(57)【要約】  電力変換装置の構成が複雑化する。  電力変換装置は、一次回路と、二次回路と、変圧器とを備える。一次回路は、直流電力を交流電力に変換して出力する。二次回路は、交流電力を直流電力に変換する。変圧器は、一次回路と二次回路とを電気的に絶縁して、一次回路が出力した交流電力の電圧を変圧して二次回路に出力する。二次回路は、第１コンデンサと、第２コンデンサと、抵抗器と、ダイオードとを有する。第１コンデンサは、交流電力から変換された直流電力のリプル成分を除去する。第２コンデンサは、第１コンデンサよりも静電容量が大きく、第１コンデンサと並列に接続され、交流電力から変換された直流電力によって電力を充電する。抵抗器は、第２コンデンサと直列に接続されている。ダイオードは、第２コンデンサと直列に、かつ、抵抗器と並列に接続され、第２コンデンサに充電された電力を放電する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電力を交流電力に変換して出力する一次回路と、
交流電力を直流電力に変換する二次回路と、
前記一次回路と前記二次回路とを電気的に絶縁して、前記一次回路が出力した前記交流電力の電圧を変圧して前記二次回路に出力する変圧器と、
を備え、
前記二次回路は、
前記交流電力から変換された前記直流電力のリプル成分を除去する第１コンデンサと、
前記第１コンデンサよりも静電容量が大きく、前記第１コンデンサと並列に接続され、前記交流電力から変換された前記直流電力によって電力を充電する第２コンデンサと、
前記第２コンデンサと直列に接続された抵抗器と、
前記第２コンデンサと直列に、かつ、前記抵抗器と並列に接続され、前記第２コンデンサに充電された電力を放電するダイオードと、
を有する電力変換装置。
【請求項２】
前記第２コンデンサは、電解コンデンサである
請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記第２コンデンサの静電容量は、前記第１コンデンサの静電容量の１０倍以上である
請求項１または２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記一次回路は、
前記直流電力を昇圧する昇圧部と、
前記昇圧部が昇圧した前記直流電力からリプル成分を除去するフィルタ部と、
前記リプル成分を除去した前記直流電力を交流電力に変換して前記変圧器に出力するインバータと、
を有し、
前記二次回路は、
前記変圧器が変圧した前記交流電力を前記直流電力に変換して、前記第１コンデンサへと出力する整流器を有する
請求項１から３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記整流器と前記第１コンデンサとの間の抵抗は、前記抵抗器の抵抗よりも小さい
請求項４に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記二次回路は、
前記整流器が出力した直流電力を、前記インバータが出力する前記交流電力の周波数よりも低い周波数の交流電力に変換する第２インバータを更に有する
請求項４または５に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記変圧器は、
前記一次回路と接続された一次巻線と、
前記二次回路と接続され、前記一次巻線から交流電力を受電する二次巻線と、
前記一次巻線及び前記二次巻線と電気的に絶縁され、前記一次巻線から交流電力を受電する三次巻線と、
を有し、
前記三次巻線が受電した前記交流電力を直流電力に変換して負荷に出力する第２整流器と、前記第２整流器が出力した前記直流電力からリプル成分を除去する第３コンデンサとを有する三次回路を
更に備える請求項１から６のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
実施形態は、電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電車等に設けられる電力変換装置が知られている。このような電力変換装置は、受電した直流電力を交流電力に変換する一次回路と、一次回路から受電した交流電力を直流電力に変換する二次回路と、一次回路と二次回路とを電気的に絶縁しつつ、交流電力を変圧して伝達する変圧器とを備える。【０００３】
このような電力変換装置では、リプル成分を除去するためのリアクトルとフィルタコンデンサを一次回路側に有する。更に、電力変換装置は、架線等の外部からの電力の供給が停止して停電した際に、フィルタコンデンサに充電された電力では不足する場合に備えて、電力を供給する補償用の補償コンデンサを一次回路側に有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１５４３４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述の電力変換装置では、リアクトルとフィルタコンデンサによって特定周波数のリプル成分を除去することになり、また補償コンデンサによって停電時の電力を供給するために、両方のコンデンサが、大きい静電容量を必要とするとともに、充電初期の突入電流を抑制するための抵抗及び接触器等を必要とする。このため電力変換装置の構成が複雑化するといった課題がある。【０００６】
実施形態は、上記に鑑みてなされたものであって、構成を簡略化できる電力変換装置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】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、実施形態の電力変換装置は、一次回路と、二次回路と、変圧器とを備える。一次回路は、直流電力を交流電力に変換して出力する。二次回路は、交流電力を直流電力に変換する。変圧器は、一次回路と二次回路とを電気的に絶縁して、一次回路が出力した交流電力の電圧を変圧して二次回路に出力する。二次回路は、第１コンデンサと、第２コンデンサと、抵抗器と、ダイオードとを有する。第１コンデンサは、交流電力から変換された直流電力のリプル成分を除去する。第２コンデンサは、第１コンデンサよりも静電容量が大きく、第１コンデンサと並列に接続され、交流電力から変換された直流電力によって電力を充電する。抵抗器は、第２コンデンサと直列に接続されている。ダイオードは、第２コンデンサと直列に、かつ、抵抗器と並列に接続され、第２コンデンサに充電された電力を放電する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、第１実施形態にかかる電力変換装置のブロック図である。
【図２】図２は、第２実施形態にかかる電力変換装置のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下の例示的な実施形態や変形例には、同様の構成要素が含まれている。よって、以下では、同様の構成要素には共通の符号が付されるとともに、重複する説明が部分的に省略される。実施形態や変形例に含まれる部分は、他の実施形態や変形例の対応する部分と置き換えて構成されることができる。また、実施形態や変形例に含まれる部分の構成や位置等は、特に言及しない限りは、他の実施形態や変形例と同様である。
【００１０】
以下の実施形態及び変形例では、電力変換装置が電気車用として構成された場合が例示されているが、実施形態にかかる電力変換装置は、これに限定されない。
【００１１】
＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態にかかる電力変換装置１０のブロック図である。第１実施形態にかかる電力変換装置１０は、例えば、電気車用である。図１に示すように、電力変換装置１０は、直流架線（直流き電線）８０から直流電力が供給されるパンダグラフ等の集電器８２と、線路８４を介して設置された車輪８６との間に設けられている。
【００１２】
電力変換装置１０は、一次回路１２と、変圧器の一例である高周波変圧器１４と、二次回路１６とを備える。
【００１３】
一次回路１２は、集電器８２及び車輪８６との後段であって、高周波変圧器１４の前段に設けられている。一次回路１２は、集電器８２及び車輪８６から受電した交流電力を直流電力に変換して、高周波変圧器１４に出力する。
【００１４】
一次回路１２は、開放接触器２０と、昇圧部の一例である昇圧チョッパ２２と、フィルタ部の一例である第１フィルタコンデンサ２４と、高周波インバータ２６とを有する。一次回路１２において、開放接触器２０から高周波インバータ２６までの一方の配線（例えば、正極側の配線）を配線Ｌ１１として、他方の配線（例えば、負極側の配線）を配線Ｌ１２とする。
【００１５】
開放接触器２０は、コンタクタ（または遮断器）であって、集電器８２の後段の配線Ｌ１１に直列に接続されている。開放接触器２０は、集電器８２と一次回路１２との間の経路の接続と遮断、即ち、オンとオフとを切り替える。
【００１６】
昇圧チョッパ２２は、開放接触器２０の後段に直列に接続されている。昇圧チョッパ２２は、配線Ｌ１１と配線Ｌ１２との間に接続されている。昇圧チョッパ２２は、集電器８２を介して受電した入力直流電力の電圧を昇圧する。昇圧チョッパ２２は、低周波のリプル成分を除去する。昇圧チョッパ２２の一例は、非絶縁型昇圧チョークコンバータである。昇圧チョッパ２２は、リアクトル２８と、逆流防止ダイオード３０と、スイッチング素子３２とを有する。
【００１７】
リアクトル２８は、開放接触器２０の後段の配線Ｌ１１に直列に接続されている。逆流防止ダイオード３０は、リアクトル２８の後段の配線Ｌ１１に直列に接続されている。逆流防止ダイオード３０は、リアクトル２８から高周波インバータ２６への電流の流れが順方向となる向きに接続されている。即ち、逆流防止ダイオード３０のアノード側がリアクトル２８に接続され、カソード側が高周波インバータ２６に接続されている。スイッチング素子３２は、リアクトル２８の後段かつ逆流防止ダイオード３０の前段であって、配線Ｌ１１と配線Ｌ１２との間に接続されている。スイッチング素子３２は、スイッチング周波数及びオンデューティに対応する制御信号を受信する。スイッチング素子３２は、制御信号に基づいて、オンとオフとを切り替えて、チョッピング動作を行う。これにより、昇圧チョッパ２２は、入力直流電力を昇圧して出力する。
【００１８】
第１フィルタコンデンサ２４は、昇圧チョッパ２２の後段に接続されている。第１フィルタコンデンサ２４は、配線Ｌ１１と配線Ｌ１２との間に接続されている。第１フィルタコンデンサ２４は、昇圧チョッパ２２が昇圧した直流電力からリプル成分を除去（即ち、フィルタ）して、高周波インバータ２６へ出力する。尚、第１フィルタコンデンサ２４は、リアクトル２８との協働によって、リプル成分を除去してもよい。
【００１９】
高周波インバータ２６は、昇圧チョッパ２２及び第１フィルタコンデンサ２４の後段に接続されている。高周波インバータ２６は、配線Ｌ１１と配線Ｌ１２との間に接続されている。高周波インバータ２６は、昇圧及びリプル成分が除去された直流電力を交流電力に変換して、高周波変圧器１４に出力する。例えば、高周波インバータ２６は、商用電源（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）のｎ倍（ｎは２以上の整数）の周波数を有する交流電力として出力する。
【００２０】
高周波変圧器１４は、一次回路１２の高周波インバータ２６の後段に接続されている。高周波変圧器１４は、一次巻線３４と、二次巻線３６とを有する。一次巻線３４は、一次回路１２の高周波インバータ２６に接続されている。二次巻線３６は、二次回路１６に接続されている。高周波変圧器１４は、一次回路１２の高周波インバータ２６が出力した交流電力の電圧を、一次巻線３４及び二次巻線３６の巻数比に対応した昇圧比で変圧して、二次回路１６へ出力する。ここで、高周波変圧器１４では、一次巻線３４が、二次巻線３６と電気的に絶縁されている。これにより、高周波変圧器１４は、一次巻線３４に接続された一次回路１２と、二次巻線３６に接続された二次回路１６とを電気的に絶縁する。
【００２１】
二次回路１６は、高周波変圧器１４の後段に接続されている。二次回路１６は、交流電力を直流電力に変換した後、三相交流に変換して負荷８８に出力する。二次回路１６は、整流器４０と、第１コンデンサの一例である第２フィルタコンデンサ４２と、補償部４４と、第２インバータの一例である三相インバータ４６とを有する。二次回路１６において、整流器４０から三相インバータ４６までの一方の配線（例えば、正極側の配線）を配線Ｌ２１として、他方の配線（例えば、負極側の配線）を配線Ｌ２２とする。
【００２２】
整流器４０は、高周波変圧器１４の後段に接続されている。整流器４０は、例えば、複数のダイオードを有する。整流器４０は、高周波変圧器１４によって変圧された高周波の交流電力を直流電力に変換して、第２フィルタコンデンサ４２へ出力する。
【００２３】
第２フィルタコンデンサ４２は、整流器４０の後段に接続されている。第２フィルタコンデンサ４２は、配線Ｌ２１と配線Ｌ２２との間に接続されている。第２フィルタコンデンサ４２は、整流器４０によって交流電力から変換された直流電力に含まれる特定周波数（例えば、２０ｋＨｚ以上）のリプル成分を除去（即ち、フィルタ）して出力する。また、第２フィルタコンデンサ４２は、高周波のリプル成分を除去できれば良く、その静電容量は直流架線８０に含まれる低周波のリプルを除去するための容量よりも小さい。
【００２４】
補償部４４は、整流器４０及び第２フィルタコンデンサ４２の後段に接続されている。補償部４４は、配線Ｌ２１と配線Ｌ２２との間に接続されている。補償部４４は、第２フィルタコンデンサ４２に並列接続されている。補償部４４は、抵抗器の一例である充電抵抗器５０と、ダイオードの一例である放電ダイオード５２と、第２コンデンサの一例である離線補償コンデンサ５４とを有する。
【００２５】
充電抵抗器５０は、離線補償コンデンサ５４と直列に接続されている。充電抵抗器５０及び離線補償コンデンサ５４は、配線Ｌ２１と配線Ｌ２２との間に接続されている。即ち、充電抵抗器５０及び離線補償コンデンサ５４は、第２フィルタコンデンサ４２と並列に接続されている。放電ダイオード５２は、離線補償コンデンサ５４と直列に接続されている。放電ダイオード５２及び離線補償コンデンサ５４は、配線Ｌ２１と配線Ｌ２２との間に接続されている。即ち、放電ダイオード５２及び離線補償コンデンサ５４は、第２フィルタコンデンサ４２と並列に接続されている。放電ダイオード５２は、充電抵抗器５０と並列に接続されている。ここで、本実施形態では、整流器４０と第２フィルタコンデンサ４２との間には、抵抗器が設けられていない。従って、整流器４０と第２フィルタコンデンサ４２との間の抵抗は、充電抵抗器５０の抵抗よりも小さい。尚、整流器４０と第２フィルタコンデンサ４２との間に抵抗器を設ける場合であっても、当該抵抗器の抵抗は、充電抵抗器５０の抵抗よりも小さいことが好ましい。
【００２６】
充電抵抗器５０は、整流器４０によって変換された直流電力の一部を離線補償コンデンサ５４に充電させる。
【００２７】
放電ダイオード５２は、配線Ｌ２２から配線Ｌ２１への電流の流れが順方向となる向きに接続されている。即ち、放電ダイオード５２のアノード側が離線補償コンデンサ５４及び配線Ｌ２２側に接続され、カソード側が配線Ｌ２１に接続されている。放電ダイオード５２は、離線補償コンデンサ５４に充電された電力を放電させる。
【００２８】
離線補償コンデンサ５４は、電解コンデンサである。離線補償コンデンサ５４は、整流器４０によって交流電力から変換された直流電力によって電力を充電する。離線補償コンデンサ５４は、直流架線８０から集電器８２が離れて電力供給が瞬間的に停止する瞬間停電時において、充電した電力によって、電力供給を継続する。ここで、離線補償コンデンサ５４の静電容量は、第２フィルタコンデンサ４２の静電容量よりも大きい。例えば、離線補償コンデンサ５４の静電容量（例えば、１００００μＦ）は、第２フィルタコンデンサ４２の静電容量（例えば、１００μＦ）の１０倍以上である。
【００２９】
三相インバータ４６は、第２フィルタコンデンサ４２、及び、補償部４４の後段に接続されている。三相インバータ４６は、配線Ｌ２１と配線Ｌ２２との間に接続されている。三相インバータ４６は、第２フィルタコンデンサ４２がフィルタした直流電力を、高周波インバータ２６が出力する交流電力の周波数よりも低い周波数を有し、高電圧（例えば、４４０Ｖ）の三相交流に変換する。三相インバータ４６が出力する三相交流の周波数の一例は、商用電源の周波数である。三相インバータ４６は、変換した三相交流を空調装置及び電動空気圧縮機等の負荷８８に出力する。
【００３０】
次に、上述した電力変換装置１０の動作について説明する。
【００３１】
開放接触器２０が接続された状態で、集電器８２が直流架線８０に接触すると、直流架線８０が電力変換装置１０に直流電力を供給する。電力変換装置１０では、昇圧チョッパ２２が直流架線８０から供給された直流電力の電圧を昇圧して出力する。第１フィルタコンデンサ２４は、昇圧された直流電力からリプル成分を除去して、高周波インバータ２６へ出力する。高周波インバータ２６は、直流電力を高周波の交流電力に変換して、高周波変圧器１４へ出力する。高周波変圧器１４は、互いに電気的に絶縁された一次巻線３４及び二次巻線３６によって、電圧を変圧した交流電力を、整流器４０へ出力する。整流器４０は、交流電力を直流電力に変換して出力する。第２フィルタコンデンサ４２は、整流器４０が出力した直流電力のリプル成分を除去して出力する。三相インバータ４６は、リプル成分がフィルタされた直流電力を三相交流に変換して、負荷８８に出力する。
【００３２】
集電器８２が、直流架線８０と着線して、直流架線８０から電力が供給されている状態では、補償部４４の離線補償コンデンサ５４は、充電抵抗器５０を介して、整流器４０から供給された直流電力によって充電する。
【００３３】
一方、集電器８２が直流架線８０から離線して、直流架線８０から電力が供給されていない状態では、補償部４４の離線補償コンデンサ５４は、放電ダイオード５２を介して、充電した電力を三相インバータ４６へ出力する。
【００３４】
上述したように、第２フィルタコンデンサ４２の静電容量は、離線補償コンデンサ５４の静電容量よりも小さい。従って、電力変換装置１０は、初期充電及び離線後の再着線時の第２フィルタコンデンサ４２への突入充電電流を低くすることができるので、第２フィルタコンデンサ４２と直列に接続される抵抗を省略して、構成を簡略化できる。また、電力変換装置１０は、静電容量の大きい離線補償コンデンサ５４には充電抵抗器５０を直列に接続しているので、離線補償コンデンサ５４への突入充電電流を抑制できる。この結果、電力変換装置１０は、フィルタコンデンサ及び補償コンデンサの両方への突入充電電流を抑制するために一次回路１２に設けられていた抵抗器及び接触器を省略して構成を簡略化できる。
【００３５】
電力変換装置１０では、離線補償コンデンサ５４と直列に充電抵抗器５０が接続されているため、第２フィルタコンデンサ４２がリプル成分をほぼ吸収するので、離線補償コンデンサ５４はリプル成分をほとんど受けない。このため、電力変換装置１０は、離線補償コンデンサ５４の劣化を抑制して寿命を長くすることができる。これにより、電力変換装置１０は、寿命は短いが小型化及び軽量化することができる電解コンデンサを離線補償コンデンサ５４に適用できる。この結果、電力変換装置１０は、小型化及び軽量化を実現できる。
【００３６】
電力変換装置１０では、昇圧チョッパ２２が直流電力の低周波のリプル成分を除去することができるので、第１フィルタコンデンサ２４の静電容量を小さく、例えば、１００μＦ程度まで小さくすることができる。更に、電力変換装置１０では、昇圧チョッパ２２のスイッチング素子３２のスイッチング周波数を高くすることにより、第１フィルタコンデンサ２４の静電容量をより小さくすることができる。
【００３７】
電力変換装置１０では、高周波インバータ２６が出力する交流電力の周波数を高く、例えば、商用電源の周波数よりも高くしている。これにより、電力変換装置１０は、二次回路１６の第２フィルタコンデンサ４２の静電容量を小さく、例えば、１００μＦ程度まで小さくすることができる。また、電力変換装置１０は、高周波変圧器１４を小型化及び軽量化することができる。
【００３８】
＜第２実施形態＞
図２は、第２実施形態にかかる電力変換装置１１０のブロック図である。図２に示すように、第２実施形態にかかる電力変換装置１１０は、一次回路１２と、高周波変圧器１１４と、二次回路１６と、三次回路１８とを備える。
【００３９】
高周波変圧器１１４は、三次巻線１３６を更に有する。三次巻線１３６は、三次回路１８に接続されている。三次巻線１３６は、一次巻線３４及び二次巻線３６と電気的に絶縁されている。三次巻線１３６は、一次巻線３４から交流電力を受電する。高周波変圧器１１４は、一次巻線３４及び三次巻線１３６の巻数比に対応した昇圧比で交流電力の電圧を変圧して、三次回路１８に出力する。
【００４０】
三次回路１８は、直流電力を出力する直流電源として機能する。三次回路１８は、第２整流器１４０と、第３コンデンサの一例である第３フィルタコンデンサ１４２とを有する。三次回路１８において、第２整流器１４０から負荷１８８までの一方の配線（例えば、正極側の配線）を配線Ｌ３１として、他方の配線（例えば、負極側の配線）を配線Ｌ３２とする。
【００４１】
第２整流器１４０は、三次巻線１３６の後段に接続されている。第２整流器１４０は、三次巻線１３６から受電した交流電力を低電圧（例えば、１００Ｖ）の直流電力に変換して、負荷１８８に出力する。
【００４２】
第３フィルタコンデンサ１４２は、第２整流器１４０の後段に接続されている。第３フィルタコンデンサ１４２は、配線Ｌ３１と配線Ｌ３２との間に接続されている。第３フィルタコンデンサ１４２は、第２整流器１４０が出力した直流電力からリプル成分を除去する。
【００４３】
第２実施形態の電力変換装置１１０では、高周波変圧器１１４が３個の巻線を有するので、二次回路１６及び三次回路１８を並列に接続することができる。電気車では、補助電源として、第１実施形態に示した空調装置及び電動空気圧縮機等に電力を供給する三相交流電源（例えば４４０Ｖ）や電気車を制御する制御装置に電力を供給する直流電源（例えば１００Ｖ）を有している。そして、直流電源は、三相交流電源の後段にトランスを介して整流器を設けて構成され、更に制御装置へ電力供給を継続させるためにバッテリを備えることが一般的である。よって、直流電源に対して離線補償は不要であり、高周波変圧器の二次巻線に三相交流電源を構成する二次回路を接続し、高周波変圧器の三次巻線に直流電源を構成する三次回路を接続することで、二次回路１６の補償部４４の後段から分岐させた回路により直流電源を構成する場合に比べて、二次回路１６の電力変換容量を低減できる。これにより、電力変換装置１１０は、二次回路１６の離線補償コンデンサ５４の静電容量を低減できる。
【００４４】
また、三次回路１８は、低電圧の直流電源として機能するので、補償部を必要としない。これにより、三次回路１８を追加しても、電力変換装置１１０は、構成の複雑化及び大型化を抑制できる。
【００４５】
上述の実施形態の各構成の配置、接続関係、個数は適宜変更してよい。また、各実施形態を組み合わせてもよい。
【００４６】
例えば、上述の実施形態では、第２フィルタコンデンサ４２が電解コンデンサであるとしたが、第２フィルタコンデンサ４２は、オイルコンデンサ、及び、フィルムコンデンサ等であってもよい。
【００４７】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【図１】
2017149702.tif 000003
【図２】
2017149702.tif 000004
【国際調査報告】
2017149702.tif 000005
2017149702.tif 000006
2017149702.tif 000007
2017149702.tif 000008