JP7305437B2 - 電気車用電源装置 - Google Patents

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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（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を備える。また、高周波変圧器、昇圧チョッパ、及びインバータを複数組備え、複数のインバータを異なる位相で動作させることにより、負荷に供給される電力のリプル電流を抑える電源装置も実用化されている。
しかしながら、複数の変圧器に供給される電流の偏りによって、高周波変圧器を介して２次側に生じる電流の振幅にばらつきが生じ、リプル電流が増加する可能性があるという可能性がある。
特開２０１４－２３３１２１号公報
本発明が解決しようとする課題は、リプル電流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、複数の高周波変圧器と、直流電源から供給される直流電圧を昇圧する複数の昇圧チョッパと、前記各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複数のインバータと、前記各昇圧チョッパのスイッチングの位相と、前記各インバータのスイッチングの位相との関係が一定になるように、前記各昇圧チョッパ及び前記各インバータをスイッチングさせる制御回路と、を具備し、複数の高周波変圧器は、第１の高周波変圧器及び第２の高周波変圧器を有し、前記複数のインバータは、第１の高周波変圧器に交流電流を供給する第１のインバータ及び第２の高周波変圧器に交流電流を供給する第２のインバータを有し、前記複数の昇圧チョッパは、前記第１のインバータに直流電圧を供給する第１の昇圧チョッパ及び前記第２のインバータに直流電圧を供給する第２の昇圧チョッパを有し、前記制御回路は、前記第１の昇圧チョッパと前記第２の昇圧チョッパとを１８０度位相をずらしてスイッチングさせ、前記第１のインバータと前記第２のインバータとを９０度位相をずらして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３は、第１の実施形態に係る電気車用電源装置の出力電流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出力電流の他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構成の例について説明する為の説明図である。 図７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８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９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１０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。
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電流検出器１３、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。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、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、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。また、第１の共振インバータ３１は、第１の昇圧チョッパ２１から供給された直流電力を平滑化するフィルタコンデンサＣ７を備えていてもよい。
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、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、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。また、第２の共振インバータ３４は、第２の昇圧チョッパ２２から供給された直流電力を平滑化するフィルタコンデンサＣ８を備えていてもよい。
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。
電流検出器１３は、出力端子４から出力される電流の電流値を検出し、制御回路１４に検出結果を供給する。なお、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。
制御回路１４は、昇圧回路１１及び電力変換回路１２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１４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１４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。
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の昇圧チョッパ２１から第１の共振インバータ３１、及び第２の昇圧チョッパ２２から第２の共振インバータ３４に、それぞれ安定した直流電圧が供給されるように制御する。
図２は、制御回路１４の動作について説明する為の説明図である。
制御回路１４には、電圧指令４１、及び三角波４２が入力される。電圧指令４１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４２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、三角波４２を自身で生成する構成であってもよい。
制御回路１４は、電圧指令４１及び三角波４２に基づいて、第１の昇圧チョッパオンオフ指令４３、第２の昇圧チョッパオンオフ指令４４、第１の共振インバータ上アームオンオフ指令４５、第１の共振インバータ下アームオンオフ指令４６、第２の共振インバータ上アームオンオフ指令４７、及び第２の共振インバータ下アームオンオフ指令４８を生成する。
第１の昇圧チョッパオンオフ指令４３は、第１の昇圧チョッパ２１の第１のスイッチＳ１をオンオフ制御する為のパルス信号である。制御回路１４は、電圧指令４１と三角波４２との比較結果に基づいて、第１の昇圧チョッパオンオフ指令４３を生成する。例えば、制御回路１４は、電圧指令４１が三角波４２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４１が三角波４２未満であるタイミングで、第１の昇圧チョッパ２１をオフにする第１の昇圧チョッパオンオフ指令４３を生成する。制御回路１４は、第１の昇圧チョッパオンオフ指令４３を第１の昇圧チョッパ２１に供給する。
第１の共振インバータ上アームオンオフ指令４５は、第１の共振インバータ３１の上アーム、即ち、第３のスイッチＳ３をオンオフ制御する為のパルス信号である。制御回路１４は、三角波４２に基づいて、第１の共振インバータ上アームオンオフ指令４５を生成する。例えば、制御回路１４は、三角波４２と同じ周波数の第１の共振インバータ上アームオンオフ指令４５を生成する。即ち、第１の共振インバータ上アームオンオフ指令４５は、第１の昇圧チョッパオンオフ指令４３と同じ周波数である。より具体的には、制御回路１４は、三角波４２と予め設定された固定値とを比較し、固定値が三角波４２以上であるタイミングで、第１の共振インバータ３１の上アームをオンにし、固定値が三角波４２未満であるタイミングで、第１の共振インバータ３１の下アームをオンにする第１の共振インバータ上アームオンオフ指令４５を生成する。なお、固定値は、第１の共振インバータ上アームオンオフ指令４５のオンオフデューティ比が５０％になるように設定される。制御回路１４は、第１の共振インバータ上アームオンオフ指令４５を第３のスイッチＳ３に供給する。
第１の共振インバータ下アームオンオフ指令４６は、第１の共振インバータ３１の下アーム、即ち、第４のスイッチＳ４をオンオフ制御する為のパルス信号である。制御回路１４は、第１の共振インバータ上アームオンオフ指令４５を反転させることにより、第１の共振インバータ下アームオンオフ指令４６を生成する。即ち、第１の共振インバータ下アームオンオフ指令４６は、第１の昇圧チョッパオンオフ指令４３と同じ周波数である。制御回路１４は、第１の共振インバータ下アームオンオフ指令４６を第４のスイッチＳ４に供給する。
第２の昇圧チョッパオンオフ指令４４は、第２の昇圧チョッパ２２の第２のスイッチＳ２をオンオフ制御する為のパルス信号である。制御回路１４は、第１の昇圧チョッパオンオフ指令４３の位相をずらすことにより、第２の昇圧チョッパオンオフ指令４４を生成する。例えば、制御回路１４は、第１の昇圧チョッパオンオフ指令４３の位相を１８０度ずらすことにより、第２の昇圧チョッパオンオフ指令４４を生成する。制御回路１４は、第２の昇圧チョッパオンオフ指令４４を第２の昇圧チョッパ２２に供給する。
第２の共振インバータ上アームオンオフ指令４７は、第２の共振インバータ３４の上アーム、即ち、第５のスイッチＳ５をオンオフ制御する為のパルス信号である。制御回路１４は、第１の共振インバータ上アームオンオフ指令４５の位相をずらすことにより、第２の共振インバータ上アームオンオフ指令４７を生成する。即ち、第２の共振インバータ上アームオンオフ指令４７は、第２の昇圧チョッパオンオフ指令４４と同じ周波数である。例えば、制御回路１４は、第１の共振インバータ上アームオンオフ指令４５の位相を９０度ずらすことにより、第２の共振インバータ上アームオンオフ指令４７を生成する。制御回路１４は、第２の共振インバータ上アームオンオフ指令４７を第５のスイッチＳ５に供給する。
第２の共振インバータ下アームオンオフ指令４８は、第２の共振インバータ３４の下アーム、即ち、第６のスイッチＳ６をオンオフ制御する為のパルス信号である。制御回路１４は、第２の共振インバータ上アームオンオフ指令４７を反転させることにより、第２の共振インバータ下アームオンオフ指令４８を生成する。即ち、第２の共振インバータ下アームオンオフ指令４８は、第２の昇圧チョッパオンオフ指令４４と同じ周波数である。制御回路１４は、第２の共振インバータ下アームオンオフ指令４８を第６のスイッチＳ６に供給する。
上記したように、制御回路１４は、第１の昇圧チョッパ２１と、第１の共振インバータ３１とを同じスイッチング周波数で動作させ、第２の昇圧チョッパ２２と、第２の共振インバータ３４とを同じスイッチング周波数で動作させる。また、制御回路１４は、第１の昇圧チョッパ２１と第２の昇圧チョッパ２２とで、位相を１８０度ずらす。またさらに、制御回路１４は、第１の共振インバータ３１と第２の共振インバータ３４とで、位相を９０度ずらす。
制御回路１４は、第１の昇圧チョッパオンオフ指令４３を第１の昇圧チョッパ２１に供給し、第１の共振インバータ上アームオンオフ指令４５を第３のスイッチＳ３に供給し、第１の共振インバータ下アームオンオフ指令４６を第４のスイッチＳ４に供給することにより、第１の高周波変圧器３２にインバータ電流を供給させる。これにより、第１の高周波変圧器３２の２次側に交流電力が発生する。図２の第１のグラフ５１は、第１の高周波変圧器３２の２次側に発生した交流電流の例を示す。
制御回路１４は、第２の昇圧チョッパオンオフ指令４４を第２の昇圧チョッパ２２に供給し、第２の共振インバータ上アームオンオフ指令４７を第５のスイッチＳ５に供給し、第２の共振インバータ下アームオンオフ指令４８を第６のスイッチＳ６に供給することにより、第２の高周波変圧器３５にインバータ電流を供給させる。これにより、第２の高周波変圧器３５の２次側に交流電力が発生する。図２の第２のグラフ５２は、第２の高周波変圧器３５の２次側に発生した交流電流の例を示す。
図３は、第１の高周波変圧器３２の２次側及び第２の高周波変圧器３５の２次側に発生した交流電流と、出力端子４から出力される電流との関係について説明する為の説明図である。
第１のグラフ５１で示される第１の高周波変圧器３２の２次側に発生した交流電流は、第１の整流器３３によって整流される。これにより、第３のグラフ５３で示されるように、負側振幅が正側振幅に変換された脈動電流（第１の脈動電流）が第１の整流器３３から出力される。
また、第２のグラフ５２で示される第２の高周波変圧器３５の２次側に発生した交流電流は、第２の整流器３６によって整流される。これにより、第４のグラフ５４で示されるように、負側振幅が正側振幅に変換された脈動電流（第２の脈動電流）が第２の整流器３６から出力される。
図３の第５のグラフ５５は、第１の脈動電流と第２の脈動電流とが合算された電流を示す。第１の脈動電流は、第１の共振インバータ３１のスイッチング周波数の２倍高調波であり、１つの周期の中に２つのピーク（山）を有する。第２の脈動電流は、第２の共振インバータ３４のスイッチング周波数の２倍高調波であり、１つの周期の中に２つのピークを有する。第１の脈動電流と第２の脈動電流とは、位相が９０度異なる。この為、第１の脈動電流と第２の脈動電流とが合算される場合、第１の脈動電流の谷と、第２の脈動電流の山とが重なる。この結果、第５のグラフ５５で示される電流は、２倍高調波が相殺され、４の倍数の高調波になる。即ち、第５のグラフ５５で示される電流は、１つの周期の中に４つのピーク（山）を有する。第５のグラフ５５で示される電流は、第１の脈動電流及び第２の脈動電流に比べて、リプル電流が抑えられている。
なお実際は、第１の脈動電流が第１のコンデンサＣ１により平滑化され、第２の脈動電流が第２のコンデンサＣ２により平滑化され、平滑化された第１の脈動電流及び第２の脈動電流が合算されて出力端子４から出力される。即ち、第５のグラフ５５で示される電流は、第１のコンデンサＣ１及び第２のコンデンサＣ２により平滑化され、出力端子４から出力される。
上記したように、第１の実施形態に係る電気車用電源装置１は、複数の高周波変圧器（第１の高周波変圧器３２及び第２の高周波変圧器３５）と、複数の昇圧チョッパ（第１の昇圧チョッパ２１及び第２の昇圧チョッパ２２）と、複数のインバータ（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、制御回路１４とを備える。制御回路１４は、共振インバータのスイッチングの１周期毎に、共振インバータの各スイッチ及び昇圧チョッパのスイッチのスイッチングのタイミングが一定になるように制御する。即ち、制御回路１４は、各昇圧チョッパのスイッチングの位相と、各共振インバータのスイッチングの位相との関係が一定になるように、各昇圧チョッパ及び各共振インバータをスイッチングさせる。
これにより、電気車用電源装置１は、複数の高周波変圧器の２次側から出力される電流の山と谷とを互いに相殺された状態を維持することができる。これにより、高周波変圧器を介して２次側に生じる電流のリプル電流を抑制することができる。また、これにより、高周波変圧器を介して２次側に生じる電流を平滑化するフィルタコンデンサ、及び出力端子４以降に接続されるフィルタリアクトルを小型化することが可能になる。
また、制御回路１４は、第１の昇圧チョッパ２１と第２の昇圧チョッパ２２とを１８０度位相をずらしてスイッチングさせ、第１の共振インバータ３１と第２の共振インバータ３４とを９０度位相をずらしてスイッチングさせる。これにより、第１の高周波変圧器３２の２次側に生じる電流の谷と、第２の高周波変圧器３５の２次側に生じる電流のピークとが重なる。この結果、高周波変圧器を介して２次側に生じる電流のリプル電流を抑制することができる。
なお、上記実施形態において、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と、第２の共振インバータ３４から第２の高周波変圧器３５に供給される交流電流とのバランスが、種々の原因により偏る場合がある。この原因は、例えば、素子の経年劣化、回路上の温度分布のばらつきなどである。
第１の高周波変圧器３２に供給される交流電流と、第２の高周波変圧器３５に供給される交流電流とのバランスが偏ると、２次側における交流電流のバランスも偏る。
図４は、第１の高周波変圧器３２の２次側、及び第２の高周波変圧器３５の２次側に発生した交流電流のバランスが偏った例について説明する為の説明図である。
図４の第１のグラフ６１は、第１の高周波変圧器３２の２次側に発生した交流電流を示す。図４の第２のグラフ６２は、第２の高周波変圧器３５の２次側に発生した交流電流を示す。第２のグラフ６２は、第１のグラフ６１に比べて、振幅の最大値が低い。これは、１次側で複数の変圧器に供給される交流電流にばらつきが生じると、第１の高周波変圧器３２の２次側に発生する交流電流の振幅の最大値と、第２の高周波変圧器３５の２次側に発生する交流電流の振幅の最大値とに差が生じる為である。
図４の第１のグラフ６１で示される第１の高周波変圧器３２の２次側に発生した交流電流は、第１の整流器３３によって整流される。これにより、第３のグラフ６３で示されるように、負側振幅が正側振幅に変換された脈動電流（第１の脈動電流）が第１の整流器３３から出力される。
また、第２のグラフ６２で示される第２の高周波変圧器３５の２次側に発生した交流電流は、第２の整流器３６によって整流される。これにより、第４のグラフ６４で示されるように、負側振幅が正側振幅に変換された脈動電流（第２の脈動電流）が第２の整流器３６から出力される。図４の第３のグラフ６３及び第４のグラフ６４で示されるように、第１の脈動電流と、第２の脈動電流とにも、振幅の最大値に差が生じる。
図４の第５のグラフ６５は、第３のグラフ６３の第１の脈動電流と第４のグラフ６４の第２の脈動電流とが合算された電流を示す。第１の脈動電流は、第１の共振インバータ３１のスイッチング周波数の２倍高調波であり、１つの周期の中に２つのピーク（山）を有する。第２の脈動電流は、第２の共振インバータ３４のスイッチング周波数の２倍高調波であり、１つの周期の中に２つのピークを有する。第１の脈動電流と第２の脈動電流とは、位相が９０度異なる。この為、第１の脈動電流と第２の脈動電流とが合算される場合、第１の脈動電流の谷と、第２の脈動電流の山とが重なる。しかしながら、第４のグラフ６４の第２の脈動電流は、第３のグラフ６３の第１の脈動電流に対して、振幅の最大値が低い。この為、第５のグラフ５５で示される電流は、２倍高調波が相殺されない。即ち、第１の脈動電流の谷が、第２の脈動電流の山によって相殺されない。この結果、第５のグラフ５５で示される電流は、１つの周期の中に複数のピーク（山）と、複数の谷とを有する波形となる。
なお実際は、第１の脈動電流が第１のコンデンサＣ１により平滑化され、第２の脈動電流が第２のコンデンサＣ２により平滑化され、平滑化された第１の脈動電流及び第２の脈動電流が合算されて出力端子４から出力される。即ち、第５のグラフ５５で示される電流は、第１のコンデンサＣ１及び第２のコンデンサＣ２により平滑化され、出力端子４から出力される。しかしながら、第１のコンデンサＣ１及び第２のコンデンサＣ２は、第１の脈動電流の谷が第２の脈動電流の山により相殺され、４倍高調波となった電流を平滑するように構成されている。この為、図４の第５のグラフ６５のように、２倍高調波が相殺されていない電流では、第１のコンデンサＣ１及び第２のコンデンサＣ２による平滑残りが生じる可能性がある。
そこで、制御回路１４は、電流検出器１３から供給される検出結果に基づいて、昇圧回路１１及び電力変換回路１２の制御定数（電力変換回路１２のスイッチング周波数、及び位相差など）を変更してもよい。
図５は、制御回路１４における制御について説明する為の説明図である。
制御回路１４は、電流検出器１３から電流の検出結果を取得する（ステップＳ１１）。電流検出器１３から供給される電流の検出結果は、図４の第５のグラフ６５が第１のコンデンサＣ１及び第２のコンデンサＣ２により平滑化された電流を示す。制御回路１４は、電流検出器１３から供給された検出結果を、所定時間分取得する。
制御回路１４は、電流検出器１３から供給された電流の検出結果を解析する（ステップＳ１２）。制御回路１４は、電流の検出結果を解析すると、運転継続可能か否かを判断する（ステップＳ１３）。また、制御回路１４は、制御定数を変更するか否か判断する（ステップＳ１４）。
制御回路１４は、運転継続可能であると判断し（ステップＳ１３、ＹＥＳ）、且つ制御定数を変更すると判断した場合（ステップＳ１４、ＹＥＳ）、制御定数の変更を行う（ステップＳ１５）。
制御回路１４は、ステップＳ１５において制御定数の変更を行った場合、またはステップＳ１４で制御定数を変更しないと判断した場合（ステップＳ１４、ＮＯ）、電気車用電源装置１の動作を停止するか否か判断する（ステップＳ１６）。例えば、制御回路１４は、図示されない運転台から終了を指示する信号を受信した場合、電気車用電源装置１の動作を停止すると判断する。制御回路１４は、電気車用電源装置１の動作を停止しないと判断した場合（ステップＳ１６、ＮＯ）、ステップＳ１１に移行し、電流検出結果の解析を継続する。
制御回路１４は、ステップＳ１３において、運転継続が可能ではないと判断した場合（ステップＳ１３、ＮＯ）、または、ステップＳ１６において、電気車用電源装置１の動作を停止すると判断した場合（ステップＳ１６、ＹＥＳ）、電気車用電源装置１の動作を停止させ（ステップＳ１７）、図５の処理を終了する。
上記したように、制御回路１４は、電流値の解析結果に基づき、制御定数を変更すれば、電気車用電源装置１の動作の継続が可能であると判断した場合、制御定数の変更を行う。即ち、制御回路１４は、電力変換回路１２のスイッチング周波数、及び第１の共振インバータ３１のスイッチングと第２の共振インバータ３４のスイッチングとの位相差などのいずれかの制御定数を変更する。
次に、上記のステップＳ１２における電流の検出結果の解析、ステップＳ１３における運転継続可能か否かの判断、及びステップＳ１４における制御定数を変更するか否かの判断について説明する。
図６は、電流を解析する為の制御回路１４の構成の例を示す。例えば、図６の例では、制御回路１４は、Fast Fourier Transform（ＦＥＴ）解析部７１、及び動作切替判定部７２を備える。また、図７は、電流を解析する為の制御回路１４の他の構成の例を示す。また、例えば、図７の例では、制御回路１４は、バンドパスフィルタ７３、及び動作切替判定部７２を備える。
ＦＥＴ解析部７１は、入力信号に対してフーリエ変換を行い、結果を出力する回路である。ＦＥＴ解析部７１は、電流検出器１３から供給された電流の検出結果（電流検出値）に対してフーリエ変換を行い、結果を出力する。ＦＥＴ解析部７１から出力される結果に基づいて、相殺されずに残った２倍高調波、偶数倍の高調波含有量の変化などを検出することが可能である。
バンドパスフィルタ７３は、所定の周波数のみを通し、他の周波数をカットする回路である。バンドパスフィルタ７３は、電流検出器１３から供給された電流の検出結果（電流検出値）に含まれる所定の周波数の信号を出力する。バンドパスフィルタ７３から出力される結果に基づいて、相殺されずに残った２倍高調波、偶数倍の高調波含有量の変化などを検出することが可能である。
動作切替判定部７２は、制御定数を変更せずに電気車用電源装置１の動作を継続するか、制御定数を変更して電気車用電源装置１の動作を継続するか、電気車用電源装置１の動作を停止させるかを判定する。
図６の動作切替判定部７２は、ＦＥＴ解析部７１から出力される結果に基づいて、電気車用電源装置１の動作を継続するか否か、及び制御定数を変更するか否かなどを判定する。また、図７の動作切替判定部７２は、バンドパスフィルタ７３から出力される結果に基づいて、電気車用電源装置１の動作を継続するか否か、及び制御定数を変更するか否かなどを判定する。
例えば、動作切替判定部７２は、２倍高調波が、第１のコンデンサＣ１及び第２のコンデンサＣ２の電流定格許容値を超えているか否か判断する。
動作切替判定部７２は、２倍高調波が、第１のコンデンサＣ１及び第２のコンデンサＣ２の電流定格許容値を超えていないと判断した場合、制御定数を変更せずに電気車用電源装置１の動作を継続すると判断する。
動作切替判定部７２は、周波数を変更することにより、２倍高調波が、第１のコンデンサＣ１及び第２のコンデンサＣ２の電流定格許容値内に収まる場合、制御定数を変更して電気車用電源装置１の動作を継続すると判断する。
また、動作切替判定部７２は、周波数を変更しても、２倍高調波が、第１のコンデンサＣ１及び第２のコンデンサＣ２の電流定格許容値内に収まらない場合、電気車用電源装置１の動作を停止すると判断する。
動作切替判定部７２により、制御定数を変更して電気車用電源装置１の動作を継続すると判断した場合、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のスイッチング周波数、または、第１の共振インバータ３１のスイッチングと第２の共振インバータ３４のスイッチングとの位相差とのいずれか、または両方を変更する。
まず、スイッチング周波数を変更する例について説明する。
図８は、電力変換回路１２の第１の共振インバータ３１のスイッチング及び第２の共振インバータ３４のスイッチング周波数を、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のスイッチング周波数の２倍に設定した例を示す。なお、第１の共振インバータ３１のスイッチング及び第２の共振インバータ３４のスイッチング周波数は、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のスイッチング周波数の３倍、または４倍など、整数倍であればよい。
このように、第１の共振インバータ３１のスイッチング及び第２の共振インバータ３４のスイッチング周波数を高く変更することにより、単位時間当たりのピーク電流を抑えることができる。即ち、図４の第３のグラフ６３及び第４のグラフ６４のピークの振幅を小さくすることができる。この結果、リプル電流を抑制することができる。
また、第１の共振インバータ３１及び第２の共振インバータ３４のコンデンサは、経年劣化により容量が低下する。これにより、第１の共振インバータ３１及び第２の共振インバータ３４の励磁周波数が高くなる。しかしながら、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のスイッチング周波数を高くすることにより、第１の共振インバータ３１及び第２の共振インバータ３４の励磁周波数とスイッチング周波数との乖離を防ぐことができる。なお、上記したように、第１の昇圧チョッパ２１及び第２の昇圧チョッパ２２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に対してスイッチングのタイミングが一定になるように設定される。この為、素子の経年劣化に応じて、第１の共振インバータ３１及び第２の共振インバータ３４のスイッチング周波数を変更する場合、制御回路１４は、第１の昇圧チョッパ２１及び第２の昇圧チョッパ２２のスイッチング周波数も変更する。
また、図９は、電力変換回路１２の第１の共振インバータ３１のスイッチング及び第２の共振インバータ３４のスイッチング周波数を、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のスイッチング周波数の１／２倍に設定した例を示す。即ち、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のスイッチング周波数を、第１の共振インバータ３１のスイッチング周波数及び第２の共振インバータ３４のスイッチング周波数の２倍に設定した例を示す。
このように、第１の共振インバータ３１のスイッチング及び第２の共振インバータ３４のスイッチング周波数を低く変更してもよい。
次に、第１の共振インバータ３１のスイッチングと第２の共振インバータ３４のスイッチングとの位相差を変更する例について説明する。
制御回路１４は、第１の共振インバータ３１のスイッチングと、第２の共振インバータ３４のスイッチングとの位相を調整することにより、図４の第５のグラフ６５で示される電流におけるリプル電流が小さくなるように制御してもよい。具体的には、制御回路１４は、第１の共振インバータ３１のスイッチングと、第２の共振インバータ３４のスイッチングとの位相を少しずつずらした場合の第５のグラフ６５を算出し、算出結果に基づき、最もリプル電流が小さくなる位相差を採用する。
上記したように、電気車用電源装置１の制御回路１４は、電流検出器１３から供給される電流値を解析することにより、電力変換回路１２の制御定数を制御する。これにより、制御回路１４は、電力変換回路１２に経年劣化が生じた場合であっても、リプル電流を抑制することができる。
また、制御回路１４は、電流検出器１３から供給される電流値の解析結果に基づいて、電力変換回路１２の第１の共振インバータ３１のスイッチング周波数及び第２の共振インバータ３４のスイッチング周波数を制御する。これにより、第１の共振インバータ３１及び第２の共振インバータ３４の励磁周波数は経年劣化により変わった場合であっても、リプル電流を抑制することができる。
また、制御回路１４は、電流検出器１３から供給される電流値の解析結果に基づいて、電力変換回路１２の第１の共振インバータ３１のスイッチング及び第２の共振インバータ３４のスイッチングの位相差を制御する。これにより、第１の共振インバータ３１及び第２の共振インバータ３４の特性が経年劣化により変わった場合であっても、リプル電流を抑制することができる。
（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１０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、電流検出器１３、及び制御回路１４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。即ち、昇圧回路１１Ａは、集電器３に対して、第１の昇圧チョッパ２１及び第２の昇圧チョッパ２２が並列に接続されている。このような構成であっても、第１の実施形態と同様の制御を行うことにより、電気車用電源装置１Ａは、高周波変圧器を介して２次側に流れる電流のリプル電流を抑制することができる。
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…電流検出器、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、７１…ＦＥＴ解析部、７２…動作切替判定部、７３…バンドパスフィルタ、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. 複数の高周波変圧器と、
    直流電源から供給される直流電圧を昇圧する複数の昇圧チョッパと、
    前記各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複数のインバータと、
    前記各昇圧チョッパのスイッチングの位相と、前記各インバータのスイッチングの位相との関係が一定になるように、前記各昇圧チョッパ及び前記各インバータをスイッチングさせる制御回路と、
    を具備し、
    複数の高周波変圧器は、第１の高周波変圧器及び第２の高周波変圧器を有し、
    前記複数のインバータは、第１の高周波変圧器に交流電流を供給する第１のインバータ及び第２の高周波変圧器に交流電流を供給する第２のインバータを有し、
    前記複数の昇圧チョッパは、前記第１のインバータに直流電圧を供給する第１の昇圧チョッパ及び前記第２のインバータに直流電圧を供給する第２の昇圧チョッパを有し、
    前記制御回路は、前記第１の昇圧チョッパと前記第２の昇圧チョッパとを１８０度位相をずらしてスイッチングさせ、前記第１のインバータと前記第２のインバータとを９０度位相をずらしてスイッチングさせる電気車用電源装置。
  2. 前記制御回路は、前記各インバータを、前記各昇圧チョッパ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、前記各昇圧チョッパを、前記各インバータのスイッチング周波数の２以上の整数倍のスイッチング周波数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。
  4. 複数の高周波変圧器の２次側から出力される電流を検出する電流検出器をさらに具備し、
    前記制御回路は、前記電流検出器により検出された電流値を解析して、前記各インバータのスイッチング周波数の偶数倍の高調波電流を抽出し、前記高調波電流に基づいて、前記各インバータ及び前記各昇圧チョッパのスイッチング周波数を変更する請求項１に記載の電気車用電源装置。
  5. 複数の高周波変圧器の２次側から出力される電流を検出する電流検出器をさらに具備し、
    前記制御回路は、前記電流検出器により検出された電流値を解析して、前記各インバータのスイッチング周波数の偶数倍の高調波電流を抽出し、前記高調波電流に基づいて、前記第１のインバータと前記第２のインバータとの位相差を調整する請求項１に記載の電気車用電源装置。
  6. 複数の高周波変圧器の２次側から出力される電流を検出する電流検出器をさらに具備し、
    前記制御回路は、前記電流検出器により検出された電流値を解析して、前記各インバータのスイッチング周波数の偶数倍の高調波電流を抽出し、前記高調波電流に基づいて、前記各インバータ及び前記各昇圧チョッパを停止させるか否か判断する請求項１に記載の電気車用電源装置。
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