KR101653866B1 - 축전 장치를 탑재한 전력 변환 장치 - Google Patents

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마사따까 아야따
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Abstract

본 발명의 과제는, 인버터 회로 및 DC-DC 변환 회로를 접속하는 직류부의 공진 동작, DC-DC 변환 회로의 스위칭 시에 발생하는 서지 전압, 상간에 있어서의 부하 전류의 언밸런스를 억제하고, 또한, 인버터 회로 및 DC-DC 변환 회로의 안정 제어를 실현하는 것이다. 전력 변환 장치를 구성하는 인버터 회로 및 DC-DC 변환 회로를, 공통화한 직류 입력측의 캐패시터와 함께 동일 유닛으로 구성함으로써, 인버터 회로 및 DC-DC 변환 회로간의 배선 인덕턴스 및 각 상간의 회로 인덕턴스의 편차를 작게 한다.

Description

축전 장치를 탑재한 전력 변환 장치{POWER CONVERSION DEVICE HAVING ELECTRIC STORAGE DEVICE}
본 발명은 축전 장치를 탑재한 전력 변환 장치의 시스템 구성에 관한 것으로서, 특히, 직류를 교류로 변환하는 인버터 장치와, 이 인버터 장치에 병렬 접속되어 제1 직류 전압을 제2 직류 전압으로 변환하는 DC-DC 변환 장치와, 축전 장치를 구비하는 전력 변환 장치의 구성 방법에 관한 것이다.
산업계에서 널리 사용되고 있는 인버터 장치에서는, 펄스 폭 변조(PWM) 방식을 이용한 가변 전압 가변 주파수(VVVF) 제어에 의해 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 방식이 널리 이용되고 있다.
예를 들어, 철도 차량의 분야에서는, VVVF 인버터 장치를 사용하여 전동기를 구동함으로써 차량을 가속시킴과 함께, 브레이크 시에 전동기를 발전기로서 동작시킴으로써 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하고, 가공 전차선(이하,「가선」이라 함)으로 복귀시키는 회생 브레이크 제어가 널리 이용되고 있다.
또한, 최근에 축전 장치를 응용하여 회생 브레이크에 의해 얻어지는 회생 전력을 유효 활용하여, 더욱 에너지 절약화를 실현시키는 기술이 검토·실용화되고 있다.
예를 들어, 선행기술문헌으로서 기재한 특허문헌 1, 2에는, 인버터 장치의 입력측에 축전 장치를 병렬로 접속하고, 회생 에너지를 축전하여 유효 이용함으로써, 차량을 고효율로 운전하는 기술이 개시되어 있다.
종래 기술로서, 앞선 특허문헌 1에 기재된 전력 변환 장치를, 도 6에 도시한다.
도 6에 있어서, 참조 부호 1은 직류 전차선, 참조 부호 2는 집전 장치, 참조 부호 3은 접촉기, 참조 부호 4는 리액터, 참조 부호 5 및 8은 캐패시터, 참조 부호 6은 인버터 회로, 참조 부호 7은 전동기, 참조 부호 9는 DC-DC 변환 회로, 참조 부호 11은 축전 장치, 참조 부호 21은 인버터 회로 유닛, 참조 부호 22는 DC-DC 변환 회로 유닛, 참조 부호 31은 저항, 참조 부호 32는 스위칭 소자이다.
여기서, 인버터 회로(6) 및 DC-DC 변환 회로(9)는 일반적으로 전력용 반도체 소자를 사용한 스위칭 소자로 구성된다. PWM 방식에 의한 전력 변환에서는, 스위칭 소자의 스위칭 동작에 의해 직류 전력을 교류 전력으로 변환하지만, 이 전력 변환 시에, 고조파 왜곡이 발생하므로, 인버터 회로(6)에 의한 고조파 왜곡은, 리액터(4)와 캐패시터(5)를 포함하여 이루어지는 필터 회로에서 흡수함과 함께, DC-DC 변환 회로(9)에 의한 고조파 왜곡은, 리액터(4)와 캐패시터(8)를 포함하여 이루어지는 필터 회로에서 흡수하는 구성으로 함으로써, 직류 전차선(1)에의 고조파 왜곡의 유입을 방지하고 있다. 또한, 저항(31)과 스위칭 소자(32)는 캐패시터의 전하를 방전시키기 위한 방전 회로를 구성한다.
상기 전력 변환 장치는, 차량을 가속하는 역행 시에, 직류 전차선(1)으로부터 집전 장치(2)를 통하여 직류 전력을 입력하고, 접촉기(3)와 리액터(4), 캐패시터(5)를 통해 인버터 회로(6)에 전력을 공급한 후, 인버터 회로(6)에서 직류 전력을 3상 교류 전력으로 변환함으로써 전동기(7)를 구동하고, 차량을 가속시킨다.
또한, 차량을 감속하는 회생 브레이크 시에, 전동기로부터 발생하는 회생 전력을 상기 역행 시와 동일 경로에 의해 직류 전차선으로 전력을 복귀시킴으로써, 상기 회생 전력은, 동일 선로상의 다른 차량의 역행 전력으로서 사용된다. 한편, 전술한 회생 브레이크 시에 있어서, 동일 선로상에서 역행하는 전차가 부족한 상태이어도, 전동기(7)로부터 발생한 회생 전력을 축전 장치(11)에 의해 흡수함으로써 회생 브레이크를 연속 동작시키고, 회생 전력을 전부 복귀시킬 수 없는 회생 실효의 횟수를 저감시켜 전력을 유효하게 이용할 수 있는 장치 구성으로 하고 있다. 이 경우, 회생 전력은, 전동기(7)로부터 인버터 회로(6)와 캐패시터(5), 캐패시터(8), DC-DC 변환 회로(9)를 통해 축전 장치(11)에 축전된다. 여기서, 축전 장치(11)에 충전되는 전력은, DC-DC 변환 회로(9)에 의해 제어된다.
또한, 축전 장치(11)에 축전된 전력은, 상기 축전 장치(11)의 충전 시와 동일 경로에 의해 방전되고, 역행 시에 차량을 가속하기 위한 전력으로서 사용됨과 함께, 직류 전차선(1)이 정전되는 등으로 전력 공급을 받을 수 없는 경우에, 차량을 역사까지 긴급 주행시키기 위한 전력으로서도 활용할 수 있다.
선행기술문헌으로서 기재한 특허문헌 2에서는, 도 7에 도시한 바와 같이, DC-DC 변환 회로(9)가 인버터 회로(6)와 접속되는 측의 직류 입력부에 병렬로 캐패시터[도 6에 도시하는 캐패시터(8)에 상당]가 접속되지 않고, 인버터 회로(6)의 입력부에 병렬로 접속된 캐패시터(5)를 공용하는 구성으로 되어 있다. 본 구성에서는, 후술하는 바와 같이 인버터 회로(6)와 DC-DC 변환 회로(9)의 사이의 배선 인덕턴스(23)의 영향에 의해, DC-DC 변환 회로(9)의 스위칭 소자(10)의 서지 전압이 과대해지는 과제가 있다.
또한, 선행기술문헌으로서 예를 든 특허문헌 3에는, 특허문헌 2와 마찬가지로, 인버터 회로와 DC-DC 변환 회로의 캐패시터를 공용하고 있지만, 스위칭 소자의 서지 전압이 전원 전압에 중첩되는 것을 방지하기 위해, 버스 바(bus bar)의 분할이 필요하다. 또한, 상간(相間)에서 전원 전극의 취출 위치까지의 거리에 차이가 있기 때문에, 상간에서 회로의 인덕턴스가 상이하여, 스위칭 시의 서지 전압에의 영향이나, 상간의 전류 언밸런스로 이어지는 과제가 있다.
일본 특허 공개 제2012-186947호 공보 일본 특허 공개 제2009-89503호 공보 일본 특허 공개 제2008-199788호 공보
이들 선행기술문헌으로서 기재한 특허 문헌에 나타난 회로에는, 이하에 나타내는 바와 같이, 크게 3개의 과제가 있다.
첫번째로, 인버터 회로와 DC-DC 변환 회로와의 사이의 접속은, 유닛간의 접속으로 되므로, 일반적으로는 전선을 사용하여 행해진다. 이로 인해, 특허문헌 1에 개시되는 구성에서는, 인버터 회로와 DC-DC 변환 회로를 접속하는 전선의 배선 인덕턴스와, DC-DC 변환 회로에 병렬 접속되는 캐패시터와의 사이에서 공진 현상을 일으킬 가능성이 있다. 특히, 철도 차량용으로 사용되는 캐패시터의 용량은 수천μF의 오더이며, 인버터 회로와 DC-DC 변환 회로와의 사이를 전선으로 접속하면, 이 캐패시터의 정전 용량 및 배선(전선)의 인덕턴스에 의해 결정되는 공진 주파수가, 인버터나 DC-DC 변환 회로의 스위칭 동작 주파수에 접근하여, 인버터 회로와 DC-DC 변환 회로를 접속하는 직류부의 전류, 전압이 공진하는 경우가 있다. 이 공진 동작이 발생하면, 직류 스테이지에서 과전류·과전압으로 될 가능성 및 인버터 회로 또는 DC-DC 변환 회로의 출력측에서 과전류로 될 가능성이 있다.
한편, 특허문헌 2에 개시되는 바와 같이, DC-DC 변환 회로가 인버터 회로와 접속되는 측의 직류부에 있어서, 바로 근처에 병렬 접속되는 캐패시터를 갖지 않는 구성으로 하면, DC-DC 변환 회로의 스위칭 시에 발생하는 서지 전압이, 배선 인덕턴스의 영향에 의해 과대해져, DC-DC 변환 회로의 스위칭 소자가 파괴될 가능성이 있다. 이로 인해, 인버터 회로와 DC-DC 변환 회로를 각각의 유닛에 의해 전선으로 접속한 경우에는, DC-DC 변환 회로와 병렬로 접속되는 캐패시터를 없애는 것이 어렵다.
또한, 특허문헌 3에 기재되는 바와 같은, 버스 바를 분할한 구성으로 하면, 버스 바로부터 캐패시터까지의 배선 길이의 영향으로 배선 인덕턴스가 증가하거나, 이 문헌에 나타내는 바와 같은 스위칭 소자의 배치 구성에서는, 상간에서 전원 전극의 취출 위치까지의 거리에 차이가 있으므로, 상간에서 회로의 인덕턴스가 상이하여, 상간에 있어서의 스위칭 시의 서지 전압이나 부하 전류의 언밸런스로 이어진다.
두번째로, 전력 변환 장치 내의 캐패시터는, 그 용적과 중량이 커서, 차량 바닥 하부의 의장의 제약 등으로부터, 불필요하게 대수를 증가시키는 등으로 대형화하는 것은 바람직하지 않다. 또한, 스위칭 소자는, 그 스위칭 동작에 의한 발열을 냉각하기 위해 냉각기 상에 실장되지만, 인버터용의 스위칭 소자를 실장하는 냉각기 및 DC-DC 변환 회로를 실장하는 냉각기를 분할하여 2유닛분의 냉각기로서 채용하는 것은, 기기의 대형화를 초래하게 되어 바람직하지 않다. 이로 인해, 대수가 적고 공통화할 수 있는 부분은 공통화하는 것이 바람직하다.
세번째로, 제어 동작의 면에서 보면, 인버터 회로 및 DC-DC 변환 회로에서 캐패시터를 각각 설치하여 그 전압을 검출하여 제어 동작을 행하는 경우에는, 각각의 캐패시터의 전압값에 차가 발생한다. 또한, 센서를 각각 설치하고 있는 경우에는, 센서의 검출 오차의 영향으로 검출하는 전압값에 차분이 생긴다. 그리고, 또한 인버터 회로 및 DC-DC 변환 회로에서 공통의 캐패시터를 갖고 그 전압을 검출하여 제어 동작을 행하는 경우에도, 인버터 회로와 DC-DC 변환 회로와의 배선이 길어지면, 각각에 있어서 검출하는 캐패시터의 전압에 차분이 생기는 경우가 있다. 이와 같은 캐패시터 전압의 차분에 의해, 제어 동작에 문제가 생기는 경우가 있다.
예를 들어, 특허문헌 1이나 특허문헌 2의 구성에 있어서, 스위칭 신호의 상 및 주회로 각(各) 상(相)의 출력 배선을, 인버터 회로의 각 상이나 DC-DC 변환 회로의 상과의 사이에서 절환 가능하게 해 두면, 인버터 회로에 1상이 고장났을 때 등에 DC-DC 변환 회로의 상을 인버터의 1상으로서 대용하여, 차량을 계속 주행할 수 있도록 용장성을 갖게 할 수 있다. 단, 이 경우에서도 먼저 나타낸 캐패시터 전압의 차분에 의해, 인버터의 출력 제어 전압이 상간에서 언밸런스로 되어 유도 장해의 요인으로 되거나, 인버터 부하가 전동기의 경우에는 토크 변동의 요인으로 될 수 있다.
또한, 외부에 급전 설비를 설치하여 축전 장치를 충전하는 방식을 이용하는 경우에는, 충전 효율이 저하되거나 안정적인 제어가 곤란해지는 경우가 있다.
상기한 과제를 해결하기 위해 본 발명은 제1 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 제1 전력 변환 수단과, 제1 전력 변환 수단의 교류측에 접속되는 교류 부하와, 제1 직류 전력을 그 전압 레벨과 상이한 전압 레벨의 제2 직류 전력으로 변환하는 제2 전력 변환 수단과, 제1 전력 변환 수단 및 제2 전력 변환 수단이 제1 직류 전력을 받는 측에 공통으로 접속되는 제1 캐패시터와, 제2 전력 변환 수단에 의해 변환되는 제2 직류 전력을 축전하는 축전 수단과, 제2 전력 변환 수단과 축전 수단과의 사이에 설치되는 제1 리액터와, 축전 수단에 병렬 접속되는 제2 캐패시터를 구비하고, 제1 전력 변환 수단, 제2 전력 변환 수단 및 제1 캐패시턴스를 동일 유닛 내에서 일체 구성으로 집약하여, 제1 전력 변환 수단과 제2 전력 변환 수단과의 사이의 배선 인덕턴스를 작게 하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치이다.
또한, 배선 인덕턴스를 작게 하기 위해, 버스 바 구성에 의해 제1 전력 변환 수단, 제2 전력 변환 수단 및 제1 캐패시턴스를 동일 유닛 내에서 구성하고, 제1 캐패시터와 제1 및 제2 전력 변환 수단을 버스 바에 의해 최단 경로로 접속하고, 정극 전원용 버스 바 및 부극 전원용 버스 바는, 절연을 확보한 후에 균일 거리에서 중첩되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 제1 리액터와 축전 수단과의 사이에 차단기를 설치하고, 축전 수단 및 차단기의 직렬 회로를 제2 캐패시터와 병렬로 접속하고, 제2 캐패시터와 병렬로 제1 저항을 접속하고, 제1 캐패시터의 방전을, 제2 전력 변환 수단 및 제1 저항을 개재하여 행하도록 해도 된다.
또한, 제1 캐패시터와 병렬로 접속된 스위치 수단 및 저항의 직렬 회로를 포함하여 이루어지는 방전 회로를 상기 동일 유닛 내에 설치하도록 구성해도 된다.
또한, 제1 전력 변환 수단의 교류측에, 교류 부하 및 외부 급전 설비를 절환 접속하는 절환기를 설치하고, 이 절환기의 절환에 의해 제1 전력 변환 수단의 교류측에 외부 급전 설비가 접속되는 경우에는, 이 외부 급전 설비로부터 급전되는 전력이 제1 전력 변환 수단 및 제2 전력 변환 수단을 개재하여 축전 수단을 충전하도록 구성해도 된다.
본 발명에 따르면, 인버터 회로와 DC-DC 변환 회로가 병렬 접속되는 직류부의 공진 현상을 방지할 수 있다.
또한, 인버터 회로 및 DC-DC 변환 회로의 배선 인덕턴스를 작게 구성함으로써, 스위칭 소자의 동작 시의 서지 전압을 억제하는 것이나 상간 언밸런스를 저감시킬 수 있다.
그리고, 또한 캐패시터의 대수 삭감, 냉각기의 소형화에 의해, 시스템 전체의 장치 소형화를 할 수 있어 경제적이다. 또한, 캐패시터의 공통화에 의해, 고장 시의 긴급 운전에 있어서도 인버터의 제어 전압의 상간 언밸런스를 방지할 수 있어, 신뢰성이 있는 시스템으로 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 전력 변환 장치의 주회로의 구성예를 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 도 1에 도시한 일체 유닛의 기기 구성예를 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예 2에 따른 전력 변환 장치의 주회로의 구성예를 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예 3에 따른 전력 변환 장치의 주회로의 구성예를 도시하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예 4에 따른 전력 변환 장치의 주회로의 구성예를 도시하는 도면이다.
도 6은 종래의 전력 변환 장치의 주회로 구성예를 도시하는 도면이다.
도 7은 종래의 전력 변환 장치의 다른 주회로 구성예를 도시하는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대해 도면을 이용하여 설명한다.
실시예 1
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 전력 변환 장치의 주회로의 구성예를 도시하는 도면이다.
도 1의 전력 변환 장치에 있어서, 참조 부호 1은 직류 전차선, 참조 부호 2는 집전 장치, 참조 부호 3은 접촉기, 참조 부호 4는 리액터, 참조 부호 20은 인버터 회로(6)와 DC-DC 변환 회로(9)와의 일체 유닛, 참조 부호 7은 전동기, 참조 부호 11은 축전 장치, 참조 부호 12는 축전 장치(11)와 병렬로 접속되는 캐패시터, 참조 부호 13은 리액터이다. 인버터 회로(6)와 DC-DC 변환 회로(9)와의 일체 유닛(20) 내(도면 중에서, 점선 프레임으로 둘러싸인 부분)에 있어서, 참조 부호 5는 캐패시터, 참조 부호 10a, 10b는 DC-DC 변환을 행하기 위한 스위칭 소자이다. 또한, 인버터 회로(6) 및 DC-DC 변환 회로(9)의 배선에 포함되는 인덕턴스를 배선 인덕턴스(23)로서 나타내고 있다. 참조 부호 31은 저항, 참조 부호 32는 스위칭 소자이며, 캐패시터(5) 및 캐패시터(12)의 전하를 방전시키기 위한 방전 회로를 구성한다.
도 1의 동작예로서, 먼저 차량이 회생 브레이크에 의해 감속하는 경우에 대해 설명한다.
회생 브레이크에 의해 전동기(7)로부터 발생하는 회생 전력은, 인버터 회로(6)와 캐패시터(5), 리액터(4), 접촉기(3)를 통해 집전 장치(2)로부터 직류 전차선(1)으로 출력된다. 그러나, 예를 들어 변전소가 이 회생 전력을 흡수할 수 없는 경우나 동일 궤도상에 역행 차량이 존재하지 않아 이 회생 전력을 소비할 수 없는 경우 등에는, 이 회생 전력은, 인버터 회로(6) 및 캐패시터(5)로부터 DC-DC 변환 회로(9), 리액터(13), 캐패시터(12)를 통해 축전 장치(11)에 충전된다.
한편, 차량이 가속 동작을 하는 역행(力行) 시에는, 직류 전차선(1)으로부터 집전 장치(2), 접촉기(3), 리액터(4)를 통해, 캐패시터(5) 및 인버터 회로(6)에 역행 전력이 공급되어, 전동기(7)를 구동한다. 또한, 이와 동시에, 축전 장치(11)로부터도 역행 전력이 방전되고, 캐패시터(12), 리액터(13), DC-DC 변환 회로(9)를 통해 이 역행 전력이, 캐패시터(5) 및 인버터 회로(6)에 공급된다.
이 도 1의 회로에 있어서, 캐패시터(5)를 포함하는 인버터 회로(6)와 DC-DC 변환 회로(9)를 일체 유닛(20)(도면 중에서, 점선 프레임으로 둘러싸인 부분)으로 구성함으로써, 인버터 회로(6)와 DC-DC 변환 회로(9)와의 배선을 짧게 할 수 있어, 인버터 회로(6)와 DC-DC 변환 회로(9)와의 배선에 포함되는 배선 인덕턴스(23)도 작게 할 수 있다. 일체 유닛(20)에 대해, 이 배선 인덕턴스(23)를 작게 하기 위한 기기 구성예를 도 2에 도시한다.
도 2는 DC-DC 변환 회로(9)나 인버터 회로(6)로 대표되는 전력 변환 장치를 일체 구성으로 집약하여 동일 유닛화한 기기 구성예이다. 참조 부호 101은 전력 변환 장치의 캐패시터, 참조 부호 102는 스위칭 소자를 설치한 기판, 참조 부호 103 및 104는 버스 바를 나타내고 있다. 여기서, 도 2의 캐패시터(101)는 도 1의 캐패시터(5)에 상당하고, 도 2의 기판(102)에 설치한 스위칭 소자는, 도 1의 DC-DC 변환 회로(9)를 구성하는 스위칭 소자(10a, 10b)와 인버터 회로(6)를 구성하는 스위칭 소자에 상당한다. 그들을 버스 바에 의해 배선 접속하여 일체 유닛(20)으로서 구성한 것이, 도 2에 도시하는 구성예이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 캐패시터(101)와 스위칭 소자를 설치한 기판(102)을 바로 근처에 배치하는 구성으로 하여, 최단 경로로 버스 바에 의해 접속하고, 또한, 전원의 정극용의 버스 바(103) 및 부극용의 버스 바(104)를 절연을 확보한 후에 중첩 구성한다. 이에 의해, 도 1에 있어서의 배선 인덕턴스(23)를 포함한 스위칭 회로의 인덕턴스를, 인버터 회로와 동일한 값 정도로 작게 할 수 있다.
이에 의해, 인버터 회로(6) 및 DC-DC 변환 회로(9)를 각각의 유닛으로 구성하여 전선으로 접속한 경우에 비하면, 인버터 회로(6) 및 DC-DC 변환 회로(9) 사이의 배선 인덕턴스(23) 및 스위칭 소자를 포함한 회로의 인덕턴스를, 수십∼수백분의 1로 저감시킬 수 있다. 따라서, 캐패시터(5) 및 배선 인덕턴스(23)에 의한 공진 주파수를, 인버터 회로(6) 및 DC-DC 변환 회로(9)의 동작 주파수보다도 훨씬 높은 주파수로 설정할 수 있다.
이로 인해, 앞서 설명한 바와 같은 회생 브레이크 시나 역행 동작 시에 스위칭 동작하는 인버터 회로(6) 및 DC-DC 변환 회로(9)에 있어서, 이들 스위칭 동작 주파수에 대해 회로의 공진 주파수가 충분히 높아, 인버터 회로(6) 및 DC-DC 변환 회로(9)가 접속되는 직류부의 전류나 전압의 공진을 방지할 수 있다.
또한, 회로의 인덕턴스를 작게 한 것으로, DC-DC 변환 회로(9)의 스위칭 소자(10a, 10b)가 스위칭할 때에 발생하는 서지 전압도 억제할 수 있어, 서지 전압의 전원 회로에의 중첩도 적어지는 효과가 있다.
또한, 인버터 회로(6)와 DC-DC 변환 회로(9)와의 사이의 배선 인덕턴스(23)를 작게 한 것에 의해, 캐패시터의 공용화를 할 수 있다. 이 캐패시터의 공용화에 의한 대수 삭감, 냉각기의 소형화에 의해, 시스템 전체의 장치 소형화가 도모되어 경제적이다.
그리고, 또한 캐패시터의 공통화 및 캐패시터의 전압 센서를 공통으로 하여 제어에 사용함으로써, 예를 들어 인버터 1상이 고장난 경우에, DC-DC 변환 회로의 상을 인버터의 1상분으로서 동작시킬 수 있다. 그리고 이 경우에도, 출력 제어 전압값은 공통화되어, 인버터의 제어 전압의 상간 언밸런스를 방지할 수 있다.
실시예 2
도 3은 본 발명의 실시예 2에 따른 전력 변환 장치의 주회로의 구성예를 도시하는 도면이다.
도 3의 전력 변환 장치에 있어서, 도 1의 실시예 1에서 나타낸 구성과 상이한 부분을 이하에 설명한다.
도 3에 있어서, 캐패시터(12)가 축전 장치(11)와 접속되는 측에, 이 축전 장치(11)와 직렬로 차단기(14)를 설치함과 함께, 캐패시터(12)와 병렬로 저항(15)을 설치하고 있는 점이 상이하다. 또한, 도 1에 도시하는, 저항(31) 및 스위칭 소자(32)를 포함하여 이루어지는 방전 회로를 생략하고 있다.
이 회로 구성은, 일체 유닛(20) 내의 캐패시터(5)를 방전시키고자 하는 경우에, 차단기(14)를 개방한 후, DC-DC 변환 회로(9) 중의 상부 아암측의 스위칭 소자(10a)를 온시킨다. 이에 의해, 캐패시터(5)로부터 DC-DC 변환 회로(9) 중의 상부 아암 스위칭 소자(10a), 리액터(13), 저항(15)을 지나는 경로에 의해, 캐패시터(5)를 지나는 폐회로가 구성되고, 캐패시터(5)의 방전 회로로서 사용할 수 있다.
이 회로 구성에 의해, 캐패시터(5)를 포함하는 인버터 회로(6)와 DC-DC 변환 회로(9)와의 일체 유닛(20)의 외부의 정극과 부극간에, 도 1에 도시하는, 저항(31) 및 스위칭 소자(32)를 설치하여 방전 회로를 구성하는 경우에 비해, 이 방전용의 스위칭 소자 1개분을 생략할 수 있어, 장치를 소형화할 수 있다.
실시예 3
도 4는 본 발명의 실시예 3에 따른 전력 변환 장치의 주회로의 구성예를 도시하는 도면이다.
도 4의 전력 변환 장치에 있어서, 도 1의 실시예 1에서 나타낸 구성과 상이한 부분을 이하에 설명한다.
도 1에 도시한 회로 구성에 대해, 본 구성은, 캐패시터(5)를 포함하는 인버터 회로(6)와 DC-DC 변환 회로(9)와의 일체 유닛(20)의 내에, 캐패시터(5)와 병렬로, 저항(31) 및 스위칭 소자(32)의 직렬 회로를 설치하고 있다.
저항(31) 및 스위칭 소자(32)의 직렬 회로는, 캐패시터(5) 및 캐패시터(12)의 방전을 행하기 위한 방전 회로이다. 이 방전 회로를, 캐패시터(5)를 포함하는 인버터(6)와 DC-DC 변환 회로(9)와의 일체 유닛(20)에 실장함으로써, 이 방전 회로까지의 배선 인덕턴스가 저감된다. 이로 인해, 캐패시터(5) 및 캐패시터(12)의 방전을 순식간에 행할 수 있어, 캐패시터의 과전압 보호 등으로 순식간에 방전하고자 하는 경우에 보다 빨리 방전 동작을 행하는 것이 가능하게 된다.
실시예 4
도 5는 본 발명의 실시예 4에 따른 전력 변환 장치의 주회로의 구성예를 도시하는 도면이다.
도 5의 전력 변환 장치에 있어서, 도 1의 실시예 1에서 나타낸 구성과 상이한 부분을 이하에 설명한다.
도 1에 도시한 회로 구성에 대해, 본 구성은, 인버터 회로(6)의 3상 교류 출력측에 절환기(41)를 설치하고, 이 절환기(41)의 출력측을, 전동기(7) 또는 외부 급전 결선부(42)와 접속한다. 이 외부 급전 결선부(42)는 역 구내, 차량 기지 등에 구비된 외부 급전 설비(43)로부터의 전력을 수취하는 부분이다.
이 구성에서는, 축전 장치(11)를 외부로부터 충전하는 경우, 절환기(41)를 외부 급전 설비(43)와 접속되는 측으로 절환하고, 외부 급전 설비(43)로부터 급전된 전력은, 외부 급전 결선부(42)를 통하여 인버터 회로(6)에 수전된다. 인버터 회로(6)는 수전한 3상 교류 전력을 직류 전력으로 변환하고, 캐패시터(5)를 충전한다. 인버터 회로(6)를 동작시켜 캐패시터(5)를 충전한 상태에서, DC-DC 변환 회로(9)를 동작시키면 축전 장치(11)를 충전할 수 있다.
이때, 도 5에서 도시하는 구성과 같이, 캐패시터(5)를 포함하는 인버터 회로(6)와 DC-DC 변환 회로(9)를 일체 유닛(20)으로 하여, 인버터 회로(6) 및 DC-DC 변환 회로(9)의 접속 부분의 배선을 짧게 하여 인덕턴스를 작게 한다. 이와 같이, 인버터 회로(6) 및 DC-DC 변환 회로(9)가 접속되는 캐패시터(5)를 공통으로 취급함으로써, 인버터 회로(6)가 캐패시터(5)의 충전 제어를 행하기 위해 검지하는 캐패시터(5)의 전압값과, DC-DC 변환 회로(9)가 축전 장치(11)를 충전 제어하기 위해 검지하는 캐패시터(5)의 전압값을 동일하게 할 수 있다.
이에 의해, 외부 급전 설비(43)로부터의 축전 장치(11)에의 충전 제어에 의한 손실을 저감시킬 수 있고, 또한, 제어 오차를 작게 함으로써 안정적으로 충전 제어하는 것이 가능하게 된다.
1 : 직류 전차선
2 : 집전 장치
3 : 접촉기
4, 13 : 리액터
5, 8, 12, 101 : 캐패시터
6 : 인버터 회로
7 : 전동기
9 : DC-DC 변환 회로
10a, 10b, 32 : 스위칭 소자
11 : 축전 장치
14 : 차단기
15, 31 : 저항
20 : 캐패시터를 포함하는 인버터 회로와 DC-DC 변환 회로와의 일체 유닛
21 : 인버터 회로 유닛
22 : DC-DC 변환 회로 유닛
23 : 배선 인덕턴스
41 : 절환기
42 : 외부 급전 결선부
43 : 외부 급전 설비
102 : 스위칭 소자를 설치한 기판
103, 104 : 버스 바

Claims (7)

  1. 직류 전차선으로부터 얻을 수 있는 제1 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 제1 전력 변환 수단과,
    상기 제1 전력 변환 수단의 교류측에 접속되는 교류 부하와,
    상기 제1 직류 전력을 그 전압 레벨과 상이한 전압 레벨의 제2 직류 전력으로 변환하는 제2 전력 변환 수단과,
    상기 제1 전력 변환 수단 및 상기 제2 전력 변환 수단이 상기 제1 직류 전력을 받는 측에 공통으로 접속되는 제1 캐패시터와,
    상기 제2 전력 변환 수단에 의해 변환되는 상기 제2 직류 전력을 축전하는 축전 수단과,
    상기 제2 전력 변환 수단과 상기 축전 수단과의 사이에 설치되는 제1 리액터와,
    상기 축전 수단에 병렬 접속되는 제2 캐패시터를 구비하고,
    상기 제1 전력 변환 수단, 상기 제2 전력 변환 수단 및 상기 제1 캐패시터를 동일 유닛 내에서 일체 구성으로 집약하여, 상기 제1 전력 변환 수단과 상기 제2 전력 변환 수단과의 사이의 배선 인덕턴스를 작게 하고,
    상기 제1 리액터와 상기 축전 수단과의 사이에 차단기를 설치하고, 상기 축전 수단 및 상기 차단기의 직렬 회로를 상기 제2 캐패시터와 병렬로 접속하고,
    또한, 상기 제2 캐패시터와 병렬로 제1 저항을 접속하고,
    상기 제1 캐패시터의 방전을 행하는 경우에는, 상기 차단기를 개방한 후에, 상기 제2 전력 변환 수단의 상부 아암측 스위칭 소자를 온 시켜서, 상기 제2 전력 변환 수단 및 상기 제1 저항을 지나는 경로를 방전 회로로서 상기 제1 캐패시터의 방전을 행하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전력 변환 수단, 상기 제2 전력 변환 수단 및 상기 제1 캐패시터를, 버스 바 접속에 의해 상기 동일 유닛 내에서 일체 구성으로 집약하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 버스 바 접속에 의해 상기 제1 전력 변환 수단, 상기 제2 전력 변환 수단 및 상기 제1 캐패시터를 최단 경로로 접속하고,
    정극 전원용 버스 바 및 부극 전원용 버스 바를, 절연을 확보한 후에 균일 거리에서 중첩 구성하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 전력 변환 장치의 전압 검출 및 상기 제2 전력 변환 장치의 전압 검출을 상기 제1 캐패시터의 전압을 검출함으로써 공통화하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 전력 변환 수단의 교류측에, 상기 교류 부하 및 외부 급전 설비를 절환 접속하는 절환기를 설치하고,
    상기 절환기의 절환에 의해 상기 제1 전력 변환 수단의 교류측에 상기 외부 급전 설비가 접속되는 경우에는, 상기 외부 급전 설비로부터 급전되는 전력이 상기 제1 전력 변환 수단 및 상기 제2 전력 변환 수단을 개재하여 상기 축전 수단을 충전하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
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