JP2018126039A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回生動作時に電源側からエネルギーが流入しないようにする。【解決手段】電力変換装置１は、直流電力と交流電力の変換を行う電力変換部１５と、回生動作時に、電力変換部１５により変換された発電電力ＰACのうち、余分な電力を消費又は蓄電する回生電力制御装置１１と、電力変換部１５の直流側に接続されたフィルタコンデンサ１２と、回生電力制御装置１１の通流率γを発電電力ＰAC、フィルタコンデンサ１２に印加された電圧ＶC、及び電力変換部１５から電源２へ流れる回生電流ＩLに基づいて決定する通流率決定部１６と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、直流電力を供給する電源に接続された電力変換装置に関するものである。

従来、電源入力を変換して駆動回転力として出力している電動機（モータ）に対して、逆に軸回転を入力して発電機として作動させ、回生動作を行うことが可能な電力変換装置が知られている。回生動作時に、余分な電力はブレーキチョッパ装置で消費させたり、蓄電装置に蓄積させたりすることが可能である。

例えば、特許文献１には、フィルタコンデンサ電圧Ｖｃのパターンでブレーキチョッパ装置を制御し、編成中の他のブレーキチョッパ装置を非搭載の車両のブレーキ力も負担し、ブレーキ力を最大限活用する電力変換装置が開示されている。

特開２００２−３６９３０７号公報

しかし、回生動作時に、ブレーキチョッパ装置で消費、又は蓄電装置に蓄積するエネルギーが大きすぎると、電源側から想定外の大きな電流が流れこみ、装置が故障するおそれがあるという問題があった。

かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、回生動作時に電源側からエネルギーが流入しないようにすることが可能な電力変換装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係る電力変換装置は、直流電力を供給する電源に接続された電力変換装置であって、直流電力と交流電力の変換を行う電力変換部と、回生動作時に、前記電力変換部により生成された発電電力Ｐ_ACのうち、余分な電力を消費又は蓄電する回生電力制御装置と、前記電力変換部の直流側に接続されたフィルタコンデンサと、前記回生電力制御装置の通流率γを前記発電電力Ｐ_AC、前記フィルタコンデンサに印加された電圧Ｖ_C、及び前記電力変換部から前記電源へ流れる回生電流Ｉ_Lに基づいて決定する通流率決定部と、を備えることを特徴とする。

さらに、本発明に係る電力変換装置において、前記回生電力制御装置は、回生動作時にブレーキ抵抗器を用いて前記余分な電力を消費し、前記通流率決定部は、前記通流率γを前記発電電力Ｐ_AC、前記電圧Ｖ_C、前記回生電流Ｉ_L、及び前記ブレーキ抵抗器の抵抗Ｒを用いて下記の式により決定することを特徴とする。

さらに、本発明に係る電力変換装置において、前記回生電力制御装置は、回生動作時にリアクトル及び蓄電媒体を用いて前記余分な電力を蓄電し、前記通流率決定部は、前記通流率γを前記発電電力Ｐ_AC、前記電圧Ｖ_C、前記回生電流Ｉ_L、前記リアクトルの内部抵抗Ｒ_L、並びに前記蓄電媒体の電圧Ｖ_b及び内部抵抗Ｒ_Cを用いて下記の式により決定することを特徴とする。

本発明によれば、回生動作時に、電源の状態にかかわらず通流率を適切に制御し、電源側からエネルギーが流入することを防止できるようになる。

本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置の構成例を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る電力変換装置の構成例を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１に、本発明の一実施形態に係る電力変換装置の構成例を示す。図１に示す電力変換装置１は、ブレーキチョッパ装置（回生電力制御装置）１１と、フィルタコンデンサ１２と、電流センサ１３と、電圧センサ１４と、電力変換部１５と、通流率決定部１６と、ＰＷＭ制御部１７とを備える。電力変換装置１は、電源２から直流電力を入力し、交流電力に変換して負荷３に出力する。

電源２は、電力変換装置１の直流側に接続され、電力変換装置１に直流電力を供給する装置である。例えば、電力変換装置１が鉄道に用いられるものである場合、電源２は架線から得られる直流電力を出力する。

負荷３は、電力変換装置１の交流側に接続され、非回生動作時には電動機として作用し、回生動作時には発電機として作用するモータである。

電力変換部１５は、電力用半導体素子（スイッチング素子）を使用して直流電力と交流電力の変換を行う回路であり、例えば、三相交流インバータである。非回生動作時には、電源２により供給される直流電力を交流電力に変換し、負荷３に出力する。また、回生動作時には、負荷３により発電された電力を直流電力に変換し、電源２及びブレーキチョッパ装置１１に出力する。

ブレーキチョッパ装置１１は、回生動作時に、電力変換部１５により変換された発電電力（回生電力）Ｐ_ACのうち、電源２側に回生できなかった余分な電力を消費する。

ブレーキチョッパ装置１１は、スイッチング素子１１１と、ダイオード１１２と、ブレーキ抵抗器１１３とを備える。回生動作時にスイッチング素子１１１をオンにすることによりブレーキ抵抗器１１３に電流が流れ、発電電力Ｐ_ACの一部を消費することができる。スイッチング素子１１１は、ＰＷＭ制御部１７から入力されたＰＷＭ信号に基づいてオンオフ動作を行う。

フィルタコンデンサ１２は、電力変換部１５の直流側に接続され、電荷を蓄えるとともにノイズを除去する。

電流センサ１３は、電力変換部１５から電源２へ流れる回生電流Ｉ_Lを検出し、検出値を通流率決定部１６に出力する。例えば、電力変換装置１が鉄道に用いられるものである場合、回生電流Ｉ_Lはパンタ点へ流れる電流である。

電圧センサ１４は、フィルタコンデンサ１２に印加された電圧（フィルタコンデンサ電圧）Ｖ_Cを検出し、検出値を通流率決定部１６に出力する。

通流率決定部１６は、ブレーキチョッパ装置１１の通流率γを発電電力Ｐ_AC、フィルタコンデンサ電圧Ｖ_C、及び回生電流Ｉ_Lに基づいて決定し、決定した通流率γをＰＷＭ制御部１７に出力する。

ＰＷＭ制御部１７は、通流率決定部１６から入力された通流率γに基づいてＰＷＭ信号を生成し、スイッチング素子１１１に出力する。

回生動作を行う場合、発電電力Ｐ_ACは電力変換部１５で演算される。また電源２側へ回生した電力はフィルタコンデンサ電圧Ｖ_Cと回生電流Ｉ_Lの積によって演算できる。したがって、ブレーキチョッパ装置１１を使ってブレーキ抵抗器１１３で消費すべき電力Ｐ_Bchは式（１）で表すことができる。

Ｐ_Bch＝Ｐ_AC−Ｖ_C×Ｉ_L (１)

したがって、式（１）の電力をブレーキチョッパ装置１１で消費するように通流率γを設定すれば、外部状態にかかわらず適切なブレーキチョッパ制御となる。

ここで、ブレーキ抵抗器１１３で消費できる最大電力Ｐ_Bchmaxはフィルタコンデンサ電圧Ｖ_C、及びブレーキ抵抗器１１３の抵抗Ｒを用いて式（２）で表すことができる。

Ｐ_Bchmax＝Ｖ_C＾２／Ｒ (２)

式（２）を通流率γが１００％の時と定義できるため、適切な通流率γは式（３）の関係を有する。

γ＾２＝Ｐ_Bch／Ｐ_Bchmax （３）

式（３）に式（１）及び式（２）を代入して解くと、式（４）により通流率γが求まる。この値をブレーキチョッパ装置１１の通流率として使用すれば、回生できなかった余分な電力のみをブレーキチョッパ装置１１で消費することができる。

上述したように、電力変換装置１は、通流率決定部１６により、ブレーキチョッパ装置１１の通流率γを発電電力Ｐ_AC、フィルタコンデンサ電圧Ｖ_C、及び回生電流Ｉ_Lに基づいて決定することができる。かかる構成により、本発明によれば、電源２の状態にかかわらず、回生動作時におけるブレーキチョッパ装置１１の通流率γを適切に制御し、電源２からエネルギーが流入すること防止できるようになる。

（第２の実施形態）
つぎに、本発明の第２の実施形態に係る電力変換装置１’について説明する。図２は、第２の実施形態に係る電力変換装置１’の構成例を示すブロック図である。図２に示す電力変換装置１’は、第１の実施形態の電力変換装置１と比較して、回生電力制御装置をブレーキチョッパ装置１１に代えて蓄電装置１８とする点が相違する。その他の構成については第１の実施形態と同様であるため、同一の参照番号を付して説明を省略する。

蓄電装置（バッテリ）１８は、回生動作時に、電力変換部１５により変換された発電電力（回生電力）Ｐ_ACのうち、電源２側に回生できなかった余分な電力を蓄電する。

蓄電装置１８は、スイッチング素子１１１−１，１１１−２と、リアクトル１１４と、蓄電媒体１１５とを備える。スイッチング素子１１１−１をオンにし、スイッチング素子１１１−２をオフにすることにより蓄電媒体１１５に蓄電（充電）し、スイッチング素子１１１−１をオフにし、スイッチング素子１１１−２をオンにすることにより蓄電媒体１１５から放電する。スイッチング素子１１１−１，１１１−２は、ＰＷＭ制御部１７から入力されたＰＷＭ信号に基づいてオンオフ動作を行う。

回生動作を行う場合、発電電力Ｐ_ACは電力変換部１５で演算される。また電源２側へ回生した電力はフィルタコンデンサ電圧Ｖ_Cと回生電流Ｉ_Lの積によって演算できる。したがって、蓄電装置１８を使って蓄電媒体１１５に蓄電すべき電力Ｐ_Bchは上記の式（１）で表すことができる。

したがって、式（１）の電力を蓄電装置１８に蓄電するように通流率γを設定すれば、外部状態にかかわらず適切な蓄電制御となる。

ここで、蓄電媒体１１５の初期電圧Ｖ_b、蓄電媒体１１５に流れる電流Ｉ_b、フィルタコンデンサ電圧Ｖ_C、リアクトル１１４の内部抵抗Ｒ_L、及び蓄電媒体１１５の内部抵抗Ｒ_Cの関係は、式（５）で表すことができる。また、式（５）を変形させると、式（６）が得られる。

γＶ_C＝（Ｒ_L+Ｒ_C）×Ｉ_b＋Ｖ_b (５)
Ｉ_b＝(γＶ_C−Ｖ_b)／（Ｒ_L＋Ｒ_C） （６）

蓄電装置１８で吸収される電力Ｐ_Bchは、式（７）で表される。

Ｐ_Bch＝γＶ_C×Ｉ_b＝γＶ_C×(γＶ_C-Ｖ_b)／（Ｒ_L＋Ｒ_C） （７）

式（７）を式（１）に代入して通流率γについて解くと、式（８）が求まる。

上述したように、電力変換装置１’は、通流率決定部１６により、蓄電装置１８の通流率γを発電電力Ｐ_AC、フィルタコンデンサ電圧Ｖ_C、及び回生電流Ｉ_Lに基づいて決定することができる。かかる構成により、本発明によれば、電源２の状態にかかわらず、回生動作時における蓄電装置１８の通流率γを適切に制御し、電源２からエネルギーが流入することを防止できるようになる。

上述の実施形態は代表的な例として説明したが、本発明の趣旨及び範囲内で、多くの変更及び置換ができることは当業者に明らかである。したがって、本発明は、上述の実施形態によって制限するものと解するべきではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。例えば、実施形態の構成図に記載の複数の構成ブロックを１つに組み合わせたり、あるいは１つの構成ブロックを分割したりすることが可能である。

このように、本発明によれば、電源の状態にかかわらず適切な通流率を制御することができるので、ブレーキチョッパ装置や蓄電装置を備える電力変換装置に有用である。

１，１’ 電力変換装置
２ 電源
３ 負荷
１１ ブレーキチョッパ装置（回生電力制御装置）
１２ フィルタコンデンサ
１３ 電流センサ
１４ 電圧センサ
１５ 電力変換部
１６ 通流率決定部
１７ ＰＷＭ制御部
１８ 蓄電装置（回生電力制御装置）
１１１，１１１−１，１１１−２ スイッチング素子
１１２ ダイオード
１１３ ブレーキ抵抗器
１１４ リアクトル
１１５ 蓄電媒体

Claims (3)

1. 直流電力を供給する電源に接続された電力変換装置であって、
   直流電力と交流電力の変換を行う電力変換部と、
   回生動作時に、前記電力変換部により変換された発電電力Ｐ_ACのうち、余分な電力を消費又は蓄電する回生電力制御装置と、
   前記電力変換部の直流側に接続されたフィルタコンデンサと、
   前記回生電力制御装置の通流率γを前記発電電力Ｐ_AC、前記フィルタコンデンサに印加された電圧Ｖ_C、及び前記電力変換部から前記電源へ流れる回生電流Ｉ_Lに基づいて決定する通流率決定部と、
   を備えることを特徴とする電力変換装置。
2. 前記回生電力制御装置は、回生動作時にブレーキ抵抗器を用いて前記余分な電力を消費し、
   前記通流率決定部は、前記通流率γを前記発電電力Ｐ_AC、前記電圧Ｖ_C、前記回生電流Ｉ_L、及び前記ブレーキ抵抗器の抵抗Ｒを用いて下記の式により決定することを特徴とする、請求項１に記載の電力変換装置。
   

   
3. 前記回生電力制御装置は、回生動作時にリアクトル及び蓄電媒体を用いて前記余分な電力を蓄電し、
   前記通流率決定部は、前記通流率γを前記発電電力Ｐ_AC、前記電圧Ｖ_C、前記回生電流Ｉ_L、前記リアクトルの内部抵抗Ｒ_L、並びに前記蓄電媒体の電圧Ｖ_b及び内部抵抗Ｒ_Cを用いて下記の式により決定することを特徴とする、請求項１に記載の電力変換装置。
   

   

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