JP2015089238A - 絶縁回路および交流電気車用主回路 - Google Patents

Abstract

【課題】電気的な絶縁を確保しつつ、電力の融通を可能とした変圧器とは異なる新たな機器を実現すること。
【解決手段】スイッチング素子とダイオード素子とを逆並列接続した４つの基本回路２０（２０−１〜２０−４）と、コンデンサ３０とを有して絶縁回路１０を構成する。４つの基本回路２０のうち、第１基本回路２０−１および第３基本回路２０−３を、互いのダイオード素子の順方向が向き合うように縦続接続されて高圧側ラインＨＬに挿入する。第２基本回路２０−２および第４基本回路２０−４を、互いのダイオード素子の順方向が向き合うように縦続接続されて低圧側ラインＬＬに挿入する。そして、第１基本回路２０−１および第３基本回路２０−３の接続点と、第２基本回路２０−２および第４基本回路２０−４の接続点とをコンデンサ３０で接続する。
【選択図】図１

Description

本発明は、一次側と、電動機を駆動するインバータ側に接続される二次側とを電気的に絶縁して直流電力を融通する絶縁回路等に関する。

従来の交流電気車の主回路は、主変圧器と、コンバータと、インバータとを備えて構成されている（例えば特許文献１参照）。

特開２０００−３０８２０５号公報

交流電気車の主回路を小型化（容積や重量の削減）しようとする場合、構成される機器それぞれを小型化する方策が考えられるが、主回路の機器構成それ自体を変えた新たな主回路も検討されるべきである。
例えば、主変圧器を不用とする新たな主回路構成が考えられる。しかし、主変圧器は、交流架線電圧を降圧する機能の他に、架線側と電動機等の駆動回路側とを電気的に絶縁するという重要な機能を担っている。そこで、主変圧器を不用とする新たな主回路構成を実現するためには、少なくとも電気的な絶縁を確保するための構成が必要である。

また、電気車では電動機を回生ブレーキに用いるため、新たな主回路であっても、架線側から電動機側へ電力を供給する順方向と、電動機側から架線側へ電力を回生する逆方向との両方向に動作する必要がある。

本発明は上述した課題に鑑みて考案されたものである。

以上の課題を解決するための第１の発明は、
一次側と、電動機（例えば図１の電動機６０）を駆動するインバータ側に接続される二次側とを電気的に絶縁して直流電力を融通する絶縁回路（例えば図１の絶縁回路１０）であって、
コンデンサ（例えば図１のコンデンサ３０）と、
スイッチング素子とダイオード素子とを逆並列接続して構成した第１〜第４基本回路（例えば図１の基本回路２０）と、
を備え、
高圧側ライン（例えば図１の高圧側ラインＨＬ）の前記一次側に第１基本回路を前記二次側に第３基本回路を当該ダイオード素子の順方向が向き合うように縦続接続し、低圧側ライン（例えば図１の定圧側ラインＬＬ）の前記一次側に第２基本回路を前記二次側に第４基本回路を当該ダイオード素子の順方向が向き合うように縦続接続し、前記第１基本回路および前記第３基本回路の接続点と、前記第２基本回路および前記第４基本回路の接続点とを前記コンデンサを介して接続して構成し、
前記第１基本回路及び前記第４基本回路のスイッチング素子をオフとし、前記第２基本回路及び前記第３基本回路のスイッチング素子を交互にオンオフ制御されることで前記電動機の駆動源となる電力を前記一次側から前記二次側に供給し、
前記第２基本回路及び前記第３基本回路のスイッチング素子をオフとし、前記第１基本回路及び前記第４基本回路のスイッチング素子を交互にオンオフ制御されることで前記電動機による回生電力を前記二次側から前記一次側に供給する、
絶縁回路である。

この第１の発明によれば、一次側と二次側とを電気的に絶縁して直流電力を融通する絶縁回路を実現することができる。例えば、交流電気車の主回路において、コンバータとインバータとの間の直流中間回路に、この絶縁回路を適用することで、従来の主変圧器が担っていた絶縁機能に代替することが可能となり、主変圧器を不用とした主回路を実現することが可能となる。

なお、本発明の絶縁回路は、上述した交流電気車における新たな主回路の実現を技術課題の基礎として考案されたものであるが、交流電気車以外に適用することも可能である。すなわち、電動機を駆動するインバータを具備する電気回路であれば本発明の絶縁回路を適用可能であり、何れの電気回路においても、インバータより前の回路構成と、インバータ以降の回路構成とを電気的に絶縁することができる。例えば、直流電気車の主回路や、電動機をインバータで駆動する自動車の主回路に適用可能である。

また、第２の発明は、
交流架線電圧を当該交流架線電圧より高い直流電圧に変換するコンバータ（例えば図６のコンバータ７０）と、
電動機を駆動するインバータを少なくともＭ個含むＮ個（Ｎ≧Ｍ≧２）のインバータ（例えば図６のインバータ５０）と、
前記Ｎ個のインバータそれぞれに対応するＮ個の第１の発明の絶縁回路（例えば図６の絶縁回路１０）と、
を具備し、前記Ｎ個の絶縁回路は、一次側が直列接続されて前記コンバータの出力段に接続され、二次側が前記Ｎ個のインバータそれぞれに接続された、
交流電気車用主回路である。

この第２の発明によれば、第１の発明の絶縁回路を用いて主変圧器を不用とした交流電気車用主回路を実現できる。

また、第３の発明は、
交流架線電圧を当該交流架線電圧より高い直流電圧に変換するコンバータ（例えば図８のコンバータ７０）と、
電動機を駆動するインバータを少なくともＭ個含むＮ個（Ｎ≧Ｍ≧２）のインバータ（例えば図８のインバータ５０）と、
前記コンバータによって変換された直流電圧を降圧する並列接続された前記Ｎ個のインバータそれぞれに対応するＮ個の降圧回路（例えば図８の降圧回路８０）と、
一次側が前記降圧回路に接続され、二次側が前記インバータに接続された前記Ｎ個のインバータそれぞれに対応するＮ個の第１の発明の絶縁回路（例えば図８の絶縁回路１０）と、
を具備した交流電気車用主回路である。

この第３の発明によれば、第１の発明の絶縁回路を用いて主変圧器を不用とした交流電気車用主回路を実現できる。

絶縁回路の構成例を示す図。 絶縁回路の制御装置の例を説明するための図。 力行運転時の絶縁回路の動作を説明するための図。 回生運転時の絶縁回路の動作を説明するための図。 絶縁回路を組み込んだインバータの例を説明するための図。 交流電気車用主回路の第１実施例を示す図。 コンバータの回路構成例を示す図。 交流電気車用主回路の第２実施例を示す図。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明するが、本発明を適用可能な形態は以下の実施形態に限定されるものではない。

［絶縁回路］
図１は、本発明を適用した絶縁回路１０の回路構成図である。絶縁回路１０は、一次側が直流電源側に接続され、二次側が電動機６０を駆動するインバータ５０に接続されて、一次側と二次側とを電気的に絶縁して電力を融通する回路であり、図２においては電源ラインの中間に設けられている。なお、インバータ５０は、いわゆる１Ｃ１Ｍとして１台の電動機６０を駆動制御することとしてもよいし、１Ｃ２Ｍや１Ｃ４Ｍとして複数台の電動機６０を駆動制御することとしてもよい。

絶縁回路１０は、スイッチング素子とダイオード素子とを逆並列接続した４つの基本回路２０（２０−１〜２０−４）と、コンデンサ３０とを有して構成される。直流電源ラインの高圧側（例えばプラス側あるいは非接地側）を高圧側ラインＨＬ、低圧側（例えばマイナス側あるいは接地側）を低圧側ラインＬＬとすると、４つの基本回路２０のうち、第１基本回路２０−１および第３基本回路２０−３が、互いのダイオード素子の順方向が向き合うように縦続接続されて高圧側ラインＨＬに挿入される。同じように、第２基本回路２０−２および第４基本回路２０−４が、互いのダイオード素子の順方向が向き合うように縦続接続されて低圧側ラインＬＬに挿入される。

そして、第１基本回路２０−１および第３基本回路２０−３の接続点と、第２基本回路２０−２および第４基本回路２０−４の接続点とをコンデンサ３０で接続して構成される。

基本回路２０を構成するスイッチング素子およびダイオード素子は、いわゆるパワーデバイスを利用することができる。例えばＧＴＯ（Gate Turn-Off thyristor）やＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)の他、Ｓｉ−ＩＧＢＴ（Silicon-Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＳｉＣ−ＳＢＤ（Silicon Carbide-Schottky Barrier Diode）、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ、ＳｉＣ−ＩＧＢＴなど、絶縁回路１０の使用電圧によって適宜選択することができる。

絶縁回路１０の二次側に接続されたインバータ５０は、従来のインバータを用いることができる。なお、従来のインバータの入力段にはコンデンサ（フィルタコンデンサ）が設けられているのが一般的である（図１中の破線）。コンデンサを備えないインバータを用いる場合には、絶縁回路１０の出力段（二次側の高圧側ラインＨＬと低圧側ラインＬＬとの間）にコンデンサを設けて出力電圧を平滑化して出力することとしてもよい。

また、絶縁回路１０の一次側は給電ラインや電源回路、直流安定化回路、コンバータ等に接続される。これらの電源側の出力段には、電圧安定化等のためにコンデンサ（フィルタコンデンサ）が設けられているのが通常である（図１中の破線）。コンデンサが設けられていない場合には、絶縁回路１０の入力段（一次側の高圧側ラインＨＬと低圧側ラインＬＬとの間）にコンデンサを設けることとしてもよい。

次に、絶縁回路１０の動作について説明する。
絶縁回路１０は、基本的にインバータ５０の動作に合わせて動作する。そのため、本実施形態では、インバータ５０の制御装置４０が、絶縁回路１０を動作制御する絶縁回路制御装置４１の機能を有することとする。具体的には、絶縁回路制御装置４１は、インバータ５０が電動機６０に電力を供給して引張力を発生させる力行運転の制御中であるか、電動機６０を回生ブレーキとして用いる回生運転の制御中であるかによって、絶縁回路１０の動作を切り替える。

そのため、図２に示すように、絶縁回路制御装置４１を制御装置４０とは別体として、制御装置４０から力行運転中であるか回生運転中であるかの信号を入力して絶縁回路１０を動作制御する構成としてもよい。

図３，４を参照して、絶縁回路１０の動作を具体的に説明する。
図３は、力行運転時の絶縁回路１０の動作を説明するための図である。力行運転時においては、絶縁回路１０は、制御装置４０からの動作指示信号に従って、第２基本回路２０−２のスイッチング素子のみをＯＮとする図３（１）の状態と、第３基本回路２０−３のスイッチング素子のみをＯＮとする図３（２）の状態とを交互に切り替える。

図３（１）の状態で電源側から供給された電力がコンデンサ３０に蓄電され、図３（２）の状態でインバータ５０に供給される。このため、絶縁回路１０の一次側と二次側とが電気的に絶縁されて電力が融通される。なお、第２基本回路２０−２と第３基本回路２０−３とを切り替える周波数は、インバータ５０の仕様に応じて適宜設定することができる。

図４は、回生運転時の絶縁回路１０の動作を説明するための図である。回生運転時においては、絶縁回路１０は、制御装置４０からの動作指示信号に従って、第４基本回路２０−４のスイッチング素子のみをＯＮとする図４（１）の状態と、第１基本回路４０−１のスイッチング素子のみをＯＮとする図４（２）の状態とを交互に切り替える。

図４（１）の状態でインバータ５０から供給された回生電力がコンデンサ３０に蓄電され、図４（２）の状態で電源側に供給される。このため、回生運転時においても、絶縁回路１０の一次側と二次側とが電気的に絶縁されて電力が融通される。この第１基本回路４０−１と第４基本回路４０−４との切り替え周波数は、インバータ５０の仕様に応じて適宜設定することができる。

以上、絶縁回路１０について説明したが、絶縁回路１０は、インバータ５０の動作に合わせて動作するため、絶縁回路１０をインバータ５０に組み込んだ構成としてもよい。具体的には、図５に示すように、直流電力を交流電力に変換した駆動電力を電動機６０に供給する電力変換回路部５３の前段に絶縁回路１０を備えたインバータ５１を構成することとしてもよい。また、図５においては、制御装置４０をも一体とした構成を例示しているが、制御装置４０はインバータ５１と別体とすることとしてもよい。

［実施例］
次に、絶縁回路１０を、交流電気車の主回路に適用した２つの実施例を説明する。

［第１実施例］
図６は、第１実施例を説明するための図である。交流電気車の主回路は、パンタグラフ３および真空遮断器等のスイッチ５を介して架線２に電気的に接続されるとともに、輪軸７を介してレール８に電気的に接続されることで、架線電圧が印加される。架線電圧は、コンバータ７０に入力される。従来の交流電気車の主回路では、架線電圧を降圧および絶縁するための主変圧器が設けられているが、本実施例では、主変圧器を不用としている。

コンバータ７０の出力側には、Ｎ個（Ｎ≧２）の絶縁回路１０（１０−１〜１０−Ｎ）が並列接続される。そして、各絶縁回路１０の二次側にはインバータ５０（５０−１〜５０−Ｎ）が接続される。Ｎ個のインバータ５０は、全てが電動機６０の駆動を制御することとしてもよいが（Ｎ＝Ｍ）、図６ではＮ個中のＭ個（Ｎ＞Ｍ）のインバータ５０が電動機６０を制御することとし、残余のインバータ５０はいわゆるＳＩＶ（静止インバータ：Static Inverter）として機能する。

例えば、Ｎを１０とし、Ｍを８とするならば、１０台のインバータ５０のうち、８台が電動機６０を駆動制御し、２台がＳＩＶとして機能する。但し、図６の例は１Ｃ１Ｍ制御の場合を図示しており、１Ｃ２Ｍ制御など、１台のインバータ５０が複数台の電動機６０を駆動制御するとしてもよい。

コンバータ７０は、交流架線電圧を当該交流架線電圧より高い直流電圧に変換する。例えば、架線電圧が交流２５０００Ｖの場合には、直流３００００Ｖに変換する。各絶縁回路１０にはコンバータ７０からの出力電圧が分圧されるため、Ｎが１０であれば各絶縁回路１０の一次側の電圧は３０００Ｖとなる。

また、各絶縁回路１０のスイッチング動作は同期して行われる。このため、図６に図示されていないが、各絶縁回路１０に対応する制御装置４０（或いは絶縁回路制御装置４１）は、図３および図４を参照して説明した動作を実現するための動作指示信号を、対応する絶縁回路１０に同期して出力する。

図７は、コンバータ７０の回路構成の一例を示す図である。コンバータ７０は、スイッチング素子とダイオード素子とを逆並列接続したＸ個（Ｘ≧１）の単位回路（図７中の破線の回路）を直列接続することで、各アームが構成される。主変圧器を不用としているため、コンバータ７０には架線電圧が印加される。そこで、コンバータ７０の各アームに印加される電圧に応じて、単位回路の直列接続数を設定することができる。また、各単位回路のスイッチング素子およびダイオード素子は、例えばＧＴＯやＩＧＢＴ、Ｓｉ−ＩＧＢＴ、ＳｉＣ−ＳＢＤ、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ、ＳｉＣ−ＩＧＢＴなどを適宜選択することができる。

［第２実施例］
図８は、第２実施例を説明するための図である。第２実施例は、第１実施例と同様、主変圧器を不用として、コンバータ７０に架線電圧が入力される構成を採用しているが、コンバータ７０より後の回路構成が第１実施例と異なる。

第２実施例では、並列接続されたＮ個の降圧回路８０（８０−１〜８０−Ｎ）がコンバータ７０の出力側に接続される。降圧回路８０は、例えばチョッパ回路で構成することができる。そして、各降圧回路８０の出力側には、絶縁回路１０（１０−１〜１０−Ｎ）の一次側が接続されており、絶縁回路１０の二次側にはインバータ５０（５０−１〜５０−Ｎ）が接続される。Ｎ個のインバータ５０は、全てが電動機６０の駆動を制御することとしてもよいが（Ｎ＝Ｍ）、図８では、Ｎ個中のＭ個（Ｎ＞Ｍ）のインバータ５０が電動機６０を制御することとし、残余のインバータ５０はいわゆるＳＩＶ（静止インバータ：Static Inverter）として機能する。

各絶縁回路１０のスイッチング動作が同期して行われることは第１実施例と同様である。このため、図８に図示されていないが、各絶縁回路１０に対応する制御装置４０（或いは絶縁回路制御装置４１）は、図３および図４を参照して説明した動作を実現するための動作指示信号を、対応する絶縁回路１０に同期して出力する。

［作用効果］
以上、本発明を適用した実施形態について説明した。本実施形態によれば、一次側と二次側とを電気的に絶縁して直流電力を融通する絶縁回路１０を実現することができる。また、第１実施例および第２実施例のように、交流電気車の主回路において、コンバータ７０とインバータ５０との間の直流中間回路に、絶縁回路１０を適用することが可能である。そして、第１実施例および第２実施例によれば、主変圧器を不用とした交流電気車用主回路が実現できる。

［変形例］
なお、上述した実施形態は、本発明の適用形態の一例であり、他の形態にも本発明を適用することができる。例えば、絶縁回路１０の適用先は交流電気車に限られるものではない。電動機６０を駆動するインバータ５０を具備する電気回路であれば適用可能であり、何れの電気回路においても、インバータ５０より前の回路構成と、インバータ５０以降の回路構成とを電気的に絶縁することができる。例えば、直流電気車の主回路や、電動機をインバータで駆動する自動車の主回路にも適用可能である。

１０ 絶縁回路
２０ 基本回路
３０ コンデンサ
４０ 制御装置
４１ 絶縁回路制御装置
５０ インバータ
６０ 電動機
７０ コンバータ
８０降圧回路
ＨＬ 高圧側ライン
ＬＬ 低圧側ライン

Claims (3)

1. 一次側と、電動機を駆動するインバータ側に接続される二次側とを電気的に絶縁して直流電力を融通する絶縁回路であって、
   コンデンサと、
   スイッチング素子とダイオード素子とを逆並列接続して構成した第１〜第４基本回路と、
   を備え、
   高圧側ラインの前記一次側に第１基本回路を前記二次側に第３基本回路を当該ダイオード素子の順方向が向き合うように縦続接続し、低圧側ラインの前記一次側に第２基本回路を前記二次側に第４基本回路を当該ダイオード素子の順方向が向き合うように縦続接続し、前記第１基本回路および前記第３基本回路の接続点と、前記第２基本回路および前記第４基本回路の接続点とを前記コンデンサを介して接続して構成し、
   前記第１基本回路及び前記第４基本回路のスイッチング素子をオフとし、前記第２基本回路及び前記第３基本回路のスイッチング素子を交互にオンオフ制御されることで前記電動機の駆動源となる電力を前記一次側から前記二次側に供給し、
   前記第２基本回路及び前記第３基本回路のスイッチング素子をオフとし、前記第１基本回路及び前記第４基本回路のスイッチング素子を交互にオンオフ制御されることで前記電動機による回生電力を前記二次側から前記一次側に供給する、
   絶縁回路。
2. 交流架線電圧を当該交流架線電圧より高い直流電圧に変換するコンバータと、
   電動機を駆動するインバータを少なくともＭ個含むＮ個（Ｎ≧Ｍ≧２）のインバータと、
   前記Ｎ個のインバータそれぞれに対応するＮ個の請求項１に記載の絶縁回路と、
   を具備し、前記Ｎ個の絶縁回路は、一次側が直列接続されて前記コンバータの出力段に接続され、二次側が前記Ｎ個のインバータそれぞれに接続された、
   交流電気車用主回路。
3. 交流架線電圧を当該交流架線電圧より高い直流電圧に変換するコンバータと、
   電動機を駆動するインバータを少なくともＭ個含むＮ個（Ｎ≧Ｍ≧２）のインバータと、
   前記コンバータによって変換された直流電圧を降圧する並列接続された前記Ｎ個のインバータそれぞれに対応するＮ個の降圧回路と、
   一次側が前記降圧回路に接続され、二次側が前記インバータに接続された前記Ｎ個のインバータそれぞれに対応するＮ個の請求項１に記載の絶縁回路と、
   を具備した交流電気車用主回路。

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