(57)【要約】【課題】インバータにＬＣ平滑回路が接続されている場合においても、出力電圧を変動させることなく、ＬＣ共振を抑制する。【解決手段】直流フィルタコンデンサ１３の端子間電圧を検出する電圧検出手段１９、電圧検出手段１９にて検出された直流フィルタコンデンサ１３の端子間電圧から振動成分を抽出するバンドパスフィルタ２２、バンドパスフィルタ２２にて抽出された直流フィルタコンデンサ１３の端子間電圧の振動成分に基づいて、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のスイッチング周波数を可変するスイッチング周波数可変手段２３が設け、直流リアクトル１２および直流フィルタコンデンサ１３の共振エネルギーをスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のスイッチング損失として消費させる。【選択図】      図１
2009060723.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インバータの前段に接続されたチョークインプット方式のＬＣ平滑回路のコンデンサの端子間電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電圧検出手段にて検出された前記コンデンサの端子間電圧から振動成分を抽出するフィルタ手段と、
前記フィルタ手段にて抽出された前記コンデンサの端子間電圧の振動成分に基づいて、前記インバータのスイッチング周波数を可変するスイッチング周波数可変手段とを備えることを特徴とする電力変換装置の制御装置。
【請求項２】
前記スイッチング周波数可変手段は、前記コンデンサの端子間電圧の上昇に応じて前記スイッチング周波数を高くすることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置の制御装置。
【請求項３】
インバータのスイッチング周波数を決定するキャリア波として作用する三角波を発生させる三角波発生器と、
前記インバータの出力側から検出された電圧検出値と電圧目標値との偏差がゼロになるように電圧指令値を生成する出力電圧調整手段と、
前記三角波発生器にて発生された三角波と前記出力電圧調整手段にて生成された電圧指令値との比較結果に基づいて、前記インバータをＰＷＭ制御するＰＷＭ制御部と、
前記インバータの前段に接続されたチョークインプット方式のＬＣ平滑回路のコンデンサの端子間電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電圧検出手段にて検出された前記コンデンサの端子間電圧から振動成分を抽出するフィルタ手段と、
前記フィルタ手段にて抽出された前記コンデンサの端子間電圧の振動成分に基づいて、前記三角波発生器のキャリア波の周波数を可変するスイッチング周波数可変手段とを備えることを特徴とする電力変換装置の制御装置。
【請求項４】
前記スイッチング周波数可変手段は、前記コンデンサの端子間電圧の上昇に応じて前記キャリア波の周波数を高くすることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置の制御装置。
【請求項５】
スイッチング動作によって直流を交流に変換するインバータと、
前記インバータの前段に接続されたチョークインプット方式のＬＣ平滑回路と、
前記インバータのスイッチング周波数を決定するキャリア波として作用する三角波を発生させる三角波発生器と、
前記インバータの出力側から検出された電圧検出値と電圧目標値との偏差がゼロになるように電圧指令値を生成する出力電圧調整手段と、
前記三角波発生器にて発生された三角波と前記出力電圧調整手段にて生成された電圧指令値との比較結果に基づいて、前記インバータをＰＷＭ制御するＰＷＭ制御部と、
前記ＬＣ平滑回路のコンデンサの端子間電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電圧検出手段にて検出された前記コンデンサの端子間電圧から振動成分を抽出するフィルタ手段と、
前記フィルタ手段にて抽出された前記コンデンサの端子間電圧の振動成分に基づいて、前記三角波発生器のキャリア波の周波数を可変するスイッチング周波数可変手段とを備えることを特徴とする車両用静止形補助電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電力変換装置の制御装置および車両用静止形補助電源装置に関し、特に、チョークインプット方式のＬＣ平滑回路を有する電力変換装置の共振抑制方法に適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
電気鉄道車両の照明や空調装置に電力を供給する車両用静止形補助電源には、常に一定の電圧および周波数の交流電力を出力するＣＶＣＦ（Ｃｏｎｓｔａｎｔ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｃｏｎｓｔａｎｔ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）装置が用いられている。
図２は、従来の車両用静止形補助電源装置の概略構成の一例を示すブロック図である。
図２において、車両用静止形補助電源装置には、スイッチング動作によって直流を交流に変換するインバータ１４が設けられている。ここで、インバータ１４には、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４およびスイッチング素子Ｑ５、Ｑ６がそれぞれ直列接続されたアームが設けられ、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６にはフライホイールダイオードＤ１〜Ｄ６がそれぞれ逆並列接続されている。そして、各アームは並列接続されるとともに、インバータ１４の入力側にはＬＣ平滑回路２０を介して直流電源１１に接続されている。ここで、ＬＣ平滑回路２０には、直流リアクトル１２および直流フィルタコンデンサ１３が設けられ、ＬＣ平滑回路２０は、チョークインプット方式のＬＣフィルタを構成することができる。また、インバータ１４が車両用静止形補助電源に用いられる場合、直流電源１１として架線直流電圧を用いることができる。
【０００３】
そして、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４およびスイッチング素子Ｑ５、Ｑ６の各接続点は、フィルタリアクトル１５を介して絶縁変圧器１７に接続され、フィルタリアクトル１５の出力側には、コンデンサがデルタ結線されたフィルタコンデンサ１６が接続され、絶縁変圧器１７の出力側には、絶縁変圧器１７の２次側出力電圧値を検出する電圧検出手段１８が接続されている。
【０００４】
また、電力変換装置の制御装置３１には、インバータ１４のスイッチング周波数を決定するキャリア波として作用する三角波Ｖｃａｒを発生させる三角波発生器２４、電圧検出手段１８にて検出された電圧検出値Ｖｄｅｔと制御装置３１に入力された電圧目標値Ｖｒｅｑとの偏差がゼロになるように電圧指令値Ｖｃｍｄを生成する出力電圧調整手段２５、三角波発生器２４にて発生された三角波Ｖｃａｒと出力電圧調整手段２５にて生成された電圧指令値Ｖｃｍｄとの比較結果に基づいてスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のオン／オフ制御を行うＰＷＭ制御部２６が設けられている。
【０００５】
そして、直流電源１１から出力された直流電圧はＬＣ平滑回路２０にて高周波成分が除去された後、インバータ１４に入力され、インバータ１４にて直流が交流に変換される。そして、インバータ１４から出力された交流電圧は、フィルタリアクトル１５およびフィルタコンデンサ１６にて不要な高域成分が除去された後、絶縁変圧器１７に供給され、絶縁変圧器１７にて交流電圧が変圧される。
【０００６】
そして、絶縁変圧器１７の２次側出力電圧値は電圧検出手段１８にて検出され、その電圧検出値Ｖｄｅｔは出力電圧調整手段２５に入力される。そして、電圧検出値Ｖｄｅｔと電圧目標値Ｖｒｅｑとの偏差がゼロに近づくように出力電圧調整手段２５にて電圧指令値Ｖｃｍｄが生成され、ＰＷＭ制御部２６に入力される。
そして、ＰＷＭ制御部２６に入力された電圧指令値Ｖｃｍｄは、三角波発生器２４にて発生された三角波Ｖｃａｒと比較され、三角波Ｖｃａｒと電圧指令値Ｖｃｍｄとの比較結果に基づいてスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のオン／オフ制御が行われることで、インバータ１４がＰＷＭ（パルス幅変調）制御される。
【０００７】
この図２の制御方法では、架線直流電圧や負荷の急変時に直流リアクトル１２と直流フィルタコンデンサ１３との共振現象が発生し、直流フィルタコンデンサ１３の電圧および入力電流が振動するとともに、車両用静止形補助電源装置のＣＶＣＦ動作によってこの振動が継続することがある。
このような現象に対して、特許文献１には、定電圧制御を行うインバータのフィルタコンデンサ端子電圧における振動成分を定電圧制御の基準電圧に加算し、入力フィルタで共振が発生した場合に、出力電圧を入力電圧に同調して変動させＬＣフィルタの共振を抑制する方法が開示されている。
【０００８】
図３は、従来の車両用静止形補助電源装置の概略構成のその他の例を示すブロック図である。
図３において、車両用静止形補助電源装置には、インバータ１０１、インバータ１０１の入力側に接続したフィルタリアクトル１０２およびフィルタコンデンサ１０３、インバータ１０１の出力側絶縁変圧器１０４、インバータ１０１出力側の電圧センサ１０５および電流センサ１０６、基準電圧生成回路１０７、基準電流生成回路１０８、制御回路１０９、電車線の架線による直流電源１１０、負荷１１１、フィルタコンデンサ１０３の端子電圧を検出する電圧センサ１１２、電圧センサ１１２の検出出力から振動成分のみを抽出する高域フィルタ１０３、は基準電圧生成回路１０７からの基準電圧信号に高域フィルタ１０３の出力を加算する加算器１０４が設けられている。
【０００９】
そして、電圧センサ１１２で検出されたフィルタコンデンサ１０３の印加電圧から、高域フィルタ１１３にて振動成分を抽出し、基準電圧生成回路１０７からの基準電圧信号に加算することで、インバータ１０１の出力電圧を、フィルタコンデンサ１０３の端子電圧の変動に同調して変動させる。
図４は、従来のＬＣ共振現象の抑制方法を等価回路にて示す図である。
図４において、図２の直流リアクトル１２をリアクトルＬ、直流フィルタコンデンサ１３をコンデンサＣ、負荷電流を電流源ＩLで表すと、ＬＣ共振を抑制するには、コンデンサＣに抵抗Ｒを並列接続する必要がある。
そして、図３の方法では、直流電圧の上昇時に負荷に供給される電流を増加させることで、図４の抵抗Ｒと同等の効果を生じさせ、ＬＣ共振を抑制する。
【特許文献１】特開平９−１４０１５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、図３の方法では、出力電圧を変動させることにより、フィルタリアクトル１０２およびフィルタコンデンサ１０３の共振エネルギーを負荷側で消費させ、ＬＣ共振を抑制する。このため、図３の方法を車両用静止形補助電源装置に適用した場合、短時間ではあるが出力電圧が変動し、常に一定の電圧および周波数の交流電力を出力できなくなることから、負荷に悪影響を及ぼすことがあるという問題があった。
【００１１】
また、図３の方法では、出力電圧を変動させることにより、フィルタリアクトル１０２およびフィルタコンデンサ１０３の共振エネルギーを負荷側で消費させるため、例えば、インバータエアコンなどの定電力負荷が車両用静止形補助電源装置に接続されている場合には、ＬＣ共振を抑制することができなくなるという問題があった。
そこで、本発明の目的は、ＬＣ平滑回路が接続されている場合においても、出力電圧を変動させることなく、ＬＣ共振を抑制することが可能な電力変換装置の制御装置および車両用静止形補助電源装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述した課題を解決するために、請求項１記載の電力変換装置の制御装置によれば、インバータの前段に接続されたチョークインプット方式のＬＣ平滑回路のコンデンサの端子間電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段にて検出された前記コンデンサの端子間電圧から振動成分を抽出するフィルタ手段と、前記フィルタ手段にて抽出された前記コンデンサの端子間電圧の振動成分に基づいて、前記インバータのスイッチング周波数を可変するスイッチング周波数可変手段とを備えることを特徴とする。
また、請求項２記載の電力変換装置の制御装置によれば、前記スイッチング周波数可変手段は、前記コンデンサの端子間電圧の上昇に応じて前記スイッチング周波数を高くすることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項３記載の電力変換装置の制御装置によれば、インバータのスイッチング周波数を決定するキャリア波として作用する三角波を発生させる三角波発生器と、前記インバータの出力側から検出された電圧検出値と電圧目標値との偏差がゼロになるように電圧指令値を生成する出力電圧調整手段と、前記三角波発生器にて発生された三角波と前記出力電圧調整手段にて生成された電圧指令値との比較結果に基づいて、前記インバータをＰＷＭ制御するＰＷＭ制御部と、前記インバータの前段に接続されたチョークインプット方式のＬＣ平滑回路のコンデンサの端子間電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段にて検出された前記コンデンサの端子間電圧から振動成分を抽出するフィルタ手段と、前記フィルタ手段にて抽出された前記コンデンサの端子間電圧の振動成分に基づいて、前記三角波発生器のキャリア波の周波数を可変するスイッチング周波数可変手段とを備えることを特徴とする。
【００１４】
また、請求項４記載の電力変換装置の制御装置によれば、前記スイッチング周波数可変手段は、前記コンデンサの端子間電圧の上昇に応じて前記キャリア波の周波数を高くすることを特徴とする。
また、請求項５記載の車両用静止形補助電源装置によれば、スイッチング動作によって直流を交流に変換するインバータと、前記インバータの前段に接続されたチョークインプット方式のＬＣ平滑回路と、前記インバータのスイッチング周波数を決定するキャリア波として作用する三角波を発生させる三角波発生器と、前記インバータの出力側から検出された電圧検出値と電圧目標値との偏差がゼロになるように電圧指令値を生成する出力電圧調整手段と、前記三角波発生器にて発生された三角波と前記出力電圧調整手段にて生成された電圧指令値との比較結果に基づいて、前記インバータをＰＷＭ制御するＰＷＭ制御部と、前記ＬＣ平滑回路のコンデンサの端子間電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段にて検出された前記コンデンサの端子間電圧から振動成分を抽出するフィルタ手段と、前記フィルタ手段にて抽出された前記コンデンサの端子間電圧の振動成分に基づいて、前記三角波発生器のキャリア波の周波数を可変するスイッチング周波数可変手段とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
以上説明したように、本発明によれば、コンデンサの端子間電圧の変動に応じてインバータのスイッチング周波数を変化させることにより、ＬＣ平滑回路の共振エネルギーをインバータのスイッチング損失として消費させることができる。このため、常に一定の電圧および周波数の交流電力を出力させながら、ＬＣ共振を抑制することができ、チョークインプット方式のＬＣ平滑回路を有する電力変換装置を車両用静止形補助電源装置に適用した場合においても、負荷に悪影響が及ぶのを防止することが可能となるとともに、インバータエアコンなどの定電力負荷が接続されている場合においても、ＬＣ共振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】
【００１６】
以下、本発明の実施形態に係る電力変換装置の制御装置について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る電力変換装置の制御装置が適用される車両用静止形補助電源装置の概略構成を示すブロック図である。
図１において、電力変換装置の制御装置２１には、図２の電力変換装置の制御装置３１の構成に加え、直流フィルタコンデンサ１３の端子間電圧を検出する電圧検出手段１９、電圧検出手段１９にて検出された直流フィルタコンデンサ１３の端子間電圧から振動成分を抽出するバンドパスフィルタ２２、バンドパスフィルタ２２にて抽出された直流フィルタコンデンサ１３の端子間電圧の振動成分に基づいて、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のスイッチング周波数を可変するスイッチング周波数可変手段２３が設けられている。なお、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６としては、例えば、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ：Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）の他、パワーＭＯＳＦＥＴやバイポーラトランジスタなどを用いるようにしてもよい。
【００１７】
そして、直流電源１１から出力された直流電圧はＬＣ平滑回路２０にて高周波成分が除去された後、インバータ１４に入力され、インバータ１４にて直流が交流に変換される。そして、インバータ１４から出力された交流電圧は、フィルタリアクトル１５およびフィルタコンデンサ１６にて不要な高域成分が除去された後、絶縁変圧器１７に供給され、絶縁変圧器１７にて交流電圧が変圧される。
そして、絶縁変圧器１７の２次側出力電圧値は電圧検出手段１８にて検出され、その電圧検出値Ｖｄｅｔは出力電圧調整手段２５に入力される。そして、電圧検出値Ｖｄｅｔと電圧目標値Ｖｒｅｑとの偏差がゼロに近づくように出力電圧調整手段２にて電圧指令値Ｖｃｍｄが生成され、ＰＷＭ制御部２６に入力される。
【００１８】
また、直流フィルタコンデンサ１３の端子間電圧は電圧検出手段１９にて検出され、バンドパスフィルタ２２にて振動成分が抽出された後、スイッチング周波数可変手段２３に入力される。そして、スイッチング周波数可変手段２３は、直流フィルタコンデンサ１３の端子間電圧の振動成分に基づいて、三角波発生器２４の三角波Ｖｃａｒの周波数を変化させる。なお、スイッチング周波数可変手段２３は、直流フィルタコンデンサ１３の端子間電圧の上昇に応じて三角波Ｖｃａｒの周波数を高くすることができる。
【００１９】
そして、ＰＷＭ制御部２６に入力された電圧指令値Ｖｃｍｄは、三角波発生器２４にて発生された三角波Ｖｃａｒと比較され、三角波Ｖｃａｒと電圧指令値Ｖｃｍｄとの比較結果に基づいてスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のオン／オフ制御が行われることで、インバータ１４がＰＷＭ制御される。
ここで、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のスイッチング損失はスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のスイッチング周波数に比例するため、直流フィルタコンデンサ１３の端子間電圧の上昇に応じて三角波Ｖｃａｒの周波数を高くすることで、直流リアクトル１２および直流フィルタコンデンサ１３の共振エネルギーをスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６で消費させることができ、ＬＣ共振を抑制することができる。
【００２０】
なお、インバータ１４の出力電圧は、ＰＷＭ制御のキャリア周波数が変化しても、出力電圧調整手段２にて電圧指令値Ｖｃｍｄに制御されるため、車両用静止形補助電源装置は、常に一定の電圧および周波数の交流電力を出力することができる。
また、図１の実施形態では、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６が図４の等価回路の抵抗Ｒに相当し、直流リアクトル１２および直流フィルタコンデンサ１３の共振エネルギーをスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のスイッチング損失として消費させることから、インバータエアコンなどの定電力負荷が車両用静止形補助電源装置に接続されている場合においても、ＬＣ共振を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態に係る電力変換装置の制御装置が適用される車両用静止形補助電源装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】従来の車両用静止形補助電源装置の概略構成の一例を示すブロック図である。
【図３】従来の車両用静止形補助電源装置の概略構成のその他の例を示すブロック図である。
【図４】従来のＬＣ共振現象の抑制方法を等価回路にて示す図である。
【符号の説明】
【００２２】
１１  直流電源
１２  直流リアクトル
１３  直流フィルタコンデンサ
１４  インバータ
Ｑ１〜Ｑ６  スイッチング素子
Ｄ１〜Ｄ６  フライホイールダイオード
１５  フィルタリアクトル
１６  フィルタコンデンサ
１７  絶縁変圧器
１８、１９  電圧検出手段
２０  ＬＣ平滑回路
２１  電力変換装置の制御装置
２２  バンドパスフィルタ
２３  スイッチング周波数可変手段
２４  三角波発生器
２５  出力電圧調整手段
２６  ＰＷＭ制御部
【図１】
2009060723.tif 000003
【図２】
2009060723.tif 000004
【図３】
2009060723.tif 000005
【図４】
2009060723.tif 000006