JP6778160B2 - 電力変換装置及び電力変換方法 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置及び電力変換方法に関し、特に、例えば、いわゆるフィルタリアクトルを備える電力変換装置に適用して好適なものである。

一般的な鉄道駆動システムでは、車両の床下に、架線からの直流電力を交流電力に変換する第一の電力変換装置の他に第一の電力変換装置が発生する高調波電圧を抑制するためのフィルタリアクトルが設けられている。

一方、例えば、鉄道駆動システム以外の系統連系インバータ装置では、第一の電力変換装置のほかに第二の電力変換装置（以下、アクティブフィルタ」という）を設けているものがある。このような系統連系インバータ装置は、電源と第一の電力変換装置との間にトランスを介してアクティブフィルタを接続しているシステムがあり、このアクティブフィルタによって、第一の電力変換装置が発生する高調波電圧を抑制している。（特許文献１参照）。

特開平１０−１７４２９１号公報

本願発明者が、雨や雪に晒される鉄道駆動システムの軽量化について鋭意検討した結果、次の知見を得るに至った。

鉄道駆動システムのフィルタリアクトルは重量が重いため、鉄道駆動システムの消費電力量の削減にはフィルタリアクトルの軽量化が有効である。一方、フィルタリアクトルの軽量化のためインダクタンス値を低減すると、第一の電力変換装置が発生する高調波電圧が増大する。

一方、系統連系インバータ装置は屋内に敷設される場合が多く、穏和な環境で使用される。仮に、系統連係インバータ装置のようなアクティブフィルタを鉄道駆動システムに敷設した場合は、車両の床下は雨や雪に晒されるため、フィルタリアクトルに地絡が発生する可能性がある。このようにフィルタリアクトルに地絡が発生すると、直流架線から大電流が流れ、アクティブフィルタが故障するおそれがあった。

本発明は以上の点を考慮してなされたもので、地絡が発生した場合でも故障を防止することができる電力変換装置及び電力変換方法を提案しようとするものである。

かかる課題を解決するため、本発明においては、架線から空芯トランスの一次側を介して入力される直流電力を交流電力に変換して電動機に供給する第一の電力変換装置と、前記第一の電力変換装置が発生する高調波電圧を抑制するための第二の電力変換装置と、前記空芯トランスの二次側と前記第二の電力変換装置との間に接続された少なくとも１つの遮断器と、前記空芯トランスの二次側と前記第二の電力変換装置との間において前記遮断器と並列に接続された少なくとも一つの抵抗と、を備えることを特徴とする。

また、本発明においては、架線から空芯トランスの一次側を介して入力される直流電力を交流電力に変換して電動機に供給する第一の電力変換装置と、前記第一の電力変換装置が発生する高調波電圧を抑制するための第二の電力変換装置と、を備える電力変換装置を用いた電力変換方法において、前記第一の電力変換装置によって、前記架線から前記空芯トランスの一次側を介して入力した直流電力を交流電力に変換する際に、前記空芯トランスの二次側と前記第二の電力変換装置との間に接続された少なくとも１つの遮断器をオフ状態とし、地絡が発生した際に前記架線から入力される地絡電流に伴う前記空芯トランス９の二次側電流を、前記空芯トランスの二次側と前記第二の電力変換装置との間において前記遮断器と並列に接続された少なくとも一つの抵抗に転流することを特徴とする。

本発明によれば、地絡が発生した場合でも故障を防止することができる。

第１の実施の形態による電力変換装置が搭載された電気車の概略構成例を示す図である。 図１に示す電気車の電気的な構成例を示す回路図である。 地絡が発生した時の動作シーケンス及び各波形の一例を示す図である。 第２の実施の形態による電力変換装置が搭載された電気車の構成例を示す回路図である。 第３の実施の形態による電力変換装置が搭載された電気車の構成例を示す回路図である。

以下、図面について、本発明の一実施の形態について詳述する。

（１）第１の実施の形態
図１は、第１の実施の形態による電力変換装置が搭載された電気車などの概略構成例を示す。電気車には、車両８の上部に設けられた集電装置７を介して架線１から直流電力が供給される。

車両８の底部には、車両８及び車輪３を各々支持する台車４が設けられている。さらに車両８の底部には、一例としてインバータとして機能する第一の電力変換装置６の他、空芯トランス９、第二の電力変換装置１０及び接触器１１が設けられている。第二の電力変換装置１０は、アクティブフィルタとも呼ばれている。

第二の電力変換装置１０は、第一の電力変換装置６が発生する高調波電圧を抑制することにより、集電装置７を介して電源としての架線１からの直流電力に生ずる高調波を低減している。

第一の電力変換装置６及び第二の電力変換装置１０の詳細については後述する。なお、第一の電力変換装置６の負電圧側は、車輪３を介して、電気的なグランドとしてのレール２に接続されている。

電気車は、加速する力行動作においては、例えば直流１５００Ｖの電力源である架線１又はレール２から集電装置７を介して車両８に供給される。供給された電力は、接触器１１、空芯トランス９及び第一の電力変換装置６を介して直流電力から交流電力に電力変換が実施され、電動機５を駆動する。これにより車輪３が回転することで車両８が前進する。なお、この電動機５は、誘導電動機または永久磁石同期電動機のいずれも適用することができる。

一方、減速する回生動作においては、上述した力行動作とは逆となる。すなわち、電気車は、台車４に支持される車輪３の回転に応じて電動機５が発電機として動作し、第一の電力変換装置６によって交流電力から直流電力に電力変換が実施される。このように電力変換が実施されると、この直流電力は、空芯トランス９及び集電装置７を介して架線１又はレール２に回生される。

図２は、図１に示す電気車の電気的な構成例を示す回路図である。第一の電力変換装置６は、後述するスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６、ダイオードＤ１〜Ｄ６、キャパシタ１０３及び電圧センサ１０２ｂを備える。一方、第二の電力変換装置１０は、直流電源１０４、リアクトル１０５、キャパシタ１０６、１０７、スイッチング素子Ｑ７、Ｑ８、Ｑ１１、Ｑ１２、及びダイオードＤ７、Ｄ８、Ｄ１１、Ｄ１２、並びに抵抗１０８を備える。

上述した各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ１２は、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）若しくはＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）のような電圧制御型スイッチング素子、または、サイリスタなどの電流制御型スイッチング素子である。なお、本実施の形態では、一例としてスイッチング素子がＩＧＢＴであるものとして説明する。

各ダイオードＤ１〜Ｄ１２は、例えば、ＰＮダイオードまたはＳＢＤ（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｄｉｏｄｅ）である。各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ１２は、ＭＯＳＦＥＴ及びＩＧＢＴなどの複数種類のスイッチング素子が混載していても良い。半導体としては、Ｓｉ（Ｓｉｌｉｃｏｎ：シリコン）、Ｓｉよりもバンドギャップが広い半導体であるＳｉＣ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｃａｒｂｉｄｅ：炭化ケイ素）、またはＧａＮ（Ｇａｌｌｉｕｍ Ｎｉｔｒｉｄｅ：窒化ガリウム）を採用することができる。

第一の電力変換装置６は、電圧センサ１０２ｂ、キャパシタ１０３及びスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を備えており、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２は直列接続されてＵ相を構成し、スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４は直列接続されてＶ相を構成し、スイッチング素子Ｑ５、Ｑ６は直列接続されてＷ相を構成する。各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６には、通電方向が逆方向となるようにダイオードＤ１〜Ｄ６が並列（逆並列に）接続されている。

なお、本実施の形態では、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６がＩＧＢＴであるものとして説明しているため、ダイオードＤ１〜Ｄ６が各々並列に接続されているが、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６がＭＯＳＦＥＴなどのボディダイオードを有する素子である場合にはダイオードＤ１〜Ｄ６を省略することができる。また、直列接続されたスイッチング素子もしくはダイオードが同一のパッケージに搭載されたいわゆる２ｉｎ１素子を用いても良い。

第一の電力変換装置６は、架線１から入力された直流電力を平滑化し、ノイズを除去するためのキャパシタ１０３を備えている。また、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６は、例えばＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御されることにより、キャパシタ１０３の直流電力を交流電力に変換し、電動機５に対して交流電力を供給可能とする。

電圧センサ１０２ａは、架線１の電圧を検出するために備えられており、電圧センサ１０２ｂは、キャパシタ１０３の電圧を検出するために備えられている。

ところで、架線１には、車両の位置などを検出するための信号機器で使用される高周波電流が流れている。高周波電流は、数Ａの小さな電流であるため、第一の電力変換装置６から出力された高周波電流が原因であり、鉄道信号機器の誤動作を引き起こすおそれがある。そのため、空芯トランス９の一次側インダクタンス及びキャパシタ１０３でフィルタ回路を構成することにより、第一の電力変換装置６から架線１に流れる高周波電流を低減している。

第二の電力変換装置１０は、例えばフルブリッジインバータであり、既述のように直流電源１０４、キャパシタ１０７及びスイッチング素子Ｑ７〜Ｑ１２などを備えている。

スイッチング素子Ｑ７、Ｑ８は直列接続されてＵ相を構成し、スイッチング素子Ｑ９、Ｑ１０は直列接続されてＶ相を構成する。各スイッチング素子Ｑ７〜Ｑ１２には、通流方向が逆方向となるようにダイオードＤ７〜Ｄ１２が並列接続される。

ここで、スイッチング素子Ｑ７〜Ｑ１２がＩＧＢＴである場合にはダイオードＤ７〜Ｄ１２を接続する必要があるが、スイッチング素子Ｑ７〜Ｑ１２がＭＯＳＦＥＴなどボディダイオードを有する素子である場合にはダイオードＤ７〜Ｄ１２を接続する代わりにＭＯＳＦＥＴのボディダイオードを利用することができる。

第二の電力変換装置１０は、例えばＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御することにより、キャパシタ１０７の直流電力を交流電力に変換して出力する。その出力端には、リアクトル１０５とキャパシタ１０６で構成されるＬＣフィルタが接続されている。これにより、ＰＷＭ制御に起因するスイッチングリプル成分を除去することができる。なお、第二の電力変換装置１０のスイッチング周波数が十分に高い場合には、これらリアクトル１０５及びキャパシタ１０６を搭載しなくても良い。

キャパシタ１０６の一端にはスイッチング素子Ｑ１１、Ｑ１２が互いに逆直列に接続されている。直列接続されたスイッチング素子Ｑ１１、Ｑ１２には抵抗１０８が並列に接続されている。これらスイッチング素子Ｑ１１、Ｑ１２の出力端には空芯トランス９の二次側配線が接続されている。

第二の電力変換装置１０は、第一の電力変換装置６から架線１へ流れる高調波電流を抑制するよう動作する。その動作は、第一の電力変換装置６から流れた高調波電流に起因して空芯トランス９の一次側には誘導起電力が生じる。これに対して、第二の電力変換装置１０から上記ＬＣフィルタ及びスイッチング素子Ｑ１１、Ｑ１２を介して上記誘導起電力と逆相となる電流を流すことにより誘導起電力を相殺する。この結果、架線１には高調波電流が流れず、鉄道信号機器の誤動作を防ぐことができる。

図３は、地絡が発生した時の動作シーケンス及び各波形の一例を示す。通常動作において、第二の電力変換装置１０に搭載されたスイッチング素子Ｑ１１、Ｑ１２及び接触器１１はオン状態である。

ここで、時刻ｔ＝ｔ１において、第一の電力変換装置６と空芯トランス９の一次側との間で地絡が起きたと仮定すると、空芯トランス９の一次側の両端には架線１の直流電圧が印加される。この直流電圧は、例えば、直流１５００Ｖである。このとき、空芯トランス９の一次側電流は、Ｖ＝Ｌ＊ｄＩ１／ｄｔに基づいて増加する。一例として通常の動作状態において空芯トランス９の一次側電流が４００Ａであるとすると、地絡が起きた後に空芯トランス９の一次側電流は、例えば２０００Ａまで増大する。

このように空芯トランス９の一次側電流が増大すると、磁気結合された二次側にも誘導起電力が生じて電流が流れる。この空芯トランスの二次側電流は、キャパシタ１０６とスイッチング素子Ｑ１１、Ｑ１２とを循環する。ここで、キャパシタ１０６が接続されていな場合には、この電流がスイッチング素子Ｑ７〜Ｑ１０及びダイオードＤ７〜Ｄ１０を通じてキャパシタ１０７を循環してしまう。

本実施の形態による構成ではないが、例えば仮に、上述したスイッチング素子Ｑ１１、Ｑ１２が存在しない構成である場合には、空芯トランスの二次側電流を抑制する素子が存在しないため、大電流が流れてしまうおそれがある。例えば、空芯トランス９の二次側電流が１０００Ａ流れるとすると、キャパシタ１０６、１０７、スイッチング素子Ｑ７〜Ｑ１０及びダイオードＤ７〜Ｄ１０の電流定格を超過するため、そのままの構成では、第二の電力変換装置１０が故障してしまうおそれがある。このように第二の電力変換装置１０が故障すると、一見すると、架線１のノイズ電流を抑制する機器が動作しなくなるため、鉄道信号機器の誤動作を招いてしまうおそれがある。

ここで、スイッチング素子Ｑ１１、Ｑ１２のオンまたはオフ信号は、電流センサ１０１または電圧センサ１０２ｂの信号を基に生成される。これら信号を基に地絡を検出すると、スイッチング素子Ｑ１１、Ｑ１２がオフ状態となる。ここで、スイッチング素子Ｑ１１、Ｑ１２は、反応時間が数μｓの高速な遮断が可能である半導体で構成する必要があり、仮に、数ｍｓの遮断時間を要する機械式の遮断器を採用したのでは、一見すると、従来と同様に空芯トランス９の二次側に大電流が流れてしまうおそれもあるようにも思える。

これに対して本実施の形態では、第二の電力変換装置１０と空芯トランス９の二次側との間に接続された少なくとも１つの遮断器としてのスイッチング素子Ｑ１１、Ｑ１２が設けられているとともに、同様に空芯トランス９の二次側と第二の電力変換装置１０との間において当該遮断器と並列に少なくとも一つの抵抗１０８が設けられている。

スイッチング素子Ｑ１１、Ｑ１２がオフ状態となると、空芯トランス９の二次側電流は抵抗１０８に転流される。そのため、地絡電流に伴う空芯トランス９の二次側電流はキャパシタ１０６と抵抗１０８とを循環する。この循環電流は、抵抗１０８で熱として消費されるため、大電流は流れず、１００Ａ程度に低減される。

仮にキャパシタ１０６が搭載されていない構成を考えた場合、この循環電流は、スイッチング素子Ｑ７〜Ｑ１０及びダイオードＤ７〜Ｄ１０を通じてキャパシタ１０７を循環するが、抵抗１０８を介して流れるため１００Ａ程度（図示の二次側電流ＯＥに相当）に低減することが可能となる。

時刻ｔ＝ｔ２において、接触器１１に設定された電流値になると、接触器１１がオフ状態となる。この電流値は、例えば２０００Ａである。このように接触器１１がオフ状態となると地絡電流はゼロとなるため、空芯トランス９の二次側は誘導起電力がゼロとなる。

以上のようにして本実施の形態によれば、地絡が発生した場合でも、地絡電流に伴う空芯トランス９の二次側電流を低減できるため、第二の電力変換装置１０の故障を防止することができる。

（２）第２の実施の形態
第２の実施の形態による電力変換装置が搭載された電気車は、第１の実施の形態による電力変換装置が搭載された電気車とほぼ同様の構成でありほぼ同様の動作を実行するため、以下、両者の異なる点を中心として説明する。

図４は、第２の実施の形態による電力変換装置の構成例を示す回路図である。第２の実施の形態では、第一の電力変換装置６、空芯トランス９及びスイッチング素子Ｑ１１、Ｑ１２の構成及び動作は、第１の実施の形態と同様の構成及び動作であるため、それらの説明は省略する。

第２の実施の形態では、第１の実施の形態による第二の電力変換装置１０の代わりに、その構成及び動作とほぼ同様な第二の電力変換装置１０Ａが設けられている。以下、第２の実施の形態による第二の電力変換装置１０Ａが、第１の実施の形態による第二の電力変換装置１０と異なる点を中心として説明する。

第２の実施の形態においては、第二の電力変換装置１０Ａがハーフブリッジインバータであり、直流電源１０４、キャパシタ１０７ａ、１０７ｂ、スイッチング素子Ｑ７〜Ｑ１２及びダイオードＤ７〜Ｄ１２を備えており、スイッチング素子Ｑ７、Ｑ８は直列接続された構成により一相を構成する。各スイッチング素子Ｑ７〜Ｑ１２には、通流方向が逆方向となるようにダイオードＤ７〜Ｄ１２が並列（逆並列に）接続される。

ここで、スイッチング素子Ｑ７〜Ｑ１２がＩＧＢＴである場合には上述のようにダイオードＤ７〜Ｄ１２を接続する必要があるが、スイッチング素子Ｑ７〜Ｑ１２がＭＯＳＦＥＴなどボディダイオードを有する素子である場合には、ダイオードＤ７〜Ｄ１２を接続する代わりに、ＭＯＳＦＥＴのボディダイオードを利用することができる。

上述のように第二の電力変換装置１０Ａがハーフブリッジインバータである場合、直流電源１０４の電圧に対してキャパシタ１０７ａ、１０７ｂで分圧されるため、出力電圧はフルブリッジインバータの半分となる。しかしながら、第二の電力変換装置１０Ｂは、フルブリッジインバータと同様に、空芯トランス９の二次側に所望の電流を流すことができる。これにより、本実施の形態によれば、第１の実施の形態による効果を発揮するとともに、そのような構成により、架線１に流れる高調波電流を低減することができる。

（３）第３の実施の形態
第３の実施の形態による電力変換装置が搭載された電気車は、第１の実施の形態による電力変換装置が搭載された電気車とほぼ同様の構成でありほぼ同様の動作を実行するため、以下、両者の異なる点を中心として説明する。

図５は、第３の実施の形態による電力変換装置が搭載された電気車の構成例を示す回路図である。第３の実施の形態では、第一の電力変換装置６、空芯トランス９及び第二の電力変換装置１０の構成及び動作は、第１の実施の形態と同様であるため、それらの説明は省略する。

第３の実施の形態では、第１の実施の形態による第二の電力変換装置１０の代わりに、その構成及び動作とほぼ同様な第二の電力変換装置１０Ｂが設けられている。以下、第３の実施の形態による第二の電力変換装置１０Ｂが、第１の実施の形態による第二の電力変換装置１０と異なる点を中心として説明する。

第３の実施の形態では、スイッチング素子Ｑ１１、Ｑ１２が互いに逆並列となるように接続されており、かつ、ダイオードＤ１１、Ｄ１２が存在しない構成となっている。

本実施の形態によれば、第１の実施の形態による効果を発揮するとともに、スイッチング素子Ｑ１１、Ｑ１２が一つのチップで構成されたＩＧＢＴ（ＲＣ−ＩＧＢＴ：Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ ＩＧＢＴ）を搭載することにより、スイッチング素子Ｑ１１、Ｑ１２に逆並列接続されていたダイオードチップ（ダイオードＤ７、Ｄ８）を省略することができるため、第二の電力変換装置１０Ｂの製造コストを低減することができる。なお、ＲＣ−ＩＧＢＴは、双方向の電流をオン／オフすることができるため、第１の実施の形態の効果も同様に発揮することができる。

（４）その他の実施形態
上記実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれらの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。本発明は、その趣旨を逸脱しない限り、様々な形態で実施することができる。例えば、上記実施形態では、各スイッチング素子としてＭＯＳＦＥＴ御よｂいＩＧＢＴを取り上げているが、各スイッチング素子はそれらいずれかまたはそれらの組み合わせを採用しても良い。

本発明は、例えば、いわゆるフィルタリアクトルを備える電力変換装置及び電力変換方法に広く適用することができる。

１……架線、２……レール、３……車輪、４……台車、５……電動機、６……第一の電力変換装置、７……集電装置、８……車両、９……空芯トランス、１０、１０Ａ、１０Ｂ……第二の電力変換装置、１１……接触器、Ｑ１〜Ｑ１２……スイッチング素子、Ｄ１〜Ｄ１２……ダイオード、１０１……電流センサ、１０２ａ、１０２ｂ……電圧センサ、１０３、１０６、１０７、１０７ａ、１０７ｂ……キャパシタ、１０４……直流電源、１０５……リアクトル、１０８……抵抗。

Claims (6)

1. 架線から空芯トランスの一次側を介して入力される直流電力を交流電力に変換して電動機に供給する第一の電力変換装置と、
   前記第一の電力変換装置が発生する高調波電圧を抑制するための第二の電力変換装置と、
   前記空芯トランスの二次側と前記第二の電力変換装置との間に接続された少なくとも１つの遮断器と、
   前記空芯トランスの二次側と前記第二の電力変換装置との間において前記遮断器と並列に接続された少なくとも一つの抵抗と、
   を備えることを特徴とする電力変換装置。
2. 前記遮断器は、
   前記空芯トランスの二次側と前記第二の電力変換装置との間に接続された少なくとも１つの電圧駆動型のスイッチング素子であることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記少なくとも１つのスイッチング素子には、通電方向が逆となるようにダイオードが並列に接続されており、
   前記少なくとも１つのスイッチング素子は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ電圧駆動型素子であることを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記遮断器は、
   前記空芯トランスの二次側と前記第二の電力変換装置との間において逆並列に接続されており、双方向において電流を遮断可能な２つのスイッチング素子であることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
5. 前記少なくとも１つのスイッチング素子は、
   シリコン又はシリコンより大きいバンドギャップを有する半導体材料を母材とすることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
6. 架線から空芯トランスの一次側を介して入力される直流電力を交流電力に変換して電動機に供給する第一の電力変換装置と、前記第一の電力変換装置が発生する高調波電圧を抑制するための第二の電力変換装置と、を備える電力変換装置を用いた電力変換方法において、
   前記第一の電力変換装置によって、前記架線から前記空芯トランスの一次側を介して入力した直流電力を交流電力に変換する際に、前記空芯トランスの二次側と前記第二の電力変換装置との間に接続された少なくとも１つの遮断器をオフ状態とし、地絡が発生した際に前記架線から入力される地絡電流に伴う前記空芯トランス９の二次側電流を、前記空芯トランスの二次側と前記第二の電力変換装置との間において前記遮断器と並列に接続された少なくとも一つの抵抗に転流する
   ことを特徴とする電力変換装置を用いた電力変換方法。

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