特許 7407079 電力変換システム、その制御方法およびそれを搭載した鉄道車両

(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】

(24)【登録日】2023-12-20

(45)【発行日】2023-12-28

(54)【発明の名称】電力変換システム、その制御方法およびそれを搭載した鉄道車両

(51)【国際特許分類】

   B60L 3/00 20190101AFI20231221BHJP

   B60L 13/00 20060101ALI20231221BHJP

   B60L 50/53 20190101ALI20231221BHJP

   B60L 58/10 20190101ALI20231221BHJP

   H02M 7/48 20070101ALI20231221BHJP

【ＦＩ】

B60L3/00 C

B60L13/00 D

B60L50/53

B60L58/10

H02M7/48 M

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2020118347

(22)【出願日】2020-07-09

(65)【公開番号】P2022015480

(43)【公開日】2022-01-21

【審査請求日】2023-03-28

(73)【特許権者】

【識別番号】000005108

【氏名又は名称】株式会社日立製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110000062

【氏名又は名称】弁理士法人第一国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】安東 正登

(72)【発明者】

【氏名】篠宮 健志

【審査官】岩田 健一

(56)【参考文献】

【文献】特公昭５３－０４７４９６（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】特開昭５０－０２１４０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭４８－０８７５０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－０３４５３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５９－００２５０２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ６０Ｌ ３／００

Ｂ６０Ｌ １３／００

Ｂ６０Ｌ ５０／５３

Ｂ６０Ｌ ５８／１０

Ｈ０２Ｍ ７／４８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

架線から第一の開放手段、第二の開放手段および第一のフィルタリアクトルを介して直流電力を交流電力に変換してモータを駆動するインバータ装置と、
前記架線から前記第一の開放手段、第三の開放手段および第二のフィルタリアクトルを介して直流電力を直流直流変換して第三のリアクトルを介して蓄電池の電力を制御するチョッパ装置と、
前記チョッパ装置と前記蓄電池との間に接続した第一の接触器と、
前記第一の開放手段と前記蓄電池との間に接続した第二の接触器と、
前記第二の開放手段に対して並列に接続した第三の接触器および第一の抵抗器の直列回路と、
前記インバータ装置の直流側に、フィルタキャパシタと当該フィルタキャパシタに対して並列に接続した第一のスイッチング素子および第二の抵抗器の直列回路と
を備え、
前記チョッパ装置の故障検出および前記架線の停電検出に応じて、前記第一から前記第三の開放手段および前記第一の接触器が開放され、続いて前記第一のスイッチング素子が第一の所定期間オン状態となった後に、前記第二および前記第三の接触器が投入されて当該第三の接触器が第二の所定期間オン状態となる
ことを特徴とする電力変換システム。

【請求項2】

請求項１に記載の電力変換システムであって、
前記第一の開放手段は遮断器であり、前記第二および前記第三の開放手段は接触器である
ことを特徴とする電力変換システム。

【請求項3】

架線から第一の開放手段、第二の開放手段および第一のフィルタリアクトルを介して直流電力を交流電力に変換しモータを駆動するインバータ装置と、
前記第二の開放手段に対して並列に接続した第一の抵抗器および第一の接触器の直列回路と、
前記第一の抵抗器と前記第一の接触器との接続点から第三の開放手段、第二のフィルタリアクトルを介して直流電力を直流直流変換して第三のリアクトルを介して蓄電池の電力を制御するチョッパ装置と、
前記チョッパ装置と前記蓄電池との間に接続した第二の接触器と、
前記第一の開放手段と前記蓄電池との間に接続した第三の接触器と、
前記インバータ装置の直流側に、フィルタキャパシタと当該フィルタキャパシタに対して並列に接続した第一のスイッチング素子および第二の抵抗器の直列回路と
を備え、
前記チョッパ装置の故障検出および前記架線の停電検出に応じて、前記第一から前記第三の開放手段および前記第二の接触器が開放され、続いて前記第一のスイッチング素子が第一の所定期間オン状態となった後に、前記第一および前記第三の接触器が投入されて当該第一の接触器が第二の所定期間オン状態となる
ことを特徴とする電力変換システム。

【請求項4】

請求項３に記載の電力変換システムであって、
前記第一の開放手段は遮断器であり、前記第二および前記第三の開放手段は接触器である
ことを特徴とする電力変換システム。

【請求項5】

請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の電力変換システムであって、
前記インバータ装置および前記チョッパ装置を構成する少なくとも一つのスイッチング素子は、シリコンまたはシリコンより大きいバンドギャップを有する半導体材料を母材とする
ことを特徴とする電力変換システム。

【請求項6】

請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の電力変換システムであって、
前記インバータ装置および前記チョッパ装置を構成する少なくとも一つのスイッチング素子は、ＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴの電圧駆動型素子である
ことを特徴とする電力変換システム。

【請求項7】

請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の電力変換システムを搭載した鉄道車両。

【請求項8】

架線と当該架線からの直流電力を交流電力に変換してモータを駆動するインバータ装置との間に設けた第一の開放手段および第二の開放手段と、
前記第二の開放手段に対して並列に接続した第三の接触器および第一の抵抗器の直列回路と、
前記第一の開放手段と当該第一の開放手段を介して前記架線からの直流電力を直流直流変換して蓄電池の電力を制御するチョッパ装置との間に設けた第三の開放手段と、
前記チョッパ装置と前記蓄電池との間に接続した第一の接触器と、
前記第一の開放手段と前記蓄電池との間に接続した第二の接触器と、
前記インバータ装置の直流側に接続したフィルタキャパシタに並列に設けた第一のスイッチング素子および第二の抵抗器の直列回路と
を備える電力変換システムの制御方法であって、
前記チョッパ装置の故障検出に応じて、前記第三の開放手段および前記第一の接触器を開放する第１ステップと、
前記第１ステップに続く前記架線の停電検出に応じて、前記第一および前記第二の開放手段を開放すると共に前記第一のスイッチング素子を第一の所定期間オン状態にする第２ステップと、
前記第一の所定期間後に前記第二および前記第三の接触器を投入して当該第三の接触器を第二の所定期間オン状態にする第３ステップと
を有する電力変換システムの制御方法。

【請求項9】

架線と当該架線からの直流電力を交流電力に変換してモータを駆動するインバータ装置との間に設けた第一の開放手段および第二の開放手段と、
前記第二の開放手段に対して並列に接続した第一の抵抗器および第一の接触器の直列回路と、
前記第一の抵抗器と前記第一の接触器との接続点から前記第一の開放手段および前記第一の抵抗器を介して前記架線からの直流電力を直流直流変換して蓄電池の電力を制御するチョッパ装置との間に設けた第三の開放手段と、
前記チョッパ装置と前記蓄電池との間に接続した第二の接触器と、
前記第一の開放手段と前記蓄電池との間に接続した第三の接触器と、
前記インバータ装置の直流側に接続したフィルタキャパシタに並列に設けた第一のスイッチング素子および第二の抵抗器の直列回路と
を備える電力変換システムの制御方法であって、
前記チョッパ装置の故障検出に応じて、前記第三の開放手段および前記第二の接触器を開放する第１ステップと、
前記第１ステップに続く前記架線の停電検出に応じて、前記第一および前記第二の開放手段を開放すると共に前記第一のスイッチング素子を第一の所定期間オン状態にする第２ステップと、
前記第一の所定期間後に前記第一および前記第三の接触器を投入して当該第一の接触器を第二の所定期間オン状態にする第３ステップと
を有する電力変換システムの制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、蓄電池からの電力も併用する電力変換システム、該システムの制御方法および該システムを搭載した鉄道車両に関する。

【背景技術】

【0002】

鉄道駆動システムにおける車両駆動用の電力は、架線から供給される。架線の電力は、変電所から供給されることから、変電所で事故が発生すると架線は停電する。そのため、架線が停電すると、モータ駆動用インバータ装置に電力を供給できず、車両は移動することができなくなる。

【0003】

そこで近年では、架線停電時に最寄り駅まで移動することを目的として、車両に非常走行用の蓄電池が搭載されつつある。また、蓄電池は、車両がブレーキ時に発生する回生電力を吸収することができ、省エネルギー化にも貢献できる。

【0004】

蓄電池を搭載した鉄道駆動システムにおいて、架線の電圧と蓄電池の電圧とが異なる場合がある。この場合、チョッパ装置を用いて直流－直流電力変換することで、蓄電池の充放電は制御される。すなわち、架線と蓄電池との間にチョッパ装置が接続される構成となる。しかし、チョッパ装置は、半導体素子を用いたスイッチング動作により充放電電力を制御するため、偶発的に故障することがある。ここで、チョッパ装置が故障した場合には、蓄電池を充放電できなくなるため、車両は非常走行することができない。

【0005】

チョッパ装置を用いて蓄電池システムを制御する技術の中で、この問題に対処する技術として、例えば特許文献１には、以下の技術が開示されている。すなわち、「第１外部接続部と第２外部接続部と高電圧端子と低電圧端子とを備えた一又は複数相の双方向チョッパ回路と主回路が低電圧側端子と接続される蓄電池装置と、高電圧端子と第１外部接続部とを電気的に接続する経路に設けられた第１接触器と、蓄電池装置の主回路と低電圧側端子とを電気的に接続する経路に設けられた第２接触器と、蓄電池装置の主回路と第１外部接続部とを電気的に接続する経路に設けられた第３接触器と、蓄電池装置の主回路と第２外部接続部とを電気的に接続する経路に設けられた第４接触器とを備える」ことを特徴とする技術である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開平２０１９－１８６９８５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

特許文献１に記載の技術では、非常走行時に、チョッパ装置を介することなく、蓄電池から電力変換装置（インバータ装置）へ電力を供給することを可能にするが、後述するように、接続する接触器の切り替え時に蓄電池に過大な電流が流れ、蓄電池や接触器の寿命を低下させるという課題が存在する。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記課題を解決するために、本発明に係る電力変換システムの代表例として、電力変換システムは、架線から第一の開放手段、第二の開放手段および第一のフィルタリアクトルを介して直流電力を交流電力に変換してモータを駆動するインバータ装置と、架線から第一の開放手段、第三の開放手段および第二のフィルタリアクトルを介して直流電力を直流直流変換して第三のリアクトルを介して蓄電池の電力を制御するチョッパ装置と、チョッパ装置と蓄電池との間に接続した第一の接触器と、第一の開放手段と蓄電池との間に接続した第二の接触器と、第二の開放手段に対して並列に接続した第三の接触器および第一の抵抗器の直列回路と、インバータ装置の直流側にフィルタキャパシタと当該フィルタキャパシタに対して並列に接続した第一のスイッチング素子および第二の抵抗器の直列回路とを備え、チョッパ装置の故障検出および架線の停電検出に応じて、第一から第三の開放手段および第一の接触器が開放され、続いて第一のスイッチング素子が第一の所定期間オン状態となった後に、第二および第三の接触器が投入されて当該第三の接触器が第二の所定期間オン状態となることを特徴とする。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、非常走行時に、チョッパ装置が故障であっても、蓄電池からインバータ装置に対して過電流等の不具合を伴うことなく安定した電力供給の下で非常走行が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明に係る鉄道車両の概略構成を示す図である。

【図2】本発明の実施例１に係る電力変換システムの回路構成を示す図である。

【図3】非常走行開始時のタイミングチャートを示す図である。

【図4】実施例１に係る電力変換システムの動作フローチャートを示す図である。

【図5】実施例１に係る電力変換システムのタイミングチャートを示す図である。

【図6】本発明の実施例２に係る電力変換システムの回路構成を示す図である。

【図7】本発明の実施例３に係る電力変換システムの回路構成を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明を実施するための形態として、実施例１～３について、図面を用いて説明する。
図１は、本発明に係る鉄道車両の概略構成を示す図である。
鉄道車両を加速するための力行動作では、架線１から集電装置７を介して車両８に電力が供給される。実施例１に係る鉄道車両を駆動するための電装品は、インバータ装置６、チョッパ装置９、接触器箱１０、フィルタリアクトル箱１５および蓄電池２０である。

【0012】

なお、図１では各電装品を別箱の形態で記載しているが、電装品の一部もしくはすべてを一体箱に格納し、実装密度を高密度化してもよい。
また、架線１の電圧値としては、直流６００Ｖ、直流７５０Ｖ、直流１５００Ｖ、直流３０００Ｖ等である。

【実施例1】

【0013】

図２は、本発明の実施例１に係る電力変換システムの回路構成を示す図である。
実施例１に係る電力変換システムとしては、電動機５を駆動するシステムと蓄電池２０の電力を制御するシステムの二つのシステムが搭載されている。

【0014】

以下に、実施例１に係る電力変換システムの構成を説明する。
電動機５を駆動するシステムは、架線１から供給された直流電力を、遮断器１１、接触器１４ａ、フィルタリアクトル１５ａおよびインバータ装置６を介して交流電力に変換することにより、電動機５を駆動する。実施例１では、遮断器１１と接触器１４ａとを開放手段として用いる。

【0015】

インバータ装置６は、フィルタキャパシタ１８ａ、抵抗器１６ａおよびスイッチング素子１７ａで構成される放電回路、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６のゲート指令を生成する論理部（図示せず）から構成されている。

【0016】

電動機５の駆動により、図１に示す車輪３が回転し、車両８が前進または後進する。電動機５は、誘導電動機または永久磁石同期電動機のどちらでもよい。誘導電動機の場合は、複数の誘導電動機を１台のインバータ装置で駆動することができ、永久磁石同期電動機の場合は、１台の永久磁石同期電動機を１台のインバータ装置で駆動する。

【0017】

車両８を減速するブレーキ動作時には、電動機５が発電機となる。電動機５が発電した回生電力は、インバータ装置６、フィルタリアクトル１５ａ、接触器１４ａ、遮断器１１を介して架線１に戻る。この回生電力は、架線１を介して他の車両の力行電力として消費される。

【0018】

蓄電池２０の電力を制御するシステムは、架線１から供給された直流電力を、遮断器１１、接触器１４ｂ、フィルタリアクトル１５ｂ、チョッパ装置９および接触器１９を介して直流電力に変換して、昇降圧リアクトル１５ｃ介して蓄電池２０を充電する。実施例１では、開放手段１４ｂとして接触器を用いる。

【0019】

チョッパ装置９は、フィルタキャパシタ１８ｂ、抵抗器１６ｂおよびスイッチング素子１７ｂで構成される放電回路、スイッチング素子Ｑ７およびＱ８、これらスイッチング素子Ｑ７およびＱ８のゲート指令を生成する論理部（図示せず）で構成されている。なお、蓄電池２０は、架線１からの電力だけでなく、電動機５の回生電力によっても充電が可能である。

【0020】

蓄電池２０の電力を放電する場合は、接触器１９、昇降圧リアクトル１５ｃ、チョッパ装置９、フィルタリアクトル１５ｂ、接触器１４ｂを介する。蓄電池２０からの電力は、インバータ装置６により交流電力に変換されて電動機５を駆動する。

【0021】

電気的なグラウンドとしてインバータ装置６およびチョッパ装置９の低電位側は、車輪３を介してレール２に接続されている。また、電動機５は台車４に搭載されており、台車４は車両８を支持している。

【0022】

以下、インバータ装置６およびチョッパ装置９の構成と動作を説明する。
インバータ装置６のスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６は、逆並列にダイオードを備えている。スイッチング素子Ｑ１とＱ２とを直列接続してＵ相を構成し、スイッチング素子Ｑ３とＱ４とを直列接続してＶ相を構成し、スイッチング素子Ｑ５とＱ６とを直列接続してＷ相を構成している。チョッパ装置９のスイッチング素子Ｑ７とＱ８とは、直列接続され、共に逆並列にダイオードを備えている。一方で、インバータ装置６のスイッチング素子Ｑ１７ａおよびチョッパ装置９のスイッチング素子１７ｂが備える逆並列ダイオードは、省略してもよい。

【0023】

スイッチング素子Ｑ１～Ｑ８が、ＩＧＢＴを使用する場合には、各スイッチング素子に逆並列ダイオードが必要であるが、ＭＯＳＦＥＴなどボディダイオードを有する場合には、各スイッチング素子に逆並列ダイオードを接続せずにＭＯＳＦＥＴ自身のボディダイオードを利用してよい。また、直列接続された２つのスイッチング素子（例えば、Ｑ１とＱ２）としては、同一パッケージに搭載された２ｉｎ１のパッケージを用いてもよい。

【0024】

スイッチング素子Ｑ１～Ｑ８としては、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどの電圧制御型スイッチング素子やサイリスタなどの電流制御型スイッチング素子を使用することができる。また、スイッチング素子および逆並列ダイオードの半導体材料としては、Ｓｉ（シリコン）や、Ｓｉよりもバンドギャップが広い半導体であるＳｉＣ（炭化ケイ素）やＧａＮ（窒化ガリウム）でもよい。ここで、ワイドバンドギャップ半導体は、Ｓｉに比べて発生損失を低減できるため、インバータ装置６やチョッパ装置９を小型化できる。

【0025】

インバータ装置６を構成するスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６をＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御することで、フィルタキャパシタ１８ａからパルス状の交流電力が出力される。出力された交流電力は、電動機５に供給され、機械エネルギーに変換されることで車両８を前進または後進させる。

【0026】

なお、フィルタキャパシタ１８ａの初期充電は、充電回路である接触器１２ａと抵抗器１３ａを用いて行われる。接触器１４ａが開放状態にて接触器１２ａを投入し、抵抗器１３ａを介して初期充電を実施する。フィルタキャパシタ１８ａとフィルタリアクトル１５ａとはフィルタ回路を構成し、インバータ装置６から架線１に流れるノイズ電流を低減する。

【0027】

また、抵抗器１６ａとスイッチング素子１７ａとは放電回路を構成し、スイッチング素子１７ａをオン状態とすることにより、フィルタキャパシタ１８ａが蓄積したエネルギーを抵抗器１６ａで消費し、フィルタキャパシタ１８ａの電圧を０Ｖまで放電する。

【0028】

チョッパ装置９のスイッチング素子Ｑ７およびＱ８は、蓄電池２０の入出力電力が所望の値となるように制御される。例えば、架線１の電圧が直流１５００Ｖ、蓄電池２０の電圧が８００Ｖとすると、チョッパ装置９は、蓄電池２０を充電する場合、架線１の電圧（１５００Ｖ）を蓄電池２０の電圧（８００Ｖ）にまで降圧する降圧チョッパとして機能し、昇降圧リアクトル１５ｃが降圧リアクトルとして機能する。逆に、チョッパ装置９は、蓄電池２０を放電する場合、蓄電池２０の電圧（８００Ｖ）を架線１の電圧（１５００Ｖ）にまで昇圧する昇圧チョッパとして機能し、昇降圧リアクトル１５ｃが昇圧リアクトルとして機能する。

【0029】

架線１の電圧は、理想的には一定の直流電圧であるが、架線１に接続される車両本数に応じてその電圧は変動する。この場合でも、チョッパ装置９を制御することで蓄電池２０を充電することができる。スイッチング素子Ｑ７およびＱ８のスイッチング動作により、フィルタキャパシタ１８ｂからパルス状の交流電力が出力される。なお、フィルタキャパシタ１８ｂの初期充電は、充電回路である接触器１２ｂと抵抗器１３ｂとを用いて行われる。すなわち、接触器１４ｂが開放状態にて、接触器１２ｂを投入し抵抗器１３ｂを介して初期充電を実施する。

【0030】

フィルタキャパシタ１８ｂとフィルタリアクトル１５ｂとは、フィルタ回路を構成し、チョッパ装置９から架線１に流れるノイズ電流を低減する。また、抵抗器１６ｂとスイッチング素子１７ｂとは放電回路を構成し、スイッチング素子１７ｂをオン状態とすることにより、フィルタキャパシタ１８ｂが蓄積したエネルギーを抵抗器１６ｂで消費し、フィルタキャパシタ１８ｂの電圧を架線１の電圧以下（例えば０Ｖ）に放電する。

【0031】

次に、チョッパ装置９の機能を説明する。
車両８のブレーキ時に電動機５は発電機として動作し、これにより発生する回生電力は架線１を介して他の車両の力行電力として消費される。この結果、電気エネルギーが効率よく利用され省エネルギー化ができる。

【0032】

一方、架線１に他の力行中の車両が存在しない場合、回生電力は架線１に戻すことができず、機械ブレーキを使用して熱に変換するとエネルギー効率が低下する。この場合には、回生電力をチョッパ装置９を介して回生電力を蓄電池２０に充電することができるため、従来は熱として消費していたエネルギーを回収できるため、エネルギー効率を向上させることができる。

【0033】

また、チョッパ装置９は、非常走行の機能も有する。架線１の電力供給元である変電所（図示せず）で事故が生じた場合、架線１は停電する。架線１の停電によりインバータ装置６の電力源がなくなるため、電動機５の駆動が不可となり車両８を動かすことができなくなる。実施例１に係る電力変換システムでは、チョッパ装置９と蓄電池２０とを備えることにより、架線１が停電した場合でも、蓄電池２０の電力をチョッパ装置９およびインバータ装置９を介して電力変換することで、電動機５に電力を供給することができる。すなわち、架線１が停電した場合でも蓄電池２０の電力を用いて車両８を動かすことが可能となる。

【0034】

ここで、インバータ装置６およびチョッパ装置９が搭載するスイッチング素子Ｑ１～Ｑ８に関して、スイッチング素子は半導体であることから、偶発的に故障する場合がある。チョッパ装置９が故障すると、蓄電池２０の電力をインバータ装置６に供給することが不能になるため、非常走行の機能を失う事態になる。

【0035】

この事態に対処するために、実施例１では、蓄電池２０を架線に直結するための接触器２１を備えている。以下では、一例として、架線１の電圧は１５００Ｖ、蓄電池２０の電圧は８００Ｖ等、架線１と蓄電池２０の電圧レベルが異なるシステムにて説明する。

【0036】

図３は、非常走行開始時のタイミングチャートを示す図である。
非常走行時に、接触器２１を介して蓄電池２０の電力をインバータ装置６に供給すると、チョッパ装置９を介さないため、エネルギー効率を向上させることができる。

【0037】

図３に示す時刻ｔ１以前では、接触器１４ａ、１４ｂ、１９および遮断器１１が投入されている。時刻ｔ１にて非常走行の開始を検出すると、接触器１４ａ、１４ｂ、１９および遮断器１１を開放し、接触器２１を投入する。このとき、インバータ装置６のフィルタキャパシタ１８ａは１５００Ｖに充電されている一方で、蓄電池２０の電圧は８００Ｖである。

【0038】

ここにおいて、接触器２１が投入された瞬間に、フィルタキャパシタ１８ａと蓄電池２０との電位差によって蓄電池２０に電流が流れ込み（図３に示す蓄電池２０の電流は、蓄電池２０の放電を正とする）、図３に示すように蓄電池２０に過大な電流が流れる。この過大な電流は蓄電池２０を発熱させることになるため、蓄電池２０や接触器２１の寿命を低下させるという課題を呈することになる。

【0039】

以下、実施例１に係る電力変換システムにおける新規な構成部分及び制御方法について説明する。
本発明に係る電力変換システムは、接触器２１に加えて、チョッパ装置９の故障判定部２２を備えている。チョッパ装置９が故障すると、蓄電池２０の電力をインバータ装置６に供給できなくなるため、非常走行の機能が失われる。そこで、チョッパ装置２１の故障判定部２２が故障を検知しかつ非常走行を開始する場合は、接触器２１を投入することにより蓄電池２０の電力をインバータ装置６に供給する。チョッパ装置９が正常時であれば、非常走行時には接触器２１は開放状態とする。これらの動作態様を機能させるために、故障判定部２２の他に、非常走行を検出するための非常走行判定部２３および接触器の投入を制御するための接触器投入制御部２４を備えている。

【0040】

接触器２１を開放状態とする利点は、蓄電池２０の電圧が架線１より低い場合、蓄電池２０の電圧をインバータ装置６で直流－交流電力変換して電動機５を駆動すると、車両が高速走行時に発生する逆起電力がフィルタキャパシタ１８ａの電圧に比べて相対的に高くなり電動機５の出力トルクが低下する。そこで、接触器２１を開放状態にして、チョッパ装置９を介し蓄電池２０を用いて非常走行する。これにより、インバータ装置６のフィルタキャパシタ１８ａの電圧を架線１と同等にすることができ、電動機５の出力トルクを向上させることができる。

【0041】

また、チョッパ装置９の故障により接触器２１を投入して非常走行するときに、架線１の電圧と蓄電池２０の電圧とが異なる場合、フィルタキャパシタ１８ａの電圧を制御する必要がある。

【0042】

図４は、実施例１に係る電力変換システムの動作フローチャートを示す図である。以下の動作フロー全体のシーケンスは、接触器投入制御部２４、故障判定部２２および非常走行判定部２３を含めて、本発明に係る電力変換システムの制御を行う制御装置（図示せず）が実行する。この制御装置は、ハードウェアで実現されても、ソフトウェアで実現されてもよく、また、図２に示す、接触器投入制御部２４、故障判定部２２および非常走行判定部２３を含む構成としてもよい。

【0043】

ステップ１０００で、電力変換システムが始動する。
ステップ１００１にて、インバータ装置６が通常運転を開始する。
ステップ１００２にて、故障判定部２２がチョッパ装置９の状態を監視する。

【0044】

ステップ１００３にて、故障判定部２２は、チョッパ装置９が故障状態であるか否かを検出する。故障状態でない場合（Ｎｏ）は、ステップ１００２に戻りチョッパ装置９の状態の監視を継続する。故障状態を検出した場合（Ｙｅｓ）は、ステップ１００４に進む。

【0045】

ステップ１００４にて、故障判定部２２からの信号を受けた接触器投入制御部２４が、接触器１４ｂおよび１９を開放する。チョッパ装置９が短絡故障している場合、接触器１４ｂが投入されていると架線１からチョッパ装置９に大電流が流れるため、また同様に、接触器１９が投入されていると蓄電池２０からチョッパ装置９に大電流が流れるため、これらを回避するために開放するのである。なお、接触器１２ｂは開放状態である。

【0046】

ステップ１００５にて、非常走行判定部２３が、インバータ装置６の非常走行指令の有無を検出する。非常走行指令を検出しない場合（Ｎｏ）は、インバータ装置６は通常動作を継続し、非常走行判定部２３は非常走行指令の検出を継続する。非常走行指令を検出した場合（Ｙｅｓ）は、ステップ１００６に進む。

【0047】

ステップ１００６にて、非常走行判定部２３からの信号を受けた接触器投入制御部２４は、遮断器１１を開放する。この動作は、架線１とインバータ装置６を切り離すためである。

【0048】

ステップ１００７にて、インバータ装置６の放電回路の制御部（図示せず）がスイッチング素子１７ａを所定時間オン動作し、抵抗器１６ａを用いてフィルタキャパシタ１８ａを放電する。例えば、架線１の電圧が直流１５００Ｖの場合、フィルタキャパシタ１８ａを直流１５００Ｖから０Ｖまで放電する。

【0049】

ステップ１００８にて、接触器投入制御部２４が接触器１２ａおよび２１を投入することで、抵抗器１３ａを用いてフィルタキャパシタ１８ａが初期充電される。例えば、蓄電池２０の電圧が直流８００Ｖの場合、フィルタキャパシタ１８ａは０Ｖから直流８００Ｖまで充電される。

【0050】

ステップ１００９にて、接触器投入制御部２４は接触器１４ａを投入し、接触器１２ａを開放する。これにより、蓄電池２０とフィルタキャパシタ１８ａとを直結する。

【0051】

ステップ１０１０にて、蓄電池２０を利用したインバータ装置６の非常走行が開始される。
ステップ１０１１で、本動作フローチャートが終了する。

【0052】

図５は、実施例１に係る電力変換システムのタイミングチャートを示す図である。
図３に示すタイミングチャートに従った制御態様との違いは、スイッチング素子１７ａおよび接触器１２ａを制御している点である。図３に示すタイミングチャートでは、フィルタキャパシタ１８ａの電圧と蓄電池２０の電圧とが異なる状態で接触器２１を投入するため、蓄電池２０に大電流が流れ、フィルタキャパシタ１８ａの電圧が振動する事態を招いていた。

【0053】

本発明では、以下に示すタイミングチャートにより、上記事態を回避することが可能となる。
時刻ｔ１において、チョッパ装置９の故障を検出すると接触器１４ｂおよび１９が開放される。

【0054】

続いて、時刻ｔ２において、非常走行フラグを検出すると、遮断器１１および接触器１４ａを開放すると共に、接触器２１を投入する前の動作としてスイッチング素子１７ａと抵抗器１６ａとを用いてフィルタキャパシタ１８ａを放電する。

【0055】

その後、時刻ｔ３において、接触器２１と共に接触器１２ａを投入し、抵抗器１３ａを用いてフィルタキャパシタ１８ａの電圧を蓄電池２０の電圧に充電する。この結果、蓄電池２０からフィルタキャパシタ１８ａに流入する電流は、図３に示すタイミングチャートの場合と比較して低減することができる。これにより、フィルタキャパシタ１８ａの電圧は振動せず、蓄電池２０や接触器２１の寿命低下を回避することができる。

【0056】

フィルタキャパシタ１８ａの充電が完了した後の時刻ｔ４において、接触器１４ａを投入、接触器１２ａを開放することで、蓄電池２０を利用したインバータ装置６の非常走行を開始する。

【0057】

実施例１では、フィルタキャパシタ１８ａを０Ｖまで放電したが、０Ｖでなく蓄電池２０の電圧と同等レベルまでの放電に低減してもよい。フィルタキャパシタ１８ａの電圧と蓄電池２０の電圧とが同等であれば、抵抗器１３ａを介さずに接触器２１を投入しても蓄電池２０を流れる電流を低減することができる。
また、蓄電池２０からフィルタキャパシタ１８ａを充電する回路と架線１からフィルタキャパシタ１８ａを充電する回路とは、部品を共通化していることから、部品点数の削減により電力変換システムの小型化が可能となる。

【実施例2】

【0058】

図６は、本発明の実施例２に係る電力変換システムの回路構成を示す図である。インバータ装置６およびチョッパ装置９の構成、機能および動作は、実施例１と同様であるので省略する。また、開放手段１４ａおよび開放手段１４ｂは共に接触器としている。

【0059】

実施例２は、図２に示す実施例１の回路構成に比べて、接触器１２ｂおよび抵抗器１３ｂを省略しているが、実施例２の回路構成においても、図４に示す実施例１と同様の動作フローチャートにより、実施例１と同様の機能を奏することができる。さらに、接触器１２ｂおよび抵抗器１３ｂを省略できるので、電力変換システムのより小型化を実現できる。

【実施例3】

【0060】

図７は、本発明の実施例３に係る電力変換システムの回路構成を示す図である。インバータ装置６およびチョッパ装置９の構成、機能および動作は、実施例１と同様であるので省略する。

【0061】

実施例３は、図２に示す実施例１の回路構成に比べて、遮断器１１が接触器１４に置き換わり、接触器１４ａおよび１４ｂが、それぞれスイッチング素子Ｑ９およびＱ１０に置き換わっている。

【0062】

実施例３の構成が奏する効果について説明する。
インバータ装置６やチョッパ装置９が故障した場合、フィルタリアクトル１５ａや１５ｂが地絡した場合、架線１から事故電流が流れ込み、架線１に電力を供給している変電所（図示せず）が停電する。この事故電流を遮断するために、実施例１では遮断器１１を搭載しているが、遮断器は許容電流が高いため装置規模が大きい。それに対して、実施例３ではスイッチング素子Ｑ９およびＱ１０並びにそれらに並列に抵抗器１６ａおよび１６ｂを備えている。

【0063】

スイッチング素子は、機械式の遮断器や接触器に比べて動作時間が高速である。そのため、事故電流が増大する前にスイッチング素子Ｑ９やＱ１０をオフ状態とし、抵抗器１６ａや１６ｂで事故電流を減流することができる。減流した電流は事故電流に比べて小さいため、接触器１４で遮断することが可能となる。この結果、大型の遮断器は不要となり、電力変換システムの更なる小型化が可能となる。

【0064】

なお、抵抗器１６ａおよび１６ｂは、事故電流を減流する抵抗器であることに加えて、フィルタキャパシタ１８ａおよび１８ｂの充電抵抗として機能する。また、減流に必要な抵抗値と充電に必要な抵抗値が異なる場合には、実施例３の回路構成に加えて、スイッチング素子Ｑ９およびＱ１０に対して、さらに並列にスイッチング素子と抵抗器の直列回路（図示せず）を接続するようにしてもよい。これにより、事故電流を減流する抵抗器とフィルタキャパシタ１８ａおよび１８ｂを初期充電する抵抗器とを切り替えることが可能となる。

【符号の説明】

【0065】

１ 架線、２ レール、３ 車輪、４ 台車、５ 電動機、６ インバータ装置、
７ 集電装置、８ 車両、９ チョッパ装置、１０ 接触器箱、１１ 遮断器、
１２ａ、１２ｂ、１４、１４ａ、１４ｂ、１９、２１ 接触器、
１３ａ、１３ｂ、１６ａ、１６ｂ 抵抗器、１５ フィルタリアクトル箱、
１５ａ、１５ｂ フィルタリアクトル、１５ｃ 昇降圧リアクトル、
１７ａ、１７ｂ、Ｑ１～Ｑ１０ スイッチング素子、
１８ａ、１８ｂ フィルタキャパシタ、２０ 蓄電池、
２２ 故障判定部、２３ 非常走行判定部、２４ 接触器投入制御部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】