JP5972785B2 - 電気車制御装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、電気車制御装置に関する。

従来から、電気鉄道車両は、架線からパンタグラフを通して供給される電力を使用して駆動されるのが一般的である。ところで、海外の鉄道事業では、車庫内の構内線や、メンテナンスを行うピット線に架線が張られていないことも多い。この場合、車両を架線の張られていないピット線に移動する際、架線電力を必要としないディーゼル動力の機関車が、ピット線に電気車を押し込んでいる。この場合、ピット線に電気車を押し込む必要が生じるたびにディーゼル動力の機関車が必要となり、作業効率が悪いという問題点があった。

そこで、電気車に通常備えられている、制御電源用のバッテリを使用して低速で駆動用主電動機を駆動する手法が提案されている。しかしながら、制御電源用バッテリの電圧は、駆動用のＶＶＶＦインバータの直流側に通常加圧される主回路電圧と比べて低いため、所望の速度、すなわちモータ回転数を得るための電圧が不足する。

このような場合、制御電源用バッテリの電圧を、ＶＶＶＦインバータに必要な電圧まで昇圧させるための構成として、昇圧チョッパ回路を備える技術が提案されている。

特開２０１０−２５２５２４号公報

しかしながら、従来技術の昇圧チョッパ回路は、リアクトルや接触器、電力変換のため半導体素子等の部品が必要であり、その昇圧チョッパ回路を備える電力変換装置は大型化するという問題が生じていた。

本発明が解決しようとする課題は、バッテリを昇圧する機能を有しながら小型化を可能とする電気車制御装置を提供することである。

実施形態の電気車制御装置は、架線から電力を供給される電気車制御装置において、変圧器と、コンバータと、バッテリと、昇圧チョッパ回路と、を備える。変圧器は、架線から供給される交流電圧を変圧する。コンバータは、架線から電力が供給され、ダイオードとスイッチング素子を有し、出力側にインバータを介して電動機が接続され、変圧器が変圧した交流電圧を直流電圧に変換する。バッテリは、コンバータとリアクトルを介して接続される。昇圧チョッパ回路は、リアクトルと、コンバータが有するダイオードと、コンバータが有するスイッチング素子と、コンデンサと、により構成され、バッテリから電動機に供給する電力を昇圧する。コンバータは、変圧器の２次巻線側に接続される。昇圧チョッパ回路は、変圧器の２次巻線をリアクトルとして用いる。
実施形態の電気車制御装置は、架線から電力を供給される電気車制御装置において、ブレーキ抵抗と、ブレーキチョッパと、バッテリと、昇圧チョッパ回路と、を備える。ブレーキ抵抗は、電気車制御装置が制御する車両が回生ブレーキを動作させる時に、当該回生ブレーキで生じたエネルギーを吸収する。ブレーキチョッパは、架線から電力が供給され、架線と電動機とを結ぶ経路上に存在し、ダイオードとスイッチング素子を有し、出力側にインバータを介して電動機が接続され、当該インバータからブレーキ抵抗に流れる電力を制御する。バッテリは、ブレーキチョッパと接続される。昇圧チョッパ回路は、リアクトルと、ブレーキチョッパが有するダイオードと、ブレーキチョッパが有するスイッチング素子と、コンデンサと、により構成され、バッテリから電動機に供給する電力を昇圧する。

図１は、第１の実施形態にかかる電気車の電気車制御装置の主回路構成を示した図である。 図２は、第１の実施形態にかかる電気車制御装置が有しているＡＣ／ＤＣコンバータに含まれている構成の一部を適用した昇圧チョッパ回路を示した図である。 図３は、第１の実施形態にかかる電気車制御装置における、昇圧チョッパ回路を制御する主回路構成を示した図である。 図４は、電圧指令値と三角波との関係に従って生成されるスイッチング信号Ｑ_Ｙの例を示した図である。 図５は、スイッチング信号Ｑ_Ｙのオン／オフ周期に従って増減する放電電流ＩＢＡＴＴの例を示した図である。 図６は、第１の実施形態にかかる電気車制御装置のＶＶＶＦインバータを制御する構成を示した図である。 図７は、第２の実施形態にかかる電気車制御装置の主回路構成を示した図である。 図８は、第２の実施形態にかかる電気車制御装置が有しているＡＣ／ＤＣコンバータに含まれている構成の一部を適用した昇圧チョッパ回路を示した図である。 図９は、第３の実施形態にかかる電気車制御装置の主回路構成を示した図である。 図１０は、ＶＶＶＦインバータから供給される電力で駆動する駆動用主電動機の例を示した図である。 図１１は、同一トルクを出力するために必要なＤ軸電流及びＱ軸電流、並びに損失の関係を示した図である。 図１２は、第４の実施形態にかかる電気車の電気車制御装置の主回路構成を示した図である。 図１３は、第４の実施形態にかかる電気車制御装置が有しているブレーキチョッパに含まれている構成の一部を適用した昇圧チョッパ回路を示した図である。 図１４は、第５の実施形態にかかる電気車の電気車制御装置の主回路構成を示した図である。 図１５は、第５の実施形態にかかる電気車制御装置が有しているブレーキチョッパに含まれている構成の一部を適用した昇圧チョッパ回路を示した図である。 図１６は、第６の実施形態にかかる電気車の電気車制御装置の主回路構成を示した図である。 図１７は、第６の実施形態にかかる電気車制御装置が有しているブレーキチョッパに含まれている構成の一部を適用した昇圧チョッパ回路を示した図である。 図１８は、第７の実施形態にかかる電気車の電気車制御装置の主回路構成を示した図である。 図１９は、第７の実施形態にかかる電気車制御装置が有しているブレーキチョッパに含まれている構成の一部を適用した昇圧チョッパ回路を示した図である。 図２０は、第８の実施形態にかかる電気車の電気車制御装置の主回路構成を示した図である。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態にかかる電気車の電気車制御装置１００の主回路構成を示した図である。図１に示すように電気車制御装置１００は、図示しない交流架線にパンタグラフ（集電装置）１が接続され、電力が供給される。そして、電気車制御装置１００は、パンタグラフ１と、交流高速度遮断器２と、トランス３とが架線側に接続される。そして、トランス３のマイナス側が車輪４を通して接地される。トランス３は、交流架線からパンタグラフ１を介して供給される交流電圧を変圧し、変圧した交流電圧を、ＡＣ／ＤＣコンバータ２０側に供給する。

図１に示すように、本実施形態にかかる電気車制御装置１００は、トランス３の二次側に、充電抵抗投入用接触器５、充電抵抗短絡用接触器６、充電抵抗７、ＡＣ／ＤＣコンバータ２０と、を備えている。また、電気車制御装置１００は、ＡＣ／ＤＣコンバータ２０の直流側に、フィルタコンデンサ１２と、ＶＶＶＦインバータ１３と、を備えている。さらに、電気車制御装置１００は、ＶＶＶＦインバータ１３の交流側に、駆動用主電動機（ＭＭ）１４を備えている。さらに、電気車制御装置１００は、制御電源用バッテリ１５と、逆流防止用ダイオード１６と、リアクトル１７と、プラス側開放接触器１８と、マイナス側開放接触器１９と、を備えている。

制御電源用バッテリ１５（以下、バッテリ１５とも称す）は、電気車制御装置１００等で制御を行う各種系統に対して電力を供給するバッテリとする。本実施形態にかかる制御電源用バッテリ１５は、さらに、電気車が架線のない場所を移動する際に、ＶＶＶＦインバータ１３に電力を供給するために用いられる。制御電源用バッテリ１５は、架線、第三軌条等の電力供給源があるときに、図示しない充電器から充電されているため、通常は満充電となる。

本実施形態にかかるＡＣ／ＤＣコンバータ２０は、Ｕ相とＶ相の２相を有している。Ｕ相は、Ｕ相上側素子８と、Ｕ相下側素子９を含んでいる。Ｖ相は、Ｖ相上側素子１０と、Ｖ相下側素子１１を含んでいる。Ｕ相上側素子８、Ｕ相下側素子９、Ｖ相上側素子１０、Ｖ相下側素子１１はそれぞれダイオード（１０ａ、１１ａ）とＩＧＢＴ等のスイッチング素子（１０ｂ、１１ｂ）が逆並列に接続している構成される。本実施形態では、バッテリ１５の昇圧機能を有する昇圧チョッパ回路として、Ｖ相に含まれている構成を使用する例について説明するが、Ｕ相に含まれている構成を使用しても良い。

本実施形態にかかる電気車制御装置１００は、電気車が架線のある場所を走行する場合、交流高速度遮断器２、充電抵抗投入用接触器５、及び充電抵抗短絡用接触器６が接続され、プラス側開放接触器１８、及びマイナス側開放接触器１９が開放される。これにより、トランス３から供給される電力は、充電抵抗７を介して、ＡＣ／ＤＣコンバータ２０に供給される。そして、ＡＣ／ＤＣコンバータ２０は、供給された電力の交流電圧を直流電圧に変換する。そして、ＡＣ／ＤＣコンバータ２０から、並列に配置されたフィルタコンデンサ１２及びＶＶＶＦインバータ１３に電力が供給される。ＶＶＶＦインバータ１３は、ＡＣ／ＤＣコンバータ２０から出力された直流電圧を可変電圧可変周波数の交流電圧に変換し、当該交流電圧を、電気車を駆動させる駆動用主電動機１４に供給する。これにより、電気車は、架線のある場所を走行することができる。しかしながら、海外の鉄道事業では、車庫内の構内線や、メンテナンスを行うピット線に架線が張られていないことも多い。このような状況でも電気車を走行させるためには、バッテリ１５によるバッテリ駆動を必要とする。

本実施形態にかかる電気車制御装置１００は、ＡＣ／ＤＣコンバータ２０とバッテリ１５と接続し、昇圧チョッパ回路の昇圧に必要な半導体素子とＡＣ／ＤＣコンバータ２０の半導体素子を共有して使用することで、コンバータと昇圧チョッパ回路が一体化された構成となっている。以下、その内容について説明する。

図２は、電気車制御装置１００が有しているＡＣ／ＤＣコンバータ２０に含まれている構成の一部を適用した昇圧チョッパ回路を示した図である。図２に示す例では、太線で示された経路上の構成により昇圧チョッパ回路２０１が実現されている。すなわち昇圧チョッパ回路２０１は、バッテリ１５と、逆流防止用ダイオード１６と、リアクトル１７と、Ｖ相下側素子１１に含まれているスイッチング素子（例えばＩＧＢＴ等）１１ｂと、Ｖ相上側素子１０に含まれているダイオード１０ａと、フィルタコンデンサ１２と、で構成されている。図２に示すように、スイッチング素子１１ｂと、Ｖ相上側素子１０に含まれているダイオード１０ａと、をＡＣ／ＤＣコンバータ２０と共有している。

昇圧チョッパ回路２０１に用いられるリアクトル１７は、バッテリ放電電流と、スイッチング周波数と、により決定される。例えば、バッテリ１５による走行は３ｋｍ／ｈ程度に制限し、駆動力も最大駆動力の１／５程度に制限すると、消費電力は３０ｋｗ程度となる。そして、バッテリ１５の電圧を１１０Ｖとすると、バッテリ放電電流は２７０Ａ、スイッチング周波数を５００Ｈｚとして、許容する電流の脈動を±５０Ａ、すなわちピーク間で１００Ａとすると、１ｍＨ程度あれば良い。このため、本実施形態では、インダクタンス値１ｍＨ、定格電流２７０Ａのリアクトル１７を選定すればよい。従って追加部品としては電気車制御装置１００全体の大きさに影響するような大きな部品とはならない。

逆流防止用ダイオード１６は、電流の逆流によるバッテリ１５への充電を抑止するために設けられている。

本実施形態にかかる電気車が架線のない場所を移動する場合、操縦者が、バッテリ走行に切り替える操作を行うことで、パンタグラフ１が下がり、制御電源用バッテリ１５からＶＶＶＦインバータ１３に電力が供給されるように、回路が接続される。

本実施形態にかかる電気車が架線のない場所をバッテリ１５の電力で走行する際、ＡＣ／ＤＣコンバータ２０の交流側を主回路的に切り離す。すなわち、電気車制御装置１００は、交流高速度遮断器２、充電抵抗投入用接触器５及び充電抵抗短絡用接触器６を開放させ、プラス側開放接触器１８、及びマイナス側開放接触器１９を接続する。そして、昇圧チョッパ回路２０１は、スイッチング素子１１ｂの通流率に従って昇圧が行われる。

これにより、本実施形態にかかる電気車制御装置１００は、例えば、バッテリ１５の電圧が１１０Ｖであっても、昇圧チョッパ回路２０１が電圧を２００Ｖ〜３００Ｖに昇圧した上で、フィルタコンデンサ１２を充電できる。昇圧された電圧でＶＶＶＦインバータ１３に電力が供給されるため、駆動用主電動機１４を駆動させることができる。これにより、電気車制御装置１００は、当該電気車制御装置１００が搭載された電気車を、架線がない場所で移動させることができる。

図３は、電気車制御装置１００における、昇圧チョッパ回路２０１を制御する主回路構成を示した図である。図３に示す主回路構成は、スイッチ制御部３０１を備え、バッテリ１５からの通電で動作する。なお、図３に示す構成は、昇圧チョッパ回路２０１を制御する制御系の例として示したものであり、他の制御系を用いても良い。

図３に示すスイッチ制御部３０１は、Ｖ相下側素子１１に含まれているスイッチング素子１１ｂをオン／オフすることで、バッテリ１５からの放電電流ＩＢＡＴＴが流れる。すなわち、スイッチ制御部３０１が、Ｖ相下側素子１１に含まれているスイッチング素子１１ｂをオンにすると、リアクトル１７を介してバッテリ１５が短絡されるため、電流が増加する。その後、スイッチ制御部３０１が、スイッチング素子１１ｂがオフになると、リアクトル１７に蓄えられたエネルギーにより、電流が、Ｖ相上側素子１０のダイオード１０ａ側を通して、フィルタコンデンサ１２に流れ込む。このとき、放電電流ＩＢＡＴＴは、徐々に減少する。再び、スイッチ制御部３０１が、Ｖ相下側素子１１に含まれているスイッチング素子１１ｂをオンすると、放電電流ＩＢＡＴＴが増加に転じる。

本実施形態にかかる電気車制御装置１００では、この動作を繰り返し、バッテリ１５からの電流はフィルタコンデンサ１２へ充電される。このように、スイッチ制御部３０１が、Ｖ相下側素子１１のスイッチング素子１１ｂのオン／オフ周期、換言すれば通流率を適切に変化させることで、フィルタコンデンサ１２の電圧を、バッテリ１５の電圧より高くできる。

次にスイッチ制御部３０１の構成について、図３を用いて説明する。本実施形態では、駆動用主電動機１４を駆動するために必要なフィルタコンデンサ電圧が、指令値（フィルタコンデンサ電圧指令値とも称する）として予め定められている。例えば、フィルタコンデンサ１２にかかる電圧を３００Ｖにしたい場合、フィルタコンデンサ電圧指令値として３００Ｖが設定されている。

そして、減算器３１１は、フィルタコンデンサ電圧指令値から、フィルタコンデンサ１２から計測された電圧を減算した差分電圧値を、比例積分制御器（ＰＩ）３１２に入力する。そして、比例積分制御器３１２は、入力された差分電圧値から、バッテリ１５から流れる放電電流を決める指令値（バッテリ放電電流指令値）を演算する。

そして、減算器３１３が、バッテリ放電電流指令値から、実際のバッテリ１５の放電電流値を減算した差分電流値を、比例積分制御器（ＰＩ）３１４に入力する。なお、放電電流値は、素子２１０から検出できる。比例積分制御器３１４は、入力された差分電流値から、昇圧チョッパ回路２０１のスイッチング素子１１ｂの通流率（スイッチング素子１１ｂをオンにしている時間比率）を演算する。

そして、ＰＷＭ信号発生器３１５は、通流率と三角波とを比較する等の手法で、所定のスイッチング周波数となるように、スイッチング素子１１ｂのスイッチング信号Ｑ_Ｙを生成する。

図４は、電圧指令値と三角波との関係に従って生成されるスイッチング信号Ｑ_Ｙの例を示した図である。図４に示すように、ＰＷＭ信号発生器３１５は、通流率と三角波とを比較し、通流率が三角波より大きい時刻ではスイッチング信号Ｑ_Ｙをオンとして出力し、電圧指令値が三角波以下の時刻ではスイッチング信号Ｑ_Ｙをオフとして出力する。これにより、スイッチング素子１１ｂは、スイッチング信号Ｑ_Ｙに従って、オン／オフ周期が制御される。

図５は、スイッチング信号Ｑ_Ｙのオン／オフ周期に従って増減する放電電流ＩＢＡＴＴの例を示した図である。図５に示すように、スイッチング信号Ｑ_Ｙがオンの時間帯で、放電電流ＩＢＡＴＴが徐々に増加し、スイッチング信号Ｑ_Ｙがオフの時間帯で、放電電流ＩＢＡＴＴが徐々に減少する。

また、本実施形態にかかる電気車制御装置１００は、バッテリ１５の電圧に従ってＶＶＶＦインバータ１３を制御する構成を備えている。図６は、電気車制御装置１００のＶＶＶＦインバータ１３を制御する構成を示した図である。図６に示すように、電気車制御装置１００は、バッテリＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ：バッテリの充電状態）検出機構６０１と、バッテリＳＯＣ判定部６０２と、を備えている。

図６に示すように、バッテリＳＯＣ検出機構６０１が、バッテリ１５のＳＯＣ（バッテリの充電状態）を検出し、検出結果をバッテリＳＯＣ判定部６０２に出力する。そして、バッテリＳＯＣ判定部６０２は、検出結果に基づいて、ＶＶＶＦインバータ１３へ起動指令を出す機能を有する。このように本実施形態では、バッテリＳＯＣ判定部６０２が、バッテリ１５のＳＯＣが予め定められた値以上と判定した場合に、ＶＶＶＦインバータ１３へ起動指令を出し、駆動用主電動機１４を駆動させる。

当該手法により、フィルタコンデンサ１２の電圧を、バッテリ１５の電圧より高くすることが可能となる。これにより、ＶＶＶＦインバータ１３は、駆動用主電動機１４を駆動するのに十分な電圧を駆動用主電動機１４へ加圧することが可能となる。

また、バッテリＳＯＣ判定部６０２が、バッテリ１５のＳＯＣが予め定められた値より小さいと判定した場合に、バッテリ１５からの電力の供給が抑止されるため、過放電を抑止できる。これによりバッテリ１５が劣化するのを抑止できる。

ところで、図２に示す例では、Ｖ相上側素子１０のダイオード１０ａとＶ相下側素子１１のスイッチング素子１１ｂとにチョッパ動作をさせて電圧を昇圧する構成で示した。しかしながら、本実施形態のようにチョッパ動作させないで、スイッチング素子１１ｂを制御するスイッチング信号をオフ状態のまま保持しておくと、Ｖ相上側素子１０のダイオード１０ａにバッテリ１５からの放電電流が流れる。これにより、フィルタコンデンサ１２にバッテリ１５と同じ電圧が加圧される。このバッテリ１５の電圧でも十分な駆動力が得られる場合、昇圧を行わずにＶＶＶＦインバータ１３から、駆動用主電動機１４を駆動させてもよい。このような場合でも、リアクトル１７がバッテリ１５からの放電電流の平滑回路として機能する。これにより、バッテリ１５からの放電電流のリップル（振動成分）を低減し、バッテリ１５の発熱を抑えバッテリ１５の寿命を縮めてしまうことを防止できる。

本実施形態にかかる電気車制御装置１００では、制御電源用のバッテリ１５による駆動を行うためにＡＣ／ＤＣコンバータ２０の一相、図１に示す例ではＶ相に対して、リアクトル１７と逆流防止用ダイオード１６とを通して、制御電源用バッテリ１５が、プラス側開放接触器１８とマイナス側開放接触器１９を通して接続されている例について説明した。このように、本実施形態では、Ｖ相に制御電源用バッテリ１５からの主回路線が接続された場合を示したが、Ｕ相へ接続する構成でもよい。なお、本実施形態にかかる電気車制御装置１００では本実施形態では交流電圧を直流電圧に変換するコンバータを備えている例について説明したが、入力側から供給される直流電圧を直流電圧に変換するコンバータを備えている例であっても良い。

本実施形態にかかる電気車制御装置１００では、交流架線用の主回路に構成されている、ＡＣ／ＤＣコンバータ２０の構成の一部を、昇圧チョッパ回路として用いて電圧を昇圧することで、バッテリ１５の電圧より高い電圧でＶＶＶＦインバータ１３を加圧することが可能となった。これにより、ＶＶＶＦインバータ１３は、駆動させるために十分な電圧で駆動用主電動機１４を加圧することが可能となった。

つまり、本実施形態の電気車制御装置では、昇圧チョッパ回路用の半導体素子を設けることなく昇圧機能を確保したため、電気車制御装置全体の小型化を図ることが可能となる。

換言すると本実施形態の電気車制御装置は、コンバータの構成の一部を用いて昇圧チョッパ回路を実現しているため、バッテリで駆動用主電動機を駆動させる際、駆動用主電動機に供給される電圧が昇圧されているにも拘わらず昇圧チョッパ回路を備えていないことになる。

（第２の実施形態）
ＡＣ／ＤＣコンバータの構成の一部を、昇圧チョッパ回路として用いる例は、第１の実施形態に制限するものではなく、他の態様を適用しても良い。そこで、第２の実施形態では、主回路構成が別形態の場合について説明する。

図７は、第２の実施形態にかかる電気車制御装置７００の主回路構成を示した図である。なお、第２の実施形態では、上述した第１の実施の形態と同一の構成要素には同一の符号を付してその説明を省略する。

図７に示す電気車制御装置７００は、第１の実施形態の電気車制御装置１００と比べて、リアクトル１７を削除し、当該リアクトル１７の代わりにトランス３の２次巻線７０１を用いた例とする。

図８は、電気車制御装置７００が有しているＡＣ／ＤＣコンバータ２０に含まれている構成の一部を適用した昇圧チョッパ回路を示した図である。図８に示す例では、太線で示された経路上の構成により昇圧チョッパ回路８０１が実現されている。すなわち昇圧チョッパ回路８０１は、バッテリ１５と、逆流防止用ダイオード１６と、トランス３の２次巻線７０１と、Ｖ相下側素子１１に含まれているスイッチング素子（例えばトランジスタ）１１ｂと、Ｖ相上側素子１０に含まれているダイオード１０ａと、フィルタコンデンサ１２と、で構成されている。

図８に示すように、昇圧チョッパ回路８０１は、スイッチング素子１１ｂと、Ｖ相上側素子１０に含まれているダイオード１０ａと、をＡＣ／ＤＣコンバータ２０と共有している他、トランス３の２次巻線７０１をリアクトルとして利用している。

一般的にトランスの２次巻線のインダクタンスは１ｍＨから２ｍＨ程度である。このため、トランス３の２次巻線７０１は、昇圧チョッパ回路用のリアクトルとしては十分なインダクタンスとして利用できる。

このように、本実施形態にかかる電気車制御装置７００は、第１の実施形態と同様にＡＣ／ＤＣコンバータ２０に含まれている素子の一部を共有するほかに、トランス３の２次巻線７０１をリアクトルとして使用して、バッテリ１５の電圧を昇圧して、ＶＶＶＦインバータ１３へ加圧し、駆動用主電動機１４を駆動させる。なお、駆動させる場合の制御等は、第１の実施形態と同様として説明を省略する。

このように、本実施形態にかかる電気車制御装置７００は、新たなリアクトルを設けることを抑止することで、さらなる部品点数の削減を可能とする。これにより、コストアップを抑止することができる。

さらに、本実施形態にかかる電気車制御装置７００は、トランス３の２次巻線７０１をリアクトルとして利用することで、第１の実施形態と同様に放電電流の平滑化を実現できる。

上述した第１〜第２実施形態にかかる電気車制御装置では、交流架線の電気車において交流架線電圧を直流電圧に変換するＡＣ／ＤＣコンバータの構成の一部を、昇圧チョッパ回路として使用した。

これにより、第１〜第２実施形態にかかる電気車制御装置は、従来、制御電源用のバッテリで車両を駆動しようとした場合、バッテリ電圧が低いため、バッテリ電圧を直接、駆動用のＶＶＶＦインバータの直流へ接続すると、駆動用主電動機を駆動するための電圧としては不足するため、十分な速度と駆動力を得ることができないという問題を解消することが可能となった。

さらに、従来、バッテリの電圧を用いてＶＶＶＦインバータへ加圧する際に、ＶＶＶＦインバータがスイッチングすることで、バッテリからの放電電流にリップル（振動成分）をもち、バッテリが発熱し、バッテリの寿命を縮めてしまう問題点があった。これに対し、第１〜第２実施形態にかかる電気車制御装置は、バッテリ１５の出力にリアクトル１７又はトランス３の２次巻線７０１を接続して放電電流を平滑化することで、バッテリ１５の発熱を防止できる。

このような構成の電気車制御装置は、第１の実施形態の効果に加えて、昇圧チョッパ回路を構成する半導体素子やリアクトルを、主回路に備わっているコンバータ及び主変圧器と併用することにより、昇圧機能を有する電気車制御装置に必要な部品点数を削減でき、そのため小型化を実現することが可能となる。また、部品点数が削減されたことによりコストを削減できる。さらに、昇圧チョッパ回路を設置するスペースを確保する必要がないため、その他の部品配置に柔軟性を持たせることが可能となる。

（第３の実施形態）
図９は、第３の実施形態にかかる電気車制御装置７００の主回路構成を示した図である。なお、第３の実施形態では、上述した第１の実施の形態と同一の構成要素には同一の符号を付してその説明を省略する。

第３の実施形態にかかる電気車制御装置７００は、ＡＣ／ＤＣコンバータ（単相ＰＷＭコンバータ）２０のＵ相とＶ相との間に、低圧のバッテリ１５を、リアクトル１７を介して接続している。

ＡＣ／ＤＣコンバータ（単相ＰＷＭコンバータ）２０の直流側には、フィルタコンデンサ（平滑コンデンサ）１２、ＶＶＶＦインバータ１３と、主電動機である駆動用主電動機１４が接続されている。

そして、本実施形態にかかる電気車制御装置７００は、駆動用主電動機１４に対して、駆動用主電動機１４の回転数を検出する回転検出器９０１が取り付けられている。そして、本実施形態は、回転検出器９０１により検出された駆動用主電動機１４の回転に従って制御部９００が制御を行う例とする。

本実施形態にかかる制御部９００は、ＰＷＭ制御器９１１と、昇圧制御器９１２と、ＰＷＭ制御器９１３と、ダンピング制御器９１４と、加算器９１５と、電流制御・ベクトル制御器９１６と、指令演算器９１７と、を備えている。

そして、制御部９００の指令演算器９１７は、運転室から指令をもとに演算されたトルク指令と、駆動用主電動機１４の回転数とが入力される。指令演算器９１７は、トルク指令と回転数とに基づいて、Ｄ軸電流指令、Ｑ軸電流指令、及び昇圧電圧指令を算出し、出力する。次に、Ｄ軸電流及びＱ軸電流について説明する。

図１０は、ＶＶＶＦインバータ１３から供給される電力で駆動する駆動用主電動機１４の例を示した図である。図１０に示すように、駆動用主電動機１４は、Ｖ相１００３、Ｕ相１００４、及びＷ相１００５の３相で構成されている。駆動用主電動機１４は、各相の界磁コイルに通電することで発生する回転磁界で、軸１００２を回転させる。

そして、本実施形態では、３相（ＵＶＷ）を、直交２相のαβ軸静止座標系へ変換した後、さらにＤＱ軸回転座標系に変換して、駆動用主電動機１４の制御を行う例とする。なお、これら座標系の変換手法は、周知の技術として説明を省略する。

そして、ＤＱ軸回転座標系において、Ｄ軸を駆動用主電動機１４の２次磁束方向に設定すると、Ｄ軸が励磁成分となり、Ｑ軸がトルク成分となる。すなわち、Ｄ軸電流が励磁電流成分となり、Ｑ軸電流がトルク電流成分となる。そして、指令演算器９１７は、ＤＱ軸回転座標系に基づいて、Ｄ軸電流指令、及びＱ軸電流指令を出力する。

図９に戻り、ダンピング制御器９１４は、電圧検出器９１８で検出されたフィルタコンデンサ（平滑コンデンサ）１２の電圧を擬似微分し、ゲインを乗じてＱ軸電流指令への補償量を算出する。そして、加算器９１５が、指令演算器９１７から出力されたＱ軸電流指令値に、ダンピング制御器９１４から出力されたＱ軸電流指令への補償量を加算し、補償後のＱ軸電流指令を出力する。

電流制御・ベクトル制御器９１６は、補償後のＱ軸電流指令と、Ｄ軸電流指令と、が入力される。そして、電流制御・ベクトル制御器９１６は、三相電圧指令を、ＰＷＭ制御器９１１に出力する。そして、ＰＷＭ制御器９１１が、入力される三相電圧指令に基づいて、ＶＶＶＦインバータ１３に内蔵されるスイッチング素子を制御する。

また、指令演算器９１７は、昇圧電圧指令を昇圧制御器９１２に出力する。昇圧制御器９１２は、平滑コンデンサ１２の電圧が、昇圧電圧指令と一致するように、ＰＩ制御などにより、ＡＣ／ＤＣコンバータ（単相ＰＷＭコンバータ）２０の通流率指令を、ＰＷＭ制御器９１３に出力する。本実施形態にかかる電気車制御装置でも、ＡＣ／ＤＣコンバータ２０の構成の一部を用いて、昇圧チョッパ回路を実現する。

ＰＷＭ制御器９１３は、入力された通流率指令に応じて、Ｕ相に含まれる素子をスイッチングさせる一方、Ｖ相に含まれる下素子を常時オンにする。

なお、昇圧電圧指令＝平滑コンデンサ電圧となる場合もある。この場合、昇圧率指令は１００％であり、通流率指令は１００％となる。そして、ＰＷＭ制御器９１３は、Ｕ相に含まれる上素子を常時オン、Ｖ相の含まれる下素子を常時オンとする。

なお、本実施形態では、昇圧電圧指令を用いた例について説明したが、昇圧電圧指令の代わりに、昇圧率指令を用いても良い。この昇圧率指令を用いて、昇圧率を制御した場合でも、昇圧電圧指令と同様の作用効果を得ることができる。

なお、昇圧率とは、ＡＣ／ＤＣコンバータ（単相ＰＷＭコンバータ）２０のバッテリ１５側の直流電圧に対する、ＡＣ／ＤＣコンバータ２０のＶＶＶＦインバータ１３側の直流電圧の比率を表したものである。例えば、昇圧率が１００％の場合、通流率１００％（Ｕ相に含まれる上素子が常時オン）となり、昇圧率＝２００％の場合、通流率５０％（Ｕ相の上素子及び下素子が５０％のＤＵＴＹでスイッチング）となる。

ダンピング制御器９１４は、上述したように、電圧検出器９１８で検出された平滑コンデンサ１２の電圧を擬似微分し、ゲインを乗じてＱ軸電流指令への補償量を算出している。そして、直流電圧が上昇したときに、Ｑ軸電流が増加する、すなわち、トルクを増加させて、平滑コンデンサ１２から流れる電流を増加させることは、平滑コンデンサ１２に並列に抵抗を備えたことと同等な作用効果となる。平滑コンデンサ１２に抵抗が並列に接続されている作用により、エネルギーが消費されることで、共振を抑制できる。

ＡＣ／ＤＣコンバータ（単相ＰＷＭコンバータ）２０の制御、すなわち、昇圧制御器９１２の中においては、前述のように、昇圧率指令＝１００％の場合、制御部９００が、Ｕ相に含まれる上素子を常時オン、Ｖ相に含まれる下素子を常時オンとして制御する。その際、ダンピング制御器９１４が、平滑コンデンサ１２に並列に接続した抵抗と同様の作用を有することによって、平滑コンデンサ１２とリアクトル１７間で発生する共振を抑制するように作用する。なお、昇圧率指令＝１００％とすることは、ＡＣ／ＤＣコンバータ（単相ＰＷＭコンバータ）２０のスイッチングを停止するとともに、ＶＶＶＦインバータ１３への印加電圧を小さくする。これにより、ＡＣ／ＤＣコンバータ（単相ＰＷＭコンバータ）２０およびＶＶＶＦインバータ１３のスイッチング損失を低減し、バッテリ１５の電流を低減できる。

指令演算器９１７は、モータ損失や電力変換損失から成る総損失を低減するように、トルク指令・回転数に基づいたＤ軸電流指令・Ｑ軸電流指令・昇圧電圧指令を決定している。そのため、本実施形態にかかる電気車制御装置は、低圧のバッテリ１５の発熱低減により寿命劣化を抑制できる。また、高効率性が向上しているため、限られたバッテリ容量の中で長い距離を走行させることが可能となる。

図１１は、回転数、及びＶＶＶＦインバータ１３へ入力される直流電圧が予め定められている場合に、同一トルクを出力するために必要なＤ軸電流及びＱ軸電流、並びにモータの運転に伴い発生する発熱損失であるモータの銅損の関係を示した図である。極低速で回転する場合、電力変換効率に比べ、モータ効率が低く、モータの損失の中でも銅損が支配的である。図１１に示すように、モータ銅損を最小にするためには、Ｄ軸電流を１３０Ａ程度に設定すればよい。このとき、変調率は９０％程度であり、出力することが可能である。

このとき、ＶＶＶＦインバータ１３へ入力される直流電圧が図１１において定められた直流電圧よりさらに低下する場合、変調率は直流電圧に逆比例して増加するため、変調率が１００％を超えることが想定される。変調率が１００％を超えると、制御を行うことはできない。直流電圧が下がり変調率が１００％を超えるような場合は、図１１の矢印で示されるように、指令演算器９１７ではＤ軸電流を減少させるようなＤ軸電流指令を出力する。該Ｄ軸電流指令によりＤ軸電流が減少すると、変調率は低下する。そのため、直流電圧が下がり変調率が１００％を超えていた場合でも、変調率を１００％より低い数値に移行させることが可能である。つまり、直流電圧の変化に伴い、変調率が１００％を超えることを抑止できる。

前述では直流電圧が低下した場合について説明した。次に、図１１においてよりＱ軸電流指令が大きい場合について説明する。図１１に示すように、高いトルクを出力するためＱ軸電流指令が大きく、損失が小さい条件では変調率が１００％を超えてしまう。このとき、指令演算器９１７はＤ軸電流を減少させるＤ軸電流指令を出力する。これにより、高いトルクの出力を可能としながら、変調率を１００％以内に抑止できる。

このように、指令演算器９１７は、Ｄ軸電流指令によって、損失を最小化する点で、必要なトルクを出力し、変調率が１００％を超えないように制御を行う。

本実施形態にかかる制御部９００は、上述したように、各回転におけるトルク指令に対して、変調率が１００％を超えない範囲で、低損失な走行ができるように各種の指令を行うこととした。例えば、変調率は、昇圧チョッパ回路（本実施形態では単相ＰＷＭコンバータ２０）の昇圧制御により理論上は任意に変えることができるが、実際には、昇圧率を増加することで、いずれの部位の電圧や電流が増加し、保護電圧や保護電流の制約を受けるほか、昇圧することで、単相ＰＷＭコンバータ２０およびＶＶＶＦインバータ１３の損失を増加させる要因となっていた。

そこで、本実施形態にかかる指令演算器９１７は、トルク指令や回転に応じて、総損失が最小化するように、Ｄ軸電流指令、Ｑ軸電流指令、昇圧電圧指令を決定することとした。これにより、損失を抑止することが可能となった。

特に、バッテリ１５から供給される電力で走行する場合、車両が加速する間は大トルク・大出力を要求されるものの、所定速度での定速運転に入ると要求されるトルク・出力は低下する。すなわち、車両が加速する間は、指令演算器９１７が、昇圧動作が行われるように各種指令を出力する。この場合、損失が大きいが出力がとれるように、Ｄ軸電流指令には、損失が最小となる電流値よりも小さい電流値が設定されている。

そして、定速運転に入り、低トルク・低出力が要求される場合には、指令演算器９１７は、昇圧動作が行われないように各種指令（通流率指令０）を出力する。この場合、Ｄ軸電流指令には、損失が最小となる電流値が設定される。

なお、指令演算器９１７が出力するＤ軸電流指令、Ｑ軸電流指令の設定の手法は、昇圧チョッパ回路（ここでは単相ＰＷＭコンバータ２０）が存在せず、直流電圧を任意に変えることができない装置においても同様の作用・効果を奏するものである。

（第４の実施形態）
上述した第１〜第３の実施形態では、ＡＣ／ＤＣコンバータ２０に含まれている、Ｖ相上側素子１０のダイオード１０ａとＶ相下側素子１１のスイッチング素子１１ｂとを用いて昇圧チョッパ回路を実現する例について説明した。しかしながら、昇圧チョッパ回路を実現するために用いる電気回路をコンバータに制限するものではない。例えば、直流架線のために、ＡＣ／ＤＣコンバータ等を電気車に搭載していない場合も存在する。そこで、第４の実施形態では、ブレーキチョッパに含まれている構成を用いて昇圧チョッパ回路を実現する例について説明する。

図１２は、第４の実施形態にかかる電気車の電気車制御装置１２００の主回路構成を示した図である。図１２に示すように電気車制御装置１２００は、図示しない直流架線にパンタグラフ（集電装置）２１が接続され、電力が供給される。そして、電気車制御装置１２００は、パンタグラフ２１と、高速度遮断器２２と、が直列に接続される。また、高速度遮断器２２と充電抵抗短絡用接触器２３が直列に接続される。さらに、電気車制御装置１２００は、充電抵抗短絡用接触器２３と、充電抵抗投入用接触器２４及び充電抵抗２５と、が並列に接続される。さらに充電抵抗短絡用接触器２３とフィルタリアクトル２６が直列に接続され、フィルタリアクトル２６とフィルタコンデンサ１２との間に、ブレーキ抵抗２７、ブレーキチョッパ１２５０が接続されている。このとき、ブレーキチョッパ１２５０は、直流架線、駆動用電動機１４及びＶＶＶＦインバータ１３を結ぶ経路上に存在する。なお、フィルタリアクトル２６は、高調波等の架線に電気的ノイズを流すのを抑止する構成とする。ブレーキ抵抗２７は、回生ブレーキのエネルギーを吸収する構成とする。

ブレーキチョッパ１２５０は、還流ダイオード３１と、ダイオード３０ａとスイッチング素子３０ｂから成るブレーキチョッパ用素子３０を備える。そして、電気車が回生ブレーキを動作させる際、直流架線に回生できない場合は、回生できない余分な電力を消費させるために、ＶＶＶＦインバータ１３からブレーキ抵抗２７に電流を流す。

ブレーキチョッパ１２５０の還流ダイオード３１は、ブレーキ抵抗に流れる電流をブレーキチョッパ素子３０がオフしたタイミングで還流させるための還流ダイオードとする。回生ブレーキで発生した電流が他の素子に流れ込まないように設けられている。また、ブレーキチョッパ１２５０のブレーキチョッパ用素子３０のダイオード３０ａとスイッチング素子３０ｂはブレーキ抵抗２７に流れる電流の割合を制御する。これにより、回生できない余分な電力を適切に消費することができる。

そして、本実施形態では、ブレーキチョッパ１２５０に含まれている構成を利用して、昇圧チョッパ回路を実現する。昇圧チョッパ回路を実現するために、電気車制御装置１２００は、ブレーキ抵抗投入用接触器２８と、バッテリ投入用接触器２９と、を備える。その上で、電気車制御装置１２００は、ブレーキ抵抗投入用接触器２８を介して、ブレーキ抵抗２７と還流ダイオード３１が直列に接続する。また、還流ダイオード３１は、バッテリ投入用接触器２９を介して、リアクトル３２及びバッテリ３３と直列に接続する。また、バッテリ３３は、ブレーキチョッパ用素子３０と直列に接続し、ブレーキチョッパ用素子３０はブレーキ抵抗２７と接続する。

バッテリ３３は、電気車制御装置１２００等で制御を行う各種系統に対して電力を供給するバッテリとする。バッテリ３３は、上述した実施形態と同様に、電気車が架線のない場所を移動する際に、ＶＶＶＦインバータ１３に電力を供給するために用いられる。

リアクトル３２は、バッテリ３３から供給されるエネルギーを蓄積し、バッテリ３３から供給される電圧の昇圧に用いる。

ブレーキ抵抗投入用接触器２８及びバッテリ投入用接触器２９は、相関的に機能する。相関的に機能させるために、本実施形態では、高速度遮断器２２と、ブレーキ抵抗投入用接触器２８と、バッテリ投入用接触器２９とを制御する図示しない制御回路を有している。

ブレーキチョッパ１２５０を利用したい場合、ブレーキ抵抗投入用接触器２８を投入し、バッテリ投入用接触器２９を開放する。一方、電気車を直流架線から切り離して、バッテリ３３で駆動させたい場合には、高速度遮断器２２を開放する。そして、バッテリ３３から昇圧された電圧を供給するために、ブレーキ抵抗投入用接触器２８を開放し、バッテリ投入用接触器２９を投入する。これにより、電気車制御装置１２００内に昇圧チョッパ回路が実現される。

図１３は、電気車制御装置１２００が有しているブレーキチョッパ１２５０に含まれている構成の一部を適用した昇圧チョッパ回路を示した図である。図１３に示す例では、太線で示された経路上の構成により昇圧チョッパ回路１３０１が実現される。

すなわち、昇圧チョッパ回路１３０１は、バッテリ３３と、リアクトル３２と、ブレーキチョッパ１２５０のブレーキチョッパ用素子３０に含まれているスイッチング素子３０ｂと、ブレーキチョッパ１２５０の還流ダイオード３１と、フィルタコンデンサ１２と、を用いる。

そして、ブレーキチョッパ用素子３０に含まれているスイッチング素子３０ｂは昇圧チョッパ回路１３０１の昇圧率の制御に用いる。還流ダイオード３１は、昇圧チョッパ回路１３０１の昇圧用ダイオードとして機能する。なお、スイッチング素子３０ｂの動作は、第１の実施形態の図２、図４で示されたスイッチング信号Ｑ_Ｙを用いた動作と同様として説明を省略する。

そして、本実施形態では、スイッチング素子３０ｂを用いて第１の実施形態と同様の制御を行うことで、ＶＶＶＦインバータ１３に対して昇圧された電力を供給できる。なお、昇圧率等は、第１の実施形態と同様でも良いし、第１の実施形態と異ならせても良い。

これにより、ＶＶＶＦインバータ１３に電力を供給するために用いるフィルタコンデンサ１２は、バッテリ３３から昇圧チョッパ回路１３０１を通して印加される。

本実施形態では、ブレーキチョッパ１２５０に含まれている構成を用いて、昇圧チョッパ回路１３０１を実現することで、バッテリ３３からのバッテリ電圧を昇圧して、ＶＶＶＦインバータ１３に印加することが可能となる。これにより、ＶＶＶＦインバータ１３は、駆動するのに十分な電圧を駆動用電動機１４に印加することが可能となる。

なお、本実施形態では、直流架線から電力を供給される例について説明したが、直流架線に制限するものではなく、交流架線から電力が供給されても良い。

本実施形態にかかる電気車制御装置１２００では、ブレーキチョッパ１２５０の一部構成を用いて昇圧チョッパ回路を実現したことで、電気車に搭載される部品の数を削減できる。これにより、省スペース化を実現できる。

（第５の実施形態）
第５の実施形態は、第４の実施形態と同様に、電気車制御装置が備えるブレーキチョッパの一部構成を用いて昇圧チョッパ回路を実現した例であるが、第４の実施形態と異なる点として、ブレーキチョッパ用のリアクトルと、バッテリ電圧を昇圧する昇圧チョッパ回路用のリアクトルと、を共用した実施形態とする。

ところで、一般に、ブレーキチョッパには、ノイズ低減用のリアクトルを接続することが多い。そこで、第５の実施形態では、当該ノイズ低減用のリアクトルを、昇圧チョッパ回路用のリアクトルとして共用することとした。

図１４は、第５の実施形態にかかる電気車の電気車制御装置１４００の主回路構成を示した図である。図１４に示す電気車制御装置１４００は、第４の実施形態と同様の構成については同一の符号を付与し、説明を省略する。

本実施形態の電気車制御装置１４００において、フィルタリアクトル２６は、ブレーキ抵抗投入用接触器２８を介してブレーキ抵抗２７と直列に接続されている。また、ブレーキ抵抗２７は、バッテリ投入用接触器２９を介してバッテリ３３と直列に接続している。フィルタリアクトル２６の一端と、バッテリ３３の一端がブレーキチョッパ１４５０と接続する。

ブレーキチョッパ１４５０は、還流ダイオード３１と、ブレーキチョッパ用素子３０と、ノイズ低減用のリアクトル３２と、を備える。そして、ノイズ低減用のリアクトル３２は、還流ダイオード３１及びブレーキチョッパ用素子３０と直列に接続されている。そして、ブレーキチョッパ１４５０は、ＶＶＶＦインバータ１３からブレーキ抵抗２７に電流を流す制御を行う。また、本実施形態にかかるノイズ低減用のリアクトル３２は、ブレーキチョッパ１４５０でチョッピング制御を行う際のノイズ低減を行う。

本実施形態では、ブレーキチョッパ１４５０に含まれている構成を利用して、昇圧チョッパ回路を実現する。昇圧チョッパ回路を実現するために、電気車制御装置１４００は、ブレーキ抵抗投入用接触器２８と、バッテリ投入用接触器２９と、を備えている。このブレーキ抵抗投入用接触器２８及びバッテリ投入用接触器２９は、第４の実施形態と同様に、相関的に機能する。

図１５は、電気車制御装置１４００が有しているブレーキチョッパ１４５０に含まれている構成の一部を適用した昇圧チョッパ回路を示した図である。図１５に示す例では、太線で示された経路上の構成により昇圧チョッパ回路１５０１が実現されている。

昇圧チョッパ回路１５０１は、バッテリ３３と、バッテリ投入用接触器２９と、リアクトル３２と、ブレーキチョッパ１２５０のブレーキチョッパ用素子３０に含まれているスイッチング素子３０ｂと、還流ダイオード３１と、フィルタコンデンサ１２と、を用いる。

図１５に示す昇圧チョッパ回路１５０１においては、高速度遮断器２２を開放すると共に、バッテリ３３から供給される電力によって駆動用電動機１４を駆動させるために、ブレーキ抵抗投入用接触器２８を開放し、バッテリ投入用接触器２９を投入する。これにより、バッテリ３３からの電力は、昇圧チョッパ回路１５０１（リアクトル３２、還流ダイオード３１、スイッチング素子３０ｂ、及びフィルタコンデンサ１２）により昇圧された後、ＶＶＶＦインバータ１３に供給される。なお、スイッチング素子３０ｂの動作は、上述した実施形態と同様として説明を省略する。

本実施形態にかかる電気車制御装置１４００は、上述した構成を備えることで、第４の実施形態と同様の効果を奏することに加えて、ブレーキチョッパ用のリアクトルと、バッテリ電圧を昇圧する昇圧チョッパ回路用のリアクトルと、を共用することで、さらなる部品点数の削減と省スペース化を実現できる。

（第６の実施形態）
第６の実施形態は、第４〜５の実施形態と同様に、電気車制御装置が備えるブレーキチョッパの一部構成を用いて昇圧チョッパ回路を実現した例であるが、第４〜５の実施形態と異なる点として、バッテリ電圧を昇圧する昇圧チョッパ回路用のリアクトルの代わりに、ブレーキ抵抗を用いた実施形態とする。

つまり、一般的なブレーキ抵抗には、インダクタンス成分が存在しているため、本実施形態では、当該ブレーキ抵抗のインダクタンス成分を、昇圧チョッパ回路を利用する際のリアクトルとして利用することとした。

図１６は、第６の実施形態にかかる電気車の電気車制御装置１６００の主回路構成を示した図である。図１６に示すように電気車制御装置１６００は、第５の実施形態と同様の構成については同一の符号を付与し、説明を省略する。

本実施形態の電気車制御装置１６００において、フィルタリアクトル２６は、フィルタリアクトル２６は、ブレーキ抵抗投入用接触器２８とバッテリ投入用接触器２９を介して、バッテリ３３と直列に接続される。フィルタリアクトル２６の一端とバッテリ３３の一端がブレーキチョッパ１６５０と接続する。

本実施形態にかかるブレーキチョッパ１６５０は、ブレーキ抵抗２７と、還流ダイオード３１と、ブレーキチョッパ用素子３０と、を備える。還流ダイオード３１は、ブレーキ抵抗２７とブレーキチョッパ用素子３０と直列に接続する。ブレーキチョッパ１６５０では、ブレーキチョッパ用素子３０を用いてＶＶＶＦインバータ１３からブレーキ抵抗２７に電流を流す制御を行う。

図１６に示す例では、ブレーキ抵抗２７のインダクタンス成分をリアクトルとして利用するために、バッテリ３３は、バッテリ投入用接触器２９を介して、インダクタンス成分を有するブレーキ抵抗２７と直列に接続する。

図１７は、電気車制御装置１６００が有しているブレーキチョッパ１６５０に含まれている構成の一部を適用した昇圧チョッパ回路を示した図である。図１７に示す例では、太線で示された経路上の構成により昇圧チョッパ回路１７０１が実現されている。

昇圧チョッパ回路１７０１は、バッテリ３３と、バッテリ投入用接触器２９と、ブレーキ抵抗２７と、ブレーキチョッパ用素子３０に含まれているスイッチング素子３０ｂと、還流ダイオード３１と、フィルタコンデンサ１２と、を用いる。

図１７に示す昇圧チョッパ回路１７０１においては、高速度遮断器２２を開放すると共に、バッテリ３３から供給される電力によって駆動用電動機１４を駆動させるために、ブレーキ抵抗投入用接触器２８を開放し、バッテリ投入用接触器２９を投入する。これにより、バッテリ３３からの電力は、昇圧チョッパ回路１７０１（リアクトルとして機能するブレーキ抵抗２７、還流ダイオード３１、スイッチング素子３０ｂ、及びフィルタコンデンサ１２）により昇圧された後、ＶＶＶＦインバータ１３に供給される。なお、スイッチング素子３０ｂの動作は、上述した実施形態と同様として説明を省略する。

本実施形態にかかる電気車制御装置１６００は、上述した構成を備えることで、第４〜５の実施形態と同様の効果を奏する他、昇圧チョッパ回路用のリアクトルを別途搭載する必要がないため、部品点数を削減し、省スペース化及びコストの低減を実現できる。

（第７の実施形態）
第７の実施形態は、第４〜６の実施形態と同様に、電気車制御装置が備えるブレーキチョッパの一部構成を用いて昇圧チョッパ回路を実現した例であるが、第４〜６の実施形態と異なる点として、バッテリ電圧を昇圧する昇圧チョッパ回路用のリアクトルと、ＶＶＶＦインバータの直流側に設けられたフィルタリアクトルと、を共用した実施形態とする。

図１８は、第７の実施形態にかかる電気車の電気車制御装置１８００の主回路構成を示した図である。図１８に示す電気車制御装置１８００は、第４の実施形態と同様の構成については同一の符号を付与し、説明を省略する。

本実施形態の電気車制御装置１８００において、高速度遮断器２２は、バッテリ投入用接触器２９を介して、バッテリ３３と直列に接続する。また高速度遮断器２２は、フィルタリアクトル２６と直列に接続する。またフィルタリアクトル２６はブレーキ抵抗２７と直列に接続する。

ブレーキ抵抗投入用接触器３７及び第２のバッテリ投入用接触器３８を介してフィルタリアクトル２６の一端がブレーキチョッパ１８５０と接続する。また、ブレーキ抵抗２７の一端がブレーキチョッパ１８５０と接続する。バッテリ３３の一端とブレーキチョッパ１８５０が接続する。

本実施形態にかかるブレーキチョッパ１８５０は、還流ダイオード３１と、ブレーキチョッパ用素子３０と、を備える。ブレーキチョッパ１８５０は、ブレーキチョッパ用素子３０を用いてＶＶＶＦインバータ１３からブレーキ抵抗２７に電流を流す制御を行う。

図１８に示す様に、フィルタリアクトル２６と、バッテリ３３と、が直列に接続されている。そして、本実施形態では、フィルタリアクトル２６を、昇圧チョッパ回路を利用する際のリアクトルとして利用することとした。これにより昇圧チョッパ回路用のリアクトルを別途搭載する必要がないため、省スペース化及びコストの低減を実現できる。

そして、本実施形態では、ブレーキチョッパ１８５０に含まれている構成を利用して、昇圧チョッパ回路を実現する。昇圧チョッパ回路を実現するために、電気車制御装置１８００は、ブレーキ抵抗投入用接触器３７と、第１のバッテリ投入用接触器２９と、第２のバッテリ投入用接触器３８と、を備えている。このブレーキ抵抗投入用接触器３７と、第１のバッテリ投入用接触器２９及び第２のバッテリ投入用接触器３８と、は、相関的に機能する。つまり、ブレーキチョッパ１８５０を利用したい場合には、ブレーキ抵抗投入用接触器３７を投入し、第１のバッテリ投入用接触器２９及び第２のバッテリ投入用接触器３８を開放する。

一方、電気車を直流架線から切り離して、バッテリ３３で駆動させたい場合には、高速度遮断器２２を開放する。そして、バッテリ３３から昇圧された電圧を供給するために、ブレーキ抵抗投入用接触器３７を開放し、第１のバッテリ投入用接触器２９及び第２のバッテリ投入用接触器３８を投入する。

図１９は、電気車制御装置１８００が有しているブレーキチョッパ１８５０に含まれている構成の一部を適用した昇圧チョッパ回路を示した図である。図１９に示す例では、太線で示された経路上の構成により昇圧チョッパ回路１９０１が実現されている。昇圧チョッパ回路１９０１は、バッテリ３３と、バッテリ投入用接触器２９と、フィルタリアクトル２６と、第２のバッテリ投入用接触器３８と、ブレーキチョッパ用素子３０に含まれているスイッチング素子３０ｂと、還流ダイオード３１と、フィルタコンデンサ１２と、を用いる。

つまり、図１９に示す様に、第１のバッテリ投入用接触器２９及び第２のバッテリ投入用接触器３８が投入された場合に、バッテリ３３からの電力は、昇圧チョッパ回路１９０１（フィルタリアクトル２６、還流ダイオード３１、スイッチング素子３０ｂ、及びフィルタコンデンサ１２）により昇圧された後、ＶＶＶＦインバータ１３に供給される。なお、スイッチング素子３０ｂの動作は、上述した実施形態と同様として説明を省略する。

本実施形態にかかる電気車制御装置１８００は、上述した構成を備えることで、第４の実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第８の実施形態）
上述した実施形態では、昇圧チョッパ回路を実現するための構成を備えた電気回路として、ＡＣ／ＤＣコンバータ２０や、ブレーキチョッパを用いた例について説明した。しかしながら、昇圧チョッパ回路を実現するための構成を備えた電気回路は、ダイオードやスイッチング素子を備えている電気回路であれば良く、ＡＣ／ＤＣコンバータ２０や、ブレーキチョッパに制限するものではない。そこで、第８の実施形態では、ＶＶＶＦインバータが備えた構成を用いて、昇圧チョッパ回路を実現する実施形態とする。

図２０は、第８の実施形態にかかる電気車の電気車制御装置２０００の主回路構成を示した図である。図２０に示す電気車制御装置２０００は、第４〜７の実施形態と同様の構成については同一の符号を付与し、説明を省略する。

図２０に示す電気車制御装置２０００は、３個の駆動用電動機１４ａ〜１４ｃを備えている例とする。そして、駆動用電動機１４ａ〜１４ｃの各々に、ＶＶＶＦインバータ１３ａ〜１３ｃ、フィルタコンデンサ１２ａ〜１２ｃ、及びフィルタリアクトル２６ａ〜２６ｃが設けられている。なお、本実施形態は、ＶＶＶＦインバータの数を制限するものではなく例えば、２個又は４個以上であっても良い。

そして、３個のＶＶＶＦインバータ１３ａ〜１３ｃのうちいずれか一つのＶＶＶＦインバータ（本実施形態ではＶＶＶＦインバータ１３ｃ）内の構成を昇圧チョッパ回路として用いて、バッテリ３３から他のＶＶＶＦインバータ（本実施形態ではＶＶＶＦインバータ１３ａ又はＶＶＶＦインバータ１３ｂ）に供給する電圧を昇圧する。

昇圧チョッパ回路の構成を有するＶＶＶＦインバータ１３ｃは、少なくとも、スイッチング素子１３１、１３４と、インバータ用素子１３２、１３３と、抵抗１３５と、を備えている。そして、インバータ用素子１３２、１３３の各々では、スイッチング素子１３２ｂ、１３３ｂと、ダイオード１３２ａ、１３３ａと、が逆並列に接続されている。

図２０には、ＶＶＶＦインバータ１３ｃを構成する要素として、Ｖ相、Ｗ相のみ示し、Ｕ相を省略している。本実施形態は、ＶＶＶＦインバータ１３ｃのＶ相、Ｗ相にバッテリ３３を、第１のバッテリ投入用接触器２９、及び第２のバッテリ投入用接触器３９を介して接続した例を示しているが、このような構成に制限するものではなく、例えば、Ｕ、Ｖ相、又はＵ、Ｗ相に接続してもよい。

架線２１と接続されるフィルタコンデンサ１２ｃの正側がスイッチング素子１３１と接続される。また、フィルタコンデンサ１２ｃの負側が、インバータ用素子１３３と接続される。このとき、スイッチング素子１３１とインバータ用素子１３３は直列接続される。また、負荷側（駆動用電動機１４ｃ）において、フィルタコンデンサ１２ｃの正側がインバータ用素子１３２と接続される。フィルタコンデンサ１２ｃの負側が、スイッチング素子１３４と接続される。このとき、インバータ用素子１３２とスイッチング素子１３４は直列に接続される。

また、昇圧チョッパ回路の電力を供給するために、本実施形態にかかる電気車制御装置２０００は、ＶＶＶＦインバータ１３ｃと駆動用電動機１４ｃとの間に接続された３相線上に、第１のバッテリ投入用接触器２９と、第２のバッテリ投入用接触器３９と、リアクトル３２と、バッテリ３３と、が接続されている。

第１のバッテリ投入用接触器２９がバッテリ３３のプラス側に、第２のバッテリ投入用接触器３９がバッテリ３３のマイナス側に接続されている。そして、バッテリ３３から電力を供給しないときは、第１のバッテリ投入用接触器２９、及び第２のバッテリ投入用接触器３９を開放する。

そして、本実施形態にかかる昇圧チョッパ回路を利用する際に、高速度遮断器２２を開放すると共に、第１のバッテリ投入用接触器２９、及び第２のバッテリ投入用接触器３９を投入する。これにより、バッテリ３３からの電力は、昇圧チョッパ回路（例えば、リアクトル３２、ダイオード１３２ａ、スイッチング素子１３４、及びフィルタコンデンサ１２ｃ）により昇圧された後、ＶＶＶＦインバータ１３ａ又はＶＶＶＦインバータ１３ｂに供給される。なお、スイッチング素子１３４の動作は、上述した実施形態と同様として説明を省略する。

本実施形態にかかる電気車制御装置２０００は、上述した構成を備えることで、第４の実施形態と同様の効果を得ることができる。

上述した実施形態によれば、ＡＣ／ＤＣコンバータ、ブレーキチョッパ又はＶＶＶＦインバータ等の電気回路の構成の一部を、昇圧チョッパ回路として用いて電圧を昇圧することで、バッテリの電圧より高い電圧でＶＶＶＦインバータを加圧することが可能となった。これにより、昇圧された電力が供給されたＶＶＶＦインバータは、駆動させるために十分な電圧で駆動用電動機を印加することが可能となった。

つまり、本実施形態の電気車制御装置では、電気回路と構成を一部共有化して、昇圧チョッパ回路用の半導体素子を設けることなく昇圧機能を確保したため、電気車制御装置全体の小型化を図ることが可能となる。

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、２１…パンタグラフ、２…交流高速度遮断器、３…トランス、４…車輪、５、２４…充電抵抗投入用接触器、６、２３…充電抵抗短絡用接触器、７…充電抵抗、８…Ｕ相上側素子、９…Ｕ相下側素子、１０…Ｖ相上側素子、１１…Ｖ相下側素子、１０ａ、１１ａ、３０ａ、１３２ａ…ダイオード、１０ｂ、１１ｂ、３０ｂ、１３２ｂ…スイッチング素子、１２…フィルタコンデンサ、１３…ＶＶＶＦインバータ、１４…駆動用電動機、１５…制御電源用バッテリ、１６…逆流防止用ダイオード、１７、３２…リアクトル、１８…プラス側開放接触器、１９…マイナス側開放接触器、２０…ＡＣ／ＤＣコンバータ、２２…高速度遮断器、２５…充電抵抗、２６、２６ａ〜２６ｃ…フィルタリアクトル、２７…ブレーキ抵抗、２８…ブレーキ抵抗投入用接触器、２９…バッテリ投入用接触器、３０…ブレーキチョッパ用素子、３１…還流ダイオード、３３…バッテリ、３７…ブレーキ抵抗投入用接触器、３８…バッテリ投入用接触器、１３１…スイッチング素子、１３２…インバータ用素子、１３４…スイッチング素子、１３５…抵抗、１００、１２００、１４００、１６００、１８００、２０００…電気車制御装置、２０１、８０１、１３０１、１５０１、１７０１、１９０１…昇圧チョッパ回路、３０１…スイッチ制御部、３１１…減算器、３１２…比例積分制御器、３１３…減算器、３１４…比例積分制御器、３１５…ＰＷＭ信号発生器、６０１…バッテリＳＯＣ検出機構、６０２…バッテリＳＯＣ判定部、７００…電気車制御装置、７０１…２次巻線、９００…制御部、９０１…回転検出器、９１１…ＰＷＭ制御器、９１２…昇圧制御器、９１３…ＰＷＭ制御器、９１４…ダンピング制御器、９１５…加算器、９１６…電流制御・ベクトル制御器、９１７…指令演算器、９１８…電圧検出器、１２５０、１４５０、１６５０、１８５０…ブレーキチョッパ。

Claims (8)

1. 架線から電力を供給される電気車制御装置において、
   前記架線から供給される交流電圧を変圧する変圧器と、
   前記架線から電力が供給され、ダイオードとスイッチング素子を有し、出力側にインバータを介して電動機が接続され、前記変圧器が変圧した交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、
   前記コンバータとリアクトルを介して接続されるバッテリと、
   前記リアクトルと、前記コンバータが有する前記ダイオードと、前記コンバータが有する前記スイッチング素子と、コンデンサと、により構成され、前記バッテリから前記電動機に供給する電力を昇圧する昇圧チョッパ回路と、を備え、
   前記コンバータは、前記変圧器の２次巻線側に接続され、
   前記昇圧チョッパ回路は、前記変圧器の２次巻線を前記リアクトルとして用いる、
   電気車制御装置。
2. 前記昇圧チョッパ回路は、前記バッテリと前記コンバータの一相に含まれているダイオード及びスイッチング素子とが接続されている、
   請求項１に記載の電気車制御装置。
3. 前記バッテリと前記コンバータ間に、前記バッテリへの充電方向電流が流れることを防止する逆流防止用のダイオードが設けられている、
   請求項１又は２に記載の電気車制御装置。
4. 架線から電力を供給される電気車制御装置において、
   前記電気車制御装置が制御する車両が回生ブレーキを動作させる時に、当該回生ブレーキで生じたエネルギーを吸収するブレーキ抵抗と、
   前記架線から電力が供給され、前記架線と電動機とを結ぶ経路上に存在し、ダイオードとスイッチング素子を有し、出力側にインバータを介して電動機が接続され、当該インバータから前記ブレーキ抵抗に流れる電力を制御するブレーキチョッパと、
   前記ブレーキチョッパと接続されるバッテリと、
   リアクトルと、前記ブレーキチョッパが有する前記ダイオードと、前記ブレーキチョッパが有する前記スイッチング素子と、コンデンサと、により構成され、前記バッテリから前記電動機に供給する電力を昇圧する昇圧チョッパ回路と、
   を備える電気車制御装置。
5. 前記ブレーキチョッパは、チョッピング制御を行う際のノイズ低減を行う前記リアクトルを、さらに備え、
   前記昇圧チョッパ回路は、前記ブレーキチョッパが有する前記リアクトルと、前記ブレーキチョッパが有する前記ダイオードと、前記ブレーキチョッパが有する前記スイッチング素子と、コンデンサと、により構成される、
   請求項４に記載の電気車制御装置。
6. 前記昇圧チョッパ回路は、インダクタンス成分を含む前記ブレーキ抵抗を、前記リアクトルとして接続する、
   請求項４に記載の電気車制御装置。
7. 前記架線と前記インバータとを接続する経路に、前記架線に電気的ノイズを流すのを抑止するフィルタリアクトルを、さらに備え、
   前記昇圧チョッパ回路は、前記フィルタリアクトルと、前記ダイオードと、前記スイッチング素子と、前記コンデンサと、により構成される、
   請求項４に記載の電気車制御装置。
8. 前記バッテリは、前記電気車制御装置が制御する車両が前記架線と接続されていない場合に、当該車両を駆動させるために、前記電動機に対して電力を供給する、
   請求項１乃至７のいずれか１つに記載の電気車制御装置。

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