JP2016067172A - 車両用電力変換装置及びこれを搭載した鉄道車両 - Google Patents

Abstract

【課題】
エネルギ蓄積装置とエネルギ消費装置を備えた車両用電力変換装置において、エネルギ蓄積装置の充電状態によらず発電ブレーキを連続して動作させることができ、エネルギ蓄積装置とエネルギ消費装置の機能を維持しながら装置間の動作の干渉を回避する。
【解決手段】
直流電源から得た直流電力を三相交流電力に変換して交流電動機を駆動するインバータ装置と、インバータ装置の直流側にエネルギ蓄積装置を備え、チョッパ回路を構成する高圧側または低圧側の電流制御手段の一方をエネルギ消費装置の電流制御手段として用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は、直流電源から電力を得て交流電動機を駆動するインバータ装置と蓄電池などのエネルギ蓄積手段を備えた車両用電力変換装置に関する。

近年、鉄道車両において蓄電池や電気二重層キャパシタなどのエネルギ蓄積手段と、昇降圧チョッパ回路などを組み合わせたエネルギ蓄積装置を活用することでさらなる省エネルギ化を実現する動きが活発となっている。例えば、電気気動車にエネルギ蓄積装置を搭載して発電ブレーキの電力をエネルギ蓄積装置で吸収し力行時に再利用することでエネルギ効率を向上した車両が実用化されている。

一例としてエネルギ蓄積装置を搭載した電力変換装置が特許文献１に記載されている。特許文献１ではインバータ装置とフィルタ回路の間にエネルギ蓄積装置を備えており、また、エネルギ蓄積装置の充電量が許容値を超えた場合に発電ブレーキによる電力を消費するためのエネルギ消費装置がインバータ装置と並列に接続されている。また、エネルギ蓄積装置が全回生エネルギを吸収できない場合に、補助的にエネルギ消費装置が作用させて直流電圧の安定化を図っている。

特開2007-104899

しかしながら、特許文献１の電力変換装置は、エネルギ蓄積装置とエネルギ消費装置がそれぞれ個別にインバータ装置に並列接続されているため、エネルギ消費装置がスイッチング素子を備えて、流入する電力量をスイッチング素子により制御する場合には、エネルギ蓄積装置の動作に伴う直流電源の電流および電圧の振動を抑えるようにエネルギ消費装置が動作しようとし、またエネルギ蓄積装置はエネルギ消費装置の動作に伴う電流および電圧の振動を抑制するように動作しようとする。このため、お互いの振動を抑える動作が干渉し合って電力変換装置の動作が不安定になるという問題があった。

この不安定動作を回避するためには、エネルギ蓄積装置の動作とエネルギ消費装置の動作に制約を設けたり、それぞれの装置の動作を非干渉化する処理を追加したりする必要があり、それぞれの装置の性能が制約されたり、制御系が複雑になったりしてしまう。

一方、上記した不安定動作を回避するために、エネルギ消費装置がスイッチング素子に換えて接触器を備えて、エネルギ消費装置のＯＮ／ＯＦＦをのみを制御する場合には、エネルギ消費装置に流入する電力量を調節できないので、エネルギ消費装置及びエネルギ蓄積装置で吸収される総エネルギを管理できないという問題があった。

本発明の目的は、エネルギ蓄積装置とエネルギ消費装置を備えた車両用電力変換装置において、エネルギ蓄積装置とエネルギ消費装置で吸収される電力を制御しつつ、これらの装置間の動作の干渉を回避することである。

直流電源の高圧側から低圧側へ一方向に流れる電流を導通または遮断する第１の電流制御素子と、第１の電流制御素子と並列に接続され、第１の電流制御素子と逆方向に電流を導通させる第１の整流素子を組み合わせた第１の電流制御回路と、第１の電流制御回路から前記直流電源の低圧側へ一方向に流れる電流を導通または遮断する第２の電流制御素子と、第２の電流制御素子と並列に接続され、第２の電流制御素子と逆方向に電流を導通させる第２の整流素子を組み合わせた第２の電流制御回路と、を備え、第１の電流制御回路と第２の電流制御回路が直列に接続された直列回路は、直流電源の高圧側の電源線と直流電源の低圧側の電源線の間にインバータ装置と並列に接続されており、高圧側で第１の電流制御回路と第２の電流制御回路の接続点と接続され、低圧側で直流電源の低圧側と接続されるエネルギ蓄積手段と、エネルギ蓄積手段と直列に接続される第１のリアクトル及び第１のスイッチと、第２のスイッチと直列に接続されるエネルギ消費手段と、を備え、エネルギ消費手段は、第１の電流制御回路と第２の電流制御回路の接続点と直流電源の低圧側の電源線の間に接続されていることを特徴とする。

もしくは、直流電源の高圧側から低圧側へ一方向に流れる電流を導通または遮断する第１の電流制御素子と、第１の電流制御素子と並列に接続され、第１の電流制御素子と逆方向に電流を導通させる第１の整流素子を組み合わせた第１の電流制御回路と、第１の電流制御回路から直流電源の低圧側へ一方向に流れる電流を導通または遮断する第２の電流制御素子と、第２の電流制御素子と並列に接続され、第２の電流制御素子と逆方向に電流を導通させる第２の整流素子を組み合わせた第２の電流制御回路と、第２の電流制御回路の低圧側と直流電源の低圧側の間に接続されるエネルギ消費手段と、を備え、直流電源の高圧側から順に、第１の電流制御回路と第２の電流制御素子とエネルギ消費手段が直列に接続された直列回路が、直流電源の高圧側の電源線と直流電源の低圧側の電源線の間に接続されており、コンデンサと並列に接続されており、第１のリアクトルと第１のスイッチとエネルギ蓄積手段とが直列に接続された直列回路が、第１の電流制御回路と第２の電流制御回路の接続点と直流電源の低圧側の電源線の間に接続されていることを特徴とする。

本発明によれば、エネルギを蓄積する装置とエネルギを消費する装置で吸収される電力を制御しつつ、装置間の干渉を回避しながらエネルギ蓄積装置の充電量によらず発電ブレーキ動作を継続することができる。

図１は、本発明の第１実施例を示す図である。 図２は、第１実施例においてチョッパ回路と第１のコンデンサの間に第２のコンデンサを追加した構成を示す図である。 図３は、第１実施例においてチョッパ回路と第１のリアクトルの間に第２のコンデンサを追加した構成を示す図である。 図４は、図１の第１実施例に補助電源装置を接続する第１の構成を示す図である。 図５は、図１の第１実施例に補助電源装置を接続する第２の構成を示す図である。 図６は、図１の第１実施例に補助電源装置を接続する第３の構成を示す図である。 図７は、本発明の第２実施例を示す図である。 図８は、本発明の第３実施例を示す図である。

発明者はエネルギ蓄積装置の昇降圧チョッパ回路を構成する高圧側または低圧側の電流制御手段の一方をエネルギ消費装置の電流制御手段として用いて、チョッパ装置を一体化することで、エネルギを蓄積する装置とエネルギを消費する装置で吸収される電力を制御しつつ、装置間の動作の干渉を回避し、エネルギ蓄積装置の充電状態によらず発電ブレーキを連続して動作させることができることを発見した。

次に本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。

本発明の車両用電力変換装置における第１実施例について図１を用いて説明する。図１は本発明の第１実施例の構成を示す図である。直流電源１は高圧側に直列接続された第１のリアクトル２と、並列接続された第１のコンデンサ３を介してインバータ装置４に接続され、インバータ装置４は直流電源１から得た直流電力を三相交流電力に変換して交流電動機５を駆動する。

直流電源１としては、ディーゼルエンジンと誘導発電機または同期発電機からの交流発電電力を直流電力に変換するコンバータや、パンタグラフを介して直流架線に接続する構成や、変圧器を介して単相交流架線と接続された単相コンバータや、燃料電池であってもよい。また、交流電動機５としては誘導電動機または同期電動機が用いられる。

第１のリアクトル２と第１のコンデンサ３の接続点と直流電源１の低圧側の電源線の間には、高圧側から低圧側に流れる電流を導通または遮断できる電流制御素子と電流制御素子と逆方向に電流を導通できるダイオードとを並列接続した第１の電流制御手段６Ａと、第１の電流制御手段と同様に電流制御素子とダイオードが逆並列接続された第２の電流制御手段６Ｂが直列に接続されている。

一般的に電流制御素子としては、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌaｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）やパワーＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）、トランジスタなどのパワー半導体素子が用いられる。これらのパワー半導体素子は材料としてシリコンを用いたものでも、SiC（炭化珪素）を用いたものでも良い。

また、第１の電流制御手段６Ａと第２の電流制御手段６Ｂの接続点と直流電源１の低圧側と第２の電流制御手段６Ｂの低圧側の接続点の間には、第２のリアクトル６Ｃ、第１のスイッチ７、エネルギ蓄積手段８が直列に接続されている。さらに、第１の電流制御手段６Ａと第２の電流制御手段６Ｂの接続点と直流電源１の低圧側と第２の電流制御手段６Ｂの低圧側の接続点の間には、第２のスイッチ１０とエネルギ消費手段９が直列に接続されている。エネルギ消費手段９は、例えば抵抗などで構成される。第１の電流制御手段６Ａと第２の電流制御手段６Ｂおよび第２のリアクトル６Ｃはチョッパ回路６を構成している。

一般的にエネルギ蓄積手段８としては、リチウムイオン二次電池やニッケル水素蓄電池、ニッケルカドミウム蓄電池、鉛蓄電池、電気二重層キャパシタなどが用いられる。また、第一及び第二のスイッチ７，１０としては、真空遮断器やガス遮断器、あるいは手動の機械式接点のほか、IGBTなどの半導体素子を用いる場合が多い。

次に車両が減速する場合（発電ブレーキが動作）の動作について説明する。

まず、車両が発電ブレーキを動作させる場合、エネルギ蓄積手段８が充電可能な状態であれば、第１のスイッチ７を閉じ第２のスイッチ１０を開いて、エネルギ蓄積手段８に発電ブレーキにより生じた電力を充電する。この際、エネルギ蓄積手段８に流す電流を制御するため、必要に応じて第１の電流制御手段６Ａの電流制御素子を高速に導通、遮断することにより、通流率を調節する。これにより、エネルギ蓄積手段８の充電電流を制御するとともに、第2のリアクトル６Cによりエネルギ蓄積手段８に充電する際の電圧を低下させることも可能となる。その結果、電圧の低い蓄電池でシステムを構成することが可能なり、システムの小型・軽量化に有効である。上述のように電流制御素子を高速に導通、遮断することで、電流及び電圧を制御する回路をチョッパと呼び、特に充電の際に電圧を下げる回路を降圧チョッパと呼ぶ。

エネルギ蓄積手段８の充電量が許容値に達した場合、第２のスイッチ１０を閉じ、第１のスイッチ７を開いて、第１の電流制御手段６Ａの電流制御素子をエネルギ消費手段９に流す電流に応じて導通、遮断動作させて通流率を調節することで発電ブレーキ動作による電力をエネルギ消費手段９で消費することができる。

このように発電ブレーキが動作している途中でエネルギ蓄積手段８の充電量が許容値に達した場合でも、発電ブレーキによって流れる電流の経路をエネルギ蓄積手段８側からエネルギ消費手段９側へ切り替えることでブレーキ動作を継続することができる。

このとき、導通、遮断動作するのは第１の電流制御手段６Ａのみであるから特許文献１で問題となる装置間の動作の干渉は生じない。その上、特許文献１ではエネルギ蓄積手段とエネルギ消費手段のそれぞれを制御するためのマイコンなどのコントローラが必要であり、なおかつ、それらを連携させて動かす必要があったためにコントローラ間での通信が必要となり、システムの複雑化の原因となっていたが、本実施例ではエネルギ蓄積手段とエネルギ消費手段を共通の電流制御素子で制御することでこのような課題も解決できる。

また、エネルギ蓄積手段８の充電量によらず発電ブレーキを継続するためには、エネルギ蓄積手段８の充電量を監視して許容値に達することが予想された場合に、充電量が許容値に達する前に第２のスイッチ１０を閉じた後、第１のスイッチ７を開放するとよい。このような制御により、発電エネルギの吸収をエネルギ蓄積手段８からエネルギ消費手段に切り替える場合にも、発電ブレーキ力が弱まることを防止でき、連続したブレーキ力を出力できる。

エネルギ蓄積手段８が充電可能な状態であり、車両が発電ブレーキを動作させる場合、第１のスイッチ７及び第２のスイッチ１０を閉じた状態では、エネルギ蓄積手段８とエネルギ消費手段９の両方に電流が流れるようになり、回路のインピーダンスが低下するため電流制御素子の動作に伴う電流リップルが増加する。そこで、第２のスイッチ１０を閉じる場合は事前に第１の電流制御手段６Aが導通、遮断を繰り返す動作周波数を上げて第２のスイッチ１０を閉じたときの電流リップルを抑えるのがよい。

第２のスイッチ１０を投入した時のインピーダンスの変化を概算すると以下のようになる。エネルギ蓄積手段８の容量をＣとし、エネルギ消費手段９を抵抗Ｒ、第１の電流制御手段の動作周波数をＦとすると、第２のスイッチ１０を閉じる前のインピーダンスＺ０は式（１）となる。


ここで、πは円周率である。また、第２のスイッチ１０を閉じた後のインピーダンスＺ１は式（２）となる。

第１の電流制御手段が導通、遮断を繰り返す動作周波数を上げる場合、例えば式（１）と式（２）のインピーダンスに基づいて、第２のスイッチを閉じる前後で電流リップルが同程度となるように動作周波数を決定すればよい。

また、インピーダンスが式（１）と式（２）に切り替わることで、前述の電流リップルだけでなく電流の直流成分も増加するので、エネルギ蓄積手段８及びエネルギ消費手段に流れる総電流量が所望の値となるように第１の電流制御手段の通流率（導通させる時間）を調整するのがよい。

次に車両が加速するときの動作について説明する。車両が加速する場合、第１のスイッチ７を閉じ、第２のスイッチ１０を開いて、エネルギ蓄積手段８からインバータ装置４に流す電流に応じて第２の電流制御手段６Ｂの電流制御素子を導通、遮断動作させ、通流率を制御する。これによりエネルギ蓄積手段８からインバータ装置４に電力を供給できる。

このように本発明の第１実施例によれば、エネルギを蓄積する装置とエネルギを消費する装置で吸収される電力を制御しつつ、装置間の動作の干渉を回避しながらエネルギ蓄積装置の充電量によらず発電ブレーキを連続して動作させることができる。

また、エネルギ蓄積手段８の充電量が過大な状態となった場合、第１のスイッチ７と第２のスイッチ１０を閉じることでエネルギ蓄積手段８に蓄えられたエネルギをエネルギ消費手段９で消費させることができるため、充電量が過大な状態となった状態からエネルギ蓄積手段８を保護することもできる。

さらに、第１のスイッチ７と第２のスイッチ１０はそれぞれエネルギ蓄積手段８とエネルギ消費手段９が故障した際にそれらを電力変換装置から開放するために使用することもできる。

なお、第１実施例では第１のリアクトル２を直流電源１とインバータ装置４の間に接続しているが、直流電源１がディーゼルエンジンと誘導発電機または同期発電機からの交流発電電力を直流電力に変換するコンバータ、燃料電池、変圧器を介して単相交流架線と接続された単相コンバータの場合、第１のリアクトル２は設置しなくてもよい。

電力変換装置では、図１のようにインバータ装置の直流側にコンデンサを配置するのが一般的であるが、構造上の制約でコンデンサを分割して配置したり、インバータ装置の動作の安定性向上や、インバータ装置の動作に伴って発生するノイズを吸収するためにコンデンサを追加したりすることも可能である。

図１に対して、分割または追加したコンデンサ（以下、第２のコンデンサという）をインバータ装置４とチョッパ回路６の間に配置した構成を図２に示す。この場合、インバータ装置直近の第１のコンデンサ３と第２のコンデンサ１２は互いに近接して配置されるので、第１のコンデンサ３と第２のコンデンサ１２の間を導体棒、いわゆるブスバーで接続することができる。

ブスバーはケーブルに比べてインダクタンスが小さいためコンデンサとブスバーのインダクタンスによる共振が起こりにくい、ケーブルに比べて大電流に対応しやすいという利点がある。また、第１のコンデンサ３と第２のコンデンサ１２が互いに近接して配置されているため、チョッパ回路６やエネルギ蓄積手段８、エネルギ消費手段９を設置しない場合の電力変換装置と構造を共通にできるという利点もある。

これに対して、図３のように第２のコンデンサ１２を第１のリアクトル２とチョッパ回路６の間に配置することもできる。この場合、第１のコンデンサ３と第２のコンデンサ間の距離は離れるが、チョッパ回路６の動作に伴う高調波電流が、第２のコンデンサ１２と第１のリアクトル２により直流電源１に流入しにくくなるというノイズ対策としての利点がある。

図２と図３はそれぞれの利点があるため、用途に応じて第２のコンデンサ１２を配置するのがよい。

また、車両用の電力変換装置では車両内の照明や空調用の電源として補助電源装置を搭載する場合がある。図１に示す第１実施例に補助電源装置１３と補助電源装置から給電される３相交流負荷１４を追加した構成を図４、図５、図６に示す。

図４は補助電源装置１３を電源装置１と第１のリアクトル２の接続点と電源装置１の低圧側の電源線の間に接続する場合である。このとき補助電源装置１３は、電力変換装置１３Ａと３相トランス１３Ｂ、第３のリアクトル１３Ｃおよび第３のコンデンサ１３Ｄで構成される。また３相トランスの出力側には照明や空調などの３相交流負荷１４が接続される。

図４の構成では、発電ブレーキ動作によって得られる電力を補助電源装置１３へ給電することもできるため、発電ブレーキ動作時には、発電ブレーキ動作で得られた電力から補助電源装置１３へ送られる電力を除いた分がエネルギ蓄積手段８やエネルギ消費手段９へ送られる。また、エネルギ蓄積手段８からインバータ装置４に電力を供給する場合と同様にエネルギ蓄積手段８から補助電源装置１３に電力を供給することもできる。

図４の構成の代わりに図５のように補助電源装置１３をチョッパ回路６の高圧側の電源線と第１のコンデンサ３の高圧側の電源線の接続点とチョッパ回路６の低圧側の電源線と第１のコンデンサ３の低圧側の電源線の接続点に接続することもできる。この場合、第３のリアクトル１３Ｃは第１のリアクトル２と共用できるため図５のように取り外すことが可能である。第１のリアクトル２がない構成の場合は第３のリアクトル１３Ｃを個別に取り付けてもよい。また、図４と同様に発電ブレーキ動作時の電力を補助電源装置に給電したり、同様にエネルギ蓄積手段８から補助電源装置１３に給電したりすることも可能である。

その他、図６のように第１のコンデンサの高圧側の電源線とインバータ装置４の高圧側の電源線の接続点と第１のコンデンサの低圧側の電源線とインバータ装置４の低圧側の電源線の接続点に接続することもできる。この場合、第１のコンデンサ３をインバータ装置４と補助電源装置の電力変換装置１３Ａで共有することで、インバータ装置４と補助電源装置の電力変換装置１３Ａを一体構造とすることが可能となる。また、図６においても、図４や図５と同様にと発電ブレーキ動作時の電力を補助電源装置に給電したり、同様にエネルギ蓄積手段８から補助電源装置１３に給電したりすることも可能である。

本発明の車両用電力変換装置における第２実施例について図７を用いて説明する。第１実施例と異なるのは、第２のスイッチ１０を用いず、エネルギ消費手段９を第２の電流制御手段６Ｂと直流電源１の低圧側の電源線の間に直列接続するとともに、第２のリアクトル６Ｃに印加される電圧を抑制するために、第２のリアクトル６Ｃの両端に転流回路６Ｄを接続した点である。

図７は本発明の第２実施例の構成を示す図である。直流電源１は、高圧側に直列接続された第１のリアクトル２と、並列接続された第１のコンデンサ３を介してインバータ装置４に接続され、インバータ装置４は直流電源１から得た直流電力を三相交流電力に変換して交流電動機５を駆動する。

第１実施例と同様に直流電源１は、ディーゼルエンジンと誘導発電機または同期発電機からの交流発電電力を直流電力に変換するコンバータや、パンタグラフを介して直流架線に接続する構成や、変圧器を介して単相交流架線と接続された単相コンバータや、燃料電池であってもよい。また、交流電動機５としては誘導電動機または同期電動機が用いられる。

また、第１のリアクトル２と第１のコンデンサ３の接続点と直流電源１の低圧側の電源線の間には、高圧側から低圧側に流れる電流を導通または遮断できる電流制御素子と電流制御素子と逆方向に電流を導通できるダイオードが並列接続された第１の電流制御手段６Ａと第２のリアクトル６Ｃ、第１のスイッチ７、エネルギ蓄積手段８の直列接続回路が接続されている。第２のリアクトル６Ｃの両端には、第２のリアクトル６Ｃに印加される電圧を抑制するための転流回路６Ｄが接続されている。

一般的に電流制御素子としては、ＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴ、トランジスタなどのパワー半導体素子が用いられる。また、エネルギ蓄積手段８としては、リチウムイオン二次電池やニッケル水素蓄電池、ニッケルカドミウム蓄電池、鉛蓄電池、電気二重層キャパシタなどが用いられる。

さらに、第１の電流制御手段６Ａと第２のリアクトル６Ｃの接続点と直流電源１の低圧側の電源線の間には、高圧側から低圧側に流れる電流を導通または遮断できる電流制御素子と電流制御素子と逆方向に電流を導通できるダイオードを並列接続した第２の電流制御手段６Ｂと、エネルギ消費手段９の直列接続回路が接続されている。エネルギ消費手段９は、実施例１と同様に例えば抵抗などで構成される。第１の電流制御手段６Ａと第２の電流制御手段６Ｂ、第２のリアクトル６Ｃおよび転流回路６Ｄはチョッパ回路６を構成している。

次に車両が発電ブレーキを動作させる場合と加速する場合の動作について説明する。まず、車両が発電ブレーキを動作させる場合、エネルギ蓄積手段８が充電可能な状態であれば、第１のスイッチ７を閉じ、第２の電流制御手段６Ｂの電流制御素子を遮断状態として、第１の電流制御手段６Ａの電流制御素子をエネルギ蓄積手段８に流す電流に応じて導通、遮断動作させて通流率を調節する。これにより、発電ブレーキによる電力をエネルギ蓄積手段８に蓄えることができる。

エネルギ蓄積手段８の充電量が許容値に達した場合、第２の電流制御手段６Ｂの電流制御素子を導通状態とし、さらに第１のスイッチ７を開いて、第１の電流制御手段６Ａの電流制御素子をエネルギ消費手段９に流す電流に応じて導通、遮断動作させて通流率を調節することで発電ブレーキ動作による電力をエネルギ消費手段９で消費することができる。

このように発電ブレーキが動作している途中でエネルギ蓄積手段８の充電量が許容値に達した場合でも、発電ブレーキ動作によって流れる電流の経路をエネルギ蓄積手段８側からエネルギ消費手段９側へ切り替えることでブレーキ動作を継続することができる。このとき、導通、遮断動作するのは第１の電流制御手段６Ａのみであるから特許文献１で問題となる回路間の動作に伴う干渉は生じない。

なお、エネルギ蓄積手段８に電流が流れている状態で第１のスイッチ７を開放すると第２のリアクトル６Ｃの両端に過大な電圧が発生し絶縁破壊を起こす恐れがある。そのため、第２のリアクトル６Ｃの両端には、例えばダイオードと抵抗を直列に接続した転流回路６Ｄを設けるのがよい。

また、エネルギ蓄積手段８の充電量によらず発電ブレーキ動作を継続するためには、エネルギ蓄積手段８の充電量を監視して許容値に達することが予想された場合に、充電量が許容値に達する前に、第２の電流制御手段６Ｂの電流制御素子を導通状態とした後、第１のスイッチ７を開放するのがよい。このような制御により、発電エネルギの吸収先をエネルギ蓄積手段８からエネルギ消費手段９に切り替える場合にも、発電ブレーキ力が弱まることを防止でき、連続したブレーキ力を出力できる。

さらに、車両が発電ブレーキを動作させる場合に、第２の電流制御手段６Ｂの電流制御素子及び第１のスイッチ７が導通状態となると、エネルギ蓄積手段８とエネルギ消費手段９の両方に電流が流れるようになり、回路のインピーダンスが低下するため電流制御素子の動作に伴う電流リップルが増加する。

そのため、第２の電流制御手段６Ｂを導通状態とする場合は事前に第１の電流制御手段が導通、遮断を繰り返す動作周波数を上げて第２のスイッチ１０を閉じたときの電流リップルを抑えるのがよい。

第２の電流制御手段を導通状態にする前後のインピーダンスはそれぞれ第１実施例の式（１）、式（２）と同じであるから、第１の電流制御手段が導通、遮断を繰り返す動作周波数を上げる場合、例えば式（１）と式（２）のインピーダンスに基づいて、第２の電流制御手段６Ｂの電流制御素子を導通状態とする前後で電流リップルが同程度となるように動作周波数を決定すればよい。

また、インピーダンスが式（１）と式（２）に切り替わることで、前述の電流リップルだけでなく電流の直流成分も増加するので、エネルギ蓄積手段８とエネルギ消費手段に流れる電流が所望の値となるように第１の電流制御手段を導通させる時間を調整するのがよい。

ここでは、エネルギ消費手段９に電流を流す場合に第１の電流制御手段６Ａを導通、遮断動作させ、第２の電流制御手段６Ｂを導通状態としているが、第１の電流制御手段６Ａの発熱が第２の電流制御手段６Ｂより大きく回路の局所的な発熱が懸念される場合、第１の電流制御手段６Ａを導通状態とし、第２の電流制御手段６Ｂを導通、遮断動作させてもよい。

例えば、エネルギ蓄積手段８の充電量を監視して許容値に達することが予想された場合にエネルギ消費手段９に流れる電流が許容値を超えないように第２の電流制御手段６Ｂの電流制御素子の導通、遮断動作を開始した後に、第１の電流制御手段６Ａの電流制御素子の動作時間を延ばして導通状態とさせるのがよい。

次に車両が加速するときの動作について説明する。車両が加速する場合、第１のスイッチ７を閉じ、エネルギ蓄積手段８からインバータ装置４に供給する電力に応じて、第２の電流制御手段６Ｂの電流制御素子を導通、遮断動作させる。これによりエネルギ蓄積手段８からインバータ装置４に電力を供給できる。

このときエネルギ消費手段９により余分に電力が消費されてしまうが、インバータ装置４への電力供給は可能である。

このように本発明の第２実施例によれば、第１実施例と同様にエネルギを蓄積する装置とエネルギを消費する装置で吸収される電力を制御しつつ、装置間の動作の干渉を回避しながらエネルギ蓄積装置の充電量によらず発電ブレーキを連続して動作させることができる。

また、エネルギ蓄積手段８の充電量が過大な状態となった場合、第２の電流制御手段６Ｂの電流制御素子を導通、遮断動作させてエネルギ蓄積手段８に蓄えられたエネルギをエネルギ消費手段９で消費させることができるため、充電量が過大な状態となった状態からエネルギ蓄積手段８を保護することもできる。

さらに、第１のスイッチ７と第２の電流制御手段６Ｂはそれぞれエネルギ蓄積手段８とエネルギ消費手段９が故障した際にそれらを電力変換装置から開放するために使用することもできる。

なお、第１実施例では第１のリアクトル２を直流電源１とインバータ装置４の間に直列接続しているが、直流電源１がディーゼルエンジンと誘導発電機または同期発電機からの交流発電電力を直流電力に変換するコンバータや、燃料電池、変圧器を介して単相交流架線と接続された単相コンバータの場合、第１のリアクトル２は設置しなくてもよい。

第１実施例と同様に図７に対して第２のコンデンサを追加する場合、図２、図３のように用途に応じて第１のコンデンサ３とチョッパ回路６の間に配置するか、第１のリアクトル２とチョッパ回路６の間に配置すればよい。また、補助電源装置の配置および動作についても第１実施例と同様に行うことができる。

本発明の車両用電力変換装置における第３実施例について図８を用いて説明する。第２実施例と異なるのは、エネルギ消費手段９と並列に第３のスイッチ１１を設け、エネルギ蓄積手段８からインバータ装置４に電力を供給する場合、このスイッチを閉じる点である。

図８は本発明の第３実施例の構成を示す図である。直流電源１は第１のリアクトル２と第１のコンデンサ３を介してインバータ装置４に接続され、インバータ装置４は直流電源１から得た直流電力を三相交流電力に変換して交流電動機５を駆動する。

第１実施例や第２実施例と同様に直流電源１は、ディーゼルエンジンと誘導発電機または同期発電機からの交流発電電力を直流電力に変換するコンバータや、パンタグラフを介して直流架線に接続する構成や、変圧器を介して単相交流架線と接続された単相コンバータや、燃料電池であってもよい。また、交流電動機５としては誘導電動機または同期電動機が用いられる。

また、第１のリアクトル２と第１のコンデンサ３の接続点と直流電源１の低圧側の電源線の間には、高圧側から低圧側に流れる電流を導通または遮断できる電流制御素子と電流制御素子と逆方向に電流を導通できるダイオードを組み合わせた第１の電流制御手段６Ａと第２のリアクトル６Ｃ、第１のスイッチ７、エネルギ蓄積手段８の直列接続回路が接続されている。第２のリアクトル６Ｃの両端には、第２のリアクトル６Ｃに印加される電圧を抑制するための転流回路６Ｄが接続されている。

一般的に電流制御素子としては、ＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴ、トランジスタなどのパワー半導体素子が用いられる。また、エネルギ蓄積手段８としては、リチウムイオン二次電池やニッケル水素蓄電池、ニッケルカドミウム蓄電池、鉛蓄電池、電気二重層キャパシタなどが用いられる。

さらに、第１の電流制御手段６Ａと第２のリアクトル６Ｃの接続点と直流電源１の低圧側の電源線の間には、高圧側から低圧側に流れる電流を導通または遮断できる電流制御素子と電流制御素子と逆方向に電流を導通できるダイオードを組み合わせた第２の電流制御手段６Ｂと抵抗などのエネルギ消費手段９が直列に接続されている。また、エネルギ消費手段９と並列に第３のスイッチ１１が接続されている。第１の電流制御手段６Ａと第２の電流制御手段６Ｂ、第２のリアクトル６Ｃおよび転流回路６Ｄはチョッパ回路６を構成している。

次に車両が発電ブレーキを動作させる場合と加速する場合の動作について説明する。まず、車両が発電ブレーキを動作させる場合、エネルギ蓄積手段８が充電可能な状態であれば、第１のスイッチ７と第３のスイッチ１１を閉じ、第２の電流制御手段６Ｂの電流制御素子を遮断状態として、第１の電流制御手段６Ａの電流制御素子をエネルギ蓄積手段８に流す電流に応じて導通、遮断動作させる。これにより、発電ブレーキ動作による電力をエネルギ蓄積手段８に蓄えることができる。

エネルギ蓄積手段８の充電量が許容値に達した場合、第２の電流制御手段６Ｂの電流制御素子を導通状態とし、さらに第１のスイッチ７と第３のスイッチ１１を開いて、第１の電流制御手段６Ａの電流制御素子をエネルギ消費手段９に流す電流に応じて導通、遮断動作させることで発電ブレーキ動作による電力をエネルギ消費手段９で消費することができる。

このように発電ブレーキが動作している途中でエネルギ蓄積手段８の充電量が許容値に達した場合でも、発電ブレーキ動作によって流れる電流の経路をエネルギ蓄積手段８側からエネルギ消費手段９側へ切り替えることでブレーキ動作を継続することができる。このとき、導通、遮断動作するのは第１の電流制御手段６Ａのみであるから公知技術で懸念されていた回路間の動作に伴う干渉は生じない。

なお、エネルギ蓄積手段８に電流が流れている状態で第１のスイッチ７を開放すると第２のリアクトル６Ｃの両端に過大な電圧が発生し絶縁破壊を起こす恐れがある。そのため、第２のリアクトル６Ｃの両端には、例えばダイオードと抵抗を直列に接続した転流回路６Ｄを設けるのがよい。

また、エネルギ蓄積手段８の充電量によらず発電ブレーキを継続するためには、エネルギ蓄積手段８の充電量を監視して許容値に達することが予想された場合に第２の電流制御手段６Ｂの電流制御素子を導通状態とした後、第１のスイッチ７を開放するのがよい。

さらに、第２の電流制御手段６Ｂの電流制御素子が導通状態となると、電流がエネルギ蓄積手段８とエネルギ消費手段９の両方に流れるようになり、回路のインピーダンスが低下するため電流制御手段の動作に伴う電流リップルが増加する。

そのため、第２の電流制御手段６Ｂを導通状態とする場合は事前に第１の電流制御手段が導通遮断を繰り返す動作周波数を上げて電流が急激に増加するのを抑えるのがよい。

第２の電流制御手段を導通状態にする前後のインピーダンスはそれぞれ第１実施例の式（１）、式（２）と同じであるから、第１の電流制御手段が導通、遮断を繰り返す動作周波数を上げる場合、例えば式（１）と式（２）のインピーダンスに基づいて、第２の電流制御手段６Ｂの電流制御素子を導通状態とする前後で電流リップルが同程度となるように動作周波数を決定すればよい。

また、インピーダンスが式（１）と式（２）に切り替わることで、前述の電流リップルだけでなく電流の直流成分も増加するので、エネルギ蓄積手段８とエネルギ消費手段に流れる電流が所望の値となるように第１の電流制御手段を導通させる時間を調整するのがよい。

ここでは、エネルギ消費手段９に電流を流す場合に第１の電流制御手段６Ａを導通、遮断動作させ、第２の電流制御手段６Ｂを導通状態としているが、第１の電流制御手段６Ａの発熱が第２の電流制御手段６Ｂより大きく回路の局所的な発熱が懸念される場合、第１の電流制御手段６Ａを導通状態とし、第２の電流制御手段６Ｂを導通、遮断動作させてもよい。

例えば、エネルギ蓄積手段８の充電量を監視して許容値に達することが予想された場合にエネルギ消費手段９に流れる電流が許容値を超えないように第２の電流制御手段６Ｂの電流制御素子の導通、遮断動作を開始した後、第１の電流制御手段の電流制御素子の動作時間を延ばして導通状態とさせるのがよい。

次に車両が加速するときの動作について説明する。車両が加速する場合、第１のスイッチ７および第３のスイッチ１１を閉じ、エネルギ蓄積手段８からインバータ装置４に供給する電力に応じて、第２の電流制御手段６Ｂの電流制御素子を導通状態または遮断状態と動作させる。これによりエネルギ蓄積手段８に蓄えたエネルギをインバータ装置４に供給する。

第３のスイッチ１１を設けたことで、エネルギ蓄積手段８からインバータ装置４へ電力を供給する場合でも余分に電力を消費することがなく、第２実施例に比べてより高いエネルギ効率を実現できる。

このように本発明の第３実施例によれば、第１実施例や第２実施例と同様にエネルギを蓄積する装置とエネルギを消費する装置それぞれの機能を損なうことなく装置を一体化でき、かつ装置間の動作の干渉を回避しながらエネルギ蓄積装置の充電量によらず発電ブレーキを連続して動作させることができる。また、第３のスイッチ１１を設けたことで第２実施例より高いエネルギ効率を達成することができる。

また、エネルギ蓄積手段８の充電量が過大な状態となった場合、第３のスイッチ１１を開き、第２の電流制御手段６Ｂの電流制御素子を導通、遮断動作させてエネルギ蓄積手段８に蓄えられたエネルギをエネルギ消費手段９で消費させることができるため、充電量が過大な状態となった状態からエネルギ蓄積手段８を保護することもできる。

さらに、第１のスイッチ７と第２の電流制御手段６Ｂはそれぞれエネルギ蓄積手段８とエネルギ消費手段９が故障した際にそれらを電力変換装置から開放するために使用することもできる。

なお、第１実施例では第１のリアクトル２を直流電源１とインバータ装置４の間に接続しているが、直流電源１がディーゼルエンジンと誘導発電機または同期発電機を組み合わせたものや、燃料電池、変圧器を介して単相交流架線と接続された単相コンバータの場合、第１のリアクトル２は設置しなくてもよい。

第１実施例と同様に図８に対して第２のコンデンサを追加する場合、図２、図３のように用途に応じて第１のコンデンサ３とチョッパ回路６の間に配置するか、第１のリアクトル２とチョッパ回路６の間に配置すればよい。また、補助電源装置の配置および動作についても第１実施例と同様に行うことができる。

鉄道車両の分野では、蓄電池などのエネルギ蓄積手段に限らず車両の軽量化や効率の高い誘導モータ、永久磁石型同期モータの採用など省エネルギ化へ向けた取り組みがなされている。本発明は、省エネルギ化と装置の小型化を両立するための技術であり、鉄道車両に適用した場合には、鉄道車両のエネルギ効率をさらに向上できる有用な技術である。

１ 直流電源
２ 第１のリアクトル
３ 第１のコンデンサ
４ インバータ装置
５ 交流電動機
６ チョッパ回路
６Ａ 第１の電流制御手段
６Ｂ 第２の電流制御手段
６Ｃ 第２のリアクトル
６Ｄ 転流回路
７ 第１のスイッチ
８ エネルギ蓄積手段
９ エネルギ消費手段
１０ 第２のスイッチ
１１ 第３のスイッチ
１２ 第２のコンデンサ
１３ 補助電源装置
１３Ａ 電力変換装置
１３Ｂ ３相トランス
１３Ｃ 第３のリアクトル
１３Ｄ 第３のコンデンサ
１４ ３相交流負荷

Claims (12)

1. 高圧側および低圧側の２本の電源線で直流電源と接続され、前記直流電源から得た直流電力を三相交流電力に変換するインバータ装置と、
   前記インバータ装置と少なくとも３本の電源線で接続され、前記インバータ装置から出力された三相交流電力によって駆動される少なくとも１台以上の交流電動機を備えた車両用電力変換装置において、
   前記直流電源の高圧側から低圧側へ一方向に流れる電流を導通または遮断する第１の電流制御素子と、前記第１の電流制御素子と並列に接続され、前記第１の電流制御素子と逆方向に電流を導通させる第１の整流素子を組み合わせた第１の電流制御回路と、
   前記第１の電流制御回路から前記直流電源の低圧側へ一方向に流れる電流を導通または遮断する第２の電流制御素子と、前記第２の電流制御素子と並列に接続され、前記第２の電流制御素子と逆方向に電流を導通させる第２の整流素子を組み合わせた第２の電流制御回路と、を備え、
   前記第１の電流制御回路と前記第２の電流制御回路が直列に接続された直列回路は、前記直流電源の高圧側の電源線と前記直流電源の低圧側の電源線の間に前記インバータ装置と並列に接続されており、
   高圧側で前記第１の電流制御回路と前記第２の電流制御回路の接続点と接続され、低圧側で前記直流電源の低圧側と接続されるエネルギ蓄積手段と、
   前記エネルギ蓄積手段と直列に接続される第１のリアクトル及び第１のスイッチと、
   第２のスイッチと直列に接続されるエネルギ消費手段と、を備え、
   前記エネルギ消費手段は、前記第１の電流制御回路と前記第２の電流制御回路の接続点と前記直流電源の低圧側の電源線の間に接続されていることを特徴とする車両用電力変換装置。
   
2. 請求項１に記載の車両用電力変換装置において、
   前記直流電源の高圧側の電源線と前記インバータ装置の間に接続された第２のリアクトルと、前記第２のリアクトルと前記インバータ装置の接続点と前記インバータ装置の低圧側の電源線の間に前記インバータ装置と並列に接続された第１のコンデンサとを備え、
   前記第１の電流制御回路と前記第２の電流制御回路が直列に接続された直列回路は、前記第２のリアクトルと前記第１のコンデンサの接続点と前記直流電源の低圧側の電源線の間に接続されることを特徴とする車両用電力変換装置。
   
3. 請求項１または請求項２のいずれかに記載の車両用電力変換装置において、
   電流が流れる経路を、前記エネルギ蓄積手段を通る経路から前記エネルギ消費手段を通る経路に切り替える場合、前記第２のスイッチを閉じた後に前記第１のスイッチを開くことを特徴とする車両用電力変換装置。
   
4. 請求項３に記載の車両用電力変換装置において、電流が流れる経路を、前記エネルギ蓄積手段を通る経路から前記エネルギ消費手段を通る経路に切り替える場合、前記第１の電流制御素子が電流を導通、遮断する動作周波数を上げた後に、前記第２のスイッチを閉じ、前記第１のスイッチを開くことを特徴とする車両用電力変換装置。
   
5. 高圧側および低圧側の２本の電源線で直流電源と接続され、前記直流電源から得た直流電力を三相交流電力に変換するインバータ装置と、
   前記インバータ装置と３本の電源線で接続され、前記インバータ装置から出力された三相交流電力によって駆動される少なくとも１台以上の交流電動機と、を備えた車両用電力変換装置において、
   前記直流電源の高圧側から低圧側へ一方向に流れる電流を導通または遮断する第１の電流制御素子と、前記第１の電流制御素子と並列に接続され、前記第１の電流制御素子と逆方向に電流を導通させる第１の整流素子を組み合わせた第１の電流制御回路と、
   前記第１の電流制御回路から前記直流電源の低圧側へ一方向に流れる電流を導通または遮断する第２の電流制御素子と、前記第２の電流制御素子と並列に接続され、前記第２の電流制御素子と逆方向に電流を導通させる第２の整流素子を組み合わせた第２の電流制御回路と、
   前記第２の電流制御回路の低圧側と前記直流電源の低圧側の間に接続されるエネルギ消費手段と、を備え、
   前記直流電源の高圧側から順に、前記第１の電流制御回路と前記第２の電流制御素子と前記エネルギ消費手段が直列に接続された直列回路が、前記直流電源の高圧側の電源線と前記直流電源の低圧側の電源線の間に接続されており、前記コンデンサと並列に接続されており、
   第１のリアクトルと第１のスイッチとエネルギ蓄積手段とが直列に接続された直列回路が、前記第１の電流制御回路と前記第２の電流制御回路の接続点と前記直流電源の低圧側の電源線の間に接続されていることを特徴とする車両用電力変換装置。
   
6. 請求項５に記載の車両用電力変換装置において、
   前記直流電源の高圧側の電源線と前記インバータ装置の間に接続された第２のリアクトルと、前記第２のリアクトルと前記インバータ装置の接続点と前記インバータ装置の低圧側の電源線の間に前記インバータ装置と並列に接続された第１のコンデンサとを備え、
   前記第１の電流制御回路と前記第２の電流制御素子と前記エネルギ消費手段が直列に接続された前記直列回路は、前記第２のリアクトルと前記第１のコンデンサの接続点と前記直流電源の低圧側の電源線の間に接続されることを特徴とする車両用電力変換装置。
   
7. 請求項５または請求項６のいずれかに記載の車両用電力変換装置において、第１のリアクトルに並列に接続されて、前記第１のリアクトルに印加される電圧を抑制する転流回路が接続されていることを特徴とする車両用電力変換装置。
   
8. 請求項７に記載の車両用電力変換装置において、
   前記エネルギ消費手段と並列に第３のスイッチが接続されていることを特徴とする車両用電力変換装置。
   
9. 請求項８に記載の車両用電力変換装置において、
   前記エネルギ蓄積手段に電流を流す場合は前記第３のスイッチを閉じ、前記エネルギ消費手段に電流を流す場合は前記第３のスイッチを開くことを特徴とする車両用電力変換装置。
   
10. 請求項７または請求項９のいずれかに記載の車両用電力変換装置において、電流が流れる経路を、前記エネルギ蓄積手段を通る経路から前記エネルギ消費手段を通る経路に切り替える場合、前記第２の電流制御回路を導通状態とした後に前記第１のスイッチを開くことを特徴とする車両用電力変換装置。
    
11. 請求項１０に記載の車両用電力変換装置において、電流が流れる経路を前記エネルギ蓄積手段を通る経路から前記エネルギ消費手段を通る経路に切り替える場合、前記第１の電流制御回路が電流を導通、遮断する動作周波数を上げた後に、前記第２の電流制御回路を導通状態とし、前記第１のスイッチを開くことを特徴とする車両用電力変換装置。
    
12. 請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載の車両用電力変換装置を搭載した鉄道車両。