鉄道車載蓄電用直流-直流変換システムの小型軽量・低損失化に向けた一手法 (本文)

概要

鉄道車載蓄電用直流―直流変換システムの
小型軽量・低損失化に向けた一手法

2023 年度

仲

村 孝 行

学位論文

博士（工学）

鉄道車載蓄電用直流―直流変換システムの
小型軽量・低損失化に向けた一手法

2023 年度

慶應義塾大学大学院理工学研究科

仲

村 孝 行

目次
第１章 序論 .................................................................................................................. 1
１．１．パワーエレクトロニクスと構成要素 ...................................................... 1
１．２．電気鉄道システムと電気鉄道車両用回路の基本構成 .......................... 3
1.2.1．き電システムと標準電圧 .......................................................................... 3
1.2.2．電気車の回路構成 ...................................................................................... 6
１．３．電力変換技術の電気鉄道車両への適用と誘導素子 .............................. 8
1.3.1．交流―直流変換 .......................................................................................... 8
1.3.2．直流―交流変換 ........................................................................................ 10
1.3.3．直流―直流変換 .........................................................................................11
１．４．鉄道車両用直流―直流変換システムにおける誘導素子の課題 ........ 24
1.4.1．パワーエレクトロニクス変圧器の課題 ................................................ 25
1.4.2．リアクトルの課題 .................................................................................... 25
１．５．本論文の学術的な位置づけ .................................................................... 29
1.5.1．パワーエレクトロニクス ........................................................................ 29
1.5.2．電気機器 .................................................................................................... 29
1.5.3．両分野の融合状況と課題 ........................................................................ 31
１．６．本論文の目的と構成 ................................................................................ 31
第２章 変圧器の周波数特性 .................................................................................... 34
２．１．一般的な変圧器の特性および特性取得方法 ........................................ 34
2.1.1．インダクタンスの定義 ............................................................................ 34
2.1.2．損失の測定 ................................................................................................ 35
２．２．供試変圧器の選定と仕様 ........................................................................ 36
２．３．測定項目と測定条件 ................................................................................ 37
２．４．測定結果 .................................................................................................... 37
2.4.1．飽和特性 .................................................................................................... 37
2.4.2．インピーダンス特性 ................................................................................ 39
2.4.3．損失特性 .................................................................................................... 41
２．５．変圧器の周波数特性に関する考察 ........................................................ 41
2.5.1．回路定数および共振周波数の導出 ........................................................ 41
2.5.2．矩形波電圧印加時の特性 ........................................................................ 44
― i ―

2.5.3．実効電流の特性 ........................................................................................ 46
２．６．絶縁形直流―直流変換システムへの適用 ............................................ 48
2.6.1．PWM 方式の場合...................................................................................... 51
2.6.2．共振方式の場合 ........................................................................................ 51
2.6.3．鉄道用途への適用状況と要件 ................................................................ 52
２．７．本章のまとめ ............................................................................................ 53
第３章 リアクトルに発生する交流損失 ................................................................ 56
３．１．鉄道車両用非絶縁形直流―直流変換システムとリアクトル ............ 56
３．２．電流成分の分離と交流損失の抽出 ........................................................ 59
3.2.1．電流の成分分離 ........................................................................................ 59
3.2.2．交流損失の抽出 ........................................................................................ 60
３．３．三角波成分による損失の実態 ................................................................ 62
3.3.1．試験条件 .................................................................................................... 62
3.3.2．温度上昇試験結果および交流損失の算出 ............................................ 62
3.3.3．変換器としての無負荷損失 .................................................................... 64
3.3.4．三角波における渦電流損失の理論値 .................................................... 65
3.3.5．導出結果の検証 ........................................................................................ 66
３．４．本章のまとめ ............................................................................................ 68
第４章 多相化に伴う無負荷損失の変化と最適相数 ............................................ 69
４．１．一般的な多相化の意義と課題 ................................................................ 69
４．２．多相化の手法 ............................................................................................ 70
４．３．多相化に伴う無負荷損失の変化 ............................................................ 72
４．４．無負荷損失を考慮した最適相数の理論値 ............................................ 72
４．５．適用出力に応じた供試変換システムの最適相数 ................................ 75
４．６．設計時における最適相数決定法の活用 ................................................ 76
4.6.1．最適相数決定法と関連パラメータ ........................................................ 76
4.6.2．他のリアクトルを用いた試算例 ............................................................ 76
４．７．本章のまとめ ............................................................................................ 78
第５章 電磁結合の活用による効果の試算 ............................................................ 81
５．１．多相化時におけるリアクトルの現状 .................................................... 81
５．２．電流リプル振幅導出にむけた前提条件と定義の導入 ........................ 82
５．３．電流リプル振幅の導出 ............................................................................ 83
5.3.1．2 相チョッパの場合 ................................................................................. 83
5.3.2．3 相チョッパの場合 ................................................................................. 87
5.3.3．導出結果のまとめ .................................................................................... 93
５．４．等位相差スイッチングにおける電磁結合係数の選択法 .................... 96
― ii ―

５．５．本章のまとめ ............................................................................................ 98
第６章 電磁結合リアクトルによる効果の実機検証 .......................................... 100
６．１．電磁結合リアクトルの巻線構造および仕様 ...................................... 100
6.1.1．任意の電磁結合係数を実現する巻線構造 .......................................... 100
6.1.2．製作した電磁結合リアクトルの仕様 .................................................. 102
６．２．製作したリアクトルの通電試験 .......................................................... 102
6.2.1．試作品 A（全て交互巻のリアクトル） .............................................. 102
6.2.2．試作品 B（半分交互巻のリアクトル） .............................................. 102
６．３．電磁結合リアクトルによる無負荷損失の変化 .................................. 105
６．４．電磁結合リアクトルの有効活用法 ...................................................... 107
６．５．本章のまとめ .......................................................................................... 109
第７章 結論 ............................................................................................................... 111
参考文献 .......................................................................................................................114
謝辞 .............................................................................................................................. 127
研究業績 ...................................................................................................................... 129

― iii ―

図目次
図 1
図 2

パワーエレクトロニクスの構成領域 ...................................................... 2
電気車の回路構成 ...................................................................................... 7

図
図
図
図
図
図

交流電気車の整流回路とリアクトル ...................................................... 9
直流電気車のフィルタリアクトル（主回路用） ................................ 12
電気車と変電所の保護協調 .................................................................... 12
近鉄 21000 系用補助電源装置（絶縁形 DC-DC コンバータ 80 kW）
........................................................................................................................ 17
7 営団地下鉄 03 系用補助電源装置（DC-DC コンバータ 130 kW） .. 17
8 SBB RABe524（Trenitalia ETR524）形電車主回路図 .......................... 20
9
Ee933 形入換機関車主回路構成図 ....................................................... 21
10 直流―直流変換システムの回路構成の違い ...................................... 28
11 本論文の位置づけと構成 ...................................................................... 30
12 短絡インダクタンスの等価回路（1 次巻線測定） ........................... 35

図
図
図
図
図
図
図
図
図
図

13
14
15
16
17
18
19
20
21
22

図
図
図
図

3
4
5
6

変圧器の周波数特性（損失特性）の測定構成 .................................. 38
供試変圧器の印加電圧に対する損失・電流実効値特性 .................. 38
供試変圧器の励磁コンダクタンス・励磁サセプタンス特性 .......... 39
供試変圧器の周波数特性（インピーダンス） .................................. 40
供試変圧器の周波数特性（損失） ...................................................... 42
変圧器の等価回路 .................................................................................. 43
矩形波電圧印加時における電流波形（1 kHz） ................................ 45
供試変圧器の周波数特性（電流） ...................................................... 49
矩形波電圧印加時における電流波形（5 kHz） ................................ 50
LLC コンバータの等価回路（変圧器とコンデンサを抜粋）.......... 52

図 23 LH02 形電車の回路構成 ........................................................................ 57
図 24 変換システム内リアクトル .................................................................. 58
図 25 架線側変換器（Converter 1）動作時におけるリアクトルの電流波形
........................................................................................................................ 58
図 26 直流損失と交流損失の関係（実効電流が等しい場合） .................. 61
図 27 リアクトル温度上昇試験状況 .............................................................. 63
― iv ―

28 通電終了時の温度分布状況（三角波 700 Hz） ................................. 64
29 リアクトルの周波数特性 ...................................................................... 67
30 多相化に伴う交流損失の変化 .............................................................. 73
31 変換システムの設計フローにおける活用法 ................... ...

この論文で使われている画像