JP6952915B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

電気鉄道車両には、架線を通して変電所から供給された電力を所望の交流電力に変換し、変換した電力を車両内の負荷に供給する電力変換装置が搭載されるものがある。この種の電力変換装置の一例が特許文献１に開示されている。この電力変換装置は、それぞれが電源から一次端子を介して供給された直流電力を交流電力に変換して二次端子に接続された負荷に供給する２つの電力変換部と、それぞれが対応する電力変換部の一次端子に接続され、電源から供給される電力で充電される２つのフィルタコンデンサと、を備える。この電力変換装置はさらに、２つの電力変換部を、電源に電気的に接続し、または電源から電気的に切り離し、電源から電気的に切り離す際に生じるアークを消す機能を有する遮断器と、遮断器に直列に接続されて、遮断器が投入されている状態で、２つの電力変換部を、電源に電気的に接続し、または電源から電気的に切り離す切替器と、を備える。

特開２００５−２８７１２９号公報

特許文献１に開示される電力変換装置の電力変換部は二重化されている。一方の電力変換部は稼動系に設定され、他方の電力変換部は待機系に設定される。具体的には、この電力変換装置は、稼動系に設定された電力変換部のスイッチング素子を制御して、稼動系に設定された電力変換部を動作させて、直流電力から交流電力への電力変換を行う。この電力変換装置は、電力変換部に流れる電流を制限するために遮断器を備える。また、この電力変換装置は、稼動系に設定されている電力変換部と待機系に設定される電力変換部のいずれかを電源に接続するために切替器を備える。
上記構成を有する電力変換装置は、入力回路、すなわち、遮断器から電力変換部までの回路で、または、電力変換部で、地絡、短絡等が発生した際に遮断器を開放し、電力変換部を停止させる。その後、この電力変換装置は、切替器を稼動系から待機系に切り替えて、遮断器を投入し、待機系に設定されていた電力変換部のスイッチング素子を制御して、待機系に設定されている電力変換部を動作させる。電気鉄道車両に搭載される電力変換装置が備える遮断器は、一般的にサイズが大きい高圧遮断器で構成されるため、遮断器を備える電力変換装置の小型化は難しい。
さらに特許文献１に開示される電力変換装置は、電力変換部の一次端子に接続された接触器と、電力変換部の二次端子に接続された接触器とを備えるため、小型化が難しい。

本発明は上述の事情に鑑みてなされたものであり、電流を制限する機能を確保しながら、電力変換部が二重化された電力変換装置を小型化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、電源に共通に接続される複数の電力変換ユニットと、接触器制御部と、を備える。
複数の電力変換ユニットはそれぞれ、ヒューズと、電力変換部と、第１接触器と、を有する。ヒューズは、電源から供給された直流電流が閾値以上になると電路を遮断する。電力変換部は、電源からヒューズを通って一次端子を介して供給された直流電力を二次端子に接続された負荷に供給するための電力に変換し、変換した電力を二次端子から負荷に供給する。第１接触器は、電力変換部を、電源に電気的に接続し、または電源から電気的に切り離す。ヒューズは、直流電流が閾値以上になると、溶断して電路を遮断することで、ヒューズを有する電力変換ユニットを構成する電力変換部を電源から電気的に切り離す。接触器制御部は、複数の電力変換ユニットのそれぞれが有する第１接触器を投入し、または開放する。

本発明に係る電力変換装置は、それぞれが電力変換部を有する複数の電力変換ユニットを備えることで、電力変換部が二重化されている。また複数の電力変換ユニットはそれぞれ、ヒューズを備えるため、電流を制限する機能を確保しながら、電力変換装置の小型化が可能である。

本発明の実施の形態１に係る電力変換装置のブロック図 本発明の実施の形態２に係るフィルタリアクトルを示す図 本発明の実施の形態に係る電力変換装置のブロック図

以下、本発明の実施の形態に係る電力変換装置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）
直流き電方式の電気鉄道車両に搭載された電力変換装置について、実施の形態１で説明する。図１に示すように、電気鉄道車両に搭載された集電装置４は、架線３を介して、直流電源である変電所から直流電力を取得し、実施の形態１に係る電力変換装置１に供給する。電気鉄道車両に搭載された負荷７に電力を供給するために、電力変換装置１は、供給された直流電力を三相交流電力に変換する。そして、電力変換装置１は、三相交流電力を変圧器５と交流フィルタコンデンサ６を介して負荷７に供給する。

変圧器５の各一次端子は、電力変換装置１の出力端、詳細には後述の切替器１２の各二次端子に接続される。また変圧器５の各二次端子は、負荷７に接続される。変圧器５は、一次端子を介して入力された三相交流電力を、所望の交流電力に変換して、二次端子から負荷７に供給する。
交流フィルタコンデンサ６は、変圧器５の各二次端子に接続され、電力変換装置１の出力に含まれる高調波成分を低減する。

電力変換装置１は、集電装置４から供給される直流電力を三相交流電力に変換して、三相交流電力を負荷７に供給する電力変換ユニット１０，２０と、電力変換ユニット１０，２０のいずれかを負荷７に電気的に接続する切替器１２と、を備える。電力変換ユニット１０，２０は、集電装置４に共通に接続され、かつ、切替器１２に共通に接続され、二重化されている。なお電力変換ユニット１０，２０の一方は稼動系に設定され、他方は待機系に設定される。

稼動系に設定された電力変換ユニット１０が、集電装置４から供給される直流電力を三相交流電力に変換して、三相交流電力を負荷７に供給している間、待機系に設定された電力変換ユニット２０は停止している。また稼動系に設定された電力変換ユニット１０が停止した場合は、待機系に設定された電力変換ユニット２０が、集電装置４から供給される直流電力を三相交流電力に変換して、三相交流電力を負荷７に供給する。

切替器１２の各一次端子は、電力変換ユニット１０，２０のそれぞれの対応する出力端、詳細には、後述する電力変換部１１，２１の二次端子に接続されている。また切替器１２の各二次端子は、変圧器５に接続されている。なお切替器１２は、後述の接触器制御部３１によって制御され、電力変換部１１に接続された各一次端子と、対応する各二次端子とを電気的に接続し、または、電力変換部２１に接続された各一次端子と、対応する各二次端子とを電気的に接続する。

電力変換ユニット１０は、一端が集電装置４に接続されたヒューズＦ１と、一端がヒューズＦ１の他端に接続された第１接触器ＭＣ１１と、一端が第１接触器ＭＣ１１の他端に接続されたフィルタリアクトルＦＬ１と、一端がフィルタリアクトルＦＬ１の他端に接続され、他端が接地されているフィルタコンデンサＦＣ１と、を備える。
電力変換ユニット１０はさらに、一次端子間にフィルタコンデンサＦＣ１が接続された電力変換部１１を備える。電力変換部１１の二次端子は、切替器１２に接続される。

電力変換ユニット２０の構成は、電力変換ユニット１０の構成と同様である。詳細には、電力変換ユニット２０は、一端が集電装置４に接続されたヒューズＦ２と、一端がヒューズＦ２の他端に接続された第１接触器ＭＣ２１と、一端が第１接触器ＭＣ２１の他端に接続されたフィルタリアクトルＦＬ２と、一端がフィルタリアクトルＦＬ２の他端に接続され、他端が接地されているフィルタコンデンサＦＣ２と、を備える。
電力変換ユニット２０はさらに、一次端子間にフィルタコンデンサＦＣ２が接続された電力変換部２１を備える。電力変換部２１の二次端子は、切替器１２に接続される。

電力変換装置１はさらに、電力変換ユニット１０が有する第１接触器ＭＣ１１と電力変換ユニット２０が有する第１接触器ＭＣ２１とを投入し、または開放し、切替器１２を稼動系または待機系に切り替える接触器制御部３１と、電力変換部１１，２１のそれぞれが有するスイッチング素子を制御するスイッチング制御部３２と、電力変換ユニット１０，２０のそれぞれの故障の有無を判別する故障判別部３３と、を備える。

電力変換ユニット１０の各部について説明する。
ヒューズＦ１は、集電装置４から供給される直流電流が閾値以上となる、すなわち、過電流が生じると、溶断することで、電路を遮断する。この結果、電力変換部１１は、集電装置４から電気的に切り離される。この閾値は、架線３に過電流が生じること、および、図示しない変電所の遮断器をトリップさせることを防ぐように設定される。ヒューズＦ１を構成する導体の長さ、導体の太さ、導体を形成する部材等は、この閾値に応じて定まる。

第１接触器ＭＣ１１は、直流電磁接触器で構成される。また第１接触器ＭＣ１１は、接触器制御部３１によって制御される。第１接触器ＭＣ１１の一端は、ヒューズＦ１の他端に接続され、他端はフィルタリアクトルＦＬ１の一端に接続される。
接触器制御部３１が第１接触器ＭＣ１１を投入すると、第１接触器ＭＣ１１の一端と他端は互いに接続されるため、ヒューズＦ１とフィルタリアクトルＦＬ１は互いに電気的に接続される。この結果、電力変換部１１は、集電装置４に電気的に接続される。
また接触器制御部３１が第１接触器ＭＣ１１を開放すると、第１接触器ＭＣ１１の一端と他端は絶縁されるため、フィルタリアクトルＦＬ１は、ヒューズＦ１から電気的に切り離される。この結果、電力変換部１１は、集電装置４から電気的に切り離される。

フィルタリアクトルＦＬ１の一端は、第１接触器ＭＣ１１の他端に接続され、他端はフィルタコンデンサＦＣ１の一端と電力変換部１１の一次端子に接続される。フィルタリアクトルＦＬ１は、入力電流に含まれる高調波成分を低減する。
フィルタコンデンサＦＣ１の一端は、フィルタリアクトルＦＬ１の他端に接続され、他端は接地される。またフィルタコンデンサＦＣ１は、電力変換部１１の一次端子の間に接続され、集電装置４から供給される直流電力で充電される。フィルタコンデンサＦＣ１は、電圧を平滑化する。またフィルタリアクトルＦＬ１とフィルタコンデンサＦＣ１とがＬＣ形フィルタを構成することで、後述するように電力変換部１１が動作する際に発生させるノイズが低減され、また架線３からの入力電流に含まれるノイズ成分が低減される。

電力変換部１１は、集電装置４から一次端子を介して供給された直流電力を三相交流電力に変換し、三相交流電力を、各二次端子に接続された切替器１２と、変圧器５と、交流フィルタコンデンサ６とを介して負荷７に供給する。詳細には、電力変換部１１が有するスイッチング素子が、スイッチング制御部３２によって制御されることで、電力変換部１１は直流電力を三相交流電力に変換し、三相交流電力を負荷７に供給する。
なお電力変換部１１は、例えば、ＣＶＣＦ（Constant Voltage Constant Frequency）インバータで構成される。

電力変換ユニット２０の各部について説明する。なお電力変換ユニット２０の構成は、電力変換ユニット１０の構成と同様である。
ヒューズＦ２は、集電装置４から供給される直流電流が閾値以上となると、溶断して、電路を遮断する。この結果、電力変換部２１は、集電装置４から電気的に切り離される。この閾値は、ヒューズＦ１の場合と同様に設定される。ヒューズＦ２を構成する導体の長さ、導体の太さ、導体を形成する部材等は、この閾値に応じて定まる。

第１接触器ＭＣ２１は、直流電磁接触器で構成される。また第１接触器ＭＣ２１は、接触器制御部３１によって制御される。第１接触器ＭＣ２１の一端は、ヒューズＦ２の他端に接続され、他端はフィルタリアクトルＦＬ２の一端に接続される。
接触器制御部３１が第１接触器ＭＣ２１を投入すると、第１接触器ＭＣ２１の一端と他端は互いに接続されるため、ヒューズＦ２とフィルタリアクトルＦＬ２は互いに電気的に接続される。この結果、電力変換部２１は、集電装置４に電気的に接続される。
また接触器制御部３１が第１接触器ＭＣ２１を開放すると、第１接触器ＭＣ２１の一端と他端は絶縁されるため、フィルタリアクトルＦＬ２は、ヒューズＦ２から電気的に切り離される。この結果、電力変換部２１は、集電装置４から電気的に切り離される。

フィルタリアクトルＦＬ２の一端は、第１接触器ＭＣ２１の他端に接続され、他端はフィルタコンデンサＦＣ２の一端と電力変換部２１の一次端子に接続される。フィルタリアクトルＦＬ２は、入力電流に含まれる高調波成分を低減する。
フィルタコンデンサＦＣ２の一端は、フィルタリアクトルＦＬ２の他端に接続され、他端は接地される。またフィルタコンデンサＦＣ２は、電力変換部２１の一次端子の間に接続され、集電装置４から供給される直流電力で充電される。フィルタコンデンサＦＣ２は、電圧を平滑化する。またフィルタリアクトルＦＬ２とフィルタコンデンサＦＣ２とがＬＣ形フィルタを構成することで、後述するように電力変換部２１が動作する際に発生させるノイズが低減され、また架線３からの入力電流に含まれるノイズ成分が低減される。

電力変換部２１は、集電装置４から一次端子を介して供給された直流電力を三相交流電力に変換し、三相交流電力を、各二次端子に接続された切替器１２と、変圧器５と、交流フィルタコンデンサ６とを介して負荷７に供給する。詳細には、電力変換部２１が有するスイッチング素子が、スイッチング制御部３２によって制御されることで、電力変換部２１は直流電力を三相交流電力に変換し、三相交流電力を負荷７に供給する。
なお電力変換部２１は、例えば、ＣＶＣＦインバータで構成される。

上記構成を有する電力変換ユニット１０，２０を制御し、稼動系と待機系との切り替えを可能とする接触器制御部３１、スイッチング制御部３２、および故障判別部３３について説明する。
接触器制御部３１は、第１接触器ＭＣ１１，ＭＣ２１を投入または開放し、切替器１２を駆動系または待機系に切り替える。なお接触器制御部３１に、図示しない運転台から、電力変換装置１の始動または停止を指示する動作指示信号が供給される。また接触器制御部３１は、電力変換ユニット１０，２０のいずれを稼動系とするかについての情報を予め保持している。さらに接触器制御部３１には、故障判別部３３から、電力変換ユニット１０，２０の故障の有無を示す故障判別信号Ｓ２が供給される。

詳細には、接触器制御部３１は、第１接触器ＭＣ１１が開放された状態で、電力変換装置１の始動を指示する動作指示信号が供給されると、第１接触器ＭＣ１１を投入し、さらに切替器１２を稼動系に切り替える。なお接触器制御部３１は、第１接触器ＭＣ２１を開放したままにする。そして、接触器制御部３１は、第１接触器ＭＣ１１が投入された状態であることを示す接触器状態信号Ｓ１をスイッチング制御部３２と故障判別部３３に供給する。
また接触器制御部３１は、電力変換装置１の停止を指示する動作指示信号が供給されると、投入されている第１接触器ＭＣ１１を開放する。

さらに接触器制御部３１は、第１接触器ＭＣ１１が投入され、切替器１２が稼動系に切り替えられている状態で、故障が生じていることを示す故障判別信号Ｓ２が供給された場合、第１接触器ＭＣ１１を開放し、切替器１２を待機系に切り替える。次に、接触器制御部３１は、第１接触器ＭＣ２１を投入する。そして、接触器制御部３１は、第１接触器ＭＣ２１が投入された状態であることを示す接触器状態信号Ｓ１をスイッチング制御部３２と故障判別部３３に供給する。

スイッチング制御部３２は、接触器状態信号Ｓ１に応じて、電力変換部１１，２１が有するスイッチング素子を制御する。
詳細には、スイッチング制御部３２は、接触器状態信号Ｓ１が、第１接触器ＭＣ１１が投入された状態であることを示す場合、後述するように、投入された第１接触器ＭＣ１１を有する電力変換ユニット１０を構成する電力変換部１１が有するスイッチング素子に、スイッチング制御信号を送り、スイッチング素子を制御する。なお、この場合、スイッチング制御部３２は、電力変換部２１が有するスイッチング素子をオフにするスイッチング制御信号を電力変換部２１に送る。
またスイッチング制御部３２は、接触器状態信号Ｓ１が、第１接触器ＭＣ２１が投入された状態であることを示す場合、後述するように、電力変換部２１が有するスイッチング素子に、スイッチング制御信号を送り、スイッチング素子を制御する。なお、この場合、スイッチング制御部３２は、電力変換部１１が有するスイッチング素子をオフにするスイッチング制御信号を電力変換部１１に送る。

またスイッチング制御部３２には、後述する故障判別部３３から、電力変換ユニット１０，２０の故障の有無を示す故障判別信号Ｓ２が供給される。
スイッチング制御部３２は、第１接触器ＭＣ１１が投入された状態であることを示す接触器状態信号Ｓ１が供給されているときに、故障が生じていることを示す故障判別信号Ｓ２が供給されると、電力変換部１１が有するスイッチング素子をオフにするスイッチング制御信号を電力変換部１１に送る。
またスイッチング制御部３２は、第１接触器ＭＣ２１が投入された状態であることを示す接触器状態信号Ｓ１が供給されているときに、故障が生じていることを示す故障判別信号Ｓ２が供給されると、電力変換部２１が有するスイッチング素子をオフにするスイッチング制御信号を電力変換部２１に送る。

故障判別部３３には、接触器制御部３１から接触器状態信号Ｓ１が供給される。故障判別部３３は、第１接触器ＭＣ１１または第１接触器ＭＣ２１が投入された状態であることを示す接触器状態信号Ｓ１を取得すると、電力変換ユニット１０，２０の故障の有無を判別する処理を開始する。故障判別部３３は、第１接触器ＭＣ１１が投入されている場合、電力変換部１１へのスイッチング制御信号、電力変換部１１が有するスイッチング素子の状態を示すフィードバック信号、電力変換部１１の出力電圧または出力電流、ヒューズＦ１の溶断の有無、電力変換部１１の入力電圧または入力電流、負荷７への出力電圧または出力電流等に基づいて、電力変換ユニット１０の故障の有無を判別する。同様に、故障判別部３３は、第１接触器ＭＣ２１が投入されている場合、電力変換部２１へのスイッチング制御信号、電力変換部２１が有するスイッチング素子の状態を示すフィードバック信号、電力変換部２１の出力電圧または出力電流、ヒューズＦ２の溶断の有無、電力変換部２１の入力電圧または入力電流、負荷７への出力電圧または出力電流等に基づいて、電力変換ユニット２０の故障の有無を判別する。

故障判別部３３が行う電力変換ユニット１０，２０の故障の有無を判別する処理について、スイッチング制御信号とフィードバック信号を用いて故障の有無を判別する処理を一例として説明する。
故障判別部３３は、スイッチング制御部３２から、電力変換部１１，２１へのスイッチング制御信号を取得する。また故障判別部３３は、電力変換部１１，２１からスイッチング素子のオンオフの状態を示すフィードバック信号を取得する。そして、故障判別部３３は、スイッチング制御信号が示すスイッチング素子のオンオフの状態と、フィードバック信号が示すスイッチング素子のオンオフの状態が一致するか否かを判別する。スイッチング制御信号が示すスイッチング素子のオンオフの状態と、フィードバック信号が示すスイッチング素子のオンオフの状態が一致しない場合、電力変換ユニット１０，２０の故障が生じているとみなすことができる。故障判別部３３は、スイッチング制御信号が示すスイッチング素子のオンオフの状態と、フィードバック信号が示すスイッチング素子のオンオフの状態が一致しないと判別した場合、Ｈｉｇｈレベルの故障判別信号Ｓ２を接触器制御部３１に供給する。

次に、上記構成を有する電力変換装置１の動作について説明する。まず電力変換ユニット１０，２０の故障が生じていない場合を例にして説明する。
電気鉄道車両の運転開始時に、集電装置４の一例であるパンタグラフを上昇させる上昇スイッチの操作が行われて、集電装置４が架線３に接触すると、集電装置４は、変電所から電力の供給を受ける。またパンタグラフ上昇スイッチの操作に連動して、運転台から、電力変換装置１の始動を指示する動作指示信号が接触器制御部３１に供給される。接触器制御部３１は、電力変換装置１の始動を指示する動作指示信号が供給されると、切替器１２を稼動系に切り替えてから、第１接触器ＭＣ１１を投入する。

上述のように第１接触器ＭＣ１１が投入されると、集電装置４が架線３を介して変電所から取得した電力が、ヒューズＦ１、第１接触器ＭＣ１１、およびフィルタリアクトルＦＬ１を介して、フィルタコンデンサＦＣ１に供給され、フィルタコンデンサＦＣ１の充電が開始される。

また上述のように接触器制御部３１が切替器１２を稼動系に切り替えると、電力変換部１１に接続された切替器１２の各一次端子と対応する各二次端子は互いに接続されて、電力変換部１１と負荷７は、互いに電気的に接続される。なお切替器１２を稼動系に切り替えるということは、切替器１２が稼動系に切り替えられた状態を維持することを含むものとする。

その後、フィルタコンデンサＦＣ１の充電が完了し、フィルタコンデンサＦＣ１の端子間電圧が閾値電圧以上となると、スイッチング制御部３２は、電力変換部１１が一次端子を介して供給された直流電力を、負荷７に供給するための三相交流電力に変換するように、電力変換部１１のスイッチング素子を制御する。なお三相交流電力が、一定電圧、かつ、一定周波数に保たれるように、スイッチング素子が制御される。

詳細には、スイッチング制御部３２は、電力変換部１１の二次端子に接続された電流測定部から、各相の電流値を取得する。またスイッチング制御部３２は、電力変換部１１の二次端子に接続された図示しない電圧測定部から、電力変換部１１の出力電圧を取得する。そして、スイッチング制御部３２は、出力電圧が一定電圧、かつ、一定周波数に維持されるように、電力変換部１１のスイッチング素子にスイッチング制御信号を送って、スイッチング素子を制御する。

次に、負荷７に電力を供給するため、上述のようにスイッチング制御部３２が電力変換部１１を制御している間に、電力変換ユニット１０の故障が生じた場合を例にして、稼動系から待機系に切り替える電力変換装置１の動作について説明する。
故障判別部３３は、第１接触器ＭＣ１１が投入された状態であることを示す接触器状態信号Ｓ１を取得すると、電力変換ユニット１０の故障の有無を判別する処理を開始する。詳細には、故障判別部３３は、スイッチング制御信号が示すスイッチング素子のオンオフの状態と、フィードバック信号が示すスイッチング素子のオンオフの状態が一致するか否かを判別する。スイッチング制御信号が示すスイッチング素子のオンオフの状態とフィードバック信号が示すスイッチング素子のオンオフの状態が一致しない場合、電力変換ユニット１０の故障が生じているとみなすことができる。故障判別部３３は、スイッチング制御信号が示すスイッチング素子のオンオフの状態と、フィードバック信号が示すスイッチング素子のオンオフの状態が一致しないと判別した場合、Ｈｉｇｈレベルの故障判別信号Ｓ２を接触器制御部３１とスイッチング制御部３２に供給する。

スイッチング制御部３２は、第１接触器ＭＣ１１が投入された状態であることを示す接触器状態信号Ｓ１が供給されている場合に、Ｈｉｇｈレベルの故障判別信号Ｓ２が供給されると、電力変換部１１が有するスイッチング素子をオフにするスイッチング制御信号を電力変換部１１に送る。この結果、電力変換部１１が有するスイッチング素子はオフになり、電力変換部１１は停止する。

接触器制御部３１は、第１接触器ＭＣ１１が投入されている場合に、Ｈｉｇｈレベルの故障判別信号Ｓ２が供給されると、第１接触器ＭＣ１１を開放する。その後、接触器制御部３１は、切替器１２を待機系に切り替えてから、第１接触器ＭＣ２１を投入する。そして、接触器制御部３１は、第１接触器ＭＣ２１が投入された状態であることを示す接触器状態信号Ｓ１をスイッチング制御部３２と故障判別部３３に供給する。

上述のように接触器制御部３１が切替器１２を待機系に切り替えると、切替器１２の各一次端子と対応する電力変換部２１の各二次端子は互いに接続され、電力変換部２１と負荷７は互いに電気的に接続される。なお切替器１２を待機系に切り替えるということは、切替器１２が待機系に切り替えられた状態を維持することを含むものとする。

スイッチング制御部３２は、第１接触器ＭＣ２１が投入された状態であることを示す接触器状態信号Ｓ１が供給されると、電力変換部２１が一次端子を介して供給された直流電力を、負荷７に供給するための三相交流電力に変換するように、電力変換部２１のスイッチング素子を制御する。この結果、電力変換ユニット１０の故障が生じても、電力変換ユニット２０を動作させることで、負荷７に電力が供給され続ける。

なお上述のように電力変換ユニット１０の故障が生じて、集電装置４から供給される直流電流が閾値以上となると、ヒューズＦ１は溶断することで、電路を遮断する。この結果、電力変換部１１は集電装置４から電気的に切り離される。

以上説明したとおり、本発明の実施の形態に係る電力変換装置１は、それぞれが供給された直流電力を交流電力に変換して、負荷７に交流電力を供給する電力変換ユニット１０，２０を備える。電力変換ユニット１０，２０を備えることで、電力変換ユニット１０，２０の一方の故障が生じても、他方を動作させることで、負荷７への電力の供給を継続することができる。
また電力変換ユニット１０，２０のそれぞれは、過電流が生じた場合に電路を遮断するために、ヒューズＦ１，Ｆ２を備える。ヒューズＦ１，Ｆ２は、遮断器と比べてサイズが小さいため、遮断器を備える従来の電力変換装置よりも、電力変換装置１は小型化が可能である。また遮断器はサイズが大きいため、電力変換装置の他の構成要素と同一の筐体に収容することが難しいが、ヒューズＦ１，Ｆ２は、電力変換装置１の他の構成要素と同一の筐体に収容することが可能である。

（実施の形態２）
電力変換ユニット１０，２０が集電装置４に共通に接続され、負荷７に共通に接続されている、換言すれば、電力変換装置１が待機二重系の電力変換装置である場合、フィルタリアクトルＦＬ１，ＦＬ２が鉄心を共有することで、電力変換装置１をさらに小型化することが可能である。フィルタリアクトルＦＬ１，ＦＬ２が鉄心を共有する構成について実施の形態２として説明する。

実施の形態２に係る電力変換装置１の基本構成と動作は、実施の形態１と同様である。実施の形態１と異なるフィルタリアクトルＦＬ１，ＦＬ２の構造について図２を用いて説明する。
フィルタリアクトルＦＬ１，ＦＬ２は、鉄心４０を共有している。
フィルタリアクトルＦＬ１は、鉄心４０に巻かれたコイル４１を備える。コイル４１の一端４１ａは、第１接触器ＭＣ１１の他端に接続される。コイル４１の他端４１ｂは、フィルタコンデンサＦＣ１の一端と、電力変換部１１の一次端子に接続される。
フィルタリアクトルＦＬ２は、鉄心４０に巻かれたコイル４２を備える。コイル４２の一端４２ａは、第１接触器ＭＣ２１の他端に接続される。コイル４２の他端４２ｂは、フィルタコンデンサＦＣ２の一端と、電力変換部２１の一次端子に接続される。

以上説明したとおり、本発明の実施の形態２に係る電力変換装置１によれば、フィルタリアクトルＦＬ１，ＦＬ２は、鉄心４０を共有している。鉄心を有さないフィルタリアクトルと比べて、鉄心４０を有するフィルタリアクトルＦＬ１，ＦＬ２は小型化が可能である。またフィルタリアクトルＦＬ１，ＦＬ２が鉄心４０を共有しているため、それぞれが個別の鉄心を有する複数のフィルタリアクトルを備える電力変換装置と比べて、実施の形態２に係る電力変換装置１は、小型化が可能である。
待機二重系の電力変換装置１では、コイル４１，４２のいずれかにのみ電流が流れるため、鉄心４０を、コイル４１，４２の一方で構成される磁気回路を考慮して設計すればよい。その結果、コイル４１，４２のそれぞれが個別の鉄心を有する場合の鉄心と同じ寸法の鉄心を、共有される鉄心４０として採用することができる。

本発明の実施の形態は、上述の例に限られない。
上述の回路構成は一例であり、電力変換装置の変形例を図３に示す。図３に示す電力変換装置２は、第１接触器ＭＣ１１に並列に接続された、第２接触器ＭＣ１２と抵抗Ｒ１の直列回路をさらに備える。また電力変換装置２は、第１接触器ＭＣ２１に並列に接続された、第２接触器ＭＣ２２と抵抗Ｒ２の直列回路をさらに備える。

電力変換装置２が有する接触器制御部３１は、第１接触器ＭＣ１１を投入する前に、第２接触器ＭＣ１２を投入し、フィルタコンデンサＦＣ１が充電されてから、第１接触器ＭＣ１１を投入する。第２接触器ＭＣ１２に直列に抵抗Ｒ１が直列に接続されているため、第２接触器ＭＣ１２を投入する際に突入電流がフィルタコンデンサＦＣ１に流れることが防止される。
同様に、接触器制御部３１は、第１接触器ＭＣ２１を投入する前に、第２接触器ＭＣ２２を投入し、フィルタコンデンサＦＣ２が充電されてから、第１接触器ＭＣ２１を投入する。第２接触器ＭＣ２２に直列に抵抗Ｒ２が直列に接続されているため、第２接触器ＭＣ２２を投入する際に突入電流がフィルタコンデンサＦＣ２に流れることが防止される。

電力変換装置１，２は、アノードがフィルタリアクトルＦＬ１の他端に接続され、カソードがフィルタコンデンサＦＣ１の一端に接続される逆流防止用のダイオードと、アノードがフィルタリアクトルＦＬ２の他端に接続され、カソードがフィルタコンデンサＦＣ２の一端に接続される逆流防止用のダイオードとをさらに備えてもよい。

また電力変換装置１，２は、アノードがフィルタリアクトルＦＬ１の他端に接続され、カソードがフィルタコンデンサＦＣ１の一端に接続されるサイリスタと、アノードがフィルタリアクトルＦＬ２の他端に接続され、カソードがフィルタコンデンサＦＣ２の一端に接続されるサイリスタと、それぞれが対応するサイリスタに並列に接続される複数の抵抗と、をさらに備えてもよい。

電力変換ユニットの数は、２つに限られず、２以上の任意の数である。例えば、電力変換装置１が３つの電力変換ユニットと、各一次端子が３つの電力変換ユニットに接続され、各二次端子が変圧器５に接続された切替器と、を備える場合、接触器制御部３１は、電力変換装置１の始動を指示する動作指示信号が供給されると、稼動系に設定された電力変換ユニットが有する第１接触器を投入し、待機系に設定された他の２つの電力変換ユニットが有する第１接触器を開放する。また接触器制御部３１は、切替器を稼動系に切り替える。

また電力変換ユニット１０，２０の切り替えは、故障時に限られない。一例として、定められた周期で、動作する電力変換ユニット１０，２０を切り替えてもよい。具体的には、接触器制御部３１は、定められた周期で、駆動系または待機系への切り替えを繰り返し行ってもよい。これにより、電力変換ユニット１０，２０の使用時間が同程度に維持され、電力変換ユニット１０，２０の一方が劣化することが抑制される。なお、この場合、電力変換装置１，２は、故障判別部３３を備えなくてもよい。

電力変換ユニット１０，２０はそれぞれ、独立した負荷７に接続されてもよい。この場合、電力変換装置１は切替器１２を備えずに、電力変換部１１，２１のそれぞれの二次端子は、独立した変圧器５と交流フィルタコンデンサ６とを介して、独立した負荷７に接続されればよい。

電力変換装置１，２は、集電靴である集電装置４が第三軌条から電力を取得する電気鉄道車両に搭載されてもよい。
また電力変換装置１，２は、切替器１２の代わりに接触器を備えてもよい。

電力変換ユニット１０，２０のいずれを稼動系とするかは任意である。例えば、電力変換ユニット２０を稼動系とし、電力変換ユニット１０を待機系としてもよい。この場合、接触器制御部３１は、電力変換装置１の始動を指示する動作指示信号が供給されると、第１接触器ＭＣ２１を投入すればよい。そして、接触器制御部３１は、切替器１２を稼動系に切り替えればよい。なお接触器制御部３１は、第１接触器ＭＣ１１を開放したままにすればよい。

電力変換装置１の起動のトリガは動作指示信号に限られない。一例として、接触器制御部３１は、集電装置４が架線３に接触した時に、第１接触器ＭＣ１１を投入してもよい。具体的には、接触器制御部３１は、架線３の電圧に相当する第１接触器ＭＣ１１の一端とフィルタコンデンサＦＣ１の他端の間の電圧を測定する電圧測定部から、測定した電圧値を取得し、電圧値が閾値電圧以上となれば、第１接触器ＭＣ１１と切替器１２を投入してもよい。この閾値電圧は、架線３の電圧が取り得る値の最小値を考慮して個別に設定される。

電力変換部１１，２１は、スイッチング素子を有し、スイッチング素子のオンオフの動作によって、供給された直流電力を、負荷７に供給するための電力に変換する構成であれば、任意の構成を有する。電力変換部１１，２１は、電動機に電力を供給するＶＶＶＦ（Variable Voltage Variable Frequency：可変電圧可変周波数）インバータでもよいし、ＤＣ（Direct Current）−ＤＣコンバータでもよい。電力変換部１１，２１がＤＣ−ＤＣコンバータである場合、ＤＣ−ＤＣコンバータの二次端子が負荷７に接続され、二次端子の間にフィルタコンデンサが設けられればよい。

故障判別部３３の故障の判別方法は、上述の例に限られず、電力変換ユニット１０，２０の故障の有無を判別することができる方法であれば、任意である。
一例として、故障判別部３３は、ヒューズＦ１，Ｆ２の溶断の有無に基づいて、電力変換ユニット１０，２０の故障の有無を判別してもよい。詳細には、故障判別部３３は、ヒューズＦ１，Ｆ２に搭載されている溶断検知スイッチから、溶断の有無を示す信号を取得し、この信号に基づいてヒューズＦ１，Ｆ２の溶断の有無を判別してもよい。そして、故障判別部３３は、ヒューズＦ１，Ｆ２の溶断が生じたと判別した場合に、Ｈｉｇｈレベルの故障判別信号Ｓ２を接触器制御部３１とスイッチング制御部３２に供給すればよい。後続の処理は、上述の実施の形態と同様であるので、過電流が生じてヒューズＦ１が溶断した場合は、稼動系の電力変換ユニット１０が停止され、待機系の電力変換ユニット２０が動作する。なお溶断したヒューズＦ１を交換すると、電力変換ユニット１０による電力変換処理が再び可能となる。
他の一例として、故障判別部３３は、電力変換部１１，２１を構成する半導体の冷却器温度を監視し、温度が規定値以上である場合に、電力変換部１１，２１の故障が生じたと判別してもよい。

また他の一例として、故障判別部３３は、各相電流の振幅が第１振幅以下であるか、または、第１振幅より大きい第２振幅以上であるか否かを判別してもよい。第１振幅は、例えば、電力変換ユニット１０，２０の故障が生じていない場合の、各相電流の振幅の１／２である。また第２振幅は、例えば、電力変換ユニット１０，２０の故障が生じていない場合の、各相電流の振幅の１．５倍である。
また故障判別部３３は、フィルタコンデンサＦＣ１，ＦＣ２の端子間電圧の値が、第１電圧以下であるか、または、第１電圧より大きい第２電圧以上であるか否かを判別してもよい。第１電圧は、例えば、電力変換ユニット１０，２０の故障が生じていない場合の、フィルタコンデンサＦＣ１，ＦＣ２の端子間電圧の値の１／２である。また第２振幅は、例えば、電力変換ユニット１０，２０の故障が生じていない場合の、フィルタコンデンサＦＣ１，ＦＣ２の端子間電圧の値の１．５倍である。

上述の実施の形態では、接触器制御部３１、スイッチング制御部３２、および故障判別部３３はそれぞれ、電力変換ユニット１０，２０から独立して設けられているが、電力変換ユニット１０，２０がそれぞれ、接触器制御部３１、スイッチング制御部３２、および故障判別部３３を備えてもよい。この場合、電力変換ユニット１０が備える接触器制御部３１は、第１接触器ＭＣ１１を制御する。また電力変換ユニット１０が備えるスイッチング制御部３２は、電力変換部１１が有するスイッチング素子を制御する。また電力変換ユニット１０が備える故障判別部３３は、電力変換ユニット１０の故障の有無を判別する。同様に、電力変換ユニット２０が備える接触器制御部３１は第１接触器ＭＣ２１を制御する。また電力変換ユニット２０が備えるスイッチング制御部３２は、電力変換部２１が有するスイッチング素子を制御する。また電力変換ユニット２０が備える故障判別部３３は、電力変換ユニット２０の故障の有無を判別する。

負荷７は、鉄道車両に搭載される任意の電気機器および電子機器である。一例として、負荷７は、照明機器、空調機器等である。

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。

１，２ 電力変換装置、３ 架線、４ 集電装置、５ 変圧器、６ 交流フィルタコンデンサ、７ 負荷、１０，２０ 電力変換ユニット、１１，２１ 電力変換部、１２ 切替器、３１ 接触器制御部、３２ スイッチング制御部、３３ 故障判別部、４０ 鉄心、４１，４２ コイル、４１ａ，４２ａ 一端、４１ｂ，４２ｂ 他端、Ｆ１，Ｆ２ ヒューズ、ＦＣ１，ＦＣ２ フィルタコンデンサ、ＦＬ１，ＦＬ２ フィルタリアクトル、ＭＣ１１，ＭＣ２１ 第１接触器、ＭＣ１２，ＭＣ２２ 第２接触器、Ｒ１，Ｒ２ 抵抗、Ｓ１ 接触器状態信号、Ｓ２ 故障判別信号。

Claims (3)

1. 電源から供給された直流電流が閾値以上になると電路を遮断するヒューズと、前記電源から前記ヒューズを通って一次端子を介して供給された直流電力を二次端子に接続された負荷に供給するための電力に変換し、変換した電力を前記二次端子から前記負荷に供給する電力変換部と、前記電力変換部を、前記電源に電気的に接続し、または前記電源から電気的に切り離す第１接触器と、を有し、前記電源に共通に接続される複数の電力変換ユニットと、
   前記複数の電力変換ユニットのそれぞれが有する前記第１接触器を投入し、または開放する接触器制御部と、
   を備え、
   前記ヒューズは、前記直流電流が前記閾値以上になると、溶断して前記電路を遮断することで、前記ヒューズを有する前記電力変換ユニットを構成する前記電力変換部を前記電源から電気的に切り離す、
   電力変換装置。
2. 投入された前記第１接触器を有する前記電力変換ユニットの故障の有無を判別する故障判別部をさらに備え、
   前記接触器制御部は、前記故障判別部で故障していると判別された前記電力変換ユニットが有する前記第１接触器を開放し、他の前記電力変換ユニットが有する投入されていない前記第１接触器を投入する、
   請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記複数の電力変換ユニットはそれぞれ、鉄心と前記鉄心に巻かれたコイルとを有し、高調波成分を低減するフィルタリアクトルをさらに備え、
   前記複数の電力変換ユニットは、前記負荷に共通に接続され、
   前記複数の電力変換ユニットのそれぞれが有する前記フィルタリアクトルを構成する前記コイルは、互いに共通の前記鉄心に巻かれる、
   請求項１または２に記載の電力変換装置。

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