JP2012186947A - 電力変換装置及び鉄道車両用の電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄電装置において、電力用半導体デバイスのスイッチング制御により発生する充放電電流のリップルを抑制すること。
【解決手段】インバータ装置とインバータ装置により駆動する交流負荷と該交流負荷の回生電力を吸収する蓄電装置と該蓄電装置で吸収する電力を制御するＤＣ−ＤＣ変換装置を備えると共に、該ＤＣ−ＤＣ変換装置により重畳する電流リップルを吸収できるキャパシタを該蓄電装置に対して並列に接続し、該キャパシタと該ＤＣ−ＤＣ変換装置間の配線の持つインダクタンスが該蓄電装置とＤＣ−ＤＣ変換装置間の配線の持つインダクタンスよりも小さくなるように接続された構成とすることで解決できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、鉄道車両の駆動源である電動機を制御する車両用制御装置に適用して好適な電力変換装置に関し、更に詳しくは、特にインバータ装置と、該インバータ装置が電力を供給する交流負荷と、該インバータ装置に並列接続された蓄電装置とを備える電力変換装置に関する。

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：Pulse Width Modulation）方式を用いた可変電圧可変周波数（ＶＶＶＦ：Variable Voltage Frequency）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。

例えば、鉄道車両の分野では、鉄道車両の交流モータ駆動方式として、可変電圧可変周波数（以下、ＶＶＶＦと称する）インバータ装置が使用されている。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、架線という）へ戻す回生ブレーキ制御が広く用いられている。

また近年、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有効活用し、更なる省エネルギー化を実現させる技術が検討・実用化されている。
例えば、特許文献１で示すように、近年の電力変換装置ではインバータ装置の入力側に蓄電装置を並列に接続し、回生エネルギーを蓄電して有効利用することにより、車両を高効率に運転する技術が開示されている。

また、特許文献２で示すように、インバータ装置の入力の接地側に蓄電装置を直列に接続させてインバータ装置の入力電圧を昇圧することで、電動機の高速側の特性領域を拡大し、列車を走行させる力行および電動機などが持っている回転エネルギーを消費することにより制動力を得る回生ブレーキの性能を向上させる技術が開示されている。

なお、ＶＶＶＦインバータ装置は、家電分野では、インバータ・エアコンなどにも使用されている。

特開２００９−８９５０３号公報 特開２００８−２７８６１５号公報

リチウムイオン電池技術資料 三洋電機 (2002年) (URL:http://www.orient-technology.com/Sanyo/technote/lion_J.pdf) パワーエレクトロニクス 平紗多賀男著 (p.83-85) 共立出版 (1992年)

係る蓄電装置を搭載した車両用制御装置によれば、回生負荷低減時、回生電力を蓄電装置に電力吸収できるので、車両の運動エネルギーの無駄な消費を回避することができ、また同時に回生ブレーキ力低減による空気ブレーキ装置などの消耗を低減できるなどの特長がある。

その一方、蓄電装置として蓄電池を用いた場合、該蓄電池は一般に充放電の繰り返しにより電解液の分解が発生し、それに伴い内部抵抗の増加および蓄電容量の低下などの蓄電特性が劣化するという課題がある。また過充電や過放電およびそれに伴う温度上昇により劣化速度が加速することも知られている(非特許文献１参照)。

この蓄電池への充放電はＤＣ−ＤＣ変換装置などの電力変換装置により制御される。該電力変換装置は一般に電力用半導体素子により構成されており、電力用半導体素子をスイッチング制御することで蓄電池への充放電電力を制御するため、前述のＶＶＶＦインバータ装置と同様に高調波歪が含まれる。このような充放電電流のリップルや電流の急峻な変化の繰り返しは蓄電池の劣化を早めることにつながるため、できる限り抑制することが望まれる。

このような電力変換装置により重畳するリップルを抑制するためには、一般に電力変換装置内に設置されるリアクトルの容量を増加させること、電力用半導体デバイスのスイッチング周波数を増加させることが知られている（非特許文献２参照）。

一方で、鉄道車両に搭載する蓄電池は回生ブレーキにより発生する回生電力を全て吸収できるように蓄電容量を定めるが、車両床下の実装面積が限られることから最低限の蓄電容量を備える蓄電装置を実装することが望まれる。

しかしながら、電力変換装置内のリアクトルはその容積と重量が大きく車両床下の制約からむやみに大きくすることは望ましくない。また電力用半導体デバイスのスイッチング周波数の増加はスイッチング損失による発熱に影響を与えるためこれも高くすることは望ましくない。

本発明は、係る課題に鑑みなされ、電力変換装置により重畳するリップルを吸収でき、蓄電装置の過充電や過放電などによる特性劣化を抑制することが可能な電力変換装置および車両用制御装置に適用して好適な鉄道車両用の電力変換装置を提供することにある。

上記課題を達成するため、本発明は、例えば鉄道車両を駆動させるための電動機と該電動機を制御するインバータ装置と該電動機の回生電力を吸収する蓄電装置と該蓄電装置で吸収する電力を制御するＤＣ−ＤＣ変換装置を備えると共に、該ＤＣ−ＤＣ変換装置により重畳する電流リップルを吸収するリップル抑制手段を該蓄電装置に対して並列に接続し、該キャパシタと該ＤＣ−ＤＣ変換装置間の配線の持つインダクタンスが該蓄電装置とＤＣ−ＤＣ変換装置間の配線の持つインダクタンスよりも小さくなるように接続するように構成した。

本発明によれば、ＤＣ−ＤＣ変換装置により重畳する電流リップルをキャパシタにより吸収することができ、蓄電装置の過充電や過放電などによる特性劣化を抑制できる。

図１は、鉄道車両用として適用した本発明の（第一の実施例における）電力変換装置の構成図である。（実施例１） 図２は、図１のインバータ装置やＤＣ−ＤＣ変換装置に代表される半導体電力変換装置の機器の構成を示す斜視図である。 図３は、本発明の（第二の実施例における）電力変換装置の構成図である。（実施例２） 図４は、本発明の（第三の実施例における）電力変換装置の構成図である。（実施例３） 図５は、本発明の（第四の実施例における）電力変換装置の構成図である。（実施例４） 図６は、従来の蓄電装置を搭載した電力変換装置の構成図である。

本発明は、特に鉄道車両の電力変換装置に使用して好適であり、以下の背景技術および実施例においては鉄道車両用の制御装置、電力変換装置を挙げて説明するが、本発明は、鉄道車両以外の電力変換装置などにも適用可能であり、その適用範囲を限定するものではない。

図６は、蓄電装置を搭載された電力変換装置の一例を示すものであり、同図を参照して電力変換装置の構成について説明する。

同図において、１は直流電車線、２は集電装置、３は接触器、４はリアクトル、５および８はキャパシタ、６はインバータを構成するＤＣ−ＡＣ変換装置（以下、インバータ装置と称する）、７は電動機、９はチョッパーを構成するＤＣ−ＤＣ変換装置、１０は蓄電装置である。

ここでインバータ装置６およびＤＣ−ＤＣ変換器９は一般に電力用半導体素子で構成されている。ＰＷＭ方式による電力変換では、電力用半導体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歪が発生することが知られている。このため、インバータ装置６による高調波歪はリアクトル４とキャパシタ５からなるフィルタ回路で吸収すると共に、ＤＣ−ＤＣ変換器９による高調波歪はリアクトル４とキャパシタ８からなるフィルタ回路で吸収する構成となっている。係る構成をもって、直流電車線１への高調波歪の流入を防いでいる。

該電力変換装置は列車を走行させる力行時に、直流電車線１から集電装置２を通して直流電力を入力し、遮断器３とリアクトル４、キャパシタ５を介してインバータ装置６に電力を供給した後、該インバータ装置６にて直流電力を三相交流電力に変換することで電動機７を駆動し車両を加速させる。

また、回生時は回生ブレーキ力により車両を減速させると共に、電動機７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戻すことで、該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。

一方で、前述の回生制御において同一線路上で力行する電車が不足した状態であっても、電動機７より発生した回生電力を蓄電装置１０により吸収することで、回生ブレーキを連続動作させ、回生電力を全て戻すことのできない回生失効の回数を低減することで電力を有効利用できる装置構成としている。

この場合、回生電力は電動機７よりインバータ装置６とキャパシタ５、キャパシタ８、ＤＣ−ＤＣ変換装置９を介して蓄電装置１０に蓄電される。ここで、蓄電装置１０に充電される電力は、ＤＣ−ＤＣ変換装置９により制御される。

また、該蓄電装置１０に蓄電された電力は前記蓄電装置１０の充電時と同経路により放電され、車両を力行制御するための補助電力として用いるとともに、直流電車線１が停電するなどして電力供給を受けられない場合に車両を駅舎まで緊急走行用させるための電力として活用される。

しかしながら、前述した課題についてまでは考慮されていなかった。本発明は、該課題を是正するために以下のように構成したものである。
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。

図１は、本発明の鉄道車両用電力変換装置における第一の実施形態を示す図である。図６と同一部分には同一符号を付している。

図１の電力変換装置において、１は直流電車線（架線）、２は直流電車線１の直流電力を集電する集電装置（パンタグラフ）、３は接触器（高速度遮断器、断流器）、４はリアクトル、５はキャパシタ、６はＤＣ−ＡＣ変換装置（第１の変換制御手段）を構成するインバータ装置を示し、これらは第1の電力変換手段を構成している。なお、リアクトル４とキャパシタ５は直流電力を平滑するフィルタ回路を構成している。７はインバータ装置６の交流電力を受け、駆動する電動機を示し、交流回路を構成している。

９はインバータ装置６に並列に接続されたＤＣ−ＤＣ変換装置（第２の変換制御手段）を示し、該変換装置は、集電装置側の配線と接地線とに接続された直列構成の２つのスイッチング素子９−１からなるスイッチング部と該スイッチング素子の接続部に接続されたリアクトル９−２から構成されている。ＤＣ−ＤＣ変換装置９の前段にはキャパシタ８が接続されており、第２の電力変換手段を構成している。ＤＣ−ＤＣ変換装置９は、インバータ装置６に並列に接続されると共にインバータ装置より発生する直流電力を吸収する機能を有している。

１０はＤＣ−ＤＣ変換装置からの直流電力を蓄積するための蓄電装置（第１の蓄電手段）を示し、例えば蓄電池から構成される。

１２、１３はＤＣ−ＤＣ変換装置９のリアクトル９−２と蓄電装置１０の一方の電極とを接続する配線を示し、該配線は所望のインダクタンスを持っている。１１は配線１２、１３と蓄電装置１０の他方の電極（接地線）との間に接続され、蓄電機能を有するキャパシタである。これらは、ＤＣ−ＤＣ変換装置からリップル成分を抑制し、蓄積装置１０にリップル成分が供給されるのを防止するリップル抑制手段を構成している。リップル抑圧とは、リップル成分が軽減でき、蓄積装置１０に悪影響を及ぼさない程度の意味である。

ここで、配線１２に含まれるインダクタンスをＬｃ、配線１２および配線１３に含まれるインダクタンスの和をＬｂとする。
また、蓄電装置１０はキャパシタ１１よりも蓄電容量が大きいという特性を持つと共に、キャパシタ１１は蓄電装置１０よりも大電流を流すことが可能であるという特性を有する。

図１に示す構成で蓄電装置１０とキャパシタ１１を接続することで、配線１２に含まれるインダクタンスＬｃと配線１２および配線１３に含まれるインダクタンスの和Ｌｂの間には以下の数式（１）の関係を持つこととなる。

Ｌｃ＜Ｌｂ 数（１）

以下、図１の動作例として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。

回生ブレーキにより電動機７から発生する回生電力は、インバータ装置６とキャパシタ５、リアクトル４、接触器３を介して集電装置２から直流電車線１に出力されるが、変電所が回生電力を吸収できない場合や同一軌道上に力行車両が存在しない場合は、インバータ装置６とキャパシタ５からキャパシタ８とＤＣ−ＤＣ変換装置９を介して蓄電装置１０に充電される。

この蓄電装置１０の蓄電電力は、ＤＣ−ＤＣ変換装置９のスイッチング素子９−１を動作させることで制御するが、このとき、電力を変換する際にＤＣ−ＤＣ変換装置９の電圧や電流にリップルが重畳することとなる。また、蓄電装置１０は過電流などにより蓄電特性の劣化を早めることが知られており、充放電電流の急峻な変化やリップルを抑制することが望まれる。

ここで、リアクトル９−２を流れる電流は配線１２を介してキャパシタ１１に流れると共に、配線１２および配線１３を介して蓄電装置１０に流れるが、配線１２に含まれるインダクタンスＬｃと配線１２および配線１３に含まれるインダクタンスＬｂの間には、上記数（１）の関係が満たされることから、回生電力の直流成分はインダクタンスの大きい蓄電装置１０に流れると共に、交流成分であるリップルはインダクタンスの小さいキャパシタ１１に流れるため、蓄電装置１０の電流リップルを抑制することが可能となる。

図２は、ＤＣ−ＤＣ変換装置９やインバータ装置６に代表される半導体電力変換装置の機器構成例である。１０１は電力変換装置のフィルタコンデンサ、１０２は半導体電力変換素子を示している。ここで図２のフィルタコンデンサ１０１は図１のキャパシタ５、８、１１に相当し、図２の半導体電力変換素子１０２は図１のスイッチング素子９−１に相当するとして説明する。

図２で示すようにフィルタコンデンサ１０１と半導体電力変換素子１０２を直近に配置する構成とし、図示しない蓄電装置を別の場所に配置することで、図１における配線１２に含まれるインダクタンスＬｃは、配線１２および配線１３に含まれるインダクタンスの和Ｌｂよりも小さくなるため、半導体電力変換素子１０２より重畳する電流リップルをフィルタコンデンサ１０１で吸収することが可能となる。

一方で装置の構成上、フィルタコンデンサ１０１と半導体電力変換素子１０２を図２に示すように一体構成とすることができず、配線１２に含まれるインダクタンスＬｃと配線１２および配線１３に含まれるインダクタンスの和Ｌｂの関係が上記数式（１）を満たさない場合は、蓄電装置１０の配線にリアクトルを挿入することで前述と同様の効果を得ることができる。

図３は、本発明の鉄道車両用電力変換装置における第二の実施形態を示す図である。図１および図６と同一部分には同一符号を付している。

図３の電力変換装置において、１は直流電車線、２は集電装置、３は接触器、４はリアクトル、５と１５はキャパシタ、６はインバータ装置、７は電動機、１４は蓄電装置、１６はＤＣ−ＤＣ変換装置、１７はキャパシタ１５とＤＣ−ＤＣ変換装置１６を結ぶ配線、１８は蓄電装置１４とＤＣ−ＤＣ変換装置１６を結ぶ配線である。本実施例では、キャパシタ５の一端と接地との間に蓄電装置１４（第１の蓄電手段）と、ＤＣ−ＤＣ変換装置１６と、これらを接続する配線１７、１８およびキャパシタ１５を配置し、図示の如く接続している。

ここで、ＤＣ−ＤＣ変換装置１６の内部で構成される１６−１はスイッチング素子、１６−２はリアクトルである。また配線１７と配線１８は図１に示す配線１２、配線１３のインダクタンスと同様の大小の関係を持つものとし、配線１７に含まれるインダクタンスをＬｃ、配線１７と配線１８に含まれるインダクタンスの和をＬｂとする。これにより配線１７および配線１８に含まれるインダクタンスの間には、上記数式（１）の関係を持つこととなる。

以下、図３の動作について説明する。本実施例ではインバータ装置６の入力電圧を蓄電装置１４およびＤＣ−ＤＣ変換装置１６により昇圧させることで電動機７の高速域における特性領域を拡大させ、力行および回生ブレーキの性能を向上させるよう動作する（特許文献２の説明参照）。ＤＣ−ＤＣ変換装置１６（第２の電力変換手段）は、該装置による第２の直流電力により前記インバータ装置６（第１の電力変換手段）の第１の直流電力の直流電圧を制御するＤＣ−ＤＣ変換制御手段を構成している。

このインバータ装置６の入力電圧の昇圧は、ＤＣ−ＤＣ変換装置１６のスイッチング素子１６−１により制御されるが、本実施例の場合でもスイッチング素子１６−１の動作により電流リップルが発生する。

ここで、配線１７のインダクタンスＬｃと配線１７および配線１８のインダクタンスの和Ｌｂとの間には上記数式（１）が満たされることから、充放電電流の直流成分はインダクタンスの大きい蓄電装置１４に流れると共に、交流成分であるリップルはインダクタンスの小さいキャパシタ１５に流れる。

本実施例においても図２に示すようにフィルタコンデンサ１０１と半導体電力変換素子１０２とを一体化した構造とし、図示しない蓄電装置を別の場所に配置することで、フィルタコンデンサ１０１の配線に含まれるインダクタンスＬｃは図示しない蓄電装置の配線に含まれるインダクタンスＬｂよりも小さくなるため、第一の実施例と同様に蓄電装置１４の電流リップルを抑制することが可能となる。

図４は、本発明の鉄道車両用電力変換装置における第三の実施形態を示す図である。図１、図３および図６と同一部分には同一符号を付している。

図４は図１のキャパシタ１１（蓄電機能を有する装置）を蓄電装置１９（第２の蓄電手段）に置き換えたものである。従って、蓄積装置１９は、リップル成分を抑圧する機能を有するものであり、リップル抑制手段を構成している。ここで、蓄電装置１０（第１の蓄電手段）と蓄電装置１９（第２の蓄電手段）は異なる蓄電特性を有することを特徴とし、蓄電装置１０は蓄電装置１９に対して蓄電容量が大きいと共に蓄電装置１０の内部に含まれる内部インピーダンスが蓄電装置１９の内部に含まれる内部インピーダンスよりも大きいことを特徴する。また、配線１２のインダクタンスＬｃと配線１２および配線１３のインダクタンスの和Ｌｂとは、本発明の第一の実施例と同様に数式（１）の関係を満たすものとする。

以上の構成とすることで、充放電電流の直流成分はインダクタンスの大きい蓄電装置１０に流れると共に、交流成分であるリップルはインダクタンスの小さい蓄電装置１９に流れるため蓄電装置１０の電流リップルを抑制することが可能となる。

図５は、本発明の鉄道車両用電力変換装置における第四の実施形態を示す図である。図１、図３、図４および図６と同一部分には同一符号を付している。

図５は図３のキャパシタ１５を蓄電装置２０に置き換えたものである。ここで、蓄電装置１４と蓄電装置２０は異なる蓄電特性を有することを特徴とし、蓄電装置１４は蓄電装置２０に対して蓄電容量が大きいと共に蓄電装置１４の内部に含まれる内部インピーダンスが蓄電装置２０の内部に含まれる内部インピーダンスよりも大きいことを特徴する。また、配線１７のインダクタンスＬｃと配線１７および配線１８のインダクタンスの和Ｌｂとは、本発明の第二の実施例と同様に数式（１）の関係を満たすものとする。以上の構成とすることで、充放電電流の直流成分はインダクタンスの大きい蓄電装置１４に流れると共に、交流成分であるリップルはインダクタンスの小さい蓄電装置２０に流れるため蓄電装置１４の電流リップルを抑制することが可能となる。

１ 直流電車線
２ 集電装置
３ 接触器
４ リアクトル
５，８，１１，１５ キャパシタ
６ インバータ装置
７ 電動機
９，１６ ＤＣ−ＤＣ変換装置
１０，１４，１９，２０ 蓄電装置
１２，１３，１７，１８ 配線
９−１，１６−１ スイッチング素子
９−２，１６−２ リアクトル
１０１ フィルタコンデンサ
１０２ 半導体電力変換素子

Claims (10)

1. 第１の直流電力を交流電力に変換するインバータ装置を含む第１の電力変換手段と、
   前記第１の電力変換手段の後段に接続された交流回路と、
   を備えた電力変換装置において、
   前記第１の直流電力を受け、該直流電力の電圧レベルと異なる電圧レベルの第２の直流電力に変換する第２の電力変換手段と、
   前記第２の電力変換手段の第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、該第２の電力変換手段の第２の直流電力を該蓄電手段に導く第１のインダクタンスと、該第２の直流電力に含まれるリップル成分を抑制する第２のインダクタンスを有するリップル抑制手段を設けたことを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置において、前記リップル抑制手段が、前記第２の電力変換手段の一端と前記蓄電装置を接続する第１配線および第２配線と、該第１配線と第２配線の間と前記第２の電力変換手段の他端を接続するキャパシタからなる電力変換装置。
3. 請求項１に記載の電力変換装置において、前記リップル抑制手段が、前記第２の電力変換手段と、前記第１の蓄電手段との間に配置され、前記第１の蓄電装置に対して蓄積容量が小さい第２の蓄電手段からなる電力変換装置。
4. 請求項１乃至３に記載された電力変換装置が、車両用制御装置の電力変換装置。
5. 第１の直流電力を交流電力に変換するインバータ制御手段を有する第１の電力変換手段と、前記第１の電力変換手段の出力側に接続された交流回路と、を有する電力変換装置において、
   前記電力変換手段の前記第１の直流電力を、該電圧レベルと異なる第２の直流電力に変換するＤＣ−ＤＣ制御手段を有する第２の電力変換手段と、
   前記第２の電力変換手段の前記第２の直流電力を充電および放電する第１の直流電力蓄積手段と、
   前記第２の電力変換手段の前記第２の直流電力を充電および放電すると共に前記第１の直流電力蓄積手段と並列に接続された第２の直流電力蓄積手段を備え、
   前記第１の直流電力蓄積手段と前記第２の電力変換手段を接続する結線に含まれるインダクタンスが前記第２の直流電力蓄積手段と前記第２の電力変換手段を接続する結線に含まれるインダクタンスよりも小さく構成したことを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項５に記載の電力変換装置において、
   前記第１の直流電力蓄積手段と前記第２の直流電力蓄積手段とは蓄電特性が異なると共に、前記第１の直流電力蓄積手段は前記第２の直流電力蓄積手段よりも内部に備えるインピーダンスが小さいことを特徴とする電力変換装置。
7. 請求項５と請求項６のいずれかに記載の電力変換装置において、
   前記第２の電力変換手段は前記第１の電力変換手段に並列に接続すると共に前記第１の電力変換手段より発生する第１の直流電力を吸収することを特徴とした電力変換装置。
8. 請求項５と請求項６のいずれかに記載の電力変換装置において、
   前記第２の電力変換手段は前記第１の電力変換手段に直列に接続すると共に前記第２の直流電力により前記第１の電力変換手段の前記第１の直流電力の直流電圧を制御するＤＣ−ＤＣ変換制御手段を有することを特徴とする電力変換装置。
9. 請求項５ないし請求項７のいずれかに記載の電力変換装置において、
   前記第２の電力変換手段は前記第１の電力変換手段に並列に接続すると共に前記第１の電力変換手段より発生する第１の直流電力を吸収することを特徴とした鉄道車両用の電力変換装置。
10. 請求項５と請求項６と請求項８のいずれかに記載の電力変換装置において、
    前記第２の電力変換手段は前記第１の電力変換手段に直列に接続すると共に第２の直流電力により前記第１の電力変換手段の前記第１の直流電力の直流電圧を制御するＤＣ−ＤＣ変換制御手段を有することを特徴とする鉄道車両用の電力変換装置。

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