JP2013230020A - 電気車制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】交流駆動システムの性能を維持ししつつ主変圧器の小型化を図ることのできる電気車制御装置を提供する。
【解決手段】供給される交流電圧を降圧する、高圧側巻線４と低圧側巻線５との間にシールド板が設けられていない変圧器３と、前記変圧器の低圧側巻線と大地電位間に接続される、高電圧に対しては低抵抗となり低電圧に対しては高抵抗となる非線形抵抗素子３０と、前記変圧器の低圧側巻線から供給される降圧された交流電圧を異なる電圧の交流電圧に変換する電力変換器１００とを備える電気車制御装置である。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、電気車制御装置に関する。

鉄道車両を走行させるための駆動装置には、架線からの電力を受け取り、車両駆動に必要な電力を生成する電力変換器がある。電力変換器には駆動電力を生成するためのスイッチングを行う半導体素子が内蔵されている。近年では、この半導体素子の電圧定格、電流定格がアップしたことなどによって、大容量出力の電力変換器が製造できるようになった。この結果、多くの鉄道車両に大容量出力可能な電力変換器が搭載されるようになってきた。

上記の鉄道車両において、供給電力は交流・直流があり、供給電力によって交流駆動システムまたは直流駆動システムに分けられている。交流架線から起電するシステムにおいては半導体素子の定格電圧が上がったことから、駆動装置の架線側に設けられた主変圧器の二次電圧を高く取り、通電電流を下げることで主変圧器を小型化することが行われている。

特開２００５−８６９０７号公報

ところで、主変圧器の小型化は、交流駆動システムの鉄道車両に搭載する駆動装置のスペースを削減できることから、ユーザからは継続して要請される課題となっている。しかしながら、主変圧器の更なる小型化を図る際には、小型化によっても交流駆動システムが所要の能力を維持できるようになされなければならない。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであって、交流駆動システムの性能を維持ししつつ主変圧器の小型化を図ることのできる電気車制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明の実施の形態によれば、供給される交流電圧を降圧する、高圧側巻線と低圧側巻線との間にシールド板が設けられていない変圧器と、前記変圧器の低圧側巻線と大地電位間に接続される、高電圧に対しては低抵抗となり低電圧に対しては高抵抗となる非線形抵抗素子と、前記変圧器の低圧側巻線から供給される降圧された交流電圧を異なる電圧の交流電圧に変換する電力変換器とを備える電気車制御装置が提供される。

第１の実施形態の電気車制御装置の構成を示す図。 従来の電気車制御装置における主変圧器の構成を示す模式図。 第１の実施の形態の電気車制御装置における非線形抵抗素子の特性を示す図。 第２の実施形態の電気車制御装置の構成を示す図。

[第１の実施の形態]
図１は、第１の実施形態の電気車制御装置の構成を示す図である。

第１の実施の形態の電気車制御装置は、主変圧器３、主回路１００、主電動機１３、制御回路２０を備えている。
主変圧器３は、架線（不図示）から取り出した交流電力の電圧を降圧する。主電動機１３は電気車を駆動する。主回路１００は主変圧器３により降圧された交流電力から主電動機１３を制御するための交流電力を生成する電力変換器である。制御回路２０は、主電動機１３の起動・停止・駆動などの動作を統括して制御するために、主回路１００との間で信号を授受する。

交流電力が架線（不図示）からパンタグラフ１を介して取り出され、交流高速度遮断器２を経由して主変圧器３の高圧側巻線（一次巻線）４に供給される。高速度遮断器２は、異常な直流電流を高速度で検知し、故障電流を遮断する。主変圧器３の低圧側巻線（二次巻線）５から取り出された降圧された交流電力は主回路１００に供給される。

低圧側巻線５と大地電位との間には非線形抵抗素子３０が接続されている。主変圧器３によって降圧された交流電力は、非線形抵抗素子３０を介して主回路１００に設けられた遮断部９に入力される。非線形抵抗素子３０は、高電圧が入力されたときは抵抗値が小さくなり、低電圧が入力されたときは抵抗値が大きくなる特性を有する。非線形抵抗素子の作用については後述する。

交流電力は、充電抵抗６、接触器７、接触器８からなる遮断部９を介してコンバータ１０へ供給される。接触器７及び接触器８は、主変圧器３とコンバータ１０とを接続する電気経路を切断又接続する。充電抵抗６は、接触器７の両端に接続されて、接触器７及び接触器８を投入したときに、急激な電流が発生することを抑制する。電気車の運転開始・停止時、あるいは異常発生時における主回路１００を保護するための動作時において、制御回路２０が接触器７及び接触器８の開閉動作を制御する。

コンバータ１０は、入力される単相交流電圧を直流電圧に変換する整流器であり、コンバータ用のスイッチング素子である不図示のＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を組み合わせた全波整流器として構成されている。制御回路２０が、コンバータ用のＩＧＢＴを直接駆動することで、整流動作が実行される。

コンバータ１０の後段（主変圧器３と反対側）の直流リンク回路４０にはフィルタコンデンサ１１、制限抵抗１５、電流検知器１６が設けられている。フィルタコンデンサ１１は、コンバータ１０から出力される直流電圧の脈動成分を平滑化する。電流検知器１６は、コンバータ１０の後段の直流電流を検出する。検出した信号は制御回路２０に出力される。制御回路２０は、この信号に基づいて主回路１００の過電流を検出する。

ＶＶＶＦインバータ１２は、供給される直流電圧を元に三相の交流電圧を生成する。ＶＶＶＦインバータ１２は、直流の電圧を正弦波の高さに応じた幅のパルスで刻むことで三相交流電圧を発生させるものである。制御回路２０が、ＶＶＶＦインバータ用の不図示のＩＧＢＴを駆動することで、交流生成動作が実行される。そして、このようにして生成した三相交流の電力を主電動機１３に供給する。

続いて、第１の実施の形態の電気車制御装置の作用について説明する。本実施の形態では、主変圧器３は、混触防止板が簡素化されているか、あるいは設けられていない構成である。

図２は、従来の電気車制御装置における主変圧器３の構成を示す模式図である。
従来の電気車制御装置の主変圧器３では、高圧側巻線４と低圧側巻線５との間にシールド板が設けられる。このシールド板は、高圧側で発生した大電圧により低圧側にも大きな電圧が誘発されること抑制する静電シールドの効果を備えている。

しかしながら、シールド板には鉄などの金属が使用されるため、電気車制御装置の主変圧器３のサイズ及び重量がアップする要因の一つとなっている。そこで、シールド板の簡素化あるいは不使用によって主変圧器３のサイズ及び重量を低減し、小型化することができる。ここで簡素化とは、例えば、低圧側巻線５が２次巻線、３次巻線、・・・など複数の巻線がある場合に、その一部の巻線に対して（例えば、３次巻線に対して）シールド板を不使用とすることをいう。

ところで、電気車においては、主変圧器３の一次側にサージ電圧が印加されることがある。サージ電圧としては、落雷などの自然現象によるものの他に、高速度遮断器２の遮断操作により発生するものなどである。このような、サージ電圧は、主変圧器３の高圧側に設けられるサージアブソーバ（不図示）によって吸収されて低減されるが、吸収されなかった一部のエネルギーが低圧側巻線に誘導される。そのため、シールド板の簡素化あるいは不使用によって、低圧側に大きな誘導サージ電圧を誘起させ、このサージ電圧により、主回路１００を破壊するおそれがある。

本実施の形態の電気車制御装置では、主変圧器３で誘導されるサージ電圧を主回路１００側で抑制する構成としている。即ち、図１に示すように低圧側巻線の大地電位側の配線に非線形抵抗素子３０を接続する。

図３は、第１の実施の形態の電気車制御装置における非線形抵抗素子３０の特性を示す図である。
非線形抵抗素子３０は、印加される電圧によって抵抗値が非線形に変化する。即ち、非線形抵抗素子３０は、高電圧に対しては低抵抗値を示し、低電圧に対しては高抵抗値を示す特性を備えている。図３に示すように、非線形抵抗素子３０は、ある特定の電圧までは抵抗値は高い値を示すが、当該特定の電圧を超えると抵抗値は急速に低い値を示す。この結果、特定の電圧以上になると抵抗値が急速に減少し大電流が流れる。

従って、上述の特性の非線形抵抗素子３０を用いることによって、主変圧器３の低圧側巻線５と大地電位との間に印加されるサージ電圧を抑制することができる。このような特性を備えた非線形抵抗素子３０としては、例えば、バリスタ（voltage variable resistor）があげられる。この場合、１ｍＡの電流が流れたときの端子電圧を、使用するバリスタの特性を表す値としてバリスタ電圧と呼ぶ。

次に、上述の非線形抵抗素子３０を用いることの利点について説明する。
サージ電圧を制限する方法として、非線形抵抗素子３０に代えて、主変圧器３の低圧側巻線５と大地電位との間にコンデンサを接続することが考えられる。

しかし、コンデンサによりサージ電圧を吸収しようとすれば、μＦオーダの大きな静電容量のコンデンサを設ける必要がある。そのため、このようなコンデンサを設け主回路１００を用いて通常運転に使用される電圧を連続的に印加すると、コンデンサを経由して大地電位にかなり大きな電流が漏れてしまう。

コンデンサを経由して大地電位に漏れる電流が一定値を超えると、電流検知器１６が検知する信号が増加し、制御回路２０は地絡が発生したと見做して主回路１００を保護する動作を開始する。即ち、コンデンサを設けることにより発生する漏れ電流により、通常の運転状態において地絡を誤検知してしまう恐れがある。

これに対し、非線形抵抗素子３０を用いると、通常の運転電圧に対しては非線形抵抗素子３０が高抵抗となるため、大地電位への漏れ電流が、コンデンサを使用した場合に比べると格段に低い値となる。従って、サージ電圧を抑制することができるとともに、地絡の誤検知を回避することができる。

[第２の実施の形態]
第２の実施の形態では、主変圧器３が複数の主回路１００と接続する。第１の実施の形態と同一又は類似の部位には同一の符号を付してその詳細の説明は省略する。

図４は、第２の実施形態の電気車制御装置の構成を示す図である。図４では、図１と比較して主要な部位のみを示し、説明を簡略化する。従って、以下の説明に無い部位であっても、特に断らない限り図１に示された部位は備わっているものとする。

第２の実施の形態の電気車制御装置では、主変圧器３には２つの低圧側巻線（２次巻線５ａ、３次巻線５ｂ）が備わっている。

２次巻線５ａには、主回路１００ａとしてコンバータ１０ａ、フィルタコンデンサ１１ａ、ＶＶＶＦインバータ１２ａがこの順序で接続されている。そして、これらの回路によって生成された、例えば、１１００Ｖの交流電力によって主電動機１３ａが駆動される。

３次巻線５ｂには、主回路１００ｂとしてコンバータ１０ｂ、フィルタコンデンサ１１ｂ、ＶＶＶＦインバータ１２ｂがこの順序で接続されている。そして、これらの回路によって生成された、例えば、４４０Ｖの交流電力が負荷に供給される。負荷には、空調、蛍光灯、バッテリ充電器などがある。

第２の実施の形態では、３次巻線５ｂの大地電位側の配線に非線形抵抗素子３０を設けているが、２次巻線５ａの大地電位側の配線には非線形抵抗素子３０を設けていない。この理由は、本実施の形態の２次巻線は、誘起電圧が低いためバリスタが不要となるからである。

[実施の形態の効果]
以上説明した各実施の形態によれば、高圧側巻線と低圧側巻線との間にシールド板を設けていない主変圧器を用いる場合であっても、低圧側巻線と大地電位との間に誘導される外来サージを抑制しながら、通常運転時の電源電圧による漏れ電流を最小限に抑制できるため、地絡検知の誤検知を防止できる。

従って、交流駆動システムの性能を維持ししつつ主変圧器の小型化を図ることができる。

尚、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。
上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

１…パンタグラフ、２…高速度遮断器、３…主変圧器、４…高圧側巻線、５…低圧側巻線、５ａ…２次巻線、５ｂ…３次巻線、６…充電抵抗、７…接触器、８…接触器、９…遮断部、１０、１０ａ、１０ｂ…コンバータ、１１、１１ａ、１１ｂ…フィルタコンデンサ、１２、１２ａ、１２ｂ…ＶＶＶＦインバータ、１３、１３ａ…主電動機、１５…制限抵抗、１６…電流検知器、２０…制御回路、２５…主電動機、３０…非線形抵抗素子、４０…直流リンク回路、１００、１００ａ、１００ｂ…主回路。

Claims (3)

1. 供給される交流電圧を降圧する、高圧側巻線と低圧側巻線との間にシールド板が設けられていない変圧器と、
   前記変圧器の低圧側巻線と大地電位間に接続される、高電圧に対しては低抵抗となり低電圧に対しては高抵抗となる非線形抵抗素子と、
   前記変圧器の低圧側巻線から供給される降圧された交流電圧を異なる電圧の交流電圧に変換する電力変換器と
   を備える電気車制御装置。
2. 前記低圧側巻線は、複数の第２の低圧側巻線を有し、
   少なくとも一つの第２の低圧側巻線は、前記非線形抵抗素子を介して大地電位と接続される、
   請求項１に記載の電気車制御装置。
3. 前記非線形抵抗素子はバリスタである、請求項１または２に記載の電気車制御装置。

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