JP6348669B2 - 電気車推進制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、フィルタ装置及び電力変換器を備えた電気車推進制御装置に関する。

電気車推進制御装置は、給電線から供給される電力を受電し、受電した電力を利用してモータを駆動する電力変換器を備えている。電力変換器は、内部に変換素子を具備する。電力変換器の変換素子のスイッチング動作によって、電源となる変電所への帰路となるレールには高調波電流を含む帰線電流が流れる。帰線電流に含まれる高調波成分には、既設の踏切制御装置及び信号機を含む鉄道用保安設備を誤動作させる可能性がある。このため、帰線電流に含まれる高調波成分を減衰させることが求められる場合がある。

上記のような技術的背景の下、下記特許文献１には、帰線電流に含まれる高調波成分のうち、数百Ｈｚ近くの比較的広い周波数範囲に渡る高調波成分を減衰させる方法が開示されている。

特開２００２−３１５１０１号公報

上記特許文献１に代表されるように、高調波成分を減衰させるこれまでの手法は、減衰量よりも広い周波数範囲に渡って高調波成分を減衰させることに主眼が置かれていた。このため、ある特定の周波数帯の比較的狭い周波数範囲の高調波成分を減衰させるには減衰量が充分ではなく、新たな手法が要望されていた。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、特定の周波数帯の比較的狭い周波数範囲の高調波成分に対する充分な減衰量を確保できるフィルタ装置を備えた電気車推進制御装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、フィルタ装置及び電力変換器を備えた電気車推進制御装置である。フィルタ装置は、第１のインダクタンス要素とコンデンサ要素が直列に接続されて直列回路を構成し、直列回路の一端がレールと電力変換器との間を繋ぐ低電位側の電源ケーブルに電気的に接続され、直列回路の他端が架線と電力変換器との間を繋ぐ高電位側の電源ケーブルに電気的に接続される。直列回路の他端側の電気的接続点と架線との間に存在する第２のインダクタンス要素と第１のインダクタンス要素とが磁気結合し、磁気結合によって生じた正の値の相互インダクタンスが生じるように構成されている。

本発明によれば、特定の周波数帯の比較的狭い範囲の高調波成分に対して、充分な減衰量を確保できる、という効果を奏する。

実施の形態１に係る電気車推進制御装置を含む電気車駆動システムの全体構成図 実施の形態１に係る電気車推進制御装置のフィルタ動作を説明するための等価回路図 実施の形態１に係る帰線電流の周波数特性を示す図 実施の形態２に係る電気車推進制御装置の構成図

以下に、本発明の実施の形態に係る電気車推進制御装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により、本発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る電気車推進制御装置を含む電気車駆動システムの全体構成図である。図１において、実施の形態１に係る電気車推進制御装置１００は、主要な構成部として、フィルタ回路５、電力変換器６、及び第１のリアクトル１２を備えている。フィルタ回路５及び第１のリアクトル１２は、フィルタ装置を構成する。第１のリアクトル１２は、リアクトルコア１２ａ及び巻線部１２ｂを有する。電力変換器６は、接続ケーブル９によってモータ７と接続されている。モータ７は三相モータであり、電気車に推進力を与える。

電気車推進制御装置１００の一端は、高電位側の給電線４ａ及び集電装置３を介して架線１に接続される。電気車推進制御装置１００の他端は、低電位側の給電線４ｂ及び車輪８を介してレール２に接続されている。電気車推進制御装置１００の内部には、給電線４ａ，４ｂと電力変換器６とを電気的に接続するための電源ケーブル１４が布設されている。この構成により、電力変換器６には、架線１から供給される直流電力が給電線４ａ，４ｂ及び電源ケーブル１４を介して供給される。電力変換器６は、架線１から印加された直流電圧を任意周波数及び任意電圧の交流電圧に変換してモータ７を駆動する。

次に、実施の形態１の電気車推進制御装置１００におけるフィルタ装置の構成について説明する。

コンデンサ１０ａと第２のリアクトル１０ｂとは直列に接続されて、直列回路部１０Ａを構成する。直列回路部１０Ａの一端は、低電位側の電源ケーブルであるグラウンドケーブル１４ｃに接続される。

一方、直列回路部１０Ａの他端から引き出された電気配線すなわちフィルタ回路５のフィルタ線１８は、リアクトルコア１２ａに巻回されて、第１のリアクトル１２における巻線部１２ｂを形成する。フィルタ線１８は、巻線部１２ｂを形成した後に、高電位側の電源ケーブル１４に接続される。

ここで、フィルタ線１８と高電位側の電源ケーブル１４とが接続される部位を接続点１６とすると、高電位側の電源ケーブル１４は、接続点１６を境に２つの部位に区分される。２つの部位のうちの一方をケーブル第１部位１４ａと称し、他方をケーブル第２部位１４ｂと称する。すなわち、ケーブル第１部位１４ａは、接続点１６と電力変換器６との間に布設された部位であり、ケーブル第２部位１４ｂは、接続点１６と高電位側の給電線４ａの端部との間に布設された部位である。

リアクトルコア１２ａは、磁性材料で形成される。磁性材料としては、アモルファス、フェライト、又は鉄を細かく砕いて固めた圧粉鉄心が好適である。リアクトルコア１２ａは、半円形状に構成され、ケーブル第２部位１４ｂを覆うように配される。すなわち、リアクトルコア１２ａは、接続点１６よりも架線１側に配された電源ケーブル１４を覆うように配されている。

なお、直列回路部１０Ａにおいて、コンデンサ１０ａと第２のリアクトル１０ｂとの接続順序を逆にしてもよい。すなわち、図示とは逆に、コンデンサ１０ａの一端が第１のリアクトル１２を介して高電位側の電源ケーブル１４に電気的に接続され、第２のリアクトル１０ｂの一端が低電位側の電源ケーブル１４に電気的に接続されていてもよい。

ここで、第１のリアクトル１２について補足する。まず、上記では、リアクトルコア１２ａの形状を半円形状と説明したが、必ずしも半円形状である必要はない。リアクトルコア１２ａの形状が、電源ケーブル１４におけるケーブル第２部位１４ｂの周囲を完全に覆わない形状であればよい。すなわち、空隙を有しているものであれば、本実施の形態のリアクトルコア１２ａに適用可能である。

次に、第１のリアクトル１２に形成される巻線部１２ｂの巻線方向について説明する。電源ケーブル１４のケーブル第１部位１４ａにノイズ電流が流れるとき、巻線部１２ｂにもノイズ電流が流れ込む。このとき、ケーブル第１部位１４ａに流れるノイズ電流によってリアクトルコア１２ａに生ずる磁束（便宜的に「第１磁束」と称する）と、巻線部１２ｂに流れるノイズ電流によってリアクトルコア１２ａに生ずる磁束（便宜的に「第２磁束」と称する）とが打ち消し合うようにする。すなわち、巻線部１２ｂは、リアクトルコア１２ａに生ずる第１磁束と第２磁束とが打ち消し合う方向に巻回されている。なお、巻線部１２ｂにおいて、フィルタ線１８をリアクトルコア１２ａに巻回するターン数は、２ターン以上であることが好ましい。２ターン以上とすれば、第１のリアクトル１２のインダクタンスを第２のリアクトル１０ｂのインダクタンスよりも大きくすることが容易に可能である。第１のリアクトル１２のインダクタンスが第２のリアクトル１０ｂのインダクタンスに比べて大きい場合、第２のリアクトル１０ｂを省略してもよい。

図２は、実施の形態１に係る電気車推進制御装置１００のフィルタ動作を説明するための等価回路図である。図２において、図１と同一の構成部には、同一の符号を付して示している。

前述したように、ケーブル第１部位１４ａに流れる電流がリアクトルコア１２ａに作る第１磁束と、フィルタ線１８に流れる電流がリアクトルコア１２ａに作る第２磁束とが、互いに打ち消し合う方向に作用する。このため、電気回路的には、ケーブル第１部位１４ａに相互インダクタンスＭが発生する。ここで、相互インダクタンスＭの極性は“プラス”である。よって、巻線部１２ｂの自己インダクタンスをＬ１とすると、巻線部１２ｂに発生するインダクタンスはＬ１−Ｍとなる。同様に、ケーブル第２部位１４ｂの自己インダクタンスをＬ２とすると、ケーブル第２部位１４ｂに発生するインダクタンスはＬ２−Ｍとなる。これらに加え、フィルタ回路５を構成するコンデンサ１０ａのキャパシタンスをＣとし、第２のリアクトル１０ｂのインダクタンスをＬとする。以上により、図２に示す等価回路が構成される。なお、ケーブル第１部位１４ａの自己インダクタンスは、相互インダクタンスＭに比べて小さいため、ゼロと見なし、図２の等価回路では図示していない。

次に、図２及び図３を参照して、実施の形態１の電気車推進制御装置１００における要部動作について説明する。図３は、実施の形態１に係る帰線電流Ｉ_２の周波数特性を示す図である。

電力変換器６は、内部に変換素子６ａを具備する。変換素子６ａのスイッチング動作によって、電源ケーブル１４には、ノイズ電流Ｉが流れる。ノイズ電流Ｉは、フィルタ回路５に向かう電流成分であるフィルタ回路電流Ｉ_１と、架線１に向かう電流成分である帰線電流Ｉ_２とに分けられる。図３には、帰線電流Ｉ_２の周波数特性が示されている。図３において、帰線電流Ｉ_２が極大となる周波数は反共振周波数と称され、ここではｆ_１とする。また、帰線電流Ｉ_２が極小となる周波数は共振周波数と称され、ここではｆ_２とする。

図３に示されるように、反共振周波数ｆ_１は、帰線電流Ｉ_２が極大値Ｉ_ｍａｘをとる周波数である。帰線電流Ｉ_２が極大値をとるのは、フィルタ回路電流Ｉ_１が最も小さくなるときであり、相互インダクタンスＭと、巻線部１２ｂに発生するインダクタンスＬ_１−Ｍ、コンデンサ１０ａのキャパシタンスＣ、及び第２のリアクトル１０ｂのインダクタンスＬの直列回路とが、並列共振を起こすときである。よって、反共振周波数ｆ_１は、次式で表すことができる。

ｆ_１＝１／２π｛√［Ｍ＋（Ｌ_１−Ｍ）＋Ｌ］・Ｃ｝
＝１／２π｛√（Ｌ_１＋Ｌ）・Ｃ｝ …（１）

また、図３に示されるように、共振周波数ｆ_２は、帰線電流Ｉ_２が極小値Ｉ_ｍｉｎをとる周波数である。帰線電流Ｉ_２が極小値をとるのは、フィルタ回路電流Ｉ_１が最も大きくなるときであり、巻線部１２ｂに発生するインダクタンスＬ_１−Ｍと、コンデンサ１０ａのキャパシタンスＣと、第２のリアクトル１０ｂのインダクタンスＬとが、直列共振を起こすときである。よって、共振周波数ｆ_２は、次式で表すことができる。

ｆ_２＝１／２π｛√（Ｌ_１−Ｍ＋Ｌ）・Ｃ｝ …（２）

図３において、減衰量を確保したい周波数帯は、共振周波数ｆ２の前後を含む周波数帯ｆ２±Δｆである。よって、減衰量を確保したい周波数帯の周波数に合わせて、フィルタ回路５及び第１のリアクトル１２の回路要素を決定すれば、所望するフィルタ動作が可能となる。

なお、実施の形態１に係る電気車推進制御装置１００は、変換素子６ａがワイドバンドギャップ半導体を用いて構成されている電力変換器６に用いることが好適である。ワイドギャップ半導体は、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）又はダイヤモンドを含む半導体の総称である。変換素子６ａにワイドバンドギャップ半導体を用いることで、変換素子６ａの耐電圧性及び許容電流密度が高くなるため、変換素子６ａの小型化が可能であり、これらの素子を組み込んだ半導体モジュールの小型化が可能となる。また、ワイドバンドギャップ半導体は、耐熱性も高いため、変換素子６ａを冷却するための冷却器の小型化も可能になる。

変換素子６ａにワイドバンドギャップ半導体を用いることは、今後のトレンドである。実施の形態１に係る手法によれば、電源ケーブル１４が布設されている比較的広い空間を利用して第１のリアクトル１２を配置することができるので、電力変換器６の筐体が大型化することを回避することができる。このように、実施の形態１に係る手法は、変換素子６ａがワイドバンドギャップ半導体を用いて構成されている電力変換器６に用いる場合に有用である。

以上説明したように、実施の形態１に係る電気車推進制御装置によれば、空隙を有するリアクトルコアと、フィルタ線がリアクトルコアに巻回された巻線部と、を有する第１のリアクトルを備える。第１のリアクトルの巻線部の一端は架線と電力変換器との間を繋ぐ高電位側の電源ケーブルである第１のケーブルに電気的に接続され、巻線部の他端はレールと電力変換器との間を繋ぐ低電位側の電源ケーブルである第２のケーブルにフィルタ回路を介して電気的に接続される。第１のケーブルにおける第１のリアクトルの電気的接続点と、架線との間にはインダクタンス要素が存在し、第１のリアクトルは当該インダクタンス要素と磁気結合するように構成される。このとき、磁気結合によって生じた正の値の相互インダクタンスが、第１の電源ケーブルにおける第１のリアクトルの電気的接続点と電力変換器との間に生じるように巻線部を構成した。この構成により、ある特定の周波数帯の信号を、共振現象によって減衰させることができるので、特定の周波数帯の比較的狭い周波数範囲の高調波成分に対する充分な減衰量の確保が可能となる。

また、実施の形態１に係る電気車推進制御装置によれば、第１のリアクトルを追加するだけで、第１の電源ケーブルにおける第１のリアクトルの電気的接続点と電力変換器との間に相互インダクタンスＭを生じさせることができるので、ノイズ電流のバイパス回路であるフィルタ回路と電力変換器との間に物理的なインダクタンス要素を追加することなく、帰線電流に含まれる高調波成分の減衰量を確保することができる。

また、実施の形態１に係る電気車推進制御装置によれば、第１のリアクトルを追加することにより、ノイズ電流のバイパス回路であるフィルタ回路に対して、直列に接続されるインダクタンス要素を付加することができるので、フィルタ回路内のインダクタンス要素を小さく又は削減することができ、フィルタ回路の小型化が可能となる。

なお、図１に示す構成は一例であり、図２に示す等価回路が形成される構成は、本発明の要旨を成す。すなわち、第１のインダクタンス要素Ｌ１と第３のインダクタンス要素Ｌとコンデンサ要素Ｃとが直列に接続されて直列回路を構成し、直列回路の一端がレールと電力変換器との間を繋ぐ低電位側の電源ケーブルに電気的に接続され、直列回路の他端が架線と電力変換器との間を繋ぐ高電位側の電源ケーブルに電気的に接続され、直列回路の他端の電気的接続点と架線との間に存在する第２のインダクタンス要素Ｌ２と第１のインダクタンス要素Ｌ１とが磁気結合し、磁気結合によって生じた正の値の相互インダクタンスが直列回路の一端の電気的接続点と電力変換器との間に生じるように構成されたフィルタ装置を有する構成は、本発明の要旨の１つである。

また、図２に示す等価回路において、第３のインダクタンス要素Ｌは省略可能である。このため、第１のインダクタンス要素Ｌ１とコンデンサ要素Ｃとが直列に接続されて直列回路を構成し、直列回路の一端がレールと電力変換器との間を繋ぐ低電位側の電源ケーブルに電気的に接続され、直列回路の他端が架線と電力変換器との間を繋ぐ高電位側の電源ケーブルに電気的に接続され、直列回路の他端の電気的接続点と架線との間に存在する第２のインダクタンス要素Ｌ２と第１のインダクタンス要素Ｌ１とが磁気結合し、磁気結合によって生じた正の値の相互インダクタンスが直列回路の一端の電気的接続点と電力変換器との間に生じるように構成されたフィルタ装置を有する構成も、本発明の要旨を成す。

実施の形態２．
図４は、実施の形態２に係る電気車推進制御装置の構成図である。図４において、実施の形態２に係る電気車推進制御装置１００における実施の形態１との相違点は、接続点１６の位置である。実施の形態１では、給電線４ａと、電力変換器６とを繋ぐ電源ケーブル１４上に接続点１６を設けていたが、実施の形態２では、接続点１６の位置を電力変換器６の内部もしくは不図示の端子部としている。なお、ここで言う電力変換器６の端子部とは、電源ケーブル１４を電力変換器６に繋ぎ込んでいる部位を意味する。すなわち、実施の形態２では、接続点１６が電力変換器６に存在する。

ここで、接続点１６が電力変換器６に存在することの意義について説明する。電力変換器６はノイズの発生源である。このため、ノイズ対策は、ノイズの発生源側で行って欲しいとの要望が多い。すなわち、電力変換器６の設計に際し、客先仕様として、ノイズ対策が盛り込まれることが多くある。接続点１６を電力変換器６に設ければ、第１のリアクトル１２を電力変換器６の近くもしくは内部に配置することができる。すなわち、接続点１６を電力変換器６に設けることにより、第１のリアクトル１２の配置に関する設計自由度が増えるという利点がある。

なお、第１のリアクトル１２を電力変換器６の内部に収容すれば、第１のリアクトル１２を保持するための保持機構の製作が容易になるという効果が得られる。

また、電力変換器６の端子部に接続点１６を設けるようにすれば、電源ケーブル１４に特別な接続機構を設けることなく、接続点１６を構成することができるという効果が得られる。

なお、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ 架線、２ レール、３ 集電装置、４ａ，４ｂ 給電線、５ フィルタ回路、６ 電力変換器、６ａ 変換素子、７ モータ、８ 車輪、９ 接続ケーブル、１０ａ コンデンサ、１０ｂ 第２のリアクトル、１０Ａ 直列回路部、１２ 第１のリアクトル、１２ａ リアクトルコア、１２ｂ 巻線部、１４ 電源ケーブル、１４ａ ケーブル第１部位、１４ｂ ケーブル第２部位、１６ 接続点、１８ フィルタ線、１００ 電気車推進制御装置。

Claims (7)

1. フィルタ装置及び電力変換器を備えた電気車推進制御装置であって、
   前記フィルタ装置は、
   第１のインダクタンス要素とコンデンサ要素が直列に接続されて直列回路を構成し、
   前記直列回路の一端がレールと前記電力変換器との間を繋ぐ低電位側の電源ケーブルに電気的に接続され、
   前記直列回路の他端が架線と前記電力変換器との間を繋ぐ高電位側の電源ケーブルに電気的に接続され、
   前記直列回路の他端側の電気的接続点と架線との間に存在する第２のインダクタンス要素と、前記第１のインダクタンス要素と、が磁気結合し、磁気結合によって生じた正の値の相互インダクタンスが生じるように構成されている
   ことを特徴とする電気車推進制御装置。
2. 前記第１のインダクタンス要素に直列に加わる第３のインダクタンス要素を更に備えたことを特徴とする請求項１に記載の電気車推進制御装置。
3. フィルタ装置及び電力変換器を備えた電気車推進制御装置であって、
   前記フィルタ装置は、
   コンデンサを有するフィルタ回路と、
   空隙を有するリアクトルコアと、フィルタ線が前記リアクトルコアに巻回された巻線部と、を有する第１のリアクトルと、
   を備え、
   前記巻線部の一端は、架線と前記電力変換器との間を繋ぐ高電位側の電源ケーブルに電気的に接続され、
   前記巻線部の他端は、レールと前記電力変換器との間を繋ぐ低電位側の電源ケーブルに前記フィルタ回路を介して電気的に接続され、
   前記巻線部の一端の前記高電位側の電源ケーブルとの電気的接続点と前記架線との間に存在するインダクタンス要素と、前記第１のリアクトルと、が磁気結合し、磁気結合によって生じた正の値の相互インダクタンスが前記電気的接続点と前記電力変換器との間に生じるように前記巻線部が構成されていることを特徴とする電気車推進制御装置。
4. 前記フィルタ回路は、前記コンデンサに直列に接続される第２のリアクトルを有していることを特徴とする請求項３に記載の電気車推進制御装置。
5. 前記電気的接続点が前記電力変換器に存在することを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の電気車推進制御装置。
6. 前記電力変換器を構成する変換素子がワイドバンドギャップ半導体を用いて構成されていることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の電気車推進制御装置。
7. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、窒化ガリウム、シリコンカーバイド又はダイヤモンドであることを特徴とする請求項６に記載の電気車推進制御装置。

Images