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1. (WO2017149702) POWER CONVERSION DEVICE
Document

明 細 書

発明の名称 電力変換装置

技術分野

0001  

背景技術

0002   0003  

先行技術文献

特許文献

0004  

発明の概要

発明が解決しようとする課題

0005   0006  

課題を解決するための手段

0007  

図面の簡単な説明

0008  

発明を実施するための形態

0009   0010   0011   0012   0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047  

請求の範囲

1   2   3   4   5   6   7  

図面

1   2  

明 細 書

発明の名称 : 電力変換装置

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。

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。

図面

[ 図 1]

[ 図 2]