JPWO2019116499A1 - 鉄道車両用電力変換システム - Google Patents

Abstract

電力変換システム（１）は、双方向の電力変換を行う電力変換部（１８）、および直流電源または電動機（５）から供給される電力によって充電される蓄電装置（２２）を備える。制御部（２３）は、力行指令が入力されている状態から、力行指令が入力されなくなると、高速度遮断器（１１）、電路切替部（１３）、蓄電装置用遮断器（２１）、および電力変換部（１８）を制御することでフィルタコンデンサ（１７）の電圧を低減させる電圧平衡制御を行う。制御部（２３）は、フィルタコンデンサ（１７）の電圧と蓄電装置（２２）の電圧との差が閾値電圧以下となると、電路切替部（１３）を第２経路に切り替える。その後、ブレーキ指令を取得すると、制御部（２３）は、電力変換部（１８）を制御することで、電動機（５）から供給される電力を第２電路を介して蓄電装置（２２）に供給する回生充電制御を行う。

Description

この発明は、回生電力によって蓄電装置を充電する鉄道車両用電力変換システムに関する。

直流電化区間を走行する電気鉄道車両に蓄電装置を搭載し、回生ブレーキ動作によって生じる回生電力を蓄電装置に蓄え、蓄電装置に蓄えられた電力を力行時に利用することで、エネルギー効率を向上させることができる。この場合、電気鉄道車両に搭載される電力変換装置は、架線から供給される電力を変換して電動機を駆動するインバータ、および、回生電力を変換して蓄電装置に供給するコンバータとして動作する。

特許文献１に開示される鉄道車両の駆動装置は、回生時には、誘導電動機を発電機として動作させる。誘導電動機で発生した交流電力はインバータ装置にて直流電力に変換され、蓄電装置に充電される。

特開２０１３−２１１９６４号公報

電気鉄道車両に搭載される電力変換装置において、インバータとして動作する際の入力側に設けられるフィルタコンデンサは、架線電圧と同程度の高電圧である。架線電圧と蓄電装置の電圧との差があり、フィルタコンデンサが架線電圧と同程度の高電圧である状態で、回生電力を用いて蓄電装置を充電すると、蓄電装置に過電流が流れてしまう。過電流を抑制するためにフィルタコンデンサを放電する放電回路を別途設けると、電力変換装置の構造が複雑化してしまう。

本発明は上述の事情に鑑みてなされたものであり、構造を複雑化することなく、回生電力で蓄電装置を充電する際に蓄電装置に過電流が流れることを抑制することが目的である。

上記目的を達成するために、本発明の鉄道車両用電力変換システムは、電力変換部、フィルタコンデンサ、高速度遮断器、電路切替部、蓄電装置、蓄電装置用遮断器、および制御部を備える。電力変換部は、一次側から供給される電力を変換し、変換した電力を二次側に接続される電動機に供給し、または、電動機から供給される電力を変換し、変換した電力を一次側に供給する。フィルタコンデンサは、電力変換部の一次側に接続される。高速度遮断器は、直流電源と電力変換部との間の電路を開閉する。電路切替部は、高速度遮断器と電力変換部との間に設けられ、高速度遮断器と電力変換部との間の電路の切替または開放を行う。蓄電装置の正極端子は、高速度遮断器および電路切替部の接続点に接続される。蓄電装置の負極端子は、電力変換部の一次側の負極端子に接続される。蓄電装置用遮断器は、蓄電装置の正極端子と、高速度遮断器および電路切替部の接続点との間に設けられる。制御部は、高速度遮断器、電路切替部、蓄電装置用遮断器、および、電力変換部を制御する。電路切替部は、抵抗を含む第１電路および抵抗を含まない第２電路の切替を行う。高速度遮断器が投入され、電路切替部の第２電路を通って電力変換部に電力が供給されていて、蓄電装置用遮断器が開放され、力行指令が入力されている状態から、該力行指令が入力されなくなった場合、制御部は、フィルタコンデンサの電圧を低減させる電圧平衡制御を行う。電圧平衡制御において、制御部は、高速度遮断器を開放した後に、蓄電装置用遮断機を投入し、電路切替部、および電力変換部を制御する。電圧平衡制御によって、フィルタコンデンサの電圧と蓄電装置の電圧との差が閾値電圧以下になった場合に、制御部は、電路切替部を制御して第２電路に切り替える。第２電路に切り替えた後にブレーキ指令を取得すると、制御部は、電力変換部を制御することで、電動機から供給される電力を第２電路を介して蓄電装置に供給する回生充電制御を行う。

本発明によれば、力行指令を入力されなくなった場合に、フィルタコンデンサの電圧を低減させる電圧平衡制御を行い、フィルタコンデンサの電圧と蓄電装置の電圧との差が閾値電圧以下になった場合に、ブレーキ指令を取得すると、電動機から供給される電力を蓄電装置に供給する回生充電制御を行うことで、構造を複雑化することなく、回生電力で蓄電装置を充電する際に蓄電装置に過電流が流れることを抑制することが可能である。

本発明の実施の形態１に係る鉄道車両用電力変換システムの構成を示すブロック図 実施の形態１に係る鉄道車両用電力変換システムが行う電圧平衡化および回生充電の動作を示すタイミングチャート 実施の形態１に係る鉄道車両用電力変換システムにおける電流の流れを示す図 実施の形態１に係る鉄道車両用電力変換システムにおける電流の流れを示す図 実施の形態１に係る鉄道車両用電力変換システムにおける電流の流れを示す図 実施の形態１に係る鉄道車両用電力変換システムの他の構成を示すブロック図 実施の形態１に係る鉄道車両用電力変換システムが行う電圧平衡化および回生充電の動作を示すタイミングチャート 実施の形態１に係る鉄道車両用電力変換システムにおける電流の流れを示す図 実施の形態１に係る鉄道車両用電力変換システムにおける電流の流れを示す図 実施の形態１に係る鉄道車両用電力変換システムが行う電圧平衡化および回生充電の動作の一例を示すフローチャート 実施の形態１に係る鉄道車両用電力変換システムが行う電圧平衡化および回生充電の動作の他の例を示すフローチャート 本発明の実施の形態２に係る鉄道車両用電力変換システムが行う電圧平衡化および回生充電の動作を示すタイミングチャート 実施の形態２に係る鉄道車両用電力変換システムにおける電流の流れを示す図 実施の形態２に係る鉄道車両用電力変換システムが行う電圧平衡化および回生充電の動作を示すタイミングチャート 実施の形態２に係る鉄道車両用電力変換システムにおける電流の流れを示す図

以下、本発明の実施の形態に係る鉄道車両用電力変換システム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）
本発明の実施の形態１に係る鉄道車両用電力変換システムの構成について説明する。図１に示すように、鉄道車両用電力変換システム（以下、電力変換システムという）１は、双方向の電力変換を行う電力変換部１８を備える。電力変換システム１は、直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換し、変換した交流電力を電動機５に供給する。また電力変換システム１は、電動機５から供給された電力を変換し、変換した電力で蓄電装置２２を充電する。電力変換システム１は、電力変換部１８の一次側に設けられるフィルタコンデンサ１７の電圧を低減してから、蓄電装置２２を充電することで、構造を複雑化することなく、回生ブレーキ動作によって生じる回生電力で蓄電装置２２を充電する際に蓄電装置２２に過電流が流れることを抑制することが可能である。

電力変換システム１は、例えば、直流電化区間を走行する鉄道車両に搭載される。図１の例では、図示しない変電所が直流電源であり、電力変換システム１は、変電所から架線３を経由して供給される電力を集電装置４によって取り入れる。集電装置４は、パンタグラフ、第３軌条等である。

電力変換部１８の一次側の正極端子は、高速度遮断器１１、リアクトル１２、および電路切替部１３を介して集電装置４に接続され、一次側の負極端子は接地されている。リアクトル１２、および電力変換部１８の一次側に設けられるフィルタコンデンサ１７は、ＬＣフィルタを構成する。電力変換部１８の二次側には、電動機５が接続される。電動機５は交流電動機であり、例えば、誘導電動機または同期電動機である。電力変換部１８は、一次側から供給される電力を変換し、変換した電力を二次側に接続される電動機５に供給する。また電力変換部１８は、電動機５に電力を供給することで、電動機５を駆動する。電動機５が駆動されると、電力変換システム１が搭載される鉄道車両は動力を得る。さらに、電力変換部１８は、電動機５から供給される電力を変換し、変換した電力を一次側に供給する。すなわち、電力変換部１８は、電動機５から供給される電力を変換し、変換した電力を一次側に供給する。

電力変換部１８は、スイッチング素子ＴＲＵ１，ＴＲＵ２，ＴＲＶ１，ＴＲＶ２，ＴＲＷ１，ＴＲＷ２および還流ダイオードＤＵ１，ＤＵ２，ＤＶ１，ＤＶ２，ＤＷ１，ＤＷ２を備える。図１の例では、電力変換部１８は、Ｕ相アーム、Ｖ相アーム、およびＷ相アームを有し、各相アームの構成は同じである。各相アームの符号Ｕ，Ｖ，Ｗをまとめて符号ｘとして電力変換部１８の構成について説明する。スイッチング素子ＴＲｘ１，ＴＲｘ２は任意の半導体素子であり、図１の例では、電力変換部１８は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）を用いる。スイッチング素子ＴＲｘ１，ＴＲｘ２を、ケイ素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成してもよい。ワイドバンドギャップ半導体とは、例えば、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料、ダイヤモンド等である。ワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子ＴＲｘ１，ＴＲｘ２は、ケイ素で形成されたスイッチング素子に比べて、耐電圧性および許容電流密度が高い。

ワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子ＴＲｘ１，ＴＲｘ２を用いることで、ケイ素で形成されたスイッチング素子に比べて、より多くの電流を電動機５に流すことができる。またワイドバンドギャップ半導体を用いることで、スイッチング素子ＴＲｘ１，ＴＲｘ２の小型化が可能である。小型化されたスイッチング素子ＴＲｘ１，ＴＲｘ２を用いることにより、スイッチング素子ＴＲｘ１，ＴＲｘ２を組み込んだ半導体モジュールの小型化が可能となる。

ワイドバンドギャップ半導体は耐熱性も高いため、ヒートシンクの放熱フィンの小型化や、水冷部の空冷化が可能であり、半導体モジュールの一層の小型化が可能になる。さらに電力損失が低いため、スイッチング素子ＴＲｘ１，ＴＲｘ２の高効率化が可能であり、ひいては半導体モジュールの高効率化が可能になる。

フィルタコンデンサ１７と並列に、直列に接続されたスイッチング素子ＴＲｘ１，ＴＲｘ２が接続される。スイッチング素子ＴＲｘ１，ＴＲｘ２のそれぞれに並列に還流ダイオードＤｘ１，Ｄｘ２が接続される。スイッチング素子ＴＲｘ１，ＴＲｘ２の接続点は、接触器Ｃｘ１を介して電動機５に接続される。またスイッチング素子ＴＲｘ１，ＴＲｘ２の接続点は、接触器Ｃｘ２およびリアクトルＬｘを介して、後述する蓄電装置用接触器１９とリアクトル２０との間に接続される。

高速度遮断器１１は、直流電源と電力変換部１８との間の電路を開閉する。電路切替部１３は、高速度遮断器１１と電力変換部１８との間に設けられ、高速度遮断器１１と電力変換部１８との間の電路の切替または開放を行う。詳細には、電路切替部１３は、抵抗１６を含む第１電路および抵抗１６を含まない第２電路を切り替える。図１の例では、電路切替部１３は、断流器１４および電路切替用接触器１５を備える。この場合、電路切替用接触器１５および抵抗１６を通る電路が第１電路であり、断流器１４を通る電路が第２電路である。

電力変換システム１は、直流電源または電動機５から供給される電力によって充電される蓄電装置２２を備える。蓄電装置２２の定格電圧は、直流電源の電圧より低い。蓄電装置２２の正極端子は、蓄電装置用接触器１９、リアクトル２０、および蓄電装置用遮断器２１を介して、高速度遮断器１１および電路切替部１３の接続点に接続される。図１の例では、蓄電装置２２の正極端子は、リアクトル１２と電路切替部１３との間に、蓄電装置用接触器１９、リアクトル２０、および蓄電装置用遮断器２１を介して接続される。蓄電装置２２の負極端子は、電力変換部１８の一次側の負極端子に接続されている。

電力変換システム１は、高速度遮断器１１、電路切替部１３、蓄電装置用遮断器２１、および電力変換部１８を制御する制御部２３を備える。制御部２３は、高速度遮断器１１および蓄電装置用遮断器２１の投入と開放とを切り替える。また制御部２３は、電路切替部１３が有する断流器１４および電路切替用接触器１５の投入と開放とを切り替える。制御部２３は、電力変換部１８が有するスイッチング素子ＴＲＵ１，ＴＲＵ２，ＴＲＶ１，ＴＲＶ２，ＴＲＷ１，ＴＲＷ２の投入と開放とを切り替える。制御部２３は、接触器ＣＵ１，ＣＵ２，ＣＶ１，ＣＶ２，ＣＷ１，ＣＷ２の投入と開放とを切り替える。制御部２３は、蓄電装置用接触器１９の投入と開放とを切り換える。

電力変換システム１は、フィルタコンデンサ１７の電圧を検出する電圧検出器Ｖ１、および、蓄電装置２２の電圧を検出する電圧検出器Ｖ２を備える。制御部２３は、電圧検出器Ｖ１からフィルタコンデンサ１７の電圧を取得し、電圧検出器Ｖ２から蓄電装置２２の電圧を取得する。

鉄道車両が力行運転から惰行運転になった後にブレーキがかけられる場合に、電力変換システム１が行う電圧平衡化および回生充電について説明する。電圧平衡化は、フィルタコンデンサ１７の電圧と蓄電装置２２の電圧との差を低減することである。また回生充電とは、電動機５から供給される電力を、第２電路を介して蓄電装置２２に供給して、蓄電装置２２を充電することである。図２は、実施の形態１に係る鉄道車両用電力変換システムが行う電圧平衡化および回生充電の動作を示すタイミングチャートである。力行運転の状態から、惰行運転の状態になると、電圧平衡化が行われ、電圧平衡化の後に回生充電が行われる。最初に力行運転時の制御部２３の制御について説明する。時刻Ｔ１において、例えば運転台のマスターコントローラが力行に設定されており、制御部２３には力行指令が入力されている。なお時刻Ｔ１において、制御部２３にブレーキ指令は入力されていない。力行指令およびブレーキ指令に関して、図２において、ＯＮが入力されている状態、ＯＦＦが入力されていない状態を示す。力行指令が入力されている間、制御部２３は、高速度遮断器１１および断流器１４が投入されている状態を維持する。また力行指令が入力されている間、制御部２３は、電路切替用接触器１５、蓄電装置用接触器１９、および蓄電装置用遮断器２１が開放されている状態を維持する。高速度遮断器１１、断流器１４、電路切替用接触器１５、蓄電装置用接触器１９、および蓄電装置用遮断器２１に関して、図２において、ＯＮが投入されている状態を示し、ＯＦＦが開放されている状態を示す。図２における電圧差は、電圧検出器Ｖ１が検出したフィルタコンデンサ１７の電圧と、電圧検出器Ｖ２が検出した蓄電装置２２の電圧との差である。電圧差は、フィルタコンデンサ１７の電圧の検出値から、蓄電装置２２の電圧の検出値を減算することで得られる。時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの間、フィルタコンデンサ１７の電圧は架線電圧に一致するため、フィルタコンデンサ１７の電圧は、蓄電装置２２の電圧より大きい。

力行運転時の電流の流れについて説明する。図３は、実施の形態１に係る鉄道車両用電力変換システムにおける電流の流れを示す図である。図２に示す時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの間の、電力変換システム１における電流の流れを太い実線の矢印で示す。架線３から集電装置４を介して電力変換システム１に流入する電流は、高速度遮断器１１、リアクトル１２、および断流器１４を通って、電力変換部１８に入力される。電力変換部１８から電動機５に電流が流れ、電動機５が駆動される。電力変換部１８は、磁束分電流とトルク分電流とを制御することで、電動機５を制御する。

惰行運転時における制御部２３の電圧平衡制御について説明する。図２に示す時刻Ｔ２において、力行指令が入力されなくなると、鉄道車両は惰性で走行する。すなわち、時刻Ｔ２から時刻Ｔ４まで、鉄道車両は惰行運転を行う。時刻Ｔ２において、力行指令が入力されなくなると、制御部２３は、電圧平衡制御を開始する。電圧平衡制御において、制御部２３は、高速度遮断器１１を開放した後に、蓄電装置用遮断器２１を投入し、電路切替部１３および電力変換部１８を制御する。上記制御により、フィルタコンデンサ１７の電圧が低減する。

電圧平衡制御において、制御部２３は、高速度遮断器１１および電路切替部１３を開放する、すなわち、高速度遮断器１１および断流器１４を開放する。その後、制御部２３は、蓄電装置用接触器１９および蓄電装置用遮断器２１を投入する。制御部２３は、電力変換部１８が有するスイッチング素子ＴＲＵ１，ＴＲＵ２，ＴＲＶ１，ＴＲＶ２，ＴＲＷ１，ＴＲＷ２の投入と開放とを切り替えることで、電力変換部１８から電動機５に励磁電流のみを供給させる。電動機５には励磁電流のみが供給されるので、電動機５は駆動されない。上述のように電圧平衡制御を行うことで、フィルタコンデンサ１７の電圧が低減し、図２に示す電圧差も低減する。時刻Ｔ３以降、電圧差は閾値電圧以下である。閾値電圧を十分に小さい値とすることで、時刻Ｔ３以降、フィルタコンデンサ１７の電圧と蓄電装置２２の電圧とは一致するとみなすことができる。時刻Ｔ３において、制御部２３は、電圧平衡制御を終了する。時刻Ｔ３から時刻Ｔ４までは、フィルタコンデンサ１７と蓄電装置２２の間で電流は流れない。

電圧平衡制御時の電流の流れについて説明する。図４は、実施の形態１に係る鉄道車両用電力変換システムにおける電流の流れを示す図である。図２に示す時刻Ｔ２から時刻Ｔ３までの間の、電力変換システム１における電流の流れを太い実線の矢印で示す。電力変換部１８は、フィルタコンデンサ１７に蓄積されている電力を変換し、電動機５に励磁電流のみを供給する。これにより、フィルタコンデンサ１７の電圧が低下する。

電圧平衡制御後における制御部２３の制御について説明する。図２に示す時刻Ｔ３において、電圧差が閾値電圧以下となると、制御部２３は、断流器１４を投入する。すなわち、制御部２３は、電路切替部１３を制御して第２電路に切り替える。その後、図２に示す時刻Ｔ４において、例えば運転台のマスターコントローラがブレーキに設定されると、制御部２３にはブレーキ指令が入力される。フィルタコンデンサ１７の電圧と蓄電装置２２の電圧との差が閾値電圧以下となった場合に、ブレーキ指令を取得すると、制御部２３は、電力変換部１８を制御することで、電動機５から供給される電力を第２電路を介して蓄電装置２２に供給する回生充電制御を開始する。上記制御により、電力変換部１８で変換された電力は第２電路を介して蓄電装置２２に供給される。すなわち、電力変換部１８は、回生電力で蓄電装置２２を充電する。

回生充電制御における電流の流れについて説明する。図５は、実施の形態１に係る鉄道車両用電力変換システムにおける電流の流れを示す図である。図２に示す時刻Ｔ４以降の電力変換システム１における電流の流れを太い実線の矢印で示す。電力変換部１８は、電動機５から供給される電力を変換し、変換された電力を、断流器１４、蓄電装置用接触器１９、リアクトル２０、および蓄電装置用遮断器２１を介して蓄電装置２２に供給する。リアクトル２０は、電力変換部１８が出力する電流を平滑化する。

電力変換システム１によれば、電動機５に励磁電流のみを流すことで、フィルタコンデンサ１７の電圧と蓄電装置２２の電圧とが一致するとみなせる程度に、フィルタコンデンサ１７の電圧を低減してから、回生電力で蓄電装置２２を充電するため、蓄電装置２２に過電流が流れることを抑制することが可能である。

制御部２３は、図示しない速度センサ、列車情報管理システム、ＡＴＣ（Automatic Train Control：自動列車制御装置）等から鉄道車両の速度を取得し、鉄道車両の速度が閾値速度以上の場合にのみ、上述の電圧平衡制御を行ってもよい。例えば、閾値速度は、回生ブレーキが使用可能な速度範囲の下限値、すなわち、臨界速度である。

直流電源から供給される電力によって蓄電装置２２を充電する場合は、制御部２３は、高速度遮断器１１、電路切替用接触器１５、接触器ＣＵ２，ＣＶ２，ＣＷ２、および蓄電装置用遮断器２１を投入し、断流器１４、蓄電装置用接触器１９、および接触器ＣＵ１，ＣＶ１，ＣＷ１を開放する。制御部２３が電力変換部１８を制御することで、電力変換部１８は、直流電源から供給される電力を変換し、変換した電力を、第１電路を介して蓄電装置２２に供給する。この場合、リアクトルＬＵ，ＬＶ，ＬＷが電力変換部１８の出力電流を平滑化する。

蓄電装置２２に蓄電された電力で電動機５を駆動する場合は、制御部２３は、断流器１４、蓄電装置用接触器１９、接触器ＣＵ１，ＣＶ１，ＣＷ１、および蓄電装置用遮断器２１を投入し、高速度遮断器１１、電路切替用接触器１５、および接触器ＣＵ２，ＣＶ２，ＣＷ２を開放する。制御部２３が電力変換部１８を制御することで、電力変換部１８は、蓄電装置２２から供給される電力を変換し、変換した電力を電動機５に供給する。この場合、図５の太い実線の矢印と逆の方向に電流が流れる。

電力変換システム１の他の構成である電力変換システム２について説明する。図６に示すように、電力変換システム２は、図１に示す電力変換システム１が有する電路切替部１３に代えて、電路切替部２４を有する。電路切替部２４は、電路切替部１３と同様に、断流器１４、電路切替用接触器１５、および抵抗１６を有するが、それぞれの配置が異なる。電路切替部２４は、断流器１４および抵抗１６を通る第１電路と、断流器１４および電路切替用接触器１５を通る第２電路とを切り替える。

鉄道車両が力行運転から惰行運転になった後にブレーキがかけられる場合に、電力変換システム２が行う電圧平衡化および回生充電について説明する。図７は、実施の形態１に係る鉄道車両用電力変換システムが行う電圧平衡化および回生充電の動作を示すタイミングチャートである。図の見方は図２と同様である。力行運転時の制御部２３の制御について説明する。図２と同様に、時刻Ｔ１において、制御部２３には力行指令が入力されており、ブレーキ指令は入力されていない。力行指令が入力されている間、制御部２３は、高速度遮断器１１、断流器１４、および電路切替用接触器１５が投入されている状態を維持する。また力行指令が入力されている間、制御部２３は、蓄電装置用接触器１９、および蓄電装置用遮断器２１が開放されている状態を維持する。

力行運転時の電流の流れについて説明する。図８は、実施の形態１に係る鉄道車両用電力変換システムにおける電流の流れを示す図である。図７に示す時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの間の、電力変換システム２における電流の流れを太い実線の矢印で示す。架線３から集電装置４を介して電力変換システム１に流入する電流は、高速度遮断器１１、リアクトル１２、断流器１４、および電路切替用接触器１５を通って、電力変換部１８に入力される。電力変換部１８から電動機５に電流が流れ、電動機５が駆動される。電力変換部１８は、磁束分電流とトルク分電流とを制御することで、電動機５を制御する。

惰行運転時における制御部２３の電圧平衡制御について説明する。図７に示す時刻Ｔ２において、力行指令が入力されなくなると、鉄道車両は惰性で走行する。時刻Ｔ２において、力行指令が入力されなくなると、制御部２３は、電圧平衡制御を開始する。電圧平衡制御において、制御部２３は、高速度遮断器１１、電路切替部１３、蓄電装置用遮断器２１、および電力変換部１８を制御する。上記制御により、フィルタコンデンサ１７の電圧が低減する。

電圧平衡制御において、制御部２３は、高速度遮断器１１および電路切替部１３を開放する、すなわち、高速度遮断器１１、断流器１４、および電路切替用接触器１５を開放する。その後、図２と同様に、制御部２３は、蓄電装置用接触器１９および蓄電装置用遮断器２１を投入する。制御部２３は、電力変換部１８が有するスイッチング素子ＴＲＵ１，ＴＲＵ２，ＴＲＶ１，ＴＲＶ２，ＴＲＷ１，ＴＲＷ２の投入と開放とを切り替えることで、電力変換部１８から電動機５に励磁電流のみを供給させる。電動機５には励磁電流のみが供給されるので、電動機５は駆動されない。上述のように電圧平衡制御を行うことで、フィルタコンデンサ１７の電圧が低減し、図７に示す電圧差も低減する。時刻Ｔ３以降、電圧差は閾値電圧以下である。閾値電圧を十分に小さい値とすることで、時刻Ｔ３以降、フィルタコンデンサ１７の電圧と蓄電装置２２の電圧とは一致するとみなすことができる。時刻Ｔ３において、制御部２３は、電圧平衡制御を終了する。時刻Ｔ３から時刻Ｔ４までは、フィルタコンデンサ１７と蓄電装置２２の間で電流は流れない。

電圧平衡制御時の電流の流れについて説明する。図７に示す時刻Ｔ２から時刻Ｔ３までの間は、電力変換システム１と同様に、電力変換システム２が有する電力変換部１８は、フィルタコンデンサ１７に蓄積されている電力を変換し、電動機５に励磁電流のみを供給する。これにより、フィルタコンデンサ１７の電圧が低下する。

電圧平衡制御後における制御部２３の制御について説明する。図７に示す時刻Ｔ３において、電圧差が閾値電圧以下となると、制御部２３は、断流器１４および電路切替用接触器１５を投入する。すなわち、制御部２３は、電路切替部１３を制御して第２電路に切り替える。その後、図７に示す時刻Ｔ４において、制御部２３にはブレーキ指令が入力される。フィルタコンデンサ１７の電圧と蓄電装置２２の電圧との差が閾値電圧以下となった場合に、ブレーキ指令を取得すると、制御部２３は、電力変換部１８を制御することで、電動機５から供給される電力を第２電路を介して蓄電装置２２に供給する回生充電制御を開始する。上記制御により、電力変換部１８で変換された電力は、第２電路を介して蓄電装置２２に供給される。すなわち、電力変換部１８は、回生電力で蓄電装置２２を充電する。

回生充電制御における電流の流れについて説明する。図９は、実施の形態１に係る鉄道車両用電力変換システムにおける電流の流れを示す図である。図７に示す時刻Ｔ４以降の電力変換システム２における電流の流れを太い実線の矢印で示す。電力変換部１８は、電動機５から供給される電力を変換し、変換された電力を、電路切替用接触器１５、断流器１４、蓄電装置用接触器１９、リアクトル２０、および蓄電装置用遮断器２１を介して蓄電装置２２に供給する。

電力変換システム２によれば、電力変換システム１と同様に、フィルタコンデンサ１７の電圧と蓄電装置２２の電圧とが一致するとみなせる程度に、フィルタコンデンサ１７の電圧を低減してから、回生電力で蓄電装置２２を充電するため、蓄電装置２２に過電流が流れることを抑制することが可能である。

電力変換システム１と同様に、電力変換システム２においても、制御部２３は、鉄道車両の速度が閾値速度以上の場合にのみ、上述の電圧平衡制御を行ってもよい。

直流電源から供給される電力によって蓄電装置２２を充電する場合は、制御部２３は、高速度遮断器１１、断流器１４、接触器ＣＵ２，ＣＶ２，ＣＷ２、および蓄電装置用遮断器２１を投入し、電路切替用接触器１５、蓄電装置用接触器１９、および接触器ＣＵ１，ＣＶ１，ＣＷ１を開放する。制御部２３が電力変換部１８を制御することで、電力変換部１８は、直流電源から供給される電力を変換し、変換した電力を第１電路を介して蓄電装置２２に供給する。この場合、リアクトルＬＵ，ＬＶ，ＬＷが電力変換部１８の出力電流を平滑化する。

蓄電装置２２に蓄電された電力で電動機５を駆動する場合は、制御部２３は、断流器１４、電路切替用接触器１５、蓄電装置用接触器１９、接触器ＣＵ１，ＣＶ１，ＣＷ１、および蓄電装置用遮断器２１を投入し、高速度遮断器１１、および接触器ＣＵ２，ＣＶ２，ＣＷ２を開放する。制御部２３が電力変換部１８を制御することで、電力変換部１８は、蓄電装置２２から供給される電力を変換し、変換した電力を電動機５に供給する。この場合、図９の太い実線の矢印と逆の方向に電流が流れる。

図１０は、実施の形態１に係る鉄道車両用電力変換システムが行う電圧平衡化および回生充電の動作の一例を示すフローチャートである。制御部２３は、力行指令が入力されている間は（ステップＳ１１；Ｙ）、ステップＳ１１の処理を繰り返す。制御部２３は、力行指令が入力されなくなると（ステップＳ１１；Ｎ）、電圧平衡制御を行う（ステップＳ１２）。フィルタコンデンサ１７の電圧と蓄電装置２２の電圧との電圧差が閾値電圧以下でない場合（ステップＳ１３；Ｎ）は、ステップＳ１３の処理を繰り返す。フィルタコンデンサ１７の電圧と蓄電装置２２の電圧との電圧差が閾値電圧以下である場合（ステップＳ１３；Ｙ）、ステップＳ１４の処理に進む。制御部２３は、電路切替部１３を制御して第２電路に切り替える（ステップＳ１４）。ブレーキ指令を取得していない場合は（ステップＳ１５；Ｎ）、ステップＳ１５の処理を繰り返す。ブレーキ指令を取得した場合は（ステップＳ１５；Ｙ）、制御部２３は、回生充電制御を行う（ステップＳ１６）。制御部２３は、例えば、鉄道車両速度が臨界速度以下となるまで、回生充電制御を行う。ステップＳ１６の処理が完了すると、電力変換システム１，２は、処理を終了する。

図１１は、実施の形態１に係る鉄道車両用電力変換システムが行う電圧平衡化および回生充電の動作の他の例を示すフローチャートである。ステップＳ１１〜Ｓ１６の処理は、図１０の例と同様である。制御部２３は、力行指令が入力されなくなり（ステップＳ１１；Ｎ）、鉄道車両が閾値速度以上である場合（ステップＳ１７；Ｙ）、電圧平衡制御を行う（ステップＳ１２）。力行指令が入力されなくなり（ステップＳ１１；Ｎ）、鉄道車両が閾値速度未満である場合（ステップＳ１７；Ｎ）、電力変換システム１，２は、処理を終了する。すなわち、回生電力による蓄電装置２２の充電は行われない。

以上説明したとおり、実施の形態１に係る電力変換システム１，２によれば、電力変換部１８から電動機５に励磁電流のみを流すことで、フィルタコンデンサ１７の電圧と蓄電装置２２の電圧とが一致するとみなせる程度に、フィルタコンデンサ１７の電圧を低減してから、回生電力で蓄電装置２２を充電するため、蓄電装置２２に過電流が流れることを抑制することが可能である。電力変換部１８から電動機５に励磁電流のみを流すことで、フィルタコンデンサ１７の電圧を低減するため、フィルタコンデンサ１７の電圧を低減するための回路を新たに設ける必要がない。そのため、構造を複雑化することなく、蓄電装置２２に過電流が流れることを抑制することが可能である。フィルタコンデンサ１７の電圧を低減する際には、電力変換部１８のスイッチング素子ＴＲＵ１，ＴＲＵ２，ＴＲＶ１，ＴＲＶ２，ＴＲＷ１，ＴＲＷ２の投入と開放とを切り替えるだけでよく、高速度遮断器１１、断流器１４、電路切替用接触器１５、蓄電装置用接触器１９、および蓄電装置用遮断器２１の操作は不要であるから、投入と開放とを繰り返すことによる機械寿命の短命化を抑制することが可能である。

（実施の形態２）
実施の形態２に係る電力変換システム１が行う電圧平衡化および回生充電について説明する。実施の形態２に係る電力変換システム１の構成は、図１に示す実施の形態１に係る電力変換システム１と同様である。図１２は、本発明の実施の形態２に係る鉄道車両用電力変換システムが行う電圧平衡化および回生充電の動作を示すタイミングチャートである。図の見方は、図２と同様である。時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの間の実施の形態２に係る電力変換システム１が有する制御部２３の制御は、図２の例と同様である。また時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの間の、電力変換システム１における電流の流れは、図３の例と同様である。

図１２に示す時刻Ｔ２において、力行指令が入力されなくなると、制御部２３は、高速度遮断器１１、電路切替部１３、蓄電装置用遮断器２１、および電力変換部１８を制御することでフィルタコンデンサ１７の電圧を低減させる電圧平衡制御を開始する。

電圧平衡制御について説明する。電圧平衡制御において、制御部２３は、高速度遮断器１１を開放し、電路切替部１３を第１電路に切り替える、すなわち、高速度遮断器１１および断流器１４を開放し、電路切替用接触器１５を投入する。その後、制御部２３は、蓄電装置用接触器１９および蓄電装置用遮断器２１を投入する。制御部２３は、電力変換部１８が有するスイッチング素子ＴＲＵ１，ＴＲＵ２，ＴＲＶ１，ＴＲＶ２，ＴＲＷ１，ＴＲＷ２を開放して、電力変換部１８を停止させる。これにより、フィルタコンデンサ１７から第１電路を通って、蓄電装置２２に電流が流れる。電圧平衡制御を行うことで、フィルタコンデンサ１７の電圧が低減し、図１２に示す電圧差も低減する。時刻Ｔ３以降、電圧差は閾値電圧以下である。

電圧平衡制御時の電流の流れについて説明する。図１３は、実施の形態２に係る鉄道車両用電力変換システムにおける電流の流れを示す図である。図１２に示す時刻Ｔ２から時刻Ｔ３までの間の、電力変換システム１における電流の流れを太い実線の矢印で示す。電力変換部１８が停止することで、フィルタコンデンサ１７から第１電路を通って、蓄電装置２２に電流が流れる。これにより、フィルタコンデンサ１７の電圧が低減する。

電圧平衡制御後における制御部２３の制御について説明する。図１２に示す時刻Ｔ３において、電圧差が閾値電圧以下となると、制御部２３は、断流器１４を投入し、電路切替用接触器１５を開放する。すなわち、制御部２３は、電路切替部１３を制御して第２電路に切り替える。その後、図１２に示す時刻Ｔ４において、制御部２３にはブレーキ指令が入力される。フィルタコンデンサ１７の電圧と蓄電装置２２の電圧との差が閾値電圧以下となった場合に、ブレーキ指令を取得すると、制御部２３は、電力変換部１８を制御することで、電動機５から供給される電力を第２電路を介して蓄電装置２２に供給する回生充電制御を開始する。上記制御により、電力変換部１８で変換された電力は、第２電路を介して蓄電装置２２に供給される。

実施の形態２に係る電力変換システム１によれば、フィルタコンデンサ１７から抵抗１６を介して蓄電装置２２に電流を流すことで、フィルタコンデンサ１７の電圧と蓄電装置２２の電圧とが一致するとみなせる程度に、フィルタコンデンサ１７の電圧を低減してから、回生電力で蓄電装置２２を充電するため、蓄電装置２２に過電流が流れることを抑制することが可能である。

実施の形態１と同様に、制御部２３は、鉄道車両の速度が閾値速度以上の場合にのみ、上述の電圧平衡制御を行ってもよい。直流電源から供給される電力によって蓄電装置２２を充電する場合、および、蓄電装置２２に蓄電された電力で電動機５を駆動する場合の制御部２３の動作は、実施の形態１に係る電力変換システム１と同様である。

実施の形態２に係る電力変換システム２が行う電圧平衡化および回生充電の動作について説明する。実施の形態２に係る電力変換システム２の構成は、図６に示す実施の形態１に係る電力変換システム２と同様である。図１４は、実施の形態２に係る鉄道車両用電力変換システムが行う電圧平衡化および回生充電の動作を示すタイミングチャートである。図の見方は、図７と同様である。時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの間の実施の形態２に係る電力変換システム２が有する制御部２３の制御は、図７の例と同様である。また時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの間の、電力変換システム２における電流の流れは、図８の例と同様である。

図１４に示す時刻Ｔ２において、力行指令が入力されなくなると、制御部２３は、高速度遮断器１１、電路切替部１３、蓄電装置用遮断器２１、および電力変換部１８を制御することでフィルタコンデンサ１７の電圧を低減させる電圧平衡制御を開始する。

電圧平衡制御において、制御部２３は、高速度遮断器１１を開放し、電路切替部１３を第１電路を通る状態に切り替える、すなわち、高速度遮断器１１および電路切替用接触器１５を開放する。その後、図７と同様に、制御部２３は、蓄電装置用接触器１９および蓄電装置用遮断器２１を投入する。制御部２３は、電力変換部１８が有するスイッチング素子ＴＲＵ１，ＴＲＵ２，ＴＲＶ１，ＴＲＶ２，ＴＲＷ１，ＴＲＷ２を開放して、電力変換部１８を停止させる。これにより、フィルタコンデンサ１７から第１電路を通って、蓄電装置２２に電流が流れる。電圧平衡制御を行うことで、フィルタコンデンサ１７の電圧が低減し、図１４に示す電圧差も低減する。時刻Ｔ３以降、電圧差は閾値電圧以下である。

電圧平衡制御時の電流の流れについて説明する。図１５は、実施の形態２に係る鉄道車両用電力変換システムにおける電流の流れを示す図である。図１４に示す時刻Ｔ２から時刻Ｔ３までの間の、電力変換システム２における電流の流れを太い実線の矢印で示す。電力変換部１８が停止することで、フィルタコンデンサ１７から第１電路を通って、蓄電装置２２に電流が流れる。これにより、フィルタコンデンサ１７の電圧が低下する。

電圧平衡制御後における制御部２３の制御について説明する。図１４に示す時刻Ｔ３において、電圧差が閾値電圧以下となると、制御部２３は、電路切替用接触器１５を投入する。すなわち、制御部２３は、電路切替部１３を制御して第２電路に切り替える。その後、図１４に示す時刻Ｔ４において、制御部２３にはブレーキ指令が入力される。フィルタコンデンサ１７の電圧と蓄電装置２２の電圧との差が閾値電圧以下となった場合に、ブレーキ指令を取得すると、制御部２３は、電力変換部１８を制御することで、電動機５から供給される電力を第２電路を介して蓄電装置２２に供給する回生充電制御を開始する。上記制御により、電力変換部１８で変換された電力は、第２電路を介して蓄電装置２２に供給される。時刻Ｔ４以降の電力変換システム２における電流の流れは、図９と同様である。

実施の形態２に係る電力変換システム２によれば、実施の形態２に係る電力変換システム１と同様に、フィルタコンデンサ１７から抵抗１６を介して蓄電装置２２に電流を流すことで、フィルタコンデンサ１７の電圧と蓄電装置２２の電圧とが一致するとみなせる程度に、フィルタコンデンサ１７の電圧を低減してから、回生電力で蓄電装置２２を充電するため、蓄電装置２２に過電流が流れることを抑制することが可能である。

電力変換システム１と同様に、電力変換システム２においても、制御部２３は、鉄道車両の速度が閾値速度以上の場合にのみ、上述の電圧平衡制御を行ってもよい。直流電源から供給される電力によって蓄電装置２２を充電する場合、および、蓄電装置２２に蓄電された電力で電動機５を駆動する場合の制御部２３の動作は、実施の形態１に係る電力変換システム２と同様である。

実施の形態２に係る電力変換システム１，２が行う回生充電の動作は、図１０、図１１の例と同様である。

以上説明したとおり、実施の形態２に係る電力変換システム１，２によれば、フィルタコンデンサ１７から抵抗１６を介して蓄電装置２２に電流を流すことで、フィルタコンデンサ１７の電圧と蓄電装置２２の電圧とが一致するとみなせる程度に、フィルタコンデンサ１７の電圧を低減してから、回生電力で蓄電装置２２を充電するため、蓄電装置２２に過電流が流れることを抑制することが可能である。フィルタコンデンサ１７から抵抗１６を介して蓄電装置２２に電流を流すことで、フィルタコンデンサ１７の電圧を低減する。抵抗１６は、直流電源で蓄電装置２２を充電するために既に設けられており、フィルタコンデンサ１７の電圧を低減するための回路を新たに設ける必要がない。そのため、構造を複雑化することなく、蓄電装置２２に過電流が流れることを抑制することが可能である。

本発明の実施の形態は上述の実施の形態に限られない。上述の回路構成は一例である。

本発明は、本発明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、この発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。すなわち、本発明の範囲は、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発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。

１，２ 鉄道車両用電力変換システム、３ 架線、４ 集電装置、５ 電動機、１１ 高速度遮断器、１２，２０，ＬＵ，ＬＶ，ＬＷ リアクトル、１３，２４ 電路切替部、１４ 断流器、１５ 電路切替用接触器、１６ 抵抗、１７ フィルタコンデンサ、１８ 電力変換部、１９ 蓄電装置用接触器、２１ 蓄電装置用遮断器、２２ 蓄電装置、２３ 制御部、ＣＵ１，ＣＵ２，ＣＶ１，ＣＶ２，ＣＷ１，ＣＷ２ 接触器、ＤＵ１，ＤＵ２，ＤＶ１，ＤＶ２，ＤＷ１，ＤＷ２ 還流ダイオード、ＴＲＵ１，ＴＲＵ２，ＴＲＶ１，ＴＲＶ２，ＴＲＷ１，ＴＲＷ２ スイッチング素子、Ｖ１，Ｖ２ 電圧検出器。

Claims (4)

1. 一次側から供給される電力を変換し、変換した電力を二次側に接続される電動機に供給し、または、前記電動機から供給される電力を変換し、変換した電力を前記一次側に供給する電力変換部と、
   前記電力変換部の前記一次側に接続されるフィルタコンデンサと、
   直流電源と前記電力変換部との間の電路を開閉する高速度遮断器と、
   前記高速度遮断器と前記電力変換部との間に設けられ、前記高速度遮断器と前記電力変換部との間の電路の切替または開放を行う電路切替部と、
   正極端子が前記高速度遮断器および前記電路切替部の接続点に接続され、負極端子が前記電力変換部の前記一次側の負極端子に接続される蓄電装置と、
   前記蓄電装置の前記正極端子と、前記高速度遮断器および前記電路切替部の接続点との間に設けられる蓄電装置用遮断器と、
   前記高速度遮断器、前記電路切替部、前記蓄電装置用遮断器、および、前記電力変換部を制御する制御部と、
   を備え、
   前記電路切替部は、抵抗を含む第１電路および前記抵抗を含まない第２電路の切替を行い、
   前記高速度遮断器が投入され、前記電路切替部の前記第２電路を通って前記電力変換部に電力が供給されていて、前記蓄電装置用遮断器が開放され、力行指令が入力されている状態から、該力行指令が入力されなくなった場合、前記制御部は、前記フィルタコンデンサの電圧を低減させる電圧平衡制御を行い、
   前記電圧平衡制御において、前記制御部は、前記高速度遮断器を開放した後に、前記蓄電装置用遮断器を投入し、前記電路切替部、および前記電力変換部を制御し、
   前記電圧平衡制御によって、前記フィルタコンデンサの電圧と前記蓄電装置の電圧との差が閾値電圧以下になった場合に、前記制御部は、前記電路切替部を制御して前記第２電路に切り替え、
   前記第２電路に切り替えた後にブレーキ指令を取得すると、前記制御部は、前記電力変換部を制御することで、前記電動機から供給される電力を前記第２電路を介して前記蓄電装置に供給する回生充電制御を行う、
   鉄道車両用電力変換システム。
2. 前記電圧平衡制御において、前記制御部は、前記高速度遮断器および前記電路切替部を開放した後に、前記蓄電装置用遮断器を投入し、前記電力変換部を制御して前記電力変換部から前記電動機に励磁電流のみを供給させる、
   請求項１に記載の鉄道車両用電力変換システム。
3. 前記電圧平衡制御において、前記制御部は、前記高速度遮断器を開放した後に、前記蓄電装置用遮断器を投入し、前記電力変換部の動作を停止させ、前記電路切替部を制御して前記第１電路を通る状態に切り替えて、前記フィルタコンデンサから前記第１電路を介して前記蓄電装置に電流を流す、
   請求項１に記載の鉄道車両用電力変換システム。
4. 前記制御部は、前記電動機によって駆動される鉄道車両の速度を取得し、
   前記制御部は、前記速度が閾値速度以上である場合に、前記電圧平衡制御を行う、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の鉄道車両用電力変換システム。

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