WO2019064647A1 - 鉄道車両用駆動システム - Google Patents

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WO2019064647A1
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power
railway vehicle
drive system
power module
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PCT/JP2018/012237
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Inventor
秋山 悟
正登 安東
真実 国広
石川 勝美
Original Assignee
株式会社日立製作所
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60LPROPULSION 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
    • B60L3/00Electric devices on electrically-propelled vehicles for safety purposes; Monitoring operating variables, e.g. speed, deceleration or energy consumption

Definitions

  • the present invention relates to a railway vehicle drive system, and is suitably applied to, for example, a railway vehicle drive system that travels using a direct current overhead wire.
  • the railway vehicle In the railway vehicle drive system, the railway vehicle is driven by the current from the overhead wire.
  • the high voltage side and the low voltage side are short-circuited in the main circuit of the railway vehicle, or when pulsation of voltage and current occurs due to the railway vehicle traveling, a large current flows from the overhead wire into the railway vehicle
  • the railcar is provided with a filter reactor so as not to affect other railcars.
  • This filter reactor is a main component in a railway vehicle drive system, and its mass also occupies a very large proportion of 1/3 to 1/2 of the whole. Therefore, reducing the size and weight of the filter reactor leads to the size and weight of the entire railway vehicle drive system.
  • the reduction in size and weight of the railway vehicle drive system increases the degree of freedom in the arrangement of the railway vehicle under the floor, making it possible to install equipment for new functions such as storage batteries, for example. As described above, this leads to higher performance of the railway vehicle. For example, when a storage battery is installed, energy saving of the railway vehicle can be achieved.
  • Patent Document 1 discloses a filter reactor and a railway by arranging a circuit in which an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) and a PN diode are connected in parallel between a filter reactor and an overhead wire.
  • An invention is disclosed for reducing the size and weight of a vehicle drive system.
  • Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2 disclose an invention for reducing the size and weight of a filter reactor and a railway vehicle drive system by arranging a breaker between the filter reactor and an overhead wire. .
  • the present invention has been made in consideration of the above points, and it is a drive system for a railway vehicle that can achieve both of setting the inductance value small to miniaturize the filter reactor and suppressing the inflow of a large current. Try to propose.
  • a first breaker and a second breaker for interrupting the power supplied to the railcar, and a current limiter for reducing the current supplied to the railcar
  • a power converter for driving the motor and a filter reactor and a filter capacitor for suppressing voltage pulsation generated when the power converter is operated, and the power is supplied from the DC overhead wire to drive the railway vehicle
  • the current reducer includes a power module including one or more power semiconductors, and a resistive element connected in parallel to the power module.
  • ADVANTAGE OF THE INVENTION in order to miniaturize a filter reactor, it can implement
  • FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a semiconductor current reducer according to a first embodiment. It is a circuit diagram which shows the structure of the semiconductor current regulator by other embodiment. It is a circuit diagram which shows the structure of the semiconductor current regulator by other embodiment. It is a circuit diagram which shows the structure of the semiconductor current regulator by other embodiment. It is a circuit diagram which shows the structure of the semiconductor current regulator by other embodiment. It is a characteristic view which shows the switching operation of the semiconductor current limiter by other embodiment. It is a circuit diagram showing composition of a fault part by another embodiment, and a semiconductor current limiter. It is a circuit diagram which shows the structure of the semiconductor current regulator by other embodiment. It is a characteristic view which shows the switching operation of the semiconductor current limiter by other embodiment.
  • the constituent elements are not necessarily essential unless specifically stated or considered to be obviously essential in principle. Needless to say.
  • the shapes, positional relationships and the like of components etc. when referring to the shapes, positional relationships and the like of components etc., the shapes thereof are substantially the same unless clearly indicated otherwise and when it is considered to be apparently not clear in principle. It is assumed that it includes things that are similar or similar to etc. The same applies to the above numerical values and ranges.
  • reference numeral 1 generally indicates a railway vehicle drive system according to the present embodiment.
  • the railway vehicle drive system 1 is connected to the overhead wire PAN to which a voltage of DC 1500 V is applied, and the disconnection portion 2 electrically disconnecting the railway vehicle drive system 1 from the overhead wire PAN and the earth side; It functions as a low-pass filter by combining the short circuit current: I) with the disconnecting part 3 that cuts off, the current transformer CT that measures the short circuit current, the semiconductor current limiter 4 that reduces the short circuit current, and the filter capacitor FC described later Filter reactor FL, a power unit 5 for converting a DC voltage into an AC voltage, and a power source 6 having main motors MM1 to MM4 for driving a railway vehicle.
  • the disconnecting unit 2 includes a main switch MS that electrically disconnects the power unit 5 from the wire PAN and a grounding switch GS that electrically disconnects the power unit 5 from the ground side.
  • the disconnecting unit 3 opens the circuit of the railway vehicle drive system 1 when charging the filter capacitor FC and the circuit breaker LB1 that opens the circuit when the circuit of the railway vehicle drive system 1 malfunctions.
  • a charge resistor CHRe used when charging the breaker LB2 and the filter capacitor FC is provided.
  • the breaker unit 3 is configured such that the breaker LB1, the breaker LB2 connected in series, and the charging resistor CHRe are connected in parallel.
  • the semiconductor current reducer 4 includes a power module 11 connected in parallel with a current reduction resistance (resistance element) DRe and a current reduction resistance DRe, as shown in FIG.
  • the power module 11 includes IGBT elements (hereinafter referred to as IGBTs) 12 and a diode element 13 connected in parallel so that the directions of the rectification action are opposite to each other.
  • the semiconductor current reducer 4 is disposed closer to the overhead wire PAN than the filter reactor FL, and suppresses the short circuit current flowing to the railway vehicle drive system 1.
  • the current transformer CT is disposed closer to the overhead wire PAN than the semiconductor current reducer 4, detects a short circuit current, and instructs the semiconductor current reducer 4.
  • the power unit 5 includes first to third elements A to C.
  • the elements A to C correspond to the U phase, the V phase, and the W phase of the three-phase alternating current, respectively.
  • the parasitic inductance of the element A is Lup, Lun
  • the parasitic inductance of the element B is Lvp, Lvn
  • the parasitic inductance of the element C is Lwp, Lwn.
  • the inductance of the power unit 5 is Lsp and Lsn.
  • Element component 7 is a SiC-MOSFET 8 which is a MOSFET (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) element made of silicon carbide (SiC) and an SBD (Schottky barrier diode) element made of silicon carbide (SiC). It consists of SiC-SBD9. Also, the element component 7 is packaged in one package.
  • MOSFET metal-oxide-semiconductor field-effect transistor
  • SBD Schottky barrier diode
  • the short circuit current flowing to the railway vehicle drive system 1 before the power module 11 cuts off the current is It becomes. If such a large current flows into the railway vehicle drive system 1, there is a possibility that the operation of the substation on the overhead wire PAN side may become unstable. However, in the conventional configuration, until the power module 11 cuts off the current.
  • the short circuit current flowing in the railway vehicle drive system 1 is expressed by the following equation In order to reduce it, the filter reactor FL has to be increased in size and the inductance value has to be increased to 8 mH or the like.
  • the power module 11 can reduce the current flowing to the railway vehicle drive system 1.
  • the current transformer CT detects a current exceeding 1000 A and instructs the power module 11, the power module 11 cuts off the current in about several tens of microseconds. Therefore, the short circuit current flowing to the railway vehicle drive system 1 before the power module 11 cuts off the current is It becomes.
  • two breakers LB1 and LB2 and a power module 11 capable of high-speed operation can be used to shut off power.
  • the filter reactor FL whose inductance value is 2 mH, which is the same as the conventional one, the short circuit current can be suppressed to 1/7 of the conventional short circuit current.
  • a railway vehicle drive system is realized that can achieve both of setting the inductance value small to miniaturize the filter reactor and suppressing the inflow of a large current. it can.
  • the semiconductor current reducer 4 is disposed closer to the overhead wire PAN than the filter reactor FL, so that the range capable of coping with an accident current due to a ground fault or the like can be expanded. That is, the railway vehicle drive system 1 can cope with an accident current generated on the power source 6 side more than the filter reactor FL, and can realize a highly reliable system.
  • the IGBTs 12 and the diode elements 13 are connected in parallel so that the directions of the rectification action are opposite to each other, the power loss during the regenerative operation of the railway vehicle drive system 1 Therefore, it is possible to realize a system which can operate power efficiently, because the conduction loss by the diode element 13 can be made only.
  • the present invention is applied to a railway vehicle drive system, but the present invention is not limited to this, and a wind power generation system and a solar power generation system are described.
  • the present invention can be widely applied to various other power systems such as U.S. Pat.
  • the power module 11 of the semiconductor current limiter 4 was comprised from two power semiconductors, this invention is not limited to this, The power semiconductor which comprises the power module 11 is One or more may be sufficient.
  • the IGBTs 12 and the diode elements 13 are connected in parallel in the power module 11 of the semiconductor current reducer 4 so that the directions of the rectifying action are opposite to each other.
  • the present invention is not limited to this, and the two IGBTs 12 may be connected in parallel so that the directions of the rectifying action are opposite to each other as in the power module 16 of the semiconductor current reducer 15 shown in FIG.
  • the IGBT 12 as a power semiconductor and the diode element 13 as a power semiconductor are connected in parallel so that the directions of the rectification action in the power module 11 of the semiconductor current limiter 4 are opposite to each other.
  • the present invention is not limited to this, and as in the power module 21 of the semiconductor current limiting device 20 shown in FIG.
  • the MOSFET 8 and the SiC-SBD 9 which is a power semiconductor may be connected.
  • the switching loss of the semiconductor current reducer 20 can be reduced compared to the semiconductor current reducer 4 because the film thickness in the current conduction direction can be reduced and the SiC-MOSFET 8 having a low on voltage is used instead of the bipolar IGBT 12.
  • the size of the cooler can be reduced.
  • the SiC element is heat resistant and can stably conduct current and shut off even at high temperatures, it is possible to miniaturize the chip size where the amount of energy loss generated from the semiconductor element increases and the amount of heat generation increases. is there.
  • the reduction in chip size makes it possible to reduce the cost of the railway vehicle drive system 1.
  • the IGBT 12 and the diode element 13 are connected in parallel in the power module 11 of the semiconductor current reducer 4 so that the directions of the rectifying action are opposite to each other.
  • the present invention is not limited to this, and a power module 11A in which a current reduction resistor DRe1 is connected in parallel and a power module 11B in which a current reduction resistor DRe2 is connected in parallel are connected in series.
  • the emitter terminal of the IGBT 12 of the power module 11A and the collector terminal of the IGBT 12 of the power module 11B are connected, the collector terminal of the IGBT 12 of the power module 11A and the breaker LB1 are connected, and the emitter of the IGBT 12 of the power module 11B
  • the terminal and the filter reactor FL are connected.
  • the sum of the resistance values of the current reduction resistance DRe1 and the current reduction resistance DRe2 is made equal to the resistance value of the current reduction resistance DRe. Further, as shown in FIG. 7, when a short circuit current is generated, the power module 11A and the power module 11B are cut off in the order (1st OFF, 2nd OFF).
  • a graph 25 indicated by an alternate long and short dash line indicates a voltage value V applied between the collector and the emitter of the power module 11 when the power module 11 is shut off.
  • a graph 26 shown by a solid line shows a voltage value V1 applied between the collector and the emitter of the power module 11A when the conductor element portion 11A is shut off
  • a graph 27 shows the power module when the power module 11B is shut off It shows a voltage value V2 applied between the collector and emitter of 11B.
  • a graph 28 shown by a dotted line shows a current value I1 flowing through the current reduction resistance DRe1
  • a graph 29 shows a current value I2 flowing through DRe2.
  • the voltage value V is a value obtained by multiplying the resistance value R of the current reduction resistance DRe by the current value I flowing through DRe.
  • the peak voltage value Vp is applied, and then the short circuit current is The current is reduced by the semiconductor current reducer 4, and the voltage applied to the current reduction resistance DRe is reduced.
  • the power module 11 shuts off the short circuit current (FIG. 7).
  • the voltage values V1 and V2 are provided by providing the power module 11A and the power module 11B and dispersing them as the voltage values V1 and V2 applied between their respective collectors and emitters. Can be reduced compared to the voltage value V.
  • the power module 11A interrupts the short circuit current earlier than the power module 11B. For this reason, the current flowing through the current reducing resistor DRe1 becomes smaller compared to the current reducing resistor DRe, and the peak value of the voltage applied between the collector and the emitter of the power module 11A also becomes smaller. Therefore, the withstand voltage value of the power module 11A can be reduced, and a low loss semiconductor element can be adopted for the power module 11A.
  • the power module 11B cuts off the short circuit current reduced by the power module 11A. For this reason, the current flowing through the current reduction resistor DRe2 becomes smaller compared to the current reduction resistor DRe, and the peak value of the voltage applied between the collector and the emitter of the power module 11B also becomes smaller. Therefore, the withstand voltage value of the power module 11B can be reduced, and a low loss semiconductor element can be adopted for the power module 11B.
  • the voltage applied to the power modules 11A and 11B can be minimized by setting the peak value of the voltage applied between the collectors and the emitters of the power modules 11A and 11B to the same degree.
  • the current can be reduced to a value lower than the rated current of the breaker LB1 as in the above-described embodiment.
  • the size and weight of the cooling device can be further reduced as compared with the above-described embodiment.
  • the size and weight of the vessel 20 can be reduced.
  • breakers LB1 and LB2 were connected in parallel in the breaker part 3
  • the present invention is not limited to this, and as shown in FIG. In the unit 30, the breakers LB1 and LB2 may be connected in series.
  • the current reduction resistance DRe shown in FIG. 8B plays the roles of the current reduction resistance DRe and the charge resistance CHRe in FIG.
  • the power module 11 when charging the filter capacitor FC, the power module 11 is turned off. This allows the filter capacitor FC to be charged via the current reduction resistance DRe.
  • the power module 11 is turned off in the circuit shown in FIG. 8B.
  • the generated short circuit current is diverted to the current reduction resistor DRe, and the short circuit current is reduced.
  • the reduced current short circuit current is interrupted by the breakers LB1 and LB2.
  • the current reduction resistance DRe shown in FIG. 8 (B) can reduce the number of parts by playing the role of the current reduction resistance DRe and the charging resistance CHRe in FIG. 1, and compared with the above-described embodiment.
  • the railway vehicle drive system 1 can be made smaller and lighter.
  • the present invention is not limited to this, as shown in FIG.
  • the RC snubber circuit 32 may be further connected in parallel in the semiconductor current reducer 31.
  • the RC snubber circuit 32 is a protection circuit that absorbs a transient high voltage, and is a circuit in which a snubber resistor Rs and a snubber capacitor Cs are connected in series.
  • the RC snubber circuit 32 can suppress the peak value of the voltage applied between the collector and the emitter of the power module 11 to a low value when a short circuit current occurs.
  • a graph 35 of FIG. 10 shows the transition of the voltage applied between the collector and the emitter of the power module 11 of FIG. 3 with respect to time.
  • the graph 36 shows the transition of the voltage applied between the collector and the emitter of the power module 11 of FIG. 9 with respect to time.
  • ST indicates the start of the head flow.
  • a graph 37 shows a state of transition of the value of the current flowing through the filter reactor FL with time when a ground fault occurs (BE).
  • the current flowing through the filter reactor FL is the same in the case where the circuit of FIG. 3 is used and in the case where the circuit of FIG. 9 is used.
  • the value of the voltage applied between the collector and the emitter of the power module 11 is 2.5 kV as shown in the graph 36 because the RC snubber circuit absorbs the charge. It is suppressed to a degree.
  • the withstand voltage of the semiconductor element used for the power module 11 should just be a value larger than 2.5 kV, such as 3.3 kV, for example.

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Abstract

鉄道車両に供給される電力を遮断する第1の断流器及び第2の断流器と、鉄道車両に供給される電流を減流する減流器と、モータを駆動するための電力変換器と電力変換器を動作する際に発生する電圧の脈動を抑えるフィルタリアクトル及びフィルタコンデンサとを有し、直流架線から電力の供給を受けて鉄道車両を駆動させる鉄道車両用駆動システムにおいて、減流器は、1つ以上のパワー半導体を備えるパワーモジュールと、パワーモジュールに並列に接続された抵抗素子とを備えるようにした。

Description

鉄道車両用駆動システム
 本発明は、鉄道車両用駆動システムに関し、例えば、直流架線を使用して走行する鉄道車両用駆動システムに適用して好適なものである。
 鉄道車両用駆動システムでは架線からの電流によって鉄道車両を駆動する。鉄道車両の主回路において高電圧側と低電圧側とが短絡してしまった場合や鉄道車両が走行することによって電圧及び電流の脈動が発生した場合に架線から大電流がその鉄道車両に流入して、他の鉄道車両に影響を及ぼさないように、鉄道車両にはフィルタリアクトルが設けられている。
 このフィルタリアクトルは、鉄道車両用駆動システムにおいて主要な部品であって、質量も全体の1/3~1/2の程度と非常に大きな割合を占めている。このため、このフィルタリアクトルを小型化及び軽量化することが鉄道車両用駆動システム全体の小型化及び軽量化につながる。
 鉄道車両用駆動システムの小型化及び軽量化によって、鉄道車両の床下における配置の自由度が増え、例えば蓄電池などの新たな機能のための設備を設置することが可能となる。このように鉄道車両の高性能化につながり、例えば蓄電池を設置した場合は、鉄道車両の省エネ化が可能となる。
 このような背景のもと、近年では鉄道車両用駆動システムの小型化及び軽量化のための研究開発が広く行われ、実用化されている。
 この種の鉄道車両用駆動システムとして、例えば特許文献1には、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)及びPNダイオードを並列に接続した回路をフィルタリアクトルと架線との間に配置することでフィルタリアクトル及び鉄道車両用駆動システムを小型化及び軽量化する発明が開示されている。また非特許文献1及び非特許文献2には、断流器をフィルタリアクトルと架線との間に配置することでフィルタリアクトル及び鉄道車両用駆動システムを小型化及び軽量化する発明が開示されている。
特開2016-220358号公報
鉄道車両用小型・軽量システム 日立評論 1991年http://www.hitachihyoron.com/jp/pdf/1991/03/1991_03_03.pdf 車両技術231号、JR西日本321系通勤電車 2006年3月号、pp.18~pp.38
 しかしながら特許文献1、非特許文献1及び非特許文献2などの従来の技術では、大電流の流入を抑えるため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体積や質量が非常に大きく重くなってしまう。このため、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小さく設定すること、及び、大電流の流入を抑えることの両立ができないという課題がある。
 本発明は以上の点を考慮してなされたもので、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小さく設定すること、及び、大電流の流入を抑えることの両立をし得る鉄道車両用駆動システムを提案しようとするものである。
 かかる課題を解決するため本発明においては、鉄道車両に供給される電力を遮断する第1の断流器及び第2の断流器と、鉄道車両に供給される電流を減流する減流器と、モータを駆動するための電力変換器と電力変換器を動作する際に発生する電圧の脈動を抑えるフィルタリアクトル及びフィルタコンデンサとを有し、直流架線から電力の供給を受けて鉄道車両を駆動させる鉄道車両用駆動システムにおいて、減流器は、1つ以上のパワー半導体を備えるパワーモジュールと、パワーモジュールに並列に接続された抵抗素子とを備えるようにした。
 本発明によれば、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小さく設定すること、及び、大電流の流入を抑えることの両立をし得る鉄道車両用駆動システムを実現できる。
本実施の形態による鉄道車両用駆動システムを示す構成図である。 第1の実施の形態による素子構成要素の構成を示す回路図である。 第1の実施の形態による半導体減流器の構成を示す回路図である。 他の実施の形態による半導体減流器の構成を示す回路図である。 他の実施の形態による半導体減流器の構成を示す回路図である。 他の実施の形態による半導体減流器の構成を示す回路図である。 他の実施の形態による半導体減流器のスイッチング動作を示す特性図である。 他の実施の形態による断流部及び半導体減流器の構成を示す回路図である。 他の実施の形態による半導体減流器の構成を示す回路図である。 他の実施の形態による半導体減流器のスイッチング動作を示す特性図である。
 以下図面について、本発明の一実施の形態を詳述する。以下の実施の形態においては、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、以下の実施の形態において、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、以下の実施の形態において、その構成要素(要素ステップ等も含む)は、特に明示した場合及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い。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合及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、上記数値及び範囲についても同様である。
(1)本実施の形態による鉄道車両用駆動システムの構成
 図1において、1は全体として本実施の形態による鉄道車両用駆動システムを示す。この鉄道車両用駆動システム1は、直流1500Vの電圧が印加された架線PANに接続され、架線PAN及びアース側から鉄道車両用駆動システム1を電気的に切り離す切り離し部2と、直流の大電流(短絡電流:I)を遮断する断流部3と、短絡電流を測定するカレントトランスCTと、短絡電流を減流する半導体減流器4と、後述のフィルタコンデンサFCと組み合わせることでローパスフィルタとして機能するフィルタリアクトルFLと、直流電圧を交流電圧に変換するパワーユニット5と、鉄道車両を駆動させる主電動機MM1~MM4を有する動力源6とを備えて構成される。
 切り離し部2は、架線PANからパワーユニット5を電気的に切り離す主スイッチMS及びアース側からパワーユニット5を電気的に切り離す接地スイッチGSを備える。
 断流部3は、鉄道車両用駆動システム1の回路が動作不良となった場合に回路を開放する断流器LB1、フィルタコンデンサFCを充電する際に鉄道車両用駆動システム1の回路を開放する断流器LB2及びフィルタコンデンサFCを充電する際に利用される充電抵抗CHReを備える。この断流部3は、断流器LB1と、直列に接続された断流器LB2及び充電抵抗CHReとが並列に接続される構成とする。
 半導体減流器4は、図3に示すように減流抵抗(抵抗素子)DRe及び減流抵抗DReに並列に接続されたパワーモジュール11を備える。このパワーモジュール11は、互いに整流作用の方向が逆となるように並列に接続されたIGBT素子(以下これをIGBTと呼ぶ)12及びダイオード素子13を備える。また半導体減流器4は、フィルタリアクトルFLよりも架線PAN側に配置され鉄道車両用駆動システム1に流れる短絡電流を抑える。なおカレントトランスCTは、半導体減流器4よりも架線PAN側に配置され、短絡電流を検知し半導体減流器4に指示を行う。
 パワーユニット5は、第1~第3の素子A~Cから構成される。素子A~Cは、それぞれ3相交流のU相、V相及びW相に相当する。また素子Aの寄生インダクタンスはLup,Lunであり、素子Bの寄生インダクタンスはLvp,Lvnであり、素子Cの寄生インダクタンスはLwp,Lwnである。パワーユニット5のインダクタンスはLsp,Lsnとする。 
 素子A~Cは、図2に示す素子構成要素7を2つ備える。素子構成要素7は、炭化ケイ素(SiC)製MOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)素子であるSiC-MOSFET8及び炭化ケイ素(SiC)を材料としたSBD(ショットキーバリアダイオード)素子であるSiC-SBD9から構成される。また、素子構成要素7は1つのパッケージに同梱される。
 次に、フィルタリアクトル端で地絡が発生し、架線PANから地絡箇所に向かって短絡電流が発生した際の鉄道車両用駆動システム1の動作について説明する。
 例えば上記の従来の技術においては、カレントトランスCTが1000Aを超えた電流を検知し、パワーモジュール11に指示を行いパワーモジュール11が電流を遮断するまでは数10ミリ秒程度要する。
 ここで、架線PANの電圧を1500V、フィルタリアクトルFLのインダクタンス値を2mHとすると、パワーモジュール11が電流を遮断するまでに鉄道車両用駆動システム1に流れる短絡電流は、次式
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
となる。このような大電流が鉄道車両用駆動システム1に流れ込むと、架線PAN側にある変電所の動作が不安定になるおそれがあるが、従来の構成では、パワーモジュール11が電流を遮断するまでに鉄道車両用駆動システム1に流れる短絡電流を次式
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
のように減らすにはフィルタリアクトルFLを大型化し、そのインダクタンス値を8mHなどと増やすしか方法がなかった。
 これに対して、大量の電流が流れる場合、本実施の形態における鉄道車両用駆動システム1では、パワーモジュール11によって鉄道車両用駆動システム1に流れる電流を減らすことができる。カレントトランスCTが1000Aを超えた電流を検知し、このパワーモジュール11に指示を行うと、パワーモジュール11は数10マイクロ秒程度で電流を遮断する。このため、パワーモジュール11が電流を遮断するまでに鉄道車両用駆動システム1に流れる短絡電流は次式
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
となる。
(2)本実施の形態の効果
 以上のように本実施の形態の鉄道車両用駆動システム1では、電力を遮断するために2つの断流器LB1,LB2及び高速動作が可能なパワーモジュール11を使用することで、従来と同じインダクタンス値が2mHのフィルタリアクトルFLを使用しても短絡電流を従来の短絡電流の1/7に抑えることができる。
 従って、本鉄道車両用駆動システム1によれば、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小さく設定すること、及び、大電流の流入を抑えることの両立をし得る鉄道車両用駆動システムを実現できる。
 また本鉄道車両用駆動システム1では、半導体減流器4をフィルタリアクトルFLよりも架線PAN側に配置することで、地絡などによる事故電流に対応できる範囲を広げることができる。つまり、本鉄道車両用駆動システム1は、フィルタリアクトルFLよりも動力源6側で発生した事故電流に対応することができ、信頼性の高いシステムを実現できる。
 また本鉄道車両用駆動システム1では、互いに整流作用の方向が逆となるように並列にIGBT12及びダイオード素子13が接続されているため、鉄道車両用駆動システム1の回生動作時において、電力の損失をダイオード素子13による導通損失のみとすることができ、効率的に電力を運用できるシステムを実現できる。
(3)他の実施の形態
 なお上述の実施の形態においては、本発明を鉄道車両用駆動システムに適用する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、風力発電システムや太陽光発電システムなどのこの他種々の電力システムに広く適用することができる。
 また上述の実施の形態においては、半導体減流器4のパワーモジュール11が2つのパワー半導体から構成される場合について述べたが、本発明はこれに限らず、パワーモジュール11を構成するパワー半導体は1つ以上であればよい。
 また上述の実施の形態においては、半導体減流器4のパワーモジュール11において互いに整流作用の方向が逆となるように並列にIGBT12及びダイオード素子13が接続されている場合について述べたが、本発明はこれに限らず、図4に示した半導体減流器15のパワーモジュール16のように互いに整流作用の方向が逆となるように並列に2つのIGBT12を接続するようにしてもよい。
 この場合、図4において下側のIGBT12をオフとすることで鉄道車両用駆動システム1の回生動作時の短絡電流に対応することが可能となる。この短絡電流は減流抵抗DReに転流することで減流される。この結果、鉄道車両用駆動システム1では、回生動作時短絡電流が発生した際においても架線PAN側にある変電所の動作に影響を与えず、安定したシステムを実現できる。
 さらに上述の実施の形態においては、半導体減流器4のパワーモジュール11において互いに整流作用の方向が逆となるように並列にパワー半導体であるIGBT12及びパワー半導体であるダイオード素子13が接続されている場合について述べたが、本発明はこれに限らず、図5に示した半導体減流器20のパワーモジュール21のように互いに整流作用の方向が同じとなるように並列にパワー半導体であるSiC-MOSFET8及びパワー半導体であるSiC-SBD9を接続するようにしてもよい。
 この場合、バイポーラ型のIGBT12ではなく、電流導通方向の膜厚を薄くできオン電圧が低いSiC-MOSFET8を使用するため、半導体減流器20のスイッチング損失を半導体減流器4に比べて低減でき、その冷却器サイズの小型化が可能となる。またSiC素子は耐熱性があり高温時にも安定して電流導通や遮断の動作が可能であるため、半導体素子から発生するエネルギー損失量が多くなり発熱量が多くなるチップサイズの小型化も可能である。このチップサイズの小型化は、鉄道車両用駆動システム1のコスト削減を可能とする。
 さらに上述の実施の形態においては、半導体減流器4のパワーモジュール11において互いに整流作用の方向が逆となるように並列にIGBT12及びダイオード素子13が接続されている場合について述べたが、本発明はこれに限らず、図6に示した半導体減流器24のように減流抵抗DRe1を並列に接続したパワーモジュール11Aと、減流抵抗DRe2を並列に接続したパワーモジュール11Bとを直列に接続してもよい。具体的には、パワーモジュール11AのIGBT12のエミッタ端子及びパワーモジュール11BのIGBT12のコレクタ端子が接続され、パワーモジュール11AのIGBT12のコレクタ端子及び断流器LB1が接続され、パワーモジュール11BのIGBT12のエミッタ端子及びフィルタリアクトルFLが接続される。
 この場合、減流抵抗DRe1及び減流抵抗DRe2の抵抗値の和を、減流抵抗DReの抵抗値と等しくする。また図7に示すように短絡電流発生時にはパワーモジュール11A、パワーモジュール11Bの順に遮断(1stOFF,2ndOFF)する。
 図7において、一点鎖線で示すグラフ25は、パワーモジュール11を遮断した際にパワーモジュール11のコレクタ・エミッタ間に印加される電圧値Vを示す。同様に実線で示すグラフ26は、導体素子部11Aを遮断した際にパワーモジュール11Aのコレクタ・エミッタ間に印加される電圧値V1を示し、グラフ27は、パワーモジュール11Bを遮断した際にパワーモジュール11Bのコレクタ・エミッタ間に印加される電圧値V2を示す。また点線で示すグラフ28は減流抵抗DRe1に流れる電流値I1を示し、グラフ29は、DRe2に流れる電流値I2を示す。
 上述の実施の形態において、電圧値Vは、減流抵抗DReの抵抗値RとDReに流れる電流値Iとを乗じた値である。上述の実施の形態において、パワーモジュール11を遮断し遮断電流ピーク値の電流値Ipが減流抵抗DReに流れると、グラフ25に示すようにピーク値の電圧値Vpが印加され、その後短絡電流は半導体減流器4で減流され、減流抵抗DReに印加される電圧が低下する。そして短絡電流が断流器LB1によって減流された後、パワーモジュール11は短絡電流を遮断(OFF)する(図7)。
 このため、上述の実施の形態においては、短絡電流の値を断流器LB1の定格電流よりも低い値に減流する必要がある。これに対して、図6に示す回路によれば、パワーモジュール11A及びパワーモジュール11Bを設け、それぞれのコレクタ・エミッタ間に印加される電圧値V1,V2として分散させることで、電圧値V1,V2は電圧値Vと比較して低減することができる。
 実際上、パワーモジュール11Aは、パワーモジュール11Bより先に短絡電流を遮断する。このため、減流抵抗DRe1に流れる電流は、減流抵抗DReと比較して小さくなり、パワーモジュール11Aのコレクタ・エミッタ間に印加される電圧のピーク値も小さくなる。このため、パワーモジュール11Aの耐電圧値を小さくすることができ、低損失な半導体素子をパワーモジュール11Aに採用することができる。
 次に、パワーモジュール11Bは、パワーモジュール11Aによって減流された短絡電流を遮断する。このため、減流抵抗DRe2に流れる電流は、減流抵抗DReと比較して小さくなり、パワーモジュール11Bのコレクタ・エミッタ間に印加される電圧のピーク値も小さくなる。このため、パワーモジュール11Bの耐電圧値を小さくすることができ、低損失な半導体素子をパワーモジュール11Bに採用することができる。なお、パワーモジュール11A,11Bのコレクタ・エミッタ間に印加される電圧のピーク値を同程度とすることで、パワーモジュール11A,11Bに印加される電圧を最小とすることができる。
 このようにして、パワーモジュール11A,11Bによって短絡電流を遮断すると、上述の実施の形態同様、断流器LB1の定格電流よりも低い値に減流することができる。図6に示す回路によれば、パワーモジュール11A,11Bに低損失な半導体を採用することができるため、上述の実施の形態に比べさらに冷却装置の小型化及び軽量化が可能となり、半導体減流器20の小型化及び軽量化が可能となる。
 さらに上述の実施の形態においては、断流部3において断流器LB1,LB2を並列に接続する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、図8(A)に示すように断流部30において断流器LB1,LB2を直列に接続するようにしてもよい。
 この場合、図8(B)に示す減流抵抗DReは、図1における減流抵抗DRe及び充電抵抗CHReの役割を果たす。図8に示した回路においては、フィルタコンデンサFCを充電する際、パワーモジュール11はオフ動作となる。このことで、減流抵抗DReを介して、フィルタコンデンサFCを充電することができる。
 また、短絡電流が発生した際においても、図8(B)に示した回路においては、パワーモジュール11をオフ動作となる。このことで、発生した短絡電流は減流抵抗DReに転流され、短絡電流は減流される。この減流された短絡電流は、断流器LB1,LB2によって遮断される。
 このように、断流器LB1,LB2を直列に接続することで短絡電流を確実に遮断することが可能となり、上述の実施の形態と比較しより信頼性の高い鉄道車両用駆動システム1を実現することが可能となる。また、図8(B)に示す減流抵抗DReは、図1における減流抵抗DRe及び充電抵抗CHReの役割を果たすことで、部品数を削減することができ、上述の実施の形態と比較し、鉄道車両用駆動システム1をより小型化及び軽量化することが可能となる。
 さらに上述の実施の形態においては、半導体減流器4においてパワーモジュール11に減流抵抗DReが並列に接続されている場合について述べたが、本発明はこれに限らず、図9に示すように半導体減流器31においてさらにRCスナバ回路32が並列に接続するようにしてもよい。
 RCスナバ回路32は、過渡的な高電圧を吸収する保護回路であって、スナバ抵抗Rs及びスナバコンデンサCsが直列に接続されている回路である。このRCスナバ回路32によって、短絡電流発生時において、パワーモジュール11のコレクタ・エミッタ間に印加される電圧のピーク値を低く抑えることができる。
 図10のグラフ35に、図3のパワーモジュール11のコレクタ・エミッタ間に印加される電圧の時間による遷移の様子を示す。同様にグラフ36に、図9のパワーモジュール11のコレクタ・エミッタ間に印加される電圧の時間による遷移の様子を示す。STは源流の開始を示す。またグラフ37に、地絡が発生した際(BE)にフィルタリアクトルFLの流れる電流の値の時間による遷移の様子を示す。なおこのフィルタリアクトルFLに流れる電流は図3の回路を使用した場合と図9の回路を使用した場合とにおいて同様である。
 グラフ37に示すように、地絡が発生するとフィルタリアクトルFLに流入する電流は増加するが、カレントトランスCTが例えば2000Aを超えた電流を検知するとパワーモジュール11に指示を行いパワーモジュール11は電流を遮断するため、フィルタリアクトルFLに流入する電流は遮断後された後減少する。
 このような短絡電流に対して、図3の回路を使用する場合、パワーモジュール11のコレクタ・エミッタ間に印加される電圧の値は、グラフ35に示すように6kV以上に急激に上昇する。このため、図3の回路を使用する場合、パワーモジュール11に使用する半導体素子の耐電圧を例えば6.5kVなどとし、6kV以上にする必要がある。
 これに対して、図9の回路を使用する場合、パワーモジュール11のコレクタ・エミッタ間に印加される電圧の値は、RCスナバ回路が電荷を吸収するため、グラフ36に示すように2.5kV程度に抑えられる。このため、図9の回路を使用する場合、パワーモジュール11に使用する半導体素子の耐電圧は例えば3.3kVなどの、2.5kVより大きい値であればよい。パワーモジュール11を低耐圧素子とすることで、図9の回路を使用する場合は図3の回路を使用する場合に比べて、半導体減流器31及び鉄道車両用駆動システム1の小型化・軽量化が可能となる。
 1……鉄道車両用駆動システム、2……切り離し部、3,30……断流部、4,15,20,24,31……半導体減流器、5……パワーユニット、6……動力源、7……素子構成要素、8……SiC-MOSFET、9……SiC-SBD、11,11A,11B,16,21……パワーモジュール、12……IGBT,13……ダイオード素子、32……RCスナバ回路。

Claims (10)

  1.  鉄道車両に供給される電力を遮断する第1の断流器及び第2の断流器と、
     前記鉄道車両に供給される電流を減流する減流器と、
     モータを駆動するための電力変換器と前記電力変換器を動作する際に発生する電圧の脈動を抑えるフィルタリアクトル及びフィルタコンデンサと
     を有し、
     直流架線から電力の供給を受けて前記鉄道車両を駆動させる鉄道車両用駆動システムであって、
     前記減流器は、
     1つ以上のパワー半導体を備えるパワーモジュールと、
     前記パワーモジュールに並列に接続された抵抗素子と
     を備える鉄道車両用駆動システム。
  2.  前記直流架線、前記第1の断流器、前記第2の断流器、及び前記フィルタリアクトルは、高電圧側の主回路に接続され、
     前記減流器は、前記第1の断流器及び前記フィルタリアクトルの間に配置された
     請求項1記載の鉄道車両用駆動システム。
  3.  前記第1の断流器及び前記第2の断流器は並列に接続された
     請求項2記載の鉄道車両用駆動システム。
  4.  前記パワー半導体は2つであり、前記パワー半導体の一方はIGBT素子からなり、前記パワー半導体の他方はダイオード素子からなり、
     前記IGBT素子に前記ダイオード素子が逆接続された
     請求項3記載の鉄道車両用駆動システム。
  5.  前記パワー半導体は2つであり、前記パワー半導体の一方は第1のIGBT素子からなり、前記パワー半導体の他方は第2のIGBT素子からなり、前記第1のIGBT素子及び前記第2のIGBT素子は相補接続された
     請求項3記載の鉄道車両用駆動システム。
  6.  前記パワー半導体は2つであり、前記パワー半導体の一方はSiC製MOSFET素子からなり、前記パワー半導体の他方はSiC製SBD素子からなる
     請求項3記載の鉄道車両用駆動システム。
  7.  前記パワーモジュールを第1のパワーモジュールとし、前記IGBT素子を第1のIGBT素子とし、前記ダイオード素子を第1のダイオード素子とし、前記抵抗素子を第1の抵抗素子とし、
     第2のIGBT素子及び前記第2のIGBT素子と並列に接続された第2のダイオード素子から構成される第2のパワーモジュールを備え、
     前記第2のパワーモジュールには第2の抵抗素子が並列に接続され、
     前記第1のパワーモジュール及び前記第2のパワーモジュールは直列に接続され、
     前記第1のIGBT素子のエミッタ端子及び前記第2のIGBT素子のコレクタ端子が接続され、
     前記第1のIGBT素子のコレクタ端子及び前記第1の断流器が接続され、
     前記第2のIGBT素子のエミッタ端子及び前記フィルタリアクトルが接続された
     請求項4記載の鉄道車両用駆動システム。
  8.  前記フィルタコンデンサを充電する際及び事故電流発生の際に、前記IGBT素子をオフ動作とし、前記抵抗素子に電流を流す
     請求項4記載の鉄道車両用駆動システム。
  9.  前記第1の断流器及び前記第2の断流器は直列に接続された
     請求項2記載の鉄道車両用駆動システム。
  10.  さらに抵抗素子と、
     当該抵抗素子に直列に接続されたコンデンサと
     を備え、
     当該抵抗素子及び前記コンデンサと前記パワーモジュールとは並列に接続された
     請求項4記載の鉄道車両用駆動システム。
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