JP2017046467A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換装置に対して２つ以上の直流電圧源を直列接続する場合に、必要な絶縁耐圧性能を最小限にし、機器の小型化を図る構成を実現する。
【解決手段】２つ以上の直流電圧源の直流電力を交流電力に変換する電力変換装置であって、前記２つ以上の直流電圧源は、異なる電圧の電圧源であり、前記２つ以上の直流電圧源の共通電位点のうち一点を接地点に接続し、共通電位を含めて３つ以上の電位を出力する電圧源出力部を備え、前記電力変換装置は、複数のスイッチング素子から構成され、当該スイッチング素子は、一方を前記３つ以上の電位のうち１つの電位を出力する前記電圧源出力部に接続し、もう一方を負荷に接続し、前記スイッチング素子の動作により前記直流電圧源の２つ以上の電位の電圧を前記負荷に出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、可変電圧、可変周波数インバータにより交流電動機を駆動する電力変換器を制御する装置に係り、特に直流電源側に蓄電装置を有する直流電圧生成手段を備え、この直流電圧生成手段の発生する電力を利用して駆動する電力変換器の制御装置に関する。

可変電圧、可変周波数（ＶＶＶＦ）インバータ制御により交流電動機を駆動する、いわゆるインバータ鉄道車両は、車両を減速させるときのブレーキにおいて、空気ブレーキに頼らず、電気力によるブレーキだけで停止する回生ブレーキを使用する。これにより、ブレーキシューの磨耗の抑制につながり車両のメンテナンスにとって効果があるとともに、空気ブレーキでの立ち上がり遅れがないため、停止精度の向上にも寄与する。また、空気ブレーキの割合を減らし、可能な限りブレーキを電気ブレーキすなわち回生ブレーキにより負担することで、ブレーキ時に発生する回生エネルギーをより多く電源側で活用でき、省エネルギー効果が高まる。

このように、従来使用していた空気ブレーキに対して、電気ブレーキだけで鉄道車両を停止させることにメリットがあることから、鉄道車両の全速度領域において空気ブレーキを電気ブレーキに置き換えることができれば、ブレーキシューの磨耗に対して大きなメリットを得ることができ、また、省エネルギー効果も高まる。

しかしながら、インバータ制御における交流電動機の交流側の最大出力電圧は、直流側すなわちインバータの入力電圧で決定される。例えば、鉄道車両での誘導電動機は、高速の領域では交流出力電圧が最大になった特性を使用していることから、電気力のブレーキだけでは所要のブレーキ力を得られない問題がある。

より大きな電動機出力を得るため、インバータの入力側に昇圧チョッパを挿入し、インバータ出力電圧を向上する方法などが提案されている。しかし、この方式は、チョッパ回路による損失や、昇圧用リアクトルの質量やスペースが課題となる。

これに対し、インバータの直流側に蓄電装置などの直流電圧源を直列に挿入し、半導体スイッチでその電位を負荷側に出力する回路とする方式がある。この方式が、例えば、特許文献１、特許文献２に示されている。

この２つの文献に示された方式により、インバータの入力直流電圧を切り替え、特にブレーキ時にインバータの入力電圧を大きくすることで、誘導電動機側の電圧を上昇させ、ブレーキ力を増加させることができる。

直流電源の鉄道車両では、例えば、一つの直流電圧源が電車線電源であり、もう一つの直流電圧源を蓄電装置とし、電車線電圧と蓄電装置を直列接続してインバータの入力電圧を上昇させる方式がある。この方式では、特にブレーキ時に、インバータの入力電源として蓄電装置と電車線電源の直列接続分の電圧を入力させる。これにより、インバータの入力直流電圧を上げ、誘導電動機の特性を高速側に拡大できる。また、ブレーキ力の増大すなわち回生パワーの増大により、電力の回生率が向上し、結果として省エネルギー効果が高まる。さらに、力行側の特性も高速側に拡大することで制御性能の向上が期待できる。

特開２００６−２５５１８号公報 特開２０１０−２０７０４１号公報

上記特許文献１および２に示された方式には、以下の課題がある。
複数の直流電圧源を直列接続する場合、直流電圧源は、接地点からの電圧分の耐圧性能が必要であり、直流電圧源の電圧の大きさがそれぞれ異なる場合、特に電圧の低い電圧源においては高い耐圧性能が必要となる。

例えば鉄道車両の用途では、電車線電源（高電圧の電源）と他の低電圧の電圧源を組合せて使用する場合、低電圧の電圧源は回路電圧に対応した対地耐圧が必要である。しかし、多くある直流電車線の鉄道車両では、電車線側の電圧が高いため（直流１５００Ｖ）、バッテリ電圧（例えば直流３５０Ｖ）に対し、かなり高い電圧の耐圧性能が必要となる。耐圧性能を高くすることは、絶縁材料などの部品が増加し、絶縁距離の確保により機器が大型化することになる。

このような課題を解決するために、必要な絶縁耐圧性能を最小限にし、機器を小型化することを可能にする回路構成が望まれている。

本発明は、２つ以上の直流電圧源の直流電力を交流電力に変換する電力変換装置であって、前記２つ以上の直流電圧源は、異なる電圧の電圧源であり、前記２つ以上の直流電圧源の共通電位点のうち一点を接地点に接続し、共通電位を含めて３つ以上の電位を出力する電圧源出力部を備え、前記電力変換装置は、複数のスイッチング素子から構成され、当該スイッチング素子は、一方を前記３つ以上の電位のうち１つの電位を出力する前記電圧源出力部に接続し、もう一方を負荷に接続し、前記スイッチング素子の動作により前記直流電圧源の２つ以上の電位の電圧を前記負荷に出力することを特徴とする。

本発明により、直流電圧源に使用する部品に過剰な高耐圧性能を持たせる必要がなくなるため、高耐圧化のための絶縁材料や絶縁距離の確保が不要となる。これにより、機器を小型化しながら、電力変換装置の入力電圧を上げることができる。

図１は、本発明の実施例１に係る電力変換装置の第一の主回路構成を示す図である。 図２は、本発明の実施例１に係る電力変換装置の第二の主回路構成を示す図である。 図３は、本発明の実施例１に係る電力変換装置を直流電車線の鉄道車両で用いる場合の構成を示す図である。 図４は、本発明の実施例２に係る電力変換装置の主回路構成を示す図である。 図５は、本発明の実施例３に係る電力変換装置の主回路構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態として、実施例１〜実施例３について図面を用いて説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る電力変換装置の第一の主回路構成を示す図である。また、図２は、同じく第二の主回路構成を示す図である。
図１の電力変換装置において、１は第一の直流電圧源、２は第二の直流電圧源、３は接地点であり、第一の直流電圧源１と第二の直流電圧源２の共通電位点ａは、接地３と接続され接地点ａとする。第一の直流電圧源１と第二の直流電圧源２は、電圧の異なる直流電圧源である。

４は電力変換器であり、第一の直流電圧源１の正極側と、接地点ａと、第二の直流電圧源２の負極側を入力側に接続する。第一の直流電圧源１または第二の直流電圧源２には、二次電池やキャパシタなどの蓄電装置を用いてもよい。

電力変換器４は、第一の直流電圧源１の正極側の電位Ｅｓ、接地点ａにおける電位（０Ｖ）および第二の直流電圧源２の負極側の電位−Ｅｂの３つの電位を入力とする。そして、電力変換器４は、後述するスイッチング素子１１〜１６および３１〜３６のスイッチング動作により、三相各相の出力に前記３つのいずれかの電位を出力する。電力変換器４の三相各相の出力には、交流電動機５が接続される。電力変換器４は、前記スイッチング動作による電位のパルス制御を行って、交流電動機５を駆動する。

電力変換器４において、スイッチング素子１１〜１３が、第一の直流電圧源１の正極側と三相各相の出力側との間に接続され、スイッチング素子１４〜１６が、第二の直流電圧源２の負極側と三相各相の出力側との間に接続され、双方向の電流遮断が可能な双方向スイッチング素子３１〜３６が、共通電位点ａと三相各相の出力側との間に接続される。

ここで、前述したスイッチング素子１１〜１６は、一方向に流れる電流を導通または遮断する電流制御素子と、この電流制御素子と並列に接続され電流制御素子と逆方向に電流を導通させる整流素子とを組合せたスイッチング素子である。具体的には、例えばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌｏｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）モジュールなどを用いればよい。

また、双方向スイッチング素子３１〜３６は、図１に示す、逆耐圧ＩＧＢＴによる構成、または、図２に示す、ＩＧＢＴモジュール２つを逆直列接続した構成を用いる。
スイッチング素子の動作態様としては、例えば、３種類の２レベル動作、３レベル動作などがある。三相各相のスイッチング素子は同様の動作をするため、ここでは一相分について示す。

２レベル動作は、以下の３つのモードを有する。スイッチング素子１１とスイッチング素子１４を動作させることで−ＥｂとＥｓの電位を出力するモード、図１の双方向スイッチング素子３１（または、図２のスイッチング素子２１）とスイッチング素子１４を動作させることで０と−Ｅｂの電位を出力するモード、および、スイッチング素子１１と図１の双方向スイッチング素子３２（または、図２のスイッチング素子２２）を動作させることで０とＥｓの電位を出力するモードである。
これらの動作については、一般的な２レベルインバータと同様、三角波と変調波の比較によるＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：パルス幅変調）方式などにより、スイッチングパルスを生成する。

３レベル動作は、スイッチング素子１１、図１の双方向スイッチング素子３１、３２（または、図２のスイッチング素子２１、２２）およびスイッチング素子１４の三段のスイッチング素子を全て動作させることで、相電圧出力として、Ｅｓ、０、−Ｅｂの３つの電位を出力する。

以上の構成によれば、異なる電圧の直流電圧源を直列接続して用いる場合、第一の直流電圧源１と第二の直流電圧源２のそれぞれの耐圧性能は、第一の直流電圧源１自身の電圧（Ｅｓ）と第二の直流電圧源２自身の電圧（Ｅｂ）相当の耐圧性能で足りることとなり、絶縁材料や絶縁距離を必要以上に確保する必要がなく、機器を小型化できる。

このように、小型化を実現しながら、第一の直流電圧源（Ｅｓ）のみを電力変換器４に入力する場合に比べて、第二の直流電圧源（Ｅｂ）の分だけ電力変換器４の入力電圧を上げることができる。よって、上述したように、交流電動機５の特性を高速側に拡大でき、ブレーキ力の増大すなわち回生パワーの増大により電力の回生率が向上し、結果として省エネルギー化が可能となる。さらに、力行側の特性も高速側に拡大することで制御性能の向上が期待できる。

逆に、第一の直流電圧源１と第二の直流電圧源２を直列接続して、第二の直流電圧源２の負側に接地３を接続する構成では、第一の直流電圧源１と第二の直流電圧源２は、第一の直流電圧源１と第二の直流電圧源２を直列接続した電圧（Ｅｓ＋Ｅｂ）の耐圧性能が必要となり、耐圧性能の増加が必要となる。

また、上記の回路構成を直流電車線の鉄道車両に用いる場合として、図３にその例を示す。ここで、５１は直流電車線、５２は集電装置、５３は蓄電装置である。
直流電車線の鉄道車両で上記の回路構成を用いる場合には、図１で示した第一の直流電圧源１を、直流電車線５１による電圧入力（直流１５００Ｖ）として、図１で示した第二の直流電圧源２を、蓄電装置５３による電圧入力（例えば直流３５０Ｖ）とする。これによると、蓄電装置５３の耐圧性能は直流３５０Ｖ相当で足りることとなり、前記蓄電装置に直流１８５０Ｖ（＝１５００Ｖ＋３５０Ｖ）の耐圧性能を持たせる必要がなく、必要以上の耐圧性能が不要となる。また、図１で示した第二の直流電圧源２を蓄電装置５３としているため、鉄道車両に追設する場合においても、必要最低限の機器増加で電力変換器４の入力電圧の上げることができる。

図４は、本発明の実施例２に係る電力変換装置の主回路構成を示す図である。以下に、図１の実施例１に係る主回路構成との相違点について説明する。
実施例２は、実施例１と比べて、第一の直流電圧源１と並列に接続したフィルタコンデンサ６と、第二の直流電圧源２と並列に接続したフィルタコンデンサ７を直流電圧源にそれぞれ並列に接続した構成である。この相違点となる構成は、電力変換器４のスイッチング動作により、通常電力変換器の入力に発生する高調波電流をフィルタリングし、リプル電圧を抑え定電圧源として機能させるために、フィルタコンデンサを追加して設けたものである。

なお、第一の直流電圧源１と第二の直流電圧源２としてキャパシタを用いる場合など、フィルタコンデンサの機能を直流電圧源に持たせている場合には、本実施例２で示したようなフィルタコンデンサの接続は不要であり、実施例１に示す主回路構成で十分である。

図５は、本発明の実施例３に係る電力変換装置の主回路構成を示す図である。図１の実施例１では、２つの異なる電圧の直流電圧源を入力としていたが、図５の実施例３では、３つの異なる電圧の直流電圧源を入力とした、４レベルの電力変換器の構成例である。

図５の電力変換装置において、８は第一の直流電圧源、９は第二の直流電圧源、１０は第三の直流電圧源である。ここでは、第二の直流電圧源９の電圧（Ｅｂ）と第三の直流電圧源１０の電圧（Ｅｃ）の合計電圧（Ｅｂ＋Ｅｃ）が、第一の直流電圧源８（Ｅｓ）より小さいとする（（Ｅｂ＋Ｅｃ）＜Ｅｓ）。

また、第二の直流電圧源９と第三の直流電圧源１０は蓄電装置であり、この二つの蓄電装置（９および１０）を直列接続した単位を蓄電装置電圧源群４１とする。
第一の直流電圧源８の負極側と蓄電装置電圧源群４１の正極側との接続点を共通電位点ｂとし、接地３に接続して接地点ｂとする。

電力変換器４は、第一の直流電圧源８の正極側の電位Ｅｓ、接地点ｂにおける電位（０Ｖ）、第二の直流電圧源９の負極側の電位−Ｅｂおよび第三の直流電圧源１０の負極側の電位−（Ｅｂ＋Ｅｃ）の４つの電位を入力とし、三相各相の出力に前記４つのいずれかの電位を出力する。スイッチング素子１１〜１３が、第一の直流電圧源８の正極側と三相各相の出力側との間に接続され、スイッチング素子１４〜１６が、第三の直流電圧源１０の負極側と三相各相の出力側との間に接続され、双方向の電流遮断が可能な双方向スイッチング素子３１〜３６が、共通電位点（接地点）ｂと三相各相の出力側との間に接続される。更に、双方向の電流遮断が可能な双方向スイッチング素子３１ａ〜３６ａが、第二の直流電圧源９の負極側と第三の直流電圧源１０の正極側との接続点である共通電位点ｃと三相各相の出力側との間に接続される。
また、双方向スイッチング素子３１〜３６及び双方向スイッチング素子３１ａ〜３６ａは、逆耐圧ＩＧＢＴによる構成、または、ＩＧＢＴモジュール２つを逆直列接続した構成を用いる。
電力変換器４の三相各相の出力には、交流電動機５が接続される。電力変換器４は、前記スイッチング動作による電位のパルス制御を行って、交流電動機５を駆動する。また、実施例２で示したように、第一から第三の各直流電圧源に対して並列にフィルタコンデンサを接続してもよい。

本実施例３では、第一の直流電圧源８および第一の直流電圧源８の電圧より低い蓄電装置電圧源群４１は、図５の共通電位点ｂの位置で接地をとっている。これによって、蓄電装置電圧源群４１の耐圧性能を蓄電装置電圧源群４１の電圧相当とし、絶縁性能を最小限にしながら電力変換器４の入力電圧を蓄電装置電圧源群４１の分だけ拡大できることになる。

なお、本実施例３では、第一の直流電圧源８を一台の構成としたが、２台以上の複数の直流電圧源を直列接続して直流電圧源群としてもよい。また、蓄電装置電圧源群についても、蓄電装置を３台以上直列接続して、電力変換器の入力の電位を５つ以上にしてもよい。

１…第一の直流電圧源、２…第二の直流電圧源、３…接地、４…電力変換器、５…交流電動機、６、７…フィルタコンデンサ、８…第一の直流電圧源、９…第二の直流電圧源、
１０…第三の直流電圧源、１１〜１６、２１〜２６…スイッチング素子、
３１〜３６、３１ａ〜３６ａ…双方向スイッチング素子、４１…蓄電装置電圧源群、
５１…直流電車線、５２…集電装置、５３…蓄電装置

Claims (6)

1. ２つ以上の直流電圧源の直流電力を交流電力に変換する電力変換装置であって、
   前記２つ以上の直流電圧源は、異なる電圧の電圧源であり、前記２つ以上の直流電圧源の共通電位点のうち一点を接地点に接続し、共通電位を含めて３つ以上の電位を出力する電圧源出力部を備え、
   前記電力変換装置は、複数のスイッチング素子から構成され、当該スイッチング素子は、一方を前記３つ以上の電位のうち１つの電位を出力する前記電圧源出力部に接続し、もう一方を負荷に接続し、前記スイッチング素子の動作により前記直流電圧源の２つ以上の電位の電圧を前記負荷に出力する
   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２つ以上の直流電圧源のそれぞれに対して並列にコンデンサを接続した
   ことを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１または２に記載の電力変換装置において、
   前記２つ以上の直流電圧源のうち、全てではなく少なくとも１つは蓄電装置である
   ことを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項３に記載の電力変換装置において、
   前記２つ以上の直流電圧源から、１つ以上の前記蓄電装置を直列接続して構成する蓄電装置電圧源群と前記蓄電装置を除く前記直流電圧源を直列接続して構成する直流電圧源群とを構成し、前記蓄電装置電圧源群および前記直流電圧源群を接地点で共通電位として接続した
   ことを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項４に記載の電力変換装置において、
   前記蓄電装置電圧源群の正極を前記接地点に接続した
   ことを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の電力変換装置において、
   前記２つ以上の直流電圧源の共通電位点に接続される前記スイッチング素子は、双方向の電流遮断が可能な双方向スイッチング素子である
   ことを特徴とする電力変換装置。

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