JP3434949B2

JP3434949B2 - 車両用電源装置

Info

Publication number: JP3434949B2
Application number: JP32321495A
Authority: JP
Inventors: 裕二大山; 正稔馬瀬; 稔夫沼野; 博神孫子
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp; East Japan Railway Co
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp; East Japan Railway Co
Priority date: 1995-12-12
Filing date: 1995-12-12
Publication date: 2003-08-11
Anticipated expiration: 2015-12-12
Also published as: JPH09168203A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、交流及び直流架
線区間を走行する車両に搭載される車両用電源装置の技
術に関する。

【０００２】

【従来の技術】図６は「車両補助電源用ＧＴＯ２重チョ
ッパトランジスタインバータ装置（その２）」（米畑、
松浦、姫野、松本、太田；昭和６２年電気学会全国大会
No８８９）に記載されたものと同様な従来の車両用電源
装置の回路構成図である。図６において、１は直流１５
００Ｖの高圧架線、２は高圧架線１から電力を集電する
パンタグラフ、３と４は高圧架線電圧に含まれるリップ
ル成分を除去するための直流フィルタリアクトルと直流
フィルタコンデンサ、５は車両用電源装置の起動時に直
流フィルタコンデンサ４を初期充電するための充電抵
抗、６は直流フィルタコンデンサ４の初期充電完了後に
ゲートパルス信号が印加されて充電抵抗５を短絡するた
めのブロッキングサイリスタ（以下、単に「サイリス
タ」という）である。

【０００３】また、７は直流１５００Ｖの入力電圧を直
流７５０Ｖへ降圧するためのチョッパ回路、８はチョッ
パ回路７から出力された直流電圧を三相交流の正弦波電
圧へ変換するためのインバータ回路、９は高電圧入力と
低電圧出力とを電気的に絶縁しインバータ出力電圧を所
定の三相交流電圧へ調整するための変圧器、１０は直流
フィルタコンデンサ４の充電電圧を検出する電圧検出回
路、１１は電圧検出回路１０から出力された検出信号に
基づいてサイリスタ６、チョッパ回路７、及びインバー
タ回路８のゲートパルス信号を出力する制御回路であ
る。

【０００４】次に、このように構成された従来の車両用
電源装置の動作を説明する。まず、装置起動前の段階で
は、サイリスタ６、チョッパ回路７、及びインバータ回
路８はオフ状態となっている。この状態で、車両用電源
装置を起動させるため、パンタグラフ２を高圧架線１に
接触させて電力の集電を行う。すると、充電電流が、直
流フィルタリアクトル３、充電抵抗５を順に介して直流
フィルタコンデンサ４に流れ、直流フィルタコンデンサ
４がその充電電流により初期充電される。

【０００５】そして、制御回路１１は、電圧検出回路１
０の出力に基づいて直流フィルタコンデンサ４の充電電
圧が所定電圧（初期充電検知レベル：例えば８３０Ｖ）
になると直流フィルタコンデンサ４の初期充電を検知
し、制御回路１１は、所定時間（例えば５秒）経過後
に、サイリスタ６のゲートパルス信号を出力し、サイリ
スタ６を導通させて充電抵抗５を短絡させる。さらに、
制御回路１１は、充電抵抗５を短絡させた数秒（例えば
１秒）後、チョッパ回路７、インバータ回路８に対する
ゲートパルス信号をオン制御して、チョッパ回路７、イ
ンバータ回路８を動作させる。これにより、変圧器９を
介して三相交流電圧が負荷に供給されることになり、車
両用電源装置は負荷運転を開始する。

【０００６】車両用電源装置の運転終了に際しては、制
御回路１１に電力供給する図示しない制御用電源の停止
やパンタグラフ２の降下により車両用電源装置の運転を
停止する。また、車両走行中に高圧架線１からのパンタ
グラフ２の離線発生等による短い瞬時停電等が発生する
場合がある。この場合、車両用電源装置の運転性を向上
させるため、直流フィルタコンデンサ４の充電電圧が所
定の設定電圧レベル（クイックスタート処理時の設定電
圧レベル：例えば８７０Ｖ）まで低下したことを電圧検
出回路１０が検出すると、その検出信号の出力に基づい
て、制御回路１１はチョッパ回路７、インバータ回路８
へのゲートパルス信号をオフ制御して、チョッパ回路
７、インバータ回路８のゲートを一旦停止させる。そし
て、瞬時停電が終了して給電復旧後に、制御回路１１
は、再びチョッパ回路７やインバータ回路８に対してゲ
ートパルス信号をオン制御し、車両用電源装置の運転を
再開する。

【０００７】この場合、チョッパ回路７やインバータ回
路８のゲートパルス信号のオフ制御（以下、「ゲート停
止」という）により負荷回路への電力供給は停止する
が、そのゲート停止処理は瞬時になされ高速なので、瞬
時停電による直流フィルタコンデンサ４の充電電圧の低
下は小さく、給電復旧後に装置起動時の初期充電処理を
再び行う必要がない。そのため、給電復旧時の再起動時
間が大幅に短縮されている。この短時間でのゲートパル
ス信号の出力によるゲート停止から再起動までの動作
を、以下、「クイックスタート処理」という。

【０００８】また、パンタグラフ２の降下等による長時
間の停電が発生した場合には、直流フィルタコンデンサ
４の充電電圧の低下はさらに進む。そのため、この場合
は制御回路１１によりサイリスタ６のゲートを停止させ
る。そして、その後の高圧架線１の給電復旧によって、
前述のような、車両用電源装置の起動の場合の直流フィ
ルタコンデンサ４の初期充電から動作を始めることにな
る。この場合の起動時間は、車両用電源装置の初期起動
時間と同様に長時間を要する。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従来の車両用電源装置
は以上のように構成されており、交流架線区間と直流架
線区間とを走行する車両用の電源装置として使用する場
合、一般に、交流架線区間の交流電圧を整流した直流換
算の入力電圧（定格２０００Ｖ）は、直流架線区間の直
流電圧（定格１５００Ｖ）より大きいので、クイックス
タート処理を行う判断基準とする直流フィルタコンデン
サ４の充電電圧の設定電圧レベルも、交流架線区間と直
流架線区間とに対応してそれぞれ設ける必要がある。従
って、直流フィルタコンデンサ４の充電電圧の設定電圧
レベルまでの低下がどちらの架線区間で発生したかを区
別していない場合、交流架線区間において、直流架線区
間での充電電圧の設定電圧レベルに基づいて、クイック
スタート処理を行うと、クイックスタート処理を行った
後の給電復旧時の入力電圧の急激な変化によって、車両
用電源装置の主回路に過大な突入電流が流れて保護回路
が動作したり、また、その突入電流の抑制のため直流リ
アクトル３のインダクタンスの値を大きくした設計をす
る必要が生じて、ひいては装置が大型化し不経済となる
難点がある。

【００１０】この発明は、かかる問題を解決するために
なされたものであり、交流架線区間と直流架線区間とを
走行する車両用の電源装置として使用する場合、交流架
線区間において給電復旧時のクイックスタート処理を行
う際に、装置を大型化することなく、突入電流を抑制で
きることにより、経済的な車両用電源装置を得ることを
目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明に係る車両用電
源装置は、フィルタコンデンサの充電電圧を検出する電
圧検出手段と、フィルタコンデンサの初期充電完了後に
電圧検出手段により検出される電圧に基づいて架線区間
が直流架線区間か又は交流架線区間かを判別し、クイッ
クスタート処理の際の設定電圧レベルをその判別結果に
基づいて架線区間に応じた値に切り替え、フィルタコン
デンサの充電電圧が設定電圧レベルになったときに電力
変換手段を停止させてクイックスタート処理時のフィル
タコンデンサの充電電圧を確保する制御手段を備えたも
のである。

【００１２】また、制御手段は、直流架線区間での直流
電圧の最大電圧値より大きく交流架線区間でのフィルタ
コンデンサの初期充電完了時のピーク充電電圧の最低電
圧値より小さい電圧値を判別基準電圧値とし、フィルタ
コンデンサの初期充電完了後に電圧検出手段により検出
される充電電圧が判別基準電圧より大きいときは交流架
線区間、判別基準電圧より小さいときは直流架線区間と
判別するようにしたものである。

【００１３】また、制御手段は、直流架線区間及び交流
架線区間におけるクイックスタート処理の際の設定電圧
レベルを、フィルタコンデンサの初期充電検出値より大
きく、かつ各架線区間に応じたピーク充電電圧値より小
さい電圧レベルとすると共に、交流架線区間での設定電
圧レベルは直流架線区間での設定電圧レベルより大きい
値としたものである。

【００１４】また、制御手段は、交流架線区間でのクイ
ックスタート処理時の設定電圧レベルとして、第１の設
定電圧レベルと第１の設定電圧レベルより低い第２の設
定電圧レベルを有し、フィルタコンデンサの充電電圧が
フィルタに入力される入力電圧より低い場合に、フィル
タコンデンサの充電電圧が第１の設定電圧レベルに低下
するとクイックスタート処理を禁止し、フィルタコンデ
ンサの充電電圧がさらに低下して第２の設定電圧レベル
になるとクイックスタート処理を行うようにしたもので
ある。

【００１５】また、制御手段は、フィルタコンデンサの
充電電圧が第１の設定電圧レベルに低下した際にカウン
トを開始し入力電圧が前記フィルタコンデンサの充電電
圧を越える際にリセットされる１周期タイマカウンタを
備え、１周期タイマカウンタが所定の時限に達したとき
にクイックスタート処理を禁止するようにしたものであ
る。

【００１６】また、制御手段は、入力電圧の周波数が架
線電圧の周波数より小さい場合にクイックスタート処理
を行うようにしたものである。

【００１７】

【発明の実施の形態】

実施の形態１．図１はこの発明の実施の形態１に示す車
両用電源装置の構成図である。図１において、図６に示
す従来例と同一又は相当部分には同一の符号を付しその
説明を省略する。新たな符号として、２０は交流架線区
間で使用され交流電圧を所定の電圧へ降圧する主変圧
器、２１は主変圧器２０の２次巻線側の交流電圧を直流
電圧に変換する補助整流器である。また、Ｓ１は、交流
架線区間では閉じられ直流架線区間では開けられる切替
スイッチ、Ｓ２、Ｓ３は共に交流架線区間では接点Ａ
側、直流架線区間では接点Ｂ側へ投入される切替スイッ
チである。

【００１８】また、実施の形態１において、制御回路１
１は、直流フィルタコンデンサ４の充電電圧Ｖ₂ が所定
電圧（初期充電検知レベル：例えば８３０Ｖ）に到達し
て、所定時間（例えば５秒）経過後にサイリスタ６を導
通させ、その後さらに所定時間（例えば１秒）経過後、
電圧検出回路１０が検出した直流フィルタコンデンサ４
の充電電圧Ｖ₂ (ピーク充電電圧)から、直流架線区間と
交流架線区間とを判別して各区間に対応した異なるクイ
ックスタート処理のための設定電圧レベルを切り替える
ようになっている。各区間に対応した設定電圧レベル
は、例えば、直流架線区間では８７０Ｖ、交流架線区間
では１１７０Ｖにそれぞれ設定されている。なお、Ｖ₁
は高圧架線１からパンタグラフを介して入力される車両
用電源装置への入力電圧を示す。

【００１９】次に、このように構成された車両用電源装
置の動作について説明する。切替スイッチＳ１、Ｓ２、
及びＳ３は、交流架線と直流架線とを切り替える区間で
ある交流／直流切替セクションにおいて、各架線区間に
対応した前述したそれぞれの所定の位置へ、例えば手動
によりあらかじめ切り替えられている。そのため、例え
ば直流架線区間では前述した図６に示す回路構成となっ
て高圧架線１の直流電圧（定格１５００Ｖ）が入力電圧
Ｖ₁ となるのに対し、交流架線区間では図１に示すよう
に主変圧器２０の２次巻線電圧を補助整流器２１で直流
に変換した電圧（定格２０００Ｖ：直流換算前）が入力
電圧Ｖ₁ となる。

【００２０】このように、交流架線区間で電源装置の入
力電圧Ｖ₁ となる直流換算電圧値は直流架線の直流電圧
値よりも大きい。従って、架線区間が直流架線区間であ
るか又は交流架線区間であるか判別しなければならな
い。そして、交流架線区間においては、制御回路１１が
検知するクイックスタート処理の判断基準とする直流フ
ィルタコンデンサ４の充電電圧Ｖ₂ の設定電圧レベル
を、直流架線区間での設定電圧レベルより大きい値に設
定しなければ、前述のように、交流架線区間では、給電
復旧時の入力電圧Ｖ₁ の急激な変化によって、電源装置
が故障する場合がある。

【００２１】そのため、制御回路１１は、これらの架線
区間を、直流フィルタコンデンサ４の初期充電が完了し
てサイリスタ６を導通させた後の直流フィルタコンデン
サ４のピーク充電電圧の大きさの違いから判別し、クイ
ックスタート処理を行う判断基準とする直流フィルタコ
ンデンサ４の充電電圧Ｖ₂ の設定電圧レベルを、交流架
線区間と直流架線区間とに対応してそれぞれ切り替え
る。

【００２２】ここで、直流架線区間と交流架線区間とを
判別する判別基準電圧について、車両用電源装置の起動
時の直流フィルタコンデンサ４の充電電圧の変化を示す
図２のタイムチャートを参照して説明する。図２には示
していないが、Ｖ_１ＡＣは交流架線区間で補助整流器２
１により整流されて出力される入力電圧、Ｖ_Ｐ１ＡＣは
Ｖ_１ＡＣの直流ピーク値（波高値）で、主変圧器２０
の２次巻線電圧の交流実効値の１．４１倍の値、Ｖ_ｍは
交流架線区間での直流平均換算値で、補助整流器２１の
出力電圧の直流平均値で、主変圧器２０の２次巻線電圧
の交流実効値の０．９倍の値、Ｖ_１ＤＣは直流架線区間
での入力電圧、Ｖ_ＤＣは直流架線区間での直流電圧値を
示すものとする。

【００２３】また、Ｖ_2AC 及びＶ_2DC はそれぞれ交流架
線区間及び直流架線区間での直流フィルタコンデンサ４
の充電電圧、Ｖ_REF はサイリスタ６をオン制御する基準
とする直流フィルタコンデンサ４の充電電圧である。Ｖ
_P2AC及びＶ_P2DCはそれぞれ交流架線区間及び直流架線区
間での直流フィルタコンデンサ４のピーク充電電圧であ
る。

【００２４】直流架線区間では、サイリスタ６を導通さ
せ充電抵抗５を短絡させると充電電圧Ｖ_2DC は上昇する
が、直流電圧に含まれるリップル成分は非常に少ないの
で、サイリスタ６にゲートパルス信号のオン制御をする
際の充電電圧Ｖ_REF とピーク充電電圧Ｖ_P2DCとの差は微
差（共に高圧架線１の電圧に殆ど近い）である。

【００２５】一方、交流架線区間では、サイリスタ６に
ゲートパルス信号を出力した後の電圧検出回路１０が検
出する直流フィルタコンデンサ４の充電電圧Ｖ_2AC は、
図２に示すように、サイリスタ６にゲートパルス信号の
オン制御をする際の充電電圧Ｖ_REF ≦充電電圧Ｖ_2AC ≦
ピーク充電電圧Ｖ_P2ACの関係となる。そして、電圧Ｖ
_REF とピーク充電電圧Ｖ_P2ACとの差は、交流電圧にはリ
ップル成分が非常に多く含まれており、かつ、交流電圧
の波高値Ｖ_P1ACでピーク充電されるため、直流架線区間
でのそれに比し非常に大きい。

【００２６】さらに、前述のように、交流架線区間のピ
ーク電圧Ｖ_P1AC （一般に２５００〜３１００Ｖ（直流
換算後）程度の変動幅を持つ）は、直流架線区間の直流
電圧Ｖ_1DC （一般に９００〜１８００Ｖ程度の変動幅を
持つ）より大きいので、Ｖ_P2 _DC ＜Ｖ_P2ACである。

【００２７】従って、交流架線区間と直流架線区間とを
区別する判断基準として、例えば、交流架線区間でのピ
ーク電圧の最低電圧値と直流架線区間での直流電圧の最
大電圧値との間の値（例えば平均値Ｖ_L ）を採用し、チ
ョッパ回路７、インバータ回路８のゲート出力をオン制
御する直前の電圧検出回路１０の検出信号（ピーク充電
電圧）から、充電電圧が電圧Ｖ_L を越えるか否かによ
り、制御回路１１は対象区間が交流架線区間であるか又
は直流架線区間であるかの判別を容易に行うことができ
る。この判別結果に基づいて、クイックスタート処理の
際の直流フィルタコンデンサ４の充電電圧の設定電圧レ
ベルを交流架線区間のもの（例えば１１７０Ｖ）と直流
架線区間のもの（例えば８７０Ｖ）とで切り替えれば、
交流架線区間において、給電復旧時のクイックスタート
に伴う過大な突入電流を抑制することができる。

【００２８】今、図１において、初期の起動前の段階で
は、サイリスタ６、チョッパ回路７、及びインバータ回
路８は、オフ状態となっている。車両用電源装置の起動
に際し、この状態でパンタグラフ２を上昇させて高圧架
線１に接触させると、高圧架線１からパンタグラフ２で
集電された入力電圧Ｖ₁により、直流フィルタリアクト
ル３、充電抵抗５を順に介して、直流フィルタコンデン
サ４が初期充電される。制御回路１１は、電圧検出回路
１０が検出する充電電圧Ｖ₂ がある電圧設定値Ｖ_REF に
達したら、初期充電を検知し従来例と同様に、所定時間
経過後（例えば５秒後）に、サイリスタ６のゲートパル
ス信号を出力し、サイリスタ６を導通させて充電抵抗５
を短絡させる。短絡直後、直流フィルタコンデンサ４の
充電電圧Ｖ₂ は上昇して、最終的にピーク充電電圧まで
上昇する。

【００２９】その際、制御回路１１は、電圧検出回路１
０の検出出力と判別基準電圧との比較に基づいて、電圧
検出回路１０の検出出力が判別基準電圧より高ければそ
の区間を交流架線区間と、また、電圧検出回路１０の検
出出力が判別基準電圧より低ければその区間を直流架線
区間と判別する。ここでは、上記の比較によりその区間
を交流架線区間と判別したとする。

【００３０】この場合、制御回路１１は、クイックスタ
ート処理のための直流フィルタコンデンサ４の設定電圧
レベルを交流架線区間での設定電圧レベルに切り替え
る。この段階では、チョッパ回路７、インバータ回路８
は制御回路１１から出力されるゲートパルス信号により
オン制御されておらず、電源装置は無負荷状態であるの
で、ピーク充電電圧Ｖ_P2ACはＶ_P1ACと等しい。

【００３１】そして、制御回路１１からチョッパ回路
７、インバータ回路８へ出力されるゲートパルス信号に
よりオン制御され、チョッパ回路７、インバータ回路８
のゲートはオンとなり、車両用電源装置は負荷への電力
供給を開始する。そのため、充電電圧Ｖ₂ は降下して最
終的に図３に示す直流平均換算値Ｖ_m に降下し、車両用
電源装置は運転状態となる。

【００３２】なお、その区間が仮に直流架線区間であっ
たならば、架線電圧に含まれるリップル成分は非常に僅
かであり、直流フィルタコンデンサ４の充電電圧Ｖ_2DC
は、図２のＶ_2DC に示されるものになる。そして、サイ
リスタ６をオン制御した後の充電電圧Ｖ_2DC は、ピーク
充電電圧Ｖ_P2DCに到達するものの、電圧Ｖ_P2DCは電圧Ｖ
_1DC に近い値となる（電圧差は殆どない）。また、制御
回路１１からチョッパ回路７、インバータ回路８へのゲ
ートパルス信号の出力によるオン制御により、車両用電
源装置が負荷への電力供給を開始した場合、充電電圧Ｖ
_2DC は降下して、最終的に図２に示すように、電圧Ｖ_DC
に落ち着いて、車両用電源装置は運転状態となる。

【００３３】その後、交流架線区間と判別されたこの区
間では、瞬時停電が発生し直流フィルタコンデンサ４の
充電電圧Ｖ_2ACが低下して先に交流架線区間に対応して
切り替えた設定電圧レベルに達した場合に、前記従来例
と同様なクイックスタート処理が行われる。

【００３４】実施の形態１によれば、直流フィルタコン
デンサ４の充電電圧を検出する電圧検出回路１０と、直
流架線区間での直流電圧の最大電圧値より大きく交流架
線区間で整流した直流換算電圧の最低電圧値より小さい
電圧値を判別基準電圧値として直流フィルタコンデンサ
４の初期充電完了後に電圧検出回路４により検出される
充電電圧が判別基準電圧より大きいときは交流架線区
間、判別基準電圧より小さいときは直流架線区間と判別
し、直流架線区間及び交流架線区間におけるクイックス
タート処理の際の設定電圧レベルを、直流フィルタコン
デンサ４の初期充電検出値より大きく、かつ各架線区間
に応じたピーク充電電圧値より小さい電圧レベルとする
と共に、交流架線区間での設定電圧レベルは直流架線区
間での設定電圧レベルより大きい値としてクイックスタ
ート処理の際の設定電圧レベルをその判別結果に基づい
て架線区間に応じた値に切り替え、直流フィルタコンデ
ンサ４の充電電圧が設定電圧レベルになったときにチョ
ッパ回路７、インバータ回路８を停止させてクイックス
タート処理時の直流フィルタコンデンサ４の充電電圧を
確保する制御回路１１を備えたので、交流架線区間にお
いて、ブロッキングサイリスタ６を短絡させた後の電圧
検出回路１０の出力から、制御回路１１は対象区間を交
流架線区間であると判別を簡単に行うことにより、直流
フィルタコンデンサ４の充電電圧の低下によりクイック
スタート処理を行っても、給電復旧時の入力電圧の変化
分が直流架線区間と同様に少なくなるため、電源装置主
回路に流れる突入電流を抑制することができる。このた
め、突入電流を抑制するために、主回路の直流フィルタ
リアクトル３のインダクタンスの値を大きく設計する必
要がなくなって、装置が小型化され経済的な装置とする
ことができる。

【００３５】なお、実施の形態１の制御回路１１は、ソ
フトウェアで構成してもよく、またハードウェアで構成
しても同等の効果を奏する。また、本発明による架線種
別の判別結果を用いて、その判別信号を他の制御切換用
途にも使用してもよい。

【００３６】実施の形態２．実施の形態１では、装置起
動時において、サイリスタ６にゲートパルス信号のオン
制御をした後の直流フィルタコンデンサ４のピーク充電
電圧の検出により、直流架線区間と交流架線区間とを判
別する例を示した。この例により対象区間を交流架線区
間と判別した場合、例えば、装置運転中に、セクション
通過時に短い瞬時停電が発生して充電電圧Ｖ₂ が所定の
設定電圧レベルとなると、制御回路１１はチョッパ回路
７、インバータ回路８にゲートパルス信号のオフ制御に
より装置を停止するように構成されている。従って、上
記構成では、交流架線区間において瞬時停電でない一時
的な架線入力電圧の低下が発生した場合でも、チョッパ
回路７、インバータ回路８は、制御回路１１から出力さ
れるゲートパルス信号のオフ制御により停止するので電
源装置の運転性が低下する場合がある。

【００３７】このため、実施の形態２では、交流架線区
間において、実施の形態１に示した制御回路１１は、さ
らに、交流架線区間において入力電圧Ｖ₁ のリップル成
分の有無を検査するようにし、装置運転中に直流フィル
タコンデンサ４の充電電圧Ｖ_2AC が前述した交流架線区
間での設定電圧レベルにまで低下した場合、入力電圧Ｖ
₁ にリップル成分が含まれていなければ（交流電力の供
給なし）、例えば交流架線区間においてセクションを通
過する際に発生する瞬時停電と判断し、前述のようなク
イックスタート処理を行い、一方、入力電圧Ｖ₁ にリッ
プル成分が含まれていれば（交流電力の供給あり）、例
えば瞬時停電でない入力電圧Ｖ₁ の低下と判断し、その
場合は充電電圧Ｖ_2AC の低下によりクイックスタート処
理を早めに行い、電源装置の運転性を向上させるように
してもよい。

【００３８】図３は、実施の形態２に係る車両用電源装
置の構成図である。また、図４は、実施の形態２に示す
車両用電源装置の動作の説明図である。図３中、前記実
施の形態１と同一又は相当部分には同一の符号を付しそ
の説明を省略する。図３では入力電圧Ｖ_1AC の検出波
形、及び直流フィルタコンデンサ４の充電電圧Ｖ_2AC の
検出波形がそれぞれ制御回路１１に入力されるようにな
っている。そして、制御回路１１は、入力電圧Ｖ_1AC と
なる交流架線電圧の直流整流波形の１周期をカウントす
る１周期タイマカウンタを内蔵している。

【００３９】１周期タイマカウンタは、交流架線区間に
おいて、充電電圧Ｖ_2AC が後述するクイックスタート処
理の高い設定電圧レベルＶ_QHに低下するとカウントを開
始し（この場合、入力電圧Ｖ_1AC ＜充電電圧Ｖ_2AC ）、
その後、入力電圧Ｖ_1AC ＞充電電圧Ｖ_2AC となったとき
にカウントを中止してリセットする動作を行うものであ
り、このカウント動作を繰り返す。

【００４０】そして、カウンタ値があらかじめ定められ
た１周期カウンタ値に達した場合（このことは図４中、
入力電圧Ｖ_1AC にリップル成分が含まれていないことを
意味する）、この場合、制御回路１１は、瞬時停電（交
流電力の供給なし）と判断し、充電電圧Ｖ_2AC の高い設
定電圧レベルＶ_QHへの低下に基づいた、クイックスター
ト処理のための各ゲートパルス信号の制御を行うように
なっている。

【００４１】このように構成された車両用電源装置の動
作を図４に従って説明する。前述のように、対象区間を
交流架線区間と判断された場合、クイックスタート処理
の設定電圧レベルを高い設定電圧レベルＶ_ＱＨ（図示せ
ず）と低い設定電圧レベルＶ_ＱＬ（図示せず）の２つ設
ける。ここで、これら設定電圧レベルＶ_ＱＬ、Ｖ
_ＱＨは、Ｖ_ＲＥＦ＜Ｖ_ＱＬ＜Ｖ_ＱＨ＜Ｖ_Ｐ２ＡＣとな
るように設定する。そして、交流架線区間で電源装置が
運転を行っている状態では、図２に示すように、充電電
圧Ｖ_２ＡＣ＝直流平均値Ｖ_ｍである。

【００４２】ここでセクションを通過する時のような短
い瞬時停電が発生した場合、図４の交流架線の入力電圧
の直流整流波形で示される入力電圧Ｖ_1AC が低下して充
電電圧Ｖ_2AC も瞬時停電でクイックスタート処理させよ
うとするレベルＶ_QHにまで低下する。すると、図４に示
すように１周期タイマカウンタはカウントを始める。こ
の場合、入力電圧Ｖ_1AC ＜充電電圧Ｖ_2AC となってい
る。

【００４３】その後、瞬時停電中は入力電圧Ｖ_1AC ＜充
電電圧Ｖ_2AC のままである。その間も１周期タイマカウ
ンタはカウントを続行し、給電復旧により入力電圧Ｖ
_1AC が復旧するまでに１周期のカウントアップする（即
ち、入力電圧Ｖ₁ にリップル成分が含まれていない）。
従って、制御回路１１は瞬時停電と判断し、さらに、前
述した充電電圧Ｖ_2AC のレベルＶ_QHの検出に基づいた、
前述のような、チョッパ回路７、インバータ回路８のゲ
ート停止のクイックスタート処理を行う。

【００４４】一方、架線電圧が低下した場合も、図４の
交流架線の入力電圧の直流整流波形で示される入力電圧
Ｖ_1AC が低下して充電電圧Ｖ_2AC も瞬時停電でクイック
スタート処理させようとするレベルＶ_QHにまで低下す
る。図４に示すように１周期タイマカウンタはカウント
を始める。この場合、入力電圧Ｖ_1AC ＜充電電圧Ｖ_2AC
となっている。

【００４５】その後、１周期タイマカウンタがカウント
アップするまでに、入力電圧Ｖ_1ACが復旧して、充電電
圧Ｖ_2AC ＜入力電圧Ｖ_1AC （電力供給がある限り、周期
的に脈動する入力電圧Ｖ_1AC は１周期までにこの関係に
なる。）となると、１周期タイマカウンタはカウントを
停止してリセットされる（入力電圧Ｖ_1AC にリップル成
分が含まれている）。

【００４６】そして、制御回路１１は、１周期タイマカ
ウンタのカウント動作に基づいて、入力電圧Ｖ_1AC の低
下と判断しチョッパ回路７、インバータ回路８のゲート
を停止させるゲートパルス信号の出力を禁止する。従っ
て、この場合は前述のようなクイックスタート処理の充
電電圧Ｖ_2AC のレベルＶ_QHを検出しても、クイックスタ
ート処理は禁止される。

【００４７】その後、入力電圧Ｖ_1AC が低下したままで
あると、充電電圧Ｖ_2AC はさらに低下を続けてレベルＶ
_QLまで低下する。充電電圧Ｖ_2AC がレベルＶ_QLまで低下
すると、電圧検出回路１０の出力に基づいて、制御回路
１１は強制的に前述のようなクイックスタート処理を行
う。

【００４８】このような構成により、図３で示すように
架線電圧が低下して充電電圧Ｖ_2ACが低下しても、１周
期タイマカウンタが１周期をカウントするまでに充電電
圧Ｖ_2AC ＜入力電圧Ｖ_1AC となって１周期タイマカウン
タはリセットがかかるため、１周期タイマカウンタはカ
ウントアップせず、制御回路１１は、この１周期タイマ
カウンタの結果に基づいて、チョッパ回路７、インバー
タ回路８のゲートを停止させるゲートパルス信号を出力
しない。

【００４９】一方、セクションを通過する場合のような
短い瞬時停電が発生した場合は、入力電圧Ｖ_1AC ＜充電
電圧Ｖ_2AC の状態が続き、その間に１周期タイマカウン
タはリセットせずにカウントを続け、制御回路１１は、
１周期タイマカウンタがカウントアップした後にチョッ
パ回路７、インバータ回路８のゲート停止のゲートパル
ス信号を出力を行うことができる。

【００５０】実施の形態２によれば、制御回路１１は、
交流架線区間でのクイックスタート処理時の設定電圧レ
ベルとして高い設定電圧レベルと低い設定電圧レベルを
有すると共に、直流フィルタコンデンサ４の充電電圧が
高い設定電圧レベルに低下した際にカウントを開始し入
力電圧が直流フィルタコンデンサ４の充電電圧を越える
際にリセットされる１周期タイマカウンタを備え、直流
フィルタコンデンサ４の充電電圧がフィルタに入力され
る入力電圧より低い場合に、１周期タイマカウンタが所
定の時限に達しするとクイックスタート処理を禁止し、
直流フィルタコンデンサ４の充電電圧がさらに低下して
低い設定電圧レベルになるとクイックスタート処理を行
ようにしたので、瞬時停電でない架線入力電圧の低下の
場合に、制御回路１１から出力される停止制御信号に基
づいてチョッパ回路７及びインバータ回路８が停止する
事態が排除されて電源装置の運転性の低下を防ぐことが
できる。

【００５１】なお、実施の形態２の制御回路１１は、ソ
フトウェアで構成してもよく、またハードウェアで構成
しても同等の効果を奏する。

【００５２】実施の形態３．実施の形態２では、交流架
線区間において、図３の入力電圧Ｖ_1AC 、充電電圧Ｖ
_2AC の大きさで、クイックスタート処理の可否を決定す
る例を示した。しかし、上記例では、例えば図５に示す
ように、主変圧器２０の２次巻線にモータ負荷１２が接
続されている場合では、交流架線区間においてセクショ
ンを通過する際に短い瞬時停電が発生すると、車両の惰
行運転時のモータ負荷１２の残留電圧によって、入力電
圧Ｖ₁ に交流架線区間の電圧の周波数より低いモータの
回転に同期した周波数を有するリップル成分を有する誘
起電圧が印加するため、そのリップル成分を検出して瞬
時停電であるにも拘わらず、クイックスタート処理を妨
げてしまう場合がある。従って、瞬時停電の発生の有無
を正確に把握することが必要となる。

【００５３】そこで、実施の形態２に示した構成に加
え、制御回路１１は、さらにあらかじめ記録された交流
入力電圧の周波数と入力電圧Ｖ_1AC の周波数とを比較す
るようにし、入力電圧Ｖ_1AC の周波数が交流入力電圧の
周波数より低下した場合は、制御回路１１は瞬時停電が
発生した（その入力電圧Ｖ_1AC は誘起電圧によるもの）
と判断して、クイックスタート処理の妨げを排除するよ
うにしてもよい。

【００５４】図５は、実施の形態３に係る車両用電源装
置の構成図である。図５に示す新たな構成として、主変
圧器２０と補助整流器２１との間に車両用のモータ負荷
１２が設けられている。ここで、実施の形態３におい
て、制御回路１１は、交流入力電圧の周波数（地域によ
り５０又は６０Ｈｚ）をあらかじめ記録した周波数記録
メモリと、また周波数記録メモリに記録された周波数と
入力電圧Ｖ_1AC の周波数とを比較する周波数比較回路と
を内蔵している。

【００５５】このように構成された車両用電源装置で
は、交流架線区間において瞬時停電が発生すると、制御
回路１１内では、実施の形態２に示したような１周期タ
イマカウンタによるカウンタ動作を行う。そして、瞬時
停電であれば、車両の惰行運転時のモータ負荷１２の残
留電圧によって、入力電圧Ｖ_1AC に交流架線区間の電圧
の周波数より低いモータの回転に同期した周波数を有す
るリップル成分を有する誘起電圧が現れるため、制御回
路１１内では、そのカウンタ動作と共に、制御回路１１
が周波数記録メモリに記録された周波数と入力電圧Ｖ
_1AC の周波数とを比較して交流架線区間の電圧の周波数
より低い周波数を有するリップル成分を有する誘起電圧
の発生を検出する。

【００５６】そして、制御回路１１は、１周期タイマカ
ウンタによるリップル成分の存在を検出しても、さら
に、周波数比較回路による、交流架線区間の電圧の周波
数より低い周波数を有する誘起電圧が発生を検出した場
合は、瞬時停電の発生と判断する。その後は、前述した
ようなクイックスタート処理が行われる。

【００５７】実施の形態３によれば、制御回路１１は、
入力電圧の周波数が架線電圧の周波数より小さい場合に
クイックスタート処理を行うようにしたので、制御回路
１１は、車両の惰行運転時のモータ負荷１２の残留電圧
によって、直流入力電圧に交流架線電圧の周波数より低
い周波数を有するリップル成分を有する誘起電圧の印加
の検出から瞬時停電の発生を検知してクイックスタート
処理の妨げを排除することができる。

【００５８】なお、実施の形態３の制御回路１１は、ソ
フトウェアで構成してもよく、またハードウェアで構成
しても同等の効果を奏する。

【００５９】この発明によれば、フィルタコンデンサの
充電電圧を検出する電圧検出手段と、フィルタコンデン
サの初期充電完了後に電圧検出手段により検出される電
圧に基づいて架線区間が直流架線区間か又は交流架線区
間かを判別し、クイックスタート処理の際の設定電圧レ
ベルをその判別結果に基づいて架線区間に応じた値に切
り替え、フィルタコンデンサの充電電圧が設定電圧レベ
ルになったときに電力変換手段を停止させてクイックス
タート処理時のフィルタコンデンサの充電電圧を確保す
る制御手段を備えたので、交流架線区間において、初期
充電完了後の電圧検出回路の出力から、制御手段は対象
区間を交流架線区間あると判別を簡単に行うことによ
り、フィルタコンデンサの充電電圧の充電電圧低下によ
りクイックスタート処理を行っても、給電復旧時の入力
電圧の変化分が直流架線区間と同様に少なくなるため、
電源装置主回路に流れる突入電流を抑制することができ
る。このため、突入電流を抑制するために、主回路の直
流フィルタリアクトル３のインダクタンスの値を大きく
設計する必要がなくなって、装置が小型化され経済的な
装置とすることができる。

【００６０】また、制御手段は、直流架線区間での直流
電圧の最大電圧値より大きく交流架線区間でのフィルタ
コンデンサの初期充電完了時のピーク充電電圧の最低電
圧値より小さい電圧値を判別基準電圧値とし、フィルタ
コンデンサの初期充電完了後に電圧検出手段により検出
される充電電圧が判別基準電圧より大きいときは交流架
線区間、判別基準電圧より小さいときは直流架線区間と
判別するようにしたので、交流架線区間において、初期
充電完了後の電圧検出回路の出力から、制御手段は対象
区間を交流架線区間であると判別を簡単に行うことによ
り、フィルタコンデンサの充電電圧の充電電圧低下によ
りクイックスタート処理を行っても、給電復旧時の入力
電圧の変化分が直流架線区間と同様に少なくなるため、
電源装置主回路に流れる突入電流を抑制することができ
る。このため、突入電流を抑制するために、主回路の直
流フィルタリアクトル３のインダクタンスの値を大きく
設計する必要がなくなって、装置が小型化され経済的な
装置とすることができる。

【００６１】また、制御手段は、直流架線区間及び交流
架線区間におけるクイックスタート処理の際の設定電圧
レベルを、フィルタコンデンサの初期充電検出値より大
きく、かつ各架線区間に応じたピーク充電電圧値より小
さい電圧レベルとすると共に、交流架線区間での設定電
圧レベルは直流架線区間での設定電圧レベルより大きい
値としたので、交流架線区間において、初期充電検出後
の電圧検出回路の出力から、制御手段は対象区間を交流
架線区間あると判別を簡単に行うことにより、フィルタ
コンデンサの充電電圧の充電電圧低下によりクイックス
タート処理を行っても、給電復旧時の入力電圧の変化分
が直流架線区間と同様に少なくなるため、電源装置主回
路に流れる突入電流を抑制することができる。このた
め、突入電流を抑制するために、主回路の直流フィルタ
リアクトル３のインダクタンスの値を大きく設計する必
要がなくなって、装置が小型化され経済的な装置とする
ことができる。

【００６２】また、制御手段は、交流架線区間でのクイ
ックスタート処理時の設定電圧レベルとして、第１の設
定電圧レベルと第１の設定電圧レベルより低い第２の設
定電圧レベルを有し、フィルタコンデンサの充電電圧が
フィルタに入力される入力電圧より低い場合に、フィル
タコンデンサの充電電圧が第１の設定電圧レベルに低下
するとクイックスタート処理を禁止し、フィルタコンデ
ンサの充電電圧がさらに低下して第２の設定電圧レベル
になるとクイックスタート処理を行うようにしたので、
瞬時停電でない架線入力電圧の低下の場合に、制御手段
から出力される停止制御信号に基づいて車両搭載機器へ
の電力供給が停止する事態が排除されて電源装置の運転
性の低下を防ぐことができる。

【００６３】また、制御手段は、フィルタコンデンサの
充電電圧が第１の設定電圧レベルに低下した際にカウン
トを開始し入力電圧が前記フィルタコンデンサの充電電
圧を越える際にリセットされる１周期タイマカウンタを
備え、１周期タイマカウンタが所定の時限に達したとき
にクイックスタート処理を禁止するようにしたので、瞬
時停電でない架線入力電圧の低下の場合に、制御手段か
ら出力される停止制御信号に基づいて交流電力変換手段
が停止する事態が排除されて電源装置の運転性の低下を
防ぐことができる。

【００６４】また、制御手段は、入力電圧の周波数が架
線電圧の周波数より小さい場合にクイックスタート処理
を行うようにしたので、車両の惰行運転時のモータ負荷
の残留電圧によって、直流入力電圧に交流架線区間の電
圧の周波数と異なる周波数を有するリップル成分を有す
る誘起電圧の印加を検出し、瞬時停電の発生を検知して
クイックスタート処理の妨げを排除することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態１に係る車両用電源装置の構成図
である。

【図２】実施の形態１の動作を示すタイムチャートで
ある。

【図３】実施の形態２に係る車両用電源装置の構成図
である。

【図４】実施の形態２の動作を示すタイムチャートで
ある。

【図５】実施の形態３に係る車両用電源装置の構成図
である。

【図６】従来の車両用電源装置の構成図である。

【符号の説明】

２０主変圧器、２１補助整流器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者沼野稔夫東京都千代田区丸の内一丁目６番５号東日本旅客鉄道株式会社内 (72)発明者神孫子博東京都千代田区丸の内一丁目６番５号東日本旅客鉄道株式会社内 (56)参考文献特開平６−261403（ＪＰ，Ａ) 特開平６−169501（ＪＰ，Ａ) 特開平８−126101（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B60L 9/30

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】架線電圧に基づいた直流電圧に含まれる
リップル成分を除去するフィルタコンデンサを介して電
力変換手段により電力変換を行った後、その変換された
電力を車両に搭載された機器に供給する車両用電源装置
において、前記フィルタコンデンサの充電電圧を検出す
る電圧検出手段と、前記フィルタコンデンサの初期充電
完了後に前記電圧検出手段により検出される電圧に基づ
いて架線区間が直流架線区間か又は交流架線区間かを判
別し、クイックスタート処理の際の設定電圧レベルをそ
の判別結果に基づいて架線区間に応じた値に切り替え、
前記フィルタコンデンサの充電電圧が前記設定電圧レベ
ルになったときに前記電力変換手段を停止させてクイッ
クスタート処理時の前記フィルタコンデンサの充電電圧
を確保する制御手段を備えたことを特徴とする車両用電
源装置。
【請求項２】前記制御手段は、直流架線区間での直流
電圧の最大電圧値より大きく交流架線区間での前記フィ
ルタコンデンサの初期充電完了時のピーク充電電圧の最
低電圧値より小さい電圧値を判別基準電圧値とし、前記
フィルタコンデンサの初期充電完了後に前記電圧検出手
段により検出される充電電圧が前記判別基準電圧より大
きいときは交流架線区間、前記判別基準電圧より小さい
ときは直流架線区間と判別することを特徴とする請求項
１に記載の車両用電源装置。
【請求項３】前記制御手段は、直流架線区間及び交流
架線区間におけるクイックスタート処理の際の設定電圧
レベルを、前記フィルタコンデンサの初期充電検出値よ
り大きく、かつ各架線区間に応じたピーク充電電圧値よ
り小さい電圧レベルとすると共に、交流架線区間での設
定電圧レベルは直流架線区間での設定電圧レベルより大
きい値としたことを特徴とする請求項２に記載の車両用
電源装置。
【請求項４】前記制御手段は、交流架線区間でのクイ
ックスタート処理時の設定電圧レベルとして、第１の設
定電圧レベルと該第１の設定電圧レベルより低い第２の
設定電圧レベルを有し、前記フィルタコンデンサの充電
電圧がフィルタに入力される入力電圧より低い場合に、
前記フィルタコンデンサの充電電圧が前記第１の設定電
圧レベルに低下するとクイックスタート処理を禁止し、
前記フィルタコンデンサの充電電圧がさらに低下して前
記第２の設定電圧レベルになるとクイックスタート処理
を行うことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記
載の車両用電源装置。
【請求項５】前記制御手段は、前記入力電圧が前記フ
ィルタコンデンサの充電電圧よりも低くなった状態で、
前記フィルタコンデンサの充電電圧が前記第１の設定電
圧レベルに低下した際にカウントを開始し前記入力電圧
が前記フィルタコンデンサの充電電圧を越える際にリセ
ットされる１周期タイマカウンタを備え、前記１周期タ
イマカウンタが所定の時限に達したときにクイックスタ
ート処理を禁止することを特徴とする請求項４に記載の
車両用電源装置。
【請求項６】前記制御手段は、前記入力電圧の周波数
が架線電圧の周波数より小さい場合にクイックスタート
処理を行うことを特徴とする請求項４又は５に記載の車
両用電源装置。