JP2012254018A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 エネルギー損失を抑制し得る電力変換装置を提供すること。
【解決手段】 電力変換装置は、負荷運転部して、直流架線１に接触器３を介して接続されたインバータ７とこのインバータ７の出力を受ける負荷８とを有する。接触器３とインバータ７との間にエネルギー蓄積部１２が接続されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、エネルギーの蓄積を行うことが可能な電力変換装置に関する。

この種の電力変換装置の従来例を、直流電車に搭載される例について図２５を参照して説明する。

図２５は、ブレーキチョッパを備えると共に力行及び回生運転が可能な直流電車の電力変換装置を示しており、当該電力変換装置は直流架線１からパンタグラフ２を介して直流電力を取り込む。電力変換装置は、接触器３、リアクトル４、スイッチング素子及び抵抗器を含むブレーキチョッパ５、コンデンサ６及びインバータ７を有し、インバータ７の出力を電動機８に与え、電動機８を駆動する。

かかる直流電車における電力変換器において、ある車両がブレーキをかけようとした場合、回生ブレーキをかける。回生パワーは、架線１に送り出されるが、変電所ではこの回生パワーを吸収できない場合がある。この場合、他の車両９が力行加速を行う場合、回生パワーを吸収する。

しかしながら、力行加速車両がいない場合、即ち、エネルギー消費する負荷が同一架線１に無い（回生パワー＞力行パワー）の場合には、架線１の電圧、すなわち、インバータ直流入力電圧が増加する。

インバータ７には耐圧があり、インバータ直流入力電圧が所定値を超えた場合には、過電圧として、保護停止に至る。

通常、保護停止に至る前に、電気ブレーキ力を抑制し、回生パワーを抑えることで、過電圧による保護停止を回避し、運転を継続する。

この軽負荷回生の場合、車両としてのブレーキ力は所定値どおり得ることが要求されるため、電気ブレーキ力を抑制した分、機械ブレーキで補足する。この機械ブレーキ分が、エネルギー損失となる。

また、機械ブレーキの磨耗を回避するため、図２５においては、インバータ７の直流入力側にスイッチング素子と抵抗からなるブレーキチョッパ５を設けている。この場合、電気ブレーキにより、回生パワーが大きく、架線電圧あるいはインバータ直流入力電圧が増加した場合、ブレーキチョッパ５を動作させ、負荷量を増大させる。

この場合、電気ブレーキ力は所定値どおりに出力されるが、エネルギーがブレーキチョッパ５で損失となる点はかわらない。

本発明の目的は、エネルギー損失を抑制し得る電力変換装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明の実施形態は、電源と１次側で接続されるトランスと、前記トランスの２次側で接続したコンバータ、前記コンバータに接続したインバータ及び前記インバータの交流側に接続した負荷を有する負荷運転部と、前記トランスの２次側で接続したエネルギー蓄積部とを備えたことを特徴とする電力変換装置、である。

本発明によれば、エネルギー損失を抑制し得る電力変換装置を提供できるものである。

本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置の構成図。 本発明の第２の実施形態に係る電力変換装置の構成図。 本発明の第３の実施形態に係る電力変換装置の構成図。 本発明に係るエネルギー蓄積部の実施形態を示す回路図。 本発明に係るエネルギー消費手段の実施形態を示す回路図。 本発明の第４の実施形態に係る電力変換装置の構成図。 本発明の第５の実施形態に係る電力変換装置の構成図。 本発明の第６の実施形態に係る電力変換装置の構成図。 本発明に係るＤＣ／ＤＣコンバータの実施形態を示す回路図。 本発明の第７の実施形態に係る電力変換装置の構成図。 本発明の第８の実施形態に係る電力変換装置の構成図。 本発明の第９の実施形態に係る電力変換装置の構成図。 本発明の第１０の実施形態に係る電力変換装置の構成図。 本発明の第１１の実施形態に係る電力変換装置の構成図。 本発明の第１２の実施形態に係る電力変換装置の構成図。 本発明の第１３の実施形態に係る電力変換装置の構成図。 本発明に係るＤＣ／ＡＣ変換器の実施形態を示す回路図。 本発明の第１４の実施形態に係る電力変換装置の構成図。 本発明の第１５の実施形態に係る電力変換装置の構成図。 本発明の第１６の実施形態に係る電力変換装置の構成図。 本発明に係るエネルギー蓄積部の実施形態を示す回路図。 本発明に係る電力変換装置におけるエネルギー蓄積部の実施形態を示す回路図。 本発明に係る電力変換装置におけるエネルギー蓄積部の制御回路の一例を示す回路図。 本発明に係る電力変換装置におけるエネルギー蓄積部の制御回路の他例を示す回路図。 従来の電力変換装置の構成図。

以下、本発明に係る電力変換装置の各の実施形態を、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の電力変換装置を示しており、図２５と同一部分には同一符号を付している。本の実施形態は、直流電車に適用される電力変換装置である。

図１に示すように、直流架線１にパンタグラフ２を介して、直流電力を取り込む。この直流電力は、接触器３とリアクトル１０Ａ及びコンデンサ１０ＢからなるＬＣフィルタ１０を経て、負荷運転部をなしているインバータ７にて交流に変換され、該変換出力は負荷８に与えられ、負荷８を駆動する。ここで、インバータ７が電圧型インバータである場合、コンデンサ１０Ｂは、ＬＣフィルタの一部であるとともに、電圧型インバータ７への入力側コンデンサを兼ねている。ここで、負荷８は、典型的には電動機であり、力行と共に回生ができるものであったり、電車の補機（空調、照明、ファンなど）のような力行のみの場合もあり得る。

また、インバータ７の直流側に、エネルギー蓄積部１２をリアクトル１０Ａとインバータ７との間に接続し、該エネルギー蓄積部１２にエネルギー消費部１１を並列に接続している。

エネルギー蓄積部１２は、複数のエネルギー蓄積回路１３（１３−１，１３−２，１３−３）を直列接続している。

エネルギー蓄積回路１３（１３−１）を例示的に説明すると、該回路１３は、コンデンサ１３Ａからなる蓄積要素部と、スイッチング素子による変換器１３Ｂとからなる変換部とを具備する。

このような構成で、負荷８が電動機のように力行と回生とが行われるものである場合、力行運転時は、接触器３を閉じ、パンタグラフ２を介して直流電力を取り込み、フィルタ１０を経て、負荷運転部をなしているインバータ７にて交流に変換し、該変換出力により負荷８を駆動する。

また、回生運転時又は回生運転の特定条件時にあっては、接触器３を開き、ないしは閉じた状態でエネルギー蓄積部１２におけるコンデンサ１３Ａからなる蓄積要素部に、負荷８の全ての回生エネルギー又は一部の回生エネルギーを吸収し、蓄積することができる。

一方、負荷８が電車の補機のような力行のみ運転可能である場合に、エネルギー蓄積部１２におけるコンデンサ１３Ａからなる蓄積要素部にエネルギーを蓄積しておく。そして、離線や停電といったパワーが不足する状態となったとき、エネルギー蓄積部１２におけるコンデンサ１３Ａからなる蓄積要素部に既に蓄積しているエネルギーを補機に供給し、補機の運転継続を行うことができる。

なお、エネルギー蓄積部１２を構成するエネルギー蓄積回路１３は、スイッチング素子による変換器１３Ｂを有するので、直流電源である直流架線に流入出する高調波を発生する虞がある。この場合、本の実施形態では、エネルギー蓄積回路１３は、直流電源である直流架線１との間にＬＣフィルタ１０あるいはリアクトル１０Ａを備えるため、直流架線に流入出する高調波を抑制することができる。

また、エネルギー消費部１１を設けているので、エネルギー蓄積部１２のエネルギーを短時間で放電させる必要がある場合に好適である。

さらに、エネルギー蓄積部１２におけるＬＣフィルタ１０、リアクトル１０Ａ、接触器３、エネルギー消費部１１等は、インバータ７のものと共有することで、装置全体の小型、軽量及び低コスト化が図れる。

（第２の実施形態）
図２は、第２の実施形態の電力変換装置を示しており、図１と同一部分には同一符号を付している。本の実施形態は、交流電車に適用される電力変換装置である。

図２に示すように、交流架線１４にパンタグラフ２を介して、交流電力を取り込む。この交流電力は、トランス１５、接触器１６、コンバータ１７を経て直流電力を得、この直流電力を、負荷運転部をなしているインバータ７にて交流に変換され、該変換出力は負荷８に与えられ、負荷８を駆動する。

また、インバータ７の直流側にエネルギー消費部１１を並列に接続し、エネルギー蓄積部１２を接触器１６とインバータ７との間に接続している。

他の構成は、図１に示す第１の実施形態と同様である。

本の実施形態は、負荷運転部がトランス１５、接触器１６及びコンバータ１７を含むものであり、図１に示す第１の実施形態と同様に作用する。

（第３の実施形態）
図３は、第３の実施形態の電力変換装置を示しており、先の図と同一部分には同一符号を付している。本の実施形態は、３相交流電源に適用される電力変換装置である。

図３に示すように、３相交流電源１８にトランス１９を介して交流電力を取り込む。この交流電力は、リアクトル２０Ａ、コンデンサ２０Ｂ及びリアクトル２０ＣからなるＬＣＬフィルタ２０を通して、コンバータ１７にて直流電力を得、この直流電力を、負荷運転部をなしているインバータ７にて交流に変換され、該変換出力は負荷８に与えられ、負荷８を駆動する。

また、エネルギー蓄積部１２をコンバータ１７とインバータ７との間に接続している。

他の構成は、図１に示す第１の実施形態と同様である。

本の実施形態は、負荷運転部がトランス１９、ＬＣＬフィルタ２０及びコンバータ１７を含むものであり、図１に示す第１の実施形態と同様に作用する。

なお、図２及び図３において、リアクトルは、トランス１５，１９の漏れインダクタンスとして構成される場合があるため、ハードウェアとしてはリアクトルは実在しない場合がある。

次に、図４を参照してエネルギー蓄積部１２の実施形態を説明する。

図４（ａ）に示すエネルギー蓄積部１２（１２−１）は、コンデンサ等の蓄積要素部２１のみからなる。

図４（ｂ）に示すエネルギー蓄積部１２（１２−２）は、蓄積要素部２１と、該蓄積要素部２１をインバータ７等の主回路に接続するための変換部２２とからなる。変換部２２は、スイッチング素子２２Ａ及びリアクトル２２Ｂからなるチョッパ回路である。

図４（ｃ）に示すエネルギー蓄積部１２（１２−３）は、蓄積要素部２１と、変換部２３とからなる。変換部２３は、スイッチング素子２３Ａ、ダイオード２３Ｂ及びリアクトル２３Ｃからなるチョッパ回路である。

図４（ｄ）に示すエネルギー蓄積部１２（１２−４）は、蓄積要素部２１と、変換部２４とからなる。変換部２４は、スイッチング素子２４Ａ、リアクトル２４Ｂ、トランス２４Ｃ、リアクトル２４Ｄ、スイッチング素子２４Ｅからなり、絶縁リンクを図っている。

次に、図５を参照してエネルギー消費部１１の実施形態を説明する。

図５（ａ）に示すエネルギー消費部１１（１１−１）は、直列に接続したスイッチング素子２５及び抵抗２６からなる。

図５（ｂ）に示すエネルギー消費部１１（１１−２）は、直列に接続した接触器２７及び抵抗２６からなる。

このエネルギー消費部１１は、回生中に、電源側の負荷が小さくなり、余剰な回生パワーのため、架線電圧あるいはインバータ直流入力電圧が上昇するのを抑制するため、エネルギー消費部１１において、エネルギー消費を行い、架線電圧すなわちインバータの直流入力電圧を所定値以内に維持する、すなわち、安定化するものである。

例えば、インバータ直流入力電圧が高くなると、インバータの耐圧から保護動作となり、運転継続ができない。電車の場合、保護動作にかからないように、回生パワーを抑制するが、これは電気ブレーキ力を減少させることになる。

車両としてのブレーキ力は一定に維持したいため、電気ブレーキ力で不足する分を機械ブレーキで補うが、これが全てエネルギー損失となる。

そこで、本発明のようにエネルギー蓄積部１２を備える場合、インバータ７の直流入力電圧の安定化・過電圧の抑制は、エネルギー蓄積部１２で行える。ただし、エネルギー蓄積部１２にも許容値があるため、全回生パワーを吸収できない場合がある。このとき、補助的にエネルギー消費部１１を作用させて、直流電圧の安定化・過電圧の抑制を図ることができる。

このとき、エネルギー蓄積部１２自体にパワーを調整する能力があるため、エネルギー消費部１１には、パワーを調整する能力は不要である。すなわち、スイッチング素子は不要であり、単にエネルギー消費手段のＯＮ／ＯＦＦを制御する接触器があれば、十分であり、装置の簡略化が図れ、小型・軽量・低コスト化が期待できる。

（第４の実施形態）
図６は、第４の実施形態の電力変換装置を示しており、先の図と同一部分には同一符号を付している。

図６に示すように、直流電源２８に、複数の負荷運転部２９（２９−１）、（２９−２）、（２９−３）を接続すると共に、直列に接触器３０を、またリアクトル３１Ａ及びコンデンサ３１ＢからなるＬＣフィルタ３１を介してエネルギー蓄積部１２を接続している。従って、エネルギー蓄積部１２は、リアクトル１０Ａ、接触器３より直流電源２８側に接続されている。ＬＣフィルタ３１に代えて、他のパッシブフィルタやアクティブフィルタを用いても良い。

負荷運転部２９は、接触器３、リアクトル１０Ａ及びコンデンサ１０ＢからなるＬＣフィルタ１０、インバータ７及び負荷８からなる。

このように構成された本の実施形態によれば、次のように作用する。先ず、エネルギー蓄積部１２は、電源電圧の安定化、つまり上昇し過ぎたり低下しすぎたりしないように、エネルギー蓄積部１２により、パワーの流入出を行い、電源電圧の安定化を図るものである。

負荷運転部２９が複数存在する場合、各々にエネルギー蓄積部１２を備えるより、１つで補償した方が小型・軽量・低コスト化できる。すなわち、小容量で複数のものより、大容量で１つのものの方が小型・軽量・低コストになる。

また、複数の負荷運転部２９で、元々、電源が安定化されることもあり、エネルギー蓄積部１２の容量を小さくする効果もある。

またエネルギー蓄積部１２を接触器３より直流電源２８側に接続しているので、ある負荷運転部２９が異常な動作で、保護トリップする場合、接触器３を開放することがある。こういった場合にも、エネルギー蓄積部１２は、その能力に影響を受けることなく、運転を継続することができる。

さらに、エネルギー蓄積部１２をリアクトル１０Ａより直流電源２８側に接続しているので、エネルギー蓄積部１２を電源端に備えた場合、エネルギー蓄積部１２から高調波を電源へ流入出する場合があるが、ＬＣフィルタ３１を備えたことでこれを抑制する効果がある。

（第５の実施形態）
図７は、第５の実施形態の電力変換装置を示しており、先の図と同一部分には同一符号を付している。

図７に示すように、交流電源３２にトランス３３を介して、ダイオード整流器等の回生運転ができないコンバータ３４を接続し、該コンバータ３４をコンデンサ６及びインバータ７を介して負荷８に接続している。コンバータ３４は、力行電力の許容量に比べ回生電力の許容量が小さく設定されている。また、インバータ７とコンバータ３４との間にエネルギー蓄積部１２を接続している。

このような構成の本の実施形態によれば、エネルギー蓄積部１２により、基本的に回生パワーを吸収するとすると、コンバータ３４が電源回生する回生パワーは必然的に小さくなる。また、回生のパワーも力行加速パワーも同程度と仮定すれば、コンバータの力行能力も小さくなる。

しかしながら、システムの信頼性を考えると、エネルギー蓄積部１２だけが故障又は保護動作になった場合、運転継続ができないという問題がある。

ブレーキに関しては、保安上の観点から機械ブレーキは必ずあるため、回生、すなわち、電気ブレーキがかけられなくとも、運転継続は可能である。

しかしながら、力行加速は代替がきかない。よって、エネルギー蓄積部１２を備えたシステムであっても、システムの信頼性からは、力行はコンバータ３４を介して行われる必要がある。

すなわち、従来の力行・回生が同程度に可能なコンバータを使ったシステムにくらべ、通常時には、回生パワーをエネルギー蓄積部１２で吸収し、架線電圧やインバータ入力電圧の安定化を図り、エネルギー効率を向上し、エネルギー蓄積手段の故障・保護時には、車両としての加速／ブレーキ性能の劣化を防止することができる。すなわち、システムの信頼性は維持でき、小型・軽量・低コストなシステム、つまりコンバータ３４の代わりに力行・回生が同容量可能なコンバータを備えるのに比べ、コンバータが簡易化できる。

（第６の実施形態）
図８は、第６の実施形態の電力変換装置を示しており、先の図と同一部分には同一符号を付している。

図８に示すように、直流電源２８にリアクトル１０Ａ及びコンデンサ１０ＢからなるＬＣフィルタ１０を介して、ＤＣ／ＤＣコンバータ３５が接続され、コンデンサ６、インバータ７及び負荷８が接続される。

インバータ７の直流側であるＤＣ／ＤＣコンバータ３５とインバータ７との間にエネルギー蓄積部１２を接続し、また別のエネルギー蓄積部３６も接続している。

このように構成された本の実施形態によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ３５が、電源２８とインバータ７との間にあることで、インバータ直流入力電圧を、電源側の負荷条件に依らず、所定値にすることができる。

また、インバータ直流入力電圧を所定値に制御することができるため、負荷８の出力性能を常に計画値に維持することができるメリットがある。例えば、現状の車両においては、架線電圧によって、電動機出力が変わるが、本の実施形態を採用することで、このような出力変動を抑制することができる。

これにより、例えば、車両の性能計画が精度よくたてられるとともに、高いインバータ直流入力電圧を計画することが可能となり、車両性能を向上することができる。

なお、エネルギー蓄積部のみを直接インバータ直流入力側に接続する場合、ＤＣ／ＤＣコンバータがないと、エネルギー蓄積部の電圧は定常的に架線電圧に一致する。本来、インバータが回生を開始する際には、エネルギー蓄積部の蓄積エネルギー量は小さい方が望ましい。しかしながら、エネルギー蓄積部が架線電圧に一致すると、必ずしも、そういう状態からの回生にはなりえない。よって、回生エネルギー吸収の効果が低減してしまう。かかる問題点の解消に本の実施形態は寄与するものとなる。

また、直流電源２８とＤＣ／ＤＣコンバータ３５との間にフィルタ１０を接続しているので、次のような利点が得られる。すなわち、仮に、ＤＣ／ＤＣコンバータが直接電源と接続すると、電源へ流入出する高調波が増大することが懸念される。電車では、電源への高調波電流が増大すると、信号系への影響が生じるため、高調波電流に規定がある。エレベータや他の用途においても、電源高調波は様々な障害を引き起こすため、重要な課題の一つになっている。

よって、本の実施形態のように、ＤＣ／ＤＣコンバータ３５を電源２８に直結する構成においては、フィルタ１０により高調波を抑制することで、信号系への誤動作を防止することが可能となる。

次に、図９を参照してＤＣ／ＤＣコンバータ３５の実施形態を説明する。

図９（ａ）に示すＤＣ／ＤＣコンバータ３５（３５−１）は、直列接続した２つのスイッチング素子３５Ａの接続点にリアクトル３５Ｂを接続し、力行と回生とを行うことができる構成である。

図９（ｂ）に示すＤＣ／ＤＣコンバータ３５（３５−２）は、直列接続したスイッチング素子３５Ａとダイオード３５Ｃの接続点にリアクトル３５Ｂを接続し、力行のみを行うことができる構成である。

（第７の実施形態）
図１０は、第７の実施形態の電力変換装置を示しており、先の図と同一部分には同一符号を付している。

図１０に示すように、本の実施形態は、図８に示す第６の実施形態の電力変換装置におけるＤＣ／ＤＣコンバータ３５の電源側を、交流電源３２、トランス３３、コンバータ３４、コンデンサ３８に置き換えたものである。

他の構成及び作用は、図８に示す第６の実施形態の電力変換装置と同様である。

（第８の実施形態）
図１１は、第８の実施形態の電力変換装置を示しており、先の図と同一部分には同一符号を付している。

図１１に示すように、直流電源２８に、リアクトル３９を介し、複数の負荷運転部４０（４０−１），（４０−２），（４０−３）を直列に接続している。負荷運転部４０は、エネルギー蓄積部１２を、コンデンサ６、インバータ７及び負荷８に接続している。また、エネルギー蓄積部１２は、蓄積要素部であるコンデンサ４０Ａと、チョッパである変換部４０Ｂとからなる。

このように構成された本の実施形態の作用について説明する。すなわち、インバータ６を電源に直列に接続した構成は、高圧の直流電源に対し、低圧のインバータを接続適用できるメリットがある。しかしながら、各負荷のアンバランスによって、各コンデンサ電圧すなわち各インバータの直流入力電圧がアンバランスし易い。

このコンデンサ電圧のバランス制御には、きめ木目細かな制御が不可欠で、高速な制御応答が必要である。インバータの性能・構成・条件に依っては、安定化が困難な場合がある。

かかる問題点を解消するために、本の実施形態では、エネルギー蓄積部１２を各コンデンサ６に備える場合、エネルギー蓄積部１２に備わる変換部４０Ｃにその役割を分担させることが可能であり、安定化が容易になる。

エネルギー蓄積部１２として、変換部４０Ｃを備えず、大容量キャパシタなどを直結する場合には、そもそも急激な電圧アンバランスを抑制することができるため、インバータ制御で必要とされるアンバランス抑制制御は、応答の遅いもので代用でき、安定化が図れる。

以上のように、本の実施形態では、各負荷のアンバランス制御が容易に実現できるため、低圧インバータを複数台直列接続した電力変換装置を実現することが可能となる。一般に、高耐圧素子は電流容量も大きいため、負荷容量が小さい場合に、高圧直流電源に接続すると、電流利用率が悪く、コストが増加する場合がある。低圧素子で素子利用率を高くした低圧インバータで構成する場合、コストメリットがでる。

（第９の実施形態）
図１２は、第９の実施形態の電力変換装置を示しており、図１１と同一部分には同一符号を付している。

図１２に示すように、直流電源２８に、リアクトル３９を介し、複数の負荷運転部４１（４１−１），（４１−２），（４１−３）を直列に接続している。負荷運転部４１は、エネルギー蓄積部としてコンデンサ４１Ａを有する。

他の構成及び作用は、図１１に示す第８の実施形態の電力変換装置と同様である。

更に、エネルギー蓄積手段にスイッチング素子を有する変換器を備えないため、エネルギー損失が小さく、故障率が低下し信頼性が高いとともに、スイッチング素子の開閉により生じる高調波の問題も生じない。

（第１０の実施形態）
図１３は、第１０の実施形態の電力変換装置を示しており、先の図と同一部分には同一符号を付している。

図１３に示すように、直流電源２８に、リアクトル３９を介し、複数の負荷運転部４２（４２−１），（４２−２），（４２−３）を直列に接続している。

負荷運転部４２は、正側コンデンサ６Ａと負側コンデンサ６Ｂを備えると共に各相毎に３電位を出力可能な３レベルインバータ４２Ｃを設けて、該３レベルインバータ４２Ｃにより負荷８を駆動する。また、正側コンデンサ６Ａと負側コンデンサ６Ｂとにはエネルギー蓄積部４２Ａ，４２Ｂとして、蓄積要素部であるコンデンサ４２Ａ１，４２Ｂ１と、変換部４２Ａ２，４２Ｂ２とを接続している。

このように構成された本の実施形態によれば、次のように作用する。

３レベルコンバータでは、元来、正側コンデンサと負側コンデンサ電圧がアンバランスすることが知られており、様々なアンバランス抑制制御が提案されている。しかしながら、出力電流が小さい場合なと、アンバランス抑制効果が得られないといった問題や、アンバランス抑制制御のために、インバータの電圧利用率が低下するといった問題がある。

これに対し、本の実施形態のように、正負各コンデンサ６Ａ，６Ｂにエネルギー蓄積部４２Ａ，４２Ｂを備えることで、エネルギーの吸収という機能だけでなく、正負コンデンサ６Ａ，６Ｂの電圧アンバランス制御を担わせることができる。この結果、３レベルインバータ４２Ｃの制御の安定性が向上し、また、電圧利用率向上のため、小型・軽量・コストダウン・出力増大などの効果がある。

この３レベルインバータ４２Ｃを直列に接続する点は、先の例と同様の効果を奏するものである。

（第１１の実施形態）
図１４は、第１１の実施形態の電力変換装置を示しており、先の図と同一部分には同一符号を付している。

図１４に示すように、交流電源３２にトランス３３を介して３レベルコンバータ４３を接続し、３レベルコンバータ４３と３レベルインバータ４６とのＰ、Ｎ及び中性点を接続すると共に各線間にエネルギー蓄積部４４（４４−１），（４４−２）及びコンデンサ４５（４５−１），（４５−２）を接続し、３レベルインバータ４６により負荷８を駆動する。

この３レベルコンバータ４３、コンデンサ４５（４５−１），（４５−２）及び３レベルインバータ４６により負荷運転部を構成し、各線間にエネルギー蓄積部４４（４４−１），（４４−２）を設けたことにより、負荷８が回生運転できる場合には、正側及び負側の回生エネルギーを効果的に吸収することができ、負荷８が力行運転だけができる場合には、電源断等が発生しても事前にエネルギー蓄積部４４（４４−１），（４４−２）にエネルギー蓄積しておくことで、その蓄積エネルギーにより負荷又は補機等の継続運転を可能にすることができる。

また、正側電圧と負側電圧とのアンバランスの抑制に関しては、先の例と同様の効果を奏するものである。

（第１２の実施形態）
図１５は、第１２の実施形態の電力変換装置を示しており、図１４と同一部分には同一符号を付している。

図１５に示すように、交流電源３２にトランス３３を介して３レベルコンバータ４３を接続し、３レベルコンバータ４３と３レベルインバータ４６とのＰ、Ｎ及び中性点を接続する。３レベルコンバータ４３の線間にエネルギー蓄積部４７（４７−１），（４７−２）及びコンデンサ４８（４８−１），（４８−２）を接続し、３レベルインバータ４６の線間にエネルギー蓄積部４７（４７−３），（４７−４）及びコンデンサ４８（４８−３），（４８−３）を接続し、３レベルインバータ４６により負荷８を駆動する。

このような構成は、図１４の３レベルコンバータ４３と３レベルインバータ４６との中性点を接続しない構成と等価であり、この点を除き図１４と同様の効果が得られる。

図１５では、３レベルコンバータ４３と３レベルインバータ４６との中性点を接続しないことにより、３レベルコンバータ４３及び３レベルインバータ４６の力行及び回生動作に対応して、３レベルコンバータ４３側のエネルギー蓄積部４７（４７−１），（４７−２）と、３レベルインバータ４６側のエネルギー蓄積部４７（４７−３），（４７−４）とを個別に動作させることができる利点がある。

（第１３の実施形態）
図１６は、第１３の実施形態の電力変換装置を示しており、先の図と同一部分には同一符号を付している。

図１６に示すように、直流電源２８に、リアクトル３９を介し、１又は複数の第１の負荷運転部４９及び第２の負荷運転部５０を直列に接続している。

第１の負荷運転部４９は、コンデンサ４９Ａ，４９Ｂを線間に接続した３レベルインバータ４９Ｃにより負荷８を駆動する。

第２の負荷運転部５０は、コンデンサ６を接続したインバータ（２レベルインバータ）７により別の負荷８′を駆動する。

第１，第２の負荷運転部４９，５０夫々にその直流側を接続した第１のＤＣ／ＡＣ変換器５１を介してトランス５２の１次側が接続されている。トランス５２の２次側は、第２のＤＣ／ＡＣ変換器５３を介してエネルギー蓄積部５４が接続されている。

なお、ＤＣ／ＡＣ変換器５１（又は５３）は、図１７に示すように、スイッチング素子５１Ａをブリッジ接続した構成のものを採用することができる。

さらに、トランス５２における５２Ａは１次巻線、５２Ｂは１次巻線５２Ａに含まれるリアクトルに相当する成分又はハードウェアとして存在するリアクトル、５２Ｃは２次巻線、５２Ｂは２次巻線５２Ｃに含まれるリアクトルに相当する成分又はハードウェアとして存在するリアクトルである。

このような構成の本の実施形態では、３レベルインバータ４９Ｃの正側コンデンサ４９Ａと負側コンデンサ４９Ｂの電圧アンバランスと、（２レベル）インバータ７を直列接続する場合のコンデンサ電圧のアンバランスとを抑制するため、各々のコンデンサ端にＤＣ／ＡＣ変換器５１を備え、トランス５２を介して、共通のエネルギー蓄積部５４およびＤＣ／ＡＣ変換器５３と接続されるので、各電圧アンバランスを抑制することができる。また、エネルギー蓄積部５４を共有しているので、装置の小型・軽量・低コスト化が可能となる。

（第１４の実施形態）
図１８は、第１４の実施形態の電力変換装置を示しており、先の図と同一部分には同一符号を付している。

図１８に示すように、直流電源２８に、リアクトル３９（３９−１）を介し、第１の負荷運転部４９を接続し、同じく直流電源２８に、リアクトル３９（３９−２）を介し、第２の負荷運転部５０を含む複数の負荷運転部４９（５０）を接続している。従って、直流電源２８に、リアクトル３９（３９−１），（３９−２）を介し、負荷運転部４９，５０を並列接続している。

また、図１６に示す第１３の実施形態と同様に負荷運転部４９，５０の直流側には第１のＤＣ／ＡＣ変換器５１を介してトランス５２の１次側が接続されている。トランス５２の２次側は、第２のＤＣ／ＡＣ変換器５３を介してエネルギー蓄積部５４が接続されている。

このような構成の本の実施形態では、負荷運転部４９，５０の並列接続の構成を除き、図１６に示す第１３の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

また、トランス５２を共有化しているので、全体として、エネルギー蓄積部５４および第２のＤＣ／ＡＣ変換器５３の共有化が図られる。

（第１５の実施形態）
図１９は、第１５の実施形態の電力変換装置を示しており、先の図と同一部分には同一符号を付している。

図１９に示すように、交流電源３２にトランス５５の一次側の巻線５５Ａを接続し、その二次側の巻線５５ＢＣ１及びリアクトル５５Ｂ２に複数の負荷運転部５６（５６−１），（５６−２）と、同じく二次側の巻線５５Ｃ１及びリアクトル５５Ｃ２にコンバータ５７、コンデンサ５８及びエネルギー蓄積部１２を接続している。

負荷運転部５６は、コンバータ５６Ａ、コンデンサ５６Ｂ、インバータ５６Ｃを有し、このインバータ５６Ｃの出力により、負荷８は駆動される。

このような構成の本の実施形態で、電車を想定した場合、電車では、１つのトランスに１〜５つの負荷運転部（主電動機制御装置や補助電源装置が接続されるための巻線がある）が接続されている。

本の実施形態のようにトランス５５の新たな二次側の巻線５５Ｃ１にエネルギー蓄積部１２を備えることで、全ての負荷運転部５６に対して、回生電力の吸収や、停電、離線（パンタグラフが架線から離れる）時の直流電源の安定化を図ることができる。

（第１６の実施形態）
図２０は、第１６の実施形態の電力変換装置を示しており、先の図と同一部分には同一符号を付している。

図２０に示すように、交流電源３２にトランス５９の一次側の巻線５９Ａを接続し、その二次側の巻線５９Ｂ及びリアクトル５９Ｃに、負荷運転部６０と、コンバータ５７、コンデンサ５８及びエネルギー蓄積部１２からなる回路とを、並列に接続している。

負荷運転部５６は、接触器６０Ａ、コンバータ６０Ｂ、コンデンサ６０Ｃ、インバータ６０Ｄを有し、このインバータ６０Ｄの出力により、負荷８は駆動される。

このような構成の本の実施形態では次のように作用する。先ず、通常時は、負荷運転部６０に対して、その回生電力の吸収や、停電、離線（パンタグラフが架線から離れる）時のエネルギー供給により、負荷運転部６０の直流電圧の安定化を図ることができ、その出力を安定化することができる。

負荷運転部６０が故障や保護で停止する場合、接触器６０Ａを開放する場合がある。このとき、接触器６０Ａより電源３２側に接続されるエネルギー蓄積部１２は、負荷運転部６０の故障・保護動作の影響を受けることなく、その機能を維持することができる。電源３２を介し、他の同様な負荷運転部６０からのパワー流入出を行い、架線電圧自体の安定化を図ることができる。

以上の説明は、変換装置の主回路をなす負荷運転部とエネルギー蓄積部との接続関係を説明したが、以下ではエネルギー蓄積部の回路等の形態及びその制御形態について説明する。

先ず、図２１を参照してエネルギー蓄積部の回路構成等に関する実施形態を説明する。

図２１（ａ）は、一のエネルギー蓄積回路１２´と、他のエネルギー蓄積回路２１とを並列に接続したものであり、図２１（ｂ）は、一のエネルギー蓄積回路１２´と、他のエネルギー蓄積回路２１とを直列に接続したものである。

エネルギー蓄積回路１２´は、蓄積要素部と変換部とからなり、エネルギー蓄積回路２１は蓄積要素部のみからなる。

図２１（ａ）のように、エネルギー蓄積回路を並列接続することで、冗長性が増加するため、信頼性が向上する。

図２１（ａ）の構成では、出力電圧がインバータ入力直流電圧になる場合が多く、その出力電圧範囲は限定され、エネルギー蓄積部２１の容量の利用率は悪い。すなわち、それのみで構成する場合、装置体格が大きく、重量増となる。一方で、変換部を介さないため、機器信頼性が向上する。また、変換部を介さないため、効率も向上する。また、変換部を介した場合、その制御応答は有限であり、インバータ７からの急激なパワー変動の影響には応答できず、インバータ直流入力電圧が跳ね上がる、という問題が生じる場合があるが、図２１（ａ）のように構成した場合には、制御応答の遅れがない分、そのような過電圧が起こりにくい。また、変換器を介した場合、エネルギー蓄積部の容量の利用率は高く、小型化・軽量化が図れる。したがって、双方を組み合わせることで、それぞれの効果を併せ得ることができる。なお、変換器を備えないエネルギー蓄積部２１をインバータの近傍に、変換器を備えたエネルギー蓄積部１２′をインバータから離れた位置に配置することで、エネルギー蓄積部の設置場所が問題となる場合、有効である。

一方、図２１（ｂ）の構成では、それぞれのエネルギー蓄積部の電圧は、それぞれの変換器により制御可能である。例えば、エネルギー蓄積部として電気２重層コンデンサを利用した場合、電気２重層コンデンサの１セルあたりの電圧は、３Ｖ程度である。これを直列に接続して高圧化しているため、各セルごとの電圧アンバランスが生じ、容量利用率や寿命などが劣化する場合がある。本実施例に依れば、それぞれのエネルギー蓄積部の電圧を、それぞれの変換器により制御可能であるため、前記アンバランスの問題が抑制され、容量利用率や寿命の劣化を抑制することができる。

一方、図２１（ｂ）の構成では変換部を介したエネルギー蓄積回路２１は、その逆の特性を有することになる。

よって、図２１（ａ）（ｂ）に示す並列接続と直列接続とを組み合わせることで、装置の要求に適した最適な特性を得ることができる。

上記において、エネルギー蓄積部１２の蓄積要素部は、鉛蓄電池、ＮａＳ電池（ナトリウムイオウ電池）等の２次電池又は大容量キャパシタとして電気２重層コンデンサを用いることができるが、図２２に示すように、フライホイール６１を用いたり、超伝導コイルと変換器からなる構成を採用することができる。

次に、図２３及び図２４を参照してエネルギー蓄積部の制御形態について説明する。

図２３は、２次電池又は大容量キャパシタとして電気２重層コンデンサ等の蓄積要素部６２Ａに直列に接触器６２Ｂを接続したエネルギー蓄積部６２であり、蓄積要素部６２Ａの端子電圧を電圧検出回路６３で検出し、またエネルギー蓄積部６２の端子電圧を電圧検出回路６４で検出する。両者の差異を絶対値演算器６５で求めコンパレータ６６を通すことにより、該差異が所定値以内である場合にリレー６７により接触器６２Ｂを閉とするものである。

２次電池や大容量キャパシタなどのエネルギー蓄積部６２を有した回路を閉とする場合、外部の接続点との間に電圧差があると、過大な電流が流れる。大容量であるため、それが長時間持続する可能性もある。このような過電流により、エネルギー蓄積部６２のみならず、外部の機器の過電流を引き起こし、故障や保護といった問題が生じる。

図２３の形態では、接触器６２Ｂが開である状態では、外部とエネルギー蓄積部６２自身の電圧差が近傍となった場合に接触器６２Ｂを閉じることで、過電流を抑制することが可能となる。

図２４（ａ）は、２次電池又は大容量キャパシタとして電気２重層コンデンサ等の蓄積要素部６８Ａに直列に、第１の接触器６２Ｂ及び並列インピーダンスとして抵抗６８Ｃと、第２の接触器６８Ｄを接続したエネルギー蓄積部６８であり、図２４（ｂ）に示すように、第２の接触器６８Ｄを開から閉とする場合に、蓄積要素部６８Ａの端子電圧とエネルギー蓄積部６８の端子間電圧との差異が小さくなった条件で第１の接触器６８Ｂを閉とするものである。

この制御形態によれば次のように作用する。すなわち、エネルギー蓄積部６８を閉とする場合、先に述べたように突入電流が問題となる。

ここでは、突入電流による過電流を防止するため、接続指令がでた直後は、突入電流防止用のインピーダンスである抵抗６８Ｃを介して電流を流す。その後、所定時間経過をもって、抵抗６８Ｃをパスさせるように、第１の接触器６２Ｂを閉とすることで、所定時間インピーダンスである抵抗６８Ｃを介して回路を閉とすることで、蓄積要素部６８Ａの電圧と、外部入力電圧との差は減少して、過電流を回避することができる。なお、所定時間でなく、図２３のように、検出した電圧に応じて、第１の接触器６２Ｂを閉とすることでも良い。

上記目的を達成するために本発明の実施形態は、エネルギーを蓄積するエネルギー蓄積手段と、直流側に前記エネルギー蓄積手段が接続された第１のＤＣ／ＡＣ変換器と、直流電源と、前記直流電源に接続された第１のインバータと、前記第１のインバータの交流側に接続された第１の負荷と、前記第１のインバータの直流側に接続された第２のＤＣ／ＡＣ変換器と、第１の巻線に前記第１のＤＣ／ＡＣ変換器が接続され、第２の巻線に前記第２のＤＣ／ＡＣ変換器が接続された変圧器とを備えたことを特徴とする電力変換装置、である。

同目的を達成するために本実施形態は、直流電源に接触器を介して接続されたインバータと、このインバータの出力を受ける負荷とからなる負荷運転手段を備える電力変換装置において、前記接触器と前記インバータとの間に接続されたエネルギー蓄積手段を具備したことを特徴とする電力変換装置、である。

同目的を達成するために本実施形態は、直流電源に高調波を抑制するためのフィルタを介して接続されたインバータと、このインバータの出力を受ける負荷とを有する負荷運転手段を備える電力変換装置において、前記フィルタと前記インバータとの間に並列に接続されたエネルギー蓄積手段を具備したことを特徴とする電力変換装置、である。

同目的を達成するために本実施形態は、直流電源に接続されたインバータと、このインバータの出力を受ける負荷と、前記インバータの直流入力側に接続されたエネルギー消費手段とを有する負荷運転手段を備える電力変換装置において、前記エネルギー消費手段と並列に接続されたエネルギー蓄積手段を具備したことを特徴とする電力変換装置、である。

同目的を達成するために本実施形態は、直流電源にリアクトルを介して接続されたインバータと、このインバータの出力を受ける負荷とを有する負荷運転手段を、同一の前記直流電源に複数接続された電力変換装置において、前記リアクトルより前記直流電源側に接続されたエネルギー蓄積手段を具備したことを特徴とする電力変換装置、である。

同目的を達成するために本実施形態は、直流電源に接触器を介して接続されたインバータと、このインバータ出力を受ける負荷とを有する負荷運転手段を同一の前記直流電源に１つ以上接続された電力変換装置において、前記接触器より前記直流電源側に接続されたエネルギー蓄積手段を具備したことを特徴とする電力変換装置、である。

同目的を達成するために本実施形態は、交流電源に接続され、交流を直流に変換するコンバータと、このコンバータの直流側に接続されたインバータと、前記インバータの出力を受ける負荷とを有する負荷運転手段を備える電力変換装置において、前記インバータと前記コンバータとの間にエネルギー蓄積手段を備えると共に前記コンバータは、力行電力の許容量に比べ回生電力の許容量が小さいことを特徴とする電力変換装置、である。

同目的を達成するために本実施形態は、直流電源に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータと、このＤＣ／ＤＣコンバータに接続されたインバータと、このインバータの出力を受ける負荷とを有する負荷運転手段を備える電力変換装置において、前記インバータの直流側に接続されたエネルギー蓄積手段を具備したことを特徴とする電力変換装置、である。

同目的を達成するために本実施形態は、コンデンサと、このコンデンサに接続されるインバータと、このインバータの出力を受ける負荷を有する負荷運転手段を、２つ以上直列に接続すると共に直流電源に接続してなる電力変換装置において、前記負荷運転手段は、前記コンデンサに接続されたエネルギー蓄積手段を具備することを特徴とする電力変換装置、である。

同目的を達成するために本実施形態は、正側コンデンサと負側コンデンサとを備え各相毎に３電位を出力する３レベルインバータと、この３レベルインバータの出力を受ける負荷とを有する負荷運転手段を、１つ以上直列に直流電源に接続してなる電力変換装置において、前記負荷運転手段は、前記正側コンデンサ及び前記負側コンデンサ夫々に接続されるエネルギー蓄積手段を具備したことを特徴とする電力変換装置、である。

同目的を達成するために本実施形態は、正側コンデンサと負側コンデンサを備えた各相毎に３電位を出力する３レベルインバータと、この３レベレルインバータの出力を受ける負荷とを有する第１の負荷運転手段と、コンデンサを備え各相毎に２電位を出力する３レベルインバータと、この２レベルインバータの出力を受ける負荷とを有する第２の負荷運転手段とを１つ以上直列に直流電源に接続してなる電力変換装置において、前記第１の負荷運転手段の正側コンデンサと負側コンデンサと第２の負荷運転手段のコンデンサとに第１のＤＣ／ＡＣ変換器の直流側を接続し、この第１のＣＤ／ＡＣ変換器の交流側を同一トランスの別個の巻線に接続し、エネルギー蓄積手段を第２のＤＣ／ＡＣ変換器の直流側に接続し、この第２のＤＣ／ＡＣ変換器の交流側を前記トランスの別個の巻線に接続したことを特徴とする電力変換手段。

同目的を達成するために本実施形態は、交流電源に第１の巻線を接続したトランスの第２の巻線に接続され交流を直流に変換する第１のコンバータと、この第１のコンバータに接続されるインバータと、このインバータの出力を受ける負荷を有する負荷運転手段を備えた電力変換装置において、前記トランスは第３の巻線を有し、この第３の巻線に接続され交流を直流に変換する第２のコンバータと、この第２のコンバータの直流入力側に接続されたエネルギー蓄積手段とを具備することを特徴とする電力変換装置、である。

同目的を達成するために本実施形態は、交流電源に第１の巻線を接続したトランスの第２の巻線に接触器を介して接続され交流を直流に変換する第１のコンバータと、この第１のコンバータに接続されるインバータと、このインバータの出力を受ける負荷とを有する負荷駆動手段を備える電力変換装置において、前記第２の巻線と前記接触器との間に接続されるエネルギー蓄積手段を具備したことを特徴とする電力変換装置、である。

以上のような実施形態に係る電力変換装置によれば、直流電車に適用された場合にあってブレーキ時に回生パワーをエネルギー蓄積手段により吸収するので、力行負荷が小さい場合に生じる、エネルギー損失を抑制し、システム効率が向上する。またブレーキ時にパワーを吸収し、力行加速時にはパワーを供するため、システム効率の向上が図られる。さらに、機械ブレーキの補足がなくなるため機械ブレーキの磨耗軽減が図られる。

また新規にエネルギー蓄積手段を構成するに際し、既存機器との共有化を図り得るので、小型、軽量化、低コスト化に寄与できる。

さらに、電源の停電や電車で言えば架線からパンダグラフが離れる、いわゆる離線した場合には、インバータ直流入力電圧が低下あるいは増加し、運転継続不能となるが、本発明によるエネルギー蓄積手段により、かかる状態の直流を安定化し、運転継続を可能とすることができる。

また、３レベルのインバータやコンバータを直列化した場合、各コンデンサ電圧がアンバランスしやすく、制御による補償は条件が制約されるが、本発明においては、パワーの入出力が容易なエネルギー蓄積手段を各コンデンサ端に備えることで、容易にバランス化を図ることが可能となる。

１…直流架線、３，１６，２７，３０…接触器、６，３８，４５，４８，５８…コンデンサ、７…インバータ、８…電動機（負荷）、１０…フィルタ、１０Ａ，３７，３９…リアクトル、１１…エネルギー消費部、１２，３６，４７，５４，６２，６８…エネルギー蓄積部、１３…エネルギー蓄積回路、１５，１９，３３，５２，５５，５９…トランス、１７…コンバータ、１８，３２…交流電源、２０…ＬＣＬフィルタ、２１…エネルギー蓄積要素、２２，２３，２４…変換回路、２５…スイッチング素子、２６…抵抗、２８…直流電源、２９，４０，４１，４２，４９，５０，５６，６０…負荷運転部、３１…ＬＣフィルタ、３５…ＤＣ／ＤＣコンバータ、４３…３レベルコンバータ、４６…３レベルインバータ、５１…第１のＤＣ／ＡＣ変換器、５３…第２のＤＣ／ＡＣ変換器、５７…第２のコンバータ、６１…フライホイール。

Claims (4)

1. 電源と１次側で接続されるトランスと、
   前記トランスの２次側で接続したコンバータ、前記コンバータに接続したインバータ及び前記インバータの交流側に接続した負荷を有する負荷運転部と、
   前記トランスの２次側で接続したエネルギー蓄積部と
   を有することを特徴とする電力変換装置。
2. 前記負荷運転部は、複数備えること
   を特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記負荷運転部は、
   前記負荷が電動機であり、
   前記コンバータ及び前記インバータは、前記電動機の回生電力を前記トランスを介して、前記電源に供給すること
   を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電力変換装置。
4. 鉄道車両に適用される電力変換装置であって、
   架線と１次側で接続されるトランスと、
   前記トランスの２次側で接続したコンバータ、前記コンバータに接続したインバータ及び前記インバータの交流側に接続した電動機を有する負荷運転部と、
   前記トランスの２次側で接続したエネルギー蓄積部と
   を有することを特徴とする電力変換装置。

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