JP2017225322A - 電力変換システム - Google Patents

Abstract

【課題】架線から供給された電力をより安定化することができる電力変換システムを提供することである。【解決手段】実施形態の電力変換システムは、交流−直流変換回路と、電圧検出部と、降圧チョッパ回路と、補助電源用電力変換装置と、制御部と、を持つ。交流−直流変換回路は、架線から変圧器を介して供給された交流電力を直流電力に変換する。電圧検出部は、変圧器から供給される交流電力の電圧を検出する。降圧チョッパ回路は、交流−直流変換回路により変換された直流電力の電圧を降下させる。補助電源用電力変換装置は、降圧チョッパ回路により降圧された直流電力を、電気車に搭載された負荷を駆動させるための駆動用電力に変換して負荷に供給する。制御部は、交流−直流変換回路および降圧チョッパ回路を制御することで、電圧検出部により検出された交流電力の電圧を基準電圧に近づける。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、電力変換システムに関する。

架線から供給されている交流電力を直流電力に変換して、変換した電力に基づいて電気車に搭載された負荷に供給する電力変換装置が知られている。この電力変換装置は、架線から供給されている交流電力が変動する場合、変換した直流電力が変動するため、直流電力の変動を考慮して構成部品を選択する必要があった。

特開２０１０−２１５０１４号公報

本発明が解決しようとする課題は、架線から供給された電力をより安定化することができる電力変換システムを提供することである。

実施形態の電力変換システムは、交流−直流変換回路と、電圧検出部と、降圧チョッパ回路と、補助電源用電力変換装置と、制御部と、を持つ。前記交流−直流変換回路は、架線から変圧器を介して供給された交流電力を直流電力に変換する。前記電圧検出部は、前記変圧器から供給される交流電力の電圧を検出する。前記降圧チョッパ回路は、前記交流−直流変換回路により変換された直流電力の電圧を降下させる。前記補助電源用電力変換装置は、前記降圧チョッパ回路により降圧された直流電力を、電気車に搭載された負荷を駆動させるための駆動用交流電力に変換して前記負荷に供給する。前記制御部は、前記交流−直流変換回路および前記降圧チョッパ回路を制御することで、前記電圧検出部により検出された交流電力の電圧を基準電圧に近づける。

実施形態の電力変換システム１の一例を示す図。 実施形態の交流−直流変換回路１１０および降圧チョッパ回路１２０の一例を示す図。 実施形態の交流−直流変換回路１１０および降圧チョッパ回路１２０の動作の一例を示すフローチャート。

以下、実施形態の電力変換システムを、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、実施形態の電力変換システム１の一例を示す図である。電力変換システム１は、例えば鉄道車両に搭載される。鉄道車両は、電気車の一例である。電力変換システム１には、集電装置４００およびトランスの負荷用巻線（５００および１０２）を介して、架線から交流電力が供給される。電力変換システム１は、交流電力を負荷用交流電力に変換して、交流負荷Ｌ_ＡＣに供給する。また、電力変換システム１は、他のトランスを介して、高圧交流電力が供給され、高圧交流電力を変換して走行用モータに供給する。これにより電力変換システム１は、走行用モータに走行トルクを発生させ、鉄道車両を走行させる。なお、変圧器１０２に供給される交流電力は、高圧交流電力よりも低い電圧となっている。実施形態において、交流負荷Ｌ_ＡＣは、走行用モータを除く鉄道車両の負荷であって、例えば、１００ボルトの交流電圧で動作する電子機器などである。また、電力変換システム１は、低圧交流電力を負荷用直流電力に変換して、直流負荷Ｌ_ＤＣに供給する。これにより電力変換システム１は、交流直流負荷Ｌ_ＤＣを駆動させる。実施形態において、直流負荷Ｌ_ＤＣは、走行用モータＭを除く鉄道車両の負荷であって、例えば、直流電圧で動作する電子機器などである。

電力変換システム１は、例えば、補助電源用電力変換装置１００と、バッテリ装置２００とを含む。

補助電源用電力変換装置１００は、例えば、交流−直流変換回路１１０と、降圧チョッパ回路１２０と、交流負荷用直流−交流変換回路１３０と、負荷電力制御部１４０と、スイッチング制御部１４２、直流負荷用直流−交流変換部１６０と、直流負荷用交流−直流変換部１７０とを含む。

交流−直流変換回路１１０は、架線から変圧器１０２を介して供給された交流電力を直流電力に変換する。降圧チョッパ回路１２０は、交流−直流変換回路１１０により変換された直流電力の電圧を降下させる。図２は、交流−直流変換回路１１０および降圧チョッパ回路１２０の一例を示す図である。

交流−直流変換回路１１０は、例えば、スイッチング素子１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、および１１０ｄとを含む。スイッチング素子１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、および１１０ｄとは、正極線および負極線間に接続されている。スイッチング素子１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、および１１０ｄは、例えば逆並列に接続されたダイオードを内蔵したＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）である。なお、スイッチング素子１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、および１１０ｄは、他の種類のスイッチング素子であってよい。

降圧チョッパ回路１２０は、例えば、スイッチ部１２２と、コイル１２４と、コンデンサ１２６とを含む。スイッチ部１２２は、機械的なスイッチであってよいが、これに限定されず、ＩＧＢＴなどであってよい。コイル１２４は、スイッチ部１２２に直列に接続されている。コンデンサ１２６は、正極線および負極線間に接続されている。

交流負荷用直流−交流変換回路１３０は、電力が供給される正極線および負極線間にブリッジ接続された複数のスイッチング素子を含むスイッチング回路である。なお、交流負荷用直流−交流変換回路１３０は、インバータとも称される。各スイッチング素子は、例えばＩＧＢＴである。なお、スイッチング素子として、他の種類のスイッチング素子を使用してもよい。交流負荷用直流−交流変換回路１３０は、スイッチング素子が負荷電力制御部１４０の制御に従って、スイッチング素子が任意に導通状態と遮断状態との間で切り替えられることで、直流電力を負荷用交流電力に変換する。

交流負荷用直流−交流変換回路１３０の交流−直流変換回路１１０側には、交流−直流変換回路１１０および交流負荷用直流−交流変換回路１３０に並列して、コンデンサ１３２が接続されている。コンデンサ１３２は、交流負荷用直流−交流変換回路１３０において安定した電力を交流負荷Ｌ_ＡＣ側に供給することができる容量に設定されている。すなわち、コンデンサ１３２の容量は、集電装置４００から供給される交流電力が停止する無電区間（セクションとも称される）を鉄道車両が走行している場合に交流負荷Ｌ_ＡＣへ負荷用交流電力の供給を補償するような高い容量でなくてよい。無電区間は、例えば、鉄道車両が走行する区間において所定距離ごとに設けられている。

交流負荷用直流−交流変換回路１３０により変換された交流電力は、コイル１５２、コンデンサ１５４、およびトランス（１５６および１５８）を介して交流負荷Ｌ_ＡＣに供給される。

交流−直流変換回路１１０および降圧チョッパ回路１２０は、図２に示すように、負荷電力制御部１４０、スイッチング制御部１４２、および電圧検出部１４４に接続されている。電圧検出部１４４は、降圧チョッパ回路１２０と交流負荷用直流−交流変換回路１３０との間の直流リンクの電圧を検出する。

スイッチング制御部１４２は、負荷電力制御部１４０から供給された指令電圧に基づいて、スイッチング素子１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、および１１０ｄにおけるゲート端子にゲート信号を供給すると共に、スイッチ部１２２にオンオフ制御信号を供給する。これにより、スイッチング制御部１４２は、交流−直流変換回路１１０を用いて、交流電力を直流電力に変換させる。また、スイッチング制御部１４２は、降圧チョッパ回路１２０を用いて、交流−直流変換回路１１０により変換された直流電力の電圧を降下させる。

負荷電力制御部１４０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサがプログラムメモリに格納されたプログラムを実行することにより実現される。また、これらの機能部のうち一部または全部は、ＬＳＩ（Large Scale Integration）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、またはＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）等のハードウェアにより実現されてもよい。負荷電力制御部１４０は、例えば、補助電源用電力変換装置１００において変換された１００Ｖの動作電力が供給されることで動作する。負荷電力制御部１４０は、交流−直流変換回路１１０、降圧チョッパ回路１２０、交流負荷用直流−交流変換回路１３０、直流負荷用直流−交流変換部１６０と、直流負荷用交流−直流変換部１７０を制御する。

直流負荷用直流−交流変換部１６０は、上述した直流−交流変換回路１１０と同様に、電力が供給される正極線および負極線間にブリッジ接続された複数のスイッチング素子を含むスイッチング回路である。直流負荷用直流−交流変換部１６０は、スイッチング素子を導通状態と遮断状態との間で切り替えることで、直流電力を交流電力に変換する。

直流負荷用直流−交流変換部１６０の降圧チョッパ回路１２０側には、コンデンサ１６２が接続されている。コンデンサ１６２は、直流負荷用直流−交流変換部１６０において安定した電力を、後段の直流負荷用交流−直流変換部１７０側に供給することができる容量に設定されている。コンデンサ１６２の容量は、コンデンサ１３２の容量と同じであってよいし、異なっていてもよい。

直流負荷用直流−交流変換部１６０により変換された交流電力は、トランス（１６４および１６６）を介して直流負荷用交流−直流変換部１７０に供給される。トランス（１６４および１６６）は、例えば、直流負荷用直流−交流変換部１６０により変換された交流電力の電圧を１００Ｖ程度まで降圧する。

直流負荷用交流−直流変換部１７０は、直流負荷用直流−交流変換部１６０からトランス（１６４および１６６）を介して供給された交流電力を直流電力に変換する。例えば、直流負荷用交流−直流変換部１７０は、交流電力を直流電力に変換する。直流負荷用交流−直流変換部１７０は、交流−直流変換回路１１０と同様に、上述した図２に示すような構成であってよい。

直流負荷用交流−直流変換部１７０により変換された直流電力は、コイル１７２、コンデンサ１７４を介して直流負荷Ｌ_ＤＣに供給される。

降圧チョッパ回路１２０における直流電力の出力端と交流負荷用直流−交流変換回路１３０および直流負荷用直流−交流変換部１６０における直流電力の入力端とを接続する電力線には、バッテリ装置２００が接続されている。バッテリ装置２００は、例えば、絶縁区分が低圧のバッテリである。バッテリ装置２００は、例えば、リチウムイオン電池などの蓄電池セルが直列または並列に接続された蓄電池ユニットである。

バッテリ装置２００は、降圧チョッパ回路１２０から交流負荷用直流−交流変換回路１３０および直流負荷用直流−交流変換部１６０に供給される直流電力が低下した場合に、直流電力の低下に対応した電力を放電する。これにより、バッテリ装置２００は、鉄道車両が無電区間を走行している場合、交流負荷用直流−交流変換回路１３０および直流負荷用直流−交流変換部１６０に放電電力を供給する。

図３は、交流−直流変換回路１１０および降圧チョッパ回路１２０の動作の一例を示すフローチャートである。なお、本フローチャートの処理は、鉄道車両が走行している状態で繰り返して実行される。まず、電圧検出部１４４は、直流リンクの電圧を検出する（ステップＳ１００）。次に、負荷電力制御部１４０は、電圧検出部１４４により検出された電圧Ｖが、基準電圧Ｖｒｅｆよりも高いか否かを判定する（ステップＳ１０２）。基準電圧Ｖｒｅｆは、鉄道車両の設計者により負荷Ｌの定格電圧に設定される。基準電圧Ｖｒｅｆは、例えば、変圧器１０２から供給される交流電力の電圧が２００Ｖ〜５００Ｖの範囲で変動する場合、負荷Ｌの定格電圧としての４００Ｖに設定される。

基準電圧Ｖｒｅｆは、交流負荷用直流−交流変換回路１３０におけるスイッチング素子の耐圧および負荷Ｌの定格電圧に基づいて決定されてよい。基準電圧Ｖｒｅｆは、例えば、スイッチング素子における絶縁区分が高圧にならないように交流負荷用直流−交流変換回路１３０に供給する直流電力の電圧を制限するための値が設定される。

負荷電力制御部１４０は、直流リンクの電圧Ｖが基準電圧Ｖｒｅｆよりも高い場合、交流−直流変換回路１１０の出力を基準電圧Ｖｒｅｆに近づくように降圧させる。これにより、直流リンク電圧が基準電圧Ｖｒｅｆに近づくが、交流−直流変換回路１１０の制御だけでは、直流リンク電圧が基準電圧Ｖｒｅｆに達しない場合には、さらに、降圧チョッパ回路１２０を制御することで、交流電力の電圧が基準電圧Ｖｒｅｆに近づくように降圧する（ステップＳ１０４）。

負荷電力制御部１４０は、直流リンクの電圧Ｖが基準電圧Ｖｒｅｆ以下である場合、変圧器１０２から供給された交流電力を、交流−直流変換回路１１０により直流電力に変換させる。この場合、負荷電力制御部１４０は、交流−直流変換回路１１０を制御することで、交流電力の電圧を基準電圧Ｖｒｅｆに近づくように昇圧する。

以上説明した電力変換システム１によれば、交流−直流変換回路１１０および降圧チョッパ回路１２０を制御することで、直流リンクの電圧を基準電圧に近づけるので、架線から供給された電力をより安定化することができる。これにより、電力変換システム１によれば、降圧チョッパ回路１２０から直流電力が供給される交流負荷用直流−交流変換回路１３０および直流負荷用直流−交流変換部１６０におけるスイッチング素子の選択を容易にすることができる。すなわち、電力変換システム１によれば、交流負荷用直流−交流変換回路１３０および直流負荷用直流−交流変換部１６０におけるスイッチング素子を、変圧器１０２から供給される交流電力の電圧の変動幅に対応するものとする必要がない。また、電力変換システム１によれば、安定化した直流電力を変換した交流電力を負荷に供給することができるので、負荷Ｌを安定して動作させることができる。さらに、電力変換システム１によれば、安定化した直流電力をバッテリ装置２００に供給することができるので、バッテリ装置２００に過電圧が供給されることを抑制することでバッテリ装置２００を保護することができる。

例えば、変圧器１０２から供給される交流電力の電圧が２００Ｖ〜５００Ｖの範囲で変動する場合、変圧器１０２を備えない場合には、５００Ｖで正常に動作するように、交流負荷用直流−交流変換回路１３０および直流負荷用直流−交流変換部１６０のスイッチング素子や、交流負荷Ｌ_ＡＣ、直流負荷Ｌ_ＤＣおよびバッテリ装置２００を設計する必要がある。これに対し、電力変換システム１によれば、交流負荷用交流−直流変換回路１１０に加えて変圧器１０２を備えることで、４００Ｖまでで正常に動作するように、交流負荷用直流−交流変換回路１３０および直流負荷用直流−交流変換部１６０のスイッチング素子や、交流負荷Ｌ_ＡＣ、直流負荷Ｌ_ＤＣ、およびバッテリ装置２００を設計することができる。

また、電力変換システム１によれば、直流リンクの電圧が基準電圧よりも低い場合には、交流−直流変換回路１１０を用いて直流リンクの電圧を基準電圧に近づくように昇圧することができる。さらに、電力変換システム１によれば、直流リンクの電圧が基準電圧よりも高い場合には、降圧チョッパ回路１２０を用いて、交流−直流変換回路１１０により変換された直流リンクの電圧を基準電圧に近づくように降圧することができる。これにより、電力変換システム１によれば、直流リンクの電圧が基準電圧よりも高く場合および低い場合のそれぞれについて安定した直流電力を交流負荷用直流−交流変換回路１３０および直流負荷用直流−交流変換部１６０に供給することができる。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、変圧器１０２を介して供給された交流電力を直流電力に変換する交流−直流変換回路１１０と、交流−直流変換回路１１０により変換された直流電力の電圧を降下させる降圧チョッパ回路１２０と、交流−直流変換回路１１０および降圧チョッパ回路１２０を制御することで、直流リンクの電圧を基準電圧に近づける負荷電力制御部１４０とを持つことにより、架線から供給された電力をより安定化することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…電力変換システム、１００…補助電源用電力変換装置、１１０…交流−直流変換部、１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄ…スイッチング素子、１２０…降圧チョッパ回路、１２２…スイッチ部、１２４…コイル、１２６…コンデンサ、１３０…交流負荷用直流−交流変換回路、１４０…負荷電力制御部、１４２…スイッチング制御部、１４４…電圧検出部、２００…バッテリ装置、４００…集電装置

Claims (6)

1. 架線からの電力を降圧する変圧器と、
   前記変圧器の二次巻線を介して供給された交流電力を直流電力に変換する交流−直流変換回路と、
   前記変圧器から供給される交流電力の電圧を検出する電圧検出部と、
   前記交流−直流変換回路により変換された直流電力の電圧を降下させる降圧チョッパ回路と、
   前記降圧チョッパ回路により降圧された直流電力を前記電気車に搭載された交流負荷を駆動させるための交流電力に変換して前記交流負荷に供給する交流負荷用電力変換部と、前記降圧チョッパ回路により降圧された直流電力を前記電気車に搭載された直流負荷を駆動させるための直流電力に変換して前記直流負荷に供給する直流負荷用電力変換部と、を有する補助電源用電力変換装置と、
   前記交流−直流変換回路および前記降圧チョッパ回路を制御することで、前記電圧検出部により検出された交流電力の電圧を基準電圧に近づける制御部と、
   を備える、電力変換システム。
2. 前記制御部は、前記電圧検出部により検出された交流電力の電圧が前記基準電圧よりも低い場合には、前記交流−直流変換回路を用いて前記架線から前記変圧器を介して供給された交流電力を前記基準電圧に近づくように昇圧する、
   請求項１に記載の電力変換システム。
3. 前記制御部は、前記電圧検出部により検出された交流電力の電圧が前記基準電圧よりも高い場合には、前記降圧チョッパ回路を用いて、前記交流−直流変換回路により変換された直流電力の電圧を前記基準電圧に近づくように降圧する、
   請求項２に記載の電力変換システム。
4. 前記交流−直流変換回路は、複数のスイッチング素子および前記複数のスイッチング素子に逆並列接続されたダイオードを含むスイッチング回路を含み、
   前記降圧チョッパ回路は、スイッチ部、コイル、およびコンデンサを含み、
   前記制御部は、前記複数のスイッチング素子、および前記スイッチ部を導通状態と遮断状態との間でそれぞれ切り替える制御を行うことで、前記交流−直流変換回路を用いて前記架線から前記変圧器を介して供給された交流電力を前記基準電圧に近づくように昇圧し、前記降圧チョッパ回路を用いて、前記交流−直流変換回路により変換された直流電力の電圧を前記基準電圧に近づくように降圧する、
   請求項１に記載の電力変換システム。
5. 前記交流負荷用電力変換部および前記直流負荷用電力変換部は、複数のスイッチング素子を含み、
   前記基準電圧は、前記スイッチング素子の耐圧および前記負荷の定格電圧に基づいて決定されている、
   請求項１から４のうちいずれか１項に記載の電力変換システム。
6. 前記降圧チョッパ回路における直流電力の出力端と前記交流負荷用電力変換部および前記直流負荷用電力変換部における直流電力の入力端とを接続する電力線に接続された蓄電装置であって、前記変圧器から前記交流−直流変換回路に供給される直流電力が低下した場合に、前記直流電力の低下に対応した電力を放電する蓄電装置を更に備える、
   請求項１から５のうちいずれか１項に記載の電力変換システム。

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