JP7229425B2

JP7229425B2 - 電力変換装置

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Publication number: JP7229425B2
Application number: JP2022513786A
Authority: JP
Inventors: 道夫大坪
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2020-04-09
Filing date: 2020-04-09
Publication date: 2023-02-27
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Description

本開示は、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直流電力を所望の交流電力に変換し、変換した電力を電動機に供給する電力変換装置が搭載されているものがある。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、電力変換部と、両端が電力変換部の一次端子に接続されるフィルタコンデンサと、フィルタコンデンサを放電させる放電抵抗を有する放電回路と、フィルタコンデンサを充電する際の突入電流を抑制するための充電抵抗と、を備える。

特開２０１５－０５０８５４号公報

電気鉄道車両には、機械ブレーキに加えて、発電ブレーキ方式でブレーキを生じさせることができるものがある。特許文献１に開示される電力変換装置において、発電ブレーキ方式で電気鉄道車両にブレーキをかけることを可能とするためには、発電機として動作する電動機から供給される電力を消費するための回路が必要となる。詳細には、電力変換装置は、直列に接続されたスイッチング素子とブレーキ抵抗を有するブレーキチョッパ回路をさらに備える必要がある。上述したように、電力変換装置は、放電抵抗と、充電抵抗と、ブレーキ抵抗とを有する。このため、発電ブレーキ方式で電気鉄道車両にブレーキをかけることを可能とする電力変換装置は、機能別に抵抗を備えるため、構造が複雑になり、サイズも大きくなる。なおこの課題は、機能別に複数の抵抗を要する任意の電力変換装置で起こり得る。

本開示は上述の事情に鑑みてなされたものであり、構造が簡易な電力変換装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本開示の電力変換装置は、フィルタコンデンサと、電力変換部と、回路切替部と、チョッパ回路と、放電スイッチと、を備える。フィルタコンデンサは、電源から供給される直流電力で充電される。電力変換部は、一次端子間にフィルタコンデンサが接続され、電源からフィルタコンデンサを介して供給される直流電力を、直流電力または交流電力に変換して、二次端子に接続された電動機に供給する。また電力変換部は、発電機として動作する電動機から供給される直流電力または交流電力を直流電力に変換して出力し、フィルタコンデンサを充電する。回路切替部は、第１抵抗を有し、電力変換部およびフィルタコンデンサ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。チョッパ回路は、直列に接続されたスイッチング素子および第２抵抗を有する。またチョッパ回路の両端は、電力変換部の一次端子間に接続される。放電スイッチの一端は第１抵抗の電源に近い一端に接続され、他端がスイッチング素子と第２抵抗との接続点に接続される。回路切替部は、フィルタコンデンサを電源から供給される直流電力で充電する際に、第１抵抗を通る電路を介して、電力変換部およびフィルタコンデンサを電源に電気的に接続する。チョッパ回路は、スイッチング素子がオンになると電力変換部からフィルタコンデンサを介して供給される直流電力を第２抵抗で消費させる。放電スイッチは、オンになると、第１抵抗と第２抵抗とを直列に接続し、フィルタコンデンサを直列に接続した第１抵抗および第２抵抗に電気的に接続することで、フィルタコンデンサを放電させる。

本開示によれば、第１抵抗と第２抵抗とを直列に接続し、フィルタコンデンサを直列に接続した第１抵抗および第２抵抗に電気的に接続することで、フィルタコンデンサを放電させる。このため、フィルタコンデンサを放電させるためだけの抵抗を設ける必要がない。したがって、電力変換装置の構造が簡易である。

実施の形態１に係る電力変換装置のブロック図実施の形態１に係る電力変換装置の鉄道車両への搭載例を示す図実施の形態２に係る電力変換装置のブロック図実施の形態２に係る電力変換装置が行う短絡故障の有無を判別する動作のフローチャート実施の形態に係る電力変換装置の第１変形例のブロック図実施の形態に係る電力変換装置の第２変形例のブロック図

以下、本開示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）
車両に搭載される電力変換装置を例にして、実施の形態１に係る電力変換装置１について説明する。
図１に示す電力変換装置１は、電源に接続される正極入力端子１ａと、接地される負極入力端子１ｂとを備える。電力変換装置１は、電源から正極入力端子１ａを介して供給された直流電力を、電動機５１を駆動するための三相交流電力に変換して、出力端子から三相交流電力を電動機５１に供給する。電動機５１は、例えば、三相誘導電動機である。電力変換装置１が電動機５１に三相交流電力を供給することで、電動機５１が駆動され、車両の推進力が得られる。また電力変換装置１は、車両のブレーキ時に、発電機として動作する電動機５１で発生した三相交流電力を直流電力に変換し、後述の第２抵抗ＢＲで消費させる。この結果、車両を減速させるブレーキ力が得られる。

電力変換装置１が直流き電方式の電気鉄道車両に搭載される場合を例にして、電力変換装置１の詳細について説明する。図２に示すように、集電装置５２は、架線５３を介して変電所から直流電力を取得し、高速遮断器５４を介して、電力変換装置１に電力を供給する。なお集電装置５２は、電力変換装置１に電力を供給する電源に相当する。高速遮断器５４は、図示しない遮断器制御部によって制御され、集電装置５２と電力変換装置１とを電気的に接続し、または電力変換装置１を集電装置５２から電気的に遮断する。

電力変換装置１は、一対の一次端子１１ａ，１１ｂを有し、集電装置５２から一次端子１１ａを介して供給される直流電力を三相交流電力に変換して、電動機５１に供給する電力変換部１１と、両端が電力変換部１１の一次端子１１ａ，１１ｂに接続され、集電装置５２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と、電力変換部１１およびフィルタコンデンサＦＣ１を集電装置５２に電気的に接続し、または、集電装置５２から電気的に切り離す回路切替部１２と、を備える。

電力変換装置１はさらに、両端が電力変換部１１の一次端子１１ａ，１１ｂに接続され、電気鉄道車両のブレーキ時に発電機として動作する電動機５１で生じる電力を消費するチョッパ回路１３と、回路切替部１２が有する後述の第１抵抗ＣＨＲとチョッパ回路１３が有する後述の第２抵抗ＢＲとを直列に接続し、フィルタコンデンサＦＣ１を直列に接続した第１抵抗ＣＨＲおよび第２抵抗ＢＲに電気的に接続することでフィルタコンデンサＦＣ１を放電させる放電スイッチＳＷ１と、フィルタコンデンサＦＣ１の電圧の値を測定する電圧測定部１４と、を備える。

電力変換装置１はさらに、回路切替部１２の制御、具体的には回路切替部１２の電路の切替を行う接触器制御部１５と、電力変換部１１の制御を行うスイッチング制御部１６と、チョッパ回路１３を制御するチョッパ制御部１７と、を備える。

電力変換装置１は、フィルタコンデンサＦＣ１の放電を第１抵抗ＣＨＲおよび第２抵抗ＢＲで行い、電気鉄道車両のブレーキ時に発電機として動作する電動機５１から供給される電力の消費を第２抵抗ＢＲで行う。このため、フィルタコンデンサＦＣ１を充電する際に用いる抵抗と、フィルタコンデンサＦＣ１の放電を行うための抵抗と、電気鉄道車両のブレーキ時に発電機として動作する電動機５１から供給される電力を消費するための抵抗をそれぞれ備える必要がないため、小型化が可能となる。電力変換装置１の構造の詳細について以下に説明する。

電力変換部１１は、一次端子１１ａ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電動機５１に供給する。また電力変換部１１は、電動機５１から供給される三相交流電力を直流電力に変換し、直流電力を一次端子１１ａから出力する。例えば、電力変換部１１は、ＶＶＶＦ（Variable Voltage Variable Frequency）インバータである。

フィルタコンデンサＦＣ１は、電力変換部１１の一次端子１１ａ，１１ｂの間に接続され、集電装置５２が架線５３を介して取得した電力で充電される。

回路切替部１２は、第１抵抗ＣＨＲを有し、フィルタコンデンサＦＣ１を充電する際に、第１抵抗ＣＨＲを通る電路を介して、電力変換部１１を集電装置５２に電気的に接続する。この結果、フィルタコンデンサＦＣ１の充電時にフィルタコンデンサＦＣ１に突入電流が流れることが抑制される。換言すれば、第１抵抗ＣＨＲは、充電時にフィルタコンデンサＦＣ１に突入電流が流れることを抑制する充電抵抗としての役割を果たす。なお第１抵抗ＣＨＲの抵抗値は、突入電流を抑制可能な値であれば任意であり、例えば数十Ωである。

詳細には、回路切替部１２は、第１抵抗ＣＨＲと、一端が高速遮断器５４を介して集電装置５２に接続され、第１抵抗ＣＨＲに並列に位置する第１の接触器である接触器ＭＣ１と、一端が高速遮断器５４を介して集電装置５２に接続され、他端が第１抵抗ＣＨＲの一端に接続される第２の接触器である接触器ＭＣ２と、を備える。

具体的には、第１抵抗ＣＨＲの一端は接触器ＭＣ２に接続され、他端は電力変換部１１の一次端子１１ａに接続される。

接触器ＭＣ１の一端は高速遮断器５４に接続され、他端は電力変換部１１の一次端子１１ａに接続される。接触器ＭＣ１は、直流電磁接触器であり、接触器制御部１５によって制御される。接触器制御部１５が接触器ＭＣ１を投入すると、接触器ＭＣ１の一端と他端は互いに接続される。高速遮断器５４が投入された状態で、接触器ＭＣ１が投入されると、電力変換部１１およびフィルタコンデンサＦＣ１は、集電装置５２に電気的に接続される。
また接触器制御部１５が接触器ＭＣ１を開放すると、接触器ＭＣ１の一端と他端は絶縁される。接触器ＭＣ２が開放された状態で、接触器制御部１５が接触器ＭＣ１を開放すると、電力変換部１１およびフィルタコンデンサＦＣ１は、集電装置５２から電気的に切り離される。

接触器ＭＣ２の一端は高速遮断器５４に接続され、他端は第１抵抗ＣＨＲの一端に接続される。接触器ＭＣ２は、直流電磁接触器であり、接触器制御部１５によって制御される。接触器制御部１５が接触器ＭＣ２を投入すると、接触器ＭＣ２の一端と他端は互いに接続される。この結果、高速遮断器５４と第１抵抗ＣＨＲは電気的に接続される。なお高速遮断器５４が投入された状態で、接触器ＭＣ２が投入されると、電力変換部１１およびフィルタコンデンサＦＣ１は、集電装置５２に電気的に接続される。
また接触器制御部１５が接触器ＭＣ２を開放すると、接触器ＭＣ２の一端と他端は絶縁される。この結果、第１抵抗ＣＨＲは、高速遮断器５４から電気的に切り離される。

チョッパ回路１３は、直列に接続されたスイッチング素子ＳＷ２および第２抵抗ＢＲを備える。またチョッパ回路１３は、オンになると電力変換部１１からフィルタコンデンサＦＣ１を介して供給される直流電力を第２抵抗ＢＲで消費させる。換言すれば、チョッパ回路１３は、発電ブレーキ方式で車両にブレーキをかけることを可能にするブレーキチョッパとしての役割を果たし、第２艇庫うＢＲはブレーキ抵抗としての役割を果たす。

スイッチング素子ＳＷ２は、高速スイッチングが可能な素子、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）である。この場合、スイッチング素子ＳＷ２のコレクタ端子は、接触器ＭＣ１の他端と電力変換部１１の一次端子１１ａの接続点に接続され、エミッタ端子は、第２抵抗ＢＲの一端に接続される。ゲート端子には、後述のチョッパ制御部１７からのチョッパ制御信号Ｓ３が入力される。
第２抵抗ＢＲの一端は、スイッチング素子ＳＷ２のエミッタ端子に接続され、他端は接地されている。スイッチング素子ＳＷ２がオンになると、フィルタコンデンサＦＣ１が第２抵抗ＢＲに接続される。この結果、第２抵抗ＢＲは、発電機として動作する電動機５１から供給され、電力変換部１１で変換され、フィルタコンデンサＦＣ１を介して供給される直流電力を消費する。第２抵抗ＢＲの抵抗値は、フィルタコンデンサＦＣ１を介して供給される直流電力を消費することで、電気鉄道車両のブレーキ力を生じさせることができる値であれば任意であり、例えば数Ωである。

放電スイッチＳＷ１の一端は、第１抵抗ＣＨＲの電源に近い一端、詳細には、接触器ＭＣ２と第１抵抗ＣＨＲの接続点に接続される。また放電スイッチＳＷ１の他端は、スイッチング素子ＳＷ２と第２抵抗ＢＲの接続点に接続される。また放電スイッチＳＷ１は、ナイフスイッチである。電力変換装置１の保守作業を行う保守作業員が、放電スイッチＳＷ１を機械的に操作することで、放電スイッチＳＷ１がオンまたはオフになる。

詳細には、接触器ＭＣ１，ＭＣ２が共に開放された状態で、保守作業員が放電スイッチＳＷ１をオンにする。放電スイッチＳＷ１がオンになると、放電スイッチＳＷ１の両端が電気的に接続され、第１抵抗ＣＨＲと第２抵抗ＢＲが直列に接続される。この結果、フィルタコンデンサＦＣ１は、直列に接続された第１抵抗ＣＨＲおよび第２抵抗ＢＲに電気的に接続される。このため、フィルタコンデンサＦＣ１は、直列に接続された第１抵抗ＣＨＲおよび第２抵抗ＢＲによって放電される。また放電スイッチＳＷ１がオフになると、放電スイッチＳＷ１の両端は絶縁される。

電圧測定部１４は、電力変換部１１の一次端子１１ａ，１１ｂに接続され、フィルタコンデンサＦＣ１の端子間電圧の値を測定する。そして、電圧測定部１４は、接触器制御部１５、スイッチング制御部１６、およびチョッパ制御部１７に測定した電圧値を示す信号を供給する。

接触器制御部１５には、図示しない運転台から、接触器ＭＣ１，ＭＣ２の投入または開放を指示する開閉指示信号が供給される。また接触器制御部１５は、開閉指示信号に従って、接触器ＭＣ１，ＭＣ２を投入または開放する。具体的には、接触器制御部１５は、接触器ＭＣ１，ＭＣ２に投入または開放を指示する接触器制御信号Ｓ１を送り、接触器ＭＣ１，ＭＣ２を制御する。

スイッチング制御部１６には、図示しない運転台から運転指令が供給される。運転指令は、電気鉄道車両の目標加速度を示す力行指令、電気鉄道車両の目標減速度を示すブレーキ指令等を含む。スイッチング制御部１６は、後述するように、運転指令に応じて、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Ｓ２を送り、スイッチング素子を制御する。

チョッパ制御部１７には、図示しない運転台から運転指令が供給される。チョッパ制御部１７は、運転指令がブレーキ指令を含む場合に、チョッパ回路１３のスイッチング素子ＳＷ２のオンオフを切り替える。詳細には、チョッパ制御部１７は、運転指令がブレーキ指令を含む場合に、回生ブレーキ力が得られるように、チョッパ回路１３のスイッチング素子ＳＷ２の通流率を調節するためのチョッパ制御信号Ｓ３をスイッチング素子ＳＷ２のゲート端子に供給する。

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。
電気鉄道車両の始動時に、集電装置５２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５２が架線５３に接触すると、集電装置５２は、変電所から電力の供給を受ける。また上昇スイッチの操作に連動して、高速遮断器５４が投入され、電力変換装置１は集電装置５２に電気的に接続される。

また上昇スイッチの操作に連動して、始動を指示する開閉指示信号が接触器制御部１５に供給される。接触器制御部１５は、始動を指示する開閉指示信号が供給されると、接触器ＭＣ２の投入を指示する接触器制御信号Ｓ１を出力する。この結果、接触器ＭＣ２が投入され、集電装置５２が架線５３を介して変電所から取得した電力が、高速遮断器５４、接触器ＭＣ２、および第１抵抗ＣＨＲ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。接触器ＭＣ２に第１抵抗ＣＨＲが直列に接続されているため、接触器ＭＣ２の投入時にフィルタコンデンサＦＣ１に突入電流が流れることが抑制される。

その後、フィルタコンデンサＦＣ１が十分に充電されると、接触器制御部１５は、接触器ＭＣ１の投入を指示する接触器制御信号Ｓ１を出力する。この結果、接触器ＭＣ１が投入され、集電装置５２が架線５３を介して変電所から取得した電力が、高速遮断器５４および接触器ＭＣ１を介して、フィルタコンデンサＦＣ１に供給される。

その後、接触器制御部１５は、接触器ＭＣ２の開放を指示する接触器制御信号Ｓ１を出力する。この結果、第１抵抗ＣＨＲは集電装置５２から電気的に切り離される。

電気鉄道車両の始動後、運転開始されると、スイッチング制御部１６およびチョッパ制御部１７に、運転台からの運転指令が入力される。運転指令に応じたスイッチング制御部１６およびチョッパ制御部１７の動作について説明する。

運転指令が力行指令を含む場合、すなわち、電気鉄道車両の力行時に、スイッチング制御部１６は、電力変換部１１のスイッチング素子を制御して、電力変換部１１に、直流電力を電動機５１を駆動するための三相交流電力に変換させる。

詳細には、スイッチング制御部１６は、力行指令が示す目標加速度を得るための目標トルクを算出する。またスイッチング制御部１６は、図示しない電動機電流測定部から電動機５１に流れる電流の測定値を取得し、取得した測定値から電動機５１の実トルクを算出する。具体的には、スイッチング制御部１６は、電動機５１に流れるＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電流の値を測定する電動機電流測定部から電動機５１に流れる相電流の測定値を取得し、相電流の測定値から電動機５１の実トルクを算出する。そして、スイッチング制御部１６は、電動機５１の実トルクを目標トルクに近づけるために、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Ｓ２を送ってスイッチング素子を制御する。

運転指令がブレーキ指令を含む場合、すなわち、電気鉄道車両のブレーキ時は、電動機５１は発電機として動作し、三相交流電力を電力変換部１１に供給する。
この場合、スイッチング制御部１６は、電力変換部１１のスイッチング素子を制御して、電力変換部１１に、三相交流電力を直流電力に変換させる。そして、電力変換装置１は、架線５３を介して、近隣に位置する他の電気鉄道車両に電力を供給することが可能となる。この結果、電気鉄道車両には回生ブレーキ力が生じ、電気鉄道車両が減速する。

例えば近隣に力行中の他の電気鉄道車両が位置していないため、架線５３に電力を供給できない場合、電動機５１から供給される電力をチョッパ回路１３で消費することで、電気鉄道車両に発電ブレーキ力を生じさせることができる。
チョッパ制御部１７は、運転指令がブレーキ指令を含む場合、スイッチング素子ＳＷ２のオンオフを切り替えて、電力変換部１１が出力する直流電力を第２抵抗ＢＲに消費させる。詳細には、チョッパ制御部１７は、電圧測定部１４から取得したフィルタコンデンサＦＣ１の端子間電圧の値に応じて、スイッチング素子ＳＷ２の通流率を調節して、フィルタコンデンサＦＣ１の端子間の電圧の値を定められた範囲に維持する。なお定められた範囲は、架線５３に電力を供給することが可能となり、かつ、フィルタコンデンサＦＣ１に印加可能な最大電圧より低い範囲の値である。

具体的には、架線５３に電力を供給できず、フィルタコンデンサＦＣ１の端子間の電圧が上昇した場合は、チョッパ制御部１７がスイッチング素子ＳＷ２の通流率を大きくする。この結果、電動機５１から供給される電力は第２抵抗ＢＲで消費され、電気鉄道車両のブレーキ力が得られる。

次に、電気鉄道車両の停止時の電力変換装置１の動作について説明する。電気鉄道車両を停止する際には、電力変換部１１の停止後に、高速遮断器５４および接触器ＭＣ１が開放される。これにより、電力変換部１１は、集電装置５２から電気的に切り離される。

電気鉄道車両の停止後に、電力変換装置１の保守作業が行われる場合、保守作業員が放電スイッチＳＷ１を機械的に操作することで、放電スイッチＳＷ１がオンになる。接触器ＭＣ１，ＭＣ２が開放された状態で、放電スイッチＳＷ１がオンになると、第１抵抗ＣＨＲと第２抵抗ＢＲは直列に接続される。またフィルタコンデンサＦＣ１は、直列に接続された第１抵抗ＣＨＲおよび第２抵抗ＢＲに電気的に接続され、第１抵抗ＣＨＲおよび第２抵抗ＢＲによって放電される。

以上説明した通り、実施の形態１に係る電力変換装置１によれば、フィルタコンデンサＦＣ１の放電を、フィルタコンデンサＦＣ１の充電時の突入電流を抑制するために設けられている第１抵抗ＣＨＲと、電気鉄道車両のブレーキ時に電動機５１から供給される電力を消費するために設けられている第２抵抗ＢＲで行う。このため、第１抵抗ＣＨＲおよび第２抵抗ＢＲに加えて、フィルタコンデンサＦＣ１を放電するための抵抗を新たに備える必要がない。したがって、発電ブレーキ方式で電気鉄道車両にブレーキをかけることができる電力変換装置１の構造が簡易となる。また電力変換装置１の小型化が可能となる。

なお電力変換装置１は、第１抵抗ＣＨＲおよび第２抵抗ＢＲを直列接続した上で、フィルタコンデンサＦＣ１の放電を行う。このため、フィルタコンデンサＦＣ１の放電回路の抵抗値は、第１抵抗ＣＨＲの抵抗値と第２抵抗ＢＲの抵抗値を加算したものである。

また実施の形態１に係る電力変換装置１によれば、放電スイッチＳＷ１が短絡故障しても、放電スイッチＳＷ１の他端には第２抵抗ＢＲが接続されているため、地絡電流が低減される。

またフィルタコンデンサＦＣ１の放電時に流れる放電電流は、第１抵抗ＣＨＲの抵抗値と第２抵抗ＢＲの抵抗値の合計に反比例する。第１抵抗ＣＨＲは、接触器ＭＣ２の投入時の突入電流を抑制可能な程度に高い抵抗値、例えば数十Ωを有する。このため、放電電流は十分に小さくなり、電流容量の小さいスイッチを放電スイッチＳＷ１として用いることが可能となり、また放電電流が流れる回路の配線を細くすることが可能となる。換言すれば、フィルタコンデンサＦＣ１の放電時に電流が流れる回路の電気的制約を緩和することが可能となる。

（実施の形態２）
放電スイッチＳＷ１が短絡故障すると、集電装置５２から放電スイッチＳＷ１を介して第２抵抗ＢＲに地絡電流が流れてしまう。そこで、第２抵抗ＢＲに流れる電流に基づいて、放電スイッチＳＷ１の短絡故障の有無を判別することが可能な電力変換装置２について実施の形態２で説明する。なお電力変換装置２の電気鉄道車両への搭載の仕方は、実施の形態１と同様である。電力変換装置２が、実施の形態１に係る電力変換装置１と異なる点について以下に説明する。

図３に示す実施の形態２に係る電力変換装置２は、実施の形態１に係る電力変換装置１の構成に加え、第２抵抗ＢＲを流れる電流の値を測定する電流測定部１８と、電流測定部１８の測定値に基づいて放電スイッチＳＷ１の短絡故障の有無を判別する故障判別部１９と、をさらに備える。

接触器制御部１５は、接触器ＭＣ１，ＭＣ２の少なくともいずれかが投入されているか否かを示す接触器状態信号Ｓ４を故障判別部１９に供給する。例えば、接触器制御部１５は、接触器ＭＣ１，ＭＣ２が共に開放されている場合にＬｏｗレベルとなり、接触器ＭＣ１，ＭＣ２の少なくともいずれかが投入されている場合にＨｉｇｈレベルとなる接触器状態信号Ｓ４を出力する。
また接触器制御部１５は、後述するように故障判別部１９が放電スイッチＳＷ１の短絡故障が生じていると判別した場合、接触器ＭＣ１，ＭＣ２を共に開放する。

スイッチング制御部１６は、後述するように故障判別部１９が放電スイッチＳＷ１の短絡故障が生じていると判別した場合、電力変換部１１が有するスイッチング素子をオフにする。

チョッパ制御部１７は、スイッチング素子ＳＷ２がオンオフのいずれの状態であるかを示す素子状態信号Ｓ５を故障判別部１９に供給する。例えば、チョッパ制御部１７は、スイッチング素子ＳＷ２がオンの状態でＨｉｇｈレベルとなり、スイッチング素子ＳＷ２がオフの状態でＬｏｗレベルとなる素子状態信号Ｓ５を出力する。

電流測定部１８は、スイッチング素子ＳＷ２と第２抵抗ＢＲとの間に設けられる。詳細には、電流測定部１８の一端は、スイッチング素子ＳＷ２のエミッタ端子に接続され、他端は、第２抵抗ＢＲの一端に接続される。また電流測定部１８とスイッチング素子ＳＷ２との接続点に放電スイッチＳＷ１の他端が接続される。上述の位置に設けられた電流測定部１８は、ＣＴ（Current Transformer：変流器）であり、第２抵抗ＢＲに流れる電流の値を測定する。そして、電流測定部１８は、電流の測定値を示す信号を故障判別部１９に供給する。

故障判別部１９は、放電スイッチＳＷ１がオフになっていて、チョッパ回路１３のスイッチング素子ＳＷ２がオフの状態で、電流測定部１８から取得した電流の測定値である電流値ＩＢが閾値電流Ｔｈ以上であるか否かを判別する。放電スイッチＳＷ１がオフの状態で、かつ、チョッパ回路１３のスイッチング素子ＳＷ２がオフの状態で、電流値ＩＢが閾値電流Ｔｈ以上であれば、放電スイッチＳＷ１が短絡故障しているとみなすことができる。

なお閾値電流Ｔｈは、架線５３の電圧である架線電圧を第１抵抗ＣＨＲの抵抗値と第２抵抗ＢＲの抵抗値の合計で除算した値に応じて定めることができる。具体的には、架線電圧が取り得る値の最小値を第１抵抗ＣＨＲの抵抗値と第２抵抗ＢＲの抵抗値の合計で除算した値を、閾値電流Ｔｈとすることが好ましい。

また故障判別部１９は、電流値ＩＢが閾値電流Ｔｈ以上であるか否かの判別結果に基づく判別結果信号Ｓ６を接触器制御部１５とスイッチング制御部１６に出力する。詳細には、故障判別部１９は、電流値ＩＢが閾値電流Ｔｈ未満であると判別した場合、放電スイッチＳＷ１の短絡故障が生じていないことを示す判別結果信号Ｓ６を接触器制御部１５とスイッチング制御部１６に出力する。また故障判別部１９は、電流値ＩＢが閾値電流Ｔｈ以上であると判別した場合、放電スイッチＳＷ１の短絡故障が生じていることを示す判別結果信号Ｓ６を接触器制御部１５とスイッチング制御部１６に出力する。例えば、故障判別部１９は、電流値ＩＢが閾値電流未満であると判別した場合にＬｏｗレベルとなり、電流値ＩＢが閾値電流以上であると判別した場合にＨｉｇｈレベルとなる判別結果信号Ｓ６を出力する。

故障判別部１９が行う短絡故障の有無を判別する処理について図４を用いて説明する。実施の形態１で説明したように、高速遮断器５４および接触器ＭＣ１，ＭＣ２が開放された状態で、保守作業員は放電スイッチＳＷ１をオンにする。換言すれば、接触器ＭＣ１，ＭＣ２の少なくともいずれかが投入されている状態では、放電スイッチＳＷ１が正常であれば、放電スイッチＳＷ１はオフになっている。そこで、故障判別部１９は、接触器状態信号Ｓ４に基づいて、放電スイッチＳＷ１がオフになっているか否かを判別する。

具体的には、故障判別部１９は、接触器状態信号Ｓ４に基づいて、接触器ＭＣ１，ＭＣ２の少なくともいずれかがオンの状態であるか否かを判別する（ステップＳ１１）。接触器ＭＣ１，ＭＣ２が共にオフの状態である場合（ステップＳ１１；Ｎｏ）、故障判別部１９は短絡故障の有無を判別する処理を終了する。

接触器ＭＣ１，ＭＣ２のいずれかがオンの状態である場合（ステップＳ１１；Ｙｅｓ）、故障判別部１９は、チョッパ回路１３のスイッチング素子ＳＷ２がオフの状態であるか否かを判別する（ステップＳ１２）。詳細には、故障判別部１９は、素子状態信号Ｓ５が、スイッチング素子ＳＷ２がオフであることを示しているか否かを判別する。スイッチング素子ＳＷ２がオンの状態である場合（ステップＳ１２；Ｎｏ）、故障判別部１９は短絡故障の有無を判別する処理を終了する。

スイッチング素子ＳＷ２がオフの状態である場合（ステップＳ１２；Ｙｅｓ）、故障判別部１９は、電流測定部１８から電流値ＩＢを取得する（ステップＳ１３）。故障判別部１９は、電流値ＩＢが閾値電流Ｔｈ以上であるか否かを判別する（ステップＳ１４）。電流値ＩＢが閾値電流Ｔｈ未満であれば、放電スイッチＳＷ１の短絡故障は生じていないとみなすことができる。そこで、故障判別部１９は、電流値ＩＢが閾値電流Ｔｈ未満である場合（ステップＳ１４；Ｎｏ）、放電スイッチＳＷ１の短絡故障が生じていないことを示す判別結果信号Ｓ６を出力する（ステップＳ１５）。ステップＳ１５の処理が終了すると、故障判別部１９は短絡故障の有無を判別する処理を終了する。

また電流値ＩＢが閾値電流Ｔｈ以上であれば、放電スイッチＳＷ１の短絡故障が生じているとみなすことができる。そこで、故障判別部１９は、電流値ＩＢが閾値電流Ｔｈ以上である場合（ステップＳ１４；Ｙｅｓ）、放電スイッチＳＷ１の短絡故障が生じていることを示す判別結果信号Ｓ６を出力する（ステップＳ１６）。ステップＳ１６の処理が終了すると、故障判別部１９は短絡故障の有無を判別する処理を終了する。

故障判別部１９は、定められたタイミングで上述の処理を繰り返し行う。例えば、故障判別部１９は、一定の間隔で上述の処理を繰り返し行えばよい。

放電スイッチＳＷ１の短絡故障が生じていることを示す判別結果信号Ｓ６を取得した接触器制御部１５は、接触器ＭＣ１，ＭＣ２を共に開放することを指示する接触器制御信号Ｓ１を出力する。
また放電スイッチＳＷ１の短絡故障が生じていることを示す判別結果信号Ｓ６を取得したスイッチング制御部１６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ことを指示するスイッチング制御信号Ｓ２を出力する。

以上説明した通り、実施の形態２に係る電力変換装置２によれば、第２抵抗ＢＲを流れる電流に基づいて、放電スイッチＳＷ１の短絡故障の有無を判別することが可能となる。

上述の回路構成は一例である。他の回路構成の一例を図５に示す。図５に示すように、電力変換装置３が備える回路切替部１２ａは、直列に接続された接触器ＭＣ１，ＭＣ２と、接触器ＭＣ２に並列に接続された第１抵抗ＣＨＲと、を備えてもよい。接触器ＭＣ１の一端は、高速遮断器５４に接続される。接触器ＭＣ２の一端は、接触器ＭＣ１の他端に接続され、他端は電力変換部１１の一次端子１１ａに接続される。第１抵抗ＣＨＲの一端は、接触器ＭＣ１，ＭＣ２の接続点に接続され、他端は接触器ＭＣ２の他端に接続される。放電スイッチＳＷ１の一端は、接触器ＭＣ１，ＭＣ２の接続点に接続され、他端はチョッパ回路１３のスイッチング素子ＳＷ２と第２抵抗ＢＲの接続点に接続される。なお電力変換装置２が備える回路切替部１２を、電力変換装置３が備える回路切替部１２ａと同様の構成としてもよい。

電力変換装置３が備える接触器制御部１５は、始動を指示する開閉指示信号が供給されると、接触器ＭＣ１の投入を指示する接触器制御信号Ｓ１を出力する。この結果、接触器ＭＣ１が投入され、集電装置５２が架線５３を介して変電所から取得した電力が、高速遮断器５４、接触器ＭＣ１、および第１抵抗ＣＨＲ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。

その後、フィルタコンデンサＦＣ１が十分に充電されると、電力変換装置３が備える接触器制御部１５は、接触器ＭＣ２の投入を指示する接触器制御信号Ｓ１を出力する。この結果、接触器ＭＣ２が投入され、集電装置５２が架線５３を介して変電所から取得した電力が、高速遮断器５４および接触器ＭＣ１，ＭＣ２を介して、フィルタコンデンサＦＣ１に供給される。

さらに他の回路構成の一例を図６に示す。図６に示す電力変換装置４は、電力変換装置１の構成に加えて、フィルタリアクトルＦＬ１を備える。フィルタリアクトルＦＬ１は、回路切替部１２とチョッパ回路１３との間の回路に設けられる。詳細には、フィルタリアクトルＦＬ１の一端は、接触器ＭＣ１の他端に接続され、他端は電力変換部１１の一次端子１１ａに接続される。フィルタリアクトルＦＬ１を設けることで、電力変換部１１の入力電流の平滑化、および、回生ブレーキ時の電力変換部１１の出力電流の平滑化が可能となる。またフィルタリアクトルＦＬ１を設けることで、フィルタコンデンサＦＣ１の放電開始時に第１抵抗ＣＨＲおよび第２抵抗ＢＲに突入電流が流れることを抑制することが可能となる。なお電力変換装置２，３にフィルタリアクトルＦＬ１を設けてもよい。

放電スイッチＳＷ１の短絡故障の有無を判別する方法は、上述の例に限られない。一例として、図４におけるステップＳ１１，Ｓ１２の処理を実行する順序は任意であり、故障判別部１９は、ステップＳ１２の処理を行ってから、ステップＳ１１の処理を行ってもよい。

また放電スイッチＳＷ１に、オンオフの状態のいずれであるかを示す信号を出力する機能を持たせ、故障判別部１９は、放電スイッチＳＷ１から取得した信号に基づいて、放電スイッチＳＷ１がオフの状態であるか否かを判別してもよい。

また故障判別部１９は、一定間隔で電流測定部１８から電流値ＩＢを取得してメモリに記憶しておき、図４のステップＳ１３でメモリから電流値ＩＢを読み出し、読み出した電流値ＩＢに基づいて後続のステップＳ１４の処理を行ってもよい。

さらに故障判別部１９は、タイマを有し、放電スイッチＳＷ１がオフになっていて、チョッパ回路１３のスイッチング素子ＳＷ２がオフの状態で、電流値ＩＢが閾値電流Ｔｈ以上である状態が定められた時間だけ継続しているか否かを判別してもよい。この場合、故障判別部１９は、電流値ＩＢが閾値電流Ｔｈ以上である状態が定められた時間だけ継続していないと判別した場合、放電スイッチＳＷ１の短絡故障が生じていないことを示す判別結果信号Ｓ６を接触器制御部１５とスイッチング制御部１６に出力すればよい。
また故障判別部１９は、電流値ＩＢが閾値電流Ｔｈ以上である状態が定められた時間だけ継続していると判別した場合、放電スイッチＳＷ１の短絡故障が生じていることを示す判別結果信号Ｓ６を接触器制御部１５とスイッチング制御部１６に出力すればよい。なお定められた時間は、瞬間的な電流値ＩＢの変動によって故障判別部１９が誤った判別結果を出力することを防ぐことができる程度の時間であればよい。例えば定められた時間は、放電スイッチＳＷ１、スイッチング素子ＳＷ２等の各素子のオンオフ状態の更新周期より長く、かつ、電流値ＩＢのサンプリング周期より長い時間に設定されればよい。

また故障判別部１９は、判別結果信号Ｓ６を運転台に設けられた表示装置に出力してもよい。この場合、運転台に放電スイッチＳＷ１の短絡故障の有無を表示することができる。

電動機５１は、三相誘導電動機に限られない。一例として、電動機５１は、同期電動機、直流電動機等でもよい。

電力変換部１１は、双方向の電力変換が可能な任意の電力変換回路である。一例として、電動機５１が直流電動機である場合、電力変換部１１は、ＤＣ（Direct Current：直流）－ＤＣコンバータであればよい。

電力変換装置１－４は、電力変換装置１－４に直流電力を供給可能な任意の車両、任意の機器等に搭載可能である。一例として、電力変換装置１－４は、交流き電方式の電気鉄道車両に搭載可能である。この場合、高速遮断器５４の他端にトランスの一次端子の一方を接続し、トランスの二次端子にコンバータを接続し、コンバータの出力を電力変換装置１－４に供給すればよい。

他の一例として、電力変換装置１－４は、第三軌条を介して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１－４は、発電ブレーキ方式で電気鉄道車両にブレーキをかけることを可能にするものに限られず、複数の抵抗器を有する任意の電力変換装置である。一例として、電力変換装置１－４は、第１抵抗ＣＨＲおよび第２抵抗ＢＲに代えて、任意の用途のために設けられた抵抗器を用いてフィルタコンデンサＦＣ１を放電してもよい。この結果、フィルタコンデンサＦＣ１を放電するための抵抗器を新たに備える必要がなく、電力変換装置１－４の構造を簡易にすることが可能となる。

本開示は、本開示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、この開示を説明するためのものであり、本開示の範囲を限定するものではない。すなわち、本開示の範囲は、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開示の意義の範囲内で施される様々な変形が、この開示の範囲内とみなされる。

１，２，３，４電力変換装置、１ａ正極入力端子、１ｂ負極入力端子、１１電力変換部、１１ａ，１１ｂ一次端子、１２，１２ａ回路切替部、１３チョッパ回路、１４電圧測定部、１５接触器制御部、１６スイッチング制御部、１７チョッパ制御部、１８電流測定部、１９故障判別部、５１電動機、５２集電装置、５３架線、５４高速遮断器、ＢＲ第２抵抗、ＣＨＲ第１抵抗、ＦＣ１フィルタコンデンサ、ＦＬ１フィルタリアクトル、ＭＣ１，ＭＣ２接触器、Ｓ１接触器制御信号、Ｓ２スイッチング制御信号、Ｓ３チョッパ制御信号、Ｓ４接触器状態信号、Ｓ５素子状態信号、Ｓ６判別結果信号、ＳＷ１放電スイッチ、ＳＷ２スイッチング素子。

Claims

電源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と、
一次端子間に前記フィルタコンデンサが接続され、前記電源から前記フィルタコンデンサを介して供給される直流電力を、直流電力または交流電力に変換して、二次端子に接続された電動機に供給し、発電機として動作する前記電動機から供給される直流電力または交流電力を直流電力に変換して出力し、前記フィルタコンデンサを充電する電力変換部と、
第１抵抗を有し、前記電力変換部および前記フィルタコンデンサを、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回路切替部と、
直列に接続されたスイッチング素子および第２抵抗を有し、両端が前記電力変換部の前記一次端子間に接続されるチョッパ回路と、
一端が前記第１抵抗の前記電源に近い一端に接続され、他端が前記スイッチング素子と前記第２抵抗との接続点に接続される放電スイッチと、を備え、
前記回路切替部は、前記フィルタコンデンサを前記電源から供給される直流電力で充電する際に、前記第１抵抗を通る電路を介して、前記電力変換部および前記フィルタコンデンサを前記電源に電気的に接続し、
前記チョッパ回路は、前記スイッチング素子がオンになると前記電力変換部から前記フィルタコンデンサを介して供給される直流電力を前記第２抵抗で消費させ、
前記放電スイッチは、オンになると、前記第１抵抗と前記第２抵抗とを直列に接続し、前記フィルタコンデンサを直列に接続した前記第１抵抗および前記第２抵抗に電気的に接続することで前記フィルタコンデンサを放電させる、
電力変換装置。
前記回路切替部は、
一端が前記電源に接続され、前記第１抵抗に並列に位置する第１の接触器と、
一端が前記電源に接続され、他端が前記第１抵抗の一端に接続される第２の接触器と、を有し、
前記第１抵抗の他端は、前記電力変換部の前記一対の一次端子に接続され、
前記放電スイッチの一端は、前記第１抵抗の一端に接続され、
前記放電スイッチの他端は、前記チョッパ回路の前記スイッチング素子と前記第２抵抗との接続点に接続される、
請求項１に記載の電力変換装置。
前記回路切替部は、直列に接続された第１の接触器および第２の接触器を有し、
前記第１接触器の一端は、前記電源に接続され、
前記第１接触器の他端は、前記第２接触器の一端に接続され、
前記第２接触器の他端は、前記電力変換部の前記一次端子に接続され、
前記第１抵抗の一端は、前記第１接触器と前記第２接触器の接続点に接続され、
前記第１抵抗の他端は、前記第２接触器の前記他端に接続され、
前記放電スイッチの一端は、前記第１抵抗の前記一端に接続され、
前記放電スイッチの他端は、前記チョッパ回路の前記スイッチング素子と前記第２抵抗との接続点に接続される、
請求項１に記載の電力変換装置。
前記第２抵抗を流れる電流に基づいて、前記放電スイッチの短絡故障の有無を判別する故障判別部をさらに備える、
請求項１から３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
前記故障判別部は、前記放電スイッチが開放されていて、前記チョッパ回路の前記スイッチング素子がオフの状態で、前記第２抵抗を流れる電流が閾値電流以上であるか否かを判別し、判別結果を出力する、
請求項４に記載の電力変換装置。
前記回路切替部は、前記故障判別部が、前記放電スイッチが短絡故障していると判別した場合に、前記電力変換部を前記電源から電気的に切り離す、
請求項４または５に記載の電力変換装置。
前記電力変換部が有するスイッチング素子のオンオフを切り替えることで前記電力変換部に、前記電源から前記フィルタコンデンサを介して供給される直流電力を、直流電力または交流電力に変換させ、または、前記電動機から供給される直流電力または交流電力を直流電力に変換させるスイッチング制御部をさらに備え、
前記スイッチング制御部は、前記故障判別部が、前記放電スイッチが短絡故障していると判別した場合に、前記電力変換部の前記スイッチング素子をオフにする、
請求項４から６のいずれか１項に記載の電力変換装置。