JP5601851B2

JP5601851B2 - 車両用電力変換装置の誘導障害施策

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Publication number: JP5601851B2
Application number: JP2010028105A
Authority: JP
Inventors: 友由牧野; 正尚伊東
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2010-02-10
Filing date: 2010-02-10
Publication date: 2014-10-08
Anticipated expiration: 2030-02-10
Also published as: JP2011166968A

Description

本発明は、架線から供給される単相交流電力を三相交流電力に変換し、電動機を駆動する電気車用電動機駆動回路、特に電力変換装置の誘導障害施策に関する。

図７は、従来の車体アース方式の鉄道車両主電気回路の概略構成を示す図である。

電力は変電所から架線１０、パンタグラフ１１を介して各車両の主変圧器１３に供給される。主変圧器１３を流れた電流は、接地ブラシ１４、車輪１５、レール３６を介して変電所に戻る。このようなき電システムに、列車Ａと列車Ｂが存在する場合、列車Ｂの負荷電流（帰線電流）が列車Ａ内の車体を介して流れることがある。この場合、列車Ａの接地ブラシ１４には列車Ｂの負荷電流の一部が流れる。すると、接地ブラシ１４と車輪間で放電等が多く発生し、接地ブラシ１４の寿命は低下する。

図８は上記の問題を解決するために提供される抵抗接続車体アース方式の鉄道車両主電気回路の概略構成を示す。この方式の回路では、車体は接地抵抗器２３、接地ブラシ１４、車輪３５を介してレール３６に接続すなわちアースされる。こうすることで、列車Ａの接地ブラシに流れる列車Ｂの負荷電流を大幅に低減でき、接地ブラシ１４の寿命を延長できる。

図９は、図８のようなアース方式を採用した車両の電動機駆動回路の概略構成を示し、（ａ）は回路図ベース、（ｂ）は車体艤装ベースにて示す図である。

交流架線１０からの単相交流電力を電源とする、電気的中性点接地の主変換装置（以下、主変換装置）１５には、負荷側に三相交流により駆動される主電動機（例：誘導電動機、同期電動機）２４が接続される。車体２７は接地抵抗器２３を介して接地（レール側に接続）されている。

このような駆動回路システムでは、主変換装置１５より発生されるＰＷＭ電圧により、主電動機内の巻き線部分２４ａと主電動機ケース２４ｂ間の浮遊コンデンサ成分を介して、高周波コモン電流Ｉｃｏｍが発生し、主変換装置１５の中性点接地部２１を流れる。この高周波コモン電流Ｉｃｏｍの経路は、主電動機ケース２４ｂ、アース線３１、接地抵抗器２３、車体２７、主変換装置中性点接地部２１となる。場合によっては、図９（ａ）右下に点線で示すように、主電動機ケース２４ｂから、車体へ流入することも考えられる。この時、高周波コモン電流経路と車体は多点で接触しているため、高周波コモン電流は車体２７を経由して流れる。その結果、車体での電位変動等が生じることで、車両制御装置ならびに電力変換装置用制御装置等の電子機器へのノイズの影響が生じる。つまり、車体に電流が流れると、各電子機器のＧＮＤレベルに差が生じ、信号のＳ／Ｎ比が悪くなる。また車体に電流が流れると、ノイズとなって信号に混入したり、更には、車体外のＡＴＣあるいはＡＴＳ等の地上子にノイズが放射されることも考えられる。

従って本発明は、主変換装置より発生されるＰＷＭ電圧により、主電動機内巻き線部分と主電動機ケース間の浮遊コンデンサ成分を介して発生する高周波コモン電流が、車体を流れることを抑制する電気車の回路構成を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明の一実施例に係る電気車の回路構成は、車輪を回転駆動する電動機と、架線から供給される単相交流電力を三相交流電力に変換し、前記電動機を駆動し、電気的中性点を備える主変換装置と、前記電動機と前記主変換装置とを電気的に接続する三相交流出力線と、接地ブラシを介して車輪に接続されると共に前記電動機のケースに接続されるアース線と、前記アース線と車体との間に接続された接地抵抗器と、を具備し、前記主変換装置の前記電気的中性点と前記接地抵抗器は、共通の接続点で前記車体に接続され、前記三相交流出力線と前記アース線とが密着して設けられている。

主電動機内巻き線部分と主電動機フレーム間の浮遊コンデンサ成分を介して発生する高周波コモン電流の車体へ流入が抑制される。これにより車体電位変動が抑制され、また高周波コモン電流の放射ノイズの抑制が可能となる。

本発明の第１実施例に係る車両用電動機駆動回路の概略構成を示す図。本発明の第２実施例に係る車両用電動機駆動回路の概略構成を示す図。本発明の第３実施例に係る車両用電動機駆動回路の概略構成を示す図。電源アース線及び三相交流出力線が貫通する磁性体コアを示す図。本発明の第４実施例に係る車両用電動機駆動回路の概略構成を示す図。本発明の第５実施例に係る車両用電動機駆動回路の概略構成を示す図。従来の車体アース方式の車両用主電気回路の概略構成を示す図。アースと車体間に抵抗を接続したアース方式の車両用主電気回路の概略構成を示す図。図８のようなアース方式を採用した車両の主電動機駆動回路の概略構成を示す図。

以下、本発明に係る車両用電動機駆動回路の誘導障害施策について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の第１実施例に係る車両用電動機駆動回路の概略を示し、（ａ）は回路図ベース、（ｂ）は車体艤装ベースにて示す図である。

電力は変電所から架線１０、パンタグラフ１１、遮断器ＶＣＢ１２を介して主変圧器１３の１次側に供給される。主変圧器１３を流れた電流は、接地ブラシ１４、車輪３５、レール３６を介して変電所に戻る。主変圧器１３の２次側には、主変換装置１５が接続されている。

主変換装置１５はＰＷＭコンバータ１６及びＰＷＭインバータ１７を含む。コンバータ１６は、主変圧器１３の２次側から供される交流電力をＰＷＭ方式にて直流電力に変換する。コンバータ１６の出力直流電圧は、フィルタコンデンサ４１及び４２の直列回路に印加されると共にインバータ１７に供給される。インバータ１７は、入力直流電圧をＰＷＭ方式にてＶＶＶＦ三相交流電圧に変換し、主電動機２４を駆動する。

主電動機２４のケース２４ｂは、アース線３１、接地ブラシ１４、車輪３５を介してレール３６に接地される。アース線３１と車体２７の間には接地抵抗器２３が接続されている。

コンバータ１６から出力される直流電圧の中性点（コンデンサ４１、４２の接続点）１８は、接地回路１９を介して接地スイッチ２２の一方の端子２２ａに接続される。接地回路１９は、コンデンサ１９ａとリレー用コイル１９ｂとリレー接点（図示されず）から構成される。接地回路１９は地絡検知用リレーで、通常動作時はＯＮ状態、地絡が発生するとコイル１９ｂに所定電流値以上の電流が流れＯＦＦ状態となる。

接地スイッチ２２の他方の端子２２ｂは、配線４４、車体２７の接続点３０を介して車体２７に接続される。接地スイッチ２２は耐圧試験用スイッチであって、主変換装置１５と車体間の耐圧試験時はＯＦＦ状態、通常動作時はＯＮ状態となる。

以上のように第１実施例では、主変換装置１５の電気的中性点１８は通常動作時に、接続点３０に接続される。接地抵抗器２３も接続点３０に接続される。すなわち、電気的中性点１８と接地抵抗器２３が、共通の接続点３０で車体２７に接続されている。この結果、主電動機内の巻き線部分２４ａと主電動機ケース２４ｂ間の浮遊コンデンサ成分２６を介して発生する高周波コモン電流Ｉｃｏｍは、車体２７を流れずに主変換装置１５と主電動機２４を還流する。このように、主変換装置１５の電気的中性点と接地抵抗器２３を共通の接続点３０を介して車体２７に接続することで、車体を流れる高周波コモン電流Ｉｃｏｍを大幅に抑制できる。この結果、各電子機器に対するノイズ発生を抑制できる。

図２は本発明の第２実施例に係る車両用電動機駆動回路の構成を示す図である。

この第２実施例の回路構成は、図９の従来構成と同様であるが、三相交流出力線２５と、接地ブラシ１４に接続されるアース線３１とが密着して配置される。つまり第２実施例では、主電動機２４への三相出力線２５とアース線３１が束ねて配線されている。このように三相交流出力線２５とアース線３１を密着させることで、外部への放射ノイズが抑制される。

図３は本発明の第３実施例に係る車両用電動機駆動回路の構成を示す図である。

この第３実施例の回路構成は、図９の従来構成と同様であるが、接地ブラシ１４に接続される電源アース線３１及び三相交流出力線２５に対して磁性体コア３２が設けられる。図４はこの様子を示す図である。図４のように本実施例では、磁性体コア３２を、電源アース線３１及び三相交流出力線２５が貫通するように設ける。磁性体コア３２は、高周波電流に対してインダクタンス成分として作用するので、主電動機フレームから流れ出す高周波コモン電流Ｉｃｏｍが抑制される。

図５は本発明の第４実施例に係る車両用電動機駆動回路の構成を示す図である。

この第４実施例では、主変換装置１５内に配線される中性点接地線２１ａ及び三相交流出力線２５に対して磁性体コア３２が設けられる。例えば、車体ぎ装の状態で、図３の第３実施例のように、磁性体コア３２を設けることができない場合、図５のように、磁性体コアを主変換装置内に配置する。第４実施例の作用及び効果は、図３の第３実施例と同様に、磁性体コア３２によって、高周波コモン電流Ｉｃｏｍが抑制されることである。また図５のように、磁性体コア３２に中性点接地線２１ａ及び三相交流出力線２５を貫通させて構成した主変換装置１５を製品として提供しても良い。

図６は本発明の第５実施例に係る車両用電動機駆動回路の構成を示す図である。

図６（ｂ）のように、第５実施例に係る車両Ａは、主変換装置を有さない車両Ｂに対して、電動機駆動用ＶＶＶＦ三相電力を提供する主変換装置４５を有する。すなわち第５実施例は、主変換装置４５が搭載される車両Ａと、主変換装置４５に駆動される電動機２４Ｂを搭載する車両Ｂが異なる。車両Ａでは、駆動される電動機２４Ｂを搭載する車両Ｂ用の三相交流線２５と電源アース線３１が、磁性体コア３２を貫通するように構成される。この結果、主変換装置が搭載されていない車両Ｂから主変換装置が搭載されている車両Ａへの高周波コモン電流が抑制される。

以上の説明はこの発明の実施の形態であって、この発明の装置及び方法を限定するものではなく、様々な変形例を容易に実施することができるものである。
以下に本件出願当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］
車輪を回転駆動する電動機と、
架線から供給される単相交流電力を三相交流電力に変換し、前記電動機を駆動する主変換装置と、
接地ブラシを介して車輪に接続されると共に前記電動機のケースに接続されるアース線と、
前記アース線と車体との間に接続された接地抵抗器と、を具備し、
前記主変換装置の電気的中性点と前記接地抵抗器は、共通の接続点で前記車体に接続されていることを特徴とする電気車の回路構成。
［２］
車輪を回転駆動する電動機と、
架線から供給される単相交流電力を三相交流電力に変換し、前記電動機を駆動する主変換装置と、
接地ブラシを介して車輪に接続されると共に前記電動機のケースに接続されるアース線と、
前記アース線と車体との間に接続された接地抵抗器と、を具備し、
前記主変換装置の三相交流出力線と前記アース線とが密着して設けられていることを特徴とする電気車の回路構成。
［３］
車輪を回転駆動する電動機と、
架線から供給される単相交流電力を三相交流電力に変換し、電動機を駆動する主変換装置と、
接地ブラシを介して車輪に接続されると共に前記電動機のケースに接続されるアース線と、
前記アース線と車体との間に接続された接地抵抗器と、
前記主変換装置の三相交流出力線と前記アース線とが共に貫通する磁性体コアと、
を具備することを特徴とする電気車の回路構成。
［４］
車輪を回転駆動する電動機と、
架線から供給される単相交流電力を三相交流電力に変換し、自車両に連結される車両の電動機を駆動する主変換装置と、
接地ブラシを介して車輪に接続されるアース線と、
前記アース線と車体との間に接続された接地抵抗器と、
前記主変換装置の三相交流出力線と前記アース線とが共に貫通する磁性体コアと、
を具備することを特徴とする電気車の回路構成。
［５］
単相交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
前記コンバータにて変換された前記直流電力を車両電動機用の三相交流に変換するインバータと、
前記インバータの三相交流出力線と前記直流電力の電気的中性点接地線とが共に貫通する磁性体コアと、
を具備することを特徴とする電気車の回路構成。

１０…架線、１１…パンタグラフ、１２…遮断器、１３…主変圧器、１４…接地ブラシ、１５…主変換装置、２３…接地抵抗器、２４…主電動機、２７…車体、３１…アース線、３２…磁性体コア。

Claims

車輪を回転駆動する電動機と、
架線から供給される単相交流電力を三相交流電力に変換し、前記電動機を駆動し、電気的中性点を備える主変換装置と、
前記電動機と前記主変換装置とを電気的に接続する三相交流出力線と、
接地ブラシを介して車輪に接続されると共に前記電動機のケースに接続されるアース線と、
前記アース線と車体との間に接続された接地抵抗器と、を具備し、
前記主変換装置の前記電気的中性点と前記接地抵抗器は、共通の接続点で前記車体に接続され、
前記三相交流出力線と前記アース線とが密着して設けられていることを特徴とする電気車の駆動回路。
地絡を検知しない間は前記主変換装置と前記接続点とを電気的に接続し、地絡を検知すると前記主変換装置と前記接続点との電気的な接続を解除する接地回路と、
前記主変換装置と前記接続点との間に設けられる接地スイッチと、
前記接続点と前記電動機のケースとを接続する接地抵抗と、
を備えることを特徴とする請求項１記載の電気車の駆動回路。
前記接地回路は、コンデンサ、リレー用コイルを有する、
前記請求項２記載の電気車の駆動回路。
前記接地回路の前記リレー用コイルは、所定電流値以上が流れると地絡を検知する、
前記請求項３記載の電気車の駆動回路。
前記接地スイッチの一端は、前記接続点を介して車体の前記ケースに電気的に接続する、
前記請求項２乃至４の何れか１項に記載の電気車の駆動回路。
前記接地スイッチは、耐圧試験時に前記主変換装置と前記車体との間を電気的に開放する、
前記請求項２乃至５の何れか１項に記載の電気車の駆動回路。
車輪を回転駆動する電動機と、
架線から供給される単相交流電力を三相交流電力に変換し、自車両に連結される車両の電動機を駆動し、電気的中性点を備える主変換装置と、
接地ブラシを介して前記自車両の車輪に接続されると共に前記自車両に連結される車両の電動機のケースに接続されるアース線と、
前記アース線と車体との間に接続された接地抵抗器と、
前記電動機と前記主変換装置とを接続する三相交流出力線と、前記アース線とが共に貫通する磁性体コアと、
を具備し、
前記電気的中性点と前記接地抵抗器は、共通の接続点で前記車体に接続されることを特徴とする電気車の駆動回路。
架線から供給される電力を駆動用の電力に変換し、電気的中性点を備える主変換装置と、
前記主変換装置が変換した電力を電動機に出力する駆動用電力出力線と、
接地ブラシを介して車輪に接続されると共に前記電動機のケースに接続されるアース線と、
前記アース線と車体との間に接続された接地抵抗器と、
を具備し、
前記主変換装置の前記電気的中性点と前記接地抵抗器は、共通の接続点で前記車体に接続され、
前記駆動用電力出力線と前記アース線とが密着して設けられていることを特徴とする車両用電力変換装置。
前記主変換装置は、架線から供給される電力を三相交流電力に変換する、
前記請求項８に記載の車両用電力変換装置。