WO2011021266A1 - 電気車推進用電力変換装置 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to an electric vehicle propulsion power conversion device used for electric vehicle propulsion control.
  • an electric vehicle is configured to take in electric power from an overhead line with a current collector and drive the electric motor with an electric power conversion device such as an inverter using the taken-in electric power.
  • a so-called regenerative brake that obtains a braking force by regenerating the motor is used.
  • the regenerative power generated at this time is supplied to a load such as another powering vehicle existing near the own vehicle or the air conditioning of the vehicle via an overhead wire or a third rail, and is consumed there.
  • the inverter device performs regenerative narrowing control that narrows down the regenerative brake and suppresses the generation of regenerative power.
  • the regenerative braking force is reduced by this regenerative narrowing control, the reduced and insufficient braking force is compensated by the friction brake.
  • the configuration of the vehicle drive device disclosed in Patent Document 1 includes an inverter unit that drives an electric motor and a DCDC converter unit (hereinafter simply referred to as “converter”) that charges and discharges an electric power storage element with respect to an overhead wire.
  • inverter that drives an electric motor
  • DCDC converter unit that charges and discharges an electric power storage element with respect to an overhead wire.
  • the present invention has been made in view of the above, and is an electric vehicle propulsion power suitable for applications in which power regeneration from the inverter unit to the power storage element and power supply from the power storage element to the inverter unit are frequently used.
  • An object is to provide a conversion device.
  • a power converter for electric vehicle propulsion includes a first power converter that receives a DC voltage, converts the DC voltage into a predetermined value, and outputs the DC.
  • a second power conversion unit connected to the output side of the first power conversion unit and driving a load; and a power storage unit connected to the output side of the first power conversion unit. It is characterized by.
  • the power conversion device for electric vehicle propulsion the power conversion for controlling the charge / discharge current to the power storage unit between the converter unit and the power storage unit or between the inverter unit and the power storage unit. Since there is no need to provide a circuit, there is an effect that a small and low-cost system configuration is possible.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of an electric vehicle propulsion power conversion device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration example of the converter control unit according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration example of the inverter control unit according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of an electric vehicle propulsion power conversion device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • electric power from a substation (not shown) is input from the overhead line 1 through the current collector 2 to the converter unit 10 which is a first power converter, for example, a DCDC converter.
  • the return current from the converter unit 10 is connected to the rail 4 via the wheel 3 and returns to the negative side of a substation (not shown).
  • the converter unit 10 includes a converter circuit 13 that is a main circuit that performs DC / DC conversion and a converter control unit 14 that is a first control unit.
  • the converter circuit 13 is preferably a bidirectional step-up / step-down chopper circuit, and its circuit configuration is well known and will not be described.
  • the converter circuit 13 generally includes a filter circuit including a reactor and a capacitor for smoothing voltage and current on the input side and the output side.
  • the output of the converter unit 10 is branched into two systems, and an inverter unit 30 as a second power conversion unit is connected to one of them.
  • the inverter unit 30 includes an inverter circuit 33 that is a main circuit that performs DC / AC conversion, and an inverter control unit 34 that is a second control unit.
  • a voltage source PWM inverter circuit is suitable as the inverter circuit, and its circuit configuration is well known, and therefore will be omitted.
  • the input side includes a filter circuit including a reactor and a capacitor for smoothing voltage and current.
  • the electric motor 40 is connected to the AC output side of the inverter unit 30.
  • the electric motor 40 drives the wheel 3 to run the electric car.
  • the electric motor 40 is provided with a rotation detector 41 that detects the rotation speed thereof, and inputs a speed VEL that is rotation speed information of the electric motor 40 to the converter control unit 14. Note that the rotation speed information of the electric motor 40 is not limited to being obtained by the rotation detector 41, and may be other means.
  • a power storage unit 50 formed by connecting power storage elements 51 such as secondary batteries and electric double layer capacitors in series and parallel.
  • the internal temperature of power storage unit 50 (or the temperature of power storage element 51) is detected by temperature detector 52 and input to converter control unit 14.
  • the inverter unit 30 may include an auxiliary power supply device that supplies power to an auxiliary machine such as an air conditioner.
  • the converter control unit 14 includes an input voltage ESD of the converter unit 10, an output voltage BES of the converter circuit 13 (hereinafter sometimes referred to as a voltage of the power storage unit 50 if necessary), an input current ISD, and an output current IMD, output current IMB1 to the inverter unit 30 which is the second power conversion unit (hereinafter also referred to as the input current of the inverter unit 30 if necessary), the speed VEL of the motor 41, and power storage
  • the battery temperature BTMP from the unit 50 is input, and a control signal GD to a switching element (not shown) inside the converter circuit 13 is output based on these signals.
  • the input voltage ESD of the converter unit 10 may be a voltage of a capacitor of a filter circuit (not shown) inside the converter circuit 13.
  • the inverter control unit 34 receives the input voltage ES of the inverter unit 30 and the output current IM of the inverter circuit 33, and outputs a control signal GI to the switching element inside the inverter circuit 33.
  • the inverter control unit 34 controls the output current and the output voltage of the inverter circuit 33 so that the electric motor 40 described later generates torque according to the torque command. Details of the operation will be described later.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration example of the converter control unit according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the converter control unit 14 receives the speed VEL, the output current IMB1 to the inverter unit 30, and the output voltage BES of the converter unit 10, and generates a first current command IBREF3.
  • the adder 90 that takes the sum of the first current command IBREF3 and the output current IMB1 to the inverter unit 30 and generates the signal IDREF1, and the input current limit value setting unit 91 that receives the speed VEL and generates the signal ISDR
  • the positive value cut unit 93 for generating the signal ISOV by cutting the positive value of the output of the signal ID, the signal IDREF1 and the signal ISOV as inputs, and the signal IDR
  • the third current command adjustment unit 100 that generates F2, the input voltage ESD of the converter unit 10 is input, the input voltage rise suppression unit 102 that generates the gain VLMG, and
  • the speed VEL is input to the power running assist amount setting unit 63.
  • the power running assist amount setting unit 63 generates and outputs a power running assist gain PAG having a value of 0 to 1 based on the input speed VEL.
  • this power running assist amount setting unit 63 for example, a process of switching the power running assist gain PAG from 0 to 0.5 under the condition that the speed VEL is equal to or higher than a predetermined value is performed, and 50% of the power running power of the electric motor 40 is consumed as power. The remaining 50% can be supplied from the overhead line 1 from the storage unit 50. Details of the operation will be described later.
  • the input to the power running assist amount setting unit 63 may be other than the illustrated speed VEL.
  • the input voltage ESD of the converter unit 10 that is an amount related to the input voltage or the input power, or the input power (ESD of the converter unit 10).
  • Product of ISD input voltage and input power of the inverter unit 30 may be used, and the power running assist gain PAG can be generated based on these inputs.
  • the output current IMB1 of the converter unit is input to the negative value cut unit 61 that outputs IMB1 as it is when IMB1 is positive, and outputs zero when IMB1 is negative.
  • the polarity of the output signal of the negative value cut unit 61 is inverted through the polarity inversion gain 62 to generate the signal IMBP.
  • the signal IMBP when the electric motor 40 is in a power running operation, since the IMB1 is positive, the signal IMBP has a value equal to the IMB1. On the other hand, when the electric motor 40 is in regenerative operation, the signal IMBP becomes zero because IMB1 is negative. That is, the signal IMBP is generated as a value having the same magnitude and the opposite polarity as the output signal IMB1 only when the electric motor 40 is in a power running operation.
  • the signal IMBP and the power running assist gain PAG are multiplied by a multiplier 64 to generate a signal IPAS.
  • the signal IPAS is a power running assist discharge current command that is a command for the discharge current of the power storage unit 50.
  • the output current IMB1 is set to 0 to 1 according to the setting of the power running assist amount setting unit 63. It is calculated as a value multiplied by the gain PAG.
  • the output current IMB1 of the converter unit is input to the positive value cut unit 65 that outputs IMB1 as it is when IMB1 is negative, and outputs zero when IMB1 is positive.
  • the output signal of the positive value cut unit 65 is inverted in polarity through the polarity inversion gain 66 to generate the signal IMBN.
  • the signal IMBN becomes zero because IMB1 is positive.
  • IMB1 is negative, so the magnitude of the signal IMBN is equal to IMB1. That is, the signal IMBN is generated as a value having the same magnitude and the opposite polarity as the output signal IMB1 only when the electric motor 40 is in the regenerative operation.
  • the overcharge suppression gain generator 67 generates and outputs an overcharge suppression gain HVG that takes a value of 0 to 1 based on the input voltage BES.
  • this overcharge suppression gain generation unit 67 when the voltage BES is equal to or lower than the first set value, the gain HVG is set to 1, and when the voltage BES exceeds the first set value, the gain HVG is set according to the voltage BES.
  • the voltage BES decreases from 1 and the voltage BES reaches the second set value, which is the upper limit value, processing for setting the gain HVG to zero is performed.
  • the signal IMBN and the overcharge suppression gain HVG are multiplied by a multiplier 68 to generate a signal IREGREF.
  • the signal IREGREF is a regenerative charging current command that is a command for charging current to the power storage unit 50, and is calculated based on the input current IMB1 of the inverter unit 30 and the voltage BES of the power storage unit 50 during the regenerative operation of the electric motor 40. Is done.
  • the signal IREGREF having the same magnitude as the regenerative current IMB1 from the inverter unit 30 is generated, and the voltage BES of the power storage unit 50 is generated.
  • the signal IREGREF is suppressed when the voltage becomes equal to or higher than the first set value, and the signal IREGREF can be set to zero when the voltage BES reaches the second set value that is the upper limit value.
  • the signal IPAS and the signal IREGREF are added by the adder 69 to generate the signal IBREF1.
  • This signal IBREF1 is a power running assist discharge / regenerative charge current command which is a charge / discharge current command for the power storage unit 50, which is a combination of the power running assist discharge current command and the regenerative charge current command of the power storage unit 50.
  • the signal IBREF1 is input to the first current command adjustment unit 70.
  • the first current command adjustment unit 70 generates a signal IBREF2 obtained by adjusting the signal IBREF1 based on the voltage BES of the power storage unit 50.
  • the signal IBREF2 is generated by suppressing the magnitude of the input signal IBREF1 so that the voltage BES does not exceed a predetermined value.
  • the signal IBREF2 when the voltage BES is equal to or lower than the first set value for starting suppression of the charging current, the signal IBREF2 is set to a value equal to the signal IBREF1, and the voltage BES is set to the first value for starting suppression of the charging current.
  • the signal IBREF2 When the value is equal to or greater than the set value, the signal IBREF2 is a value in which the magnitude of the signal IBREF1 is suppressed.
  • the signal IBREF2 When the voltage BES reaches the second set value that is the upper limit, the signal IBREF2 is set to zero.
  • the magnitude of the input signal IBREF1 is set so that the voltage BES does not fall below a predetermined value.
  • a suppressed signal IBREF2 is generated.
  • the signal IBREF2 when the voltage BES is equal to or higher than the third set value for starting suppression of the discharge current, the signal IBREF2 is set to a value equal to the signal IBREF1, and the third set value at which the voltage BES starts suppressing the discharge current.
  • the signal IBREF2 is a value obtained by suppressing the magnitude of the signal IBREF1.
  • the signal IBREF2 is set to zero.
  • the signal IBREF2 generated as described above is input to the second current command adjustment unit 80.
  • the second current command adjustment unit 80 generates a signal IBREF3 obtained by adjusting the signal IBREF2 based on the temperature BTMP of the power storage unit 50.
  • the second current command adjustment unit 80 reduces the charge / discharge current of the power storage unit 50 when the power storage unit 50 is hotter than a predetermined value, and the power storage unit 50 is lower than a predetermined value. Is an adjustment unit that particularly reduces the charging current, and generates a signal IBREF3 in which the magnitude of the signal IBREF2 input based on the temperature BTMP is suppressed as necessary. By comprising in this way, deterioration of the electric power storage element 51 by charging / discharging in high temperature or low temperature can be suppressed.
  • the signal IBREF3 is a first current command, and is a charge / discharge current command of the adjusted power storage unit 50 adjusted by the first current command adjustment unit 70 and the second current command adjustment unit 80 described above. is there.
  • the signal IBREF3 and the output current IMB1 of the converter unit 10 are added by the adder 90, and a signal IDREF1 is generated.
  • the signal IDREF1 is input to the third current command adjustment unit 100.
  • the third current command adjustment unit 100 generates a signal IDREF2 obtained by adjusting the signal IDREF1 based on the input signal ISOV.
  • the speed VEL is input to the input current limit value setting unit 91.
  • the input current limit value setting unit 91 generates a signal ISDR that is an upper limit value of the input current ISD based on the speed VEL.
  • the absolute value calculator 94 generates a signal ISDA that is a signal having a magnitude of the input current ISD.
  • the subtracter 92 performs a process of subtracting the signal ISDA from the signal ISDR, and the difference value is input to the positive value cut unit 93.
  • the positive value cut unit 93 generates a signal ISOV as a signal obtained by cutting a positive value.
  • the signal ISOV is generated when the magnitude of the input current ISD exceeds the signal ISDR which is the upper limit value.
  • the third current command adjustment unit 100 outputs the input signal IDREF1 as it is as the signal IDREF2 when the signal ISOV is zero, and inputs based on the signal ISOV when the signal ISOV takes a negative value other than zero.
  • the signal IDREF2 in which the magnitude of the signal IDREF1 is reduced is generated. With this configuration, it is possible to obtain the signal IDREF2 adjusted so that the input current ISD of the converter unit 10 does not exceed the upper limit value ISDR.
  • the signal ISDR which is the upper limit value of the input current ISD is, for example, a low value (200A in the figure) in a region where the speed VEL is lower than a predetermined value, and a high value (in the figure) in a region where the speed VEL is higher than a predetermined value. Then, it is conceivable to set 800A). With this setting, the magnitude of the input current ISD can be limited to be low when the electric vehicle is stopped or traveling at a low speed, and the magnitude of the input current ISD can be increased in a region where the speed of the electric vehicle is high.
  • the current collecting current of the current collector 2 can be suppressed particularly when the electric vehicle is stopped or traveling at a low speed, the temperature at the contact portion between the current collector 2 or the overhead wire 1 and the current collector 2 can be reduced. The rise can be suppressed.
  • the signal IDREF2 generated by the third current command adjustment unit 100 is input to the multiplier 101.
  • the multiplier 101 multiplies the signal IDREF2 and the signal VLMG to generate a signal IDREF that is a second current command.
  • This signal IDREF is a converter output current command that is a command for the output current IMD of the converter circuit 13.
  • the signal VLMG is an input current increase suppression gain for suppressing an increase in the input voltage ESD of the converter unit 10 when the electric motor 40 is in a regenerative operation and the regenerative load of the overhead wire 1 is insufficient.
  • the input voltage ESD of the converter unit 10 (or the capacitor voltage of the input filter circuit of the converter circuit 13 although not shown) may be input to the input voltage rise suppression unit 102 as illustrated.
  • the input voltage rise suppression unit 102 sets the signal VLMG to 1, exceeds the predetermined value, and reaches the upper limit value (1800V in the figure). At this time, the signal VLMG is set to zero.
  • a predetermined value for example, 1750V in the figure
  • the signal IDREF and the signal IDREF2 are equal.
  • the signal IDREF becomes zero.
  • the motor 40 is in regenerative operation, that is, When the converter unit 10 supplies power from the output side to the input side, the input voltage ESD of the converter unit 10 is adjusted so as not to exceed a predetermined upper limit value when the regenerative load of the overhead wire 1 is insufficient.
  • the converter output current IDREF which is the second current command, can be obtained. Thereby, it can avoid that the converter part 10 trips with an overvoltage, or the converter part 10 is damaged.
  • the signal IDREF and the output current IMD of the converter unit 10 are input to the current control unit 110.
  • the current control unit 110 performs current control so that the output current IMD of the converter unit 10 matches the output current command IDREF of the converter unit, and generates the switching signal GD of the switching element of the converter circuit 13.
  • the power distribution power is supplied to the inverter unit 30 by arbitrarily setting the distribution between the power from the overhead line 1 and the power from the power storage unit 50.
  • the regenerative power can be absorbed and charged in the power storage unit 50 during the regenerative operation of the electric motor 40.
  • the power storage unit 50 can be prevented from being overcharged and overdischarged, and appropriate charging / discharging according to the temperature can be performed.
  • the upper limit of the input current ISD of the converter unit 10 can be limited, it is possible to suppress the temperature rise of the current collector 2 or the contact portion between the overhead wire 1 and the current collector 2.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration example of the inverter control unit according to the first embodiment of the present invention.
  • the inverter control unit 34 receives the input voltage ES of the inverter unit 30 and generates a torque narrowing amount VDT based on ES, and a regenerative braking torque generated by an external control unit (not shown).
  • the subtractor 36 that subtracts the torque narrowing amount VDT from the required torque PTRS, which is the required value of the output, and outputs it as the torque command PTR, and the electric motor 40 generates the regenerative torque according to the torque command PTR based on the torque command PTR.
  • a torque control unit 37 that performs torque control.
  • the regenerative torque reduction amount setting unit 35 sets the torque reduction amount VDT to zero, for example, in a region where the voltage ES is equal to or lower than the first set value (eg, 650 V in the figure).
  • required torque PTRS torque command PTR.
  • the torque narrowing amount VDT is increased, and when the voltage ES further rises to become the second set value (700 V), the torque is narrowed down.
  • a process for increasing the amount VDT until it becomes equal to PTRS and setting the torque command PTR to zero is performed.
  • the first set value for starting the regenerative torque narrowing in the regenerative torque narrowing amount setting unit 35 is the first set value for starting the suppression of the charging current to the power storage unit 50 set by the overcharge suppression gain generating unit 67. Or a value larger than the first set value for starting suppression of the charging current to the power storage unit 50 set by the first current command adjustment unit 70.
  • the converter unit 10 suppresses the regenerative current to the overhead line 1 in order to suppress the increase of the input voltage. It flows into the part 50. For this reason, since the voltage BES further increases, the first set value (the power storage unit 50 set by the overcharge suppression gain generating unit 67) that starts the regenerative torque narrowing in the regenerative torque narrowing amount setting unit 35.
  • the first set value for starting the suppression of the charging current to the current or the first set value for starting the suppression of the charging current to the power storage unit 50 set by the first current command adjustment unit 70 is larger. ), The regenerative torque of the electric motor 40 is reduced by the inverter unit 30.
  • the signal IBREF3 that is the first current command and the charge / discharge current command of the power storage unit 50 is:
  • the polarity is opposite to that of the input current IMB1 of the inverter unit 30, and the magnitude is a value obtained by multiplying the arbitrary value n by IMB1.
  • the signal IDREF which is the second current command and the output current command of the converter unit 10, is a value obtained by subtracting the discharge current supplied from the power storage unit 50 from the current IMB1.
  • n ⁇ 100% of the power running power of the motor 40 is supplied from the power storage unit 50 and the remaining (1 ⁇ n) ⁇ 100% is all input from the overhead line 1 via the converter unit 10.
  • the power running power supplied to the electric motor 40 can be supplied from the power storage unit 50 and the overhead wire 1 at an arbitrary ratio.
  • the regenerative electric power from the electric motor 40 flows from the output side of the inverter unit 30 to the input side, so the polarity of the input current IMB1 of the inverter unit 30 is negative. Accordingly, the signal IBREF3, which is the first current command and the charge / discharge current command of the power storage unit 50, is positive in polarity and has the same value as the IMB1, so the second current command is The signal IDREF which is an output current command of the converter unit 10 becomes zero. Since the current control unit 110 controls the output current of the converter unit 10 to zero so as to be equal to the signal IDREF, all the regenerative power of the motor 40 is charged in the power storage unit 50.
  • the second current command adjusted so as to suppress the increase of the input voltage ESD of the converter unit 10 by the input voltage increase suppression unit 102, and the output current command of the converter unit 10 Since the signal IDREF is generated and the output current of the converter unit 10 is controlled so as to coincide with the signal IDREF, the converter unit 10 detects an overvoltage and trips, or the equipment connected to the overhead line 1 is damaged. Can be avoided.
  • overcharge suppression gain generation unit 67 and the first current command adjustment unit 70 cause the voltage BES of the power storage unit 50 to exceed the second set value that is the upper limit value during the operation, or the fourth value that is the lower limit value. Since the signal IDREF, which is the second current command adjusted so as not to fall below the set value, is generated and the output current of the converter unit 10 is controlled to match the signal IDREF, the power storage element 51 Deterioration due to overcharge or overdischarge can be suppressed.
  • the second current command adjustment unit 80 reduces the current of the power storage unit 50 when the power storage unit 50 is hotter than a predetermined value, and when the power storage unit 50 is lower than the predetermined value,
  • the signal IDREF which is the second current command adjusted so as to reduce the charging current, is generated and the output current of the converter unit 10 is controlled to coincide with the signal IDREF. It is possible to suppress the deterioration of the power storage element 51 due to the charging / discharging.
  • the third current command adjusting unit 100 restricts the magnitude of the input current ISD when the electric vehicle is stopped or traveling at a low speed, and increases the magnitude of the input current ISD in a region where the speed of the electric car is high.
  • the current collecting current of the current collecting device 2 can be suppressed when the electric vehicle is stopped or traveling at a low speed, the current collecting device 2 or the overhead wire 1 and the current collecting device 2 The temperature rise at the contact portion can be suppressed.
  • the power storage unit 50 is arranged directly connected to the converter unit 10 and the inverter unit 30 and generates a charge / discharge current command for the power storage unit 50 by the converter control unit 14 of the converter unit 10. Therefore, the converter unit 10 can control the charging / discharging current of the power storage unit 50. As a result, there is no need to provide a power conversion circuit for controlling the charge / discharge current to the power storage unit 50 between the converter unit 10 and the power storage unit 50 or between the inverter unit 30 and the power storage unit 50. A small and low-cost system configuration is possible.
  • the power from the overhead line is input to the converter unit, and the inverter unit that drives the electric motor as a load and the power storage element are connected in parallel to the output side of the converter unit, and the converter unit includes
  • a converter control unit that can optimally control the current to the power storage element, it is suitable for applications that frequently use regeneration from the inverter unit to the power storage element and discharge from the power storage element to the inverter unit. It becomes possible to constitute a power converter for electric vehicle propulsion.
  • the structure shown in the above embodiment shows an example of the contents of the present invention, and can be combined with another known technique, and a part thereof does not depart from the gist of the present invention. Needless to say, it is possible to change the configuration such as omitting.
  • the electric vehicle propulsion power conversion device is useful for applications that frequently use power regeneration from the inverter unit to the power storage element and power supply from the power storage element to the inverter unit.

Landscapes

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Abstract

　インバータ部３０から電力貯蔵素子５１への電力回生、また電力貯蔵素子５１からのインバータ部３０への電力供給を多用する用途に好適な電気車推進用電力変換装置を提供する。直流電圧が入力され、所定の値の直流に変換して出力するコンバータ部１０と、コンバータ部１０の出力側に接続され、電動機４０を駆動するインバータ部３０と、コンバータ部１０の出力側に接続された電力貯蔵部５０と、を備え、コンバータ部１０に具備されるコンバータ制御部１４は、コンバータ部１０の電流指令を生成すると共に、この電流指令に基づいて電力貯蔵部５０の充放電電流を制御する。

Description

電気車推進用電力変換装置
　本発明は、電気車の推進制御に供される電気車推進用電力変換装置に関するものである。
　一般に電気車は、架線からの電力を集電装置で取り入れ、取り入れた電力を使用してインバータ等の電力変換装置で電動機を駆動して走行する構成としている。
　また、電気車では、車両にブレーキをかけるときは、電動機を回生運転してブレーキ力を得るいわゆる回生ブレーキが用いられる。このとき発生する回生電力は、架線や第三軌条等を介して、自車付近に存在する他の力行車両や車両の空調などの負荷へ供給され、そこで消費されることになる。
　しかしながら、早朝、夜間や、列車の運行本数の少ない閑散線区では、自車付近に他の車両が存在しない（回生負荷が不足する）場合が発生し、回生ブレーキにより発生した回生電力が十分に消費されない場合が存在する。他の車両で消費される電力よりも自車の回生電力が大きくなると架線電圧が上昇することになり、架線に接続される種々の機器を過電圧でトリップさせたり、破損させたりする虞がある。
　このため、架線電圧が上昇した場合、インバータ装置は、回生ブレーキを絞り込み、回生電力の発生を抑制する回生絞り込み制御を行う。この際、この回生絞り込み制御により回生ブレーキ力が減少するので、減少して不足したブレーキ力は、摩擦ブレーキで補う。
　一方、摩擦ブレーキを使用することは、本来電力回生が可能である電気車の運動エネルギーの一部を熱として大気中に廃棄することに繋がるので、省エネ性の観点からの問題がある。
　そこで、電気車に二次電池や電気二重層キャパシタのような電力貯蔵素子を搭載し、必要に応じて回生電力を電力貯蔵素子に貯蔵することで、回生負荷が不足するケースでも安定な回生ブレーキを得るシステムが開発されている。なお、電力貯蔵素子に貯蔵した電力は、次に電気車が加速するときに使用することが可能であるので、省エネになる。
特開２００５－２７８２６９号公報
　ここで、上記特許文献１に開示された車両用駆動装置の構成は、架線に対して、電動機を駆動するインバータ部と、電力貯蔵素子への充放電を行うＤＣＤＣコンバータ部（以下、単に「コンバータ部」と略す）とを、並列接続した形態のものである。
　この形態では、電力貯蔵素子とインバータ部との間にコンバータ部が介在するので、インバータ部から電力貯蔵素子への充放電を行うときに、コンバータ部において電力損失が発生する。このため、大容量の電力貯蔵素子を搭載し、インバータ部から電力貯蔵素子への電力回生、また電力貯蔵素子からのインバータ部への電力供給を多用する用途では、システム効率が悪くなるという課題が存在する。
　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、インバータ部から電力貯蔵素子への電力回生、また電力貯蔵素子からのインバータ部への電力供給を多用する用途に好適な電気車推進用電力変換装置を提供することを目的とする。
　上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる電気車推進用電力変換装置は、直流電圧が入力され、所定の値の直流に変換して出力する第一の電力変換部と、前記第一の電力変換部の出力側に接続され、負荷を駆動する第二の電力変換部と、前記第一の電力変換部の出力側に接続された電力貯蔵部と、を備えたことを特徴とする。
　本発明にかかる電気車推進用電力変換装置によれば、コンバータ部と電力貯蔵部との間または、インバータ部と電力貯蔵部との間に、電力貯蔵部への充放電電流を制御する電力変換回路を設ける必要がないので、小型、低コストのシステム構成が可能となるという効果を奏する。
図１は、本発明の実施の形態１における電気車推進用電力変換装置の構成例を示す図である。 図２は、本発明の実施の形態１におけるコンバータ制御部の構成例を示す図である。 図３は、本発明の実施の形態１におけるインバータ制御部の構成例を示す図である。
　以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態にかかる電気車推進用電力変換装置について説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。
実施の形態１．
　図１は、本発明の実施の形態１における電気車推進用電力変換装置の構成例を示す図である。図１に示すように、図示しない変電所からの電力は、架線１から集電装置２を介して、第一の電力変換部であり、例えばＤＣＤＣコンバータであるコンバータ部１０に入力される。コンバータ部１０からのリターン電流は、車輪３を経由してレール４に接続され、図示しない変電所の負側へ戻る。
　コンバータ部１０は、直流／直流変換を行う主回路であるコンバータ回路１３と、第一の制御部であるコンバータ制御部１４とを具備する。なお、コンバータ回路１３は、双方向昇降圧チョッパ回路が好適であり、その回路構成は公知であるので割愛する。また、コンバータ回路１３には、その入力側と出力側に電圧や電流を平滑化するためのリアクトルやコンデンサからなるフィルタ回路を含む場合が一般的である。
　コンバータ部１０の出力は２系統に分岐しており、その一方には、第二の電力変換部であるインバータ部３０が接続される。インバータ部３０は、直流／交流変換を行う主回路であるインバータ回路３３と、第二の制御部であるインバータ制御部３４とを具備する。なお、インバータ回路は、電圧形ＰＷＭインバータ回路が好適であり、その回路構成は公知であるので割愛する。また、その入力側には電圧や電流を平滑化するためのリアクトルやコンデンサからなるフィルタ回路を含む場合が一般的である。
　インバータ部３０の交流出力側には、電動機４０が接続される。電動機４０は、車輪３を駆動し、電気車を走行させる。電動機４０には、その回転速度を検出する回転検出器４１が設けられ、電動機４０の回転速度情報である速度ＶＥＬをコンバータ制御部１４へ入力する。なお、電動機４０の回転速度情報は、回転検出器４１で得ることに限定されるわけでなく、他の手段でもよい。
　コンバータ部１０の出力の２系統のうちのもう一方には、二次電池や電気二重層キャパシタのような電力貯蔵素子５１を直並列に接続してなる電力貯蔵部５０が接続される。電力貯蔵部５０の内部温度（あるいは電力貯蔵素子５１の温度）は、温度検出器５２で検出され、コンバータ制御部１４に入力される。
　なお、図示はしていないが、インバータ部３０は、空調装置等の補機への電力供給を行う補助電源装置を含むものとしてもよい。
　コンバータ制御部１４は、コンバータ部１０の入力電圧ＥＳＤと、コンバータ回路１３の出力電圧ＢＥＳ（以降、必要に応じて電力貯蔵部５０の電圧と記す場合もある）と、入力電流ＩＳＤと、出力電流ＩＭＤと、第二の電力変換部であるインバータ部３０への出力電流ＩＭＢ１（以降、必要に応じて、インバータ部３０の入力電流と記す場合もある）と、電動機４１の速度ＶＥＬと、電力貯蔵部５０からの電池温度ＢＴＭＰとが入力され、これらの信号に基づいてコンバータ回路１３の内部の図示しないスイッチング素子への制御信号ＧＤを出力する。
　なお、コンバータ部１０の入力電圧ＥＳＤは、コンバータ回路１３の内部の図示しないフィルタ回路のコンデンサの電圧でもよい。
　なお、コンバータ制御部１４の詳細構成は追って説明する。
　インバータ制御部３４は、インバータ部３０の入力電圧ＥＳと、インバータ回路３３の出力電流ＩＭとを入力とし、インバータ回路３３の内部のスイッチング素子への制御信号ＧＩを出力する。
　また、インバータ制御部３４は、後述する電動機４０がトルク指令どおりのトルクを発生するように、インバータ回路３３の出力電流と出力電圧を制御する。なお、その動作の詳細は、後述する。
＜＜コンバータ制御部の構成説明＞＞
　つぎに、コンバータ制御部１４の構成を説明する。図２は、本発明の実施の形態１におけるコンバータ制御部の構成例を示す図である。
　コンバータ制御部１４は、速度ＶＥＬと、インバータ部３０への出力電流ＩＭＢ１と、コンバータ部１０の出力電圧ＢＥＳとを入力とし、第一の電流指令ＩＢＲＥＦ３を生成する第一の電流指令生成部６０と、第一の電流指令ＩＢＲＥＦ３とインバータ部３０への出力電流ＩＭＢ１との和をとり、信号ＩＤＲＥＦ１を生成する加算器９０と、速度ＶＥＬが入力され、信号ＩＳＤＲを生成する入力電流制限値設定部９１と、コンバータ部１０の入力電流ＩＳＤの大きさを演算し、信号ＩＳＤＡを出力する絶対値演算部９４と、信号ＩＳＤＲと信号ＩＳＤＡとの差を演算して出力する減算器９２と、減算器９２の出力の正値をカットして信号ＩＳＯＶを生成する正値カット部９３と、信号ＩＤＲＥＦ１と信号ＩＳＯＶとを入力とし、信号ＩＤＲＥＦ２を生成する第三の電流指令調整部１００と、コンバータ部１０の入力電圧ＥＳＤが入力され、ゲインＶＬＭＧを生成する入力電圧上昇抑制部１０２と、信号ＩＤＲＥＦ２を入力とし、信号ＶＬＭＧとの積をとり、第二の電流指令である信号ＩＤＲＥＦを生成する乗算器１０１と、第二の電流指令である信号ＩＤＲＥＦとコンバータ部１０の出力電流ＩＭＤとを入力とし、コンバータ回路１３へスイッチング信号ＧＤを出力する電流制御部１１０とを具備してなる。
　つぎに、第一の電流指令生成部６０の構成について説明する。まず、力行アシスト量設定部６３には、速度ＶＥＬが入力される。力行アシスト量設定部６３は、入力された速度ＶＥＬに基づき、０～１の値をとる力行アシストゲインＰＡＧを生成して出力する。
　この力行アシスト量設定部６３では、例えば、速度ＶＥＬが所定値以上となった条件で、力行アシストゲインＰＡＧを０から０．５に切りかえる処理が行われ、電動機４０の力行電力の５０％を電力貯蔵部５０から、残り５０％を架線１から供給することができる。なお、動作の詳細は追って説明する。
　なお、力行アシスト量設定部６３への入力は、図示した速度ＶＥＬ以外でもよく、例えば入力電圧や入力電力に関係する量であるコンバータ部１０の入力電圧ＥＳＤや、コンバータ部１０の入力電力（ＥＳＤとＩＳＤの積）、インバータ部３０の入力電圧や入力電力でもよく、これらの入力に基づき、力行アシストゲインＰＡＧを生成することも可能である。
　コンバータ部の出力電流ＩＭＢ１は、ＩＭＢ１が正のときはＩＭＢ１をそのまま出力し、ＩＭＢ１が負のときはゼロを出力する負値カット部６１に入力される。負値カット部６１の出力信号は、極性反転ゲイン６２を通して極性が反転され、信号ＩＭＢＰを生成する。
　例えば、電動機４０が力行運転の場合は、ＩＭＢ１が正となるので、信号ＩＭＢＰはＩＭＢ１と等しい値となる。一方、電動機４０が回生運転の場合は、ＩＭＢ１が負となるので、信号ＩＭＢＰはゼロとなる。つまり、信号ＩＭＢＰは、電動機４０が力行運転の場合にのみ、出力信号ＩＭＢ１と大きさが等しく極性が逆の値として生成される。
　信号ＩＭＢＰおよび力行アシストゲインＰＡＧは、乗算器６４で乗算され、信号ＩＰＡＳを生成する。信号ＩＰＡＳは、電力貯蔵部５０の放電電流の指令である力行アシスト放電電流指令であり、電動機４０が力行運転時において、力行アシスト量設定部６３の設定に応じて、出力電流ＩＭＢ１に０～１のゲインＰＡＧを掛けた値として算出される。
　また、コンバータ部の出力電流ＩＭＢ１は、ＩＭＢ１が負のときはＩＭＢ１をそのまま出力し、ＩＭＢ１が正のときはゼロを出力する正値カット部６５に入力される。正値カット部６５の出力信号は、極性反転ゲイン６６を通して極性が反転され、信号ＩＭＢＮを生成する。
　例えば、電動機４０が力行運転の場合は、ＩＭＢ１が正となるので、信号ＩＭＢＮはゼロとなる。一方、電動機４０が回生運転の場合は、ＩＭＢ１が負となるので、信号ＩＭＢＮの大きさはＩＭＢ１と等しくなる。つまり、信号ＩＭＢＮは、電動機４０が回生運転の場合にのみ、出力信号ＩＭＢ１と大きさが等しく極性が逆の値として生成される。
　つぎに、過充電抑制ゲイン生成部６７には電力貯蔵部５０の電圧ＢＥＳが入力される。過充電抑制ゲイン生成部６７は、入力された電圧ＢＥＳに基づき、０～１の値をとる過充電抑制ゲインＨＶＧを生成して出力する。
　この過充電抑制ゲイン生成部６７では、電圧ＢＥＳが第一の設定値以下の場合は、ゲインＨＶＧは１とし、電圧ＢＥＳが第一の設定値を超過した場合、電圧ＢＥＳに応じてゲインＨＶＧを１から減少させ、電圧ＢＥＳが上限値である第二の設定値になった時点で、ゲインＨＶＧをゼロとする処理が行われる。
　信号ＩＭＢＮおよび過充電抑制ゲインＨＶＧは、乗算器６８にて乗算され、信号ＩＲＥＧＲＥＦが生成される。
　信号ＩＲＥＧＲＥＦは、電力貯蔵部５０への充電電流の指令である回生充電電流指令であり、電動機４０の回生運転時に、インバータ部３０の入力電流ＩＭＢ１と電力貯蔵部５０の電圧ＢＥＳとに基づいて算出される。
　このようにして、電力貯蔵部５０の電圧ＢＥＳが第一の設定値以下であるときは、インバータ部３０からの回生電流ＩＭＢ１と大きさの等しい信号ＩＲＥＧＲＥＦを生成し、電力貯蔵部５０の電圧ＢＥＳが第一の設定値以上となった時点で信号ＩＲＥＧＲＥＦを抑制し、電圧ＢＥＳが上限値である第二の設定値になった時点で、信号ＩＲＥＧＲＥＦをゼロとすることができる。このように構成することで、後述する電力貯蔵部５０が過充電とならないような第二の電流指令ＩＤＲＥＦを生成でき、電力貯蔵素子５１の劣化を抑制することができる。
　信号ＩＰＡＳと信号ＩＲＥＧＲＥＦとは加算器６９にて加算され、信号ＩＢＲＥＦ１が生成される。
　この信号ＩＢＲＥＦ１は、電力貯蔵部５０の力行アシスト放電電流指令と回生充電電流指令とを合成した電力貯蔵部５０に対する充放電電流指令である力行アシスト放電／回生充電電流指令である。
　信号ＩＢＲＥＦ１は、第一の電流指令調整部７０に入力される。第一の電流指令調整部７０は、信号ＩＢＲＥＦ１を電力貯蔵部５０の電圧ＢＥＳに基づき調整した信号ＩＢＲＥＦ２を生成する。
　第一の電流指令調整部７０は、電力貯蔵部５０の過充電／過放電を抑制するための調整部であり、電力貯蔵部５０への電流指令である信号ＩＢＲＥＦ１が正（＝充電方向、回生充電）の場合には、電圧ＢＥＳが所定値を超えないように、入力された信号ＩＢＲＥＦ１の大きさを抑制した信号ＩＢＲＥＦ２を生成する。
　例えば、電圧ＢＥＳが充電電流の抑制を開始するための第一の設定値以下である場合は、信号ＩＢＲＥＦ２は信号ＩＢＲＥＦ１と等しい値とし、電圧ＢＥＳが充電電流の抑制を開始するための第一の設定値以上である場合は、信号ＩＢＲＥＦ２は、信号ＩＢＲＥＦ１の大きさを抑制した値とする。電圧ＢＥＳが上限である第二の設定値に達した時点で、信号ＩＢＲＥＦ２はゼロとする。
　また、電力貯蔵部５０への電流指令である信号ＩＢＲＥＦ１が負（＝放電方向、力行アシスト放電）の場合には、電圧ＢＥＳが所定値を下回らないように、入力された信号ＩＢＲＥＦ１の大きさを抑制した信号ＩＢＲＥＦ２を生成する。
　例えば、電圧ＢＥＳが放電電流の抑制を開始するための第三の設定値以上である場合は、信号ＩＢＲＥＦ２は信号ＩＢＲＥＦ１と等しい値とし、電圧ＢＥＳが放電電流の抑制を開始する第三の設定値以下である場合は、信号ＩＢＲＥＦ２は、信号ＩＢＲＥＦ１の大きさを抑制した値とする。電圧ＢＥＳが下限である第四の設定値に達した時点で、信号ＩＢＲＥＦ２はゼロとする。
　このようにして、電力貯蔵部５０の電圧ＢＥＳが上限値である第二の設定値を超えたり、下限値である第四の設定値を下回ったりしないように調整した充放電電流指令である信号ＩＢＲＥＦ２を生成する。このように構成することで、電力貯蔵素子５１の過充電や過放電による劣化を抑制できる。
　上記のように生成された信号ＩＢＲＥＦ２は、第二の電流指令調整部８０に入力される。第二の電流指令調整部８０は、信号ＩＢＲＥＦ２を電力貯蔵部５０の温度ＢＴＭＰに基づき調整した信号ＩＢＲＥＦ３を生成する。
　第二の電流指令調整部８０は、電力貯蔵部５０が所定の値よりも高温の場合に電力貯蔵部５０の充放電電流を低減し、また電力貯蔵部５０が所定の値よりも低温の場合には、特に充電電流を低減するようにする調整部であり、温度ＢＴＭＰに基づき入力された信号ＩＢＲＥＦ２の大きさを必要に応じて抑制した信号ＩＢＲＥＦ３を生成する。このように構成することで、高温下、あるいは低温下での充放電による電力貯蔵素子５１の劣化を抑制できる。
　信号ＩＢＲＥＦ３は、第一の電流指令であり、上述した第一の電流指令調整部７０および第二の電流指令調整部８０により調整された、調整後の電力貯蔵部５０の充放電電流の指令である。
　信号ＩＢＲＥＦ３とコンバータ部１０の出力電流ＩＭＢ１とは加算器９０にて加算され、信号ＩＤＲＥＦ１が生成される。
　信号ＩＤＲＥＦ１は、第三の電流指令調整部１００に入力される。第三の電流指令調整部１００は、入力された信号ＩＳＯＶに基づいて信号ＩＤＲＥＦ１を調整した信号ＩＤＲＥＦ２を生成する。
　つぎに、第三の電流指令調整部１００に入力される信号ＩＳＯＶについて説明する。
　まず、速度ＶＥＬが入力電流制限値設定部９１に入力される。入力電流制限値設定部９１は、速度ＶＥＬに基づき、入力電流ＩＳＤの上限値である信号ＩＳＤＲを生成する。
　つぎに、入力電流ＩＳＤが絶対値演算部９４に入力される。絶対値演算部９４は、入力電流ＩＳＤの大きさの信号である信号ＩＳＤＡを生成する。
　つぎに、減算器９２にて、信号ＩＳＤＲから信号ＩＳＤＡを減算する処理が行われ、その差分値が正値カット部９３に入力される。正値カット部９３は、正の値をカットした信号として信号ＩＳＯＶを生成する。
　これらの構成により、入力電流ＩＳＤの大きさが上限値である信号ＩＳＤＲを超過した時点で信号ＩＳＯＶが生成される。
　第三の電流指令調整部１００は、信号ＩＳＯＶがゼロの場合は、入力された信号ＩＤＲＥＦ１をそのまま信号ＩＤＲＥＦ２として出力し、信号ＩＳＯＶがゼロではない負の値をとる場合、信号ＩＳＯＶに基づいて入力された信号ＩＤＲＥＦ１の大きさを低減した信号ＩＤＲＥＦ２を生成する。この構成により、コンバータ部１０の入力電流ＩＳＤの大きさが上限値ＩＳＤＲを超えないように調整した信号ＩＤＲＥＦ２を得ることができる。
　なお、入力電流ＩＳＤの上限値である信号ＩＳＤＲは、例えば、速度ＶＥＬが所定の値より低い領域では低い値（図では２００Ａ）としておき、速度ＶＥＬが所定の値より高い領域では高い値（図では８００Ａ）としておくことが考えられる。このように設定すれば、電気車が停止時や低速走行時には入力電流ＩＳＤの大きさを低く制限し、電気車の速度が高い領域では入力電流ＩＳＤの大きさを大きくとることができる。このようにすれば、特に電気車が停止中や低速走行時に集電装置２の集電電流を抑えることができるので、集電装置２や、架線１と集電装置２との接触部における温度上昇を抑制することができる。
　第三の電流指令調整部１００が生成した信号ＩＤＲＥＦ２は乗算器１０１に入力される。乗算器１０１では、信号ＩＤＲＥＦ２と信号ＶＬＭＧとが乗算され、第二の電流指令である信号ＩＤＲＥＦが生成される。この信号ＩＤＲＥＦは、コンバータ回路１３の出力電流ＩＭＤの指令であるコンバータ出力電流指令である。
　つぎに、乗算器１０１に入力される信号ＶＬＭＧについて説明する。
　信号ＶＬＭＧは、電動機４０が回生運転時であり、架線１の回生負荷が不足した場合において、コンバータ部１０の入力電圧ＥＳＤが上昇するのを抑制するための入力電流上昇抑制ゲインである。具体的には、図示のようにコンバータ部１０の入力電圧ＥＳＤ（あるいは、図示しないがコンバータ回路１３の入力フィルタ回路のコンデンサ電圧でもよい）を入力電圧上昇抑制部１０２に入力する。
　入力電圧上昇抑制部１０２は、電圧ＥＳＤが所定値（例えば図では１７５０Ｖ）以下である場合には、信号ＶＬＭＧを１とし、電圧ＥＳＤが所定値を超え、上限値（図では１８００Ｖ）に到達した時点で信号ＶＬＭＧをゼロとする。この処理により、電圧ＥＳＤが所定値（本例では１７５０Ｖ）以下である場合には、信号ＩＤＲＥＦと信号ＩＤＲＥＦ２とは等しくなる。一方、電圧ＥＳＤが上限値（本例では１８００Ｖ）に到達した時点で、信号ＩＤＲＥＦはゼロとなる。
　一般的に、架線１の公称電圧が例えばＤＣ１５００Ｖである電気鉄道では、架線１の電圧が１７５０Ｖ～１８００Ｖを上回らないようにする必要があるが、上述した構成により、電動機４０が回生運転時、すなわちコンバータ部１０が出力側から入力側へ電力を供給している場合において、架線１の回生負荷が不足した場合に、コンバータ部１０の入力電圧ＥＳＤが所定の上限値を超えることがないように調整された第二の電流指令であるコンバータ出力電流ＩＤＲＥＦを得ることができる。これにより、コンバータ部１０が過電圧でトリップしたり、コンバータ部１０を損傷したりすることを回避できる。
　コンバータ制御部１４の最終段では、信号ＩＤＲＥＦとコンバータ部１０の出力電流ＩＭＤとが電流制御部１１０に入力される。電流制御部１１０は、コンバータ部１０の出力電流ＩＭＤが、コンバータ部の出力電流指令ＩＤＲＥＦと一致するように電流制御を行い、コンバータ回路１３のスイッチング素子のスイッチング信号ＧＤを生成する。
　上記のように構成したコンバータ制御部１４によれば、電動機４０の力行運転時には、架線１からの電力と電力貯蔵部５０からの電力との配分を任意に設定してインバータ部３０に力行電力を供給することができ、電動機４０の回生運転時には、回生電力を電力貯蔵部５０に吸収充電させることが可能となる。
　また、この際に、電力貯蔵部５０が過充電、過放電となることを回避し、また温度に応じた適切な充放電を行うことができる。
　また、コンバータ部１０の入力電流ＩＳＤの上限を制限することができるので、集電装置２や、架線１と集電装置２との接触部の温度が上昇するのを抑制することができる。
＜＜インバータ制御部の構成説明＞＞
　つぎに、インバータ制御部３４の構成を説明する。図３は、本発明の実施の形態１におけるインバータ制御部の構成例を示す図である。
　インバータ制御部３４は、インバータ部３０の入力電圧ＥＳが入力され、ＥＳに基づいてトルク絞込み量ＶＤＴを生成する回生トルク絞込み量設定部３５と、図示しない外部の制御部で生成された回生ブレーキトルクの要求値である要求トルクＰＴＲＳからトルク絞り込み量ＶＤＴを減算してトルク指令ＰＴＲとして出力する減算器３６と、トルク指令ＰＴＲに基づいて、電動機４０がトルク指令ＰＴＲどおりの回生トルクを発生するようにトルク制御を行うトルク制御部３７とを具備してなる。
　回生トルク絞込み量設定部３５は、例えば電圧ＥＳが第一の設定値(図では例えば６５０Ｖ)以下の領域では、トルク絞込み量ＶＤＴをゼロとする。この場合、要求トルクＰＴＲＳ＝トルク指令ＰＴＲとなる。電圧ＥＳが第一の設定値（同６５０Ｖ）以上の領域では、トルク絞込み量ＶＤＴを増加させ、電圧ＥＳがさらに上昇して第二の設定値（同７００Ｖ）以上となった時点で、トルク絞込み量ＶＤＴをＰＴＲＳと等しくなるまで増加させ、トルク指令ＰＴＲをゼロとする処理が行われる。
　上記のように構成したので、電動機４０が回生運転中であって、電力貯蔵部５０が回生電力により充電されている場合に、電力貯蔵部５０の電圧ＢＥＳが所定の上限値を超過しないように、電動機４０の回生トルクを絞り込むことで、回生電力を抑制して電力貯蔵部５０が過充電となることを回避できる。
　なお、回生トルク絞込み量設定部３５における、回生トルクの絞込みを開始する第一の設定値は、過充電抑制ゲイン生成部６７で設定する電力貯蔵部５０への充電電流の抑制を開始する第一の設定値あるいは第一の電流指令調整部７０で設定する電力貯蔵部５０への充電電流の抑制を開始する第一の設定値よりも大きな値とするのが好ましい。
　このようにすれば、電動機４０が回生運転中に、電力貯蔵部５０の充電量が増加して電圧ＢＥＳが上昇した場合に、まず、過充電抑制ゲイン生成部６７あるいは第一の電流指令調整部７０において電力貯蔵部５０への充電電流の抑制が行われ、余剰となる分の回生電力はコンバータ部１０を介して架線１へ回生されるように動作するので電動機４０の回生電力が絞られることがなく、安定した回生ブレーキが得られる。
　この状態において、架線１の回生負荷の不足が生じた場合には、コンバータ部１０は入力電圧の上昇を抑制するために架線１への回生電流を抑制するので、電動機４０の回生電力は電力貯蔵部５０に流れ込むことになる。このため、電圧ＢＥＳはさらに上昇することになるので、回生トルク絞込み量設定部３５における、回生トルクの絞込みを開始する第一の設定値（過充電抑制ゲイン生成部６７で設定する電力貯蔵部５０への充電電流の抑制を開始する第一の設定値あるいは第一の電流指令調整部７０で設定する電力貯蔵部５０への充電電流の抑制を開始する第一の設定値よりも大きな値である）を超過した段階で、インバータ部３０により電動機４０の回生トルクが絞られる。
　このように動作するので、電力貯蔵部５０の電圧ＢＥＳが上限付近に達しても、架線１の回生負荷が十分にある場合は電動機４０の回生電力を架線１へ回生するように動作するので、架線１の回生負荷が不足しない限り電動機４０の回生ブレーキトルクが絞られることがない。
　なお、回生トルク絞込み量設定部３５、過充電抑制ゲイン生成部６７、第一の電流指令調整部７０のいずれも、電力貯蔵部５０の電圧ＢＥＳに基づいて信号を生成する構成で説明したが、電力貯蔵部５０の充電状態を示す信号であれば、電圧ＢＥＳ以外でもよく、例えば電力貯蔵部５０のＳＯＣ（ｓｔａｔｅ　ｏｆ　ｃｈａｒｇｅ；充電量）でもよい。
＜＜システムの動作の説明＞＞
　つぎに、以上説明した構成における電気車推進用電力変換装置としての動作および効果について説明する。
＜＜電気車が力行加速する場合＞＞
　電気車が力行加速する場合において、力行アシスト量設定部６３の出力信号ＰＡＧが０である場合は、第一の電流指令であり、電力貯蔵部５０の充放電電流指令である信号ＩＢＲＥＦ３がゼロとなるので、第二の電流指令であり、コンバータ部１０の出力電流指令である信号ＩＤＲＥＦはインバータ部３０の入力電流であるＩＭＢ１と等しくなる。電流制御部１１０は、コンバータ部１０の出力電流ＩＭＤが信号ＩＤＲＥＦと等しくなるように制御するので、電動機４０の力行電力はコンバータ部１０を介して全て架線１から供給される。
　ここで、力行アシスト量設定部６３の出力信号ＰＡＧを０～１の任意の値ｎとした場合は、第一の電流指令であり、電力貯蔵部５０の充放電電流指令である信号ＩＢＲＥＦ３は、インバータ部３０の入力電流ＩＭＢ１と極性が逆であり、大きさはＩＭＢ１に前記任意の値ｎを乗算した値となる。このため、第二の電流指令であり、コンバータ部１０の出力電流指令である信号ＩＤＲＥＦは、電流ＩＭＢ１から電力貯蔵部５０から供給する放電電流分を差し引いた値となる。電流制御部１１０は、コンバータ部１０の出力電流を信号ＩＤＲＥＦと等しくなるように制御するので、電動機４０の力行電力のうち、ｎ×１００％は電力貯蔵部５０から供給され、残りの（１－ｎ）×１００％はコンバータ部１０を介して全て架線１から入力される。
　このように、電動機４０に供給する力行電力を、電力貯蔵部５０と架線１から任意の割合で供給することができる。
＜＜電気車が回生ブレーキで減速する場合＞＞
　つぎに、電気車が回生ブレーキを掛けている状態、すなわちインバータ部３０が、電動機４０を回生運転している場合について説明する。
　電動機４０を回生運転しているとき、電動機４０からの回生電力は、インバータ部３０の出力側から入力側へ流れるので、インバータ部３０の入力電流ＩＭＢ１の極性は負となる。これにより、第一の電流指令であり、電力貯蔵部５０の充放電電流指令である信号ＩＢＲＥＦ３は極性が正であり、大きさはＩＭＢ１と同じ値となるので、第二の電流指令であり、コンバータ部１０の出力電流指令である信号ＩＤＲＥＦはゼロとなる。電流制御部１１０は、コンバータ部１０の出力電流を信号ＩＤＲＥＦと等しくなるようにゼロに制御するので、電動機４０の回生電力はすべて電力貯蔵部５０に充電される。
　なお、図示はしていないが、第一の電流指令であり、電力貯蔵部５０の充放電電流指令である信号ＩＢＲＥＦ３に任意にゲインｎ（ｎ＝０～１）をかけることで、電動機４０の回生電力を、電力貯蔵部５０と架線１へ任意の割合で回生することができる。
　また、架線１の回生負荷が不足した場合、入力電圧上昇抑制部１０２によりコンバータ部１０の入力電圧ＥＳＤの上昇を抑制するように調整した第二の電流指令であり、コンバータ部１０の出力電流指令である信号ＩＤＲＥＦを生成し、コンバータ部１０の出力電流を信号ＩＤＲＥＦと一致するように制御する構成としたので、コンバータ部１０が過電圧検知してトリップしたり、架線１に繋がる機器を損傷したりするのを回避することができる。
　また、過充電抑制ゲイン生成部６７、第一の電流指令調整部７０により、運転中に電力貯蔵部５０の電圧ＢＥＳが上限値である第二の設定値を超えたり、下限値である第四の設定値を下回ったりしないように調整した第二の電流指令である信号ＩＤＲＥＦを生成し、コンバータ部１０の出力電流を信号ＩＤＲＥＦと一致するように制御する構成としているので、電力貯蔵素子５１の過充電や過放電による劣化を抑制できる。
　さらに、第二の電流指令調整部８０により、電力貯蔵部５０が所定値よりも高温の場合に電力貯蔵部５０の電流を低減し、また電力貯蔵部５０が所定値よりも低温の場合に、特に充電電流を低減するように調整した第二の電流指令である信号ＩＤＲＥＦを生成し、コンバータ部１０の出力電流を信号ＩＤＲＥＦと一致するように制御する構成としているので、高温下、低温下での充放電による電力貯蔵素子５１の劣化を抑制できる。
　さらには、第三の電流指令調整部１００により、電気車が停止時や低速走行時には入力電流ＩＳＤの大きさを低く制限し、電気車の速度が高い領域において、入力電流ＩＳＤの大きさを大きくとることができる構成とし、特に、電気車が停止中や低速走行時に集電装置２の集電電流を抑えることができる構成としているので、集電装置２や、架線１と集電装置２の接触部の温度上昇の抑制が可能となる。
　また、電力貯蔵部５０は、コンバータ部１０とインバータ部３０とに直結して配置し、コンバータ部１０のコンバータ制御部１４により電力貯蔵部５０の充放電電流指令を生成し、この充放電電流指令に基づいてコンバータ部１０の出力電流を制御する構成としたので、コンバータ部１０により電力貯蔵部５０の充放電電流を制御することが可能となる。その結果、コンバータ部１０と電力貯蔵部５０との間または、インバータ部３０と電力貯蔵部５０との間に、電力貯蔵部５０への充放電電流を制御する電力変換回路を設ける必要がなく、小型低コストのシステム構成が可能となる。
　以上説明したように、架線からの電力をコンバータ部に入力し、このコンバータ部の出力側に負荷である電動機を駆動するインバータ部と、電力貯蔵素子とを並列に接続するとともに、コンバータ部には電力貯蔵素子への電流を最適に制御できるコンバータ制御部を有した構成とすることで、インバータ部から電力貯蔵素子への回生、また電力貯蔵素子からのインバータ部への放電を多用する用途に好適な電気車推進用電力変換装置を構成することが可能となる。
　なお、上記実施の形態に示した構成は、本発明の内容の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、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。
　以上のように、本発明にかかる電気車推進用電力変換装置は、インバータ部から電力貯蔵素子への電力回生、また電力貯蔵素子からのインバータ部への電力供給を多用する用途に有用である。
１　架線
２　集電装置
３　車輪
４　レール
１０　コンバータ部
１３　コンバータ回路
１４　コンバータ制御部
３０　インバータ部
３３　インバータ回路
３４　インバータ制御部
３５　回生トルク絞込み量設定部
３６，９２　減算器
３７　トルク制御部
４０　電動機
４１　回転検出器
５０　電力貯蔵部
５１　電力貯蔵素子
５２　温度検出器
６０　第一の電流指令生成部
６１　負値カット部
６２，６６　極性反転ゲイン
６３　力行アシスト量設定部
６４，６８，１０１　乗算器
６５，９３　正値カット部
６７　過充電抑制ゲイン生成部
６９，９０　加算器
７０　第一の電流指令調整部
８０　第二の電流指令調整部
９１　入力電流制限値設定部
９４　絶対値演算部
１００　第三の電流指令調整部
１０２　入力電圧上昇抑制部
１１０　電流制御部

Claims (9)

  1. 　直流電圧が入力され、所定の値の直流に変換して出力する第一の電力変換部と、
    　前記第一の電力変換部の出力側に接続され、負荷を駆動する第二の電力変換部と、
    　前記第一の電力変換部の出力側に接続された電力貯蔵部と、
    　を備えたことを特徴とする電気車推進用電力変換装置。
  2. 　前記第一の電力変換部は、前記第一の電力変換部の電流指令を生成する第一の制御部を有し、
    　前記第一の制御部は、前記電流指令に基づき、前記電力貯蔵部の充放電電流を制御できる構成としたことを特徴とする請求項１に記載の電気車推進用電力変換装置。
  3. 　前記第一の制御部は、前記電力貯蔵部の電流の指令である第一の電流指令を生成する第一の電流指令生成部を有し、
    　前記第一の制御部は、前記第一の電流指令と、前記第二の電力変換部の電流とに基づいて、前記第一の電力変換部の電流の指令である第二の電流指令を生成すると共に、前記第二の電流指令に基づいて、前記第一の電力変換部の電流を制御することを特徴とする請求項２に記載の電気車推進用電力変換装置。
  4. 　前記第一の電流指令生成部は、前記第二の電力変換部の電流に基づいて前記第一の電流指令を生成する構成としたことを特徴とする請求項３に記載の電気車推進用電力変換装置。
  5. 　前記第一の電流指令生成部は、前記電力貯蔵部の充電状態を示す所定の信号が入力され、前記充電状態を示す所定の信号に基づき前記第一の電流指令の調整を行う第一の電流指令調整部を有したことを特徴とする請求項３に記載の電気車推進用電力変換装置。
  6. 　前記充電状態を示す所定の信号は、前記電力貯蔵部の電圧であることを特徴とする請求項５に記載の電気車推進用電力変換装置。
  7. 　前記第一の電流指令生成部は、前記電力貯蔵部の温度が入力され、前記電力貯蔵素子の温度に基づき、第一の電流指令の調整を行う第二の電流指令調整部を有したことを特徴とする請求項３に記載の電気車推進用電力変換装置。
  8. 　前記第一の制御部は、前記第一の電力変換部の入力電流が入力され、前記入力電流に基づき、前記第二の電流指令を調整する第三の電流指令調整部を有したことを特徴とする請求項３に記載の電気車推進用電力変換装置。
  9. 　前記第一の制御部は、電気車の速度に相当する速度情報がさらに入力され、前記第三の電流指令調整部は、前記入力電流と前記速度情報とに基づき、前記第二の電流指令を調整する構成としたことを特徴とする請求項８に記載の電気車推進用電力変換装置。
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