(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源から第１の遮断器を介して供給される直流を可変電圧可変周波数の交流に変換し、車両モータに給電する車両用インバータ装置、前記直流電源から第２の遮断器を介して供給される直流を所定電圧所定周波数の交流に変換し、交流負荷に給電する交流負荷給電用インバータ装置、前記直流電源から前記第１の遮断器又は前記第２の遮断器を介して供給される直流を可変電圧可変周波数の交流又は所定電圧所定周波数の交流に変換するバックアップ用インバータ装置を備え、該バックアップ用インバータ装置は上記車両用インバータ装置の故障時には、前記第１の遮断器を介して前記直流電源から直流を供給されて可変電圧可変周波数の交流を上記車両モータに給電し、上記交流負荷給電用インバータ装置の故障時には、前記第２の遮断器を介して前記直流電源から直流を供給されて所定電圧所定周波数の交流を交流負荷に給電することを特徴とする車両用電源バックアップ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、車両に搭載される交流負荷に給電する交流負荷給電用インバータ装置が故障した場合でも、電源バックアップを行い、交流負荷に対して安定した給電を行う車両用電源バックアップ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、車両には車軸に連結された車両モータを駆動する可変電圧可変周波数電源としての車両用インバータ装置と、車両に搭載の交流低圧機器負荷に給電するための所定電圧所定周波数電源としての交流負荷給電用インバータ装置とが電源設備として設けられている。そして、例えば、８両の車両を１編成とする電車には通常、２〜３両の車両に対して車両用インバータ装置が２台もしくは４台ずつ設置され、任意の１車両に対してのみ交流負荷給電用インバータ装置が設置される。また、交流負荷給電用インバータ装置は、車両１編成に１台しか搭載されないが、ブレーキ制御のためのＡＣコンプレッサや車内のエアコン等の交流負荷に給電するものであり、電源設備として重要な設備である。
【０００３】
図８は、例えば、特開平５−６４４５５号公報に記載された従来の車両用電源装置の回路構成図である。
図８において、１は高圧の直流電源、２はこの直流電源の出力回路に挿入された直流高速度遮断器、３はチョッパ用のスイッチング素子、４はこのスイッチング素子の入力側に設けられた入力用の直流リアクトル、５はスイッチング素子３の入力側に設けられた入力用フィルタコンデンサ、６はチョッパ用のフライホイールダイオード、７は上記スイッチング素子３の出力側に設けられた出力用の直流リアクトル、８は同じく上記スイッチング素子３の出力側に設けられた出力用フィルタコンデンサで、これらスイッチング素子３、フィルタコンデンサ５及び８、フライホイールダイオード６、直流リアクトル７によりチョッパ回路９が構成される。１０はスイッチング素子１０ａ〜１０ｆを３相ブリッジに接続構成した直流を所定電圧所定周波数の交流に変換する交流負荷給電用インバータ装置（以下、ＣＶＣＦインバータと称す。）、１１はこのＣＶＣＦインバータ１０の出力側に設けられたインバータ用の変圧器、１２はＡＣコンプレッサ、エアコン等の交流負荷である。
【０００４】
次に、このように構成された従来の車両用電源装置の動作について説明する。
まず、直流高速度遮断器２が投入されると、直流電源１の電圧が直流高速度遮断器２及び直流リアクトル４を介してチョッパ回路９のフィルタコンデンサ５に印加される。チョッパ回路９の主要動作を司るスイッチング素子３は、図示しない通流率制御装置により、ＯＮ−ＯＦＦ制御されて通過電流が調整され、フィルタコンデンサ８両端の電圧を所定電圧に調整する。フィルタコンデンサ８は、ＣＶＣＦインバータ１０の電源となるものであり、最終的にその電力はＡＣコンプレッサ、エアコン等の交流負荷１２に供給されることになるから、フィルタコンデンサ８の両端電圧は、交流負荷１２に供給される電圧が一定になるようにスイッチング素子３の通流率が制御されて、調整される。
スイッチング素子１０ａ〜１０ｆからなるＣＶＣＦインバータ１０は、フィルタコンデンサ８を直流電源として、この直流を３相交流に変換し、インバータ変圧器１１に出力する。次いで、インバータ変圧器１１は、ＣＶＣＦインバータ１０の出力する交流電圧を昇圧あるいは降圧して交流負荷１２へ供給する。
なお、図８に示す車両用電源装置には、車両モータに給電する車両用インバータが図示されていないが、実際には別途これとは独立して設けられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の車両用電源装置は、以上のように構成され、車両１編成に対して、１台しか交流負荷給電用インバータ装置が搭載されていないので、万一、この交流負荷給電用インバータ装置が故障すると、交流負荷に対して安定した交流電源を供給することができない問題点があった。
【０００６】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、交流負荷給電用インバータ装置が故障停止した場合であっても、交流負荷に対する電源供給をバックアップして交流負荷への電力供給が安定に継続できる車両用電源バックアップ装置を得ることを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明の請求項１に係る車両用電源バックアップ装置は、直流電源から第１の遮断器を介して供給される直流を可変電圧可変周波数の交流に変換し、車両モータに給電する車両用インバータ装置と、前記直流電源から第２の遮断器を介して供給される直流を所定電圧所定周波数の交流に変換し、交流負荷に給電する交流負荷給電用インバータ装置と、前記直流電源から前記第１の遮断器又は前記第２の遮断器を介して供給される直流を可変電圧可変周波数の交流又は所定電圧所定周波数の交流に変換するバックアップ用インバータ装置とを備え、該バックアップ用インバータ装置は上記車両用インバータ装置の故障時には、前記第１の遮断器を介して前記直流電源から直流を供給されて可変電圧可変周波数の交流を上記車両モータに給電し、上記交流負荷給電用インバータ装置の故障時には、前記第２の遮断器を介して前記直流電源から直流を供給されて所定電圧所定周波数の交流を交流負荷に給電するようにしたものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図に基づいて説明する。
図において、１は高圧の直流電源、２ａ，２ｂは直流高速度遮断器、４ａ〜４ｃは直流リアクトル、１０ａ，１０ｂは入力する直流を可変電圧可変周波数の交流に変換する車両用インバータ装置（以下、ＶＶＶＦインバータと称す。）、１０ｃは入力する直流を所定電圧所定周波数の交流に変換する交流負荷給電用インバータ装置（以下、ＣＶＣＦインバータと称す。）で、上記ＶＶＶＦインバータ１０ａ、１０ｂと同一の車両に搭載されている。１１はＣＶＣＦインバータ１０ｃの出力側に設けられたインバータ変圧器、１２は交流負荷、１３ａ，１３ｂは直流用接触器、１４ａ，１４ｂはＶＶＶＦインバータ１０ａ，１０ｂの出力する可変電圧可変周波数の交流が給電され、これに応じた回転数で車両の車軸を駆動する車両モータ、１５ａ，１５ｂ，１５ｃはＶＶＶＦインバータ１０ｂ及びＣＶＣＦインバータ１０ｃの入力側に設けられた切り替えスイッチ、１６ａ，１６ｂ，１６ｃはＶＶＶＦインバータ１０ｂ及びＣＶＣＦインバータ１０ｃの出力側に設けられた切り替えスイッチで、この切り替えスイッチ１６ａ，１６ｂ，１６ｃ及び上記切り替えスイッチ１５ａ，１５ｂ，１５ｃは連動して開閉操作されるものである。
【００１５】
次に、動作について説明する。
いま、ＣＶＣＦインバータ１０ｃが健全な状態では、切り替えスイッチ１５ａ，１５ｃ，１６ａ，１６ｃが閉じており、切り替えスイッチ１５ｂ、１６ｂが開放している。この状態で、ＶＶＶＦインバータ１０ａは、直流高速度遮断器２ａ、直流用接触器１３ａ、直流リアクトル４ａを介して入力する直流電源１の電圧を可変電圧可変周波数の交流に変換して車両モータ１４ａに供給しており、該車両モータ１４ａはＶＶＶＦインバータ１０ａの出力に応じて車両の車軸を回転駆動している。また、同様にＶＶＶＦインバータ１０ｂは、直流高速度遮断器２ａ、直流用接触器１３ｂ、直流リアクトル４ｂ、切り替えスイッチ１５ａを介して入力する直流電源１の電圧を可変電圧可変周波数の交流に変換して車両モータ１４ｂに供給しており、該車両モータ１４ｂはＶＶＶＦインバータ１０ｂの出力に応じて車両の車軸を回転駆動している。
【００１６】
一方、ＣＶＣＦインバータ１０ｃは直流高速度遮断器２ｂ、直流リアクトル４ｃ、切り替えスイッチ１５ｃを介して入力する直流電源１の電圧を所定電圧所定周波数の交流に変換し、インバータ変圧器１１を介して交流負荷１２に供給しており、該交流負荷１２は給電される交流により、通常の動作を行っている。
この状態で、ＣＶＣＦインバータ１０ｃに故障が発生したとすると、各切り替えスイッチを連動させて切り替え、切り替えスイッチ１５ａ，１５ｃ，１６ａ，１６ｃを開放し、切り替えスイッチ１５ｂ、１６ｂを閉じる。この結果、車両モータ１４ｂはＶＶＶＦインバータ１０ｂからの給電が切り替えスイッチ１６ａの開放により断たれ、車軸を駆動できない状態になるが、車両は車両モータ１４ａにより駆動されているし、幾つかの車両が編成されている場合には、別の車両に設置されているＶＶＶＦインバータにより車両モータが駆動されるので、走行に支障はない。
また、故障したＣＶＣＦインバータ１０ｃは入出力回路が切り替えスイッチ１５ｃ、１６ｃの開放により回路から切り離されている。
一方、ＶＶＶＦインバータ１０ｂは切り替えスイッチ１５ａ、１６ａの開放と切り替えスイッチ１５ｂ、１６ｂの閉路により、入出力回路が健全時のＣＶＣＦインバータ１０ｃの入出力回路に切り替わっている。このため、ＶＶＶＦインバータ１０ｂは直流高速度遮断器２ｂ、直流リアクトル４ｃ、切り替えスイッチ１５ｂを介して入力する直流電源１の電圧を交流に変換し、切り替えスイッチ１６ｂ及びインバータ変圧器１１を介して交流負荷１２に供給する。
【００１７】
ここで、交流負荷１２には所定電圧所定周波数の交流を供給する必要があるため、インバータ装置１０ｂは故障前の可変電圧可変周波数の交流を出力する運転（ＶＶＶＦ運転）から所定電圧所定周波数の交流を出力する運転（ＣＶＣＦ運転）に切り替わらなければならないが、インバータ１０ｂを制御する制御プログラムを記憶するＲＯＭにＶＶＶＦ運転用の制御プログラムとＣＶＣＦ運転用の制御プログラムとを記憶しておき、切り替えスイッチ１５ａ〜１５ｃ、１６ａ〜１６ｃの切り替え動作に合わせて制御プログラムを切り換えるようにすればＶＶＶＦ運転からＣＶＣＦ運転に容易に切り替えることができる。
ここで、この実施の形態１によれば、切り替えスイッチにより、ＶＶＶＦインバータ１０ｂの入出力回路を健全時のＣＶＣＦインバータ１０ｃの入出力回路に切り換えているので、入出力回路の回路定数が健全時と同等の条件で交流負荷に給電できる。また、交流負荷に供給される電力が直流高速度遮断器２ｂを介して供給されることになり、直流高速度遮断器２ａを流れる電流の増大を招くことがなく、不要なトリップ事故を防止できる効果がある。
【００１８】
実施の形態２．
図２は、この発明の実施の形態２を示す図であり、図において図１に示す実施の形態１と同一部分には同一符号を付している。
図２において、１７ａ〜１７ｃは直流用電磁接触器、１８ａ〜１８ｃは交流用電磁接触器で、図１における切り替えスイッチ１５ａ〜１５ｃ及び１６ａ〜１６ｃに相当するものである。１９ｂはＣＶＣＦインバータ１０ｃの制御装置であり、ＣＶＣＦインバータ１０ｃの故障検出時、上記直流用電磁接触器１７ａ〜１７ｃ及び交流用電磁接触器１８ａ〜１８ｃに故障検出信号を発生し、切り替え動作を行わせるものである。１９ａはＶＶＶＦインバータ１０ｂの制御装置であり、上記制御装置１９ｂの発生する故障検出信号によりインバータ１０ｂをＶＶＶＦ運転からＣＶＣＦ運転に切り換えるものである。
【００１９】
即ち、ＣＶＣＦインバータ１０ｃが健全な状態では、制御装置１９ｂから故障検出信号が発生されていないので、直流用電磁接触器１７ａ、１７ｃ及び交流電磁接触器１８ａ、１８ｃが閉じており、直流用電磁接触器１７ｂ及び交流用電磁接触器１８ｂが開放している。
この健全状態では、車両用モータ１４ａ、１４ｂはＶＶＶＦインバータ１０ａ、１０ｂの出力する可変電圧可変周波数の交流を供給されて車軸を回転駆動しており、一方、交流負荷にはＣＶＣＦインバータ１０ｃの出力する所定電圧所定周波数の交流を給電されている。
いま、制御装置１９ｂがＣＶＣＦインバータ１０ｃの出力電圧の喪失等により故障を検出すると、故障検出信号を直流用電磁接触器１７ａ〜１７ｃ及び交流用電磁接触器１８ａ〜１８ｃに発生し、直流用電磁接触器１７ａ、１７ｃ及び交流電磁接触器１８ａ、１８ｃを開放させ、直流用電磁接触器１７ｂ及び交流用電磁接触器１８ｂを閉じる。この結果、図１の実施の形態１と同様に車両モータ１４ｂ及びＣＶＣＦインバータ１０ｃが回路から切り離される。そして、インバータ１０ｂは制御装置１９ｂの故障検出信号を受けた制御装置１９ａによって運転モードをＶＶＶＦ運転からＣＶＣＦ運転に切り換える。この結果、交流負荷１２はインバータ１０ｂの出力する所定電圧所定周波数の交流が給電され健全時と同様に動作できる。
【００２１】
実施の形態４．
図４は、この発明の実施の形態４を示す図であり、図１〜図３と同一部分には同一符号を付している。
図４において、２２ａ〜２２ｃ及び２３ａ〜２３ｃは切り替えスイッチである。図４の実施の形態は、ＣＶＣＦインバータ１０ｃに故障が発生すると、ＣＶＣＦインバータユニット１０ｄから交流負荷１２に給電し、ＶＶＶＦインバータ１０ａ又は１０ｂに故障が発生するとＣＶＣＦインバータユニット１０ｄをＶＶＶＦ運転して車両モータ１４ａ又は１４ｂに給電するようにしたものである。
即ち、全てのインバータが健全な場合、切り替えスイッチ２０ｂ、２１ｂ、２２ａ、２３ａを閉じ、その他の切り替えスイッチ２０ａ、２１ａ、２２ｂ、２２ｃ、２３ｂ、２３ｃを開放して、交流負荷１２にはＣＶＣＦインバータ１０ｃから給電し、車両モータ１４ａ、１４ｂにはＶＶＶＦインバータ１０ａ、１０ｂから給電する。
【００２２】
ＣＶＣＦインバータ１０ｃが故障した場合には、切り替えスイッチ２０ａ、２１ａ、２２ａ、２３ａを閉じ、その他の切り替えスイッチ２０ｂ、２１ｂ、２２ｂ、２２ｃ、２３ｂ、２３ｃを開放して、交流負荷１２にはＣＶＣＦインバータユニット１０ｄから給電し、車両モータ１４ａ、１４ｂにはＶＶＶＦインバータ１０ａ、１０ｂから給電する。
次に、ＶＶＶＦインバータ１０ａが故障した場合には、切り替えスイッチ２０ｂ、２１ｂ、２２ｂ、２２ｃ、２３ａを閉じ、その他の切り替えスイッチ２０ａ、２１ａ、２２ａ、２３ｂ、２３ｃを開放して、交流負荷１２にはＣＶＣＦインバータ１０ｃから給電し、車両モータ１４ａにはインバータユニット１０ｄをＶＶＶＦ運転して給電し、車両モータ１４ｂにはＶＶＶＦインバータ１０ｂから給電する。
さらに、ＶＶＶＦインバータ１０ｂが故障した場合には、切り替えスイッチ２０ｂ、２１ｂ、２２ａ、２３ｂ、２３ｃを閉じ、その他の切り替えスイッチ２０ａ、２１ａ、２２ｂ、２２ｃ、２３ａを開放して、交流負荷１２にはＣＶＣＦインバータ１０ｃから給電し、車両モータ１４ａにはＶＶＶＦインバータ１０ａから給電し、車両モータ１４ｂにはインバータユニット１０ｄをＶＶＶＦ運転して給電する。
【００３０】
【発明の効果】
以上述べたように、請求項１に係る発明によれば、直流電源から供給される直流を可変電圧可変周波数の交流又は所定電圧所定周波数の交流に変換するバックアップ用インバータ装置を備え、車両用インバータ装置の故障時には、可変電圧可変周波数の交流を上記車両モータに給電し、交流負荷給電用インバータ装置の故障時には、所定電圧所定周波数の交流を交流負荷に給電するようにしたので、交流負荷及び車両用モータに対する電力供給が安定になり、信頼性を高めることができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の態様１を示す車両用電源バックアップ装置を示す回路図である。
【図２】この発明の実施の態様２を示す車両用電源バックアップ装置を示す回路図である。
【図３】この発明の実施の態様３を示す車両用電源バックアップ装置を示す回路図である。
【図４】この発明の実施の態様４を示す車両用電源バックアップ装置を示す回路図である。
【図５】この発明の実施の態様５を示す車両用電源バックアップ装置を示す回路図である。
【図６】この発明の実施の態様６を示す車両用電源バックアップ装置を示す回路図である。
【図７】この発明の実施の態様７を示す車両用電源バックアップ装置を示す回路図である。
【図８】従来の車両用電源バックアップ装置を示す回路図である。
【符号の説明】
１  直流電源、  ２ａ、２ｂ  直流高速度遮断器、  ４ａ〜４ｃ  直流リアクトル、  １０ａ、１０ｂ  車両用インバータ装置、  １０ｃ  交流負荷給電用インバータ装置、  １１、１１ａ、１１ｂ  インバータ変圧器、１２  交流負荷、１３ａ、１３ｂ  直流用接触器、１４ａ、１４ｂ  車両モータ、１５ａ〜１５ｃ、１６ａ〜１６ｃ  切り替えスイッチ、１７ａ〜１７ｂｃ  直流用電磁接触器、１８ａ〜１８ｃ  交流用電磁接触器、１９ａ、１９ｂ  制御装置、２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂ  ２２ａ〜２２ｃ、２３ａ〜２３ｃ  切り替えスイッチ、２４  車両用インバータ装置、２５ａ、２５ｂ  切り替えスイッチ、２６  電圧センサ、２７ａ、２７ｂ  制御装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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