JP2018182918A - Electric power conversion device, electric vehicle, and electric power conversion method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、鉄道車両等の電気車両において用いられる電力変換装置に関する。また、本発明は、そのような電力変換装置を搭載した電気車両、及び、そのような電力変換装置において用いられる電力変換方法に関する。 The present invention relates to a power converter used in an electric vehicle such as a railway vehicle. The present invention also relates to an electric vehicle equipped with such a power conversion device, and a power conversion method used in such a power conversion device.
近年、電化区間において架線から電力が供給されて走行すると共に、非電化区間においても走行が可能な鉄道車両が開発されている。そのような鉄道車両の中には、非電化区間において、燃料電池又は蓄電池(バッテリー)から供給される電力を用いて走行するものがある。 BACKGROUND ART In recent years, a railway vehicle has been developed which travels in a electrified section while being supplied with electric power from an overhead wire and which can also travel in a non-electrified section. Some of such railway cars travel in a non-electrified section using electric power supplied from a fuel cell or a storage battery (battery).
一般に、燃料電池を用いる従来の鉄道車両においては、架線又は燃料電池から供給される直流電圧を交流電圧に変換して主電動機(モーター)を駆動するモーター駆動回路(又は、インバーター)の一端に燃料電池の負極端子が直接接続されていて、燃料電池とモーター駆動回路とが電気的に絶縁されていなかった。また、燃料電池の負極端子及びモーター駆動回路の一端は、車輪及びレールを介して接地されていた。 Generally, in a conventional railway vehicle using a fuel cell, one end of a motor drive circuit (or inverter) which converts a DC voltage supplied from an overhead wire or fuel cell into an AC voltage to drive a main motor (motor) The negative terminal of the cell was directly connected, and the fuel cell and the motor drive circuit were not electrically isolated. In addition, the negative electrode terminal of the fuel cell and one end of the motor drive circuit were grounded via the wheel and the rail.
関連する技術として、特許文献1には、電力蓄積手段で直流電圧を制御することによって燃料電池の出力をコントロールし、燃料電池の出力調整手段を省略した燃料電池車両制御装置が開示されている。この燃料電池車両制御装置は、燃料電池を用いた発電手段と、電力を蓄積する蓄電手段と、蓄電手段を充放電する充放電装置と、燃料電池の直流電力と充放電装置の直流電力とを交流電力に変換してモーターを駆動するインバーターとを備えている。特許文献1の図1に示されているように、燃料電池1の負極端子がインバーター6の一端に直接接続されており、燃料電池1とインバーター6とは、電気的に絶縁されていない。
As a related technology,
また、特許文献2には、非電化区間で燃料電池を利用する場合と、電化区間で架線からの電源を利用する場合とを切り換えることができるハイブリッド鉄道車両用の電圧変換装置が開示されている。特許文献2の図1又は図5に示されているように、燃料電池50の負極端子がインバーター100の一端に直接接続されており、燃料電池50とインバーター100とは、電気的に絶縁されていない。
Further,
さらに、特許文献3には、燃料電池と出力調整手段とを有する直流電力発生手段と、直流電力発生手段の発生する直流電力を交流電力に変換するインバーター手段と、直流電力を充電及び放電する機能を持つ電力蓄積手段とを備える鉄道車両の駆動装置が開示されている。同様に、特許文献4には、燃料電池と、燃料電池の出力電力を調整する出力調整手段とを備える鉄道車両の駆動装置が開示されている。
Further, in Patent Document 3, DC power generation means having a fuel cell and output adjustment means, inverter means for converting DC power generated by the DC power generation means into AC power, and function of charging and discharging DC power SUMMARY OF THE INVENTION A drive system for a railway vehicle is disclosed which comprises: Similarly,
また、特許文献5には、電化区間及び非電化区間のそれぞれにおいて、複数の異なる電力源(架線、エンジンにより駆動される発電機、燃料電池)に対応する駆動システムが開示されている。しかしながら、特許文献3〜5には、各手段の具体的な構成や、燃料電池及びインバーター手段の接地又は非接地に関しては、特に開示されていない。 Further, Patent Document 5 discloses a drive system corresponding to a plurality of different power sources (overhead wire, a generator driven by an engine, a fuel cell) in each of the electrified section and the non-electrified section. However, Patent Documents 3 to 5 do not specifically disclose the specific configuration of each means, and grounding or non-grounding of the fuel cell and the inverter means.
上記のように、燃料電池を用いる従来の鉄道車両においては、燃料電池の負極端子及びモーター駆動回路の一端が接地されていたが、最近の移動体向けの大型燃料電池は、非接地とすることが求められている。燃料電池を非接地とすることにより、燃料電池又はその周辺回路において、電位の異なる2カ所で漏電が生じなければ、漏電による電流が流れない。従って、1カ所で漏電が生じた際に、漏電を検知することにより、漏電事故を未然に防止することができる。また、鉄道車両向けの大型燃料電池を製造するメーカーも、燃料電池に直接接続される回路が接地されていない状態における燃料電池の動作を保証する傾向にある。 As described above, in a conventional railway vehicle using a fuel cell, the negative electrode terminal of the fuel cell and one end of the motor drive circuit are grounded, but a large-sized fuel cell for recent mobile units is not grounded Is required. By setting the fuel cell to an ungrounded state, current does not flow due to the electric leakage if the electric leakage does not occur at two places of different potentials in the fuel cell or its peripheral circuit. Therefore, when an electrical leakage occurs at one place, the electrical leakage accident can be prevented in advance by detecting the electrical leakage. In addition, manufacturers of large-sized fuel cells for railway vehicles also tend to guarantee the operation of the fuel cell in a state where the circuit directly connected to the fuel cell is not grounded.
一方、主電動機を駆動するモーター駆動回路は、従来と同様に、車輪及びレールを介して接地されることが望ましい。モーター駆動回路を接地することにより、モーター駆動回路の各部の電位が安定するので、漏電を検知し易くなると共に、作業の安全を確保することができる。また、燃料電池を用いて走行する自動車やバスのように、モーター駆動回路を含む回路全体を非接地とすると、従来の鉄道車両の回路が使用できなくなるので、新たな回路を開発するための労力やコストがかかるという問題がある。 On the other hand, it is desirable that the motor drive circuit for driving the main motor is grounded via the wheels and the rails as in the prior art. By grounding the motor drive circuit, the potential of each part of the motor drive circuit is stabilized, so that it becomes easy to detect an electric leakage and it is possible to secure the safety of the operation. In addition, if the entire circuit including the motor drive circuit is not grounded, such as a car or a bus traveling with a fuel cell, the circuit of the conventional railway vehicle can not be used, so the effort for developing a new circuit And there is a problem of cost increase.
そこで、上記の点に鑑み、本発明の第1の目的は、燃料電池に直接接続される回路を非接地としつつ、燃料電池又は架線から電力が供給されて主電動機を駆動するモーター駆動回路等を接地することが可能な電力変換装置を提供することである。また、本発明の第2の目的は、そのような電力変換装置を搭載して、非電化区間及び電化区間において走行可能な電気車両を提供することである。さらに、本発明の第3の目的は、そのような電力変換装置において用いられる電力変換方法を提供することである。 Then, in view of the above-mentioned point, the 1st object of the present invention is a motor drive circuit etc. which is supplied with electric power from a fuel cell or an overhead wire and drives a main motor, making a circuit directly connected to a fuel cell ungrounded. To provide a power converter capable of grounding the A second object of the present invention is to provide an electric vehicle which can be run in a non-electrified section and an electrified section by mounting such a power conversion device. Furthermore, a third object of the present invention is to provide a power conversion method used in such a power converter.
以上の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の第1の観点に係る電力変換装置は、燃料電池から供給される直流電圧を交流電圧に変換するインバーターと、インバーターから交流電圧が供給される1次側巻線、及び、1次側巻線から電気的に絶縁された2次側巻線を有する変圧器と、変圧器の2次側巻線から供給される交流電圧に基づいて直流電圧を生成する電圧変換回路と、第1のモードにおいて、少なくとも電圧変換回路から供給される直流電圧を電源ラインに供給し、第2のモードにおいて、入力端子から供給される直流電圧を電源ラインに供給する切換回路と、電源ラインから供給される直流電圧に基づいて主電動機の駆動電圧を生成するモーター駆動回路とを備え、インバーターが、電圧変換回路及びモーター駆動回路から電気的に絶縁されている。 In order to solve at least a part of the above problems, in the power conversion device according to the first aspect of the present invention, an inverter that converts a DC voltage supplied from a fuel cell into an AC voltage and an AC voltage is supplied from the inverter A transformer having a primary side winding and a secondary side winding electrically isolated from the primary side winding, and a direct current based on an alternating voltage supplied from the secondary side winding of the transformer In the first mode, at least a DC voltage supplied from the voltage conversion circuit is supplied to the power supply line, and in the second mode, a DC voltage supplied from the input terminal is supplied to the power supply line. Whether the inverter includes a voltage conversion circuit and a motor drive circuit, and a switch circuit for supplying power and a motor drive circuit for generating a drive voltage for the main motor based on a DC voltage supplied from the power supply line Electrically insulated.
本発明の第1の観点によれば、インバーターが、燃料電池から供給される直流電圧を交流電圧に変換して変圧器の1次側巻線に供給し、電圧変換回路が、変圧器の2次側巻線から供給される交流電圧に基づいて直流電圧を生成してモーター駆動回路に供給する。このような構成によって、インバーターが電圧変換回路及びモーター駆動回路から電気的に絶縁されているので、燃料電池に直接接続される回路を非接地としつつ、燃料電池又は架線から電力が供給されて主電動機を駆動するモーター駆動回路等を接地することが可能となる。 According to a first aspect of the present invention, an inverter converts a DC voltage supplied from a fuel cell into an AC voltage and supplies it to the primary winding of a transformer, and a voltage conversion circuit A DC voltage is generated based on the AC voltage supplied from the next winding and supplied to the motor drive circuit. With such a configuration, since the inverter is electrically isolated from the voltage conversion circuit and the motor drive circuit, power is supplied from the fuel cell or the overhead wire while the circuit directly connected to the fuel cell is not grounded. It becomes possible to ground the motor drive circuit etc. which drive an electric motor.
本発明の第2の観点に係る電気車両は、本発明の第1の観点に係る電力変換装置と、電力変換装置が設置された車体に回転可能に取り付けられた複数の車輪とを備え、インバーターが、複数の車輪から電気的に絶縁されている。本発明の第2の観点によれば、接地されているレール上を電気車両が走行する際に、インバーターがレールから電気的に絶縁されるので、燃料電池に直接接続される回路を非接地としつつ、燃料電池又は架線から電力が供給されて主電動機を駆動するモーター駆動回路等を接地することが可能となる。 An electric vehicle according to a second aspect of the present invention includes the power conversion device according to the first aspect of the present invention, and a plurality of wheels rotatably mounted on a vehicle body on which the power conversion device is installed, But are electrically isolated from the wheels. According to the second aspect of the present invention, when the electric vehicle travels on the grounded rail, the inverter is electrically isolated from the rail, so the circuit directly connected to the fuel cell is not grounded. At the same time, electric power is supplied from the fuel cell or the overhead wire, and it becomes possible to ground the motor drive circuit or the like for driving the main motor.
本発明の第3の観点に係る電力変換方法は、直流電圧を交流電圧に変換するインバーターと、インバーターから交流電圧が供給される1次側巻線、及び、1次側巻線から電気的に絶縁された2次側巻線を有する変圧器と、変圧器の2次側巻線から供給される交流電圧に基づいて直流電圧を生成する電圧変換回路と、電源ラインから供給される直流電圧に基づいて主電動機の駆動電圧を生成するモーター駆動回路とを含む電力変換装置において用いられる電力変換方法であって、第1のモードにおいて、電圧変換回路によって生成される直流電圧を電源ラインに供給するように切換回路を制御するステップ(a)と、第1のモードにおいて、接地されたレールから電気的に絶縁されたインバーターに制御信号を供給することにより、燃料電池から供給される直流電圧を交流電圧に変換して変圧器の1次側巻線に供給するステップ(b)と、第1のモードにおいて、電圧変換回路を用いて、変圧器の2次側巻線から供給される交流電圧に基づいて直流電圧を生成するステップ(c)と、第1のモードにおいて、接地されたレールに電気的に接続されたモーター駆動回路に制御信号を供給することにより、電源ラインから供給される直流電圧に基づいて主電動機の駆動電圧を生成するステップ(d)と、第2のモードにおいて、入力端子から供給される直流電圧を電源ラインに供給するように切換回路を制御するステップ(e)と、第2のモードにおいて、接地されたレールに電気的に接続されたモーター駆動回路に制御信号を供給することにより、電源ラインから供給される直流電圧に基づいて主電動機の駆動電圧を生成するステップ(f)とを備える。 According to a third aspect of the present invention, there is provided a power conversion method comprising: an inverter for converting a DC voltage into an AC voltage; a primary side winding supplied with an AC voltage from the inverter; and an electric primary side winding. A transformer having an insulated secondary side winding, a voltage conversion circuit generating a direct current voltage based on an alternating current voltage supplied from the secondary side winding of the transformer, and a direct current voltage supplied from a power supply line A power conversion method used in a power conversion device including a motor drive circuit for generating a drive voltage of a main motor based thereon, which supplies a DC voltage generated by the voltage conversion circuit to a power supply line in a first mode. (A) controlling the switching circuit and, in the first mode, supplying a control signal to the inverter electrically isolated from the grounded rail Step (b) of converting the supplied DC voltage into an AC voltage and supplying it to the primary winding of the transformer; and in the first mode, using the voltage conversion circuit, the secondary winding of the transformer And (c) generating a DC voltage based on the AC voltage supplied from the power supply, and supplying a control signal to the motor drive circuit electrically connected to the grounded rail in the first mode. Step (d) of generating a drive voltage of the main motor based on the DC voltage supplied from the line and controlling the switching circuit to supply the DC voltage supplied from the input terminal to the power supply line in the second mode Step (e) and, in the second mode, by supplying a control signal to the motor drive circuit electrically connected to the grounded rail, the DC voltage supplied from the power supply line is And a step (f) to generate a driving voltage of the main electric motor Zui.
本発明の第3の観点によれば、第1のモードにおいて、接地されたレールから電気的に絶縁されたインバーターを用いて、燃料電池から供給される直流電圧を交流電圧に変換して変圧器の1次側巻線に供給し、電圧変換回路を用いて、変圧器の2次側巻線から供給される交流電圧に基づいて直流電圧を生成して電源ラインに供給するので、燃料電池に直接接続される回路を非接地とすることができる。また、第1及び第2のモードにおいて、電源ラインから供給される直流電圧に基づいて主電動機の駆動電圧を生成するモーター駆動回路等を接地することができる。 According to a third aspect of the present invention, in the first mode, an inverter electrically isolated from a grounded rail is used to convert a DC voltage supplied from a fuel cell into an AC voltage for transformer Supply to the primary side winding, and using the voltage conversion circuit to generate a direct current voltage based on the alternating current voltage supplied from the secondary side winding of the transformer and supply it to the power supply line. The directly connected circuit can be ungrounded. Further, in the first and second modes, the motor drive circuit or the like that generates the drive voltage of the main motor can be grounded based on the DC voltage supplied from the power supply line.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照符号を付して、重複する説明を省略する。
<第1の実施形態>
図1は、本発明の第1の実施形態に係る電力変換装置を備える電気車両の構成例を示す回路図である。この電気車両は、電化区間において架線から供給される電力を用いて走行すると共に、非電化区間(無架線下)においても走行が可能である。図1には、電気車両が燃料電池FC1から供給される電力を用いて走行する第1のモードにおける接続状態が示されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, the same reference numerals are given to the same components, and the overlapping description is omitted.
First Embodiment
FIG. 1: is a circuit diagram which shows the structural example of an electric vehicle provided with the power converter device which concerns on the 1st Embodiment of this invention. The electric vehicle travels using electric power supplied from the overhead wire in the electrification section, and can travel also in a non-electrification section (under a non-interconnection line). FIG. 1 shows a connection state in a first mode in which the electric vehicle travels using power supplied from the fuel cell FC1.
図1に示すように、電気車両は、パンタグラフ10と、複数の車輪12と、接地用スイッチ回路13と、高速度遮断器21〜25と、起動用スイッチ回路31〜35と、主電動機40と、補助回路用電源装置(補機)50とを含んでも良い。また、電気車両は、インバーター60等で構成される電力変換装置と、燃料電池FC1と、蓄電池BATと、抵抗R1〜R6と、キャパシターC1〜C5と、インダクターL4及びL5と、サイリスターTH1とを含んでも良い。
As shown in FIG. 1, the electric vehicle includes a
パンタグラフ10は、電気車両の屋根の上に取り付けられて、電化区間において架線から電力が供給される。複数の車輪12は、電力変換装置等が設置された車体に回転可能に取り付けられて、接地されたレールに接触して接地電位(0V)が供給される。それらの車輪12の内の所定の車輪は、主電動機40によって駆動される。
The
高速度遮断器21〜25は、短絡事故電流等が流れたときに回路を遮断することにより、電気車両の内部回路を保護する。接地用スイッチ回路13は、例えば、リレー回路又は電子スイッチ等で構成され、オン状態となったときに、複数の車輪12から接地ラインGLに接地電位を供給する。
The high
起動用スイッチ回路31〜35は、例えば、リレー回路又は電子スイッチ等で構成され、電力変換装置の各部の起動時に使用される。例えば、燃料電池FC1が給電を開始する際には、起動用スイッチ回路31がオフ状態となって、燃料電池FC1から抵抗R1を介してインバーター60に電力が供給されることにより、急峻な突入電流が抑制される。その後は、起動用スイッチ回路31がオン状態となって、燃料電池FC1から起動用スイッチ回路31を介してインバーター60に電力が供給される。
The
主電動機40は、例えば、インダクションモーター(IM)で構成され、力行時に、三相交流電圧(U相、V相、W相)が供給されて車輪を駆動すると共に、回生時に、車輪にブレーキ力を与えて交流起電力を発生する。補助回路用電源装置50は、例えば、インバーターを含み、電源ラインPLから供給される直流電圧を交流電圧に変換することにより、走行用以外の空調装置等の車内設備に交流電圧を供給する。
The
燃料電池FC1は、例えば、正極剤として酸素と負極剤として水素とを化学反応させることにより、水の電気分解と逆の反応を利用して電気エネルギーを生成する。非電化区間においては、燃料電池FC1に加えて蓄電池BATを活用することにより、燃料電池FC1において消費される燃料を節約することができる。蓄電池BATとしては、例えば、充電が可能なリチウムイオン二次電池等が用いられる。蓄電池BATは、主に電化区間において充電され、非電化区間において電力変換装置に電力を供給する。 The fuel cell FC1 generates electric energy using a reaction reverse to the electrolysis of water, for example, by chemically reacting oxygen as a positive electrode agent and hydrogen as a negative electrode agent. In the non-electrified section, fuel consumed in fuel cell FC1 can be saved by utilizing storage battery BAT in addition to fuel cell FC1. As the storage battery BAT, for example, a chargeable lithium ion secondary battery or the like is used. The storage battery BAT is mainly charged in the electrified section, and supplies power to the power conversion device in the non-electrified section.
<電力変換装置>
第1の実施形態に係る電力変換装置は、インバーター60と、変圧器(絶縁トランス)70と、電圧変換回路80と、切換回路90と、入力端子91と、モーター駆動回路100と、DC/DCコンバーター110と、制御部120と、格納部130と、制御信号伝送部140とを含んでも良い。
<Power converter>
The power conversion device according to the first embodiment includes an
インバーター60は、燃料電池FC1から供給される直流電圧を交流電圧に変換する。変圧器70は、インバーター60から交流電圧が供給される1次側巻線71と、1次側巻線71から電気的に絶縁された2次側巻線72とを有している。電圧変換回路80は、変圧器70の2次側巻線72から供給される交流電圧に基づいて直流電圧を生成する。
The
切換回路90は、例えば、複数のリレー回路又は電子スイッチ等を含み、制御部120から供給される制御信号に従って切換動作を行う。入力端子91には、直流電化区間において、架線からパンタグラフ10を介して直流電圧が供給される。切換回路90は、第1のモードにおいて、電圧変換回路80から供給される直流電圧を電源ラインPLに供給し、第2のモードにおいて、入力端子91から供給される直流電圧を電源ラインPLに供給する。
The switching
それにより、電気車両は、第1のモードにおいて、燃料電池FC1から供給される電力を用いて走行し、第2のモードにおいて、架線からパンタグラフ10を介して供給される電力を用いて走行する。また、蓄電池BATの充電が十分に行われている場合には、第3のモードにおいて、電気車両が蓄電池BATから供給される電力を用いて走行するように電力変換装置の動作を切り換えることも可能である。
Thus, the electric vehicle travels using the power supplied from the fuel cell FC1 in the first mode, and travels using the power supplied from the overhead wire through the
モーター駆動回路100は、電源ラインPLから供給される直流電圧に基づいて、主電動機40の駆動電圧を生成する。DC/DCコンバーター110は、電源ラインPLの直流電圧を降圧して蓄電池BATを充電し、又は、蓄電池BATから出力される直流電圧を昇圧して電源ラインPLに供給する。
制御部120は、各種の遮断器やスイッチ回路、インバーター60、切換回路90、モーター駆動回路100、及び、DC/DCコンバーター110等を制御するための制御信号を生成する。また、制御部120は、入力端子91の直流電圧が所定の閾値以下である場合に、電力変換装置を第1のモードに設定し、入力端子91の直流電圧が所定の閾値よりも大きい場合に、電力変換装置を第2のモードに設定しても良い。そのために、入力端子91の電圧を測定する電圧計が電気車両に設けられている。あるいは、制御部120は、オペレーターの操作に従って、電力変換装置を第1のモード〜第3のモードの内のいずれかに設定しても良い。
The
制御部120は、アナログ回路で構成されても良いし、デジタル回路で構成されても良い。あるいは、制御部120は、中央演算装置(CPU)と、CPUに各種の手順を実行させるためのソフトウェア(電力変換プログラム)とで構成されても良い。ソフトウェアは、格納部130の記録媒体に格納される。記録媒体としては、内蔵のハードディスク、外付けハードディスク、フレキシブルディスク、MO、MT、CD−ROM、DVD−ROM、又は、各種のメモリー等を用いることができる。
The
以上において、燃料電池FC1に直接接続されるインバーター60は、変圧器70によって電圧変換回路80及びモーター駆動回路100等から電気的に絶縁されている。それにより、インバーター60は、電気車両の複数の車輪12から電気的に絶縁されており、接地されていない。従って、燃料電池FC1を非接地の状態で使用することができる。
In the above, the
一方、接地用スイッチ回路13は、オン状態となったときに、電圧変換回路80及びモーター駆動回路100等を電気車両の複数の車輪12に電気的に接続する。即ち、接地用スイッチ回路13がオン状態となったときに、電圧変換回路80及びモーター駆動回路100等に接続された接地ラインGLが、電気車両の複数の車輪12及びレールを介して接地される。従って、電圧変換回路80及びモーター駆動回路100等の各部の電位を安定させることができる。
On the other hand, the
第1のモードにおいては、電気車両が、燃料電池FC1から供給される電力を用いて走行する。そのために、制御部120は、電圧変換回路80から供給される直流電圧を電源ラインPLに供給するように切換回路90を制御する。また、接地用スイッチ回路13、高速度遮断器21〜23、及び、起動用スイッチ回路31〜33は、オン状態となっている。
In the first mode, the electric vehicle travels using the power supplied from the fuel cell FC1. Therefore,
<インバーター>
高速度遮断器21及び起動用スイッチ回路31がオン状態であるときに、燃料電池FC1は、平滑用のキャパシターC1及びインバーター60に接続されて、インバーター60に直流電圧を供給する。インバーター60は、変圧器70の1次側巻線71の一端に接続された出力ノードN1と、キャパシターC2の一端に接続された出力ノードN2とを有している。変圧器70の1次側巻線71の他端は、キャパシターC2の他端に接続されている。
<Inverter>
When the high
インバーター60は、燃料電池FC1から供給される直流電圧を交流電圧に変換して、出力ノードN1及びN2に供給する。例えば、インバーター60は、スイッチング素子Q11〜Q14と、スイッチング素子Q11〜Q14にそれぞれ並列接続されたダイオードD11〜D14とを含んでいる。図1に示す例において、スイッチング素子Q11〜Q14の各々は、IGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスター)である。
The
スイッチング素子Q11及びQ12は、燃料電池FC1の正極端子に接続されるコレクターと、出力ノードN1及びN2にそれぞれ接続されたエミッターと、それぞれの制御信号が供給されるゲートとを有している。ダイオードD11及びD12は、燃料電池FC1の正極端子に接続されるカソードと、出力ノードN1及びN2にそれぞれ接続されたアノードとを有している。 The switching elements Q11 and Q12 have collectors connected to the positive electrode terminal of the fuel cell FC1, emitters respectively connected to the output nodes N1 and N2, and gates to which respective control signals are supplied. The diodes D11 and D12 have a cathode connected to the positive electrode terminal of the fuel cell FC1 and an anode connected to the output nodes N1 and N2, respectively.
スイッチング素子Q13及びQ14は、出力ノードN1及びN2にそれぞれ接続されたコレクターと、燃料電池FC1の負極端子に接続されたエミッターと、それぞれの制御信号が供給されるゲートとを有している。ダイオードD13及びD14は、出力ノードN1及びN2にそれぞれ接続されたカソードと、燃料電池FC1の負極端子に接続されたアノードとを有している。 Switching elements Q13 and Q14 each have a collector connected to output nodes N1 and N2, an emitter connected to the negative electrode terminal of fuel cell FC1, and a gate to which each control signal is supplied. The diodes D13 and D14 have cathodes respectively connected to the output nodes N1 and N2 and an anode connected to the negative electrode terminal of the fuel cell FC1.
インバーター60は、接地ラインGLから電気的に絶縁されてフローティング状態であるので、接地ラインGLに電気的に接続された制御部120からインバーター60に制御信号を伝送するために、制御信号伝送部140が設けられている。制御信号伝送部140は、例えば、発光素子及び光電変換素子を含む光信号伝送回路、又は、小型の絶縁トランス等で構成される。
Since
スイッチング素子Q11〜Q14は、制御部120から制御信号伝送部140を介してゲートに供給される制御信号に従ってスイッチング動作を行う。それにより、インバーター60は、例えば、燃料電池FC1から供給される直流電圧700Vを交流電圧に変換して、変圧器70の1次側巻線71に供給する。
The switching elements Q11 to Q14 perform a switching operation in accordance with a control signal supplied to the gate from the
図2は、図1に示すインバーターに供給される制御信号の波形の例を示す図である。制御部120は、スイッチング素子Q11及びQ14のゲートにそれぞれ供給される制御信号G11及びG14と、スイッチング素子Q12及びQ13のゲートにそれぞれ供給される制御信号G12及びG13とを、交互にハイレベルに活性化する。
FIG. 2 is a diagram showing an example of waveforms of control signals supplied to the inverter shown in FIG.
ただし、スイッチング素子Q11〜Q14がオン状態からオフ状態に遷移して電圧阻止能力を回復するまでに時間が必要であるので、回路の短絡を避けるために、制御信号G11及びG14の活性化期間と制御信号G12及びG13の活性化期間との間に時間Δtの余裕を持たせている。また、PWM(パルス幅変調)制御によって時間Δtを変化させることにより、インバーター60から出力される交流電圧の大きさを調整しても良い。
However, since switching elements Q11 to Q14 require time to transition from the on state to the off state to recover the voltage blocking capability, the activation periods of control signals G11 and G14 are required to avoid a short circuit. A margin of time Δt is provided between the activation periods of control signals G12 and G13. Further, the magnitude of the AC voltage output from the
制御信号G11及びG14がハイレベルに活性化される期間においては、スイッチング素子Q11及びQ14がオン状態となる。それにより、燃料電池FC1の正極端子から、スイッチング素子Q11、変圧器70の1次側巻線71、キャパシターC2、及び、スイッチング素子Q14を介して、燃料電池FC1の負極端子に電流が流れる。
Switching elements Q11 and Q14 are turned on in a period in which control signals G11 and G14 are activated to a high level. Thus, current flows from the positive electrode terminal of the fuel cell FC1 to the negative electrode terminal of the fuel cell FC1 via the switching element Q11, the primary winding 71 of the
一方、制御信号G12及びG13がハイレベルに活性化される期間においては、スイッチング素子Q12及びQ13がオン状態となる。それにより、燃料電池FC1の正極端子から、スイッチング素子Q12、キャパシターC2、変圧器70の1次側巻線71、及び、スイッチング素子Q13を介して、燃料電池FC1の負極端子に電流が流れる。
On the other hand, switching elements Q12 and Q13 are turned on in a period in which control signals G12 and G13 are activated to the high level. Thus, current flows from the positive electrode terminal of the fuel cell FC1 to the negative electrode terminal of the fuel cell FC1 via the switching element Q12, the capacitor C2, the primary winding 71 of the
インバーター60が、商用電源の周波数(50Hz〜60Hz)程度の低い周波数を有する交流電圧を生成する場合には、低い周波数の交流電圧を伝送するために、変圧器70が大型になると共に、スイッチング素子Q11〜Q14も大型になってしまう。そこで、本実施形態においては、インバーター60が、例えば、商用電源の周波数の百倍以上である8kHz〜12kHzの範囲内の高い周波数を有する交流電圧を生成する。
When the
<キャパシター>
再び図1を参照すると、キャパシターC2は、インバーター60の出力ノードN2と変圧器70の1次側巻線71との間に接続されて、変圧器70のインダクタンス成分と共に直列共振回路を構成する。この直列共振回路の共振周波数fは、変圧器70の1次側から見たインダクタンスLと、キャパシターC2のキャパシタンスCとを用いて、次式で表される。
f=1/{2π(LC)1/2}
<Capacitor>
Referring back to FIG. 1,
f = 1 / {2π (LC) 1/2 }
インダクタンスL及びキャパシタンスCは、共振周波数fが、インバーター60によって生成される交流電圧の周波数と略等しくなるように設定される。それにより、インバーター60の出力ノードN1と出力ノードN2との間の交流電圧値と比較して、変圧器70の1次側巻線71に供給される交流電圧値を大きくすることができる。例えば、インバーター60が直流電圧700Vを交流電圧700V0−Pに変換する場合に、変圧器70の1次側巻線71に1400V0−Pの交流電圧を供給することができる。
The inductance L and the capacitance C are set such that the resonant frequency f is approximately equal to the frequency of the AC voltage generated by the
<変圧器と電圧変換回路>
変圧器70は、1次側巻線71の巻数n1と2次側巻線72の巻数n2との巻数比(n2/n1)に応じて、1次側巻線71に供給される交流電圧を(n2/n1)倍して2次側巻線72から出力する。
<Transformer and voltage conversion circuit>
電圧変換回路80は、変圧器70の2次側巻線72から出力される交流電圧に基づいて直流電圧を生成する。キャパシターC3は、電圧変換回路80によって生成される直流電圧を平滑化する。変圧器70の巻数比(n2/n1)は、例えば、電圧変換回路80によって生成される直流電圧が1500Vとなるように定められる。
The
第1の実施形態において、電圧変換回路80は、変圧器70の2次側巻線72から供給される交流電圧を整流して直流電圧を生成するブリッジ接続された複数のダイオードD21〜D24を含む整流回路で構成されている。ダイオードD21及びD22は、電源ラインPLに接続されるカソードと、変圧器70の2次側巻線72の両端にそれぞれ接続されたアノードとを有している。ダイオードD23及びD24は、変圧器70の2次側巻線72の両端にそれぞれ接続されたカソードと、接地ラインGLに接続されたアノードとを有している。
In the first embodiment, the
第1の実施形態におけるように、インバーター60が8kHz〜12kHz程度の高い周波数の交流信号を生成する場合には、さらに高い周波数の制御信号でトランジスターをオン/オフ制御して整流動作を行うよりも、ダイオードを用いて整流動作を行う方が、安定性が高く、電力損失も小さくすることができる。
As in the first embodiment, when the
<モーター駆動回路>
第1のモードにおいて、切換回路90は、電圧変換回路80によって生成される直流電圧を電源ラインPLに供給する。電源ラインPLに供給される直流電圧は、インダクターL4を介して、平滑用のキャパシターC4及びモーター駆動回路100に供給される。インダクターL4及びキャパシターC4は、ローパスフィルターを構成しており、モーター駆動回路100に供給される直流電圧を平滑化する。
<Motor drive circuit>
In the first mode, switching
モーター駆動回路100は、制御部120の制御の下で、電源ラインPLから供給される直流電圧に基づいて主電動機40の駆動電圧を生成する。モーター駆動回路100は、例えば、VVVF(可変電圧可変周波数)インバーター等で構成され、電源ラインPLから供給される直流電圧を交流電圧に変換する。
The
モーター駆動回路100は、例えば、主電動機40に三相交流電圧を供給するために、スイッチング素子Q31〜Q36と、スイッチング素子Q31〜Q36にそれぞれ並列接続されたダイオードD31〜D36とを含んでいる。図1に示す例において、スイッチング素子Q31〜Q36の各々は、IGBTである。
スイッチング素子Q31〜Q33は、インダクターL4を介して電源ラインPLに接続されたコレクターと、主電動機40の3つの端子にそれぞれ接続されたエミッターと、それぞれの制御信号が供給されるゲートとを有している。ダイオードD31〜D33は、インダクターL4を介して電源ラインPLに接続されたカソードと、主電動機40の3つの端子にそれぞれ接続されたアノードとを有している。
Switching elements Q31 to Q33 have collectors connected to power supply line PL via inductor L4, emitters connected to three terminals of
スイッチング素子Q34〜Q36は、主電動機40の3つの端子にそれぞれ接続されたコレクターと、接地ラインGLに接続されたエミッターと、それぞれの制御信号が供給されるゲートとを有している。ダイオードD34〜D36は、主電動機40の3つの端子にそれぞれ接続されたカソードと、接地ラインGLに接続されたアノードとを有している。
Switching elements Q34 to Q36 each have a collector connected to each of three terminals of
スイッチング素子Q31〜Q36は、制御部120からゲートに供給される制御信号に従ってスイッチング動作を行う。それにより、モーター駆動回路100は、例えば、電源ラインPLから供給される直流電圧1500Vを三相交流電圧1500V0−Pに変換して、主電動機40の駆動電圧を生成する。主電動機40が、モーター駆動回路100から供給される駆動電圧に従って車輪を回転させることにより、電気車両が走行する。
Switching elements Q31 to Q36 perform a switching operation according to a control signal supplied from
モーター駆動回路100は、力行時に、電源ラインPLに供給される直流電圧を三相交流電圧に変換して主電動機40に供給し、回生時に、主電動機40において発生する交流起電力を直流電圧に変換して電源ラインPLに供給する。この直流電圧は、蓄電池BATの充電に用いられるか、又は、架線を介して他の電気車両に供給される。
The
図3は、図1に示す電気車両の第2のモードにおける接続状態を示す図である。直流電化区間においては、架線からパンタグラフ10を介して入力端子91に直流電圧が供給される。そこで、電気車両は、第2のモードにおいて、架線から供給される電力を用いて走行する。
FIG. 3 is a view showing a connection state in the second mode of the electric vehicle shown in FIG. In the DC electrification section, a DC voltage is supplied from the overhead wire to the
そのために、制御部120は、入力端子91から供給される直流電圧を電源ラインPLに供給するように切換回路90を制御する。また、接地用スイッチ回路13、高速度遮断器23、及び、起動用スイッチ回路33はオン状態となり、高速度遮断器21及び22、及び、起動用スイッチ回路31及び32はオフ状態となっている。
For that purpose, the
<DC/DCコンバーター>
DC/DCコンバーター110は、電源ラインPLから蓄電池BATへの充電、又は、蓄電池BATから電源ラインPLへの放電の際に用いられる。蓄電池BATの充放電を行う際には、制御部120が、高速度遮断器24及び25、及び、起動用スイッチ回路34及び35をオン状態に制御する。
<DC / DC converter>
DC /
DC/DCコンバーター110は、例えば、スイッチング素子Q41及びQ42と、スイッチング素子Q41及びQ42にそれぞれ並列接続されたダイオードD41及びD42と、キャパシターC6と、インダクターL6とを含んでいる。図1及び図3に示す例において、スイッチング素子Q41及びQ42の各々は、IGBTである。
DC /
キャパシターC6は、スイッチング素子Q41及びQ42の直列回路の両端電圧を平滑化し、インダクターL5と共にローパスフィルターを構成する。また、電源ラインPLの電位を急速に低下させる場合には、制御部120が、サイリスターTH1をオン状態に制御することにより、電源ラインPLから、インダクターL5、抵抗R6、及び、サイリスターTH1を介して、接地ラインGLに電流が流れる。
Capacitor C6 smoothes the voltage across the series circuit of switching elements Q41 and Q42, and forms a low pass filter with inductor L5. Further, when the potential of the power supply line PL is to be rapidly reduced, the
スイッチング素子Q41は、インダクターL5を介して電源ラインPLに接続されたコレクターと、インダクターL6に接続されたエミッターと、制御信号が供給されるゲートとを有している。ダイオードD41は、インダクターL5を介して電源ラインPLに接続されたカソードと、インダクターL6に接続されたアノードとを有している。 Switching element Q41 has a collector connected to power supply line PL via inductor L5, an emitter connected to inductor L6, and a gate to which a control signal is supplied. Diode D41 has a cathode connected to power supply line PL via inductor L5 and an anode connected to inductor L6.
スイッチング素子Q42は、インダクターL6に接続されたコレクターと、接地ラインGLに接続されたエミッターと、制御信号が供給されるゲートとを有している。ダイオードD42は、インダクターL6に接続されたカソードと、接地ラインGLに接続されたアノードとを有している。 Switching element Q42 has a collector connected to inductor L6, an emitter connected to ground line GL, and a gate to which a control signal is supplied. The diode D42 has a cathode connected to the inductor L6 and an anode connected to the ground line GL.
蓄電池BATの充電電圧は、例えば、600V〜1000Vであり、電源ラインPLから蓄電池BATに充電を行う際には、DC/DCコンバーター110が、電源ラインPLから供給される直流電圧(例えば、1500V)を降圧して降圧電圧(例えば、600V〜1000V)を生成する。
The charging voltage of storage battery BAT is, for example, 600 V to 1000 V, and when charging storage battery BAT from power supply line PL, DC /
図4は、図1及び図3に示すDC/DCコンバーターに降圧時において供給される制御信号の波形の例を示す図である。制御部120は、スイッチング素子Q41のゲートに供給される制御信号G41を周期的にハイレベルに活性化し、スイッチング素子Q42のゲートに供給される制御信号G42をローレベルに維持する。従って、スイッチング素子Q41が周期的にオン状態となり、スイッチング素子Q42がオフ状態のままとなる。
FIG. 4 is a diagram showing an example of waveforms of control signals supplied to the DC / DC converter shown in FIGS. 1 and 3 at the time of step-down. The
制御信号G41がハイレベルに活性化される期間においては、スイッチング素子Q41がオン状態となる。それにより、電源ラインPLから、インダクターL5、スイッチング素子Q41、及び、インダクターL6を介して、蓄電池BATの正極端子に電流が流れる。その際に、インダクターL6において、電気エネルギーが磁気エネルギーに変換されて蓄積される。また、ダイオードD42は、オフ状態となる。 In a period in which control signal G41 is activated to the high level, switching element Q41 is turned on. Thereby, current flows from the power supply line PL to the positive electrode terminal of the storage battery BAT through the inductor L5, the switching element Q41, and the inductor L6. At this time, electrical energy is converted to magnetic energy and accumulated in the inductor L6. Also, the diode D42 is turned off.
一方、制御信号G41がローレベルに非活性化される期間においては、スイッチング素子Q41がオフ状態となる。その際に、インダクターL6に蓄えられた磁気エネルギーが電気エネルギーとして放出されて、接地ラインGLから、ダイオードD42及びインダクターL6を介して、蓄電池BATの正極端子に電流が流れる。 On the other hand, in a period in which control signal G41 is inactivated to low level, switching element Q41 is turned off. At that time, the magnetic energy stored in the inductor L6 is released as electric energy, and current flows from the ground line GL to the positive electrode terminal of the storage battery BAT through the diode D42 and the inductor L6.
それにより、DC/DCコンバーター110は、電源ラインPLから供給される直流電圧を降圧して降圧電圧を蓄電池BATに供給する降圧チョッパーとして動作する。降圧電圧の値は、スイッチング素子Q41のゲートに供給される制御信号のデューティー比等によって所望の値に制御することができる。
Thus, DC /
キャパシターC5は、インダクターL6と共にローパスフィルターを構成しており、蓄電池BATに供給される降圧電圧を平滑化する。降圧電圧が蓄電池BATに供給されることにより、蓄電池BATの充電が行われる。このようにして、主に電化区間において蓄電池BATを充電することができる。蓄電池BATが十分に充電されると、制御部120は、制御信号G41をローレベルに非活性化しても良いし、又は、高速度遮断器24又は25をオフ状態に制御しても良い。
Capacitor C5, together with inductor L6, constitutes a low pass filter, and smoothes the step-down voltage supplied to storage battery BAT. By supplying the step-down voltage to storage battery BAT, charging of storage battery BAT is performed. Thus, the storage battery BAT can be charged mainly in the electrification section. When storage battery BAT is sufficiently charged,
非電化区間においては、DC/DCコンバーター110が、蓄電池BATから出力される直流電圧を昇圧して昇圧電圧を生成し、電源ラインPLに供給しても良い。それにより、電気車両は、蓄電池BATから供給される電力を用いて走行することができる(第3のモード)。第3のモードにおいては、制御部120が、切換回路90を非接続状態に制御しても良いし、又は、高速度遮断器22をオフ状態としても良い。
In the non-electrified section, DC /
図5は、図1及び図3に示すDC/DCコンバーターに昇圧時において供給される制御信号の波形の例を示す図である。制御部120は、スイッチング素子Q41のゲートに供給される制御信号G41をローレベルに維持し、スイッチング素子Q42のゲートに供給される制御信号G42を周期的にハイレベルに活性化する。従って、スイッチング素子Q41がオフ状態のままとなり、スイッチング素子Q42が周期的にオン状態となる。
FIG. 5 is a diagram showing an example of waveforms of control signals supplied to the DC / DC converter shown in FIG. 1 and FIG. 3 at the time of boosting. The
制御信号G42がハイレベルに活性化される期間においては、スイッチング素子Q42がオン状態となる。それにより、蓄電池BATの正極端子から、インダクターL6及びスイッチング素子Q42を介して、接地ラインGLに電流が流れる。その際に、インダクターL6において、電気エネルギーが磁気エネルギーに変換されて蓄積される。また、ダイオードD41は、オフ状態となる。 During a period in which control signal G42 is activated to the high level, switching element Q42 is turned on. Thus, current flows from the positive electrode terminal of storage battery BAT to ground line GL via inductor L6 and switching element Q42. At this time, electrical energy is converted to magnetic energy and accumulated in the inductor L6. Also, the diode D41 is turned off.
一方、制御信号G42がローレベルに非活性化される期間においては、スイッチング素子Q42がオフ状態となる。その際に、インダクターL6に蓄えられた磁気エネルギーが電気エネルギーとして放出されて、蓄電池BATの正極端子から、インダクターL6、ダイオードD41、及び、インダクターL5を介して、電源ラインPLに電流が流れる。 On the other hand, in a period in which control signal G42 is inactivated to low level, switching element Q42 is turned off. At this time, the magnetic energy stored in the inductor L6 is released as electric energy, and current flows from the positive electrode terminal of the storage battery BAT to the power supply line PL through the inductor L6, the diode D41, and the inductor L5.
それにより、DC/DCコンバーター110は、蓄電池BATから供給される直流電圧を昇圧して昇圧電圧を電源ラインPLに供給する昇圧チョッパーとして動作する。昇圧電圧の値は、スイッチング素子Q42のゲートに供給される制御信号のデューティー比等によって所望の値に制御することができる。
Thereby, DC /
本発明の第1の実施形態によれば、電力変換装置において、インバーター60が、燃料電池FC1から供給される直流電圧を交流電圧に変換して変圧器70の1次側巻線71に供給し、電圧変換回路80が、変圧器70の2次側巻線72から供給される交流電圧に基づいて直流電圧を生成してモーター駆動回路100に供給する。このような構成によって、インバーター60が、電圧変換回路80及びモーター駆動回路100から電気的に絶縁されている。
According to the first embodiment of the present invention, in the power converter, the
また、電気車両は、上記の電力変換装置と、電力変換装置が設置された車体に回転可能に取り付けられた複数の車輪12とを備え、インバーター60が、複数の車輪12から電気的に絶縁されている。それにより、接地されているレール上を電気車両が走行する際に、インバーター60が、レールから電気的に絶縁される。従って、燃料電池FC1に直接接続される回路を非接地としつつ、燃料電池FC1又は架線から電力が供給されて主電動機40を駆動するモーター駆動回路100等を接地することが可能となる。
In addition, the electric vehicle includes the power conversion device described above and a plurality of
<第2の実施形態>
図6は、本発明の第2の実施形態に係る電力変換装置を備える電気車両の構成例を示す回路図である。図6には、電気車両が燃料電池FC1から供給される電力を用いて走行する第1のモードにおける接続状態が示されている。
Second Embodiment
FIG. 6 is a circuit diagram showing a configuration example of an electric vehicle provided with a power converter according to a second embodiment of the present invention. FIG. 6 shows the connection state in the first mode in which the electric vehicle travels using the power supplied from the fuel cell FC1.
第2の実施形態においては、電圧変換回路として、図1及び図3に示す第1の実施形態における電圧変換回路80の替わりに、PWMコンバーター80aが用いられる。また、インバーター60が生成する交流電圧の周波数は、例えば、商用電源の周波数の3倍以上である200Hz〜1kHzの範囲内であり、共振を発生させるためのキャパシターC2は省略されている。その他の点に関しては、第2の実施形態は、第1の実施形態と同様でも良い。
In the second embodiment, a
PWMコンバーター80aは、変圧器70の2次側巻線72から供給される交流電圧を直流電圧(直流リンク電圧)に変換する。その際に、インバーター60によって生成される交流電圧が、変圧器70の漏れインダクタンスを介してPWMコンバーター80aに供給されることになる。例えば、PWMコンバーター80aは、スイッチング素子Q51〜Q54と、スイッチング素子Q51〜Q54にそれぞれ並列接続されたダイオードD51〜D54とを含んでいる。図6に示す例において、スイッチング素子Q51〜Q54の各々は、IGBTである。
The
スイッチング素子Q51及びQ52は、電源ラインPLに接続されるコレクターと、変圧器70の2次側巻線72の両端にそれぞれ接続されたエミッターと、それぞれの制御信号が供給されるゲートとを有している。ダイオードD51及びD52は、電源ラインPLに接続されるカソードと、変圧器70の2次側巻線72の両端にそれぞれ接続されたアノードとを有している。
Switching elements Q51 and Q52 have collectors connected to power supply line PL, emitters connected respectively to both ends of secondary side winding 72 of
スイッチング素子Q53及びQ54は、変圧器70の2次側巻線72の両端にそれぞれ接続されたコレクターと、接地ラインGLに接続されたエミッターと、それぞれの制御信号が供給されるゲートとを有している。ダイオードD53及びD54は、変圧器70の2次側巻線72の両端にそれぞれ接続されたカソードと、接地ラインGLに接続されたアノードとを有している。
Switching elements Q53 and Q54 have collectors respectively connected to both ends of secondary side winding 72 of
スイッチング素子Q51〜Q54は、制御部120からゲートに供給される制御信号に従ってスイッチング動作を行う。それにより、PWMコンバーター80aは、変圧器70の2次側巻線72から供給される交流電圧を直流リンク電圧(例えば、1500V)に変換して電源ラインPLに供給する。なお、直流リンク電圧とは、キャパシターC3の両端間に発生する脈動直流電圧のことをいう。キャパシターC3の容量を大きくすることにより、直流リンク電圧の脈動振幅を低下させることができる。
Switching elements Q51 to Q54 perform a switching operation in accordance with a control signal supplied from
図7は、図6に示すPWMコンバーターに供給される制御信号の波形の例を示す図である。制御部120は、スイッチング素子Q51及びQ53のゲートにそれぞれ供給される制御信号G51及びG53を交互にハイレベルに活性化すると共に、スイッチング素子Q52及びQ54のゲートにそれぞれ供給される制御信号G52及びG54を交互にハイレベルに活性化する。従って、スイッチング素子Q51及びQ53が交互にオン状態となり、スイッチング素子Q52及びQ54が交互にオン状態となる。
FIG. 7 is a diagram showing an example of waveforms of control signals supplied to the PWM converter shown in FIG.
ここで、制御信号G51〜G54の生成方法の一例について説明する。図7の上段には、互いに逆相の三角波キャリアVC1及びVC2の波形と、変圧器70の2次側巻線72から供給される交流電圧に同期する単位正弦波(変調波)VMの波形とが示されている。図7に示す例においては、三角波キャリアVC1及びVC2の振幅が「1」に正規化されている。
Here, an example of a method of generating the control signals G51 to G54 will be described. The upper part of FIG. 7 shows the waveforms of the triangular waves carriers VC1 and VC2 of opposite phase to each other, and the waveform of the unit sine wave (modulated wave) VM synchronized with the AC voltage supplied from the secondary side winding 72 of the
制御部120は、変調波VMが三角波キャリアVC1よりも大きい期間において、制御信号G51をハイレベルに活性化すると共に、制御信号G53をローレベルに非活性化する。また、制御部120は、変調波VMが三角波キャリアVC1よりも小さい期間において、制御信号G51をローレベルに非活性化すると共に、制御信号G53をハイレベルに活性化する。
The
さらに、制御部120は、変調波VMが三角波キャリアVC2よりも小さい期間において、制御信号G52をハイレベルに活性化すると共に、制御信号G54をローレベルに非活性化する。また、制御部120は、変調波VMが三角波キャリアVC2よりも大きい期間において、制御信号G52をローレベルに非活性化すると共に、制御信号G54をハイレベルに活性化する。
Further, the
その結果、キャパシターC3の両端間に発生する直流リンク電圧をVdとしたときに、変圧器70の2次側巻線72の両端間の電圧である線間電圧(電圧指令値)Vcが、変調波VMの正の半周期において交互に「0」とVdとになり、変調波VMの負の半周期において交互に「0」と−Vdとになる。
As a result, when the DC link voltage generated across the capacitor C3 is Vd, the inter-line voltage (voltage command value) Vc which is the voltage across the secondary winding 72 of the
それにより、PWMコンバーター80aは、変圧器70の2次側巻線72から供給される交流電圧を直流リンク電圧に変換して電源ラインPLに供給する。直流リンク電圧の値は、スイッチング素子Q51〜Q54のゲートに供給される制御信号の周期又はデューティー比等によって所望の値に制御することができる。従って、変圧器70の1次側巻線71と2次側巻線72との巻数比の自由度が増大する。
Thus, the
また、電源ラインPLに供給される直流リンク電圧の制御は、インバーター60から出力される交流電圧の大きさを調整することにより行っても良い。その場合には、PWMコンバーター80aにおいてスイッチング素子Q51〜Q54を省略して、図1及び図3に示す電圧変換回路80と同様の構成としても良い。
The control of the DC link voltage supplied to the power supply line PL may be performed by adjusting the magnitude of the AC voltage output from the
モーター駆動回路100は、制御部120の制御の下で、PWMコンバーター80aから電源ラインPLを介して供給される直流リンク電圧に基づいて、主電動機40の駆動電圧を生成する。それにより、電気車両が、燃料電池FC1から供給される電力を用いて走行する。
The
本発明の第2の実施形態によれば、インバーター60がPWMコンバーター80a及びモーター駆動回路100から電気的に絶縁されている。従って、燃料電池FC1に直接接続される回路を非接地としつつ、燃料電池FC1又は架線から電力が供給されて主電動機40を駆動するモーター駆動回路100等を接地することが可能となる。
According to a second embodiment of the present invention,
<第3の実施形態>
図8は、本発明の第3の実施形態に係る電力変換装置を備える電気車両の構成例を示す回路図である。図8には、電気車両が2つの燃料電池FC1及びFC2から供給される電力を用いて走行する第1のモードにおける接続状態が示されている。
Third Embodiment
FIG. 8 is a circuit diagram showing a configuration example of an electric vehicle provided with a power converter according to a third embodiment of the present invention. FIG. 8 shows the connection in the first mode in which the electric vehicle travels using the power supplied from the two fuel cells FC1 and FC2.
第3の実施形態においては、図6に示す第2の実施形態の構成に加えて、電気車両が、第2の燃料電池FC2と、高速度遮断器26と、起動用スイッチ回路36と、抵抗R7と、キャパシターC7とをさらに含んでいる。また、電力変換装置が、第2のインバーター60aと、第2の変圧器70aと、第2のPWMコンバーター80bとをさらに含んでいる。その他の点に関しては、第3の実施形態は、第2の実施形態と同様でも良い。
In the third embodiment, in addition to the configuration of the second embodiment shown in FIG. 6, the electric vehicle includes a second fuel cell FC2, a high
高速度遮断器26及び起動用スイッチ回路36がオン状態であるときに、第2の燃料電池FC2が、平滑用のキャパシターC7及び第2のインバーター60aに接続されて、第2のインバーター60aに直流電圧を供給する。第2のインバーター60aは、第2の変圧器70aの1次側巻線71aの両端にそれぞれ接続された出力ノードN3及びN4を有している。
When the high-
第2のインバーター60aは、第2の燃料電池FC2から供給される直流電圧を交流電圧に変換して、出力ノードN3及びN4に供給する。例えば、第2のインバーター60aは、スイッチング素子Q61〜Q64と、スイッチング素子Q61〜Q64にそれぞれ並列接続されたダイオードD61〜D64とを含んでいる。図8に示す例において、スイッチング素子Q61〜Q64の各々は、IGBTである。
The
スイッチング素子Q61及びQ62は、第2の燃料電池FC2の正極端子に接続されたコレクターと、出力ノードN3及びN4にそれぞれ接続されたエミッターと、それぞれの制御信号が供給されるゲートとを有している。ダイオードD61及びD62は、第2の燃料電池FC2の正極端子に接続されたカソードと、出力ノードN3及びN4にそれぞれ接続されたアノードとを有している。 Switching elements Q61 and Q62 have collectors connected to the positive electrode terminal of second fuel cell FC2, emitters connected to output nodes N3 and N4 respectively, and gates to which respective control signals are supplied. There is. The diodes D61 and D62 have a cathode connected to the positive electrode terminal of the second fuel cell FC2 and an anode connected to the output nodes N3 and N4, respectively.
スイッチング素子Q63及びQ64は、出力ノードN3及びN4にそれぞれ接続されたコレクターと、第2の燃料電池FC2の負極端子に接続されたエミッターと、それぞれの制御信号が供給されるゲートとを有している。ダイオードD63及びD64は、出力ノードN3及びN4にそれぞれ接続されたカソードと、第2の燃料電池FC2の負極端子に接続されたアノードとを有している。 Switching elements Q63 and Q64 have collectors respectively connected to output nodes N3 and N4, an emitter connected to the negative electrode terminal of second fuel cell FC2, and gates to which respective control signals are supplied. There is. The diodes D63 and D64 have cathodes connected to the output nodes N3 and N4, respectively, and an anode connected to the negative electrode terminal of the second fuel cell FC2.
スイッチング素子Q61〜Q64は、制御部120から制御信号伝送部140を介してゲートに供給される制御信号に従ってスイッチング動作を行う。それらの制御信号の波形は、図2に示す制御信号の波形と同様でも良い。第2のインバーター60aは、例えば、第2の燃料電池FC2から供給される直流電圧700Vを交流電圧に変換して、第2の変圧器70aの1次側巻線71aに供給する。交流電圧の周波数は、例えば、商用電源の周波数の3倍以上である200Hz〜1kHzの範囲内である。
The switching elements Q61 to Q64 perform a switching operation in accordance with a control signal supplied to the gate from the
第2の変圧器70aは、第2のインバーター60aから交流電圧が供給される1次側巻線71aと、1次側巻線71aから電気的に絶縁された2次側巻線72aとを有している。それにより、第2のインバーター60aは、第2のPWMコンバーター80b及びモーター駆動回路100等が接続された接地ラインGLから電気的に絶縁される。
The
第2のPWMコンバーター80bは、第2の変圧器70aの2次側巻線72aから供給される交流電圧を直流リンク電圧(例えば、1500V)に変換して電源ラインPLに供給する。例えば、第2のPWMコンバーター80bは、スイッチング素子Q71〜Q74と、スイッチング素子Q71〜Q74にそれぞれ並列接続されたダイオードD71〜D74とを含んでいる。図8に示す例において、スイッチング素子Q71〜Q74の各々は、IGBTである。
The
スイッチング素子Q71及びQ72は、電源ラインPLに接続されるコレクターと、第2の変圧器70aの2次側巻線72aの両端にそれぞれ接続されたエミッターと、それぞれの制御信号が供給されるゲートとを有している。ダイオードD71及びD72は、電源ラインPLに接続されるカソードと、第2の変圧器70aの2次側巻線72aの両端にそれぞれ接続されたアノードとを有している。
Switching elements Q71 and Q72 have collectors connected to power supply line PL, emitters connected to both ends of secondary side winding 72a of
スイッチング素子Q73及びQ74は、第2の変圧器70aの2次側巻線72aの両端にそれぞれ接続されたコレクターと、接地ラインGLに接続されたエミッターと、それぞれの制御信号が供給されるゲートとを有している。ダイオードD73及びD74は、第2の変圧器70aの2次側巻線72aの両端にそれぞれ接続されたカソードと、接地ラインGLに接続されたアノードとを有している。
Switching elements Q73 and Q74 have collectors respectively connected to both ends of secondary side winding 72a of
スイッチング素子Q71〜Q74は、制御部120からゲートに供給される制御信号に従ってスイッチング動作を行う。それらの制御信号の波形は、図7に示す制御信号の波形と同様でも良い。第2のPWMコンバーター80bは、第2の変圧器70aの2次側巻線72aから供給される交流電圧を直流リンク電圧に変換して電源ラインPLに供給する。直流リンク電圧の値は、スイッチング素子Q71〜Q74のゲートに供給される制御信号の周期又はデューティー比等によって所望の値に制御することができる。
Switching elements Q71 to Q74 perform a switching operation in accordance with a control signal supplied from
電源ラインPLにおいて、PWMコンバーター80aから供給される直流リンク電圧と第2のPWMコンバーター80bから供給される直流リンク電圧とが合成される。従って、制御部120は、PWMコンバーター80aから供給される直流リンク電圧と第2のPWMコンバーター80bから供給される直流リンク電圧とが不均衡にならないように、燃料電池FC1及びFC2の出力電圧に応じて、PWMコンバーター80a及び第2のPWMコンバーター80bに供給される制御信号の周期又はデューティー比等を設定する。そのために、燃料電池FC1の出力電圧を測定する電圧計と、燃料電池FC2の出力電圧を測定する電圧計とが、電気車両に設けられている。
In the power supply line PL, the DC link voltage supplied from the
本発明の第3の実施形態によれば、インバーター60がPWMコンバーター80a及びモーター駆動回路100から電気的に絶縁されていると共に、第2のインバーター60aが第2のPWMコンバーター80b及びモーター駆動回路100から電気的に絶縁されている。従って、燃料電池FC1及びFC2に直接接続される回路を非接地としつつ、燃料電池FC1及びFC2又は架線から電力が供給されて主電動機40を駆動するモーター駆動回路100等を接地することが可能となる。
According to the third embodiment of the present invention, the
<電力変換方法>
次に、本発明の一実施形態に係る電力変換方法について、図1、図3、及び、図9を参照しながら説明する。図9は、本発明の一実施形態に係る電力変換方法を示すフローチャートである。
<Power conversion method>
Next, a power conversion method according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1, 3 and 9. FIG. 9 is a flowchart showing a power conversion method according to an embodiment of the present invention.
この電力変換方法は、図1及び図3に示すように、直流電圧を交流電圧に変換するインバーター60と、インバーター60から交流電圧が供給される1次側巻線71、及び、1次側巻線71から電気的に絶縁された2次側巻線72を有する変圧器70と、変圧器70の2次側巻線72から供給される交流電圧に基づいて直流電圧を生成する電圧変換回路80と、電源ラインPLから供給される直流電圧に基づいて主電動機40の駆動電圧を生成するモーター駆動回路100とを含む電力変換装置において用いられる。
As shown in FIGS. 1 and 3, this power conversion method includes an
図9に示すステップS1において、制御部120が、電力変換装置を第1のモード〜第3のモードの内のいずれかに設定する。電気車両は、第1のモードにおいて、燃料電池FC1から供給される電力を用いて走行し、第2のモードにおいて、架線から供給される電力を用いて走行し、第3のモードにおいて、蓄電池BATから供給される電力を用いて走行する。
In step S1 shown in FIG. 9, the
図9に示すステップS2〜S5は、第1のモードにおける電力変換装置(図1参照)の動作を表している。まず、ステップS2において、制御部120が、電圧変換回路80によって生成される直流電圧を電源ラインPLに供給するように切換回路90を制御する。
Steps S2 to S5 shown in FIG. 9 represent the operation of the power conversion device (see FIG. 1) in the first mode. First, in step S2, the
次に、ステップS3において、制御部120が、接地されたレールから電気的に絶縁されたインバーター60に制御信号を供給する。それにより、インバーター60が、燃料電池FC1から供給される直流電圧を交流電圧に変換して変圧器70の1次側巻線71に供給する。また、ステップS4において、電圧変換回路80を用いて、変圧器70の2次側巻線72から供給される交流電圧に基づいて直流電圧が生成される。
Next, in step S3, the
ここで、ステップS4において、電圧変換回路80を構成するブリッジ接続された複数のダイオードD21〜D24を用いて、変圧器70の2次側巻線72から供給される交流電圧を整流して直流電圧が生成されるようにしても良い。あるいは、図6に示すPWMコンバーター80aが用いられる場合には、制御部120が、変圧器70の2次側巻線72から供給される交流電圧を直流電圧に変換するように、電圧変換回路を構成するPWMコンバーター80aに制御信号を供給するようにしても良い。
Here, in step S4, using the plurality of bridge-connected diodes D21 to D24 that constitute the
次に、ステップS5において、制御部120が、接地されたレールに電気的に接続されたモーター駆動回路100に制御信号を供給する。それにより、モーター駆動回路100が、電源ラインPLから供給される直流電圧に基づいて、主電動機40の駆動電圧を生成する。その結果、電気車両が、燃料電池FC1から供給される電力を用いて走行する。
Next, in step S5, the
図9に示すステップS6〜S7は、第2のモード(図3参照)における電力変換装置の動作を表している。まず、ステップS6において、制御部120が、パンタグラフ10を介して架線に電気的に接続されている入力端子91から供給される直流電圧を電源ラインPLに供給するように切換回路90を制御する。
Steps S6 to S7 shown in FIG. 9 represent the operation of the power conversion device in the second mode (see FIG. 3). First, in step S6, the
次に、ステップS7において、制御部120が、接地されたレールに電気的に接続されたモーター駆動回路100に制御信号を供給する。それにより、モーター駆動回路100が、電源ラインPLから供給される直流電圧に基づいて、主電動機40の駆動電圧を生成する。その結果、電気車両が、架線から供給される電力を用いて走行する。
Next, in step S7, the
図9に示すステップS8〜S10は、第3のモードにおける電力変換装置の動作を表している。まず、ステップS8において、制御部120が、切換回路90を非接続状態に制御する。あるいは、制御部120が、高速度遮断器22をオフ状態としても良い。
Steps S8 to S10 shown in FIG. 9 represent the operation of the power conversion device in the third mode. First, in step S8, the
次に、ステップS9において、制御部120が、DC/DCコンバーター110に制御信号を供給する。それにより、DC/DCコンバーター110が、蓄電池BATから出力される直流電圧を昇圧して電源ラインPLに供給する。
Next, in step S9, the
次に、ステップS10において、制御部120が、接地されたレールに電気的に接続されたモーター駆動回路100に制御信号を供給する。それにより、モーター駆動回路100が、電源ラインPLから供給される直流電圧に基づいて、主電動機40の駆動電圧を生成する。その結果、電気車両が、蓄電池BATから供給される電力を用いて走行する。
Next, in step S10, the
本実施形態によれば、第1のモードにおいて、接地されたレールから電気的に絶縁されたインバーター60を用いて、燃料電池FC1から供給される直流電圧を交流電圧に変換して変圧器70の1次側巻線71に供給し、電圧変換回路80を用いて、変圧器70の2次側巻線72から供給される交流電圧に基づいて直流電圧を生成して電源ラインPLに供給するので、燃料電池FC1に直接接続される回路を非接地とすることができる。また、第1〜第3のモードにおいて、電源ラインPLから供給される直流電圧に基づいて主電動機40の駆動電圧を生成するモーター駆動回路100等を接地することができる。
According to the present embodiment, in the first mode, the
本発明は、以上説明した実施形態に限定されるものではなく、当該技術分野において通常の知識を有する者によって、本発明の技術的思想内で多くの変形が可能である。例えば、以上説明した実施形態の内から選択された複数の実施形態を組み合わせて実施することも可能である。 The present invention is not limited to the embodiments described above, and many modifications can be made within the technical concept of the present invention by those skilled in the art. For example, it is also possible to combine and implement a plurality of embodiments selected from the embodiments described above.
本発明は、鉄道車両等の電気車両において用いられる電力変換装置、又は、そのような電力変換装置を搭載した電気車両において利用することが可能である。 The present invention can be used in a power converter used in an electric vehicle such as a railway vehicle or in an electric vehicle equipped with such a power converter.
10…パンタグラフ、12…車輪、13…接地用スイッチ回路、21〜26…高速度遮断器、31〜36…起動用スイッチ回路、40…主電動機、50…補助回路用電源装置、60、60a…インバーター、70、70a…変圧器、71、71a…1次側巻線、72、72a…2次側巻線、80…電圧変換回路、80a、80b…PWMコンバーター、90…切換回路、91…入力端子、100…モーター駆動回路、110…DC/DCコンバーター、120…制御部、130…格納部、140…制御信号伝送部、FC1、FC2…燃料電池、BAT…蓄電池、R1〜R7…抵抗、C1〜C7…キャパシター、L4〜L6…インダクター、Q11〜Q74…スイッチング素子、D11〜D74…ダイオード
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記インバーターから交流電圧が供給される1次側巻線、及び、1次側巻線から電気的に絶縁された2次側巻線を有する変圧器と、
前記変圧器の2次側巻線から供給される交流電圧に基づいて直流電圧を生成する電圧変換回路と、
第1のモードにおいて、少なくとも前記電圧変換回路から供給される直流電圧を電源ラインに供給し、第2のモードにおいて、入力端子から供給される直流電圧を前記電源ラインに供給する切換回路と、
前記電源ラインから供給される直流電圧に基づいて主電動機の駆動電圧を生成するモーター駆動回路と、
を備え、前記インバーターが、前記電圧変換回路及び前記モーター駆動回路から電気的に絶縁されている、電力変換装置。 An inverter for converting a DC voltage supplied from a fuel cell into an AC voltage;
A transformer having a primary side winding to which alternating voltage is supplied from the inverter, and a secondary side winding electrically isolated from the primary side winding;
A voltage conversion circuit that generates a DC voltage based on an AC voltage supplied from a secondary winding of the transformer;
A switching circuit that supplies at least a DC voltage supplied from the voltage conversion circuit to a power supply line in a first mode, and supplies a DC voltage supplied from an input terminal to the power supply line in a second mode;
A motor drive circuit that generates a drive voltage of a main motor based on a DC voltage supplied from the power supply line;
A power converter, the inverter being electrically isolated from the voltage conversion circuit and the motor drive circuit.
前記第2のインバーターから交流電圧が供給される1次側巻線、及び、1次側巻線から電気的に絶縁された2次側巻線を有する第2の変圧器と、
前記第2の変圧器の2次側巻線から供給される交流電圧を直流電圧に変換する第2のPWMコンバーターと、
をさらに備え、前記第2のインバーターが、前記第2のPWMコンバーター及び前記モーター駆動回路から電気的に絶縁されており、前記PWMコンバーターから出力される直流電圧と前記第2のPWMコンバーターから出力される直流電圧とが合成される、請求項4記載の電力変換装置。 A second inverter for converting DC voltage supplied from the second fuel cell into AC voltage;
A second transformer having a primary side winding to which alternating voltage is supplied from the second inverter, and a secondary side winding electrically isolated from the primary side winding;
A second PWM converter for converting an AC voltage supplied from a secondary winding of the second transformer into a DC voltage;
And the second inverter is electrically isolated from the second PWM converter and the motor drive circuit, and the DC voltage output from the PWM converter and the second inverter output The power converter according to claim 4, wherein the DC voltage is combined with the DC voltage.
前記電力変換装置が設置された車体に回転可能に取り付けられた複数の車輪と、
を備え、前記インバーターが、前記複数の車輪から電気的に絶縁されている、電気車両。 The power converter according to any one of claims 1 to 7,
A plurality of wheels rotatably mounted on a vehicle body on which the power conversion device is installed;
An electric vehicle, the inverter being electrically isolated from the plurality of wheels.
第1のモードにおいて、前記電圧変換回路によって生成される直流電圧を前記電源ラインに供給するように切換回路を制御するステップ(a)と、
前記第1のモードにおいて、接地されたレールから電気的に絶縁された前記インバーターに制御信号を供給することにより、燃料電池から供給される直流電圧を交流電圧に変換して前記変圧器の1次側巻線に供給するステップ(b)と、
前記第1のモードにおいて、前記電圧変換回路を用いて、前記変圧器の2次側巻線から供給される交流電圧に基づいて直流電圧を生成するステップ(c)と、
前記第1のモードにおいて、接地されたレールに電気的に接続された前記モーター駆動回路に制御信号を供給することにより、前記電源ラインから供給される直流電圧に基づいて前記主電動機の駆動電圧を生成するステップ(d)と、
第2のモードにおいて、入力端子から供給される直流電圧を前記電源ラインに供給するように前記切換回路を制御するステップ(e)と、
前記第2のモードにおいて、接地されたレールに電気的に接続された前記モーター駆動回路に制御信号を供給することにより、前記電源ラインから供給される直流電圧に基づいて前記主電動機の駆動電圧を生成するステップ(f)と、
を備える電力変換方法。 A transformer having an inverter for converting a DC voltage to an AC voltage, a primary side winding to which an AC voltage is supplied from the inverter, and a secondary side winding electrically isolated from the primary side winding; A voltage conversion circuit that generates a DC voltage based on an AC voltage supplied from a secondary winding of the transformer, and a motor drive that generates a drive voltage of a main motor based on a DC voltage supplied from a power supply line A power conversion method used in a power conversion device including a circuit;
Controlling a switching circuit to supply a DC voltage generated by the voltage conversion circuit to the power supply line in a first mode;
In the first mode, by supplying a control signal to the inverter electrically isolated from the grounded rail, the DC voltage supplied from the fuel cell is converted to an AC voltage to be the primary of the transformer. Supplying the side winding (b);
Generating, in the first mode, a DC voltage based on an AC voltage supplied from a secondary winding of the transformer using the voltage conversion circuit;
In the first mode, by supplying a control signal to the motor drive circuit electrically connected to the grounded rail, the drive voltage of the main motor is determined based on the DC voltage supplied from the power supply line. Generating step (d),
Controlling the switching circuit to supply a DC voltage supplied from an input terminal to the power supply line in a second mode;
In the second mode, by supplying a control signal to the motor drive circuit electrically connected to the grounded rail, the drive voltage of the main motor is determined based on the DC voltage supplied from the power supply line. Generating step (f),
Power conversion method.
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