(57)【要約】  電気車制御装置（１０）は、誘導電動機（１８１，１８２）からなる第１の電動機群（１６１）を制御する第１のインバータ（１２１）と、誘導電動機（１８３，１８４）からなる第２の電動機群（１６２）を制御する第２のインバータ（１２２）と、を備える。第１のインバータ（１２１）と第１の電動機群（１６１）に属する誘導電動機（１８１，１８２）とは、第１の導体（１４１）で接続され、第２のインバータ（１２２）と第２の電動機群（１６２）に属する誘導電動機（１８３，１８４）とは、第２の導体（１４２）で接続される。第１の導体（１４１）と第２の導体（１４２）との間の中心間距離である第１長さは、第１の導体（１４１）の断面における導体部（５２）の最大長である第２長さと、第２の導体（１４２）の断面における導体部（５２）の最大長である第３長さとの平均値の、３倍以下である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つのインバータで複数の誘導電動機を制御する電気車制御装置であって、
複数の前記誘導電動機からなる第１の電動機群を制御する第１のインバータと、
複数の前記誘導電動機からなる第２の電動機群を制御する第２のインバータと、
を備え、
前記第１の電動機群に属する前記誘導電動機は、異なる台車に搭載され、
前記第２の電動機群に属する前記誘導電動機は、異なる台車に搭載され、
前記第１のインバータと前記第１の電動機群に属する前記誘導電動機とは、第１の導体で接続され、
前記第２のインバータと前記第２の電動機群に属する前記誘導電動機とは、第２の導体で接続され、
前記第１及び第２のインバータのそれぞれと前記台車との間において、前記第１の導体と前記第２の導体との間の中心間距離である第１長さは、前記第１の導体の断面における導体部の最大長である第２長さと、前記第２の導体の断面における導体部の最大長である第３長さとの平均値の、３倍以下である
ことを特徴とする電気車制御装置。
【請求項２】
前記第１のインバータへ第１のパルス幅変調制御信号を出力し、前記第２のインバータへ第２のパルス幅変調制御信号を出力する制御部を備え、
前記第１のパルス幅変調制御信号の各相は、前記第２のパルス幅変調制御信号の各相と１対１に対応し、対となる前記第１及び第２のパルス幅変調制御信号は、互いに逆位相の信号波形である
ことを特徴とする請求項１に記載の電気車制御装置。
【請求項３】
前記第１及び第２の導体は、前記第１又は第２のインバータと前記台車との間で、同一のシールド部材で覆われている
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の電気車制御装置。
【請求項４】
前記第１及び第２の導体は、前記第１又は第２のインバータと前記台車との間で、互いにツイストされて設置される
ことを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の電気車制御装置。
【請求項５】
前記第１の電動機群に属する前記誘導電動機は、前記第１の導体と接続される第１のモータ接続部を備え、
前記第２の電動機群に属する前記誘導電動機は、前記第２の導体と接続される第２のモータ接続部を備え、
前記第１の導体及び前記第２の導体は、前記第１のモータ接続部と前記第２のモータ接続部との中間位置を経由するように設置される
ことを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の電気車制御装置。
【請求項６】
前記第１及び第２のインバータは、同一の筺体に収納される
ことを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の電気車制御装置。
【請求項７】
前記筺体は、
前記第１の導体が接続される第１の端子部と、
前記第２の導体が接続される第２の端子部と、を備え、
前記第１の端子部と前記第２の端子部との間の最短距離は、前記第１の端子部の各相端子間における最短距離、又は前記第２の端子部の各相端子間における距離に対して、同等以下である
ことを特徴とする請求項６に記載の電気車制御装置。
【請求項８】
前記筺体には、直流電圧を平滑する１つのコンデンサが備えられ、
前記第１のインバータの直流側と、前記第２のインバータの直流側とは、何れも前記コンデンサと並列に接続される
ことを特徴とする請求項６又は７に記載の電気車制御装置。
【請求項９】
前記第１のインバータに具備される複数の半導体素子、及び前記第２のインバータに具備される複数の半導体素子は、何れも同一の冷却器に搭載されて冷却される
ことを特徴とする請求項６から８の何れか１項に記載の電気車制御装置。
【請求項１０】
前記第１及び第２のインバータのうちの何れか一方のインバータが停止した場合には、他方のインバータも停止する
ことを特徴とする請求項１から９の何れか１項に記載の電気車制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１つのインバータで複数の誘導電動機を制御する電気車制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気車が走行する軌道上には、各種信号機の受信機である地上子が配置される。これらの地上子を誤動作させないよう、電気車には、漏洩ノイズに対する規制が定められている。下記特許文献１には、コモンモードノイズを抑制するために、インバータと負荷である電動機との間の配線の周囲に、フェライト又はアモルファス金属等の強磁性体を素材とする中空形状のコアを配置することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１８７３６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、電気車の床下のスペースは限られている。このため、上記特許文献１に記載のコアのようなフィルタ部品を追設するための十分なスペースがない場合がある。このような場合、フィルタ部品を追設するためのスペースを確保するために、電気車制御装置の仕様の見直しを余儀なくされることがある。【０００５】
また、フィルタ部品のフィルタ特性は、誘導電動機を含めたインピーダンスに従って決定する必要がある。ところが、誘導電動機の製造者と、電気車制御装置の製造者とが同じであるとは限らない。この場合、フィルタ部品の追設に頼ることは、電気車制御装置の製造者において設計工数を増大させ、実車両での調整作業を増大させる。このため、フィルタ部品の追設に頼らずに漏洩ノイズを抑制することが望まれる。【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、フィルタ部品の追設に頼らずに漏洩ノイズを抑制することができる電気車制御装置を得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、本発明は、１つのインバータで複数の誘導電動機を制御する電気車制御装置である。電気車制御装置は、複数の誘導電動機からなる第１の電動機群を制御する第１のインバータと、複数の誘導電動機からなる第２の電動機群を制御する第２のインバータと、を備える。第１の電動機群に属する誘導電動機は、異なる台車に搭載され、第２の電動機群に属する誘導電動機は、異なる台車に搭載される。第１のインバータと第１の電動機群に属する誘導電動機とは、第１の導体で接続され、第２のインバータと第２の電動機群に属する誘導電動機とは、第２の導体で接続される。第１及び第２のインバータのそれぞれと台車との間において、第１の導体と第２の導体との間の中心間距離である第１長さは、第１の導体の断面における導体部の最大長である第２長さと、第２の導体の断面における導体部の最大長である第３長さとの平均値の、３倍以下である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る電気車制御装置によれば、フィルタ部品の追設に頼らずに漏洩ノイズを抑制することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態１に係る電気車制御装置の回路構成を示す図
【図２】従来の一般的な電気車制御装置の回路構成を示す図
【図３】電気車における従来の一般的な誘導電動機の配置例を示す図
【図４】従来の一般的なインバータ主回路の構成例を示す図
【図５】図４に示す各アームの半導体素子に与えるパルス幅変調（Ｐｕｌｅｓ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：ＰＷＭ）制御信号の生成手法の説明に用いる図
【図６】図５に示す各相電圧指令によって生成されるＰＷＭ制御信号を示す図
【図７】漏洩電流の説明に用いる図２の等価回路を示す図
【図８】図６に示すＰＷＭ制御信号によって生ずるコモンモード電圧を示す図
【図９】実施の形態１に係るインバータ主回路の構成例を示す図
【図１０】実施の形態１における誘導電動機の配置例を示す図
【図１１】実施の形態１における各群及び各相のレグに付与する電圧指令のバリエーションの説明に用いる図
【図１２】図１１（ａ）に示す各相電圧指令によって生成されるＰＷＭ制御信号を示す図
【図１３】実施の形態１における漏洩電流の説明に用いる図１の等価回路を示す図
【図１４】実施の形態１における導体間距離の説明に用いる図
【図１５】図１の比較例に係る電気車制御装置の回路構成を示す図
【図１６】実施の形態１における図１０とは異なる誘導電動機の配置例を示す図
【図１７】実施の形態１における冷却器の配置例を示す図
【図１８】実施の形態２に係る電気車制御装置の車両内の構成を示す図
【図１９】実施の形態２の変形例に係る電気車制御装置の車両内の構成を示す図
【図２０】実施の形態３に係る電気車制御装置の台車周辺の構成を示す図
【図２１】実施の形態４に係る電気車制御装置におけるインバータ接続部の構成を示す図
【図２２】実施の形態１から実施の形態４における制御部の機能を実現するハードウェア構成の一例を示すブロック図
【図２３】実施の形態１から実施の形態４における制御部の機能を実現するハードウェア構成の他の例を示すブロック図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態に係る電気車制御装置について詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により、本発明が限定されるものではない。また、添付図面においては、各部の縮尺が実際とは異なる場合がある。各図面間においても同様である。
【００１１】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る電気車制御装置の回路構成を示す図である。実施の形態１に係る電気車制御装置１０は、図１に示すように、コンデンサ１１と、第１のインバータ１２１と、第２のインバータ１２２と、制御部２０とを備える。第１のインバータ１２１は、第１の導体１４１によって、第１の電動機群１６１に属する２台の誘導電動機１８１，１８２と接続されている。第２のインバータ１２２は、第２の導体１４２によって、第２の電動機群１６２に属する２台の誘導電動機１８３，１８４と接続されている。４台の誘導電動機１８１，１８２，１８３，１８４は、電気車を駆動するための主電動機である。
【００１２】
第１の導体１４１は、第１のインバータ１２１と、２台の誘導電動機１８１，１８２との間を電気的に接続するための電気配線である。第２の導体１４２は、第２のインバータ１２２と、２台の誘導電動機１８３，１８４との間を電気的に接続するための電気配線である。第１の導体１４１及び第２の導体１４２は、電気的接続が可能な導通性のある部材であれば、どのようなものを用いてもよい。
【００１３】
第１のインバータ１２１及び第２のインバータ１２２は、同一の筐体６に収納されている。筐体６には、正側端子Ｐと、負側端子Ｎとが設けられている。
【００１４】
なお、以下の記載において、第１のインバータ１２１及び第２のインバータ１２２を区別しない場合に「インバータ１２」と表記する場合がある。また、誘導電動機１８１，１８２，１８３，１８４を区別しない場合に「誘導電動機１８」と表記する場合がある。
【００１５】
架線１から供給される直流電力は、集電装置２及びリアクトル５を介し、電気車制御装置１０に供給される。架線１の先には、図示しない変電所があり、架線１は、電気車制御装置１０から見て、外部電源という位置づけである。なお、集電装置２に印加される架線１の電圧である架線電圧、及び電気車制御装置１０の各変換容量は、駆動方式によって異なる。架線電圧の範囲は、おおよそ６００から３０００［Ｖ］である。また、変換容量の範囲は、数十から数百［ｋＶＡ］である。
【００１６】
電気車制御装置１０の正側端子Ｐはリアクトル５に接続される。電気車制御装置１０の負側端子Ｎは、車輪３を介してレール４に接続される。これにより、架線１から供給される直流電力による直流電流は、リアクトル５、電気車制御装置１０、車輪３及びレール４を介して流れ、変電所に戻る。
【００１７】
なお、図１では、架線１として架空電線を示し、集電装置２としてパンタグラフ状の集電装置をそれぞれ示しているが、これらに限定されない。架線１としては、地下鉄等で使用されている第三軌条でもよく、これに合わせ、集電装置２は第三軌条用の集電装置を用いてもよい。また、図１では、架線１が直流架線である場合を示しているが、架線１は交流架線でもよい。なお、架線１が交流架線である場合、リアクトル５の代わりに、受電する交流電圧を降圧するための変圧器が設けられ、変圧器の後段には変圧器から出力される交流電圧を直流電圧に変換するコンバータが設けられる。
【００１８】
コンデンサ１１は、電気車制御装置１０の内部において、正側端子Ｐと負側端子Ｎとの間に接続される。これにより、コンデンサ１１は、第１のインバータ１２１及び第２のインバータ１２２の入力側において、第１のインバータ１２１及び第２のインバータ１２２の各両端に並列に接続される。
【００１９】
コンデンサ１１は、印加される直流電圧を平滑する。また、コンデンサ１１は、リアクトル５に接続され、リアクトル５と共にＬＣフィルタ回路を構成する。このＬＣフィルタ回路は、架線１側から流入するサージ電圧を抑制する。また、ＬＣフィルタ回路は、インバータ１２に流れる電流のリプル成分の大きさを抑制する。インバータ１２は、誘導電動機１８に電力を供給する電力変換回路である。インバータ１２の動作は、制御部２０による制御下で、コンデンサ１１の直流電圧を任意の電圧値を有する任意の周波数の交流電圧に変換して、対応する誘導電動機１８に印加する。
【００２０】
図２は、従来の一般的な電気車制御装置の回路構成を示す図である。図２において、図１に対応する構成要素には、同一の符号を付して示している。
【００２１】
従来技術による電気車制御装置は、図２に示すように、１つのインバータ１２で４台の誘導電動機１８を一括で制御する構成が一般的である。主電動機が誘導電動機である場合、回転周波数と駆動電圧周波数との差であるすべりによってトルクが発生する。誘導電動機特有のすべりを利用することで、複数の主電動機を１つのインバータで並列制御することができる。
【００２２】
図３は、電気車における従来の一般的な誘導電動機の配置例を示す図である。図３において、図２に対応する構成要素には、同一の符号を付して示している。
【００２３】
４台の誘導電動機１８は、図３に示されるように、２台の台車２４に２台ごとに分けられて搭載されている。台車２４は、２つの車軸５６に支持され、車両４０は、２台の台車２４によって支持される構造である。４台の誘導電動機１８に発生するトルクは、図示しない減速機を介して車軸５６へ伝達され、車両４０の推進力となる。
【００２４】
図４は、従来の一般的なインバータ主回路の構成例を示す図である。インバータ主回路は、上アームの半導体素子ＵＰＩ，ＶＰＩ，ＷＰＩと、下アームの半導体素子ＵＮＩ，ＶＮＩ，ＷＮＩと、を備える。但し、図４では、単一の半導体素子では電流容量が不足する場合を想定し、各アームは、２つの半導体素子を並列接続している。並列接続される各半導体素子には、同一の制御信号が与えられる。
【００２５】
半導体素子ＵＰＩと半導体素子ＵＮＩとは直列に接続されてＵ相レグとなる。半導体素子ＶＰＩと半導体素子ＶＮＩとは直列に接続されてＶ相レグとなる。半導体素子ＷＰＩと半導体素子ＷＮＩとは直列に接続されてＷ相レグとなる。Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の各レグは、互いに並列に接続されて三相のブリッジ回路を構成する。各アームにおいて、並列接続される各半導体素子には、同一の制御信号が与えられる。
【００２６】
図５は、図４に示す各アームの半導体素子に与えるＰＷＭ制御信号の生成手法の説明に用いる図である。図５には、正弦波であるＵ相電圧指令２６Ｕ、Ｖ相電圧指令２６Ｖ及びＷ相電圧指令２６Ｗと、三角波であるキャリア２８とが示されている。横軸は位相角であり、縦軸は振幅値を表している。縦軸の１［Ｖｐｕ］は、インバータ１２に印加される電圧振幅の１／２、言い替えるとコンデンサ１１の電圧である直流電圧の１／２に相当する。
【００２７】
図６は、図５に示す各相電圧指令によって生成されるＰＷＭ制御信号を示す図である。上段側から、Ｕ相ＰＷＭ制御信号、Ｖ相ＰＷＭ制御信号及びＷ相ＰＷＭ制御信号の順で示している。図６の横軸は、図５と同じ位相角である。
【００２８】
制御部２０は、Ｕ相電圧指令２６Ｕと三角波信号であるキャリア２８を比較する。Ｕ相電圧指令２６Ｕがキャリア２８よりも大きいときは「ＯＮ」、Ｕ相電圧指令２６Ｕがキャリア２８以下のときは「ＯＦＦ」となる。このようにして、図６の上段部に示されるＵ相ＰＷＭ制御信号が生成される。Ｖ相ＰＷＭ制御信号及びＷ相ＰＷＭ制御信号もＵ相ＰＷＭ制御信号と同様に、Ｖ相電圧指令２６Ｖ及びＷ相電圧指令２６Ｗのそれぞれと、キャリア２８との比較によって生成される。このときに生成されるＶ相ＰＷＭ制御信号及びＷ相ＰＷＭ制御信号は、それぞれ図６の中段部及び下段部に示されている。
【００２９】
図７は、漏洩電流の説明に用いる図２の等価回路を示す図である。図７では、誘導電動機１８をインダクタンスの回路記号で表している。誘電電動機に限らず、三相インバータで三相モータを駆動する場合、三相モータの中性点電位は変動する。このため、図７に示すように、誘導電動機１８の中性点電位３２と接地電位である基準電位３１との間に浮遊容量３４が接続される等価回路が形成される。中性点電位３２は、ＰＷＭ制御に起因する高周波成分を含んでいる。従って、誘導電動機１８にＵ相電圧３３Ｕ、Ｖ相電圧３３Ｖ及びＷ相電圧３３Ｗが印加されると、浮遊容量３４を介して漏洩電流３５が流れる。
【００３０】
なお、中性点電位３２と基準電位３１との間の電位差は、「コモンモード電圧」と呼ばれる。三相インバータの場合、コモンモード電圧は、（Ｖｕ＋Ｖｖ＋Ｖｗ）／３と計算される。但し、ＶｕはＵ相電圧３３Ｕの振幅であり、ＶｖはＶ相電圧３３Ｖの振幅であり、ＶｗはＷ相電圧３３Ｗの振幅である。
【００３１】
図８は、図６に示すＰＷＭ制御信号によって生ずるコモンモード電圧を示す図である。図８において、横軸は位相角、縦軸はコモンモード電圧の振幅を表している。
【００３２】
漏洩電流は、コモンモード電圧に変化がある度に流れる。また、図８に示されるように、コモンモード電圧の変化は、キャリアの周期よりも短い周期で起こる。従って、漏洩ノイズの抑制には、浮遊容量３４を介して流れる漏洩電流３５の低減が重要となる。
【００３３】
図９は、実施の形態１に係るインバータ主回路の構成例を示す図である。実施の形態１に係るインバータ主回路は、第１のインバータ１２１及び第２のインバータ１２２を有する。第１のインバータ１２１及び第２のインバータ１２２は、それぞれの入力側において、コンデンサ１１の両端に並列に接続される。
【００３４】
第１のインバータ１２１は、上アームの半導体素子と下アームの半導体素子とが直列に接続されて三相分のＵ相レグ２２Ｕ、Ｖ相レグ２２Ｖ及びＷ相レグ２２Ｗを有する。Ｕ相レグ２２Ｕ、Ｖ相レグ２２Ｖ及びＷ相レグ２２Ｗは、互いに並列に接続されて三相のブリッジ回路を構成する。
【００３５】
第２のインバータ１２２は、上アームの半導体素子と下アームの半導体素子とが直列に接続されて三相分のＸ相レグ２２Ｘ、Ｙ相レグ２２Ｙ及びＺ相レグ２２Ｚを有する。Ｘ相レグ２２Ｘ、Ｙ相レグ２２Ｙ及びＺ相レグ２２Ｚは、互いに並列に接続されて三相のブリッジ回路を構成する。
【００３６】
三相モータの合計容量が同じであれば、使用する半導体素子の数も同じでよい。従来及び実施の形態１では、共に１２個の半導体素子が用いられている。図４に示す従来例では、各アームを並列化したのに対し、図９に示す実施の形態１では、インバータ単位で並列化した点が特徴である。
【００３７】
図１０は、実施の形態１における誘導電動機の配置例を示す図である。図１０において、図１に対応する構成要素には、同一の符号を付して示している。
【００３８】
図１０において、第１のインバータ１２１及び第２のインバータ１２２は、車両４０の中央部の床下に設けられて筐体６に収納される。また、第１の電動機群１６１に属する２台の誘導電動機１８１，１８２は、第１の台車２４１と、第２の台車２４２とに分けられて搭載されている。同様に、第２の電動機群１６２に属する２台の誘導電動機１８３，１８４も、第１の台車２４１と、第２の台車２４２とに分けられて搭載されている。即ち、第１の台車２４１には、第１の電動機群１６１に属する１台の誘導電動機１８１と、第２の電動機群１６２に属する１台の誘導電動機１８３とが搭載されている。また、第２の台車２４２には、第１の電動機群１６１に属するもう１台の誘導電動機１８２と、第２の電動機群１６２に属するもう１台の誘導電動機１８４とが搭載されている。
【００３９】
上記の配置により、第１の導体１４１は、車両４０の中央部に配置された第１のインバータ１２１を経由して、第１の台車２４１と第２の台車２４２との間に設置される。第２の導体１４２も、車両４０の中央部に配置された第２のインバータ１２２を経由して、第１の台車２４１と第２の台車２４２との間に設置される。第１の導体１４１及び第２の導体１４２を設置する際、第１の導体１４１と第２の導体１４２とは、互いに近づけて配置される。なお、第１の導体１４１と第２の導体１４２との間の導体間距離をどの程度近づけて配置するかについては、後述する。
【００４０】
図１１は、実施の形態１における各群及び各相のレグに付与する電圧指令のバリエーションの説明に用いる図である。図１１の上段部に示す（ａ）から（ｃ）は、群間の相回転が同一方向のパターンである。図１１の下段部に示す（ｄ）から（ｆ）は、群間の相回転が逆方向のパターンである。
【００４１】
図１１において、「Ｕ」とあるのは、第１のインバータ１２１の第１の相であるＵ相の電圧指令を表している。同様に、「Ｖ」とあるのは、第１のインバータ１２１の第２の相であるＶ相の電圧指令を表し、「Ｗ」とあるのは、第１のインバータ１２１の第３の相であるＷ相の電圧指令を表している。
【００４２】
各相の電圧指令はベクトルであり、Ｕ相を基準に、反時計回りをベクトルの回転方向とする。また、各相は、ＵＶＷの順で相回転するものとする。従って、Ｖ相は、回転方向に対してＵ相から１２０度遅れたベクトルとなり、Ｗ相は、回転方向に対してＶ相から１２０度（Ｕ相からは２４０度）遅れたベクトルとなる。
【００４３】
また、「Ｘ」とあるのは、第２のインバータ１２２の第１の相であるＸ相の電圧指令を表している。同様に、「Ｙ」とあるのは、第２のインバータ１２２の第２の相であるＹ相の電圧指令を表し、「Ｚ」とあるのは、第２のインバータ１２２の第３の相であるＺ相の電圧指令を表している。
【００４４】
各相の電圧指令はベクトルであり、Ｘ相を基準に、反時計回りをベクトルの回転方向とする。また、各相は、ＸＹＺの順で相回転するものとする。従って、Ｙ相は、回転方向に対してＸ相から１２０度遅れたベクトルとなり、Ｚ相は、回転方向に対してＹ相から１２０度（Ｘ相からは２４０度）遅れたベクトルとなる。
【００４５】
図１１（ａ）は、Ｕ相とＸ相とが逆方向のベクトル、即ちＸ相はＵ相に対して１８０度の位相差を有するベクトルとする例である。図１１（ｂ）は、Ｕ相とＹ相とが逆方向のベクトル、即ちＹ相はＵ相に対して１８０度の位相差を有するベクトルとする例である。図１１（ｃ）は、Ｕ相とＺ相とが逆方向のベクトル、即ちＺ相はＵ相に対して１８０度の位相差を有するベクトルとする例である。
【００４６】
群間の相回転がＵＶＷ相と、ＸＹＺ相とで逆方向の場合も、上記（ａ）から（ｃ）と同様に３つのパターンが存在し、下段部の左側から（ｄ），（ｅ），（ｆ）の順で示している。
【００４７】
上記（ａ）から（ｆ）の何れのパターンも、ＵＶＷ相の何れか１つの相と、対応するＸＹＺ相の１つの相とを組合せた３つの相ペアは、逆位相の関係にあることが分かる。
【００４８】
図１２は、図１１（ａ）に示す各相電圧指令によって生成されるＰＷＭ制御信号を示す図である。図１３は、実施の形態１における漏洩電流の説明に用いる図１の等価回路を示す図である。
【００４９】
図１２において、第１のＰＷＭ制御信号は、第１の電動機群１６１を制御する第１のインバータ１２１に与えるＰＷＭ制御信号である。第２のＰＷＭ制御信号は、第２の電動機群１６２を制御する第２のインバータ１２２に与えるＰＷＭ制御信号である。
【００５０】
図１の等価回路は、図１３のように表される。第１の電動機群１６１に属する誘導電動機１８１には、Ｕ相電圧３３Ｕ、Ｖ相電圧３３Ｖ及びＷ相電圧３３Ｗが印加される。誘導電動機１８１の中性点電位３２１は変動するため、中性点電位３２１と基準電位３１との間には、浮遊容量３４１を介した漏洩電流３５１が流れる。
【００５１】
また、第２の電動機群１６２に属する誘導電動機１８３には、Ｘ相電圧３３Ｘ、Ｙ相電圧３３Ｙ及びＺ相電圧３３Ｚが印加される。誘導電動機１８３の中性点電位３２３は変動するため、中性点電位３２３と基準電位３１との間には、浮遊容量３４３を介した漏洩電流３５２が流れる。
【００５２】
図１２において、Ｕ相のＰＷＭ制御信号とＸ相のＰＷＭ制御信号とは、互いに上下を反転した波形になっている。Ｖ相のＰＷＭ制御信号とＹ相のＰＷＭ制御信号との関係、及びＷ相のＰＷＭ制御信号とＺ相のＰＷＭ制御信号との関係も同じである。即ち、第１のＰＷＭ制御信号の各相は、第２のＰＷＭ変調制御信号の各相と１対１に対応し、対となるＰＷＭ制御信号は、互いに逆位相の信号波形となる。
【００５３】
従って、誘導電動機１８１の中性点電位３２１に生ずるコモンモード電圧と、誘導電動機１８３の中性点電位３２３に生ずるコモンモード電圧との関係も、上下反転したパルス波形になる。その結果、浮遊容量３４１を介して流れる漏洩電流３５１と、浮遊容量３４３を介して流れる漏洩電流３５２との関係も、互いに逆位相の電流となる。また、第１の導体１４１に流れる漏洩電流３５１と、第２の導体１４２に流れる漏洩電流３５２との関係も互いに逆位相の電流となる。より具体的には、Ｕ相とＸ相、Ｖ相とＹ相、及びＷ相とＺ相の各ペア同士で、漏洩電流の流れる向きが逆になる。従って、各群の対応する相の電気配線を近づけて配置した区間では、漏洩電流が作る磁界が相殺される。その結果、地上側にある地上子へ誘起される電圧が抑制される。
【００５４】
なお、図１３では、Ｕ相とＸ相の導体同士、Ｖ相とＹ相の導体同士、及びＷ相とＺ相の導体同士を近づけるように図示している。漏洩電流が作る磁界を相殺するには、図１３のように設置するのが効果的である。各導体同士を近づけて設置する手段として、対応する相の導体同士をツイストして設置してもよい。なお、製作が可能であれば、６本の導体全体をツイストしてもよい。
【００５５】
図１４は、実施の形態１における導体間距離の説明に用いる図である。図１４には、２つの導体５０１，５０２の断面形状が示されている。図１４において、導体５０１は例えばＵ相の導体であり、導体５０２は例えばＸ相の導体である。
【００５６】
導体５０１，５０２は、共に導体部５２と、導体部５２の周囲を覆う絶縁体である被覆部５４とを有する。導体５０１，５０２の各断面は、共に円形である。ここで、導体５０１と導体５０２との間の導体間距離を、導体５０１の断面中心と導体５０２の断面中心との間の距離とする。この距離を中心間距離と呼び、「ｄ」で表す。また、前述した導体間距離をどの程度近づけて配置するかについて、実施の形態１では、導体部５２の直径ａを基準長として、以下の（１）式の関係を満たすものとする。
【００５７】
ｄ≦３ａ    ……（１）
【００５８】
即ち、実施の形態１において、導体５０１と導体５０２との間の中心間距離は、導体部５２の直径ａの３倍以下である。
【００５９】
なお、図１４では、導体５０１，５０２の各断面は、円形であるとしているが、これに限定されない。即ち、各断面は、非円形であってもよい。非円形は、三角形、四角形といった多角形、楕円形又は複数の曲線で形成される形状のような、円形以外の形状であってもよい。
【００６０】
また、図１４において、導体５０１，５０２における導体部５２の直径ａは等しいとしているが、それぞれの直径が異なっていてもよい。なお、導体５０１，５０２の断面形状が円形でなく、且つ、それぞれの断面形状が異なっている場合、上記（１）式が表す内容は、以下の通りとする。
【００６１】
まず、導体５０１と導体５０２との間の中心間距離を「第１長さ」と呼び、「ｂ」で表す。また、導体５０１の断面における導体部の最大長を「第２長さ」と呼び、「ｃ１」で表す。また、導体５０２の断面における導体部の最大長を「第３長さ」と呼び、「ｃ２」で表す。このとき、上記（１）式の条件は、以下の（２）式のように書き替えることができる。
【００６２】
ｂ≦（ｃ１／２＋ｃ２／２）×３……（２）
【００６３】
即ち、実施の形態１において、導体５０１と導体５０２との間の中心間距離である第１長さは、導体５０１の断面における導体部の最大長である第２長さと、導体５０２の断面における導体部の最大長である第３長さとの平均値の、３倍以下である。
【００６４】
次に、実施の形態１に係る電気車制御装置を構成する上での、幾つかの着意事項について説明する。
【００６５】
図１５は、図１の比較例に係る電気車制御装置の回路構成を示す図である。図１５において、図１に対応する構成要素には、同一の符号を付して示している。
【００６６】
図１５において、第１のインバータ１２１の直流側には、コンデンサ１１１と、フィルタリアクトル７６１とが接続されている。コンデンサ１１１及びフィルタリアクトル７６１は、第１のフィルタ回路を構成する。同様に、第２のインバータ１２２の直流側には、コンデンサ１１２と、フィルタリアクトル７６２とが接続されている。コンデンサ１１２及びフィルタリアクトル７６２は、第２のフィルタ回路を構成する。即ち、図１５は、第１のインバータ１２１及び第２のインバータ１２２は、個別のフィルタ回路を有する構成である。
【００６７】
上述したように、実施の形態１の電気車制御装置において、第１のインバータ１２１と、第２のインバータ１２２とは、それぞれが逆位相のスイッチング動作を行っている。その結果、各インバータの直流側へ生じる電流リプルも逆位相になっている。従って、フィルタ回路が個別の場合、それぞれのインバータにおけるコンデンサ電圧が第１の電動機群１６１と、第２の電動機群１６２とで異なってしまう。これにより、各群から生じる漏洩電流の対称性が崩れてしまう。
【００６８】
これに対し、図１の構成では、コンデンサが共通であり、第１のインバータ１２１の直流側と、第２のインバータ１２２の直流側とは、何れも共通のコンデンサと並列に接続される。この構成により、各インバータの直流側へ生じる、互いに逆位相の電流リプルは、共通のコンデンサで吸収される。これにより、各群から生じる漏洩電流の対称性を維持することができる。
【００６９】
図１６は、実施の形態１における図１０とは異なる誘導電動機の配置例を示す図である。図１６において、図１０に対応する構成要素には、同一の符号を付して示している。
【００７０】
鉄道車両においては、床下スペースの都合、又は車両ごとの重量バランスの観点から、インバータと電動機とが別々の車両に搭載される場合がある。この場合、図１６に示されるように、誘導電動機１８１〜１８４が搭載される車両４０１と、第１のインバータ１２１及び第２のインバータ１２２が搭載される車両４０２との間には、車両間の電気配線である、渡り線６０が敷設される。
【００７１】
渡り線は、曲線区間の走行や振動を考慮すると、柔軟に変形する構造である必要がある。このため、渡り線は、地上側へたるみを持たせて配線される。従って、渡り線は、他の部分の配線と比べて、配線と地上子との間の距離が短く、地上子へ望ましくない影響を及ぼす懸念が高い。この課題に対し、上述した実施の形態１の手法を採用すれば、渡り線６０においても、各群の漏洩電流同士を逆相とすることができる。これにより、渡り線６０においても磁界が相殺されるので、地上子へ誘起される電圧を抑制することができる。
【００７２】
図１７は、実施の形態１における冷却器の構成例を示す図である。図１７には、第１のインバータ１２１に具備される６個の半導体素子と、第２のインバータ１２２に具備される６個の半導体素子とによる１２個の半導体素子が、冷却器８０のフィンベース８２に搭載される例が示されている。
【００７３】
上述した実施の形態１の手法を用いる場合、各群の電気配線は、並行して設置される部分が長い程よい。また、前述の通り、第１のインバータ１２１と、第２のインバータ１２２とは、共通のコンデンサに接続されるのが好ましい構成となる。従って、第１のインバータ１２１と第２のインバータ１２２との間の距離を短くして、第１のインバータ１２１と、第２のインバータ１２２とで冷却器を共通とする構成が容易になる。これにより、第１のインバータ１２１と、第２のインバータ１２２とを備えたインバータ装置を小型化することができる。
【００７４】
以上説明したように、実施の形態１に係る電気車制御装置では、第１のインバータと第１の電動機群に属する誘導電動機とは、第１の導体で接続され、第２のインバータと第２の電動機群に属する誘導電動機とは、第２の導体で接続される。第１及び第２のインバータのそれぞれと、誘導電動機を搭載する台車との間において、第１の導体と第２の導体との間の中心間距離である第１長さは、第１の導体の断面における導体部の最大長である第２長さと、第２の導体の断面における導体部の最大長である第３長さとの平均値の、３倍以下であるように設定される。これにより、漏洩電流が作る磁界が相殺され、地上側にある地上子へ誘起される電圧が抑制される。また、フィルタ部品の追設に頼らずに漏洩ノイズを抑制することができる。
【００７５】
なお、上記の構成において、第１のインバータと、第２のインバータとは、同一の筐体に収納されるようにしてもよい。これにより、装置を小型化することができる。また、漏洩電流の経路のインピーダンスのばらつきを低減することができる。また、各群の配線が単独で引き回しされる区間を短くすることができる。
【００７６】
また、上記の構成において、直流電圧を平滑するコンデンサを１つとし、第１のインバータの直流側と、第２のインバータの直流側とは、何れも当該１つのコンデンサと並列に接続されるようにしてもよい。これにより、第１の電動機群と第２の電動機群との間において、出力電圧の対称性が増すので、漏洩電流が作る磁界の相殺効果を高めることができる。
【００７７】
また、上記の構成において、第１及び第２の導体は、第１又は第２のインバータと台車との間で、互いにツイストされて設置されるようにしてもよい。第１及び第２の導体を互いにツイストして設置することにより、第１の導体と第２の導体との間の距離を短くできるので、磁界の相殺効果を高めることができる。
【００７８】
なお、第１のインバータ１２１及び第２のインバータ１２２のうちの何れか一方のインバータが停止した場合には、他方のインバータも停止することが好ましい。このように制御すれば、過剰な漏洩ノイズの発生を未然に抑止することができる。
【００７９】
実施の形態２．
図１８は、実施の形態２に係る電気車制御装置の車両内の構成を示す図である。図１８において、図１０に対応する構成要素には、同一の符号を付して示している。
【００８０】
インバータから電動機に印加されるパルス電圧の立ち上がり時間又は立ち下がり時間がゼロの理想的なパルス電圧であれば、各群におけるコモンモード電圧は完全に対称となる。更に、漏洩電流の経路のインピーダンスも等しければ、磁界も完全に相殺される。ところが、実際には、ゲート駆動回路の遅延時間、又は半導体素子ごとの特性ばらつきなどの影響で、電圧波形の立ち上がり時間及び立ち下がり時間は、完全には一致しない。また、漏洩電流経路のインピーダンスも完全には一致しない。
【００８１】
そこで、実施の形態２では、図１８に示されるように、各群の配線である第１の導体１４１と、第２の導体１４２とを、同一のダクト７０で覆うようにする。実施の形態２において、ダクト７０は、シールド部材として用いられる。
【００８２】
各群の配線を同一のダクト７０で覆うようにすれば、相殺されずに残る磁界を遮蔽することができる。また、周囲に影響を及ぼす僅かな磁界成分を遮蔽できるので、地上子への影響を低減することができる。なお、同一のダクトで覆うことは、各群の漏洩電流経路のインピーダンスが、ばらつかないようにする効果もある。なお、言うまでもなく、各群の配線に個別にダクトを設置するよりも、部品点数は少なくて済む。
【００８３】
また、図１９は、実施の形態２の変形例に係る電気車制御装置の車両内の構成を示す図である。図１９において、図１６に対応する構成要素には、同一の符号を付して示している。
【００８４】
渡り線の区間ではダクトを設置できないので、それ以外の並行区間において、ダクトを設置する。図１９では、渡り線６０の区間を除き、車両４０１にダクト７０１が設置され、車両４０２にダクト７０２が設置される例が示されている。なお、漏洩インピーダンスのばらつきを抑える観点で言えば、各群の配線がダクトに納められている区間の長さは均等であることが望ましい。言い替えると、各群の配線がダクトに納められている配線長の差が、短いほどよい。
【００８５】
以上説明したように、実施の形態２に係る電気車制御装置において、第１及び第２の導体は、第１又は第２のインバータと台車との間で、同一のシールド部材で覆われている。これにより、相殺されない分の磁界をシールド部材が遮蔽するので、地上子への影響を低減することができる。また、各群の漏洩電流経路のインピーダンスのばらつきを抑制することができる。
【００８６】
実施の形態３．
図２０は、実施の形態３に係る電気車制御装置の台車周辺の構成を示す図である。図２０において、図１０に対応する構成要素には、同一の符号を付して示している。
【００８７】
図２０は、図１０に示す第１の台車２４１をレール側から視認した図である。図２０には、車輪５７と、車輪５７を連結する車軸５６と、車軸５６に支持される第１の台車２４１と、第１の台車２４１に搭載される２台の誘導電動機１８１，１８３とが示されている。また、２台の誘導電動機１８１，１８３には、第１の導体１４１又は第２の導体１４２との電気的接続部である、モータ接続部５８が示されている。なお、以下の記載において、第１の電動機群１６１に属する誘導電動機におけるモータ接続部５８を「第１のモータ接続部」と表記し、第２の電動機群１６２に属する誘導電動機におけるモータ接続部５８を「第２のモータ接続部」と表記する場合がある。
【００８８】
２台の誘導電動機１８１，１８３におけるモータ接続部５８の周辺においては、第１の導体１４１と第２の導体１４２とを並行して設置できない部分が存在する。実施の形態３では、各群の配線が並行していない区間を可能な限り小さくするようにする。具体的には、車両の進行方向に対して、誘導電動機１８１のモータ接続部５８と、誘導電動機１８３のモータ接続部５８との間の中間位置Ｌを経由させる。そして、中間位置Ｌで分岐させ、それぞれのモータ接続部５８と接続する。これにより、第１の導体１４１と第２の導体１４２とが並行する区間が長くなるので、相殺されずに残る磁界成分を小さくすることができる。その結果、モータ接続部５８の周辺においても、漏洩電流による地上子への影響を低減することができる。
【００８９】
実施の形態４．
図２１は、実施の形態４に係る電気車制御装置におけるインバータ接続部の構成を示す図である。インバータ接続部６４には、第１の導体１４１を第１のインバータ１２１と接続するための第１の端子部６６１と、第２の導体１４２を第２のインバータ１２２と接続するための第２の端子部６６２とを備えている。第１の端子部６６１は、Ｕ，Ｖ，Ｗからなる３つの端子を有し、第２の端子部６６２は、Ｘ，Ｙ，Ｚからなる３つの端子を有する。なお、インバータ接続部６４は、第１のインバータ１２１及び第２のインバータ１２２を収納する筐体６の任意の面に構築することができる。
【００９０】
図２１において、インバータ接続部６４は横長の長方形形状である。第１の端子部６６１におけるＵ，Ｖ，Ｗの各端子は、インバータ接続部６４の２つの長辺のうちの第１の辺６８側において、長手方向に等間隔で並ぶように配置されている。また、第２の端子部６６２におけるＸ，Ｙ，Ｚの各端子は、インバータ接続部６４の２つの長辺のうちの第２の辺６９側において、長手方向に等間隔で並ぶように配置されている。なお、図２１において、Ｘ端子はＵ端子に対して長手方向の位置をずらしているが、長手方向の位置が同じ位置であってもよい。Ｙ端子とＶ端子、Ｚ端子とＷ端子との関係も同様である。
【００９１】
また、図２１に示されるように、Ｕ端子とＶ端子との間の中心距離をｄ１とする。図示はしていないが、Ｖ端子とＷ端子との間の中心距離はｄ１であり、Ｕ端子とＷ端子との間の中心距離は２ｄ１である。同様に、図示はしていないが、Ｘ端子とＹ端子との間の中心距離はｄ１であり、Ｙ端子とＺ端子との間の中心距離はｄ１であり、Ｘ端子とＺ端子との間の中心距離は２ｄ１である。従って、ｄ１は、第１の端子部６６１の各相端子間の最短距離であり、第２の端子部６６２の各相端子間の最短距離である。
【００９２】
また、図２１に示されるように、Ｕ端子とＸ端子との間の中心距離をｄ２とする。図示はしていないが、Ｖ端子とＹ端子との間の中心距離、及びＷ端子とＺ端子との間の中心距離もｄ２である。なお、Ｕ端子とＹ端子との間の中心距離、及びＵ端子とＺ端子との間の中心距離はｄ２よりも長い。また、Ｘ端子とＶ端子との間の中心距離、及びＸ端子とＷ端子との間の中心距離もｄ２よりも長い。従って、ｄ２は、第１の端子部６６１と第２の端子部６６２との間の最短距離である。
【００９３】
ここで、これらのｄ１，ｄ２は、以下の（３）式の関係を満たしているものとする。
【００９４】
ｄ２≦ｄ１    ……（３）
【００９５】
筐体６の内部で発生した放射ノイズは遮蔽されて外部に漏れ出ない。一方、各導体が接続されるインバータ接続部６４の近くでは、漏洩電流の作る磁界によって地上子に影響を及ぼす可能性もある。そこで、実施の形態４では、上記（３）式のように、ＰＷＭ制御信号が逆位相の関係にある相同士の中心間距離が、自群内の他の相との間の中心間距離よりも、同等以下であるように各端子を配置する。言い替えると、第１の端子部６６１と第２の端子部６６２との間の最短距離は、第１の端子部６６１の各相端子間における最短距離、又は第２の端子部６６２の各相端子間における最短距離に対して、同等以下であるように各端子を配置する。このように構成すれば、第１のインバータ１２１及び第２のインバータ１２２を収納する筐体６もしくはその周辺から放射される放射ノイズを抑制することができる。
【００９６】
上述した実施の形態１から実施の形態４における制御部２０の機能は、図２２又は図２３に示すハードウェア構成で実現することができる。図２２は、実施の形態１から実施の形態４における制御部の機能を実現するハードウェア構成の一例を示すブロック図である。図２３は、実施の形態１から実施の形態４における制御部の機能を実現するハードウェア構成の他の例を示すブロック図である。
【００９７】
実施の形態１における制御部２０の機能を実現する場合には、図２２に示すように、演算を行うプロセッサ３００、プロセッサ３００によって読みとられるプログラムが保存されるメモリ３０２、及び信号の入出力を行うインタフェース３０４を含む構成とすることができる。
【００９８】
プロセッサ３００は、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）、又はＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）といった演算手段であってもよい。また、メモリ３０２には、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  ＲＯＭ）、ＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ  ＥＰＲＯＭ）といった不揮発性又は揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ  Ｄｉｓｃ）を例示することができる。
【００９９】
メモリ３０２には、実施の形態１から実施の形態４における制御部２０の機能を実行するプログラムが格納されている。プロセッサ３００は、インタフェース３０４を介して必要な情報を授受し、メモリ３０２に格納されたプログラムをプロセッサ３００が実行することにより、上述した処理を行うことができる。プロセッサ３００による演算結果は、メモリ３０２に記憶することができる。
【０１００】
また、実施の形態１から実施の形態４における制御部２０の機能を実現する場合には、図２３に示す処理回路３０５を用いることもできる。
【０１０１】
図２３において、処理回路３０５は、単一回路、複合回路、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  Ｓｐｅｃｉｆｉｃ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）、又は、これらを組み合わせたものが該当する。処理回路３０５に入力する情報、及び処理回路３０５から出力する情報は、インタフェース３０６を介して入手することができる。
【０１０２】
なお、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
【符号の説明】
【０１０３】
１  架線、２  集電装置、３，５７  車輪、４  レール、５  リアクトル、６  筐体、１０  電気車制御装置、１１，１１１，１１２  コンデンサ、１２  インバータ、１２１  第１のインバータ、１２２  第２のインバータ、１４１  第１の導体、１４２  第２の導体、１６１  第１の電動機群、１６２  第２の電動機群、１８，１８１，１８２，１８３，１８４  誘導電動機、２０  制御部、２２Ｕ  Ｕ相レグ、２２Ｖ  Ｖ相レグ、２２Ｗ  Ｗ相レグ、２２Ｘ  Ｘ相レグ、２２Ｙ  Ｙ相レグ、２２Ｚ  Ｚ相レグ、２４  台車、２４１  第１の台車、２４２  第２の台車、２６Ｕ  Ｕ相電圧指令、２６Ｖ  Ｖ相電圧指令、２６Ｗ  Ｗ相電圧指令、２８  キャリア、３１  基準電位、３２，３２１，３２３  中性点電位、３３Ｕ  Ｕ相電圧、３３Ｖ  Ｖ相電圧、３３Ｗ  Ｗ相電圧、３３Ｘ  Ｘ相電圧、３３Ｙ  Ｙ相電圧、３３Ｚ  Ｚ相電圧、３４，３４１，３４３  浮遊容量、３５，３５１，３５２  漏洩電流、４０，４０１，４０２  車両、５０１，５０２  導体、５２  導体部、５４  被覆部、５６  車軸、５８  モータ接続部、６０  渡り線、６４  インバータ接続部、６６１  第１の端子部、６６２  第２の端子部、６８  第１の辺、６９  第２の辺、７０，７０１，７０２  ダクト、７６１，７６２  フィルタリアクトル、８０  冷却器、８２  フィンベース、ＵＮＩ，ＶＮＩ，ＷＮＩ，ＵＰＩ，ＶＰＩ，ＷＰＩ  半導体素子。
【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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【国際調査報告】
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