JP2006238626A

JP2006238626A - 電気車用電力変換装置

Info

Publication number: JP2006238626A
Application number: JP2005050631A
Authority: JP
Inventors: Rei Miyazaki; 玲宮崎; Takashi Hashimoto; 隆橋本
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2005-02-25
Filing date: 2005-02-25
Publication date: 2006-09-07
Also published as: ZA200601450B; CN1835371A; CN100533939C; US20060203528A1; US7417842B2

Abstract

【課題】フィルタコンデンサの低インダクタンス接続と故障部位への放電エネルギーの低減という相反する要求を満たすことができる車両用電力変換装置を提供することである。
【解決手段】直流架線より給電した直流電力をインバータで交流電力に変換して電気車の交流電動機に出力する電気車用電力変換装置において、架線電流の高周波成分を低減するためのフィルタコンデンサの一方のフィルタコンデンサＣ１をインバータ１３の直流端子に低インダクタンスで接続し、他のフィルタコンデンサＣ２をヒューズ１５を介してインバータ１３の直流端子に接続する。
【選択図】図１

Description

本発明は、直流架線または交流架線からの電力を変換して電気車の電動機を駆動する電気車用電力変換装置に関する。

電気車用電力変換装置は直流架線あるいは交流架線より給電された電力を電力変換し、交流電動機を駆動するものである。例えば、交流架線を電源とする場合、交流架線から単相交流を入力し直流電力に変換しているが、直流電圧リプルを低減するための大容量のフィルタコンデンサが必要となる。一方、直流架線においても、架線電流の高周波成分を低減するために大容量フィルタコンデンサが必要となる。いずれのフィルタコンデンサも、その所要容量は機器の出力に依存するため、特に機関車のような大出力の電気車用電力変換装置ではフィルタコンデンサの容量は特に大きくなる。

一方、電気車用電力変換装置を構成する電力変換部ではスイッチング素子の遮断時のサージ電圧を抑制するために、フィルタコンデンサとスイッチング素子との間を低インダクタンスで接続することが要請されている。スナバ回路を設けてサージ電圧を抑制することも可能であるが、電力変換部の回路を簡素化して部品点数を減らし、かつ余分な電力消費を無くし効率を高める意味で、スナバ回路の無い電力変換部が望ましい。そこで、フィルタコンデンサとスイッチング素子とのループ回路のインダクタンスを低減することが必須となってくる。

大容量フィルタコンデンサと電力変換部との間を低インダクタンス接続し、
スナバ回路の無い電力変換部を備えた電力変換装置がある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−９６８３２号公報

しかし、特許文献１のものでは、電力変換部のスイッチング素子の破壊時に発生する直流短絡電流による電力変換装置の損傷についての考慮がないので、電力変換部のスイッチング素子破壊時の直流短絡電流によって電力変換装置が損傷することがある。

図７は、従来の電気車用電力変換装置の構成図である。図７では交流架線から交流電力を入力する電気車用電力変換装置を示している。交流架線からの交流電源はコンバータ１１に入力され、コンバータ１１により直流に変換される。直流に変換された直流電力はコンバータ１１の直流端子から直流リンク部１２を介してインバータ１３の直流端子に入力される。インバータ１３は、入力した直流電力を所定の交流電力に変換し、電気車を駆動する交流電動機１４に入力する。これにより、電気車の交流電動機１４は電気車用電力変換装置により駆動制御される。

直流電圧リプルを低減するための２個のフィルタコンデンサＣ１、Ｃ２が設けられており、フィルタコンデンサＣ１はコンバータ１１の直流端子間に接続され、フィルタコンデンサＣ２はインバータ１３の直流端子間に接続されている。

このような電気車用電力変換装置において、例えば、インバータ１３内部のスイッチング素子の故障により直流端子が短絡された場合には、フィルタコンデンサＣ１、Ｃ２の電荷は、その故障部位を介して放電することになる。スイッチング素子の破壊の程度は放電エネルギーに依存する。

ここで、短絡故障が発生したインバータ１３内には、フィルタコンデンサＣ２の電荷のみではなく、コンバータ１１側に配置されたフィルタコンデンサＣ１の電荷も故障部位を介して放電することになるので、スイッチング素子の破壊の程度が著しくなる。このことから、電力変換部内部のスイッチング素子部分の損傷のみではなく、電力変換部の外容器の破裂に至ることがあり、さらには周辺機器にも損傷をあたえる恐れがある。

従って、コンバータ１１やインバータ１３の直流端子に接続されるフィルタコンデンサＣ１、Ｃ２の容量は、故障時の損傷程度の軽減の見地からは小さいことが望ましい。

一方、直流電圧リプルを低減するという機能上は、一定値以上の容量を車両用電力変換装置として備える必要がある。スイッチング素子の近傍にヒューズを設けると放電中に溶断し、放電エネルギーの故障部位への流入を制限できるが、低インダクタンス接続の必要性を満足することができなくなる。

本発明の目的は、フィルタコンデンサの低インダクタンス接続と故障部位への放電エネルギーの低減という相反する要求を満たすことができる電気車用電力変換装置を提供することである。

本発明の電気車用電力変換装置は、直流架線より給電した直流電力を交流電力に変換する電気車用電力変換装置において、架線電流の高周波成分を低減するためのフィルタコンデンサの一方をインバータの直流端子に低インダクタンスで接続し、他のフィルタコンデンサをヒューズを介して前記インバータの直流端子に接続したことを特徴とする。

また、本発明の電気車用電力変換装置は、交流架線より給電し主変圧器より降圧された交流電力を直流電力に変換するコンバータと、この直流電力を交流電力に変換し電気車を駆動する交流電動機に出力するインバータと、前記コンバータの直流端子と前記インバータの直流端子とを接続する直流リンク部と、直流電圧リプルを低減するためのフィルタコンデンサとを備えた電気車用電力変換装置において、前記フィルタコンデンサは第１のフィルタコンデンサと第２のフィルタコンデンサとから構成され、第１のフィルタコンデンサを前記コンバータの直列端子間に低インダクタンスで接続し、第２のフィルタコンデンサを前記インバータの直列端子間に低インダクタンスで接続し、第１のフィルタコンデンサと第２のフィルタコンデンサとの間を接続する直流リンク部にヒューズを挿入したことを特徴とする。

本発明によれば、コンバータやインバータの直流端子には遮断特性要求容量に相当するフィルタコンデンサが低インダクタンスで接続され、装置全体としてはシステム要求容量に相当するフィルタコンデンサが接続されるので、スナバレスなどの装置の小型化の利点を生かしたまま、スイッチング素子の故障時に機器損傷を最小限とすることができる。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係わる電気車用電力変換装置の構成図である。この第１の実施の形態は、直流架線より給電した直流電力を所定の交流電力に変換して電気車を駆動する交流電動機に出力する電気車用電力変換装置を示している。

直流架線からの直流電源は、図示省略の遮断器やリアクトルを経てインバータ１３に入力され、インバータ１３はＩＧＢＴなどのスイッチング素子やその周辺部品で構成され、入力した直流電力を所定の交流電力に変換し、電気車を駆動する交流電動機１４に出力する。これにより、電気車の交流電動機１４は電気車用電力変換装置により駆動制御される。

架線電流の高周波成分を低減するための２個のフィルタコンデンサＣ１、Ｃ２が設けられており、フィルタコンデンサＣ１はインバータ１３の直流端子間に接続されている。従って、フィルタコンデンサＣ１は低インピーダンス接続となっている。一方、フィルタコンデンサＣ２はヒューズ１５を介してインバータ１３の直流端子間に接続されている。なお、図１ではフィルタコンデンサＣ１、Ｃ２は１個のコンデンサとして図示しているが、複数個のコンデンサ群としてもよい。

ここで、スイッチング素子の遮断時のサージ電圧抑制のためにインバータ１３に低インダクタンス接続されるフィルタコンデンサＣ１に必要な容量（遮断特性要求容量）は、直流架線用車両の架線電流の高周波制限のために必要な容量（システム要求容量）と比較して小さいため、電気車用電力変換装置として要求されるフィルタコンデンサＣ１、Ｃ２のすべてをインバータ１３に低インダクタンス接続する必要はない。そこで、第１の実施の形態では、フィルタコンデンサＣ１だけをインバータ１３に低インダクタンス接続するようにしている。

このように、第１の実施の形態では、２個のフィルタコンデンサのうち、一方のフィルタコンデンサＣ１をインバータ１３の直流端子に低インダクタンスで接続する。この場合、一方のフィルタコンデンサＣ１の容量はインバータ１３の遮断特性要求容量以上とし、フィルタコンデンサＣ１、Ｃ２の合計容量をシステム要求容量以上とする。そして、他方のフィルタコンデンサＣ２はヒューズ１５を介してインバータ１３の直流端子に接続する。

これにより、インバータ１３のスイッチング素子の故障で直流端子が短絡された場合、インバータ１３の故障部位を介し、フィルタコンデンサＣ１、Ｃ２の電荷が放電開始するが、その放電過程でヒューズ１５が溶断するため、フィルタコンデンサＣ２の電荷は放電を停止する。従って、放電はフィルタコンデンサＣ１、Ｃ２の電荷の一部のみに制限されるので、スイッチング素子の破壊程度が軽減される。

第１の実施の形態によれば、フィルタコンデンサの低インダクタンス接続と、故障部位への放電エネルギーの低減という相反する要求を満たすことができる
（第２の実施の形態）
図２は、本発明の第２の実施の形態に係わる電気車用電力変換装置の構成図である。この第２の実施の形態は、交流架線より給電した交流電力を直流電力に変換し、この直流電力を所定の交流電力に変換して電気車を駆動する交流電動機に出力する電気車用電力変換装置を示している。

交流架線からの交流電源は図示省略の遮断器や変圧器を経てコンバータ１１に入力され、コンバータ１１により直流に変換される。コンバータ１１は図示省略のＩＧＢＴなどのスイッチング素子やその周辺部品で構成される。コンバータ１１で直流に変換された直流電力はコンバータ１１の直流端子から直流リンク部１２を介してインバータ１３の直流端子に入力される。インバータ１３もコンバータ１４と同様に、図示省略のＩＧＢＴなどのスイッチング素子やその周辺部品で構成され、入力した直流電力を所定の交流電力に変換して、電気車を駆動する交流電動機１４に入力する。これにより、電気車の交流電動機１４は電気車用電力変換装置により駆動制御される。

直流電圧リプルを低減するための２個のフィルタコンデンサＣ１、Ｃ２が設けられており、フィルタコンデンサＣ１はコンバータ１１の直流端子間に接続されている。従って、フィルタコンデンサＣ１は低インピーダンス接続となっている。一方、フィルタコンデンサＣ２はインバータ１３の直流端子間に接続され、この場合も低インピーダンス接続となっている。そして、これらフィルタコンデンサＣ１、Ｃ２間を接続する直流リンク部１２にヒューズ１５が接続されている。なお、図２ではフィルタコンデンサＣ１、Ｃ２は１個のコンデンサとして図示しているが、複数個のコンデンサ群としてもよい。

ここで、コンバータ１１やインバータ１３のスイッチング素子の遮断時のサージ電圧抑制のために、コンバータ１１またはインバータ１３に低インダクタンス接続されるフィルタコンデンサＣ１、Ｃ２に必要な容量（遮断特性要求容量）は、交流架線車両での直流電圧リップル制限のために必要な容量（システム要求容量）と比較して小さいため、電気車用電力変換装置として要求されるフィルタコンデンサＣ１、Ｃ２のすべてをコンバータ１１あるいはインバータ１３に低インダクタンス接続する必要はない。そこで、第２の実施の形態では、フィルタコンデンサＣ１をコンバータ１１に低インダクタンス接続し、フィルタコンデンサＣ２をインバータ１３に低インダクタンス接続するようにしている。

このように、第２の実施の形態では、２個のフィルタコンデンサをコンバータ１１及びインバータ１３の各々の直流端子に低インダクタンスで接続する。この場合、各フィルタコンデンサＣ１、Ｃ２の容量は当該コンバータ１１あるいはインバータ１３の遮断特性要求容量以上とする。その上、コンバータ１１及びインバータ１３の相互を接続する直流リンク部１２にヒューズ１５を設ける。

これにより、コンバータ１１またはインバータ１３のスイッチング素子の故障で直流端子が短絡された場合、故障部位を介し低インダクタンス接続されたフィルタコンデンサＣ１、Ｃ２の電荷が放電されるが、故障でないインバータ１３あるいはコンバータ１１の直流端子に低インダクタンス接続されたフィルタコンデンサＣ１、Ｃ２の電荷は、放電過程でヒューズ１５が溶断するため、放電はそれらの電荷の一部のみに制限され、その結果、スイッチング素子の破壊程度が軽減される。

第２の実施の形態によれば、交流架線の電源の場合であっても、第１の実施の形態の場合と同様に、フィルタコンデンサの低インダクタンス接続と、故障部位への放電エネルギーの低減という相反する要求を満たすことができる
（第３の実施の形態）
図３は、本発明の第３の実施の形態に係わる電気車用電力変換装置の構成図である。この第３の実施の形態は、図２に示した第２の実施の形態に対し、コンバータ１１とインバータ１３とを接続する直流リンク部１２の間に別個のフィルタコンデンサＣ０を追加して接続し、フィルタコンデンサＣ１の直流リンク部側及びフィルタコンデンサＣ２の直流リンク部側に各々ヒューズ１５ａ、１５ｂを接続したものである。図２と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

図３において、フィルタコンデンサは、第１のフィルタコンデンサＣ１、第２のフィルタコンデンサＣ２、第３のフィルタコンデンサＣ３から構成されている。第１のフィルタコンデンサＣ１はコンバータ１１の直列端子間に低インダクタンスで接続され、第２のフィルタコンデンサＣ２はインバータ１３の直列端子間に低インダクタンスで接続されている。そして、第３のフィルタコンデンサＣ０はコンバータ１１とインバータ１３とを接続する直流リンク部１２間に接続されている。また、第１のフィルタコンデンサＣ１の直流リンク部１２側及び第２のフィルタコンデンサＣ２の直流リンク部１２側に各々ヒューズ１５ａ、１５ｂが接続されている。

すなわち、コンバータ１１やインバータ１３に低インダクタンス接続されたフィルタコンデンサＣ１、Ｃ２の容量の総和がシステム要求容量に不足する場合には、別個のフィルタコンデンサＣ０を設ける。このフィルタコンデンサＣ０は直流リンク回路１２に接続し、コンバータ１１及びインバータ１３との間には各々のヒューズ１５ａ、１５ｂを接続する。

なお、直流架線用の電気車用電力変換装置では、インバータ１３のみで構成されるので、その場合には、少なくとも遮断特性要求容量に相当するフィルタコンデンサＣ１をインバータ１３の直流端子に低インダクタンス接続し、システム要求容量の残りの部分に相当するフィルタコンデンサＣ０はヒューズ１５を介して接続する。これにより同様の効果が得られる。

第３の実施の形態によれば、コンバータ１１やインバータ１３に低インダクタンス接続されたフィルタコンデンサＣ１、Ｃ２の容量の総和がシステム要求容量に不足する場合であっても、ヒューズ１５ａ、１５ｂが２個直列接続とし、これらヒューズ１５ａ、１５ｂの接続点に第３のフィルタコンデンサＣ０を接続することで、第２の実施の形態と同様の効果が得られる。

（第４の実施の形態）
図４は、本発明の第４の実施の形態に係わる電気車用電力変換装置の構成図である。この第４の実施の形態は、図２に示した第２の実施の形態に対し、コンバータ１１及びインバータ１２の少なくとも一方は複数群となっており、コンバータ１１とインバータ１２とが１対１の接続ではない電気車用電力変換装置を示している。図４では２個のコンバータ１１ａ、１１ｂと３個のインバータ１３ａ、１３ｂ、１３ｃの場合を示している。

図４において、直流電圧リプルを低減するためのフィルタコンデンサは、コンバータ１１ａ、１１ｂやインバータ１３ａ、１３ｂ、１３ｃを構成するそれぞれの電力変換部毎に設けられている。すなわち、コンバータ１１ａ、１１ｂに対してフィルタコンデンサＣ１１、Ｃ１２を設け、インバータ１３ａ、１３ｂ、１３ｃに対してフィルタコンデンサＣ２１、Ｃ２２、Ｃ２３を設けている。

そして、各々のフィルタコンデンサＣ１１、Ｃ１２、Ｃ２１、Ｃ２２、Ｃ２３を各々の電力変換部の直列端子間に低インダクタンスで接続する。また、これらフィルタコンデンサＣ１１、Ｃ１２、Ｃ２１、Ｃ２２、Ｃ２３間を接続する直流リンク部１２側にそれぞれヒューズ１５Ａ〜１５Ｅを接続する。なお、コンバータ１１あるいはインバータ１３の数が変化しても同様の構成が可能である。

第４の実施の形態によれば、コンバータ１１及びインバータ１２の少なくとも一方は複数群となっており、コンバータ１１とインバータ１２とが１対１の接続ではない場合であっても、第２の実施の形態と同様の効果が得られる。

（第５の実施の形態）
図５は、本発明の第５の実施の形態に係わる電気車用電力変換装置の構成図である。この第５の実施の形態は、図４に示した第４の実施の形態に対し、直流リンク部間に別個のフィルタコンデンサＣ０を追加して接続したものである。

図５において、別のフィルタコンデンサＣ０が直流リンク部１２に追加して接続されている。従って、電気車用電力変換装置全体としてのフィルタコンデンサの容量は、コンバータ１１ａ、１１ｂやインバータ１３ａ、１３ｂ、１３ｃの直流端子に低インダクタンス接続されたフィルタコンデンサＣ１１、Ｃ１２、Ｃ２１、Ｃ２２、Ｃ２３の容量の総和より大きくすることができる。

第５の実施の形態によれば、コンバータ１１やインバータ１３に低インダクタンス接続されたフィルタコンデンサＣ１、Ｃ２の容量の総和がシステム要求容量に不足する場合であっても、第４の実施の形態と同様の効果が得られる。

（第６の実施の形態）
図６は、本発明の第６の実施の形態に係わる電気車用電力変換装置の構成図である。この第６の実施の形態は、図２に示した第２の実施の形態に対し、フィルタコンデンサＣ１、Ｃ２と、コンバータ１１またはインバータ１２との間は、面積の広い薄板導体あるいは積層導体１６を用いて接続したものである。

図６において、フィルタコンデンサＣ１、Ｃ２は、積層導体１６を用いてコンバータ１１の直流端子及びインバータ１３の直流端子に接続される。従って、小型化が図れる。

本発明の第１の実施の形態に係わる電気車用電力変換装置の構成図。本発明の第２の実施の形態に係わる電気車用電力変換装置の構成図。本発明の第３の実施の形態に係わる電気車用電力変換装置の構成図。本発明の第４の実施の形態に係わる電気車用電力変換装置の構成図。本発明の第５の実施の形態に係わる電気車用電力変換装置の構成図。本発明の第６の実施の形態に係わる電気車用電力変換装置の構成図。従来の電気車用電力変換装置の構成図。

符号の説明

１１…コンバータ、１２…直流リンク部、１３…インバータ、１４…交流電動機、１５…ヒューズ、１６…積層導体

Claims

直流架線より給電した直流電力をインバータで交流電力に変換して電気車の交流電動機に出力する電気車用電力変換装置において、架線電流の高周波成分を低減するためのフィルタコンデンサの一方をインバータの直流端子に低インダクタンスで接続し、他のフィルタコンデンサをヒューズを介して前記インバータの直流端子に接続したことを特徴とする電気車用電力変換装置。
交流架線より給電し主変圧器より降圧された交流電力を直流電力に変換するコンバータと、この直流電力を交流電力に変換し電気車を駆動する交流電動機に出力するインバータと、前記コンバータの直流端子と前記インバータの直流端子とを接続する直流リンク部と、直流電圧リプルを低減するためのフィルタコンデンサとを備えた電気車用電力変換装置において、前記フィルタコンデンサは第１のフィルタコンデンサと第２のフィルタコンデンサとから構成され、第１のフィルタコンデンサを前記コンバータの直列端子間に低インダクタンスで接続し、第２のフィルタコンデンサを前記インバータの直列端子間に低インダクタンスで接続し、第１のフィルタコンデンサと第２のフィルタコンデンサとの間を接続する直流リンク部にヒューズを挿入したことを特徴とする電気車用電力変換装置。
交流架線より給電し主変圧器より降圧された交流電力を直流電力に変換するコンバータと、この直流電力を交流電力に変換し電気車を駆動する交流電動機に出力するインバータと、前記コンバータの直流端子と前記インバータの直流端子とを接続する直流リンク部と、直流電圧リプルを低減するためのフィルタコンデンサとを備えた電気車用電力変換装置において、前記フィルタコンデンサは第１のフィルタコンデンサと第２のフィルタコンデンサと第３のフィルタコンデンサとから構成され、第１のフィルタコンデンサを前記コンバータの直列端子間に低インダクタンスで接続し、第２のフィルタコンデンサを前記インバータの直列端子間に低インダクタンスで接続し、第３のフィルタコンデンサをコンバータとインバータとを接続する直流リンク部間に接続し、第１のフィルタコンデンサの直流リンク部側及び第２のフィルタコンデンサの直流リンク部側に各々ヒューズを挿入したことを特徴とする電気車用電力変換装置。
交流架線より給電し主変圧器より降圧された交流電力を直流電力に変換するコンバータと、この直流電力を交流電力に変換し電気車を駆動する交流電動機に出力するインバータと、前記コンバータの直流端子と前記インバータの直流端子とを接続する直流リンク部と、直流電圧リプルを低減するためのフィルタコンデンサとを備え、前記コンバータ及び前記インバータの少なくとも一方は複数群となっており、前記コンバータと前記インバータとが１対１の接続ではない電気車用電力変換装置において、直流電圧リプルを低減するためのフィルタコンデンサは、コンバータやインバータを構成するそれぞれの電力変換部毎に設けられ、各々のフィルタコンデンサを各々の電力変換部の直列端子間に低インダクタンスで接続し、これらフィルタコンデンサ間を接続する直流リンク部側にそれぞれヒューズを挿入したことを特徴とする電気車用電力変換装置。
それぞれの電力変換部を接続する直流リンク部間に別個のフィルタコンデンサを接続したことを特徴とする請求項４記載の電気車用電力変換装置。
前記フィルタコンデンサと前記コンバータまたはインバータとの間は、面積の広い薄板導体あるいは積層導体を用いて接続したことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一記載の電気車用電力変換装置。