JP3331456B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、交流を直流に変換
するコンバータ等の電力変換装置に係わり、特に、交流
電源が停電した場合に、コンバータ等の電力変換装置の
動作を停止させる制御に関する。

【０００２】

【従来技術】図１に、交流を直流に変換する電力変換器
の一例として鉄道車両用電力変換器およびその制御装置
を示す。鉄道車両用電力変換器は、交流電源１に接続さ
れている架線１１１から集電手段１１によって集電す
る。集電手段１１によって集電された交流電圧を変圧器
３の一次側に入力し、変圧器３によって降圧して得た二
次電圧esをリアクトル４を介してＧＴＯ，ＩＧＢＴ，ト
ランジスタ等の自己消弧能力を持つ半導体素子およびこ
の半導体素子に逆並列に接続されるダイオードによって
構成されるコンバータ２の交流端に入力する。コンバー
タ２の直流端にはコンデンサ５を接続し、コンバータ２
によって得られた直流電圧を平滑する。さらに、コンデ
ンサ５の電圧を直流電圧源として動作するインバータ６
が接続され、インバータ６によって交流電動機７を駆動
する。なお、リアクトル４については、変圧器３の漏れ
インピーダンス要素を利用しても良い。

【０００３】次に、コンバータ２の制御装置について説
明する。コンデンサ５の電圧edを電圧検出手段３３によ
って検出し、減算器９５によって直流電圧指令値Ed*か
ら減じ、直流電圧制御手段９３に入力し、交流電流の実
効値指令Is*を得て、乗算器９６によってこの交流電流
の実効値指令Is*と後述する正弦波発生手段８の出力で
ある正弦波とを乗じて交流電流の瞬時指令is*を得る。
減算器９７によって交流電流の瞬時指令is*から電流検
出手段３２によって検出した交流電流の瞬時値isを減
じ、交流電流制御手段９４に入力することによってコン
バータ２の瞬時交流出力電圧指令ec得て、ＰＷＭパルス
発生手段２１に入力し、コンバータ２を構成する半導体
素子に与えるＰＷＭパルスを発生する。

【０００４】ここで、正弦波発生手段８の動作について
述べる。上記に述べた制御系においては、直流電圧制御
手段９３の出力Is*は交流電流の実効値指令であり、こ
の値の実効値を持ち、交流電圧epと同じ周波数の交流電
流の実効値指令is*に変換する必要がある。実効値を瞬
時値に変換するためには、交流電圧epと同じ周波数を持
ち、実効値１すなわち振幅が√２である単位基準正弦波
が必要となる。従来技術では、図６に示す方式によって
単位基準正弦波を発生している。図６では、集電手段１
１によって集電される交流電圧epは、電車の交流電源es
sからの距離やコンバータ２の電力、同じ架線１１１か
ら電力を得たり、回生している電車の電力量によって大
きく変動し、その範囲は定格電圧に対して−２０〜＋２
０％である。また、交流電圧epにはコンバータ２のスイ
ッチングによって発生する歪みが多く含まれている。こ
のような状況においても安定した単位基準正弦波を得る
ため、集電手段１１によって集電した電圧の大きさ、歪
みに拘らず、実効値が１すなわち振幅が√２でかつ交流
電源電圧に同期した単位基準正弦波を得る必要がある。
そこで、図６に示した正弦波発生手段においては、次の
ようにして基準正弦波を発生する。交流電圧epを電圧検
出手段３１によって検出し、周波数検出手段９１に入力
し、交流電圧の周波数Fssを検出する。単位基準正弦波
発生手段９２は周波数検出手段９１の検出した交流電圧
の周波数Fssで、実効値が１である正弦波を発生する。
この結果、交流電圧epの変動、歪みの有無に拘らず、交
流電圧epに同期した単位基準正弦波を得ることができ、
交流電流isの力率を力行時に１、回生時に−１に保ちつ
つ、平滑コンデンサ５の電圧edを指令値Ed*に一致させ
ることができるコンバータ２の制御装置を提供すること
が可能となる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】以上、図６に示した正
弦波発生方式を用いた場合においては、周波数検出手段
９１が交流電圧の周波数を検出するまでには、交流電圧
の周期（１／Fss）以上の時間がかかるのは明らかであ
り、このため交流電源１が停電しても、コンバータ２は
瞬時に停止することはなく、停電後も、停電する以前に
周波数検出手段９１が検出した周波数Fssで動作し続け
る。その後は、コンバータ２自身が動作することによっ
て周波数Fssの交流電圧epを発生するので、交流電源ess
が停電したにも拘らず、周波数検出手段９１がコンバー
タ２の発生する周波数Fssを検出するため、コンバータ
２は周波数Fssで動作を継続する（つまり、制御系が発
振状態となる）。力行時に停電したのであれば、インバ
ータ６が必要とする電力を交流電源１から得られないた
め、直流電圧が急激に減少する。一方、回生時に停電し
たのであれば、負荷の回生する電力を交流電源１に回生
できなくなるため、直流電圧が急激に上昇する。このた
め、これら直流電圧の異常を検出して装置を停止させる
ことができるが、コンバータ２を搭載している電車が回
生状態であって、架線１１に他の電車が存在し、この電
車がコンバータ２の回生する電力とほぼ等しい電力量を
消費しながら力行運転を行っている場合には、交流電源
１が停電しても、直流電圧が急激に上昇したり、減少し
たりすることがなく、通常の変動範囲で推移するので、
コンバータ２は回生動作を継続してしまう。この運転継
続時間は、回生電力と力行車の電力との関係によって決
定するが、最悪の場合数分間にわたって動作を続けるこ
とがある。鉄道においては、保安上の問題から交流電源
を意図的に停電させることがあるため、停電を発生させ
ても数分間にわたって動作を続けてしまうことは、安全
上望ましくない。このような場合にも、停電を検知する
方式の例として、特開平６−４６５０１号公報にあるよ
うに、交流電圧に含まれる高調波の増加を検出し、この
値が規定値よりも大きくなった場合に停電とみなす方式
や、特開平６−１６９５０１号公報にあるように、制御
装置の発振する周波数を交流電源電圧の周波数Fssと多
少ずらしておき、交流電源停電時に周波数Fssから徐々
にずれていく現象を利用し、交流電圧の周波数がFssか
ら規定値以上離れた場合に停電を検出する方式等があげ
られるが、高調波の増加を検知する方式では、誤検知を
防止するため、規定値を予め大きめに設定する必要があ
り、その正確さに問題があり、事実上検知は難しい。ま
た、単位基準正弦波の周波数をずらしておく方式では、
負荷の力率によっては、周波数がずれないことがある
上、正常運転時に交流電流に低次高調波、分数次調波が
発生する、といった別の問題が発生する。いずれにして
も、従来技術において、停電後も交流電源と同じ周波数
でコンバータが動作を続けてしまう原因は、交流電源が
停電した後も、停電前に検知した交流電圧epの周波数Fs
sでかつ実効値１の正弦波を発生し続けていることにあ
る。

【０００６】そこで、本発明の課題は、電力変換器が回
生動作中に交流電源が停電した場合に、電力変換器の回
生電力を消費する負荷の有無、大きさの如何に拘らず、
回生動作が確実に停止する電力変換装置を提供すること
にある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、交流電源から供給される交流電圧を検出する検出手
段と、前記検出した交流電圧に予め定められた一定のゲ
インを乗算して正規化した基準正弦波信号を生成する手
段と、平滑コンデンサの電圧を所定値に制御する直流電
圧制御手段と、直流電圧制御手段の出力に基準正弦波信
号を乗じて交流電流指令を出力する乗算器と、乗算器の
出力とコンバータの交流出力電流が一致するようにコン
バータを制御する信号を発生する交流電流制御手段と、
電流制御手段の出力をもとにコンバータを駆動するパル
ス発生装置からなる。ここで、直流電圧制御手段の出力
する信号の大きさが予め設定した範囲を逸脱したとき、
これを検知し、コンバータの動作を停止させる手段を有
する。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
用いて説明する。図２は、本発明の一実施形態を示す。
図２においては、図１に示したコンバータ２を制御する
制御装置内の正弦波発生手段８の構成を示すものであ
り、他については図１と同じ構成であり、動作を呈す
る。図２において、増幅器８１は、電圧検出手段３１に
よって検出した交流電圧epを交流電圧epの定格電圧で正
規化するためのゲインを掛ける機能を有する。基本波検
出手段８２は、増幅器８１の出力のうち、交流電圧epが
通常変動する周波数範囲のみの周波数成分を通過させ、
交流電圧epからepの基本周波数成分に比例した正弦波k・
sinωtを得る機能を有する。このように構成した場合、
正弦波発生手段８の出力である正弦波は、交流電圧epに
含まれる基本波周波数成分の変動に比例して変動するた
め、交流電圧epの変動範囲（鉄道の場合−２０％〜＋２
０％）でこの正弦波の実効値も変動する。しかしなが
ら、直流電圧制御手段９３の動作によって正弦波の実効
値すなわち振幅に変動があっても、コンバータ２の動作
を保つことができる。

【０００９】この動作について説明する。集電手段１１
の集電する交流電圧epが定格電圧よりも低下した場合、
正弦波発生手段８の発生する正弦波の振幅も交流電圧ep
の低下に応じて小さくなる。このため、瞬時電流指令is
*の振幅も小さくなり、必要とする電力量よりも入力電
力が減少する。この結果、直流電圧edが低下傾向を示す
が、edの低下によって直流電圧指令値Ed*との偏差値つ
まり直流電圧制御手段９３の入力が大きくなるため、直
流電圧制御手段９３の出力Is*が大きくなる。結果とし
て、is*は、交流電圧低下前と同様の値となり、必要と
なる電力が得られることになり、直流電圧edは一定に保
たれる。同様に、交流電圧epが定格電圧よりも上昇した
場合には、正弦波発生手段８の発生する正弦波の振幅も
交流電圧epの上昇に応じて大きくなる。このため、瞬時
電流指令is*の振幅も大きくなり、必要とする電力量よ
りも入力電力が増加するため、直流電圧edが増加傾向を
示すが、edの増加によって直流電圧指令値Ed*との偏差
値つまり直流電圧制御手段９３の入力が小さくため、直
流電圧制御手段９３の出力Is*が小さくなる。結果とし
て、is*は、交流電圧上昇前と同様の値となり、必要と
する電力が得られるようになり、直流電圧edは一定に保
たれる。

【００１０】次に、停電時の動作について説明する。図
２に示した正弦波発生手段８を有する制御系によって動
作するコンバータ２において、コンバータ２が回生動作
を行っている場合に、交流電源essが停電した場合を考
える。交流電源essが停電しても交流電圧の基本波成分
は即座に減衰しないため、従来技術と同様に停電ととも
に瞬時にコンバータ２が停止することはない。しかし、
図２に示した正弦波発生手段８を用いた場合、図６に示
した従来技術と異なり、交流電源essが停電した後に
は、コンバータ２の制御系には交流電源の周波数Fssの
成分を自ら発振する要素は存在しなくなる。ここで、基
本波検出手段８２は、交流電圧epに含まれる基本波を検
出する手段であって、自ら交流電源電圧と同じ成分の周
波数を発生する要素ではない。このため、負荷となる力
行車の有無、電力の大きさの如何に拘らず、交流電源es
sの停電によって、周波数Fssの成分は時間の経過ととも
に減衰し、最終的には周波数Fssの成分は全く存在しな
くなる。これにより、コンバータ２の回生動作は停止
し、従来技術のように停電後もコンバータ２が動作を続
けるといった事態は発生しない。

【００１１】図３は、本発明による正弦波発生手段の他
の実施形態を示す。図３においては、図２の機能に加
え、交流電圧epから検出した基本周波数成分の正弦波の
位相を調節する位相調節手段８５を設ける。位相調節手
段８５の出力として、交流電圧epからepの基本周波数成
分に比例した正弦波k・sin(ωt+φ)を得る。このように
正弦波発生手段８を構成した場合にも、コンバータ２の
制御系には周波数Fssの成分を自ら発信する要素はな
く、周波数Fssの成分は交流電源essの停電とともに減衰
するので、停電後にコンバータ２が回生動作を継続する
ことはなくなる。本実施形態では、位相調節手段８５を
設けることによって、交流電流isの力率を自由に設定す
ることが可能になるという利点が得られる。

【００１２】図４は、本発明による正弦波発生手段の他
の実施形態を示す。図２および図３の構成においては、
交流電圧epの基本波成分のみを検出する基本波検出手段
８２を設けているが、本実施形態では、この基本波検出
手段８２に代えて増幅器８９を設け、交流電圧epに現れ
る波形歪みが小さい場合および歪みを無視する場合につ
いては、図４のように交流電圧epの波形にゲインをかけ
たものすなわち交流電圧epと相似の波形を正弦波発生手
段８の出力k2・epとし、交流電流指令の瞬時値is*の発生
に用いる。本実施形態も図２、図３の実施形態と同様の
効果が得られる。また、フィルタを必要としないので、
容易に実現可能である。

【００１３】図５は、本発明による正弦波発生手段の他
の実施形態を示す。本実施形態は、図６の周波数検出手
段９１と単位基準正弦波発生手段９２に加え、電圧検出
手段３１によって検出した交流電圧epの実効値を検出す
る実効値検出手段８３と、乗算器８４を設ける。周波数
検出手段９１によって検出した交流電圧epの周波数Fss
を単位基準正弦波発生手段９２に入力し、周波数Fssで
実効値１の単位基準正弦波を発生し、単位基準正弦波発
生手段９２の出力と実効値検出手段８３の出力を乗じ
る。ここで、実効値検出手段８３には、交流電圧epが定
格電圧である場合に実効値１の正弦波を出力するように
ゲインを設定する。この結果、交流電圧epと同じ周波数
で、交流電圧epに比例した正弦波が得られる。ここで、
図２で述べたように、コンバータ２が回生動作を行って
いて、同一交流電源から電力を得ている負荷があり、こ
の負荷の電力がコンバータ２の回生している電力に等し
い場合に、交流電源essが停電した場合を考える。交流
電源essが停電した場合、負荷の電力とコンバータ２の
回生電力が一致していたとしても、多少ではあるものの
交流電圧epは交流電源essの停電によって必ず実効値は
変動する。この変動の方向は低下方向である。図６に示
した従来技術においては、交流電圧epが低下したとして
も、交流電圧epの振幅に拘らず、単位基準正弦波発生手
段９２が実効値１の正弦波を発生し続けるので、交流電
流の瞬時指令is*およびコンバータ２が制御する交流電
流isには変化がなく、コンバータ２は安定して電力を回
生するとともに安定した交流電圧epを発生する。つま
り、交流電圧epは、停電によってステップ状に低下する
が、その後は変化しない。このため、交流電源essが停
電しても、回生動作を継続して行うことになる。一方、
本実施形態の場合、交流電源essの停電にともなって交
流電圧epが低下すると、実効値検出手段８３が出力する
実効値すなわち振幅も交流電圧epに比例して低下するの
で、単位基準正弦波発生手段９２との乗算によって得ら
れる乗算器８４の出力が低下する。つまり、正弦波発生
手段８が出力する実効値が交流電圧epに比例して低下す
るため、交流電流の瞬時指令is*が低下することにな
り、コンバータ２の回生する電力は自ずと低下し、交流
電圧epはさらに低下する。すなわち、交流電圧epは時間
とともに減衰することになる。コンバータ２の回生電力
の低下によって直流電圧edが上昇するため、直流電圧制
御手段９３の動作によって交流電流の実効値指令Is*が
上昇し、交流電流ｉsを一定に保つように作用するが、
交流電圧epおよび交流電圧epに比例した振幅を有する正
弦波発生手段８の出力である正弦波の実効値が低下する
速度は、直流電圧制御手段９３の応答よりも速く、その
ため、交流電圧epは減衰し、最終的には交流電圧epは零
となり、コンバータ２の動作は停止する。これにより、
本実施形態では、従来技術のように停電後もコンバータ
２が動作を続けるといった事態は発生しない。

【００１４】なお、上記実施形態においては、交流電圧
すなわち変圧器の一次電圧を検出して、正弦波を発生す
る場合について説明したが、交流電圧は、変圧器の一次
電圧に限らず、変圧器の二次電圧もしくは三次巻線を有
する場合には三次巻線の電圧を検出して正弦波の発生に
用いても同様の効果が得られることは明らかである。

【００１５】次に、図７は、本発明の他の実施形態を示
す。本実施形態は、図２〜図５の各実施形態において交
流電圧の変動範囲検出手段１００を設ける。交流電圧の
変動範囲検出手段１００は、交流電圧epが通常変動し得
る電圧の範囲を逸脱した場合、これを検出し、コンバー
タ２の動作を停止する機能を有する。本実施形態では、
上記各実施形態において周波数Fssの成分が減衰する過
程で交流電圧epが通常変動し得る電圧の範囲を逸脱した
とき、コンバータ２を停止する。これにより、交流電源
の停電からコンバータ２が停止するまでの時間を飛躍的
に短くすることができる。

【００１６】図８は、本発明の他の実施形態を示す。本
実施形態は、図２〜図５の各実施形態において交流電流
実効値指令の変動範囲検出手段２００を設ける。交流電
流実効値指令の変動範囲検出手段２００は、交流電流実
効値指令Is*の絶対値が通常変動し得る範囲を逸脱した
場合、これを検出し、コンバータ２の動作を停止する機
能を有する。直流電圧制御手段９３の応答が速い場合に
は、停電後交流電圧epに含まれるFssの周波数成分が減
衰する過程において、Fssの周波数成分の減少にともな
って回生電力が低下するため、直流電圧制御手段９３
は、回生電力を確保するように交流電流実効値指令Is*
の絶対値を増加させる方向に働く。そこで、交流電源が
停電した場合に、交流電圧epに含まれるFssの周波数成
分が通常変動し得る範囲よりも小さくなると、直流電圧
制御手段９３の出力である交流電流実効値指令Is*の絶
対値は通常変動し得る範囲よりも大きくなる。本実施形
態では、上記各実施形態において周波数Fssの成分が減
衰する過程で、交流電流実効値指令Is*の絶対値が通常
変動し得る範囲を逸脱したとき、コンバータ２を停止す
る。これにより、交流電源の停電からコンバータ２が停
止するまでの時間を飛躍的に短くすることができる。

【００１７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
コンバータの制御系に自ら交流成分を発生する要素を持
たないため、交流電源の周波数成分は、負荷となる力行
車の有無、電力の大きさの如何に拘らず、交流電源の停
電とともに減衰し、コンバータを制御する制御系に存在
しなくなるため、従来技術で述べたように、停電後に自
ら内包している発振源によって動作を継続することがな
くなり、停電後即座に電力変換装置の動作を停止させる
ことができる。また、直流電圧制御手段の出力する信号
の大きさが予め設定した範囲を逸脱した場合に、コンバ
ータを停止する手段を併設することにより、停電後から
電力変換装置の停止までの時間を飛躍的に短縮すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用する鉄道車両用電力変換器および
その制御装置

【図２】本発明の一実施形態を示す制御装置内の正弦波
発生手段の構成図

【図３】本発明の他の実施形態を示す制御装置内の正弦
波発生手段の構成図

【図４】本発明の他の実施形態を示す制御装置内の正弦
波発生手段の構成図

【図５】本発明の他の実施形態を示す制御装置内の正弦
波発生手段の構成図

【図６】従来の制御装置内の正弦波発生手段の構成図

【図７】本発明の他の実施形態を示す制御装置

【図８】本発明の他の実施形態を示す制御装置

【符号の説明】

１…交流電源，１１１…架線，集電手段…１１，２…コ
ンバータ，２１…ＰＷＭパルス発生手段，３…変圧器，
４…リアクトル，５…平滑コンデンサ，６…インバー
タ，７…交流電動機，３１…電圧検出手段，３２…電流
検出手段，３３…電圧検出手段，８…正弦波発生手段，
８１…増幅器，８２…基本波検出手段，８３…実効値検
出手段，８４…乗算器，８５…位相調節手段，８９…増
幅器，９１…周波数検出手段，９２…単位基準正弦波発
生手段，９３…直流電圧制御手段，９４…交流電流制御
手段，９５…減算器，９６…乗算器，９７…減算器，１
００…交流電圧の変動範囲検出手段，２００…交流電流
実効値指令の変動範囲検出手段

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−46501（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−169501（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−331860（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−251707（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−122943（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−331765（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02M 7/72 B60L 3/04 H02H 3/24 H02M 7/21

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 交流電源から供給される交流電圧を直流
   に変換するコンバータと、平滑コンデンサを介して直流
   を交流に変換するインバータと、前記インバータによっ
   て駆動される交流電動機によって構成される電力変換装
   置において、 前記交流電圧を検出する検出手段と、前記検出した交流
   電圧に予め定められた一定のゲインを乗算して正規化し
   た基準正弦波信号を生成する手段と、前記平滑コンデン
   サの電圧を所定値に制御する直流電圧制御手段と、前記
   直流電圧制御手段の出力に前記基準正弦波信号を乗じて
   交流電流指令を出力する乗算器と、前記乗算器の出力と
   前記コンバータの交流出力電流が一致するように前記コ
   ンバータを制御する信号を発生する交流電流制御手段
   と、前記電流制御手段の出力をもとに前記コンバータを
   駆動するパルス発生装置からなることを特徴とする電力
   変換装置。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記直流電圧制御手
   段の出力する信号の大きさが予め設定した範囲を逸脱し
   たとき、これを検知し、前記コンバータの動作を停止さ
   せる手段を有することを特徴とする電力変換装置。