JP5921738B2 - Filter device and electric vehicle drive control device - Google Patents
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Description
本発明は、フィルタ装置および電気車駆動制御装置に関する。 The present invention relates to a filter device and an electric vehicle drive control device.
従来の電気車駆動制御装置として、例えば下記特許文献1では、インバータがモータを駆動する際に発生するノイズ電流が直流架線側に流出するのを抑制するため、インバータの入力側(直流架線側)に、フィルタリアクトルとフィルタコンデンサとで構成されるフィルタ装置を備える構成としている。
As a conventional electric vehicle drive control device, for example, in
一方、インバータが発生するノイズ電流が大きい場合、あるいはノイズ電流規制値が低い場合(すなわちノイズ電流への耐量が小さい場合)には、ノイズ電流の流出阻止をより強固にするため、例えば下記特許文献2のように2段フィルタを構築する場合がある。 On the other hand, when the noise current generated by the inverter is large, or when the noise current regulation value is low (that is, when the resistance to noise current is small), for example, the following patent document In some cases, a two-stage filter is constructed as shown in FIG.
この特許文献2に開示されるフィルタ装置では、特許文献1のフィルタ装置よりもノイズ電流の抑制効果(流出阻止効果)を高めるための2段フィルタを磁気的に結合したフィルタリアクトルを使用して構築した上で、第1段のフィルタを構成する第1のフィルタリアクトルと、第2段のフィルタを構成する第2のフィルタリアクトルとの接続点から引き出された中間タップに第3のフィルタリアクトルを電気的に接続する構成としている。第3のフィルタリアクトルは、第1および第2のフィルタリアクトル間の磁気結合によって生ずる負の等価インダクタンスを打ち消すためのものである。第3のフィルタリアクトルを設けることで、本来の2段フィルタとすることができる。そのため、第3のフィルタリアクトルがない場合に悪化する高周波域でのノイズ電流の減衰特性を、2段フィルタ本来のものにすることができる。磁気的に結合したフィルタリアクトルを使用することで、フィルタリアクトルを小型化できる。
The filter device disclosed in
しかしながら、上記特許文献2のフィルタ装置において、中間タップに接続される第2のフィルタコンデンサが短絡故障を起こした場合、架線からの短絡電流は第1のフィルタリアクトルには流れずに第2のフィルタリアクトルのみを通じて流れるため、短絡故障を起こした第3のフィルタコンデンサに流れる故障電流が大きくなり、架線とフィルタ装置との間に設けられる遮断器よりも上位系統の遮断器を動作させてしまう可能性がある。上位系統の遮断器を動作させてしまった場合、他の電気車に対する給電も停止してしまうので、鉄道事業者全体の車両運行に大きな支障を来すという問題があった。
However, in the filter device of
また、上位系統の遮断器は動作させず、自車両の遮断器を動作させた場合でも、第2のフィルタコンデンサが故障したのか、インバータが故障したのかの判別が困難となるので、インバータを動作させることができない。このため、車両基地等までの自力走行ができず、鉄道事業者の車両運行に少なからず支障を来すという問題があった。 Even if the breaker of the host system is not operated and the breaker of the host vehicle is operated, it is difficult to determine whether the second filter capacitor has failed or the inverter has failed. I can't let you. For this reason, there was a problem that it was not possible to run on its own to a vehicle base or the like, which hindered the railway operators' vehicle operations.
また、第2のフィルタコンデンサが短絡故障を起こした場合、フィルタ特性が大きく変化してしまうので、ノイズ電流の抑制効果が悪化してしまうという問題もあった。 In addition, when the second filter capacitor causes a short-circuit failure, the filter characteristics are greatly changed, so that there is a problem that the noise current suppressing effect is deteriorated.
特定周波数領域のノイズ電流の減衰率を改善するためのインダクタンス要素とキャパシタンス要素とを有する特定周波数バイパス用フィルタが、電力供給源との間に十分な大きさのインダクタンス要素を有さないで接続される場合において、特定周波数バイパス用フィルタに短絡故障が発生した場合でも同様である。 A specific frequency bypass filter having an inductance element and a capacitance element for improving the attenuation rate of noise current in a specific frequency range is connected to the power supply source without having a sufficiently large inductance element. This is the same even when a short circuit fault occurs in the specific frequency bypass filter.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、電力供給源との間に十分な大きさのインダクタンス要素を有さないで接続されるキャパシタンス要素が短絡故障を起こした場合であっても、故障を速やかに除去し、故障除去後にインバータを動作させることを可能とするフィルタ装置を得ることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and even when a capacitance element connected without having a sufficiently large inductance element between the power supply source causes a short-circuit fault, It is an object of the present invention to obtain a filter device that can quickly remove a failure and operate an inverter after the failure is removed.
本発明に係るフィルタ装置は、架線と前記架線から受電するインバータとの間に設けられ、前記架線よりも上位系統の遮断器に電気的に接続するフィルタ装置であって、前記インバータの直流部の高電位側母線と前記インバータの直流部の低電位側母線との間で、前記インバータの直流部と並列に設けられた第1のフィルタコンデンサと、前記第1のフィルタコンデンサよりも前記架線側に、前記高電位側母線と前記低電位側母線との間に前記第1のフィルタコンデンサと並列に設けられた第2のフィルタコンデンサと、前記第1のフィルタコンデンサおよび前記第2のフィルタコンデンサとの間で、前記高電位側母線上に設けられた第1のフィルタリアクトルと、前記第2のフィルタコンデンサと前記架線との間で前記高電位側母線上に設けられ、前記第1のフィルタリアクトルと磁気的に結合した第2のフィルタリアクトルと、磁気結合された前記第1のフィルタリアクトルと前記第2のフィルタリアクトルとの接続点と、前記低電位側母線との間において、前記第2のフィルタコンデンサに直列に接続された回路切断部とを備えたものである。 A filter device according to the present invention is a filter device that is provided between an overhead line and an inverter that receives power from the overhead line, and that is electrically connected to a circuit breaker of a higher system than the overhead line, and includes a DC part of the inverter Between the high potential side bus and the low potential side bus of the DC portion of the inverter, a first filter capacitor provided in parallel with the DC portion of the inverter, and closer to the overhead wire side than the first filter capacitor A second filter capacitor provided in parallel with the first filter capacitor between the high potential side bus and the low potential side bus, and the first filter capacitor and the second filter capacitor. Between the first filter reactor provided on the high potential bus, the second filter capacitor, and the overhead wire, on the high potential bus. A second filter reactor magnetically coupled to the first filter reactor, a connection point between the first filter reactor and the second filter reactor magnetically coupled, and the low potential bus And a circuit cutting part connected in series to the second filter capacitor.
この発明によれば、電力供給源との間に十分な大きさのリアクトルを有さないで接続されるキャパシタンス要素が短絡故障を起こした場合であっても、故障を確実に除去し、故障除去後にインバータを動作させることができるという効果を奏する。 According to the present invention, even when a capacitance element connected without a sufficiently large reactor between the power supply source causes a short-circuit failure, the failure is surely removed, and the failure is eliminated. There is an effect that the inverter can be operated later.
以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態にかかるフィルタ装置および電気車駆動制御装置について説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。 Hereinafter, a filter device and an electric vehicle drive control device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In addition, this invention is not limited by embodiment shown below.
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1に係る電気車駆動制御装置の一構成例を示す図である。実施の形態1に係る電気車駆動制御装置は、主要な構成部として、フィルタ装置5、インバータ6、モータ(誘導電動機または同期電動機)7を備えて構成される。フィルタ装置5は、直流電力の電力供給源側に設けられた遮断器4とインバータ6との間に配置され、第1〜第3のフィルタリアクトル(51a〜51c)、第1および第2のフィルタコンデンサ(52a,52b)および、回路切断部としてのヒューズ53を備えて構成される。ヒューズ53は、定格電流より大きい電流が流れると溶けて、回路を切る。回路切断部としては、定格電流より大きい電流が流れた場合に回路を切るものであれば、ヒューズでなくてもよい。
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of an electric vehicle drive control apparatus according to
図1において、直流電力の電力供給源である架線1とレール2との間に印加された直流電圧は、直流電圧の高電位側に集電器3が接触して、遮断器4およびフィルタ装置5を介して、インバータ6の直流部の高電位側母線55aに印加される。インバータ6の直流部の低電位側母線55bが車輪8を介してレール2に接続される。インバータ6は、受電する直流電力を可変電圧可変周波数制御(VVVF制御)または固定電圧可変周波数制御(CVVF制御)された交流電力に変換し、車両駆動用のモータ7に供給する。フィルタ装置5は、インバータ6が発生するノイズ電流を除去し、架線1にノイズ電流が流れ出ることを防止するものである。
In FIG. 1, the DC voltage applied between the
図1に示す第1および第2のフィルタリアクトル(51a,51b)は、中間タップ付きのリアクトルによって構成され、中間タップ位置によって、2つのインダクタンス要素、すなわち第1のフィルタリアクトル51aおよび第2のフィルタリアクトル51bに分割される。中間タップ付きのリアクトルの中間タップよりもインバータ側が第1のフィルタリアクトル51aであり、中間タップよりも電力供給源側が第2のフィルタリアクトル51bである。なお、第1のフィルタリアクトルと第2のフィルタリアクトルを別のリアクトルとして構成してもよい。2個の別のリアクトルで構成する場合には、互いに磁気的に結合させてもよいし、磁気的に結合させなくてもよい。
The first and second filter reactors (51a, 51b) shown in FIG. 1 are constituted by a reactor with an intermediate tap, and two inductance elements, that is, a
第1および第2のフィルタリアクトル(51a,51b)は、インバータ6の直流部の高電位側母線55aに接続される。中間タップ付きリアクトルなので、第1のフィルタリアクトル51aおよび第2のフィルタリアクトル51bは磁気的に結合されている。
The first and second filter reactors (51 a, 51 b) are connected to the high
第1のフィルタコンデンサ52aの一端は、第1のフィルタリアクトル51aの一端が接続するインバータ6の直流部の高電位側母線55aに接続され、第1のフィルタコンデンサ52aの他端はインバータ6の直流部の低電位側母線55bに接続される。つまり、第1のフィルタコンデンサ52aはインバータ6の直流部に並列に設けられる。この第1のフィルタコンデンサ52aは、第1のフィルタリアクトル51aと共に第1段目のフィルタ回路(Low Pass Filter:LPF回路)を構成する。第1のフィルタリアクトル51aを単にフィルタリアクトルとも呼び、第1のフィルタコンデンサ52aを単にフィルタコンデンサとも呼ぶ。
One end of the
ヒューズ53の一端は第1のフィルタリアクトル51aと第2のフィルタリアクトル51bとの接続点54から引き出された中間タップ57に接続され、ヒューズ53の他端は第2のフィルタコンデンサ52bの一端に接続され、第2のフィルタコンデンサ52bの他端は第3のフィルタリアクトル51cの一端に接続され、第3のフィルタリアクトル51cの他端は低電位側母線55bに接続される。すなわち、第2のフィルタリアクトル51b、ヒューズ53、第2のフィルタコンデンサ52bおよび第3のフィルタリアクトル51cが直列に接続した直列回路部56は、中間タップ57を介して架線1と低電位側母線55bとの間に接続されるように構成される。
One end of the
第2のフィルタリアクトル51b、ヒューズ53、第2のフィルタコンデンサ52bおよび第3のフィルタリアクトル51cによる直列回路部56は、第2段目のフィルタ回路(LPF回路)を構成する。第2のフィルタリアクトル51bは直列回路部を構成するインダクタンス要素であり、ヒューズ53は回路切断部であり、第2のフィルタコンデンサ52bはキャパシタンス要素である。第1のフィルタリアクトル51aと第2のフィルタリアクトル51bとの接続点54で、第1のフィルタリアクトル51aの直流電力の電力供給源側の一端が直列回路部56に接続する。
The
なお、図1では、直列回路部56に含まれるヒューズ53、第2のフィルタコンデンサ52bおよび第3のフィルタリアクトル51cの夫々がこの順で直列接続している。そして、これらを直列接続したものが中間タップ57と低電位側母線55bとの間に接続されるように配置している。これら各要素の接続順序を入れ替えてもよい。例えば、高電位側からヒューズ53、第3のフィルタリアクトル51c、第2のフィルタコンデンサ52bの順序で配置するようにしてもよい。ただし、後述する第2のフィルタコンデンサの短絡故障後に修理する際などには、ヒューズが切れているので、第2のフィルタコンデンサがアース電位になり、作業が容易になる。そのため、ヒューズは、図1のように高電位側に配置することが好ましい。
In FIG. 1, the
図2は、図1に示すフィルタ装置5の等価回路を示す図である。図2において、L1,L2は第1および第2のフィルタリアクトル(51a,51b)の自己インダクタンスであり、Mは第1および第2のフィルタリアクトル(51a,51b)間の相互インダクタンスであり、LSは、第3のフィルタリアクトル51cの自己インダクタンスであり、C1,CSは第1および第2のフィルタコンデンサ(52a,52b)の静電容量である。なお、RSはヒューズ53、第2のフィルタコンデンサ52bと第3のフィルタリアクトル51cを有する回路の抵抗成分である。
FIG. 2 is a diagram showing an equivalent circuit of the
つぎに、図2の等価回路によるシミュレーション結果について説明する。図3は、図2の等価回路によるシミュレーション結果を示す図(グラフ)である。図3において、実線はL1,L2を均等にしなかった場合の減衰率波形であり、破線はL1,L2を均等にしなかった場合の位相波形であり、一点鎖線はL1,L2を均等にした場合の減衰率波形であり、二点鎖線はL1,L2を均等にした場合の位相波形である。なお、以後の説明では、直列回路部の抵抗成分Rsの値は非常に小さいためこれを無視することにする。また、第1および第2のフィルタリアクトル(51a,51b)の磁気結合によって中間タップ57に流れる電流に対して生ずる負のインダクタンス成分(−M)は、第3のフィルタリアクトル51cのインダクタンス成分(M)によって打ち消され、中間タップ57と低電位側母線55bの間の回路のインダクタンス値はゼロまたは十分に小さくなると仮定する。つまり、第3のフィルタリアクトル51cは、第1および第2のフィルタリアクトル(51a,51b)の磁気結合によって中間タップ57に流れる電流に対して生ずる負の等価インダクタンス成分を補償する結合補償インダクタンス要素である。
Next, a simulation result by the equivalent circuit of FIG. 2 will be described. FIG. 3 is a diagram (graph) showing a simulation result by the equivalent circuit of FIG. 3, the solid line is the attenuation factor waveform when not equalize L 1, L 2, the dashed line is a phase waveform when not equalize L 1, L 2, dashed line L 1, L 2 is an attenuation factor waveform when 2 is made uniform, and a two-dot chain line is a phase waveform when L 1 and L 2 are made equal. In the following description, since the value of the resistance component R s of the series circuit portion is very small, it will be ignored. Further, the negative inductance component (−M) generated with respect to the current flowing through the
まず、インバータ6側からフィルタ装置5に流入する電流をIinとし、フィルタ装置5から架線1側に流出する電流をIoutとするとき、出力電流Ioutと入力電流Iinとの比で表せるノイズ電流抑制比(Iout/Iin)は、次式で表すことができる。抑制比を減衰率とも呼ぶ。
First, when the current flowing from the
上式において、L1MおよびL2Mは、第1のフィルタリアクトル51aの等価インダクタンスおよび、第2のフィルタリアクトル51bの等価インダクタンスであり、L1M=L1+M、L2M=L2+Mで表される。なお、Lは第1のフィルタリアクトル51aの等価インダクタンスL1Mと、第2のフィルタリアクトル51bの等価インダクタンスL2Mとの和を意味する。このLとL1MとL2Mとの間、もしくは、L1とL2との間には、L=L1M+L2M=L1+L2+2Mの関係がある。
In the above equation, L 1M and L 2M are the equivalent inductance of the
ノイズ電流の減衰率を大きくするためには、上記(1)式の分母を大きくする必要があるが、2つの共振周波数を境界とする周波数領域によって、支配的となる項が異なる。ここで、上記(1)式の分母が零となる周波数、すなわち共振周波数ωRは、次式で表すことができる。 In order to increase the attenuation rate of the noise current, it is necessary to increase the denominator of the above equation (1), but the dominant term differs depending on the frequency region having the boundary between the two resonance frequencies. Here, the frequency at which the denominator of the above equation (1) becomes zero, that is, the resonance frequency ω R can be expressed by the following equation.
上記(2)式において、マイナス(−)符号を選択したときの周波数が低域側の共振周波数(ωR_LOWとする)であり、プラス(+)符号を選択したときの周波数が高域側の共振周波数(ωR_HIGHとする)である。これら、低域側もしくは高域側の共振周波数ωR_LOW,ωR_HIGHの存在は、下記表1のように、減衰率に最も影響を与える項を異ならせ、また、減衰率を極大にする方法をも異ならせる。 In the above equation (2), the frequency when the minus (−) sign is selected is the resonance frequency on the low side (ω R_LOW ), and the frequency when the plus (+) sign is selected is the high side. Resonance frequency ( assuming ω R_HIGH ). The existence of these resonance frequencies ω R_LOW and ω R_HIGH on the low-frequency side or high-frequency side makes it possible to change the term that most affects the attenuation rate as shown in Table 1 below, and to maximize the attenuation rate. Also make it different.
表1において、領域(1),(3)では、(1)式における周波数ωの4次の項の係数が2次の項の係数に対して大きい場合に、減衰率が大きくなる。逆に、領域(2)では、4次の項の係数が2次の項の係数に対して小さい場合に、減衰率が大きくなる。このように、領域(1),(3)と領域(2)とでは、それぞれが相反する要求であり、全ての領域において減衰率を極大にするような解は存在しない。しかしながら、表1および図3を考察すれば、以下の事項が明らかである。 In Table 1, in regions (1) and (3), when the coefficient of the fourth-order term of the frequency ω in the equation (1) is larger than the coefficient of the second-order term, the attenuation rate increases. On the other hand, in the region (2), when the coefficient of the fourth-order term is smaller than the coefficient of the second-order term, the attenuation rate increases. As described above, the regions (1), (3) and the region (2) are mutually contradictory requirements, and there is no solution that maximizes the attenuation rate in all regions. However, considering Table 1 and FIG. 3, the following matters are apparent.
・L1M=L2M(L1=L2と同じ意味)、かつ、C1=CSとすれば、2つの共振周波数ωR_LOW,ωR_HIGHは互いに近づくため、領域(2)を狭くすることができる。
・領域(3)の方が領域(2)に比べて、周波数帯域が広い。
・領域(2)の減衰率は制御による減衰が可能な領域である。
・ If L 1M = L 2M (same meaning as L 1 = L 2 ) and C 1 = C S , the two resonance frequencies ω R_LOW and ω R_HIGH are close to each other, so narrow the region (2). Can do.
-The area (3) has a wider frequency band than the area (2).
-The attenuation rate of area (2) is an area where attenuation by control is possible.
よって、領域(3)において、減衰率が極大となる条件、すなわちL1=L2、かつ、C1=CSとすれば、実用上、ノイズ電流の減衰率を極大化することが可能となる。なお、図3のシミュレーション結果にも、L1=L2とすることによる領域(3)における減衰率の改善効果が示されている。 Therefore, in the region (3), it is possible to maximize the attenuation rate of the noise current practically under the condition that the attenuation rate is maximized, that is, L 1 = L 2 and C 1 = C S. Become. The simulation result of FIG. 3 also shows the effect of improving the attenuation rate in the region (3) by setting L 1 = L 2 .
ところで、第1および第2のフィルタリアクトル(51a,51b)のインダクタンスを均等化することは、別の観点の問題を生じさせる。この問題については、図4から図8の図面を参照して説明する。 By the way, equalizing the inductances of the first and second filter reactors (51a, 51b) causes another problem. This problem will be described with reference to the drawings of FIGS.
図4は、上記特許文献1などに開示されている電気車駆動制御装置の構成を示す図である。図4に示す電気車駆動制御装置は、フィルタリアクトル51Xとフィルタコンデンサ52Xとによる1段構成のフィルタ装置5Xを有する構成である。
FIG. 4 is a diagram showing the configuration of the electric vehicle drive control device disclosed in
図5は、上記特許文献2に開示されている電気車駆動制御装置の構成を示す図である。図5に示す電気車駆動制御装置のフィルタ装置5Yにおいて、符号を同じくする構成部は、上述してきた実施の形態1に係るフィルタ装置5と同一である。実施の形態1に係るフィルタ装置5との相違点は、回路切断部としてのヒューズ53を備えていない点にある。
FIG. 5 is a diagram showing the configuration of the electric vehicle drive control device disclosed in
図6は、図5に示したフィルタ装置5Yのフィルタ特性を説明する図であり、インバータで発生するノイズ電流がどれだけ直流架線電流に残留するかのゲイン(減衰率)を示した図(グラフ)である。図4に示すような1段構成のフィルタでは、破線56のような特性であるが、磁気結合されたフィルタリアクトルを使用してフィルタを2段構成とするだけでは、磁気結合により発生する負の等価インダクタンスのために、実線57に示すように高周波数域でのゲイン特性が悪化する。そこで、本願発明や図5のように負の等価インダクタンスを打ち消す第3のフィルタリアクトル51cを接続すれば、一点鎖線58に示すように高周波数域でのゲイン特性が2段フィルタの本来の性能に改善される。
FIG. 6 is a diagram for explaining the filter characteristics of the
図7は、図4に示す電気車駆動制御装置においてコンデンサに短絡故障が発生して短絡電流が流れる場合を説明するための図である。図8は、図5に示す電気車駆動制御装置において架線側のコンデンサに短絡故障が発生して短絡電流が流れる場合を説明するための図である。1段構成であるフィルタ装置5Xの場合、図7に示すように、インバータ6もしくはフィルタコンデンサ52Xが短絡故障した場合でも、フィルタリアクトル51Xが十分に大きいため、故障時に発生する短絡電流の上昇速度を抑制することができる。それ故に、遮断器4は短絡電流がより上位の遮断器が動作する大きさになる前に、短絡電流を遮断することができる。
FIG. 7 is a diagram for explaining a case where a short-circuit failure occurs in the capacitor and a short-circuit current flows in the electric vehicle drive control device shown in FIG. 4. FIG. 8 is a diagram for explaining a case where a short-circuit failure occurs in the overhead-side capacitor and a short-circuit current flows in the electric vehicle drive control device shown in FIG. In the case of the
図5に示す2段構成のフィルタ装置5Yでも、第1のフィルタコンデンサ52aが短絡故障を起こした場合であれば、短絡故障を起こした第1のフィルタコンデンサ52aを流れる電流は、第1および第2のフィルタリアクトル(51a,51b)の双方を流れるので、図4に示す1段構成のフィルタ装置5Xと同様な状況になり、大きな問題は生じない。
Also in the two-
一方、第2のフィルタコンデンサ52bが短絡故障した場合に流れる短絡電流は、図8に示すように、第1のフィルタリアクトル51aを通らないで流れることになる。したがって、この短絡電流を抑制する働きは、第2のフィルタリアクトル51bおよび第3のフィルタリアクトル51cが担うことになる。
On the other hand, as shown in FIG. 8, the short-circuit current that flows when the
ところが、第1のフィルタリアクトル51aと第2のフィルタリアクトル51bの巻数を同じにし、磁気回路の結合係数が1に十分近いとすると、L1=L2=Mが成立する。したがって、第1のフィルタリアクトル51aと第2のフィルタリアクトル51bのインダクタンスの和Lは、以下となる。
However, if the number of turns of the
L=L1M+L2M=L1+L2+2M=4L1=4L2=4M L = L 1M + L 2M = L 1 + L 2 + 2M = 4L 1 = 4L 2 = 4M
また、上式を変形すると、以下となる。 Further, when the above equation is modified, the following is obtained.
L1=L2=M=L/4 L 1 = L 2 = M = L / 4
つまり、インダクタンスの和Lが、1段構成のリアクトルのインダクタンスと同じとすると、第1のフィルタリアクトル51aの自己インダクタンスL1、第2のフィルタリアクトル51bの自己インダクタンスL2および相互インダクタンスMは、1段構成の場合のインダクタンスLの1/4となる。これは、以下のように考えてもよい。1段構成と同じインダクタンスを得るためには、第1のフィルタリアクトル51aと第2のフィルタリアクトル51bの巻数を1段構成の場合の半分にすればよく、インダクタンスは巻数比の2乗に比例するので、自己インダクタンスおよび相互インダクタンスは1/4になる。
That is, when the sum of the inductance L, the same as the reactor of one-stage configuration inductance, the self-inductance L 1 of the
第3のフィルタリアクトル51cのインダクタンスは、相互インダクタンスMと同程度(略等しい)の値に設定されているため、1/4程度となる。よって、第2のフィルタリアクトル51bのインダクタンスと第3のフィルタリアクトル51cのインダクタンスの合計は、1段構成の場合の1/2程度である。よって、短絡故障を起こした第2のフィルタコンデンサ52bに流れる電流の上昇率が、第1のフィルタコンデンサ52aが短絡故障を起こした場合の2倍程度になる。そのため、遮断器4よりも上位系統側にある遮断器を動作させてしまう可能性が、第1のフィルタコンデンサ52aが短絡故障の場合よりも高くなる。上位系統側にある遮断器を動作させてしまった場合には、他の電気車に対する給電も停止させてしまうので、鉄道事業者全体の車両運行に大きな支障を来す。
Since the inductance of the
したがって、図5に示すような2段構成のフィルタを採用する場合、従来の考え方では、第2のフィルタリアクトル51bのインダクタンスを第1のフィルタリアクトル51aのインダクタンスよりも十分に大きくすることが必要になる。しかしながら、第2のフィルタリアクトル51bのインダクタンスを第1のフィルタリアクトル51aのインダクタンスよりも大きくすることでは、最適なノイズ電流抑制効果が得られない。
Therefore, when a two-stage filter as shown in FIG. 5 is employed, the conventional concept requires that the inductance of the
よって、第2のフィルタコンデンサ52bの短絡故障を想定しつつ、最適なノイズ電流抑制効果を得るためには、第3のフィルタリアクトル51cとして電流容量の大きなものを採用し、かつ、第1および第2のフィルタリアクトル(51a,51b)の双方共にインダクタンスの大きなものを採用することが考えられる。しかしながら、このような考えでは、フィルタリアクトルやフィルタコンデンサが大型化してしまい、望ましくない。
Therefore, in order to obtain an optimum noise current suppressing effect while assuming a short-circuit failure of the
これに対し、実施の形態1のフィルタ装置では、中間タップ57と低電位側母線55bとの間に第2のフィルタコンデンサ52bに直列接続される回路切断部としてのヒューズ53を接続することとしたので、電力供給源である架線1との間に十分な大きさのインダクタンス要素を有しないで接続されるキャパシタンス要素である第2のフィルタコンデンサ52bが短絡故障した場合でも、第2のフィルタコンデンサ52bを通じて流れる短絡電流をヒューズ53にて速やかに遮断できるという効果がある。
On the other hand, in the filter device of the first embodiment, a
電気車の場合、一般的に、インバータの主回路電流は定格で数百Aに達する。一方、中間タップ57からの電流は数Aから大きくても数十A(定格の1/10以下)であるので、ヒューズ53の電流定格は十分に小さくできる。このため、ヒューズ53の電流定格を、例えば遮断器4に流れる最大電流の概略1/20以上、かつ、1/10以下に設定しておけばよい。この場合、ヒューズ53は、短絡電流が発生するや否や、即座に自身が溶断して、短絡電流を遮断することができるので、インバータ6やモータ7などに与える回路動作上の影響を小さくでき、電気車システムとしての信頼性を高めることができる。
In the case of an electric vehicle, generally, the main circuit current of the inverter reaches several hundreds A by rating. On the other hand, since the current from the
また、ヒューズ53が溶断した場合、インバータ6やモータ7の故障ではなく、第2のフィルタコンデンサ52bの短絡故障であることが速やかに判別できるので、装置の復旧を速やかに行うことができるという効果がある。なお、ヒューズ53が溶断したか否かの判定は容易であり、例えばヒューズ53の両端電圧をモニタすることで実現できる。
In addition, when the
また、実施の形態1のフィルタ装置では、2段構成のフィルタ装置とする場合であっても、第1および第2のフィルタリアクトル(51a,51b)のインダクタンスを大きな値にせず、かつ、これらの値を均等に設定することができるので、所要のフィルタ特性を確保しつつ、フィルタ装置の小型化が可能になる。 Further, in the filter device of the first embodiment, the inductance of the first and second filter reactors (51a, 51b) is not set to a large value even when the filter device has a two-stage configuration, and these Since the values can be set evenly, the filter device can be downsized while ensuring the required filter characteristics.
また、実施の形態1のフィルタ装置では、第1のフィルタリアクトルと第2のフィルタリアクトルが磁気的に結合しているので、同じインダクタンス値を得るために必要な巻き数を磁気結合させない場合よりも小さくでき、第1および第2のフィルタリアクトルを小型化できる。磁気結合させることにより必要になる第3のフィルタリアクトルのサイズは、第1のフィルタリアクトルおよび第2のフィルタリアクトルよりもかなり小さい。したがって、第1および第2のフィルタリアクトルの小型化の効果の方が大きく、全体としてフィルタ装置を小型化できる。なお、第3のフィルタリアクトルのサイズが小さい理由は、流れる電流が1/10以下なので、巻線の線径を小さくできるからである。 Further, in the filter device of the first embodiment, the first filter reactor and the second filter reactor are magnetically coupled, so that the number of turns necessary for obtaining the same inductance value is not magnetically coupled. The first and second filter reactors can be reduced in size. The size of the third filter reactor required by the magnetic coupling is considerably smaller than the first filter reactor and the second filter reactor. Therefore, the effect of downsizing the first and second filter reactors is greater, and the filter device can be downsized as a whole. The reason why the size of the third filter reactor is small is that the current flowing is 1/10 or less, so that the wire diameter of the winding can be reduced.
なお、ヒューズ53が溶断しても、ノイズ減衰特性は1段構成のフィルタと同等になる。このため、ノイズの影響が小さい時間帯を選ぶなどの対策を取れば、自力走行が可能となり、鉄道事業者の車両運行に与える影響を小さくすることが可能となる。
Even if the
また、ヒューズ53を溶断したことを検知したときに、溶断したヒューズを含む電気車駆動制御装置(もしくは当該電気車駆動制御装置が搭載された車両)に電力を供給する経路上にある遮断器4を開放しておけば、故障していない他の電気車駆動制御装置を動作させて車両を走行させることができ、鉄道事業者の車両運行に与える影響を局限することが可能となる。
Further, when it is detected that the
2段構成のフィルタ装置だけでなく、特定周波数領域のノイズ電流の減衰率を改善するためのインダクタンス要素とキャパシタンス要素とを有する特定周波数バイパス用フィルタが、電力供給源との間に十分な大きさのインダクタンス要素を有さないで接続される場合にも適用でき、同様な効果がある。以上のことは、他の実施の形態でも同様である。 A specific frequency bypass filter having not only a two-stage filter device but also an inductance element and a capacitance element for improving the attenuation rate of noise current in a specific frequency region is sufficiently large between the power supply source and the filter. The present invention can also be applied to a case where connection is made without the inductance element, and has the same effect. The above is the same in other embodiments.
実施の形態2.
実施の形態1では、第1のフィルタリアクトルと第2のフィルタリアクトルが磁気的に結合した2段構成のフィルタ装置を使用した電気車駆動制御装置を示した。この実施の形態2では、磁気的に結合していない第1のフィルタリアクトルと第2のフィルタリアクトルを有する2段構成のフィルタ装置を使用する場合である。
In the first embodiment, the electric vehicle drive control device using the two-stage filter device in which the first filter reactor and the second filter reactor are magnetically coupled is shown. In the second embodiment, a two-stage filter device having a first filter reactor and a second filter reactor that are not magnetically coupled is used.
図9は、本発明の実施の形態2に係る電気車駆動制御装置の一構成例を示す図である。実施の形態1の場合の図1と異なる点だけを説明する。フィルタ装置5Fは、磁気的に結合していない第1のフィルタリアクトル51fと第2のフィルタリアクトル51gとを有する。第1のフィルタリアクトル51fと第2のフィルタリアクトル51gのインダクタンス値は、同じである。第1のフィルタリアクトル51fと第2のフィルタリアクトル51gとが接続する接続点54Fと低電位側母線55bとの間に、ヒューズ53と第2のフィルタコンデンサ52bが直列に接続される。第1のフィルタリアクトル51fと第2のフィルタリアクトル51gとが磁気結合されていないので、フィルタ装置5Fは、磁気結合による負の等価インダクタンス成分を補償する結合補償インダクタンス要素を有しない。
FIG. 9 is a diagram showing a configuration example of an electric vehicle drive control apparatus according to
直列回路部56Fは、直列に接続された、第2のフィルタリアクトル51g(インダクタンス要素)、ヒューズ53(回路切断部)および第2のフィルタコンデンサ52b(キャパシタンス要素)を有する。第1のフィルタリアクトル51fと第2のフィルタリアクトル51gとの接続点54Fで、第1のフィルタリアクトル51fの直流電力の電力供給源側の一端が直列回路部56Fに接続する。
The
この実施の形態2でも、実施の形態1と同様に動作する。中間タップ57と低電位側母線55bとの間に第2のフィルタコンデンサ52bに直列接続される回路切断部としてのヒューズ53を接続することとしたので、第2のフィルタコンデンサ52bが短絡故障した場合でも、第2のフィルタコンデンサ52bを通じて流れる短絡電流をヒューズ53により速やかに遮断できるという効果がある。そのため、第1のフィルタリアクトル51fと第2のフィルタリアクトル51gのインダクタンス値を同じにして、高周波域での減衰特性を大きくすることができる。
This second embodiment also operates in the same manner as the first embodiment. When the
実施の形態3.
フィルタ装置では、特定周波数領域のノイズ電流の減衰率を改善するため、例えば、図10〜図15に示すような特定周波数バイパス用フィルタ50を接続することがある。この場合、特定周波数のノイズ電流をバイパスして除去する特定周波数バイパス用フィルタ50を構成するコンデンサ、リアクトルを適切に選択することにより、減衰させる周波数を特定周波数に合わせ、かつ所望の減衰量を得ることが可能となる。ここで、図10に示すフィルタ装置5Hは、1段構成のフィルタ装置において、フィルタリアクトル51Xよりも架線側に特定周波数バイパス用フィルタ50を挿入した場合の一例である。図11に示すフィルタ装置5Jは、フィルタリアクトル51Xよりも負荷側に特定周波数バイパス用フィルタ50を挿入した場合の一例である。また、図12に示すフィルタ装置5Kは、磁気結合したフィルタリアクトルを使用した2段構成のフィルタ装置において、第2のフィルタリアクトル51bよりも架線(系統)側に特定周波数バイパス用フィルタ50を挿入した場合の一例である。図12に示すフィルタ装置5Nは、第1のフィルタリアクトル51aよりも負荷側に特定周波数バイパス用フィルタ50を挿入した場合の一例である。さらに、図14に示すフィルタ装置5Pは、磁気結合していないフィルタリアクトルを使用した2段構成のフィルタ装置において、第2のフィルタリアクトル51gよりも架線(系統)側に特定周波数バイパス用フィルタ50を挿入した場合の一例である。図15に示すフィルタ装置5Qは、第1のフィルタリアクトル51fよりも負荷側に特定周波数バイパス用フィルタ50を挿入した場合の一例である。
In order to improve the attenuation rate of the noise current in the specific frequency region in the filter device, for example, a specific
特定周波数バイパス用フィルタ50は、バイパス回路切断部であるヒューズ53Z、バイパス用キャパシタンス要素であるバイパス用コンデンサ52Z、バイパス用インダクタンス要素であるバイパス用リアクトル51Z、特定周波数のノイズ電流が流れすぎることを防止する限流抵抗58を直列に接続したものである。バイパス用リアクトル51Zのインダクタンス値とバイパス用コンデンサ52Zの静電容量値は、特定周波数および流れるノイズ電流の大きさから決める。
The specific
図10に示すフィルタ装置5Hでは、特定周波数バイパス用フィルタ50が直列回路部56Hでもある。ヒューズ53Zが回路切断部であり、バイパス用リアクトル51Zが直列回路部のインダクタンス要素でもあり、バイパス用コンデンサ52Zがキャパシタンス要素でもある。第1のフィルタリアクトル51Xの電力供給源側の一端が直列回路部56Hの一端に接続する接続点54Hは、ヒューズ53Zの一端と第1のフィルタリアクトル51Xとが接続する点である。
In the
ヒューズ53Zが切れた際にバイパス用コンデンサ52Z、バイパス用リアクトル51Zが低電位側になり作業しやすいので、ヒューズ53Zは高電位側に設けることが望ましい。
When the
例えば、図3で示したように2段構成のフィルタにてL1とL2を均等にすると、高域側のノイズ電流は減衰できるが、低域側(図3の例では、15Hz〜60Hz付近)では逆に増加してしまう。例えば25Hz付近のノイズで誤動作を起こす信号機などが存在する場合は、25Hz付近の減衰率が大きいフィルタ装置が望まれる。このような場合において、例えば図12のように特定周波数バイパス用フィルタ50を接続すると、そのフィルタ特性は、図16に一点鎖線で示すように25Hz付近における所要の減衰率を確保することができる。
For example, if L 1 and L 2 are equalized by a two-stage filter as shown in FIG. 3, the noise current on the high frequency side can be attenuated, but the low frequency side (in the example of FIG. 3, 15 Hz to 60 Hz). On the other hand, it increases on the contrary. For example, when there is a traffic light that causes a malfunction due to noise around 25 Hz, a filter device having a large attenuation rate around 25 Hz is desired. In such a case, for example, when a specific
なお、特定周波数バイパス用フィルタ50も用途によっては、フィルタリアクトル51Xあるいは、第1および第2のフィルタリアクトル(51a,51b)よりも系統側に接続する場合がある(図10、図12および図14の例)。そのような場合に、上述したコンデンサ故障時の短絡電流の問題を解決するため、ヒューズをコンデンサに直列に接続する必要がある。ヒューズ53Zをバイパス用コンデンサ52Zに直列に接続することにより、バイパス用コンデンサ52Zが短絡故障した場合でも、バイパス用コンデンサ52Zを通じて流れる短絡電流をヒューズ53Zにより速やかに遮断できるという効果がある。
The specific
また、フィルタリアクトル51Xあるいは、第1および第2のフィルタリアクトル(51a,51b)よりも負荷側に接続する場合でも(図11、図13および図15の例)、ヒューズを接続する構成が好ましい。特定周波数バイパス用フィルタ50にヒューズを設ける構成としておけば、特定周波数バイパス用フィルタ50のフィルタ要素の故障とインバータ6の故障とを切り分けることができ、電気車システムとしての信頼性を高めることができ、また、車両運行に与える影響を小さくすることができるという効果がある。
Further, even when connecting to the load side of the
実施の形態4.
実施の形態4では、インバータ6に用いられるスイッチング素子の素材とフィルタ特性との関係について説明する。インバータ6に用いられるスイッチング素子としては、珪素(Si)を素材とする素子(Si素子)が一般的であるが、最近では、このSi素子に替えて、炭化珪素(SiC)を素材とするスイッチング素子(SiC素子)が注目されている。
Embodiment 4 FIG.
In the fourth embodiment, the relationship between the material of the switching element used in the
SiC素子は、Si素子と比較して、熱伝達率が大きい、高温での動作が可能、スイッチング周波数を高めてもスイッチング損失が小さいといった優れた特性を有している。しかし、その反面、SiC素子を使用すると高周波ノイズが増えるとも言われている。 The SiC element has excellent characteristics such as a large heat transfer coefficient, operation at a high temperature, and small switching loss even when the switching frequency is increased, as compared with the Si element. On the other hand, it is said that the use of SiC elements increases high frequency noise.
一方、上述してきた2段構成のフィルタは、1段構成のフィルタに比べて高周波側のノイズ減衰率は小さいが、低周波側のノイズ減衰率が大きいという特性がある。よって、SiC素子を使用することによるスイッチング周波数の増加は、2段構成のフィルタを採用する本実施の形態のフィルタ装置の重要性をより大きくする。 On the other hand, the above-described two-stage filter has a characteristic that the noise attenuation rate on the high frequency side is smaller than that of the one-stage filter, but the noise attenuation ratio on the low frequency side is large. Therefore, the increase in the switching frequency by using the SiC element further increases the importance of the filter device of the present embodiment that employs a two-stage filter.
また、本実施の形態のような電気車駆動制御装置用のフィルタ装置にとって、高周波ノイズの増加は、信号機器や保安機器に与える影響が大きいため、非常に重要な問題である。しかしながら、本実施の形態のような2段構成のフィルタは、高周波側の減衰特性に優れているため、SiC素子を採用する最近の技術動向に合致する。 Further, for a filter device for an electric vehicle drive control apparatus as in the present embodiment, an increase in high-frequency noise is a very important problem because it has a large effect on signal equipment and security equipment. However, the two-stage filter as in the present embodiment is excellent in attenuation characteristics on the high frequency side, and therefore matches the recent technical trend of employing SiC elements.
以上のように、2段構成のフィルタを採用する本実施の形態のフィルタ装置にとって、インバータ6のスイッチング素子としてSiC素子を用いれば、SiC素子の特徴を活用するのに好適であり、SiC素子の恩恵を受けることができる。
As described above, if the SiC element is used as the switching element of the
なお、SiCは、Siよりもバンドギャップが大きいという特性を捉えて、ワイドバンドギャップ半導体と称される半導体の一例である。このSiC以外にも、例えば窒化ガリウム系材料または、ダイヤモンドを用いて形成される半導体もワイドバンドギャップ半導体に属しており、SiC以外の他のワイドバンドギャップ半導体を用いてもよい。 Note that SiC is an example of a semiconductor referred to as a wide band gap semiconductor, taking into account the characteristic that the band gap is larger than that of Si. In addition to SiC, a semiconductor formed using, for example, a gallium nitride-based material or diamond belongs to the wide band gap semiconductor, and other wide band gap semiconductors other than SiC may be used.
なお、上記の実施の形態1〜3に示した構成は、本発明の構成の一例であり、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、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。 Note that the configurations shown in the above first to third embodiments are examples of the configuration of the present invention, and can be combined with other known techniques, and can be combined within a range not departing from the gist of the present invention. Needless to say, the configuration may be modified by omitting the unit.
さらに、上記の実施の形態では、電気車駆動制御装置への適用を想定したフィルタ装置を対象として発明内容の説明を実施しているが、適用分野はこれに限られるものではなく、電力供給源からの直流電力を受電する際に高圧側の直流母線に配置される遮断器とインバータとの間に介在し、インバータから電力供給源側に向かうノイズ電流の流出を抑止するように動作するフィルタ装置を有する構成に広く適用することが可能である。 Furthermore, in the above embodiment, the description of the invention is carried out for a filter device that is assumed to be applied to an electric vehicle drive control device, but the application field is not limited to this, and the power supply source Filter device which is interposed between a circuit breaker arranged on a high-voltage side DC bus when receiving DC power from the inverter and the inverter, and operates to suppress outflow of noise current from the inverter toward the power supply source side It is possible to apply widely to the structure which has this.
以上のように、本発明は、電気車駆動制御装置用のフィルタ装置として有用である。 As described above, the present invention is useful as a filter device for an electric vehicle drive control device.
1 架線、2 レール、3 集電器、4 遮断器、5,5X,5Y,5F,5H,5J,5K,5N,5P,5Q フィルタ装置、6 インバータ、7 モータ、50 特定周波数バイパス用フィルタ、51a 第1のフィルタリアクトル、51b 第2のフィルタリアクトル、51c 第3のフィルタリアクトル、51X フィルタリアクトル、51Z バイパス用リアクトル、52a 第1のフィルタコンデンサ、52b 第2のフィルタコンデンサ、52X フィルタコンデンサ、52Z バイパス用コンデンサ、53,53Z ヒューズ、54,54F,54H 接続点、55a 高電位側母線、55b 低電位側母線、56,56F,56H 直列回路部、57 中間タップ、58 限流抵抗。 1 overhead wire, 2 rail, 3 current collector, 4 circuit breaker, 5, 5X, 5Y, 5F, 5H, 5J, 5K, 5N, 5P, 5Q filter device, 6 inverter, 7 motor, 50 filter for specific frequency bypass, 51a First filter reactor, 51b Second filter reactor, 51c Third filter reactor, 51X Filter reactor, 51Z Bypass reactor, 52a First filter capacitor, 52b Second filter capacitor, 52X Filter capacitor, 52Z Bypass Capacitor, 53, 53Z Fuse, 54, 54F, 54H Connection point, 55a High potential side bus, 55b Low potential side bus, 56, 56F, 56H Series circuit section, 57 Intermediate tap, 58 Current limiting resistance.
Claims (14)
前記インバータの直流部の高電位側母線と前記インバータの直流部の低電位側母線との間で、前記インバータの直流部と並列に設けられた第1のフィルタコンデンサと、
前記第1のフィルタコンデンサよりも前記架線側に、前記高電位側母線と前記低電位側母線との間に前記第1のフィルタコンデンサと並列に設けられた第2のフィルタコンデンサと、
前記第1のフィルタコンデンサおよび前記第2のフィルタコンデンサとの間で、前記高電位側母線上に設けられた第1のフィルタリアクトルと、
前記第2のフィルタコンデンサと前記架線との間で前記高電位側母線上に設けられ、前記第1のフィルタリアクトルと磁気結合した第2のフィルタリアクトルと、
磁気結合された前記第1のフィルタリアクトルと前記第2のフィルタリアクトルとの接続点と、前記低電位側母線との間において、前記第2のフィルタコンデンサに直列に接続された回路切断部と、
を備えたことを特徴とするフィルタ装置。 A filter device provided between an overhead line and an inverter that receives power from the overhead line, and electrically connected to a breaker of a higher system than the overhead line,
A first filter capacitor provided in parallel with the DC portion of the inverter between the high potential side bus of the DC portion of the inverter and the low potential side bus of the DC portion of the inverter;
A second filter capacitor provided in parallel with the first filter capacitor between the high-potential side bus and the low-potential side bus on the overhead line side of the first filter capacitor;
A first filter reactor provided on the high potential side bus between the first filter capacitor and the second filter capacitor;
A second filter reactor provided on the high potential side bus between the second filter capacitor and the overhead wire and magnetically coupled to the first filter reactor;
A circuit disconnection unit connected in series with the second filter capacitor between the connection point of the first filter reactor and the second filter reactor magnetically coupled, and the low potential bus.
A filter device comprising:
第2のフィルタリアクトルは、前記第2のフィルタコンデンサと共に前記インバータのノイズ電流を低減する第2段目のフィルタ回路を構成するThe second filter reactor constitutes a second stage filter circuit that reduces noise current of the inverter together with the second filter capacitor.
ことを特徴とする請求項1に記載のフィルタ装置。The filter device according to claim 1.
前記回路切断部の電流定格は、前記架線と第2のフィルタリアクトルとの間に設けられた遮断器の電流定格よりも小さいことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のフィルタ装置。 A filter device connected to a circuit breaker provided between the overhead wire and the second filter reactor,
Current rating of the circuit cutting portion, the overhead wire and filter apparatus according to claim 1 or claim 2, wherein less than the current rating of the circuit breaker provided between the second filter reactor.
前記中間タップ付きリアクトルの前記中間タップよりも前記架線側が前記第2のフィルタリアクトルであることを特徴とする請求項1から請求項7の何れか1項に記載のフィルタ装置。 The inverter side is the first filter reactor with respect to the intermediate tap of the intermediate tap with the intermediate tap.
The filter device according to any one of claims 1 to 7 , wherein the overhead filter side of the reactor with the intermediate tap is closer to the overhead line than the second filter reactor.
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