JP7149881B2 - 電力変換装置および当該電力変換装置を搭載する鉄道車両 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に関するもので、特に、鉄道車両用のインバータを構成する電力変換装置として好適である。

従来、鉄道車両に搭載した交流モータ駆動用インバータを構成する電力変換装置にあって、その入力側（架線側）に設置されるフィルタリアクトルは、一般的には６ｍＨ～１２ｍＨのインダクタンス値を有する。このフィルタリアクトルは、車両走行時に発生する電流・電圧の脈動を低減させる役割や、主回路中で高電位と低電位が短絡した際に短絡電流が架線側から流れるのを抑える役割を担っている。
しかしながら、所望の動作に必要なインダクタンス値を実現すると、フィルタリアクトルの占有体積は非常に大きくなり、その質量も重くなる。

特開昭６０－１０２８０１号公報

エネルギー補償型アクティブフィルタ制御による電気車インバータの帰線電流ノイズ低減、ＩＥＥＪ． Ｔｒａｎｓ． ＩＡ、 Ｖｏｌ． １２６、Ｎｏ．１０、 ２００６、ｐｐ１３９２－１３９８

インバータを構成する電力変換装置を搭載する鉄道車両において、フィルタリアクトルは、モータを除けば、電力変換装置全体の中でも主要な部品であり、かつ、その質量も１／２から１／３程度を占める。このため、フィルタリアクトルの小型かつ軽量化が実現できると、電力変換装置全体を小型化でき、鉄道車両の床下配置の自由度が増加する。それにより、新たな機器、たとえば蓄電池等の新規機能が追加でき、鉄道車両の省エネ化に大きく寄与させることができる。

本発明の課題は、フィルタリアクトルを小型化するために、インダクタンス値を低減させることと、電流・電圧の脈動が起因となるノイズ電流の増加を抑えることとを両立して解決することにある。

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、一次巻線と二次巻線とを有するトランス型リアクトルで構成されたフィルタリアクトルと、直流架線からフィルタリアクトルを介して接続され直流電力を交流電力に変換するインバータを有するパワーユニットと、インバータに並列に接続されパワーユニットに内蔵された第１のコンデンサおよびフィルタリアクトルとパワーユニットとの間に設置された外付けの第２のコンデンサから構成されるフィルタコンデンサとを備える電力変換器を直流架線に対して並列に複数設け、複数の電力変換器におけるフィルタリアクトルおよび外付けの第２のコンデンサをそれぞれ共通化してそれぞれ１台にすることを特徴とする。

本発明によれば、フィルタコンデンサをパワーユニットが内蔵するコンデンサと外付けのコンデンサとに分割することにより、パワーユニットの大型化を抑制すると共に、フィルタ回路の共振周波数を軌道回路が備える信号機器の動作周波数以下としながらもインバータの小型化を可能とし、また帰線上の軌道回路を誤動作せることなく確実な車両の運行を可能にする。

実施例１に係る鉄道車両用電力変換装置の主回路構成の一例を示す図である。 鉄道車両用インバータにおいてノイズ源電流が帰線電流に与える伝達特性を示す図である。 鉄道車両用インバータにおいてリプル電圧と帰線電流の伝達特性を示す図である。 図１に示す主回路構成の部品配置において、フィルタコンデンサをパワーユニット内にすべて搭載した従来例を示す図である。 図１に示す主回路構成の部品配置において、別置きのフィルタコンデンサをパワーユニットに隣接しない位置に配置する例を示す図である。 図１に示す主回路構成の部品配置において、別置きのフィルタコンデンサとパワーユニットに隣接させて配置する例を示す図である。 実施例２に係る鉄道車両用電力変換装置の主回路構成の一例を示す図である。 実施例３に係る鉄道車両用電力変換装置の主回路構成の一例を示す図である。 実施例４に係る鉄道車両用電力変換装置の主回路構成の一例を示す図である。

以下に本発明を実施するための形態（以下、「実施形態」という」）として、本発明に係る駆動システム装置及びそれを用いた鉄道車両について、図１から図９を用いて説明する。

ここで、以下の本発明の実施形態では、便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらは互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。

また、以下の実施形態では、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合及び原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特性の数以上でも以下でもよい。

さらに、以下の実施形態では、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもなく、同様に、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。

図１は、本発明の実施例１に係る鉄道車両用電力変換装置の主回路構成の一例を示す図である。
以下に、図中に示す各構成要素を列挙する。ＰＡＮは、直流架線（例えば、直流１５００Ｖ）。ＭＳは、架線電圧と主回路を電気的に切り離すための主スイッチ。ＧＳは、アース側と主回路を電気的に切り離すための接地スイッチ。ＨＢは、例えばインバータパワーユニットＰＵ側で事故電流が発生したときにその事故電流を遮断する高速度遮断器。ＬＢ１およびＬＢ２は、インバータが動作不良となった場合に主回路を開放するための断流器。ＣＨＲｅは、フィルタコンデンサＦＣ充電用の充電抵抗。ＣＰＴ１およびＤＣＰＴ２は、電圧計。ＤＣＨＲｅおよびＯＶＲｅは、放電抵抗。ＤＳは、放電用スイッチ。ＯＶＴｒは、過電圧放電用素子。ＦＬ１およびＦＬ２は、ノイズ電流を遮断するためのフィルタリアクトル。ＡＦは、フィルタリアクトルＦＬ１およびＦＬ２をそれぞれ一次巻線および二次巻線とするトランス型リアクトルで構成するアクティブフィルタの制御装置。ＰＵは、パワーユニット。Ａ～Ｃは、モータ駆動用インバータを構成するパワーユニットＰＵを構成する素子。ＦＣ１は、パワーユニットＰＵに内蔵したフィルタコンデンサ。ＦＣ２は、外付けのフィルタコンデンサ。ＩＭ１～ＩＭ４は、台車を駆動するための主電動機。

一般的には、フィルタリアクトルＦＬは６～１２ｍＨ、主回路に搭載されるフィルタコンデンサＦＣの総容量は３０００μＦ～１２０００μＦ程度であり、直流電圧や接続されるモータの出力に合わせて選定される。

本実施例の場合、フィルタリアクトルＦＬ１を１～４ｍＨ程度まで低インダクタンス化して、フィルタリアクトルの小型・軽量化を行う。これに対して、従来どおりのフィルタコンデンサの容量を搭載させた場合には、共振周波数は２０Ｈｚ以上となる。

ここにおいて、鉄道の軌道回路の信号機器で使用する動作周波数は２５Ｈｚ～数ｋＨｚであり、フィルタリアクトルＦＬとフィルタコンデンサＦＣから成る共振周波数が２０Ｈｚ以上となると、この動作周波数帯と近づくため、軌道回路の信号機器に誤動作を発生させないための上限である許容値を超えてしまう可能性がある。

次に、フィルタリアクトルＦＬとフィルタコンデンサＦＣとの比とノイズとの関係について言及する。ここでは、従来（フィルタリアクトルＦＬを低インダクタンス化する前）の一般的な主回路定数としてＦＬ／ＦＣが８ｍＨ／９．６ｍＦの組み合わせと、フィルタリアクトルＦＬを低インダクタンス化した際（以下、「ＦＬ低インダクタンス化」と略する）のＦＬ／ＦＣが２ｍＨ／３２ｍＦの組み合わせとを例にして説明する。

ＦＬ／ＦＣは、ＦＬ低インダクタンス化により従来と比べて、０．２５倍／３．３３倍に変動する。ノイズ源は、大別すると２つあり、変電所で三相交流の整流時に発生するリプル電圧Ｅｓと、モータ駆動用インバータによるノイズ源電流Ｉｉｎｖである。

まず、ノイズ源電流Ｉｉｎｖが帰線電流Ｉｓに与える影響について考察する。
ノイズ源電流Ｉｉｎｖとしては、モータ駆動用インバータのスイッチング周波数の電流がフィルタコンデンサＦＣとモータ間で循環しているのが大半であるが、モータのインダクタンス成分等の影響により低周波電流もノイズ源電流Ｉｉｎｖに含まれる。

この場合に、ノイズ源電流Ｉｉｎｖの低周波成分は、フィルタコンデンサＦＣからモータへ供給されるのではなく、帰線（レール）を介して地上側の変電所に戻り、その変電所から架線へと循環されることとなる。つまり、帰線電流ＩｓとしてフィルタコンデンサＦＣに流れ込んでくる。

図２は、このノイズ源電流Ｉｉｎｖが帰還電流Ｉｓに与える伝達特性Ｉｓ／Ｉｉｎｖを示す図である。
図２に示すように、１８Ｈｚ近傍で、ＦＬ低インダクタンス化前後の特性が変化することがわかる。特に、１－１５Ｈｚと２０Ｈｚ以上との区間では、ＦＬ低インダクタンス化前後であっても伝達特性が同等であることがわかる。

よって、ノイズ源電流Ｉｉｎｖに対しては、ＦＬ低インダクタン化を行っても帰還電流Ｉｓは増加しないため、フィルタリアクトルＦＬとフィルタコンデンサＦＣによるフィルタ回路の定数を適切に設定すれば、軌道回路上の信号機器に影響を与えることはない。

次に、リプル電圧Ｅｓが帰線電流Ｉｓに与える影響について考察する。
図３は、リプル電圧Ｅｓと帰線電流Ｉｓの伝達特性Ｉｓ／Ｅｓを示す図である。
図３に示すように、ＦＬ低インダクタンス化を施すとリプル電圧Ｅｓ側からみた入力インピーダンスが低下してみえるため、帰還電流Ｉｓは増加する。また、共振周波数２０Ｈｚ近傍以外は、ＦＬ低インダクタンス化により帰還電流Ｉｓが増加することがわかる。これは、インダクタンス値を低減しキャパシタンスを増加させたことで、主回路フィルタのインピーダンスが低下するためである。

よって、ＦＬ低インダクタンス化と主回路フィルタの共振周波数を軌道回路の信号機器の動作周波数以下にする設定においては、モータ駆動用インバータに起因するノイズ源電流Ｉｉｎｖの増加はないものの、架線側からのリプル電圧Ｅｓによって帰還電流Ｉｓが増加してしまうことがわかる。

ここにおいて、リプル電圧Ｅｓに起因する帰線電流Ｉｓについては、図１に示す、トランス型リアクトルで構成するアクティブフィルタを用いることで、その帰還電流Ｉｓを低減できる。アクティブフィルタの制御装置ＡＦは、電流センサＡＣＣＴを用いて帰線電流Ｉｓを検出し、その検出値を用いて指令値である交流電圧を生成する。この指令値は、図３に示す点線の特性のように、共振点から高周波側の伝達特性（Ｉｓ／Ｅｓ）を、従来のフィルタ定数（８ｍＨ／９．６ｍＦ）の場合と同等のフィルタ特性にするような値となる。

アクティブフィルタの制御装置ＡＦで生成した交流電圧は、二次巻線であるフィルタリアクトルＦＬ２を介して、フィルタリアクトルＦＬ２と磁気結合した一次巻線であるフィルタリアクトルＦＬ１に伝搬（誘起）される。その結果、帰線電流Ｉｓは、フィルタリアクトルＦＬを２ｍＨと低インダクタンス化した場合でも、従来のフィルタ定数値と同じノイズ電流レベルに抑えることができる。すなわち、フィルタリアクトルＦＬを低インダクタンス化した際においても、帰線上の軌道回路を誤動作させることなく、安全で確実な車両の運行を可能にする。

ここにおいて、図１に示す構成機器を備えた電力変換装置として車両床下に実装する際には、車両への艤装限界等の制約から、実装する電力変換装置は小型であることが望ましい。

先に説示したとおり、主回路フィルタの共振周波数を下げるために、フィルタコンデンサＦＣの容量を増やしているが、一方で、フィルタコンデンサＦＣは、セルの耐圧と電流容量とによりフィルタコンデンサＦＣ自体の大きさ（体積）が決まるためので、コンデンサ容量の増加に伴い体積も大きくなる。

このため、図４に示すように、パワーユニットＰＵ内に全部のフィルタコンデンサＦＣを搭載した場合には、パワーユニットＰＵの体積に対して、フィルタコンデンサＦＣの体積の割合が大きくなり、筐体内の部品配置に制約が生まれることになる。よって、インバータ筐体全体の小型化と、フィルタ回路の共振周波数を軌道回路の信号機器の動作周波数以下にすることによる帰線ノイズの低減化とを両立することが難しくなる。

これに対して、本発明では、パワーユニットＰＵに内蔵するフィルタコンデンサＦＣと別置きのフィルタコンデンサＦＣとを設けることにより、フィルタコンデンサを分割配置する。内蔵する方のフィルタコンデンサＦＣは、スイッチング時の過渡特性および制御に十分な容量である数千μＦ～１００００μＦ程度を、パワーユニットＰＵに搭載する。一方で、別置きする方のフィルタコンデンサＦＣは、フィルタリアクトルＦＬのインダクタンス値を鑑み、その共振周波数が軌道回路の信号機器の動作周波数以下になるために必要な容量のものを搭載する。

以上のように、別置きのフィルタコンデンサＦＣを採用することにより、フィルタコンデンサＦＣの配置の自由度が増加するため、フィルタリアクトルＦＬとフィルタコンデンサＦＣによる共振周波数を所望の値としながらも、筐体の小型化が可能となる。

具体的なフィルタコンデンサＦＣの配置例として、図５に、別置きのフィルタコンデンサＦＣを、パワーユニットＰＵに隣接させずに離れた位置に配置する例を示す。ただし、本発明ではこの隣接しない位置を特に限定するものではない。

また、図６に、別置きのフィルタコンデンサＦＣを、パワーユニットＰＵに隣接して配置する例を示す。このように、パワーユニットＰＵの直近に別置きのフィルタコンデンサＦＣを配置することで、パワーユニットＰＵのＰＮ電位と接続する寄生インダクタンスを小さくすることができるため、インバータ筐体内での寄生ＬＣによるいわゆるＬＣ共振動作の発生を最小限に抑えることが可能となる。

図７は、本発明の実施例２に係る鉄道車両用電力変換装置の主回路構成の一例を示す図である。
図７では、図１に示す実施例１と同じ構成要素には同一の符号を付与している。図７に示す本実施例と図１に示す実施例１との異なる点は、１インバータ当たりのモータ制御台数が２台となる点（１Ｃ２Ｍ形式）と、主回路を構成する各種機器（接触器関連機器、フィルタリアクトルＦＬ、アクティブフィルタＡＦおよびパワーユニットＰＵ、等）が２台ずつになっている点である。すなわち、電力変換装置を、直流架線に対して並列に複数群設ける構成となる。また、本実施例のように、１群／２群として構成するのみならず、３群以上で構成することも可能である。

主回路を構成する、各フィルタリアクトルＦＬおよびフィルタコンデンサＦＣは、実施例１と同様に、共振周波数が軌道回路の信号機器の動作周波数以下となるように定数を設定することで、各回路群の共振周波数を、軌道回路の信号機器の動作周波数以下とする。これにより、片群の故障によりインバータが停止してしまった場合でも、軌道回路に影響を与えることなく健全に車両の運行をすることが可能となる。

また、インバータ１台当たりのモータ制御台数が減少するために、インバータに流れる電流が、図１に示す実施例１の場合と比べて半分となる。このため、フィルタリアクトルＦＬの定格電流およびアクティブフィルタＡＦの出力電流も低減するため、個別機器それぞれの小型化が図れる。よって、機器故障発生時の冗長性を持たせつつ、インバータ筐体全体の小型化が可能となる。

図８は、本発明の実施例３に係る鉄道車両用電力変換装置の主回路構成の一例を示す図である。
図８では、図１に示す実施例１と同じ構成要素には同一の符号を付与している。図８に示す本実施例と図７に示す実施例２とは、１群／２群の構成としている点で共通するが、異なる点は、接触器関連機器、過電圧放電用素子ＯＶＴｒおよび外付けのフィルタコンデンサＦＣ２を１群と２群で共通としている点、および、１群／２群共に開放用の接触器ＬＢ３およびＬＢ４を搭載している点である。また、本実施例も、実施例２と同様に、１群／２群として構成するのみならず、３群以上で構成することも可能である。

外付けのフィルタコンデンサＦＣ２が共通になるため、片群の開放時に共振周波数が変化してしまうが、片群の開放時にも影響が小さくなるように、内蔵フィルタコンデンサＦＣ１１および２１の容量を、制御およびスイッチング特性に影響がないように設定する。

例えば、外付けのフィルタコンデンサＦＣ２の容量とパワーユニットＰＵに内蔵するフィルタコンデンサＦＣ１１または２１との容量比を９：１とする。直流１５００Ｖ架線の場合には、フィルタリアクトルＦＬを２ｍＨとした際に、内蔵するフィルタコンデンサＦＣ１１および２１の容量を４８００μＦとし、外付けのフィルタコンデンサＦＣ２は、４３ｍＦの容量で１群および２群で共通する別置きのコンデンサとする。
このように、別置きのコンデンサの容量比率を増大させることにより、片群の開放時の共振周波数の変化を小さくすることができ、制御への影響を小さくすることが可能となる。

また、１群および２群それぞれの共振周波数が軌道回路の信号機器の動作周波数以下となるようにフィルタ定数を設定するよりも、１群および２群で共通するフィルタコンデンサＦＣ２をインバータ筐体内に別置きで搭載する方が、フィルタコンデンサＦＣの総容量が小さくなり、筐体の小型化を実現しつつ片群の開放制御が可能となる。

図９は、本発明の実施例４に係る鉄道車両用電力変換装置の主回路構成の一例を示す図である。
図９では、図１に示す実施例１と同じ構成要素には同一の符号を付与している。図９に示す本実施例と図１に示す実施例１と異なる点は、フィルタリアクトルＦＬ３を追加した点にある。

鉄道の軌道回路には、１５Ｈｚ～３５Ｈｚの周波数帯にノイズレベル許容値の低い軌道回路として、長大軌道回路と電子分周回路とがある。一般的にこれらの軌道回路は、フィルタリアクトルＦＬの定数を大きくして共振周波数を軌道回路の信号機器の動作周波数以下とすることで対応している。このため、本実施例では、既存のフィルタリアクトルＦＬと直列に、別置きのフィルタリアクトルＦＬ３を筐体外に追加し接続することで、長大軌道回路や電子分周回路に対応させることが可能となる。

以上、本発明を実施の形態に基づき実施例として具体的に説明したが、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

上記した各実施例は、本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであるが、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、実施例の構成の一部について、他の実施例の構成を追加・削除・置換することが可能である。

さらに、上記した各実施例においては、一例として鉄道車両に用いられる電力変換器について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、風力発電システムや太陽光発電システムなどにも適用することができる。

ＰＡＮ…直流架線、ＭＳ…主スイッチ、ＧＳ…接地スイッチ、ＨＢ…高速度遮断器、
ＬＢ１，ＬＢ２…断流器、ＣＨＲｅ…フィルタコンデンサ用充電抵抗、
ＤＣＰＴ１，ＤＣＰＴ２…電圧計、ＤＣＨＲｅ，ＯＶＲｅ…放電抵抗、
ＤＳ…放電用スイッチ、ＯＶＴｒ…過電圧放電用素子、
ＡＣＣＴ，ＣＯＲＥ…電流センサ、ＦＬ１，ＦＬ２，ＦＬ３…フィルタリアクトル、
ＡＦ…アクティブフィルタ、ＰＵ…パワーユニット、
Ａ，Ｂ，Ｃ…パワーユニットＰＵを構成する素子、
ＦＣ１…パワーユニット内蔵フィルタコンデンサ、
ＦＣ２…外付けのフィルタコンデンサ、ＩＭ１～ＩＭ４…台車

Claims (7)

1. 一次巻線と二次巻線とを有するトランス型リアクトルで構成されたフィルタリアクトルと、直流架線から前記フィルタリアクトルを介して接続され直流電力を交流電力に変換するインバータを有するパワーユニットと、前記インバータに並列に接続され前記パワーユニットに内蔵された第１のコンデンサおよび前記フィルタリアクトルと前記パワーユニットとの間に設置された外付けの第２のコンデンサから構成されるフィルタコンデンサとを備える電力変換器を前記直流架線に対して並列に複数設け、
   前記複数の電力変換器における前記フィルタリアクトルおよび前記外付けの第２のコンデンサをそれぞれ共通化してそれぞれ１台にする
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   前記フィルタコンデンサの値と前記フィルタリアクトルの値から決まる共振周波数を、軌道回路が備える信号機器が使用する動作周波数以下とする
   ことを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１または２に記載の電力変換装置であって、
   前記フィルタリアクトルを低インダクタンスにし、前記トランス型リアクトルの前記二次巻線側で生成した交流電圧を前記一次巻線側に誘起させる
   ことを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の電力変換装置であって、
   前記外付けの第２のコンデンサは、前記パワーユニットに隣接して配置される
   ことを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項１から３のいずれか１項に記載の電力変換装置であって、
   前記外付けの第２のコンデンサは、前記パワーユニットから離れた位置に配置される
   ことを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の電力変換装置を搭載する鉄道車両。
7. 請求項６に記載の鉄道車両であって、
   前記直流架線から前記フィルタリアクトルまでの間に、遮断器および断流器の直列回路を設ける
   ことを特徴とする鉄道車両。

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