JP2006174636A - 補助電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 補助電源装置において小型化、且つ、低ＥＭＩ化を可能とする。
【解決手段】 まず、電圧指定手段４により、コンデンサＣ１の最大直流電圧を指定する指定電圧が、予め記憶されている。そして、出力可変整流器１により、入力された交流電圧Ｖａｃ１は直流電圧Ｖｄｃ１に変換され、平滑回路２により、出力電圧は平滑される。ここで、電圧検出手段５により、コンデンサＣ１の直流電圧Ｖｄｃ２が、検出電圧として検出される。そして、電圧制御手段６により、検出電圧が指定電圧以下となるように、出力可変整流器１の点弧位相を制御する制御信号が、出力可変整流器１へ出力される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、補助電源装置に関し、特に、交直両用電車に搭載されるエアコンや蛍光灯等の補助機器に電力を供給する補助電源装置に関する。

現在、交直両用電車で使用される補助機器を動作させるために、補助電源装置を使用している。この補助電源装置は、架線から電力の供給を受けている。この電力が交流電力の場合、交流電力は整流器によって直流電力に変換され、その直流電力は平滑回路を介してインバータによって所定の交流電力に再び変換され、後段の補助機器を動作させている。

以下、従来の交直両用電車で使用される補助電源装置について説明する。図５は、従来の補助電源装置の回路図である。
従来の補助電源装置３０は、トランスＴ１１、整流器３１、スイッチ３２、平滑回路３３、及び、インバータ３４から構成される。

交直両用電車に対する電力は、スイッチ３２を切り替えることで、直流き電区間の場合パンタグラフ４１を介して供給され、交流き電区間の場合パンタグラフ４２を介して供給される。なお、通常、交流き電区間のパンタグラフ４２から供給された交流電圧Ｖａｃ１１は高電圧なので、トランスＴ１１により所定の交流電圧Ｖａｃ１２に降圧される。

整流器３１は、ダイオードＤ１１、Ｄ１２、Ｄ１３、Ｄ１４のブリッジ接続で構成され、入力された交流電圧Ｖａｃ１２を直流電圧Ｖｄｃ１２に変換する。
平滑回路３３は、直流電圧Ｖｄｃ１２を直流電圧Ｖｄｃ１３に平滑する。具体的には、平滑回路３３は、リアクトルＬ１１、及び、コンデンサＣ１１から構成される入力フィルタであり、直流電圧Ｖｄｃ１２に含まれるリップル分を除去する。

インバータ３４は、平滑回路３３により平滑された直流電圧Ｖｄｃ１３を、交直両用電車内の補助機器に対して供給する交流電圧Ｖａｃ１３に変換し、交直両用電車内の補助機器に供給する。

また、ダイオードのみで構成された整流器の後段に、サイリスタを設け、常にこのサイリスタの点弧位相を制御する補助電源装置が存在する（例えば、特許文献１参照）。
特開平７−１１５７７７号公報

しかし、上記の補助電源装置３０では、ダイオードで構成された整流器３１が、整流器３１から出力される直流電圧Ｖｄｃ１２を制御できないので、後段のインバータ３４は制御されない直流電圧Ｖｄｃ１２に対応する必要がある。具体的には、交流電圧Ｖａｃ１２の変動による直流電圧Ｖｄｃ１２の変動に対応する必要がある。また、インバータ３４の後段に接続された補助機器による負荷が小さい場合、コンデンサＣ１１がピーク充電されてコンデンサＣ１１の直流電圧Ｖｄｃ１２は、最大で通常の１．４倍の直流電圧Ｖｄｃ１２となり、インバータ３４はこの直流電圧Ｖｄｃ１２に対応する必要がある。よって、インバータ３４は大型化し、結果として補助電源装置３０も大型化する。

また、特許文献１で開示された補助電源装置では、常にサイリスタの点弧位相が制御されるので、出力高調波電流が大きく、補助電源装置のＥＭＩ(Electromagnetic Interference)も大きくなる。

本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、小型化、且つ、低ＥＭＩ化が可能な補助電源装置を提供することを目的とする。

本発明では、上記課題を解決するために、電車に搭載される補助機器に電力を供給する補助電源装置において、入力された交流電圧を直流電圧に変換し、点弧位相を制御することで出力電圧を可変する出力可変整流器と、出力電圧を平滑する平滑回路と、平滑回路により平滑された直流電圧を、補助機器に対して供給する交流電圧に変換するインバータと、平滑回路のコンデンサの最大直流電圧を指定する指定電圧を、予め記憶する電圧指定手段と、コンデンサの直流電圧を、検出電圧として検出する電圧検出手段と、検出電圧が指定電圧以上の場合、検出電圧が指定電圧以下となるように、出力可変整流器の点弧位相を制御し、検出電圧が指定電圧以下の場合、出力可変整流器を全導通させる制御信号を、出力可変整流器へ出力する電圧制御手段と、を有することを特徴とする補助電源装置が提供される。

このような補助電源装置によると、まず、電圧指定手段により、コンデンサの最大直流電圧を指定する指定電圧が、予め記憶されている。そして、出力可変整流器により、入力された交流電圧は直流電圧に変換され、平滑回路により、出力電圧は平滑される。ここで、電圧検出手段により、コンデンサの直流電圧が、検出電圧として検出される。そして、電圧制御手段により、検出電圧が指定電圧以上の場合、検出電圧が指定電圧以下となるように、出力可変整流器の点弧位相を制御し、検出電圧が指定電圧以下の場合、出力可変整流器を全導通させる制御信号が、出力可変整流器へ出力される。そして、インバータにより、直流電圧は補助機器に対して供給する交流電圧に変換される。

本発明では、検出電圧が指定電圧以上の場合、検出電圧が指定電圧以下となるように、出力可変整流器の点弧位相を制御し、検出電圧が指定電圧以下の場合、出力可変整流器を全導通させる制御信号を、出力可変整流器へ出力するようにした。

このようにすると、常に検出電圧が指定電圧以下に制御され、インバータに対する入力電圧も指定電圧以下に制御されるので、インバータは小型化し、結果として補助電源装置において小型化が可能となる。

また、検出電圧が指定電圧以下の場合、出力可変整流器を全導通させるので、出力可変整流器の出力高調波電流は少なく、検出電圧が指定電圧以上の場合、出力可変整流器の点弧位相を制御するが負荷電流が小さいので、出力高調波電流は多くなく、全体として出力可変整流器の出力高調波電流は少なく、補助電源装置において低ＥＭＩ化が可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
まず、本発明の概念について説明する。図１は、本発明の概念図である。
図に示すように、補助電源装置は、出力可変整流器１、平滑回路２、インバータ３、電圧指定手段４、電圧検出手段５、及び、電圧制御手段６から構成される。

電圧指定手段４は、平滑回路２のコンデンサＣ１の最大直流電圧を指定する指定電圧を、予め記憶する。
出力可変整流器１は、ダイオードＤ１、Ｄ２、及び、半導体スイッチ素子Ｔｈ１、Ｔｈ２のブリッジ接続で構成され、入力された交流電圧Ｖａｃ１を直流電圧Ｖｄｃ１に変換する。また、出力可変整流器１は、半導体スイッチ素子Ｔｈ１、Ｔｈ２の点弧位相を制御することで、出力電圧を可変する。なお、点弧位相を制御できる素子として、半導体スイッチ素子Ｔｈ１、Ｔｈ２を採用しているが、他の点弧位相を制御できる素子を、半導体スイッチ素子Ｔｈ１、Ｔｈ２の代わりに採用してもよい。

平滑回路２は、直流電圧Ｖｄｃ１を直流電圧Ｖｄｃ２に平滑する。具体的には、平滑回路２は、リアクトルＬ１、及び、コンデンサＣ１から構成される入力フィルタであり、直流電圧Ｖｄｃ１に含まれるリップル分を除去する。ここで、電圧検出手段５は、コンデンサＣ１の直流電圧Ｖｄｃ２を、検出電圧として検出する。例えば、インバータ３の後段に接続された補助機器による負荷が小さい場合、コンデンサＣ１がピーク充電されてコンデンサＣ１の直流電圧Ｖｄｃ２は、最大で通常の１．４倍の直流電圧Ｖｄｃ２となる。この上昇した直流電圧Ｖｄｃ２を、電圧検出手段５は、検出電圧として検出する。その後、電圧制御手段６は、検出電圧が指定電圧以上の場合、検出電圧が指定電圧以下となるように、半導体スイッチ素子Ｔｈ１、Ｔｈ２の点弧位相を制御する制御信号を、出力可変整流器１へ出力する。また、電圧制御手段６は、検出電圧が指定電圧以下の場合、半導体スイッチ素子Ｔｈ１、Ｔｈ２を全導通させる制御信号を、出力可変整流器１へ出力する。

インバータ３は、平滑回路２により平滑された直流電圧Ｖｄｃ２を、補助機器に対して供給する交流電圧Ｖａｃ２に変換し、補助機器に供給する。
次に、図１の補助電源装置の動作について説明する。

ここで、電圧指定手段４により、コンデンサＣ１の最大直流電圧を指定する指定電圧が、”１５００Ｖ”と予め記憶されているとする。
まず、出力可変整流器１により、入力された交流電圧Ｖａｃ１は直流電圧Ｖｄｃ１に変換される。

そして、平滑回路２により、直流電圧Ｖｄｃ１は、”１５１０Ｖ”の直流電圧Ｖｄｃ２に平滑される。ここで、電圧検出手段５により、コンデンサＣ１の直流電圧Ｖｄｃ２が、検出電圧”１５１０Ｖ”として検出され、電圧制御手段６により、検出電圧”１５１０Ｖ”が指定電圧”１５００Ｖ”以下となるように、半導体スイッチ素子Ｔｈ１、Ｔｈ２の点弧位相を制御する制御信号が、出力可変整流器１へ出力される。

そして、インバータ３により、指定電圧”１５００Ｖ”以下の直流電圧Ｖｄｃ２は、補助機器に対して供給する交流電圧Ｖａｃ２に変換され、補助機器に供給される。
このようにすると、常に検出電圧が指定電圧以下に制御され、常にインバータ３に対する入力電圧も指定電圧以下に制御されるので、インバータ３は小型化し、結果として補助電源装置において小型化が可能となる。

また、検出電圧が指定電圧以下の場合、半導体スイッチ素子Ｔｈ１、Ｔｈ２を全導通させるので、半導体スイッチ素子Ｔｈ１、Ｔｈ２による損失が少なく、検出電圧が指定電圧以上の場合、半導体スイッチ素子Ｔｈ１、Ｔｈ２の点弧位相を制御するが負荷電流が小さいので、損失は多くなく、補助電源装置において小型化が可能となる。

さらに、検出電圧が指定電圧以下の場合、半導体スイッチ素子Ｔｈ１、Ｔｈ２を全導通させるので、半導体スイッチ素子Ｔｈ１、Ｔｈ２の出力高調波電流は少なく、検出電圧が指定電圧以上の場合、半導体スイッチ素子Ｔｈ１、Ｔｈ２の点弧位相を制御するが負荷電流が小さいので、出力高調波電流は多くなく、全体として半導体スイッチ素子Ｔｈ１、Ｔｈ２の出力高調波電流は少なく、補助電源装置において低ＥＭＩ化が可能となる。

次に、本発明の実施の形態の具体的な内容について説明する。実施の形態として、交直両用電車で使用される補助電源装置について説明する。図２は、補助電源装置の回路図である。

図に示すように、補助電源装置１０は、トランスＴ１、出力可変整流器１１、スイッチ１２、平滑回路１３、インバータ１４、電圧指定部１５、電圧検出部１６、電圧制御部１７、及び、パルス発生部１８から構成される。

交直両用電車に対する電力は、スイッチ１２を切り替えることで、直流き電区間の場合パンタグラフ２１を介して供給され、交流き電区間の場合パンタグラフ２２を介して供給される。なお、通常、交流き電区間のパンタグラフ２２から供給された交流電圧Ｖａｃ３は高電圧なので、トランスＴ１により所定の交流電圧Ｖａｃ４に降圧される。

電圧指定部１５は、平滑回路１３のコンデンサＣ２の最大直流電圧を指定する指定電圧を、予め記憶する。
出力可変整流器１１は、ダイオードＤ３、Ｄ４、及び、サイリスタＴｈ３、Ｔｈ４のブリッジ接続で構成され、入力された交流電圧Ｖａｃ４を直流電圧Ｖｄｃ４に変換する。また、出力可変整流器１１は、サイリスタＴｈ３、Ｔｈ４の点弧位相を制御することで、出力電圧を可変する。なお、点弧位相を制御できる素子として、サイリスタＴｈ３、Ｔｈ４を採用しているが、他の点弧位相を制御できる素子を、サイリスタＴｈ３、Ｔｈ４の代わりに採用してもよい。

平滑回路１３は、直流電圧Ｖｄｃ４を直流電圧Ｖｄｃ５に平滑する。具体的には、平滑回路１３は、リアクトルＬ２、及び、コンデンサＣ２から構成される入力フィルタであり、直流電圧Ｖｄｃ４に含まれるリップル分を除去する。ここで、電圧検出部１６は、コンデンサＣ２の直流電圧Ｖｄｃ５を、検出電圧として検出する。例えば、インバータ１４の後段に接続された補助機器による負荷が小さい場合、コンデンサＣ２がピーク充電されてコンデンサＣ２の直流電圧Ｖｄｃ５は、最大で通常の１．４倍の直流電圧Ｖｄｃ５となる。この上昇した直流電圧Ｖｄｃ５を、電圧検出部１６は、検出電圧として検出する。その後、電圧制御部１７は、検出電圧が指定電圧以上の場合、検出電圧が指定電圧以下となるように、サイリスタＴｈ３、Ｔｈ４の点弧位相を制御する制御信号を、パルス発生部１８を介して出力可変整流器１１へ出力する。また、電圧制御部１７は、検出電圧が指定電圧以下の場合、サイリスタＴｈ３、Ｔｈ４を全導通させる制御信号を、パルス発生部１８を介して出力可変整流器１１へ出力する。このパルス発生部１８は、サイリスタＴｈ３、Ｔｈ４のゲートに接続され、制御信号に応じた様々なパルス信号を出力してサイリスタＴｈ３、Ｔｈ４の点弧位相を制御する。

インバータ１４は、平滑回路１３により平滑された直流電圧Ｖｄｃ５を、交直両用電車内の補助機器に対して供給する交流電圧Ｖａｃ５に変換し、交直両用電車内の補助機器に供給する。

次に、図２の補助電源装置１０の動作について説明する。
ここで、交直両用電車に対する電力は、スイッチ１２が交流き電区間の方に切り替えられ、パンタグラフ２２を介して供給されているとする。その後、トランスＴ１により所定の交流電圧Ｖａｃ４に降圧されているとする。また、電圧指定部１５により、コンデンサＣ２の最大直流電圧を指定する指定電圧が、”１５００Ｖ”と予め記憶されているとする。

まず、出力可変整流器１１により、入力された交流電圧Ｖａｃ４は直流電圧Ｖｄｃ４に変換される。
そして、平滑回路１３により、直流電圧Ｖｄｃ４は、”１５１０Ｖ”の直流電圧Ｖｄｃ５に平滑される。ここで、電圧検出部１６により、コンデンサＣ２の直流電圧Ｖｄｃ５が、検出電圧”１５１０Ｖ”として検出され、電圧制御部１７により、検出電圧”１５１０Ｖ”が指定電圧”１５００Ｖ”以下となるように、サイリスタＴｈ３、Ｔｈ４の点弧位相を制御する制御信号が、パルス発生部１８を介して出力可変整流器１へ出力される。

そして、インバータ１４により、指定電圧”１５００Ｖ”以下の直流電圧Ｖｄｃ５は、交直両用電車内の補助機器に対して供給する交流電圧Ｖａｃ５に変換され、交直両用電車内の補助機器に供給される。

次に、出力可変整流器１１の入力電圧、及び、負荷電流に対する出力電圧特性について説明する。図３は、出力可変整流器の入力電圧に対する出力電圧特性を示す図である。ここで、指定電圧は出力電圧ＶｏＢとされているとする。

図に示すように、入力電圧ＶｉＡの場合出力電圧ＶｏＡであり、入力電圧ＶｉＢの場合出力電圧ＶｏＢであり、入力電圧ＶｉＢ以上の場合であっても出力電圧ＶｏＢである。ここで、インバータ１４の後段に接続された補助機器による負荷が小さい場合にのみ、出力可変整流器１１は出力電圧Ｖｏを制御しているので、常に出力電圧Ｖｏは一定電圧以下になっている。

図４は、出力可変整流器の負荷電流に対する出力電圧特性を示す図である。ここで、指定電圧は出力電圧ＶｏＢとされているとする。
図に示すように、図３の入力電圧ＶｉＡに対し、領域Ｒ１の場合出力電圧ＶｏＡであり、領域Ｒ２の場合最大で出力電圧ＶｏＡの１．４倍の出力電圧Ｖｏである。なお、この出力電圧Ｖｏは出力電圧ＶｏＢ以下である。また、図に示すように、図３の入力電圧ＶｉＢに対し、領域Ｒ１の場合出力電圧ＶｏＢであり、領域Ｒ２の場合であっても出力電圧ＶｏＢである。ここで、インバータ１４の後段に接続された補助機器による負荷が小さい場合にのみ、出力可変整流器１１が出力電圧Ｖｏを制御しているので、常に出力電圧Ｖｏは一定電圧以下になっている。

このようにすると、常に検出電圧が指定電圧以下に制御され、常にインバータ１４に対する入力電圧も指定電圧以下に制御されるので、インバータ１４は小型化し、結果として補助電源装置１０において小型化が可能となる。

また、検出電圧が指定電圧以下の場合、サイリスタＴｈ３、Ｔｈ４を全導通させるので、サイリスタＴｈ３、Ｔｈ４による損失が少なく、検出電圧が指定電圧以上の場合、サイリスタＴｈ３、Ｔｈ４の点弧位相を制御するが負荷電流が小さいので、損失は多くなく、補助電源装置１０において小型化が可能となる。

さらに、検出電圧が指定電圧以下の場合、サイリスタＴｈ３、Ｔｈ４を全導通させるので、サイリスタＴｈ３、Ｔｈ４の出力高調波電流は少なく、検出電圧が指定電圧以上の場合、サイリスタＴｈ３、Ｔｈ４の点弧位相を制御するが負荷電流が小さいので、出力高調波電流は多くなく、全体としてサイリスタＴｈ３、Ｔｈ４の出力高調波電流は少なく、補助電源装置１０において低ＥＭＩ化が可能となる。

また、インバータ１４に印加される交流き電区間の直流電圧Ｖｄｃ５を一定電圧内に制限でき、この範囲を直流き電区間の直流電圧Ｖｄｃ３の一定電圧内とするならば、インバータ１４を直流き電区間にのみ依存して設計できる。

本発明の概念図である。 補助電源装置の回路図である。 出力可変整流器の入力電圧に対する出力電圧特性を示す図である。 出力可変整流器の負荷電流に対する出力電圧特性を示す図である。 従来の補助電源装置の回路図である。

符号の説明

１ 出力可変整流器
２ 平滑回路
３ インバータ
４ 電圧指定手段
５ 電圧検出手段
６ 電圧制御手段
Ｃ１ コンデンサ
Ｄ１、Ｄ２ ダイオード
Ｌ１ リアクトル
Ｔｈ１、Ｔｈ２ 半導体スイッチ素子
Ｖａｃ１、Ｖａｃ２ 交流電圧
Ｖｄｃ１、Ｖｄｃ２ 直流電圧

Claims (3)

1. 電車に搭載される補助機器に電力を供給する補助電源装置において、
   入力された交流電圧を直流電圧に変換し、点弧位相を制御することで出力電圧を可変する出力可変整流器と、
   前記出力電圧を平滑する平滑回路と、
   前記平滑回路により平滑された直流電圧を、前記補助機器に対して供給する交流電圧に変換するインバータと、
   前記平滑回路のコンデンサの最大直流電圧を指定する指定電圧を、予め記憶する電圧指定手段と、
   前記コンデンサの直流電圧を、検出電圧として検出する電圧検出手段と、
   前記検出電圧が前記指定電圧以上の場合、前記検出電圧が前記指定電圧以下となるように、前記出力可変整流器の点弧位相を制御し、前記検出電圧が前記指定電圧以下の場合、前記出力可変整流器を全導通させる制御信号を、前記出力可変整流器へ出力する電圧制御手段と、
   を有することを特徴とする補助電源装置。
2. 前記出力可変整流器は、半導体スイッチ素子とダイオードとから構成されることを特徴とする請求項１記載の補助電源装置。
3. 前記出力可変整流器は、サイリスタとダイオードとから構成されることを特徴とする請求項１記載の補助電源装置。
   

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