JP4905715B2

JP4905715B2 - 電気車用電源装置

Info

Publication number: JP4905715B2
Application number: JP2007239966A
Authority: JP
Inventors: 浩忠吉良
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2007-09-14
Filing date: 2007-09-14
Publication date: 2012-03-28
Anticipated expiration: 2027-09-14
Also published as: JP2009072027A

Description

本発明は、電気車用電源装置に関する。

一般に、電気車用電源装置は、架線から電力を受け取り、電気車の照明や空調装置などの機器に電力を供給する。電気車用電源装置は、架線の電圧を検出する電圧検出器にて架線電圧の有無を取得し、電圧が印加されている場合に動作を開始する。

従来の電気車用電源装置について、図を参照し、詳細に説明する。図４は、従来の電気車用電源装置と主変換装置の構成図である。図５は、従来の電気車用電源装置において、パンタグラフの離線が発生した際のＣＨＳ（フィルタコンデンサ充電抵抗器短絡スイッチ）への逆電圧の関係図である。

従来の電気車用電源装置１２は、パンタグラフ２と接続されているが、パンタグラフ２の下には電気車用電源装置１２のほかに、電気車を走行するため走行用モーター（主電動機）に電力を供給する主変換装置１４も同じく接続されている（図５参照）。

電気車用電源装置１２と主変換装置１３は同じパンタグラフ２に同じように並列に接続されているため、パンタグラフ２が架線１から離線すると一緒に停電してしまう。

この離線する時間が短い場合には、電気車用電源装置１２は入力のフィルタコンデンサ７（以下ＦＣという。）に蓄積された電荷を利用して負荷側に電力を供給し、蛍光灯などの消灯を防止することができる。

尚、電気車用電源装置１２の入力回路には逆流防止用のダイオード６ないし、サイリスタが設けられ、電気車用電源装置１２のＦＣ７の電荷を、パンタグラフ２から並列に接続された主変換装置１４へ流れ出さない様に構成されている。

このように構成された電気車用電源装置１２は、パンタグラフ２が離線した場合であっても、短時間であればフィルタコンデンサ７に蓄積された電荷を利用し、電気車内の蛍光灯に電力を供給することが可能であった。
特開２００３−４７２４５号公報

しかしながら、主変換装置１４の入力側には直流リアクトル１３が備えられているため、パンタグラフ２が離線した場合、主変換装置１４の直流リアクトル１３は電流を流し続けようとするために逆起電力を発生する。

直流リアクトル１３が逆起電力を発生すると、パンタグラフ２に対して並列に接続している電気車用電源装置１２には、架線側１入力線の電位が、帰線側入力線の電位（一般に０Ｖ）に対してマイナス電圧となる現象が生じる。

つまり、パンタグラフ２が架線１から離線した場合、主変換装置１４の直流リアクトル１３からの逆起電力により、電気車用電源装置１２の入力には逆電圧が印加され、電気車用電源装置の入力電圧は０Ｖを下回る電圧となる（図５参照）。

このため、電気車用電源装置１２の入力に設置するＦＣ電荷の逆流防止用のダイオード６にはＦＣ７電圧と、主変換装置１４から発生する逆電圧の和の電圧が印加されることになり、ＣＨＳ５にはＦＣ７の電圧と入力電圧の０Ｖを下回った分の和の電圧が印加されることになる。

その結果、逆流防止用のダイオード６には耐圧の高い素子を適用しなくてはならず、高価となり、また高耐圧化することにより順方向ドロップ電圧も大きくなるため、電気車用電源装置１２の入力電流が流れる事による損失も大きくなり、これを放熱するための冷却器も高価になっていた。

また、電気車用電源装置１２に印加される逆電圧レベルは、接続される主変換装置１４の容量、主変換装置の入力に使用される直流リアクトル１３の値、パンタグラフ２の離線時の電流遮断特性により変化し、一概に入力電圧を設定することは難しい。

そこで、本発明の目的は、主変換装置から発生する逆電圧により大きくなり、逆流防止用の半導体素子に印加される電圧を、架線電圧を基本とする特定の電圧に抑える事により、電気車用電源装置の信頼性も向上させることである。

上記課題は、架線と接続されたパンタグラフに接続され電気車を駆動する主電動機に電力を供給する主変換装置を備え、前記主変換装置に並列に、前記パンタグラフに接続された電気車用電源装置において、前記電気車用電源装置は、前記パンタグラフと接続された接触器と、前記接触器と接続された直流リアクトルと、前記リアクトルと接続され、電流の逆流を防止するフィルタコンデンサ充電抵抗器短絡スイッチと、前記フィルタコンデンサ充電抵抗器短絡スイッチと接続され、直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路の直流端子間に接続されたフィルタコンデンサと、前記インバータ回路の交流側と接続された交流フィルターと変圧器と、前記インバータ回路の帰線側にアノードを接続し、前記直流リアクトルと前記フィルターコンデンサ充電抵抗器の間の回路にカソードを接続したダイオードと、を備えたことにより達成することが出来る。

上記課題は、架線と接続されたパンタグラフに接続され電気車を駆動する主電動機に電力を供給する主変換装置を備え、前記主変換装置に並列に、前記パンタグラフに接続された電気車用電源装置において、前記電気車用電源装置は、前記パンタグラフと接続された接触器と、前記接触器と接続された直流リアクトルと、前記リアクトルと接続され、電流の逆流を防止するフィルタコンデンサ充電抵抗器短絡スイッチと、前記フィルタコンデンサ充電抵抗器短絡スイッチと接続され、直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路の直流端子間に接続されたフィルタコンデンサと、前記インバータ回路の交流側と接続された交流フィルターと変圧器と、前記インバータ回路の帰線側にアノードを接続し、前記接触器と前記直流リアクトルとの間の回路にカソードを接続したダイオードと、を備えたことにより達成することが出来る。

本発明により、主変換装置から発生する逆電圧により大きくなり、逆流防止用の半導体素子に印加される電圧を、架線電圧を基本とする特定の電圧に抑える事により、電気車用電源装置の信頼性も向上させることができる。

（第１の実施の形態）
本発明に基づく第１の実施の形態の電気車用電源装置について、図を参照し詳細に説明する。図１は、主変換装置と本発明に基づく第１の実施の形態の電気車用電源装置の構成図である。図２は、本発明に基づく第１の実施の形態の電気車用電源装置において、パンタグラフの離線が発生した際のＣＨＳへの逆電圧の関係図である。

本発明に基づく第１の実施の形態の電気車用電源装置は、架線１と接触し電力を受け取るパンタグラフ２と、パンタグラフ２と接続された接触器３と、接触器３と接続された直流リアクトル４と、リアクトル４と接続されフィルタコンデンサ７（ＦＣ）からインバータ回路８へ流れる電流の逆流を防止するフィルタコンデンサ充電抵抗器短絡スイッチ６と、フィルタコンデンサ充電抵抗器短絡スイッチ６と接続され直流電力を交流電力に変換するインバータ回路８と、インバータ回路８の直流端子間に接続されたフィルタコンデンサ７と、インバータ回路８の交流側と接続された交流フィルター９と変圧器１０と、電気車用電源装置１２の帰線側にアノードを、直流リアクトル４とＦＣ充電抵抗器短絡スイッチ（ＣＨＳ）７の間の回路にカソードを接続するダイオード１１（電圧抑制手段のひとつ）とから構成されている。

本実施の形態の電気車用電源装置を搭載した電気車において、パンタグラフが離線した場合、ダイオード１１があるため、電気車用電源装置の入力電圧に逆電圧が印加されると、ダイオード１１のアノード側である帰線側が、ダイオード１１のカソード側よりも高い電圧になろうとする。そのため、ダイオード１１は順方向にオンし、ＣＨＳ６のアノード側の電位は、帰線側電位に固定されることになる。

その結果、パンタグラフの離線時に、直流リアクトル１３が逆起電力を大きく発生した場合であっても、本実施の形態の電気車用電源装置のＣＨＳ６へはＦＣ７の電圧が逆方向に印加されることになり、ＦＣ電圧分しか印加されない（図２参照）。

このように構成された電気車用電源装置は、逆流防止用の半導体６にＦＣ電圧以上の電圧が印加されなくなるので、逆流防止用の半導体６に印加される電圧は架線電圧から特定できる電圧に限定できる。そのため、低耐圧の素子を適用でき、素子から発生する損失低減から素子自身及び、冷却器のコスト低減やＣＨＳ６部の小型化が図れる。

また、ＣＨＳ６には予測できない過電圧が印加されなくなり、ＦＣ電圧以上の電圧を抑制することが出来るので信頼性の向上をすることが出来る。

尚、図１には、逆流防止用の半導体素子として、ＣＨＳとしてサイリスタ素子を記載しているが、実際にはＩＧＢＴとダイオード、接触器とダイオードの複合回路となっている場合もあり、どの方式の逆流防止用回路においても同様の接続となり、同様の効果を得ることができるので、特にサイリスタ素子のみに限定はされない。

（第２の実施の形態）
本発明に基づく第２の実施の形態の電気車用電源装置について図を参照し詳細に説明する。図３は、主変換装置と本発明に基づく第２の実施の形態の電気車用電源装置の構成図である。

本発明に基づく第２の実施の形態の電気車用電源装置は、パンタグラフ２と接続された接触器３と、接触器３と接続された直流リアクトル４と、リアクトル４と接続され、電流の逆流を防止するフィルタコンデンサ充電抵抗器短絡スイッチ６と、フィルタコンデンサ充電抵抗器短絡スイッチ６と接続され、直流電力を交流電力に変換するインバータ回路８と、インバータ回路８の直流端子間に接続されたフィルタコンデンサ７と、インバータ回路８の交流側と接続された交流フィルター９と変圧器１０と、電気車用電源装置１２の帰線側にアノードを、接触器３と直流リアクトル４の間の回路にカソードを、接続するダイオード１１を設けている。

その結果、パンタグラフの離線時に、主変換装置１４用の直流リアクトル１３が逆起電力を大きく発生した場合であっても、本実施の形態の電気車用電源装置のＣＨＳ６へはＦＣ７の電圧が逆方向に印加されることになり、ＦＣ電圧分しか印加されない（図２参照）。

このように構成された電気車用電源装置は、逆流防止用の半導体６にＦＣ電圧以上の電圧が印加されなくなるので、逆流防止用の半導体６に印加される電圧は架線電圧から特定できる電圧に限定できる。そのため、低耐圧の素子を適用でき、素子から発生する損失低減から素子自身及び、冷却器のコスト低減、ＣＨＳ６部の小型化が図れる。

また、ＣＨＳ６には予測できない過電圧が印加されなくなるので信頼性の向上をすることが出来る。

本発明に基づく第１及び第２の実施の形態の変形例としては、電圧抑制手段としてＩＧＢＴやサイリスタとする構成が考えられるので、電圧抑制手段として、ＩＧＢＴやサイリスタ等を採用しても良い。

本発明に基づく第１の実施の形態の電気車用電源装置と主変換装置の構成図である。本発明に基づく第１の実施の形態の電気車用電源装置において、パンタグラフの離線が発生した際のＣＨＳへの逆電圧の関係図である。本発明に基づく第２の実施の形態の電気車用電源装置と主変換装置の構成図である。従来の電気車用電源装置の構成図である。従来の電気車用電源装置において、パンタグラフの離線が発生した際のＣＨＳ（フィルタコンデンサ充電抵抗器短絡スイッチ）への逆電圧の関係図である。

符号の説明

１・・・架線
２・・・パンタグラフ
３・・・接触器
４・・・入力リアクトル
５・・・ＦＣ充電抵抗器
６・・・ＦＣ充電抵抗器短絡スイッチ（ＣＨＳ）
７・・・フィルタコンデンサ（ＦＣ）
８・・・インバータ部（主回路）
９・・・交流フィルタ
１０・・・変圧器
１１・・・ダイオード
１２・・・電気車用電源装置（ＳＩＶ）
１３・・・主変換用入力リアクトル
１４・・・主変換装置

Claims

架線と接続されたパンタグラフに接続され電気車を駆動する主電動機に電力を供給する主変換装置を備え、前記主変換装置に並列に、前記パンタグラフに接続された電気車用電源装置において、
前記電気車用電源装置は、
前記パンタグラフと接続された接触器と、
前記接触器と接続された直流リアクトルと、
前記リアクトルと接続され、電流の逆流を防止するフィルタコンデンサ充電抵抗器短絡スイッチと、
前記フィルタコンデンサ充電抵抗器短絡スイッチと接続され、直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、
前記インバータ回路の直流端子間に接続されたフィルタコンデンサと、
前記インバータ回路の交流側と接続された交流フィルターと変圧器と、
前記インバータ回路の帰線側にアノードを接続し、前記直流リアクトルと前記フィルターコンデンサ充電抵抗器の間の回路にカソードを接続したダイオードを備えたことを特徴とする電気車用電源装置。
架線と接続されたパンタグラフに接続され電気車を駆動する主電動機に電力を供給する主変換装置を備え、前記主変換装置に並列に、前記パンタグラフに接続された電気車用電源装置において、
前記電気車用電源装置は、
前記パンタグラフと接続された接触器と、
前記接触器と接続された直流リアクトルと、
前記リアクトルと接続され、電流の逆流を防止するフィルタコンデンサ充電抵抗器短絡スイッチと、
前記フィルタコンデンサ充電抵抗器短絡スイッチと接続され、直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、
前記インバータ回路の直流端子間に接続されたフィルタコンデンサと、
前記インバータ回路の交流側と接続された交流フィルターと変圧器と、
前記インバータ回路の帰線側にアノードを接続し、前記接触器と前記直流リアクトルとの間の回路にカソードを接続したダイオードを備えたことを特徴とする電気車用電源装置。