(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力変換回路を構成する複数の半導体素子と、
前記半導体素子へゲート信号を供給するゲート制御回路と、
前記電力変換回路の直流端子に接続されて直流電流を平滑するフィルタコンデンサが前記電力変換回路と共通の筐体内に収容され、前記フィルタコンデンサと前記半導体素子とが互いに固定された一体構造である電力変換装置と、前記電力変換装置に取り付けられる別置きコンデンサユニットと、を備えた鉄道車両用電力変換装置において、
前記別置きコンデンサユニットが、前記フィルタコンデンサとは異なる別置きのフィルタコンデンサと、前記電力変換装置の前記フィルタコンデンサと接続するために１００ｎＨ以上のインピ−ダンスを持たせたケーブルと、で構成されることを特徴とする鉄道車両用電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，直流電源からの直流電源電圧を交流に変換し交流電動機を駆動することによって鉄道車両を加減速する鉄道車両用電力変換装置に関連し、前記の直流電源電圧に含まれるリプル電圧によって前記鉄道車両用電力変換装置に流れ込む電流および鉄道車両自身によって発生され前記直流電源を含む電源系統に流出するリプル電流を抑制することで、鉄道車両用電力変換装置が、鉄道車両の存在を判定する軌道回路、または鉄路の近傍に敷設される信号機器や通信機器に与える妨害電流を抑制し、鉄道システムの信頼性を確保する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
直流電源と鉄道車両との関係の一例を、図３を用いて説明する。三相交流３１を整流器３２によって直流に変換し、この電圧を配線３３および配線３６によって、架線３４およびレール３５間に印加する。電車（車両）２０は、架線３４およびレール３５間に印加された直流電圧を集電装置２１および車輪２３を介して受電し、車両２０を駆動するための電力や車内電源をえる。通常、整流器３２の出力は、整流に伴い三相交流電源３１の電源周波数の６倍のリプル成分が含まれる。
【０００３】
このほか、整流器３２を構成する図示していない半導体やリアクトルなどの相関のアンバランスにより三相交流３１の基本波すなわち商用周波数成分が含まれる。ここで、商用周波数とは一般に用いられる電源周波数のことであり、日本の場合、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ、欧州の場合は５０Ｈｚ、米国の場合６０Ｈｚである。
【０００４】
次に、鉄道車両用電力変換装置の一構成例を図４を用いて説明する。図４の鉄道車両用電力変換装置１は、複数の半導体から構成され、集電装置２１からの直流を交流に変換して交流電動機２２を駆動するインバータ１３と、フィルタリアクトル１１およびフィルタコンデンサ１２からなりインバータ１３のスイッチングに伴う高周波成分が電源系統に流出することを防ぐとともに、入力直流電源に含まれる脈動成分を吸収し、インバータに安定した直流電圧を供給するフィルタ回路からなる。
【０００５】
一方、地上側には特定の区間における列車の有無を判定する軌道回路がインストールされている。軌道回路の基本的な動作原理について、軌道回路の等価回路を示す図５を用いて説明する。
【０００６】
電源５１を用いてレール５２１、５２２の一端から左右の線路に電圧を印加し、他端でレール５２１−５２２間の電圧を測定し、車両検出器５３によってレール５２１、５２２からなる区間の列車の有無を検出する。該当区間に列車が存在しない場合(図５（Ａ）)、検出端の車両器５３には略電源電圧と同じレベルの電圧が現れる。当該区間に列車が存在する場合（図５（Ｂ））は、列車の車輪６１、６２および輪軸６３によって左右の線路５２１、５２２が短絡されるので、検出端の車両検出器５３には電圧は現れない。
【０００７】
このような現象に基づき、車両検出器５３は検出端に電圧があらかじめ定められた閾値以上であれば列車は存在しないと判断し、閾値以下ならば列車は存在していると判断する。この時、車両検出器５３では、フィルタ回路によって電源５１の周波数成分のみ検出し、車両の有無を判断することで、軌道回路の信頼性、対ノイズ性を向上している。
【０００８】
さらに、軌道回路では、車両検出器５３に基づき、信号機の制御や列車位置を検出しており、軌道回路は鉄道の安全性を確保する上で非常に重要な装置である。軌道回路の電源としては、電源の構成が容易であったことから、交流電源によって列車に電力を供給するき電区間では直流電源が、直流電源によって列車に電力を供給する直流き電区間では商用交流電源が、これまで用いられることが多かった。最近では、電力変換技術、信号増幅技術の発達により、より高周波の交流電源や変調を掛けた信号を利用するようになっている。
【０００９】
ところで、直流き電区間において、図３に示した直流電源を得るための三相交流も商用周波数であることから、架線電圧にも前記リップルの存在などに起因する軌道回路が使用する周波数も含まれることになる。このため、電力変換装置の商用周波数に対する入力インピーダンスが十分に高くないと直流電圧に含まれる商用周波数と脈動成分により、軌道回路が使用している周波数と同じ成分がレールに流れることになり、列車検出器５３が誤動作してしまう可能性がある。
【００１０】
すなわち図５（Ｃ）に示すように、図４に示す鉄道用電力変換装置１を用いた場合、鉄道用電力変換装置１が軌道回路に及ぼすノイズ成分を等価的に表したノイズ源６４からの高周波成分が妨害電源５５として、車軸６３→車輪６１→レール５２１→車両検出器５３→レール５２２→車輪６２→車軸６３と流れ、車両の存在を正確に検出することができなくなる。
【００１１】
このため、電力変換装置の商用周波数に対する入力インピーダンスを十分に高くする必要がある。これを実現する手段方法としては、図４に示したフィルタリアクトル１１のリアクタンスを大きくする方法が挙げられる。
【００１２】
しかしながら、このリアクタンスを大きくして前記インピーダンスを確保することは、ぎ装スペース、重量の観点から適当な手段とはいえない。そこでフィルタコンデンサ１２を大きくすることによってフィルタリアクトル１１とからなるＬＣフィルタ回路のインピーダンスを増加させる試みがなされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００６−６００２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、上記構成を用いた試みには問題点があった。フィルタコンデンサ１２はＬＣフィルタ回路のフィルタの役割のほかに直流電力から交流電力を作り出す３相インバータの平滑用コンデンサとしての役割がある。そのため、フィルタコンデンサの容量を大きくすることは、電力変換装置のスイッチング時の電力の出入りに影響を与えインバータ特性に影響を与えてしまう。
【００１５】
本発明は、フィルタリアクトルを大きくすることなくフィルタコンデンサを増加することによりフィルタ回路のインピーダンスを増大することができ、インバータの特性に影響を与えない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】
【００１６】
上記問題を解決する為に、本発明の鉄道車両用電力変換装置は、電力変換回路を構成する複数の半導体素子と、前記半導体素子へゲート信号を供給するゲート制御回路と、前記電力変換回路の直流端子に接続されて直流電流を平滑するフィルタコンデンサが前記電力変換回路と共通の筐体内に収容され、前記フィルタコンデンサと前記半導体素子とが互いに固定された一体構造である電力変換装置と、前記電力変換装置に取り付けられる別置きコンデンサユニットと、を備えた鉄道車両用電力変換装置において、前記別置きコンデンサユニットが、前記フィルタコンデンサとは異なる別置きのフィルタコンデンサと、前記電力変換装置の前記フィルタコンデンサと接続するために１００ｎＨ以上のインピ−ダンスを持たせたケーブルと、で構成される。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、フィルタリアクトルを大きくしなくても、入力インピーダンスを大きくすることができる。また、別置きコンデンサと電力変換装置のフィルタコンデンサとの接続を１００ｎＨ以上のインピーダンスにすることにより、インバータ制御に影響を与えないようにできる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は電力変換装置に別置きコンデンサユニットの構成を説明する図である。
【図２】図２はフィルタコンデンサ一体型の電力変換装置を説明する図である。
【図３】図３は鉄道車両用電源システムと電車との関係を説明する図である。
【図４】図４は従来の鉄道車両用電力変換装置の構成を説明する図である。
【図５】図５は電車の軌道回路との関係を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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。
【実施例】
【００２１】
図１に本発明が実施する別置きコンデンサユニット１４付きの電力変換装置を示す。図２にフィルタコンデンサ一体型の電力変換装置を示す。
【００２２】
まず、図２を用いて本実施例の電力変換装置の主回路構成を説明する。図２は電力変換装置の主回路構成を示す回路結線図である。
【００２３】
図２の主回路は、直流端子Ｐ、Ｎ間に接続されるフィルタコンデンサ１２と、３相のインバータ１３によって構成されている。３相のインバータ１３は、入力された直流を任意周波数・任意電圧の３相交流に変換し、交流端子Ｕ、Ｖ、Ｗに３相交流を出力するものである。
【００２４】
３相のインバータ１３の６つの半導体素子（ＰＵ、ＮＵ、ＰＶ、ＮＶ、ＰＷ、ＮＷ）は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor:絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）２で構成されている。各相のＩＧＢＴ２は、素子と素子に並列接続されたフリーホイールダイオードとからなっている。本明細書で説明する構造例では各半導体素子（ＰＵ、ＮＵ、ＰＶ、ＮＶ、ＰＷ、ＮＷ）はＩＧＢＴ２で総称する。
【００２５】
上述の電力変換装置の特徴は、フィルタコンデンサとパワーユニットを一体化した構成にする事により、電力変換装置内の配線長、フィルタコンデンサ容量や主回路インピーダンスを一定にしてインバータ制御を安定化することが可能となる。
【００２６】
上述の電力変換装置を用い、図１に示す別置きコンデンサユニット１４を取り付ける。別置きコンデンサユニット１４はフィルタコンデンサ１４１と電力変換装置のフィルタコンデンサ１２とを接続するために１００ｎＨ（ナノヘンリ）以上のインピ−ダンスを持たせたＬ（ケーブル）１４２で構成されたユニットになっている。
【００２７】
上記の別置きコンデンサユニット１４を用いることによりＬＣ回路で構成される共振点を変えフィルタ回路のインピーダンスの増加を行い、フィルタリアクトルを大きくしなくても、入力インピーダンスを大きくすることができる。また、別置きコンデンサユニットと電力変換装置のフィルタコンデンサとの接続を１００ｎＨ以上のインピーダンスにすることにより、インバータ制御に影響を与えない構成とすることができる。
【符号の説明】
【００２８】
１  電力変換装置
２  ＩＧＢＴ
１１  フィルタリアクトル
１２  フィルタコンデンサ
１３  インバータ
１４  別置きコンデンサユニット
２０  車両
２１  集電装置
２２  交流電動機
２３  車輪
３１  交流三相電源
３２  整流装置
３３，３６  電線
４４  架線
４５  レール
５１  軌道回路用電源
５３  車両検出器
５４  軌道回路電流
５５  妨害電源
６１，６２  車輪
６３  車軸
６４  高周波電源
１４１  別置きフィルタコンデンサ
１４２  インピーダンスを持たせたＬ（ケーブル）
５２１，５２２  レール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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