JPWO2009110061A1 - 変圧装置 - Google Patents

Abstract

変圧装置（１０１）は、第１の高圧側コイル（３）と、第１の高圧側コイル（３）と磁気結合された第１の低圧側コイル（４Ａ）と、第１の高圧側コイル（３）と磁気結合された第２の低圧側コイル（４Ｂ）と、外部から供給される電圧を第１の低圧側コイル（４Ａ）および第２の低圧側コイル（４Ｂ）に供給するか第１の高圧側コイル（３）に供給するかを切り替える第１のスイッチ（ＳＷ１，ＳＷ２Ａ，ＳＷ２Ｂ）とを備え、第１の低圧側コイル（４Ａ）および第２の低圧側コイル（４Ｂ）は、第１のスイッチ（ＳＷ１，ＳＷ２Ａ，ＳＷ２Ｂ）を介して電圧が供給された場合に第１の低圧側コイル（４Ａ）を通して流れる電流によって発生する磁束と第２の低圧側コイル（４Ｂ）を通して流れる電流によって発生する磁束とが打ち消し合うように設けられている。

Description

本発明は、変圧装置に関し、特に、交流区間および直流区間の両方において走行可能な電車に搭載される変圧装置に関する。

架線等から交流電圧が供給される交流区間および架線等から直流電圧が供給される直流区間の両方において走行可能な交流／直流電車が開発されている。従来の電車では、たとえば、リアクトルが変圧器とは別に単体で配置される構造を有している場合、および変圧器とリアクトルとを一体のタンク内に収納する構造を有している場合がある。しかしながら、このような交流／直流電車では、変圧器等の交流区間用装置は直流区間では使用できず、逆にリアクトル装置等の直流区間用装置は交流区間では使用できない。そのため、交流区間用装置および直流区間用装置の両方が必要となるが、これら両装置を車体の床下等の限られたスペースにぎ装することが困難な場合がある。

ここで、特開平３−３８８０７号公報には、変圧器と分路リアクトルとを一体化した以下のような分路リアクトル共有型変圧器が開示されている。すなわち、変圧器の継鉄の一部に設けられたバイパス鉄心と、継鉄の一部とバイパス鉄心で囲まれた空間内に設けられたギャップ鉄心およびリアクトルコイルとからなる。そして、バイパス鉄心がリアクトルの継鉄を形成しているとともに、変圧器のコイルの巻方向と分路リアクトルのコイルの巻方向とが、継鉄の一部中の変圧器磁束とリアクトル磁束とが互いに打ち消し合うような方向になっている。

また、特開平１１−２７３９７５号公報には、以下のようなコモンモードチョークコイルが開示されている。すなわち、平角線をエッジ方向に巻き回した第１のコイル、第２のコイル、第３のコイルおよび第４のコイルとロの字型の閉磁路を形成する磁心とからなる。そして、磁心の一方の磁脚に第１と第２のコイルを、対向する他方の磁脚に第３と第４のコイルを配置し、第１と第３のコイルおよび第２と第４のコイルが直列に接続される。ライン電流によって第１と第２のコイル、第２と第３のコイル、第３と第４のコイル、第４と第１のコイルに発生する磁束が相殺され、第１と第３および第２と第４のコイルに発生する磁束は互いに付勢される。さらに、同一方向に流れる電流によって第１、第２、第３、第４のコイルに発生する磁束がそれぞれ付勢されるように各コイルの巻方向が設定され、第１と第４のコイルが並設されるように配置され、第２と第３のコイルが並設されるように配置されている。
特開平３−３８８０７号公報 特開平１１−２７３９７５号公報

しかしながら、特開平３−３８８０７号公報に記載された構成は、変圧器およびリアクトルが個別に機能するものであり、特開平１１−２７３９７５号公報に記載された構成は、コモンモードチョークコイルが変圧器機能を持つものではない。また、電車に搭載される変圧器の寸法および質量は、交流区間用装置の中で大きな割合を占めるが、変圧器は直流区間では使用できないので単なる荷重となることから電車の性能を低下させる要因となる。

それゆえに、本発明の目的は、交流／直流電車において、交流区間では交流区間用装置である変圧器として動作し、かつ直流区間では直流区間用装置であるリアクトルとして動作することにより、車体のぎ装スペースを縮小できることが可能な変圧装置を提供することである。

この発明のある局面に係わる変圧装置は、第１の高圧側コイルと、第１の高圧側コイルと磁気結合された第１の低圧側コイルと、第１の高圧側コイルと磁気結合された第２の低圧側コイルと、外部から供給される電圧を第１の低圧側コイルおよび第２の低圧側コイルに供給するか第１の高圧側コイルに供給するかを切り替える第１のスイッチとを備え、第１の低圧側コイルおよび第２の低圧側コイルは、第１のスイッチを介して電圧が供給された場合に第１の低圧側コイルを通して流れる電流によって発生する磁束と第２の低圧側コイルを通して流れる電流によって発生する磁束とが打ち消し合うように設けられている。

本発明によれば、交流／直流電車において、交流区間では交流区間用装置である変圧器として動作し、かつ直流区間では直流区間用装置であるリアクトルとして動作することにより、車体のぎ装スペースを縮小できることができる。また、直流区間および交流区間の両方において安定した出力を得ることができる。

本発明の実施の形態に係る交流／直流電車の構成を示す回路図である。 本発明の実施の形態に係る変圧装置の構成を示す斜視図である。 交流区間において発生する電流および磁束を示す変圧器の断面図である。 交流区間において架線から供給される交流電圧により高圧側コイルを通して流れる電流の向きを模式的に示す図である。 交流区間において架線から供給される交流電圧により高圧側コイルを通して流れる電流の向きを模式的に示す図である。 （ａ）交流区間において発生する電流を示す変圧器の窓部の断面図である。（ｂ）交流区間において鉄心内に発生する漏れ磁束を示すグラフ図である。 本発明の実施の形態に係る交流／直流電車がスイッチＳＷ３を備えないと仮定した場合の、直流区間における各スイッチ設定を示す図である。 直流区間において発生する電流および磁束を示す変圧器の断面図である。 直流区間において架線から供給される直流電圧により低圧側コイルを通して流れる電流の向きを模式的に示す図である。 直流区間において架線から供給される直流電圧により低圧側コイルを通して流れる電流の向きを模式的に示す図である。 （ａ）直流区間において発生する電流および磁束を示す変圧器の窓部の断面図である。（ｂ）直流区間において鉄心内に発生する漏れ磁束を示すグラフ図である。 本発明の実施の形態に係る交流／直流電車の直流区間における各スイッチ設定を示す図である。 直流区間において発生する電流および磁束を示す変圧器の断面図である。 （ａ）直流区間において発生する電流および磁束を示す変圧器の窓部の断面図である。（ｂ）直流区間において鉄心内に発生する漏れ磁束を示すグラフ図である。 インダクタンスの電流依存性を示すグラフ図である。

符号の説明

１ 架線、２ パンタグラフ、３ 高圧側コイル、４Ａ，４Ｂ 低圧側コイル、５Ａ，５Ｂ コンバータ、６Ａ，６Ｂ インバータ、１３Ａ，１３Ｂ 高圧側コイル、１４ 鉄心、５１ 変圧器、１０１ 変圧装置、２０１ 交流／直流電車、ＳＷ１，ＳＷ２Ａ，ＳＷ２Ｂ，ＳＷ３，ＳＷ４Ａ，ＳＷ４Ｂ，ＳＷ５Ａ，ＳＷ５Ｂ，ＳＷ６Ａ，ＳＷ６Ｂ，ＳＷ７Ａ，ＳＷ７Ｂ スイッチ、Ｗ１，Ｗ２ 窓部。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

［構成および基本動作］
図１は、本発明の実施の形態に係る交流／直流電車の構成を示す回路図である。

図１を参照して、交流／直流電車２０１は、パンタグラフ２と、変圧装置１０１と、モータＭＡ，ＭＢとを備える。変圧装置１０１は、変圧器５１と、コンバータ５Ａ，５Ｂと、インバータ６Ａ，６Ｂと、スイッチＳＷ４Ａ，ＳＷ４Ｂ，ＳＷ５Ａ，ＳＷ５Ｂ，ＳＷ６Ａ，ＳＷ６Ｂ，ＳＷ７Ａ，ＳＷ７Ｂとを含む。変圧器５１は、高圧側コイル３と、低圧側コイル４Ａ，４Ｂと、スイッチＳＷ１，ＳＷ２Ａ，ＳＷ２Ｂ，ＳＷ３とを含む。高圧側コイル３は、高圧側コイル１３Ａ，１３Ｂを含む。

パンタグラフ２は、架線１に接続されている。スイッチＳＷ１は、パンタグラフ２に接続された第１端と、高圧側コイル１３Ａの第１端および高圧側コイル１３Ｂの第１端に接続された第２端とを有する。スイッチＳＷ２Ａは、パンタグラフ２に接続された第１端と、低圧側コイル４Ａの第１端に接続された第２端とを有する。スイッチＳＷ２Ｂは、パンタグラフ２に接続された第１端と、低圧側コイル４Ｂの第２端に接続された第２端とを有する。スイッチＳＷ３は、高圧側コイル１３Ａの第２端に接続された第１端と、高圧側コイル１３Ｂの第２端に接続された第２端とを有する。

スイッチＳＷ４Ａは、低圧側コイル４Ａの第１端に接続された第１端と、コンバータ５Ａの第１入力端子に接続された第２端とを有する。スイッチＳＷ４Ｂは、低圧側コイル４Ｂの第２端に接続された第１端と、コンバータ５Ｂの第２入力端子に接続された第２端とを有する。スイッチＳＷ５Ａは、低圧側コイル４Ａの第２端に接続された第１端と、コンバータ５Ａの第２入力端子に接続された第２端と、第３端とを有する。スイッチＳＷ５Ｂは、低圧側コイル４Ｂの第１端に接続された第１端と、コンバータ５Ｂの第１入力端子に接続された第２端と、第３端とを有する。スイッチＳＷ６Ａは、コンバータ５Ａの第１出力端子に接続された第１端と、インバータ６Ａの第１入力端子に接続された第２端と、スイッチＳＷ５Ａの第３端に接続された第３端とを有する。スイッチＳＷ６Ｂは、コンバータ５Ｂの第１出力端子に接続された第１端と、インバータ６Ｂの第１入力端子に接続された第２端と、スイッチＳＷ５Ｂの第３端に接続された第３端とを有する。スイッチＳＷ７Ａは、コンバータ５Ａの第２出力端子に接続された第１端と、インバータ６Ａの第２入力端子に接続された第２端と、接地電圧が供給される接地ノードに接続された第３端とを有する。スイッチＳＷ７Ｂは、コンバータ５Ｂの第２出力端子に接続された第１端と、インバータ６Ｂの第２入力端子に接続された第２端と、接地電圧が供給される接地ノードに接続された第３端とを有する。

図２は、本発明の実施の形態に係る変圧装置の構成を示す斜視図である。
図２を参照して、変圧装置１０１は、さらに、鉄心１４を含む。鉄心１４は、互いに対向する第１側面および第２側面と、第１側面から第２側面へ貫通する窓部Ｗ１およびＷ２とを有する。

高圧側コイル１３Ａおよび１３Ｂならびに低圧側コイル４Ａおよび４Ｂは、窓部Ｗ１およびＷ２を通るように巻き回されている。

高圧側コイル１３Ａは、低圧側コイル４Ａと低圧側コイル４Ｂとの間であって低圧側コイル４Ａに対向する位置に設けられ、低圧側コイル４Ａと磁気結合されている。

高圧側コイル１３Ｂは、高圧側コイル１３Ａと並列に接続され、低圧側コイル４Ａと低圧側コイル４Ｂとの間であって低圧側コイル４Ｂに対向する位置に設けられ、低圧側コイル４Ｂと磁気結合されている。

再び図１を参照して、スイッチＳＷ１、ＳＷ２ＡおよびＳＷ２Ｂは、パンタグラフ２を介して架線１から供給される電圧を低圧側コイル４Ａおよび低圧側コイル４Ｂに供給するか高圧側コイル１３Ａおよび１３Ｂに供給するかを切り替える。

スイッチＳＷ３は、高圧側コイル１３Ａと高圧側コイル１３Ｂとの間に接続されており、高圧側コイル１３Ａおよび高圧側コイル１３Ｂを含む閉回路が形成されるか否かを切り替える。

コンバータ５Ａは、低圧側コイル４Ａに現れた交流電圧を直流電圧に変換する。コンバータ５Ｂは、低圧側コイル４Ｂに現れた交流電圧を直流電圧に変換する。

スイッチＳＷ４ＡおよびＳＷ５Ａは、低圧側コイル４Ａとコンバータ５Ａとを接続するか、低圧側コイル４Ａとインバータ６ＡとをスイッチＳＷ６Ａを介して接続するかを切り替える。スイッチＳＷ４ＢおよびＳＷ５Ｂは、低圧側コイル４Ｂとコンバータ５Ｂとを接続するか、低圧側コイル４Ｂとインバータ６ＢとをスイッチＳＷ６Ｂを介して接続するかを切り替える。

インバータ６Ａは、コンバータ５Ａから受けた直流電圧またはスイッチＳＷ５Ａを介して低圧側コイル４Ａから受けた直流電圧を三相交流電圧に変換し、モータＭＡへ出力する。インバータ６Ｂは、コンバータ５Ｂから受けた直流電圧またはスイッチＳＷ５Ｂを介して低圧側コイル４Ｂから受けた直流電圧を三相交流電圧に変換し、モータＭＢへ出力する。

モータＭＡは、インバータ６Ａから受けた三相交流電圧に基づいて駆動される。モータＭＢは、インバータ６Ｂから受けた三相交流電圧に基づいて駆動される。

［動作］
次に、交流区間における本発明の実施の形態に係る変圧装置の動作について説明する。

図１を参照して、交流区間においては、スイッチＳＷ１がオンし、スイッチＳＷ２ＡおよびＳＷ２Ｂがオフし、スイッチＳＷ３がオンし、スイッチＳＷ４ＡおよびＳＷ４Ｂがオンする。また、スイッチＳＷ５Ａ、ＳＷ５Ｂ、ＳＷ６Ａ、ＳＷ６Ｂ、ＳＷ７ＡおよびＳＷ７Ｂの第１端子および第２端子がそれぞれ接続される。

図３は、交流区間において発生する電流および磁束を示す変圧器の断面図である。
まず、架線１からパンタグラフ２へ交流電圧が供給される。架線１から供給される交流電圧は、パンタグラフ２およびスイッチＳＷ１を介して高圧側コイル１３Ａおよび１３Ｂに印加される。そうすると、高圧側コイル１３Ａおよび１３Ｂにそれぞれ交流電流ＩＨが流れる。

図４は、交流区間において架線から供給される交流電圧により高圧側コイルを通して流れる電流の向きを模式的に示す図である。図４は、高圧側コイル１３Ａおよび１３Ｂの巻き方向が同じ場合を示している。

図５は、交流区間において架線から供給される交流電圧により高圧側コイルを通して流れる電流の向きを模式的に示す図である。図５は、高圧側コイル１３Ａおよび１３Ｂの巻き方向が逆の場合を示している。

図４および図５のいずれの場合であっても、高圧側コイル１３Ａおよび１３Ｂは、架線１からスイッチＳＷ１を介して電圧が供給された場合に高圧側コイル１３Ａを通して流れる電流によって発生する磁束と、架線１からスイッチＳＷ１を介して電圧が供給された場合に高圧側コイル１３Ｂを通して流れる電流によって発生する磁束とが同じ方向になるように設けられている。

再び図３を参照して、交流電流ＩＨにより、鉄心１４内に主磁束ＦＨが発生する。そうすると、主磁束ＦＨにより、低圧側コイル４Ａの巻数と高圧側コイル１３Ａの巻数との比に応じた交流電流ＩＬおよび交流電圧が低圧側コイル４Ａに発生する。また、主磁束ＦＨにより、低圧側コイル４Ｂの巻数と高圧側コイル１３Ｂの巻数との比に応じた交流電流ＩＬおよび交流電圧が低圧側コイル４Ｂに発生する。

ここで、低圧側コイル４Ａおよび４Ｂの巻数はそれぞれ高圧側コイル１３Ａおよび１３Ｂの巻数より小さいことから、高圧側コイル１３Ａおよび１３Ｂに印加される交流電圧が減圧された交流電圧が低圧側コイル４Ａおよび４Ｂにそれぞれ現れる。

低圧側コイル４Ａに現れた交流電圧は、スイッチＳＷ４ＡおよびＳＷ５Ａを介してコンバータ５Ａに供給される。また、低圧側コイル４Ｂに現れた交流電圧は、それぞれスイッチＳＷ４ＢおよびＳＷ５Ｂを介してコンバータ５Ｂに供給される。

コンバータ５Ａは、低圧側コイル４Ａから供給された交流電圧を直流電圧に変換し、スイッチＳＷ６ＡおよびＳＷ７Ａを介してインバータ６Ａへ出力する。また、コンバータ５Ｂは、低圧側コイル４Ｂから供給された交流電圧を直流電圧に変換し、スイッチＳＷ６ＢおよびＳＷ７Ｂを介してインバータ６Ｂへ出力する。

インバータ６Ａは、コンバータ５Ａから受けた直流電圧を三相交流電圧に変換し、モータＭＡへ出力する。また、インバータ６Ｂは、コンバータ５Ｂから受けた直流電圧を三相交流電圧に変換し、モータＭＢへ出力する。

モータＭＡは、インバータ６Ａから受けた三相交流電圧に基づいて回転する。また、モータＭＢは、インバータ６Ｂから受けた三相交流電圧に基づいて回転する。

図６（ａ）は、交流区間において発生する電流を示す変圧器の窓部の断面図である。図６（ｂ）は、交流区間において鉄心内に発生する漏れ磁束を示すグラフ図である。図６（ｂ）において、縦軸が漏れ磁束Ｆの大きさを示している。

変圧器５１では、低圧側コイル４Ａおよび４Ｂが高圧側コイル１３の両側に配置される。また、高圧側コイル１３は、別個の高圧側コイル１３Ａおよび１３Ｂを含む。このような構成により、低圧側コイル４Ａおよび４Ｂが磁気的に疎結合な状態にすることができる。

すなわち、図６（ｂ）に示すように低圧側コイル４Ａおよび４Ｂにそれぞれ発生する漏れ磁束すなわち短絡インピーダンス同士が重なっていないことから、低圧側コイル４Ａおよび４Ｂの磁気的干渉を低減することができるため、変圧器５１の出力を安定させることができる。

次に、直流区間における本発明の実施の形態に係る変圧装置の動作について説明する。まず、本発明の実施の形態に係る交流／直流電車がスイッチＳＷ３を備えないと仮定した場合について説明する。

図７は、本発明の実施の形態に係る交流／直流電車がスイッチＳＷ３を備えないと仮定した場合の、直流区間における各スイッチ設定を示す図である。

図７を参照して、直流区間においては、スイッチＳＷ１がオフし、スイッチＳＷ２ＡおよびＳＷ２Ｂがオンし、スイッチＳＷ４ＡおよびＳＷ４Ｂがオフする。また、スイッチＳＷ５ＡおよびＳＷ５Ｂの第１端子および第３端子がそれぞれ接続される。また、スイッチＳＷ６Ａ、ＳＷ６Ｂ、ＳＷ７ＡおよびＳＷ７Ｂの第２端子および第３端子がそれぞれ接続される。

図８は、直流区間において発生する電流および磁束を示す変圧器の断面図である。
図７および図８を参照して、まず、架線１からパンタグラフ２へ直流電圧が供給される。架線１から供給される直流電圧は、パンタグラフ２およびスイッチＳＷ２ＡおよびＳＷ２Ｂを介して低圧側コイル４Ａおよび４Ｂにそれぞれ印加される。そうすると、低圧側コイル４Ａを通して直流電流ＩＬＡが流れ、この直流電流ＩＬＡにより、鉄心１４内に主磁束ＦＬＡが発生する。また、低圧側コイル４Ｂを通して直流電流ＩＬＢが流れ、この直流電流ＩＬＢにより、鉄心１４内に主磁束ＦＬＢが発生する。

ここで、スイッチＳＷ２Ａの第２端は低圧側コイル４Ａの第１端に接続されており、スイッチＳＷ２Ｂの第２端は低圧側コイル４Ｂの第２端に接続されている。これにより、スイッチＳＷ２Ａを介して電圧が供給された場合に低圧側コイル４Ａを通して流れる電流ＩＬＡの向きと、スイッチＳＷ２Ｂを介して電圧が供給された場合に低圧側コイル４Ｂを通して流れる電流ＩＬＢの向きとが逆になる。すなわち、低圧側コイル４Ａを通して流れる電流ＩＬＡによって発生する磁束ＦＬＡと、低圧側コイル４Ｂを通して流れる電流ＩＬＢによって発生する磁束ＦＬＢとが打ち消し合う。このような構成により、鉄心１４が磁気飽和することを防ぐことができるため、漏れ磁束を低減することができる。

図９は、直流区間において架線から供給される直流電圧により低圧側コイルを通して流れる電流の向きを模式的に示す図である。図９は、低圧側コイル４Ａおよび４Ｂの巻き方向が同じ場合を示している。

図１０は、直流区間において架線から供給される直流電圧により低圧側コイルを通して流れる電流の向きを模式的に示す図である。図１０は、低圧側コイル４Ａおよび４Ｂの巻き方向が逆の場合を示している。

図９および図１０のいずれの場合であっても、低圧側コイル４Ａおよび４Ｂは、架線１からスイッチＳＷ２Ａを介して電圧が供給された場合に低圧側コイル４Ａを通して流れる電流ＩＬＡによって発生する磁束と、架線１からスイッチＳＷ２Ｂを介して電圧が供給された場合に低圧側コイル４Ｂを通して流れる電流ＩＬＢによって発生する磁束とが打ち消し合うように設けられている。

次に、低圧側コイル４Ａに印加された直流電圧は、スイッチＳＷ５ＡおよびＳＷ６Ａを介してインバータ６Ａに供給される。また、低圧側コイル４Ｂに印加された直流電圧は、スイッチＳＷ５ＢおよびＳＷ６Ｂを介してインバータ６Ｂに供給される。

インバータ６Ａは、低圧側コイル４Ａから受けた直流電圧を三相交流電圧に変換し、モータＭＡへ出力する。また、インバータ６Ｂは、低圧側コイル４Ｂから受けた直流電圧を三相交流電圧に変換し、モータＭＢへ出力する。

モータＭＡは、インバータ６Ａから受けた三相交流電圧に基づいて回転する。また、モータＭＢは、インバータ６Ｂから受けた三相交流電圧に基づいて回転する。

図１１（ａ）は、直流区間において発生する電流および磁束を示す変圧器の窓部の断面図である。図１１（ｂ）は、直流区間において鉄心内に発生する漏れ磁束を示すグラフ図である。図１１（ｂ）において、縦軸が漏れ磁束Ｆの大きさを示している。

低圧側コイル４Ａおよび４Ｂを通して直流電流が流れる場合には、発生する主磁束ＦＬＡおよびＦＬＢに変化がないため、インダクタンスは発生しない。しかしながら、低圧側コイル４Ａおよび４Ｂを通して流れる直流電流に脈流成分すなわち交流成分が含まれている場合には、図１１（ｂ）に示すような漏れ磁束Ｆが鉄心１４内に発生することにより、インダクタンスを得ることができる。すなわち、低圧側コイル４Ａおよび４Ｂを通して流れる直流電流に含まれる交流成分を減衰させることができる。また、変圧装置１０１がインバータとして動作する、すなわち直流電力から三相交流電力を生成するときに発生する高調波成分を減衰させることができる。

しかしながら、図７に示す変圧装置は、スイッチＳＷ３を備えない構成であることから、並列接続された高圧側コイル１３Ａおよび１３Ｂを含む閉回路が形成されている。そうすると、図１１（ａ）に示すように、低圧側コイル４Ａを通して流れる電流の交流成分によって発生する漏れ磁束ＦＬＬＫＡにより、高圧側コイル１３Ａを通して電流ＩＨＬＫＡが流れる。また、低圧側コイル４Ｂを通して流れる電流の交流成分によって発生する漏れ磁束ＦＬＬＫＢにより、高圧側コイル１３Ｂを通して電流ＩＨＬＫＢが流れる。

そして、これらの電流ＩＨＬＫＡおよびＩＨＬＫＢによってそれぞれ漏れ磁束ＦＨＬＫＡおよびＦＨＬＫＢが発生する。そして、これらの漏れ磁束ＦＨＬＫＡおよびＦＨＬＫＢにより、漏れ磁束ＦＬＬＫＡおよびＦＬＬＫＢがそれぞれ打ち消されるため、低圧側コイル４Ａおよび４Ｂにおけるインダクタンスが低下してしまう。

そこで、本発明の実施の形態に係る変圧装置では、スイッチＳＷ３を備える構成により、上記のような問題点を解決する。

図１２は、本発明の実施の形態に係る交流／直流電車の直流区間における各スイッチ設定を示す図である。

図１３は、直流区間において発生する電流および磁束を示す変圧器の断面図である。図１４（ａ）は、直流区間において発生する電流および磁束を示す変圧器の窓部の断面図である。図１４（ｂ）は、直流区間において鉄心内に発生する漏れ磁束を示すグラフ図である。図１４（ｂ）において、縦軸が漏れ磁束Ｆの大きさを示している。

図１２〜図１４を参照して、直流区間においては、スイッチＳＷ３がオフする。これにより、高圧側コイル１３Ａおよび１３Ｂの並列接続が解除され、高圧側コイル１３Ａおよび高圧側コイル１３Ｂを含む閉回路が形成されなくなる。そうすると、低圧側コイル４Ａおよび４Ｂに発生する漏れ磁束ＦＬＬＫＡおよびＦＬＬＫＢに起因して、高圧側コイル１３Ａおよび１３Ｂを通して電流ＩＨＬＫＡおよびＩＨＬＫＢが流れることを防ぐことができる。すなわち、高圧側コイル１３Ａおよび１３Ｂに漏れ磁束ＦＨＬＫＡおよびＦＨＬＫＢが発生することを防ぐことができるため、漏れ磁束ＦＬＬＫＡおよびＦＬＬＫＢが打ち消されることを防ぐことができ、低圧側コイル４Ａおよび４Ｂにおいて大きいインダクタンスを得ることができる。

図１５は、インダクタンスの電流依存性を示すグラフ図である。
グラフＧ１は、鉄心において磁気飽和が生じた場合を示している。グラフＧ１では、低圧側コイル４Ａおよび４Ｂを通して流れる電流の変化に応じてインダクタンスが変化してしまっている。

変圧器５１では、低圧側コイル４Ａおよび４Ｂを通して流れる電流の脈流成分すなわち交流電流により磁束を発生させる。このような構成により、低圧側コイル４Ａおよび４Ｂを通して流れる直流電流の変化に対して発生磁束が変化しないため、グラフＧ２で示すような電流依存性の安定したインダクタンスを得ることができる。

ところで、交流／直流電車では、変圧器等の交流区間用装置およびリアクトル装置等の直流区間用装置の両方が必要となるが、これら両装置を車体の床下等の限られたスペースにぎ装することが困難な場合がある。

しかしながら、本発明の実施の形態に係る変圧装置では、交流区間用の変圧器に数個のスイッチを追加することにより、低圧側コイルをＤＣリアクタとして流用することができるため、リアクトル装置を変圧器とは別に単体で配置する必要がなく、小型化を図ることができる。さらに、本発明の実施の形態に係る変圧装置では、低圧側コイル４Ａおよび低圧側コイル４Ｂは、架線１からスイッチＳＷ２Ａを介して電圧が供給された場合に低圧側コイル４Ａを通して流れる電流によって発生する磁束と、架線１からスイッチＳＷ２Ｂを介して電圧が供給された場合に低圧側コイル４Ｂを通して流れる電流によって発生する磁束とが打ち消し合うように設けられている。このような構成により、直流区間において鉄心１４が磁気飽和することを防ぐことができるため、安定した出力を得ることができる。そして、交流／直流電車の車両内への漏れ磁束を低減するための対策が不要となることにより、交流／直流電車の軽量化および低コスト化を図ることができる。

したがって、本発明の実施の形態に係る変圧装置では、交流／直流電車において、交流区間では交流区間用装置である変圧器として動作し、かつ直流区間では直流区間用装置であるリアクトルとして動作することにより、車体のぎ装スペースを縮小することができる。また、直流区間および交流区間の両方において安定した出力を得ることができる。

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て請求の範囲によって示され、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。

Claims (6)

1. 第１の高圧側コイル（３）と、
   前記第１の高圧側コイル（３）と磁気結合された第１の低圧側コイル（４Ａ）と、
   前記第１の高圧側コイル（３）と磁気結合された第２の低圧側コイル（４Ｂ）と、
   外部から供給される電圧を前記第１の低圧側コイル（４Ａ）および前記第２の低圧側コイル（４Ｂ）に供給するか前記第１の高圧側コイル（３）に供給するかを切り替える第１のスイッチ（ＳＷ１，ＳＷ２Ａ，ＳＷ２Ｂ）とを備え、
   前記第１の低圧側コイル（４Ａ）および前記第２の低圧側コイル（４Ｂ）は、前記第１のスイッチ（ＳＷ１，ＳＷ２Ａ，ＳＷ２Ｂ）を介して電圧が供給された場合に前記第１の低圧側コイル（４Ａ）を通して流れる電流によって発生する磁束と前記第２の低圧側コイル（４Ｂ）を通して流れる電流によって発生する磁束とが打ち消し合うように設けられている変圧装置。
2. 前記第１の高圧側コイル（３）は、
   前記第１の低圧側コイル（４Ａ）と前記第２の低圧側コイル（４Ｂ）との間であって前記第１の低圧側コイル（４Ａ）に対向する位置に設けられ、前記第１の低圧側コイル（４Ａ）と磁気結合された第２の高圧側コイル（１３Ａ）と、
   前記第２の高圧側コイル（１３Ａ）と並列に接続され、前記第１の低圧側コイル（４Ａ）と前記第２の低圧側コイル（４Ｂ）との間であって前記第２の低圧側コイル（４Ｂ）に対向する位置に設けられ、前記第２の低圧側コイル（４Ｂ）と磁気結合された第３の高圧側コイル（１３Ｂ）とを含む請求の範囲第１項に記載の変圧装置。
3. 前記変圧装置（１０１）は、さらに、
   前記第２の高圧側コイル（１３Ａ）と前記第３の高圧側コイル（１３Ｂ）との間に接続された第２のスイッチ（ＳＷ３）を備える請求の範囲第２項に記載の変圧装置。
4. 前記変圧装置（１０１）は、さらに、
   第１側面と、前記第１側面に対向する第２側面と、前記第１側面から前記第２側面へ貫通する２個の窓部（Ｗ１，Ｗ２）とを有する鉄心（１４）を備え、
   前記第１の高圧側コイル（３）、前記第１の低圧側コイル（４Ａ）および前記第２の低圧側コイル（４Ｂ）は、前記２個の窓部（Ｗ１，Ｗ２）を通るように設けられている請求の範囲第１項に記載の変圧装置。
5. 前記変圧装置（１０１）は、さらに、
   前記第１の低圧側コイル（４Ａ）に現れた交流電圧を直流電圧に変換する第１のコンバータ（５Ａ）と、
   前記第２の低圧側コイル（４Ｂ）に現れた交流電圧を直流電圧に変換する第２のコンバータ（５Ｂ）と、
   前記第１の低圧側コイル（４Ａ）と前記第１のコンバータ（５Ａ）との接続および非接続を切り替える第３のスイッチ（ＳＷ４Ａ，ＳＷ５Ａ）と、
   前記第２の低圧側コイル（４Ｂ）と前記第２のコンバータ（５Ｂ）との接続および非接続を切り替える第４のスイッチ（ＳＷ４Ｂ，ＳＷ５Ｂ）とを備える請求の範囲第１項に記載の変圧装置。
6. 前記変圧装置（１０１）は、さらに、
   受けた直流電圧を交流電圧に変換する第１のインバータ（６Ａ）と、
   受けた直流電圧を交流電圧に変換する第２のインバータ（６Ｂ）とを備え、
   前記第３のスイッチ（ＳＷ４Ａ，ＳＷ５Ａ）は、前記第１の低圧側コイル（４Ａ）と前記第１のコンバータ（５Ａ）とを接続するか前記第１の低圧側コイル（４Ａ）と前記第１のインバータ（６Ａ）とを接続するかを切り替え、
   前記第４のスイッチ（ＳＷ４Ｂ，ＳＷ５Ｂ）は、前記第２の低圧側コイル（４Ｂ）と前記第２のコンバータ（５Ｂ）とを接続するか前記第２の低圧側コイル（４Ｂ）と前記第２のインバータ（６Ｂ）とを接続するかを切り替える請求の範囲第５項に記載の変圧装置。

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