JP3843438B2 - 電気車用電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、インバータ・コンバータにおける電流や電圧を制御情報として制御
する電気車用電力変換装置に係り、特に鉄道車両に用いられるような高電圧でノ
イズレベルが大きい電気車用電力変換装置に対応する技術に関する。

従来の技術は、例えば特許文献１（特開平６−３０３７７８号公報）に記載さ
れている。この公報には、汎用の誘導電動機を駆動するインバータ装置の構成が
記載されている。この従来のインバータ装置のブロック図が同公報の第２２図お
よび第２３図に示されている。ここで、インバータの出力電流および直流電圧は
電流センサ及び電圧センサで検知され、この検知された信号は、アナログ信号の
状態で制御基盤８００にフィードバックされる。このフィードバックされたアナ
ログ信号は、制御基盤内のマイコン８０１に内蔵されたＡ／Ｄ変換器によりデジ
タル信号に変換され、制御情報として用いられる。
しかし、汎用のインバータ装置に比べて電気車用の電力変換装置（インバータ
あるいはコンバータ装置）は、主回路電圧が高いため、スイッチングによるノイ
ズレベルが大きい。このようなノイズの大きな環境下で制御情報をアナログ信号
のまま転送するとノイズが混入する。また、ノイズの発生源である主回路の近く
に配置される制御回路においては、その制御回路内にＡ／Ｄ変換器回路などのア
ナログ回路を備えることはノイズ混入を招くことになる。
これらのノイズ混入を防止するためには、ノイズの発生源である主回路から制
御回路を物理的に遠ざけてしまうことが考えられる。
しかし、主回路と制御回路とを物理的に遠ざけて配置することは、電力変換装
置の全体の大型化を招く。例えば、電気車では、車両内の設置スペースに限りが
あるため、電気車用の電力変換装置としては、大型化は好ましくない。

特開平６−３０３７７８号公報

そこで、本発明の課題は、電気車のように主回路電圧が高く、主回路が発生す
るノイズレベルが大きな環境下においても、耐ノイズ性と小型化を両立させた電
気車用電力変換装置を提供することにある。

本発明は、直流電源にフィルタコンデンサを介して接続され、直流を３相の交
流に変換する主回路と、主回路の交流側の３相分の各電流を検出する電流検出手
段と、電流検出手段からの検出情報に基づいて主回路を制御する制御装置とを備
えた電気車用電力変換装置において、３相分の各電流を検出する電流検出手段は、
各相毎に電流の瞬時値をアナログ信号として検出する手段と、該検出したアナロ
グ信号を各相毎にデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換手段と、該Ａ／Ｄ変換手段
で変換されたデジタル信号を各相毎に一時記憶するバッファと、該各バッファに
記憶されたデジタル信号を順次時分割にシリアル出力する共通のシリアルインタ
フェースとを内蔵し、電流検出手段のシリアルインタフェースと制御装置とはシ
リアル伝送ケーブルで接続され、電流検出手段から制御装置への検出情報がデジ
タル信号でシリアル伝送されることを特徴とする。

そのため、検出された信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器回路（アナログ回路）
を制御装置に設けなくて済み、耐ノイズ性を増すことができる。
このように制御装置の耐ノイズ性を増すことで、ノイズの発生源である主回路
の近くに制御装置を配置することができ、電力変換装置全体の小型化を実現する
ことができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を第１の実施例，第２の実施例，第
３の実施例を示して説明する。

以下、本発明の第１の実施例を第１図を用いて説明する。
第１図は、直流電力を交流電力に変換し、交流モータ６を駆動する電気車のイ
ンバータ装置における構成の概要をブロック図で示している。
インバータ装置は、直流電圧Ｖｄを三相のモータ電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗに変換
するスイッチング素子（ＩＧＢＴ素子）等からなる主回路３と、主回路３の直流
側に接続され、主回路３に直流電源を供給し、かつ平滑化するフィルタコンデン
サ４と、運転台５からの運転指令，検出されたモータ電流，フィルタコンデンサ
電圧に基づいて変調率を生成し、それをＰＷＭパルス情報ａに変換してゲートド
ライブ２に出力する制御装置１と、そのＰＷＭ情報ａを主回路３内のスイッチン
グ素子のゲート信号ｂに変換するゲートドライブ２から構成される。運転台５は、
力行・回生指令，ノッチ信号，ブレーキ指令などの運転指令を出力する。この運
転指令は、シリアル伝送ケーブル９Ｃによって制御装置１に伝送される。電気車
を駆動する交流モータ６は、主回路３の交流側に接続されている。
なお、第１図では明示していないが、主回路３内にはＵＶＷの各三相分×Ｐ・
Ｎ側の２極＝６個のＩＧＢＴ素子が内蔵されている。このため、ゲートドライブ
２から主回路３へ送るゲート信号ｂは６本、同様に制御装置１からゲートドライ
ブ２へ送るＰＷＭパルス情報ａも６本の信号線で送られる。
主回路３の直流側には、フィルタコンデンサ４の端子電圧Ｖｄを検出する直流
電圧センサ（ＰＴ）７が設けられ、交流側には、モータ電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗの
瞬時値を検出するモータ電流センサユニット８が設けられる。各センサ７，８に
は、シリアル信号伝送用の接続端子として入力用と出力用とが設けられている。
これにより、直流電圧センサ（ＰＴ）７の出力用接続端子とモータ電流センサユ
ニット８の入力用接続端子はシリアル伝送ケーブル９Ａで接続され、センサユニ
ット８の出力用接続端子と制御装置１の入力用接続端子はシリアル伝送ケーブル
９Ｂで接続される。このように、センサ７，８と制御装置１は、シリアル伝送ケ
ーブル９Ａ〜９Ｂを介して直列に接続される。
なお、運転台５と直流電圧センサ（ＰＴ）７とをシリアル伝送ケーブルで接続
しても良い。
なお、各センサ７，８は、検出したアナログ信号を内蔵のＡ／Ｄ変換機能によ
りデジタル信号に変換する機能と、（すべてのセンサが−続きのシリアル伝送ケ
ーブルで接続されるため）センサの出力が衝突しないようシリアル信号線のアク
セス権を調停しながら、Ａ／Ｄ変換されたデジタル信号を時分割してシリアル出
力するシリアルインタフェース機能を備えている。シリアル信号線のアクセス権
の調停方法及びシリアルインタフェースの動作例に関しては第５図で説明する。

第２図は、第１図におけるモータ電流センサユニット８の詳細構成図である。
モータ電流センサユニット８は、モータ電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗの瞬時値をそれ
ぞれ検出する電流検出装置８１ａ〜８１ｃと、Ａ／Ｄ変換する際の前処理として
周波数帯域を制限するためのフィルタ装置８２ａ〜８２ｃと、アナログ信号をデ
ジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換装置８３ａ〜８３ｃと、Ａ／Ｄ変換されたデー
タを順次シリアルインタフェース８５に送るため、データを一次待機させるバッ
ファ８４ａ〜８４ｃと、デジタル信号に変換されたモータ電流値をシリアル信号
線のアクセス権を調停しながら時分割してシリアル出力する機能を備えたシリア
ルインタフェース８５から構成される。なお、図示してはいないが、シリアルイ
ンタフェース８５には、Ａ／Ｄ変換装置８３ａ〜８３ｃからの信号を一次待機さ
せるバッファを有している。
電流検出装置８１ａ〜８１ｃは、ホール効果を利用したもので、リング８１１
ａ〜８１１ｃの中に検出する電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗをそれぞれ通して測定する。
フィルタ装置８２ａ〜８２ｃは、検出した信号の周波数帯域を、Ａ／Ｄ変換装置
８３ａ〜８３ｃのサンプリング周波数の半分以下に制限するために設けている。
また、シリアル伝送ケーブル９Ａ，９Ｂは、電源線９１とアース線９２と信号
線９３の３本構成とする。モータ電流センサユニット８にこのシリアル伝送ケー
ブル９Ａ，９Ｂを接続して信号の配線のほか、必要な電源を供給できるものとす
る。なお、電源は制御装置１から供給するものとする。
またモータ電流センサユニット８は、検出したモータ電流の瞬時値をＡ／Ｄ変
換して送るだけでなく、所定の演算（例えば、過電流検知や実効値演算など）を
施した後のデータを送っても構わない。
直流電圧センサ（ＰＴ）７の詳細構成図は図示しないが、第２図の電流検出装
置８１ａ〜８１ｃが電圧検出装置に置き換わり、電圧検出装置，フィルタ装置，
Ａ／Ｄ変換器、バッファが１つとなるのみで、他の構成は変わらないものとする。

第３図は、第１図の回路構成における具体的な実装構成図（分解斜視図）を示
す。
制御装置１，ゲートドライブ２，主回路モジュール３０（主回路３を含む）は、
上方からの投影図形がほぼ同じになるようなケースに納められており、下から順
に主回路モジュール３０（主回路３を含む），ケートドライブ２，制御装置１お
よび制御装置１の蓋１０の順に重ねて配置されている。
さらに、これら装置の側面には凹部が設けてあり、これら凹部と、フィルタコ
ンデンサ４の凸部及びモータ電流センサユニット８とが組み合うようになってい
る。なお、図面では、制御装置１，ゲートドライブ２，主回路モジュール３０，
センサ７，８を切り離して図示しているが、これらは一体構成となっている。
制御装置１の内部には、第４図で詳述するインバータ制御装置を行うマイコン
やＰＷＭパルスを出力する電気・光変換素子などを実装したプリント板１１をケ
ースからホールダ１２により浮かせた状態で固定している。制御装置１の両側面
には、プリント板１１を冷却するために通気口１３を設けており、ちゃうど通気
口１３の高さの中央付近にプリント板１１を置いている。制御装置１の前面にシ
リアル伝送ケーブルの接続端子１４ａ，１４ｂを２個設けている。なお、図示し
ていないが、制御装置１の底面には、ＰＷＭパルス情報ａをゲートドライブ２に
伝達するための電気・光変換素子（Ｅ／Ｏ）が取り付けられている。
ゲートドライブ２の内部には、ゲート回路を実装したプリント板２１を制御装
置１と同様にゲートドライブ２のケースからホールダ２２により浮かせた状態で
固定している。また制御装置１よりＰＷＭパルス情報ａを受け取るために光・電
気変換素子（Ｏ／Ｅ）２３が取り付けられている。なお、図示していないが、ゲ
ートドライブ２の底面には、ゲート信号ｂを主回路モジュール３０に伝達するた
めのゲート信号コネクタが取り付けられている。
制御装置１の電気・光変換素子（Ｅ／Ｏ）とゲートドライブ２の光・電気変換
素子（Ｏ／Ｅ）２３の間は、両装置１，２間の電気的絶縁のために光ファイバー
ケーブルで接続し、光信号によりＰＷＭパルス情報ａを伝送する仕組みになって
いる。
主回路モジュール３０の内部には、ゲートドライブ２よりゲート信号ｂを受け
取るためのゲート信号コネクタ３１と、フィルタコンデンサ４（端子４１ａ，４
１ｂ）より直流電圧Ｖｄを受け取るための直流電圧端子３２ａ，３２ｂ（三相分）
と、フィルタコンデンサ４によって安定化された直流電圧Ｖｄを三相のモータ電
流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗに変換する主回路３と、交流モータ６にモータ電流ｉｕ，ｉ
ｖ，ｉｗを供給するためのモータ電流端子３３（三相分）が取り付けられている。
主回路３は、三相×Ｐ側／Ｎ側の合計６個の電力用半導体素子から構成され、三
相それぞれ、Ｐ側とＮ側の電力用半導体素子の端子を接続プレート（ブスバー）
３４により、モータ電流端子３３および直流電圧端子３２ａ，３２ｂに接続し、
さらにモータ電流端子３３にはモータ電流ケーブル３０１を接続する。
なお、図示していないが、電気車用の主回路３はフィンなどの冷却装置が必要
で、それらを取り付けるために主回路モジュール３０の底面には穴を開けている。

フィルタコンデンサ４の上部には、フィルタコンデンサ４の端子電圧Ｖｄを測
定する直流電圧センサ（ＰＴ）７が取り付けられている。ただし必ずしも直流電
圧センサ（ＰＴ）７をフィルタコンデンサ４の上部に配置する必要はなく、フィ
ルタコンデンサ４の近くにあれば、下でも横でも構わない。なお、フィルタコン
デンサ４を主回路モジュール３０の近くに配置するのは配線距離を短くするため
である。また、直流電圧センサ（ＰＴ）７は、フィルタコンデンサ４と一体の部
品にまとめられても、別々の部品でネジやビスなどによって固定されても構わな
い。直流電圧センサ（ＰＴ）７は、シリアル伝送ケーブル端子７１ａ，７１ｂを
２個備えており、他のセンサ（モータ電流センサユニット８）のシリアル伝送ケ
ーブル接続端子に接続するものとする。
モータ電流センサユニット８は、モータ電流センサユニット８の３個の穴の中
をそれぞれモータ電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗのケーブル３０１を通す。モータ電流セ
ンサユニット８は、シリアル伝送ケーブルの接続端子８１ａ，８１ｂを２個備え
ており、それぞれ直流電圧センサ（ＰＴ）７のシリアル伝送ケーブル接続端子７
１ａと制御装置１のシリアル伝送ケーブル接続端子１４ｂに接続するものとする。

本実施例においては、主回路３の直流側と交流側を主回路モジュール３０の同
じ側に設けられており、交流線３０１は、主回路モジュール３０のフィルタコン
デンサ４側から設けられている。また、電流センサユニット８は、主回路３（主
回路モジュール３０）の近くに配置、つまり交流線３０１（主回路３側）の根元
付近に配置され、フィルタコンデンサ４と主回路モジュール３０の間に配置され
ている。また、ゲート信号コネクタ３１は、主回路３を挟んで、主回路３の交流
側と反対の位置で、主回路モジュール３０に設けられている。

第４図は、第１図における制御装置１の詳細構成図である。
制御装置１は、シリアル伝送ケーブル９Ｃを介して運転台５から伝えられるシ
リアル信号の運転指令や各種保護信号を、パラレル信号の情報に変換するシリア
ルインタフェース１０１ａと、シリアル伝送ケーブル９Ｂを介して各種センサ７，
８から送られてくるフィルタコンデンサ電圧Ｖｄおよびモータ電流ｉｕ，ｉｖ，
ｉｗの瞬時値のシリアル信号を、パラレル信号の制御情報に変換するシリアルイ
ンタフェース１０１ｂと、これらの制御情報に基づいて変調率演算を行う制御ユ
ニット１０２と、この生成された変調率からＰＷＭパルス情報ａを生成するパル
ス出力装置１０３と、ＰＷＭパルス情報ａをゲートドライブに出力するための電
気・光変換素子（Ｅ／Ｏ）ユニット１０４から構成されている。
制御ユニット１０２は、シリアルインタフェース１０１ａ，１０１ｂによって
変換されたパラレル信号の制御情報が書込まれる記憶装置１０５ａ，１０５ｂと、
記憶装置１０５ａ，１０５ｂより任意のタイミングで制御情報を読み出して変調
率演算処理を行うＣＰＵ１０６とから構成されている。なお、パルス出力装置１
０３はデジタル信号を取り扱うデバイスである。
ＣＰＵ１０６は、記憶装置１０５ａを参照し、運転台５より送られた力行・回
生指令，ノッチ信号，ブレーキ指令などからトルク指令又は速度指令の制御指令
を生成する制御指令生成部１０７と、生成された制御指令より電流指令の時系列
パターンを生成する電流指令生成部１０８と、記憶装置１０５ｂを参照して電流
を読み出す電流読出部１０９と、電流指令生成部１０８により生成された電流指
令値と、電流続出部１０９により読み出された電流検出値より電流制御を行う瞬
時電流制御部１１０と、電流読出部１０９により読み出された電流検出値よりモ
ータの回転速度を推定する速度推定部１１１と、速度推定部１１１により推定さ
れたモータの回転速度を積分して位相を求める位相演算部１１２と、瞬時電流制
御部１１０によって求められた電圧パターンと位相演算部１１２によって求めら
れた位相より変調率を演算し、求めた変調率をパルス出力装置１０３に送信する
変調率演算部１１３より構成されている。
電気・光変換素子（Ｅ／Ｏ）ユニット１０４は、６個の電気・光変換素子（Ｅ
／Ｏ）から構成されている。パルス出力装置１０３は、これら６個の電気・光変
換素子（Ｅ／Ｏ）と接続されている。
第４図では、制御ユニット１０２を汎用のＣＰＵ１０６および記憶装置１０５
ａ，１０５ｂから構成したが、必ずしもこの構成にする必要はなく、例えば制御
ユニット１０２はゲートアレイやＡＳＩＣなどの１チップＬＳＩで構成してもよ
い。

第５図は、シリアル伝送ケーブル上で伝送されるデータの構成を示す。
シリアル伝送ケーブル９Ａ，９Ｂ上では、一定のサンプリング周期ごとにフレ
ームと呼ばれるシリアルバス構造のデータが送られる。シリアル伝送ケーブル９
Ａ，９Ｂ上は通常“Ｈ”レベルにプルアップされているが、１ビット期間“Ｌ”
レベルにセットすることで（これをスタートビットと呼ぶ）１フレームの始まり
とする。スタートビットの後、各センサは、ＩＤ（識別番号）の順序に従って、
一定のデータ長からなるデータをシリアル伝送ケーブル９上に出力する。このよ
うにして、制御装置１に送られるデータは、第５図に示したような構成となる。
この図においては、モータ電流センサユニット８にＩＤ＝０〜２（Ｕ相モータ電
流にＩＤ＝０，Ｖ相モータ電流にＩＤ＝１，Ｗ相モータ電流にＩＤ＝２）、直流
電圧センサ５にＩＤ＝３が割り当てられている。
なお、ＩＤの設定は、各センサにディップスイッチを備えて固定的に設定して
も構わないし、電源投入時にシリアル伝送ケーブル上に接続されているデバイス
を検出して自動的にＩＤを割り当てても構わない。
センサ７，８は、シリアル伝送ケーブル９上の状態を常に監視し“Ｌ”レベル
（スタートビット）になるのを待っている。ＩＤ＝０のＵ相のモータ電流には、
スタートビット終了後すぐにある一定期間だけシリアル伝送ケーブル９上への書
き込み権が与えられるので、その間にＡ／Ｄ変換したＵ相モータ電流ｉｕの瞬時
値を時分割して出力する。ＩＤ＝１のＶ相のモータ電流には、スタートビット終
了後、ＩＤ＝０のＵ相のモータ電流に対してシリアル伝送ケーブル９上への書き
込み権が与えられた後、ある一定の期間だけシリアル伝送ケーブル９上の書き込
み権が与えられるので、その間にＡ／Ｄ変換したＶ相のモータ電流ｉｖの瞬時値
を時分割して出力する。ＩＤ＝２のＷ相のモータ電流には、スタートビット終了
後、ＩＤ＝０および１の電流に対してシリアル伝送ケーブル９上への書き込み権
が与えられた後、ある一定の期間だけシリアル伝送ケーブル９上への書き込み権
が与えられるので、その間にＡ／Ｄ変換したＷ相モータ電流ｉｗの瞬時値を時分
割して出力する。ＩＤ＝３の直流電圧センサ７は、スタートビットの終了後ＩＤ
＝０〜２のモータ電流センサユニット８にシリアル伝送ケーブル上への書き込み
権が与えられた後、ある一定の期間だけシリアル伝送ケーブル９上への書き込み
権が与えられるので、その間にＡ／Ｄ変換した直流電圧値Ｖｄの瞬時値を時分割
して出力する。そして、各センサは、再びスタートビットを待ち続ける。
なお、シリアル伝送ケーブル９上への書き込みの調停は上記のように行うが、
シリアル伝送ケーブル上の読み出しは自由にできるので、制御装置１はスタート
ビットの後、センサＩＤの順にデータを読み続けることにより、制御情報を得る
こともできる。

以上、本発明の第１の実施例によれば、検出された主回路における電圧又は電
流を直ちにデジタル信号に変換して制御装置に送信し、それに伴い、少なくとも
制御装置の主たる機能である電圧又は電流を制御情報として用いる制御機能に関
してはデジタル化としている。そのため、センサと制御装置間の伝送中にノイズ
の影響を受けても、制御装置側へのノイズの影響を少なくすることができる。ま
た、制御装置自身の耐ノイズ性も増すことができる。このように、耐ノイズ性を
増すことで、ノイズの発生源である主回路の近くに、制御装置とこの制御装置と
センサ間の伝送ケーブルとを配置することができ、伝送ケーブルの省線化と電力
変換装置全体の小型化を実現することができる。（なお、本実施例では、検出さ
れた電圧及び電流をデジタル信号として制御装置に送信することにより、制御装
置内の制御機能をすべてデジタル化している。）
また、上述のように電圧又は電流を制御情報として用いる制御機能に関しては
デジタル化が可能となるので、制御装置が熱変動にも強くなるという効果も奏す
る（アナログ回路は熱変動に弱い）。

ところで、鉄道車両の場合、電力変換装置の主回路電圧が高く、スイッチング
によるノイズレベルが大きいため、通常、センサと制御装置を接続する信号線及
び主回路にシールドを設けている。そのため、電力変換装置の艤装が面倒となり、
また、電力変換装置の大型化を招いていた。
本実施例は、電流又は電圧を検出するセンサに、検出したアナログ信号をデジ
タル信号に変換するＡ／Ｄ変換機能を内蔵し、センサと制御装置間をデジタル伝
送とし、制御装置をデジタル化している。
そのため、センサと制御装置間の伝送中に主回路からのノイズの影響を受けて
も、制御装置側へのノイズの影響を少なくすることができるので、センサと制御
装置を接続する伝送ケーブル及び主回路にシールドを設けることなく、電力変換
装置の小型化及び艤装の容易を図ることができる。
また、鉄道車両の場合、振動対策が重要である。特に装置間を長いケーブルで
接続する場合には、ケーブルの振動を防ぐためにケーブルを固定する必要がある
ほか、ケーブルのコネクタの脱落を防ぐためにネジ止めなどの対策が必要である。
このため、装置間の距離が離れると、ケーブル及びケーブルの支持構造による容
積が無視できないため、インバータ装置（又はコンバータ装置）全体の大型化に
つながる。また、配線作業の手間がかかるという問題点がある。
本実施例では、少なくとも制御装置の主たる機能である電圧又は電流を制御情
報として用いる制御機能に関してはデジタル化が可能となるので、耐ノイズ性を
増すことができる。このため、制御装置の耐ノイズ性を増すことで、ノイズの発
生源である主回路の近くに制御装置を配置することができ、装置間のケーブルを
短くできるので上記問題点を解決できる。
また同様に、鉄道車両の場合、汎用インバータ装置に比べて主回路の発熱量が
大きいほか、力行・惰行・回生といったサイクルでインバータ装置を動作させる
（このうちインバータ装置がフル稼働しているのは力行・回生時のみ）ため、比
較的短いサイクルで大きな熱変動が起こる。温度によって抵抗やコンデンサなど
の特性変化があるため、アナログ回路は熱変動に弱い。
本実施例では、少なくとも制御装置の主たる機能である、電圧又は電流を制御
情報として用いる制御機能に関してはデジタル化が可能となるので、熱変動に強
くなる。

また、本発明の第１の実施例によれば、主回路モジュール３０（主回路３を含
む）、ゲートドライブ２，制御装置１の側面には凹部が設けてあり、これら凹部
と、フィルタコンデンサ４の凸部とおよびモータ電流センサユニット８と組み合
うようになっているので、電力変換装置をコンパクトにすることが可能となる。
また、本発明の第１の実施例によれば、三相のモータ電流をそれぞれ検出する
センサを設けず、モータ電流センサユニット８で三相のモータ電流を一括して検
出しているので、制御装置とセンサ間の伝送ケーブル又はセンサ間を接続するシ
リアル伝送ケーブルを不要とすることができる。
また、本発明の第１の実施例によれば、センサと制御装置間の伝送をシリアル
で行っているため、信号線の本数を削減することができる。
また、本発明の第１の実施例によれば、複数のセンサは、検出したアナログ信
号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換機能と変換されたデジタル信号を時分割
にシリアル出力する機能（シリアルインタフェース）をそれぞれ備え、これら複
数のセンサと制御装置とをシリアル伝送ケーブルで直列に接続しているので、各
センサと制御装置にそれぞれ伝送線を設けることに比べ伝送線を大幅に削減する
ことができる。また、シリアル伝送するため、パラレルで伝送する場合に比べ、
信号線の本数も大幅に削減することができる。これらの削減効果により、配線の
取り回しやケーブルの接続作業が容易になるといったメリットも生まれる。また、
複数センサと制御装置とをシリアル伝送ケーブルで直列に接続しているので、セ
ンサの情報を入力する制御装置の入力用接続端子は１つで済み、制御装置の小型
化を図ることができる。

また、各センサ，制御装置とをシリアル伝送ケーブルで直列に接続する（制御
装置が端となる）ことにより、試験時の対応が容易となる。試験時に車上でモー
タ電流や直流電圧などの各種センサ情報を観測するなどの用途で、制御装置に入
力するセンサ情報を車上に伝送したい場合がある。このような場合、従来のアナ
ログ信号によるパラレル接続の場合はすべての信号配線に分岐を設け、さらに分
岐した配線をすべて車上まで配線する必要があった。ところが、本実施例のよう
なシリアル接続の場合、制御装置に入力する直前のシリアル伝送ケーブルにはす
べてのセンサの情報が含まれているので、そこに信号を分岐する装置を設け、１
本のシリアル伝送ケーブルのみ車上まで導けば良い。
また、各センサ，制御装置とをシリアル伝送ケーブルで直列に接続する（制御
装置が端となる）ことにより、センサの追加が容易となる。制御上必須の情報で
ないが、試験時に制御性能の確認のために新たにセンサを追加することがある。
例えば乗り心地測定のための振動センサ，騒音計，主回路の温度センサ，制御
装置箱の冷却風の風量計などがあげられる。このようなセンサの情報を制御装置
に取り込む場合、既存のセンサのシリアル伝送ケーブルによる直列接続のチェイ
ンの末尾に追加する、あるいは途中に割り込めば良いので、試験用のためだけに
新たに信号の入力部（コネクタ）を設ける必要はない。また前段で挙げた車上モ
ニタ機能を用いて上記センサの情報を容易に車上に伝送することができる。
また、各センサ，制御装置とをシリアル伝送ケーブルで直列に接続する（制御
装置が端となる）ことにより、伝送ケーブル全体の距離を短くすることができ、
主回路３から発生するノイズを、伝送ケーブルで拾うことが少なくなる。

また、本発明の第１の実施例によれば、センサにフィルタ装置が内蔵されてい
るので、各種センサの出力電圧レベルなどの差異もセンサ側で対応できるため、
制御装置１のハードウェアは変更しないでよい。つまり、従来、フィルタ装置は、
制御装置に内蔵されており、センサの出力電圧に応じて、このフィルタ装置を変
換又は調整していたが、本実施例は、センサにフィルタ装置が内蔵されているた
め、センサごと変換するのみで対応できる。
また、本発明の第１の実施例によれば、主回路３の直流側と交流側を主回路モ
ジュール３０の同じ側に設けて、交流線３０１は主回路モジュール３０のフィル
タコンデンサ４側から設けている。そのため、主回路モジュール３０の片側にフ
ィルタコンデンサからの直流電圧を取り込むコネクタとモータ電流を取り出すコ
ネクタ（交流線３０１含む）をまとめることで、高電圧側配線をまとめることが
できる（絶縁対策及びノイズ対策の観点から、高電圧配線と低電圧配線は分離す
ることが望ましい）。
また、本発明の第１の実施例によれば、電流センサユニット８は、主回路３
（主回路モジュール３０の近くに配置（交流線３０１の主回路３側の根元付近に
配置）されるので、交流線３０１の途中でシールドを１部取り外すことがなくな
る（高電圧・大電流の交流線には通常、フェライトコアに交流線を通したり、あ
るいは交流線のシールドを巻いたりするなどの電磁誘導障害対策が必要となる。
このため交流線にセンサを取り付けるためには、シールドを一部取り外す必要が
あるが、シールドを一部取り外すことは電磁誘導障害の対策上好ましくない）。
また、本発明の第１の実施例によれば、電流センサユニット８はフィルタコン
デンサ４と主回路モジュール３０の間に配置されているので、直流電圧センサ
（ＰＴ）７と電流センサユニット８を接続するシリアル伝送ケーブル９Ａを短く
配線することができる。
また、本発明の第１の実施例によれば、ゲート信号コネクタ３１は、主回路３
を挟んで、主回路３の交流側と反対の位置で、主回路モジュール３０に設けられ
ているので、ゲート信号コネクタ３１から半導体素子（ＩＧＢＴ素子），交流線
取り出し口までの配置を直線状に配置され、三相のゲート信号やモータ電流の配
線距離を短くでき、半導体素子（ＩＧＢＴ素子）のスイッチングの高速化を図る
ことができる。さらに各相の配線が互いに交差することはないため、他相のスイ
ッチングの影響も受けにくい。
なお、本実施例の第３図の実装構成において、制御装置１からゲートドライブ
２へのＰＷＭ信号の光伝送にファイバーケーブルを用いていたが、光の発光部と
受光部を対向させて直接光伝送すればファイバーケーブルは不要となり、インバ
ータ装置をよりコンパクトにできる。

第６図は、本発明の第２の実施例であり、１個の制御装置および主回路にて直
流電力を交流電力に変換し、複数のモータを駆動する電気車のインバータ装置に
おける構成の概要をブロック図で示している。
本実施例におけるインバータ装置は、上記第１の実施例と同様な構成である。
上記第１の実施例と異なる点は、主回路３によって２個のモータ６ａ，６ｂを駆
動し、モータ電流ｉｕ１，ｉｖ１，ｉｗ１およびｉｕ２，ｉｖ２，ｉｗ２を検出
する２個のモータ電流センサユニット８ａ，８ｂが取り付けられていることであ
る。そして、直流電圧センサ（ＰＴ）７，センサユニット８ｂ，センサユニット
８ａ，制御装置１は、シリアル伝送ケーブル９Ｄ〜９Ｆで直列に接続されている。

第６図では、１個の制御装置および主回路によって２個のモータを駆動する例
を示しているが、通常の電気車では１個の制御装置及び主回路によって４個ある
いは８個のモータを駆動することが多い。このように複数のモータを駆動する場
合、通常の電気車ではモータ別に電流センサを設けず、例えば、Ｕ相のモータ電
流ｉｕ１とｉｕ２に分岐する地点より主回路３側にＵ相のモータ電流センサを配
置し、Ｖ，Ｗ相のモータ電流も同様の配置とすることで、１個のモータの場合と
同数の電流センサで済ませる場合がほとんどである。このような場合、モータ電
流センサで検出する値は、複数のモータのモータ電流の和であり、モータ電流よ
リモータの回転速度を推定する場合においても、複数のモータの回転速度の平均
値しか得られない。ところで、実際にはモータに接続されている車輪半径および
路面状況等によってモータの回転速度に差が生じるが、きめ細やかな空転滑走制
御のためには、複数モータのモータ電流の平均値よりも最大値や最小値を得たい
場合がある。このためにはモータ毎に電流センサを設ける必要があるが、モータ
毎に電流センサを設けた場合、モータ個数×三相の電流センサが必要となり、制
御装置側には電流センサと同数の接続端子及びセンサと同数の伝送ケーブルが必
要となる。また、対ノイズ性のため、伝送ケーブルと主回路にシールドを設ける
こととなる。つまり、電力変換装置の艤装が煩雑となってしまうのである。その
ため、従来は、上述のようにセンサの個数を減らしていたのである。

本実施例では、上記第１の実施例と同様に、直流電圧センサ７，モータ電流セ
ンサユニット８ａ，８ｂは、Ａ／Ｄ変換装置とシリアルインタフェースを備えて
おり、これらセンサと制御装置１はシリアル伝送ケーブル９Ｄ〜９Ｆで直列に接
続されているので、制御装置側に入力端子を増やすことなく、また、電力変換装
置の艤装を煩雑とすることなく、きめ細やかな空転制御が可能となる。また、本
実施例では、正相のモータ電流を一括して検出するモータ電流センサユニットを
使用しているので、このモータ電流センサをモータ個数に応じて追加するだけで、
きめ細やかな空転滑走制御を行うことができる。
なお、本実施例のようにモータ電流センサユニットを用いずに、Ａ／Ｄ変換器
を内蔵したセンサを各相毎に設けて、これらセンサ間をシリアル伝送ケーブルで
直列に接続しても、対ノイズ性の向上に伴った主回路及び伝送ケーブルへのシー
ルドの不要、そしてシリアル伝送することによる伝送ケーブル及び信号線の削減
の効果を有するので、電力変換装置の艤装が容易となる。従って、従来の電力変
換装置に比べ、比較的容易にセンサを追加することが可能となり、きめ細やかな
空転制御が可能となる。

次に、本発明の第３の実施例について説明する。
第７図は、交流電力をコンバータによって直流電力に変換し、交流モータを駆
動する電気車のインバータ装置に直流電力を供給する電気車用コンバータ装置に
おける構成の概要をブロック図で示している。
本実施例におけるコンバータ装置は、交流電源７０の交流電圧ｖを整流して直
流電圧Ｖｄに変換するスイッチング素子（ＩＧＢＴ素子）等からなる主回路３Ｃ
と、交流電源の交流電圧ｖ，交流電流１、及びフィルタコンデンサ４の端子電圧
Ｖｄを制御情報として、交流電圧指令を生成し、それをＰＷＭパルス情報ｃに変
換してゲートドライブ２Ｃに出力する制御装置ＩＣと、この制御装置ＩＣから出
力されたＰＷＭパルス情報ｃを主回路３Ｃ内のスイッチング素子のゲート信号ｄ
に変換するゲートドライブ２Ｃから構成される。
主回路３Ｃの交流側には、単相交流電源７０と、この交流電源７０の交流電圧
ｖを保持するリアクトル７１が設けられ、主回路３Ｃの直流側には、主回路３Ｃ
により変換された直流電圧Ｖｄを保持するフィルタコンデンサ４が設けられてい
る。
なお、図示していないが、主回路３Ｃ内には二相分×Ｐ・Ｎ側の２極＝４個の
ＩＧＢＴ素子が内蔵されているものとする。このため、ゲートドライブ２Ｃから
主回路３Ｃへ送るゲート信号ｄは４本、同様に制御装置１Ｃからゲートドライブ
２Ｃへ送るＰＷＭパルス情報ｃも４本の信号線で送られる。
主回路３Ｃの交流側には、交流電源７０の交流電圧ｖの（瞬時値）を検出する
交流電圧センサ（ＰＴ）７２と、リアクトル７１から主回路３Ｃに流れ込む交流
電流の瞬時値を検出する交流電流センサ（ＣＴ）７３が設けられている。そして、
直流側には、フィルタコンデンサ４の端子電圧Ｖｄを検出する直流電圧センサ
（ＰＴ）７が設けられている。
交流電圧センサ（ＰＴ）７２と交流電流センサ（ＣＴ）７３，交流電流センサ
（ＣＴ）７３と直流電圧センサ（ＰＴ）７、さらに直流電圧センサ（ＰＴ）７と
制御装置１Ｃは、それぞれシリアル伝送ケーブル９Ｇ〜１０Ｉを介して直列に接
続されている。
なお、センサ７２，７３は、上記第１の実施例において説明した第２図と同様
の構成である。
また、第７図に示したコンバータ装置の具体的な構成は、第３図で示したもの
と同様である。
また、各センサからシリアル伝送ケーブル９（９Ｇ〜９Ｉ）上への出力のタイ
ミング及びシリアル上で伝送されるデータの構成も第一の実施例（第５図）で説
明したものと同様である。
なお、本実施例においては、単相のコンバータ装置を示したが、三相のコンバ
ータ装置においても本発明は適用可能である。交流電源側の電力供給線が三本に
増えるので、交流電流センサを必要に応じて配置するとよい。

以上のように、コンバータ装置においても、本発明の第３の実施例のような構
成とすることにより、本発明の第１の実施例と同様な効果を奏することができる。

つまり、ノイズに強い、信号線の削減，信号線数の削減（例えば、デジタル信
号をパラレルに伝送する場合、交流電圧ｖ＋交流電流ｉ＋直流電圧Ｖｄ＝３種類
の信号を、例えば各８ビットで量子化するとして３種類×８ビット＝２４本の信
号線が必要であるが、シリアルで伝送すると、交流電圧ｖ＋交流電流ｉ＋直流電
圧Ｖｄ＝計３本の信号線で良い。）、試験時の対応が容易，センサの追加が容易，
各種センサの出力電圧レベルもセンサ側で対応できる、信号線と主回路にシール
ドを設けなくて良い、艤装が容易などの効果を奏することができる。
なお、第１図と第７図を比較すると、センサの種類や数が異なるだけで、制御
装置の構成は変わらない。つまりインバータ装置とコンバータ装置の制御装置を
共通化できる。

以上の実施例では、インバータ装置とコンバータ装置それぞれについて説明し
たが、交流電力が架線から供給される場合の電気車において、第１図（又は第６
図）に示したインバータと第７図に示したコンバータを接続して使用することが
考えられる。これは、主回路３と主回路３Ｃの互いに直流側をフィルタコンデン
サ４を介して接続されてなる。このとき、フィルタコンデンサ電圧を検出する直
流電圧センサ（ＰＴ）７は２つの入力用接続端子と２つの出力用接続端子を有し、
インバータ装置とコンバータ装置の両方において、センサと制御装置とシリアル
伝送ケーブルで構成された直列体の一部を形成することとなる。なお、直流電圧
センサ（ＰＴ）７をコンバータ用とインバータ用の２つを設けて、インバータ，
コンバータそれぞれにおいて、センサと制御装置間をシリアル伝送ケーブルで直
列接続しても良い。
本明細書中では、モータ電流（交流電流）や交流電圧の瞬時値という言葉を使
用している。瞬時値を送るとは、波形を再現するのに十分な時間間隔（少なくと
も原波形の１０倍以上の周波数）でサンプリングして転送することを意味する。
例えば交流電圧の場合、基本周波数は５０〜６０Ｈｚであるから、交流電圧波形
を再現するのに十分な時間間隔である５００〜６００Ｈｚ以上でサンプリングさ
れて転送される。
しかし、フィルタコンデンサの直流電圧Ｖｄは、インバータ装置のモータ電流
ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ、交流電源の交流電流ｉ及び交流電圧ｖを比べて時間変化は小
さい。したがって、フィルタコンデンサの直流電圧Ｖｄを必ずしもモータ電流ｉ
ｕ，ｉｖ，ｉｗなどと同じサンプリング周期で転送する必要はない。
さらに、フィルタコンデンサの直流電圧Ｖｄといった時間変化の小さい直流量
は、モータ電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ、交流電源の交流電流ｉ及び交流電圧ｖといっ
た時間変化の大きな交流量に比べて制御上の重要度が低く、また、交流量は直流
量よりノイズの影響を受けやすい。したがって、モータ電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ等
の交流量は、デジタル信号で取り入れるが、直流電圧Ｖｄは従来と同様に制御装
置１にＡ／Ｄ変換機能を設け、直流電圧Ｖｄをアナログ信号のまま取り入れると
いったハイブリッドな構成も取り得る。この場合、制御装置１にアナログ回路が
含まれることになるが、制御装置１の主たる機能には影響が小さい。

本発明は、鉄道車両のように主回路電圧が高く主回路の発生するノイズレベル
の大きな環境下において、ノイズに強く小型化が可能な電力変換装置を提供でき
るので、鉄道車両の電力変換装置への適用が最も適している。しかし、耐ノイズ
性が要求されるものであれば、鉄道車両以外の幅広い分野（汎用インバータ・電
気自動車など）にも利用が可能である。

本発明の第１の実施例を示す電力変換装置（電気車のインバータ装置）のブロック図（第１図） 第１図におけるモータ電流センサユニットの詳細構成図（第２図） 第１図の具体的な実装構成図（第３図） 第１図における制御装置の詳細構成図（第４図） 第１図において送信される検出データの内容を示す図（第５図） 本発明の第２の実施例を示す電力変換装置（電気車のインバータ装置）のブロック（図第６図） 本発明の第３の実施例を示す電力変換装置（電気車のインバータ装置）のブロック図（第７図）

符号の説明

１…制御装置、１０１…シリアルインタフェース、１０２…制御ユニット、１０
３…パルス出力装置、１０４…電気・光変換素子（Ｅ／Ｏ）ユニット、１０５…
記憶装置、１０６…ＣＰＵ、１０７…制御指令生成部、１０８…電流指令生成部、
１０９…電流続出部、１１０…瞬時電流制御部、１１１…速度推定部、１１２…
位相演算部、１１３…変調率演算部、２…ゲートドライブ、３…主回路、４…フ
ィルタコンデンサ、５…運転台、６…交流モータ、７…直流電圧センサ（ＰＴ）、
７０…交流電源、７１…リアクトル、７２…交流電圧センサ（ＰＴ）、７３…交
流電流センサ（ＣＴ）、８…センサユニット、８１…電流検出装置、８２…フィ
ルタ装置、８３…Ａ／Ｄ変換装置、８４…バッファ、８５…シリアルインタフェ
ース、９…シリアル伝送ケーブル、９１…電源線、９２…アース線、９３…信号
線

Claims (1)

1. 直流電源にフィルタコンデンサを介して接続され、直流を３相の交流に変換す
   る主回路と、前記主回路の交流側の３相分の各電流を検出する電流検出手段と、
   前記電流検出手段からの検出情報に基づいて前記主回路を制御する制御装置とを
   備えた電気車用電力変換装置において、
   前記３相分の各電流を検出する電流検出手段は、各相毎に電流の瞬時値をアナ
   ログ信号として検出する手段と、該検出したアナログ信号を各相毎にデジタル信
   号に変換するＡ／Ｄ変換手段と、該Ａ／Ｄ変換手段で変換されたデジタル信号を
   各相毎に一時記憶するバッファと、該各バッファに記憶されたデジタル信号を順
   次時分割にシリアル出力する共通のシリアルインタフェースとを内蔵し、該電流
   検出手段のシリアルインタフェースと前記制御装置とはシリアル伝送ケーブルで
   接続され、前記電流検出手段から前記制御装置への検出情報がデジタル信号でシ
   リアル伝送されることを特徴とする電気車用電力変換装置。

Images