピングコンデンサ容量とダンピング抵抗である。
また、アクティブフィルタインバータ回路１０の出力電圧Ｖｕｖを、制御可能な電圧源として表現する。

図４に示すアクティブフィルタ１の出力電流Ｉｏｕｔが、帰線電流ＩｓのＫ倍である場合、変圧器７の相互インダクタンスＬｍで発生する電圧降下は、帰線電流ＩｓだけがＬｍを流れる場合に比べて（１＋Ｋ）倍になる。これは、き電システム６００側からアクティブフィルタ１を見込んだ場合、相互インダクタンスＬｍが（１＋Ｋ）倍になったことと等価である。そのため、インピーダンスが増加し、ノイズ電流が帰線に流出することを抑制することと同じ効果が得られ、き電システム６００に流出するノイズ電流を抑制することができる。これが、本発明に係るアクティブフィルタ１によるノイズ低減の原理である。

以上のように、アクティブフィルタ１が、帰線電流Ｉｓのノイズ抑制対象となる周波数帯成分に対し、Ｋ倍の電流を出力することができれば、上述した原理によりき電システム６００に流出するノイズ電流を抑制することができる。

次に、加算器１１０３によりリミッタ１１０２の出力と乗算器１００２（第１の乗算器）の出力が加算される効果(デッドタイム補償ブロックの効果)について説明する。

アクティブフィルタインバータ回路１０を構成するＵ相アーム１０ｕおよびＶ相アーム１０ｖには、上下アームが同時に導通することで生じる貫通電流により、半導体スイッチング素子が破壊されるのを保護するため、上下アームが同時に開放となるデッドタイムを設けている。デッドタイムは、ＰＷＭ演算器１００５ｕ，１００５ｖにより作成される。例えば図５に示すＰＷＭ演算器１００５uの演算波形のように、三角波のＣａｒｒｉｅｒとＵ相電圧指令のＵｒｅｆが交差した時間にデッドタイムＴｄを追加して、Ｕ相アーム１０ｕのゲート信号Ｕｐ、Ｕｎを生成する。デッドタイムＴｄはアクティブフィルタインバータ回路１０の出力であるパルス幅を狭め、出力平均電圧Ｖａｆが低下する。デッドタイムＴｄにより低下するデッドタイム電圧Ｖｄは、直流電源３の電圧Ｅｄ、アクティブフィルタインバータ回路１０のスイッチング周期Ｔｃ、デッドタイムＴｄを用いて次の（１）式で表すことができる。
Ｖｄ＝Ｅｄ×Ｔｄ／Ｔｃ（１）
デッドタイム電圧Ｖｄは、ノイズ電流抑制効果を劣化させる原因となる。そこで図６に示すように、Ｕ相電圧指令Ｕｒｅｆにパルス幅補償電圧Ｖｃｏｍｐを加えることで、デッドタイムＴｄにより狭まるパルス幅を補償する。パルス幅補償電圧Ｖｃｏｍｐは、乗算器１１０１（第２の乗算器）とリミッタ１１０２で計算する。図７に示すように、乗算器１００２の出力であるＵ相電圧指令Ｕｒｅｆが指令微小領域Ｖｓ１内では（１）式で計算されたＶｄよりも小さな電圧量を加え、その傾きは乗算器１１０１（第２の乗算器）で決まる。指令微小領域Ｖｓ１外では（１）式で計算された電圧Ｖｄを加える。Ｖｄを超えた電圧を加えないためにリミッタ１１０２を用いる。すると図８に示すように、出力平均電圧Ｖａｆはパルス幅を補償していないＶｋよりもパルス幅を補償したＶｊのように振幅を下げずに電圧を出力することができる。

本実施例によれば、乗算器１１０１、リミッタ１１０２および加算器１１０３で構成されるデッドタイム補償ブロックを設けることにより、電流センサ２０の検出値に応じてデッドタイムにより低下する出力電圧を予め出力電圧指令値に加算することで、ノイズ電流低減効果の劣化を低減することができる。

図９は、実施例２に係るアクティブフィルタ装置を含む電力変換装置のシステム構成の一例を示す図である。図９には、直流き電区間を走行する鉄道車両５００に搭載される電力変換装置のシステムを示す。き電システム６００は、直流電源Ｖｓｙｓとき電回路（インダクタンス成分Ｌｓ）の直列回路として等価回路で示す。また、き電システム６００に、パンタグラフ５０１および車輪５０２を介して鉄道車両５００が電気的に接続される。

更に、アクティブフィルタ１は、検出器として、帰線電流Ｉｓを検出する電流センサ２０（第１の電流センサ）およびアクティブフィルタ１の出力電流Ｉｏｕｔを検出する電流センサ２１（第２の電流センサ）を備える。電流センサ２０および２１の検出値は、アクティブフィルタ１の制御装置１０１に入力される。

制御装置１０１は、電流センサ２０の検出値を元にアクティブフィルタ１の出力電流指令値を算出し、この出力電流指令値と電流センサ２１からの検出値との偏差を低減するように、アクティブフィルタインバータ回路１０内のＵ相アーム１０ｕおよびＶ相アーム１０ｖ内の各半導体スイッチング素子のゲート信号を生成する。

また、アクティブフィルタインバータ回路１０内のＵ相アーム１０ｕおよびＶ相アーム１０ｖそれぞれは、逆並列接続されるダイオードを備えるＩＧＢＴの直列回路により構成され、単相インバータを構成する。ただし、各相アームが備える半導体スイッチング素子をＩＧＢＴとして図示するが、これに限定されるものではなくＭＯＳなど他の自己消弧型スイッチング素子を用いることができる。

図１０は、アクティブフィルタ１の制御装置１０１内のブロック構成（演算器等を含む具体的構成）を示す図である。

帯域通過フィルタ１００８は、帰線電流Ｉｓの検出値から鉄道車両５００の走行区間における通信周波数帯域を含んだ周波数帯域成分を抽出し、乗算器１００９（第１の乗算器）に出力する。乗算器１００９は、正の定数Ｋ_１を帯域通過フィルタ１００８の出力に乗算し、その積をアクティブフィルタ１の出力電流指令値として減算器１００３に出力する。

電流センサ２１で検出されたアクティブフィルタインバータ回路１０の出力電流Ｉｏｕｔの検出値は減算器１００３に入力され、出力電流制御値から減算される。減算器１００３の出力は電流制御器１００４に入力され、電流制御器１００４はその偏差を低減すべく機能する。実施例２では、電流制御器１００４を乗算器として示しているが、比例・積分器や微分・比例・積分器など、他の補償演算器であってもよい。電流制御器１００４の出力は、アクティブフィルタ１の出力電圧指令値であり、加算器１１０６に入力される。また、乗算器１００９の出力は乗算器１１０４（第３の乗算器）に入力されて正の定数Ｋ_３を乗算され、乗算器１１０４の出力はリミッタ１１０５に入力される。リミッタ１１０５の出力は加算器１１０６に入力され、出力電圧指令値に加算される。乗算器１１０４、リミッタ１１０５および加算器１１０６は、デッドタイム補償ブロックを構成している。

加算器１１０６の出力はＵ相用ＰＷＭ演算器１００５ｕおよびＶ相用ＰＷＭ演算器１００５ｖに入力される。アクティブフィルタ１は、２相のアームにより構成される単相インバータであるため、Ｖ相用ＰＷＭ演算器１００５ｖには、乗算器１００７により符号反転された出力電圧指令値が入力される。
ＰＷＭ演算器１００５ｕおよび１００５ｖでは、入力された出力電圧指令値と搬送波算出器１００６の出力である三角波とが大小比較され、Ｕ相アーム１０ｕおよびＶ相アーム１０ｖに出力するゲート信号（ＧａｔｅＵＰとＵＮ、およびＧａｔｅＶＰとＶＮ）が算出され出力される。

以上のように、本実施例に係るアクティブフィルタ１は、ノイズ源であるモータ駆動用インバータ５０に対して直列に接続されながら、電流制御系で動作する。

次に、加算器１１０６によりリミッタ１１０５の出力と乗算器１００４の出力が加算される効果(デッドタイム補償ブロックの効果)について説明する。

実施例１と同様にデッドタイムによるパルス幅を補償するためにＵ相電圧指令Ｕｒｅｆにパルス幅補償電圧Ｖｃｏｍｐを加えることで、デッドタイムにより狭まるパルス幅を補償する。実施例２ではパルス幅補償電圧Ｖｃｏｍｐは乗算器１１０４とリミッタ１１０５で計算する。図１１に示すように、乗算器１００９の出力である電流指令Ｉａｆｓが指令微小領域Ｖｓ２内では（１）式で計算されたＶｄよりも小さな電圧量を加え、その傾きは乗算器１１０４で決まる。指令微小領域Ｖｓ２外では（１）式で計算された電圧Ｖｄを加える。Ｖｄを超えた電圧を加えないためにリミッタ１１０５を用いる。すると実施例１と同様に図８に示すように、出力平均電圧Ｖａｆはパルス幅を補償していないＶｋよりもパルス幅を補償したＶｊのように振幅を下げずに電圧を出力することができる。

本実施例によれば、乗算器１１０４、リミッタ１１０５および加算器１１０６で構成されるデッドタイム補償ブロックを設けることにより、電流センサ２０の検出値に応じてデッドタイムにより低下する出力電圧を予め出力電圧指令値に加算することで、ノイズ電流低減効果の劣化を低減することができる。また、電流センサ２１で検出したアクティブフィルタインバータ回路の出力電流Ｉｏｕｔの検出値と、出力電流制御値とを減算するようにしたので、アクティブフィルタインバータ回路の出力電流Ｉｏｕｔを帰線電流Ｉｓに追従させることができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。また、例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために構成を詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、各実施例の構成の一部について、他の構成に追加、削除、置換することが可能である。

また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、本発明は、実施例の機能を実現するソフトウェアのプログラムコードによっても実現できる。

１…アクティブフィルタ
３…直流電源
７…変圧器
１０…アクティブフィルタインバータ回路
１０ｕ，１０ｖ…Ｕ相アーム、Ｖ相アーム
２０，２１…電流センサ
２３…入力容量
３０…高周波フィルタ回路
３１…インダクタ
３２…キャパシタ
３３…ダンピングキャパシタ
３４…ダンピング抵抗
４０…インダクタ
５０…モータ駆動用インバータ
６０…車両加減速用モータ（誘導電動機）
７０…コンデンサ
８０…車両電気回路
１００，１０１…制御装置
６００…き電システム
５００…鉄道車両
５０１…パンタグラフ
５０２…車輪
１００１，１００８…帯域通過フィルタ
１００２，１００９…乗算器
１００３…減算器
１００４…電流制御器
１００５ｕ，１００５ｖ…Ｕ相ＰＷＭ演算器、Ｖ相ＰＷＭ演算器
１００６…搬送波算出器
１１０１，１１０４…乗算器
１１０２，１１０５…リミッタ
１１０３，１１０６…加算器

Claims

鉄道車両のモータを駆動するモータ駆動用インバータの直流入力側に設けるアクティブフィルタ装置であって、
一次巻線と二次巻線を備え、前記一次巻線が前記モータ駆動用インバータの直流側線路に接続される変圧器と、
半導体スイッチング素子の直列回路で構成されるアクティブフィルタインバータ回路と、
前記アクティブフィルタインバータ回路の直流部に接続した直流電源と、
前記アクティブフィルタインバータ回路と前記変圧器の二次巻線との間に接続される高周波フィルタ回路と、
前記変圧器の一次巻線を通して前記モータ駆動用インバータに流れるノイズ電流を検出する第１の電流センサと、
前記第１の電流センサの検出信号に基づいて前記アクティブフィルタインバータ回路のスイッチング信号を生成する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記第１の電流センサの検出信号に基づいて、前記アクティブフィルタインバータ回路の上下アームが同時に開放となるデッドタイムにより出力平均電圧が低下することを補償するデッドタイム補償ブロックを備えることを特徴とする鉄道車両用アクティブフィルタ装置。
請求項１に記載の鉄道車両用アクティブフィルタ装置において、
前記制御装置のデッドタイム補償ブロックは、
前記第１の電流センサの検出信号を帯域通過した信号を乗算する乗算器と、
前記乗算器の出力から所定の振幅以上を制限するリミッタと、
前記リミッタの出力を前記第１の電流センサの検出信号を帯域通過した信号に加算して電圧指令値を出力する加算器と、
で構成されることを特徴とする鉄道車両用アクティブフィルタ装置。
請求項２に記載の鉄道車両用アクティブフィルタ装置において、
前記リミッタは、
前記乗算器の出力から、デッドタイムに基づいて決まるデッドタイム電圧以上を制限することを特徴とする鉄道車両用アクティブフィルタ装置。
請求項１に記載の鉄道車両用アクティブフィルタ装置において、
前記制御装置は、前記第１の電流センサの検出信号が入力される帯域通過フィルタと、前記帯域通過フィルタと直列接続した第１の乗算器と、前記第１の乗算器の出力と接続された第２の乗算器と、前記第２の乗算器と直列接続されたリミッタと、前記リミッタの出力と前記第１の乗算器の出力を加算する加算器を備え、
前記加算器の出力信号に基づいて前記アクティブフィルタインバータ回路のスイッチング信号を生成することを特徴とする鉄道車両用アクティブフィルタ装置。
請求項４に記載の鉄道車両用アクティブフィルタ装置において、
前記高周波フィルタ回路から前記変圧器の二次巻線に通電する電流を検出する第２の電流センサを備え、
前記制御装置は、更に、前記第１の乗算器の出力と前記第２の電流センサの出力を入力する減算器と、前記減算器と直列接続され電圧指令値を出力する電流制御器とを備え、
前記加算器は、第１の乗算器の出力に代えて、前記電流制御器の出力と前記リミッタの出力を加算し、前記加算器の出力信号に基づいて前記アクティブフィルタインバータ回路のスイッチング信号を生成することを特徴とする鉄道車両用アクティブフィルタ装置。
請求項２に記載の鉄道車両用アクティブフィルタ装置において、
前記制御装置は、
前記加算器の出力である出力電圧指令値と搬送波算出器の出力である三角波とを大小比較して、前記アクティブフィルタインバータ回路のスイッチング信号を生成することを特徴とする鉄道車両用アクティブフィルタ装置。
請求項１～６の何れか１項に記載の鉄道車両用アクティブフィルタ装置と、
直流入力側に前記鉄道車両用アクティブフィルタ装置を接続したモータ駆動用インバータと、
前記モータ駆動用インバータにより駆動される鉄道車両のモータと、
を有する鉄道車両。