JP7114506B2 - コンデンサおよび絶縁回路 - Google Patents
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第1端子対および第2端子対と、
前記第1端子対に接続された第1コンデンサとして機能する第1電極対と、
前記第2端子対に接続された第2コンデンサとして機能する第2電極対と、
を備え、
前記第1電極対と前記第2電極対とが電界結合可能に部分的に対向配置され、
前記第1端子対および前記第2端子対の一方に間欠的に印加される直流電力を他方から出力するコンデンサである。
例えば、第2の発明として、第1の発明において、
前記第1電極対および前記第2電極対の一方の電極対を構成する2つの電極素子の間に、他方の電極対の電極素子を部分的に挟むように配置されて前記対向配置がなされた、
コンデンサを実現するとしてもよい。
前記第1電極対を構成する2つの電極素子と、前記第2電極対を構成する2つの電極素子とが互い違いに部分的に重なるように配置されて前記対向配置がなされた、
コンデンサを実現するとしてもよい。
前記第1電極対を構成する各電極素子は、前記第1コンデンサとして機能する基本対向部分と、前記第2電極対と対向する屈曲部分とを有し、
前記第2電極対を構成する各電極素子は、前記第2コンデンサとして機能する基本対向部分と、前記第1電極対と対向する屈曲部分とを有する、
コンデンサを実現することとしてもよい。
前記第1端子対は、第1正極端子および第1負極端子を有し、
前記第2端子対は、第2正極端子および第2負極端子を有し、
前記第1電極対は、前記第1正極端子に接続された第1正電極素子と、前記第1負極端子に接続された第1負電極素子とを有し、
前記第2電極対は、前記第2正極端子に接続された第2正電極素子と、前記第2負極端子に接続された第2負電極素子とを有し、
前記第1正電極素子と前記第2正電極素子とが部分的に対向配置され、
前記第1負電極素子と前記第2負電極素子とが部分的に対向配置された、
コンデンサである。
一次側と二次側との間を電気的に絶縁して直流電力を融通する絶縁回路であって、
第1~第5の何れかの発明のコンデンサと、
高圧側ラインの前記一次側と前記第1端子対の第1正極端子との間に設けられた第1双方向半導体スイッチ回路と、
低圧側ラインの前記一次側と前記第1端子対の第1負極端子との間に設けられた第2双方向半導体スイッチ回路と、
高圧側ラインの前記二次側と前記第2端子対の第2正極端子との間に設けられた第3双方向半導体スイッチ回路と、
低圧側ラインの前記二次側と前記第2端子対の第2負極端子との間に設けられた第4双方向半導体スイッチ回路と、
を備え、
前記第1双方向半導体スイッチ回路および前記第2双方向半導体スイッチ回路のオン制御と、前記第3双方向半導体スイッチ回路および前記第4双方向半導体スイッチ回路のオン制御とが交互に行われることで、前記一次側から前記二次側に、或いは、前記二次側から前記一次側に直流電力を供給する絶縁回路である。
前記第1~第4双方向半導体スイッチ回路は、スイッチング素子にダイオード素子を逆並列接続した基本回路を、ダイオード素子の順方向が向き合うように直列接続して構成されている、
絶縁回路である。
図1は、本実施形態の絶縁回路10の回路構成を示す図である。図1によれば、絶縁回路10は、一次側が直流電源側に接続され、二次側が電動機60を駆動するインバータ50に接続されて、一次側と二次側とを電気的に絶縁して直流電力を融通する回路であり、電源ラインの中間に設けられている。なお、インバータ50は、いわゆる1C1Mとして1台の電動機を駆動制御することとしてもよいし、1C2Mや1C4Mとして複数台の電動機を駆動制御することとしてもよい。
次に、絶縁回路10の動作について説明する。絶縁回路10は、基本的にインバータ50の動作に合わせて動作する。そのため、本実施形態では、インバータ50の制御装置40が、絶縁回路10を動作制御する機能を有することとする。具体的には、制御装置40は、絶縁回路制御装置41を有し、この絶縁回路制御装置41が、インバータ50が電動機60に電力を供給して引張力を発生させる力行運転の制御中であるか、電動機60を回生ブレーキとして用いる回生運転の制御中であるかによって、各双方向半導体スイッチ回路30(30-1~30-4)に対してオン/オフを指示する動作指示信号を出力することで、絶縁回路10の動作を切り替える。双方向半導体スイッチ回路30は直列接続した2つのスイッチング素子を有するので、双方向半導体スイッチ回路30に対する動作指示信号は、インバータ50の動作に応じた通流方向となるように、どちらのスイッチング素子をオンするかを指示する信号となる。
続いて、絶縁回路10に対する試験結果を説明する。試験は、絶縁回路10の等価回路に対するシミュレーションとして行った。図8に、シミュレーション回路の構成を示す。図8に示すように、シミュレーション回路は、コンデンサ20を図3に示した等価回路として絶縁回路10を構成した。この絶縁回路10の一次側(電源側)に直流3000Vの直流電源Viを接続し、二次側に平滑コンデンサおよび30Ωの負荷抵抗Rを並列接続して、絶縁回路10の一次側から二次側へ直流電力を供給する場合を模擬した。そして、絶縁回路10の一次側の高圧側ラインHLからコンデンサ20に向かって流れる一次側電流i1、コンデンサ20から絶縁回路10の二次側の高圧側ラインHLに向かって流れる二次側電流i2、二次側の出力電圧となる平滑コンデンサの両端電圧VB、負荷Rに流れる負荷電流iout、を測定した。
次に、絶縁回路10を交流電気車の主回路に適用した2つの実施例を説明する。
<第1実施例>
図10は、第1実施例における交流電気車の主回路を示す図である。図10に示すように、交流電気車の主回路は、パンタグラフ3および真空遮断器等のスイッチ5を介して架線2に電気的に接続されるとともに、輪軸7を介してレール8に電気的に接続されることで、架線電圧が印加される。架線電圧は、コンバータ70に入力される。従来の交流電気車の主回路では、架線電圧を降圧および絶縁するための主変圧器が設けられているが、本実施例では、主変圧器を不用としている。
図11は、第2実施例における交流電気車の主回路を示す図である。第2実施例では、第1実施例と同様に、主変圧器を不用としてコンバータ70に架線電圧が入力される構成を採用しているが、コンバータ70より後段の回路構成が第1実施例と異なる。第2実施例では、並列接続されたN個の降圧回路80(80-1~80-N)が、コンバータ70の出力側に接続される。降圧回路80は、例えばチョッパ回路で構成することができる。そして、各降圧回路80の出力側には、絶縁回路10(10-1~10-N)の一次側が接続されており、絶縁回路10の二次側には、インバータ50(50-1~50-N)が接続される。各絶縁回路10のスイッチング動作が同期して行われることは、第1実施例と同様である。このため、図11には図示されていないが、各絶縁回路10に対応する制御装置40(或いは、絶縁回路制御装置41)は、動作指示信号を、対応する絶縁回路10に同期して出力する。
このように、本実施形態によれば、一次側と二次側とを電気的に絶縁し、一次側と二次側との間で両方向に直流電力を融通可能な絶縁回路10を実現することができる。絶縁回路10が有するコンデンサ20は、一次側の第1端子対21に接続された第1電極対25と、二次側の第2端子対23に接続された第2電極対27とが、電界結合可能に部分的に対向配置されて構成されている。つまり、コンデンサ20の第1端子対21と第2端子対23との間は物理的に接続された導通状態にはないが、一方の端子対に直流電力を印加すると、当該一方の端子対に接続された一方の電極対が蓄電されるとともに、電界結合によって他方の電極対も蓄電される。一方の端子対に直流電力が印加されなくなると、他方の電極対の蓄電電力が放電されて他方の端子対から直流電力が出力される。したがって、コンデンサ20は、絶縁回路10を実現するに当たって直流電力を融通する要所を担う要素回路と言える。
なお、本発明の適用可能な実施形態は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能なのは勿論である。
コンデンサ20は、コンデンサとして機能する2つの電極対(第1電極対25および第2電極対27)が互いに電界結合可能に部分的に対向配置されていればよく、例えば、図12や図13に示すような構造としても良い。
20…コンデンサ
21…第1端子対
22a…第1正極端子、22b…第1負極端子
23…第2端子対
24a…第2正極端子、24b…第2負極端子
25…第1電極対
26a…第1正電極素子、26b…第1負電極素子
27…第2電極対
28a…第2正電極素子、28b…第2負電極素子
30(30-1~30-4)…双方向半導体スイッチ回路
40…制御装置、41…絶縁回路制御装置
50…インバータ、60…電動機
HL…高圧側ライン、LL…低圧側ライン
Claims (7)
- 第1端子対および第2端子対を備える4端子のコンデンサであって、
前記第1端子対に接続された第1コンデンサとして機能する第1電極対と、
前記第2端子対に接続された第2コンデンサとして機能する第2電極対と、
を備え、
前記第1電極対は、前記第1端子対を構成する一方の端子に接続された第1正極素子と、他方の端子に接続された第1負極素子と、を有し、
前記第2電極対は、前記第2端子対を構成する一方の端子に接続された第2正極素子と、他方の端子に接続された第2負極素子と、を有し、
前記第1正極素子、前記第1負極素子、前記第2正極素子および前記第2負極素子の4つの電極素子が、a)積層方向において異なる積層位置で、且つ、b)前記積層方向において共通して重なる部分があるように積層されることで、前記第1電極対と前記第2電極対とが電界結合可能に部分的に対向配置され、
前記第1端子対および前記第2端子対の一方に間欠的に印加される直流電力を他方から出力するコンデンサ。 - 前記積層方向において、前記第1電極対および前記第2電極対の一方の電極対を構成する2つの電極素子の間に、他方の電極対の電極素子を部分的に挟むように配置されることで、前記対向配置がなされた、
請求項1に記載のコンデンサ。 - 前記積層方向において、前記第1電極対を構成する2つの電極素子と、前記第2電極対を構成する2つの電極素子とが互い違いに部分的に重なるように配置されることで、前記対向配置がなされた、
請求項1又は2に記載のコンデンサ。 - 第1端子対および第2端子対と、
前記第1端子対に接続された第1コンデンサとして機能する第1電極対と、
前記第2端子対に接続された第2コンデンサとして機能する第2電極対と、
を備え、
前記第1電極対と前記第2電極対とが電界結合可能に部分的に対向配置され、
前記第1端子対および前記第2端子対の一方に間欠的に印加される直流電力を他方から出力するコンデンサであって、
前記第1電極対を構成する各電極素子は、前記第1コンデンサとして機能する基本対向部分と、前記第2電極対と対向する屈曲部分とを有し、
前記第2電極対を構成する各電極素子は、前記第2コンデンサとして機能する基本対向部分と、前記第1電極対と対向する屈曲部分とを有する、
コンデンサ。 - 前記第1端子対は、第1正極端子および第1負極端子を有し、
前記第2端子対は、第2正極端子および第2負極端子を有し、
前記第1電極対は、前記第1正極端子に接続された第1正電極素子と、前記第1負極端子に接続された第1負電極素子とを有し、
前記第2電極対は、前記第2正極端子に接続された第2正電極素子と、前記第2負極端子に接続された第2負電極素子とを有し、
前記第1正電極素子と前記第2正電極素子とが部分的に対向配置され、
前記第1負電極素子と前記第2負電極素子とが部分的に対向配置された、
請求項4に記載のコンデンサ。 - 一次側と二次側との間を電気的に絶縁して直流電力を融通する絶縁回路であって、
請求項1~5の何れか一項に記載のコンデンサと、
高圧側ラインの前記一次側と前記第1端子対の第1正極端子との間に設けられた第1双方向半導体スイッチ回路と、
低圧側ラインの前記一次側と前記第1端子対の第1負極端子との間に設けられた第2双方向半導体スイッチ回路と、
高圧側ラインの前記二次側と前記第2端子対の第2正極端子との間に設けられた第3双方向半導体スイッチ回路と、
低圧側ラインの前記二次側と前記第2端子対の第2負極端子との間に設けられた第4双方向半導体スイッチ回路と、
を備え、
前記第1双方向半導体スイッチ回路および前記第2双方向半導体スイッチ回路のオン制御と、前記第3双方向半導体スイッチ回路および前記第4双方向半導体スイッチ回路のオン制御とが交互に行われることで、前記一次側から前記二次側に、或いは、前記二次側から前記一次側に直流電力を供給する絶縁回路。 - 前記第1~第4双方向半導体スイッチ回路は、スイッチング素子にダイオード素子を逆並列接続した基本回路を、ダイオード素子の順方向が向き合うように直列接続して構成されている、
請求項6に記載の絶縁回路。
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