JP4958718B2

JP4958718B2 - 電気車制御装置

Info

Publication number: JP4958718B2
Application number: JP2007269402A
Authority: JP
Inventors: 誠山田; 洋大河原; 安藤　　武
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2007-10-16
Filing date: 2007-10-16
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2027-10-16
Also published as: JP2009100548A

Description

本発明は、電気車制御装置に関し、特に直流電力を交流電力に変換しその電力で電気車を駆動する電動機を駆動制御するインバータのスイッチング制御モードとして、低速域ではＰＷＭ制御モードを、それより高速域では同期１パルス制御モードを選択する電気車制御装置において、前記同期１パルス制御モードにおける特定周波数帯域の高調波電流を低減する技術に関する。

従来、車輪軸に結合された電動機をインバータで駆動制御する電気車において、前記電気車を低速で制御する場合は一例として非同期パルス制御モードおよび同期多パルス制御モード、高速で制御する場合においては電圧を最大限利用するため同期１パルス制御モードを用いたＰＷＭ制御を行っている。低速制御時における同期多パルス制御モードは、最大スイッチング周波数を上回らない範囲内で安定した電動機制御を行うという点で設定している。高速域における同期１パルス制御モードでの駆動制御を行うインバータにおいてインバータ周波数の６倍、１２倍、…といった整数倍の高調波が電源に流れるため、軌道回路や車上子・地上子に用いる微弱な電気信号がインバータ周波数自身およびその高調波成分と干渉した場合には、踏切等の列車検知装置や自動列車停止装置などの誤動作を招く恐れがあった。

そこで従来ではインバータのスイッチング周波数による信号機器への干渉を防ぐために、スイッチング周波数のうち信号機器の使用周波数と干渉する成分を除去するフィルタ回路を設けることや、特許文献１に記載されるように、インバータのスイッチング周波数を信号機器に使用される周波数の整数倍または整数分の１以外の周波数に設定することにより対策をとっていた。
特開平７−３９００５号公報

特許文献１によれば、信号機器の信号伝送に使用される周波数に応じてインバータのスイッチング周波数を切り替えることにより、低速域におけるＰＷＭ制御モードに対しては効果が得られるものと考える。しかしながら、特許文献１には高速域における同期１パルス制御モードにおいて強制的に多パルス制御モードに切り替えることについての記載は一切されておらずその示唆もない。そのため、高速域における同期１パルス制御モードで運転時には、インバータ周波数の整数倍の高調波電流が軌道回路に流れ、インバータから出力される高調波電流が信号機器の信号周波数と一致する場合には信号機器からの信号に干渉する恐れがある。仮に、特許文献１の構成をそのまま高速域におけるパルス制御モード切換に用いた場合には、高速域における同期多パルス制御モードへの切換のために起きる変調率の低下に伴い、モータ電圧によるモータトルクが低下するという課題がある。

本発明の目的は、高速域における同期１パルス制御モードで運転時に、同期１パルス制御モードから多パルス制御モードに変更することにより、特定の信号周波数帯におけるインバータ高調波電流の低減を図ることができる電気車制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は直流電力を交流電力に変換しその電力で電気車を駆動する電動機を駆動制御するインバータを備え、前記インバータのスイッチング制御モードとして、低速域の多パルスＰＷＭ制御モード、又は高速域の同期１パルス制御モードを選択する電気車制御装置において、前記高速域の同期１パルス制御モードでの運転時に、前記同期１パルス制御モードにおけるインバータ周波数が特定周波数帯域内にあるときに、前記同期１パルス制御モードから高速域の多パルス制御モードに切り替えて前記特定周波数帯域の周波数成分の電流を低減させる手段を有する電気車制御装置である。

また、本発明は、更に、インバータ周波数が前記特定周波数帯域内にあり、前記高速域の多パルス制御モードにて駆動制御する時に電流指令を増やす電気車制御装置である。

また、本発明では、前記特定周波数帯域とは、信号機器の信号周波数と一致する周波数帯域である。

本発明によれば、高速域におけるＰＷＭインバータ制御時のパルス制御モード設定によりインバータ周波数の整数倍高調波電流の低減を図ることができ、その結果、特定の周波数における高調波電流を低減でき、他の信号機器への干渉を防ぐことができる電気車制御装置を提供することができる。

本発明を実施するための最良の形態を説明する。
本発明の電気車制御装置の実施例について、図面を参照し詳細に説明する。

実施例１を説明する。図１は本発明の第一の実施例である電気車の駆動システムの構成図、図２はＰＷＭ制御モードの切換周波数帯およびパルスパターンの例を示すものである。図１で示す電気車の駆動システムの概要は、直流電源５から可変電流可変周波数の交流に変換するＶＶＶＦインバータ２に接続され、該インバータ２の出力は電気車を駆動する誘導電動機３に接続される。インバータ２の直流側両端にはフィルタコンデンサ１が接続される。インバータ２はパルスモード演算部４から出力されるゲートパルスに基づき誘導電動機３を動作させる。

次に本実施例におけるパルスモード演算部４の構成について説明する。パルスモード演算部４は、電気車制御装置の一部で、インバータ周波数演算部４１、パルスモード切替制御部４２、ゲートパルス発生部４３から構成され、フィルタコンデンサ１の電圧Ｅｃｆが信号として与えられる。該パルスモード演算部４では、インバータ周波数発生部４１によって運転台からのノッチ指令、モータの回転速度などを元としてインバータ周波数ｆｉｎｖが生成される。前記フィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆおよびインバータ周波数ｆｉｎｖはパルスモード切替制御部４２に入力され切り替えのタイミングが演算される。そしてパルスモード切替制御部４２にてパルス制御モードおよびモータの電圧指令に相当する変調率をゲートパルス発生部４３へと出力し、ゲートパルス発生部４３はインバータのオンオフパターンデータを発生しＶＶＶＦインバータ２に誘導電動機３を動作させるためのゲートパルスを出力する。

インバータ周波数ｆｉｎｖに対するパルス制御モードの選択システムの一例を図２に示す。低速域における非同期パルス領域（１）、低速域における同期パルス領域（２）、高速域における同期１パルス領域（３）および高速域における多パルス領域（４）から構成される。この例では、パルスモード切替制御部４２により、インバータ周波数ｆ１（Ｈｚ）以下では（１）低速域非同期多パルス制御モード、ｆ１以上ｆ２以下では（２）低速域同期多パルス制御モード、ｆ２以上ｆ３以下では（３）高速域同期１パルス制御モード、ｆ３以上ｆ４以下では（４）高速域同期多パルス制御モード、ｆ４以上では（３）高速域同期１パルス制御モードが選択される。また図２の関係に基づき、変調率が出力される。

低速域における非同期パルス領域（１）では、バイポーラスイッチングにより０Ｈｚからｆ１（Ｈｚ）まで（１）低速非同期多パルス制御モードで動作させる。

高速域の信号機器の信号周波数と一致する周波数領域（４）において、インバータ２から出力される高調波電流が信号機器の信号周波数に干渉しないように（４）高速域多パルス制御モードを選択する。高速域同期多パルス領域（４）としては例えば同期３パルス、同期５パルス、非同期過変調などが用いられる。これらのパルス制御モードを選択することによって、高速域同期１パルス制御モードで発生する６倍、１２倍といった周波数成分の電流を低減させることができる。例えば、信号機器が周波数３６０Ｈｚ〜４２０Ｈｚの信号を利用している場合、インバータ周波数ｆｉｎｖが６０〜７０Ｈｚで高速域同期１パルス制御モードとなる時、３６０〜４２０Ｈｚの６倍高調波成分が発生する。この時、ｆ３＝６０Ｈｚまたはそれより若干低い周波数からｆ４＝７０Ｈｚまたはそれより若干高い周波数まで同期５パルス制御モードとすることにより、同期１パルスを用いる場合に比べ６倍高調波成分をおよそ７０％低減することができる。

実施例２を説明する。本実施例は、高速域同期多パルス領域（４）において、同期１パルス制御から多パルス制御への移行に伴いモータ電圧の低下となりパワーダウンとなるため、高速域における同期多パルス制御モードにおいては電流指令を増加させることによりパワーダウンとなることを回避させる。図３に変調率（電圧指令）に対する電流指令の例を示す。

図４に高速域同期多パルス制御時において電流指令を増やす実施例２の電気車制御装置の構成を示す。図４で示す電気車の駆動システムは、直流電源５が可変電流可変周波数の交流に変換するＶＶＶＦインバータ２に接続され、該インバータ２の出力は電気車を駆動する誘導電動機３に接続される。ＶＶＶＦインバータ２の直流側両端にはフィルタコンデンサ１が接続され、該フィルタコンデンサ１の電圧Ｅｃｆはパルスモード演算部４においてパルス制御モードの演算に用いられる。ＶＶＶＦインバータ２はパルスモード演算部４から出力されるゲートパルスに基づき誘導電動機３を動作させる。

パルスモード演算部４は、電気車におけるインバータ制御装置の一部で、インバータ周波数演算部４１、パルスモード切替制御部４２、ゲートパルス発生部４３、電流指令演算部４４、電流指令切替制御部４５から構成され、フィルタコンデンサ１の電圧Ｅｃｆが入力として与えられることを特徴としている。該パルスモード演算部４では、インバータ周波数発生部４１によって運転台からのノッチ指令、モータの回転速度などを元としてインバータ周波数ｆｉｎｖが演算される。前記フィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆおよびインバータ周波数ｆｉｎｖはパルスモード切替制御部４２に入力されパルス制御モードの切り替えのタイミングが演算される。また、電流指令演算部４４にて演算された電流指令値およびパルスモード切替制御部４２にて演算されたパルス制御モードの切替タイミングを元に、電流指令切替制御部４５は最終的な電流指令値を決定する。そしてパルスモード切替制御部４２からはパルス制御モードおよびモータの電圧指令に相当する変調率をゲートパルス発生部４３へ出力し、電流指令切替制御部４５からは電流指令値をゲートパルス発生部４３へ出力する。ゲートパルス発生部４３はインバータのオンオフパターンデータを発生しＶＶＶＦインバータ２に誘導電動機３を動作させるためのゲートパルスを出力する。

実施例１の電気車制御装置を示す構成図。実施例１におけるパルス制御モード・変調率切換図。実施例２における電流指令値増加制御のパルス制御モード・変調率切替図。実施例２の電気車制御装置を示す構成図。

符号の説明

１・・・フィルタコンデンサ
２・・・ＶＶＶＦインバータ
３・・・誘導電動機、
４・・・パルスパターン制御部
５・・・直流電源

Claims

直流電力を交流電力に変換しその電力で電気車を駆動する電動機を駆動制御するインバータを備え、前記インバータのスイッチング制御モードとして、低速域の多パルスＰＷＭ制御モード、又は高速域の同期１パルス制御モードを選択する電気車制御装置において、
前記高速域の同期１パルス制御モードでの運転時に、前記同期１パルス制御モードにおけるインバータ周波数が特定周波数帯域内にあるときに、前記同期１パルス制御モードから高速域の多パルス制御モードに切り替えて前記特定周波数帯域の周波数成分の電流を低減させる手段を有することを特徴とする電気車制御装置。
請求項１記載の電気車制御装置において、
インバータ周波数が前記特定周波数帯域内にあり、前記高速域の多パルス制御モードにて駆動制御する時に電流指令を増やすことを特徴とする電気車制御装置。
請求項１または請求項２記載の電気車制御装置において、
前記特定周波数帯域とは、信号機器の信号周波数と一致する周波数帯域である電気車制御装置。