(57)【要約】【課題】サイズ及び重量を低減できる安価な電力変換システムを提供する。【解決手段】直流電力を供給する第１電源１と、第１電源からの直流電力の流路を開閉する第１接触器８と、第１接触器の閉成により第１電源から第１接触器を介して供給される直流電力で充電される第２電源２と、第２電源からの直流電力の流路を開閉する第２接触器９と、第２接触器の閉成により第２電源と該第２接触器を介して直列に接続される第３電源３と、第１電源から直流電力の供給が受けられる場合、該直流電力を所定電圧に変換して第１負荷を駆動し、第１電源から直流電力の供給が受けられない場合、第２接触器の閉成により直列接続された第２電源及び第３電源の各々の出力を合算した直流電力を所定電圧に変換して第１負荷を駆動する第１電力変換装置４を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電力を供給する第１電源と、
前記第１電源からの直流電力の流路を開閉する第１接触器と、
前記第１接触器の閉成により前記第１電源から該第１接触器を介して供給される直流電力で充電される第２電源と、
前記第２電源からの直流電力の流路を開閉する第２接触器と、
前記第２接触器の閉成により前記第２電源と該第２接触器を介して直列に接続される第３電源と、
前記第１電源から直流電力の供給が受けられる場合、該直流電力を所定電圧に変換して第１負荷を駆動し、前記第１電源から直流電力の供給が受けられない場合、前記第２接触器の閉成により直列接続された前記第２電源及び前記第３電源の各々の出力を合算した直流電力を所定電圧に変換して第１負荷を駆動する第１電力変換装置と、
を備えることを特徴とする電力変換システム。
【請求項２】
前記第１電源から直流電力の供給が受けられる場合、該直流電力を所定電圧に変換して第２負荷を駆動し、前記第１電源から直流電力の供給が受けられない場合、前記第２接触器の開放により前記第３電源が切り離された前記第２電源のみからの直流電力を所定電圧に変換して前記第２負荷を駆動する第２電力変換装置を備えることを特徴とする請求項１記載の電力変換システム。
【請求項３】
前記第２電力変換装置は、直流電力の供給源が前記第１電源から第２電源に切り替えられる場合、前記第１電力変換装置により第１負荷が駆動された後に前記第２負荷を駆動することを特徴とする請求項２記載の電力変換システム。
【請求項４】
前記第３電源の電圧は、前記第２電源の電圧よりも低く、前記第２電源の電圧は、前記第１電源の電圧よりも低いことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の電力変換システム。
【請求項５】
直流電力を供給する第１電源と、
前記第１電源からの直流電力の流路を開閉する第１接触器と、
前記第１接触器の閉成により前記第１電源からの直流電力の電流を制限する電流制限部と、
前記電流制限部により電流が制限された直流電力で充電される第２電源と、
前記第１電源から直流電力の供給が受けられる場合、該直流電力を所定電圧に変換して第１負荷を駆動し、前記第１電源から直流電力の供給が受けられない場合、前記第２電源からの直流電力を所定電圧に変換して第２負荷を駆動する第１電力変換装置と、
充電可能な第３電源を備え、前記第１電源から直流電力の供給が受けられる場合、該直流電力を所定電圧に変換して前記第２負荷を駆動するとともに前記第３電源を充電し、前記第１電源から直流電力の供給が受けられない場合、前記第２電源の出力及び前記第３電源の出力を合算した直流電圧を所定電圧に変換して前記第２負荷を駆動する第２電力変換装置と、
を備えることを特徴とする電力変換システム。
【請求項６】
前記第３電源は、前記第１電力変換装置又は前記第２電力変換装置の制御電源として使用される蓄電池であることを特徴とする請求項２乃至請求項５のいずれか１項記載の電力変換システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、電力変換システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気鉄道では架線の停電時に車載の自走用蓄電池を用いて走行する方法が提案されている。例えば、蓄電池を抵抗でつないで常時は充電しておき、架線の停電時などのように架線レス走行が必要になった場合に、蓄電池を駆動用の変換器に接続して駆動する方式が知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
また、車載機器のエアコンやブレーキ用のコンプレッサなどを動かす補助電源用インバータに対して、昇圧チョッパ装置を介して蓄電池から高い電圧で電力を供給する方法も提案されている（特許文献２参照）。
【０００４】
列車がブレーキをかける際には、コンプレッサを起動し空気だめと呼ばれるタンクにブレーキ時に用いる空気を充填しておく必要がある。したがって、列車を安全に自走させるためにはコンプレッサを起動して空気だめに空気を充填する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−６３２９８号公報
【特許文献２】特開２０１０−２５２５２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した特許文献１に開示された技術では、自走用蓄電池をモータ駆動用のインバータに直接につなぐことにより、モータを駆動することはできるが、補助電源用インバータでコンプレッサを駆動するには十分な直流電圧が得られないため、多数の電池を直列につないで高電圧を得る必要がある。この場合、搭載する電池が増えるので、装置のコスト、サイズ及び重量が増加するという問題がある。
【０００７】
また、特許文献２に開示された技術では、昇圧チョッパ装置を介して補助電源に電池から電源を供給することにより補助電源用インバータの駆動を可能にしている。この場合、昇圧チョッパ装置が必要となるので、装置のサイズ及びコストの増加につながるという問題がある。
【０００８】
本発明の課題は、サイズ及び重量を低減できる安価な電力変換システム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に、実施形態によれば、直流電力を供給する第１電源と、第１電源からの直流電力の流路を開閉する第１接触器と、第１接触器の閉成により第１電源から該第１接触器を介して供給される直流電力で充電される第２電源と、第２電源からの直流電力の流路を開閉する第２接触器と、第２接触器の閉成により第２電源と該第２接触器を介して直列に接続される第３電源と、第１電源から直流電力の供給が受けられる場合、該直流電力を所定電圧に変換して第１負荷を駆動し、第１電源から直流電力の供給が受けられない場合、第２接触器の閉成により直列接続された第２電源及び第３電源の各々の出力を合算した直流電力を所定電圧に変換して第１負荷を駆動する第１電力変換装置を備えることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１の実施形態に係る電力変換システムの構成を示すブロック図である。
【図２】第１の実施形態に係る電力変換システムの変形例の構成を示すブロック図である。
【図３】第２の実施形態に係る電力変換システムの構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明のいくつかの実施形態の電力変換システムについて、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１２】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る電力変換システムの構成を示すブロック図である。この電力変換システムは、第１電源としての架線１、第２電源としての蓄電池２、第３電源としての制御電源用蓄電池３、第１電力変換装置４、第２電力変換装置５、第１負荷６、第２負荷７、第１接触器８、第２接触器９、第３接触器１０、第４接触器１１及び第５接触器１２を備えている。
【００１３】
架線１は、例えばＤＣ１５００Ｖ、ＤＣ７５０ＶまたはＤＣ６００Ｖの直流電力を供給する。この架線１からの直流電力は、第１接触器８を介して蓄電池２に供給され、また、第１接触器８及び第４接触器１１を介して第１電力変換装置４に供給され、さらに、第１接触器８及び第５接触器１２を介して第２電力変換装置５に供給される。
【００１４】
蓄電池２は、自走用蓄電池であり、例えばリチウムイオン電池またはニッケル水素電池などから構成されている。蓄電池２は、架線１から第１接触器８を介して供給される直流電力により充電される。蓄電池２に蓄えられた直流電力は、第２接触器９を介して制御電源用蓄電池３に供給される。
【００１５】
また、蓄電池２の出力端子は、第３接触器１０を介して制御電源用蓄電池３の出力端子（レール電位）に接続されている。第３接触器１０は、蓄電池２と制御電源用蓄電池３とを直列に接続する場合ではなく、蓄電池２を単独で使用する場合に閉成される。
【００１６】
制御電源用蓄電池３は、車載機器の電源として使用される蓄電池であり、アルカリ蓄電池または鉛蓄電池などから構成されている。この制御電源用蓄電池３は、第２接触器９の閉成により蓄電池２と第２接触器９を介して直列に接続される。
【００１７】
制御電源用蓄電池３に蓄えられた直流電力は、蓄電池２と制御電源用蓄電池３とが第２接触器９により接続された場合に、蓄電池２に蓄えられた直流電力に加えられて、第４接触器１１を介して第１電力変換装置４に供給されるとともに、第５接触器１２を介して第２電力変換装置５に供給される。
【００１８】
なお、制御電源用蓄電池３から出力される直流電力の電圧は、蓄電池２から出力される直流電力の電圧よりも低く、蓄電池２から出力される直流電力の電圧は、架線１から供給される直流電力の電圧よりも低くなるように各電圧が調整されている。
【００１９】
第１電力変換装置４は、例えば、静止形インバータ（ＳＩＶ：Static InVerter）から構成されており、架線１からの直流電力、または、蓄電池２及び制御電源用蓄電池３からの直流電力を交流の４４０Ｖや直流の１００Ｖに変換し、例えば車載機器からなる第１負荷６を駆動する。
【００２０】
第２電力変換装置５は、例えば、ＶＶＶＦ（Variable Voltage Variable Frequency）インバータから構成されており、架線１からの直流電力、または、蓄電池２からの直流電力を所定電圧に変換し、列車駆動用のモータ、例えば誘導電動機または同期電動機からなる第２負荷７を駆動する。
【００２１】
第１〜第５接触器８〜１３は、例えば、電力回路を開閉するリレーから構成されている。第１接触器８は、架線１から供給される直流電力の流路を開閉する。第２接触器９は、蓄電池２と制御電源用蓄電池３との間の直流電力の流路を開閉する。第３接触器１０は、上述したように制御電源用蓄電池３の出力の可否を制御する。第４接触器１１は、第１電力変換装置４への供給される直流電力の流路を開閉する。第５接触器１２は、第２電力変換装置５へ供給される直流電力の流路を開閉する。
【００２２】
次に、上記のように構成される第１の実施形態に係る電力変換システムの動作を説明する。まず、架線１からの直流電力の供給を受けて走行する場合には、第１接触器８、第４接触器１１及び第５接触器１２が閉成（その他の接触器は開放）され、第１電力変換装置４及び第２電力変換装置５が駆動される。
【００２３】
一方、架線１からの直流電力の供給を受けることができなくなり、蓄電池で列車を走行することになった場合、まず、第１電力変換装置４を用いて第１負荷６が駆動される。すなわち、電力変換システムでは、第２接触器９及び第４接触器１１が閉成され、蓄電池２と制御電源用蓄電池３が直列に接続される。これにより、蓄電池２及び制御電源用蓄電池３の各々の出力を合算した直流電力が第１電力変換装置４に供給されるので、高い電圧を供給することが可能となり、第１電力変換装置４は所定の電圧を出力することが可能になる。その結果、車載機器としてのコンプレッサを駆動して、ブレーキ用のエアーを空気だめに確保することが可能となる。
【００２４】
このように、第１の実施形態に係る電力変換システムにおいては、制御電源用蓄電池３は、車載機器を制御するための制御用電源であり、この制御用電源を蓄電池２に直列に接続することにより高圧化のための新たな蓄電池の追加や昇圧チョッパ装置等の昇圧機器は不要である。その結果、装置のサイズ及び重量を低減できるとともに、コストも低減できる電力変換システムを構成することが可能になる。
【００２５】
ここで、制御用電源とは、第１電力変換装置４及び第２電力変換装置５を駆動するために必要な制御用電力を供給する電源であり、第１〜第５接触器８〜１２の開閉や第１電力変換装置４及び第２電力変換装置５の内部の素子のドライブ、列車無線や車内蛍光灯等に電力を供給する電源を言う。
【００２６】
上述した第１電力変換装置４を用いて第１負荷６が駆動された後に、第２電力変換装置５を用いて列車を走行させる第２負荷７が駆動される。すなわち、電力変換システムにおいては、第３接触器１０及び第５接触器１２が閉成（その他の接触器は開放）され、第２負荷７である列車駆動用のモータが駆動される。
【００２７】
ここで、第３接触器１０が閉成されるのは、制御用電源である制御電源用蓄電池３を直列接続したまま、列車力行用の電源として用いると、走行するに従って放電が進み、最終的に制御用電源が消失するという事態を防ぐためである。
【００２８】
また、列車力行に要する電力が大きく、制御用電源の電圧が制御電源用蓄電池３の内部抵抗により大きく低下し、第２電力変換装置５が動作できなくなることを防ぐためでもある。なお、直流電力の供給が架線１からでなく、低圧の６００Ｖの主回路システムでサードレールから集電する場合も上記と同様の効果が得られる。
【００２９】
以上説明したように、第１の実施形態に係る電力変換システムによれば、架線１から直流電力の供給が受けられる場合には、該直流電力を所定電圧に変換して車載機器からなる第１負荷６を駆動し、架線１から直流電力の供給が受けられない場合には、直列接続された蓄電池２及び制御電源用蓄電池３の各々の出力を合算した直流電力を所定電圧に変換して第１負荷を駆動するので、簡単に高電圧を生成することができる。
【００３０】
その結果、高電圧を得るために、多数の電池を直列につないだり、昇圧チョッパ装置を設けたりする必要がないので、サイズ及び重量を低減できるとともに、安価な電力変換システムを提供できる。
【００３１】
なお、上述した第１の実施形態に係る電力変換装置では、第５接触器１２は、第１接触器８と第２電力変換装置５との間に設けたが、図２に示すように、架線１と第２電力変換装置５との間に設けるように変形することもできる。この場合も、上述した第１の実施形態に係る電力変換装置と同様の効果が得られる。
【００３２】
（第２の実施形態）
図３は、第２の実施形態に係る電力変換システムの構成を示すブロック図である。第２の実施形態に係る電力変換システムは、第１の実施形態に係る電力変換システムの第１接触器８と蓄電池２との間に電流制限部１４を追加するとともに、第２接触器９及び第３接触器１０を除去し、さらに、制御電源用蓄電池３の接続先を蓄電池２から第２電力変換装置５に変更して構成されている。
【００３３】
電流制限部１４は、例えば降圧チョッパのような電力変換器や、接触器を直列に接続して充電のＯＮ／ＯＦＦを可能にした抵抗器で構成することができる。また、実施例２に係る電力変換システムでは、第１電力変換装置４は、列車が走行するための駆動力を発生させる電動機からなる第１負荷６を駆動し、第２電力変換装置５は、車載機器からなる第２負荷７を駆動する。
【００３４】
蓄電池２は、電流制限部１４により所定の充電状態まで充電される。また、制御電源用蓄電池３は、第２電力変換装置５から出力される直流電力により充電される。制御電源用蓄電池３は、常時は、車載機器用の直流電力を出力する。また、制御電源用蓄電池３は、第２電力変換装置５から供給される直流電力により充電状態が維持される。
【００３５】
以上説明したように、第２の実施形態に係る電力変換システムによれば、架線１から直流電力の供給を受けることができる場合、該直流電力を所定電圧に変換して車載機器からなる第２負荷７を駆動し、架線１から直流電力の供給を受けることができない場合、蓄電池２及び第２電力変換装置５に備えられた制御電源用蓄電池３の各々の出力を合算した直流電力を所定電圧に変換して第２負荷７を駆動するので、簡単に高電圧を生成することができる。
【００３６】
その結果、高電圧を得るために、多数の電池を直列につないだり、昇圧チョッパ装置を設けたりする必要がないので、サイズ及び重量を低減できるとともに、安価な電力変換システムを提供できる。
【００３７】
以上のように、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】
【００３８】
１  架線
２  蓄電池
３  制御電源用蓄電池
４  第１電力変換装置
５  第２電力変換装置
６  第１負荷
７  第２負荷
８〜１２  第１〜第５接触器
１４  電流制限部
【図１】
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【図２】
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【図３】
2013046546.tif 000005