JP2008154341A - 電気車用電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】パンタグラフが架線から離線した場合の電力供給可能時間を延長するために入力フィルタコンデンサの容量を増加した場合でも、パンタグラフが架線に再着線した場合に過大な入力電流を防止することである。
【解決手段】２組のインバータのそれぞれの入力フィルタコンデンサを通常フィルタコンデンサと離線補償コンデンサとに分離し、抵抗器とダイオードを並列に接続した充電抑制回路を離線補償コンデンサに直列接続して、さらに通常フィルタコンデンサとを並列接続し、離線補償コンデンサへの充電電流は充電抑制回路の抵抗器によって電流を制限し、パンタグラフが架線から離線した場合には離線補償コンデンサから充電抑制回路のダイオードを通して通常フィルタコンデンサ側に電流を制限することなく供給する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、架線から電力を受け取り電気車に照明や空調装置などの電源を供給する電気車用電源装置に関する。

一般に、電気車用電源装置においては、架線から電力を受け取り、電気車に照明や空調装置などの電源を供給するようにしている。この電気車用電源装置は、電圧検出器にて架線電圧の有無を取得し、電圧が印加されている場合に動作を開始する。

このような電気車用電源装置においては、冗長系を有するために１編成に２台以上の電源装置を搭載したり、もしくは１つの電気車用電源装置内に２つ以上のインバータを備えることがある。一例として、１台もしくは全数ではない複数台のインバータを待機させ、故障が発生した際に待機していたインバータに切り換えるようにした電気車用電源装置が開発されている（例えば、特許文献１参照）。

この電気車用電源装置は、パンタグラフが架線から離線した場合に短時間であれば、入力フィルタコンデンサに充電された電荷を放出して負荷側に電力を供給することができる。従って、パンタグラフ離線した場合の電力供給可能時間を延長する場合には、入力フィルタコンデンサの容量を増加すれば良いことになる。
特開２００５−２８７１２９号公報

しかし、入力フィルタコンデンサの容量を増加すると、パンタグラフが架線に再着線した場合の架線電圧と入力フィルタコンデンサの電圧との差電圧による架線から入力フィルタコンデンサへの充電電流が過大になる。そのため、電気車用電源装置の入力過電流保護や入力フィルタコンデンサ過電圧保護装置が動作したり、変電所側の過電流保護装置が動作したりすることがある。

本発明の目的は、パンタグラフが架線から離線した場合の電力供給可能時間を延長するために入力フィルタコンデンサの容量を増加した場合でも、パンタグラフが架線に再着線した場合に過大な入力電流を防止することができる電気車用電源装置を提供することである。

本発明の電気車用電源装置は、架線から直流を入力し、直流入力をＯＮ／ＯＦＦする接触器と、電源投入時のフィルタコンデンサへの突入電流を抑制するための初期充電回路と、直流を正弦波ＰＷＭ交流に変換する入力フィルタコンデンサを有する２組のインバータと、この２組のインバータのうちいずれか一方を選択するための系切換接点と、系切換接点により選択されたインバータの出力を正弦波に波形整形するためのＡＣフィルタと、ＡＣフィルタの出力を直流回路と絶縁して任意の電圧に変換し電車の負荷に電力を供給するための絶縁トランスから構成される待機２重系で構成された車両用電源装置において、２組のインバータのそれぞれの入力フィルタコンデンサの容量を電気車用電源装置の最低動作に必要な通常フィルタコンデンサとパンタグラフが架線から離線した場合の電力供給可能時間を延長するために必要な追加する離線補償コンデンサとの２系統に分離し、抵抗器とダイオードを並列に接続した充電抑制回路を前記離線補償コンデンサに直列接続し、前記充電抑制回路と前記離線補償コンデンサとの直列回路と通常フィルタコンデンサとを並列接続し、離線補償コンデンサへの充電電流は前記充電抑制回路の抵抗器によって電流を制限し、パンタグラフが架線から離線した場合には離線補償コンデンサから充電抑制回路のダイオードを通して通常フィルタコンデンサ側に電流を制限することなく必要な電流を供給することを特徴とする。

本発明によれば、パンタグラフが架線から離線した場合の電力供給可能時間を延長するために入力フィルタコンデンサの容量を増加した場合でも、パンタグラフが架線に再着線した場合に過大な入力電流を防止することができる。

図１は本発明の第１の実施の形態に係わる電気車用電源装置の構成図である。図１において、架線１から直流を入力し、直流入力をＯＮ／ＯＦＦする接触器（ＣＴＴ）２を介して初期充電回路３に入力する。初期充電回路３は抵抗器と接点とを有し、電源投入時のフィルタコンデンサである後述の通常フィルタコンデンサ１０ａ、１０ｂ及び離線補償コンデンサ９ａ、９ｂへの突入電流を抑制するものである。この接触器２は制御部７からの指令により開閉制御する。

初期充電回路３を通った直流は、系切換接点ＳＷ１−１、ＳＷ１−２を介して２組のインバータ４ａ、４ｂのいずれかに入力される。系切換接点ＳＷ１−１、ＳＷ１−２は制御部７からの指令により開閉制御する。２組のインバータ４ａ、４ｂは直流をそれぞれ正弦波ＰＷＭ交流に変換する入力フィルタコンデンサである通常フィルタコンデンサ１０ａ、１０ｂ及び離線補償コンデンサ９ａ、９ｂのうちの通常フィルタコンデンサ１０ａ、１０ｂを有する。

また、この２組のインバータ４ａ、４ｂの出力側にも系切換接点ＳＷ１−３、ＳＷ１−４が接続され、２組のインバータ４ａ、４ｂのうちいずれか一方を選択する。系切換接点ＳＷ１−３、ＳＷ１−４は制御部７からの指令により開閉制御する。ＡＣフィルタ５は、系切換接点ＳＷ１−３、ＳＷ１−４により選択されたインバータ４ａ、４ｂの出力を正弦波に波形整形し、絶縁トランス６を介して車両電源を得る。つまり、絶縁トランス６はＡＣフィルタ５の出力を直流回路と絶縁して任意の電圧に変換し電車の負荷に電力を供給する。

第１の実施の形態では、通常フィルタコンデンサ１０ａ、１０ｂに対して離線補償コンデンサ９ａ、９ｂが抵抗器とダイオードからなる充電抑制回路８ａ、８ｂを介して並列に接続されている。充電抑制回路８ａ、８ｂ内のダイオードの極性は、通常フィルタコンデンサ１０ａ、１０ｂから離線補償コンデンサ９ａ、９ｂに電流が流れる方向である。

通常フィルタコンデンサ１０ａ、１０ｂの容量は、インバータ４ａ、４ｂが動作できる最小限の容量であり、架線電圧とインバータ４ａ、４ｂが動作できる通常フィルタコンデンサ１０ａ、１０ｂの最低動作電圧の差電圧時に、初期充電回路３の接触器と系切換接点ＳＷ１−１、ＳＷ１−２が投入状態にあるとき、入力過電流などの保護動作が発生しない容量を選定する。離線補償コンデンサ９ａ、９ｂの容量は、パンタグラフが架線１と離線状態にあり、負荷側に電力を規定時間供給することが可能となる十分大きな容量を選定する。

なお、第１の実施の形態の車両用電源装置は待機２重系であるので、通常フィルタコンデンサ１０ａ、１０ｂ、離線補償コンデンサ９ａ、９ｂ、充電抑制回路８ａ、８ｂは同様の回路である。また、インバータ４ａ、４ｂは同じ回路であるが、片側が起動している間はもう片側は待機状態で停止している。起動している側が保護ないし故障停止した場合には、待機していた側が起動し始める。最初の起動する側の決定は、その日の日付とかモニタ側からの指令により制御部が決定する。

インバータ４ａ側が起動している場合、初期充電回路３の接点、系切換接点ＳＷ１−１、ＳＷ１−３が投入されている。インバータ４ｂ側が起動している場合、初期充電回路３の接点、系切換接点ＳＷ１−２、ＳＷ１−４が投入されている。以下、インバータ４ａ側が起動している場合で説明する。

架線１とパンタグラフとが離線した場合、インバータ４ａは稼働し続けると、負荷側への電力供給は通常フィルタコンデンサ１０ａと離線補償コンデンサ９ａの蓄積している電荷エネルギーから供給される。その結果、通常フィルタコンデンサ１０ａと離線補償コンデンサ９ａの電圧は低下する。離線補償コンデンサ９ａの電力供給は、充電抑制回路８のダイオードを介して行われる。

次に、架線１とパンタグラフが再着線した場合、架線１の電圧と通常フィルタコンデンサ１０ａ及び離線補償コンデンサ９ａの電圧との間に差が発生しているため充電電流が流れる。

通常フィルタコンデンサ１０ａへの充電電流は、架線１や変電所や電源装置の持っているインダクタンス分で抑制されながら流れるが、通常フィルタコンデンサ１０ａは容量が最小限であるので入力の電流は大きくない。また、離線補償コンデンサ９ａへの充電電流は、充電抑制回路８の抵抗器を介して行われるので、十分抑制された電流に制限される。

第１の実施の形態によれば、架線１とパンタグラフが離線した場合に、離線補償コンデンサ９ａからの電荷エネルギーの供給は、充電抑制回路８のダイオードを介して、遅滞なく行われる。架線１とパンタグラフが再着線した場合に、離線補償コンデンサ９ａの充電電流は充電抑制回路８の抵抗器により十分小さい値に制限された値になるため、過電流となることはない。従って、入力過電流などの保護装置が働くことはない。

図２は、本発明の第２の実施の形態に係わる電車用電源装置の構成図である。この第２の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、離線補償コンデンサ９と充電抑制回路８とが１回路であり、通常フィルタコンデンサ１０ａ、１０ｂと各々の切換接点ＳＷ２−１とＳＷ２−２を介して接続される。そして、切換接点ＳＷ２−１とＳＷ２−２は制御部７からの指令で開閉制御される。図１と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

図２において、充電抑制回路８と離線補償コンデンサ９との直列回路を１回路として、この直列回路の入力側に切換用の切換接点ＳＷ２−１、ＳＷ２−２を設け、制御部７は切換接点ＳＷ２−１、ＳＷ２−２を開閉制御する。すなわち、インバータ４ａの系切換接点ＳＷ１−１、ＳＷ１−３と連動して切換接点ＳＷ２−１を開閉制御し、インバータ４ｂの系切換接点ＳＷ１−２、ＳＷ１−４と連動して切換接点ＳＷ２−２を開閉制御する。これにより、充電抑制回路８と離線補償コンデンサ９との直列回路を複数の通常フィルタコンデンサ１０ａ、１０ｂに切り換えて並列接続を可能としている。

第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態の効果に加え、離線補償コンデンサ９と充電抑制回路８とが１回路となるため、第１の実施の形態に対してに対して小型・軽量化が可能となる。

図３は、本発明の第３の実施の形態に係わる電車用電源装置の構成図である。この第３の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、離線補償コンデンサ９が１回路であり、離線補償コンデンサ９は各々の切換接点ＳＷ２−１とＳＷ２−２を介して接続されている。そして、充電抑制回路８ａ、８ｂのダイオードがスイッチングデバイスであるサイリスタとなり、このサイリスタは制御部７からの指令で開閉制御される。図１と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

図３において、離線補償コンデンサ９を１回路とするともに、離線補償コンデンサ９の入力側に切換用の切換接点ＳＷ２−１、ＳＷ２−２を設け、制御部７は、充電抑制回路８ａ、８ｂのダイオードをスイッチングデバイスであるサイリスタに置き換え、２組のインバータ４ａ、４ｂの系切換接点ＳＷ１−１〜ＳＷ１−４に連動して切換接点ＳＷ２−１、ＳＷ２−２の開閉制御する。また、制御部７は、切換接点ＳＷ２−１、ＳＷ２−２で切り換えを行う際にサイリスタをオフ制御し、切換接点ＳＷ２−１、ＳＷ２−２で切り換えの際に通常フィルタコンデンサ１０ａ、１０ｂと離線補償コンデンサ９との間の電位差があった場合に、切り換えの瞬間に過電流が流れること抑制する。

すなわち、インバータ４ａが起動する場合には、切換接点ＳＷ２−１が投入され、インバータ４ｂが起動する場合には、切換接点ＳＷ２−２が投入される。充電抑制回路８ａ、８ｂのサイリスタは、切換接点ＳＷ２−１又はＳＷ２−２が投入された後、通常フィルタコンデンサ１０ａ、１０ｂと離線補償コンデンサ９との電圧が等しくなった状態でオンする。

第３の実施の形態によれば、第１の実施の形態の効果に加え、離線補償コンデンサ９が１回路となるため、小型・軽量化が図れる。また、切換接点ＳＷ２−１が投入されたとき、通常フィルタコンデンサ１０ａに対して離線補償コンデンサ９の電圧が大きい場合であっても、充電抑制回路８ａのサイリスタがオンしていないので、充電抑制回路８ａの抵抗器を介して小電流が流れ２種類のコンデンサの電圧が均一化する。このため過電流が流れず、切換接点ＳＷ２−２の接点溶着を防止できる。

図４は、本発明の第４の実施の形態に係わる電車用電源装置の構成図である。この第４の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、充電抑制回路８のダイオードに変えてスイッチング阻止であるサイリスタとし、抵抗器にダイオードを直列に接続したものである。そして、サイリスタは制御部７からの指令によりオンオフ制御される。図１と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

図４において、充電抑制回路８ａ、８ｂの抵抗器に直列にダイオードを追加接続し、元々あるダイオードをスイッチングデバイスであるサイリスタに置き換え、制御装置７は、パンタグラフが架線１から離線した場合のみ、スイッチングデバイスであるサイリスタをオン制御する。すなわち、通常時の動作時には、充電抑制回路８のサイリスタはオフしており、架線１とパンタグラフが離線した場合、充電抑制回路８ａ、８ｂのサイリスタはオンさせる。

また、抵抗器に直列に接続されたダイオードは、通常フィルタコンデンサ側から離線補償コンデンサ側に順方向となるように接続されている。このダイオードによって、架線電圧の最大電圧時に離線補償コンデンサ９ａ、９ｂを充電して置き、パンタグラフが架線１から離線した場合の離線補償時間の延長を可能にし、抵抗器への頻繁な充電電流を流す必要をなくしている。このため、抵抗器の容量を小さくし小型・軽量化が可能となる。

第４の実施の形態によれば、通常時に充電抑制回路８ａ、８ｂのサイリスタがオフしていることから、離線補償コンデンサ９ａ、９ｂには通常時の架線１の最大電圧で電荷エネルギーが充電され放電されない。従って、架線１とパンタグラフが離線した場合に、充電抑制回路８ａ、８ｂに充電された電荷エネルギーが放電されるため、第１の実施の形態よりも多くの電荷エネルギーを供給することができる。

図５は、本発明の第５の実施の形態に係わる電車用電源装置の構成図である。この第５の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、充電抑制回路８ａ、８ｂの抵抗器に直列に通常フィルタコンデンサ側から離線補償コンデンサ側に順方向となるようにスイッチングデバイスであるサイリスタを接続し、制御部７によりサイリスタのオンオフ制御を行うようにしたものである。図１と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

図５において、充電抑制回路８ａ、８ｂの抵抗器に直列に通常フィルタコンデンサ１０ａ、１０ｂ側から離線補償コンデンサ９ａ、９ｂ側に順方向となるようにサイリスタを接続している。そして、制御部７は、このサイリスタを通常フィルタコンデンサ１０ａ、１０ｂが充電完了するまでオフ制御する。これにより、起動時通常フィルタコンデンサ１０ａ、１０ｂのみ初期充電完了した後に、インバータ４ａ、４ｂを起動することにより、起動時間の短縮を可能としている。

つまり、インバータ４ａ起動時に、通常フィルタコンデンサ１０ａの初期充電が終わり、初期充電回路３の接触器がオンするまで、充電抑制回路８のサイリスタはオフしている。初期充電回路３の接触器がオンした後、充電抑制回路８ａ、８ｂのサイリスタはオンして、離線補償コンデンサ９ａ、９ｂの充電が開始される。インバータ４ａ、４ｂの起動は、通常フィルタコンデンサ１０ａ、１０ｂの初期充電が終わり、初期充電回路３の接触器がオンした段階で行われる。

第５の実施の形態によれば、通常フィルタコンデンサ１０ａ、１０ｂの初期充電が離線補償コンデンサ９ａ、９ｂの充電と切り離されるので、初期充電時間が短くなり、インバータ４ａ、４ｂの起動までの時間を短くすることができる。

図６は、本発明の第６の実施の形態に係わる電車用電源装置の構成図である。この第６の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、充電抑制回路８と離線補償コンデンサ９との直列回路を１回路として、初期充電回路３の入力側に接続することによって、起動時の通常フィルタコンデンサ１０ａ、１０ｂのみ初期充電完了した後にインバータ４ａ、４ｂを起動するようにしたものである。図１と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

図６において、離線補償コンデンサ９と充電抑制回路８との直列回路は、初期充電回路３の入力側に接続されている。接触器２が閉じた状態で充電抑制回路８を介して離船補償コンデンサ９に充電が行われる。また、系切換接点ＳＷ１−１、ＳＷ１−２が閉じたときに、通常フィルタコンデンサ１０ａ、１０ｂに充電される。つまり、起動時の通常フィルタコンデンサ１０ａ、１０ｂのみ初期充電完了した後にインバータ４ａ、４ｂを起動することにより、起動時間の短縮を可能にしている。

第６の実施の形態によれば、離線補償コンデンサ９と充電抑制回路８とが１回路となるため、小型・軽量化が図れる。また、通常フィルタコンデンサ１０ａ、１０ｂの初期充電が離線補償コンデンサ９の充電と切り離されるので、初期充電時間が短くなり、インバータ４ａ、４ｂの起動までの時間を短くすることができる。

本発明に基づく第１の実施形態の電気車用電源装置である。 本発明に基づく第２の実施形態の電気車用電源装置である。 本発明に基づく第３の実施形態の電気車用電源装置である。 本発明に基づく第４の実施形態の電気車用電源装置である。 本発明に基づく第５の実施形態の電気車用電源装置である。 本発明に基づく第６の実施形態の電気車用電源装置である。

符号の説明

１…架線、２…接触器、３…初期充電用回路、４…インバータ、５…ＡＣフィルタ、６…絶縁トランス、７…制御部、８…充電抑制回路、９…離線補償コンデンサ、１０…通常フィルタコンデンサ

Claims (6)

1. 架線から直流を入力し、直流入力をＯＮ／ＯＦＦする接触器と、電源投入時のフィルタコンデンサへの突入電流を抑制するための初期充電回路と、直流を正弦波ＰＷＭ交流に変換する入力フィルタコンデンサを有する２組のインバータと、この２組のインバータのうちいずれか一方を選択するための系切換接点と、系切換接点により選択されたインバータの出力を正弦波に波形整形するためのＡＣフィルタと、ＡＣフィルタの出力を直流回路と絶縁して任意の電圧に変換し電車の負荷に電力を供給するための絶縁トランスから構成される待機２重系で構成された車両用電源装置において、２組のインバータのそれぞれの入力フィルタコンデンサの容量を電気車用電源装置の最低動作に必要な通常フィルタコンデンサとパンタグラフが架線から離線した場合の電力供給可能時間を延長するために必要な追加する離線補償コンデンサとの２系統に分離し、抵抗器とダイオードを並列に接続した充電抑制回路を前記離線補償コンデンサに直列接続し、前記充電抑制回路と前記離線補償コンデンサとの直列回路と通常フィルタコンデンサとを並列接続し、離線補償コンデンサへの充電電流は前記充電抑制回路の抵抗器によって電流を制限し、パンタグラフが架線から離線した場合には離線補償コンデンサから充電抑制回路のダイオードを通して通常フィルタコンデンサ側に電流を制限することなく必要な電流を供給することを特徴とする電気車用電源装置。
2. 前記充電抑制回路と前記離線補償コンデンサとの直列回路を１回路として、前記直列回路の入力側に切換用の切換接点を設け、２組のインバータの系切換接点に連動して前記切換接点の開閉制御する制御部を設け、前記直列回路を複数の通常フィルタコンデンサに切り換えて並列接続を可能としたことを特徴とする請求項１記載の電気車用電源装置。
3. 前記離線補償コンデンサを１回路とするともに前記離線補償コンデンサの入力側に切換用の切換接点を設け、前記充電抑制回路のダイオードをスイッチングデバイスに置き換え、２組のインバータの系切換接点に連動して前記切換接点の開閉制御するとともに前記切換接点で切り換えを行う際に前記スイッチングデバイスをオフ制御する制御部を設け、切換接点で切り換えの際に通常フィルタコンデンサと離線補償コンデンサ間との電位差があった場合に、切り換えの瞬間に過電流が流れること抑制することを特徴とする請求項１記載の電気車用電源装置。
4. 前記充電抑制回路の抵抗器に直列にダイオードを追加接続し、元々あるダイオードをスイッチングデバイスに置き換え、パンタグラフが架線から離線した場合のみ前記スイッチングデバイスをオン制御する制御部を設けたことを特徴とする請求項１記載の電気車用電源装置。
5. 前記充電抑制回路の抵抗器に直列に通常フィルタコンデンサ側から離線補償コンデンサ側に順方向となるようにスイッチングデバイスを接続し、このスイッチングデバイスを通常フィルタコンデンサが充電完了するまでオフ制御する制御部を設けたことを特徴とする請求項１記載の電気車用電源装置。
6. 前記充電抑制回路と前記離線補償コンデンサとの直列回路を１回路として、前記初期充電回路の入力側に接続することによって、起動時の通常フィルタコンデンサのみ初期充電完了した後にインバータを起動することを特徴とする請求項１記載の電気車用電源装置。

Images