(57)【要約】【課題】異なる交流電圧を所望の電圧に変換可能であるとともに、小型化および軽量化を図ることが可能な変圧装置を提供する。【解決手段】変圧装置は、交流電圧を受ける１次巻線（３）と、互いに巻数が異なる複数の２次巻線（４ａ，４ｂ）と、複数の２次巻線（４ａ，４ｂ）に誘起された交流電圧を変換するための電圧変換回路（５）とを備える。複数の２次巻線（４ａ，４ｂ）の各々は、電位が固定されていない第１端子および第２端子を有する。第１端子および第２端子は２次巻線（４ａ，４ｂ）ごとに別個に設けられる。変圧装置は、さらに、複数の２次巻線（４ａ，４ｂ）の各々の第１端子および第２端子を選択的に電圧変換回路（５）と接続するための切り替え回路（８）を備える。【選択図】図１５
2011139039.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両に搭載するための変圧装置であって、
交流電圧を受ける１次巻線と、
互いに巻数が異なる複数の２次巻線と、
前記複数の２次巻線に誘起された交流電圧を所望の電圧に変換するための電圧変換回路とを備え、
前記複数の２次巻線の各々は、電位が固定されていない第１端子および第２端子を有し、前記第１端子および第２端子は前記２次巻線ごとに別個に設けられ、
さらに、
前記複数の２次巻線の各々の前記第１端子および第２端子を選択的に前記電圧変換回路と接続するための切り替え回路を備える変圧装置。
【請求項２】
前記車両は、交流電圧が異なる複数の区間を走行する車両であり、
前記変圧装置は、鉄心をさらに備え、
前記鉄心は、
前記１次巻線および前記複数の２次巻線が巻回された主脚部と、
前記１次巻線および前記複数の２次巻線を囲むように前記主脚部に接続された側脚部とを含む、請求項１に記載の変圧装置。
【請求項３】
前記変圧装置は、
前記１次巻線および前記複数の２次巻線ならびに前記鉄心を収納するタンクをさらに備える、請求項２に記載の変圧装置。
【請求項４】
前記複数の２次巻線は、第１および第２の２次巻線を含み、
前記第１および第２の２次巻線は、前記１次巻線を挟むように、前記主脚部に巻回される、請求項２に記載の変圧装置。
【請求項５】
前記１次巻線および前記複数の２次巻線の各々は、その巻軸に対して垂直な平面上に巻かれた導体である、請求項４に記載の変圧装置。
【請求項６】
前記電圧変換回路は、固定電圧の供給される固定電位ノードと前記切り替え回路との間に接続されたスイッチ素子を含み、
前記複数の２次巻線の各々の前記第１端子および第２端子は、前記切り替え回路および前記スイッチ素子を介して前記固定電位ノードに接続される、請求項１に記載の変圧装置。
【請求項７】
前記電圧変換回路は、前記切り替え回路を介して前記２次巻線の前記第１端子および第２端子とそれぞれ接続される第１入力端子および第２入力端子を有し、前記第１入力端子の電位および前記第２入力端子の電位が交互に前記スイッチ素子を介して前記固定電位ノードに接続されるように動作する、請求項６に記載の変圧装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変圧装置に関し、特に、複数種類の交流電圧を所望の電圧に変換する変圧装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、新幹線などの鉄道車両では、高速化あるいは大量輸送が要求される。その要求を満たすために、鉄道車両に搭載される付属機器の小型化および軽量化が必要となる。その一方で、高速化あるいは大量輸送の要求を満たすために車載変圧器は大容量化している。
【０００３】
近年では、バリアフリーの観点から低床化車両の要求が高まっている。このため、車載変圧器のような、車両の床下に搭載される機器に対しては、小型化および軽量化の要求が強い。
【０００４】
架線等から供給される交流電圧が異なる複数の区間を走行する鉄道車両も存在する。このような車両に搭載される変圧器では、車両に供給される交流電圧が変化しても、変圧器から所望の交流電圧を出力することが要求される。
【０００５】
ここで、特開昭６３−２０９１１３号公報（特許文献１）には、変圧器における巻数比を切り替えるタップ切換器において、サージ電圧により発生する振動電圧を抑制するための構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭６３−２０９１１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献１に開示されたような、１つの低圧側巻線の途中に複数の端子（タップなど）を設けた変圧器を、交流電圧が異なる複数の区間を走行する鉄道車両に搭載した場合には、車両に供給された電圧に応じて、電圧を取り出す端子を選択しなければならない。しかしながら、開放端すなわち２次巻線の未使用の端子においても誘起電圧が発生する。この誘起電圧が大きくなると、巻線および鉄心の間の距離等の絶縁寸法を大きくする必要が生じる。このために変圧器の小型化および軽量化を図ることが困難となる。特許文献１は、このような問題点を解決するための構成を開示していない。
【０００８】
この発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、その目的は、複数種類の交流電圧の変換が可能であり、小型化および軽量化を図ることが可能な変圧装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明のある局面に係る変圧装置は、車両に搭載するための変圧装置であって、交流電圧を受ける１次巻線と、互いに巻数が異なる複数の２次巻線と、上記複数の２次巻線に誘起された交流電圧を変換するための電圧変換回路とを備える。上記複数の２次巻線の各々は、電位が固定されていない第１端子および第２端子を有する。上記第１端子および第２端子は上記２次巻線ごとに別個に設けられる。さらに、変圧装置は、上記複数の２次巻線の各々の上記第１端子および第２端子を選択的に上記電圧変換回路と接続するための切り替え回路を備える。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、複数種類の交流電圧の変換が可能であり、小型化および軽量化を図ることが可能な変圧装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る変圧器の構成の一例を示した図である。
【図２】鉄道車両の上方から変圧器を透視した図である。
【図３】鉄道車両の側方から見た変圧器を示した図である。
【図４】図１に示した鉄心、１次巻線および２次巻線の斜視図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ線断面図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態の比較例に係る変圧器を搭載した鉄道車両の構成を示す回路図である。
【図７】図６に示したコンバータの回路図である。
【図８】２次巻線の端子間電圧を１次電圧の種類ごとに示す図である。
【図９】図７に示したコンバータの動作を説明するための波形図である。
【図１０】図９に示すタイミングＴＡにおいて低圧側巻線（２次巻線）に発生する電圧およびコンバータに発生する電流を示す図である。
【図１１】図９に示すタイミングＴＢにおいて低圧側巻線（２次巻線）に発生する電圧およびコンバータに発生する電流を示す図である。
【図１２】図９に示す各タイミングＴＣにおいて低圧側巻線（２次巻線）に発生する電圧およびコンバータに発生する電流を示す図である。
【図１３】図９に示す各タイミングＴＤにおいて低圧側巻線（２次巻線）に発生する電圧およびコンバータに発生する電流を示す図である。
【図１４】変圧器５０の鉄心、１次巻線および２次巻線の模式断面図である。
【図１５】本発明の第１の実施の形態に係る鉄道車両の構成を示す図である。
【図１６】２次巻線の端子間電圧を１次電圧の種類ごとに示す図である。
【図１７】本発明の第１の実施の形態に係る変圧器５１の場合における、鉄心と２次巻線との間の絶縁距離を説明するための図である。
【図１８】本発明の第１の実施の形態に係る変圧器５１の場合における、タンクと２次巻線との間の絶縁距離を説明するための図である。
【図１９】一般的な交流電源の構成を示す回路図である。
【図２０】図１９に示す交流電源の動作を示す波形図である。
【図２１】図２０に示すタイミングＴＡにおいて２次巻線に発生する電圧を示す図である。
【図２２】図２０に示す各タイミングＴＢにおいて２次巻線に発生する電圧を示す図である。
【図２３】図２０に示す各タイミングＴＣにおいて２次巻線に発生する電圧を示す図である。
【図２４】図２０に示す各タイミングＴＤにおいて２次巻線に発生する電圧を示す図である。
【図２５】本発明の第２の実施の形態に係るコンバータの構成を示す回路図である。
【図２６】本発明の第２の実施の形態に係るコンバータの動作を示す波形図である。
【図２７】図２６に示すタイミングＴＡにおいて低圧側巻線に発生する電圧およびコンバータに発生する電流を示す図である。
【図２８】図２６に示すタイミングＴＢにおいて低圧側巻線に発生する電圧およびコンバータに発生する電流を示す図である。
【図２９】図２６に示すタイミングＴＣにおいて低圧側巻線に発生する電圧およびコンバータに発生する電流を示す図である。
【図３０】図２６に示すタイミングＴＤにおいて低圧側巻線に発生する電圧およびコンバータに発生する電流を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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。
【００１３】
＜第１の実施の形態＞
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る変圧器の構成の一例を示した図である。第１の実施の形態に係る変圧器は、鉄道車両に搭載される。
【００１４】
図１を参照して、変圧器５１は、１次巻線（高圧側コイル）３と、２次巻線（低圧側コイル）４ａ，４ｂと、端子９と、鉄心１０と、タンク２１とを備える。
【００１５】
１次巻線３および２次巻線４ａ，４ｂは、鉄心１０に巻回される。タンク２１は、１次巻線３、２次巻線４ａ，４ｂおよび鉄心１０を収容する。タンク２１の内部は絶縁油（図示せず）で満たされている。２次巻線４ａ，４ｂの各々は、端子９を有する。
【００１６】
変圧器５１は、さらに、電動送風機２２と、冷却器２３と、コンサベータ２４とを備える。電動送風機２２は、変圧器５１（タンク２１）内の絶縁油を冷却するために冷却器２３に風を送る。冷却器２３は、変圧器５１（タンク２１）内の絶縁油を冷却する。なお、鉄道車両の走行時によって生じる風を冷却器２３に導入してもよい。この場合、図１に示した構成から電動送風機２２を省略することができる。
【００１７】
コンサベータ２４は、絶縁油の容積の変化により膨張あるいは収縮する。１次巻線および２次巻線の発熱によって絶縁油が加熱された場合には、絶縁油の容積が大きくなる。この場合、コンサベータ２４が膨張する。一方、絶縁油の温度が低下した場合、絶縁油の容積が小さくなる。この場合にはコンサベータ２４が収縮する。
【００１８】
図２および図３は、図１に示した変圧器の鉄道車両への配置を模式的に示した図である。図２は、鉄道車両の上方から変圧器を透視した図である。図３は、鉄道車両の側方から見た変圧器を示した図である。なお、図２および図３では、図１に示した構成要素のうち、タンク２１、鉄心１０、および巻線（１次巻線３および２次巻線４ａ，４ｂ）を代表的に示している。図２および図３を参照して、鉄道車両２００は、車体２１１および変圧器５１を有する。変圧器５１は、車体２１１の床２１２の下に設置される。
【００１９】
車体２１１の床下には変圧器だけでなく、様々な機器が設置される。一方、それらの機器を設置するための艤装スペースは、車体の長さおよび幅、ならびに車両の床の高さによって制限される。近年では、車両の低床化の要求に対応するために、変圧器の艤装スペースはより一層制限される。したがって、変圧器の小型化が強く要求される。
【００２０】
図４は、図１に示した鉄心、１次巻線および２次巻線の斜視図である。図５は、図４のＶ−Ｖ線断面図である。図４および図５を参照して、鉄心１０は、主脚部１０ａと、側脚部１０ｂ，１０ｃとを備える。側脚部１０ｂ，１０ｃは、主脚部１０ａに接続される。主脚部１０ａおよび側脚部１０ｂによって鉄心１０に窓部Ｗ１が形成される。同じく主脚部１０ａおよび側脚部１０ｃによって鉄心１０に窓部Ｗ２が形成される。
【００２１】
１次巻線３および２次巻線４ａ，４ｂは、主脚部１０ａに共通に巻回され、窓部Ｗ１，Ｗ２に通される。図５においてＺ方向は、１次巻線３および２次巻線４ａ，４ｂの巻軸方向を示す。１次巻線３の上側に２次巻線４ａが配置され、１次巻線３の下側に２次巻線４ｂが配置される。１次巻線３および２次巻線４ａ，４ｂの各々は、たとえば、同一平面内で巻かれたコイル導体（コイル導体はたとえばアルミニウムで形成される）により構成される平板コイル４ｃを含む。
【００２２】
図５は、１次巻線３および２次巻線４ａ，４ｂの巻軸方向に平行であり、かつ、窓部Ｗ１，Ｗ２を貫く方向に垂直な方向での鉄心１０の断面を示す。図５に示されるように、鉄心１０は、１次巻線３および２次巻線４ａ，４ｂを取り囲む。すなわち、この実施の形態に係る変圧器は、いわゆる外鉄型変圧器である。
【００２３】
鉄道車両用の変圧器として外鉄型変圧器を採用することによって、鉄心および巻線の形状にフィットするように、タンクを形成できる。これにより、タンクの容積を小さくすることができる。タンクの容積を小さくすることで、変圧器の小型化を促進することができる。また、タンクの容積を小さくすることができるので、タンク内の絶縁油の量を少なくすることができる。これにより変圧器の軽量化を促進できる。
【００２４】
さらに、平板コイル４ｃの巻軸の方向（Ｚ方向）は車両の高さ方向である。複数の平板コイル４ｃを主脚部１０ａに積み重ねることによって、車両の高さ方向の巻線の長さを大幅に増やすことなく１次巻線３あるいは２次巻線４ａ，４ｂの巻数を増やすことができる。
【００２５】
２次巻線４ａ，４ｂの各々は２つの端子を有する。２次巻線４ａは端子９ｃ，９ｄを有し、２次巻線４ｂは端子９ａ，９ｂを有する。端子９ａ〜９ｄは、図１で示した端子９に対応する。端子９ａ〜９ｄは、鉄心１０の外側に設けられる。
【００２６】
第１の実施の形態では、２次巻線ごとに、２つの端子が設けられる。また、複数の２次巻線の間では、２つの端子が、電気的に絶縁される。すなわち、本発明の実施の形態では、複数の２次巻線に共通して接続される端子は採用されない。したがって、本発明の実施の形態によれば、変圧器の小型化を図ることができる。この点について、第１の実施の形態に係る変圧装置と、その比較例との対比により説明する。
【００２７】
（第１の実施の形態の比較例）
図６は、本発明の第１の実施の形態の比較例に係る変圧器を搭載した鉄道車両の構成を示す回路図である。
【００２８】
図６を参照して、鉄道車両２００は、交流電圧が異なる複数の区間を走行する交流電車である。鉄道車両２００は、パンタグラフ２と、変圧装置１００と、モータ７とを備える。変圧装置１００は、変圧器５０と、コンバータ５と、インバータ６と、切り替え回路８とを含む。変圧器５０は、１次巻線３と、２次巻線４ａ，４ｂと、鉄心１０とを含む。
【００２９】
パンタグラフ２は、架線１に接続されている。１次巻線３は、パンタグラフ２に接続された第１の端子と、この第１の端子の反対側に設けられ、接地電圧が供給される接地ノードに接続された第２の端子とを有する。
【００３０】
２次巻線４ａは、１次巻線３と磁気結合されており、２次巻線４ａの一方端側に設けられた端子９ａと、２次巻線４ａの他方端側に設けられた端子９ｂとを有する。２次巻線４ｂは、１次巻線３と磁気結合されており、２次巻線４ｂの一方端側に設けられた端子９ｂと、２次巻線４ｂの他方端側の端子９ｃとを有する。すなわち、端子９ｂが２次巻線４ａ，４ｂで共有される。なお、２次巻線４ａおよび４ｂの巻数は互いに異なる。
【００３１】
切り替え回路８は、２次巻線４ａ，４ｂを選択的にコンバータ５と接続する。すなわち、切り替え回路８は、２次巻線４ａの端子９ａおよび端子９ｂをコンバータ５の第１入力端子および第２入力端子にそれぞれ接続するか、２次巻線４ｂの端子９ｂおよび端子９ｃをコンバータ５の第１入力端子および第２入力端子にそれぞれ接続するかを切り替える。
【００３２】
架線１から供給される単相交流電圧は、パンタグラフ２を介して１次巻線３に供給される。１次巻線３に供給される交流電圧により、２次巻線４ａおよび４ｂにそれぞれ交流電圧が誘起される。
【００３３】
コンバータ５は、切り替え回路８によってコンバータ５と接続された２次巻線４ａまたは２次巻線４ｂに誘起された交流電圧を直流電圧に変換する。
【００３４】
インバータ６は、コンバータ５から受けた直流電圧を三相交流電圧に変換し、モータ７へ出力する。モータ７は、インバータ６から受けた三相交流電圧によって駆動される。
【００３５】
図７は、図６に示したコンバータの回路図である。図７では、２次巻線４ａの端子９ａおよび端子９ｂがコンバータ５に接続された状態を代表的に示す。
【００３６】
図７を参照して、コンバータ５は、整流回路１１と、スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ４と、ダイオードＤ１〜Ｄ４と、キャパシタＣとを含む。スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ４は、接地ノードと切り替え回路８との間に接続される。２次巻線４ａ，４ｂの各々の第１および第２の端子は、切り替え回路８およびスイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ４を介して接地ノードに接続される。
【００３７】
より詳細には、スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ４の各々は、たとえばサイリスタ、ＩＧＢＴ（Insulated  Gate  Bipolar  Transistor）等の半導体スイッチ素子である。スイッチ素子ＳＷ１は、キャパシタＣの第１端に接続される一方端と、ノードＮ１に接続される他方端と、ゲートとを有する。スイッチ素子ＳＷ２は、ノードＮ１に接続される一方端と、キャパシタＣの第２端に接続される他方端と、ゲートとを有する。スイッチ素子ＳＷ３は、キャパシタＣの第１端に接続される一方端と、ノードＮ２に接続される他方端と、ゲートとを有する。スイッチ素子ＳＷ４は、ノードＮ２に接続された一方端と、キャパシタＣの第２端に接続された他方端と、ゲートとを有する。
【００３８】
ダイオードＤ１は、スイッチ素子ＳＷ１の一方端に接続されたカソードと、スイッチ素子ＳＷ１の他方端（ノードＮ１）に接続されたアノードとを有する。ダイオードＤ２は、スイッチ素子ＳＷ２の一方端（ノードＮ１）に接続されたカソードと、スイッチ素子ＳＷ２の他方端に接続されたアノードとを有する。ダイオードＤ３は、スイッチ素子ＳＷ３の一方端に接続されたカソードと、スイッチ素子ＳＷ３の他方端（ノードＮ２）に接続されたアノードとを有する。ダイオードＤ４は、スイッチ素子ＳＷ４の一方端（ノードＮ２）に接続されたカソードと、スイッチ素子ＳＷ４の他方端に接続されたアノードとを有する。
【００３９】
コンバータ５は、キャパシタＣの片端たとえば第２端が接地ノードに接続された片端接地型のコンバータである。
【００４０】
整流回路１１は、ノードＮ１，Ｎ２に接続される。整流回路１１は、２次巻線４ａまたは２次巻線４ｂに誘起された交流電圧を整流する。
【００４１】
スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ４は、各々のゲートに受けた制御信号に基づいてオン・オフすることにより、整流回路１１によって整流された電圧を直流電圧に変換する。キャパシタＣは、スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ４によって変換された直流電圧を平滑化する。
【００４２】
次に、変圧装置１００の動作について説明する。ここでは、１次巻線３の巻数は１０００Ｔであり、２次巻線４ａの巻数は１００Ｔであり、２次巻線４ｂの巻数は６０Ｔであると仮定して説明する。
【００４３】
図８は、２次巻線の端子間電圧を１次電圧の種類ごとに示す図である。図６および図８を参照して、１次電圧、すなわち１次巻線３が受ける交流電圧の実効値が２５０００Ｖの場合、変圧装置１００では、切り替え回路８によって、２次巻線４ｂがコンバータ５に接続される。
【００４４】
２次巻線４ｂには、２５０００Ｖ／１０００Ｔ×６０Ｔ＝１５００Ｖの電圧が発生する。すなわち、端子９ｂおよび端子９ｃ間に実効値１５００Ｖの交流電圧が誘起される。端子９ｂおよび端子９ｃの電圧（ゼロピーク値）は２１２１Ｖとなる（図８（ａ））。
【００４５】
また、使用しない２次巻線４ａにも、１次巻線３と２次巻線４ａとの間の巻数比に応じた電圧が発生する。２次巻線４ａには、２５０００Ｖ／１０００Ｔ×（１００Ｔ＋６０Ｔ）＝４０００Ｖの電圧が発生する。すなわち、端子９ａおよび端子９ｃ間に実効値４０００Ｖの交流電圧が誘起される。端子９ａおよび端子９ｃの電圧（ゼロピーク値）は５６５７Ｖとなる（図８（ｂ））。
【００４６】
一方、１次電圧すなわち１次巻線３が受ける交流電圧の実効値が１５０００Ｖの場合、変圧装置１００では、切り替え回路８によって、２次巻線４ａがコンバータ５に接続される。
【００４７】
２次巻線４ａには、１５０００Ｖ／１０００Ｔ×１００Ｔ＝１５００Ｖの電圧が発生する。すなわち、端子９ａおよび端子９ｂ間に実効値１５００Ｖの交流電圧が誘起される。端子９ａおよび端子９ｂの電圧（ゼロピーク値）は２１２１Ｖとなる（図８（ｃ））。
【００４８】
また、使用しない２次巻線４ｂにも、１次巻線３と２次巻線４ｂとの間の巻数比に応じた電圧が発生する。２次巻線４ｂには、１５０００Ｖ／１０００Ｔ×（６０Ｔ＋１００Ｔ）＝２４００Ｖの電圧が発生する。すなわち、端子９ａおよび端子９ｃ間に実効値２４００Ｖの交流電圧が誘起される。端子９ａおよび端子９ｃの電圧（ゼロピーク値）は３３９４Ｖとなる（図８（ｄ））。
【００４９】
図９は、図７に示したコンバータの動作を説明するための波形図である。図１０〜図１３は、図９に示す各タイミングにおいて低圧側巻線（２次巻線）に発生する電圧およびコンバータに発生する電流を示す図である。なお、図１０〜図１３では、後述する変圧器５１で発生する電圧および電流も示している。
【００５０】
図９を参照して、電圧Ｖｃは端子９ａおよび端子９ｂの間の電圧を示している。また、図９では、スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ４のスイッチング（オン・オフ）によって得られる電圧パルス波形が示されている。
【００５１】
コンバータ５は、切り替え回路８を介して２次巻線４ａ，４ｂの第１端子および第２端子とそれぞれ接続される第１入力端子および第２入力端子を有し、第１入力端子および第２入力端子がスイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ４を介して交互に固定電位ノードに接続されるように動作する。
【００５２】
図９および図１０を参照して、図９に示すタイミングＴＡにおいて、スイッチ素子ＳＷ１がオフし、スイッチ素子ＳＷ２がオンし、スイッチ素子ＳＷ３がオフし、スイッチ素子ＳＷ４がオフする。そうすると、図１０の矢印で示すようにコンバータ５に電流が流れ、端子９ａおよび端子９ｂの電圧はともに０Ｖとなる。このときには、端子９ｃの電圧も０Ｖとなる。
【００５３】
図９および図１１を参照して、図９に示すタイミングＴＢにおいて、スイッチ素子ＳＷ１がオフし、スイッチ素子ＳＷ２がオフし、スイッチ素子ＳＷ３がオフし、スイッチ素子ＳＷ４がオフする。そうすると、図１１の矢印で示すようにコンバータ５に電流が流れ、端子９ａの電圧は０Ｖとなり、端子９ｂの電圧は２１２１Ｖとなる。このとき、端子９ｃの電圧は、２１２１Ｖ×（１００＋６０）Ｔ／６０Ｔ＝５６５７Ｖとなる。
【００５４】
図９および図１２を参照して、図９に示すタイミングＴＣにおいて、スイッチ素子ＳＷ１がオフし、スイッチ素子ＳＷ２がオフし、スイッチ素子ＳＷ３がオンし、スイッチ素子ＳＷ４がオフする。そうすると、図１２の矢印で示すようにコンバータ５に電流が流れ、端子９ａの電圧は２１２１Ｖとなり、端子９ｂの電圧は２１２１Ｖとなる。このとき、端子９ｃの電圧も２１２１Ｖとなる。
【００５５】
図９および図１３を参照して、図９に示すタイミングＴＤにおいて、スイッチ素子ＳＷ１がオフし、スイッチ素子ＳＷ２がオンし、スイッチ素子ＳＷ３がオンし、スイッチ素子ＳＷ４がオフする。そうすると、図１３の矢印で示すようにコンバータ５に電流が流れ、端子９ａの電圧は２１２１Ｖとなり、端子９ｂの電圧は０Ｖとなる。このとき、端子９ｃの電圧は−３５３６Ｖとなる。
【００５６】
以上のように、変圧装置１００では、未使用の２次巻線の端子において最大５６５７Ｖの電圧が発生する（図１１参照）。このために、巻線および鉄心間の距離等の絶縁寸法を大きくする必要が生じる。
【００５７】
図１４は、変圧器５０の鉄心、１次巻線および２次巻線の模式断面図である。図１４は、図４と対比される図である。図１４を参照して、鉄心１０の電位は０（Ｖ）である。１次巻線３の上側に２次巻線４ａが配置され、１次巻線３の上側に２次巻線４ｂが配置される。１次巻線３に印加される電圧は、２次巻線４ａ，４ｂで誘起される電圧よりも高い。１次巻線３と鉄心１０との間に２次巻線を配置することで、巻軸方向（Ｚ方向）の電圧の変化を緩やかにすることができる。また、鉄心の左右方向では、２次巻線（４ａ，４ｂ）と鉄心１０との間の距離よりも、１次巻線３と鉄心１０との間の距離が大きい。これにより、１次巻線３と鉄心１０との間の絶縁距離が確保される。
【００５８】
しかしながら、図１１に示されるように、端子９ｃには、最大５６５７Ｖの電圧が発生する。このため、端子９ｃに接続される２次巻線４ｂの端部と鉄心１０との間の距離を大きくしなければならない。図１４に示された構成によれば、側脚部１０ｂの一部である脚部１０ｂ１と２次巻線４ｂとの間の距離（長さＬ１）、あるいは、側脚部１０ｂの一部である脚部１０ｂ２と２次巻線４ｂとの間の距離（長さＬ２）を大きくする必要がある。２次巻線の巻数を低減すると２次巻線が小型化されるので、鉄心１０と２次巻線（４ａ，４ｂ）との間の絶縁距離を大きくすることが可能である。しかし巻数比が変化することで２次巻線から所望の電圧を取り出すことが難しくなる。一方、鉄心１０と２次巻線（４ａ，４ｂ）との間の絶縁距離を大きくするために、鉄心１０を拡大した場合、変圧器が大きくなる。このため、変圧器の小型化および軽量化を図ることが難しくなる。
【００５９】
そこで、本発明の実施の形態に係る変圧装置１０１では、２次巻線の構造によって上記の問題点を解決する。なお、変圧装置１０１において、変圧装置１００の対応する部分と同一または相当部分には変圧装置１００と同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【００６０】
図１５は、本発明の第１の実施の形態に係る鉄道車両の構成を示す図である。図１５を参照して、鉄道車両２００は、交流電圧が異なる複数の区間を走行する交流電車である。鉄道車両２００は、パンタグラフ２と、変圧装置１０１と、モータ７とを備える。変圧装置１０１は、変圧器５１と、コンバータ５と、インバータ６と、切り替え回路８とを含む。変圧器５１は、１次巻線３と、２次巻線４ａ，４ｂと、鉄心１０とを含む。
【００６１】
２次巻線４ａ，４ｂの各々は、電位が固定されていない別個の第１端子および第２端子を有する。より詳細には、２次巻線４ａは、１次巻線３と磁気結合されており、２次巻線４ａの一方端側に設けられた端子９ａと、２次巻線４ａの他方端側に設けられた端子９ｂとを有する。２次巻線４ｂは、１次巻線３と磁気結合されており、２次巻線４ｂの一方端側に設けられた端子９ｃと、２次巻線４ｂの他方端側に設けられた端子９ｄとを有する。２次巻線４ａおよび４ｂの巻数は互いに異なる。
【００６２】
切り替え回路８は、２次巻線４ａ，４ｂを選択的にコンバータ５と接続する。すなわち、切り替え回路８は、２次巻線４ａ，４ｂの各々の第１端子および第２端子を選択的にコンバータ５と接続する。より詳細には、切り替え回路８は、２次巻線４ａの端子９ａおよび端子９ｂをコンバータ５の第１入力端子および第２入力端子にそれぞれ接続するか、２次巻線４ｂの端子９ｃおよび端子９ｄをコンバータ５の第１入力端子および第２入力端子にそれぞれ接続するかを切り替える。
【００６３】
次に、変圧装置１０１の動作について説明する。ここでは、１次巻線３の巻数は１０００Ｔであり、２次巻線４ａの巻数は１００Ｔであり、２次巻線４ｂの巻数は６０Ｔであると仮定して説明する。なお、これらの巻数は本発明を限定するものではない。
【００６４】
図１６は、２次巻線の端子間電圧を１次電圧の種類ごとに示す図である。図１５および図１６を参照して、１次電圧すなわち１次巻線３が受ける交流電圧の実効値が２５０００Ｖの場合、変圧装置１０１では、切り替え回路８によって、２次巻線４ｂがコンバータ５に接続される。
【００６５】
２次巻線４ｂには、２５０００Ｖ／１０００Ｔ×６０Ｔ＝１５００Ｖの電圧が発生する。すなわち、端子９ｃおよび端子９ｄ間に実効値１５００Ｖの交流電圧が誘起される。端子９ｃおよび端子９ｄの電圧（ゼロピーク値）は２１２１Ｖとなる（図１６（ａ））。
【００６６】
また、使用しない２次巻線４ａにも１次巻線３と２次巻線４ａとの間の巻数比に応じた電圧が発生する。しかしながら、変圧装置１０１では、２次巻線４ａの端子９ｂと２次巻線４ｂの端子９ｃとが別個に設けられていることから、２次巻線４ａには２５０００Ｖ／１０００Ｔ×１００Ｔ＝２５００Ｖの電圧しか発生しない。すなわち、端子９ａおよび端子９ｂ間に実効値２５００Ｖの交流電圧が誘起される。端子９ａおよび端子９ｂの電圧（ゼロピーク値）は３５３６Ｖとなる（図１６（ｂ））。
【００６７】
一方、１次電圧すなわち１次巻線３が受ける交流電圧の実効値が１５０００Ｖの場合、変圧装置１００では、切り替え回路８によって、２次巻線４ａがコンバータ５に接続される。
【００６８】
２次巻線４ａには、１５０００Ｖ／１０００Ｔ×１００Ｔ＝１５００Ｖの電圧が発生する。すなわち、端子９ａおよび端子９ｂ間に実効値１５００Ｖの交流電圧が誘起される。端子９ａおよび端子９ｂの電圧（ゼロピーク値）は２１２１Ｖとなる（図１６（ｃ））。
【００６９】
また、使用しない２次巻線４ｂにも、１次巻線３と２次巻線４ｂとの間の巻数比に応じた電圧が発生する。しかしながら変圧装置１０１では、２次巻線４ａの端子９ｂと２次巻線４ｂの端子９ｃとが別個に設けられていることから、２次巻線４ａには１５０００Ｖ／１０００Ｔ×６０Ｔ＝９００Ｖの電圧しか発生しない。すなわち、端子９ｃおよび端子９ｄ間に実効値９００Ｖの交流電圧が誘起される。端子９ｃおよび端子９ｄの電圧（ゼロピーク値）は１２７３Ｖとなる（図１６（ｄ））。
【００７０】
次に、変圧器５１で発生する電圧および電流について説明する。なお、コンバータ５の動作波形は図９に示す動作波形と同様であり、コンバータ５を構成するスイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ４の動作は、図１０〜図１３で説明される動作と同様である。以下では、２次巻線４ａの端子９ａおよび端子９ｂがコンバータ５に接続された状態での変圧器５１の動作を代表的に説明する。
【００７１】
図９および図１０を参照して、図９に示すタイミングＴＡにおいて、スイッチ素子ＳＷ１がオフし、スイッチ素子ＳＷ２がオンし、スイッチ素子ＳＷ３がオフし、スイッチ素子ＳＷ４がオフする。そうすると、図１０の矢印で示すようにコンバータ５に電流が流れ、端子９ａおよび端子９ｂの電圧はともに０Ｖとなる。このときには、端子９ｃの電圧も０Ｖとなる。
【００７２】
図９および図１１を参照して、図９に示すタイミングＴＢにおいて、スイッチ素子ＳＷ１がオフし、スイッチ素子ＳＷ２がオフし、スイッチ素子ＳＷ３がオフし、スイッチ素子ＳＷ４がオフする。そうすると、図１１の矢印で示すようにコンバータ５に電流が流れ、端子９ａの電圧は０Ｖとなり、端子９ｂの電圧は２１２１Ｖとなる。このとき、端子９ｃの電圧は０Ｖとなり、端子９ｄの電圧は２１２１Ｖ×１００Ｔ／６０Ｔ＝３５３６Ｖとなる。変圧器５０の場合には、未使用の端子９ｃに５６５７Ｖの大きさの電圧が発生するが、変圧器５１の場合には、未使用の端子９ｄに発生する電圧は３５３６Ｖである。
【００７３】
図９および図１２を参照して、図９に示すタイミングＴＣにおいて、スイッチ素子ＳＷ１がオフし、スイッチ素子ＳＷ２がオフし、スイッチ素子ＳＷ３がオンし、スイッチ素子ＳＷ４がオフする。そうすると、図１２の矢印で示すように電流が流れ、端子９ａの電圧は２１２１Ｖとなり、端子９ｂの電圧は２１２１Ｖとなる。このとき、端子９ｃの電圧は３５３６Ｖとなり、端子９ｄの電圧は３５３６Ｖとなる。
【００７４】
図９および図１３を参照して、図９に示すタイミングＴＤにおいて、スイッチ素子ＳＷ１がオフし、スイッチ素子ＳＷ２がオンし、スイッチ素子ＳＷ３がオンし、スイッチ素子ＳＷ４がオフする。そうすると、図１３の矢印で示すようにコンバータ５に電流が流れ、端子９ａの電圧は２１２１Ｖとなり、端子９ｂの電圧は０Ｖとなる。このとき、端子９ｃの電圧は３５３６Ｖとなり、端子９ｄの電圧は０Ｖとなる。
【００７５】
図１７は、本発明の第１の実施の形態に係る変圧器５１の場合における、鉄心と２次巻線との間の絶縁距離を説明するための図である。図１８は、本発明の第１の実施の形態に係る変圧器５１の場合における、タンクと２次巻線との間の絶縁距離を説明するための図である。
【００７６】
図１７および図１８を参照して、第１の実施の形態によれば、端子９ｄに発生する電圧は、未使用の端子９ｄに発生する電圧は最大で３５３６Ｖである。このため、２次巻線と鉄心１０との間の絶縁距離を、変圧器５０の場合の絶縁距離よりも短くすることができる。すなわち、変圧器５０に比べて長さＬ１，Ｌ２を短くすることができる。したがって鉄心１０の内部の空間（窓部Ｗ１，Ｗ２）を小さくすることができるので、鉄心１０も小型化できる。
【００７７】
また、タンク２１の電位も鉄心の電位と同様に０Ｖである。タンク２１のサイズは、２次巻線４ａ，４ｂとタンク２１との間の絶縁距離に依存する。上記のように、本発明の第１の実施の形態では、未使用の端子９ｄに発生する電圧を低下させることができる。したがって、タンク２１と２次巻線との間の絶縁距離も短くすることができる。これによりタンクを小型化することが可能になるので、変圧器の小型化および軽量化を実現できる。
【００７８】
なお、上記のように、変圧装置１００および変圧装置１０１では、２次巻線４ａ，４ｂの電位は固定されていない。これは、交流電車に搭載される変圧器に特有の構成である。一般的には、２次巻線の一方端子は接地電位に接続される。
【００７９】
図１９は、一般的な交流電源の構成を示す回路図である。図１９では、２次巻線４ａの端子９ａおよび端子９ｂが代表的に示される。図１９を参照して、交流電源６１に含まれる変圧器では片端接地方式が採用される。すなわち、交流電源６１が変圧器５０を含む場合、たとえば端子９ｂが接地電位に接続される。また、交流電源６１が変圧器５１を含む場合、たとえば２次巻線４ａの端子９ｂおよび２次巻線４ｂの端子９ｄが接地電位に接続される。
【００８０】
次に、交流電源６１の動作について説明する。ここでは、交流電源６１の変圧器において、１次巻線３の巻数は１０００Ｔであり、２次巻線４ａの巻数は１００Ｔであり、２次巻線４ｂの巻数は６０Ｔであると仮定して説明する。
【００８１】
図２０は、図１９に示す交流電源の動作を示す波形図である。図２１〜図２４は、図２０に示す各タイミングにおいて２次巻線に発生する電圧を示す図である。
【００８２】
図２０を参照して、電圧Ｖｃは端子９ａおよび端子９ｂの間の電圧を示している。図２０および図２１を参照して、図２０に示すタイミングＴＡにおいて、変圧器５０では、端子９ａ，９ｂ，９ｃの電圧がいずれも０Ｖとなる。同じく変圧器５１では、端子９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄの電圧がいずれも０Ｖとなる。
【００８３】
図２０および図２２を参照して、図２０に示すタイミングＴＢにおいて、変圧器５０では、端子９ａ，９ｂ，９ｃの電圧は、それぞれ−２１２１Ｖ，０Ｖ，３５３６Ｖとなる。変圧器５１では、端子９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄの電圧は、それぞれ−２１２１Ｖ，０Ｖ，３５３６Ｖ，０Ｖとなる。
【００８４】
図２０および図２３を参照して、図２０に示すタイミングＴＣにおいて、変圧器５０では、端子９ａ，９ｂ，９ｃの電圧はいずれも０Ｖとなる。同じく変圧器５１では、端子９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄの電圧はいずれも０Ｖとなる。
【００８５】
図２０および図２４を参照して、図２０に示すタイミングＴＤにおいて、変圧器５０では、端子９ａ，９ｂ，９ｃの電圧はそれぞれ２１２１Ｖ，０Ｖ，−３５３６Ｖとなる。また、変圧器５１では、端子９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄの電圧はそれぞれ２１２１Ｖ，０Ｖ，−３５３６Ｖ，０Ｖとなる。
【００８６】
以上のように、変圧装置１０１では、一方の端子が接地された一般的な交流電源６１と同様に、未使用の２次巻線の端子において最大３５３６Ｖの電圧しか発生しない。これにより、巻線および鉄心間の距離あるいは巻線およびタンク間の距離等の絶縁寸法を大きくする必要がなくなるので、変圧器の小型化および軽量化を図ることができる。さらに、未使用の２次巻線の端子に発生する電圧が低下することで、２次巻線の端子の小型化および軽量化を図ることができる。
【００８７】
また、ある２次巻線に設けられた端子が、他の２次巻線に設けられた端子と独立している（電気的に絶縁されている）ことによって、異電圧区間を車両が走行することにより１次側電圧が変化した場合においても、変圧装置として必要なインダクタンス値（Ｌ値）、容量値（Ｃ値）、および抵抗値（Ｒ値）を常に確保できるように、２次巻線側の最適設計を図ることができる。
【００８８】
変圧装置として必要なＬ値、Ｃ値およびＲ値を確保することによって、鉄道車両の制御の安定化を図ることができる。一般に、鉄道車両には様々な周波数帯の信号が使用されているため、車両に搭載されている制御機器から発生する高調波のノイズにより、各種の信号に誘導障害を引き起こさないように考慮する必要がある。変圧器のＬ成分が最適化されていない場合、変圧器を介して接地線から流出する帰線電流によって、上記の誘導障害が生じる可能性がある。誘導障害が発生した場合、たとえば車両（電車）の異常が生じたと誤って検知されるとともに、車両を停止させるための制御が実行されるなどといった問題が発生する。
【００８９】
このため車両に搭載される変圧器においては、上記Ｌ、Ｃ、Ｒ値の中でも、Ｌ値が特に重要となる。Ｌ値を決定するためのパラメータは、単に巻数だけではなく、２次巻線の配置（たとえば１次巻線と２次巻線との距離）など複数存在する。
【００９０】
変圧器５０において、２次巻線４ａ，４ｂの巻数をそれぞれ４０Ｔ，６０Ｔとし端子９ｃの電位を固定すれば、端子９ｂの使用時に、未使用の端子９ａに発生する誘起電圧を低下させることが可能である。しかし、このような構成においては、１次巻線に入力される交流電圧が変化した場合にも最適なＬ値が得られるとは限らない。一方、図５に示されるように、本発明の第１の実施の形態では、複数の２次巻線にそれぞれ設けられた複数の端子を互いに独立させる。これにより、異電圧区間を走行する車両に搭載された変圧装置において、１次巻線に印加される電圧が変化した場合にも、最適なＬ値が確保されるように、各２次巻線を最適化することが可能になる。
【００９１】
なお、変圧器５１は、２次巻線を３つ以上含んでいてもよい。また、変圧装置１０１は、コンバータ５およびインバータ６を含むものと限定されず、２次巻線に誘起された交流電圧を所望の電圧に変換する電圧変換回路を含んでいればよい。また、接地ノードに限らず、固定電圧が供給されるノードにコンバータ５が接続される構成であってもよい。
【００９２】
また、第１の実施の形態によれば、切り替え回路８によって、コンバータ５に接続される２次巻線が切換えられる。これにより、複数の２次巻線に共通に設けられた１つのコンバータによって所望の電圧を取り出すことができる。したがって、複数の２次巻線にそれぞれ対応する複数のコンバータを設ける構成に比べてコンバータの数を削減することができる。
【００９３】
＜第２の実施の形態＞
本実施の形態は、第１の実施の形態に係る変圧装置と比べてコンバータの構成を変更した変圧装置に関する。なお、実施の形態２に係る変圧装置は、交流電圧が異なる複数の区間を走行する交流電車に搭載される。また、実施の形態２に係る変圧装置の構成は図１におよび図４に示された構成と同様である。したがって、以下では、主として第２の実施の形態と第１の実施の形態との相違点を説明し、第２の実施の形態と第１の実施の形態とで共通する内容については以後の詳細な説明を繰返さない。
【００９４】
図２５は、本発明の第２の実施の形態に係るコンバータの構成を示す回路図である。図２５では、２次巻線４ａの端子９ａおよび端子９ｂがコンバータ５に接続された状態を代表的に示す。
【００９５】
図２５を参照して、このコンバータ５は、キャパシタＣの第１端および第２端が接地電位に接続された中間接地型のコンバータである。この点において、第２の実施の形態に係るコンバータは、第１の実施の形態に係るコンバータと異なる。
【００９６】
上記の変圧装置１００および変圧装置１０１が図２５に示すコンバータを備える場合についてそれぞれ説明する。
【００９７】
［変圧装置１００］
まず、変圧装置１００の動作について説明する。ここでは、１次巻線３の巻数は１０００Ｔであり、２次巻線４ａの巻数は１００Ｔであり、２次巻線４ｂの巻数は６０Ｔであると仮定して説明する。また、変圧装置１００および変圧装置１０１における２次巻線の端子間電圧は本発明の第１の実施の形態の場合における端子間電圧と同様である。このため、以下では、図８および図１６を用いて変圧装置１００，１０１の動作をそれぞれ説明する。
【００９８】
図８を参照して、１次電圧、すなわち１次巻線３が受ける交流電圧の実効値が２５０００Ｖの場合、変圧装置１００では、切り替え回路８によって、２次巻線４ｂがコンバータ５と接続される。
【００９９】
２次巻線４ｂには、２５０００Ｖ／１０００Ｔ×６０Ｔ＝１５００Ｖの電圧が発生する。すなわち、端子９ｂおよび端子９ｃ間に実効値１５００Ｖの交流電圧が誘起される。図８（ａ）のケースでは、端子９ｂおよび端子９ｃの電圧（ゼロピーク値）は１０６１Ｖとなる。
【０１００】
また、使用しない２次巻線４ａにも、１次巻線３と２次巻線４ａとの間の巻数比に応じた電圧が発生する。２次巻線４ａには、２５０００Ｖ／１０００Ｔ×（１００Ｔ＋６０Ｔ）＝４０００Ｖの電圧が発生する。すなわち、端子９ａおよび端子９ｃ間に実効値４０００Ｖの交流電圧が誘起される。図８（ｂ）のケースでは、端子９ａおよび端子９ｃの電圧（ゼロピーク値）は４５９６Ｖとなる。
【０１０１】
一方、１次電圧すなわち１次巻線３が受ける交流電圧の実効値が１５０００Ｖの場合、変圧装置１００では、切り替え回路８によって、２次巻線４ａがコンバータ５に接続される。
【０１０２】
２次巻線４ａには、１５０００Ｖ／１０００Ｔ×１００Ｔ＝１５００Ｖの電圧が発生する。すなわち、端子９ａおよび端子９ｂ間に実効値１５００Ｖの交流電圧が誘起される。図８（ｃ）のケースでは、端子９ａおよび端子９ｂの電圧（ゼロピーク値）は１０６１Ｖとなる。
【０１０３】
また、使用しない２次巻線４ｂにも１次巻線３と２次巻線４ｂとの間の巻数比に応じた電圧が発生する。２次巻線４ａには、１５０００Ｖ／１０００Ｔ×（６０Ｔ＋１００Ｔ）＝２４００Ｖの電圧が発生する。すなわち、図８（ｄ）のケースでは、端子９ａおよび端子９ｃ間に実効値２４００Ｖの交流電圧が誘起される。端子９ａおよび端子９ｃの電圧（ゼロピーク値）は２３３３Ｖとなる。
【０１０４】
図２６は、本発明の第２の実施の形態に係るコンバータの動作を示す波形図である。図２７〜図３０は、図２６に示す各タイミングにおいて２次巻線に発生する電圧およびコンバータに発生する電流を示す図である。なお、図２７〜図３０では、変圧器５１で発生する電圧および電流も示している。
【０１０５】
図２６を参照して、電圧Ｖｃは端子９ａおよび端子９ｂ間の電圧を示している。また、図２６では、スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ４のスイッチング（オン・オフ）によって得られる電圧パルス波形が示されている。
【０１０６】
図２６および図２７を参照して、図２６に示すタイミングＴＡにおいて、スイッチ素子ＳＷ１がオフし、スイッチ素子ＳＷ２がオンし、スイッチ素子ＳＷ３がオフし、スイッチ素子ＳＷ４がオフする。そうすると、図２７の矢印で示すようにコンバータ５に電流が流れ、端子９ａおよび端子９ｂの電圧はともに−１０６１Ｖとなる。このときには、端子９ｃの電圧も−１０６１Ｖとなる。
【０１０７】
図２６および図２８を参照して、図２６に示すタイミングＴＢにおいて、スイッチ素子ＳＷ１がオフし、スイッチ素子ＳＷ２がオフし、スイッチ素子ＳＷ３がオフし、スイッチ素子ＳＷ４がオフする。そうすると、図２８の矢印で示すようにコンバータ５に電流が流れ、端子９ａの電圧は−１０６１Ｖとなり、端子９ｂの電圧は１０６１Ｖとなる。このとき、端子９ｃの電圧は４５９６Ｖとなる。
【０１０８】
図２６および図２９を参照して、図２６に示すタイミングＴＣにおいて、スイッチ素子ＳＷ１がオフし、スイッチ素子ＳＷ２がオフし、スイッチ素子ＳＷ３がオンし、スイッチ素子ＳＷ４がオフする。そうすると、図２９の矢印で示すようにコンバータ５に電流が流れ、端子９ａの電圧は１０６１Ｖとなり、端子９ｂの電圧は１０６１Ｖとなる。このとき、端子９ｃの電圧も１０６１Ｖとなる。
【０１０９】
図２６および図３０を参照して、図２６に示すタイミングＴＤにおいて、スイッチ素子ＳＷ１がオフし、スイッチ素子ＳＷ２がオンし、スイッチ素子ＳＷ３がオンし、スイッチ素子ＳＷ４がオフする。そうすると、図３０の矢印で示すようにコンバータ５に電流が流れ、端子９ａの電圧は１０６１Ｖとなり、端子９ｂの電圧は−１０６１Ｖとなる。このとき、端子９ｃの電圧は−４５９６Ｖとなる。
【０１１０】
以上のように、変圧装置１００では、未使用の２次巻線の端子において最大４５９６Ｖの電圧が発生する。したがって、第１の実施の形態１でも説明されるように、変圧器における巻線および鉄心間の距離等の絶縁寸法を大きくする必要が生じるので、変圧器の小型化および軽量化を図ることが困難となる。
【０１１１】
［変圧装置１０１］
次に、変圧装置１０１の動作について説明する。１次電圧すなわち１次巻線３が受ける交流電圧の実効値が２５０００Ｖの場合、変圧装置１０１では、切り替え回路８によって、２次巻線４ｂがコンバータ５に接続される。
【０１１２】
２次巻線４ｂには、２５０００Ｖ／１０００Ｔ×６０Ｔ＝１５００Ｖの電圧が発生する。すなわち、端子９ｃおよび端子９ｄ間に実効値１５００Ｖの交流電圧が誘起される。図１６（ａ）のケースでは、端子９ｃおよび端子９ｄの電圧（ゼロピーク値）は１０６１Ｖとなる。
【０１１３】
また、使用しない２次巻線４ａにも１次巻線３と２次巻線４ａとの間の巻数比に応じた電圧が発生する。しかしながら、変圧装置１０１では、２次巻線４ａの端子９ｂと２次巻線４ｂの端子９ｃとが別個に設けられていることから、２次巻線４ａには２５０００Ｖ／１０００Ｔ×１００Ｔ＝２５００Ｖの電圧しか発生しない。すなわち、端子９ａおよび端子９ｂ間に実効値２５００Ｖの交流電圧が誘起される。図１６（ｂ）のケースでは、端子９ａおよび端子９ｂの電圧（ゼロピーク値）は３５３６Ｖとなる。
【０１１４】
一方、１次電圧すなわち１次巻線３が受ける交流電圧の実効値が１５０００Ｖの場合、変圧装置１０１では、切り替え回路８によって、２次巻線４ａがコンバータ５に接続される。
【０１１５】
２次巻線４ａには、１５０００Ｖ／１０００Ｔ×１００Ｔ＝１５００Ｖの電圧が発生する。すなわち、端子９ａおよび端子９ｂ間に実効値１５００Ｖの交流電圧が誘起される。図１６（ｃ）のケースでは、端子９ａおよび端子９ｂの電圧（ゼロピーク値）は１０６１Ｖとなる。
【０１１６】
また、使用しない２次巻線４ｂにも１次巻線３と２次巻線４ｂとの間の巻数比に応じた電圧が発生する。しかしながら変圧装置１０１では、２次巻線４ａの端子９ｂと２次巻線４ｂの端子９ｃとが別個に設けられていることから、２次巻線４ａには１５０００Ｖ／１０００Ｔ×６０Ｔ＝９００Ｖの電圧しか発生しない。すなわち、端子９ｃおよび端子９ｄ間に実効値９００Ｖの交流電圧が誘起される。図１０（ｄ）のケースでは、端子９ｃおよび端子９ｄの電圧（ゼロピーク値）は１２７３Ｖとなる。
【０１１７】
次に、変圧器５１で発生する電圧および電流について説明する。変圧器５１の動作波形は、図２６に示す動作波形と同様であり、コンバータ５を構成するスイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ４の動作は、図２７〜図３０で説明される動作と同様である。以下では、２次巻線４ａの端子９ａおよび端子９ｂがコンバータ５に接続された状態の動作について代表的に説明する。
【０１１８】
図２６および図２７を参照して、図２６に示すタイミングＴＡにおいて、スイッチ素子ＳＷ１がオフし、スイッチ素子ＳＷ２がオンし、スイッチ素子ＳＷ３がオフし、スイッチ素子ＳＷ４がオフする。そうすると、図２７の矢印で示すようにコンバータ５に電流が流れ、端子９ａおよび端子９ｂの電圧はともに−１０６１Ｖとなる。このときには、端子９ｃおよび端子９ｄの電圧も０Ｖとなる。
【０１１９】
図２６および図２８を参照して、図２６に示すタイミングＴＢにおいて、スイッチ素子ＳＷ１がオフし、スイッチ素子ＳＷ２がオフし、スイッチ素子ＳＷ３がオフし、スイッチ素子ＳＷ４がオフする。そうすると、図２８の矢印で示すようにコンバータ５に電流が流れ、端子９ａの電圧は−１０６１Ｖとなり、端子９ｂの電圧は１０６１Ｖとなる。このとき、端子 ９ｃの電圧は０Ｖとなり、端子９ｄの電圧は３５３６Ｖとなる。
【０１２０】
図２６および図２９を参照して、図２６に示すタイミングＴＣにおいて、スイッチ素子ＳＷ１がオフし、スイッチ素子ＳＷ２がオフし、スイッチ素子ＳＷ３がオンし、スイッチ素子ＳＷ４がオフする。そうすると、図２９の矢印で示すようにコンバータ５に電流が流れ、端子９ａの電圧は１０６１Ｖとなり、端子９ｂの電圧は１０６１Ｖとなる。このとき、端子９ｃの電圧は３５３６Ｖとなり、端子９ｄの電圧は３５３６Ｖとなる。
【０１２１】
図２６および図３０を参照して、図２６に示すタイミングＴＤにおいて、スイッチ素子ＳＷ１がオフし、スイッチ素子ＳＷ２がオンし、スイッチ素子ＳＷ３がオンし、スイッチ素子ＳＷ４がオフする。そうすると、図３０の矢印で示すようにコンバータ５に電流が流れ、端子９ａの電圧は１０６１Ｖとなり、端子９ｂの電圧は−１０６１Ｖとなる。このとき、端子９ｃの電圧は３５３６Ｖとなり、端子９ｄの電圧は０Ｖとなる。
【０１２２】
以上のように、変圧装置１０１では、図２５に示す中間接地型のコンバータを備える場合でも、一般的な交流電源６１と同様に、未使用の２次巻線の端子において最大３５３６Ｖの電圧しか発生しない。このため第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様に、変圧器の小型化および軽量化を図ることができる。さらに、未使用の２次巻線の端子に発生する電圧が低下することで、２次巻線の端子の小型化および軽量化を図ることができる。
【０１２３】
なお、上記の各実施の形態では、高圧巻線および低圧巻線が鉄心で囲まれた、いわゆる外鉄型の変圧器が示される。ただし本発明は、鉄心の周囲に高圧巻線および低圧巻線が配置された、いわゆる内鉄型の変圧器にも適用可能である。内鉄型の変圧器においても、変圧器の小型化および軽量化のためには、巻線と鉄心との間の絶縁距離をできるだけ小さくすることが重要となる。したがって、内鉄型の変圧器に本発明を適用することにより、当該変圧器の小型化および軽量化を図ることができる。
【０１２４】
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特許請求の範囲によって示され、特許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。
【符号の説明】
【０１２５】
１  架線、２  パンタグラフ、３  １次巻線（高圧側コイル）、４ａ，４ｂ  ２次巻線（低圧側コイル）、４ｃ  平板コイル、５  コンバータ、６  インバータ、７  モータ、８  切り替え回路、９，９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ  端子、１０  鉄心、１０ａ  主脚部、１０ｂ，１０ｃ  側脚部、１０ｂ１，１０ｂ２  脚部、１１  整流回路、２１  タンク、２２  電動送風機、２３  冷却器、２４  コンサベータ、５０，５１  変圧器、６１  交流電源、１００，１０１  変圧装置、２００  鉄道車両、２１１  車体、２１２  床、ＳＷ１〜ＳＷ４  スイッチ素子、Ｄ１〜Ｄ４  ダイオード、Ｃ  キャパシタ、Ｎ１，Ｎ２  ノード、Ｗ１，Ｗ２  窓部。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【手続補正書】
【提出日】平成23年4月5日(2011.4.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５７】
図１４は、変圧器５０の鉄心、１次巻線および２次巻線の模式断面図である。図１４は、図４と対比される図である。図１４を参照して、鉄心１０の電位は０（Ｖ）である。１次巻線３の上側に２次巻線４ａが配置され、１次巻線３の下側に２次巻線４ｂが配置される。１次巻線３に印加される電圧は、２次巻線４ａ，４ｂで誘起される電圧よりも高い。１次巻線３と鉄心１０との間に２次巻線を配置することで、巻軸方向（Ｚ方向）の電圧の変化を緩やかにすることができる。また、鉄心の左右方向では、２次巻線（４ａ，４ｂ）と鉄心１０との間の距離よりも、１次巻線３と鉄心１０との間の距離が大きい。これにより、１次巻線３と鉄心１０との間の絶縁距離が確保される。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６７】
一方、１次電圧すなわち１次巻線３が受ける交流電圧の実効値が１５０００Ｖの場合、変圧装置１０１では、切り替え回路８によって、２次巻線４ａがコンバータ５に接続される。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１０３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１０３】
また、使用しない２次巻線４ｂにも１次巻線３と２次巻線４ｂとの間の巻数比に応じた電圧が発生する。２次巻線４ｂには、１５０００Ｖ／１０００Ｔ×（６０Ｔ＋１００Ｔ）＝２４００Ｖの電圧が発生する。すなわち、図８（ｄ）のケースでは、端子９ａおよび端子９ｃ間に実効値２４００Ｖの交流電圧が誘起される。端子９ａおよび端子９ｃの電圧（ゼロピーク値）は２３３３Ｖとなる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１１６】
また、使用しない２次巻線４ｂにも１次巻線３と２次巻線４ｂとの間の巻数比に応じた電圧が発生する。しかしながら変圧装置１０１では、２次巻線４ａの端子９ｂと２次巻線４ｂの端子９ｃとが別個に設けられていることから、２次巻線４ｂには１５０００Ｖ／１０００Ｔ×６０Ｔ＝９００Ｖの電圧しか発生しない。すなわち、端子９ｃおよび端子９ｄ間に実効値９００Ｖの交流電圧が誘起される。図１０（ｄ）のケースでは、端子９ｃおよび端子９ｄの電圧（ゼロピーク値）は１２７３Ｖとなる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両に搭載するための変圧装置であって、
交流電圧を受ける１次巻線と、
互いに巻数が異なる複数の２次巻線と、
前記複数の２次巻線に誘起された交流電圧を所望の電圧に変換するための電圧変換回路とを備え、
前記複数の２次巻線の各々は、電位が固定されていない第１端子および第２端子を有し、前記第１端子および第２端子は前記２次巻線ごとに別個に設けられ、
さらに、
前記複数の２次巻線の各々の前記第１端子および第２端子を選択的に前記電圧変換回路と接続するための切り替え回路を備え、
前記車両は、交流電圧が異なる複数の区間を走行する車両であり、
前記変圧装置は、鉄心をさらに備え、
前記鉄心は、
前記１次巻線および前記複数の２次巻線が巻回された主脚部と、
前記１次巻線および前記複数の２次巻線を囲むように前記主脚部に接続された側脚部とを含み、
前記複数の２次巻線は、第１および第２の２次巻線を含み、
前記第１および第２の２次巻線は、前記１次巻線を挟むように、前記主脚部に巻回される、変圧装置。
【請求項２】
前記変圧装置は、
前記１次巻線および前記複数の２次巻線ならびに前記鉄心を収納するタンクをさらに備える、請求項１に記載の変圧装置。
【請求項３】
前記１次巻線および前記複数の２次巻線の各々は、その巻軸に対して垂直な平面上に巻かれた導体である、請求項１に記載の変圧装置。
【請求項４】
前記電圧変換回路は、固定電圧の供給される固定電位ノードと前記切り替え回路との間に接続されたスイッチ素子を含み、
前記複数の２次巻線の各々の前記第１端子および第２端子は、前記切り替え回路および前記スイッチ素子を介して前記固定電位ノードに接続される、請求項１に記載の変圧装置。
【請求項５】
前記電圧変換回路は、前記切り替え回路を介して前記２次巻線の前記第１端子および第２端子とそれぞれ接続される第１入力端子および第２入力端子を有し、前記第１入力端子の電位および前記第２入力端子の電位が交互に前記スイッチ素子を介して前記固定電位ノードに接続されるように動作する、請求項４に記載の変圧装置。