| 【発明の名称】 |
車両用電源の離線補償装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】石川 倫章
|
| 【要約】 |
【課題】電車等のパンタグラフが離線し、電動機側への供給電力が一時的にとぎれても、一定時間の間、必要な出力の確保が要求される。そこで、インバータ入力側の容量値を大として対応すべく、並列に離線補償用コンデンサが付加される。従来、離線補償用コンデンサは、架線電圧変動に対応するため、高い耐電圧特性が要求され、大型化・重量化の傾向にあった。
【解決手段】離線補償用コンデンサ８はスイッチ回路９を介して接続し、このスイッチ回路９を制御回路１１により切替え操作するよう構成した。制御回路１１は、電圧検出器１０による離線補償用コンデンサ８への印加電圧に基づき制御するので、離線補償用コンデンサ８に供給される電圧を予め設定された電圧値以下に抑制できるので、離線補償用コンデンサ８の小型・軽量化が可能となる。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 電車線電圧を導入しインバータを介して負荷に電力を供給する車両用電源の離線補償装置において、前記電車線電圧の導入部にスイッチ回路を介して並列接続され、電車線電圧が供給される離線補償用コンデンサと、この離線補償用コンデンサに供給される電圧を検出する電圧検出器と、この電圧検出器による検出電圧信号を導入し、前記スイッチ回路を制御する制御回路とを具備し、前記制御回路は、前記離線補償用コンデンサに供給される電圧が予め設定された電圧値を越えたときに、前記スイッチ回路がオフとなるように制御することを特徴とする車両用電源の離線補償装置。
【請求項２】 前記スイッチ回路は、逆極性に直列接続された２個のスイッチ素子で構成され、一方のスイッチ素子は前記制御回路により制御され、他方のスイッチ素子は前記電車線電圧の入力部の検出電圧により制御されるよう構成されたことを特徴とする請求項１記載の車両用電源の離線補償装置。
【請求項３】 電車線電圧を導入しインバータを介して負荷に電力を供給する車両用電源の離線補償装置において、前記電車線電圧の導入部に第１のスイッチ回路を介して並列に接続される離線補償用コンデンサと、前記インバータの出力端に接続された変圧器と、この変圧器の２次側に接続された整流器と、この整流器の出力側と前記離線補償用コンデンサとの間に接続された第２のスイッチ回路と、前記電車線電圧を検出し、前記第１のスイッチ回路及び前記第２のスイッチ回路を制御する制御回路とを具備することを特徴とする車両用電源の離線補償装置。
【請求項４】 電車線電圧を導入しインバータを介して負荷に電力を供給する車両用電源の離線補償装置において、前記電車線電圧の導入部にダイオードを介して並列に接続される離線補償用コンデンサと、前記インバータの出力端に接続された変圧器と、この変圧器の２次側に接続された整流器と、この整流器の出力側と前記離線補償用コンデンサとの間に接続されたスイッチ回路と、前記電車線電圧を検出し、前記スイッチ回路を制御する制御回路とを具備することを特徴とする車両用電源の離線補償装置。
【請求項５】 電車線電圧を導入しインバータを介して負荷に電力を供給する車両用電源の離線補償装置において、前記電車線電圧の導入部にスイッチ回路を介して並列に接続される離線補償用コンデンサと、前記電車線電圧を検出し、前記スイッチ回路を制御する制御回路と、前記車両に搭載されたバッテリと、このバッテリの出力端に接続された他のインバータと、この他のインバータの出力端に接続された変圧器と、この変圧器の出力端と前記離線補償用コンデンサとの間に接続された整流器とを具備することを特徴とする車両用電源の離線補償装置。
|
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、車両用電源の瞬時停電を防止するために設けられた車両用電源の離線補償装置に係り、特に離線補償用コンデンサの小形・軽量化を可能とした車両用電源の離線補償装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、離線補償装置を搭載した車両用電源は図７に示すように構成されている。すなわち、パンタグラフ１から供給される架線電圧すなわち電車線電圧は、リアクトル２及びダイオード３を介してインバータ４に供給され、インバータ４からの交流出力は変圧器６を介して負荷である電動機６に供給される。インバータ４の入力側には並列にコンデンサ７が接続され、このコンデンサ７とリアクトル２とによってＬＣフィルタが形成されている。なおインバータ４は、トランジスタやＧＴＯあるいはＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ ＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のスイッチ素子により構成されている。
【０００３】フィルタを構成するコンデンサ７の容量値は、車両用電源制御上必要なフィルタ定数や、コンデンサ７のリップル電流により定まる寿命等に基づき決定されるが、パンタグラフ１のバウンドによる離線時にも車両用電源が停電に至らないだけの大きな値とすることが要求される。
【０００４】そこで従来、車両用電源の瞬時停電を防止するために、別途離線補償用コンデンサ８がコンデンサ７に並列に接続され、インバータ４入力側に大きな容量値が得られるように工夫されている。
【０００５】従って、このような離線補償装置を形成する離線補償用コンデンサ８は、離線により入力が切れても、一定時間出力を確保するに必要な大きさの容量に選択されるが、入力である架線電圧は、定格の１５００Ｖに対して、約９００Ｖから約２４００Ｖまで変化するので、離線補償用コンデンサ８の耐電圧仕様は最大値の２４００Ｖを満足する必要があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】一般に、コンデンサの外形寸法及び重量はその容量値の大きさや耐電圧仕様によって決定される。従って、コンデンサに印加される電圧を低く抑えることによって、コンデンサの小型・軽量化を図ることができる。
【０００７】上述のように、従来の車両用電源の離線補償装置では、車両用の電源である架線電圧の変動範囲が、定格の１５００Ｖに対して、約９００Ｖから約２４００Ｖまで変化するので、離線補償用コンデンサは２４００Ｖの耐電圧仕様が要求され、外形寸法の大型化と重量化を招くので改善が要望されていた。
【０００８】
【課題を解決するための手段】そこで第１の発明は、電車線電圧を導入しインバータを介して負荷に電力を供給する車両用電源の離線補償装置において、前記電車線電圧の導入部にスイッチ回路を介して並列接続され、電車線電圧が供給される離線補償用コンデンサと、この離線補償用コンデンサに供給される電圧を検出する電圧検出器と、この電圧検出器による検出電圧信号を導入し、前記スイッチ回路を制御する制御回路とを具備し、前記制御回路は、前記離線補償用コンデンサに供給される電圧が予め設定された電圧値を越えたときに、前記スイッチ回路がオフとなるように制御することを特徴とする。
【０００９】このように、第１の発明装置は、電圧検出器により離線補償用コンデンサに供給される電車線電圧を検出し、制御回路により離線補償用コンデンサに直列に接続されたスイッチ回路を制御するので、離線補償用コンデンサに印加される電圧を予め設定された電圧値以下に抑えることができ、離線補償用コンデンサの耐電圧仕様での値を低くして、小型・軽量化を図ることができる。
【００１０】第２の発明は、同じく電車線電圧を導入しインバータを介して負荷に電力を供給する車両用電源の離線補償装置において、前記電車線電圧の導入部に第１のスイッチ回路を介して並列に接続され、電車線電圧が供給される離線補償用コンデンサと、前記インバータの出力端に接続された変圧器と、この変圧器の２次側に接続された整流器と、この整流器の出力側と前記離線補償用コンデンサとの間に接続された第２のスイッチ回路と、前記電車線電圧を検出し、前記第１のスイッチ回路及び前記第２のスイッチ回路を制御する制御回路とを具備することを特徴とする。
【００１１】この第２の発明装置は、検出された電車線電圧により離線補償用コンデンサに直列接続された第１及び第２のスイッチ回路を制御するので、第１の発明と同様に、離線補償用コンデンサに印加される電圧を予め設定された電圧値以下に抑えることができる。特に、離線補償用コンデンサはインバータの出力側から変圧器を介しても接続されたので、充電電圧の安定化が図られるとともに、制御回路による第１のスイッチ回路の制御により、離線による電車線電圧の低下にも対応し、円滑に電動機を駆動することができる。
【００１２】第３の発明装置は、同じく電車線電圧を導入しインバータを介して負荷に電力を供給する車両用電源の離線補償装置において、前記電車線電圧の導入部にダイオードを介して並列に接続され、電車線電圧が供給される離線補償用コンデンサと、前記インバータの出力端に接続された変圧器と、この変圧器の２次側に接続された整流器と、この整流器の出力側と前記離線補償用コンデンサとの間に接続されたスイッチ回路と、前記電車線電圧を検出し、前記スイッチ回路を制御する制御回路とを具備することを特徴とする。
【００１３】この第３の発明装置は、前記第２の発明と同様に、離線補償用コンデンサはインバータの出力側から変圧器を介しても接続されたので、充電電圧の安定化が図られるとともに、離線補償用コンデンサからの放電回路がダイオードにより形成されたので簡単な回路構成により、離線補償用コンデンサの小型・軽量化が可能である。
【００１４】第４の発明装置は、同じく電車線電圧を導入しインバータを介して負荷に電力を供給する車両用電源の離線補償装置において、前記電車線電圧の導入部にスイッチ回路を介して並列に接続され、電車線電圧が供給される離線補償用コンデンサと、前記電車線電圧を検出し、前記スイッチ回路を制御する制御回路と、前記車両に搭載されたバッテリと、このバッテリの出力端に接続された他のインバータと、この他のインバータの出力端に接続された変圧器と、この変圧器の出力端と前記離線補償用コンデンサとの間に接続された整流器とを具備することを特徴とする。
【００１５】この第４の発明装置は、離線補償用コンデンサはバッテリからの出力により充電されるように構成されたので、過電圧による充電が確実に回避され、離線補償用コンデンサの小型・軽量化が容易に実現できるとともに、制御回路によりスイッチ回路を制御するので、離線による電車線電圧の低下にも対応し、同様に電動機の円滑な駆動を実現することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、本発明による車両用電源の離線補償装置の一実施の形態を図１ないし図６を参照して以下詳細に説明する。なお、図７に示した従来の構成と同一構成には同一符号を付して詳細な説明は省略する。図１は第１の実施の形態による装置の構成図で、パンタグラフ１は、リアクトル２及びダイオード３を介して、インバータ４に接続され、インバータ４の交流出力は変圧器５を介して電動機６に供給されている。インバータ４の入力側には並列にＬＣフィルタを形成するコンデンサ７が接続され、このコンデンサ７には電車線電圧の導入部にスイッチ回路９を介して並列に離線補償用コンデンサ８が接続され、電車線電圧が供給されている。
【００１７】スイッチ回路９は、ＩＧＢＴ等からなるスイッチ素子９１と、このスイッチ素子９１とは逆極性に並列接続されたダイオード９２とで構成されている。
【００１８】また離線補償用コンデンサ８には、供給される電車線電圧を検出する電圧検出器１０が接続されるとともに、この電圧検出器１０の出力信号を導入し、前記スイッチ回路９のスイッチ素子９１を切替え制御するための制御回路１１が接続されている。この制御回路１１は、電圧検出器１０からの出力電圧を予め設定された基準値電圧である例えば２０００Ｖと比較する比較器１１１及びこの比較器１１１からの信号によって前記スイッチ素子９１に対し切替え用のゲート信号を供給するゲート回路１１２により構成されている。
【００１９】上記構成により、電車線電圧が図２（ａ）示すように変化したとき、制御回路１２は図２（ｂ）に示すように２０００Ｖを閾値とした切替え信号を導出し、スイッチ素子９１を切替え制御する。
【００２０】その結果、離線補償用コンデンサ８に供給される電車線電圧が、仮に高くなって２０００Ｖを越えたときに、図２（ｃ）に示すように前記スイッチ回路９がオフ（ＯＦＦ）となるように制御されるので、離線補償用コンデンサ８への過電圧印加は回避される。
【００２１】スイッチ素子９１は上述のように、設定値２０００Ｖ以下ではオン（ＯＮ）、２０００Ｖ以上でオフとなるように動作すると同時に、スイッチ素子９１には逆極性で並列にダイオード９２が接続されているから、電車線電圧が離線補償用コンデンサ８の電圧より低くなったときには、離線補償用コンデンサ８のエネルギーがダイオード９２を介してインバータ４に供給される。
【００２２】以上説明のように、離線補償用コンデンサ８への入力電圧を監視し、ある値以上になったときに、離線補償用コンデンサ８の前段に挿入されたスイッチ回路９がオフとなるように動作するので、離線補償用コンデンサ８に印加される電圧をある設定値以下に押さえることができることから、離線補償用コンデンサ８の耐電圧仕様を高く設定する必要がなくなり、離線補償用コンデンサ８の小形・軽量化が可能となる。
【００２３】この第１の実施の形態では、パンタグラフ１における離線がなくても何らかの原因で電車線電圧が下がれば、離線補償用コンデンサ８に貯えられたエネルギーをインバータ４に放電するが、離線と判断されたときのみ放電するように構成することもできる。
【００２４】すなわち、離線と判断したときのみ、離線補償用コンデンサ８に貯えられた電圧を放電するように構成した本発明による車両電源の離線補償装置の第２の実施の形態を図３を参照して以下説明する。
【００２５】この第２の実施の形態では、前記第１の実施の形態におけるスイッチ回路９に代えて、スイッチ回路１２を設け、このスイッチ回路１２は、互いに逆極性に直列接続された２個のスイッチ素子１２１，１２２と、これら各スイッチ素子１２１，１２２にそれぞれ逆極性にダイオード１２３，１２４が並列接続されている。
【００２６】上記２個のスイッチ素子１２１，１２２のうち、一方のスイッチ素子１２１は第１の実施の形態と同様に構成された制御回路１１により制御され、他方のスイッチ素子１２２は、前記電車線電圧の導入部の電圧検出により制御されるよう構成した。
【００２７】すなわち、他方のスイッチ素子１２２は、パンタグラフ１に接続され電車線電圧を検出する電圧検出器１３の出力を制御回路１４により制御されるように構成されている。制御回路１４は比較器１４１とゲート回路１４２により構成され、電圧検出器１３により検出された電車線電圧が、比較器１４１において離線と推定するための設定電圧値（例えば７００Ｖ）と比較し、その設定値以下となったときに、ゲート回路１４２が他方のスイッチ素子１２２をオンさせるように制御する。
【００２８】前述のように、電車線電圧はパンタグラフの離線がなくても、他の車両等への給電状態の変化等により約９００Ｖから約２４００Ｖまで変動することがある。従って、この図３に示した第２の実施の形態では、電圧検出器１３が離線と判断したときのみ、離線補償用コンデンサ８に貯えられた高い電圧が放電されて、車両電源としての動作時間を長く確保することができる。
【００２９】なお、離線補償用コンデンサ８に貯えられるエネルギーは電圧の二乗に比例して大きい。離線時に車両電源としての動作時間をある程度確保するために必要とするエネルギーは、比較的小さな容量で可能であるので、その分離線補償用コンデンサ８の容量を小さくし、小型・軽量化を図ることができる。
【００３０】上記第１及び第２の実施の形態では、離線補償用コンデンサ８への充電を電車線電圧の導入部側から行ったが、インバータ４の出力側から行うこともできる。すなわち、離線補償用コンデンサ８への充電をインバータ４の出力側から行うように構成した本発明の第３の実施形態を図４を参照して以下詳細に説明する。電車線電圧導入部のダイオード３の出力側には、これとは逆極性に直列接続されたダイオード１５、及びＩＧＢＴ等からなるスイッチ回路１６を順次介して、並列接続の離線補償用コンデンサ８に接続されている。
【００３１】一方、インバータ４の出力には変圧器１７が接続され、この変圧器１７の２次側は、整流器１８、及びＩＧＢＴ等のスイッチ素子からなるスイッチ回路１９を介して離線補償用コンデンサ８に接続されている。
【００３２】また、第２の実施の形態と同様に、電圧検出器１３の出力端には、スイッチ回路１６，１９を制御するために制御回路２０が接続されている。この制御回路２０は、比較器２０１及び２個のゲート回路２０２，２０３で構成され、比較器２０１は電車線電圧が離線と推定される電圧値（例えば７００Ｖ）と比較し、検出電圧がその設定値以下となったときに、ゲート回路２０２を介して第３のスイッチ回路１６を制御し、そのスイッチ素子をオン状態に切替えるものである。
【００３３】このとき、他方のゲート回路２０３も、比較器２０１からの信号を受け、スイッチ回路１９を切替え操作する。
【００３４】従って、図４に示す回路において、インバータ４の出力はほぼ一定であり、変圧器１７の巻数比は離線補償用コンデンサ８の電圧が２０００Ｖ程度になるように予め設定されている。
【００３５】従って、電車車両のパンタグラフ１に離線がない状態では、スイッチ回路１６はオフ、スイッチ回路１９はオン状態に設定され、この状態では上記のように離線補償用コンデンサ８は常に２０００Ｖ程度に充電される。なお、スイッチ回路１６はオフ状態にあるので、電車線電圧が２０００Ｖを超えても、離線補償用コンデンサ８に過電圧が印加されることはない。
【００３６】電圧検出器１３による検出値が離線と推定される電圧、例えば７００Ｖ以下となったときに、比較器２０１及びゲート回路２０２はスイッチ回路１６をオン状態に切替えるので、離線補償用コンデンサ８のエネルギーはインバータ４に供給され、車両電源が停止しないように作動する。また、このときスイッチ回路１９は他方のゲート回路２０３によりオフ状態に制御され、変圧器１７及び整流器１８を介した経路で離線補償用コンデンサ８が充電されないように制御される。
【００３７】前述のように、電車線電圧が２４００Ｖに達することも考えられるが、図４に示すような回路構成によれば、離線補償用コンデンサ８の電圧は常に最大でも２０００Ｖ程度に抑えられ、離線補償用コンデンサ８の小形・軽量化が可能となる。
【００３８】また、離線補償用コンデンサ８の充電電圧を、２４００Ｖと電車線電圧の定格電圧である１５００Ｖとの間の例えば２０００Ｖに設定したことで、離線補償用コンデンサ８は小さな容量で、必要とする大きなエネルギーを蓄えることができるとともに、離線補償用コンデンサ８の小型・軽量化を実現することができる。
【００３９】上記第１ないし第３の各実施の形態では、いずれも離線補償用コンデンサ８と電車線電圧の導入部との間に切替え回路を設けたが、そのような切替え回路を設けることなく、より簡単な回路構成で装置を実現することもできる。
【００４０】すなわち、離線補償用コンデンサ８と電車線電圧の導入部との間に単にダイオードを接続し、切替え回路を省略した本発明装置の第４の実施の形態を図５を参照して説明する。
【００４１】上記第３の実施の形態との主な相違点のみについて説明すると、図４に示したスイッチ回路１６の代わりに、ダイオード１５のアノード側端子を直接、離線補償用コンデンサ８に接続するように構成した。従って、図４に示した制御回路２０の代わりに、スイッチ回路１９のみを制御するように、比較器２１１及びゲート２１２からなる制御回路２１を新たに構成した。
【００４２】従って接続されたダイオード１５の極性によって、離線補償用コンデンサ８からの放電エネルギーは常にインバータ４の入力側にのみ供給されるとともに、第３実施の形態におけるスイッチ回路１６に相当する制御系は不要となるため、装置の簡素化及び小型化が可能となる。
【００４３】また、この実施の形態によれば、変圧器１６の巻線抵抗を大きくすることにより、その変圧器１７及び整流器１８の小型軽量化が可能である。
【００４４】すなわち、もしも変圧器１７に巻線抵抗の小さな変圧器を採用した場合は、この変圧器１７の電圧変動率は小さくなり、大きな電流が流れた場合にもその２次側電圧はそれほど低下しないので、離線補償用コンデンサ８は整流器１８を介して必要以上に充電され、離線時以外にもその充電電流はダイオード１５を介してコンデンサ７に流れる可能性が生じる。これに対し、巻線抵抗の大きな変圧器１７を採用すれば、電圧変動率が大きくなるので、流れる電流は大きくなると、２次側電圧は低下し、整流器１８の出力電圧も下がって、電流増加は抑制されるので、変圧器１７及び整流器１８の小型軽量化が可能となる。
【００４５】次に、上記第３及び第４の実施の形態では、いずれも離線補償用コンデンサ８は、インバータ４から充電されるように構成されたが、車両に別途搭載されたバッテリー（蓄電池）から充電するように構成することもできる。
【００４６】すなわち、離線補償用コンデンサ８が車両に搭載したバッテリーから充電されるように構成された本発明装置の第５の実施の形態を図６を参照して以下説明する。
【００４７】まず、離線補償用コンデンサ８と電車線電圧導入部との間には、図４に示した第３の実施の形態と同様に、ダイオード１５及びスイッチ回路１６が直列に接続され、また電圧検出器１３、及びこの電圧検出器１３の検出信号を導入して制御信号を出力してスイッチ回路１６のゲートを制御するよう制御回路２１が接続されている。
【００４８】また、車両にはバッテリー２２が搭載され、このバッテリー２２の出力端はインバータ２３、変圧器２４、及び整流器１８を順次介して離線補償用コンデンサ８に接続されるように構成した。
【００４９】従って、インバータ２３により定電圧化された出力は、離線補償用コンデンサ８の電圧が常にほぼ一定の２０００Ｖ程度になるように巻数比が設定された変圧器１９を介して、離線補償用コンデンサ８に供給充電される。
【００５０】なお、車両のパンタグラフ１に離線がない状態では、制御回路２１によりスイッチ回路１７はオフ状態となるように設定されるので、離線補償用コンデンサ８は車両搭載バッテリー２２により常に２０００Ｖ程度に充電される。
【００５１】このようにスイッチ回路１７のオフ状態により、仮に電車線電圧が２０００Ｖを超えたとしても、離線補償用コンデンサ８に過電圧が印加されることはなく、離線補償用コンデンサ８の小型・軽量化が可能となる。
【００５２】また、電圧検出器１３の検出値が、推定される離線電圧、例えば７００Ｖ以下であるとして離線を検出したときには、制御回路２１はスイッチ回路１７をオン状態に切替え制御するので、離線補償用コンデンサ８のエネルギーはスイッチ回路１７及びダイオード１５を介してインバータ４に供給され、電源の停止は回避される。
【００５３】また、この実施の形態でも、離線補償用コンデンサ８の充電電圧を電車線の定格電圧である１５００Ｖより高い２０００Ｖに設定することで、離線補償用コンデンサ８は小さな容量で大きなエネルギーが貯えられ、小型・軽量化が可能となる。
【００５４】以上説明のように、本発明装置は、離線補償用コンデンサ８の入力側にＧＴＯやＩＧＢＴなどのスイッチ素子あるいはダイオードを設けることによって、印加される電圧が設定値である２０００Ｖを越えないように構成したので、離線補償用コンデンサ８の耐電圧仕様を低くすることができ、小型・軽量化を図ることができる。
【００５５】
【発明の効果】以上説明のように、本発明装置によれば、簡単な構成により、車両用電源の離線補償装置の小型・軽量化が可能となるものであり、実用に際し顕著な効果が得られる。
|
| 【出願人】 |
【識別番号】０００００３０７８
【氏名又は名称】株式会社東芝
|
| 【出願日】 |
平成１０年（１９９８）２月２５日 |
| 【代理人】 |
【弁理士】
【氏名又は名称】三好 秀和 （外３名）
|
| 【公開番号】 |
特開平１１−２５２７０１ |
| 【公開日】 |
平成１１年（１９９９）９月１７日 |
| 【出願番号】 |
特願平１０−４３８５１ |
|