JP3943928B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、エネルギーの蓄積を行うことが可能な電力変換装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
この種の電力変換装置の従来例を、直流電車に搭載される例について図25を参照して説明する。
【0003】
図25は、ブレーキチョッパを備えると共に力行及び回生運転が可能な直流電車の電力変換装置を示しており、当該電力変換装置は直流架線1からパンタグラフ2を介して直流電力を取り込む。電力変換装置は、接触器3、リアクトル4、スイッチング素子及び抵抗器を含むブレーキチョッパ5、コンデンサ6及びインバータ7を有し、インバータ7の出力を電動機8に与え、電動機8を駆動する。
【0004】
かかる直流電車における電力変換器において、ある車両がブレーキをかけようとした場合、回生ブレーキをかける。回生パワーは、架線1に送り出されるが、変電所ではこの回生パワーを吸収できない場合がある。この場合、他の車両9が力行加速を行う場合、回生パワーを吸収する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、力行加速車両がいない場合、即ち、エネルギー消費する負荷が同一架線1に無い(回生パワー>力行パワー)の場合には、架線1の電圧、すなわち、インバータ直流入力電圧が増加する。
【0006】
インバータ7には耐圧があり、インバータ直流入力電圧が所定値を超えた場合には、過電圧として、保護停止に至る。
【0007】
通常、保護停止に至る前に、電気ブレーキ力を抑制し、回生パワーを抑えることで、過電圧による保護停止を回避し、運転を継続する。
【0008】
この軽負荷回生の場合、車両としてのブレーキ力は所定値どおり得ることが要求されるため、電気ブレーキ力を抑制した分、機械ブレーキで補足する。この機械ブレーキ分が、エネルギー損失となる。
【0009】
また、機械ブレーキの磨耗を回避するため、図25においては、インバータ7の直流入力側にスイッチング素子と抵抗からなるブレーキチョッパ5を設けている。この場合、電気ブレーキにより、回生パワーが大きく、架線電圧あるいはインバータ直流入力電圧が増加した場合、ブレーキチョッパ5を動作させ、負荷量を増大させる。
【0010】
この場合、電気ブレーキ力は所定値どおりに出力されるが、エネルギーがブレーキチョッパ5で損失となる点はかわらない。
【0011】
本発明の目的は、エネルギー損失を抑制し得る電力変換装置を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、架線に接続されたインバータと、このインバータの出力を受ける電動機を含む負荷とを有する負荷運転手段を備える鉄道車両向けの電力変換装置において、
前記架線と前記インバータとの間に接続されたリアクトルと、前記リアクトルと前記インバータとの間に接続され、離線又は停電時にエネルギーを補うエネルギー蓄積要素及び前記電動機による回生エネルギーを前記エネルギー蓄積要素にエネルギーを蓄積させるための電力に変換するスイッチング素子を含む変換部を有する複数の蓄積回路が直列接続されたエネルギー蓄積手段を具備したことを特徴とする電力変換装置、である。
【0025】
以上のような本発明に係る電力変換装置によれば、直流電車に適用された場合にあってブレーキ時に回生パワーをエネルギー蓄積手段により吸収するので、力行負荷が小さい場合に生じる、エネルギー損失を抑制し、システム効率が向上する。またブレーキ時にパワーを吸収し、力行加速時にはパワーを供するため、システム効率の向上が図られる。さらに、機械ブレーキの補足がなくなるため機械ブレーキの磨耗軽減が図られる。
【0026】
また新規にエネルギー蓄積手段を構成するに際し、既存機器との共有化を図り得るので、小型、軽量化、低コスト化に寄与できる。
【0027】
さらに、電源の停電や電車で言えば架線からパンダグラフが離れる、いわゆる離線した場合には、インバータ直流入力電圧が低下あるいは増加し、運転継続不能となるが、本発明によるエネルギー蓄積手段により、かかる状態の直流を安定化し、運転継続を可能とすることができる。
【0029】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る電力変換装置の各の実施形態を、図面を参照して説明する。
【0030】
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態の電力変換装置を示しており、図25と同一部分には同一符号を付している。本の実施形態は、直流電車に適用される電力変換装置である。
【0031】
図1に示すように、直流架線1にパンタグラフ2を介して、直流電力を取り込む。この直流電力は、接触器3とリアクトル10A及びコンデンサ10BからなるLCフィルタ10を経て、負荷運転部をなしているインバータ7にて交流に変換され、該変換出力は負荷8に与えられ、負荷8を駆動する。ここで、インバータ7が電圧型インバータである場合、コンデンサ10Bは、LCフィルタの一部であるとともに、電圧型インバータ7への入力側コンデンサを兼ねている。ここで、負荷8は、典型的には電動機であり、力行と共に回生ができるものであったり、電車の補機(空調、照明、ファンなど)のような力行のみの場合もあり得る。
【0032】
また、インバータ7の直流側に、エネルギー蓄積部12をリアクトル10Aとインバータ7との間に接続し、該エネルギー蓄積部12にエネルギー消費部11を並列に接続している。
【0033】
エネルギー蓄積部12は、複数のエネルギー蓄積回路13(13−1,13−2,13−3)を直列接続している。
【0034】
エネルギー蓄積回路13(13−1)を例示的に説明すると、該回路13は、コンデンサ13Aからなる蓄積要素部と、スイッチング素子による変換器13Bとからなる変換部とを具備する。
【0035】
このような構成で、負荷8が電動機のように力行と回生とが行われるものである場合、力行運転時は、接触器3を閉じ、パンタグラフ2を介して直流電力を取り込み、フィルタ10を経て、負荷運転部をなしているインバータ7にて交流に変換し、該変換出力により負荷8を駆動する。
【0036】
また、回生運転時又は回生運転の特定条件時にあっては、接触器3を開き、ないしは閉じた状態でエネルギー蓄積部12におけるコンデンサ13Aからなる蓄積要素部に、負荷8の全ての回生エネルギー又は一部の回生エネルギーを吸収し、蓄積することができる。
【0037】
一方、負荷8が電車の補機のような力行のみ運転可能である場合に、エネルギー蓄積部12におけるコンデンサ13Aからなる蓄積要素部にエネルギーを蓄積しておく。そして、離線や停電といったパワーが不足する状態となったとき、エネルギー蓄積部12におけるコンデンサ13Aからなる蓄積要素部に既に蓄積しているエネルギーを補機に供給し、補機の運転継続を行うことができる。
【0038】
なお、エネルギー蓄積部12を構成するエネルギー蓄積回路13は、スイッチング素子による変換器13Bを有するので、直流電源である直流架線に流入出する高調波を発生する虞がある。この場合、本の実施形態では、エネルギー蓄積回路13は、直流電源である直流架線1との間にLCフィルタ10あるいはリアクトル10Aを備えるため、直流架線に流入出する高調波を抑制することができる。
【0039】
また、エネルギー消費部11を設けているので、エネルギー蓄積部12のエネルギーを短時間で放電させる必要がある場合に好適である。
【0040】
さらに、エネルギー蓄積部12におけるLCフィルタ10、リアクトル10A、接触器3、エネルギー消費部11等は、インバータ7のものと共有することで、装置全体の小型、軽量及び低コスト化が図れる。
【0041】
(第2の実施形態)
図2は、第2の実施形態の電力変換装置を示しており、図1と同一部分には同一符号を付している。本の実施形態は、交流電車に適用される電力変換装置である。
【0042】
図2に示すように、交流架線14にパンタグラフ2を介して、交流電力を取り込む。この交流電力は、トランス15、接触器16、コンバータ17を経て直流電力を得、この直流電力を、負荷運転部をなしているインバータ7にて交流に変換され、該変換出力は負荷8に与えられ、負荷8を駆動する。
【0043】
また、インバータ7の直流側にエネルギー消費部11を並列に接続し、エネルギー蓄積部12を接触器16とインバータ7との間に接続している。
【0044】
他の構成は、図1に示す第1の実施形態と同様である。
【0045】
本の実施形態は、負荷運転部がトランス15、接触器16及びコンバータ17を含むものであり、図1に示す第1の実施形態と同様に作用する。
【0046】
(第3の実施形態)
図3は、第3の実施形態の電力変換装置を示しており、先の図と同一部分には同一符号を付している。本の実施形態は、3相交流電源に適用される電力変換装置である。
【0047】
図3に示すように、3相交流電源18にトランス19を介して交流電力を取り込む。この交流電力は、リアクトル20A、コンデンサ20B及びリアクトル20CからなるLCLフィルタ20を通して、コンバータ17にて直流電力を得、この直流電力を、負荷運転部をなしているインバータ7にて交流に変換され、該変換出力は負荷8に与えられ、負荷8を駆動する。
【0048】
また、エネルギー蓄積部12をコンバータ17とインバータ7との間に接続している。
【0049】
他の構成は、図1に示す第1の実施形態と同様である。
【0050】
本の実施形態は、負荷運転部がトランス19、LCLフィルタ20及びコンバータ17を含むものであり、図1に示す第1の実施形態と同様に作用する。
【0051】
なお、図2及び図3において、リアクトルは、トランス15,19の漏れインダクタンスとして構成される場合があるため、ハードウェアとしてはリアクトルは実在しない場合がある。
【0052】
次に、図4を参照してエネルギー蓄積部12の実施形態を説明する。
【0053】
図4(a)に示すエネルギー蓄積部12(12−1)は、コンデンサ等の蓄積要素部21のみからなる。
【0054】
図4(b)に示すエネルギー蓄積部12(12−2)は、蓄積要素部21と、該蓄積要素部21をインバータ7等の主回路に接続するための変換部22とからなる。変換部22は、スイッチング素子22A及びリアクトル22Bからなるチョッパ回路である。
【0055】
図4(c)に示すエネルギー蓄積部12(12−3)は、蓄積要素部21と、変換部23とからなる。変換部23は、スイッチング素子23A、ダイオード23B及びリアクトル23Cからなるチョッパ回路である。
【0056】
図4(d)に示すエネルギー蓄積部12(12−4)は、蓄積要素部21と、変換部24とからなる。変換部24は、スイッチング素子24A、リアクトル24B、トランス24C、リアクトル24D、スイッチング素子24Eからなり、絶縁リンクを図っている。
【0057】
次に、図5を参照してエネルギー消費部11の実施形態を説明する。
【0058】
図5(a)に示すエネルギー消費部11(11−1)は、直列に接続したスイッチング素子25及び抵抗26からなる。
【0059】
図5(b)に示すエネルギー消費部11(11−2)は、直列に接続した接触器27及び抵抗26からなる。
【0060】
このエネルギー消費部11は、回生中に、電源側の負荷が小さくなり、余剰な回生パワーのため、架線電圧あるいはインバータ直流入力電圧が上昇するのを抑制するため、エネルギー消費部11において、エネルギー消費を行い、架線電圧すなわちインバータの直流入力電圧を所定値以内に維持する、すなわち、安定化するものである。
【0061】
例えば、インバータ直流入力電圧が高くなると、インバータの耐圧から保護動作となり、運転継続ができない。電車の場合、保護動作にかからないように、回生パワーを抑制するが、これは電気ブレーキ力を減少させることになる。
【0062】
車両としてのブレーキ力は一定に維持したいため、電気ブレーキ力で不足する分を機械ブレーキで補うが、これが全てエネルギー損失となる。
【0063】
そこで、本発明のようにエネルギー蓄積部12を備える場合、インバータ7の直流入力電圧の安定化・過電圧の抑制は、エネルギー蓄積部12で行える。ただし、エネルギー蓄積部12にも許容値があるため、全回生パワーを吸収できない場合がある。このとき、補助的にエネルギー消費部11を作用させて、直流電圧の安定化・過電圧の抑制を図ることができる。
【0064】
このとき、エネルギー蓄積部12自体にパワーを調整する能力があるため、エネルギー消費部11には、パワーを調整する能力は不要である。すなわち、スイッチング素子は不要であり、単にエネルギー消費手段のON/OFFを制御する接触器があれば、十分であり、装置の簡略化が図れ、小型・軽量・低コスト化が期待できる。
【0065】
(第4の実施形態)
図6は、第4の実施形態の電力変換装置を示しており、先の図と同一部分には同一符号を付している。
【0066】
図6に示すように、直流電源28に、複数の負荷運転部29(29−1)、(29−2)、(29−3)を接続すると共に、直列に接触器30を、またリアクトル31A及びコンデンサ31BからなるLCフィルタ31を介してエネルギー蓄積部12を接続している。従って、エネルギー蓄積部12は、リアクトル10A、接触器3より直流電源28側に接続されている。LCフィルタ31に代えて、他のパッシブフィルタやアクティブフィルタを用いても良い。
【0067】
負荷運転部29は、接触器3、リアクトル10A及びコンデンサ10BからなるLCフィルタ10、インバータ7及び負荷8からなる。
【0068】
このように構成された本の実施形態によれば、次のように作用する。先ず、エネルギー蓄積部12は、電源電圧の安定化、つまり上昇し過ぎたり低下しすぎたりしないように、エネルギー蓄積部12により、パワーの流入出を行い、電源電圧の安定化を図るものである。
【0069】
負荷運転部29が複数存在する場合、各々にエネルギー蓄積部12を備えるより、1つで補償した方が小型・軽量・低コスト化できる。すなわち、小容量で複数のものより、大容量で1つのものの方が小型・軽量・低コストになる。
【0070】
また、複数の負荷運転部29で、元々、電源が安定化されることもあり、エネルギー蓄積部12の容量を小さくする効果もある。
【0071】
またエネルギー蓄積部12を接触器3より直流電源28側に接続しているので、ある負荷運転部29が異常な動作で、保護トリップする場合、接触器3を開放することがある。こういった場合にも、エネルギー蓄積部12は、その能力に影響を受けることなく、運転を継続することができる。
【0072】
さらに、エネルギー蓄積部12をリアクトル10Aより直流電源28側に接続しているので、エネルギー蓄積部12を電源端に備えた場合、エネルギー蓄積部12から高調波を電源へ流入出する場合があるが、LCフィルタ31を備えたことでこれを抑制する効果がある。
【0073】
(第5の実施形態)
図7は、第5の実施形態の電力変換装置を示しており、先の図と同一部分には同一符号を付している。
【0074】
図7に示すように、交流電源32にトランス33を介して、ダイオード整流器等の回生運転ができないコンバータ34を接続し、該コンバータ34をコンデンサ6及びインバータ7を介して負荷8に接続している。コンバータ34は、力行電力の許容量に比べ回生電力の許容量が小さく設定されている。また、インバータ7とコンバータ34との間にエネルギー蓄積部12を接続している。
【0075】
このような構成の本の実施形態によれば、エネルギー蓄積部12により、基本的に回生パワーを吸収するとすると、コンバータ34が電源回生する回生パワーは必然的に小さくなる。また、回生のパワーも力行加速パワーも同程度と仮定すれば、コンバータの力行能力も小さくなる。
【0076】
しかしながら、システムの信頼性を考えると、エネルギー蓄積部12だけが故障又は保護動作になった場合、運転継続ができないという問題がある。
【0077】
ブレーキに関しては、保安上の観点から機械ブレーキは必ずあるため、回生、すなわち、電気ブレーキがかけられなくとも、運転継続は可能である。
【0078】
しかしながら、力行加速は代替がきかない。よって、エネルギー蓄積部12を備えたシステムであっても、システムの信頼性からは、力行はコンバータ34を介して行われる必要がある。
【0079】
すなわち、従来の力行・回生が同程度に可能なコンバータを使ったシステムにくらべ、通常時には、回生パワーをエネルギー蓄積部12で吸収し、架線電圧やインバータ入力電圧の安定化を図り、エネルギー効率を向上し、エネルギー蓄積手段の故障・保護時には、車両としての加速/ブレーキ性能の劣化を防止することができる。すなわち、システムの信頼性は維持でき、小型・軽量・低コストなシステム、つまりコンバータ34の代わりに力行・回生が同容量可能なコンバータを備えるのに比べ、コンバータが簡易化できる。
【0080】
(第6の実施形態)
図8は、第6の実施形態の電力変換装置を示しており、先の図と同一部分には同一符号を付している。
【0081】
図8に示すように、直流電源28にリアクトル10A及びコンデンサ10BからなるLCフィルタ10を介して、DC/DCコンバータ35が接続され、コンデンサ6、インバータ7及び負荷8が接続される。
【0082】
インバータ7の直流側であるDC/DCコンバータ35とインバータ7との間にエネルギー蓄積部12を接続し、また別のエネルギー蓄積部36も接続している。
【0083】
このように構成された本の実施形態によれば、DC/DCコンバータ35が、電源28とインバータ7との間にあることで、インバータ直流入力電圧を、電源側の負荷条件に依らず、所定値にすることができる。
【0084】
また、インバータ直流入力電圧を所定値に制御することができるため、負荷8の出力性能を常に計画値に維持することができるメリットがある。例えば、現状の車両においては、架線電圧によって、電動機出力が変わるが、本の実施形態を採用することで、このような出力変動を抑制することができる。
【0085】
これにより、例えば、車両の性能計画が精度よくたてられるとともに、高いインバータ直流入力電圧を計画することが可能となり、車両性能を向上することができる。
【0086】
なお、エネルギー蓄積部のみを直接インバータ直流入力側に接続する場合、DC/DCコンバータがないと、エネルギー蓄積部の電圧は定常的に架線電圧に一致する。本来、インバータが回生を開始する際には、エネルギー蓄積部の蓄積エネルギー量は小さい方が望ましい。しかしながら、エネルギー蓄積部が架線電圧に一致すると、必ずしも、そういう状態からの回生にはなりえない。よって、回生エネルギー吸収の効果が低減してしまう。かかる問題点の解消に本の実施形態は寄与するものとなる。
【0087】
また、直流電源28とDC/DCコンバータ35との間にフィルタ10を接続しているので、次のような利点が得られる。すなわち、仮に、DC/DCコンバータが直接電源と接続すると、電源へ流入出する高調波が増大することが懸念される。電車では、電源への高調波電流が増大すると、信号系への影響が生じるため、高調波電流に規定がある。エレベータや他の用途においても、電源高調波は様々な障害を引き起こすため、重要な課題の一つになっている。
【0088】
よって、本の実施形態のように、DC/DCコンバータ35を電源28に直結する構成においては、フィルタ10により高調波を抑制することで、信号系への誤動作を防止することが可能となる。
【0089】
次に、図9を参照してDC/DCコンバータ35の実施形態を説明する。
【0090】
図9(a)に示すDC/DCコンバータ35(35−1)は、直列接続した2つのスイッチング素子35Aの接続点にリアクトル35Bを接続し、力行と回生とを行うことができる構成である。
【0091】
図9(b)に示すDC/DCコンバータ35(35−2)は、直列接続したスイッチング素子35Aとダイオード35Cの接続点にリアクトル35Bを接続し、力行のみを行うことができる構成である。
【0092】
(第7の実施形態)
図10は、第7の実施形態の電力変換装置を示しており、先の図と同一部分には同一符号を付している。
【0093】
図10に示すように、本の実施形態は、図8に示す第6の実施形態の電力変換装置におけるDC/DCコンバータ35の電源側を、交流電源32、トランス33、コンバータ34、コンデンサ38に置き換えたものである。
【0094】
他の構成及び作用は、図8に示す第6の実施形態の電力変換装置と同様である。
【0095】
(第8の実施形態)
図11は、第8の実施形態の電力変換装置を示しており、先の図と同一部分には同一符号を付している。
【0096】
図11に示すように、直流電源28に、リアクトル39を介し、複数の負荷運転部40(40−1),(40−2),(40−3)を直列に接続している。負荷運転部40は、エネルギー蓄積部12を、コンデンサ6、インバータ7及び負荷8に接続している。また、エネルギー蓄積部12は、蓄積要素部であるコンデンサ40Aと、チョッパである変換部40Bとからなる。
【0097】
このように構成された本の実施形態の作用について説明する。すなわち、インバータ6を電源に直列に接続した構成は、高圧の直流電源に対し、低圧のインバータを接続適用できるメリットがある。しかしながら、各負荷のアンバランスによって、各コンデンサ電圧すなわち各インバータの直流入力電圧がアンバランスし易い。
【0098】
このコンデンサ電圧のバランス制御には、きめ木目細かな制御が不可欠で、高速な制御応答が必要である。インバータの性能・構成・条件に依っては、安定化が困難な場合がある。
【0099】
かかる問題点を解消するために、本の実施形態では、エネルギー蓄積部12を各コンデンサ6に備える場合、エネルギー蓄積部12に備わる変換部40Cにその役割を分担させることが可能であり、安定化が容易になる。
【0100】
エネルギー蓄積部12として、変換部40Cを備えず、大容量キャパシタなどを直結する場合には、そもそも急激な電圧アンバランスを抑制することができるため、インバータ制御で必要とされるアンバランス抑制制御は、応答の遅いもので代用でき、安定化が図れる。
【0101】
以上のように、本の実施形態では、各負荷のアンバランス制御が容易に実現できるため、低圧インバータを複数台直列接続した電力変換装置を実現することが可能となる。一般に、高耐圧素子は電流容量も大きいため、負荷容量が小さい場合に、高圧直流電源に接続すると、電流利用率が悪く、コストが増加する場合がある。低圧素子で素子利用率を高くした低圧インバータで構成する場合、コストメリットがでる。
【0102】
(第9の実施形態)
図12は、第9の実施形態の電力変換装置を示しており、図11と同一部分には同一符号を付している。
【0103】
図12に示すように、直流電源28に、リアクトル39を介し、複数の負荷運転部41(41−1),(41−2),(41−3)を直列に接続している。負荷運転部41は、エネルギー蓄積部としてコンデンサ41Aを有する。
【0104】
他の構成及び作用は、図11に示す第8の実施形態の電力変換装置と同様である。
【0105】
更に、エネルギー蓄積手段にスイッチング素子を有する変換器を備えないため、エネルギー損失が小さく、故障率が低下し信頼性が高いとともに、スイッチング素子の開閉により生じる高調波の問題も生じない。
【0106】
(第10の実施形態)
図13は、第10の実施形態の電力変換装置を示しており、先の図と同一部分には同一符号を付している。
【0107】
図13に示すように、直流電源28に、リアクトル39を介し、複数の負荷運転部42(42−1),(42−2),(42−3)を直列に接続している。
【0108】
負荷運転部42は、正側コンデンサ6Aと負側コンデンサ6Bを備えると共に各相毎に3電位を出力可能な3レベルインバータ42Cを設けて、該3レベルインバータ42Cにより負荷8を駆動する。また、正側コンデンサ6Aと負側コンデンサ6Bとにはエネルギー蓄積部42A,42Bとして、蓄積要素部であるコンデンサ42A1,42B1と、変換部42A2,42B2とを接続している。
【0109】
このように構成された本の実施形態によれば、次のように作用する。
【0110】
3レベルコンバータでは、元来、正側コンデンサと負側コンデンサ電圧がアンバランスすることが知られており、様々なアンバランス抑制制御が提案されている。しかしながら、出力電流が小さい場合なと、アンバランス抑制効果が得られないといった問題や、アンバランス抑制制御のために、インバータの電圧利用率が低下するといった問題がある。
【0111】
これに対し、本の実施形態のように、正負各コンデンサ6A,6Bにエネルギー蓄積部42A,42Bを備えることで、エネルギーの吸収という機能だけでなく、正負コンデンサ6A,6Bの電圧アンバランス制御を担わせることができる。この結果、3レベルインバータ42Cの制御の安定性が向上し、また、電圧利用率向上のため、小型・軽量・コストダウン・出力増大などの効果がある。
【0112】
この3レベルインバータ42Cを直列に接続する点は、先の例と同様の効果を奏するものである
(第11の実施形態)
図14は、第11の実施形態の電力変換装置を示しており、先の図と同一部分には同一符号を付している。
【0113】
図14に示すように、交流電源32にトランス33を介して3レベルコンバータ43を接続し、3レベルコンバータ43と3レベルインバータ46とのP、N及び中性点を接続すると共に各線間にエネルギー蓄積部44(44−1),(44−2)及びコンデンサ45(45−1),(45−2)を接続し、3レベルインバータ46により負荷8を駆動する。
【0114】
この3レベルコンバータ43、コンデンサ45(45−1),(45−2)及び3レベルインバータ46により負荷運転部を構成し、各線間にエネルギー蓄積部44(44−1),(44−2)を設けたことにより、負荷8が回生運転できる場合には、正側及び負側の回生エネルギーを効果的に吸収することができ、負荷8が力行運転だけができる場合には、電源断等が発生しても事前にエネルギー蓄積部44(44−1),(44−2)にエネルギー蓄積しておくことで、その蓄積エネルギーにより負荷又は補機等の継続運転を可能にすることができる。
【0115】
また、正側電圧と負側電圧とのアンバランスの抑制に関しては、先の例と同様の効果を奏するものである
(第12の実施形態)
図15は、第12の実施形態の電力変換装置を示しており、図14と同一部分には同一符号を付している。
【0116】
図15に示すように、交流電源32にトランス33を介して3レベルコンバータ43を接続し、3レベルコンバータ43と3レベルインバータ46とのP、N及び中性点を接続する。3レベルコンバータ43の線間にエネルギー蓄積部47(47−1),(47−2)及びコンデンサ48(48−1),(48−2)を接続し、3レベルインバータ46の線間にエネルギー蓄積部47(47−3),(47−4)及びコンデンサ48(48−3),(48−3)を接続し、3レベルインバータ46により負荷8を駆動する。
【0117】
このような構成は、図14の3レベルコンバータ43と3レベルインバータ46との中性点を接続しない構成と等価であり、この点を除き図14と同様の効果が得られる。
【0118】
図15では、3レベルコンバータ43と3レベルインバータ46との中性点を接続しないことにより、3レベルコンバータ43及び3レベルインバータ46の力行及び回生動作に対応して、3レベルコンバータ43側のエネルギー蓄積部47(47−1),(47−2)と、3レベルインバータ46側のエネルギー蓄積部47(47−3),(47−4)とを個別に動作させることができる利点がある。
【0119】
(第13の実施形態)
図16は、第13の実施形態の電力変換装置を示しており、先の図と同一部分には同一符号を付している。
【0120】
図16に示すように、直流電源28に、リアクトル39を介し、1又は複数の第1の負荷運転部49及び第2の負荷運転部50を直列に接続している。
【0121】
第1の負荷運転部49は、コンデンサ49A,49Bを線間に接続した3レベルインバータ49Cにより負荷8を駆動する。
【0122】
第2の負荷運転部50は、コンデンサ6を接続したインバータ(2レベルインバータ)7により別の負荷8′を駆動する。
【0123】
第1,第2の負荷運転部49,50夫々にその直流側を接続した第1のDC/AC変換器51を介してトランス52の1次側が接続されている。トランス52の2次側は、第2のDC/AC変換器53を介してエネルギー蓄積部54が接続されている。
【0124】
なお、DC/AC変換器51(又は53)は、図17に示すように、スイッチング素子51Aをブリッジ接続した構成のものを採用することができる。
【0125】
さらに、トランス52における52Aは1次巻線、52Bは1次巻線52Aに含まれるリアクトルに相当する成分又はハードウェアとして存在するリアクトル、52Cは2次巻線、52Bは2次巻線52Cに含まれるリアクトルに相当する成分又はハードウェアとして存在するリアクトルである。
【0126】
このような構成の本の実施形態では、3レベルインバータ49Cの正側コンデンサ49Aと負側コンデンサ49Bの電圧アンバランスと、(2レベル)インバータ7を直列接続する場合のコンデンサ電圧のアンバランスとを抑制するため、各々のコンデンサ端にDC/AC変換器51を備え、トランス52を介して、共通のエネルギー蓄積部54およびDC/AC変換器53と接続されるので、各電圧アンバランスを抑制することができる。また、エネルギー蓄積部54を共有しているので、装置の小型・軽量・低コスト化が可能となる。
【0127】
(第14の実施形態)
図18は、第14の実施形態の電力変換装置を示しており、先の図と同一部分には同一符号を付している。
【0128】
図18に示すように、直流電源28に、リアクトル39(39−1)を介し、第1の負荷運転部49を接続し、同じく直流電源28に、リアクトル39(39−2)を介し、第2の負荷運転部50を含む複数の負荷運転部49(50)を接続している。従って、直流電源28に、リアクトル39(39−1),(39−2)を介し、負荷運転部49,50を並列接続している。
【0129】
また、図16に示す第13の実施形態と同様に負荷運転部49,50の直流側には第1のDC/AC変換器51を介してトランス52の1次側が接続されている。トランス52の2次側は、第2のDC/AC変換器53を介してエネルギー蓄積部54が接続されている。
【0130】
このような構成の本の実施形態では、負荷運転部49,50の並列接続の構成を除き、図16に示す第13の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【0131】
また、トランス52を共有化しているので、全体として、エネルギー蓄積部54および第2のDC/AC変換器53の共有化が図られる。
【0132】
(第15の実施形態)
図19は、第15の実施形態の電力変換装置を示しており、先の図と同一部分には同一符号を付している。
【0133】
図19に示すように、交流電源32にトランス55の一次側の巻線55Aを接続し、その二次側の巻線55BC1及びリアクトル55B2に複数の負荷運転部56(56−1),(56−2)と、同じく二次側の巻線55C1及びリアクトル55C2にコンバータ57、コンデンサ58及びエネルギー蓄積部12を接続している。
【0134】
負荷運転部56は、コンバータ56A、コンデンサ56B、インバータ56Cを有し、このインバータ56Cの出力により、負荷8は駆動される。
【0135】
このような構成の本の実施形態で、電車を想定した場合、電車では、1つのトランスに1〜5つの負荷運転部(主電動機制御装置や補助電源装置が接続されるための巻線がある)が接続されている。
【0136】
本の実施形態のようにトランス55の新たな二次側の巻線55C1にエネルギー蓄積部12を備えることで、全ての負荷運転部56に対して、回生電力の吸収や、停電、離線(パンタグラフが架線から離れる)時の直流電源の安定化を図ることができる。
【0137】
(第16の実施形態)
図20は、第16の実施形態の電力変換装置を示しており、先の図と同一部分には同一符号を付している。
【0138】
図20に示すように、交流電源32にトランス59の一次側の巻線59Aを接続し、その二次側の巻線59B及びリアクトル59Cに、負荷運転部60と、コンバータ57、コンデンサ58及びエネルギー蓄積部12からなる回路とを、並列に接続している。
【0139】
負荷運転部56は、接触器60A、コンバータ60B、コンデンサ60C、インバータ60Dを有し、このインバータ60Dの出力により、負荷8は駆動される。
【0140】
このような構成の本の実施形態では次のように作用する。先ず、通常時は、負荷運転部60に対して、その回生電力の吸収や、停電、離線(パンタグラフが架線から離れる)時のエネルギー供給により、負荷運転部60の直流電圧の安定化を図ることができ、その出力を安定化することができる。
【0141】
負荷運転部60が故障や保護で停止する場合、接触器60Aを開放する場合がある。このとき、接触器60Aより電源32側に接続されるエネルギー蓄積部12は、負荷運転部60の故障・保護動作の影響を受けることなく、その機能を維持することができる。電源32を介し、他の同様な負荷運転部60からのパワー流入出を行い、架線電圧自体の安定化を図ることができる。
【0142】
以上の説明は、変換装置の主回路をなす負荷運転部とエネルギー蓄積部との接続関係を説明したが、以下ではエネルギー蓄積部の回路等の形態及びその制御形態について説明する。
【0143】
先ず、図21を参照してエネルギー蓄積部の回路構成等に関する実施形態を説明する。
【0144】
図21(a)は、一のエネルギー蓄積回路12´と、他のエネルギー蓄積回路21とを並列に接続したものであり、図21(b)は、一のエネルギー蓄積回路12´と、他のエネルギー蓄積回路21とを直列に接続したものである。
【0145】
エネルギー蓄積回路12´は、蓄積要素部と変換部とからなり、エネルギー蓄積回路21は蓄積要素部のみからなる。
【0146】
図21(a)のように、エネルギー蓄積回路を並列接続することで、冗長性が増加するため、信頼性が向上する。
【0147】
図21(a)の構成では、出力電圧がインバータ入力直流電圧になる場合が多く、その出力電圧範囲は限定され、エネルギー蓄積部21の容量の利用率は悪い。すなわち、それのみで構成する場合、装置体格が大きく、重量増となる。一方で、変換部を介さないため、機器信頼性が向上する。また、変換部を介さないため、効率も向上する。また、変換部を介した場合、その制御応答は有限であり、インバータ7からの急激なパワー変動の影響には応答できず、インバータ直流入力電圧が跳ね上がる、という問題が生じる場合があるが、図21(a)のように構成した場合には、制御応答の遅れがない分、そのような過電圧が起こりにくい。また、変換器を介した場合、エネルギー蓄積部の容量の利用率は高く、小型化・軽量化が図れる。したがって、双方を組み合わせることで、それぞれの効果を併せ得ることができる。なお、変換器を備えないエネルギー蓄積部21をインバータの近傍に、変換器を備えたエネルギー蓄積部12′をインバータから離れた位置に配置することで、エネルギー蓄積部の設置場所が問題となる場合、有効である。
【0148】
一方、図21(b)の構成では、それぞれのエネルギー蓄積部の電圧は、それぞれの変換器により制御可能である。例えば、エネルギー蓄積部として電気2重層コンデンサを利用した場合、電気2重層コンデンサの1セルあたりの電圧は、3V程度である。これを直列に接続して高圧化しているため、各セルごとの電圧アンバランスが生じ、容量利用率や寿命などが劣化する場合がある。本実施例に依れば、それぞれのエネルギー蓄積部の電圧を、それぞれの変換器により制御可能であるため、前記アンバランスの問題が抑制され、容量利用率や寿命の劣化を抑制することができる。
【0149】
一方、図21(b)の構成では変換部を介したエネルギー蓄積回路21は、その逆の特性を有することになる。
【0150】
よって、図21(a)(b)に示す並列接続と直列接続とを組み合わせることで、装置の要求に適した最適な特性を得ることができる。
【0151】
上記において、エネルギー蓄積部12の蓄積要素部は、鉛蓄電池、NaS電池(ナトリウムイオウ電池)等の2次電池又は大容量キャパシタとして電気2重層コンデンサを用いることができるが、図22に示すように、フライホイール61を用いたり、超伝導コイルと変換器からなる構成を採用することができる。
【0152】
次に、図23及び図24を参照してエネルギー蓄積部の制御形態について説明する。
【0153】
図23は、2次電池又は大容量キャパシタとして電気2重層コンデンサ等の蓄積要素部62Aに直列に接触器62Bを接続したエネルギー蓄積部62であり、蓄積要素部62Aの端子電圧を電圧検出回路63で検出し、またエネルギー蓄積部62の端子電圧を電圧検出回路64で検出する。両者の差異を絶対値演算器65で求めコンパレータ66を通すことにより、該差異が所定値以内である場合にリレー67により接触器62Bを閉とするものである。
【0154】
2次電池や大容量キャパシタなどのエネルギー蓄積部62を有した回路を閉とする場合、外部の接続点との間に電圧差があると、過大な電流が流れる。大容量であるため、それが長時間持続する可能性もある。このような過電流により、エネルギー蓄積部62のみならず、外部の機器の過電流を引き起こし、故障や保護といった問題が生じる。
【0155】
図23の形態では、接触器62Bが開である状態では、外部とエネルギー蓄積部62自身の電圧差が近傍となった場合に接触器62Bを閉じることで、過電流を抑制することが可能となる。
【0156】
図24(a)は、2次電池又は大容量キャパシタとして電気2重層コンデンサ等の蓄積要素部68Aに直列に、第1の接触器62B及び並列インピーダンスとして抵抗68Cと、第2の接触器68Dを接続したエネルギー蓄積部68であり、図24(b)に示すように、第2の接触器68Dを開から閉とする場合に、蓄積要素部68Aの端子電圧とエネルギー蓄積部68の端子間電圧との差異が小さくなった条件で第1の接触器68Bを閉とするものである。
【0157】
この制御形態によれば次のように作用する。すなわち、エネルギー蓄積部68を閉とする場合、先に述べたように突入電流が問題となる。
【0158】
ここでは、突入電流による過電流を防止するため、接続指令がでた直後は、突入電流防止用のインピーダンスである抵抗68Cを介して電流を流す。その後、所定時間経過をもって、抵抗68Cをパスさせるように、第1の接触器62Bを閉とすることで、所定時間インピーダンスである抵抗68Cを介して回路を閉とすることで、蓄積要素部68Aの電圧と、外部入力電圧との差は減少して、過電流を回避することができる。なお、所定時間でなく、図23のように、検出した電圧に応じて、第1の接触器62Bを閉とすることでも良い。
【0159】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、エネルギー損失を抑制し得る電力変換装置を提供できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係る電力変換装置の構成図。
【図2】本発明の第2の実施形態に係る電力変換装置の構成図。
【図3】本発明の第3の実施形態に係る電力変換装置の構成図。
【図4】本発明に係るエネルギー蓄積部の実施形態を示す回路図。
【図5】本発明に係るエネルギー消費手段の実施形態を示す回路図。
【図6】本発明の第4の実施形態に係る電力変換装置の構成図。
【図7】本発明の第5の実施形態に係る電力変換装置の構成図。
【図8】本発明の第6の実施形態に係る電力変換装置の構成図。
【図9】本発明に係るDC/DCコンバータの実施形態を示す回路図。
【図10】本発明の第7の実施形態に係る電力変換装置の構成図。
【図11】本発明の第8の実施形態に係る電力変換装置の構成図。
【図12】本発明の第9の実施形態に係る電力変換装置の構成図。
【図13】本発明の第10の実施形態に係る電力変換装置の構成図。
【図14】本発明の第11の実施形態に係る電力変換装置の構成図。
【図15】本発明の第12の実施形態に係る電力変換装置の構成図。
【図16】本発明の第13の実施形態に係る電力変換装置の構成図。
【図17】本発明に係るDC/AC変換器の実施形態を示す回路図。
【図18】本発明の第14の実施形態に係る電力変換装置の構成図。
【図19】本発明の第15の実施形態に係る電力変換装置の構成図。
【図20】本発明の第16の実施形態に係る電力変換装置の構成図。
【図21】本発明に係るエネルギー蓄積部の実施形態を示す回路図。
【図22】本発明に係る電力変換装置におけるエネルギー蓄積部の実施形態を示す回路図。
【図23】本発明に係る電力変換装置におけるエネルギー蓄積部の制御回路の一例を示す回路図。
【図24】本発明に係る電力変換装置におけるエネルギー蓄積部の制御回路の他例を示す回路図。
【図25】従来の電力変換装置の構成図。
【符号の説明】
1…直流架線
3,16,27,30…接触器
6,38,45,48,58…コンデンサ
7…インバータ
8…電動機(負荷)
10…フィルタ
10A,37,39…リアクトル
11…エネルギー消費部
12,36,47,54,62,68…エネルギー蓄積部
13…エネルギー蓄積回路
15,19,33,52,55,59…トランス
17…コンバータ
18,32…交流電源
20…LCLフィルタ
21…エネルギー蓄積要素
22,23,24…変換回路
25…スイッチング素子
26…抵抗
28…直流電源
29,40,41,42,49,50,56,60…負荷運転部
31…LCフィルタ
35…DC/DCコンバータ
43…3レベルコンバータ
46…3レベルインバータ
51…第1のDC/AC変換器
53…第2のDC/AC変換器
57…第2のコンバータ
61…フライホイール
Claims (2)
- 架線に接続されたインバータと、このインバータの出力を受ける電動機を含む負荷とを有する負荷運転手段を備える鉄道車両向けの電力変換装置において、
前記架線と前記インバータとの間に接続されたリアクトルと、
前記リアクトルと前記インバータとの間に接続され、離線又は停電時にエネルギーを補うエネルギー蓄積要素及び前記電動機による回生エネルギーを前記エネルギー蓄積要素にエネルギーを蓄積させるための電力に変換するスイッチング素子を含む変換部を有する複数の蓄積回路が直列接続されたエネルギー蓄積手段を具備したことを特徴とする電力変換装置。 - 架線に接続されたインバータと、このインバータの出力を受ける電動機を含む負荷とを有する負荷運転手段を備える鉄道車両向けの電力変換装置において、
前記架線と前記インバータとの間に接続された高調波を抑制するためのフィルタと、
前記フィルタと前記インバータとの間に並列に接続され、離線又は停電時にエネルギーを補うエネルギー蓄積要素及び前記電動機による回生エネルギーを前記エネルギー蓄積要素にエネルギーを蓄積させるための電力に変換するスイッチング素子を含む変換部を有する複数の蓄積回路が直列接続されたエネルギー蓄積手段を具備したことを特徴とする電力変換装置。
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