(57)【要約】【課題】  車両用電源装置に冗長機能を追設することにより、故障時にシステムダウンを起こすことなく、補助電源用交流電圧を安定して供給する。【解決手段】  交流架線電源１から直流電源電圧を得て、再びインバータ９により交流電源を得て、周波数及び電圧を制御して電動機１０を駆動する電動機駆動用電源装置１００と交流架線電源１から直流電源電圧を得て、同様にインバータ１３により交流電源を得て、出力する電圧及び周波数が商用電源の電圧と周波数になるように制御する車両用補助電源装置２００を備えた車両用電源装置において、コンバータ７，１１のいずれかが故障しても切替え回路１７，１８の動作と制御の切替えによって継続運転を可能にした。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流架線電源を１次巻線、電動機駆動用を２次巻線、補助電源回路用を３次巻線とする主変圧器と、
前記２次巻線につながる交流から直流電圧を得る電動機駆動用コンバータ、前記直流電圧から電動機駆動用交流電源を得る電動機駆動用インバータ及び交流電動機を備えた車両用電動機電源装置と、
前記３次巻線につながる直流電圧を得る補助電源回路用コンバータ、前記直流電圧から補助電源回路用交流電源を得る補助電源回路用インバータ、インバータ出力を平滑するＡＣフィルター及び高圧回路から絶縁する絶縁用変圧器を備えた車両用補助電源装置と、
前記電動機駆動用コンバータ又は前記補助電源回路用コンバータのいずれかが故障した時、これらのうちの健全な側のコンバータから前記電動機駆動用インバータと補助電源回路用インバータとに直流電源電圧を供給する切り替え回路とを具備したことを特徴とする車両用電源装置。
【請求項２】
交流架線電源を１次巻線、電動機駆動用を２次巻線、補助電源回路用を３次巻線とする主変圧器と、
前記２次巻線につながる交流から直流電圧を得る電動機駆動用コンバータ、前記直流電圧から電動機駆動用交流電源を得る電動機駆動用インバータ及び交流電動機を備えた車両用電動機電源装置と、
前記３次巻線につながる直流電圧を得る補助電源回路用コンバータ、前記直流電圧から補助電源回路用交流電源を得る２個の補助電源回路用インバータ、前記補助電源回路用インバータ各々の出力を平滑するＡＣフィルター及び前記ＡＣフィルター各々の出力を高圧回路から絶縁する絶縁用変圧器を備え、前記２個の補助電源回路用インバータを補助電源回路用コンバータの直流出力の正負間に直列に接続する２分圧の補助電源回路用インバータに構成した車両用補助電源装置と、
前記２個の補助電源回路用インバータのいずれかが故障した時、前記補助電源回路用コンバータの出力に健全な側の補助電源回路用インバータのみを直結し、故障した側の補助電源回路用インバータを直流電源電圧から切り離す切り離し回路とを具備したことを特徴とする車両用電源装置。
【請求項３】
交流架線電源を１次巻線、電動機駆動用を２次巻線、補助電源回路用を３次巻線とする主変圧器と、
前記２次巻線につながる交流から直流電圧を得る電動機駆動用コンバータ、前記直流電圧から電動機駆動用交流電源を得る電動機駆動用インバータ及び交流電動機を備えた車両用電動機電源装置と、
前記３次巻線につながる直流電圧を得る補助電源回路用コンバータ、前記直流電圧から補助電源回路用交流電源を得る２個の補助電源回路用インバータ、前記補助電源回路用インバータ各々の出力を平滑するＡＣフィルター及び前記ＡＣフィルター各々の出力を高圧回路から絶縁する絶縁用変圧器を備え、前記２個の補助電源回路用インバータを補助電源回路用コンバータの直流出力の正負間に直列に接続する２分圧の補助電源回路用インバータに構成した車両用補助電源装置と、
前記電動機駆動用コンバータ又は前記補助電源回路用コンバータのいずれかが故障した時、これらのうちの健全な側のコンバータから前記電動機駆動用インバータと２個の補助電源回路用インバータとに直流電源電圧を供給する切り替え回路と、
前記２個の補助電源回路用インバータのいずれかが故障した時、前記補助電源回路用コンバータの出力に健全な側の補助電源回路用インバータのみを直結し、故障した側の補助電源回路用インバータを直流電源電圧から切り離す切り離し回路とを具備したことを特徴とする車両用電源装置。
【請求項４】
前記切り離し回路によって前記補助電源回路用コンバータの出力に健全な側の補助電源回路用インバータのみを直結し、故障した側の補助電源回路用インバータを直流電源電圧から切り離す時に、前記補助電源回路用コンバータの出力電圧を健全時の１／２の電圧に低下させる制御手段を備えたことを特徴とする請求項２又は３に記載の車両用電源装置。
【請求項５】
前記補助電源回路用インバータとＡＣフィルターと絶縁用変圧器が３相回路であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の車両用電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は車両用電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、交流架線電源の車両用電源装置として、図４に示すような交流架線を電源とする車両用電動機電源装置１００と車両用補助電源装置２００の組から成るものが知られている。図４に示す車両用電源装置において、１は車両用架線で、交流架線である。２は車両用架線１より集電するパンタグラフ、３は保護用ヒューズ、４は接触器、５は主変圧器、６は交流架線電源帰線用レールである。そして車両用電動機電源装置１００側において、７は電動機駆動用コンバータ、８は平滑用コンデンサ、９は電動機駆動用インバータ、１０は駆動用電動機である。他方、車両用補助電源装置２００側において、１１は単相電源用コンバータ、１２は平滑用コンデンサ、１３は単相インバータで、１４は交流平滑用のＡＣフィルター、１５は絶縁用変圧器、１６は補助電源回路負荷である。
【０００３】
この従来の車両用電源装置では、入力電源接触器４が閉路されると、交流架線１からパンタグラフ２により集電し、保護用ヒューズ３、接触器４、主変圧器５を介して、交流架線電源帰線用レール６に電流が流れる。そしてコンバータ７及び１１、平滑用コンデンサ８及び１２が動作して各インバータ用直流電圧を得る。補助電源用の単相インバータ１３、ＡＣフィルター１４及び絶縁用変圧器１５は単相商用交流電圧を供給すべく動作する。一方、電動機駆動用インバータ９は上位からの駆動信号によって周波数及び交流電圧を制御して駆動用電動機１０を回転駆動する。
【特許文献１】特開平１０−１４１３３号公報
【特許文献２】特開平１０−２１５５０１号公報
【特許文献３】特開平６−５４４０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述の従来の車両用電源装置では次のような問題点があった。すなわち、一般に、コンバータ又はインバータに故障が発生すると重要保安機器に対して電源の供給ができなくなり、この結果、車両運行に支障をきたす問題点があった。
【０００５】
本発明は、このような従来の技術的課題に鑑みてなされたもので、コンバータ又はインバータに故障が発生したような場合にも冗長性を持たせることにより車両運行の支障等の問題を回避することができる車両用電源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の発明の車両用電源装置は、交流架線電源を１次巻線、電動機駆動用を２次巻線、補助電源回路用を３次巻線とする主変圧器と、前記２次巻線につながる交流から直流電圧を得る電動機駆動用コンバータ、前記直流電圧から電動機駆動用交流電源を得る電動機駆動用インバータ及び交流電動機を備えた車両用電動機電源装置と、前記３次巻線につながる直流電圧を得る補助電源回路用コンバータ、前記直流電圧から補助電源回路用交流電源を得る補助電源回路用インバータ、インバータ出力を平滑するＡＣフィルター及び高圧回路から絶縁する絶縁用変圧器を備えた車両用補助電源装置と、前記電動機駆動用コンバータ又は前記補助電源回路用コンバータのいずれかが故障した時、これらのうちの健全な側のコンバータから前記電動機駆動用インバータと補助電源回路用インバータとに直流電源電圧を供給する切り替え回路とを具備したものである。
【０００７】
請求項２の発明の車両用電源装置は、交流架線電源を１次巻線、電動機駆動用を２次巻線、補助電源回路用を３次巻線とする主変圧器と、前記２次巻線につながる交流から直流電圧を得る電動機駆動用コンバータ、前記直流電圧から電動機駆動用交流電源を得る電動機駆動用インバータ及び交流電動機を備えた車両用電動機電源装置と、前記３次巻線につながる直流電圧を得る補助電源回路用コンバータ、前記直流電圧から補助電源回路用交流電源を得る２個の補助電源回路用インバータ、前記補助電源回路用インバータ各々の出力を平滑するＡＣフィルター及び前記ＡＣフィルター各々の出力を高圧回路から絶縁する絶縁用変圧器を備え、前記２個の補助電源回路用インバータを補助電源回路用コンバータの直流出力の正負間に直列に接続する２分圧の補助電源回路用インバータに構成した車両用補助電源装置と、前記２個の補助電源回路用インバータのいずれかが故障した時、前記補助電源回路用コンバータの出力に健全な側の補助電源回路用インバータのみを直結し、故障した側の補助電源回路用インバータを直流電源電圧から切り離す切り離し回路とを具備したものである。
【０００８】
請求項３の発明の車両用電源装置は、交流架線電源を１次巻線、電動機駆動用を２次巻線、補助電源回路用を３次巻線とする主変圧器と、前記２次巻線につながる交流から直流電圧を得る電動機駆動用コンバータ、前記直流電圧から電動機駆動用交流電源を得る電動機駆動用インバータ及び交流電動機を備えた車両用電動機電源装置と、前記３次巻線につながる直流電圧を得る補助電源回路用コンバータ、前記直流電圧から補助電源回路用交流電源を得る２個の補助電源回路用インバータ、前記補助電源回路用インバータ各々の出力を平滑するＡＣフィルター及び前記ＡＣフィルター各々の出力を高圧回路から絶縁する絶縁用変圧器を備え、前記２個の補助電源回路用インバータを補助電源回路用コンバータの直流出力の正負間に直列に接続する２分圧の補助電源回路用インバータに構成した車両用補助電源装置と、前記電動機駆動用コンバータ又は前記補助電源回路用コンバータのいずれかが故障した時、これらのうちの健全な側のコンバータから前記電動機駆動用インバータと２個の補助電源回路用インバータとに直流電源電圧を供給する切り替え回路と、前記２個の補助電源回路用インバータのいずれかが故障した時、前記補助電源回路用コンバータの出力に健全な側の補助電源回路用インバータのみを直結し、故障した側の補助電源回路用インバータを直流電源電圧から切り離す切り離し回路とを具備したものである。
【０００９】
請求項４の発明は、請求項２又は３の車両用電源装置において、前記切り離し回路によって前記補助電源回路用コンバータの出力に健全な側の補助電源回路用インバータのみを直結し、故障した側の補助電源回路用インバータを直流電源電圧から切り離す時に、前記補助電源回路用コンバータの出力電圧を健全時の１／２の電圧に低下させる制御手段を備えたことを特徴とするものである。
【００１０】
請求項５の発明は、請求項１〜４の車両用電源装置において、前記補助電源回路用インバータとＡＣフィルターと絶縁用変圧器が３相回路であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
以上のように本発明によれば、冗長システムの採用によって電源回路要素の故障によるシステムダウンを起こすことがなく、安定した補助電源用交流電圧を供給することが可能となり、車両用信号機器に悪い影響を与えず、誤動作することもなく、車両用電源装置の信頼性を高めることができる。
【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の実施の形態の車両用電源装置の回路構成を示している。図１の車両用電源装置において、１は車両用架線で、交流架線であり、２は車両用架線１より集電するパンタグラフ、３は保護用ヒューズ、４は接触器、５は主変圧器、６は交流架線電源帰線用レールである。そして車両用電動機電源装置１００側において、７は電動機駆動用コンバータ、８は平滑用コンデンサ、９は電動機駆動用インバータ、１０は駆動用電動機である。また、車両用補助電源装置２００側において、１１は単相電源用コンバータ、１２は平滑用コンデンサ、１３は単相インバータで、１４は交流平滑用のＡＣフィルター、１５は絶縁用変圧器、１６は補助電源回路負荷である。
【００１４】
本実施の形態の車両用電源装置は、上記構成加えて新たに、直流電源電圧切り替え用接触器１７及び１８を備え、またコンバータ７，１１、インバータ９，１３の４台のいずれかの異常信号を受信してこれらの接触器１７，１８のどちらかを作動させる安全保護動作回路２５を備えている。
【００１５】
本実施の形態の車両用電源装置では、入力電源接触器４が閉路されると、交流架線１からパンタグラフ２により集電し、保護用ヒューズ３、接触器４、主変圧器５を介して、交流架線電源帰線用レール６に電流が流れる。そしてコンバータ７及び１１、平滑用コンデンサ８及び１２が動作して各インバータ用直流電圧を得る。補助電源用の単相インバータ１３、ＡＣフィルター１４及び絶縁用変圧器１５は単相商用交流電圧を供給すべく動作する。一方、電動機駆動用インバータ９は上位からの駆動信号によって周波数及び交流電圧を制御して駆動用電動機１０を回転駆動する。
【００１６】
いま一方のコンバータ、単相電源用コンバータ１１が故障した時には、安全保護動作回路２５は接触器１７を作動させることによって補助電源回路用の単相インバータ１３の直流入力電源を補助電源回路用の単相電源用コンバータ１１から切り離し、電動機駆動用コンバータ７の直流出力に接続する。各コンバータ７，１１の出力電圧は略同電圧である。
【００１７】
これにより、補助電源回路用の単相インバータ１３は電動機駆動用コンバータ７からの直流電圧電源で運転継続することができる。勿論、電動機駆動用コンバータ７の容量の範囲内での補助電源回路用の単相インバータ１３の運転となるが、システムの故障検知により電動機駆動負荷の軽減措置及び補助電源回路電源負荷を同様に軽減することで、運転継続が可能である。
【００１８】
他方、電動機駆動用コンバータ７が故障した時には、安全保護動作回路２５は接触器１８を作動させることによって電動機駆動用インバータ９の直流入力電源を電動機駆動用コンバータ７から切り離し、補助電源回路用の単相電源用コンバータ１１の直流出力に接続する。この動作は、前述の接触器１７と丁度逆の動作で、電動機駆動用インバータ９は補助電源回路用の単相電源用コンバータ１１からの直流電圧電源で運転することができる。この場合にも、上と同様に補助電源回路用の単相電源用コンバータ１１の容量の範囲内での電動機駆動インバータ９の運転となるが、システムの故障検知により補助電源回路の負荷の軽減措置及び電動機駆動負荷を同様に軽減することで、運転継続が可能である。
【００１９】
なお、補助電源回路用の単相インバータ１３を単相インバータから３相インバータに換え、さらに出力ＡＣフィルター１４も３相回路に、絶縁用変圧器１５も３相の入出力に置き換えることができ、それによって、バックアップ機能付きの車両用３相電源装置を構成することができる。
【００２０】
以上のように、第１の実施の形態の車両用電源装置では、車両用電源装置のいずれかのコンバータが故障しても切り替え回路要素としての接触器１７又は１８の動作によって運転継続が可能であり、車両運行の停止等の重要保安事故を回避することができる。
【００２１】
（第２の実施の形態）図２を用いて、本発明の第２の実施の形態の車両用電源装置について説明する。第２の実施の形態は、図４に示した従来回路に対して、車両用補助電源装置２００側の平滑コンデンサ１２を正負間に２個直列にして、平滑コンデンサ１２Ａ，１２Ｂとし、かつ各平滑用コンデンサ１２Ａ，１２Ｂの電圧を１／２になるように分割したことを特徴としている。また、単相インバータ１３を２個の単相インバータ１３Ａ及び１３Ｂにして、平滑用コンデンサ１２Ａ，１２Ｂ各々に並列に接続している。また、単相インバータ１３Ａ，１３Ｂ各々の出力ＡＣフィルターはＡＣフィルター１４Ａ，１４Ｂの２個に分離して設け、絶縁変圧器１５Ａも１次巻線を２回路設けて、各々のＡＣフィルター１４Ａ，１４Ｂに接続している。さらに、単相電源用コンバータ１１の出力回路と平滑用コンデンサ１２Ａ，１２Ｂの中間電圧点との間に接触器１９，２０各々を設置し、またインバータ１３Ａ，１３Ｂのいずれかの異常を検知して接触器１９，２０のどちらかを作動させ、またコンバータ１１の出力電圧を１／２に絞る制御信号を出力する安全保護動作回路２６を設置してある。
【００２２】
本実施の形態では、車両用補助電源装置２００側において、単相電源用コンバータ１１の直流出力の正負間に２個の単相インバータ１３Ａ，１３Ｂを直列に接続したことになり、２個の単相インバータ１３Ａ，１３Ｂは１／２の直流電圧で、かつ容量が１／２のものを使用できることになる。また変圧器の２個の１次巻線の容量も各々１／２にすることができる。
【００２３】
次に、第２の実施の形態の車両用電源装置の動作について説明する。補助電源装置２００側では、通常時には単相電源用コンバータ１１の直流電圧出力に２個の単相インバータ１３Ａ，１３Ｂが直列に接続されているので、単相インバータ１３Ａ，１３Ｂ各々は１／２の電圧でかつ容量も１／２で運転されており、後続の各ＡＣフィルター１４Ａ，１４Ｂも従来方式の１／２の電圧、さらに絶縁用変圧器１５Ａも１次側が２回路並列で運転されることになる。
【００２４】
異常時には、すなわち２個の単相インバータ１３Ａ，１３Ｂのうちのいずれか一方が故障した場合、安全保護動作回路２６は該当インバータを保護停止し、リトライ機能として、ある時限後に相当の接触器１９又は接触器２０が動作して故障した単相インバータを分離すると同時に、健全側の単相インバータの入力を単相電源用コンバータ１１の出力に直接接続し、この切替え確認後に単相電源用コンバータ１１の出力電圧を発生させる。このときの出力電圧は通常時のほぼ１／２の電圧である。
【００２５】
この結果、補助電源回路用の単相電源用コンバータ１２と２台の単相インバータ１３Ａ，１３Ｂのうちの健全側のものとによって、約１／２出力容量の補助電源装置が形成できる。
【００２６】
なお、第２の実施の形態における２個の補助電源回路用の単相インバータ１３Ａ，１３Ｂを３相インバータに換え、出力ＡＣフィルター１４Ａ，１４Ｂも３相回路用のものを採用し、さらに絶縁用変圧器１５Ａも３相入出力できるものに置き換えることで、バックアップ機能付きの車両用３相補助電源装置が実現できる。
【００２７】
以上により、第２の実施の形態の車両用電源装置では、補助電源装置２００側のいずれかのインバータ１３Ａ，１３Ｂが故障しても切り替え回路１９，２０の付加及び単相電源用コンバータ１２の出力電圧を約１／２に低下させることにより運転継続が可能となり、車両運行の停止等の重要保安事故を回避することができる。
【００２８】
（第３の実施の形態）本発明の第３の実施の形態の車両用電源装置について、図３を用いて説明する。本実施の形態の車両用電源装置は、図４に示した従来方式の車両用電源装置に対して、第１の実施の形態と第２の実施の形態の両方の構成を付加した構成を特徴としている。すなわち、図４に示した従来例の回路に対して、補助電源装置２００側を図２に示した第２の実施の形態と同様の構成にし、また図１に示した第１の実施の形態と同様の直流電源電圧切り替え用接触器１７及び１８を設け、さらにこれらの接触器１７〜２０を動作させる安全保護動作回路２７を設けている。
【００２９】
この第３の実施の形態では、第１、第２の実施の形態各々の動作と同様に動作し、車両用電源装置のコンバータ７，１１のいずれが故障しても切り替え回路要素としての接触器１７又は１８の動作によって運転継続が可能であり、また、補助電源装置２００側のいずれかのインバータ１３Ａ，１３Ｂが故障しても切り替え回路１９，２０の付加及び単相電源用コンバータ１２の出力電圧を約１／２に低下させることにより運転継続が可能であり、車両運行の停止等の重要保安事故を確実に回避することができる。
【００３０】
なお、第３の実施の形態においても、補助電源装置２００側の回路要素に３相回路用のものを採用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の第１の実施の形態の車両用電源装置回路図。
【図２】本発明の第２の実施の形態の車両用電源装置の回路図。
【図３】本発明の第３の実施の形態の車両用電源装置の回路図。
【図４】従来例の車両用電源装置の回路図。
【符号の説明】
【００３２】
１…架線電源
２…パンタグラフ
３…保護用ヒューズ
４…接触器
５…主変圧器
６…交流架線電源帰線用レール
７…電動機駆動用コンバータ
８…平滑用コンデンサ
９…電動機駆動用インバータ
１０…駆動用電動機
１１…単相電源用コンバータ
１２、１２Ａ、１２Ｂ…平滑用コンデンサ
１３、１３Ａ、１３Ｂ…単相インバータ
１４、１４Ａ、１４Ｂ…ＡＣフィルター
１５、１５Ａ…絶縁用変圧器
１７…接触器
１８…接触器
１９…接触器
２０…接触器
２５…安全保護動作回路
２６…安全保護動作回路
２７…安全保護動作回路
【図１】
2005124365.tif 000003
【図２】
2005124365.tif 000004
【図３】
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【図４】
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