JP6157982B2 - 電気車用電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、電気車用電力変換装置に関する。

鉄道車両などの電気車には、電車線からの電力を受け取り、インバータ、コンバータなどの電力変換器によって車両駆動に必要な電力を生成する車両用電力変換装置が搭載されている。

一方、電車線と電力変換器との間にチョッパ回路が設けられた車両用電力変換装置が知られている。チョッパ回路は、電車線電圧の脈動を吸収し、電力変換器の入力電圧を制御するための回路であり、その用途に応じて、例えば、ブレーキチョッパ回路、昇圧チョッパ回路などと呼ばれている。

特開２００５−２７３７８号公報

ところで、車両用電力変換装置では、搭載される電気車のスペースに制約があることから、更なる小型化が要請されている。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであって、チョッパ回路を備えた電力変換装置において、装置の小型化を実現することのできる技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明の実施の形態によれば、電車線から供給される直流電力を所定値に制御するチョッパ回路と、前記チョッパ回路から出力される直流電力を負荷に供給する電力に変換する電力変換器と、前記チョッパ回路と電力変換器のスイッチング動作を制御する制御装置と、前記電車線から印加される電車線電圧を前記チョッパ回路に供給する配線を断続する開放用接触器と、前記チョッパ回路の平滑用コンデンサと並列に接続される放電用抵抗器と、を有し、前記チョッパ回路に使用される半導体素子及び前記平滑用コンデンサの耐圧が前記電車線電圧の少なくとも２倍であって、前記制御装置は、
前記開放用接触器を切替える接触器投入信号を遅延して出力する遅延器と、前記遅延器から出力された遅延された前記接触器投入信号に従って、第１の過電圧検知閾値と第２の過電圧検知閾値とのいずれか一方を選択して閾値信号として出力する切替器と、前記閾値信号と平滑用コンデンサ電圧信号とを比較し、前記平滑用コンデンサ電圧信号が前記閾値信号よりも高いときに、コンデンサ過電圧検知信号を出力する比較器と、を備え、前記第２の過電圧検知閾値は前記電車線電圧の少なくとも２倍に設定され、前記第１の過電圧検知閾値は前記第２の過電圧検知閾値よりも小さく設定され、前記切替器は、前記開放用接触器を介して前記配線を前記チョッパ回路に接続後、所定時間、前記第２の過電圧検知閾値を選択して出力する、電気車用電力変換装置が提供される。

第１の実施形態の電気車用電力変換装置の構成を示す図。 第１の実施形態の電気車用電力変換装置の起動時の共振現象を説明するための回路モデル図。 図２に示すモデル図における起動時の平滑用コンデンサ電圧、及び回路に流れる電流を示す図。 第１の実施形態の電気車用電力変換装置の起動時における平滑用コンデンサの電圧、及び主回路に流れる電流を示す模式図。 他の構成の電気車用電力変換装置の主回路を示す図。 第２の実施形態の電気車用電力変換装置の構成を示す図。 第２の実施形態の電気車用電力変換装置の起動時における平滑用コンデンサの電圧、及び主回路に流れる電流を示す模式図。 第３の実施の形態の電気車用電力変換装置における過電圧検知器の構成を示す図。 第４の実施の形態の電気車用電力変換装置における過電圧検知器の構成を示す図。

[第１の実施の形態]
第１の実施形態について図を参照し、詳細に説明する。
図１は、第１の実施形態の電気車用電力変換装置の構成を示す図である。

直流電力が電車線１から集電装置２を介して電気車用電力変換装置１００に取り込まれる。電気車用電力変換装置１００は、取り込んだ直流電力を交流に変換し、その交流電力を負荷１２に供給する。

電気車用電力変換装置１００は、主回路１０１及び制御装置５０を備えている。主回路１０１は、集電装置２を介して取り込んだ直流電力を交流電力に変換して負荷１２に出力する。負荷１２は、例えば主電動機、照明設備、空調装置、各種制御装置などである。制御装置５０は、主回路１０１の電力変換動作、シーケンス動作を制御する。

主回路１０１には、接触器３、リアクトル６、半導体素子７、ダイオード８、平滑用コンデンサ９、電圧検出器（ＤＣＰＴ）１０及び電力変換器１１が設けられている。

接触器３は、集電装置２と電力変換器１１とを接続する電気経路を切断又は接続する。リアクトル６、半導体素子７、ダイオード８及び平滑用コンデンサ９はチョッパ回路４を構成する。電圧検出器（ＤＣＰＴ）１０は、平滑用コンデンサ９の両端の電圧を測定する。電力変換器１１は、供給された直流電力を交流電力に変換して負荷１２に出力する。

チョッパ回路４は、電車線電圧の脈動を吸収し、電力変換器１１への入力電圧を一定に保つ目的で使用される。平滑用コンデンサ９が０．１秒以下の短い周期での電圧脈動を吸収するのに対し、チョッパ回路４は、１秒以上の長い周期での電圧脈動を吸収するために使用される。これにより、電力変換器１１では入力電圧の脈動を考慮する必要が無くなるため、電力変換器１１の制御が容易になる等の利点がある。

制御装置５０は、接触器３、電圧検出器（ＤＣＰＴ）１０等の主回路１０１に内蔵される機器と接続して、それぞれから情報を取得する。そして制御装置５０は、検知器が検知した情報、主回路１０１を内蔵する機器の状態などの情報に基づいて主回路１０１のシーケンス動作を制御する。また制御装置５０は、入力されたそれぞれの検出情報に基づいてゲート指令をチョッパ回路４、電力変換器１１に出力して、チョッパ回路４の半導体素子７、電力変換器１１の半導体素子のスイッチング動作を制御する。

次に、第１の実施形態の電気車用電力変換装置の起動時の動作について説明する。

平滑用コンデンサ９は、電力変換器１１の入力電圧安定化用に設けられている。平滑用コンデンサ９は、電気車用電力変換装置１００を起動する前は放電されており、ほぼ０Ｖの状態となっている。この状態で電気車用電力変換装置１００を起動するために接触器３を投入すると、平滑用コンデンサ９の充電が開始される。なお、起動時においては、チョッパ回路４は動作を開始していない。

平滑用コンデンサ９の充電が始まると、リアクトル６により入力電流の大きさが有限の値に制限されるものの、リアクトル６と平滑用コンデンサ９との間で共振現象が生じる、その結果、入力電流は大きな振幅を持つ振動電流となり、また平滑用コンデンサ９の電圧も振動する。この振動電流により、共振周波数に近い周波数帯を使う信号機器に誤動作を発生させる、あるいは変電所側の高速度遮断器をトリップさせる可能性がある。

図２は、第１の実施形態の電気車用電力変換装置の起動時の共振現象を説明するための回路モデル図である、図２は、電源（電圧Ｅ）、リアクトル（インダクタンスＬ）、コンデンサ（静電容量Ｃ）、スイッチＳＷが直列に接続されたＬＣ回路を表している。

スイッチＳＷがオープンである初期状態では、コンデンサの電荷は０である。スイッチＳＷがクローズされると、回路には電流ｉが流れる。このとき、式（１）に示す微分積分方程式が成立する。

式（１）の方程式を、電荷Ｑを用いたｉ＝ｄＱ／ｄｔの関係を代入して得られる電荷Ｑについての２次微分方程式に変換して、その一般解を求める。そして、初期条件である、ｔ＝０のとき、Ｑ＝０、ｉ＝０を満たし、さらにＱ＝Ｃ×Ｖ（平滑用コンデンサ電圧）の関係を用いて整理して、式（２）、（３）に示す平滑用コンデンサ電圧Ｖ、及び回路に流れる電流ｉを得る。

図３は、図２に示すモデル図における起動時の平滑用コンデンサ電圧Ｖ、及び回路に流れる電流ｉを示す図である。

平滑用コンデンサ電圧Ｖは、２Ｅの振幅で振動する。従って、平滑用コンデンサ電圧の最大電圧は、電源電圧Ｅの２倍となる。なお、実際の回路では抵抗が存在するため、平滑用コンデンサ電圧Ｖ、及び回路に流れる電流ｉは、共に漸減する特性となる。

図４は、第１の実施形態の電気車用電力変換装置１００の起動時における平滑用コンデンサ電圧Ｖ、及び主回路に流れる電流ｉを示す模式図である。

電気車用電力変換装置１００の主回路１０１には、昇圧チョッパを構成するダイオード８が設けられている。このダイオード８の作用によって、共振電流ｉは半周期で終了する。また平滑用コンデンサ電圧は、その半周期電流により充電された電圧が、そのまま保持される。

このように従来では問題となった共振電流ｉが半周期で終了するため、第１の実施形態の電気車用電力変換装置１００では、信号機器を誤動作させたり、変電所側の高速度遮断器をトリップさせたりすることを回避することができる。

但し、従来の電気車用電力変換装置１００と比較して、平滑用コンデンサ電圧が高い電圧（電車線電圧の２倍）に保持されるという問題点がある。そこで、半導体素子７および平滑用コンデンサ９の耐圧を電車線電圧の最大値の２倍以上に設定することで、これらが過電圧によって破壊されることを防止することができる。

続いて第１の実施の形態の電気車用電力変換装置１００の効果について説明する。
図５は、他の構成の電気車用電力変換装置１００の主回路を示す図である。

図５に示す主回路は、チョッパ回路４の前段に充電接触器１４と充電抵抗器５とを備えている。他の構成の電気車用電力変換装置１００では、起動時に接触器３を投入する前に、共振防止用の充電抵抗器５を電車線１と平滑用コンデンサ９との間に接続する。この充電抵抗器５によってＬＣＲ回路が形成されるため、共振の発生を防止して平滑用コンデンサ９を充電することができる。平滑用コンデンサ９の充電完了後は、充電接触器１４を短絡して充電抵抗器５を切り離す。

第１の実施の形態の電気車用電力変換装置１００では、図５に示すような充電接触器１４と充電抵抗器５とを備えることなく、起動時の過電圧を許容できるように構成されている。従って、構成の簡略化による電気車用電力変換装置１００の小型化、低廉化を図ることができる。

[第２の実施の形態]
第２の実施の形態の電気車用電力変換装置１００は、放電用抵抗器を更に備える点で第１の実施の形態と異なっている。第１の実施の形態と同一又は同様の部位には同一の符号を付してその詳細の説明は省略する。

図６は、第２の実施形態の電気車用電力変換装置１００の構成を示す図である。
第１の実施の形態では図４に示したように、平滑用コンデンサ９には高い電圧（電車線電圧の２倍）が保持される。そこで、平滑用コンデンサ９と並列に放電用抵抗器１３を接続することにより、平滑用コンデンサ９に充電された電荷を放電させることができる。

図７は、第２の実施形態の電気車用電力変換装置１００の起動時における平滑用コンデンサ９の電圧Ｖ、及び主回路に流れる電流ｉを示す模式図である。

平滑用コンデンサ９の電圧は、電車線電圧の２倍程度まで上昇した後、徐々に低下する。このとき制御装置５０は、平滑用コンデンサ９の電圧が連続スイッチング動作に耐える最大電圧（一般に半導体素子の定格電圧の半分程度）まで低下したことを電圧検出器１０を介して検出する。そして制御装置５０は、チョッパ回路４の半導体素子７および電力変換器１１の半導体素子のスイッチング動作を開始し、所定の運転を開始する。なお、第２の実施の形態では、まずチョッパ回路４半導体素子７が動作を開始し、その後に電力変換器１１が動作を開始する。

このように、平滑用コンデンサ９と並列に放電用抵抗器１３を接続することにより、平滑用コンデンサ９に充電された電荷を放電させることができるため、平滑用コンデンサ９の負担を軽減し、長寿命化を図ることが可能となる。

[第３の実施の形態]
第３の実施の形態の電気車用電力変換装置１００は、過電圧検知方法が従来の検知方法と異なっている。第１の実施の形態と同一又は同様の部位には同一の符号を付してその詳細の説明は省略する。

一般の電気車用電力変換装置１００は、電圧検出器（ＤＣＰＴ）１０を使って平滑用コンデンサ９の電圧を検知し、検出した電圧値が閾値を超過した際、異常（過電圧）と見做して運転を停止する。通常、過電圧検知の閾値は、電車線電圧の最大値の１．３倍程度に設定される。この過電圧検知の閾値は、図６におけるチョッパ回路４の半導体素子７、電力変換器１１内に設けられた半導体素子の電圧定格から、スイッチング時に発生する電圧サージ分を差し引き、さらに余裕分を差し引いた値に相当する。ここで、電圧定格とは、半導体素子をスイッチとしてみた場合、スイッチの両端に印加することができる電圧の最大許容値のことをいう。しかし、上述のように起動時の充電時では、電車線電圧の約２倍に平滑用コンデンサ９の電圧が上昇するため、過電圧検知が動作して装置の運転を継続することができない。

ところで、図７に示す「初期充電による過電圧の領域」では、チョッパ回路４の半導体素子７や電力変換器１１内の半導体素子によるスイッチング動作は行われていない。従って、該当領域ではスイッチング動作に起因する電圧サージを考慮する必要が無いため、過電圧検知の閾値は、半導体素子の耐圧に近い高い値に設定することができる。なお、図７に示す「初期充電による過電圧の領域」の時間は、平滑用コンデンサ９の容量と放電用抵抗器１３の値によって一義的に決まるが、本実施の形態では１〜２秒程度に設定している。

図８は、第３の実施の形態の電気車用電力変換装置１００における過電圧検知器の構成を示す図である。なお、過電圧検知器４０は、制御装置５０内に設けられている。

過電圧検知器４０は、平滑用コンデンサ９の電圧が過電圧か否かを判断する。過電圧検知器４０に入力される信号は、平滑用コンデンサ電圧信号２１、第１の過電圧検知閾値２２ａ、第２の過電圧検知閾値２２ｂ、接触器投入信号５である。過電圧検知器４０から出力される信号は、コンデンサ過電圧検知信号２４である。

過電圧検知器４０は、比較器２３、遅延器２６、切替器２７を備えている。遅延器２６は、接触器投入信号２５を一定時間遅延して切替器２７に出力する。切替器２７は、入力される遅延された接触器投入信号２５に従って、第１の過電圧検知閾値２２ａ、第２の過電圧検知閾値２２ｂのいずれか１方の閾値信号を選択して出力する。比較器２３は、選択された閾値信号と平滑用コンデンサ電圧信号２１とを比較し、平滑用コンデンサ電圧信号２１が選択された閾値信号よりも高いときに、コンデンサ過電圧検知信号２４を出力する。

第１の過電圧検知閾値２２ａは、通常時において使用される閾値である。第２の過電圧検知閾値は、初期充電の所定期間において使用される閾値である。第２の過電圧検知閾値２２ｂは、第１の過電圧検知閾値２２ａより高い値である。接触器３を投入後、遅延器２６により設定された一定の時間が経過するまで第２の過電圧検知閾値２２ｂが選択される。

第３の実施の形態によれば、初期充電時に過電圧検知が作動することを回避でき、またその後において、チョッパ回路４の半導体素子７や電力変換器１１内の半導体素子を保護することができる。

[第４の実施の形態]
第４の実施の形態の電気車用電力変換装置１００は、過電圧検知方法が第３の実施の形態と異なっている。第１の実施の形態と同一又は同様の部位には同一の符号を付してその詳細の説明は省略する。

図９は、第４の実施の形態の電気車用電力変換装置１００における過電圧検知器の構成を示す図である。なお、過電圧検知器４０は、制御装置５０内に設けられている。

過電圧検知器４０は、平滑用コンデンサ９の電圧が過電圧か否かを判断する。過電圧検知器４０に入力される信号は、平滑用コンデンサ電圧信号２１、第１の過電圧検知閾値２２ａ、第２の過電圧検知閾値２２ｂ、チョッパスイッチング開始指令信号３１、電力変換器スイッチング開始指令信号３２である。チョッパスイッチング開始指令信号３１は、チョッパ回路４の動作開始を指示する指令である。電力変換器スイッチング開始指令信号３２は電力変換器１１の動作開始を指示する信号である。過電圧検知器４０から出力される信号は、コンデンサ過電圧検知信号２４である。

過電圧検知器４０は、比較器２３、切替器２７、否定論理和器３３を備えている。否定論理和器３３は、チョッパ回路４及び電力変換器１１のいずれも動作開始されていないときに「１」の信号を出力し、チョッパ回路４及び電力変換器１１の少なくとも一つが動作開始されている場合に「０」の信号を出力する。切替器２７は、入力される動作開始状態信号に従って、第１の過電圧検知閾値２２ａ、第２の過電圧検知閾値２２ｂのいずれか１方の閾値信号を選択して出力する。比較器２３は、選択された閾値信号と平滑用コンデンサ電圧信号２１とを比較し、平滑用コンデンサ電圧信号２１が選択された閾値信号よりも高いときに、コンデンサ過電圧検知信号２４を出力する。

第１の過電圧検知閾値２２ａは、通常時において使用される閾値である。第２の過電圧検知閾値は、初期充電の所定期間において使用される閾値である。第２の過電圧検知閾値２２ｂは、第１の過電圧検知閾値２２ａより高い値である。接触器３を投入後、チョッパ回路４及び電力変換器１１の少なくとも一つが動作開始するまで第２の過電圧検知閾値２２ｂが選択される。

第４の実施の形態によれば、初期充電時に過電圧検知が作動することを回避でき、またその後において、チョッパ回路４の半導体素子７や電力変換器１１内の半導体素子が過電圧から保護することができる。

なお、チョッパ回路４が電力変換器よりも早く動作することから、否定論理和器３３に代えて、チョッパ回路４が動作していないときは「１」の信号を出力し、チョッパ回路４が動作しているときは「０」の信号を出力するようにしても良い。

[効果]
以上、説明した各実施の形態によれば、充電抵抗器と充電接触器を備えることなく、フィルタコンデンサの初期充電が行えるため、電力変換装置の回路構成を簡素化でき、電力変換装置の小型低廉化および故障率低減に寄与することができる。

尚、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。
上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

なお、上述の実施の形態で説明した各機能は、ハードウエアを用いて構成しても良く、また、ソフトウエアを用いて各機能を記載したプログラムをコンピュータに読み込ませて実現しても良い。また、各機能は、適宜ソフトウエア、ハードウエアのいずれかを選択して構成するものであっても良い。

１…電車線、２…集電装置、３…接触器、４…チョッパ回路、５…充電抵抗器、６…リアクトル、７…半導体素子、８…ダイオード、９…平滑用コンデンサ、１０…電圧検出器、１１…電力変換器、１２…負荷、１３…放電用抵抗器、１４…充電接触器、２１…平滑用コンデンサ電圧信号、２２ａ…第１の過電圧検知閾値、２２ｂ…第２の過電圧検知閾値、２３…比較器、２６…遅延器、２７…切替器、３３…否定論理和器、４０…過電圧検知器、５０…制御装置、１００…電気車用電力変換装置、１０１…主回路。

Claims (2)

1. 電車線から供給される直流電力を所定値に制御するチョッパ回路と、
   前記チョッパ回路から出力される直流電力を負荷に供給する電力に変換する電力変換器と、
   前記チョッパ回路と電力変換器のスイッチング動作を制御する制御装置と、
   前記電車線から印加される電車線電圧を前記チョッパ回路に供給する配線を断続する開放用接触器と、
   前記チョッパ回路の平滑用コンデンサと並列に接続される放電用抵抗器と、を有し、
   前記チョッパ回路に使用される半導体素子及び前記平滑用コンデンサの耐圧が前記電車線電圧の少なくとも２倍であって、
   前記制御装置は、
   前記開放用接触器を切替える接触器投入信号を遅延して出力する遅延器と、
   前記遅延器から出力された遅延された前記接触器投入信号に従って、第１の過電圧検知閾値と第２の過電圧検知閾値とのいずれか一方を選択して閾値信号として出力する切替器と、
   前記閾値信号と平滑用コンデンサ電圧信号とを比較し、前記平滑用コンデンサ電圧信号が前記閾値信号よりも高いときに、コンデンサ過電圧検知信号を出力する比較器と、を備え、
   前記第２の過電圧検知閾値は前記電車線電圧の少なくとも２倍に設定され、前記第１の過電圧検知閾値は前記第２の過電圧検知閾値よりも小さく設定され、
   前記切替器は、前記開放用接触器を介して前記配線を前記チョッパ回路に接続後、所定時間、前記第２の過電圧検知閾値を選択して出力する、電気車用電力変換装置。
2. 電車線から供給される直流電力を所定値に制御するチョッパ回路と、
   前記チョッパ回路から出力される直流電力を負荷に供給する電力に変換する電力変換器と、
   前記チョッパ回路と電力変換器のスイッチング動作を制御する制御装置と、
   前記電車線からの印加される電車線電圧を前記チョッパ回路に供給する配線を断続する開放用接触器と、
   前記チョッパ回路の平滑用コンデンサと並列に接続される放電用抵抗器と、を有し、
   前記チョッパ回路に使用される半導体素子及び前記平滑用コンデンサの耐圧が前記電車線電圧の少なくとも２倍であって、
   前記制御装置は、
   前記チョッパ回路の動作開始を指示する指令であるチョッパスイッチング開始指令信号と、前記電力変換器の動作開始を指示する信号である電力変換器スイッチング開始指令信号との否定論理和を演算し、動作開始状態信号として出力する否定論理和器と、
   前記動作開始状態信号に従って、第１の過電圧検知閾値と第２の過電圧検知閾値とのいずれか一方を選択して閾値信号として出力する切替器と、
   前記閾値信号と平滑用コンデンサ電圧信号とを比較し、前記平滑用コンデンサ電圧信号が前記閾値信号よりも高いときに、コンデンサ過電圧検知信号を出力する比較器と、を備え、
   前記第２の過電圧検知閾値は前記電車線電圧の少なくとも２倍に設定され、前記第１の過電圧検知閾値は前記第２の過電圧検知閾値よりも小さく設定され、
   前記切替器は、前記開放用接触器を介して前記配線を前記チョッパ回路に接続後、前記チョッパ回路に使用される半導体素子がスイッチング動作をしていないときは、前記第２の過電圧検知閾値を選択して出力する、電気車用電力変換装置。

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