(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動機を駆動するインバータと、このインバータの直流端子間に接続されたコンデンサと、このコンデンサの一端と架線との間に設けられた電源スイッチと、直流電力を貯蔵する電力貯蔵部と、この電力貯蔵部に電力を充放電させる、リアクトルおよび少なくとも１対の直列接続されたスイッチング素子を有し、前記コンデンサに並列に設けられたＤＣＤＣコンバータと、前記スイッチング素子を介さないで前記電力貯蔵部を前記コンデンサに並列に接続するバイパススイッチとを備え、前記電力貯蔵部からの電力のみで前記インバータを駆動する時は、前記電源スイッチをオフ後、前記インバータの入力電圧と前記電力貯蔵部の電圧が一致するように、前記ＤＣＤＣコンバータを動作させて前記インバータの入力電圧を制御し、前記インバータの入力電圧と前記電力貯蔵部の電圧との差が設定値以下に到達後の所定時間後に、前記バイパススイッチをオンし、且つ、前記ＤＣＤＣコンバータのスイッチング動作を停止させると共に、前記電力貯蔵部からの電力のみで前記インバータを駆動している状態において、前記バイパススイッチをオフすると共に、前記ＤＣＤＣコンバータを動作させて前記インバータの入力電圧と前記架線の電圧が一致するように前記インバータの入力電圧を制御し、前記インバータの入力電圧と前記架線の電圧との差が設定値以下に到達後の所定時間後に、前記電源スイッチをオンにして前記架線と前記電力貯蔵部双方の電力で前記インバータを駆動するようにしたことを特徴とする電気車の制御装置。
【請求項２】
前記バイパススイッチが、前記リアクトルを介して前記電力貯蔵部を前記コンデンサに
並列に接続することを特徴とする請求項１に記載の電気車の制御装置。
【請求項３】
前記バイパススイッチを、接触抵抗が微小な機械接点で構成したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電気車の制御装置。
【請求項４】
前記ＤＣＤＣコンバータを、リアクトルおよび複数対の直列接続されたスイッチング素子からなる双方向昇降圧コンバータ回路で構成したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電気車の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電源から受電した電力と、直流電力を貯蔵できる電力貯蔵部からの電力を併用してインバータにより負荷に電力を供給する電力変換装置、およびこの電力変換装置を用いた電気車の制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、電気車の制御装置へ二次電池・電気二重層キャパシタ等からなる電力貯蔵素子を適用する開発が行われており、車両の回生ブレーキ時に発生する余剰回生電力を貯蔵し、また力行加速時に貯蔵した電力を使用する構成とすることで、車両の持つ運動エネルギーを有効利用できることが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１では、電力貯蔵素子の電力により、架線から給電を受けずに電気車を走行させることが示されている。【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１４３９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
昨今、二次電池・電気二重層キャパシタの開発が盛んとなっており、蓄積エネルギー量の増大が図られてはいるものの、電気車を走行させるのに十分なエネルギー量を得るためには、現在の技術では、かなり大型で重量のある電力貯蔵素子が必要となる。一方、電気車への搭載スペースは限られているため、極力、電力貯蔵素子のサイズ、質量を抑えることが重要である。このためには電力貯蔵素子の蓄積エネルギーを有効利用することが重要であり、電気車の制御装置のエネルギー効率を向上させ、制御装置における損失を極力低減することが必要不可欠である。【０００５】
この発明は、以上のような点に鑑みなされたものであって、電力貯蔵部を有する電力変換装置を用いた電気車の制御装置において、電力貯蔵部からの電力のみでインバータを駆動し電動機に交流電力を供給する場合に、電力貯蔵部の蓄積エネルギーの損失を低減し、電力貯蔵部の蓄積エネルギーを電気車の走行に最大限有効利用してエネルギー効率を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係わる電気車の制御装置は、電動機を駆動するインバータと、このインバータの直流端子間に接続されたコンデンサと、このコンデンサの一端と架線との間に設けられた電源スイッチと、直流電力を貯蔵する電力貯蔵部と、この電力貯蔵部に電力を充放電させる、リアクトルおよび少なくとも１対の直列接続されたスイッチング素子を有し、前記コンデンサに並列に設けられたＤＣＤＣコンバータと、前記スイッチング素子を介さないで前記電力貯蔵部を前記コンデンサに並列に接続するバイパススイッチとを備え、前記電力貯蔵部からの電力のみで前記インバータを駆動する時は、前記電源スイッチをオフ後
、前記インバータの入力電圧と前記電力貯蔵部の電圧が一致するように、前記ＤＣＤＣコンバータを動作させて前記インバータの入力電圧を制御し、前記インバータの入力電圧と前記電力貯蔵部の電圧との差が設定値以下に到達後の所定時間後に、前記バイパススイッチをオンし、且つ、前記ＤＣＤＣコンバータのスイッチング動作を停止させると共に、前記電力貯蔵部からの電力のみで前記インバータを駆動している状態において、前記バイパススイッチをオフすると共に、前記ＤＣＤＣコンバータを動作させて前記インバータの入力電圧と前記架線の電圧が一致するように前記インバータの入力電圧を制御し、前記インバータの入力電圧と前記架線の電圧との差が設定値以下に到達後の所定時間後に、前記電源スイッチをオンにして前記架線と前記電力貯蔵部双方の電力で前記インバータを駆動するようにしたものである。
【０００７】
また、前記バイパススイッチが、前記リアクトルを介して前記電力貯蔵部を前記コンデンサに並列に接続するようにしたものである。
【０００８】
また、前記ＤＣＤＣコンバータを、リアクトルおよび複数対の直列接続されたスイッチング素子からなる双方向昇降圧コンバータ回路で構成したものである。
【発明の効果】
【００１０】
この発明の電気車の制御装置によれば、架線蓄電併用モードから蓄電動作モードへの移行、蓄電動作モードから架線蓄電併用モードへの移行を円滑に行うことができ、電力貯蔵部からの電力のみでインバータを駆動し電動機に電力を供給する場合に、ＤＣＤＣコンバータを介さずに電力貯蔵素子とインバータの間で電力授受を行う構成としたため、ＤＣＤＣコンバータでのエネルギー損失が低減され、電力貯蔵部の蓄積エネルギーを電気車の走行に最大限有効利用する事ができる。
また、電力貯蔵部からの電力のみでインバータを駆動し電動機に電力を供給する場合に、電力貯蔵部とインバータとをリアクトルを介して接続し、スイッチング素子を介さずに電力貯蔵素子とインバータの間で電力授受を行う構成とすることで、ＤＣＤＣコンバータでのエネルギー損失を低減し、電力貯蔵部の蓄積エネルギーを電気車の走行に有効利用できると共に、リアクトルにより電力貯蔵部にリプル電流が流れるのを阻止でき、電力貯蔵部での損失の低減と寿命の延長を図ることが可能となる。
【００１１】
また、この発明の電気車の制御装置によれば、ＤＣＤＣコンバータを、リアクトルおよび複数対の直列接続されたスイッチング素子からなる双方向昇降圧コンバータ回路で構成することで、電力貯蔵部からの電力のみでインバータを駆動し電動機に電力を供給する場合に、インバータ入力電圧を架線蓄電併用モード時と同等以上に確保することが可能となる。従って、電動機の発生トルクを十分に確保でき、また、電力貯蔵素子の電流を増加させることなく、電気車の走行性能を架線蓄電併用モード時と同等に確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明の実施の形態１における電力変換装置およびこの電力変換装置を用いた電気車の制御装置の構成を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態１における架線蓄電併用モードから蓄電動作モードへの移行を説明する図である。
【図３】この発明の実施の形態１における蓄電動作モードから架線蓄電併用モードへの移行を説明する図である。
【図４】この発明の実施の形態２における電力変換装置およびこの電力変換装置を用いた電気車の制御装置の構成を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態３における電力変換装置およびこの電力変換装置を用いた電気車の制御装置の構成を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態４における電力変換装置およびこの電力変換装置を用いた電気車の制御装置の構成を示す図である。
【図７】この発明の実施の形態４における架線蓄電併用モードから蓄電動作モードへの移行を説明する図である。
【図８】この発明の実施の形態４における蓄電動作モードから架線蓄電併用モードへの移行を説明する図である。
【図９】この発明の実施の形態５における電力変換装置およびこの電力変換装置を用いた電気車の制御装置の構成を示す図である。
【図１０】この発明の実施の形態６における電力変換装置およびこの電力変換装置を用いた電気車の制御装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００１３】
１：架線、２：集電装置、３：電気車の制御装置、４：車輪、５：レール
６：電動機、１１：リアクトル、１２：コンデンサ、１３：インバータ
１４：電力貯蔵素子、１５Ａ、１５Ｂ：ＤＣＤＣコンバータ、
１６〜１９：スイッチング素子、２０：リアクトル、２１：コンデンサ、
２２:リアクトル、Ｓ１：電源スイッチ、Ｓ２：バイパススイッチ。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における電気車の制御装置の構成を示す図である。
図１において、電源である架線１から集電装置２を介して受電した電力は、電気車の制御装置３に入力される。電気車の制御装置３は、負荷である交流電動機６に接続されており、電動機６を駆動し、電気車を走行させる構成となっている。電気車の制御装置３からの負側電流は車輪４を通してレール５へ戻る。【００１５】
電気車の制御装置３は、架線１より受電した電力を、電源スイッチであるスイッチＳ１とリアクトル１１を通して、コンデンサ１２が並列に接続されたインバータ１３に電力を供給する回路と、電力貯蔵部である電力貯蔵素子１４からの直流電力を、ＤＣＤＣコンバータ１５Ａを通してインバータ１３に供給する回路と、電力貯蔵素子１４からの電力を、ＤＣＤＣコンバータ１５Ａを介さずにインバータ１３に供給するためのバイパススイッチであるスイッチＳ２から構成されている。
ここで、電力貯蔵素子１４は、二次電池や電気二重層キャパシタ等である。
スイッチＳ１、Ｓ２としては、機械的な接点を有するスイッチを適用するのが好ましいが、導通損失の少ない半導体素子で構成された電子的なスイッチで構成しても本発明の効果が大きく損なわれることはない。この実施の形態１では、機械的な接点を有するスイッチを用いた場合を例として説明する。【００１６】
ＤＣＤＣコンバータ１５Ａは、インバータ入力電圧ＥＦＣが電力貯蔵素子１４の電圧ＥＢよりも大きい条件において、電力貯蔵素子１４からインバータ１３へ、またインバータ１３から電力貯蔵素子１４へ、双方向の電力制御が可能な回路であり、ＰＷＭ動作を行うスイッチング素子１６、１７、リアクトル２０から構成される所謂双方向降圧ＤＣＤＣコンバータ回路である。その動作は、既に公知であるため説明は省略する。
なお、架線電圧ＥＳ０、インバータ入力電圧ＥＦＣ、電力貯蔵素子１４の電圧ＥＢは、それぞれ図示しない電圧検出器で検出できるようになっている。
ここで、スイッチＳ２は、電力貯蔵素子１４とインバータ１３との間の電力の流れをＤＣＤＣコンバータ１５Ａを介さずに直接行うために設けたものであり、本発明の中心となるものである。【００１７】
次に、このように構成された実施の形態１の電気車の制御装置の動作を説明する。
まず、電気車が、架線１と電力貯蔵素子１４との双方との間で任意の電力の授受を行って走行するモード（以下、架線蓄電併用モードと称す。）での動作を説明する
このモードでは、電気車が力行加速する場合は、架線１からの電力がインバータ１３に供給されるとともに、電力貯蔵素子１４からの電力は、ＤＣＤＣコンバータ１５Ａにより最適値に調整されてインバータ１３に供給され、両者の電力の和で電動機６が駆動される。
具体的な一例としては、電力貯蔵素子１４の蓄積エネルギー量が不足気味の場合は、ＤＣＤＣコンバータ１５Ａは電力貯蔵素子１４からの放電電力を抑えるよう動作し、架線１からより多くの電力が受電される。
架線電圧ＥＳ０が低下している場合や、電力貯蔵素子１４の蓄積エネルギー量が過剰気味の場合は、電力貯蔵素子１４から多くの電力を供給するようＤＣＤＣコンバータ１５Ａが動作する。
このようにして、電動機６は架線１と電力貯蔵素子１４の両方から最適に電力供給を受けながら駆動され、電気車を走行させる。【００１８】
なお、電気車が回生ブレーキを掛けた場合は、電動機６は回生運転となり、ＤＣＤＣコンバータ１５Ａは、インバータ１３からの回生電力を架線１と電力貯蔵素子１４に適切に配分するよう動作する。
具体的な一例としては、電力貯蔵素子１４の蓄積エネルギー量が不足気味の場合や、架線１に回生負荷がなく十分に回生できない場合は、より多くの回生電力を電力貯蔵素子１４に回生するようＤＣＤＣコンバータ１５Ａが動作し、逆に電力貯蔵素子１４の蓄積エネルギー量が過剰気味の場合は、ＤＣＤＣコンバータ１５Ａは電力貯蔵素子１４への回生電力を絞り、回生電力のほとんどが架線１に回生される動作となる。
このようにして、電動機６からの回生電力は、架線１と電力貯蔵素子１４へ最適に回生され、電気車の回生ブレーキが機能する。【００１９】
次に、電気車が、電力貯蔵素子１４からの電力のみで走行するモード（以下、蓄電動作モードと称す。）での動作を説明する。
このモードは、架線１が敷設されていない区間を電気車が走行する場合や、架線１が敷設されているが、架線１が停電している区間を電気車が走行する場合等を想定している。
このモードでは、スイッチＳ１をオフし、ＤＣＤＣコンバータ１５Ａをオフし（スイッチング素子１６、１７をオフし）、スイッチＳ２をオンにする。
電気車が力行加速する場合は、電力貯蔵素子１４からの電力は、スイッチＳ２を介してＤＣＤＣコンバータ１５Ａを経由せず、直接インバータ１３に供給され、電動機６が駆動される。
このようにして、電動機６は電力貯蔵素子１４から電力供給を受けながら駆動され、架線１がない路線でも電気車を走行させることが可能となる。【００２０】
なお、電気車が回生ブレーキを掛けた場合は、電動機６は回生運転となり、インバータ１３からの回生電力は、ＤＣＤＣコンバータ１５Ａを介さず、スイッチＳ２を介して直接電力貯蔵素子１４に回生される。
このようにして、電動機６からの回生電力は、電力貯蔵素子１４へ回生され、架線１がない路線においても電気車の回生ブレーキが機能する。【００２１】
次に、架線蓄電併用モードから蓄電動作モードに移行する場合、また、蓄電動作モードから架線蓄電併用モードに移行する場合の動作を説明する。
図２は、実施の形態１における架線蓄電併用モードから蓄電動作モードへの移行を説明する図である。
図２に示すように、時間ｔ０〜ｔ１間における架線蓄電併用モードでは、スイッチＳ１とＤＣＤＣコンバータ１５Ａをオン（スイッチング素子１６、１７はＰＷＭ動作）しているので、架線電圧ＥＳ０がコンデンサ１２に印加され、電力貯蔵素子１４の電圧ＥＢは、ＤＣＤＣコンバータ１５Ａにより昇圧されてコンデンサ１２へ印加されている状態である。このためスイッチＳ１の後段の入力電圧ＥＳは架線電圧ＥＳ０と等しく、インバータ入力電圧ＥＦＣは入力電圧ＥＳと等しい状態である。【００２２】
ここで、電力貯蔵素子１４の電圧ＥＢは、インバータ入力電圧ＥＦＣよりも低くなっているが、これは、上記に説明したとおり、ＤＣＤＣコンバータ１５Ａは、インバータ入力電圧ＥＦＣが電力貯蔵素子１４の電圧ＥＢよりも大きい条件においてのみ電力制御が可能な回路であることを考慮し、電力貯蔵素子１４の電圧ＥＢを、架線電圧ＥＳ０に応じて変動するインバータ入力電圧ＥＦＣの変動下限値よりも小さい値に設定しているからである。
説明を補足すると、一般的な架線電圧ＥＳ０の公称値は、路面電車で６００Ｖ、地下鉄の多くが７５０Ｖ、郊外電鉄路線が１５００Ｖとなっているが、電気車で受電する架線電圧ＥＳ０は、変電所と電気車の距離や電気車の走行状態により大きく変動し、公称値の＋２０〜−４０％の範囲で変動する。つまり、架線電圧ＥＳ０（＝インバータ入力電圧ＥＦＣ）が変動下限値である公称値の−４０％になった場合においても、電力貯蔵素子１４の電圧ＥＢがインバータ入力電圧ＥＦＣよりも低くなる状態が維持されるように、電力貯蔵素子１４の電圧ＥＢを設定している。【００２３】
次に、時間ｔ１にて、架線蓄電併用モードを終了し、スイッチＳ１をオフとする。
なお、電流の急変を防止するために、スイッチＳ１のオフは、インバータ１３の出力を設定値以下に絞るか、インバータ１３の電力のほとんど、あるいは全てを、電力貯蔵素子１４が負担する状態にＤＣＤＣコンバータ１５Ａを制御して、スイッチＳ１の電流を十分に減少させてから（設定値以下に減少させてから）行うのが好ましい。
その後、インバータ入力電圧ＥＦＣと電力貯蔵素子１４の電圧ＥＢとが一致するようにＤＣＤＣコンバータ１５Ａを制御する。
時間ｔ２において、インバータ入力電圧ＥＦＣが電力貯蔵素子１４の電圧ＥＢと等しくなった段階で、インバータ入力電圧ＥＦＣと電力貯蔵素子１４の電圧ＥＢとが等しい状態を維持するようＤＣＤＣコンバータ１５Ａを制御する。【００２４】
インバータ入力電圧ＥＦＣと電力貯蔵素子１４の電圧ＥＢとの差が設定値以下の状態がΔＴ１継続した後（時間ｔ３）、インバータ入力電圧ＥＦＣは十分に安定したと判断できるので、スイッチＳ２をオンし、ＤＣＤＣコンバータ１５Ａをオフする。
スイッチＳ２をオンすると、電力貯蔵素子１４からインバータ１３への電流は、ＤＣＤＣコンバータ１５Ａのスイッチング素子１６を経由するルートから、ＤＣＤＣコンバータ１５Ａを経由せずにスイッチＳ２を経由するルートへ転流する。
説明を補足すると、ＤＣＤＣコンバータ１５Ａをオフしても、インバータ１３を力行運転している時において、スイッチング素子１６に内蔵されるダイオード部を介して、電力貯蔵素子１４からインバータ１３に流れる電流経路が存在するが、スイッチング素子１６に内蔵されたダイオードは半導体で構成されているために、その順電圧降下（数Ｖ）が一種の抵抗として動作するため、接触抵抗が微小な機械接点で構成されたスイッチＳ２の経路と比べて抵抗が大きい。このため、スイッチＳ２をオンとすることで、電力貯蔵素子１４からインバータ１３への電流は、抵抗の大きいＤＣＤＣコンバータ１５Ａのスイッチング素子１６を経由するルートから、抵抗の微小なスイッチＳ２を経由するルートへ自然に転流するのである。
このようにして、架線蓄電併用モードから蓄電動作モードへの円滑な移行が可能となる。【００２５】
次に、蓄電動作モードから架線蓄電併用モードに移行する場合の動作を説明する。
図３は、本発明の実施の形態１における蓄電動作モードから架線蓄電併用モードへの移行を説明する図である。
図３に示すように、時間ｔ４からｔ５までの間は、スイッチＳ１、ＤＣＤＣコンバータ１５Ａをオフし、スイッチＳ２をオンにした状態であり、電力貯蔵素子１４とインバータ１３の間で、スイッチＳ２を介して直接、電力の授受が行われている状態である。
したがって、インバータ入力電圧ＥＦＣは、電力貯蔵素子１４の電圧ＥＢと等しい状態となっている。
時間ｔ５にて、スイッチＳ２をオフし、同時にＤＣＤＣコンバータ１５Ａを起動し、スイッチング素子１６、１７をＰＷＭ動作させる。
なお、スイッチＳ２のオフと、ＤＣＤＣコンバータ１５Ａの起動は、電流に変動が生じるのを回避するために、インバータ１３の電流を絞って、電力貯蔵素子１４の電流が設定値以下となった状態で行うのが好ましい。【００２６】
時間ｔ５以降、ＤＣＤＣコンバータ１５Ａを昇圧動作させ、電力貯蔵素子１４の電圧ＥＢを昇圧してインバータ入力電圧ＥＦＣが架線電圧ＥＳ０と一致するように制御する。
時間ｔ６時点でインバータ入力電圧ＥＦＣは架線電圧ＥＳ０と一致している。
インバータ入力電圧ＥＦＣ（＝入力電圧ＥＳ）と架線電圧ＥＳ０との差が設定値以下の状態が時間ΔＴ２の間経過すると、インバータ入力電圧ＥＦＣ（＝入力電圧ＥＳ）は十分に安定したと判断できるので、時間ｔ７でスイッチＳ１をオンとし、架線１との接続を行う。
時間ｔ７以降は、インバータ１３は架線１と電力貯蔵素子１４との間で電力の授受を行う架線蓄電併用モードでの運転が可能となる。
このように、ＤＣＤＣコンバータ１５Ａを昇圧運転してインバータ入力電圧ＥＦＣ（＝入力電圧ＥＳ）を架線電圧ＥＳ０に一致させ、スイッチＳ１の端子間電圧差を十分に小さくしてからスイッチＳ１をオンする構成としているので、電圧差により突入電流を生じたり、スイッチＳ１の接点が荒れることを回避できる。【００２７】
このようにして、架線蓄電併用モードから蓄電動作モードへの移行、蓄電動作モードから架線蓄電併用モードへの移行を円滑に行うことが可能となる。【００２８】
ここで、ＤＣＤＣコンバータ１５Ａの損失と、電力貯蔵素子１４の蓄積エネルギー量との関係を、一例を挙げて定量的に説明する。
ＤＣＤＣコンバータ１５Ａの損失は一般的に約３％であり、１両の電気車を駆動するのに最低限必要な、容量５００ＫＷのＤＣＤＣコンバータの場合を例とすると、最大損失は１５ＫＷ程度であり、電気車の走行パターン（加速力行、惰行、回生ブレーキの繰り返し）を加味した平均損失は約５ＫＷとなる。
一方、電気車に搭載できる電力貯蔵素子１４の蓄積エネルギー量は、電気車への搭載スペースの制約によるが、実用化されているのは１０ＫＷｈ前後（１両あたり）である。
つまり、５ＫＷの損失とは、電力貯蔵素子１４に満充電された蓄積エネルギーを、約２時間で全て消費してしまう大きさである。
このように、電力貯蔵素子１４の蓄積エネルギーが限られているので、ＤＣＤＣコンバータ１５Ａでの損失は無視できない大きさであることが分かる。【００２９】
以上説明したように、この発明の実施の形態１では、蓄電動作モードにおいて、スイッチＳ２をオンし、ＤＣＤＣコンバータ１５Ａを介さずに電力貯蔵素子１４とインバータ１３の間で電力授受を行う構成としたため、ＤＣＤＣコンバータ１５Ａでのエネルギー損失がなくなり、電力貯蔵素子１４の蓄積エネルギーを電気車の走行に最大限有効利用できる。【００３０】
実施の形態２．
図４は、この発明の実施の形態２における電気車の制御装置の構成例を示す図である。
図４に示す構成は、図１に示した実施の形態１の構成と比較し、スイッチＳ２の接続箇所の一端が、電力貯蔵素子１４の正側から、スイッチング素子１６、１７の接続点へ変更されているのが特徴である。スイッチＳ２をオンにすると、電力貯蔵素子１４がスイッチング素子１６、１７を介さずにコンデンサ１２と並列に接続される。
その他の部分は実施の形態１の構成と同じであるので、同一符号を付して説明は省略する。【００３１】
このような実施の形態２の構成によれば、電力貯蔵素子１４とインバータ１３を、リアクトル２０を介して接続することが可能となる。リアクトル２０を介して電力貯蔵素子１４とインバータ１３を接続することで、インバータ１３のＰＷＭ動作により発生するリプル電流が電力貯蔵素子１４に流れることを阻止できる。電力貯蔵素子１４にリプル電流が流れると、それにより内部発熱が増加するので電力貯蔵素子１４の寿命を縮める要因となる。
実施の形態２の構成とすることで、リアクトル２０でのエネルギー損失が若干増加するものの、電力貯蔵素子１４での損失は減少し、寿命も延長させることが可能となり、トータルとしてメリットが得られる。
なお、このように構成された実施の形態２の電気車の制御装置の動作は、実施の形態１（図２、図３）で示したものと同様であるので説明は割愛する。【００３２】
以上説明したように、この発明の実施の形態２では、蓄電動作モードにおいて、スイッチＳ２をオンし、スイッチング素子１６を介さずに電力貯蔵素子１４とインバータ１３の間で電力授受を行う構成としたため、スイッチング素子１６、１７の導通損失、スイッチング損失がなくなり、電力貯蔵素子１４の蓄積エネルギーを電気車の走行に最大限有効利用できる。
さらに、リアクトル２０により電力貯蔵素子１４にリプル電流が流れるのを阻止できるため、電力貯蔵素子１４での損失を低減して寿命を延長することが可能となる。【００３３】
実施の形態３．
図５は、この発明の実施の形態３における電気車の制御装置の構成例を示す図である。
図５に示す構成は、図１に示した実施の形態１の構成と比較し、スイッチＳ２を削除し、且つＤＣＤＣコンバータ１５Ａに動作モードを追加しているのが特徴である。その他の部分は実施の形態１の構成と同じであるので、同一符号を付して説明は省略する。【００３４】
図５に示すように、実施の形態３の特徴は、スイッチＳ２を設けずに、この機能をＤＣＤＣコンバータ１５Ａのスイッチング素子１６で代用することにある。
つまり、既に実施の形態１（図２、図３）で説明したスイッチＳ２をオンとするタイミングで、スイッチング素子１６をオンに固定（スイッチング素子１７はオフに固定）とする構成である。スイッチング素子１６をオンに固定とすることで、スイッチング素子１６、リアクトル２０を介して電力貯蔵素子１４とインバータ１３を接続できる。
このような構成とすれば、ＤＣＤＣコンバータ１５Ａで発生する損失は、リアクトル２０とスイッチング素子１６の導通損失のみとなり、ＤＣＤＣコンバータ１５Ａを通常運転した場合に発生するスイッチング素子１６のスイッチング損失、スイッチング素子１７の導通損失とスイッチング損失、リアクトル２０でのスイッチング電流による鉄損がなくなるため、システムの損失を低減することができる。且つ、スイッチＳ２の追加が不要となる。【００３５】
以上説明したように、この発明の実施の形態３では、蓄電動作モードにおいて、スイッチＳ２を追加することなしに、電力貯蔵素子１４とインバータ１３をスイッチング素子１６、リアクトル２０を介して接続できるので、ＤＣＤＣコンバータ１５Ａでの損失を低減し、電力貯蔵素子１４の蓄積エネルギーを電気車の走行に最大限有効利用できる。
さらに、リアクトル２０により電力貯蔵素子１４にリプル電流が流れるのを阻止できるため、電力貯蔵素子１４での損失を低減して寿命を延長することが可能となる。【００３６】
実施の形態４．
図６は、この発明の実施の形態４における電気車の制御装置の構成例を示す図である。
図６に示す実施の形態４の構成は、図１に示した実施の形態１の構成と比較し、ＤＣＤＣコンバータ１５ＡがＤＣＤＣコンバータ１５Ｂに変更されているのが特徴である。その他の部分は実施の形態１の構成と同じであるので、同一符号を付して説明は省略する。【００３７】
図６において、ＤＣＤＣコンバータ１５Ｂは、ＰＷＭ動作を行うスイッチング素子１６〜１９、リアクトル２０、２２、コンデンサ２１からなる所謂双方向昇降圧ＤＣＤＣコンバータ回路で構成されており、電力貯蔵素子１４の電圧ＥＢと、インバータ入力電圧ＥＦＣの大小関係に関わらず、任意の方向に電力制御が可能なことが特徴である。
このため、電力貯蔵素子１４の電圧ＥＢを、架線電圧ＥＳ０の変動下限値に無関係に設定することが可能となり、電力貯蔵素子１４の電圧ＥＢを架線電圧ＥＳ０の公称値と等しい値、あるいは架線電圧ＥＳ０の公称値よりも高い値に設定することも可能となる。【００３８】
さらに説明を加えると、実施の形態１の構成では、上記に説明したとおり、電力貯蔵素子１４の電圧ＥＢを架線電圧ＥＳ０よりも低く設定せねばならなかったので、蓄電動作モードにおいて、インバータ入力電圧ＥＦＣが架線蓄電併用モード時よりも低下し、電動機６の発生トルクが低下する場合が発生したり、同一の電力をインバータ１３に供給する場合、電力貯蔵素子１４の電流が増加し、損失が増加する可能性がある。これに対し、この実施の形態４の構成によれば、蓄電動作モードにおけるインバータ入力電圧ＥＦＣを、架線蓄電併用モード時と同等以上に確保することが可能となる。
したがって、蓄電動作モードにおいて、インバータ入力電圧ＥＦＣが架線蓄電併用モード時と比較して低下することなく、電動機６の発生トルクを十分に確保することが可能となり、また電力貯蔵素子１４の電流を増加させることなく、電気車の走行性能を架線蓄電併用モード時と同等に確保することができる。
以下の説明では、電力貯蔵素子１４の電圧ＥＢを、架線電圧ＥＳ０の公称値よりも若干高い値に設定した場合で説明する。【００３９】
次に、このように構成された実施の形態４の電気車の制御装置の動作を説明する。
なお、架線蓄電併用モード、蓄電モードでの動作説明は、実施の形態１で説明したものと類似であるので、割愛する。
したがって、ここでは、架線蓄電併用モードから蓄電動作モードに移行する場合、また、蓄電動作モードから架線蓄電併用モードに移行する場合の動作について説明する。【００４０】
図７は、この発明の実施の形態４における架線蓄電併用モードから蓄電動作モードへの移行を説明する図である。
図７に示すように、時間ｔ０〜ｔ１間における架線蓄電併用モードでは、スイッチＳ１とＤＣＤＣコンバータ１５Ｂをオン（スイッチング素子１６〜１９はＰＷＭ動作）しているので、架線電圧ＥＳ０がコンデンサ１２に印加され、電力貯蔵素子１４の電圧ＥＢは、ＤＣＤＣコンバータ１５Ｂにより降圧されてコンデンサ１２へ印加されている状態である。このため、スイッチＳ１の後段の入力電圧ＥＳは架線電圧ＥＳ０と等しく、インバータ入力電圧ＥＦＣは入力電圧ＥＳと等しい状態である。【００４１】
次に、時間ｔ１にて、架線蓄電併用モードを終了し、スイッチＳ１をオフする。
なお、電流の急変を防止するために、スイッチＳ１のオフは、インバータ１３の出力を設定値以下に絞るか、インバータ１３の電力のほとんど、あるいは全てを電力貯蔵素子１４が負担する状態に制御して、スイッチＳ１の電流を十分に減少させてから（設定値以下に減少させてから）行うのが好ましい。
その後、ＤＣＤＣコンバータ１５Ｂを、インバータ入力電圧ＥＦＣが電力貯蔵素子１４の電圧ＥＢと一致するように昇圧動作させる。
時間ｔ２において、インバータ入力電圧ＥＦＣが電力貯蔵素子１４の電圧ＥＢと等しくなった段階で、インバータ入力電圧ＥＦＣと電力貯蔵素子１４の電圧ＥＢとが等しい状態を維持するようにＤＣＤＣコンバータ１５Ｂを制御する。
インバータ入力電圧ＥＦＣと電力貯蔵素子１４の電圧ＥＢとの差が設定値以下の状態がΔＴ１継続した後（時間ｔ３）、インバータ入力電圧ＥＦＣは十分に安定したと判断できるので、スイッチＳ２をオンし、ＤＣＤＣコンバータ１５Ｂをオフする。これにより電力貯蔵素子１４からインバータ１３への電流は、ＤＣＤＣコンバータ１５Ｂを経由するルートから、ＤＣＤＣコンバータ１５Ｂを経由せずにスイッチＳ２を経由するルートへ転流する。
このようにして、架線蓄電併用モードから蓄電動作モードへの円滑な移行が可能となる。【００４２】
次に、蓄電動作モードから架線蓄電併用モードに移行する場合の動作を説明する。
図８は、実施の形態４における蓄電動作モードから架線蓄電併用モードへの移行を説明する図である。
図８に示すように、時間ｔ４からｔ５までの間は、スイッチＳ１、ＤＣＤＣコンバータ１５Ｂをオフし、スイッチＳ２をオンにした状態であり、電力貯蔵素子１４とインバータ１３との間で直接、電力の授受が行われている状態である。
時間ｔ５にて、架線蓄電併用モードへの移行準備として、スイッチＳ２をオフし、同時にＤＣＤＣコンバータ１５Ｂを起動する。
なお、スイッチＳ２のオフと、ＤＣＤＣコンバータ１５Ｂの起動は、電流に変動が生じるのを回避するために、インバータ１３の電流を絞って、電力貯蔵素子１４の電流が設定値以下となった状態で行うのが好ましい。【００４３】
時間ｔ５以降、ＤＣＤＣコンバータ１５Ｂを降圧動作させ、電力貯蔵素子１４の電圧ＥＢを降圧してコンデンサ１２に供給し、インバータ入力電圧ＥＦＣが架線電圧ＥＳ０と一致するように制御する。
時間ｔ６時点でインバータ入力電圧ＥＦＣは架線電圧ＥＳ０と一致している。
インバータ入力電圧ＥＦＣと架線電圧ＥＳ０との差が設定値以下の状態が時間ΔＴ２の間経過すると、インバータ入力電圧ＥＦＣは十分に安定したと判断できるので、時間ｔ７でスイッチＳ１をオンとし、架線１との接続を行う。
時間ｔ７以降は、インバータ１３は架線１と電力貯蔵素子１４との間で電力の授受を行う架線蓄電併用モードでの運転が可能となる。
このように、ＤＣＤＣコンバータ１５Ｂを降圧運転してインバータ入力電圧ＥＦＣを架線電圧ＥＳ０に一致させ、スイッチＳ１の端子間電圧差を十分に小さくしてからスイッチＳ１をオンする構成としているので、電圧差により突入電流を生じたり、スイッチＳ１の接点が荒れることを回避できる。【００４４】
このようにして、架線蓄電併用モードから蓄電動作モードへの移行、蓄電動作モードから架線蓄電併用モードへの移行を円滑に行うことが可能となる。
ここで、ＤＣＤＣコンバータ１５Ｂは、上記したとおり、実施の形態１のＤＣＤＣコンバータ１５Ａと比べて、電力貯蔵素子１４の電圧ＥＢとインバータ入力電圧ＥＦＣの大小関係に関わらず、電力制御が可能なことを特徴とするが、その損失は、スイッチング素子が多い分、ＤＣＤＣコンバータ１５Ａより大きくなる。
しかしながら、この実施の形態４の構成によれば、蓄電動作モードにおいて、スイッチＳ２をオンし、ＤＣＤＣコンバータ１５Ｂを介さずに電力貯蔵素子１４とインバータ１３の間で電力授受を行う構成としたため、ＤＣＤＣコンバータ１５Ｂでのエネルギー損失がなくなり、電力貯蔵素子１４の蓄積エネルギーを電気車の走行に最大限有効利用できる。
さらに、蓄電動作モードにおいて、インバータ入力電圧ＥＦＣが低下することなく、電動機６の発生トルクを十分に確保することが可能となり、また電力貯蔵素子１４の電流を増加させることなく、電気車の走行性能を架線蓄電併用モードと同等に確保することができる。【００４５】
実施の形態５．
図９は、この発明の実施の形態５における電気車の制御装置の構成例を示す図である。
図９に示す実施の形態５の構成は、図６に示した実施の形態４の構成と比較し、スイッチＳ２の接続箇所の一端が、電力貯蔵素子１４の正側から、リアクトル２２とスイッチング素子１８の接続点へ変更されているのが特徴である。その他の部分は実施の形態４の構成と同じであるので、同一符号を付して説明は省略する。【００４６】
このような実施の形態５の構成によれば、電力貯蔵素子１４とインバータ１３を、リアクトル２２を介して接続することが可能となる。
リアクトル２２を介して電力貯蔵素子１４とインバータ１３を接続することで、インバータ１３のＰＷＭ動作により発生するリプル電流が電力貯蔵素子１４に流れることを阻止できる。電力貯蔵素子１４にリプル電流が流れると、それにより内部発熱が増加するので電力貯蔵素子１４の寿命を縮める要因となる。
また、実施の形態５の構成とすることで、リアクトル２２での損失が増加するものの、電力貯蔵素子１４での損失は減少し、寿命も延長させることが可能となり、トータルとしてメリットが得られる。
なお、このように構成された実施の形態５の電気車の制御装置の動作は、実施の形態４で示したものと同様であるので説明は割愛する。【００４７】
以上説明したように、この発明の実施の形態５によれば、蓄電動作モードにおいて、スイッチＳ２をオンし、スイッチング素子１６〜１９、リアクトル２０を介さずに電力貯蔵素子１４とインバータ１３の間で電力授受を行う構成としたため、スイッチング素子１６〜１９の導通損失とスイッチング損失、リアクトル２０での損失がなくなり、電力貯蔵素子１４の蓄積エネルギーを電気車の走行に最大限有効利用できる。
さらに、リアクトル２２により電力貯蔵素子１４にリプル電流が流れるのを阻止できるため、電力貯蔵素子１４での損失を低減して寿命を延長することが可能となる。【００４８】
実施の形態６．
図１０は、この発明の実施の形態６における電気車の制御装置の構成例を示す図である。
図１０に示す実施の形態６の構成は、図６に示した実施の形態４の構成と比較し、スイッチＳ２を削除し、且つＤＣＤＣコンバータ１５Ｂに動作モードを追加しているのが特徴である。その他の部分は実施の形態４の構成と同じであるので、同一符号を付して説明は省略する。【００４９】
図１０に示すように、実施の形態６の構成の特徴は、スイッチＳ２を設けずに、この機能をスイッチング素子１６、１８で代用することにある。
つまり、既に実施の形態４（図７、図８）で説明したスイッチＳ２をオンとするタイミングで、スイッチング素子１６、１８をオンに固定（スイッチング素子１７、１９はオフに固定）とする構成である。スイッチング素子１６、１８をオンに固定とすることで、スイッチング素子１６、１８、リアクトル２０、２２を介して電力貯蔵素子１４とインバータ１３を接続できる。【００５０】
このような構成とすれば、ＤＣＤＣコンバータ１５Ｂで発生する損失はリアクトル２０、２２とスイッチング素子１６、１８の導通損失のみとなり、ＤＣＤＣコンバータ１５Ｂを通常運転した場合に発生するスイッチング素子１６、１８でのスイッチング損失、スイッチング素子１７，１９での導通損失とスイッチング損失、リアクトル２０、２２でのスイッチング電流による鉄損がなくなるため、システムの損失を低減することができる。且つ、スイッチＳ２の追加が不要となる。【００５１】
以上説明したように、この発明の実施の形態６によれば、蓄電動作モードにおいて、スイッチＳ２を追加することなしに、電力貯蔵素子１４とインバータ１３をスイッチング素子１６、１８、リアクトル２０、２２を介して接続できるので、ＤＣＤＣコンバータ１５Ｂでの損失を低減し、電力貯蔵素子１４の蓄積エネルギーを電気車の走行に最大限有効利用できる。
さらに、リアクトル２０、２２により電力貯蔵素子１４にリプル電流が流れるのを阻止できるため、電力貯蔵素子１４での損失を低減して寿命を延長することが可能となる。【００５２】
なお、上述の各実施の形態に示した構成は、この発明の内容の一例であり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。
たとえば、図示していないが、集電装置から交流電力の供給を受け、これをコンバータで直流電力に変換した後、インバータ１３に入力する構成の電力変換装置に適用しても良い。また、インバータ１３の出力に電動機以外の、例えば変圧器と平滑回路とを介して車両の空調や照明機器等の負荷に接続し、インバータを定電圧定周波数運転を行うことで、前記負荷に定電圧・定周波電力を供給する所謂補助電源装置に適用することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
上述した実施の形態の説明においては、電鉄分野へ電力変換装置をを適用した場合を例として発明内容の説明を行っているが、この発明の適用分野はこれに限られるものではなく、電気自動車、エレベータ、電力システム等、種々の関連分野への応用が可能である。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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