JPWO2014136220A1 - 電気車用主変換装置 - Google Patents

Abstract

主変換装置１００は、第１の電力変換部１１１と、第２の電力変換部１１２と、補助電源装置１１３と、動作制御部１２０とを備える。第１の電力変換部１１１は、架線１０５に電気的に接続される回路と、中間リンク部１２１とに接続され、電力を相互に変換する。第２の電力変換部１１２は、中間リンク部１２１と、誘導電動機１０３と電気的に接続される回路とに接続され、電力を相互に変換する。補助電源装置１１３は、中間リンク部１２１から受電し、負荷１０４へ電力を供給する。動作制御部１２０は、車両の加速状態を示す値と、車両速度に応じた値と、補助電源電力と、架線１０５へ回生する電力の制限値とに基づいて、補助電源装置１１３へ供給される電力が補助電源電力以上であり、かつ、架線１０５へ回生する電力が制限値以下であるように、第１の電力変換部１１１の動作と停止とを制御する。

Description

本発明は、電気車に搭載される主変換装置に関する。

電気車の電気回路は、電動機へ電力を供給するための主回路、車内の空調機、照明機器などの補助機器へ電力を供給するための補助回路などから構成される。

架線から交流電力の供給を受けて走行する交流電気車の場合、力行時には、架線から供給される交流電力は、主回路を構成する主変圧器及び主変換装置により順に変換されて、電動機へ出力される。これにより、電力が運動エネルギに変換されて、電気車が走行する。

この主変換装置は、典型的には、第１及び第２の電力変換部と、これらの電力変換部を電気的に接続する中間リンク部とを備える。第１の電力変換部は、力行時には、主変圧器から出力される交流電力を直流電力に変換して中間リンク部へ出力する。第２の電力変換部は、力行時には、中間リンク部から供給される直流電力を交流電力に変換して電動機へ出力する。

補助回路の電源となる補助電源装置（ＡＰＳ）は、主回路に接続されることで受電する。

主変換装置と別に構成される補助電源装置は、典型的には、主変圧器に直接接続される。この場合、架線から供給される電力は、主変圧器を介して、主変換装置とともに補助電源装置へ供給される。

これに対して、主変換装置と一体に構成される補助電源装置は、典型的には、主変換装置内の中間リンク部に接続される（例えば、特許文献１参照）。この場合、架線から供給される電力は、主変圧器及び第１の電力変換部を介して、第２の電力変換部とともに補助電源装置へ供給される。

ところで、近時、ブレーキ時には、電動機を発電機として使用することで、主回路を通じて車両の運動エネルギを電力に変換し、架線へ回生する電気車がある。架線への電力の回生は、消費電力の軽減につながるものの、電動機が発生させる回生電力には高調波が含まれることが多い。その高調波に変電所の変圧器が対応できないなどの理由で、架線への電力の回生が所定値（ゼロを含む）以下に制限されることがある。

主変換装置と別に構成される補助電源装置では、主変換装置と補助電源装置とは独立に動作することができる。そのため、架線へ回生する電力が制限される場合、第１の電力変換部の動作を停止させることで、架線への電力の回生は断たれるので、高調波の変電所への影響を防ぐことができる。第１の電力変換部の動作が停止していても、補助電源装置は、架線から主変圧器を介して電力の供給を受け、補助電源装置は補助機器へ継続的に電力を供給することができる。

国際公開第２０１０／１０９６０７号

しかしながら、主変換装置に一体に構成される補助電源装置では、主変換装置と補助電源装置とを合わせたサイズをコンパクトにできるものの、補助電源装置が、主変換装置の動作に依存して動作する場合が生じる。

例えば、架線へ回生する電力が制限される場合、第１の電力変換部の動作を停止させると、主変換装置と別に構成される補助電源装置のときと同様に、架線への電力の回生は断たれるので、高調波の変電所への影響を防ぐことはできる。しかし、第１の電力変換部の動作が停止している間、電動機が発生させた回生電力を補助電源装置に供給することはできるが、架線からの電力を補助電源装置に供給することはできなくなる。そのため、補助機器を動作させるために必要な電力が回生電力を上回ると、補助電源装置は十分な電力を受けることができなくなり、その結果、補助電源装置の動作が停止し、補助機器へ電力を供給できなくなるおそれがある。

本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであって、補助電源装置を停止させることなく架線へ回生する電力を制限することが可能な電気車用主変換装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る電気車用主変換装置は、第１の電力変換部と、第２の電力変換部と、補助電源装置と、動作制御部とを備える。
第１の電力変換部は、架線との間で交流電流が流れる回路と、直流電流が流れる回路である中間リンク部とに接続され、交流電力と直流電力とを相互に変換する。第２の電力変換部は、中間リンク部と、電動機との間で交流電流が流れる回路とに接続され、直流電力と交流電力とを相互に変換する。補助電源装置は、中間リンク部から受電し、負荷へ電力を供給する。動作制御部は、車両の加速状態を示す値と、車両速度に応じた値と、補助電源装置が負荷へ電力を供給するために必要な電力である補助電源電力と、架線へ回生する電力の制限値とに基づいて、補助電源装置へ供給される電力が補助電源電力以上であり、かつ、架線へ回生する電力が制限値以下であるように、第１の電力変換部の動作と停止とを制御する。

本発明によれば、補助電源装置を停止させることなく架線へ回生する電力を制限することが可能になる。

本発明の実施の形態１に係る主変換装置の構成を示す図である。 実施の形態１に係る動作制御部の構成を示す図である。 実施の形態１に係る動作制御部が出力する動作制御信号と、回生電力ＰＢから補助電源電力ＰＡを引くことにより得られる電力Ｐとの関係を示す図である。 変形例１に係る動作制御部の構成を示す図である。 変形例２に係る動作制御部の構成を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る主変換装置の構成を示す図である。 実施の形態２に係る動作制御部の構成を示す図である。 本発明の実施の形態３に係る主変換装置の構成を示す図である。 実施の形態３に係る動作制御処理の流れを示すフローチャートである。 実施の形態３に係る、回生開放指令ＣＯＲ、中間リンク電圧ＥＦＣ、第１の電力変換部の入力電流ＩＳ及び動作制御信号ＧＣとの関係を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。全図を通じて同一の要素には同一の符号を付す。

実施の形態１．
本発明の実施の形態１に係る主変換装置（車両用主変換装置）１００は、図１に示すように、集電器１０１、主変圧器１０２、誘導電動機（ＩＭ）１０３、負荷１０４などとともに電気車内の電気系統を構成する装置である。

集電器１０１は、交流電力を電気車に供給するための架線１０５との間で電力を授受する。主変圧器１０２は、集電器１０１と主変換装置１００とに電気的に接続されており、双方向に入力電圧を所定の電圧に変換して出力する。誘導電動機１０３は、主変換装置１００との間で電力を授受する電動機であり、力行時には主変換装置１００から供給される電力を運動エネルギに変換して出力し、ブレーキ時には運動エネルギを回生電力に変換して主変換装置１００へ出力する。負荷１０４は、主変換装置１００から電力の供給を受けて動作する補助機器であって、例えば車内の空調機、照明などである。なお、負荷１０４は複数であってもよい。

主変換装置１００は、入力する信号又は指示に応じて入力電力を変換し、変換した電力を出力する装置であって、同図に示すように、第１の電力変換部１１１と、第２の電力変換部１１２と、補助電源装置（ＡＰＳ）１１３と、電圧検出部（ＤＣＰＴ）１１４と、フィルタコンデンサ１１５と、ＡＰＳ電力演算部１１６と、速度検出部１１７と、トルク指令演算部１１８と、回生電力演算部１１９と、動作制御部１２０とを備える。

第１の電力変換部１１１は、主変圧器１０２と中間リンク部１２１との間に設けられる。この中間リンク部１２１は、第１の電力変換部１１１と第２の電力変換部１１２との間で直流電流が流れる回路を形成する回路であって、例えば配線などから構成される。

第１の電力変換部１１１は、詳細後述する動作制御部１２０からの動作制御信号ＧＣに応じて動作と停止とが切り替わる。第１の電力変換部１１１は、動作時には、交流電力と直流電力とを相互に変換して出力する。

詳細には、動作時に主変圧器１０２から第１の電力変換部１１１へ交流電力が入力すると、第１の電力変換部１１１は、その入力電力を直流電力に変換して、中間リンク部１２１へ出力する。動作時に中間リンク部１２１から第１の電力変換部１１１へ直流電力が入力すると、第１の電力変換部１１１は、その入力電力を交流電力に変換して、主変圧器１０２へ出力する。

第２の電力変換部１１２は、中間リンク部１２１と誘導電動機１０３との間に設けられ、直流電力と交流電力とを相互に変換して出力する。

詳細には、中間リンク部１２１から第２の電力変換部１１２へ直流電力が入力すると、第２の電力変換部１１２は、その入力電力を、図示しない制御部による制御の下で所定の交流電力（例えば、三相交流電力）に変換して、誘導電動機１０３へ出力する。誘導電動機１０３から回生電力（交流電力）が第２の電力変換部１１２へ入力すると、第２の電力変換部１１２は、その入力電力を直流電力に変換して、中間リンク部１２１へ出力する。

補助電源装置１１３は、中間リンク部１２１に電気的に接続されており、中間リンク部１２１から直流電力を受電し、負荷１０４へ電力を供給する。負荷へ電力を供給するために必要な電力である補助電源電力ＰＡを中間リンク部１２１から受電している場合、補助電源装置１１３は、動作を継続して、負荷１０４へ電力を供給しつづけることができる。中間リンク部１２１から受電する電力が補助電源電力ＰＡより小さい状態がある程度継続すると、補助電源装置１１３は、負荷１０４へ十分な電力を供給できなくなり、やがて停止し、その結果、負荷１０４も動作を停止するおそれがある。

電圧検出部１１４は、中間リンク部１２１の電圧である中間リンク電圧ＥＦＣを検出し、検出した中間リンク電圧を含むＥＦＣ信号を出力する機器である。

フィルタコンデンサ１１５は、中間リンク電圧ＥＦＣを安定させるためのコンデンサであって、中間リンク部１２１に接続されている。

ＡＰＳ電力演算部１１６は、補助電源電力ＰＡを算出し、算出した補助電源電力ＰＡを含むＰＡ信号を出力する。

例えば、ＡＰＳ電力演算部１１６は、補助電源装置１１３に供給される電力を補助電源電力ＰＡとして算出する。詳細には、ＡＰＳ電力演算部１１６は、ＥＦＣ信号を電圧検出部１１４から取得する。ＡＰＳ電力演算部１１６は、補助電源装置１１３へ入力する電流の値であるＡＰＳ電流ＩＡを含むＡＰＳ電流信号を取得する。ＡＰＳ電力演算部１１６は、中間リンク電圧ＥＦＣとＡＰＳ電流ＩＡとの積を算出する。これにより、補助電源装置１１３に供給される電力が算出される。

速度検出部１１７は、車両速度Ｖを検出し、検出した車両速度Ｖを含む速度信号を出力する。

詳細には、速度検出部１１７は、誘導電動機１０３の単位時間当たりの回転数ＦＭを含む信号を取得する。速度検出部１１７は、取得した信号に含まれる回転数ＦＭを、例えば車両に応じて適宜定められる関係式に適用することによって、車両速度Ｖを検出する。

トルク指令演算部１１８は、外部運転指令ＴＤを取得すると、外部運転指令ＴＤに基づいてトルク指令値Ｔｍを算出し、算出したトルク指令値Ｔｍを含むトルク指令を出力する。

回生電力演算部１１９は、車両の加速状態を示す値と車両速度に応じた値とに基づいて、誘導電動機１０３が発生させる回生電力ＰＢを算出する。回生電力演算部１１９は、算出した回生電力ＰＢを含む回生電力信号を出力する。

例えば、車両の加速状態を示す値にはトルク指令値Ｔｍが採用され、車両速度に応じた値には車両速度Ｖが採用される。詳細には、回生電力演算部１１９は、トルク指令をトルク指令演算部１１８から取得する。回生電力演算部１１９は、速度信号を速度検出部１１７から取得する。回生電力演算部１１９は、例えば、３．６×トルク指令値Ｔｍ×車両速度Ｖという演算をすることよって、誘導電動機１０３が発生させる回生電力ＰＢを算出する。

動作制御部１２０は、架線１０５へ回生する電力が制限されている場合に、補助電源電力ＰＡと、トルク指令値Ｔｍ及び車両速度Ｖに基づいて算出された回生電力ＰＢとに基づいて、第１の電力変換部１１１の動作と停止とを制御する。動作制御部１２０は、補助電源装置１１３へ供給される電力が補助電源電力ＰＡ以上であり、かつ、架線１０５へ回生する電力が制限値ｐｓ１以下であるように、第１の電力変換部１１１の動作と停止とを制御する。

ここで、制限値Ｐｓ１は、走行区間の架線１０５に電力を供給する変電所などが定める０以上の値である。制限値Ｐｓ１が０であることは、架線１０５への電力の回生が禁止されていることを意味する。制限値Ｐｓ１は、例えば、図示しない入力部などを介して動作制御部１２０に適宜設定され、これにより、動作制御部１２０が、制限値Ｐｓ１を示すデータを保持するとよい。

詳細には、動作制御部１２０は、図２の回路図に示すように、減算部１３１と、比較部１３２とを備える。

同図に示すように、減算部１３１は、ＡＰＳ電力演算部１１６からＰＡ信号を取得し、回生電力演算部１１９から回生電力信号を取得する。減算部１３１は、回生電力信号に含まれる回生電力ＰＢから、ＰＡ信号に含まれる補助電源電力ＰＡを引くことによって、補助電源電力ＰＡと回生電力ＰＢとの差Ｐ（＝ＰＢ−ＰＡ）を算出する。

比較部１３２は、減算部１３１からの出力信号に含まれる差Ｐと、動作制御部１２０が保持している制限値Ｐｓ１とを比較する。比較部１３２は、比較した結果に応じた動作制御信号ＧＣを第１の電力変換部１１１へ出力する。

詳細には、差Ｐが制限値Ｐｓ１より大きい場合、図３のＰ＞Ｐｓ１に相当する。この場合、比較部１３２は、同図に示すように、第１の電力変換部１１１を停止させるための動作制御信号ＧＣ（オフの動作制御信号ＧＣ）を生成し、第１の電力変換部１１１へ出力する。これにより、第１の電力変換部１１１は停止する。その結果、誘導電動機１０３が発生させた回生電力は、架線１０５へ供給されなくなる。

差Ｐが制限値Ｐｓ１以下である場合、図３のＰ≦Ｐｓ１に相当する。この場合、比較部１３２は、同図に示すように、第１の電力変換部１１１を動作させるための動作制御信号ＧＣ（オンの動作制御信号ＧＣ）を生成し、第１の電力変換部１１１へ出力する。これにより、第１の電力変換部１１１は動作する。その結果、誘導電動機１０３が発生させた回生電力は、補助電源装置１１３へ供給されてなお余剰があれば、架線１０５へ回生される。

なお、速度検出部１１７、ＡＰＳ電力演算部１１６、トルク指令演算部１１８、回生電力演算部１１９及び動作制御部１２０の機能は、例えば、プロセッサ、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）などが協働して、予め組み込まれたコンピュータプログラムを実行することにより実現されてもよい。この場合、プロセッサ、ＲＡＭ、ＲＯＭのそれぞれは、１つであってもよく、複数であってもよい。

これまで、実施の形態１に係る主変換装置１００の構成について説明した。ここから、実施の形態１に係る主変換装置１００の動作について説明する。

力行時には、架線１０５から交流電力が集電器１０１を介して主変圧器１０２に取り込まれる。主変圧器１０２は、電圧を変換し、変換した電圧の交流電力を出力する。第１の電力変換部１１１は、力行時には動作しているので、主変圧器１０２から出力された交流電力を直流電力に変換して中間リンク部１２１へ出力する。

補助電源装置１１３及び第２の電力変換部１１２は、第１の電力変換部１１１から出力された直流電力を中間リンク部１２１を介して受電する。補助電源装置１１３は、受電した電力を負荷１０４へ供給する。第２の電力変換部１１２は、受電した直流電力を変換して、誘導電動機１０３へ出力する。このとき、力行指令の内容に応じた電力が第２の電力変換部１１２から誘導電動機１０３へ出力され、これによって、電気車の加速、定速走行などが可能になる。

ブレーキ時、すなわち、誘導電動機１０３が回生電力を発生している間、誘導電動機１０３が発電機として機能し、交流電力（回生電力）を発生させる。第２の電力変換部１１２は、誘導電動機１０３が発生させた回生電力を受電し、これを直流電力に変換して中間リンク部１２１へ出力する。補助電源装置１１３は、第２の電力変換部１１２から出力された直流電力を中間リンク部１２１を介して受電し、負荷１０４へ供給する。

誘導電動機１０３が発生させる回生電力ＰＢが補助電源電力ＰＡ以下である場合、差Ｐはゼロ以下、すなわち、制限値Ｐｓ１以下となる。そのため、動作制御部１２０は、オンの動作制御信号ＧＣを出力することによって、第１の電力変換部１１１を動作させる。これにより、第１の電力変換部１１１は、上述の力行時と同様に動作する。その結果、架線１０５からの電力が主変圧器１０２及び第１の電力変換部１１１を通じて、補助電源装置１１３へ供給されるので、補助電源装置１１３へ供給される電力が補助電源電力ＰＡ以上となる。

誘導電動機１０３が発生させる回生電力ＰＢが補助電源電力ＰＡより大きく、かつ、差Ｐが制限値Ｐｓ１以下である場合、動作制御部１２０は、オンの動作制御信号ＧＣを出力することによって、第１の電力変換部１１１を動作させる。これにより、第１の電力変換部１１１は、中間リンク部１２１から差Ｐに相当する電力を受電し、交流電力に変換して出力する。主変圧器１０２は、第１の電力変換部１１１から出力された交流電力を受電し、電圧を変換して、交流電力を出力する。主変圧器１０２が出力した電力は、集電器１０１を介して架線１０５へ回生する。

誘導電動機１０３が発生させる回生電力ＰＢが補助電源電力ＰＡより大きく、かつ、差Ｐが制限値Ｐｓ１より大きい場合、動作制御部１２０は、オフの動作制御信号ＧＣを出力する。これにより、第１の電力変換部１１１は停止する。その結果、架線１０５へ電力は回生されなくなる。

このような主変換装置１００によれば、補助電源装置１１３には補助電源電力ＰＡ以上の電力が供給されるので、補助電源装置１１３の動作を停止させないことが可能になる。同時に、架線１０５へ回生する電力を制限値Ｐｓ１以下に制限することが可能になる。さらに、誘導電動機１０３が発生させた回生電力は補助電源装置１１３へ供給されるので、電気車の消費電力の軽減が可能になる。

これまで、本発明の実施の形態１について説明したが、実施の形態１は以下のように変形されてもよい。

例えば、実施の形態１では、車両の加速状態を示す値は、トルク指令値Ｔｍであるとしたが、車両の加速状態を示す値には、例えば、ノッチ指令に含まれる段階的な値又は連続値、ブレーキ信号に含まれるブレーク力ＢＥ［ｋＮ］が採用されてもよい。ブレーキ信号が採用される場合、誘導電動機１０３が発生させる回生電力ＰＢは、例えば、ブレーク力ＢＥ［ｋＮ］×車両速度Ｖ［ｋｍ／ｈ］／３．６という演算をすることにより、算出される。

例えば、実施の形態１では、車両速度に応じた値は車両速度Ｖであるとしたが、車両速度に応じた値には、例えば、誘導電動機１０３の回転速度ＦＭなどが採用されてもよい。

例えば、実施の形態１では、誘導電動機１０３が発生させる回生電力ＰＢは、トルク指令値Ｔｍ及び車両速度Ｖに基づいて、回生電力演算部１１９により算出されることとしたが、誘導電動機１０３における電圧（電動機電圧）と電流（電動機電流）とに基づいて、回生電力演算部１１９により算出されてもよい。この場合、誘導電動機１０３が発生させる回生電力ＰＢは、例えば、３＾（１／２）×電動機電圧［Ｖ］×電動機電流［Ａ］×力率×効率／１０００により算出される。ここで、式中の「＾」はべき乗を表す。

変形例１．
変形例１に係る動作制御部２２０は、図４に示すように、実施の形態１に係る比較部１３２に代えて、比較部２３２を備える。また、動作制御部２２０は、実施の形態１と同様の制限値Ｐｓ１に加えて、閾値Ｐｓ２を示すデータを保持している。

この閾値Ｐｓ２には、Ｐｓ１より小さい値が適宜定められてよい。閾値Ｐｓ２は、上述のＰｓ１と同様に設定され、動作制御部２２０が、閾値Ｐｓ２を示すデータを保持するとよい。

比較部２３２は、減算部１３１からの出力信号に含まれる差Ｐと、制限値Ｐｓ１又は閾値Ｐｓ２とを比較し、比較した結果に応じた動作制御信号ＧＣを第１の電力変換部１１１へ出力する。制限値Ｐｓ１と閾値Ｐｓ２とのいずれを差Ｐと比較するかは、出力中の制御出力信号ＧＣの内容に応じて定められる。

詳細には、オンの制御出力信号ＧＣを出力している場合、比較部２３２は、差Ｐが制限値Ｐｓ１以下であれば、オンの制御出力信号ＧＣの出力を継続する。この場合、差Ｐが制限値Ｐｓ１より大きくなるときに、比較部２３２は、オンの動作制御信号ＧＣをオフの動作制御信号ＧＣに切り替えて出力する。

比較部２３２は、オフの制御出力信号ＧＣを出力している場合、差Ｐが閾値Ｐｓ２より大きければ、オフの制御出力信号ＧＣの出力を継続する。この場合、差Ｐが閾値Ｐｓ２以下になるときに、比較部２３２は、オフの制御出力信号ＧＣをオンの動作制御信号ＧＣに切り替えて出力する。

本変形例によれば、実施の形態１と同様の効果を奏する。

また、実施の形態１によれば、差Ｐが制限値Ｐｓ１をまたいで頻繁に変化すると、第１の電力変換部１１１が動作と停止を頻繁に繰り返すことになる。本変形例では、動作制御部２２０は、差Ｐが変化する経緯に応じて異なる値（制限値Ｐｓ１、閾値Ｐｓ２）を基準として、オンの動作制御信号ＧＣとオフの動作制御信号ＧＣとを切り替える。これにより、差Ｐが制限値Ｐｓ１をまたいで頻繁に変化した場合に第１の電力変換部１１１が動作と停止を頻繁に繰り返すことを低減させることが可能になる。

変形例２．
実施の形態１では、動作制御部１２０が、差Ｐと制限値Ｐｓ１とを比較し、比較した結果に基づいて第１の電力変換部１１１を制御した。変形例２に係る動作制御部３２０は、図５に示すように、回生電力ＰＢと補助電源電力ＰＡとを比較し、比較した結果に基づいて第１の電力変換部１１１を制御する比較部３３２を有する。

詳細には、比較部３３２は、回生電力ＰＢが補助電源電力ＰＡより大きい場合、オフの動作制御信号ＧＣを第１の電力変換部１１１へ出力することによって、第１の電力変換部１１１を停止させる。回生電力ＰＢが補助電源電力ＰＡ以下である場合、比較部３３２は、オンの動作制御信号ＧＣを第１の電力変換部１１１へ出力することによって、第１の電力変換部１１１を停止させる。

本変形例によれば、制限値Ｐｓ１がゼロである場合に、実施の形態１と同様の効果を奏する。また、動作制御部３２０の構成を実施の形態１に係る動作制御部１２０よりも簡易にすることが可能になる。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係る主変換装置４００は、図６に示すように、ＡＰＳ電力演算部１１６及び回生電力演算部１１９を備えないこと、かつ、動作制御部１２０に代えて動作制御部４２０を備えることを除いて、実施の形態１に係る主変換装置１００と同様の構成を備える。

動作制御部４２０は、実施の形態１に係る動作制御部１２０と同様に、トルク指令値Ｔｍと、車両速度Ｖと、補助電源電力ＰＡと、架線１０５へ回生する電力の制限値Ｐｓ１に基づいて、第１の電力変換部１１１の動作と停止とを制御する。また、動作制御部４２０は、実施の形態１に係る動作制御部１２０と同様に、補助電源装置１１３へ供給される電力が補助電源電力ＰＡ以上であり、かつ、架線１０５へ回生する電力が制限値ｐｓ１以下であるように、第１の電力変換部１１１の動作と停止とを制御する。

動作制御部４２０は、トルク指令値Ｔｍと車両速度Ｖとの組み合わせに対応付けて、第１の電力変換部１１１を動作させるか、停止させるかを定める動作制御ルールを含む動作制御データに基づいて、第１の電力変換部１１１の動作と停止とを制御する。

詳細には、図７に示すように、動作制御部４２０は、動作制御ルールを含む動作制御データ４４１を予め保持している。

動作制御ルールは、トルク指令値Ｔｍと車両速度Ｖとの組に対して、第１の電力変換部１１１の動作と停止とのいずれかを対応付ける。

例えば、同図に示す動作制御ルールでは、トルク指令値Ｔｍと車両速度Ｖとで規定される領域に対して、オンの領域とオフの領域とが定められている。オンの領域とオフの領域との境界は、予め設定された補助電源電力ＰＡ（例えば、一定値）と制限値ｐｓ１とに応じて決定される。

動作制御部４２０は、トルク指令をトルク指令演算部１１８から取得し、速度信号を速度検出部１１７から取得すると、トルク指令値Ｔｍと車両速度Ｖと動作制御データ４４１とを参照する。これにより、動作制御部４２０は、トルク指令値Ｔｍと車両速度Ｖとの組が、オンの領域とオフの領域とのいずれに属するかを決定する。

動作制御部４２０は、取得したトルク指令及び速度信号のそれぞれに含まれるトルク指令値Ｔｍ及び車両速度Ｖの組がオンの領域に属する場合、オンの動作制御信号ＧＣを第１の電力変換部１１１へ出力する。これにより、第１の電力変換部１１１は動作する。

動作制御部４２０は、取得したトルク指令及び速度信号のそれぞれに含まれるトルク指令値Ｔｍ及び車両速度Ｖの組がオフの領域に属する場合、オフの動作制御信号ＧＣを第１の電力変換部１１１へ出力する。これにより、第１の電力変換部１１１は停止する。

このような動作制御部４２０を備える主変換装置４００は、力行時には、実施の形態１に係る主変換装置１００と同様に動作する。これによって、電気車の加速、定速走行などが可能になる。

また、ブレーキ時には、第２の電力変換部１１２及び補助電源装置１１３が、実施の形態１と同様に動作する。このとき、動作制御部４２０は、補助電源電力ＰＡ及び制限値ｐｓ１に基づいて定められる動作制御ルールに、トルク指令値Ｔｍ及び車両速度Ｖの現在値を適用することによって、第１の電力変換部１１１の動作と停止とを制御する。

トルク指令値Ｔｍ及び車両速度Ｖの組によって、誘導電動機１０３が発生させる回生電力ＰＢが定まる。そして、動作制御ルールでは、オンの領域とオフの領域との境界が、補助電源電力ＰＡ及び制限値ｐｓ１に基づいて定められている。

そのため、本実施の形態によれば、トルク指令値Ｔｍ及び車両速度Ｖの現在値を動作制御ルールに適用して、第１の電力変換部１１１の動作と停止とを制御することができ、実施の形態１と同様の効果を奏する。

すなわち、補助電源装置１１３の動作を停止させないことが可能になる。同時に、架線１０５へ回生する電力を制限値Ｐｓ１以下に制限することが可能になる。さらに、誘導電動機１０３が発生させた回生電力は補助電源装置１１３へ供給されるので、電気車の消費電力の軽減が可能になる。

実施の形態３．
本発明の実施の形態３に係る主変換装置５００は、図８に示すように、実施の形態１に係る主変換装置１００と同様の、第１の電力変換部１１１、第２の電力変換部１１２、補助電源装置１１３、電圧検出部１１４及びフィルタコンデンサ１１５を備える。主変換装置５００は、さらに、電流検出器５５１と、実施の形態１に係る主変換装置１００の動作制御部１２０に代わる動作制御部５２０とを備える。

電流検出器５５１は、第１の電力変換部１１１に入力する電流を検出し、検出した電流の値である入力電流ＩＳを含む入力電流信号を出力する機器である。本実施の形態に係る電流検出器５５１は、集電器１０１から第１の電力変換部１１１に向かう方向に流れる電流を正の値で表し、その逆の方向に流れる電流を負の値で表すことによって、電流の大きさと方向とを検出する。

なお、第１の電力変換部１１１に入力する電流の方向と大きさとが検出されればよく、その方法は、これに限られない。例えば、正負が逆に規定されてもよい。

動作制御部５２０は、運転台５５２から出力される回生開放指令ＣＯＲと、中間リンク電圧ＥＦＣと、入力電流ＩＳとに基づいて、第１の電力変換部１１１の動作と停止とを制御する。

ここで、回生開放指令ＣＯＲは、架線１０５への電力の回生が許可されるか、制限されるかを示す指令である。架線１０５への電力の回生が制限されることを示す場合、回生開放指令ＣＯＲは、制限値Ｐｓ１を含むとよい。

動作制御部５２０は、詳細には、架線１０５への電力の回生が制限されることを示す回生開放指令ＣＯＲを取得すると、オフの動作制御信号ＧＣを出力する。これにより、第１の電力変換部１１１は停止する。

動作制御部５２０は、中間リンク電圧ＥＦＣが設定値Ｅｃ（第１の設定値）以下である場合、誘導電動機１０３が発生させる回生電力ＰＢが補助電源電力ＰＡ以下であるので、オンの動作制御信号ＧＣを出力する。これにより、第１の電力変換部１１１は動作する。

ここで、設定値Ｅｃは、補助電源装置１１３に供給される電力が補助電源電力ＰＡ以下である場合に、次第に低下する中間リンク電圧ＥＦＣの下限として予め設定される。設定値Ｅｃは、例えば、図示しない入力部などを介して動作制御部５２０に適宜設定され、これにより、動作制御部５２０が、設定値Ｅｃを示すデータを保持するとよい。

動作制御部５２０は、電流検出器５５１から取得する入力電流信号に含まれる入力電流ＩＳが設定値Ｉｃ（第２の設定値）以下である場合、オフの動作制御信号ＧＣを出力する。これにより、第１の電力変換部１１１は停止する。

ここで、第１の電力変換部１１１から主変圧器１０２へ出力される電圧は、概ね一定であるため、架線１０５へ回生する電力を入力電流ＩＳにより推定することができる。そのため、設定値Ｉｃには、架線１０５へ回生する電力が制限値Ｐｓ１となる場合の入力電流ＩＳが採用される。したがって、本実施の形態では負の値になる。

設定値Ｉｃは、例えば、図示しない入力部などを介して動作制御部５２０に適宜設定され、これにより、動作制御部５２０が、設定値Ｉｃを示すデータを保持するとよい。なお、動作制御部５２０が、図示しない入力部などを介して入力される制限値Ｐｓ１に応じた設定値Ｉｃを算出することによって、設定値Ｉｃが動作制御部５２０に設定されてもよい。

これまで、本実施の形態に係る主変換装置５００の構成について説明した。ここから、主変換装置５００の動作について、図を参照して、説明する。

力行時には、主変換装置５００は、実施の形態１に係る主変換装置１００と同様に動作する。これによって、電気車の加速、定速走行などが可能になる。

ブレーキ時には、主変換装置５００は、図９に示す動作制御処理を実行する。

動作制御部５２０が、架線１０５への電力の回生を制限することを示す回生開放指令ＣＯＲを運転台５５２から取得する（ステップＳ１０１）。

これは、回生開放指令ＣＯＲ、中間リンク電圧ＥＦＣ、第１の電力変換部の入力電流ＩＳ及び動作制御信号ＧＣとの関係を示す図１０における、時間Ｔ１に相当する。

同図では、時間Ｔ１までは、架線１０５への電力の回生が許可されていた例を示している。そのため、同図において、時間Ｔ１までの中間リンク電圧ＥＦＣは、ほぼ一定である。動作制御部５２０からは、オンの動作制御信号ＧＣが出力されている。したがって、第１の電力変換部１１１は動作している。そのため、時間Ｔ１までの入力電流ＩＳが正の値であることは、誘導電動機１０３が発生する回生電力ＰＢが補助電源電力ＰＡより小さいため、補助電源装置１１３へ供給するための電力が架線１０５から取り込まれていることを意味する。

図９に戻り、動作制御部５２０は、ステップＳ１０１にて取得した回生開放指令ＣＯＲに応じて、オフの動作制御信号ＧＣを出力する。これにより、動作制御部５２０は、第１の電力変換部１１１を停止させる（ステップＳ１０２）。

動作制御部５２０は、電圧検出部１１４からＥＦＣ信号を取得することによって、中間リンク電圧ＥＦＣが設定値Ｅｃ以下であるか否かを判断する（ステップＳ１０３）。

中間リンク電圧ＥＦＣが設定値Ｅｃ以下でない場合（ステップＳ１０３；Ｎｏ）、動作制御部５２０は、オフの動作制御信号ＧＣを出力して、第１の電力変換部１１１を停止させ続ける（ステップＳ１０２）。

図１０の時間Ｔ１〜Ｔ２を参照すると、上述のように回生電力ＰＢが補助電源電力ＰＡより小さい状態で、架線１０５から電力が取り込まれなくなったため、中間リンク電圧ＥＦＣが次第に低下している。ここで、中間リンク電圧ＥＦＣが急激に低下しないのは、フィルタコンデンサ１１５などから補助電源装置１１３へ電力が供給されるためである。第１の電力変換部１１１が停止しているので、入力電流ＩＳはゼロである。

図９に戻り、中間リンク電圧ＥＦＣが設定値Ｅｃ以下である場合（ステップＳ１０３；Ｙｅｓ）、中間リンク電圧ＥＦＣが設定値Ｅｃより小さくなると、電力不足により補助電源装置１１３が停止するおそれがあるので、動作制御部５２０は、オンの動作制御信号ＧＣを出力して、第１の電力変換部１１１を動作させる（ステップＳ１０４）。

動作制御部５２０は、入力電流信号を電流検出器５５１から取得することによって、入力電流ＩＳが設定値Ｉｃより大きいか否かを判断する（ステップＳ１０５）。入力電流ＩＳが設定値Ｉｃより大きい場合（ステップＳ１０５；Ｙｅｓ）、動作制御部５２０は、オンの動作制御信号ＧＣを出力して、第１の電力変換部１１１を動作させ続ける（ステップＳ１０４）。

図１０の時間Ｔ２〜Ｔ３を参照すると、誘導電動機１０３が発生する回生電力だけでは不足している補助電源装置１１３への電力が、架線１０５から取り込まれるため、入力電流ＩＳが次第に大きくなるとともに、中間リンク電圧ＥＦＣが一定の大きさにまで復活している。その後、誘導電動機１０３が発生する回生電力ＰＢが次第に大きくなり、その結果、入力電流ＩＳが負になり、設定値Ｉｃまで小さくなっている。これは、架線１０５へ回生する電力が制限値Ｐｓ１に至ったことを意味する。

図９に戻り、入力電流ＩＳが設定値Ｉｃ以下である場合（ステップＳ１０５；Ｎｏ）、動作制御部５２０は、オフの動作制御信号ＧＣを出力して、第１の電力変換部１１１を停止させる（ステップＳ１０２）。

図１０の時間Ｔ３以降を参照すると、第１の電力変換部１１１が停止することによって、入力電流ＩＳがゼロになっており、電力が架線１０５に回生していない。中間リンク電圧ＥＦＣは、回生電力ＰＢが補助電源電力ＰＡより大きい状態であるため、一定の大きさを維持している。

このように、本実施の形態によれば、実施の形態１と同様の効果を奏する。

すなわち、補助電源装置１１３には補助電源電力ＰＡ以上の電力が供給されるので、補助電源装置１１３の動作を停止させないことが可能になる。同時に、架線１０５へ回生する電力を制限値Ｐｓ１以下に制限することが可能になる。さらに、誘導電動機１０３が発生させた回生電力は補助電源装置１１３へ供給されるので、電気車の消費電力の軽減が可能になる。

これまで、本発明の実施の形態３について説明したが、実施の形態３は以下のように変形されてもよい。

変形例３．
例えば、制限値Ｐｓ１がゼロである場合、電流検出器５５１は、電流の方向のみを検出し、その検出された電流の方向に基づいて、動作制御部５２０が第１の電力変換部１１１の動作と停止とを制御してもよい。

本変形例によれば、実施の形態３よりも簡易な構成で、補助電源装置１１３の動作を停止させないことが可能になる。同時に、架線１０５へ回生する電力を制限値Ｐｓ１（＝０）以下に制限する、すなわち、架線１０５へ電力を回生させないことが可能になる。さらに、誘導電動機１０３が発生させた回生電力は補助電源装置１１３へ供給されるので、電気車の消費電力の軽減が可能になる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、各実施の形態に限定されるものではなく、各実施の形態及び変形例が適宜組み合わされてもよく、それらに適宜変更が加えられてもよい。

本発明は、電車、電気機関車などの電気車に搭載される主変換装置に好適に利用することができる。

１００，４００，５００ 主変換装置、１０１ 集電器、１０２ 主変圧器、１０３ 誘導電動機、１０４ 負荷、１０５ 架線、１１１ 第１の電力変換部、１１２ 第２の電力変換部、１１３ 補助電源装置、１１４ 電圧検出部、１１５ フィルタコンデンサ、１１６ ＡＰＳ電力演算部、１１７ 速度検出部、１１８ トルク指令演算部、１１９ 回生電力演算部、１２０，２２０，３２０，４２０，５２０ 動作制御部、１２１ 中間リンク部、１３１ 減算部、１３２，２３２，３３２ 比較部、４４１ 動作制御データ、５５１ 電流検出器、５５２ 運転台。

上記目的を達成するため、本発明に係る電気車用主変換装置は、第１の電力変換部と、第２の電力変換部と、補助電源装置と、回生電力演算部と、補助電源電力演算部と、動作制御部とを備える。
第１の電力変換部は、架線との間で交流電流が流れる回路と、直流電流が流れる回路である中間リンク部とに接続され、交流電力と直流電力とを相互に変換する。第２の電力変換部は、中間リンク部と、電動機との間で交流電流が流れる回路とに接続され、直流電力と交流電力とを相互に変換する。補助電源装置は、中間リンク部から受電し、負荷へ電力を供給する。回生電力演算部は、車両の加速状態を示す値および車両速度に応じた値に基づいて、電動機が発生させる回生電力を算出する。補助電源電力演算部は、中間リンク部の電圧と、補助電源装置に流れ込む電流とに基づいて、補助電源装置が負荷へ電力を供給するために必要な電力である補助電源電力を算出する。動作制御部は、回生電力から補助電源電力を引いた余剰電力が、架線へ回生する電力の制限値より大きい場合に、第１の電力変換部を停止させ、余剰電力が制限値以下の閾値以下の場合に、第１の電力変換部を動作させる。

Claims (11)

1. 架線との間で交流電流が流れる回路と、直流電流が流れる回路である中間リンク部とに接続され、交流電力と直流電力とを相互に変換する第１の電力変換部と、
   前記中間リンク部と、電動機との間で交流電流が流れる回路とに接続され、直流電力と交流電力とを相互に変換する第２の電力変換部と、
   前記中間リンク部から受電し、負荷へ電力を供給する補助電源装置と、
   車両の加速状態を示す値と、車両速度に応じた値と、前記補助電源装置が前記負荷へ電力を供給するために必要な電力である補助電源電力と、前記架線へ回生する電力の制限値とに基づいて、前記補助電源装置へ供給される電力が前記補助電源電力以上であり、かつ、前記架線へ回生する電力が前記制限値以下であるように、前記第１の電力変換部の動作と停止とを制御する動作制御部とを備える
   電気車用主変換装置。
2. 前記車両の加速状態を示す値と前記車両速度に応じた値とに基づいて、前記電動機が発生させる回生電力を算出する回生電力演算部と、
   前記中間リンク部の電圧と、前記補助電源装置に流れ込む電流とに基づいて、前記補助電源電力を算出する補助電源電力演算部とをさらに備え、
   前記動作制御部は、前記回生電力演算部により算出された前記回生電力と、前記補助電源電力演算部により算出された前記補助電源電力とに基づいて、前記第１の電力変換部の動作と停止とを制御する
   請求項１に記載の電気車用主変換装置。
3. 前記動作制御部は、
   前記回生電力演算部により算出された前記回生電力から前記補助電源電力演算部により算出された前記補助電源電力を減じる減算部と、
   前記減算部により算出された値と前記制限値とを比較し、当該比較した結果に基づいて、前記第１の電力変換部の動作と停止とを制御する比較部とを有する
   請求項２に記載の電気車用主変換装置。
4. 前記比較部は、前記減算部により算出された値が前記制限値より大きい場合に、前記第１の電力変換部を停止させる
   請求項３に記載の電気車用主変換装置。
5. 前記比較部は、前記減算部により算出された値が前記制限値以下である場合に、前記第１の電力変換部を動作させる
   請求項３に記載の電気車用主変換装置。
6. 前記動作制御部は、前記回生電力演算部により算出された前記回生電力と、前記補助電源電力演算部により算出された前記補助電源電力とを比較し、当該比較した結果に基づいて、前記第１の電力変換部の動作と停止とを制御する比較部とを有する
   請求項２に記載の電気車用主変換装置。
7. 前記動作制御部は、
   前記補助電源電力が予め設定された値である場合に、前記車両の加速状態を示す値及び前記車両速度に応じた値の組に、前記第１の電力変換部の動作と停止とのいずれかを対応付けた動作制御データを予め保持し、
   前記車両の加速状態を示す値と前記車両速度に応じた値と前記動作制御データとを参照することによって、前記第１の電力変換部の動作と停止とを制御する
   請求項１に記載の電気車用主変換装置。
8. 前記車両の加速状態を示す値は、当該車両におけるトルク指令、ノッチ指令又はブレーキ信号に含まれる
   請求項１に記載の車両用主変換装置。
9. 架線との間で交流電流が流れる回路と、直流電流が流れる回路である中間リンク部とに接続され、交流電力と直流電力とを相互に変換する第１の電力変換部と、
   前記中間リンク部と、電動機との間で交流電流が流れる回路とに接続され、直流電力と交流電力とを相互に変換する第２の電力変換部と、
   前記中間リンク部から受電し、負荷へ電力を供給する補助電源装置と、
   前記中間リンク部の電圧である中間リンク電圧が第１の設定値以下であるか否かと、前記架線へ向けて前記第１の電力変換部を流れる電流が第２の設定値より大きいか否かとを判定し、当該判定の結果に基づいて、前記第１の電力変換部の動作と停止とを制御する動作制御部とを備える
   電気車用主変換装置。
10. 前記動作制御部は、
    前記中間リンク電圧が第１の設定値以下である場合に、前記第１の電力変換部を動作させ、
    前記中間リンク部から前記架線へ向かう方向に前記第１の電力変換部を流れる電流が第２の設定値以上である場合に、前記第１の電力変換部を停止させる
    請求項９に記載の電気車用主変換装置。
11. 前記動作制御部は、前記架線への電力の回生を制限することを示す指令を取得すると、前記第１の電力変換部を停止させる
    請求項９に記載の車両用主変換装置。

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