JP5774124B2 - 車両用補助電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気車に搭載され、電気車に搭載される負荷に所望の電力を供給する車両用補助電源装置に関する。

従来の車両用補助電源装置として、例えば下記特許文献１に示される車両用補助電源装置では、交流架線からの交流入力を変圧して出力する主変圧器の出力端にＰＷＭコンバータが接続され、ＰＷＭコンバータの出力端に三相インバータが接続される構成において、三相インバータの出力端には、三相インバータの出力電圧に含まれる高調波成分を除去するためのフィルタ回路を具備する構成が開示されている。

なお、上記フィルタ回路は、一端が三相インバータの出力端に接続され、他端が三相負荷に接続されるように三相インバータと三相負荷との間を繋ぐ三相出力線にそれぞれ挿入される３つの交流リアクトルと、各交流リアクトルの他端側に位置する三相出力線からそれぞれが引き出されてＹ型に接続され、Ｙ型結線の中性点となる他端同士の接続点が接地される３つのフィルタコンデンサとを備えて構成されている。

特許第４３９１３３９号公報

上記特許文献１のように、三相インバータの出力段（以下、特に断りのない限り「三相インバータの出力段」を単に「出力段」という）に三相変圧器が設けられない三相電力変換装置において、負荷として三相負荷を接続した場合、フィルタコンデンサには三相負荷における各相電流間の電流差に相当する電流（以下「不平衡電流」という）が流れる。このため、負荷として三相負荷を想定した場合、フィルタコンデンサに要求される仕様は、不平衡電流の最大値を想定することで充分であった。

一方、車両用補助電源装置の場合、三相負荷に加えて単相負荷の接続要求もある。ここで、単相負荷を三相出力線の各相間（Ｕ−Ｎ間、Ｖ−Ｎ間、Ｗ−Ｎ間）に接続した場合、フィルタコンデンサの三相中性点が接地されていると、単相負荷容量分の電流が全てフィルタコンデンサに流れ込むことになる。つまり、フィルタコンデンサの三相中性点を接地する構成において負荷に単相負荷を接続した場合、フィルタ機能に加えて出力段の接地機能を担うフィルタコンデンサに対し、本来のフィルタ機能に必要な電流容量以上の性能を強いることになって、フィルタコンデンサのコスト上昇、サイズ上昇に繋がるという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、フィルタ機能を担うフィルタコンデンサに対し、本来のフィルタ機能に必要な電流容量以上の性能を強いることのない車両用補助電源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に、本発明は、電気車に搭載され、入力された直流電圧を所望の三相交流電圧に変換して負荷に印加する三相インバータを具備する車両用補助電源装置において、前記三相インバータの各出力端に接続されるフィルタリアクトルと、前記フィルタリアクトルの負荷側の端にてＹ型に結線され、且つ、中性点が接地されないフィルタコンデンサと、前記フィルタリアクトルの負荷側の端にてＹ型に結線され、且つ、中性点が接地される一次巻線および、Δ型に結線される二次巻線を具備する三相トランスと、を備えたことを特徴とすることを特徴とする。

この発明によれば、フィルタ機能を担うフィルタコンデンサに対し、本来のフィルタ機能に必要な電流容量以上の性能を強いることがないという効果を奏する。

図１は、本実施の形態に係る車両用補助電源装置の一構成例を示す図である。 図２は、三相インバータに単相負荷を接続する場合の従来技術に係る一般的な接続構成を示す図である。 図３は、本実施の形態に係る車両用補助電源装置の動作を説明する図である。 図４は、入力回路のバリエーションの一例（交流架線の場合）を示す図である。 図５は、入力回路のバリエーションに係る図４とは異なる一例（交流架線の場合）を示す図である。 図６は、入力回路のバリエーションに係る図４，５とは異なる一例（直流架線の場合）を示す図である。

以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態に係る車両用補助電源装置について説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。

（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係る車両用補助電源装置の一構成例を示す図である。本実施の形態に係る車両用補助電源装置１は電気車に搭載され、その出力端には単相負荷８が接続可能に構成される。この車両用補助電源装置１は、図１に示すように、入力回路２、三相インバータ３、フィルタリアクトル５、フィルタコンデンサ６および、三相トランス７を有して構成される。なお、図１では図示していないが、車両用補助電源装置１の出力端には三相負荷が接続されることもある。

入力回路２の一端は集電装置１１を介して架線１０に接続され、他端は車輪１３を介して大地電位と同電位にあるレール１２に接続される。架線１０から供給される直流電力または交流電力は、集電装置１１を介して入力回路２の一端に入力され、入力回路２の出力端に生じた電力（直流電圧）が三相インバータ３に入力（印加）される。

三相インバータ３は、入力回路２の出力端に設けられ、入力回路２から印加された直流電圧を任意周波数および任意電圧の交流電圧に変換して出力する。

フィルタリアクトル５は、一端が三相インバータ３の出力端に接続され、他端が単相負荷８に接続されるように三相インバータ３と単相負荷８との間を繋ぐ三相出力線４にそれぞれ挿入される３つのリアクトルを有してなる。フィルタコンデンサ６は、各一端同士が接続され、各他端がフィルタリアクトル５の他端側（負荷側）に位置する三相出力線４の何れかの相に接続されてＹ型に結線される３つのコンデンサを有してなる。なお、これらのフィルタリアクトル５およびフィルタコンデンサ６は、双方の作用によってフィルタ回路として機能する。

三相トランス７は、一次巻線７ａ１〜７ａ３および二次巻線７ｂ１〜７ｂ３を有して構成される。一次巻線７ａ１〜７ａ３の各一端は、フィルタコンデンサ６の各他端と同様にフィルタリアクトル５の他端側に位置する三相出力線４のうちの何れかの相に接続されると共に、一次巻線７ａ１〜７ａ３の各他端同士が接続されてＹ型に結線される。一方、二次巻線７ｂ１〜７ｂ３は、隣接する巻線同士が接続されてΔ型に結線される。このように、三相トランス７は、いわゆるＹ−Δ結線に構成される三相トランスである。

また、この三相トランス７において、Ｙ型に結線された一次巻線７ａ１〜７ａ３の各他端同士は大地電位に接地される。同様に、Δ型に結線された二次巻線７ｂ１〜７ｂ３のうちの何れか２つの二次巻線同士の接続端（図１の例では、二次巻線７ｂ１の一端と二次巻線７ｂ３の他端との接続端）も接続線９を通じて大地電位に接地される。なお、二次巻線を接地するのは、二次巻線の電位を固定するためである。したがって、二次巻線の電位が動作上安定している場合には、接続線９を通じて大地電位に接地する必要はなく、二次巻線がフローティングになっていても構わない。

つぎに、本実施の形態に係る車両用補助電源装置の動作について説明するが、ここではまず、本実施の形態に係る車両用補助電源装置が非常に優れた効果を有することの対比として、従来技術に係る動作について説明する。

図２は、三相インバータに単相負荷を接続する場合の従来技術に係る一般的な接続構成を示す図である。図２において、三相インバータ３の出力側にフィルタリアクトル５を接続し、フィルタリアクトル５の出力側に中性点を接地したＹ結線のフィルタコンデンサ１０７を接続する構成は、上記特許文献１に示されるように車両用補助電源装置の一般的な構成である。この構成の車両用補助電源装置に単相負荷１０８を接続する場合、一端側を三相出力線１０４の各相に接続すると共に、他端側同士は接続され、接続線１０９を通じて大地電位に接地する。なお、単相負荷１０８を接地するのは、単相負荷１０８の一端の電位を大地電位に固定するためである。単相負荷１０８の一端の電位を固定することにより、単相負荷１０８自身の絶縁設計や耐圧設計が非常に容易になる。

ここで、図２のように構成された車両用補助電源装置において、単相負荷１０８に不平衡電流が流れる場合を想定する。この不平高電流は、図示のように全単相負荷電流ＩＡとして、接続線１０９に流れる。一方、図２の構成では、中性点接地を担うフィルタコンデンサ１０７の各コンデンサ流れる電流は位相が異なるため、単相負荷電流（Ｕ−Ｎ，Ｖ−Ｎ，Ｗ−Ｎ間の各相電流）が中性点接地を担うフィルタコンデンサ１０７に流れることになる。つまり、Ｕ相に接続されるコンデンサ（以下「Ｕ相コンデンサ」と称する、他も同じ）に流れる電流ＩＣｕは単相負荷Ｕ相電流に等しく、以下、Ｖ相コンデンサに流れる電流ＩＣｖは単相負荷Ｖ相電流に等しく、Ｗ相コンデンサに流れる電流ＩＣｗは単相負荷Ｗ相電流に等しい。

このように、従来技術の構成では、「発明が解決しようとする課題」の項でも説明したように、出力段の接地機能を担うフィルタコンデンサには、本来のフィルタ機能に必要な電流容量以上の性能のものが必要とされ、フィルタコンデンサのコスト上昇、サイズ上昇に繋がっていた。

図３は、本実施の形態に係る車両用補助電源装置の動作を説明する図であり、動作説明に必要な電流および電圧を図１の構成図上に付加する形で示している。図３において、不平高電流である全単相負荷電流ＩＡは、図２の場合と同様に接続線２０に流れる。しかしながら、本実施の形態のように、出力段の接地機能を担う回路部として、Ｙ−Δ結線の三相トランス７を設けた場合、Δ結線された三相トランス７の各二次巻線に流れる電流Ｉｚｕ２，Ｉｚｖ２，Ｉｚｗ２は、結線内でクローズする。このため、これらの電流Ｉｚｕ２，Ｉｚｖ２，Ｉｚｗ２は、全てが同相かつ同一の電流となる。その結果、Ｙ結線された１次側の各一次巻線に流れる電流Ｉｚｕ１，Ｉｚｖ１，Ｉｚｗ１も、これらの間では全てが同相かつ同一の電流となる。したがって、出力段の接地機能を担う三相トランス７には、全単相負荷電流ＩＡによる電流分のみが流れることになる。また、その結果として、残りの単相負荷電流は、メインの回路、即ち、三相出力線４を流れることになる。なお、Ｙ結線された１次側の各一次巻線に流れる電流Ｉｚｕ１，Ｉｚｖ１，Ｉｚｗ１は、製造上の誤差等による影響を除けば、全単相負荷電流ＩＡの１／３の大きさになる。

また、上記の動作説明から明らかなように、三相トランス７の電流容量は、想定される不平衡電流に見合ったものを準備すればよく、従来技術に比較して、小型化、低コスト化を図ることが可能となる。

なお、図１（または図３）の構成では、単相負荷８として全ての相（Ｕ，Ｖ，Ｗの各相）に接続されるものを一例として示したが、１乃至２つの相のみに接続される単相負荷であっても構わない。

図４〜図６は、入力回路２のバリエーションを説明する図であり、図４，５が交流架線の場合の一例であり、図６が直流架線の場合の一例である。

交流架線の場合、入力回路２Ａとしては、例えば図４に示すように、トランス２１および単相コンバータ２２を用いて構成することができる。また、交流架線の電圧が高い場合には、入力回路２Ｂとして、例えば図５に示すように、トランス２１の前段に、トランス２３、単相コンバータ２４および単相インバータ２５を設けるように構成することで、これら２つの単相コンバータ２２，２４によって電圧を段階的に降圧することが可能となる。また、直流架線の場合、入力回路２Ｃとしては、例えば図６に示すように、単相インバータ２６、トランス２７および単相コンバータ２８を用いて構成することができる。

なお、図４〜図６にでは、単相コンバータを設ける構成としたが、これらの単相コンバータの代わりに整流回路を用いて構成しても構わない。

以上説明したように、本実施の形態に係る車両用補助電源装置には、三相インバータの各出力端に接続されるフィルタリアクトルと、フィルタリアクトルの負荷側の端にてＹ型に結線され、且つ、中性点が接地されないフィルタコンデンサと、フィルタリアクトルの負荷側の端にてＹ型に結線され、且つ、中性点が接地される一次巻線および、Δ型に結線される二次巻線を具備する三相トランスと、が設けられているので、負荷として単相負荷が接続される場合であっても、フィルタ機能を担うフィルタコンデンサに対し、本来のフィルタ機能に必要な電流容量以上の性能を強いることがないという効果を得ることが可能となる。

なお、上記の構成において、Δ型に結線される二次巻線同士の接続端のうちの何れか１つの接続端を接地することとすれば、二次巻線の電位を安定化することが可能となる。

以上のように、本発明は、フィルタ機能を担うフィルタコンデンサに対し、本来のフィルタ機能に必要な電流容量以上の性能を強いることのない車両用補助電源装置として有用である。

１ 車両用補助電源装置
２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ 入力回路
３ 三相インバータ
４ 三相出力線
５ フィルタリアクトル
６ フィルタコンデンサ
７ 三相トランス
７ａ１〜７ａ３ 一次巻線
７ｂ１〜７ｂ３ 二次巻線
８ 単相負荷
９，２０ 接続線
１０ 架線
１１ 集電装置
１２ レール
１３ 車輪
２１，２３，２７ トランス
２２，２４，２８ 単相コンバータ
２５，２６ 単相インバータ

Claims (4)

1. 電気車に搭載され、入力された直流電圧を所望の三相交流電圧に変換して負荷の一端側に印加する三相インバータを具備する車両用補助電源装置において、
   前記三相インバータの各出力端に接続されるフィルタリアクトルと、
   前記フィルタリアクトルの負荷側の端にてＹ型に結線され、且つ、中性点が接地されないフィルタコンデンサと、
   前記フィルタリアクトルの負荷側の端にてＹ型に結線され、且つ、中性点が接地されるとともに前記中性点に前記負荷の他端側が接続される一次巻線および、Δ型に結線される二次巻線を具備する三相トランスと、
   を備えたことを特徴とする車両用補助電源装置。
2. 前記Δ型に結線される二次巻線同士の接続端のうちの何れか１つの接続端が接地されることを特徴とする請求項１に記載の車両用補助電源装置。
3. 前記電気車には、交流架線からの交流電力が供給されることを特徴とする請求項１または２に記載の車両用補助電源装置。
4. 前記電気車には、直流架線からの直流電力が供給されることを特徴とする請求項１または２に記載の車両用補助電源装置。
   

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