(57)【要約】【課題】鉄道特有の制約条件の中でコモンモード電流の発生を効果的に抑制する電気車用電力変換装置を提供する。【解決手段】電気車用電力変換装置１０は、インバータ１２と、インバータ１２とモータ４との間に設けられるインピーダンス要素１３と、を備える。インピーダンス要素１３は、磁性体３１ａよりなり、且つ、孔部３１ｂが形成されたリング形状を有するコア部３１と、孔部３１ｂを通してコア部３１に巻回された電線３２と、電線３２の端部３２ａに接続された端部３３ａと、電線３２の端部３２ｂに接続され、且つ、端部３３ａと反対側の端部３３ｂと、を含むコンデンサ３３と、を有する。モータ４は、複数の導体１４によりインバータ１２に接続され、複数の導体１４は、孔部３１ｂを貫通する。【選択図】図３
2019115223.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電力又は第１交流電力を複数相の第２交流電力に変換し、変換された前記第２交流電力を、電気車を駆動する第１電動機に供給する電力変換部と、
前記電力変換部と前記第１電動機との間に設けられる第１インピーダンス要素と、
を備え、
前記第１インピーダンス要素は、
第１磁性体よりなり、且つ、第１孔部が形成されたリング形状を有する第１コア部と、
前記第１孔部を通して前記第１コア部に巻回され、且つ、第１端部と、前記第１端部と反対側の第２端部と、を含む電線と、
前記第１端部に接続された第３端部と、前記第２端部に接続され、且つ、前記第３端部と反対側の第４端部と、を含む第１コンデンサと、
を有し、
前記第１電動機は、前記第２交流電力の相数と同数の複数の第１導体により前記電力変換部に接続され、
前記複数の第１導体は、前記第１孔部を貫通する、電気車用電力変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電気車用電力変換装置において、
前記第１インピーダンス要素は、前記複数の第１導体を流れるコモンモード電流を抑制する、電気車用電力変換装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の電気車用電力変換装置において、
前記第１電動機は、前記複数の第１導体のいずれとも異なる第２導体、及び、前記電力変換部を、順次介して接地され、
前記第２導体は、前記第１孔部を貫通する、電気車用電力変換装置。
【請求項４】
請求項３に記載の電気車用電力変換装置において、
前記第１電動機は、前記第２導体、第２コンデンサ、及び、前記電力変換部を、順次介して接地される、電気車用電力変換装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電気車用電力変換装置において、
前記電力変換部と前記第１インピーダンス要素との間、又は、前記第１インピーダンス要素と前記第１電動機との間に設けられる第２インピーダンス要素を備え、
前記第２インピーダンス要素は、第２磁性体よりなり、且つ、第２孔部が形成されたリング形状を有する第２コア部を有し、
前記複数の第１導体は、前記第２孔部を貫通する、電気車用電力変換装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の電気車用電力変換装置において、
前記電力変換部は、前記第２交流電力を、前記電気車を駆動する第２電動機に供給し、
前記第１インピーダンス要素は、前記電力変換部と前記第２電動機との間に設けられ、
前記第２電動機は、前記第２交流電力の相数と同数の複数の第３導体により前記複数の第１導体に接続され、
前記複数の第１導体の各々のうち、前記電力変換部と前記第２電動機との間に設けられた第１部分は、前記第１孔部を貫通する、電気車用電力変換装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の電気車用電力変換装置において、
前記電力変換部を収容する箱体を備え、
前記第１インピーダンス要素は、前記箱体の内部に設けられる、電気車用電力変換装置。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか一項に記載の電気車用電力変換装置において、
前記第１インピーダンス要素及び前記複数の第１導体によりＬＣ並列共振回路が形成される、電気車用電力変換装置。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか一項に記載の電気車用電力変換装置において、
前記電力変換部は、前記電気車に設けられ、且つ、前記直流電力を三相の前記第２交流電力に変換するインバータであり、
前記第１電動機は、前記電気車に設けられ、且つ、３本の前記第１導体により前記インバータに接続される、電気車用電力変換装置。
【請求項１０】
直流電力又は第１交流電力を複数相の第２交流電力に変換し、変換された前記第２交流電力を、電気車を駆動する第１電動機に供給する電力変換部と、
前記電力変換部よりも前記第１電動機側と反対側に設けられる第１インピーダンス要素と、
を備え、
前記第１インピーダンス要素は、
第１磁性体よりなり、且つ、第１孔部が形成されたリング形状を有する第１コア部と、
前記第１孔部を通して前記第１コア部に巻回され、且つ、第１端部と、前記第１端部と反対側の第２端部と、を含む電線と、
前記第１端部に接続された第３端部と、前記第２端部に接続され、且つ、前記第３端部と反対側の第４端部と、を含む第１コンデンサと、
を有し、
前記電力変換部には、複数の第１導体を介して、前記直流電力又は前記第１交流電力が供給され、
前記複数の第１導体は、前記第１孔部を貫通する、電気車用電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気車用電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電気車に設けられる電気車用電力変換装置として、交流電力を直流電力に変換するコンバータと、直流電力を所望の交流電力に変換して電気車を駆動する電動機に供給するインバータと、を備えたものがある。このような電気車用電力変換装置は、種々のノイズを発生させる。ここで、電気車用電力変換装置が発生させるノイズのうち、ノイズとして外部に及ぼす悪影響が特に大きなものは、電動機を駆動する際に、電動機に複数相の交流電力を供給するための複数の配線中を同相に流れる、所謂コモンモード電流と称されるノイズ電流である。コモンモード電流は、電磁界を発生させることにより、鉄道信号装置、又は、誘導無線装置に悪影響を及ぼす。そのため、電気車用電力変換装置として、ノイズの発生を抑制するためのインピーダンス要素又はフィルタ回路等を備えたものがある。
【０００３】
国際公開第２００９／３７７８２号（特許文献１）には、電気車用電力変換装置において、交流電力を直流電力に変換するコンバータ部と、直流電力を所望の交流電力に変換して電気車を駆動する電動機に供給するインバータ部と、コンバータ部とインバータ部との間に流れる共振電流を抑制するためのインダクタンス成分を有するインピーダンス要素と、を備える技術が開示されている。
【０００４】
特開平９−９４１２号公報（特許文献２）には、交流電気車用電力変換装置において、コンバータ及びインバータからなる電力変換器と、この電力変換器の出力によって駆動される電動機を備え、コンバータまたはインバータの一部を接地し、車体に漏えいする高調波電流が流れる全ての経路にそれぞれフィルタ回路を設ける技術が開示されている。
【０００５】
一方、コモンモード電流と称されるノイズ電流の発生を抑制するためのフィルタとして、機器間の信号を伝えるケーブルに重畳するコモンモードノイズを低減するためのフィルタがある。
【０００６】
特開平８−７８９９２号公報（特許文献３）には、フィルタにおいて、軟磁性体リングの内部をケーブルが貫くように配置され、軟磁性体リングに電線を巻きつけてコイルとなし、コイルにコンデンサが直列に接続される技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第２００９／３７７８２号
【特許文献２】特開平９−９４１２号公報
【特許文献３】特開平８−７８９９２号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】小笠原悟司、「可変速ＡＣドライブの漏れ電流・サージ電圧・軸電圧とその抑制法」、電気学会論文誌Ｄ、平成１０年、第１１８巻、第９号、ｐ．９７５−９８０
【非特許文献２】廿日出悟、外１名、「鉄道車両インバータの直達ノイズ事前確認手法の構築」、電気学会  交通・電気鉄道研究会資料、２０１５年、Ｎｏ．ＴＥＲ１５−０４３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記特許文献１に記載されているように、従来の鉄道車両では、ノイズの発生を抑制するためのインピーダンス要素として、磁性体よりなり、且つ、孔部が形成されたリング形状を有するコア部の孔部に導体を貫通させたものが、インダクタとして用いられる。しかし、このようなコア部を導体に沿って多数配列させ、各コア部の孔部に導体を貫通させたとしても、得られるインダクタンスの合計を大きくすることは困難であり、このようなインダクタを含むＬＣフィルタを用いた場合には、ノイズの発生を抑制する効果は十分に得られない。
【００１０】
ここで、導体が孔部を多数回貫通するように導体をコア部に巻回することができれば、大きなインダクタンスが得られる。しかし、電気車の主回路電線としての導体は、数ｃｍ程度の直径を有し、極めて太い。そのため、主回路電線としての導体がコア部に巻回される回数は、せいぜい２回程度であり、大きなインダクタンスを得ることはできない。
【００１１】
即ち、電気車用電力変換装置には、主回路中における電圧又は主回路中を流れる電流が、電気車用電力変換装置以外の電力変換装置に比べて大きく、ノイズの発生を抑制するために十分な大きさのインダクタンスを得ようとしても導体を巻回するスペースが無い、といった、電力及びスペースに関する鉄道特有の制約条件がある。
【００１２】
一方、鉄道信号装置は、高い周波数を有する信号を、搬送波として用いる。例えば日本で広く用いられているトランスポンダ装置は、３ＭＨｚ程度の高い周波数を有する信号を用いる。このような鉄道信号装置又は誘導無線装置に悪影響を及ぼすことを防止又は抑制するためには、鉄道信号装置等に影響を及ぼすおそれがある鉄道特有の高い周波数を有するコモンモード電流の発生を抑制することが望ましい。
【００１３】
本発明は、上述のような従来技術の問題点を解決すべくなされたものであって、電気車用電力変換装置において、電力及びスペースに関する鉄道特有の制約条件の中で、鉄道信号装置等に影響を及ぼすおそれがある鉄道特有の高い周波数を有するコモンモード電流の発生を効果的に抑制する電気車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】
【００１４】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
【００１５】
本発明の一態様としての電気車用電力変換装置は、直流電力又は第１交流電力を複数相の第２交流電力に変換し、変換された第２交流電力を、電気車を駆動する第１電動機に供給する電力変換部と、電力変換部と第１電動機との間に設けられる第１インピーダンス要素と、を備える。第１インピーダンス要素は、第１磁性体よりなり、且つ、第１孔部が形成されたリング形状を有する第１コア部と、第１孔部を通して第１コア部に巻回され、且つ、第１端部と、第１端部と反対側の第２端部と、を含む電線と、第１端部に接続された第３端部と、第２端部に接続され、且つ、第３端部と反対側の第４端部と、を含む第１コンデンサと、を有する。第１電動機は、第２交流電力の相数と同数の複数の第１導体により電力変換部に接続され、複数の第１導体は、第１孔部を貫通する。
【００１６】
また、他の一態様として、第１インピーダンス要素は、複数の第１導体を流れるコモンモード電流を抑制してもよい。
【００１７】
また、他の一態様として、第１電動機は、複数の第１導体のいずれとも異なる第２導体、及び、電力変換部を、順次介して接地され、第２導体は、第１孔部を貫通してもよい。
【００１８】
また、他の一態様として、第１電動機は、第２導体、第２コンデンサ、及び、電力変換部を、順次介して接地されてもよい。
【００１９】
また、他の一態様として、当該電気車用電力変換装置は、電力変換部と第１インピーダンス要素との間、又は、第１インピーダンス要素と第１電動機との間に設けられる第２インピーダンス要素を備えてもよい。第２インピーダンス要素は、第２磁性体よりなり、且つ、第２孔部が形成されたリング形状を有する第２コア部を有し、複数の第１導体は、第２孔部を貫通してもよい。
【００２０】
また、他の一態様として、電力変換部は、第２交流電力を、電気車を駆動する第２電動機に供給し、第１インピーダンス要素は、電力変換部と第２電動機との間に設けられてもよい。第２電動機は、第２交流電力の相数と同数の複数の第３導体により複数の第１導体に接続され、複数の第１導体の各々のうち、電力変換部と第２電動機との間に設けられた第１部分は、第１孔部を貫通してもよい。
【００２１】
また、他の一態様として、当該電気車用電力変換装置は、電力変換部を収容する箱体を備え、第１インピーダンス要素は、箱体の内部に設けられてもよい。
【００２２】
また、他の一態様として、第１インピーダンス要素及び複数の第１導体によりＬＣ並列共振回路が形成されてもよい。
【００２３】
また、他の一態様として、電力変換部は、電気車に設けられ、且つ、直流電力を三相の第２交流電力に変換するインバータであり、第１電動機は、電気車に設けられ、且つ、３本の第１導体によりインバータに接続されてもよい。
【００２４】
本発明の一態様としての電気車用電力変換装置は、直流電力又は第１交流電力を複数相の第２交流電力に変換し、変換された第２交流電力を、電気車を駆動する第１電動機に供給する電力変換部と、電力変換部よりも第１電動機側と反対側に設けられる第１インピーダンス要素と、を備える。第１インピーダンス要素は、第１磁性体よりなり、且つ、第１孔部が形成されたリング形状を有する第１コア部と、第１孔部を通して第１コア部に巻回され、且つ、第１端部と、第１端部と反対側の第２端部と、を含む電線と、第１端部に接続された第３端部と、第２端部に接続され、且つ、第３端部と反対側の第４端部と、を含む第１コンデンサと、を有する。電力変換部には、複数の第１導体を介して、直流電力又は第１交流電力が供給され、複数の第１導体は、第１孔部を貫通する。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の一態様を適用することで、電気車用電力変換装置において、電力及びスペースに関する鉄道特有の制約条件の中で、鉄道信号装置等に影響を及ぼすおそれがある鉄道特有の高い周波数を有するコモンモード電流の発生を効果的に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】比較例１の電気車用電力変換装置の回路図である。
【図２】比較例１の電気車用電力変換装置において発生したノイズとしての電流が流れる経路を示す図である。
【図３】実施の形態の電気車用電力変換装置の回路図である。
【図４】実施の形態の電気車用電力変換装置の回路図である。
【図５】実施の形態の電気車用電力変換装置に備えられたインピーダンス要素の斜視図である。
【図６】実施の形態の電気車用電力変換装置の等価回路を示す図である。
【図７】実施の形態の電気車用電力変換装置の等価回路を示す図である。
【図８】比較例２の電気車用電力変換装置の等価回路の一部を示す図である。
【図９】実施の形態の電気車用電力変換装置の等価回路の一部を示す図である。
【図１０】実施の形態の電気車用電力変換装置におけるインピーダンス値を計算した結果を示すグラフである。
【図１１】実施の形態の電気車用電力変換装置におけるインピーダンス値を計算した結果を示すグラフである。
【図１２】比較例３の電気車用電力変換装置におけるインピーダンス値を計算した結果を示すグラフである。
【図１３】実施の形態の第２変形例の電気車用電力変換装置の回路図である。
【図１４】実施の形態の第３変形例の電気車用電力変換装置の回路図である。
【図１５】実施の形態の第４変形例の電気車用電力変換装置の回路図である。
【図１６】実施の形態の第５変形例の電気車用電力変換装置の回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下に、本発明の実施の形態及び各変形例について、図面を参照しつつ説明する。
【００２８】
なお、開示はあくまで一例にすぎず、当業者において、発明の主旨を保っての適宜変更について容易に想到し得るものについては、当然に本発明の範囲に含有されるものである。また、図面は説明をより明確にするため、実施の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。
【００２９】
また本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して、詳細な説明を適宜省略することがある。
【００３０】
更に、実施の形態で用いる図面においては、構造物を区別するために付したハッチング（網掛け）を図面に応じて省略する場合もある。
【００３１】
なお、以下の実施の形態においてＡ〜Ｂとして範囲を示す場合には、特に明示した場合を除き、Ａ以上Ｂ以下を示すものとする。
【００３２】
（実施の形態）
初めに、本発明の一実施形態である実施の形態の電気車用電力変換装置について説明する。本実施の形態の電気車用電力変換装置は、例えば直流電力を三相の交流電力に変換し、変換された交流電力を、電気車を駆動する電動機としてのモータに供給するインバータと、インバータとモータとの間に設けられるインピーダンス要素（インピーダンス素子）と、を備える。モータは、３本の導体により、インバータに接続される。
【００３３】
本実施の形態の電気車用電力変換装置の技術思想は、電力変換部と電動機との間にインピーダンス要素が設けられ、インピーダンス要素及び複数の導体によりＬＣ並列共振回路（ＬＣ反共振回路）が形成されることにより、複数の導体を流れるコモンモード電流を抑制する点にある。
【００３４】
＜比較例１の電気車用電力変換装置に発生するノイズ＞
まず、比較例１の電気車用電力変換装置に発生するノイズについて説明する。図１は、比較例１の電気車用電力変換装置の回路図である。
【００３５】
図１に示すように、比較例１の電気車用電力変換装置１１０は、インバータ１２を備えている。インバータ１２は、電気車１０１に設けられている。電気車１０１には、箱体１１が備えられ、インバータ１２は、箱体１１の内部に設けられている。
【００３６】
電気車１０１は、電気車用電力変換装置１１０に加えて、架線２から電力を集電する集電装置としてのパンタグラフ３と、電気車１０１を駆動する電動機としてのモータ４と、を有する。
【００３７】
インバータ１２の高圧側の入力端子２１ａは、フィルタリアクトル５を介してパンタグラフ３に接続されており、パンタグラフ３により集電された電力は、インバータ１２の高圧側の入力端子２１ａに入力される。インバータ１２の低圧側の入力端子２１ｂは、アースブラシ６及び車輪７を介して接地されている。また、インバータ１２の高圧側の入力端子２１ａは、フィルタコンデンサ８を介してインバータ１２の低圧側の入力端子２１ｂに接続されている。
【００３８】
インバータ１２の三相の出力端子のうち出力端子２２ａは、導体１４としての導体１４ａを介して、モータ４に接続されている。インバータ１２の三相の出力端子のうち出力端子２２ｂは、導体１４としての導体１４ｂを介して、モータ４に接続されている。インバータ１２の三相の出力端子のうち出力端子２２ｃは、導体１４としての導体１４ｃを介して、モータ４に接続されている。
【００３９】
次に、比較例１の電気車用電力変換装置に発生するノイズについて説明する。図２は、比較例１の電気車用電力変換装置において発生したノイズとしての電流が流れる経路を示す図である。図２では、モータ４は、筐体４１及び３つのインダクタンス４２により表されている。また、図２では、巻線と固定子の鉄心との間の浮遊容量は、浮遊容量４３により表されている。
【００４０】
電気車用電力変換装置は、種々のノイズを発生させる。電気車用電力変換装置が発生させるノイズのうち、ノイズとして外部に及ぼす悪影響が特に大きなものは、電動機を駆動する際に、電動機に複数相の交流電力を供給するための複数の配線中を同相に流れる、所謂コモンモード電流と称されるノイズ電流である。コモンモード電流は、電磁界を発生させることにより、鉄道信号装置又は誘導無線装置に悪影響を及ぼす。
【００４１】
このようなコモンモード電流は、電気車用電力変換装置以外の電力変換装置でも発生する。コモンモード電流を抑制するためには、回路中に、高いインピーダンス要素を挿入することが一般的であり、通常は、回路中に、ＬＣローパスフィルタ、即ちＬＣフィルタが挿入される。ＬＣフィルタを用いる理由として、減衰特性が急峻であること、及び、抵抗がないため回路損失がほとんどないこと、が挙げられる。一般的には、磁性体に電線が巻回されて形成されたインダクタを含むＬＣフィルタが、用いられる。
【００４２】
ところが、電気車用電力変換装置において、回路中にＬＣフィルタを挿入する場合には、電気車用電力変換装置以外の電力変換装置と異なり、電気車用電力変換装置の主回路中における電圧が極めて大きいため、又は、電気車用電力変換装置の主回路中を流れる電流が極めて大きいため、ＬＣフィルタに含まれるインダクタとして、例えば数ｍＨ程度の大きなインダクタンスを有するインダクタが必要である。また、電気車用電力変換装置は、鉄道車両としての電気車に搭載するために、重量や外形において、制約を受ける。前述した数ｍＨ程度の大きなインダクタンスを有するインダクタの重量は、数百ｋｇ程度にもなり、インバータ本体よりも大きいか、又は、インバータ本体よりも重くなってしまうので、これでは、電気車としての鉄道車両に搭載することが困難である。
【００４３】
例えば上記特許文献１に記載されているように、従来の鉄道車両では、ノイズの発生を抑制するためのインピーダンス要素として、磁性体よりなり、且つ、孔部が形成されたリング形状を有するコア部の孔部に導体を貫通させたものが、インダクタとして用いられる。例えば、比較例１の電気車用電力変換装置において、図１における二点鎖線で囲まれた領域ＡＲ１０１に、電線３２及びコンデンサ３３（後述する図３参照）を有さず、コア部３１（後述する図３参照）のみを有するインピーダンス要素が、導体１４に沿って多数設けられることがある。
【００４４】
しかし、このようなコア部を導体に沿って多数配列させ、各コア部の孔部に導体を貫通させたとしても、得られるインダクタンスの合計は、最大数百μＨ程度であり、このようなインダクタを含むＬＣフィルタを用いた場合には、ノイズの発生を抑制する効果は十分に得られない。
【００４５】
ここで、導体が孔部を多数回貫通するように導体をコア部に巻回することができれば、大きなインダクタンスが得られる。しかし、電気車の主回路電線としての導体は、数ｃｍ程度の直径を有し、極めて太い。そのため、主回路電線としての導体がコア部に巻回される回数は、せいぜい２回程度であり、大きなインダクタンスを得ることはできない。
【００４６】
更に、コア部が磁性体よりなる場合、コア部がインダクタとして機能することができるような、導体に印加される電圧又は導体を流れる電流の周波数には、制約がある。低い周波数で大きなインダクタンスを有する磁性材料には、高い周波数でインダクタンスが小さくなる傾向がある。例えば大きなインダクタンスが得られることで知られているアモルファス磁性材料においては、電圧又は電流の周波数が数十ｋＨｚ程度までは、比透磁率が数千を超えるものもあるが、数百ｋＨｚ程度以上の周波数では、比透磁率が大幅に減少し、それに伴って、高い周波数の範囲では、インピーダンスがほとんど増加しなくなる。一方、高い周波数の範囲で多く用いられるフェライトの比透磁率については、その比透磁率が比較的高い場合でもなお、アモルファス磁性材料の比透磁率の１０分の１程度以下であるため、十分に大きなインピーダンスが得られない。
【００４７】
即ち、電気車用電力変換装置には、主回路中における電圧又は主回路中を流れる電流が、電気車用電力変換装置以外の電力変換装置に比べて大きく、ノイズの発生を抑制するために十分な大きさのインダクタンスを得ようとしても導体を巻回するスペースが無い、といった、電力及びスペースに関する鉄道特有の問題がある。
【００４８】
前述したように、電気車用電力変換装置において発生したノイズは、例えば鉄道信号装置又は誘導無線装置に対して悪影響を与える。
【００４９】
このうち、鉄道信号装置は、高い周波数を有する信号を、搬送波として用いる。例えば日本国内で広く用いられているトランスポンダ装置は、３ＭＨｚ程度の高い周波数を有する信号を用いる。トランスポンダ装置は、情報をデジタル信号として伝送することができるので、日本国内では、自動列車停止装置（Automatic Train Stop：ＡＴＳ）の方式の一つであるＡＴＳ−Ｐを始めとして、ホームドアの定点検知装置等の各種の装置に至るまで、幅広く使用されている。このような鉄道信号装置又は誘導無線装置に悪影響を及ぼすことを防止又は抑制するためには、上記したような、例えば３ＭＨｚ程度の鉄道特有の高い周波数を有するコモンモード電流の発生を抑制することが望ましい。
【００５０】
上記特許文献２に記載された技術では、コモンモード電流が流れる回路に、フィルタが挿入される。また、上記特許文献２では、フィルタとして、Ｌ又はＬＣフィルタが記載されている。
【００５１】
しかし、Ｌ又はＬＣフィルタを挿入した場合、電動機のコモンモード回路とフィルタとが直列に接続される。例えば上記非特許文献１に、漏れ電流の等価回路が上記非特許文献１の図６（ｂ）のＬＣＲ直列共振回路であることが記載されているように、電動機のコモンモード回路は、簡易的には、ＬＣＲ直列共振回路で表される。このような場合であって、フィルタのインダクタ又はコンデンサと、電動機のコモンモード回路とが、全体としてある周波数で直列共振する場合には、逆に、コモンモード電流が増加する。
【００５２】
このような共振について、上記特許文献１の段落〔００３４〕には、「肝要な点は、共振周波数を、例えば車上信号機器、地上信号機器等に影響を与えない周波数帯にシフトすることができれば、どのようなインピーダンス要素を用いても構わない。」と記載されている。
【００５３】
上記特許文献１及び特許文献２のいずれに記載された技術でも、共振周波数に近い周波数のコモンモード電流が及ぼす影響を抑制するためには、周辺回路、例えば電動機のコモンモード回路を把握した上で、共振周波数に近い周波数のコモンモード電流が発生しないようにする必要がある。しかし、電気車としての鉄道車両を製作する前に、周辺回路の定数を知り得ることは、困難である。更に、特定の鉄道信号装置に及ぼす悪影響を抑制したい場合には、車両ごとに電気車用電力変換装置を含めた構造が異なるため、車両ごとにフィルタの定数を調整する必要があり、その調整作業に長時間を要し、電気車の製造コストが増加する。
【００５４】
図２に示す例では、インバータ１２で発生したノイズとしての電流が、モータ４の配線を介した電流経路ＰＴ１０１、インバータ１２の低圧側の入力端子２１ｂに接続された配線である電源側配線を介した電流経路ＰＴ１０２、及び、電気車用電力変換装置１１０の箱体１１の浮遊容量を介した電流経路ＰＴ１０３、の３つの電流経路のいずれかを通って流れる。モータ４の巻線と固定子の鉄心との間に浮遊容量４３があるため、高い周波数を有するノイズ電流が、インバータ１２からモータ４の筐体４１へ漏れる。モータ４の筐体４１に漏れたノイズ電流は、台車枠から車軸、レールＲＬ１又は車体ＢＤ１へと流れる。
【００５５】
また、実際は、１つの電気車用電力変換装置１１０の箱体１１に、インバータ１２が複数台収容される場合、又は、１つのインバータ１２が例えば４つ等の複数のモータに交流電力を供給する場合等、インバータ１２とモータとの間の配線の形態として、種々の形態がある。そのため、車両ごとにコモンモード電流等のノイズ電流が流れるルートを特定することは、困難である。
【００５６】
＜実施の形態の電気車用電力変換装置＞
以上説明したように、電気車におけるノイズ電流が流れるルートを特定することは困難であることに加えて、比較例１の電気車用電力変換装置において、磁性体よりなるコア部の孔部に導体を貫通させたものを用いて、高い周波数を有するコモンモード電流を抑制するためには、非現実的な大きさのインダクタが必要である。一方、本実施の形態の電気車用電力変換装置では、並列共振回路を用いるため、小さなインダクタでもコモンモード電流の抑制が可能である。次に、このような本実施の形態の電気車用電力変換装置の詳細について説明する。
【００５７】
図３及び図４は、実施の形態の電気車用電力変換装置の回路図である。図４は、図３のうちインバータの部分を拡大して示す。図５は、実施の形態の電気車用電力変換装置に備えられたインピーダンス要素の斜視図である。図６及び図７は、実施の形態の電気車用電力変換装置の等価回路を示す図である。図６は、図３に示す電気車用電力変換装置及び電動機の等価回路を示し、図７は、図６に示すコモンモードトランスの等価回路を示す。
【００５８】
前述したように、本実施の形態の電気車用電力変換装置の技術思想は、電力変換部と電動機との間にインピーダンス要素が設けられ、インピーダンス要素及び複数の導体により、ＬＣ並列共振回路（ＬＣ反共振回路）が形成されることにより、複数の導体を流れるコモンモード電流を抑制する点にある。即ち、本実施の形態の電気車用電力変換装置は、共振を積極的に利用し、直列ではなく並列共振をさせる点において、比較例１の電気車用電力変換装置と異なる。
【００５９】
図３乃至図５に示すように、本実施の形態の電気車用電力変換装置１０は、インバータ１２と、インピーダンス要素１３と、を備えている。インバータ１２及びインピーダンス要素１３は、電気車１に設けられている。インバータ１２は、直流電力又は交流電力（第１交流電力）を複数相の交流電力（第２交流電力）に変換し、変換された複数相の交流電力を、電気車１を駆動する電動機（モータ４）に供給する電力変換部である。インピーダンス要素１３は、電力変換部（インバータ１２）と電動機（モータ４）との間に設けられている。
【００６０】
好適には、電気車１には、箱体１１が備えられ、インバータ１２及びインピーダンス要素１３は、箱体１１の内部に設けられている。
【００６１】
図３に示す例では、電気車用電力変換装置１０として、直流電力を三相の交流電力に変換し、変換された三相の交流電力を三相交流モータに供給する場合について説明する。しかし、後述する図１３を用いて実施の形態の第２変形例として説明するように、電気車用電力変換装置１０として、架線から集電された交流電力を三相の交流電力に変換し、変換された三相の交流電力を三相交流モータに供給することもできる。
【００６２】
図３乃至図５に示すように、電気車１は、電気車用電力変換装置１０に加えて、架線２から電力を集電する集電装置としてのパンタグラフ３と、電気車１を駆動する電動機としてのモータ４と、を有する。
【００６３】
インバータ１２の高圧側の入力端子２１ａは、フィルタリアクトル５を介してパンタグラフ３に接続され、パンタグラフ３により集電された電力は、インバータ１２の高圧側の入力端子２１ａに入力される。フィルタリアクトル５は、急激な電流の変化を抑制するものであり、ノイズ電流がインバータ１２から架線２に流れることを防止又は抑制するか、又は、ノイズ電流が架線２からインバータ１２に流れることを防止又は抑制する。
【００６４】
インバータ１２の低圧側の入力端子２１ｂは、アースブラシ６及び車輪７を介して接地されている。また、インバータ１２の高圧側の入力端子２１ａは、フィルタコンデンサ８を介してインバータ１２の低圧側の入力端子２１ｂに接続されている。フィルタコンデンサ８は、パンタグラフ３により集電された直流電力から高調波成分を除去する。
【００６５】
インバータ１２の三相の出力端子のうち出力端子２２ａは、導体１４としての導体１４ａを介して、モータ４に接続され、インバータ１２の三相の出力端子のうち出力端子２２ｂは、導体１４としての導体１４ｂを介して、モータ４に接続され、インバータ１２の三相の出力端子のうち出力端子２２ｃは、導体１４としての導体１４ｃを介して、モータ４に接続されている。即ち、三相モータとしてのモータ４は、３本の導体１４により、インバータ１２に接続されている。言い換えれば、モータ４は、モータ４に供給される複数相の交流電力の相数と同数の複数の導体１４によりインバータ１２に接続されている。なお、モータ４に供給される複数相の交流電力の相数は、３に限定されず、２以上の任意の自然数とすることができる。
【００６６】
図４に示すように、インバータ１２は、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Insulated Gate Bipolar Transistor：ＩＧＢＴ）等よりなる６つのスイッチング素子２３ｕ、２３ｖ、２３ｗ、２３ｘ、２３ｙ及び２３ｚを有する。スイッチング素子２３ｕ及び２３ｘは、入力端子２１ａと入力端子２１ｂとの間に、直列に接続され、スイッチング素子２３ｕとスイッチング素子２３ｘとの間には、出力端子２２ａが介在する。スイッチング素子２３ｖ及び２３ｙは、入力端子２１ａと入力端子２１ｂとの間に、直列に接続され、スイッチング素子２３ｖとスイッチング素子２３ｙとの間には、出力端子２２ｂが介在する。スイッチング素子２３ｗ及び２３ｚは、入力端子２１ａと入力端子２１ｂとの間に、直列に接続され、スイッチング素子２３ｗとスイッチング素子２３ｚとの間には、出力端子２２ｃが介在する。
【００６７】
図示しない制御回路が、６つのスイッチング素子２３ｕ、２３ｖ、２３ｗ、２３ｘ、２３ｙ及び２３ｚの各々のオン状態とオフ状態とが予め設定されたタイミングで交互に切り替わるように、６つのスイッチング素子２３ｕ、２３ｖ、２３ｗ、２３ｘ、２３ｙ及び２３ｚのそれぞれを駆動する。これにより、入力端子２１ａと入力端子２１ｂとの間に入力された直流電圧から、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の三相の交流電圧を生成し、直流電力を三相の交流電力に変換する。
【００６８】
図３乃至図５に示すように、インピーダンス要素１３は、コア部３１と、電線３２と、コンデンサ３３と、を有する。コア部３１は、磁性体３１ａよりなり、且つ、孔部３１ｂが形成されたリング形状を有する環状部３１ｃを含む。電線３２は、孔部３１ｂを通してコア部３１に巻回され、且つ、端部３２ａと、端部３２ａと反対側の端部３２ｂと、を含む。コンデンサ３３は、電線３２の端部３２ａに接続された端部３３ａと、電線３２の端部３２ｂに接続され、且つ、端部３３ａと反対側の端部３３ｂと、を含む。３本の導体１４としての導体１４ａ、１４ｂ及び１４ｃは、コア部３１の孔部３１ｂを貫通する。即ち、モータ４は、モータ４に供給される複数相の交流電力の相数と同数の複数の導体１４によりインバータ１２に接続されている。
【００６９】
本実施の形態の電気車用電力変換装置では、インピーダンス要素１３及び３本の導体１４により、ＬＣ並列共振回路が形成される。これにより、インピーダンス要素１３が、周辺の回路の影響を受けずに、３本の導体１４を流れるコモンモード電流を抑制することができる。従って、電気車用電力変換装置において、電力及びスペースに関する鉄道特有の制約条件の中で、鉄道信号装置等に影響を及ぼすおそれがある鉄道特有の高い周波数を有するコモンモード電流の発生を効果的に抑制することができる。
【００７０】
図６は、実施の形態の電気車用電力変換装置においてインバータとモータとの間を流れるコモンモード電流に対する等価回路を示す図である。図７は、図６に示すコモンモードトランスの詳細な等価回路を示す図である。図７は、図６において二点鎖線で囲まれた領域ＡＲ２を示す。
【００７１】
コア部３１、電線３２及びコンデンサ３３を有するインピーダンス要素１３（図３参照）と、３本の導体１４とは、図６に示すように、インバータ１２からモータ４に流れるコモンモード電流に対する等価回路において、コモンモードトランス部３４として機能する。コモンモードトランス部３４は、コモンモードトランス３４ａとコンデンサ３４ｂとにより形成される。コモンモードトランス３４ａは、磁気的に結合した３つのインダクタンス３４ｃと１つのインダクタンス３４ｄとにより形成される。３つのインダクタンス３４ｃは、３本の導体１４の各々にそれぞれ対応して形成される。インダクタンス３４ｄの両端には、コンデンサ３４ｂの両端が接続されて、閉回路が形成される。コンデンサ３４ｂは、コンデンサ３３に対応している。
【００７２】
なお、図６では、モータ４は、筐体４１及び３つのインダクタンス４２により表されている。また、図６では、巻線と固定子の鉄心との間の浮遊容量は、浮遊容量４３により表されている。
【００７３】
図７に示すように、コモンモードトランス部３４の等価回路は、励磁インダクタンス３４ｅと、コンデンサ３３側の漏れインダクタンス３４ｆと、コンデンサ（キャパシタンス）３４ｇと、モータ配線側即ち導体側の漏れインダクタンス３４ｈと、により表される。
【００７４】
互いに直列に接続された漏れインダクタンス３４ｆとコンデンサ（キャパシタンス）３４ｇとが、励磁インダクタンス３４ｅと互いに並列に接続されることにより、並列共振回路、即ち反共振回路としての並列共振回路部３４ｉが形成され、形成された並列共振回路部３４ｉが、漏れインダクタンス３４ｈと直列に接続される。この並列共振回路部３４ｉにおいては、並列共振回路が共振状態になると、並列共振回路部３４ｉの両端の間のインピーダンスが極大になる。そのため、並列共振回路を共振状態にさせる共振周波数が、３本の導体１４を流れるコモンモード電流が有する周波数に近づくように調整することにより、インバータ１２からモータ４に流れるコモンモード電流の発生を抑制することができる。
【００７５】
電線３２及びコンデンサ３３が設けられるもののコア部３１が設けられない場合でも、コア部３１、電線３２及びコンデンサ３３が設けられるもののコア部３１が磁性体よりなるものでない場合でも、３本の導体１４と電線３２及びコンデンサ３３とにより並列共振回路部を形成することはできる。しかし、このような場合、インピーダンスが極大になる周波数帯域が極端に狭帯域になる。
【００７６】
そのため、コア部３１が磁性体３１ａよりなることが望ましい。これにより、インピーダンスが高くなる周波数帯域を広くすることができるので、電気車用電力変換装置において、電力及びスペースに関する鉄道特有の制約条件の中で、鉄道信号装置等に影響を及ぼすおそれがある鉄道特有の高い周波数を有するコモンモード電流の発生をより効果的に抑制することができる。
【００７７】
本実施の形態の電気車用電力変換装置では、並列共振周波数をインピーダンス要素のみで決定できるため、周辺回路のインピーダンスに左右されずに、特定の周波数において、高いインピーダンスを挿入することができる。例えば鉄道車両が走行する線区の鉄道信号装置又は誘導無線装置において、電磁波の影響に対し脆弱な周波数はたかだか数種類である。その周波数に対してコモンモード電流の発生を抑制するようなインピーダンス要素を適用すればよいので、本実施の形態の電気車用電力変換装置によるコモンモード電流の発生の抑制は、従来の手法よりも明らかに効率的である。
【００７８】
上記特許文献３にも、本実施の形態におけるインピーダンス要素と外見上類似したインピーダンス要素が記載されている。しかし、上記特許文献３に記載された技術は、本実施の形態の電気車用電力変換装置における技術分野とは全く異なる技術分野に属する。即ち、上記特許文献３には、通信技術分野において、同軸ケーブルを流れるコモンモード電流の発生を抑制するためにインピーダンス要素を適用することは記載されているものの、本実施の形態のように、鉄道技術分野において、インバータと三相交流モータとの間の複数の導体であって、三相交流モータに大電力を供給する複数の導体を流れるコモンモード電流の発生を抑制するためにインピーダンス要素を適用することは、開示されていない。
【００７９】
＜ＬＣ並列共振回路を用いる方法の利点＞
ここで、本実施の形態の電気車用電力変換装置において、ＬＣ並列共振回路を用いる方法の利点について、比較例２の電力変換装置と比較しながら説明する。図８は、比較例２の電気車用電力変換装置の等価回路の一部を示す図である。図９は、実施の形態の電気車用電力変換装置の等価回路の一部を示す図である。
【００８０】
まず、フィルタ回路が、広い帯域でノイズを抑制できるものの、周りの回路に影響を受けやすいことについて、説明する。
【００８１】
例えば、図８に示すような等価回路を有する比較例２の電気車用電力変換装置を考える。比較例２の電気車用電力変換装置は、インピーダンス要素１３（図３参照）に代えて、フィルタ１３４ｉを有し、フィルタ１３４ｉは、インダクタンス１３４ｊ及びコンデンサ（キャパシタンス）１３４ｋにより表される。また、モータ４のうちコモンモード電流が流れる部分の等価回路をモータ４ａとしたとき、モータ４ａは、インダクタンス４２ａ、及び、巻線と固定子の鉄心との間に分布する複数の浮遊容量４３ａにより表される。
【００８２】
このような比較例２の電気車用電力変換装置においては、破線により示される電流経路ＰＴ１０４において、フィルタ１３４ｉのインダクタンス１３４ｊと、モータ４ａの浮遊容量４３ａとにより、直列共振回路が形成される。そして、当該直列共振回路が共振状態になる共振周波数では、破線により示される電流経路ＰＴ１０４におけるインピーダンスは、極めて低くなるので、フィルタ１３４ｉとしての効果が得られないどころか、フィルタ１３４ｉを挿入したために、却って、電流経路ＰＴ１０４を流れる電流が増加する。従って、このような共振周波数が、３ＭＨｚ程度の高い周波数を有する信号等の周波数、即ち鉄道特有の制約条件である周波数に近づかないようにする必要があり、周辺回路の定数を予め知った上で設計する必要がある。しかし、前述したように、電気車としての鉄道車両を製作する前に、周辺回路の定数を知り得ることは、困難である。
【００８３】
一方、図９に示すようなＬＣ並列共振回路を備えた等価回路を有する本実施の形態の電気車用電力変換装置を考える。図９に示す等価回路において、本実施の形態の電気車用電力変換装置は、特定の電線、即ち導体に挿入された並列共振回路、即ち反共振回路としての並列共振回路部３４ｉを有する。また、並列共振回路部３４ｉは、インダクタンス３４ｊ及びコンデンサ（キャパシタンス）３４ｋにより表される。なお、モータ４ａは、図８と同様に表すことができる。このような場合でも、図８に示すようにフィルタを有する比較例２の電気車用電力変換装置の場合と同様に、直列共振回路が形成されるものの、少なくとも並列共振回路の共振周波数においては、回路全体のインピーダンスに占める並列共振回路のインピーダンスの割合が大勢を占める。そのため、本実施の形態の電気車用電力変換装置では、比較例２の電気車用電力変換装置と異なり、周囲の回路に影響されずに高いインピーダンスを得ることができる。
【００８４】
即ち、本実施の形態の電気車用電力変換装置によれば、ＬＣ並列共振回路を用いるため、他の回路の影響を受けずに特定の周波数で容易に高いインピーダンスを得ることができる。
【００８５】
電力変換装置が、並列共振回路を形成するインピーダンス要素に代えて、インダクタのみをインピーダンス要素として有する場合でも、高いインピーダンスを得ることはできる。しかし、電力変換装置が鉄道車両用電力変換装置、即ち電気車用電力変換装置である場合には、電力変換装置により高電圧回路が形成され、且つ、電力変換装置が鉄道車両内の限られた狭いスペースに設けられるという制約条件がある。そのため、磁性体よりなり、且つ、孔部が形成されたリング形状を有するコア部に導体を多数回巻回することは、困難であるので、コア部は、導体が孔部を貫通するように配置される。このように導体が孔部を貫通する場合であって、１０μＨ程度のインダクタンスが得られる場合には、１ＭＨｚの周波数で、３１．４Ωのインピーダンスが得られる。
【００８６】
しかし、実際には、コア部がフェライトよりなり、直径が２０ｃｍ程度であり、大型のリング形状を有する場合でも、１個のコア部が、導体が孔部を貫通するように配置される場合には、インダクタンスは１μＨ程度にしかならない。コア部がアモルファス磁性材よりなる場合には、渦電流損がインダクタンスよりも大きいので、周波数が１ＭＨｚの場合に、１００Ω程度のインピーダンスが得られる。しかし、コア部がアモルファス磁性材よりなる場合には、周波数が高くなると周波数の増加に伴うインピーダンスの増加の効果が低減し、周波数が１００ＭＨｚの場合でも、せいぜい数百Ω程度のインピーダンスしか得られない。
【００８７】
一方、並列共振回路を利用する方法では、コア部が、磁性体よりなり、且つ、孔部が形成されたリング形状を有する場合であって、且つ、インダクタンスが数μＨ程度である場合でも、原理上、無限大のインピーダンスが得られる。ここで、ＳＰＩＣＥ（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）シミュレーションを行う回路シミュレータを用いて、インピーダンスを計算した例を例示して説明する。後述する図１０及び図１１を用いて説明するように、本実施の形態の電気車用電力変換装置におけるインピーダンス値として、例えば３０ｋΩ程度のインピーダンス値が得られている。
【００８８】
図１０及び図１１は、実施の形態の電気車用電力変換装置におけるインピーダンス値を計算した結果を示すグラフである。図１２は、比較例３の電気車用電力変換装置におけるインピーダンス値を計算した結果を示すグラフである。
【００８９】
図１０の下部の回路図に示すように、図１０に示す計算では、インダクタンスＬ１及びＬ２は、導体１４が孔部３１ｂを貫通すること、及び、電線３２がコア部３１に巻回されることによるインダクタンス、即ちインピーダンス要素１３によるインダクタンスを示す。インダクタンスＬ１については、約１μＨとし、インダクタンスＬ２については、電線３２がコア部３１に８回巻回されることにより、８２＝６４μＨとした。キャパシタンスＣ１は、並列共振回路即ち反共振回路のキャパシタンスを示す。抵抗Ｒ１、インダクタンスＬ３、並びに、キャパシタンスＣ２及びＣ３は、モータ４のコモンモード回路を表現するために、設けられた。抵抗Ｒ２は、回路シミューレータ上の制約条件、即ち接地がない回路については計算ができないこと、に対応させるために、設けられた。
【００９０】
図１０の上部のグラフは、電源Ｖ１から見たときのモータ４も含む回路全体のインピーダンスの絶対値の周波数依存性を示す。実線は、並列共振回路が形成されている場合、即ち本実施の形態の電気車用電力変換装置の場合のインピーダンスの絶対値を示し、破線は、並列共振回路が形成されていない場合のインピーダンスの絶対値を示す。
【００９１】
図１０の上部のグラフにおいて、２００ｋＨｚ付近で観察される共振波形は、モータ４を表現するための抵抗Ｒ１、インダクタンスＬ３及びキャパシタンスＣ２による直列共振を示す。２．２ＭＨｚ付近で観察される共振波形は、インピーダンス要素１３のインダクタンスＬ１と、モータ４のキャパシタンスＣ３とによる共振を示す。３ＭＨｚ付近で観察される反共振波形は、インピーダンス要素１３のインダクタンスＬ２及びキャパシタンスＣ１による反共振を示す。また、パラメータＫ１は、コア部３１の結合度を指定するパラメータであり、導体１４が孔部３１ｂを貫通する場合にはパラメータ値が０．９程度となり、巻線トランスにおけるパラメータ値０．９９よりも小さくなる。
【００９２】
また、反共振周波数ｆについて、ｆ＝１／（２π×(Ｌ２×Ｃ１)０．５)の式を用いて計算した場合に、２９９９ｋＨｚとなり、図１０の上部のグラフにおいて観察される反共振周波数に一致する。このことから、インピーダンス要素１３及び３本の導体１４によりＬＣ並列共振回路が形成されることで、コモンモード電流の発生を抑制できることが明らかになった。
【００９３】
図１１の下部の回路図に示すように、図１１に示す計算では、キャパシタンスＣ３の値を、図１０に示す計算における２ｎＦから１０ｎＦに変更した。
【００９４】
図１１の上部のグラフは、図１０の上部のグラフと同様に、回路全体のインピーダンスの絶対値の周波数依存性を示す。実線は、並列共振回路が形成されている場合のインピーダンスの絶対値を示し、破線は、並列共振回路が形成されていない場合のインピーダンスの絶対値を示す。
【００９５】
図１１の上部のグラフを図１０の上部のグラフと比較すると、キャパシタンスＣ３の値を、図１０に示す計算における２ｎＦから図１１に示す計算における１０ｎＦに変更しても、３ＭＨｚ付近で観察される反共振波形は、全く変化しない。このことから、少なくとも信号装置の周波数のように、予め周波数が既知である場合には、その既知の周波数で共振するようにインピーダンス要素１３を設定しておけば、いかなるモータ４と、いかなるインバータ１２とが組み合わされた場合でも、反共振周波数におけるインピーダンスを極めて高い値に保持できることが明らかになった。
【００９６】
図１２の下部の回路図に示すように、図１２に示す計算では、電線３２及びコンデンサ３３が設けられるもののコア部３１が設けられない場合、又は、コア部３１、電線３２及びコンデンサ３３が設けられるもののコア部３１が磁性体よりなるものでない場合について、コア部３１の結合度を指定するパラメータ結合度を示すパラメータＫ１を、０．１以下とした。図１２の上部のグラフは、図１０の上部のグラフと同様に、回路全体のインピーダンスの絶対値の周波数依存性を示す。
【００９７】
図１２の上部のグラフを図１０の上部のグラフと比較すると、パラメータＫ１の値を、図１０に示す計算における０．９から図１２に示す計算における０．１に変更しても、３ＭＨｚ付近で反共振波形自体は観察されるため、ある程度の効果があることは分かる。しかし、共振周波数と反共振周波数とが互いにかなり近接するため、高いインピーダンスが得られる効果のある周波数帯域が狭くなるか、又は、反共振周波数でのインピーダンス値が低くなる。このことから、コア部３１が磁性体よりなる場合の方が、コア部３１が設けられないか、又は、コア部３１が磁性体よりなるものでない場合よりも、コモンモード電流の発生を抑制する効果が向上することが明らかになった。
【００９８】
＜電気車用電力変換装置の第１変形例＞
電気車用電力変換装置１０がインピーダンス要素１３を備えることによりコモンモード電流を抑制する効果を得るためには、インピーダンス要素１３は、インバータ１２とモータ４との間に設けられる場合に限定されず、電流経路上のいずれの位置に設けられてもよい。このようにインピーダンス要素１３が設けられる位置を変更した例を、実施の形態の第１変形例の電気車用電力変換装置として説明する。
【００９９】
本第１変形例では、図３において二点鎖線で囲まれた領域ＡＲ１を通る複数の導体２４としての導体２４ａ及び２４ｂ、即ちインバータ１２の複数の入力端子２１ａ及び２１ｂの各々にそれぞれ接続される複数の導体２４ａ及び２４ｂが、インピーダンス要素１３のコア部３１に形成された孔部３１ｂを貫通するように、インピーダンス要素１３が設けられてもよい。
【０１００】
このような場合、インバータ１２には、複数の導体２４を介して、直流電力が供給され、インピーダンス要素１３は、インバータ１２よりもモータ４側と反対側に設けられることになる。また、このような場合でも、孔部３１ｂを貫通する複数の導体２４を流れるコモンモード電流を抑制することができる。
【０１０１】
或いは、実施の形態の電気車用電力変換装置と実施の形態の第１変形例の電気車用電力変換装置とを組み合わせることにより、インピーダンス要素１３が、インバータ１２の入力側及び出力側の両方の電流経路上に設けられてもよい。このようにインピーダンス要素１３が、インバータ１２の入力側と出力側の両方に設けられることにより、電力変換部と箱体との浮遊容量を通じた経路から電流が流出しようとしても、電力変換部に戻る経路がないので、電流が流出できないことになる。
【０１０２】
＜電気車用電力変換装置の第２変形例＞
図１３は、実施の形態の第２変形例の電気車用電力変換装置の回路図である。
【０１０３】
図１３に示す本第２変形例の電気車用電力変換装置は、架線から集電された交流電力を三相の交流電力に変換し、変換された三相の交流電力を三相交流モータに供給する点で、実施の形態の電気車用電力変換装置と異なる。そのため、本第２変形例の電気車用電力変換装置のうち、インバータよりもモータ側の部分については、その説明を省略する。
【０１０４】
図１３に示すように、本第２変形例では、電気車１は、実施の形態と異なり、電気車用電力変換装置１０、パンタグラフ３及びモータ４に加えて、主変圧器９を有する。また、本第２変形例では、電気車用電力変換装置１０は、インバータ１２及びインピーダンス要素１３に加えて、コンバータ１５と、中間回路コンデンサ１６と、を備える。
【０１０５】
本第２変形例では、実施の形態と異なり、主変圧器９の一次巻線９ａの一端が、パンタグラフ３に接続され、主変圧器９の一次巻線９ａの他端が、アースブラシ６及び車輪７を介して接地される。
【０１０６】
コンバータ１５の一方の入力端子５１ａは、導体１７としての導体１７ａを介して、主変圧器９の二次巻線９ｂの一端に接続され、コンバータ１５の他方の入力端子５１ｂは、導体１７としての導体１７ｂを介して、主変圧器９の二次巻線９ｂの他端に接続される。コンバータ１５は、交流電力を直流電力に変換する。そして、コンバータ１５の高圧側の出力端子５２ａは、導体１８としての導体１８ａを介して、インバータ１２の高圧側の入力端子２１ａに接続され、コンバータ１５の低圧側の出力端子５２ｂは、導体１８としての導体１８ｂを介して、インバータ１２の低圧側の入力端子２１ｂに接続される。そのため、本第２変形例では、コンバータ１５とインバータ１２とにより、交流電力（第１交流電力）を複数相の交流電力（第２交流電力）に変換し、変換された複数相の交流電力を、電気車１を駆動する電動機（モータ４）に供給する電力変換部が形成される。
【０１０７】
また、インバータ１２の高圧側の入力端子２１ａは、中間回路コンデンサ１６を介してインバータ１２の低圧側の入力端子２１ｂに接続される。中間回路コンデンサ１６は、コンバータ１５から出力された直流電力から高調波成分を除去する。
【０１０８】
本第２変形例でも、実施の形態と同様に、インピーダンス要素１３は、コア部３１と、電線３２と、コンデンサ３３と、を有する。また、本第２変形例でも、実施の形態と同様に、インピーダンス要素１３及び３本の導体１４により、ＬＣ並列共振回路が形成される。これにより、インピーダンス要素１３が、３本の導体１４を流れるコモンモード電流を抑制することができる。従って、電気車用電力変換装置において、電力及びスペースに関する鉄道特有の制約条件の中で、鉄道信号装置等に影響を及ぼすおそれがある鉄道特有の高い周波数を有するコモンモード電流の発生を効果的に抑制することができる。
【０１０９】
本第２変形例では、図１３において二点鎖線で囲まれた領域ＡＲ３を通る複数の導体１７としての導体１７ａ及び１７ｂ、即ち主変圧器９の二次巻線９ｂとコンバータ１５の複数の入力端子５１ａ及び５１ｂとの間を接続する複数の導体１７ａ及び１７ｂが、孔部３１ｂを貫通するように、インピーダンス要素１３が設けられてもよい。
【０１１０】
このような場合、コンバータ１５には、複数の導体１７を介して、交流電力が供給され、インピーダンス要素１３は、コンバータ１５よりもモータ４側と反対側に設けられることになる。また、このような場合でも、孔部３１ｂを貫通する複数の導体を流れるコモンモード電流を抑制することができる。
【０１１１】
或いは、本第２変形例では、図１３において二点鎖線で囲まれた領域ＡＲ４を通る複数の導体１８としての導体１８ａ及び１８ｂ、即ち、コンバータ１５の複数の出力端子５２ａ及び５２ｂとインバータ１２の複数の入力端子２１ａ及び２１ｂとの間を接続する中間回路の複数の導体１８ａ及び１８ｂが、孔部３１ｂを貫通するように、インピーダンス要素１３が設けられてもよい。
【０１１２】
このような場合、インバータ１２には、複数の導体１８を介して、直流電力が供給され、インピーダンス要素１３は、インバータ１２よりもモータ４側と反対側に設けられることになる。また、このような場合でも、孔部３１ｂを貫通する複数の導体を流れるコモンモード電流を抑制することができる。
【０１１３】
或いは、主変圧器９の一次巻線９ａに接続される複数の導体が、孔部３１ｂを貫通するように、インピーダンス要素１３が設けられてもよい。或いは、蓄電池を搭載した電気車において、蓄電池からの主回路配線にインピーダンス要素１３が設けられてもよい。或いは、電動機から回生した電力を消費するために発電抵抗器を搭載した電気車において、発電抵抗器の入力側若しくは出力側、又は、発電抵抗器に電力を供給する電力変換器の入力側若しくは出力側にインピーダンス要素１３が設けられてもよい。このような場合でも、孔部３１ｂを貫通する複数の導体を流れるコモンモード電流を抑制することができる。
【０１１４】
＜電気車用電力変換装置の第３変形例＞
図１４は、実施の形態の第３変形例の電気車用電力変換装置の回路図である。
【０１１５】
図３を用いて説明した実施の形態の電気車用電力変換装置において、数１０Ａ程度の高いコモンモード電流が流れる場合、磁性体３１ａよりなるコア部３１中の磁束密度が飽和し、磁性体３１ａの比透磁率が減少して０に近づき、インダクタンスが減少して０に近づくので、孔部３１ｂを貫通する複数の導体を流れるコモンモード電流を抑制する効果が弱くなるおそれがある。
【０１１６】
一方、実施の形態の第３変形例の電気車用電力変換装置は、インピーダンス要素１３に加えて、インピーダンス要素１９を有する。インピーダンス要素１９は、インバータ１２とインピーダンス要素１３との間、又は、インピーダンス要素１３とモータ４との間に設けられる。インピーダンス要素１９は、コア部６１を有する。コア部６１は、磁性体６１ａよりなり、且つ、孔部６１ｂが形成されたリング形状を有する環状部６１ｃを含む。複数の導体１４は、孔部６１ｂを貫通する。
【０１１７】
これにより、複数の導体１４が孔部６１ｂを貫通するようにインピーダンス要素１９が設けられた状態で、更に、複数の導体１４が孔部３１ｂを貫通するようにインピーダンス要素１３が設けられる。そのため、磁性体３１ａよりなるコア部３１中の磁束密度が飽和することを防止又は抑制しつつ、特定の周波数でのコモンモード電流を一層抑制することができる。
【０１１８】
本第３変形例では、図１４において二点鎖線で囲まれた領域ＡＲ１を通る複数の導体２４としての導体２４ａ及び２４ｂ、即ちインバータ１２の複数の入力端子２１ａ及び２１ｂの各々にそれぞれ接続される複数の導体２４ａ及び２４ｂが、インピーダンス要素１３のコア部３１に形成された孔部３１ｂを貫通するように、インピーダンス要素１３が設けられてもよい。このような場合でも、孔部３１ｂを貫通する複数の導体を流れるコモンモード電流を抑制することができる。
【０１１９】
上記特許文献３に記載された通信技術分野と異なり、電気車用電力変換装置としての電力変換装置が使用される鉄道技術分野においては、複数の導体を流れるコモンモード電流の大きさが例えば１桁〜複数桁大きくなり、コア部３１中の磁束密度が飽和するおそれがあるため、導体に沿ってコア部が多数設けられることが望ましい。そのため、本第３変形例の電気車用電力変換装置のように、コンデンサ及び電線を有するインピーダンス要素と、コンデンサも電線も有しないインピーダンス要素とを、組み合わせることにより、コア部３１中の磁束密度が飽和することを防止又は抑制することができ、孔部３１ｂを貫通する複数の導体を流れるコモンモード電流を抑制する効果を更に向上させることができる。
【０１２０】
＜電気車用電力変換装置の第４変形例＞
電気車としての鉄道車両においては、ノイズ対策として、電動機としてのモータの筐体が、フレーム接地線によりインバータと接続される。このように、モータの筐体が、フレーム接地線によりインバータと接続される場合に、実施の形態の電気車用電力変換装置を適用した例を、実施の形態の電気車用電力変換装置の第４変形例として説明する。本第４変形例の電気車用電力変換装置は、導体に加え、フレーム接地線が孔部を貫通する点を除いて、実施の形態の電気車用電力変換装置と同様にすることができ、フレーム接地線に関する部分以外の説明を省略する。
【０１２１】
図１５は、実施の形態の第４変形例の電気車用電力変換装置の回路図である。図１５に示すように、本第４変形例では、モータ４は、３本の導体１４のいずれとも異なる導体であるフレーム接地線７１により、例えばインバータ１２の低圧側の入力端子２１ｂに接続される。また、図３を用いて説明したように、入力端子２１ｂは、アースブラシ６及び車輪７を介して接地される。そのため、モータ４は、３本の導体１４のいずれとも異なる導体であるフレーム接地線７１、及び、インバータ１２を、順次介して接地される。
【０１２２】
本第４変形例では、３本の導体１４に加え、フレーム接地線７１も、コア部３１の孔部３１ｂを貫通する。このような場合には、３本の導体１４及びフレーム接地線７１を含めた全ての電線、即ち全ての導体を同相に流れる電流を、インピーダンス要素１３により抑制することになる。
【０１２３】
本願明細書では、この３本の導体１４及びフレーム接地線７１を含めた全ての電線を同相に流れる電流を、「漏れ電流」と称する。漏れ電流は、国際無線障害特別委員会の規格であるＣＩＳＰＲ１６−２−１の定義によれば、コモンモード電流と称することもできるが、本願明細書では、複数相の交流電力が供給される複数の導体１４のみを同相に流れるコモンモード電流と区別するために、「漏れ電流」の用語を用いる。
【０１２４】
漏れ電流は、複数相の交流電力が供給される複数の導体１４のみを同相に流れるコモンモード電流のうち、フレーム接地線７１によって回収することができない残りの電流の部分に相当する。また、非特許文献２に記載されているように、漏れ電流は、ノイズの放射に大きく影響することが知られている。
【０１２５】
本第４変形例の電気車用電力変換装置において、３本の導体１４に加え、フレーム接地線７１も、コア部３１の孔部３１ｂを貫通することにより、コモンモード電流の大部分をフレーム接地線７１により回収することができるため、漏れ電流は数Ａ未満となる。そのため、コア部３１が小さい磁性体３１ａよりなる場合でも、磁性体３１ａ内の磁束密度が飽和しにくくなり、コア部３１を小型化することができる。
【０１２６】
フレーム接地線７１は、コンデンサ７２を介さずに、例えばインバータ１２の低圧側の入力端子２１ｂに接続されてもよいが、好適には、図１５に示すように、コンデンサ７２を介して、例えばインバータ１２の低圧側の入力端子２１ｂに接続される。このとき、モータ４は、フレーム接地線７１、コンデンサ７２、及び、インバータ１２を、順次介して接地される。
【０１２７】
これにより、レールを流れる例えば直流電流よりなる電流が、フレーム接地線７１を介してインバータ１２とモータ４との間を流れないようにすることができる。即ち、レールを流れる電流に、フレーム接地線７１を迂回させることができる。このような場合、コモンモード電流を小さくすることができるので、コア部３１が小さい磁性体３１ａよりなる場合でも、磁性体３１ａ内の磁束密度が更に飽和しにくくなり、コア部３１を容易に小型化することができる。
【０１２８】
＜電気車用電力変換装置の第５変形例＞
実施の形態の電気車用電力変換装置を、１つのインバータが複数のモータに交流電力を供給する場合に適用することができる。このような場合を、実施の形態の第５変形例の電気車用電力変換装置として説明する。本第５変形例の電気車用電力変換装置は、１つのインバータが複数のモータに交流電力を供給する点を除いて、実施の形態の電気車用電力変換装置と同様にすることができ、モータ及び導体に関する部分以外の説明を省略する。
【０１２９】
図１６は、実施の形態の第５変形例の電気車用電力変換装置の回路図である。図１６に示すように、電気車１は、モータ４に加えて、モータ８１を有する。モータ８１には、例えば三相等の複数相の交流電力が供給され、モータ８１は、電気車１を駆動する。インバータ１２は、交流電力を、モータ４に加えて、モータ８１にも供給する。インピーダンス要素１３は、インバータ１２とモータ４との間であって、且つ、インバータ１２とモータ８１との間に設けられる。モータ８１は、モータ８１に供給される複数相の交流電力の相数と同数の複数の導体８２としての導体８２ａ、８２ｂ及び８２ｃにより、複数の導体１４としての導体１４ａ、１４ｂ及び１４ｃに接続される。そして、複数の導体１４の各々のうち、インバータ１２とモータ８１との間に設けられた部分ＰＲ１は、孔部３１ｂを貫通する。
【０１３０】
前述したように、１つのインバータ１２が複数のモータに交流電力を供給する場合には、インバータ１２とモータとの間の配線の形態として、種々の形態があるため、車両ごとにコモンモード電流等のノイズ電流が流れるルートを特定することは、困難である。
【０１３１】
しかし、本第５変形例によれば、インピーダンス要素１３が、周辺の回路の影響を受けずに、３本の導体１４を流れるコモンモード電流を抑制することができる。従って、１つのインバータ１２が複数のモータに交流電力を供給する場合でも、コモンモード電流の発生を効率良く抑制することができる。
【０１３２】
なお、上記実施の形態又は上記各変形例のいずれか２種類を組み合わせることもでき、組み合わされた２種類がそれぞれ有する効果を足し合わせた効果が容易に得られる。
【０１３３】
以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
【０１３４】
本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
【０１３５】
例えば、前述の実施の形態又は各変形例に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除若しくは設計変更を行ったもの、又は、工程の追加、省略若しくは条件変更を行ったものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１３６】
本発明は、電気車用電力変換装置に適用して有効である。
【符号の説明】
【０１３７】
１  電気車
２  架線
３  パンタグラフ
４、４ａ、８１  モータ
５  フィルタリアクトル
６  アースブラシ
７  車輪
８  フィルタコンデンサ
９  主変圧器
９ａ  一次巻線
９ｂ  二次巻線
１０  電気車用電力変換装置
１１  箱体
１２  インバータ
１３、１９  インピーダンス要素
１４、１４ａ〜１４ｃ、１７、１７ａ、１７ｂ、１８、１８ａ、１８ｂ  導体
１５  コンバータ
１６  中間回路コンデンサ
２１ａ、２１ｂ、５１ａ、５１ｂ  入力端子
２２ａ〜２２ｃ、５２ａ、５２ｂ  出力端子
２３ｕ〜２３ｚ  スイッチング素子
２４、２４ａ、８２、８２ａ〜８２ｃ  導体
３１、６１  コア部
３１ａ、６１ａ  磁性体
３１ｂ、６１ｂ  孔部
３１ｃ、６１ｃ  環状部
３２  電線
３２ａ、３２ｂ、３３ａ、３３ｂ  端部
３３、３４ｂ、３４ｄ、３４ｋ、７２  コンデンサ
３４  コモンモードトランス部
３４ａ  コモンモードトランス
３４ｃ、３４ｄ、３４ｆ、３４ｈ、３４ｊ、４２、４２ａ  インダクタンス
３４ｅ  励磁インダクタンス
３４ｉ  並列共振回路部
４１  筐体
４３、４３ａ  浮遊容量
７１  フレーム接地線
ＡＲ１〜ＡＲ４  領域
ＢＤ１  車体
ＰＲ１  部分
ＲＬ１  レール
【図１】
2019115223.tif 000003
【図２】
2019115223.tif 000004
【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】
2019115223.tif 000009
【図８】
2019115223.tif 000010
【図９】
2019115223.tif 000011
【図１０】
2019115223.tif 000012
【図１１】
2019115223.tif 000013
【図１２】
2019115223.tif 000014
【図１３】
2019115223.tif 000015
【図１４】
2019115223.tif 000016
【図１５】
2019115223.tif 000017
【図１６】
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