(57)【要約】【課題】インバータの動作周波数を高くとること無く、共振現象を回避することが可能なリニアモータ用インバータ装置の提供。【解決手段】リニアモータの推進コイルに駆動電力を供給するリニアモータ用インバータ装置は変電所７内に構成されており、２系統の第１，第２インバータ部８Ａ，８Ｂを相互に定数ｔｄの時間差でスイッチング動作させる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
リニアモータの推進コイルに駆動電力を供給するリニアモータ用インバータ装置において、
ｎ（ｎは２以上の整数）組に分けられた複数のインバータ部と、
この各組のインバータ部を相互に２／ｎ×ｔｄ（ｔｄは定数）の時間差でスイッチング動作させる制御手段と
を具備することを特徴とするリニアモータ用インバータ装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記リニアモータの運転に伴って変化するき電区間の長さ及び推進コイルの位置のうち少なくとも一つに基づいて前記時間差のみを設定することを特徴とする請求項１記載のリニアモータ用インバータ装置。
【請求項３】
前記各組のインバータ部夫々の出力は変圧器を介して直列加算され、該加算出力を前記推進コイルに供給することを特徴とする請求項１又２に記載のリニアモータ用インバータ装置。
【請求項４】
前記インバータ部は、高周波ＰＷＭインバータ又は方形波インバータであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のリニアモータ用インバータ装置。
【請求項５】
前記推進コイルに電力を供給するき電回路は、２以上の並列き電構成であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項記載のリニアモータ用インバータ装置。
【請求項６】
前記推進コイルに電力を供給するき電回路は、複数の変電所を境界区分するための境界区分開閉器を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項記載のリニアモータ用インバータ装置。
【請求項７】
リニアモータの推進コイルに駆動電力を供給するリニアモータ用インバータ装置を構成する複数のインバータ部をｎ（ｎは２以上の整数）組のインバータ部に分け、前記リニアモータの運転に伴って変化するき電区間の長さ、推進コイルの位置及びモータ速度のうち少なくとも一つに基づいて設定される時間差をもって前記各組のインバータ部を相互にスイッチング動作させることを特徴とするリニアモータ用インバータ装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば地上一次リニアシンクロナスモータ（ＬＳＭ）を駆動するリニアモータ用インバータ装置及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種のリニアモータとして非特許文献１等に示される地上一次方式のリニアシンクロナスモータ（ＬＳＭ）があり、これを図８を参照して説明する。
【０００３】
図８において、列車１上に図示しない界磁が搭載され、地上側には電機子コイル（推進コイル）２が配置されてＬＳＭが構成される。変電所３にはＬＳＭを駆動するためのインバータ装置が構成されており、図８の例では２系統の第１，第２インバータ装置３−１，３−２が設置されている。この２系統の第１，第２インバータ装置３−１，３−２は、同系統のき電線４−Ａ，４−Ｂを介して、電気的に区分された推進コイル２に、可変振幅・可変周波数の交流電流を通電する。
【０００４】
また、列車１の移動に伴って、常に、列車１に対向する推進コイル２の区分区間に通電するように、き電区分開閉器５を制御する。例えば、列車１が図中の位置にいる時には、き電区分開閉器５のＳＷＡｎとＳＷＢｎとをオンして、２系統の第１，第２インバータ装置３−１，３−２から推進コイル２の区分区間Ａｎ、Ｂｎに通電する。さらに、図８においては、柔軟な列車運転を行う等のため、き電線４−Ａ，４−Ｂには複数の境界区分開閉器６を設けてあり、この境界区分開閉器６でき電線４−Ａ，４−Ｂは区分され、各き電区間は複数の変電所３夫々によりき電される。
【０００５】
上記において、２系統の第１，第２インバータ装置３−１，３−２には、き電線４−Ａ，４−Ｂを介して推進コイル２が接続されるので、インバータ側から見た負荷インピーダンスは、図９に示すような特性になる。
【０００６】
図９に示すように、き電線４−Ａ，４−Ｂと推進コイル２のインダクタンス成分とキャパシタンス成分の共振によって、特定の周波数ｆｒ付近の帯域でインピーダンス値が小さくなる。このため２系統の第１，第２インバータ装置３−１，３−２の出力電圧中に、この周波数ｆｒ帯の高調波成分が含まれると、大きな電流が流れることになる。しかも、リニアモータの場合には、上述したように、列車１の走行に伴って接続される推進コイル２の位置も変わることから、共振周波数ｆｒも変わることになる。
【特許文献１】「超電導磁気浮上式鉄道の開発」長田豊，古木勉、電気学会誌、１２１，１０，６８２−６８５（２００１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したリニアモータにおける共振現象を回避するため、従来、インバータ動作周波数を高くとり、かつき電回路の共振周波数から遠ざけてインバータ高調波がき電回路で拡大しないように対処している。
【０００８】
しかし、インバータ動作周波数を高くとるためには、インバータ装置を構成するスイッチング素子は高速のものを採用する必要性があり、このためコスト上昇を招く等の問題があり、またき電回路の共振周波数から遠ざけるために主回路にフィルタ等を設ける必要が生じ、インバータ利用率、電力変換ロス等の面からも問題を有している。
【０００９】
本発明の目的は、インバータ装置の動作周波数を高くとること無く、共振現象を回避することが可能なリニアモータ用インバータ装置及びその制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために本発明に係るリニアモータ用インバータ装置は、ｎ（ｎは２以上の整数）組に分けられた複数のインバータ部と、この各組のインバータ部を相互に２／ｎ×ｔｄ（ｔｄは定数）の時間差でスイッチング動作させる制御手段とを具備することを特徴とする。
【００１１】
また、上記目的を達成するために本発明に係るリニアモータ用インバータ装置の制御方法は、前記インバータ装置を構成する複数のインバータ部をｎ（ｎは２以上の整数）組のインバータ部に分け、前記リニアモータの運転に伴って変化するき電区間の長さ、推進コイルの位置及びモータ速度のうち少なくとも一つに基づいて設定される時間差をもって前記各組のインバータ部を相互にスイッチング動作させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、出力電圧中の２／ｎｔｄ［Ｈｚ］の成分を除去することができるので、き電線長や推進コイル位置から共振周波数を演算し、この周波数のインバータ高調波を除去するように定数ｔｄを調整することにより、き電回路での高調波拡大現象をなくすことができ、インバータ装置の動作周波数を高くとること無く、共振現象を回避することが可能なリニアモータ用インバータ装置及びその制御方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明に係るリニアモータ用インバータ装置の一実施形態を、図１を参照して説明する。
【００１４】
図１に示すように、本実施形態のインバータ装置は、例えば図８におけるＬＳＭを駆動するための変電所７内に構成され、第１，第２インバータ部８Ａ，８Ｂと、これら第１，第２インバータ部８Ａ，８Ｂを相互に時間差を持たせてスイッチング動作させる制御手段である位相差演算部９と、第１，第２インバータ部８Ａ，８Ｂ夫々の出力を一次側で直列加算し、その二次側出力を推進コイルに供給する変圧器１０とを含み、これらにより一つの推進コイルに電力を供給する一つのインバータ装置を構成している。また、第１，第２インバータ部８Ａ，８Ｂは共に高周波ＰＷＭインバータ又は方形波インバータとして構成され得る。
【００１５】
第１インバータ部８Ａは、キャリア波作成部８Ａ１、比較部８Ａ１及びインバータ本体８Ａ３からなり、変電所７の上位制御系から与えられる位相角ωｔをもとにキャリア波作成部８Ａ１にてキャリア波を発生し、これと出力電圧目標値ａｒｅｆとを比較部８Ａ１にて比較して、インバータ本体８Ａ３にて電圧Ｖ１を発生する。
【００１６】
第２インバータ部８Ｂは、第１インバータ部８Ａと同様にキャリア波作成部８Ｂ１、比較部８Ｂ１及びインバータ本体８Ｂ３を有すると共に加算部８Ｂ４を有する。加算部８Ｂ４は、位相差演算部９で生成した情報ωｔｄを受けて、第１インバータ部８Ａより、ωｔｄだけ位相シフトした電圧Ｖ２を発生する。これら２つの電圧は変圧器１０によって加算され、出力電圧Ｖ０が出力される。
【００１７】
位相差演算部９は、図８における境界区分開閉器６の動作に応じたき電回路構成と列車位置、すなわち推進コイル２の位置から抑制すべき高調波周波数ｆｓを演算部９Ａ１で演算し、これを掛算部９Ａ２にて位相角ωｔｄに変換し、第２インバータ部８Ｂに与える。すなわち、列車運転に伴ってき電区間の長さや推進コイルの位置が変わり、共振周波数ｆｒは変化するが、位相差演算部９は、き電区間の長さ、推進コイルの位置の変化に応じて、ｆｓ＝ｆｒとなるようにｔｄ、すなわち位相角ωｔｄを調整する。これにより、常に、高調波電流は抑制されることになる。
【００１８】
次に、図２及び図３を参照して上述した特定成分の除去抑制作用について説明する。先ず、図２に示すような任意の周期波形を考える。
【００１９】
このような周期波形は次式で表される。
【数１】
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【００２０】
この波形と、この波形を時間ｔｄだけ遅らせた他の波形とを加算合成した場合、合成波形は次式のようになる。
【数２】
2005176443.tif 000004
【００２１】
ここで、ｎ＝１は基本波成分、それ以外はｎ次高調波成分を表す。
【００２２】
上式において、特定のｎｓ次成分について、ｎｓωｔｄ／２＝πｎｓｆ０ｔｄ＝π／２が成立するようにｔｄを選定、すなわち、ｔｄ＝１／（２ｎｓｆ０）＝１／（２ｆｓ）とすれば、この余弦値が零になり、合成波形中のｎｓ次成分は零になる。
【００２３】
ここでｆ０：出力周波数、ｆｓ：ｎｓ×ｆ０。
出力周波数ｆ０のｎｓ次成分を、ｆｓ［Ｈｚ］としているので、ｔｄ＝１／（２ｆｓ）に設定することで、常に、ｆｓ［Ｈｚ］の周波数成分を零にすることができる。
【００２４】
任意の周波数をｆとすれば、合成波形の高調波振幅には係数ｃｏｓ（ｆ／ｆｓ＊π／２）が掛かることになり、その周波数特性は図３のようになる。
【００２５】
このように一の周期波形と、この波形を時間ｔｄだけ遅らせた他の周期波形とを合成することにより、ｆｓ付近の広い周波数域について高調波を低減できることが分る。
【００２６】
次に、第１，第２インバータ部８Ａ，８Ｂを高周波ＰＷＭインバータで構成した場合の動作を図４を参照して説明する。図４中の上段が第１インバータ部８Ａの動作タイミングと出力電圧波形Ｖ１、中段が第２インバータ８Ｂのそれ、下段が合計の出力電圧波形Ｖｏである。なお、簡単のために、出力電圧が正の場合についてのみ説明する。
【００２７】
第１インバータ部８Ａでは、キャリア波ｆｃ１（三角波）と目標電圧ａｒｅｆとを比較して、方形波パルス状の電圧波形Ｖ１を発生する。
【００２８】
第２インバータ部８Ｂは、ｆｃ１をωｔｄ［ｒａｄ］だけ遅らせたキャリア波ｆｃ２を用いて、同様の電圧波形Ｖ２を発生する。この合計電圧波形Ｖｏは、上述のようにｆｓ＝１／２ｔｄ［Ｈｚ］成分が除去される。
【００２９】
次に、第１，第２インバータ部８Ａ，８Ｂを方形波インバータで構成した場合の動作を、図５を参照して説明する。ＰＷＭインバータの場合と同様に、第１インバータ部８Ａでは、目標電圧ａｒｅｆがキャリア波＋θ１とクロスした時点でＶ１を立ち上げ、−θ１とクロスした時点で立ちさげる。
【００３０】
第２インバータ部８Ｂは、ωｔｄ［ｒａｄ］だけ遅らせたキャリア波＋θ２、−θ２によってＶ２を作成し、これらを合計すれば、合計電圧Ｖｏはｆｓ成分が除去される。
【００３１】
ここに、図６は、２段構成時のｆｓ成分のベクトル図であり、ｆｓ成分は１周期が２ｔｄであるので、第１インバータ部８Ａと第２インバータ部８Ｂの各成分は大きさが等しく、位相が１８０°異なっており、その合計は零になる。
【００３２】
以上詳述したように本実施形態によれば次のように作用する。すなわち、図９で説明したようにＬＳＭにおいてはインバータ装置から見たき電回路のインピーダンスは特定の周波数ｆｒ帯域で小さくなることから出力電圧にこの周波数帯の高調は成分があると大きな電流が流れることになるが、本実施形態では、第１，第２インバータ部８Ａ，８Ｂと、これら第１，第２インバータ部８Ａ，８Ｂを相互に時間差を持たせてスイッチング動作させる制御手段である位相差演算部９を設けていることから、位相差演算部９にてｆｓ＝ｆｒとなるようにｔｄを設定することによって、インバータ出力電圧中のこの周波数成分を低減し、き電回路に大きな高調波電流が流れることを抑制することが可能となる。すなわち、インバータ装置の出力周波数や出力電圧に応じてインバータ高調波は複雑に変化するが、位相差演算部９により運転に伴って変化するき電区間の長さ、推進コイルの位置及びモータ速度に基づき時間差を設定することで、特定の周波数を常に除去することが可能となる。
【００３３】
これにより、従来のようなき電回路の高調波共振現象を避けるためのインバータの動作周波数の高め設定は不要となることから、インバータを構成するスイッチング素子として高速のものを採用する必要性が無く、またインバータ利用率、電力変換ロスにおける問題が抑制される。
【００３４】
上述した実施形態におけるインバータ装置は、第１インバータ部８Ａと第２インバータ部８Ｂとからなる２段構成であったが、３以上の多段構成であっても良い。３段構成の場合における時間差を図７に示す。３段構成の各インバータを２／３ｔｄずらせて動作させることによって、２段構成と同様にｆｓ成分を零にできる。同様に、ｎ段構成では、２／ｎｔｄずらせて動作させれば良い。
【００３５】
また、上述した実施形態において各インバータ部を相互に時間差をもってスイッチング動作させるに際し、時間差は、リニアモータの運転に伴って変化するき電区間の長さ、推進コイルの位置及びモータ速度のうち少なくとも一つに基づき算出するようにしても良い。
【００３６】
さらに、上述した実施形態においては、各インバータ部の出力を変圧器を介して直列加算して推進コイルに供給するようにしたが、本発明は１つのインバータ装置を複数のインバータ部で構成し該複数のインバータ部を個々に時間差を持たせて運転する限りにおいて、上述した変圧器以外の加算構成を採用するこができる。
【００３７】
また、推進コイルに電力を供給するき電回路は、図８に示す２以上の並列き電構成の他に、非並列き電構成であっても良く、また図８に示す境界区分開閉器を有する構成の他に、境界区分開閉器を有しない構成のものであっても良い。
【００３８】
上述の他に、本願発明は、上記各実施形態に限定されるものでなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、各実施形態は可能な限り適宜組み合わせて実施してもよく、その場合、組み合わされた効果が得られる。さらに、上記各実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が省略されることで発明が抽出された場合には、その抽出された発明を実施する場合には省略部分が周知慣用技術で適宜補われるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明に係るリニアモータ用インバータ装置の一実施形態の構成図。
【図２】同実施形態の作用を説明する波形図。
【図３】同実施形態の作用を説明する周波数特性図。
【図４】同実施形態を高周波ＰＷＭインバータで構成する場合の波形図。
【図５】同実施形態を方形波インバータで構成する場合の波形図。
【図６】同実施形態における２段構成のインバータの場合におけるベクトル図。
【図７】同実施形態における３段構成のインバータの場合におけるベクトル図。
【図８】従来のリニアモータ用インバータ装置を説明する図。
【図９】従来における負荷インピーダンスを説明する特性図。
【符号の説明】
【００４０】
１…列車、２…推進コイル、４−Ａ，４−Ｂ…き電線、５…き電区分開閉器、６…境界区分開閉器、７…変電所、８Ａ，８Ｂ…第１，第２インバータ部、９…位相差演算部、１０…変圧器。
【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】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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