JP2011103455A - 一体化リアクトル及びアクティブフィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】軽量化を達成する一体化リアクトル及びアクティブフィルタを提供する。
【解決手段】第１の巻線（１１ａ）が巻かれた第１のリアクトル素子（１１）と、第１の巻線（１１ａ）同士の間に配置された第２の巻線（１２ａ）を有し、この第２の巻線（１２ａ）が前記第１の巻線（１１ａ）と共に巻かれた第２のリアクトル素子（１２）とを有する。
【選択図】図３

Description

この発明は、例えば、電車の電源回路用多相チョッパ装置に用いられる一体化リアクトル及びアクティブフィルタに関する。

近年、ブレーキ時の回生電気エネルギーの有効利用を目的とした架線ハイブリッド電車が開発された。架線ハイブリッド電車とは、走行に必要な電力を、架線と車載蓄電装置とから同時に供給することが可能な電車であり、車載蓄電装置のパワーやエネルギー量次第で無架線区間での架線レス走行が可能な電車である。

このような架線ハイブリッド電車において、主電動機等の電源回路には、チョッパ装置が用いられている。そして、チョッパ装置を多相化することによりチョッパによる電流リップルの抑制を図っていた（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−３４０５６１号公報

しかしながら、多相化によって、電流リップルの平滑化を図るためのリアクトル素子の搭載数が増加する。このリアクトル素子の増加は車体重量が増加させる。

そこで、本発明の目的は軽量化を達成する一体化リアクトル及びアクティブフィルタを提供することにある。

以下、符号を付して本発明の特徴を説明する。なお、符号は参照のためであり、本発明を実施形態に限定するものでない。

本発明の第１の特徴に係る一体化リアクトルは、第１の巻線（１１ａ）が巻かれた第１のリアクトル素子（１１）と、第１の巻線（１１ａ）同士の間に配置された第２の巻線（１２ａ）を有し、この第２の巻線（１２ａ）が第１の巻線（１１ａ）と共に巻かれた第２のリアクトル素子（１２）とを有する。

以上の第１の特徴において、第１の巻線（１１ａ）と第２の巻線（１２ａ）の間に配置された第３の巻線（１３ａ）を有し、この第３の巻線（１３ａ）が第１の巻線（１１ａ）及び第２の巻線（１２ａ）と共に巻かれた第３のリアクトル素子（１３）を有する。

第１の巻線（１１ａ）の一部と第２の巻線（１２ａ）の一部とは交互に巻かれ、残りの第１の巻線（１１ａ）と残りの第２の巻線（１２ａ）とはそれぞれ単独で巻かれている。

第１のリアクトル素子（１１）及び第２のリアクトル素子（１２）はループされている。

第１のリアクトル素子（１１）と第２のリアクトル素子（１２）とは切換器（５１）によって直列又は並列に接続される。

本発明の第２の特徴に係るアクティブフィルタ（６０）は、第１の巻線（１１ａ）が巻かれたと第１のリアクトル素子（１１）と、前記第１の巻線（１１ａ）と電気的に絶縁され且つ第１の巻線（１１ａ）同士の間に配置された第２の巻線（１２ａ）を有し、この第２の巻線（１２ａ）が第１の巻線（１１ａ）と共に巻かれた第２のリアクトル素子（１２）とを有する一体化リアクトル（１０Ｄ）を備える。

本発明の特徴によれば、各巻線の相互インダクタンスが大きくなり、相互誘導による起電力も大きくなるので電流リップルをより低減させる。これにより、一体化リアクトルの長さ及び巻線の巻数を低減させ、一体化リアクトルの軽量化を達成することができる。

第１の実施形態に係る電気車両システムの概要図である。 図１に示す三相多重チョッパの回路図である。 （Ａ）は図１に示す一体化リアクトルの概要図であり、（Ｂ）は変形した一体化リアクトルの概要図であり、（Ｃ）は第２の実施形態に係る一体化リアクトルの概要図である。 第３の実施形態に係る一体化リアクトルの概要図である。 第４の実施形態に係る一体化リアクトルの概要図である。 第５の実施形態に係る一体化リアクトルの概要図である。 第６の実施形態に係るアクティブフィルタの概要図である。 第１の実施形態に対応した第1の実施例に係る一体化リアクトルの上半分の斜視図である。 第２の実施形態に対応した第２の実施例に係る一体化リアクトルの上半分の斜視図である。 第３の実施形態に対応した第３の実施例に係る一体化リアクトルの上半分の斜視図である。 比較例に係る単体リアクトルの斜視図である。 電磁結合係数に対する合成電流リップルの振幅を示すグラフである。 電磁結合係数に対する相電流リップルの振幅を示すグラフである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

第１の実施形態
図１に示すように、電気車両システム１００は、架線Ｔ１、一体化リアクトル１０を有すると共にパンタグラフＰ１を経由する直流電流を制御する３相多重チョッパ２０と、直流電圧を交流電圧に変換するインバータ３０と、交流電圧によって駆動してレールＲ１上の車輪Ｗ１の車軸にトルクを与える電機子群４０を有する。

図２に示すように、３相多重チョッパ２０は、第１、第２、第３のチョッパ回路２１、２２、２３を有する。第１のチョッパ回路２１は、直列に接続されたスイッチとしてのＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）２１ａ、２１ｂと、ＩＧＢＴ２１ａ、２１ｂと並列に接続されたダイオード２１ｃ、２１ｄを有する。第２のチョッパ回路２２は、直列に接続されたスイッチとしてのＩＧＢＴ２２ａ、２２ｂと、ＩＧＢＴ２２ａ、２２ｂと並列に接続されたダイオード２２ｃ、２２ｄを有する。第３のチョッパ回路２３は、直列に接続されたスイッチとしてのＩＧＢＴ２３ａ、２３ｂと、ＩＧＢＴ２３ａ、２３ｂと並列に接続されたダイオード２３ｃ、２３ｄを有する。ＩＢＧＴ２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂ、２３ａ、２３ｂのスイッチングのタイミングが制御されて、位相の異なるＡ相、Ｂ相、Ｃ相のパルス電圧を発生する。

一体化リアクトル１０は、互いに並列に接続された第１のリアクトル素子１１と、第２のリアクトル素子１２と、第３のリアクトル素子１３を有する。第１のリアクトル素子１１は第１のチョッパ回路２１に接続される。第２のリアクトル素子１２は第２のチョッパ回路２２に接続される。第３のリアクトル素子１３は第３のチョッパ回路２３に接続される。

図３（Ａ）に示すように、一体化リアクトル１０は、第１のリアクトル素子１１の第１の巻線１１ａと、第２のリアクトル素子１２の第２の巻線１２ａと、第３のリアクトル素子１３の第３の巻線１３ａを有する。第１の巻線１１ａは、螺旋状に巻かれ、第２の巻線１２ａ及び第３の巻線１３ａの間に並列に配置される。第２の巻線１２ａは、第１の巻線１１ａと共に螺旋状に巻かれ、第１の巻線１１ａ及び第３の巻線１３ａの間に並列に配置される。第３の巻線１３ａは、第１の巻線１１ａ及び第２の巻線１２ａと共に螺旋状に巻かれ、第１の巻線１１ａ及び第２の巻線１２ａの間に並列に配置される。また、１回巻きの第１の巻線１１ａは１回巻きの第２の巻線１２ａ及び１回巻きの第３の巻線１３ａの隣に配置される。１回巻きの第２の巻線１２ａは１回巻きの第１の巻線１１ａ及び１回巻きの第３の巻線１３ａの隣に配置される。１回巻きの第３の巻線１３ａは１回巻きの第１の巻線１１ａ及び１回巻きの第２の巻線１２ａの隣に配置される。

また、一体化リアクトル１０は、図３（B）に示すように、２回巻きの第1の巻線１１ａ、１１ａと、第１の巻線１１ａ、１１ａの隣に配置された２回巻の第２の巻線１２ａ、１２ａと、第２の巻線１２ａ、１２ａの隣に配置された２回巻きの第３の巻線１３ａ、１３ａを有してもよい。また、巻線１１ａ、１２ａ、１３ａは２回巻きのみならず、３回巻き、４回巻き以上づつ配置してもよい。

次に、電気車両システム１００の動作について説明する。

図１、２において、直流電流が架線Ｔ１からパンタグラフＰ１を経由して三相多重チョッパ２０に入力される。ＩＧＢＴ２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂ、２３ａ、２３ｂのスイッチのタイミングを制御して、ＩＧＢＴ２１ａ、２１ｂはＡ相、ＩＧＢＴ２２ａ、２２ｂはＢ相、ＩＧＢＴ２３ａ、２３ｂはＣ相のパルス電圧を生じさせる。このとき、各リアクトル素子１１、１２、１３は、電流リップルを低減する。インバータ３０は直流電圧を交流電圧に変換し、この交流電圧は電機子群４０を駆動する。

ここで、図３（Ａ）において、第１の巻線１１ａにＡ相の電流が流れるとき、第２の巻線１２ａ、第３の巻線１３ａは相互誘導により起電力を生じる。このとき、第１の巻線１１ａ、第２の巻線１２ａ、第３の巻線１３ａは共通の磁路を有するので、磁束の漏れが少なく、効率的な相互誘導を達成する。この相互誘導による起電力は、それぞれ、第２の巻線１２ａ、第３の巻線１３ａの自己誘導による起電力と合わされ、電流リップルを大きく低減させる。すなわち、第２の巻線１２ａ、第３の巻線１３ａの相互インダクタンスは、それぞれ、第２の巻線１２ａ、第３の巻線１３ａの自己インダクタンスと合わされ、実質的インダクタンスになる。この実質的インダクタンスは単独の自己インダクタンスより大きくなるからである。同様に、第２の巻線１２ａにＢ相の電流が通過するとき、第１の巻線１１ａ、第３の巻線１３ａは相互誘導されて起電力を生じさせ、電流リップルを低減させる。第３の巻線１３ａにＣ相の電流が通過するとき、第１の巻線１１ａ、第２の巻線１２ａは相互誘導されて起電力を生じ、電流リップルを低減させる。

以上の実施形態によれば、第１のリアクトル素子１１の第１の巻線１１ａと、第２のリアクトル素子１２の第２の巻線１２ａと、第３のリアクトル素子１３の第３の巻線１３ａは一体に巻かれている。これにより、各巻線１１ａ、１２ａ、１３ａの相互インダクタンスが大きくなり、相互インダクタンス及び自己インダクタンスによる誘導起電力も大きくなるので、電流リップルを著しく低減させる。これにより、一体化リアクトル１０の長さ及び巻数を低減させることができるので、一体化リアクトル１０の軽量化を達成することができる。

第２の実施形態
図３（Ｃ）に示すように、一体化リアクトル１０Ａは、螺旋状に巻かれた第１の巻線１１ａを有する第１のリアクトル素子１１Ａと、１回巻きの第１の巻線１１ａ、１１ａ同士の間に１回巻きで並列に配置され、第１の巻線１１ａと共に螺旋状に巻かれた第２の巻線１２ａを有する第２のリアクトル素子１２Ａを有する。

第１の巻線１１ａには、Ａ相の電流が通過する。第２の巻線１２ａには、Ａ相と位相の異なるＢ相の電流が通過する。

この実施形態によれば、第１の実施形態と同様な効果を達成する。

第３の実施形態
図４に示すように、一体化リアクトル１０Ｂは、第１の巻線１１ａからなる第１のリアクトル素子１１Ｂと、第２の巻線１２ａからなる第２のリアクトル素子１２Ｂとを有する。

第１の巻線１１ａの、例えば、半分は第１の巻線１１ａ同士が隣り合うように単独で螺旋状に巻かれる。第２の巻線１２ａの、例えば、半分は第２の巻線１２ａ同士が隣り合うように、単独で螺旋状に巻かれる。これらの第１の巻線１１ａの半分と第２の巻線１２ａの半分とは直列に配置される。第１の巻線１１ａの残り半分と第２の巻線１２ａの残り半分とは１回巻きごとに交互に巻かれている。すなわち、１回巻きの第１の巻線１１ａは隣り合う１回巻きの第２の巻線１２ａ、１２ａ同士の間に配置され、また、１回巻きの第２の巻線１２ａは隣り合う１回巻きの第１の巻線１１ａ、１１ａ同士の間に配置される。

第１の巻線１１ａには、Ａ相の電流が通過する。第２の巻線１２ａには、Ａ相と位相の異なるＢ相の電流が通過する。

この実施形態によれば、各リアクトル素子１１Ｂ、１２Ｂの自己インダクタンスは低下さする一方、相互インダクタンスは向上する。また、自己インダクタンスと相互インダクタンスを合算した実質的インダクタンスは、単体のインダクタンスと比較して向上する。

また、第１の巻線１１ａ及び第２の巻線１２ａのそれぞれの単独巻き、並びに、第１の巻線１１ａと第２の巻線１２ａとの交互巻きとを組み合わることにより、電磁結合係数（自己インダクタンスに対する相互インダクタンスの割合）を調整して、合成電流リップルのみならず、各相電流リップルも減少させることができる。合成電流リップルとは、それぞれの相電流リップルを合わせたものである。

なお、第１の巻線１１ａ及び第２の巻線１２ａの単独巻きと交互巻きとの比率は任意に設定してよい。単独巻きと交互巻の割合を変えることで、電磁結合係数を任意にすることができる。また、第１の巻線１１ａ、第２の巻線１２ａとは複数回巻きづつ交互に巻いてもよい。

第４の実施形態
図５に示すように、一体化リアクトル１０Ｃは、ループされた第１のリアクトル素子１１Ｃ、第２のリアクトル素子１２Ｃ、第３のリアクトル素子１３Ｃを有する。第１のリアクトル素子１１Ｃ、第２のリアクトル素子１２Ｃ、第３のリアクトル素子１３Ｃは、第１の実施形態と同様に、第１の巻線１１ａ、第２の巻線１２ａ、第３の巻線１３ａで巻かれている。

このように、第１のリアクトル素子１１Ｃ、第２のリアクトル素子１２Ｃ、第３のリアクトル素子１３Ｃをループすることにより、各巻線１１ａ、１１ｂ、１１ｃによって生じる磁束Ｆ１もループし、磁束の漏れをさらに減少させる。これにより、各巻線１１ａ、１１ｂ、１１ｃの相互インダクタンスを増加させる。

第５の実施形態
図６に示すように、一体化リアクトル１０Ｄの各第１、第２、第３のリアクトル素子１１Ｄ、１２Ｄ、１３Ｄは切換器５１に接続されている。第１、第２、第３のリアクトル素子１１Ｄ、１２Ｄ、１３Ｄは、第１の実施形態と同じ構造を有する。この切換器５１は、各リアクトル素子１１Ｄ、１２Ｄ、１３Ｄを直列又は並列に接続する。

第６の実施形態
図７に示すように、一体化リアクトル１０Ｅは、アクティブフィルタ６０に用いてもよい。一体化リアクトル１０Ｅは、第２の実施形態と同じ構造を有した第１のリアクトル素子１１Ｅ及び第２のリアクトル素子１２Ｅを有する。アクティブフィルタ６０は第２のリアクトル素子１２Ｅに接続された電圧源６１を有する。

ここで、第２のリアクトル素子１２Ｅは第１のリアクトル素子１１Ｅを流れる電流リップルと反対位相の電圧を発生させ、電流リップルを消去する。

まず、一体化リアクトルの原理について説明する。

図２に示す３相多重チョッパの回路図において、Ａ相、Ｂ相、Ｃ相の各相のＯＮ／ＯＦＦによって以下の方程式が成立する。

Ａ相ｏｎ

Ａ相ｏｆｆ

Ｂ相ｏｎ

Ｂ相ｏｆｆ

Ｃ相ｏｎ

Ｃ相ｏｆｆ
ここで、Ｅは電圧、ｉは電流、Ｌは自己インダクタンス、Ｍは相互インダクタンスを示す。

同相スイッチングの場合，ｉ_a＝ｉ_b＝ｉ_cとなるので（１０）式（（１２）式，（１４
）式）は次のように変形できる。

よって、
となる。電流リップルの振幅は
となる。通流率α、周波数ｆを用いると、
となる。

以上から、同相スイッチングの場合、相互インダクタンスを正に大きくすれば電流リップルが小さくなることが示される。

また、１２０°位相差を設けてスイッチングする際にも、例えば通流率α≦１／３の場合、合成したリップル振幅は
となり、相互インダクタンスを正に大きくすれば電流リップルが小さくなることが示される。

この傾向は、二相多重チョッパにおいても同様に、同相スイッチングでも位相差スイッチングでも相互インダクタンスを正に大きくすれば電流リップルが小さくなる傾向が得られている。

次に、本実施例の試験結果を説明する。

図１１は、比較例としての単体リアクトル２００のモデルを示す。単体リアクトル２００は、ＬＨ０２形電車に搭載されているものから巻数と磁束発生方向の長さを１割削減したモデルである。つまり、比較例の単体リアクトル２００では単体あたり磁路長が３７８ｍｍ分、巻数が２１６である。このときの自己インダクタンスは３．２３ｍＨであった。

このモデルを、Ａ相、Ｂ相、（三相の場合はＣ相も）の巻線を交互に配置したモデルについて検討した。具体的な形状を図８、９に示されている。

図８に示すように、第１の実施形態に対応する第１の実施例に係る三相の一体化リアクトル１０は、内コイル１５と、内コイル１５の外側に配置された外コイル１７と、外コイル１７と内コイル１５の間に配置された中コイル１６を有する。各コイル１５、１６、１７では、第１のリアクトル素子としての第１の巻線１１ａ、第２のリアクトル素子としての第２の巻線１２ａ、第３のリアクトル素子としての第３の巻線１３ａの順で巻かれ、これらの巻線の順が繰り返されている。

図９に示すように、第２の実施形態に対応する第２の実施例に係る二相の一体化リアクトル１０Ａは、内コイル１５Ａと、内コイル１５Ａの外側に配置された外コイル１７Ａと、外コイル１７Ａと内コイル１５Ａの間に配置された中コイル１６Ａを有する。各コイル１５Ａ、１６Ａ、１７Ａは交互に巻かれた第１のリアクトル素子としての第１の巻線１１ａ及び第２のリアクトル素子としての第２の巻線１２ａを有する。

このモデルについて、電磁界解析にてインダクタンス値を計算した結果、表１、２の結果が得られた。表１は第１の実施例に係る三相の一体化リアクトル１０のインダタンス値を示す。表２は第２の実施例に係る二相の一体化リアクトル１０Ａのインダクタンス値を示す。

これより、自己インダクタンスについては二相の一体化リアクトルで約５７％、三相の一体化リアクトルで約４０％と大きく低下していることが分かる。この原因として、一相あたりの巻線のピッチが長くなり，単体で見ると磁路長が長くなることにより自己インダクタンスが低下していることが挙げられる。

一方、相互インダクタンスについては，自己インダクタンスの９９％と高い値を維持しており、結合（一体化）による効果が出ていると考えられる。

自己インダクタンスと相互インダクタンスを合算した実質的インダクタンスについてみると、二相の一体化リアクトルで３．６９ｍＨ、三相の一体化リアクトルで３．８６ｍＨとなった。いずれも、単体のみの３．２３ｍＨの値を上回っており、結合（一体化）による効果が出ていることが判明した。

さらに、図１０に示すように、第３の実施形態に対応する第3の実施例に係る一体化リアクトル１０Ｂは、内コイル１５Ｂと、内コイル１５Ｂの外側に配置された外コイル１７Ｂと、外コイル１７Ｂと内コイル１５Ｂの間に配置された中コイル１６Ｂを有する。各コイル１５Ｂ、１６Ｂ、１７Ｂでは、第１のリアクトル素子１１Ｂとしての第１の巻線１１ａは単独で、例えば、１０８回巻かれ、第２のリアクトル素子１２Ｂの第２の巻線１２ａは単独で、例えば、１０８回、巻かれる。第1の巻線１１ａの残りと第２の巻線１２ａの残りはそれぞれ１０８回巻きづつ交互に巻かれる。

第３の実施例について、電磁界解析にてインダクタンス値を計算した結果を、表３に示す。

これより、自己インダクタンスは、比較例に係る自己インダクタンス３．２３ｍＨに対して、約７７％と低下している。この原因として、一相あたりの巻線のピッチが長くなり、単体で見ると磁路長が長くなることによりインダクタンスが低下していることが挙げられる。一方、相互インダクタンスについては、自己インダクタンスの４７．２％となり、部分結合による効果が表われていると考えられる。

自己インダクタンスと相互インダクタンスを合算した実質的インダクタンスは、３．６８ｍＨとなった。いずれも、比較例の３．２３ｍＨの値を上回っており、結合による効果が表われていることが判明した。

また、第３の実施例によれば、電磁結合係数（Ｍ／Ｌ）が４７．２％なので、合成電流リップルのみならず、各相の電流リップルも減少することができる。図１２、１３は２相チョッパを用いたシュミレーション結果である。図１２は、電磁結合係数に対する合成電流リップルの振幅を示す。同図によれば、合成電流リップルは電磁結合係数の増加に対して単調減少することが分かる。図１３は、電磁結合係数に対する各相電流リップルの振幅を示す。αはチョッパのオンの割合を示す。α≦1／２において０〜−０．５の電磁結合係数で相電流リップルの最小値が存在することが分かる（電磁結合係数の±は電流の向きによって変えることができる）。すなわち、第３の実施例による０．４７２（４７．２％）の電磁結合係数では、合成電流リップル及び各相の電流リップルは共に低減されると考えられる。

なお、本実施例は単独巻と交互巻との割合を１：１に設定した例であり、その割合は任意に設定することができる。

１０ 一体化リアクトル
１１ 第１のリアクトル素子
１２ 第２のリアクトル素子
１３ 第３のリアクトル素子
１１ａ 第１の巻線
１２ａ 第２の巻線
１３ａ 第３の巻線

Claims (6)

1. 第１の巻線が巻かれた第１のリアクトル素子と、
   第１の巻線同士の間に配置された第２の巻線を有し、この第２の巻線が前記第１の巻線と共に巻かれた第２のリアクトル素子とを有する、一体化リアクトル。
2. 前記第１の巻線と第２の巻線の間に配置された第３の巻線を有し、この第３の巻線が前記第１の巻線及び第２の巻線と共に巻かれた第３のリアクトル素子を有する、請求項１に記載の一体化リアクトル。
3. 第１の巻線の一部と第２の巻線の一部とは交互に巻かれ、
   残りの第１の巻線と残りの第２の巻線とはそれぞれ単独で巻かれている、請求項１又は２に記載の一体化リアクトル。
4. 前記第１のリアクトル素子及び第２のリアクトル素子はループされている、請求項１乃至３の何れか一つに記載の一体化リアクトル。
5. 前記第１のリアクトル素子と第２のリアクトル素子とは切換器によって直列又は並列に接続される、請求項１乃至４の何れか一つに記載の一体化リアクトル。
6. 第１の巻線が巻かれたと第１のリアクトル素子と、前記第１の巻線と電気的に絶縁され且つ第１の巻線同士の間に配置された第２の巻線を有し、この第２の巻線が前記第１の巻線と共に巻かれた第２のリアクトル素子とを有する一体化リアクトルを備えたアクティブフィルタ。