JP6999048B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
本発明は、３レベル電力変換回路を備える電力変換装置に関し、鉄道用の電力変換装置として好適である。
３レベル式の電力変換装置は、直流電源電圧を２組の平滑化コンデンサで分圧し、直流電源電圧の正・負および中間電位の３種類の電位を選択・出力できる。これにより、直流電源電圧が高い場合、あるいは接続する交流負荷や交流電源に与える電圧・電流の高調波を低減させたい場合に用いられる変換装置である。
特許文献１には、３レベルのＰＷＭコンバータ及びＰＷＭインバータで構成した電力変換装置が備える平滑用コンデンサに対する初期充電回路を設け、充電に関与する機器の耐圧を小さくし、装置の小型化、低コスト化を図る技術が開示されている。
主回路を構成する半導体素子のスイッチング動作に伴って、該半導体素子とパワーユニットのフレーム間との浮遊容量を介して該フレームにノイズ電流が流れる。パワーユニットのフレームと電力変換装置とは取り付け部を介して導通していることにより、電力変換装置にノイズ電流が流れ出す。また、電力変換装置は、接地回路を介して車体に接続されているため、電力変換装置外に流れたノイズ電流は車体にも流れ出す。このノイズ電流が車体に流れ出すことで、車体に高周波の電位変動を引き起こし、信号機器に障害を及ぼす問題がある。
上記課題を解決するために、本発明に係る電力変換装置は、３レベル電力変換回路を備え、３レベル電力変換回路を構成する半導体素子が取り付けられているフレームを当該３レベル電力変換回路の中性点に電気的に接続する配線の経路に、ノイズ吸収コアを設置することを特徴とする。
本発明によれば、３レベル電力変換回路を構成する半導体素子が取り付けられているフレームを３レベル電力変換回路の中性点に電気的に接続することで、３レベル電力変換回路から発生するノイズ電流を３レベル電力変換回路に引き戻し、電力変換装置の外に流れ出すノイズ電流を低減することを可能とする。
以下、本発明を実施するための形態として、本発明に係る実施例１及び２を、図面を用いて説明する。
図１は、本発明の実施例１に係る電力変換装置の全体構成の一例を示す図である。図１では鉄道車両に搭載する電力変換装置を示すが、本発明は、電気車両のみならず、産業用などのパワーエレクトロニクス関連分野で用いられる電力変換装置に対して、広く適用可能なものである。
電力変換装置１は、３レベルの電力変換回路であるコンバータパワーユニット２及びインバータパワーユニット３で構成されている。電力変換装置１は、例えば交流車用に搭載され、単相交流電力を、交流架線からパンタグラフ１５を介し、真空交流接触器１４を通り主変圧器１３で電圧降下させて取り込む。
電力変換装置１に取り込んだ交流電力は、電磁接触器９または１０を通り、コンバータパワーユニット２で整流する。整流した直流電力をインバータパワーユニット３に取り込み、主電動機４に変換した交流電力を供給し制御している。
また、電力変換装置１においては、インバータパワーユニット３及びコンバータパワーユニット２は３レベル回路であり、中性点を接地している構成である。この中性点の接地について、図１では、中性点を、接地抵抗１１及びグランドスイッチ１２を介して接地する構成としている。ここで、グランドスイッチ１２は、運転時を含めた通常時はオンであり、耐圧試験等の特別な場合にオフとなる。
コンバータパワーユニット２及びインバータパワーユニット３を構成する半導体素子として、主回路としてスイッチング動作をする半導体素子５と、クランプダイオード６とは、パワーユニットのフレームに取付けられている。また、一方で、パワーユニット用の冷却器に関しても、例えば後述する図３に示すように、パワーユニットのフレームに取り付けられるのが一般的である。
また、コンバータパワーユニット及びインバータパワーユニットを構成する半導体素子にあって主回路としてスイッチング動作をする半導体素子としては、ＩＧＢＴ、ハイブリッドＳｉＣ（ＩＧＢＴとＳｉＣショットキーバリアダイオードとの組み合わせ）またはフルＳｉＣを採用する。
さらに、図１では、交流架線から単相交流電力を取り込む交流車の場合の電力変換装置の構成を示したが、本発明は、直流架線から直流電力を取り込む場合の電力変換装置に適用できることも勿論のことであり、この場合の電力変換装置は、３レベル回路のインバータパワーユニットで構成されることになる。
図２は、実施例１に係る電力変換装置が備える電力変換回路の一部の構成と車体との接続を示す図である。
電力変換装置１７（図２に示す実線の枠組み）は、車体１６に取付けられている。また、３レベルインバータの中性点２７は、このインバータの１相を構成する半導体素子１９～２２及びクランプダイオード２３、２４を取り付けているパワーユニットのフレーム１８（図２に示す破線の枠組み）と電気的に接続する構成とする。ここで、パワーユニットのフレーム１８は、図３に示すように、パワーユニット用の冷却器のフレームを兼用するものである。
電力変換装置１７（図２に示す実線の枠組み）は、車体１６に取付けられている。また、３レベルインバータの中性点２７は、このインバータの１相を構成する半導体素子１９～２２及びクランプダイオード２３、２４を取り付けているパワーユニットのフレーム１８（図２に示す破線の枠組み）と電気的に接続する構成とする。ここで、パワーユニットのフレーム１８は、図３に示すように、パワーユニット用の冷却器のフレームを兼用するものである。
具体的には、図２に示すように、３レベルインバータの中性点２７は、接地抵抗１１及びノイズ吸収コア２９を介して、また、パワーユニット（及び冷却器）のフレーム１８は、ノイズ吸収コア２９を介して、それぞれグランドスイッチ１２を経て車体１６（すなわち、グランド）に接続する構成である。
ここで、本発明は、３レベル電力変換回路を構成する半導体素子が取り付けられているフレームを３レベル電力変換回路の中性点に電気的に接続する構成を採ることにより、３レベル電力変換回路から発生するノイズ電流を３レベル電力変換回路に引き戻し、該ノイズ電流が電力変換装置外へ流れ出すことを防ぐものである。図２に示す構成は、既存の接地回路（接地抵抗及びグランドスイッチを介した接地）に、上記した本発明に係る基本的構成を付加した構成といえるものである。また、ノイズ吸収コア２９は、ノイズ電流をより低減させて効果を高めるために設けたものである。
上記した構成とすることで、主回路を構成する半導体素子１９～２２のスイッチング動作による電位変動に伴いパワーユニット（及び冷却器）のフレーム１８に流れるノイズ電流は、図２に矢印の点線で示すように、ノイズ吸収コア２９を往復してから、接地抵抗１１を介して３レベルインバータの中性点２７に流れることになる。これにより、ノイズ電流が電力変換装置１７及び車体１６に積極的に流れることを防ぐことができ、車体へのノイズ電流を低減し、信号機器への通信障害を低減することができる。
ノイズ吸収コア２９はフェライトコアであり、電流を該コア内に流すことにより、ノイズ電流によって発生する磁気エネルギーを該コアにより熱に変換して消費させ、ノイズ電流を低減させるものである。
以上のとおり、ノイズ吸収コア２９を用いて、パワーユニット（及び冷却器）のフレーム１８に流れるノイズ電流を３レベルインバータの中性点２７に流すことは、ノイズ電流を低減させるために有効な手段である。ただし、ノイズ吸収コア２９は、必須の構成要件ではなく、最小限、パワーユニット（及び冷却器）のフレーム１８を３レベルインバータの中性点２７に接続する構成を採用すれば、ノイズ電流が電力変換装置１７及び車体１６に流れることを防ぐことができる。
図３は、実施例１に係る電力変換装置の半導体素子（主回路を構成する半導体素子及びクランプダイオード）と該半導体素子が取り付けられているパワーユニットのフレームを示す図である。
パワーユニットを構成する上で、パワーユニットのフレーム３４には、片面側に半導体素子３２が取り付けられ、残る片面側にパワーユニット冷却器３３が取り付けられる構成となっている。本発明は、主回路を構成する半導体素子のスイッチング動作による電位変動に伴い、該半導体素子とフレーム間の浮遊容量を介してパワーユニットのフレームにノイズ電流が流れることに対して、パワーユニットのフレームを３レベルインバータ中性点に接続することにより、車体へノイズ電流が流れ出すことを積極的に防ぐものである。
パワーユニットを構成する上で、パワーユニットのフレーム３４には、片面側に半導体素子３２が取り付けられ、残る片面側にパワーユニット冷却器３３が取り付けられる構成となっている。本発明は、主回路を構成する半導体素子のスイッチング動作による電位変動に伴い、該半導体素子とフレーム間の浮遊容量を介してパワーユニットのフレームにノイズ電流が流れることに対して、パワーユニットのフレームを３レベルインバータ中性点に接続することにより、車体へノイズ電流が流れ出すことを積極的に防ぐものである。
図４は、実施例１に係る電力変換装置に用いるノイズ吸収コアの配線例及び部品の一例を示す図である。
図４の（ａ）には、図２に示す、３レベルインバータの中性点２７と半導体素子を取り付けているパワーユニット（及び冷却器）のフレーム１８を電気的に接続する配線とノイズ吸収コア２９との配線例を示す。３レベルインバータの中性点２７と電気的に接続している配線２８（実線で示す）と、半導体素子を取り付けているパワーユニット（及び冷却器）のフレーム１８と電気的に接続している配線３０（破線で示す）を、ノイズ吸収コア２９に複数回巻き付けた上で直結する構成としている。すなわち、配線２８と配線３０とを複数回ノイズ吸収コア２９に巻き付ける以外の接続構成は、図２の示す接続構成と同様である。
図４の（ａ）には、図２に示す、３レベルインバータの中性点２７と半導体素子を取り付けているパワーユニット（及び冷却器）のフレーム１８を電気的に接続する配線とノイズ吸収コア２９との配線例を示す。３レベルインバータの中性点２７と電気的に接続している配線２８（実線で示す）と、半導体素子を取り付けているパワーユニット（及び冷却器）のフレーム１８と電気的に接続している配線３０（破線で示す）を、ノイズ吸収コア２９に複数回巻き付けた上で直結する構成としている。すなわち、配線２８と配線３０とを複数回ノイズ吸収コア２９に巻き付ける以外の接続構成は、図２の示す接続構成と同様である。
このように、フレーム１８に流れるノイズ電流に対して、フレーム１８と電気的に接続している配線３０と３レベルインバータの中性点２７と電気的に接続している配線２８とをノイズ吸収コア２９に複数回巻きつけることにより、ノイズ吸収コア２９による減衰効果を高め、ノイズをより低減することができる。
図４の（ｂ）には、ノイズ吸収コアとして採用する部品の一例を斜視図として示す。
図４の（ｂ）には、ノイズ吸収コアとして採用する部品の一例を斜視図として示す。
図５は、本発明の実施例２に係る電力変換回路の一部の構成と車体との接続を示す図である。図２に示す構成と同じ要素については、同じ付番としている。
実施例１の構成上の違いとして、実施例１では、ノイズの低減にコアを使用するが、実施例２では、コアの代わりにコンデンサを使用する。すなわち、図５に示すように、ノイズ吸収コンデンサ３１の一端を３レベルインバータの中性点２７側に接続し、ノイズ吸収コンデンサ３１の他端をパワーユニット（及び冷却器）のフレーム１８側に接続する。
実施例１の構成上の違いとして、実施例１では、ノイズの低減にコアを使用するが、実施例２では、コアの代わりにコンデンサを使用する。すなわち、図５に示すように、ノイズ吸収コンデンサ３１の一端を３レベルインバータの中性点２７側に接続し、ノイズ吸収コンデンサ３１の他端をパワーユニット（及び冷却器）のフレーム１８側に接続する。
以上の構成により、パワーユニット（及び冷却器）のフレーム１８に流れるノイズ電流は、図５に矢印の点線で示すように、ノイズ吸収コンデンサ３１を通り、接地抵抗１１を介して３レベルインバータの中性点２７に流れることになる。これにより、ノイズ電流が電力変換装置１７及び車体１６に積極的に流れることを防ぐことができ、車体へのノイズ電流を低減し、信号機器への通信障害を低減することができる。すなわち、実施例２に係る構成を採用することに依っても、実施例１と同様の効果が得られることになる。
１、１７ 電力変換装置、２ コンバータパワーユニット、
３ インバータパワーユニット、４ 主電動機、
５、１９～２２、３２ 半導体素子、
６、２３、２４ クランプダイオード、
７、２５、２６ フィルタコンデンサ、
８ 予備充電抵抗器、９ 予備充電用電磁接触器、１０ 電磁接触器、
１１ 接地抵抗器、１２ グランドスイッチ、１３ 主変圧器、
１４ 真空接触器、１５ パンタグラフ、１６ 車体、
１８ パワーユニットのフレーム、２７ ３レベルインバータの中性点、
２８、３０ 配線、２９ ノイズ吸収コア、
３１ ノイズ吸収コンデンサ、３３ パワーユニット冷却器、
３４ パワーユニット及び冷却器のフレーム
３ インバータパワーユニット、４ 主電動機、
５、１９～２２、３２ 半導体素子、
６、２３、２４ クランプダイオード、
７、２５、２６ フィルタコンデンサ、
８ 予備充電抵抗器、９ 予備充電用電磁接触器、１０ 電磁接触器、
１１ 接地抵抗器、１２ グランドスイッチ、１３ 主変圧器、
１４ 真空接触器、１５ パンタグラフ、１６ 車体、
１８ パワーユニットのフレーム、２７ ３レベルインバータの中性点、
２８、３０ 配線、２９ ノイズ吸収コア、
３１ ノイズ吸収コンデンサ、３３ パワーユニット冷却器、
３４ パワーユニット及び冷却器のフレーム
Claims (9)
- ３レベル電力変換回路を備える電力変換装置であって、
前記３レベル電力変換回路を構成する半導体素子が取り付けられているフレームを当該３レベル電力変換回路の中性点に電気的に接続する配線の経路に、ノイズ吸収コアを設置する
ことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項１に記載の電力変換装置であって、
前記ノイズ吸収コアに対して、前記フレームと電気的に接続する配線と前記３レベル電力変換回路の中性点に電気的に接続する配線とをそれぞれ複数回巻き付けた上で直結する
ことを特徴とする電力変換装置。 - ３レベル電力変換回路を備える電力変換装置であって、
前記３レベル電力変換回路を構成する半導体素子が取り付けられているフレームを当該３レベル電力変換回路の中性点に電気的に接続する配線の経路に、ノイズ吸収コンデンサを設置する
ことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項１～３のいずれか１項に記載の電力変換装置であって、
前記３レベル電力変換回路の中性点に電気的に接続する配線として、当該中性点から接地抵抗を介して接地に到る接地線を用いる
ことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項１～４のいずれか１項に記載の電力変換装置であって、
前記フレームは、当該電力変換装置内に収納されている
ことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項１～５のいずれか１項に記載の電力変換装置であって、
前記フレームは、前記半導体素子を冷却する冷却器のフレームでもある
ことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項１～６のいずれか１項に記載の電力変換装置であって、
当該電力変換装置は、直流電力を交流電力に変換するインバータおよび交流電力を直流電力に変換するコンバータの少なくともいずれか１つから構成される
ことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項１～７のいずれか１項に記載の電力変換装置であって、
スイッチング動作をする前記半導体素子として、ＩＧＢＴ、ハイブリッドＳｉＣまたはフルＳｉＣのいずれか１つを用いる
ことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項１～８のいずれか１項に記載の電力変換装置を搭載した鉄道車両。
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