(57)【要約】【課題】第１アームとして機能するアームのいずれかの温度がアームの使用が管理上許容される上限温度より高くなったり故障が発生したりした場合でも電力変換装置により電力変換を継続して行うことができるので、鉄道車両の走行を継続することができる。【解決手段】実施形態の電力変換装置は、少なくとも三つのアームと、切替部と、を備える。少なくとも三つのアームは、電力変換に用いる複数の第１アームおよび待機状態にある少なくとも一つの第２アームを含む。切替部は、第２アームを第１アームと置換させて当該置換させた第１アームの機能を代替させる。【選択図】図１
2015023709.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力変換に用いる複数の第１アームおよび待機状態にある少なくとも一つの第２アームを含む少なくとも三つのアームと、
前記第２アームを前記第１アームと置換させて当該置換させた前記第１アームの機能を代替させる切替部と、
を備えた電力変換装置。
【請求項２】
前記アームの温度を検出する温度検出部を備え、
前記切替部は、前記第２アームを、前記温度検出部により検出された温度が所定温度より高い前記第１アームと置換させる請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記切替部は、前記温度検出部により検出された温度が前記所定温度より高い前記アームを除き、前記温度検出部により検出された温度が低い前記アームから順に前記第１アームとする請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記アームの故障を検出する故障検出部を備え、
前記切替部は、前記第２アームを、前記故障検出部により故障が検出された前記第１アームと置換させる請求項１から３のいずれか一つに記載の電力変換装置。
【請求項５】
少なくとも三つの前記アームを有し、直流電力から交流電力への電力変換を行う第１変換部と、
前記第１変換部と同数の前記アームを有し、交流電力から直流電力への電力変換を行う第２変換部と、
を備えた請求項１から４のいずれか一つに記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記第１変換部および前記第２変換部は、単一のパッケージに収められている請求項５に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記切替部は、少なくとも三つの前記アームそれぞれが前記第１アームとして機能する時間が同じになるように、前記第２アームを前記第１アームと置換させる請求項１から６のいずれか一つに記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記第２アームは、前記第１アーム以外の他の回路要素としても使用可能である請求項１から７のいずれか一つに記載の電力変換装置。
【請求項９】
前記電力変換装置は、車両用の電力変換装置であり、
前記第２アームは、前記車両のブレーキチョッパとしても使用可能である請求項８に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
新幹線を始めとして架線から単相交流電力の供給を受けて走行する鉄道車両は、供給された単相交流電力の電圧をトランスで降圧し、降圧した単相交流電力をコンバータで直流電力に変換し、当該直流電力をインバータで三相交流電力に変換し、当該三相交流電力によりモータを駆動させることにより走行する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−７９４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、鉄道車両向けのコンバータは、架線から供給される交流電力が単相交流電力であるため、二つのアームを用いて単相交流電力を直流電力に変換する。そのため、コンバータが有する二つのアームのうち一方のアームが故障すると、当該コンバータを使用することができなくなるので、インバータに対して直流電力を供給することができず、鉄道車両の走行ができなくなる、という課題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態の電力変換装置は、少なくとも三つのアームと、切替部と、を備える。少なくとも三つのアームは、電力変換に用いる複数の第１アームおよび待機状態にある少なくとも一つの第２アームを含む。切替部は、第２アームを第１アームと置換させて当該置換させた第１アームの機能を代替させる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】図１は、第１の実施形態にかかる鉄道車両の駆動電源系統の構成を示す図である。
【図２】図２は、変形例１にかかる鉄道車両の駆動電源系統の構成を示す図である。
【図３】図３は、変形例２にかかる鉄道車両の駆動電源系統の構成を示す図である。
【図４】図４は、第２の実施形態にかかる鉄道車両の駆動電源系統の構成を示す図である。
【図５】図５は、第３の実施形態にかかる鉄道車両の駆動電源系統の構成を示す図である。
【図６】図６は、第４の実施形態にかかる鉄道車両の駆動電源系統の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、添付の図面を参照して、本実施形態にかかる電力変換装置について説明する。
【０００８】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態にかかる鉄道車両の駆動電源系統の構成を示す図である。本実施形態にかかる鉄道車両は、図１に示すように、架線１１（電源の一例）から交流電力が供給されるパンタグラフ１２と、線路１３を介して接地された車輪１３と、パンタグラフ１２と車輪１３との間に直列に接続されたトランス１５と、架線１１にトランス１５およびパンタグラフ１２を介して接続されかつ車輪１４および線路１３を介して接地される車両用の電力変換装置１００と、電力変換装置１００から電力の供給を受けて鉄道車両を駆動するモータ１２０（本実施形態では、三相交流モータ）と、を備えている。
【０００９】
電力変換装置１００は、パンタグラフ１２およびトランス１５を介して架線１１から供給される交流電力（本実施形態では、単相交流電力）から直流電力への電力変換（順変換）を行うコンバータ１０１と、コンバータ１０１から出力された直流電力から交流電力（本実施形態では、三相交流電力）への電力変換（逆変換）を行うインバータ１０２と、コンバータ１０１の出力を平滑化してインバータ１０２の動作の安定化を図るフィルタコンデンサ１０３と、コンバータ１０１が備えるアームＣ（後述する）と架線１１とを接続するスイッチ１０４と、インバータ１０２が備えるアームＩ（後述する）とモータ１２０とを接続するスイッチ１０７と、コンバータ１０１およびスイッチ１０４を制御するコンバータ制御部１０５と、インバータ１０２およびスイッチ１０７を制御するインバータ制御部１０６と、を備えている。本実施形態では、コンバータ１０１およびインバータ１０２は、例えば電力用半導体素子（所謂、パワー半導体デバイス）等で構成され、単一のパッケージに収められている。本実施形態では、架線１１から供給される電力が交流電力であるため、スイッチ１０４は、パンタグラフ１２およびトランス１５を介して、架線１１とコンバータ１０１が有するアームＣ（後述する）とを接続しているが、架線１１から供給される電力が直流電力である場合には、スイッチ１０４は、パンタグラフ１２およびトランス１５を介して、架線１１とインバータ１０２が有するアームＩ（後述する）とを接続する。
【００１０】
コンバータ１０１は、電力変換に用いる二つのアームＣ（以下、第１アームと言う）および待機状態にある一つのアームＣ（以下、第２アームと言う）を含む三つのアームＣ１，Ｃ２，Ｃ３を有する。以下、アームＣ１，Ｃ２，Ｃ３を区別する必要がない場合には、単にアームＣと記載する。これにより、第１アームとして機能するアームＣが温度上昇等したとしても、第２アームとして機能するアームＣを、第１アームとして機能していたアームＣと置換させて当該置換させた第１アームの機能を代替させることにより、コンバータ１０１による電力変換を継続することができる。本実施形態では、コンバータ１０１は、初期状態においては、アームＣ１，Ｃ２として機能しかつアームＣ３が第２アームとして機能している。
【００１１】
本実施形態では、コンバータ１０１が、三つのアームＣを有する例について説明するが、電力変換に用いる複数の第１アームおよび待機状態にある少なくとも一つの第２アームを含む少なくとも三つのアームＣを有していれば良い。例えば、コンバータ１０１は、四つ以上のアームＣを有していても良い。これにより、四つのアームＣのうち、電力変換に用いる第１アームとしての二つのアームＣが温度上昇等したとしても、待機状態にある二つの第２アームとしてのアームＣを、第１アームとして機能していた二つのアームＣと置換させて当該第１アームの機能を代替させることにより、コンバータ１０１による電力変換を継続することができる。
【００１２】
三つのアームＣは、並列に接続されている。そして、各アームＣは、パンタグラフ１２およびトランス１５を介して架線１１と接続される二つのスイッチング素子（例えば、ＩＧＢＴ：Insulated  Gate  Bipolar  Transistorなど）が直列に接続され、所定のスイッチングパターンでスイッチング素子をスイッチングすることで、直流電力を出力する。
【００１３】
コンバータ制御部１０５は、コンバータ１０１が有する三つのアームＣそれぞれの温度を検出する温度検出部１０５ａと、当該温度検出部１０５ａによる各アームＣの温度の検出結果に基づいて、スイッチ１０４を制御するスイッチ制御部１０５ｂと、を備えている。
【００１４】
インバータ１０２は、電力変換に用いる第１アームとして機能する三つのアームＩおよび待機状態にある第２アームとして機能する一つのアームＩ（第２アーム）を含む四つのアームＩ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４を有する。以下、アームＩ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４を区別する必要がない場合には、単にアームＩと記載する。これにより、第１アームとして機能する三つのアームＩのいずれかが温度上昇等したとしても、第２アームとして機能するアームＩを、第１アームとして機能していたアームＩと置換させて当該置換させた第１アームの機能を代替させることにより、インバータ１０２による電力変換を継続させることができる。
【００１５】
四つのアームＩは、並列に接続されている。そして、各アームＩは、モータ１２０と接続される二つのスイッチング素子（例えば、ＩＧＢＴなど）が直列に接続され、所定のスイッチングパターンでスイッチング素子をスイッチングさせることで交流電力を出力する。
【００１６】
本実施形態では、インバータ１０２が四つのアームＩを有する例について説明するが、電力変換に用いる複数の第１アームおよび待機状態にある少なくとも一つの第２アームを含む少なくとも三つのアームＩを有していれば良い。例えば、インバータ１０２は、五つのアームＩを有していても良い。これにより、五つのアームＩのうち、第１アームとしての二つのアームＩが温度上昇等したとしても、待機状態にある二つの第２アームを、第１アームとして機能していた二つのアームＩと置換させて当該第１アームの機能を代替させることにより、インバータ１０２による電力変換を継続することができる。また、インバータ１０２が、直流電力を単相交流電力に変換する場合には、電力変換に用いる第１アームとして機能する二つのアームＩおよび待機状態にある第２アームとして機能する一つのアームＩを含む三つのアームＩを有していれば良い。
【００１７】
インバータ制御部１０６は、インバータ１０２が有する四つのアームＩそれぞれの温度を検出する温度検出部１０６ａと、当該温度検出部１０６ａによる各アームＩの温度の検出結果に基づいて、スイッチ１０７を制御するスイッチ制御部１０６ｂと、を備えている。
【００１８】
次に、コンバータ１０１において、第２アームとして機能するアームＣを、第１アームとして機能していたアームＣと置換させる動作について説明する。コンバータ制御部１０５のスイッチ制御部１０５ｂは、架線１１から供給される単相交流電力を直流電力に電力変換するために、スイッチ１０４を制御して、三つのアームＣのうち二つのアームＣ（例えば、アームＣ１，Ｃ２）を、パンタグラフ１２およびトランス１５を介して架線１１と短絡させることにより、アームＣ１，Ｃ２を第１アームとする。さらに、スイッチ制御部１０５ｂは、スイッチ１０４を制御して、三つのアームＣのうち第１アームとして機能するアームＣ以外のアームＣ（例えば、アームＣ３）を架線１１から切り離して、アームＣ３を待機状態にある第２アームとする。
【００１９】
スイッチ制御部１０５ｂは、コンバータ１０１による電力変換が行われている間、温度検出部１０５ａによる各アームＣの温度の検出結果を取得する。そして、スイッチ制御部１０５ａは、第１アームとして機能するアームＣ１，Ｃ２のいずれかの温度が所定温度より高いか否かを判断する。ここで、所定温度は、アームＣの使用が管理上許容される上限温度であり、電力変換装置１００の管理者等が任意に設定できる。
【００２０】
そして、スイッチ制御部１０５ｂは、第１アームとして機能するアームＣ１，Ｃ２のいずれかの温度が所定温度より高い場合、スイッチ１０４を制御して、温度検出部１０５ａにより検出された温度が所定温度より高い第１アーム（例えば、アームＣ１）をトランス１５から切り離すとともに、第２アームとして機能するアームＣ３をトランス１５に接続して、当該アームＣ３をパンタグラフ１２およびトランス１５を介して架線１１と短絡させる。これにより、スイッチ１０４およびスイッチ制御部１０５ｂは、第２アームを、温度検出部１０５ａにより検出された温度が所定温度より高い第１アームと置換させる。本実施形態では、スイッチ制御部１０５ｂおよびスイッチ１０４が、第２アームを、第１アームと置換させて当該第１アームの機能を代替させる切替部として機能する。
【００２１】
次に、インバータ１０２において、第２アームとして機能するアームＩを、第１アームとして機能していたアームＩと置換させる動作について説明する。インバータ制御部１０６のスイッチ制御部１０６ｂは、フィルタコンデンサ１０３により平滑化された直流電力を三相交流電力に変換するために、スイッチ１０７を制御して、四つのアームＩのうち三つのアームＩ（例えば、アームＩ１，Ｉ２，Ｉ３）を、モータ１２０と短絡させることにより、アームＩ１，Ｉ２，Ｉ３を第１アームとする。さらに、スイッチ制御部１０６ｂは、四つのアームＩのうち第１アームとして機能するアームＩ以外のアームＩ（例えば、アームＩ４）をモータ１２０から切り離して、当該アームＩ４を待機状態にある第２アームとする。
【００２２】
スイッチ制御部１０６ｂは、インバータ１０２による電力変換が行われている間、温度検出部１０６ａによる各アームＩの温度の検出結果を取得する。そして、スイッチ制御部１０６ｂは、第１アームとして機能するアームＩ１，Ｉ２，Ｉ３のいずれかの温度が所定温度より高いか否かを判断する。ここで、所定温度は、アームＩの使用が管理上許容される上限温度であり、電力変換装置１００の管理者等が任意に設定できる。
【００２３】
そして、スイッチ制御部１０６ｂは、第１アームとして機能するアームＩ１，Ｉ２，Ｉ３のいずれかの温度が所定温度より高い場合、スイッチ１０７を制御して、温度検出部１０６ａにより検出された温度が所定温度より高い第１アーム（例えば、アームＩ１）をモータ１２０から切り離すとともに、第２アームとして機能するアームＩ４をモータ１２０と短絡させる。これにより、スイッチ１０７およびスイッチ制御部１０５ｂは、第２アームを、温度検出部１０６ａにより検出された温度が所定温度より高い第１アームと置換させる。本実施形態では、スイッチ制御部１０６ｂおよびスイッチ１０７が、第２アームを、第１アームと置換させて当該第１アームの機能を代替させる切替部として機能する。
【００２４】
このように、第１の実施形態にかかる電力変換装置１００によれば、第１アームとして機能するアームＣのいずれかの温度がアームＣの使用が管理上許容される上限温度より高くなった場合でもコンバータ１０１により電力変換を継続して行うことができるので、鉄道車両の走行を継続することができる。また、第１の実施形態にかかる電力変換装置１００によれば、第１アームとして機能するアームＩのいずれかの温度がアームＩの使用が管理上許容される上限温度より高くなった場合でもインバータ１０２により電力変換を継続して行うことができるので、鉄道車両の走行を継続することができる。
【００２５】
（変形例１）
本変形例は、コンバータおよびインバータのうち、コンバータのみが、第１アームとして機能するアームに加えて、第２アームとして機能するアームを有する例である。以下の説明では、第１の実施形態と同様の箇所については説明を省略する。
【００２６】
図２は、変形例１にかかる鉄道車両の駆動電源系統の構成を示す図である。本変形例にかかる電力変換装置２００のコンバータ１０１は、第１の実施形態と同様に、電力変換に用いる第１アームとして機能する二つのアームＣおよび待機状態にある第２アームとして機能する一つのアームを含む三つのアームＣ１，Ｃ２，Ｃ３を有する。
【００２７】
一方、本変形例にかかる電力変換装置２００のインバータ２０１は、電力変換に用いられる第１アームとして機能する三つのアームＩ１，Ｉ２，Ｉ３のみを有する。そのため、本変形例では、インバータ制御部２０２は、第１アームとして機能していたアームＩ（温度上昇等したアームＩ）を、待機状態にある他のアームと置換させることはできない。
【００２８】
このように、変形例１にかかる電力変換装置２００によれば、第１アームとして機能するアームＣのいずれかの温度がアームＣの使用か管理上許容される上限温度より高くなった場合でもコンバータ１０１により電力変換を継続して行うことができるので、鉄道車両の走行を継続することができる。
【００２９】
ただし、本変形例によれば、コンバータ１０１（第２変換部の一例）は、インバータ２０１（第１変換部の一例）が有するアームＩと同数のアームＣ（本変形例では、三つのアームＣ）を有する。これにより、コンバータ１０１とインバータ２０１とを同一の回路構成とすることができるので、インバータ２０１とは別にコンバータ１０１と別途設計，製造する必要がなくなるため、量産効果によりコンバータ１０１およびインバータ２０１の製造コストを下げることができる。
【００３０】
（変形例２）
本変形例は、コンバータおよびインバータのうち、インバータのみが、第１アームとして機能するアームに加えて、第２アームとして機能するアームを有する例である。以下の説明では、第１の実施形態と同様の箇所については説明を省略する。
【００３１】
図３は、変形例２にかかる鉄道車両の駆動電源系統の構成を示す図である。本変形例にかかる電力変換装置３００のコンバータ３０１は、電力変換に用いられる第１アームとして機能する二つのアームＣ１，Ｃ２のみを有する。そのため、本変形例では、コンバータ制御部３０２は、第１アームとして機能していたアームＣ（温度上昇等したアームＣ）を、待機状態にある他のアームと置換させることはできない。
【００３２】
一方、本変形例にかかる電力変換装置３００のインバータ１０２は、第１の実施形態と同様に、電力変換に用いる第１アームとして機能する三つのアームＩおよび待機状態にある第２アームとして機能する一つアームＩを含む四つのアームＩ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４を有する。
【００３３】
このように、変形例２にかかる電力変換装置３００によれば、第１アームとして機能するアームＩのいずれかの温度がアームＩの使用が管理上許容される上限温度より高くなった場合でもインバータ１０２により電力変換を継続することができるので、鉄道車両の走行を継続することができる。
【００３４】
（第２の実施形態）
本実施形態は、少なくとも三つのアームのうち、検出された温度が低いアームから順に第１アームとする例である。以下の説明では、第１の実施形態と同様の箇所については説明を省略する。
【００３５】
図４は、第２の実施形態にかかる鉄道車両の駆動電源系統の構成を示す図である。本実施形態では、コンバータ４０１は、四つ以上のアームＣ１〜ＣＮを有している。以下、アームＣ１〜ＣＮを区別する必要がない場合には、単にアームＣと記載する。そして、アームＣ１〜ＣＮのうち二つのアームＣを第１アームとし、残りの二つ以上のアームＣを第２アームとする。これにより、第１アームとしての複数のアームＣが温度上昇等したとしても、第２アームとして機能する複数のアームＣを、第１アームとして機能していた複数のアームＣと置換させて当該置換させた第１アームの機能を代替させることにより、コンバータ４０１による電力変換を継続することができる。
【００３６】
また、本実施形態では、インバータ４０２は、五つ以上のアームＩ１〜ＩＮを有している。以下、アームＩ１〜ＩＮを区別する必要がない場合には、単にアームＩと記載する。そして、五つ以上のアームＩ１〜ＩＮのうち、三つのアームＩを第１アームとし、残りの二つ以上のアームＩを第２アームとする。これにより、第１アームとして機能する三つのアームＩのうち複数のアームＩが温度上昇等したとしても、第２アームとして機能する複数のアームＩを、第１アームとして機能していた複数のアームＩと置換させて当該置換させた第１アームの機能を代替させることにより、インバータ４０２の電力変換を継続することができる。
【００３７】
次に、コンバータ４０１において、第２アームとして機能するアームＣを、第１アームとして機能していたアームＣと置換させる動作について説明する。本実施形態では、コンバータ制御部４０３のスイッチ制御部４０３ｂは、第１アームとしてのアームＣ（例えば、アームＣ１，Ｃ２）の少なくともいずれか一つ（例えば、アームＣ２）の温度が所定温度より高い場合、スイッチ１０４を制御して、温度検出部１０５ａにより検出された温度が所定温度より高いアームＣ２をトランス１５から切り離す。さらに、スイッチ制御部４０３ｂは、スイッチ１０４を制御して、アームＣ１，Ｃ３〜ＣＮのうち、温度検出部１０５ａにより検出された温度が低いアームＣから順に二つのアームＣ（例えば、アームＣ１，ＣＮ）を選択し、当該選択したアームＣを、パンタグラフ１２およびトランス１５を介して架線１１と短絡させる。
【００３８】
すなわち、スイッチ制御部４０３ｂは、コンバータ４０１が有するアームＣ１〜ＣＮのうち、温度検出部１０５ａにより検出された温度が所定温度より高いアームＣを除き、温度検出部１０５ａにより検出された温度が低いアームＣから順に第１アームとする。これにより、検出された温度が所定温度より高いアームＣを除く他のアームＣの温度が所定温度を超えていなくても、当該他のアームＣのうち温度が高い特定のアームＣのみが第１アームとして機能させられ高温状態に使い続けられることを回避できるので、当該特定のアームＣのみが高温状態で使い続けられることにより劣化が進むことを防止できる。
【００３９】
本実施形態では、スイッチ制御部４０３ｂは、第１アームとしてのアームＣの少なくともいずれか一つの温度が所定温度より高い場合に、第１アームとするアームＣの切り替えを行っているが、定期的に、温度検出部１０５ａにより検出された温度が低い順にアームＣを選択して、第１アームとするアームＣの切り替えを行っても良い。言い換えると、スイッチ制御部４０３ｂは、少なくとも三つのアームＣそれぞれが第１アームとして機能する時間が同じになるように、第２アームを第１アームと置換させる。
【００４０】
具体的には、スイッチ制御部４０３ｂは、一日おきに、第２アームとして機能するアームＣを、第１アームとして機能するアームＣと置換させる。例えば、コンバータ４０１が有するアームＣがアームＣ１，Ｃ２，Ｃ３の三つである場合、スイッチ制御部４０３ｂは、アームＣ１，Ｃ２を第１アームとした日の一日後（次の日）はアームＣ２，Ｃ３を第１アームとし、さらに一日後はアームＣ３，Ｃ１を第１アームとする。このように、一日おきに第１アームとするアームＣを切り替えることにより、特定のアームのみが第１アームとして使用され劣化が早く進むことを防止する（言い換えると、アームＣを均等に使用することができる）。また、スイッチ制御部４０３ｂは、週毎、日付、鉄道車両の運行状況（例えば、鉄道車両が上りか下りか等）に応じて、第１アームとするアームＣの切り替えを行っても良い。
【００４１】
次に、インバータ４０２において、第２アームとして機能するアームＩを、第１アームとして機能していたアームＩと置換させる動作について説明する。本実施形態では、インバータ制御部４０４のスイッチ制御部４０４ｂは、第１アームとしてのアームＩ（例えば、アームＩ１，Ｉ２，Ｉ３）の少なくともいずれか一つ（例えば、アームＩ２）の温度が所定温度より高い場合、スイッチ１０７を制御して、温度検出部１０５ａにより検出された温度が所定温度より高いアームＩ２をモータ１２０から切り離す。さらに、スイッチ制御部４０４ｂは、スイッチ１０７を制御して、アームＩ１，Ｉ３〜ＩＮのうち、温度検出部１０６ａにより検出された温度が低いアームＩから順に三つのアームＩ（例えば、アームＩ１，Ｉ３，ＩＮ）を選択し、当該選択したアームＩを、モータ１２０と短絡させる。
【００４２】
すなわち、スイッチ制御部４０４ｂは、インバータ４０２が有するアームＩ１〜ＩＮのうち、温度検出部１０６ａにより検出された温度が所定温度より高いアームＩを除き、温度検出部１０６ａにより検出された温度が低いアームＩから順に第１アームとする。これにより、検出された温度が所定温度より高いアームＩを除く他のアームＩの温度が所定温度を超えていなくても、当該他のアームＩのうち温度が高い特定のアームＩのみが第１アームとして機能させられ高温状態で使い続けられることを回避できるので、当該特定のアームＩのみが高温状態で使い続けられることにより劣化が進むことを防止できる。
【００４３】
本実施形態では、スイッチ制御部４０４ｂは、第１アームとしてのアームＩの少なくともいずれか一つの温度が所定温度より高い場合に、第１アームとするアームＩの切り替えを行っているが、定期的に、温度検出部１０６ａにより検出された温度が低い順にアームＩを選択して、第１アームとするアームＩの切り替えを行っても良い。言い換えると、スイッチ制御部４０４ｂは、少なくとも四つのアームＩそれぞれが第１アームとして機能する時間が同じになるように、第２アームを第１アームと置換させる。
【００４４】
具体的には、スイッチ制御部４０４ｂは、一日おきに、第２アームとして機能するアームＩを、第１アームとして機能するアームＩと置換させる。例えば、コンバータ４０１が有するアームＩがアームＩ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４の四つである場合、スイッチ制御部４０４ｂは、アームＩ１，Ｉ２，Ｉ３を第１アームとした日の一日後（次の日）はアームＩ２，Ｉ３，Ｉ４を第１アームとし、二日後はアームＩ３，Ｉ４，Ｉ１を第１アームとする。このように、一日おきに第１アームとするアームＩを切り替えることにより、特定のアームのみが第１アームとして使用され劣化が早く進むことを防止する（言い換えると、アームＩを均等に使用することができる）。また、スイッチ制御部４０４ｂは、週毎、日付、鉄道車両の運行状況（例えば、鉄道車両が上りか下りか等）に応じて、第１アームとするアームＩの切り替えを行っても良い。
【００４５】
このように、第２の実施形態にかかる電力変換装置４００によれば、検出された温度が所定温度より高いアームＣを除く、他のアームＣの温度が所定温度を超えていなくても、当該他のアームＣのうち温度が高い特定のアームＣのみが第１アームとして用いられ高温状態で使い続けられることを回避できるので、当該特定のアームＣのみが高温状態で使い続けられることにより劣化が進むことを防止できる。また、第２の実施形態にかかる電力変換装置４００によれば、検出された温度が所定温度より高いアームＩを除く、他のアームＩの温度が所定温度を超えていなくても、当該他のアームＩのうち温度が高い特定のアームＩのみが第１アームとして用いられ高温状態で使い続けられることを回避できるので、当該特定のアームＩのみが高温状態で使い続けられることにより劣化が進むことを防止できる。
【００４６】
（第３の実施形態）
本実施形態は、第２アームが、第１アーム以外の他の回路要素としても使用可能である例である。以下の説明では、第１の実施形態と同様の箇所については説明を省略する。
【００４７】
図５は、第３の実施形態にかかる鉄道車両の駆動電源系統の構成を示す図である。本実施形態では、電力変換装置５００は、第１の実施形態にかかる電力変換装置１００の構成に加えて、鉄道車両（車両の一例）のブレーキチョッパ５０２（回生ブレーキ）を有している。
【００４８】
また、本実施形態では、コンバータ５０１は、電力変換に用いられる第１アームとしてのアームＣ１，Ｃ２に加えて、鉄道車両のブレーキチョッパ５０２の回路要素としても使用可能な第２アームとしてのアームＣ３を有している。これにより、第１アームとしてのアームＣに加えて、第２アームとする専用のアームＣを設ける必要が無いので、コンバータ５０１の小型化およびコンバータ５０１の低コスト化を図ることができる。本実施形態では、第２アームとして機能するアームＣ３は、鉄道車両のブレーキチョッパ５０２の回路要素としても使用可能なアームであるが、第１アーム以外の他の回路要素（例えば、充電装置など）としても使用可能なアームであれば、これに限定するものではない。
【００４９】
本実施形態では、鉄道車両は、第１アームとして機能していたアームＣ１，Ｃ２のいずれかが第２アームとしてのアームＣ３により置換されている間、当該アームＣ３を回路要素として含むブレーキチョッパ５０２を利用することができないため、機械的なブレーキ（図示しない）による制動力を大きくして減速するものとする。
【００５０】
図示しないが、インバータ１０２においても、四つのアームＩのうち、電力変換に用いる第１アームとして機能する三つのアームＩ以外の第２アームとして機能するアームＩを、第１アーム以外の他の回路要素（例えば、車両のブレーキチョッパ、充電装置など）としても使用可能なアームとしても良い。これにより、第１アームとしてのアームＩに加えて、第２アームとしての専用のアームＩを設ける必要が無いので、インバータ１０２の小型化およびインバータ１０２の低コスト化を図ることができる。
【００５１】
このように、第３の実施形態にかかる電力変換装置５００によれば、第１アームとしてのアームに加えて、第２アームとしての専用のアームを設ける必要が無いので、コンバータ５０１（またはインバータ１０２）の小型化およびコンバータ５０１（またはインバータ１０２）の低コスト化を図ることができる。
【００５２】
（第４の実施形態）
本実施形態は、アームの故障が検出された場合に、故障が検出された第１アームを、第２アームで置換させる例である。以下の説明では、第１の実施形態と同様の箇所については説明を省略する。
【００５３】
図６は、第４の実施形態にかかる鉄道車両の駆動電源系統の構成を示す図である。本実施形態では、電力変換装置６００は、第１の実施形態にかかる電力変換装置１００の構成に加えて、第１アームとしてのアームＣ（本実施形態では、トランス１５と接続されたアームＣ）に流れる電流を検出する電流検出部６０１と、コンバータ制御部６０２と、を備えている。コンバータ制御部６０２は、電流検出部６０１による電流の検出結果に基づいてアームＣの故障を検出する故障検出部６０２ｃと、第２アームとしてのアームＣを、当該故障検出部６０２ｃにより故障が検出された第１アームとして機能していたアームＣと置換させるスイッチ制御部６０２ｂと、を有する。また、本実施形態では、電力変換装置６００は、第１アームとしてのアームＩ（本実施形態では、モータ１２０と接続されたアームＩ）に流れる電流を検出する電流検出部６０３，６０４と、インバータ制御部６０５と、を有する。インバータ制御部６０５は、電流検出部６０３，６０４による電流の検出結果に基づいてアームＩの故障を検出する故障検出部６０５ｃと、第２アームとしてのアームＩを、当該故障検出部６０５ｃにより故障が検出された第１アームとして機能していたアームＩと置換させるスイッチ制御部６０５ｂと、を有する。
【００５４】
故障検出部６０２ｃは、電流検出部６０１による電流の検出結果に基づいて、アームＣの故障を検出する。本実施形態では、故障検出部６０２ｃは、三つのアームＣのうち二つのアームＣの全ての組み合わせについて、当該二つのアームＣがトランス１５と接続されている場合における電流検出部６０１による電流の検出結果に基づいて、当該二つのアームＣのいずれかの故障の有無を判断する。具体的には、故障検出部６０２ｃは、電流検出部６０１による電流の検出結果が、当該二つのアームＣに流れる電流の上限を超えた場合若しくは当該二つのアームＣに電流が流れていない場合に、当該二つのアームＣのいずれかに故障が有ると判断する。故障検出部６０２ｃは、三つのアームＣのうち二つのアームＣの全ての組み合わせについて、当該二つのアームＣのいずれかの故障の有無を判断する。そして、故障検出部６０２ｃは、三つのアームＣのうち二つのアームＣの全ての組み合わせについて行った故障の有無の判断結果の組み合わせに基づいて、三つのアームＣのうち故障が有るアームＣを検出する。
【００５５】
スイッチ制御部６０２ｂは、故障検出部６０２ｃによりアームＣの故障が検出された場合、スイッチ１０４を制御して、故障が検出された第１アーム（例えば、アームＣ１）をトランス１５から切り離すとともに、第２アームとしてのアームＣ３を、トランス１５と接続して第１アームと置換させる。これにより、スイッチ１０４およびスイッチ制御部６０２ｂは、第２アームを、故障検出部６０２ｃにより故障が検出された第１アームと置換させる。
【００５６】
また、故障検出部６０５ｃは、電流検出部６０３，６０４による電流の検出結果に基づいて、アームＩの故障を検出する。本実施形態では、故障検出部６０５ｃは、四つのアームＩのうち三つのアームＩの全ての組み合わせについて、当該三つのアームＩがモータ１２０と接続されている場合における電流検出部６０３，６０４による電流の検出結果に基づいて、当該三つのアームＩのいずれかの故障の有無を判断する。具体的には、故障検出部６０５ｃは、電流検出部６０３，６０４による電流の検出結果が、当該三つのアームＩに流れる電流の上限を超えた場合若しくは当該三つのアームＩに電流が流れていない場合に、当該三つのアームＩのいずれかに故障が有ると判断する。故障検出部６０５ｃは、四つのアームＩのうち三つのアームＩの全ての組み合わせについて、当該三つのアームＩのいずれかの故障の有無を判断する。そして、故障検出部６０５ｃは、四つのアームＩのうち三つのアームＩの全ての組み合わせについて行った故障の有無の判断結果の組み合わせに基づいて、四つのアームＩのうち故障が有るアームＩを検出する。
【００５７】
スイッチ制御部６０５ｂは、故障検出部６０５ｃによりアームＩの故障が検出された場合、スイッチ１０７を制御して、故障が検出された第１アーム（例えば、アームＩ１）をモータ１２０から切り離すとともに、第２アームとしてのアームＩ４を、モータ１２０と接続して第１アームと置換させる。これにより、スイッチ１０７およびスイッチ制御部６０５ｂは、第２アームを、故障検出部６０５ｃにより故障が検出された第１アームと置換させる。
【００５８】
このように、第４の実施形態にかかる電力変換装置６００によれば、第１アームとして機能するアームＣのいずれかに故障が発生した場合でもコンバータ１０１により電力変換を継続して行うことができるので、鉄道車両の走行を継続することができる。また、本実施形態にかかる電力変換装置６００によれば、第１アームとして機能するアームＩのいずれかに故障が発生した場合でもインバータ１０２により電力変換を継続して行うことができるので、鉄道車両の走行を継続することができる。
【００５９】
以上説明したとおり、第１から第４の実施形態によれば、第１アームとして機能するアームのいずれかの温度がアームの使用が管理上許容される上限温度より高くなったり故障が発生したりした場合でも電力変換装置により電力変換を継続して行うことができるので、鉄道車両の走行を継続することができる。
【００６０】
上述の実施形態では、交流電力から直流電力への電力変換および直流電力から交流電力への電力変換の両方を行う電力変換装置において、第２アームとして機能するアームを、第１アームとして機能していたアームと置換させる処理を行う例について説明したが、交流電力から直流電力への電力変換および直流電力から交流電力への電力変換の少なくともいずれか一方を行う電力変換装置であれば、第２アームとして機能するアームを、第１アームとして機能していたアームと置換させる処理を行うことが可能である。
【００６１】
また、上述の実施形態では、車両用の電力変換装置において、第２アームとして機能するアームを、第１アームとして機能していたアームと置換させる処理を行う例について説明したが、電力変換を行う電力変換装置であれば、第２アームとして機能するアームを、第１アームとして機能していたアームと置換させる処理を行うことが可能である。
【００６２】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００６３】
１１  架線
１２  パンタグラフ
１３  線路
１４  車輪
１５  トランス
１００，２００，３００，４００，５００，６００  電力変換装置
１０１，３０１，４０１，５０１  コンバータ
１０２，２０１，４０２  インバータ
１０４，１０７  スイッチ
１０５，３０２，４０３，６０２  コンバータ制御部
１０５ａ，１０６ａ  温度検出部
１０５ｂ，１０６ｂ，４０３ｂ，４０４ｂ，６０２ｂ，６０５ｂ  スイッチ制御部
１０６，２０２，４０４，６０５  インバータ制御部
５０２  ブレーキチョッパ
６０１，６０３，６０４  電流検出部
６０２ｃ，６０５ｃ  故障検出部
Ｃ，Ｉ  アーム
【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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