JP2020145891A - Electric railway active filter, control method thereof, and power conversion device and railway vehicle equipped with the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電気鉄道車両用の電力変換装置が備える電鉄用アクティブフィルタおよびその制御方法に関する。 The present invention relates to an active filter for electric railways provided in a power conversion device for electric railway vehicles and a control method thereof.
電気鉄道車両は、き電線およびレールを介して変電所より電力を受電し、受電した電力をインバータにより周波数変換して車両加減速用のモータを駆動する。また、運行管理システムからの車両制御用通信信号は、上記インバータの電力受電経路であるレールを介して送信される。 Electric railway vehicles receive electric power from substations via electric wires and rails, and the received electric power is frequency-converted by an inverter to drive a motor for vehicle acceleration / deceleration. Further, the vehicle control communication signal from the operation management system is transmitted via the rail which is the power receiving path of the inverter.
そのため、上記インバータから流出するノイズ電流が過大となる場合、上記車両制御用通信信号の送受信を妨げる原因となる。そのため、直流き電区間を走行する車両が搭載するモータ駆動用インバータシステムは、ノイズ電流を吸収する直流コンデンサおよびレールに流れるノイズ電流を抑制する直流リアクトルを備える。これらの電気機器は、車両の床下に実装されることが多いが、一方で、車両空間を拡大して乗客の快適性を向上させるという要求もあることから、小型化へのニーズが大きい。 Therefore, if the noise current flowing out from the inverter becomes excessive, it causes hindering the transmission and reception of the vehicle control communication signal. Therefore, the motor drive inverter system mounted on a vehicle traveling in a DC feeder section includes a DC capacitor that absorbs noise current and a DC reactor that suppresses noise current flowing in a rail. These electric devices are often mounted under the floor of a vehicle, but on the other hand, there is also a demand for expanding the vehicle space to improve passenger comfort, so there is a great need for miniaturization.
その中でも、直流リアクトルは大型かつ重量の大きい構成部品である。この直流リアクトルによるノイズ低減効果を、インバータ技術を用いたアクティブフィルタで補助する構成が、特許文献1に開示されている。
Among them, the DC reactor is a large and heavy component.
上記アクティブフィルタは、変圧器を介してき電回路に接続され、モータ駆動用インバータの直流平滑コンデンサの端子電圧脈動成分を検出し、この検出信号を増幅器で増幅した後に変圧器二次端子に出力する構成を備える。 The active filter is connected to an electric circuit via a transformer, detects the terminal voltage pulsation component of the DC smoothing capacitor of the motor drive inverter, amplifies this detection signal with an amplifier, and then outputs it to the secondary terminal of the transformer. It has a configuration.
しかし、特許文献1には、上記増幅器の主回路構成が開示されておらず、更に、信号増幅器は一般に出力容量が小さいことから、容量不足により数百kW定格のインバータから流出するノイズを抑制することが困難である。
However,
また、大容量のアクティブフィルタとしては、特許文献2に開示されるように、インバータを内蔵した構成が知られている。
Further, as a large-capacity active filter, as disclosed in
アクティブフィルタをインバータで構成する場合には、このインバータのスイッチングにより生じる高周波ノイズ電流がき電線に流出し、誘導障害の原因となる。高周波ノイズ電流は、高調波フィルタ回路をアクティブフィルタ内に設置することで抑制できるが、この高調波フィルタ、き電線連系用変圧器およびモータ駆動用インバータの直流平滑コンデンサにより共振回路が構成され、この共振が車両制御用通信信号に擾乱を与える虞を招くこととなる。 When the active filter is composed of an inverter, the high-frequency noise current generated by the switching of the inverter flows out to the electric wire, which causes inductive interference. High-frequency noise current can be suppressed by installing a harmonic filter circuit in the active filter, but the resonance circuit is composed of this harmonic filter, the transformer for wire interconnection, and the DC smoothing capacitor of the motor drive inverter. This resonance may cause disturbance in the vehicle control communication signal.
本発明は、車両制御用通信信号へ擾乱を与える虞を回避しつつ、き電線に流出するノイズ電流の量を低減する電鉄用アクティブフィルタを備えた電力変換装置を提供するものである。 The present invention provides a power conversion device provided with an active filter for electric railways that reduces the amount of noise current flowing out to a wire while avoiding the possibility of disturbing a vehicle control communication signal.
本発明に係る電鉄用アクティブフィルタは、平滑コンデンサを備える車両加減速用モータを駆動するインバータの入力側に接続される変圧器と、半導体スイッチング素子の直列回路で構成されるアーム回路と、アーム回路と変圧器との間に直列に接続される高調波フィルタ回路と、記高調波フィルタ回路と変圧器との間を通電する第1の電流を検出する第1の電流センサとを備え、第1の電流の検出信号に基づいてアーム回路のスイッチング信号を制御することを特徴とする。 The electric railway active filter according to the present invention includes a transformer connected to the input side of an inverter for driving a vehicle acceleration / deceleration motor provided with a smoothing capacitor, an arm circuit composed of a series circuit of semiconductor switching elements, and an arm circuit. A first current sensor that detects a first current that energizes between the harmonic filter circuit and the transformer, and a first harmonic filter circuit that is connected in series between the and the transformer. It is characterized in that the switching signal of the arm circuit is controlled based on the detection signal of the current of.
本発明によれば、車両制御用通信信号が、電鉄用アクティブフィルタを備えた電力変換装置から共振現象により通信障害を受けることを回避することができる。 According to the present invention, it is possible to prevent the vehicle control communication signal from being disturbed by a resonance phenomenon from a power conversion device provided with an active filter for electric railways.
以下、まず、本発明を適用する電力変換装置のシステム構成を示し、次いで、本発明を実施するための形態として、実施例1および2について、それぞれ図面に沿って説明する。各実施例において参照番号が同一のものは、同一の構成要件または類似の機能を備えた構成要件として示している。
なお、以下に説明する構成は、あくまでも実施例として提示したものであり、本発明に係る実施態様は、以下の実施例に限定されるものではない。
Hereinafter, a system configuration of a power conversion device to which the present invention is applied will be first shown, and then Examples 1 and 2 will be described with reference to the drawings as modes for carrying out the present invention. Those having the same reference number in each embodiment are shown as the same configuration requirements or configuration requirements having similar functions.
The configurations described below are presented as examples only, and the embodiments according to the present invention are not limited to the following examples.
図1は、本発明に係る電鉄用アクティブフィルタを含む電力変換装置のシステム構成の一例を示す図である。なお、以下では、「電鉄用アクティブフィルタ」を「アクティブフィルタ」と略して使用する。
図1には、直流き電区間を走行する鉄道車両500に搭載される電力変換装置のシステムを示す。き電システム200は、直流電源Vsysとき電回路(インダクタンス成分Ls)の直列回路として等価回路で示す。また、き電システム200に、パンタグラフ501および車輪502を介して鉄道車両500が電気的に接続される。
FIG. 1 is a diagram showing an example of a system configuration of a power conversion device including an active filter for electric railways according to the present invention. In the following, the "active filter for electric railways" will be abbreviated as "active filter".
FIG. 1 shows a system of a power conversion device mounted on a
鉄道車両500が搭載する車両電気回路80は、主に車両加減速用モータ60を駆動するモータ駆動用インバータ50、平滑コンデンサ70およびアクティブフィルタ1により構成され、アクティブフィルタ1は、モータ駆動用インバータ50に対して直列に接続される。
The vehicle
アクティブフィルタ1は、変圧器7、高調波フィルタ回路30およびアーム回路10を主回路構成とし、アーム回路10の直流部に直流電源3を接続する。
また、アクティブフィルタ1は、変圧器7を介してき電回路に接続される。高調波フィルタ回路30は、リアクトル5およびフィルタコンデンサ6により構成されるLCフィルタである。
The
Further, the
更に、アクティブフィルタ1は、検出系として、き電線電流Isを検出する電流センサ20およびアクティブフィルタ1の出力電流Ioutを検出する電流センサ21を備える。電流センサ20および21からの検出値は、アクティブフィルタ1の制御装置100に入力される。
Further, the
制御装置100は、電流センサ20の検出値を元にアクティブフィルタ1の出力電流指令値を算出し、この出力電流指令値と電流センサ21からの検出値との偏差を低減するように、アーム回路10内のU相アーム10uおよびV相アーム10v内の各半導体スイッチング素子のゲート信号を算出する。
The
また、アーム回路10内のU相アーム10uおよびV相アーム10vそれぞれは、逆並列接続されるダイオードを備えるIGBTの直列回路により構成され、単相インバータを構成する。ただし、各相アームが備える半導体スイッチング素子をIGBTとして図示するが、これに限定されるものではなくMOSなど他の自己消弧型スイッチング素子を用いることができる。
Further, each of the
次に、本発明の実施例として、アクティブフィルタ1を制御する制御装置100について説明する。
図2は、実施例1に係るアクティブフィルタ1の制御装置100内のブロック構成(演算器等を含む具体的構成)を示す図である。
Next, as an embodiment of the present invention, the
FIG. 2 is a diagram showing a block configuration (specific configuration including an arithmetic unit and the like) in the
電流センサ20で検出されたき電線電流Isは、帯域通過フィルタ1001に入力される。帯域通過フィルタ1001は、き電線電流Isの検出値から鉄道車両500の走行区間における通信周波数帯域を含んだ周波数帯域成分を抽出し、乗算器1002に出力する。乗算器1002は、正の定数を帯域通過フィルタ1001の出力に乗算し、その積をアクティブフィルタ1の出力電流指令値として減算器1003に出力する。
The electric wire current Is detected by the
電流センサ21で検出されたアーム回路10の出力電流Ioutの検出値は減算器1003に入力され、出力電流指令値との偏差が低減すべく電流制御器1004に入力され、電流制御器1004はその偏差を低減すべく機能する。実施例1では、電流制御器1004を乗算器として示しているが、比例・積分器や微分・比例・積分器など、他の補償演算器であってもよい。
The detected value of the output current Iout of the
電流制御器1004の出力は、アクティブフィルタ1の出力電圧指令値であり、U相用PWM演算器1005UおよびV相用PWM演算器1005Vに入力される。アクティブフィルタ1は、2相のアームにより構成される単相インバータであるため、V相用PWM演算器1005Vには、乗算器1007により符号反転された出力電圧指令値が入力される。
The output of the
PWM演算器1005Uおよび1005Vでは、入力された出力電圧指令値と搬送波算出器1006とが大小比較され、U相アーム10uおよびV相アーム10vに出力するゲート信号(Gate UPとUNおよびGate VPとVN)が算出され出力される。
In the
以上のように、本発明に係るアクティブフィルタ1は、ノイズ源であるモータ駆動用インバータ50に対して直列に接続されながら、電流制御系で動作する。
As described above, the
次に、本発明により、モータ駆動用インバータ50が、き電システム200に流出するノイズ電流を低減できるメカニズムについて、図3および4を用いて説明する。
Next, a mechanism by which the
図3は、図1に示すシステム構成の等価回路を示す図である。説明の煩雑さを回避するため、ここでは変圧器7の巻数比を1:1として説明する。
モータ駆動用インバータ50を、ノイズ電流を出力する電流源Iinvとして表現する。
FIG. 3 is a diagram showing an equivalent circuit of the system configuration shown in FIG. In order to avoid complication of the explanation, here, the turns ratio of the transformer 7 is set to 1: 1.
The
変圧器7を、漏れインダクタンスL1、L2および相互インダクタンスLmを備えるT型等価回路として表現する。すなわち、L1は、き電回路側巻線(一次巻線)の漏れインダクタンス、L2は、二次側巻線の漏れインダクタンス、Lmは、変圧器7の相互インダクタンスである。
Lsは、き電システム200のインダクタンス、Cfcは、平滑コンデンサ70の容量、Lfは、リアクトル5のインダクタンス、Cfは、フィルタコンデンサ容量である。
また、アーム回路10の出力電圧Vuvを、制御可能な電圧源として表現する。
The transformer 7 is represented as a T-type equivalent circuit having leakage inductances L1 and L2 and mutual inductance Lm. That is, L1 is the leakage inductance of the feeder circuit side winding (primary winding), L2 is the leakage inductance of the secondary winding, and Lm is the mutual inductance of the transformer 7.
Ls is the inductance of the
Further, the output voltage Vuv of the
図3に示す回路を、変動成分に着目して整理変形し、その結果を図4に等価回路として示す。
ΔVuvおよびΔIinvはそれぞれ、アーム回路10の出力電圧Vuvの変動成分、モータ駆動用インバータ50から出力されるノイズ成分である。き電システム200の電圧源Vsysは一定とし、図4には図示せず削除した。
The circuit shown in FIG. 3 is rearranged and deformed focusing on the variable component, and the result is shown as an equivalent circuit in FIG.
ΔVuv and ΔIinv are fluctuation components of the output voltage Vuv of the
図4に示すアクティブフィルタ1の出力電流Ioutが、き電線電流IsのK倍である場合の等価回路を図5に示す。変圧器7の相互インダクタンスLmで発生する電圧降下は、き電線電流IsだけがLmを流れる場合に比べて(1+K)倍になる。これは、き電システム200側からアクティブフィルタ1を見込んだ場合、相互インダクタンスLmが(1+K)倍になったことと等価である。そのため、インピーダンスが増加し、ノイズ電流がき電線に流出することを抑制することと同じ効果が得られ、き電システム200に流出するノイズ電流を抑制することができる。これが、本発明に係るアクティブフィルタ1によるノイズ低減の原理である。
FIG. 5 shows an equivalent circuit when the output current Iout of the
以上のように、アクティブフィルタ1が、き電線電流Isのノイズ抑制対象となる周波数帯成分に対し、K倍の電流を出力することができれば、上述した原理によりき電システム200に流出するノイズ電流を抑制することができる。
As described above, if the
しかし、実際には、アクティブフィルタ1内の高調波フィルタ回路10および変圧器7と平滑コンデンサ70とにより共振回路が構成されるため、この共振回路における共振により、電流制御が不安定化する虞や共振周波数成分を持つノイズ電流が増幅する虞が生じる。
However, in reality, since the resonance circuit is formed by the
図6は、アーム回路10の出力電圧Vuvからアクティブフィルタ1の出力電流Ioutまでの伝達関数の周波数特性の一例を示す図である。
鉄道車両500は変電所直近に位置することを想定し、回路定数の数値としては表1に示す値とした。ここで、Rf、R2およびR1は、それぞれリアクトル5の抵抗値、変圧器7の2次巻線および1次巻線の各抵抗値を示す。表1に示す数値は説明用のための値であり、本発明はこの数値に限定されるものではない。
Assuming that the
図6から分かるように、上記伝達関数は、二つの共振周波数(共振周波数1および共振周波数2)を有する特性を示す。共振周波数1は、リアクトル5のインダクタンスLf、変圧器7の漏れインダクタンスL1とL2および平滑コンデンサ70の容量Cfcにより決まる共振周波数である。また、共振周波数2は、リアクトル5のインダクタンスLf、フィルタコンデンサ6の容量Cf、変圧器7の漏れインダクタンスL1とL2およびき電システム200のインダクタンスLsにより決まる共振周波数である。
As can be seen from FIG. 6, the transfer function exhibits a characteristic having two resonance frequencies (
すなわち、共振周波数1をfr1[Hz]、共振周波数2をfr2[Hz]とすると、以下の式が成り立つ。
2πfr1≒[1/{(L1+L2+Lf+Ls)×Cfc}]0.5 (1)
2πfr2≒[(L1+L2+Ls+Lf)/{(L1+L2+Ls)×Lf×Cf}]0.5 (2)
That is, assuming that the
2πfr1 ≒ [1 / {(L1 + L2 + Lf + Ls) × Cfc}] 0.5 (1)
2πfr2 ≒ [(L1 + L2 + Ls + Lf) / {(L1 + L2 + Ls) × Lf × Cf}] 0.5 (2)
(1)式より、本発明に係るアクティブフィルタ1の回路定数は、き電システム200のインダクタンスLs=0の場合(例えば、鉄道車両が変電所直下に位置する時)に、共振周波数1(fr1)が車両制御用通信信号の周波数帯の下限値より低くなるよう、上記のL1、L2、LfおよびCfcを設計する。このように設計することにより、回路共振による車両制御用通信信号への擾乱に対する課題を回避することができる。
From the equation (1), the circuit constant of the
また、共振周波数1(fr1)を車両制御用通信信号の周波数帯より高く設定することで、同様に共振による車両制御用通信信号への擾乱を回避する方法も考えられるが、鉄道車両の位置が変電所から離れるに従い、二つの共振周波数(共振周波数1および共振周波数2)が共に変化する。
Further, it is also conceivable to set the resonance frequency 1 (fr1) higher than the frequency band of the vehicle control communication signal to avoid the disturbance to the vehicle control communication signal due to resonance, but the position of the railroad vehicle is As the distance from the substation increases, the two resonance frequencies (
図7は、図6で用いた定数でき電システム200のインダクタンスLsのみを変化させた場合における、VuvからIoutまでの伝達関数の周波数特性の変化を示す図である。実線はLs=0mH、破線はLs=2mH、点線はLs=5mH、の場合の特性である。
FIG. 7 is a diagram showing changes in the frequency characteristics of the transfer function from Vuv to Iout when only the inductance Ls of the constant-constant
図7から分かるように、Lsが大きくなるにつれ、共振周波数1(fr1)および共振周波数2(fr2)共に低い値に変化する。伝達ゲインは、共振周波数1(fr1)の場合が最大となるため、車両制御用通信信号への擾乱を回避するには、鉄道車両の位置が変化しても、共振周波数1(fr1)が車両制御用通信信号の周波数帯と重複しないことが望ましい。したがって、Ls=0の条件で、(1)式で示される共振周波数1(fr1)が車両制御用通信信号の周波数帯の下限値よりも低ければよい。 As can be seen from FIG. 7, as Ls increases, both the resonance frequency 1 (fr1) and the resonance frequency 2 (fr2) change to lower values. Since the transmission gain is maximized when the resonance frequency is 1 (fr1), in order to avoid disturbance to the vehicle control communication signal, the resonance frequency 1 (fr1) is the vehicle even if the position of the railcar changes. It is desirable that it does not overlap with the frequency band of the control communication signal. Therefore, under the condition of Ls = 0, the resonance frequency 1 (fr1) represented by the equation (1) may be lower than the lower limit of the frequency band of the vehicle control communication signal.
以上のとおり、実施例1に係るアクティブフィルタ1は、アクティブフィルタ自体が車両制御用通信信号へ擾乱を与えることを回避しつつ、き電線に流出するノイズ電流の量を低減できる効果を奏するものである。
なお、図1では、本発明に係るアクティブフィルタ1を2つのアームを備える単相インバータとして説明したが、本発明に係るアクティブフィルタは、単相インバータの構成に限定されるものではなく、例えば、図8に示すように、直流電源の中点(直流電源3aと3bとの接続点)に出力配線が接続される構成としてもよい。この構成によっても、上述した同様の効果を奏するものである。
As described above, the
In FIG. 1, the
図9は、実施例2に係るアクティブフィルタ1の制御装置100´内のブロック構成(演算器等を含む具体的構成)を示す図である。実施例2に係るアクティブフィルタ1と左記の実施例1に係るアクティブフィルタ1の差異は、制御装置100の構成のみである。
FIG. 9 is a diagram showing a block configuration (specific configuration including an arithmetic unit and the like) in the control device 100'of the
実施例2で採用する制御装置100´の演算器構成と実施例1で採用する制御装置100との差異は、実施例2の制御装置100´が遅延回路1008を備えることにより、U相用PWM演算器1005Uへの搬送波とV相用PWM演算器1005Vへの搬送波との位相を異ならせる点にある。
The difference between the arithmetic unit configuration of the
以上の構成により、アーム回路10から出力する電圧振幅が小さく、かつ、アーム電流Icの振幅がゼロ近傍である場合の出力電流歪みを低減でき、結果として、き電線に流出するノイズ電流の増加を回避できることになる。
With the above configuration, the output current distortion when the voltage amplitude output from the
次に、出力電流の歪みの発生原因と実施例2の構成により出力電流の歪みを改善できるメカニズムについて説明する。
U相アーム10uおよびV相アーム10vはそれぞれ、IGBTと該IGBTに逆並列接続されるダイオードとが2つ直列に接続される構成である。IGBTは、スイッチング状態を切替える際に有限の時間を有する。そこで、直流回路を介した回路短絡を回避するため、デッドタイム制御が一般に用いられ、両方のIGBTにオフ指令を入力し、オン状態であったIGBTがオフに確実に遷移した後に、他方のIGBTへオン指令を送る制御を行っている。
Next, the cause of the distortion of the output current and the mechanism capable of improving the distortion of the output current by the configuration of the second embodiment will be described.
Each of the
図10は、デッドタイム期間中のアーム回路10の出力電圧を説明する図である。アーム上下の両IGBTにオフ指令が入力されているため、アーム回路10に流出する電流の極性により通電するダイオードが変わり、その結果、アーム回路10の出力電圧も変わる。
例えば、アーム回路10から流出する電流が正の場合、N側ダイオードが通電し、アーム回路10の出力電圧は負となる(図10の左図)。逆に、流出する電流が負の場合、P側ダイオードが通電し、アーム回路10の出力電圧は正となる(図10の右図)。また、流出する電流がゼロの場合は、双方のダイオードが通電せず、アーム回路10としてはハイインピーダンス状態となる(図10の中央図)。
FIG. 10 is a diagram illustrating an output voltage of the
For example, when the current flowing out from the
本発明に係るアクティブフィルタ1は、出力電圧がノイズ電流に依存するため、ノイズ電流が小さい場合には、アーム回路10の出力電圧指令も小さな値となる。
Since the output voltage of the
次に、U相アーム10uおよびV相アーム10vのゲート信号が、実施例1のように共通の搬送波により算出される場合および実施例2のように位相差を持たせた搬送波により算出される場合のアーム回路の出力状態について説明する。図11に、共通の搬送波を用いる場合を示し、図12に、位相差を持たせた搬送波を用いる場合を示す。
Next, when the gate signals of the
図11は、共通の搬送波でゲート信号を作成した場合のグラフを示す図である。
グラフの上段より順に、搬送波、変調波(U相変調波:Uref、V相変調波:Vref)、U相アーム出力電圧Vu、V相アーム出力電圧Vv、および出力電流iである。
FIG. 11 is a diagram showing a graph when a gate signal is created with a common carrier wave.
From the top of the graph, the carrier wave, the modulated wave (U-phase modulated wave: Uref, V-phase modulated wave: Vref), the U-phase arm output voltage Vu, the V-phase arm output voltage Vv, and the output current i.
出力電圧の振幅が小さい場合、UrefとVrefはゼロ近傍の値となる。そのため、大半の時間において、U相アーム回路出力電圧VuとV相アーム回路出力電圧Vvとは等しくなる。 When the amplitude of the output voltage is small, Uref and Vref are values near zero. Therefore, for most of the time, the U-phase arm circuit output voltage Vu and the V-phase arm circuit output voltage Vv are equal.
時刻t0において、出力電流iが正方向にわずかに流れているとする。U相およびV相のアセンブリはP側IGBTがオンである。電流が正なので、VuにはIGBTでの電圧降下分低いP側電圧が出力され、Vvにはダイオードの電圧降下分高いP側電圧が出力される。そのため、電流iは時刻t1に向けて減少する。
電流iが零になると、IGBTやダイオードでの電圧降下は発生しない。VuとVvが等しくなるため、電流は零に維持される。
It is assumed that the output current i is slightly flowing in the positive direction at time t0. The P-side IGBT is on for the U-phase and V-phase assemblies. Since the current is positive, the P-side voltage that is lower by the voltage drop in the IGBT is output to Vu, and the P-side voltage that is higher by the voltage drop of the diode is output to Vv. Therefore, the current i decreases toward the time t1.
When the current i becomes zero, no voltage drop occurs in the IGBT or diode. Since Vu and Vv are equal, the current is maintained at zero.
時刻t2において、V相変調波Vrefが搬送波と交差するため、V相のP側およびN側の両IGBTがデッドタイム期間Td中OFFとなる。図10で説明したとおり、電流i=0の場合、デッドタイム期間中のアセンブリはハイインピーダンスになる。 At time t2, since the V-phase modulated wave Vref intersects the carrier wave, both the P-side and N-side IGBTs of the V-phase are turned off during the dead time period Td. As described in FIG. 10, when the current i = 0, the assembly becomes high impedance during the dead time period.
時刻t3において、V相デッドタイムは終了するが、U相がデッドタイムとなる。U相も同様に電流i=0のため、U相も、時刻t3からデッドタイム期間中、ハイインピーダンスとなる。 At time t3, the V-phase dead time ends, but the U-phase becomes the dead time. Similarly, since the current i = 0 in the U phase, the U phase also has high impedance during the dead time period from the time t3.
時刻t4〜t6においても、t1〜t3の現象が繰り返される。それ故に、インバータとしての出力電圧指令値が0ではなくても、時刻t0〜t6において電流が全く増加しない。これが、アクティブフィルタ1の電流ゼロクロス近傍による出力電流の歪みの原因である。アクティブフィルタ1の出力電流が零に留まることにより、き電システム200に流出するノイズ電流が増加する。
The phenomenon of t1 to t3 is repeated at times t4 to t6. Therefore, even if the output voltage command value of the inverter is not 0, the current does not increase at all at time t0 to t6. This is the cause of the distortion of the output current due to the vicinity of the current zero cross of the
時刻t6において、出力電圧が増加された。これにより、V相のデッドタイム(時刻t7−t8)の後、電流iが増加する。このように、変調波が大きいときのみ電流歪みの影響を受けずに電流制御が実現可能となる。 At time t6, the output voltage was increased. As a result, the current i increases after the V-phase dead time (time t7-t8). In this way, current control can be realized only when the modulated wave is large without being affected by the current distortion.
図12は、2相のアームで位相差を持たせた搬送波を用いる場合のグラフを示す図である。
U相アーム10uおよびV相アーム10vの出力電圧が異なる時間で生じるため、アーム出力電流が増加もしくは減少し、ゼロ電流状態が継続しない。U相アームの変調波(Uref)は正、V相アームの変調波(Vref)は負となるので、U相からV相に向かって流れる電流が増加する。このことから、U−V線間電圧として、想定どおり正の電圧が印加されていることがわかる。以上から、アクティブフィルタ1は、出力電流の歪みを回避することが可能となる。
FIG. 12 is a diagram showing a graph when a carrier wave having a phase difference between two-phase arms is used.
Since the output voltages of the
また、図12に示されるように、2相のアームで用いる搬送波に位相差を持たせることにより、アクティブフィルタ1を流れる電流にスイッチング周波数起因のリプル電流が増加する。そのため、制御装置100´で実施する電流制御のための出力電流フィードバックにアーム回路電流Icを用いると、出力電流指令値にもリプル成分を持つ変動が生じることになり、更にアーム回路電流Icのリプル電流が増加し、電流制御性能が劣化する。
Further, as shown in FIG. 12, by giving the carrier wave used in the two-phase arm a phase difference, the ripple current due to the switching frequency increases in the current flowing through the
これを回避するために、アクティブフィルタ1の出力電流制御には、アクティブフィルタ出力電流Ioutを検出するための電流センサ21を、アーム回路10の出力端ではなく、図1に示す位置に設けるようにして、この電流センサ21の検出値を用いて電流制御系を構築することが望ましい。
In order to avoid this, in the output current control of the
以上のとおり、実施例2に係るアクティブフィルタ1も、実施例1と同様に、アクティブフィルタ自体が車両制御用通信信号へ擾乱を与えることを回避しつつ、き電線に流出するノイズ電流の量を低減できる効果を奏するものである。
As described above, the
また、制御装置100´において、U相およびV相のアーム回路電流用の搬送波に位相差を持たせることにより、アーム回路10の出力電圧振幅が小さく、アーム回路10の出力電流が小さい場合でも、出力電流歪みの影響を回避でき、アクティブフィルタのデッドタイム起因によりき電線に流出するノイズ電流を抑制できる。
Further, in the control device 100', even when the output voltage amplitude of the
本発明に係るアクティブフィルタは、図1や図8に示すように、モータ駆動用インバータのき電線側に接続する構成である。アクティブフィルタとしての接続態様としては、モータ駆動用インバータのレール側に直接接続する構成も考えられるが、以下の理由で、本発明のようにモータ駆動用インバータのき電線側に接続する構成が、本発明の所望の効果を確実に奏するためにも望ましいものである。 As shown in FIGS. 1 and 8, the active filter according to the present invention has a configuration in which it is connected to the wire side of the motor drive inverter. As a connection mode as an active filter, a configuration in which the motor drive inverter is directly connected to the rail side can be considered, but for the following reasons, a configuration in which the motor drive inverter is connected to the wire side as in the present invention is used. It is also desirable to surely achieve the desired effect of the present invention.
すなわち、モータ駆動用インバータは、レールに直接接続する車輪に対して浮遊容量の大きい車両加減速用モータに電気的に直接接続される。アクティブフィルタが、モータ駆動用インバータのレール側に接続されると、モータ駆動用インバータの主回路がレールと異なる電位を持つことになる。そのため、上記した浮遊容量を介したインバータ内のスイッチング素子が誤点呼を引き起こすリスクを増やすことになる。このようなリスクを回避するためにも、アクティブフィルタをモータ駆動用インバータのき電線側に接続することが望ましい。 That is, the motor drive inverter is electrically directly connected to the vehicle acceleration / deceleration motor having a large stray capacitance with respect to the wheels directly connected to the rail. When the active filter is connected to the rail side of the motor drive inverter, the main circuit of the motor drive inverter has a potential different from that of the rail. Therefore, the risk that the switching element in the inverter via the stray capacitance described above causes a false call increases. In order to avoid such a risk, it is desirable to connect the active filter to the wire side of the motor drive inverter.
1…アクティブフィルタ、3…直流電源、5…リアクトル、6…フィルタコンデンサ、
7…変圧器、10…アーム回路、10u,10v…U相アーム,V相アーム、
20、21…電流センサ、30…高調波フィルタ回路、50…モータ駆動用インバータ、
60…モータ、70…平滑コンデンサ、80…車両電気回路、
100,100´…制御装置、200…き電システム、500…鉄道車両、
501…パンタグラフ、502…車輪、1001…帯域通過フィルタ、
1002,1004,1007…乗算器、1003…減算器、1004…電流制御器、
1005U,1005V…U相PWM演算器,V相PWM演算器、
1006…搬送波算出器、1008…遅延回路
1 ... Active filter, 3 ... DC power supply, 5 ... Reactor, 6 ... Filter capacitor,
7 ... Transformer, 10 ... Arm circuit, 10u, 10v ... U-phase arm, V-phase arm,
20, 21 ... Current sensor, 30 ... Harmonic filter circuit, 50 ... Motor drive inverter,
60 ... motor, 70 ... smoothing capacitor, 80 ... vehicle electric circuit,
100, 100'... control device, 200 ... feeder system, 500 ... railroad vehicle,
501 ... pantograph, 502 ... wheels, 1001 ... bandpass filter,
1002, 1004, 1007 ... Multiplier, 1003 ... Subtractor, 1004 ... Current controller,
1005U, 1005V ... U-phase PWM calculator, V-phase PWM calculator,
1006 ... Carrier calculator, 1008 ... Delay circuit
Claims (13)
半導体スイッチング素子の直列回路で構成されるアーム回路と、
前記アーム回路と前記変圧器との間に直列に接続される高調波フィルタ回路と、
前記高調波フィルタ回路と前記変圧器との間を通電する第1の電流を検出する第1の電流センサと
を備え、
前記第1の電流の検出信号に基づいて前記アーム回路のスイッチング信号を制御する
ことを特徴とする電鉄用アクティブフィルタ。 A transformer equipped with a smoothing capacitor and connected to the input side of the inverter that drives the vehicle acceleration / deceleration motor,
An arm circuit consisting of a series circuit of semiconductor switching elements and
A harmonic filter circuit connected in series between the arm circuit and the transformer,
A first current sensor for detecting a first current energizing between the harmonic filter circuit and the transformer is provided.
An active filter for electric railways, which controls a switching signal of the arm circuit based on the detection signal of the first current.
前記変圧器は、直流き電の電源から前記インバータの入力側に至る直流線路に接続される
ことを特徴とする電鉄用アクティブフィルタ。 The active filter for electric railways according to claim 1.
The transformer is an active filter for electric railways, characterized in that it is connected to a DC line from a power source of a DC feeder to an input side of the inverter.
前記変圧器、前記高調波フィルタ回路および前記平滑コンデンサにより構成される共振回路の共振周波数が、前記インバータを搭載する車両に対する車両制御用通信信号の周波数に比べて低い
ことを特徴とする電鉄用アクティブフィルタ。 The active filter for electric railway according to claim 1 or 2.
An active electric railway characterized in that the resonance frequency of the resonance circuit composed of the transformer, the harmonic filter circuit, and the smoothing capacitor is lower than the frequency of the vehicle control communication signal for the vehicle equipped with the inverter. filter.
前記直流線路と前記インバータとの間を通電する第2の電流を検出する第2の電流センサを備え、
前記第2の電流の検出値に基づいて前記アーム回路の出力電流に対する指令値を算出する
ことを特徴とする電鉄用アクティブフィルタ。 The active filter for electric railway according to any one of claims 1 to 3.
A second current sensor for detecting a second current energizing between the direct current line and the inverter is provided.
An active filter for electric railways, characterized in that a command value with respect to an output current of the arm circuit is calculated based on the detected value of the second current.
前記アーム回路は、前記直列回路として前記半導体スイッチング素子を直列接続したアーム1組または2組から構成され、当該1組または2組の前記アームをスイッチングによりPWM制御するための搬送波信号の供給を受ける
ことを特徴とする電鉄用アクティブフィルタ。 The active filter for electric railways according to any one of claims 1 to 4.
The arm circuit is composed of one or two sets of arms in which the semiconductor switching elements are connected in series as the series circuit, and receives a carrier signal for PWM control of the one or two sets of the arms by switching. An active filter for electric railways that is characterized by this.
前記アーム回路が前記2組のアームから構成される場合に、当該2組のアームそれぞれに対する前記搬送波信号は互いに位相が異なる
ことを特徴とする電鉄用アクティブフィルタ。 The active filter for electric railways according to claim 5.
An active filter for electric railways, characterized in that when the arm circuit is composed of the two sets of arms, the carrier signals for each of the two sets of arms are out of phase with each other.
半導体スイッチング素子の直列回路で構成されるアーム回路と、
前記アーム回路と前記変圧器との間に直列に接続される高調波フィルタ回路と
から構成される電鉄用アクティブフィルタの制御方法であって、
前記高調波フィルタ回路と前記変圧器との間を通電する第1の電流を検出し、
前記第1の電流の検出値に基づいて前記アーム回路のスイッチング信号を制御する
ことを特徴とする電鉄用アクティブフィルタの制御方法。 A transformer equipped with a smoothing capacitor and connected to the input side of the inverter that drives the vehicle acceleration / deceleration motor,
An arm circuit consisting of a series circuit of semiconductor switching elements and
A method for controlling an active filter for electric railways, which comprises a harmonic filter circuit connected in series between the arm circuit and the transformer.
Detecting the first current that energizes between the harmonic filter circuit and the transformer,
A method for controlling an active filter for an electric railway, which comprises controlling a switching signal of the arm circuit based on the detected value of the first current.
前記変圧器は、前記直流き電の電源から前記インバータの入力側に至る直流線路に接続される
ことを特徴とする電鉄用アクティブフィルタの制御方法。 The method for controlling an active filter for electric railways according to claim 9.
A method for controlling an active filter for electric railways, wherein the transformer is connected to a DC line from a power source of the DC feeder to an input side of the inverter.
前記変圧器、前記高調波フィルタ回路および前記平滑コンデンサにより構成される共振回路の共振周波数を、前記インバータを搭載する車両に対する車両制御用通信信号の周波数より低い値に設計する
ことを特徴とする電鉄用アクティブフィルタの制御方法。 The method for controlling an active filter for electric railway according to claim 9 or 10.
An electric railway characterized in that the resonance frequency of the resonance circuit composed of the transformer, the harmonic filter circuit, and the smoothing capacitor is designed to be lower than the frequency of the vehicle control communication signal for the vehicle equipped with the inverter. How to control the active filter for.
前記直流き電の電源から前記インバータの入力側に至る前記直流線路を通電する第2の電流を検出し、
前記第2の電流の検出値を基づいて前記アーム回路の出力電流に対する指令値を算出する
ことを特徴とする電鉄用アクティブフィルタの制御方法。 The method for controlling an active filter for electric railways according to any one of claims 9 to 11.
A second current that energizes the DC line from the power supply of the DC feeder to the input side of the inverter is detected.
A method for controlling an active filter for electric railways, which comprises calculating a command value for an output current of the arm circuit based on the detected value of the second current.
前記アーム回路が前記直列回路として前記半導体スイッチング素子を直列接続したアーム2組から構成される場合に、該アーム2組それぞれに対する前記スイッチング信号を、互いに位相が異なる搬送波信号に基づいて生成する
ことを特徴とする電鉄用アクティブフィルタの制御方法。 The method for controlling an active filter for electric railways according to any one of claims 9 to 12.
When the arm circuit is composed of two sets of arms in which the semiconductor switching elements are connected in series as the series circuit, the switching signal for each of the two sets of arms is generated based on carrier signals having different phases from each other. A characteristic method of controlling an active filter for electric railways.
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