JP2019161914A - 制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】負荷の急激な低減に伴う補助電源装置の出力電圧の過上昇を回避する。【解決手段】制御装置３は、集電された直流電力を変換する補助電源装置１を制御する制御装置３であって、補助電源装置１の出力電圧を検出する検出部３１と、出力電圧に基づいて、補助電源装置１が有する複数の半導体スイッチをオフにするためのスイッチオフ制御モードと、複数の半導体スイッチを周期的に、互いに異なるタイミングでオンにするための通常電圧制御モードとのいずれの出力制御モードで複数の半導体スイッチを制御するかを決定するモード決定部３２と、出力制御モードに基づく制御信号を補助電源装置１に出力する信号出力部３３と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、集電された直流電力を変換する補助電源装置を制御する制御装置に関する。

従来、鉄道車両、路面電車等の電気車に搭載される補助電源装置が知られている。例えば、特許文献１には、補助電源装置が、架線、第三軌条等から取り入れた直流電力を交流電力に変換することが記載されている。また、特許文献２には、架線から補助電源装置へ入力する電力を安定化するために、直流電力を異なる値の直流電力に変換する電力変換器が記載されている。

また、従来の補助電源装置において、負荷が変更されない場合、出力電圧Ｖは、図５に示すような垂下特性にしたがって変化することが知られている。具体的には、補助電源装置の出力電流ＩがＩ≦Ｉ_１である場合、出力電圧ＶがＶ＝Ｖ_０−ａＩ（ａ＞０）の関係を満たすように変化する。Ｖ_０は、Ｉ＝０である場合の出力電圧Ｖである。ａは、出力電流Ｉに対する出力電圧Ｖの低下率である。また、出力電流ＩがＩ＞Ｉ_１である場合、出力電圧Ｖは出力電流Ｉの増加とともに、ａより大きい低下率で低下する。

特開２０１７−２２８２７号公報 特開２０１７−１２７１４２号公報

しかしながら、このような補助電源装置において、該補助電源装置から出力された電力を入力する負荷が急激に低くなる場合がある。補助電源装置から出力される電圧の制御には、時間で積分された成分が用いられるため、負荷が急激に低くなった場合に、負荷の急変前の値が積分された成分に含まれることによりすぐに適切な制御がなされないことがある。そこで、電圧の制御周期を短縮することによって、積分の時間が短縮され、負荷の急変前の値による寄与を減少させることが、理論的には可能である。しかし、電圧の制御周期には制約があり、制御周期を短くすることが困難であることがある。その場合、負荷の急激な低減に伴う補助電源装置の出力電圧の過上昇を回避することが困難となっている。

かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、負荷の急激な低減に伴う補助電源装置の出力電圧の過上昇を回避することが可能な制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係る制御装置は、集電された直流電力を変換する補助電源装置を制御する制御装置であって、前記補助電源装置の出力電圧を検出する検出部と、前記出力電圧に基づいて、前記補助電源装置が有する複数の半導体スイッチをオフにするためのスイッチオフ制御モードと、前記複数の半導体スイッチを周期的に、互いに異なるタイミングでオンにするための通常電圧制御モードとのいずれの出力制御モードで前記複数の半導体スイッチを制御するかを決定するモード決定部と、前記出力制御モードに基づく制御信号を前記複数の半導体スイッチに出力する信号出力部と、を備えることを特徴とする。

さらに、本発明に係る制御装置において、前記検出部は、前記出力電圧を検出し、前記モード決定部は、前記出力電圧が、定格電圧に所定の係数を乗じた過電圧に対して第１比率以上であると判定した場合、前記出力制御モードを前記スイッチオフ制御モードにすると決定し、前記出力電圧が、前記過電圧に対して第１比率未満であると判定した場合、前記出力制御モードを前記通常電圧制御モードにすると決定することを特徴とする。

さらに、本発明に係る制御装置において、前記検出部は、前記出力制御モードが前記スイッチオフ制御モードにされると決定された後、出力電圧を検出し、前記モード決定部は、前記出力制御モードが前記スイッチオフ制御モードにされると決定された後に検出された出力電圧が前記過電圧に対して、前記第１比率より小さい第２比率未満であると判定した場合、前記出力制御モードを通常電圧制御モードにすると決定し、前記出力制御モードが前記スイッチオフ制御モードにされると決定された後に検出された出力電圧が前記過電圧に対して前記第２比率以上であると判定した場合、前記出力制御モードを前記スイッチオフ制御モードに維持すると決定することを特徴とする。

さらに、本発明に係る制御装置において、前記検出部は、さらに前記補助電源装置の出力電流を検出し、前記モード決定部は、前記過電圧に対して第１比率以上であり、かつ前記出力電流が負の閾値未満であると判定した場合、前記出力制御モードを前記スイッチオフ制御モードにすると決定し、前記出力電圧が前記過電圧に対して第１比率未満である、あるいは前記出力電流が前記負の閾値以上であると判定した場合、前記出力制御モードを前記通常電圧制御モードにすると決定することを特徴とする。

本発明の制御装置は、負荷の急激な低減に伴う補助電源装置の出力電圧の過上昇を回避することができる。

本実施形態に係る補助電源システムの構成例を示すブロック図である。 制御信号の時間変化を示す図である。 出力制御モードの遷移を示す図である。 制御装置の制御方法を示すフローチャートである。 出力電圧の垂下特性を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図１を参照して詳細に説明する。

図１は、本実施形態に係る補助電源システム１００の構成例を示すブロック図である。補助電源システム１００は、補助電源装置１と、負荷２と、制御装置３とを備える。

補助電源装置１は、鉄道車両、路面電車等の電気車に搭載される。補助電源装置１は、一般的に架線、第三軌条等から直流電力を集電する。補助電源装置１は、集電した直流電力を交流電力に変換し、さらに直流電力に変換して負荷２に出力する。図１に示す例では、補助電源装置１は、単相インバータ１１と、単相センタタップ回路１２と、フィルタ１３とを備える。

単相インバータ１１は、半導体スイッチ１１１ａ及び半導体スイッチ１１１ｂと、直流フィルタコンデンサ１１２a及び直流フィルタコンデンサ１１２ｂとを備える。

半導体スイッチ１１１ａ及び半導体スイッチ１１１ｂは、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子である。半導体スイッチ１１１ａ及び半導体スイッチ１１１ｂは直列に接続される。具体的には、半導体スイッチ１１１ａのエミッタ側が半導体スイッチ１１１ｂのコレクタ側に接続される。また、半導体スイッチ１１１ａ及び半導体スイッチ１１１ｂの接続点が一の出力端子に接続されている。半導体スイッチ１１１ａ及び半導体スイッチ１１１ｂは、互いに異なるタイミングでオンしたりオフしたりすることによって、直流電力を交流電力に変換する。

直流フィルタコンデンサ１１２ａ及び直流フィルタコンデンサ１１２ｂは直列に接続される。直流フィルタコンデンサ１１２ａ及び直流フィルタコンデンサ１１２ｂの接続点（以下、「コンデンサ接続点」という）は他の出力端子に接続される。また、直流フィルタコンデンサ１１２ａの、コンデンサ接続点とは反対側の端部は、半導体スイッチ１１１ａのコレクタ側に接続される。また、直流フィルタコンデンサ１１２ｂの、コンデンサ接続点とは反対側の端部は、半導体スイッチ１１１ｂのエミッタ側に接続される。直流フィルタコンデンサ１１２ａ及び直流フィルタコンデンサ１１２ａは、入力電圧を分圧し、単相センタタップ回路１２の一次電圧を減少させる（例えば、６００Ｖから３００Ｖに減少させる）。

単相センタタップ回路１２は、単相インバータ１１から出力された高圧矩形波電力を低圧矩形波に変更する。単相センタタップ回路１２は、中間タップ式トランスとハーフブリッジダイオード整流回路とを備える。

フィルタ１３は、単相センタタップ回路１２から出力された低圧矩形波電力を平滑化して、負荷２に出力する。

制御装置３は、補助電源装置１を制御する。制御装置３は、検出部３１と、モード決定部３２と、信号出力部３３とを備える。

検出部３１は、補助電源装置１の出力電流及び出力電圧を検出する。

モード決定部３２は、検出部３１によって検出された出力電流及び出力電圧と、現在の出力制御モードとに基づいて、出力制御モードを決定する。出力制御モードは、通常電圧制御モードとスイッチオフ制御モードとを含む。

通常電圧制御モードは、制御装置３が、半導体スイッチ１１１ａ及び半導体スイッチ１１１ｂを周期的に、互いに異なるタイミングでオンにするように補助電源装置１を制御するモードである。具体的には、制御装置３は、図２に示すように、周波数ｆｃ（すなわち、周期Ｔｃ（＝１／ｆｃ）で、時刻ｔ１からｔ２までの間に半導体スイッチ１１１ａをオンとするよう制御する。また、制御装置３は、時刻ｔ３からｔ４までの間に半導体スイッチ１１１ｂをオンとするよう制御する。

スイッチオフ制御モードは、所定の条件を満たす間、制御装置３が、半導体スイッチ１１１ａ及び半導体スイッチ１１１ｂのスイッチを常にオフにするように補助電源装置１を制御するモードである。

ここで、モード決定部３２について詳細に説明する。

モード決定部３２は、出力電流が急激に減衰し、かつ出力電圧が過電圧の第１比率（例えば、９８％）以上であるか否かを判定する。出力電流の急激な減衰とは、例えば、出力電流の時間微分値が負の閾値より小さいことをいう。また、過電圧とは、定格電圧に１より大きい所定の係数を乗じた電圧であり、例えば、定格電圧の１４０％の電圧である。

モード決定部３２は、出力電流が急激に減衰しない、あるいは出力電圧が過電圧の９８％未満であると判定した場合、出力制御モードを通常制御モードにすると決定する。モード決定部３２は、出力電流が急激に減衰し、かつ出力電圧が過電圧の９８％以上である場合、出力制御モードをヒステリシス制御モードにすると決定する。

また、モード決定部３２は、補助電源装置１がヒステリシス制御モードで制御されると、まず、出力制御モードを補助電源装置１が有する複数の半導体スイッチ１１１ａ及び半導体スイッチ１１１ｂをオフにするためのスイッチオフ制御モードにすると決定する。そして、モード決定部３２は、スイッチオフ制御モードにおいて、出力電圧が定格電圧の第２比率未満であるか否かを判定する。第２比率は第１比率より小さい値であり、例えば、９５％である。モード決定部３２は、出力電圧が定格電圧の第２比率以上であると判定した場合、出力制御モードを引き続きスイッチオフ制御モードに維持すると決定する。モード決定部３２は、出力電圧が定格電圧の第２比率未満であると判定した場合、出力制御モードを、複数の半導体スイッチ１１１ａ及び半導体スイッチ１１１ｂを周期的に、互いに異なるタイミングでオンするための通常電圧制御モードにすると決定する。すなわち、モード決定部３２は、図３に示すようなヒステリシス制御モードを行う。モード決定部３２は、ヒステリシス制御モードにおいて、出力電流および出力電圧に基づいて、スイッチオフ制御モードから通常電圧制御モードに遷移したり、通常電圧制御モードからスイッチオフ制御モードに遷移したりする。

信号出力部３３は、モード決定部３２によって決定された出力制御モードに基づいて、半導体スイッチ１１１ａ及び半導体スイッチ１１１ｂに制御信号を送信する。

具体的には、信号出力部３３は、モード決定部３２によって出力制御モードを通常電圧制御モードにすると決定されると、０ではない所定の変調率αの出力制御信号を半導体スイッチ１１１ａ及び半導体スイッチ１１１ｂに出力する。変調率αは、周期Ｔｃに対する、半導体スイッチ１１１ａ又は半導体スイッチ１１１ｂをオンにする時間の比率である。

例えば、信号出力部３３は、図２に示したように、時刻ｔ１からｔ２までの時間に半導体スイッチ１１１ａをオンにするための制御信号を半導体スイッチ１１１ａに送信する。また、信号出力部３３は、時刻ｔ３からｔ４までの時間に半導体スイッチ１１１ｂをオンにするための制御信号を半導体スイッチ１１１ｂに送信する。時刻ｔ１からｔ２までの時間は、周期Ｔｃに変調率αを乗じた時間である。同様に、時刻ｔ３からｔ４までの時間は、周期Ｔｃに変調率αを乗じた時間である。

また、信号出力部３３は、モード決定部３２によって出力制御モードをスイッチオフ制御モードにすると決定されると、半導体スイッチ１１１ａ及び半導体スイッチ１１１ｂとを常にオフにするための制御信号を、それぞれ半導体スイッチ１１１ａ及び半導体スイッチ１１１ｂに送信する。具体的には、信号出力部３３は、変調率αが０である制御信号を、それぞれ半導体スイッチ１１１ａ及び半導体スイッチ１１１ｂに送信する。

次に、補助電源装置１の制御装置３による制御方法について説明する。図４は、制御装置３による制御方法の一例を示すフローチャートである。

まず、検出部３１により、補助電源装置１の出力電流及び出力電圧を検出する（ステップＳ１１）。

次に、モード決定部３２により、出力電流の時間微分値が負の閾値未満であり、かつ出力電圧が過電圧の９８％以上であるか否かを判定する（ステップＳ１２）。

ステップＳ１２で、出力電流の時間微分値が負の閾値以上である、あるいは出力電圧が過電圧の９８％未満であると判定された場合、モード決定部３２により、補助電源装置１の出力制御モードを通常電圧制御モードにすると決定する（ステップＳ１３）。そして、信号出力部３３は、所望の出力電圧に応じた変調率αの出力制御信号を半導体スイッチ１１１ａ及び半導体スイッチ１１１ｂに送信する。

ステップＳ１２で、出力電流が急激に減衰し、かつ出力電圧が過電圧の９８％以上であった場合、モード決定部３２により、出力制御モードをスイッチオフ制御モードにすると決定する（ステップＳ１４）。そして、信号出力部３３は、変調率αが０である出力制御信号を半導体スイッチ１１１ａ及び半導体スイッチ１１１ｂに送信する。

次に、検出部３１により、ふたたび出力電圧を検出する（ステップＳ１５）。

次に、モード決定部３２により、出力電圧が過電圧の９５％であるか否かを判定する（ステップＳ１６）。

ステップＳ１６で出力電圧が過電圧の９５％以上であると判定された場合、ステップＳ１４に戻って、モード決定部３２により、出力制御モードを引き続きスイッチオフ制御モードにすると決定する。そして、信号出力部３３は、変調率αが０である出力制御信号を半導体スイッチ１１１ａ及び半導体スイッチ１１１ｂに送信する。

ステップＳ１６で出力電圧が過電圧の９５％未満であると判定された場合、モード決定部３２により、出力制御モードを通常電圧制御モードにすると決定する（ステップＳ１７）。そして、信号出力部３３は、所望の出力電圧に応じた変調率αの出力制御信号を半導体スイッチ１１１ａ及び半導体スイッチ１１１ｂに送信する。

ステップＳ１３及びＳ１７で、モード決定部３２により出力制御モードを通常電圧モードにすると決定すると、再びスタートに戻って処理を繰り返す。

以上説明したように、本実施形態によれば、補助電源装置１から出力された出力電圧を検出し、検出した出力電圧に基づいて出力制御モードを決定するため、負荷２の急激な低減に伴う補助電源装置１の出力電圧の過上昇を回避することができる。

また、本実施形態によれば、出力電圧が、定格電圧に所定の係数を乗じた過電圧に対して第１比率以上である場合、半導体スイッチ１１１ａ及び半導体スイッチ１１１ｂをオフにするための信号を出力する。また、出力電圧が、定格電圧に所定の係数を乗じた過電圧に対して第１比率未満である場合、半導体スイッチ１１１ａ及び半導体スイッチ１１１ｂを所定の周期Ｔｃで互いに異なるタイミングにオンにするための信号を出力する。これにより、出力電圧が所定値以上である場合に、補助電源装置１から出力される出力電力を低減させ、出力電圧が所定値未満である場合には、所望の出力電圧を出力させることができる。

また、本実施形態によれば、出力制御モードがスイッチオフ制御モードにされると決定された後に検出された出力電圧が過電圧に対して第２比率未満であると判定された場合、モード決定部３２は、出力制御モードを出力電圧制御モードにすると決定する。このため、上述のように出力電圧を低下させることによって、第１所定値より低い第２所定値となった場合に通常の制御に切り替えて、出力電圧が低下しすぎることを回避することができる。

本実施形態において、モード決定部３２は、出力電流の急減及び出力電圧に基づいて出力制御モードを決定するとしたが、この限りではない。モード決定部３２は、出力電流の急減又は出力電圧に基づいて出力制御モードを決定してもよい。

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。

１ 補助電源装置
２ 負荷
３ 制御装置
１１ 単相インバータ
１１１ａ，１１１ｂ 半導体スイッチ
１１２ａ，１１２ｂ 直流フィルタコンデンサ
１２ 単相センタタップ回路
１３ フィルタ
３１ 検出部
３２ モード決定部
３３ 信号出力部

Claims (4)

1. 集電された直流電力を変換する補助電源装置を制御する制御装置であって、
   前記補助電源装置の出力電圧を検出する検出部と、
   前記出力電圧に基づいて、前記補助電源装置が有する複数の半導体スイッチをオフにするためのスイッチオフ制御モードと、前記複数の半導体スイッチを周期的に、互いに異なるタイミングでオンにするための通常電圧制御モードとのいずれの出力制御モードで前記複数の半導体スイッチを制御するかを決定するモード決定部と、
   前記出力制御モードに基づく制御信号を前記複数の半導体スイッチに出力する信号出力部と、
   を備えることを特徴とする制御装置。
2. 前記検出部は、前記出力電圧を検出し、
   前記モード決定部は、前記出力電圧が、定格電圧に所定の係数を乗じた過電圧に対して第１比率以上であると判定した場合、前記出力制御モードを前記スイッチオフ制御モードにすると決定し、前記出力電圧が、前記過電圧に対して第１比率未満であると判定した場合、前記出力制御モードを前記通常電圧制御モードにすると決定することを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
3. 前記検出部は、前記出力制御モードが前記スイッチオフ制御モードにされると決定された後、出力電圧を検出し、
   前記モード決定部は、前記出力制御モードが前記スイッチオフ制御モードにされると決定された後に検出された出力電圧が前記過電圧に対して、前記第１比率より小さい第２比率未満であると判定した場合、前記出力制御モードを通常電圧制御モードにすると決定し、前記出力制御モードが前記スイッチオフ制御モードにされると決定された後に検出された出力電圧が前記過電圧に対して前記第２比率以上であると判定した場合、前記出力制御モードを前記スイッチオフ制御モードに維持すると決定することを特徴とする請求項２に記載の制御装置。
4. 前記検出部は、さらに前記補助電源装置の出力電流を検出し、
   前記モード決定部は、前記出力電圧が前記過電圧に対して前記第１比率以上であり、かつ前記出力電流が負の閾値未満であると判定した場合、前記出力制御モードを前記スイッチオフ制御モードにすると決定し、前記出力電圧が前記過電圧に対して前記第１比率未満である、あるいは前記出力電流が前記負の閾値以上であると判定した場合、前記出力制御モードを前記通常電圧制御モードにすると決定することを特徴とする請求項２又は３に記載の制御装置。

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