JP7123284B2

JP7123284B2 - 電力変換装置

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Publication number: JP7123284B2
Application number: JP2022510262A
Authority: JP
Inventors: 健太郎塩浦; 剛史山本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2020-03-26
Filing date: 2020-03-26
Publication date: 2022-08-22
Anticipated expiration: 2040-03-26
Also published as: WO2021192145A1; DE112020006976T5; JPWO2021192145A1; US20230096893A1

Description

本開示は、電力変換装置に関する。

電気鉄道車両には、架線を通して変電所から供給された電力を所望の電力に変換し、変換した電力を負荷に供給する電力変換装置が搭載されているものがある。この種の電力変換装置の一例が特許文献１に開示されている。特許文献１に開示される電気車用電源装置は、インバータと、インバータの一次端子間に接続されるフィルタコンデンサと、フィルタコンデンサを放電する放電回路と、インバータおよびフィルタコンデンサを電源に電気的に接続または電源から電気的に切り離す接触器と、を備える。

特開２０１０－０４１８０６号公報

特許文献１に開示される電気車用電源装置において、接触器が投入されている状態で誤って放電回路が有する放電用接触器がオンになると、架線から放電用接触器を介して放電回路が有する放電抵抗に短絡電流が流れ、放電抵抗が焼損する可能性がある。

本開示は上述の事情に鑑みてなされたものであり、放電抵抗に短絡電流が流れることを抑制する電力変換装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本開示の電力変換装置は、フィルタコンデンサと、電力変換部と、電源用接触器と、放電回路と、放電制御回路と、を備える。フィルタコンデンサは、主電源から供給される電力で充電される。電力変換部の一次端子間にフィルタコンデンサが接続される。また電力変換部は、主電源からフィルタコンデンサを介して供給される電力を、二次端子に接続される負荷に供給するための電力に変換して、変換した電力を負荷に供給する。電源用接触器は、フィルタコンデンサおよび電力変換部を、主電源に電気的に接続、または、主電源から電気的に切り離す。放電回路は、内部コイルを有し、内部コイルが放電されると投入された状態になる放電用接触器と、放電用接触器に直列に接続されたコンデンサ放電抵抗とを有する。また放電回路は、フィルタコンデンサに並列に接続される。放電制御回路は、電源用接触器が開放された後に、放電用接触器が有する内部コイルを放電させることで放電用接触器を投入し、フィルタコンデンサを放電させる。放電制御回路は、内部コイルを、制御電源に電気的に接続、または制御電源から電気的に切り離すスイッチング素子と、直列に接続されたコイル放電抵抗および制御用コンデンサと、を有する。コイル放電抵抗および制御用コンデンサは、内部コイルに並列に接続される。

本開示によれば、放電制御回路が、電源用接触器が開放された後に、放電用接触器が有する内部コイルを放電させることで放電用接触器を投入し、フィルタコンデンサを放電させる。電源用接触器が開放された後に、放電用接触器が投入されるため、放電抵抗に短絡電流が流れることが抑制される。

実施の形態１に係る電力変換装置のブロック図実施の形態１に係る放電制御回路の回路図実施の形態１に係る放電制御回路における電流の流れを示す図実施の形態１に係る電力変換装置の放電動作を示すタイミングチャートであり、（ａ）は電源用接触器の状態を示し、（ｂ）はリレーの状態を示し、（ｃ）は内部コイルの電圧を示し、（ｄ）は放電用接触器の状態を示すタイミングチャート実施の形態２に係る放電制御回路の回路図実施の形態２に係る放電制御回路における電流の流れを示す図実施の形態２に係る電力変換装置の放電動作を示すタイミングチャートであり、（ａ）は電源用接触器の状態を示し、（ｂ）はリレーの状態を示し、（ｃ）は内部コイルの電圧を示し、（ｄ）は放電用接触器の状態を示すタイミングチャート実施の形態に係る電力変換装置の第１変形例のブロック図実施の形態に係る電力変換装置の第２変形例のブロック図

以下、実施の形態に係る電力変換装置について図面を参照して詳細に説明する。なお図中、同一または同等の部分には同一の符号を付す。

（実施の形態１）
車両に搭載される電力変換装置、詳細には、直流き電方式の電気鉄道車両に搭載された補助電源装置を例にして、実施の形態１に係る電力変換装置１について説明する。詳細には、電力変換装置１は、主電源から正極入力端子１ａを介して供給された直流電力を負荷５１に供給するための電力、例えば三相交流電力に変換して、三相交流電力を負荷５１に供給する。

補助電源装置である電力変換装置１は、停止後の再起動を速やかに行うため、停止時に後述のフィルタコンデンサＦＣ１を速やかに放電させる必要がある。このため、詳細については後述するが、フィルタコンデンサＦＣ１を放電させるための放電回路１２は、放電用接触器ＭＣ２を備える。電力変換装置１の停止時に、電源用接触器ＭＣ１が開放されてから、放電用接触器ＭＣ２を投入することで、放電回路１２のコンデンサ放電抵抗Ｒ１に短絡電流が流れることが抑制される。

電力変換装置１の構成について以下に説明する。電力変換装置１は、主電源に接続される正極入力端子１ａと、接地される負極入力端子１ｂと、一端が正極入力端子１ａに接続される電源用接触器ＭＣ１と、一端が電源用接触器ＭＣ１の他端に接続され、他端が負極入力端子１ｂに接続されるフィルタコンデンサＦＣ１と、を備える。電力変換装置１はさらに、一次端子１１ａを介して供給される直流電力を三相交流電力に変換して、負荷５１に供給する電力変換部１１と、フィルタコンデンサＦＣ１に並列に接続される放電回路１２と、を備える。

電力変換装置１はさらに、電源用接触器ＭＣ１の制御を行う接触器制御部１３と、電力変換部１１の制御を行うスイッチング制御部１４と、放電回路１２が有する放電用接触器ＭＣ２を制御する放電制御回路１５と、放電制御回路１５が有するスイッチング素子である後述のリレーＲＹ１を制御する素子制御部１６と、を備える。

電力変換装置１の構成の詳細について以下に説明する。
正極入力端子１ａは、主電源、例えば架線を介して変電所から電力を取得するパンタグラフに接続される。負極入力端子１ｂは、例えば、接地ブラシ、車輪、およびレールを介して接地される。

電源用接触器ＭＣ１の一端は正極入力端子１ａに接続され、他端は電力変換部１１の一次端子１１ａ、フィルタコンデンサＦＣ１の一端、および放電回路１２の一端のそれぞれに接続される。電源用接触器ＭＣ１は、直流電磁接触器であり、接触器制御部１３によって制御される。

接触器制御部１３が電源用接触器ＭＣ１を投入すると、電源用接触器ＭＣ１の一端と他端は互いに接続される。この結果、電力変換部１１およびフィルタコンデンサＦＣ１は、主電源に電気的に接続され、主電源から電力の供給を受ける。
また接触器制御部１３が電源用接触器ＭＣ１を開放すると、電源用接触器ＭＣ１の一端と他端は絶縁される。この結果、電力変換部１１およびフィルタコンデンサＦＣ１は、主電源から電気的に切り離され、主電源から電力の供給を受けることができない。

フィルタコンデンサＦＣ１は、電力変換部１１の一次端子１１ａ，１１ｂの間に接続され、主電源から供給される電力で充電される。詳細には、フィルタコンデンサＦＣ１の一端は、電源用接触器ＭＣ１と電力変換部１１の一次端子１１ａとの接続点に接続される。またフィルタコンデンサＦＣ１の他端は、負極入力端子１ｂと電力変換部１１の一次端子１１ｂとの接続点に接続される。

電力変換部１１は、一次端子１１ａを介して供給された直流電力を三相交流電力に変換し、三相交流電力を各二次端子に接続された負荷５１に供給する。詳細には、電力変換部１１は、高速スイッチングが可能な複数の高速スイッチング素子、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）を有する。複数の高速スイッチング素子がスイッチング制御部１４によって制御され、オンオフを繰り返すことで、上述したように、電力変換部１１は、直流電力を三相交流電力に変換し、三相交流電力を負荷５１に供給する。なお負荷５１は、照明機器、空調機器等の任意の車載機器である。

放電回路１２は、フィルタコンデンサＦＣ１に並列に接続される。詳細には、放電回路１２の一端は、電源用接触器ＭＣ１の他端と電力変換部１１の一次端子１１ａの接続点に接続される。また放電回路１２の他端は、負極入力端子１ｂと電力変換部１１の一次端子１１ｂとの接続点に接続される。

また放電回路１２は、コンデンサ放電抵抗Ｒ１と、コンデンサ放電抵抗Ｒ１に直列に接続された放電用接触器ＭＣ２と、を備える。放電回路１２の各部について説明する。
コンデンサ放電抵抗Ｒ１の一端は、電源用接触器ＭＣ１の他端と電力変換部１１の一次端子１１ａとの接続点に接続される。コンデンサ放電抵抗Ｒ１の抵抗値は、フィルタコンデンサＦＣ１を定められた時間で放電することができる値であれば、任意である。

放電用接触器ＭＣ２の一端はコンデンサ放電抵抗Ｒ１の他端に接続され、他端は負極入力端子１ｂと電力変換部１１の一次端子１１ｂとの接続点に接続される。また放電用接触器ＭＣ２は、直流電磁接触器であり、放電制御回路１５によって制御される。

放電制御回路１５が放電用接触器ＭＣ２を投入すると、放電用接触器ＭＣ２の一端と他端は互いに接続される。この結果、フィルタコンデンサＦＣ１とコンデンサ放電抵抗Ｒ１が電気的に接続される。そして、フィルタコンデンサＦＣ１からコンデンサ放電抵抗Ｒ１に電流が流れることで、フィルタコンデンサＦＣ１が放電される。
また放電制御回路１５が放電用接触器ＭＣ２を開放すると、放電用接触器ＭＣ２の一端と他端は絶縁される。この場合、フィルタコンデンサＦＣ１とコンデンサ放電抵抗Ｒ１は電気的に接続されていないため、コンデンサ放電抵抗Ｒ１によるフィルタコンデンサＦＣ１の放電は行われない。

なお放電用接触器ＭＣ２として、図２に示すように、内部コイルＬ１を有し、内部コイルＬ１が放電されると投入された状態になり、内部コイルＬ１が通電されると開放された状態となるＢ接点形の直流電磁接触器が用いられる。なお内部コイルＬ１の一端は、詳細については後述するが、放電制御回路１５によって、制御電源Ｖｃｃに電気的に接続、または制御電源Ｖｃｃから電気的に切り離される。なお制御電源Ｖｃｃは、主電源とは独立した電源であり、例えば電気鉄道車両に搭載されたバッテリーである。また内部コイルＬ１の他端は、接地されている。

図１に示す接触器制御部１３には、図示しない運転台から、電源用接触器ＭＣ１の投入または開放を指示する開閉指示信号が供給される。接触器制御部１３は、開閉指示信号に従って、電源用接触器ＭＣ１を投入または開放する。詳細には、接触器制御部１３は、電源用接触器ＭＣ１に投入または開放を指示する接触器制御信号Ｓ１を送り、電源用接触器ＭＣ１を制御する。

スイッチング制御部１４は、図示しない電圧測定部からフィルタコンデンサＦＣ１の端子間電圧の測定値を取得する。そして、スイッチング制御部１４は、電源用接触器ＭＣ１が投入されてフィルタコンデンサＦＣ１が充電された後、電力変換部１１が有する高速スイッチング素子のオンオフ制御を開始する。詳細には、フィルタコンデンサＦＣ１の端子間電圧の測定値が充電電圧に到達した後、スイッチング制御部１４は、複数の高速スイッチング素子のそれぞれに、オンオフの繰り返しを指示するスイッチング制御信号Ｓ２を送る。この結果、電力変換部１１は、主電源から供給される直流電力を三相交流電力に変換し、負荷５１に三相交流電力を供給する。

放電制御回路１５は、放電用接触器ＭＣ２が有する内部コイルＬ１を放電させ、または通電させることで、放電用接触器ＭＣ２を制御する。放電制御回路１５の構成の詳細について以下に説明する。
放電制御回路１５は、図２に示すように、スイッチング素子であるリレーＲＹ１と、直列に接続されたコイル放電抵抗Ｒ２および制御用コンデンサＣ２と、を備える。詳細については後述するが、リレーＲＹ１がオフになった場合に、制御電源Ｖｃｃに電流が逆流することを防ぎながら内部コイルＬ１を放電するために、放電制御回路１５は、ダイオードＤ１，Ｄ２を備えることが好ましい。

リレーＲＹ１の一端は、制御電源Ｖｃｃに接続される。またリレーＲＹ１の他端は、ダイオードＤ１を介して内部コイルＬ１の一端に接続される。
リレーＲＹ１は、内部コイルＬ１を、制御電源Ｖｃｃに電気的に接続、または制御電源Ｖｃｃから電気的に切り離す。またリレーＲＹ１は、素子制御部１６によって制御される。

ダイオードＤ１のアノードは、リレーＲＹ１の他端に接続される。またダイオードＤ１のカソードは、内部コイルＬ１の一端に接続される。ダイオードＤ１は、制御電源Ｖｃｃへの電流の逆流を抑制する。

ダイオードＤ２のアノードは、コイル放電抵抗Ｒ２と制御用コンデンサＣ２との接続点に接続される。またダイオードＤ２のカソードは、内部コイルＬ１の一端に接続される。ダイオードＤ２は、後述するコイル放電抵抗Ｒ２の他端から一端に向かう電路を形成することで、内部コイルＬ１をコイル放電抵抗Ｒ２および制御用コンデンサＣ２によって放電することを可能とする。

コイル放電抵抗Ｒ２は、一端がダイオードＤ１と内部コイルＬ１との接続点に接続され、他端が制御用コンデンサＣ２の一端に接続される。なおコイル放電抵抗Ｒ２の抵抗値は、内部コイルＬ１を所望の時間で放電することができる任意の抵抗値である。所望の時間は、例えば、電力変換装置１の再起動に要する時間の目標値に応じて、定められればよい。
制御用コンデンサＣ２の他端は、内部コイルＬ１の他端に接続される。

上記構成を有する放電制御回路１５において、リレーＲＹ１が素子制御部１６によってオンにされると、内部コイルＬ１は、制御電源Ｖｃｃに電気的に接続される。内部コイルＬ１が通電されるため、放電用接触器ＭＣ２は、開放された状態である。
またリレーＲＹ１が素子制御部１６によってオフにされると、内部コイルＬ１は、制御電源Ｖｃｃから電気的に切り離される。この結果、図３において矢印ＡＲ１で示すように、内部コイルＬ１から、制御用コンデンサＣ２を介して、コイル放電抵抗Ｒ２およびダイオードＤ２に電流が流れ、内部コイルＬ１は放電される。内部コイルＬ１が放電されると、放電用接触器ＭＣ２は投入された状態となる。

図１に示す素子制御部１６には、接触器制御部１３と同様に、電源用接触器ＭＣ１の投入または開放を指示する開閉指示信号が供給される。素子制御部１６は、電源用接触器ＭＣ１が投入された状態および開放された状態のいずれであるかに応じて、放電制御回路１５が有するリレーＲＹ１をオンまたはオフにする。詳細には、素子制御部１６は、電源用接触器ＭＣ１が投入されている間は、リレーＲＹ１をオンに維持する。また素子制御部１６は、電源用接触器ＭＣ１が投入された状態から開放されると、リレーＲＹ１を直ちにオフにする。

また素子制御部１６は、電圧測定部からフィルタコンデンサＦＣ１の端子間電圧の測定値を取得する。リレーＲＹ１がオフになった後に、フィルタコンデンサＦＣ１の端子間電圧の測定値が閾値電圧以下となると、素子制御部１６は、リレーＲＹ１をオンにする。これにより、フィルタコンデンサＦＣ１の放電完了後に放電用接触器ＭＣ２が開放されることになる。

次に、上記構成を有する電力変換装置１の動作について説明する。
電気鉄道車両の始動時に、パンタグラフを上昇または下降させる上昇下降スイッチの操作が行われて、パンタグラフが上昇し、架線に接触すると、パンタグラフは、変電所から架線を介して電力を取得する。なお電気鉄道車両の始動時には、電源用接触器ＭＣ１および放電用接触器ＭＣ２のいずれも開放された状態であるとする。

また上昇下降スイッチの操作に連動して、開閉指示信号が運転台から接触器制御部１３および素子制御部１６のそれぞれに供給される。詳細には、上昇下降スイッチの操作によって、パンタグラフが上昇すると、電源用接触器ＭＣ１の投入を指示する開閉指示信号が運転台から接触器制御部１３および素子制御部１６のそれぞれに供給される。

接触器制御部１３は、電源用接触器ＭＣ１の投入を指示する開閉指示信号が供給されると、電源用接触器ＭＣ１の投入を指示する接触器制御信号Ｓ１を出力する。この結果、電源用接触器ＭＣ１が投入され、パンタグラフが架線を介して変電所から取得した電力が、電源用接触器ＭＣ１を介して、フィルタコンデンサＦＣ１に供給され、フィルタコンデンサＦＣ１の充電が開始される。

素子制御部１６は、電源用接触器ＭＣ１の投入を指示する開閉指示信号が供給されると、リレーＲＹ１をオンに維持する。この結果、内部コイルＬ１が通電され、放電用接触器ＭＣ２は、開放された状態に維持される。

その後、フィルタコンデンサＦＣ１が十分に充電されると、スイッチング制御部１４は、電力変換部１１の高速スイッチング素子のオンオフ制御を開始する。スイッチング制御部１４に制御された高速スイッチング素子は、オンオフを繰り返す。この結果、電力変換部１１は、フィルタコンデンサＦＣ１を介して供給される直流電力を三相交流電力に変換し、三相交流電力を負荷５１に供給する。

次に、電気鉄道車両の運転停止時の電力変換装置１の動作について図４を用いて説明する。電気鉄道車両の運転を停止する際には、電力変換部１１が停止され、電源用接触器ＭＣ１が開放され、放電用接触器ＭＣ２が投入される。時刻Ｔ１において、上昇下降スイッチの操作が行われて、パンタグラフが下降し、架線から離隔する場合を例にして、電力変換装置１の動作について説明する。

時刻Ｔ１において、上昇下降スイッチの操作に連動して、停止を指示する信号がスイッチング制御部１４に送られる。そして、スイッチング制御部１４は、電力変換部１１が有する複数の高速スイッチング素子をオフにし、電力変換部１１を停止させる。

また時刻Ｔ１において、上昇下降スイッチの操作によってパンタグラフが下降すると、電源用接触器ＭＣ１の開放を指示する開閉指示信号が運転台から接触器制御部１３および素子制御部１６のそれぞれに供給される。

電源用接触器ＭＣ１の開放を指示する開閉指示信号が供給された接触器制御部１３は、電源用接触器ＭＣ１の開放を指示する接触器制御信号Ｓ１を出力する。この結果、図４（ａ）に示すように、時刻Ｔ１において、電源用接触器ＭＣ１が開放され、電力変換部１１およびフィルタコンデンサＦＣ１は、パンタグラフ、すなわち主電源から電気的に切り離される。

また電源用接触器ＭＣ１の開放を指示する開閉指示信号が供給された素子制御部１６は、リレーＲＹ１をオフにする。この結果、図４（ｂ）に示すように、時刻Ｔ１において、リレーＲＹ１がオフになる。リレーＲＹ１がオフになると内部コイルＬ１は制御電源Ｖｃｃから電気的に切り離されるため、内部コイルＬ１の電圧は、図４（ｃ）に示すように、時刻Ｔ１において、通電時の電圧ＶＬ１から低下し始める。

その後、図４（ｃ）に示すように、時刻Ｔ２において、内部コイルＬ１の電圧が釈放電圧ＶＬ２まで低下する。この結果、時刻Ｔ２において、図４（ｄ）に示すように、放電用接触器ＭＣ２は投入される。

放電用接触器ＭＣ２が投入されると、コンデンサ放電抵抗Ｒ１がフィルタコンデンサＦＣ１に電気的に接続されるため、フィルタコンデンサＦＣ１は放電される。なお時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの時間は、コンデンサ放電抵抗Ｒ１の抵抗値に内部コイルＬ１のコイル抵抗値を加算した結果にフィルタコンデンサＦＣ１の静電容量を乗算して得られる時定数に応じて決まる。また釈放電圧ＶＬ２は、通電時の電圧ＶＬ１に１／ｅを乗算した値未満であることが好ましい。なおｅは、自然対数である。

その後、フィルタコンデンサＦＣ１の放電が完了すると、素子制御部１６は、リレーＲＹ１をオンにする。詳細には、フィルタコンデンサＦＣ１の端子間電圧の測定値が閾値電圧以下となると、素子制御部１６は、リレーＲＹ１をオンにする。この結果、内部コイルＬ１が通電され、放電用接触器ＭＣ２は開放される。

以上説明した通り、実施の形態１に係る電力変換装置１において、放電用接触器ＭＣ２は、電源用接触器ＭＣ１が開放された後に投入される。このため、電源用接触器ＭＣ１と放電用接触器ＭＣ２とは同時に投入された状態にならない。すなわち、コンデンサ放電抵抗Ｒ１に短絡電流が流れることが抑制される。

またコンデンサ放電抵抗Ｒ１に短絡電流が流れることが抑制されるため、コンデンサ放電抵抗Ｒ１に短絡電流が流れて焼損することを防ぐために、コンデンサ放電抵抗Ｒ１の容量を大きくする必要がない。換言すれば、コンデンサ放電抵抗Ｒ１の容量を大きくすることに伴ってコンデンサ放電抵抗Ｒ１が大型化することが抑制される。この結果、電力変換装置１の大型化が抑制される。

（実施の形態２）
放電制御回路１５の構成は、実施の形態１の例に限られない。詳細には、放電制御回路１５の構成は、電源用接触器ＭＣ１が開放された後に放電用接触器ＭＣ２を投入することができる構成であれば、任意である。

実施の形態２に係る電力変換装置１の構成は、実施の形態１と同様である。図５に示すように、実施の形態２に係る電力変換装置１が備える放電制御回路１５は、スイッチング素子であるリレーＲＹ１と、放電用接触器ＭＣ２の内部コイルＬ１に並列に接続されたダイオードＤ３と、を備える。さらに電力変換装置１は、放電用接触器ＭＣ２の内部コイルＬ１に並列に接続されたサージ吸収素子Ｂ１を備えることが好ましい。

リレーＲＹ１の一端は、制御電源Ｖｃｃに接続される。またリレーＲＹ１の他端は、内部コイルＬ１の一端に接続される。なおリレーＲＹ１の構造および動作は、実施の形態１と同様である。

ダイオードＤ３は、内部コイルＬ１に並列に接続される。詳細には、ダイオードＤ３のアノードは、内部コイルＬ１の他端に接続される。ダイオードＤ３のカソードは、リレーＲＹ１と内部コイルＬ１との接続点に接続される。

サージ吸収素子Ｂ１は、内部コイルＬ１に並列に接続される。詳細には、サージ吸収素子Ｂ１はバリスタであり、内部コイルＬ１の放電時に、並列に接続されている素子、すなわちダイオードＤ３に過電圧が印加されることを抑制する。

上記構成を有する放電制御回路１５において、リレーＲＹ１が素子制御部１６によってオンにされると、内部コイルＬ１は、制御電源Ｖｃｃに電気的に接続される。内部コイルＬ１が通電されるため、放電用接触器ＭＣ２は、開放された状態である。
またリレーＲＹ１が素子制御部１６によってオフにされると、内部コイルＬ１は、制御電源Ｖｃｃから電気的に切り離される。この結果、図６において矢印ＡＲ２で示すように、内部コイルＬ１から、ダイオードＤ３に電流が流れ、内部コイルＬ１は放電される。内部コイルＬ１が放電されると、放電用接触器ＭＣ２は投入された状態となる。

実施の形態２に係る電力変換装置１が有する素子制御部１６には、実施の形態１と同様に開閉指示信号が供給される。また素子制御部１６は、電源用接触器ＭＣ１が投入された状態および開放された状態のいずれであるかに応じてリレーＲＹ１をオンまたはオフにする。なお実施の形態２に係る電力変換装置１が有する素子制御部１６は、リレーＲＹ１をオフにするタイミングが、実施の形態１に係る電力変換装置１が有する素子制御部１６と異なる。

詳細には、素子制御部１６は、電源用接触器ＭＣ１が投入されている間は、リレーＲＹ１をオンに維持する。また素子制御部１６は、電源用接触器ＭＣ１が投入された状態から開放されると、電源用接触器ＭＣ１が開放されてから定められた時間の経過後に、リレーＲＹ１をオフにする。なお定められた時間は、電源用接触器ＭＣ１の開放の指示があってから、実際に電源用接触器ＭＣ１が開放されるまでに要する時間より長い時間であり、放電用接触器ＭＣ２の投入にかかる時間の設計値に応じて定めることができる。

次に、上記構成を有する電力変換装置１の動作について説明する。
電気鉄道車両の始動時の電力変換装置１の各部の動作については、実施の形態１と同様である。

電気鉄道車両の運転停止時の電力変換装置１の動作について図７を用いて説明する。電気鉄道車両の運転を停止する際には、電力変換部１１が停止され、電源用接触器ＭＣ１が開放され、放電用接触器ＭＣ２が投入される。時刻Ｔ１１において、上昇下降スイッチの操作が行われて、パンタグラフが下降し、架線から離隔する場合を例にして、電力変換装置１の動作について説明する。

時刻Ｔ１１において、上昇下降スイッチの操作に連動して、停止を指示する信号がスイッチング制御部１４に送られる。そして、スイッチング制御部１４は、電力変換部１１が有する複数の高速スイッチング素子をオフにし、電力変換部１１を停止させる。

また時刻Ｔ１１において、上昇下降スイッチの操作によってパンタグラフが下降すると、電源用接触器ＭＣ１の開放を指示する開閉指示信号が運転台から接触器制御部１３および素子制御部１６のそれぞれに供給される。

電源用接触器ＭＣ１の開放を指示する開閉指示信号が供給された接触器制御部１３は、電源用接触器ＭＣ１の開放を指示する接触器制御信号Ｓ１を出力する。この結果、図７（ａ）に示すように、時刻Ｔ１１において、電源用接触器ＭＣ１が開放され、電力変換部１１およびフィルタコンデンサＦＣ１は、パンタグラフ、すなわち主電源から電気的に切り離される。

また電源用接触器ＭＣ１の開放を指示する開閉指示信号が供給された素子制御部１６は、時刻Ｔ１１から定められた時間が経過した時刻Ｔ１２において、リレーＲＹ１をオフにする。この結果、図７（ｂ）に示すように、時刻Ｔ１２において、リレーＲＹ１がオフになる。リレーＲＹ１がオフになると内部コイルＬ１は制御電源Ｖｃｃから電気的に切り離されるため、内部コイルＬ１の電圧は、図７（ｃ）に示すように、時刻Ｔ１２において、通電時の電圧ＶＬ１から低下し始める。

その後、図７（ｃ）に示すように、時刻Ｔ１３において、内部コイルＬ１の電圧が釈放電圧ＶＬ２まで低下する。この結果、時刻Ｔ１３において、図７（ｄ）に示すように、放電用接触器ＭＣ２は投入される。

放電用接触器ＭＣ２が投入されると、コンデンサ放電抵抗Ｒ１がフィルタコンデンサＦＣ１に電気的に接続されるため、フィルタコンデンサＦＣ１は放電される。なお時刻Ｔ１２から時刻Ｔ１３までの時間は、内部コイルＬ１のコイル抵抗値に応じて決まる。換言すれば、時刻Ｔ１２から時刻Ｔ１３までの時間は、実施の形態１における時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの時間より短い。また釈放電圧ＶＬ２は、通電時の電圧ＶＬ１に１／ｅを乗算した値未満であることが好ましい。

以上説明した通り、実施の形態２に係る電力変換装置１において、放電用接触器ＭＣ２は、電源用接触器ＭＣ１が開放された後に投入される。このため、電源用接触器ＭＣ１と放電用接触器ＭＣ２とは同時に投入された状態にならない。すなわち、コンデンサ放電抵抗Ｒ１に短絡電流が流れることが抑制される。

また実施の形態２に係る電力変換装置１が備える放電制御回路１５は、実施の形態１に係る電力変換装置１が備える放電制御回路１５のように、制御用コンデンサＣ２、コイル放電抵抗Ｒ２、およびダイオードＤ１，Ｄ２を備える必要がない。このため、実施の形態２に係る電力変換装置１は、実施の形態１に係る電力変換装置１に比べて、より小型化が可能となる。

上述の電力変換装置１の回路構成は一例である。電力変換装置１の他の回路構成の一例を図８に示す。図８に示す電力変換装置２は、図１に示す電力変換装置１の構成に加えて、充電用接触器ＭＣ３および充電抵抗Ｒ３と、を備える。

充電用接触器ＭＣ３と充電抵抗Ｒ３とは直列に接続される。また直列に接続された充電用接触器ＭＣ３および充電抵抗Ｒ３は、電源用接触器ＭＣ１に並列に接続される。
詳細には、充電用接触器ＭＣ３の一端は、電源用接触器ＭＣ１の一端と正極入力端子１ａとの接続点に接続される。充電用接触器ＭＣ３の他端は、充電抵抗Ｒ３の一端に接続される。充電抵抗Ｒ３の他端は、電源用接触器ＭＣ１の他端と電力変換部１１の一次端子１１ａとの接続点に接続される。

充電用接触器ＭＣ３は、接触器制御部１３によって制御される。
詳細には、接触器制御部１３は、電源用接触器ＭＣ１の投入を指示する開閉指示信号が供給されると、充電用接触器ＭＣ３に投入を指示する接触器制御信号Ｓ１を出力する。この結果、充電用接触器ＭＣ３が投入され、充電用接触器ＭＣ３および充電抵抗Ｒ３を介して、主電源からフィルタコンデンサＦＣ１に電力が供給され、フィルタコンデンサＦＣ１の充電が開始される。

なお接触器制御部１３は、図示しない電圧測定部からフィルタコンデンサＦＣ１の端子間電圧の測定値を取得する。フィルタコンデンサＦＣ１の端子間電圧の測定値が充電電圧に達すると、電力変換装置２が備える接触器制御部１３は、電源用接触器ＭＣ１の投入を指示する接触器制御信号Ｓ１を出力する。この結果、電源用接触器ＭＣ１が投入され、主電源から、電源用接触器ＭＣ１を介して、フィルタコンデンサＦＣ１に電力が供給される。

また接触器制御部１３は、電源用接触器ＭＣ１に投入を指示する接触器制御信号Ｓ１を出力した後に、充電用接触器ＭＣ３を開放する接触器制御信号Ｓ１を出力する。この結果、充電抵抗Ｒ３は、主電源から電気的に切り離される。
上述したように、充電用接触器ＭＣ３を投入してから電源用接触器ＭＣ１を投入することで、フィルタコンデンサＦＣ１に突入電流が流れることが抑制される。

さらに電力変換装置１の他の回路構成の一例を図９に示す。
図９に示す電力変換装置３は、図１に示す実施の形態１に係る電力変換装置１の構成に加えて、充電用接触器ＭＣ４と、充電抵抗Ｒ３と、を備える。充電用接触器ＭＣ４は、正極入力端子１ａと、電源用接触器ＭＣ１の一端に接続される。充電抵抗Ｒ３の一端は、充電用接触器ＭＣ４と電源用接触器ＭＣ１との接続点に接続される。また充電抵抗Ｒ３の他端は、電源用接触器ＭＣ１と電力変換部１１の一次端子１１ａとの接続点に接続される。

充電用接触器ＭＣ４は、接触器制御部１３によって制御される。
詳細には、接触器制御部１３は、電源用接触器ＭＣ１の投入を指示する開閉指示信号が供給されると、充電用接触器ＭＣ４に投入を指示する接触器制御信号Ｓ１を出力する。この結果、充電用接触器ＭＣ４が投入され、充電用接触器ＭＣ４および充電抵抗Ｒ３を介して、主電源からフィルタコンデンサＦＣ１に電力が供給され、フィルタコンデンサＦＣ１の充電が開始される。

なお接触器制御部１３は、図示しない電圧測定部からフィルタコンデンサＦＣ１の端子間電圧の測定値を取得する。フィルタコンデンサＦＣ１の端子間電圧の測定値が閾値電圧に達すると、電力変換装置３が備える接触器制御部１３は、電源用接触器ＭＣ１の投入を指示する接触器制御信号Ｓ１を出力する。この結果、電源用接触器ＭＣ１が投入され、主電源から、充電用接触器ＭＣ４および電源用接触器ＭＣ１を介して、フィルタコンデンサＦＣ１に電力が供給される。

電力変換装置１－３の各部は、上述の例に限られない。
素子制御部１６は、電源用接触器ＭＣ１から、電源用接触器ＭＣ１が投入されているか、または開放されているか、を示す状態信号を取得してもよい。この場合、素子制御部１６は、電源用接触器ＭＣ１から取得した状態信号に基づいて、電源用接触器ＭＣ１が投入された状態から開放されたことを検出すると、リレーＲＹ１をオフにすることで放電用接触器ＭＣ２を投入すればよい。

電力変換装置１－３は、電源用接触器ＭＣ１の他端と電力変換部１１の一次端子１１ａとの間に設けられたフィルタリアクトルを備えてもよい。フィルタリアクトルを設けることで、電力変換部１１の入力電流の平滑化が可能となる。

電力変換部１１は、任意の電力変換回路である。一例として、負荷５１が直流電力で稼動する場合、電力変換部１１として、ＤＣ（Direct Current：直流）－ＤＣコンバータを用いることができる。

放電制御回路１５は、リレーＲＹ１に代えて、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor：電界効果トランジスタ）、サイリスタ等の任意のスイッチング素子を備えてもよい。
また実施の形態２に係る電力変換装置１が備える放電制御回路１５は、実施の形態１と同様にダイオードＤ１を有してもよい。

電力変換装置１－３は、補助電源装置に限られず、フィルタコンデンサＦＣ１を備える任意の電力変換装置である。

電力変換装置１－３は、電力変換装置１－３に電力を供給可能な任意の車両、任意の機器等に搭載可能である。一例として、電力変換装置１－３は、交流き電方式の電気鉄道車両に搭載可能である。この場合、一次端子がパンタグラフに接続されたトランスと、トランスの二次端子に接続され、交流電力を直流電力に変換するコンバータと、を設け、コンバータの出力を電力変換装置１－３に供給すればよい。

他の一例として、電力変換装置１－３は、第三軌条を介して電力を取得する電気鉄道車両に搭載されてもよい。

本開示は、本開示の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この開示を説明するためのものであり、本開示の範囲を限定するものではない。すなわち、本開示の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の開示の意義の範囲内で施される様々な変形が、この開示の範囲内とみなされる。

１，２，３電力変換装置、１ａ正極入力端子、１ｂ負極入力端子、１１電力変換部、１１ａ，１１ｂ一次端子、１２放電回路、１３接触器制御部、１４スイッチング制御部、１５放電制御回路、１６素子制御部、５１負荷、ＡＲ１，ＡＲ２矢印、Ｂ１サージ吸収素子、Ｃ２制御用コンデンサ、Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３ダイオード、ＦＣ１フィルタコンデンサ、Ｌ１内部コイル、ＭＣ１電源用接触器、ＭＣ２放電用接触器、ＭＣ３，ＭＣ４充電用接触器、Ｒ１コンデンサ放電抵抗、Ｒ２コイル放電抵抗、Ｒ３充電抵抗、ＲＹ１リレー、Ｓ１接触器制御信号、Ｓ２スイッチング制御信号、Ｖｃｃ制御電源。

Claims

主電源から供給される電力で充電されるフィルタコンデンサと、
一次端子間に前記フィルタコンデンサが接続され、前記主電源から前記フィルタコンデンサを介して供給される電力を、二次端子に接続される負荷に供給するための電力に変換して、変換した前記電力を前記負荷に供給する電力変換部と、
前記フィルタコンデンサおよび前記電力変換部を、前記主電源に電気的に接続、または、前記主電源から電気的に切り離す電源用接触器と、
内部コイルを有し、前記内部コイルが放電されると投入された状態になる放電用接触器と、前記放電用接触器に直列に接続されたコンデンサ放電抵抗とを有し、前記フィルタコンデンサに並列に接続される放電回路と、
前記電源用接触器が開放された後に、前記放電用接触器が有する前記内部コイルを放電させることで前記放電用接触器を投入し、前記フィルタコンデンサを放電させる放電制御回路と、を備え、
前記放電制御回路は、
前記内部コイルを、制御電源に電気的に接続、または前記制御電源から電気的に切り離すスイッチング素子と、
直列に接続されたコイル放電抵抗および制御用コンデンサと、を有し、
前記コイル放電抵抗および前記制御用コンデンサは、前記内部コイルに並列に接続される、
電力変換装置。
主電源から供給される電力で充電されるフィルタコンデンサと、
一次端子間に前記フィルタコンデンサが接続され、前記主電源から前記フィルタコンデンサを介して供給される電力を、二次端子に接続される負荷に供給するための電力に変換して、変換した前記電力を前記負荷に供給する電力変換部と、
前記フィルタコンデンサおよび前記電力変換部を、前記主電源に電気的に接続、または、前記主電源から電気的に切り離す電源用接触器と、
内部コイルを有し、前記内部コイルが放電されると投入された状態になる放電用接触器と、前記放電用接触器に直列に接続されたコンデンサ放電抵抗とを有し、前記フィルタコンデンサに並列に接続される放電回路と、
前記電源用接触器が開放された後に、前記放電用接触器が有する前記内部コイルを放電させることで前記放電用接触器を投入し、前記フィルタコンデンサを放電させる放電制御回路と、を備え、
前記放電制御回路は、
前記内部コイルを、制御電源に電気的に接続、または前記制御電源から電気的に切り離すスイッチング素子と、
カソードが前記スイッチング素子と前記内部コイルとの接続点に接続される向きで、前記内部コイルに並列に接続されるダイオードと、を有する、
電力変換装置。
前記放電制御回路は、前記内部コイルに並列に接続されるサージ吸収素子をさらに有する、
請求項２に記載の電力変換装置。
前記電源用接触器が投入された状態および開放された状態のいずれであるかに応じて前記スイッチング素子をオンまたはオフにする素子制御部をさらに備える、
請求項１から３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
前記素子制御部は、前記電源用接触器が投入されている間は前記スイッチング素子をオンに維持し、前記電源用接触器が投入された状態から開放されると、前記スイッチング素子を直ちにオフにする、
請求項４に記載の電力変換装置。
前記素子制御部は、前記電源用接触器が投入されている間は前記スイッチング素子をオンに維持し、前記電源用接触器が投入された状態から開放されると、前記電源用接触器が開放されてから定められた時間の経過後に前記スイッチング素子をオフにする、
請求項４に記載の電力変換装置。
前記スイッチング素子は、一端が前記制御電源に接続され、他端が前記内部コイルに接続されているリレーである、
請求項１から６のいずれか１項に記載の電力変換装置。