JP2012080659A - 電気車駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】交流ではトルクリプルや電流ビート現象を抑制し、直流区間では誘導障害を回避する信頼性の高いシステムを有する電気車駆動装置を提供する。
【解決手段】電気車駆動装置は、パンタグラフ１から第１接触器１０を介して供給される電圧を降圧する変圧器２と、コンバータ３、インバータ４と、コンバータ３とインバータ４の間の直流リンク部に接続され、インダクタ７ａ、コンデンサ７ｂ、リアクトル７ｃを有する第１共振フィルタ回路７と、コンバータ３と第１共振フィルタ７の間に接続される第２接触器１１と、第１共振フィルタ回路とインバータ４の間に接続される第３接触器１２と、交流区間と直流区間に応じて第１接触器１０、第２接触器１１、第３接触器１２を切り替える切換え手段を使用して、交流ではトルクリプルや電流ビート現象を抑制し、直流区間では誘導障害を回避する交直流区間判定手段を有している。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、電気車駆動装置に関する。

従来の交流電気車駆動装置には、コンバータとインバータ間の直流リンク部にＲＬＣから成る共振フィルタが設置している。図６に、従来の共振フィルタを備えた交流電気車駆動装置の構成を示す。１０１は、交流電気車駆動装置の集電装置であるパンタグラフである。１０２の変圧器は、架線側である１次側と駆動装置側である２次側とを絶縁し降圧させる。１０３のコンバータは変、圧器１０２で変圧された交流を直流に変換する装置である。１０４のインバータは、コンバータ１０３で変換された直流電流を交流電流に変換する装置である。１０７の共振フィルタは、コンバータ１０３の出力である単相交流を、インバータ１０４で直流変換することによって生じる電源周波数の２倍の周波数の電力脈動を吸収するための装置である。１０５のフィルタコンデンサは、共振フィルタ１０７と並列に接続され、直流電圧を平滑化するための装置ある。１０６のモータは、インバータ１０７の出力である交流電流を駆動エネルギーとし、回転する装置である。

特開２００９−２７３３３０号公報

しかしながら、上述のような交流電気車駆動装置を、直流および交流区間を走行する列車に搭載した場合で、該列車が直流区間を走行する際は、共振フィルタ回路は不要な回路となり、異なる電源周波数を有する交流区間を走る際は、共振フィルタの効果が無くなるという問題点があった。

本発明が解決しようとする課題は、交流ではトルクリプルや電流ビート現象を抑制し、直流区間では誘導障害を回避する信頼性の高いシステムを有する電気車駆動装置を提供することである。

実施形態の電気車駆動装置は、電力を集電するパンタグラフと、パンタグラフから第１接触器を介して供給される電圧を降圧する変圧器と、パンタグラフ、変圧器を通して供給される交流電流を直流化するコンバータと、コンバータから出力される直流電流を交流化するインバータと、コンバータとインバータの間の直流リンク部に接続され、インダクタ、コンデンサ、リアクトルを有する第１共振フィルタ回路と、コンバータと第１共振フィルタの間に接続される第２接触器と、第１共振フィルタ回路とインバータの間に接続される第３接触器と、第１接触器、第２接触器、第３接触器及び第１共振フィルタ回路と接続され、交流区間と直流区間を判定し、交流区間と直流区間に応じて第１接触器、第２接触器、第３接触器を切り替える切換え手段を使用して、交流ではトルクリプルや電流ビート現象を抑制し、直流区間では誘導障害を回避する交直流区間判定手段とを有している。

第１の実施形態の電気車駆動装置の回路構成図。 第２の実施形態の電気車駆動装置の回路構成図。 第３の実施形態の電気車駆動装置の回路構成図。 第４の実施形態の電気車駆動装置の回路構成図。 第５の実施形態の電気車駆動装置の回路構成図。 従来の共振フィルタを備えた交流電気車駆動装置の構成図。

以下、実施形態の駆動装置駆動装置を図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
第１の実施形態について図を参照し、詳細に説明する。図１は、第１の実施形態の電気車駆動装置の回路構成図である。

（構成）
以下に本実施形態の構成を説明する。図１は、パンタグラフ１、変圧器２、コンバータ３、インバータ４、モータ５、フィルタコンデンサ６、第１共振フィルタ回路７、共振回路用コイル７ａ、共振回路用コンデンサ７ｂ、共振回路用リアクトル７ｃ、制御部８、第１接触器１０、端子１０ａ、端子１０ｂ、第２接触器１１、端子１１ａ、端子１１ｂ、第３接触器１２、端子１２ａ、交直流判定装置１３で構成される。

架線から供給される交流電力はパンタグラフ１で集電され、通常、投入されている第１接触器１０を通り、変圧器２で降圧される。変圧器２で降圧された交流電力はコンバータ３で直流電力に変換される。コンバータ３で変換された直流電力は通常投入されている接触器１１を通り、共振回路用コイル７ａ、共振回路用コンデンサ７ｂ、共振回路用リアクトル７ｃで構成される第１共振フィルタ回路７で電力脈動が吸収され、通常投入されている第３接触器１２を通り、フィルタコンデンサ６で整流され、インバータ４に入力される。インバータ４に入力された直流電力は、インバータ４に内臓されるＩＧＢＴ等の半導体素子のスイッチング動作によって交流電力にへんかんされる。インバータ４から出力される交流電力はモータ５へ供給される。モータ５は電気エネルギーを機械エネルギーに変換することで、列車を走行させる。また、制御部８は、第１接触器１０、第２接触器１１、第３接触器１２、交直流判定装置１３と接続される
（作用）
交流区間では第１接触器１０を１０ｂ端子に接触、第２接触器１１を１１ｂ端子に接触、第３接触器１２を１２ａ端子に接触する。第１接触器１０、第２接触器１１、第３接触器１２を上記のように接触するにより第１共振フィルタ回路７が共振フィルタとして作用する。共振フィルタの共振周波数は、交流電源周波数の２倍に設定する。単相交流電源を直流変換する交流電気車駆動装置では、その電源周波数の２倍の周波数の電力脈動があり、直流リンク部の電圧が同周波数で脈動する。このような共振フィルタを設置することにより交流電源周波数の２倍の周波数成分に対して低インピーダンスとなるため、直流リンク部の同周波数成分の電圧リプルが低減できる。これにより、トルクリプルの低減やコンバータ３とインバータ４の最大電圧を下げる、または、コンバータ３とインバータ４を最大電圧まで使って容量を上げることが可能である。

また、直流区間では第１接触器１０を１０ａ端子に接触、第２接触器１１を１１ａ端子に接触、第３接触器１２を１２ａ端子に接触する。第１接触器１０、第２接触器１１、第３接触器１２を上記のように該当の端子に接触すると第１共振フィルタ回路７がパンタグラフ１を介した直流電圧源に対してＬＣフィルタにもなることから、インバータ４で発生する高調波が架線（あるいは帰線）へと流出することを抑制し、誘導障害を回避することが可能となる。

（効果）
以上述べた少なくともひとつの実施形態の直流リンク部の第１共振フィルタ回路７を、交流区間、直流区間に合わせたフィルタとして利用することで、交流ではトルクリプルや電流ビート現象を抑制し、直流区間では誘導障害を回避する信頼性の高いシステムを供することができる。

交流と直流区間で共有される第１共振フィルタ回路７を異なる機能を利用して使用するため、それぞれの目的に応じたフィルタ回路を別個に設置するよりも、装置の小型化・軽量化やコストダウンが期待できる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態について図を参照し、詳細に説明する。図２は、第２の実施形態の電気車駆動装置のフローチャートである。尚、図１と同一の構成をとるものについては、同符号を付して説明を省略する。

本実施形態は、第１の実施形態とは、第１共振フィルタ回路７の構成が異なっている。以下、その点について詳細に説明する。

（構成）
図２に示す本実施形態では、一個目のインダクタ（Ｌｆ１）２１がパンタグラフ１と直流リンクの正側の間に設置し、第２共振フィルタ回路２０は、直流リンクの正側にコンデンサ２０ａが接続され、そして、二個目のインダクタ（Ｌｆ２）２０ｂと三個目のインダクタ（Ｌｆ３）２０ｃと抵抗２０ｆの順に直列に接続されることで構成される。三個目のインダクタ（Ｌｆ３）２０ｃのインダクタンスが二個目のインダクタ（Ｌｆ２）２０ｂのインダクタンスの１５倍と設計する。また、パンタグラフ１と変圧器２の間に第１接触器１０を設置し、インダクタ２１と第２共振回路２０の間に第２接触器１１を設置し、コンデンサ２０ｃと並列に第４接触器２０ｄを接続する。。交流区間の場合、第１接触器１０と第２接触器１１と第４接触器２０ｄ第４接触器２０ｄをオンする。直流区間の場合第１接触器１０と第２接触器１１と第４接触器２０ｄをオフする。

（作用）
交流区間では、第１接触器１０と第２接触器１１と第４接触器２０ｄがオンすることにより抵抗２０ｆが共振フィルタとなる。共振フィルタが交流電源周波数の二倍の周波数成分に対して低インピーダンスとなり、直流リンク部の同周波数成分の電圧リプルが低減できる。これにより、トルクリプルの低減やコンバータ・インバータの最大電圧を下げる（逆に言えば、コンバータ、インバータを最大電圧まで使って容量を上げる）ことが期待できる。

また、直流区間では、第１接触器１０と第２接触器１１と第４接触器２０ｄがオフすることによりインダクタ２０ｂとフィルタコンデンサ６の回路がパンタグラフを介した直流電圧源に対してＬＣフィルタとなる。そして、抵抗２０ｆとインダクタ２０ｂとインダクタ２０ｃとコンデンサ２０ａから成る共振フィルタが直流リンク部に直列に接続された構成となる。この共振フィルタの共振周波数は２５Ｈｚ付近に設定される。これにより、直流リンク部の２５Ｈｚ付近の電流を吸収し、同成分が架線へと流れることを抑制する。

（効果）
以上のように構成することにより、共振フィルタ回路を、交流区間では単相交流を直流変換することに起因した電力脈動の吸収回路として使い、トルクリプルやモータ相電流のビート現象を抑制するとともに、直流区間では２５付近のパッシブフィルタとして、誘導障害を回避し、信頼性の高い電気車駆動装置を構築できる。

共振フィルタ回路を、交流区間と直流区間に合わせたフィルタに組み替えて共有することにより、装置の小型化・軽量化に寄与できる、
（第３の実施形態）
第３の実施形態について図を参照し、詳細に説明する。図３は、第３の実施形態の電気車駆動装置の回路構成図である。尚、図１乃至２と同一の構成をとるものについては、同符号を付して説明を省略する。

本実施形態は、第１の実施形態とは、第１共振フィルタ回路７の構成が異なっている。以下、その点について詳細に説明する。

（構成）
本実施形態では図３のように第３共振フィルタ回路３０は、直流リンクの正側に一個目のインダクタ（Ｌｆ１）３０ａと二個目のインダクタ（Ｌｆ２）３０ｂ、一個目のコンデンサ（Ｃｆ１）３０ｃと二個目のコンデンサ（Ｃｆ２）３０ｄと三個目のインダクタ（Ｌｆ３）３０ｆと共振回路用リアクトル（Ｒｆ）３０ｇの順に直列に接続され、インダクタ３０ｂにスイッチ３０ｈが並列に接続され、コンデンサ３０ｄにスイッチ３０ｊが並列に接続されて構成される。スイッチ３０ｈスイッチ３０ｊ交流区間の場合第１接触器１０と第２接触器１１と第３接触器１２とスイッチ３０ｈスイッチ３０ｈをオンし、スイッチ３０ｊをオフする。直流区間の場合第１接触器１０と第２接触器１１と第３接触器１２第３接触器１２とスイッチ３０ｈスイッチ３０ｈをオフし、スイッチ３０ｊをオンする。

（作用）
交流区間では、第１接触器１０と第２接触器１１と第３接触器１２とスイッチ３０ｈをオンし、スイッチ３０ｊをオフすることにより共振回路用リアクトル３０ｇが共振フィルタとなる。共振用リアクトル３０ｇが交流電源周波数の二倍の周波数成分に対して低インピーダンスとなり、直流リンク部の同周波数成分の電圧リプルが低減できる。これにより、トルクリプルの低減やコンバータ・インバータの最大電圧を下げる（逆に言えば、コンバータ、インバータを最大電圧まで使って容量を上げる）ことが期待できる。

また、直流区間では、第１接触器１０と第２接触器１１と第３接触器１２とスイッチ３０ｈをオフし、スイッチ３０ｊをオンすることによりインダクタ３０ａとインダクタ３０ｂとフィルタコンデンサ６がパンタグラフを介した直流電圧源に対してＬＣフィルタとなる。そして、共振用リアクトル３０ｇとインダクタ３０ｆとコンデンサ３０ｃの回路から成る共振フィルタが直流リンク部に直列に接続された構成となる。この共振フィルタの共振周波数は２５Ｈｚ付近に設定される。これにより、直流リンク部の２５Ｈｚ付近の電流を吸収し、同成分が架線へと流れることを抑制する。

（効果）
以上のように構成することにより、共振フィルタ回路を、交流区間では単相交流を直流変換することに起因した電力脈動の吸収回路として使い、トルクリプルやモータ相電流のビート現象を抑制するとともに、直流区間では２５付近のパッシブフィルタとして、誘導障害を回避し、信頼性の高い電気車駆動装置を構築できる。

共振フィルタ回路を、交流区間と直流区間に合わせたフィルタに組み替えて共有することにより、装置の小型化・軽量化に寄与できる。

（第４の実施形態）
第４の実施形態について図を参照し、詳細に説明する。図４は、第４の実施形態の電気車駆動装置の回路構成部である。尚、図１乃至３と同一の構成をとるものについては、同符号を付して説明を省略する。

本実施形態は、
第１の実施形態とは、第１共振フィルタ回路７の構成が異なっている。以下、その点について詳細に説明する。

（構成）
第１の実施形態に記載の電気車駆動装置の共振回路用リアクトル７Ｃ（図１）の一定のキャパシタンスのキャパシタと一定のインダクタンスのインダクタと一定の抵抗値の抵抗に対し、図４に示すように第４共振フィルタ回路４０は、インダクタ４０ａ、コンデンサ４０ｃ、コンデンサ４０ｅ、抵抗４０ｆ、抵抗４０ｈが直列に接続され、インダクタ４０ａと短絡スイッチ４０ｂ、コンデネサ４０ｅと短絡スイッチ４０ｄ、抵抗４０ｈと短絡スイッチ４０ｆが並列に接続されて構成される。。交流区間の場合、短絡スイッチ４０ｂと短絡スイッチ４０ｄと短絡スイッチ４０ｇをオンする。直流区間の場合短絡スイッチ４０ｂと短絡スイッチ４０ｄと短絡スイッチ４０ｇがオフする。

（作用）
交流区間では短絡スイッチ４０ｂと短絡スイッチ４０ｄと短絡スイッチ４０ｇがオンすることにより第４共振フィルタ回路４０のキャパシタのキャパシタンスとインダクタのインダクタンスと抵抗の抵抗値が交流電圧源に対してＲＬＣフィルタの設計値となる。これにより、電源に応じた最適なフィルタ回路を用いることとなり、トルクリプルの低減やコンバータ・インバータの最大電圧を下げる効果など実施例１以上期待できる。

また、直流区間では短絡スイッチ４０ｂと短絡スイッチ４０ｄと短絡スイッチ４０ｇがオフすることにより第４共振フィルタ回路４０のキャパシタのキャパシタンスとインダクタのインダクタンスと抵抗の抵抗値が直流電圧源に対してＲＬＣフィルタの設計値となる。これにより、電源に応じた最適なフィルタ回路を用いることとなり、インバータで発生する高調波が架線（あるいは帰線）へと流出することを抑制する効果や誘導障害を回避する効果など実施例１以上期待できる。

短絡スイッチ４０ｇのオンとオフにより抵抗値が変えるにつれて第４共振フィルタ回路４０のインピーダンスが変えることになる。第４共振フィルタ回路４０のインピーダンスが変えるにつれて第４共振フィルタ回路４０の減衰効果が第４共振フィルタ回路４０のキャパシタンスとインダクタンスに応じて変換できることと期待できる。

（効果）
以上のように構成することにより、次の効果がある。直流リンク部の共振フィルタ回路を、交流区間、直流区間に合わせたフィルタとして利用することで、交流ではトルクリプルや電流ビート現象を抑制し、直流区間では誘導障害を回避する信頼性の高いシステムを供することができる。しかも、共振フィルタ回路が実施例１より適切に設計できるため、効果が第１の実施形態以上期待できる。

第４共振フィルタ回路４０の減衰効果が第４共振フィルタ回路４０のキャパシタンスとインダクタンスに応じて変換できるため、電気車駆動装置の安定性が上がると期待できる。

（第５の実施形態）
第５の実施形態について図を参照し、詳細に説明する。図５は、第５の実施形態の電気車駆動装置の回路構成図である。尚、図１乃至４と同一の構成をとるものについては、同符号を付して説明を省略する。

本実施形態は、第１の実施形態と異なっている点について詳細に説明する。

（構成）
従来式の交流電気車駆動装置（図６）の共振用フィルタ１０７の共振回路用リアクトルのキャパシタのキャパシタンスとインダクタのインダクタンスと抵抗の抵抗値は一定である。本実施形態では短絡スイッチ５０ａと短絡スイッチ５０ｄと短絡スイッチ５０ｆを図５のようにキャパシタ、インダクタと抵抗それぞれに付ける。交流電源周波数の検出手段８の出力である電源周波数に応じて、電源周波数がＡの場合、短絡スイッチ５０ｂと短絡スイッチ５０ｄと短絡スイッチ５０ｆをオンする。電源周波数がＢの場合、短絡スイッチ５０ｂと短絡スイッチ３５０ｄと短絡スイッチ５０ｆをオフする。

（作用）
交流電源の周波数（５０Ｈｚ，６０Ｈｚ）に応じて、短絡スイッチ５０ａと短絡スイッチ５０ｄと短絡スイッチ５０ｆのオンとオフにより第５共振用フィルタ５０のキャパシタのキャパシタンスとインダクタのインダクタンスと抵抗の抵抗値が変えるにつれて共振フィルタ回路の共振周波数を切り替えることができる。電源周波数が５０Ｈｚの場合、共振周波数を１００Ｈｚに、電源が６０Ｈｚの場合、共振周波数を１２０Ｈｚにする。交流区間の場合、電源周波数の２倍の周波数が直流リンク部の電圧リプルとして現れるが、このように、電源周波数に応じて、共振周波数を変えることにより、複数の電源周波数区間に対応できるようになる。

（効果）
以上のように構成することにより、次の効果がある交流電気車駆動装置の共振回路用リアクトル７Ｃが、直流リンクの直流電流から、多様な周波数の交流成分電流を吸収できるため、多様な周波数の交流区間を対応できる交流電気車駆動装置となる。電気車駆動装置の対応性が増えるインダクタやキャパシタや抵抗を共有できるため、装置の小型化・軽量化に寄与できる。インダクタやキャパシタや抵抗を共有できるため、他の電気車駆動装置と比べるとコストダウンが期待できる。

１ パンタグラフ
２ 変圧器
３ コンバータ
４ インバータ
５ モータ
６ フィルタコンデンサ
７ 第１共振フィルタ回路
７ａ 共振回路用コイル
７ｂ 共振回路用コンデンサ
７ｃ 共振回路用リアクトル
８ 制御部
１０ 第１接触器
１１ 第２接触器
１２ 第３接触器
２０ 第２共振フィルタ回路
２０ａ コンデンサ
２０ｂ インダクタ
２０ｃ インダクタ
２０ｄ スイッチ
２０ｆ リアクトル
３０ 第３共振フィルタ
３０ａ インダクタ
３０ｂ インダクタ
３０ｃ コンデンサ
３０ｄ コンデンサ
３０ｆ インダクタ
３０ｇ リアクトル
３０ｈ スイッチ
３０ｊ スイッチ
４０ 第４共振フィルタ
４０ａ インダクタ
４０ｂ スイッチ
４０ｃ コンデンサ
４０ｄ スイッチ
４０ｅ コンデンサ
４０ｆ リアクトル
４０ｇ スイッチ
４０ｈ リアクトル
５０ 第５共振フィルタ
５０ａ インダクタ
５０ｂ スイッチ
５０ｃ コンデンサ
５０ｄ スイッチ
５０ｅ リアクトル
５０ｆ スイッチ

Claims (5)

1. 電力を集電するパンタグラフと、
   前記パンタグラフから第１接触器を介して供給される電圧を降圧する変圧器と、
   前記パンタグラフ、前記変圧器を通して供給される交流電流を直流化するコンバータと、前記コンバータから出力される直流電流を交流化するインバータと、
   前記コンバータと前記インバータの間の直流リンク部に接続され、インダクタ、コンデンサ、リアクトルを有する第１共振フィルタ回路と、
   前記コンバータと前記第１共振フィルタの間に接続される第２接触器と、
   前記第１共振フィルタ回路と前記インバータの間に接続される第３接触器と、
   前記第１接触器、第２接触器、第３接触器及び前記第１共振フィルタ回路と接続され、交流区間と直流区間を判定し、交流区間と直流区間に応じて前記第１接触器、第２接触器、第３接触器を切り替える切換え手段を使用して、交流ではトルクリプルや電流ビート現象を抑制し、直流区間では誘導障害を回避する交直流区間判定手段と、
   有する電気車駆動装置。
2. 前記回路切替え手段は、交流区間の場合に第１接触器と第２接触器と第３接触器をオンし、直流区間の場合に、第１接触器と第２接触器と第３接触器をオフし、パンタグラフを介した直流電圧源に対してＬＣフィルタの構成となるように接続する手段である請求項１記載の電気車駆動装置。
3. 電力を集電するパンタグラフと、
   前記パンタグラフから第１接触器を介して供給させる電圧を降圧する変圧器と、
   前記パンタグラフ、前記変圧器を通して供給される交流電流を直流化するコンバータと、前記コンバータから出力される直流電流を交流化するインバータと、
   前記コンバータと前記インバータの間の直流リンク部に接続され、コンデンサ、第１インダクタ、第２インダクタ、リアクトルの順に直列に接続され、前記第２インダクタと第４接触器が並列に接続される第２共振フィルタ回路と、
   前記コンバータと前記第１共振フィルタの間に接続される第２接触器と、
   前記第１接触器、第２接触器、第３接触器及び前記第１共振フィルタと接続され、交流区間と直流区間を判定する交直流区間判定手段と、
   交流区間と直流区間に応じて前記第１接触器、第２接触器、第３接触器を切り替える回路切換え手段と、
   前記回路切替え手段は、交流区間の場合に前記第１接触器、前記第２接触器及び前記第４接触器をオンし、直流区間の場合には、前記第１接触器、前記第２接触器及び前記第４接触器オフする手段を有する電気車駆動装置。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の共振用フィルタにおいて、複数のインダクタが直列に接続され、前記インダクタのうち少なくとも一つが短絡手段を有し、前記インダクタに直列に接続された複数のリアクトルのうち少なくとも一つが短絡手段を有する第１乃至３のいずれか１項に記載の電気車駆動装置。
5. 交流電源周波数を検出する交流電源周波数検出手段を有し、前記交直流区間判定手段の出力が交流である場合、前記交流電源周波数に応じて共振フィルタ回路のインダクタのインダクタンスないしキャパシタのキャパシタンスを切り替える手段を有する請求項１乃至４のいずれか１項記載の電気車駆動装置。

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