JP4711939B2

JP4711939B2 - 交流電気車の制御装置

Info

Publication number: JP4711939B2
Application number: JP2006318342A
Authority: JP
Inventors: 亨平田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-11-27
Filing date: 2006-11-27
Publication date: 2011-06-29
Anticipated expiration: 2026-11-27
Also published as: JP2008136265A

Description

この発明は、列車編成内に複数台のＰＷＭ方式の電力変換器を備え、高調波抑制のために各電力変換器の搬送波の位相差運転を行う交流電気車の制御装置に関し、特に、基準となる電力変換器から送出される同期電源信号が異常になった時に、従属する電力変換器においてこの異常を検出し、従属する電力変換器を運転継続するものに係る。

列車編成内にＰＷＭ方式の電力変換器を複数台配置し、電力変換器間に適切な搬送波位相差を設けて、列車全体で発生する高調波を低減する技術は、特許文献１に記載されている。ＰＷＭを行う電力変換器間で搬送波の位相差運転を行うことにより、電力変換器が出力される高調波成分の一部が相殺され、列車全体で高調波を低減できる。搬送波の位相差運転を行うためには、各電力変換器が個別に架線交流電圧に同期した同期電源信号を検出し、これからそれぞれの電力変換器に設定された位相差により搬送波を生成する方法と、基準となる電力変換器が検出した架線電圧に同期した同期電源信号を、従属する電力変換器に送信し、従属電力変換器ではこの同期電源信号から設定された位相差により搬送波を生成する方法がある。この発明の前提としては後者の方法に係わる。

上述の内容を図と共に説明する。図３は従来の交流電気車の制御装置のブロック図を示す。図において、５１は交流架線、５２は交流架線５１に接触するパンタグラフ、５３はパンタグラフ５２に接続された主変圧器、５３−１はパンタグラフ５２に直接接続された主変圧器５３の１次巻線、５３−２,５３−３は主変圧器５３の２次巻線、５４,５５はそれらの入力側がそれぞれ２次巻線５３−２,５３−３に接続され、それぞれの出力側が共通に接続されたパルス幅変調制御のコンバータ（ＰＷＭコンバータ）、５６はＰＷＭコンバータ５４,５５の共通とされた出力側の２端子間に接続された中間直流回路の平滑コンデンサ、５７はＰＷＭコンバータ５４,５５の出力側に接続され、かつその２入力端子間に平滑用コンデンサ５６が接続された可変電圧可変周波数のインバータ（ＶＶＶＦインバータ）、５８はＶＶＶＦインバータの出力側に接続された車両用電動機である誘導電動機である。

５９は交流架線５１の電圧を降圧するトランス（ＰＴ）、６０はＰＴ５９に接続され、入力された交流電圧のゼロクロス点を検出しそのタイミング信号であるゼロクロス信号を出力する電圧検出器（ＡＣＰＴ）、６１はＡＣＰＴ６０に接続され、ゼロクロス信号をタイミング基準にして作成した位相制御信号をＰＷＭコンバータ５４,５５へ送出してＰＷＭコンバータを制御する制御論理部であり、その出力側がＰＷＭコンバータ５４,５５に接続されている。６２はＰＷＭコンバータ５４,５５、平滑用コンデンサ５６、ＶＶＶＦインバータ５７、ＡＣＰＴ６０、制御論理部６１を収納した主変換装置である。

図４はＰＷＭコンバータ５４，５５の動作を制御する制御ブロック図を示す。図において、７０，７１，７２，７３，７４は増幅器、７５は乗算器、７６，７７は三角波作成回路、７８，７９，８０，８１，８２は減算器を示す。

次に上述の回路の動作を説明する。ＰＷＭコンバータ５４，５５の出力側である中間直流電圧の目標値Ｖｄ^＊と実際の中間直流電圧値Ｖｄとの差を減算器７８でとり、その値を増幅器７０で増幅した値と交流架線５１と同じ周波数の単位正弦波sinωtとを乗算器７５でかけあわせＰＷＭコンバータ５４，５５の入力側における２次電流目標値Ｉｓ^＊を演算する。この２次電流目標値Ｉｓ^＊とＰＷＭコンバータ５４，５５の実際の２次電流Ｉｓ_１，Ｉｓ_２との差をそれぞれ減算器７９，８０でとり増幅器７１，７２で増幅し、それぞれ電圧の基本波ｅｉ，ｅｉ’を演算する。

ところで、ＰＷＭコンバータ５４,５５におけるスイッチング素子のオンオフ動作に基づき発生する高調波電流成分は主変圧器５３で合成されパンタグラフ５２を介して交流架線５１へ流出することになるが、単相の場合、両ＰＷＭコンバータ５４,５５の位相制御信号となる制御位相を９０°ずらすことにより交流架線５１へ流出する高調波を抑制することができる。なお、３台のＰＷＭコンバータを並列運転するとき、単相の場合は、位相制御信号となる制御位相を６０°（＝１８０°／３）ずらすことにより交流架線５１へ流出する高調波を抑制することができる。

このため、図４の三角波作成回路７６，７７は、ＡＣＰＴ６０からのゼロクロス信号をタイミング基準にして互いに位相をずらしたＰＷＭ用の三角波を発生する。そして、増幅器７１，７２からの電圧の基本波ｅｉ，ｅｉ’と三角波作成回路７６，７７からの三角波との差を減算器８１，８２でとり、その値を増幅器７３，７４で増幅して、ＰＷＭコンバータ５４,５５を動作させる位相制御信号とする。

上記で作成された位相制御信号が制御論理部６１からそれぞれＰＷＭコンバータ５４,５５に出力され、高調波を抑制するように、ＰＷＭコンバータ５４,５５を動作させ、平滑用コンデンサ５６を充電し、この平滑用コンデンサ５６を電圧源としてＶＶＶＦインバータ５７を動作させ、誘導電動機５８を駆動する。そして、図３で示した回路を車両編成内に複数組備えた場合には、各組のＰＷＭコンバータ相互間での制御位相をずらすことにより、その列車編成全体での高調波を抑制することができる。

図３で示した回路を列車編成内に複数組備えた場合、各組の制御論理部６１はそれぞれ該組のＡＣＰＴ６０からのゼロクロス信号をタイミング基準にして所定の位相制御信号を作成することになるので、例えば、パンタグラフ５２と交流架線５１との接触状態のバラツキやＰＴ５９、ＡＣＰＴ６０自体の誤差特性のバラツキによっては、各組のタイミング基準自体にずれが生じ、この結果、各組のＰＷＭコンバータの制御位相が、列車編成全体としての高調波を抑制する最適の位相ずらし条件と一致せず、充分な高調波抑制効果が得られないことがある。

そのため、この発明の前提としては、複数台の電力変換器の内で、基準となる基準電力変換器で架線電圧から検出され送出される同期電源信号を、従属する従属電力変換器に送信し、従属電力変換器ではこの同期電源信号から設定された位相差により搬送波を生成して、高調波抑制のために各電力変換器の搬送波の位相差運転を行うようにしている。

特開平８−９８３１７号公報

複数台のＰＷＭ方式の電力変換器を備えた列車において、基準電力変換器の制御回路が架線電圧から検出した同期電源信号を従属する複数の従属電力変換器に伝送することにより、各電力変換器の搬送波の位相差運転を行う場合に、基準電力変換器が従属電力変換器へ送出する同期電源信号が異常になる場合の動作として、同期電源信号の出力が完全に停止してしまう場合、同期電源信号の周期が異常である場合、同期電源信号の周期は正常で、かつ位相が異常である場合の３つの場合がある。同期電源信号の出力が停止する場合と周期が異常になる場合では、従属電力変換器は受信した同期電源信号の周期を計測しているため、受信した同期電源信号が異常であることを検出でき、従属電力変換器自身の制御回路で架線電圧から検出した同期電源信号に切替えることにより従属電力変換器の運転を継続することができる。

これに対し、基準電力変換器の制御マイコンが異常になったときなどには、架線電圧信号の基本波を抽出するためのバンドパスフィルタの特性が誤って設定されることがあり、周期が正常で、かつ位相が異常な同期電源信号が従属電力変換器に対して送出される場合がある。このような場合、受信した同期電源信号の周期が正常であるため、同期電源信号の異常を認識できず、誤った位相の同期電源信号に基づき電圧指令を生成する。この結果、電力変換器に必要な定電圧制御が正常に機能せず、従属電力変換器が正常であるにも関わらず運転を継続することができない。

この発明は、上記の問題点を解消するためになされたもので、基準電力変換器から異常な位相の同期電源信号が送出されたとき、その位相が異常であることを検出し、従属電力変換器自身で検出した同期電源信号に切替えることにより従属電力変換器の運転を継続するようにすることを目的とする。

この発明に係わる交流電気車の制御装置は、列車編成内に複数台のＰＷＭ方式の電力変換器を備え、複数台の上記電力変換器の内で、基準となる基準電力変換器で架線電圧から検出される同期電源信号を、上記基準電力変換器から従属する従属電力変換器に送信し、上記従属電力変換器ではこの同期電源信号から設定された位相差により搬送波を生成して、高調波抑制のために上記各電力変換器間で搬送波の位相差運転を行う交流電気車の制御装置において、上記基準電力変換器から送信される同期電源信号と上記従属電力変換器自身で検出した同期電源信号の位相差が設定された値以上か否かを検出する位相異常検出手段を備え、上記位相異常検出手段の異常出力により上記基準電力変換器から送信される同期電源信号が異常であると判断し、上記従属電力変換器自身で検出した同期電源信号に切替えて、上記従属電力変換器の運転を継続するようにしたものである。

この発明の交流電気車の制御装置によれば、基準電力変換器から送信される同期電源信号の位相が異常となったとき、従属電力変換器において同期電源信号の位相が異常であることを検出し、従属電力変換器自身で検出した同期電源信号に切替えることにより上記従属電力変換器の運転を継続することができる。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態を図について説明する。図１はこの発明の実施の形態１における交流電気車の制御装置を示すブロック図である。なお、この発明に係わる交流電気車の電力変換装置の全体構成とその動作は、図３，図４で説明したものを援用する。図１では、従属電力変換装置による同期電源信号の異常検出、ならびに、同期電源信号の切替え装置の構成を示す。

基準電力変換器３では交流架線１ａの電圧信号をＡＣＰＴ２ａにより計測した架線電圧信号４ａをアナログ・ディジタル変換器５ａでディジタル・データ化し、バンドパスフィルタ６ａに入力し、この出力を０クロス比較回路７ａに入力し、同期電源信号８ａを生成する。この同期電源信号８ａは搬送波生成回路１０ａに入力され、あらかじめ設定された搬送波初期位相９ａ（単相、２電力変換器並列のときは、０°）に応じた位相差をもつキャリア（ＰＷＭ用の三角波）１１ａを生成する。このキャリアがＰＷＭ回路１２ａに入力されＰＷＭ機能が実現され、コンバータ３５ａへのゲートオン・オフ信号（位相制御信号）が出力される。

また、同期電源信号８ａは定電圧制御を行う制御マイコン１４ａに入力され、周期を検出して、その出力で架線電圧に整合する５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ用フィルタ定数を切替え回路１３ａで設定して、その定数をバンドパスフィルタ６ａに出力する。さらに、同期電源信号８ａはインターフェース回路1５に入力される。インターフェース回路１５から送出された同期電源信号８ａは、同期電源信号引き通し線１６を介して、従属電力変換器１７のインターフェース回路１８に入力される。このインターフェース回路１８の出力した基準電力変換器３が生成した同期電源信号１９は、同期電源信号切替え回路２１，遅延検出回路２３及び周期検出回路２８にそれぞれ入力される。

基準電力変換器３が生成した同期電源信号１９に異常が無い平常時では、同期電源信号１９が同期電源信号切替え回路２１から搬送波生成回路１０ｂに入力され、あらかじめ設定された搬送波初期位相９ｂ（単相、２電力変換器並列のときは、９０°）に応じた位相差をもつキャリア（ＰＷＭ用の三角波）１１ｂを生成する。このキャリアがＰＷＭ回路１２ｂに入力されＰＷＭ機能が実現され、コンバータ３５ｂへのゲートオン・オフ信号（位相制御信号）が出力される。

従属電力変換器１７においても、基準電力変換器３と同様に架線１ｂの電圧信号をＡＣＰＴ２ｂにより計測した架線電圧信号４ｂをアナログ・ディジタル変換器５ｂでディジタル・データ化し、バンドパスフィルタ６ｂに入力し、この出力を０クロス比較回路７ｂに入力し、同期電源信号２０を生成する。この同期電源信号２０は同期電源信号切替え回路２１と遅延検出回路２３に入力される。遅延検出回路２３では基準電力変換器から受信した同期電源信号１９と従属電力変換器１７自身で生成した同期電源信号２０との遅延量２４を検出する。

この遅延量２４を遅延量比較回路２６に入力し、あらかじめ設定したしきい値２５と比較し同期電源信号１９の位相が異常か否かを検出する。このとき、基準電力変換器から受信した同期電源信号１９と従属電力変換器１７自身で生成した同期電源信号２０との進み量を検出しても良く、基準電力変換器から受信した同期電源信号１９と従属電力変換器１７自身で生成した同期電源信号２０との位相差を検出するようにしても良い。そして、遅延検出回路２３と遅延量比較回路２６とで位相異常検出手段を構成する。

また、周期検出回路２８では、基準電力変換器３から受信した同期電源信号１９の周期を計測し、この周期量２９を周期比較回路３１に入力し、あらかじめ設定したしきい値３０と比較し同期電源信号１９の周期が異常か否かを検出する。そして、周期検出回路２８と周期比較回路３１とで周期異常検出手段を構成する。遅延量比較回路出力信号である遅延量異常信号２７と周期比較回路出力信号である周期異常信号３２との論理和をとった信号が基準電力変換器生成同期電源信号１９と従属変換器生成同期電源信号２０の切替え信号３３であり、同期電源信号切替え回路２１の切替え動作に使用される。なお、図１で１４ｂは制御マイコン１４ａに相当する制御マイコンであり、１３ｂは切替え回路１３ａに相当する切替え回路である。

次に図１の動作について説明する。基準電力変換器３から受信した同期電源信号１９と従属電力変換器１７自身で生成した同期電源信号２０との遅延量２４を遅延検出回路２３により検出する。この遅延量２４はあらかじめ設定された遅延量しきい値２５と遅延量比較回路２６により比較され、しきい値より遅延量が外れたとき遅延量異常信号２７が有意（異常出力）となる。また、基準電力変換器３から受信した同期電源信号１９の周期が周期検出回路２８により検出される。この周期量２９はあらかじめ設定された周期量しきい値３０と周期量比較回路３１により比較され、しきい値から周期量が外れたとき周期量異常信号３２が有意（異常出力）となる。

遅延量異常信号２７と周期量異常信号３２との論理和をとった信号が基準電力変換器生成同期電源信号１９と従属電力変換器生成同期電源信号２０の切替え信号３３であり、遅延量異常信号２７か周期量異常信号３２のどちらかが有意であるとき、同期電源信号切替え回路２１が従属電力変換器で生成した同期電源信号２０側に切替わる。遅延量異常検出回路２３と周期異常検出回路２８を併用することにより、基準電力変換器から送出される同期電源信号１９が停止する場合、同期電源信号１９の周期が異常になる場合、同期電源信号の周期が正常、かつ位相が異常になる場合のいずれの異常が発生する場合でも、同期電源信号１９の異常が検出でき、従属電力変換器自身で生成した同期電源信号２０に切替えることにより、従属電力変換器の運転を継続することができる。

また、基準電力変換器から送出される同期電源信号と従属電力変換器自身で検出した同期電源信号の位相差が設定された値以上か否かを検出する位相異常検出手段を備え、上記位相異常検出手段の異常出力により基準電力変換器から送出される同期電源信号が異常であると判断し、従属電力変換器自身で検出した同期電源信号に切替えることにより、従属電力変換器の運転を継続することができる。

実施の形態２．
図２は実施の形態２における交流電気車の制御装置を示すブロック図で、従属電力変換装置による同期電源信号異常検出装置の構成を示す。実施の形態１では、図１において架線電圧信号４ａ，４ｂをアナログ・ディジタル変換器５ａ，５ｂによりディジタル信号データに変換し、バンドパスフィルタ６ａ，６ｂ、０クロス比較回路７ａ，７ｂをディジタル回路で構成しディジタル量で処理しているが、実施の形態２では、アナログ・ディジタル変換器５ａ，５ｂを省き、バンドパスフィルタ６ａ，６ｂ、０クロス比較回路７ａ，７ｂをアナログ回路で構成しアナログ量で処理している。

この発明の実施の形態１における交流電気車の制御装置を示すブロック図である。実施の形態２における交流電気車の制御装置を示すブロック図である。従来の交流電気車の制御装置を示すブロック図である。従来のＰＷＭコンバータの動作を制御する制御ブロック図を示す。

符号の説明

１ａ,１ｂ交流架線２ａ，２ｂＡＣＰＴ
３基準電力変換器４ａ，４ｂ架線電圧信号
５ａ，５ｂアナログ・ディジタル変換器
６ａ，６ｂバンドパスフィルタ７ａ，７ｂ０クロス比較回路
８ａ同期電源信号９ａ,９ｂ搬送波初期位相
１０ａ,１０ｂ搬送波生成回路１１ａ,１１ｂキャリア
１２ａ,１２ｂＰＷＭ回路１３ａ,１３ｂ切替え回路
１４ａ,１４ｂ制御マイコン１５インターフェース回路

１６同期電源信号引き通し線１７従属電力変換器
１８インターフェース回路１９基準電力変換器生成同期電源信号
２０従属電力変換器生成同期電源信号２１同期電源信号切替え回路
２２同期電源信号２３遅延検出回路
２４遅延量２５しきい値
２６遅延量比較回路２７遅延量異常信号
２８周期検出回路２９周期量
３０しきい値３１周期比較回路
３２周期異常信号３３切替え信号

３５ａ，５ｂコンバータ５１交流架線
５２パンタグラフ５３主変圧器
５４，５５コンバータ５６平滑コンデンサ
５７インバータ５８誘導電動機
７０，７１，７２，７３，７４増幅器
７５乗算器７６，７７三角波作成回路
７８，７９，８０，８１，８２減算器

Claims

列車編成内に複数台のＰＷＭ方式の電力変換器を備え、複数台の上記電力変換器の内で、基準となる基準電力変換器で架線電圧から検出される同期電源信号を、上記基準電力変換器から従属する従属電力変換器に送信し、上記従属電力変換器ではこの同期電源信号から設定された位相差により搬送波を生成して、高調波抑制のために上記各電力変換器間で搬送波の位相差運転を行う交流電気車の制御装置において、
上記基準電力変換器から送信される同期電源信号と上記従属電力変換器自身で検出した同期電源信号の位相差が設定された値以上か否かを検出する位相異常検出手段を備え、上記位相異常検出手段の異常出力により上記基準電力変換器から送信される同期電源信号が異常であると判断し、上記従属電力変換器自身で検出した同期電源信号に切替えて、上記従属電力変換器の運転を継続するようにした交流電気車の制御装置。
列車編成内に複数台のＰＷＭ方式の電力変換器を備え、複数台の上記電力変換器の内で、基準となる基準電力変換器で架線電圧から検出される同期電源信号を、上記基準電力変換器から従属する従属電力変換器に送信し、上記従属電力変換器ではこの同期電源信号から設定された位相差により搬送波を生成して、高調波抑制のために上記各電力変換器間で搬送波の位相差運転を行う交流電気車の制御装置において、
上記基準電力変換器から送信される同期電源信号の周期をしきい値と比較して異常である否かを検出する周期異常検出手段、及び上記基準電力変換器から送信される同期電源信号と上記従属電力変換器自身で検出した同期電源信号の位相差が設定された値以上か否かを検出する位相異常検出手段を備え、上記周期異常検出手段及び位相異常検出手段のいずれかの異常出力により上記基準電力変換器から送信される同期電源信号が異常であると判断し、上記従属電力変換器自身で検出した同期電源信号に切替えて、上記従属電力変換器の運転を継続するようにした交流電気車の制御装置。