JP5810147B2

JP5810147B2 - 車両用電力変換装置

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Publication number: JP5810147B2
Application number: JP2013235374A
Authority: JP
Inventors: 大山　裕二; 裕二大山; 陽一伊藤; 弘米谷
Original assignee: 近畿車輌株式会社
Priority date: 2013-11-13
Filing date: 2013-11-13
Publication date: 2015-11-11
Anticipated expiration: 2033-11-13
Also published as: JP2015095995A

Description

本発明は、車両用電力変換装置に関する。

鉄道には、直流架線が架設されている直流電化区間、交流架線が架設されている交流電化区間、並びに、交流架線及び直流架線の何れも架設されていない非電化区間の３種類の区間がある。そして、鉄道車両には、それぞれの区間に対応して、直流電車、交流電車、電気式気動車等がある。これらの鉄道車両各々には、電源から供給される電力を車両駆動用の電力に変換する電力変換装置が設けられている。

直流電車の電力変換装置としては、直流架線から供給される直流電力を所定の電圧レベルの直流電力に変換し、この直流電力を交流電力に変換して電動機に供給する装置が知られている（例えば、特許文献１）。また、交流電車の電力変換装置としては、交流架線から供給される単相交流電力を直流電力に変換し、この直流電力を交流電力に変換して電動機に供給する装置が知られている（例えば、特許文献２）。また、電気式気動車の電力変換装置としては、車両自身が有する発電機により発電された三相交流電力を直流電力に変換し、この直流電力を交流電力に変換して電動機に供給する装置が知られている（例えば、特許文献３）。

特開２００６−３４０４４８号公報特開２００５−２２３９９２号公報特開２００４−３１２８６３号公報

ところで、鉄道車両の運用を効率的に行うために、直流電車を、交流電化区間や非電化区間においても走行できるようにすることが望まれている。しかしながら、このような直流電車を実現するために、直流電車の電力変換装置に、単相や三相の交流電源用の電力変換装置の回路構成を別個に追加すると、電力変換装置の大型化やコストの増大につながるという問題がある。

そこで、本発明の目的は、車両用電力変換装置の小型化及びコストの低減を実現することにある。

上記目的を達成するため、本発明の車両用電力変換装置は、直流電源から供給される直流電力を異なる電圧レベルの直流電力に変換して出力するＤＣ−ＤＣコンバータ回路、及び、交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換して出力するＡＣ−ＤＣコンバータ回路を有する電力変換回路と、前記電力変換回路から出力された直流電力を交流電力に変換して、車両を駆動する電動機に出力するインバータ回路と、前記電力変換回路、及び前記インバータ回路を制御する制御手段とを備え、前記電力変換回路は、直列接続された第１及び第２のスイッチング素子、及び、これらスイッチング素子に各々逆並列接続された第１及び第２の整流素子からなる、互いに並列接続された複数のスイッチング回路を有し、前記ＡＣ−ＤＣコンバータ回路と前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路とで前記複数のスイッチング回路を共用しており、前記制御手段は、前記電力変換回路に前記直流電源から直流電力が供給される場合には、当該直流電力を異なる電圧レベルの直流電力に変換して前記インバータ回路に出力するよう前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路を動作させ、前記電力変換回路に前記交流電源から交流電力が供給される場合には、当該交流電力を直流電力に変換して前記インバータ回路に出力するよう前記ＡＣ−ＤＣコンバータ回路を動作させ、且つ、前記電力変換回路は、前記複数のスイッチング回路それぞれの前記第１及び第２のスイッチング素子の接続端である第１端子と、前記第１及び第２のスイッチング素子それぞれにおける、前記第１端子とは反対側の第２端子とを有しており、前記第１端子は、前記交流電源と接続可能な端子であり、前記第２端子は、前記直流電源と接続可能な端子であり、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路は、前記インバータ回路と前記第１端子それぞれとの間に接続されるリアクトルを有しており、前記制御手段は、前記直流電源と前記第２端子とが接続され、当該直流電源から前記第２端子に直流電力が供給される場合には、前記第２端子に入力される直流電力を、前記複数のスイッチング回路及び前記リアクトルを用いて、異なる電圧レベルの直流電力に変換して前記インバータ回路に出力するよう前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路を動作させ、前記交流電源と前記第１端子が接続され、当該交流電源から前記第１端子に交流電力が供給される場合には、前記第１端子に供給される交流電力を、前記複数のスイッチング回路を用いて直流電力に変換して前記インバータ回路に出力するように前記ＡＣ−ＤＣコンバータ回路を動作させ、さらに、前記電力変換回路は、前記スイッチング回路を３つ備えており、前記第１端子は、単相交流電力を出力する単相用の交流電源、及び三相交流電力を出力する三相用の交流電源の何れに対しても接続可能にされており、前記制御手段は、前記三相用の交流電源と前記第１端子とが接続され、当該交流電源から前記第１端子に三相交流電力が供給される場合には、３つの前記スイッチング回路を用いて、当該三相交流電力を直流電力に変換して前記インバータ回路に出力させるよう前記ＡＣ−ＤＣコンバータ回路を動作させ、前記単相用の交流電源と前記第１端子とが接続され、当該交流電源から前記第１端子に単相交流電力が供給される場合には、２つの前記スイッチング回路を用いて、当該単相交流電力を直流電力に変換して前記インバータ回路に出力させるよう前記ＡＣ−ＤＣコンバータ回路を動作させることを特徴とする。

本発明によると、ＡＣ−ＤＣコンバータ回路とＤＣ−ＤＣコンバータ回路とで複数のスイッチング回路を共用しているため、その分だけ、車両用電力変換装置を小型化することができ、且つ、コストを低減することができる。

本発明の一実施形態に係る車両用電力変換装置を含む駆動システムにおける第１の動作モードでの回路構成を示す図である。図１の駆動システムにおける第２の動作モードでの回路構成を示す図である。図１の駆動システムにおける第３の動作モードでの回路構成を示す図である。図１の駆動システムにおける第４の動作モードでの回路構成を示す図である。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。先ず、図１を参照し、本発明の一実施形態に係る車両用電力変換装置（以下、単に電力変換装置）を含む駆動システムの全体構成について説明する。

本実施形態の駆動システム１は、直流電化区間、交流電化区間、及び、非電化区間の３種類の区間において、走行可能な鉄道車両に搭載される駆動システムである。駆動システム１は、図１に示すように、架線電力供給ユニット１０、発電ユニット２０、電力変換装置２５、及び鉄道車両を駆動するための電動機２６を備えている。

架線電力供給ユニット１０は、変電所と接続される架線５から電力を取り込み、取り込んだ電力を電力変換装置２５に出力するユニットであり、パンダグラフ１１、交直転換器１２、高速度遮断器１３、フィルタリアクトル１５、真空遮断器１６、及び主変圧器１７を備えている。

パンダグラフ１１は、架線５から電力を取り込む集電装置である。パンダグラフ１１は、鉄道車両が直流電化区間を走行する際には架線５から直流電力（例えば、１５００Ｖの直流電力）を取り込み、鉄道車両が交流電化区間を走行する際には架線５から単相交流電力（例えば、２００００Ｖの単相交流電力）を取り込む。

交直転換器１２は、パンダグラフ１１の接続先を、直流用端子１２ａと交流用端子１２ｂとの間で選択的に切り替え可能な切替スイッチである。直流用端子１２ａは、高速度遮断器１３、開閉スイッチ１４、及びフィルタリアクトル１５を介して、電力変換装置２５の第２端子４５の正極端子４５ａ（後述する）に接続されている。

交流用端子１２ｂは、真空遮断器１６を介して、主変圧器１７の１次側巻線の高圧側端子に接続されている。主変圧器１７の１次側巻線の低圧側端子は、アースに接続されている。この主変圧器１７は、架線５から取り込んだ単相交流電力の電圧を降圧して、２次側に出力する。主変圧器１７の２次側巻線の両端子は、開閉スイッチ１８を介して、電力変換装置２５における３つの第１端子４０ａ〜４０ｃ（後述する）のうちの２つに接続されている（図１の例では、主変圧器１７の２次側巻線の両端子は、第１端子４０ａ，４０ｂに接続されている）。

発電ユニット２０は、鉄道車両が非電化区間を走行する際に、三相交流電力を発電して、電力変換装置２５に供給するものであり、駆動力を発生するエンジン２１、及び、エンジン２１の出力により三相交流電力を出力する発電機２２を有している。発電機２２の各相の出力端子は、開閉スイッチ２３を介して、電力変換装置２５の３つの第１端子４０ａ〜４０ｃそれぞれに接続されている。

電力変換装置２５は、架線電力供給ユニット１０から供給される直流電力や単相交流電力、及び、発電ユニット２０から供給される三相交流電力を、所定の電圧レベルの直流電力（例えば、６００Ｖの直流電力）に変換し、その後、当該直流電力を三相交流電力に変換して電動機２６に供給するための装置である。電力変換装置２５は、図１に示すように、電力変換回路３０、蓄電装置５３、インバータ回路６０、及び、コントローラ７０を備えている。

電力変換回路３０は、交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換して出力するＡＣ−ＤＣコンバータ回路３１、及び直流電源から供給される直流電力を異なる電圧レベルの直流電力に変換して出力するＤＣ−ＤＣコンバータ回路３２を有する。

また、電力変換回路３０は、互いに並列に接続された３つのスイッチング回路３５、３つの第１端子４０ａ〜４０ｃ、及び３つの第２端子４５を有する。

３つのスイッチング回路３５それぞれは、直列接続された２つのスイッチング素子３６（第１及び第２のスイッチング素子）と、これらスイッチング素子３６に各々逆並列接続された２つの整流素子３７（第１及び第２の整流素子）とを有している。本実施形態においては、スイッチング素子３６は、自己消弧能力を有する半導体素子（例えばＩＧＢＴ素子）であり、整流素子３７はダイオードである。

３つの第１端子４０ａ〜４０ｃは、３つのスイッチング回路３５それぞれの２つのスイッチング素子３６の接続端子である。この３つの第１端子４０ａ〜４０ｃは、上述したように、三相交流電力を出力する発電ユニット２０に接続されている。また、この３つの第１端子４０ａ〜４０ｃのうちの２つの第１端子４０ａ，４０ｂは、単相交流電力を出力する架線電力供給ユニット１０に接続されている。このように、第１端子４０ａ〜４０ｃは、単相交流電力を出力する単相用の交流電源、及び三相交流電力を出力する三相用の交流電源の何れに対しても接続可能な端子である。

また、３つの第１端子４０ａ〜４０ｃは、リアクトル５１、及び開閉スイッチ５２を介してインバータ回路６０における端子６１（後述する）の正極側に接続されている。さらには、３つの第１端子４０ａ〜４０ｃは、接続線６６を介して、後述する切替スイッチ６７の異常時入力端子６７ｂに接続されている。

３つの第２端子４５は、スイッチング回路３５の２つのスイッチング素子３６それぞれにおける、第１端子４０ａ〜４０ｃとは反対側の端子であり、それぞれが、正極端子４５ａ及び負極端子４５ｂを有する。負極端子４５ｂはアースに接続されている。また、正極端子４５ａは、上述したように、直流電力を出力する架線電力供給ユニット１０に接続されている。このように、第２端子４５は、直流電源と接続可能な端子である。

第２端子４５の正極端子４５ａは、接続線５８を介してインバータ回路６０における端子６１の正極側に接続されている。この接続線５８には、開閉スイッチ５９が設けられている。また、第２端子４５の正極端子４５ａ及び負極端子４５ｂ間には、平滑化コンデンサ５６と開閉スイッチ５７とからなる直列回路が接続されている。

本実施形態においては、ＡＣ−ＤＣコンバータ回路３１は、３つのスイッチング回路３５で構成されている。ＡＣ−ＤＣコンバータ回路３１は、第１端子４０ａ〜４０ｃから入力される単相交流電力又は三相交流電力を、直流電力に変換して第２端子４５から出力する一方で、第２端子４５から入力される直流電力を単相交流電力又は三相交流電力に変換して第１端子４０ａ〜４０ｃから出力する。

また、本実施形態においては、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路３２は、３つのスイッチング回路３５と３つのリアクトル５１とで構成された電流可逆型の昇降圧チョッパ回路である。ＤＣ−ＤＣコンバータ回路３２は、第２端子４５から入力される直流電力を、所定の電圧レベルに降圧してインバータ回路６０に出力する一方で、インバータ回路６０から出力される直流電力を所定の電圧レベルに昇圧して第２端子４５から出力する。

以上のように、本実施形態では、ＡＣ−ＤＣコンバータ回路３１とＤＣ−ＤＣコンバータ回路３２とで、３つのスイッチング回路３５を共用している。このため、ＡＣ−ＤＣコンバータ回路３１とＤＣ−ＤＣコンバータ回路３２とで個別にスイッチング回路３５を設ける場合と比べて、電力変換装置を小型化することができ、且つ、コストを低減することができる。

インバータ回路６０は、電力変換回路３０と接続される端子６１と、切替スイッチ６７の通常時入力端子６７ａに接続される端子６２と、電力変換回路３０のスイッチング回路３５と略同様な３つのスイッチング回路６５を有している。そして、インバータ回路６０は、電力変換回路３０から端子６１に出力される直流電力を三相交流電力に変換して端子６２から出力する一方で、回生時に電動機２６から端子６２に出力される三相交流電力（回生電力）を直流電力に変換して端子６１から出力する回路である。

インバータ回路６０の端子６１間には、平滑化コンデンサ５５が接続されるとともに、高速度遮断器５４と蓄電装置５３の直列回路が接続されている。蓄電装置５３は直流電力を充放電可能な蓄電手段であり、インバータ回路６０から出力される回生電力の吸収やピーク電力の平準化を目的として設けられている。

切替スイッチ６７は、電動機２６の接続先を通常時入力端子６７ａと異常時入力端子６７ｂとの間で選択的に切り替え可能に構成されている。

上述の開閉スイッチ１４，１８，２３，５２，５７，５９、交直転換器１２、及び切替スイッチ６７は、電磁接触器やカム軸接触器のような機械式のものでも、半導体スイッチのような無接点式のものでもよい。

本実施形態においては、開閉スイッチ１４と、開閉スイッチ５９とで第１切替機構８１を構成している。第１切替機構８１は、開閉スイッチ１４を閉じるとともに開閉スイッチ５９を開く第１状態と、開閉スイッチ１４を開くとともに開閉スイッチ５９を閉じる第２状態とを選択的に切り替え可能に構成されている。第１状態では、図１に示すように、第２端子４５と直流用端子１２ａとが高速度遮断器１３及びフィルタリアクトル１５を介して接続される（第２端子４５と直流電源と接続される）とともに、第２端子４５とインバータ回路６０との接続線５８を介した接続が遮断される。第２状態では、図２及び図３に示すように、第２端子４５に直流電源が接続されずに、第２端子４５とインバータ回路６０とが接続線５８を介して接続される。

また、本実施形態においては、開閉スイッチ１８と、開閉スイッチ２３と、開閉スイッチ５２とで第２切替機構８２を構成している。第２切替機構８２は、開閉スイッチ１８及び開閉スイッチ２３のうち何れか一方のみ閉じるとともに開閉スイッチ５２を開く第３状態と、開閉スイッチ１８及び開閉スイッチ２３の両方を開くとともに開閉スイッチ５２を閉じる第４状態と、開閉スイッチ１８、開閉スイッチ２３、及び開閉スイッチ５２全てを開く第７状態との間で選択的に切り替え可能に構成されている。第３状態では、図２及び図３に示すように、第１端子４０ａ〜４０ｃと、発電ユニット２０、及び架線電力供給ユニット１０の主変圧器１７の何れか一方が接続される（交流電源に接続される）とともに、第１端子４０ａ〜４０ｃとインバータ回路６０とのリアクトル５１を介した接続が遮断される。第４状態では、図１に示すように、第１端子４０ａ〜４０ｃに交流電源が接続されずに、第１端子４０ａ〜４０ｃとインバータ回路６０とがリアクトル５１を介して接続される。第７状態では、図４に示すように、第１端子４０ａ〜４０ｃに交流電源が接続されず、且つ、第１端子４０ａ〜４０ｃとインバータ回路６０とのリアクトル５１を介した接続が遮断される。

また、本実施形態においては、切替スイッチ６７によって、第３切替機構８３を構成している。第３切替機構８３は、電動機２６と異常時入力端子６７ｂとを接続する第５状態と、電動機２６と通常時入力端子６７ａとを接続する第６状態とを選択的に切り替え可能に構成されている。第５状態では、図４に示すように電動機２６とインバータ回路６０との接続が遮断されるとともに、第１端子４０ａ〜４０ｃと電動機２６とが接続線６６を介して接続される。第６状態では、図１〜３に示すように、電動機２６とインバータ回路６０とが接続されるとともに、第１端子４０ａ〜４０ｃと電動機２６との接続線６６を介した接続が遮断される。

コントローラ７０は、駆動システム１全体の動作を司るものであり、演算処理装置であるＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等を含む。ＲＯＭには、ＣＰＵが実行するプログラム等が記憶されている。ＲＡＭには、プログラム実行時に必要なデータが一時的に記憶される。

コントローラ７０は、インバータ回路６０が正常時であって、車両の３種類の走行区間に応じた３つの動作モード、及びインバータ回路６０が故障時の１つの動作モードの合計４つの動作モードを有している。コントローラ７０は、各動作モードに応じて、開閉スイッチ１４，１８，２３，５２，５７，５９、交直転換器１２、切替スイッチ６７、３つのスイッチング回路３５、３つのスイッチング回路６５、及び蓄電装置５３等を制御する。

なお、コントローラ７０は、上記の４つの動作モードに加えて、直流電化区間と交流電化区間との接続区間（部分的な架線レス区間）等において、蓄電装置５３に蓄電された電力で電動機２６を駆動することも可能にされている。即ち、コントローラ７０が、インバータ回路６０を制御することで、蓄電装置５３から放電される直流電力を三相交流電力に変換して電動機２６に供給することも可能にされている。

（第１の動作モード）
次に、図１を参照して、直流電化区間に対応する第１の動作モードについて説明する。第１の動作モードでは、コントローラ７０は、図１に示すように、第１切替機構８１を第１状態に、第２切替機構８２を第４状態に、第３切替機構８３を第６状態にする。また、コントローラ７０は、パンダグラフ１１の接続先が直流用端子１２ａとなるよう交直転換器１２を制御すると共に、開閉スイッチ５７を閉じる。以上の制御により、第２端子４５が高速度遮断器１３及びフィルタリアクトル１５を介してパンダグラフ１１に接続され（直流電源に接続され）、第１端子４０ａ〜４０ｃがリアクトル５１を介してインバータ回路６０に接続され、インバータ回路６０が電動機２６に接続される。

以下、力行時（コントローラ７０に対して、図示しない運転台から力行指令が入力されたとき）における駆動システム１の動作について説明する。架線電力供給ユニット１０により、架線５から直流電力が取り込まれ、電力変換装置２５の第２端子４５に供給される。そして、コントローラ７０は、３つのスイッチング回路３５及びリアクトル５１を用いて、第２端子４５に入力される直流電力を降圧して、インバータ回路６０に出力するようＤＣ−ＤＣコンバータ回路３２を動作させる。詳細には、コントローラ７０は、３つのスイッチング回路３５それぞれの正極側のスイッチング素子３６のみを適宜スイッチングさせることで、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路３２を降圧チョッパ回路として動作させる。

ＤＣ−ＤＣコンバータ回路３２から出力された直流電力は、平滑化コンデンサ５５により平滑化される。そして、コントローラ７０は、インバータ回路６０の３つのスイッチング回路６５を制御することで、平滑化コンデンサ５５により平滑化された直流電力を三相交流電力に変換して電動機２６に供給して駆動する。

次に、回生時（コントローラ７０に対して、図示しない運転台からブレーキ指令が入力されたとき）における駆動システム１の動作について説明する。まず、コントローラ７０は、インバータ回路６０の３つのスイッチング回路６５を制御することで、回生時に発電機として動作する電動機２６から出力される三相交流電力（回生電力）を直流電力に変換する。そして、コントローラ７０は、３つのスイッチング回路３５及びリアクトル５１を用いて、インバータ回路６０から出力される直流電力を昇圧して、第２端子４５に出力するようＤＣ−ＤＣコンバータ回路３２を動作させる。詳細には、コントローラ７０は、３つのスイッチング回路３５それぞれの負極側のスイッチング素子３６のみを適宜スイッチングさせることで、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路３２を昇圧チョッパ回路として動作させる。また、このとき、インバータ回路６０から出力される直流電力の一部は、蓄電装置５３にも供給されて充電される。

ＤＣ−ＤＣコンバータ回路３２から出力された直流電力は、平滑化コンデンサ５６により平滑化される。そして、平滑化コンデンサ５６により平滑化された直流電力は、架線電力供給ユニット１０を介して架線５に供給されて回生される。変形例として、インバータ回路６０から出力される直流電力を、架線５及び蓄電装置５３のうち何れか一方のみに供給されるように構成されていてもよい。

（第２の動作モード）
次に、図２を参照して、交流電化区間に対応する第２の動作モードについて説明する。第２の動作モードでは、コントローラ７０は、図２に示すように、第１切替機構８１を第２状態に、第２切替機構８２を第３状態に、第３切替機構８３を第６状態にする。このときの第２切替機構８２の第３状態においては、開閉スイッチ１８を閉じると共に、開閉スイッチ２３を開く。また、コントローラ７０は、パンダグラフ１１の接続先が交流用端子１２ｂとなるよう交直転換器１２を制御するとともに、開閉スイッチ５７を開く。以上の制御により、第１端子４０ａ，４０ｂが主変圧器１７、及び真空遮断器１６を介してパンダグラフ１１に接続され（単相用の交流電源に接続され）、第２端子４５がインバータ回路６０に接続され、インバータ回路６０が電動機２６に接続される。

以下、力行時における駆動システム１の動作について説明する。架線電力供給ユニット１０により、架線５から単相交流電力が取り込まれ、電力変換装置２５の３つの第１端子４０ａ〜４０ｃのうちの２つの第１端子４０ａ，４０ｂに供給される。そして、コントローラ７０は、３つのスイッチング回路３５を用いて、第１端子４０ａ，４０ｂに入力される単相交流電力を直流電力に変換して第２端子４５に出力されるようＡＣ−ＤＣコンバータ回路３１を動作させる。詳細には、コントローラ７０は、３つのスイッチング回路３５のうち、第１端子４０ａ，４０ｂに接続された２つのスイッチング回路３５のスイッチング素子３６のみを適宜スイッチングさせ、第１端子４０ｃに接続されたスイッチング回路３５のスイッチング素子３６はスイッチングさせない。

第２端子４５から出力された直流電力は、接続線５８を介して平滑化コンデンサ５５に供給されて平滑化される。そして、コントローラ７０は、インバータ回路６０の３つのスイッチング回路６５を制御することで、平滑化コンデンサ５５により平滑化された直流電力を三相交流電力に変換して電動機２６に供給して駆動する。

次に、回生時における駆動システム１の動作について説明する。まず、コントローラ７０は、インバータ回路６０の３つのスイッチング回路６５を制御することで、回生時に発電機として動作する電動機２６から出力される三相交流電力を直流電力に変換する。そして、コントローラ７０は、３つのスイッチング回路３５を用いて、インバータ回路６０から出力される直流電力を単相交流電力に変換して、第１端子４０ａ，４０ｂに出力するようＡＣ−ＤＣコンバータ回路３１を動作させる。詳細には、コントローラ７０は、３つのスイッチング回路３５のうち、第１端子４０ａ，４０ｂに接続された２つのスイッチング回路３５のスイッチング素子３６のみを適宜スイッチングさせる。また、このとき、インバータ回路６０から出力される直流電力の一部は、蓄電装置５３にも供給されて充電される。

第１端子４０ａ，４０ｂに出力された単相交流電力は、架線電力供給ユニット１０を介して架線５に供給されて回生される。変形例として、インバータ回路６０から出力される直流電力を、架線５及び蓄電装置５３のうち何れか一方のみに供給されるように構成されていてもよい。

（第３の動作モード）
次に、図３を参照して、非電化区間に対応する第３の動作モードについて説明する。第３の動作モードでは、コントローラ７０は、図３に示すように、第１切替機構８１を第２状態に、第２切替機構８２を第３状態に、第３切替機構８３を第６状態にする。このときの第２切替機構８２の第３状態においては、開閉スイッチ１８を開くと共に、開閉スイッチ２３を閉じる。また、コントローラ７０は、開閉スイッチ５７を開く。なお、図３では、パンダグラフ１１の接続先は交流用端子１２ｂとされているが、直流用端子１２ａであってもよい。以上の制御により、第１端子４０ａ〜４０ｃが発電ユニット２０に接続され（三相用の交流電源に接続され）、第２端子４５がインバータ回路６０に接続され、インバータ回路６０が電動機２６に接続される。

以下、力行時における駆動システム１の動作について説明する。発電ユニット２０により発電された三相交流電力は、第１端子４０ａ〜４０ｃに供給される。そして、コントローラ７０は、３つのスイッチング回路３５を用いて、第１端子４０ａ〜４０ｃに入力される三相交流電力を直流電力に変換して第２端子４５に出力されるようＡＣ−ＤＣコンバータ回路３１を動作させる。詳細には、コントローラ７０は、３つのスイッチング回路３５のスイッチング素子３６を適宜スイッチングさせる。

次に、回生時における駆動システム１の動作について説明する。なお、第３の動作モードでは、電動機２６からの回生電力は蓄電装置５３のみに供給される。詳細には、コントローラ７０は、インバータ回路６０の３つのスイッチング回路６５を制御することで、回生時に電動機２６から出力される三相交流電力を直流電力に変換して、蓄電装置５３に供給する。

（第４の動作モード）
次に、図４を参照して、インバータ回路６０の故障時における第４の動作モードについて説明する。ここで、インバータ回路６０が故障により使用不可となると、電力変換装置２５により出力された直流電力をインバータ回路６０により三相交流電力に変換することができず、電動機２６を駆動することができない。その結果として、鉄道車両の運行が継続できないという問題が生じる。

そこで、本実施形態においては、インバータ回路６０の故障時に対応する第４の動作モードにおいては、電力変換回路３０のＡＣ−ＤＣコンバータ回路３１をインバータ回路として動作させ、蓄電装置５３から放電される直流電力を三相交流電力に変換して電動機２６に供給する。

詳細には、第４の動作モードでは、コントローラ７０は、図４に示すように、第１切替機構８１を第２状態に、第２切替機構８２を第７状態に、第３切替機構８３を第５状態にする。また、コントローラ７０は、開閉スイッチ５７を開く。以上の制御により、第１端子４０ａ〜４０ｃが電動機２６に接続され、第２端子４５が蓄電装置５３に接続される。

以下、力行時における駆動システム１の動作について説明する。蓄電装置５３から放電された直流電力は、接続線５８を介して第２端子４５に供給される。そして、コントローラ７０は、３つのスイッチング回路３５を用いて、第２端子４５に入力される直流電力を三相交流電力に変換して第１端子４０ａ〜４０ｃに出力されるようＡＣ−ＤＣコンバータ回路３１を動作させる。詳細には、コントローラ７０は、３つのスイッチング回路３５のスイッチング素子３６を適宜スイッチングさせることで、ＡＣ−ＤＣコンバータ回路３１をインバータ回路として動作させる。

第１端子４０ａ〜４０ｃに出力された三相交流電力は、接続線６６を介して電動機２６に供給される。以上のように、インバータ回路６０の故障時においても、電動機２６を駆動させることができるので、鉄道車両の運行を継続することができる。

次に、回生時における駆動システム１の動作について説明する。なお、第４の動作モードでは、電動機２６からの回生電力は蓄電装置５３のみに供給される。詳細には、コントローラ７０は、ＡＣ−ＤＣコンバータ回路３１の３つのスイッチング回路６５を制御することで、回生時に電動機２６から出力される三相交流電力を直流電力に変換して、蓄電装置５３に供給する。

以上、本実施形態によると、ＡＣ−ＤＣコンバータ回路３１とＤＣ−ＤＣコンバータ回路３２とで３つのスイッチング回路を共用しているため、その分だけ、電力変換装置２５を小型化することができ、且つ、コストを低減することができる。

また、ＡＣ−ＤＣコンバータ回路３１では、三相交流電力及び単相交流電力を直流電力に変換することができるため、三相交流電力を直流電力に変換するコンバータ回路と、単相交流電力を直流電力に変換するコンバータ回路とを個別に設け、それぞれのコンバータ回路にスイッチング回路を設けた場合と比べて、電力変換装置２５を小型化することができ、且つ、コストを低減することができる。

加えて、電動機２６の回生電力が、架線５又は蓄電装置５３に供給されるため、電動機２６の回生エネルギーを有効利用することができる。

また、第１〜第４の動作モードそれぞれにおける駆動システム１の回路構成は、コントローラ７０の制御の下、自動で切り替えることができるため、駆動システム１の回路の切り替えを人間が手作業で行う場合と比べて、人間の負担を軽減することができる。

また、インバータ回路６０の故障時においても、蓄電装置５３から放電される直流電力を、電力変換回路３０を用いて三相交流電力に変換して電動機２６に供給することで、電動機２６を駆動させることができる。その結果、鉄道車両の運行を継続することができる。

以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な設計変更が可能なものである。例えば、電力変換装置２５は、蓄電装置５３を有していなくてもよい。

また、上述の実施形態では、駆動システム１は、直流電化区間、交流電化区間、及び、非電化区間の３種類の区間において走行可能な鉄道車両に搭載される駆動システムであったが、直流電化区間と、交流電化区間及び非電化区間の何れか一方の区間のみにおいて走行可能な鉄道車両に搭載される駆動システムであってもよい。例えば、直流電化区間と交流電化区間において走行可能な鉄道車両に搭載される駆動システムにおいては、非電化区間において用いる発電ユニット２０を備える必要がない。このため、電力変換回路３０のＡＣ−ＤＣコンバータ回路３１では、三相交流電力と直流電力との間の変換が行われないため、電力変換回路３０はスイッチング回路３５を３つ有している必要はなく、２つ有していればよい。また、直流電化区間と非電化区間において走行可能な鉄道車両に搭載される駆動システムにおいては、交流電化区間に用いる真空遮断器１６及び主変圧器１７、並びに交直転換器１２を備える必要がない。

また、上述の実施形態では、第１〜第４の動作モードそれぞれにおける駆動システム１の回路構成は、コントローラ７０の制御の下、自動で切り替えることができるように構成されていたが、駆動システム１の回路の切り替えを人間が手作業で行うように構成されていてもよい。

２５電力変換装置（車両用電力変換装置）
３０電力変換回路
３１ＡＣ−ＤＣコンバータ回路
３２ＤＣ−ＤＣコンバータ回路
３５スイッチング回路
３６スイッチング素子
３７整流素子
７０コントローラ（制御手段）

Claims

直流電源から供給される直流電力を異なる電圧レベルの直流電力に変換して出力するＤＣ−ＤＣコンバータ回路、及び、交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換して出力するＡＣ−ＤＣコンバータ回路を有する電力変換回路と、
前記電力変換回路から出力された直流電力を交流電力に変換して、車両を駆動する電動機に出力するインバータ回路と、
前記電力変換回路、及び前記インバータ回路を制御する制御手段と
を備え、
前記電力変換回路は、
直列接続された第１及び第２のスイッチング素子、及び、これらスイッチング素子に各々逆並列接続された第１及び第２の整流素子からなる、互いに並列接続された複数のスイッチング回路を有し、前記ＡＣ−ＤＣコンバータ回路と前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路とで前記複数のスイッチング回路を共用しており、
前記制御手段は、
前記電力変換回路に前記直流電源から直流電力が供給される場合には、当該直流電力を異なる電圧レベルの直流電力に変換して前記インバータ回路に出力するよう前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路を動作させ、
前記電力変換回路に前記交流電源から交流電力が供給される場合には、当該交流電力を直流電力に変換して前記インバータ回路に出力するよう前記ＡＣ−ＤＣコンバータ回路を動作させ、且つ、
前記電力変換回路は、
前記複数のスイッチング回路それぞれの前記第１及び第２のスイッチング素子の接続端である第１端子と、
前記第１及び第２のスイッチング素子それぞれにおける、前記第１端子とは反対側の第２端子とを有しており、
前記第１端子は、前記交流電源と接続可能な端子であり、
前記第２端子は、前記直流電源と接続可能な端子であり、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路は、
前記インバータ回路と前記第１端子それぞれとの間に接続されるリアクトルを有しており、
前記制御手段は、
前記直流電源と前記第２端子とが接続され、当該直流電源から前記第２端子に直流電力が供給される場合には、前記第２端子に入力される直流電力を、前記複数のスイッチング回路及び前記リアクトルを用いて、異なる電圧レベルの直流電力に変換して前記インバータ回路に出力するよう前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路を動作させ、
前記交流電源と前記第１端子が接続され、当該交流電源から前記第１端子に交流電力が供給される場合には、前記第１端子に供給される交流電力を、前記複数のスイッチング回路を用いて直流電力に変換して前記インバータ回路に出力するように前記ＡＣ−ＤＣコンバータ回路を動作させ、
さらに、前記電力変換回路は、
前記スイッチング回路を３つ備えており、
前記第１端子は、単相交流電力を出力する単相用の交流電源、及び三相交流電力を出力する三相用の交流電源の何れに対しても接続可能にされており、
前記制御手段は、
前記三相用の交流電源と前記第１端子とが接続され、当該交流電源から前記第１端子に三相交流電力が供給される場合には、３つの前記スイッチング回路を用いて、当該三相交流電力を直流電力に変換して前記インバータ回路に出力させるよう前記ＡＣ−ＤＣコンバータ回路を動作させ、
前記単相用の交流電源と前記第１端子とが接続され、当該交流電源から前記第１端子に単相交流電力が供給される場合には、２つの前記スイッチング回路を用いて、当該単相交流電力を直流電力に変換して前記インバータ回路に出力させるよう前記ＡＣ−ＤＣコンバータ回路を動作させることを特徴とする、車両用電力変換装置。
前記第２端子と前記直流電源とが接続されると共に、前記第２端子と前記インバータ回路との接続が遮断される第１状態と、前記第２端子と前記直流電源とが接続されずに、前記第２端子と前記インバータ回路とが接続される第２状態とを選択的に切り替え可能な第１切替手段と、
前記第１端子と前記交流電源とが接続されると共に、前記第１端子と前記インバータ回路との前記リアクトルを介した接続が遮断される第３状態と、前記第１端子と前記交流電源とが接続されずに、前記第１端子と前記インバータ回路とが前記リアクトルを介して接続される第４状態とを選択的に切り替え可能な第２切替手段と
を更に備え、
前記制御手段は、
前記電力変換回路に前記直流電源から直流電力を供給させる場合には、前記第１切替手段が前記第１状態に、前記第２切替手段が前記第４状態となるように制御し、
前記電力変換回路に前記交流電源から交流電力を供給させる場合には、前記第１切替手段が前記第２状態に、前記第２切替手段が前記第３状態となるように制御することを特徴とする請求項１に記載の車両用電力変換装置。
直流電源から供給される直流電力を異なる電圧レベルの直流電力に変換して出力するＤＣ−ＤＣコンバータ回路、及び、交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換して出力するＡＣ−ＤＣコンバータ回路を有する電力変換回路と、
前記電力変換回路から出力された直流電力を交流電力に変換して、車両を駆動する電動機に出力するインバータ回路と、
前記電力変換回路、及び前記インバータ回路を制御する制御手段と
を備え、
前記電力変換回路は、
直列接続された第１及び第２のスイッチング素子、及び、これらスイッチング素子に各々逆並列接続された第１及び第２の整流素子からなる、互いに並列接続された複数のスイッチング回路を有し、前記ＡＣ−ＤＣコンバータ回路と前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路とで前記複数のスイッチング回路を共用しており、
前記制御手段は、
前記電力変換回路に前記直流電源から直流電力が供給される場合には、当該直流電力を異なる電圧レベルの直流電力に変換して前記インバータ回路に出力するよう前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路を動作させ、
前記電力変換回路に前記交流電源から交流電力が供給される場合には、当該交流電力を直流電力に変換して前記インバータ回路に出力するよう前記ＡＣ−ＤＣコンバータ回路を動作させ、且つ、
前記電力変換回路は、
前記複数のスイッチング回路それぞれの前記第１及び第２のスイッチング素子の接続端である第１端子と、
前記第１及び第２のスイッチング素子それぞれにおける、前記第１端子とは反対側の第２端子とを有しており、
前記第１端子は、前記交流電源と接続可能な端子であり、
前記第２端子は、前記直流電源と接続可能な端子であり、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路は、
前記インバータ回路と前記第１端子それぞれとの間に接続されるリアクトルを有しており、
前記制御手段は、
前記直流電源と前記第２端子とが接続され、当該直流電源から前記第２端子に直流電力が供給される場合には、前記第２端子に入力される直流電力を、前記複数のスイッチング回路及び前記リアクトルを用いて、異なる電圧レベルの直流電力に変換して前記インバータ回路に出力するよう前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路を動作させ、
前記交流電源と前記第１端子が接続され、当該交流電源から前記第１端子に交流電力が供給される場合には、前記第１端子に供給される交流電力を、前記複数のスイッチング回路を用いて直流電力に変換して前記インバータ回路に出力するように前記ＡＣ−ＤＣコンバータ回路を動作させるものであり、且つ、
前記第２端子と前記直流電源とが接続されると共に、前記第２端子と前記インバータ回路との接続が遮断される第１状態と、前記第２端子と前記直流電源とが接続されずに、前記第２端子と前記インバータ回路とが接続される第２状態とを選択的に切り替え可能な第１切替手段と、
前記第１端子と前記交流電源とが接続されると共に、前記第１端子と前記インバータ回路との前記リアクトルを介した接続が遮断される第３状態と、前記第１端子と前記交流電源とが接続されずに、前記第１端子と前記インバータ回路とが前記リアクトルを介して接続される第４状態と、前記第１端子と前記交流電源とが接続されず、且つ、前記第１端子と前記インバータ回路との前記リアクトルを介した接続が遮断される第７状態との間で選択的に切り替え可能な第２切替手段と、
前記電力変換回路と前記インバータ回路との間に接続され、直流電力を充放電可能な蓄電手段と、
前記第１端子と前記電動機とが接続される第５状態と、前記第１端子と前記電動機との接続が遮断される第６状態とを選択的に切り替え可能な第３切替手段と
を更に備え、
前記制御手段は、
前記電力変換回路に前記直流電源から直流電力を供給させる場合には、前記第１切替手段が前記第１状態に、前記第２切替手段が前記第４状態となるように制御し、
前記電力変換回路に前記交流電源から交流電力を供給させる場合には、前記第１切替手段が前記第２状態に、前記第２切替手段が前記第３状態となるように制御し、且つ、
前記インバータ回路が正常時には、前記第３切替手段を前記第６状態にし、
前記インバータ回路の故障時には、前記第３切替手段を前記第５状態にさせると共に、前記第１切替手段を前記第２状態、前記第２切替手段を前記第７状態にさせ、且つ、前記蓄電手段が放電する直流電力を交流電力に変換して前記電動機に出力するよう前記複数のスイッチング回路を制御することを特徴とする車両用電力変換装置。
前記制御手段は、
前記電動機の回生電力が前記インバータ回路に供給される場合には、
前記回生電力を直流電力に変換させるように前記インバータ回路を動作させ、且つ、
前記直流電源と前記第２端子とが接続されているときには、前記インバータ回路で変換された直流電力を、前記複数のスイッチング回路、及び前記リアクトルを用いて、異なる電圧レベルの直流電力に変換して前記直流電源に回生するよう前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路を動作させ、
前記交流電源と前記第１端子とが接続されているときには、前記インバータ回路で変換された直流電力を、前記複数のスイッチング回路を用いて、交流電力に変換して前記交流電源に回生するよう前記ＡＣ−ＤＣコンバータ回路を動作させることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の車両用電力変換装置。