(57)【要約】【課題】インバータ装置の動作によって発生した高調波の低周波成分を小型・低コストの電気車両制御装置で削減する。【解決手段】インバータ装置１２の入力段に直列接続された抵抗７およびスイッチ回路８を設け、スイッチング信号に従ってスイッチ回路８が動作したときの抵抗７の端子間電圧が、フィルタコンデンサ電圧に重畳されローパスフィルタで低減しきれなかった高調波と同一振幅かつ逆位相の電圧となるように、スイッチング信号生成回路３によりスイッチング信号を生成する。この構成によって、抵抗７の端子間電圧によりフィルタコンデンサ電圧に重畳された高調波を相殺する。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可変電圧可変周波数型のインバータ装置による直流交流変換時に発生した高調波の高周波成分を前記インバータ装置の入力段に設けられたリアクトルとコンデンサによるローパスフィルタで低減するようにした電気車両制御装置において、
前記インバータ装置の入力端子間に直列接続された抵抗およびスイッチ手段と、
前記抵抗の電圧が前記インバータの入力段に重畳された高調波と逆位相かつ同一振幅の電圧となるように、前記スイッチ手段の動作を制御するスイッチング信号を生成するスイッチング信号生成手段と、
を有することを特徴とする電気車両制御装置。
【請求項２】
前記コンデンサの電圧を検出する電圧検出手段と、
前記スイッチング信号生成手段は、前記電圧検出手段により検出された電圧信号について、削減しようとする高調波の低周波数帯を通過させるフィルタ手段と、
前記フィルタ手段を通過した信号の位相を逆位相にする位相制御手段と、
前記フィルタ手段を通過した信号の振幅を定数倍する振幅調整手段と、
を有することを特徴とする請求項１記載の電気車両制御装置。
【請求項３】
可変電圧可変周波数型のインバータ装置による直流交流変換時に発生した高調波の高周波成分を前記インバータ装置の入力段に設けられたリアクトルとコンデンサによるローパスフィルタで低減するようにした電気車両制御装置において、
前記インバータ装置の入力端子間に直列接続された抵抗およびスイッチ手段と、
前記スイッチ手段が前記インバータの入力段に重畳された高調波成分と同位相で動作し、そのスイッチ幅が前記高調波成分の振幅に比例したものとなるように、前記スイッチ手段の動作を制御するスイッチング信号を生成するスイッチング信号生成手段と、
を有することを特徴とする電気車両制御装置。
【請求項４】
前記インバータ装置の入力段における直流電流を検出する電流検出手段を有し、
前記スイッチング信号生成手段は、前記電流検出手段により検出された電流信号について、削減しようとする高調波の低周波数帯を通過させるフィルタ手段と、
前記フィルタ手段を通過した信号の振幅を定数倍する振幅調整手段と、
を有することを特徴とする請求項３記載の電気車両制御装置。
【請求項５】
前記リアクトルの入力段での電圧を検出する電圧検出手段を有し、
前記スイッチング信号生成手段は、前記電圧検出手段により検出された電圧信号について、削減しようとする高調波の低周波数帯を通過させるフィルタ手段と、
前記フィルタ手段を通過した信号の位相を進ませる位相進め手段と、
前記フィルタ手段を通過した信号の振幅を定数倍する振幅調整手段と、
を有することを特徴とする請求項３記載の電気車両制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電車などの電気車両を制御する電気車両制御装置に関し、特に電気車両の駆動装置から発生する高調波成分を低減する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７は、従来の電気車両御装置の構成を示すブロック図である。ここでは、電気車両として電車を例に説明する。この種の電気車両は、直流電力供給線１から直流電力集電器２を通じて集電した直流電力を可変電圧可変周波数型のインバータ装置１２により短冊状にスイッチングすることによって交流電力に変換し、交流電動機１３を駆動することで走行する。通常、直流電力集電器２とインバータ装置１２との間には遮断器５が接続される。
【０００３】
電気車両は、変電所へ帰還する電流（以下「帰還電流」という）や、列車保護装置、自動列車停止装置、自動列車運転装置等へ送信する制御信号を接地装置１４およびレール１５を介して出力する。制御信号には、数十Ｈｚから１００ｋＨｚ程度の周波数が通常は使用される。
【０００４】
インバータ装置１２による直流交流変換時には、帰還電流や制御信号に高調波成分が重畳してしまい、この高調波成分が接地装置１４およびレール１５を介して漏れ出すこととなる。高調波成分は列車保護装置等を誤動作させる場合があるため、これを減少させる制御を行う必要がある。
【０００５】
高調波成分を減少させるために、従来は、図７に示すように、フィルタリアクトル６とフィルタコンデンサ１０とにより形成されるローパスフィルタ回路が用いられていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、ローパスフィルタ回路では、高調波の高周波成分については低減できるものの、低周波成分に対しては十分に低減できないという問題があった。
【０００７】
このため、制御信号に例えば商用周波数に満たない低い周波数を使用している場合には、特に誤動作の原因となり易かった。
【０００８】
高調波の低減効果を高めるためには、フィルタリアクトル６とフィルタコンデンサ１０を大型化することも考えられるが、設置スペースの大型化、高消費電力化、高コスト化を招く要因となるため望ましくない。
【０００９】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、インバータ装置の動作によって発生した高調波の低周波成分についても削減し得る小型・低コストの電気車両制御装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の本発明に係る電気車両制御装置は、可変電圧可変周波数型のインバータ装置による直流交流変換時に発生した高調波の高周波成分を前記インバータ装置の入力段に設けられたリアクトルとコンデンサによるローパスフィルタで低減するようにした電気車両制御装置において、前記インバータ装置の入力端子間に直列接続された抵抗およびスイッチ手段と、前記抵抗の電圧が前記インバータの入力段に重畳された高調波と逆位相かつ同一振幅の電圧となるように、前記スイッチ手段の動作を制御するスイッチング信号を生成するスイッチング信号生成手段と、を有することを特徴とする。
【００１１】
本発明にあっては、インバータ装置の入力段に直列接続された抵抗とスイッチ回路を設け、抵抗の電圧がインバータ装置の入力段に重畳された高調波成分と逆位相かつ同一振幅の電圧となるように、スイッチ手段の動作を制御するようにしたことで、抵抗の電圧によりインバータ装置の入力段に重畳された高調波を相殺するようにしている。
【００１２】
請求項２記載の本発明は、請求項１記載の電気車両制御装置において、前記コンデンサの電圧を検出する電圧検出手段と、前記スイッチング信号生成手段は、前記電圧検出手段により検出された電圧信号について、削減しようとする高調波の低周波数帯を通過させるフィルタ手段と、前記フィルタ手段を通過した信号の位相を逆位相にする位相制御手段と、前記フィルタ手段を通過した信号の振幅を定数倍する振幅調整手段と、を有することを特徴とする。
【００１３】
請求項３記載の本発明に係る電気車両制御装置は、可変電圧可変周波数型のインバータ装置による直流交流変換時に発生した高調波の高周波成分を前記インバータ装置の入力段に設けられたリアクトルとコンデンサによるローパスフィルタで低減するようにした電気車両制御装置において、前記インバータ装置の入力端子間に直列接続された抵抗およびスイッチ手段と、前記スイッチ手段が前記インバータの入力段に重畳された高調波成分と同位相で動作し、そのスイッチ幅が前記高調波成分の振幅に比例したものとなるように、前記スイッチ手段の動作を制御するスイッチング信号を生成するスイッチング信号生成手段と、を有することを特徴とする。
【００１４】
本発明にあっては、インバータ装置の入力段に直列接続された抵抗とスイッチ回路を設け、インバータ装置の入力段に重畳された高調波成分と同位相でスイッチ手段が動作し、そのスイッチ幅が高調波成分の振幅に比例した幅となるようにしたことで、インバータ装置の入力段に重畳された高調波成分が抵抗に分流して抵抗で消費されるようにしている。
【００１５】
請求項４記載の本発明は、請求項３記載の電気車両制御装置において、前記インバータ装置の入力段における直流電流を検出する電流検出手段を有し、前記スイッチング信号生成手段は、前記電流検出手段により検出された電流信号について、削減しようとする高調波の低周波数帯を通過させるフィルタ手段と、前記フィルタ手段を通過した信号の振幅を定数倍する振幅調整手段と、を有することを特徴とする。
【００１６】
請求項５記載の本発明は、請求項３記載の電気車両制御装置において、前記リアクトルの入力段での電圧を検出する電圧検出手段を有し、前記スイッチング信号生成手段は、前記電圧検出手段により検出された電圧信号について、削減しようとする高調波の低周波数帯を通過させるフィルタ手段と、前記フィルタ手段を通過した信号の位相を進ませる位相進め手段と、前記フィルタ手段を通過した信号の振幅を定数倍する振幅調整手段と、を有することを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００１８】
［第１の実施の形態］
図１は、一実施の形態における電気車両制御装置の構成を示すブロック図である。フィルタリアクトル６とフィルタコンデンサ１０により高調波の高周波成分を低減するためのローパスフィルタが形成される。フィルタリアクトル６はインバータ装置１２の直流入力側の一端子と直流電力集電器２との間に接続され、フィルタコンデンサ１０は可変電圧可変周波数型のインバータ装置１２の直流入力側の二端子間に接続される。直流電力集電器２とフィルタリアクトル６との間には遮断器５が接続される。直列接続された直流電力消費用の抵抗７とスイッチ回路８が、インバータ装置１２の入力部でフィルタコンデンサ１０に並列に接続される。フィルタコンデンサ１０の端子間電圧（以下「フィルタコンデンサ電圧ＶＤ」という）を検出する電圧検出器１１が、フィルタコンデンサ１０に並列に接続される。電圧検出器１１の出力端子はスイッチング信号生成回路３の入力端子に接続され、スイッチング信号生成回路３の出力端子はスイッチ回路８の制御端子に接続される。なお、その他、図７と同一物には同一の符号を付すこととし、ここでは説明を省略する。
【００１９】
図２は、スイッチング信号生成回路３の構成を示すブロック図である。スイッチング信号生成回路３は、帯域フィルタ１６、乗算器１７、加算器１９、増幅器２０がこの順で直列的に接続された構成である。帯域フィルタ１６の入力端子はスイッチング信号生成回路３の入力端子に相当し、増幅器２０の出力端子はスイッチング信号生成回路３の出力端子に相当する。
【００２０】
次に、本電気車両制御装置の動作について説明する。インバータ装置１２が動作することにより、フィルタコンデンサ電圧ＶＤには高調波成分が重畳される。電圧検出器１１は、高調波が重畳されたフィルタコンデンサ電圧ＶＤを検出し、その電圧信号をスイッチング信号生成回路３へ出力する。
【００２１】
スイッチング信号生成回路３では、まず、帯域フィルタ１６により、削減しようとする高調波の低周波数帯だけを通過させる。帯域フィルタ１６では、接地装置１４を介してレール１５へ出力する帰還電流や制御信号に対して、高調波が最も悪影響を与えると考えられる低周波数帯を予め設定しておく。ここでは、この周波数帯のセンタ値をω０［Ｈｚ］としたときの帯域フィルタ１６を通過した電圧信号を周波数信号ω０と呼ぶものとする。
【００２２】
乗算器１７では、周波数信号ω０の位相を逆位相にするとともに、その振幅を定数倍することによりスイッチング信号を生成する。すなわち、定数をＫで表すこととすると、乗算器１７は、周波数信号ω０を−Ｋ倍する。このときのスイッチング信号を周波数信号−Ｋω０と表すものとする。
【００２３】
加算器１９では、周波数信号−Ｋω０にインバータ制御装置１８からの出力信号を加算する。インバータ制御装置１８からの出力信号は、インバータ装置１２が直流電力を交流電力へ変換するときに用いるスイッチング素子をオン・オフさせるための制御信号が延出されてきたものである。
【００２４】
増幅器２０では、加算器１９から出力されたスイッチング信号の振幅を調整し、スイッチ回路８の制御端子へ出力する。スイッチ回路８は、スイッチイング信号に従って動作する。
【００２５】
スイッチング信号に従ってスイッチ回路８が動作したときの抵抗７とスイッチ回路８に流れる電流Ｉｎ［Ａ］は、次式で表される。
【００２６】
【数１】
2004096834.tif 000003
ここで、Ｒは抵抗７における抵抗値である。また、ｎは高調波の次数であり、奇数である。この式により、スイッチ回路８を動作させたときの抵抗７の端子間電圧における高調波の周波数、振幅、位相が、スイッチング信号により制御可能であることが示される。
【００２７】
この点を踏まえ、スイッチング信号生成回路３では、スイッチング信号に従ってスイッチ回路８が動作したときの抵抗７の端子間電圧が、フィルタコンデンサ電圧に重畳された高調波と同一振幅かつ逆位相の電圧となるように、スイッチング信号を生成する。このような抵抗７の端子間電圧により、フィルタコンデンサ電圧に重畳された高調波を相殺する。さらに、高調波が相殺されたフィルタコンデンサ電圧を電圧検出器１１によって検出し、スイッチング信号生成回路３にフィードバックする。
【００２８】
したがって、本実施の形態によれば、高調波の高周波成分についてはローパスフィルタにより低減し、高調波の低周波成分については、スイッチング信号に従ってスイッチ回路８が動作したときの抵抗７の端子間電圧が、フィルタコンデンサ電圧に重畳されローパスフィルタで低減しきれなかった高調波と同一振幅かつ逆位相の電圧となるように、スイッチング信号を生成するようにしたことで、抵抗７の端子間電圧によりフィルタコンデンサ電圧に重畳された高調波を相殺することができ、高調波の高周波成分と低周波成分を低減することができる。これによって、列車保護装置等の誤動作を防止することができる。
【００２９】
また、本実施の形態によれば、追加する機器は、電圧検出器１１、高調波成分のみに相当する電力を消費するだけの小型の抵抗７、スイッチ回路８、およびスイッチング信号生成回路３だけであるので、小型かつ低コストの電気車両制御装置を実現することができる。
【００３０】
また、本実施の形態によれば、高調波が相殺されたフィルタコンデンサ電圧をスイッチング信号生成回路３にフィードバックして、スイッチング信号の生成に反映するようにしたことで、フィルタコンデンサ電圧の安定化を図ることができる。
【００３１】
なお、一般に電気車両では、電気ブレーキ動作時に交流電動機１３で発電された電力をインバータ装置１２で直流電力に変換し、その電力を抵抗器で消費することとしているが、抵抗７とスイッチ回路８をこの抵抗器として兼用するようにしてもよい。この場合には、電気車両制御装置の小型化かつ低コスト化をさらに図ることができる。
【００３２】
［第２の実施の形態］
図３は、第２の実施の形態における電気車両制御装置の構成を示すブロック図である。同図の電気車両制御装置は、図１の装置に対して、電圧検出器１１に代えて、電流検出器３４を直流電力集電器２と遮断器５との間に接続し、この電流検出器３４が検出した電流信号を用いて、スイッチング信号生成回路３３によりスイッチ回路８の動作を制御するためのスイッチング信号を生成するようにした構成である。その他、図１と同一物には同一の符号を付すこととし、ここでは重複した説明は省略する。
【００３３】
図４は、スイッチング信号生成回路３３の構成を示すブロック図である。スイッチング信号生成回路３３は、図２の回路に対して、帯域フィルタ１６に代えて電流信号に対応した帯域フィルタ３６を用い、乗算器１７に代えて定数倍した周波数信号を同位相で出力する乗算器３７を用いた構成である。その他、図２と同一物には同一の符号を付すこととし、ここでは重複した説明は省略する。
【００３４】
次に、本電気車両制御装置の動作について説明する。電流検出器３４は、インバータ装置１２の動作によって高調波が重畳された直流入力電流を検出し、その電流信号をスイッチング信号生成回路３３へ出力する。
【００３５】
スイッチング信号生成回路３３では、まず、帯域フィルタ３６により、削減しようとする高調波の低周波数帯だけを通過させることによって、周波数信号ω０を出力する。
【００３６】
乗算器３７では、周波数信号ω０の振幅を定数倍（Ｋ倍）することによって、周波数信号Ｋω０を出力する。加算器１９、増幅器２０は第１の実施の形態で説明したものと同様に動作する。
【００３７】
スイッチ回路８は、スイッチング生成回路３３により生成されたスイッチング信号に従って動作する。すなわち、スイッチ回路８は、インバータ装置１２の入力段に重畳されローパスフィルタで低減しきれなかった高調波成分と同位相で動作し、そのスイッチ幅は高調波成分の振幅に比例したものとなる。このようなスイッチ回路８の動作によって、インバータ装置１２の入力段における高調波成分が抵抗７に分流し、抵抗７で消費されることとなる。
【００３８】
したがって、本実施の形態によれば、インバータ装置１２の入力段に直列接続された抵抗７およびスイッチ回路８を設け、インバータ装置１２の入力段に重畳された高調波成分と同位相でスイッチ回路８が動作し、そのスイッチ幅が高調波成分の振幅に比例するようにしたことで、インバータ装置１２の入力段に重畳された高調波成分が抵抗７に分流して抵抗７で消費されるようになるので、高調波の低周波成分についても低減することができる。
【００３９】
［第３の実施の形態］
図５は、第３の実施の形態における電気車両制御装置の構成を示すブロック図である。同図の電気車両制御装置は、図１の装置に対して、電圧検出器１１に代えて、電圧検出器５１をフィルタリアクトル６の入力段すなわち直流電力集電器２の出力段に接続し、この電圧検出器５１が検出した電圧信号を用いて、スイッチング信号生成回路５３によりスイッチ回路８の動作を制御するためのスイッチング信号を生成するようにした構成である。その他、図１と同一物には同一の符号を付すこととし、ここでは重複した説明は省略する。
【００４０】
図６は、スイッチング信号生成回路５３の構成を示すブロック図である。スイッチング信号生成回路５３は、図２の回路に対して、乗算器１７に代えて同位相で出力する乗算器５８を用いるとともに、帯域フィルタ１６と乗算器５８との間に位相進み器５７を設けた構成である。その他、図２と同一物には同一の符号を付すこととし、ここでは重複した説明は省略する。
【００４１】
次に、本電気車両制御装置の動作について説明する。電圧検出器５１は、インバータ装置１２の動作によって高調波が重畳されたフィルタリアクトル６の入力段の電圧を検出し、その電圧信号をスイッチング信号生成回路５３へ出力する。
【００４２】
スイッチング信号生成回路５３では、まず、帯域フィルタ１６により、削減しようとする高調波の低周波数帯だけを通過させ、周波数信号ω０を出力する。
【００４３】
位相進み器５７では、周波数信号ω０の位相を進めることによって位相補償信号ω０’を出力する。周波数信号ω０の位相を進めるのは、直流電力集電器２の出力段の電圧に対して、直流入力電流の位相がフィルタリアクトル６によって遅れるので、この位相のずれを解消するためである。進ませる位相は、フィルタリアクトル６のリアクタンス分と抵抗分によって定める。
【００４４】
乗算器５８では、位相補償信号ω０’の振幅を定数倍することによりスイッチング信号を生成する。すなわち、定数をＫで表すと位相補償信号Ｋω０’を出力する。加算器１９、増幅器２０は第１の実施の形態と同様に動作する。
【００４５】
スイッチ回路８は、スイッチング生成回路５３により生成されたスイッチング信号に従って動作する。すなわち、スイッチ回路８は、インバータ装置１２の入力段に重畳されローパスフィルタで低減しきれなかった高調波成分と同位相で動作し、そのスイッチ幅は高調波成分の振幅に比例したものとなる。このようなスイッチ回路８の動作によって、インバータ装置１２の入力段における高調波成分が抵抗７に分流し、抵抗７で消費されることとなる。
【００４６】
インバータ装置１２の入力段に重畳された高調波成分を検出するために、第２の実施の形態では、電流検出器３４によりインバータ装置１２への直流入力電流を検出することとしたが、本実施の形態では、直流電力集電器２の出力段における電圧を検出するようにしている。この場合、直流電力集電器２の出力段の電圧に対して、直流入力電流の位相がフィルタリアクトル６によって遅れるので、この位相のずれを解消すべく周波数信号の位相を進ませるようにしている。その他は、第２の実施の形態と同様に動作するものである。
【００４７】
したがって、本実施の形態によれば、インバータ装置１２の入力段に重畳された高調波成分と同位相でスイッチ回路８が動作し、そのスイッチ幅が高調波成分の振幅に比例するようにしたことで、インバータ装置１２の入力段に重畳された高調波成分が抵抗７に分流して抵抗７で消費されるようになるので、高調波の低周波成分についても低減することができる。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る電気車両制御装置によれば、インバータ装置の動作によって発生した高調波の低周波成分の低減を小型・低コストの電気車両制御装置で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態における電気車両制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】第１の実施の形態におけるスイッチング信号生成回路の構成を示すブロック図である。
【図３】第２の実施の形態における電気車両制御装置の構成を示すブロック図である。
【図４】第２の実施の形態におけるスイッチング信号生成回路の構成を示すブロック図である。
【図５】第３の実施の形態における電気車両制御装置の構成を示すブロック図である。
【図６】第３の実施の形態におけるスイッチング信号生成回路の構成を示すブロック図である。
【図７】従来の電気車両制御装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１…直流電力供給線
２…直流電力集電器
３，３３，５３…スイッチング信号生成回路
５…遮断器
６…フィルタリアクトル
７…抵抗
８…スイッチ回路
１０…フィルタコンデンサ
１１，５１…電圧検出器
１２…インバータ装置
１３…交流電動機
１４…接地装置
１５…レール
１６…帯域フィルタ
１７，３７，５８…乗算器
１８…インバータ制御装置
１９…加算器
２０…増幅器
３４…電流検出器
５７…位相進み器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2004096834.tif 000009
【図７】
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