JP2020036475A - 鉄道車両用電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】昇圧チョッパ回路を有する鉄道車両用電力変換装置において、ＬＣフィルタを簡素化し、ひいては、鉄道車両用電力変換装置の小型化を図る。【解決手段】実施形態の鉄道車両用電力変換装置は、直流架線に集電器を介して接続可能であり、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータを備えた鉄道車両用電力変換装置であって、集電器を介して供給された直流電力に含まれる交流成分であって、少なくとも商用交流周波数の６倍以上の周波数を有する第１の交流成分を除去可能なフィルタ回路と、フィルタ回路の出力が入力され、入力電流制御を行って前記商用交流周波数の２倍以下の周波数を有する第２の交流成分を除去しつつ所定の昇圧を行う昇圧チョッパと、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、鉄道車両用電力変換装置に関する。

近年、電気車（電気鉄道車両）用の補助電源装置として、高周波変圧器を用いて、装置全体を小型化する高周波絶縁方式が提案され、実用化されている。

ここで、高周波変圧器を用いるためには、架線からの直流を一旦変圧器に応じた高周波の交流に変換する必要があり、高周波の交流に変換する方式としては、スイッチングによる損失が原理上発生しない共振方式のインバータが知られている。

しかし、共振方式のインバータは、出力電圧調整機能を有さないので、架線電圧が変動すると出力電圧も変動する欠点があり、それを補うため、共振方式インバータの前段に昇圧チョッパを備えることにより共振インバータの入力電圧を安定化させていた。

特開２０１４−２３３１２１号公報

ところで、昇圧チョッパ回路は、原理的にはフィルタリアクトルおよびフィルタコンデンサにより構成されるＬＣフィルタ回路が無くても動作するが、現実には昇圧チョッパのスイッチング脈動（１０ｋＨｚ程度）や、負荷電力の低周波脈動（１５Ｈｚ〜１２０Ｈｚ）あるいは直流架線から供給される直流電力に含まれる商用交流周波数の２倍より高く６倍以下の電圧脈動が含まれることにより、昇圧チョッパ回路は、直流の他、これら脈動に起因する交流電流成分を架線から吸い込むことになる。

これらの交流電流成分は、軌道回路に流れる信号制御電流に影響を与える虞があり、除去することが望まれる。

上記交流電流成分のうち、直流架線から供給される直流電力に含まれる商用交流周波数の２倍より高く６倍以下の電圧脈動については、昇圧チョッパは、原理上、直流架線からから一定の電力となるよう電流を取得するように動作宇するため、入力電流波形制御を行ったとしても入力電流もそれと同じ成分の電流を取得することになり、電流を直流に整形できないという問題点が生じる。

上記課題に鑑み本発明は、昇圧チョッパ回路を有する鉄道車両用電力変換装置において、ＬＣフィルタを簡素化し、ひいては、鉄道車両用電力変換装置の小型化を図ることが可能な鉄道車両用電力変換装置を提供することを目的としている。

実施形態の鉄道車両用電力変換装置は、直流架線に集電器を介して接続可能であり、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータを備えた鉄道車両用電力変換装置であって、集電器を介して供給された直流電力に含まれる交流成分であって、少なくとも商用交流周波数の６倍以上の周波数を有する第１の交流成分を除去可能なフィルタ回路と、フィルタ回路の出力が入力され、入力電流制御を行って前記商用交流周波数の２倍以下の周波数を有する第２の交流成分を除去しつつ所定の昇圧を行う昇圧チョッパと、を備える。

図１は、実施形態の鉄道車両用の電力変換装置の概要構成図である。 図２は、実施形態の電力変換装置１０の詳細構成説明図である。 図３は、ＬＣフィルタの利得特性の説明図である。

次に図面を参照して実施形態について詳細に説明する。
図１は、実施形態の鉄道車両用の電力変換装置の概要構成図である。
電力変換装置１０は、直流架線（直流き電線）１１から直流電力が供給されるパンタグラフ１２と、線路１３を介して接地された車輪１４と、の間の電流経路に開放接触器（遮断器）１５が直列に接続されている。

さらに開放接触器１５の後段には、商用電源の周波数（５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚ）のｎ倍（ｎ：２〜６の整数）の周波数をカットオフ周波数とするＬＣフィルタ１６と、ＬＣフィルタ１６通過した入力直流電圧を昇圧する昇圧チョッパ（非絶縁型昇圧チョークコンバータ）１７と、が接続されている。

さらに昇圧チョッパ１７の後段には、昇圧チョッパ１７の出力である昇圧後の直流電力の高周波成分（ノイズ）を除去して出力するフィルタコンデンサ１８を介して、直流電力を交流電力に変換して出力するインバータ１９が接続されている。

ここで、インバータ１９は、出力端子から出力する交流電力の周波数を商用電源の周波数のｍ倍（ｍ：２以上の整数、実際には、数倍から数十倍）とする。

インバータ１９の出力端子には、インバータ１９の出力電圧をさらに昇圧して出力する（絶縁）トランス２０の一次側端子が接続されている。
トランス２０の二次側端子には、トランス２０が出力した交流電力の全波整流を行って再び直流電力とするダイオード整流器２１が接続されている。

さらにダイオード整流器２１の後段には、ダイオード整流器２１の出力から高周波成分（ノイズ）を除去して負荷ＬＤに出力するフィルタコンデンサ２２が接続されている。
さらにまた、電力変換装置１０は、電力変換装置１０全体を制御する制御部２３を備えている。

ここで、実施形態の具体的な説明に先立ち、実施形態の原理を説明する。
昇圧チョッパ１７は、原理的には、ＬＣフィルタ１６が無くても動作する。
しかしながら、現実的には、昇圧チョッパ１７のスイッチング脈動（１０ｋＨｚ程度）や、負荷電力の低周波脈動（１５Ｈｚ〜１２０Ｈｚ程度）により、昇圧チョッパ１７は、直流の他、これら脈動に起因する交流電流成分が架線１１から入力される（吸い込まれる）ことになる。

これらの交流電流成分のうち、低周波脈動成分に対しては、後に詳述するが、昇圧チョッパ１７の入力電流波形制御で抑えることができる。
しかしながら、昇圧チョッパ１７自身のスイッチング脈動成分に対しては昇圧チョッパ１７の入力電流波形制御では、原理的に抑制できない。

このため、ＬＣフィルタ１６を設け、スイッチング脈動成分を抑制している。
このために用いられるＬＣフィルタ１６としては、１０ｋＨｚ程度の高周波が対象のため、比較的簡単で小型のＬＣフィルタ回路を形成すれば良い。
しかしながら、直流架線１１から供給される直流電力に、商用周波数の６倍調波に起因する電圧脈動が含まれる場合、事情が変わることとなる。

これは、昇圧チョッパ１７の入力電流波形制御は、原理上、直流架線１１から一定の電力となるよう電流を取得するため、直流架線１１に、交流成分が含まれていると、入力電流として、含まれている交流成分の電流を取得することになり、電流を直流に整形できないこととなるからである。

そこで、本実施形態においては、ＬＣフィルタ１６の特性として、架線１１に含まれる周波数成分のうち、少なくとも商用周波数の６倍調波以上の周波数成分を除去可能なカットオフ周波数を有するように設定し、それ以下の周波数の低周波の電流脈動に対しては、昇圧チョッパ１７の入力電流波形制御機能により除去する構成を採っている。

この結果、低周波脈動成分、昇圧チョッパ１７のスイッチング脈動成分及び直流電力に含まれる商用周波数の６倍調波に起因する電圧脈動を除去して安定して電力変換装置を動作させることができるとともに、ＬＣフィルタ１６の構成を簡略化でき、ＬＣフィルタ１６の小型化が図れ、ひいては、電力変換装置１０全体の小型化が図れる。

次に実施形態についてより詳細に説明する。
図２は、実施形態の電力変換装置１０の詳細構成説明図である。
図２において、図１と同様の部分には、同一の符号を付すものとし、その詳細な説明を援用するものとする。

開放接触器１５の後段に設けられたＬＣフィルタ１６は、高電位側電源ラインＰＨ上で、開放接触器１５に直列に接続されたフィルタリアクトル３１と、高電位側電源ラインＰＨと低電位側電源ラインＰＬとの間に接続されたフィルタコンデンサ３２と、フィルタコンデンサ３２と並列に接続された放電抵抗器３３と、を備えている。

昇圧チョッパ１７は、高電位側電源ラインＰＨ上でフィルタリアクトル３１に直列に接続された昇圧リアクトル３４と、昇圧リアクトル３４に直列に接続されたダイオード３５と、昇圧リアクトル３４とダイオード３５の接続点にコレクタ端子が接続され、エミッタ端子が低電位側電源ラインＰＬに接続されたＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）３６と、を備えている。
フィルタコンデンサ１８には、並列に放電抵抗器３７が接続されている。
ダイオード整流器２１は、ブリッジ接続された４個のダイオード３９−１〜３９−４を備えている。

制御部２３は、ＩＧＢＴ３６を制御して昇圧動作を行わせるための昇圧チョッパゲート信号ＢＣＧをＩＧＢＴ３６のゲート端子に出力するチョッパ制御部４０を備えている。

ここで、チョッパ制御部４０の構成例について説明する。
図３は、チョッパ制御部の構成例説明図である。
チョッパ制御部４０は、制御部２３が設定した出力電圧指令値Ｖｃと、実際に検出した出力電圧検出値Ｖｄと、が入力され、それらの差分値ΔＶ（＝Ｖｃ−Ｖｄ）を出力する第１減算器４１と、第１減算器４１の出力した差分値ΔＶに基づいて比例積分制御により電圧制御を行い、電圧に対応する入力電流予測値Ｉｃとして出力する電圧制御器４２と、入力電流予測値Ｉｃと、実際に検出した入力電流検出値Ｉｄと、が入力され、それらの差分値ΔＩ（＝Ｉｃ−Ｉｄ）を出力する第２減算器４３と、第２減算器４３の出力した差分値ΔＩに基づいて比例積分制御により電流制御を行い、出力電流指令値Ｉｏを出力する電流制御器４４と、出力電流指令値Ｉｏの成分のうち所定の周波数以上の高周波成分電流に相当する高周波成分値Ｉｏｈを通過させるハイパスフィルタ４５と、出力電流指令値Ｉｏと、高周波成分値Ｉｏｈと、が入力され、それらの差分値である入力電流波形制御信号ＩＩＣを出力する第３減算器４６と、入力電流は形成御信号ＩＩＣに基づいてパルス幅変調（Pulse Width Modulation）を行って昇圧チョッパゲート信号ＢＣＧを出力するＰＷＭ部４７と、を備えている。

次に第１実施形態の動作を説明する。
鉄道車両用電力変換装置１０は、パンタグラフ１２が直流架線１１に接触した状態で、線路１３を介して接地された車輪１４と、の間の開放接触器（遮断器）１５が閉状態となると、直流架線１１、パンタグラフ１２、開放接触器１５及び車輪１４を介して直流電流が流れることとなる。

図３は、ＬＣフィルタの利得特性の説明図である。
このとき、ＬＣフィルタ１６により、例えば、図３に示すように、商用電源の周波数（５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚ）の６倍の周波数をカットオフ周波数とする特性を有するロウパスフィルタとして機能し、カットオフ周波数未満の周波数成分（直流成分及び低周波成分）を昇圧チョッパ１７に出力する。

従って、ＬＣフィルタ１６から昇圧チョッパに出力される電流からは、昇圧チョッパ１７のスイッチング脈動成分及び直流架線１１から供給される直流電力に含まれる商用周波数の６倍調波成分が除かれた直流電流が供給されることとなる。

この場合において、図３に特性を示すように、負荷電力の低周波脈動（１５Ｈｚ〜１２０Ｈｚ）まで除去可能なようにカットオフ周波数を設定する場合と比較してＬＣフィルタ１６の小型化を容易に図ることができるが、換言すれば、昇圧チョッパ１７へ供給された直流電流には、いまだ負荷電力の低周波脈動成分（１５〜１２０Ｈｚ）が含まれていることとなる。

ここで、チョッパ制御部４０の動作を説明する。
上記ＬＣフィルタ１６の動作と並行して、チョッパ制御部４０の第１減算器４１は、制御部２３が設定した出力電圧指令値Ｖｃと、実際に検出した出力電圧検出値Ｖｄと、が入力され、それらの差分値ΔＶ（＝Ｖｃ−Ｖｄ）を算出して、電圧制御器４２に出力する。

これにより、電圧制御器４２は、出力電圧検出値Ｖｄが出力電圧指令値Ｖｃにより近づくように、第１減算器４１の出力した差分値ΔＶに基づいて比例積分制御により電圧制御を行って、差分値ΔＶを０に近づけるための入力電流予測値Ｉｃとして第２減算器４３に出力する。

第２減算器４３は、入力電流予測値Ｉｃと、実際に検出した入力電流検出値Ｉｄと、の差分値ΔＩ（＝Ｉｃ−Ｉｄ）を算出し、電流制御器４４に出力する。
電流制御器４４は、入力された差分値ΔＩに基づいて比例積分制御により電流制御を行い、出力電流指令値Ｉｏをハイパスフィルタ４５及び第３減算器４６に出力する。
これによりハイパスフィルタ４５は、出力電流指令値Ｉｏの成分のうち所定の周波数以上の高周波成分電流に相当する高周波成分値Ｉｏｈを通過させて第３減算器４６に出力する。
これらの結果、第３減算器４６は、出力電流指令値Ｉｏと、高周波成分値Ｉｏｈと、の差分値である入力電流波形制御信号ＩＩＣをＰＷＭ部４７に出力する。
この場合において、ハイパスフィルタ４５のカットオフ周波数は、低周波の脈動成分として問題となる１５Ｈｚ（＝商用系統の周波数６０Ｈｚの１／４）〜１２０Ｈｚ（＝商用系統の周波数６０Ｈｚの２倍）を通過させるようにされている。
この結果、第３減算器４６の出力である入力電流波形制御信号ＩＩＣには、これらの周波数帯域以上の周波数成分を含まないほぼ直流成分のみが含まれた状態となっている。

入力波形制御信号ＩＩＣが入力されたＰＷＭ部４７は、パルス幅変調を行って入力電流波形制御信号ＩＩＣに対応する昇圧チョッパゲート信号ＢＣＧを出力する。
この結果、昇圧チョッパ１７のＩＧＢＴ３６のゲート端子には、昇圧チョッパゲート信号ＢＣＧが入力されて、昇圧チョッパ１７が駆動される。

このときの昇圧チョッパゲート信号ＢＣＧは、カットオフ周波数を超える周波数（負荷電力の脈動成分であって、問題となる１５Ｈｚ〜１２０Ｈｚの成分）は除去された状態で昇圧チョッパ１７に入力される。

したがって、上述したＬＣフィルタ１６から昇圧チョッパ１７に出力される電流からは、負荷電源の低周波成分（１５〜１２０Ｈｚ）及び直流架線１１から供給される直流電力に含まれる商用周波数の６倍調波成分（３００Ｈｚ及び３６０Ｈｚ）及び昇圧チョッパ１７のスイッチング脈動成分（１０ｋＨｚ）が除かれた直流電流が供給され、ひいては、昇圧チョッパ１７からこれらの成分が除かれた昇圧直流電流が出力されることとなる。

昇圧チョッパ１７から出力された昇圧直流電流は、フィルタコンデンサ１８により高周波成分が除去されて、インバータ１９に供給される。
インバータ１９は、交流電力の周波数を商用電源の周波数のｍ倍（ｍ：２以上の整数、実際には、数倍から数十倍）として、出力端子から出力する。

そして、インバータ１９の交流電力出力は、トランス２０の一次端子側に入力され、トランス２０は、一次コイル及び二次コイルの巻数比に対応した昇圧比で変換して後段のダイオード整流器２１へ出力する。ここで、トランス２０の一次側及び二次側との間は絶縁されているので、電力変換装置１０は絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータとして機能する。

ダイオード整流器２１は、トランス２０が出力した交流電力の全波整流を行って再び直流電力として出力し、フィルタコンデンサ２２は、ダイオード整流器２１の出力から電力変換に伴って生じた高周波成分（ノイズ）を除去して負荷ＬＤに出力する。

以上の説明のように、本実施形態によれば、ＬＣフィルタを簡素化し、ひいては、鉄道車両用電力変換装置の小型化を図ることができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。

１０ 鉄道車両用電力変換装置
１２ パンタグラフ
１３ 線路
１４ 車輪
１５ 開放接触器
１６ ＬＣフィルタ
１７ 昇圧チョッパ
１８ フィルタコンデンサ
１９ インバータ
２０ トランス
２１ ダイオード整流器
２２ フィルタコンデンサ
２１ 制御部
４０ チョッパ制御部
４１ 第１減算器
４２ 電圧制御器
４３ 第２減算器
４４ 電流制御器
４５ ハイパスフィルタ
４６ 第３減算器
４７ ＰＷＭ部
ＢＣＧ 昇圧チョッパゲート信号
Ｉｃ 入力電流予測値
Ｉｄ 入力電流検出値
Ｉｏ 出力電流指令値
Ｉｏｈ 高周波成分値
ＩＩＣ 入力電流波形制御信号
Ｖｃ 出力電圧指令値
Ｖｄ 出力電圧検出値

Claims (4)

1. 直流架線に集電器を介して接続可能であり、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータを備えた鉄道車両用電力変換装置であって、
   前記集電器を介して供給された直流電力に含まれる交流成分であって、少なくとも商用交流周波数の６倍以上の周波数を有する第１の交流成分を除去可能なフィルタ回路と、
   前記フィルタ回路の出力が入力され、入力電流制御を行って前記商用交流周波数の２倍以下の周波数を有する第２の交流成分を除去しつつ所定の昇圧を行う昇圧チョッパと、
   を備えた鉄道車両用電力変換装置。
2. 前記フィルタ回路は、前記商用交流周波数の２倍より高く６倍以下の所定の周波数をカットオフ周波数として設定され、前記第１の交流成分を除去可能とされている、
   請求項１記載の鉄道車両用電力変換装置。
3. 前記フィルタ回路は、前記商用交流周波数の６倍の周波数をカットオフ周波数として設定され、前記第１の交流成分を除去可能とされている、
   請求項１記載の鉄道車両用電力変換装置。
4. 前記昇圧チョッパの出力に基づいて直流／交流変換を行うインバータと、
   前記インバータに一次側が接続され、二次側から昇圧した交流電力を出力するトランスと、
   前記トランスの二次側から出力された交流電力の整流を行うダイオード整流器と、
   を備えた請求項１又は請求項２記載の鉄道車両用電力変換装置。

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