JP7273661B2 - 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、インバータと商用周波数変圧器（絶縁トランス）とが組み合わされた構成が一般的である。このような補助電源装置を小型化するために、高周波変圧器（絶縁トランス）の適用が進められている。このような補助電源装置として、高周波数の交流電流により励磁される高周波変圧器（絶縁トランス）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インバータと、高周波の交流を直流に変換する整流器と、を備える構成が一例としてある。なお、インバータ、高周波変圧器、及び整流器が組み合わされた構成を、高周波絶縁回路と称する。また、上記の高周波絶縁回路のインバータに共振回路を適用する（共振インバータを用いる）ことにより、スイッチング時の損失を大幅に低減することと、インバータを高周波スイッチングすることとが可能となる。

しかしながら、共振回路を構成する共振コンデンサの容量が経年劣化によって低減した場合、共振回路の共振周波数が上昇する。この為、インバータが出力する交流電流のピーク値、及び実効値などが増加する。この結果、インバータ、高周波変圧器、及び整流器における損失の増加が引き起こされ、温度上昇が許容値を超える可能性がある。インバータ（共振インバータ）から出力される交流電流を監視することにより、電流の変化を検知することができる。しかし、新たに電流センサを設置する必要がある。また、既存のセンサにより検出された高周波絶縁回路の入力電力と出力電力との差分を算出することにより、高周波絶縁回路の全体の損失の変化を検出することができる。しかし、高周波絶縁回路のどの構成により、損失の変化が生じているのかを検出することができないという課題がある。

特開２０１５－１９９１４５号公報 特開２０１５－５５０２５４号公報

本発明が解決しようとする課題は、簡易な構成で高周波絶縁回路の構成毎の損失を推定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、高周波変圧器と、整流器と、昇圧チョッパと、インバータと、制御回路とを具備する。整流器は、前記高周波変圧器から供給される交流電流を直流電流に変換する。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する。インバータは、共振コンデンサを有し、前記昇圧チョッパから供給される直流電圧を用いて、前記高周波変圧器に交流電流を供給する。制御回路は、前記インバータへの入力電圧と、前記整流器の出力電圧及び出力電流と、に基づいて、合計損失を算出し、前記合計損失に基づいて、前記インバータから出力される交流電流実効値と、前記インバータ、前記高周波変圧器、及び前記整流器のそれぞれの損失と、を算出し、前記交流電流実効値に基づいて、前記共振コンデンサの容量及び前記インバータの共振周波数の少なくとも一方を算出する。

図１は、一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、一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。
図１は、一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の電力変換装置である。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出力端子４から出力する。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、及び電力変換回路１２を備える。また、電気車用電源装置１は、出力端子に流れる電流を検出する出力電流検出器１３、出力端子の電圧を検出する出力電圧検出器１４、並びに、昇圧回路１１及び電力変換回路１２を制御する制御回路１５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。また、昇圧回路１１は、昇圧リアクトルＬとともにＬＣＬフィルタを構成するフィルタコンデンサ及びリアクトルをさらに備えていてもよい。

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１５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１５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高周波絶縁回路である。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）を流すインバータ回路である。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、第４のコンデンサＣ４、フィルタコンデンサＣ７、及び第１の入力電圧検出器３７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１５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、第１の共振インバータ３１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、第１の共振インバータ３１の下アームと称する。

フィルタコンデンサＣ７は、第１の昇圧チョッパ２１から供給された直流電力を平滑化し、第３のコンデンサＣ３及び第４のコンデンサＣ４に供給する。

第１の入力電圧検出器３７は、第１の共振インバータ３１に入力される直流電圧の値（第１の入力電圧）を検出し、制御回路１５に検出結果を供給する。即ち、第１の入力電圧検出器３７は、フィルタコンデンサＣ７の両端子間の電圧を第１の入力電圧として検出し、制御回路１５に検出結果を供給する。

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、並列に接続された出力端子４から、直流電圧を出力する。

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）を流すインバータ回路である。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、第６のコンデンサＣ６、フィルタコンデンサＣ８、及び第２の入力電圧検出器３８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１５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、第２の共振インバータ３４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、第２の共振インバータ３４の下アームと称する。

フィルタコンデンサＣ８は、第２の昇圧チョッパ２２から供給された直流電力を平滑化し、第５コンデンサＣ５及び第６のコンデンサＣ６に供給する。

第２の入力電圧検出器３８は、第２の共振インバータ３４に入力される直流電圧の値（第２の入力電圧）を検出し、制御回路１５に検出結果を供給する。即ち、第２の入力電圧検出器３８は、フィルタコンデンサＣ８の両端子間の電圧を第２の入力電圧として検出し、制御回路１５に検出結果を供給する。

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、並列に接続された出力端子４から、直流電圧を出力する。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からの直流電圧の和が、出力端子４から出力される。出力端子４から出力された直流電力は、図示されないインバータなどの回路により、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの交流に変換される。

出力電流検出器１３は、出力端子４から出力される直流電流の値（出力電流）を検出し、制御回路１５に検出結果を供給する。なお、出力電流検出器１３は、第１のコンデンサＣ１と第２のコンデンサＣとの接続点よりも出力端子４側であれば、どの位置で電流値を検出してもよい。

出力電圧検出器１４は、一対の出力端子４の直流電圧の値（出力電圧）を検出し、制御回路１５に検出結果を供給する。

制御回路１５は、昇圧回路１１及び電力変換回路１２を制御する。制御回路１５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１５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１５は、パルス信号を昇圧回路１１及び電力変換回路１２にそれぞれ入力することにより、昇圧回路１１及び電力変換回路１２の動作を制御する。例えば、制御回路１５は、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１５は、昇圧回路１１の出力及び電力変換回路１２の出力をそれぞれ調整する。

具体的には、制御回路１５は、電圧指令及び三角波に基づいて、第１の昇圧チョッパ２１のオンオフ指令、第２の昇圧チョッパ２２のオンオフ指令、第１の共振インバータ３１の上アームのオンオフ指令、第１の共振インバータ３１の下アームのオンオフ指令、第２の共振インバータ３２の上アームのオンオフ指令、及び第２の共振インバータ３２の下アームのオンオフ指令を生成する。

電圧指令は、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。三角波は、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１５は、三角波を自身で生成する構成であってもよい。

制御回路１５は、第１の昇圧チョッパ２１のオンオフ指令、第２の昇圧チョッパ２２のオンオフ指令、を昇圧回路１１に供給する。また、制御回路１５は、第１の共振インバータ３１の上アームのオンオフ指令、第１の共振インバータ３１の下アームのオンオフ指令、第２の共振インバータ３２の上アームのオンオフ指令、及び第２の共振インバータ３２の下アームのオンオフ指令を電力変換回路１２に供給する。これにより、制御回路１５は、電車線２から供給される直流電圧が安定しない場合に、電力変換回路１２に安定した直流電圧が供給されるように、昇圧回路１１を制御する。また、制御回路１５は、昇圧回路１１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ように、電力変換回路１２を制御する。

また、制御回路１５は、運転継続の可否を判定する。例えば、制御回路１５は、電力変換回路１２の性能変化の度合を推定することにより、電気車用電源装置１を稼働させ続けることが可能か否か判断する。具体的には、制御回路１５は、第１の入力電圧検出器３７から供給される第１の入力電圧、第２の入力電圧検出器３８から供給される第２の入力電圧、出力電流検出器１３から供給される出力電流、及び出力電圧検出器１４から供給される出力電圧に基づいて、電力変換回路１２の各部における損失変化の度合を推定し、運転継続の可否を判断する。

図２は、制御回路１５が備える一部の機能をブロックとして示すブロック図である。制御回路１５は、高周波絶縁回路損失演算部４１、個別損失推定部４２、共振コンデンサ容量推定部４３、及び運転継続可否判定部４４を備える。高周波絶縁回路損失演算部４１、個別損失推定部４２、共振コンデンサ容量推定部４３、及び運転継続可否判定部４４は、それぞれハードウエアにより構成されていてもよいし、制御回路１５のプロセッサが実行するプログラムとして構成されていてもよい。

高周波絶縁回路損失演算部４１は、電力変換回路１２の損失（合計損失）を演算する。高周波絶縁回路損失演算部４１は、算出した合計損失を個別損失推定部４２に供給する。

個別損失推定部４２は、共振インバータの交流電流実効値と、電力変換回路１２の各部における損失を推定する。個別損失推定部４２は、交流電流実行値を、共振コンデンサ容量推定部４３に供給する。また、個別損失推定部４２は、電力変換回路１２の各部における損失の推定結果を、運転継続可否判定部４４に供給する。

共振コンデンサ容量推定部４３は、電力変換回路１２内の共振コンデンサの容量を推定する。共振コンデンサ容量推定部４３は、電力変換回路１２内の共振コンデンサの容量の推定結果を、運転継続可否判定部４４に供給する。

運転継続可否判定部４４は、電力変換回路１２内の共振コンデンサの容量の推定結果及び個別損失推定部４２から供給された電力変換回路１２の各部における損失の推定結果に基づいて、電力変換回路１２の各部における損失変化の度合を判断し、運転継続の可否を判断する。

以下、高周波絶縁回路損失演算部４１、個別損失推定部４２、共振コンデンサ容量推定部４３、及び運転継続可否判定部４４の動作について詳細に説明する。なお、第１の入力電圧検出器３７から供給される第１の入力電圧をＶｉｎ１、第２の入力電圧検出器３８から供給される第２の入力電圧をＶｉｎ２、出力電流検出器１３から供給される出力電流をＩｏｕｔ、出力電圧検出器１４から供給される出力電圧をＶｏｕｔとそれぞれ称する。また、第１の高周波変圧器３２および第２の高周波変圧器３５の変圧比（一次電圧／二次電圧）をＡと称する。また、第１の共振インバータ３１への入力電力をＰｉｎ１、第２の共振インバータ３４への入力電力をＰｉｎ２と称する。

まず、高周波絶縁回路損失演算部４１の処理について説明する。
入力電力Ｐｉｎ１と入力電力Ｐｉｎ２とがバランスしていると仮定した場合、以下の数式（１）及び数式（２）が成り立つ。

この場合、第１の共振インバータ３１、第１の高周波変圧器３２、及び第１の整流器３３で発生する合計損失Ｐｌｏｓｓ１＿ｔｏｔａｌは、入出力の電圧差と、出力電流との積で求められる。このため、合計損失Ｐｌｏｓｓ１＿ｔｏｔａｌは、以下の数式（３）で算出される。

また、第２の共振インバータ３４、第２の高周波変圧器３５、及び第１の整流器３６で発生する合計損失Ｐｌｏｓｓ２＿ｔｏｔａｌは、合計損失Ｐｌｏｓｓ１＿ｔｏｔａｌと同様に以下の数式（４）で算出される。

高周波絶縁回路損失演算部４１は、第１の入力電圧Ｖｉｎ１、出力電流Ｉｏｕｔ、及び出力電圧Ｖｏｕｔに基づいて、上記の数式（３）を算出する。これにより、高周波絶縁回路損失演算部４１は、第１の共振インバータ３１、第１の高周波変圧器３２、及び第１の整流器３３で発生する合計損失Ｐｌｏｓｓ１＿ｔｏｔａｌを算出する。

また、高周波絶縁回路損失演算部４１は、第２の入力電圧Ｖｉｎ２、出力電流Ｉｏｕｔ、及び出力電圧Ｖｏｕｔに基づいて、上記の数式（４）を算出する。これにより、高周波絶縁回路損失演算部４１は、第２の共振インバータ３４、第２の高周波変圧器３５、及び第１の整流器３６で発生する合計損失Ｐｌｏｓｓ２＿ｔｏｔａｌを算出する。

次に、個別損失推定部４２の処理について説明する。
個別損失推定部４２は、共振インバータが出力する交流電流実効値を推定する。さらに、個別損失推定部４２は、共振インバータ、高周波変圧器、及び整流器の各部における損失を推定する。個別損失推定部４２は、交流電流実効値を、共振コンデンサ容量推定部４３に供給する。また、個別損失推定部４２は、共振インバータ、高周波変圧器、及び整流器における損失の推定結果を、運転継続可否判定部４４に供給する。

上記の合計損失Ｐｌｏｓｓ１＿ｔｏｔａｌ及び合計損失Ｐｌｏｓｓ２＿ｔｏｔａｌは、それぞれ共振インバータ、高周波変圧器、及び整流器の全てで生じる損失の合計である。しかしながら、共振インバータ、高周波変圧器、及び整流器のそれぞれで生じる損失は、共振インバータの交流電流実効値であるＩｒｍｓと、共振インバータ、高周波変圧器、及び整流器の電気的な仕様に基づいて、推定が可能である。

例えば、第１の共振インバータ３１の交流電流実効値をＩｒｍｓ１とする。また、第１の共振インバータ３１で生じる損失の近似式＝ｆｌｏｓｓ＿ｉｎｖ・Ｉｒｍｓ１とし、第１の高周波変圧器３２で生じる損失の近似式＝ｆｌｏｓｓ＿ｔｒ・Ｉｒｍｓ１とし、第１の整流器３３で生じる損失の近似式＝ｆｌｏｓｓ＿ｒｅｃ・Ｉｒｍｓ１とする。この場合、以下の数式（５）が成り立つ。

また、例えば、第２の共振インバータ３４の交流電流実効値をＩｒｍｓ２とする。また、第２の共振インバータ３４で生じる損失の近似式＝ｆｌｏｓｓ＿ｉｎｖ・Ｉｒｍｓ２とし、第２の高周波変圧器３５で生じる損失の近似式＝ｆｌｏｓｓ＿ｔｒ・Ｉｒｍｓ２とし、第２の整流器３６で生じる損失の近似式＝ｆｌｏｓｓ＿ｒｅｃ・Ｉｒｍｓ２とする。この場合、以下の数式（６）が成り立つ。

例えば、各部における損失の近似式が二次関数であるとすると、個別損失推定部４２は、数式（５）及び数式（６）の式を計算することにより、交流電流実効値および各部の損失を推定することができる。

即ち、個別損失推定部４２は、合計損失Ｐｌｏｓｓ１＿ｔｏｔａｌと数式（５）とに基づいて、第１の共振インバータ３１の交流電流実効値であるＩｒｍｓ１を推定する。さらに、個別損失推定部４２は、第１の共振インバータ３１の交流電流実効値であるＩｒｍｓ１と、数式（５）とに基づいて、第１の共振インバータ３１で生じる損失であるｆｌｏｓｓ＿ｉｎｖ・Ｉｒｍｓ１、第１の高周波変圧器３２で生じる損失であるｆｌｏｓｓ＿ｔｒ・Ｉｒｍｓ１、第１の整流器３３で生じる損失であるｆｌｏｓｓ＿ｒｅｃ・Ｉｒｍｓ１をそれぞれ算出する。

また、個別損失推定部４２は、合計損失Ｐｌｏｓｓ１＿ｔｏｔａ２と数式（６）とに基づいて、第２の共振インバータ３４の交流電流実効値であるＩｒｍｓ２を推定する。さらに、個別損失推定部４２は、第２の共振インバータ３４の交流電流実効値であるＩｒｍｓ２と、数式（６）とに基づいて、第２の共振インバータ３２で生じる損失であるｆｌｏｓｓ＿ｉｎｖ・Ｉｒｍｓ２、第２の高周波変圧器３５で生じる損失であるｆｌｏｓｓ＿ｔｒ・Ｉｒｍｓ２、第２の整流器３６で生じる損失であるｆｌｏｓｓ＿ｒｅｃ・Ｉｒｍｓ２をそれぞれ算出する。

なお、個別損失推定部４２は、上記のように各部における損失を近似式に基づいて算出するのではなく、交流電流実効値と、各部における損失とが対応付けられて構成されたルックアップテーブル（ＬＵＴ）に基づいて、各部の損失を推定する構成であってもよい。なおこの場合、ＬＵＴは、電力変換回路１２の電気的仕様に基づいて予め生成され、制御回路１４のプロセッサにより読み出し可能なメモリに記憶される。

次に、共振コンデンサ容量推定部４３の処理について説明する。
共振コンデンサ容量推定部４３は、共振インバータの共振周波数を推定する。さらに、共振コンデンサ容量推定部４３は、推定した共振インバータの共振周波数に基づいて、共振コンデンサの容量を推定する。

例えば、第１の共振インバータ３１のスイッチング周波数をｆｓとし、第１の共振インバータ３１の共振周波数をｆｒ１とすると、次の数式（７）が成り立つ。

また例えば、第２の共振インバータ３４のスイッチング周波数をｆｓとし、第２の共振インバータ３４の共振周波数をｆｒ２とすると、次の数式（８）が成り立つ。

共振コンデンサ容量推定部４３は、上記の数式（７）に基づいて、第１の共振インバータ３１の共振周波数ｆｒ１を算出する。さらに、共振コンデンサ容量推定部４３は、算出した第１の共振インバータ３１の共振周波数ｆｒ１と第１の共振インバータ３１のインダクタンスＬ（共振回路を構成する高周波変圧器や導体のインダクタンス）と、以下の数式（９）とを用いて、第１の共振インバータ３１の共振コンデンサＣ（第３のコンデンサＣ３及び第４のコンデンサＣ４）の容量を算出する。

また、共振コンデンサ容量推定部４３は、上記の数式（８）に基づいて、第２の共振インバータ３４の共振周波数ｆｒ２を算出する。さらに、共振コンデンサ容量推定部４３は、算出した第２の共振インバータ３４の共振周波数ｆｒ２と第２の共振インバータ３４のインダクタンスＬ（共振回路を構成する高周波変圧器や導体のインダクタンス）と、以下の数式（１０）とを用いて、第２の共振インバータ３４の共振コンデンサＣ（第５のコンデンサＣ５及び第６のコンデンサＣ６）の容量を算出する。

なお、共振コンデンサ容量推定部４３は、上記の数式に基づいて共振周波数を算出するのではなく、共振周波数と交流電流実効値とが対応付けられて構成されたルックアップテーブル（ＬＵＴ）に基づいて、共振周波数を推定する構成であってもよい。なおこの場合、ＬＵＴは、電力変換回路１２の電気的仕様に基づいて予め生成され、制御回路１４のプロセッサにより読み出し可能なメモリに記憶される。

次に、運転継続可否判定部４４の処理について説明する。
運転継続可否判定部４４は、共振コンデンサ容量推定部４３において推定された共振コンデンサの容量、及び個別損失推定部４２から供給された電力変換回路１２の各部における損失の推定結果に基づいて、運転継続の可否を判断する。

運転継続可否判定部４４は、共振コンデンサ容量推定部４３において推定された第３のコンデンサＣ３及び第４のコンデンサＣ４の容量が、予め設定された閾値未満である場合、運転継続が否であると判断する。

また例えば、運転継続可否判定部４４は、推定された第３のコンデンサＣ３及び第４のコンデンサＣ４の容量と、予め設定された第３のコンデンサＣ３及び第４のコンデンサＣ４の容量（初期値）とに基づき、共振コンデンサの容量の劣化の度合を算出する。運転継続可否判定部４４は、算出した共振コンデンサの容量の劣化の度合が、予め設定された閾値以上であった場合、運転継続が否であると判断してもよい。例えば、運転継続可否判定部４４は、算出した共振コンデンサの容量の劣化の度合（初期値に対する容量の低下度合）が１０％以上、または１５％以上であった場合、運転継続が否であると判断する。

また、運転継続可否判定部４４は、共振コンデンサ容量推定部４３において推定された第５のコンデンサＣ５及び第６のコンデンサＣ６の容量が、予め設定された閾値未満である場合、運転継続が否であると判断する。

また例えば、運転継続可否判定部４４は、推定された第５のコンデンサＣ５及び第６のコンデンサＣ６の容量と、予め設定された第５のコンデンサＣ５及び第６のコンデンサＣ６の容量（初期値）とに基づき、共振コンデンサの容量の劣化の度合を算出する。運転継続可否判定部４４は、算出した共振コンデンサの容量の劣化の度合が、予め設定された閾値以上であった場合、運転継続が否であると判断してもよい。例えば、運転継続可否判定部４４は、算出した共振コンデンサの容量の劣化の度合（初期値に対する容量の低下度合）が１０％以上、または１５％以上であった場合、運転継続が否であると判断する。

またさらに、運転継続可否判定部４４は、個別損失推定部４２から供給された電力変換回路１２の各部における損失の推定結果に基づいて、運転継続の可否を判断する。例えば、運転継続可否判定部４４は、共振インバータ、高周波変圧器、及び整流器における損失のいずれかで、予め設定された閾値以上の損失が算出された場合、運転継続が否であると判断する。

即ち、運転継続可否判定部４４は、共振インバータ、高周波変圧器、及び整流器における損失がいずれも閾値未満であり、算出した共振コンデンサの容量が閾値以上である場合、運転継続が可であると判断する。運転継続可否判定部４４は、運転継続可否判定結果を出力する。

なお、運転継続可否判定部４４は、共振インバータの共振周波数に基づいて、運転継続の可否を判定する構成であってもよい。例えば、運転継続可否判定部４４は、算出された共振インバータの共振周波数が、予め設定された閾値以上である場合、運転継続が否であると判断する。即ち、運転継続可否判定部４４は、算出された共振インバータの共振周波数が、予め設定された閾値未満である場合、運転継続が可であると判断する。具体的には、運転継続可否判定部４４は、数式（９）及び数式（１０）に基づいて算出された第１の共振インバータ３１の共振周波数ｆｒ１、または第２の共振インバータ３４の共振周波数ｆｒ２が閾値以上である場合、運転継続が否であると判断する。

制御回路１５は、運転継続可否判定部４４から出力されている運転継続可否判定結果が「可」である場合、電圧指令及び三角波に基づいて、第１の昇圧チョッパ２１のオンオフ指令、第２の昇圧チョッパ２２のオンオフ指令、第１の共振インバータ３１の上アームのオンオフ指令、第１の共振インバータ３１の下アームのオンオフ指令、第２の共振インバータ３２の上アームのオンオフ指令、及び第２の共振インバータ３２の下アームのオンオフ指令を生成し、出力する。

また、制御回路１５は、運転継続可否判定部４４から出力されている運転継続可否判定結果が「否」である場合、第１の昇圧チョッパ２１、第２の昇圧チョッパ２２、第１の共振インバータ３１、及び第２の共振インバータ３２の動作を停止させる。

上記したように、電気車用電源装置１は、高周波変圧器と、高周波変圧器から供給される交流電流を直流電流に変換する整流器と、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、共振コンデンサを有し、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インバータと、制御回路と、を備える。制御回路は、インバータへの入力電圧と、整流器の出力電圧及び出力電流と、に基づいて、合計損失を算出し、合計損失に基づいて、インバータから出力される交流電流実効値と、インバータ、高周波変圧器、及び整流器のそれぞれの損失と、を算出する。さらに、制御回路は、交流電流実効値に基づいて、共振コンデンサの容量及びインバータの共振周波数の少なくとも一方を算出する。

このような構成によると、インバータが出力する交流電流を検出する電流検出器を設けることなく、インバータ、高周波変圧器、及び整流器のそれぞれの損失を推定することができる。またさらに、インバータ、高周波変圧器、及び整流器のそれぞれの損失から、インバータから出力される交流電流実効値を推定することができる。これにより、インバータに用いられている共振コンデンサの容量を推定することができる。通常、インバータ、高周波変圧器、及び整流器のうち、インバータの共振コンデンサが、経年劣化により電気的性質が変化するタイミングが早いことが予想される。この為、上記の方法により、インバータに用いられている共振コンデンサの容量を推定することにより、電気車用電源装置１の動作を継続させてもよいかどうかを判断することができる。

また、制御回路１５は、運転継続可否判定部４４から出力されている運転継続可否判定結果が「否」である場合、列車制御装置に運転継続可否判定結果が「否」であることを報知する。また、制御回路１５は、運転継続可否判定部４４から出力されている運転継続可否判定結果が「否」である場合、ネットワークを介して列車管理システムに運転継続可否判定結果が「否」であることを報知してもよい。またさらに、制御回路１５は、運転継続可否判定結果が「否」になる原因を報知する構成であってもよい。例えば、制御回路１５は、共振コンデンサの容量が閾値未満になることにより、運転継続可否判定結果が「否」になった場合、共振コンデンサの容量が閾値未満であることを報知してもよい。また、制御回路１５は、共振インバータの共振周波数が閾値以上になることにより、運転継続可否判定結果が「否」になった場合、共振インバータの共振周波数が閾値以上であることを報知してもよい。

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、２…電車線、３…集電器、４…負荷、５…線路、１１…昇圧回路、１２…電力変換回路、１３…出力電流検出器、１４…出力電圧検出器、１５…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、３７…第１の入力電圧検出器、３８…第２の入力電圧検出器、４１…高周波絶縁回路損失演算部、４２…個別損失推定部、４３…共振コンデンサ容量推定部、４４…運転継続可否判定部、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、Ｃ７…フィルタコンデンサ、Ｃ８…フィルタコンデンサ、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 (6)

1. 高周波変圧器と、
   前記高周波変圧器から供給される交流電流を直流電流に変換する整流器と、
   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、
   共振コンデンサを有し、前記昇圧チョッパから供給される直流電圧を用いて、前記高周波変圧器に交流電流を供給するインバータと、
   前記インバータへの入力電圧と、前記整流器の出力電圧及び出力電流と、に基づいて、合計損失を算出し、前記合計損失に基づいて、前記インバータから出力される交流電流実効値と、前記インバータ、前記高周波変圧器、及び前記整流器のそれぞれの損失と、を算出し、前記交流電流実効値に基づいて、前記共振コンデンサの容量及び前記インバータの共振周波数の少なくとも一方を算出する制御回路と、
   を具備する電気車用電源装置。
2. 前記制御回路は、
   前記交流電流実効値に基づいて、前記共振コンデンサの容量を算出し、
   前記共振コンデンサの容量が予め設定された閾値未満である場合、前記昇圧チョッパ及び前記インバータの動作を停止させると判断する請求項１に記載の電気車用電源装置。
3. 前記制御回路は、
   前記交流電流実効値に基づいて、前記インバータの共振周波数を算出し、
   前記インバータの共振周波数が予め設定された閾値以上である場合、前記昇圧チョッパ及び前記インバータの動作を停止させると判断する請求項１または２に記載の電気車用電源装置。
4. 前記制御回路は、
   前記インバータ、前記高周波変圧器、及び前記整流器の損失のいずれかが予め設定された閾値以上である場合、前記昇圧チョッパ及び前記インバータの動作を停止させると判断する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電気車用電源装置。
5. 前記制御回路は、
   前記共振コンデンサの容量が予め設定された閾値未満である場合、共振コンデンサの容量が閾値未満であることを報知する請求項２に記載の電気車用電源装置。
6. 前記制御回路は、
   前記インバータの共振周波数が予め設定された閾値以上である場合、前記インバータの共振周波数が閾値以上であることを報知する請求項３に記載の電気車用電源装置。

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