(57)【要約】【課題】定常負荷の小さい場合にも、突入電流の抑制を図る。【解決手段】本発明に係る補助電源装置１０は、直流電力を交流電力に変換して負荷に出力するインバータ１１と、インバータ１１の出力電流の定常値に応じて、インバータ１１の出力電圧を制限するための制限値を設定する設定部１２と、設定部１２により設定された制限値に応じてインバータ１１の動作を制御する制御部１３と、を備える。【選択図】図１
2018019565.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電力を交流電力に変換して負荷に出力するインバータを備えた補助電源装置であって、
前記インバータの出力電流の定常値に応じて、前記インバータの出力電圧を制限するための制限値を設定する設定部と、
前記設定部により設定された制限値に応じて前記インバータの動作を制御する制御部と、を備えることを特徴とする補助電源装置。
【請求項２】
請求項１に記載の補助電源装置において、
前記制御部は、前記インバータの出力電圧を指示する電圧指令を前記制限値に応じて制限することを特徴とする補助電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流電力を交流電力に変換して負荷に供給する補助電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
架線から電力供給を受けて動作する電気車には一般に、架線から供給された直流電力をインバータにより交流電力に変換して、電気車内の空調装置、照明装置などの負荷に供給する補助電源装置が搭載されている。
【０００３】
上述したような補助電源装置においては、空調装置のコンプレッサなどの負荷の起動時に大きな突入電流（定常状態よりも遥かに大きい電流）が流れることがある。突入電流が流れると、特に直流６００Ｖの架線では、インバータへの入力電流が大きく変動し、帰線電流（架線から取り入れられた電流が、レールから変電所に帰る電流）の低周波成分（３０Ｈｚ等）としてノイズが表れることがある。このような帰線電流の低周波成分は、信号機の誤動作などの原因となるため、突入電流のピーク値を抑制し、帰線電流の低周波成分の低減が求められている。
【０００４】
そこで、特許文献１には、インバータの出力電流の変化率が所定の閾値を超えると、インバータの出力電圧を指示する電圧指令を抑制する技術が開示されている。この技術によれば、インバータの出力電流の変化率が所定の閾値を超えると、電圧指令を抑制することで、突入電流の抑制を図ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−２３９６８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したような電圧指令の抑制では、インバータの出力電流と、インバータの出力電流が過渡的に急変することを防ぐために予め設定されたリミッタ設定値との差分が求められる。そして、求めた差分がゼロとなるような比例積分制御（ＰＩ制御）により得られる制御値に対応する電圧が電圧指令から差し引かれることで、電圧指令が抑制される。
【０００７】
通常、上述したリミッタ設定値は固定値である。そのため、定常負荷の小さい場合には、突入電流が発生しても、インバータの出力電流がリミッタ設定値まで達しないことがあり、この場合、突入電流を抑制することができない。
【０００８】
本発明の目的は、上述した課題を解決し、定常負荷の小さい場合にも、突入電流の抑制を図ることができる補助電源装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明に係る補助電源装置は、直流電力を交流電力に変換して負荷に出力するインバータを備えた補助電源装置であって、前記インバータの出力電流の定常値に応じて、前記インバータの出力電圧を制限するための制限値を設定する設定部と、前記設定部により設定された制限値に応じて前記インバータの動作を制御する制御部と、を備える。
【００１０】
また、上記課題を解決するため、本発明に係る補助電源装置において、前記制御部は、前記インバータの出力電圧を指示する電圧指令を、前記制限値に応じて制限することが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る補助電源装置によれば、定常負荷の小さい場合にも、突入電流の抑制を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係る補助電源装置の構成例を示す図である。
【図２】図１に示す設定部によるリミッタ設定値の設定例を示す図である。
【図３】図１に示す設定部が備える制御回路の構成例を示す図である。
【図４】図１に示す設定部の構成例を示す図である。
【図５】図１に示す制御部の要部構成を示す図である。
【図６】図１に示すインバータの出力電流の波形の一例を示す図である。
【図７】図１に示すインバータの出力電流の波形の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００１４】
図１は、本発明の一実施形態に係る補助電源装置１０の構成例を示す図である。本実施形態に係る補助電源装置１０は、架線から電力供給を受けて動作する電気車に搭載され、架線から供給された直流電力を交流電力に変換して、電気車内の空調装置、照明装置などの負荷に出力する。
【００１５】
図１に示す補助電源装置１０は、インバータ１１と、設定部１２と、制御部１３とを備える。
【００１６】
インバータ１１は、制御部１３の制御に従い、架線から供給された直流電力を交流電力に変換して、電気車内の負荷に供給する。
【００１７】
設定部１２は、インバータ１１の出力電流に応じて、インバータ１１の出力電圧を制限するための制限値であるリミッタ設定値ｉｌｍｔを設定する。具体的には、設定部１２は、インバータ１１の出力電流の定常値に応じて、段階的にリミッタ設定値ｉｌｍｔを設定する。
【００１８】
図２は、設定部１２が設定するリミッタ設定値ｉｌｍｔの一例を示す図である。
【００１９】
図２において、ＩｏｕｔＲｍｓとは、インバータ１１の出力電流の実効値を示す。複数のリミッタ設定値ｉｌｍｔ（ｃ）それぞれに、制御論理（ＩＬＩＭ１＿Ｍ〜ＩＬＩＭ１６＿Ｍ）が対応付けられている。各制御論理は、インバータ１１の出力電流の実効値ＩｏｕｔＲｍｓが所定時間以上、対応するＯＮの値（ａ）以上となると成立し、インバータ１１の出力電流の実効値ＩｏｕｔＲｍｓが所定時間以上、対応するＯＦＦの値（ｂ＜ａ）以下となると不成立となる。したがって、例えば、インバータ１１の出力電流の実効値ＩｏｕｔＲｍｓが所定時間（例えば、０．５秒）以上、ａ１［Ａｒｍｓ］以上となると、制御論理ＩＬＩＭ１＿Ｍが成立となる。また、インバータ１１の出力電流の実効値ＩｏｕｔＲｍｓが所定時間（例えば、０．５秒）以上、ｂ１（＜ａ１）［Ａｒｍｓ］以下となると、制御論理ＩＬＩＭ１＿Ｍが不成立となる。このように、設定部１２は、複数段の制御論理を有しており、各制御論理にリミッタ設定値ｉｌｍｔを対応付けている。なお、図２において、ａ１＜ａ２＜・・・＜ａ１５＜ａ１６であり、ｃ０＜ｃ１＜・・・＜ｃ１５＜ｃ１６である。また、各段のａの値は、後段のｂの値よりも小さい。
【００２０】
上述したような制御論理は、例えば、図３に示す制御回路１２０により実現可能である。なお、図３では、制御論理ＩＬＩＭ１１＿Ｍの制御論理を実現するための制御回路１２０を例として説明する。
【００２１】
図３に示す制御回路１２０は、オンタイマーディレイ（ＯＮＴＤ：Ｏｎ  Ｔｉｍｅｒ  Ｄｅｌａｙ）１２１，１２２と、スイッチ１２３とを有する。
【００２２】
オンタイマーディレイ１２１は、インバータ１１の出力電流Ｉｏｕｔが入力され、出力電流Ｉｏｕｔの実効値ＩｏｕｔＲｍｓが所定時間以上（例えば、０．５秒以上）、所定値（ａ１１）以上となるとスイッチ１２３をオンとするためスイッチング信号ＩＬＭ１１＿ＯＮ＿Ｔをスイッチ１２３に出力する。
【００２３】
オンタイマーディレイ１２２は、インバータ１１の出力電流Ｉｏｕｔが入力され、出力電流Ｉｏｕｔの実効値ＩｏｕｔＲｍｓが所定時間以上（例えば、０．５秒以上）、所定値（ｂ１１）以下となるとスイッチ１２３をオフとするためスイッチング信号ＩＬＭ１１＿ＯＦＦ＿Ｔをスイッチ１２３に出力する。
【００２４】
スイッチ１２３は、オンタイマーディレイ１２１からスイッチング信号ＩＬＭ１１＿ＯＮ＿Ｔが出力されるとオンとなり、制御論理ＩＬＩＭ１１＿Ｍが成立している旨を示す信号ＩＬＭ１１＿Ｍを出力する。また、スイッチ１２３は、オンタイマーディレイ１２２からスイッチング信号ＩＬＭ１１＿ＯＦＦ＿Ｔが出力されるとオフとなる。スイッチ１２３がオフとなることで、信号ＩＬＭ１１＿Ｍの出力が停止され、制御論理ＩＬＩＭ１１＿Ｍが不成立となる。
【００２５】
設定部１２は、図４に示すように、図２に示す制御論理ごとに、図３に示す制御回路１２０（制御回路１２０−１〜１２０−１６）を備える。そして、設定部１２は、成立している旨を示す信号が出力された制御論理のうち、最も段数の高い制御論理に対応付けられた値をリミッタ設定値ｉｌｍｔとして設定する
【００２６】
図１を再び参照すると、制御部１３は、設定部１２により設定されたリミッタ設定値ｉｌｍｔに応じて、インバータ１１の動作を制御する。具体的には、制御部１３は、図５に示すように、インバータ１１の出力電圧を指示する電圧指令ｖから設定部１２により設定されたリミッタ設定値ｉｌｍｔに応じた値を差し引き、合成後の電圧指令ｖｏを生成する。そして、制御部１３は、合成後の電圧指令ｖｏに従い、インバータ１１を制御する。
【００２７】
図５を参照して制御部１３の構成を説明する。なお、制御部１３の要部構成を示す図であり、合成後の電圧指令ｖｏを生成するための構成について記載しており、制御部１３が有する他の機能、例えば、インバータ１１を制御する機能などに関する構成については記載を省略している。
【００２８】
図５に示す制御部１３は、減算器１３１と、ＰＩ制御部１３２と、リミッタ１３３と、加算器１３４とを備える。
【００２９】
減算器１３１は、設定部１２により設定されたリミッタ設定値ｉｌｍｔからインバータ１１の出力電流Ｉｏｕｔを減算し、ＰＩ制御部１３２に出力する。
【００３０】
ＰＩ制御部１３２は、減算器１３１から出力されたリミッタ設定値ｉｌｍｔとインバータ１１の出力電流Ｉｏｕｔとの差がゼロとなるような比例積分制御（ＰＩ制御）により得られる制御値をリミッタ１３３に出力する。
【００３１】
リミッタ１３３は、ＰＩ制御部１３２から出力された制御値に応じて、インバータ１１の電圧指令ｖを補正するための補正値ｖ１を出力する。ここで、リミッタ１３３は、補正値ｖ１として、０以下の値を出力し、ＰＩ制御器１３２から出力された制御値が大きい程（リミッタ設定値ｉｌｍｔとインバータ１１の出力電流Ｉｏｕｔとの差が大きい程）、負方向に大きな値を出力する。
【００３２】
加算器１３４は、電圧指令ｖとリミッタ１３３から出力された補正値ｖ１とを加算（合成）し、合成後の電圧指令ｖｏを出力する。この合成後の電圧指令ｖｏに従い、インバータ１１が制御される。
【００３３】
上述したように、リミッタ１３３は、リミッタ設定値ｉｌｍｔとインバータ１１の出力電流Ｉｏｕｔとの差が大きい程、負方向に大きな補正値ｖ１を出力する。すなわち、リミッタ設定値ｉｌｍｔとインバータ１１の出力電流Ｉｏｕｔとの差が大きい程、大きな値が電圧指令ｖから差し引かれる。そのため、突入電流が流れ、インバータ１１の出力電流Ｉｏｕｔが増加した場合にも、インバータ１１の出力電圧を抑制し、その結果、突入電流を抑制することができる。ここで、本実施形態においては、インバータ１１の出力電流Ｉｏｕｔの定常値に応じて、リミッタ設定値ｉｌｍｔを設定している。そのため、定常負荷が小さく、定常電流が小さい場合にも、その定常電流に応じたリミッタ設定値ｉｌｍｔを設定することができるので、突入電流の抑制を図ることができる。
【００３４】
図６は、本発明を適用しない場合のインバータ１１の出力電流Ｉｏｕｔの波形の一例を示す図である。なお、以下では、２台の空調装置がそれぞれ２つのコンプレッサを有し、各空調装置のコンプレッサを順次、起動させた場合を例として説明する。
【００３５】
時刻ｔ１１において、定常状態から１台目の空調装置の１つ目のコンプレッサＣＰ１１を起動させたとする。そして、コンプレッサＣＰ１１の起動に応じて、突入電流が流れ、インバータ１１の出力電流Ｉｏｕｔが急激に増加したとする。
【００３６】
その後、時刻ｔ１２において、突入電流が収束し、インバータ１１の出力電流Ｉｏｕｔが定常状態となったとする。この場合のインバータ１１の出力電流Ｉｏｕｔの定常値は、コンプレッサＣＰ１１を起動させる前（時刻ｔ１１よりも前）のインバータ１１の出力電流Ｉｏｕｔの定常値よりも大きい。
【００３７】
次に、時刻ｔ１４において、１台目の空調装置の２つ目のコンプレッサＣＰ１２を起動させたとする。そして、コンプレッサＣＰ１２の起動に応じて、突入電流が流れ、インバータ１１の出力電流Ｉｏｕｔが急激に増加したとする。
【００３８】
その後、時刻ｔ１５において、突入電流が収束し、インバータ１１の出力電流Ｉｏｕｔが定常状態となったとする。この場合のインバータ１１の出力電流Ｉｏｕｔの定常値は、コンプレッサＣＰ１２を起動させる前（時刻ｔ１４よりも前）のインバータ１１の出力電流Ｉｏｕｔの定常値よりも大きい。
【００３９】
次に、時刻ｔ１７において、２台目の空調装置の１つ目のコンプレッサＣＰ２１を起動させたとする。そして、コンプレッサＣＰ２１の起動に応じて、突入電流が流れ、インバータ１１の出力電流Ｉｏｕｔが急激に増加したとする。
【００４０】
その後、時刻ｔ１８において、突入電流が収束し、インバータ１１の出力電流Ｉｏｕｔが定常状態となったとする。この場合のインバータ１１の出力電流Ｉｏｕｔの定常値は、コンプレッサＣＰ２１を起動させる前（時刻ｔ１７よりも前）のインバータ１１の出力電流Ｉｏｕｔの定常値よりも大きい。
【００４１】
次に、時刻ｔ１９において、２台目の空調装置の２つ目のコンプレッサＣＰ２２を起動させたとする。そして、コンプレッサＣＰ２２の起動に応じて、突入電流が流れ、インバータ１１の出力電流Ｉｏｕｔが急激に増加したとする。
【００４２】
その後、時刻ｔ２０において、突入電流が収束し、インバータ１１の出力電流Ｉｏｕｔが定常状態となったとする。この場合のインバータ１１の出力電流Ｉｏｕｔの定常値は、コンプレッサＣＰ２２を起動させる前（時刻ｔ１９よりも前）のインバータ１１の出力電流Ｉｏｕｔの定常値よりも大きい。
【００４３】
図６に示すように、駆動する負荷が増加するほど、定常電流の値が大きくなる。また、突入電流によるインバータ１１の出力電流Ｉｏｕｔの増加量が略同等であるとすると、駆動する負荷が増加するほど、突入電流のピーク値が大きくなる。突入電流を抑制し、帰線電流の低周波成分を低減するためには、図６に示すように、突入電流がピークに達する前にインバータ１１の出力電流Ｉｏｕｔを抑制する必要がある。
【００４４】
ここで、図６に示すように、固定のリミッタ設定値ｉｌｍｔ（Ｆｉｘ）を用いた場合、定常電流が小さい状態（例えば、時刻ｔ１１の状態）で突入電流が発生しても、インバータ１１の出力電流Ｉｏｕｔがリミッタ設定値ｉｌｍｔ（Ｆｉｘ）まで達しないことがある。この場合、リミッタ電流を抑制することができない。そこで、定常電流が小さい状態で発生する突入電流を抑制することができるように、リミッタ設定値ｉｌｍｔ（Ｆｉｘ）を小さくすることも考えられる。しかしながら、インバータ１１の出力は、リミッタ設定値ｉｌｍｔ（Ｆｉｘ）により上限が定められてしまうので、リミッタ設定値ｉｌｍｔ（Ｆｉｘ）を小さくすると、インバータ１１から得られる出力も小さくなってしまう。
【００４５】
一方、本実施形態においては、図７に示すように、インバータ１１の出力電流Ｉｏｕt（出力電流Ｉｏｕtの定常値）に応じて、リミッタ設定値ｉｌｍｔを設定する。ここで、図７に示すように、インバータ１１の出力電流Ｉｏｕｔ＞リミッタ設定値ｉｌｍｔとなると、出力電流Ｉｏｕｔとリミッタ設定値ｉｌｍｔとの差の分だけ、リミッタ１３３から出力される補正値ｖ１が大きくなる。その結果、電圧指令を瞬時的に下げ、出力電流Ｉｏｕｔのピーク値を抑制することができる。
【００４６】
例えば、設定部１２は、時刻ｔ１１以前の定常状態でのインバータ１１の出力電流Ｉｏｕｔの値に応じてリミッタ設定値ｉｌｍｔを設定する。ここで設定されるリミッタ設定値ｉｌｍｔは、時刻ｔ１１以前の定常状態で突入電流が発生した際に、その突入電流がピークに達する前にインバータ１１の出力電流Ｉｏｕｔが抑制されるような値が設定される。そのため、図７に示すように、時刻ｔ１１で発生した突入電流がピークに達する前にインバータ１１の出力電流Ｉｏｕｔがリミッタ設定値ｉｌｍｔに達し、その結果、インバータ１１の出力電圧が抑制される。そのため、突入電流もピークに達する前に抑制される。
【００４７】
時刻ｔ１２以降、定常状態となると、時刻ｔ１２から所定時間（例えば、０．５秒）が経過した時刻ｔ１３において、設定部１２は、その時点でのインバータ１１の出力電流Ｉｏｕtの値に応じて、リミッタ設定値ｉｌｍｔを設定する。時刻ｔ１３において設定されるリミッタ設定値ｉｌｍｔは、時刻ｔ１２以降の定常状態で突入電流が発生した際に、その突入電流がピークに達する前にインバータ１１の出力電流Ｉｏｕｔが抑制されるような値が設定される。そのため、時刻ｔ１４で発生した突入電流がピークに達する前にインバータ１１の出力電流Ｉｏｕｔがリミッタ設定値ｉｌｍｔに達し、その結果、インバータ１１の出力電圧が抑制される。そのため、突入電流もピークに達する前に抑制される。
【００４８】
時刻ｔ１５以降、定常状態となると、時刻ｔ１５から所定時間（例えば、０．５秒）が経過した時刻ｔ１６において、設定部１２は、その時点でのインバータ１１の出力電流Ｉｏｕtの値に応じて、リミッタ設定値ｉｌｍｔを設定する。時刻ｔ１６において設定されるリミッタ設定値ｉｌｍｔは、時刻ｔ１５以降の定常状態で突入電流が発生した際に、その突入電流がピークに達する前にインバータ１１の出力電流Ｉｏｕｔが抑制されるような値が設定される。そのため、時刻ｔ１７で発生した突入電流がピークに達する前にインバータ１１の出力電流Ｉｏｕｔがリミッタ設定値ｉｌｍｔに達し、その結果、インバータ１１の出力電圧が抑制される。そのため、突入電流もピークに達する前に抑制される。
【００４９】
以下、同様にして、設定部１２は、インバータ１１の出力電流Ｉｏｕtの値に応じて、リミッタ設定値ｉｌｍｔを設定する。
【００５０】
このように本実施形態においては、補助電源装置１０は、インバータ１１の出力電流Ｉｏｕｔの定常値に応じて、インバータ１１の出力電圧を制限するための制限値であるリミッタ設定値ｉｌｍｔを設定する設定部１２と、設定部１２により設定されたリミッタ設定値ｉｌｍｔに応じてインバータ１１の動作を制御する制御部１３と、を備える。
【００５１】
インバータ１１の出力電流Ｉｏｕｔの値に応じてリミッタ設定値ｉｌｍｔを設定することで、定常負荷の小さい場合にも、突入電流の抑制を図ることができる。その結果、帰線電流の低周波成分（３０Ｈｚ等のノイズ）の低減を図ることができる。また、出力電流Ｉｏｕｔの値に応じてリミッタ設定値ｉｌｍｔを設定することで、固定のリミッタ設定値ｉｌｍｔを用いる場合のように、インバータ１１の出力の上限が固定されてしまうことがない。
【００５２】
本発明を図面および実施形態に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形または修正を行うことが容易であることに注意されたい。したがって、これらの変形または修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各ブロックなどに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数のブロックを１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。
【符号の説明】
【００５３】
１０    補助電源装置
１１    インバータ
１２    設定部
１３    制御部
１２０    制御回路
１２１，１２２    オンタイマーディレイ
１２３    スイッチ
１３１    減算器
１３２    ＰＩ制御部
１３３    リミッタ
１３４    加算器
【図１】
2018019565.tif 000003
【図２】
2018019565.tif 000004
【図３】
2018019565.tif 000005
【図４】
2018019565.tif 000006
【図５】
2018019565.tif 000007
【図６】
2018019565.tif 000008
【図７】
2018019565.tif 000009