特許 6727093 補助電源装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6727093

(24)【登録日】2020年7月2日

(45)【発行日】2020年7月22日

(54)【発明の名称】補助電源装置

(51)【国際特許分類】

   B60L 1/00 20060101AFI20200713BHJP

   H02M 7/48 20070101ALI20200713BHJP

【ＦＩ】

   B60L1/00 D

   B60L1/00 J

   H02M7/48 E

【請求項の数】1

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2016-198264(P2016-198264)

(22)【出願日】2016年10月6日

(65)【公開番号】特開2018-61376(P2018-61376A)

(43)【公開日】2018年4月12日

【審査請求日】2019年6月6日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003115

【氏名又は名称】東洋電機製造株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100147485

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村 憲司

(74)【代理人】

【識別番号】100161148

【弁理士】

【氏名又は名称】福尾 誠

(74)【代理人】

【識別番号】100163511

【弁理士】

【氏名又は名称】辻 啓太

(72)【発明者】

【氏名】小林 賢太

【審査官】 今井 貞雄

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００２−３４２６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１−９１６６５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ６０Ｌ １／００

Ｈ０２Ｍ ７／４８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

直流電源から供給された直流電圧を交流電圧に変換して負荷回路に供給する補助電源装置であって、
前記直流電源から供給された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ装置と、
前記インバータ装置の入力側に、前記インバータ装置に並列に接続されたフィルタコンデンサと、
前記フィルタコンデンサの電圧であるＦＣ電圧に追従するようにフィルタ付きＦＣ電圧を設定し、該設定したフィルタ付きＦＣ電圧に基づき、前記インバータ装置を制御する制御回路と、を備え、
前記制御回路は、前記フィルタ付きＦＣ電圧と前記ＦＣ電圧との差分が所定の範囲内にある場合には、予め定められたフィルタ定数に応じた速さで前記フィルタ付きＦＣ電圧を前記ＦＣ電圧に追従させ、前記差分が前記所定の範囲を外れた時点で、該時点でのＦＣ電圧を前記フィルタ付きＦＣ電圧として設定することを特徴とする補助電源装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、直流電源から供給された直流電圧を交流電圧に変換して負荷回路に供給する補助電源装置に関する。

【背景技術】

【0002】

架線からの電力供給により動作する電気車には、架線から供給された直流電圧（架線電圧）を交流電圧に変換して、電気車内の冷暖房装置、照明装置などの負荷回路に供給する補助電源装置が搭載されている（例えば、特許文献１参照）。

【0003】

補助電源装置は、架線から供給された直流電圧が入力され、入力された直流電圧を交流電圧に変換して出力するインバータ装置を備えている。インバータ装置の入力側には、高調波電流の抑制などのための直流フィルタコンデンサが並列に接続されている。インバータ装置の入力電圧、すなわち、架線電圧は常に変化しており（揺らいでおり）、架線電圧の変化により、直流フィルタコンデンサの電圧（以下、ＦＣ電圧と称する）も常に変化する。インバータ装置を制御する制御回路は通常、図４に示すように、常に変化する（揺らいでいる）実際のＦＣ電圧に対して、ある所定期間内（制御周期内）では、一定の電圧（以下、フィルタ付きＦＣ電圧と称する）を設定し、設定したフィルタ付きＦＣ電圧に基づき、インバータ装置を制御する。

【0004】

フィルタ付きＦＣ電圧は通常、以下の式（１）に基づき設定される。式（１）において、ｘ_kは実際のＦＣ電圧を示し、ｙ_kはフィルタ付きＦＣ電圧を示し、ｙ_k-1は１周期前のフィルタ付きＦＣ電圧を示し、τは制御周期を示し、Ｔ₁はフィルタ定数と称される定数を示す。

【0005】

【数1】

【0006】

式（１）から分かるように、フィルタ付きＦＣ電圧は、実際のＦＣ電圧と１周期前のフィルタ付きＦＣ電圧との差分にフィルタ定数Ｔ₁に応じた値（τ／Ｔ₁）を乗算した値を、１周期前のフィルタ付きＦＣ電圧に加えることで算出される。式（１）によれば、フィルタ定数Ｔ₁に応じた速さで、フィルタ付きＦＣ電圧を実際のＦＣ電圧に追従させることができる。このようなフィルタ定数Ｔ₁を用いたフィルタ付きＦＣ電圧の設定により、安定した電圧値に基づくインバータ装置の制御が可能となる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２０１５−２２０８９０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

架線電圧の変化には、小さい範囲で電圧が増減する振動と称される現象と、振動よりもより大きい範囲で電圧が増減する変動と称される現象とがある。

【0009】

上述したように、フィルタ付きＦＣ電圧は、フィルタ定数Ｔ₁に応じた速さで実際のＦＣ電圧に追従する。振動の場合には、架線電圧、すなわち、ＦＣ電圧が増減する幅が小さいため、比較的速やかに、フィルタ付きＦＣ電圧をＦＣ電圧に追従させることができる。一方、変動の場合には、架線電圧（ＦＣ電圧）が増減する幅が大きいため、フィルタ付きＦＣ電圧のＦＣ電圧への追従に時間がかかってしまい、フィルタ付きＦＣ電圧とＦＣ電圧との差分が大きい状態が長時間にわたってしまう。このような状態では、補助電源装置の出力が不安定化してしまうという問題が生じる。

【0010】

本発明の目的は、上述した課題を解決し、出力電圧の安定化を図ることができる補助電源装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0011】

上記課題を解決するため、本発明に係る補助電源装置は、直流電源から供給された直流電圧を交流電圧に変換して負荷回路に供給する補助電源装置であって、前記直流電源から供給された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ装置と、前記インバータ装置の入力側に、前記インバータ装置に並列に接続されたフィルタコンデンサと、前記フィルタコンデンサの電圧であるＦＣ電圧に追従するようにフィルタ付きＦＣ電圧を設定し、該設定したフィルタ付きＦＣ電圧に基づき、前記インバータ装置を制御する制御回路と、を備え、前記制御回路は、前記フィルタ付きＦＣ電圧と前記ＦＣ電圧との差分が所定の範囲内にある場合には、予め定められたフィルタ定数に応じた速さで前記フィルタ付きＦＣ電圧を前記ＦＣ電圧に追従させ、前記差分が前記所定の範囲を外れた時点で、該時点でのＦＣ電圧を前記フィルタ付きＦＣ電圧として設定する。

【発明の効果】

【0012】

本発明に係る補助電源装置によれば、出力電圧の安定化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の一実施形態に係る補助電源装置の構成を示す図である。

【図2A】図１に示す制御回路によるＰＷＭ制御について説明するための図である。

【図2B】図１に示す制御回路によるＰＷＭ制御について説明するための図である。

【図3A】図１に示す制御回路によるフィルタ付きＦＣ電圧の設定例を示す図である。

【図3B】図１に示す制御回路によるフィルタ付きＦＣ電圧の設定例を示す図である。

【図4】ＦＣ電圧およびフィルタ付きＦＣ電圧について説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本発明の実施の形態について説明する。

【0015】

図１は、本発明の一実施形態に係る補助電源装置１０の構成を示す図である。本実施形態に係る補助電源装置１０は、例えば、直流電源である架線１からの電力供給により動作する電気車に搭載され、架線１から供給された直流電圧を交流電圧に変換して、負荷回路２（電気車内の冷暖房装置、照明装置など）に供給する。

【0016】

図１に示す補助電源装置１０は、直流フィルタリアクトル１１と、直流フィルタコンデンサ１２（フィルタコンデンサ）と、電圧測定部１３と、インバータ装置１４と、ＡＣフィルタ／トランス部１５と、制御回路１６とを備える。

【0017】

直流フィルタリアクトル１１は、一端が架線１に接続され、他端が直流フィルタコンデンサ１２の一端に接続される。直流フィルタコンデンサ１２は、一端が直流フィルタリアクトル１１の他端に接続され、他端が接地される。また、直流フィルタコンデンサ１２は、後述するように、インバータ装置１４の入力側に、インバータ装置１４に並列に接続される。直流フィルタリアクトル１１および直流フィルタコンデンサ１２は、架線１からインバータ装置１４を介して接地に流れる高調波電流を抑制するフィルタとして動作する。

【0018】

電圧測定部１３は、直流フィルタコンデンサ１２の電圧（ＦＣ電圧）を測定し、測定結果を制御回路１６に出力する。

【0019】

インバータ装置１４は、架線１から直流フィルタリアクトル１１および直流フィルタコンデンサ１２を介して入力された直流電圧を交流電圧に変換して、ＡＣフィルタ／トランス部１５に出力する。インバータ装置１４は、半導体スイッチ１４１−１〜１４４−４を備える。以下では、半導体スイッチ１４１−１〜１４４−４を区別しない場合には、半導体スイッチ１４１と称する。半導体スイッチ１４１は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などのスイッチング素子に、ダイオードが逆並列接続されて構成される。

【0020】

半導体スイッチ１４１−１と半導体スイッチ１４１−２とが直列に接続され、半導体スイッチ１４１−３と半導体スイッチ１４１−４とが直列に接続される。半導体スイッチ１４１−１および半導体スイッチ１４１−２からなる直列体は、一端が直流フィルタコンデンサ１２の一端と接続され、他端が直流フィルタコンデンサ１２の他端と接続される。半導体スイッチ１４１−３および半導体スイッチ１４１−４からなる直列体は、一端が直流フィルタコンデンサ１２の一端と接続され、他端が直流フィルタコンデンサ１２の他端と接続される。このように、インバータ装置１４には、入力側に直流フィルタコンデンサ１２が並列に接続される。また、半導体スイッチ１４１−１と半導体スイッチ１４１−２との接続点、および、半導体スイッチ１４１−３と半導体スイッチ１４１−４との接続点が、ＡＣフィルタ／トランス部１５に接続される。

【0021】

このような構成を有するインバータ装置１４によれば、各半導体スイッチ１４１のスイッチングを制御することで、架線１から直流フィルタリアクトル１１および直流フィルタコンデンサ１２を介して入力された直流電圧を交流電圧に変換し、半導体スイッチ１４１−１と半導体スイッチ１４１−２との接続点、および、半導体スイッチ１４１−３と半導体スイッチ１４１−４との接続点から出力することができる。

【0022】

ＡＣフィルタ／トランス部１５は、インバータ装置１４から出力された交流電圧を平滑化するとともに、所望の大きさの交流電圧に変換して、負荷回路２に出力する。

【0023】

制御回路１６は、電圧測定部１３によるＦＣ電圧の測定結果に基づき、フィルタ付きＦＣ電圧を設定し、設定したフィルタ付きＦＣ電圧に基づいて、インバータ装置１４の半導体スイッチ１４１のオン／オフを制御（ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御）する制御信号（ＰＷＭ信号）を各半導体スイッチ１４１に出力する。

【0024】

図２Ａ，２Ｂは、制御回路１６によるフィルタ付きＦＣ電圧に基づくＰＷＭ制御について説明するための図であり、図２Ａは、フィルタ付きＦＣ電圧が実際のＦＣ電圧よりも大きい状態を示し、図２Ｂは、フィルタ付きＦＣ電圧が実際のＦＣ電圧よりも小さい状態を示す。

【0025】

制御回路１６は、インバータ装置１４の出力電圧を指令する指令値と、フィルタ付きＦＣ電圧の値に応じたキャリア波（例えば、三角波）とを比較し、キャリア波が指令値より小さければ論理レベルがＨｉｇｈ（Ｈ）のＰＷＭ信号を出力し、キャリア波が指令値以上であれば論理レベルがＬｏｗ（Ｌ）のＰＷＭ信号を出力する。

【0026】

図２Ａに示すように、フィルタ付きＦＣ電圧が実際のＦＣ電圧よりも大きい場合、ＰＷＭ信号の論理レベルがＬである期間（半導体スイッチ１４１がオフである期間）は、実際のＦＣ電圧の値に応じたキャリア波と指令値とを比較した場合よりも長くなる。すなわち、デューティー比は小さくなる。デューティー比が小さくなると、インバータ装置１４の出力電圧は低下し、負荷回路２への電力流出は減少する。その結果、実際のＦＣ電圧は上昇しやすくなる。

【0027】

一方、図２Ｂに示すように、フィルタ付きＦＣ電圧が実際のＦＣ電圧よりも小さい場合、ＰＷＭ信号の論理レベルがＬである期間は、実際のＦＣ電圧の値に応じたキャリア波と指令値とを比較した場合よりも短くなる。すなわち、デューティー比は大きくなる。デューティー比が大きくなると、インバータ装置１４の出力電圧は増加し、負荷回路２への電力流出は増加する。その結果、実際のＦＣ電圧は低下しやすくなる。

【0028】

このように、実際のＦＣ電圧とフィルタ付きＦＣ電圧とに差分がある場合、この差分に起因して、ＦＣ電圧が上下しやすくなる。ここで、上述したように、小さい範囲でＦＣ電圧が増減する振動の場合には、比較的速やかにフィルタ付きＦＣ電圧を実際のＦＣ電圧に追従させることができるが、振動よりも大きい範囲でＦＣ電圧が増減する変動の場合には、フィルタ付きＦＣ電圧がＦＣ電圧に追従するのに時間がかかってしまう。この場合、実際のＦＣ電圧とフィルタ付きＦＣ電圧との差分が大きい状態が長く続き、その間はインバータ装置１４の出力電圧が不安定化してしまう。

【0029】

そこで、本実施形態においては、制御回路１６は、振動が発生した場合には、フィルタ付きＦＣ電圧をＦＣ電圧に徐々に追従させ（式（１）に従い追従させ）、変動が発生したと考えられる場合には、フィルタ付きＦＣ電圧をＦＣ電圧に即座に追従させる。

【0030】

具体的には、制御回路１６は、フィルタ付きＦＣ電圧（１サンプル前のフィルタ付きＦＣ電圧）と実際のＦＣ電圧との差分Ｄが所定の範囲内にあるか否かを判定する。そして、制御回路１６は、差分Ｄが所定の範囲内にある場合には、振動が発生したと判定し、式（１）に従い、フィルタ付きＦＣ電圧を実際のＦＣ電圧に追従させる。一方、制御回路１６は、差分Ｄが所定の範囲内にない場合には、変動が発生したと判定する。この場合、制御回路１６は、差分Ｄが所定の範囲内にないと判定した時点でのＦＣ電圧をフィルタ付きＦＣ電圧と設定する。したがって、変動が発生したと考えられる場合には、フィルタ付きＦＣ電圧をＦＣ電圧に即座に追従させることができる。そのため、実際のＦＣ電圧とフィルタ付きＦＣ電圧との差分Ｄが大きく、インバータ装置１４の出力が不安定な状態が長期間にわたることを防ぐことができる。

【0031】

図３Ａ，３Ｂは、制御回路１６によるフィルタ付きＦＣ電圧の設定例を示す図であり、図３Ａは、ＦＣ電圧が小刻みに小さく増減する振動が発生した場合のフィルタ付きＦＣ電圧の設定例を示す図であり、図３Ｂは、ＦＣ電圧が長い時間をかけて大きく増減する変動が発生した場合のフィルタ付きＦＣ電圧の設定例を示す図である。

【0032】

制御回路１６は、フィルタ付きＦＣ電圧と実際のＦＣ電圧との差分Ｄが所定の範囲内にあるか否かを判定する。具体的には、制御回路１６は、予め設定されたリミッタ値をＴｈとすると、−Ｔｈ≦Ｄ≦Ｔｈであるか否かを判定する。なお、リミッタ値Ｔｈは、振動と変動とを区別可能なように、すなわち、振動の場合には、−Ｔｈ≦Ｄ≦Ｔｈとなり、変動の場合には、差分Ｄ＜０であれば、Ｄ＜−Ｔｈとなり、Ｄ＞０であれば、Ｔｈ＜Ｄとなるような値が設定される。

【0033】

したがって、振動の場合には、図３Ａに示すように、−Ｔｈ≦Ｄ≦Ｔｈとなる。この場合、制御回路１６は、式（１）に従い、フィルタ付きＦＣ電圧を実際のＦＣ電圧に追従させる。

【0034】

一方、変動が発生し、図３Ｂに示すように、時刻Ｔ１から時刻Ｔ３にかけて、ＦＣ電圧が大きく上昇し、時刻Ｔ３以降は略一体に保たれたとする。

【0035】

この場合、式（１）に従いフィルタ付きＦＣ電圧を実際のＦＣ電圧に追従させる従来方式では、図３Ｂに示すように、時刻Ｔ１からフィルタ付きＦＣ電圧を徐々に増加させ、時刻Ｔ５において、フィルタ付きＦＣ電圧を実際のＦＣ電圧に一致させることができる。

【0036】

一方、本実施形態に係る方式（本方式）おいては、時刻Ｔ１以降であって、時刻Ｔ３よりも前の時刻Ｔ２において、Ｄ（＜０）＜−Ｔｈとなると、制御回路１６は、図３Ｂに示すように、その時点でのＦＣ電圧を新たなフィルタ付きＦＣ電圧として設定する。そのため、差分Ｄはゼロとなる。その後、ＦＣ電圧は時刻Ｔ３まで徐々に増加するが、−Ｔｈ≦Ｄ≦Ｔｈであるため、制御回路１６は、式（１）に従い、フィルタ付きＦＣ電圧を実際のＦＣ電圧に追従させる。

【0037】

ここで、本方式においては、差分Ｄが所定の範囲内から外れた時点（図３Ｂでは時刻Ｔ２）で、その時点でのＦＣ電圧をフィルタ付きＦＣ電圧として設定する。そのため、本方式においては、従来方式と比べて、時刻Ｔ２以降、従来方式と同様に、式（１）に従いフィルタ付きＦＣ電圧をＦＣ電圧に追従させても、時刻Ｔ５よりも前の時刻Ｔ４において、フィルタ付きＦＣ電圧をＦＣ電圧に一致させることができる。したがって、変動が発生した場合にも、ＦＣ電圧とフィルタ付きＦＣ電圧との差分Ｄが大きく、インバータ装置１４の出力が不安定な状態が長期間にわたることを防ぐことができる。

【0038】

このように本実施形態によれば、補助電源装置１０は、直流電源である架線１から供給された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ装置１４と、インバータ装置１４の入力側に、インバータ装置１４に並列に接続された直流フィルタコンデンサ１２と、直流フィルタコンデンサ１２の電圧であるＦＣ電圧に追従するようにフィルタ付きＦＣ電圧を設定し、設定したフィルタ付きＦＣ電圧に基づき、インバータ装置１４を制御する制御回路１６とを備える。制御回路１６は、フィルタ付きＦＣ電圧とＦＣ電圧との差分Ｄが所定の範囲内にある場合には、予め定められたフィルタ定数Ｔ₁に応じた速さでフィルタ付きＦＣ電圧をＦＣ電圧に追従させ、差分Ｄが所定の範囲を外れた時点で、その時点でのＦＣ電圧をフィルタ付きＦＣ電圧として設定する。

【0039】

そのため、差分Ｄが所定の範囲から外れ、変動が発生したと考えられる時点で、その時点でのＦＣ電圧にフィルタ付きＦＣ電圧を追従させることができるので、実際のＦＣ電圧とフィルタ付きＦＣ電圧との差分が大きく、インバータ装置１４の出力が不安定な状態が長期間にわたることを防ぐことができる。

【0040】

本発明を図面および実施形態に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形または修正を行うことが容易であることに注意されたい。したがって、これらの変形または修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各ブロックなどに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数のブロックを１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。

【符号の説明】

【0041】

１ 架線
２ 負荷回路
１０ 補助電源装置
１１ 直流フィルタリアクトル
１２ 直流フィルタコンデンサ
１３ 電圧測定部
１４ インバータ装置
１４１ 半導体スイッチ
１５ ＡＣフィルタ／トランス部

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3A】

【図3B】

【図4】