JP3560720B2 - 車両用電源装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明はインバータ回路を有する車両用電源装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、車両用電源装置として電動発電機に代えて、半導体素子を利用した静止形のものが広く使用されるようになってきている。この静止形電源装置には、架線電源が直流である場合には3相交流に変換するインバータ方式が用いられ、また架線電源が交流である場合には整流回路やコンバータでいったん所定電圧の直流に変換した後にインバータによって再度、交流に変換する方式が用いられる。
【0003】
ところで、車両用電源装置の場合、車両の制御電源、灯回路へ給電する責務を持っているため、パンタグラフの離線程度の時間、電源入力が中断してもこれらの制御電源、灯回路のような重要負荷に対して電力を供給し続けることが要求される。
【0004】
この点、従来の電動発電機の場合には、入力電圧の中断があっても発電機自体の慣性力によって回転を続け、負荷に電力を供給し続けることができたが、半導体素子を利用した静止形電源装置の場合には応答特性が高速であるゆえに、反面、瞬間的な電源電圧の中断でも電力変換を停止してしまう問題点があり、これを避けるために、インバータ回路の直流入力側にフィルタコンデンサを設け、瞬間的な電源電圧の中断時にはフィルタコンデンサに蓄えられている電荷を放出することによってインバータ回路に電力を供給し続ける構成にしている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このような半導体素子を利用した静止形の車両用電源装置の場合、電源入力が中断した時に負荷へ電力を供給し続けられる時間を延すためにはフィルタコンデンサの容量を大きなものにする必要があり、結果として、装置のサイズが大きくなり、サイズ的な制約が大きい車両用電源装置の場合、そのサイズを小型化することが大きな課題となっていた。
【0006】
本発明はこのような従来の技術的課題を解決するためになされたもので、従来サイズを維持したまま電源入力の中断時に負荷へ電力を供給し続けられる時間を長くし、あるいはフィルタコンデンサの容量を小さくして従来と同じ時間だけ電力を供給し続ることができてサイズの小型化が図れる車両用電源装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明の車両用電源装置は、フィルタコンデンサに直流側が並列に接続された複数のインバータ回路と、前記複数のインバータ回路の交流側に接続された回転機負荷及びそれ以外の負荷と、前記フィルタコンデンサの直流入力の中断を検出する入力中断検出手段と、前記入力中断検出手段が前記直流入力の中断を検出した時に前記回転機負荷が接続されているインバータ回路のゲート制御を停止し、それ以外の負荷が接続されているインバータ回路のゲート制御を継続するゲート制御手段とを備えたものである。
【0008】
この請求項1の発明の車両用電源装置では、交流電源が電力変換されて直流入力となったその直流入力、あるいは直流電源の直接の入力が一時的に中断された時、入力中断検出手段がフィルタコンデンサの直流入力の中断を検出し、ゲート制御手段が回転機負荷の接続されているインバータ回路に対するゲート制御を停止し、他のインバータ回路のゲート制御を継続する。
【0009】
これによって、ゲート制御が停止されたインバータ回路に接続されている回転機負荷は入力電力の喪失によって機械的な慣性力で回転を続けて発電を行い、回生電力をインバータ回路にその交流側から戻し始める。そしてゲート制御が停止されたインバータ回路ではフライホイールダイオードを通じて回生電力を交流−直流変換してフィルタコンデンサに戻す。
【0010】
したがって、直流入力が中断してもフィルタコンデンサに回転機負荷から回生電力を供給し、ゲート制御を継続している他のインバータ回路を通じてそれらのインバータ回路に接続されている負荷に対して、フィルタコンデンサが蓄積しているエネルギに加えて回生電力をも供給することができ、負荷への電力供給継続時間を延すことができる。
【0011】
請求項2の発明の車両用電源装置は、フィルタコンデンサに直流側が並列に接続された複数のインバータ回路と、前記複数のインバータ回路の交流側それぞれに接続された回転機負荷、特定の重要負荷及びそれ以外の非重要負荷と、前記フィルタコンデンサの直流入力の中断を検出する入力中断検出手段と、前記入力中断検出手段が前記直流入力の中断を検出した時に前記回転機負荷及び非重要負荷の接続されているインバータ回路それぞれのゲート制御を停止し、前記特定の重要負荷の接続されているインバータ回路のゲート制御だけを継続するゲート制御手段とを備えたものである。
【0012】
この請求項2の発明の車両用電源装置では、直流入力が中断した時に特定の重要負荷に対してフィルタコンデンサの蓄積エネルギと共に回転機負荷の回生電力を供給することにより、その電力供給継続時間を延す。
【0013】
請求項3の発明は、請求項1又は2の車両用電源装置において、入力中断検出手段が直流入力の中断を検出した時に、ゲート制御手段がゲート制御を継続するインバータ回路に対してその出力電圧又は周波数を低下させるゲート制御に切替えるようにしたものである。
【0014】
この請求項3の発明の車両用電源装置では、直流入力が中断した時に回転機負荷以外の負荷、あるいは特定の重要負荷に対してフィルタコンデンサの蓄積エネルギと共に回転機負荷の回生電力をその電圧又は周波数を低下させて供給することにより、その電力供給継続時間をいっそう延す。
【0015】
請求項4の発明の車両用電源装置は、交流入力に対して接続された回転機負荷と、交流入力に対して回転機負荷と並列に接続された、交流入力、交流出力方式のインバータ回路と、交流入力の中断を検出する入力中断検出手段と、入力中断検出手段が交流入力の中断を検出した時にインバータ回路のゲート制御を継続するゲート制御手段とを備えたものである。
【0016】
この請求項4の発明の車両用電源装置では、交流入力が一時的に中断された時にもゲート制御手段がインバータ回路のゲート制御を継続することにより、交流入力にインバータ回路と共に接続されている回転機負荷が交流入力の喪失によって機械的な慣性力で回転を続けて発電を行い、回生電力をゲート制御を継続しているインバータ回路を通じて負荷に対して供給することができ、入力中断時の負荷への電力供給継続時間を延すことができる。
【0017】
請求項5の発明は、請求項4の車両用電源装置において、交流入力に並列に接続された複数のインバータ回路と、入力中断検出手段が交流入力の中断を検出した時に複数のインバータ回路のうち、交流側に特定の重要負荷が接続されているものを除いて他のインバータ回路のゲート制御を停止するゲート制御手段とを備えたものである。
【0018】
この請求項5の発明の車両用電源装置では、交流入力が中断した時に特定の重要負荷に対して回転機負荷の回生電力を供給することにより、その電力供給継続時間を延す。
【0019】
請求項6の発明は、請求項4又は5の車両用電源装置において、入力中断検出手段が交流入力の中断を検出した時に、ゲート制御手段がゲート制御を継続するインバータ回路に対してその出力電圧又は周波数を低下させるゲート制御に切替えるようにしたものである。
【0020】
この請求項6の発明の車両用電源装置では、交流入力が中断した時に全負荷あるいは重要負荷に対して回転機負荷の回生電力をその電圧又は周波数を低下させて供給することにより、その電力供給継続時間をいっそう延す。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。図1は請求項1の発明の車両用電源装置の共通する実施の形態の回路構成を示している。直流架線からパンタグラフを通じて直流電力を取込んで出力し、あるいは交流架線からパンタグラフを通じて交流電力を取込み、変圧、順変換して直流を出力する電源回路1の出力側にフィルタコンデンサ2を接続し、このフィルタコンデンサ2に対して複数台、ここでは3台のインバータ回路A,B,Cを並列に接続し、インバータ回路A,Cそれぞれには負荷3,4それぞれを接続し、インバータ回路Bには誘導電動機のような回転機負荷5を接続してある。
【0022】
電源入力の中断を検出するために電流検出器6が、電源回路1の直流出力に設置してある。またインバータ回路A,B,Cを個別にゲート制御するゲート制御回路7が設置してあり、電流検出器6の信号CTをこのゲート制御回路7に入力して電源入力の中断を判定するようにしてある。
【0023】
これらのインバータ回路A,B,C各々は図2に示す内部構成であり、3相の可変電圧可変周波数インバータであって、ゲート制御回路7によってゲート制御を受けるGTOサイリスタのような半導体スイッチング素子8とフライホイールダイオード9を1組とする3相構成である。
【0024】
このインバータ回路A,B,Cそれぞれは、通常動作時にはゲート制御回路7による半導体スイッチング素子8のゲート制御によって直流側から供給され直流電力を可変電圧、可変周波数の交流電力に変換して交流側からそれぞれの負荷3,4,5へ出力する。そしてゲート制御回路7によるゲート制御を停止することによって電力変換を停止するが、この時に交流負荷側から回生電力が与えられると、フライホイールダイオード9を通じて直流側、つまりフィルタコンデンサ2側に直流電力を出力する交流−直流変換作用も行う。
【0025】
次に、上記構成の車両用電源装置の動作について説明する。通常時、電源回路1から出力される直流電力でフィルタコンデンサ2を充電しておき、また直流電力をインバータ回路A,B,Cに供給し、ゲート制御回路7によるゲート制御によってインバータ回路A,B,Cそれぞれが直流入力を所定電圧、所定周波数の交流電力に変換して負荷3,4,5それぞれに出力する。
【0026】
ここでいま図3に示すように電源回路1に対する交流入力又は直流入力が中断した時には、電源回路1からフィルタコンデンサ2とインバータ回路A,B,Cに対する直流入力が中断する。電流検出器6はこの信号CTをゲート制御回路7に入力し、ゲート制御回路7は電源中断と判定して、回転機負荷5に対するインバータ回路Bのゲート制御だけを停止し、他のインバータ回路A,Cに対してはゲート制御を継続する。
【0027】
これによって、インバータ回路Bから電力の供給が停止された回転機負荷5は機械的な慣性力によって回転を継続し、発電機となって回生電力を逆にインバータ回路Bに戻すことになる。インバータ回路Bではこの回生電力をフライホイールダイオード9によって直流に変換してフィルタコンデンサ2側に出力する。
【0028】
この結果、この第1の実施の形態では、ゲート制御が継続されているインバータ回路A,Cに対しては、電源中断によりそれまでのフィルタコンデンサ2に蓄積されていたエネルギを供給して直流−交流変換を継続して負荷3,4に電力を供給し続け、その上、回生電力をもこれらのインバータ回路A,Cに供給し、フィルタコンデンサ2の蓄積エネルギだけで賄う時よりも負荷3,4への電力供給継続時間を延すことができる。
【0029】
次に、請求項2の発明の車両用電源装置の実施の形態について説明する。上記の第1の実施の形態では、回転機負荷5に接続されるインバータ回路Bのゲート制御だけを停止するようにしたが、負荷の中には制御回路電源や灯回路のように特に重要な負荷があるので、電源中断時に他の負荷への電源供給を停止しても重要負荷だけにはできる限り長い時間、電力供給を継続する必要がある。
【0030】
そこでこの第2の実施の形態では、図4に示すように、負荷3だけが重要負荷である場合には、電源中断検出時に回転機負荷5が接続されているインバータ回路Bと共に通常負荷4が接続されているインバータ回路Cについてもゲート制御を停止し、重要負荷3が接続されているインバータ回路Aだけ、そのゲート制御を継続する構成にする。
【0031】
これによって系全体の消費電力を小さくすることによって重要負荷3への給電継続時間をいっそう長くすることができる。
【0032】
次に、請求項3の発明の車両用電源装置の実施の形態について説明する。インバータ回路A,B,Cそれぞれについて、あるいは少なくとも電源中断時にゲート制御を継続しようとするインバータ回路(上記の第1の実施の形態ではインバータ回路A,C、第2の実施の形態ではインバータ回路A)について、可変電圧可変周波数形のインバータ回路を採用し、ゲート制御回路7によるゲート制御を出力電圧、出力周波数が所定幅だけ低減するような制御に切替える構成にする。
【0033】
これによって、電源中断時に給電を継続する負荷に対する給電継続時間をさらに延すことができる。
【0034】
なお、上記の各実施の形態ではインバータ回路を3台設置しているが、この台数が制限されることはない。
【0035】
また上記の第1〜第3の実施の形態それぞれにおいて、電源中断後にゲート制御回路7がインバータ回路に対して行うゲート制御継続時間に制限を設け、パンタグラフが架線から離線する時の許容時間である0.3sec程度に制限し、それ以上の中断時には全インバータ回路A,B,Cのゲート制御を停止する機能を追加することができる。
【0036】
次に、請求項4の発明の車両用電源装置の実施の形態を図5及び図6に基づいて説明する。この第4の実施の形態の特徴は、交流架線からパンタグラフを通じて取得される交流電源に対して回転機負荷11を接続し、この回転機負荷11と共に、例えばサイクロコンバータのような交流入力、交流出力方式のインバータ回路D,Eを交流電源に並列に接続し、交流電源の入力の中断を検出する入力中断検出回路12を設置して、インバータ回路D,Eのゲート制御を行うゲート制御回路13にこの入力中断検出回路12から入力中断信号CTを入力するようにした点にある。インバータ回路D,Eそれぞれには負荷14,15が接続されている。
【0037】
次に、上記構成の車両用電源装置の動作について説明する。通常時には、交流電源は回転機負荷11に供給され、また同時にインバータ回路D,Eに供給され、インバータ回路D,Eそれぞれは交流入力を所定電圧、所定周波数の交流に変換して負荷14,15に給電する。
【0038】
いま交流架線からパンタグラフが離線するような理由で一時的に交流電源が中断すれば、入力中断検出回路12は電源中断信号CTをゲート制御回路13に与える。ゲート制御回路13はこの電源中断信号CTを受けると、所定の時間、例えば0.3secの間はインバータ回路D,Eそれぞれのゲート制御を継続する。
【0039】
この時に、交流電源から直接には交流入力を受けないが、電源中断時に機械的な慣性力によって回転し続ける回転機負荷11が回生電力を発生し、インバータ回路D,Eに供給する。したがって、インバータ回路D,Eのゲート制御によってこの回生電力を所定電圧、所定周波数の交流に変換して引続き負荷14,15に供給し続けることができるようになる。
【0040】
次に、請求項5の発明の実施の形態を図6に基づいて説明する。この第5の実施の形態は図5に示した回路構成であるが、ゲート制御回路13は入力中断検出回路12から中断検出信号CTを受信した時に、制御回路電源や灯回路のような重要負荷14が接続されているインバータ回路Dのゲート制御だけを継続し、通常負荷15が接続されているインバータ回路E側のゲート制御を停止する機能を備えている。
【0041】
したがって、いま交流架線からパンタグラフが離線するような理由で一時的に交流電源が中断すれば、入力中断検出回路12は電源中断信号CTをゲート制御回路13に与える。ゲート制御回路13はこの電源中断信号CTを受けると、所定の時間、例えば0.3secの間は重要負荷14が接続されているインバータ回路Dのゲート制御を継続し、通常負荷15が接続されているインバータ回路Eのゲート制御を停止する。
【0042】
これによって、電源中断時に機械的な慣性力によって回転し続ける回転機負荷11が発生する回生電力を、インバータ回路Dが電力変換して重要負荷14に電力を供給するようになり、電源中断時にも重要負荷への給電を継続することができるようになる。
【0043】
次に、請求項6の発明の車両用電源装置の実施の形態について説明する。この第6の実施の形態は、図5に示した車両用電源装置においてインバータ回路D,Eに可変電圧可変周波数のものを採用し、入力中断検出回路12が交流入力の中断を検出した時に、ゲート制御回路13がゲート制御を継続するインバータ回路DまたはEに対してその出力電圧又は周波数を低下させるゲート制御に切替えるようにしたものである。
【0044】
これによって、電源中断時に給電を継続する負荷に対する給電継続時間をさらに延すことができる。
【0045】
なお、上記の各実施の形態ではインバータ回路を2台設置しているが、この台数が制限されることはない。
【0046】
また上記の第4〜第6の実施の形態それぞれにおいて、電源中断後にゲート制御回路13がインバータ回路D,Eに対して行うゲート制御継続時間に制限を設け、パンタグラフが架線から離線する時の許容時間である0.3sec程度に制限し、それ以上の中断時には全インバータ回路D,Eのゲート制御を停止する機能を追加することができる。
【0047】
【発明の効果】
以上のように請求項1の発明によれば、直流入力が一時的に中断された時、ゲート制御手段が回転機負荷の接続されているインバータ回路に対するゲート制御を停止し、他のインバータ回路のゲート制御を継続するので、ゲート制御が停止されたインバータ回路に接続されている回転機負荷は入力電力の喪失によって機械的な慣性力で回転を続けて発電を行い、回生電力をインバータ回路のフライホイールダイオードを通じてフィルタコンデンサ側に戻すことができ、ゲート制御を継続している他のインバータ回路を通じてそれらのインバータ回路に接続されている負荷に対して、フィルタコンデンサが蓄積しているエネルギに加えて回転機負荷の回生電力をも供給することができ、フィルタコンデンサの容量を増やさずに入力中断直後の負荷への電力供給継続時間を延すことができる。
【0048】
請求項2の発明によれば、直流入力が中断した時に特定の重要負荷に対してフィルタコンデンサの蓄積エネルギと共に回転機負荷の回生電力を供給するので、フィルタコンデンサの容量を増やさずに入力中断直後の電力供給継続時間を延すことができる。
【0049】
請求項3の発明によれば、直流入力が中断した時に回転機負荷以外の負荷、あるいは特定の重要負荷に対してフィルタコンデンサの蓄積エネルギと共に回転機負荷の回生電力をその電圧又は周波数を低下させて供給するので、フィルタコンデンサの容量を増やさずに入力中断直後の電力供給継続時間をいっそう延すことができる。
【0050】
請求項4の発明によれば、交流入力が一時的に中断された時にもゲート制御手段がインバータ回路のゲート制御を継続するので、交流入力にインバータ回路と共に接続されている回転機負荷が機械的な慣性力で回転を続けて発電を行い、回生電力をインバータ回路を通じて負荷に供給することができ、交流入力が中断した直後の負荷への電力供給継続時間を延すことができる。
【0051】
請求項5の発明によれば、交流入力が中断した時に特定の重要負荷に対して回転機負荷の回生電力を供給するので、その電力供給継続時間を延すことができる。
【0052】
請求項6の発明によれば、交流入力が中断した時に全負荷あるいは重要負荷に対して回転機負荷の回生電力をその電圧又は周波数を低下させて供給するので、その電力供給継続時間をいっそう延すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態の回路ブロック図。
【図2】上記の実施の形態のインバータ回路のブロック図。
【図3】上記の実施の形態のゲート制御回路の動作を示すタイミングチャート。
【図4】本発明の第2の実施の形態のゲート制御回路の動作を示すタイミングチャート。
【図5】本発明の第4の実施の形態の回路ブロック図。
【図6】本発明の第5の実施の形態のゲート制御回路の動作を示すタイミングチャート。
【符号の説明】
1 電源回路
2 フィルタコンデンサ
3 負荷
4 負荷
5 回転機負荷
6 電流検出器
7 ゲート制御回路
8 半導体スイッチング素子
9 フライホイールダイオード
11 回転機負荷
12 入力中断検出回路
13 ゲート制御回路
14 負荷
15 負荷
A,B,C インバータ回路
D,E インバータ回路
Claims (6)
- フィルタコンデンサに直流側が並列に接続された複数のインバータ回路と、
前記複数のインバータ回路の交流側に接続された回転機負荷及びそれ以外の負荷と、
前記フィルタコンデンサの直流入力の中断を検出する入力中断検出手段と、
前記入力中断検出手段が前記直流入力の中断を検出した時に前記回転機負荷が接続されているインバータ回路のゲート制御を停止し、それ以外の負荷が接続されているインバータ回路のゲート制御を継続するゲート制御手段とを備えて成る車両用電源装置。 - フィルタコンデンサに直流側が並列に接続された複数のインバータ回路と、
前記複数のインバータ回路の交流側それぞれに接続された回転機負荷、特定の重要負荷及びそれ以外の非重要負荷と、
前記フィルタコンデンサの直流入力の中断を検出する入力中断検出手段と、
前記入力中断検出手段が前記直流入力の中断を検出した時に、前記回転機負荷及び非重要負荷の接続されているインバータ回路それぞれのゲート制御を停止し、前記特定の重要負荷の接続されているインバータ回路のゲート制御だけを継続するゲート制御手段とを備えて成る車両用電源装置。 - 前記入力中断検出手段が前記直流入力の中断を検出した時に、前記ゲート制御手段が前記ゲート制御を継続するインバータ回路に対してその出力電圧又は周波数を低下させるゲート制御に切替えることを特徴とする請求項1又は2記載の車両用電源装置。
- 交流入力に対して接続された回転機負荷と、
前記交流入力に対して前記回転機負荷と並列に接続された、交流入力、交流出力方式のインバータ回路と、
前記交流入力の中断を検出する入力中断検出手段と、
前記入力中断検出手段が前記交流入力の中断を検出した時に前記インバータ回路のゲート制御を継続するゲート制御手段とを備えて成る車両用電源装置。 - 前記交流入力に対して前記回転機負荷と並列に接続された、交流入力、交流出力方式の複数のインバータ回路と、
前記入力中断検出手段が前記交流入力の中断を検出した時に前記複数のインバータ回路のうち、交流出力側に特定の重要負荷が接続されているものを除いて他のインバータ回路のゲート制御を停止するゲート制御手段とを備えて成る請求項4記載の車両用電源装置。 - 前記入力中断検出手段が前記交流入力の中断を検出した時に、前記ゲート制御手段が前記ゲート制御を継続するインバータ回路に対してその出力電圧又は周波数を低下させるゲート制御に切替えることを特徴とする請求項4又は5記載の車両用電源装置。
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