JP2022183645A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 用品数の増加と装置外形の増大とを抑制しつつ、複数種類の電力供給源に対応することが可能な電力変換装置を提供する。【解決手段】 実施形態の電力変換装置は、外部電源に接続される１次巻線と、第１単相交流電力を出力する２次巻線とを有する変圧器と、交流電力を直流電力に変換する第１コンバータと、２次巻線と第１コンバータとの間に接続された第１遮断器と、３相交流電力を発生する発電機と、前記発電機と前記第１コンバータとの間に接続された第１接触器と、第１コンバータの動作を制御する制御部とを含む。第１コンバータは、第１乃至第６スイッチング素子を含む。制御部は、第１動作モードにおいて、第１乃至第６スイッチング素子を用いて、３相交流電力を直流電力に変換し、第２動作モードにおいて、第１乃至第４スイッチング素子を用いて、第１単相交流電力を直流電力に変換する。【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、交流電力を直流電力に変換する電力変換装置に関する。

発電機からの給電とする場合、３相２レベルコンバータにより３相交流から直流へ電力変換をする。架線からの給電とする場合、単相２レベルコンバータにより単相交流から直流へ電力変換とをする。発電機と架線との２種類の電力供給源に対応する場合、３相２レベルコンバータと単相２レベルコンバータとの２種類の電力変換装置が必要である。また架線からの給電の場合、集電装置の離線再着線による過渡変動などによって直流電圧が上昇した際に、過電圧抑制機能が必要になる。このように、２つの電力供給源に対応する場合、用品数が増加し、装置外形が増大してしまう。

国際公開第２０１３／１１４５４６号

本発明が解決しようとする課題は、用品数の増加と装置外形の増大とを抑制しつつ、複数種類の電力供給源に対応することが可能な電力変換装置を提供することである。

実施形態に係る電力変換装置は、外部電源に接続される１次巻線と、第１単相交流電力を出力する２次巻線とを有する変圧器と、交流電力を直流電力に変換する第１コンバータと、前記２次巻線と前記第１コンバータとの間に接続された第１遮断器と、３相交流電力を発生する発電機と、前記発電機と前記第１コンバータとの間に接続された第１接触器と、前記第１コンバータの動作を制御する制御部とを具備する。前記第１コンバータは、第１乃至第６スイッチング素子を含む。前記制御部は、第１動作モードにおいて、前記第１乃至第６スイッチング素子を用いて、前記３相交流電力を直流電力に変換し、第２動作モードにおいて、前記第１乃至第４スイッチング素子を用いて、前記第１単相交流電力を直流電力に変換する。

図１は、第１実施形態に係る電力変換装置の回路図である。 図２は、第２実施形態に係る電力変換装置の回路図である。 図３は、第３実施形態に係る電力変換装置の回路図である。 図４は、第４実施形態に係る電力変換装置の回路図である。 図５は、第５実施形態に係る電力変換装置の回路図である。

以下、実施形態について図面を参照して説明する。以下に示す幾つかの実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための装置および方法を例示したものであって、構成部品の形状、構造、配置等によって、本発明の技術思想が特定されるものではない。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については同一符号を付し、重複する説明は省略する。

［１］ 第１実施形態
［１－１］ 電力変換装置１の構成
図１は、第１実施形態に係る電力変換装置１の回路図である。電力変換装置１は、変圧器１０、充電回路１１、発電機１５、３相接触器１６、コンバータ１７、電圧検出回路（ＶＤ）２０、フィルタコンデンサ２１、過電圧保護回路２２、及び制御部２７を備える。

変圧器１０は、１次巻線Ｗ１及び２次巻線Ｗ２を含む絶縁トランスである。変圧器１０は、１次電圧（１次巻線Ｗ１の電圧）を、１次巻線Ｗ１と２次巻線Ｗ２との巻数比に比例した２次電圧（２次巻線Ｗ２の電圧）に変換する。変圧器１０の１次巻線Ｗ１は、集電装置２と接地端子３との間に直列に接続される。

変圧器１０の１次巻線Ｗ１は、単相交流電力を供給する電源に接続される。本実施形態では、一例として、電力変換装置１が電気機関車の駆動装置に用いられる場合について説明する。変圧器１０の１次巻線Ｗ１の一端は、集電装置２に接続され、変圧器１０の１次巻線Ｗ１の他端は、接地端子３に接続される。

集電装置２は、架線から単相交流電力の供給を受けるパンタグラフのような集電装置でもよいし、サードレールから単相交流電力の供給を受ける集電シューのような集電装置でもよい。接地端子３は、線路を介して接地された車輪である。変圧器１０の１次巻線Ｗ１に接続される電源は、不安定な電源であることを想定している。

変圧器１０の２次巻線Ｗ２の一端は、充電回路１１を介して、コンバータ１７のノードＮ１に接続される。変圧器１０の２次巻線Ｗ２の他端は、コンバータ１７のノードＮ２に接続される。

充電回路１１は、充電接触器１２、及び充電抵抗１３を備える。充電接触器１２は、ａ接点（ノーマリーオープン）の接触器である。充電接触器１２の一端は、変圧器１０の２次巻線Ｗ２に接続され、充電接触器１２の他端は、充電抵抗１３の一端に接続される。充電抵抗１３の他端は、コンバータ１７のノードＮ１に接続される。充電回路１１は、コンバータ１７が起動する前に、フィルタコンデンサ２１を充電する機能を有する。

遮断器１４の一端は、変圧器１０の２次巻線Ｗ２に接続され、遮断器１４の他端は、コンバータ１７のノードＮ１に接続される。遮断器１４は、ａ接点の遮断器である。遮断器１４は、変圧器１０とコンバータ１７との経路を導通又は遮断する。

発電機１５は、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相からなる３相交流電力を発生する。発電機１５の３相端子は、３相接触器１６の一端に接続される。３相接触器１６の他端は、コンバータ１７のノードＮ１、Ｎ２、Ｎ３に接続される。３相接触器１６は、ａ接点の接触器であり、３相分の接点を有する。３相接触器１６は、発電機１５とコンバータ１７との３相経路を導通又は遮断する。

コンバータ１７は、６個のスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６を備える。スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）で構成される。スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６は、オン／オフを切り替えることが可能である素子であれば、特定のものに限定されない。スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６は、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、及びＧＴＯ（Gate Turn Off thyristor）などを用いてもよい。

スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２は、高電位線１８及び低電位線１９間に、ノードＮ１を介して直列に接続される。スイッチング素子Ｑ１のコレクタは、高電位線１８に接続され、スイッチング素子Ｑ１のエミッタは、ノードＮ１を介して、スイッチング素子Ｑ２のコレクタに接続される。スイッチング素子Ｑ２のエミッタは、低電位線１９に接続される。

スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４は、高電位線１８及び低電位線１９間に、ノードＮ２を介して直列に接続される。スイッチング素子Ｑ３のコレクタは、高電位線１８に接続され、スイッチング素子Ｑ３のエミッタは、ノードＮ２を介して、スイッチング素子Ｑ４のコレクタに接続される。スイッチング素子Ｑ４のエミッタは、低電位線１９に接続される。

スイッチング素子Ｑ５、Ｑ６は、高電位線１８及び低電位線１９間に、ノードＮ３を介して直列に接続される。スイッチング素子Ｑ５のコレクタは、高電位線１８に接続され、スイッチング素子Ｑ５のエミッタは、ノードＮ３を介して、スイッチング素子Ｑ６のコレクタに接続される。スイッチング素子Ｑ６のエミッタは、低電位線１９に接続される。

スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６は、スイッチング動作を制御するための動作信号が入力されるゲートを有する。

コンバータ１７は、６個のダイオードＤ１～Ｄ６を備える。ダイオードＤ１～Ｄ６は、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６に逆並列接続される。ダイオードＤ１～Ｄ６は、還流ダイオードであり、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６に逆流電流が供給された場合に、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６を保護する機能を有する。

コンバータ１７は、３相２レベルコンバータとして機能することも可能であるし、単相２レベルコンバータとして機能することも可能である。すなわち、コンバータ１７は、発電機１５によって発生された３相交流電力を直流電力に変換する。また、コンバータ１７は、変圧器１０によって生成された単相交流電力を直流電力に変換する。コンバータ１７によって変換された直流電力は、高電位線１８及び低電位線１９に出力される。

電圧検出回路２０は、高電位線１８及び低電位線１９間に接続される。電圧検出回路２０は、高電位線１８及び低電位線１９間の電圧（直流電圧）を検出する。電圧検出回路２０により検出された電圧値は、制御部２７に送られる。

フィルタコンデンサ（単にコンデンサともいう）２１は、高電位線１８及び低電位線１９間に接続される。フィルタコンデンサ２１は、コンバータ１７の出力電圧を平滑化させる。また、コンデンサ２１は、高電位線１８及び低電位線１９に伝達される直流電力に生じる交流成分（電圧リップル）を除去する機能を有する。

過電圧保護回路２２は、スイッチング素子２３、ダイオード２４、２５、及び抵抗２６を備える。スイッチング素子２３は、例えばコンバータ１７に含まれるスイッチング素子と同じ素子で構成される。スイッチング素子２３は、スイッチング動作を制御するための動作信号が入力されるゲートを有する。スイッチング素子２３のコレクタは、高電位線１８に接続され、スイッチング素子２３のエミッタは、ダイオード２５のカソード、及び抵抗２６の一端に接続される。ダイオード２５のアノード、及び抵抗２６の他端は、低電位線１９に接続される。ダイオード２４は、スイッチング素子２３に逆並列接続される。過電圧保護回路２２は、高電位線１８及び低電位線１９間に過電圧を発生した場合に、フィルタコンデンサ２１に充電された電荷を抵抗２６を介して低電位線１９に放電することで、過電圧を抑制する機能を有する。

高電位線１８及び低電位線１９間には、負荷４が接続される。電気機関車の実施例の場合、負荷４は、インバータ及び電動機を含む。

制御部２７は、電力変換装置１の動作を統括的に制御する。制御部２７は、外部より電源切替指令を受ける。制御部２７は、電源切替指令に基づいて、各種制御信号を生成する。

具体的には、制御部２７は、充電接触器１２、遮断器１４、及び３相接触器１６にそれぞれ、投入信号を供給し、これらの開閉状態を制御する。制御部２７は、スイッチング素子２３に動作信号を供給し、スイッチング素子２３のオン及びオフを制御する。制御部２７は、コンバータ１７に含まれるスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６に動作信号を供給し、コンバータ１７による交流電力から直流電力への変換動作を制御する。コンバータ１７に供給される動作信号は、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６のオン及びオフを制御するゲート信号である。

［１－２］ 動作
次に、上記のように構成された電力変換装置１の動作について説明する。

本実施形態では、電力変換装置１は、発電機１５を電力供給源とする第１動作モードと、集電装置２及び変圧器１０を電力供給源とする第２動作モードとの２つの動作モードを実行することができる。

制御部２７は、図１に示すように、外部より電源切替指令を受ける。電源切替指令は、例えば、車両側の制御回路や、地上側から車上モニタ装置経由で制御部２７に与えられる。制御部２７は、電源切替指令に基づいて、第１動作モードと第２動作モードとのいずれかを選択して実行する。

まず、発電機１５を電力供給源とする第１動作モードについて説明する。第１動作モードにおいて、制御部２７は、３相接触器１６に、閉状態（導通状態）を指示する投入指令を送る。これにより、３相接触器１６は、閉状態になる。充電接触器１２及び遮断器１４は、開状態である。すなわち、コンバータ１７は、集電装置２及び変圧器１０から電気的に切り離される。

発電機１５は、３相交流電力を発生する。発電機１５により発生された３相交流電力は、コンバータ１７に供給される。

制御部２７は、６個のスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６をスイッチング動作させることが可能な動作信号をコンバータ１７（具体的には、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６のゲート）に送る。コンバータ１７は、３相全波整流回路として動作し、３相交流電力を直流電力に変換する。

コンバータ１７から出力された直流電力は、高電位線１８及び低電位線１９を介して負荷４に供給される。

次に、集電装置２及び変圧器１０を電力供給源とする第２動作モードについて説明する。第２動作モードにおいて、３相接触器１６は、開状態である。すなわち、コンバータ１７は、発電機１５から電気的に切り離される。

制御部２７は、充電接触器１２に、閉状態を指示する投入指令を送る。これにより、充電接触器１２は、閉状態になる。遮断器１４は、開状態である。変圧器１０により発生された単相交流電力は、充電抵抗１３、及びコンバータ１７のダイオードＤ１～Ｄ４を経由して、フィルタコンデンサ２１に供給される。これにより、フィルタコンデンサ２１が充電される。

続いて、制御部２７は、遮断器１４に、閉状態を指示する投入指令を送る。これにより、遮断器１４は、閉状態になる。制御部２７は、充電接触器１２に、開状態を指示する指令を送る。これにより、充電接触器１２は、開状態になる。制御部２７は、４個のスイッチング素子Ｑ１～Ｑ４をスイッチング動作させることが可能な動作信号をコンバータ１７に送る。この時、スイッチング素子Ｑ５、Ｑ６は、動作させない。コンバータ１７は、単相全波整流回路として動作し、単相交流電力を直流電力に変換する。

コンバータ１７から出力された直流電力は、高電位線１８及び低電位線１９を介して負荷４に供給される。

電圧検出回路２０は、高電位線１８及び低電位線１９間の電圧（直流電圧）を検出する。電圧検出回路２０により検出された電圧値は、制御部２７に送られる。制御部２７は、電圧検出回路２０により検出された電圧値に応じて、過電圧保護回路２２に含まれるスイッチング素子２３のゲートに、オン／オフを制御可能な動作信号を送る。具体的には、制御部２７は、電圧検出回路２０により検出された電圧値が閾値電圧を超えた場合に、スイッチング素子２３をオンさせる。これにより、高電位線１８及び低電位線１９間に過電圧が発生した場合に、フィルタコンデンサ２１に充電された電荷を抵抗２６を介して低電位線１９に放電することができる。よって、高電位線１８及び低電位線１９間に発生した過電圧が抑制される。

［１－３］ 第１実施形態の効果
第１実施形態によれば、コンバータ１７は、３相２レベルコンバータ及び単相２レベルコンバータとして動作することが可能である。すなわち、コンバータ１７は、３相交流電力を直流電力に変換する動作と、単相交流電力を直流電力に変換する動作とを行うことができる。これにより、用品数の増加と装置外形の増大とを抑制しつつ、複数種類の電力供給源に対応することが可能な電力変換装置を実現できる。

また、集電装置２に不安定な電力が供給された場合でも、過電圧保護回路２２を用いて、高電位線１８及び低電位線１９間の過電圧を抑制することができる。これにより、電力変換装置１を過電圧から保護することが可能である。

［２］ 第２実施形態
第２実施形態は、コンバータ１７に含まれるスイッチング素子を利用して、過電圧保護回路を構成するようにしている。

［２－１］ 電力変換装置１の構成
図２は、第２実施形態に係る電力変換装置１の回路図である。電力変換装置１は、直流接触器３０、及び抵抗２６を備える。

直流接触器３０は、ａ接点の接触器である。直流接触器３０の一端は、コンバータ１７のノードＮ３に接続され、直流接触器３０の他端は、抵抗２６の一端に接続される。抵抗２６の他端は、低電位線１９に接続される。

コンバータ１７に含まれるスイッチング素子Ｑ５、ダイオードＤ５、Ｄ６と、直流接触器３０と、抵抗２６とは、過電圧保護回路を構成する。つまり、直流接触器３０及び抵抗２６を備えることで、第１実施形態の過電圧保護回路２２に相当する構成としており、スイッチング素子Ｑ５がスイッチング素子２３に相当し、ダイオードＤ５がダイオード２４に相当し、ダイオードＤ６がダイオード２５に相当する構成となる。なお、このように過電圧保護回路を構成するときは、ダイオードＤ６に並列に接続されたスイッチング素子Ｑ６は電気回路としては使用しないため、常時オフ状態とする。その他の構成は、第１実施形態と同じである。

［２－２］ 動作
次に、上記のように構成された電力変換装置１の動作について説明する。第２実施形態における第１動作モードは、第１実施形態と同じである。第１動作モードにおいて、直流接触器３０は、開状態である。

第２動作モードにおいて、制御部２７は、充電回路１１を用いて、フィルタコンデンサ２１を充電し、その後、遮断器１４を閉状態にする。

続いて、制御部２７は、４個のスイッチング素子Ｑ１～Ｑ４をスイッチング動作させることが可能な動作信号をコンバータ１７に送る。コンバータ１７は、単相全波整流回路として動作し、単相交流電力を直流電力に変換する。この電力変換動作において、スイッチング素子Ｑ５、Ｑ６は使用されていない。

制御部２７は、直流接触器３０に、閉状態を指示する投入指令を送る。これにより、直流接触器３０は、閉状態になる。制御部２７は、電圧検出回路２０により検出された電圧値に応じて、コンバータ１７に含まれるスイッチング素子Ｑ５に、オン／オフを制御可能な動作信号を送る。具体的には、制御部２７は、電圧検出回路２０により検出された電圧値が閾値電圧を超えた場合に、スイッチング素子Ｑ５をオンさせる。スイッチング素子Ｑ６は、オフのままである。スイッチング素子Ｑ６に逆並列接続されたダイオードＤ６は、還流ダイオードとして使用される。

これにより、高電位線１８及び低電位線１９間に過電圧が発生した場合に、フィルタコンデンサ２１に充電された電荷を、スイッチング素子Ｑ５、直流接触器３０、及び抵抗２６を経由して低電位線１９に放電することができる。よって、高電位線１８及び低電位線１９間に発生した過電圧が抑制される。

［２－３］ 第２実施形態の効果
第２実施形態によれば、直流接触器３０、及び抵抗２６の追加のみで、単相２レベルコンバータの電力変換機能及び過電圧抑制機能を有した電力変換装置１を実現できる。これにより、用品数の増加と装置外形の増大とを抑制することができる。その他の効果は、第１実施形態と同じである。

［３］ 第３実施形態
第３実施形態は、集電装置２及び変圧器１０を電力供給源とする第２動作モードにおいて、２群構成の単相２レベルコンバータを用いて電力変換を行うようにしている。

［３－１］ 電力変換装置１の構成
図３は、第３実施形態に係る電力変換装置１の回路図である。電力変換装置１は、遮断器３１、第１コンバータ１７、及び第２コンバータ３２を備える。第１コンバータ１７は、第１実施形態で説明したコンバータ１７に対応する。

変圧器１０は、１次巻線Ｗ１、２次巻線Ｗ２、及び３次巻線Ｗ３を含む絶縁トランスである。変圧器１０は、１次電圧（１次巻線Ｗ１の電圧）を、２次電圧（２次巻線Ｗ２の電圧）と３次電圧（３次巻線Ｗ３の電圧）とに変換する。３次電圧は、２次電圧と同じに設定される。

変圧器１０の３次巻線Ｗ３の一端は、遮断器３１の一端に接続され、３次巻線Ｗ３の他端は、第２コンバータ３２のノードＮ５に接続される。遮断器３１の他端は、第２コンバータ３２のノードＮ４に接続される。遮断器３１は、ａ接点の遮断器である。遮断器３１は、変圧器１０と第２コンバータ３２との経路を導通又は遮断する。

第２コンバータ３２は、４個のスイッチング素子Ｑ７～Ｑ１０を備える。スイッチング素子Ｑ７～Ｑ１０は、例えば、ＩＧＢＴで構成される。スイッチング素子Ｑ７～Ｑ１０は、オン／オフを切り替えることが可能である素子であれば、特定のものに限定されない。スイッチング素子Ｑ７～Ｑ１０は、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ、及びＧＴＯなどを用いてもよい。

スイッチング素子Ｑ７、Ｑ８は、高電位線１８及び低電位線１９間に、ノードＮ４を介して直列に接続される。スイッチング素子Ｑ７のコレクタは、高電位線１８に接続され、スイッチング素子Ｑ７のエミッタは、ノードＮ４を介して、スイッチング素子Ｑ８のコレクタに接続される。スイッチング素子Ｑ８のエミッタは、低電位線１９に接続される。

スイッチング素子Ｑ９、Ｑ１０は、高電位線１８及び低電位線１９間に、ノードＮ５を介して直列に接続される。スイッチング素子Ｑ９のコレクタは、高電位線１８に接続され、スイッチング素子Ｑ９のエミッタは、ノードＮ５を介して、スイッチング素子Ｑ１０のコレクタに接続される。スイッチング素子Ｑ１０のエミッタは、低電位線１９に接続される。

スイッチング素子Ｑ７～Ｑ１０は、スイッチング動作を制御するための動作信号が入力されるゲートを有する。

第２コンバータ３２は、４個のダイオードＤ７～Ｄ１０を備える。ダイオードＤ７～Ｄ１０はそれぞれ、スイッチング素子Ｑ７～Ｑ１０に逆並列接続される。その他の構成は、第１実施形態と同じである。

［３－２］ 動作
次に、上記のように構成された電力変換装置１の動作について説明する。第３実施形態における第１動作モードは、第１実施形態と同じである。第１動作モードにおいて、遮断器３１は、開状態である。

第２動作モードにおいて、制御部２７は、充電回路１１を用いて、フィルタコンデンサ２１を充電し、その後、遮断器１４を閉状態にする。制御部２７は、遮断器３１に、閉状態を指示する投入指令を送る。これにより、遮断器３１は、閉状態になる。

制御部２７は、４個のスイッチング素子Ｑ１～Ｑ４をスイッチング動作させることが可能な動作信号を第１コンバータ１７に送る。この時、スイッチング素子Ｑ５、Ｑ６は、動作させない。第１コンバータ１７は、単相全波整流回路として動作し、単相交流電力を直流電力に変換する。

制御部２７は、４個のスイッチング素子Ｑ７～Ｑ１０をスイッチング動作させることが可能な動作信号を第２コンバータ３２に送る。第２コンバータ３２は、単相全波整流回路として動作し、単相交流電力を直流電力に変換する。

また、制御部２７は、電圧検出回路２０から送られる電圧値に応じて、過電圧保護回路２２を制御する。過電圧保護回路２２の動作は、第１実施形態と同じである。

［３－３］ 第３実施形態の効果
第３実施形態によれば、単相交流電力の電力変換動作（第２動作モード）において、第１コンバータ１７及び第２コンバータ３２からなる２群構成の単相２レベルコンバータを用いることができる。これにより、より大きな電力を供給することが可能な電力変換装置１を実現できる。また、より高い信頼性を有する電力変換装置１を実現できる。

また、２群構成のコンバータで電力供給を行うことで、各コンバータの負荷を低減できる。これにより、より高い信頼性を有する電力変換装置１を実現できる。その他の効果は、第１実施形態と同じである。

［４］ 第４実施形態
第４実施形態は、２群構成のコンバータを用いつつ、第１コンバータ１７に含まれるスイッチング素子を利用して、過電圧保護回路を構成するようにしている。

［４－１］ 電力変換装置１の構成
図４は、第４実施形態に係る電力変換装置１の回路図である。第３実施形態と同様に、電力変換装置１は、第１コンバータ１７及び第２コンバータ３２を備える。また、第２実施形態と同様に、電力変換装置１は、直流接触器３０、及び抵抗２６を備える。

直流接触器３０は、ａ接点の接触器である。直流接触器３０の一端は、第１コンバータ１７のノードＮ３に接続され、直流接触器３０の他端は、抵抗２６の一端に接続される。抵抗２６の他端は、低電位線１９に接続される。

第１コンバータ１７に含まれるスイッチング素子Ｑ５、ダイオードＤ５、Ｄ６と、直流接触器３０と、抵抗２６とは、過電圧保護回路を構成する。つまり、直流接触器３０及び抵抗２６を備えることで、第３実施形態の過電圧保護回路２２に相当する構成としており、スイッチング素子Ｑ５がスイッチング素子２３に相当し、ダイオードＤ５がダイオード２４に相当し、ダイオードＤ６がダイオード２５に相当する構成となる。なお、このように過電圧保護回路を構成するときは、ダイオードＤ６に並列に接続されたスイッチング素子Ｑ６は電気回路としては使用しないため、常時オフ状態とする。その他の構成は、第３実施形態と同じである。

［４－２］ 動作
次に、上記のように構成された電力変換装置１の動作について説明する。３相交流電力の電力変換動作、及び単相交流電力の電力変換動作は、第３実施形態と同じである。

第２動作モードにおいて、制御部２７は、直流接触器３０に、閉状態を指示する投入指令を送る。これにより、直流接触器３０は、閉状態になる。制御部２７は、電圧検出回路２０により検出された電圧値に応じて、第１コンバータ１７に含まれるスイッチング素子Ｑ５に、オン／オフを制御可能な動作信号を送る。具体的には、制御部２７は、電圧検出回路２０により検出された電圧値が閾値電圧を超えた場合に、スイッチング素子Ｑ５をオンさせる。スイッチング素子Ｑ６は、オフのままである。スイッチング素子Ｑ６に逆並列接続されたダイオードＤ６は、還流ダイオードとして使用される。

これにより、高電位線１８及び低電位線１９間に過電圧が発生した場合に、フィルタコンデンサ２１に充電された電荷を、スイッチング素子Ｑ５、直流接触器３０、及び抵抗２６を経由して低電位線１９に放電することができる。よって、高電位線１８及び低電位線１９間に発生した過電圧が抑制される。

［４－３］ 第４実施形態の効果
第４実施形態によれば、直流接触器３０、及び抵抗２６の追加のみで、単相２レベルコンバータの電力変換機能及び過電圧抑制機能を有した電力変換装置１を実現できる。これにより、用品数の増加と装置外形の増大とを抑制することができる。その他の効果は、第３実施形態と同じである。

［５］ 第５実施形態
第５実施形態は、素子数をより削減しつつ、３相２レベルコンバータと２群構成の単相２レベルコンバータとを備える電力変換装置１を構成するようにしている。

［５－１］ 電力変換装置１の構成
図５は、第５実施形態に係る電力変換装置１の回路図である。電力変換装置１は、第１コンバータ１７、及び第２コンバータ３２を備える。第２コンバータ３２の構成は、第３実施形態と同じである。

第１コンバータ１７は、単相２レベルコンバータで構成される。第１コンバータ１７は、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４、及びダイオードＤ１～Ｄ４を備える。スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２は、高電位線１８及び低電位線１９間に、ノードＮ１を介して直列に接続される。スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４は、高電位線１８及び低電位線１９間に、ノードＮ２を介して直列に接続される。ダイオードＤ１～Ｄ４はそれぞれ、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４に逆並列接続される。

発電機１５の３相端子は、３相接触器１６の一端に接続される。３相接触器１６の他端は、第１コンバータ１７のノードＮ１、Ｎ２と、第２コンバータ３２のノードＮ４とに接続される。換言すると、発電機１５のＵ相及びＶ相は、３相接触器１６を介して第１コンバータ１７に接続され、発電機１５のＷ相は、３相接触器１６を介して第２コンバータ３２に接続される。

その他の構成は、第３実施形態と同じである。

［５－２］ 動作
次に、上記のように構成された電力変換装置１の動作について説明する。

まず、発電機１５を電力供給源とする第１動作モードについて説明する。第１動作モードでは、第１コンバータ１７に含まれる４個のスイッチング素子Ｑ１～Ｑ４と、第２コンバータ３２に含まれる２個のスイッチング素子Ｑ７、Ｑ８とを用いて、３相交流電力を直流電力に変換する。

第１動作モードにおいて、制御部２７は、３相接触器１６に、閉状態を指示する投入指令を送る。これにより、３相接触器１６は、閉状態になる。充電接触器１２、遮断器１４、遮断器３１は、開状態である。すなわち、第１コンバータ１７及び第２コンバータは、集電装置２及び変圧器１０から電気的に切り離される。

発電機１５は、３相交流電力を発生する。発電機１５により発生された３相交流電力のうち２相（例えばＵ相及びＶ相）は、第１コンバータ１７に供給され、残りの１相（例えばＷ相）は、第２コンバータ３２に供給される。

制御部２７は、４個のスイッチング素子Ｑ１～Ｑ４をスイッチング動作させることが可能な動作信号を第１コンバータ１７に送るとともに、２個のスイッチング素子Ｑ７、Ｑ８をスイッチング動作させることが可能な動作信号を第２コンバータ３２に送る。この時、第２コンバータ３２に含まれるスイッチング素子Ｑ９、Ｑ１０は、動作させない。第１コンバータ１７と、第２コンバータ３２の一部とは、３相全波整流回路として動作し、３相交流電力を直流電力に変換する。

第１コンバータ１７及び第２コンバータ３２から出力された直流電力は、高電位線１８及び低電位線１９を介して負荷４に供給される。

次に、集電装置２及び変圧器１０を電力供給源とする第２動作モードについて説明する。第２動作モードにおいて、３相接触器１６は、開状態である。すなわち、第１コンバータ１７及び第２コンバータ３２は、発電機１５から電気的に切り離される。

制御部２７は、充電接触器１２に、閉状態を指示する投入指令を送る。これにより、充電接触器１２は、閉状態になる。遮断器１４及び遮断器３１は、開状態である。変圧器１０により発生された単相交流電力は、充電抵抗１３、第１コンバータ１７のダイオードＤ１～Ｄ４を経由して、フィルタコンデンサ２１に供給される。これにより、フィルタコンデンサ２１が充電される。

続いて、制御部２７は、遮断器１４及び遮断器３１に、閉状態を指示する投入指令を送る。これにより、遮断器１４及び遮断器３１は、閉状態になる。制御部２７は、充電接触器１２に、開状態を指示する指令を送る。これにより、充電接触器１２は、開状態になる。

制御部２７は、４個のスイッチング素子Ｑ１～Ｑ４をスイッチング動作させることが可能な動作信号を第１コンバータ１７に送る。また、制御部２７は、４個のスイッチング素子Ｑ７～Ｑ１０をスイッチング動作させることが可能な動作信号を第２コンバータ３２に送る。第１コンバータ１７及び第２コンバータ３２はそれぞれ、単相全波整流回路として動作し、単相交流電力を直流電力に変換する。

第１コンバータ１７及び第２コンバータ３２から出力された直流電力は、高電位線１８及び低電位線１９を介して負荷４に供給される。

過電圧保護回路２２の動作は、第１実施形態と同じである。

［５－３］ 第５実施形態の効果
第５実施形態によれば、３相交流電力の電力変換動作（第１動作モード）において、２群構成の単相２レベルコンバータ（第１コンバータ１７及び第２コンバータ３２）のうち、第１コンバータ１７に含まれる４個のスイッチング素子Ｑ１～Ｑ４と、第２コンバータ３２に含まれる２個のスイッチング素子Ｑ７、Ｑ８とを用いて、３相２レベルコンバータを構成することができる。

また、単相交流電力の電力変換動作（第２動作モード）において、第１コンバータ１７及び第２コンバータ３２からなる２群構成の単相２レベルコンバータを用いることができる。これにより、より大きな電力を供給することが可能な電力変換装置１を実現できる。また、より高い信頼性を有する電力変換装置１を実現できる。

また、３相交流電力の電力変換動作に必要な６個のスイッチング素子に、さらに２個のスイッチング素子を追加するのみで、３相２レベルコンバータと２群構成の単相２レベルコンバータとの電力変換機能を有する電力変換装置１を実現できる。これにより、用品数の増加と装置外形の増大とを抑制することができる。その他の効果は、第１実施形態と同じである。

なお、上記各実施形態では、電力変換装置１が適用されるシステムとして電気機関車を例に挙げて説明しているが、これに限定されるものではない。本実施形態は、交流電力を直流電力に変換する機能を含む様々なシステムに適用可能である。本実施形態は、単相交流電力が供給される交流電源が不安定な場合に特に有効である。本実施形態は、例えばトロリーバスなどにも適用可能である。

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。これら新規な実施形態は、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ともに、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。

１…電力変換装置、２…集電装置、３…接地端子、３…発電機、４…負荷、１０…変圧器、１１…充電回路、１２…充電接触器、１３…充電抵抗、１４…遮断器、１５…発電機、１６…３相接触器、１７…コンバータ、１８…高電位線、１９…低電位線、２０…電圧検出回路、２１…フィルタコンデンサ、２２…過電圧保護回路、２３…スイッチング素子、２４，２５…ダイオード、２６…抵抗、２７…制御部、３０…直流接触器、３１…遮断器、３２…コンバータ、Ｄ１～Ｄ１０…ダイオード、Ｑ１～Ｑ１０…スイッチング素子。

Claims (10)

1. 外部電源に接続される１次巻線と、第１単相交流電力を出力する２次巻線とを有する変圧器と、
   交流電力を直流電力に変換する第１コンバータと、
   前記２次巻線と前記第１コンバータとの間に接続された第１遮断器と、
   ３相交流電力を発生する発電機と、
   前記発電機と前記第１コンバータとの間に接続された第１接触器と、
   前記第１コンバータの動作を制御する制御部と、
   を具備し、
   前記第１コンバータは、第１乃至第６スイッチング素子を含み、
   前記制御部は、
   第１動作モードにおいて、前記第１乃至第６スイッチング素子を用いて、前記３相交流電力を直流電力に変換し、
   第２動作モードにおいて、前記第１乃至第４スイッチング素子を用いて、前記第１単相交流電力を直流電力に変換する
   電力変換装置。
2. 前記第１コンバータに接続され、前記直流電力が出力される第１電位線及び第２電位線と、
   前記第１電位線及び前記第２電位線間に接続されたフィルタコンデンサと、
   をさらに具備する
   請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記第１電位線及び前記第２電位線間の電圧を検出する検出回路と、
   前記検出回路の検出結果に基づいて、前記第１電位線及び前記第２電位線間の過電圧を抑制する保護回路と、
   をさらに具備する
   請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記保護回路は、第７スイッチング素子、第１ダイオード、第２ダイオード、及び抵抗を含み、
   前記第１ダイオードは、前記第７スイッチング素子に逆並列接続され、
   前記第７スイッチング素子の一端は、前記第１電位線に接続され、
   前記第７スイッチング素子の他端は、前記第２ダイオードのカソードと、前記抵抗の一端に接続され、
   前記第２ダイオードのアノードは、前記第２電位線に接続され、
   前記抵抗の他端は、前記第２電位線に接続される
   請求項３に記載の電力変換装置。
5. 前記第１乃至第６スイッチング素子にそれぞれ逆並列接続された第１乃至第６ダイオードをさらに具備し、
   前記第５スイッチング素子と前記第６スイッチング素子とは、前記第１電位線及び前記第２電位線間に直列に接続され、
   前記保護回路は、第２接触器、及び抵抗を含み、
   前記第２接触器の一端は、前記第５スイッチング素子と前記第６スイッチング素子との間のノードに接続され、
   前記第２接触器の他端は、前記抵抗の一端に接続され、
   前記抵抗の他端は、前記第２電位線に接続され、
   前記第２動作モードにおいて、前記第５スイッチング素子、前記第６ダイオード、前記第２接触器、及び前記抵抗は、前記保護回路を構成する
   請求項３に記載の電力変換装置。
6. 第２遮断器と、
   第８乃至第１１スイッチング素子を含む第２コンバータと、
   をさらに具備し、
   前記変圧器は、第２単相交流電力を出力する３次巻線を含み、
   前記第２遮断器は、前記３次巻線と前記第２コンバータとの間に接続され、
   前記制御部は、前記第２動作モードにおいて、前記第８乃至第１１スイッチング素子を用いて、前記第２単相交流電力を直流電力に変換する
   請求項１乃至５の何れか１項に記載の電力変換装置。
7. 外部電源に接続される１次巻線と、第１単相交流電力を出力する２次巻線と、第２単相交流電力を出力する３次巻線とを有する変圧器と、
   第１乃至第４スイッチング素子を含み、前記第１単相交流電力を直流電力に変換する第１コンバータと、
   前記２次巻線と前記第１コンバータとの間に接続された第１遮断器と、
   第５乃至第８スイッチング素子を含み、前記第２単相交流電力を直流電力に変換する第２コンバータと、
   前記３次巻線と前記第２コンバータとの間に接続された第２遮断器と、
   ３相交流電力を発生する発電機と、
   前記発電機と前記第１及び第２コンバータとの間に接続された第１接触器と、
   前記第１及び第２コンバータの動作を制御する制御部と、
   を具備し、
   前記制御部は、
   第１動作モードにおいて、前記第１コンバータに含まれる前記第１乃至第４スイッチング素子と、前記第２コンバータに含まれる前記第５及び第６スイッチング素子とを用いて、前記３相交流電力を直流電力に変換し、
   第２動作モードにおいて、前記第１コンバータを用いて前記第１単相交流電力を直流電力に変換し、前記第２コンバータを用いて前記第２単相交流電力を直流電力に変換する
   電力変換装置。
8. 前記第１及び第２コンバータに接続され、前記直流電力が出力される第１電位線及び第２電位線と、
   前記第１電位線及び前記第２電位線間に接続されたフィルタコンデンサと、
   をさらに具備する
   請求項７に記載の電力変換装置。
9. 前記第１電位線及び前記第２電位線間の電圧を検出する検出回路と、
   前記検出回路の検出結果に基づいて、前記第１電位線及び前記第２電位線間の過電圧を抑制する保護回路と、
   をさらに具備する
   請求項８に記載の電力変換装置。
10. 前記保護回路は、第９スイッチング素子、第１ダイオード、第２ダイオード、及び抵抗を含み、
    前記第１ダイオードは、前記第９スイッチング素子に逆並列接続され、
    前記第９スイッチング素子の一端は、前記第１電位線に接続され、
    前記第９スイッチング素子の他端は、前記第２ダイオードのカソードと、前記抵抗の一端に接続され、
    前記第２ダイオードのアノードは、前記第２電位線に接続され、
    前記抵抗の他端は、前記第２電位線に接続される
    請求項９に記載の電力変換装置。

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