WO2008018131A1

WO2008018131A1 - Power converter and controller using such power converter for electric rolling stock

Info

Publication number: WO2008018131A1
Application number: PCT/JP2006/315760
Authority: WO
Inventors: Hidetoshi Kitanaka
Original assignee: Mitsubishi Electric Corporation
Priority date: 2006-08-09
Filing date: 2006-08-09
Publication date: 2008-02-14
Also published as: EP2051358A1; JP4440936B2; CN101501973B; EP2051358A4; KR101003657B1; US7977819B2; KR20090007630A; CA2657758C; CN101501973A; US20090322148A1; JPWO2008018131A1; CA2657758A1

Description

明細書

電力変換装置およびこの電力変換装置を用いた電気車の制御装置技術分野

[0001] この発明は、電源から受電した電力と、直流電力を貯蔵できる電力貯蔵部力の電力を併用してインバータにより負荷に電力を供給する電力変換装置、およびこの電力変換装置を用いた電気車の制御装置に関するものである。

背景技術

[0002] 近年、電気車の制御装置へ二次電池'電気二重層キャパシタ等からなる電力貯蔵素子を適用する開発が行われており、車両の回生ブレーキ時に発生する余剰回生電力を貯蔵し、またカ行加速時に貯蔵した電力を使用する構成とすることで、車両の持つ運動エネルギーを有効利用できることが知られている（例えば、特許文献 1参照

) o

特許文献 1では、電力貯蔵素子の電力により、架線から給電を受けずに電気車を走行させることが示されて、る。

[0003] 特許文献 1 :特開 2006— 14395号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0004] 昨今、二次電池 ·電気二重層キャパシタの開発が盛んとなっており、蓄積エネルギ一量の増大が図られてはいるものの、電気車を走行させるのに十分なエネルギー量を得るためには、現在の技術では、力なり大型で重量のある電力貯蔵素子が必要となる。一方、電気車への搭載スペースは限られているため、極力、電力貯蔵素子のサイズ、質量を抑えることが重要である。このためには電力貯蔵素子の蓄積エネルギ一を有効利用することが重要であり、電気車の制御装置のエネルギー効率を向上させ、制御装置における損失を極力低減することが必要不可欠である。

[0005] この発明は、以上のような点に鑑みなされたものであって、電力貯蔵部を有する電力変換装置およびこの電力変換装置を用いた電気車の制御装置において、電力貯蔵部からの電力のみでインバータを駆動し負荷に交流電力を供給する場合に、電力貯蔵部の蓄積エネルギーの損失を低減し、電力貯蔵部の蓄積エネルギーを有効利用してエネルギー効率を向上させるようにした電力変換装置およびこの電力変換装置を用いた電気車の制御装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0006] この発明に係わる電力変換装置は、負荷に電力を供給するインバータと、このインバータの直流端子間に接続されたコンデンサと、このコンデンサの一端と電源との間に設けられた電源スィッチと、直流電力を貯蔵する電力貯蔵部と、この電力貯蔵部に電力を充放電させる、リアタトルおよび少なくとも 1対の直列接続されたスイッチング素子を有し、前記コンデンサに並列に設けられた DCDCコンバータと、前記スィッチング素子を介さないで前記電力貯蔵部を前記コンデンサに並列に接続するバイパススイッチとを備えたものである。

[0007] また、負荷に電力を供給するインバータと、このインバータの直流端子間に接続されたコンデンサと、このコンデンサの一端と電源との間に設けられた電源スィッチと、直流電力を貯蔵する電力貯蔵部と、この電力貯蔵部に電力を充放電させる、リアタトルおよび少なくとも 1対の直列接続されたスイッチング素子を有し、前記コンデンサに並列に設けられた DCDCコンバータとを備え、前記電源スィッチがオフの場合に、前記電力貯蔵部を前記コンデンサに並列に接続するように前記スイッチング素子のォンオフ状態を固定するようにしたものである。

[0008] また、この発明に係わる電気車の制御装置は、電動機を駆動するインバータと、このインバータの直流端子間に接続されたコンデンサと、このコンデンサの一端と架線との間に設けられた電源スィッチと、直流電力を貯蔵する電力貯蔵部と、この電力貯蔵部に電力を充放電させる、リアタトルおよび少なくとも 1対の直列接続されたスイツチング素子を有し、前記コンデンサに並列に設けられた DCDCコンバータと、前記スイッチング素子を介さないで前記電力貯蔵部を前記コンデンサに並列に接続するバイノススィッチとを備えたものである。

[0009] また、電動機を駆動するインバータと、このインバータの直流端子間に接続されたコンデンサと、このコンデンサの一端と架線との間に設けられた電源スィッチと、直流電力を貯蔵する電力貯蔵部と、この電力貯蔵部に電力を充放電させる、リアタトルおよび少なくとも 1対の直列接続されたスイッチング素子を有し、前記コンデンサに並列に設けられた DCDCコンバータとを備え、前記電源スィッチがオフの場合に、前記電力貯蔵部を前記コンデンサに並列に接続するように前記スイッチング素子のオンオフ状態を固定するようにしたものである。

発明の効果

[0010] この発明の電力変換装置およびこの電力変換装置を用いた電気車の制御装置によれば、電力貯蔵部力もの電力のみでインバータを駆動し負荷に電力を供給する場合に、 DCDCコンバータでのエネルギー損失が低減され、電力貯蔵部の蓄積エネルギーを有効利用できる電力変換装置およびこの電力変換装置を用いた電気車の制御装置を得る事ができる。

[0011] また、この発明の電力変換装置およびこの電力変換装置を用いた電気車の制御装置によれば、電力貯蔵部力もの電力のみでインバータを駆動し負荷に電力を供給する場合に、バイパススィッチを追加することなしに、電力貯蔵部とインバータをスィッチング素子、リアタトルを介して接続することができ、 DCDCコンバータでのエネルギー損失を低減し、電力貯蔵部の蓄積エネルギーを有効利用できると共に、リアタトルにより電力貯蔵部にリプル電流が流れるのを阻止でき、電力貯蔵部での損失の低減と寿命の延長を図ることが可能となる。

図面の簡単な説明

[0012] [図 1]この発明の実施の形態 1における電力変換装置およびこの電力変換装置を用

V、た電気車の制御装置の構成を示す図である。

[図 2]この発明の実施の形態 1における架線蓄電併用モードから蓄電動作モードへの移行を説明する図である。

[図 3]この発明の実施の形態 1における蓄電動作モードから架線蓄電併用モードへの移行を説明する図である。

[図 4]この発明の実施の形態 2における電力変換装置およびこの電力変換装置を用

V、た電気車の制御装置の構成を示す図である。

[図 5]この発明の実施の形態 3における電力変換装置およびこの電力変換装置を用

V、た電気車の制御装置の構成を示す図である。 [図 6]この発明の実施の形態 4における電力変換装置およびこの電力変換装置を用

V、た電気車の制御装置の構成を示す図である。

[図 7]この発明の実施の形態 4における架線蓄電併用モードから蓄電動作モードへの移行を説明する図である。

[図 8]この発明の実施の形態 4における蓄電動作モードから架線蓄電併用モードへの移行を説明する図である。

[図 9]この発明の実施の形態 5における電力変換装置およびこの電力変換装置を用

V、た電気車の制御装置の構成を示す図である。

[図 10]この発明の実施の形態 6における電力変換装置およびこの電力変換装置を用

V、た電気車の制御装置の構成を示す図である。

符号の説明

[0013] 1 :架線、 2 :集電装置、 3 :電気車の制御装置、 4 :車輪、 5 :レール

6 :電動機、 11 :リアタトル、 12 :コンデンサ、 13 :インバータ

14 :電力貯蔵素子、 15A、 15B : DCDCコンバータ、

16〜19：スイッチング素子、 20 :リアタトル、 21 :コンデンサ、

22:リアクトノレ、 S1 :電源スィッチ、 S2 :バイパススィッチ。

発明を実施するための最良の形態

[0014] 実施の形態 1.

図 1は、この発明の実施の形態 1における電気車の制御装置の構成を示す図である。

図 1において、電源である架線 1から集電装置 2を介して受電した電力は、電気車の制御装置 3に入力される。電気車の制御装置 3は、負荷である交流電動機 6に接続されており、電動機 6を駆動し、電気車を走行させる構成となっている。電気車の制御装置 3からの負側電流は車輪 4を通してレール 5へ戻る。

[0015] 電気車の制御装置 3は、架線 1より受電した電力を、電源スィッチであるスィッチ S1 とリアタトル 11を通して、コンデンサ 12が並列に接続されたインバータ 13に電力を供給する回路と、電力貯蔵部である電力貯蔵素子 14からの直流電力を、 DCDCコンバータ 15Aを通してインバータ 13に供給する回路と、電力貯蔵素子 14からの電力を、 DCDCコンバータ 15Aを介さずにインバータ 13に供給するためのバイパススィッチであるスィッチ S 2から構成されて!、る。

ここで、電力貯蔵素子 14は、二次電池や電気二重層キャパシタ等である。

スィッチ Sl、 S2としては、機械的な接点を有するスィッチを適用するのが好ましいが、導通損失の少な!ヽ半導体素子で構成された電子的なスィッチで構成しても本発明の効果が大きく損なわれることはない。この実施の形態 1では、機械的な接点を有するスィッチを用いた場合を例として説明する。

[0016] DCDCコンバータ 15Aは、インバータ入力電圧 EFCが電力貯蔵素子 14の電圧 E Bよりも大きい条件において、電力貯蔵素子 14からインバータ 13へ、またインバータ 13から電力貯蔵素子 14へ、双方向の電力制御が可能な回路であり、 PWM動作を行うスイッチング素子 16、 17、リアタトル 20から構成される所謂双方向降圧 DCDCコンバータ回路である。その動作は、既に公知であるため説明は省略する。

なお、架線電圧 ESO、インバータ入力電圧 EFC、電力貯蔵素子 14の電圧 EBは、それぞれ図示しな!、電圧検出器で検出できるようになって!/、る。

ここで、スィッチ S2は、電力貯蔵素子 14とインバータ 13との間の電力の流れを DCD Cコンバータ 15Aを介さずに直接行うために設けたものであり、本発明の中心となるものである。

[0017] 次に、このように構成された実施の形態 1の電気車の制御装置の動作を説明する。

まず、電気車が、架線 1と電力貯蔵素子 14との双方との間で任意の電力の授受を行つて走行するモード (以下、架線蓄電併用モードと称す。）での動作を説明するこのモードでは、電気車がカ行加速する場合は、架線 1からの電力がインバータ 13 に供給されるとともに、電力貯蔵素子 14からの電力は、 DCDCコンバータ 15Aにより最適値に調整されてインバータ 13に供給され、両者の電力の和で電動機 6が駆動される。

具体的な一例としては、電力貯蔵素子 14の蓄積エネルギー量が不足気味の場合は、 DCDCコンバータ 15Aは電力貯蔵素子 14力もの放電電力を抑えるよう動作し、架線 1からより多くの電力が受電される。

架線電圧 ESOが低下している場合や、電力貯蔵素子 14の蓄積エネルギー量が過剰気味の場合は、電力貯蔵素子 14から多くの電力を供給するよう DCDCコンバータ 1 5Aが動作する。

このようにして、電動機 6は架線 1と電力貯蔵素子 14の両方力も最適に電力供給を受けながら駆動され、電気車を走行させる。

[0018] なお、電気車が回生ブレーキを掛けた場合は、電動機 6は回生運転となり、 DCDC コンバータ 15Aは、インバータ 13からの回生電力を架線 1と電力貯蔵素子 14に適切に配分するよう動作する。

具体的な一例としては、電力貯蔵素子 14の蓄積エネルギー量が不足気味の場合や、架線 1に回生負荷がなく十分に回生できない場合は、より多くの回生電力を電力貯蔵素子 14に回生するよう DCDCコンバータ 15Aが動作し、逆に電力貯蔵素子 14の蓄積エネルギー量が過剰気味の場合は、 DCDCコンバータ 15Aは電力貯蔵素子 1 4への回生電力を絞り、回生電力のほとんどが架線 1に回生される動作となる。

このようにして、電動機 6からの回生電力は、架線 1と電力貯蔵素子 14へ最適に回生され、電気車の回生ブレーキが機能する。

[0019] 次に、電気車が、電力貯蔵素子 14からの電力のみで走行するモード（以下、蓄電動作モードと称す。）での動作を説明する。

このモードは、架線 1が敷設されていない区間を電気車が走行する場合や、架線 1が敷設されているが、架線 1が停電している区間を電気車が走行する場合等を想定している。

このモードでは、スィッチ S1をオフし、 DCDCコンバータ 15Aをオフし (スイッチング素子 16、 17をオフし）、スィッチ S2をオンにする。

電気車がカ行加速する場合は、電力貯蔵素子 14からの電力は、スィッチ S2を介して DCDCコンバータ 15Aを経由せず、直接インバータ 13に供給され、電動機 6が駆動される。

このようにして、電動機 6は電力貯蔵素子 14から電力供給を受けながら駆動され、架線 1がない路線でも電気車を走行させることが可能となる。

[0020] なお、電気車が回生ブレーキを掛けた場合は、電動機 6は回生運転となり、インバータ 13からの回生電力は、 DCDCコンバータ 15Aを介さず、スィッチ S2を介して直接電力貯蔵素子 14に回生される。

このようにして、電動機 6からの回生電力は、電力貯蔵素子 14へ回生され、架線 1 がな、路線にぉ、ても電気車の回生ブレーキが機能する。

[0021] 次に、架線蓄電併用モードから蓄電動作モードに移行する場合、また、蓄電動作モードから架線蓄電併用モードに移行する場合の動作を説明する。

図 2は、実施の形態 1における架線蓄電併用モードから蓄電動作モードへの移行を説明する図である。

図 2に示すように、時間 tO〜tl間における架線蓄電併用モードでは、スィッチ S1と D CDCコンバータ 15 Aをオン (スイッチング素子 16、 17は PWM動作）して!/、るので、架線電圧 ESOがコンデンサ 12に印加され、電力貯蔵素子 14の電圧 EBは、 DCDC コンバータ 15Aにより昇圧されてコンデンサ 12へ印加されている状態である。このためスィッチ S1の後段の入力電圧 ESは架線電圧 ESOと等しぐインバータ入力電圧 E FCは入力電圧 ESと等し、状態である。

[0022] ここで、電力貯蔵素子 14の電圧 EBは、インバータ入力電圧 EFCよりも低くなつているが、これは、上記に説明したとおり、 DCDCコンバータ 15Aは、インバータ入力電圧 EFCが電力貯蔵素子 14の電圧 EBよりも大きい条件においてのみ電力制御が可能な回路であることを考慮し、電力貯蔵素子 14の電圧 EBを、架線電圧 ESOに応じて変動するインバータ入力電圧 EFCの変動下限値よりも小さ、値に設定して!/、る力である。

説明を補足すると、一般的な架線電圧 ESOの公称値は、路面電車で 600V、地下鉄の多くが 750V、郊外電鉄路線が 1500Vとなっている力電気車で受電する架線電圧 ESOは、変電所と電気車の距離や電気車の走行状態により大きく変動し、公称値の + 20〜― 40%の範囲で変動する。つまり、架線電圧 ESO (=インバータ入力電圧 EFC)が変動下限値である公称値の— 40%になった場合においても、電力貯蔵素子 14の電圧 EB力 Sインバータ入力電圧 EFCよりも低くなる状態が維持されるように、電力貯蔵素子 14の電圧 EBを設定している。

[0023] 次に、時間 tlにて、架線蓄電併用モードを終了し、スィッチ S1をオフとする。

なお、電流の急変を防止するために、スィッチ S1のオフは、インバータ 13の出力を設定値以下に絞る力、インバータ 13の電力のほとんど、あるいは全てを、電力貯蔵素子 14が負担する状態に DCDCコンバータ 15Aを制御して、スィッチ S1の電流を十分に減少させてから (設定値以下に減少させてから)行うのが好ましい。

その後、インバータ入力電圧 EFCと電力貯蔵素子 14の電圧 EBとが一致するように DCDCコンバータ 15 Aを制御する。

時間 t2において、インバータ入力電圧 EFCが電力貯蔵素子 14の電圧 EBと等しくなった段階で、インバータ入力電圧 EFCと電力貯蔵素子 14の電圧 EBとが等しい状態を維持するよう DCDCコンバータ 15Aを制御する。

[0024] インバータ入力電圧 EFCと電力貯蔵素子 14の電圧 EBとの差が設定値以下の状態が ΔΤ1継続した後（時間 t3)、インバータ入力電圧 EFCは十分に安定したと判断できるので、スィッチ S2をオンし、 DCDCコンバータ 15Aをオフする。

スィッチ S2をオンすると、電力貯蔵素子 14からインバータ 13への電流は、 DCDC コンバータ 15Aのスイッチング素子 16を経由するルートから、 DCDCコンバータ 15A を経由せずにスィッチ S 2を経由するルートへ転流する。

説明を補足すると、 DCDCコンバータ 15Aをオフしても、インバータ 13をカ行運転している時において、スイッチング素子 16に内蔵されるダイオード部を介して、電力貯蔵素子 14からインバータ 13に流れる電流経路が存在する力スイッチング素子 16に内蔵されたダイオードは半導体で構成されているために、その順電圧降下 (数 V)が一種の抵抗として動作するため、接触抵抗が微小な機械接点で構成されたスィッチ S2の経路と比べて抵抗が大きい。このため、スィッチ S2をオンとすることで、電力貯蔵素子 14からインバータ 13への電流は、抵抗の大きい DCDCコンバータ 15Aのスイッチング素子 16を経由するルートから、抵抗の微小なスィッチ S 2を経由するルートへ自然に転流するのである。

このようにして、架線蓄電併用モードから蓄電動作モードへの円滑な移行が可能となる。

[0025] 次に、蓄電動作モードから架線蓄電併用モードに移行する場合の動作を説明する図 3は、本発明の実施の形態 1における蓄電動作モードから架線蓄電併用モードへの移行を説明する図である。

図 3に示すように、時間 t4から t5までの間は、スィッチ Sl、 DCDCコンバータ 15Aをオフし、スィッチ S2をオンにした状態であり、電力貯蔵素子 14とインバータ 13の間で、スィッチ S2を介して直接、電力の授受が行われている状態である。

したがって、インバータ入力電圧 EFCは、電力貯蔵素子 14の電圧 EBと等しい状態となっている。

時間 t5にて、スィッチ S2をオフし、同時に DCDCコンバータ 15Aを起動し、スィッチング素子 16、 17を PWM動作させる。

なお、スィッチ S2のオフと、 DCDCコンバータ 15Aの起動は、電流に変動が生じるのを回避するために、インバータ 13の電流を絞って、電力貯蔵素子 14の電流が設定値以下となった状態で行うのが好ま、。

[0026] 時間 t5以降、 DCDCコンバータ 15Aを昇圧動作させ、電力貯蔵素子 14の電圧 EB を昇圧してインバータ入力電圧 EFCが架線電圧 ESOと一致するように制御する。時間 t6時点でインバータ入力電圧 EFCは架線電圧 ESOと一致している。

インバータ入力電圧 EFC ( =入力電圧 ES)と架線電圧 ESOとの差が設定値以下の状態が時間 ΔΤ2の間経過すると、インバータ入力電圧 EFC (=入力電圧 ES)は十分に安定したと判断できるので、時間 t7でスィッチ S1をオンとし、架線 1との接続を行時間 t7以降は、インバータ 13は架線 1と電力貯蔵素子 14との間で電力の授受を行う架線蓄電併用モードでの運転が可能となる。

このように、 DCDCコンバータ 15Aを昇圧運転してインバータ入力電圧 EFC (=入力電圧 ES)を架線電圧 ESOに一致させ、スィッチ S1の端子間電圧差を十分に小さくしてからスィッチ S1をオンする構成としているので、電圧差により突入電流を生じたり

、スィッチ S1の接点が荒れることを回避できる。

[0027] このようにして、架線蓄電併用モードから蓄電動作モードへの移行、蓄電動作モード力架線蓄電併用モードへの移行を円滑に行うことが可能となる。

[0028] ここで、 DCDCコンバータ 15Aの損失と、電力貯蔵素子 14の蓄積エネルギー量との関係を、一例を挙げて定量的に説明する。 DCDCコンバータ 15Aの損失は一般的に約 3 %であり、 1両の電気車を駆動するのに最低限必要な、容量 500KWの DCDCコンバータの場合を例とすると、最大損失は 15KW程度であり、電気車の走行パターン (加速カ行、惰行、回生ブレーキの繰り返し)をカ卩味した平均損失は約 5KWとなる。

一方、電気車に搭載できる電力貯蔵素子 14の蓄積エネルギー量は、電気車への搭載スペースの制約によるが、実用化されているのは lOKWh前後（1両あたり）であるつまり、 5KWの損失とは、電力貯蔵素子 14に満充電された蓄積エネルギーを、約 2 時間で全て消費してしまう大きさである。

このように、電力貯蔵素子 14の蓄積エネルギーが限られているので、 DCDCコンパータ 15Aでの損失は無視できなヽ大きさであることが分かる。

[0029] 以上説明したように、この発明の実施の形態 1では、蓄電動作モードにおいて、スィツチ S2をオンし、 DCDCコンバータ 15Aを介さずに電力貯蔵素子 14とインバータ 13 の間で電力授受を行う構成としたため、 DCDCコンバータ 15Aでのエネルギー損失力くなり、電力貯蔵素子 14の蓄積エネルギーを電気車の走行に最大限有効利用できる。

[0030] 実施の形態 2.

図 4は、この発明の実施の形態 2における電気車の制御装置の構成例を示す図である。

図 4に示す構成は、図 1に示した実施の形態 1の構成と比較し、スィッチ S2の接続箇所の一端が、電力貯蔵素子 14の正側から、スイッチング素子 16、 17の接続点へ変更されているのが特徴である。スィッチ S2をオンにすると、電力貯蔵素子 14がスイツチング素子 16、 17を介さずにコンデンサ 12と並列に接続される。

その他の部分は実施の形態 1の構成と同じであるので、同一符号を付して説明は省略する。

[0031] このような実施の形態 2の構成によれば、電力貯蔵素子 14とインバータ 13を、リアクトル 20を介して接続することが可能となる。リアタトル 20を介して電力貯蔵素子 14とィンバータ 13を接続することで、インバータ 13の PWM動作により発生するリプル電流が電力貯蔵素子 14に流れることを阻止できる。電力貯蔵素子 14にリプル電流が流れると、それにより内部発熱が増加するので電力貯蔵素子 14の寿命を縮める要因となる。

実施の形態 2の構成とすることで、リアタトル 20でのエネルギー損失が若干増加するものの、電力貯蔵素子 14での損失は減少し、寿命も延長させることが可能となり、ト一タルとしてメリットが得られる。

なお、このように構成された実施の形態 2の電気車の制御装置の動作は、実施の形態 1 (図 2、図 3)で示したものと同様であるので説明は割愛する。

[0032] 以上説明したように、この発明の実施の形態 2では、蓄電動作モードにおいて、スィツチ S2をオンし、スイッチング素子 16を介さずに電力貯蔵素子 14とインバータ 13の間で電力授受を行う構成としたため、スイッチング素子 16、 17の導通損失、スィッチング損失がなくなり、電力貯蔵素子 14の蓄積エネルギーを電気車の走行に最大限有効利用できる。

さらに、リアタトル 20により電力貯蔵素子 14にリプル電流が流れるのを阻止できるため、電力貯蔵素子 14での損失を低減して寿命を延長することが可能となる。

[0033] 実施の形態 3.

図 5は、この発明の実施の形態 3における電気車の制御装置の構成例を示す図である。

図 5に示す構成は、図 1に示した実施の形態 1の構成と比較し、スィッチ S2を削除し、且つ DCDCコンバータ 15Aに動作モードを追加しているのが特徴である。その他の部分は実施の形態 1の構成と同じであるので、同一符号を付して説明は省略する

[0034] 図 5に示すように、実施の形態 3の特徴は、スィッチ S2を設けずに、この機能を DC DCコンバータ 15Aのスイッチング素子 16で代用することにある。

つまり、既に実施の形態 1 (図 2、図 3)で説明したスィッチ S2をオンとするタイミングで、スイッチング素子 16をオンに固定 (スイッチング素子 17はオフに固定）とする構成である。スイッチング素子 16をオンに固定とすることで、スイッチング素子 16、リアタトル 20を介して電力貯蔵素子 14とインバータ 13を接続できる。このような構成とすれば、 DCDCコンバータ 15Aで発生する損失は、リアタトル 20とスイッチング素子 16の導通損失のみとなり、 DCDCコンバータ 15Aを通常運転した場合に発生するスイッチング素子 16のスイッチング損失、スイッチング素子 17の導通損失とスイッチング損失、リアタトル 20でのスイッチング電流による鉄損がなくなるため、システムの損失を低減することができる。且つ、スィッチ S2の追カ卩が不要となる。

[0035] 以上説明したように、この発明の実施の形態 3では、蓄電動作モードにおいて、スィツチ S2を追加することなしに、電力貯蔵素子 14とインバータ 13をスイッチング素子 1 6、リアタトル 20を介して接続できるので、 DCDCコンバータ 15Aでの損失を低減し、電力貯蔵素子 14の蓄積エネルギーを電気車の走行に最大限有効利用できる。さらに、リアタトル 20により電力貯蔵素子 14にリプル電流が流れるのを阻止できるため、電力貯蔵素子 14での損失を低減して寿命を延長することが可能となる。

[0036] 実施の形態 4.

図 6は、この発明の実施の形態 4における電気車の制御装置の構成例を示す図である。

図 6に示す実施の形態 4の構成は、図 1に示した実施の形態 1の構成と比較し、 DC DCコンバータ 15Aが DCDCコンバータ 15Bに変更されているのが特徴である。その他の部分は実施の形態 1の構成と同じであるので、同一符号を付して説明は省略する。

[0037] 図 6において、 DCDCコンバータ 15Bは、 PWM動作を行うスイッチング素子 16〜1 9、リアタトル 20、 22、コンデンサ 21からなる所謂双方向昇降圧 DCDCコンバータ回路で構成されており、電力貯蔵素子 14の電圧 EBと、インバータ入力電圧 EFCの大小関係に関わらず、任意の方向に電力制御が可能なことが特徴である。

このため、電力貯蔵素子 14の電圧 EBを、架線電圧 ESOの変動下限値に無関係に設定することが可能となり、電力貯蔵素子 14の電圧 EBを架線電圧 ESOの公称値と等し、値、あるいは架線電圧 ESOの公称値よりも高、値に設定することも可能となる

[0038] さらに説明を加えると、実施の形態 1の構成では、上記に説明したとおり、電力貯蔵素子 14の電圧 EBを架線電圧 ESOよりも低く設定せねばならな力つたので、蓄電動作モードにおいて、インバータ入力電圧 EFCが架線蓄電併用モード時よりも低下し、電動機 6の発生トルクが低下する場合が発生したり、同一の電力をインバータ 13に供給する場合、電力貯蔵素子 14の電流が増加し、損失が増加する可能性がある。これに対し、この実施の形態 4の構成によれば、蓄電動作モードにおけるインバータ入力電圧 EFCを、架線蓄電併用モード時と同等以上に確保することが可能となる。

したがって、蓄電動作モードにおいて、インバータ入力電圧 EFCが架線蓄電併用モード時と比較して低下することなぐ電動機 6の発生トルクを十分に確保することが可能となり、また電力貯蔵素子 14の電流を増加させることなぐ電気車の走行性能を架線蓄電併用モード時と同等に確保することができる。

以下の説明では、電力貯蔵素子 14の電圧 EBを、架線電圧 ESOの公称値よりも若干高ヽ値に設定した場合で説明する。

[0039] 次に、このように構成された実施の形態 4の電気車の制御装置の動作を説明する。

なお、架線蓄電併用モード、蓄電モードでの動作説明は、実施の形態 1で説明したものと類似であるので、割愛する。

したがって、ここでは、架線蓄電併用モードから蓄電動作モードに移行する場合、また、蓄電動作モードから架線蓄電併用モードに移行する場合の動作について説明する。

[0040] 図 7は、この発明の実施の形態 4における架線蓄電併用モードから蓄電動作モードへの移行を説明する図である。

図 7に示すように、時間 tO〜tl間における架線蓄電併用モードでは、スィッチ S1と D CDCコンバータ 15Bをオン (スイッチング素子 16〜 19は PWM動作）しているので、架線電圧 ESOがコンデンサ 12に印加され、電力貯蔵素子 14の電圧 EBは、 DCDC コンバータ 15Bにより降圧されてコンデンサ 12へ印加されている状態である。このため、スィッチ S1の後段の入力電圧 ESは架線電圧 ESOと等しぐインバータ入力電圧 EFCは入力電圧 ESと等し、状態である。

[0041] 次に、時間 tlにて、架線蓄電併用モードを終了し、スィッチ S1をオフする。

なお、電流の急変を防止するために、スィッチ S1のオフは、インバータ 13の出力を設定値以下に絞る力、インバータ 13の電力のほとんど、あるいは全てを電力貯蔵素子 14が負担する状態に制御して、スィッチ S1の電流を十分に減少させてから (設定値以下に減少させてから)行うのが好ま、。

その後、 DCDCコンバータ 15Bを、インバータ入力電圧 EFCが電力貯蔵素子 14の電圧 EBと一致するように昇圧動作させる。

時間 t2において、インバータ入力電圧 EFCが電力貯蔵素子 14の電圧 EBと等しくなった段階で、インバータ入力電圧 EFCと電力貯蔵素子 14の電圧 EBとが等しい状態を維持するように DCDCコンバータ 15Bを制御する。

インバータ入力電圧 EFCと電力貯蔵素子 14の電圧 EBとの差が設定値以下の状態が ΔΤ1継続した後（時間 t3)、インバータ入力電圧 EFCは十分に安定したと判断できるので、スィッチ S2をオンし、 DCDCコンバータ 15Bをオフする。これにより電力貯蔵素子 14からインバータ 13への電流は、 DCDCコンバータ 15Bを経由するルートから、 DCDCコンバータ 15Bを経由せずにスィッチ S2を経由するルートへ転流する。このようにして、架線蓄電併用モードから蓄電動作モードへの円滑な移行が可能となる。

[0042] 次に、蓄電動作モードから架線蓄電併用モードに移行する場合の動作を説明する図 8は、実施の形態 4における蓄電動作モードから架線蓄電併用モードへの移行を説明する図である。

図 8に示すように、時間 t4から t5までの間は、スィッチ Sl、 DCDCコンバータ 15Bをオフし、スィッチ S2をオンにした状態であり、電力貯蔵素子 14とインバータ 13との間で直接、電力の授受が行われている状態である。

時間 t5にて、架線蓄電併用モードへの移行準備として、スィッチ S2をオフし、同時に DCDCコンバータ 15Bを起動する。

なお、スィッチ S2のオフと、 DCDCコンバータ 15Bの起動は、電流に変動が生じるのを回避するために、インバータ 13の電流を絞って、電力貯蔵素子 14の電流が設定値以下となった状態で行うのが好ま、。

[0043] 時間 t5以降、 DCDCコンバータ 15Bを降圧動作させ、電力貯蔵素子 14の電圧 EB を降圧してコンデンサ 12に供給し、インバータ入力電圧 EFCが架線電圧 ESOと一致するように制御する。

時間 t6時点でインバータ入力電圧 EFCは架線電圧 ESOと一致している。

インバータ入力電圧 EFCと架線電圧 ES0との差が設定値以下の状態が時間 Δ T2 の間経過すると、インバータ入力電圧 EFCは十分に安定したと判断できるので、時間 t7でスィッチ S 1をオンとし、架線 1との接続を行う。

時間 t7以降は、インバータ 13は架線 1と電力貯蔵素子 14との間で電力の授受を行う架線蓄電併用モードでの運転が可能となる。

このように、 DCDCコンバータ 15Bを降圧運転してインバータ入力電圧 EFCを架線電圧 ESOに一致させ、スィッチ S1の端子間電圧差を十分に小さくしてカゝらスィッチ S 1をオンする構成としているので、電圧差により突入電流を生じたり、スィッチ S1の接点が荒れることを回避できる。

[0044] このようにして、架線蓄電併用モードから蓄電動作モードへの移行、蓄電動作モードから架線蓄電併用モードへの移行を円滑に行うことが可能となる。

ここで、 DCDCコンバータ 15Bは、上記したとおり、実施の形態 1の DCDCコンパ一タ 15Aと比べて、電力貯蔵素子 14の電圧 EBとインバータ入力電圧 EFCの大小関係に関わらず、電力制御が可能なことを特徴とするが、その損失は、スイッチング素子が多い分、 DCDCコンバータ 15Aより大きくなる。

しかしながら、この実施の形態 4の構成によれば、蓄電動作モードにおいて、スィッチ S2をオンし、 DCDCコンバータ 15Bを介さずに電力貯蔵素子 14とインバータ 13の間で電力授受を行う構成としたため、 DCDCコンバータ 15Bでのエネルギー損失がなくなり、電力貯蔵素子 14の蓄積エネルギーを電気車の走行に最大限有効利用できる。

さらに、蓄電動作モードにおいて、インバータ入力電圧 EFCが低下することなぐ電動機 6の発生トルクを十分に確保することが可能となり、また電力貯蔵素子 14の電流を増加させることなぐ電気車の走行性能を架線蓄電併用モードと同等に確保することがでさる。

[0045] 実施の形態 5.

図 9は、この発明の実施の形態 5における電気車の制御装置の構成例を示す図である。

図 9に示す実施の形態 5の構成は、図 6に示した実施の形態 4の構成と比較し、スィツチ S2の接続箇所の一端が、電力貯蔵素子 14の正側から、リアタトル 22とスィッチング素子 18の接続点へ変更されているのが特徴である。その他の部分は実施の形態 4の構成と同じであるので、同一符号を付して説明は省略する。

[0046] このような実施の形態 5の構成によれば、電力貯蔵素子 14とインバータ 13を、リアクトル 22を介して接続することが可能となる。

リアタトル 22を介して電力貯蔵素子 14とインバータ 13を接続することで、インバータ 1 3の PWM動作により発生するリプル電流が電力貯蔵素子 14に流れることを阻止できる。電力貯蔵素子 14にリプル電流が流れると、それにより内部発熱が増加するので電力貯蔵素子 14の寿命を縮める要因となる。

また、実施の形態 5の構成とすることで、リアタトル 22での損失が増加するものの、電力貯蔵素子 14での損失は減少し、寿命も延長させることが可能となり、トータルとしてメリッ卜カ S得られる。

なお、このように構成された実施の形態 5の電気車の制御装置の動作は、実施の形態 4で示したものと同様であるので説明は割愛する。

[0047] 以上説明したように、この発明の実施の形態 5によれば、蓄電動作モードにおいて、スィッチ S2をオンし、スイッチング素子 16〜19、リアタトル 20を介さずに電力貯蔵素子 14とインバータ 13の間で電力授受を行う構成としたため、スイッチング素子 16 〜19の導通損失とスイッチング損失、リアタトル 20での損失がなくなり、電力貯蔵素子 14の蓄積エネルギーを電気車の走行に最大限有効利用できる。

さらに、リアタトル 22により電力貯蔵素子 14にリプル電流が流れるのを阻止できるため、電力貯蔵素子 14での損失を低減して寿命を延長することが可能となる。

[0048] 実施の形態 6.

図 10は、この発明の実施の形態 6における電気車の制御装置の構成例を示す図である。

図 10に示す実施の形態 6の構成は、図 6に示した実施の形態 4の構成と比較し、スィツチ S2を削除し、且つ DCDCコンバータ 15Bに動作モードを追加しているのが特徴である。その他の部分は実施の形態 4の構成と同じであるので、同一符号を付して説明は省略する。

[0049] 図 10に示すように、実施の形態 6の構成の特徴は、スィッチ S2を設けずに、この機能をスイッチング素子 16、 18で代用することにある。

つまり、既に実施の形態 4 (図 7、図 8)で説明したスィッチ S2をオンとするタイミングで、スイッチング素子 16、 18をオンに固定 (スイッチング素子 17、 19はオフに固定）とする構成である。スイッチング素子 16、 18をオンに固定とすることで、スイッチング素子 16、 18、リアタトル 20、 22を介して電力貯蔵素子 14とインバータ 13を接続できる。

[0050] このような構成とすれば、 DCDCコンバータ 15Bで発生する損失はリアタトル 20、 2 2とスイッチング素子 16、 18の導通損失のみとなり、 DCDCコンバータ 15Bを通常運転した場合に発生するスイッチング素子 16、 18でのスイッチング損失、スイッチング素子 17, 19での導通損失とスイッチング損失、リアタトル 20、 22でのスイッチング電流による鉄損がなくなるため、システムの損失を低減することができる。且つ、スィッチ S2の追カ卩が不要となる。

[0051] 以上説明したように、この発明の実施の形態 6によれば、蓄電動作モードにおいて、スィッチ S2を追加することなしに、電力貯蔵素子 14とインバータ 13をスイッチング素子 16、 18、リアタトル 20、 22を介して接続できるので、 DCDCコンバータ 15Bでの損失を低減し、電力貯蔵素子 14の蓄積エネルギーを電気車の走行に最大限有効利用できる。

さらに、リアタトル 20、 22により電力貯蔵素子 14にリプル電流が流れるのを阻止できるため、電力貯蔵素子 14での損失を低減して寿命を延長することが可能となる。

[0052] なお、上述の各実施の形態に示した構成は、この発明の内容の一例であり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもな、。

たとえば、図示していないが、集電装置から交流電力の供給を受け、これをコンパータで直流電力に変換した後、インバータ 13に入力する構成の電力変換装置に適用しても良い。また、インバータ 13の出力に電動機以外の、例えば変圧器と平滑回路とを介して車両の空調や照明機器等の負荷に接続し、インバータを定電圧定周波数運転を行うことで、前記負荷に定電圧 '定周波電力を供給する所謂補助電源装置に適用することも可能である。

産業上の利用可能性

上述した実施の形態の説明においては、電鉄分野へ電力変換装置をを適用した場合を例として発明内容の説明を行っているが、この発明の適用分野はこれに限られるものではなぐ電気自動車、エレベータ、電力システム等、種々の関連分野への応用が可能である。

Claims

請求の範囲

[1] 負荷に電力を供給するインバータと、このインバータの直流端子間に接続されたコンデンサと、このコンデンサの一端と電源との間に設けられた電源スィッチと、直流電力を貯蔵する電力貯蔵部と、この電力貯蔵部に電力を充放電させる、リアタトルおよび少なくとも 1対の直列接続されたスイッチング素子を有し、前記コンデンサに並列に設けられた DCDCコンバータと、前記スイッチング素子を介さな、で前記電力貯蔵部を前記コンデンサに並列に接続するバイパススィッチとを備えた電力変換装置。

[2] 負荷に電力を供給するインバータと、このインバータの直流端子間に接続されたコンデンサと、このコンデンサの一端と電源との間に設けられた電源スィッチと、直流電力を貯蔵する電力貯蔵部と、この電力貯蔵部に電力を充放電させる、リアタトルおよび少なくとも 1対の直列接続されたスイッチング素子を有し、前記コンデンサに並列に設けられた DCDCコンバータとを備え、前記電源スィッチがオフの場合に、前記電力貯蔵部を前記コンデンサに並列に接続するように前記スイッチング素子のオンオフ状態を固定することを特徴とする電力変換装置。

[3] 電動機を駆動するインバータと、このインバータの直流端子間に接続されたコンデンサと、このコンデンサの一端と架線との間に設けられた電源スィッチと、直流電力を貯蔵する電力貯蔵部と、この電力貯蔵部に電力を充放電させる、リアタトルおよび少なくとも 1対の直列接続されたスイッチング素子を有し、前記コンデンサに並列に設けられた DCDCコンバータと、前記スイッチング素子を介さな、で前記電力貯蔵部を前記コンデンサに並列に接続するノィパススィッチとを備えた電気車の制御装置。

[4] 前記バイパススィッチが、前記リアタトルを介して前記電力貯蔵部を前記コンデンサに並列に接続することを特徴とする請求項 3に記載の電気車の制御装置。

[5] 前記電源スィッチがオフの場合に、前記バイパススィッチをオンにすることを特徴とする請求項 3に記載の電気車の制御装置。

[6] 前記電源スィッチおよび前記バイパススィッチがオフであり、かつ前記 DCDCコンバータが動作しており、かつ前記コンデンサの電圧と前記電力貯蔵部の電圧との差が所定値よりも小さい場合に、前記バイパススィッチをオンにするとともに前記 DCDC コンバータのスイッチング動作を停止させることを特徴とする請求項 5に記載の電気車の制御装置。

[7] 前記電源スィッチおよび前記バイパススィッチがオフであり、かつ前記 DCDCコンバータが動作しており、かつ前記コンデンサの電圧と前記架線の電圧との差が所定値よりも小さい場合に、前記電源スィッチをオンにすることを特徴とする請求項 5に記載の電気車の制御装置。

[8] 電動機を駆動するインバータと、このインバータの直流端子間に接続されたコンデンサと、このコンデンサの一端と架線との間に設けられた電源スィッチと、直流電力を貯蔵する電力貯蔵部と、この電力貯蔵部に電力を充放電させる、リアタトルおよび少なくとも 1対の直列接続されたスイッチング素子を有し、前記コンデンサに並列に設けられた DCDCコンバータとを備え、前記電源スィッチがオフの場合に、前記電力貯蔵部を前記コンデンサに並列に接続するように前記スイッチング素子のオンオフ状態を固定することを特徴とする電気車の制御装置。

[9] 前記電源スィッチがオフであり、かつ前記コンデンサの電圧と前記電力貯蔵部の電圧との差が所定値よりも小さい場合に、前記電力貯蔵部を前記コンデンサに並列に接続するように前記スイッチング素子のオンオフ状態を固定することを特徴とする請求項 8に記載の電気車の制御装置。

[10] 前記 DCDCコンバータが動作しており、かつ前記コンデンサの電圧と前記架線の電圧との差が所定値よりも小さい場合に、前記電源スィッチをオンにすることを特徴とする請求項 8に記載の電気車の制御装置。