(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電力を直流電力に変換する３レベルコンバータと、前記コンバータの直流側に設けられ、正電位、中性点電位、負電位の３電位を出力するコンバータ用フィルタコンデンサと、該コンデンサに直流側が接続されて直流電力を交流電力に変換する２レベルインバータと、前記中性点電位の変動を抑制する制御手段とを備えた交流を電源とする交流電気車の制御装置において、
前記インバータの直流電圧を平滑化するため直流側正負電位両端に設けられるインバータ用フィルタコンデンサに中性点電位を出力する端子を設け、該端子と前記コンバータ用フィルタコンデンサの中性点電位端子を接続することを特徴とする交流電気車の制御装置。
【請求項２】
交流電力を直流電力に変換する３レベルコンバータと、前記コンバータの直流側に設けられ、正電位、中性点電位、負電位の３電位を出力するコンバータ用フィルタコンデンサと、該コンデンサに直流電力を交流電力に変換する複数の２レベルインバータの直流側が並列接続され、前記中性点電位の変動を抑制する制御手段とを備えた交流を電源とする交流電気車の制御装置において、
前記各インバータの直流電圧を平滑化するため直流側正負電位両端に設けられるインバータ用フィルタコンデンサに中性点電位を出力する端子を夫々設け、該端子と前記コンバータ用フィルタコンデンサの中性点電位端子を接続し、かつ、
前記コンバータ用フィルタコンデンサと前記各インバータ用フィルタコンデンサの正電位、負電位同士での接続には電位点の接続を開放する接触器を設け、インバータ故障時は故障したインバータの接触器を開放する手段を設けたことを特徴とする交流電気車の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流電気車の制御装置に係り、特に、フィルタコンデンサの接続に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、交流電気車の制御装置として、特開平７−２５０４７８号公報に記載されているようなＧＴＯやＩＧＢＴを主回路素子に用いたＰＷＭコンバータとＰＷＭインバータを組合わせたコンバータ・インバータシステムが実用化されている。
コンバータ・インバータシステムでは、使用する主回路素子の耐圧や、コンバータ・インバータ間の直流回路電圧、また、モータ電磁歪音低減や架線電流高調波低減等の関係により、コンバータおよびインバータの素子構成を２レベル方式とするか３レベル方式とするか、あるいはさらに多レベル方式とするかを決定している。
図４は、従来の３レベルコンバータと２レベルインバータを組合わせたコンバータ・インバータシステムの構成を示したものである。コンバータ３およびインバータ４の直流回路電圧を平滑化するために、フィルタコンデンサ５、６をそれぞれ設けているが、コンバータ用のフィルタコンデンサ５は正電位、中性点電位、負電位の３電位出力をもつ３レベル形であり、インバータ用のフィルタコンデンサ６は正電位、負電位の２電位出力をもつ２レベル形となっている。なお、１は主変圧器、２はモータ、７はコンバータ３のＰＷＭ制御回路、８はインバータ４のＰＷＭ制御回路である。
３レベルコンバータは、正側コンデンサと負側コンデンサを均等に充放電させるため、理想的には中性点の電位はアンバランスとなることはないが、実際には正側と負側のコンデンサ容量の僅かな差やコンバータのスイッチング素子の特性差等により、正側、負側コンデンサの充放電に差が生じ、これが蓄積して中性点電位が正負どちらかに偏ることになる。これを防ぐために、３レベルコンバータでは、特開平６−２３３５３７号公報に示されるような中性点電圧制御が不可欠であり、その原理は、例えば中性点電位が正電位に近づいた場合は、正側コンデンサは充電時間を長め、負側コンデンサは放電時間を長めにして、中性点電位が真の中性点電位に近づくようにＰＷＭ制御するというものである。
ところで、コンデンサの容量が小さい場合は、充放電時間が僅かであっても電圧変動が大きなものとなるため、中性点電圧制御を精度よく行うためには、直流回路の時定数に対し、コンバータの制御周期を十分短くし、応答性を高める必要がある。中性点電圧制御に関与する直流回路の時定数は、正電位点、中性点電位点、負電位点に接続されたフィルタコンデンサの容量によって定まる。したがって、図４においては、時定数はコンバータ用フィルタコンデンサ５の容量で決り、正電位と負電位しか接続されていないインバータ用フィルタコンデンサの容量は関与しない。これまでは数十〜数百μｓオーダの制御周期で中性点電圧制御を行うため、十数ｍＦ程度のコンバータ用フィルタコンデンサ容量が必要となっていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
フィルタコンデンサの容量は、制御装置の寸法と関係があり、容量低減は制御装置の小形化につながる。しかし、容量低減すると、直流回路の時定数が短くなるので、中性点電圧制御の精度を従来機並に保つためには、コンバータＰＷＭ制御周期を従来機よりも短くしなければならない。したがって、より高速なＰＷＭ制御回路が必要とされ、装置がより高価あるいは実現困難なものとなる。
逆に言えば、従来機と同等の演算速度のＰＷＭ制御回路ではコンバータ用フィルタコンデンサの容量が低減できず、装置の小形化が不可能となる。
【０００４】
本発明の課題は、３レベルコンバータと２レベルインバータを組合わせた交流を電源とする交流電気車において、コンバータのＰＷＭ制御回路の演算を従来機と同等速度としたままで、中性点電圧制御の精度を低下させず、コンバータ用フィルタコンデンサの容量を低減した小形な制御装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、交流電力を直流電力に変換する３レベルコンバータと、コンバータの直流側に設けられ、正電位、中性点電位、負電位の３電位を出力するコンバータ用フィルタコンデンサと、該コンデンサに直流側が接続されて直流電力を交流電力に変換する２レベルインバータと、中性点電位の変動を抑制する制御手段とを備えた交流を電源とする交流電気車の制御装置において、インバータの直流電圧を平滑化するため直流側正負電位両端に設けられるインバータ用フィルタコンデンサに中性点電位を出力する端子を設け、該端子とコンバータ用フィルタコンデンサの中性点電位端子を接続する。
また、交流電力を直流電力に変換する３レベルコンバータと、コンバータの直流側に設けられ、正電位、中性点電位、負電位の３電位を出力するコンバータ用フィルタコンデンサと、該コンデンサに直流電力を交流電力に変換する複数の２レベルインバータの直流側が並列接続され、中性点電位の変動を抑制する制御手段とを備えた交流を電源とする交流電気車の制御装置において、各インバータの直流電圧を平滑化するため直流側正負電位両端に設けられるインバータ用フィルタコンデンサに中性点電位を出力する端子を夫々設け、該端子とコンバータ用フィルタコンデンサの中性点電位端子を接続し、かつ、コンバータ用フィルタコンデンサと各インバータ用フィルタコンデンサの正電位、負電位同士での接続には電位点の接続を開放する接触器を設け、インバータ故障時は故障したインバータの接触器を開放する手段を設ける。
【０００６】
３レベルコンバータと２レベルインバータを組合わせた場合に、インバータ用フィルタコンデンサも正電位、中性点電位、負電位の３電位出力とし、コンバータ用フィルタコンデンサの各出力点と接続することにより、インバータのフィルタコンデンサ容量も中性点電圧制御に関与するものとみなすことができる。これにより、コンバータ用フィルタコンデンサの容量を低減しても、直流回路の時定数は十分な値を確保していることとなる。したがって、従来機と同等の演算速度のＰＷＭ制御回路を適用しても、中性点電圧制御の精度は下がらず、コンバータ用フィルタコンデンサの容量を低減した小形な制御装置を実現することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の交流電気車の制御装置の第１の実施形態を示す。図１において、１は主変圧器、２はモータ、３は主変圧器１に接続され、交流電力を直流電力に変換するための３レベルコンバータであり、Ｕ相ユニット３ＵおよびＶ相ユニット３Ｖから構成される。４は直流電力を交流電力に変換し、モータ２を制御するための２レベルインバータであり、Ｕ相ユニット４Ｕ、Ｖ相ユニット４ＶおよびＷ相ユニット４Ｗから構成される。５Ｕ、５Ｖ、６Ｕ、６Ｖ、６Ｗはコンバータ、インバータ各相毎に分割して接続されたフィルタコンデンサであり、直流回路電圧を平滑化し、各相のスイッチング時の電圧過渡変動を抑制する作用がある。各コンデンサとも正電位、中性点電位、負電位の出力端子を有し、各電位毎にすべて接続し、中性点を接地するものとする。７は３レベルコンバータ３のＰＷＭ制御回路、８は２レベルインバータ４のＰＷＭ制御回路である。コンバータ用ＰＷＭ制御回路７は、従来機と同等の演算速度の数十〜数百μｓオーダの制御周期で動作するものである。
【０００８】
先述したように、中性点電圧制御を精度良く行うためには、従来機と同等の演算速度のＰＷＭ制御回路７に対しては、３レベルコンバータ３の正電位点、中性点電位点、負電位点に接続された容量が十数ｍＦ程度のフィルタコンデンサが必要となる。
本実施形態では、２レベルインバータ用のフィルタコンデンサ６Ｕ、６Ｖ、６Ｗにも中性点を設けて、コンバータ用フィルタコンデンサ５Ｕ、５Ｖの中性点と接続するので、５Ｕ、５Ｖと６Ｕ、６Ｖ、６Ｗは並列接続となり、中性点電圧制御に関与するコンデンサ容量は大きくなる。したがって、フィルタコンデンサ５Ｕ、５Ｖ、６Ｕ、６Ｖ、６Ｗ全体で十数ｍＦ程度の容量を確保すればよく、コンバータ用フィルタコンデンサ５Ｕ、５Ｖの容量を低減することができる。
これにより、コンバータ用フィルタコンデンサ５Ｕ、５Ｖの容量を低減しても、直流回路の時定数は十分な値を確保していることとなり、従来機と同等の演算速度のＰＷＭ制御回路を適用しても、中性点電圧制御の精度は下がらず、コンバータ用フィルタコンデンサの容量を低減した小形な制御装置を実現することができる。
なお、２レベルインバータ４は、フィルタコンデンサ５Ｕ、５Ｖ、６Ｕ、６Ｖ、６Ｗの正電位と負電位のみに接続され、この二端子間の合計容量は中性点を接続した場合でも変化しないため、本実施形態では２レベルインバータ４の動作または制御に影響を与えることはない。
【０００９】
図２は、本発明の第２の実施形態を示す。１、２、７、８については第１の実施形態と同様であるため、説明を省略する。３は３レベルコンバータ、４は２レベルインバータであり、第１の実施形態のように相毎のユニット構成ではなく、一体化したものである。５はコンバータ用フィルタコンデンサ、６はインバータ用フィルタコンデンサであり、５、６ともに正電位、中性点電位、負電位の出力端子を有し、各電位毎に接続し、中性点を接地するものとする。
本実施形態においても、２レベルインバータ用のフィルタコンデンサ６にも中性点を設けて、コンバータ用フィルタコンデンサ５Ｖの中性点と接続するので、５と６は並列接続となり、中性点電圧制御に関与するコンデンサ容量は大きくなる。したがって、フィルタコンデンサ５、６全体で十数ｍＦ程度の容量を確保すればよく、コンバータ用フィルタコンデンサ５の容量を低減することができる。これにより、コンバータ用フィルタコンデンサ５の容量を低減しても、直流回路の時定数は十分な値を確保していることとなり、従来機と同等の演算速度のＰＷＭ制御回路を適用しても、中性点電圧制御の精度は下がらず、コンバータ用フィルタコンデンサの容量を低減した小形な制御装置を実現することができる。
なお、本実施形態も、第１の実施形態と同様に、２レベルインバータ４の動作または制御に影響を与えることはない。
【００１０】
図３は、本発明の第３の実施形態であり、第２の実施形態の２レベルインバータ４を複数化した構成について示す。１、３、５、７については第２の実施形態と同様であるので、説明を省略する。図３において、２１、２２、・・・、２ｎはモータであり、４１、４２、・・・、４ｎは２レベルインバータであり、６１、６２、・・・、６ｎはインバータ用フィルタコンデンサであり、全て正電位、中性点電位、負電位の３出力端子を有する。８１、８２、・・・、８ｎはインバータ用ＰＷＭ制御回路である。９１Ａ、９２Ａ、・・・、９ｎＡはコンバータ用フィルタコンデンサ５とインバータ用フィルタコンデンサ６１、６２、・・・、６ｎの正電位点同士の接続あるいは開放を行う正側接触器である。９１Ｂ、９２Ｂ、・・・、９ｎＢはコンバータ用フィルタコンデンサ５とインバータ用フィルタコンデンサ６１、６２、・・・、６ｎの負電位点同士の接続あるいは開放を行う負側接触器である。
インバータ４１、４２、・・・、４ｎが全て健全である場合は、正側、負側ともに全ての接触器９１Ａ、９１Ｂ、９２Ａ、９２Ｂ、・・・、９ｎＡ、９ｎＢを閉じて運転を行う。ここで、例えばインバータ４１が故障した場合は、インバータ４１を主回路から切放すために、正側接触器９１Ａと負側接触器９１Ｂの両方を開放する。これにより、フィルタコンデンサ全体の正側と負側の容量がアンバランスとならず、コンバータ３の中性点制御に悪影響を及さずにすむ。このとき、中性点同士の接続については、中性点が接地されているため、特に開放する必要はなく、したがって接触器は不要である。
ここで、正側または負側の一方の接触器しか開放しなかったり、接触器を正側または負側の一方にしか設けなかった場合は、フィルタコンデンサ全体の正側と負側の容量がアンバランスとなり、中性点電圧制御を著しく害することは明かである。
また、交直流電車のように負電位点が接地されている場合には、フィルタコンデンサの正電位同士および中性点電位同士の接続を開閉できるように２つの接触器を配置すればよい。
【００１１】
以上、第２の実施形態の２レベルインバータ４を複数化することについて説明したが、本発明は、第１の実施形態の２レベルインバータ４を複数化する場合についても同様に適用することができる。
【００１２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、３レベルコンバータと２レベルインバータを組合わせた場合に、中性点電圧制御の精度を従来機と同等に保ったまま、従来機と同等の演算速度のＰＷＭ制御回路を適用し、コンバータ用フィルタコンデンサの容量を低減して装置の小形化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の交流電気車の制御装置の第１の実施形態を示す。
【図２】本発明の第２の実施形態を示す。
【図３】本発明の第３の実施形態を示す。
【図４】従来技術を示す。
【符号の説明】
１…主変圧器、２…モータ、３…３レベルコンバータ、４，４１，４２，・・・，４ｎ…２レベルインバータ、５…コンバータ用フィルタコンデンサ、６，６１，６２，・・・，６ｎ…インバータ用フィルタコンデンサ、７…コンバータ用ＰＷＭ制御回路、８，８１，８２，・・・，８ｎ…インバータ用ＰＷＭ制御回路、９１Ａ，９２Ａ，・・・，９ｎＡ…正側接触器、９１Ｂ，９２Ｂ，・・・，９ｎＢ…負側接触器
【図１】
0003700017.tif 000002
【図２】
0003700017.tif 000003
【図３】
0003700017.tif 000004
【図４】
0003700017.tif 000005