JP6495666B2

JP6495666B2 - 車両用電力変換装置

Info

Publication number: JP6495666B2
Application number: JP2015010718A
Authority: JP
Inventors: 剛広高尾; 浩昭尾谷; 牧野　友由; 友由牧野
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Infrastructure Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Infrastructure Systems and Solutions Corp
Priority date: 2015-01-22
Filing date: 2015-01-22
Publication date: 2019-04-03
Anticipated expiration: 2035-01-22
Also published as: JP2016135087A

Description

本発明の実施形態は、車両用電力変換装置に関する。

従来、交流区間と直流区間の両方を走行できる交直両用の車両（電気車、電車）が提案されており、その車両に適用できる車両用電力変換装置が知られている。

特開２０１０−２００５７６号公報

この種の車両用電力変換装置において、回転電機を駆動する主回路側と、冷暖房装置や照明装置、空気圧縮機等の補助的な機器（補機）を駆動する補助回路側とで、高調波コモンモード電流によるノイズを軽減することができれば、車両用電力変換装置の性能向上に貢献できる。

実施形態にかかる車両用電力変換装置は、コンバータと、インバータと、第一の電力供給線と、第二の電力供給線と、第一の接地線と、コアと、第一の接続線と、第一の接触器と、第二の接触器と、第三の接触器と、を備える。コンバータは、変圧器に接続されている。インバータは、コンバータと回転電機とに接続されている。第一の電力供給線は、インバータに直流電力を供給する。第二の電力供給線は、コンバータに直流電力を供給する。第一の接地線は、コンバータおよびインバータとグラウンドとを電気的に接続する。コアは、第一の電力供給線、第二の電力供給線、および第一の接地線が貫通する。第一の接続線は、第一の電力供給線と第二の電力供給線とを電気的に接続する。第一の接触器は、第一の電力供給線に設けられる。第二の接触器は、第二の電力供給線に設けられる。第三の接触器は、第一の接続線に設けられる。

図１は、第１実施形態にかかる車両用電力変換装置を含む電源システムの一例を示す回路構成図である。図２は、第１実施形態にかかる車両用電力変換装置のコアの形状と、当該コアに貫通する第一の電力供給線と第二の電力供給線と第一の接地線の配置の様子を説明する断面図である。図３は、第１実施形態にかかる車両用電力変換装置の他の例のコアの形状と、当該コアに貫通する第一の電力供給線と第二の電力供給線と第一の接地線の配置の様子を説明する断面図である。図４は、第１実施形態にかかる車両用電力変換装置を３レベルのコンバータおよび３レベルのインバータで構成した変形例を示す部分的な回路構成図である。図５は、第２実施形態にかかる車両用電力変換装置を含む電源システムの一例を示す回路構成図である。図６は、第２実施形態にかかる車両用電力変換装置を３レベルのコンバータおよび３レベルのインバータで構成した変形例を示す部分的な回路構成図である。図７は、第３実施形態にかかる車両用電力変換装置を含む電源システムの一例を示す回路構成図である。図８は、第３実施形態にかかる車両用電力変換装置を３レベルのコンバータおよび２レベルのインバータで構成した変形例を示す部分的な回路構成図である。図９は、第４実施形態にかかる車両用電力変換装置の部分的な回路構成図であり、複数のコンバータと複数のインバータを含む車両用電力変換装置のコアに対する第一の電力供給線と第二の電力供給線と第一の接地線の貫通例を説明する図である。図１０は、第４実施形態にかかる車両用電力変換装置の変形例の部分的な回路構成図であり、複数のコンバータと複数のインバータを含む車両用電力変換装置のコアに対する第一の電力供給線と第二の電力供給線と第一の接地線の他の貫通例を説明する図である。

以下の例示的な実施形態や変形例には、同様の構成要素が含まれている。よって、以下では、同様の構成要素には共通の符号が付されるとともに、重複する説明が省略される。

＜第１実施形態＞
本実施形態では、一例として、交流架線区間と直流架線区間との両方で、架線から電力の供給を受けて走行可能な交直両用の車両（電気車、電車）に適用可能な車両用電力変換装置１０を示す。図１は、第１実施形態にかかる車両用電力変換装置１０を含む電源システムの概略的な回路構成図を示している。

車両用電力変換装置１０は、主変換装置１２と、変圧器１４と、交流遮断器１６と、直流遮断器１８と、第一の電力供給線２０と、第二の電力供給線２２と、第一の接地線２４、補助回路２６と、を備えている。

主変換装置１２は、コンバータ２８（ＣＮＶ）と、インバータ３０（ＩＮＶ）と、コア３２と、を備える。コンバータ２８は、例えば２レベルのコンバータであり、変圧器１４の一次側コイル１４ａに対向する第一の二次側コイル１４ｂが交流端子側に接続されている。また、コンバータ２８の直流端子側は、第一の接続線３４（直流正母線）と共通接地線３６（直流負母線）を介してインバータ３０の直流端子側に接続されている。図１の場合、インバータ３０は、２レベルのインバータである。インバータ３０の交流端子側には、車両を走行させる場合の駆動源となる３相交流の回転電機３８が接続されている。回転電機３８は例えばモータ接地線３９を介して接地されている。なお、図１の場合、共通接地線３６に第一の接地線２４が接続されているが、共通接地線３６を第一の接地線２４と称してもよい。

交直両用の車両が交流架線区間に存在する場合、図示を省略した制御部の制御により交流遮断器１６を閉路させるとともに、直流遮断器１８を開路させることにより、変圧器１４に、鉄道変電所４０から送られてくる単相の交流電力が架線４２およびパンタグラフ４４を介して供給される。そして、変圧器１４で所定の電圧に降圧された単相の交流電力が主変換装置１２のコンバータ２８に提供されて、直流電力へ順変換される。また、一次側コイル１４ａには、第二の二次側コイル１４ｃが対向配置されて、補助回路２６に所定の降圧が施された単相の交流電力が供給される。補助回路２６には、例えば、車両において、低電圧で駆動する冷暖房装置、照明装置、空気圧縮機等の補助的な機器（補機）が接続されている。

交直両用の車両が直流架線区間に存在する場合、図示を省略した制御部の制御により直流遮断器１８を閉路させるとともに、交流遮断器１６を開路させることにより、鉄道変電所４０から送られてくる直流電力が架線４２およびパンタグラフ４４を介して第一の電力供給線２０および第二の電力供給線２２に供給される。直流遮断器１８の下流側（パンタグラフ４４とは反対側の主変換装置１２側）で、第一の電力供給線２０と第二の電力供給線２２とは分岐している。そして、第一の電力供給線２０はインバータ３０の直流端子側に直流電力を供給し、第二の電力供給線２２はコンバータ２８の直流端子側に直流電力を供給する。第一の電力供給線２０には、直流遮断器１８の下流側の位置で直流電力を供給する場合に閉路される第一の接触器４６が設けられ、第二の電力供給線２２には、直流遮断器１８の下流側の位置で直流電力を供給する場合に閉路される第二の接触器４８が設けられている。

第一の接触器４６と並列に、直列接続された補助接触器４６ａと抵抗４６ｂとが設けられている。インバータ３０の直流端子側には、第一の接続線３４と共通接地線３６との間にインバータ３０に供給する直流電力を安定化するためのコンデンサ５０が設けられている。インバータ３０を通常運転状態で動作させるための直流電力を第一の電力供給線２０が供給するのに先立ち、コンデンサ５０を充電する。そのため、直流遮断器１８が閉路された直後の直流電力の供給初期段階では、第一の接触器４６が開路状態のままにされる一方、補助接触器４６ａが閉路されることにより抵抗４６ｂを介した直流電力をコンデンサ５０に供給して、コンデンサ５０を充電する。そして、コンデンサ５０の充電後は、補助接触器４６ａを開路させる一方、第一の接触器４６を閉路させて、直流電力を第一の電力供給線２０を介してインバータ３０に供給して通常運転を開始する。同様に、第二の接触器４８と並列に、直列接続された補助接触器４８ａと抵抗４８ｂとが設けられている。コンバータ２８の直流端子側には、第一の接続線３４と共通接地線３６との間にコンバータ２８に供給する直流電力を安定化するためのコンデンサ５２が設けられている。コンバータ２８を逆変換で動作させる場合に、当該コンバータ２８を通常運転状態で動作させるための直流電力を第二の電力供給線２２が供給するのに先立ち、コンデンサ５２を充電する。そのため、直流遮断器１８が閉路された直後の直流電力の供給初期段階では、第二の接触器４８が開路状態のままにされる一方、補助接触器４８ａを閉路させることにより抵抗４８ｂを介した直流電力をコンデンサ５２に供給して、コンデンサ５２を充電する。そして、コンデンサ５２の充電後は、補助接触器４８ａを開路させる一方、第二の接触器４８を閉路させて、直流電力を第二の電力供給線２２を介してコンバータ２８に供給して通常運転を開始する。

第一の接続線３４は、第一の電力供給線２０と第二の電力供給線２２とを電気的に接続するとともに、当該第一の接続線３４に設けられた第三の接触器５４によって、コンバータ２８側とインバータ３０側とを接離自在にしている。例えば、車両が直流架線区間に存在しているときには、第一の電力供給線２０から直流電力をインバータ３０に供給するとともに、第二の電力供給線２２から直流電力をコンバータ２８に供給することになるので、第三の接触器５４を開路させて、コンバータ２８側とインバータ３０側とを分離する。一方、車両が交流架線区間に存在しているときに、変圧器１４で降圧された単相の交流電力をコンバータ２８で直流電力に順変換して、インバータ３０に供給することになるので、第三の接触器５４を閉路させて、コンバータ２８側とインバータ３０側とを接続する。

上述したように、第一の接続線３４（直流正母線）に第三の接触器５４を設けることにより、コンバータ２８とインバータ３０とを電気的に分離することができる。例えば、直流架線区間で、インバータ３０が短絡してしまった場合に第三の接触器５４を開路させるとともに、第一の接触器４６を開路させることにより、第二の電力供給線２２のみを用いて直流電力がコンバータ２８のみに供給されるようにできる。その結果、例えば、インバータ３０の故障により回転電機３８の駆動ができない（車両の走行ができない）場合でも、コンバータ２８の逆変換により直流電力を交流電力に変換できる。その結果、補助回路２６に交流電力を供給することができて、補機（例えば、冷暖房装置や照明装置等）を駆動することができる。

なお、コンバータ２８と変圧器１４の第一の二次側コイル１４ｂとの間にコンバータ用接触器５６が設けられている。コンバータ用接触器５６は、例えばコンバータ２８の保護を行う場合に開路されて、交流電力の供給が遮断される。また、コンバータ用接触器５６と並列に、直列接続された補助接触器５６ａと抵抗５６ｂとが設けられている。この場合、交流架線区間でインバータ３０に供給する、コンバータ２８で順変換された直流電力を安定化させるために、インバータ３０を通常運転状態で駆動させるのに先立ち、コンバータ２８で順変換された直流電力でコンデンサ５０，５２を充電する。そのため、交流遮断器１６が閉路された直後の交流電力の供給初期段階では、コンバータ用接触器５６が開路状態のままにされる一方、補助接触器５６ａを閉路させることにより抵抗５６ｂを介した交流電力をコンバータ２８に供給して、コンデンサ５０，５２を充電する。そして、コンデンサ５０，５２の充電後は、補助接触器５６ａを開路させる一方、コンバータ用接触器５６を閉路させて、変圧器１４から供給される単相の交流電力をコンバータ２８に供給して、単相の交流電力を直流電力に変換し、さらにインバータ３０で三相の交流電力に変換して、回転電機３８の通常運転を開始する。

図１において、コア３２は、第一の電力供給線２０、第二の電力供給線２２、および第一の接地線２４がコア３２内を貫通するように１個設けられている。例えば、コア３２は図２に示すような筒形状であり、内部に第一の電力供給線２０、第二の電力供給線２２、第一の接地線２４が一括して貫通している。コア３２の詳細は後述する。

変圧器１４の低圧側や第一の接地線２４は、図示しない車両のボディ５８に接続されるとともに、最終的には、図示しない車軸と接触する接地ブラシ６０および車軸と接続される車輪６２を介してレール６４で接地されている。

以上のように構成される車両用電力変換装置１０の動作を説明する。まず、車両が交流架線区間に存在して架線から供給される単相の交流電力により、回転電機３８の駆動および補助回路２６に接続された補機を駆動する場合を説明する。

前述したように、車両が交流架線区間に存在する場合、交流遮断器１６が閉路される一方、直流遮断器１８が開路される。その結果、鉄道変電所４０から送られてくる単相の交流電力は、架線４２およびパンタグラフ４４を介して変圧器１４に供給される。また、交流架線区間では、第三の接触器５４が閉路される。交流電力の供給初期段階では、コンバータ用接触器５６が開路状態のままにされる一方、補助接触器５６ａが閉路されて、交流電力が抵抗５６ｂを介してコンバータ２８に供給される。コンバータ２８では、交流電力が直流電力に順変換され、第一の接続線３４を介してコンデンサ５０とコンデンサ５２を充電する。そしてコンデンサ５０，５２が充電されることにより、インバータ３０に供給される直流電力が安定する。コンデンサ５０，５２の充電が完了すると、補助接触器５６ａが開路されて、コンバータ用接触器５６が閉路される。その結果、通常運転時の電流量で交流電力がコンバータ２８に供給され、交流電力が直流電力に順変換されてインバータ３０に供給される。インバータ３０では、直流電力は三相の交流電力に変換されて、回転電機３８に提供されて、その結果、回転電機３８は動作することになる。

また、パンタグラフ４４および交流遮断器１６を介して変圧器１４の一次側コイル１４ａに供給された単相の交流電力は、第二の二次側コイル１４ｃによって補機で利用可能な電圧に降圧されて、補助回路２６に供給される。その結果、冷暖房装置や照明装置、空気圧縮機等が駆動可能となる。

次に、車両が直流架線区間に存在して架線から供給される直流電力により、回転電機３８の駆動および補助回路２６に接続された補機を駆動する場合を説明する。

前述したように、車両が直流架線区間に存在する場合、直流遮断器１８が閉路される一方、交流遮断器１６が開路される。その結果、鉄道変電所４０から送られてくる直流電力は、架線４２およびパンタグラフ４４を介して第一の電力供給線２０に供給される。また、直流架線区間では、第三の接触器５４が開路される。直流電力の供給初期段階では、第一の接触器４６が開路状態のままにされる一方、補助接触器４６ａが閉路される。その結果、直流電流が抵抗４６ｂを介して通常運転時の電流量より少ない初期充電時の電流量でゆっくりとコンデンサ５０に供給されて、当該コンデンサ５０が充電される。コンデンサ５０が充電されることにより、インバータ３０に供給される直流電力が安定する。コンデンサ５０の充電が完了すると、補助接触器４６ａが開路されて、第一の接触器４６が閉路される。その結果、通常運転時の電流量で直流電力がインバータ３０に供給される。インバータ３０では、直流電力が三相の交流電力に変換されて、回転電機３８に提供されて、その結果、回転電機３８は車両を駆動することになる。

また、直流電力の供給初期段階では、第二の接触器４８が開路状態のままにされる一方、補助接触器４８ａが閉路される。その結果、直流電流が抵抗４８ｂを介して通常運転時の電流量より少ない初期充電時の電流量でゆっくりとコンデンサ５２に供給されて、当該コンデンサ５２を充電する。コンデンサ５２が充電されることにより、コンバータ２８に供給される直流電力が安定する。コンデンサ５２の充電が完了すると、補助接触器４８ａが開路されて、第二の接触器４８が閉路される。その結果、通常運転時の電流量で直流電力がコンバータ２８に供給される。コンバータ２８に供給された直流電力は、当該コンバータ２８で逆変換されて、単相の交流電力になり、第一の二次側コイル１４ｂに流れる。その結果、一次側コイル１４ａに昇圧された単相の交流電力が供給される。そして、昇圧された交流電力の電圧は、一次側コイル１４ａに対向する第二の二次側コイル１４ｃとの間で、補機で利用可能な電圧に降圧されて、補助回路２６に供給される。その結果、冷暖房装置や照明装置、空気圧縮機等が駆動可能となる。

ところで、コンバータ２８やインバータ３０等を含む構成では、物理的な構造に起因する、設計者が意図しない容量成分である浮遊容量が存在して電荷を蓄積する場合がある。例えば、回転電機３８のコイルと接地ブラシ６０を介して大地（レール６４）に接続された回転電機３８のケースとの間に浮遊容量６６が存在し、この浮遊容量６６がインバータ３０を経路とする高調波コモンモード電流の経路となり得る。また、例えば、コンバータ２８に接続される変圧器１４の第一の二次側コイル１４ｂとボディ５８を介して大地に接地された変圧器１４のケースとの間に浮遊容量６８が存在する。この浮遊容量６８がコンバータ２８を経路とする高調波コモンモード電流の経路となり得る。そして、この高調波コモンモード電流がノイズの原因になり得る。

そこで、本実施形態では、コンバータ２８を経路とする高調波コモンモード電流と、インバータ３０を経路とする高調波コモンモード電流とを一括して抑制するようにコア３２を設けている。コア３２は、例えば、フェライトコアやファインメット（登録商標）のコアを利用することができる。具体的には、筒状のコア３２に第一の電力供給線２０、第二の電力供給線２２、第一の接地線２４の３本を一括して貫通させる。このように、第一の電力供給線２０、第二の電力供給線２２、第一の接地線２４の３本を一括して１個のコア３２に貫通させることにより、コア３２を通過する電流の平衡が保たれ、コア３２の高調波成分の除去効果を維持して（コア３２が磁気飽和を起こすことなく）、コンバータ２８を経路とする高調波コモンモード電流およびインバータ３０を経路とする高調波コモンモード電流の抑制（除去）ができる。その結果、高調波が原因となるノイズが抑制可能になり、車両用電力変換装置１０の性能向上に寄与できる。

なお、第一の電力供給線２０、第二の電力供給線２２、第一の接地線２４の断面が円形の場合で、コア３２を貫通させる場合、図２に示すように、中空部分の断面が円形のコア３２に貫通させることができる。一方、図３に示すように、第一の電力供給線２０、第二の電力供給線２２、共通接地線３６の断面が矩形の場合、少なくとも中空部分の断面が長丸形状のコア３２ａを用いることができる。そして、コア３２ａに第一の電力供給線２０、第二の電力供給線２２、共通接地線３６を貫通させる場合、第一の電力供給線２０と第二の電力供給線２２とで共通接地線３６を挟むように配置した姿勢で貫通させるようにすることが望ましい。

なお、図１の場合、２レベルのコンバータ２８と２レベルのインバータ３０で主変換装置１２を構成した例を示したが、図４に示すように、３レベルのコンバータ２８と３レベルのインバータ３０で主変換装置１２を構成してもよい。この場合、コンバータ２８とインバータ３０とは、第一の接続線３４（直流正母線）、共通接地線３６（直流負母線）に加え、第二の接続線７０（中性点母線）によって接続される。第二の接続線７０には、直流架線区間で第一の電力供給線２０および第二の電力供給線２２から直流電力の供給を受ける場合に、コンバータ２８側とインバータ３０側とを分離する中性点用接触器７２が設けられる。交流架線区間では、３レベルのコンバータ２８から例えば、＋ＡＶ、＋ＢＶ、０Ｖの直流電力が出力される。そして、コンバータ２８の直流端子側において、第一の接続線３４と第二の接続線７０との間、および第二の接続線７０と共通接地線３６との間には、直流電力を分圧するための抵抗７４ａ，７４ｂが設けられている。なお、コンバータ２８に直流電力を供給する場合に、直流電力を安定化させるためのコンデンサ５２ａが抵抗７４ａと並列に設けられている。また、コンデンサ５２ｂが抵抗７４ｂと並列に設けられている。同様に、インバータ３０の直流端子側において、第一の接続線３４と第二の接続線７０との間、および第二の接続線７０と共通接地線３６との間には、直流電力を分圧するための抵抗７３ａ，７３ｂが設けられている。また、インバータ３０の直流電力が供給される場合に、直流電力を安定化させるためのコンデンサ５０ａが抵抗７３ａと並列に設けられている。同様に、コンデンサ５０ｂが抵抗７３ｂと並列に設けられている。

このように構成される３レベルのコンバータ２８と３レベルのインバータ３０で主変換装置１２を構成する場合においても、第一の電力供給線２０、第二の電力供給線２２、第一の接地線２４の３本を一括して１個のコア３２に貫通させる。その結果、コア３２を通過する電流の平衡が保たれ、コア３２の高調波成分の除去効果を維持して（コア３２が磁気飽和を起こすことなく）、コンバータ２８を経路とする高調波コモンモード電流およびインバータ３０を経路とする高調波コモンモード電流の抑制（除去）ができる。その結果、高調波が原因となるノイズが抑制可能になり、車両用電力変換装置１０の性能向上に寄与できる。

＜第２実施形態＞
図５は、交直両用の車両（電車）に適用可能な第２実施形態にかかる車両用電力変換装置１０を示す。図５に示す車両用電力変換装置１０の基本的な構成は図１に示した構成と同じであり、同様な構成には、同一の符号を付し、その説明を省略する。図５に示す車両用電力変換装置１０の主変換装置１２ａは、浮遊容量６６がインバータ３０を経路とする高調波コモンモード電流の経路となり得る場合に、回転電機３８とインバータ３０との間でコモンモード電流をループさせることにより、車体側への影響を軽減する対策としてコンデンサ７６を有する構成である。コンデンサ７６は、一端が第一の接地線２４とコア３２のグラウンド（接地）とは反対側で電気的に接続され、他端が回転電機３８のケース（ケースアース、モータ接地線３９）と電気的に接続された第二の接地線７５に設けられている。ところで、コンデンサ７６による対策だけでは、高調波コモンモード電流の抑制が不十分な場合もある。そこで、本実施形態では、コア３２を用いた高調波コモンモード電流の抑制（除去）を合わせて実施している。

前述したように、コンデンサ７６を有する第二の接地線７５は、第一の接地線２４とコア３２のグラウンド（接地）とは反対側で電気的に接続されている。そして、コア３２は、第一の電力供給線２０、第二の電力供給線２２、第一の接地線２４の３本を一括して貫通させている。その結果、コア３２を通過する電流の平衡が保たれ、コア３２の高調波成分の除去効果を維持して（コア３２が磁気飽和を起こすことなく）、コンバータ２８を経路とする高調波コモンモード電流およびインバータ３０を経路とする高調波コモンモード電流の抑制（除去）ができる。その結果、高調波が原因となるノイズがより効果的に抑制可能になり、車両用電力変換装置１０の性能向上に寄与できる。

図６は、図５に示す第２実施形態の変形例である。図５は、２レベルのコンバータ２８と２レベルのインバータ３０で主変換装置１２ａを構成した例を示したが、図６は、３レベルのコンバータ２８と３レベルのインバータ３０で主変換装置１２ａを構成している。３レベルのコンバータ２８と３レベルのインバータ３０を含む主変換装置１２ａの構成は、図４で示した第１実施形態の３レベルのコンバータ２８と３レベルのインバータ３０を含む主変換装置１２の構成と同じであり、図４の構成に図５に示す第二の接地線７５およびコンデンサ７６を追加している。したがって、図６において、図４あるいは図５と同一の構成には、同一の符号を付すとともに詳細な説明を省略する。

このように、コンデンサ７６による高調波コモンモード電流の抑制対策が行われた、３レベルのコンバータ２８と３レベルのインバータ３０で構成される主変換装置１２ａにおいても、第一の電力供給線２０、第二の電力供給線２２、第一の接地線２４の３本を一括して１個のコア３２に貫通させる。その結果、コア３２を通過する電流の平衡が保たれ、コア３２の高調波成分の除去効果を維持して（コア３２が磁気飽和を起こすことなく）、コンバータ２８を経路とする高調波コモンモード電流およびインバータ３０を経路とする高調波コモンモード電流の抑制（除去）ができる。その結果、高調波が原因となるノイズが抑制可能になり、車両用電力変換装置１０の性能向上に寄与できる。

＜第３実施形態＞
図７は、交直両用の車両（電車）に適用可能な第３実施形態にかかる車両用電力変換装置１０を示す。図７の場合、３レベルのコンバータ２８と３レベルのインバータ３０で構成される主変換装置１２ｂを示している。ところで、架線区域によっては、交流架線区間の電圧が高い場合がある。この場合、主変換装置１２ｂを構成する部品の絶縁を確保するために絶縁距離を大きくとる必要がある。しかしながら装置の大型化等の原因になるため、別途対策が必要になる。そこで、図７の構成の場合、例えば、３レベルのコンバータ２８から出力される中性点母線を接地することにより、電位差を小さくして絶縁距離を小さくしても十分な絶縁が確保できるようにしている。一方、直流架線区間の直流電力の電圧は、あまり高くないため、直流架線区間では、中性点母線を接地することなく、共通接地線３６を接地するようにしている。なお、浮遊容量６６に起因するインバータ３０を経路とする高調波コモンモード電流の流れ方や浮遊容量６８に起因するコンバータ２８を経路とする高調波コモンモード電流の流れ方は、第２実施形態と同じものとする。

主変換装置１２ｂの基本的な構成は、図６に示す構成と同じであり、図７において同一の構成には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。図７の第３実施形態においては、主変換装置１２ｂは、第二の接続線７０を接地する場合と、共通接地線３６を接地する場合とを切り替えるための切替装置７８を備える。この切替装置７８は、第一の接地線２４の、第二の接地線７５との接続部分と、コンバータ２８およびインバータ３０と、の間に設けられた第四の接触器８０を備える。また、切替装置７８は、コンバータ２８およびインバータ３０とグラウンドとを電気的に接続する第三の接地線８２に設けられた第五の接触器８４を備える。

このように構成される主変換装置１２ｂを含む車両用電力変換装置１０の動作を説明する。まず、車両が交流架線区間に存在して架線から供給される単相の交流電力により、回転電機３８の駆動および補助回路２６に接続された補機を駆動する場合を説明する。

車両が交流架線区間に存在する場合、交流遮断器１６が閉路される一方、直流遮断器１８が開路される。その結果、鉄道変電所４０から送られてくる単相の交流電力は、架線４２およびパンタグラフ４４を介して変圧器１４に供給される。また、交流架線区間では、第三の接触器５４および中性点用接触器７２が閉路される。また、切替装置７８の第五の接触器８４が閉路されるとともに、第四の接触器８０が開路される。その結果、第二の接続線７０（中性点母線）が接地されることになる。そして、コンバータ２８の直流電力の電圧ＸＶ（＝２＊ＡＶ）が抵抗７４ａ，７４ｂによって分圧されて例えば、＋ＡＶ、０Ｖ、−ＡＶになる。したがって、分圧によって、３レベルのインバータ３０に異なる電圧を供給することができるとともに、電位差が分圧を行わない場合の例えば半分になり、主変換装置１２ｂの絶縁性能を改善することができる。

交流電力の供給初期段階では、コンバータ用接触器５６が開路状態のままにされる一方、補助接触器５６ａが閉路されて、交流電力が抵抗５６ｂを介してコンバータ２８に供給される。コンバータ２８では、交流電力が直流電力に変換されて出力される。その結果、通常運転時の電流量より少ない初期充電時の電流量でゆっくりとコンデンサ５０ａ，５０ｂ，５２ａ，５２ｂが充電される。この充電が行われることにより、インバータ３０に供給される直流電力が安定する。コンデンサ５０ａ，５０ｂ，５２ａ，５２ｂの充電が完了すると、補助接触器５６ａが開路されて、コンバータ用接触器５６が閉路される。その結果、通常運転時の電流量で交流電力がコンバータ２８に供給され、交流電力が直流電力に変換されてインバータ３０に供給される。インバータ３０では、直流電力が三相の交流電力に変換されて、回転電機３８に提供される。その結果、回転電機３８は車両を駆動することになる。

次に、車両が直流架線区間に存在して架線から供給される直流電力により、回転電機３８の駆動および補助回路に２６接続された補機を駆動する場合を説明する。

車両が直流架線区間に存在する場合、直流遮断器１８が閉路される一方、交流遮断器１６が開路される。その結果、鉄道変電所４０から送られてくる直流電力は、架線４２およびパンタグラフ４４を介して第一の電力供給線２０に供給される。また、直流架線区間では、第三の接触器５４および中性点用接触器７２が開路される。また、切替装置７８の第五の接触器８４が開路されるとともに、第四の接触器８０が閉路される。その結果、共通接地線３６が第一の接地線２４に接続されて接地されることになる。そして、第一の電力供給線２０から提供される直流電力の電圧が抵抗７３ａ，７３ｂによって分圧されて例えば、＋ＢＶ、Ｂ／２Ｖ、０Ｖになる。したがって、分圧によって、３レベルのインバータ３０に異なる電圧を供給することができる。

直流電力の供給初期段階では、第一の接触器４６が開路状態のままにされる一方、補助接触器４６ａが閉路される。その結果、直流電流が抵抗４６ｂを介してコンデンサ５０ａ，５０ｂに供給されて、通常運転時の電流量より少ない初期充電時の電流量でゆっくりとコンデンサ５０ａ，５０ｂが充電される。コンデンサ５０ａ，５０ｂが充電されることにより、インバータ３０に供給される直流電力が安定する。コンデンサ５０ａ，５０ｂの充電が完了すると、補助接触器４６ａが開路されて、第一の接触器４６が閉路される。その結果、通常運転時の電流量で直流電力がインバータ３０に供給される。インバータ３０では、直流電力から三相の交流電力に変換されて、回転電機３８に提供される。その結果、回転電機３８は、車両を駆動することになる。

また、直流電力の供給初期段階では、第二の接触器４８が開路状態のままにされる一方、補助接触器４８ａが閉路される。その結果、直流電流が抵抗４８ｂを介してコンデンサ５２ａ，５２ｂに供給されて、通常運転時の電流量より少ない初期充電時の電流量でゆっくりとコンデンサ５２ａ，５２ｂが充電される。コンデンサ５２ａ，５２ｂが充電されることにより、コンバータ２８に供給される直流電力が安定する。コンデンサ５２ａ，５２ｂの充電が完了すると、補助接触器４８ａが開路されて、第二の接触器４８が閉路される。その結果、通常運転時の電流量で直流電力がコンバータ２８に供給される。この場合、第二の電力供給線２２から提供される直流電力が抵抗７４ａ，７４ｂによって分圧されて例えば、＋ＢＶ、Ｂ／２Ｖ、０Ｖになる。したがって、分圧によって、３レベルのコンバータ２８に異なる電圧を供給することができる。コンバータ２８に供給された直流電力は、当該コンバータ２８で逆変換されて、単相の交流電力になり第一の二次側コイル１４ｂに流れる。その結果、一次側コイル１４ａに昇圧された単相の交流電力が流れる。そして、当該一次側コイル１４ａに対向する第二の二次側コイル１４ｃとの間で、補機で利用可能な電圧に降圧されて、補助回路２６に供給される。その結果、冷暖房装置や照明装置、空気圧縮機等が駆動可能となる。

このように構成される、３レベルのコンバータ２８と３レベルのインバータ３０を含むとともに、交流架線区間と直流架線区間とで、接地形態を切り替える主変換装置１２ｂの場合においても、第一の電力供給線２０、第二の電力供給線２２、第一の接地線２４の３本を一括して１個のコア３２に貫通させる。その結果、コア３２を通過する電流の平衡が保たれ、コア３２の高調波成分の除去効果を維持して（コア３２が磁気飽和を起こすことなく）、コンバータ２８を経路とする高調波コモンモード電流およびインバータ３０を経路とする高調波コモンモード電流の抑制（除去）ができる。その結果、高調波が原因となるノイズが抑制可能になり、車両用電力変換装置１０の性能向上に寄与できる。

図８は、図７に示す主変換装置１２ｂの変形例であり、３レベルのコンバータ２８と２レベルのインバータ３０を備える主変換装置１２ｂの構成図である。この主変換装置１２ｂの場合、例えば、交流架線区間では、切替装置７８の第五の接触器８４が閉路されるとともに、第四の接触器８０が開路される。その結果、第二の接続線７０（中性点母線）が接地されることになる。そして、コンバータ２８の直流電力の電圧ＸＶ（＝２＊ＡＶ）が抵抗７４ａ，７４ｂによって分圧されて例えば、＋ＡＶ、０Ｖ、−ＡＶになる。図８の構成の場合、インバータ３０には、２＊ＡＶの直流電力が供給されることになる。一方、直流架線区間では、切替装置７８の第五の接触器８４が開路されるとともに、第四の接触器８０が閉路される。その結果、共通接地線３６が第一の接地線２４に接続されて接地されることになる。そして、第一の電力供給線２０から直流電力がインバータ３０に供給されて、三相の交流電力に変換されて回転電機３８が駆動される。

このように構成される、３レベルのコンバータ２８と２レベルのインバータ３０を含むとともに、交流架線区間と直流架線区間とで、接地形態を切り替える主変換装置１２ｂの場合においても、第一の電力供給線２０、第二の電力供給線２２、第一の接地線２４の３本を一括して１個のコア３２に貫通させる。その結果、コア３２を通過する電流の平衡が保たれ、コア３２の高調波成分の除去効果を維持して（コア３２が磁気飽和を起こすことなく）、コンバータ２８を経路とする高調波コモンモード電流およびインバータ３０を経路とする高調波コモンモード電流の抑制（除去）ができる。その結果、高調波が原因となるノイズが抑制可能になり、車両用電力変換装置１０の性能向上に寄与できる。

＜第４実施形態＞
図９、図１０は、主変換装置１２に含まれるコンバータ２８やインバータ３０が複数存在する場合の概念的な回路構成図である。なお、図９、図１０の場合、一例として、主変換装置１２が２個のコンバータ２８，２８ａおよび２個のインバータ３０，３０ａを備える場合である。各インバータ３０，３０ａには、回転電機３８，３８ａが接続されている。また、回転電機３８，３８ａはモータ接地線３９，３９ａにより接地されている。なお、図９、図１０において、コンバータ用接触器５６、補助接触器５６ａ、抵抗５６ｂは図示を省略している。

図９の場合、第一の接続線３４と共通接地線３６（第一の接地線２４）に接続されたコンバータ２８に対して、コンバータ２８ａが第一の接続線３４ａおよび共通接地線３６ａによって並列に接続されている。同様に、第一の接続線３４と共通接地線３６（第一の接地線２４）に接続されたインバータ３０に対して、インバータ３０ａが第一の接続線３４ｂおよび共通接地線３６ｂによって並列に接続されている。このような構成の主変換装置１２を含む車両用電力変換装置１０を搭載する交直両用の車両が交流架線区間に存在する場合、第一の接続線３４上の第三の接触器５４が閉路された状態で、コンバータ２８は、第一の二次側コイル１４ｂを介して交流電力が供給されて動作する。また、コンバータ２８ａは、第三の二次側コイル１４ｄを介して交流電力が供給されて動作する。一方、直流架線区間に交直両用の車両が存在する場合、第三の接触器５４が開路された状態で、インバータ３０およびインバータ３０ａは、第一の電力供給線２０から直流電力が供給されて動作する。同様に、コンバータ２８およびコンバータ２８ａは、第二の電力供給線２２から直流電力が供給されて動作する。

図９のようにレイアウトされた複数のコンバータ２８，２８ａおよび複数のインバータ３０，３０ａを有する主変換装置１２においても、第一の電力供給線２０、第二の電力供給線２２、第一の接地線２４の３本を一括して１個のコア３２に貫通させる。その結果、コア３２を通過する電流の平衡が保たれ、コア３２の高調波成分の除去効果を維持して（コア３２が磁気飽和を起こすことなく）、コンバータ２８を経路とする高調波コモンモード電流およびインバータ３０を経路とする高調波コモンモード電流の抑制（除去）ができる。その結果、高調波が原因となるノイズが抑制可能になり、車両用電力変換装置１０の性能向上に寄与できる。なお、コンバータ２８やインバータ３０の数は、適宜選択可能であり、コンバータ２８ａやインバータ３０ａと同様に並列に接続しても上述と同様の効果を得ることができる。

図１０の場合、主変換装置１２は、第一の接続線３４と共通接地線３６とによって接続されたコンバータ２８とインバータ３０の第一のセットおよび第一の接続線３４ｃと共通接地線３６ｃとによって接続されたコンバータ２８ａとインバータ３０ａの第二のセットを備える。なお、共通接地線３６と共通接地線３６ｃは、第一の接地線２４ａによって接続されるとともに、第一の接地線２４を介して接地される。また、第一の接続線３４ｃと共通接地線３６ｃとの間には、他の例と同様にインバータ３０ｃ側のコンデンサ５０ｃとコンバータ２８側のコンデンサ５２ｃとが設けられている。このような構成の主変換装置１２を含む車両用電力変換装置１０を搭載する交直両用の車両が交流架線区間に存在する場合、第一の接続線３４上の第三の接触器５４および第一の接続線３４ｃ上の第三の接触器５４ａが閉路される。そして、コンバータ２８は、第一の二次側コイル１４ｂを介して交流電力が供給されて動作する。また、コンバータ２８ａは、第三の二次側コイル１４ｄを介して交流電力が供給されて動作する。一方、直流架線区間に交直両用の車両が存在する場合、第一の接続線３４上の第三の接触器５４および第一の接続線３４ｃ上の第三の接触器５４ａが開路される。そして、インバータ３０は、第一の電力供給線２０から直流電力が供給されて動作する。また、インバータ３０ａは第一の電力供給線２０から分岐した第一の電力供給線２０ａから直流電力が供給されて動作する。一方、コンバータ２８は、第二の電力供給線２２から直流電力が供給されて動作する。また、コンバータ２８ａは第二の電力供給線２２から分岐した第二の電力供給線２２ａから直流電力が供給されて動作する。

図１０のようにレイアウトされた複数のコンバータ２８，２８ａおよび複数のインバータ３０，３０ａを有する主変換装置１２の場合、第一の電力供給線２０，２０ａ、第二の電力供給線２２，２２ａ、第一の接地線２４の５本を一括して１個のコア３２に貫通させる。その結果、コア３２を通過する電流の平衡が保たれ、コア３２の高調波成分の除去効果を維持して（コア３２が磁気飽和を起こすことなく）、コンバータ２８を経路とする高調波コモンモード電流およびインバータ３０を経路とする高調波コモンモード電流の抑制（除去）ができる。その結果、高調波が原因となるノイズが抑制可能になり、車両用電力変換装置１０の性能向上に寄与できる。なお、コンバータ２８とインバータ３０で構成されるセットの数は、適宜選択可能であり、コンバータ２８ａやインバータ３０ａで構成される第二のセットと同様なセットを複数接続しても上述と同様の効果を得ることができる。

なお、上述した各実施形態において、１個のインバータ３０に回転電機３８を１個接続した例を示したが、１個のインバータ３０に対して複数（例えば４個）の回転電機３８が並列に接続されてもよい。この場合、各回転電機３８から高調波コモンモード電流の経路が形成され得るが、第一の電力供給線２０、第二の電力供給線２２、第一の接地線２４の３本を一括して１個のコア３２に貫通させることにより、上述した実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、上述した各実施形態において、１個のコンバータ２８に１個のインバータ３０が接続される例を示したが、例えば、１個のコンバータ２８に複数のインバータ３０が並列に接続されてもよい。この場合、各インバータ３０に接続された回転電機３８から高調波コモンモード電流の経路が形成され得るが、第一の電力供給線２０、第二の電力供給線２２、第一の接地線２４の３本を一括して１個のコア３２に貫通させることにより、上述した実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、上述した各実施形態において、第一の接触器４６、補助接触器４６ａ、抵抗４６ｂ、第二の接触器４８、補助接触器４８ａ、抵抗４８ｂ等を主変換装置１２に含まない構成として説明したが、それらを主変換装置１２の内部に含んでもよい。

上述したように、本実施形態の車両用電力変換装置は、例えば、変圧器に接続されたコンバータと、コンバータと回転電機とに接続されたインバータと、インバータに直流電力を供給する第一の電力供給線と、コンバータに直流電力を供給する第二の電力供給線と、コンバータおよびインバータとグラウンドとを電気的に接続する第一の接地線と、第一の電力供給線、第二の電力供給線、および第一の接地線が貫通するコアと、を備える。この構成によれば、例えば、コアを通過する電流の平衡が保たれ、コアの高調波成分の除去効果を維持して、コンバータを経路とする高調波コモンモード電流およびインバータを経路とする高調波コモンモード電流の抑制（除去）ができる。

また、本実施形態の車両用電力変換装置は、例えば、第一の電力供給線と第二の電力供給線とを電気的に接続する第一の接続線と、第一の電力供給線に設けられた第一の接触器と、第二の電力供給線に設けられた第二の接触器と、第一の接続線に設けられた第三の接触器と、を備えてもよい。この構成によれば、例えば、インバータが故障した場合に、インバータとコンバータを分離して、コンバータのみに直流電力を供給して、コンバータの正常運転を継続させることができる。

また、本実施形態の車両用電力変換装置は、例えば、一端が第一の接地線とコアのグラウンドとは反対側で電気的に接続され、他端が回転電機のケースと電気的に接続された第二の接地線と、第二の接地線に設けられたコンデンサと、を備えてもよい。この構成によれば、例えば、コンデンサによる高調波コモンモード電流の抑制対策が行われた構成においても、コアの高調波成分の除去効果を維持してコンバータを経路とする高調波コモンモード電流およびインバータを経路とする高調波コモンモード電流の抑制（除去）ができる。

また、本実施形態の車両用電力変換装置は、例えば、コンバータおよびインバータとグラウンドとを電気的に接続する第三の接地線と、第一の接地線の、第二の接地線との接続部分と、コンバータおよびインバータと、の間に設けられた第四の接触器と、第三の接地線に設けられた第五の接触器と、を備えてもよい。この構成によれば、例えば、交流架線区間と直流架線区間とで、接地形態を切り替える構成においても、コアの高調波成分の除去効果を維持して、コンバータを経路とする高調波コモンモード電流およびインバータを経路とする高調波コモンモード電流の抑制（除去）ができる。

以上、本発明の実施形態や変形例を例示したが、上記実施形態や変形例はあくまで一例であって、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態や変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、組み合わせ、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、各実施形態や変形例の構成は、部分的に入れ替えて実施することも可能である。

１０…車両用電力変換装置、１２…主変換装置、１４…変圧器、１６…交流遮断器、１８…直流遮断器、２０…第一の電力供給線、２２…第二の電力供給線、２４…第一の接地線、２８…コンバータ、３０…インバータ、３２…コア、３４…第一の接続線、３６…共通接地線、３８…回転電機、４６…第一の接触器、４８…第二の接触器、５４…第三の接触器、５８…ボディ、６０…接地ブラシ、６６，６８…浮遊容量、７０…第二の接続線、７６…コンデンサ、７８…切替装置、８０…第四の接触器、８２…第三の接地線、８４…第五の接触器。

Claims

変圧器に接続されたコンバータと、
前記コンバータと回転電機とに接続されたインバータと、
前記インバータに直流電力を供給する第一の電力供給線と、
前記コンバータに直流電力を供給する第二の電力供給線と、
前記コンバータおよび前記インバータとグラウンドとを電気的に接続する第一の接地線と、
前記第一の電力供給線、前記第二の電力供給線、および前記第一の接地線が貫通するコアと、
前記第一の電力供給線と前記第二の電力供給線とを電気的に接続する第一の接続線と、
前記第一の電力供給線に設けられた第一の接触器と、
前記第二の電力供給線に設けられた第二の接触器と、
前記第一の接続線に設けられた第三の接触器と、
を備えた車両用電力変換装置。
一端が前記第一の接地線と前記コアの前記グラウンドとは反対側で電気的に接続され、他端が前記回転電機のケースと電気的に接続された第二の接地線と、
前記第二の接地線に設けられたコンデンサと、
を備えた請求項１に記載の車両用電力変換装置。
前記コンバータおよび前記インバータと前記グラウンドとを電気的に接続する第三の接地線と、
前記第一の接地線の、前記第二の接地線との接続部分と、前記コンバータおよび前記インバータと、の間に設けられた第四の接触器と、
前記第三の接地線に設けられた第五の接触器と、
を備えた請求項２に記載の車両用電力変換装置。