特表 2024-514254 電気的トラクションシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-03-29

(54)【発明の名称】電気的トラクションシステム

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20240322BHJP

【ＦＩ】

H02M7/48 U

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023560996

(86)(22)【出願日】2021-07-02

(85)【翻訳文提出日】2023-11-28

(86)【国際出願番号】 CN2021104289

(87)【国際公開番号】W WO2022205654

(87)【国際公開日】2022-10-06

(31)【優先権主張番号】202110355484.1

(32)【優先日】2021-04-01

(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】523373887

【氏名又は名称】チュージョウ・シーアールアールシー・タイムズ・エレクトリック・カンパニー・リミテッド

【氏名又は名称原語表記】Ｚｈｕｚｈｏｕ ＣＲＲＣ Ｔｉｍｅｓ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏ．， Ｌｔｄ．

(71)【出願人】

【識別番号】523373898

【氏名又は名称】シーアールアールシー・チュージョウ・インスティテュート・カンパニー・リミテッド

【氏名又は名称原語表記】ＣＲＲＣ Ｚｈｕｚｈｏｕ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｃｏ．， Ｌｔｄ．

(74)【代理人】

【識別番号】100145403

【弁理士】

【氏名又は名称】山尾 憲人

(74)【代理人】

【識別番号】100135703

【弁理士】

【氏名又は名称】岡部 英隆

(74)【代理人】

【識別番号】100161883

【弁理士】

【氏名又は名称】北出 英敏

(72)【発明者】

【氏名】チィ，ユィ

(72)【発明者】

【氏名】メイ，ウェンチン

(72)【発明者】

【氏名】リウ，リアンジエ

(72)【発明者】

【氏名】ドウ，ゼチュン

(72)【発明者】

【氏名】リウ，シオン

(72)【発明者】

【氏名】シエ，ユエチョン

(72)【発明者】

【氏名】リウ，ビン

【テーマコード（参考）】

5H770

【Ｆターム（参考）】

5H770BA01

5H770CA02

5H770CA08

5H770DA03

5H770DA22

5H770DA27

5H770DA41

5H770FA03

5H770JA10W

5H770JA10X

(57)【要約】

電気的トラクションシステム１は、ＡＣ電源４０に動作可能に接続される一次巻線３６と、一次巻線３６に誘導的に結合された二次巻線３７とを備える降圧変圧器３５と、二次巻線３７に動作可能に接続された第１の入力端子４及び第２の入力端子６と、複数のＡＣ／ＡＣ電力変換器１１とを備えるトラクションコンバータモジュール２とを備える。複数のＡＣ／ＡＣ電力変換器１１のそれぞれは、ＡＣ電力を受けるように構成された第１及び第２の入力ノード３、５と、ＡＣ電力を供給するように構成された出力ノード９とを備える。複数のＡＣ／ＡＣ電力変換器１１の第１及び第２の入力ノード３、５は、第１の入力端子４及び第２の入力端子６の間において直列に、電気的に接続される。電気的トラクションシステム１は、トラクションコンバータモジュール２によって駆動されるように構成された少なくとも１つの電気モータ２５を備える。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電気的トラクションシステムであって、上記電気的トラクションシステムは、
ＡＣ電源に動作可能に接続される一次巻線と、上記一次巻線に誘導的に結合された二次巻線とを備える降圧変圧器と、
上記二次巻線に動作可能に接続された第１の入力端子及び第２の入力端子と、複数のＡＣ／ＡＣ電力変換器とを備えるトラクションコンバータモジュールとを備え、
上記複数のＡＣ／ＡＣ電力変換器のそれぞれは、ＡＣ電力を受けるように構成された第１及び第２の入力ノードと、ＡＣ電力を供給するように構成された出力ノードとを備え、
上記複数のＡＣ／ＡＣ電力変換器の第１及び第２の入力ノードは、上記第１の入力端子及び上記第２の入力端子の間において直列に、電気的に接続され、
上記電気的トラクションシステムは、上記トラクションコンバータモジュールによって駆動されるように構成された少なくとも１つの電気モータを備える、
電気的トラクションシステム。

【請求項2】

上記少なくとも１つの電気モータは多相電気モータを備える、
請求項１記載の電気的トラクションシステム。

【請求項3】

上記複数のＡＣ／ＡＣ電力変換器は、第１のＡＣ／ＡＣ電力変換器及び第２のＡＣ／ＡＣ電力変換器を備え、
上記第１及び第２のＡＣ／ＡＣ電力変換器の出力ノードは、上記多相電気モータにＡＣ電力を供給して上記多相電気モータを駆動するように構成される、
請求項２記載の電気的トラクションシステム。

【請求項4】

上記第１及び第２のＡＣ／ＡＣ電力変換器は同一の回路トポロジーを有する、
請求項３記載の電気的トラクションシステム。

【請求項5】

上記多相電気モータは、固定子巻線の第１の集合と、固定子巻線の第２の集合とを備え、
上記第１のＡＣ／ＡＣ電力変換器の出力ノードは、上記固定子巻線の第１の集合に電気的に接続され、上記第２のＡＣ／ＡＣ電力変換器の出力ノードは、上記固定子巻線の第２の集合に電気的に接続される、
請求項３又は４記載の電気的トラクションシステム。

【請求項6】

上記固定子巻線の第１の集合と、上記固定子巻線の第２の集合とは、電気的に互いに隔離される、
請求項５記載の電気的トラクションシステム。

【請求項7】

上記第１のＡＣ／ＡＣ電力変換器は、その出力ノードにおいて、ＡＣ電力の第１の個数の相を出力するように構成され、
上記相の第１の個数は、上記固定子巻線の第１の集合の相の個数と同一である、
請求項５又は６記載の電気的トラクションシステム。

【請求項8】

上記複数のＡＣ／ＡＣ電力変換器のうちの少なくとも１つは、整流器、ＤＣリンクキャパシタ、及び電力インバータを備える、
請求項１～７のうちの１つに記載の電気的トラクションシステム。

【請求項9】

上記整流器及び上記電力インバータの各々は、少なくとも１つの電力半導体デバイスを備える、
請求項８記載の電気的トラクションシステム。

【請求項10】

上記電力インバータは、上記ＤＣリンクキャパシタの２つの端部の間に接続された複数のインバータレッグを備え、
上記複数のインバータレッグは、上記各ＡＣ／ＡＣ電力変換器の出力ノードを提供する、
請求項８又は９記載の電気的トラクションシステム。

【請求項11】

上記トラクションシステムのトラクションモードの間に、上記各ＡＣ／ＡＣ電力変換器の入力ノードにおいて受けたＡＣ電力をその出力ノードにおいてＡＣ電力に変換するように、上記少なくとも１つの電力半導体デバイスのオン及びオフ状態を制御するように構成されたコントローラをさらに含む、
請求項９記載の、又は、請求項９に従属する請求項１０記載の電気的トラクションシステム。

【請求項12】

上記コントローラは、上記トラクションシステムの制動モードの間に、上記少なくとも１つの電気モータの力学的エネルギーを上記二次巻線における電気的エネルギーに変換するように、上記各ＡＣ／ＡＣ電力変換器の電力半導体デバイスのオン及びオフ状態を制御するようにさらに構成される、
請求項１１記載の電気的トラクションシステム。

【請求項13】

上記複数のＡＣ／ＡＣ電力変換器のうちの少なくとも１つは、上記各ＡＣ／ＡＣ電力変換器の第１及び第２の入力ノードの間に接続されたバイパススイッチをさらに備える、
請求項１～１２のうちの１つに記載の電気的トラクションシステム。

【請求項14】

上記複数のＡＣ／ＡＣ電力変換器は、予備ＡＣ／ＡＣ電力変換器をさらに備え、上記予備ＡＣ／ＡＣ電力変換器は、その第１及び第２の入力ノードの間に接続されたバイパススイッチを備える、
請求項１～１３のうちの１つに記載の電気的トラクションシステム。

【請求項15】

上記多相電気モータは、予備固定子巻線の集合を備え、
上記予備ＡＣ／ＡＣ電力変換器の出力ノードは、上記予備固定子巻線の集合に電気的に接続される、
請求項２に従属する請求項１３記載の電気的トラクションシステム。

【請求項16】

上記コントローラは、上記バイパススイッチのオン及びオフ状態を制御するように構成される、
請求項１１に従属する請求項１３又は１４記載の電気的トラクションシステム。

【請求項17】

上記二次巻線及び上記トラクションコンバータモジュールの間に電気的に接続されたプリチャージ回路をさらに備え、
上記プリチャージ回路は、上記トラクションコンバータモジュールの通常動作の前に、上記ＤＣリンクキャパシタを充電するように構成される、
請求項８に従属する請求項９～１６のうちの１つに記載の電気的トラクションシステム。

【請求項18】

上記変圧器はライン周波数変圧器を備える、
請求項１～１７のうちの１つに記載の電気的トラクションシステム。

【請求項19】

請求項１～１８のうちの１つに記載の電気的トラクションシステムを備える電気的マシン。

【請求項20】

上記電気的マシンは乗物を含む、
請求項１９記載の電気的マシン。

【請求項21】

ＡＣ電源と、
請求項１～１８のうちの１つに記載の電気的トラクションシステムとを備え、
上記一次巻線は上記ＡＣ電源に動作可能に接続される、
パワーエレクトロニクスシステム。

【請求項22】

ＡＣ電源と、
請求項１～１８のうちの１つに記載の電気的トラクションシステムを備える乗物とを備え、
上記電気的トラクションシステムの一次巻線は上記ＡＣ電源に動作可能に接続される、
レール輸送システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は電気的トラクションシステムに関する。より詳しくは、ただし排他的でなく、本開示は、交流（ＡＣ）電力を受けて電気モータ負荷を駆動する電気的トラクションシステムに関する。そのような電気的トラクションシステムは、レール輸送システムのような、様々なパワーエレクトロニクスアプリケーションで使用するに適している。

【背景技術】

【0002】

電気的トラクションシステムは、電気的エネルギーを用いて電気モータを駆動することで電気的エネルギーを力学的エネルギーに変換し、それによって、電気的マシンの推進を引き起こす牽引力を発生する。電気的マシンの典型例は、乗物（例えば、機関車、電気又は水素乗物、エレベータ、又は動力分散方式電車（electric multiple unit））である。電気モータはトラクションモータと呼ばれることもある。

【0003】

電気的トラクションシステムは、直流（ＤＣ）及びＡＣ電源のいずれかを使用してもよい。概して、電気機関車及び長距離高速列車（例えば動力分散方式列車）は、ＡＣ電力が供給されるトラクションシステムを採用する。ＡＣ電力は、典型的には、電力グリッドによって高架線を介して供給され、パンタグラフを介して機関車又は列車によって受けられる。

【0004】

近年、レール輸送システムの電化が進展し続けた。現在、３３００～６５００Ｖの高い電圧定格を有するＳｉベースの絶縁ゲートバイポーラートランジスター（ＩＧＢＴ）の継続的な向上によって、Ｓｉ－ＩＧＢＴ装置に基づくトラクションコンバータは、電気機関車及び高速動力分散方式列車の電気的トラクションシステムにおいて広く使用されている。しかしながら、高い信頼性を有し、低コストであり、高効率であり、軽量であり、かつ小型化されたトラクションシステムに対する需要が増大し続けている。しかしながら、既存の電気的トラクションシステムが基礎とするＳｉベースのＩＧＢＴの発展はゆるやかになっている。従って、電気的トラクションシステムのさらなる改善の余地は比較的限定されている。

【0005】

図１は、電気機関車及び高速列車において一般的に使用される従来の電気的トラクションシステム１００を概略的に示す。従来のトラクションシステム１００は、変圧器１３５、トラクションコンバータ１０２、及び電気モータ１２５を備える。変圧器１３５は、電力グリッド１４０に接続された一次巻線１３６と、二次巻線１３７とを有する。トラクションコンバータ１０２は、プリチャージ回路１３０を介して二次巻線１３７の２つの端部に電気的に接続された単相ＡＣ入力端子１０４、１０６と、トラクションモータ１２５を駆動する三相ＡＣ出力ノード１０９とを有する。トラクションモータ１２５は、一般に、三相非同期モータ又は三相の永久磁石同期電動機である。トラクションコンバータ１０２は、受けた単相ＡＣ電力をＤＣ電力に変換する整流器１１３と、ＤＣ電力を蓄えるＤＣリンクキャパシタ１１４と、ＤＣ電力を三相ＡＣ電力に変換する電力インバータ１１５とを備える。

【0006】

一実施例では、電力グリッド１４０は２５ｋＶのＡＣ電力を供給し、変圧器１４０は、グリッドによって供給される２５ｋＶを９５０Ｖにステップダウンする。二次巻線１３７にわたる９５０Ｖの定格を有するＡＣ電圧は、ＤＣリンクキャパシタ１１４にわたる約１８００Ｖの定格を有する中間ＤＣ電圧に対応する。この電圧方式において、トラクションコンバータ１０２の整流器１１３及びインバータ１１５において使用される電力半導体デバイスは、概して、３３００Ｖの定格を有する、ＳｉベースのＩＧＢＴである。

【0007】

さらなる実施例では、電力グリッド１４０はなおも２５ｋＶのＡＣ電力を供給するが、変圧器１４０は、電圧を約１９００Ｖにステップダウンする。１９００Ｖの定格を有するＡＣ電圧は、ＤＣリンクキャパシタ１１４にわたる約３６００Ｖの定格を有する中間ＤＣ電圧に対応する。この電圧方式において、トラクションコンバータ１０２の整流器１１３及びインバータ１１５において使用される電力半導体デバイスは、概して、６６００Ｖの定格を有する、ＳｉベースのＩＧＢＴである。レール乗物のための少数のトラクションコンバータはまた、４５００ＶのＳｉベースのＩＧＢＴを使用する。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

高効率、軽量、及び小型化は、常に、レール移動アプリケーションのトラクションシステムの開発における主な目標であった。さらに、そのようなトラクションシステムのコストを下げることもまた望ましい。

【0009】

３３００Ｖ～６５００Ｖの定格を有するＳｉベースのＩＧＢＴを用いるトラクションコンバータは十分に発達し、軽量化、小型化、及びコスト削減のための限られた余地しかない。特に、３３００Ｖ～６５００Ｖの定格を有するＳｉベースのＩＧＢＴは、典型的には、大型のパッケージ、高いコスト、比較的低い信頼性、比較的高い損失、及び低い動作周波数を有する。さらに、従来のトラクションコンバータ１０２の回路トポロジーには柔軟性がなく、さらなるシステム最適化を困難にする。さらに、トラクションコンバータ１０２、特に電力インバータ１１５は、トラクションモータ１２５によって必要とされる電力のすべてを出力する。従って、トラクションコンバータ１０２には高い出力電力要件が課され、このことは、次いで、高い電力定格を有する電力半導体デバイスの使用を必要とする。

【0010】

３３００Ｖ以上の定格電圧を有する最新の炭化ケイ素（ＳｉＣ）ベースの電力用半導体デバイスは、同じ定格電圧を有するＳｉベースのＩＧＢＴを置き換えることができる。整流器１１３及び電力インバータ１１５の内部のＳｉＣベースのデバイスを用いることは、スイッチング周波数を適度に増大させることで、損失を低減し、効率を向上させ、トラクションコンバータ１０２の軽量化及び小型化に寄与しうる。しかしながら、ＳｉＣベースのデバイスのコストは非常に高く、同じ定格電圧を有するＳｉベースのＩＧＢＴのそれに対して約十倍になり、そのような高電圧のＳｉＣベースのデバイスの信頼性はまだ検証されていない。従って、トラクションコンバータ１０２内においてＳｉＣデバイスを使用することは、まだ試作及び実験段階にある。

【0011】

本開示の目的は、とりわけ、既知のトラクションシステムに対する改善をもたらす電気的トラクションシステムを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本開示の第１の態様によれば、電気的トラクションシステムが提供され、
電気的トラクションシステムは、
ＡＣ電源に動作可能に接続される一次巻線と、一次巻線に誘導的に結合された二次巻線とを備える降圧変圧器と、
二次巻線に動作可能に接続された第１の入力端子及び第２の入力端子と、複数のＡＣ／ＡＣ電力変換器とを備えるトラクションコンバータモジュールとを備え、
複数のＡＣ／ＡＣ電力変換器のそれぞれは、ＡＣ電力を受けるように構成された第１及び第２の入力ノードと、ＡＣ電力を供給するように構成された出力ノードとを備え、
複数のＡＣ／ＡＣ電力変換器の第１及び第２の入力ノードは、第１の入力端子及び第２の入力端子の間において直列に、電気的に接続され、
電気的トラクションシステムは、トラクションコンバータモジュールによって駆動されるように構成された少なくとも１つの電気モータを備える。

【0013】

第１の入力端子及び第２の入力端子の間において直列に、複数のＡＣ／ＡＣ電力変換器の第１及び第２の入力ノードを電気的に接続することによって、複数のＡＣ／ＡＣ電力変換器の入力側は、ともに、変圧器の二次巻線によって出力されるＡＣ電圧を共用する。その結果、ＡＣ／ＡＣ電力変換器の各々は、その第１及び第２の入力ノードの間において、ＡＣ電圧の大きさの数分の１を受ける。従って、ＡＣ／ＡＣ電力変換器は、低減された定格電圧を有する電力半導体デバイスを使用できるようになる。

【0014】

降圧変圧器の場合、二次巻線は一次巻線より少数の巻線を有し、これにより、出力される電力ストリームの電圧を低下させる。降圧変圧器の使用は、各ＡＣ／ＡＣ電力変換器の第１及び第２の入力ノードの間におけるＡＣ電圧をさらに低減し、それによって、ＡＣ／ＡＣ電力変換器が、さらに低減された定格電圧を有する電力半導体デバイスを使用することを可能にする。

【0015】

より低い定格電圧を有する電力半導体デバイスは、典型的には、より高い定格電圧を有する電力半導体デバイスよりも、小さなパッケージ寸法、低い価格、及び高い成熟度を有する。さらに、低電圧の電力半導体デバイスは、高電圧の電力半導体デバイスよりも低いスイッチング損失かつ高い効率を提供する。さらに、低電圧の電力半導体デバイスは、冷却及び熱交換要件を緩和し、これにより、トラクションシステムが低減された重さ、体積、及びコストを有することを可能にする。

【0016】

従って、本開示の電気的トラクションシステムは、従来の電気的トラクションシステムに比べて、より高い効率、低減された重さ及び体積と、低減されたコストとを有する。

【0017】

さらに、トラクションコンバータモジュールの回路トポロジーは、拡張及び再構成のための大きな柔軟性を有する。特に、従来の電気的トラクションシステムに比べて、第１及び第２の入力端子の間において直列に接続されたＡＣ／ＡＣ電力変換器の個数を変更すること、及び／又は、本開示に係るトラクションシステムのトラクションコンバータモジュールによって駆動される電気モータの個数を変更することは、ずっと簡単である。

【0018】

電気モータは、トラクションモータと呼ばれてもよい（これは、電気的マシンの推進を引き起こす牽引力を発生する）。電気モータがＡＣモータであることもまた理解されるであろう。

【0019】

「複数のＡＣ／ＡＣ電力変換器の第１及び第２の入力ノードが、第１の入力端子及び上記第２の入力端子の間において直列に、電気的に接続される」という表現により、電力変換器の第２の入力ノードが、後段に隣接する電力変換器の第１の入力ノードに電気的に接続され、及び／又は、電力変換器の第１の入力ノードが、前段に隣接する電力変換器の第２の入力ノードに電気的に接続されることを意味する。

【0020】

「トラクションコンバータモジュールによって駆動されるように構成された少なくとも１つの電気モータ」という表現により、ＡＣ／ＡＣ電力変換器の少なくとも１つが、少なくとも１つの電気モータにＡＣ電力を供給して少なくとも１つの電気モータを駆動するように構成されることを意味する。

【0021】

本開示において使用される「動作可能に接続される」又は「動作可能に接続する」という用語は、接続された素子の間において、１つ又は複数の介在素子が接続されている可能性があることを意味する。

【0022】

「ＡＣ電源に動作可能に接続するための一次巻線」という表現により、ＡＣ電源が電気的トラクションシステムの一部ではない可能性があることを意味する。

【0023】

複数のＡＣ／ＡＣ電力変換器が、２つ以上のＡＣ／ＡＣ電力変換器を含むことが認識されるだろう。

【0024】

複数のＡＣ／ＡＣ電力変換器の各々は、入力ノードにおいて、単相ＡＣ電力を受けるように構成されてもよい。

【0025】

複数のＡＣ／ＡＣ電力変換器のうちの１つ又は複数は、出力ノードにおいて、三相以上のＡＣ電力を供給するように構成されてもよい。

【0026】

少なくとも１つの電気モータは多相電気モータを含んでもよい。

【0027】

多相電気モータが三相以上を含む単一のモータであり、多相電気モータが複数のＡＣ／ＡＣ電力変換器のうちの１つ又は複数によって駆動されうることが認識されるであろう。従来の三相電気モータに比べて、多相電気モータは、それが相冗長性を提供して相オープン故障の間に動作可能であるので、より大きな障害耐性を有する。従って、多相電気モータの使用は、電気的トラクションシステムの信頼性を向上させる。さらに、多相電気モータは、従来の三相モータに比べて、より高いトルク密度、トルク鼓動の低減した振幅及び増大した周波数、より高い効率、より低いＤＣリンク電流高調波、及びより良好なノイズ及び振動特性を達成する。なおさらに、多相電気モータは、従来の三相電気的モータよりも大きな自由度で制御可能であり、それによって、多相電気モータがトルク及びシャフト電圧のより大きな調節を達成することを可能にする。

【0028】

複数のＡＣ／ＡＣ電力変換器は、第１のＡＣ／ＡＣ電力変換器及び第２のＡＣ／ＡＣ電力変換器を備えてもよい。第１及び第２のＡＣ／ＡＣ電力変換器の出力ノードは、多相電気モータにＡＣ電力を供給して多相電気モータを駆動するように構成されてもよい。

【0029】

優位点として、第１及び第２のＡＣ／ＡＣ電力変換器によりともに多相電気モータを駆動させることによって、第１及び第２のＡＣ／ＡＣ電力変換器の各々は、多相電気モータによって必要とされる合計の電力の数分の１を供給する。従って、各ＡＣ／ＡＣ電力変換器の必要な電力定格と、そこで使用される半導体デバイスの必要な電力定格とが低減されうる。

【0030】

複数のＡＣ／ＡＣ電力変換器が、第１及び第２のＡＣ／ＡＣ電力変換器に加えて、さらなる１つ又は複数の電力変換器を含んでもよいことが認識されるであろう。用語「第１」及び「第２」は、説明の便宜上、ＡＣ／ＡＣ電力変換器に単にラベル付けするために使用され、トラクションコンバータモジュール内のコンバータのシーケンス又は位置に対するいかなる限定を意味しないこともまた理解されるであろう。第１のＡＣ／ＡＣ電力変換器は、第２のＡＣ／ＡＣ電力変換器に対して直に隣接していても、隣接していなくてもよい。

【0031】

第１及び第２のＡＣ／ＡＣ電力変換器は同一の回路トポロジーを有してもよい。優位点として、同一の回路トポロジーは、第１及び第２のＡＣ／ＡＣ電力変換器が、多相電気モータに等量の電力を供給することによって電力整合を達成することを可能にする。

【0032】

多相電気モータは、固定子巻線の第１の集合と、固定子巻線の第２の集合とを備えてもよい。第１のＡＣ／ＡＣ電力変換器の出力ノードは、固定子巻線の第１の集合に電気的に接続されてもよく、第２のＡＣ／ＡＣ電力変換器の出力ノードは、固定子巻線の第２の集合に電気的に接続されてもよい。

【0033】

本開示において使用される用語「電気的に接続される」は、接続される素子の間において、１つ又は複数の介在素子（例えば電気的接点）が接続される可能性があることを意味する。

【0034】

多相電気モータが、固定子巻線の１つ又は複数のさらなる集合を含んでもよいことが認識されるであろう。

【0035】

固定子巻線の第１の集合と、固定子巻線の第２の集合とは、電気的に互いに隔離されてもよい。優位点として、固定子巻線の集合間の電気的絶縁はシステムの信頼性を向上させる。

【0036】

第１のＡＣ／ＡＣ電力変換器は、その出力ノードにおいて、ＡＣ電力の第１の個数の相を出力するように構成されてもよい。相の第１の個数は、固定子巻線の第１の集合の相の個数と同一であってもよい。

【0037】

相の第１の個数は三相以上であってもよい。

【0038】

第１のＡＣ／ＡＣ電力変換器の出力ノードの個数は、相の第１の個数と同一であってもよい。

【0039】

代替として、第１のＡＣ／ＡＣ電力変換器の出力ノードの個数は、相の第１の個数の２倍であってもよい。この装置は、オープンエンドの固定子巻線を駆動する場合に危険になりうる。

【0040】

固定子巻線の第１の集合は、Ｙ又はΔ構成で接続されてもよい。代替として、固定子巻線の第１の集合は、両端から電力供給されることを必要とするオープンエンドの固定子巻線であってもよい。

【0041】

第２のＡＣ／ＡＣ電力変換器と、固定子巻線の第２の集合とは、第１のＡＣ／ＡＣ電力変換器と、固定子巻線の第１の集合に関して上述したものと同様の特徴を有してもよい。

【0042】

複数のＡＣ／ＡＣ電力変換器は同一の回路トポロジーを有してもよい。優位点として、同一の回路トポロジーは、複数のＡＣ／ＡＣ電力変換器がＡＣ電源の電圧を等しく共用することを可能にする。

【0043】

複数のＡＣ／ＡＣ電力変換器のうちの少なくとも１つは、整流器、ＤＣリンクキャパシタ、及び電力インバータを備えてもよい。複数のＡＣ／ＡＣ電力変換器のうちの少なくとも１つも、間接型電力変換器又はＡＣ－ＤＣ－ＡＣ電力変換器と呼ばれることもある。

【0044】

整流器及び電力インバータの各々は、少なくとも１つの電力半導体デバイスを備えてもよい。

【0045】

少なくとも１つの電力半導体デバイスは、Ｓｉベースの電力半導体デバイス、ＳｉＣベースの電力半導体デバイス、及びＧａＮベースの電力半導体デバイスのうちの１つ又は複数を含んでもよい。

【0046】

電力インバータは、ＤＣリンクキャパシタの２つの端部の間に接続された複数のインバータレッグを備えてもよい。複数のインバータレッグは、各ＡＣ／ＡＣ電力変換器の出力ノードを提供してもよい。

【0047】

各インバータレッグは、少なくとも１つの電力半導体デバイスを備えてもよい。

【0048】

電気的トラクションシステムは、上記トラクションシステムのトラクションモードの間に、上記各ＡＣ／ＡＣ電力変換器の入力ノードにおいて受けたＡＣ電力をその出力ノードにおいてＡＣ電力に変換するように、上記少なくとも１つの電力半導体デバイスのオン及びオフ状態を制御するように構成されたコントローラをさらに備えてもよい。

【0049】

コントローラは、トラクションシステムの制動モードの間に、少なくとも１つの電気モータの力学的エネルギーを上記二次巻線における電気的エネルギーに変換するように、各ＡＣ／ＡＣ電力変換器の電力半導体デバイスのオン及びオフ状態を制御するようにさらに構成されてもよい。電気的エネルギーは、一次巻線に、及びさらにＡＣ電源に戻されてもよい。

【0050】

複数のＡＣ／ＡＣ電力変換器のうちの少なくとも１つは、各ＡＣ／ＡＣ電力変換器の第１及び第２の入力ノードの間に接続されたバイパススイッチをさらに備えてもよい。

【0051】

複数のＡＣ／ＡＣ電力変換器のうちの少なくとも１つは、バイパススイッチがＯＦＦ状態（すなわち開）にある場合、各コンバータが動作状態にされ、上記バイパススイッチがＯＮ状態（すなわち閉）にある場合、各コンバータが非動作状態にされるように構成されてもよい。

【0052】

複数のＡＣ／ＡＣ電力変換器は、予備ＡＣ／ＡＣ電力変換器をさらに備えてもよい。予備ＡＣ／ＡＣ電力変換器は、その第１及び第２の入力ノードの間に接続されたバイパススイッチを備えてもよい。

【0053】

多相電気モータは、予備固定子巻線の集合を備えてもよく、予備ＡＣ／ＡＣ電力変換器の出力ノードは、予備固定子巻線の集合に電気的に接続されてもよい。

【0054】

予備ＡＣ／ＡＣ電力変換器は、複数のＡＣ／ＡＣ電力変換器のうちの故障した１つを置き換えるように構成されてもよい。

【0055】

トラクションコンバータモジュールは、複数のＡＣ／ＡＣ電力変換器に故障が発生していない場合、予備ＡＣ／ＡＣ電力変換器のバイパススイッチはＯＮ状態（すなわち閉）になり、かつ、他の電力変換器のバイパススイッチはＯＦＦ状態（すなわち開）になるように、また、故障が発生した場合、故障したＡＣ／ＡＣ電力変換器のバイパススイッチはＯＮ状態に切り換えられ、かつ、予備ＡＣ／ＡＣ電力変換器のバイパススイッチはＯＦＦ状態に切り換えられるように構成されてもよい。

【0056】

コントローラは、バイパススイッチのオン及びオフ状態を制御するように構成されてもよい。

【0057】

電気的トラクションシステムは、二次巻線及びトラクションコンバータモジュールの間に電気的に接続されたプリチャージ回路をさらに備えてもよい。プリチャージ回路は、トラクションコンバータモジュールの通常動作の前に、ＤＣリンクキャパシタを充電するように構成されてもよい。

【0058】

プリチャージ回路は、充電抵抗を備えてもよく、充電抵抗を介してＤＣリンクキャパシタを充電するように構成されてもよい。

【0059】

プリチャージ回路は、第１のスイッチ及び第２のスイッチをさらに備えてもよい。第２のスイッチは、上記充電抵抗に対して直列に接続されてもよい。第１のスイッチは、第２のスイッチ及び充電抵抗に対して並列に接続されてもよい。

【0060】

変圧器はライン周波数変圧器を含んでもよい。

【0061】

ライン周波数変圧器は、ライン周波数（これらはユーティリティ周波数とも呼ばれてもよく、例えば５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）において動作する変圧器であることが理解されるであろう。

【0062】

本開示の第２の態様によれば、第１の態様に係る電気的トラクションシステムを備える電気的マシンが提供される。

【0063】

電気的マシンは乗物を含んでもよい。乗物は、電気機関車、電車（列車）、及び動力分散方式電車からなるグループから選択されてもよい。

【0064】

代替として、電気的マシンは産業用装置を含んでもよい。

【0065】

本開示の第３の態様によれば、パワーエレクトロニクスシステムが提供され、パワーエレクトロニクスシステムは、ＡＣ電源と、第１の態様に係る電気的トラクションシステムとを備え、一次巻線はＡＣ電源に動作可能に接続される。

【0066】

本開示の第４の態様によれば、レール輸送システムが提供され、レール輸送システムは、ＡＣ電源と、第１の態様に係る電気的トラクションシステムを備える乗物とを備え、電気的トラクションシステムの一次巻線はＡＣ電源に動作可能に接続される。

【0067】

適切な場合には、本開示の態様のうちの１つに関して上述したオプション機能のうちの任意のものが、本開示の態様の他の１つに適用されてもよい。

【図面の簡単な説明】

【0068】

【図1】従来の電気的トラクションシステムの概略的な回路図である。

【図2】本開示の第１の実施形態に係る電気的トラクションシステムの概略的な回路図である。

【図3】本開示の第２の実施形態に係る電気的トラクションシステムの概略的な回路図である。

【図4】図２又は図３の電気的トラクションシステムにおいて使用されうるＡＣ／ＡＣ電力変換器の概略的な回路図である。

【図5】図２又は図３の電気的トラクションシステムにおいて使用されうる他のＡＣ／ＡＣ電力変換器の概略的な回路図である。

【発明を実施するための形態】

【0069】

本開示をより十分に理解しうるようにするために、本願では、添付図面を例示としてのみ参照して本開示の多数の実施形態について説明する。

【0070】

図面において、同様の部分は同じ参照符号によって示される。

【0071】

図面が例示のみを目的とし、縮尺どおりに示していないことが認識されるであろう。

【0072】

好ましい実施形態の詳細な説明
図２は、本開示の第１の実施形態に係る電気的トラクションシステム１（以下、「トラクションシステム」とも呼ぶ）の回路図を概略的に示す。トラクションシステム１は、従来のトラクションシステム１００において使用されるトラクションコンバータ１０２に代えて、トラクションコンバータモジュール２を使用する。トラクションコンバータモジュール２は、電気モータ２５を駆動するために、単相ＡＣ電力を多相ＡＣ電力に変換する。トラクションシステム１は、使用時にＡＣ電源４０に電気的に接続される一次巻線３６と、一次巻線３６より少ない巻数を有する二次巻線３７とを有する降圧変圧器３５をさらに備える。したがって、変圧器３５は、ＡＣ電源４０によって供給される高電圧を、より低い電圧に降圧する。ＡＣ電源４０は電力グリッドであってもよい。電力グリッドによって供給されるＡＣ電力は、典型的には、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの周波数、すなわち、ライン周波数又はユーティリティ周波数を有する。従って、降圧変圧器３５はライン周波数変圧器であってもよく、このことは、それがライン周波数（すなわち５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）において動作することを意味する。ＡＣ電源４０が、トラクションシステム１の特定のアプリケーションに依存して異なる形式をとってもよく、また、変圧器３５が異なる周波数において動作してもよいことが認識されるであろう。降圧することとは別に、変圧器３５は、電力又はＡＣ電源４０に対する供給電力を取得し、トラクションコンバータモジュール２及びＡＣ電源４０の間の電気的絶縁を提供する。

【0073】

トラクションコンバータモジュール２は、第１の入力端子４及び第２の入力端子６を含み、それらは、二次巻線３７の２つ端部にそれぞれ電気的に接続される。プリチャージ回路３０は、第１の入力端子４と二次巻線３７の一方の端部との間に直列に、電気的に接続される。図２を参照すると、トラクションコンバータモジュール２は、４つのＡＣ／ＡＣ電力変換器（以下では「ＡＣ／ＡＣコンバータ」と呼ぶ）１１_１、…１１_４（これらをまとめて１１と呼ぶ）を含み、これらのそれぞれはトラクションコンバータ１０２に類似している。各ＡＣ／ＡＣコンバータ１１_ｉ（ｉ＝１、…４）は、単相ＡＣ電力を受ける第１の入力ノード３_ｉ及び第２の入力ノード５_ｉと、入力ノード間に接続されたスイッチ７_ｉと、三相ＡＣ電力を駆動モータ負荷に供給する３つの出力ノード９ｉとを含む。

【0074】

ＡＣ／ＡＣ変換器１１の第１及び第２の入力ノード３、５は、第１の入力端子４及び第２の入力端子６の間において直列に、電気的に接続される。特に、ＡＣ／ＡＣコンバータ１１_ｉの第２の入力ノード５_ｉ（ｉ＝２又は３）は、後段のＡＣ／ＡＣコンバータ１１_ｉ＋１の第１の入力ノード３_ｉ＋１に電気的に接続され、ＡＣ／ＡＣコンバータ１１_ｉの第１の入力ノード３_ｉは、前段のＡＣ／ＡＣコンバータ１１_ｉ－１の第２の入力ノード５_ｉ－１に電気的に接続される。ＡＣ／ＡＣコンバータ１１のアレイの前方におけるＡＣ／ＡＣコンバータ１１_１は、第１の入力端子４に電気的に接続されたその第１の入力ノード３_１を有する。ＡＣ／ＡＣコンバータ１１のアレイの後方におけるＡＣ／ＡＣコンバータ１１_４は、第２の入力端子６に電気的に接続されたその第２の入力ノード５_４を有する。

【0075】

スイッチ７は、スイッチをバイパスするように機能し、対応するＡＣ／ＡＣコンバータ１１を動作状態又は非動作状態にするために使用されうる。スイッチ７_ｉ（例えば図２の７_４）が閉じている場合（すなわちＯＮ状態にある場合）、対応するＡＣ／ＡＣコンバータ１１_ｉの第１及び第２の入力ノード３_ｉ及び５_ｉは、電気的に互いに短絡される。その結果、ＡＣ／ＡＣコンバータ１１_ｉはＡＣ電力を受けず、したがって非動作状態にされる。逆に、開いた（すなわちＯＦＦの）スイッチ７_ｉ（例えば、図２の７_１、７_２、又は７_３）は、対応するＡＣ／ＡＣコンバータ１１_ｉがアクティブなコンバータとして通常通り機能することを可能にする。一実施例では、ＡＣ／ＡＣコンバータ１１_４は、通常は閉じているバイパススイッチ７_４を有する予備コンバータであり、残りの３つのＡＣ／ＡＣコンバータ１１_１～１１_３は、通常は開いているバイパススイッチを有するアクティブなコンバータである。

【0076】

図２に示すように、ＡＣ／ＡＣコンバータ１１の各々は、整流器１３、ＤＣリンクキャパシタ１４、及び電力インバータ１５を備える。整流器１３は、４つの電力半導体デバイス（スイッチとして示す）Ｔ１～Ｔ４を備える。デバイスＴ１及びＴ４がオンされることで、入力ＡＣ波の正の半波がＤＣリンクキャパシタ１４を充電することを可能にしてもよく、一方、デバイスＴ２及びＴ３がオンされることで、入力ＡＣの負の半波がＤＣリンクキャパシタ１４を充電することを可能にしてもよい。整流器１３は、単相の２レベルのフルブリッジ４象限整流器として図示されているが、整流器１３は、図２に示す実施例に限定されない任意の適切な形式をとってもよい。電力インバータ１５は、出力ノードをそれぞれ提供する３つのインバータレッグを備える。３つのインバータレッグは同じ構造を有する。簡単化のために、下記の説明は、第１のインバータレッグのみの構造を述べる。第１のインバータレッグは、ＤＣリンクキャパシタ１４の２つの端部（すなわち、Ｖ_ＤＤ、Ｖ_ＳＳ）の間に接続された２つの電力半導体デバイスＴ５及びＴ６を備え、その出力ノードは２つのデバイスＴ５、Ｔ６の間にある。異なる時間にオン及びオフを切り換えるように３つのインバータレッグの電力半導体デバイスを制御することによって、３つの出力ノード９において供給されるＡＣ電力は、３つの異なる相を有する。さらに、電力インバータ１５は、２レベルの三相のフルブリッジインバータとして図示されているが、インバータ１５は、例えば、３レベル、マルチレベル、ハーフブリッジなどのような、異なる回路トポロジーを用いて実装されてもよい。さらに、インバータ１５の相の個数は、インバータレッグの個数を調整することで、３個とは異なってもよい。図２は、単一の電力半導体デバイスが、一方では各入力ノード３_ｉ、５_ｉ及び各出力ノード９_ｉと、他方では電圧ノードＶ_ＤＤ、Ｖ_ＳＳとの間に設けられることを示す。このことは単に概念の明確性のためであり、１つよりも多くの電力半導体デバイスが設けられてもよく、各入力／出力ノードと電圧ノードＶ_ＤＤ、Ｖ_ＳＳの各々との間に直列又は並列に、電気的に接続されてもよいことが理解されるであろう。

【0077】

図２のトラクションシステム１を参照すると、開いたスイッチ７を有するアクティブなＡＣ／ＡＣコンバータ１１は、第１及び第２の入力端子４、６の間で受けたＡＣ電圧をともに共用する。各アクティブなＡＣ／ＡＣコンバータ１１_ｉの入力ノード３_ｉ、５_ｉにわたる電圧降下は、単に、端子４、６の間で受けたＡＣ電圧の数分の１である。従来のコンバータ１０２と比べて、ＡＣ／ＡＣコンバータ１１の各々は、ずっと低い定格電圧を有する電力半導体デバイスを用いることで構成可能である。このことはまた、電力半導体デバイスの選択を、ＳｉベースのＩＧＢＴ及びＳｉＣベースのデバイスを超えて拡大する。例えば、ＡＣ／ＡＣコンバータ１１を構成するために、Ｓｉベースの金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）及び窒化ガリウム（ＧａＮ）ベースのＭＯＳＦＥＴが使用されてもよい。

【0078】

一実施例では、ＡＣ電源４０は２５ｋＶのＡＣ電力を供給し、変圧器３５は、ＡＣ電源４０によって供給される高電圧を、二次巻線３７にわたる９５０Ｖの定格を有するＡＣ電圧に降圧する。予備ＡＣ／ＡＣコンバータ１１_４がバイパスされる場合、各アクティブなＡＣ／ＡＣコンバータ１１_１～１１_３の定格ＡＣ入力電圧は３１６．７Ｖであり、これは、ＤＣリンクキャパシタ１４にわたる約７５０Ｖの定格を有する中間ＤＣ電圧に対応する。この電圧方式において、アクティブなＡＣ／ＡＣコンバータ１１_１～１１_３において使用される電力半導体デバイスは、従来のトラクションシステム１００において使用される３３００Ｖの定格を有するデバイスではなく、概して、１２００Ｖの定格を有するデバイスである。１２００Ｖの定格を有する電力デバイスの例は、ＳｉベースのＩＧＢＴ、ＳｉベースのＭＯＳＦＥＴ、ＳｉＣベースのＭＯＳＦＥＴ、ＧａＮベースのＭＯＳＦＥＴ、又は他の半導体ベースの電力デバイスを含む。

【0079】

入力端子４、６の間に直列に電気的に接続された２つのアクティブなＡＣ／ＡＣコンバータのみが存在する場合、各アクティブなＡＣ／ＡＣコンバータの定格ＡＣ入力電圧は４７５Ｖになり、これは、ＤＣリンクキャパシタ１４にわたる約１０５０Ｖの定格を有する中間ＤＣ電圧に対応する。この電圧方式において、アクティブなＡＣ／ＡＣコンバータにおいて使用される電力半導体デバイスは、従来のトラクションシステム１００において使用される３３００Ｖの定格を有するＳｉベースのＩＧＢＴとは対照的に、概して、１７００Ｖの定格を有するデバイスである。１７００Ｖの定格を有する電力デバイスの例は、ＳｉベースのＩＧＢＴ、ＳｉベースのＭＯＳＦＥＴ、ＳｉＣベースのＭＯＳＦＥＴ、ＧａＮベースのＭＯＳＦＥＴ、又は他の半導体ベースの電力デバイスを含む。

【0080】

より低い定格電圧を有する電力半導体デバイスは、典型的には、より高い定格電圧を有する電力半導体デバイスよりも、小さなパッケージ寸法、低い価格、及び高い成熟度を有する。さらに、低電圧の電力半導体デバイスは、高電圧の電力半導体デバイスよりも低いスイッチング損失かつ高い効率を提供する。さらに、低電圧の電力半導体デバイスは、冷却及び熱交換要件を緩和し、これにより、トラクションシステム１が低減された重さ、体積、及びコストを有することを可能にする。

【0081】

トラクションシステム１が、より低い定格を有するＡＣ電源を必要とするのではなく、回路構造を改善することでより低い定格を有する電力半導体デバイスの使用を可能にするので、トラクションシステム１は、従来のトラクションシステム１００と同じＡＣ電源を使用しうる。従って、トラクションシステム１は、レール輸送アプリケーションにおける既存のトラクションシステム１００を直接に置き換えてもよい。

【0082】

トラクションシステム１は、コントローラ２０をさらに含む。コントローラ２０は、信号ライン２１を用いて、バイパススイッチ７のオン／オフスイッチングを制御する。コントローラ２０はまた、信号ライン２２を用いて、各ＡＣ／ＡＣコンバータ１１内の電力半導体デバイスのオン／オフスイッチングを制御する。その結果、各ＡＣ／ＡＣコンバータ１１の機能は、コントローラ２０によって独立に制御されてもよい。スイッチ７は、ゲート制御型の電力スイッチ、例えばＭＯＳＦＥＴ又はＩＧＢＴとして、又は、電流コントローラ電力スイッチ、例えばサイリスタとして実装されてもよい。コントローラ２０は、制御装置（例えば、プロセッサ、プログラム可能論理回路、及び／又は特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）など）と、制御装置によって出力された小電流制御信号をより大きい電流制御信号に変換するドライバ回路とを備えてもよい。図２は、コントローラ２０がトラクションシステム１の一部であることを示すが、代替として、コントローラ２０がトラクションシステム１の外部構成要素であってもよいことが認識されるであろう。

【0083】

プリチャージ回路３０は、二次巻線３７の端部と第１の入力端子４との間に直列に電気的に接続される。プリチャージ回路３０は、第１のスイッチ３３と、プリチャージ抵抗３２に直列に接続された第２のスイッチ３１とを含む。第１のスイッチ３３は、第２のスイッチ３１及び抵抗３２と並列に接続される。トラクションコンバータモジュール２の通常動作の前に、第１のスイッチ３３が開けたままにされている間に第２のスイッチ３１は閉じられる。このように、ＡＣ／ＡＣコンバータ１１のＤＣリンクキャパシタ１４は、プリチャージ抵抗３２を介して充電することができる。いったんＤＣリンクキャパシタ１４のプリチャージが完了すると、プリチャージ抵抗３２は、第１のスイッチ３３を閉じて第２のスイッチ３１を開くことでバイパスされる。第１のスイッチ３３にわたる電圧降下は無視できる。従って、第１及び第２の入力端子４、６にわたるＡＣ電圧の大きさは、二次巻線３７によって供給されるＡＣ電圧の大きさと実質的に同一である。ＤＣリンクキャパシタ１４のプリチャージは、ＡＣ／ＡＣコンバータ１１のＤＣリンクキャパシタ１４及び電力半導体デバイス（例えばＴ１～Ｔ４）に損害を与えうる、システム始動時の過大な突入電流を防ぐために有用である。

【0084】

トラクションシステム１はまた電気モータ２５を含み、それはＡＣモータである。モータ２５の固定子巻線は、ＡＣ／ＡＣコンバータ１１の出力ノード９に電気的に接続される。その結果、トラクションコンバータモジュール２は、ＡＣ電力をモータ２５に供給することでモータ２５を駆動する。モータ２５は、典型的には、電気的マシン（例えば、乗物、産業用機械など）の推進を引き起こす牽引力を生成し、したがって、トラクションモータと呼ばれることもある。モータ２５は、非同期モータ又は永久磁石同期電動機の形式をとってもよい。

【0085】

相の個数に関して、電気モータ２５は多相電気モータである。多相モータは、概して、３つよりも多くの相（例えば５～１２相）を有する。（モータ１２５のような）従来の三相モータでは、相のうちの１つが失われる場合、モータ内の回転磁界も消滅し、モータは動作を停止するであろう。従来の三相モータと比べて、多相モータ２５は、それが相冗長性を提供して相オープン故障の間に動作できるので、より大きな障害耐性を有する。従って、多相モータ２５の使用は、トラクションシステム１がより高い信頼性を有することを可能にする。さらに、多相モータ２５は、従来の三相モータに比べて、より高いトルク密度、トルク鼓動の低減した振幅及び増大した周波数、より高い効率、より低いＤＣリンク電流高調波、及びより良好なノイズ及び振動特性を達成する。さらに、多相電気モータ２５は、従来の三相電気的モータよりも大きな自由度で制御可能であり、それによって、モータ２５がトルク及びシャフト電圧のより大きな調節を達成することを可能にする。

【0086】

トラクションコンバータモジュール２の回路トポロジーは、多相電気モータ２５を駆動するのに特に適している。ＡＣ／ＡＣコンバータ１１_４が、通常閉である バイパススイッチ７_４を有する予備コンバータである場合、３つのアクティブなＡＣ／ＡＣコンバータ１１_１～１１_３がモータ２５をともに駆動する。このことは、各アクティブなＡＣ／ＡＣコンバータが固定子巻線の各集合を駆動するように、各アクティブなＡＣ／ＡＣコンバータの出力ノード９_１、９_２、９_３を、モータ２５の固定子巻線の各集合（例えば三相以上）に電気的に接続することで達成されてもよい。各アクティブなＡＣ／ＡＣ電力変換器は、その出力ノードにおいて、所定個数の相のＡＣ電力を出力する。好ましくは、ＡＣ／ＡＣコンバータによって出力される相の個数（例えば３以上）は、それによって駆動される固定子巻線の集合の相の個数と同一である。従って、各ＡＣ／ＡＣコンバータ１１_１～１１_３は、モータ２５によって必要とされる合計電力の数分の１を供給する。モータ２５を駆動する複数のＡＣ／ＡＣコンバータに同一の回路トポロジーをもたせることによって、ＡＣ／ＡＣコンバータの各々は、モータ２５の固定子巻線の各集合に等量の電力（例えば、モータ２５によって必要とされる合計電力の３分の１）を供給し、したがって、互いに電力整合を達成する。

【0087】

モータ２５内の固定子巻線の複数の集合は、例えば互いに分離された中性点を有することにより、電気的に互いに絶縁されてもよい。固定子巻線の集合間の電気的絶縁は、システムの信頼性を向上させるために有用である。代替として、モータ２５内の固定子巻線の集合は同じ中性点を共用してもよい。固定子巻線の複数の集合は独立に制御されてもよく、したがって、モータ２５のトルク及びシャフト電圧を最適化するために高い制御自由度を可能にしうる。

【0088】

前述したように、ＡＣ／ＡＣコンバータ１１_４は、通常は非動作状態にされている予備冗長なコンバータであってもよい。多相電気モータ２５もまた冗長性を有して構成されてもよい。図２を参照すると、モータ２５は、予備ＡＣ／ＡＣコンバータ１１_４の出力ノード９_４に電気的に接続された予備固定子巻線の集合を含む。通常動作中に、ＡＣ／ＡＣコンバータ１１_４のバイパススイッチ７_４は、予備ＡＣ／ＡＣコンバータ１１_４を非動作状態にするように、コントローラ２０によって閉じたままにされる。一方、ＡＣ／ＡＣコンバータ１１_１～１１_３のスイッチ７_１～７_３は、コントローラ２０によって開いたままにされる。このように、ＡＣ／ＡＣコンバータ１１_１～１１_３はモータ２５をともに駆動する。ＡＣ／ＡＣコンバータ１１_１～１１_３のうちの１つ又はそれによって駆動される固定子巻線に故障が生じた場合、コントローラ２０は、故障した分岐のスイッチ７_ｊ（ｊ＝１、２、又は３）を閉じて、予備ＡＣ／ＡＣコンバータ１１_４を動作状態にするように予備ＡＣ／ＡＣコンバータ１１_４のスイッチ７_４を開く。したがって、予備ＡＣ／ＡＣコンバータ１１_４は、他の２つのアクティブなインバータを用いてモータ２５を駆動する。多相電気モータ２５及びトラクションコンバータモジュール２によって提供されるこの冗長機構は、モータ２５の固定子巻線又はＡＣ／ＡＣコンバータ１１に故障が生じる場合にトラクションシステム１が機能し続けることを可能にし、それによって、トラクションシステム１の信頼性を著しく向上させる。

【0089】

一実施例では、モータ２５は１２相モータとして設計されるが、９相モータとして動作し、３つの相は予備の相になる。モータ２５は、６００ｋＷの定格電力を有してもよい。通常動作下では、アクティブなＡＣ／ＡＣコンバータ１１_１～１１_３の各々は、２００ｋＷの電力をモータ２５に供給する。特に、各整流器１３は、各アクティブなＡＣ／ＡＣコンバータによって受けたＡＣ入力電力を約１．０の力率で整流し、７５０ＶのＤＣリンク電圧を達成する。ＤＣリンク電圧はそれぞれ、各インバータ１５によって、可変な周波数及び可変な基本量を有する三相ＡＣ電力に変換され、モータ２５の三相固定子巻線の集合を駆動する。この過程において、電力は力学的パワーに変換される。トラクションシステム１のこの動作モードは、トラクションモードと呼ばれることもある。

【0090】

トラクションシステム１はまた、制御された方法でモータ２５の力学的パワーが電力に変換される制動モードを有してもよい。特に、モータ２５は、ＡＣ電力を発生する発電機として機能し、発生されたＡＣ電力は、トラクションコンバータモジュール２のノード９へフィードバックされる。トラクションコンバータモジュール２のＡＣ／ＡＣコンバータ１１は、ノード９において受けたＡＣ電力を、ノード３、５において出力するためのＡＣ電力に変換するように、コントローラ２０によって制御される。この過程の間に、インバータ１５は整流器として機能し、一方、整流器１３はインバータとして機能する。ノード３、５によって出力されるＡＣ電力は、次いで、二次巻線３７に移動され、一次巻線を介してＡＣ電源４０に約－１．０の力率で戻される。

【0091】

トラクションモード及び制動モードの間に、電力はＡＣ／ＡＣコンバータ１１を介して逆方向に流れることが理解されるであろう。コントローラ２０は、ＡＣ／ＡＣコンバータ１１の動作モードを制御し、また、ＡＣ／ＡＣコンバータ１１を介する電力フローの方向を制御する。ＡＣ／ＡＣコンバータ１１の各々は、コンバータに電気的に接続された固定子巻線の各集合への／からの電力フローを独立に制御する。

【0092】

図２には図示していないが、少なくとも１つのＡＣ／ＡＣコンバータ１１の１つ又は複数の出力ノード９と、モータ２５の１つ又は複数の各固定子巻線との間に、電気的接点が接続されてもよい。電気的接点は、電気的スイッチ、リレー、コネクタ、及び回路遮断器において一般的に見られる電気回路構成要素である。各接点は１個の導電性材料、典型的には金属である。一対の電気的接点が接触する場合、それらは電流を通過させ、対応する出力ノード９及び固定子巻線を電気的に接続させうる。

【0093】

図２は、トラクションコンバータモジュール２が４つのＡＣ／ＡＣコンバータ１１を含み、それらの入力側において直列に電気的に接続されることを示しているが、このことは単に例示を目的とし、ＡＣ／ＡＣコンバータ１１の個数に対するいかなる限定も意味しないことが理解されるであろう。実際に、入力側において直列に接続された少なくとも２つのＡＣ／ＡＣコンバータ１１を有することは、トラクションコンバータモジュール２が上述した優位点を達成することを可能にするであろう。

【0094】

図２は、図２のトラクションシステムが単一のモータ２５を含むことを示しているが、１つ又は複数のさらなるモータが使用されてもよいことが認識されるであろう。１つ又は複数のさらなるモータは、トラクションコンバータモジュール２の余分な１つ又は複数のＡＣ／ＡＣコンバータによって駆動されてもよい。１つ又は複数のさらなるモータは、単一のＡＣ／ＡＣコンバータによって駆動される従来の三相モータを含んでもよく、又は、１つ又は複数のＡＣ／ＡＣコンバータによって駆動される、モータ２５に類似した多相電気モータを含んでもよい。

【0095】

ＡＣ／ＡＣコンバータ１１のすべてがアクティブなＡＣ／ＡＣコンバータになるように、バイパススイッチ７が省略されてもよいこともまた理解されるであろう。

【0096】

アクティブなＡＣ／ＡＣコンバータ１１が、第１の入力端子４、６の間におけるＡＣ電圧を等しく共用し、出力ノードにおいて同じＡＣ電流を出力するように、トラクションコンバータモジュール２内の複数のＡＣ／ＡＣコンバータ１１が互いに同一である（すなわち、同一のデバイスパラメータとともに同一の回路トポロジーを有する）ことが好ましい。しかしながら、この構成が必須ではないことが認識されるであろう。

【0097】

図２に示すＡＣ／ＡＣコンバータ１１は、入力ＡＣ電力を中間ＤＣ電力に変換し、次いでそれが出力のためのＡＣ電力に変換される、ＡＣ－ＤＣ－ＡＣコンバータである。ＡＣ／ＡＣコンバータ１１は、それらが出力ＡＣ電力を生成する際に入力ＡＣ電力の位相、周波数、及び大きさのうちの１つ又は複数を調整する限り、任意の適切な回路トポロジーも有してもよいことが認識されるであろう。例えば、ＡＣ／ＡＣコンバータ１１は、中間ＤＣ電力へのいかなる変換も必要とすることなく、入力ＡＣ電力を出力ＡＣ電力に直接に変換してもよい。代替として、ＡＣ／ＡＣコンバータ１１は、１回よりも多くのＡＣ－ＤＣ－ＡＣ変換を実行してもよい。

【0098】

図２のトラクションシステム１は、例えば、入力端子４、６の間に直列に接続されたＡＣ／ＡＣコンバータの個数を変更すること、及び／又は、トラクションコンバータモジュールによって駆動されるモータの個数を変更することによって、柔軟な拡張性を有する。図３は、本開示の第２の実施形態に係る電気的トラクションシステム１Ａの回路図を概略的に示す。トラクションシステム１のものと同じトラクションシステム１Ａの構成要素は、同じ符号を用いて識別される。トラクションシステム１のものに対応するが異なるトラクションシステム１Ａの構成要素は、同じ数字を用いて、ただし区別のために文字「Ａ」を付加してラベル付けされる。第１の実施形態を参照して上述した特徴及び優位点は、概して、第２の実施形態に適用可能である。

【0099】

トラクションシステム１Ａは、トラクションコンバータモジュール２が２つの多相電動機２５_１及び２５_２を駆動し、これらのそれぞれが６相モータ（例えば、デュアル三相モータ）であるという点で、トラクションシステム１とは異なる。ＡＣ／ＡＣコンバータ１１_１及び１１_２はモータ２５_１をともに駆動する。ＡＣ／ＡＣコンバータ１１_３及び１１_４はモータ２５_２をともに駆動する。トラクションシステム１Ａにおいて、ＡＣ／ＡＣコンバータのすべてはアクティブなコンバータである。したがって、バイパススイッチは図３から除去される。

【0100】

図２及び図３によって提供される例は、少なくとも２つのＡＣ／ＡＣコンバータによってそれぞれ駆動される１つ又は複数の多相モータ２５を含むが、多相モータのうちの１つ又は複数は、代替として、ＡＣ電力の複数の相を出力する単一のＡＣ／ＡＣコンバータによって駆動されてもよいことが認識されるであろう。トラクションコンバータモジュール２は、１つ又は複数の従来の三相モータを駆動するために使用されてもよく、また、各三相モータが単一のＡＣ／ＡＣコンバータによって駆動されてもよいこともまた認識されるであろう。

【0101】

図２及び図３によって提供される例において、トラクションモータの三相固定子巻線の集合を駆動するために、各ＡＣ／ＡＣコンバータは、ＡＣ電力の１つの相をトラクションモータの対応する相にそれぞれ供給する３つの出力ノードを有する。この構成は、モータ巻線がスター型（すなわちＹ）又はΔ構成で接続される場合に適切である可能性がある。トラクションモータがオープンエンドの固定子巻線を有する場合、図２及び図３のＡＣ／ＡＣコンバータ１１の各々を置き換えるために、図４及び図５に示すようなＡＣ／ＡＣコンバータ１１Ａ又は１１Ｂが使用されてもよい。

【0102】

図４に示すように、ＡＣ／ＡＣコンバータ１１Ａは、第１の入力ノード３、第２の入力ノード５、整流器１３、ＤＣリンクキャパシタ１４、及び電力インバータ１５Ａを備える。ＡＣ／ＡＣコンバータ１１Ａは、電力インバータ１５Ａの構成においてコンバータ１１とは異なる。より具体的には、電力インバータ１５Ａは、同じ構造を有する３対のインバータレッグを含む。簡単化のために、下記の説明は、第１のペアのインバータレッグの構造のみについて述べる。第１のペアのインバータレッグは、ＤＣリンクキャパシタ１４の２つの端部の間に直列に接続された２つの電力半導体デバイスＧ_３Ｔ及びＧ_３Ｂと、デバイスＧ_３Ｔ及びＧ_３Ｂの間の出力ノード９ｕ－ｌと、ＤＣリンクキャパシタ１４の２つの端部の間に直列に接続された２つさらなる電力半導体デバイスＧ_６Ｔ及びＧ_６Ｂと、デバイスＧ_６Ｔ及びＧ_６Ｂの間の出力ノード９ｕ－ｒとを含む。固定子巻線は、一対の出力ノード９ｕ－ｌ、９ｕ－ｒの間に接続され、それは、ＡＣ電力を固定子巻線の両端に供給する。図４は、一組の三相固定子巻線２６を示す。三相固定子巻線２６を駆動するために、３ペアのインバータレッグが使用され、３ペアの出力ノードを生じる。

【0103】

電力インバータ１５Ａは、固定子巻線２６の逆側に接続された２つの電力インバータ１５Ａ－Ｌ、１５Ａ－Ｒの組み合わせとみなされてもよい。２つの電力インバータ１５Ａ－Ｌ、１５Ａ－Ｒは、同じＤＣリンクキャパシタ１４を共用する。インバータの各々は、図２の電力インバータ１５と同様である、２レベルの三相フルブリッジ電力インバータである。

【0104】

図５を参照すると、ＡＣ／ＡＣコンバータ１１Ｂは、電力インバータ１５Ｂの構成においてコンバータ１１とは異なる。電力インバータ１５Ａと同様に、電力インバータ１５Ｂは、固定子巻線２６の逆側に配置された２つの電力インバータ１５ＢＡ－Ｌ、１５Ｂ－Ｒの組み合わせとみなされてもよい。しかしながら、インバータ１５Ｂ－Ｒの３つのインバータレッグは、ＤＣリンクキャパシタ１４ではなく、フローティングキャパシタ１７の２つの端部に接続される。

【0105】

本開示のトラクションシステム１、１Ａは、電気的マシンの一部であってもよい。電気的マシンの典型例は、乗物（例えば、電気機関車又は動力分散方式電車）及び産業用装置を含む。ＡＣ電源４０がトラクションシステム１、１Ａ又は電気的マシンの一部でなくてもよいことが理解されるであろう。

【0106】

本開示のトラクションシステム１、１Ａは、レール輸送アプリケーションでの使用に特に適しているが、それらはまた、ＡＣ電源を用いてＡＣ電気モータ負荷を駆動する任意のパワーエレクトロニクストラクションシステムにおいて使用されてもよい。

【0107】

用語「有する」、「包含する」、「含む」、「備える」などはオープンであり、これらの用語は、明示された構造、構成要素、又は特徴の存在を示すが、追加の構成要素又は特徴の存在を妨げない。語句「１つの」及び「その」は、文脈が他の意図を明示しない限り、単数に加えて複数も含むことを意図する。

【0108】

本開示を上述した好ましい実施形態に関して説明したが、これらの実施形態が単なる例示であり、特許請求の範囲がそれらの実施形態に限定されないことは理解されるべきである。当業者は、添付した特許請求の範囲内にあると企図される、本開示に関する変更及び置換を行うことができる。本明細書に開示及び例示した各特徴は、単独でも、また、本願で開示又は例示した他の任意の特徴との任意の適切な組み合わせでも、本開示に組み込まれてもよい。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【国際調査報告】