(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス幅変調制御される電力用変換器を搭載した鉄道車両を複数両連結して編成した列車における電力用変換器の運転方法において、
列車編成中に冷却用送風機による冷却が行われる電力用変換器と冷却用送風機による冷却を行わない電力用変換器が混在している場合に、
前記冷却用送風機による冷却が行われる一台以上の電力用変換器をグループ化し、前記冷却用送風機による冷却を行わない一台以上の電力用変換器をグループ化し、
それぞれの前記グループで独立したキャリア周波数を用いてキャリア位相差方式で運転することを特徴とする電力用変換器の運転方法。
【請求項２】
請求項１に記載の電力用変換器の運転方法において、
前記冷却用送風機による冷却を行わない一台以上の電力用変換器で構成されるグループのキャリア周波数は、前記冷却用送風機による冷却が行われる一台以上の電力用変換器で構成されるグループのキャリア周波数よりも低く設定されることを特徴とする電力用変換器の運転方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の電力用変換器の運転方法において、
前記キャリア位相差方式は、前記グループを構成する前記電力用変換器がｍ台である場合に、前記グループを構成する前記電力用変換器のキャリアに［１８０°/ｍ］の位相差をつける方式であることを特徴とする電力用変換器の運転方法。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の電力用変換器の運転方法において、
それぞれの前記グループのキャリアの高調波が同一の周波数帯とならないようにそれぞれの前記グループのキャリアの周波数を設定することを特徴とする電力用変換器の運転方法。
【請求項５】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の電力用変換器の運転方法において、
それぞれの前記グループのキャリアの高調波が同一の周波数帯となるようにそれぞれの前記グループのキャリアの周波数を設定し、同一の周波数帯となる各グループのキャリアの高調波が互いに打ち消し合う位相差を有するように前記電力変換器のキャリアの周波数の位相を設定することを特徴とする電力用変換器の運転方法。
【請求項６】
パルス幅変調制御され、前記冷却用送風機により冷却される送風機付電力用変換器と、
パルス幅変調制御され、前記冷却用送風機による冷却が行われない送風機器無電力用変換器と、の少なくともいずれかを搭載した車両が複数両連結された編成列車であって、
一台以上の前記送風機付電力変換器で構成され、共通のキャリア周波数で制御される第一グループと、
一台以上の前記送風機無電力用変換器で構成され、第一グループとは異なる周波数であって共通のキャリア周波数で制御される第二グループと、を備え、
前記第一グループの各電力用変換器は、グループ内の各電力用変換器の間で位相をずらしたキャリアを用いて制御され、
前記第二グループの各電力用変換器は、グループ内の各電力用変換器の間で位相をずらしたキャリアを用いて制御されることを特徴とする編成列車。
【請求項７】
請求項６に記載の編成列車において、
前記第二グループのキャリア周波数は、前記第一グループのキャリア周波数よりも低く設定されたことを特徴とする編成列車。
【請求項８】
請求項６または請求項７記載の編成列車において、
前記各グループを構成する電力用変換器がｍ台である場合に、各グループを構成する電力用変換器の間で［１８０°/ｍ］の位相差をつけたキャリアを用いて制御することを特徴とする編成列車。
【請求項９】
請求項６ないし請求項８のいずれかに記載の編成列車において、
前記第一及び第二のグループのキャリア周波数は、各グループのキャリアの高調波が同一の周波数帯とならないように設定されたことを特徴とする編成列車。
【請求項１０】
請求項６ないし請求項８のいずれかに記載の編成列車において、
前記第一及び第二にグループのキャリア周波数は、各グループのキャリアの高調波が同一の周波数帯となるように設定され、前記電力変換器のキャリア位相は、同一の周波数帯となる各グループのキャリアの高調波が互いに打ち消し合う位相差を有するように設定されたことを特徴とする編成列車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気車のインバータとパルス幅変調制御されるコンバータ（以下、ＰＷＭコンバータという）を有する電力用変換器の運転方法にかかり、特に前記ＰＷＭコンバータのキャリによるスイッチング時の高調波の発生を抑制する運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電力用変換器を使用したインバータ駆動方式の鉄道車両を用いて列車を編成することが普及している。インバータ駆動方式に用いられる電力用変換器は、交流を直流に変換するコンバータが必須の構成になっている。このようなコンバータとしては、順変換および逆変換が同一の回路で切り替えなしに行われること、交流側電流波形が正弦波に近く低次高調波の含有率が少ないことなどから、ブリッジ結線されたダイオードのそれぞれに自己消弧形スイッチング素子を逆並列してなるパルス幅変調方式（ＰＷＭ）を採用したＰＷＭコンバータが、広く用いられている。
【０００３】
ＰＷＭコンバータをパルス幅変調制御したときの高調波の発生の状況を図７に示す。すなわち、１台のコンバータの場合、電源側にはパルス幅変調制御用搬送波（以下、キャリアということがある）周波数ｆｓの２倍の周波数２ｆｓを中心に、スイッチングに伴なう成分が、少ないながらも現れる。この図においては包絡線Ａの元に表れるキャリア周波数ｆｓの４倍の周波数４ｆｓを中心とする成分（４次高調波）以降の存在は図示を省略しており、高調波の形状も側帯波の存在を含めて表示されている。
【０００４】
このようなＰＷＭコンバータを多数搭載している列車などにおいては、含有率の少ない低次高調波が多重化され、無視できないものとなる。
【０００５】
コンバータを用いる鉄道車両の多数を編成した駆動方式では、発生する前記高調波を低減するために、架線より単相交流を受電する変圧器の２次側に、ＰＷＭコンバータｍ個からなるユニットを複数個備え、これらｍ個のコンバータ間のパルス変調制御用のキャリアの位相差が１８０°／ｍとして制御される交流電気車を複数有してなる編成列車の制御装置において、各交流電気車の前記ユニットの少なくとも２以上に異なる位相基準を分配する手段を前記編成列車内に備え、各交流電気車に、前記分配された位相基準を保持する手段と、保持された位相基準とユニット内の各変換器ごとに予め設定された変換器位相基準とに基づいて各変換器ごとのキャリアの位相基準を設定する手段と供えた編成列車の制御装置によって、パルス幅変調制御用のキャリアに位相差をつけて運転する、キャリア位相差運転方法を適用することによって、低次の高調波の出現を抑制することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
パルス幅変調制御したＰＷＭコンバータ２台にキャリア位相差制御方式を適用して運転する場合の高調波の発生の状況を図８に示す。すなわち、一方のコンバータと他方のコンバータのキャリア（周波数ｆｓ）に９０°（１８０°／２）の位相差を与えてＰＷＭ制御する場合、２次高調波２ｆｓを中心とする成分に対しては、１８０°の位相差となり互いに打ち消しあって、４倍の周波数４ｆｓを中心とする成分が、最も低い低周波の成分として現れる。
【０００７】
パルス幅変調制御したＰＷＭコンバータ４台にキャリア位相差制御方式を適用して運転する場合の高調波の発生の状況を図９に示す。すなわち、一方のＰＷＭコンバータと他方のＰＷＭコンバータのキャリアに４５°（１８０°／４）の位相差を与えてＰＷＭ制御する場合、キャリア周波数ｆｓの２倍の周波数２ｆｓを中心とする成分は１８０°の位相差となり互いに打ち消しあい、さらにキャリア周波数ｆｓの４倍の周波数４ｆｓを中心とする成分も打ち消され、キャリア周波数ｆｓの８倍の周波数８ｆｓを中心とする成分が、最も低い周波数の成分として現れる。
【０００８】
このようにして、複数台の電力用変換器のＰＷＭコンバータにキャリア位相差制御方式を適用して運転するに当たって、パルス幅変調制御用のキャリアをＰＷＭコンバータごとに位相差を設けて供給することによって、キャリア周波数ｆｓの低次倍の周波数を中心とする成分（以下、低次高調波という）を低減することができる。ＰＷＭコンバータごとに設けるキャリアの位相差は、１８０°／ｍ（ｍはコンバータの台数）である。コンバータの台数と位相差の関係を例示すると、２台の場合９０°、３台の場合６０°、４台の場合４５°となる。
【０００９】
一方、従来のインバータ駆動方式の鉄道車両においては、コンバータおよびインバータからなる電力用変換器を、冷却用送風機を用いて冷却している。しかしながら、列車が高速で走行しているときには、走行風による冷却によって、電力用変換器を冷却することが可能であり、このようなインバータ駆動方式の車両が多数台で編成される編成列車では、編成列車中の一部の車両に搭載される電力用変換器に冷却用送風機を用いずに、走行風で冷却することが考えられている。
【００１０】
このような、走行風を冷却に利用した送風機なし電力用変換器では、送風機付電力用変換器に比べて電力用変換器のコンバータのパルス幅変調制御用搬送波の周波数を低めに設定することで、コンバータの発熱を逓減させ稼働率を向上させている。
【００１１】
このような送風機なし電力用変換器を用いて列車を編成する場合には、全車両の電力用変換器を送風機なしとすることは、低速時や停車時の冷却能力の不足から困難であり、現実には編成中に送風機付電力用変換器と送風機なし電力用変換器が混在することになる。しかしながら、送風機付電力用変換器と送風機なし電力用変換器では、冷却能力が異なっていることから、同じ動作条件下では、送風機なし電力用変換器は、熱的に厳しい条件下にある。
【００１２】
このような送風機なし電力用変換器の運転に当たっては、パルス幅変調制御に用いるキャリア周波数ｆｓを下げることによって、冷却能力の低下を補うことが行われている。
【００１３】
このようにキャリア位相差運転方法が適用されている列車編成内の電力用変換器の内に、パルス幅変調制御用のキャリア周波数ｆｓが低く設定された特定の電力用変換器が混在すると、キャリア位相差運転によって相殺されるはずの高調波成分を相殺することが難しくなり、通信設備や信号設備に悪影響を与える恐れがある。
【００１４】
この場合の高調波の発生状況を、図１０を用いて説明する。この場合は、冷却送風機付電力用変換器３台と送風機なし電力用変換器１台からなるユニットに対して、キャリア位相差制御方式を適用する場合を考える。各電力用変換器のコンバータには、キャリアに４５°の位相差を与えて供給するとする。３台の送風機付電力用変換器に供給されるキャリアには４５°の位相差が与えられていることから、１８０°の位相関係を持つ低次高調波は互いに打ち消しあい、打ち消す相手のない低次（２次）高調波２ｆｓｂが発生する。一方、１台の送風機なし電力用変換器は、低次高調波を打ち消しあう相手がないので、２次高調波２ｆｓｂｌが生じる。
【特許文献１】特許第２６６７８１２公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、列車を編成する車両として、冷却用送風機によって冷却されるインバータとＰＷＭコンバータを有する電力用変換器（以下、送風機付電力用変換器ということがある）を搭載した車両と送風機による冷却を行わないインバータとＰＷＭコンバータを有する電力用変換器（以下、送風機なし電力用変換器ということがある）を搭載した車両が混在する場合に、送風機なし電力用変換器の冷却能力の不足を補う電力用変換器の運転方法を提供することを目的とする。
【００１６】
また、本発明は、上記電力用変換器の運転方法において、送風機なし電力用変換器のパルス幅変調制御用搬送波（以下、キャリアということがある）の周波数を低下させたときにも、編成全体の高調波の影響を低減する電力用変換器の運転方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記課題を解決するために、本発明は、パルス幅変調制御される電力用変換器を搭載した鉄道車両を複数両連結して編成した列車における電力用変換器の運転方法において、列車編成中に冷却用送風機による冷却が行われる電力用変換器と冷却用送風機による冷却を行わない電力用変換器が混在している場合に、前記冷却用送風機による冷却が行われる一台以上の電力用変換器をグループ化し、前記冷却用送風機による冷却を行わない一台以上の電力用変換器をグループ化し、それぞれの前記グループで独立したキャリア周波数を用いてキャリア位相差方式で運転するようにした。
また、本発明は、パルス幅変調制御され、前記冷却用送風機により冷却される送風機付電力用変換器と、パルス幅変調制御され、前記冷却用送風機による冷却が行われない送風機器無電力用変換器と、の少なくともいずれかを搭載した車両が複数両連結された編成列車であって、一台以上の前記送風機付電力変換器で構成され、共通のキャリア周波数で制御される第一グループと、一台以上の前記送風機無電力用変換器で構成され、第一グループとは異なる周波数であって共通のキャリア周波数で制御される第二グループと、を備え、前記第一グループの各電力用変換器は、グループ内の各電力用変換器の間で位相をずらしたキャリアを用いて制御され、前記第二グループの各電力用変換器は、グループ内の各電力用変換器の間で位相をずらしたキャリアを用いて制御されるようにした。
【００１８】
さらに、本発明は、前記冷却用送風機による冷却を行わない一台以上の電力用変換器で構成されるグループのキャリア周波数は、前記冷却用送風機による冷却が行われる一台以上の電力用変換器で構成されるグループのキャリア周波数よりも低く設定され、または、前記第二グループのキャリア周波数は、前記第一グループのキャリア周波数よりも低く設定されるようにした。
【００１９】
さらに、本発明は、前記キャリア位相差方式は、前記グループを構成する前記電力用変換器がｍ台である場合に、前記グループを構成する前記電力用変換器のキャリアに［１８０°/ｍ］の位相差をつける方式である、または、前記各グループを構成する電力用変換器がｍ台である場合に、各グループを構成する電力用変換器の間で［１８０°/ｍ］の位相差をつけたキャリアを用いて制御するようにした。
【００２０】
本発明は、更に、前記第一及び第二のグループのキャリア周波数は、各グループのキャリアの高調波が同一の周波数帯とならないように設定され、または、前記第一及び第二のグループのキャリア周波数は、各グループのキャリアの高調波が同一の周波数帯とならないように設定されるようにした。
【００２１】
本発明は、更に、それぞれの前記グループのキャリアの高調波が同一の周波数帯となるようにそれぞれの前記グループのキャリアの周波数を設定し、同一の周波数帯となる各グループのキャリアの高調波が互いに打ち消し合う位相差を有するように前記電力変換器のキャリアの周波数の位相を設定する、または、前記第一及び第二にグループのキャリア周波数は、各グループのキャリアの高調波が同一の周波数帯となるように設定され、前記電力変換器のキャリア位相は、同一の周波数帯となる各グループのキャリアの高調波が互いに打ち消し合う位相差を有するように設定した。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、鉄道車両用の送風機なし電力用変換器において、冷却能力の不足によるスイッチング素子の劣化や破壊を抑制することができる。
【００２３】
本発明によれば、鉄道車両用の電力用変換器において、送風機付電力用変換器と送風機なし電力用変換器が列車の編成中に混在するときに、各電力用変換器をキャリア位相差運転時のＰＷＭコンバータのキャリア周波数の低次の高調波の発生を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明にかかる電力用変換器の運転方法の実施の形態を、図を用いて説明する。図１は、本発明にかかる電力用変換器の運転方法が適用される列車編成における電力用変換器の配置の例を説明する図である。列車は、車両５０−１〜５０−６を有しており、車両５０−１〜５０−４は、それぞれ送風機付電力用変換器１−１〜１−４を搭載している。車両５０−５，５０−６は、それぞれ送風機なし電力用変換器２−１，２−２を搭載している。
【００２５】
各車両に搭載される電力用変換器の構成について、図２を用いて説明する。送風機付電力用変換器１は、ＰＷＭコンバータ１１と、直流中間回路を構成する平滑コンデンサ１２と、インバータ１３と、送風機１４を有して構成される。送風機なし電力用変換器２は、ＰＷＭコンバータ２１と、直流中間回路を構成する平滑コンデンサ２２と、インバータ２３とを有して構成される。架線から集電器３を介して集電された交流電力は主変圧器４の１次巻線４１から２次巻線４２を経由して各電力用変換器１，２に供給される。
【００２６】
このような構成を有する編成の列車において、本発明にかかる電力用変換器の運転法を説明する。まず、キャリア位相差制御方式を適用する場合の電力用変換器のグループ分けについて説明する。図１において、送風機付電力用変換器１−１〜１−４を送風機付電力用変換器グループ（以下、送風機付グループということがある）に、送風機なし電力用変換器２−１，２−１を送風機なし電力用変換器グループ（以下、送風機なしグループということがある）に、グループ分けする。
【００２７】
送風機付グループでは、４台の電力用変換器１−１〜１−４が含まれているので、キャリア位相差制御方式を適用するときには、キャリア位相差はそれぞれ４５°とする。送風機なしグループでは、２台の電力用変換器が含まれているので、キャリア位相差制御方式を適用するときには、キャリア位相差はそれぞれ９０°とする。
【００２８】
このように構成した場合の低次高調波の発生状況について、図３を用いて説明する。送風機付グループでは、図９に示したようにキャリア周波数ｆｓｂの２倍の周波数成分２ｆｓｂの成分と４倍の周波数成分４ｆｓｂの成分が打ち消され、８倍の周波数成分８ｆｓｂの成分が現れる。一方、送風機なしグループでは、図８に示したようにキャリア周波数ｆｓｂｌの２倍の周波数成分２ｆｓｂｌの成分は打ち消され、４倍の周波数成分４ｆｓｂｌの成分が現れる。このとき、送風機付グループのキャリア周波数ｆｓｂ（例えば９００Ｈｚ）は、送風機なしグループのキャリア周波数ｆｓｂｌ（例えば６００Ｈｚ）より高く設定されているので、４ｆｓｂは３６００Ｈｚ、８ｆｓｂは７２００Ｈｚであり、４ｆｓｂｌは１２００Ｈｚ、８ｆｓｂｌは４８００Ｈｚとなり、同一の高調波帯が出現することがなく、それぞれのグループの低次高調波を低減させることができる。
【００２９】
このように、送風機付電力用変換器のキャリア周波数ｆｓｂと、送風機なし電力用変換器のキャリア周波数ｆｓｂｌの関係を、それらの高調波が重なりあわない周波数の関係とすることによって、編成に送風機付電力用変換器と送風機なし電力用変換器が混在する場合であっても、編成全体の低次高調波の発生を抑制することができる。高次高調波は減衰しているので、それほどの問題とはならない。
【００３０】
図４を用いて、本発明の運転方法が適用される列車編成における電力用変換器の配置の他の例を説明する。列車は、車両５０−１〜５０−９を有しており、車両５０−１〜５０−４、車両５０−７〜５０−９は、それぞれ送風機付電力用変換器１−１〜１−４、１−５〜１−６を搭載している。車両５０−５，５０−６は、それぞれ送風機なし電力用変換器２−１，２−２を搭載している。
【００３１】
このような構成を有する編成の列車において、電力用変換器の運転法を説明する。まず、キャリア位相差制御方式を適用する場合の電力用変換器のグループ分けについて説明する。図４において、送風機付電力用変換器１−１〜１−４を第１の送風機付グループ、送風機付電力用変換器１−５〜１−７を第２の送風機付グループとし、送風機なし電力用変換器２−１，２−１を送風機なしグループとする。
【００３２】
第１の送風機付グループでは、４台の送風機付電力用変換器１−１〜１−４が含まれているので、キャリア位相差制御方式を適用するときには、キャリア位相差はそれぞれ４５°とする。第２の送風機付グループでは、３台の送風機付電力用変換器１−５〜１−７が含まれているので、キャリア位相差制御方式を適用するときには、キャリア位相差はそれぞれ６０°とする。送風機なしグループでは、２台の送風機なし電力用変換器２−１，２−２が含まれているので、キャリア位相差制御方式を適用するときには、キャリア位相差は９０°とする。
【００３３】
このように構成した場合の低次高調波の発生状況について、図５を用いて説明する。第１の送風機付グループでは、図９に示したようにキャリア周波数ｆｓｂの２倍の周波数２ｆｓｂの成分と４倍の周波数４ｆｓｂの成分が打ち消され、キャリア周波数ｆｓｂの８倍の周波数８ｆｓｂが最も低い周波数成分としてが現れる。第２の送風機付グループでは、キャリア周波数ｆｓｂの２倍の周波数２ｆｓｂの成分と４倍の周波数４ｆｓｂの成分が打ち消され、６倍の周波数６ｆｓｂが最も低い周波数成分として現れる。送風機なし電力用変換器具ループでは、図８に示したようにキャリア周波数ｆｓｂｌの２倍の周波数２ｆｓｂｌの成分打ち消され、４倍の周波数４ｆｓｂｌが最も低い周波数成分としてが現れる。このとき、送風機付グループのキャリア周波数ｆｓｂ（例えば９００Ｈｚ）は、送風機なしグループのキャリア周波数ｆｓｂｌ（例えば６００Ｈｚ）より高く設定されているので、４ｆｓｂｌは１２００Ｈｚ、６ｆｓｂは５４００Ｈｚ、８ｆｓｂｌは４８００Ｈｚであり、４ｆｓｂは３６００Ｈｚ、８ｆｓｂは７２００Ｈｚとなり、互いに干渉しあうことなく低次高調波を低減させることができる。
【００３４】
また、３台の送風機付電力用変換器と、１台の送風機なし電力用変換器が編成中にある場合について説明する。図１０に示したように、全ての電力用変換器を一つのグループとして４５°位相差のキャリア位相差制御方式を行うと、一つの送風機付電力用変換器および送風機なし電力用変換器のキャリア周波数ｆｓｂ、ｆｓｂｌの２倍の周波数２ｆｓｂ、２ｆｓｂｌの成分が現れる。このような問題を解決するために、本発明では、３台の送風機付電力用変換器を一つのグループとして位相差６０°のキャリア位相差制御方式を適用して運転し、１台の送風機なし電力用変換器には、通常の制御方式を適用する。このように、それぞれの電力用変換器を送風機付と送風機なしにグループ分けして、それぞれのグループで、キャリア位相差制御方式を採用することによって（この例では、送風機なし電力用変換器は１台であるので、送風機なしグループはキャリア位相差制御方式が適用できず通常の運転を行う）、図６に示すように、高調波の発生を極力抑えて運転することができる。
【００３５】
次いで、本発明の他の実施の形態を説明する。この実施例では、送風機なし電力用変換器を構成するＰＷＭコンバータのキャリア周波数を、送風機なし電力用変換器のキャリア位相差制御によって得られる高周波が、送風機付電力用変換器を構成するＰＷＭコンバータの発生する高調波帯域と同じ周波数になるように設定し、送風機付電力用変換器をキャリア位相制御することによって、送風機なし電力用変換器の発生する高調波とは位相差を有する高調波を発生させて、送風機なし電力用変換器が発生する高調波を打ち消すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の運転方法が適用される列車編成における電力用変換器の配置の例を説明する図。
【図２】本発明が適用される電力用変換器の構成を説明する図。
【図３】本発明の運転方法が適用された場合の高調波の発生を説明する図（その１）。
【図４】本発明の運転方法が適用される列車編成における電力用変換器の配置の他の例を説明する図。
【図５】本発明の運転方法が適用された場合の高調波の発生を説明する図（その２）。
【図６】本発明の運転方法が適用された場合の高調波の発生を説明する図（その３）。
【図７】ＰＷＭコンバータの高調波発生の状況を説明する図。
【図８】ＰＷＭコンバータ２台をキャリア位相差運転した場合の高調波発生の状況を説明する図。
【図９】ＰＷＭコンバータ４台をキャリア位相差運転した場合の高調波発生の状況を説明する図。
【図１０】送風機付ＰＷＭコンバータ３台と送風機なしＰＷＭコンバータ１台をキャリア位相差運転した場合の高調波発生の状況を説明する図。
【符号の説明】
【００３７】
１…送風機付電力用変換器、１１…ＰＷＭコンバータ、１２…平滑コンデンサ、１３…インバータ、１４…送風機、２…送風機なし電力用変換器、２１…ＰＷＭコンバータ、２２…平滑コンデンサ、２３…インバータ、３…集電器、４…主変圧器、５０…車両。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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