JPH0993702A

JPH0993702A - 鉄道車両用電力変換装置

Info

Publication number: JPH0993702A
Application number: JP7252416A
Authority: JP
Inventors: Satoru Ito; 知伊東; Satoshi Inarida; 聡稲荷田; Kiyoshi Nakada; 仲田　　清; Wataru Miyake; 亙三宅
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-09-29
Filing date: 1995-09-29
Publication date: 1997-04-04

Abstract

(57)【要約】【課題】列車全体の高調波を低減する。【解決手段】コンバータ６１１〜６２ｎとインバータ８
１１〜８２ｎの間を、フィルタコンデンサ７１１〜７４
ｎを介し直流側で接続する。車両３１のフィルタコンデ
ンサ７１１と７３１，７２１と７４１の間は、直流ブス
１０により接続し、さらに同じく直流ブス１０により、
隣接する車両３２のフィルタコンデンサ７１２，732,７
２２，７４２に接続する。さらにこれらは、同じく直流
ブス１０により他の車両のフィルタコンデンサに接続
し、列車３の図上で右端にある車両３ｎのフィルタコン
デンサ７１ｎ，７２ｎ，７３ｎ，７４ｎに接続する。以
上のように、列車３内のすべてのフィルタコンデンサの
端子間電圧は、直流ブス１０により、配線インピーダン
スの僅かな影響を除くと、常に同電位に保たれる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、交流架線より電力
を供給する鉄道車両用電力変換器に関わる。

【０００２】

【従来の技術】鉄道車両における電力変換器において
は、誘導障害などを防止するため、入力側の高調波低減
が重要課題である。特開昭62−217808号公報には、編成
全体の高調波低減のため、編成内の電力変換器のキャリ
ア位相を均等にずらして設定し、高調波を相殺するいわ
ゆる「ユニット間相差運転」に関する技術が記載されて
いる。

【０００３】また、列車全体の電力変換器の構成を示し
た例として、特開昭60−234401号公報、特開昭64−6920
1号公報、および特開平4−281301号公報に記載の技術が
あげられる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記特開昭62−217808
号公報記載のユニット間相差運転は、高調波低減に有効
な技術であるが、下記のような問題点がある。

【０００５】一般に、鉄道車両における電力変換器の直
流ステージは、互いに独立で接続されていない。また、
複数の電力変換器の直流ステージが接続されている例で
も、同一車両内、あるいは２ないし３両程度の車両で構
成されるユニット内のみにとどまり、編成がごく短い場
合の例外を除き、編成内に独立の直流ステージが複数存
在する。

【０００６】編成内の電力変換器のキャリア位相を均等
にずらし、高調波を相殺する前提条件として、全コンバ
ータの出力が等しいことが必要である。一つでも出力が
他と異なると、高調波は相殺せず、残留する成分が発生
する。極端な場合には、増加する事も考えられる。

【０００７】上述の鉄道用電力変換器の場合、直流ステ
ージは各々独立であるので、あるインバータの出力が、
空転・滑走、あるいは車輪径の差異などが原因で他と異
なる状況が発生するが、この場合、これに接続されるコ
ンバータの出力がインバータにあわせて他と異なってし
まうので、高調波の低減が不可能となる。

【０００８】さらに、編成内の車軸の出力を独立に制御
するいわゆる編成制御を行う場合を想定すると、上記と
同様にコンバータ出力は常に互いに異なることになり、
ユニット間相差運転による高調波低減は期待できない。

【０００９】また、特開昭60−234401号公報，特開昭64
−69201号公報、および特開平4−281301号公報には、そ
れぞれ直流電車の列車全体において、直流ステージを互
いに接続する技術が記載されている。しかしながらこれ
らは、高速大量輸送に適した交流電化区間で用いられ
る、いわゆる交流電気車に適用できないだけでなく、電
源側に発生する高調波の低減に関しては、いっさい考慮
されていないという問題がある。

【００１０】本発明の目的は、編成全体の高調波低減を
可能にする電力変換器を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】電源に接続された変圧器
と、交流を直流に変換する第１の電力変換器と、少なく
ともフィルタコンデンサで構成される直流ステージ回路
と、直流を交流に変換する第２の電力変換器とのうち、
少なくともいずれかを搭載する車両が、複数連結してな
る鉄道車両用電力変換装置において、各車の直流ステー
ジを互いに接続する直流ブスを設けたことを特徴とす
る。

【００１２】この編成内直流ブスを設けたことにより、
各インバータの出力が互いに異なるような状況でも、全
コンバータは互いに等しい出力で運転可能である。これ
により、編成全体の高調波を低減できる。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１に本発明の実施例を示す。

【００１４】交流電源１から、架線２を介し、車両３
１，３２，・・・３ｎで構成される列車３に電力を供給
する。

【００１５】複数ある車両のうち、図では左端にある車
両３１を例にとって説明する。

【００１６】架線２に接触し電圧を得る集電器４１か
ら、変圧器５１を介し交流を直流に変換する電力変換器
（以下、コンバータと称する）６１１および６２１にそ
れぞれ給電し、フィルタコンデンサ７１１および７２１
にそれぞれ直流電圧を与える。さらにこれらにそれぞれ
接続されたフィルタコンデンサ７３１および７４１を介
し、直流を交流に変換する電力変換器（以下、インバー
タと称する）８１１および８２１により、交流電動機９
１１と９２１、および９３１と９４１をそれぞれ駆動
し、列車３を走行させる。

【００１７】また、フィルタコンデンサ７１１と７３
１、および７２１と７４１の間は、直流ブス１０により
互いに接続され、さらに同じく直流ブス１０により、隣
接する車両３２のフィルタコンデンサ７１２，７３２，
７２２，７４２に接続される。さらにこれらは、同じく
直流ブス１０により他の車両のフィルタコンデンサに接
続され、最終的には、列車３の図上で右端にある車両３
ｎのフィルタコンデンサ７１ｎ，７２ｎ，７３ｎ，７４
ｎに接続される。以上のように、列車３内のすべてのフ
ィルタコンデンサの端子間電圧は、直流ブス１０によ
り、配線インピーダンスの僅かな影響を除くと、常に同
電位に保たれる。

【００１８】この様な構成にすることにより、全インバ
ータの出力の総和と、全コンバータの出力の総和が等し
ければ、各コンバータの出力はこれに対応するインバー
タとは独立の出力で制御できる。即ち、図１のコンバー
タ６１１とインバータ８１１を例に取ると、直流ブス１
０を設けることにより、両者の出力は必ずしも等しくな
くてもよいと言うことになる。

【００１９】そこで、各コンバータの出力を互いに等し
く設定し、その値を（数１）のように、全インバータ出
力の総和をコンバータ数で除したものとする。

【００２０】

【数１】

【００２１】ただし、Ｐｃは１コンバータあたりの出
力、Ｎｃはコンバータ数、Ｎｉはインバータ数、Ｐｉ
（ｍ）はｍ番目のインバータの出力である。

【００２２】さらに各コンバータのキャリアの位相差Δ
θｃを（数２）のように設定する。

【００２３】

【数２】

【００２４】列車編成内に直流ブス１０を設置すること
により、編成内のコンバータを（数１）および（数２）
を同時に満たすように運転できるため、編成全体の高調
波を低減することが可能である。

【００２５】図２は、図１の実施例におけるコンバータ
の制御装置を示したものである。簡単のため、必要な部
分のみを示した。

【００２６】コンバータ６の交流側は、変圧器５を介し
集電器４が接続される。また、主コンバータ６の直流側
にはコンデンサ７を介し、直流ブスに接続される。

【００２７】コンバータ６を制御する制御装置１３は次
のように構成される。電圧検出器１２１により直流電圧
ｅｄを検出する。減算器１３１により直流電圧指令値Ｅ
ｄ＊と直流電圧ｅｄの偏差を算出し、電圧制御器１３２
によりコンバータ全体の出力の総和に相当する全交流電
流振幅指令Ｉｓｔ＊を算出し、呈倍器１３６で１／Ｎｃ
を乗じ、コンバータ１台あたりの交流電流振幅指令Ｉｓ
＊を算出する。現在位相ωｔと位相指令値φ＊を加算器
１３４で加算し、正弦波発生器１３５で基準正弦波を発
生し、乗算器１３６で交流電流振幅指令Ｉｓ＊と乗算を
行い、交流電流指令値ｉｓ＊を得る。減算器１３７で、
交流電流指令値ｉｓ＊と、電流検出器１２３により検出
した交流電流ｉｓとの偏差をとり、電流制御器１３８に
よって、変圧器インピーダンスの電圧降下分の制御信号
ｙｅｔを得る。また、除算器１３９により、電圧検出器
１２２により検出した交流電圧ｅｓを直流電圧Ｅｄで除
算し、交流電源電圧分の制御信号ｙｅｓを得る。減算器
１４０により、制御信号ｙｅｓからｙｅｔを減算して変
調波信号ｙｍを求める。

【００２８】また、編成内の各コンバータには、１から
Ｎｃ（Ｎｃはコンバータ総数）の番号をふる。図２のコ
ンバータをｎｃ番目のコンバータと仮定し、また１番目
のコンバータのキャリア位相を０［ｄｅｇ］とすると、
このコンバータのキャリア位相は（数３）のように求め
られる。

【００２９】

【数３】

【００３０】キャリア位相発生器により、（数３）によ
り記述されたキャリア位相θｃを発生し、三角波発生器
１４２によりキャリア位相θｃに応じた三角波信号をキ
ャリアとして発生し、これと変調波信号ｙｍに基づき、
ＰＷＭ制御回路１４３によりパルス信号を発生し、コン
バータ６を制御する。

【００３１】図１内のコンバータを図２のように構成す
ることにより、編成全体の高調波を低減できる。

【００３２】図３は、図１の実施例における直流ステー
ジの接続を示したものであり、簡単のため、関連する部
分だけ示している。

【００３３】図３（ａ）において、車両３１のコンバー
タ６１の直流出力側はフィルタコンデンサ７１１，７２
１を介しインバータ８１の直流入力側に接続される。同
様に車両３２のコンバータ６２，フィルタコンデンサ７
１２，７２２，インバータ８２も互いに接続されてい
る。また、両者の直流ステージは、直流ブス１０ａ，１
０ｂで接続され、これらにはスイッチ１１ａ，１１ｂが
備えられる。

【００３４】図１において、直流ブスは簡単のため１本
の線で示したが、実際には本図のように最低２本の線が
必要であることは自明である。また、図１では簡単のた
め図示していないが、スイッチ１１ａ，１１ｂを設ける
ことにより、車両３１と３２を切り放す場合でも、本発
明の技術を適用できる。このため、分割・併合運転を行
う車両においても本発明により高調波低減が可能とな
る。また、保守の際にも便利である。

【００３５】図３（ｂ）も、上記と同様の図であるが、
高調波低減効果の大きい多レベル電力変換器に適用した
例として、３レベル電力変換器を用いる例を示した。

【００３６】３レベルコンバータ６３，６４，３レベル
インバータ８３，８４，フィルタコンデンサ７１３から
７４４は、図３（ａ）と同様に接続されているのに加
え、互いの中性点も接続されている。また、直流ブス
も、中性点の直流ブス１０ｃ、および直流ブス１０ｃ上
のスイッチ１１ｃが追加されている。

【００３７】本図では、図３（ａ）の効果に加え、多レ
ベル電力変換器の安定動作に必須の中性点電圧制御が効
果的に行えるという利点がある。

【００３８】従来、中性点電圧制御の方法は様々な方式
が提案されているが、一般にインバータの中性点電圧に
おいては、出力周波数が高く１周期のパルス数が少ない
領域では、中性点電圧制御の効きが悪くなると言う問題
がある。また、コンバータの中性点電圧制御では、入力
側における高調波成分の増加や、変圧器の偏磁を引き起
こす可能性がある。図３（ｂ）のような構成にすること
により、編成内のコンバータおよびインバータの中か
ら、中性点電圧制御にもっとも都合の良い出力状態のも
のを選び、これを用いて中性点電圧制御を行えば、編成
内全部の中性点電圧を安定に保つことができ、かつ上記
のような問題がなくなる。

【００３９】図３（ｂ）は、３レベル電力変換器におけ
る例を示したが、他の多レベル構成の電力変換器におい
ても、直流ブスの本数を増やすだけで同様の効果が得ら
れる。

【００４０】また、多レベル電力変換器を用いる場合で
も、あえて中性点の直流ブスを設けず、図３（ａ）のよ
うな構成とすることも考えられる。この場合、全電力変
換器で常に中性点電圧制御を行う必要があるが、反面、
ある１つの電力変換器が原因で起こる中性点電圧の変動
の影響を、他に及ぼす心配がなくなる。また、直流電圧
さえ一致すれば、インバータのレベル数は互いに一致し
ていなくてもよいという自由度を持つことになる。

【００４１】多レベル電力変換器において、図３（ａ）
と（ｂ）のいずれが適当かは、装置の諸元、動作環境等
に依存し、これらに応じて適当な方を選択すればよい。

【００４２】図４に、本発明の別の実施例を示す。

【００４３】列車を構成する複数の車両のうち、車両３
０１においては、架線２に接触し電圧を得る集電器４か
ら、変圧器５を介し交流を直流に変換するコンバータ６
１から６４にそれぞれ接続され、フィルタコンデンサ７
１から７４を介し、直流ブス１０に給電している。

【００４４】直流ブス１０を介し、他の車両に電力が供
給される。図で左端の車両３１を例に取ると、直流ブス
１０から、フィルタコンデンサ７３１および７４１を介
し、インバータ８１１および８２１に給電し、交流電動
機９１１と９２１、および９３１と９４１をそれぞれ駆
動し、列車３を走行させる。図で右端の車両３ｎも同様
の構成である。

【００４５】この様に本図では、図示の車両３１および
３ｎにインバータが搭載され、車両３０１にはコンバー
タが搭載され、直流ブス１０で接続されている。

【００４６】図１に比べ、編成全体のコンバータの数が
減っているので、全インバータの出力を同等とすると、
コンバータ１台あたりの容量は、図４の方が大きくな
る。これは、大容量の半導体素子（例えばＧＴＯ）の使
用や、半導体素子の並列数増で対処できる。

【００４７】本実施例は、図１の実施例同様、全コンバ
ータを直流ブスで接続することによる高調波低減効果の
他、下記のような利点がある。

【００４８】まず第１に、列車全体の変圧器数およびコ
ンバータ数を低減したため、容量が同じであれば、コン
バータの重量，容積，コストが低減できる。従って編成
全体の重量低減，コスト低減の他、電力変換器の容積が
小さくなった分、接客設備など、営業用車両として必要
な部分にスペースを割くことができる。

【００４９】特に、コンバータは全体の大きさが変わら
なくとも、できるだけじゃまにならない形に設計するこ
とが比較的自由にできるのに対し、変圧器は鉄心と巻線
で構成されるため、あまり形を変えることができず、車
両に搭載する際の障害となっていた。例えば、動力分散
型列車で２階建て車両の場合、変圧器や電力変換器は車
端部の床上に設置するが、コンバータやインバータは中
央の乗客用通路の両側に配置するようにすることが可能
であるのに対し、変圧器はそのようなことができず、通
路を端に寄せる必要があり、単に場所をとるだけでな
く、旅客車として不便な構成を余儀なくされていた。本
図のような構成にすることにより、変圧器形状の設計自
由度は変えられないものの、全体の大きさ，占有床面積
を低減できる。

【００５０】第２に、コンバータ数は集約して低減して
も、インバータの数および配置はこれと無関係に自由に
設定でき、全車をインバータを搭載するいわゆる電動車
にできるので、編成全体の粘着性を向上できる。図３で
は、車両３０１にはインバータが搭載されていないが、
重量，スペースが許せば搭載することはいっこうに差し
支えず、列車の粘着性をより向上できる。

【００５１】第３に、電動車の構成は架線電圧が直流で
あるいわゆる直流電車とほぼ同じであるので、設計を共
通化することにより、コスト，保守性を低減できる。

【００５２】本図では、コンバータは車両３０１のみに
搭載としたが、場合によっては、少数の複数の車両に分
散しても、上記利点が変わらないことは自明である。さ
らにこの場合、重量，容積およびコストの低減効果は若
干弱まるが、重量の大きい変圧器を分散できるので、列
車の最大軸重を低減可能である。

【００５３】図５に、本発明の別の実施例を示す。図４
との相違は、コンバータを搭載する車両３０１が編成の
端、図では右端にあること、車両３０１にインバータ８
３とこれに接続されるフィルタコンデンサ７５，電動機
９５，９６が搭載されていること、および電動の車両３
１から３ｎのうちの一部、図では車両３１に直流区間用
の集電器４１，スイッチ１５１，フィルタリアクトル１
５２が搭載されていることである。

【００５４】本実施例においては、図４の実施例と同様
の利点の他、下記のような利点がある。

【００５５】第１に、コンバータおよび変圧器を編成端
の車両３０１に搭載するため、これらを車両３０１の車
端に設置し、乗客用の通路は設けないようにすると、特
に変圧器を旅客用設備など、他の車載設備に邪魔になら
ずに設置することが可能である。乗務員用通路が必要な
場合もあるが、乗客用通路より狭く、端に寄っていて、
かつ曲がりくねっていても旅客サービスの低減にはなら
ないので、車端にこれをおくことで車両設計上の自由度
が増す。

【００５６】第２に、本発明を交直両用車両に適用する
場合、変圧器，コンバータなどの交流機器を端部の車両
３０１に集約し、交流区間から直流区間に入る際には、
この車両を切り放すことで、直流区間で不要な機器を搭
載して走行する必要がなくなり、動力費の削減が可能で
ある。また、切り放した車両３０１は、反対に直流区間
から交流区間に走行する列車に連結すればよく、運用の
仕方にもよるが、特に走行区間のうち交流区間の長さが
短い場合、鉄道会社が保有する交流機器搭載車数を低減
できるので、車両購入の際の初期コストの低減も可能で
ある。これは、一般に交流機器の方が電圧が高く、よっ
て価格が高いことに起因する。

【００５７】また、上記交流機器を搭載した車両３０１
を切り放す場合、インバータ８３を用いることにより、
入れ換え用機関車などは不要となる。また、インバータ
８３を入れ換え用にのみ用いるのであれば、容量は小さ
くて済むので、車両３０１の重量，コスト増加は最低限
で済む。もちろん、編成全体の動軸数を増やし、粘着性
を向上するには、車両３０１にも他車と同じ大容量のイ
ンバータを搭載してもよい。

【００５８】なお、直流区間を走行する際は、車両３１
の集電器４１，スイッチ１５１，フィルタリアクトル１
５２を介し、各車に直流電圧を供給する。

【００５９】

【発明の効果】列車全体に直流ブスを設置することによ
り、各インバータの出力が等しくなくても、各コンバー
タの出力は等しく設定でき、相差運転による高調波低減
が可能となる。

【００６０】さらに、コンバータとインバータの数およ
び配置をそれぞれ独立に設定できるので、電力変換器の
小形軽量化と、動軸数増加による粘着性向上を同時に実
現可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す構成図である。

【図２】図１の実施例におけるコンバータの構成を詳細
に示した図である。

【図３】本発明の直流ブスによる直流ステージの接続を
示した図である。

【図４】本発明の別の実施例を示す図である。

【図５】本発明の別の実施例を示す図である。

【符号の説明】

１…交流電源、２…架線、３…列車、３１〜３４，３
ｎ，３０１…車両、４，４１，４２，４ｎ…集電器、
５，５１，５２,５ｎ…変圧器、６１〜６４,６１１〜６
２２，６１ｎ〜６２ｎ…コンバータ、７１〜７５，７１
１〜７４４，７１ｎ〜７４ｎ…フィルタコンデンサ、８
１〜８４，８１１〜８２１，８１ｎ〜８２ｎ，８３…イ
ンバータ、９１１〜９４２，９１ｎ〜９４ｎ…交流電動
機、１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ…直流ブス、１１
ａ，１１ｂ，１１ｃ…スイッチ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者三宅亙茨城県ひたちなか市市毛1070番地株式会社日立製作所水戸工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電源に接続された変圧器と、交流を直流に
変換する第１の電力変換器と、少なくともフィルタコン
デンサで構成される直流ステージ回路と、直流を交流に
変換する第２の電力変換器とのうち、少なくともいずれ
かを搭載する車両が、複数連結してなる鉄道車両用電力
変換装置において、各車の直流ステージを互いに接続する直流ブスを設けた
ことを特徴とする鉄道車両用電力変換装置。
【請求項２】請求項１において、複数ある第１の電力変
換器の出力を互いに等しくする手段を設けたことを特徴
とする電力変換装置。
【請求項３】請求項２において、複数ある第１の電力変
換器のキャリア位相を均等に設定する手段を設けたこと
を特徴とする電力変換装置。
【請求項４】請求項１から３のいずれかにおいて、各車
の直流ステージを互いに接続する前記直流ブスは、各車
の直流ステージの正電位点と負電位点をそれぞれ互いに
接続することを特徴とする鉄道車両用電力変換装置。
【請求項５】請求項４において、上記第１および第２の
電力変換器は多レベル電力変換器であることを特徴とす
る鉄道車両用電力変換装置。
【請求項６】請求項１から３のいずれかにおいて、上記
第１および第２の電力変換器は多レベル電力変換器であ
り、各車の直流ステージを互いに接続する前記直流ブス
は、各車の直流ステージの正電位点，負電位点、および
各直流ステージに１つあるいは複数存在する中間電位点
をそれぞれ互いに接続することを特徴とする鉄道車両用
電力変換装置。
【請求項７】請求項１から６のいずれかにおいて、上記
第１の電力変換器を搭載した車両の数が、第２の電力変
換器を搭載した車両の数よりも少ないことを特徴とする
鉄道車両用電力変換装置。
【請求項８】請求項７において、上記第１の電力変換器
を搭載した車両の数は、上記第２の電力変換器を搭載し
た数より少ないことを特徴とする鉄道車両用電力変換装
置。
【請求項９】請求項８において、上記第１の電力変換器
を搭載した車両は、列車編成の片端あるいは両端に連結
されることを特徴とする鉄道車両用電力変換装置。
【請求項１０】請求項７から９のいずれかにおいて、直
流区間走行中は、上記第１の電力変換器を介さず直流ス
テージに直流電圧を供給する手段を有し、かつ上記第１
の電力変換器を搭載した車両を切り放す手段を有するこ
とを特徴とする鉄道車両用電力変換装置。