JP2019033651A - 電力変換装置及び電力変換方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】地絡が発生した場合でも故障を防止できる電力変換装置を提供する。【解決手段】電力変換装置は、架線1から空芯トランス9の一次側を介して入力される直流電力を交流電力に変換して電動機5に供給する第一の電力変換装置6と、第一の電力変換装置6が発生する高調波電圧を抑制するための第二の電力変換装置10と、空芯トランス9の二次側と第二の電力変換装置10との間に接続された少なくとも1つの遮断器(Q11、Q12)と、空芯トランス9の二次側と第二の電力変換装置10との間において遮断器(Q11、Q12)と並列に接続された少なくとも一つの抵抗108と、を備える。【選択図】図2
Description
本発明は、電力変換装置及び電力変換方法に関し、特に、例えば、いわゆるフィルタリアクトルを備える電力変換装置に適用して好適なものである。
一般的な鉄道駆動システムでは、車両の床下に、架線からの直流電力を交流電力に変換する第一の電力変換装置の他に第一の電力変換装置が発生する高調波電圧を抑制するためのフィルタリアクトルが設けられている。
一方、例えば、鉄道駆動システム以外の系統連系インバータ装置では、第一の電力変換装置のほかに第二の電力変換装置(以下、アクティブフィルタ」という)を設けているものがある。このような系統連系インバータ装置は、電源と第一の電力変換装置との間にトランスを介してアクティブフィルタを接続しているシステムがあり、このアクティブフィルタによって、第一の電力変換装置が発生する高調波電圧を抑制している。(特許文献1参照)。
本願発明者が、雨や雪に晒される鉄道駆動システムの軽量化について鋭意検討した結果、次の知見を得るに至った。
鉄道駆動システムのフィルタリアクトルは重量が重いため、鉄道駆動システムの消費電力量の削減にはフィルタリアクトルの軽量化が有効である。一方、フィルタリアクトルの軽量化のためインダクタンス値を低減すると、第一の電力変換装置が発生する高調波電圧が増大する。
一方、系統連系インバータ装置は屋内に敷設される場合が多く、穏和な環境で使用される。仮に、系統連係インバータ装置のようなアクティブフィルタを鉄道駆動システムに敷設した場合は、車両の床下は雨や雪に晒されるため、フィルタリアクトルに地絡が発生する可能性がある。このようにフィルタリアクトルに地絡が発生すると、直流架線から大電流が流れ、アクティブフィルタが故障するおそれがあった。
本発明は以上の点を考慮してなされたもので、地絡が発生した場合でも故障を防止することができる電力変換装置及び電力変換方法を提案しようとするものである。
かかる課題を解決するため、本発明においては、架線から空芯トランスの一次側を介して入力される直流電力を交流電力に変換して電動機に供給する第一の電力変換装置と、前記第一の電力変換装置が発生する高調波電圧を抑制するための第二の電力変換装置と、前記空芯トランスの二次側と前記第二の電力変換装置との間に接続された少なくとも1つの遮断器と、前記空芯トランスの二次側と前記第二の電力変換装置との間において前記遮断器と並列に接続された少なくとも一つの抵抗と、を備えることを特徴とする。
また、本発明においては、架線から空芯トランスの一次側を介して入力される直流電力を交流電力に変換して電動機に供給する第一の電力変換装置と、前記第一の電力変換装置が発生する高調波電圧を抑制するための第二の電力変換装置と、を備える電力変換装置を用いた電力変換方法において、前記第一の電力変換装置によって、前記架線から前記空芯トランスの一次側を介して入力した直流電力を交流電力に変換する際に、前記空芯トランスの二次側と前記第二の電力変換装置との間に接続された少なくとも1つの遮断器をオフ状態とし、地絡が発生した際に前記架線から入力される地絡電流に伴う前記空芯トランス9の二次側電流を、前記空芯トランスの二次側と前記第二の電力変換装置との間において前記遮断器と並列に接続された少なくとも一つの抵抗に転流することを特徴とする。
本発明によれば、地絡が発生した場合でも故障を防止することができる。
以下、図面について、本発明の一実施の形態について詳述する。
(1)第1の実施の形態
図1は、第1の実施の形態による電力変換装置が搭載された電気車などの概略構成例を示す。電気車には、車両8の上部に設けられた集電装置7を介して架線1から直流電力が供給される。
図1は、第1の実施の形態による電力変換装置が搭載された電気車などの概略構成例を示す。電気車には、車両8の上部に設けられた集電装置7を介して架線1から直流電力が供給される。
車両8の底部には、車両8及び車輪3を各々支持する台車4が設けられている。さらに車両8の底部には、一例としてインバータとして機能する第一の電力変換装置6の他、空芯トランス9、第二の電力変換装置10及び接触器11が設けられている。第二の電力変換装置10は、アクティブフィルタとも呼ばれている。
第二の電力変換装置10は、第一の電力変換装置6が発生する高調波電圧を抑制することにより、集電装置7を介して電源としての架線1からの直流電力に生ずる高調波を低減している。
第一の電力変換装置6及び第二の電力変換装置10の詳細については後述する。なお、第一の電力変換装置6の負電圧側は、車輪3を介して、電気的なグランドとしてのレール2に接続されている。
電気車は、加速する力行動作においては、例えば直流1500Vの電力源である架線1又はレール2から集電装置7を介して車両8に供給される。供給された電力は、接触器11、空芯トランス9及び第一の電力変換装置6を介して直流電力から交流電力に電力変換が実施され、電動機5を駆動する。これにより車輪3が回転することで車両8が前進する。なお、この電動機5は、誘導電動機または永久磁石同期電動機のいずれも適用することができる。
一方、減速する回生動作においては、上述した力行動作とは逆となる。すなわち、電気車は、台車4に支持される車輪3の回転に応じて電動機5が発電機として動作し、第一の電力変換装置6によって交流電力から直流電力に電力変換が実施される。このように電力変換が実施されると、この直流電力は、空芯トランス9及び集電装置7を介して架線1又はレール2に回生される。
図2は、図1に示す電気車の電気的な構成例を示す回路図である。第一の電力変換装置6は、後述するスイッチング素子Q1〜Q6、ダイオードD1〜D6、キャパシタ103及び電圧センサ102bを備える。一方、第二の電力変換装置10は、直流電源104、リアクトル105、キャパシタ106、107、スイッチング素子Q7、Q8、Q11、Q12、及びダイオードD7、D8、D11、D12、並びに抵抗108を備える。
上述した各スイッチング素子Q1〜Q12は、例えば、MOSFET(Metal−Oxide−Semiconductor Field−Effect Transistor)若しくはIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)のような電圧制御型スイッチング素子、または、サイリスタなどの電流制御型スイッチング素子である。なお、本実施の形態では、一例としてスイッチング素子がIGBTであるものとして説明する。
各ダイオードD1〜D12は、例えば、PNダイオードまたはSBD(Schottky Barrier Diode)である。各スイッチング素子Q1〜Q12は、MOSFET及びIGBTなどの複数種類のスイッチング素子が混載していても良い。半導体としては、Si(Silicon:シリコン)、Siよりもバンドギャップが広い半導体であるSiC(Silicon Carbide:炭化ケイ素)、またはGaN(Gallium Nitride:窒化ガリウム)を採用することができる。
第一の電力変換装置6は、電圧センサ102b、キャパシタ103及びスイッチング素子Q1〜Q6を備えており、スイッチング素子Q1、Q2は直列接続されてU相を構成し、スイッチング素子Q3、Q4は直列接続されてV相を構成し、スイッチング素子Q5、Q6は直列接続されてW相を構成する。各スイッチング素子Q1〜Q6には、通電方向が逆方向となるようにダイオードD1〜D6が並列(逆並列に)接続されている。
なお、本実施の形態では、スイッチング素子Q1〜Q6がIGBTであるものとして説明しているため、ダイオードD1〜D6が各々並列に接続されているが、スイッチング素子Q1〜Q6がMOSFETなどのボディダイオードを有する素子である場合にはダイオードD1〜D6を省略することができる。また、直列接続されたスイッチング素子もしくはダイオードが同一のパッケージに搭載されたいわゆる2in1素子を用いても良い。
第一の電力変換装置6は、架線1から入力された直流電力を平滑化し、ノイズを除去するためのキャパシタ103を備えている。また、U相、V相及びW相のスイッチング素子Q1〜Q6は、例えばPWM(Pulse Width Modulation)制御されることにより、キャパシタ103の直流電力を交流電力に変換し、電動機5に対して交流電力を供給可能とする。
電圧センサ102aは、架線1の電圧を検出するために備えられており、電圧センサ102bは、キャパシタ103の電圧を検出するために備えられている。
ところで、架線1には、車両の位置などを検出するための信号機器で使用される高周波電流が流れている。高周波電流は、数Aの小さな電流であるため、第一の電力変換装置6から出力された高周波電流が原因であり、鉄道信号機器の誤動作を引き起こすおそれがある。そのため、空芯トランス9の一次側インダクタンス及びキャパシタ103でフィルタ回路を構成することにより、第一の電力変換装置6から架線1に流れる高周波電流を低減している。
第二の電力変換装置10は、例えばフルブリッジインバータであり、既述のように直流電源104、キャパシタ107及びスイッチング素子Q7〜Q12などを備えている。
スイッチング素子Q7、Q8は直列接続されてU相を構成し、スイッチング素子Q9、Q10は直列接続されてV相を構成する。各スイッチング素子Q7〜Q12には、通流方向が逆方向となるようにダイオードD7〜D12が並列接続される。
ここで、スイッチング素子Q7〜Q12がIGBTである場合にはダイオードD7〜D12を接続する必要があるが、スイッチング素子Q7〜Q12がMOSFETなどボディダイオードを有する素子である場合にはダイオードD7〜D12を接続する代わりにMOSFETのボディダイオードを利用することができる。
第二の電力変換装置10は、例えばPWM(Pulse Width Modulation)制御することにより、キャパシタ107の直流電力を交流電力に変換して出力する。その出力端には、リアクトル105とキャパシタ106で構成されるLCフィルタが接続されている。これにより、PWM制御に起因するスイッチングリプル成分を除去することができる。なお、第二の電力変換装置10のスイッチング周波数が十分に高い場合には、これらリアクトル105及びキャパシタ106を搭載しなくても良い。
キャパシタ106の一端にはスイッチング素子Q11、Q12が互いに逆直列に接続されている。直列接続されたスイッチング素子Q11、Q12には抵抗108が並列に接続されている。これらスイッチング素子Q11、Q12の出力端には空芯トランス9の二次側配線が接続されている。
第二の電力変換装置10は、第一の電力変換装置6から架線1へ流れる高調波電流を抑制するよう動作する。その動作は、第一の電力変換装置6から流れた高調波電流に起因して空芯トランス9の一次側には誘導起電力が生じる。これに対して、第二の電力変換装置10から上記LCフィルタ及びスイッチング素子Q11、Q12を介して上記誘導起電力と逆相となる電流を流すことにより誘導起電力を相殺する。この結果、架線1には高調波電流が流れず、鉄道信号機器の誤動作を防ぐことができる。
図3は、地絡が発生した時の動作シーケンス及び各波形の一例を示す。通常動作において、第二の電力変換装置10に搭載されたスイッチング素子Q11、Q12及び接触器11はオン状態である。
ここで、時刻t=t1において、第一の電力変換装置6と空芯トランス9の一次側との間で地絡が起きたと仮定すると、空芯トランス9の一次側の両端には架線1の直流電圧が印加される。この直流電圧は、例えば、直流1500Vである。このとき、空芯トランス9の一次側電流は、V=L*dI1/dtに基づいて増加する。一例として通常の動作状態において空芯トランス9の一次側電流が400Aであるとすると、地絡が起きた後に空芯トランス9の一次側電流は、例えば2000Aまで増大する。
このように空芯トランス9の一次側電流が増大すると、磁気結合された二次側にも誘導起電力が生じて電流が流れる。この空芯トランスの二次側電流は、キャパシタ106とスイッチング素子Q11、Q12とを循環する。ここで、キャパシタ106が接続されていな場合には、この電流がスイッチング素子Q7〜Q10及びダイオードD7〜D10を通じてキャパシタ107を循環してしまう。
本実施の形態による構成ではないが、例えば仮に、上述したスイッチング素子Q11、Q12が存在しない構成である場合には、空芯トランスの二次側電流を抑制する素子が存在しないため、大電流が流れてしまうおそれがある。例えば、空芯トランス9の二次側電流が1000A流れるとすると、キャパシタ106、107、スイッチング素子Q7〜Q10及びダイオードD7〜D10の電流定格を超過するため、そのままの構成では、第二の電力変換装置10が故障してしまうおそれがある。このように第二の電力変換装置10が故障すると、一見すると、架線1のノイズ電流を抑制する機器が動作しなくなるため、鉄道信号機器の誤動作を招いてしまうおそれがある。
ここで、スイッチング素子Q11、Q12のオンまたはオフ信号は、電流センサ101または電圧センサ102bの信号を基に生成される。これら信号を基に地絡を検出すると、スイッチング素子Q11、Q12がオフ状態となる。ここで、スイッチング素子Q11、Q12は、反応時間が数μsの高速な遮断が可能である半導体で構成する必要があり、仮に、数msの遮断時間を要する機械式の遮断器を採用したのでは、一見すると、従来と同様に空芯トランス9の二次側に大電流が流れてしまうおそれもあるようにも思える。
これに対して本実施の形態では、第二の電力変換装置10と空芯トランス9の二次側との間に接続された少なくとも1つの遮断器としてのスイッチング素子Q11、Q12が設けられているとともに、同様に空芯トランス9の二次側と第二の電力変換装置10との間において当該遮断器と並列に少なくとも一つの抵抗108が設けられている。
スイッチング素子Q11、Q12がオフ状態となると、空芯トランス9の二次側電流は抵抗108に転流される。そのため、地絡電流に伴う空芯トランス9の二次側電流はキャパシタ106と抵抗108とを循環する。この循環電流は、抵抗108で熱として消費されるため、大電流は流れず、100A程度に低減される。
仮にキャパシタ106が搭載されていない構成を考えた場合、この循環電流は、スイッチング素子Q7〜Q10及びダイオードD7〜D10を通じてキャパシタ107を循環するが、抵抗108を介して流れるため100A程度(図示の二次側電流OEに相当)に低減することが可能となる。
時刻t=t2において、接触器11に設定された電流値になると、接触器11がオフ状態となる。この電流値は、例えば2000Aである。このように接触器11がオフ状態となると地絡電流はゼロとなるため、空芯トランス9の二次側は誘導起電力がゼロとなる。
以上のようにして本実施の形態によれば、地絡が発生した場合でも、地絡電流に伴う空芯トランス9の二次側電流を低減できるため、第二の電力変換装置10の故障を防止することができる。
(2)第2の実施の形態
第2の実施の形態による電力変換装置が搭載された電気車は、第1の実施の形態による電力変換装置が搭載された電気車とほぼ同様の構成でありほぼ同様の動作を実行するため、以下、両者の異なる点を中心として説明する。
第2の実施の形態による電力変換装置が搭載された電気車は、第1の実施の形態による電力変換装置が搭載された電気車とほぼ同様の構成でありほぼ同様の動作を実行するため、以下、両者の異なる点を中心として説明する。
図4は、第2の実施の形態による電力変換装置の構成例を示す回路図である。第2の実施の形態では、第一の電力変換装置6、空芯トランス9及びスイッチング素子Q11、Q12の構成及び動作は、第1の実施の形態と同様の構成及び動作であるため、それらの説明は省略する。
第2の実施の形態では、第1の実施の形態による第二の電力変換装置10の代わりに、その構成及び動作とほぼ同様な第二の電力変換装置10Aが設けられている。以下、第2の実施の形態による第二の電力変換装置10Aが、第1の実施の形態による第二の電力変換装置10と異なる点を中心として説明する。
第2の実施の形態においては、第二の電力変換装置10Aがハーフブリッジインバータであり、直流電源104、キャパシタ107a、107b、スイッチング素子Q7〜Q12及びダイオードD7〜D12を備えており、スイッチング素子Q7、Q8は直列接続された構成により一相を構成する。各スイッチング素子Q7〜Q12には、通流方向が逆方向となるようにダイオードD7〜D12が並列(逆並列に)接続される。
ここで、スイッチング素子Q7〜Q12がIGBTである場合には上述のようにダイオードD7〜D12を接続する必要があるが、スイッチング素子Q7〜Q12がMOSFETなどボディダイオードを有する素子である場合には、ダイオードD7〜D12を接続する代わりに、MOSFETのボディダイオードを利用することができる。
上述のように第二の電力変換装置10Aがハーフブリッジインバータである場合、直流電源104の電圧に対してキャパシタ107a、107bで分圧されるため、出力電圧はフルブリッジインバータの半分となる。しかしながら、第二の電力変換装置10Bは、フルブリッジインバータと同様に、空芯トランス9の二次側に所望の電流を流すことができる。これにより、本実施の形態によれば、第1の実施の形態による効果を発揮するとともに、そのような構成により、架線1に流れる高調波電流を低減することができる。
(3)第3の実施の形態
第3の実施の形態による電力変換装置が搭載された電気車は、第1の実施の形態による電力変換装置が搭載された電気車とほぼ同様の構成でありほぼ同様の動作を実行するため、以下、両者の異なる点を中心として説明する。
第3の実施の形態による電力変換装置が搭載された電気車は、第1の実施の形態による電力変換装置が搭載された電気車とほぼ同様の構成でありほぼ同様の動作を実行するため、以下、両者の異なる点を中心として説明する。
図5は、第3の実施の形態による電力変換装置が搭載された電気車の構成例を示す回路図である。第3の実施の形態では、第一の電力変換装置6、空芯トランス9及び第二の電力変換装置10の構成及び動作は、第1の実施の形態と同様であるため、それらの説明は省略する。
第3の実施の形態では、第1の実施の形態による第二の電力変換装置10の代わりに、その構成及び動作とほぼ同様な第二の電力変換装置10Bが設けられている。以下、第3の実施の形態による第二の電力変換装置10Bが、第1の実施の形態による第二の電力変換装置10と異なる点を中心として説明する。
第3の実施の形態では、スイッチング素子Q11、Q12が互いに逆並列となるように接続されており、かつ、ダイオードD11、D12が存在しない構成となっている。
本実施の形態によれば、第1の実施の形態による効果を発揮するとともに、スイッチング素子Q11、Q12が一つのチップで構成されたIGBT(RC−IGBT:Reverse Conduction IGBT)を搭載することにより、スイッチング素子Q11、Q12に逆並列接続されていたダイオードチップ(ダイオードD7、D8)を省略することができるため、第二の電力変換装置10Bの製造コストを低減することができる。なお、RC−IGBTは、双方向の電流をオン/オフすることができるため、第1の実施の形態の効果も同様に発揮することができる。
(4)その他の実施形態
上記実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれらの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。本発明は、その趣旨を逸脱しない限り、様々な形態で実施することができる。例えば、上記実施形態では、各スイッチング素子としてMOSFET御よbいIGBTを取り上げているが、各スイッチング素子はそれらいずれかまたはそれらの組み合わせを採用しても良い。
上記実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれらの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。本発明は、その趣旨を逸脱しない限り、様々な形態で実施することができる。例えば、上記実施形態では、各スイッチング素子としてMOSFET御よbいIGBTを取り上げているが、各スイッチング素子はそれらいずれかまたはそれらの組み合わせを採用しても良い。
本発明は、例えば、いわゆるフィルタリアクトルを備える電力変換装置及び電力変換方法に広く適用することができる。
1……架線、2……レール、3……車輪、4……台車、5……電動機、6……第一の電力変換装置、7……集電装置、8……車両、9……空芯トランス、10、10A、10B……第二の電力変換装置、11……接触器、Q1〜Q12……スイッチング素子、D1〜D12……ダイオード、101……電流センサ、102a、102b……電圧センサ、103、106、107、107a、107b……キャパシタ、104……直流電源、105……リアクトル、108……抵抗。
Claims (6)
- 架線から空芯トランスの一次側を介して入力される直流電力を交流電力に変換して電動機に供給する第一の電力変換装置と、
前記第一の電力変換装置が発生する高調波電圧を抑制するための第二の電力変換装置と、
前記空芯トランスの二次側と前記第二の電力変換装置との間に接続された少なくとも1つの遮断器と、
前記空芯トランスの二次側と前記第二の電力変換装置との間において前記遮断器と並列に接続された少なくとも一つの抵抗と、
を備えることを特徴とする電力変換装置。 - 前記遮断器は、
前記空芯トランスの二次側と前記第二の電力変換装置との間に接続された少なくとも1つの電圧駆動型のスイッチング素子であることを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記少なくとも1つのスイッチング素子には、通電方向が逆となるようにダイオードが並列に接続されており、
前記少なくとも1つのスイッチング素子は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ電圧駆動型素子であることを特徴とする請求項2に記載の電力変換装置。 - 前記遮断器は、
前記空芯トランスの二次側と前記第二の電力変換装置との間において逆並列に接続されており、双方向において電流を遮断可能な2つのスイッチング素子であることを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記少なくとも1つのスイッチング素子は、
シリコン又はシリコンより大きいバンドギャップを有する半導体材料を母材とすることを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。 - 架線から空芯トランスの一次側を介して入力される直流電力を交流電力に変換して電動機に供給する第一の電力変換装置と、前記第一の電力変換装置が発生する高調波電圧を抑制するための第二の電力変換装置と、を備える電力変換装置を用いた電力変換方法において、
前記第一の電力変換装置によって、前記架線から前記空芯トランスの一次側を介して入力した直流電力を交流電力に変換する際に、前記空芯トランスの二次側と前記第二の電力変換装置との間に接続された少なくとも1つの遮断器をオフ状態とし、地絡が発生した際に前記架線から入力される地絡電流に伴う前記空芯トランス9の二次側電流を、前記空芯トランスの二次側と前記第二の電力変換装置との間において前記遮断器と並列に接続された少なくとも一つの抵抗に転流する
ことを特徴とする電力変換装置を用いた電力変換方法。
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