JP2015204665A - 電力変換装置及びそれを備えた鉄道車両 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄電装置を備えた補助電源装置の電力を利用するに際し、装置を小型化しつつ、回生電力を有効利用する。【解決手段】鉄道車両の電力変換装置は、第１の電力変換手段５と、第２の電力変換手段６と、第１のキャパシタ４と、第１のリアクトル３と第２のキャパシタ８を有し、第１の電力変換手段５と、第２の電力変換手段６を同一ユニット内で一体接続して構成し、蓄電手段１０と直列に第１の遮断器９ａと第２の遮断器９ｂを有し、第２の遮断器９ａと並列に抵抗１９ｂを有する。蓄電手段１０と第２のキャパシタ８との間に、第３の遮断器９ｃと、蓄電手段１０の電力を第２の交流電力に変換する第３の電力変換手段１２と、第３の電力変換手段１２の蓄電手段１０と接続される側に、蓄電手段１２と並列に接続される第３のキャパシタ１１と、蓄電手段１０と第３のキャパシタ１１との間に接続される第４の遮断器９ｄと、制御手段３１と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置に関し、特にインバータ装置、ＤＣ−ＤＣ変換装置、蓄電装置及び補助電源装置を備える鉄道車両の電力変換装置に適用して好適なるものである。

昨今、産業界で広く用いられているインバータ装置では、パルス幅変調（ＰＷＭ）方式を用いた可変電圧可変周波数（以下、可変電圧可変周波数をＶＶＶＦと称する。）制御により直流電力を交流電力に変換する方式が広く利用されている。

例えば鉄道車両の分野では、ＶＶＶＦインバータ装置を用いて電動機を駆動することで車両を加速させると共に、ブレーキ時に電動機を発電機として動作させることにより運動エネルギーを電気エネルギーに変換し、架空電車線（以下、架空電車線を電車線と称する。）へ戻す回生ブレーキ制御が広く用いられている。

また、蓄電装置を応用して、回生ブレーキにより得られる回生電力を充電することで蓄電し、この蓄電電力を車両の加速時の電力に活用したり、補機用電源、例えば空調装置や車内の照明用の電力に活用したりして、更なる省エネルギー化を実現させる技術が検討されている。

例えば、特許文献１には、蓄電電力を補助電源装置の電力として活用するシステムが開示されている。特許文献１に開示されているシステムは、回生電力貯蔵装置に補助電源装置が直列に接続されており、回生電力貯蔵装置及び補助電源装置の電流リップル低減用リアクトルを共用し、回生電力貯蔵装置の電力貯蔵部を介して補助電源装置へ直流電力を供給する構成を有する。

このような構成とすることにより、補助電源装置と回生電力貯蔵装置と並列に接続する場合に比べ、電流リップル低減用リアクトルを省略でき、さらに、回生電力貯蔵装置から補助電源装置に電力を供給する場合に、回生電力貯蔵装置から放電するための整流器のスイッチング動作が不要になり装置を小型化することができる。また、補助電源装置の入力電源が電力貯蔵部となるため、安定した入力電源として補助電源装置に電力を供給することができ、電車線停電時や、整流器（ＤＣ−ＤＣ変換回路）の故障時にも補助電源装置に電力を供給することができる。

また、電力変換装置およびＤＣ−ＤＣ変換回路１２５は、一般に電力用半導体素子を用いたスイッチング素子で構成される。ＰＷＭ方式による電力変換では、スイッチング素子のスイッチングにより直流電力を交流電力に変換するが、この電力変換の際に、高調波ひずみが発生することから、電力変換装置（インバータ回路）による高調波ひずみは、リアクトルとキャパシタからなるフィルタ回路で吸収するとともに、ＤＣ−ＤＣ変換回路による高調波ひずみも、リアクトルとキャパシタからなるフィルタ回路で吸収する構成とすることで、直流電車線への高調波ひずみの流入を防いでいる。

また、上記した電力変換装置は、車両を加速する力行時に、直流電車線から集電装置を通して直流電力を入力し、リアクトル、キャパシタを介して電力変換装置（インバータ回路）に電力を供給した後、直流電力を三相交流電力に変換することで電動機を駆動し、車両を加速させる。

また、車両を減速する回生ブレーキ時に、電動機より発生する回生電力を力行時と同経路により直流電車線に電力を戻すことで、回生電力は、同一線路上の他の車両の力行電力として用いられる。一方、上記の回生ブレーキ時において、電動機より発生した回生電力を蓄電装置により吸収し、補助電源装置の電力として電力を有効利用できる装置構成としている。とくに、直流電車線の負荷が小さく、直流電車線へ回生電力を戻せない軽負荷状態の場合、通常の電力変換装置（インバータ回路）は回生電流すなわち回生電力を絞り、空気ブレーキによりブレーキがかかる（軽負荷回生動作）が、この直流電車線へ戻せなくなった分の回生電力を蓄電装置により吸収することで、この軽負荷回生動作時の回生電力を有効利用することができる。

また、特許文献２には、蓄電電力の出力側に補助電源装置を備えることが開示されており、ＤＣ−ＤＣ変換回路（昇降圧チョッパ）と、蓄電装置と、補助電源装置が並列に接続され、また、インバータとＤＣ−ＤＣ変換回路（昇降圧チョッパ）は別ユニットとしてインバータの直流出力側で接続された構成となっている。特許文献２には、補助電源装置に接続される蓄電装置の入出力特性について開示されており、入出力特性は蓄電装置の蓄電量に対して一定の特性となっている。

特開２００９−９５０７９号公報 特開２００８−１３１８３４号公報

しかし、上記特許文献では、蓄電装置を受電するためのＤＣ−ＤＣ変換回路や直流電車線と接続される側の入力部にフィルタ回路が必要であり、システム全体の機器サイズが大型化するという問題があった。また、蓄電装置の電力を補助電源装置の電源電力として使用する場合、蓄電装置の入出力特性は、回生電力を有効利用できる特性となっていないため、回生電力を有効利用することができないという問題があった。

本発明は以上の点を考慮してなされたもので、蓄電装置を備えた補助電源装置の電力を利用するに際し、装置を小型化しつつ、回生電力を有効利用することが可能な電力変換装置及びそれを備えた鉄道車両を提案しようとするものである。

かかる課題を解決するために本発明においては、第１の直流電力を第１の正負の一対配線で受け、第１の交流電力に変換する第１の電力変換手段と、前記第１の電力変換手段の交流側に接続された電動機と、前記第１の直流電力を前記第１の正負の一対配線で受け、前記第１の直流電力の電圧レベルと異なる電圧レベルの第２の直流電力に変換し第２の正負の一対配線で出力する第２の電力変換手段と、前記第１の正負の一対配線間に接続される第１のキャパシタと、前記第２の直流電力を蓄電する蓄電手段と、前記第２の電力変換手段と前記蓄電手段との間に接続される第１のリアクトルと、前記蓄電手段と直列に接続される第１の遮断器及び第２の遮断器とを有し、前記第２の遮断器と並列に接続される抵抗と、前記蓄電手段と前記第１のリアクトルとの間に接続される第３の遮断器と、前記蓄電手段の電力を第２の交流電力に変換する第３の電力変換手段と、前記第３の電力変換手段と前記蓄電手段との間に、前記蓄電手段と並列に接続される第２のキャパシタと、前記蓄電手段と前記第２のキャパシタとの間に接続される第４の遮断器と、前記第３の電力変換手段の交流側に接続される交流回路と、前記第１〜第３の電力変換手段と前記蓄電装置を制御する制御手段と、を有し、前記第１の電力変換手段と前記第２の電力変換手段とを同一ユニットないで一体接続して構成することを特徴とする、電力変換装置が提供される。

かかる構成によれば、第１の電力変換手段と、第２の電力変換手段の間の配線インダクタンスが小さくなり、配線インダクタンスと第１のキャパシタの容量で定まる共振周波数が大きくなり、インバータ回路とＤＣ−ＤＣ変換回路とが並列接続される直流部の共振現象を防ぐことができる。また、リアクトルとキャパシタの共用化によって装置の台数を削減することができる。また、インバータ回路とＤＣ−ＤＣ変換回路を同一の冷却器上に実装することで小型化でき、システム全体の装置を小型化がすることができる。

本発明によれば、蓄電装置を備えた補助電源装置の電力を利用するに際し、装置を小型化しつつ、回生電力を有効利用して最適な省エネシステムを実現することができる。

本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置の主回路の構成例を示す図である。 同実施形態にかかる一体ユニットの機器構成例を示す図である。 同実施形態にかかる蓄電装置の充電動作開始条件を示す図である。 同実施形態にかかる電力変換装置の遮断器の投入シーケンスを示す図である。 同実施形態にかかる電力変換装置の主回路の別構成の例を示す図である。 同実施形態にかかる電力変換装置の制御装置の別構成の例を示す図である。 同実施形態にかかる充放電特性を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る電力変換装置の主回路の構成例を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る電力変換装置の主回路の構成例を示す図である。 従来の電力変換装置の主回路構成例を示す図である。

以下図面について、本発明の一実施の形態を詳述する。
（１）第１の実施の形態
（１−１）本実施の形態の概要
まず、図１０を参照して、従来の電力変換装置について説明する。図１０に示す従来の電力変換装置は、直流電車線１１１、集電装置１１２、主開閉器１１３、充電抵抗１１４、開閉器１１５、直流リンク部１１６、電動機１１７、電力変換装置（インバータ回路）１１８、接触器１１９ａ〜１１９ｃ、直流リップル低減用リアクトル１２０ａ、１２０ｃ、フィルタコンデンサ１２１ａ〜１２１ｃ、補助電源装置１２３、回生電力貯蔵装置１２４、ＤＣ−ＤＣ変換回路１２５、リアクトル１２６、接触器１２７及び蓄電装置１２８から構成される。

図１０に示す回路は、回生電力貯蔵装置１２４に補助電源装置１２３が直列に接続されており、回生電力貯蔵装置１２４及び補助電源装置１２３の電流リップル低減用リアクトル１２０ｃを共用し、回生電力貯蔵装置１２４の電力貯蔵部を介して補助電源装置１２３へ直流電力を供給する構成となっている。

これにより、補助電源装置１２３と回生電力貯蔵装置１２４を直流リンク部１１６で並列に接続する場合に比べ、電流リプル低減用リアクトルを省略でき、さらに回生電力貯蔵装置１２４から補助電源装置１２３に電力を供給する場合に、回生電力貯蔵装置１２４から放電するための整流器のスイッチング動作が不要になり装置を小型化できる効果がある。また、補助電源装置１２３の入力電源が電力貯蔵部となるため、安定した入力電源として補助電源装置１２３に電力を供給することができ、電車線停電時や、整流器（ＤＣ−ＤＣ変換回路）の故障時にも補助電源装置に電力を供給することができる。

ここで、電力変換装置（インバータ回路）１１８及びＤＣ−ＤＣ変換回路１２５は、一般的に電力用半導体素子を用いたスイッチング素子で構成される。ＰＷＭ方式による電力変換では、スイッチング素子のスイッチングにより直流電力を交流電力に変換する。この電力変換の際に、高調波ひずみが発生することから、電力変換装置（インバータ回路）１１８による高調波ひずみは、リアクトルとキャパシタからなるフィルタ回路で吸収するとともに、ＤＣ−ＤＣ変換回路１２５による高調波ひずみも、リアクトルとキャパシタからなるフィルタ回路で吸収する構成とすることで、直流電車線への高調波ひずみの流入を防いでいる。

電力変換装置１１８は、車両を加速する力行時に、直流電車線１１１から集電装置１１２を通して直流電力を入力し、リアクトル１２０ａ、キャパシタ１２１ａを介して電力変換装置（インバータ回路）１１８に電力を供給した後、直流電力を三相交流電力に変換することで電動機１１７を駆動し、車両を加速させる。

また、車両を減速する回生ブレーキ時に、電動機１１７より発生する回生電力を前記力行時と同経路により直流電車線に電力を戻すことで、回生電力は、同一線路上の他の車両の力行電力として用いられる。また、回生ブレーキ時において、電動機１１７より発生した回生電力を蓄電装置１２８により吸収し、補助電源装置１２３の電力として電力を有効利用できる装置構成としている。

直流電車線１１１の負荷が小さく、直流電車線１１１へ回生電力を戻せない軽負荷状態の場合、通常の電力変換装置（インバータ回路）１１８は回生電流すなわち回生電力を絞り、空気ブレーキによりブレーキがかかる（軽負荷回生動作）。この直流電車線１１１へ戻せなくなった分の回生電力を蓄電装置１２８により吸収することで、この軽負荷回生動作時の回生電力を有効利用することができる。

また、上記したように、蓄電電力の出力側に補助電源装置を備え、ＤＣ−ＤＣ変換回路（昇降圧チョッパ）と、蓄電装置と、補助電源装置が並列に接続され、また、インバータとＤＣ−ＤＣ変換回路（昇降圧チョッパ）は別ユニットとしてインバータの直流出力側で接続された構成としている電力変換装置もある。この電力変換装置において、補助電源装置に接続される蓄電装置の入出力特性は、蓄電装置の蓄電量に対して一定の特性となっている。

しかし、上記した電力変換装置では、蓄電装置を受電するためのＤＣ−ＤＣ変換回路や直流電車線と接続される側の入力部にフィルタ回路が必要であり、システム全体の機器サイズが大型化するという問題があった。また、蓄電装置の電力を補助電源装置の電源電力として使用する場合、蓄電装置の入出力特性は、回生電力を有効利用できる特性となっていないため、回生電力を有効利用することができないという問題があった。すなわち、上記した電力変換装置には、以下の４つの課題がある。

図１０の電力変換装置では、蓄電装置１２８を充電するためのＤＣ−ＤＣ変換回路１２５や直流電車線１１１と接続される側の入力部にフィルタ回路が必要であり、システム全体の機器サイズが大型化する。また、インバータ回路１１８とＤＣ−ＤＣ変換回路１２５のそれぞれの入力部にフィルタ回路があるため、これらのフィルタ回路の間で共振現象を起こし、大きな還流電流が流れる可能性がある。

また、インバータと昇降圧チョッパを別ユニットとして接続した場合には、それぞれのユニットの入力部に入力電圧の変動を抑えるために少なくともキャパシタが必要となる。そこで、本実施の形態の第１の課題は、システム全体としての小型化を実現することを目的としている。

また、蓄電装置の充電特性が低く、インバータからの回生電力を戻す先が無いときには、蓄電量に余裕があるにも関わらず回生電力を十分に回収することができず、回生電力を有効に利用することができない。特に、車両が電車の場合には、蓄電装置の充電特性が、停車中や惰行走行中に電車線から充電するときに急速に充電できる特性とはなっていない。車両の停車中や惰行中に急速に充電できないということは、限られた停車時間や惰行時間内で十分な充電ができず、補助電源装置の負荷が大きい場合、結果として蓄電量の低下を招き、補助電源装置の停電につながる。

一方、蓄電量に余裕があるときに、積極的に充電するようにすることが必ずしも省エネにとって最適な動作とは限らない。例えば、補助電源装置の負荷が小さいときは、補助電源装置からの放電電力量が小さいため、蓄電装置の蓄電量は回生動作のたびに大きく上昇していき、蓄電量が大きくなり、結果的に回生電力を吸収できない状態となる。

そこで、本実施の形態の第２の課題は、蓄電装置の充電特性を補助電源装置の負荷の大きさに応じた充電条件特性として、省エネ効果を上げることを目的としている。具体的に、補助電源装置の電源として、かつ、回生電力の有効利用のために使用される蓄電装置の充電条件を、補助電源装置に必要な電力量を確保しつつ、回生電力の吸収効果を十分に出してシステムの省エネ効果を上げる構成とする。

また、補助電源装置の入力部に並列に接続されたキャパシタは、通常、容量が大きく、接触器の投入時に蓄電装置と接続された瞬間、蓄電装置の電圧が前記キャパシタに印加され、電力貯蔵部とキャパシタ間に過大電流が流れてしまう。そこで、本実施の形態の第３の課題は、この過大電流を防ぐ回路構成とし、かつ回路構成に応じた接触器の投入シーケンスとすることを目的としている。

また、蓄電装置が故障等により開放し、電車線から補助電源装置の電力を供給する非常時には、ＤＣ−ＤＣ変換回路は定電圧制御を行うこととなる。そこで、本実施の形態の第４の課題は、蓄電装置の故障時にＤＣ−ＤＣ変換回路が補助電源装置の負荷変動に追従する構成として、非常時でも安全に電力変換させることを目的している。

（１−２）電力変換装置の構成
図１について、本実施の形態にかかる電力変換装置の主回路の構成について説明する。

図１に示すように、電力変換装置は、直流電車線１、集電装置２、リアクトル３、インバータ回路（図中ＩＮＶと表記）５とＤＣ−ＤＣ変換回路６の一体ユニット２１、電動機１７、蓄電装置１０、蓄電装置１０と並列に接続されるキャパシタ８、リアクトル７、インバータ回路５とＤＣ−ＤＣ変換回路６の一体ユニット２１内、補助電源装置２２などから構成される。

一体ユニット２１内には、キャパシタ４、ＤＣ−ＤＣ変換を行うためのスイッチング素子１８ａ、１８ｂなどが含まれる。また、一体蓄電装置２３には、遮断器９ａ、９ｂ、９ｃ及び９ｄ、抵抗１９ｂも含まれる。

補助電源装置（ＳＩＶ）２２内には、コンデンサ１１、インバータ回路１２、交流リアクトル１３、交流コンデンサ１４及びトランス１５などが含まれる。補助電源装置２２には、負荷１６が接続される。統合制御装置３１は、インバータ回路５やＤＣ−ＤＣ変換回路６、蓄電装置１０の一体蓄電装置２３内の各装置と、補助電源装置２２等を統括して制御する。

図１に示す電力変換装置の動作例について説明する。まず車両が回生ブレーキにより減速する場合について説明する。

回生ブレーキによって電動機１７から発生する回生電力は、インバータ回路５とキャパシタ４からＤＣ−ＤＣ変換回路６、リアクトル７、キャパシタ８、遮断器９ｃ、９ｂ、９ａを介して蓄電装置１０に充電される。蓄電装置１０の充電特性を超える電力は、インバータ回路５とキャパシタ４、リアクトル３を介して、集電装置２から直流電車線１に出力される。蓄電装置１０に蓄えられた電力は、遮断器９ａ、９ｂ、９ｄを介して、補助電源装置２２に供給される。

補助電源装置２２は、蓄電装置１０の蓄電電力をキャパシタ１１、インバータ回路１２、交流リアクトル１３、交流コンデンサ１４、トランス１５を介して、補機１６に電力を供給する。統合制御装置３１は、全体の状態を監視して、インバータ回路５を回生動作させたり、ＤＣ−ＤＣ変換回路６を降圧チョッパ動作させたり、蓄電装置１０へ充電制御したり、補助電源装置２２内のインバータ回路１２を動作させたなど、各機器の制御を行う。

なお、車両が長時間停車する場合など、蓄電装置１０からの蓄電量が低下する場合には、直流電車線１から集電装置２、リアクトル３、キャパシタ４を介して、ＤＣ−ＤＣ変換回路６を降圧チョッパ動作させ、蓄電装置１０へ充電制御して、蓄電装置１０の蓄電量の低下を防ぐ。

図１に示す回路構成において、インバータ回路５とＤＣ−ＤＣ変換回路６を一体ユニット２１で構成することにより、インバータ回路５とＤＣ−ＤＣ変換回路６の配線を短くすることができ、インバータ回路５とＤＣ−ＤＣ変換回路６の配線に含まれる配線インダクタンスを小さくすることができる。配線インダクタンスを小さくするための、一体ユニット２１の機器構成例を図２に示す。

図２は、ＤＣ−ＤＣ変換回路６やインバータ回路５に代表される電力変換装置の機器構成の一例を示す斜視図である。図２は、電力変換装置のキャパシタ５１、スイッチング素子５２、バスバー５３及び５４を示している。ここで、図２のキャパシタ５１は、図１のキャパシタ４に相当し、図２のスイッチング素子５２は、図１のスイッチング素子１８ａ、１８ｂとインバータ回路５を構成するスイッチング素子に相当し、一体ユニット２１として構成したものが図２である。

図２に示すように、キャパシタ５１とスイッチング素子５２を直近に配置する構成とし、最短経路でバスバーで接続し、さらに電源の正極用のバスバー５３と負極用のバスバー５４を、絶縁確保の上、重ね合わせる構成としていする。このような構成とすることにより、図１における配線イダクタンスを含めたスイッチング回路のインダクタンスを、インバータ回路と同じ値程度に小さくすることを可能としている。

上記構成によって、インバータ回路５とＤＣ−ＤＣ変換回路６を別々のユニットで組み、電線で接続する場合に比べ、インバータ回路５とＤＣ−ＤＣ変換回路６間の配線インダクタンスや、スイッチング素子を含めた回路のインダクタンスを、インバータ回路５とＤＣ−ＤＣ変換回路６間を電線で接続する場合に比べ、数十〜数百分の一にすることができる。

また、キャパシタ４と配線インダクタンスによる共振周波数を、インバータ回路５やＤＣ−ＤＣ変換回路６の動作周波数よりも高い周波数に設定できる。このため、上記したような回生ブレーキ時に、インバータ回路５や、ＤＣ−ＤＣ変換回路６がスイッチング動作するが、これらのスイッチング動作周波数に対し、回路の共振周波数が十分に高く、インバータ回路５とＤＣ−ＤＣ変換回路６の接続される直流部の電流や電圧の共振を防ぐことができる。

さらに、回路のインダクタンスを小さくしたことで、ＤＣ−ＤＣ変換回路６のスイッチング素子１８ａ、１８ｂのスイッチング時におけるサージ電圧も抑制することができ、サージ電圧の電源回路重畳も少なくなる効果がある。また、インバータ回路５とＤＣ−ＤＣ変換回路６間の配線インダクタンスを小さくすることにより、キャパシタを共用化することができる。キャパシタの共用化によって装置台数が削減した結果、冷却器を小型化して、システム全体の装置を小型化がすることができる。

また、後述するキャパシタ４の電圧に応じて、蓄電装置１０への充電条件を決定するために、キャパシタ４の電圧を統合制御装置３１に入力している。このように、一体ユニットによるキャパシタ共通化と統合制御装置３１による制御装置の統合化により、制御に使用する配線数を削減することができ、キャパシタ電圧を統合して扱うことで制御性能を向上させることができる。

ところで、本実施形態では、図３に示すように、ＤＣ−ＤＣ変換回路６の充電動作条件を補助電源装置２２の負荷の大きさと、蓄電装置１０の蓄電量とに応じて変化させる構成としている。

蓄電装置１０の必要動作時間を一定とすると、補助電源装置２２が動作するために必要な蓄電装置１０の蓄電量は、補助電源装置２２の負荷の大きさにより変わってくる。上記第２の課題に示したように、回生電力を常に蓄電装置１０に充電するようにするには、補助電源装置２２の負荷が小さい場合、蓄電装置１０の蓄電量がすぐに増加する。蓄電量が高い状態では、回生電力を吸収できず、軽負荷回生動作時に回生電力を吸収するという本構成による効果を十分に活かしきれない。

このため、図３に示すように補助電源装置２２の負荷が小さいときは、蓄電量が低い段階から充電動作を開始するキャパシタ４の電圧Ｅｃを高めに設定し、軽負荷回生動作に入る場合のみ充電動作させることで、軽負荷回生動作時の回生吸収効果を高めるようにしている。軽負荷状態になったか否かは、キャパシタ４の電圧検出値Ｅｃを利用し、電圧が規定値よりも上昇した場合に軽負荷状態と判断することができる。

また、補助電源装置２２の負荷が大きいときは、蓄電装置１０の必要動作時間を確保するため、蓄電量を高めにしておく必要がある。このため、蓄電量が高い範囲を除き電圧Ｅｃがある程度低い状態から充電動作を可能としておく。

このように、図３に示すような設定をすることにより、補助電源装置２２に必要な蓄電量を確保しながら、軽負荷回生動作時の回生吸収効果を高めることができる。ここで、蓄電量が高い場合は、蓄電量に応じて充電電流を絞る構成を設けることで、過充電を防ぐことができる。また、充電動作を開始する電圧Ｅｃは、インバータ回路５が軽負荷回生で回生電流を絞り始める電圧よりも低い値に設定する。

なお、補助電源装置２２の負荷の大きさは、補助電源装置２２の入力直流電圧と直流電流により直流電力を演算してもよいし、出力交流電圧と交流電流から交流電力を演算してもよい。また、電力演算を行わずに、車両の乗車率や季節の条件によって補助電源装置２２の負荷率がある程度予測できるのであれば、それらの情報により、補助電源装置２２の負荷の大きさを判断して、図３の設定値を切替える方式としてもよい。

次に、第３の課題対する本実施の形態の動作について説明する。本構成は、通常動作においては上述した動作を行うが、通常動作に移るまでの初期動作シーケンスとして、キャパシタ８やキャパシタ１１の初期充電動作を行う必要がある。

キャパシタ８やキャパシタ１１の初期充電動作は、蓄電装置１０を電源として、蓄電装置１０と接続される遮断器９ａ〜９ｄを投入することで行われる。

図１に示す構成の場合、次の順序で遮断器９ａ〜９ｄを投入する。すなわち、遮断器９ａを投入(オン)した後、遮断器９ｃを投入（オン）し、キャパシタ８の充電電圧が蓄電装置１０の電圧程度まで充電された後、遮断器９ｃを開放(オフ)する。そして、遮断器９ｄを投入（オン）し、キャパシタ１１の充電電圧が蓄電装置１０の電圧程度まで充電された後、遮断器９ｃを投入（オン）し、遮断器９ｂを投入（オン）する順序とする。

図４に、上記した遮断器９ａ〜９ｄの投入順序シーケンスを示す。ここで、遮断器９ｃと９ｄの投入順序は逆でもよい。例えば、遮断器９ａを投入（オン）した後、遮断器９ｄを投入（オン）し、キャパシタ８の充電電圧が蓄電装置１０の電圧程度まで充電された後、遮断器９ｄを開放（オフ）する。そして、遮断器９ｃを投入（オン）し、キャパシタ１１の充電電圧が蓄電装置１０の電圧程度まで充電された後、遮断器９ｄを投入（オン）し、遮断器９ｂを投入（オン）の順序としてもよい。

これにより、上記第３の課題に示した、キャパシタ充電時の過大電流を防ぐことができる。なお、遮断器９ｂに並列に接続される抵抗１９ｂは、キャパシタの初期充電時の過大電流を抑制するための電流制限抵抗である。この電流制限抵抗の設置箇所は、後述する第２の実施の形態で説明する図８のように設置してもよいが、図１に示す構成の場合、制限抵抗の数を減らすことができる。

図５に、本実施の形態の別方式での主回路構成例を示している。図１の構成とは、ＤＣ−ＤＣ変換回路６の下アームがスイッチング素子からダイオード１９に置き換わっている点で異なる。

補助電源装置２２への電力供給のためだけに蓄電装置１０を使用する場合、ＤＣ−ＤＣ変換回路６は降圧チョッパ動作のみできればよいため、図５の構成で十分である。この構成とすることにより、図１で示されるＤＣ−ＤＣ変換回路６の下アームのスイッチング素子１８ｂのドライブ回路（図示せず）を省略することができ、さらなる機器の小型化が可能となる。

また、図６に、本実施の形態の別方式での制御装置の構成例を示している。図１とは、統合制御装置３１に代えて、一体蓄電装置の制御を行う制御装置Ａ３２と、補助電源装置２２の制御を行う制御装置Ｂ３３としている点で異なる。

図６に示す構成の場合、上記した図３で設定された条件で蓄電装置１０の充電動作を行うため、制御装置Ｂ３３から制御装置Ａ３２に、補助電源装置２２の負荷電力情報Ｐｓの信号を送る構成とする。一体蓄電装置と補助電源装置を分離した構成として制御装置を設ける場合には、図６に示す構成とする。

図７は、本実施の形態の蓄電装置１０の充放電特性を示す図である。蓄電装置１０の蓄電電力を補助電源装置２２への電力供給のためだけに使用する場合、充電特性は図７の充電特性Ａに示すように、蓄電量の高い領域を除いて、高入力特性として、インバータ回路５からの回生電力を最大限回収できるようにする。一方、放電特性は蓄電量の低い領域を除いて、負荷１６の負荷電力に従って一定特性とする。

また、蓄電装置１０の蓄電量が大きく低下し、回生動作中以外に直流電車線１から蓄電装置１０の充電動作を行う場合、車両の惰行走行中は充電特性Ｂのような入力特性、車両の停車中は充電特性Ｃのような入力特性とし、車両が惰行中か停車中かで充電特性の最大値を変えるようにする。

これは、車両が停車中の場合には、直流電車線１の集電点が変わらず、充電特性を高い特性としている場合、この集電点に長時間大電流が流れ、直流電車線１が発熱することを防ぐためである。特に直流電車線１がカテナリちょう架式の場合、直流電車線１が溶断されてしまう可能性がある。

一方、車両が惰行走行中の場合には、直流電車線１の集電点が移動して変化するため、車両が停車中のときのように、大電流を流し続けても発熱し直流電車線１が溶断するようなことはない。このため、車両の停車中は惰行中よりも充電特性を低く設定する。

このように充電特性を設定することにより、直流電車線１を溶断させることなく、かつ車両の停車中や惰行中の限られた時間内で急速に充電することができ、蓄電装置の充電量低下を防ぐことができる。

さらに、ＤＣ−ＤＣ変換回路６は、蓄電装置１０の故障時等に、蓄電装置１０を遮断器９ａ、９ｂで開放させ、直流電車線１から電源を供給する。そして、ＤＣ−ＤＣ変換回路６が定電圧制御を行って、補助電源装置２２に電力を供給するとき、ＤＣ−ＤＣ変換回路６の出力電圧制御応答を、補助電源装置２２すなわちインバータ回路１２の出力電圧制御応答よりも早くなるように設定する。これにより、補助電源装置２２の負荷変動に対してもＤＣ−ＤＣ変換回路６の電圧制御を追従させることでき、電力供給を安定に行うことが可能となる。

（１−３）本実施の形態の効果
上記実施の形態によれば、インバータ回路５（本発明の第１の電力変換手段の一例）と、ＤＣ−ＤＣ変換回路６（本発明の第２の電力変換手段の一例）の間の配線インダクタンスが小さくなり、配線インダクタンスとキャパシタ４（本発明の第１のキャパシタの一例）の容量で定まる共振周波数が大きくなり、インバータ回路５とＤＣ−ＤＣ変換回路６とが並列接続される直流部の共振現象を防ぐことができる。また、リアクトル３とキャパシタ４の共用化によって装置の台数を削減することができる。また、インバータ回路５とＤＣ−ＤＣ変換回路６を同一の冷却器上に実装することで小型化でき、システム全体の装置を小型化がすることができる。

さらに、インバータ回路５、ＤＣ−ＤＣ変換回路６及び蓄電装置１０を統合制御装置３１（本発明の制御手段の一例）で統括して制御する構成を採ることで、電圧検出信号等の検出信号を統合制御装置３１内で統括的に扱うことができる。これにより、各電力変換手段の制御信号の配線数を減らせるとともに、制御性能を向上させることができる。

また、第１〜第４の遮断器（遮断器９ａ、９ｂ、９ｃ及び９ｄ）投入時におけるインバータ回路１２（本発明の第３の電力変換手段の一例）の入力側のキャパシタ１１（本発明の第３のキャパシタ）や、ＤＣ−ＤＣ変換回路６（第２の電力変換手段）に並列接続されるキャパシタ８（本発明の第２のキャパシタの一例）初期充電時の過大電流を防ぐことができる。

また、第３の電力変換手段すなわち補助電源装置の負荷の大きさと、第１の直流電圧に応じて、蓄電手段の充電条件を決定することで、第３の電力変換手段に必要な電力量を確保しつつ、必要なときのみ回生電力を蓄電手段に吸収することで、軽負荷回生時の回生吸収効果をより高め、より最適な省エネシステムとすることができる。

また、車両の力行、惰行、停車、回生の状態に応じて充電特性を変えることで、車両の停車中や惰行走行中に電車線を溶断させることなく、急速に充電でき、蓄電量の低下を防ぐことができる。

さらに、ＤＣ−ＤＣ変換回路６（第２の電力変換手段）は、蓄電手段の開放時の定電圧制御応答を、第３の電力変換手段の制御応答よりも早く設定することで、インバータ回路１２（第３の電力変換手段）の負荷変動時にも安定的に第３の電力変換手段、すなわち補助電源装置に電力を供給できるようになる。

（２）第２の実施の形態
以下では、第１の実施の形態と異なる構成について説明し、第１の実施の形態と同様の構成については説明を省略する。

図８に、本実施の形態の電力変換装置を示す。図８では、第１の実施の形態の図１で示した抵抗１９ｂに代えて、遮断器９ｃと並列に抵抗１９ｃ、遮断器９ｄと並列に抵抗１９ｄを接続する。

図８に示す構成の場合、第１の実施の形態の図１に比して、抵抗の数が増えるが、遮断器の投入順序変わるため、キャパシタの充電を完了し、通常動作に移行するまでの時間を早めることができる。

すなわち、本実施の形態の遮断器の投入順序は、まず、遮断器９ａ及び９ｂを同時に投入（オン）した後、キャパシタ８及びキャパシタ１１を同時に充電動作し、充電電圧が蓄電装置１０の電圧程度となったら遮断器９ｃ及び９ｄをそれぞれ投入（オン）する投入順序となる。これにより、キャパシタの充電を完了し通常動作に移行するまでの時間を早くすることができる。また、遮断器９ａ及び９ｂを同時に投入した後、遮断器９ｃ及び９ｄを同時に投入するため、第１の実施の形態に比べて遮断器の投入シーケンスを簡略化することができる。

（３）第３の実施の形態
以下では、第１の実施の形態と異なる構成について説明し、第１の実施の形態と同様の構成については説明を省略する。

図９に、本実施の形態の電力変換装置を示す。図９では、第１の実施の形態の図１で示したキャパシタ８を省略した構成となっている。

図１に示すキャパシタ８は、ＤＣ−ＤＣ変換回路６とリアクトル７によるスイッチング動作による電流のスイッチングリプルを吸収し、蓄電装置１０の電流リプルを抑制することを目的としている。

本実施の形態では、キャパシタ１１と共用化して、ＤＣ−ＤＣ変換回路６とリアクトル７によるスイッチング動作による電流のスイッチングリプルを吸収する構成としている。この構成では、キャパシタ８を省略できるため、第１の実施形態と比して装置全体を小型化することができるが、リアクトル７とキャパシタ１１間の配線インダクタンスを小さく設定する必要がある。このため、リアクトル７とキャパシタ１１間の配線インダクタンスを小さく設定できる場合に本実施の形態の構成とすることが望ましい。

１、１１１ 直流電車線
２、１１２ 集電装置
３、７、１２０ａ、１２０ｃ、１２６ リアクトル
４、８、１１、５１、１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ キャパシタ
５、１２ インバータ回路
６、１２５ ＤＣ−ＤＣ変換回路
９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ 遮断器
１０、１２８ 蓄電装置
１３ 交流リアクトル
１４ 交流コンデンサ
１５ トランス
１６ 負荷
１７、１１７ 電動機
１８ａ、１８ｂ、５２ スイッチング素子
１９ｂ、１９ｃ、１９ｄ 抵抗
２１ インバータ回路とＤＣ−ＤＣ変換回路の一体ユニット
２２、１２３ 補助電源装置
２３ 一体蓄電装置
３１ 統合制御装置
３２ 制御装置Ａ
３３ 制御装置Ｂ
３４ 制御装置と一体蓄電装置間の制御信号
３５ 制御装置と補助電源装置間の制御信号
１１３、１１５ 開閉器
１１４ 充電抵抗
１１６ 直流リンク部
１１８ 電力変換装置
１１９ａ、１１９ｂ、１１９ｃ、１２２、１２７ 接触器
１２４ 回生電力貯蔵装置

Claims (9)

1. 第１の直流電力を第１の正負の一対配線で受け、第１の交流電力に変換する第１の電力変換手段と、
   前記第１の電力変換手段の交流側に接続された電動機と、
   前記第１の直流電力を前記第１の正負の一対配線で受け、前記第１の直流電力の電圧レベルと異なる電圧レベルの第２の直流電力に変換し第２の正負の一対配線で出力する第２の電力変換手段と、
   前記第１の正負の一対配線間に接続される第１のキャパシタと、
   前記第２の直流電力を蓄電する蓄電手段と、
   前記第２の電力変換手段と前記蓄電手段との間に接続される第１のリアクトルと、
   前記蓄電手段と直列に接続される第１の遮断器及び第２の遮断器とを有し、
   前記第２の遮断器と並列に接続される抵抗と、
   前記蓄電手段と前記第１のリアクトルとの間に接続される第３の遮断器と、
   前記蓄電手段の電力を第２の交流電力に変換する第３の電力変換手段と、
   前記第３の電力変換手段と前記蓄電手段との間に、前記蓄電手段と並列に接続される第２のキャパシタと、
   前記蓄電手段と前記第２のキャパシタとの間に接続される第４の遮断器と、
   前記第３の電力変換手段の交流側に接続される交流回路と、
   前記第１〜第３の電力変換手段と前記蓄電装置を制御する制御手段と、
   を有し、
   前記第１の電力変換手段と前記第２の電力変換手段とを同一ユニットないで一体接続して構成することを特徴とする、電力変換装置。
2. 前記制御手段は、前記蓄電手段の充電動作条件を、前記第３の電力変換手段の負荷の大きさと、前記第１のキャパシタの電圧により決定する
   ことを特徴とする、請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記第１の遮断器から第４の遮断器の投入順序を、
   前記第１の遮断器を投入し、次に第３または第４の遮断器を投入し、次に第３または第４の遮断器を開放し、次に第４または第３の遮断器を投入し、次に第３または第４の遮断器を投入する順序とする
   ことを特徴とする、請求項１または２のいずれかに記載の電力変換装置。
4. 前記第２の遮断器と並列に抵抗を有する代わりに、
   前記第３の遮断器および前記第４の遮断器と並列に抵抗を有する構成とする
   ことを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の電力変換装置。
5. 前記第２の電力変換手段の出力側の前記第２の正負の一対配線間に第３のキャパシタを有する
   ことを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の電力変換装置。
6. 前記第２の電力変換手段は、降圧動作のみ行う
   ことを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の電力変換装置。
7. 前記蓄電手段の充電特性は、車両の惰行走行中と停車中で切替えられる
   ことを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の電力変換装置。
8. 第２の電力変換手段は、蓄電手段の開放時に定電圧制御を行って、第３の電力変換手段に電力を供給するときに、第２の電力変換手段の制御応答を、第３の電力変換手段の制御応答よりも早く設定する
   ことを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の電力変換装置。
9. 請求項１〜８のいずれかに記載の電力変換装置を備えた鉄道車両。

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