(57)【要約】  交流電気車の制御装置（２０）は、コンバータ出力電圧Ｖｄ、コンバータ入力電流Ｉｓ、交流架線（１８）が出力する架線電圧Ｖｓのフィルタ出力、及びコンバータ出力電流ＩＬに基づいて算出される第１の制御量Ｖｓｐと、架線電圧Ｖｓのフィルタ出力、及びコンバータ入力電流Ｉｓに基づいて算出される第２の制御量Ｖｃｉとに基づいてコンバータ電圧基準Ｖｃを生成する生成部（２１〜２５，２８）、並びに、架線電圧Ｖｓのフィルタ出力、及びコンバータ入力電流Ｉｓに基づいて算出される補正量Ｖｃｇに基づいてコンバータ電圧基準Ｖｃを補正する補正部（２６〜２８）を備える。
2019146091.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流架線から出力され、主変圧器を介して印加される交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ装置を有する交流電気車に搭載され、前記コンバータ装置の動作を制御する交流電気車の制御装置であって、
コンバータ出力電圧、コンバータ入力電流、前記交流架線が出力する架線電圧のフィルタ出力、及びコンバータ出力電流に基づいて算出される第１の制御量と、前記架線電圧のフィルタ出力、及び前記コンバータ入力電流に基づいて算出される第２の制御量とに基づいてコンバータ電圧基準を生成する生成部と、
前記架線電圧のフィルタ出力、及び前記コンバータ入力電流に基づいて算出される第１の補正量に基づいて前記コンバータ電圧基準を補正する補正部と、
を備えたことを特徴とする交流電気車の制御装置。
【請求項２】
前記第１の補正量は、前記コンバータ入力電流に含まれる特定の高調波成分と、前記特定の高調波成分の実効値と、前記架線電圧のフィルタ出力に基づいて算出された第１の可変ゲインと、前記第１の可変ゲインに基づいて算出された第２の可変ゲインとに基づいて算出されることを特徴とする請求項１に記載の交流電気車の制御装置。
【請求項３】
前記第１の可変ゲインは、前記架線電圧の周期よりも長い周期で変化するゲインであることを特徴とする請求項２に記載の交流電気車の制御装置。
【請求項４】
前記第２の可変ゲインは、最大側のリミット値を超えず、且つ最小側のリミット値を下回らないようにリミット処理が施されたゲインであることを特徴とする請求項２又は３に記載の交流電気車の制御装置。
【請求項５】
前記補正部は、前記特定の高調波成分の実効値の微分値と、前記第１の可変ゲインの微分値との乗算結果に基づいて、前記第１の補正量を増減させるゲイン制御の方向を決定することを特徴とする請求項３又は４に記載の交流電気車の制御装置。
【請求項６】
前記補正部は、前記架線電圧のフィルタ出力、及び前記コンバータ入力電流に基づいて第２の補正量を算出し、前記第１の補正量と前記第２の補正量とに基づいて前記コンバータ電圧基準を補正することを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の交流電気車の制御装置。
【請求項７】
前記第２の補正量は、前記コンバータ入力電流から基本周波数成分を除いた高調波成分に基づいて算出されることを特徴とする請求項６に記載の交流電気車の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流架線から供給される交流電力を受電して走行する交流電気車の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
交流電気車においては、地上機器の誤動作を防止するため、特定の周波数帯における誘導障害に対する規制が厳しく決められている。このため、交流電気車の制御装置では、高調波電流の抑制を高精度に達成することが求められている。【０００３】
下記非特許文献１には、高調波電流の抑制対策として、複数のＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）コンバータに与える搬送波の位相を予め定められた位相分だけずらす技術が記載されている。複数のＰＷＭコンバータにおいて、ＰＷＭコンバータ毎に搬送波の位相をずらすようにすれば、複数のＰＷＭコンバータから発生する高調波成分が特定の周波数帯でキャンセルされるようになる。これにより、当該特定の周波数帯における高調波成分の低減が可能となる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】「鉄道車両用ＰＷＭコンバータの技術（５）」  ８〜１１頁  鉄道車両と技術  １９９９年９月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
交流電気車にＰＷＭコンバータを搭載する場合、交流架線からの交流電力を受電する主変圧器に複数台のＰＷＭコンバータを接続して構成することが一般的である。【０００６】
ここで、主変圧器の台数が２台であり、各主変圧器には２つの２次巻線が設けられ、当該２つの２次巻線のそれぞれに１台ずつのＰＷＭコンバータが接続される場合を考える。この場合、主変圧器の２つの２次巻線間には電磁気的な結合干渉が存在し、２台の電力変換装置が発生する電流の合算値は、電磁気的結合干渉の影響を受けることになる。しかしながら、２台の主変圧器の条件は２台共に同一もしくは同等の条件になるため、２台の電力変換装置が常時接続されている条件下においては、上述した従来手法を用いても、高調波電流の抑制は可能であった。【０００７】
一方、２台の主変圧器のうちの１台において、１台のＰＷＭコンバータのみが２次巻線に接続される場合、もしくは、２台の主変圧器のそれぞれにおいて、２つの２次巻線のそれぞれに１台ずつのＰＷＭコンバータが接続されていても１台の主変圧器のうちの１台のＰＷＭコンバータが故障等をして動作を停止した場合には、２台の主変圧器の電磁気的な条件が異なることになる。このため、上述した従来手法のみでは、高調波電流の抑制が不十分な場合が想定され、高調波電流の抑制を効果的に行うことができないという問題があった。【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、主変圧器とＰＷＭコンバータの接続状況又はＰＷＭコンバータの動作状況に関わらず、高調波電流の抑制を効果的に行うことができる交流電気車の制御装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、交流架線から出力され、主変圧器を介して印加される交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ装置を有する交流電気車に搭載され、コンバータ装置の動作を制御する交流電気車の制御装置である。交流電気車の制御装置は、コンバータ出力電圧、コンバータ入力電流、交流架線が出力する架線電圧のフィルタ出力、及びコンバータ出力電流に基づいて算出される第１の制御量と、架線電圧のフィルタ出力、及びコンバータ入力電流に基づいて算出される第２の制御量とに基づいてコンバータ電圧基準を生成する生成部、並びに、架線電圧のフィルタ出力、及びコンバータ入力電流に基づいて算出される第１の補正量に基づいてコンバータ電圧基準を補正する補正部を備える。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る交流電気車の制御装置によれば、主変圧器とＰＷＭコンバータの接続状況、又はＰＷＭコンバータの動作状況に関わらず、高調波電流の抑制を効果的に行うことができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態に係る交流電気車の制御装置を含む構成を示す機能ブロック図
【図２】実施の形態における制御装置の要部動作の説明に供する図
【図３】実施の形態における第１の演算処理部〜第８の演算処理部の機能を実現するためのハードウェア構成の一例を示すブロック図
【図４】実施の形態における第１の演算処理部〜第８の演算処理部の機能を実現するためのハードウェア構成の他の例を示すブロック図
【図５】実施の形態における信号入力処理及びＡＤ変換処理の具体的な処理内容を示すブロック図
【図６】図１とは異なる構成の交流電気車に適用される制御装置の構成を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態に係る交流電気車の制御装置について詳細に説明する。本実施の形態では、主変圧器とＰＷＭコンバータの接続状況、及びＰＷＭコンバータの動作状況に関わらず、高調波電流の抑制を効果的に達成することができる技術を開示する。このため、主変圧器に接続されるＰＷＭコンバータの数は、ミニマム台数である１台のみを例示した説明とする。なお、以下の実施の形態により、本発明が限定されるものではない。
【００１３】
実施の形態．
図１は、実施の形態に係る交流電気車の制御装置２０を含む構成を示す機能ブロック図である。図１において、上段側には交流電気車の駆動系が示され、下段側には交流電気車の制御系を構成し、交流電気車に搭載される制御装置２０が示されている。
【００１４】
交流電気車の駆動系は、図１に示すように、パンダグラフ１と、主変圧器２と、ＰＷＭコンバータであるコンバータ装置３と、フィルタコンデンサ５と、負荷４とを含む。以下、フィルタコンデンサ５は、「ＦＣ５」と表記する。
【００１５】
パンダグラフ１には、交流架線１８からの交流電力が入力される。主変圧器２の１次巻線２ａには、パンダグラフ１から供給される交流電力が入力される。コンバータ装置３には、主変圧器２の２次巻線２ｂに生じた交流電圧が印加される。コンバータ装置３は、印加された交流電圧を直流電圧に変換する。ＦＣ５は、コンバータ装置３の直流電圧を平滑化する。負荷４は、ＦＣ５にて平滑化された直流電圧にて駆動される。負荷４には、コンバータ装置３から出力される直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、インバータの交流電圧が印加される交流モータと、交流モータにて駆動される鉄道車両とが含まれる。
【００１６】
次に、制御装置２０の構成、及び制御装置２０を構成する各部の機能について説明する。制御装置２０は、図１に示すように、第１の演算処理部２１〜第８の演算処理部２８と、キャリア生成部１４と、ＰＷＭ信号生成部１５と、ＡＤ変換器６ａ〜６ｄとを備える。
【００１７】
第１の演算処理部２１は、フィルタ７ａと、加減算器１１ａと、定電圧制御部１３とを備える。フィルタ７ａは、ローパスフィルタ又はバンドパスフィルタである。第１の演算処理部２１は、内部で生成される直流電圧基準Ｖｄ*と、実際のコンバータ出力電圧Ｖｄとに基づき、直流電圧補正量Ｖｄａを算出する。コンバータ出力電圧Ｖｄは、図示のように、ＦＣ５の両端電圧を検出するＡＤ変換器６ａの検出値を用いることができる。
【００１８】
第２の演算処理部２２は、演算増幅器１０ａを備える。演算増幅器１０ａにおいて、図中の「Ｇ１」はゲイン値を表している。なお、他の演算増幅器においても、各ゲイン値を同様に表記する。演算増幅器１０ａは、コンバータ出力電流ＩＬに基づいてコンバータ入力電流のフィードフォワード量である２次電流フィードフォワード量Ｉｓｆを算出する。コンバータ出力電流ＩＬは、図示のように、コンバータ装置３と負荷４とを繋ぐ直流母線１６に流れる電流を検出するＡＤ変換器６ｂの検出値を用いることができる。
【００１９】
第３の演算処理部２３は、フィルタ７ｂと、基本正弦波生成部８とを備える。フィルタ７ｂは、ローパスフィルタ又はバンドパスフィルタである。第３の演算処理部２３は、架線電圧Ｖｓのフィルタ出力Ｖｓ０に基づいて基本正弦波ＳＷＦを算出する。
【００２０】
第４の演算処理部２４は、加減算器１１ｂと、加減算器１１ｃと、乗算器１２と、演算増幅器１０ｂとを備える。第４の演算処理部２４は、直流電圧補正量Ｖｄａ、２次電流フィードフォワード量Ｉｓｆ、基本正弦波ＳＷＦ、及びコンバータ入力電流Ｉｓに基づいて、第１の制御量Ｖｓｐを算出する。第１の制御量Ｖｓｐは、後述するコンバータ電圧基準Ｖｃの生成に用いられる。直流電圧補正量Ｖｄａは、第１の演算処理部２１の出力である。２次電流フィードフォワード量Ｉｓｆは、第２の演算処理部２２の出力である。基本正弦波ＳＷＦは、第３の演算処理部２３の出力である。コンバータ入力電流Ｉｓは、図示のように、コンバータ装置３の入力側に流れる電流を検出するＡＤ変換器６ｃの検出値を用いることができる。
【００２１】
第５の演算処理部２５は、余弦波生成部９と、演算増幅器１０ｃと、加減算器１１ｄとを備える。第５の演算処理部２５は、架線電圧Ｖｓのフィルタ出力Ｖｓ０と、コンバータ入力電流Ｉｓとに基づいて、第２の制御量Ｖｃｉを算出する。第２の制御量Ｖｃｉは、第１の制御量Ｖｓｐと共にコンバータ電圧基準Ｖｃの生成に用いられる。コンバータ入力電流Ｉｓは、ＡＤ変換器６ｃの検出値を用いることができる。架線電圧Ｖｓのフィルタ出力Ｖｓ０は、第３の演算処理部２３におけるフィルタ７ｂの出力を用いることができる。
【００２２】
第６の演算処理部２６は、１次遅れ要素２６ａと、フィルタ２６ｂと、演算増幅器２６ｃと、実効値演算部２６ｄと、微分器２６ｅ，２６ｇと、第１のゲイン可変部であるゲイン可変部２６ｆと、乗算器２６ｈ，２６ｊと、第２のゲイン可変部であるゲイン可変部２６ｉとを備える。フィルタ２６ｂは、バンドパスフィルタである。
【００２３】
第６の演算処理部２６において、１次遅れ要素２６ａ、フィルタ２６ｂ、及び演算増幅器２６ｃは、特定高調波成分抽出部２６Ａを構成する。特定高調波成分抽出部２６Ａは、コンバータ入力電流Ｉｓに含まれる特定の高調波成分を抽出する演算部である。交流電気車においては、地上機器の誤動作を防止するため、特定の周波数帯における誘導障害に対する規制が厳格に定められている。このため、特定高調波成分抽出部２６Ａを含む第６の演算処理部２６によって、特定の高調波成分が大きくならないように制御する。
【００２４】
また、第６の演算処理部２６において、実効値演算部２６ｄ、微分器２６ｅ，２６ｇ、ゲイン可変部２６ｆ，２６ｉ、及び乗算器２６ｈ，２６ｊは、可変ゲイン演算部２６Ｂを構成する。可変ゲイン演算部２６Ｂは、特定高調波成分抽出部２６Ａの演算増幅器２６ｃに付与する可変ゲインを演算する演算部である。
【００２５】
第６の演算処理部２６の特定高調波成分抽出部２６Ａは、コンバータ入力電流Ｉｓと、第２の可変ゲインＣＧ２とに基づいて、補正量Ｖｃｇ１を算出する。補正量Ｖｃｇ１は、コンバータ電圧基準Ｖｃの補正に用いられる。第６の演算処理部２６の可変ゲイン演算部２６Ｂは、高調波成分のフィルタ出力Ｉｓ１と、第１の可変ゲインＣＧ１とに基づいて、第２の可変ゲインＣＧ２を演算する。高調波成分のフィルタ出力Ｉｓ１は、特定高調波成分抽出部２６Ａにおけるフィルタ２６ｂの出力を用いる。第１の可変ゲインＣＧ１は、第１のゲイン可変部２６ｆの出力であり、基本正弦波ＳＷＦを用いて算出される。すなわち、第１の可変ゲインＣＧ１は、可変ゲイン演算部２６Ｂの内部で生成される。
【００２６】
第７の演算処理部２７は、１次遅れ要素２７ａと、フィルタ２７ｂと、加減算器２７ｃ，２７ｅと、演算増幅器２７ｄとを備える。フィルタ２７ｂは、バンドパスフィルタである。
【００２７】
第７の演算処理部２７は、帰線電流に含まれる高調波成分を抽出する演算部である。帰線電流とは、アース側の回路部位に流れる電流である。交流電気車の場合、交流架線１８から流出した電流は、アース側の回路部位であるレールを介して電源側に戻る。レールには、軌道回路、地上子、踏切制御子といった鉄道保安設備がある。このため、帰線電流に含まれる高調波成分が鉄道保安設備に影響を与えないように、第７の演算処理部２７が設けられている。なお、帰線電流に含まれる高調波成分の低減技術として、複数のＰＷＭコンバータ間において、搬送波の位相をずらす技術、搬送波の立ち上がり周期と搬送波の立ち下がり周期とを異ならせるといった技術が公知である。これらの公知技術を用いる場合、第７の演算処理部２７は省略可能である。
【００２８】
第７の演算処理部２７は、補正量Ｖｃｇ１と、補正量Ｖｃｇ２とに基づいて補正量Ｖｃｇを算出する。補正量Ｖｃｇ１は、第６の演算処理部２６が生成する補正量である。補正量Ｖｃｇ２は、第７の演算処理部２７の内部において、コンバータ入力電流Ｉｓを用いて算出される補正量である。補正量Ｖｃｇ２は、補正量Ｖｃｇ１と共に、コンバータ電圧基準Ｖｃの補正に用いられる。第６の演算処理部２６が生成する補正量Ｖｃｇ１と、第７の演算処理部２７が生成する補正量Ｖｃｇ２とは加減算器２７ｅで加算される。加減算器２７ｅの出力は、補正量Ｖｃｇとして第８の演算処理部２８に入力される。
【００２９】
第８の演算処理部２８は、加減算器１１ｅ，１１ｆを備える。第８の演算処理部２８は、コンバータ電圧基準Ｖｃの算出と、コンバータ電圧基準Ｖｃの補正とを行う。具体的に、加減算器１１ｅは、第１の制御量Ｖｓｐと、第２の制御量Ｖｃｉとに基づいて、コンバータ電圧基準Ｖｃを算出する。また、加減算器１１ｆは、コンバータ電圧基準Ｖｃに対して、補正量Ｖｃｇを用いて、コンバータ電圧基準Ｖｃを補正する。第８の演算処理部２８によって算出された補正後のコンバータ電圧基準Ｖｃ１は、ＰＷＭ信号生成部１５に出力される。
【００３０】
以上の説明の通り、第１の演算処理部２１〜第８の演算処理部２８は、コンバータ電圧基準Ｖｃを生成する生成部の機能と、コンバータ電圧基準Ｖｃを補正する補正部の機能とを有する。第１の演算処理部２１〜第５の演算処理部２５と、第８の演算処理部２８内の加減算器１１ｅとによって、生成部の機能が具現される。また、第６の演算処理部２６と、第７の演算処理部２７と、第８の演算処理部２８内の加減算器１１ｆとによって、補正部の機能が具現される。
【００３１】
なお、図１において、第７の演算処理部２７に設けられている加減算器２７ｅは、第８の演算処理部２８に設けられていてもよい。加減算器２７ｅが第８の演算処理部２８に設けられている場合、第６の演算処理部２６からは補正量Ｖｃｇ１が第８の演算処理部２８に出力され、第７の演算処理部２７からは補正量Ｖｃｇ２が第８の演算処理部２８に出力され、補正量Ｖｃｇ１と補正量Ｖｃｇ２とが、第８の演算処理部２８で加算される。この構成の場合、補正量Ｖｃｇ１を「第１の補正量Ｖｃｇ１」と呼び、補正量Ｖｃｇ２を「第２の補正量Ｖｃｇ２」と呼ぶ。
【００３２】
キャリア生成部１４は、基本正弦波ＳＷＦに基づいてＰＷＭ信号の生成に用いるキャリアＳＡを算出する。
【００３３】
ＰＷＭ信号生成部１５は、コンバータ電圧基準ＶｃとキャリアＳＡとに基づき、コンバータ装置３に具備される図示しないスイッチング素子を駆動するためのＰＷＭ信号を生成する。ＰＷＭ信号の生成手法は公知であり、ここでの説明は割愛する。
【００３４】
なお、図１では、２次電流フィードフォワード量Ｉｓｆを算出する第２の演算処理部２２を有する構成を示したが、第２の演算処理部２２を省略してもコンバータ制御は可能である。
【００３５】
次に、制御装置２０のより詳細な動作について、図１を参照して説明する。
【００３６】
（第１の演算処理部２１の動作）
制御装置２０に入力されたコンバータ出力電圧Ｖｄは、ＡＤ変換器６ａにてディジタル信号に変換される。変換されたディジタル信号は、第１の演算処理部２１内のフィルタ７ａに入力される。加減算器１１ａでは、直流電圧基準Ｖｄ*とフィルタ７ａの出力との差分が算出される。定電圧制御部１３では、加減算器１１ａの出力に基づいて直流電圧補正量Ｖｄａが算出される。
【００３７】
（第２の演算処理部２２の動作）
制御装置２０に入力されたコンバータ出力電流ＩＬは、ＡＤ変換器６ｂにてディジタル信号に変換される。変換されたディジタル信号は、第２の演算処理部２２内の演算増幅器１０ａにてゲインＧ１が乗じられ、演算増幅器１０ａの出力が２次電流フィードフォワード量Ｉｓｆとして算出される。
【００３８】
（第３の演算処理部２３の動作）
制御装置２０に入力された架線電圧Ｖｓは、ＡＤ変換器６ｄにてディジタル信号に変換される。変換されたディジタル信号は、第３の演算処理部２３内のフィルタ７ｂに入力され、架線電圧Ｖｓのフィルタ出力Ｖｓ０が生成される。また、架線電圧Ｖｓのフィルタ出力Ｖｓ０が基本正弦波生成部８に入力され、基本正弦波生成部８によって基本正弦波ＳＷＦが算出される。
【００３９】
（第４の演算処理部２４の動作）
制御装置２０に入力されたコンバータ入力電流Ｉｓは、ＡＤ変換器６ｃにてディジタル信号に変換される。変換されたディジタル信号は、第４の演算処理部２４内の加減算器１１ｃに入力される。また、第１の演算処理部２１〜第３の演算処理部２３による各出力である、直流電圧補正量Ｖｄａ、２次電流フィードフォワード量Ｉｓｆ、及び基本正弦波ＳＷＦは、第４の演算処理部２４に入力される。ここで、直流電圧補正量Ｖｄａと２次電流フィードフォワード量Ｉｓｆは、第４の演算処理部２４内の加減算器１１ｂに入力される。加減算器１１ｂの加算出力Ｉｓｐは、乗算器１２によって基本正弦波ＳＷＦと乗算され、乗算器１２の出力がコンバータ入力電流基準Ｉｓ*として算出される。また、ＡＤ変換器６ｃにてディジタル信号に変換されたコンバータ入力電流Ｉｓとコンバータ入力電流基準Ｉｓ*との偏差ΔＩｓが加減算器１１ｃで算出される。そして、演算増幅器１０ｂにて偏差ΔＩｓにゲインＧ２が乗じられ、演算増幅器１０ｂの出力が第１の制御量Ｖｓｐとして算出される。
【００４０】
（第５の演算処理部２５の動作）
ＡＤ変換器６ｃにてディジタル信号に変換されたコンバータ入力電流Ｉｓは、第５の演算処理部２５内の余弦波生成部９に入力される。第５の演算処理部２５では、コンバータ入力電流Ｉｓに基づき余弦波生成部９にて余弦波ＣＷＦが生成される。余弦波ＣＷＦは演算増幅器１０ｃに入力され、演算増幅器１０ｃにてゲインＧ３が乗じられる。演算増幅器１０ｃにて算出された補正量ＶＬと、第３の演算処理部２３から出力された架線電圧Ｖｓのフィルタ出力Ｖｓ０とが加減算器１１ｄに入力され、架線電圧Ｖｓのフィルタ出力Ｖｓ０と補正量ＶＬとの偏差が第２の制御量Ｖｃｉとして算出される。
【００４１】
（第６の演算処理部２６の動作）
コンバータ入力電流Ｉｓは、１次遅れ要素２６ａを介してフィルタ２６ｂに入力される。フィルタ２６ｂの応答速度が速い場合には、１次遅れ要素２６ａを省略することができる。フィルタ２６ｂでは、特定高調波成分Ｉｓ１が抽出される。特定高調波成分Ｉｓ１は、前述したように、コンバータ入力電流Ｉｓに含まれる周波数成分の中で、鉄道保安設備に影響を与える特定の周波数成分である。なお、特定の周波数成分は、１つの帯域であっても複数の帯域であってもよい。抽出された特定高調波成分Ｉｓ１は、演算増幅器２６ｃと、実効値演算部２６ｄとに入力される。
【００４２】
実効値演算部２６ｄでは、特定高調波成分Ｉｓ１の実効値Ｉｓｃｆが算出される。特定高調波成分Ｉｓ１の実効値Ｉｓｃｆは、微分器２６ｅに入力される。微分器２６ｅでは、特定高調波成分Ｉｓ１の実効値Ｉｓｃｆに対して微分処理が施される。微分器２６ｅの出力は、乗算器２６ｈに入力される。
【００４３】
ゲイン可変部２６ｆには、第３の演算処理部２３によって算出された基本正弦波ＳＷＦが入力される。ゲイン可変部２６ｆでは、基本正弦波ＳＷＦの周期よりも緩やか、すなわち基本正弦波ＳＷＦの周期よりも長い周期で変化する第１の可変ゲインＣＧ１が生成される。基本正弦波ＳＷＦの周期を「Ｔ０」とするとき、第１の可変ゲインＣＧ１の変化の周期は「ｎ×Ｔ０」である。ここで、ｎは１よりも大きい実数である。第１の可変ゲインＣＧ１は、微分器２６ｇに入力される。微分器２６ｇでは、第１の可変ゲインＣＧ１に対して微分処理が施される。微分器２６ｇの出力は、乗算器２６ｈに入力される。
【００４４】
乗算器２６ｈでは、特定高調波成分Ｉｓ１の実効値Ｉｓｃｆと、第１の可変ゲインＣＧ１とが乗算される。乗算器２６ｈの出力は、ゲイン可変部２６ｉに入力される。乗算器２６ｈの出力は、ゲイン可変部２６ｉにて積分処理が施される。また、ゲイン可変部２６ｉでは、積分処理の出力が、最大側のリミット値を超えず、且つ最小側のリミット値を下回らないようにリミット処理が施される。最大側のリミット値は、１を超えない実数値である。最小側のリミット値は、１より大きく、且つ最大側のリミット値よりも小さい実数値である。以下、最大側のリミット値を「最大ゲイン」と呼び、最小側のリミット値を「最小ゲイン」と呼ぶ。
【００４５】
乗算器２６ｊでは、固定値であるデフォルトゲインＤＧに対してゲイン可変部２６ｉの出力が乗算される。ここでの説明では、デフォルトゲインＤＧの値は“１”とする。
【００４６】
このようにして、乗算器２６ｊからは、最小ゲインと、最大ゲインとの間で変化する第２の可変ゲインＣＧ２が生成される。
【００４７】
第２の可変ゲインＣＧ２は、演算増幅器２６ｃに付与される。すなわち、演算増幅器２６ｃでは、フィルタ２６ｂから出力される特定高調波成分Ｉｓ１に対して、固定値ではない第２の可変ゲインＣＧ２が付与される。
【００４８】
（第７の演算処理部２７の動作）
コンバータ入力電流Ｉｓは、１次遅れ要素２７ａを介してフィルタ２７ｂに入力される。フィルタ２７ｂの応答速度が速い場合には、１次遅れ要素２７ａを省略することができる。フィルタ２７ｂでは、コンバータ入力電流Ｉｓから基本周波数成分Ｉｓ０が抽出される。なお、基本周波数は、交流架線１８の周波数である。加減算器２７ｃには、フィルタ２７ｂを介さない１次遅れ要素２７ａの出力と、フィルタ２７ｂを介した１次遅れ要素２７ａの出力とが入力されて減算される。従って、加減算器２７ｃからは、コンバータ入力電流Ｉｓから基本周波数成分Ｉｓ０を除いた高調波成分が出力される。演算増幅器２７ｄでは、加減算器２７ｃから出力される高調波成分に対して、ゲインＧ５が乗じられ、演算増幅器２７ｄの出力が補正量Ｖｃｇ２として算出される。また、加減算器２７ｅでは、補正量Ｖｃｇ２と、第６の演算処理部２６から出力される補正量Ｖｃｇ１とが加算され、加減算器２７ｅの出力が補正量Ｖｃｇとして算出される。
【００４９】
（第８の演算処理部２８の動作）
第４の演算処理部２４の出力である第１の制御量Ｖｓｐ、及び第５の演算処理部２５の出力である第２の制御量Ｖｃｉは、第８の演算処理部２８内の加減算器１１ｅに入力される。加減算器１１ｅでは、第１の制御量Ｖｓｐと第２の制御量Ｖｃｉｇとが加算され、加減算器１１ｅの出力がコンバータ電圧基準Ｖｃとして算出される。また、コンバータ電圧基準Ｖｃ及び第７の演算処理部２７の出力である補正量Ｖｃｇは、第８の演算処理部２８内の加減算器１１ｆに入力される。加減算器１１ｆでは、コンバータ電圧基準Ｖｃと補正量Ｖｃｇとが加算され、加減算器１１ｆの出力が補正後のコンバータ電圧基準Ｖｃ１として算出される。すなわち、コンバータ電圧基準Ｖｃは、補正量Ｖｃｇによって補正される。
【００５０】
（キャリア生成部１４の動作）
キャリア生成部１４では、第３の演算処理部２３から入力された基本正弦波ＳＷＦに基づき、ＰＷＭ信号の生成に用いるキャリアＳＡが算出される。
【００５１】
（ＰＷＭ信号生成部１５の動作）
ＰＷＭ信号生成部１５では、第８の演算処理部２８で算出されたコンバータ電圧基準Ｖｃと、キャリア生成部１４で算出されたキャリアＳＡとに基づき、コンバータ装置３を駆動するＰＷＭ信号が生成される。生成されたＰＷＭ信号は、コンバータ装置３に向けて出力される。
【００５２】
次に、実施の形態における制御装置２０の要部動作について、図２を参照して説明する。図２は、実施の形態における制御装置２０の要部動作の説明に供する図である。特に、図２は、制御装置２０の第６の演算処理部２６における可変ゲイン演算部２６Ｂの動作説明に供する図である。
【００５３】
図２の上段部には、第１の可変ゲインＣＧ１の時間変化波形が示されている。この波形は、ゲイン可変部２６ｆの出力波形である。図２の中上段部には、第１の可変ゲインＣＧ１の微分値の時間変化波形が示されている。この波形は、微分器２６ｇの出力波形である。図２の中段部には、特定高調波成分Ｉｓ１の実効値Ｉｓｃｆの時間変化波形が示されている。この波形は、実効値演算部２６ｄの出力波形である。図２の中下段部には、実効値Ｉｓｃｆの微分値の時間変化波形が示されている。この波形は、微分器２６ｅの出力波形である。
【００５４】
また、図２の下段部には、ゲイン調整量の符号及びゲイン制御の方向に関する図表が示されている。ゲイン調整量の符号は、ＣＧ１の微分値と、Ｉｓｃｆの微分値との乗算値に関する符号であり、可変ゲイン演算部２６Ｂにおける乗算器２６ｈの出力の符号を表している。
【００５５】
図２において、時刻ｔ０から時刻ｔ１の期間では、ＣＧ１の微分値の符号は正であり、Ｉｓｃｆの微分値の符号は正である。このため、この期間において、ゲイン調整量の符号は正である。
【００５６】
時刻ｔ１から時刻ｔ２の期間では、ＣＧ１の微分値の符号は負であり、Ｉｓｃｆの微分値の符号も負である。このため、この期間において、ゲイン調整量の符号は正である。
【００５７】
時刻ｔ２から時刻ｔ３の期間では、ＣＧ１の微分値の符号は負であり、Ｉｓｃｆの微分値の符号は正である。このため、この期間において、ゲイン調整量の符号は負である。
【００５８】
時刻ｔ３から時刻ｔ４の期間では、ＣＧ１の微分値の符号は正であり、Ｉｓｃｆの微分値の符号は負である。このため、この期間において、ゲイン調整量の符号は負である。
【００５９】
乗算器２６ｈの出力であるゲイン調整量に対して、ゲイン可変部２６ｉの出力は、図２の表中に示すように、「１−（ゲイン調整量）」で演算される。このため、ゲイン調整量の符号が正の場合には、ゲイン可変部２６ｉの出力値は１よりも小さく、ゲインを下げる方向の制御が働く。一方、ゲイン調整量の符号が負の場合には、ゲイン可変部２６ｉの出力値は１よりも大きく、ゲインを上げる方向の制御が働く。このように、乗算器２６ｈの出力によって、ゲイン制御の方向が決定される。
【００６０】
上記の制御によれば、特定高調波成分Ｉｓ１の実効値Ｉｓｃｆが増加傾向にあるときでも、第１の可変ゲインＣＧ１が増加傾向にある場合には、ゲイン調整量の符号が正となって、ゲイン値が下げられる。これにより、特定高調波成分Ｉｓ１の増加が抑えられる。これとは逆に、特定高調波成分Ｉｓ１の実効値Ｉｓｃｆが減少傾向にあるときに、第１の可変ゲインＣＧ１が減少傾向にある場合には、ゲイン調整量の符号が負となって、ゲイン値が上げられる。これにより、ゲイン値が必要以上に抑制される状況を回避しつつ、高調波電流の抑制を効果的に行うことができる。
【００６１】
なお、図２では、第１の可変ゲインＣＧ１の変化の周期が特定高調波成分Ｉｓ１の周期の２倍である場合を示しているが、この例に限定されない。第１の可変ゲインＣＧ１の周期は、基本波すなわち架線電圧Ｖｓの周期よりも長ければよい。
【００６２】
次に、実施の形態における制御装置２０の機能を実現するためのハードウェア構成について、図３〜図５の各図面を参照して説明する。図３は、実施の形態における第１の演算処理部２１〜第８の演算処理部２８の機能を実現するためのハードウェア構成の一例を示すブロック図である。図４は、実施の形態における第１の演算処理部２１〜第８の演算処理部２８の機能を実現するためのハードウェア構成の他の例を示すブロック図である。図５は、実施の形態における信号入力処理及びＡＤ変換処理の具体的な処理内容を示すブロック図である。
【００６３】
第１の演算処理部２１〜第８の演算処理部２８の機能を実現する場合には、図３に示すように、演算を行うプロセッサ２００、プロセッサ２００によって読みとられるプログラムが保存されるメモリ２０２、及び信号の入出力を行うインタフェース２０４を含む構成とすることができる。
【００６４】
プロセッサ２００は、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）、又はＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）といった演算手段であってもよい。また、メモリ２０２には、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  ＲＯＭ）、ＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ  ＥＰＲＯＭ）といった不揮発性又は揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ  Ｄｉｓｃ）、ＢＤ（Ｂｌｕ−ｒａｙ（登録商標）  Ｄｉｓｋ）を例示することができる。
【００６５】
メモリ２０２には、第１の演算処理部２１〜第８の演算処理部２８の機能を実行するプログラム、及びプロセッサ２００によって参照されるテーブルが格納されている。プロセッサ２００は、インタフェース２０４を介して必要な情報を授受し、メモリ２０２に格納されたプログラムをプロセッサ２００が実行し、メモリ２０２に格納されたテーブルをプロセッサ２００が参照することにより、上述した演算処理を行うことができる。プロセッサ２００による演算結果は、メモリ２０２に記憶することができる。
【００６６】
また、図３に示すプロセッサ２００及びメモリ２０２は、図４のように処理回路２０３に置き換えてもよい。処理回路２０３は、単一回路、複合回路、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  Ｓｐｅｃｉｆｉｃ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）、又は、これらを組み合わせたものが該当する。
【００６７】
図５には、実施の形態における信号入力処理及びＡＤ変換処理の具体的な処理内容を示している。図５に示す信号入力処理及びＡＤ変換処理の機能ブロック５０は、コンバータ出力電圧ＶｄのＡＤ変換処理ブロック５１、コンバータ出力電流ＩＬのＡＤ変換処理ブロック５２、架線電圧ＶｓのＡＤ変換処理ブロック５３、コンバータ入力電流ＩｓのＡＤ変換処理ブロック５４、直流電圧基準Ｖｄ*の信号入力処理ブロック５５、ゲイン定数Ｇ１〜Ｇ５の入力処理ブロック５６、フィルタ定数の入力処理ブロック５７、及び時定数の入力処理ブロック５８をソフトウェアにて一括して行うように集約した機能ブロックである。なお、時定数の入力処理ブロック５８は、ＰＩ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ−Ｉｎｔｅｇｒａｌ）制御器、又はＰＩＤ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ−Ｉｎｔｅｇｒａｌ−Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）制御器で構成した演算増幅器１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，２６ｃ，２７ｄにおける時定数の設定処理である。
【００６８】
ここで、第１の演算処理部２１〜第８の演算処理部２８の演算機能をＦＰＧＡで実現する場合、各演算に用いる定数をＦＰＧＡに組み込んでおくことが考えられる。しかしながら、ＦＰＧＡ論理の変更はソフトウェア論理の変更に比べて特殊な器材が必要となり、作業が煩雑になる。このため、例えば調整の段階で各制御器の定数を変更しようとした際に簡単に変更作業が行えず、調整に時間がかかる。
【００６９】
一方、図５に示すように、制御演算で用いるゲイン定数Ｇ１〜Ｇ５、フィルタ定数、及び時定数の設定又は変更を集約し、且つ、ソフトウェアから読み込む構成としておけば、調整に時間がかかるという問題は発生しない。すなわち、本実施の形態に係る制御装置２０では、ゲイン定数、フィルタ定数、及び時定数の設定又は変更が、ソフトウェアの変更で実現できる。これにより、ＦＰＧＡ組込み定数の変更のような特別な器材又は手順が不要となり、調整の容易化、調整時間の短縮化を図ることができる。
【００７０】
以上説明したように、実施の形態に係る交流電気車の制御装置によれば、第１の制御量Ｖｓｐと、第２の制御量Ｖｃｉとに基づいて生成したコンバータ電圧基準Ｖｃを、補正量Ｖｃｇに基づいて補正するので、ＰＷＭコンバータ毎に搬送波の位相をずらすことを行わなくても、主変圧器２とコンバータ装置３の接続状況、又はコンバータ装置３の動作状況に関わらず、高調波電流の抑制を効果的に行うことが可能となる。また、高調波電流の抑制を効果的に行うことができるので、交流電気車の運転状況の変化に対してロバスト性を高めることが可能となる。
【００７１】
図６は、図１とは異なる構成の交流電気車に適用される制御装置２０Ａの構成を示す図である。図１の制御装置２０では、架線電圧Ｖｓとして主変圧器２における１次巻線２ａの電圧をモニタするように構成されているが、図６のように、主変圧器２における３次巻線２ｃの電圧をモニタするように構成されていてもよい。主変圧器２の３次巻線２ｃ電圧をモニタする構成であっても、制御装置２０Ａを図１と同一または同等に構成することで、制御装置２０と同様な効果が得られる。
【００７２】
なお、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
【符号の説明】
【００７３】
１  パンダグラフ、２  主変圧器、２ａ  １次巻線、２ｂ  ２次巻線、２ｃ  ３次巻線、３  コンバータ装置、４  負荷、５  フィルタコンデンサ、６ａ〜６ｄ  ＡＤ変換器、７ａ，７ｂ，２６ｂ，２７ｂ  フィルタ、８  基本正弦波生成部、９  余弦波生成部、１０ａ〜１０ｃ，２６ｃ，２７ｄ  演算増幅器、１１ａ〜１１ｆ，２７ｃ，２７ｅ  加減算器、１２，２６ｈ，２６ｊ  乗算器、１３  定電圧制御部、１４  キャリア生成部、１５  ＰＷＭ信号生成部、１６  直流母線、１８  交流架線、２０  制御装置、２１  第１の演算処理部、２２  第２の演算処理部、２３  第３の演算処理部、２４  第４の演算処理部、２５  第５の演算処理部、２６  第６の演算処理部、２６Ａ  特定高調波成分抽出部、２６Ｂ  可変ゲイン演算部、２６ａ，２７ａ  １次遅れ要素、２６ｄ  実効値演算部、２６ｅ，２６ｇ  微分器、２６ｆ，２６ｉ  ゲイン可変部、２７  第７の演算処理部、２８  第８の演算処理部、５０  信号入力処理及びＡＤ変換処理の機能ブロック、５１  コンバータ出力電圧ＶｄのＡＤ変換処理ブロック、５２  コンバータ出力電流ＩＬのＡＤ変換処理ブロック、５３  架線電圧ＶｓのＡＤ変換処理ブロック、５４  コンバータ入力電流ＩｓのＡＤ変換処理ブロック、５５  直流電圧基準Ｖｄ*の信号入力処理ブロック、５６  ゲイン定数Ｇ１〜Ｇ５の入力処理ブロック、５７  フィルタ定数の入力処理ブロック、５８  時定数の入力処理ブロック、２００  プロセッサ、２０２  メモリ、２０３  処理回路、２０４  インタフェース。
【図１】
2019146091.tif 000003
【図２】
2019146091.tif 000004
【図３】
2019146091.tif 000005
【図４】
2019146091.tif 000006
【図５】
2019146091.tif 000007
【図６】
2019146091.tif 000008
【国際調査報告】
2019146091.tif 000009
2019146091.tif 000010
2019146091.tif 000011
2019146091.tif 000012