(57)【要約】【課題】  フィルタ回路の増大、重量化を招くことなく商用電源を用いた軌道回路および高周波交流を電源とする軌道回路の双方に適合することができる鉄道車両用電力変換装置を提供する。【解決手段】  直流電圧を受電する集電装置２１に接続されたフィルタリアクトル１１およびフィルタコンデンサ１２からなるＬＣフィルタ回路、集電した直流電圧を、ＬＣフィルタ回路を介して電圧源とし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装置１３からなる鉄道車両用電力変換装置１において、抵抗器１４１とリアクトル１４２とコンデンサ１４３を直列接続した前記直流電圧の電源となる交流電源の電源周波数に対する入力インピーダンスを増加するインピーダンス増加フィルタ回路１４をＬＣフィルタ回路と並列に接続するとともに、前記フィルタ回路１４とＬＣフィルタ回路からなる共振回路の共振周波数を交流電源周波数と一致させる。【選択図】        図１
2006006002.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電圧を受電する集電装置に接続された第一のフィルタ回路、第一のフィルタ回路を介して前記集電装置によって集電した直流電圧を電圧源として直流を交流に変換し交流電動機を駆動するインバータ装置からなる鉄道車両用電力変換装置において、
前記直流電圧の電源となる交流電源の電源周波数に対する入力インピーダンスを増加する第二のフィルタを前記第一のフィルタと並列に接続したことを特徴とする鉄道車両用電力変換装置。
【請求項２】
請求項１記載の鉄道車両用電力変換装置において、前記第一のフィルタは、第一のリアクトルと第一のコンデンサからなり、前記第一のリアクトルの一端と前記集電装置を接続し、前記第一のリアクトルの他端と前記第一のコンデンサの正側を接続し、前記第一のコンデンサの負側をアース側に接続し、前記第一のコンデンサの両端電圧をインバータの直流電圧源とすることを特徴とする鉄道車両用電力変換装置。
【請求項３】
請求項２記載の鉄道車両用電力変換装置において、前記第二のフィルタは、抵抗器と第二のリアクトルと第二のコンデンサを直列接続してなることを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
請求項２記載の鉄道車両用電力変換装置において、前記第二のフィルタは、第二のリアクトルと第二のコンデンサを直列接続してなることを特徴とする鉄道車両用電力変換装置。
【請求項５】
請求項３記載の鉄道車両用電力変換装置において、前記第一のリアクトル、前記第一のコンデンサ、前記抵抗器、前記第二のリアクトル、前記第二のコンデンサからなる共振回路の共振周波数を前記交流電源の電源周波数に一致させたことを特徴とする鉄道車両用電力変換装置。
【請求項６】
請求項４記載の鉄道車両用電力変換装置において、前記第一のリアクトル、前記第一のコンデンサ、前記第二のリアクトル、前記第二のコンデンサからなる共振回路の共振周波数を前記交流電源の電源周波数に一致させたことを特徴とする鉄道車両用電力変換装置。
【請求項７】
請求項２記載の鉄道車両用電力変換装置において、前記第二のフィルタは、前記第一のフィルタとと並列に接続されることによって前記鉄道車両用電力変換装置の前記交流電源の電源周波数に対する入力インピーダンスを増加させる作用を持つ回路であ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用電力変換装置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否かを判定する軌道回路、線路または線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４を用いて説明する。三相交流４１を整流器４２によって直流に変換し、この電圧を配線４３および配線４６によって、架線４４およびレール４５間に印加する。電車（車両）２は、架線４４およびレール４５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２を駆動するための電力や車内電源を得る。通常、整流器４２の出力は、整流に伴い三相交流電源４１の電源周波数の６倍のリプル成分が含まれる。このほか、整流器４２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間のアンバランスにより、三相交流４１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ている電源周波数のことであり、日本の場合、５０Ｈｚ乃至は６０Ｈｚ、欧州の場合５０Ｈｚ、米国の場合６０Ｈｚである。
【０００３】
次に、鉄道車両用電力変換装置の一構成例を、図５を用いて説明する。図５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、入力直流電圧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。
【０００４】
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６を用いて説明する。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。該当の区間に列車が存在しない場合（図６（Ａ））、検出端の車両検出器５３にはほぼ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６（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。このような現象に基づき、車両検出器５３は検出端の電圧があらかじめ定めた閾値以上であれば列車は存在しないと判断し、該閾値以下ならば列車が存在していると判断する。このとき、車両検出器５３では、フィルタ回路によって電源５１の周波数成分のみを検出し、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。
【０００５】
さらに、軌道回路では、車両検出器５３の出力に基づき、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交流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。
【０００６】
ところで、直流き電区間においては図４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が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の脈動成分により、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を誤動作させてしまう危険性がある。
【０００７】
すなわち、図６（Ｃ）に示すように、図５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の等価的に表したノイズ源６４からの高周波成分が妨害電流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。
【０００８】
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５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。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。また、フィルタリアクトル１１およびフィルタコンデンサ１２からなるＬＣフィルタ回路のインピーダンスが上昇することは、インバータ１３の制御の観点からも好ましくない。
【０００９】
既に述べたように直流き電方式においては、直流電圧を得るための整流器が、これを構成する要素のアンバランスにより、交流電源周波数成分を直流出力に重畳してしまうことがある。一方で、この電源周波数は、列車の有無を判断する軌道回路の電源として使用されることがある。車両に搭載される電力変換器の電源周波数に対するインピーダンスが低いと、軌道を含む電源系統に電源周波数の電流が流れ、軌道回路の動作に悪影響を与えることがあった。これに対応するために、インピーダンス増加フィルタ回路を追加することによってインピーダンスを増加する方式が用いられてきたが、直流電源と電力変換器を構成するインバータ間のインピーダンスが低下してしまうため、電源系統に流出するインバータのスイッチングに伴って発生する高周波電流が増加してしまうこととなり、高周波を用いる軌道回路に適応できないという問題があった。
【００１０】
すなわち、前記リアクタンスを大きくすることなく前記インピーダンスを高くする手法として図７に示す方式がこれまで広く用いられている。すなわち、図７の回路では、ＬＣフィルタ回路を構成するフィルタリアクトル１１と並列に、リアクトル１５２とコンデンサ１５３、または、リアクトル１５２とコンデンサ１５３と抵抗器１５１からなり電源側から見た電力変換装置の該商用周波数に対するインピーダンスを上昇させるインピーダンス増加フィルタ回路１５を接続して、フィルタリアクトル１１のリアクタンスを大きくすることなく電力変換装置１の商用周波数に対する入力インピーダンスを大きくしている。
【００１１】
この方式では、抵抗器１５１、リアクトル１５２、コンデンサ１５３からなるインピーダンス増加フィルタ回路１５を、フィルタリアクトル１１に並列に接続し、フィルタリアクトル１１およびインピーダンス増加フィルタ回路１５からなる共振回路の共振周波数を直流電源を得た商用周波数と一致させ、並列共振回路を構成することで商用周波数に対する入力インピーダンスを増加している。
【００１２】
インピーダンス増加フィルタ回路１５の有無をパラメータとして、周波数に対する直流入力電源から見た電力変換装置の入力インピーダンス特性を、図８に示す。実線は図７に示すインピーダンス増加フィルタ回路１５をフィルタリアクトル１１に並列に接続した入力インピーダンス特性であり、破線は図５に示したインピーダンス増加フィルタ回路１５を有さない回路の入力インピーダンス特性である。フィルタリアクトル１１に並列にインピーダンス増加フィルタ回路１５を接続することによって、図８の実線に示すように、直流電源電圧に商用周波数成分が含まれていても、直流電源電圧に含まれる周波数に対する電力変換装置のインピーダンスを高くすることができるので、直流電源電圧に商用周波数の脈動電圧が重畳している場合においても、レールに流れる商用周波数成分の電流を抑制することができ、商用周波数を電源とする軌道回路への影響を排除することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上に述べたように、従来、軌道回路の電源には、商用電源や直流電源が用いられていたが、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電圧を軌道回路の電源として利用するようになっている。インピーダンス増加フィルタ回路１５を追設した図７の回路では、図８に示すように、商用周波数よりも高周波側のインピーダンス特性が低下してしまう。このため、図３（Ｃ）に示すように、電力変換装置１を構成しているインバータ１３が発生する高周波成分のうち電源系統へ流出する電流成分（帰線電流Ｉ１＋Ｉ２）が増加し、高周波の交流電圧を電源とする軌道回路に対して悪影響を与えてしまうおそれがある。すなわち、図７の回路では、商用周波数を電源とする軌道回路が使用されている区間は問題なく走行可能であるが、高周波交流を電源とする軌道回路が使用されている区間は走行できないと言う新たな課題が発生する。
【００１４】
このように、図７に示す回路では、複数の軌道回路に対応することができないので、軌道回路に応じて車両（フィルタ回路）を使い分けなくてはならならず、必要以上に多くの車両を確保する必要があった。また、これらの区間をまたがって乗車する乗客に対し、乗換えを強いることになり、乗客に対するサービスが低下すると言った問題があった。
【００１５】
本発明は、直流電源を電源とする電気鉄道システムにおいて、フィルタ回路の増大、重量化を招くことなく商用電源を用いた軌道回路および高周波交流を電源とする軌道回路の双方に適合することができる鉄道車両用電力変換装置を提供することを目的とする。さらに、本発明は、より汎用性、信頼性の高い鉄道車両を提供することができる鉄道車両用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】
【００１６】
上記課題を解決するために、本発明は、抵抗器とリアクトルとコンデンサ、または、リアクトルとコンデンサからなるインピーダンス増加フィルタ回路をフィルタリアクトルおよびフィルタコンデンサからなるＬＣフィルタ回路と並列に接続し、インバータ・電源系統からなる回路のインピーダンスをフィルタ追設しない場合と同等に保ちながら商用周波数に対するインピーダンスを増加させる。
【００１７】
すなわち、本発明は、直流電圧を受電する集電装置に接続された第一のフィルタ回路、第一のフィルタ回路を介して前記集電装置によって集電した直流電圧を電圧源として直流を交流に変換し交流電動機を駆動するインバータ装置からなる鉄道車両用電力変換装置において、前記直流電圧の電源となる交流電源の電源周波数に対する入力インピーダンスを増加する第二のフィルタを前記第一のフィルタと並列に接続した。
【００１８】
本発明は、上記鉄道車両用電力変換装置において、前記第一のフィルタは、第一のリアクトルと第一のコンデンサからなり、前記第一のリアクトルの一端と前記集電装置を接続し、前記第一のリアクトルの他端と前記第一のコンデンサの正側を接続し、前記第一のコンデンサの負側をアース側に接続し、前記第一のコンデンサの両端電圧をインバータの直流電圧源とした。
【００１９】
本発明は、上記鉄道車両用電力変換装置において、前記第二のフィルタは、抵抗器と第二のリアクトルと第二のコンデンサを直列接続して構成するか、または、第二のリアクトルと第二のコンデンサを直列接続して構成した。
【００２０】
本発明は、上記鉄道車両用電力変換装置において、前記第一のリアクトル、前記第一のコンデンサ、前記抵抗器、前記第二のリアクトル、前記第二のコンデンサからなる共振回路の共振周波数を前記交流電源の電源周波数に一致させた。
【００２１】
本発明は、上記鉄道車両用電力変換装置において、前記第一のリアクトル、前記第一のコンデンサ、前記第二のリアクトル、前記第二のコンデンサからなる共振回路の共振周波数を前記交流電源の電源周波数に一致させた。
【００２２】
さらに、本発明は、上記鉄道車両用電力変換装置において、前記第二のフィルタは、前記第一のフィルタと並列に接続されることによって前記鉄道車両用電力変換装置の前記交流電源の電源周波数に対する入力インピーダンスを増加させる作用を持つ回路とした。
【発明の効果】
【００２３】
以上に述べたように、本発明により、直流電源を電源とする電気鉄道システムにおいて、フィルタ回路の増大、重量化を招くことなく商用電源を用いた軌道回路および高周波交流を電源とする軌道回路の双方に適合することができる鉄道車両用電力変換装置を提供することが可能となる。また、本発明の鉄道車両用電力変換装置を使用することによって、より汎用性、信頼性の高い鉄道車両を提供することができる。これによって、乗客に対し、より良いサービスを提供することができる。
【００２４】
また、直流き電区間において商用周波数を用いた軌道回路と高周波電源を用いた軌道回路の両方の区間を走行できる汎用性の高い車両を提供することができ、車両保有数の増加を抑制するとともに、乗客に対するサービスを向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明にかかる鉄道車両用電力変換装置１の実施形態の一例を、図１を用いて説明する。図１に示すように、本発明にかかる鉄道車両用電力変換装置１は、フィルタリアクトル１１およびフィルタコンデンサ１２からなるＬＣフィルタ回路と、交流電動機２２を駆動するインバータ１３と、抵抗器１４１およびリアクトル１４２ならびにコンデンサ１４３の直列回路からなるインピーダンス増加フィルタ回路１４とから構成される。フィルタリアクトル１１は、集電装置２１とインバータ１３の一方の入力の間に直列に接続され、フィルタコンデンサ１２は、インバータ１３の入力に並列に接続される。
【００２６】
インバータ１３は、複数の半導体から構成され、直流を交流に変換して交流電動機２２を駆動する。フィルタリアクトル１１およびフィルタコンデンサ１２からなるＬＣフィルタ回路は、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、入力直流電圧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。抵抗器１４１、リアクトル１４２、コンデンサ１４３からなるインピーダンス増加フィルタ回路１４は、フィルタリアクトル１１の入力側とフィルタコンデンサ１２の負側（接地側）に接続され、フィルタリアクトル１１およびフィルタコンデンサ１２との組み合わせにより、入力側から見た電力変換装置の特定周波数に対する入力側から見たインピーダンスを増加させる。
【００２７】
図１の入力側から見たインピーダンス特性は、図２の実線となり図５に示した回路のインピーダンス特性と同じになることがわかる。このとき、フィルタリアクトル１１、フィルタコンデンサ１２、リアクトル１４２、コンデンサ１４３および抵抗器１４１からなる共振回路の共振周波数を商用電源周波数に一致させることで、電力変換装置１の商用周波数に対する入力インピーダンスを飛躍的に増加させることができる。図２の破線は、図７の回路のインピーダンス特性であり、図８の実践で示したインピーダンス特性と同じである。
【００２８】
図７に示す回路では、フィルタ回路１５を介してインバータ１３の発生する高周波成分がフィルタリアクトル１１を介した帰線電流Ｉ１とフィルタ回路１５を介して帰線電流Ｉ２として電源系統に流れ込む（図３（Ｃ））。しかしながら、図１に示す回路では、電源系統のインピーダンスはフィルタリアクタ１１のインピーダンスに比べ十分小さいので、これらを無視することができる。この結果、図７に示す電力変換装置の等価回路は、図３（Ａ）に示すようにフィルタ回路１４が線路によって短絡された形態となるので、等価回路はフィルタ回路１４を増設する前と同じ、図３（Ｂ）に示す回路と等しくなるので、電力変換装置１の入力端・インバータ間のインピーダンス特性は、図５の回路の場合（図３（Ｂ））と同じものとなり、入力インピーダンス増加フィルタ回路１５の追加が、インバータが発生する高調波成分の流出量に影響を与えることがないことがわかる。
【００２９】
これより、本発明によりインバータが発生する高周波成分の電源系統への流出を増加させることなく、入力側から見た電力変換装置の商用周波数に対するインピーダンスを増加させることができる。
【００３０】
図１の例では、インピーダンス増加フィルタ回路１４は、抵抗器１４１、リアクトル１４２、コンデンサ１４３から構成されているが、リアクトル１４２、コンデンサ１４３のみによっても同様の効果が得られる。また、インピーダンス増加フィルタ回路１１を構成する要素は、たとえば信号増幅機能を要する回路などインピーダンス増加フィルタ回路１１と同様のインピーダンス特性を要する回路であれば、リアクトル１４２とコンデンサ１４３の組み合わせである必要はない。
【００３１】
以上の例では、架線４４を介して直流電源から電力を得る方式を例にとって本発明の実施形態、効果について説明しているが、本発明は走行用のレールのほかに第三のレールを地上に敷設し、このレールを介して車両が直流電源から電力を得る第三軌条方式においても、方式可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明にかかる鉄道車両用電力変換装置の構成を説明する図。
【図２】鉄道車両用電力変換装置のインバータ・電源間のインピーダンス特性を説明する図。
【図３】鉄道車両用電力変換装置の等価回路図。
【図４】鉄道車両用電源システムと電車との関係を説明する図。
【図５】従来の鉄道車両用電力変換装置の構成を説明する図。
【図６】電車と軌道回路との関係を説明する図。
【図７】従来の鉄道車両用電力変換装置の構成を説明する図。
【図８】鉄道車両用電力変換装置の電源側から見たインピーダンス特性を説明する図。
【符号の説明】
【００３３】
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…インピーダンス増加フィルタ回路
１４１…抵抗
１４２…リアクトル
１４３…コンデンサ
１５…インピーダンス増加フィルタ回路
１５１…抵抗
１５２…リアクトル
１５３…コンデンサ
２…車両
２１…集電装置
２２…交流電動機
２３…車輪
４１…交流三相電源
４２…整流装置
４３、４６…電線
４４…架線
４５…レール
５１…き道回路用電源
５２１、５２２…レール
５３…車両検出器
５４…き道回路電流
５５…妨害電流
６１、６２…車輪
６３…輪軸
６４…高周波源
Ｉ１、Ｉ２…帰線電流
【図１】
2006006002.tif 000003
【図２】
2006006002.tif 000004
【図３】
2006006002.tif 000005
【図４】
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【図５】
2006006002.tif 000007
【図６】
2006006002.tif 000008
【図７】
2006006002.tif 000009
【図８】
2006006002.tif 000010