JP7374387B2 - 電源装置 - Google Patents

Description

本開示は、鉄道車両に搭載される負荷に直流電力を供給する電源装置に関する。

鉄道車両に搭載されて直流電力が供給される負荷の１つに蓄電池がある。下記特許文献１には、鉄道車両に搭載される蓄電池を充電する電力変換装置を備えた電源装置が記載されている。

一般的に、蓄電池の充電は、蓄電池の充電電圧に基づいて、電流制限モード及び定電圧モードを適宜に切り替えることで行われる。また、蓄電池を充電する際には、電力変換装置に具備されるスイッチング素子のゲートに印加するゲート信号の印加時間を制御する通流率制御が行われる。

特開昭６２－２１７８０２号公報

鉄道車両に搭載される電源装置では、電源装置への入力電圧の基となる、架線又は第三軌条等から印加される電車線電圧が大きく変動するという特有の課題がある。このため、例えば電車線電圧が急上昇した場合、充電制御中の蓄電池の入力電圧の変動を抑えるために、通流率制御により通流率を下げていくが、電車線電圧の変動に追従できず蓄電池への充電電流が増大した結果、定電圧モードから電流制限モードへ切り替わる場合がある。一方、定電圧モードから電流制限モードへ切り替わった場合、ゲート信号の通流率がステップ的に急上昇し、蓄電池に過大な突入電流が発生するおそれがあるという問題があった。

本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、定電圧モードから電流制限モードへ切り替わった場合であっても、蓄電池に過大な突入電流が流れるのを防止できる電源装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本開示に係る電源装置は、鉄道車両に搭載される負荷に直流電力を供給しつつ、負荷の１つである蓄電池を充電する電力変換装置を備えた電源装置である。電源装置は、電圧センサ、電流センサ及び制御装置を備える。電圧センサは、電力変換装置が蓄電池に印加する直流電圧を検出する。電流センサは、電力変換装置と蓄電池との間に流れる電流を検出する。制御装置は、電圧センサ及び電流センサの検出値に基づいて蓄電池の充電を制御する。電源装置は、動作モードとして、蓄電池を定電圧で充電する定電圧モード、及び蓄電池への充電電流の上限値を規定して蓄電池を充電する電流制限モードを有する。制御装置は、定電圧モードを制御する第１の制御ブロックと、電流制限モードを制御する第２の制御ブロックと、通流率指令演算部とを備える。通流率指令演算部は、第１の制御ブロック又は第２の制御ブロックのうちの何れかの出力に基づいて通流率指令を演算する。通流率指令は、電力変換装置に具備されるスイッチング素子を動作させるゲート信号の通流率の指令値である。第２の制御ブロックは、動作モードが定電圧モードから電流制限モードへ切り替わったときに、通流率指令演算部への入力信号を通過させる１次遅れブロックを有する。

本開示に係る電源装置によれば、定電圧モードから電流制限モードへ切り替わった場合であっても、蓄電池に過大な突入電流が流れるのを防止できるという効果を奏する。

実施の形態に係る電源装置の構成例を示す図 図１に示すＤＣ－ＤＣコンバータへの入力電力を発生させる電力供給源の第１の構成例を示す図 図１に示すＤＣ－ＤＣコンバータへの入力電力を発生させる電力供給源の第２の構成例を示す図 実施の形態に係る制御装置の機能を制御回路で実現する場合の構成例を示すブロック図 実施の形態に係る電源装置における要部の動作説明に供する第１の図 実施の形態に係る電源装置における要部の動作説明に供する第２の図 実施の形態に係る制御装置の機能をソフトウェアで実現する場合の機能構成の例を示すブロック図 実施の形態に係る制御装置の機能をソフトウェアで実現する場合の処理フローの例を示すフローチャート 実施の形態に係る制御装置の機能をソフトウェアで実現する場合のハードウェア構成の例を示すブロック図

以下に添付図面を参照し、本開示の実施の形態に係る電源装置について詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は例示であり、以下の実施の形態によって本開示の範囲が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は、実施の形態に係る電源装置１の構成例を示す図である。実施の形態に係る電源装置１は、図１に示すように、ＤＣ－ＤＣコンバータ１１を備える。ＤＣ－ＤＣコンバータ１１は、入力電力を直流電力に変換する電力変換装置の例示である。ＤＣ－ＤＣコンバータ１１は、スイッチング素子１１ａを有する。ＤＣ－ＤＣコンバータ１１と負荷５２とは、２本の電気配線１５によって接続されている。電気配線１５には、蓄電池５１が接続されている。ＤＣ－ＤＣコンバータ１１としては、種々の回路構成が考えられるが、入力電力を直流電力に変換する回路を有するものであれば、どのようなものを用いてもよい。

負荷５２は、補助負荷のうちの直流電力の供給を受けて動作する直流負荷である。直流負荷の例は、蓄電池、制御電源、照明器具などである。図１では、直流負荷の１つである蓄電池５１を、負荷５２とは区別して示している。なお、補助負荷とは、鉄道車両に搭載される負荷のうち、主電動機以外の負荷を指して呼ぶ名称である。補助負荷には、交流電力の供給を受けて動作する交流負荷も含まれる。交流負荷の例は、ドア開閉装置、空調装置、保安機器、コンプレッサ、直流負荷以外の照明器具などである。

以上のように、電源装置１は、鉄道車両に搭載される直流負荷に直流電力を供給しつつ、直流負荷の１つである蓄電池５１を充電するＤＣ－ＤＣコンバータ１１を備えて構成される。

電源装置１は、制御装置１２と、電圧センサ１３と、電流センサ１４とを備える。電圧センサ１３は、２本の電気配線１５の間に接続され、ＤＣ－ＤＣコンバータ１１が蓄電池５１に印加する直流電圧を検出する。電流センサ１４は、２本の電気配線１５のうちの何れか一方に挿入され、ＤＣ－ＤＣコンバータ１１と蓄電池５１との間に流れる電流を検出する。制御装置１２は、電圧センサ１３の検出値Ｖｄｃ、及び電流センサ１４の検出値Ｉｄｃに基づいて、ＤＣ－ＤＣコンバータ１１の動作を制御する。制御装置１２は、ＤＣ－ＤＣコンバータ１１の制御を通して、蓄電池５１の充電を制御する。

電源装置１は、蓄電池５１の充電を制御するための動作モードとして、少なくとも２つの動作モードを有する。１つは「定電圧モード」であり、他の１つは「電流制限モード」である。定電圧モードは、蓄電池５１を定電圧で充電する動作モードである。電流制限モードは、蓄電池５１を充電する際の充電電流の上限値を規定して蓄電池５１を充電する動作モードである。定電圧モード及び電流制限モードの何れの動作モードにおいても、スイッチング素子１１ａを動作させるゲート信号ＧＳの通流率の指令値である通流率指令の制御が実施される。

図２は、図１に示すＤＣ－ＤＣコンバータ１１への入力電力を発生させる電力供給源の第１の構成例を示す図である。図２に示す第１の構成例では、直流の電車線６０から供給される直流電力は集電装置６１を介して受電される。受電した直流電力は、単相インバータ７０で交流電力に変換される。変換された交流電力は、変圧器７２で降圧されて単相コンバータ８１に供給される。降圧された交流電力は、単相コンバータ８１で直流電力に変換されてＤＣ－ＤＣコンバータ１１に供給される。

図３は、図１に示すＤＣ－ＤＣコンバータ１１への入力電力を発生させる電力供給源の第２の構成例を示す図である。図３に示す第２の構成例では、直流の電車線６０が交流の電車線６０Ａに置き替えられ、直流用の集電装置６１が交流用の集電装置６１Ａに置き替えられている。また、図３に示す構成と図２に示す構成とを比較すると、図３では、集電装置６１Ａと単相インバータ７０との間に、変圧器７１と、単相コンバータ７４とが、この順で設けられている。電車線６０Ａから供給される交流電力は、集電装置６１Ａを介して変圧器７１で受電される。受電した交流電力は変圧器７１で降圧されて単相コンバータ７４に供給される。降圧された交流電力は、単相コンバータ７４で直流電力に変換されて単相インバータ７０に供給される。以後の動作は、図２と同じである。なお、図２及び図３では、共通の構成部である単相インバータ７０、変圧器７２及び単相コンバータ８１を同一の符号で示しているが、電車線電圧、並びに電車線電圧の周波数及び相数の差異によって、各構成部の容量又は方式が異なるものになることは言うまでもない。

次に、実施の形態に係る制御装置１２の構成及び動作について説明する。図４は、実施の形態に係る制御装置１２の機能を制御回路で実現する場合の構成例を示すブロック図である。制御装置１２は、第１の制御ブロックである定電圧モード制御ブロック２と、第２の制御ブロックである電流制限モード制御ブロック３と、切替器４１と、通流率指令演算部４２と、ゲート信号生成部４３とを備える。

定電圧モード制御ブロック２は、定電圧モードを制御する制御器であり、減算器２１を備える。電流制限モード制御ブロック３は、電流制限モードを制御する制御器であり、減算器３１，３２と、１次遅れブロック３３と、切替器３４と、加算器３５と、比較器３６とを備える。なお、本稿では、定電圧モード制御ブロック２を「第１の制御ブロック」と記載し、電流制限モード制御ブロック３を「第２の制御ブロック」と記載することがある。

定電圧モード制御ブロック２において、減算器２１では、直流電圧の指令値Ｖｄｃ^＊と、電圧センサ１３の検出値Ｖｄｃとの偏差を表す信号である第１の偏差信号ΔＶｅが生成される。第１の偏差信号ΔＶｅは、定電圧モード制御ブロック２の出力として切替器４１に入力される。即ち、定電圧モード制御ブロック２は、第１の偏差信号ΔＶｅが通流率指令演算部４２への入力信号となるように構成されている。また、第１の偏差信号ΔＶｅは、電流制限モード制御ブロック３への入力信号となる。

電流制限モード制御ブロック３において、減算器３１では、充電電流の指令値ＩＬ^＊と、電流センサ１４の検出値Ｉｄｃとの偏差を表す信号である第２の偏差信号ΔＩｅ１が生成される。減算器３２では、第２の偏差信号ΔＩｅ１と第１の偏差信号ΔＶｅとの差分を表す信号である偏差差分信号Δｄｅｖ１が生成される。偏差差分信号Δｄｅｖ１は、１次遅れブロック３３と、切替器３４と、比較器３６とに入力される。なお、１次遅れブロック３３の伝達関数は、時定数Ｔ及びラプラス演算子ｓを用いて、１／（１＋Ｔｓ）で表すことができる。

１次遅れブロック３３では、偏差差分信号Δｄｅｖ１に対して１次遅れフィルタによるフィルタ処理が施された１次遅れ信号Δｄｅｖ２が生成される。１次遅れ信号Δｄｅｖ２は、切替器３４に入力される。

比較器３６は、偏差差分信号Δｄｅｖ１に基づいて出力切替信号ＳＷ１を生成する。具体的に、比較器３６では、偏差差分信号Δｄｅｖ１が比較の判定値である零値と比較される。偏差差分信号Δｄｅｖ１が判定値以下であるとき、切替器３４を“Ｌｏｗ”側に切り替える出力切替信号ＳＷ１が生成される。この場合、加算器３５には、偏差差分信号Δｄｅｖ１が入力される。従って、加算器３５からは、偏差差分信号Δｄｅｖ１（＝ΔＩｅ１－ΔＶｅ）と第１の偏差信号ΔＶｅとが加算された信号、即ち第２の偏差信号ΔＩｅ１が出力される。一方、偏差差分信号Δｄｅｖ１が判定値よりも大きいとき、切替器３４を“Ｈｉｇｈ”側に切り替える出力切替信号ＳＷ１が生成される。この場合、加算器３５には、１次遅れ信号Δｄｅｖ２が入力される。従って、加算器３５からは、１次遅れ信号Δｄｅｖ２と第１の偏差信号ΔＶｅとが加算された加算信号が出力される。

なお、上記では、偏差差分信号Δｄｅｖ１が判定値と等しいとき、切替器３４が“Ｌｏｗ”側に切り替えられると説明したが、切替器３４は“Ｈｉｇｈ”側に切り替えられてもよい。即ち、偏差差分信号Δｄｅｖ１が判定値と等しいとき、切替器３４は、“Ｌｏｗ”又は“Ｈｉｇｈ”の何れの側に切り替えられてもよい。

以上のように、電流制限モード制御ブロック３は、偏差差分信号Δｄｅｖ１が判定値よりも小さいときには、第２の偏差信号ΔＩｅ１が通流率指令演算部４２への入力信号ΔＩｅ２となるように構成されている。また、電流制限モード制御ブロック３は、偏差差分信号Δｄｅｖ１が判定値よりも大きいときには、１次遅れ信号Δｄｅｖ２と第１の偏差信号ΔＶｅとの加算信号が通流率指令演算部４２への入力信号ΔＩｅ２となるように構成されている。第２の偏差信号ΔＩｅ１、又は１次遅れ信号Δｄｅｖ２と第１の偏差信号ΔＶｅとの加算信号は、電流制限モード制御ブロック３の出力として切替器４１に入力される。

切替器４１には、動作モードが切り替えられたときに出力されるモード切替信号ＳＷ２が入力される。モード切替信号ＳＷ２が定電圧モードから電流制限モードへの切り替えを示す信号である場合、切替器４１は“Ｈｉｇｈ”側に切り替えられる。また、モード切替信号ＳＷ２が電流制限モードから定電圧モードへの切り替えを示す信号である場合、切替器４１は“Ｌｏｗ”側に切り替えられる。従って、動作モードが定電圧モードであるとき、通流率指令演算部４２には定電圧モード制御ブロック２の出力が入力される。また、動作モードが電流制限モードであるとき、通流率指令演算部４２には電流制限モード制御ブロック３の出力が入力される。

通流率指令演算部４２は、定電圧モード制御ブロック２又は電流制限モード制御ブロック３のうちの何れかの出力に基づいて通流率指令を演算する。ゲート信号生成部４３は、通流率指令に基づいてゲート信号ＧＳを生成する。ゲート信号ＧＳは、ＤＣ－ＤＣコンバータ１１に出力され、ＤＣ－ＤＣコンバータ１１は、ゲート信号ＧＳに基づいて動作し、蓄電池５１を充電する際の充電電圧又は充電電流が所望の値となるように制御される。

次に、実施の形態に係る電源装置１における要部の動作について、図５及び図６を参照して説明する。図５は、実施の形態に係る電源装置１における要部の動作説明に供する第１の図である。図６は、実施の形態に係る電源装置１における要部の動作説明に供する第２の図である。

図５及び図６には、動作モードが定電圧モードから電流制限モードへ切り替えられたときの動作波形が示されている。両者の違いは、第１の偏差信号ΔＶｅと第２の偏差信号ΔＩｅ１との大小関係について、図５はΔＩｅ１＞ΔＶｅの場合であり、図６はΔＩｅ１≦ΔＶｅの場合である。また、図５及び図６において、それぞれの上側には、１次遅れブロック３３を有さない場合の通流率指令演算部４２への入力信号の波形が示されている。また、それぞれの下側には、上述した１次遅れブロック３３を有する場合の通流率指令演算部４２への入力信号の波形が示されている。なお、図５の下側に示す破線は、図５の上側に示す第２の偏差信号ΔＩｅ１の波形を比較のために示したものである。

前述したように第１の偏差信号ΔＶｅは電圧偏差を表す信号であり、第２の偏差信号ΔＩｅ１は電流偏差を表す信号であり、偶然に一致する場合を除き、両者は異なる値である。このため、１次遅れブロック３３を有さない場合、動作モードが定電圧モードから電流制限モードに切り替わる瞬間において、通流率指令演算部４２に入力される信号がステップ的に上昇する。このことは、ＤＣ－ＤＣコンバータ１１に入力されるゲート信号ＧＳの通流率がステップ的に急上昇することを意味する。これにより、蓄電池５１に過大な突入電流が流れるおそれがある。これに対し、１次遅れブロック３３を有する場合、１次遅れブロック３３の出力は、時定数Ｔで緩やかに上昇する波形となる。このため、通流率指令演算部４２への入力信号ΔＩｅ２も、図５の下側に示されるように、時定数Ｔで緩やかに上昇する波形となり、ゲート信号ＧＳの通流率の急変が抑制される。これにより、蓄電池５１に過大な突入電流が流れるのを防止することができる。

なお、前述したように、ΔＩｅ１≦ΔＶｅである場合、通流率指令演算部４２への入力信号ΔＩｅ２は、１次遅れブロック３３を通過しない信号である。従って、動作モードが定電圧モードから電流制限モードに切り替わる瞬間において、通流率指令演算部４２に入力される信号はステップ的に降下する。このことは、ＤＣ－ＤＣコンバータ１１に入力されるゲート信号ＧＳの通流率がステップ的に絞り込まれることを意味するが、この制御は重要である。以下、その理由について説明する。

ここで、負荷５２の側で短絡が生起した場合を考える。このような短絡が生起した場合、短絡電流による回路網の損傷を防止するため、動作モードが定電圧モードから電流制限モードに切り替わり、ゲート信号ＧＳの通流率は急激に絞り込まれる必要がある。しかしながら、１次遅れブロック３３は、ゲート信号ＧＳの通流率の絞り込みを抑止する方向に作用してしまうので、短絡電流の抑え込みには、マイナスの方向に作用する。そこで、本実施の形態では、動作モードを定電圧モードから電流制限モードに切り替える場合であっても、ΔＩｅ１≦ΔＶｅであるときには、１次遅れブロック３３を通過させないようにしている。これにより、蓄電池５１に過大な突入電流が流れるのを防止しつつ、短絡電流の抑え込みに悪影響を与えないという効果が得られる。

なお、上記では、負荷５２の側で短絡が生起した場合について説明したが、負荷５２の瞬時容量変動に起因する出力電流のオーバシュートに対しても効果がある。即ち、本実施の形態の手法を用いれば、負荷５２の瞬時容量変動に起因する出力電流のオーバシュートを抑制する効果も得られる。

図４では、実施の形態に係る制御装置１２の機能を制御回路で実現する場合の構成例について説明したが、制御装置１２の機能をソフトウェアで実現してもよい。図７は、実施の形態に係る制御装置１２の機能をソフトウェアで実現する場合の機能構成の例を示すブロック図である。図８は、実施の形態に係る制御装置１２の機能をソフトウェアで実現する場合の処理フローの例を示すフローチャートである。実施の形態に係る制御装置１２の機能は、図７に示すように、制御演算部１２１と、通流率指令演算部１２２とに区分して構築することができる。制御演算部１２１及び通流率指令演算部１２２は、図８のフローチャートに従って動作する。以下、図８を参照して処理の流れを説明する。

まず、制御演算部１２１は、上述した第１の偏差信号ΔＶｅ、第２の偏差信号ΔＩｅ１、偏差差分信号Δｄｅｖ１及び１次遅れ信号Δｄｅｖ２を演算すると共に、１次遅れ信号Δｄｅｖ２に第１の偏差信号ΔＶｅを加算した加算信号Δｄｅｖ２＋ΔＶｅを演算する（ステップＳ１１）。制御演算部１２１は、モード切替信号ＳＷ２の有無を確認する（ステップＳ１２）。モード切替信号ＳＷ２が無い場合には（ステップＳ１３，Ｎｏ）、ステップＳ１１に戻り、ステップＳ１１，Ｓ１２の処理が繰り返される。一方、モード切替信号ＳＷ２が有る場合（ステップＳ１３，Ｙｅｓ）、制御演算部１２１は、定電圧モードから電流制限モードへの切替であるか否かを判定する（ステップＳ１４）。定電圧モードから電流制限モードへの切替では無い場合（ステップＳ１４，Ｎｏ）、制御演算部１２１は、通流率指令演算部４２への入力信号として第１の偏差信号ΔＶｅを選択する（ステップＳ１８）。以降、ステップＳ１１に戻り、ステップＳ１１からの処理が繰り返される。

また、ステップＳ１４において、定電圧モードから電流制限モードへの切替で有る場合（ステップＳ１４，Ｙｅｓ）、制御演算部１２１は、更に第１の偏差信号ΔＶｅと第２の偏差信号ΔＩｅ１との大小関係について確認し、ΔＩｅ１＞ΔＶｅである場合には（ステップＳ１５，Ｙｅｓ）、通流率指令演算部４２への入力信号として加算信号Δｄｅｖ２＋ΔＶｅを選択する（ステップＳ１６）。以降、ステップＳ１１に戻り、ステップＳ１１からの処理が繰り返される。また、ΔＩｅ１≦ΔＶｅである場合（ステップＳ１５，Ｎｏ）、制御演算部１２１は、通流率指令演算部４２への入力信号として第２の偏差信号ΔＩｅ１を選択する（ステップＳ１７）。以降、ステップＳ１１に戻り、ステップＳ１１からの処理が繰り返される。

なお、上記では、説明を簡単にするために、単位系の異なる物理量である電圧と電流とを比較しているが、これらの異なる物理量間の比較は、センサ比又はゲインにより規格化したデータとして比較を行うものである。但し、比較に用いる物理量は、これらの電圧及び電流の例に限られず、どのような物理量を用いての比較でもよい。

図９は、実施の形態に係る制御装置１２の機能をソフトウェアで実現する場合のハードウェア構成の例を示すブロック図である。実施の形態に係る制御装置１２の機能をソフトウェアで実現する場合には、図９に示されるように、演算を行うプロセッサ３００、プロセッサ３００によって読みとられるプログラム及び判定値に関するデータが保存され、読み出しされるメモリ３０２、及び信号の入出力を行うインタフェース３０４を含む構成とすることができる。

プロセッサ３００は、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、又はＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）といった演算手段の例示である。また、メモリ３０２には、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ＲＯＭ）、ＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ ＥＰＲＯＭ）といった不揮発性又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）を例示することができる。

プロセッサ３００は、インタフェース３０４を介して必要な情報を授受し、メモリ３０２に格納されたプログラムをプロセッサ３００が実行し、また、メモリ３０２に格納された判定値に関するデータをプロセッサ３００が参照することにより、図８に示した一連の処理フローを実施することができる。

以上説明したように、実施の形態に係る電源装置は、動作モードとして、蓄電池を定電圧で充電する定電圧モード及び蓄電池への充電電流の上限値を規定して蓄電池を充電する電流制限モードを有する。制御装置は、定電圧モードを制御する第１の制御ブロックと、電流制限モードを制御する第２の制御ブロックと、第１の制御ブロック又は第２の制御ブロックのうちの何れかの出力に基づいて通流率指令を演算する通流率指令演算部とを備える。通流率指令は、電力変換装置に具備されるスイッチング素子を動作させるゲート信号の通流率の指令値である。また、第２の制御ブロックは、動作モードが定電圧モードから電流制限モードへ切り替わったときに、通流率指令演算部への入力信号を通過させる１次遅れブロックを有する。この構成により、動作モードが定電圧モードから電流制限モードに切り替わる瞬間において、通流率指令演算部への入力信号がステップ的に上昇するおそれがある場合、当該入力信号は１次遅れブロックを通過する。この動作により、通流率指令演算部への入力信号がステップ的に上昇するのが回避されるので、電力変換装置に入力されるゲート信号の通流率の急変が抑制される。これにより、蓄電池に過大な突入電流が流れるのを防止できるという効果が得られる。

なお、動作モードが定電圧モードから電流制限モードへ切り替わったとき、通流率指令演算部への入力信号は１次遅れブロックを通過するが、負荷５２の側で短絡が生起した場合など、ΔＩｅ１≦ΔＶｅであるときには、通流率指令演算部への入力信号は１次遅れブロックを通過しない。これにより、通流率指令演算部への入力信号がステップ的に降下する場合において、電力変換装置に入力されるゲート信号の通流率の絞り込みが抑制されることが回避される。これにより、蓄電池に過大な突入電流が流れるのを防止しつつ、短絡電流の抑え込みに悪影響を与えないという効果が得られる。また、負荷の瞬時容量変動に起因する出力電流のオーバシュートを抑制する効果も得られる。

また、実施の形態１に係る電源装置において、制御装置に具備される第１の制御ブロックでは、直流電圧の指令値と電圧センサの検出値との偏差を表す信号である第１の偏差信号が生成される。第１の制御ブロックは、第１の偏差信号が通流率指令演算部への入力信号となるように構成される。また、制御装置に具備される第２の制御ブロックでは、充電電流の指令値と電流センサの検出値との偏差を表す信号である第２の偏差信号が生成される。第２の制御ブロックにおいて、１次遅れブロックには第２の偏差信号と第１の偏差信号との差分を表す信号である偏差差分信号が入力され、１次遅れブロックからは偏差差分信号の１次遅れ信号が出力される。第２の制御ブロックでは、偏差差分信号と判定値とが比較され、偏差差分信号が判定値以下のときには、通流率指令演算部への入力信号として第２の偏差信号が選択される。一方、偏差差分信号が判定値よりも大きいときには、１次遅れ信号と第１の偏差信号とが加算された加算信号が通流率指令演算部への入力信号として選択される。これらの制御によれば、偏差差分信号に対し、１次遅れブロックを通過させる処理、１次遅れブロックを通過させずにバイパスする処理、及び偏差差分信号と判定値とを比較する処理からなる３つの処理が同時並行的に実施される。これにより、定電圧モードから電流制限モードへ切り替わった場合において、ゲート信号の通流率がステップ的に急上昇するのを、タイムラグを小さくして抑制できるという効果が得られる。また、既存機能に大幅な改修を加えることなく、制御装置を構成できるという効果が得られる。

また、実施の形態に係る電源装置によれば、制御装置は、制御演算部と、通流率指令演算部とを備える。制御演算部は、前述した第１の偏差信号、第２の偏差信号及び偏差差分信号を演算する。制御演算部は、更に、偏差差分信号に対して１次遅れフィルタによるフィルタ処理を施した１次遅れ信号、及び１次遅れ信号に第１の偏差信号を加算した加算信号を演算する。通流率指令演算部は、第１の偏差信号、第２の偏差信号及び加算信号のうちの何れかの信号に基づいて、電力変換装置に具備されるスイッチング素子を動作させるゲート信号の生成に用いる通流率指令を演算する。制御装置は、動作モードが定電圧モードから電流制限モードへ切り替わった場合、第２の偏差信号が第１の偏差信号よりも大きい期間では、加算信号を通流率指令演算部への入力信号として選択する。この動作により、通流率指令演算部への入力信号がステップ的に上昇するのが回避されるので、電力変換装置に入力されるゲート信号の通流率の急変が抑制される。これにより、蓄電池に過大な突入電流が流れるのを防止できるという効果が得られる。

なお、制御装置は、動作モードが定電圧モードから電流制限モードへ切り替わった場合であっても、第２の偏差信号が第１の偏差信号以下の期間では、第２の偏差信号を通流率指令演算部への入力信号として選択する。この動作により、通流率指令演算部への入力信号がステップ的に降下する場合において、電力変換装置に入力されるゲート信号の通流率の絞り込みが抑制されることが回避される。これにより、蓄電池に過大な突入電流が流れるのを防止しつつ、短絡電流の抑え込みに悪影響を与えないという効果が得られる。また、負荷の瞬時容量変動に起因する出力電流のオーバシュートを抑制する効果も得られる。

以上の実施の形態に示した構成は、一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ 電源装置、２ 定電圧モード制御ブロック、３ 電流制限モード制御ブロック、１１ ＤＣ－ＤＣコンバータ、１１ａ スイッチング素子、１２ 制御装置、１３ 電圧センサ、１４ 電流センサ、１５ 電気配線、２１，３１，３２ 減算器、３３ １次遅れブロック、３４，４１ 切替器、３５ 加算器、３６ 比較器、４２，１２２ 通流率指令演算部、４３ ゲート信号生成部、５１ 蓄電池、５２ 負荷、６０，６０Ａ 電車線、６１，６１Ａ 集電装置、７０ 単相インバータ、７１，７２ 変圧器、７４，８１ 単相コンバータ、１２１ 制御演算部、３００ プロセッサ、３０２ メモリ、３０４ インタフェース。

Claims (7)

1. 鉄道車両に搭載される負荷に直流電力を供給しつつ、前記負荷の１つである蓄電池を充電する電力変換装置を備えた電源装置であって、
   前記電力変換装置が前記蓄電池に印加する直流電圧を検出する電圧センサと、
   前記電力変換装置と前記蓄電池との間に流れる電流を検出する電流センサと、
   前記電圧センサ及び前記電流センサの検出値に基づいて前記蓄電池の充電を制御する制御装置と、
   を備え、
   動作モードとして、前記蓄電池を定電圧で充電する定電圧モード、及び前記蓄電池への充電電流の上限値を規定して前記蓄電池を充電する電流制限モードを有し、
   前記制御装置は、
   前記定電圧モードを制御する第１の制御ブロックと、
   前記電流制限モードを制御する第２の制御ブロックと、
   前記第１の制御ブロック又は前記第２の制御ブロックのうちの何れかの出力に基づいて前記電力変換装置に具備されるスイッチング素子を動作させるゲート信号の通流率の指令値である通流率指令を演算する通流率指令演算部と、
   を備え、
   前記第２の制御ブロックは、
   前記動作モードが前記定電圧モードから前記電流制限モードへ切り替わったときに、前記通流率指令演算部への入力信号を通過させる１次遅れブロックを有する
   ことを特徴とする電源装置。
2. 前記動作モードが前記電流制限モードから前記定電圧モードへ切り替わったとき、前記通流率指令演算部への入力信号は前記１次遅れブロックを通過しない
   ことを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
3. 前記動作モードが前記定電圧モードであるとき、前記通流率指令演算部には第１の制御ブロックの出力が入力され、
   前記動作モードが前記電流制限モードであるとき、前記通流率指令演算部には第２の制御ブロックの出力が入力される
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の電源装置。
4. 前記第１の制御ブロックでは、前記直流電圧の指令値と前記電圧センサの検出値との偏差を表す信号である第１の偏差信号が生成され、
   前記第２の制御ブロックでは、前記充電電流の指令値と前記電流センサの検出値との偏差を表す信号である第２の偏差信号が生成され、
   前記１次遅れブロックには前記第２の偏差信号と前記第１の偏差信号との差分を表す信号である偏差差分信号が入力され、前記１次遅れブロックからは前記偏差差分信号の１次遅れ信号が出力され、
   前記第１の制御ブロックは、前記第１の偏差信号が前記通流率指令演算部への入力信号となるように構成され、
   前記第２の制御ブロックは、前記第２の偏差信号が前記通流率指令演算部への入力信号となり、又は前記１次遅れ信号と前記第１の偏差信号とが加算された加算信号が前記通流率指令演算部への入力信号となるように構成されている
   ことを特徴とする請求項２又は３に記載の電源装置。
5. 前記第２の制御ブロックでは、前記偏差差分信号と判定値とが比較され、前記偏差差分信号が判定値よりも小さいときには前記第２の偏差信号が選択され、前記偏差差分信号が判定値よりも大きいときには前記加算信号が選択される
   ことを特徴とする請求項４に記載の電源装置。
6. 鉄道車両に搭載される負荷に直流電力を供給しつつ、前記負荷の１つである蓄電池を充電する電力変換装置を備える電源装置であって、
   前記電力変換装置が前記蓄電池に印加する直流電圧を検出する電圧センサと、
   前記電力変換装置と前記蓄電池との間に流れる電流を検出する電流センサと、
   前記電圧センサ及び前記電流センサの検出値に基づいて前記蓄電池の充電を制御する制御装置と、
   を備え、
   動作モードとして、前記蓄電池を定電圧で充電する定電圧モード、及び前記蓄電池への充電電流の上限値を規定して前記蓄電池を充電する電流制限モードを有し、
   前記制御装置は、
   前記電圧センサの検出値と前記直流電圧の指令値との間の偏差を表す信号である第１の偏差信号、前記電流センサの検出値と前記蓄電池を充電する充電電流の指令値との偏差を表す信号である第２の偏差信号、前記第２の偏差信号と前記第１の偏差信号との差分である偏差差分信号、前記偏差差分信号に対して１次遅れフィルタによるフィルタ処理を施した１次遅れ信号、及び前記１次遅れ信号に前記第１の偏差信号を加算した加算信号を演算する制御演算部と、
   前記第１の偏差信号、前記第２の偏差信号及び前記加算信号のうちの何れかの信号に基づいて、前記電力変換装置に具備されるスイッチング素子を動作させるゲート信号の生成に用いる通流率指令を演算する通流率指令演算部と、
   を備え、
   前記制御演算部は、動作モードが前記定電圧モードから前記電流制限モードへ切り替わった場合、前記第２の偏差信号が前記第１の偏差信号よりも大きい期間では、前記加算信号を前記通流率指令演算部への入力信号として選択する
   ことを特徴とする電源装置。
7. 前記制御演算部は、前記動作モードが前記定電圧モードから前記電流制限モードへ切り替わった場合であっても、前記第２の偏差信号が前記第１の偏差信号よりも小さい期間では、前記第２の偏差信号を前記通流率指令演算部への入力信号として選択する
   ことを特徴とする請求項６に記載の電源装置。

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