JP6208024B2 - 電力変換装置および電力変換装置の制御方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置および電力変換装置の制御方法に関する。

従来、鉄道車両には、架線からの直流電力を所定電圧の直流電力に変換して車内設備（冷暖房装置、ドア開閉装置、表示装置など）に供給する鉄道車両用補助電源装置（以下、電力変換装置）が設けられている。この電力変換装置では、架線からの直流電力を交流電力に変換し、商用周波数のトランスを介して絶縁した後に整流して直流電力を負荷に対して出力している。

特開平６−３２７２６１号公報

ところで、従来の電力変換装置においては、電力変換装置の出力電流を監視する出力電流検出器を設け、負荷短絡等の原因により過電流等の異常が発生した場合に当該電力変換装置を保護するように構成したものも提案されている。
しかし、出力電流検出器が故障した場合には、異常を検出することはできず、電力変換装置の保護が行えない虞があった。

上述した課題を解決するために、実施形態の電力変換装置の昇圧チョッパは、架線より供給される直流電力を所定の電圧値に昇圧してインバータに出力する。
インバータは、昇圧チョッパから出力される直流電力を交流電力に変換してトランスに出力する。
トランスは、インバータから出力される交流電力の昇圧を行って整流部に出力する。
整流部は、トランスから出力される交流電力を整流して負荷に出力する。
一方、第１電流検出部は、昇圧チョッパの入力電流を検出し第１検出信号を異常検出部に出力し、第２電流検出部は、整流部の出力電流を検出し第２検出信号を異常検出部に出力する。

これらの結果、第１検出信号及び第２検出信号に基づいて第１検出信号が電流検出状態であり、第２検出信号が電流非検出状態である場合に、第２電流検出部が異常であることを検出する。

図１は、第１実施形態の鉄道車両用の電力変換装置の概要構成ブロック図である。 図２は、第２電流検出部の異常を検出するための第１実施形態における異常検出部を論理回路として構成した場合の説明図である。 図３は、第２実施形態の鉄道車両用の電力変換装置の概要構成ブロック図である。 図４は、第２電流検出部の異常を検出するための第２実施形態における異常検出部を論理回路として構成した場合の説明図である。

以下、図面を参照して実施形態の電力変換装置を詳細に説明する。
実施形態の電力変換装置は、例えば、架線からの直流電力を所定電圧の直流電力に変換して負荷である車内設備（冷暖房装置、ドア開閉装置、表示装置など）に供給する鉄道車両用補助電源装置として用いられる。

［１］第１実施形態
図１は、第１実施形態の鉄道車両用の電力変換装置の概要構成ブロック図である。
電力変換装置１０は、直流架線（直流き電線）１１から直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１４と、の間の電流経路に開放接触器（遮断器）１５が直列に接続されている。

さらに開放接触器１５の後段には、入力直流電圧を昇圧する昇圧チョッパ（非絶縁型昇圧チョークコンバータ）１６が接続されている。
さらに昇圧チョッパ１６の後段には、昇圧チョッパ１６の出力である昇圧後の直流電力を交流電力に変換して出力するインバータ１７が接続されている。

ここで、インバータ１７は、出力端子から出力する交流電力の周波数を商用電源の周波数（５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚ）のｎ倍（ｎ：２以上の整数、実際には、数倍から数十倍）とする。

インバータ１７の出力端子には、インバータ１７の出力電圧をさらに昇圧して出力する（絶縁）トランス１８の一次側端子が接続されている。
トランス１８の二次側端子には、トランス１８が出力した交流電力の全波整流を行って再び直流電力とするダイオード整流器１９が接続されている。

さらにダイオード整流器１９の後段には、ダイオード整流器１９の出力から高周波成分（ノイズ）を除去して負荷ＬＤに出力するＬＣフィルタとして構成されたフィルタ２０が接続されている。

また、電力変換装置１０は、異常検出部２１Ｘの機能を有するとともに、当該電力変換装置１０全体の制御を行う制御部２１と、昇圧チョッパ１６の入力電流を検出し、第１検出信号ＳＤ１を制御部２１に出力する第１検出器としての第１電流検出器２２と、フィルタ２０の出力電流（実効的には、ダイオード整流器１９の出力電流）を検出し、第２検出信号ＳＤ２を制御部２１に出力する第２検出器としての第２電流検出器２３と、を備えている。

上記構成において、昇圧チョッパ１６は、開放接触器１５に直列に接続されたコイル（チョッパリアクトル）３１と、制御部２１の制御下でチョッピング動作を行うスイッチング素子３２と、逆流防止ダイオード３３と、を備えている。

また、インバータ１７は、２個の直列接続されたコンデンサ３４、３５により構成されたフィルタコンデンサと、直列接続されたスイッチング素子３６（上アーム）及びスイッチング素子３７（下アーム）を備えている。ここで、スイッチング素子３６及びスイッチング素子３７は、シリコン（Ｓｉ）と比較して、ワイドバンドギャップの材料であるガリウムナイトライド（ＧａＮ：窒化ガリウム）半導体で形成されている。

トランス１８は、インバータ１７から出力される交流電力を、一次コイル及び二次コイル（図示しない）の巻数比に対応した昇圧比で変換して後段のダイオード整流器１９へ出力する。ここで、トランス１８の一次側及び二次側との間は絶縁されているので、電力変換装置１０は絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータとして構成されている。

ダイオード整流器１９は、上アームを構成するダイオード４１、４２と、下アームを構成するダイオード４３、４４と、を備え、ダイオード４１及びダイオード４３は直列接続され、ダイオード４２及びダイオード４４は、直列接続されている。
フィルタ２０は、ＬＣフィルタを構成するリアクトル（コイル）５１及びコンデンサ５２を備えている。

制御部２１は、トランス１８の入出力電流を図示しない電流検出器により検出し、検出電流値に応じてスイッチング素子３２、３６、３７のゲート電圧を制御する。
これと並行して、制御部２１は、第１検出信号ＳＤ１及び第２検出信号ＳＤ２に基づいて第２電流検出器２３の異常検出を行う。

図２は、第２電流検出部の異常を検出するための第１実施形態における異常検出部を論理回路として構成した場合の説明図である。

第１実施形態の異常検出部２１Ｘは、反転入力端子に第２検出信号ＳＤ２が入力され、非反転入力端子にフィルタ２０からの出力電流が無電流状態であることを識別するための無電流検出閾値ＴＨｎｃが入力された第１コンパレータ６１と、非反転入力端子に第１検出信号ＳＤ１が入力され、反転入力端子に昇圧チョッパ１６の入力電流として正常動作時の電流が流れている有電流状態であることを識別するための有電流検出閾値ＴＨｃが入力された第２コンパレータ６２と、第１コンパレータ６１及び第２コンパレータ６２の出力がそれぞれ入力され、これらの論理積をとって第２電流検出器２３の異常時（故障時）に“Ｈ”レベルの異常検出信号ＳＥＲを出力するＡＮＤ回路６３と、を備えている。

上記構成において、有電流検出閾値ＴＨｃは、回路上の損失（特にインバータ１７、トランス１８及びダイオード整流器１９の損失）を考慮して、損失が無いものとした場合と比較して、高めの値に設定されている。

そして、異常検出部２１Ｘは、第２検出信号ＳＤ２に相当する昇圧チョッパ１６の入力電流が、有電流検出閾値ＴＨｃに相当する正常動作時の電流値を超えており（＝第２コンパレータ６２の出力＝“Ｈ”）いる場合に、第１検出信号ＳＤ１に相当するフィルタ２０の出力電流が、無電流検出閾値ＴＨｎｃに相当する電流量以下である場合に（＝第１コンパレータ６１の出力＝“Ｈ”）、第２電流検出器２３が異常であることを示す“Ｈ”レベルの異常検出信号ＳＥＲを出力することとなる。

したがって、制御部２１は、異常検出信号ＳＥＲ＝“Ｈ”である場合に、電力変換動作を停止するように昇圧チョッパ１６及びインバータ１７を制御することとなる。
この結果、本第１実施形態によれば、電力変換装置１０を実効的、かつ、確実に保護できることとなる。

［２］第２実施形態
図３は、第２実施形態の鉄道車両用の電力変換装置の概要構成ブロック図である。
図３において、図１の第１実施形態と同様の部分には、同一の符号を付すものとする。
図３の電力変換装置１０Ａが、図１の電力変換装置１０と異なる点は、異常検出部２１Ｙの機能を有するとともに、当該電力変換装置１０全体の制御を行う制御部２１Ａを備えた点と、第１電流検出器２２に代えて、インバータ１７の出力電流を検出し、第１検出信号ＳＤ１１を制御部２１Ａに出力する第１検出器としての第１電流検出器７１を備えた点である。

図４は、第２電流検出部の異常を検出するための第２実施形態における異常検出部を論理回路として構成した場合の説明図である。
図４において、図２と同様の部分には、同一の符号を付すものとする。

第２実施形態の異常検出部２１Ｙは、反転入力端子に第２検出信号ＳＤ２が入力され、非反転入力端子にフィルタ２０からの出力電流が無電流状態であることを識別するための無電流検出閾値ＴＨｎｃが入力された第１コンパレータ６１と、非反転入力端子に第１検出信号ＳＤ１１が入力され、反転入力端子にインバータ１７の出力電流として正常動作時の電流が流れている有電流状態であることを識別するための有電流検出閾値ＴＨｃ１が入力された第２コンパレータ７２と、第１コンパレータ６１及び第２コンパレータ７２の出力がそれぞれ入力され、これらの論理積をとって第２電流検出器２３の異常時（故障時）に“Ｈ”レベルの異常検出信号ＳＥＲを出力するＡＮＤ回路７３と、を備えている。

上記構成において、有電流検出閾値ＴＨｃ１は、回路上の損失（特にトランス１８及びダイオード整流器１９の損失）を考慮して、第１実施形態と同様に、損失が無いものとした場合と比較して、高めの値に設定されているが、インバータ１７の損失は考慮する必要が無いので、第１実施形態の有電流検出閾値ＴＨｃの設定と比較して、より容易に設定が行える。

そして、異常検出部２１Ｙは、第２検出信号ＳＤ２に相当するインバータ１７の出力電流（高周波電流）が、有電流検出閾値ＴＨｃ１に相当する正常動作時の電流値を超えており（＝第２コンパレータ７２の出力＝“Ｈ”）いる場合に、第１検出信号ＳＤ１１に相当するフィルタ２０の出力電流が、無電流検出閾値ＴＨｎｃに相当する電流量以下である場合に（＝第１コンパレータ６１の出力＝“Ｈ”）、第２電流検出器２３が異常であることを示す“Ｈ”レベルの異常検出信号ＳＥＲを出力することとなる。

したがって、制御部２１Ａは、異常検出信号ＳＥＲ＝“Ｈ”である場合に、電力変換動作を停止するように昇圧チョッパ１６及びインバータ１７を制御することとなる。
この結果、本第２実施形態によっても、電力変換装置１０を実効的、かつ、確実に保護できることとなる。

［３］実施形態の効果
以上の説明のように、各実施形態によれば、電力変換装置の負荷ＬＤへの出力電流を検出する出力電流検出器の異常（故障）を容易に検出することができ、ひいては、電力変換装置の安定動作に寄与することができる。

［４］実施形態の変形例
以上の説明においては、昇圧チョッパ１６の入力電流あるいはインバータ１７の出力電流（高周波電流）のいずれかの正常電流検出時にフィルタ２０の負荷ＬＤへの出力電流が非電流検出状態である場合に、第２電流検出器２３の異常を検出する構成としていたが、第１電流検出器２２及び第１電流検出器７１の双方を備えるように構成することも可能である。

以上の説明においては、異常検出部２１Ｘ及び異常検出部２１Ｙを論理回路として構成していたが、制御部２１あるいは制御部２１Ａをマイクロコンピュータとして、異常検出部２１Ｘ及び異常検出部２１Ｙの機能をソフトウェアで構成することも可能である。

この場合において、マイクロコンピュータで実行される制御プログラムは、ＲＯＭ等に予め組み込まれて提供されるようにしてもよい。
本実施形態のマイクロコンピュータで実行される制御プログラムは、インストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルでＣＤ−ＲＯＭ、フレキシブルディスク（ＦＤ）、ＣＤ−Ｒ、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｋ）等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録して提供するように構成してもよい。

さらに、本実施形態のマイクロコンピュータで実行される制御プログラムを、インターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせることにより提供するように構成してもよい。また、本実施形態のマイクロコンピュータで実行される制御プログラムは、インターネット等のネットワーク経由で提供または配布するように構成しても良い。

なお、プログラムで構成される場合、例えば、架線より供給される直流電力を所定の電圧値に昇圧する昇圧チョッパと、前記昇圧チョッパから出力される直流電力を交流電力に変換するインバータと、前記インバータから出力される交流電力の絶縁を行うトランスと、前記トランスから出力される交流電力を整流する整流部と、前記整流部の出力電流を検出する出力電流検出部と、を備えた電力変換装置をコンピュータにより制御するための制御プログラムであり、前記コンピュータを、前記昇圧チョッパの入力電流を検出する手段、前記整流部の出力電流を検出する手段、前記昇圧チョッパの入力電流及び前記整流部の出力電流に基づいて前記出力電流検出部の異常を検出する手段、として機能させる制御プログラムとなる。

また、別の例では、架線より供給される直流電力を所定の電圧値に昇圧する昇圧チョッパと、前記昇圧チョッパから出力される直流電力を交流電力に変換するインバータと、前記インバータから出力される交流電力の絶縁を行うトランスと、前記トランスから出力される交流電力を整流する整流部と、前記整流部の出力電流を検出する出力電流検出部と、を備えた電力変換装置をコンピュータにより制御するための制御プログラムであり、前記コンピュータを、前記インバータの出力電流を検出する手段、前記整流部の出力電流を検出する手段、前記インバータの出力電流及び前記整流部の出力電流に基づいて、前記出力電流検出部の異常を検出する手段、として機能させる制御プログラムとなる。

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。

１０、１０Ａ 電力変換装置
１１ 架線
１６ 昇圧チョッパ
１７ インバータ
１８ トランス
１９ ダイオード整流器
２０ フィルタ
２１、２１Ａ 制御部
２１Ｘ、２１Ｙ 異常検出部
２２、７１ 第１電流検出器
２３ 第２電流検出器（出力電流検出器）
６１ 第１コンパレータ
６２、７２ 第２コンパレータ
６３、７３ ＡＮＤ回路
ＬＤ 負荷
ＳＤ１、ＳＤ１１ 第１検出信号
ＳＤ２ 第２検出信号
ＳＥＲ 異常検出信号
ＴＨｃ、ＴＨｃ１ 有電流検出閾値
ＴＨｎｃ 無電流検出閾値

Claims (6)

1. 架線より供給される直流電力を所定の電圧値に昇圧する昇圧チョッパと、
   前記昇圧チョッパから出力される直流電力を交流電力に変換するインバータと、
   前記インバータから出力される交流電力の絶縁を行うトランスと、
   前記トランスから出力される交流電力を整流して負荷に出力する整流部と、
   前記昇圧チョッパの入力電流を検出し第１検出信号を出力する第１電流検出部と、
   前記整流部の出力電流を検出し第２検出信号を出力する第２電流検出部と、
   前記第１検出信号及び前記第２検出信号に基づいて前記第１検出信号が電流検出状態であり、前記第２検出信号が電流非検出状態である場合に、前記第２電流検出部が異常であることを検出する異常検出部と、
   を備えた電力変換装置。
2. 架線より供給される直流電力を所定の電圧値に昇圧する昇圧チョッパと、
   前記昇圧チョッパから出力される直流電力を交流電力に変換するインバータと、
   前記インバータから出力される交流電力の絶縁を行うトランスと、
   前記トランスから出力される交流電力を整流して負荷に出力する整流部と、
   前記インバータの出力電流を検出し第１検出信号を出力する第１電流検出部と、
   前記整流部の出力電流を検出し第２検出信号を出力する第２電流検出部と、
   前記第１検出信号及び前記第２検出信号に基づいて前記第１検出信号が電流検出状態であり、前記第２検出信号が電流非検出状態である場合に、前記第２電流検出部が異常であることを検出する異常検出部と、
   を備えた電力変換装置。
3. 前記異常検出部により前記第２電流検出部が異常であることが検出された場合に、前記昇圧チョッパ及び前記インバータを制御し、電力変換動作を停止させる制御部を備えた、
   請求項１又は請求項２記載の電力変換装置。
4. 前記インバータは、当該インバータの出力電流の周波数を商用電源周波数のｎ倍（ｎ：２以上の整数）とする、
   請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の電力変換装置。
5. 架線より供給される直流電力を所定の電圧値に昇圧する昇圧チョッパと、前記昇圧チョッパから出力される直流電力を交流電力に変換するインバータと、前記インバータから出力される交流電力の絶縁を行うトランスと、前記トランスから出力される交流電力を整流する整流部と、前記整流部の出力電流を検出する出力電流検出部と、を備えた電力変換装置で実行される制御方法であって、
   前記昇圧チョッパの入力電流を検出する過程と、
   前記整流部の出力電流を検出する過程と、
   前記昇圧チョッパの入力電流及び前記整流部の出力電流に基づいて前記昇圧チョッパの入力電流が検出状態であり、前記整流部の出力電流が非検出状態である場合に、前記出力電流検出部が異常であることを検出する過程と、
   を備えた電力変換装置の制御方法。
6. 架線より供給される直流電力を所定の電圧値に昇圧する昇圧チョッパと、前記昇圧チョッパから出力される直流電力を交流電力に変換するインバータと、前記インバータから出力される交流電力の絶縁を行うトランスと、前記トランスから出力される交流電力を整流する整流部と、前記整流部の出力電流を検出する出力電流検出部と、を備えた電力変換装置で実行される制御方法であって、
   前記インバータの出力電流を検出する過程と、
   前記整流部の出力電流を検出する過程と、
   前記インバータの出力電流及び前記整流部の出力電流に基づいて前記昇圧チョッパの入力電流が検出状態であり、前記整流部の出力電流が非検出状態である場合に、前記出力電流検出部が異常であることを検出する過程と、
   を備えた電力変換装置の制御方法。

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