JP3972344B2 - 車両用電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両の床下に艤装される車両用電力変換装置に係り、特に、電力変換装置から放出される高周波漏洩電流を抑制する技術に関する。

従来技術として、図８に、鉄道車両における電力変換装置の艤装状態を示す。電力変換装置９は、車両６の床下に艤装され、架線、車両の屋根上に設置された集電装置１３、遮断器１４、平滑リアクトル１５、電力変換装置９、台車およびレールによって構成される経路を経て直流電力を変電所から得ている。
図５に、電力変換装置の内部および車体と筐体との電気的な接続状態を示す。電力変換装置は、半導体スイッチで構成される電力変換回路１と、電力変換回路に電力を供給する主回路配線（プラス電源）７と、開放スイッチ４を介して電力変換回路１に接続される主回路配線（マイナス電源）８と、主回路配線７と開放スイッチ４の電力変換回路側との間に接続される短絡スイッチ３と、短絡スイッチ３よりも電力変換回路側に短絡スイッチ３と並列に接続され、電力変換回路１の直流入力電圧を平滑する平滑コンデンサ２と、電力変換装置の筐体９と車体６とを接続するアース線５とから構成される。電力変換回路１からの交流はモータ線１０を介して出力される。

電力変換回路を構成している半導体素子がスイッチングすると、電力変換回路の出力電圧は急激に変動する。電力変換回路の出力電圧の変動に伴い、電力変換装置内部の配線や平滑コンデンサなどの構成要素と筐体や、筐体・車体間に寄生する寄生コンデンサ成分を介して高周波の漏洩電流が流れる。その中でも平滑コンデンサのケースから筐体に漏れ出す高周波漏洩電流が大きい。
これらの漏洩電流が電力変換装置の筐体等を経由して電力変換装置の外部に漏洩し、通信設備、信号設備などに悪影響を与える。

本発明の課題は、電力変換装置の内部に寄生する寄生コンデンサ成分を介して流れる高周波漏洩電流を抑制することにある。

上記課題を解決するために、鉄道車両の床下に艤装される電力変換装置であって、接地された車両に電気的に接続された筐体と、筐体内には、少なくとも半導体スイッチから構成される電力変換回路と、電力変換回路の直流電圧を平滑する平滑コンデンサと、平滑コンデンサに電力を供給する主回路配線と、開放スイッチを介して電力変換回路に直流電力を供給するマイナス電源の主回路配線とが内包されてなる車両用電力変換装置において、平滑コンデンサのケースが導電体であり、ケースと筐体間を絶縁すると共に、ケースと筐体とを第１の抵抗器を介して電気的に接続する手段と、主回路配線の負側配線と筐体とを第２の抵抗器を介して電気的に接続する手段とを備える。

本発明によれば、平滑コンデンサと筐体を絶縁し、平滑コンデンサのケースと筐体を抵抗器で接続することにより、平滑コンデンサ内部に寄生するコンデンサと寄生インダクタンス成分との共振を抑制することができ、高周波漏洩電流を抑制することができる。
また、電力変換回路の直流入力の負側の配線と筐体を抵抗器で接続することにより、電力変換装置の筐体電位が高周波的に安定となるから、鉄道車両の床下に艤装される電力変換装置から車体に漏れる高周波電流を抑制することができる。
電力変換回路の直流入力の負側の配線と筐体を接続する抵抗器を開放スイッチの負側に設置することにより、鉄道車両の床下に艤装される電力変換装置を構成する高圧機器の絶縁を試験する際、高圧電源から抵抗器を開放スイッチにより切り離すことができるので、低圧で安価な抵抗器を使用することが可能となる。

以下、本発明の最良の形態を図１から図９を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施形態を示す車両用電力変換装置の構成図である。図１において、図５と同じ機器については図５と同じ記号を付してある。本実施形態においては、絶縁体５００の上に平滑コンデンサ（ケースが導電性）２を配し、平滑コンデンサ２と筐体９との間の絶縁を取るとともに、平滑コンデンサ２と筐体９を抵抗器（減流要素）５０を介して接続し、開放スイッチ４の負側と筐体９を抵抗器５１（減流要素）によって接続する。

図２に、図１の構成における高周波成分に対する等価回路を示す。また、平滑コンデンサ２の高周波成分に対する等価回路を図６に示す。
図６において、平滑コンデンサ２は、コンデンサセル２１を金属ケースで覆った構成である。コンデンサセル２１は、内部で電荷を蓄積する構成となっている。このとき、コンデンサセル２１と平滑コンデンサ２の金属ケース間の絶縁物を誘電体とした寄生容量２２，２３が発生し、平滑コンデンサ２の等価回路は図６のようになる。
図２において、１１は等価ノイズ源、１２は寄生コンデンサ、１８は車体アース、２４，４４は寄生コンデンサ、２５，４０は寄生インダクタンス、４１はノイズ伝播経路、５０，５１は抵抗器を示す。
平滑コンデンサ２の金属ケースと内包されているコンデンサセル２１との間に寄生するコンデンサ（寄生容量２２，２３の集約）２４と、配線の寄生インダクタンス２５により構成される共振回路により大きな漏洩電流イが流れる。本実施形態では、平滑コンデンサ２と筐体９の間を絶縁（絶縁体５００）するとともに、平滑コンデンサ２と筐体９の間を抵抗器５０を介して接続することによって、寄生コンデンサ２４と配線の寄生インダクタンス２５の共振およびそれに伴って発生する高周波漏洩電流を抑制する。
勿論、平滑コンデンサ２と筐体９の間の絶縁を確保するのみで抵抗器５０を挿入しなくても、共振にもとなう漏洩電流を抑制することができる。
また、平滑コンデンサ２のケースと筐体９の間のインピーダンスよりも低いインピーダンスを有する抵抗器で平滑コンデンサ２のケースと筐体９の間を接続すれば、平滑コンデンサ２のケースの電位が安定するので、平滑コンデンサ２のケースと筐体９の間に電位差が発生しなくなる。この結果、平滑コンデンサ２のケースと筐体９の間を絶縁しなくとも、平滑コンデンサ２のケースと筐体９の間に漏洩電流が流れなくなる。

また、主回路配線８は数ｍから場合によっては十数ｍの長さになる。このため、高周波成分に対して無視できないインダクタンス４０になるので、平滑コンデンサ２のマイナス側の端子の電位は、高周波的に不安定となる。このため、電力変換回路１のスイッチングに伴い、電力変換装置内部に存在する平滑コンデンサ２、開放スイッチ４、短絡スイッチ３、電力変換回路１などの電気機器と筐体９の間に寄生する寄生コンデンサ（集約して表現）４４を介して漏洩電流ロが流れる。
そこで、開放スイッチ４の電源側を抵抗器５１を介して接続する。この結果、主回路配線８の開放スイッチ４の電源側における電位は、筐体９すなわちアース電位となり、平滑コンデンサ２のマイナス側の電位および電力変換装置の内部に存在する電気機器の電位が安定化され、これらの電気機器と筐体９の間に寄生する寄生コンデンサ４４を介して流れる漏洩電流を抑制することができる。
勿論、抵抗器５１は、開放スイッチ４の平滑コンデンサ２側と筐体９の間に接続しても同様の結果が得られる。

車両用電力変換装置においては、装置を構成する電気機器が大地に対して十分な絶縁能力を維持しているか定期的に試験を行うことが一般的である。この試験は、開放スイッチ４を開放し、短絡スイッチ５を短絡した上で、開放スイッチ４の平滑コンデンサ２側と筐体９（即ち、大地電位）との間に高圧（１５００Ｖ級の機器の場合、ＡＣ５４００Ｖ）を印加する試験を行う。このため、抵抗器５１を開放スイッチ４の平滑コンデンサ２側に接続した場合には、抵抗器５１には上記の試験を考慮した耐圧を有する抵抗器とする必要がある。一方で、抵抗器５１を開放スイッチ４の負側に接続した場合には、上述の試験時には切り離されるので、比較的耐圧の低い抵抗器を使用できるので、小型・軽量化の点で有利になるということを記しておく。

図３は、本発明の他の実施形態を示す。本実施形態は、平滑コンデンサ２９が非金属（非導電性）のケースの場合の例である。ケースが非金属の場合、平滑コンデンサ（ケースが非導電性）２９と筐体９の絶縁はケースで確保することができるので、図１に示したように平滑コンデンサ２と筐体９を絶縁体５００により絶縁する必要がない。しかしながら、コンデンサセル２１と筐体９の間には、寄生コンデンサ２２，２３を含む寄生コンデンサ（図示せず）が存在するので、この寄生コンデンサと寄生インダクタンス（図示せず）による共振電流が流れる。これを抑制するため、非金属のケースを導体２００で被うとともに、導体２００と筐体９の間を抵抗器５０を介して接続する。この結果、コンデンサセル２１と筐体９の間に寄生する寄生コンデンサを介して流れる漏洩電流を抑制することができる。
ここで、コンデンサセル２１と筐体９の間に寄生する寄生コンデンサは、非金属のケースの面と筐体９の面が向かい合う部分で発生する寄生容量が最も大きくなる。そこで、図４に示すように、ケースの面と筐体９の面が向かい合う部分にのみ導体２００を配し、この導体２００と筐体９との間を抵抗器を介して接続しても同様の効果が得られる。

図７は、本発明の他の実施形態を示す。本実施形態は、平滑コンデンサのケースが非金属（非導電性）の場合の別の例である。本実施形態では、平滑コンデンサ（ケースが非導電性）２９の端子と筐体９の間をコンデンサ５２，５３および抵抗器５０を介して接続した構成である。コンデンサセル２１と筐体９との間に寄生する寄生コンデンサ２２，２３を含む寄生コンデンサ（図示せず）よりも容量の大きいコンデンサ５２，５３と抵抗器５０を接続する。これにより、コンデンサ５２，５３および抵抗器５０から構成されるバイパス回路が形成され、コンデンサセル２１と筐体９の間に寄生する寄生コンデンサに流れる電流を抑制するとともに、抵抗器５０の作用により、バイパス回路を構成するコンデンサ５２，５３と寄生インダクタンス（図示せず）との共振を抑制し、これにより、図３と同様の効果が得られる。
勿論、艤装スペースに十分な余裕があれば、筐体９と平滑コンデンサ２９との間に距離をおいて設置し、寄生コンデンサを小さくすることも、また、寄生インダクタンスと寄生コンデンサとの共振および共振による漏洩電流の発生を抑制することができる。この場合、寄生インダクタンスをＬと寄生コンデンサをＣと配線の抵抗分をＲとした場合に、
Ｃ＜４Ｌ／Ｒ^２
を満たすように、平滑コンデンサ２９と筐体９との距離を確保すれば、寄生インダクタンスと寄生コンデンサの共振による振動成分を抑制することができる。これは、平滑コンデンサのケースが導電性の物質である場合にも有効である。

以上の実施形態は、平滑コンデンサが電力変換回路の直流側に接続されている場合を例にとって説明したが、電力変換回路の交流側にコンデンサが接続される場合においても同様の効果が得られることは言うまでもない。

図９は、本発明の他の実施形態を示す。本実施形態は、電力変換回路の交流側にコンデンサが接続される場合の例である。図９においては、電力変換回路１の発生するリプル成分を除去する目的で交流出力側にリアクトル１０１とコンデンサ１０２からなるフィルタ回路が設けてある。コンデンサが交流側に接続されている場合においても、スイッチングに伴う高調波成分は、コンデンサ１０２のケースと筐体９の間の寄生容量を介して漏れ電流が発生する。これを抑制するため、コンデンサ１０２のケースと筐体９の間を絶縁物１０４によって絶縁するとともに、コンデンサ１０２のケースと筐体９の間を抵抗器１０３を化して接続する。これにより、漏洩電流を抑制することができる。

上述の実施形態においては、抵抗器を用いて漏洩電流を抑制しているが、抵抗器に流れる直流成分が無視できない場合には、抵抗器の容量を大きくする必要があり、装置の小型・軽量化の障害となるだけでなく、抵抗器によって消費される電力により電力変換装置の効率を低下させてしまう。このように、直流成分が無視できない場合には、抵抗器とコンデンサを直列接続し、抵抗器に流れる直流成分を除去する。これにより、上記の課題を解決することができる。
また、本発明は、電力変換装置の内部における電気機器の配置、接続の変更であるので、車両を構成する他の要素に影響を与えることなく、実施可能であり、比較的容易に実現可能である。
また、本発明は、交流電圧を入力とし、交流を整流して直流電圧を得るとともに、整流して得た直流電圧を電圧源とし、交流を得る交流車用の装置へも適用可能である。

本発明は、平滑コンデンサと筐体を絶縁し、平滑コンデンサのケースと筐体を抵抗器で接続することにより、平滑コンデンサ内部に寄生するコンデンサと寄生インダクタンス成分との共振を抑制し、高周波漏洩電流を抑制する。
また、電力変換回路の直流入力の負側の配線と筐体を抵抗器で接続することにより、電力変換装置の筐体電位が高周波的に安定となるから、鉄道車両の床下に艤装される電力変換装置から車体に漏れる高周波電流を抑制する。
電力変換回路の直流入力の負側の配線と筐体を接続する抵抗器を開放スイッチの負側に設置することにより、鉄道車両の床下に艤装される電力変換装置を構成する高圧機器の絶縁を試験する際、高圧電源から抵抗器を開放スイッチにより切り離すことができるので、低圧で安価な抵抗器を使用することが可能となる。

本発明の一実施形態を示す車両用電力変換装置の構成図 本発明におけるノイズに対する等価回路を示す図 本発明の他の実施形態を示す図 本発明の他の実施形態を示す図 従来例による電力変換装置の構成図 平滑コンデンサの等価回路を示す図 本発明の他の実施形態を示す図 電力変換装置の艤装状態を示す図 本発明の他の実施形態を示す図

符号の説明

１…電力変換回路、２…平滑コンデンサ（ケースが導電性）、３…短絡スイッチ、４…開放スイッチ、５…アース線、６…車体、７…主回路配線（プラス電源）、８…主回路配線（マイナス電源）、９…筐体、１０…モータ線、１１…等価ノイズ源、１２…寄生コンデンサ、１３…集電装置、１４…遮断器、１５…平滑リアクトル、１８…車体アース、２１…コンデンサセル、２２，２３…寄生コンデンサ、２４…寄生コンデンサ、２５…寄生インダクタンス、２９…平滑コンデンサ（ケースが非導電性）、４０…寄生インダクタンス、４１…ノイズ伝播経路、４４…寄生コンデンサ、５０，５１…抵抗器、５００…絶縁板、２００…導電性カバー、５２，５３…バイパスコンデンサ、１０１…リアクトル、１０２…コンデンサ、１０３…抵抗器、１０４…絶縁物

Claims (1)

1. 鉄道車両の床下に艤装される電力変換装置であって、接地された車両に電気的に接続された筐体と、該筐体内には、少なくとも半導体スイッチから構成される電力変換回路と、該電力変換回路の直流電圧を平滑する平滑コンデンサと、該平滑コンデンサに電力を供給する主回路配線と、開放スイッチを介して前記電力変換回路に直流電力を供給するマイナス電源の主回路配線とが内包されてなる車両用電力変換装置において、
   前記平滑コンデンサのケースが導電体であり、前記ケースと前記筐体間を絶縁すると共に、前記ケースと前記筐体とを第１の抵抗器を介して電気的に接続する手段と、前記主回路配線の負側配線と前記筐体とを第２の抵抗器を介して電気的に接続する手段とを備えたことを特徴とする車両用電力変換装置。

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