JP2017070169A - 鉄道用電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】故障率を抑制するために過電圧、過電流、過温度等の発生を抑制することが可能な鉄道用電力変換装置を提供する。
【解決手段】実施形態の鉄道用電力変換装置は、架線から供給された交流電力を直流リンク電力に変換して出力するコンバータと、入力された直流リンク電力を、交流電力に変換して駆動用モータに供給するインバータと、駆動用モータのパワーあるいは駆動用モータの回転速度を評価値とし、評価値に基づいて、直流リンク電力の電圧を動的に制御する制御部と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、鉄道用電力変換装置に関する。

従来、交流架線から電力を供給され、客車や貨車を牽引あるいは推進する電気機関車（交流電気車）が知られている。
このような電気機関車においては、当該電気機関車を駆動するためのモータに電力を供給するためにＩＧＢＴ等のスイッチング素子を備えた主電力変換装置を備えていた。

特開２０１０−２１５０１３号公報

ところで、主電力変換装置のスイッチング素子は、素子に印加される電圧が上がると故障率が上昇するのが一般的である。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、故障率を抑制するために状況に応じて素子の印加電圧を変動させることが可能な鉄道用電力変換装置を提供することを目的としている。

実施形態の鉄道用電力変換装置は、架線から供給された交流電力を直流リンク電力に変換して出力するコンバータと、入力された直流リンク電力を、交流電力に変換して駆動用モータに供給するインバータと、駆動用モータのパワーあるいは駆動用モータの回転速度を評価値とし、評価値に基づいて、直流リンク電力の電圧を動的に制御する制御部と、を備える。

図１は、実施形態の列車及び架線状態の説明図である。 図２は、実施形態にかかる機関車の電気系統の概要構成図である。 図３は、制御部の詳細構成ブロック図である。 図４は、第１実施形態の直流リンク電圧指令演算部の機能構成ブロック図である。 図５は、第２実施形態の直流リンク電圧指令演算部の機能構成ブロック図である。 図６は、第３実施形態の直流リンク電圧指令演算部の機能構成ブロック図である。 図７は、第４実施形態の直流リンク電圧指令演算部の機能構成ブロック図である。

次に図面を参照して、好適な実施形態について説明する。
図１は、実施形態の列車及び架線状態の説明図である。
列車１００は、電気機関車（鉄道車両）１０１と、電気機関車１０１により牽引（あるいは後方から推進）される客車（あるいは貨車）１０２と、を備えている。

ここで、電気機関車１０１は、架線（き電線）１１から交流電力が供給されるパンタグラフ１２と、線路１３を介して接地された車輪１４と、を備えている。

図２は、実施形態にかかる機関車の電気系統の概要構成図である。
実施形態の電気機関車１０１は、図２に示すように、架線（き電線）１１から交流電力が供給されるパンタグラフ１２と、線路１３を介して接地された車輪１４と、の間に、遮断器１５及びトランス１６の一次巻線（一次コイル）１６Ａが直列に接続されている。

トランス１６の二次巻線（二次コイル）１６Ｂには、主電力変換装置１７を介してモータ１８が接続されている。

パンタグラフ１２と遮断器１５との間には、架線電圧を検出し、検出した架線電圧を後述する制御部２３に出力するための電圧検出器（ＰＴ：Potential transformer）２７が設けられている。

主電力変換装置１７は、大別すると、通常動作時において、トランス１６から入力された交流電力を直流電力に変換するとともに、回生電力供給動作時には、後述のインバータ３２から入力された直流電力を交流電力に変換してトランス１６に供給するコンバータ（ＣＮＶ）３１と、通常動作時には、コンバータ３１から入力された直流電力を三相交流電力に変換してモータ１８に供給するとともに、モータ１８の回生電力（交流電力）を直流電力に変換してコンバータ３１に供給するインバータ（ＩＮＶ）３２と、コンバータ３１−インバータ３２間で入出力される直流電力の電圧（以下、直流リンク電圧という）Ｖｄｃを検出する直流電圧センサ３３と、を備えている。

上記構成において、遮断器１５は、車両制御装置２１により制御される。
また、車両制御装置２１の制御下で、制御部２３は、主電力変換装置１７を較正しているコンバータ３１及びインバータ３２を制御している。

さらに二次巻線１６Ｂには、二次巻線１６Ｂを流れる電流を検出するための電流センサ２４が設けられている。

図３は、制御部の詳細構成ブロック図である。
制御部２３は、電圧検出器２７の出力信号に基づいて、架線電圧を二次巻線１６Ｂ側の電圧に演算して電源電圧信号ＳＰＷ（単位Ｖ）として出力する電源電圧演算部４１と、車両制御装置２１から入力されたモータ回転速度信号ＴＶ（評価値：単位ｋｍ／ｈ）、あるいは、後述する出力参照信号ＰｏｗｅｒＲｅｆ（評価値：単位ｋＷ）のうち少なくともいずれか一方、及び電源電圧信号ＳＰＷに基づいてコンバータ３１−インバータ３２間で入出力される直流リンク電圧を制御するための直流リンク電圧指令信号ＶｄｃＲｅｆを生成し出力する直流リンク電圧指令演算部４２と、を備えている。

また、制御部２３は、直流電圧センサ３３が出力した直流リンク電圧（検出信号）Ｖｄｃに基づいて直流リンク電圧が直流リンク電圧指令信号ＶｄｃＲｅｆに相当する電圧となるように直流リンク電圧制御信号ＣＶＤＣを出力する直流リンク電圧制御部４３と、直流リンク電圧制御信号ＣＶＤＣに基づいてコンバータ電流指令信号ＩｓＲｅｆを生成し出力するコンバータ電流指令生成部４４と、二次巻線１６Ｂに設けられた電流センサ２４の出力した電流検出信号Ｉｓ及びコンバータ電流指令信号ＩｓＲｅｆに基づいてコンバータ電流制御信号ＣＩＣを出力するコンバータ電流制御部４５と、を備えている。

さらに、制御部２３は、コンバータ電流制御信号ＣＩＣに基づいてＰＷＭ制御信号ＰＷＭ１をコンバータに出力するＰＷＭ制御部４６と、モータ回転速度信号ＴＶ及び車両制御装置２１から入力された牽引力指令信号ＴＬＣ（単位Ｆ）の積（＝モータ１８の出力に比例）を出力する乗算器４７と、乗算器４７の乗算結果の単位換算を行って出力参照信号ＰｏｗｅｒＲｅｆ（単位ｋＷ）を出力する単位換算器４８と、を備えている。

さらにまた、制御部２３は、牽引力指令信号ＴＬＣに基づいてインバータ電流指令信号としてのｑ軸電流指令信号ＩｑＲｅｆ及びｄ軸電流指令信号ＩｄＲｅｆを生成し出力するインバータ電流指令生成部５１と、ｑ軸電流指令信号ＩｑＲｅｆ及びｄ軸電流指令信号ＩｄＲｅｆに基づいてインバータ電流制御信号ＩＩＣを出力するインバータ電流制御部５２と、インバータ電流制御信号ＩＩＣに基づいてＰＷＭ制御信号ＰＷＭ２をインバータ３２に出力するＰＷＭ制御部５３と、を備えている。

［１］第１実施形態
図４は、第１実施形態の直流リンク電圧指令演算部の機能構成ブロック図である。
本第１実施形態は、直流リンク電圧指令演算部４２が、車両制御装置２１から入力されたモータ回転速度信号ＴＶ（単位ｋｍ／ｈ）及び電源電圧信号ＳＰＷに基づいてコンバータ３１−インバータ３２間で入出力される直流リンク電圧Ｖｄｃを制御するための直流リンク電圧指令信号ＶｄｃＲｅｆを生成する第１の態様の実施形態である。

直流リンク電圧指令演算部４２は、所定のヒステリシス特性を有し、出力参照信号ＰｏｗｅｒＲｅｆに相当するモータ１８の出力が所定の高出力状態に相当する高出力閾値ＳＥＴ＿ＰＯＷ＿Ｈ以上となった場合に“Ｈ”レベル（“１”レベル）の比較結果信号を出力し、出力参照信号ＰｏｗｅｒＲｅｆに相当するモータ１８の出力が所定の低出力状態に相当する低出力閾値ＳＥＴ＿ＰＯＷ＿Ｌ以下となった場合に“Ｌ”レベル（“０”レベル）の比較結果信号ＳＷを出力するヒステリシスコンパレータ６１と、直流リンク電圧Ｖｄｃの高側設定値（電圧）ＶＬＨ及び直流リンク電圧Ｖｄｃの低側設定値（電圧）ＶＬＬを生成し出力する直流リンク電圧生成部６２と、高電位側端子ＴＨ及び低電位側端子ＴＬを有し、高電位側端子ＴＨに直流リンク電圧の高側設定値ＶＬＨが印加され、低電位側端子ＴＬに直流リンク電圧の低側設定値ＶＬＬが印加されて、ヒステリシスコンパレータ６１の比較結果信号ＳＷにより出力が切り替えられるスイッチ６３と、電源電圧信号ＳＰＷ及び低側設定値（電圧）ＶＬＬが入力され、いずれか高い方の電圧を直流リンク電圧指令信号ＶｄｃＲｅｆとして出力し、実効的に直流リンク電圧Ｖｄｃが架線電圧を二次巻線１６Ｂ側の電圧に変換した値を下回らないようにするための最大値出力部６４と、直流リンク電圧Ｖｄｃの所定の許容最大値である直流リンク電圧最大値をリミット最大電圧とし、直流リンク電圧指令信号ＶｄｃＲｅｆに対応する電圧をリミット最小電圧として出力する上下限リミッタ６５と、上下限リミッタ６５の出力の単位時間あたりの変化率が所定範囲内となるように制限しつつ直流リンク電圧指令信号ＶｄｃＲｅｆとして出力する変化率リミッタ６６と、を備えている。

上記構成において、最大値出力部６４を設けているのは、架線電圧のトランス１６の二次巻線１６Ｂ側の電圧のピーク値を直流リンク電圧Ｖｄｃとすることで、単相コンバータであるコンバータ３１の電流ひずみの増加を回避あるいは抑制するためである。
また、変化率リミッタ６６を設けているのは、直流リンク電圧指令信号ＶｄｃＲｅｆの急変を回避することにより、モータ１８のトルクの急変動を抑制するためである。

続いて、第１実施形態の動作を説明する。
制御部２３の電源電圧演算部４１は、電圧検出器２７の出力信号に基づいて、架線電圧を二次巻線１６Ｂ側の電圧に演算して電源電圧信号ＳＰＷ（単位Ｖ）として直流リンク電圧指令演算部４２に出力する。

これと並行して、車両制御装置２１は、モータ回転速度信号ＴＶ及び牽引力指令信号ＴＬＣを乗算器４７に出力し、乗算器４７は、モータ回転速度信号ＴＶ及び牽引力指令信号ＴＬＣの積を単位換算器４８に出力する。この結果、単位換算器４８は、乗算器４７の乗算結果の単位換算を行って出力参照信号ＰｏｗｅｒＲｅｆとして直流リンク電圧指令演算部４２に出力する。

また、直流リンク電圧指令演算部４２の直流リンク電圧生成部６２は、直流リンク電圧の高側設定値（電圧）ＶＬＨ及び直流リンク電圧の低側設定値（電圧）ＶＬＬを生成しスイッチ６３に出力する。

一方、ヒステリシスコンパレータ６１は、出力参照信号ＰｏｗｅｒＲｅｆに相当するモータ１８の出力が所定の高出力状態に相当する高出力閾値ＳＥＴ＿ＰＯＷ＿Ｈ以上となった場合に“Ｈ”レベル（“１”レベル）の比較結果信号ＳＷを出力し、出力参照信号ＰｏｗｅｒＲｅｆに相当するモータ１８の出力が所定の低出力状態に相当する低出力閾値ＳＥＴ＿ＰＯＷ＿Ｌ以下となった場合に“Ｌ”レベル（“０”レベル）の比較結果信号ＳＷを出力する。

すなわち、ヒステリシスコンパレータ６１は、モータ１８の出力増加時には、高出力閾値ＳＥＴ＿ＰＯＷ＿Ｈ未満であれば“Ｌ”レベル（“０”レベル）の比較結果信号ＳＷを出力し、高出力閾値ＳＥＴ＿ＰＯＷ＿Ｈ以上であれば“Ｈ”レベル（“１”レベル）の比較結果信号ＳＷを出力する。

また、ヒステリシスコンパレータ６１は、モータ１８の出力低下時には、低出力閾値ＳＥＴ＿ＰＯＷ＿Ｌ超であれば“Ｈ”レベル（“１”レベル）の比較結果信号ＳＷを出力し、低出力閾値ＳＥＴ＿ＰＯＷ＿Ｌ以下であれば“Ｌ”レベル（“０”レベル）の比較結果信号ＳＷを出力する。

したがって、本第１実施形態によれば、モータ１８の出力増加時に高出力閾値ＳＥＴ＿ＰＯＷ＿Ｈ未満である場合及びモータ１８の出力低下時に低出力閾値ＳＥＴ＿ＰＯＷ＿Ｌ以下である場合には、直流リンク電圧の低側設定値（電圧）ＶＬＬを出力することとなるので、モータ１８の出力が小さい場合には、実効的に直流リンク電圧Ｖｄｃを低下させることにより、電気機関車１０１の運行に影響を与えずに、コンバータ３１及びインバータ３２を構成しているＩＧＢＴ等のスイッチング素子の故障発生を抑制することが可能となっている。

また、最大値出力部６４は、電源電圧信号ＳＰＷ及び低側設定値（電圧）ＶＬＬが入力されいずれか高い方の電圧を直流リンク電圧基準値としての直流リンク電圧指令信号ＶｄｃＲｅｆを上下限リミッタ６５に出力する。

これらの結果、上下限リミッタ６５は、直流リンク電圧Ｖｄｃの所定の許容最大値である直流リンク電圧最大値をリミット最大電圧とし、直流リンク電圧指令信号ＶｄｃＲｅｆに対応する直流リンク電圧基準値電圧をリミット最小電圧として変化率リミッタ６６に出力する。

変化率リミッタ６６は、上下限リミッタ６５の出力の単位時間あたりの変化率が所定範囲内となるように制限しつつ直流リンク電圧指令信号ＶｄｃＲｅｆとして直流リンク電圧制御部４３に出力する。

直流リンク電圧制御部４３は、直流電圧センサ３３が出力した直流電圧（検出信号）Ｖｄｃに基づいて直流リンク電圧が直流リンク電圧指令信号ＶｄｃＲｅｆに相当する電圧となるように直流リンク電圧制御信号ＣＶＤＣをコンバータ電流指令生成部４４に出力する。
直流リンク電圧制御信号ＣＶＤＣに基づいてコンバータ電流指令信号ＩｓＲｅｆを生成しコンバータ電流指令生成部４４に出力する。

コンバータ電流制御部４５は、電流検出信号Ｉｓ及びコンバータ電流指令信号ＩｓＲｅｆに基づいてコンバータ電流制御信号ＣＩＣをＰＷＭ制御部４６に出力する。

この結果、ＰＷＭ制御部４６は、コンバータ電流制御信号ＣＩＣに基づいてＰＷＭ制御信号ＰＷＭ１をコンバータ３１に出力する。

一方、インバータ電流指令生成部５１は、車両制御装置２１から入力された牽引力指令信号ＴＬＣに基づいてインバータ電流指令信号としてのｑ軸電流指令信号ＩｑＲｅｆ及びｄ軸電流指令信号ＩｄＲｅｆを生成しインバータ電流制御部５２に出力する。
インバータ電流制御部５２は、ｑ軸電流指令信号ＩｑＲｅｆ及びｄ軸電流指令信号ＩｄＲｅｆに基づいてインバータ電流制御信号ＩＩＣをＰＷＭ制御部５３に出力する。
この結果、ＰＷＭ制御部５３は、インバータ電流制御信号ＩＩＣに基づいてＰＷＭ制御信号ＰＷＭ２をインバータ３２に出力する。

以上の説明のように、本第１実施形態によれば、コンバータ３１及びインバータ３２の動作の際には、コンバータ３１が出力する直流リンク電圧Ｖｄｃは、モータ１８の出力が小さい場合には、実効的に低下させられているので、電気機関車１０１の運行に影響を与えずに、コンバータ３１及びインバータ３２を構成しているＩＧＢＴ等のスイッチング素子の故障発生を抑制することができる。
以上の説明においては、評価値としての出力参照信号ＰｏｗｅｒＲｅｆを二つの値領域に区分して制御を行っていたが、３つ以上の値領域に区分して制御を行うように構成することも可能である。

［２］第２実施形態
本第２実施形態が第１実施形態と異なる点は、第１実施形態の直流リンク電圧生成部６２が直流リンク電圧Ｖｄｃの高側設定値ＶＬＨを及び直流リンク電圧Ｖｄｃの低側設定値ＶＬＬの二つの電圧のいずれかを出力していたのに対し、高側設定値ＶＬＨ１を出力参照信号ＰｏｗｅｒＲｅｆに比例した値としている点である。
図５は、第２実施形態の直流リンク電圧指令演算部の機能構成ブロック図である。
図５において、図４の第１実施形態と同様の部分には、同一の符号を付すものとする。

直流リンク電圧指令演算部４２の直流リンク電圧生成部６２Ａは、出力参照信号ＰｏｗｅｒＲｅｆの値をモータ１８の設計上の最大出力パワーに相当する最大出力ＰｏｗｅｒＲｅｆ＿ＭＡＸの値で除した値を出力する除算器７１と、除算器７１の出力に直流リンク電圧の最低電圧設定値ＶＬＬｍｉｎを乗じて高側設定値ＶＬＨ１として出力する乗算器７２と、ヒステリシスコンパレータ６１の比較結果信号ＳＷに基づいて高側設定値ＶＬＨ１あるいは最低電圧設定値ＶＬＬｍｉｎを出力するスイッチ７３と、を備えている。

次に第２実施形態の要部の動作について説明する。
本第２実施形態の動作と第１実施形態の動作が異なるのは、直流リンク電圧指令演算部４２の動作だけであるので、直流リンク電圧指令演算部４２の動作について説明する。

制御部２３の電源電圧演算部４１は、電圧検出器２７の出力信号に基づいて、架線電圧を二次巻線１６Ｂ側の電圧に演算して電源電圧信号ＳＰＷ（単位Ｖ）として直流リンク電圧指令演算部４２に出力する。

これと並行して、車両制御装置２１は、モータ回転速度信号ＴＶ及び牽引力指令信号ＴＬＣを乗算器４７に出力し、乗算器４７は、モータ回転速度信号ＴＶ及び牽引力指令信号ＴＬＣの積を単位換算器４８に出力する。この結果、単位換算器４８は、乗算器４７の乗算結果の単位換算を行って出力参照信号ＰｏｗｅｒＲｅｆとして直流リンク電圧指令演算部４２に出力する。

これらの結果、直流リンク電圧指令演算部４２の除算器７１は、出力参照信号ＰｏｗｅｒＲｅｆの値をモータ１８の設計上の最大出力パワーに相当する最大出力ＰｏｗｅｒＲｅｆ＿ＭＡＸの値で除した値を乗算器７２に出力する。
乗算器７２は、除算器７１の出力に直流リンク電圧の最低電圧設定値ＶＬＬｍｉｎを乗じて高側設定値ＶＬＨ１としてスイッチ７３の高電位側端子ＴＨに出力する。
一方、低電位側端子ＴＬには、直流リンク電圧の低側設定値（電圧）として最低電圧設定値ＶＬＬｍｉｎが出力される。

一方、ヒステリシスコンパレータ６１は、出力参照信号ＰｏｗｅｒＲｅｆに相当するモータ１８の出力が所定の高出力状態に相当する高出力閾値ＳＥＴ＿ＰＯＷ＿Ｈ以上となった場合に“Ｈ”レベル（“１”レベル）の比較結果信号ＳＷを出力し、出力参照信号ＰｏｗｅｒＲｅｆに相当するモータ１８の出力が所定の低出力状態に相当する低出力閾値ＳＥＴ＿ＰＯＷ＿Ｌ以下となった場合に“Ｌ”レベル（“０”レベル）の比較結果信号ＳＷを出力する。

すなわち、ヒステリシスコンパレータ６１は、モータ１８の出力増加時には、高出力閾値ＳＥＴ＿ＰＯＷ＿Ｈ未満であれば“Ｌ”レベル（“０”レベル）の比較結果信号ＳＷを出力し、高出力閾値ＳＥＴ＿ＰＯＷ＿Ｈ以上であれば“Ｈ”レベル（“１”レベル）の比較結果信号ＳＷを出力する。

また、ヒステリシスコンパレータ６１は、モータ１８の出力低下時には、低出力閾値ＳＥＴ＿ＰＯＷ＿Ｌ超であれば“Ｈ”レベル（“１”レベル）の比較結果信号ＳＷを出力し、低出力閾値ＳＥＴ＿ＰＯＷ＿Ｌ以下であれば“Ｌ”レベル（“０”レベル）の比較結果信号ＳＷを出力する。

したがって、本第２実施形態によれば、モータ１８の出力増加時に高出力閾値ＳＥＴ＿ＰＯＷ＿Ｈ未満である場合及びモータ１８の出力低下時に低出力閾値ＳＥＴ＿ＰＯＷ＿Ｌ以下である場合には、最低電圧設定値ＶＬＬｍｉｎを出力することとなるので、モータ１８の出力が小さい場合には、実効的に直流リンク電圧Ｖｄｃを低下させることにより、電気機関車１０１の運行に影響を与えずに、コンバータ３１及びインバータ３２を構成しているＩＧＢＴ等のスイッチング素子の故障発生を抑制することができる。

［３］第３実施形態
図６は、第３実施形態の直流リンク電圧指令演算部の機能構成ブロック図である。
図６において、図４の第１実施形態と同様の部分には、同一の符号を付すものとする。
本第３実施形態と異なる点は、ヒステリシスコンパレータ６１に代えて、所定のヒステリシス特性を有し、モータ回転速度信号ＴＶに相当するモータ１８の回転速度が所定の高回転速度状態に相当する高回転速度閾値ＳＥＴ＿ＳＰＥＥＤ＿Ｈ以上となった場合に“Ｈ”レベル（“１”レベル）の比較結果信号を出力し、モータ回転速度信号ＴＶに相当するモータ１８の回転速度が所定の低回転速度状態に相当する低回転速度閾値ＳＥＴ＿ＳＰＥＥＤ＿Ｌ以下となった場合に“Ｌ”レベル（“０”レベル）の比較結果信号ＳＷを出力するヒステリシスコンパレータ６１Ａを備えた点である。

次に第３実施形態の要部の動作について説明する。
本第３実施形態の動作と第１実施形態の動作が異なるのは、直流リンク電圧指令演算部４２の動作だけであるので、直流リンク電圧指令演算部４２の動作について説明する。
制御部２３の電源電圧演算部４１は、電圧検出器２７の出力信号に基づいて、架線電圧を二次巻線１６Ｂ側の電圧に演算して電源電圧信号ＳＰＷ（単位Ｖ）として直流リンク電圧指令演算部４２に出力する。

これと並行して、車両制御装置２１は、モータ回転速度信号ＴＶ及び牽引力指令信号ＴＬＣを乗算器４７に出力し、乗算器４７は、モータ回転速度信号ＴＶ及び牽引力指令信号ＴＬＣの積を単位換算器４８に出力する。この結果、単位換算器４８は、乗算器４７の乗算結果の単位換算を行って出力参照信号ＰｏｗｅｒＲｅｆとして直流リンク電圧指令演算部４２に出力する。

また、直流リンク電圧指令演算部４２の直流リンク電圧生成部６２は、直流リンク電圧の高側設定値（電圧）ＶＬＨ及び直流リンク電圧の低側設定値（電圧）ＶＬＬを生成しスイッチ６３に出力する。

一方、ヒステリシスコンパレータ６１は、モータ回転速度信号ＴＶに相当するモータ１８の回転数が所定の高回転数状態に相当する高回転速度閾値ＳＥＴ＿ＳＰＥＥＤ＿Ｈ以上となった場合に“Ｈ”レベル（“１”レベル）の比較結果信号ＳＷを出力し、モータ回転速度信号ＴＶに相当するモータ１８の回転数が所定の低回転数状態に相当する低回転速度閾値ＳＥＴ＿ＳＰＥＥＤ＿Ｌ以下となった場合に“Ｌ”レベル（“０”レベル）の比較結果信号ＳＷを出力する。

すなわち、ヒステリシスコンパレータ６１Ａは、モータ１８の回転速度増加時には、モータ回転速度信号ＴＶに相当するモータ１８の回転速度が所定の高回転速度状態に相当する高回転速度閾値ＳＥＴ＿ＳＰＥＥＤ＿Ｈ以上となった場合に“Ｈ”レベル（“１”レベル）の比較結果信号を出力する。

またヒステリシスコンパレータ６１Ａは、モータ１８の回転速度減少時には、モータ回転速度信号ＴＶに相当するモータ１８の回転速度が所定の低回転速度状態に相当する低回転速度閾値ＳＥＴ＿ＳＰＥＥＤ＿Ｌ以下となった場合に“Ｌ”レベル（“０”レベル）の比較結果信号ＳＷを出力する。

したがって、本第３実施形態によれば、モータ１８の回転速度増加時にモータ１８の回転速度が所定の高回転速度状態に相当する高回転速度閾値ＳＥＴ＿ＳＰＥＥＤ＿Ｈ未満である場合及びモータ１８の回転速度減少時に低回転速度閾値ＳＥＴ＿ＳＰＥＥＤ＿Ｌ以下である場合には、直流リンク電圧の低側設定値（電圧）ＶＬＬを出力することとなるので、モータ１８の回転数が低く、直流リンク電圧Ｖｄｃが低くても十分に駆動能力が得られる場合には、実効的に直流リンク電圧Ｖｄｃを低下させることにより、電気機関車１０１の運行に影響を与えずに、コンバータ３１及びインバータ３２を構成しているＩＧＢＴ等のスイッチング素子の故障発生を抑制することができる。

以上の説明においては、評価値としてのモータ回転速度信号ＴＶを二つの値領域に区分して制御を行っていたが、３つ以上の値領域に区分して制御を行うように構成することも可能である。

［４］第４実施形態
本第４実施形態が第３実施形態と異なる点は、第１実施形態の直流リンク電圧生成部６２が直流リンク電圧Ｖｄｃの高側設定値ＶＬＨを及び直流リンク電圧Ｖｄｃの低側設定値ＶＬＬの二つの電圧のいずれかを出力していたのに対し、高側設定値ＶＬＨ１をモータ回転速度信号ＴＶに比例した値としている点である。
図７は、第４実施形態の直流リンク電圧指令演算部の機能構成ブロック図である。
図７において、図６の第３実施形態と同様の部分には、同一の符号を付すものとする。

直流リンク電圧指令演算部４２の直流リンク電圧生成部６２Ｂは、モータ回転速度信号ＴＶの値を、直流リンク電圧指令信号ＶｄｃＲｅｆの値を上昇させる必要があるモータ回転速度の最小値に相当する回転速度ベースＴＶ＿ＢＡＳＥの値で除した値を出力する除算器８１と、除算器８１の出力に直流リンク電圧の最低電圧設定値ＶＬＬｍｉｎを乗じて高側設定値ＶＬＨ１として出力する乗算器８２と、ヒステリシスコンパレータ６１Ａの比較結果信号ＳＷに基づいて高側設定値ＶＬＨ１あるいは最低電圧設定値ＶＬＬｍｉｎを出力するスイッチ８３と、を備えている。

次に第４実施形態の要部の動作について説明する。
本第４実施形態の動作と第２実施形態の動作が異なるのは、直流リンク電圧指令演算部４２の動作だけであるので、直流リンク電圧指令演算部４２の動作について説明する。

制御部２３の電源電圧演算部４１は、電圧検出器２７の出力信号に基づいて、架線電圧を二次巻線１６Ｂ側の電圧に演算して電源電圧信号ＳＰＷ（単位Ｖ）として直流リンク電圧指令演算部４２に出力する。

これと並行して、車両制御装置２１は、モータ回転速度信号ＴＶ及び牽引力指令信号ＴＬＣを乗算器４７に出力し、乗算器４７は、モータ回転速度信号ＴＶ及び牽引力指令信号ＴＬＣの積を単位換算器４８に出力する。この結果、単位換算器４８は、乗算器４７の乗算結果の単位換算を行って出力参照信号ＰｏｗｅｒＲｅｆとして直流リンク電圧指令演算部４２に出力する。

これらの結果、直流リンク電圧指令演算部４２の除算器８１は、出力参照信号ＰｏｗｅｒＲｅｆの値をモータ１８の設計上の最大出力パワーに相当する最大出力ＰｏｗｅｒＲｅｆ＿ＭＡＸの値で除した値を乗算器７２に出力する。
乗算器７２は、モータ回転速度信号ＴＶの値を、直流リンク電圧指令信号ＶｄｃＲｅｆの値を上昇させる必要があるモータ回転速度の最小値に相当する回転速度ベースＴＶ＿ＢＡＳＥの値で除した値をスイッチ８３の高電位側端子ＴＨに出力する。
一方、低電位側端子ＴＬには、直流リンク電圧の低側設定値（電圧）として最低電圧設定値ＶＬＬｍｉｎが出力される。

一方、ヒステリシスコンパレータ６１Ａは、モータ回転速度信号ＴＶに相当するモータ１８の回転数が所定の高回転数状態に相当する高回転速度閾値ＳＥＴ＿ＳＰＥＥＤ＿Ｈ以上となった場合に“Ｈ”レベル（“１”レベル）の比較結果信号ＳＷを出力し、モータ回転速度信号ＴＶに相当するモータ１８の回転数が所定の低回転数状態に相当する低回転速度閾値ＳＥＴ＿ＳＰＥＥＤ＿Ｌ以下となった場合に“Ｌ”レベル（“０”レベル）の比較結果信号ＳＷを出力する。

すなわち、ヒステリシスコンパレータ６１Ａは、モータ１８の回転速度増加時には、高回転速度閾値ＳＥＴ＿ＳＰＥＥＤ＿Ｈ未満であれば“Ｌ”レベル（“０”レベル）の比較結果信号ＳＷを出力し、高回転速度閾値ＳＥＴ＿ＳＰＥＥＤ＿Ｈ以上であれば“Ｈ”レベル（“１”レベル）の比較結果信号ＳＷを出力する。

また、ヒステリシスコンパレータ６１Ａは、モータ１８の回転速度減少時には、低回転速度閾値ＳＥＴ＿ＳＰＥＥＤ＿Ｌ超であれば“Ｈ”レベル（“１”レベル）の比較結果信号ＳＷを出力し、低回転速度閾値ＳＥＴ＿ＳＰＥＥＤ＿Ｌ以下であれば“Ｌ”レベル（“０”レベル）の比較結果信号ＳＷを出力する。

したがって、本第２実施形態によれば、モータ１８の回転速度増加時に高回転速度閾値ＳＥＴ＿ＳＰＥＥＤ＿Ｈ未満である場合及びモータ１８の回転速度減少時に低出力閾値ＳＥＴ＿ＰＯＷ＿Ｌ以下である場合には、最低電圧設定値ＶＬＬｍｉｎを出力することとなるので、モータ１８の出力が小さい場合には、実効的に直流リンク電圧Ｖｄｃを低下させることにより、電気機関車１０１の運行に影響を与えずに、コンバータ３１及びインバータ３２を構成しているＩＧＢＴ等のスイッチング素子の故障発生を抑制することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１２ パンタグラフ
１３ 線路
１４ 車輪
１５ 遮断器
１６ トランス
１６Ａ 一次巻線
１６Ｂ 二次巻線
１７ 主電力変換装置
１８ モータ
２１ 車両制御装置
２３ 制御部
２４ 電流センサ
２７ 電圧検出器
３１ コンバータ
３２ インバータ
３３ 直流電圧センサ
４１ 電源電圧演算部
４２ 直流リンク電圧指令演算部
４３ 直流リンク電圧制御部
４４ コンバータ電流指令生成部
４５ コンバータ電流制御部
４６ ＰＷＭ制御部
４７ 乗算器
４８ 単位換算器
５１ インバータ電流指令生成部
５２ インバータ電流制御部
５３ ＰＷＭ制御部
６１、６１Ａ ヒステリシスコンパレータ
６２、６２Ａ、６２Ｂ 直流リンク電圧生成部
６３ スイッチ
６４ 最大値出力部
６５ 上下限リミッタ
６６ 変化率リミッタ
７１、８１ 除算器
７２、８２ 乗算器
７３、８３ スイッチ
１００ 列車
１０１ 電気機関車
ＣＩＣ コンバータ電流制御信号
ＣＶＤＣ 直流リンク電圧制御信号
ＩＩＣ インバータ電流制御信号
ＩｄＲｅｆ ｄ軸電流指令信号
ＩｑＲｅｆ ｑ軸電流指令信号
Ｉｓ 電流検出信号
ＩｓＲｅｆ コンバータ電流指令信号
ＰｏｗｅｒＲｅｆ 出力参照信号
ＰＷＭ１、ＰＷＭ２ ＰＷＭ制御信号
ＳＰＷ 電源電圧信号
ＳＷ 比較結果信号
ＴＨ 高電位側端子
ＴＬ 低電位側端子
ＴＬＣ 牽引力指令信号
ＴＶ モータ回転速度信号
ＶＬＨ、ＶＬＨ１ 高側設定値
ＶＬＬ 低側設定値
ＶＬＬｍｉｎ 最低電圧設定値
Ｖｄｃ 直流リンク電圧
ＶｄｃＲｅｆ 直流リンク電圧指令信号

Claims (7)

1. 架線から供給された交流電力を直流リンク電力に変換して出力するコンバータと、
   入力された前記直流リンク電力を、交流電力に変換して駆動用モータに供給するインバータと、
   前記駆動用モータのパワーあるいは前記駆動用モータの回転速度を評価値とし、前記評価値に基づいて、前記直流リンク電力の電圧を動的に制御する制御部と、
   を備えた鉄道用電力変換装置。
2. 前記制御部は、前記評価値を所定の複数の値領域に区分し、前記直流リンク電力の電圧を、前記評価値が属する値領域に対応づけた所定値に設定する、
   請求項１記載の鉄道用電力変換装置。
3. 前記制御部は、前記評価値に比例した値を前記直流リンク電力の電圧とする、
   請求項１記載の鉄道用電力変換装置。
4. 前記評価値に基づいて、前記直流リンク電力の電圧を動的に制御するための直流リンク電圧指令信号を生成する直流リンク電圧指令演算部を備え、
   前記直流リンク電圧指令演算部は、前記直流リンク電力の電圧の上限電圧値及び下限電圧値を設定するために前記直流リンク電圧指令信号の上限値及び下限値を設定するための上下限リミッタを備えた、
   請求項１乃至請求項３のいずれか一項記載の鉄道用電力変換装置。
5. 前記架線に一次巻線が電気的に接続され、前記コンバータの交流側端子に二次巻線が電気的に接続されたトランスを備え、
   前記二次巻線の電圧よりも前記直流リンク電圧の電圧を高く設定する、
   請求項４記載の鉄道用電力変換装置。
6. 所定の下限電圧値と、前記二次巻線の電圧と、を比較し、いずれか高い方の電圧を前記上下限リミッタにおける下限電圧として設定する最大値出力部を備えた、
   請求項５記載の鉄道用電力変換装置。
7. 前記直流リンク電圧の単位時間当たりの変化率を所定の変化率以下とするために、前記直流リンク電圧指令信号の変化率を制限する変化率リミッタを備えた、
   請求項４乃至請求項６のいずれか一項記載の鉄道用電力変換装置。

Images