JP2012075226A - 鉄道車両用電力変換装置および鉄道システム - Google Patents

Abstract

【課題】フィルタ回路の増大、重量化を招くことなく商用電源を用いた軌道回路および高周波交流を電源とする軌道回路の双方に適合することのできる鉄道車両用電力変換装置を提供する。
【解決手段】直流電圧を受電する集電装置に接続された第１のフィルタ回路と、該第１のフィルタ回路を介して前記集電装置によって集電した直流電圧を電圧源として直流を交流に変換し交流電動機を駆動するインバータからなる鉄道車両用電力変換装置において、特定の周波数２５Ｈｚと３０Ｈｚに対する入力インピーダンスを増加する第２のフィルタ回路を前記第１のフィルタ回路と並列に接続した鉄道車両用電力変換装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉄道車両用電力変換装置および鉄道システムに関し、詳しくは直流電源の直流電圧を交流電圧に変換し、該交流電圧を鉄道車両の交流電動機に供給し、該交流電動機を駆動する鉄道車両用電力変換装置および鉄道システムに関する。

直流電源電圧には、脈動（以下、リプルと称する）電圧が含まれている。このリプル電圧は、鉄道システムの地上側設備の軌道回路、または線路（以下、レールと称する）の近傍に敷設される信号機器や通信機器に悪影響を及ぼす。

軌道回路は、鉄道において、レール上の特定区間を示す。列車又は車両（以下、両者を総称して車両と称する）がレール上に存在するかどうかを検知する電気的な回路のことである特定区間の閉回路のことである。

従って、鉄道車両用電力変換装置においては、リプル電圧によって鉄道車両用電力変換装置に流れ込む電流および鉄道車両自身により発生され、直流電源を含む電源系統に流出するリプル電流を抑制し、前記悪影響を解消し、鉄道システムの信頼性を確保することが重要な課題となっている。

リプル電圧による悪影響を軽減するには、鉄道車両用電力変換装置の商用周波数に対する入力インピーダンスを十分に高くする必要がある。その一方法として、例えば、図５に示す如く、インバータ１３の前段にフィルタリアクトル１１とフィルタコンデンサ１２からなるＬＣフィルタ回路を設け、フィルタリアクトル１１のリアクタンスを大きくする方法が挙げられる。

しかしながら、このフィルタリアクトル１１のリアクタンスを大きくして高い入力インピーダンスを確保することは、フィルタリアクトル１１も大きくする必要があり、この場合、ぎ装スペース（電動機や室内外の各種装備などを車両の車体に取り付けスペース）、重量の観点から見れば、得策とは言い難い。

そこで、フィルタコンデンサ１２を大きくしてフィルタリアクトル１１とからなるＬＣフィルタ回路のインピーダンスを増加させる試みがなされている。その一例として、本出願人は、先に鉄道車両用電力変換装置として、図７に示す如く、直流電圧の電源となる交流電源の電源周波数に対するインピーダンスを増加するインピーダンス増加フィルタ回路１５（抵抗器１５３、リアクトル１５１、コンデンサ１５２の直列接続）を、直流電圧を受電する集電装置２１に接続されたＬＣフィルタ回路（フィルタリアクトル１１、フィルタコンデンサ１２）と並列に接続し、直流電源電圧に商用周波数のリプル電圧が重畳している場合においても、レールに流れる商用周波数成分の電流を抑圧する方法を提案している（特許文献１参照）。

係る鉄道車両用電力変換装置によれば、フィルタ回路の増大、重量化を招くことなく、つまりリアクトルのリアクタンスを大きくすることなく、しかも商用電源を用いた軌道回路および高周波交流を電源とする軌道回路の双方に適合することが可能となる効果がある。

しかしながら、その一方、フィルタ回路１５を介してインバータ１３の発生する高周波成分が、フィルタリアクトル１１を介した帰線電流I１（図３（Ｂ）参照）とフィルタ回路１５を介して帰線電流I２が電源系統に流れ込み(図３（Ｃ）参照)、軌道回路の車両検出器の誤動作を招く新たな課題があることが分かった。

特開２００６−６００２号公報

本発明は、係る課題に鑑みなされ、その目的は、商用電源を用いた軌道回路または／および高周波交流を電源とする軌道回路の双方に適合することが可能であり、つまり、商用周波数や高周波交流電源使用により、インバータの発生する高周波成分に基づく帰線電流による軌道回路などへの悪影響が解消でき、かつぎ装スペース、鉄道車両の重量の観点において汎用性、信頼性の高い鉄道車両を得ることができる鉄道車両用電力変換装置および鉄道システムを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明では、特定の周波数、例えばレール上に車両の存在を認識（又は検知／検出）する２５Ｈｚと３０Ｈｚに対する入力インピーダンスを増加するフィルタ回路を、直流電圧を受電する集電装置に接続されたＬＣフィルタ回路と並列に接続した。

本発明によれば、フィルタリアクトルを大きくしなくても、入力インピーダンスを大きくすることができる。また、特定の周波数２５Ｈｚと３０Ｈｚのインピーダンスを大きくするだけで、前述した従来の課題を解消できる。

図１は本発明にかかる鉄道車両用電力変換装置を説明する回路図。 図２は鉄道車両用電力変換装置のインバータのインピーダンス特性を説明する図。 図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）は鉄道車両用電力変換装置の等価回路図。 図４は鉄道車両用電源システムと電車との関係を説明する図。 図５は従来の鉄道車両用電力変換装置の構成を説明する図。 図６（Ａ）、図６（Ｂ）、図６（Ｃ）は電車の軌道回路との関係を説明する図。 図７は従来の鉄道車両用電力変換装置の構成を説明する図。 図８は鉄道車両用電力変換装置の電源側からみたインピーダンス特性を説明する図。

以下、本発明の実施例について説明する。まず、本発明を理解する上で、直流電源と鉄道車両との関係の一例について、図４を用いて概略説明する。

同図において、整流器３２は、三相交流電源３１の三相交流を整流し、該三相交流を直流に変換する。この変換された直流電圧は、鉄道システムの架線３４およびレール３５間に配線３４、３６をもって印加される。車両２０は、集電装置２１および車輪２３を介してこの直流電圧を受電し、車両２０を駆動するための電力や車両内の電源を得る。通常、整流器３２の出力には、整流に伴い三相交流電源３１の電源周波数の６倍にあたるリプル成分が含まれている。

このほか、整流器３２を構成する図示していない半導体やリアクトルなどの相関のアンバランスにより三相交流３１の基本波、すなわち、商用周波数成分が含まれる。ここで、商用周波数とは一般に用いられる電源周波数のことであり、日本の場合、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ、欧州の場合は５０Ｈｚ、米国の場合６０Ｈｚである。

次に、鉄道車両用電力変換装置の一構成例について図５を用いて説明する。図５の鉄道車両用電量変換装置１は、複数の半導体から構成され、集電装置２１からの直流を交流に変換して交流電動機２２を駆動するインバータ１３と、フィルタリアクトル１１およびフィルタコンデンサ１２からなるＬＣフィルタ回路からなる。フィルタ回路は、インバータ１３のスイッチングに伴う高周波成分が電源系統に流出することを防ぐとともに、入力直流電源に含まれるリプル成分を吸収し、インバータ１３に安定した直流電圧を供給する。

一方、鉄道システムにおける地上側設備の一つとして、線路上の特定の区間に鉄道車両（含列車）が存在するかどうかを検出する保安装置の一つである車両検出器（含軌道回路）がある。以下、軌道回路の基本的な動作原理について、軌道回路の等価回路を示す図６を用いて説明する。

図６において、電源５１を用いてレール５２１、５２２（図４の３３、３６に相当）の一端から左右のレールに電圧を印加し、他端でレール５２１−５２２間の電圧を測定し、車両検出器５３によってレール５２１、５２２からなる特定区間の車両の有無を検出する。該当区間に車両が存在しない場合(図５（Ａ）)、検出端の車両検出器５３には略電源電圧と同じレベルの電圧が現れる。当該区間に車両が存在する場合（図５（Ｂ））は、車両の車輪６１、６２および輪軸６３によって左右のレール５２１、５２２が短絡されるので、検出端の車両検出器５３には電圧は現れない。

このような現象に基づき、車両検出器５３は検出端に電圧があらかじめ定められた閾値以上であれば車両が存在しないと判断し、閾値以下ならば車両が存在していると判断する。この時、車両検出器５３では、フィルタ回路によって電源５１の周波数成分のみ検出し、車両の有無を判断することで、軌道回路の信頼性、対ノイズ性を向上している。

さらに、軌道回路では、車両検出器５３に基づき、信号機の制御や車両位置を検出しており、軌道回路は鉄道の安全性を確保する上で非常に重要な装置である。軌道回路の電源としては、電源の構成が容易であったことから、交流電源によって車両に電力を供給する交流き電区間（交流電化区間）では直流電源が用いられ、直流電源によって車両に電力を供給する直流き電区間（直流電化区間）では商用交流電源が、これまで用いられることが多かった。最近では、電力変換技術、信号増幅技術の発達により、より高周波の交流電源や変調を掛けた信号を利用するようになっている。

ところで、直流き電区間において、図４に示した直流電源を得るための三相交流も商用周波数であることから、架線３４の電圧にも前記リップルの存在などに起因する軌道回路が使用する周波数も含まれることになる。このため、電力変換装置の商用周波数に対する入力インピーダンスが十分に高くないと直流電圧に含まれる商用周波数とリプル成分により、軌道回路が使用している周波数と同じ成分がレールに流れることになり、車両検出器５３が誤動作してしまう可能性がある。

すなわち、図５（Ｃ）に示すように、図５に示す鉄道用電力変換装置１を用いた場合、鉄道用電量変換装置１が軌道回路に及ぼすノイズ成分の等価的に表したノイズ源６４からの高周波成分が妨害電源５５として、車軸６３→車輪６１→レール５２１→車両検出器５３→レール５２２→車輪６２→車軸６３と流れ、車両の存在を正確に検出することができなくなる。

車両の存在は、２本のレールに信号電流を流しておき、車両がその区間に進入すると車軸によって両方のレールが短絡されて信号電流がリレーに流れなくなることによって車両の位置を検知するものであるが、前述したようにノイズ源６４からの高周波成分が信号電流として流れることにより、車両の位置、つまり車両の存在を検出することができなくなる重大な問題が生じる虞がある。

このため、電力変換装置の商用周波数に対する入力インピーダンスを十分に高くする必要がある。これを実現する手段方法としては、前述した如く、図５に示したフィルタリアクトル１１のリアクタンスを大きくする方法や図７に示した如く、直流電圧の電源となる交流電源の電源周波数に対するインピーダンスを増加するフィルタ回路を設ける方法が挙げられる。

しかしながら、このような方法の場合、前述したように課題があった。すなわち、例えば、車両が図６（Ｃ）に示すような状態にある場合、インピーダンスを高くすることにより、電源５１から特定の周波数、つまり２５Ｈｚと３０Ｈｚが車両検出器５側に流れ込み、レール上に車両があるにも拘らず、車両検出器５は、レール上に車両が存在しないと誤動作を招く新たな重大な問題があることが分かった。

本発明は、係る課題を是正してなるものである。すなわち、本発明は、例えば、抵抗器とリアクトルとコンデンサ、またはリアクトルとコンデンサからなるインピーダンス増加フィルタ回路とフィルタリアクトルおよびフィルタコンデンサからなるＬＣフィルタ回路とを並列に接続し、インバータ・電力系統からなる回路のインピーダンスを、インピーダンス増加フィルタ回路を追設しない場合と同等に保ちながら特定周波数２５Ｈｚと３０Ｈｚに対するインピーダンスを増加させる。ここで、インピーダンスを増加する技術的意義は、レール上に車両があるとき、上述したように電源５１から特定の周波数、つまり２５Ｈｚと３０Ｈｚが車両検出器５側に流れ込み、車両検出器５による誤動作を招かないようにすることにある。

換言すれば、本発明は、直流電圧を受電する集電装置に接続された第１のフィルタ回路を介して前記集電装置によって集電した直流電圧を電圧源として直流を交流に変換し、交流電動機を駆動するインバータからなる鉄道車両用電力変換装置において、前記軌道回路において車両の存在を認識する２５Ｈｚと３０Ｈｚに対する入力インピーダンスを増加する第２のフィルタ回路を前記第１のフィルタ回路と並列に接続した。

また、本発明は、上記鉄道車両用電力変換装置において、前記第１のフィルタ回路は、第１のリアクトルと第１のコンデンサからなり、前記第１のリアクトルの一端と前記集電回路を接続し、前記フィルタリアクトルの他端と前記第１のコンデンサを接続し、前記第１のコンデンサの負側をアース側に接続し、前記第１のコンデンサの両端電圧をインバータの直流電圧源とした。

また、本発明は、上記鉄道車両用電力変換装置において、前記第２のフィルタ回路は、抵抗器と第２のリアクトルと第２のコンデンサを直列に接続して構成するか、または、第２のリアクトルと第２のコンデンサを直列に接続した。

本発明は、上記鉄道車両用電力変換装置において、前記第２のフィルタ回路が、前記第１のフィルタ回路と並列に接続されることにより前記鉄道車両用電力変換装置の２５Ｈｚと３０Ｈｚに対する入力インピーダンスを増加させる作用を持つ回路とした。

以下、その具体例について図面を用いて説明する。図１は、本発明の実施例を示す電力変換装置の構成図である。

図１において、本発明にかかる電力変換装置１は、フィルタリアクトル１１およびフィルタコンデンサ１２からなるＬＣフィルタ回路と、交流電動機２２を駆動するインバータ１３と抵抗器１４１およびリアクトル１４２、ならびにコンデンサ１４３の直列回路からなるインピーダンス増加フィルタ回路１４とから構成される。ＬＣフィルタリアクトル１１は、集電装置２１とインバータ１３の一方の入力の間に直列に接続されフィルタコンデンサ１２は、インバータ１３の入力に並列に接続され、また配線を介して鉄道車両の車輪２３に電気的に接続される。ここで、ＬＣフィルタ回路は、第１のフィルタ回路を構成し、インピーダンス増加フィルタ回路１４は、第２のフィルタ回路を構成している。

インバータ１３は、複数の半導体から構成され、直流と交流に変換して交流電動機２２を駆動する。フィルタリアクトル１１およびフィルタコンデンサ１２からなるＬＣフィルタ回路は、インバータ１３の半導体スイッチング素子のスイッチングに伴う高周波成分が電源系統に流出することを防ぐと共に，入力直流電圧に含まれるリプル成分を吸収し、インバータに安定した直流電圧を供給する。抵抗器１４３およびリアクトル１４１、コンデンサ１４２からなるインピーダンス増加フィルタ回路１４は、フィルタリアクトル１１の入力側とフィルタコンデンサ１２の負側(接地側)に接続され、ＬＣフィルタ回路のフィルタリアクトル１１、フィルタコンデンサ１２との組合せにより、入力側から見た電力変換装置の特定周波数（２５Ｈｚ、３０Ｈｚ）に対する入力側から見たインピーダンスを増加させる。

図１の入力側からみたインピーダンス特性は、図２（横軸：周波数Ｈｚ、縦軸：インピーダンスＺ）の実線に示す通りとなり、つまり、１０Ｈｚ近傍から４０Ｈｚにかけてインピーダンスが高く、特に２５Ｈｚ、３０Ｈｚにおいてインピーダンスが高くなる特性となる。この特性は、図５に示した回路のインピーダンス特性（図８の実線参照）と相違していることがわかる。
このとき、フィルタリアクトル１１、フィルタコンデンサ１２およびリアクトル１４１、コンデンサ１４２、抵抗器１４３からなる共振回路の共振周波数を特定周波数２５Ｈｚと３０Ｈｚの近辺にさせることで、電力変換装置１の２５Ｈｚと３０Ｈｚに対する入力インピーダンスを飛躍的に増加させることができることが分かった。これは、本発明者による実験を繰り返し、思考錯誤しながら見出したものである。

図２の破線は図７の回路のインピーダンス特性であり、図８の実践で示したインピーダンス特性と同じである。ここで、特定周波数２５Ｈｚと３０Ｈｚの近辺とは、１０Ｈｚから５０Ｈｚの間で電力変換装置１の２５Ｈｚと３０Ｈｚと同様に入力インピーダンスを増加させ、本発明の目的が達成可能な周波数を意味する。

図７に示す回路では、特定の周波数（２５Ｈｚと３０Ｈｚ）に対して考慮されていないので、フィルタ回路１５を介してインバータ１３の発生する高周波成分がフィルタリアクトル１１を介した帰線電流I１とフィルタ回路１５を介して帰線電流I２として電源系統に流れ込み(図３（Ｃ）参照)、上述したような問題があったが、図１に示す回路では、特定の周波数（２５Ｈｚと３０Ｈｚ）に対して考慮することにより、電源系統のインピーダンスはフィルタリアクトル１１のインピーダンスに比べて十分小さでき、これらを無視することができる。

この結果、図７に示す電力変換装置の等価回路は、図３(Ａ)に示すようにフィルタ回路１４を増設する前と同じ、図３（Ｂ)に示す回路と等しくなるので、電力変換装置１の入力端・インバータ間のインピーダンス特性は、図５の回路の場合(図３（Ｂ）参照)と同じものとなり、入力インピーダンス増加フィルタ回路１５の追加がインバータの発生する高周波成分の流出量に影響を与えないことがわかる。

以上述べた、実施例によれば、直流電源電圧に含まれるリプル電圧によって鉄道車両用電力変換装置に流れ込む電流および鉄道車両自身によって発生され直流電源を含む電源系統に流出するリプル電流を抑制することができ、また鉄道車両用電力変換装置が、鉄道車両の存在を判定する軌道回路、または鉄路の近傍に敷設される信号機器や通信機器に与える妨害電流を抑制することができ、鉄道システムの信頼性を確保することができる。

１１ フィルタリアクトル
１２ フィルタコンデンサ
１３ インバータ
１４ インピーダンス増加フィルタ回路
１４１ リアクトル
１４２ コンデンサ
１４３ 抵抗
１５ インピーダンス増加フィルタ回路
１５１ リアクトル
１５２ コンデンサ
１５３ 抵抗
２ 車両
２１ 集電装置
２２ 交流電動機
２３ 車輪
３１ 交流三相電源
３２ 整流装置
３３，３６ 電線
３４ 架線
５１ 軌道回路用電源
５３ 車両検出器
５４ 軌道回路電流
５５ 妨害電源
６１，６２ 車輪
６３ 車軸
６４ 高周波電源
I１，I２ 帰線電流
５２１，５２２ レール

Claims (7)

1. 直流電圧を受電する集電装置に接続された第１のフィルタ回路と、該第１のフィルタ回路を介して前記集電装置によって集電した直流電圧を電圧源として直流を交流に変換し交流電動機を駆動するインバータからなる鉄道車両用電力変換装置において、
   商用電源および／または高周波交流を電源とする軌道回路が鉄道車両の存在を認識する特定の周波数２５Ｈｚと３０Ｈｚに対する入力インピーダンスを増加する第２のフィルタ回路を前記第１のフィルタ回路と並列に接続したことを特徴とする鉄道車両用電力変換装置。
2. 請求項１において、前記特定の周波数が、軌道回路がレール上の特定区間に列車又は車両が存在するかどうかを検知する周波数２５Ｈｚと３０Ｈｚである鉄道車両用電力変換装置。
3. 請求項1又は請求項２において、前記第１のフィルタ回路と前記第２のフィルタ回路で形成される共振回路の共振周波数を前記特定の周波数の近辺にさせてことを特徴とする鉄道車両用電力変換装置。
4. 直流電圧を受電する集電装置と電動機との間に設置され、前記集電装置の直流電圧の出力電圧を交流電圧に変換し、前記電動機に供給するインバータおよび前記インバータの前段に配置され、前記直流電圧に含まれるリプル成分を吸収し、かつ前記インバータから生じる高周波成分が電源系統に流れるのを防止するフィルタリアクトル、フィルタコンデンサからなる第１のフィルタ回路を含む鉄道車両用電力変換装置において、
   前記第１のフィルタ回路に並列に接続され、かつ前記第１のフィルタ回路のフィルタリアクトル、フィルタコンデンサの接続点と前記鉄道車両の車輪との間に電気的に接続する第２のフィルタ回路を設け、該第２のフィルタ回路が、前記第１のフィルタ回路との組み合わせにより、入力側から見た電力変換装置の、特定周波数２５Ｈｚおよび周波数３０Ｈｚに対する入力側から見た入力インピーダンスを増加するように構成されていることを特徴とする鉄道車両用電力変換装置。
5. 請求項３において、前記第２のフィルタ回路が、リアクトルとコンデンサと抵抗器、またはリアクトルとコンデンサの直列回路からなる鉄道車両用電力変換装置。
6. 請求項４又は請求項５において、前記第１のフィルタ回路と前記第２のフィルタ回路で形成される共振回路の共振周波数が、前記周波数２５Ｈｚ、３０Ｈｚの近辺に設定されていることを特徴とする鉄道車両用電力変換装置。
7. 直流電圧を受電する集電装置に接続された第１のフィルタ回路と、該第１のフィルタ回路を介して前記集電装置によって集電した直流電圧を電圧源として直流を交流に変換し交流電動機を駆動するインバータとを備えた鉄道車両およびレール上の特定区間に前記鉄道車両が存在するかどうかを検知する軌道回路とからなる鉄道システムにおいて、
   前記軌道回路において、前記鉄道車両の存在を認識する周波数２５Ｈｚと３０Ｈｚに対する入力インピーダンスを増加する第２のフィルタ回路を前記第１のフィルタ回路と並列に接続したことを特徴とする鉄道システム。

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