(57)【要約】【課題】切替装置の損傷を防止するとともに、負荷を使用しながら電源を切り替える。【解決手段】電力変換システム１は、入力電流を検出する第１電流検出器２１を有し、負荷を駆動する負荷駆動装置２０と、第１電源３０を負荷駆動装置２０に接続するか切り離すかを切り替える切替装置４０と、出力電流を検出する第２電流検出器１４を有し、負荷駆動装置２０に第２電源１１からの電力を供給する電源装置１０と、第１電源３０を負荷駆動装置２０から切り離す制御が行われる前に、第２電流検出器１４が検出する電流値を第１電流検出器２１が検出する電流値と等しくなるように制御する制御装置１３と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力電流を検出する第１電流検出器を有し、負荷を駆動する負荷駆動装置と、
第１電源を前記負荷駆動装置に接続するか切り離すかを切り替える切替装置と、
出力電流を検出する第２電流検出器を有し、前記負荷駆動装置に第２電源からの電力を供給する電源装置と、
前記第１電源を前記負荷駆動装置から切り離す制御が行われる前に、前記第２電流検出器が検出する電流値を、前記第１電流検出器が検出する電流値と等しくなるように制御する制御装置と、
を備えることを特徴とする電力変換システム。
【請求項２】
前記第１電源を前記負荷駆動装置から切り離す制御が行われた後に、前記電源装置は、前記第１電流検出器が検出する電流値と前記第２電流検出器が検出する電流値との差が閾値以下であることを確認することを特徴とする、請求項１に記載の電力変換システム。
【請求項３】
前記第１電源を前記負荷駆動装置から切り離す制御が行われた後に、前記電源装置は、出力電圧を変化させ、前記確認を行うことを特徴とする、請求項２に記載の電力変換システム。
【請求項４】
前記切替装置はパンタグラフであり、
前記パンタグラフを降下させる際に、前記パンタグラフから前記負荷駆動装置に流れる電流は遮断されないことを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の電力変換システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
通常、電気車における走行用又はサービス電源用の電源は、架線や第三軌条などの外部から供給される電源、あるいはディーゼルエンジンに代表される内燃機関と発電機のような単一電源を有する。一方、近年では蓄電池などの技術進歩により、エネルギー貯蔵媒体を有する電気車も増加している。
【０００３】
一般に、１つのシステム内に複数の電源を有する場合、その切り替え制御が問題となる。例えば、特許文献１には、各電源のコンデンサ電圧を監視して、その電位差が無くなった時に切り替え制御を行う技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−１３０５７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
複数の電源を切り替える際に、負荷を使用したまま切り替えようとすると、電源間に電位差が生じるため、接続した瞬間又は切り離した瞬間に、突入電流が流れたりアークを引いたりすることにより、切替装置が損傷するおそれがある。特許文献１に開示された方法では、各電圧センサが同一の計測点を計測することもあり、真の電位差を確認することが困難であった。
【０００６】
かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、電源切り替え時に発生する電位差を、電圧センサを使用せずに制御し、切替装置の損傷を防止するとともに、負荷を使用しながら電源を切り替えることが可能な電力変換システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明に係る電力変換システムは、入力電流を検出する第１電流検出器を有し、負荷を駆動する負荷駆動装置と、第１電源を前記負荷駆動装置に接続するか切り離すかを切り替える切替装置と、出力電流を検出する第２電流検出器を有し、前記負荷駆動装置に第２電源からの電力を供給する電源装置と、前記第１電源を前記負荷駆動装置から切り離す制御が行われる前に、前記第２電流検出器が検出する電流値を、前記第１電流検出器が検出する電流値と等しくなるように制御する制御装置と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
さらに、本発明に係る電力変換システムにおいて、前記第１電源を前記負荷駆動装置から切り離す制御が行われた後に、前記電源装置は、前記第１電流検出器が検出する電流値と前記第２電流検出器が検出する電流値との差が閾値以下であることを確認することを特徴とする。
【０００９】
さらに、本発明に係る電力変換システムにおいて、前記第１電源を前記負荷駆動装置から切り離す制御が行われた後に、前記電源装置は、出力電圧を変化させ、前記確認を行うことを特徴とする。
【００１０】
さらに、本発明に係る電力変換システムにおいて、前記切替装置はパンタグラフであり、前記パンタグラフを降下させる際に、前記パンタグラフから前記負荷駆動装置に流れる電流は遮断されないことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、切替装置の損傷を防止するとともに、負荷を使用しながら電源を切り替えることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る電力変換システムの構成例を示す図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る電力変換システムの構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明は電気車、一般産業用のシステムなどに適用される。以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１４】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る電力変換システム１の概略構成を示す図である。図１に例示する電力変換システム１は、電源装置１０と、負荷駆動装置２０と、切替装置４０と、切替制御装置４１と、遮断器５０とを備える。
【００１５】
図１は、本発明を、架線６０から電力が供給されるハイブリッド車両（電気車）に適用した例である。この場合、第１電源３０は、変電所からき電方式により電気車に電力を供給する電源であり、切替装置４０はパンタグラフである。本実施形態においては、切替装置４０をパンタグラフ４０と称して説明する。
【００１６】
切替制御装置４１は、パンタグラフ４０の上昇及び降下を制御して、パンタグラフ４０を架線６０と接触させるか、架線６０と非接触にさせるかを制御する。
【００１７】
パンタグラフ４０は、切替制御装置４１の制御により架線６０に接触することにより、第１電源３０から電力を取得し、取得した電力を負荷駆動装置２０に供給する。また、パンタグラフ４０は、切替制御装置４１の制御により架線６０と非接触になることにより、第１電源３０からの電力の供給を停止する。すなわち、パンタグラフ４０は、第１電源３０を負荷駆動装置２０に接続するか切り離すかを切り替える。
【００１８】
負荷駆動装置２０は、第１電流検出器２１と、インバータ２２とを有する。
【００１９】
第１電流検出器２１は、負荷駆動装置２０に入力される入力電流を検出し、検出した電流値Ｉloadを制御装置１３に出力する。
【００２０】
インバータ２２は、第１電源３０から供給された直流電力を、ＶＶＶＦ（Variable Voltage Variable Frequency）制御などを行って三相交流電力に変換し、三相交流電力を負荷に出力して負荷を駆動する。負荷は、例えば主電動機である。
【００２１】
電源装置１０は、第２電源１１と、電圧変換装置１２と、制御装置１３と、第２電流検出器１４とを有する。なお、本実施形態では、電源装置１０が制御装置１３を有しているが、制御装置１３は電源装置１０の外部に配置されていてもよい。
【００２２】
第２電源１１は、蓄電池などの二次電池であり、その種類は限定されない。
【００２３】
電圧変換装置１２は、第２電源１１により得られた直流電圧を、制御装置１３の制御により、スイッチング素子をスイッチングして、値の異なる直流電圧に変換する。
【００２４】
第２電流検出器１４は、電源装置１０から出力される出力電流を検出し、検出した電流値Ｉoutを制御装置１３に出力する。
【００２５】
制御装置１３は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号を生成し、電圧変換装置１２のスイッチング素子を制御する。制御装置１３は、第１電源３０が負荷駆動装置２０から切り離される制御が行われる直前に、第２電流検出器１４が検出する電流値Ｉoutが第１電流検出器２１が検出する電流値Ｉloadと等しくなるように制御する。Ｉload＝Ｉoutである場合、パンタグラフ４０の接点であるすり板は無電流となる。したがって、Ｉload＝Ｉoutの状態でパンタグラフ４０を降下させることにより、アークを引くことを防止することができ、パンタグラフ４０の擦り板の損耗を防止することが可能となる。
【００２６】
また、制御装置１３は、次の方法により、切替制御装置４１によるパンタグラフ４０の切り替え制御が正しく行われていることを確認してもよい。
【００２７】
第１の方法では、切替制御装置４１によるパンタグラフ４０を降下させる制御（すなわち、第１電源３０を負荷駆動装置２０から切り離す制御）が行われた後に、制御装置１３は、第１電流検出器２１が検出する電流値Ｉloadと第２電流検出器１４が検出する電流値Ｉoutとの差を監視し、差が閾値以下（略ゼロ）であることを確認する。差が閾値を超えた場合には警告信号を出力してもよい。第１電源３０が負荷駆動装置２０から切り離されている間は、制御装置１３の制御によりＩload＝Ｉoutとなるはずであるが、パンタグラフ４０又は切替制御装置４１の故障によりパンタグラフ４０が正しく降下しなかった場合や、パンタグラフ４０が意図せず架線６０に接触した場合などには、Ｉload≠Ｉoutとなる。したがって、ＩloadとＩoutの差が閾値以下であることを監視することにより、パンタグラフ４０の状態を検知することなく、確実にパンタグラフ４０が降下していることを確認することが可能となる。
【００２８】
第２の方法では、切替制御装置４１によるパンタグラフ４０を降下させる制御（すなわち、第１電源３０を負荷駆動装置２０から切り離す制御）が行われた後に、制御装置１３は、電圧変換装置１２の出力電圧を意図的に変化させ、第１電流検出器２１が検出する電流値Ｉloadと第２電流検出器１４が検出する電流値Ｉoutとの差を監視し、差が閾値以下であることを確認する。差が閾値を超えた場合には警告信号を出力してもよい。電圧変換装置１２の出力電圧を変化させた場合でも、パンタグラフ４０が降下していれば、Ｉload＝Ｉoutになる。したがって、第１の方法と同様に、パンタグラフ４０の状態を検知することなく、確実にパンタグラフ４０が降下していることを確認することが可能となる。
【００２９】
遮断器５０は、パンタグラフ４０から負荷駆動装置２０に流れる電流を遮断する。例えば、遮断器５０に過電流が流れた場合に、負荷駆動装置２０を保護するために過電流を遮断する。また、従来の電気車では、遮断器５０が電流を遮断してからパンタグラフ４０を降下させていた。しかし、本発明では、パンタグラフ４０を降下させる前に、Ｉload＝Ｉoutとなるように制御されているため、遮断器５０は、パンタグラフ４０から負荷駆動装置２０に流れる電流を遮断する必要がない。
【００３０】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図２は、本発明の第２の実施形態に係る電力変換システム２の概略構成を示す図である。図２に例示する電力変換システム２は、電源装置１０と、負荷駆動装置２０と、第１電源３０と、コンバータ３３と、切替装置４０と、切替制御装置４１とを備える。
【００３１】
図２は、本発明を、エンジンを搭載したハイブリッド車両（気動車）に適用した例である。この場合、第１電源３０は、気動車内に配置される電源であり、切替装置４０は接触器である。本実施形態においては、切替装置４０を接触器４０と称して説明する。
【００３２】
第１電源３０は、内燃機関であるエンジン３１により得られた動力により発電機３２を駆動させ、交流電力を発生させる。
【００３３】
コンバータ３３は、発電機３２が発生した交流電力を直流電力に変換する。
【００３４】
切替制御装置４１は、接触器４０の投入及び開放を制御して、第１電源３０を負荷駆動装置２０に接続するか切り離すかを切り替える。
【００３５】
電源装置１０及び負荷駆動装置２０は、第１の実施形態と同様である。すなわち、制御装置１３は、ＰＷＭ信号を生成し、電圧変換装置１２のスイッチング素子を制御する。制御装置１３は、第１電源３０が負荷駆動装置２０から切り離される制御が行われる直前に、第１電流検出器２１が検出する電流値Ｉloadが第２電流検出器１４が検出する電流値Ｉoutと等しくなるように制御する。Ｉload＝Ｉoutである場合、接触器４０は無電流となる。したがって、Ｉload＝Ｉoutの状態で接触器４０を開放させることにより、アークを引くことを防止することができ、接触器４０の損耗を防止することが可能となる。また、第１の実施形態と同様に、制御装置１３は、切替制御装置４１による接触器４０の切り替え制御が正しく行われていることを確認してもよい。
【００３６】
上述したように、本発明では、制御装置１３により第１電流検出器２１が検出する電流値Ｉloadが第２電流検出器１４が検出する電流値Ｉoutと等しくなるように制御してから、切替制御装置４１により第１電源３０を負荷駆動装置２０から切り離す制御を行う。そのため、本発明を用いることで、切替装置４０の接点の損耗を減少させることができるとともに、負荷を停止させないで使用しながら、電源を切り替えることが可能となる。
【００３７】
電力変換システム１においては、パンタグラフ４０の擦り板の損耗を減少させることができる。遮断器５０は有電流遮断を行う必要がなくなるため、遮断器５０の接触点の損耗も減少させることができる。また、電力変換システム２においては、接触器４０の接触点の損耗を減少させることができる。
【００３８】
さらに、切替制御装置４１が第１電源３０を負荷駆動装置２０から切り離す制御を行った後に、制御装置１３がＩload＝Ｉoutであることを確認することにより、切替え制御が正しく行われていることを確実に確認することができる。そのため、切替装置４０の切り替えを確認するための目視や、切替装置４０の状態を検知する検知装置を設ける必要がなくなり、機器を削減することができる。また、誤って第１電源３０の切り離しができていない状態（例えば、パンタグラフ４０を上昇させたままの状態）で走行することを防止することができる。
【００３９】
なお、切替装置４０に流れる電流を直接検出して、該電流がゼロになるように制御することも可能であるが、電流センサの精度や制御装置の精度によっては、電流がゼロであることを検出することが困難な場合がある。その点、本発明では第１電流検出器２１及び第２電流検出器１４に一定の電流が流れている状態で両者が等しくなるように制御するため、精度良く切替装置４０に流れる電流がゼロになるように制御することができる。
【００４０】
上述の実施形態は代表的な例として説明したが、本発明の趣旨及び範囲内で、多くの変更及び置換ができることは当業者に明らかである。したがって、本発明は、上述の実施形態によって制限するものと解するべきではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。例えば、実施形態の構成図に記載の複数の構成ブロックを１つに組み合わせたり、あるいは１つの構成ブロックを分割したりすることが可能である。例えば、制御装置１３及び切替制御装置４１を一体の制御装置として構成してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明は、複数の電源から電力が供給されるシステムに利用可能である。
【符号の説明】
【００４２】
１，２  電力変換システム
１０    電源装置
１１    第２電源
１２    電圧変換装置
１３    制御装置
１４    第２電流検出器
２０    負荷駆動装置
２１    第１電流検出器
２２    インバータ
３０    第１電源
３１    エンジン
３２    発電機
３３    コンバータ
４０    切替装置（パンタグラフ、接触器）
４１    切替制御装置
５０    遮断器
６０    架線
【図１】
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【図２】
2020102961.tif 000004