(57)【要約】【課題】  電気車の回生ブレーキで蓄積したエネルギーを有効に利用でき、また電気２重層コンデンサに印加する電圧を制御し、寿命の影響を低減できる電力変換装置を提供する。【解決手段】  直流電力を入力として、ＶＶＶＦ制御した交流電力を出力するＶＶＶＦインバータと、ＣＶＣＦを電気車の補助機器へ供給するＣＶＣＦインバータとを備えた電力変換装置において、Ｄ／Ｄコンバータと、電気２重層コンデンサと、電気車が回生ブレーキ動作となる時はＶＶＶＦインバータにて交流電力から直流電力へ変換し、Ｄ／Ｄコンバータを介して電気２重層コンデンサへ電力を蓄積させる回生電力蓄積制御手段と、電気車の力行時又は停車時の所定のタイミングにて電気２重層コンデンサの直流電力をＶＶＶＦインバータ又はＣＶＣＦインバータへ出力する蓄積電力出力制御手段とを備えた。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電力を入力として、可変電圧、可変周波数制御した交流電力を出力するＶＶＶＦインバータと、固定周波数固定電圧を電気車の補助機器へ供給するＣＶＣＦインバータとを備えた電気車の電力変換装置において、
Ｄ／Ｄコンバータと、
電気２重層コンデンサと、
電気車が回生ブレーキ動作となる時は、前記ＶＶＶＦインバータにて交流電力から直流電力へ変換し、前記Ｄ／Ｄコンバータを介して電気２重層コンデンサへ電力を蓄積させる回生電力蓄積制御手段と、
電気車の力行時又は停車時の所定のタイミングにて、前記電気２重層コンデンサの直流電力を前記ＶＶＶＦインバータ又はＣＶＣＦインバータへ出力する蓄積電力出力制御手段とを備えたことを特徴とする電気車の電力変換装置。  
【請求項２】
前記蓄積電力出力制御手段は、電気車の運転信号から、力行中又は停止中を判定し、前記Ｄ／Ｄコンバータの電圧をＣＶＣＦインバータの電圧より高く制御することを特徴とする請求項１に記載の電気車の電力変換装置。
【請求項３】
前記蓄積電力出力制御手段は、電気車の運転台の信号から力行を判定し、前記ＶＶＶＦインバータをその最大出力のタイミングで動作させ、前記Ｄ／ＤコンバータのＶＶＶＦインバータ側の電圧を架線電圧より高く制御することを特徴とする請求項１に記載の電気車の電力変換装置。
【請求項４】
前記蓄積電力出力制御手段は、電気車の運転台の信号から力行を判定し、架線電圧が所定値以下となるタイミングで前記ＶＶＶＦインバータを動作させ、前記Ｄ／ＤコンバータのＶＶＶＦインバータ側の電圧を架線電圧より高く制御することを特徴とする請求項１に記載の電気車の電力変換装置。
【請求項５】
直流電力を入力として、可変電圧、可変周波数制御した交流電力を出力するＶＶＶＦインバータと、固定周波数固定電圧を電気車の補助機器へ供給するＣＶＣＦインバータとを備えた電気車の電力変換装置において、
Ｄ／Ｄコンバータと、
電気２重層コンデンサと、
当該電気２重層コンデンサに並列にリアクトルを介して接続された燃料電池と、
電気車が回生ブレーキ動作となる時は、前記ＶＶＶＦインバータにて交流電力から直流電力へ変換し前記Ｄ／Ｄコンバータを介して電気２重層コンデンサと燃料電池へ電力を蓄積させる回生電力蓄積制御手段と、
電気車の力行時又は停車時の所定のタイミングにて、前記電気２重層コンデンサと燃料電池の直流電力を前記ＶＶＶＦインバータ又はＣＶＣＦインバータへ出力する蓄積電力出力制御手段とを備えたことを特徴とする電気車の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気車の回生エネルギーを利用することが可能な、電気車の電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気車では回生ブレーキをかけた時に交流電動機から回生電力が得られ、同じ電気車の電源装置への電力として、また架線を介して他の力行車の電力として消費されるが、必ずしも、電源の消費量は大きくなく、他の力行車が全エネルギーを消費するとは限らない。このため、他の力行車がいない場合は回生する電力量を低減させ、機械的な摩擦ブレーキ力を大きくして制動をかけなければならず、エネルギーを有効的に利用できない場合があった。また、他の力行車が期待できない場合はブレーキチョッパシステムの抵抗を利用して熱へ変換する場合もあった。
【０００３】
このように従来の電気車の電力変換装置では、回生電力を得られるシステムにもかかわらず、他の力行車の条件や路線条件によっては十分な消費エネルギーが得られないことから、回生ブレーキ量を低減させたり熱へエネルギーを変換させたりして、無駄に消費させ有効に利用されていないことがあることから、この回生エネルギーを電気２重層コンデンサなどで蓄積し、有効利用する方法が特開２００３−１９９２０４号公報（特許文献１）に報告されている。
【０００４】
この電気２重層コンデンサはＥＤＬＣ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｄｏｕｂｌｅ−Ｌａｙｅｒ  Ｃａｐａｃｉｔｏｒ）と呼ばれ非常に大容量で、近年注目を集めている。ただし、この電気２重層コンデンサは大容量である反面、規程範囲の電圧で利用した場合も電圧条件により、寿命が変化するなどデメリットもある。
【特許文献１】特開２００３−１９９２０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明では、電気車の回生ブレーキで蓄積したエネルギーを有効に利用し、さらに、電気２重層コンデンサに印加する電圧を制御し、寿命の影響を低減できる電気車の電力変換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】
請求項１の発明は、直流電力を入力として、可変電圧、可変周波数制御した交流電力を出力するＶＶＶＦインバータと、固定周波数固定電圧を電気車の補助機器へ供給するＣＶＣＦインバータとを備えた電気車の電力変換装置において、Ｄ／Ｄコンバータと、電気２重層コンデンサと、電気車が回生ブレーキ動作となる時は、前記ＶＶＶＦインバータにて交流電力から直流電力へ変換し、前記Ｄ／Ｄコンバータを介して電気２重層コンデンサへ電力を蓄積させる回生電力蓄積制御手段と、電気車の力行時又は停車時の所定のタイミングにて、前記電気２重層コンデンサの直流電力を前記ＶＶＶＦインバータ又はＣＶＣＦインバータへ出力する蓄積電力出力制御手段とを備えたことを特徴とするものである。
【０００７】
請求項２の発明は、請求項１に記載の電気車の電力変換装置において、前記蓄積電力出力制御手段は、電気車の運転信号から、力行中又は停止中を判定し、前記Ｄ／Ｄコンバータの電圧をＣＶＣＦインバータの電圧より高く制御することを特徴とするものである。
【０００８】
請求項３の発明は、請求項１に記載の電気車の電力変換装置において、前記蓄積電力出力制御手段は、電気車の運転台の信号から力行を判定し、前記ＶＶＶＦインバータをその最大出力のタイミングで動作させ、前記Ｄ／ＤコンバータのＶＶＶＦインバータ側の電圧を架線電圧より高く制御することを特徴とするものである。
【０００９】
請求項４の発明は、請求項１に記載の電気車の電力変換装置において、前記蓄積電力出力制御手段は、電気車の運転台の信号から力行を判定し、架線電圧が所定値以下となるタイミングで前記ＶＶＶＦインバータを動作させ、前記Ｄ／ＤコンバータのＶＶＶＦインバータ側の電圧を架線電圧より高く制御することを特徴とするものである。
【００１０】
請求項５の発明は、直流電力を入力として、可変電圧、可変周波数制御した交流電力を出力するＶＶＶＦインバータと、固定周波数固定電圧を電気車の補助機器へ供給するＣＶＣＦインバータとを備えた電気車の電力変換装置において、Ｄ／Ｄコンバータと、電気２重層コンデンサと、当該電気２重層コンデンサに並列にリアクトルを介して接続された燃料電池と、電気車が回生ブレーキ動作となる時は、前記ＶＶＶＦインバータにて交流電力から直流電力へ変換し前記Ｄ／Ｄコンバータを介して電気２重層コンデンサと燃料電池へ電力を蓄積させる回生電力蓄積制御手段と、電気車の力行時又は停車時の所定のタイミングにて、前記電気２重層コンデンサと燃料電池の直流電力を前記ＶＶＶＦインバータ又はＣＶＣＦインバータへ出力する蓄積電力出力制御手段とを備えたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、電気車の回生ブレーキで蓄積したエネルギーを、力行、停止時のＣＶＣＦインバータ、ＶＶＶＦインバータへ供給するようにＤ／Ｄコンバータを動作させ、電気２重層コンデンサに印加する電圧を低く制御し、寿命の影響を低減させ、電気車の回生エネルギーを有効に利用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。
【００１３】
（第１の実施の形態）図１は本発明の第１の実施の形態の主回路図である。本実施の形態は、例として、直流電車を例に構成を説明する。直流電車の場合、直流電源１の直流が架線２を介してパンタグラフ３で集電される。パンタグラフ３には、高速度遮断器４、充電抵抗５、充電抵抗投入用接触器６、接触器７、入力フィルタ回路としてのフィルタリアクトル８及びフィルタコンデンサ９とが接続されている。フィルタコンデンサ９には、電圧検出器３２と３相の可変電圧可変周波数（ＶＶＶＦ）インバータ１０が接続されている。このＶＶＶＦインバータ１０には、駆動モータ１１として誘導電動機が接続されている。  
電気車の場合、このＶＶＶＦインバータシステムの他に空調装置、蛍光灯などの電源を供給するシステムが必要になる。その電源システムとして、パンタグラフ３から接触器２１、充電抵抗２２、充電抵抗短絡用の半導体スイッチ２３が接続され、さらに入力のフィルタ回路として、フィルタリアクトル２４とこれに直列に接続された逆流防止用のブロッキングダイオード２５、及びフィルタコンデンサ２７が接続されている。フィルタコンデンサ２７には、電圧検出器３５と３相の固定電圧固定周波数（ＣＶＣＦ）インバータ２８が接続されている。このＣＶＣＦインバータ２８には、ＡＣフィルタ２９、トランス３０が接続され、空調装置、蛍光灯などの電源負荷が接続されている。
【００１４】
このＶＶＶＦインバータ１０、ＣＶＣＦインバータ２８のシステムと並列にＥＤＬＣ（電気の重層コンデンサ）を適用したシステムとして、接触器１２、入力フィルタ回路であるＤ／Ｄコンバータ用フィルタリアクトル１３とＤ／Ｄコンバータ用フィルタコンデンサ１４が接続され、さらにこのフィルタコンデンサ１４に電圧検出器３３とＤ／Ｄコンバータ１５が接続されている。このＤ／Ｄコンバータ１５には、接触器１６とＥＤＬＣ１７が接続されている。このとき、ＥＤＬＣ１７に蓄積したエネルギーをＤ／Ｄコンバータ１５からダイオード２６を介してＣＶＣＦインバータ２８へ供給できるように接続されている。
【００１５】
図２はＤ／Ｄコンバータ１５の詳細を示した図である。半導体素子４０、４１を直列に接続し、この接続点にリアクトル４２を接続し、そこから出力するようにしてある。図１に示すようにしてこのリアクトル４２と接触器１６、ＥＤＬＣ１７とが接続されている。このときのＤ／Ｄコンバータ１５の制御は、電圧検出器３３が検出するＤ／Ｄコンバータ１５の電圧と、電圧検出器３４が検出するＥＤＬＣ１７の電圧とに基づいて行う。図２に示したように、Ｄ／Ｄコンバータ１５の制御例としては、検出したＤ／Ｄコンバータ１５のフィルコンデンサ電圧ＶＤ／Ｄｃを係数倍し、制御判定項１０７により、規準となるＣＶＣＦインバータ２８のフィルタコンデンサ電圧Ｖｃｖｃｆ、又は、ＶＶＶＦインバータ１０のフィルタコンデンサ電圧Ｖｖｖｖｆを選択し、加算回路１０２にてその偏差を求め、ＥＤＬＣ１７から供給される電圧Ｖｅｄｌｃを加算回路１０４にて補正し、ＰＷＭ制御回路１０５にてＰＷＭ出力し、制御を行う。
【００１６】
図３に本実施の形態での運転モード判定について詳説する。運転モード判定制御項２０１にて、運転台からの例えばノッチ信号を入力した場合は力行モードと判定し、ブレーキ指令が入力された場合は回生ブレーキモードと判定し、ノッチ信号、ブレーキ信号が入力されず、力行モードでなく、回生ブレーキモードでもない場合を惰行モードと判定する。この判定した結果から、図２の制御判定項１０７にて、力行及び惰行を判定し、電圧指令選択項１０６にて指令値をＣＶＣＦインバータ２８の電圧であるＶｃｖｃｆを指令し、ＥＤＬＣ１７に蓄えた電力をＣＶＣＦインバータ２８へ供給するようにＤ／Ｄコンバータ１５を動作させる。なお、図１の接触器２１をオフさせると、ＥＤＬＣ１７の電力をＣＶＣＦインバータ２８へより確実に供給することができる。これにより、回生時には、ＶＶＶＦインバータ１０からの回生エネルギーをＤ／Ｄコンバータ１５を介してＥＤＬＣ１７へ蓄え、力行時又は停止時に、ＥＤＬＣ１７に蓄えたエネルギーをＶＶＶＦインバータ１０又はＣＶＣＦインバータ２８へ供給できる。
【００１７】
（第２の実施の形態）本発明の第２の実施の形態は、ＶＶＶＦインバータ１０の最大出力のタイミングでＤ／Ｄコンバータ１５を動作させる制御機構を特徴とする。図４は第２の実施の形態のＶＶＶＦ最大出力検出項２０３の動作の説明図であり、図５は性能曲線である。前述の図３の運転モード判別項２０１にて力行モードを判定し、図４にあるようにＶＶＶＦインバータ１０の最大出力検出項２０３により、図５にあるような性能曲線上からの最大出力の速度域を検出し、この領域にて動作させるようにＤ／Ｄコンバータ１５を動作させる動作信号２０６を出力する。同時に、図２の制御判別項１０７にてＶＶＶＦ指令値を電圧指令選択項１０６にて設定するようにし、ＶＶＶＦインバータ１０にてＥＤＬＣ１７の電力を消費するように動作させる。
【００１８】
これにより、ＥＤＬＣ１７がＣＶＣＦインバータ２８にて消費できないエネルギーを蓄えても、ＶＶＶＦインバータ１０にて消費させることができ、また、最大出力で動作させることで、直流電源１の最大出力を制限することができる。
【００１９】
（第３の実施の形態）本発明の第３の実施の形態は、架線電圧を監視し、所定値以下に低下したときにＤ／Ｄコンバータ１５を動作させる制御機能を特徴とする。図６は第３の実施の形態におけるＤ／Ｄコンバータ１５の動作の説明図である。上述の図３の運転モード判別項２０１にて力行指令を判定し、図６に示すように、架線電圧検出項２０５にてあらかじめ設定値を決め、例えば１３００Ｖと設定すると、１３００Ｖ以下になった場合に、Ｄ／Ｄコンバータ１５を動作させる動作信号２０６を出力し、図２の制御判別項１０７にてＶＶＶＦ指令値を電圧指令選択項１０６にて設定するようにし、ＶＶＶＦインバータ１０にて、ＥＤＬＣ１７の電力を消費するように動作させる。
【００２０】
これにより、架線電圧が低下した区間でのカ行をＥＤＬＣ１７の電力で補うことができ、回生蓄積電力の有効活用が図れる。
【００２１】
（第４の実施の形態）図７は本発明の第４の実施の形態の電気車の電力変換装置の回路図である。直流電車を例に構成を説明する。直流電車の場合、直流電源１の直流が架線２を介してパンタグラフ３で集電される。パンタグラフ３には、高速度遮断器４、充電抵抗５、充電抵抗投入用接触器６、接触器７、入力フィルタ回路としてのフィルタリアクトル８及びフィルタコンデンサ９が接続されている。フィルタコンデンサ９には、電圧検出器３２と３相のＶＶＶＦインバータ１０が接続されている。このＶＶＶＦインバータ１０には、駆動モータ１１として誘導電動機が接続されている。
【００２２】
電気車の場合、このＶＶＶＦインバータシステムの他に空調装置、蛍光灯などの電源を供給するシステムが必要になる。その電源システムとして、接触器１２、入力フィルタ回路であるＤ／Ｄコンバータ用フィルタリアクトル１３とＤ／Ｄコンバータ用フィルタコンデンサ１４が接続されている。フィルタコンデンサ１４には、電圧検出器３３とＤ／Ｄコンバータ１５が接続されている。Ｄ／Ｄコンバータ１５には、接触器１６とＥＤＬＣ１７が接続されている。また、Ｄ／Ｄコンバータ１５の出力に突入電流防止用のリアクトル１８と開放可能な接触器１９、燃料電池システム２０を接続されている。
【００２３】
ＣＶＣＦインバータシステムは上記フィルタリアクトル１３と直列に逆流防止用のブロッキングダイオード２６が接続され、またフィルタコンデンサ２７が接続されている。フィルタコンデンサ２７には、電圧検出器３５と３相のＣＶＣＦインバータ２８が接続されている。ＣＶＣＦインバータ２８には、ＡＣフィルタ２９、トランス３０が接続され、空調装置、蛍光灯など電源負荷に接続されている。
【００２４】
上記構成では、ＶＶＶＦインバータ１０が回生ブレーキ動作となると、ＥＤＬＣ１７、燃料電池２０に充電するモードでＤ／Ｄコンバータ１５を動作させ、力行停止時はＣＶＣＦインバータ２８の電源となるように、Ｄ／Ｄコンバータ１５を動作させることで、ＶＶＶＦインバータ１０の回生ブレーキのエネルギーを有効に利用することが可能となる。なお、ＥＤＬＣ１７、燃料電池２０の電力が十分充電できていない場合は、架線２からの電力でＣＶＣＦインバータ２８を動作させるので、ＥＤＬＣ１７、燃料電池２０の状態に関係なく、空調装置等負荷への電源は安定に供給できる。逆に、常に電力が貯蔵されるモードが継続する場合でも、ＣＶＣＦインバータ２８にて確実にＥＤＬＣ１７の電力が利用できるので、ＥＤＬＣ１７に印加する電圧を低くすることができ、ＥＤＬＣ１７の寿命を延ばすことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１の実施の形態の電気車の電力変換装置の回路図。
【図２】本発明の第１の実施の形態におけるＤ／Ｄコンバータの説明図。
【図３】本発明の第１の実施の形態における運転モード判別項の説明図。
【図４】本発明の第２の実施の形態におけるＶＶＶＦ最大出力検出項の説明図。
【図５】本発明の第２の実施の形態における最大出力速度域検出の性能曲線。
【図６】本発明の第３の実施の形態の架線電圧検出項の説明図。
【図７】本発明の第４の実施の形態の電気車の電力変換装置の回路図。
【符号の説明】
【００２６】
１  直流電源
２  架線
３  パンタグラフ
４  高速度遮断機
５  充電抵抗
６  充電抵抗投入用接触器
７  接触器
８  フィルタリアクトル
９  フィルタコンデンサ
１０  ＶＶＶＦインバータ
１１  駆動モータ
１２  接触器
１３  Ｄ／Ｄコンバータ用フィルタリアクトル
１４  Ｄ／Ｄコンバータ用フィルタコンデンサ
１５  Ｄ／Ｄコンバータ
１６  接触器
１７  ＥＤＬＣ
１８  リアクトル
１９  接触器
２０  燃料電池システム
２１  接触器
２２  充電抵抗
２３  半導体スイッチ
２４  フィルタリアクトル
２５  ブロッキングダイオード
２６  ダイオード
２７  フィルタコンデンサ
２８  ＣＶＣＦインバータ
２９  ＡＣフィルタ
３０  トランス
３１〜３６  電圧検出器
４０，４１  半導体素子
４２  フィルタリアクトル
１０１  乗算回路
１０２  加算回路
１０３  ＰＩ制御項
１０４  加算回路
１０５  ＰＷＭ制御回路
１０６  電圧指令選択項
１０７  制御判別項
２０１  運転モード判別項
２０３  最大出力検出項
２０５  架線電圧選択項
２０６  動作信号
【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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