(57)【要約】【課題】コンバータ群の高調波を抑制するためのアクティブフィルタ５が、メインコンバータ１〜３のいずれかが動作停止に至っても、高調波抑制の効果を劣化させることのないようにした。【解決手段】アクティブフィルタ５に設けた有効信号選択部１２が、コンバータ群のメインコンバータ１〜３各々のスイッチング信号及び各コンバータが動作中であるか否かを示すコンバータ動作信号を入力し、動作中であるコンバータの数をＭと、動作中であるメインコンバータのスイッチング信号をアクティブフィルタ５の出力電圧制御部６に出力する。出力電圧制御部６はこのＭ、動作中のメインコンバータのスイッチング信号と変調率に基づきアクティブフィルタ５のスイッチング信号を決定し、このスイッチング信号によりアクティブフィルタの出力電圧を制御し、メインコンバータ群の電源側に漏洩する高調波を抑制する。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源に少なくとも２台並列に接続されたコンバータで成るコンバータ群と、
前記コンバータ群から前記交流電源への高調波を抑制するために、前記交流電源に接続されたアクティブフィルタと、
前記コンバータ群の変調率に応じて、当該コンバータ群によって生じる高調波分を相殺するように前記アクティブフィルタの出力電圧を調整する出力電圧制御手段と、
前記コンバータ群の中で、動作中であるコンバータの数とその変調率に応じて、前記出力電圧制御手段に作用して前記アクティブフィルタの出力電圧を調整する高調波抑制手段とを備えたことを特徴とするコンバータシステム。
【請求項２】
交流電源に少なくとも２台並列に接続されたコンバータで成るコンバータ群と、
前記コンバータ群から前記交流電源への高調波を抑制するために、前記交流電源に接続されたアクティブフィルタと、
前記コンバータ群のスイッチング信号に応じて、当該コンバータ群によって生じる高調波分を相殺するように前記アクティブフィルタの出力電圧を調整する出力電圧制御手段と、
前記コンバータ群の中で、動作中であるコンバータの数とそのスイッチング信号に応じて、前記出力電圧制御手段に作用して前記アクティブフィルタの出力電圧を調整する高調波抑制手段とを備えたことを特徴とするコンバータシステム。
【請求項３】
交流電源に少なくとも２台並列に接続されたコンバータで成るコンバータ群と、
前記コンバータ群によって生じる高調波分を相殺するために、前記交流電源に接続されたアクティブフィルタと、
前記コンバータ群の中で、動作中であるコンバータのスイッチング周波数に応じて、前記アクティブフィルタのスイッチング周波数を調整する高調波抑制手段とを備えたことを特徴とするコンバータシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コンバータシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、交流電源電圧を変換して直流電圧を作り出すコンバータ装置においては、ＰＷＭコンバータのスイッチングにより発生する電圧、電流高調波が交流電源系統に流れこみ、系統に接続された他機器の異常発熱を引き起こしたり、高周波電流が電源系統に流れることにより発生する電磁波により、テレビなどへの電波障害や信号機器の誤動作を招くことがあった。
【０００３】
これらを抑制するために、ＰＷＭコンバータにおいては、スイッチング周波数を高く設定したり、３レベルコンバータと呼ばれる高調波の少ない主回路方式が適用されたりしてきたが、電流高調波抑制効果が充分でなかった。
【０００４】
これに対して、電源系統に流れ出す高調波電流を完全に抑制する方法が、鉄道総合技術研究所報告（ＲＴＲＩレポートＶｏｌ．１２，Ｎｏ．１，１９９８）に記載されている。この提案されているＰＷＭコンバータシステムは、ＰＷＭコンバータのＰＷＭゲート信号と逆位相のゲート信号で動作する高調波補償器を変圧器の専用巻線に接続し、ＰＷＭコンバータの発生する高調波電流と、高調波補償器の発生する高調波電流とが変圧器の中で打ち消し合うようにし、この結果として、電源系統に接続された変圧器の一次巻線側には高調波が流れ出ない回路方式である。
【０００５】
その回路方式を図２に示す。図２に示すコンバータシステムは、複数のコンバータ１〜３で成るコンバータ群により生じ、電源４へ流入出する高調波を抑制する好適な高調波抑制手段としてアクティブフィルタ５をコンバータ群と並設したものである。そしてこのアクティブフィルタ５の出力電圧を出力電圧制御部６のスイッチング信号によって制御するが、このスイッチング信号は、複数のコンバータ１〜３各々の出力電圧を制御する出力電圧制御部７〜８のスイッチング信号を入力し、これらの信号に基づいて調整する。
【０００６】
この従来のコンバータシステムにおけるコンバータ群の動作とアクティブフィルタ５の動作を、図３〜図７を用いて説明する。
【０００７】
＜メインコンバータの動作＞
メインコンバータであるＰＷＭコンバータ１〜３のスイッチング信号の生成を簡単に説明する。単相ＰＷＭコンバータ１〜３各々にはＵ相とＶ相がある。
【０００８】
まず、ＰＷＭコンバータ１のＵ相について説明する。変調波と搬送波（キャリア）を比較し、次のようにスイッチング素子Ｓ１ＵＰへのスイッチング信号を生成する。
【０００９】
【数１】
Ｓ１Ｕ＝１，Ｓ１Ｘ＝０　（変調波＞搬送波）
Ｓ１Ｕ＝０，Ｓ１Ｘ＝１　（変調波＜搬送波）
上記のＳ１Ｕ，Ｓ１Ｘ＝１の場合、対応するスイッチング素子をオンするように、またＳ１Ｕ，Ｓ１Ｘ＝０の場合、対応するスイッチング素子をオフするようにゲート回路を駆動する。
【００１０】
ＰＷＭコンバータ１のＶ相の動作はＵ相に比べ、変調波を（−１）倍してＶ相の変調波を生成し、次のようにゲート信号を生成する。
【００１１】
【数２】
Ｓ１Ｖ＝０，Ｓ１Ｙ＝１　（変調波＞搬送波）
Ｓ１Ｖ＝１，Ｓ１Ｙ＝０　（変調波＜搬送波）
ＰＷＭコンバータ１の出力電圧（ＵＶ線間電圧）ＶＣ１は、図３の第１のコンバータのゲート生成信号のようになる。出力電位は、０［Ｖ］，＋Ｖｄｃ［Ｖ］，−Ｖｄｃ［Ｖ］の３電位となる。
【００１２】
＜コンバータ群（多重化運転）の動作＞
ＰＷＭコンバータ１〜３が複数台、交流電源４に接続されたシステムの場合、搬送波の基準位相をＰＷＭコンバータ間でずらして駆動する。
【００１３】
いま、Ｎ台の多重化運転を仮定した場合、ｍ台目（１＜ｍ＜Ｎ）の搬送波位相θｃは、数３式によって決定する。
【００１４】
【数３】
2004096903.tif 000003
ここに、αは初期位相である
単相ＰＷＭコンバータ単体の場合、出力電圧高調波および出力電流高調波は、スイッチング周波数ＦＳ［Ｈｚ］の２倍の周波数帯に大きなレベルが現れる。また、前述のＮ台のＰＷＭコンバータによる多重化運転では、搬送波位相差運転により、スイッチング周波数ＦＳ［Ｈｚ］の２×Ｎ倍の周波数帯に大きなレベルが現れる。すなわち、単体のコンバータでレベルの高い周波数帯が互いに相殺され、高調波レベルが抑制されるのである。
【００１５】
図３、図４には、第１のメインコンバータと第２のメインコンバータとの２台のメインＰＷＭコンバータの多重化運転の場合の各スイッチング素子のスイッチング動作と出力電圧ＶＣ１，ＶＣ２またその合成電圧ＶＣ１＋ＶＣ２の様子を示してある。この場合、第１のメインコンバータと第２のメインコンバータの搬送波の位相が相対的に９０［ｄｅｇ］ずれている。
【００１６】
＜補償すべき高調波電圧＞
メインコンバータ群の出力電圧（ここでは、各コンバータの出力電圧の和をコンバータ群の出力電圧と定義する。この解釈が正しいことは、後述する。）は、図４、図７のようになり、基本波成分以外に高調波成分を含んでいる。高調波電圧は、出力電圧から基本波電圧成分を引き去ることで求めることができる。
【００１７】
このようにして算出した高調波電圧を高次成分と低次成分とに分離すると、図４及び図７に示すようなものとなる。逆に言えば、ＰＷＭコンバータ群の出力電圧＝基本波正弦波電圧＋低次高調波＋高次高調波ということになる。
【００１８】
従来例で採用されているアクティブフィルタ５は高調波を抑制するため、基本波電圧成分を持たず、低次高調波と高次高調波とを打ち消すように作用させるものである。
【００１９】
＜アクティブフィルタ＞
アクティブフィルタ５の構成例を図５〜図７に示してある。このアクティブフィルタ５は、単相フルブリッジのコンバータ１０，１１を２台直列に接続した構成である。第１のコンバータ１０は高次高調波を抑制するため、高次高調波電圧相当を出力する。第２のコンバータ１１は低次高調波を抑制するため、低次高調波電圧相当を出力する。
【００２０】
第１のコンバータ１０の直流側は、電圧源ＶｄｃＡ１により一定に維持されている。４つのスイッチング素子は、スイッチング信号ＳＡ１Ｕ，ＳＡ１Ｘ，ＳＡ１Ｖ，ＳＡ１Ｙに応じてオンオフ動作をする。第２のコンバータ１１の直流側は、流れる電流に応じた電圧ＶｄｃＡ２となる。この第２のコンバータ１１の４つのスイッチング素子は、スイッチング信号ＳＡ２Ｕ，ＳＡ２Ｘ，ＳＡ２Ｖ，ＳＡ２Ｙに応じてオンオフ動作をする。
【００２１】
＜アクティブフィルタのスイッチング動作＞
図５〜図７に示したアクティブフィルタでは、図３及び図４に示したコンバータ群のメインのＰＷＭコンバータ１，２のスイッチング信号ＳＣ１Ｕ，ＳＣ１Ｙ，ＳＣ２Ｕ，ＳＣ２Ｙに応じて、次のように信号Ｓ１を生成する。
【００２２】
【数４】
Ｓ１＝ＸＯＲ（ＮＯＴ（ＸＯＲ（ＳＣ１Ｕ，ＳＣ１Ｙ）），ＮＯＴ（ＸＯＲ（ＳＣ２Ｕ，ＳＣ２Ｙ）））
＝ＸＯＲ（ＮＯＴ（ＸＯＲ１），ＮＯＴ（ＸＯＲ２））
また、コンバータ群の変調率に応じて、次のように信号Ｓ２を生成する。ただし、コンバータ群の変調率を各コンバータの変調率の平均値として定義する。すなわち、
【数５】
コンバータ群の変調率＝１／Ｎ×ΣＮ台（各コンバータの変調率）
なお、「変調率×直流電圧＝出力電圧」の関係がある。
【００２３】
【数６】
Ｓ２＝１　ｉｆ　０．５　≦変調率≦　１．０
＝０　ｉｆ　０　≦変調率＜　０．５
＝１　ｉｆ　−０．５　≦変調率＜　０
＝０　ｉｆ　−１．０　≦変調率≦　−０．５
これらの信号Ｓ１，Ｓ２に基づき、アクティブフィルタ５の上段のコンバータ１０のスイッチング信号ＳＡ１Ｕ，ＳＡ１Ｘ，ＳＡ１Ｖ，ＳＡ１Ｙが生成される。
【００２４】
【数７】
ＳＡ１Ｕ＝ＮＯＴ（ＸＯＲ（Ｓ１，Ｓ２））
ＳＡ１Ｘ＝ＮＯＴ（ＳＡ１Ｕ）
ＳＡ１Ｙ＝ＳＡ１Ｕ
ＳＡ１Ｖ＝ＮＯＴ（ＳＡ１Ｙ）
また、アクティブフィルタ５の下段のコンバータ１１のスイッチング信号ＳＡ２Ｕ，ＳＡ２Ｘ，ＳＡ２Ｖ，ＳＡ２Ｙは、次の数８式で生成される信号Ｓ３に基づき、数９式により決定する。
【００２５】
【数８】
2004096903.tif 000004
【数９】
ＳＡ２Ｕ＝Ｓ３
ＳＡ２Ｘ＝ＮＯＴ（ＳＡ２Ｕ）
ＳＡ２Ｙ＝Ｓ３
ＳＡ２Ｖ＝ＮＯＴ（ＳＡ２Ｙ）
上記のように構成されるアクティブフィルタ５によれば、図７に示すようにメインコンバータ群が出力し、電源４へ流入出する高調波を理論的には完全に相殺できるため、電源４へ流入出する高調波を劇的に低減することができる。
【００２６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなＰＷＭコンバータシステムでも、変圧器においてＰＷＭコンバータの発生する高調波電流と高調波補償器が発生する高調波電流の打ち消し合いを行わせるため、ＰＷＭコンバータが接続された変圧器二次巻線及び高調波補償器が接続された専用巻線には高調波が流れこみ、その結果、変圧器には高調波電流による熱損失が発生し、冷却の必要から変圧器の重量増加、大型化が必要になってしまう。これにより、特に鉄道車両などへの適用において、重量物である変圧器を車両床下に搭載できれば低重心化によって車両の高速運転化が可能になるが、変圧器があまりに大型化、重量化すると車両床下の限られた空間に搭載することが困難になる問題点があった。
【００２７】
また、線路周りには信号、踏切などの安全に関する信号機器が設置されているが、高調波電流が流れている変圧器を線路に近い床下に配置すると、これらの信号機器を誤動作させる可能性が高くなってしまう問題点もあった。
【００２８】
また、コンバータ群のうちのいずれかのコンバータが故障や保護動作により動作停止した場合、上記の健全時のアクティブフィルタ動作によれば、高調波抑制の効果が低減あるいは逆に高調波を増大させることがある問題点があった。
【００２９】
本発明はこのような従来の技術的課題を解決するためになされたもので、コンバータ群の高調波を抑制するためのアクティブフィルタにおいて、いずれかのメインコンバータが動作停止に至っても、高調波抑制の効果を劣化させることのないアクティブフィルタを備えたコンバータシステムを提供することを目的とする。
【００３０】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明のコンバータシステムは、交流電源に少なくとも２台並列に接続されたコンバータで成るコンバータ群と、前記コンバータ群から前記交流電源への高調波を抑制するために、前記交流電源に接続されたアクティブフィルタと、前記コンバータ群の変調率に応じて、当該コンバータ群によって生じる高調波分を相殺するように前記アクティブフィルタの出力電圧を調整する出力電圧制御手段と、前記コンバータ群の中で、動作中であるコンバータの数とその変調率に応じて、前記出力電圧制御手段に作用して前記アクティブフィルタの出力電圧を調整する高調波抑制手段とを備えたものである。
【００３１】
請求項１の発明のコンバータシステムでは、コンバータ群の変調率に応じて、当該コンバータ群によって生じる高調波分を相殺するように出力電圧制御手段がアクティブフィルタの出力電圧を調整し、高調波分の電源系統への漏洩を抑制する。そしてコンバータ群のいずれかのコンバータが動作停止に至った場合、動作中であるコンバータの数とその変調率に応じて、高調波抑制手段が出力電圧制御手段に作用してアクティブフィルタの出力電圧を調整し、その高調波抑制の効果を劣化させないようにする。
【００３２】
請求項２の発明のコンバータシステムは、交流電源に少なくとも２台並列に接続されたコンバータで成るコンバータ群と、前記コンバータ群から前記交流電源への高調波を抑制するために、前記交流電源に接続されたアクティブフィルタと、前記コンバータ群のスイッチング信号に応じて、当該コンバータ群によって生じる高調波分を相殺するように前記アクティブフィルタの出力電圧を調整する出力電圧制御手段と、前記コンバータ群の中で、動作中であるコンバータの数とそのスイッチング信号に応じて、前記出力電圧制御手段に作用して前記アクティブフィルタの出力電圧を調整する高調波抑制手段とを備えたものである。
【００３３】
請求項２の発明のコンバータシステムでは、コンバータ群のスイッチング信号に応じて、当該コンバータ群によって生じる高調波分を相殺するように出力電圧制御手段がアクティブフィルタの出力電圧を調整し、高調波分の電源系統への漏洩を抑制する。そしてコンバータ群のいずれかのコンバータが動作停止に至った場合、動作中であるコンバータの数とそのスイッチング信号に応じて、高調波抑制手段が出力電圧制御手段に作用してアクティブフィルタの出力電圧を調整し、その高調波抑制の効果を劣化させないようにする。
【００３４】
請求項３の発明のコンバータシステムは、交流電源に少なくとも２台並列に接続されたコンバータで成るコンバータ群と、前記コンバータ群によって生じる高調波分を相殺するために、前記交流電源に接続されたアクティブフィルタと、前記コンバータ群の中で、動作中であるコンバータのスイッチング周波数に応じて、前記アクティブフィルタのスイッチング周波数を調整する高調波抑制手段とを備えたものである。
【００３５】
請求項３の発明のコンバータシステムでは、コンバータ群によって生じる高調波分を相殺するようにアクティブフィルタが動作し、高調波分の電源系統への漏洩を抑制する。そしてコンバータ群のいずれかのコンバータが動作停止に至った場合、動作中であるコンバータのスイッチング周波数に応じて、高調波抑制手段がアクティブフィルタのスイッチング周波数を調整し、その高調波抑制の効果を劣化させないようにする。
【００３６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。図１は本発明の１つの実施の形態のコンバータシステムの回路構成を示している。図１に示した実施の形態のコンバータシステムの特徴は、従来例のコンバータシステムに対して、アクティブフィルタ５に対する出力電圧制御部６と共に、有効信号選択部１２を備えた点にある。その他の回路要素については、図２〜図７に示した従来例のコンバータシステムと共通するので、共通の回路要素については共通の符号を用いて説明する。
【００３７】
有効信号選択部１２には、コンバータ群のメインコンバータ１〜３各々のスイッチング信号及び各コンバータが動作中であるか否かを示すコンバータ動作信号が入力される。そして有効信号選択部１２では、動作中であるコンバータの数をＭとし、動作中であるコンバータのスイッチング信号をアクティブフィルタ５側の出力電圧制御部６に出力する。
【００３８】
アクティブフィルタの出力電圧制御部６では、コンバータ群の中で動作中であるコンバータの数Ｍ及びそのスイッチング信号と変調率に基づき、従来例と同様にアクティブフィルタ５への出力電圧、すなわち、スイッチング信号を決定する。
【００３９】
次に、上記構成のコンバータシステムの動作について説明する。メインコンバータ１〜３の周波数がＦＳ［Ｈｚ］であるとし、そのうちのＭ台が動作中である場合、コンバータシステムの特性として、概ね２×ＦＳ×Ｍ［Ｈｚ］近傍に大きなレベルの高調波が存在する。このうち、Ｋ台が故障や保護停止により、動作不能となった場合、このコンバータのみを切り離して運転継続しているならば、等価スイッチング周波数は、２×ＦＳ×（Ｍ−Ｋ）［Ｈｚ］と低下し、同周波数帯近傍に高調波が推移する。
【００４０】
そこで本実施の形態のコンバータシステムでは、メインコンバータ１〜３の中で、有効信号選択部１２がコンバータ群のメインコンバータ１〜３各々のスイッチング信号及び各コンバータが動作中であるか否かを示すコンバータ動作信号を入力し、動作中であるコンバータの数Ｍと、動作中であるメインコンバータのスイッチング信号をアクティブフィルタ５の出力電圧制御部６に出力する。そして、アクティブフィルタ５の出力電圧制御部６は、このＭ、動作中のメインコンバータのスイッチング信号と変調率に基づきアクティブフィルタ５のスイッチング信号を決定する。なお、アクティブフィルタ５に対する出力電圧制御部６による出力電圧制御方式は、図３〜図７に示した従来例と同様のものである。
【００４１】
これにより、第１の実施の形態のコンバータシステムによれば、メインコンバータの一部が停止に至っても、残りの健全なメインコンバータが生じる高調波をアクティブフィルタ５によって抑制、低減することができるようになる。
【００４２】
なお、上記の実施の形態ではメインコンバータ群の中の動作中のコンバータの数、スイッチング信号と変調率に基づいてアクティブフィルタ５のスイッチング信号を調整し、ひいてはメインコンバータ群から電源系統に漏洩する高調波分を抑制するようにしたが、これに限らず、メインコンバータ群の中の動作中のコンバータの数とスイッチング信号に基づいてアクティブフィルタ５側の出力電圧を制御し、あるいはメインコンバータ群の中の動作中のコンバータの数と変調率に基づいてアクティブフィルタ５側の出力電圧を制御し、さらにはメインコンバータ群の中の動作中のコンバータのスイッチング周波数に基づいてアクティブフィルタ５側のスイッチング周波数を制御する構成であってもよい。
【００４３】
【発明の効果】
以上のように請求項１の発明によれば、コンバータ群の変調率に応じて、当該コンバータ群によって生じる高調波分を相殺するように出力電圧制御手段がアクティブフィルタの出力電圧を調整し、高調波分の電源系統への漏洩を抑制することができ、かつ、コンバータ群のいずれかのコンバータが動作停止に至った場合、動作中であるコンバータの数とその変調率に応じて、高調波抑制手段が出力電圧制御手段に作用してアクティブフィルタの出力電圧を調整し、その高調波抑制の効果を劣化させないようにすることができる。
【００４４】
請求項２の発明によれば、コンバータ群のスイッチング信号に応じて、当該コンバータ群によって生じる高調波分を相殺するように出力電圧制御手段がアクティブフィルタの出力電圧を調整し、高調波分の電源系統への漏洩を抑制することができ、かつ、コンバータ群のいずれかのコンバータが動作停止に至った場合、動作中であるコンバータの数とそのスイッチング信号に応じて、高調波抑制手段が出力電圧制御手段に作用してアクティブフィルタの出力電圧を調整し、その高調波抑制の効果を劣化させないようにすることができる。
【００４５】
請求項３の発明によれば、コンバータ群によって生じる高調波分を相殺するようにアクティブフィルタが動作し、高調波分の電源系統への漏洩を抑制することができ、かつ、コンバータ群のいずれかのコンバータが動作停止に至った場合、動作中であるコンバータのスイッチング周波数に応じて、高調波抑制手段がアクティブフィルタのスイッチング周波数を調整し、その高調波抑制の効果を劣化させないようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１つの実施の形態のコンバータシステムの回路図。
【図２】従来のコンバータシステムの回路図。
【図３】従来のコンバータシステムにおけるメインコンバータ群の各メインコンバータの動作を示すタイミングチャート（その１）。
【図４】従来のコンバータシステムにおけるメインコンバータ群の各メインコンバータの動作を示すタイミングチャート（その２）。
【図５】従来のコンバータシステムにおけるアクティブフィルタの第１のコンバータの動作を示すタイミングチャート。
【図６】従来のコンバータシステムにおけるアクティブフィルタの第２のコンバータの動作を示すタイミングチャート。
【図７】従来のコンバータシステムにおけるメインコンバータ群の出力電圧と高調波分の波形図、アクティブフィルタの変調率、制御信号、出力電圧を示す波形図。
【符号の説明】
１　（メイン）コンバータ
２　（メイン）コンバータ
３　（メイン）コンバータ
４　電源
５　アクティブフィルタ
６　出力電圧制御部（アクティブフィルタ用）
７　出力電圧制御部（メインコンバータ用）
８　出力電圧制御部（メインコンバータ用）
９　出力電圧制御部（メインコンバータ用）
１０　第１のコンバータ
１１　第２のコンバータ
１２　有効信号選択部
【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】
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【図７】
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