TOP特許意匠商標
特許ウォッチ DM通知 Twitter
公開番号2020171156
公報種別公開特許公報(A)
公開日20201015
出願番号2019071791
出願日20190404
発明の名称電力変換装置、鉄道車両、および鉄道車両の生産方法
出願人株式会社日立製作所
代理人特許業務法人第一国際特許事務所
主分類B60L 9/18 20060101AFI20200918BHJP(車両一般)
要約【課題】本発明は、小型化に適した電力変換装置の構成を提供することを目的とする。
【解決手段】上記課題を解決するために、代表的な本発明の電力変換装置の一つは、入力される交流電流を流す一次巻線と、複数の二次巻線とを有する変圧器と、前記変圧器の二次巻線それぞれに接続されて交流-直流電力変換を行う複数のコンバータと、複数の前記コンバータの直流出力を直列接続して直流電圧を出力する接続回路と、前記接続回路により生成された前記直流電圧を直流-交流電力変換し、交流電力を出力するインバータとを備える。なお、接続回路からコンバータの複数の直列段数に応じた複数の直流電圧を出力し、インバータを複数の前記直流電圧をそれぞれ直流-交流電力変換する複数のインバータとすることにより、複数系統の交流電力を出力してもよい。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項1】
入力される交流電流を流す一次巻線と、複数の二次巻線とを有する変圧器と、
前記変圧器の二次巻線それぞれに接続され、交流−直流電力変換を行う複数のコンバータと、
複数の前記コンバータの直流出力を直列接続して、直流電圧を出力する接続回路と、
前記接続回路により生成された前記直流電圧を直流−交流電力変換し、交流電力を出力するインバータと、
を備えたことを特徴とする電力変換装置。
続きを表示(約 1,300 文字)【請求項2】
請求項1に記載の電力変換装置において、
前記接続回路は、前記コンバータの複数の直列段数に応じて複数の前記直流電圧を出力し、
前記インバータは、複数の前記直流電圧をそれぞれ直流−交流電力変換する複数のインバータであり、
複数の前記インバータによって、複数系統の交流電力を出力する
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項3】
請求項1に記載の電力変換装置において、
複数の前記コンバータの一つと、前記二次巻線の一つを共有し、交流−直流電力変換を行う補助コンバータと、
前記補助コンバータが出力する直流電力を直流−交流電力変換し、補助系統の交流電力を出力する補助インバータと、
を備えたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項4】
請求項1〜3のいずれか1項に記載の電力変換装置において、
前記接続回路は、複数の前記コンバータの直列接続の中間接続点を電気的なグラウンドに接続する
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項5】
請求項1〜4のいずれか1項に記載の電力変換装置において、
複数の前記コンバータは2レベル回路または3レベル回路である
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項6】
請求項1〜5のいずれか1項に記載の電力変換装置において、
複数の前記コンバータは、スイッチングのキャリア波形の位相が異なる
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項7】
請求項1〜6のいずれか1項に記載の電力変換装置において、
直列接続される複数の前記コンバータの一部は、直流出力に備えるキャパシタのキャパシタンスが異なる
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項8】
請求項1〜7のいずれか1項に記載の電力変換装置において、
前記インバータは2レベル回路または3レベル回路である
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項9】
請求項1〜8のいずれか1項に記載の電力変換装置において、
前記電力変換装置に搭載されるスイッチング素子は、シリコン又はシリコンより大きいバンドギャップを有する半導体材料を母材とする
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項10】
請求項1〜9のいずれか1項に記載の電力変換装置において、
前記電力変換装置に搭載されるスイッチング素子はMOSFET又はIGBTの電圧駆動型素子である
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項11】
請求項1〜10のいずれか1項に記載された電力変換装置と、
前記電力変換装置が変換出力する交流電力を動力源とする推進機構と、
を備えたことを特徴とする鉄道車両。
【請求項12】
請求項11に記載の鉄道車両の生産方法であって、
前記変圧器と複数の前記コンバータとを一体接続した状態で、前記鉄道車両に設置する
ことを特徴とする鉄道車両の生産方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、電力変換装置、鉄道車両、および鉄道車両の生産方法に関する。
続きを表示(約 6,700 文字)【背景技術】
【0002】
新幹線などの車両には、交流架線から電力供給を受けるため、電力変換装置などの電機品が設けられる。
【0003】
この電力変換装置は、車両推進用の電動機に電力供給するための主電力変換装置と、車両内のコンプレッサーや照明その他に電力供給するための補助電力変換装置との少なくとも二系統を備えて構成される。
【0004】
特許文献1の図1には、『交流架線から受電する変圧器に2つの二次巻線を設け、一方の二次巻線に主電力変換装置を接続し、他方の二次巻線に補助電力変換装置を接続する』旨の構成が開示される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
特開2015−84621号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
近年、車両編成の自由度を向上させるため、車両の標準化が要望される。このような車両の標準化では、車両ごとに電機品を搭載し、電機品の配置をなるべく1種類に共通化することが望ましい。
【0007】
しかしながら、電機品が艤装される車両床下はスペースが限られる。そのため、標準車両の実現には電機品の小型化が重要になる。
【0008】
そこで、本発明は、小型化に適した電力変換装置の構成を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記課題を解決するために、代表的な本発明の電力変換装置の一つは、入力される交流電流を流す一次巻線と、複数の二次巻線とを有する変圧器と、前記変圧器の二次巻線それぞれに接続されて交流−直流電力変換を行う複数のコンバータと、複数の前記コンバータの直流出力を直列接続して直流電圧を出力する接続回路と、前記接続回路により生成された前記直流電圧を直流−交流電力変換し、交流電力を出力するインバータとを備える。
【発明の効果】
【0010】
本発明は、小型化に適した電力変換装置の構成を提供する。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
図1は、実施例1における鉄道車両の概略構成を示す図である。
図2は、実施例1における電力変換装置のシステム構成を示す図である。
図3は、コンバータ71a〜71dに共通する回路構成を示す図である。
図4は、補助インバータ81の回路構成を示す図である。
図5は、実施例2における電力変換装置のシステム構成を示す図である。
図6は、実施例3における電力変換装置のシステム構成を示す図である。
図7は、実施例4における電力変換装置のシステム構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。
【実施例】
【0013】
図1は、実施例1における鉄道車両の概略構成を示す図である。
【0014】
同図において、車両10の電力系統は、変電所において交流電圧が印加される架線20と、架線20から集電する集電装置30と、集電装置30から入力される交流電流を一次側に流す変圧器40と、変圧器40を流れた交流電流を変電所に返すレール50と、変圧器40で変圧された交流電力を電力変換して電動機60を駆動する主電力変換装置70と、変圧器40で変圧された交流電力を電力変換して車両内に補助電源として供給する補助電力変換装置80とから構成される。
【0015】
これらの変圧器40、主電力変換装置70および補助電力変換装置80を備えた電力変換装置のシステムは、車両10の床下に艤装される。さらに、車両10は、車輪11を軸支する台車10Aと、車輪11を回転駆動する推進機構である電動機60を備える。
【0016】
図2は、実施例1における電力変換装置のシステム構成を示す図である。
同図において、電力変換装置は、変圧器40、主電力変換装置70、および補助電力変換装置80を備える。
【0017】
変圧器40は、架線20(集電装置30)とレール50との間に接続される一次巻線40zと、一次巻線40zにかかる高圧電圧をそれぞれ降圧する4つの二次巻線40a〜40dとを備える。
主電力変換装置70は、主コンバータ71、接続回路72、および主インバータ73を備える。
【0018】
主コンバータ71は、4つの二次巻線40a〜40dそれぞれに接続され、交流−直流電力変換を行うコンバータ71a〜71dを備える。ここで、変圧器40と複数のコンバータ71a〜71dとは互いに接近させて一体接続された状態で、車両10の床下に設置される。
【0019】
接続回路72は、複数のコンバータ71a〜71dの直流出力の端子を電圧加算する方向に直列接続する。この直列接続の中間接続点Cは車両筐体のグラウンド電位GNDに接続される。この中間接続点Cにグラウンド電位GNDを与えることにより、接続回路72は車両筐体に対して正負対称な直流電圧を出力する。
【0020】
主インバータ73は、コンバータ71a〜71dの4段分の直列電圧±Vmを直流−交流電力変換する。主インバータ73が電力変換した三相交流電力は電動機60を駆動する。駆動する電動機60の台数は複数でもよい。
【0021】
一方、補助電力変換装置80は、補助インバータ81、およびフィルタ装置82を備える。
補助インバータ81は、コンバータ71b〜71cの2段分の直列電圧±Vaを直流−交流電力変換し、補助用の三相交流電力として出力する。
【0022】
フィルタ装置82は、補助インバータ81が出力する三相交流から高調波成分を低減する。フィルタ装置82で歪み低減された三相交流電力は、車両10内のコンプレッサーや照明その他の負荷90を駆動する。
【0023】
なお、主コンバータ71および補助電力変換装置80が動作を開始するための制御電圧は電池等(不図示)から供給される。
【0024】
図3は、コンバータ71a〜71dに共通する回路構成を示す図である。
同図において、スイッチング素子Q1、Q2は直列接続されてU相を構成する。スイッチング素子Q3、Q4は直列接続されてV相を構成する。
【0025】
スイッチング素子Q1、Q2の接続点と、スイッチング素子Q3、Q4の接続点とには、交流入力の端子が設けられる。
【0026】
スイッチング素子Q1、Q3の接続点と、スイッチング素子Q2、Q4の接続点とには、直流出力の端子が設けられる。直流出力の端子には、キャパシタC1が接続される。
【0027】
なお、コンバータ71b,71cには、補助系統への電流がさらに流れる分だけリップル変動がコンバータ71a,71dよりも大きくなる。そこで、コンバータ71b,71cについては、補助系統へ流れる電流を補う分だけ、コンバータ71a,71dよりもキャパシタC1のキャパシタンスを大きくする。
【0028】
スイッチング素子Q1〜Q4それぞれに対し、ダイオードD1〜D4が逆並列接続される。なお、スイッチング素子Q1〜Q4がIGBTの場合にはダイオードD1〜D4が必要になるが、スイッチング素子Q1〜Q4がMOSFETの場合はダイオードD1〜D4を接続せずにMOSFETのボディダイオードを使用してもよい。
【0029】
スイッチング素子Q1〜Q4はMOSFETやIGBTなどの電圧制御型のスイッチング素子や、サイリスタなどの電流制御型のスイッチング素子である。ダイオードD1〜D4はPNダイオードやショットキーバリアダイオードなどである。また、スイッチング素子Q1〜Q4およびダイオードD1〜D4の半導体材料の母材はSi(シリコン)に限らず、Siよりもバンドギャップが広いSiC(炭化ケイ素)やGaN(窒化ガリウム)などを用いることで、損失を低減して小型化する。
【0030】
スイッチング素子Q1〜Q4の電圧定格には、コンバータ71a〜71dの直流側電圧の2倍程度の余裕を与える。図2においてコンバータ71a〜71dの各直流電圧が750Vの場合、スイッチング素子Q1〜Q4の電圧定格は1700V程度となる。
【0031】
スイッチング素子Q1〜Q4は、論理部(不図示)により公知のPWM(Pulse Width Modulation)制御が行われることで、交流電力を直流電力に変換する。
【0032】
そのPWM制御に起因して、架線20に高調波電流が漏れる。この高調波電流は、架線20を介して外部機器まで流れる恐れがある。そこで、コンバータ71a〜71dそれぞれのPWM制御において、スイッチングのキャリア波形に位相差を設ける。この位相差により、スイッチング周波数を高くすることなく、架線20に生じる高調波電流は相殺ないし低減される。
【0033】
なお、図3のコンバータ71a〜71dは2レベルの回路構成を一例として挙げたが、架線20の高調波を低減できる公知の3レベルの回路構成でもよい。
【0034】
図4は、補助インバータ81の回路構成を示す図である。
同図において、スイッチング素子Q5、Q6は、直列接続されて、U相を構成する。
スイッチング素子Q7、Q8は、直列接続されて、V相を構成する。
スイッチング素子Q9、Q10は、直列接続されて、W相を構成する。
【0035】
スイッチング素子Q5、Q7、Q9の接続点と、スイッチング素子Q6、Q8、Q10の接続点とには、直流入力の端子が設けられる。直流入力の端子には、キャパシタC2が接続される。
【0036】
スイッチング素子Q5、Q6の接続点には、三相交流のU相の出力端子が設けられる。
スイッチング素子Q7、Q8の接続点には、三相交流のV相の出力端子が設けられる。
スイッチング素子Q9、Q10の接続点には、三相交流のW相の出力端子が設けられる。
【0037】
これらのスイッチング素子Q5〜Q10それぞれには、ダイオードD5〜D10が逆並列接続される。
なお、スイッチング素子Q5〜Q10がIGBTの場合にはダイオードD5〜D10を接続する必要があるが、スイッチング素子Q5〜Q10がMOSFETの場合はダイオードD5〜D10を接続せずにMOSFETのボディダイオードを使用してもよい。
【0038】
スイッチング素子Q5〜Q10は、論理部(不図示)によりPWM(Pulse Width Modulation)制御されることで、直流電力を三相交流の電力に変換する。
【0039】
スイッチング素子Q5〜Q10はMOSFETやIGBTなどの電圧制御型のスイッチング素子や、サイリスタなどの電流制御型のスイッチング素子である。ダイオードD5〜D10はPNダイオードやショットキーバリアダイオードなどである。また、スイッチング素子Q5〜Q10およびダイオードD5〜D10の半導体材料の母材はSi(シリコン)に限らず、Siよりもバンドギャップが広いSiC(炭化ケイ素)やGaN(窒化ガリウム)などを用いることで、損失を低減して小型化する。
【0040】
なお、補助インバータ81は一例として2レベルの回路構成を上げたが、交流側の高調波を低減できる公知の3レベルの回路構成でもよい。
【0041】
(実施例1の効果)
上述した実施例1は、次の効果を奏する。
【0042】
(1)実施例1では、接続回路72は、複数のコンバータ71a〜71dの直流出力を直列接続して、直流電圧を出力する。この接続回路72により、複数のコンバータ71a〜71dの直列段数に応じて、多様な種類の直列電圧を一括して生成することが可能になる。
【0043】
(2)実施例1では、接続回路72の直列段数に応じて、電動機60を駆動する主系統の直流電圧±Vm(例えば端子間電圧3000V)と、補助系統の直流電圧±Va(例えば端子間電圧1500V)を一括して生成する。
そのため、主電力変換装置70と補助電力変換装置80とにおいて、変圧器40およびコンバータ71とを共有することが可能になる。
【0044】
したがって、実施例1は、特許文献1(特に図1)と比較すると、補助電力変換装置に専用に設けられていた変圧器の二次巻線やコンバータが不要になり、これら部品の削減分だけ電力変換装置を小型化および軽量化することが可能になる。
【0045】
(3)実施例1では、コンバータ71a〜71dは、4段直列により必要な直流電圧(例えば3000V)を生成する。そのため、個々のコンバータ71a〜71dが分担する直流電圧は1/4程度の低い電圧(3000V/4段=750V)になる。
【0046】
したがって、個々のコンバータ71a〜71dにおいて、スイッチング素子Q1〜Q4やキャパシタC1などに要求される電圧定格が低くなる。その分だけ部品を小型化できるので、コンバータ71a〜71dを小型化および軽量化することが可能になる。
【0047】
(4)実施例1では、接続回路72は、複数のコンバータ71a〜71dの直列接続の中間接続点Cを車両筐体のグラウンド電位GNDに接続する。そのため、接続回路72はグラウンド電位GNDを中心に正負対称の電圧±Vm(例えば±1500V)を生成する。したがって、対地電圧の最大値は端子間電圧(3000V)の半値Vm(1500V)になり、絶縁設計が容易になる。
【0048】
(5)実施例1では、個々のコンバータ71a〜71dにおいて、スイッチングのキャリア波形に位相差を設ける。この位相差により、スイッチングに起因して架線20に漏れる不要電流をコンバータ71a〜71dの間に生じるキャリア波形の位相差により相殺ないし低減することが可能になる。
【0049】
(6)実施例1では、コンバータ71b,71cは、主電力変換装置70および補助電力変換装置80の双方に共用される。一方、コンバータ71a,71dは、主電力変換装置70のみに使用される。そのため、コンバータ71b,71cは共用の分だけ通過する電流が若干大きく、リップル電圧やリップル電流も若干大きくなる。そこで、コンバータ71b,71cでは、コンバータ71a,71dよりもキャパシタC1のキャパシタンスをこの電流の増加分に応じて大きくすることにより、リップル電圧やリップル電流の増加を抑制する。このような回路定数の設定により、コンバータ71b,71cにおける共用の影響を軽減することが可能になる。
【0050】
(7)実施例1では、変圧器40と複数のコンバータ71a〜71dとは一体接続された状態で、車両10の床下に配置される。仮に、変圧器40と複数のコンバータ71a〜71dとの距離を離した場合、コンバータ71a〜71dの数が多い分だけ配線を大量に引き回す必要があり、配線スペースが大きくなる、配線重量が重くなる、などの問題が生じる。そこで、実施例1では、変圧器40と複数のコンバータ71a〜71dとを互いに接近するよう一体接続することにより、両者間の配線の引き回しを少なくし、配線スペースが小さく、かつ、配線重量を軽量化することが可能になる。
(【0051】以降は省略されています)

この特許をJ-PlatPatで参照する

関連特許

株式会社日立製作所
演算装置
株式会社日立製作所
制御装置
株式会社日立製作所
回転電機
株式会社日立製作所
抗菌部材
株式会社日立製作所
永久磁石
株式会社日立製作所
鉄道車両
株式会社日立製作所
制御装置
株式会社日立製作所
制御装置
株式会社日立製作所
制御装置
株式会社日立製作所
診断装置
株式会社日立製作所
ガス遮断器
株式会社日立製作所
ガス遮断器
株式会社日立製作所
汚泥掻寄機
株式会社日立製作所
半導体装置
株式会社日立製作所
ガス遮断器
株式会社日立製作所
半導体装置
株式会社日立製作所
ガス遮断器
株式会社日立製作所
電池パック
株式会社日立製作所
通信中継装置
株式会社日立製作所
状態認識装置
株式会社日立製作所
電力変換装置
株式会社日立製作所
放射線検出器
株式会社日立製作所
電力変換装置
株式会社日立製作所
分析システム
株式会社日立製作所
静止誘導電器
株式会社日立製作所
静止誘導電器
株式会社日立製作所
エレベーター
株式会社日立製作所
運行管理装置
株式会社日立製作所
異常診断装置
株式会社日立製作所
電力変換装置
株式会社日立製作所
風力発電装置
株式会社日立製作所
静止誘導電器
株式会社日立製作所
電力変換装置
株式会社日立製作所
ガス絶縁機器
株式会社日立製作所
データ分類装置
株式会社日立製作所
電池モジュール
続きを見る