特許 7584712 鉄道車両用電力変換装置

(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】

(24)【登録日】2024-11-07

(45)【発行日】2024-11-15

(54)【発明の名称】鉄道車両用電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   B60L 1/00 20060101AFI20241108BHJP

   B60L 7/14 20060101ALI20241108BHJP

【ＦＩ】

B60L1/00 C

B60L7/14

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2024531769

(86)(22)【出願日】2022-07-04

(86)【国際出願番号】 JP2022026619

(87)【国際公開番号】W WO2024009361

(87)【国際公開日】2024-01-11

【審査請求日】2024-08-22

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000006013

【氏名又は名称】三菱電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100118762

【弁理士】

【氏名又は名称】高村 順

(72)【発明者】

【氏名】力武 純吾

【審査官】柳幸 憲子

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１５－１２８３５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／０５６５８８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１０／１０９６０７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１０－２１５０１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－２１５０１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０２４／０８４６６８（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ６０Ｌ１／００－３／１２，７／００－１３／００，１５／００－５８／４０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

受電部を介して一次巻線が架線に接続される主変圧器と、前記主変圧器と前記架線とを電気的に遮断又は接続する開閉器と、前記架線と前記開閉器との間に設けられ、前記架線から印加される架線電圧を検出する電圧検出器とを備えた鉄道車両に搭載され、前記主変圧器の二次巻線に接続され、前記主変圧器を介して印加される交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、前記直流電圧を平滑する平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサを介して前記コンバータから印加される直流電圧を鉄道車両駆動用の推進モータへの駆動電圧に変換して前記推進モータに印加するインバータとを備えた第１の電力変換装置と、前記主変圧器の三次巻線に接続され、前記鉄道車両に搭載された補機に電力を供給する第２の電力変換装置と、を備えた鉄道車両用電力変換装置であって、
前記コンバータは、前記架線からの電力の供給が行われる給電期間においては、前記平滑コンデンサの電圧であるコンデンサ電圧を一定にするように動作し、前記架線からの電力の供給が行われない無給電期間においては、前記推進モータが発生する回生電力を前記主変圧器を介して前記第２の電力変換装置に供給する動作を行い、
前記インバータは、前記給電期間においては、前記推進モータを駆動する駆動トルクを出力し、前記無給電期間においては、前記補機の所要電力に基づいて決定された回生電力の目標値に従って動作し、
前記コンバータは、前記無給電期間においては、前記三次巻線に印加する電圧を前記架線電圧と前記主変圧器の巻数比とによって定まる目標電圧に一致させるように動作し、
前記コンバータは、前記給電期間において、
前記推進モータが力行動作しているときには、前記コンバータから前記平滑コンデンサに向かう第１の方向の電流量を調整する動作を行うことで前記コンデンサ電圧を制御し、
前記推進モータが回生動作しているときには、前記平滑コンデンサから前記コンバータに向かう第２の方向の電流量を調整する動作を行うことで前記コンデンサ電圧を制御する
ことを特徴とする鉄道車両用電力変換装置。

【請求項2】

前記インバータは、前記無給電期間においては、前記コンデンサ電圧を前記コンデンサ電圧の目標値に一致させるように動作する
ことを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用電力変換装置。

【請求項3】

前記第１の電力変換装置の動作を制御する制御装置を備え、
前記制御装置は、
前記補機の所要電力に基づいて前記回生電力の目標値を決定する第１の制御と、
前記第１の制御の実施後に前記架線電圧を参照せずに、一定の振幅及び周波数の正弦波電圧を生成する第２の制御と、
前記第２の制御で生成される前記正弦波電圧のゼロクロスを前記無給電期間の経過後に検出した新たな架線電圧の波形に合わせる第３の制御と、を実施する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の鉄道車両用電力変換装置。

【請求項4】

前記鉄道車両には、複数の鉄道車両によって編成された列車の列車情報を管理する列車情報管理装置が搭載され、前記補機の所要電力に関する情報は、前記列車情報管理装置から前記第１の電力変換装置に伝送される
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の鉄道車両用電力変換装置。

【請求項5】

前記補機の所要電力に関する情報は、前記第２の電力変換装置から前記第１の電力変換装置に伝送される
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の鉄道車両用電力変換装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、交流架線から供給される交流電力を受電して走行する鉄道車両用電力変換装置に関する。

【背景技術】

【0002】

交流電化された鉄道路線は、各変電所毎に電力を供給する範囲である、き電区間で区切られ、また、変電所毎に交流電力の電圧位相が異なっている。このため、交流電化された鉄道路線では、き電区間の境界において、給電ができない区間が設けられている。この区間は「デッドセクション」と呼ばれている。従って、交流電化された鉄道路線を走行する鉄道車両において、デッドセクションの通過時は、交流架線からの給電が途切れる無給電期間になる。一方、例えば熱帯又は亜熱帯地方に敷設される鉄道路線では、鉄道車両に搭載される補機のうち、少なくとも空調装置に関しては、無給電期間でも連続的に動作することが要求仕様とされることがある。なお、補機とは、鉄道車両に搭載されて電力が供給される機器のうち、推進モータ以外の機器を指して呼ぶ名称である。補機への電力供給は、補助電源装置と呼ばれる電力変換装置によって行われる。

【0003】

上記のような技術的背景の下、下記特許文献１には、デッドセクションの通過時に、鉄道車両駆動用の推進モータからの回生電力を主変換装置のコンバータが主変圧器を介して補助電源装置に供給することにより、デッドセクションの通過時であっても、通常走行時と同じように、鉄道車両に搭載された補機に連続的に電力を供給する技術が開示されている。この動作は、「ポンプバック」と呼ばれる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特許第６５１００６０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、上記特許文献１では、無給電期間における補助電源装置の電力需要については、考慮されていない。無給電期間において、推進モータの回生電力供給量と補助電源装置の電力需要量とに不一致があると、補助電源装置への回生電力供給が円滑に行われない可能性がある。例えば、補助電源装置へ回生できなかった電圧が平滑コンデンサの電圧の跳ね上がりの要因となり、保護検知が働いてしまうという問題、或いは補助電源装置への回生電力量が足りずに、補機への電力供給が停止してしまうといった問題が生じ得る。

【0006】

本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、無給電期間であっても、補機への電力供給を円滑に行うことができる鉄道車両用電力変換装置を得ることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本開示に係る鉄道車両用電力変換装置は、主変圧器と、開閉器と、電圧検出器とを備えた鉄道車両に搭載される。主変圧器は受電部を介して一次巻線が架線に接続され、開閉器は主変圧器と架線とを電気的に遮断又は接続し、電圧検出器は架線と開閉器との間に設けられ、架線から印加される架線電圧を検出する。鉄道車両用電力変換装置は、第１の電力変換装置と、第２の電力変換装置とを備える。第１の電力変換装置は、コンバータと、平滑コンデンサと、インバータとを備える。コンバータは、主変圧器の二次巻線に接続され、主変圧器を介して印加される交流電圧を直流電圧に変換する。平滑コンデンサは、直流電圧を平滑する。インバータは、平滑コンデンサを介してコンバータから印加される直流電圧を鉄道車両駆動用の推進モータへの駆動電圧に変換して推進モータに印加する。第２の電力変換装置は、主変圧器の三次巻線に接続され、鉄道車両に搭載された補機に電力を供給する。コンバータは、架線からの電力の供給が行われる給電期間においては、平滑コンデンサの電圧であるコンデンサ電圧を一定にするように動作する。また、コンバータは、架線からの電力の供給が行われない無給電期間においては、推進モータが発生する回生電力を主変圧器を介して第２の電力変換装置に供給する動作を行う。インバータは、給電期間においては、推進モータを駆動する駆動トルクを出力し、無給電期間においては、補機の所要電力に基づいて決定された回生電力の目標値に従って動作する。

【発明の効果】

【0008】

本開示に係る鉄道車両用電力変換装置によれば、無給電期間であっても、補機への電力供給を円滑に行うことができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施の形態に係る鉄道車両用電力変換装置を含む鉄道車両システムの電気系統の構成例を示す図

【図2】図１に示す主変換装置の構成例を示す図

【図3】実施の形態に係る鉄道車両用電力変換装置の給電期間におけるエネルギーフローの説明に供する図

【図4】実施の形態に係る鉄道車両用電力変換装置の無給電期間におけるエネルギーフローの説明に供する図

【図5】実施の形態に係る主変換装置の給電期間及び無給電期間での動作説明に供するタイムチャート

【図6】実施の形態に係る主変換装置の給電期間における動作の要点の説明に供する図

【図7】実施の形態に係る主変換装置の無給電期間における動作の要点の説明に供する図

【図8】実施の形態に係るインバータ制御部の動作説明に供する動作フロー図

【図9】実施の形態に係るコンバータ制御部の動作説明に供する動作フロー図

【図10】実施の形態に係る鉄道車両用電力変換装置を備える鉄道車両の伝送系統の構成例を示す図

【図11】実施の形態に係る鉄道車両用電力変換装置における情報伝送の説明に供するフローチャート

【図12】実施の形態に係る制御装置の機能を実現するハードウェア構成の一例を示すブロック図

【図13】実施の形態に係る制御装置の機能を実現するハードウェア構成の他の例を示すブロック図

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下に添付図面を参照し、本開示の実施の形態に係る鉄道車両用電力変換装置について詳細に説明する。なお、以下では、物理的な接続と電気的な接続とを区別せずに、単に「接続」と称して説明する。即ち、「接続」という文言は、構成要素同士が直接的に接続される場合と、構成要素同士が他の構成要素を介して間接的に接続される場合との双方を含んでいる。

【0011】

実施の形態．
図１は、実施の形態に係る鉄道車両用電力変換装置を含む鉄道車両システムの電気系統の構成例を示す図である。実施の形態に係る鉄道車両システムは、受電部１０１と、電圧検出器であるＡＣＰＴ（Alternating Current Potential Transformer）１０２と、開閉器１０３と、主変圧器１０４と、主変換装置１０５と、推進モータ１０６と、補助電源装置１０７とを備えて構成される。なお、図１は、主変換装置１０５を４台とし、推進モータ１０６を４台とする構成であるが、一例であり、台数は異なっていても構わない。また、図１は、主変換装置１０５の１台に推進モータ１０６が１台接続される構成であるが、主変換装置１０５の１台に複数の推進モータ１０６が接続される構成であってもよい。また、図１は、主変圧器１０４に１台の補助電源装置１０７が接続される構成であるが、主変圧器１０４に複数の補助電源装置１０７が接続される構成であってもよい。また、図１において、主変換装置１０５及び補助電源装置１０７は、実施の形態に係る鉄道車両用電力変換装置を構成する。

【0012】

受電部１０１は、鉄道車両が架線１００からの交流電力を受電するための機器である。受電部１０１の例は、パンタグラフ、集電靴などである。鉄道車両への給電は、鉄道車両の上部に取り付けられるパンタグラフを想定しているが、線路の横に設置される第三軌条であっても構わない。

【0013】

開閉器１０３は、主変圧器１０４と架線１００とを電気的に開閉する機器である。開閉器１０３の一例は遮断器であり、鉄道車両用としては、真空遮断器（Vacuum Circuit Breaker：ＶＣＢ）がよく用いられる。なお、主変圧器１０４と架線１００との間を電気的に開閉、即ち遮断及び接続できる機器であれば遮断器でなくてもよい。

【0014】

ＡＣＰＴ１０２は、受電部１０１の受電電圧を測定する機器である。ＡＣＰＴ１０２は、架線１００と開閉器１０３との間に設けられ、架線１００から印加される架線電圧を検出する。

【0015】

主変圧器１０４は、一次巻線１４１と、二次巻線１４２と、三次巻線１４３とを備える。一次巻線１４１は、受電部１０１及び開閉器１０３を介して架線１００に接続される。また、二次巻線１４２は主変換装置１０５に接続され、三次巻線１４３は補助電源装置１０７に接続される。一次巻線１４１には架線電圧が印加され、二次巻線１４２及び三次巻線１４３には、一次巻線１４１との間の巻数比によって決まる電圧が生じる。二次巻線１４２は主変換装置１０５の個数分を設置し、三次巻線１４３は補助電源装置１０７の個数分を設置し、それぞれの巻線と各装置とを一対一で接続するのを基本とするが、１つの巻線と複数の装置とをリアクトルを介して接続するような構成としても構わない。

【0016】

主変圧器１０４の一次巻線１４１に印加される架線電圧は、コンバータ２１０の電流制御の基準となる電圧であり、本稿では「基準電圧」と呼ぶことがある。なお、二次巻線１４２に生じる電圧を基準電圧としてもよい。

【0017】

主変換装置１０５は、コンバータ２１０と、インバータ２３０とを備える。コンバータ２１０は、主変圧器１０４の二次巻線１４２に接続され、主変圧器１０４を介して印加される交流電圧を直流電圧に変換する。インバータ２３０は、直流側が中間リンク部１５３を介してコンバータ２１０に接続され、交流側が推進モータ１０６に接続される。インバータ２３０は、中間リンク部１５３から印加される直流電圧を推進モータ１０６への駆動電圧に変換して推進モータ１０６に印加する。なお、本稿では、主変換装置１０５を「第１の電力変換装置」と呼ぶことがある。

【0018】

推進モータ１０６は、鉄道車両駆動用のモータである。鉄道車両は、推進モータ１０６の回転によって駆動力を得て走行する。また、鉄道車両は、推進モータ１０６の発生するトルクによって、加速又は減速する。

【0019】

補助電源装置１０７は、主変圧器１０４の三次巻線１４３に接続され、前述した補機への電力供給を行う。補機の例は、車内照明装置、ドア開閉装置、空調装置、保安機器、コンプレッサ、バッテリ、制御電源などである。なお、本稿では、補助電源装置１０７を「第２の電力変換装置」と呼ぶことがある。

【0020】

図２は、図１に示す主変換装置１０５の構成例を示す図である。主変換装置１０５は、コンバータ２１０と、平滑コンデンサ２２０と、インバータ２３０と、制御装置２４０とを備える。また、制御装置２４０は、コンバータ制御部２４２と、インバータ制御部２４４とを備える。コンバータ制御部２４２はコンバータ２１０の動作を制御し、インバータ制御部２４４はインバータ２３０の動作を制御する。なお、制御装置２４０は、コンバータ制御部２４２とインバータ制御部２４４とを区別して構成する必要はなく、共用できる部分は共用し、両者を一体的に構成してもよい。

【0021】

コンバータ２１０は、一次側端子２１１と、二次側端子２１２とを備える。コンバータ２１０は、一次側端子２１１に印加される単相交流電圧と、二次側端子２１２に印加される直流電圧とを相互に変換することができる。この動作は、コンバータ制御部２４２によって制御される。コンバータ２１０は、一次側端子２１１の電圧を調整することで、インバータ２３０側に融通する電力を制御する。また、一次側端子２１１の１つには、電流センサ２１３が配置されている。電流センサ２１３は、コンバータ２１０の一次側に流れる電流を検出する。なお、図２では、３個の二次側端子２１２を有し、二次側に３種類の電位を出力することが可能な３レベルコンバータを例示しているが、この例に限定されない。二次側端子２１２の個数は２個でもよく、４個以上でも構わない。二次側端子２１２の個数が２個の構成は、２レベルコンバータと呼ばれる。

【0022】

インバータ２３０は、一次側端子２３１と、二次側端子２３２とを備える。前述した、コンバータ２１０の二次側端子２１２と、インバータ２３０の一次側端子２３１との間の部位は、前述した中間リンク部１５３を構成する。インバータ２３０は、一次側端子２３１に印加される直流電圧と、二次側端子２３２に印加される交流電圧とを相互に変換することができる。この動作は、インバータ制御部２４４によって制御される。インバータ２３０は、二次側端子２３２の電圧を調整することで推進モータ１０６の出力トルクを制御する。推進モータ１０６が三相交流モータの場合、二次側端子２３２に出力する電圧は三相交流電圧となる。なお、図２では、２個の一次側端子２３１を有し、一次側に２種類の電位を出力することが可能な２レベルインバータを例示しているが、この例に限定されない。一次側端子２３１の個数は３以上でも構わない。一次側端子２３１の個数が３個の構成は、３レベルインバータと呼ばれる。

【0023】

平滑コンデンサ２２０は、コンバータ２１０の二次側端子２１２と、インバータ２３０の一次側端子２３１との間に接続され、直流電圧の変動を抑制する機能を有する。コンバータ２１０及びインバータ２３０が共に２レベルの構成である場合、平滑コンデンサ２２０は１個だけでも構わない。また、平滑コンデンサ２２０には、並列に電圧センサ２２１が配置されている。電圧センサ２２１は、平滑コンデンサ２２０の両端の電圧であるコンデンサ電圧を検出する。なお、平滑コンデンサ２２０は中間リンク部１５３の構成要素であり、コンデンサ電圧は、「中間リンク電圧」とも呼ばれる。

【0024】

図３は、実施の形態に係る鉄道車両用電力変換装置の給電期間におけるエネルギーフローの説明に供する図である。また、図４は、実施の形態に係る鉄道車両用電力変換装置の無給電期間におけるエネルギーフローの説明に供する図である。なお、給電期間とは、架線１００からの電力が正常に主変圧器１０４に印加されている期間を意味する。また、無給電期間には、鉄道車両が実際にデッドセクションを通過する期間と、当該期間の前後において開閉器１０３が開状態である期間とが含まれている。即ち、無給電期間とは、主変圧器１０４と架線１００とが電気的に遮断され、主変圧器１０４に架線１００からの電力が供給されない期間を意味する。

【0025】

通常時において、鉄道車両の駆動に必要な電力は受電部１０１、開閉器１０３及び主変圧器１０４を介して主変換装置１０５及び補助電源装置１０７に供給される。主変換装置１０５は、供給される電力を推進モータ１０６への駆動電力に変換して推進モータ１０６を駆動する。補助電源装置１０７は、供給される電力を補機への駆動電力に変換して補機を動作させる。

【0026】

無給電期間中においては、架線１００から給電することができない。このため、制御装置２４０に備えられるコンバータ制御部２４２は、推進モータ１０６の運動エネルギーを回生させ、そのときの回生電力を主変換装置１０５と、主変圧器１０４とを介して、補助電源装置１０７に供給するポンプバックを行う。以降の説明において、主変換装置１０５に関する記載がある場合、ポンプバックを行う主変換装置１０５のことを指すものとする。なお、ポンプバックを行う主変換装置１０５は、主変圧器１０４毎に１台とする。１台の主変換装置１０５がポンプバックを行うことにより、主変圧器１０４に供給される回生電力が不安定になることを防止できる。ポンプバックを行う１台の主変換装置１０５は、予め決められていてもよいし、列車情報を管理する列車情報管理装置が、指定してもよい。列車情報管理装置については、後述する。

【0027】

図５は、実施の形態に係る主変換装置１０５の給電期間及び無給電期間での動作説明に供するタイムチャートである。図５の横軸は時間を表している。また、図５の縦軸方向には、上段側から順に、ＡＣＰＴ１０２の検出波形、デッドセクション通過信号、インバータ電力、ポンプバックの状態信号、開閉器１０３の状態信号、及びコンバータ制御に使用する電圧波形を示している。図５において、鉄道車両は左から右側に走行する。

【0028】

鉄道車両がデッドセクションを通過する前には、デッドセクション通過信号が出力される。時刻ｔ１でデッドセクション通過信号が出力され、時刻ｔ１０でデッドセクション通過信号の出力が解除される。時刻ｔ２で回生電力が決定され、時刻ｔ３でポンプバックが開始される。時刻ｔ４で開閉器１０３が開放され、開である状態は時刻ｔ１１まで継続される。時刻ｔ５から時刻ｔ６までが、実際にデッドセクションを通過している期間である。時刻ｔ７から時刻ｔ８の期間では、コンバータ２１０の出力電圧波形をＡＣＰＴ１０２の検出波形に合わせる制御が行われる。時刻ｔ９でポンプバックが終了し、時刻ｔ１２で回生から力行に移行する。

【0029】

次に、図５のタイムチャートを参照して、主変圧器１０４及び主変換装置１０５の挙動について説明する。まず、架線１００からの給電があるとき、コンバータ２１０は、コンデンサ電圧がコンデンサ電圧目標値になるように動作する。主変圧器１０４は、コンバータ２１０が必要な電力を受電できるように、コンバータ２１０の一次側端子２１１に単相交流電圧を出力する。コンバータ２１０は、平滑コンデンサ２２０が指令値通りの電圧に追従できるように、二次側端子２１２に直流電圧を出力する。一方、インバータ２３０は、推進モータ１０６が指令値通りのトルクを出力できるように、二次側端子２３２に電圧を出力する。

【0030】

時刻ｔ１でデッドセクション通過信号が出力され、この信号を受け取ると、インバータ２３０は、力行トルクを絞ることで力行電力を下げ、推進モータ１０６への電流の供給を停止する。その後、推進モータ１０６は回生状態に移行して回生電力を発生する。時刻ｔ２では回生電力が決定され、時刻ｔ３でポンプバックが開始される。回生電力は、補助電源装置１０７において必要とされる補機所要電力に基づいて決定される。補機所要電力は、デッドセクションの通過に伴う無給電期間において、補助電源装置１０７の負荷である補機に必要とされる電力である。本稿では、この制御を「回生電力決定制御」と呼ぶ。また、本稿では、回生電力決定制御を「第１の制御」と呼ぶことがある。

【0031】

補機所要電力の情報は、主変換装置１０５の制御装置２４０に伝送される。補機所要電力の情報伝送は、図示しない補助電源装置１０７の制御装置から制御装置２４０に伝送することができる。補機所要電力は、補助電源装置１０７が出力する電圧と、補助電源装置１０７が補機に供給する電流とによって、演算で求めることが可能である。また、これに代え、鉄道車両システムが備えている列車情報管理装置を使用して、補機所要電力の情報を制御装置２４０に伝送してもよい。なお、列車情報管理装置を使用する場合の実施例については、後述する。また、図５では、ポンプバックが開始される前に回生電力が決定される例を示しているが、この例に限定されない。ポンプバックの開始後に回生電力が決定されることでもよい。

【0032】

時刻ｔ３でポンプバックの動作に切り替わると、インバータ２３０は、コンデンサ電圧の維持に必要な電力を、推進モータ１０６から回生させるように動作する。主変換装置１０５から出力される回生電力は、補機所要電力の情報に基づいて決定されているので、主変換装置１０５からの回生電力と補助電源装置１０７に接続される補機での消費電力とはほぼ一致し、開閉器１０３に流れる電流は迅速にゼロに近づく。これにより、時刻ｔ４で開閉器１０３を開放することが可能になる。

【0033】

実際にデッドセクションを通過している時刻ｔ５から時刻ｔ６の期間は、架線電圧を計測できなくなる。このため、開閉器１０３の状態信号がＯＦＦになる時刻ｔ４、即ち時刻ｔ５よりも前の時刻ｔ４から、架線電圧を参照しない制御に切り替わる。具体的に、コンバータ２１０は、架線電圧を参照せずに、一定の振幅及び周波数の正弦波電圧を一次側端子２１１に出力する。本稿では、この制御を「架線電圧非参照制御」と呼ぶ。また、本稿では、架線電圧非参照制御を「第２の制御」と呼ぶことがある。架線電圧非参照制御は、デッドセクションを通過した後の時刻ｔ７まで継続される。

【0034】

鉄道車両がデッドセクションを通過した時点の時刻ｔ６以降、ＡＣＰＴ１０２によって架線電圧の計測が再開される。ところが、架線電圧とコンバータ２１０が生成する電圧とは、位相が異なるので、仮にこの時点で開閉器１０３を閉じるとすると、主変圧器１０４に過大な突入電流が流れるおそれがある。この過大電流を防止するため、コンバータ２１０は、生成中の正弦波電圧を徐々に新たな架線１００によるＡＣＰＴ１０２の検出波形に合わせる制御を行う。具体的に、コンバータ２１０は、補助電源装置１０７への電力供給を続けながら、正弦波電圧のゼロクロスを新たな架線電圧の波形に合わせる制御を行う。ゼロクロスの制御は、正弦波電圧の周波数を少しずつ変化させればよい。この制御により、正弦波電圧の位相が架線電圧の位相に追従して、正弦波電圧の位相と架線電圧の位相とが同期する。本稿では、この制御を「架線電圧位相追従制御」と呼ぶ。また、本稿では、架線電圧位相追従制御を「第３の制御」と呼ぶことがある。

【0035】

時刻ｔ８で正弦波電圧の位相と架線電圧の位相とが同期し、その後の時刻ｔ９でポンプバックが終了し、更にその後の時刻ｔ１１で開閉器１０３が閉じられる。時刻ｔ１１以降、架線１００からの給電が再開され、時刻ｔ１２以降、通常の力行制御に戻る。

【0036】

次に、給電の有無による主変換装置１０５の動作の差異について図６及び図７を参照して説明する。図６は、実施の形態に係る主変換装置１０５の給電期間における動作の要点の説明に供する図である。また、図７は、実施の形態に係る主変換装置１０５の無給電期間における動作の要点の説明に供する図である。

【0037】

まず、給電期間の動作について説明する。給電期間において、架線１００から供給された電力は、主変圧器１０４を通じて２方向に分かれ、一方は補助電源装置１０７に供給され、他方は、コンバータ２１０、平滑コンデンサ２２０及びインバータ２３０を経由して、推進モータ１０６に供給される。コンバータ２１０から推進モータ１０６へ向かう電力の流れは、推進モータ１０６に力行トルクを付与する力行時の流れである。力行時において、コンバータ２１０は、コンデンサ電圧がコンデンサ電圧目標値になるようにプラスの電流量を調整する動作を行う。プラスの電流量とは、コンバータ２１０から平滑コンデンサ２２０に向かう第１の方向の電流量である。ここで言う第１の方向は、コンバータ２１０が平滑コンデンサ２２０を充電する方向である。このとき、インバータ２３０は、推進モータ１０６の力行トルクを制御する。また、推進モータ１０６からコンバータ２１０へ向かう電力の流れは、推進モータ１０６が回生電力を発生する回生時の流れである。回生時において、コンバータ２１０は、コンデンサ電圧がコンデンサ電圧目標値になるようにマイナスの電流量を調整する。マイナスの電流量とは、平滑コンデンサ２２０からコンバータ２１０に向かう第２の方向の電流量である。ここで言う第２の方向は、コンバータ２１０が平滑コンデンサ２２０に蓄積された電荷を放電させる方向である。このとき、インバータ２３０は、推進モータ１０６の回生トルクを制御する。

【0038】

次に、無給電期間の動作について説明する。無給電期間においては、推進モータ１０６で発生した回生電力が、インバータ２３０、平滑コンデンサ２２０、コンバータ２１０及び主変圧器１０４を経由して、補助電源装置１０７に供給される。電力の流れは、１方向である。コンバータ２１０は、出力電圧が一定の目標架線電圧になるように動作する。目標架線電圧は、無給電期間において、コンバータ２１０が三次巻線１４３に印加する電圧である。目標架線電圧は、架線電圧と主変圧器１０４の巻数比とによって定まる電圧である。ここで言う主変圧器１０４の巻数比は、一次巻線１４１と三次巻線１４３との巻数比である。

【0039】

コンバータ２１０が主変圧器１０４を介して補助電源装置１０７に供給する電力は、補助電源装置１０７の負荷である補機の所要電力に依存し、その所要電力に応じた電力を供給する必要がある。このため、コンバータ２１０は、コンデンサ電圧を一定にするコンデンサ電圧一定制御を実施することができない。そこで、このときのコンデンサ電圧一定制御は、インバータ２３０が担う。インバータ２３０は、コンデンサ電圧がコンデンサ電圧目標値になるようにマイナスの電流を調整する。ここで言うマイナスの電流とは、インバータ２３０が平滑コンデンサ２２０を充電する向きに流れる電流を意味している。

【0040】

なお、無給電期間が経過すると、再び給電期間に戻る。このときは、図６の動作となる。このとき、コンバータ２１０は、コンデンサ電圧一定制御に復帰し、インバータ２３０は、推進モータ１０６の駆動トルクを制御する駆動トルク制御に復帰する。

【0041】

次に、実施の形態に係るコンバータ制御部２４２及びインバータ制御部２４４の動作について、図８及び図９を参照して説明する。図８は、実施の形態に係るインバータ制御部２４４の動作説明に供する動作フロー図である。また、図９は、実施の形態に係るコンバータ制御部２４２の動作説明に供する動作フロー図である。

【0042】

まず、図８に示すように、インバータ制御部２４４の内部では、駆動トルク目標値をインバータトルク目標値として出力する処理の制御系と、前述したコンデンサ電圧をコンデンサ電圧目標値に一致させる制御を行う制御系とが存在する。２つの制御系による出力は、回生電力決定フラグによって切り替えられる。回生電力決定フラグは、回生電力決定制御によって回生電力が決定されたときに出力される。前述した図５のタイムチャートでは、時刻ｔ２で決定されている。この回生電力は、前述したように、補機所要電力に基づいて決定される。また、前述したように、補機所要電力は、列車情報管理装置から制御装置２４０に伝送される。この伝送処理については、更に幾つかの図面を用いて後述する。

【0043】

コンデンサ電圧をコンデンサ電圧目標値に一致させる制御系は、図８に示すように、コンデンサ電圧検出値とコンデンサ電圧目標値との差分を補機所要電力を初期値としてＰＩ（Proportional Integral）制御することで制御値を演算する。そして、演算した制御値をインバータトルク目標値としてインバータ２３０を駆動することで、前述したインバータ２３０によるコンデンサ電圧一定制御が実施される。

【0044】

次に、コンバータ制御部２４２について説明する。図９に示すように、コンバータ制御部２４２の内部では、架線電圧の検出値を取り込んで制御演算に使用する制御系と、架線電圧をトリガにして生成した正弦波電圧を制御演算に使用する制御系とが存在する。２つの制御系による出力は、波形の同一性確認完了フラグ及び架線電圧非参照制御の状態フラグによって切り替えられる。架線電圧非参照制御の状態フラグは、架線電圧非参照制御が実施されている期間においては、常時出力されている。波形の同一性確認完了フラグは、架線電圧位相追従制御において、正弦波電圧の位相と架線電圧の位相とが同期したと判定されたときに出力される。

【0045】

図９に示されるように、架線電圧非参照制御の状態フラグが出力され、且つ波形の同一性確認完了フラグが出力されていなければ、コンバータ制御部２４２の内部で生成した正弦波電圧が制御演算に使用される。図５のタイムチャートで見れば、時刻ｔ４から時刻ｔ７までの期間が、この状態に対応している。一方、架線電圧非参照制御の状態フラグが出力されず、又は、波形の同一性確認完了フラグが出力されていれば、架線電圧の検出値が取り込まれて制御演算に使用される。図５のタイムチャートで見れば、時刻ｔ４までの期間と、時刻ｔ８以降の期間とが、この状態に対応している。

【0046】

次に、補機所要電力を列車情報管理装置から制御装置２４０に伝送する処理について、図１０及び図１１を参照して説明する。図１０は、実施の形態に係る鉄道車両用電力変換装置を備える鉄道車両の伝送系統の構成例を示す図である。また、図１１は、実施の形態に係る鉄道車両用電力変換装置における情報伝送の説明に供するフローチャートである。

【0047】

図１０には、１両の指令車８０と、少なくとも２両の電動車８２及び２両の付随車８４とを有して編成される列車が示されている。指令車８０は、図示しない運転台が搭載される車両である。電動車８２は、上述した推進モータ１０６が搭載される車両である。付随車８４は、運転台及び推進モータ１０６が搭載されない車両である。列車は、推進モータ１０６が搭載される電動車８２によって推進力が付与される。

【0048】

指令車８０には、列車情報管理装置５０が搭載されている。列車情報管理装置５０は、列車内で伝送される列車情報を管理する装置である。電動車８２には、上述した主変換装置１０５が搭載されている。

【0049】

列車情報管理装置５０は、列車内で伝送される列車情報を管理する装置である。列車情報には、補助電源装置１０７に関する動作情報も含まれており、列車情報管理装置５０は、前述した補機所要電力の情報も管理している。従って、補機所要電力の情報を、伝送線８６を通じて電動車８２の各々の主変換装置１０５に伝送することが可能となる。また、列車情報には、前述したデッドセクション通過信号も含まれている。

【0050】

図１１において、列車情報管理装置５０は、デッドセクション通過信号を受信すると（ステップＳ１１）、指定された電動車８２の主変換装置１０５に補機所要電力の情報を送信する（ステップＳ１２）。ステップＳ１２の処理は、デッドセクション通過信号が解除され無い限り継続され（ステップＳ１３，Ｎｏ）、デッドセクション通過信号が解除されれば（ステップＳ１３，Ｙｅｓ）、図１１の処理フローを抜ける。

【0051】

補機所要電力の情報を受信した後の主変換装置１０５の動作は、前述した通りである。主変換装置１０５は、無給電期間において、補機所要電力の情報に基づいて推進モータ１０６が発生する回生電力を制御するので、無給電期間であっても、補機への電力供給を円滑に行うことが可能となる。

【0052】

以上説明したように、実施の形態に係る鉄道車両用電力変換装置は、コンバータ、平滑コンデンサ及びインバータを備え、主変圧器の二次巻線に接続される第１の電力変換装置と、主変圧器の三次巻線に接続され、鉄道車両に搭載された補機に電力を供給する第２の電力変換装置とを備える。コンバータは、架線からの電力の供給が行われる給電期間においては、平滑コンデンサの電圧であるコンデンサ電圧を一定にするように動作する。また、コンバータは、架線からの電力の供給が行われない無給電期間においては、推進モータが発生する回生電力を主変圧器を介して第２の電力変換装置に供給する動作を行う。インバータは、給電期間においては、推進モータを駆動する駆動トルクを出力し、無給電期間においては、補機の所要電力に基づいて決定された回生電力の目標値に従って動作する。このように構成された、鉄道車両用電力変換装置によれば、無給電期間において、推進モータの回生電力供給量と補助電源装置の電力需要量とが一致するように動作する。これにより、無給電期間であっても、補機への電力供給を円滑に行うことが可能となる。また、補助電源装置へ回生できなかった電圧が平滑コンデンサの電圧の跳ね上がりの要因となり、保護検知が働いてしまうという問題が生じるのを回避することができる。また、補助電源装置への回生電力量が足りずに、補機への電力供給が停止してしまうといった問題が生じるのも回避することができる。

【0053】

また、実施の形態に係る鉄道車両用電力変換装置は、無給電期間において、コンバータは、三次巻線に印加する電圧を架線電圧と主変圧器の巻数比とによって定まる目標電圧に一致させるように動作し、インバータは、コンデンサ電圧をコンデンサ電圧の目標値に一致させるように動作する。また、実施の形態に係る鉄道車両用電力変換装置は、給電期間において、コンバータは、推進モータが力行動作しているときには、コンバータから平滑コンデンサに向かう第１の方向の電流量を調整する動作を行うことでコンデンサ電圧を制御し、推進モータが回生動作しているときには、平滑コンデンサからコンバータに向かう第２の方向の電流量を調整する動作を行うことでコンデンサ電圧を制御する。このように構成された鉄道車両用電力変換装置によれば、給電期間と無給電期間との間の制御の受け渡しを円滑に行うことができる。

【0054】

また、実施の形態に係る鉄道車両用電力変換装置において、制御装置は、補機の所要電力に基づいて回生電力の目標値を決定する第１の制御を実施し、第１の制御の実施後に架線電圧を参照せずに、一定の振幅及び周波数の正弦波電圧を生成する第２の制御を実施し、第２の制御で生成される正弦波電圧のゼロクロスを無給電期間の経過後に検出した新たな架線電圧の波形に合わせる第３の制御を実施するように制御系を構成することができる。第１の制御を実施する際に必要とされる回生電力の目標値に関する情報は、第２の電力変換装置から受領してもよいし、鉄道車両に搭載される列車情報管理装置から受信してもよい。なお、列車情報管理装置を利用する形態であれば、電動車が複数編成されている列車において、補機への電力供給を所望の電動車に指示することができる。また、複数の電動車に指示することで、回生電力が不足する事態になることを確実に防止することができる。

【0055】

最後に、上述した制御装置２４０の機能を実現するためのハードウェア構成について、図１２及び図１３の図面を参照して説明する。図１２は、実施の形態に係る制御装置２４０の機能を実現するハードウェア構成の一例を示すブロック図である。図１３は、実施の形態に係る制御装置２４０の機能を実現するハードウェア構成の他の例を示すブロック図である。

【0056】

実施の形態における制御装置２４０の機能の一部又は全部を実現する場合には、図１２に示されるように、演算を行うプロセッサ３００、プロセッサ３００によって読みとられるプログラムが保存されるメモリ３０２、及び信号の入出力を行うインタフェース３０４を含む構成とすることができる。

【0057】

プロセッサ３００は、演算手段である。プロセッサ３００は、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、又はＤＳＰ（Digital Signal Processor）と称される演算手段であってもよい。また、メモリ３０２には、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable ROM）、ＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（Electrically EPROM）といった不揮発性又は揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）を例示することができる。

【0058】

メモリ３０２には、実施の形態における制御装置２４０の機能を実行するプログラムが格納されている。プロセッサ３００は、インタフェース３０４を介して必要な情報を授受し、メモリ３０２に格納されたプログラムをプロセッサ３００が実行し、メモリ３０２に格納されたテーブルをプロセッサ３００が参照することにより、上述した処理を行うことができる。プロセッサ３００による演算結果は、メモリ３０２に記憶することができる。

【0059】

また、実施の形態における制御装置２４０の機能の一部を実現する場合には、図１３に示す処理回路３０３を用いることもできる。処理回路３０３は、単一回路、複合回路、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）、又は、これらを組み合わせたものが該当する。処理回路３０３に入力する情報、及び処理回路３０３から出力する情報は、インタフェース３０４を介して入手することができる。

【0060】

なお、制御装置２４０における一部の処理を処理回路３０３で実施し、処理回路３０３で実施しない処理をプロセッサ３００及びメモリ３０２で実施してもよい。

【0061】

以上の実施の形態に示した構成は、一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

【符号の説明】

【0062】

５０ 列車情報管理装置、８０ 指令車、８２ 電動車、８４ 付随車、８６ 伝送線、１００ 架線、１０１ 受電部、１０２ ＡＣＰＴ、１０３ 開閉器、１０４ 主変圧器、１０５ 主変換装置、１０６ 推進モータ、１０７ 補助電源装置、１４１ 一次巻線、１４２ 二次巻線、１４３ 三次巻線、１５３ 中間リンク部、２１０ コンバータ、２１１，２３１ 一次側端子、２１２，２３２ 二次側端子、２１３ 電流センサ、２２０ 平滑コンデンサ、２２１ 電圧センサ、２３０ インバータ、２４０ 制御装置、２４２ コンバータ制御部、２４４ インバータ制御部、３００ プロセッサ、３０２ メモリ、３０３ 処理回路、３０４ インタフェース。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】