WO2014136220A1 - 電気車用主変換装置 - Google Patents

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光太郎 松田
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三菱電機株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a main conversion device mounted on an electric vehicle.
  • the electric circuit of an electric car is composed of a main circuit for supplying electric power to an electric motor, an auxiliary circuit for supplying electric power to auxiliary equipment such as an air conditioner in a vehicle, and lighting equipment.
  • AC power supplied from the overhead line is sequentially converted by a main transformer and a main converter that constitute the main circuit, and output to the motor. Is done. Thereby, electric power is converted into kinetic energy and an electric car runs.
  • This main conversion device typically includes first and second power conversion units, and an intermediate link unit that electrically connects these power conversion units.
  • the first power conversion unit converts AC power output from the main transformer into DC power and outputs it to the intermediate link unit during powering.
  • the second power conversion unit converts DC power supplied from the intermediate link unit into AC power and outputs the AC power to the electric motor during powering.
  • Auxiliary power supply which is the power supply for the auxiliary circuit, receives power when connected to the main circuit.
  • the auxiliary power supply configured separately from the main converter is typically connected directly to the main transformer.
  • the electric power supplied from the overhead wire is supplied to the auxiliary power supply device together with the main converter via the main transformer.
  • the auxiliary power supply device configured integrally with the main converter is typically connected to an intermediate link section in the main converter (see, for example, Patent Document 1).
  • the electric power supplied from the overhead wire is supplied to the auxiliary power supply device together with the second power converter through the main transformer and the first power converter.
  • the main converter and the auxiliary power supply can operate independently. Therefore, when the power regenerated to the overhead line is limited, the operation of the first power converter is stopped, and the regeneration of power to the overhead line is cut off, so that the influence of harmonics on the substation is prevented. Can do. Even if the operation of the first power converter is stopped, the auxiliary power supply can receive power from the overhead line via the main transformer, and the auxiliary power supply can continuously supply power to the auxiliary equipment. it can.
  • the size of the main converter and the auxiliary power unit can be reduced, but the auxiliary power unit operates depending on the operation of the main converter. Cases arise.
  • the regeneration of power to the overhead line is similar to the case of the auxiliary power supply configured separately from the main converter. Since it is cut off, the influence of harmonics on the substation can be prevented.
  • the regenerative power generated by the motor can be supplied to the auxiliary power supply device, but the power from the overhead line can not be supplied to the auxiliary power supply device. Disappear. For this reason, if the power required to operate the auxiliary equipment exceeds the regenerative power, the auxiliary power supply cannot receive sufficient power.As a result, the operation of the auxiliary power supply stops and power is supplied to the auxiliary equipment. May not be able to supply.
  • the present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object thereof is to provide a main conversion device for an electric vehicle capable of limiting power regenerated to an overhead line without stopping an auxiliary power supply device. To do.
  • an electric vehicle main converter includes a first power converter, a second power converter, an auxiliary power supply, and an operation controller.
  • the first power conversion unit is connected to a circuit in which an alternating current flows between the overhead line and an intermediate link unit that is a circuit in which a direct current flows, and converts AC power and DC power to each other.
  • the second power conversion unit is connected to the intermediate link unit and a circuit in which an alternating current flows between the motor and converts the direct-current power and the alternating-current power to each other.
  • the auxiliary power supply device receives power from the intermediate link unit and supplies power to the load.
  • the operation control unit includes a value indicating the acceleration state of the vehicle, a value corresponding to the vehicle speed, auxiliary power supply power that is necessary for the auxiliary power supply device to supply power to the load, and power regenerated to the overhead line. Based on the limit value, the operation and stop of the first power conversion unit so that the power supplied to the auxiliary power supply device is equal to or higher than the auxiliary power supply power and the power regenerated to the overhead line is equal to or lower than the limit value. To control.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration of an operation control unit according to the first embodiment. It is a figure which shows the relationship between the operation
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration of an operation control unit according to Embodiment 2.
  • FIG. It is a figure which shows the structure of the main converter which concerns on Embodiment 3 of this invention.
  • 12 is a flowchart illustrating a flow of operation control processing according to the third embodiment. It is a figure which shows the relationship between regeneration open instruction
  • a main converter (vehicle main converter) 100 is electrically connected with a current collector 101, a main transformer 102, an induction motor (IM) 103, a load 104, and the like. It is a device that constitutes the electric system in the vehicle.
  • IM induction motor
  • the current collector 101 exchanges power with the overhead line 105 for supplying AC power to the electric vehicle.
  • the main transformer 102 is electrically connected to the current collector 101 and the main converter 100, and bidirectionally converts the input voltage into a predetermined voltage and outputs it.
  • the induction motor 103 is an electric motor that exchanges electric power with the main converter 100.
  • the electric motor 103 converts electric power supplied from the main converter 100 into kinetic energy during power running, and outputs kinetic energy into regenerative power during braking.
  • the data is converted and output to the main converter 100.
  • the load 104 is an auxiliary device that operates by receiving power supply from the main converter 100, and is, for example, an in-vehicle air conditioner or lighting.
  • the load 104 may be plural.
  • the main conversion device 100 is a device that converts input power in accordance with an input signal or instruction and outputs the converted power. As shown in FIG. Power converter 112, auxiliary power unit (APS) 113, voltage detector (DCPT) 114, filter capacitor 115, APS power calculator 116, speed detector 117, torque command calculator 118, regeneration A power calculation unit 119 and an operation control unit 120 are provided.
  • APS auxiliary power unit
  • DCPT voltage detector
  • filter capacitor 115 filter capacitor 115
  • APS power calculator 116 speed detector 117
  • torque command calculator 118 regeneration
  • regeneration A power calculation unit 119 and an operation control unit 120 are provided.
  • the first power conversion unit 111 is provided between the main transformer 102 and the intermediate link unit 121.
  • the intermediate link unit 121 is a circuit that forms a circuit in which a direct current flows between the first power conversion unit 111 and the second power conversion unit 112, and includes, for example, wiring.
  • the first power conversion unit 111 is switched between operation and stop according to an operation control signal GC from an operation control unit 120, which will be described in detail later.
  • the first power conversion unit 111 converts AC power and DC power to each other and outputs them during operation.
  • the first power conversion unit 111 converts the input power to DC power and supplies the DC power to the intermediate link unit 121. Output.
  • the first power conversion unit 111 converts the input power into AC power and outputs the AC power to the main transformer 102.
  • the second power conversion unit 112 is provided between the intermediate link unit 121 and the induction motor 103, and converts and outputs DC power and AC power.
  • the second power conversion unit 112 converts the input power to predetermined AC power under the control of a control unit (not shown). (E.g., three-phase AC power) and output to the induction motor 103.
  • a control unit not shown
  • AC power regenerative power
  • the second power converter 112 converts the input power into DC power and outputs the DC power to the intermediate link unit 121.
  • the auxiliary power supply device 113 is electrically connected to the intermediate link unit 121, receives DC power from the intermediate link unit 121, and supplies power to the load 104.
  • the auxiliary power supply PA which is the power required to supply power to the load
  • the auxiliary power supply 113 continues to operate and continues to supply power to the load 104. Can do. If the state in which the power received from the intermediate link unit 121 is smaller than the auxiliary power supply PA continues to some extent, the auxiliary power supply device 113 cannot supply sufficient power to the load 104 and eventually stops. As a result, the load 104 also operates. May stop.
  • the voltage detection unit 114 is a device that detects the intermediate link voltage EFC that is the voltage of the intermediate link unit 121 and outputs an EFC signal including the detected intermediate link voltage.
  • the filter capacitor 115 is a capacitor for stabilizing the intermediate link voltage EFC, and is connected to the intermediate link unit 121.
  • the APS power calculation unit 116 calculates the auxiliary power supply power PA and outputs a PA signal including the calculated auxiliary power supply PA.
  • the APS power calculation unit 116 calculates the power supplied to the auxiliary power supply device 113 as the auxiliary power supply power PA. Specifically, the APS power calculation unit 116 acquires the EFC signal from the voltage detection unit 114. The APS power calculation unit 116 acquires an APS current signal including the APS current IA that is the value of the current input to the auxiliary power supply device 113. The APS power calculation unit 116 calculates the product of the intermediate link voltage EFC and the APS current IA. Thereby, the power supplied to the auxiliary power supply device 113 is calculated.
  • the speed detector 117 detects the vehicle speed V and outputs a speed signal including the detected vehicle speed V.
  • the speed detection unit 117 acquires a signal including the number of rotations FM per unit time of the induction motor 103.
  • the speed detection unit 117 detects the vehicle speed V by applying the rotation speed FM included in the acquired signal to, for example, a relational expression appropriately determined according to the vehicle.
  • the torque command calculation unit 118 calculates a torque command value Tm based on the external operation command TD, and outputs a torque command including the calculated torque command value Tm.
  • the regenerative power calculation unit 119 calculates the regenerative power PB generated by the induction motor 103 based on a value indicating the acceleration state of the vehicle and a value corresponding to the vehicle speed.
  • the regenerative power calculation unit 119 outputs a regenerative power signal including the calculated regenerative power PB.
  • the torque command value Tm is adopted as a value indicating the acceleration state of the vehicle
  • the vehicle speed V is adopted as a value corresponding to the vehicle speed.
  • the regenerative power calculation unit 119 acquires a torque command from the torque command calculation unit 118.
  • the regenerative power calculation unit 119 acquires a speed signal from the speed detection unit 117.
  • the regenerative power calculation unit 119 calculates the regenerative power PB generated by the induction motor 103 by calculating, for example, 3.6 ⁇ torque command value Tm ⁇ vehicle speed V.
  • the operation control unit 120 When the electric power regenerated to the overhead line 105 is limited, the operation control unit 120 performs the first operation based on the auxiliary power supply PA and the regenerative electric power PB calculated based on the torque command value Tm and the vehicle speed V. The operation and stop of the power converter 111 are controlled.
  • the operation control unit 120 is configured so that the power supplied to the auxiliary power supply device 113 is equal to or higher than the auxiliary power supply power PA and the power regenerated to the overhead line 105 is equal to or lower than the limit value ps1. Control operation and stop.
  • the limit value Ps1 is a value of 0 or more determined by a substation that supplies power to the overhead line 105 of the traveling section.
  • the limit value Ps1 being 0 means that power regeneration to the overhead line 105 is prohibited.
  • the limit value Ps1 is appropriately set in the operation control unit 120 via an input unit (not shown), and the operation control unit 120 may hold data indicating the limit value Ps1.
  • the operation control unit 120 includes a subtraction unit 131 and a comparison unit 132 as shown in the circuit diagram of FIG.
  • the subtraction unit 131 acquires a PA signal from the APS power calculation unit 116 and acquires a regenerative power signal from the regenerative power calculation unit 119.
  • the comparison unit 132 compares the difference P included in the output signal from the subtraction unit 131 with the limit value Ps1 held by the operation control unit 120.
  • the comparison unit 132 outputs an operation control signal GC corresponding to the comparison result to the first power conversion unit 111.
  • the comparison unit 132 when the difference P is larger than the limit value Ps1, it corresponds to P> Ps1 in FIG.
  • the comparison unit 132 generates an operation control signal GC (off operation control signal GC) for stopping the first power conversion unit 111, and the first power conversion unit 111. Output to. Thereby, the 1st power converter 111 stops. As a result, the regenerative power generated by the induction motor 103 is not supplied to the overhead line 105.
  • the comparison unit 132 When the difference P is less than or equal to the limit value Ps1, this corresponds to P ⁇ Ps1 in FIG.
  • the comparison unit 132 generates an operation control signal GC (ON operation control signal GC) for operating the first power conversion unit 111 as shown in FIG. Output to. Thereby, the first power conversion unit 111 operates.
  • the regenerative power generated by the induction motor 103 is supplied to the auxiliary power supply device 113 and is regenerated to the overhead line 105 if there is still surplus.
  • the functions of the speed detection unit 117, the APS power calculation unit 116, the torque command calculation unit 118, the regenerative power calculation unit 119, and the operation control unit 120 include, for example, a processor, a RAM (Random Access Memory), and a ROM (Read Only Memory). Or the like may be realized by executing a computer program incorporated in advance. In this case, each of the processor, the RAM, and the ROM may be one or plural.
  • the main transformer 102 converts the voltage and outputs AC power of the converted voltage. Since the first power conversion unit 111 operates during power running, the AC power output from the main transformer 102 is converted into DC power and output to the intermediate link unit 121.
  • the auxiliary power supply device 113 and the second power conversion unit 112 receive the DC power output from the first power conversion unit 111 via the intermediate link unit 121.
  • the auxiliary power supply device 113 supplies the received power to the load 104.
  • the second power conversion unit 112 converts the received DC power and outputs it to the induction motor 103.
  • electric power according to the content of the power running command is output from the second power conversion unit 112 to the induction motor 103, thereby enabling acceleration of the electric vehicle, constant speed traveling, and the like.
  • the induction motor 103 functions as a generator and generates AC power (regenerative power).
  • the second power conversion unit 112 receives the regenerative power generated by the induction motor 103, converts it into DC power, and outputs it to the intermediate link unit 121.
  • the auxiliary power supply device 113 receives the DC power output from the second power conversion unit 112 via the intermediate link unit 121 and supplies it to the load 104.
  • the operation control unit 120 operates the first power conversion unit 111 by outputting the ON operation control signal GC.
  • the 1st power converter 111 operates similarly to the above-mentioned power running.
  • the power from the overhead line 105 is supplied to the auxiliary power supply device 113 through the main transformer 102 and the first power converter 111, so that the power supplied to the auxiliary power supply device 113 is equal to or higher than the auxiliary power supply power PA. .
  • the operation control unit 120 When the regenerative power PB generated by the induction motor 103 is larger than the auxiliary power supply PA and the difference P is equal to or less than the limit value Ps1, the operation control unit 120 outputs the first operation control signal GC to The power converter 111 is operated. Thereby, the 1st power converter 111 receives the electric power equivalent to the difference P from the intermediate link part 121, converts it into alternating current power, and outputs it.
  • the main transformer 102 receives the AC power output from the first power converter 111, converts the voltage, and outputs the AC power. The electric power output from the main transformer 102 is regenerated to the overhead line 105 via the current collector 101.
  • the operation control unit 120 When the regenerative power PB generated by the induction motor 103 is larger than the auxiliary power source power PA and the difference P is larger than the limit value Ps1, the operation control unit 120 outputs an off operation control signal GC. Thereby, the 1st power converter 111 stops. As a result, power is not regenerated to the overhead line 105.
  • auxiliary power supply 113 is supplied with electric power equal to or higher than the auxiliary power supply PA, the operation of the auxiliary power supply 113 can be stopped. At the same time, it is possible to limit the power regenerated to the overhead line 105 to the limit value Ps1 or less. Furthermore, since the regenerative power generated by the induction motor 103 is supplied to the auxiliary power supply device 113, the power consumption of the electric vehicle can be reduced.
  • the value indicating the acceleration state of the vehicle is the torque command value Tm.
  • the value indicating the acceleration state of the vehicle is, for example, a stepwise value included in the notch command or a continuous value.
  • the break force BE [kN] included in the value and the brake signal may be employed.
  • the brake signal is employed, the regenerative electric power PB generated by the induction motor 103 is calculated by, for example, calculating a break force BE [kN] ⁇ vehicle speed V [km / h] /3.6. .
  • the value corresponding to the vehicle speed is the vehicle speed V.
  • the rotational speed FM of the induction motor 103 may be adopted as the value corresponding to the vehicle speed.
  • the regenerative power PB generated by the induction motor 103 is calculated by the regenerative power calculation unit 119 based on the torque command value Tm and the vehicle speed V. Based on (motor voltage) and current (motor current), the regenerative power calculation unit 119 may calculate.
  • the regenerative power PB generated by the induction motor 103 is calculated by, for example, 3 ⁇ (1/2) ⁇ motor voltage [V] ⁇ motor current [A] ⁇ power factor ⁇ efficiency / 1000.
  • “ ⁇ ” in the expression represents a power.
  • the operation control unit 220 according to the first modification includes a comparison unit 232 instead of the comparison unit 132 according to the first embodiment.
  • the operation control unit 220 holds data indicating the threshold value Ps2.
  • a value smaller than Ps1 may be appropriately determined as the threshold value Ps2.
  • the threshold value Ps2 is set similarly to the above-described Ps1, and the operation control unit 220 may hold data indicating the threshold value Ps2.
  • the comparison unit 232 compares the difference P included in the output signal from the subtraction unit 131 with the limit value Ps1 or the threshold value Ps2, and outputs the operation control signal GC according to the comparison result to the first power conversion unit 111. To do. Which of the limit value Ps1 and the threshold value Ps2 is compared with the difference P is determined according to the content of the control output signal GC being output.
  • the comparison unit 232 when outputting the ON control output signal GC, the comparison unit 232 continues to output the ON control output signal GC if the difference P is equal to or less than the limit value Ps1. In this case, when the difference P becomes larger than the limit value Ps1, the comparison unit 232 switches the ON operation control signal GC to the OFF operation control signal GC and outputs it.
  • the comparison unit 232 When the comparison unit 232 outputs the off control output signal GC and the difference P is larger than the threshold value Ps2, the comparison unit 232 continues to output the off control output signal GC. In this case, when the difference P becomes equal to or less than the threshold value Ps2, the comparison unit 232 switches the OFF control output signal GC to the ON operation control signal GC and outputs the switched control output signal GC.
  • the operation control unit 220 switches between the on-operation control signal GC and the off-operation control signal GC based on different values (limit value Ps1, threshold Ps2) according to how the difference P changes. .
  • the operation control unit 120 compares the difference P with the limit value Ps1, and controls the first power conversion unit 111 based on the comparison result.
  • the operation control unit 320 according to the modification 2 compares the regenerative power PB and the auxiliary power supply PA, and controls the first power conversion unit 111 based on the comparison result.
  • the comparison unit 332 stops the first power conversion unit 111 by outputting an off operation control signal GC to the first power conversion unit 111 when the regenerative power PB is larger than the auxiliary power supply PA. Let When the regenerative power PB is equal to or less than the auxiliary power supply PA, the comparison unit 332 stops the first power conversion unit 111 by outputting the ON operation control signal GC to the first power conversion unit 111.
  • the configuration of the operation control unit 320 can be made simpler than that of the operation control unit 120 according to the first embodiment.
  • FIG. Main conversion apparatus 400 according to Embodiment 2 of the present invention does not include APS power calculation unit 116 and regenerative power calculation unit 119 as shown in FIG. 6, and an operation control unit instead of operation control unit 120. Except for the provision of 420, the same configuration as that of the main converter 100 according to the first embodiment is provided.
  • the operation control unit 420 is based on the torque command value Tm, the vehicle speed V, the auxiliary power supply PA, and the limit value Ps1 of the power regenerated to the overhead line 105.
  • the operation and stop of the first power conversion unit 111 are controlled.
  • the operation control unit 420 is configured such that the power supplied to the auxiliary power supply device 113 is greater than or equal to the auxiliary power supply power PA and the power regenerated to the overhead line 105 is limited.
  • the operation and stop of the first power conversion unit 111 are controlled so as to be equal to or less than the value ps1.
  • the operation control unit 420 is associated with the combination of the torque command value Tm and the vehicle speed V, based on operation control data including an operation control rule that determines whether the first power conversion unit 111 is to be operated or stopped. The operation and stop of the first power conversion unit 111 are controlled.
  • the operation control unit 420 holds in advance operation control data 441 including an operation control rule.
  • the operation control rule associates either the operation or the stop of the first power converter 111 with the set of the torque command value Tm and the vehicle speed V.
  • an ON region and an OFF region are defined with respect to a region defined by the torque command value Tm and the vehicle speed V.
  • the boundary between the ON region and the OFF region is determined according to a preset auxiliary power supply PA (for example, a constant value) and a limit value ps1.
  • the operation control unit 420 When the operation control unit 420 acquires a torque command from the torque command calculation unit 118 and acquires a speed signal from the speed detection unit 117, the operation control unit 420 refers to the torque command value Tm, the vehicle speed V, and the operation control data 441. Thereby, the operation control unit 420 determines whether the set of the torque command value Tm and the vehicle speed V belongs to the on region or the off region.
  • the operation control unit 420 converts the ON operation control signal GC to the first power conversion unit 111. Output to. Thereby, the first power conversion unit 111 operates.
  • the operation control unit 420 converts the off operation control signal GC to the first power conversion unit 111. Output to. Thereby, the 1st power converter 111 stops.
  • the main conversion device 400 including such an operation control unit 420 operates in the same manner as the main conversion device 100 according to the first embodiment during power running. As a result, the electric vehicle can be accelerated and run at a constant speed.
  • the second power conversion unit 112 and the auxiliary power supply device 113 operate in the same manner as in the first embodiment.
  • the operation control unit 420 applies the current value of the torque command value Tm and the vehicle speed V to the operation control rule determined based on the auxiliary power supply PA and the limit value ps1, whereby the first power conversion unit The operation and stop of 111 are controlled.
  • the regenerative power PB generated by the induction motor 103 is determined by the set of the torque command value Tm and the vehicle speed V.
  • the boundary between the ON region and the OFF region is determined based on the auxiliary power supply PA and the limit value ps1.
  • the auxiliary power supply device 113 it becomes possible not to stop the operation of the auxiliary power supply device 113. At the same time, it is possible to limit the power regenerated to the overhead line 105 to the limit value Ps1 or less. Furthermore, since the regenerative power generated by the induction motor 103 is supplied to the auxiliary power supply device 113, the power consumption of the electric vehicle can be reduced.
  • main converter 500 according to Embodiment 3 of the present invention is similar to main converter 100 according to Embodiment 1, and includes first power converter 111 and second power converter. 112, an auxiliary power supply device 113, a voltage detection unit 114, and a filter capacitor 115.
  • Main conversion device 500 further includes a current detector 551 and an operation control unit 520 instead of operation control unit 120 of main conversion device 100 according to the first embodiment.
  • the current detector 551 is a device that detects a current input to the first power converter 111 and outputs an input current signal including an input current IS that is a value of the detected current.
  • the current detector 551 according to the present embodiment represents a current flowing in the direction from the current collector 101 toward the first power converter 111 as a positive value, and represents a current flowing in the opposite direction as a negative value. To detect the magnitude and direction of the current.
  • the direction and magnitude of the current input to the first power conversion unit 111 may be detected, and the method is not limited to this.
  • positive / negative may be defined in reverse.
  • the operation control unit 520 controls the operation and stop of the first power conversion unit 111 based on the regenerative opening command COR output from the cab 552, the intermediate link voltage EFC, and the input current IS.
  • the regenerative release command COR is a command that indicates whether power regeneration to the overhead line 105 is permitted or restricted.
  • the regeneration opening command COR may include a restriction value Ps1.
  • the operation control unit 520 when the operation control unit 520 obtains the regenerative release command COR indicating that the regeneration of power to the overhead line 105 is restricted, the operation control unit 520 outputs the off operation control signal GC. Thereby, the 1st power converter 111 stops.
  • the operation control unit 520 determines that the regenerative power PB generated by the induction motor 103 is equal to or lower than the auxiliary power supply power PA. Output GC. Thereby, the first power conversion unit 111 operates.
  • the set value Ec is set in advance as a lower limit of the intermediate link voltage EFC that gradually decreases when the power supplied to the auxiliary power supply 113 is equal to or less than the auxiliary power supply PA.
  • the set value Ec is appropriately set in the operation control unit 520 via an input unit (not shown), and the operation control unit 520 may hold data indicating the set value Ec.
  • the operation control unit 520 When the input current IS included in the input current signal acquired from the current detector 551 is equal to or less than the set value Ic (second set value), the operation control unit 520 outputs an off operation control signal GC. Thereby, the 1st power converter 111 stops.
  • the power regenerated to the overhead line 105 can be estimated from the input current IS. Therefore, the input current IS when the power regenerated to the overhead line 105 becomes the limit value Ps1 is adopted as the set value Ic. Therefore, it becomes a negative value in the present embodiment.
  • the set value Ic is appropriately set in the operation control unit 520 via an input unit (not shown), for example, and the operation control unit 520 may hold data indicating the set value Ic. Note that the operation control unit 520 may set the setting value Ic in the operation control unit 520 by calculating the setting value Ic corresponding to the limit value Ps1 input via an input unit (not shown) or the like.
  • main conversion apparatus 500 So far, the configuration of main conversion apparatus 500 according to the present embodiment has been described. From here, operation
  • main converter 500 operates in the same manner as main converter 100 according to the first embodiment. As a result, the electric vehicle can be accelerated and run at a constant speed.
  • the main converter 500 executes an operation control process shown in FIG.
  • the operation control unit 520 obtains a regeneration opening command COR indicating that the regeneration of power to the overhead line 105 is restricted from the cab 552 (step S101).
  • the figure shows an example in which power regeneration to the overhead line 105 is permitted until time T1. Therefore, in the figure, the intermediate link voltage EFC up to time T1 is substantially constant.
  • the operation control unit 520 outputs an ON operation control signal GC. Therefore, the first power conversion unit 111 is operating. For this reason, the input current IS up to time T1 is a positive value because the regenerative power PB generated by the induction motor 103 is smaller than the auxiliary power supply PA, so that the power to be supplied to the auxiliary power supply 113 is from the overhead line 105. It means that it is captured.
  • the operation control unit 520 outputs an OFF operation control signal GC in accordance with the regenerative release command COR acquired in step S ⁇ b> 101. Thereby, the operation control unit 520 stops the first power conversion unit 111 (step S102).
  • the operation control unit 520 determines whether or not the intermediate link voltage EFC is equal to or lower than the set value Ec by acquiring the EFC signal from the voltage detection unit 114 (step S103).
  • the operation control unit 520 When the intermediate link voltage EFC is not equal to or lower than the set value Ec (step S103; No), the operation control unit 520 outputs an off operation control signal GC and continues to stop the first power conversion unit 111 (step S102). .
  • the intermediate link voltage EFC gradually decreases because power is no longer taken from the overhead line 105 in a state where the regenerative power PB is smaller than the auxiliary power supply PA as described above.
  • the reason why the intermediate link voltage EFC does not drop sharply is that power is supplied from the filter capacitor 115 or the like to the auxiliary power supply device 113. Since the first power conversion unit 111 is stopped, the input current IS is zero.
  • step S103 when the intermediate link voltage EFC is equal to or lower than the set value Ec (step S103; Yes), if the intermediate link voltage EFC becomes smaller than the set value Ec, the auxiliary power supply device 113 may stop due to power shortage.
  • the operation control unit 520 outputs the ON operation control signal GC to operate the first power conversion unit 111 (step S104).
  • the operation control unit 520 determines whether or not the input current IS is larger than the set value Ic by acquiring the input current signal from the current detector 551 (step S105). When the input current IS is larger than the set value Ic (step S105; Yes), the operation control unit 520 outputs the ON operation control signal GC and continues to operate the first power conversion unit 111 (step S104).
  • step S105 when the input current IS is equal to or less than the set value Ic (step S105; No), the operation control unit 520 outputs an off operation control signal GC to stop the first power conversion unit 111. (Step S102).
  • the first power conversion unit 111 is stopped, so that the input current IS is zero, and power is not regenerated in the overhead line 105.
  • the intermediate link voltage EFC is maintained at a constant level because the regenerative power PB is larger than the auxiliary power supply power PA.
  • the auxiliary power supply 113 is supplied with electric power that is equal to or higher than the auxiliary power supply PA, the operation of the auxiliary power supply 113 can be stopped. At the same time, it is possible to limit the power regenerated to the overhead line 105 to the limit value Ps1 or less. Furthermore, since the regenerative power generated by the induction motor 103 is supplied to the auxiliary power supply device 113, the power consumption of the electric vehicle can be reduced.
  • Modification 3 For example, when the limit value Ps1 is zero, the current detector 551 detects only the current direction, and the operation control unit 520 operates the first power conversion unit 111 based on the detected current direction. And stop may be controlled.
  • the operation of the auxiliary power supply device 113 can be prevented from being stopped with a simpler configuration than that of the third embodiment.
  • it is possible to limit the power regenerated to the overhead line 105 to the limit value Ps1 ( 0) or less, that is, to prevent the power from being regenerated to the overhead line 105.
  • the power consumption of the electric vehicle can be reduced.
  • the present invention can be suitably used for a main conversion device mounted on an electric vehicle such as a train or an electric locomotive.

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

電気車用主変換装置
　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。

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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