JP6312112B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

この発明は、電力変換部の出力電力に相当する値に基づいて電力変換部の保護動作を行う電力変換装置に関する。

電気鉄道車両には、架線から取得した電力を変換して電動機に供給する電力変換装置が搭載される。電力変換装置は、例えば出力電圧または出力電流に応じて、電力変換部の制御または保護停止などを行う。特許文献１に開示される電力変換装置は、インバータ出力の瞬時電流から算出した２軸の電流成分より交流モータの発生トルクを算出する。該電力変換装置は、発生トルクに含まれるコンバータの整流に伴う脈動成分を検出し、該脈動成分に基づいてインバータの交流出力の周波数を調節する。

特開２００３−１１１５００号公報

特許文献１に開示される電力変換装置は、出力電流に基づくフィードバック制御を行う。出力電流は指令値に近づくように制御されるが、異常が生じ、例えば出力電流が過電流となる場合には、電力変換装置内の電子機器を保護するため、電力変換装置における電力変換を停止する保護動作が行われる。過電流、過電圧など個別の事象に対応して保護動作を行う電力変換装置においては、出力電流は指令値と一致するが、例えば外乱などのために、出力電力が所望の範囲にないことが起こり得る。この場合に、例えば電力変換装置に接続される負荷装置に入力される電力が過剰となることがある。

本発明は上述の事情に鑑みてなされたものであり、より多様な状況下での電力変換装置の保護動作を可能にすることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の電力変換装置は、入力電力を変換して出力する電力変換部と、電力変換部の出力電力および入力電力を用い、電力変換部の出力電力が第１の目標電力範囲内にないという第１の条件、および電力変換部の入力電力が第２の目標電力範囲内にないという第２の条件が成立する場合に、電力変換部における電力変換を停止する保護制御部とを備える。電力変換部の出力電力は、電力変換部の出力に設けられた電圧計で検出された、電力変換部の出力電圧を用いて算出される。

本発明によれば、出力電力に相当する値が、出力の目標値に応じて決定される目標電力範囲内にない場合に電力変換部における電力変換を停止することで、より多様な状況下での電力変換装置の保護動作が可能となる。

本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の構成例を示すブロック図である。 実施の形態１に係る電力変換装置の電気鉄道車両への搭載例を示す図である。 実施の形態１に係る保護制御部の構成例を示すブロック図である。 本発明の実施の形態２に係る保護制御部の構成例を示すブロック図である。 本発明の実施の形態３に係る保護制御部の構成例を示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお図中、同一または同等の部分には同一の符号を付す。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の構成例を示すブロック図である。電力変換装置１は、電気鉄道車両（以下、電気車という）に搭載される。電力変換装置１は、入力電力を変換して出力する電力変換部１１、例えば電気車の運転台から取得した運転指令ならびに電力変換部１１の出力電流などに応じて電力変換部１１を制御する通常制御部１５、電力変換部１１の出力電力が目標電力範囲内にない場合に電力変換部１１における電力変換を停止する保護制御部１６を備える。目標電力範囲は、電力変換部１１の出力の目標値に応じて決定される。図１の例では、電力変換部１１は、交流電力を直流電力に変換して出力するコンバータ１２、フィルタコンデンサ１３、フィルタコンデンサ１３で平滑されたコンバータ１２の出力電力を交流電力に変換して出力するインバータ１４を備える。電力変換部１１は、一方向の電力変換を行う回路構成でもよいし、双方向の電力変換を行う回路構成でもよい。電力変換部１１の構成は、図１の例に限られず、電力変換部１１として例えばＤＣ−ＤＣ変換器（Direct-Current-to-Direct-Current Converter）を用いてもよい。

図２は、実施の形態１に係る電力変換装置の電気鉄道車両への搭載例を示す図である。架線２からパンタグラフなどの集電装置３を介して取得され、変圧器６で変換された電力がコンバータ１２に供給される。図２は、架線電圧が交流の場合の例であるが、架線電圧が直流である区間を走行する電気車にも電力変換装置１は搭載できる。電力変換部１１で変換された電力は電動機９に供給され、電動機９が駆動され、電気車の推進力が得られる。図２の例では、架線２から集電装置３および変圧器６を介して電力変換部１１に供給される電力を電力変換部１１の入力電力とし、電力変換部１１が電動機９に対して出力する電力を電力変換部１１の出力電力とする。

図２の例では、一次電流を検出する電流計４、架線電圧を検出する電圧計５、コンバータ１２からインバータ１４へ流れる電流を検出する電流計１７、フィルタコンデンサ１３の電圧を検出する電圧計１８、インバータ１４が出力するＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相電圧を検出する電圧計７ｕ，７ｖ，７ｗ、およびインバータ１４が出力するＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相電流を検出する電流計８ｕ，８ｖ，８ｗが設けられている。電流計４，８ｕ，８ｖ，８ｗ，１７および電圧計５，７ｕ，７ｖ，７ｗ，１８は全て必要ではなく、通常制御部１５および保護制御部１６における制御に応じて必要なものを設ければよい。

通常制御部１５は、例えば運転台から取得した運転指令から算出した目標トルク値に応じた電流指令値および電流計８ｕ，８ｖ，８ｗが検出した電流値に応じてコンバータ１２およびインバータ１４が有するスイッチング素子のオンオフの切り替えを制御する制御信号をコンバータ１２およびインバータ１４に出力する。

図３は、実施の形態１に係る保護制御部の構成例を示すブロック図である。保護制御部１６は、目標電力範囲を算出する目標演算部２１、電力変換部１１の出力電力に相当する値を算出する出力演算部２２、および出力電力に相当する値ならびに目標電力範囲内に基づいて電力変換部１１における電力変換を停止させるか否かを判定し、該判定結果に応じて電力変換部１１を制御する判定部２３を備える。

目標演算部２１は、例えば運転指令から算出した目標トルク値と、図示しない電動機９の周波数を検出する周波数検出器から取得した周波数との積から、電力変換部１１の電動機９に対する出力の目標値である目標電力値を算出し、目標電力値からの誤差の許容範囲に応じて目標電力範囲を算出する。目標演算部２１は、例えば回生ブレーキの失効をどの程度許容できるかなどに応じて、目標電力範囲を算出する。

出力演算部２２は、例えば、電圧計７ｕ，７ｖ，７ｗおよび電流計８ｕ，８ｖ，８ｗの検出結果の積から、電力変換部１１の出力電力の瞬時値を算出し、出力電力に相当する値として用いる。出力演算部２２は、例えば、電流計４および電圧計５の検出結果の積から、電力変換部１１の入力電力の瞬時値を算出し、出力電力に相当する値として用いてもよい。高効率の電力変換を行う電力変換部１１においては、入力電力を出力電力に相当する値とみなすことができる。

判定部２３は、出力電力に相当する値が目標電力範囲内にない場合に、電力変換部１１における電力変換を停止させると判定し、コンバータ１２およびインバータ１４の動作を停止させる制御信号をコンバータ１２およびインバータ１４に出力する。

以上説明したとおり、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置１によれば、電力変換部１１の出力電力に相当する値が目標電力範囲内にない場合に電力変換部１１における電力変換を停止させることで、例えば外乱などによって、電力変換部１１の出力電流が適正な範囲内にあるが、出力電力が目標電力範囲内にない場合でも、電力変換部１１における電力変換を停止させることができ、より多様な状況下での電力変換装置１の保護動作が可能となる。電力変換部１１の出力電力が目標電力範囲にない場合に電力変換部１１における電力変換を停止することで、電力変換装置１が搭載される車両の制御の確度を向上させることが可能となる。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る電力変換装置１の構造は実施の形態１に係る電力変換装置１の構造と同じである。図４は、本発明の実施の形態２に係る保護制御部の構成例を示すブロック図である。実施の形態２に係る保護制御部１６は、目標演算部２１、出力演算部２２および判定部２３を有する。保護制御部１６は、電力変換部１１の出力電力に相当する値として２つの値を用い、２つの出力電力に相当する値および目標電力範囲に応じて電力変換部１１を制御する。

出力演算部２２は、電力変換部１１の出力電力を算出する第１の出力演算部２４および電力変換部１１の入力電力を算出する第２の出力演算部２５を有する。判定部２３は、目標電力範囲と電力変換部１１の出力電力を比較する比較部２６、目標電力範囲と電力変換部１１の入力電力を比較する比較部２７および比較部２６，２７の出力から電力変換部１１における電力変換を停止するか否かを判定し、上記判定結果に応じて電力変換部１１を制御する論理演算部２８を有する。比較部２６，２７で用いる目標電力範囲は図４に示すように同じでもよいし、異なっていてもよい。例えば電力変換部１１での損失を考慮して比較部２６，２７とで互いに異なる目標電力範囲を用いてもよい。

第１の出力演算部２４は、実施の形態１と同様に、例えば、電圧計７ｕ，７ｖ，７ｗおよび電流計８ｕ，８ｖ，８ｗの検出結果の積から、電力変換部１１の出力電力の瞬時値を算出する。第２の出力演算部２５は、実施の形態１と同様に、例えば、電流計４および電圧計５の検出結果の積から、電力変換部１１の入力電力の瞬時値を算出する。

比較部２６は、第１の出力演算部２４が算出した電力変換部１１の出力電力と目標電力範囲を比較し、電力変換部１１の出力電力が目標電力範囲内にある場合はＬ（Ｌｏｗ）レベルであり、電力変換部１１の出力電力が目標電力範囲内にない場合はＨ（Ｈｉｇｈ）レベルである信号を論理演算部２８に出力する。

比較部２７は、第２の出力演算部２５が算出した電力変換部１１の入力電力と目標電力範囲を比較し、電力変換部１１の入力電力が目標電力範囲内にある場合はＬレベルであり、電力変換部１１の入力電力が目標電力範囲内にない場合はＨレベルである信号を論理演算部２８に出力する。

論理演算部２８は、例えばＯＲ回路を有し、比較部２６，２７のいずれかの出力がＨレベルである場合に、電力変換部１１における電力変換を停止する制御信号を出力する。比較部２６，２７のいずれかの出力がＨレベルである場合に、電力変換部１１における電力変換を停止することで、電流計４，８ｕ，８ｖ，８ｗおよび電圧計５，７ｕ，７ｖ，７ｗのいずれかに異常が生じた場合であっても、電力変換部１１の異常を検出して電力変換部１１における電力変換を停止することが可能となる。

論理演算部２８は、例えばＡＮＤ回路を有し、比較部２６，２７の両方の出力がＨレベルである場合に、電力変換部１１における電力変換を停止する制御信号を出力してもよい。比較部２６，２７の両方の出力がＨレベルである場合に、電力変換部１１における電力変換を停止することで、電流計４，８ｕ，８ｖ，８ｗおよび電圧計５，７ｕ，７ｖ，７ｗのいずれかの異常によって、電力変換部１１の出力が正常であるにも関わらず電力変換部１１における電力変換を停止してしまうことを防止することが可能となる。

以上説明したとおり、本実施の形態２に係る電力変換装置１によれば、電力変換部１１の出力電力が目標電力範囲内にないという条件、および電力変換部１１の入力電力が目標電力範囲内にないという条件の少なくともいずれかが成立する場合に電力変換部１１における電力変換を停止させることで、より多様な状況下での電力変換装置１の保護動作が可能となる。２つの出力電力に相当する値を用いることで、電力変換装置１の保護動作を確実に行うことが可能となる。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３に係る電力変換装置１の構造は実施の形態１に係る電力変換装置１の構造と同じである。図５は、本発明の実施の形態３に係る保護制御部の構成例を示すブロック図である。実施の形態３に係る保護制御部１６は、目標演算部２１、出力演算部２２および判定部２３を有する。保護制御部１６は、電力変換部１１の出力電力に相当する値として３つの値を用い、３つの出力電力に相当する値および目標電力範囲に応じて電力変換部１１を制御する。

出力演算部２２は、電力変換部１１の出力電力を算出する第１の出力演算部２４、電力変換部１１の入力電力を算出する第２の出力演算部２５、および電力変換部１１が有するインバータ１４の入力電力を算出する第３の出力演算部２９を有する。判定部２３は、目標電力範囲と電力変換部１１の出力電力を比較する比較部２６、目標電力範囲と電力変換部１１の入力電力を比較する比較部２７、目標電力範囲とコンバータ１２の出力電力またはインバータ１４の入力電力を比較する比較部３０、および比較部２６，２７，３０の出力から電力変換部１１における電力変換を停止するか否かを判定し、上記判定結果に応じて電力変換部１１を制御する論理演算部２８を有する。比較部２６，２７，３０で用いる目標電力範囲は同じでもよいし、異なっていてもよい。例えば電力変換部１１での損失を考慮して比較部２６，２７，３０とで互いに異なる目標電力範囲を用いてもよい。

第１の出力演算部２４および第２の出力演算部２５の構成および動作は実施の形態２と同様である。第３の出力演算部２９は、例えば、電流計１７および電圧計１８の検出結果の積から、インバータ１４の入力電力の瞬時値を算出する。

比較部２６，２７の構成および動作は実施の形態２と同様である。比較部３０は、第３の出力演算部２９が算出したインバータ１４の入力電力と目標電力範囲を比較し、インバータ１４の入力電力が目標電力範囲内にある場合はＬレベルであり、インバータ１４の入力電力が目標電力範囲内にない場合はＨレベルである信号を論理演算部２８に出力する。

論理演算部２８は、比較部２６，２７，３０のいずれかの出力がＨレベルである場合に、電力変換部１１における電力変換を停止する制御信号を出力する。また比較部２６，２７，３０のそれぞれの出力の内、２以上の出力がＨレベルである場合に、電力変換部１１における電力変換を停止する制御信号を出力してもよい。３つの出力電力に相当する値の内、２つ以上が目標電力範囲内にない場合に電力変換部１１における電力変換を停止することで、電流計４，８ｕ，８ｖ，８ｗ，１７および電圧計５，７ｕ，７ｖ，７ｗ，１８のいずれかに異常が生じた場合であっても、電力変換部１１の異常を検出して電力変換部１１における電力変換を停止することが可能となり、電流計４，８ｕ，８ｖ，８ｗ，１７および電圧計５，７ｕ，７ｖ，７ｗ，１８のいずれかの異常によって電力変換部１１の出力が正常であるにも関わらず電力変換部１１における電力変換を停止してしまうことを防止することが可能となる。

電力変換部１１が、図１のようにフィルタコンデンサ１３を有しない場合には、電流計４および電圧計５を２つずつ設け、第１の出力演算部２４において一方の電流計４および電圧計５の検出結果の積から電力変換部１１の入力電力を算出し、第３の出力演算部２９において他方の電流計４および電圧計５の検出結果の積から電力変換部１１の入力電力を算出してもよい。この場合でも、比較部３０および論理演算部２８の動作は上述の例と同様である。

また電流計８ｕ，８ｖ，８ｗおよび電圧計７ｕ，７ｖ，７ｗを２つずつ設け、第２の出力演算部２５において一方の電流計８ｕ，８ｖ，８ｗおよび電圧計７ｕ，７ｖ，７ｗの検出結果の積から電力変換部１１の出力電力を算出し、第３の出力演算部２９において他方の電流計８ｕ，８ｖ，８ｗおよび電圧計７ｕ，７ｖ，７ｗの検出結果の積から電力変換部１１の出力電力を算出してもよい。この場合でも、比較部３０および論理演算部２８の動作は上述の例と同様である。

以上説明したとおり、本実施の形態３に係る電力変換装置１によれば、電力変換部１１の出力電力、電力変換部１１の入力電力、およびインバータ１４の入力電力の少なくともいずれかが目標電力範囲内にない場合に電力変換部１１における電力変換を停止させることで、より多様な状況下での電力変換装置１の保護動作が可能となる。３つの出力電力に相当する値を用いることで、電力変換装置１の保護動作を確実に行うことが可能となる。

本発明の実施の形態は上述の実施の形態に限られない。保護制御部１６が用いる電力変換部１１の出力電力に相当する値は、４以上であってもよい。

本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。すなわち、本発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。

１ 電力変換装置、２ 架線、３ 集電装置、４，８ｕ，８ｖ，８ｗ，１７ 電流計、５，７ｕ，７ｖ，７ｗ，１８ 電圧計、６ 変圧器、９ 電動機、１１ 電力変換部、１２ コンバータ、１３ フィルタコンデンサ、１４ インバータ、１５ 通常制御部、１６ 保護制御部、２１ 目標演算部、２２ 出力演算部、２３ 判定部、２４ 第１の出力演算部、２５ 第２の出力演算部、２６，２７，３０ 比較部、２８ 論理演算部、２９ 第３の出力演算部。

Claims (2)

1. 入力電力を変換して出力する電力変換部と、
   前記電力変換部の出力電力および入力電力を用い、前記電力変換部の出力電力が第１の目標電力範囲内にないという第１の条件、および前記電力変換部の入力電力が第２の目標電力範囲内にないという第２の条件が成立する場合に、前記電力変換部における電力変換を停止する保護制御部と、
   を備え、
   前記電力変換部の出力電力は、前記電力変換部の出力に設けられた電圧計で検出された、前記電力変換部の出力電圧を用いて算出される、
   電力変換装置。
2. 入力電力を変換して出力する第１の電力変換部および前記第１の電力変換部が出力する電力を変換して出力する第２の電力変換部を有する電力変換部と、
   前記電力変換部の出力電力、前記電力変換部の入力電力、および前記第１の電力変換部の出力電力または前記第２の電力変換部の入力電力を用い、前記電力変換部の出力電力が第１の目標電力範囲内にないという第１の条件、前記電力変換部の入力電力が第２の目標電力範囲内にないという第２の条件、および前記第１の電力変換部の出力電力または前記第２の電力変換部の入力電力が第３の目標電力範囲内にないという第３の条件に基づき、第１の条件、ならびに第２の条件および第３の条件の少なくともいずれかが成立する場合に、前記電力変換部における電力変換を停止する保護制御部と、
   を備え、
   前記電力変換部の出力電力は、前記電力変換部の出力に設けられた電圧計で検出された、前記電力変換部の出力電圧を用いて算出される、
   電力変換装置。

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