JP6736370B2 - 電力変換システム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、電力変換システムに関する。

架線に電力が供給されてない無電区間を電気車が通過する場合に、電気車には、架線からの電力が供給されない。この場合、電気車に搭載されたコンプレッサやブロアなどの補機に電力が供給されない可能性があった。

特開２０１０−２１５０１４号公報

本発明が解決しようとする課題は、電気車の補機に供給される電力の低下を抑制することができる電力変換システムを提供することである。

実施形態の電力変換システムは、走行用電力変換装置と、補助電源用電力変換装置と、蓄電装置と、補機と、を持つ。前記走行用電力変換装置は、変圧器の二次巻線を介して供給された第１の交流電力を、電気車を走行させる走行用モータを駆動させるための走行用電力に変換して前記走行用モータに供給する。前記補助電源用電力変換装置は、前記変圧器の三次巻線を介して供給された第２の交流電力を直流電力に変換する第１の交流−直流変換部と、前記第１の交流−直流変換部により変換された直流電力を前記電気車に搭載された交流負荷を駆動させるための交流電力に変換して前記交流負荷に供給する交流負荷用電力変換部と、前記第１の交流−直流変換部により変換された直流電力を前記電気車に搭載された直流負荷を駆動させるための直流電力に変換して前記直流負荷に供給する直流負荷用電力変換部と、を有する。前記蓄電装置は、前記第１の交流−直流電力変換部における直流電力の出力端と前記交流負荷用電力変換部および直流負荷用電力変換部における直流電力の入力端とを接続する電力線に接続されている。前記補機は、前記負荷用電力変換装置と前記蓄電装置とを接続する電力線に接続され、前記蓄電装置から供給された電力によって動作する。

実施形態の電力変換システム１の一例を示す図。 負荷用交流−直流変換部１１０の一例を示す図。 補機群６００の一例を示す図。 実施形態の電力変換システム１Ａの一例を示す図。 実施形態の電力変換システム１Ｂの一例を示す図。 実施形態において走行モードを切り替える流れの一例を示すフローチャート。 通常時および非常時におけるキャリア信号、変調波、およびＰＷＭ信号の一例を示す図。

以下、実施形態の電力変換システムを、図面を参照して説明する。

図１は、実施形態の電力変換システム１の一例を示す図である。電力変換システム１は、例えば鉄道車両に搭載される。鉄道車両は、電気車の一例である。電力変換システム１には、集電装置４００およびメイントランスの走行用巻線（５００および３０２）を介して、架線から高圧交流電力が供給される。電力変換システム１は、高圧交流電力を走行用交流電力に変換して、走行用モータＭに供給する。これにより電力変換システム１は、走行用モータＭに走行トルクを発生させ、鉄道車両を走行させる。実施形態において、走行用モータＭは、例えば、誘導電動機である。

また、電力変換システム１は、集電装置４００およびメイントランスの負荷用巻線（５００および１０２）を介して、架線から低圧交流電力が供給される。メイントランスの負荷用巻線（５００および１０２）から供給される交流電力は、メイントランスの走行用巻線（５００および３０２）から供給される交流電力よりも低い電圧となっている。電力変換システム１は、低圧交流電力を負荷用交流電力に変換して、交流負荷Ｌ_ＡＣに供給する。これにより電力変換システム１は、交流負荷Ｌ_ＡＣを駆動させる。実施形態において、交流負荷Ｌ_ＡＣは、走行用モータＭを除く鉄道車両の負荷であって、例えば、１００ボルトの交流電圧で動作する電子機器などである。また、電力変換システム１は、低圧交流電力を負荷用直流電力に変換して、直流負荷Ｌ_ＤＣに供給する。これにより電力変換システム１は、交流直流負荷Ｌ_ＤＣを駆動させる。実施形態において、直流負荷Ｌ_ＤＣは、走行用モータＭを除く鉄道車両の負荷であって、例えば、直流電圧で動作する電子機器などである。

さらに、電力変換システム１は、集電装置４００およびメイントランスの負荷用巻線（５００および１０２）を介して、架線から供給された低圧交流電力に基づく直流電力によって、補機群６００を駆動させる。補機群６００は、例えば、鉄道車両に搭載されるコンプレッサやブロア等の圧縮機である。

電力変換システム１は、例えば、補助電源用電力変換装置１００と、バッテリ装置２００と、走行用電力変換装置３００とを含む。

補助電源用電力変換装置１００は、例えば、負荷用交流−直流変換部１１０と、交流負荷用直流−交流変換部１２０と、負荷電力制御部１３０、直流負荷用直流−交流変換部１６０と、直流負荷用交流−直流変換部１７０とを含む。

負荷用交流−直流変換部１１０は、集電装置４００からメイントランスの負荷用巻線（５００および１０２）を介して供給された低圧交流電力を直流電力に変換する。図２は、負荷用交流−直流変換部１１０の一例を示す図である。負荷用交流−直流変換部１１０は、例えば、スイッチング素子１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、および１１０ｄと、ゲート制御部１１０Ａと、電圧センサ１１０Ｂを含む。スイッチング素子１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、および１１０ｄとは、正極線および負極線間に接続されている。スイッチング素子１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、および１１０ｄは、例えば逆並列に接続されたダイオードを内蔵したＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）である。なお、スイッチング素子１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、および１１０ｄは、他の種類のスイッチング素子であってよい。

ゲート制御部１１０Ａは、電圧センサ１１０Ｂにより検出された低圧交流電力の電圧および負荷電力制御部１３０から供給された指令電圧に基づいて、スイッチング素子１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、および１１０ｄにおけるゲート端子にゲート信号を供給する。これにより、ゲート制御部１１０Ａは、直流電力の電圧を指令電圧に近づけるように、スイッチング素子１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、および１１０ｄを導通状態と遮断状態との間で切り替える。なお、負荷用交流−直流変換部１１０は、図２に示した一例に限らず、昇圧コンバータまたは降圧コンバータ、昇降圧コンバータのいずれかであればよい。

交流負荷用直流−交流変換部１２０は、電力が供給される正極線および負極線間にブリッジ接続された複数のスイッチング素子を含むスイッチング回路である。なお、交流負荷用直流−交流変換部１２０は、インバータとも称される。各スイッチング素子は、例えばＩＧＢＴである。なお、スイッチング素子として、他の種類のスイッチング素子を使用してもよい。交流負荷用直流−交流変換部１２０は、負荷電力制御部１３０の制御に従って、スイッチング素子を任意に導通状態と遮断状態との間で切り替えることで、直流電力を負荷用交流電力に変換する。

交流負荷用直流−交流変換部１２０の負荷用交流−直流変換部１１０側には、負荷用交流−直流変換部１１０および交流負荷用直流−交流変換部１２０に並列して、コンデンサ１２２が接続されている。コンデンサ１２２は、交流負荷用直流−交流変換部１２０において安定した電力を交流負荷Ｌ_ＡＣ側に供給することができる容量に設定されている。すなわち、コンデンサ１２２の容量は、集電装置４００から供給される交流電力が停止する無電区間（セクションとも称される）を鉄道車両が走行している場合に交流負荷Ｌ_ＡＣへ負荷用交流電力の供給を補償するような高い容量でなくてよい。無電区間は、例えば、鉄道車両が走行する区間において所定距離ごとに設けられている。

交流負荷用直流−交流変換部１２０により変換された負荷用交流電力は、コイル１４２、コンデンサ１４４、およびトランス（１４６および１４８）を介して交流負荷Ｌ_ＡＣに供給される。

負荷電力制御部１３０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサがプログラムメモリに格納されたプログラムを実行することにより実現される。また、これらの機能部のうち一部または全部は、ＬＳＩ（Large Scale Integration）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、またはＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）等のハードウェアにより実現されてもよい。負荷電力制御部１３０は、例えば、補助電源用電力変換装置１００において変換された１００Ｖの動作電力が供給されることで動作する。

負荷電力制御部１３０は、負荷用交流−直流変換部１１０および交流負荷用直流−交流変換部１２０、直流負荷用直流−交流変換部１６０と、直流負荷用交流−直流変換部１７０を制御する。

直流負荷用直流−交流変換部１６０は、上述した交流負荷用直流−交流変換部１２０と同様に、電力が供給される正極線および負極線間にブリッジ接続された複数のスイッチング素子を含むスイッチング回路である。直流負荷用直流−交流変換部１６０は、スイッチング素子を導通状態と遮断状態との間で切り替えることで、直流電力を交流電力に変換する。

直流負荷用直流−交流変換部１６０Ａ交流負荷用交流−直流変換部１１０側には、負荷用交流−直流変換部１１０および直流負荷用直流−交流変換部１６０に並列して、コンデンサ１６２が接続されている。コンデンサ１６２は、直流負荷用直流−交流変換部１６０において安定した電力を、後段の直流負荷用交流−直流変換部１７０側に供給することができる容量に設定されている。コンデンサ１６２の容量は、コンデンサ１２２の容量と同じであってよいし、異なっていてもよい。

直流負荷用直流−交流変換部１６０により変換された交流電力は、トランス（１６４および１６６）を介して直流負荷用交流−直流変換部１７０に供給される。トランス（１６４および１６６）は、例えば、直流負荷用直流−交流変換部１６０により変換された交流電力の電圧を１００Ｖ程度まで降圧する。

直流負荷用交流−直流変換部１７０は、直流負荷用直流−交流変換部１６０からトランス（１６４および１６６）を介して供給された交流電力を直流電力に変換する。例えば、直流負荷用交流−直流変換部１７０は、交流電力を直流電力に変換する。直流負荷用交流−直流変換部１７０は、負荷用交流−直流変換部１１０と同様に、上述した図２に示すような構成であってよい。

直流負荷用交流−直流変換部１７０により変換された直流電力は、コイル１７２、コンデンサ１７４を介して直流負荷Ｌ_ＤＣに供給される。

負荷用交流−直流変換部１１０における直流電力の出力端と交流負荷用直流−交流変換部１２０および直流負荷用直流−交流変換部１６０における直流電力の入力端とを接続する電力線には、バッテリ装置２００が接続されている。バッテリ装置２００は、例えば、絶縁区分が低圧のバッテリである。バッテリ装置２００は、例えば、リチウムイオン電池などの蓄電池セルが直列または並列に接続された蓄電池ユニットである。

補助電源用電力変換装置１００とバッテリ装置２００とを接続する電力線には、補機群６００が接続されている。図３は、補機群６００の一例を示す図である。補機群６００には、直流電力が供給される。補機群６００には、バッテリ装置２００により放電された直流電力が供給されてよいが、これに限定されず、負荷用交流−直流変換部１１０により変換された直流電力が供給されてよい。さらに、補機群６００には、バッテリ装置２００により放電された直流電力と負荷用交流−直流変換部１１０により変換された直流電力とが合成された電力が供給されてよい。

補機群６００は、例えば、直流型補機６１０と、三相交流型補機６２０とを含む。直流型補機６１０は、供給された直流電力により動作する補機である。三相交流型補機６２０は、三相交流電力により動作する補機である。バッテリ装置２００および負荷用交流−直流変換部１１０と三相交流型補機６２０を接続する電力線の途中には、三相交流電力変換器６２２が設けられている。三相交流電力変換器６２２は、複数のスイッチング素子を含むスイッチング回路である。三相交流電力変換器６２２は、コントローラ（不図示）から供給された動作指令値に従って、スイッチング素子を導通状態と遮断状態との間で切り替えることで、直流電力を補機用の三相交流電力に変換する。

バッテリ装置２００は、補機群６００の電源として機能する。また、バッテリ装置２００は、負荷用交流−直流変換部１１０から交流負荷用直流−交流変換部１２０、直流負荷用直流−交流変換部１６０および補機群６００に供給される直流電力が低下した場合に、直流電力の低下に対応した電力を放電する。これにより、バッテリ装置２００は、鉄道車両が無電区間を走行している場合、交流負荷用直流−交流変換部１２０、直流負荷用直流−交流変換部１６０および補機群６００に放電電力を供給する。この場合、バッテリ装置２００は、交流負荷Ｌ_ＡＣ、直流負荷Ｌｄｃおよび補機群６００の電源として機能する。

走行用電力変換装置３００は、例えば、走行用充電回路３１０と、走行用交流−直流変換部３２０と、走行用直流−交流変換部３３０と、走行電力制御部３４０とを含む。

走行用充電回路３１０は、例えば、正極線に接続された接触器Ｋ１０、接触器Ｋ１０に対して並列に接続された接触器Ｋ１１および抵抗体ｒ１０と、負極線に接続された接触器Ｋ１２、接触器Ｋ１２に対して並列に接続された接触器Ｋ１３および抵抗体ｒ１１と、を含む。また、走行用充電回路３１０は、各接触器Ｋ１０、Ｋ１１、Ｋ１２、およびＫ１３を電磁的に動作させるためのコイル（不図示）などを備える。走行用充電回路３１０は、走行電力制御部３４０の制御に従って、各接触器Ｋ１０、Ｋ１１、Ｋ１２、およびＫ１３を遮断状態と導通状態との間で切り替える。走行用充電回路３１０は、高圧交流電力の供給を開始する場合、まず接触器Ｋ１１およびＫ１３を導通状態に切り替える。その後、走行用充電回路３１０は、接触器Ｋ１０およびＫ１２を導通状態に切り替えると共に、接触器Ｋ１１およびＫ１３を導通状態から遮断状態に切り替える。

走行用交流−直流変換部３２０は、高圧交流電力が供給される正極線および負極線間に接続された複数のスイッチング素子を含むスイッチング回路である。走行用交流−直流変換部３２０は、コンバータとも称される。なお、走行用交流−直流変換部３２０は、昇圧コンバータまたは降圧コンバータ、昇降圧コンバータのいずれかであればよい。スイッチング素子はＩＧＢＴであるが、これに限定されず、他の種類のスイッチング素子を使用してもよい。走行用交流−直流変換部３２０は、走行電力制御部３４０の制御に従って、スイッチング素子を導通状態と遮断状態との間で切り替えることで、メイントランスの走行用巻線を介して供給された高圧交流電力を直流電力に変換する。

走行用直流−交流変換部３３０は、電力が供給される正極線および負極線間にブリッジ接続された複数のスイッチング素子を含むスイッチング回路である。なお、走行用直流−交流変換部３３０は、インバータとも称される。走行用直流−交流変換部３３０は、走行用モータＭの３相のそれぞれに対応した上ブリッジ側のスイッチング素子と下ブリッジ側のスイッチング素子との組を３つ備える。各スイッチング素子は、ＩＧＢＴであるが、これに限定されず、他の種類のスイッチング素子を使用してもよい。走行用直流−交流変換部３３０は、走行電力制御部３４０の制御に従って、走行用モータＭにおける各相のスイッチング素子を導通状態と遮断状態との間で切り替えることで、直流電力を走行用交流電力に変換する。

走行電力制御部３４０は、例えばＣＰＵ等のプロセッサがプログラムメモリに格納されたプログラムを実行することにより実現される。また、これらの機能部のうち一部または全部は、ＬＳＩ、ＡＳＩＣ、またはＦＰＧＡ等のハードウェアにより実現されてもよい。走行電力制御部３４０は、例えば、補助電源用電力変換装置１００において変換された１００Ｖの動作電力が供給されることで動作する。走行電力制御部３４０は、走行用充電回路３１０、走行用交流−直流変換部３２０、および走行用直流−交流変換部３３０を制御する。

走行用充電回路３１０における高圧直流電力の出力端と走行用交流−直流変換部３２０における高圧直流電力の入力端とを接続する電力線には、充電回路２１０を介してバッテリ装置２００が接続されている。バッテリ装置２００の放電電力の電圧は、例えば、走行用交流−直流変換部３２０に供給される交流電力にて生成される直流電圧よりも低く、且つ交流負荷用直流−交流変換部１２０に供給される直流電力の電圧よりも高くてよいが、これに限定されない。

充電回路２１０は、例えば、正極線に接続された接触器Ｋ１、接触器Ｋ１に対して並列に接続された接触器Ｋ３および抵抗体ｒ１と、負極線に接続された接触器Ｋ２と、を含む。また、充電回路２１０は、各接触器Ｋ１、Ｋ２、およびＫ３を電磁的に動作させるためのコイル（不図示）などを備える。充電回路２１０は、直流電力用の各接触器を遮断状態と導通状態との間で切り替える。充電回路２１０は、バッテリ装置２００から放電電力の供給を開始する場合、まず接触器Ｋ２およびＫ３を導通状態に切り替える。その後、充電回路２１０は、接触器Ｋ１を導通状態に切り替えると共に、接触器Ｋ３を導通状態から遮断状態に切り替える。

充電回路２１０は、鉄道車両の運転手などの管理者の操作に基づいて各接触器の状態を切り替える。充電回路２１０には、例えば、運転者が操作するマスターコントローラ（不図示）における所定の操作部（不図示）が操作された場合に、非常信号が供給される。マスターコントローラにおける操作部は、例えば、鉄道車両の非常時にバッテリ装置２００から放電された電力により鉄道車両を走行させる操作を受け付ける緊急用ボタンなどである。鉄道車両の非常時は、地震などの天災や変電所の停止などの事態により集電装置４００から鉄道車両に交流電力が供給されないことであってよいが、これに限定されず、鉄道車両の故障などが含まれていてよい。充電回路２１０は、非常信号が供給された場合、電力を遮断する状態から電力を供給する状態に切り替える。

充電回路２１０における接触器Ｋ１またはＫ２と接触器Ｋ３とが導通状態に制御された状態において、走行用直流−交流変換部３３０の入力端に接続された正極線と負極線との間には、バッテリ装置２００の放電電力の電圧が印加される。走行用直流−交流変換部３３０は、走行電力制御部３４０の制御に従ってスイッチング動作を行うことで、放電電力を、走行用モータＭを駆動させる三相交流電力に変換する。

以上説明した電力変換システム１によれば、負荷用交流−直流変換部１１０と交流負荷用直流−交流変換部１２０および直流負荷用直流−交流変換部１６０との間にバッテリ装置２００を接続し、バッテリ装置２００に補機群６００を接続することで、バッテリ装置２００を補機群６００の電源として機能させることができる。したがって、電力変換システム１によれば、鉄道車両が無電区間を走行している場合において、集電装置４００から電力が供給されなくても、バッテリ装置２００から補機群６００に電力を供給し続けることができる。この結果、電力変換システム１によれば、補機群６００に供給される電力の低下を抑制することができる。

また、電力変換システム１によれば、バッテリ装置２００から供給された直流電力を三相交流電力変換器６２２により三相交流電力に変換し、三相交流型補機６２０を動作させるので、システムを小型化することができる。すなわち、メイントランスの負荷用巻線（５００および１０２）から供給された単相交流電力を単相交流型の補機に供給するよりも、小型化が容易な三相交流電力変換器６２２および三相交流型補機６２０を使用することで、システムを小型化することができる。

さらに、電力変換システム１によれば、負荷用交流−直流変換部１１０と交流負荷用直流−交流変換部１２０および直流負荷用直流−交流変換部１６０との間にバッテリ装置２００を接続することで、メイントランスの負荷用巻線から負荷用交流−直流変換部１１０に供給される電力が低下した場合に、電力の低下に対応した電力をバッテリ装置２００から放電することでバッテリ装置２００から交流負荷用直流−交流変換部１２０および直流負荷用直流−交流変換部１６０に放電電力を供給することができる。これにより、電力変換システム１によれば、鉄道車両の交流負荷Ｌ_ＡＣおよび直流負荷Ｌ_ｄｃに供給される電力の低下を抑制することができる。

また、電力変換システム１によれば、負荷用交流−直流変換部１１０は複数のスイッチング素子１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃおよび１１０ｄとを含むスイッチング回路を含むので、負荷用交流−直流変換部１１０から出力される直流電力を安定化させることができる。すなわち、負荷用交流−直流変換部１１０によれば、ダイオードを用いた整流器よりも時間変化が少ない直流電力に変換することができる。これにより、電力変換システム１によれば、負荷用交流−直流変換部１１０から交流負荷用直流−交流変換部１２０および直流負荷用直流−交流変換部１６０への直流電力が低下した場合に、バッテリ装置２００から交流負荷用直流−交流変換部１２０および直流負荷用直流−交流変換部１６０に速やかに放電電力を供給することができる。

さらに、電力変換システム１によれば、バッテリ装置２００から放電電力を供給することができるので、コンデンサ１２２およびコンデンサ１６２の容量を、鉄道車両が無電区間を通過する際に交流負荷Ｌ_ＡＣおよび直流負荷Ｌ_ｄｃに供給する電力を補償するための容量を考慮して大容量化する必要がない。

さらに、電力変換システム１によれば、負荷用交流−直流変換部１１０から出力される直流電力を制御することで安定化させ、負荷用交流−直流変換部１１０から出力された電力をバッテリ装置２００に供給することで、バッテリ装置２００における充電抵抗に大きな負荷を与えることなく、バッテリ装置２００を充電することができる。

さらに、電力変換システム１によれば、非常時においてバッテリ装置２００を放電させて、直流電力を走行用交流−直流変換部３２０に供給することができる。これにより、電力変換システム１によれば、非常時に、バッテリ装置２００の放電電力を使用して走行用モータＭを駆動させることで、鉄道車両を走行させることができる。

以下、実施形態の電力変換システム１の他の例について説明する。図４は、実施形態の電力変換システム１Ａの一例を示す図である。電力変換システム１Ａにおいて、バッテリ装置２００は、走行用交流−直流変換部３２０と走行用直流−交流変換部３３０とを接続する電力線に接続されている。また、バッテリ装置２００と走行用電力変換装置３００とを接続する電力線の途中には、充電回路２１０が設けられている。電力変換システム１Ａにおいて、バッテリ装置２００は、非常時に、充電回路２１０が電力を供給する状態に切り替えられた場合に、走行用直流−交流変換部３３０に放電電力を供給する。これにより、非常時において、バッテリ装置２００は、走行用モータＭの電源、および補機群６００の電源として機能する。

この電力変換システム１Ａによれば、非常時においてバッテリ装置２００を放電させて、直流電力を走行用直流−交流変換部３３０に供給することができる。これにより、電力変換システム１Ａによれば、非常時に、バッテリ装置２００の放電電力を使用して走行用モータＭを駆動させることで、鉄道車両を走行させることができる。さらに、電力変換システム１Ａによれば、非常時においても、バッテリ装置２００から補機群６００に電力を供給し続けることができるので、補機群６００におけるコンプレッサやブロアなどを駆動し続けることができる。

また、電力変換システム１Ａによれば、放電電力を走行用交流−直流変換部３２０に供給するよりも、走行用交流−直流変換部３２０における電力の損失を抑制することができ、バッテリ装置２００の電力をより効率的に使用することができる。この結果、電力変換システム１Ａによれば、非常時において更に長い距離を走行させることができる。

図５は、実施形態の電力変換システム１Ｂの一例を示す図である。電力変換システム１Ｂは、走行用交流−直流変換部３２０と走行用直流−交流変換部３３０とを一体化した走行用電力変換部３５０を備える。走行用電力変換部３５０は、メイントランスの走行用巻線を介して供給された高圧交流電力を、鉄道車両を走行させる走行トルクを発生する走行用モータを駆動させるための走行用電力に変換し、変換した走行用電力を走行用モータＭに供給する機能を有する。電力変換システム１Ｂは、走行用電力変換部３５０の入力端に、充電回路２１０を介してバッテリ装置２００を接続する。

電力変換システム１Ｂによれば、走行用電力変換部３５０が一体化されても、バッテリ装置２００および充電回路２１０を接続する接続線路を走行用電力変換部３５０内に接続する必要がないので、走行用電力変換部３５０の設計変更をすることなく、非常時においてバッテリ装置２００を放電させることで鉄道車両を走行させることができる。

（走行モード切替処理）
以下、他の実施形態について説明する。他の実施形態の電力変換システム１は、第１の走行モードと、第２の走行モードとの間で、鉄道車両の走行モードを切り替える点で、上述した実施形態とは異なる。以下、この点を中心に説明する。なお、他の実施形態の説明は、図１に示した電力変換システム１に適用した場合を説明するものとする。

電力変換システム１は、集電装置４００から交流電力が供給されている通常時において、通常走行モードで鉄道車両を走行させる。通常走行モードは、第１の走行モードの一例である。通常走行モードにおいて、走行電力制御部３４０は、所定の周波数（キャリア周波数ともいう）のキャリア信号に基づいて走行用直流−交流変換部３３０におけるスイッチング素子を駆動させることで走行用モータＭに走行トルクを発生させる。

電力変換システム１は、集電装置４００から交流電力が供給されていない非常時において、非常走行モードで鉄道車両を走行させる。非常走行モードは、通常走行モードよりも電力の損失を抑制する走行モードであって、第２の走行モードの一例である。非常走行モードにおいて、走行電力制御部３４０は、所定の周波数（キャリア周波数ともいう）よりも低い周波数のキャリア信号に基づいて走行用直流−交流変換部３３０におけるスイッチング素子を駆動させることで走行用モータＭに走行トルクを発生させる。

図６は、他の実施形態において走行モードを切り替える流れの一例を示すフローチャートである。走行電力制御部３４０は、通常時において、通常走行モードで鉄道車両を走行させる（ステップＳ１００）。このとき、走行電力制御部３４０は、所定の周波数のキャリア信号および変調信号に従ってＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御を行うことで、走行用直流−交流変換部３３０におけるスイッチング素子をオンオフ制御する。図７は、通常時および非常時におけるキャリア信号、変調波、およびＰＷＭ信号の一例を示す図である。走行電力制御部３４０は、（Ａ１）に示す所定の周波数の通常時のキャリア信号および変調信号に基づいて、（Ｂ１）に示すＰＷＭ信号を生成する。走行電力制御部３４０は、ＰＷＭ信号に従って走行用直流−交流変換部３３０におけるスイッチング素子をオンオフ制御することで、走行用モータＭに走行用交流電力を供給する。

次に、電力変換システム１は、架線電力が異常停止したか否かを判定する（ステップＳ１０２）。電力変換システム１は、マスターコントローラにおける操作部が操作された場合に、架線電力が異常停止したと判定してよいが、これに限定されない。電力変換システム１は、走行用電力変換装置３００に設けたセンサ（不図示）またはメイントランスに印加された電圧を検出する電圧センサ（不図示）により架線電力の電圧が仕様範囲より低下した範囲にある場合に異常を判定してよい。

電力変換システム１は、架線電力が異常停止した場合、非常用としての充電回路２１０を導通状態に切り替える（ステップＳ１０４）。これにより、バッテリ装置２００の放電電力が充電回路２１０を介して走行用交流−直流変換部３２０に供給される。

走行電力制御部３４０は、非常走行モードで鉄道車両を走行させる（ステップＳ１０６）。このとき、走行電力制御部３４０は、通常時のキャリア信号よりも低い周波数の非常時のキャリア信号および変調信号に従ってＰＷＭ制御を行うことで、走行用直流−交流変換部３３０におけるスイッチング素子をオンオフ制御する。走行電力制御部３４０は、（Ａ２）に示す非常時のキャリア信号および変調信号に基づいて、（Ｂ２）に示すＰＷＭ信号を生成する。走行電力制御部３４０は、ＰＷＭ信号に従って走行用直流−交流変換部３３０におけるスイッチング素子をオンオフ制御することで、走行用モータＭに走行用交流電力を供給する。

通常走行モードは、図７における（Ａ１）および（Ｂ１）に示すように、時刻Ｔ１からＴ２において５回立ち上がりおよび立ち下がるＰＷＭ信号によって走行用直流−交流変換部３３０を制御したのに対し、非常走行モードは、図７における（Ａ２）および（Ｂ２）に示すように、時刻Ｔ１からＴ２において２回立ち上がりおよび立ち下がるＰＷＭ信号によって走行用直流−交流変換部３３０を制御することができる。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、負荷用交流−直流変換部１１０における直流電力の出力端と交流負荷用直流−交流変換部１２０および直流負荷用直流−交流変換部１６０における直流電力の入力端とを接続する電力線に接続されたバッテリ装置２００と、補助電源用電力変換装置１００とバッテリ装置２００とを接続する電力線に接続され、バッテリ装置２００から供給された電力によって動作する補機群６００と、を持つので、集電装置４００から交流電力が供給されない場合であっても、鉄道車両の補機に供給される電力の低下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同様に、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ものである。

１、１Ａ、１Ｂ…電力変換システム、１００…補助電源用電力変換装置、１０２、３０２、５００…メイントランス、１１０…負荷用交流−直流変換部、１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄ…スイッチング素子、１１０Ａ…ゲート制御部、１１０Ｂ…電圧センサ、１２０…交流負荷用直流−交流変換部、１２２…コンデンサ、１３０…負荷電力制御部、１４２…コイル、２００…バッテリ装置、２１０…充電回路、３００…走行用電力変換装置、３１０…走行用充電回路、３２０…走行用交流−直流変換部、３３０…走行用直流−交流変換部、３４０…走行電力制御部、３５０…走行用電力変換部、４００…集電装置、６００…補機群、６２０…三相交流型補機、６２２…三相交流電力変換器

Claims (7)

1. 架線からの電力を降圧する変圧器と、
   前記変圧器の二次巻線を介して供給された第１の交流電力を、電気車を走行させる走行用モータを駆動させるための走行用電力に変換して前記走行用モータに供給する走行用電力変換装置と、
   前記変圧器の三次巻線を介して供給された第２の交流電力を直流電力に変換する第１の交流−直流変換部と、前記第１の交流−直流変換部により変換された直流電力を前記電気車に搭載された交流負荷を駆動させるための交流電力に変換して前記交流負荷に供給する交流負荷用電力変換部と、前記第１の交流−直流変換部により変換された直流電力を前記電気車に搭載された直流負荷を駆動させるための直流電力に変換して前記直流負荷に供給する直流負荷用電力変換部と、を有する補助電源用電力変換装置と、
   前記第１の交流−直流変換部における直流電力の出力端と前記交流負荷用電力変換部および前記直流負荷用電力変換部における直流電力の入力端とを接続する電力線に接続された蓄電装置と、
   前記補助電源用電力変換装置と前記蓄電装置とを接続する電力線に接続され、前記蓄電装置から供給された電力によって動作する補機と、
   を備える、電力変換システム。
2. 前記補機は、三相交流電力によって動作する機器であり、
   前記蓄電装置から供給された電力を前記三相交流電力に変換して前記負荷に供給する補機用電力変換装置を更に備える、
   請求項１に記載の電力変換システム。
3. 前記蓄電装置は、前記変圧器の三次巻線から前記第１の交流−直流変換部に供給される電力が低下した場合に、電力の低下に対応した電力を放電する、
   請求項１または２に記載の電力変換システム。
4. 前記蓄電装置は、前記走行用電力変換装置と前記変圧器の二次巻線とを接続する電力線に接続され、
   前記走行用電力変換装置と前記第１の変圧器とを接続する電力線の途中には、電力を遮断する状態と、電力を供給する状態との間で切り替えられる接触器が設けられ、
   前記蓄電装置は、前記接触器が前記電力を供給する状態に切り替えられた場合に、前記走行用電力変換装置に放電電力を供給する、
   請求項１から３のうちいずれか１項に記載の電力変換システム。
5. 前記走行用電力変換装置は、前記第１の交流電力を直流電力に変換する第２の交流−直流変換部と、前記第２の交流−直流変換部により変換された直流電力を前記走行用電力に変換する直流−交流変換部とを有し、
   前記蓄電装置は、前記第２の交流−直流変換部と前記直流−交流変換部とを接続する電力線に接続され、
   前記第２の交流−直流変換部と前記第２の直流−交流変換部とを接続する電力線の途中には、電力を遮断する状態と、電力を供給する状態との間で切り替えられる接触器が設けられ、
   前記蓄電装置は、前記接触器が前記電力を供給する状態に切り替えられた場合に、前記直流−交流変換部に放電電力を供給する、
   請求項１から３のうちいずれか１項に記載の電力変換システム。
6. 前記電気車の非常時に前記蓄電装置から放電された電力により前記電気車を走行させる操作を受け付ける操作部を更に備え、
   前記接触器は、前記操作部により操作を受け付けた場合に、前記電力を遮断する状態から前記電力を供給する状態に切り替えられる、
   請求項４または５に記載の電力変換システム。
7. 前記電気車の非常時ではない通常時において所定の周波数のキャリア信号に基づいて前記走行用電力変換装置におけるスイッチング素子を駆動させることで前記走行用モータに走行トルクを発生させる第１の走行モードと、前記所定の周波数よりも低い周波数のキャリア信号に基づいて前記スイッチング素子を駆動させることで前記走行用モータに走行トルクを発生させる第２の走行モードとの間で走行モードを切り替える走行電力制御部を更に備え、
   前記走行電力制御部は、前記電気車の非常時に、前記走行モードを前記第２の走行モードに切り替える、
   請求項６に記載の電力変換システム。

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