JP4540743B2 - 電気車用電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気車用の電力変換装置に関するものである。

電気車用電力変換装置におけるノイズ等を課題として取り上げた従来文献として、例えば下記特許文献１などがある。この特許文献１では、コンバータの入力側、インバータの出力側、接地回路の３箇所にそれぞれフィルタ回路を設けるか、あるいはコンバータの入力側またはインバータの出力側のいずれかと接地回路にフィルタ回路を設けることにより、コンバータ、インバータまたは接地回路から形成される全ての経路を介して車体に流れる漏えい高調波電流を抑制するようにしている。

特開平９−９４１２号公報

電気車用電力変換装置では、電力変換装置を構成するコンバータ、インバータ等を車体の床下に吊り下げるなどして設置する必要がある。このため、従来の電気車用電力変換装置では、車体に固定するための箱形形状の構造体（以下「箱体」という）を準備し、この箱体内にコンバータおよびインバータの各主回路や、コンバータとインバータとを接続する接続導体（ブスバー）、および各接続導体間に接続される平滑コンデンサ等を収容すると共に、コンバータおよびインバータのスイッチング素子から発生する発熱を抑制するための冷却器を当該箱体の外部に取り付けて構成することが行われている。

また、交流電気車の場合、変圧器の２次側は大地から切り離されるため、各機器にかかる対地電圧を一定値に固定する必要があり、２次側の回路の何れかの点を接地する必要がある。このため、上記のように構成された電気車用電力変換装置では、箱体を接地することが一般的に行われている。

従来の電気車用電力変換装置では、上記のように構成された結果、スイッチング素子に近接して配置され、箱体と電気的に接続された冷却器の部分が接地点となるので、コンバータおよびインバータの各接続母線と、箱体または冷却器との間の浮遊容量が大きくなるという特性を有していた。

なお、上記のような浮遊容量については、従来では、大きな問題点としては取り上げられていない。例えば、上記特許文献１を含む幾つかの従来文献を参照したが、この種の浮遊容量に起因する問題点については論じられてはいない。

一方、本願発明者らは、電気車用電力変換装置に接続される変圧器や電動機のインダクタンス成分と、この浮遊容量とによって共振回路が形成され、この共振回路に流れる共振電流が電源側や電動機側に不要なノイズを出力するノイズ源として作用する可能性のあることを見出した。

ここで、本願発明者らの上記考察のように、コンバータおよびインバータがノイズ源として動作してしまう場合には、その大きさ如何によっては、架線に流出するノイズ電流により地上信号機器に悪影響を与える可能性があり、また、モータ配線に流れるノイズ電流により車上信号機器、地上信号機器等に悪影響を与える可能性がある。しかも、モータ出力の増大が不可避とされる昨今の技術動向に鑑みると、この種の浮遊容量に起因する共振現象に対して何らかの対策をとることが望まれる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、コンバータ、インバータ等が箱体内に収容された電気車用電力変換装置において、コンバータおよびインバータの各直流母線と箱体との間の浮遊容量に起因する共振電流を効果的に低減することができる電気車用電力変換装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる電気車用電力変換装置は、交流電力を直流電力に変換するコンバータ部と、前記直流電力を所望の交流電力に変換して電気車を駆動する電動機に供給するインバータ部と、前記コンバータ部および前記インバータ部を収容し、その一部が接地される箱体と、前記箱体の内部に配置され、前記コンバータ部と前記インバータ部との間に流れる共振電流を抑制するためのインダクタンス成分を有するインピーダンス要素と、を備えたことを特徴とする。

本発明にかかる電気車用電力変換装置によれば、コンバータ部とインバータ部との間に流れる共振電流を抑制するための磁性体コアを、コンバータ部およびインバータ部を収容し、その一部が接地される箱体の内部に配置するようにしているので、コンバータおよびインバータの各直流母線と箱体との間の浮遊容量に起因する共振電流を効果的に低減することができるという効果を奏する。

図１は、本発明の好適な実施の形態にかかる電気車用電力変換装置の構成例を示す簡略回路図である。 図２は、図１に示した電気車用電力変換装置の車体への搭載状態の一例を示す図である。 図３は、電力変換装置の各接続導体と箱体との間に生ずる浮遊容量によって生ずる共振電流の経路を図１に対応する回路図上に示した図である。 図４は、磁性体コアの配置に関する図１とは異なる他の実施態様について示す図である。

符号の説明

１ 架線
２ 集電装置
３ 車輪
４ レール
６ 変圧器
９ 車体
１１ 電気機器
２０ コンバータ部
２２ コンバータ主回路
２４Ｐ，２４Ｎ，６４Ｐ，６４Ｎ 平滑コンデンサ
３０ コンバータ用冷却器
３２ フィンベース（コンバータ部）
３４ フィン（コンバータ部）
５０ インバータ用冷却器
５２ フィンベース（インバータ部）
５４ フィン（インバータ部）
６０ インバータ部
６２ インバータ主回路
７０，７０ａ〜７０ｄ 磁性体コア
８０ 箱体
８２〜８４，８６〜８８ 浮遊容量
９０ 電動機
９１〜９３ 共振電流
１００ 電力変換装置
Ｐ，Ｃ，Ｎ 接続導体
Ｗ 走行風

以下に、本発明にかかる電気車用電力変換装置の好適な実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の好適な実施の形態にかかる電気車用電力変換装置の構成例を示す簡略回路図である。同図において、電力変換装置１００は、コンバータ部２０、インバータ部６０、およびコンバータ部２０とインバータ部６０との間に挿入される磁性体コア７０を備えており、これらの各構成部は箱体８０に取り付けられている。また、電力変換装置１００の入力端には変圧器６が接続され、電力変換装置１００の出力端に配置されるインバータ部６０には電気車を駆動する電動機９０が接続されている。なお、電動機９０としては、誘導電動機や同期電動機が好適である。

また、図１において、変圧器６の一次巻線の一端は集電装置２を介して架線１に接続され、他端は車輪３を介して大地電位であるレール４に接続されている。架線１から供給される電力（交流２０ＫＶ〜２５ＫＶが一般的）は、集電装置２を介して変圧器６の一次巻線に入力されると共に、変圧器６の二次巻線に生じた交流電力がコンバータ部２０に入力される。

コンバータ部２０は、スイッチング素子をブリッジ接続したコンバータ主回路２２と、このブリッジ接続されたスイッチング素子を冷却するためのコンバータ用冷却器３０とを備えて構成される。コンバータ主回路２２の３つの出力端からは接続導体Ｐ，Ｃ，Ｎが引き出され、後述するインバータ部６０と接続される。コンバータ主回路２２は、ブリッジ接続された各スイッチング素子をＰＷＭ制御することで、架線１から供給された交流電圧を所望の直流電圧に変換して出力する。コンバータ主回路２２を構成するスイッチング素子としては、例えば逆並列ダイオードが内蔵されたＩＧＢＴ素子が好適である。なお、コンバータ主回路２２の詳細な構成と制御方法には種々の公知例があり、ここでの詳細な説明を省略する。また、図１の例では、コンバータ主回路２２を３レベルコンバータ回路として示しているが、これ以外の、例えば２レベルコンバータ回路（公知）などで構成してもよく、当該構成も本発明の要旨に含まれる。

コンバータ主回路２２の出力端では、インバータ部６０への直流電源である平滑コンデンサ２４Ｐ，２４Ｎが設けられている。具体的には、接続導体Ｐ，Ｃ間には平滑コンデンサ２４Ｐが接続され、接続導体Ｃ，Ｎ間には平滑コンデンサ２４Ｎが接続されている。

インバータ部６０は、スイッチング素子をブリッジ接続したインバータ主回路６２と、このブリッジ接続されたスイッチング素子を冷却するためのインバータ用冷却器５０とを備えて構成される。インバータ主回路６２の３つの入力端には、前述のように接続導体Ｐ，Ｃ，Ｎが接続されており、直流電源である平滑コンデンサ６４Ｐ，６４Ｎが接続導体Ｐ，Ｃ間および接続導体Ｃ，Ｎ間にそれぞれ設けられている。また、インバータ主回路６２の３つの出力端には、電動機９０が接続されている。インバータ主回路６２は、ブリッジ接続された各スイッチング素子をＰＷＭ制御することで、入力された直流電圧を所望の交流電圧に変換して出力する。インバータ主回路６２を構成するスイッチング素子としては、例えば逆並列ダイオードが内蔵されたＩＧＢＴ素子が好適である。なお、インバータ主回路６２の詳細な構成と制御方法には種々の公知例があり、ここでの詳細な説明は省略する。また、図１の例では、インバータ主回路６２を３レベルインバータ回路として示しているが、これ以外の、例えば２レベルインバータ回路（公知）などで構成してもよく、当該構成も本発明の要旨に含まれる。

図２は、図１に示した電力変換装置の車体への搭載状態の一例を示す図である。図２に示すように、電力変換装置１００は、他の電気機器１１と共に電気車の車体９の床下に配置される。また電力変換装置１００において、箱体８０の内部には、コンバータ部２０、インバータ部６０、磁性体コア７０などが収容されている。

コンバータ用冷却器３０は、フィンベース３２およびフィン３４を具備しており、フィン３４が外気と接するように、コンバータ部２０の底面側に配置されている。同様に、インバータ用冷却器５０は、フィンベース５２およびフィン５４を具備しており、フィン５４が外気と接するように、インバータ部６０の底面側に配置されている。このように配置された電力変換装置１００によれば、電気車の走行によって進行方向と逆方向に生じる走行風Ｗがフィン３４，５４に流れ、スイッチング素子から発生する熱がフィン３４，５４を通じて大気中に放散される。

なお、上記の例では、コンバータ用冷却器３０およびインバータ用冷却器５０の各フィンが外気と接するように箱体８０の外部に配置する実施態様について示したが、これに限定されるものではない。例えば、フィンの損傷を防止するために各冷却器を箱体８０の内部に配置するようにしてもよい。このような配置構成であっても、箱体８０における各冷却器の走行風Ｗに面する部分を、例えばメッシュ状の構造物で覆うことにより、図２のような自然空冷方式の冷却器とすることができる。また、送風機などを用いた強制空冷方式や、水冷方式を採用する場合には、メッシュ状の構造物等を用いることなく、コンバータ部２０およびインバータ部６０を箱体８０内に収容することが可能である。

図３は、電力変換装置の各接続導体と箱体との間に生ずる浮遊容量によって生ずる共振電流の経路を図１に対応する回路図上に示した図である。この共振電流は、上記課題の項においても説明したように、コンバータ部２０およびインバータ部６０の各直流母線と箱体８０との間に生ずる浮遊容量と、電力変換装置１００に接続される変圧器６や電動機９０のインダクタンス成分とによってコンバータ部２０およびインバータ部６０の内部に形成された共振回路によって変圧器６側あるいは電動機９０側に流される電流である。

図３において、コンバータ部２０では、接続導体Ｐ，Ｃ，Ｎを含む各直流母線と箱体８０との間に、図示のような浮遊容量８２〜８４が形成され、インバータ部６０では、接続導体Ｐ，Ｃ，Ｎを含む各直流母線と箱体８０との間に、図示のような浮遊容量８６〜８８が形成されている。なお、これらの各浮遊容量は、コンバータ主回路２２およびインバータ主回路６２の各部において生ずる浮遊容量成分を集約して表示したものである。

一方、上記のような浮遊容量成分が存在すると、変圧器６および電動機９０の各インダクタンス成分とこれらの浮遊容量成分との間で共振（直列共振）が起こり、ある特定の周波数帯（例えば、１〜２ＭＨｚ帯）のインピーダンスが小さくなって、当該周波数帯の電流のみが増幅されることになる。その結果、箱体８０の内部では、浮遊容量８２，８６を介した共振電流９１、浮遊容量８３，８７を介した共振電流９２、および浮遊容量８４，８８を介した共振電流９３等が流れることになる。

そこで、本実施の形態では、所望のインダクタンス成分を有する磁性体コア７０を、その内部にコンバータ部２０とインバータ部６０とを繋ぐ接続導体Ｐ，Ｃ，Ｎが貫通するように配置している。このような磁性体コア７０を配置することにより、共振電流が最も大きくなる周波数（以下「共振周波数」という）を、例えば車上信号機器、地上信号機器等に影響を与えない周波数帯にシフトすることが可能となる。また、磁性体コア７０を挿入することにより、共振が問題となる周波数帯におけるインピーダンスを増大させることができるので、当該周波数帯における共振電流を小さくすることができ、共振電流に起因するノイズの大きさを問題とならないレベルにまで低減することが可能となる。

なお、磁性体コア７０の材質としては、例えばフェライトや、アモルファスの素材のものを用いることができる。これらの材質のものは、低周波数帯において、低インピーダンスとなる特性を有しているため、電源周波数帯の電力伝送に影響を与えることは殆どない。

また、磁性体コア７０のサイズ（外周の長さ、内周の長さ、厚さ、縦横比等）は、コンバータ部２０、インバータ部６０の容量や、各接続導体の大きさ、配置等に応じた好適なものを用いることができる。さらに、磁性体コア７０のインダクタンス値は、共振周波数と浮遊容量の大きさとから好適なものを選択すればよい。

なお、上記のような浮遊容量成分は、接続導体Ｐ，Ｃ，Ｎを含む各直流母線と箱体８０とが近接して配置され、かつ、箱体８０を大地電位と同電位とするために接地していることが主因となる。したがって、冷却器を有していない場合であっても、浮遊容量は存在する。このため、上記の対策は、冷却器を有さない構成の場合であっても有効に作用する。ただし、冷却器を有する構成の場合には、放熱用のフィンの面積の影響を受け、冷却器を有していない場合に比べて浮遊容量成分が大きくなるため、それぞれに応じた好適なものを選択することが好ましい。

図４は、磁性体コアの配置に関する図１とは異なる他の実施態様について示す図である。図１の実施態様では、コンバータ部２０とインバータ部６０との間に設けるようにしているが、コンバータ部２０およびインバータ部６０の各内部に配置するようにしてもよい。例えばコンバータ部２０では、図示する磁性体コア７０ａ，７０ｃのように、平滑コンデンサ２４Ｐ，２４Ｎの出力側（接続導体側）または入力側（コンバータ主回路側）の何れかの位置に配置してもよく、また、インバータ部６０では、図示する磁性体コア７０ｂ，７０ｄのように、平滑コンデンサ６４Ｐ，６４Ｎの入力側（接続導体側）または出力側インバータ主回路側）の何れかの位置に配置してもよい。また、これらのこのような構成であっても、共振電流が流れるループ経路内に磁性体コアが配置される構成となるので、浮遊容量に起因する共振電流を低減し、共振周波数を所望の帯域にシフトするという本願の作用を得ることができる。

なお、本実施の形態にかかる磁性体コアは、電力変換装置の内部に形成される共振回路によって流される共振電流を低減する目的で設けられたものであるが、共振電流による電位変動が抑制されるので、変圧器側あるいは電動機側へ流出するコモンモード電流に対する低減効果も得られる。

以上説明したように、本実施の形態の電気車用電力変換装置によれば、コンバータ部とインバータ部との間に流れる共振電流を抑制するための磁性体コアを、コンバータ部およびインバータ部を収容し、その一部が接地される箱体の内部に配置するようにしているので、コンバータおよびインバータの各直流母線と箱体との間の浮遊容量に起因する共振電流を効果的に低減することが可能となる。

なお、本実施の形態では、コンバータ部とインバータ部との間に流れる共振電流を抑制するための要素として磁性体コアを用いるようにしているが、磁性体コアに代えて、例えばリアクトル、コモンモードチョークコイルなどの要素、すなわちインダクタンス成分を有するインピーダンス要素を用いることも可能である。肝要な点は、共振周波数を、例えば車上信号機器、地上信号機器等に影響を与えない周波数帯にシフトすることができれば、どのようなインピーダンス要素を用いても構わない。

以上のように、本発明にかかる電気車用電力変換装置は、コンバータおよびインバータの各直流母線と、コンバータ、インバータ等を収容する箱体との間の浮遊容量に起因して発生する共振電流を効果的に低減することができる発明として有用である。

Claims (4)

1. ３レベルコンバータとして構成され、交流電力を直流電力に変換するコンバータ部と、
   ３レベルインバータとして構成され、前記直流電力を所望の交流電力に変換して電気車を駆動する電動機に供給するインバータ部と、
   前記コンバータ部および前記インバータ部を収容し、その一部が接地される箱体と、
   前記箱体の内部に配置され、前記コンバータ部と前記インバータ部との間に流れる共振電流を抑制するためのインダクタンス成分を有するインピーダンス要素と、
   を備え、
   前記コンバータ部および前記インバータ部には、それぞれ平滑コンデンサが設けられており、
   前記インピーダンス要素は、前記コンバータ部の平滑コンデンサと前記インバータ部の平滑コンデンサとの間に、該コンバータ部と該インバータ部とを接続する３本の接続導体を貫通させるように配置されることを特徴とする電気車用電力変換装置。
2. 前記インピーダンス要素は、少なくとも一つが、前記コンバータ部の内部または前記インバータ部の内部に配置されることを特徴とする請求項１に記載の電気車用電力変換装置。
3. 前記インピーダンス要素は、前記コンバータ部および前記インバータ部の各外部に配置されることを特徴とする請求項１に記載の電気車用電力変換装置。
4. 前記インピーダンス要素が、磁性体コアであることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の電気車用電力変換装置。

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