JP2009182115A - 変圧器 - Google Patents

Abstract

【課題】小型かつ簡易な構成で誘導障害の発生を抑制可能な変圧器を提供する。
【解決手段】変圧器２０は、集電装置から電力供給を受ける一次側ＰＬ１に接続される一次側巻線２ａと、二次側ＰＬ２，ＳＬ２，ＰＬ３，ＳＬ３に接続される二次側巻線２ｂ，２ｅと、二次側巻線２ｂ，２ｅに並列に接続された補助巻線２ｃ，２ｆとを備える。一次側巻線２ａは鉄心２２の脚鉄中央部に巻回され、二次側巻線２ｂ，２ｅは鉄心２２の一次側巻線２ａの両側に、一次側巻線２ａと平行に巻回される、さらに、補助巻線２ｃ，２ｆは、二次側巻線２ｂ，２ｅを挟んで一次側巻線２ａと反対側にそれぞれ巻回される。
【選択図】図１

Description

この発明は、変圧器に関し、より特定的には、電動車両に搭載される変圧器に関する。

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。この誘導障害は、車両に搭載された変圧器を介して接地線から流出する帰線電流によるものが大きい。

このような誘導障害の発生を抑制する一つの方法として、特開２００４−２２７５４号公報（特許文献１）には、接地線から流出する高調波電流を抑制することにより様々な周波数帯の信号に対する誘導障害対策を行なう車両用変圧器が開示される。これによれば、車両用変圧器は、高圧巻線と低圧巻線とを鉄心に巻回し、上記両巻線間に静電遮蔽板を配置してタンクに収納し、鉄心、静電遮蔽板およびタンクを車体を介して接地するように構成される。そして、このような構成において、少なくとも鉄心に接続された鉄心引出線をタンクと絶縁してタンクの外部に導出し、タンクの外部で鉄心引出線と車体との間に鉄心用インピーダンスを接続する。

特許文献１に開示された車両用変圧器は、このようにタンクの外部へ引き出した線と車体との間にインピーダンスを接続したことにより、接地線から流出する帰線電流の高調波電流を抑制することができる。その結果、車両に使用される様々な周波数帯の信号に対する誘導障害対策を行なうことができる。
特開２００４−２２７５４号公報

鉄道車両においては、車両本体および付属機器の小型、軽量化が必要とされている。
しかしながら、上記特許文献１に開示された車両用変圧器では、タンクの外部に鉄心用インピーダンスを設置するためのスペースが必要になるため、ぎ装上の問題がある。

すなわち、特許文献１に開示された車両用変圧器においては、タンクの外部に、鉄心用インピーダンス、静電遮蔽用インピーダンスおよびタンク用インピーダンスが設置され、車両に使用されている周波数帯の信号に対して誘導障害が最も小さくなるように各々のインピーダンスの値が決定される。そのため、各インピーダンスを複数個組み合わせて設置することによって誘導障害対策に好適なインピーダンスを実現できる一方で、車両用の床下機器を増加させることになる。

それゆえ、この発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、その目的は、小型かつ簡易な構成で誘導障害の発生を抑制可能な変圧器を提供することである。

この発明のある局面に従えば、変圧器は、鉄心と、鉄心に巻回された一次側巻線と、鉄心のうちの一次側巻線と同一脚に、一次側巻線と並んで巻回された二次側巻線と、同一脚に、二次側巻線を挟んで一次側巻線と反対側に巻回されるとともに、二次側巻線に並列接続される補助巻線とを備える。

この発明によれば、小型かつ簡易な装置構成で誘導障害の発生を抑制することができる。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一符号は同一または相当部分を示す。

図１は、この発明の実施の形態に従う変圧器が適用される電動車両の駆動制御装置の概略構成図である。

図１を参照して、電動車両の駆動制御装置は、交流架線１から集電する集電装置１０と、変圧器２０と、電力変換装置３０（コンバータ３１およびインバータ３２）と、電動機（モータ）４０と、電力変換装置３０を制御する電力変換制御装置（図示せず）とを備える。

この電動車両の駆動制御装置では、交流架線１から集電装置１０にて集電した電力を変圧器２０にて降圧して電力変換装置３０へ供給する。そして、電力変換装置３０にて変圧器２０から供給された単相交流電力を三相交流電力に変換し、この三相交流電力にてモータ４０を駆動する。

変圧器２０は、集電装置１０と接続するＰＬ１、接地と接続するＳＬ１に接続される一次側巻線２ａと、電力変換装置３０と接続するＰＬ２，ＳＬ２に接続される二次側巻線２ｂと、電力変換装置３０と接続するＰＬ３，ＳＬ３に接続される二次側巻線２ｅと、補助巻線２ｃと、一次側巻線２ａ、二次側巻線２ｂおよび補助巻線２ｃが巻回された鉄心２ｄとを備える。

ＰＬ１，ＰＬ２を介して集電装置１０から所定の定格周波数（例えば、５０〜６０Ｈｚ）の電圧Ｖ１が一次側巻線２ａに入力されると、一次側巻線２ａに電流が流れる。そして、一次側巻線２ａに電流が流れると、一次側巻線の周囲に磁界が発生し、これにより二次側巻線２ｂに電圧Ｖ２が発生する。このとき二次側巻線２ｂに発生する電圧Ｖ２と、一次側巻線２ａに発生する電圧Ｖ１との関係は、下式のように、各々の巻線数Ｎ１、Ｎ２の比によって決まる。

Ｖ２＝Ｖ１・（Ｎ２／Ｎ１） （１）
このような変圧器２０において、漏洩リアクタンスは、コンバータ３１が必要とする性能により仕様値が決まり、一般に、ＰＷＭコンバータ３１およびＶＶＶＦインバータ３２を含む電力変換装置３０では、２０％程度の高い短絡インピーダンス値が必要となる。

具体的には、変圧器２０において、すべての磁束が一次側巻線２ａと二次側巻線２ｂととの双方に鎖交すると漏洩リアクタンスがなくなるが、一般に、電力変換装置３０に対して、適正な漏洩リアクタンスとなるように設計されている。

電力変換装置３０は、二次側ＰＬ２，ＳＬ２，ＰＬ３，ＳＬ３に並列接続され、単相交流電力と三相交流電力とを相互に変換する。すなわち、電力変換装置３０は、図示しない電力変換制御装置からのスイッチング指令に応じて、二次側ＰＬ２，ＳＬ２，ＰＬ３，ＳＬ３を介して変圧器２０から供給される単相交流電力を三相交流電力に変換してモータ４０へ供給する。また、モータ４０が発電する三相交流電力を単相交流電力に変換して回生電力として変圧器２０へ供給する。

このときのコンバータ３１のスイッチング動作は、上述した変圧器２０の定格周波数（５０〜６０Ｈｚ）よりも高いスイッチング周波数で行なわれる。そのため、コンバータ３１からは、変圧器２０の定格周波数よりも高い周波数（数ｋＨｚ）を有する高調波電流が発生する。この発生した高調波電流ノイズは、変圧器２０を介して接地線ＳＬ１から流出する帰線電流により、各種の信号に誘導障害を引き起こす場合がある。したがって、誘導障害対策としては、高調波電流の周波数帯における短絡インピーダンスを高くすればよいことが分かる。その一方で、定格周波数においては、適正な漏洩リアクタンスを生じさせる短絡インピーダンスを維持する必要がある。

そこで、本実施の形態に従う変圧器２０は、図１に示すように、二次側巻線２ｂに対して補助巻線２ｃを並列に接続する構成とする。そして、かかる構成において、補助巻線２ｃは、以下に述べるように、変圧器２０の短絡インピーダンスを、定格周波数では予め指定されたインピーダンス値に保持する一方で、高調波成分の周波数帯では高いインピーダンス値となるように配置するものとする。

図２は、外鉄形変圧器中身を示す斜視図である。図２を参照して、変圧器のコイル２は鉄心２２に巻回され、鉄心２２はコイル２の外側に位置するように設けられる。

図３は、本実施の形態による変圧器断面であり、図２におけるＡ−Ａ線断面に相当する断面図である。

一次側巻線２ａは、鉄心２２の脚鉄中央部に巻回される。また、二次側巻線２ｂ，２ｅは、鉄心２２の一次側巻線２ａの両側に、一次側巻線２ａと平行に巻回される。

さらに、補助巻線２ｃは、二次側巻線２ｂを挟んで一次側巻線２ａと反対側に巻回される。そして、補助巻線２ｃの端子は、鉄心２ｄの外部に引き出されて二次側送配電線ＰＬ２，ＳＬ２に接続される。これにより、補助巻線２ｃは、二次側巻線２ｂと並列に接続されている。

なお、補助巻線２ｃは、二次側巻線２ｂと同じ巻線数（＝Ｎ２）を有している。上述した二次側巻線２ｂに発生する電圧Ｖ２と一次側巻線２ａに発生する電圧Ｖ１との関係を保つためである。また、二次側巻線２ｅに補助巻線２ｆを接続する構成とすることもできる。

本実施の形態に従う変圧器は、このように補助巻線２ｃを二次側巻線２ｂを挟んで一次側巻線２ａと反対側に巻回する構成としたことにより、一次側巻線２ａと二次側巻線２ｂとの間に形成される磁気空間に補助巻線２ｃが影響を及ぼすのを抑制することができる。これにより、補助巻線２ｃを巻回することによっても当該磁気空間を流れる漏洩磁束が変化しないことから、漏洩磁束によって生じる変圧器２０の漏洩リアクタンスを維持することができる。そして、漏洩リアクタンスが維持されることにより、二次側巻線２ｂには、補助巻線２ｃが巻回されていない状態での電流と略同量の電流が流れる一方で、補助巻線２ｃに流れる電流を小さく抑えることができる。

このように補助巻線２ｃに流れる電流が小さく抑えられることにより、補助巻線２ｃを断面積の小さい導体で構成することが可能となる。その結果、補助巻線２ｃを薄型かつ軽量なもので構成できるため、補助巻線２ｃを新たに巻回することによって変圧器２０の体格および重量が増大するのを抑えることができる。これは、車両の床下に外部インピーダンスを接続する方式と比較して、ぎ装寸法の縮小を図ることができる。

さらに、本実施の形態に従う変圧器２０によれば、補助巻線２ｃを巻回したことによっても、変圧器２０の定格周波数における短絡インピーダンスを略一定値に維持することができる。

すなわち、変圧器２０の定格周波数領域では、一次側巻線２ａと二次側巻線２ｂとの間の磁気空間に発生する漏洩磁束により生じる漏洩リアクタンスを、変圧器２０の巻線抵抗が十分に大きいとみなすことができるため、補助巻線２ｃを巻回したことによる巻線抵抗の変化をほぼ無視することができる。したがって、定格周波数における変圧器２０の短絡インピーダンスは、漏洩リアクタンスに略等しくなる。ここで、上述したように、漏洩リアクタンスは補助巻線２ｃを巻回することによっても略一定に維持されることから、定格周波数での短絡インピーダンスは、補助巻線２ｃの影響を受けることなく、適正なインピーダンス値に保たれることとなる。

その一方で、高調波電流の周波数帯におけるインピーダンスは、二次側巻線に補助巻線を追加したことによる静電容量および抵抗値の変化により変更される。

図４は、変圧器２０の高周波域インピーダンス特性である。図４において、横軸は周波数を示し、縦軸は短絡インピーダンスを示す。なお、図中のラインＬＮ１は、補助巻線２ｃを巻回した場合の変圧器２０の短絡インピーダンス特性である。図中のラインＬＮ２には、比較のために、補助巻線２ｃを巻回しない場合の変圧器２０の短絡インピーダンス特性を示す。なお、いずれのインピーダンス特性も、所定の回路シミュレーションを用いて、変圧器２０の定格周波数（５０〜６０Ｈｚ）よりも高い周波数帯域（数ｋＨｚ）における変圧器２０の短絡インピーダンスをシミュレーションすることにより得られたものである。

図４を参照して、変圧器２０の高調波のインピーダンス特性は、周波数域に応じて増加や減少する傾向を持っている。本例では、９０〜１００ｋＨｚの間で低下する特性がある（例えば、図中の領域ＲＧＮに相当）。ここで、図中のラインＬＮ１とラインＬＮ２とを比較すると、ラインＬＮ１の方がラインＬＮ２よりもインピーダンス値が低下する周波数が低周波側にずれていることが分かる。これによれば、補助巻線２ｃを巻回することによって、高調波インピーダンスが低下する周波数を誘導障害が問題となる周波数帯から遠ざけることが可能となる。したがって、高調波帯におけるインピーダンスが高くなるように補助巻線２ｃの巻線抵抗等を最適化して変圧器２０の共振点をずらすことにより、誘導障害の発生を抑制することができる。

以上のように、この発明の実施の形態によれば、変圧器に対して鉄心用インピーダンスやバイパスフィルタなどの外部機器を追加することなく、高調波帯のインピーダンスを高くすることができる。その結果、誘導障害対策としての外部機器の追加が不要となるため、電動車両の駆動制御装置の小型化および軽量化を図ることができる。

さらには、補助巻線は一次側巻線および二次側巻線と同一の巻線構造を有しているため、特別な製造工程を追加することなく、既存の製造工程で簡易に製造することができる。また、補助巻線を二次側巻線よりも薄型化できるため、変圧器自体の設計変更が不要となるとともに、電動車両の駆動制御装置の小型軽量化を促進することができる。

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、特許請求の範囲によって示され、特許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。

この発明の実施の形態に従う変圧器が適用される電動車両の駆動制御装置の概略構成図である。 外鉄形変圧器を示す斜視図である。 図２の変圧器のＡ−Ａ線断面に相当する断面図である。 変圧器の高周波域インピーダンス特性である。

符号の説明

１ 交流架線、２ａ 一次側巻線、２ｂ，２ｅ 二次側巻線、２ｃ，２ｆ 補助巻線、２ｄ 鉄心、１０ 集電装置、２０ 変圧器、２２ 鉄心、２４ 継鉄、３０ 電力変換装置、３１ コンバータ、３２ インバータ、４０ モータ。

Claims (2)

1. 鉄心と、
   前記鉄心に巻回された一次側巻線と、
   前記鉄心のうちの前記一次側巻線と同一脚に、前記一次側巻線と並んで巻回された二次側巻線と、
   前記同一脚に、前記二次側巻線を挟んで前記一次側巻線と反対側に巻回されるとともに、前記二次側巻線に並列接続される補助巻線とを備える、変圧器。
2. 前記補助巻線は、前記二次側巻線と同じ巻線数を有する、請求項１に記載の変圧器。

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