WO2011068044A1 - 変圧装置 - Google Patents

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WO2011068044A1
WO2011068044A1 PCT/JP2010/070702 JP2010070702W WO2011068044A1 WO 2011068044 A1 WO2011068044 A1 WO 2011068044A1 JP 2010070702 W JP2010070702 W JP 2010070702W WO 2011068044 A1 WO2011068044 A1 WO 2011068044A1
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WO
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voltage
terminal
transformer
secondary winding
winding
Prior art date
Application number
PCT/JP2010/070702
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English (en)
French (fr)
Inventor
敏広 野田
克己 児仁井
Original Assignee
三菱電機株式会社
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Filing date
Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F29/00—Variable transformers or inductances not covered by group H01F21/00
    • H01F29/02—Variable transformers or inductances not covered by group H01F21/00 with tappings on coil or winding; with provision for rearrangement or interconnection of windings
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L9/00—Electric propulsion with power supply external to the vehicle
    • B60L9/16—Electric propulsion with power supply external to the vehicle using ac induction motors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2200/00—Type of vehicles
    • B60L2200/26—Rail vehicles

Definitions

  • the present invention relates to a transformer, and more particularly, to a transformer that converts a plurality of types of AC voltages into desired voltages.
  • Patent Document 1 discloses a configuration for suppressing an oscillating voltage generated by a surge voltage in a tap changer that switches a turns ratio in a transformer.
  • Patent Document 1 When a transformer provided with a plurality of terminals (such as taps) in the middle of one low-voltage side winding as disclosed in Patent Document 1 is mounted on a railway vehicle that travels in a plurality of sections with different AC voltages In this case, it is necessary to select a terminal from which the voltage is extracted in accordance with the voltage supplied to the vehicle. However, an induced voltage is also generated at the open end, that is, the unused terminal of the secondary winding. When this induced voltage increases, it is necessary to increase the insulation dimension such as the distance between the winding and the iron core. This makes it difficult to reduce the size and weight of the transformer. Patent Document 1 does not disclose a configuration for solving such a problem.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a transformer that can convert a plurality of types of AC voltages and can be reduced in size and weight. It is.
  • a transformer device is a transformer device to be mounted on a vehicle, the primary winding receiving an AC voltage, a plurality of secondary windings having different numbers of turns, and the plurality of secondary windings.
  • a voltage conversion circuit for converting an alternating voltage induced in the winding.
  • Each of the plurality of secondary windings has a first terminal and a second terminal whose potential is not fixed. The first terminal and the second terminal are provided separately for each secondary winding.
  • the transformer device includes a switching circuit for selectively connecting the first terminal and the second terminal of each of the plurality of secondary windings to the voltage conversion circuit.
  • the present invention it is possible to provide a transformer that can convert a plurality of types of AC voltages and can be reduced in size and weight.
  • FIG. 2 is a perspective view of an iron core, a primary winding, and a secondary winding shown in FIG. 1.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line VV in FIG. 4.
  • FIG. 7 is a circuit diagram of the converter shown in FIG. 6.
  • FIG. 8 is a waveform diagram for explaining the operation of the converter shown in FIG. 7.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a voltage generated in the low-voltage side winding (secondary winding) and a current generated in the converter at the timing TA illustrated in FIG. 9.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a voltage generated in the low-voltage side winding (secondary winding) and a current generated in the converter at the timing TB illustrated in FIG. 9.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a voltage generated in the low-voltage side winding (secondary winding) and a current generated in the converter at each timing TC illustrated in FIG. 9.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a voltage generated in the low-voltage side winding (secondary winding) and a current generated in the converter at each timing TC illustrated in FIG. 9.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a voltage generated in the low-voltage side winding (secondary winding) and a current generated in the converter at each timing TD illustrated in FIG. 9.
  • 3 is a schematic cross-sectional view of an iron core, a primary winding, and a secondary winding of a transformer 50.
  • FIG. It is a figure which shows the structure of the rail vehicle which concerns on the 1st Embodiment of this invention. It is a figure which shows the voltage between terminals of a secondary winding for every kind of primary voltage. It is a figure for demonstrating the insulation distance between an iron core and a secondary winding in the case of the transformer 51 which concerns on the 1st Embodiment of this invention.
  • FIG. 27 is a diagram illustrating a voltage generated in the low-voltage side winding and a current generated in the converter at the timing TA illustrated in FIG. 26. It is a figure which shows the voltage which generate
  • FIG. 27 is a diagram illustrating a voltage generated in the low-voltage side winding and a current generated in the converter at the timing TC illustrated in FIG. 26.
  • FIG. 27 is a diagram illustrating a voltage generated in the low-voltage side winding and a current generated in the converter at the timing TD illustrated in FIG. 26.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of the configuration of the transformer according to the first embodiment of the present invention.
  • the transformer according to the first embodiment is mounted on a railway vehicle.
  • a transformer 51 includes a primary winding (high voltage side coil) 3, secondary windings (low voltage side coils) 4 a and 4 b, a terminal 9, an iron core 10, and a tank 21. Prepare.
  • the primary winding 3 and the secondary windings 4a and 4b are wound around the iron core 10.
  • the tank 21 accommodates the primary winding 3, the secondary windings 4 a and 4 b and the iron core 10.
  • the inside of the tank 21 is filled with insulating oil (not shown).
  • Each of the secondary windings 4 a and 4 b has a terminal 9.
  • the transformer 51 further includes an electric blower 22, a cooler 23, and a conservator 24.
  • the electric blower 22 sends wind to the cooler 23 in order to cool the insulating oil in the transformer 51 (tank 21).
  • the cooler 23 cools the insulating oil in the transformer 51 (tank 21).
  • the electric blower 22 can be omitted from the configuration shown in FIG.
  • the conservator 24 expands or contracts due to a change in the volume of the insulating oil.
  • the insulating oil is heated by the heat generated by the primary winding and the secondary winding, the volume of the insulating oil increases. In this case, the conservator 24 is expanded.
  • the temperature of insulating oil falls, the volume of insulating oil becomes small. In this case, the conservator 24 contracts.
  • FIG. 2 and FIG. 3 are diagrams schematically showing the arrangement of the transformer shown in FIG. 1 on a railway vehicle.
  • FIG. 2 is a perspective view of the transformer from above the railway vehicle.
  • FIG. 3 is a diagram showing the transformer as viewed from the side of the railway vehicle. 2 and 3 representatively show the tank 21, the iron core 10, and the windings (the primary winding 3 and the secondary windings 4a and 4b) among the components shown in FIG. .
  • railway vehicle 200 has a vehicle body 211 and a transformer 51.
  • the transformer 51 is installed under the floor 212 of the vehicle body 211.
  • FIG. 4 is a perspective view of the iron core, primary winding, and secondary winding shown in FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line VV in FIG. 4 and 5,
  • iron core 10 includes a main leg portion 10a and side leg portions 10b and 10c.
  • the side legs 10b and 10c are connected to the main leg 10a.
  • a window portion W1 is formed in the iron core 10 by the main leg portion 10a and the side leg portion 10b.
  • a window portion W2 is formed in the iron core 10 by the main leg portion 10a and the side leg portion 10c.
  • the primary winding 3 and the secondary windings 4a and 4b are wound around the main leg portion 10a and passed through the window portions W1 and W2.
  • the Z direction indicates the winding axis direction of the primary winding 3 and the secondary windings 4a and 4b.
  • a secondary winding 4 a is disposed above the primary winding 3, and a secondary winding 4 b is disposed below the primary winding 3.
  • Each of primary winding 3 and secondary windings 4a and 4b includes a flat coil 4c formed of, for example, a coil conductor wound in the same plane (the coil conductor is formed of aluminum, for example).
  • FIG. 5 shows a cross section of the iron core 10 in a direction parallel to the winding axis direction of the primary winding 3 and the secondary windings 4a and 4b and perpendicular to the direction passing through the window portions W1 and W2.
  • the iron core 10 surrounds the primary winding 3 and the secondary windings 4a and 4b. That is, the transformer according to this embodiment is a so-called outer iron type transformer.
  • the tank can be formed to fit the shape of the iron core and winding by adopting the outer iron type transformer as the transformer for railway vehicles. Thereby, the volume of a tank can be made small. By reducing the volume of the tank, it is possible to promote downsizing of the transformer. Further, since the volume of the tank can be reduced, the amount of insulating oil in the tank can be reduced. Thereby, weight reduction of a transformer can be promoted.
  • the direction (Z direction) of the winding axis of the flat coil 4c is the height direction of the vehicle.
  • Each of the secondary windings 4a and 4b has two terminals.
  • the secondary winding 4a has terminals 9c and 9d
  • the secondary winding 4b has terminals 9a and 9b.
  • Terminals 9a to 9d correspond to the terminal 9 shown in FIG.
  • the terminals 9a to 9d are provided outside the iron core 10.
  • the transformer can be miniaturized. This point will be described based on a comparison between the transformer device according to the first embodiment and a comparative example thereof.
  • FIG. 6 is a circuit diagram showing a configuration of a railway vehicle equipped with a transformer according to a comparative example of the first embodiment of the present invention.
  • railway vehicle 200 is an AC train that travels in a plurality of sections with different AC voltages.
  • the railway vehicle 200 includes the pantograph 2, the transformer device 100, and the motor 7.
  • Transformer 100 includes a transformer 50, a converter 5, an inverter 6, and a switching circuit 8.
  • the transformer 50 includes a primary winding 3, secondary windings 4 a and 4 b, and an iron core 10.
  • the pantograph 2 is connected to the overhead line 1.
  • Primary winding 3 has a first terminal connected to pantograph 2 and a second terminal provided on the opposite side of the first terminal and connected to a ground node to which a ground voltage is supplied. .
  • the secondary winding 4a is magnetically coupled to the primary winding 3, and is provided with a terminal 9a provided on one end side of the secondary winding 4a and a terminal provided on the other end side of the secondary winding 4a. 9b.
  • the secondary winding 4b is magnetically coupled to the primary winding 3, and includes a terminal 9b provided on one end side of the secondary winding 4b and a terminal 9c on the other end side of the secondary winding 4b. Have. That is, the terminal 9b is shared by the secondary windings 4a and 4b.
  • the secondary windings 4a and 4b have different numbers of turns.
  • the switching circuit 8 selectively connects the secondary windings 4a and 4b to the converter 5. That is, the switching circuit 8 connects the terminals 9a and 9b of the secondary winding 4a to the first input terminal and the second input terminal of the converter 5, respectively, or connects the terminals 9b and 9c of the secondary winding 4b to the converter. 5 is switched between connection to the first input terminal and the second input terminal.
  • the single-phase AC voltage supplied from the overhead wire 1 is supplied to the primary winding 3 via the pantograph 2.
  • An AC voltage is induced in the secondary windings 4a and 4b by the AC voltage supplied to the primary winding 3, respectively.
  • the converter 5 converts the AC voltage induced in the secondary winding 4a or the secondary winding 4b connected to the converter 5 by the switching circuit 8 into a DC voltage.
  • the inverter 6 converts the DC voltage received from the converter 5 into a three-phase AC voltage and outputs it to the motor 7.
  • Motor 7 is driven by a three-phase AC voltage received from inverter 6.
  • FIG. 7 is a circuit diagram of the converter shown in FIG. FIG. 7 representatively shows a state where the terminals 9 a and 9 b of the secondary winding 4 a are connected to the converter 5.
  • converter 5 includes a rectifier circuit 11, switch elements SW1 to SW4, diodes D1 to D4, and a capacitor C.
  • Switch elements SW1 to SW4 are connected between the ground node and switching circuit 8.
  • the first and second terminals of each of secondary windings 4a and 4b are connected to a ground node via switching circuit 8 and switching elements SW1 to SW4.
  • each of the switch elements SW1 to SW4 is a semiconductor switch element such as a thyristor or IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).
  • Switch element SW1 has one end connected to the first end of capacitor C, the other end connected to node N1, and a gate.
  • Switch element SW2 has one end connected to node N1, the other end connected to the second end of capacitor C, and a gate.
  • Switch element SW3 has one end connected to the first end of capacitor C, the other end connected to node N2, and a gate.
  • Switch element SW4 has one end connected to node N2, the other end connected to the second end of capacitor C, and a gate.
  • the diode D1 has a cathode connected to one end of the switch element SW1 and an anode connected to the other end (node N1) of the switch element SW1.
  • Diode D2 has a cathode connected to one end (node N1) of switch element SW2 and an anode connected to the other end of switch element SW2.
  • Diode D3 has a cathode connected to one end of switch element SW3 and an anode connected to the other end (node N2) of switch element SW3.
  • Diode D4 has a cathode connected to one end (node N2) of switch element SW4 and an anode connected to the other end of switch element SW4.
  • Converter 5 is a one-end grounded converter in which one end of capacitor C, for example, the second end is connected to the ground node.
  • the rectifier circuit 11 is connected to the nodes N1 and N2.
  • the rectifier circuit 11 rectifies the AC voltage induced in the secondary winding 4a or the secondary winding 4b.
  • the switch elements SW1 to SW4 convert the voltage rectified by the rectifier circuit 11 into a DC voltage by turning on / off based on a control signal received at each gate.
  • the capacitor C smoothes the DC voltage converted by the switch elements SW1 to SW4.
  • the operation of the transformer 100 will be described.
  • description will be made assuming that the number of turns of the primary winding 3 is 1000T, the number of turns of the secondary winding 4a is 100T, and the number of turns of the secondary winding 4b is 60T.
  • FIG. 8 is a diagram showing the voltage between the terminals of the secondary winding for each type of primary voltage. Referring to FIGS. 6 and 8, when the primary voltage, that is, the effective value of the AC voltage received by primary winding 3 is 25000 V, in transformer 100, secondary winding 4 b is converted to converter 5 by switching circuit 8. Connected to.
  • the voltage (zero peak value) at the terminals 9b and 9c is 2121V (FIG. 8A).
  • a voltage corresponding to the turn ratio between the primary winding 3 and the secondary winding 4a is also generated in the secondary winding 4a that is not used.
  • the voltage (zero peak value) at the terminals 9a and 9c is 5657V (FIG. 8B).
  • the secondary winding 4 a is connected to the converter 5 by the switching circuit 8 in the transformer 100.
  • a voltage of 15000V / 1000T ⁇ 100T 1500V is generated in the secondary winding 4a. That is, an AC voltage having an effective value of 1500 V is induced between the terminals 9a and 9b.
  • the voltage (zero peak value) at the terminals 9a and 9b is 2121V (FIG. 8C).
  • a voltage corresponding to the turn ratio between the primary winding 3 and the secondary winding 4b is also generated in the secondary winding 4b that is not used.
  • the voltage (zero peak value) at the terminals 9a and 9c is 3394V (FIG. 8D).
  • FIG. 9 is a waveform diagram for explaining the operation of the converter shown in FIG. 10 to 13 are diagrams showing a voltage generated in the low-voltage side winding (secondary winding) and a current generated in the converter at each timing shown in FIG. 10 to 13 also show voltages and currents generated in a transformer 51 described later.
  • FIG. 9 shows a voltage pulse waveform obtained by switching (ON / OFF) of the switch elements SW1 to SW4.
  • Converter 5 has a first input terminal and a second input terminal connected to first terminal and second terminal of secondary windings 4a and 4b through switching circuit 8, respectively.
  • the input terminal operates so as to be alternately connected to the fixed potential node via the switch elements SW1 to SW4.
  • switch element SW1 is turned off, switch element SW2 is turned on, switch element SW3 is turned off, and switch element SW4 is turned off.
  • current flows through converter 5 as indicated by the arrow in FIG. 10 and the voltages at terminals 9a and 9b are both 0V.
  • the voltage at the terminal 9c is also 0V.
  • switch element SW1 is turned off
  • switch element SW2 is turned off
  • switch element SW3 is turned off
  • switch element SW4 is turned off.
  • a current flows through the converter 5 as indicated by an arrow in FIG. 11, the voltage at the terminal 9a is 0V, and the voltage at the terminal 9b is 2121V.
  • switch element SW1 is turned off
  • switch element SW2 is turned off
  • switch element SW3 is turned on
  • switch element SW4 is turned off. Then, a current flows through the converter 5 as indicated by an arrow in FIG. 12, the voltage at the terminal 9a becomes 2121V, and the voltage at the terminal 9b becomes 2121V. At this time, the voltage at the terminal 9c is also 2121V.
  • switch element SW1 is turned off, switch element SW2 is turned on, switch element SW3 is turned on, and switch element SW4 is turned off. Then, as indicated by the arrow in FIG. 13, a current flows through converter 5, the voltage at terminal 9a is 2121V, and the voltage at terminal 9b is 0V. At this time, the voltage at the terminal 9c is ⁇ 3536V.
  • FIG. 14 is a schematic cross-sectional view of the iron core, primary winding, and secondary winding of the transformer 50.
  • FIG. 14 is a diagram contrasted with FIG. Referring to FIG. 14, the potential of iron core 10 is 0 (V).
  • a secondary winding 4 a is arranged above the primary winding 3, and a secondary winding 4 b is arranged above the primary winding 3.
  • the voltage applied to the primary winding 3 is higher than the voltage induced in the secondary windings 4a and 4b.
  • the distance between the primary winding 3 and the iron core 10 is larger than the distance between the secondary windings (4a, 4b) and the iron core 10. Thereby, the insulation distance between the primary winding 3 and the iron core 10 is ensured.
  • the distance between the end of the secondary winding 4b connected to the terminal 9c and the iron core 10 must be increased.
  • the above-described problem is solved by the structure of the secondary winding.
  • the same or corresponding parts of the transformer device 100 are denoted by the same reference numerals as those of the transformer device 100, and the description thereof will not be repeated.
  • FIG. 15 is a diagram showing a configuration of the railway vehicle according to the first embodiment of the present invention.
  • railway vehicle 200 is an AC train that travels in a plurality of sections with different AC voltages.
  • the railway vehicle 200 includes the pantograph 2, the transformer device 101, and the motor 7.
  • Transformer 101 includes a transformer 51, a converter 5, an inverter 6, and a switching circuit 8.
  • the transformer 51 includes a primary winding 3, secondary windings 4 a and 4 b, and an iron core 10.
  • Each of the secondary windings 4a and 4b has a separate first terminal and second terminal whose potential is not fixed. More specifically, the secondary winding 4a is magnetically coupled to the primary winding 3, and includes a terminal 9a provided on one end side of the secondary winding 4a and the other end side of the secondary winding 4a. And a terminal 9b. The secondary winding 4b is magnetically coupled to the primary winding 3, and a terminal 9c provided on one end side of the secondary winding 4b and a terminal provided on the other end side of the secondary winding 4b. 9d. The number of turns of the secondary windings 4a and 4b is different from each other.
  • the switching circuit 8 selectively connects the secondary windings 4a and 4b to the converter 5. That is, the switching circuit 8 selectively connects the first terminal and the second terminal of each of the secondary windings 4a and 4b to the converter 5. More specifically, the switching circuit 8 connects the terminal 9a and the terminal 9b of the secondary winding 4a to the first input terminal and the second input terminal of the converter 5, respectively, or the terminal 9c and the terminal of the secondary winding 4b. Whether 9d is connected to the first input terminal and the second input terminal of the converter 5 is switched.
  • the operation of the transformer 101 will be described.
  • description will be made assuming that the number of turns of the primary winding 3 is 1000T, the number of turns of the secondary winding 4a is 100T, and the number of turns of the secondary winding 4b is 60T. Note that these numbers of turns do not limit the present invention.
  • FIG. 16 is a diagram showing the voltage between the terminals of the secondary winding for each type of primary voltage. Referring to FIGS. 15 and 16, when the effective value of the primary voltage, that is, the AC voltage received by primary winding 3 is 25000 V, in transformer device 101, secondary winding 4 b is converted to converter 5 by switching circuit 8. Connected.
  • the voltage (zero peak value) at the terminals 9c and 9d is 2121V (FIG. 16 (a)).
  • a voltage corresponding to the turn ratio between the primary winding 3 and the secondary winding 4a is also generated in the secondary winding 4a that is not used.
  • the secondary winding 4 a is connected to the converter 5 by the switching circuit 8 in the transformer 100.
  • a voltage of 15000V / 1000T ⁇ 100T 1500V is generated in the secondary winding 4a. That is, an AC voltage having an effective value of 1500 V is induced between the terminals 9a and 9b.
  • the voltage (zero peak value) at the terminals 9a and 9b is 2121V (FIG. 16C).
  • a voltage corresponding to the turn ratio between the primary winding 3 and the secondary winding 4b is also generated in the secondary winding 4b that is not used.
  • the operation waveform of converter 5 is the same as the operation waveform shown in FIG. 9, and the operation of switch elements SW1 to SW4 constituting converter 5 is the same as the operation described in FIGS.
  • the operation of the transformer 51 in a state where the terminals 9a and 9b of the secondary winding 4a are connected to the converter 5 will be representatively described.
  • switch element SW1 is turned off, switch element SW2 is turned on, switch element SW3 is turned off, and switch element SW4 is turned off.
  • current flows through converter 5 as indicated by the arrow in FIG. 10 and the voltages at terminals 9a and 9b are both 0V.
  • the voltage at the terminal 9c is also 0V.
  • switch element SW1 is turned off
  • switch element SW2 is turned off
  • switch element SW3 is turned off
  • switch element SW4 is turned off.
  • a current flows through the converter 5 as indicated by an arrow in FIG. 11, the voltage at the terminal 9a is 0V, and the voltage at the terminal 9b is 2121V.
  • the voltage at the terminal 9c is 0V
  • a voltage of 5657V is generated at the unused terminal 9c.
  • the voltage generated at the unused terminal 9d is 3536V.
  • switch element SW1 is turned off
  • switch element SW2 is turned off
  • switch element SW3 is turned on
  • switch element SW4 is turned off.
  • a current flows as shown by an arrow in FIG. 12
  • the voltage at the terminal 9a becomes 2121V
  • the voltage at the terminal 9b becomes 2121V
  • the voltage at the terminal 9c is 3536V
  • the voltage at the terminal 9d is 3536V.
  • switch element SW1 is turned off, switch element SW2 is turned on, switch element SW3 is turned on, and switch element SW4 is turned off. Then, as indicated by the arrow in FIG. 13, a current flows through converter 5, the voltage at terminal 9a is 2121V, and the voltage at terminal 9b is 0V. At this time, the voltage at the terminal 9c is 3536V, and the voltage at the terminal 9d is 0V.
  • FIG. 17 is a diagram for explaining the insulation distance between the iron core and the secondary winding in the case of the transformer 51 according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a diagram for explaining the insulation distance between the tank and the secondary winding in the case of the transformer 51 according to the first embodiment of the present invention.
  • the maximum voltage generated at terminal 9d is 3536V at the unused terminal 9d.
  • the insulation distance between the secondary winding and the iron core 10 can be made shorter than the insulation distance in the case of the transformer 50. That is, the lengths L1 and L2 can be shortened compared to the transformer 50. Therefore, since the space (window part W1, W2) inside the iron core 10 can be made small, the iron core 10 can also be reduced in size.
  • the potential of the tank 21 is 0 V, similar to the potential of the iron core.
  • the size of the tank 21 depends on the insulation distance between the secondary windings 4 a and 4 b and the tank 21. As described above, in the first embodiment of the present invention, the voltage generated at the unused terminal 9d can be reduced. Therefore, the insulation distance between the tank 21 and the secondary winding can also be shortened. This makes it possible to reduce the size of the tank, so that the transformer can be reduced in size and weight.
  • the potentials of the secondary windings 4a and 4b are not fixed. This is a configuration specific to a transformer mounted on an AC train. Generally, one terminal of the secondary winding is connected to the ground potential.
  • FIG. 19 is a circuit diagram showing a configuration of a general AC power supply.
  • the terminal 9a and the terminal 9b of the secondary winding 4a are typically shown.
  • the transformer included in AC power supply 61 employs a one-end grounding method. That is, when AC power supply 61 includes transformer 50, for example, terminal 9b is connected to the ground potential.
  • AC power supply 61 includes transformer 51, for example, terminal 9b of secondary winding 4a and terminal 9d of secondary winding 4b are connected to the ground potential.
  • the operation of the AC power supply 61 will be described.
  • the number of turns of primary winding 3 is 1000T
  • the number of turns of secondary winding 4a is 100T
  • the number of turns of secondary winding 4b is 60T. explain.
  • FIG. 20 is a waveform diagram showing the operation of the AC power source shown in FIG. 21 to 24 are diagrams showing voltages generated in the secondary winding at each timing shown in FIG.
  • voltage Vc indicates a voltage between terminal 9a and terminal 9b.
  • the voltages at terminals 9 a, 9 b, and 9 c are all 0V.
  • the voltages of the terminals 9a, 9b, 9c, and 9d are all 0V.
  • the voltages at terminals 9a, 9b, and 9c are ⁇ 2121V, 0V, and 3536V, respectively.
  • the voltages at the terminals 9a, 9b, 9c, and 9d are ⁇ 2121V, 0V, 3536V, and 0V, respectively.
  • the voltages at the terminals 9a, 9b, and 9c are all 0V.
  • the voltages of the terminals 9a, 9b, 9c, and 9d are all 0V.
  • the voltages at terminals 9a, 9b, and 9c are 2121V, 0V, and ⁇ 3536V, respectively.
  • the voltages at the terminals 9a, 9b, 9c and 9d are 2121V, 0V, ⁇ 3536V and 0V, respectively.
  • the transformer 101 only a maximum voltage of 3536V is generated at the terminal of the unused secondary winding as in the general AC power supply 61 having one terminal grounded. This eliminates the need to increase the insulation dimension such as the distance between the winding and the iron core, or the distance between the winding and the tank, so that the transformer can be reduced in size and weight. Furthermore, since the voltage generated at the terminal of the unused secondary winding is reduced, the terminal of the secondary winding can be reduced in size and weight.
  • the terminal provided in one secondary winding is independent (electrically insulated) from the terminal provided in another secondary winding, so that the vehicle travels in a different voltage section.
  • the secondary winding can always ensure the inductance value (L value), capacitance value (C value), and resistance value (R value) necessary for the transformer. Can be optimized.
  • the L value, C value, and R value required as a transformer By securing the L value, C value, and R value required as a transformer, it is possible to stabilize the control of the railway vehicle.
  • railcars use signals in various frequency bands, so it is necessary to consider not causing inductive interference in various signals due to harmonic noise generated from the control equipment installed in the vehicle. There is.
  • the inductive failure described above may be caused by a return current flowing from the ground line through the transformer.
  • the L value is particularly important among the L, C, and R values.
  • There are a plurality of parameters for determining the L value such as not only the number of turns but also the arrangement of secondary windings (for example, the distance between the primary winding and the secondary winding).
  • the transformer 50 if the number of turns of the secondary windings 4a and 4b is 40T and 60T, respectively, and the potential of the terminal 9c is fixed, the induced voltage generated in the unused terminal 9a can be reduced when the terminal 9b is used. Is possible. However, in such a configuration, the optimum L value is not always obtained even when the AC voltage input to the primary winding changes.
  • a plurality of terminals respectively provided on a plurality of secondary windings are made independent of each other. As a result, in the transformer device mounted on the vehicle traveling in the different voltage section, each secondary winding is secured so that the optimum L value is ensured even when the voltage applied to the primary winding changes. Can be optimized.
  • the transformer 51 may include three or more secondary windings.
  • the transformer device 101 is not limited to the one including the converter 5 and the inverter 6, and may include a voltage conversion circuit that converts the AC voltage induced in the secondary winding into a desired voltage. Further, the converter 5 may be connected not only to the ground node but also to a node to which a fixed voltage is supplied.
  • the secondary winding connected to the converter 5 is switched by the switching circuit 8.
  • a desired voltage can be taken out by one converter provided in common to a plurality of secondary windings. Therefore, the number of converters can be reduced compared to a configuration in which a plurality of converters corresponding to a plurality of secondary windings are provided.
  • the present embodiment relates to a transformer device in which the configuration of the converter is changed as compared with the transformer device according to the first embodiment.
  • the transformer device according to the second embodiment is mounted on an AC train that travels in a plurality of sections with different AC voltages.
  • the configuration of the transformer device according to the second embodiment is the same as that shown in FIG. 1 and FIG. Therefore, in the following, differences between the second embodiment and the first embodiment will be mainly described, and details common to the second embodiment and the first embodiment will be described later. The explanation is not repeated.
  • FIG. 25 is a circuit diagram showing a configuration of a converter according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 25 representatively shows a state in which terminals 9a and 9b of secondary winding 4a are connected to converter 5.
  • this converter 5 is an intermediate ground type converter in which the first end and the second end of capacitor C are connected to the ground potential.
  • the converter according to the second embodiment is different from the converter according to the first embodiment.
  • secondary winding 4 b is connected to converter 5 by switching circuit 8 in transformer 100.
  • a voltage corresponding to the turn ratio between the primary winding 3 and the secondary winding 4a is also generated in the secondary winding 4a that is not used.
  • the voltage (zero peak value) of the terminals 9a and 9c is 4596V.
  • the secondary winding 4 a is connected to the converter 5 by the switching circuit 8 in the transformer 100.
  • a voltage corresponding to the turn ratio between the primary winding 3 and the secondary winding 4b is also generated in the secondary winding 4b that is not used.
  • the voltage (zero peak value) at the terminals 9a and 9c is 2333V.
  • FIG. 26 is a waveform diagram showing the operation of the converter according to the second embodiment of the present invention.
  • 27 to 30 are diagrams showing the voltage generated in the secondary winding and the current generated in the converter at each timing shown in FIG. 27 to 30 also show the voltage and current generated in the transformer 51.
  • voltage Vc indicates the voltage between terminal 9a and terminal 9b.
  • FIG. 26 shows a voltage pulse waveform obtained by switching (ON / OFF) of the switch elements SW1 to SW4.
  • switch element SW1 is turned off, switch element SW2 is turned on, switch element SW3 is turned off, and switch element SW4 is turned off. Then, a current flows through converter 5 as indicated by an arrow in FIG. 27, and the voltages at terminals 9a and 9b are both ⁇ 1061V. At this time, the voltage at the terminal 9c is also ⁇ 1061V.
  • switch element SW1 is turned off, switch element SW2 is turned off, switch element SW3 is turned off, and switch element SW4 is turned off. Then, current flows through converter 5 as shown by the arrow in FIG. 28, the voltage at terminal 9a becomes ⁇ 1061V, and the voltage at terminal 9b becomes 1061V. At this time, the voltage of the terminal 9c is 4596V.
  • switch element SW1 is turned off, switch element SW2 is turned off, switch element SW3 is turned on, and switch element SW4 is turned off. Then, current flows through converter 5 as shown by the arrow in FIG. 29, the voltage at terminal 9a becomes 1061V, and the voltage at terminal 9b becomes 1061V. At this time, the voltage at the terminal 9c is also 1061V.
  • switch element SW1 is turned off, switch element SW2 is turned on, switch element SW3 is turned on, and switch element SW4 is turned off. Then, current flows through converter 5 as shown by the arrow in FIG. 30, the voltage at terminal 9a becomes 1061V, and the voltage at terminal 9b becomes ⁇ 1061V. At this time, the voltage of the terminal 9c is ⁇ 4596V.
  • a voltage of a maximum of 4596V is generated at the terminal of the unused secondary winding. Therefore, as described in the first embodiment, since it is necessary to increase the insulation dimensions such as the distance between the winding and the iron core in the transformer, it is possible to reduce the size and weight of the transformer. It becomes difficult.
  • a voltage corresponding to the turn ratio between the primary winding 3 and the secondary winding 4a is also generated in the secondary winding 4a that is not used.
  • the secondary winding 4 a is connected to the converter 5 by the switching circuit 8 in the transformer 101.
  • a voltage of 15000V / 1000T ⁇ 100T 1500V is generated in the secondary winding 4a. That is, an AC voltage having an effective value of 1500 V is induced between the terminals 9a and 9b. In the case of FIG. 16C, the voltage (zero peak value) at the terminals 9a and 9b is 1061V.
  • a voltage corresponding to the turn ratio between the primary winding 3 and the secondary winding 4b is also generated in the secondary winding 4b that is not used.
  • the operation waveform of transformer 51 is the same as the operation waveform shown in FIG. 26, and the operation of switch elements SW1 to SW4 constituting converter 5 is the same as the operation described in FIGS.
  • the operation in a state where the terminals 9a and 9b of the secondary winding 4a are connected to the converter 5 will be described as a representative.
  • switch element SW1 is turned off, switch element SW2 is turned on, switch element SW3 is turned off, and switch element SW4 is turned off. Then, a current flows through converter 5 as indicated by an arrow in FIG. 27, and the voltages at terminals 9a and 9b are both ⁇ 1061V. At this time, the voltages at the terminals 9c and 9d are also 0V.
  • switch element SW1 is turned off, switch element SW2 is turned off, switch element SW3 is turned off, and switch element SW4 is turned off. Then, current flows through converter 5 as shown by the arrow in FIG. 28, the voltage at terminal 9a becomes ⁇ 1061V, and the voltage at terminal 9b becomes 1061V. At this time, the voltage at the terminal 9c is 0V, and the voltage at the terminal 9d is 3536V.
  • switch element SW1 is turned off
  • switch element SW2 is turned off
  • switch element SW3 is turned on
  • switch element SW4 is turned off. Then, current flows through converter 5 as shown by the arrow in FIG. 29, the voltage at terminal 9a becomes 1061V, and the voltage at terminal 9b becomes 1061V. At this time, the voltage at the terminal 9c is 3536V, and the voltage at the terminal 9d is 3536V.
  • switch element SW1 is turned off, switch element SW2 is turned on, switch element SW3 is turned on, and switch element SW4 is turned off. Then, current flows through converter 5 as shown by the arrow in FIG. 30, the voltage at terminal 9a becomes 1061V, and the voltage at terminal 9b becomes ⁇ 1061V. At this time, the voltage at the terminal 9c is 3536V, and the voltage at the terminal 9d is 0V.
  • the transformer 101 can be reduced in size and weight. Furthermore, since the voltage generated at the terminal of the unused secondary winding is reduced, the terminal of the secondary winding can be reduced in size and weight.
  • a so-called outer iron type transformer in which a high voltage winding and a low voltage winding are surrounded by an iron core is shown.
  • the present invention is also applicable to a so-called inner iron type transformer in which a high voltage winding and a low voltage winding are arranged around an iron core.
  • Even in the inner iron type transformer in order to reduce the size and weight of the transformer, it is important to make the insulation distance between the winding and the iron core as small as possible. Therefore, by applying the present invention to the inner iron type transformer, the transformer can be reduced in size and weight.

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Abstract

　変圧装置は、交流電圧を受ける１次巻線（３）と、互いに巻数が異なる複数の２次巻線（４ａ，４ｂ）と、複数の２次巻線（４ａ，４ｂ）に誘起された交流電圧を変換するための電圧変換回路（５）とを備える。複数の２次巻線（４ａ，４ｂ）の各々は、電位が固定されていない第１端子および第２端子を有する。第１端子および第２端子は２次巻線（４ａ，４ｂ）ごとに別個に設けられる。変圧装置は、さらに、複数の２次巻線（４ａ，４ｂ）の各々の第１端子および第２端子を選択的に電圧変換回路（５）と接続するための切り替え回路（８）を備える。

Description

変圧装置
　本発明は、変圧装置に関し、特に、複数種類の交流電圧を所望の電圧に変換する変圧装置に関する。
　従来から、新幹線などの鉄道車両では、高速化あるいは大量輸送が要求される。その要求を満たすために、鉄道車両に搭載される付属機器の小型化および軽量化が必要となる。その一方で、高速化あるいは大量輸送の要求を満たすために車載変圧器は大容量化している。
　近年では、バリアフリーの観点から低床化車両の要求が高まっている。このため、車載変圧器のような、車両の床下に搭載される機器に対しては、小型化および軽量化の要求が強い。
　架線等から供給される交流電圧が異なる複数の区間を走行する鉄道車両も存在する。このような車両に搭載される変圧器では、車両に供給される交流電圧が変化しても、変圧器から所望の交流電圧を出力することが要求される。
　ここで、特開昭６３－２０９１１３号公報（特許文献１）には、変圧器における巻数比を切り替えるタップ切換器において、サージ電圧により発生する振動電圧を抑制するための構成が開示されている。
特開昭６３－２０９１１３号公報
　上記特許文献１に開示されたような、１つの低圧側巻線の途中に複数の端子（タップなど）を設けた変圧器を、交流電圧が異なる複数の区間を走行する鉄道車両に搭載した場合には、車両に供給された電圧に応じて、電圧を取り出す端子を選択しなければならない。しかしながら、開放端すなわち２次巻線の未使用の端子においても誘起電圧が発生する。この誘起電圧が大きくなると、巻線および鉄心の間の距離等の絶縁寸法を大きくする必要が生じる。このために変圧器の小型化および軽量化を図ることが困難となる。特許文献１は、このような問題点を解決するための構成を開示していない。
　この発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、その目的は、複数種類の交流電圧の変換が可能であり、小型化および軽量化を図ることが可能な変圧装置を提供することである。
　この発明のある局面に係る変圧装置は、車両に搭載するための変圧装置であって、交流電圧を受ける１次巻線と、互いに巻数が異なる複数の２次巻線と、上記複数の２次巻線に誘起された交流電圧を変換するための電圧変換回路とを備える。上記複数の２次巻線の各々は、電位が固定されていない第１端子および第２端子を有する。上記第１端子および第２端子は上記２次巻線ごとに別個に設けられる。さらに、変圧装置は、上記複数の２次巻線の各々の上記第１端子および第２端子を選択的に上記電圧変換回路と接続するための切り替え回路を備える。
　本発明によれば、複数種類の交流電圧の変換が可能であり、小型化および軽量化を図ることが可能な変圧装置を提供できる。
本発明の第１の実施の形態に係る変圧器の構成の一例を示した図である。 鉄道車両の上方から変圧器を透視した図である。 鉄道車両の側方から見た変圧器を示した図である。 図１に示した鉄心、１次巻線および２次巻線の斜視図である。 図４のＶ－Ｖ線断面図である。 本発明の第１の実施の形態の比較例に係る変圧器を搭載した鉄道車両の構成を示す回路図である。 図６に示したコンバータの回路図である。 ２次巻線の端子間電圧を１次電圧の種類ごとに示す図である。 図７に示したコンバータの動作を説明するための波形図である。 図９に示すタイミングＴＡにおいて低圧側巻線（２次巻線）に発生する電圧およびコンバータに発生する電流を示す図である。 図９に示すタイミングＴＢにおいて低圧側巻線（２次巻線）に発生する電圧およびコンバータに発生する電流を示す図である。 図９に示す各タイミングＴＣにおいて低圧側巻線（２次巻線）に発生する電圧およびコンバータに発生する電流を示す図である。 図９に示す各タイミングＴＤにおいて低圧側巻線（２次巻線）に発生する電圧およびコンバータに発生する電流を示す図である。 変圧器５０の鉄心、１次巻線および２次巻線の模式断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る鉄道車両の構成を示す図である。 ２次巻線の端子間電圧を１次電圧の種類ごとに示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る変圧器５１の場合における、鉄心と２次巻線との間の絶縁距離を説明するための図である。 本発明の第１の実施の形態に係る変圧器５１の場合における、タンクと２次巻線との間の絶縁距離を説明するための図である。 一般的な交流電源の構成を示す回路図である。 図１９に示す交流電源の動作を示す波形図である。 図２０に示すタイミングＴＡにおいて２次巻線に発生する電圧を示す図である。 図２０に示す各タイミングＴＢにおいて２次巻線に発生する電圧を示す図である。 図２０に示す各タイミングＴＣにおいて２次巻線に発生する電圧を示す図である。 図２０に示す各タイミングＴＤにおいて２次巻線に発生する電圧を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係るコンバータの構成を示す回路図である。 本発明の第２の実施の形態に係るコンバータの動作を示す波形図である。 図２６に示すタイミングＴＡにおいて低圧側巻線に発生する電圧およびコンバータに発生する電流を示す図である。 図２６に示すタイミングＴＢにおいて低圧側巻線に発生する電圧およびコンバータに発生する電流を示す図である。 図２６に示すタイミングＴＣにおいて低圧側巻線に発生する電圧およびコンバータに発生する電流を示す図である。 図２６に示すタイミングＴＤにおいて低圧側巻線に発生する電圧およびコンバータに発生する電流を示す図である。
　以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
　＜第１の実施の形態＞
　図１は、本発明の第１の実施の形態に係る変圧器の構成の一例を示した図である。第１の実施の形態に係る変圧器は、鉄道車両に搭載される。
　図１を参照して、変圧器５１は、１次巻線（高圧側コイル）３と、２次巻線（低圧側コイル）４ａ，４ｂと、端子９と、鉄心１０と、タンク２１とを備える。
　１次巻線３および２次巻線４ａ，４ｂは、鉄心１０に巻回される。タンク２１は、１次巻線３、２次巻線４ａ，４ｂおよび鉄心１０を収容する。タンク２１の内部は絶縁油（図示せず）で満たされている。２次巻線４ａ，４ｂの各々は、端子９を有する。
　変圧器５１は、さらに、電動送風機２２と、冷却器２３と、コンサベータ２４とを備える。電動送風機２２は、変圧器５１（タンク２１）内の絶縁油を冷却するために冷却器２３に風を送る。冷却器２３は、変圧器５１（タンク２１）内の絶縁油を冷却する。なお、鉄道車両の走行時によって生じる風を冷却器２３に導入してもよい。この場合、図１に示した構成から電動送風機２２を省略することができる。
　コンサベータ２４は、絶縁油の容積の変化により膨張あるいは収縮する。１次巻線および２次巻線の発熱によって絶縁油が加熱された場合には、絶縁油の容積が大きくなる。この場合、コンサベータ２４が膨張する。一方、絶縁油の温度が低下した場合、絶縁油の容積が小さくなる。この場合にはコンサベータ２４が収縮する。
　図２および図３は、図１に示した変圧器の鉄道車両への配置を模式的に示した図である。図２は、鉄道車両の上方から変圧器を透視した図である。図３は、鉄道車両の側方から見た変圧器を示した図である。なお、図２および図３では、図１に示した構成要素のうち、タンク２１、鉄心１０、および巻線（１次巻線３および２次巻線４ａ，４ｂ）を代表的に示している。図２および図３を参照して、鉄道車両２００は、車体２１１および変圧器５１を有する。変圧器５１は、車体２１１の床２１２の下に設置される。
　車体２１１の床下には変圧器だけでなく、様々な機器が設置される。一方、それらの機器を設置するための艤装スペースは、車体の長さおよび幅、ならびに車両の床の高さによって制限される。近年では、車両の低床化の要求に対応するために、変圧器の艤装スペースはより一層制限される。したがって、変圧器の小型化が強く要求される。
　図４は、図１に示した鉄心、１次巻線および２次巻線の斜視図である。図５は、図４のＶ－Ｖ線断面図である。図４および図５を参照して、鉄心１０は、主脚部１０ａと、側脚部１０ｂ，１０ｃとを備える。側脚部１０ｂ，１０ｃは、主脚部１０ａに接続される。主脚部１０ａおよび側脚部１０ｂによって鉄心１０に窓部Ｗ１が形成される。同じく主脚部１０ａおよび側脚部１０ｃによって鉄心１０に窓部Ｗ２が形成される。
　１次巻線３および２次巻線４ａ，４ｂは、主脚部１０ａに共通に巻回され、窓部Ｗ１，Ｗ２に通される。図５においてＺ方向は、１次巻線３および２次巻線４ａ，４ｂの巻軸方向を示す。１次巻線３の上側に２次巻線４ａが配置され、１次巻線３の下側に２次巻線４ｂが配置される。１次巻線３および２次巻線４ａ，４ｂの各々は、たとえば、同一平面内で巻かれたコイル導体（コイル導体はたとえばアルミニウムで形成される）により構成される平板コイル４ｃを含む。
　図５は、１次巻線３および２次巻線４ａ，４ｂの巻軸方向に平行であり、かつ、窓部Ｗ１，Ｗ２を貫く方向に垂直な方向での鉄心１０の断面を示す。図５に示されるように、鉄心１０は、１次巻線３および２次巻線４ａ，４ｂを取り囲む。すなわち、この実施の形態に係る変圧器は、いわゆる外鉄型変圧器である。
　鉄道車両用の変圧器として外鉄型変圧器を採用することによって、鉄心および巻線の形状にフィットするように、タンクを形成できる。これにより、タンクの容積を小さくすることができる。タンクの容積を小さくすることで、変圧器の小型化を促進することができる。また、タンクの容積を小さくすることができるので、タンク内の絶縁油の量を少なくすることができる。これにより変圧器の軽量化を促進できる。
　さらに、平板コイル４ｃの巻軸の方向（Ｚ方向）は車両の高さ方向である。複数の平板コイル４ｃを主脚部１０ａに積み重ねることによって、車両の高さ方向の巻線の長さを大幅に増やすことなく１次巻線３あるいは２次巻線４ａ，４ｂの巻数を増やすことができる。
　２次巻線４ａ，４ｂの各々は２つの端子を有する。２次巻線４ａは端子９ｃ，９ｄを有し、２次巻線４ｂは端子９ａ，９ｂを有する。端子９ａ～９ｄは、図１で示した端子９に対応する。端子９ａ～９ｄは、鉄心１０の外側に設けられる。
　第１の実施の形態では、２次巻線ごとに、２つの端子が設けられる。また、複数の２次巻線の間では、２つの端子が、電気的に絶縁される。すなわち、本発明の実施の形態では、複数の２次巻線に共通して接続される端子は採用されない。したがって、本発明の実施の形態によれば、変圧器の小型化を図ることができる。この点について、第１の実施の形態に係る変圧装置と、その比較例との対比により説明する。
　（第１の実施の形態の比較例）
　図６は、本発明の第１の実施の形態の比較例に係る変圧器を搭載した鉄道車両の構成を示す回路図である。
　図６を参照して、鉄道車両２００は、交流電圧が異なる複数の区間を走行する交流電車である。鉄道車両２００は、パンタグラフ２と、変圧装置１００と、モータ７とを備える。変圧装置１００は、変圧器５０と、コンバータ５と、インバータ６と、切り替え回路８とを含む。変圧器５０は、１次巻線３と、２次巻線４ａ，４ｂと、鉄心１０とを含む。
　パンタグラフ２は、架線１に接続されている。１次巻線３は、パンタグラフ２に接続された第１の端子と、この第１の端子の反対側に設けられ、接地電圧が供給される接地ノードに接続された第２の端子とを有する。
　２次巻線４ａは、１次巻線３と磁気結合されており、２次巻線４ａの一方端側に設けられた端子９ａと、２次巻線４ａの他方端側に設けられた端子９ｂとを有する。２次巻線４ｂは、１次巻線３と磁気結合されており、２次巻線４ｂの一方端側に設けられた端子９ｂと、２次巻線４ｂの他方端側の端子９ｃとを有する。すなわち、端子９ｂが２次巻線４ａ，４ｂで共有される。なお、２次巻線４ａおよび４ｂの巻数は互いに異なる。
　切り替え回路８は、２次巻線４ａ，４ｂを選択的にコンバータ５と接続する。すなわち、切り替え回路８は、２次巻線４ａの端子９ａおよび端子９ｂをコンバータ５の第１入力端子および第２入力端子にそれぞれ接続するか、２次巻線４ｂの端子９ｂおよび端子９ｃをコンバータ５の第１入力端子および第２入力端子にそれぞれ接続するかを切り替える。
　架線１から供給される単相交流電圧は、パンタグラフ２を介して１次巻線３に供給される。１次巻線３に供給される交流電圧により、２次巻線４ａおよび４ｂにそれぞれ交流電圧が誘起される。
　コンバータ５は、切り替え回路８によってコンバータ５と接続された２次巻線４ａまたは２次巻線４ｂに誘起された交流電圧を直流電圧に変換する。
　インバータ６は、コンバータ５から受けた直流電圧を三相交流電圧に変換し、モータ７へ出力する。モータ７は、インバータ６から受けた三相交流電圧によって駆動される。
　図７は、図６に示したコンバータの回路図である。図７では、２次巻線４ａの端子９ａおよび端子９ｂがコンバータ５に接続された状態を代表的に示す。
　図７を参照して、コンバータ５は、整流回路１１と、スイッチ素子ＳＷ１～ＳＷ４と、ダイオードＤ１～Ｄ４と、キャパシタＣとを含む。スイッチ素子ＳＷ１～ＳＷ４は、接地ノードと切り替え回路８との間に接続される。２次巻線４ａ，４ｂの各々の第１および第２の端子は、切り替え回路８およびスイッチ素子ＳＷ１～ＳＷ４を介して接地ノードに接続される。
　より詳細には、スイッチ素子ＳＷ１～ＳＷ４の各々は、たとえばサイリスタ、ＩＧＢＴ（Insulated　Gate　Bipolar　Transistor）等の半導体スイッチ素子である。スイッチ素子ＳＷ１は、キャパシタＣの第１端に接続される一方端と、ノードＮ１に接続される他方端と、ゲートとを有する。スイッチ素子ＳＷ２は、ノードＮ１に接続される一方端と、キャパシタＣの第２端に接続される他方端と、ゲートとを有する。スイッチ素子ＳＷ３は、キャパシタＣの第１端に接続される一方端と、ノードＮ２に接続される他方端と、ゲートとを有する。スイッチ素子ＳＷ４は、ノードＮ２に接続された一方端と、キャパシタＣの第２端に接続された他方端と、ゲートとを有する。
　ダイオードＤ１は、スイッチ素子ＳＷ１の一方端に接続されたカソードと、スイッチ素子ＳＷ１の他方端（ノードＮ１）に接続されたアノードとを有する。ダイオードＤ２は、スイッチ素子ＳＷ２の一方端（ノードＮ１）に接続されたカソードと、スイッチ素子ＳＷ２の他方端に接続されたアノードとを有する。ダイオードＤ３は、スイッチ素子ＳＷ３の一方端に接続されたカソードと、スイッチ素子ＳＷ３の他方端（ノードＮ２）に接続されたアノードとを有する。ダイオードＤ４は、スイッチ素子ＳＷ４の一方端（ノードＮ２）に接続されたカソードと、スイッチ素子ＳＷ４の他方端に接続されたアノードとを有する。
　コンバータ５は、キャパシタＣの片端たとえば第２端が接地ノードに接続された片端接地型のコンバータである。
　整流回路１１は、ノードＮ１，Ｎ２に接続される。整流回路１１は、２次巻線４ａまたは２次巻線４ｂに誘起された交流電圧を整流する。
　スイッチ素子ＳＷ１～ＳＷ４は、各々のゲートに受けた制御信号に基づいてオン・オフすることにより、整流回路１１によって整流された電圧を直流電圧に変換する。キャパシタＣは、スイッチ素子ＳＷ１～ＳＷ４によって変換された直流電圧を平滑化する。
　次に、変圧装置１００の動作について説明する。ここでは、１次巻線３の巻数は１０００Ｔであり、２次巻線４ａの巻数は１００Ｔであり、２次巻線４ｂの巻数は６０Ｔであると仮定して説明する。
　図８は、２次巻線の端子間電圧を１次電圧の種類ごとに示す図である。図６および図８を参照して、１次電圧、すなわち１次巻線３が受ける交流電圧の実効値が２５０００Ｖの場合、変圧装置１００では、切り替え回路８によって、２次巻線４ｂがコンバータ５に接続される。
　２次巻線４ｂには、２５０００Ｖ／１０００Ｔ×６０Ｔ＝１５００Ｖの電圧が発生する。すなわち、端子９ｂおよび端子９ｃ間に実効値１５００Ｖの交流電圧が誘起される。端子９ｂおよび端子９ｃの電圧（ゼロピーク値）は２１２１Ｖとなる（図８（ａ））。
　また、使用しない２次巻線４ａにも、１次巻線３と２次巻線４ａとの間の巻数比に応じた電圧が発生する。２次巻線４ａには、２５０００Ｖ／１０００Ｔ×（１００Ｔ＋６０Ｔ）＝４０００Ｖの電圧が発生する。すなわち、端子９ａおよび端子９ｃ間に実効値４０００Ｖの交流電圧が誘起される。端子９ａおよび端子９ｃの電圧（ゼロピーク値）は５６５７Ｖとなる（図８（ｂ））。
　一方、１次電圧すなわち１次巻線３が受ける交流電圧の実効値が１５０００Ｖの場合、変圧装置１００では、切り替え回路８によって、２次巻線４ａがコンバータ５に接続される。
　２次巻線４ａには、１５０００Ｖ／１０００Ｔ×１００Ｔ＝１５００Ｖの電圧が発生する。すなわち、端子９ａおよび端子９ｂ間に実効値１５００Ｖの交流電圧が誘起される。端子９ａおよび端子９ｂの電圧（ゼロピーク値）は２１２１Ｖとなる（図８（ｃ））。
　また、使用しない２次巻線４ｂにも、１次巻線３と２次巻線４ｂとの間の巻数比に応じた電圧が発生する。２次巻線４ｂには、１５０００Ｖ／１０００Ｔ×（６０Ｔ＋１００Ｔ）＝２４００Ｖの電圧が発生する。すなわち、端子９ａおよび端子９ｃ間に実効値２４００Ｖの交流電圧が誘起される。端子９ａおよび端子９ｃの電圧（ゼロピーク値）は３３９４Ｖとなる（図８（ｄ））。
　図９は、図７に示したコンバータの動作を説明するための波形図である。図１０～図１３は、図９に示す各タイミングにおいて低圧側巻線（２次巻線）に発生する電圧およびコンバータに発生する電流を示す図である。なお、図１０～図１３では、後述する変圧器５１で発生する電圧および電流も示している。
　図９を参照して、電圧Ｖｃは端子９ａおよび端子９ｂの間の電圧を示している。また、図９では、スイッチ素子ＳＷ１～ＳＷ４のスイッチング（オン・オフ）によって得られる電圧パルス波形が示されている。
　コンバータ５は、切り替え回路８を介して２次巻線４ａ，４ｂの第１端子および第２端子とそれぞれ接続される第１入力端子および第２入力端子を有し、第１入力端子および第２入力端子がスイッチ素子ＳＷ１～ＳＷ４を介して交互に固定電位ノードに接続されるように動作する。
　図９および図１０を参照して、図９に示すタイミングＴＡにおいて、スイッチ素子ＳＷ１がオフし、スイッチ素子ＳＷ２がオンし、スイッチ素子ＳＷ３がオフし、スイッチ素子ＳＷ４がオフする。そうすると、図１０の矢印で示すようにコンバータ５に電流が流れ、端子９ａおよび端子９ｂの電圧はともに０Ｖとなる。このときには、端子９ｃの電圧も０Ｖとなる。
　図９および図１１を参照して、図９に示すタイミングＴＢにおいて、スイッチ素子ＳＷ１がオフし、スイッチ素子ＳＷ２がオフし、スイッチ素子ＳＷ３がオフし、スイッチ素子ＳＷ４がオフする。そうすると、図１１の矢印で示すようにコンバータ５に電流が流れ、端子９ａの電圧は０Ｖとなり、端子９ｂの電圧は２１２１Ｖとなる。このとき、端子９ｃの電圧は、２１２１Ｖ×（１００＋６０）Ｔ／６０Ｔ＝５６５７Ｖとなる。
　図９および図１２を参照して、図９に示すタイミングＴＣにおいて、スイッチ素子ＳＷ１がオフし、スイッチ素子ＳＷ２がオフし、スイッチ素子ＳＷ３がオンし、スイッチ素子ＳＷ４がオフする。そうすると、図１２の矢印で示すようにコンバータ５に電流が流れ、端子９ａの電圧は２１２１Ｖとなり、端子９ｂの電圧は２１２１Ｖとなる。このとき、端子９ｃの電圧も２１２１Ｖとなる。
　図９および図１３を参照して、図９に示すタイミングＴＤにおいて、スイッチ素子ＳＷ１がオフし、スイッチ素子ＳＷ２がオンし、スイッチ素子ＳＷ３がオンし、スイッチ素子ＳＷ４がオフする。そうすると、図１３の矢印で示すようにコンバータ５に電流が流れ、端子９ａの電圧は２１２１Ｖとなり、端子９ｂの電圧は０Ｖとなる。このとき、端子９ｃの電圧は－３５３６Ｖとなる。
　以上のように、変圧装置１００では、未使用の２次巻線の端子において最大５６５７Ｖの電圧が発生する（図１１参照）。このために、巻線および鉄心間の距離等の絶縁寸法を大きくする必要が生じる。
　図１４は、変圧器５０の鉄心、１次巻線および２次巻線の模式断面図である。図１４は、図４と対比される図である。図１４を参照して、鉄心１０の電位は０（Ｖ）である。１次巻線３の上側に２次巻線４ａが配置され、１次巻線３の上側に２次巻線４ｂが配置される。１次巻線３に印加される電圧は、２次巻線４ａ，４ｂで誘起される電圧よりも高い。１次巻線３と鉄心１０との間に２次巻線を配置することで、巻軸方向（Ｚ方向）の電圧の変化を緩やかにすることができる。また、鉄心の左右方向では、２次巻線（４ａ，４ｂ）と鉄心１０との間の距離よりも、１次巻線３と鉄心１０との間の距離が大きい。これにより、１次巻線３と鉄心１０との間の絶縁距離が確保される。
　しかしながら、図１１に示されるように、端子９ｃには、最大５６５７Ｖの電圧が発生する。このため、端子９ｃに接続される２次巻線４ｂの端部と鉄心１０との間の距離を大きくしなければならない。図１４に示された構成によれば、側脚部１０ｂの一部である脚部１０ｂ１と２次巻線４ｂとの間の距離（長さＬ１）、あるいは、側脚部１０ｂの一部である脚部１０ｂ２と２次巻線４ｂとの間の距離（長さＬ２）を大きくする必要がある。２次巻線の巻数を低減すると２次巻線が小型化されるので、鉄心１０と２次巻線（４ａ，４ｂ）との間の絶縁距離を大きくすることが可能である。しかし巻数比が変化することで２次巻線から所望の電圧を取り出すことが難しくなる。一方、鉄心１０と２次巻線（４ａ，４ｂ）との間の絶縁距離を大きくするために、鉄心１０を拡大した場合、変圧器が大きくなる。このため、変圧器の小型化および軽量化を図ることが難しくなる。
　そこで、本発明の実施の形態に係る変圧装置１０１では、２次巻線の構造によって上記の問題点を解決する。なお、変圧装置１０１において、変圧装置１００の対応する部分と同一または相当部分には変圧装置１００と同一符号を付してその説明は繰り返さない。
　図１５は、本発明の第１の実施の形態に係る鉄道車両の構成を示す図である。図１５を参照して、鉄道車両２００は、交流電圧が異なる複数の区間を走行する交流電車である。鉄道車両２００は、パンタグラフ２と、変圧装置１０１と、モータ７とを備える。変圧装置１０１は、変圧器５１と、コンバータ５と、インバータ６と、切り替え回路８とを含む。変圧器５１は、１次巻線３と、２次巻線４ａ，４ｂと、鉄心１０とを含む。
　２次巻線４ａ，４ｂの各々は、電位が固定されていない別個の第１端子および第２端子を有する。より詳細には、２次巻線４ａは、１次巻線３と磁気結合されており、２次巻線４ａの一方端側に設けられた端子９ａと、２次巻線４ａの他方端側に設けられた端子９ｂとを有する。２次巻線４ｂは、１次巻線３と磁気結合されており、２次巻線４ｂの一方端側に設けられた端子９ｃと、２次巻線４ｂの他方端側に設けられた端子９ｄとを有する。２次巻線４ａおよび４ｂの巻数は互いに異なる。
　切り替え回路８は、２次巻線４ａ，４ｂを選択的にコンバータ５と接続する。すなわち、切り替え回路８は、２次巻線４ａ，４ｂの各々の第１端子および第２端子を選択的にコンバータ５と接続する。より詳細には、切り替え回路８は、２次巻線４ａの端子９ａおよび端子９ｂをコンバータ５の第１入力端子および第２入力端子にそれぞれ接続するか、２次巻線４ｂの端子９ｃおよび端子９ｄをコンバータ５の第１入力端子および第２入力端子にそれぞれ接続するかを切り替える。
　次に、変圧装置１０１の動作について説明する。ここでは、１次巻線３の巻数は１０００Ｔであり、２次巻線４ａの巻数は１００Ｔであり、２次巻線４ｂの巻数は６０Ｔであると仮定して説明する。なお、これらの巻数は本発明を限定するものではない。
　図１６は、２次巻線の端子間電圧を１次電圧の種類ごとに示す図である。図１５および図１６を参照して、１次電圧すなわち１次巻線３が受ける交流電圧の実効値が２５０００Ｖの場合、変圧装置１０１では、切り替え回路８によって、２次巻線４ｂがコンバータ５に接続される。
　２次巻線４ｂには、２５０００Ｖ／１０００Ｔ×６０Ｔ＝１５００Ｖの電圧が発生する。すなわち、端子９ｃおよび端子９ｄ間に実効値１５００Ｖの交流電圧が誘起される。端子９ｃおよび端子９ｄの電圧（ゼロピーク値）は２１２１Ｖとなる（図１６（ａ））。
　また、使用しない２次巻線４ａにも１次巻線３と２次巻線４ａとの間の巻数比に応じた電圧が発生する。しかしながら、変圧装置１０１では、２次巻線４ａの端子９ｂと２次巻線４ｂの端子９ｃとが別個に設けられていることから、２次巻線４ａには２５０００Ｖ／１０００Ｔ×１００Ｔ＝２５００Ｖの電圧しか発生しない。すなわち、端子９ａおよび端子９ｂ間に実効値２５００Ｖの交流電圧が誘起される。端子９ａおよび端子９ｂの電圧（ゼロピーク値）は３５３６Ｖとなる（図１６（ｂ））。
　一方、１次電圧すなわち１次巻線３が受ける交流電圧の実効値が１５０００Ｖの場合、変圧装置１００では、切り替え回路８によって、２次巻線４ａがコンバータ５に接続される。
　２次巻線４ａには、１５０００Ｖ／１０００Ｔ×１００Ｔ＝１５００Ｖの電圧が発生する。すなわち、端子９ａおよび端子９ｂ間に実効値１５００Ｖの交流電圧が誘起される。端子９ａおよび端子９ｂの電圧（ゼロピーク値）は２１２１Ｖとなる（図１６（ｃ））。
　また、使用しない２次巻線４ｂにも、１次巻線３と２次巻線４ｂとの間の巻数比に応じた電圧が発生する。しかしながら変圧装置１０１では、２次巻線４ａの端子９ｂと２次巻線４ｂの端子９ｃとが別個に設けられていることから、２次巻線４ａには１５０００Ｖ／１０００Ｔ×６０Ｔ＝９００Ｖの電圧しか発生しない。すなわち、端子９ｃおよび端子９ｄ間に実効値９００Ｖの交流電圧が誘起される。端子９ｃおよび端子９ｄの電圧（ゼロピーク値）は１２７３Ｖとなる（図１６（ｄ））。
　次に、変圧器５１で発生する電圧および電流について説明する。なお、コンバータ５の動作波形は図９に示す動作波形と同様であり、コンバータ５を構成するスイッチ素子ＳＷ１～ＳＷ４の動作は、図１０～図１３で説明される動作と同様である。以下では、２次巻線４ａの端子９ａおよび端子９ｂがコンバータ５に接続された状態での変圧器５１の動作を代表的に説明する。
　図９および図１０を参照して、図９に示すタイミングＴＡにおいて、スイッチ素子ＳＷ１がオフし、スイッチ素子ＳＷ２がオンし、スイッチ素子ＳＷ３がオフし、スイッチ素子ＳＷ４がオフする。そうすると、図１０の矢印で示すようにコンバータ５に電流が流れ、端子９ａおよび端子９ｂの電圧はともに０Ｖとなる。このときには、端子９ｃの電圧も０Ｖとなる。
　図９および図１１を参照して、図９に示すタイミングＴＢにおいて、スイッチ素子ＳＷ１がオフし、スイッチ素子ＳＷ２がオフし、スイッチ素子ＳＷ３がオフし、スイッチ素子ＳＷ４がオフする。そうすると、図１１の矢印で示すようにコンバータ５に電流が流れ、端子９ａの電圧は０Ｖとなり、端子９ｂの電圧は２１２１Ｖとなる。このとき、端子９ｃの電圧は０Ｖとなり、端子９ｄの電圧は２１２１Ｖ×１００Ｔ／６０Ｔ＝３５３６Ｖとなる。変圧器５０の場合には、未使用の端子９ｃに５６５７Ｖの大きさの電圧が発生するが、変圧器５１の場合には、未使用の端子９ｄに発生する電圧は３５３６Ｖである。
　図９および図１２を参照して、図９に示すタイミングＴＣにおいて、スイッチ素子ＳＷ１がオフし、スイッチ素子ＳＷ２がオフし、スイッチ素子ＳＷ３がオンし、スイッチ素子ＳＷ４がオフする。そうすると、図１２の矢印で示すように電流が流れ、端子９ａの電圧は２１２１Ｖとなり、端子９ｂの電圧は２１２１Ｖとなる。このとき、端子９ｃの電圧は３５３６Ｖとなり、端子９ｄの電圧は３５３６Ｖとなる。
　図９および図１３を参照して、図９に示すタイミングＴＤにおいて、スイッチ素子ＳＷ１がオフし、スイッチ素子ＳＷ２がオンし、スイッチ素子ＳＷ３がオンし、スイッチ素子ＳＷ４がオフする。そうすると、図１３の矢印で示すようにコンバータ５に電流が流れ、端子９ａの電圧は２１２１Ｖとなり、端子９ｂの電圧は０Ｖとなる。このとき、端子９ｃの電圧は３５３６Ｖとなり、端子９ｄの電圧は０Ｖとなる。
　図１７は、本発明の第１の実施の形態に係る変圧器５１の場合における、鉄心と２次巻線との間の絶縁距離を説明するための図である。図１８は、本発明の第１の実施の形態に係る変圧器５１の場合における、タンクと２次巻線との間の絶縁距離を説明するための図である。
　図１７および図１８を参照して、第１の実施の形態によれば、端子９ｄに発生する電圧は、未使用の端子９ｄに発生する電圧は最大で３５３６Ｖである。このため、２次巻線と鉄心１０との間の絶縁距離を、変圧器５０の場合の絶縁距離よりも短くすることができる。すなわち、変圧器５０に比べて長さＬ１，Ｌ２を短くすることができる。したがって鉄心１０の内部の空間（窓部Ｗ１，Ｗ２）を小さくすることができるので、鉄心１０も小型化できる。
　また、タンク２１の電位も鉄心の電位と同様に０Ｖである。タンク２１のサイズは、２次巻線４ａ，４ｂとタンク２１との間の絶縁距離に依存する。上記のように、本発明の第１の実施の形態では、未使用の端子９ｄに発生する電圧を低下させることができる。したがって、タンク２１と２次巻線との間の絶縁距離も短くすることができる。これによりタンクを小型化することが可能になるので、変圧器の小型化および軽量化を実現できる。
　なお、上記のように、変圧装置１００および変圧装置１０１では、２次巻線４ａ，４ｂの電位は固定されていない。これは、交流電車に搭載される変圧器に特有の構成である。一般的には、２次巻線の一方端子は接地電位に接続される。
　図１９は、一般的な交流電源の構成を示す回路図である。図１９では、２次巻線４ａの端子９ａおよび端子９ｂが代表的に示される。図１９を参照して、交流電源６１に含まれる変圧器では片端接地方式が採用される。すなわち、交流電源６１が変圧器５０を含む場合、たとえば端子９ｂが接地電位に接続される。また、交流電源６１が変圧器５１を含む場合、たとえば２次巻線４ａの端子９ｂおよび２次巻線４ｂの端子９ｄが接地電位に接続される。
　次に、交流電源６１の動作について説明する。ここでは、交流電源６１の変圧器において、１次巻線３の巻数は１０００Ｔであり、２次巻線４ａの巻数は１００Ｔであり、２次巻線４ｂの巻数は６０Ｔであると仮定して説明する。
　図２０は、図１９に示す交流電源の動作を示す波形図である。図２１～図２４は、図２０に示す各タイミングにおいて２次巻線に発生する電圧を示す図である。
　図２０を参照して、電圧Ｖｃは端子９ａおよび端子９ｂの間の電圧を示している。図２０および図２１を参照して、図２０に示すタイミングＴＡにおいて、変圧器５０では、端子９ａ，９ｂ，９ｃの電圧がいずれも０Ｖとなる。同じく変圧器５１では、端子９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄの電圧がいずれも０Ｖとなる。
　図２０および図２２を参照して、図２０に示すタイミングＴＢにおいて、変圧器５０では、端子９ａ，９ｂ，９ｃの電圧は、それぞれ－２１２１Ｖ，０Ｖ，３５３６Ｖとなる。変圧器５１では、端子９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄの電圧は、それぞれ－２１２１Ｖ，０Ｖ，３５３６Ｖ，０Ｖとなる。
　図２０および図２３を参照して、図２０に示すタイミングＴＣにおいて、変圧器５０では、端子９ａ，９ｂ，９ｃの電圧はいずれも０Ｖとなる。同じく変圧器５１では、端子９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄの電圧はいずれも０Ｖとなる。
　図２０および図２４を参照して、図２０に示すタイミングＴＤにおいて、変圧器５０では、端子９ａ，９ｂ，９ｃの電圧はそれぞれ２１２１Ｖ，０Ｖ，－３５３６Ｖとなる。また、変圧器５１では、端子９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄの電圧はそれぞれ２１２１Ｖ，０Ｖ，－３５３６Ｖ，０Ｖとなる。
　以上のように、変圧装置１０１では、一方の端子が接地された一般的な交流電源６１と同様に、未使用の２次巻線の端子において最大３５３６Ｖの電圧しか発生しない。これにより、巻線および鉄心間の距離あるいは巻線およびタンク間の距離等の絶縁寸法を大きくする必要がなくなるので、変圧器の小型化および軽量化を図ることができる。さらに、未使用の２次巻線の端子に発生する電圧が低下することで、２次巻線の端子の小型化および軽量化を図ることができる。
　また、ある２次巻線に設けられた端子が、他の２次巻線に設けられた端子と独立している（電気的に絶縁されている）ことによって、異電圧区間を車両が走行することにより１次側電圧が変化した場合においても、変圧装置として必要なインダクタンス値（Ｌ値）、容量値（Ｃ値）、および抵抗値（Ｒ値）を常に確保できるように、２次巻線側の最適設計を図ることができる。
　変圧装置として必要なＬ値、Ｃ値およびＲ値を確保することによって、鉄道車両の制御の安定化を図ることができる。一般に、鉄道車両には様々な周波数帯の信号が使用されているため、車両に搭載されている制御機器から発生する高調波のノイズにより、各種の信号に誘導障害を引き起こさないように考慮する必要がある。変圧器のＬ成分が最適化されていない場合、変圧器を介して接地線から流出する帰線電流によって、上記の誘導障害が生じる可能性がある。誘導障害が発生した場合、たとえば車両（電車）の異常が生じたと誤って検知されるとともに、車両を停止させるための制御が実行されるなどといった問題が発生する。
　このため車両に搭載される変圧器においては、上記Ｌ、Ｃ、Ｒ値の中でも、Ｌ値が特に重要となる。Ｌ値を決定するためのパラメータは、単に巻数だけではなく、２次巻線の配置（たとえば１次巻線と２次巻線との距離）など複数存在する。
　変圧器５０において、２次巻線４ａ，４ｂの巻数をそれぞれ４０Ｔ，６０Ｔとし端子９ｃの電位を固定すれば、端子９ｂの使用時に、未使用の端子９ａに発生する誘起電圧を低下させることが可能である。しかし、このような構成においては、１次巻線に入力される交流電圧が変化した場合にも最適なＬ値が得られるとは限らない。一方、図５に示されるように、本発明の第１の実施の形態では、複数の２次巻線にそれぞれ設けられた複数の端子を互いに独立させる。これにより、異電圧区間を走行する車両に搭載された変圧装置において、１次巻線に印加される電圧が変化した場合にも、最適なＬ値が確保されるように、各２次巻線を最適化することが可能になる。
　なお、変圧器５１は、２次巻線を３つ以上含んでいてもよい。また、変圧装置１０１は、コンバータ５およびインバータ６を含むものと限定されず、２次巻線に誘起された交流電圧を所望の電圧に変換する電圧変換回路を含んでいればよい。また、接地ノードに限らず、固定電圧が供給されるノードにコンバータ５が接続される構成であってもよい。
　また、第１の実施の形態によれば、切り替え回路８によって、コンバータ５に接続される２次巻線が切換えられる。これにより、複数の２次巻線に共通に設けられた１つのコンバータによって所望の電圧を取り出すことができる。したがって、複数の２次巻線にそれぞれ対応する複数のコンバータを設ける構成に比べてコンバータの数を削減することができる。
　＜第２の実施の形態＞
　本実施の形態は、第１の実施の形態に係る変圧装置と比べてコンバータの構成を変更した変圧装置に関する。なお、実施の形態２に係る変圧装置は、交流電圧が異なる複数の区間を走行する交流電車に搭載される。また、実施の形態２に係る変圧装置の構成は図１におよび図４に示された構成と同様である。したがって、以下では、主として第２の実施の形態と第１の実施の形態との相違点を説明し、第２の実施の形態と第１の実施の形態とで共通する内容については以後の詳細な説明を繰返さない。
　図２５は、本発明の第２の実施の形態に係るコンバータの構成を示す回路図である。図２５では、２次巻線４ａの端子９ａおよび端子９ｂがコンバータ５に接続された状態を代表的に示す。
　図２５を参照して、このコンバータ５は、キャパシタＣの第１端および第２端が接地電位に接続された中間接地型のコンバータである。この点において、第２の実施の形態に係るコンバータは、第１の実施の形態に係るコンバータと異なる。
　上記の変圧装置１００および変圧装置１０１が図２５に示すコンバータを備える場合についてそれぞれ説明する。
　［変圧装置１００］
　まず、変圧装置１００の動作について説明する。ここでは、１次巻線３の巻数は１０００Ｔであり、２次巻線４ａの巻数は１００Ｔであり、２次巻線４ｂの巻数は６０Ｔであると仮定して説明する。また、変圧装置１００および変圧装置１０１における２次巻線の端子間電圧は本発明の第１の実施の形態の場合における端子間電圧と同様である。このため、以下では、図８および図１６を用いて変圧装置１００，１０１の動作をそれぞれ説明する。
　図８を参照して、１次電圧、すなわち１次巻線３が受ける交流電圧の実効値が２５０００Ｖの場合、変圧装置１００では、切り替え回路８によって、２次巻線４ｂがコンバータ５と接続される。
　２次巻線４ｂには、２５０００Ｖ／１０００Ｔ×６０Ｔ＝１５００Ｖの電圧が発生する。すなわち、端子９ｂおよび端子９ｃ間に実効値１５００Ｖの交流電圧が誘起される。図８（ａ）のケースでは、端子９ｂおよび端子９ｃの電圧（ゼロピーク値）は１０６１Ｖとなる。
　また、使用しない２次巻線４ａにも、１次巻線３と２次巻線４ａとの間の巻数比に応じた電圧が発生する。２次巻線４ａには、２５０００Ｖ／１０００Ｔ×（１００Ｔ＋６０Ｔ）＝４０００Ｖの電圧が発生する。すなわち、端子９ａおよび端子９ｃ間に実効値４０００Ｖの交流電圧が誘起される。図８（ｂ）のケースでは、端子９ａおよび端子９ｃの電圧（ゼロピーク値）は４５９６Ｖとなる。
　一方、１次電圧すなわち１次巻線３が受ける交流電圧の実効値が１５０００Ｖの場合、変圧装置１００では、切り替え回路８によって、２次巻線４ａがコンバータ５に接続される。
　２次巻線４ａには、１５０００Ｖ／１０００Ｔ×１００Ｔ＝１５００Ｖの電圧が発生する。すなわち、端子９ａおよび端子９ｂ間に実効値１５００Ｖの交流電圧が誘起される。図８（ｃ）のケースでは、端子９ａおよび端子９ｂの電圧（ゼロピーク値）は１０６１Ｖとなる。
　また、使用しない２次巻線４ｂにも１次巻線３と２次巻線４ｂとの間の巻数比に応じた電圧が発生する。２次巻線４ａには、１５０００Ｖ／１０００Ｔ×（６０Ｔ＋１００Ｔ）＝２４００Ｖの電圧が発生する。すなわち、図８（ｄ）のケースでは、端子９ａおよび端子９ｃ間に実効値２４００Ｖの交流電圧が誘起される。端子９ａおよび端子９ｃの電圧（ゼロピーク値）は２３３３Ｖとなる。
　図２６は、本発明の第２の実施の形態に係るコンバータの動作を示す波形図である。図２７～図３０は、図２６に示す各タイミングにおいて２次巻線に発生する電圧およびコンバータに発生する電流を示す図である。なお、図２７～図３０では、変圧器５１で発生する電圧および電流も示している。
　図２６を参照して、電圧Ｖｃは端子９ａおよび端子９ｂ間の電圧を示している。また、図２６では、スイッチ素子ＳＷ１～ＳＷ４のスイッチング（オン・オフ）によって得られる電圧パルス波形が示されている。
　図２６および図２７を参照して、図２６に示すタイミングＴＡにおいて、スイッチ素子ＳＷ１がオフし、スイッチ素子ＳＷ２がオンし、スイッチ素子ＳＷ３がオフし、スイッチ素子ＳＷ４がオフする。そうすると、図２７の矢印で示すようにコンバータ５に電流が流れ、端子９ａおよび端子９ｂの電圧はともに－１０６１Ｖとなる。このときには、端子９ｃの電圧も－１０６１Ｖとなる。
　図２６および図２８を参照して、図２６に示すタイミングＴＢにおいて、スイッチ素子ＳＷ１がオフし、スイッチ素子ＳＷ２がオフし、スイッチ素子ＳＷ３がオフし、スイッチ素子ＳＷ４がオフする。そうすると、図２８の矢印で示すようにコンバータ５に電流が流れ、端子９ａの電圧は－１０６１Ｖとなり、端子９ｂの電圧は１０６１Ｖとなる。このとき、端子９ｃの電圧は４５９６Ｖとなる。
　図２６および図２９を参照して、図２６に示すタイミングＴＣにおいて、スイッチ素子ＳＷ１がオフし、スイッチ素子ＳＷ２がオフし、スイッチ素子ＳＷ３がオンし、スイッチ素子ＳＷ４がオフする。そうすると、図２９の矢印で示すようにコンバータ５に電流が流れ、端子９ａの電圧は１０６１Ｖとなり、端子９ｂの電圧は１０６１Ｖとなる。このとき、端子９ｃの電圧も１０６１Ｖとなる。
　図２６および図３０を参照して、図２６に示すタイミングＴＤにおいて、スイッチ素子ＳＷ１がオフし、スイッチ素子ＳＷ２がオンし、スイッチ素子ＳＷ３がオンし、スイッチ素子ＳＷ４がオフする。そうすると、図３０の矢印で示すようにコンバータ５に電流が流れ、端子９ａの電圧は１０６１Ｖとなり、端子９ｂの電圧は－１０６１Ｖとなる。このとき、端子９ｃの電圧は－４５９６Ｖとなる。
　以上のように、変圧装置１００では、未使用の２次巻線の端子において最大４５９６Ｖの電圧が発生する。したがって、第１の実施の形態１でも説明されるように、変圧器における巻線および鉄心間の距離等の絶縁寸法を大きくする必要が生じるので、変圧器の小型化および軽量化を図ることが困難となる。
　［変圧装置１０１］
　次に、変圧装置１０１の動作について説明する。１次電圧すなわち１次巻線３が受ける交流電圧の実効値が２５０００Ｖの場合、変圧装置１０１では、切り替え回路８によって、２次巻線４ｂがコンバータ５に接続される。
　２次巻線４ｂには、２５０００Ｖ／１０００Ｔ×６０Ｔ＝１５００Ｖの電圧が発生する。すなわち、端子９ｃおよび端子９ｄ間に実効値１５００Ｖの交流電圧が誘起される。図１６（ａ）のケースでは、端子９ｃおよび端子９ｄの電圧（ゼロピーク値）は１０６１Ｖとなる。
　また、使用しない２次巻線４ａにも１次巻線３と２次巻線４ａとの間の巻数比に応じた電圧が発生する。しかしながら、変圧装置１０１では、２次巻線４ａの端子９ｂと２次巻線４ｂの端子９ｃとが別個に設けられていることから、２次巻線４ａには２５０００Ｖ／１０００Ｔ×１００Ｔ＝２５００Ｖの電圧しか発生しない。すなわち、端子９ａおよび端子９ｂ間に実効値２５００Ｖの交流電圧が誘起される。図１６（ｂ）のケースでは、端子９ａおよび端子９ｂの電圧（ゼロピーク値）は３５３６Ｖとなる。
　一方、１次電圧すなわち１次巻線３が受ける交流電圧の実効値が１５０００Ｖの場合、変圧装置１０１では、切り替え回路８によって、２次巻線４ａがコンバータ５に接続される。
　２次巻線４ａには、１５０００Ｖ／１０００Ｔ×１００Ｔ＝１５００Ｖの電圧が発生する。すなわち、端子９ａおよび端子９ｂ間に実効値１５００Ｖの交流電圧が誘起される。図１６（ｃ）のケースでは、端子９ａおよび端子９ｂの電圧（ゼロピーク値）は１０６１Ｖとなる。
　また、使用しない２次巻線４ｂにも１次巻線３と２次巻線４ｂとの間の巻数比に応じた電圧が発生する。しかしながら変圧装置１０１では、２次巻線４ａの端子９ｂと２次巻線４ｂの端子９ｃとが別個に設けられていることから、２次巻線４ａには１５０００Ｖ／１０００Ｔ×６０Ｔ＝９００Ｖの電圧しか発生しない。すなわち、端子９ｃおよび端子９ｄ間に実効値９００Ｖの交流電圧が誘起される。図１０（ｄ）のケースでは、端子９ｃおよび端子９ｄの電圧（ゼロピーク値）は１２７３Ｖとなる。
　次に、変圧器５１で発生する電圧および電流について説明する。変圧器５１の動作波形は、図２６に示す動作波形と同様であり、コンバータ５を構成するスイッチ素子ＳＷ１～ＳＷ４の動作は、図２７～図３０で説明される動作と同様である。以下では、２次巻線４ａの端子９ａおよび端子９ｂがコンバータ５に接続された状態の動作について代表的に説明する。
　図２６および図２７を参照して、図２６に示すタイミングＴＡにおいて、スイッチ素子ＳＷ１がオフし、スイッチ素子ＳＷ２がオンし、スイッチ素子ＳＷ３がオフし、スイッチ素子ＳＷ４がオフする。そうすると、図２７の矢印で示すようにコンバータ５に電流が流れ、端子９ａおよび端子９ｂの電圧はともに－１０６１Ｖとなる。このときには、端子９ｃおよび端子９ｄの電圧も０Ｖとなる。
　図２６および図２８を参照して、図２６に示すタイミングＴＢにおいて、スイッチ素子ＳＷ１がオフし、スイッチ素子ＳＷ２がオフし、スイッチ素子ＳＷ３がオフし、スイッチ素子ＳＷ４がオフする。そうすると、図２８の矢印で示すようにコンバータ５に電流が流れ、端子９ａの電圧は－１０６１Ｖとなり、端子９ｂの電圧は１０６１Ｖとなる。このとき、端子 ９ｃの電圧は０Ｖとなり、端子９ｄの電圧は３５３６Ｖとなる。
　図２６および図２９を参照して、図２６に示すタイミングＴＣにおいて、スイッチ素子ＳＷ１がオフし、スイッチ素子ＳＷ２がオフし、スイッチ素子ＳＷ３がオンし、スイッチ素子ＳＷ４がオフする。そうすると、図２９の矢印で示すようにコンバータ５に電流が流れ、端子９ａの電圧は１０６１Ｖとなり、端子９ｂの電圧は１０６１Ｖとなる。このとき、端子９ｃの電圧は３５３６Ｖとなり、端子９ｄの電圧は３５３６Ｖとなる。
　図２６および図３０を参照して、図２６に示すタイミングＴＤにおいて、スイッチ素子ＳＷ１がオフし、スイッチ素子ＳＷ２がオンし、スイッチ素子ＳＷ３がオンし、スイッチ素子ＳＷ４がオフする。そうすると、図３０の矢印で示すようにコンバータ５に電流が流れ、端子９ａの電圧は１０６１Ｖとなり、端子９ｂの電圧は－１０６１Ｖとなる。このとき、端子９ｃの電圧は３５３６Ｖとなり、端子９ｄの電圧は０Ｖとなる。
　以上のように、変圧装置１０１では、図２５に示す中間接地型のコンバータを備える場合でも、一般的な交流電源６１と同様に、未使用の２次巻線の端子において最大３５３６Ｖの電圧しか発生しない。このため第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様に、変圧器の小型化および軽量化を図ることができる。さらに、未使用の２次巻線の端子に発生する電圧が低下することで、２次巻線の端子の小型化および軽量化を図ることができる。
　なお、上記の各実施の形態では、高圧巻線および低圧巻線が鉄心で囲まれた、いわゆる外鉄型の変圧器が示される。ただし本発明は、鉄心の周囲に高圧巻線および低圧巻線が配置された、いわゆる内鉄型の変圧器にも適用可能である。内鉄型の変圧器においても、変圧器の小型化および軽量化のためには、巻線と鉄心との間の絶縁距離をできるだけ小さくすることが重要となる。したがって、内鉄型の変圧器に本発明を適用することにより、当該変圧器の小型化および軽量化を図ることができる。
　今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
　１　架線、２　パンタグラフ、３　１次巻線（高圧側コイル）、４ａ，４ｂ　２次巻線（低圧側コイル）、４ｃ　平板コイル、５　コンバータ、６　インバータ、７　モータ、８　切り替え回路、９，９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ　端子、１０　鉄心、１０ａ　主脚部、１０ｂ，１０ｃ　側脚部、１０ｂ１，１０ｂ２　脚部、１１　整流回路、２１　タンク、２２　電動送風機、２３　冷却器、２４　コンサベータ、５０，５１　変圧器、６１　交流電源、１００，１０１　変圧装置、２００　鉄道車両、２１１　車体、２１２　床、ＳＷ１～ＳＷ４　スイッチ素子、Ｄ１～Ｄ４　ダイオード、Ｃ　キャパシタ、Ｎ１，Ｎ２　ノード、Ｗ１，Ｗ２　窓部。

Claims (7)

  1. 　車両に搭載するための変圧装置であって、
    　交流電圧を受ける１次巻線（３）と、
    　互いに巻数が異なる複数の２次巻線（４ａ，４ｂ）と、
    　前記複数の２次巻線（４ａ，４ｂ）に誘起された交流電圧を所望の電圧に変換するための電圧変換回路（５）とを備え、
    　前記複数の２次巻線（４ａ，４ｂ）の各々は、電位が固定されていない第１端子および第２端子を有し、前記第１端子および第２端子は前記２次巻線ごとに別個に設けられ、
    　さらに、
    　前記複数の２次巻線（４ａ，４ｂ）の各々の前記第１端子および第２端子を選択的に前記電圧変換回路（５）と接続するための切り替え回路（８）を備える変圧装置。
  2. 　前記車両は、交流電圧が異なる複数の区間を走行する車両であり、
    　前記変圧装置は、鉄心（１０）をさらに備え、
    　前記鉄心（１０）は、
    　前記１次巻線（３）および前記複数の２次巻線（４ａ，４ｂ）が巻回された主脚部（１０ａ）と、
    　前記１次巻線（３）および前記複数の２次巻線（４ａ，４ｂ）を囲むように前記主脚部（１０ａ）に接続された側脚部（１０ｂ，１０ｃ）とを含む、請求の範囲第１項に記載の変圧装置。
  3. 　前記変圧装置は、
    　前記１次巻線（３）および前記複数の２次巻線（４ａ，４ｂ）ならびに前記鉄心（１０）を収納するタンク（２１）をさらに備える、請求の範囲第２項に記載の変圧装置。
  4. 　前記複数の２次巻線（４ａ，４ｂ）は、第１および第２の２次巻線を含み、
    　前記第１および第２の２次巻線は、前記１次巻線（３）を挟むように、前記主脚部（１０ａ）に巻回される、請求の範囲第２項に記載の変圧装置。
  5. 　前記１次巻線（３）および前記複数の２次巻線（４ａ，４ｂ）の各々は、その巻軸に対して垂直な平面上に巻かれた導体である、請求の範囲第４項に記載の変圧装置。
  6. 　前記電圧変換回路（５）は、固定電圧の供給される固定電位ノードと前記切り替え回路（８）との間に接続されたスイッチ素子（ＳＷ１～ＳＷ４）を含み、
    　前記複数の２次巻線（４ａ，４ｂ）の各々の前記第１端子および第２端子は、前記切り替え回路（８）および前記スイッチ素子（ＳＷ１～ＳＷ４）を介して前記固定電位ノードに接続される、請求の範囲第１項に記載の変圧装置。
  7. 　前記電圧変換回路（５）は、前記切り替え回路（８）を介して前記２次巻線の前記第１端子および第２端子とそれぞれ接続される第１入力端子および第２入力端子を有し、前記第１入力端子の電位および前記第２入力端子の電位が交互に前記スイッチ素子（ＳＷ１～ＳＷ４）を介して前記固定電位ノードに接続されるように動作する、請求の範囲第６項に記載の変圧装置。
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