(57)【要約】【課題】本発明は、電流アンバランスを軽減することが出来、架線電圧を安定化することが出来る電力変換装置を提供することを目的とする。【解決手段】架線に主変圧器を介して接続されたコンバータと、当該コンバータの直流側とフィルタコンデンサを介して接続されたインバータと、前記コンバータの電力又はインバータの電力を演算する電力演算手段とを有し、前記コンバータは、前記電力演算手段により演算された前記コンバータ又は前記インバータの電力に応じて前記コンバータの交流側に無効電流を流すことを特徴とする電力変換装置。【選択図】図１
2005304156.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
架線に主変圧器を介して接続されたコンバータと、
当該コンバータの直流側とフィルタコンデンサを介して接続されたインバータと、
前記コンバータの電力又はインバータの電力を演算する電力演算手段とを有し、
前記コンバータは、前記電力演算手段により演算された前記コンバータ又は前記インバー
タの電力に応じて、前記コンバータの交流側に無効電流を流すことを特徴とする電力変換
装置。
【請求項２】
架線に主変圧器を介して接続されたコンバータと、
当該コンバータの直流側とフィルタコンデンサを介して接続されたインバータと、
前記コンバータの交流側の電流を検出する手段と、
前記コンバータの交流側の電流を検出する手段により検出された前記コンバータの電流が
所定の電流指令に一致するように、前記コンバータの出力電圧を調整する電流制御手段と
、
前記コンバータの電力又は、インバータの電力を演算する電力演算手段と、
前記電力演算手段により演算された前記コンバータ又は前記インバータの電力に応じて無
効電流指令値を算出する無効電流指令演算手段とを有し、
前記電流制御手段は、前記無効電流指令演算手段により算出された無効電流指令により前
記所定の電流指令値を補正することを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
前記請求項１及び請求項２に記載の電力変換装置において、
当該電力変換装置は、力行時には、架線電圧が増加する方向に無効電流を流し、回生時に
は、架線電圧が減少する方向に無効電流を流すことを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
前記請求項１及び請求項２に記載の電力変換装置において、
当該電力変換装置は、回生時には、架線電圧が減少する方向に無効電流を流し、力行時に
は、力率が１になるような無効電流を流すことを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
前記請求項１及び請求項２に記載の電力変換装置において、
当該電力変換装置は、架線電圧を検出する手段を有し、
前記架線電圧を検出する手段により検出された架線電圧が高い場合に架線電圧が減少する
方向に無効電流を流し、架線電圧が低い場合には、力率が１になるように無効電流を流す
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項６】
架線に主変圧器を介して接続されたコンバータと、
当該コンバータの直流側とフィルタコンデンサを介して接続されたインバータと、
前記コンバータの電力又はインバータの電力を演算する電力演算手段とを有し、
前記コンバータは、前記電力演算手段により演算された前記コンバータ又は前記インバー
タの電力に応じて、前記コンバータの交流側の力率を調整することを特徴とする電力変換
装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
新幹線等の高速鉄道車両のように、架線から単相交流を受電し、主電動機を駆動するた
めのコンバータおよびインバータを備えた電力変換装置において、架線電圧が上昇しすぎ
ると、コンバータの出力電圧が飽和し、架線電流の歪みが増加したり、保護動作が働き、
運転を停止する場合がある。逆に、架線電圧が低下しすぎた場合、同一電力を主電動機に
供給するためには有効電流を増加する必要があるが、これがコンバータの電流容量を越え
た場合には、電力制限を行い、主電動機のトルクを制限する。このため、車両の加減速度
が所定値より低下し、運行ダイヤを乱す恐れがある。
【０００３】
この問題に対処するため、従来の電力変換装置では、架線電圧に応じて、架線電圧が上
昇しすぎないように、また、低下しすぎないように、電力変換装置にて力率あるいは無効
電力を調整することが特許文献１に開示されている。
【特許文献１】特許第３０８５４０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来の電力変換装置は、架線電圧に応じて、力率を制御しているので、１つの編
成中に複数の電力変換装置を備える通常の構成を持つ鉄道車両の場合、共通なパンタ点で
の架線電圧に対し、それぞれの電力変換装置ユニットが独立して制御を行うため、架線電
圧の不安定化といった現象を引き起こすことが懸念される。特に、特性の揃わない複数の
メーカ製の電力変換装置が同一編成に搭載される場合や、同一給電区間に全く型式の異な
る電力変換装置を搭載した他の編成がいる場合には、顕著な悪影響が想定される。たとえ
、不安定でなくとも、架線電圧検出器のオフセット等個体差によって、常に特定の電力変
換装置のみが、力率を劣化させ（普通は１）、無効電流が増大するため、電流アンバラン
スが定常的に生じ、電力変換装置の低寿命化を引き起こす恐れがあった。
【０００５】
そこで本発明は、電流アンバランスを軽減することが出来、架線電圧を安定化することが
出来る電力変換装置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】
【０００６】
上記課題は、架線に主変圧器を介して接続されたコンバータと、当該コンバータの直流側
とフィルタコンデンサを介して接続されたインバータと、前記コンバータの電力又はイン
バータの電力を演算する電力演算手段とを有し、前記コンバータは、前記電力演算手段に
より演算された前記コンバータ又は前記インバータの電力に応じて前記コンバータの交流
側に無効電流を流すことにより達成することが出来る。
【０００７】
上記課題は、架線に主変圧器を介して接続されたコンバータと、当該コンバータの直流側
とフィルタコンデンサを介して接続されたインバータと、前記コンバータの交流側の電流
を検出する手段と、前記コンバータの交流側の電流を検出する手段により検出された前記
コンバータの電流が所定の電流指令に一致するように、前記コンバータの出力電圧を調整
する電流制御手段と、前記コンバータの電力又は、インバータの電力を演算する電力演算
手段と、前記電力演算手段により演算された前記コンバータ又は前記インバータの電力に
応じて無効電流指令値を算出する無効電流指令演算手段とを有し、前記電流制御手段は、
前記無効電流指令演算手段により算出された無効電流指令により前記所定の電流指令値を
補正することによって達成することが出来る。
【０００８】
上記課題は、架線に主変圧器を介して接続されたコンバータと、当該コンバータの直流側
とフィルタコンデンサを介して接続されたインバータと、前記コンバータの電力又はイン
バータの電力を演算する電力演算手段とを有し、前記コンバータは、前記電力演算手段に
より演算された前記コンバータ又は前記インバータの電力に応じて前記コンバータの交流
側の力率を調整することによって達成することが出来る。
【発明の効果】
【０００９】
本発明により、電流アンバランスを軽減することが出来、架線電圧を安定化することが出
来る電力変換装置を提供することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
（第１の実施の形態）
本発明に基づく第１の実施の形態の電力変換装置について、図を参照し詳細に説明する
。
【００１１】
図１は、本発明に基づく第１実施の形態の電力変換装置のブロック図である。
【００１２】
本発明に基づく第１の実施の形態の電力変換装置において、変電所より給電される単相
交流電力は、パンタグラフ２によって集電され、３つの巻線を有した主変圧器５を介して
、コンバータ１１と接続される。コンバータ１１の直流側には、フィルタコンデンサ１２
と、主電動機１５を駆動及び制御するＶＶＶＦインバータ１４が接続される。コンバータ
制御手段１６は、電圧検出器１３によって検出されたフィルタコンデンサ電圧Vdcが所定
値となるように、電流検出器９によって検出された交流側の電流や主変圧器の第３巻線８
に備えられた電圧検出器の出力に基づき、コンバータ１１の交流出力電圧Vcを制御するも
のである。コンバータ制御手段１６へは、コンバータの交流側の電流である出力電流Icと
、フィルタコンデンサ電圧Vdcと、主変圧器５の第３巻線の電圧である３次電圧Vs3が入力
される。３次電圧Vs3は、架線電圧（パンタ点電圧）Vpの代替として用いられるものであ
り、主変圧器５の第１巻線の電圧である１次電圧を検出したものであってもかまわない。
【００１３】
このように構成されたコンバータ制御手段において、ゼロクロス検知手段２７では、架
線電圧に相当する３次電圧Vs3に基づきにそのゼロクロスを検知する。位相同期制御手段
２８は、３次電圧のゼロクロス点より、電源電圧の位相θsを算出する。ここに位相θsの
ゼロ点は、３次電圧（パンタ点電圧）のゼロクロス点であると定義する。電圧制御手段１
９には、減算器１８の出力であるフィルタコンデンサ電圧Vdcとその目標値である直流電
圧指令Vdc*との偏差が入力され、その偏差が零となるように前記の電源電圧位相θsに基
づき、コンバータの有効電流指令値IP*を（１）式のように演算する。ここにIPA*は有効
電流の振幅指令であり、例えば、（２）式のように求められる。
【００１４】
IP* =  IPA* × sin(θs)・・（１）
IPA* = (KpAVR+KiAVR/s)×(Vdc* - Vdc)・・（２）
ただし、KpAVR、KiAVRは直流電圧制御の比例ゲイン、積分ゲインである。Sはラプラス演
算子である。
【００１５】
通常、トランスあるいはコンバータの、高効率・小型化・軽量化を狙い、パンタ点での
力率１運転を行う。すなわち、電流指令は（１）式そのもので演算され、無効電流指令＝
０である。
【００１６】
ここで本実施の形態の電力変換装置は、コンバータ１１の直流電力に応じて、無効電流
指令を前記の電流指令に加算し補正する処理があることを特徴としている。
【００１７】
電力演算手段１７では、コンバータ１１の交流側電流Icと後述するコンバータ出力電圧
指令Vc*より、コンバータ１１の電力Pcを算出する。この電力算出は、瞬時の電力という
より、１周期間の平均電力を算出するなど、それが直流量となるように算出する方がよい
。ここで、電力量の符号は、力行（電力が架線から車両へ）でPc＞０、回生（電力が車両
から架線へ）でPc<０と定義する。
【００１８】
無効電流振幅指令演算手段１８では、電力演算手段１７の出力であるコンバータ１１の
電力Pcに応じて、無効電流振幅指令IQA*を算出し出力する。例えば、（３）式のように、
コンバータの電力Pcに比例する形であったり、
IQA* = K1 × Pc・・（３）
（４）式のように、不感帯を有するものであったりすることができる。ただし、α：不
感帯のセット値（α>0）である。
【００１９】
IQA*=K2×(Pc-α)            if(α<Pc)・・（４）
IQA*=0                      if (-α <= Pc <= α)
IQA*=K2×(Pc+α)            if (Pc < -α)
この（３）式及び（４）式の設定では、コンバータ１１が回生（電力が車両から架線へ
）の場合に架線電圧の増加を抑制し、コンバータ１１が力行（電力が架線から車両へ）の
場合に架線電圧の減少を抑制する動作を行う。
【００２０】
無効電流指令演算手段１８で演算された無効電流の振幅指令IQA*は無効電流指令演算手
段２５に入力される。無効電流指令演算手段２５では、位相同期制御手段２８の出力であ
る電源位相θsとに基づき、無効電流指令IQ*を（５）式のように演算出力する。
【００２１】
IQ* = IQA* ×cos(θs)・・（５）
加算器２０では、従来の電流指令である前記有効電流指令IP*に、無効電流指令IQ*が加
算されコンバータの出力電流指令Ic*を算出する。電流制御手段２２では、コンバータの
出力電流指令値Ic*に、検出された出力電流Icが一致するように、（６）式のように出力
電圧補正量Vccmpを算出する。
【００２２】
Vccmp=KpACR（Ic*-Ic）・・(６)
また、電源電圧ＦＦ演算手段２６にて、架線電圧のフィードフォワード項VsFFを（７）
式のように算出する。ここにVs*は、架線定格電圧（主変圧器の１次巻線定格電圧）のコ
ンバータ交流側への換算値（主変圧器の２次巻線定格電圧）である。
【００２３】
VsFF=Vs* sin(θs)・・(７)
加算器２３において、架線電圧フィードフォワード項VsFFと出力電圧補正量Vccmpとを
加算することで、コンバータの出力電圧指令値Vc*が算出できる。ＰＷＭ制御２４は、コ
ンバータの出力電圧指令値Vc*に一致した出力電圧が得られるように、コンバータ１１へ
のゲートを三角波比較ＰＷＭ制御等により生成する。
【００２４】
無効電流指令演算手段２５は、電力演算手段１７で演算されたコンバータ１１の出力電
力に応じて、予め設定された出力電力に対応する無効電流指令を設定する。電流制御器２
２は、無効電流指令に一致した無効電流が（コンバータの交流側に）流れるようにコンバ
ータの出力電圧を調整する。
【００２５】
無効電流による架線電圧（パンタ点電圧）への作用は周知であるが、ここに簡単に説明
する。図２は、変電所から電力変換装置までのシステム図である。
【００２６】
図２に記載した架線システムは、変電所２９から架線インピーダンス３０を介して給電さ
れるもので、電力変換装置側ではパンタグラフ２と車輪４を介して集電する。架線インピ
ーダンス３０は、主にリアクタンスＬと抵抗Ｒから構成される。ここで、架線を流れる電
流Isは、変電所２９から車両へと流れる向きを正とする。
【００２７】
本発明に基づく第１の実施の形態の電力変換装置の動作について、図３及び図４を参照
し説明する。図３は、力行（電力が変電所から車両へ）の場合のベクトル図である。図４
は、回生（電力が車両から変電所へ）の場合のベクトル図である。
【００２８】
本発明に基づく第１の実施の形態の電力変換装置は力行時には、図３（ａ）の無効電流＝
０（力率＝１）の状態に対し、図３（ｂ）のように進みの無効電流ＩｓＱを流すことで、
架線電圧（パンタ点電圧）を増加させる。一方、回生時には、図４（ａ）の無効電流＝０
（力率＝１）の状態に対し、図４（ｂ）のように遅れの無効電流ＩｓＱを流すことで、架
線電圧（パンタ点電圧）を減少する。
【００２９】
このように構成された電力変換装置は、コンバータが回生の場合（電力が車両から架線
へ）には、架線電圧を低下させる方向に、力行の場合（電力が架線から車両へ）には、架
線電圧を増加させる方向に、無効電流を流し、架線電圧の変動を抑制することが可能であ
る。
【００３０】
本実施の形態の電力変換装置では、従来技術のように架線電圧に応じて無効電流を流す
のではなく、自身の電力変換装置での電力（コンバータ電力）に応じて無効電流を設定し
ている。このため、従来技術で懸念されるような、架線電圧を介して他の電力変換装置と
の間で干渉するような問題が生じにくい。よって、不安定化を引き起こすことなく、安定
に架線電圧の変動を抑制することが実現できる。
【００３１】
このように構成された電力変換装置は、他の電力変換装置との干渉による不安定化や、負
荷（無効電流）アンバランスによる過電流・低寿命化などを引き起こすことなく、架線電
圧の変動を抑制することができる。
【００３２】
（第２の実施の形態）
本発明に基づく第２の実施の形態の電力変換装置は、無効電流振幅指令演算手段１８の
不感帯の設定を（８）式のようにしたことを特徴としている。
【００３３】
IQA*=0                if(-α<=Pc)・・（８）
IQA*=K3×(Pc+α)      if(Pc<-α)
（８）式に記載した、設定では、回生時は架線電圧の増加を抑制するように無効電流を重
畳するものの、力行時には架線電圧の増加を抑制しない。一般に、電力変換装置のインバ
ータ１４は、架線電圧に依らず、電動機１５の所定の出力が得られるように制御する。よ
って、力行状態で架線電圧が低下した場合、元来、コンバータ１１の出力電流は増加する
。そのため、（８）式に記載した設定では、力行状態でコンバータ１１の出力電流が増加
していると想定し、力行状態では、敢えて、無効電流を流さないことで、更なる電流値の
増加を引き起こさないようにしている。
【００３４】
このように構成された電力変換装置では、回生時は架線電圧の増加を抑制するように無
効電流を流すものの、力行時には架線電圧の増加を抑制しないように作用させることがで
きる。一般に、コンバータの負荷であるインバータは架線電圧に依らず所定の電動機出力
が得られるように制御している。よって、力行で架線電圧が低下した場合、元来、コンバ
ータの出力電流は増加する特徴がある。よって、架線電圧が高くコンバータ出力電流に余
裕があることが想定される回生についてのみ架線電圧の上昇を抑制するように遅れ無効電
流を流し、一方の、架線電圧が低くコンバータ出力電流に余裕がない（過電流になりやす
い、あるいは、電力制限によりインバータ出力、すなわち、電動機出力を制限することに
なってしまう）力行では、電流値が増加する可能性のある無効電流を流さないことで、過
電流による保護や、あるいは、インバータ側の電力制限を引き起こさないようにすること
が可能である。
【００３５】
なお、第１の実施の形態及び第２の実施の形態の電力変換装置では、無効電流の設定は
、コンバータ電力に応じて決定されているが、コンバータ電力でなく、インバータの電力
、あるいは、電動機の電力であっても同様な作用効果を得ることができることは言うまで
もない。
【００３６】
また、第１の実施の形態及び第２の実施の形態の電力変換装置では、無効電流を調整す
ることで、架線電圧の変動を抑制しているが、力率を制御するものであっても同様な作用
効果を得ることができる。
【００３７】
（第３の実施の形態）
本発明に基づく第３の実施の形態の電力変換装置について、図を参照し詳細に説明する
。
【００３８】
図５は、本発明に基づく第３の実施の形態の電力変換装置のブロック図である。尚、図１
乃至図４に記載したものと構造上同一のものに関しては同符号を付して説明を省略する。
【００３９】
本発明に基づく第３の実施の形態の電力変換装置は、第２実施の形態の電力変換装置とは
、無効電流振幅指令演算手段１８への入力が異なる。第２実施の形態の電力変換装置では
、無効電流振幅指令演算手段１８には、演算されたコンバータ電力が入力されたのに対し
、本実施の形態の電力変換装置では３次電圧Vs3が入力される。
【００４０】
無効電流振幅指令演算手段１８では、（９）式のように無効電流振幅指令IQA*を算出し
、出力する。ここにVs3Setは、無効電流を流し始める電圧レベルである。
【００４１】
IQA*=0                      if(Vs3<=Vs3Set)・・（９）
IQA*=K3×(Vs3 -Vs3set)      if(Vs3>Vs3Set)
無効電流振幅指令演算手段１８の出力以降は、第１の実施の形態の電力変換装置及び第
２実施の形態の電力変換装置と同様である。
【００４２】
このように構成された電力変換装置は、第２実施の形態のように、自身の電力に応じて
無効電流を設定するのではなく、架線電圧に応じて設定するものである。第２実施の形態
の電力変換装置と同様に、回生時は架線電圧の増加を抑制するように無効電流を流し、力
行時には架線電圧の増加を抑制しない。よって、架線電圧が高くコンバータ出力電流に余
裕があることが想定される回生についてのみ架線電圧の上昇を抑制するように遅れ無効電
流を流し、一方の、架線電圧が低くコンバータ出力電流に余裕がない（過電流になりやす
い、あるいは、電力制限によりインバータ出力、すなわち、電動機出力を制限することに
なってしまう）力行では、電流値が増加する可能性のある無効電流を流さないことで、過
電流による保護や、あるいは、インバータ側の電力制限を引き起こさないようにすること
が可能である。
【００４３】
このように構成された電力変換装置は、電流アンバランスの軽減や、架線電圧を安定化
という点では、第１の実施の形態及び第２の実施の形態の電力変換装置に劣るが、従来の
電力変換装置に比べれば、電流アンバランスの軽減することが出来、かつ架線電圧が安定
する。
【００４４】
尚、本発明の説明では、電流アンバランスの軽減や架線電圧の安定のため、無効電流を
流すという説明をしているが、本発明に基づく電力変換装置と同じ無効電流が流れるよう
に、力率を調整しても同様の作用効果を得ることが出来るので、力率の調整としても良い
ことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明に基づく第１実施の形態の電力変換装置のブロック図である。
【図２】変電所から電力変換装置までのシステム図である。
【図３】力行時のベクトル図である。
【図４】回生時のベクトル図である。
【図５】本発明の第３実施の形態の電力変換装置のブロック図である。
【符号の説明】
【００４６】
１…架線
２…パンタグラフ
３…レール
４…車輪
５…主変圧器
６…１次巻線
７…２次巻線
８…３次巻線
９…電流検出器
１０…電圧検出器
１１…単相コンバータ
１２…フィルタコンデンサ
１３…電圧検出器
１４…ＶＶＶＦインバータ
１５…主電動機
１６…コンバータ制御手段
１７…電力演算手段
１８…無効電流振幅指令演算手段
１９…直流電圧制御手段
２０…加算器
２１…減算器
２２…電流制御手段
２３…加算器
２４…ＰＷＭ制御手段
２５…無効電流指令演算手段
２６…電源電圧ＦＦ演算手段
２７…ゼロクロス検知手段
２８…位相同期制御手段
２９…変電所
３０…架線インピーダンス
【図１】
2005304156.tif 000003
【図２】
2005304156.tif 000004
【図３】
2005304156.tif 000005
【図４】
2005304156.tif 000006
【図５】
2005304156.tif 000007