(57)【要約】【課題】インバータ出力の直流分を確実に検出できるようにし、直流励磁を防止できる車両用補助電源装置を得る。【解決手段】ＰＷＭコンバータ６は、直流フィルタコンデンサ１３が出力端子間に直列に接続され、かつ、直列に接続された直流フィルタコンデンサ１３の中点が接地されている。三相インバータ回路７の出力電圧のＰＷＭ波形の高調波成分を除去する交流リアクトル８および交流フィルタコンデンサ９が設けられている。そして、三相インバータ回路８の出力電圧を抵抗分圧により出力電圧フィードバックを検出する抵抗分圧器１５が設けられ、交流フィルタコンデンサ９の電荷を放電する放電用リアクトル１６が設けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流入力を変圧して出力する主変圧器と、上記主変圧器の出力を入力として、直流リンク電圧を生成、出力するＰＷＭコンバータと、上記ＰＷＭコンバータの出力を入力として、三相交流を生成、出力する三相インバータ回路と、上記三相インバータ回路の出力電圧を制御するための出力電圧フィードバックを検出する電圧センサと、上記出力電圧フィードバックを取り込んで、上記三相インバータ回路の出力電圧を制御するインバータ回路制御部と、を備えている車両用補助電源装置において、
上記ＰＷＭコンバータは、フィルタコンデンサが出力端子間に直列に接続され、かつ、直列に接続された該フィルタコンデンサの中点が接地されており、
上記電圧センサは、上記三相インバータ回路の出力電圧を抵抗分圧により上記出力電圧フィードバックを検出するように構成されていることを特徴とする車両用補助電源装置。
【請求項２】
上記三相インバータ回路の出力電圧のＰＷＭ波形の高調波成分を除去する交流フィルタコンデンサと、上記交流フィルタコンデンサの電荷を放電する放電用リアクトルと、をさらに備えていることを特徴とする請求項１記載の車両用補助電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、鉄道車両における走行制御装置、ブレーキ制御装置、空調制御装置、制御伝送装置、放送装置、照明装置、ドア制御装置などの機器にコンピュータ制御が採用され、それらの制御電源およびパワーの供給源として使用される補助電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の車両用補助電源装置では、主変圧器の３次巻線出力を入力として、サイリスタを用いた単相混合ブリッジ整流回路により中間リンク直流電圧を作っている。これを入力として、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を用いた三相ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）インバータを動作させ、出力トランスを介して６０Ｈｚの三相交流を出力し、幹線に供給している（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
従来の車両用補助電源装置が新幹線電車などで採用されるＡＣ２５ｋＶ交流架線方式に使用される場合について説明する。
まず、交流架線からパンタグラフで集電されたＡＣ２５ｋＶ電圧は、遮断器を経由して主変圧器に供給され、主変圧器により低圧、例えばＡＣ４００Ｖに降圧される。ついで、この単相ＡＣ４００Ｖ電圧が単相混合ブリッジ整流回路により例えばＤＣ３３０Ｖに変換される。そして、このＤＣ３３０Ｖ電圧が三相ＰＷＭインバータ、出力トランスおよび交流フィルタコンデンサにより三相交流、例えばＡＣ４００Ｖ、三相電圧に変換され、負荷に供給される。
【０００４】
この従来の車両用補助電源装置では、単相混合ブリッジ整流回路が入力交流と直流リンク部に介在し、スイッチングする際に、直流電位が変動することから、負荷との間に出力トランス、即ち交流リアクトルの機能も内蔵した絶縁変圧器（リーケージトランス）が設置されている。
そして、電圧センサ（通常ＰＴ：Potential Transformerが用いられる）を使用して、出力電圧ＡＣ４００Ｖを制御回路レベルの電圧（例えば、ＡＣ４Ｖ）に変換し、出力電圧フィードバックとして加算器に出力する。また、電圧指令発生回路が、三相ＰＷＭインバータが出力すべき正弦波電圧波形を発生、出力する。電圧指令発生回路の出力は、加算器で、電圧センサからの出力電圧フィードバックとの差分をとった後、電圧コントローラで増幅される。この電圧コントローラの出力が比較器により三角波キャリア発生回路の出力と比較され、ＰＷＭ変調信号としてゲートドライブ回路に出力される。そして、三相ＰＷＭインバータが、このＰＷＭ変調信号に基づいてゲートドライブ回路により駆動され、その出力電圧が制御される。
【０００５】
【非特許文献１】細田  芳男、「車両用補助電源装置の最新技術と動向」、平成９年電気学会全国大会、Ｓ．１３−１３〜Ｓ．１３−１６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の車両用補助電源装置では、三相インバータの出力電圧の直流成分が絶縁変圧器（リーケージトランス）および電圧センサ（ＰＴ）を通る間にカットオフされてしまう。そこで、例えば絶縁変圧器の１次側で僅かな直流成分が発生して偏磁（直流励磁）状態になっても、電圧センサでは検出できず、偏磁を抑制できない。そのため、偏磁に弱いトランスの場合には、大きな１次電流が流れ、保護停止するという課題があった。
【０００７】
この発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、インバータ出力の直流分を確実に検出できるようにし、直流励磁を防止できる車両用補助電源装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明による車両用補助電源装置は、交流入力を変圧して出力する主変圧器と、上記主変圧器の出力を入力として、直流リンク電圧を生成、出力するＰＷＭコンバータと、上記ＰＷＭコンバータの出力を入力として、三相交流を生成、出力する三相インバータ回路と、上記三相インバータ回路の出力電圧を制御するための出力電圧フィードバックを検出する電圧センサと、上記出力電圧フィードバックを取り込んで、上記三相インバータ回路の出力電圧を制御するインバータ回路制御部と、を備えている車両用補助電源装置において、上記ＰＷＭコンバータは、フィルタコンデンサが出力端子間に直列に接続され、かつ、直列に接続された該フィルタコンデンサの中点が接地されており、上記電圧センサは、上記三相インバータ回路の出力電圧を抵抗分圧により上記出力電圧フィードバックを検出するように構成されているものである。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、ＰＷＭコンバータの直列接続されたフィルタコンデンサの中点が接地されているので、直流リンク電圧の電位が固定でき、負荷との間に従来必要であった絶縁変圧器を不要にでき、三相インバータ回路の出力電圧の直流成分がカットオフされることがない。また、電圧センサが三相インバータ回路の出力電圧を抵抗分圧により出力電圧フィードバックを検出するように構成されているので、三相インバータ回路で発生する出力電圧の直流成分も確実に検出することができる。そこで、偏磁を抑制でき、偏磁に弱いトランスの場合にも、大きな１次電流が流れて保護停止することが未然に防止される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１はこの発明の実施の形態に係る車両用補助電源装置を示す回路図である。
図１において、この車両用補助電源装置は、ＡＣ２５ｋＶ交流架線から集電するパンタグラフ１、高圧回路全体の開閉を行う遮断器２、ＡＣ２５ｋＶ電圧を例えばＡＣ４００Ｖの低圧に変換する主変圧器３、補助電源装置の回路開閉を行う接触器４、入力の高調波電流を抑制する第１の交流リアクトル５、入力交流から直流リンク電圧を生成、出力するＰＷＭコンバータ６、直流から三相定電圧交流を生成、出力する三相インバータ回路７、インバータ出力のＰＷＭ波形の高調波成分を除去して正弦波とする第２の交流リアクトル８および交流フィルタコンデンサ９、三相インバータ回路７の出力電圧から該出力電圧を制御するための出力電圧フィードバックを検出する電圧センサとしての抵抗分圧器１５、インバータ停止時に交流フィルタコンデンサ９の放電を行う放電用リアクトル１６、抵抗分圧器１５で検出された出力電圧フィードバックを取り込んで三相インバータ回路７をＰＷＭ制御するインバータ回路制御部２０を備えている。
【００１１】
ここで、ＰＷＭコンバータ６は、並列接続されたスイッチング素子１１およびダイオード１２の２組を直列に接続したものを並列に２つ配列し、さらに直列に接続された直流フィルタコンデンサ１３を並列に配列して構成されている。そして、主変圧器３の出力端子の一端が接触器４および第１の交流リアクトル５を介して一方の直列接続されたスイッチング素子１１の中点に接続され、主変圧器３の出力端子の他端が他方の直列接続されたスイッチング素子１１の中点に接続されている。さらに、直列接続された直流フィルタコンデンサ１３の中点が接地されている。
また、三相インバータ回路７は、並列接続されたスイッチング素子１１およびダイオード１２の２組を直列に接続したものを並列に３つ配列し、さらに１つの直流フィルタコンデンサ１３を並列に配列して構成されている。そして、三相交流が直列接続されたスイッチング素子１１の各中点から出力される。
【００１２】
また、抵抗分圧器１５は、直列に接続された抵抗Ｒ１、Ｒ２の３組の一端を接続（Ｙ結線）して構成されている。そして、直列に接続された抵抗Ｒ１、Ｒ２の３組の一端の接続点が接地され、各組の他端が三相インバータ回路７の各出力線にそれぞれ接続されている。さらに、１組の抵抗Ｒ１、Ｒ２の接続点が後述する加算器２２の一方の入力端子に接続されている。
また、放電用リアクトル１６は、３つのリアクトルＬの一端を接続（Ｙ結線）して構成されている。そして、各リアクトルＬの他端が三相インバータ回路７の各出力線にそれぞれ接続されている。
【００１３】
また、インバータ回路制御部２０は、出力電圧の実効値と波形を決める電圧指令発生回路２１、電圧指令発生回路２１からの出力と抵抗分圧器１５からの出力電圧フィードバックとの差分を出力する加算器２２、加算器２２の出力を増幅する電圧コントローラ２３、三角波キャリア発生回路２４、電圧コントローラ２３の出力と三角波キャリア発生回路２４の出力とを比較し、ＰＷＭ変調信号を出力する比較器２５および比較器２５からのＰＷＭ変調信号により三相インバータ回路７を駆動制御するゲートドライブ回路２６を備えている。
【００１４】
次に、このように構成された車両用補助電源装置の動作について説明する。
まず、交流架線からパンタグラフ１で集電されたＡＣ２５ｋＶ電圧が遮断器２を経由して主変圧器３に供給される。そして、主変圧器３で、このＡＣ２５ｋＶ電圧が例えばＡＣ４００Ｖに降圧される。
この単相ＡＣ４００Ｖ電圧が、接触器４、第１の交流リアクトル５およびＰＷＭコンバータ６から構成されるＡＣ／ＤＣ変換器により直流リンク電圧、例えばＤＣ８００Ｖに変換される。そして、この直流リンク電圧を入力として、三相インバータ回路７を動作させ、三相交流、例えば４００Ｖ三相電圧を出力し、負荷１０に供給される。この時、第２の交流リアクトル８および交流フィルタコンデンサ９がインバータ出力のＰＷＭ波形の高調波成分を除去して正弦波としている。
【００１５】
また、出力電圧フィードバックが、インバータ出力電圧から抵抗分圧器１５により測定され、加算器２２に出力される。この時、出力電圧フィードバックは、インバータ出力電圧が抵抗分圧器１５により抵抗分圧されて得られるので、直流分も検出される。
そして、出力電圧の実効値と波形を決める正弦波電圧波形が電圧指令発生回路２１から加算器２２に出力される。この加算器２２では、電圧指令発生回路２１の出力と出力電圧フィードバックとの差分をとり、電圧コントローラ２３に出力される。そして、加算器２２の出力が電圧コントローラ２３で増幅される。この電圧コントローラ２３の出力は、比較器２５により、三角波キャリア発生回路２４の出力と比較され、ＰＷＭ変調信号としてゲートドライブ回路２６に出力される。そして、三相インバータ回路７が、ゲートドライブ回路２６によりＰＷＭ制御され、その出力電圧が制御される。
また、装置の停止時、放電されず交流フィルタコンデンサ９に残っている電荷が放電用リアクトル１６により放電される。
【００１６】
ここで、従来装置では、絶縁変圧器（リーケージトランス）を用いていたので、三相インバータ回路７で発生する出力電圧の直流成分が絶縁変圧器を通る間にカットオフしてしまい、絶縁変成器の１次側で僅かな直流成分が発生して偏磁（直流励磁）状態になっても電圧センサ（ＰＴ）で検出できず、偏磁を抑制できなくなっていた。
【００１７】
しかし、この発明によれば、ＰＷＭコンバータ６の直列接続された直流フィルタコンデンサ１３の中点が接地されているので、直流リンク部の電位が固定でき、従来必要であった絶縁変圧器を不要にでき、絶縁変圧器を用いることによる不具合を解消することができる。そして、三相インバータ回路７のインバータ出力から出力電圧フィードバックを検出するための電圧センサとして抵抗分圧器２１を用いているので、三相インバータ回路７で発生する出力電圧の直流成分も確実に検出することができるようになり、偏磁を抑制できる。その結果、偏磁に弱いトランスの場合に、大きな１次電流が流れて保護停止することも未然に防止できる。
【００１８】
また、抵抗分圧器１５により直流成分も検出可能であるので、電圧指示発生回路２１の出力の直流分を十分カットした指令とし、電圧コントローラ２３のゲインを十分大きくすることで直流分を抑えることができる。さらに、電圧コントローラ２３のゲインを大きくすることで、出力電圧フィードバックを電圧指令発生回路２１に追従させることができ、三相インバータ回路７のＰＷＭ制御を安定して行うことができる。
【００１９】
また、抵抗分圧器１５は、小型化および主回路と制御回路との絶縁を確保するために、大きな抵抗値（数メガオーム以上）を使用することになる。そこで、負荷が完全無負荷の場合、装置が停止した際に、交流フィルタコンデンサ９の電荷が放電されず、残ったままとなってしまう。しかし、放電用リアクトル１６が設置されているので、装置の停止時に、交流フィルタコンデンサ９の電荷を放電することができる。このリアクトルＬを大きな値に選定することにより、通常運転時のインピーダンスωＬを大きくできるので、小型のものでも放電時の短時間電流に耐えることができ、装置の小型化が図られる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】この発明の実施の形態１に係るネットワークインターフェイス設計製作システムを示すブロック図である。
【符号の説明】
【００２１】
３  主変圧器、６  ＰＷＭコンバータ、７  三相インバータ回路、９  交流フィルタコンデンサ、１３  直流リアクトル、１５  抵抗分圧器（電圧センサ）、１６  放電用リアクトル、２０  インバータ回路制御部。
【図１】
2006020394.tif 000003