JP7366319B2 - 制御装置、電力変換装置および制御方法 - Google Patents

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Description

本開示は、制御装置、電力変換装置および制御方法に関する。
鉄道車両には、電源から供給された電力を、照明機器、空調機器、蓄電装置等の負荷機器に供給するための電力に変換し、変換した電力を負荷機器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、スイッチング素子を有する電力変換回路と、スイッチング素子を制御する制御回路と、を備える。
特開2003-208232号公報
特許文献1に開示される電力変換装置の一例において、電力変換回路の出力電圧は、一定時間ごとに段階的に上昇して定格電圧値に到達する。電力変換回路が定格電圧値に到達する前に負荷機器が電力変換回路に電気的に接続されることで、負荷機器に突入電流が流れることが抑制される。電力変換装置が複数の負荷機器に電力を供給する場合に、複数の負荷機器が起動するタイミングが互いに異なることがある。このため、負荷機器ごとに設けられる接触器の投入タイミングが互いに異なることがある。この場合、電力変換回路の出力電圧が定格電圧値に到達してから投入される接触器があると、この接触器を介して電力変換回路に接続されている負荷機器に過大な突入電流が流れることがある。この課題は、鉄道車両に搭載される電力変換装置に限られず、複数の負荷機器に電力を供給する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、電力変換装置から電力の供給を受ける複数の負荷機器における突入電流を低減可能な制御装置、電力変換装置および制御方法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、本開示の制御装置は、供給される電力を複数の負荷機器に供給するための電力に変換し、変換した電力を複数の負荷機器に供給する電力変換回路が有する1つまたは複数のスイッチング素子を制御する制御装置であって、目標電圧値出力部と、素子制御部と、を備える。目標電圧値出力部は、電力変換回路の出力電圧の目標値である目標電圧値を出力する。素子制御部は、目標電圧値に応じて、1つまたは複数のスイッチング素子を制御する。目標電圧値出力部は、電力変換回路の起動を指示する動作指令を取得すると、目標電圧値を電力変換回路の定格電圧範囲より低い起動時電圧値まで上昇させる。目標電圧値出力部は、動作指令を取得した後、複数の負荷機器の少なくともいずれかが起動した場合に、目標電圧値を、起動時電圧値より高く、電力変換回路の定格電圧範囲に含まれる動作時電圧値まで上昇させる。
本開示に係る制御装置が備える目標電圧値出力部は、目標電圧値を電力変換回路の定格電圧範囲より低い起動時電圧値まで上昇させた後、複数の負荷機器の少なくともいずれかが起動した場合に、目標電圧値を、起動時電圧値より高く、電力変換回路の定格電圧範囲に含まれる動作時電圧値まで上昇させる。これにより、複数の負荷機器における突入電流を低減することが可能となる。
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に係る制御装置のブロック図 実施の形態1に係る制御装置のハードウェア構成図 実施の形態1における負荷機器の状態遷移図 実施の形態1に係る制御装置が有する目標電圧値出力部が行う目標電圧値上昇処理のフローチャート 比較例である電力変換装置の動作を示すタイミングチャートであって、(A)は動作指令を示し、(B),(C)は接触器の状態を示し、(D)は電力変換装置の出力電圧を示し、(E)は負荷機器に流れる突入電流を示すタイミングチャート 実施の形態1に係る電力変換装置の動作を示すタイミングチャートであって、(A)は動作指令を示し、(B),(C)は接触器の状態を示し、(D)は第1ゲインを示し、(E)は第2ゲインを示し、(F)は目標電圧値を示し、(G)は出力電圧を示し、(H)は負荷機器に流れる突入電流を示すタイミングチャート 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に係る制御装置のブロック図 実施の形態2に係る制御装置が有する目標電圧値出力部が行う目標電圧値上昇処理のフローチャート 実施の形態2に係る電力変換装置の出力を示すタイミングチャートであって、(A)は動作指令を示し、(B),(C),(D)は接触器の状態を示し、(E)は第1ゲインを示し、(F)は第2ゲインを示し、(G)は目標電圧値を示し、(H)は出力電圧を示し、(I),(J)は負荷機器に流れる突入電流を示すタイミングチャート 実施の形態に係る制御装置のハードウェア構成図の変形例
以下、本開示の実施の形態に係る制御装置、電力変換装置および制御方法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)
鉄道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、図示しない電源から供給される電力を複数の負荷機器51,52に供給するための電力に変換し、変換した電力を複数の負荷機器51,52に供給する。例えば、電力変換装置1は、降圧型DC(Direct Current:直流)-DCコンバータを有する。
負荷機器51,52は、例えば、照明機器、空調機器、蓄電装置等である。負荷機器51,52はそれぞれ、接触器MC1,MC2を介して電力変換装置1に電気的に接続される。
接触器MC1,MC2は、例えば、直流電磁接触器であって、切替装置61によって制御される。切替装置61によって接触器MC1が投入されると、負荷機器51は電力変換装置1に電気的に接続される。切替装置61によって接触器MC1が開放されると、負荷機器51は電力変換装置1から電気的に切り離される。切替装置61によって接触器MC2が投入されると、負荷機器52は電力変換装置1に電気的に接続される。切替装置61によって接触器MC2が開放されると、負荷機器52は電力変換装置1から電気的に切り離される。
切替装置61は、電力変換回路11の動作を指示する動作指令S1を取得する。動作指令S1は、電力変換回路11の起動または停止を指示する信号である。例えば、動作指令S1は、鉄道車両の運行開始時にH(High)レベルとなり、運行終了時にL(Low)レベルとなる信号である。切替装置61は、動作指令S1がHレベルになると、接触器MC1,MC2を予め定められたタイミングおよび順序で投入する。実施の形態1では、切替装置61は、動作指令S1がHレベルになると接触器MC1を投入する。その後、接触器MC1を投入してから定められた時間が経過すると、切替装置61は、接触器MC2を投入する。
管理装置62は、負荷機器51,52を制御し、負荷機器51,52の動作状態、具体的には、起動したか否か、動作しているか否か等を監視する。管理装置62は、負荷機器51,52が起動したか否かを示す動作状態信号S2を制御装置12に送信する。
接触器MC1,MC2が投入される際に負荷機器51,52に流れる突入電流を低減するために、電力変換装置1は、負荷機器51,52が起動可能な電圧まで出力電圧を上昇させた後、負荷機器51,52が起動すると、負荷機器51,52が動作可能な電圧まで出力電圧を上昇させる。電力変換装置1の構成について以下に説明する。
電力変換装置1は、入力端子11a,11bに対して印加される入力電圧を降圧して出力端子11c,11dから出力する電力変換回路11と、電力変換回路11の出力電圧の値を測定する電圧測定部VT1と、電力変換回路11を制御する制御装置12と、を備える。
電力変換回路11は、一端が入力端子11aに接続されるスイッチング素子SW1と、一端がスイッチング素子SW1に接続され、他端が出力端子11cに接続されるリアクトルL1と、を備える。電力変換回路11はさらに、出力端子11c,11dの間に接続されるコンデンサC1と、アノードが入力端子11bおよび出力端子11dの接続点に接続され、カソードがスイッチング素子SW1およびリアクトルL1の接続点に接続されるダイオードD1と、を備える。
スイッチング素子SW1は、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。スイッチング素子SW1のコレクタ端子は、入力端子11aに接続される。スイッチング素子SW1のエミッタ端子は、リアクトルL1の一端に接続される。スイッチング素子SW1のゲート端子には制御装置12が出力するスイッチング指令S3が供給される。電圧信号であるスイッチング指令S3に応じて、スイッチング素子SW1のオンオフが切り替わる。
電圧測定部VT1は、電力変換回路11の出力端子11c,11dに接続されて、電力変換回路11の出力電圧の値を測定し、測定値を制御装置12に送る。
図2に示すように、制御装置12は、電力変換回路11の出力電圧の目標値である目標電圧値を出力する目標電圧値出力部20と、目標電圧値出力部20で出力された目標電圧値に応じてスイッチング素子SW1を制御するためのスイッチング指令S3を生成する素子制御部30と、を備える。
目標電圧値出力部20は、負荷機器51,52が動作可能となる電力変換装置1の出力電圧、換言すれば、電力変換回路11の出力電圧の目標値である動作時電圧値を出力する動作時電圧値出力回路21を備える。目標電圧値出力部20はさらに、0以上かつ1未満の値である第1ゲインの値を出力する第1ゲイン出力回路22と、0以上かつ1以下の値である第2ゲインの値を出力する第2ゲイン出力回路23と、を備える。目標電圧値出力部20はさらに、第1ゲイン出力回路22の出力値および第2ゲイン出力回路23の出力値の内、大きい値を出力する最大値出力回路24と、動作時電圧値出力回路21の出力値に最大値出力回路24の出力値を乗算する乗算器25と、を備える。
動作時電圧値出力回路21は、予め定められた値である動作時電圧値、具体的には、電力変換回路11の定格電圧範囲に含まれる値を出力する。定格電圧範囲は、電力変換回路11から電力の供給を受ける負荷機器51,52を動作可能とする電力変換装置1の出力電圧の範囲を示す。動作時電圧値出力回路21には動作時電圧値が予め設定されていて、動作時電圧値出力回路21は、動作時電圧値に応じた一定の出力を維持する。
第1ゲイン出力回路22は、動作指令S1がLレベルである間は、0である第1ゲインの値を出力する。動作指令S1がHレベルになると、第1ゲイン出力回路22は、第1ゲインの値を、0以上かつ1未満の値である第1ゲインの最大値まで増大させる。第1ゲインの最大値は、負荷機器51,52が許容可能な電流の最大値に応じて定められる。例えば、第1ゲイン出力回路22は、Hレベルの動作指令S1を取得すると、0から0.6まで増加を開始してからの時間に対して線形的に増大する第1ゲインの値を出力する。
第2ゲイン出力回路23は、動作指令S1および動作状態信号S2を取得する。第2ゲイン出力回路23は、動作指令S1がLレベルである間、または、動作状態信号S2が、負荷機器51,52の少なくともいずれかが起動していないことを示している間は、0である第2ゲインの値を出力する。動作指令S1がHレベルになり、かつ、動作状態信号S2が、負荷機器51,52が両方とも起動したことを示している場合、第2ゲイン出力回路23は、第2ゲインの値を0から1まで増大させる。例えば、第2ゲイン出力回路23は、Hレベルの動作指令S1および負荷機器51,52が起動したことを示す動作状態信号S2を取得すると、0から1まで増加を開始してからの時間に対して線形的に増大する第2ゲインの値を出力する。
最大値出力回路24は、第1ゲイン出力回路22の出力値および第2ゲイン出力回路23の出力値の内、大きい値を乗算器25に出力する。上述のように、動作指令S1がHレベルになると、第1ゲイン出力回路22が出力する第1ゲインの値は0から増大し始めるが、動作状態信号S2が、負荷機器51,52の少なくともいずれかが起動していないことを示している間は、第2ゲイン出力回路23が出力する第2ゲインの値は0のままである。この場合、第1ゲインの値が第2ゲインの値より大きいため、最大値出力回路24は、第1ゲインの値を乗算器25に出力する。
その後、動作状態信号S2が、負荷機器51,52が両方とも起動したことを示すと、第2ゲインの値は0から増大し始める。第1ゲインの値が第2ゲインの値以上である間は、最大値出力回路24は、第1ゲイン出力回路22が出力する第1ゲインの値を乗算器25に出力する。第2ゲインの値が第1ゲインの値を上回ると、換言すれば、第2ゲインの値が第1ゲインの最大値を超えると、第2ゲインの値が第1ゲインの値より大きいため、最大値出力回路24は、第2ゲイン出力回路23が出力する第2ゲインの値を乗算器25に出力する。
乗算器25は、動作時電圧値出力回路21の出力値に最大値出力回路24の出力値を乗算し、乗算結果を素子制御部30に送る。乗算器25の出力値は、目標電圧値出力部20の出力値であって、電力変換回路11の出力電圧の目標値である。最大値出力回路24の出力値が1未満である間は、乗算器25の出力値は、動作時電圧値より低い値である。
最大値出力回路24の出力値が第1ゲインの最大値である場合の乗算器25の出力値を、電力変換回路11の定格電圧範囲の下限値より低い起動時電圧値とする。起動時電圧値は、負荷機器51,52への突入電流を十分に低減可能な程度に定格電圧範囲の下限値より低い値である。起動時電圧値は、負荷機器51,52が起動可能となる電力変換回路11の下限値以上の値に設定される。最大値出力回路24の出力値が1である場合は、乗算器25の出力値は、起動時電圧値より高く、電力変換回路11の定格電圧範囲に含まれる動作時電圧値である。
素子制御部30は、目標電圧値出力部20の出力値および電圧測定部VT1の測定値に応じてスイッチング素子SW1の通流率を決定する通流率決定回路31と、通流率決定回路31で決定された通流率に応じて、スイッチング素子SW1に供給するPWM(Pulse Width Modulation:パルス幅変調)信号であるスイッチング指令S3を生成するPWM信号生成回路32と、を備える。
通流率決定回路31は、目標電圧値出力部20の出力値および電圧測定部VT1の測定値に応じて、電力変換回路11の出力電圧を目標電圧値出力部20が出力する目標電圧値に近づけるための通流率を決定し、通流率をPWM信号生成回路32に送る。
PWM信号生成回路32は、通流率決定回路31から取得した通流率に応じて、スイッチング周期において、スイッチング周期に通流率を乗算した時間だけスイッチング素子SW1をオンするためのスイッチング指令S3を生成する。そして、PWM信号生成回路32は、スイッチング指令S3をスイッチング素子SW1のゲート端子に供給する。
上記構成を有する制御装置12のハードウェア構成を図3に示す。図3に示すように、制御装置12は、処理回路71で実現することができる。処理回路71は、インターフェース回路72を介して、電力変換回路11、具体的には、スイッチング素子SW1、電圧測定部VT1、および管理装置62に接続される。処理回路71が専用のハードウェアである場合、処理回路71は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、FPGA(Field Programmable Gate Array)、またはこれらを組み合わせたものである。制御装置12の各部はそれぞれ個別の処理回路71で実現されてもよいし、制御装置12の各部は共通の処理回路71で実現されてもよい。
上記構成を有する電力変換装置1から電力の供給を受ける負荷機器51,52は、管理装置62によって、制御および監視され、図4に示す状態遷移図に従って動作する。例えば、接触器MC1,MC2が開放されている間は、負荷機器51,52は電源停止状態ST1である。接触器MC1,MC2が投入されて、負荷機器51,52に電力が供給されると、負荷機器51,52は起動し、スタンバイ状態ST2に遷移する。その後、管理装置62から動作開始指令を取得すると、動作状態ST3に遷移し、動作開始指令に応じて動作を開始する。動作状態ST3において、管理装置62からスタンバイ指令を取得すると、動作を停止して、スタンバイ状態ST2に遷移する。スタンバイ状態ST2または動作状態ST3において、管理装置62から停止指令を取得すると、負荷機器51,52は停止し、負荷機器51,52は電源停止状態ST1に遷移する。
負荷機器51,52の起動時に、具体的には、接触器MC1,MC2の投入時に、負荷機器51,52に流れる突入電流を低減するために、電力変換装置1が備える目標電圧値出力部20は、図5に示すように段階的に目標電圧値を上昇させる。制御装置12が、制御装置12のために設けられた電源から電力の供給を受けて起動すると、目標電圧値出力部20は図5の動作を開始する。動作指令S1がHレベルになると(ステップS11;Yes)、目標電圧値出力部20は、目標電圧値を起動時電圧値まで上昇させる(ステップS12)。動作指令S1がLレベルである間は(ステップS11;No)、ステップS11の処理が繰り返される。
その後、接触器MC1,MC2が投入されて、負荷機器51,52が両方とも起動すると(ステップS13;Yes)、目標電圧値出力部20は、目標電圧値を動作時電圧値まで上昇させる(ステップS14)。ステップS14の処理が完了すると、目標電圧値出力部20は、目標電圧値を上昇させる処理を終了し、目標電圧値を動作時電圧値に維持する。負荷機器51,52の全てが起動していない間は(ステップS13;No)、ステップS13の処理が繰り返される。
上述のように、負荷機器51,52が両方とも起動されてから目標電圧値出力部20は、目標電圧値を動作時電圧値まで上昇させる。換言すれば、負荷機器51,52の少なくともいずれかが起動していない間は、目標電圧値出力部20は、目標電圧値を起動時電圧値に維持するため、電力変換回路11の出力電圧は起動時電圧値に維持される。起動時電圧値は動作時電圧値より低いため、接触器MC1,MC2の投入時に、負荷機器51,52に流れる突入電流が低減される。
上述のように目標電圧値が上昇する間の電力変換装置1の動作の詳細について以下に説明する。特許文献1に開示される電力変換装置が、電力変換装置1と同様にMC1,MC2を介して接続されている負荷機器51,52に電力を供給する場合の電力変換装置の動作を説明するためのタイミングチャートを比較例として図6に示す。
図6(A)に示すように、動作指令がHレベルになり、比較例である電力変換装置が動作を開始する時刻をT1とする。この結果、図6(D)に示すように、比較例である電力変換装置の出力電圧は、時刻T1において、電圧V0’から線形的に上昇し始める。その後、比較例である電力変換装置の出力電圧が電圧V1’に到達する時刻をT2とする。電圧V1’は、比較例である電力変換装置の定格電圧範囲に含まれる値であって、負荷機器51,52が動作可能となる電圧である。
図6(B)に示すように、時刻T1において、接触器MC1が投入され、負荷機器51が、比較例である電力変換装置に電気的に接続されたとする。時刻T1においては比較例である電力変換装置の出力電圧は十分に低いため、負荷機器51に突入電流が流れることが抑制される。
図6(C)に示すように、時刻T2より後の時刻T3において、接触器MC2が投入され、負荷機器52が、比較例である電力変換装置に電気的に接続されたとする。時刻T3において、比較例である電力変換装置の出力電圧は電圧V1’に到達しているため、図6(E)に示すように、負荷機器52に振幅I1の突入電流が流れる。
電力変換装置1の動作を説明するためのタイミングチャートを図7に示す。図7(A)に示すように、動作指令S1がHレベルになり、電力変換装置1が動作を開始する時刻をT1とする。時刻T1において、図7(B)に示すように、接触器MC1が投入され、負荷機器51が電力変換装置1に電気的に接続され、起動したとする。時刻T1において、図7(G)に示すように、電力変換回路11の出力電圧は十分に低いため、負荷機器51に突入電流が流れることが抑制される。
時刻T1において動作指令S1がHレベルになると、制御装置12が有する目標電圧値出力部20が目標電圧値の出力を開始し、制御装置12が有する素子制御部30が目標電圧値に応じたスイッチング指令S3の生成を開始する。
詳細には、動作指令S1がHレベルになると、動作時電圧値出力回路21は動作時電圧値V1を出力し、第1ゲイン出力回路22は、第1ゲインの値G1を、0から、1未満の値である第1ゲインの最大値G1MAXまで増大させる。図7(D)に示すように、第1ゲインの値G1が最大値G1MAXに到達する時刻をT2とする。
図7(C)に示すように、時刻T2までの間、接触器MC2は開放されているとする。換言すれば、時刻T2において、負荷機器52は起動していないとする。負荷機器52が起動していないため、図7(E)に示すように、第2ゲイン出力回路23が出力する第2ゲインの値G2は0のままである。このため、乗算器25は、時刻T1から時刻T2までの間は、動作時電圧値出力回路21が出力する動作時電圧値V1に、最大値出力回路24が出力する第1ゲインの値G1を乗算した結果G1・V1を出力する。第1ゲイン出力回路22が第1ゲインの値G1を第1ゲインの最大値G1MAXまで増大させると、乗算器25の出力値は、動作時電圧値V1に第1ゲインの最大値G1MAXを乗算した結果である起動時電圧値に到達する。
素子制御部30が目標電圧値に応じたスイッチング指令S3を生成し、電力変換回路11が有するスイッチング素子SW1がスイッチング指令S3によって制御されることで、電力変換回路11の出力電圧が図7(F)に示すように、時刻T1から上昇し始め、時刻T2で電圧V2’に到達する。電圧V2’は、時刻T2における目標値電圧である起動時電圧値G1MAX・V1に一致するとみなせる値である。
その後、図7(C)に示すように、接触器MC2が投入され、負荷機器52が電力変換装置1に電気的に接続され、起動する時刻をT3とする。時刻T3において、図7(G)に示すように、電力変換回路11の出力電圧は、動作時電圧値V1に一致するとみなせる値である電圧V1’より低いため、負荷機器52に流れる突入電流は、図6に示す比較例である電力変換装置の場合と比べて小さい。突入電流の振幅は、電力変換回路11の出力電圧の値に比例するので、負荷機器52に流れる突入電流の振幅I2は、比較例である電力変換装置に接続される負荷機器52に流れる突入電流の振幅I1のG1MAX倍である。
負荷機器51,52が両方とも起動すると、第2ゲイン出力回路23は、第2ゲインの値G2を0から1まで増大させる。図7(E)に示すように、第2ゲインの値G2が、第1ゲインの最大値G1MAXに到達する時刻をT4とする。その後、第2ゲインの値G2が最大値1に到達する時刻をT5とする。時刻T4以降は、第2ゲイン出力回路23の出力値が第1ゲイン出力回路22の出力値より大きくなるため、目標電圧値出力部20は、動作時電圧値V1に第2ゲインの値G2を乗算した結果G2・V1を出力する。
素子制御部30が目標電圧値に応じたスイッチング指令S3を生成し、電力変換回路11が有するスイッチング素子SW1がスイッチング指令S3によって制御されることで、電力変換回路11の出力電圧が図7(G)に示すように、時刻T4から再度上昇し始め、時刻T5で電圧V1’に到達する。電圧V1’は、動作時電圧値V1に一致するとみなせる値である。電力変換回路11の出力電圧が動作時電圧値V1に到達することで、負荷機器51,52が両方とも動作することが可能となる。
以上説明した通り、実施の形態1に係る制御装置12が備える目標電圧値出力部20は、動作指令S1がHレベルになると、目標電圧値を起動時電圧値G1MAX・V1まで上昇させる。その後、接触器MC1,MC2が投入されて、負荷機器51,52が両方とも起動した後に、目標電圧値出力部20は、目標電圧値を動作時電圧値V1まで上昇させる。遅れて起動する負荷機器52に接続されている接触器MC2が投入される際の電力変換回路11の出力電圧が動作時電圧値V1より低い起動時電圧値G1MAX・V1である。突入電流の振幅は、電力変換回路11の出力電圧に比例するため、負荷機器52に流れる突入電流が低減される。
(実施の形態2)
目標電圧値の調節方法は、上述の例に限られない。切替装置61から接触器MC1,MC2,MC3の状態を取得して、起動時電圧値に至るまで目標値電圧を段階的に上昇させる制御装置13を備える電力変換装置2について、電力変換装置1と異なる点を中心に実施の形態2で説明する。
図8に示す実施の形態2に係る電力変換装置2は、電源から供給される電力を複数の負荷機器51,52,53に供給するための電力に変換し、変換した電力を複数の負荷機器51,52,53に供給する。負荷機器51,52,53はそれぞれ、接触器MC1,MC2,MC3を介して電力変換装置2に電気的に接続される。
接触器MC3は、接触器MC1,MC2と同様に、直流電磁接触器であって、切替装置61によって制御される。切替装置61によって接触器MC3が投入されると、負荷機器53は電力変換装置2に電気的に接続される。切替装置61によって接触器MC3が開放されると、負荷機器53は電力変換装置2から電気的に切り離される。
切替装置61は、動作指令S1がHレベルになると、接触器MC1,MC2,MC3を予め定められたタイミングおよび順序で投入する。実施の形態2では、切替装置61は、動作指令S1がHレベルになると接触器MC1を投入する。その後、接触器MC1を投入してから定められた時間が経過すると、切替装置61は、接触器MC2を投入する。その後、接触器MC2を投入してから定められた時間が経過すると、切替装置61は、接触器MC3を投入する。
電力変換装置2は、電力変換回路11と、電圧測定部VT1と、電力変換回路11が有するスイッチング素子SW1を制御する制御装置13と、を備える。
制御装置13の構成は、図9に示すように、実施の形態1に係る電力変換装置1が備える制御装置12と基本的に同様である。ただし、図8および図9に示すように、制御装置13は、切替装置61から接触器MC1,MC2,MC3がそれぞれ投入されているか否かを示す投入状態信号S4を取得し、投入状態信号S4に基づいて、負荷機器51,52,53が起動しているか否かを判別する点が制御装置12と異なる。詳細には、図9に示すように、第1ゲイン出力回路26および第2ゲイン出力回路23は、切替装置61から投入状態信号S4を取得する。
第1ゲイン出力回路26は、実施の形態1と同様に、動作指令S1がLレベルである間は、0である第1ゲインの値を出力する。動作指令S1がHレベルになると、第1ゲイン出力回路26は、第1ゲインの値G1を0から第1ゲインの最大値G1MAXより小さい中間値まで増大させる。
その後、負荷機器51,52,53の内、定められた一部の負荷機器、例えば、負荷機器51,52が両方とも起動すると、第1ゲイン出力回路26は、第1ゲインの値G1を中間値から第1ゲインの最大値G1MAXまで増大させる。詳細には、第1ゲイン出力回路26は、投入状態信号S4が接触器MC1,MC2が投入され、接触器MC3が投入されていないことを示す場合、第1ゲインの値G1を第1ゲインの最大値G1MAXまで増大させる。
第2ゲイン出力回路23は、動作指令S1がLレベルである間、または、投入状態信号S4が、接触器MC1,MC2,MC3の少なくともいずれかが開放されていることを示している間は、0である第2ゲインの値G2を出力する。動作指令S1がHレベルになり、かつ、投入状態信号S4が、接触器MC1,MC2,MC3の全てが投入されたことを示している場合、第2ゲイン出力回路23は、第2ゲインの値G2を0から1まで増大させる。
最大値出力回路24の出力値が第1ゲインの中間値G1MIDである場合の乗算器25の出力値を、起動時電圧値より低い一部起動時電圧値とする。
制御装置13のハードウェア構成は、制御装置12と基本的に同様である。ただし、制御装置13を実現する処理回路71は、インターフェース回路72を介して、電力変換回路11、具体的には、スイッチング素子SW1、電圧測定部VT1、および切替装置61に接続される。
負荷機器51,52,53の起動時に、具体的には、接触器MC1,MC2,MC3の投入時に、負荷機器51,52,53に流れる突入電流を低減するために、電力変換装置2が備える目標電圧値出力部20は、動作指令S1がHレベルになると、図10に示すように、段階的に目標電圧値を上昇させる。制御装置13が、制御装置13のために設けられた電源から電力の供給を受けて起動すると、目標電圧値出力部20は図10の動作を開始する。動作指令S1がHレベルになると(ステップS11;Yes)、目標電圧値出力部20は、目標電圧値を一部起動時電圧値まで上昇させる(ステップS15)。動作指令S1がLレベルである間は(ステップS11;No)、ステップS11の処理が繰り返される。
その後、接触器MC1,MC2が投入されて、負荷機器51,52,53の内、定められた一部の負荷機器である負荷機器51,52が起動すると(ステップS16;Yes)、目標電圧値出力部20は、目標電圧値を起動時電圧値まで上昇させる(ステップS12)。負荷機器51,52の少なくともいずれかが起動していない間は(ステップS16;No)、ステップS16の処理が繰り返される。
さらに接触器MC3が投入されて、負荷機器51,52,53の全てが起動した状態になると(ステップS13;Yes)、目標電圧値出力部20は、目標電圧値を動作時電圧値まで上昇させる(ステップS14)。ステップS14の処理が完了すると、目標電圧値出力部20は、目標電圧値を上昇させる処理を終了し、目標電圧値を動作時電圧値に維持する。負荷機器51,52,53の全てが起動していない間は(ステップS13;No)、ステップS13の処理が繰り返される。
上述のように、負荷機器51,52が両方とも起動されてから目標電圧値出力部20は、目標電圧値を起動時電圧値まで上昇させる。このため、実施の形態1と比べて、負荷機器52に流れる突入電流がより低減される。
上述のように目標電圧値が上昇する間の電力変換装置2の動作の詳細について以下に説明する。電力変換装置2の動作を説明するためのタイミングチャートを図11に示す。図11(A)に示すように、動作指令がHレベルになり、電力変換装置2が動作を開始する時刻をT1とする。時刻T1において、図11(B)に示すように、接触器MC1が投入され、負荷機器51が電力変換装置2に電気的に接続され、起動したとする。時刻T1において、図11(H)に示すように、電力変換回路11の出力電圧は十分に低いため、負荷機器51に突入電流が流れることが抑制される。
時刻T1において、動作指令S1がHレベルになると、制御装置13が有する目標電圧値出力部20が目標電圧値の出力を開始し、制御装置13が有する素子制御部30が目標電圧値に応じたスイッチング指令S3の生成を開始する。
詳細には、動作指令S1がHレベルになると、動作時電圧値出力回路21は動作時電圧値V1を出力し、第1ゲイン出力回路26は、第1ゲインの値G1を第1ゲインの最大値G1MAXより小さい中間値G1MIDまで増大させる。図11(E)に示すように、第1ゲインの値G1が中間値G1MIDに到達する時刻をT2とする。
図11(C)に示すように、時刻T3までの間、接触器MC2,MC3は開放されているとする。換言すれば、時刻T3において、負荷機器52,53は起動していない。負荷機器52,53が起動していないため、図11(F)に示すように、第2ゲイン出力回路23が出力する第2ゲインの値G2は0のままである。このため、乗算器25は、時刻T1から時刻T2までの間は、動作時電圧値出力回路21が出力する動作時電圧値V1に、最大値出力回路24が出力する第1ゲインの値G1を乗算した結果G1・V1を出力する。第1ゲイン出力回路22が第1ゲインの値G1を中間値G1MIDまで増大させると、乗算器25の出力値は、動作時電圧値V1に中間値G1MIDを乗算した結果である一部起動時電圧値に到達する。
素子制御部30が目標電圧値に応じたスイッチング指令S3を生成し、電力変換回路11が有するスイッチング素子SW1がスイッチング指令S3によって制御されることで、電力変換回路11の出力電圧が図11(H)に示すように、時刻T1から上昇し始め、時刻T2で電圧V3’に到達する。電圧V3’は、時刻T2における目標値電圧である一部起動時電圧値G1MID・V1に一致するとみなせる値である。
その後、図11(C)に示すように、接触器MC2が投入され、負荷機器52が電力変換装置2に電気的に接続され、起動する時刻をT3とする。時刻T3において、図11(H)に示すように、電力変換回路11の出力電圧は、動作時電圧値V1に一致するとみなせる値である電圧V1’より低いため、負荷機器52に流れる突入電流は、実施の形態1で説明した比較例である電力変換装置の場合と比べて小さい。突入電流の振幅は、電力変換回路11の出力電圧の値に比例するので、負荷機器52に流れる突入電流の振幅I3は、比較例である電力変換装置に接続される負荷機器52に流れる突入電流の振幅I1のG1MID倍である。
負荷機器51,52が両方とも起動すると、第1ゲイン出力回路26は、第1ゲインの値G1を中間値G1MIDから第1ゲインの最大値G1MAXまで増大させる。図11(E)に示すように、第1ゲインの値G1が最大値G1MAXに到達する時刻をT4とする。図11(D)に示すように、時刻T1から時刻T4までの間、接触器MC3は開放されているとする。換言すれば、時刻T4において、負荷機器53は起動していないとする。このため、図11(F)に示すように、第2ゲイン出力回路23が出力する第2ゲインの値G2は0のままである。このため、時刻T2から時刻T4までの間は、乗算器25は、動作時電圧値出力回路21が出力する動作時電圧値V1に、最大値出力回路24が出力する第1ゲインの値G1を乗算した結果G1・V1を出力する。
素子制御部30が目標電圧値に応じたスイッチング指令S3を生成し、電力変換回路11が有するスイッチング素子SW1がスイッチング指令S3によって制御されることで、電力変換回路11の出力電圧が図11(H)に示すように、時刻T3から再度上昇し始め、時刻T4で電圧V2’に到達する。電圧V2’は、起動時電圧値G1MAX・V1に一致するとみなせる値である。
その後、図11(D)に示すように、接触器MC3が投入され、負荷機器53が電力変換装置2に電気的に接続され、起動する時刻をT5とする。時刻T5において、図11(H)に示すように、電力変換回路11の出力電圧は、動作時電圧値V1に一致するとみなせる値である電圧V1’より低いため、負荷機器53に流れる突入電流は、実施の形態1で説明した比較例である電力変換装置の場合と比べて小さい。突入電流の振幅は、電力変換回路11の出力電圧の値に比例するので、負荷機器53に流れる突入電流の振幅I3は、比較例である電力変換装置に接続される負荷機器に流れる突入電流の振幅I1のG1MAX倍である。
負荷機器51,52,53が全て起動すると、第2ゲイン出力回路23は、第2ゲインの値G2を0から1まで増大させる。図11(F)に示すように、第2ゲインの値G2が第1ゲインの最大値G1MAXに到達する時刻をT6とする。その後、第2ゲインの値G2が最大値1に到達する時刻をT7とする。時刻T6以降は、第2ゲイン出力回路23の出力値が第1ゲイン出力回路26の出力値より大きくなるため、目標電圧値出力部20は、動作時電圧値V1に第2ゲインの値G2を乗算した結果G2・V1を出力する。
素子制御部30が目標電圧値に応じたスイッチング指令S3を生成し、電力変換回路11が有するスイッチング素子SW1がスイッチング指令S3によって制御されることで、電力変換回路11の出力電圧が図11(H)に示すように、時刻T6から再度上昇し始め、時刻T7で電圧V1’に到達する。電圧V1’は、動作時電圧値V1に一致するとみなせる値である。電力変換回路11の出力電圧が動作時電圧値V1に到達することで、負荷機器51,52,53が全て動作することが可能となる。
以上説明した通り、実施の形態2に係る制御装置13が備える目標電圧値出力部20は、動作指令S1がHレベルになると、目標電圧値を一部起動時電圧値G1MID・V1まで上昇させる。その後、負荷機器51,52,53の内、定められた一部の負荷機器、具体的には、負荷機器51,52が両方とも起動した後に、目標電圧値出力部20は、目標電圧値を起動時電圧値G1MAX・V1まで上昇させる。その後、負荷機器51,52,53が全て起動した後に、目標電圧値出力部20は、目標電圧値を動作時電圧値V1まで上昇させる。
遅れて起動する負荷機器52に接続されている接触器MC2が投入される際の電力変換回路11の出力電圧が動作時電圧値V1より低い一部起動時電圧値G1MID・V1である。遅れて起動する負荷機器53に接続されている接触器MC3が投入される際の電力変換回路11の出力電圧が動作時電圧値V1より低い起動時電圧値G1MAX・V1である。突入電流の振幅は、電力変換回路11の出力電圧に比例するため、負荷機器52,53に流れる突入電流が低減される。
本開示は、上述の実施の形態に限られない。上記のハードウェア構成およびフローチャートは一例であり、任意に変更および修正が可能である。
制御装置12,13の機能は、ソフトウェアで実現されてもよい。この場合、図12に示すように、制御装置12,13は、プロセッサ81と、メモリ82と、インターフェース83と、を備える。プロセッサ81、メモリ82、およびインターフェース83は互いにバス80で接続されている。
制御装置12,13の機能は、ソフトウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェアおよびファームウェアはプログラムとして記述され、メモリ82に格納される。プロセッサ81が、メモリ82に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、上述の各部の機能が実現される。すなわち、メモリ82には、制御装置12,13の処理を実行するためのプログラムが格納される。
メモリ82は、例えば、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read-Only Memory)、フラッシュメモリ、EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory)、EEPROM(Electrically Erasable and Programmable Read-Only Memory)等の不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、DVD(Digital Versatile Disc)等を含む。
制御装置12,13の各機能の一部が専用のハードウェアで実現され、他の一部がソフトウェアまたはファームウェアで実現されてもよい。例えば、素子制御部30は図3に示す処理回路71で実現され、目標電圧値出力部20は図12に示すプロセッサ81がメモリ82に格納されたプログラムを読み出して実行することで実現されてもよい。
電力変換装置1,2の構成は、上述の例に限られない。一例として、電力変換装置1,2は、電力変換回路11として、供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータを有してもよいし、供給される直流電力を交流電力に変換するインバータを有してもよい。電力変換装置1,2がインバータを有する場合、制御装置12,13が有する目標電圧値出力部は、電力変換回路11の出力電圧の振幅の目標値を出力すればよい。
電力変換回路11が有するスイッチング素子の個数は任意である。スイッチング素子SW1は、IGBTに限られず、スイッチング動作が可能な任意の素子である。一例として、スイッチング素子SW1は、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor:金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ)、サイリスタ等でもよい。
負荷機器51,52,53が内部に遮断器を有する場合は、接触器MC1,MC2,MC3は設けられなくてもよい。
目標電圧値出力部20による目標電圧値の上昇のさせ方は、上述の例に限られない。一例として、目標電圧値出力部20が備える第1ゲイン出力回路22,26は、単調増加曲線に従って第1ゲインを増大させてもよい。第2ゲイン出力回路23についても同様である。
他の一例として、目標電圧値出力部20が備える第1ゲイン出力回路22,26は、ステップ関数に基づいて、第1ゲインを非連続的に増大させてもよい。第2ゲイン出力回路23についても同様である。この結果、目標電圧値が非連続的に上昇する。
他の一例として、目標電圧値出力部20は、許容できる電流値が低い素子で形成される負荷機器が起動された場合、全ての負荷機器が起動されていなくても、目標電圧値を動作時電圧値まで上昇させてもよい。換言すれば、大電流に耐え得る素子で形成される負荷機器が起動する前に、目標電圧値出力部20は、目標電圧値を動作時電圧値まで上昇させてもよい。
制御装置13が備える目標電圧値出力部20が有する第1ゲイン出力回路26は、複数の中間値を予め保持していて、第1ゲインを段階的に増大させてもよい。
管理装置62は、列車情報管理システムの一機能として実現されてもよい。
電力変換装置1,2は、鉄道車両に限られず、自動車、船舶、航空機等の任意の移動体に搭載されてもよい。電力変換装置1,2は、移動体に搭載されずに、任意の場所に設置されてもよい。
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 電力変換装置、11 電力変換回路、11a,11b 入力端子、11c,11d 出力端子、12,13 制御装置、20 目標電圧値出力部、21 動作時電圧値出力回路、22,26 第1ゲイン出力回路、23 第2ゲイン出力回路、24 最大値出力回路、25 乗算器、30 素子制御部、31 通流率決定回路、32 PWM信号生成回路、51,52,53 負荷機器、61 切替装置、62 管理装置、71 処理回路、72 インターフェース回路、80 バス、81 プロセッサ、82 メモリ、83 インターフェース、C1 コンデンサ、D1 ダイオード、L1 リアクトル、MC1,MC2,MC3 接触器、S1 動作指令、S2 動作状態信号、S3 スイッチング指令、S4 投入状態信号、SW1 スイッチング素子、VT1 電圧測定部。

Claims (10)

  1. 供給される電力を複数の負荷機器に供給するための電力に変換し、変換した電力を前記複数の負荷機器に供給する電力変換回路が有する1つまたは複数のスイッチング素子を制御する制御装置であって、
    前記電力変換回路の出力電圧の目標値である目標電圧値を出力する目標電圧値出力部と、
    前記目標電圧値に応じて、前記1つまたは複数のスイッチング素子を制御する素子制御部と、を備え、
    前記目標電圧値出力部は、前記電力変換回路の起動を指示する動作指令を取得すると、前記目標電圧値を前記電力変換回路の定格電圧範囲より低い起動時電圧値まで上昇させ、
    前記目標電圧値出力部は、前記動作指令を取得した後、前記複数の負荷機器の少なくともいずれかが起動した場合に、前記目標電圧値を、前記起動時電圧値より高く、前記電力変換回路の前記定格電圧範囲に含まれる動作時電圧値まで上昇させる、
    制御装置。
  2. 前記目標電圧値出力部は、前記動作指令を取得した後、前記複数の負荷機器が起動した場合に、前記目標電圧値を前記動作時電圧値まで上昇させる、
    請求項1に記載の制御装置。
  3. 前記目標電圧値出力部は、前記動作指令を取得すると、前記目標電圧値を、前記複数の負荷機器の一部が起動可能となる前記電力変換回路の出力電圧であって、前記起動時電圧値より低い一部起動時電圧値まで上昇させる、
    請求項2に記載の制御装置。
  4. 前記目標電圧値出力部は、前記目標電圧値を前記一部起動時電圧値まで上昇させた後に、前記複数の負荷機器の一部が起動した場合に、前記目標電圧値を前記起動時電圧値まで上昇させる、
    請求項3に記載の制御装置。
  5. 前記複数の負荷機器はそれぞれ、前記負荷機器ごとに設けられる接触器を介して前記電力変換回路に接続され、
    前記目標電圧値出力部は、前記接触器が投入された場合、前記接触器を介して前記電力変換回路に接続されている前記負荷機器が起動したと判別する、
    請求項1から4のいずれか1項に記載の制御装置。
  6. 前記目標電圧値出力部は、前記複数の負荷機器を制御する管理装置から前記複数の負荷機器のそれぞれ状態を示す動作状態信号を取得し、前記動作状態信号に応じて前記負荷機器が起動したか否かを判別する、
    請求項1から4のいずれか1項に記載の制御装置。
  7. 前記目標電圧値出力部は、前記電力変換回路の起動を指示する動作指令を取得すると、前記目標電圧値を前記起動時電圧値まで連続的に上昇させる、
    請求項1から6のいずれか1項に記載の制御装置。
  8. 前記目標電圧値出力部は、前記動作指令を取得した後、前記複数の負荷機器の少なくともいずれかが起動した場合に、前記目標電圧値を、前記動作時電圧値まで連続的に上昇させる、
    請求項1から7のいずれか1項に記載の制御装置。
  9. 供給される電力を複数の負荷機器に供給するための電力に変換し、変換した電力を前記複数の負荷機器に供給する電力変換回路と、
    前記電力変換回路が有する1つまたは複数のスイッチング素子を制御する請求項1から8のいずれか1項に記載の制御装置と、
    を備える電力変換装置。
  10. 供給される電力を複数の負荷機器に供給するための電力に変換し、変換した電力を前記複数の負荷機器に供給する電力変換回路が有する1つまたは複数のスイッチング素子を制御する制御方法であって、
    前記電力変換回路の起動時に、前記電力変換回路の出力電圧の目標値である目標電圧値を、前記電力変換回路の定格電圧範囲より低い起動時電圧値まで上昇させ、
    前記複数の負荷機器の少なくともいずれかが起動した場合に、前記目標電圧値を、前記起動時電圧値より高く、前記電力変換回路の前記定格電圧範囲に含まれる動作時電圧値まで上昇させ、
    前記目標電圧値に応じて、前記1つまたは複数のスイッチング素子を制御する、
    制御方法。
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