JP7237545B2 - 電気車用電源装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、電気車用電源装置に関する。

電気車（移動体）は、高圧の電車線（例えば架空電車線、または第三軌条など）から供給される直流電圧を、負荷に応じた電圧に変換し、直流電圧を負荷に出力する電源装置を備える。例えば、電気車は、電気車用電源装置として、走行用電動機の駆動用の電源装置と、照明及び空調などの他の機器に電力を供給する補助電源装置とを備える。

補助電源装置は、高周波数の交流電流により励磁される高周波変圧器と、電車線からの直流電圧を調整する昇圧チョッパと、昇圧チョッパの出力を高周波数の交流に変換し、高周波変圧器に供給する共振インバータとを備える。このような構成によると、昇圧チョッパ及び共振インバータのスイッチングのタイミングに起因する騒音が生じる可能性があるという課題がある。

特開平３－２２２８６６号公報

本発明が解決しようとする課題は、共振インバータのスイッチング周波数を最低限に抑え、且つ変圧器により生じる騒音を抑制することができる電気車用電源装置を提供することである。

実施形態に係る電気車用電源装置は、１対の高周波変圧器と、１対の昇圧チョッパと、１対のインバータと、制御回路とを具備する。１対の昇圧チョッパは、直流電源から供給される直流電圧を昇圧し、且つ直流電源と１対の前記高周波変圧器との間に並列に接続されている。１対のインバータは、１対の昇圧チョッパから供給される直流電圧を用いて、高周波変圧器に交流電流を供給する。制御回路は、昇圧チョッパとインバータとの組合せ毎に同期させ、１対の昇圧チョッパを異なる位相でスイッチングさせ、昇圧チョッパを、インバータのスイッチング周波数の整数倍のスイッチング周波数でスイッチングさせる。

図１は、第１の実施形態に係る電気車用電源装置の構成の例について説明する為の図である。 図２は、第１の実施形態に係る電気車用電源装置の昇圧回路の動作の例について説明する為の説明図である。 図３は、第１の実施形態に係る電気車用電源装置の昇圧回路の動作の例について説明する為の説明図である。 図４は、第１の実施形態に係る電気車用電源装置の制御回路の構成の例について説明する為の説明図である。 図５は、第１の実施形態に係る電気車用電源装置の制御回路の動作の例について説明する為の説明図である。 図６は、第１の実施形態に係る電気車用電源装置の制御回路の動作の例について説明する為の説明図である。 図７は、第２の実施形態に係る電気車用電源装置の構成の例について説明する為の図である。 図８は、第２の実施形態に係る電気車用電源装置の制御回路の構成の例について説明する為の説明図である。 図９は、第２の実施形態に係る電気車用電源装置の制御回路の動作の例について説明する為の説明図である。

以下、実施の形態について図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る電気車用電源装置１の構成例を示す説明図である。電気車用電源装置１は、電気車などの移動体に搭載される。電気車用電源装置１は、架空電車線または第三軌条などの電車線２から集電器３を介して直流電力を受け取り、受け取った直流電力を負荷４の定格に応じて変換し、負荷４に供給する。本実施形態では、電気車用電源装置１は、電気車の照明及び空調などの負荷に電力を供給する補助電源装置であるとして説明する。なお、電気車は、走行用電動機を駆動する為の図示されない主電源装置を備える。主電源装置は、電車線２から集電器３を介して受け取った直流電力により、走行用電動機を駆動することにより、電気車に線路５上を走行させる。

補助電源装置としての電気車用電源装置１には、走行用電動機に比べて低圧で動作する機器が接続される。この為、電気車用電源装置１は、電力が入力される１次側と、電力を出力する２次側とが絶縁されている必要がある。

１次側と２次側との絶縁を確保するために、電磁結合する一対の巻線（コイル）を備える変圧器を用いて、１次側と２次側とを絶縁する変圧器がある。変圧器は、励磁周波数が低くなる程大型化する。例えば、商用電源の周波数に対応する励磁周波数が設定された変圧器では、大型になる。そこで、本実施形態の電気車用電源装置１は、高周波変圧器を用いることにより、１次側と２次側とを絶縁し、且つ小型化を実現する。

まず、電気車用電源装置１の構成について説明する。
電気車用電源装置１は、昇圧回路１１、電力変換回路１２、及び三相インバータ１３を備える。また、電気車用電源装置１は、昇圧回路１１、電力変換回路１２、及び三相インバータ１３を制御する制御回路１４を備える。

昇圧回路１１は、電車線２から集電器３を介して入力された直流電力を昇圧させる。昇圧回路１１は、昇圧リアクトルＬ、第１の昇圧チョッパ２１及び第２の昇圧チョッパ２２を備える。

第１の昇圧チョッパ２１は、第１のスイッチＳ１及び第１のダイオードＤ１を備える。第１の昇圧チョッパ２１は、制御回路１４の制御に基づいて、第１のスイッチＳ１をオンオフ制御することにより、昇圧リアクトルＬに流れる電流を制御する。これにより、第１の昇圧チョッパ２１は、昇圧リアクトルＬに蓄えられた電磁エネルギーにより昇圧した直流電圧を出力する。また、第１の昇圧チョッパ２１は、出力される直流電圧を安定させるフィルタコンデンサを備えていてもよい。

第２の昇圧チョッパ２２は、第２のスイッチＳ２及び第２のダイオードＤ２を備える。第２の昇圧チョッパ２２は、制御回路１４の制御に基づいて、第２のスイッチＳ２をオンオフ制御することにより、昇圧リアクトルＬに流れる電流を制御する。これにより、第２の昇圧チョッパ２２は、昇圧リアクトルＬに蓄えられた電磁エネルギーにより昇圧した直流電圧を出力する。また、第２の昇圧チョッパ２２は、出力される直流電圧を安定させるフィルタコンデンサを備えていてもよい。

電力変換回路１２は、昇圧回路１１から出力された直流電力を、直流負荷用の電力に変換する。電力変換回路１２は、例えば、第１の共振インバータ３１、第１の高周波変圧器３２、第１の整流器３３、第１のコンデンサＣ１、第２の共振インバータ３４、第２の高周波変圧器３５、第２の整流器３６、及び第２のコンデンサＣ２を有する。

第１の共振インバータ３１は、第１の昇圧チョッパ２１から供給される直流電圧を用いて、第１の高周波変圧器３２に交流電流（インバータ電流、または単相交流電流など）を流す回路である。第１の共振インバータ３１は、例えば、共振方式単相ハーフブリッジインバータとして構成される。第１の共振インバータ３１は、第３のスイッチＳ３、第４のスイッチＳ４、第３のコンデンサＣ３、及び第４のコンデンサＣ４、を備える。第３のスイッチＳ３と第４のスイッチＳ４との接続点、及び第３のコンデンサＣ３と第４のコンデンサＣ４との接続点には、第１の高周波変圧器３２が接続されている。第１の共振インバータ３１は、制御回路１４の制御に基づいて、第３のスイッチＳ３及び第４のスイッチＳ４をオンオフ制御することにより、第１の高周波変圧器３２に交流電流を供給する。なお、第１の共振インバータ３１の第３のスイッチＳ３側を、共振インバータの上アーム、第１の共振インバータ３１の第４のスイッチＳ４側を、共振インバータの下アームと称する。

第１の高周波変圧器３２は、磁束を発生させる１次側の巻線（１次巻線）と、１次巻線と絶縁され、且つ１次巻線に生じた磁束により励磁される２次側の巻線（２次巻線）とを有する絶縁トランスである。第１の高周波変圧器３２の１次巻線に第１の共振インバータ３１から交流電流が供給された場合、１次巻線に磁束が生じる。１次巻線に生じた磁束は、２次巻線に誘導電流を発生させる。これにより、第１の高周波変圧器３２は、１次側から入力された交流電流に応じて、２次側に電力を供給する。

第１の整流器３３は、第１の高周波変圧器３２の２次巻線に生じた電力を整流する回路である。第１の整流器３３は、例えば、複数のダイオードが組み合わされた整流ブリッジとして構成される。

第１のコンデンサＣ１は、第１の整流器３３から供給された正電圧を平滑化する。第１のコンデンサＣ１は、並列に接続された三相インバータ１３に直流電圧を供給する。

第２の共振インバータ３４は、第２の昇圧チョッパ２２から供給される直流電圧を用いて、第２の高周波変圧器３５に交流電流（インバータ電流、または単相交流電流など）を流す回路である。第２の共振インバータ３４は、例えば、共振方式単相ハーフブリッジインバータとして構成される。第２の共振インバータ３４は、第５のスイッチＳ５、第６のスイッチＳ６、第５のコンデンサＣ５、及び第６のコンデンサＣ６、を備える。第５のスイッチＳ５と第６のスイッチＳ６との接続点、及び第５のコンデンサＣ５と第６のコンデンサＣ６との接続点には、第２の高周波変圧器３５が接続されている。第２の共振インバータ３４は、制御回路１４の制御に基づいて、第５のスイッチＳ５及び第６のスイッチＳ６をオンオフ制御することにより、第２の高周波変圧器３５に交流電流を供給する。なお、第２の共振インバータ３４の第５のスイッチＳ５側を、共振インバータの上アーム、第２の共振インバータ３４の第６のスイッチＳ６側を、共振インバータの下アームと称する。

第２の高周波変圧器３５は、磁束を発生させる１次側の巻線（１次巻線）と、１次巻線と絶縁され、且つ１次巻線に生じた磁束により励磁される２次側の巻線（２次巻線）とを有する絶縁トランスである。第２の高周波変圧器３５の１次巻線に第２の共振インバータ３４から交流電流が供給された場合、１次巻線に磁束が生じる。１次巻線に生じた磁束は、２次巻線に誘導電流を発生させる。これにより、第２の高周波変圧器３５は、１次側から入力された交流電流に応じて、２次側に電力を供給する。

第２の整流器３６は、第２の高周波変圧器３５の２次巻線に生じた電力を整流する回路である。第２の整流器３６は、例えば、複数のダイオードが組み合わされた整流ブリッジとして構成される。

第２のコンデンサＣ２は、第２の整流器３６から供給された正電圧を平滑化する。第２のコンデンサＣ２は、並列に接続された三相インバータ１３に直流電圧を供給する。この構成によると、第１のコンデンサＣ１及び第２のコンデンサＣ２からの直流電圧が、三相インバータ１３に供給される。

三相インバータ１３は、直流電力を交流電力（三相交流電力）に変換し、負荷４に出力する。三相インバータ１３は、制御回路１４によりオンオフが制御される複数のスイッチを備える。三相インバータ１３は、制御回路１４により複数のスイッチがオンオフされることにより、３つの端子から、互いに位相が１２０度異なる３相交流電力を出力する。

制御回路１４は、昇圧回路１１、電力変換回路１２、及び三相インバータ１３を制御する。制御回路１４は、例えばパルス信号を生成する論理回路として構成される。また、制御回路１４は、演算処理を実行する演算素子であるプロセッサと、プログラム及びプログラムで用いられるデータなどを記憶するメモリとを備え、プロセッサがプログラムを実行することにより、パルス信号を生成する構成であってもよい。

制御回路１４は、パルス信号を昇圧回路１１、電力変換回路１２、及び三相インバータ１３にそれぞれ入力することにより、昇圧回路１１、電力変換回路１２、及び三相インバータ１３の動作を制御する。例えば、制御回路１４は、図示されない電流検出器、または電圧検出器の検出結果に基づいて、パルス信号のオンオフデューティ比を調整するＰＷＭ制御を行う。これにより、制御回路１４は、昇圧回路１１の出力、電力変換回路１２の出力、及び三相インバータ１３の出力をそれぞれ調整する。

制御回路１４は、上記したように、第１の共振インバータ３１及び第２の共振インバータ３４にパルス信号を供給する。これにより、制御回路１４は、電車線２から供給される直流電力を交流電力に変換させ、第１の共振インバータ３１及び第２の共振インバータ３４のそれぞれからインバータ電流を出力させる。

また、電車線２から供給される直流電圧が安定しない場合がある。そこで、制御回路１４は、昇圧回路１１の第１の昇圧チョッパ２１及び第２の昇圧チョッパ２２にパルス信号を供給する。これにより、制御回路１４は、第１の共振インバータ３１及び第２の共振インバータ３４に安定した直流電圧が供給されるように制御する。

なお、第１の共振インバータ３１及び第２の共振インバータ３４は、第１の共振インバータ３１及び第２の共振インバータ３４から第１の高周波変圧器３２及び第２の高周波変圧器３５にそれぞれ供給されるインバータ電流の周波数（基本周波数）と同じスイッチング周波数で動作する。基本周波数は、第１の高周波変圧器３２及び第２の高周波変圧器３５の励磁周波数により決まる。また、制御回路１４から第１の共振インバータ３１及び第２の共振インバータ３４に供給されるパルス信号のパルス幅（オンオフデューティ比）は常に一定である。

次に、昇圧チョッパの動作と、インバータ電流との関係について説明する。
図２及び図３は、昇圧回路１１の昇圧チョッパのオンオフタイミングと、昇圧チョッパの出力電圧と、共振インバータから高周波変圧器に供給されるインバータ電流との関係について説明する為の説明図である。なお、第１の昇圧チョッパ２１と第２の昇圧チョッパ２２、及び第１の共振インバータ３１と第２の共振インバータ３４とは同じ構成である。このため、第１の昇圧チョッパ２１の動作タイミング（チョッパオンオフタイミング）、第１の昇圧チョッパ２１の出力電圧（チョッパ出力電圧）、及び第１の共振インバータ３１から第１の高周波変圧器３２に供給される交流電流（インバータ電流）の例について説明する。

図２のグラフ４１は、第１の昇圧チョッパ２１を第１の共振インバータ３１と同期させ、且つ第１の昇圧チョッパ２１を第１の共振インバータ３１と同じスイッチング周波数で動作させた場合の例を示す。この場合、第１の昇圧チョッパ２１は、第１の共振インバータ３１が正側の電流を発生させている時にオンになる。第１の昇圧チョッパ２１のチョッパ出力電圧は、第１の共振インバータ３１が負側の電流を発生させている時に比べて高くなる。第１の共振インバータ３１は、上記したように、常に一定のパルス幅のパルス信号により制御される。この為、第１の共振インバータ３１は、出力電圧を調整することができない。この為、第１の昇圧チョッパ２１から供給されるチョッパ出力電圧が低下する場合、第１の共振インバータ３１から第１の高周波変圧器３２に供給されるインバータ電流も減少する。この結果、インバータ電流は、正側の振幅と負側の振幅とが不平衡となる。

このように、インバータ電流の正側の振幅と負側の振幅とが不平衡になる場合、共振インバータの励磁周波数成分が、磁歪騒音として発生する。また、インバータ電流の正側の振幅と負側の振幅とが一致しない場合、インバータ電流に直流成分が含まれることになる。この結果、偏磁が生じる。

図３のグラフ４２は、第１の昇圧チョッパ２１を第１の共振インバータ３１と同期させ、且つ第１の昇圧チョッパ２１を第１の共振インバータ３１の偶数倍（本例では２倍）のスイッチング周波数で動作させた場合の例を示す。

この場合、第１の昇圧チョッパ２１の出力電圧の脈動が、第１の共振インバータ３１の半周期毎に完結する。この為、第１の昇圧チョッパ２１のチョッパ出力電圧は、第１の共振インバータ３１が正側の電流を発生させている時と、第１の共振インバータ３１が負側の電流を発生させている時とで同等になる。この為、第１の共振インバータ３１から第１の高周波変圧器３２に供給されるインバータ電流の正側の振幅と負側の振幅とが一致する。

このように、制御回路１４は、第１の高周波変圧器３２に供給されるインバータ電流の正側の振幅と負側の振幅とが一致するように、第１の昇圧チョッパ２１及び第１の共振インバータ３１を制御することにより、磁歪騒音を低減させることができる。また、偏磁が生じることを防ぐことができる。

第１の共振インバータ３１から第１の高周波変圧器３２に供給されるインバータ電流の正側の振幅と負側の振幅とが一致する場合、第１の共振インバータ３１のスイッチング周波数の二倍の周波数の騒音が生じる。この騒音の周波数が、人間の可聴域を外れた高周波にすることにより、低騒音化を実現することができる。即ち、共振インバータのスイッチング周波数を、人間の可聴域の上限に基づいて設定された閾値以上に設定し、昇圧チョッパのスイッチング周波数を共振インバータのスイッチング周波数の偶数倍に設定することにより、変圧器により生じる騒音を低減することができる。

人間の可聴域の上限は、種々の要因により個人差があるものの、概ね１５ｋＨｚ乃至１６ｋＨｚの間である。この為、共振インバータのスイッチング周波数を、人間の可聴域の上限の半分である８ｋＨｚ以上に設定し、昇圧チョッパのスイッチング周波数を共振インバータのスイッチング周波数（基本周波数）の偶数倍である１６ｋＨｚ以上に設定することにより、変圧器により生じる騒音を低減することができる。即ち、上記の閾値を、８ｋＨｚ以上に設定することにより、共振インバータのスイッチング周波数を最低限に抑え、且つ変圧器により生じる騒音を抑制することができる。

次に、図４乃至図６を参照し、制御回路１４が、昇圧チョッパ及び共振インバータを動作させる為の構成について説明する。

図４は、制御回路１４の具体的な構成例について説明する為の説明図である。図５は、第１の昇圧チョッパ２１及び第２の昇圧チョッパ２２を第１の共振インバータ３１及び第２の共振インバータ３４とそれぞれ同期させ、且つ第１の昇圧チョッパ２１及び第２の昇圧チョッパ２２を第１の共振インバータ３１及び第２の共振インバータ３４と同じスイッチング周波数で動作させる例について説明する為の説明図である。図６は、第１の昇圧チョッパ２１及び第２の昇圧チョッパ２２を第１の共振インバータ３１及び第２の共振インバータ３４と同期させ、且つ第１の昇圧チョッパ２１及び第２の昇圧チョッパ２２を第１の共振インバータ３１及び第２の共振インバータ３４のスイッチング周波数の偶数倍（本例では２倍）のスイッチング周波数で動作させる為の構成について説明する為の説明図である。

図４の例では、制御回路１４が、アナログ回路として構成されている例について説明するが、制御回路１４は、図４のアナログ回路と同等の処理を行うプログラムが記憶されたメモリと、メモリのプログラムを実行するプロセッサとにより構成されていてもよい。

制御回路１４は、第１の比較器５１、第２の比較器５２、第１のオンタイムディレイ（ＯＮＴＤ）回路５３、第２のＯＮＴＤ回路５４、及びＮＯＴ回路５５を備える。また、制御回路１４には、図５及び図６に示される第１の搬送波６１、第２の搬送波６２、電圧指令６３、及び固定値６４が入力される。

第１の搬送波６１及び第２の搬送波６２は、電気車の運転台、電気車の走行を制御する制御装置、または他の搬送波を出力する回路から供給される三角波である。なお、制御回路１４は、第１の搬送波６１及び第２の搬送波６２を自身で生成する構成であってもよい。また、図５の例では、第１の搬送波６１及び第２の搬送波６２は、同じ周波数となっている。

電圧指令６３は、電気車の運転台、または電気車の走行を制御する制御装置から供給される制御信号（電圧値）である。

固定値６４は、電気車の運転台、電気車の走行を制御する制御装置、または他の固定値を出力する回路から供給される信号（電圧値）三角波である。

制御回路１４の第１の比較器５１には、第１の搬送波６１及び電圧指令６３が入力される。第１の比較器５１は、第１の搬送波６１と電圧指令６３との比較結果を、昇圧チョッパをオンオフさせる為の信号（昇圧チョッパオンオフ指令）として、第１の昇圧チョッパ２１及び第２の昇圧チョッパ２２に出力する。具体的には、第１の比較器５１は、電圧指令６３が第１の搬送波６１以上であるタイミングで、昇圧チョッパをオンにし、電圧指令６３が第１の搬送波６１未満であるタイミングで、昇圧チョッパをオフにする昇圧チョッパオンオフ指令を出力する。

制御回路１４の第２の比較器５２には、第２の搬送波６２及び固定値６４が入力される。第２の比較器５２は、第２の搬送波６２と固定値６４との比較結果を出力する。なお、固定値６４は、第２の搬送波６２の最大値の半分の値になるように設定される。これにより、第２の比較器５２の出力信号のオンオフデューティ比が５０％に制御される。

制御回路１４の第１のＯＮＴＤ回路５３には、第２の比較器５２の出力信号が入力される。第１のＯＮＴＤ回路５３は、第２の比較器５２の出力信号のオフからオンになるタイミングを遅らせて出力する。第１のＯＮＴＤ回路５３から出力される信号は、第１の共振インバータ３１及び第２の共振インバータ３４の上アームのスイッチをオンオフさせる為の信号（共振インバータ上アームオンオフ指令）である。第１のＯＮＴＤ回路５３は、第１の共振インバータ３１及び第２の共振インバータ３４に、共振インバータ上アームオンオフ指令を供給する。

制御回路１４の第２のＯＮＴＤ回路５４には、第２の比較器５２の出力信号が、ＮＯＴ回路５５により反転された信号が入力される。第２のＯＮＴＤ回路５４は、入力された信号のオフからオンになるタイミングを遅らせて出力する。第２のＯＮＴＤ回路５４から出力される信号は、第１の共振インバータ３１及び第２の共振インバータ３４の下アームのスイッチをオンオフさせる為の信号（共振インバータ下アームオンオフ指令）である。第２のＯＮＴＤ回路５４は、第１の共振インバータ３１及び第２の共振インバータ３４に、共振インバータ下アームオンオフ指令を供給する。

上記した構成により、制御回路１４は、昇圧チョッパを共振インバータと同期させ、且つ昇圧チョッパを共振インバータと同じスイッチング周波数で動作させることができる。昇圧チョッパを共振インバータのスイッチング周波数の偶数倍のスイッチング周波数で動作させるためには、図６に示されるように第１の搬送波６１の周波数が、第２の搬送波６２の周波数に対して偶数倍であればよい。

上記のように、第１の実施形態の電気車用電源装置１は、高周波変圧器と、直流電源から供給される直流電圧を昇圧する昇圧チョッパと、昇圧チョッパから供給される直流電圧を用いて、高周波変圧器に交流電流（インバータ電流）を流す共振インバータと、制御回路１４とを備える。制御回路１４は、昇圧チョッパと共振インバータとを同期させ、且つ昇圧チョッパを共振インバータのスイッチング周波数の偶数倍のスイッチング周波数でスイッチングさせる。これにより、電気車用電源装置１は、磁歪騒音を低減させ、且つ偏磁が生じることを防ぐことができる。

また、制御回路１４は、共振インバータのスイッチング周波数を、予め設定された閾値以上の値に設定する。これにより、高周波変圧器において生じる騒音の周波数をコントロールすることができる。

また、制御回路１４は、閾値を、人間の可聴域の上限に基づいて設定する。これにより、高周波変圧器において生じる騒音が、人間の可聴域を外れた音になるようにコントロールすることができる。

また、制御回路１４は、閾値を、人間の可聴域の上限の半分である８ｋＨｚ以上に設定し、昇圧チョッパのスイッチング周波数を共振インバータのスイッチング周波数の偶数倍である１６ｋＨｚ以上に設定する。これにより、高周波変圧器により生じる騒音が、人間の可聴域を外れた音になるようにコントロールすることができる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係る電気車用電源装置１Ａについて説明する。
電気車用電源装置１Ａは、昇圧回路及び制御回路の構成が第１の実施形態に係る電気車用電源装置１と異なる。なお、第１の実施形態と同様の構成には、同じ参照符号を付し、詳細な説明を省略する。

図７は、第２の実施形態に係る電気車用電源装置１Ａの例について説明する為の説明図である。電気車用電源装置１Ａは、昇圧回路１１Ａ、電力変換回路１２、三相インバータ１３、及び制御回路１４Ａを備える。

昇圧回路１１Ａは、２つの昇圧リアクトルＬと、第１の昇圧チョッパ２１と、第２の昇圧チョッパ２２とを備える。２つの昇圧リアクトルＬは、それぞれ集電器３に対して並列に接続されている。第１の昇圧チョッパ２１及び第２の昇圧チョッパ２２は、各昇圧リアクトルＬの後段に接続されている。また、第１の昇圧チョッパ２１に対して第１の共振インバータ３１及び第２の共振インバータ３４が並列に接続され、且つ第２の昇圧チョッパ２２に対して第１の共振インバータ３１及び第２の共振インバータ３４が並列に接続されている。即ち、昇圧回路１１Ａは、集電器３と、第１の共振インバータ３１及び第２の共振インバータ３４との間に、第１の昇圧チョッパ２１と第２の昇圧チョッパ２２とが並列に接続された構成を備える。

次に、図８及び図９を参照し、制御回路１４Ａが、昇圧チョッパ及び共振インバータを動作させる為の構成について説明する。

図８は、制御回路１４Ａの具体的な構成例について説明する為の説明図である。図９は、圧チョッパ及び共振インバータを動作させる例について説明する為の説明図である。

図８の例では、制御回路１４Ａが、アナログ回路として構成されている例について説明するが、制御回路１４Ａは、図８のアナログ回路と同等の処理を行うプログラムが記憶されたメモリと、メモリのプログラムを実行するプロセッサとにより構成されていてもよい。

制御回路１４Ａは、第２の比較器５２、第１のＯＮＴＤ回路５３、第２のＯＮＴＤ回路５４、ＮＯＴ回路５５、第３の比較器５６Ａ、及び第４の比較器５７Ａを備える。また、制御回路１４Ａには、図９に示される第３の搬送波６５Ａ、第４の搬送波６６Ａ、電圧指令６３、及び固定値６４が入力される。また、制御回路１４Ａの第２の比較器５２には、図５及び図６に示される第２の搬送波６２が入力される。なお、第２の比較器５２には、第３の搬送波６５Ａまたは第４の搬送波６６Ａが入力される構成であってもよい。

第３の搬送波６５Ａ及び第４の搬送波６６Ａは、電気車の運転台、電気車の走行を制御する制御装置、または他の搬送波を出力する回路から供給される三角波である。なお、制御回路１４Ａは、第３の搬送波６５Ａ及び第４の搬送波６６Ａを自身で生成する構成であってもよい。例えば、第３の搬送波６５Ａ及び第４の搬送波６６Ａは、第２の搬送波６２と同じ周波数である。図９の例では、第３の搬送波６５Ａ及び第４の搬送波６６Ａは、同じ周波数であり、位相が異なる三角波として構成されている。また、図９の例では、第３の搬送波６５Ａ及び第４の搬送波６６Ａは、位相が１８０度異なる三角波として構成されている。

制御回路１４Ａの第３の比較器５６Ａには、第３の搬送波６５Ａ及び電圧指令６３が入力される。第３の比較器５６Ａは、第３の搬送波６５Ａと電圧指令６３との比較結果を、第１の昇圧チョッパ２１をオンオフさせる為の信号（昇圧チョッパオンオフ指令）として、第１の昇圧チョッパ２１に出力する。具体的には、第３の比較器５６Ａは、電圧指令６３が第３の搬送波６５Ａ以上であるタイミングで、第１の昇圧チョッパ２１をオンにし、電圧指令６３が第３の搬送波６５Ａ未満であるタイミングで、第１の昇圧チョッパ２１をオフにする昇圧チョッパオンオフ指令を、第１の昇圧チョッパ２１に出力する。

制御回路１４Ａの第４の比較器５７Ａには、第４の搬送波６６Ａ及び電圧指令６３が入力される。第４の比較器５７Ａは、第４の搬送波６６Ａと電圧指令６３との比較結果を、第２の昇圧チョッパ２２をオンオフさせる為の信号（昇圧チョッパオンオフ指令）として、第２の昇圧チョッパ２２に出力する。具体的には、第４の比較器５７Ａは、電圧指令６３が第４の搬送波６６Ａ以上であるタイミングで、第２の昇圧チョッパ２２をオンにし、電圧指令６３が第４の搬送波６６Ａ未満であるタイミングで、第２の昇圧チョッパ２２をオフにする昇圧チョッパオンオフ指令を、第２の昇圧チョッパ２２に出力する。

上記した構成によると、第１の昇圧チョッパ２１と、第２の昇圧チョッパ２２とが交互にオンされる。この結果、昇圧回路１１Ａは、第３の搬送波６５Ａ及び第４の搬送波６６Ａの周波数の２倍のスイッチング周波数を得ることができる。即ち、第１の共振インバータ３１及び第２の共振インバータ３４の出力電流と同じ周波数の搬送波に基づいて、第１の昇圧チョッパ２１及び第２の昇圧チョッパ２２が制御された場合であっても、第１の昇圧チョッパ２１及び第２の昇圧チョッパ２２の出力電圧の脈動は、第１の共振インバータ３１及び第２の共振インバータ３４の出力電流の周波数の２倍の周波数になる。

上記したように、第２の実施形態の電気車用電源装置１Ａは、１対の高周波変圧器と、直流電源から供給される直流電圧を昇圧し、且つ直流電源と１対の高周波変圧器との間に並列に接続された１対の昇圧チョッパと、１対の昇圧チョッパから供給される直流電圧を用いて、各高周波変圧器に交流電流を供給する１対の共振インバータとを備える。電気車用電源装置１Ａの制御回路１４Ａは、昇圧チョッパと共振インバータとの組合せ毎に同期させ、１対の昇圧チョッパを異なる位相でスイッチングさせ、昇圧チョッパを共振インバータのスイッチング周波数の整数倍のスイッチング周波数でスイッチングさせる。これにより、電気車用電源装置１Ａは、磁歪騒音を低減させ、且つ偏磁が生じることを防ぐことができる。

また、制御回路１４Ａは、２つの昇圧チョッパを、１８０度位相をずらしてスイッチングさせる。これにより、昇圧回路１１Ａの出力電圧の脈動が、第１の共振インバータ３１及び第２の共振インバータ３４のスイッチングの周期の半分（半周期）毎に完結する。この為、第１の共振インバータ３１及び第２の共振インバータ３４の出力電流の正側振幅と負側振幅とが一致する。この結果、電気車用電源装置１Ａは、磁歪騒音を低減させ、且つ偏磁が生じることを防ぐことができる。

また、制御回路１４Ａは、共振インバータのスイッチング周波数を、予め設定された閾値以上の値に設定する。これにより、高周波変圧器において生じる騒音の周波数をコントロールすることができる。

また、制御回路１４Ａは、閾値を、人間の可聴域の上限に基づいて設定する。これにより、高周波変圧器において生じる騒音が、人間の可聴域を外れた音になるようにコントロールすることができる。

また、制御回路１４Ａは、閾値を、人間の可聴域の上限の半分である８ｋＨｚ以上に設定し、昇圧チョッパのスイッチング周波数を共振インバータのスイッチング周波数の整数倍である８ｋＨｚ以上に設定する。これにより、高周波変圧器により生じる騒音が、人間の可聴域を外れた音になるようにコントロールすることができる。

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…電気車用電源装置、１Ａ…電気車用電源装置、２…電車線、３…集電器、４…負荷、５…線路、１１…昇圧回路、１１Ａ…昇圧回路、１２…電力変換回路、１３…三相インバータ、１４…制御回路、１４Ａ…制御回路、２１…第１の昇圧チョッパ、２２…第２の昇圧チョッパ、３１…第１の共振インバータ、３２…第１の高周波変圧器、３３…第１の整流器、３４…第２の共振インバータ、３５…第２の高周波変圧器、３６…第２の整流器、５１…第１の比較器、５２…第２の比較器、５３…第１のＯＮＴＤ回路、５４…第２のＯＮＴＤ回路、５５…ＮＯＴ回路、５６Ａ…第３の比較器、５７Ａ…第４の比較器、６１…第１の搬送波、６２…第２の搬送波、６３…電圧指令、６４…固定値、６５Ａ…第３の搬送波、６６Ａ…第４の搬送波、Ｃ１…第１のコンデンサ、Ｃ２…第２のコンデンサ、Ｃ３…第３のコンデンサ、Ｃ４…第４のコンデンサ、Ｃ５…第５のコンデンサ、Ｃ６…第６のコンデンサ、Ｄ１…第１のダイオード、Ｄ２…第２のダイオード、Ｓ１…第１のスイッチ、Ｓ２…第２のスイッチ、Ｓ３…第３のスイッチ、Ｓ４…第４のスイッチ、Ｓ５…第５のスイッチ、Ｓ６…第６のスイッチ。

Claims (4)

1. １対の高周波変圧器と、
   直流電源から供給される直流電圧を昇圧し、且つ直流電源と１対の前記高周波変圧器との間に並列に接続された１対の昇圧チョッパと、
   １対の前記昇圧チョッパから供給される直流電圧を用いて、前記各高周波変圧器に交流電流を供給する１対のインバータと、
   前記昇圧チョッパと前記インバータとの組合せ毎に同期させ、１対の前記昇圧チョッパを異なる位相でスイッチングさせ、前記昇圧チョッパを前記インバータのスイッチング周波数の整数倍のスイッチング周波数でスイッチングさせる制御回路と、
   を具備する電気車用電源装置。
2. 前記制御回路は、１対の前記昇圧チョッパを、１８０度異なる位相でスイッチングさせる請求項１に記載の電気車用電源装置。
3. 前記制御回路は、前記昇圧チョッパを、予め人間の可聴域に基づいて設定された閾値以上の周波数でスイッチングさせる請求項２に記載の電気車用電源装置。
4. 前記閾値は、８ｋＨｚ以上の値である請求項３に記載の電気車用電源装置。
   

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