(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
偶数台の単位インバータの出力変圧器をスター結線して多重化した多重インバータにおいて、前記偶数台の単位インバータを２台ずつのインバータ群にグループ分けし、各インバータ群を構成する２台の単位インバータの出力電圧の基本波の位相差が６０度となるように各単位インバータを制御するようにしたことを特徴とする多重インバータの制御システム。
【請求項２】
前記２台の単位インバータのスイッチ回路に与えるゲート信号に６０度の位相差を持たせて前記各単位インバータをワンパルス制御することを特徴とする請求項１の多重インバータの制御システム。
【請求項３】
前記２台の単位インバータのキャリア信号を同位相にし、変調信号を６０度ずらして前記各単位インバータをパルス幅変調制御することを特徴とする請求項１の多重インバータの制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主としてリニアシンクロナスモータ（以下ＬＳＭと呼ぶ）に駆動電力を供給する電力変換装置を構成する多重インバータの制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
超電導磁気浮上式鉄道の駆動方式として採用されている地上一次ＬＳＭ方式においては、地上に大容量の可変電圧・可変周波数（ＶＶＶＦ）の電源が必要であることから、パルス幅変調（ＰＷＭ）制御を用いた電圧型のインバータが採用されてきた。従来、インバータを構成するスイッチング素子としてＧＴＯサイリスタを用いたＬＳＭ駆動用インバータは、素子を安定に動作させる必要から直流電圧の利用率が８０％程度に抑えられていた。このため、前記の従来のインバータは変換効率が未だ低いという問題があった。
【０００３】
一方、電機子コイル（推進コイル）とき電用ケーブルで構成されるき電回路は、分布定数負荷としての特性を有することから、インバータが出力する高調波によって共振が生じたり、高調波が大地に漏洩することで通信線路に誘導障害を与えたりする可能性がある。
特に、零相成分の高調波については、回路の共振周波数と一致し易いことに加え、大地を帰路として流出入するため通信誘導障害を起こし易い。
そこで、ＬＳＭ駆動用インバータの出力部に出力フィルタが挿入されているが、き電長が伸びた場合や一般の電気鉄道と同様に延長き電等が行われた場合には、対応できないという問題がある。
【０００４】
従来、多重インバータの高調波低減は、主にキャリア信号の位相をインバータの多重化数Ｎに合わせてπ／Ｎづつずらし、等価変調周波数を高くすることで行ってきた。この方法によれば、インバータの出力電圧に現れる高調波は多重化数Ｎに比例して高くなり、インバータの負荷回路が誘導性成分であれば、電流に含まれる高調波は低減する。しかしながら、零相成分の高調波の低減は行えず、他の複雑な制御方法を加える必要があった。
【０００５】
特開２００１−２６８９３６号公報（特許文献１）には、インバータ間の位相を６０度ずらすことによって零相高調波を低減した多重インバータ装置の瞬時空間ベクトル制御方式が開示されている。しかしながら、三相を一括して制御する多重インバータ装置の瞬時空間ベクトル制御方式において、インバータ間に６０度の位相差を持たせるには、制御システムの構成が複雑になると同時に、出力電圧振幅値を連続的に制御することができないため、場合によっては、頻繁にスイッチングデバイスがオン・オフを繰り返し、線間電圧高調波の増加、制御の不安定性の増加等が発生するという問題があった。
【特許文献１】特開２００１−２６８９３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、偶数台の単位インバータの出力変圧器をスター結線して多重化した多重インバータにおいて、瞬時空間ベクトル制御方式などの複雑な制御システムを用いないで、出力電圧に含まれる零相成分の高調波を抑制することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、偶数台の単位インバータの出力変圧器をスター結線して多重化した多重インバータにおいて、前記偶数台の単位インバータを２台ずつのインバータ群にグループ分けし、各インバータ群を構成する２台の単位インバータの出力電圧の基本波の位相差が６０度となるように各単位インバータを制御するようにした。
【発明の効果】
【０００８】
本発明により、偶数台の単位インバータの出力変圧器をスター結線して多重化した多重インバータにおいて、瞬時空間ベクトル制御方式などの複雑な制御システムを用いないで、出力電圧に含まれる零相成分の高調波を抑制することができた。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明は、偶数台の単位インバータの出力変圧器をスター結線して多重化し、駆動電力をＬＳＭに供給する多重インバータにおいて、前記偶数台の単位インバータを２台ずつのインバータ群にグループ分けし、各インバータ群を構成する２台の単位インバータの出力電圧の基本波の位相差が６０度となるように各単位インバータを制御するようにしたことを特徴とする多重インバータの制御システムである。
【実施例１】
【００１０】
本発明の実施例１は、図１に示す如く、三相コイルＬu  ,Ｌv  ,Ｌw で示すＬＳＭ５０に、任意の周波数と振幅値を持った交流電流を供給する４多重インバータ３０の制御システムである。４多重インバータ３０は、単位インバータ３１、単位インバータ３２、単位インバータ３３及び単位インバータ３４の出力変圧器をスター結線して多重化したインバータであって、コンバータ４０の直流出力電圧ＶＤＣを所定の三相交流に変換するものである。コンバータ４０は、電力会社から受電した三相交流を直流に変換する。
【００１１】
スター結線されたＬＳＭ５０の三相コイルＬu  ,Ｌv  ,Ｌw は、４多重インバータ３０のスター結線された出力トランスの対応する相の一端にそれぞれ接続されている。
【００１２】
即ち、４多重インバータ３０のＵ相の出力トランスは、単位インバータ３１のＵ相の出力トランスＴｕ１、単位インバータ３２のＵ相の出力トランスＴｕ２、単位インバータ３３のU相の出力トランスＴｕ３、単位インバータ３４のＵ相の出力トランスＴｕ４を直列に接続したもので、一端は接地され、他端はＬＳＭ５０のコイルＬuの一端に接続されている。
【００１３】
また、４多重インバータ３０のＶ相の出力トランスは、単位インバータ３１のＶ相の出力トランスＴｖ１、単位インバータ３２のＶ相の出力トランスＴｖ２、単位インバータ３３のＶ相の出力トランスＴｖ３、単位インバータ３４のＶ相の出力トランスＴｖ４を直列に接続したもので、一端は接地され、他端はＬＳＭ５０のコイルＬｖの一端に接続されている。
【００１４】
更に、４多重インバータ３０のＷ相の出力トランスは、単位インバータ３１のＷ相の出力トランスＴｗ１、単位インバータ３２のＷ相の出力トランスＴｗ２、単位インバータ３３のＷ相の出力トランスＴｗ３、単位インバータ３４のＷ相の出力トランスＴｗ４を直列に接続したもので、一端は接地され、他端はＬＳＭ５０のコイルＬｗの一端に接続されている。
【００１５】
単位インバータ３１は、それぞれ４個の半導体スイッチをブリッジ状に接続して構成したU相スイッチ回路Ｕ１、Ｖ相スイッチ回路Ｖ１、Ｗ相スイッチ回路Ｗ１の３つの半導体スイッチ回路で構成されている。Ｕ相スイッチ回路Ｕ１、Ｖ相スイッチ回路Ｖ１、Ｗ相スイッチ回路Ｗ１を構成する半導体スイッチ回路は、ゲート信号発生部２０から各ゲートに与えられたゲート信号に対応してオン・オフ動作を行い、単位インバータ３１の入力端子に印加された直流電圧ＶＤＣを三相交流電圧に変換し、Ｕ相の出力トランスＴｕ１、Ｖ相の出力トランスＴｖ１、及び、Ｗ相の出力トランスＴｗ１に三相交流電圧を発生させる。
【００１６】
単位インバータ３２は、それぞれ４個の半導体スイッチをブリッジ状に接続して構成したＵ相スイッチ回路Ｕ２、Ｖ相スイッチ回路Ｖ２、Ｗ相スイッチ回路Ｗ２の３つの半導体スイッチ回路で構成されている。Ｕ相スイッチ回路Ｕ２、Ｖ相スイッチ回路Ｖ２、Ｗ相スイッチ回路Ｗ２を構成する半導体スイッチ回路は、ゲート信号発生部２０から各ゲートに与えられたゲート信号に対応してオン・オフ動作を行い、単位インバータ３２の入力端子に印加された直流電圧ＶＤＣを三相交流電圧に変換し、Ｕ相の出力トランスＴｕ２、Ｖ相の出力トランスＴｖ２、及び、Ｗ相の出力トランスＴｗ２に三相交流電圧を発生させる。
【００１７】
単位インバータ３３は、それぞれ４個の半導体スイッチをブリッジ状に接続して構成したＵ相スイッチ回路Ｕ３、Ｖ相スイッチ回路Ｖ３、Ｗ相スイッチ回路Ｗ３の３つの半導体スイッチ回路で構成されている。Ｕ相スイッチ回路Ｕ３、Ｖ相スイッチ回路Ｖ３、Ｗ相スイッチ回路Ｗ３を構成する半導体スイッチ回路は、ゲート信号発生部２０から各ゲートに与えられたゲート信号に対応してオン・オフ動作を行い、単位インバータ３３の入力端子に印加された直流電圧ＶＤＣを三相交流電圧に変換し、Ｕ相の出力トランスＴｕ３、Ｖ相の出力トランスＴｖ３、及び、Ｗ相の出力トランスＴｗ３に三相交流電圧を発生させる。
【００１８】
単位インバータ３４は、それぞれ４個の半導体スイッチをブリッジ状に接続して構成したＵ相スイッチ回路Ｕ４、Ｖ相スイッチ回路Ｖ４、Ｗ相スイッチ回路Ｗ４の３つの半導体スイッチ回路で構成されている。Ｕ相スイッチ回路Ｕ４、Ｖ相スイッチ回路Ｖ４、Ｗ相スイッチ回路Ｗ４を構成する半導体スイッチ回路は、ゲート信号発生部２０から各ゲートに与えられたゲート信号に対応してオン・オフ動作を行い、単位インバータ３４の入力端子に印加された直流電圧ＶＤＣを三相交流電圧に変換し、Ｕ相の出力トランスＴｕ４、Ｖ相の出力トランスＴｖ４、及び、Ｗ相の出力トランスＴｗ４に三相交流電圧を発生させる。
【００１９】
制御部１０は、ゲート信号発生部２０を制御する。即ち、制御部１０の制御によって、ゲート信号発生部２０が発生するゲート信号の波形や位相が決定される。本発明において、各単位インバータの直流／交流変換機能は従来と同じである。
即ち、単位インバータ３１において、ゲート信号発生部２０からU相スイッチ回路Ｕ１、Ｖ相スイッチ回路Ｖ１、Ｗ相スイッチ回路Ｗ１に与えられるゲート信号の位相の関係は従来と同じである。また、単位インバータ３２においても、ゲート信号発生部２０からＵ相スイッチ回路Ｕ２、Ｖ相スイッチ回路Ｖ２、Ｗ相スイッチ回路Ｗ２に与えられるゲート信号の位相の関係は従来と同じである。また、単位インバータ３３においても、ゲート信号発生部２０からＵ相スイッチ回路Ｕ３、Ｖ相スイッチ回路Ｖ３、Ｗ相スイッチ回路Ｗ３に与えられるゲート信号の位相の関係は従来と同じである。更に、単位インバータ３４においても、ゲート信号発生部２０からＵ相スイッチ回路Ｕ４、Ｖ相スイッチ回路Ｖ４、Ｗ相スイッチ回路Ｗ４に与えられるゲート信号の位相の関係は従来と同じである。
【００２０】
本発明の実施例１は、４台の単位インバータ３１、３２、３３、及び３４の出力変圧器をスター結線して多重化した４多重インバータにおいて、単位インバータ３１と３２を第１インバータ群、単位インバータ３３と３４を第２インバータ群とグループ分けし、各インバータ群を構成する２台の単位インバータの出力電圧の基本波の位相差が６０度となるように各単位インバータのゲートを制御するようにした多重インバータの制御システムである。
【００２１】
各インバータ群を構成する２台の単位インバータの出力電圧の基本波の位相差が６０度となるとは、具体的には次の通りである。即ち、第１インバータ群については、単位インバータ３１のＵ相の出力トランスＴｕ１に発生する出力電圧と単位インバータ３２のＵ相の出力トランスＴｕ２に発生する出力電圧の基本波の位相差が６０度であり、また、単位インバータ３１のＶ相の出力トランスＴｖ１に発生する出力電圧と単位インバータ３２のＶ相の出力トランスＴｖ２に発生する出力電圧の基本波の位相差が６０度であり、単位インバータ３１のＷ相の出力トランスＴｗ１に発生する出力電圧と単位インバータ３２のＷ相の出力トランスＴｗ２に発生する出力電圧の基本波の位相差が６０度であるということである。
【００２２】
また、第２インバータ群については、単位インバータ３３のＵ相の出力トランスTｕ３に発生する出力電圧と単位インバータ３２のＵ相の出力トランスＴｕ４に発生する出力電圧の基本波の位相差が６０度であり、また、単位インバータ３３のＶ相の出力トランスＴｖ３に発生する出力電圧と単位インバータ３４のＶ相の出力トランスＴｖ４に発生する出力電圧の基本波の位相差が６０度であり、単位インバータ３３のＷ相の出力トランスＴｗ３に発生する出力電圧と単位インバータ３４のＷ相の出力トランスＴｗ４に発生する出力電圧の基本波の位相差が６０度であるということである。
【００２３】
第１インバータ群を構成する２台の単位インバータ３１と３２の出力電圧の基本波の位相差が６０度となるように制御するのは、単位インバータ３１と３２の構成スイッチに与えられるゲート信号の波形と位相を調節することによって行う。即ち、単位インバータ３１のＵ相スイッチ回路Ｕ１と単位インバータ３２のＵ相スイッチ回路Ｕ２に与えるゲート信号に６０度の位相差を持たせ、単位インバータ３１のＶ相スイッチ回路Ｖ１と単位インバータ３２のＶ相スイッチ回路Ｖ２に与えるゲート信号に６０度の位相差を持たせ、及び、単位インバータ３１のＷ相スイッチ回路Ｗ１と単位インバータ３２のＷ相スイッチ回路Ｗ２に与えるゲート信号に６０度の位相差を持たせることによって行う。
【００２４】
同様に、第２ンバータ群を構成する２台の単位インバータ３３と３４の出力電圧の基本波の位相差が６０度となるように制御するのは、単位インバータ３３と３４の構成スイッチに与えられるゲート信号の波形と位相を調節することによって行う。即ち、単位インバータ３３のＵ相スイッチ回路U３と単位インバータ３４のＵ相スイッチ回路Ｕ４に与えるゲート信号に６０度の位相差を持たせ、単位インバータ３３のＶ相スイッチ回路Ｖ３と単位インバータ３４のＶ相スイッチ回路Ｖ４に与えるゲート信号に６０度の位相差を持たせ、及び、単位インバータ３３のＷ相スイッチ回路Ｗ３と単位インバータ３３のＷ相スイッチ回路Ｗ４に与えるゲート信号に６０度の位相差を持たせることによって行う。
【００２５】
上述の如く、第１インバータ群を構成する単位インバータ３１と単位インバータ３２の出力電圧の位相差が６０度となるように、単位インバータ３１と単位インバータ３２のゲートを制御し、同時に、第２インバータ群を構成する単位インバータ３３と単位インバータ３４の出力電圧の位相差が６０度となるように、単位インバータ３３と単位インバータ３４のゲートを制御することによって、多重インバータ３０の出力電圧中に含まれる零相高調波、即ち、通信誘導障害の要因となる高調波が低減される。
【００２６】
以下、インバータ群を構成する２台の単位インバータの出力電圧の基本波の位相差が６０度となるように各単位インバータを制御することによって零相高調波が抑制される理由を詳細に説明する。
【００２７】
先ず、制御部１０により、パルス幅変調制御を完全に停止し、出力周波数に同期させて正負の矩形電圧を出力するワンパルス制御を行う場合には、その出力電圧ｖｏは数式１で表され、直流電圧２ＶＤＣを上回る電圧を出力することが可能である。図２はワンパルス制御時の単相分の出力電圧波形を示す。
【００２８】
【数１】
0004838031.tif 000002
但しＶＤＣは直流電圧、ωｏは出力角周波数（ωｏ＝２πｆｏ）、ｆｏは出力周波数、φｉは位相差、ηは電圧増加率、ａＬは直流電圧の利用率（最大変調率│ａＬ│<１．０>）である。
【００２９】
零相高調波の低減は、図１に示す如く、単位インバータを多重化して構成されたＬＳＭ駆動用の多重インバータ３０において、単位インバータ間の出力電圧の基本波の位相を最適化することで実現したものである。多重化は偶数多重（２多重）とし、単位インバータ１の出力電圧と単位インバータ２の出力電圧の位相差φ２を図３に示すように変化させた場合の高調波を計算すると以下の如くになる。なお、単位インバータ１と単位インバータ２は、図１の多重インバータ３０の第１インバータ群においては単位インバータ３１と単位インバータ３２に相当し、第２インバータ群においては単位インバータ３３と単位インバータ３４に相当する。
【００３０】
多重化をＭとした場合の１相（ｊ相）の全電圧ｖｏｊは数式２で表すことができる。全電圧圧ｖｏｊのｎ次高調波成分の振幅値Ｖｏｎは数式３となり、そのうちｎ＝３（２ｋ−１）が零相成分（ｋ＝１，２，３・・・）である。零相成分の高調波の実効値Ｖｏｚは数式４で表わすことができ、Ｖｏｚ＝０となる場合には零相電圧は発生しない。
【００３１】
【数２】
0004838031.tif 000003
【００３２】
ここで、偶数多重（２多重）の場合はφ１＝０とし、φ２を０〜１８０度で変化させ、それぞれ数式３と数式４を基に零相成分の高調波を計算する。
偶数多重時の結果は図４に示す如くとなる。偶数多重の場合は２台の単位インバータ間の出力電圧の位相差φ２が６０度のとき、零相成分の高調波が完全に抑制される。
以上のことから、ワンパルス制御を行う場合、零相成分の高調波を抑制するには、偶数台で多重化し、かつ任意の２台の出力電圧位相を６０度にすればよいことが分かる。
【００３３】
【数３】
0004838031.tif 000004
【００３４】
【数４】
0004838031.tif 000005
【００３５】
次に、対称成分（線間電圧）の高調波の低減について説明する。
ここで、多重化数は零相成分の高調波が完全に抑制可能な偶数多重（４多重）とし、図１に示す通り４台の単位インバータをそれぞれ第１インバータ群、第２インバータ群とに分け、図５に示す如く同一群内の単位インバータ間の電圧の位相差を６０度とするとともに、第１インバータ群、第２インバータ群の単位インバータの出力電圧の基本波の位相を変化させて線間電圧高調波の実効値を算出する。
【００３６】
線間電圧は数式５で表すことができる。このとき、基本波を除く対称成分の高調波の実効値は数式６で表すことができる。
【００３７】
【数５】
0004838031.tif 000006
【００３８】
【数６】
0004838031.tif 000007
【００３９】
数式６に従って、線間電圧高調波の実効値を計算すると、高調波の実効値が最小となるのはφ３が３２度のときで、線間電圧高調波の実効値は最大で０．９９（ｐ．ｕ．）程度となる。
【００４０】
図６は４多重インバータの基本波電圧ベクトルを示す図である。４多重インバータの出力電圧に位相差を持たせることは、図６から推測できる通り、出力電圧の低下につながる。同一インバータ群の２台の単位インバータ間の出力電圧の基本波の位相差が６０度で、且つ異なるインバータ群の単位インバータ間の位相差φ３が変化した場合のインバータ全体の出力電圧は少しづつ低下する。しかしながら、各インバータ群で６０度の位相差を持たせ、更に２つのインバータ群間の位相差φ３を３２度としても、４．２（ｐ．ｕ．）程度の出力電圧が得られる。４台の単位インバータ間で全く位相差が無い場合の出力電圧４×４／π（ｐ．ｕ．）と比較した場合、低下した割合は１７％程度である。
【００４１】
このように、偶数台のインバータを図１の如く構成したＬＳＭ駆動用の多重インバータ３０にワンパルス制御を導入することで、直流電圧の利用率の改善が図れ、しかも４台以上の偶数台で多重化すると、零相成分の高調波を抑制しながら、対称成分の高調波についても低減できる。要するに、本発明では、偶数台の単位インバータの出力変圧器をスター結線して多重化した多重インバータにおいて、前記偶数台の単位インバータを２台ずつのインバータ群にグループ分けし、前記２台の単位インバータのスイッチ回路に与えるゲート信号に６０度の位相差を持たせて前記各単位インバータをワンパルス制御するのである。
【００４２】
次に、図１の多重インバータ３０にパルス幅変調制御を適用した多重インバータの制御システムについて説明する。制御部１０により、パルス幅変調制御を行う場合、１つのインバータ群を構成する２台のインバータのキャリア信号を同位相にし、変調信号の位相のみ６０度ずらすことで、零相成分の高調波を完全に除去することができる。即ち、図７に示す如く、４台の三相ブリッジインバータで構成された４多重インバータにおいて、第１インバータ群の単位インバータ１と単位インバータ２のキャリア信号を同位相にし、変調信号の位相のみ６０度ずらす。同様に、第２インバータ群の単位インバータ３と単位インバータ４のキャリア信号を同位相にし、変調信号の位相のみ６０度ずらすのである。
【００４３】
この制御方法によれば、出力電圧基本波の振幅値は１３．４％程度低減し、等価変調周波数も１／２に低下するが、零相成分の高調波は完全に除去することが出来た。なお、上記の単位インバータ１，２，３及び４は、図１の多重インバータ３０の単位インバータ３１，３２，３３及び３４に対応する。要するに、本発明では、偶数台の単位インバータの出力変圧器をスター結線して多重化した多重インバータにおいて、前記偶数台の単位インバータを２台ずつのインバータ群にグループ分けし、前記２台の単位インバータのキャリア信号を同位相にし、変調信号は６０度ずらして前記各単位インバータをパルス幅変調制御するのである。
【００４４】
以上、４台の単位インバータで構成された偶数多重インバータに適用された実施例１について詳細に説明したが、本発明は実施例１に限定されるものではなく、その特許請求の範囲において様々に変形して実施することができることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施例１の４多重インバータの回路構成図である。
【図２】ワンパルス制御時の出力電圧波形図である。
【図３】偶数多重インバータの出力電圧波形図である。
【図４】偶数多重インバータの零相高調波実効値を示す図である。
【図５】４多重インバータの出力電圧位相を示す図である。
【図６】４多重インバータの出力電圧位相の出力電圧基本波のベクトルを示す図である。
【図７】４多重インバータをパルス幅変調制御により駆動した場合の零相高調波の低減を説明するための波形図である。
【符号の説明】
【００４６】
１０  制御部
２０  ゲート信号発生部
３０  多重インバータ
３１，３２，３３，３４  単位インバータ
４０  コンバータ
５０  ＬＳＭ
Ｌu,  Ｌv ,  Ｌw   ＬＳＭの三相コイル
Ｕ１〜Ｕ４  Ｕ相スイッチ回路
Ｖ１〜Ｖ４  Ｖ相スイッチ回路
Ｗ１〜Ｗ４  U相スイッチ回路
Ｔｕ１〜Ｔｕ４，Ｔｖ１〜Ｔｖ４，Ｔｗ１〜Ｔｗ４  出力変圧器
【図１】
0004838031.tif 000008
【図２】
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【図３】
0004838031.tif 000010
【図４】
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【図５】
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【図６】
0004838031.tif 000013
【図７】
0004838031.tif 000014