(57)【要約】【課題】インバータ電圧を指令する際の基準周波数を変化させることで、簡単に直流電圧のリップルを抑制するようにした電力変換装置を提供する。【解決手段】電力変換装置は、直流電源１１を三相交流出力に変換するインバータ回路１４、交流出力電圧を平滑化して三相負荷回路１６に出力するＬＣフィルタ回路１５、直流電源を平滑化してインバータ回路１４に供給するコンデンサ１３、三相負荷回路１６に出力された交流出力電圧を検出し、その検出結果に基づいてインバータ回路１４に対する電圧指令を生成するインバータ制御装置２０、コンデンサ１３での直流入力電圧を検知し、特定の周波数帯域の高調波信号成分を通過させるバンドパスフィルタ２５を備えている。これにより、インバータ制御装置２０からインバータ回路１４に対する電圧を指令する際の基準周波数を、直流電源１１の電圧値に追従させて増減させることができる。【選択図】図１
2012228132.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
架線からパンタグラフを通して供給される直流電源から所望する電圧値の交流電力に変換する電力変換装置において、
前記直流電源を三相交流出力に変換するインバータ部と、
前記インバータ部の出力側に設けられ、交流出力電圧を平滑化して負荷に出力するＬＣフィルタ部と、
前記インバータ部の入力側に設けられ、前記直流電源から入力された電圧を平滑化して前記インバータ部に供給するコンデンサ部と、
前記負荷に出力された交流出力電圧を検出し、その検出結果に基づいて前記インバータ部に対する電圧指令を生成するインバータ制御部と、
前記インバータ制御部に設定される基準位相の定電圧信号に対して、前記直流電源の入力電圧に含まれるリップル成分を加算するダンピング制御部と、
を備え、
前記ダンピング制御部では、前記インバータ制御部から前記インバータ部に対する電圧を指令する際の基準周波数を、前記直流電源の電圧値に追従させて増減するようにしたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記ダンピング制御部は、前記コンデンサ部での直流入力電圧を検知する検出回路と、前記検出回路の出力信号から特定の周波数帯域の高調波信号成分を通過させるバンドパスフィルタ回路と、を含むことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記検出回路は、前記インバータ制御部における過電圧保護のための検出手段を構成するものであることを特徴とする請求項２記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、架線からパンタグラフを通して供給される直流電源から所望する電圧値の交流電力に変換する電力変換装置に関し、とくに直流電車用の補助電源装置として使用される直流電源から三相交流電源に変換する電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図５は、従来の電力変換装置の構成を示すブロック図である。この電力変換装置は、直流電源１１を三相交流電源に変換するインバータシステムを構成している。直流電源１１には、インダクタ１２と直流電圧を平滑するコンデンサ１３を介してインバータ回路１４が接続されている。このインバータ回路１４は直流電圧を所定の大きさの交流電圧に変換して、その交流出力を平滑化するＬＣフィルタ回路１５を介して接続されている三相負荷回路１６に供給されている。
【０００３】
インバータ回路１４には直流電圧Ｖｃがコンデンサ１３の両端電圧として供給され、その電圧値を電圧検出器１７によって検出するように構成されている。検出された直流電圧Ｖｃは過電圧保護回路１８で監視する。また、三相負荷回路１６に供給された交流電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷは、電圧検出器１９によって検出され、インバータ制御装置２０に出力される。このインバータ制御装置２０は、三相負荷回路１６への供給電圧を一定電圧値に制御するためのものであって、ここからインバータ回路１４にゲート制御信号を供給することによって、所望する一定電圧・一定周波数の交流電力に変換するように制御している。
【０００４】
インバータ制御装置２０は、過電圧保護回路１８の他、インバータ電圧指令作成回路２１、ＡＶＲ指令作成回路２２、ＰＷＭ信号作成回路２３、及びデッドタイム（ＤＴ）生成回路２４を備え、以下のようにゲート制御信号を生成している。
【０００５】
まず、インバータ電圧指令作成回路２１は、定電圧回路３１、積分器３３、正弦波発生器３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗ、１２０°位相をずらす定電圧回路３５および加算器３６ａ，３６ｂによって構成され、ここでは基準位相からそれぞれ１２０°ずつ位相の異なる３つの電圧指令を作成している。一方、ＡＶＲ指令作成回路２２では、電圧検出器１９からフィードバックされた交流電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷに基づいてＰＩ制御し、ＡＶＲ指令信号を作成する。ＰＷＭ信号作成回路２３では、ＡＶＲ指令信号を乗算器４１Ｕ，４１Ｖ，４１Ｗにより３つの電圧指令とそれぞれ掛け合わせてＰＷＭ指令信号が生成され、このＰＷＭ指令信号と三角波発生器４３からのキャリア三角波をコンパレータ４２Ｕ，４２Ｖ，４２Ｗで比較することによってそれぞれＰＷＭ信号が形成される。これらのＰＷＭ信号は、アーム短絡防止のためのデッドタイム生成回路２４を通してゲート制御信号となり、インバータ回路１４を制御するようにしている。
【０００６】
図６は、従来のインバータシステムの制御動作を示す信号波形図である。
同図（Ａ）は、インバータ電圧指令作成回路２１の定電圧回路３１により生成される基準位相（３６０°）の電圧信号Ｆｒｅｑを示しており、この電圧信号Ｆｒｅｑが積分器３３に入力される。同図（Ｂ）は、積分器３３で生成される鋸歯状の位相指令Ｉｎｔを示しており、この位相指令Ｉｎｔが正弦波発生器３４Ｕに入力されることで、同図（Ｃ）に示すように正弦波発生器３４Ｕから一定周期でインバータ電圧指令Ｕsineが出力される。
【０００７】
図５のような電力変換装置では、インバータ回路１４の出力側にＬＣフィルタ回路１５が設けられており、インバータ電圧指令Ｕsineの周波数は図６（Ｃ）に示すように一定周期の正弦波であった。いま、図６（Ｄ）に示すように、あるタイミングで入力電圧Ｖｉｎが１０％急変するものと考える。急変の要因として、近くの他の電車が回生動作を行うとき、架線電圧が上昇しコンデンサ１３の直流電圧が急変することなどがあり、直流電圧Ｖｃにリップルが発生する。
【０００８】
図７は、従来の電力変換装置における入力電圧（Ｖｉｎ）急変時の直流電圧（Ｖｃ）およびインバータの交流出力電圧（ＶＵ）の各波形を示す図であり、（Ａ），（Ｂ）は定格時の電圧で規格化して表示している。
【０００９】
ここでは、同図（Ａ）に示すように、時刻０．２秒の経過直後に入力電圧Ｖｉｎが１．１倍に上昇し、その後、再び時刻０．８秒に定格に戻った場合を想定している。
このとき、コンデンサ１３の直流電圧Ｖｃは、図７（Ｂ）に示すようなリップルが生じる。
【００１０】
そこで、直流電圧に発生するリップルを抑制するため直流電源に接続されているインダクタに抵抗を並列に設置する方法が考えられていた（特許文献１参照）。
図８は従来の直流電圧に発生するリップルを抑制する電力変換装置の概略構成図の一例である。図８において、直流電源から所望する電圧値の交流電力に変換する電力変換装置には、直流電源１１、インダクタ１２、コンデンサ１３、インバータ回路１４、ＬＣフィルタ回路１５、絶縁変圧器１６０、インダクタ１２に並列に接続された抵抗１８ａが設けられている。そして、直流電圧に発生したリップルを抵抗１８ａで消費させることで、リップルを抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００９−８１９７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
直流電車用の補助電源装置にインバータシステムを用いた場合に、インバータの入力となる直流電源に継続してリップル電流が発生すると、周囲の機器の誤動作を招く恐れがある。すなわち、電車の軌道周辺には様々な信号があり、軌道に流れるリップル電流の高調波成分が信号系統を誤動作させる恐れがあった。
【００１３】
たとえば、踏切制御器、列車検知などの信号制御系統において使用されている信号周波数に近い成分の高調波が発生すると、信号制御系統で誤検知が生じて間違った信号を出力するようになるなど、電車の運行にも支障をきたすことになる。そこで、リップルの影響を直流電源側に及ぼすことは極力避ける必要があった。
【００１４】
ところが、上述したインバータシステムにおいては、直流電源からの入力電圧が急変した場合、図７（Ｂ）に示すように、直流電圧Ｖｃにリップルが発生し、それが長期間継続してしまう。一方、上述した図８に示す先行技術では、新たな部品としてインダクタ１２に並列に接続された抵抗１８ａを追加して対応するか、あるいは既存の回路構成を変更して対処しなければならず、簡単には直流電圧Ｖｃに発生するリップルを抑制することができなかった。
【００１５】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、インバータ電圧指令の基準周波数を変化させることで、直流電源からの入力電圧に発生するリップル成分を簡単に低減できる電力変換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明では、上記問題を解決するために、架線からパンタグラフを通して供給される直流電源から所望する電圧値の交流電力に変換する電力変換装置が提供される。この電力変換装置は、前記直流電源を三相交流出力に変換するインバータ部と、前記インバータ部の出力側に設けられ、交流出力電圧を平滑化して負荷に出力するＬＣフィルタ部と、前記インバータ部の入力側に設けられ、前記直流電源から入力された電圧を平滑化して前記インバータ部に供給するコンデンサ部と、前記負荷に出力された交流出力電圧を検出し、その検出結果に基づいて前記インバータ部に対する電圧指令を生成するインバータ制御部と、前記インバータ制御部に設定される基準位相の定電圧信号に対して、前記直流電源の入力電圧に含まれるリップル成分を加算するダンピング制御部と、を備え、前記ダンピング制御部では、前記インバータ制御部から前記インバータ部に対する電圧を指令する際の基準周波数を、前記直流電源の電圧値に追従させて増減するように構成される。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の電力変換装置では、インバータ制御部内でインバータ電圧指令を作成する際に、ダンピング制御部からバンドパスフィルタを通した直流電圧Ｖｃを積分器に入力することにより、位相指令を直流電圧Ｖｃのリップルに応じて変化させ、電圧指令の基準周波数を増減させている。これにより、新たな部品を追加せず、あるいはソフトウェアにてバンドパスフィルタを実現することが可能であれば、回路変更をしないでも、既存回路の構成のままで直流電圧のリップルを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態に係る電力変換装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図１におけるインバータ制御装置の要部構成を示すブロック図である。
【図３】本発明のインバータ制御方法を示す信号波形図である。
【図４】本発明の電力変換装置における入力電圧急変時の直流電圧および交流電圧の各波形を示す図である。
【図５】従来の電力変換装置の構成を示すブロック図である。
【図６】従来のインバータシステムの制御動作を示す信号波形図である。
【図７】従来の電力変換装置における入力電圧急変時の直流電圧およびインバータの交流出力電圧の各波形を示す図である。
【図８】従来の直流電圧に発生するリップルを抑制する電力変換装置の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照してこの発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る電力変換装置の構成を示すブロック図である。図１の電力変換装置では、図５に示す従来装置の構成要素に対応する部分に同じ符号を付けて、それらの詳細な説明を省略する。
【００２０】
図１の電力変換装置は、ダンピング制御回路を構成するバンドパスフィルタ２５および加算回路３２が追加されている点で、従来の電力変換装置と異なっている。ここでは、電圧検出器１７によって検出された直流電圧Ｖｃが過電圧保護回路１８に供給されるだけでなく、バンドパスフィルタ２５にも入力されている。バンドパスフィルタ２５は、コンデンサ１３の電圧を検出した直流電圧Ｖｃに含まれるリップル成分から特定の周波数帯域の高調波信号成分を通過させている。また、加算回路３２では、インバータ電圧指令作成回路２１の定電圧回路３１で生成される基準位相の定電圧信号に対して、入力電圧に含まれるバンドパスフィルタを通したリップル成分を加算するようにしている。なお、電圧検出器１７の出力信号に対するバンドパスフィルタ２５は、ソフトウェアによるフィルタ演算として実現でき、インバータ制御装置２０に含まれる演算手段によって構成され、システム自体、あるいはハードウェア自体の構成は一切変更しないで実現可能である。
【００２１】
図２は、図１におけるインバータ制御装置の要部構成を示すブロック図である。
バンドパスフィルタ２５および加算回路３２は、ダンピング制御部３０を構成している。インバータ電圧指令作成回路２１は、一相分の正弦波発生器３４Ｕについてだけ示している。したがって、ＰＷＭ信号作成回路２３についても、乗算器４１Ｕとコンパレータ４２Ｕ、および三角波発生器４３だけを示した。ＰＷＭ信号作成回路２３では、ＡＶＲ指令作成回路２２の電圧信号の大きさと正弦波発生器３４Ｕの正弦波信号とが掛け合わせられ、コンパレータ４２Ｕで三角波と比較される。
【００２２】
図３は、本発明のインバータ制御方法を示す信号波形図である。
従来の電力変換装置における制御では、インバータ電圧指令作成回路２１の定電圧回路３１から積分器３３への入力は、それが閾値を超えるとリセットされ、その大きさは３６０°一定であった。そのため、積分器３３からの位相指令は３６０°毎にリセットするため、正弦波発生器３４Ｕの出力であるインバータ電圧指令Ｕsineは、図６（Ｃ）に示すように一定周期の正弦波であった。
【００２３】
これに対して、本発明によるダンピング制御が導入されたものでは、積分器３３の入力が３６０°一定から直流電圧Ｖｃのある帯域の周波数成分を加算、あるいは減算した値となって、図３（Ａ）に示すように、直流電圧Ｖｃに応じて変動する。すなわち、入力電圧Ｖｉｎに変化が生じると、加算回路３２から積分器３３へ入力する電圧信号は定電圧回路３１での一定電圧を前後するように揺らぎが生じる。そのため、積分器３３から出力される位相指令は、図３（Ｂ）に示すように鋸歯状の位相指令の傾斜は、入力電圧の大きさに比例して緩やかになる。したがって、正弦波発生器３４ＵからＰＷＭ信号作成回路２３に出力されるインバータ電圧指令Ｕsineは、図３（Ｃ）に示すように、直流電圧Ｖｃに応じて周波数が変動する正弦波となる。
【００２４】
図１に示す本発明の電力変換装置のように、インバータ回路１４の出力にＬＣフィルタ回路１５があると、電圧指令の周波数が変動する時に、ＬＣフィルタ回路１５のＬＣ成分に蓄積されているエネルギーとコンデンサ１３の間で電力のやりとりが起こり、直流電圧Ｖｃに発生するリップルを低減することが可能である。
【００２５】
図４は、本発明の電力変換装置における入力電圧急変時の直流電圧および交流電圧の各波形を示す図である。
この図４では、直流電圧Ｖｃが０．２秒経過直後、および０．８秒経過して急変する場合のシミュレーション例を示している。図３で説明したように、直流電源からの入力電圧Ｖｉｎの急変時には、直流電圧Ｖｃに発生したリップル成分が時間とともに収束するから、本発明によるダンピング制御を導入することで、図４（Ｃ）に示すように、直流電圧Ｖｃの急変直後でのみ、インバータ交流出力電圧に電圧指令変動の影響が表れるだけで、その後は確実にリップルが低減されていることを確認できる。
【００２６】
以上、本発明の電力変換装置では、インバータ制御装置内でインバータ電圧指令を作成する際に、ダンピング制御部からバンドパスフィルタを通した直流電圧Ｖｃを積分器に入力することにより、位相指令を直流電圧Ｖｃのリップルに応じて変化させ、電圧指令の基準周波数を増減させている。これにより、新たな部品を追加せず、あるいはソフトウェアにてバンドパスフィルタを実現できれば回路変更をしないでも、既存回路の構成のままで直流電圧のリップルを抑制できる。
【符号の説明】
【００２７】
１１  直流電源
１２  インダクタ
１３  コンデンサ
１４  インバータ回路
１５  ＬＣフィルタ回路
１６  三相負荷回路
１７，１９  電圧検出器
１８  過電圧保護回路
２０  インバータ制御装置
２１  インバータ電圧指令作成回路
２２  ＡＶＲ指令作成回路
２３  ＰＷＭ信号作成回路
２４  デッドタイム（ＤＴ）生成回路
２５  バンドパスフィルタ
３０  ダンピング制御回路
３１，３５  定電圧回路
３２  加算回路
３３  積分器
３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗ  正弦波発生器
４１Ｕ，４１Ｖ，４１Ｗ  乗算器
４２Ｕ，４２Ｖ，４２Ｗ  コンパレータ
４３  三角波発生器
【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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