JP6157977B2 - 鉄道車両、及び車両用電力変換システム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、鉄道車両、及び車両用電力変換システムに関する。

従来から、架線から供給される電力には、直流電力と、交流電力とが存在する。そこで、直流電力及び交流電力で走行することが可能な鉄道車両が存在する。当該鉄道車両は、直流電力及び交流電力のどちらが入力されるのかに応じて、処理を切り替える必要がある。

特開平８−６５８１１号公報

しかしながら、従来技術においては、直流電力が入力される場合に、架線から高圧で供給されるが、出力側には低圧で提供する必要があるため絶縁トランス等を設ける必要があった。しかしながら、絶縁トランス等は大きく重量もある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、絶縁トランス等の回路構成を削減して、重量を軽減した鉄道車両、及び車両用電力変換システムを提供することを目的としている。

実施形態の鉄道車両は、車両用制御手段と、第２の遮断機と、車両用電源手段と、第３の制御部と、を備える。車両用制御手段は、電力電源と第１の遮断機と接続するトランスと二次巻線を介して接続する第１のコンバータと、第１のコンバータとトランスの反対側で接続される第１のインバータと、第１のコンバータを制御可能な第１の制御部と、を有する。第２の遮断機は、第１のコンバータと第１のインバータとの間の接続点と電力電源とを電気的に接続可能とする。車両用電源手段は、トランスと三次巻線を介して接続する第２のコンバータと、第２コンバータとトランスの反対側で接続された第２のインバータと、第２のインバータと第２のコンバータの反対側で接続される交流フィルタと、第２のコンバータを制御可能な第２の制御部と、を有する。第３の制御部は、電力電源から交流電力が供給されている場合に、第１の遮断機を接続状態として電力電源からトランスに電力を供給し、第２の遮断機を遮断状態として電力電源から接続点に供給される電力を遮断し、電力電源から直流電力が供給されている場合に、第１の遮断機を遮断状態として電力電源からトランスに供給される電力を遮断し、第２の遮断機を接続状態として電力電源から接続点に電力を供給することで、第１のコンバータにトランスと反対側から直流電力を供給し、当該直流電力から変換した交流電力をトランスに供給させる。電源電圧から直流電力が供給されている場合に、第２の制御部及び第１の制御部は、車両用制御手段が有する第１のコンバータと、車両用電源手段が有する第２のコンバータと、を同期させる同期信号を通信させ、第２の制御部は、第１の制御部に対して、第１のコンバータの出力電圧を制御する制御信号を通信させる。

図１は、第１の実施形態の車両に含まれる構成を示した図である。 図２は、交流架線及び直流架線に対応した従来の車両に含まれる構成を示した図である。 図３は、第１の実施形態における、架線から交流電力が供給される場合の電流経路を示した図である。 図４は、第１の実施形態の制御装置内コンバータの回路構成を示した図である。 図５は、第１の実施形態における、架線から直流電力が供給される場合の電流経路を示した図である。 図６は、第１の実施形態における、架線から直流電力が供給される場合に、車両用電源装置に供給されるまでの電圧の遷移を示した図である。 図７は、第２の実施形態の変形例の車両に含まれる構成を示した図である。 図８は、第４の実施形態の車両に含まれる構成を示した図である。 図９は、第５の実施形態の車両に含まれる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車両に含まれる構成を示した図である。図１に示すように、本実施形態にかかる車両１００は、架線１（電力電源）と接続され、交流用遮断機２と、直流用遮断機３と、メイントランス４と、車両用制御装置５と、車両用電源装置６と、モータ７と、補助回路８と、車両制御部９と、を備える。

直流用遮断機３は、架線１（電力電源）と接続点５４とを電気的に接続可能とする。交流用遮断機２は、架線１（電力電源）とメイントランス４とを電気的に接続可能とする。

さらに、車両内のモータ７や補助回路８に対して電力を変換して、供給するための構成を、車両用電力変換システムと称する。本実施形態の車両用電力変換システムは、少なくとも車両用制御装置５と、車両用電源装置６と、を備えるものとする。

一般に、架線１には交流と直流があり、これら両方を走行することを可能とする車両では、交流又は直流かに応じて、電流が流れる経路を切り替える必要がある。

まず、交流架線及び直流架線に対応した従来の車両について説明する。図２は、交流架線及び直流架線に対応した従来の車両に含まれる構成を示した図である。図２に示されるように、従来の車両２００は、車両用制御装置２０１と、車両用電源装置２０２と、を備えている。なお、第１の実施形態の車両１００と同様の構成については同一の符号を割り当て、説明を省略する。

車両用制御装置２０１は、制御装置内コンバータ２１１と、制御装置内インバータ２１２と、を備え、車両用電源装置２０２は、整流器２２１と、電源装置内インバータ２２２と、交流フィルタ２２３と、絶縁用トランス２２４と、を備えている。また、車両用制御装置２０１は、直流用遮断機３及び接続点２１３を介して架線１と接続され、接続点２１４を介してグラウンドと接続される。

交流区間では、交流用遮断機２が接続されて、架線１から、メイントランス４を介して、車両用制御装置２０１、及び車両用電源装置２０２に交流電力が供給される。メイントランス４内には一次巻線１３、二次巻線１１、三次巻線１２が存在し、一次巻線１３と、二次巻線１１、三次巻線１２と、の間の比に応じた電圧で、車両用制御装置２０１、及び車両用電源装置２０２に対して電力が供給される。

これに対して、直流区間では、直流用遮断機３が接続状態（閉状態）にされ、架線１から、車両用制御装置２０１、及び車両用電源装置２０２に対して、メイントランス４を介さずに高圧の直流電力が供給される。しかしながら、補助回路８に対する電力の供給は低圧とする必要がある。そこで、従来は、補助回路８に対して低圧の電力を供給するためにトランス２２４を設ける、もしくは、降圧チョッパを設ける必要があった。また、高圧と低圧を絶縁するためにも絶縁用トランス２２４が必要であった。高圧で電流が供給されることを抑止するために、絶縁用トランス２２４を設ける必要があった。さらに、架線１の高圧を利用せず、架線電圧を降圧して使用する場合に、降圧チョッパ等などの構成を追加する必要がある。しかしながら、これら構成（例えば、絶縁用トランス２２４）を搭載すると、車両の重量の増加が生じるとともに、省スペース化が図れなくなる。

そこで、本実施形態では、補助回路８に対して高圧回路と絶縁された低圧の電力を供給することを保障しつつ、これら構成（例えば、絶縁用トランス２２４やチョッパ回路）を不要とすることで、安全性を確保しつつ、重量の増加の抑止や省スペース化を実現する。

本実施形態は、ＪＩＳ（Japanese Industrial Standards）やＩＥＣＥ（Institute of Electronics and Communication Engineers of Japan）に従って、直流電圧においては、７５０Ｖ以下が低圧で、７５０Ｖより大きいと高圧とする。さらに、交流電圧においては、６００Ｖ以下が低圧で、６００Ｖより大きいと高圧とする。

次に、図１に戻り、本実施形態の各構成について説明する。メイントランス４は、交流用遮断機２を介して架線１と接続されていると共に、グラウンド（例えば車輪を介したグラウンド）と接続されている。

そして、架線１が交流架線の場合に、交流用遮断器２、メイントランス４を介して接続された装置（例えば、車両用制御装置５、車両用電源装置６）に対して電力を供給する。

また、架線１が直流架線の場合、直流用遮断機３を介して車両用制御装置５に電力が供給される。

車両用制御装置５は、動軸を駆動するための三相交流のモータ７が負荷として接続され、当該三相交流のモータ７の駆動制御を行う。本実施形態の車両用制御装置５は、二次巻線１１を用いてメイントランス４と接続され、制御装置内コンバータ５１と、制御装置内インバータ５２と、制御部５３と、を備える。また、車両用制御装置５は、接続点５５からグラウンド（例えば車輪を介したグラウンド）に接続されている。

制御部５３は、ＭＰＵとＲＯＭとＲＡＭとを備えた、いわゆるマイクロコンピュータとして構成されている。制御部５３は、ＲＯＭに格納されている制御プログラムを、ＭＰＵで実行することで、車両用制御装置５全体を制御する。

制御装置内コンバータ５１は、架線１と交流用遮断機２を介して接続されたメイントランス４から供給される交流電圧を直流電圧に変換するＡＣ―ＤＣコンバータとする。

制御装置内インバータ５２は、メイントランス４の反対側の制御装置内コンバータ５１と接続され、制御装置内コンバータ５１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、当該交流電圧をモータ７に供給する。これにより、モータ７が、車両１００を駆動させる。

また、車両用制御装置５は、メイントランス４の反対側の制御装置内コンバータ５１と、制御装置内インバータ５２と、の間の接続点５４から直流用遮断機３を介して架線１と接続されている。

車両用電源装置６には、空調装置等の補助回路８が負荷として接続されて、補助回路８の駆動制御を行う。本実施形態の車両用電源装置６は、三次巻線１２を用いてメイントランス４と接続され、電源装置内コンバータ６１と、電源装置内インバータ６２と、交流フィルタ６３と、制御部６４と、を備える。

電源装置内コンバータ６１は、架線１と交流用遮断機２を介して接続されたメイントランス４から供給される交流電圧を直流電圧に変換するＡＣ―ＤＣコンバータとする。

電源装置内インバータ６２は、メイントランス４の反対側の電源装置内コンバータ６１と接続され、電源装置内コンバータ６１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、交流フィルタ６３を介して交流電圧を補助回路８に供給する。

交流フィルタ６３は、例えば、三相交流のそれぞれの相に対して（図示しない）交流リアクトルが設けられていると共に、各相間をデルタ結線もしくはスター結線とした（図示しない）交流コンデンサを用いて接続し、電源装置内インバータ６２から供給される交流電圧を正弦波形として、補助回路８に出力する。なお、交流フィルタ６３は、車両用電源装置６の電源装置内コンバータ６１及び電源装置内インバータ６２と別の箱に納めてもよい。

制御部６４は、制御部５３と同様に、いわゆるマイクロコンピュータとして構成され、車両用電源装置６全体を制御する。

補助回路８は、車両１００の空調装置やブロア、蛍光灯等とし、交流フィルタ６３から供給される交流電力で稼働する。

車両制御部９は、制御部５３、６４と同様に、いわゆるマイクロコンピュータとして構成され、車両１００全体を制御する。例えば、車両制御部９は、（図示しない）運転台からの信号に従って、車両１００内の各構成を制御する。

なお、制御部５３、６４は、車両用制御装置５と車両用電源装置６内部に設けることに制限するものではなく、例えば、車両制御部９内に内蔵することも可能であり、また、車両制御部９を制御部５３、６４に内蔵することも可能である。

電圧検出センサ１０は、架線１から供給される電力が直流である、または交流であることを示す信号を、車両制御部９に出力する。なお、本実施形態は、架線１から供給される電力が直流であるか否かを、電圧検出センサ１０からの信号で判定することに制限するものではなく、地上側からの通信で受信した、交流及び直流の切替信号で、電力が直流であるか否かを判定しても良い。

そして、車両制御部９は、電圧検出センサ１０からの信号に基づいて、交流用遮断機２、及び直流用遮断機３を制御する。例えば、交流用遮断機２を接続状態（閉状態）として架線１からメイントランス４に交流電力を供給し、架線１から接続点５４に供給される電圧を直流用遮断機３で遮断状態（開状態）とする。

図３は、架線１から交流電力が供給される場合の電流経路を示した図である。図３に示されるように、車両制御部９により、交流用遮断機２が接続状態（閉状態）とされ、直流用遮断機３が遮断状態（開状態）とされているため、車両用制御装置５に対して、経路３０１で電圧が供給される。つまり、メイントランス４の二次巻線１１を介して制御装置内コンバータ５１に交流電圧が供給される。そして、制御装置内コンバータ５１が、交流電圧を直流電圧に変換して、制御装置内インバータ５２に直流電圧を供給する。そして、制御装置内インバータ５２が、供給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、当該交流電圧をモータ７に供給する。これにより、モータ７が駆動する。

また、車両用電源装置６に対して、経路３０２で電圧が供給される。つまり、メイントランス４の三次巻線１２を介して電源装置内コンバータ６１に交流電圧が供給される。そして、電源装置内コンバータ６１が、交流電圧を直流電圧に変換して、電源装置内インバータ６２に直流電圧を供給する。そして、電源装置内インバータ６２が、供給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、交流フィルタ６３が、交流電圧を正弦波形として、補助回路８に出力する。これにより、補助回路８が稼働する。

また、架線１が直流電圧で電力を供給する場合、直流用遮断機３が接続状態（閉状態）とされ、車両用制御装置５内の制御装置内コンバータ５１は、接続点５４から直流電力が供給される場合がある。このようにメイントランス４の反対側から直流電力が供給される場合、制御装置内コンバータ５１は、直流電力を交流電力に変換可能とする。

図４は、制御装置内コンバータ５１の回路構成を示した図である。図４に示される制御装置内コンバータ５１は、Ｕ相とＶ相の２相を有している。Ｕ相には、Ｕ相上側素子４０１と、Ｕ相下側素子４０３と、を含んでいる。また、Ｖ相には、Ｖ相上側素子４０２と、Ｖ相下側素子４０４と、を含んでいる。Ｕ相上側素子４０１、Ｕ相下側素子４０３、Ｖ相上側素子４０２、及びＶ相下側素子４０４は、それぞれダイオードとＩＧＢＴ等のスイッチング素子と、が逆並列に接続している構成とされる。

つまり、本実施形態にかかる制御装置内コンバータ５１は、上述した構成を有することで、メイントランス４から交流電力が供給される場合に、ＡＣ−ＤＣコンバータとして機能するが、接続点５４から直流電力が供給される場合に、ＤＣ−ＡＣインバータとして機能させることができる。

また、本実施形態にかかる制御装置内コンバータ５１を、ＤＣ―ＡＣインバータとして機能させる場合に、スイッチング素子を制御することで、電圧を変換することができる。例えば、制御装置内コンバータ５１は、電圧１５００Ｖの直流電力が供給される場合に、電圧１３００Ｖｐｐ〜１５００Ｖｐｐ程度の交流電力に変換することなどが考えられる。

そして、車両制御部９は、架線１から直流電力が供給される旨の信号を、電圧検出センサ１０から受信した場合に、直流用遮断機３を接続状態（閉状態）とし、交流用遮断機２を遮断状態（開状態）とする制御を行う。図５は、架線１から直流電力が供給される場合の電流経路を示した図である。図５に示されるように、車両制御部９が、交流用遮断機２を用いて架線１からメイントランス４に電力を供給するのを遮断し、直流用遮断機３を接続して架線１から接続点５４に電力を供給する。これにより、車両用制御装置５に対して、経路５０１で電力が供給される。そして、接続点５４まで直流電力が供給された後、経路５０２で、制御装置内インバータ５２を介して、供給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てモータ７に対して電力が供給される。

その一方、接続点５４まで直流電力が供給された後、経路５０３で、制御装置内コンバータ５１を介して、メイントランス４に対して電力が供給される。つまり、制御装置内コンバータ５１にメイントランス４と反対側から直流電力を供給し、制御装置内コンバータ５１により当該直流電力から変換された交流電力がメイントランス４に供給される。

その後、メイントランス４上の経路５０４を交流電流が流れた後、経路５０５で電力が供給される。つまり、メイントランス４の三次巻線１２を介して電源装置内コンバータ６１に交流電力が供給される。そして、電源装置内コンバータ６１が、交流電圧を直流電圧に変換して、電源装置内インバータ６２に直流電力を供給する。その後は、図３と同様の処理が行われる。

本実施形態では、上述した経路で電力が供給されることで、架線１から直流電力が供給される場合でも、補助回路８に対して低圧の電力を供給できる。つまり、本実施形態では、メイントランス４を介することで電圧の変換を行うことで、架線１から直接高圧の電力が、補助回路８に供給されるのを抑止している。

図６は、架線１から直流電力が供給される場合に、車両用電源装置６に供給されるまでの電圧の遷移を示した図である。図６に示されるように、車両制御部９により、交流用遮断機２が遮断状態（開状態）とされ、直流用遮断機３が接続状態（閉状態）とされる。つまり、車両制御部９は、架線１から直流電力が供給されている場合に、直流用遮断機３、接続点５４、制御装置内コンバータ５１、及びメイントランス４を介して車両用電源装置６へ交流電力を供給する。

図６の（Ａ）は、図５の経路５０３上の交流電圧のピーク値を示している。本実施形態では、メイントランス４の一次巻線１３と、二次巻線１１と、の間の電圧の比がＡ：Ｂ（ただしＡ＞Ｂ）として設定されているものとする。このため、経路５０３上の交流電圧のピーク値‘１’とすると、経路５０４上の交流電圧のピーク値は、図６の（Ｂ）に示されるように‘Ａ／Ｂ’となる。例えば、Ａ：Ｂ＝２５ｋ：１５００で、経路５０３における交流電圧のピーク値が１５００Ｖの場合、メイントランス４上の経路５０４における交流電圧のピーク値が２５ｋＶとなる。

そして、メイントランス４と、三次巻線１２と、の間の電圧の比がＡ：Ｃ（ただし、Ａ＞Ｂ＞Ｃ）として設定されているものとする。この場合、経路５０４上の交流電圧のピーク値‘Ａ／Ｂ’とすると、経路５０４から経路５０５上に移る際に、交流電圧のピーク値は、図６の（Ｃ）に示されるように‘Ｃ／Ｂ’となる。つまり、Ｃ＜Ｂであるため、車両用電源装置６に対して、架線１から降圧された交流電力が供給される。例えば、Ａ：Ｃ＝２５ｋ：４００で、経路５０４における実際の交流電圧のピーク値が２５ｋＶの場合、交流電圧のピーク値が４００Ｖの交流電力が車両用電源装置６に供給される。

つまり、図２に示されるような従来の例では、架線１から直流電力が直接供給されるため、絶縁トランス２２４を設ける必要があったが、本実施形態では、メイントランス４を介することで、高圧の直流電力を車両用電源装置６に供給することを抑止することを可能とした。さらに、本実施形態の車両用電源装置６は、電源装置内コンバータ６１が交流電力を直流電力に変換する際に電圧を調整できる。このため、低圧であり且つ補助回路８に対して適切な電圧による交流電力を供給できる。

また、車両用電源装置６に入力される電圧は低圧であれば、とくに範囲に制限を設けるものではなく、必要に応じて電源装置内コンバータ６１が電圧を調整すれば良い。

なお、本実施形態の車両用制御装置５、及び車両用電源装置６において、充電回路等の構成は省略する。

本実施形態では、架線１から直流電流が流れる場合でも、メイントランス４を介して、車両用電源装置６に電力が供給されるような構成とした。これにより、車両用電源装置６に架線１から直接高圧の電力が供給されることを抑止できる。さらには、車両用電源装置６は、電源装置内コンバータ６１を備えている。電源装置内コンバータ６１およびインバータ６２は出力電圧を調整することができるため、補助回路８に対して低圧の電力を供給できる。

つまり、本実施形態では、上述した構成を備えることで、交流・直流で共通の回路構成とした上で、従来の車両に設けられていた絶縁トランス等の部品構成を削減可能とした。さらには、絶縁トランスやチョッパ等の回路を不要しつつ、補助回路８を従来と同様の仕様で利用できる。

（第２の実施形態）
上述した第１の実施形態では、架線１から直流電力が供給される場合でも、車両用制御装置５と、車両用電源装置６とが、独立して動作する場合について説明した。しかしながら、独立させて動作させると、車両用電源装置６において供給される電圧の検出の遅れ誤差等により、ロスが生じる。そこで、本実施形態では、架線１から直流電力が供給される場合に、車両用制御装置５の制御装置内コンバータ５１と、車両用電源装置６の電源装置内コンバータ６１と、を同期させて駆動させる例について説明する。なお、構成は第１の実施形態と同様として説明を省略する。

なお、車両用制御装置５の制御部５３が、制御装置内コンバータ５１内に設けられたスイッチング素子の制御を可能とし、車両用電源装置６の制御部６４が、電源装置内コンバータ６１内に設けられたスイッチング素子の制御を可能としている。このため、車両用制御装置５の制御部５３と、車両用電源装置６の制御部６４と、がスイッチング素子の制御を同期させると、制御装置内コンバータ５１と、電源装置内コンバータ６１と、を同期させることができる。

そこで、本実施形態では、車両制御部９と接続された車両内伝送線を、通信手段として用いて同期を行うこととした。つまり、車両用制御装置５の制御部５３と、車両用電源装置６の制御部６４とは、車両制御部９を介した車両内伝送線で同期信号を送受信することで、同期を行うこととした。

これにより、制御装置内コンバータ５１と、電源装置内コンバータ６１とを同期させることができるので、電力の消費のロスを削減でき、理想的な電圧を生成することができる。

さらに、本実施形態では、車両用制御装置５の制御部５３と、車両用電源装置６の制御部６４と、が互いに通信を行うことで、出力電圧の調整を行うことができる。

つまり、車両用電源装置６の電源装置内コンバータ６１に供給される交流電力の電圧が、予め定められた基準値（例えば４００Ｖ）と異なる場合に、車両用電源装置６の制御部６４が、上述した車両内伝送線を介して、車両用制御装置５の制御部５３に対して、出力する電圧を変更するように指示できる。

例えば、車両用電源装置６の制御部６４が、電源装置内コンバータ６１に供給される交流電力の電圧が、予め定められた基準値（例えば４００Ｖ）より５％以上高いと判断した場合に、車両用制御装置５の制御部５３に対して、出力する電圧を５％下げるように指示する。メイントランス４を介する場合でも電圧の比率は保持されるため、上述した指示を行うことで、供給される電圧を適切な値に調整することができる。

本実施形態では、上述した構成を備えることで、車両用制御装置５と、車両用電源装置６と、の間で、同期した動作を可能とした。

従来、車両用電源装置６に供給された電圧を同期させる場合は、電圧検出器による検出と、その電圧による同期信号を作成する必要があった。これに対して、本実施形態では、車両用制御装置５の制御部５３と車両用電源装置６の制御部６４を通信可能とすることで、同期信号を容易に取得できるため、複雑な制御を不要とした。

（第２の実施形態の変形例）
なお、同期信号の送受信は、第２の実施形態のように、車両制御部９を介した車両内伝送線を用いる手法に制限するものではない。そこで、変形例として、車両用制御装置５の制御部５３と、車両用電源装置６の制御部６４と、の間に専用の信号線を設ける例について説明する。

図７は、第２の実施形態の変形例にかかる車両に含まれる構成を示した図である。図７に示すように、本実施形態にかかる車両７００は、第１の実施形態の車両１００と比べて、車両用制御装置５の制御部５３と、車両用電源装置６の制御部６４と、を専用の信号線７０１で接続した点で異なる。なお、第１の実施形態と同様の構成については、同一の符号を割り当て、説明を省略する。

そして、図７に示される専用の信号線７０１を用いて、車両用制御装置５の制御部５３と車両用電源装置６の制御部６４とは、同期信号を送受信する。さらには、第２の実施形態と同様に、専用の信号線７０１を介して、電圧を調整する指示を行っても良い。これにより、第２の実施形態と同様の効果を奏することができる。

（第３の実施形態）
第１の実施形態では、車両用電源装置６の電源装置内コンバータ６１において、スイッチング素子を制御することで、交流電力を直流電力に変換する例について説明した。しかしながら、スイッチング素子を制御して、交流電力を直流電力に変換する手法に制限するものではない。そこで、第３の実施形態では、車両用電源装置６の電源装置内コンバータ６１を、整流器として利用する場合について説明する。なお、車両の構成は、第２の実施形態と同様として説明を省略する。

車両用電源装置６の電源装置内コンバータ６１は、図４に示した車両用制御装置５の制御装置内コンバータ５１と同様の構成を備えているものとする。

そして、本実施形態では、電源装置内コンバータ６１のスイッチング素子が故障した場合、制御部６４が、故障していないスイッチング素子等を制御して、当該電源装置内コンバータ６１内のダイオードを整流器として用いられるように制御する。

しかしながら、電源装置内コンバータ６１では、電圧を変換することはできない。そこで、制御部６４が、制御部５３に対して、制御装置内コンバータ５１が出力する交流電圧の調整指示を行う。

そして、接続点５４から直流電力が供給された場合、制御装置内コンバータ５１が、制御部５３による制御に従って、車両用電源装置６の電源装置内インバータ６２を動作させるために必要な電圧で、交流電力が供給されるように、出力を上昇させる。なお、上昇率等は実施の態様に応じて適切な値が設定されるものとする。

これにより、本実施形態では、車両用電源装置６内の電源装置内コンバータ６１が故障等生じた場合に、電源装置内コンバータ６１をスイッチング動作させることなく、電源装置内インバータ６２を動作させることが可能となる。換言すれば、電源装置内コンバータ６１が過温度等でスイッチング動作不能の場合も補助回路８へ電源を供給することができる。

（第４の実施形態）
上述した実施形態では、車両用制御装置を１つ利用した例について説明した。しかしながら、車両には、複数の車両用制御装置が設けられている。そこで、第４の実施形態では、状況に応じて複数の車両用制御装置から、利用する車両用制御装置を切り替える例について説明する。

図８は、第４の実施形態にかかる車両に含まれる構成を示した図である。図８に示すように、本実施形態にかかる車両８００は、第１の実施形態の車両１００と比べて、車両用制御装置５が複数設けられている。そして、車両８００の車両制御部８０１が必要に応じて複数の車両用制御装置５から制御対象を切り替える。なお、第１の実施形態と同様の構成については、同一の符号を割り当て、説明を省略する。

本実施形態の車両制御部８０１は、複数の車両用制御装置５の制御部５３から、各車両用制御装置５の状態情報を受信し、各車両用制御装置５の状況を判断する。例えば、車両制御部８０１は、受信した状態情報に従って、架線１から直流電力を供給していた車両用制御装置５内の、制御装置内コンバータ５１が故障したか否かを判断する。

そして、車両制御部８０１は、架線１から直流電力を供給していた車両用制御装置５内の、制御装置内コンバータ５１が故障したと判断した場合に、故障した制御装置内コンバータ５１を有する車両用制御装置５と架線１との間の直流用遮断機３を遮断状態に切り替えるとともに、故障していない他の車両用制御装置５と架線１との間の直流用遮断機３を接続状態に切り替える。その後、他の車両用制御装置５の制御装置内コンバータ５１は、接続点５４から供給される直流電力を、交流電力に切り替えて、メイントランス４に交流電力を供給する。これにより、車両用電源装置６は、１つの車両用制御装置５で、制御装置内コンバータ５１が故障した場合でも、交流電力が供給される。これにより、制御装置内コンバータ５１が故障した場合でも、補助回路８を稼働させることができるので、信頼性を向上させることができる。なお、車両制御部８０１は制御部５３に内蔵することも可能である。

（第５の実施形態）
第４の実施の形態では、制御装置内コンバータ５１が故障したと判断した場合に、故障した制御装置内コンバータ５１を有する車両用制御装置５と架線１との間の直流用遮断機３を遮断状態にしていた。しかしながら、遮断状態とすると、車両用制御装置５からモータ７に電力が供給されなくなる。そこで、第５の実施形態は、制御装置内コンバータ５１が故障したと判断された場合でも、故障した制御装置内コンバータ５１を有する車両用制御装置５と架線１との間の直流用遮断機３を接続状態とする例について説明する。

図９は、第５の実施形態にかかる車両に含まれる構成を示した図である。図９に示すように、本実施形態にかかる車両９００は、第４の実施形態と比べて、車両用制御装置５の各々について、制御装置内コンバータ５１と、制御装置内インバータ５２との間に、接触器９０２、９０３が追加された例とする。なお、第４の実施形態と同様の構成については、同一の符号を割り当て、説明を省略する。

本実施形態の車両制御部９０１は、第４の実施形態と同様に、複数の車両用制御装置５の制御部５３から受信する状態情報で、各車両用制御装置５の状況を判断する。

そして、車両制御部９０１は、架線１から直流電力を供給していた車両用制御装置５内の、制御装置内コンバータ５１が故障したと判断した場合、故障した制御装置内コンバータ５１を有する車両用制御装置５の接触器９０２を遮断状態にさせる。これにより、故障した制御装置内コンバータ５１に対して電力は供給されなくなるが、制御装置内インバータ５２に対して、電力は供給されるため、モータ７を駆動させることができる。

また、車両制御部９０１は、車両用電源装置６に対して電力を供給するために、他の車両用制御装置５内の接触器９０３を接続状態に切り替える。その後、他の車両用制御装置５の制御装置内コンバータ５１は、接続点５４から供給される直流電力を、交流電力に切り替えて、メイントランス４に交流電力を出力する。これにより、車両用電源装置６に対して、交流電力を供給できる。なお、車両制御部９０１は制御部５３に内蔵することも可能である。

これにより、第４の実施形態と同様の効果が得られると共に、車両用制御装置５の制御装置内インバータ５２を有効に利用することができる。これによりモータ７を駆動することが可能となる。

上述した実施形態及び変形例においては、従来の車両と比べてチョッパや絶縁トランスなどの部品構成を削減できる。これにより、部品点数の削減による負担の軽減や、省スペース化、及び車両の重量の軽減等を行うことができる。

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…架線、２…交流用遮断機、３…直流用遮断機、４…メイントランス、５…車両用制御装置、６…車両用電源装置、７…モータ、８…補助回路、９，８０１，９０１…車両制御部、１０…電圧検出センサ、１１…二次巻線、１２…三次巻線、１３…一次巻線、５１…制御装置内コンバータ、５２…制御装置内インバータ、５３…制御部、５４…接続点、６１…電源装置内コンバータ、６２…電源装置内インバータ、６３…交流フィルタ、６４…制御部、１００，７００，８００，９００…車両、７０１…信号線、９０２…接触器

Claims (7)

1. 電力電源と第１の遮断機と接続するトランスと二次巻線を介して接続する第１のコンバータと、前記第１のコンバータと前記トランスの反対側で接続される第１のインバータと、前記第１のコンバータを制御可能な第１の制御部と、を有する車両用制御手段と、
   前記第１のコンバータと前記第１のインバータとの間の接続点と前記電力電源とを電気的に接続可能な第２の遮断機と、
   前記トランスと三次巻線を介して接続する第２のコンバータと、前記第２コンバータと前記トランスの反対側で接続された第２のインバータと、前記第２のインバータと前記第２のコンバータの反対側で接続される交流フィルタと、前記第２のコンバータを制御可能な第２の制御部と、を有する車両用電源手段と、
   前記電力電源から交流電力が供給されている場合に、前記第１の遮断機を接続状態として前記電力電源から前記トランスに電力を供給し、前記第２の遮断機を遮断状態として前記電力電源から前記接続点に供給される電力を遮断し、前記電力電源から直流電力が供給されている場合に、前記第１の遮断機を遮断状態として前記電力電源から前記トランスに供給される電力を遮断し、前記第２の遮断機を接続状態として前記電力電源から前記接続点に電力を供給することで、前記第１のコンバータに前記トランスと反対側から直流電力を供給し、当該直流電力から変換した交流電力を前記トランスに供給させる第３の制御部と、を備え、
   前記電源電圧から直流電力が供給されている場合に、前記第２の制御部及び前記第１の制御部は、前記車両用制御手段が有する前記第１のコンバータと、前記車両用電源手段が有する前記第２のコンバータと、を同期させる同期信号を通信させ、前記第２の制御部は、前記第１の制御部に対して、前記第１のコンバータの出力電圧を制御する制御信号を通信させる、
   鉄道車両。
2. 前記制御部は、前記電力電源から直流電力が供給されている場合に、前記第２の遮断機、前記接続点、前記第１のコンバータ、及び前記トランスを介して前記車両用電源手段へ交流電力を供給する、
   請求項１に記載の鉄道車両。
3. 前記車両用電源手段は、前記第２のコンバータを整流器として用い、
   前記車両用制御手段は、前記接続点から直流電力が供給された場合に、前記第１のコンバータを、前記車両用電源手段の前記第２のインバータを動作させるために必要な電圧に調整して、交流電力を前記トランスに供給する、
   請求項１又は２に記載の鉄道車両。
4. 複数の前記車両用制御手段を備え、
   前記制御部は、前記電力電源から直流電力が供給されている際に、一方の車両用制御手段の前記第１のコンバータが故障した場合、他方の車両用制御手段と前記電力電源とを接続する第２の遮断機を接続状態として、前記電力電源から、他方の車両用制御手段の前記接続点に電力を供給することで、他方の車両用制御手段の前記第１のコンバータに直流電力を交流電力に変換させる、
   請求項１に記載の鉄道車両。
5. 前記複数の車両用制御手段の各々は、前記接続点と、前記第１のコンバータとの間に接触器が設けられ、前記第１のコンバータが故障した場合に、当該接触器を遮断状態として、前記第１のコンバータに直流電力が供給されるのを抑止する、
   請求項４に記載の鉄道車両。
6. 前記車両用制御手段が有する前記第１のインバータから供給された交流電力で駆動する電動機と、
   前記車両用電源手段が有する前記交流フィルタから供給された交流電力で駆動する回路構成と、
   をさらに備える請求項１乃至５のいずれか１つに記載の鉄道車両。
7. 電力電源と第１の遮断機と接続するトランス二次巻線を介して接続する第１のコンバータと、前記第１のコンバータと前記トランスの反対側で接続される第１のインバータと、前記第１のコンバータを制御可能な第１の制御部と、を有する車両用制御装置と、
   前記第１のコンバータと前記第１のインバータとの間の接続点と前記電力電源とを電気的に接続可能な第２の遮断機と、
   前記トランスと三次巻線を介して接続する第２のコンバータと、前記第２コンバータと前記トランスの反対側で接続された第２のインバータと、前記第２のインバータと前記第２のコンバータの反対側で接続される交流フィルタと、前記第２のコンバータを制御可能な第２の制御部と、を有する車両用電源装置と、
   前記電力電源から交流電力が供給されている場合に、前記第１の遮断機を接続状態として前記電力電源から前記トランスに電力を供給し、前記第２の遮断機を遮断状態として前記電力電源から前記接続点に供給される電力を遮断し、前記電力電源から直流電力が供給されている場合に、前記第１の遮断機を遮断状態として前記電力電源から前記トランスに供給される電力を遮断し、前記第２の遮断機を接続状態として前記電力電源から前記接続点に電力を供給することで、前記第１のコンバータに前記トランスと反対側から直流電力を供給し、当該直流電力から変換した交流電力を前記トランスに供給させる第３の制御部と、を備え、
   前記電源電圧から直流電力が供給されている場合に、前記第２の制御部及び前記第１の制御部は、前記車両用制御手段が有する前記第１のコンバータと、前記車両用電源手段が有する前記第２のコンバータと、を同期させる同期信号を通信させ、前記第２の制御部は、前記第１の制御部に対して、前記第１のコンバータの出力電圧を制御する制御信号を通信させる、
   車両用電力変換システム。

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