JP6696690B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。

鉄道車両等の電気車には、架線から供給される直流電力を所定電圧の交流電力に変換して車内設備（例えば、冷暖房装置、ドア開閉装置、表示装置）に供給する電力変換装置が設けられている。電力変換装置では、架線から集電装置を介して受電した直流電力を昇圧チョッパにより一定電圧の直流電力に安定化させた後、単相インバータにより交流電力に変換する。その後、電力変換装置は、変圧器によって架線と絶縁された整流器によって、交流電力を直流電力に変換し、さらに、三相インバータによって直流電力を所定電圧の交流電力に変換して負荷部に供給する。また、電力変換装置は、昇圧チョッパから出力される直流電力から高周波成分を除去するコンデンサを有する。このコンデンサは、昇圧チョッパのスイッチング周波数が高いほど、その容量を小さくすることができる。

特開平１１−２１５８４１号公報

ところで、架線から供給される直流電力により走行する電気車特有の現象として、変電所から電気車までの架線に寄生インダクタンスが存在する。寄生インダクタンスは、架線の長さに比例するため、電気車が変電所から遠ざかるほど、大きくなる。そのため、電気車の運転を停止させるために、三相インバータから負荷部を切り離して架線に流れる電流が低下した場合、寄生インダクタンスに蓄積された磁気エネルギーをコンデンサで吸収する必要があり、昇圧チョッパのスイッチング周波数を高めても、コンデンサの容量を小さくすることができない。

実施形態の電力変換装置は、昇圧チョッパと、コンデンサと、第１電力変換器と、変圧器と、整流器と、第２電力変換器と、制御部と、を備える。昇圧チョッパは、架線から電気車に供給される直流電力を第１電圧に昇圧して出力する。コンデンサは、昇圧チョッパから出力された直流電力から高周波成分を除去して出力する。第１電力変換器は、コンデンサから出力された直流電力を交流電力に変換して出力する。変圧器は、第１電力変換器から出力された交流電力の電圧を昇圧して出力する。整流器は、変圧器から出力された交流電力を直流電力に変換して出力する。第２電力変換器は、整流器から出力された直流電力を、第２電圧の交流電力に変換して負荷部に供給する。制御部は、電気車の運転の停止が指示された場合、第２電圧を、所定時間かけて徐々に下げて、前記架線の寄生インダクタンスによる、前記コンデンサに印加される電圧の上昇を抑制する。

図１は、第１の実施形態にかかる電力変換装置の構成の一例を示す図である。 図２は、第１の実施形態にかかる電力変換装置における運転停止時の処理の一例を説明するための図である。 図３は、第２の実施形態にかかる電力変換装置のフィルタコンデンサに印加される電圧の変化の一例を示す図である。

以下、添付の図面を用いて、本実施形態にかかる電力変換装置について説明する。本実施形態にかかる電力変換装置は、架線からの直流電力を所定電圧の交流電力に変換して、鉄道車両等の電気車の負荷部（例えば、冷暖房装置やドア開閉装置や表示装置等の車内設備）に供給する鉄道車両用補助電源装置である。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態にかかる電力変換装置の構成の一例を示す図である。図１に示すように、本実施形態にかかる電力変換装置は、開放接触器５と、昇圧チョッパ６と、フィルタコンデンサ７と、単相インバータ８と、変圧器９と、整流器１０と、フィルタコンデンサ１１と、三相インバータ１２と、制御部１３と、充電抵抗器１５と、充電接触器１６と、を有する。開放接触器５は、パンタグラフ４（集電装置）と、線路を介して設置された車輪と、の間の電流経路に直列接続されている。パンタグラフ４は、架線２を介して変電所１から供給される直流電力を受電する集電装置である。

昇圧チョッパ６は、架線２から鉄道車両に供給される直流電力を第１電圧に昇圧して出力する。架線２から供給される直流電力には、変電所１に起因する特定の周波数（例えば、３００Ｈｚ）のリップルが含まれるが、昇圧チョッパ６は、直流電力に含まれるリップルを取り除き、かつ架線２から供給される直流電力の電圧変動を吸収して安定した直流電力を単相インバータ８に供給する。

本実施形態では、昇圧チョッパ６は、昇圧リアクトル６２と、スイッチング素子６１と、逆流防止ダイオード６３と、を有する。昇圧リアクトル６２は、コイル等で構成され、開放接触器５に直列接続されて、架線２から供給される電力を蓄える。スイッチング素子６１は、半導体スイッチ等で構成され、制御部１３によりチョッパ制御されてオンオフを繰り返して、昇圧リアクトル６２に蓄えられた電力をＧＮＤまたは負荷部３側に放電する。逆流防止ダイオード６３は、負荷部３側から架線２側への電流の逆流を防止するダイオードである。

フィルタコンデンサ７（コンデンサの一例）は、昇圧チョッパ６から出力される直流電力から高周波成分を除去して出力する。単相インバータ８（第１電力変換器の一例）は、フィルタコンデンサ７から出力される直流電力を交流電力に変換して出力する。変圧器９は、単相インバータ８から出力される交流電力を昇圧して出力する。本実施形態では、変圧器９は、単相インバータ８から出力される交流電力を、磁気的に結合した複数のコイル（一次側のコイルおよび二次側のコイル）の巻数比に応じた変圧比によって昇圧して出力する。ここで、変圧器９の一次側のコイルと二次側のコイルとの間は絶縁されているので、本実施形態にかかる電力変換装置は、絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータとして機能する。

整流器１０は、変圧器９から出力される交流電力を、再び、直流電力に変換して出力する。フィルタコンデンサ１１は、整流器１０から出力された直流電力の高周波成分を除去して出力する。三相インバータ１２（第２電力変換器の一例）は、フィルタコンデンサ１１から出力される直流電力を、第２電圧の交流電力に変換して負荷部３に供給する。制御部１３は、昇圧チョッパ６のチョッパ制御を行う。また、制御部１３は、三相インバータ１２のインバータ制御を行うと共に、運転停止時には、出力される交流電力の第２電圧を変更する。

充電抵抗器１５および充電接触器１６は、運転開始時にフィルタコンデンサ１１の初期充電回路として機能する。具体的には、充電接触器１６は、運転開始時において開放されて、充電抵抗器１５を介して架線２からの電力をフィルタコンデンサ１１に供給することで、初期充電の際に過大な電流がフィルタコンデンサ１１に流れることを防止する。そして、充電接触器１６は、フィルタコンデンサ１１の電圧が所定値に達すると、充電接触器１６を閉路して、フィルタコンデンサ１１の初期充電を完了させる。電力変換装置は、フィルタコンデンサ１１の初期充電の完了後に、運転を開始する。

次に、図１および図２を用いて、本実施形態にかかる電力変換装置の制御部１３による運転停止時の処理について説明する。図２は、第１の実施形態にかかる電力変換装置における運転停止時の処理の一例を説明するための図である。図２において、縦軸は三相インバータ１２から出力される交流電力の電圧を表し、横軸は時間を表す。

本実施形態にかかる電力変換装置は、スイッチング素子６１が、昇圧リアクトル６２と逆流防止ダイオード６３と連携して、架線２から供給される直流電力を昇圧する昇圧動作を行う。そして、電力変換装置は、スイッチング素子６１のスイッチング周波数が高くなるに従い、フィルタコンデンサ７の容量を小さくすることができる。従来のスイッチング素子のスイッチング周波数は、１．０〜２．０ｋＨｚ程度であったが、スイッチング素子６１は、ＳｉＣ（炭化ケイ素）等のワイドギャップの半導体スイッチの登場によって、スイッチング周波数を従来のスイッチング素子の１０倍以上に高めることができるようになっている。それにより、フィルタコンデンサ７の容量を小さくすることが可能になっている。

ところで、変電所１から開放接触器５に直流電力を供給する架線２には、寄生インダクタンス１４が存在する。寄生インダクタンス１４は、架線２の長さに比例して大きくなるため、電気車が変電所１から遠くなるに従って大きくなる。そのため、電気車の運転を停止させるために、三相インバータ１２から負荷部３を切り離して架線２に流れる電流が低下すると、寄生インダクタンス１４に蓄積された磁気エネルギーをフィルタコンデンサ７で吸収する必要がある。この場合に、昇圧チョッパ６のスイッチング周波数の向上に伴ってフィルタコンデンサ７の容量を小さくすると、フィルタコンデンサ７の電圧の上昇が大きくなり、フィルタコンデンサ７や昇圧チョッパ６が故障する可能性がある。そのため、昇圧チョッパ６のスイッチング周波数を高めても、フィルタコンデンサ７の容量を小さくすることができない。

そこで、本実施形態では、制御部１３は、電気車の運転の停止が指示された場合、三相インバータ１２から負荷部３へ供給される交流電力の第２電圧を、所定時間かけて徐々に下げる。従来の電力変換装置では、図２（ａ）に示すように、電気車の運転の停止が指示されてから、マイクロ秒オーダーで、三相インバータ１２から出力する交流電力の第２電圧を０Ｖに下げている。そのため、三相インバータ１２から負荷部３が切り離された場合に、架線２に流れる電流の変化率が大きくなり、フィルタコンデンサ７の電圧の上昇を抑えるために、当該フィルタコンデンサ７の容量を大きくする必要がある。

これに対して、本実施形態では、制御部１３は、図２（ｂ）に示すように、電気車の運転の停止が指示されてから、所定時間（例えば、１秒）かけて、第２電圧を徐々に０Ｖに下げる。これにより、三相インバータ１２から負荷部３を切り離す場合に、架線２に流れる電流の変化率が小さくなり、それに伴って、寄生インダクタンス１４が発生する電圧も低くなるので、フィルタコンデンサ７の電圧の上昇を抑えるために、フィルタコンデンサ７の容量を大きくする必要がなくなる。よって、フィルタコンデンサ７は、昇圧チョッパ６から出力される直流電力の高周波成分の除去に要する容量を有していれば良いので、昇圧チョッパ６のスイッチング周波数が上がるのに従ってフィルタコンデンサ７の容量を小さくすることができ、かつ電力変換装置の低廉化および小型化に寄与することができる。

このように、第１の実施形態にかかる電力変換装置によれば、昇圧チョッパ６のスイッチング周波数の上昇に伴い、フィルタコンデンサ７の容量を小さくすることができる。

（第２の実施形態）
本実施形態は、寄与インダクタンスのインダクタンスとフィルタコンデンサの容量との商の平方根と、フィルタコンデンサの定格電流と、の積の分、フィルタコンデンサの連続定格電圧より高くした電圧を、不連続定格電圧として有するフィルタコンデンサを有する例である。以下の説明では、第１の実施形態と同様の構成については説明を省略する。

電力変換装置は、保護動作によって三相インバータ１２から負荷部３への交流電力の供給が遮断された場合、三相インバータ１２から出力される交流電力の第２電圧を徐々に下げる時間を確保することができず、架線２に流れる電流が急激に下がり、寄生インダクタンス１４が発生する電圧が大きくなる。しかしながら、昇圧チョッパ６のチョッパ制御、単相インバータ８、三相インバータ１２の制御によって、寄生インダクタンス１４が発生する電圧を抑制することは難しい。そのため、フィルタコンデンサ７には、寄生インダクタンス１４に蓄積された磁気エネルギーを吸収することが求められる。

そこで、本実施形態では、フィルタコンデンサ７には、寄与インダクタンス１４のインダクタンスＬとフィルタコンデンサ７の容量Ｃの商の平方根と、フィルタコンデンサ７の定格電流Ｉと、の積ΔＶ（下記の式（１）参照）の分、フィルタコンデンサ７の連続定格電圧Ｅ_１より高くした不連続定格電圧Ｅ_２を有するコンデンサを用いる。ここで、連続定格電圧Ｅ_１は、フィルタコンデンサ７に対して第１時間ｔ_１連続して印加可能な電圧である。不連続定格電圧Ｅ_２は、フィルタコンデンサ７に対して第２時間ｔ_２連続して印加可能な電圧である。ここで、第２時間ｔ_２は、第１時間ｔ_１より短い時間であり、例えば、第１時間ｔ_１の１／１０００以下である。

図３は、第２の実施形態にかかる電力変換装置のフィルタコンデンサに印加される電圧の変化の一例を示す図である。図３において、縦軸は三相インバータ１２から出力される交流電力の電圧を表し、横軸は時間を表す。一般的に、フィルタコンデンサ７は、短時間かつ低頻度であれば、過電圧が印加されても故障する可能性が低い。そのため、図３に示すように、保護動作によって三相インバータ１２から負荷部３への交流電力の供給が遮断されて、フィルタコンデンサ７に対して印加される電圧が、連続定格電圧Ｅ_１を超えたとしても、当該電圧が印加される時間が第２時間ｔ_２より短い時間であれば、フィルタコンデンサ７が故障することはないので、フィルタコンデンサ７の容量を最低限に抑えることができる。

このように、第２の実施形態にかかる電力変換装置によれば、フィルタコンデンサ７の容量を最低限に抑えることができる。

以上説明したとおり、第１，２の実施形態によれば、昇圧チョッパ６のスイッチング周波数の上昇に伴い、フィルタコンデンサ７の容量を小さくすることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ 変電所
２ 架線
３ 負荷部
４ パンタグラフ
５ 開放接触器
６ 昇圧チョッパ
７，１１ フィルタコンデンサ
８ 単相インバータ
９ 変圧器
１０ 整流器
１２ 三相インバータ
１３ 制御部
１４ 寄生インダクタンス
６１ スイッチング素子
６２ 昇圧リアクトル
６３ 逆流防止ダイオード

Claims (1)

1. 架線から電気車に供給される直流電力を第１電圧に昇圧して出力する昇圧チョッパと、
   前記昇圧チョッパから出力された直流電力から高周波成分を除去して出力するコンデンサと、
   前記コンデンサから出力された直流電力を交流電力に変換して出力する第１電力変換器と、
   前記第１電力変換器から出力された交流電力の電圧を昇圧して出力する変圧器と、
   前記変圧器から出力された交流電力を直流電力に変換して出力する整流器と、
   前記整流器から出力された直流電力を、第２電圧の交流電力に変換して負荷部に供給する第２電力変換器と、
   前記電気車の運転の停止が指示された場合、前記第２電圧を、所定時間かけて徐々に下げて、前記架線の寄生インダクタンスによる、前記コンデンサに印加される電圧の上昇を抑制する制御部と、
   を備えた電力変換装置。

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