JP2008067497A - 車両用電源装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】負荷短絡を検知したときに、電力変換器を停止させることなく出力の位相、電流、電圧を制御し、編成内無給電時間を発生させることなく運転を継続できるようにする。
【解決手段】本発明の車両用電源装置は、直流電力14を交流電力に変換し、三相の負荷母線17に接続された負荷8に電力を供給する電力変換器1と、電力変換器の出力電流を検出する電流検出器4と、電力変換器の出力側に設けられた遮断器7と、遮断器の電力変換器側に設けられた電圧検出器6と、電力変換器が所定電圧、所定周波数の交流を出力するように制御する電力変換制御器10と、電流検出器と電圧検出器との検出値から負荷短絡を判定する負荷短絡検知部20と、負荷短絡検知部が負荷短絡と判定したときに、出力電流ベクトルの方向と大きさを所定の設定値に瞬時に合わせるためのd軸出力電流及びq軸出力電流のリミット値を電力変換制御器10に指令する電流リミット回路12を備えた。
【選択図】図1

Description

本発明は、直流電力を交流電力に変換し負荷に電力を供給する車両用電源装置に関する。
架線からの直流電力を交流電力に変換し、三相の負荷母線に接続されている負荷に電力を供給する車両用電源装置では、負荷が短絡した場合に、過大な電流が短絡点に流れ込んでしまうために当該車両用電源装置の出力電流も過大となり、故障の要因となる。
そこで従来は、図6に示すように、負荷短絡により出力電流検出値37が所定値35以上となった場合にはゲート信号を生成している電力変換器を停止させ、出力電流が出力過電流検知解除設定値36まで下がったなら再度電力変換器を起動するという動作の繰り返しを、短絡負荷が三相負荷母線から切り離されるまで継続していた。尚、図6において、38は電力変換器のゲートオフ期間、39はゲートオン期間を示している。
このように、従来の車両用電源装置は、電流検出器を用いて出力電流を監視しておき、出力電流37が負荷短絡検知セット値35に達すると電力変換器を停止させ、検知解除セット値36を下回ると電力変換器を再起動させる。このため、従来の車両用電源装置では、電力変換器が起動、停止を繰り返し、電力変換器が停止している場合には出力電流を制御できないので、負荷に歪んだ電圧波形が印加される問題点があった。また、複数の電力変換器の出力側が互いに並列に接続され、負荷に電力を供給している場合、電力変換器が停止すると出力位相を見失い、電力変換器が起動した直後に他の電力変換器と位相が合わないため、三相負荷母線側から電力変換器へ出力電流の逆流等を招き、故障の要因となる問題点もあった。
特開2001−86640号公報 特開平7−227001号公報
本発明は、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、負荷短絡を検知して出力電流を瞬時に所定の値まで絞り込み、電力変換器を停止させることなく出力の位相、電流、電圧を制御し、負荷側のヒューズが切れるまで電流を流し続けることで編成内無給電時間を発生させるということなく、当該電源装置の運転を継続することができる車両用電源装置を提供することを目的とする。
本発明は、直流電力を交流電力に変換し、三相の負荷母線に接続された負荷に電力を供給する電力変換器と、前記電力変換器の出力電流を検出する電流検出器と、前記電力変換器の出力電圧を検出する電圧検出器と、前記電力変換器が所定電圧、所定周波数の交流を出力するように制御する電力変換制御器と、前記電流検出器と電圧検出器との検出値から負荷短絡を判定する負荷短絡検知部と、前記負荷短絡検知部が負荷短絡と判定したときに、出力電流ベクトルの方向と大きさを設定値に瞬時に合わせるためのd軸出力電流及びq軸出力電流のリミット値を前記電力変換制御器に指令する電流リミット回路とを備えた車両用電源装置を特徴とする。
また本発明は、出力が互いに並列に接続され直流電力を交流電力に変換し、三相の負荷母線に接続された負荷に電力を供給する複数の電力変換器と、前記電力変換器の出力電流を検出する電流検出器と、前記電力変換器の出力電圧を検出する電圧検出器と、前記電力変換器を制御する電力変換制御器と、複数の車両用電源装置を監視するモニタ制御装置と、前記モニタ制御装置から送信される三相の負荷母線に接続された他の車両用電源装置の運転状態を元に、負荷短絡中の出力電流ベクトルの大きさと方向を演算する出力電流演算器とを備えた車両用電源装置を特徴とする。
本発明の車両用電源装置によれば、負荷短絡を検知して出力電流を瞬時に所定の値まで絞り込み、電力変換器を停止させることなく出力の位相、電流、電圧を制御することで、編成内無給電時間を発生させることなく、当該電源装置の運転を継続することができる。
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。
(第1の実施の形態)図1は本発明の第1の実施の形態の車両用電源装置の回路構成を示している。図1において、電力変換器1は、直流電源14から直流リアクトル15と直流フィルタコンデンサ16を通じて取り込んだ直流電力を所定電圧、所定周波数の三相交流に変換する。この電力変換器1の出力する三相交流は、交流フィルタリアクトル3、変圧器5、接触器7を経て三相の負荷母線17に供給される。この負荷母線17には負荷8が接続してある。
電力変換器1には、これをPWM制御するPWM制御器10が接続してあり、このPWM制御器10は、電圧制御器13と電流制御器11からの指令に基づいて電力変換器1の出力電圧が電圧指令に一致するように電力変換器1をPWM制御する。
電力変換器1の交流出力側には、その出力電流を検出してdq軸上へ座標変換して出力する電流検出器(1)2、フィルタリング後の交流電流を検出してdq軸上へ座標変換して出力する電流検出器(2)4、変圧器5による変圧後の電流を検出する電流検出器(3)18、変圧後の電圧を検出する電圧検出器(1)6、負荷母線17の電圧を検出する電圧検出器(2)19が設置してある。
電圧制御器13は電圧指令と電圧検出器(1)18の検出する変圧後の実電圧とを比較し、その差分を解消させるのに必要な電流指令値を演算して電流制御器11に出力する。電流制御器11は、電圧制御器13からの電流指令値と電流検出器(1)2の検出する交流電流とを比較し、電流指令値に一致する出力電流を得るに必要な比較電圧を作成し、PWM制御器10に出力する。PWM制御器10は電流制御器11の比較電圧に対してPWM動作を行い、電力変換器1の交流出力電圧が電圧指令に一致するゲート信号を作成して電力変換器1に出力し、ゲート制御する。
本車両用電源装置はさらに、ソフト電流リミット回路12と、負荷短絡検知部20を備えている。三相の負荷母線17に接続されている負荷8のいずれかが短絡して所定値以上の出力電流がその短絡点へ流れ込むと、負荷短絡検知部20は電圧検出器(2)19の検出する電圧値(例えば、350V以下の電圧)と電流検出器(2)4の検出する電流値(例えば定格の250%以上)とから負荷短絡を判定し、負荷短絡を判定すれば負荷短絡検知信号をソフト電流リミット回路12に出力する。ソフト電流リミット回路12は、この負荷短絡検知部20から負荷短絡検知信号が入力されたとき、電流検出器(2)4で検出した電流が電力変換器1の過電流故障検知セット値に達する前に、dq軸上の座標変換した出力電流の大きさにリミットをかけるため、電圧制御器13の出力する電流指令値をある大きさに瞬時に絞り込むリミット指令を出力する。尚、電流検出器(2)4の代わりに、変圧後の電流を検出する電流検出器(3)18を使用してもよい。
本実施の形態の車両用電源装置では、電力変換器1から電気車内の負荷8へ電力を供給している中で負荷短絡が発生した場合、短絡点へ向けて所定値以上の電流、例えば定格の250〜275%の電流が流れ込むのをソフト電流リミット回路12で瞬時に制限して例えば定格100%に絞り込む。これによって、電流検出器(1)2で検出する電流が故障検知セット値に達することなく、負荷8への電力供給を続けながら、短絡した負荷8に例えば定格の300%の電流が流れてヒューズが切れ、三相の負荷母線17から切り離されるまで運転を継続する。
本実施の形態の車両用電源装置によれば、負荷短絡が発生した場合に瞬時に電力変換器1を停止させることで電気車編成内へ電力変換器1から電力が供給されなくなる無給電状態を回避しながら、短絡した負荷8を三相の負荷母線17から切り離すことができる。
(第2の実施の形態)図2は、本発明の第2の実施の形態の車両用電源装置におけるソフト電流リミット回路12の機能構成を示している。本実施の形態において、直流電源14を交流電力に変換して三相の負荷母線17に出力する主回路構成、また、PWM制御器10、電流制御器11、電圧制御器13、負荷短絡検知部20の構成は、図1に示した第1の実施の形態と共通である。尚、図2においては、電流制御器11、電圧制御器13の構成は図1に示した第1の実施の形態のものよりも詳しく示してある。
本実施の形態の特徴は、図2に示したソフト電流リミット回路12の内部構成にある。すなわち、本実施の形態におけるソフト電流リミット回路12は、電流ベクトルリミット調整器21と、この電流ベクトルリミット調整器21の出力するd軸電流リミット値、q軸電流リミット値をリミットレベルとし、電流検出器(2)4の出力する変圧器一次d軸電流、変圧器一次q軸電流に制限をかけるd軸電流リミッタ22及びq軸電流リミッタ23から構成されている。そしてこのd軸電流リミッタ22及びq軸電流リミッタ23の出力は電圧制御器13の出力するd軸電流指令、q軸電流指令に加算するようにしてある。
本実施の形態の車両用電源装置では、主回路動作は第1の実施の形態と同様であるが、負荷短絡検知時の動作は次のようである。電流検出器(2)4で検出した変圧器一次電流実効値が所定値以上であることと、電圧検出器(2)19で検知した変圧器二次出力電圧実効値が所定値以上であることを同時に満足すると、負荷短絡検知部20が負荷短絡検知信号を出力し、電流ベクトルリミット調整器21に入力する。電流ベクトルリミット調整器21はこの負荷短絡検知信号が入力されると、電流検出器(2)4が検出した電流実効値を、予め設定した電流ベクトルの大きさにリミットするようにd軸電流リミット値及びq軸電流リミット値を出力する。例えば、d軸電流リミット値Idlmは、定格100%以内で任意に設定し、q軸電流リミット値Iqimは、Iqlm=√(Ilm−Idlm)に設定する。ただし、Ilmは定格100%の電流とする。
d軸電流リミッタ22及びq軸電流リミッタ23では、電流検出器(2)4の検出した電流をdq軸上へ座標変換したものをリミットし、そのリミット処理したdq軸電流指令を電圧制御器13の出力するdq軸電流指令値に加算する。また、ソフト電流リミット回路12は、負荷短絡検知部20からの負荷短絡検知信号がなくなると、d軸電流及びq軸電流のリミット値出力を停止する。
電流制御器11は、電圧制御器13から出力され、ソフト電流リミット回路12によりリミットが掛けられたdq軸電流指令に対して、電流検出器(1)2の検出した電流をdq軸上へ座標変換したものと比較し、差分に応じて加減したdq軸制御電圧を得、三相変換器11aにて三相電圧に変換し、PWM制御器10に出力する。PWM制御器10はこの制御電圧と三角波との比較によりゲート信号を得、これを電力変換器1に出力して電力変換させる。
このように、本実施の形態の車両用電源装置では、ソフト電流リミット回路12により、電圧制御器13の出力にd軸電流リミッタ22及びq軸電流リミッタ23の出力を加算することで、電圧制御・電流制御機能を生かしたまま瞬時出力電流リミットをかけることができる。これにより、本実施の形態の車両用電源装置によれば、本電源装置が三相の負荷母線17に複数台並列に接続されている場合、負荷短絡中に意図した電流ベクトルの方向となるようにd軸電流及びq軸電流のリミット値をかけておくことで、他の電源装置の出力電流の方向に電流ベクトルを合わせることもでき、負荷短絡中に各電力変換器1間の出力電圧アンバランスにより発生する横流を抑制し、安定な制御を行うことができる。
尚、本実施の形態にあって、dq軸電流リミッタ22,23にはヒシテリシス特性を持たせるのが好ましい。その理由は次による。電圧制御器13から出力された電流指令に対して、ソフト電流リミット回路12によりリミットをかける。電流リミットしたら電圧指令を絞る。そして電流が出力電流リミットレベル以下に抑えられたなら、電圧指令を増加する。ここで、電圧を絞るモードと電圧を戻すモードとがチャタリングしないようにリミットレベルにヒシテリシスを持たせる。これにより、頻繁にモード切替りが起こり、電圧波形が乱れるのを防止することができる。
(第3の実施の形態)本発明の第3の実施の形態の車両用電源装置について、図3を用いて説明する。第3の実施の形態の車両用電源装置も、図1に示した第1の実施の形態の電源装置と回路構成を共通にするが、そのソフト電流リミット回路12のリミット値の可変設定機能に特徴を有する。
図3にソフト電流リミット回路12によるリミット可変設定特性を示している。負荷短絡検知部20により負荷短絡を検知した直後、ソフト電流リミット回路12は瞬時に出力電流実効値に関する出力電流リミットレベル27(例えば、定格の250%〜275%)を短絡検知初期リミットレベル28(例えば、電力変換器1を停止させないで出力を定格の0%あるいは50%とする)まで引き下げる。ソフト電流リミット回路12は、初期リミットレベル継続時間29が経過した後、初期リミット復帰時の傾き30を持たせてリミットレベルを引き上げ、負荷8が三相の負荷母線17から切り離されるまでの負荷短絡継続期間34の期間中は短絡検知リミットレベル3(例えば、定格の100%)を継続する。そしてソフト電流リミット回路12は、負荷短絡解除後には短絡検知リミット復帰時の傾き32で通常リミットレベル27まで戻す。
図1に示した車両用電源装置では、負荷短絡した直後、短絡点に向けて瞬時に大電流が流れ込む。そのため、短絡検知リミットレベルを電力変換器1の定格値に設定しておくと、ソフト電流リミット回路12が動作し、定格に電流がリミットされる前に車両用電源装置がインバータ過電流で故障停止してしまうことが起こり得る。そこで、本実施の形態では、ソフト電流リミット回路12によりリミット設定値を負荷短絡継続時間に応じて可変設定させ、負荷短絡検知部20により負荷短絡を検知した直後、瞬時に出力電流実効値に関する出力電流リミットレベル27を定格値よりも低い短絡検知初期リミットレベル28まで低下させることで、負荷短絡直後は急激に出力電流の大きさを抑制する。
これにより、本実施の形態の車両用電源装置では、負荷短絡検知直後の短絡検知初期リミットレベル28を設けることで、電力変換器1が過電流で故障停止することなく給電を継続できる。また、各レベルを適切に設定することで、複数の電力変換器1の出力側が互いに並列に接続され、負荷8に電力を供給している場合にも、負荷短絡に対して他機との協調を図ることができる。
尚、本実施の形態にあっても、dq軸電流リミッタ22,23にはヒシテリシス特性を持たせるのが好ましく、それによって、頻繁にモード切替りが起こり、電圧波形が乱れるのを防止することができる。
(第4の実施の形態)図4は、本発明の第4の実施の形態の車両用電源装置におけるソフト電流リミット回路12の機能構成を示している。本実施の形態において、直流電源14を交流電力に変換して三相の負荷母線17に出力する主回路構成、また、PWM制御器10、電流制御器11、電圧制御器13、負荷短絡検知部20の構成は、図1に示した第1の実施の形態と共通である。
本実施の形態の特徴は、図4に示したソフト電流リミット回路12の内部構成にある。すなわち、本実施の形態におけるソフト電流リミット回路12は、電流検出器(2)4で検出した変圧器一次電流実効値が所定値以上であることと、電圧検出器(2)19で検出した変圧器二次出力電圧実効値が所定値以下であることとを同時に満足し、負荷短絡検知部20が負荷短絡を検知すると、切換スイッチ42は検知側を選択する構成である。また、図3に示したようにあらかじめ設定されている出力電流リミットレベル27と変圧器一次電流実効値との差分を乗算器40と積分器41とに入力し、それらの出力を電圧制御器13の出力するq軸電圧指令から減算することで負荷短絡時のq軸電圧指令を作成する構成である。
本実施の形態の車両用電源装置では、負荷短絡検知部20が負荷短絡を検知すると、ソフト電流リミット回路12によって乗算器40と積分器41とが、出力電流リミットレベル27と変圧器一次電流実効値との差分をゼロにするようにq軸電圧指令を下げる制御を行う。
これにより、本実施の形態の車両用電源装置によれば、負荷短絡検知部20が負荷短絡を検知した直後に電圧指令を絞り込むことで、変圧器一次電流実効値が出力電流リミットレベルに抑え込まれるまでにかかる時間を短くすることができ、その結果、短絡点に向けて大電流が流れ込む時間を短くすることができ、当該電源装置に接続されている負荷への負担を軽減することができる。
(第5の実施の形態)図5は、本発明の第5の実施の形態の車両用電源装置におけるソフト電流リミット回路12の機能構成を示している。本実施の形態においては、複数台の車両用電源装置43,43,…の主回路が三相母線17に並列に接続されていて、各車両用電源装置43のソフト電流リミット回路12が他の電源装置43の状態と呼応して電流リミット制御することを特徴とする。したがって、各電源装置43は、図1に示した第1の実施の形態における主回路構成を備え、また、PWM制御器10、電流制御器11、電圧制御器13、負荷短絡検知部20の構成は、図1に示した第1の実施の形態と共通である。また、本実施の形態の特徴として、全電源装置43(1),43(2),…,43(n)に共通するモニタ制御装置46も備えている。
図5に示したように、本実施の形態の車両用電源装置43は、三相の負荷母線17に並列に接続されていて、各電源装置43のソフト電流リミット回路12は、自機制御変数45を伝送線49を経由してモニタ制御装置46に送信し、モニタ制御装置46から他機制御変数44を受信する。基準位相演算部48は、自機制御変数45と他機制御変数44を用いて全電源装置43,43,…の位相平均を演算する。変圧器一次電流基準リミット部47は、自機制御変数45に含まれる自機の負荷短絡検知信号と他機制御変数44に含まれる他機の負荷短絡検知信号を監視し、最初に負荷短絡検知信号を発信した電源装置(例えば、電源装置43(i)とする)の出力電流リミットレベル27(=Iilim)に自機(図5では電源装置43(1))の出力電流リミットレベル27(=I1lim)を同期させる。
次に、本実施の形態の車両用電源装置の動作について説明する。三相の負荷母線17に並列に接続された全ての電源装置43,43,…は、それぞれのソフト電流リミット回路12における変圧器一次電流基準リミット部47において、自機制御変数45と他機制御変数44から得られる全電源装置の負荷短絡検知信号を監視している。いずれかの電源装置(ここでは、電源装置43(i)とする)が負荷短絡検知信号を発信すると、他の電源装置それぞれの変圧器一次電流基準リミット部47は即座にそれを受信する。負荷短絡検知信号を発信した電源装置43(i)と自機電源装置の出力電流リミットレベルの変化するタイミングを合わせることで、全電源装置の出力電流リミットレベルを同期させる。基準位相演算部48は、自機電源装置の変圧器一次電流と他機制御変数44に含まれる各電源装置の変圧器一次電流とを用いて、そのd軸電流およびq軸電流から全電源装置の位相平均を演算して電流ベクトルリミット調整器21に与え、電流ベクトルリミット調整器21はこの位相平均を用いてd軸電流、q軸電流の位相角を決定し、d軸電流リミット、q軸電流リミットのリミットする方向も合わせる。
いずれかの負荷8が短絡した場合に、その負荷8の地点から最も近い電源装置と最も遠い電源装置とでは、負荷8と電源装置43との間の配線のインダクタンスの差から、出力電流の大きさにアンバランスが生じることがある。ところが、本実施の形態の車両用電源装置では、いずれの地点の負荷8が短絡した場合にも全ての電源装置43間で出力電流の大きさと位相を合わせておくことで、負荷短絡時に生じる出力電流のアンバランスを抑制することができる。また、三相の負荷母線17に正弦波を供給でき、健全な負荷を正常に動作させることができる。そして、短絡した負荷8が三相の負荷母線17から切り離され、負荷短絡解除となったときに、全ての電源装置43,43,…間で出力電流の振幅差と位相差がないため、出力電圧が脈動や振動を起こすことなく負荷短絡前の値に復帰することができる。
本発明の第1の実施の形態の車両用電源装置のブロック図。 本発明の第2の実施の形態の車両用電源装置におけるソフト電流リミット回路の内部構成を示すブロック図。 本発明の第3の実施の形態の車両用電源装置におけるソフト電流リミット回路のリミット可変設定特性を示すグラフ。 本発明の第4の実施の形態の車両用電源装置におけるソフト電流リミット回路の内部構成を示すブロック図。 本発明の第5の実施の形態の車両用電源装置におけるソフト電流リミット回路の内部構成を示すブロック図。 従来例の負荷短絡保護動作特性を示すグラフ。
符号の説明
1 電力変換器
2 電流検出器(1)
3 交流フィルタリアクトル
4 電流検出器(2)
5 変圧器
6 電圧検出器(1)
7 接触器
8 負荷
9 交流フィルタコンデンサ
10 PWM制御器
11 電流制御器
11a 三相変換器
12 ソフト電流リミット回路
13 電圧制御器
14 直流電源
15 直流リアクトル
16 直流フィルタコンデンサ
17 三相の負荷母線
18 電流検出器(3)
19 電圧検出器(2)
20 負荷短絡検知部
21 電流ベクトルリミット調整器
22 d軸電流リミッタ
23 q軸電流リミッタ

Claims (7)

  1. 直流電力を交流電力に変換し、三相の負荷母線に接続された負荷に電力を供給する電力変換器と、
    前記電力変換器の出力電流を検出する電流検出器と、
    前記電力変換器の出力側に設けられた、当該電力変換器から前記三相の負荷母線への交流出力を入切するための遮断器と、
    前記遮断器よりも三相の負荷母線側に設けられた、前記電力変換器の出力電圧を検出する電圧検出器と、
    前記電力変換器が所定電圧、所定周波数の交流を出力するように制御する電力変換制御器と、
    前記電流検出器と電圧検出器との検出値から負荷短絡を判定する負荷短絡検知部と、
    前記負荷短絡検知部が負荷短絡と判定したときに、出力電流ベクトルの方向と大きさを設定値に瞬時に合わせるためのd軸出力電流及びq軸出力電流のリミット値を前記電力変換制御器に指令する電流リミット回路とを備えた車両用電源装置。
  2. 前記電流リミット回路は、前記負荷短絡検知部が負荷短絡を判定したときに、前記出力電流を複数のレベルに段階的に押さえ込むために複数のリミット値を指令することを特徴とする請求項1に記載の車両用電源装置。
  3. 前記負荷短絡検知部は、前記電圧検出器の検出値から判定する負荷短絡判定基準を有し、当該負荷短絡判定基準は、当該値を超えたときに負荷短絡と判定する負荷短絡検知セット値と、当該負荷短絡検知セット値よりも低い値で、当該値を下回ったときに負荷短絡解除と判定する負荷短絡解除セット値とを持つことを特徴とする請求項1に記載の車両用電源装置。
  4. 前記電流制御器は、前記電流検出器と電圧検出器との検出値から負荷短絡と判定したとき、前記出力電流のリミット値と前記電流検出器において検出された出力電流との差分が零となるように電圧指令を減少させていくことを特徴とする請求項1に記載の車両用電源装置。
  5. 前記電流制御器は、前記d軸出力電流とq軸出力電流とのそれぞれのリミット値から復帰する際、単位時間当たりのリミット値上昇率を任意に設定する手段を有することを特徴とする請求項1に記載の車両用電源装置。
  6. 前記電流制御器は、前記出力電流のリミット値にヒステリシスを与えることを特徴とする請求項1又は2に記載の車両用電源装置。
  7. 出力が互いに三相の負荷母線に並列に接続され、直流電力を交流電力に変換して出力する複数の電力変換器と、
    前記電力変換器の出力電流を検出する電流検出器と、
    前記電力変換器の出力側に設けられた、当該電力変換器から前記三相の負荷母線への交流出力を入切するための遮断器と、
    前記遮断器よりも三相の負荷母線側に設けられた、前記電力変換器の出力電圧を検出する電圧検出器と、
    前記電力変換器を制御する電力変換制御器と、
    複数の車両用電源装置の運転状態を監視するモニタ制御装置と、
    前記モニタ制御装置から送信される、前記三相の負荷母線に接続された他の車両用電源装置の運転状態を元に、負荷短絡中の出力電流ベクトルの大きさと方向を演算する出力電流演算器とを備えた車両用電源装置。
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