JP2004007991A - 電気車の駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】交直両用電車の主変圧器の２次電圧を高くとることができる電気車の駆動装置を提供することを目的とする。
【解決手段】主変圧器５と交直転換器３、ＰＷＭコンバータ１０とＰＷＭインバータ２２、２３を具備した交流電化区間と直流電化区間とを通して運転できる電気車の駆動装置において、切替スイッチ１５〜１７を交直転換器３と連動させて動作させることにより、交流区間にあってはＰＷＭインバータ２２、２３をＰＷＭコンバータ１０の出力に直列に接続し、直流区間にあってはＰＷＭインバータ２２、２３をＰＷＭコンバータ１０の出力に並列に接続する。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気車の駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、交流電化区間と直流電化区間を通して運転できる電気車（以下、交直両用電車という。）の駆動装置としては変圧器、整流器と平滑リアクトル、抵抗器及び直流電動機の組み合わせで適用されていた。近来パワーエレクトロニクスの発展とともに抵抗器と直流電動機の部分がＰＷＭインバータと誘導電動機に置き換えられ、さらには、架線に流れる高調波電流の規制が厳しくなりつつあることもあって整流器と平滑リアクトルの部分がＰＷＭコンバータに書き換えられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ＰＷＭコンバータは原理的に昇圧装置であり、ＰＷＭコンバータを安定して制御するためにＰＷＭコンバータの出力電圧は交流入力電圧の　２倍以上に設定される。一方、ＰＷＭインバータは、その入力電圧は直流区間走行時は、架線電圧を直接印加するため、架線電圧が例えば１５００Ｖならばこの１５００Ｖ入力で効率よく運転できることが要求される。したがって、交直両用電車にＰＷＭコンバータを適用する場合はＰＷＭコンバータの入力側の主変圧器の定格２次電圧を１０００Ｖ以下に設定する必要がある。
ところで、交流を直流に変換するＰＷＭコンバータの代わりに整流器を適用する場合は、整流器を位相制御すればその出力電圧は容易に低減できるため、主変圧器の定格２次電圧は直流区間の定格電圧と同等かそれ以上に設定することができる。このため、ＰＷＭコンバータを適用したシステムは整流器を適用したシステムに比べて、主変圧器の２次電圧が低く、同じパワーを得ようとする主変圧器の２次電流を増やさねばならず、また、ＰＷＭコンバータの素子の電流容器も大きくとる必要があり、主変圧器やＰＷＭコンバータの冷却強化のためシステムの外形及び質量が増大する問題点があった。
【０００４】
そこで本発明は上述した問題点を解決するためになされたもので、主変圧器の２次電圧を高くとることができる電気車の駆動装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、交流電力を直流電力に変換する３レベルコンバータと、前記３レベルコンバータの直流側に設けられたコンデンサと、前記３レベルコンバータと前記コンデンサを介して接続され、直流電力を交流電力に変換する２レベルインバータと、前記２レベルインバータの交流側に設けられたコンデンサと、前記２レベルインバータの交流側に設けられた電動機とを備えることを特徴とする。
上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、交流電圧又は直流電圧を集電する集電器と、主変圧器で変圧された交流電圧を直流電圧に変換する３レベルコンバータと、この３レベルコンバータの出力端に接続され、直流電圧を交流電圧に変換する２レベルインバータとを有し、前記３レベルコンバータの出力端及び前記２レベルインバータの入力端各々にコンデンサを設けたことを特徴とする。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について図面を参照し詳細に説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態を示す電気車の駆動装置の構成図である。パンタグラフ１は真空遮断器２を介して交直転換器３へ接続される。交直転換器３の交流出力端子Ａはヒューズ４を介して主変圧器５の１次巻線の高圧側端子に接続される。主変圧器５の１次巻線に低圧側端子はアースブラシ６に接続される。一方、主変圧器５の２次巻線は中性点クランプ方式でアーム構成されたＰＷＭコンバータ１０の交流入力端子に接続される。ＰＷＭコンバータ１０の直流出力端子の＋側と中性点間および直流出力端子の−側と中性点間にはそれぞれフィルタコンデンサ１１、１２が接続される。そしてＰＷＭコンバータ１０の直流出力端子の＋側は開放用スイッチ１８を介してＰＷＭインバータ２２の直流入力端子の＋側に接続される。ＰＷＭインバータ２２の直流入力端子の−側は切替えスイッチ１５に接続される。この切替スイッチ１５の端子ＡはＰＷＭコンバータ１０の中性点に接続され、端子ＤはＰＷＭインバータ２３の直流入力端子の−側に接続される。そしてＰＷＭインバータ２３の直流入力端子の＋側は開放用スイッチ１９を介して切替えスイッチ１６に接続される。
【０００７】
又交直転換器３の直流出力端子Ｄは高速度遮断器７に接続され、この高速度遮断器７の対抗極はリアクトル８を介してＰＷＭコンバータ１０の直流出力端子の＋側、およびリアクトル９を介して切替えスイッチ１６の端子Ｄにそれぞれ接続される。切替えスイッチ１６の端子Ａは第１のＰＷＭインバータ２２の直流入力端子の−側に接続される。
さらにアースブラシ６は切替えスイッチ１７に接続され、切替スイッチ１７の端子ＤはＰＷＭインバータ２３の直流入力端子の−側に接続される。切替スイッチ１７の端子Ａは電流検出器１４、抵抗器１３を経て、ＰＷＭコンバータ１０の中性点に接続される。フィルタコンデンサ２０、２１は、それぞれＰＷＭインバータ２２、２３の直流入力部に接続される。そしてＰＷＭインバータ２２の交流出力端子には誘導電動機２４、２５が、ＰＷＭインバータ２３の交流出力端子には誘導電動機２６、２７が各々接続される。なお、切替スイッチ１５、１６、１７や開放用スイッチ１８、１９は、電磁接触器やカム軸接触器のような機械式のものでも、半導体スイッチのような無接点式のものでもよい。これら切替スイッチ１５、１６、１７が接続手段を構成する。
【０００８】
このように構成された電気車の駆動装置において、例えば直流架線電圧が１５００Ｖ、交流架線電圧が２００００Ｖの交直両区間を電気車が走行する場合、電気車が直流区間を走行するときは、交直転換器３は端子Ｄ側に切り替わっており、これと連動して切替スイッチ１５、１６、１７はいずれも端子Ｄ側に切り換える。又開放用スイッチ１８、１９は閉じておく。すると、架線に給電された１５００Ｖの直流電圧は、パンタグラフ１→真空遮断器２→交直転換器３→高速度遮断器７→リアクトル８→開放用スイッチ１８→フィルタコンデンサ２０→切替スイッチ１５→切替スイッチ１７→アースブラシ６の経路でＰＷＭインバータ２２を、パンタグラフ１→真空遮断器２→交直転換器３→高速度遮断器７→リアクトル９→スイッチ１６→開放用スイッチ１９→フィルタコンデンサ→２１→切替スイッチ１７→アースブラシ６の経路でＰＷＭインバータ２３をそれぞれ加圧する。
一方電気車が交流区間を走行するときは、交直転換器３は端子Ａ側に切り替え、これと連動して切替スイッチ１５、１６、１７はいずれも端子Ａ側に切り換える。又開放用スイッチ１８、１９は閉じておく。すると架線に給電された　２００００Ｖの交流電圧は、パンタグラフ１→真空遮断器２→交直転換器３→主変圧器５の１次巻線→アースブラシ６の経路で主変圧器５を励磁し、主変圧器５の２次巻線に１５００Ｖの交流電圧を得る。この交流電圧はＰＷＭコンバータ１０の昇圧作用で３０００Ｖの直流電圧に変換される。この３０００Ｖの直流電圧は、開放用スイッチ１８→フィルタコンデンサ２０→切替スイッチ１６→開放用スイッチ１９→フィルタコンデンサ２１の経路でＰＷＭインバータ２２、２３に印加され、ＰＷＭインバータ２２、２３、１台あたり１５００Ｖの直流電圧が加圧される。ところで、ＰＷＭインバータ２２、２３の直流側を直列に接続すると、それぞれが駆動する車輪の車輪径の差による定常的な負荷アンバランスや空転、滑走のような過渡的負荷アンバランスのため、ＰＷＭインバータ２２、２３間のフィルタコンデンサ２０、２１の電圧にアンバランスを生じやすい。しかしながら本実施の形態のように、ＰＷＭコンバータ１０のアームを中性点クランプ方式で構成し、ＰＷＭコンバータ１０の中性点とＰＷＭインバータ２２、２３の直列接続点をスイッチ１５にて接続するため、ＰＷＭコンバータ１０の中性点制御でフィルタコンデンサ２０、２１の電圧に発生するアンバランスを補正することができる。また、切替スイッチ１７によりＰＷＭコンバータ１０の中性点を接地しているため、ＰＷＭインバータ２２の対地電位は最大＋１５００Ｖの直流電位、ＰＷＭインバータ２３の対地電位は最大−１５００Ｖの直流電位となる。
【０００９】
このように電気車が直流区間を走行するときは、ＰＷＭインバータ２２、２３はそれぞれリアクトル８、９を介して直流入力に対して並列に接続され架線より給電される。
一方、電気車が交流区間を走行するときは、ＰＷＭインバータ２２、２３はＰＷＭコンバータ１０の出力に対して直列に接続され、かつＰＷＭインバータ２２、２３の接続点はＰＷＭコンバータ１０の中性点に接続される。またＰＷＭコンバータ１０の中性点がアースブラシ６に接地される。したがって、ＰＷＭコンバータ１０の出力電圧は直流区間の架線電圧の２倍としても、ＰＷＭインバータ２２、２３の入力電圧は直流区間走行時と変わらないため、主変圧器５の２次電圧を従来方式の約　１．５倍上げることができる。このため、主変圧器５の２次巻線の電流、およびＰＷＭコンバータ１０の素子電流定格は従来方式の２／３とすることができる。又通常は、直流リンク電圧を上昇させるとＰＷＭコンバータ１０、ＰＷＭインバータ２２、２３、誘導電動機２４〜２７の対地絶縁を強化する必要があるが、切替スイッチ１７の作用でＰＷＭコンバータ１０の中性点がアースブラシ６に接地されているため、ＰＷＭコンバータ１０、ＰＷＭインバータ２２、２３、誘導電動機の対地電位は、直流区間を走行するときと変わらず同一絶縁階級とすることができる。　上述したように本実施の形態によれば、主変圧器５の２次電圧、ＰＷＭコンバータ１０の出力電圧を従来の　１．５〜２倍とっているにもかかわらず、直流区間、交流区間いずれにあってもＰＷＭインバータ２２、２３の入力直流電圧を１５００Ｖ程度とすることができる。また、ＰＷＭコンバータ１０、ＰＷＭインバータ２２、２３、および誘導電動機２４〜２７の対地絶縁階級を直流電圧１５００Ｖの回路並とすることができ
る。
【００１０】
次に図２は本発明の第２の実施の形態を示す電気車の駆動装置の構成図であり、図１の第１の実施の形態がＰＷＭインバータのアーム構成が２レベル方式であるのに対して、図２ではＰＷＭインバータ２２ａ、２３ａも中性点クランプ方式となっている。このように構成するとＰＷＭインバータ２２ａ、２３ａを構成する素子の電圧定格はＰＷＭコンバータ１０側に半分とすることができる。
次に図３は本発明の第３の実施の形態を示す電気車の駆動装置の構成図であり、図２の第２の実施の形態に対して、直流回路のリアクトル８ａを１個にしたものである。本実施の形態によれば、電気車が交流区間を走行するとき、ＰＷＭインバータ２２ａ、２３ａのどちらかが故障したとき、健全側のＰＷＭインバータを直接ＰＷＭコンバータ１０の出力に接続することができる。すなわち、ＰＷＭインバータ２２ａが故障した場合は、開放用スイッチ１８を開成し、切替スイッチ１６を端子Ｄ側に接続、ＰＷＭインバータ２３ａが故障した場合は、開放用スイッチ１９を開成し、切替スイッチ１５を端子Ｄ側に接続する。なおこのように接続してＰＷＭコンバータ１０を動作させる場合、ＰＷＭインバータ２２ａ、又はＰＷＭインバータ２３ａの入力電圧が定格を越えてしまうので、ＰＷＭコンバータ１０を構成する素子はスイッチング動作させず、単に整流器として用いればよい。
【００１１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、主変圧器の２次電圧を高くとることができる電気車の駆動装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す電気車の駆動装置の構成図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態を示す電気車の駆動装置の構成図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態を示す電気車の駆動装置の構成図である。
【符号の説明】
１…パンタグラフ、２…真空遮断器、３…交直転換器、４…ヒューズ、５…主変圧器、６…アースブラシ、７…高速度遮断器、８，８ａ，９…リアクトル、１０…ＰＷＭコンバータ、１１，１２…フィルタコンデンサ、１３…抵抗器、１４…電流検出器、１５，１６，１７…切替スイッチ、１８，１９…開放用スイッチ、２０，２１…フィルタコンデンサ、２２，２２ａ，２３ａ…ＰＷＭインバータ、２４，２５，２６，２７…誘導電動機。

Claims (3)

1. 交流電力を直流電力に変換する３レベルコンバータと、
   前記３レベルコンバータの直流出力端子間に設けられたコンデンサと、
   前記３レベルコンバータと前記コンデンサを介して接続され、直流電力を交流電力に変換する２レベルインバータと
   前記２レベルインバータの直流入力端子間に設けられたコンデンサと、
   前記２レベルインバータの交流出力端子に接続された電動機とを備えることを特徴とする電気車の駆動装置。
2. 交流電圧又は直流電圧を集電する集電器と、
   主変圧器で変圧された交流電圧を直流電圧に変換する３レベルコンバータと、
   この３レベルコンバータの出力端子に接続され、直流電圧を交流電圧に変換する２レベルインバータとを有し、
   前記３レベルコンバータの出力端子間及び前記２レベルインバータの入力端子間各々にコンデンサを設けたことを特徴とする電気車の駆動装置。
3. 前記請求項１及び請求項２記載の電気車の駆動装置において、
   前記３レベルインバータは、複数台であることを特徴とする電気車の駆動装置。

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