JP6240023B2 - Power converter and railway vehicle equipped with the same - Google Patents

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Description

本発明は、電力変換装置に関し、特にインバータ装置、DC−DC変換装置、蓄電装置及び補助電源装置を備える鉄道車両の電力変換装置に適用して好適なるものである。   The present invention relates to a power conversion device, and is particularly suitable for application to a power conversion device for a railway vehicle including an inverter device, a DC-DC conversion device, a power storage device, and an auxiliary power supply device.

昨今、産業界で広く用いられているインバータ装置では、パルス幅変調(PWM)方式を用いた可変電圧可変周波数(以下、可変電圧可変周波数をVVVFと称する。)制御により直流電力を交流電力に変換する方式が広く利用されている。   In recent years, inverter devices widely used in the industry convert DC power to AC power by controlling a variable voltage variable frequency (hereinafter referred to as VVVF) using a pulse width modulation (PWM) method. This method is widely used.

例えば鉄道車両の分野では、VVVFインバータ装置を用いて電動機を駆動することで車両を加速させると共に、ブレーキ時に電動機を発電機として動作させることにより運動エネルギーを電気エネルギーに変換し、架空電車線(以下、架空電車線を電車線と称する。)へ戻す回生ブレーキ制御が広く用いられている。   For example, in the field of railway vehicles, the VVVF inverter device is used to drive the motor to accelerate the vehicle, and at the time of braking, the motor is operated as a generator to convert kinetic energy into electric energy, which is an overhead train line (hereinafter referred to as an overhead train line). The regenerative brake control for returning the overhead train line to the train line is widely used.

また、蓄電装置を応用して、回生ブレーキにより得られる回生電力を充電することで蓄電し、この蓄電電力を車両の加速時の電力に活用したり、補機用電源、例えば空調装置や車内の照明用の電力に活用したりして、更なる省エネルギー化を実現させる技術が検討されている。   In addition, by applying the power storage device, the regenerative power obtained by the regenerative brake is charged to store the power, and this stored power can be used for the acceleration power of the vehicle. Technologies that can be used for power for lighting to achieve further energy saving are being studied.

例えば、特許文献1には、蓄電電力を補助電源装置の電力として活用するシステムが開示されている。特許文献1に開示されているシステムは、回生電力貯蔵装置に補助電源装置が直列に接続されており、回生電力貯蔵装置及び補助電源装置の電流リップル低減用リアクトルを共用し、回生電力貯蔵装置の電力貯蔵部を介して補助電源装置へ直流電力を供給する構成を有する。   For example, Patent Document 1 discloses a system that utilizes stored power as power of an auxiliary power supply device. In the system disclosed in Patent Literature 1, an auxiliary power supply device is connected in series to a regenerative power storage device, and the current ripple reduction reactor of the regenerative power storage device and the auxiliary power supply device is shared, and the regenerative power storage device It has a configuration for supplying DC power to the auxiliary power supply device via the power storage unit.

このような構成とすることにより、補助電源装置と回生電力貯蔵装置と並列に接続する場合に比べ、電流リップル低減用リアクトルを省略でき、さらに、回生電力貯蔵装置から補助電源装置に電力を供給する場合に、回生電力貯蔵装置から放電するための整流器のスイッチング動作が不要になり装置を小型化することができる。また、補助電源装置の入力電源が電力貯蔵部となるため、安定した入力電源として補助電源装置に電力を供給することができ、電車線停電時や、整流器(DC−DC変換回路)の故障時にも補助電源装置に電力を供給することができる。   By adopting such a configuration, compared with the case where the auxiliary power supply device and the regenerative power storage device are connected in parallel, the current ripple reducing reactor can be omitted, and further, power is supplied from the regenerative power storage device to the auxiliary power supply device. In this case, the switching operation of the rectifier for discharging from the regenerative power storage device becomes unnecessary, and the device can be miniaturized. In addition, since the input power supply of the auxiliary power supply device serves as a power storage unit, power can be supplied to the auxiliary power supply device as a stable input power supply. When a power failure occurs on a train line or when a rectifier (DC-DC conversion circuit) fails. Can also supply power to the auxiliary power supply.

また、電力変換装置およびDC−DC変換回路は、一般に電力用半導体素子を用いたスイッチング素子で構成される。PWM方式による電力変換では、スイッチング素子のスイッチングにより直流電力を交流電力に変換するが、この電力変換の際に、高調波ひずみが発生することから、電力変換装置(インバータ回路)による高調波ひずみは、リアクトルとキャパシタからなるフィルタ回路で吸収するとともに、DC−DC変換回路による高調波ひずみも、リアクトルとキャパシタからなるフィルタ回路で吸収する構成とすることで、直流電車線への高調波ひずみの流入を防いでいる。 Moreover, the power converter and the DC-DC converter circuits are generally comprised of a switching element using a semiconductor element for power. In power conversion by the PWM method, DC power is converted into AC power by switching of a switching element. Since harmonic distortion is generated at the time of this power conversion, harmonic distortion by the power converter (inverter circuit) is In addition to absorbing the harmonic distortion caused by the DC-DC converter circuit, the harmonic distortion caused by the reactor and the capacitor is absorbed by the filter circuit consisting of the reactor and the capacitor. It is preventing.

また、上記した電力変換装置は、車両を加速する力行時に、直流電車線から集電装置を通して直流電力を入力し、リアクトル、キャパシタを介して電力変換装置(インバータ回路)に電力を供給した後、直流電力を三相交流電力に変換することで電動機を駆動し、車両を加速させる。   The power converter described above inputs DC power from the DC train line through the current collector during powering to accelerate the vehicle, and supplies the power to the power converter (inverter circuit) via the reactor and the capacitor. The electric motor is driven by converting electric power into three-phase AC electric power, and the vehicle is accelerated.

また、車両を減速する回生ブレーキ時に、電動機より発生する回生電力を力行時と同経路により直流電車線に電力を戻すことで、回生電力は、同一線路上の他の車両の力行電力として用いられる。一方、上記の回生ブレーキ時において、電動機より発生した回生電力を蓄電装置により吸収し、補助電源装置の電力として電力を有効利用できる装置構成としている。とくに、直流電車線の負荷が小さく、直流電車線へ回生電力を戻せない軽負荷状態の場合、通常の電力変換装置(インバータ回路)は回生電流すなわち回生電力を絞り、空気ブレーキによりブレーキがかかる(軽負荷回生動作)が、この直流電車線へ戻せなくなった分の回生電力を蓄電装置により吸収することで、この軽負荷回生動作時の回生電力を有効利用することができる。   In addition, at the time of regenerative braking for decelerating the vehicle, the regenerative power generated from the electric motor is returned to the DC train line through the same route as that during powering, so that the regenerative power is used as powering power for other vehicles on the same line. On the other hand, at the time of the above-described regenerative braking, the regenerative power generated from the electric motor is absorbed by the power storage device, and the power can be effectively used as the power of the auxiliary power supply device. In particular, when the load on the DC train line is small and the regenerative power cannot be returned to the DC train line, the normal power converter (inverter circuit) throttles the regenerative current, that is, the regenerative power, and the brake is applied by the air brake (light load). In the regenerative operation), the regenerative power that cannot be returned to the DC train line is absorbed by the power storage device, so that the regenerative power during the light load regenerative operation can be effectively used.

また、特許文献2には、蓄電電力の出力側に補助電源装置を備えることが開示されており、DC−DC変換回路(昇降圧チョッパ)と、蓄電装置と、補助電源装置が並列に接続され、また、インバータとDC−DC変換回路(昇降圧チョッパ)は別ユニットとしてインバータの直流出力側で接続された構成となっている。特許文献2には、補助電源装置に接続される蓄電装置の入出力特性について開示されており、入出力特性は蓄電装置の蓄電量に対して一定の特性となっている。   Patent Document 2 discloses that an auxiliary power supply device is provided on the output side of the stored power, and the DC-DC conversion circuit (buck-boost chopper), the power storage device, and the auxiliary power device are connected in parallel. In addition, the inverter and the DC-DC conversion circuit (step-up / step-down chopper) are connected as separate units on the DC output side of the inverter. Patent Document 2 discloses input / output characteristics of a power storage device connected to an auxiliary power supply device, and the input / output characteristics are constant with respect to the amount of power stored in the power storage device.

特開2009−95079号公報JP 2009-95079 A 特開2008−131834号公報JP 2008-131834 A

しかし、上記特許文献では、蓄電装置を受電するためのDC−DC変換回路や直流電車線と接続される側の入力部にフィルタ回路が必要であり、システム全体の機器サイズが大型化するという問題があった。また、蓄電装置の電力を補助電源装置の電源電力として使用する場合、蓄電装置の入出力特性は、回生電力を有効利用できる特性となっていないため、回生電力を有効利用することができないという問題があった。   However, in the above-mentioned patent document, a filter circuit is required in the input unit on the side connected to the DC-DC conversion circuit and the DC train line for receiving the power storage device, and there is a problem that the device size of the entire system increases. there were. In addition, when the power of the power storage device is used as the power supply power of the auxiliary power supply device, the input / output characteristics of the power storage device are not characteristics that allow the regenerative power to be used effectively, and therefore the regenerative power cannot be used effectively. was there.

本発明は以上の点を考慮してなされたもので、蓄電装置を備えた補助電源装置の電力を利用するに際し、装置を小型化しつつ、回生電力を有効利用することが可能な電力変換装置及びそれを備えた鉄道車両を提案しようとするものである。   The present invention has been made in consideration of the above points, and a power conversion device capable of effectively using regenerative power while reducing the size of the device when using the power of the auxiliary power supply device including the power storage device, and We intend to propose a railway vehicle equipped with it.

かかる課題を解決するために本発明においては、第1の直流電力を第1の正負の一対配線で受け、第1の交流電力に変換する第1の電力変換手段と、前記第1の電力変換手段の交流側に接続された電動機と、前記第1の直流電力を前記第1の正負の一対配線で受け、前記第1の直流電力の電圧レベルと異なる電圧レベルの第2の直流電力に変換し第2の正負の一対配線で出力する第2の電力変換手段と、前記第1の正負の一対配線間に接続される第1のキャパシタと、前記第2の直流電力を蓄電する蓄電手段と、前記第2の電力変換手段と前記蓄電手段との間に接続される第1のリアクトルと、前記蓄電手段と直列に接続される第1の遮断器及び第2の遮断器とを有し、前記第2の遮断器と並列に接続される抵抗と、前記蓄電手段と前記第1のリアクトルとの間に接続される第3の遮断器と、前記蓄電手段の電力を第2の交流電力に変換する第3の電力変換手段と、前記第3の電力変換手段と前記蓄電手段との間に、前記蓄電手段と並列に接続される第2のキャパシタと、前記蓄電手段と前記第2のキャパシタとの間に接続される第4の遮断器と、前記第3の電力変換手段の交流側に接続される交流回路と、前記第1〜第3の電力変換手段と前記蓄電装置を制御する制御手段と、を有し、前記第1の電力変換手段と前記第2の電力変換手段とを同一ユニットないで一体接続して構成し、前記制御手段は、前記蓄電手段の充電動作条件を、前記第3の電力変換手段の負荷の大きさと、前記第1のキャパシタの電圧により決定することを特徴とする、電力変換装置が提供される。 In order to solve such a problem, in the present invention, first power conversion means for receiving first DC power by a first pair of positive and negative wires and converting it to first AC power, and the first power conversion An electric motor connected to the AC side of the means and the first DC power are received by the first pair of positive and negative wires and converted to a second DC power having a voltage level different from the voltage level of the first DC power. And second power conversion means for outputting the second pair of positive and negative wires, a first capacitor connected between the first pair of positive and negative wires, and power storage means for storing the second DC power. A first reactor connected between the second power conversion means and the power storage means, and a first circuit breaker and a second circuit breaker connected in series with the power storage means, A resistor connected in parallel with the second circuit breaker, the power storage means and the first A third circuit breaker connected between the reactor, a third power conversion means for converting the power of the power storage means into a second AC power, and the third power conversion means and the power storage means. A second capacitor connected in parallel with the power storage means, a fourth circuit breaker connected between the power storage means and the second capacitor, and an alternating current of the third power conversion means An AC circuit connected to the side, the first to third power conversion means, and a control means for controlling the power storage device, the first power conversion means and the second power conversion means, The control means determines the charging operation condition of the power storage means based on the load size of the third power conversion means and the voltage of the first capacitor. A power conversion device is provided.

かかる構成によれば、第1の電力変換手段と、第2の電力変換手段の間の配線インダクタンスが小さくなり、配線インダクタンスと第1のキャパシタの容量で定まる共振周波数が大きくなり、インバータ回路とDC−DC変換回路とが並列接続される直流部の共振現象を防ぐことができる。また、リアクトルとキャパシタの共用化によって装置の台数を削減することができる。また、インバータ回路とDC−DC変換回路を同一の冷却器上に実装することで小型化でき、システム全体の装置を小型化がすることができる。   According to this configuration, the wiring inductance between the first power conversion unit and the second power conversion unit is reduced, the resonance frequency determined by the wiring inductance and the capacitance of the first capacitor is increased, and the inverter circuit and the DC -It is possible to prevent the resonance phenomenon of the direct current part connected in parallel with the DC conversion circuit. Further, the number of devices can be reduced by sharing the reactor and the capacitor. Further, by mounting the inverter circuit and the DC-DC conversion circuit on the same cooler, the size can be reduced, and the apparatus of the entire system can be reduced in size.

本発明によれば、蓄電装置を備えた補助電源装置の電力を利用するに際し、装置を小型化しつつ、回生電力を有効利用して最適な省エネシステムを実現することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, when using the electric power of the auxiliary power supply device provided with the electrical storage apparatus, the optimal energy saving system can be implement | achieved by utilizing effectively regenerative power, reducing an apparatus in size.

本発明の第1の実施形態に係る電力変換装置の主回路の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the main circuit of the power converter device which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 同実施形態にかかる一体ユニットの機器構成例を示す図である。It is a figure which shows the apparatus structural example of the integrated unit concerning the embodiment. 同実施形態にかかる蓄電装置の充電動作開始条件を示す図である。It is a figure which shows the charge operation start condition of the electrical storage apparatus concerning the embodiment. 同実施形態にかかる電力変換装置の遮断器の投入シーケンスを示す図である。It is a figure which shows the injection | throwing-in sequence of the circuit breaker of the power converter device concerning the embodiment. 同実施形態にかかる電力変換装置の主回路の別構成の例を示す図である。It is a figure which shows the example of another structure of the main circuit of the power converter device concerning the embodiment. 同実施形態にかかる電力変換装置の制御装置の別構成の例を示す図である。It is a figure which shows the example of another structure of the control apparatus of the power converter device concerning the embodiment. 同実施形態にかかる充放電特性を示す図である。It is a figure which shows the charging / discharging characteristic concerning the embodiment. 本発明の第2の実施形態に係る電力変換装置の主回路の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the main circuit of the power converter device which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態に係る電力変換装置の主回路の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the main circuit of the power converter device which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 従来の電力変換装置の主回路構成例を示す図である。It is a figure which shows the example of a main circuit structure of the conventional power converter device.

以下図面について、本発明の一実施の形態を詳述する。
(1)第1の実施の形態
(1−1)本実施の形態の概要
まず、図10を参照して、従来の電力変換装置について説明する。図10に示す従来の電力変換装置は、直流電車線111、集電装置112、主開閉器113、充電抵抗114、開閉器115、直流リンク部116、電動機117、電力変換装置(インバータ回路)118、接触器119a〜119c、直流リップル低減用リアクトル120a、120c、フィルタコンデンサ121a〜121c、補助電源装置123、回生電力貯蔵装置124、DC−DC変換回路125、リアクトル126、接触器127及び蓄電装置128から構成される。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(1) First Embodiment (1-1) Outline of this Embodiment First, a conventional power conversion device will be described with reference to FIG. 10 includes a DC train line 111, a current collector 112, a main switch 113, a charging resistor 114, a switch 115, a DC link unit 116, an electric motor 117, a power converter (inverter circuit) 118, From the contactors 119a to 119c, the DC ripple reducing reactors 120a and 120c, the filter capacitors 121a to 121c, the auxiliary power supply device 123, the regenerative power storage device 124, the DC-DC conversion circuit 125, the reactor 126, the contactor 127, and the power storage device 128. Composed.

図10に示す回路は、回生電力貯蔵装置124に補助電源装置123が直列に接続されており、回生電力貯蔵装置124及び補助電源装置123の電流リップル低減用リアクトル120cを共用し、回生電力貯蔵装置124の電力貯蔵部を介して補助電源装置123へ直流電力を供給する構成となっている。   In the circuit shown in FIG. 10, an auxiliary power supply device 123 is connected in series to a regenerative power storage device 124, and the current ripple reduction reactor 120 c of the regenerative power storage device 124 and the auxiliary power supply device 123 is shared. The DC power is supplied to the auxiliary power supply device 123 through the power storage unit 124.

これにより、補助電源装置123と回生電力貯蔵装置124を直流リンク部116で並列に接続する場合に比べ、電流リプル低減用リアクトルを省略でき、さらに回生電力貯蔵装置124から補助電源装置123に電力を供給する場合に、回生電力貯蔵装置124から放電するための整流器のスイッチング動作が不要になり装置を小型化できる効果がある。また、補助電源装置123の入力電源が電力貯蔵部となるため、安定した入力電源として補助電源装置123に電力を供給することができ、電車線停電時や、整流器(DC−DC変換回路)の故障時にも補助電源装置に電力を供給することができる。   Thereby, compared with the case where the auxiliary power supply device 123 and the regenerative power storage device 124 are connected in parallel by the DC link unit 116, the current ripple reducing reactor can be omitted, and further, the power is supplied from the regenerative power storage device 124 to the auxiliary power supply device 123. In the case of supplying, there is an effect that the switching operation of the rectifier for discharging from the regenerative power storage device 124 becomes unnecessary, and the device can be miniaturized. Moreover, since the input power supply of the auxiliary power supply device 123 serves as a power storage unit, it is possible to supply power to the auxiliary power supply device 123 as a stable input power supply, and at the time of a train line power failure or a rectifier (DC-DC conversion circuit). Even when a failure occurs, power can be supplied to the auxiliary power supply.

ここで、電力変換装置(インバータ回路)118及びDC−DC変換回路125は、一般的に電力用半導体素子を用いたスイッチング素子で構成される。PWM方式による電力変換では、スイッチング素子のスイッチングにより直流電力を交流電力に変換する。この電力変換の際に、高調波ひずみが発生することから、電力変換装置(インバータ回路)118による高調波ひずみは、リアクトルとキャパシタからなるフィルタ回路で吸収するとともに、DC−DC変換回路125による高調波ひずみも、リアクトルとキャパシタからなるフィルタ回路で吸収する構成とすることで、直流電車線への高調波ひずみの流入を防いでいる。   Here, the power conversion device (inverter circuit) 118 and the DC-DC conversion circuit 125 are generally composed of switching elements using power semiconductor elements. In power conversion by the PWM method, DC power is converted to AC power by switching of a switching element. Since harmonic distortion occurs during this power conversion, the harmonic distortion caused by the power conversion device (inverter circuit) 118 is absorbed by the filter circuit including the reactor and the capacitor, and the harmonic distortion caused by the DC-DC conversion circuit 125. Wave distortion is also absorbed by a filter circuit composed of a reactor and a capacitor, thereby preventing harmonic distortion from flowing into the DC train line.

電力変換装置118は、車両を加速する力行時に、直流電車線111から集電装置112を通して直流電力を入力し、リアクトル120a、キャパシタ121aを介して電力変換装置(インバータ回路)118に電力を供給した後、直流電力を三相交流電力に変換することで電動機117を駆動し、車両を加速させる。   The power converter 118 inputs DC power from the DC train line 111 through the current collector 112 during powering to accelerate the vehicle, and supplies power to the power converter (inverter circuit) 118 via the reactor 120a and the capacitor 121a. The electric motor 117 is driven by converting DC power into three-phase AC power, and the vehicle is accelerated.

また、車両を減速する回生ブレーキ時に、電動機117より発生する回生電力を前記力行時と同経路により直流電車線に電力を戻すことで、回生電力は、同一線路上の他の車両の力行電力として用いられる。また、回生ブレーキ時において、電動機117より発生した回生電力を蓄電装置128により吸収し、補助電源装置123の電力として電力を有効利用できる装置構成としている。   In addition, at the time of regenerative braking to decelerate the vehicle, the regenerative power generated from the electric motor 117 is returned to the DC train line through the same route as that during the power running, so that the regenerative power is used as the power running power of other vehicles on the same track. It is done. Further, at the time of regenerative braking, the regenerative power generated from the electric motor 117 is absorbed by the power storage device 128 and the power can be effectively used as the power of the auxiliary power supply device 123.

直流電車線111の負荷が小さく、直流電車線111へ回生電力を戻せない軽負荷状態の場合、通常の電力変換装置(インバータ回路)118は回生電流すなわち回生電力を絞り、空気ブレーキによりブレーキがかかる(軽負荷回生動作)。この直流電車線111へ戻せなくなった分の回生電力を蓄電装置128により吸収することで、この軽負荷回生動作時の回生電力を有効利用することができる。   In a light load state where the load on the DC train line 111 is small and the regenerative power cannot be returned to the DC train line 111, the normal power converter (inverter circuit) 118 restricts the regenerative current, that is, the regenerative power, and the brake is applied by the air brake (light Load regenerative operation). By absorbing the regenerative power that cannot be returned to the DC train line 111 by the power storage device 128, the regenerative power during the light load regenerative operation can be used effectively.

また、上記したように、蓄電電力の出力側に補助電源装置を備え、DC−DC変換回路(昇降圧チョッパ)と、蓄電装置と、補助電源装置が並列に接続され、また、インバータとDC−DC変換回路(昇降圧チョッパ)は別ユニットとしてインバータの直流出力側で接続された構成としている電力変換装置もある。この電力変換装置において、補助電源装置に接続される蓄電装置の入出力特性は、蓄電装置の蓄電量に対して一定の特性となっている。   Further, as described above, an auxiliary power supply device is provided on the output side of the stored power, the DC-DC conversion circuit (buck-boost chopper), the power storage device, and the auxiliary power supply device are connected in parallel, and the inverter and the DC- There is also a power conversion device in which a DC conversion circuit (step-up / step-down chopper) is connected as a separate unit on the DC output side of an inverter. In this power conversion device, the input / output characteristics of the power storage device connected to the auxiliary power supply device are constant with respect to the amount of power stored in the power storage device.

しかし、上記した電力変換装置では、蓄電装置を受電するためのDC−DC変換回路や直流電車線と接続される側の入力部にフィルタ回路が必要であり、システム全体の機器サイズが大型化するという問題があった。また、蓄電装置の電力を補助電源装置の電源電力として使用する場合、蓄電装置の入出力特性は、回生電力を有効利用できる特性となっていないため、回生電力を有効利用することができないという問題があった。すなわち、上記した電力変換装置には、以下の4つの課題がある。   However, in the above-described power conversion device, a filter circuit is required in the input unit connected to the DC-DC conversion circuit and the DC train line for receiving the power storage device, and the device size of the entire system is increased. There was a problem. In addition, when the power of the power storage device is used as the power supply power of the auxiliary power supply device, the input / output characteristics of the power storage device are not characteristics that allow the regenerative power to be used effectively, and therefore the regenerative power cannot be used effectively. was there. That is, the above power converter has the following four problems.

図10の電力変換装置では、蓄電装置128を充電するためのDC−DC変換回路125や直流電車線111と接続される側の入力部にフィルタ回路が必要であり、システム全体の機器サイズが大型化する。また、インバータ回路118とDC−DC変換回路125のそれぞれの入力部にフィルタ回路があるため、これらのフィルタ回路の間で共振現象を起こし、大きな還流電流が流れる可能性がある。   In the power conversion device of FIG. 10, a filter circuit is required in the input unit on the side connected to the DC-DC conversion circuit 125 or the DC train line 111 for charging the power storage device 128, and the device size of the entire system is increased. To do. In addition, since there are filter circuits at the input portions of the inverter circuit 118 and the DC-DC conversion circuit 125, a resonance phenomenon may occur between these filter circuits, and a large return current may flow.

また、インバータと昇降圧チョッパを別ユニットとして接続した場合には、それぞれのユニットの入力部に入力電圧の変動を抑えるために少なくともキャパシタが必要となる。そこで、本実施の形態の第1の課題は、システム全体としての小型化を実現することを目的としている。   Further, when the inverter and the step-up / step-down chopper are connected as separate units, at least a capacitor is required at the input section of each unit in order to suppress fluctuations in the input voltage. Therefore, the first problem of the present embodiment is to achieve downsizing of the entire system.

また、蓄電装置の充電特性が低く、インバータからの回生電力を戻す先が無いときには、蓄電量に余裕があるにも関わらず回生電力を十分に回収することができず、回生電力を有効に利用することができない。特に、車両が電車の場合には、蓄電装置の充電特性が、停車中や惰行走行中に電車線から充電するときに急速に充電できる特性とはなっていない。車両の停車中や惰行中に急速に充電できないということは、限られた停車時間や惰行時間内で十分な充電ができず、補助電源装置の負荷が大きい場合、結果として蓄電量の低下を招き、補助電源装置の停電につながる。   In addition, when the charging characteristics of the power storage device are low and there is no destination to return the regenerative power from the inverter, the regenerative power cannot be recovered sufficiently even though there is a margin in the amount of power storage, and the regenerative power is used effectively. Can not do it. In particular, when the vehicle is a train, the charging characteristics of the power storage device are not characteristics that can be rapidly charged when charging from a train line while the vehicle is stopped or coasting. The fact that the vehicle cannot be charged quickly while the vehicle is stopped or coasting cannot be fully charged within the limited stopping time or coasting time, and if the load of the auxiliary power supply is large, the result is a decrease in the amount of electricity stored. , Leading to a power outage of the auxiliary power supply.

一方、蓄電量に余裕があるときに、積極的に充電するようにすることが必ずしも省エネにとって最適な動作とは限らない。例えば、補助電源装置の負荷が小さいときは、補助電源装置からの放電電力量が小さいため、蓄電装置の蓄電量は回生動作のたびに大きく上昇していき、蓄電量が大きくなり、結果的に回生電力を吸収できない状態となる。   On the other hand, when there is a margin in the amount of power storage, positive charging is not necessarily the optimal operation for energy saving. For example, when the load of the auxiliary power supply device is small, the amount of discharge power from the auxiliary power supply device is small, so the power storage amount of the power storage device increases greatly with each regenerative operation, resulting in a large amount of power storage, and as a result Regenerative power cannot be absorbed.

そこで、本実施の形態の第2の課題は、蓄電装置の充電特性を補助電源装置の負荷の大きさに応じた充電条件特性として、省エネ効果を上げることを目的としている。具体的に、補助電源装置の電源として、かつ、回生電力の有効利用のために使用される蓄電装置の充電条件を、補助電源装置に必要な電力量を確保しつつ、回生電力の吸収効果を十分に出してシステムの省エネ効果を上げる構成とする。   Therefore, the second problem of the present embodiment is to increase the energy saving effect by using the charging characteristics of the power storage device as the charging condition characteristics according to the load of the auxiliary power supply. Specifically, the charging condition of the power storage device used as a power source for the auxiliary power supply and for the effective use of the regenerative power is ensured by absorbing the regenerative power while ensuring the amount of power required for the auxiliary power supply. The system is designed to increase the energy saving effect of the system sufficiently.

また、補助電源装置の入力部に並列に接続されたキャパシタは、通常、容量が大きく、接触器の投入時に蓄電装置と接続された瞬間、蓄電装置の電圧が前記キャパシタに印加され、電力貯蔵部とキャパシタ間に過大電流が流れてしまう。そこで、本実施の形態の第3の課題は、この過大電流を防ぐ回路構成とし、かつ回路構成に応じた接触器の投入シーケンスとすることを目的としている。   In addition, the capacitor connected in parallel to the input unit of the auxiliary power supply device usually has a large capacity, and at the moment when it is connected to the power storage device when the contactor is turned on, the voltage of the power storage device is applied to the capacitor, and the power storage unit And an excessive current flows between the capacitors. Therefore, a third problem of the present embodiment is to provide a circuit configuration that prevents this excessive current and a contactor charging sequence that corresponds to the circuit configuration.

また、蓄電装置が故障等により開放し、電車線から補助電源装置の電力を供給する非常時には、DC−DC変換回路は定電圧制御を行うこととなる。そこで、本実施の形態の第4の課題は、蓄電装置の故障時にDC−DC変換回路が補助電源装置の負荷変動に追従する構成として、非常時でも安全に電力変換させることを目的している。   Further, in an emergency where the power storage device is opened due to a failure or the like and the power of the auxiliary power supply device is supplied from the train line, the DC-DC conversion circuit performs constant voltage control. Therefore, a fourth problem of the present embodiment is to safely convert power even in an emergency as a configuration in which the DC-DC conversion circuit follows the load fluctuation of the auxiliary power supply device when the power storage device fails. .

(1−2)電力変換装置の構成
図1について、本実施の形態にかかる電力変換装置の主回路の構成について説明する。
(1-2) Configuration of Power Converter The configuration of the main circuit of the power converter according to the present embodiment will be described with reference to FIG.

図1に示すように、電力変換装置は、直流電車線1、集電装置2、リアクトル3、インバータ回路(図中INVと表記)5とDC−DC変換回路6の一体ユニット21、電動機17、蓄電装置10、蓄電装置10と並列に接続されるキャパシタ8、リアクトル7、インバータ回路5とDC−DC変換回路6の一体ユニット21内、補助電源装置22などから構成される。   As shown in FIG. 1, the power conversion device includes a DC train line 1, a current collector 2, a reactor 3, an inverter circuit (indicated as INV in the figure) 5 and an integrated unit 21 of a DC-DC conversion circuit 6, an electric motor 17, an electric storage device. The device 10, the capacitor 8 connected in parallel with the power storage device 10, the reactor 7, the integrated unit 21 of the inverter circuit 5 and the DC-DC conversion circuit 6, the auxiliary power supply device 22, and the like.

一体ユニット21内には、キャパシタ4、DC−DC変換を行うためのスイッチング素子18a、18bなどが含まれる。また、一体蓄電装置23には、遮断器9a、9b、9c及び9d、抵抗19bも含まれる。   The integrated unit 21 includes a capacitor 4 and switching elements 18a and 18b for performing DC-DC conversion. The integrated power storage device 23 also includes circuit breakers 9a, 9b, 9c and 9d, and a resistor 19b.

補助電源装置(SIV)22内には、コンデンサ11、インバータ回路12、交流リアクトル13、交流コンデンサ14及びトランス15などが含まれる。補助電源装置22には、負荷16が接続される。統合制御装置31は、インバータ回路5やDC−DC変換回路6、蓄電装置10の一体蓄電装置23内の各装置と、補助電源装置22等を統括して制御する。   The auxiliary power supply (SIV) 22 includes a capacitor 11, an inverter circuit 12, an AC reactor 13, an AC capacitor 14, a transformer 15, and the like. A load 16 is connected to the auxiliary power supply device 22. The integrated control device 31 controls the inverter circuit 5, the DC-DC conversion circuit 6, the devices in the integrated power storage device 23 of the power storage device 10, the auxiliary power supply device 22, and the like.

図1に示す電力変換装置の動作例について説明する。まず車両が回生ブレーキにより減速する場合について説明する。   An operation example of the power conversion device shown in FIG. 1 will be described. First, the case where the vehicle decelerates by regenerative braking will be described.

回生ブレーキによって電動機17から発生する回生電力は、インバータ回路5とキャパシタ4からDC−DC変換回路6、リアクトル7、キャパシタ8、遮断器9c、9b、9aを介して蓄電装置10に充電される。蓄電装置10の充電特性を超える電力は、インバータ回路5とキャパシタ4、リアクトル3を介して、集電装置2から直流電車線1に出力される。蓄電装置10に蓄えられた電力は、遮断器9a、9b、9dを介して、補助電源装置22に供給される。   Regenerative power generated from the electric motor 17 by the regenerative brake is charged to the power storage device 10 from the inverter circuit 5 and the capacitor 4 through the DC-DC conversion circuit 6, the reactor 7, the capacitor 8, and the circuit breakers 9c, 9b, 9a. Electric power exceeding the charging characteristics of the power storage device 10 is output from the current collector 2 to the DC train line 1 via the inverter circuit 5, the capacitor 4, and the reactor 3. The electric power stored in the power storage device 10 is supplied to the auxiliary power supply device 22 through the circuit breakers 9a, 9b, 9d.

補助電源装置22は、蓄電装置10の蓄電電力をキャパシタ11、インバータ回路12、交流リアクトル13、交流コンデンサ14、トランス15を介して、補機16に電力を供給する。統合制御装置31は、全体の状態を監視して、インバータ回路5を回生動作させたり、DC−DC変換回路6を降圧チョッパ動作させたり、蓄電装置10へ充電制御したり、補助電源装置22内のインバータ回路12を動作させたなど、各機器の制御を行う。   The auxiliary power supply device 22 supplies power stored in the power storage device 10 to the auxiliary machine 16 via the capacitor 11, the inverter circuit 12, the AC reactor 13, the AC capacitor 14, and the transformer 15. The integrated control device 31 monitors the entire state, causes the inverter circuit 5 to perform a regenerative operation, causes the DC-DC conversion circuit 6 to perform a step-down chopper operation, controls charging of the power storage device 10, Each device is controlled, for example, the inverter circuit 12 is operated.

なお、車両が長時間停車する場合など、蓄電装置10からの蓄電量が低下する場合には、直流電車線1から集電装置2、リアクトル3、キャパシタ4を介して、DC−DC変換回路6を降圧チョッパ動作させ、蓄電装置10へ充電制御して、蓄電装置10の蓄電量の低下を防ぐ。   When the amount of power stored from the power storage device 10 decreases, such as when the vehicle stops for a long time, the DC-DC conversion circuit 6 is connected from the DC train line 1 to the current collector 2, the reactor 3, and the capacitor 4. The step-down chopper is operated to charge the power storage device 10 to prevent the power storage amount of the power storage device 10 from decreasing.

図1に示す回路構成において、インバータ回路5とDC−DC変換回路6を一体ユニット21で構成することにより、インバータ回路5とDC−DC変換回路6の配線を短くすることができ、インバータ回路5とDC−DC変換回路6の配線に含まれる配線インダクタンスを小さくすることができる。配線インダクタンスを小さくするための、一体ユニット21の機器構成例を図2に示す。   In the circuit configuration shown in FIG. 1, by configuring the inverter circuit 5 and the DC-DC conversion circuit 6 with the integrated unit 21, the wiring between the inverter circuit 5 and the DC-DC conversion circuit 6 can be shortened. In addition, the wiring inductance included in the wiring of the DC-DC conversion circuit 6 can be reduced. FIG. 2 shows a device configuration example of the integrated unit 21 for reducing the wiring inductance.

図2は、DC−DC変換回路6やインバータ回路5に代表される電力変換装置の機器構成の一例を示す斜視図である。図2は、電力変換装置のキャパシタ51、スイッチング素子52、バスバー53及び54を示している。ここで、図2のキャパシタ51は、図1のキャパシタ4に相当し、図2のスイッチング素子52は、図1のスイッチング素子18a、18bとインバータ回路5を構成するスイッチング素子に相当し、一体ユニット21として構成したものが図2である。   FIG. 2 is a perspective view showing an example of a device configuration of a power converter represented by the DC-DC converter circuit 6 and the inverter circuit 5. FIG. 2 shows a capacitor 51, a switching element 52, and bus bars 53 and 54 of the power converter. Here, the capacitor 51 of FIG. 2 corresponds to the capacitor 4 of FIG. 1, and the switching element 52 of FIG. 2 corresponds to the switching elements 18a and 18b of FIG. FIG. 2 shows the configuration 21.

図2に示すように、キャパシタ51とスイッチング素子52を直近に配置する構成とし、最短経路でバスバーで接続し、さらに電源の正極用のバスバー53と負極用のバスバー54を、絶縁確保の上、重ね合わせる構成としている。このような構成とすることにより、図1における配線イダクタンスを含めたスイッチング回路のインダクタンスを、インバータ回路と同じ値程度に小さくすることを可能としている。 As shown in FIG. 2, the capacitor 51 and the switching element 52 are arranged closest to each other, connected by a bus bar through the shortest path, and further, the positive electrode bus bar 53 and the negative electrode bus bar 54 are secured to ensure insulation. It has a structure in which superimposed. With this configuration, the inductance of the switching circuit including the wiring inductance in FIG. 1 can be reduced to the same value as that of the inverter circuit.

上記構成によって、インバータ回路5とDC−DC変換回路6を別々のユニットで組み、電線で接続する場合に比べ、インバータ回路5とDC−DC変換回路6間の配線インダクタンスや、スイッチング素子を含めた回路のインダクタンスを、インバータ回路5とDC−DC変換回路6間を電線で接続する場合に比べ、数十〜数百分の一にすることができる。   Compared to the case where the inverter circuit 5 and the DC-DC conversion circuit 6 are assembled in separate units and connected by electric wires, the wiring inductance between the inverter circuit 5 and the DC-DC conversion circuit 6 and switching elements are included. The inductance of the circuit can be reduced to tens to hundreds of parts compared to the case where the inverter circuit 5 and the DC-DC conversion circuit 6 are connected by an electric wire.

また、キャパシタ4と配線インダクタンスによる共振周波数を、インバータ回路5やDC−DC変換回路6の動作周波数よりも高い周波数に設定できる。このため、上記したような回生ブレーキ時に、インバータ回路5や、DC−DC変換回路6がスイッチング動作するが、これらのスイッチング動作周波数に対し、回路の共振周波数が十分に高く、インバータ回路5とDC−DC変換回路6の接続される直流部の電流や電圧の共振を防ぐことができる。   Further, the resonance frequency due to the capacitor 4 and the wiring inductance can be set to a frequency higher than the operating frequency of the inverter circuit 5 and the DC-DC conversion circuit 6. For this reason, the inverter circuit 5 and the DC-DC conversion circuit 6 perform switching operation during regenerative braking as described above. The resonance frequency of the circuit is sufficiently high with respect to these switching operation frequencies, and the inverter circuit 5 and the DC-DC conversion circuit 6 -It is possible to prevent resonance of current and voltage of the direct current section to which the DC conversion circuit 6 is connected.

さらに、回路のインダクタンスを小さくしたことで、DC−DC変換回路6のスイッチング素子18a、18bのスイッチング時におけるサージ電圧も抑制することができ、サージ電圧の電源回路重畳も少なくなる効果がある。また、インバータ回路5とDC−DC変換回路6間の配線インダクタンスを小さくすることにより、キャパシタを共用化することができる。キャパシタの共用化によって装置台数が削減した結果、冷却器を小型化して、システム全体の装置を小型化がすることができる。   Furthermore, by reducing the circuit inductance, the surge voltage at the time of switching of the switching elements 18a and 18b of the DC-DC conversion circuit 6 can be suppressed, and the power voltage circuit superposition of the surge voltage can be reduced. Further, the capacitor can be shared by reducing the wiring inductance between the inverter circuit 5 and the DC-DC conversion circuit 6. As a result of reducing the number of devices by sharing capacitors, it is possible to downsize the cooler and downsize the entire system.

また、後述するキャパシタ4の電圧に応じて、蓄電装置10への充電条件を決定するために、キャパシタ4の電圧を統合制御装置31に入力している。このように、一体ユニットによるキャパシタ共通化と統合制御装置31による制御装置の統合化により、制御に使用する配線数を削減することができ、キャパシタ電圧を統合して扱うことで制御性能を向上させることができる。   Further, the voltage of the capacitor 4 is input to the integrated control device 31 in order to determine the charging condition for the power storage device 10 according to the voltage of the capacitor 4 described later. As described above, the number of wires used for control can be reduced by sharing the capacitor by the integrated unit and the control device by the integrated control device 31, and improve the control performance by handling the capacitor voltage in an integrated manner. be able to.

ところで、本実施形態では、図3に示すように、DC−DC変換回路6の充電動作条件を補助電源装置22の負荷の大きさと、蓄電装置10の蓄電量とに応じて変化させる構成としている。   By the way, in this embodiment, as shown in FIG. 3, the charging operation condition of the DC-DC conversion circuit 6 is changed according to the size of the load of the auxiliary power supply device 22 and the amount of power stored in the power storage device 10. .

蓄電装置10の必要動作時間を一定とすると、補助電源装置22が動作するために必要な蓄電装置10の蓄電量は、補助電源装置22の負荷の大きさにより変わってくる。上記第2の課題に示したように、回生電力を常に蓄電装置10に充電するようにするには、補助電源装置22の負荷が小さい場合、蓄電装置10の蓄電量がすぐに増加する。蓄電量が高い状態では、回生電力を吸収できず、軽負荷回生動作時に回生電力を吸収するという本構成による効果を十分に活かしきれない。   If the required operating time of the power storage device 10 is constant, the amount of power stored in the power storage device 10 necessary for the operation of the auxiliary power supply device 22 varies depending on the load of the auxiliary power supply device 22. As shown in the second problem, in order to always charge the power storage device 10 with regenerative power, the amount of power stored in the power storage device 10 immediately increases when the load of the auxiliary power supply device 22 is small. In a state where the amount of stored electricity is high, regenerative power cannot be absorbed, and the effect of this configuration of absorbing regenerative power during light load regenerative operation cannot be fully utilized.

このため、図3に示すように補助電源装置22の負荷が小さいときは、蓄電量が低い段階から充電動作を開始するキャパシタ4の電圧Ecを高めに設定し、軽負荷回生動作に入る場合のみ充電動作させることで、軽負荷回生動作時の回生吸収効果を高めるようにしている。軽負荷状態になったか否かは、キャパシタ4の電圧検出値Ecを利用し、電圧が規定値よりも上昇した場合に軽負荷状態と判断することができる。   For this reason, as shown in FIG. 3, when the load of the auxiliary power supply 22 is small, only when the voltage Ec of the capacitor 4 that starts the charging operation from the stage where the amount of stored electricity is low is set high and the light load regenerative operation starts. Recharging absorption effect during light load regenerative operation is enhanced by charging operation. Whether the light load state has been reached can be determined as a light load state by using the voltage detection value Ec of the capacitor 4 and when the voltage rises above a specified value.

また、補助電源装置22の負荷が大きいときは、蓄電装置10の必要動作時間を確保するため、蓄電量を高めにしておく必要がある。このため、蓄電量が高い範囲を除き電圧Ecがある程度低い状態から充電動作を可能としておく。   Further, when the load of the auxiliary power supply device 22 is large, it is necessary to increase the amount of power storage in order to ensure the necessary operation time of the power storage device 10. For this reason, the charging operation is enabled from a state where the voltage Ec is low to some extent except in a range where the amount of stored electricity is high.

このように、図3に示すような設定をすることにより、補助電源装置22に必要な蓄電量を確保しながら、軽負荷回生動作時の回生吸収効果を高めることができる。ここで、蓄電量が高い場合は、蓄電量に応じて充電電流を絞る構成を設けることで、過充電を防ぐことができる。また、充電動作を開始する電圧Ecは、インバータ回路5が軽負荷回生で回生電流を絞り始める電圧よりも低い値に設定する。   As described above, by performing the setting as shown in FIG. 3, it is possible to enhance the regenerative absorption effect during the light load regenerative operation while securing the amount of power necessary for the auxiliary power supply device 22. Here, when the amount of stored electricity is high, overcharging can be prevented by providing a configuration in which the charging current is reduced according to the amount of stored electricity. Further, the voltage Ec for starting the charging operation is set to a value lower than the voltage at which the inverter circuit 5 starts to reduce the regenerative current by light load regeneration.

なお、補助電源装置22の負荷の大きさは、補助電源装置22の入力直流電圧と直流電流により直流電力を演算してもよいし、出力交流電圧と交流電流から交流電力を演算してもよい。また、電力演算を行わずに、車両の乗車率や季節の条件によって補助電源装置22の負荷率がある程度予測できるのであれば、それらの情報により、補助電源装置22の負荷の大きさを判断して、図3の設定値を切替える方式としてもよい。   In addition, the magnitude | size of the load of the auxiliary power supply device 22 may calculate DC power from the input DC voltage and DC current of the auxiliary power supply device 22, or may calculate AC power from the output AC voltage and AC current. . Further, if the load factor of the auxiliary power supply device 22 can be predicted to some extent according to the vehicle occupancy rate and seasonal conditions without performing power calculation, the magnitude of the load of the auxiliary power supply device 22 is determined based on such information. Thus, a method of switching the set values in FIG.

次に、第3の課題対する本実施の形態の動作について説明する。本構成は、通常動作においては上述した動作を行うが、通常動作に移るまでの初期動作シーケンスとして、キャパシタ8やキャパシタ11の初期充電動作を行う必要がある。 Next, the operation of this embodiment against the third problem. Although this configuration performs the above-described operation in the normal operation, it is necessary to perform the initial charging operation of the capacitor 8 and the capacitor 11 as an initial operation sequence until the normal operation is started.

キャパシタ8やキャパシタ11の初期充電動作は、蓄電装置10を電源として、蓄電装置10と接続される遮断器9a〜9dを投入することで行われる。   The initial charging operation of the capacitors 8 and 11 is performed by turning on the circuit breakers 9a to 9d connected to the power storage device 10 using the power storage device 10 as a power source.

図1に示す構成の場合、次の順序で遮断器9a〜9dを投入する。すなわち、遮断器9aを投入(オン)した後、遮断器9cを投入(オン)し、キャパシタ8の充電電圧が蓄電装置10の電圧程度まで充電された後、遮断器9cを開放(オフ)する。そして、遮断器9dを投入(オン)し、キャパシタ11の充電電圧が蓄電装置10の電圧程度まで充電された後、遮断器9cを投入(オン)し、遮断器9bを投入(オン)する順序とする。   In the case of the configuration shown in FIG. 1, the circuit breakers 9a to 9d are put in the following order. That is, after the circuit breaker 9a is turned on (on), the circuit breaker 9c is turned on (on), and after the charging voltage of the capacitor 8 is charged to about the voltage of the power storage device 10, the circuit breaker 9c is opened (off). . Then, the circuit breaker 9d is turned on (on), the charge voltage of the capacitor 11 is charged to about the voltage of the power storage device 10, the circuit breaker 9c is turned on (on), and the circuit breaker 9b is turned on (on). And

図4に、上記した遮断器9a〜9dの投入順序シーケンスを示す。ここで、遮断器9cと9dの投入順序は逆でもよい。例えば、遮断器9aを投入(オン)した後、遮断器9dを投入(オン)し、キャパシタ8の充電電圧が蓄電装置10の電圧程度まで充電された後、遮断器9dを開放(オフ)する。そして、遮断器9cを投入(オン)し、キャパシタ11の充電電圧が蓄電装置10の電圧程度まで充電された後、遮断器9dを投入(オン)し、遮断器9bを投入(オン)の順序としてもよい。   FIG. 4 shows a sequence of making the circuit breakers 9a to 9d described above. Here, the order of inserting the circuit breakers 9c and 9d may be reversed. For example, after the circuit breaker 9a is turned on (on), the circuit breaker 9d is turned on (on), and after the charging voltage of the capacitor 8 is charged to about the voltage of the power storage device 10, the circuit breaker 9d is opened (off). . Then, the circuit breaker 9c is turned on (on), and after the charging voltage of the capacitor 11 is charged to about the voltage of the power storage device 10, the circuit breaker 9d is turned on (on), and the circuit breaker 9b is turned on (on). It is good.

これにより、上記第3の課題に示した、キャパシタ充電時の過大電流を防ぐことができる。なお、遮断器9bに並列に接続される抵抗19bは、キャパシタの初期充電時の過大電流を抑制するための電流制限抵抗である。この電流制限抵抗の設置箇所は、後述する第2の実施の形態で説明する図8のように設置してもよいが、図1に示す構成の場合、制限抵抗の数を減らすことができる。   Thereby, the excessive current at the time of capacitor charge shown to the said 3rd subject can be prevented. The resistor 19b connected in parallel to the circuit breaker 9b is a current limiting resistor for suppressing an excessive current during initial charging of the capacitor. The current limiting resistor may be installed as shown in FIG. 8 described in a second embodiment to be described later, but in the case of the configuration shown in FIG. 1, the number of limiting resistors can be reduced.

図5に、本実施の形態の別方式での主回路構成例を示している。図1の構成とは、DC−DC変換回路6の下アームがスイッチング素子からダイオード19に置き換わっている点で異なる。   FIG. 5 shows an example of the main circuit configuration in another system of the present embodiment. 1 is different in that the lower arm of the DC-DC conversion circuit 6 is replaced by a diode 19 from the switching element.

補助電源装置22への電力供給のためだけに蓄電装置10を使用する場合、DC−DC変換回路6は降圧チョッパ動作のみできればよいため、図5の構成で十分である。この構成とすることにより、図1で示されるDC−DC変換回路6の下アームのスイッチング素子18bのドライブ回路(図示せず)を省略することができ、さらなる機器の小型化が可能となる。   When the power storage device 10 is used only for power supply to the auxiliary power supply device 22, the DC-DC conversion circuit 6 only needs to perform the step-down chopper operation, and therefore the configuration of FIG. 5 is sufficient. With this configuration, the drive circuit (not shown) of the switching element 18b of the lower arm of the DC-DC conversion circuit 6 shown in FIG. 1 can be omitted, and the device can be further downsized.

また、図6に、本実施の形態の別方式での制御装置の構成例を示している。図1とは、統合制御装置31に代えて、一体蓄電装置の制御を行う制御装置A32と、補助電源装置22の制御を行う制御装置B33としている点で異なる。   FIG. 6 shows a configuration example of a control device according to another method of the present embodiment. 1 differs from the integrated control device 31 in that a control device A32 that controls the integrated power storage device and a control device B33 that controls the auxiliary power supply device 22 are used.

図6に示す構成の場合、上記した図3で設定された条件で蓄電装置10の充電動作を行うため、制御装置B33から制御装置A32に、補助電源装置22の負荷電力情報Psの信号を送る構成とする。一体蓄電装置と補助電源装置を分離した構成として制御装置を設ける場合には、図6に示す構成とする。   In the case of the configuration shown in FIG. 6, in order to perform the charging operation of the power storage device 10 under the conditions set in FIG. 3 described above, a signal of the load power information Ps of the auxiliary power supply device 22 is sent from the control device B33 to the control device A32. The configuration. When the control device is provided as a configuration in which the integrated power storage device and the auxiliary power supply device are separated, the configuration illustrated in FIG. 6 is used.

図7は、本実施の形態の蓄電装置10の充放電特性を示す図である。蓄電装置10の蓄電電力を補助電源装置22への電力供給のためだけに使用する場合、充電特性は図7の充電特性Aに示すように、蓄電量の高い領域を除いて、高入力特性として、インバータ回路5からの回生電力を最大限回収できるようにする。一方、放電特性は蓄電量の低い領域を除いて、負荷16の負荷電力に従って一定特性とする。   FIG. 7 is a diagram showing the charge / discharge characteristics of the power storage device 10 of the present embodiment. When the stored power of the power storage device 10 is used only for power supply to the auxiliary power supply device 22, the charging characteristics are high input characteristics except for a region where the amount of stored power is high, as shown in the charging characteristics A of FIG. The regenerative power from the inverter circuit 5 can be recovered to the maximum extent. On the other hand, the discharge characteristic is made constant according to the load power of the load 16 except for a region where the charged amount is low.

また、蓄電装置10の蓄電量が大きく低下し、回生動作中以外に直流電車線1から蓄電装置10の充電動作を行う場合、車両の惰行走行中は充電特性Bのような入力特性、車両の停車中は充電特性Cのような入力特性とし、車両が惰行中か停車中かで充電特性の最大値を変えるようにする。   In addition, when the power storage amount of the power storage device 10 is greatly reduced, and the charging operation of the power storage device 10 is performed from the DC train line 1 other than during the regenerative operation, the input characteristics such as the charging characteristics B during the coasting of the vehicle, The inside is set to input characteristics such as charging characteristics C, and the maximum value of charging characteristics is changed depending on whether the vehicle is coasting or stopped.

これは、車両が停車中の場合には、直流電車線1の集電点が変わらず、充電特性を高い特性としている場合、この集電点に長時間大電流が流れ、直流電車線1が発熱することを防ぐためである。特に直流電車線1がカテナリちょう架式の場合、直流電車線1が溶断されてしまう可能性がある。   This is because when the vehicle is stopped, the current collecting point of the DC train line 1 does not change, and when the charging characteristics are high, a large current flows through the current collecting point for a long time and the DC train line 1 generates heat. This is to prevent this. In particular, when the DC train line 1 is a catenary frame type, the DC train line 1 may be melted.

一方、車両が惰行走行中の場合には、直流電車線1の集電点が移動して変化するため、車両が停車中のときのように、大電流を流し続けても発熱し直流電車線1が溶断するようなことはない。このため、車両の停車中は惰行中よりも充電特性を低く設定する。   On the other hand, when the vehicle is coasting, the current collecting point of the DC train line 1 moves and changes. Therefore, even when a large current continues to flow as when the vehicle is stopped, the DC train line 1 is heated. There is no such thing as fusing. For this reason, the charging characteristic is set to be lower when the vehicle is stopped than when the vehicle is coasting.

このように充電特性を設定することにより、直流電車線1を溶断させることなく、かつ車両の停車中や惰行中の限られた時間内で急速に充電することができ、蓄電装置の充電量低下を防ぐことができる。   By setting the charging characteristics in this way, the DC train line 1 can be rapidly charged within a limited time while the vehicle is stopped or coasting without melting the DC train line 1, thereby reducing the charge amount of the power storage device. Can be prevented.

さらに、DC−DC変換回路6は、蓄電装置10の故障時等に、蓄電装置10を遮断器9a、9bで開放させ、直流電車線1から電源を供給する。そして、DC−DC変換回路6が定電圧制御を行って、補助電源装置22に電力を供給するとき、DC−DC変換回路6の出力電圧制御応答を、補助電源装置22すなわちインバータ回路12の出力電圧制御応答よりも早くなるように設定する。これにより、補助電源装置22の負荷変動に対してもDC−DC変換回路6の電圧制御を追従させることでき、電力供給を安定に行うことが可能となる。   Further, the DC-DC conversion circuit 6 opens the power storage device 10 with the circuit breakers 9 a and 9 b and supplies power from the DC train line 1 when the power storage device 10 fails. When the DC-DC conversion circuit 6 performs constant voltage control and supplies power to the auxiliary power supply device 22, the output voltage control response of the DC-DC conversion circuit 6 is output to the output of the auxiliary power supply device 22, that is, the inverter circuit 12. Set to be faster than the voltage control response. Thereby, the voltage control of the DC-DC conversion circuit 6 can be made to follow the load fluctuation of the auxiliary power supply device 22 and the power supply can be stably performed.

(1−3)本実施の形態の効果
上記実施の形態によれば、インバータ回路5(本発明の第1の電力変換手段の一例)と、DC−DC変換回路6(本発明の第2の電力変換手段の一例)の間の配線インダクタンスが小さくなり、配線インダクタンスとキャパシタ4(本発明の第1のキャパシタの一例)の容量で定まる共振周波数が大きくなり、インバータ回路5とDC−DC変換回路6とが並列接続される直流部の共振現象を防ぐことができる。また、リアクトル3とキャパシタ4の共用化によって装置の台数を削減することができる。また、インバータ回路5とDC−DC変換回路6を同一の冷却器上に実装することで小型化でき、システム全体の装置を小型化がすることができる。
(1-3) Effect of this Embodiment According to the above embodiment, the inverter circuit 5 (an example of the first power conversion means of the present invention) and the DC-DC conversion circuit 6 (the second of the present invention) Between the inverter circuit 5 and the DC-DC conversion circuit, the wiring inductance between the wiring converter and the capacitor 4 (an example of the first capacitor of the present invention) increases. 6 can prevent the resonance phenomenon of the direct current part connected in parallel with 6. Moreover, the number of devices can be reduced by sharing the reactor 3 and the capacitor 4. Further, by mounting the inverter circuit 5 and the DC-DC conversion circuit 6 on the same cooler, the size can be reduced, and the apparatus of the entire system can be reduced in size.

さらに、インバータ回路5、DC−DC変換回路6及び蓄電装置10を統合制御装置31(本発明の制御手段の一例)で統括して制御する構成を採ることで、電圧検出信号等の検出信号を統合制御装置31内で統括的に扱うことができる。これにより、各電力変換手段の制御信号の配線数を減らせるとともに、制御性能を向上させることができる。   Furthermore, by adopting a configuration in which the inverter circuit 5, the DC-DC conversion circuit 6, and the power storage device 10 are controlled by an integrated control device 31 (an example of the control means of the present invention), a detection signal such as a voltage detection signal is transmitted. It can be handled in an integrated manner within the integrated control device 31. As a result, the number of control signal wires of each power conversion means can be reduced and the control performance can be improved.

また、第1〜第4の遮断器(遮断器9a、9b、9c及び9d)投入時におけるインバータ回路12(本発明の第3の電力変換手段の一例)の入力側のキャパシタ11(本発明の第3のキャパシタ)や、DC−DC変換回路6(第2の電力変換手段)に並列接続されるキャパシタ8(本発明の第2のキャパシタの一例)初期充電時の過大電流を防ぐことができる。   In addition, the capacitor 11 on the input side of the inverter circuit 12 (an example of the third power conversion means of the present invention) when the first to fourth circuit breakers (the circuit breakers 9a, 9b, 9c, and 9d) are turned on (of the present invention) (A third capacitor) or a capacitor 8 (an example of the second capacitor of the present invention) connected in parallel to the DC-DC conversion circuit 6 (second power conversion means) can prevent an excessive current during initial charging. .

また、第3の電力変換手段すなわち補助電源装置の負荷の大きさと、第1の直流電圧に応じて、蓄電手段の充電条件を決定することで、第3の電力変換手段に必要な電力量を確保しつつ、必要なときのみ回生電力を蓄電手段に吸収することで、軽負荷回生時の回生吸収効果をより高め、より最適な省エネシステムとすることができる。   Further, by determining the charging condition of the power storage means according to the load size of the third power conversion means, that is, the auxiliary power supply device, and the first DC voltage, the amount of power required for the third power conversion means can be obtained. By ensuring that the regenerative power is absorbed by the power storage means only when necessary, the regenerative absorption effect at the time of light load regeneration can be further enhanced and a more optimal energy saving system can be obtained.

また、車両の力行、惰行、停車、回生の状態に応じて充電特性を変えることで、車両の停車中や惰行走行中に電車線を溶断させることなく、急速に充電でき、蓄電量の低下を防ぐことができる。   In addition, by changing the charging characteristics according to the state of powering, coasting, stopping, and regeneration of the vehicle, it can be charged quickly without fusing the train line while the vehicle is stopped or coasting, reducing the amount of stored electricity Can be prevented.

さらに、DC−DC変換回路6(第2の電力変換手段)は、蓄電手段の開放時の定電圧制御応答を、第3の電力変換手段の制御応答よりも早く設定することで、インバータ回路12(第3の電力変換手段)の負荷変動時にも安定的に第3の電力変換手段、すなわち補助電源装置に電力を供給できるようになる。   Furthermore, the DC-DC conversion circuit 6 (second power conversion means) sets the constant voltage control response when the power storage means is opened earlier than the control response of the third power conversion means, so that the inverter circuit 12 Even when the load of the (third power conversion means) changes, power can be stably supplied to the third power conversion means, that is, the auxiliary power supply.

(2)第2の実施の形態
以下では、第1の実施の形態と異なる構成について説明し、第1の実施の形態と同様の構成については説明を省略する。
(2) Second Embodiment Hereinafter, a configuration different from that of the first embodiment will be described, and description of the same configuration as that of the first embodiment will be omitted.

図8に、本実施の形態の電力変換装置を示す。図8では、第1の実施の形態の図1で示した抵抗19bに代えて、遮断器9cと並列に抵抗19c、遮断器9dと並列に抵抗19dを接続する。   FIG. 8 shows the power conversion device of the present embodiment. In FIG. 8, instead of the resistor 19b shown in FIG. 1 of the first embodiment, a resistor 19c is connected in parallel with the circuit breaker 9c, and a resistor 19d is connected in parallel with the circuit breaker 9d.

図8に示す構成の場合、第1の実施の形態の図1に比して、抵抗の数が増えるが、遮断器の投入順序変わるため、キャパシタの充電を完了し、通常動作に移行するまでの時間を早めることができる。   In the case of the configuration shown in FIG. 8, the number of resistors is increased as compared with FIG. 1 of the first embodiment, but the charging order of the circuit breaker is changed, so that the charging of the capacitor is completed and the normal operation is started. You can speed up the time.

すなわち、本実施の形態の遮断器の投入順序は、まず、遮断器9a及び9bを同時に投入(オン)した後、キャパシタ8及びキャパシタ11を同時に充電動作し、充電電圧が蓄電装置10の電圧程度となったら遮断器9c及び9dをそれぞれ投入(オン)する投入順序となる。これにより、キャパシタの充電を完了し通常動作に移行するまでの時間を早くすることができる。また、遮断器9a及び9bを同時に投入した後、遮断器9c及び9dを同時に投入するため、第1の実施の形態に比べて遮断器の投入シーケンスを簡略化することができる。   That is, the order of turning on the circuit breakers according to the present embodiment is as follows. First, the circuit breakers 9a and 9b are turned on at the same time (on), and then the capacitors 8 and 11 are charged at the same time. When it becomes, it becomes the order of making the circuit breakers 9c and 9d to be turned on. As a result, it is possible to shorten the time from the completion of the charging of the capacitor until the transition to the normal operation. Since the circuit breakers 9a and 9b are simultaneously turned on and then the circuit breakers 9c and 9d are turned on simultaneously, the circuit breaker insertion sequence can be simplified as compared with the first embodiment.

(3)第3の実施の形態
以下では、第1の実施の形態と異なる構成について説明し、第1の実施の形態と同様の構成については説明を省略する。
(3) Third Embodiment Hereinafter, a configuration different from the first embodiment will be described, and description of the same configuration as the first embodiment will be omitted.

図9に、本実施の形態の電力変換装置を示す。図9では、第1の実施の形態の図1で示したキャパシタ8を省略した構成となっている。   FIG. 9 shows a power conversion apparatus according to the present embodiment. In FIG. 9, the capacitor 8 shown in FIG. 1 of the first embodiment is omitted.

図1に示すキャパシタ8は、DC−DC変換回路6とリアクトル7によるスイッチング動作による電流のスイッチングリプルを吸収し、蓄電装置10の電流リプルを抑制することを目的としている。   The capacitor 8 shown in FIG. 1 is intended to absorb the current switching ripple due to the switching operation by the DC-DC conversion circuit 6 and the reactor 7 and suppress the current ripple of the power storage device 10.

本実施の形態では、キャパシタ11と共用化して、DC−DC変換回路6とリアクトル7によるスイッチング動作による電流のスイッチングリプルを吸収する構成としている。この構成では、キャパシタ8を省略できるため、第1の実施形態と比して装置全体を小型化することができるが、リアクトル7とキャパシタ11間の配線インダクタンスを小さく設定する必要がある。このため、リアクトル7とキャパシタ11間の配線インダクタンスを小さく設定できる場合に本実施の形態の構成とすることが望ましい。   In the present embodiment, the capacitor 11 is shared and absorbs the switching ripple of the current caused by the switching operation by the DC-DC conversion circuit 6 and the reactor 7. In this configuration, since the capacitor 8 can be omitted, the entire apparatus can be downsized as compared with the first embodiment, but the wiring inductance between the reactor 7 and the capacitor 11 needs to be set small. For this reason, when the wiring inductance between the reactor 7 and the capacitor 11 can be set small, the configuration of the present embodiment is desirable.

1、111 直流電車線
2、112 集電装置
3、7、120a、120c、126 リアクトル
4、8、11、51、121a、121b、121c キャパシタ
5、12 インバータ回路
6、125 DC−DC変換回路
9a、9b、9c、9d 遮断器
10、128 蓄電装置
13 交流リアクトル
14 交流コンデンサ
15 トランス
16 負荷
17、117 電動機
18a、18b、52 スイッチング素子
19b、19c、19d 抵抗
21 インバータ回路とDC−DC変換回路の一体ユニット
22、123 補助電源装置
23 一体蓄電装置
31 統合制御装置
32 制御装置A
33 制御装置B
34 制御装置と一体蓄電装置間の制御信号
35 制御装置と補助電源装置間の制御信号
113、115 開閉器
114 充電抵抗
116 直流リンク部
118 電力変換装置
119a、119b、119c、122、127 接触器
124 回生電力貯蔵装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,111 DC train line 2,112 Current collector 3, 7, 120a, 120c, 126 Reactor 4, 8, 11, 51, 121a, 121b, 121c Capacitor 5, 12 Inverter circuit 6, 125 DC-DC conversion circuit 9a, 9b, 9c, 9d Breaker 10, 128 Power storage device 13 AC reactor 14 AC capacitor 15 Transformer 16 Load 17, 117 Electric motor 18a, 18b, 52 Switching element 19b, 19c, 19d Resistance 21 Integrated inverter circuit and DC-DC conversion circuit Units 22, 123 Auxiliary power supply device 23 Integrated power storage device 31 Integrated control device 32 Control device A
33 Controller B
34 Control signal between control device and integrated power storage device 35 Control signal between control device and auxiliary power supply device 113, 115 Switch 114 Charging resistor 116 DC link 118 Power converter 119a, 119b, 119c, 122, 127 Contactor 124 Regenerative power storage device

Claims (8)

第1の直流電力を第1の正負の一対配線で受け、第1の交流電力に変換する第1の電力変換手段と、
前記第1の電力変換手段の交流側に接続された電動機と、
前記第1の直流電力を前記第1の正負の一対配線で受け、前記第1の直流電力の電圧レベルと異なる電圧レベルの第2の直流電力に変換し第2の正負の一対配線で出力する第2の電力変換手段と、
前記第1の正負の一対配線間に接続される第1のキャパシタと、
前記第2の直流電力を蓄電する蓄電手段と、
前記第2の電力変換手段と前記蓄電手段との間に接続される第1のリアクトルと、
前記蓄電手段と直列に接続される第1の遮断器及び第2の遮断器とを有し、
前記第2の遮断器と並列に接続される抵抗と、
前記蓄電手段と前記第1のリアクトルとの間に接続される第3の遮断器と、
前記蓄電手段の電力を第2の交流電力に変換する第3の電力変換手段と、
前記第3の電力変換手段と前記蓄電手段との間に、前記蓄電手段と並列に接続される第2のキャパシタと、
前記蓄電手段と前記第2のキャパシタとの間に接続される第4の遮断器と、
前記第3の電力変換手段の交流側に接続される交流回路と、
前記第1〜第3の電力変換手段と前記蓄電手段を制御する制御手段と、
を有し、
前記第1の電力変換手段と前記第2の電力変換手段とを同一ユニットないで一体接続して構成し、
前記制御手段は、前記蓄電手段の充電動作条件を、前記第3の電力変換手段の負荷の大きさと、前記第1のキャパシタの電圧により決定する
ことを特徴とする、電力変換装置。
First power conversion means for receiving first DC power through a first pair of positive and negative wires and converting the first DC power into first AC power;
An electric motor connected to the AC side of the first power conversion means;
The first DC power is received by the first pair of positive and negative wires, converted into second DC power having a voltage level different from the voltage level of the first DC power, and output by the second pair of positive and negative wires. A second power conversion means;
A first capacitor connected between the first pair of positive and negative wires;
Power storage means for storing the second DC power;
A first reactor connected between the second power conversion means and the power storage means;
A first circuit breaker and a second circuit breaker connected in series with the power storage means;
A resistor connected in parallel with the second circuit breaker;
A third circuit breaker connected between the power storage means and the first reactor;
Third power conversion means for converting the power of the power storage means into second AC power;
A second capacitor connected in parallel with the power storage means between the third power conversion means and the power storage means;
A fourth circuit breaker connected between the power storage means and the second capacitor;
An AC circuit connected to the AC side of the third power conversion means;
Control means for controlling the first to third power conversion means and the power storage means ;
Have
The first power conversion means and the second power conversion means are integrally connected without the same unit ,
The power conversion device, wherein the control means determines a charging operation condition of the power storage means based on a load size of the third power conversion means and a voltage of the first capacitor .
前記第1の遮断器から第4の遮断器の投入順序を、
前記第1の遮断器を投入し、次に第3または第4の遮断器を投入し、次に第3または第4の遮断器を開放し、次に第4または第3の遮断器を投入し、次に第3または第4の遮断器を投入する順序とする
ことを特徴とする、請求項に記載の電力変換装置。
The charging sequence of the first circuit breaker to the fourth circuit breaker is as follows:
Turn on the first circuit breaker, then turn on the third or fourth circuit breaker, then open the third or fourth circuit breaker, then turn on the fourth or third circuit breaker Then, the power conversion device according to claim 1 , wherein the third or fourth circuit breaker is inserted next .
前記第2の遮断器と並列に抵抗を有する代わりに、
前記第3の遮断器および前記第4の遮断器と並列に抵抗を有する構成とする
ことを特徴とする、請求項1又は2に記載の電力変換装置。
Instead of having a resistor in parallel with the second circuit breaker,
Characterized by a structure having a parallel resistor and the third circuit breaker and the fourth circuit breakers, power converter according to claim 1 or 2.
前記第2の電力変換手段の出力側の前記第2の正負の一対配線間に第3のキャパシタを有する
ことを特徴とする、請求項1〜のいずれかに記載の電力変換装置。
The power converter according to any one of claims 1 to 3 , further comprising a third capacitor between the second pair of positive and negative wires on the output side of the second power conversion means.
前記第2の電力変換手段は、降圧動作のみ行う
ことを特徴とする、請求項1〜のいずれかに記載の電力変換装置。
The second power conversion means, and performs only the step-down operation, power converter according to any one of claims 1-4.
前記蓄電手段の充電特性は、車両の惰行走行中と停車中で切替えられる
ことを特徴とする、請求項1〜のいずれかに記載の電力変換装置。
The power conversion device according to any one of claims 1 to 5 , wherein the charging characteristic of the power storage means is switched while the vehicle is coasting and stopped .
第2の電力変換手段は、蓄電手段の開放時に定電圧制御を行って、第3の電力変換手段に電力を供給するときに、第2の電力変換手段の制御応答を、第3の電力変換手段の制御応答よりも早く設定する
ことを特徴とする、請求項1〜のいずれかに記載の電力変換装置。
The second power conversion means performs constant voltage control when the power storage means is opened, and supplies power to the third power conversion means. When the second power conversion means supplies power to the third power conversion means, and setting earlier than the control response of the means, the power conversion device according to any one of claims 1-6.
請求項1〜のいずれかに記載の電力変換装置を備えた鉄道車両。 A railway vehicle comprising the power conversion device according to any one of claims 1 to 7 .
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