TWI390560B

TWI390560B - 變壓裝置

Info

Publication number: TWI390560B
Application number: TW97110687A
Authority: TW
Inventors: 野田敏廣; 松田哲也; 木內浩司
Original assignee: 三菱電機股份有限公司
Priority date: 2008-03-04
Filing date: 2008-03-26
Publication date: 2013-03-21
Also published as: JPWO2009110061A1; US20100284205A1; TW200939262A; JP5217061B2; EP2251878A1; WO2009110061A1; KR20100080949A; US8274804B2; EP2251878B1; KR101149955B1; CN101960542B; EP2251878A4; HK1151385A1; CN101960542A

Description

變壓裝置

本發明係有關一種變壓裝置，特別是有關搭載於可在交流區間與直流區間兩者中行駛之電車的變壓裝置。

可在由架線等供給交流電壓之交流區間與由架線等供給直流電壓之直流區間兩者中行駛之交流/直流電車已被開發。在以往的電車中，例如具有將電抗器與變壓器分別獨立配置的構造，以及具有將變壓器與電抗器一體收容於槽內的構造。但是，在上述交流/直流電車中，變壓器等的交流區間用裝置無法在直流區間使用，相對地，電抗器等的直流區間用裝置亦無法在交流區間使用。因此，當需要交流區間用裝置與直流區間用裝置兩者時，有難以將上述兩裝置裝設在車體的地板下等有限之空間的情況。

在日本特開平3－38807號公報揭示有如下之將變壓器與分路電抗器一體化的分路電抗器共有型變壓器。該分路電抗器共有型變壓器係由設於變壓器之軛鐵之一部分的旁路(bypass)鐵心、設於由軛部之一部分與旁流鐵心所包圍之空間內的間隙(gap)鐵心、及電抗器線圈所構成。於是，旁路鐵心係形成電抗器的軛鐵，並且變壓器之線圈捲繞方向及分路電抗器之線圈捲繞方向係成為使軛鐵之一部分中的變壓器磁通量及電抗器磁通量互相抵消的方向。

此外，在日本特開平11－273975號公報揭示有如下之共模扼流線圈(Common Mode Choke Coil)。該共模扼流線圈係由將平角線捲繞於邊緣方向的第1線圈、第2圈、第3線圈、及第4線圈、與形成口字形之閉磁路的磁心所構成。而且，在磁心之一方的磁腳配置第1及第2線圈，在與其相對向之另一方的磁腳配置第3及第4線圈，且第1與第3線圈串聯連接、第2與第4線圈串聯連接。藉由線電流使在第1與第2線圈、第2與第3線圈、第3與第4線圈、第4與第1線圈產生的磁通量互相抵消，並使在第1與第3線圈、第2與第4線圈產生的磁通量互相賦予勢能。另外，以藉由在同一方向流通的電流使第1、第2、第3、第4線圈產生的磁通量分別賦予勢能的方式設定各線圈的捲繞方向，以並設的方式配置第1與第4線圈、第2與第3線圈。

[專利文獻1]日本特開平3－38807號公報[專利文獻2]日本特開平11－273975號公報

但是，日本特開平3－38807號公報所記載的構造係變壓器及電抗器個別發揮功能者，日本特開平11－273975號公報所記載的構造，共模扼流線圈不具有變壓器功能。此外，搭載於電車之變壓器的大小及質量在交流區間用的裝置中佔極大的比例，而由於變壓器無法在直流區間使用，僅會成為負載，因而成為電車性能下降的主要原因。

鑑於上述課題，本發明的目的係提供一種在交流/直流電車中，藉由在交流區間作為屬於交流區間用裝置的變壓器而進行動作、且在直流區間則作為屬於直流區間用裝置的電抗器而進行動作，而可縮小車體之裝設空間的變壓裝置。

本發明之一形態之變壓裝置係具備：第1高壓側線圈；第1低壓側線圈，係與第1高壓側線圈磁性結合；第2低壓側線圈，係與第1高壓側線圈磁性結合；以及第1開關，係將從外部供給的電壓切換成供給至第1低壓側線圈與第2低壓側線圈、或第1高壓側線圈；其中，第1低壓側線圈與第2低壓側線圈係設置成，使得經由第1開關供給電壓時藉由通過第1低壓側線圈流通之電流所產生的磁通量、與藉由通過第2低壓側線圈流通之電流所產生的磁通量互相抵消。

根據本發明，在交流/直流電車中，藉由在交流區間作為屬於交流區間用裝置的變壓器進行動作、且在直流區間則作為屬於直流區間用裝置的電抗器進行動作，而可縮小車體的裝設空間。此外，在直流區間與交流區間皆可獲得穩定的輸出。

以下，利用圖式說明本發明之實施形態。另外，在圖中同一或相等部分係賦予相同符號並不再做說明。

[構造及基本動作]

第1圖係表示本發明之實施形態之交流/直流電車之構造的電路圖。

參照第1圖，交流/直流電車201係具備：導電架2、變壓裝置101、以及馬達MA、MB。變壓裝置101包含：變壓器51、換流器(converter)5A、5B、變頻器(inverter)6A、6B、開關SW4A、SW4B、SW5A、SW5B、SW6A、SW6B、SW7A、SW7B。變壓器51包含：高壓側線圈3、低壓側線圈4A、4B、開關SW1、SW2A、SW2B、SW3。高壓側線圈3包含：高壓側線圈13A、13B。

導電架2係連接於架線1。開關SW1具有：與導電架2連接的第1端、與高壓側線圈13A的第1端及高壓側線圈13B的第1端連接的第2端。開關SW2A具有：與導電架2連接的第1端、與低壓側線圈4A的第1端連接的第2端。開關SW2B具有：與導電架2連接的第1端、與低壓側線圈4B的第2端連接的第2端。開關SW3具有：與高壓側線圈13A的第2端連接的第1端、與高壓側線圈13B的第2端連接的第2端。

開關SW4A具有：與低壓側線圈4A的第1端連接的第1端、與換流器5A的第1輸入端子連接的第2端。開關SW4B具有：與低壓側線圈4B的第2端連接的第1端、與換流器5B的第2輸入端子連接的第2端。開關SW5A具有：與低壓側線圈4A的第2端連接的第1端、與換流器5A的第2輸入端子連接的第2端、第3端。開關SW5B具有：與低壓側線圈4B的第1端連接的第1端、與換流器5B的第1輸入端子連接的第2端、第3端。開關SW6A具有：與換流器 5A的第1輸出端子連接的第1端、與變頻器6A的第1輸入端子連接的第2端、與開關SW5A的第3端連接的第3端。開關SW6B具有：與換流器5B的第1輸出端子連接的第1端、與變頻器6B的第1輸入端子連接的第2端、與開關SW5B的第3端連接的第3端。開關SW7A具有：與換流器5A的第2輸出端子連接的第1端、與變頻器6A的第2輸入端子連接的第2端、與供給有接地電壓之接地節點連接的第3端。開關SW7B具有：與換流器5B的第2輸出端子連接的第1端、與變頻器6B的第2輸入端子連接的第2端、與供給有接地電壓之接地節點連接的第3端。

第2圖係表示本發明之實施形態之變壓裝置之構造的斜視圖。

參照第2圖，變壓裝置101尚具備鐵心14。鐵心14具有：彼此相對向的第1側面及第2側面、從第1側面朝第2側面貫穿之窗部W1及W2。

高壓側線圈13A、13B及低壓側線圈4A、4B係以通過窗部W1及W2的方式捲繞。

高壓側線圈13A係設於低壓側線圈4A與低壓側線圈4B之間且與低壓側線圈4A相對向的位置，並與低壓側線圈4A磁性結合。

高壓側線圈13B則與高壓側線圈13A並聯連接，並設於低壓側線圈4A與低壓側線圈4B之間且與低壓側線圈4B相對向的位置，並與低壓側線圈4B磁性結合。

再次參照第1圖，開關SW1、SW2A、及SW2B係經由導電架2將從架線1供給的電壓切換供給至低壓側線圈4A與低壓側線圈4B、或高壓側線圈13A與高壓側線圈13B。

開關SW3係連接在高壓側線圈13A與高壓側線圈13B之間，切換是否形成包含高壓側線圈13A與高壓側線圈13B之閉電路。

換流器5A係將出現在低壓側線圈4A的交流電壓轉換為直流電壓。換流器5B則將出現在低壓側線圈4B的交流電壓轉換為直流電壓。

開關SW4A及SW5A係切換將低壓側線圈4A與換流器5A予以連接、或經由開關SW6A將低壓側線圈4A與變頻器6A予以連接。開關SW4B及SW5B係切換將低壓側線圈4B與換流器5B予以連接、或經由開關SW6B將低壓側線圈4B與變頻器6B予以連接。

變頻器6A係將從換流器5A接受的直流電壓或經由開關SW5A從低壓側線圈4A接受的直流電壓轉換為三相交流電壓，並朝馬達MA輸出。變頻器6B則將從換流器5B接受的直流電壓或經由開關SW5B從低壓側線圈4B接受的直流電壓轉換為三相交流電壓，並朝馬達MB輸出。

馬達MA係根據從變頻器6A接受的三相交流電壓而驅動。馬達MB則根據從變頻器6B接受的三相交流電壓而驅動。

[動作]

接著，針對交流區間之本發明之實施形態之變壓裝置的動作進行說明。

參照第1圖，在交流區間中，開關SW1為導通，開關SW2A及SW2B為關斷，開關SW3為導通，開關SW4A及SW4B為導通。此外，開關SW5A、SW5B、SW6A、SW6B、SW7A及SW7B的第1端子與第2端子係分別被連接。

第3圖係表示在交流區間產生之電流及磁通量之變壓器的剖面圖。

首先，從架線1朝導電架2供給交流電壓。從架線1供給的交流電壓係經由導電架2及開關SW1施加在高壓側線圈13A與13B。如此一來，在高壓側線圈13A與13B便分別流通有交流電流IH。

第4圖係示意性表示在交流區間藉由從架線供給之交流電壓而通過高壓側線圈流通之電流之方向的圖。第4圖係表示高壓側線圈13A與13B的捲繞方向相同之情況。

第5圖係示意性表示在交流區間藉由從架線供給之交流電壓而通過高壓側線圈流通之電流之方向的圖。第5圖係表示高壓側線圈13A與13B的捲繞方向相反之情況。

在第4圖及第5圖的任一情況，高壓側線圈13A與13B係皆設置成，使得從架線1經由開關SW1供給電壓時藉由通過高壓側線圈13A流通之電流所產生的磁通量、與從架線1經由開關SW1供給電壓時藉由通過高壓側線圈13B流通之電流所產生的磁通量形成同方向。

再次參照第3圖，藉由交流電流IH在鐵心14內產生主磁通量FH。如此一來，藉由主磁通量FH，在低壓側線圈4A即產生依據低壓側線圈4A的捲繞數與高壓側線圈13A 的捲繞數之比的交流電流IL及交流電壓。另外，藉由主磁通量FH，在低壓側線圈4B產生依據低壓側線圈4B的捲繞數與高壓側線圈13B的捲繞數之比的交流電流IL及交流電壓。

在此，因為低壓側線圈4A與4B的捲繞數分別小於高壓側線圈13A與13B的捲繞數，因此施加在高壓側線圈13A與13B的交流電壓之經減壓的交流電壓分別出現在低壓側線圈4A與4B。

在低壓側線圈4A出現的交流電壓係經由開關SW4A與SW5A供給至換流器5A。另外，在低壓側線圈4B出現的交流電壓則分別經由開關SW4B與SW5B供給至換流器5B。

換流器5A係將從低壓側線圈4A所供給的交流電壓轉換為直流電壓，並經由開關SW6A與SW7A朝變頻器6A輸出。此外，換流器5B則將從低壓側線圈4B所供給的交流電壓轉換為直流電壓，並經由開關SW6B與SW7B朝變頻器6B輸出。

變頻器6A係將從換流器5A接受的直流電壓轉換為三相交流電壓，並朝馬達MA輸出。另外，變頻器6B則將從換流器5B接受的直流電壓轉換為三相交流電壓，並朝馬達MB輸出。

馬達MA係根據從變頻器6A接受的三相交流電壓旋轉。此外，馬達MB則根據從變頻器6B接受的三相交流電壓旋轉。

第6圖(a)係表示在交流區間產生之電流的變壓器之窗部的剖面圖。第6圖(b)係表示在交流區間產生於鐵心內之漏磁通量的圖表。在第6圖(b)中，縱軸係表示漏磁通量F的大小。

在變壓器51中，低壓側線圈4A與4B配置在高壓側線圈13的兩側。此外，高壓側線圈13包含個別的高壓側線圈13A及13B。藉由上述構造，低壓側線圈4A與4B可成為磁性疏耦合狀態。

亦即，如第6圖(b)所示在低壓側線圈4A與4B分別產生之漏磁通量(即短路阻抗)並未彼此重疊，故可減少低壓側線圈4A與4B的磁性干擾，因此使變壓器51的輸出穩定。

接著，針對直流區間之本發明之實施形態之變壓裝置的動作進行說明。首先，針對假設本發明之實施形態之交流/直流電車不具備開關SW3的情況進行說明。

第7圖係表示假設本發明之實施形態之交流/直流電車不具備開關SW3時，直流區間之各開關設定的圖。

參照第7圖，在直流區間中，開關SW1為關斷，開關SW2A及SW2B為導通，開關SW4A及SW4B為關斷。此外，開關SW5A及SW5B的第1端子與第3端子分別被連接。另外，SW6A、SW6B、SW7A及SW7B的第2端子與第3端子分別被連接。

第8圖係表示在直流區間產生之電流及磁通量之變壓器的剖面圖。

參照第7圖及第8圖，首先，從架線1朝導電架2供給直流電壓。從架線1供給的直流電壓係經由導電架2、開關SW2A及SW2B分別施加在低壓側線圈4A與4B。如此一來，通過低壓側線圈4A流通有直流電流ILA，藉由該直流電流ILA，在鐵心14內便產生主磁通量FLA。此外，通過低壓側線圈4B流通有直流電流ILB，藉由該直流電流ILB，在鐵心14內便產生主磁通量FLB。

在此，開關SW2A的第2端係與低壓側線圈4A的第1端連接，開關SW2B的第2端則與低壓側線圈4B的第2端連接。藉此，使在經由開關SW2A供給電壓時通過低壓側線圈4A流通的電流ILA的方向與在經由開關SW2B供給電壓時通過低壓側線圈4B流通的電流ILB的方向相反。亦即，使藉由通過低壓側線圈4A流通的電流ILA而產生的磁通量FLA與藉由通過低壓側線圈4B流通的電流ILB而產生的磁通量FLB互相抵消。藉由上述構造，由於可防止鐵心14磁性飽和，因此可使漏磁通量減少。

第9圖係示意性表示在直流區間藉由從架線供給之直流電壓而通過低壓側線圈流通之電流之方向的圖。第9圖係表示低壓側線圈4A與4B的捲繞方向相同之情況。

第10圖係示意性表示在直流區間藉由從架線供給之直流電壓而通過低壓側線圈流通之電流之方向的圖。第10圖係表示低壓側線圈4A與4B的捲繞方向相反之情況。

在第9圖及第10圖的任一情況，低壓側線圈4A與4B係皆設置成，使得從架線1經由開關SW2A供給電壓時藉由通過低壓側線圈4A流通之電流ILA所產生的磁通量、與從架線1經由開關SW2B供給電壓時藉由通過低壓側線圈4B 流通之電流ILB所產生的磁通量互相抵消。

接著，施加在低壓側線圈4A的直流電壓係經由開關SW5A與SW6A供給至變頻器6A。此外，施加在低壓側線圈4B的直流電壓則經由開關SW5B與SW6B供給至變頻器6B。

變頻器6A係將從低壓側線圈4A接受的直流電壓轉換為三相交流電壓，並朝馬達MA輸出。另外，變頻器6B則將從低壓側線圈4B接受的直流電壓轉換為三相交流電壓，並朝馬達MB輸出。

第11圖(a)係表示在直流區間產生之電流及磁通量的變壓器之窗部的剖面圖。第11圖(b)係表示在直流區間產生於鐵心內之漏磁通量的圖表。在第11圖(b)中，縱軸係表示漏磁通量F的大小。

在通過低壓側線圈4A與4B流通有直流電流時，所產生的主磁通量FLA及FLA未發生變化，故不會產生感應。但是，在通過低壓側線圈4A與4B流通之直流電流包含脈流成分(即交流成分)時，藉由第11圖(b)所示之在鐵心14內產生漏磁通量F，可獲得感應。亦即，可使通過低壓側線圈4A與4B而流通之直流電流所包含的交流成分衰減。此外，可使變壓裝置101作為變頻器動作時(亦即在從直流電力產生三相交流電力時)所產生的高次諧波成分衰減。

但是，第7圖所示之變壓裝置為不具備開關SW3的構造，故形成有包含並聯連接之高壓側線圈13A及13B的閉電路。設成如此時，如第11圖(a)所示，會因為藉由通過低壓側線圈4A流通之電流的交流成分所產生的漏磁通量FLLKA，而通過高壓側線圈13A流通有電流IHLKA。另外，會因為藉由通過低壓側線圈4B流通之電流的交流成分所產生的漏磁通量FLLKB，而通過高壓側線圈13B流通有電流IHLKB。

然後，會因為該等電流IHLKA與IHLKB而分別產生漏磁通量FHLKA與FHLKB。之後，由於利用該等漏磁通量FHLKA與FHLKB分別抵消漏磁通量FLLKA與FLLKB，因而使低壓側線圈4A與4B的感應降低。

因此，在本發明之實施形態之變壓裝置中，係藉由具備開關SW3的構造而解決上述問題點。

第12圖係表示本發明之實施形態之交流/直流電車的直流區間之各開關設定的圖。

第13圖係表示在直流區間產生之電流及磁通量之變壓器的剖面圖。第14圖(a)係表示在直流區間產生之電流及磁通量的變壓器之窗部的剖面圖。第14圖(b)係表示在直流區間產生於鐵心內之漏磁通量的圖表。在第14圖(b)中，縱軸係表示漏磁通量F的大小。

參照第12圖至第14圖，在直流區間中，開關SW3為關斷。藉此解除高壓側線圈13A及13B的並聯連接，而不形成包含高壓側線圈13A及13B的閉電路。如此，可防止因在低壓側線圈4A及4B產生的漏磁通量FLLKA與FLLKB 而導致通過高壓側線圈13A及13B流通有電流IHLKA與IHLKB。亦即，可防止在高壓側線圈13A及13B產生漏磁通量FHLKA與FHLKB，故可防止漏磁通量FLLKA與FLLKB被抵消，而可在低壓側線圈4A及4B獲得較大的感應。

第15圖係表示感應之電流依存性的圖表。

曲線G1係表示在鐵心產生磁性飽和的情況。在曲線G1中，感應依照通過低壓側線圈4A及4B流通之電流的變化而產生變化。

在變壓器51中，係藉由通過低壓側線圈4A及4B流通之電流的脈流成分(亦即交流電流)來產生磁通量。藉由上述構造，因為所產生的磁通量相對於通過低壓側線圈4A及4B流通之直流電流的變化並無變化，因此可獲得由曲線G2所示之電流依存性穩定的感應。

在交流/直流電車中，係需要變壓器等之交流區間用裝置與電抗器裝置等之直流區間用裝置兩者，但有難以將上述兩裝置裝設在車體的地板下等有限之空間的情況。

因此，在本發明之實施形態之變壓裝置中，藉由在交流區間用的變壓器追加數個開關，可使低壓側線圈轉用作為DC電抗器，故不需要個別配置電抗器裝置與變壓器，而可謀求裝置小型化。另外，在本發明之實施形態之變壓裝置中，低壓側線圈4A與低壓側線圈4B設置成，使得從架線1經由開關SW2A供給電壓時，藉由通過低壓側線圈4A流通之電流所產生的磁通量，與在從架線1經由開關SW2B供給電壓時，藉由通過低壓側線圈4B流通之電流所產生的磁通量互相抵消。藉由上述構造，在直流區間中可防止鐵心14磁性飽和，故可獲得穩定的輸出。而且，不需要用來減少往交流/直流電車之車輛內的漏磁通量的對策，可謀求交流/直流電車的輕量化及低成本化。

因而，在本發明之實施形態之變壓裝置中，在交流/直流電車的交流區間係作為屬於交流區間用裝置的變壓器進行動作，而在直流區間係作為屬於直流區間用裝置的電抗器進行動作，藉此可縮小車體的裝設空間。另外，並可在直流區間與交流區間皆獲得安定的輸出。

此次所揭示的實施形態均為例示，並非以此限定者。本發明的範圍非為上述說明，乃藉由申請專利範圍表示，包含與申請專利範圍相同的意義及範圍內的所有變更。

1‧‧‧架線

2‧‧‧導電架

3、13A、13B‧‧‧高壓側線圈

4A、4B‧‧‧低壓側線圈

5A、5B‧‧‧換流器

6A、6B‧‧‧變頻器

14‧‧‧鐵心

51‧‧‧變壓器

101‧‧‧變壓裝置

201‧‧‧交流/直流電車

F、FLLKA、FLLKB、FHLKA、FHLKB‧‧‧漏磁通量

FH、FLA、FLB‧‧‧主磁通量

G1、G2‧‧‧曲線

IH、IL‧‧‧交流電流

IHLKA、IHLKB‧‧‧電流

ILA、ILB‧‧‧直流電流

MA、MB‧‧‧馬達

SW1、SW2A、SW2B、SW3、SW4A、SW4B、SW5A、SW5B、SW6A、SW6B、SW7A、SW7B‧‧‧開關

W1、W2‧‧‧窗部

第2圖係表示本發明之實施形態之變壓裝置之構造的斜視圖。

第4圖係示意性表示在交流區間藉由從架線供給之交流電壓而通過高壓側線圈流通之電流之方向的圖。

第5圖係示意性表示在交流區間藉由從架線供給之交流電壓而通過高壓側線圈流通之電流之方向的圖。

第6圖(a)係表示在交流區間產生之電流的變壓器之窗部的剖面圖。第6圖(b)係表示在交流區間產生於鐵心內之漏磁通量的圖表。

第9圖係示意性表示在直流區間藉由從架線供給之直流電壓而通過低壓側線圈流通之電流之方向的圖。

第10圖係示意性表示在直流區間藉由從架線供給之直流電壓而通過低壓側線圈流通之電流之方向的圖。

第11圖(a)係表示在直流區間產生之電流及磁通量的變壓器之窗部的剖面圖。第11圖(b)係表示在直流區間產生於鐵心內之漏磁通量的圖表。

第13圖係表示在直流區間產生之電流及磁通量之變壓器的剖面圖。

第14圖(a)係表示在直流區間產生之電流及磁通量的變壓器之窗部的剖面圖。第14圖(b)係表示在直流區間產生於鐵心內之漏磁通量的圖表。