CN101803162A - 电车用功率转换装置 - Google Patents

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Abstract

在电车用功率转换装置中，有效降低流过整流器部及逆变器部的内部的谐振电流。包括：将交流电转换为直流电的整流器部(20)；将直流电转换为期望的交流电并提供给驱动电车的电动机(90)的逆变器部(60)；容纳整流器部(20)及逆变器部(60)、其一部分接地的箱体(80)；以及配置在箱体(80)的内部、用于抑制流过整流器部(20)与逆变器部(60)之间的谐振电流的磁芯(70)。

Description

电车用功率转换装置
技术领域
本发明涉及电车用的功率转换装置。
背景技术
关于将电车用功率转换装置中的噪声等作为问题提出的现有文献，例如有下述专利文献1等。在该专利文献1中，通过在整流器的输入侧、逆变器的输出侧、接地电路的3处分别设置滤波电路，或者在整流器的输入侧或者逆变器的输出侧中的任意一处和接地电路设置滤波电路，来抑制通过由整流器、逆变器或者接地电路形成的所有路径而流过车身的泄露高次谐波电流。
专利文献1：日本专利特开平9-9412号公报
发明内容
本发明要解决的问题
在电车用功率转换装置中，需要将构成功率转换装置的整流器、逆变器等吊在车身的底板下等进行设置。因此，在以往的电车用功率转换装置中，要准备用于固定在车身的箱形形状的结构体(以下称作“箱体”)，在该箱体内容纳整流器及逆变器的各主电路、连接整流器与逆变器的连接导体(母线)、以及连接在各连接导体间的滤波电容器等，并且在该箱体的外部安装用于抑制从整流器及逆变器的开关元件产生的发热的冷却器来进行构成。
另外，在交流电车的情况下，由于变压器的2次侧与大地是断开的，因此需要将施加在各设备的接地电压固定在一定值，需要将2次侧的电路中的某一点接地。因此，在如上所述构成的电车用功率转换装置中，一般而言将箱体进行接地。
在以往的电车用功率转换装置中，如上所述构成的结果是，由于与开关元件相接近配置的、与箱体电连接的冷却器的部分成为接地点，因此具有的特性是：整流器及逆变器的各连接母线、与箱体或者冷却器之间的寄生电容变大。
另外，关于如上所述的寄生电容，以往并未被视作较大的问题。例如，参照包含上述专利文献1的几篇现有文献，都没有对这种寄生电容引起的问题进行讨论。
另一方面，本发明申请人发现如下事实：与电车用功率转换装置连接的变压器或电动机的电感分量、和该寄生电容形成了谐振电路，流过该谐振电路的谐振电流有可能起到作为向电源侧或电动机侧输出不需要的噪声的噪声源的作用。
此处，如本发明申请人的上述发现所示，在整流器及逆变器作为噪声源动作时，根据其大小如何，由于向架空线流出的噪声电流，可能会给地面信号设备带来不利影响；另外，由于流过电动机布线的噪声电流，可能会给车上信号设备、地面信号设备等带来不利影响。而且，鉴于最近电动机输出不可避免地增大这一技术动向，期望能对这种寄生电容引起的谐振现象采取某种对策。
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种电车用功率转换装置，在箱体内容纳有整流器、逆变器等的该电车用功率转换装置中，可以有效降低整流器及逆变器的各直流母线与箱体之间的寄生电容引起的谐振电流。
用于解决问题的方法
为了解决所述问题、达到目的，本发明所涉及的电车用功率转换装置的特征在于，包括：将交流电转换为直流电的整流器部；将所述直流电转换为期望的交流电并提供给驱动电车的电动机的逆变器部；容纳所述整流器部及所述逆变器部、一部分接地的箱体；以及配置在所述箱体的内部、具有用于抑制流过所述整流器部与所述逆变器部之间的谐振电流的电感分量的阻抗元素。
发明的效果
根据本发明所涉及的电车用功率转换装置，由于将用于抑制流过整流器部与逆变器部之间的谐振电流的磁芯，配置在容纳整流器部及逆变器部、且其一部分接地的箱体的内部，因此具有的效果是：可以有效降低整流器及逆变器的各直流母线与箱体之间的寄生电容引起的谐振电流。
附图说明
图1是表示本发明的理想的实施方式所涉及的电车用功率转换装置的结构例的简略电路图。
图2是表示图1所示的电车用功率转换装置装载至车身的装载状态的一个例子的图。
图3是将由于在功率转换装置的各连接导体与箱体之间产生的寄生电容而产生的谐振电流的路径表示在图1所对应的电路图上的图。
图4是表示与磁芯的配置相关的不同于图1的其他实施方式的图。
标号说明
1架空线
2集电装置
3车轮
4轨道
6变压器
9车身
11电气设备
20整流器部
22整流器主电路
24P、24N、64P、64N滤波电容器
30整流器用冷却器
32翅片底座(整流器部)
34翅片(整流器部)
50逆变器用冷却器
52翅片底座(逆变器部)
54翅片(逆变器部)
60逆变器部
62逆变器主电路
70、70a～70d磁芯
80箱体
82～84、86～88寄生电容
90电动机
91～93谐振电流
100功率转换装置
P、C、N连接导体
W行驶风
具体实施方式
下面，基于附图详细说明本发明所涉及的电车用功率转换装置的理想的实施方式。另外，本发明不限于以下的实施方式。
图1是表示本发明的理想的实施方式所涉及的电车用功率转换装置的结构例的简略电路图。在该图中，功率转换装置100包括整流器部20、逆变器部60、以及插入整流器部20与逆变器部60之间的磁芯70，这些各构成部安装在箱体80中。另外，在功率转换装置100的输入端连接变压器6，在配置于功率转换装置100的输出端的逆变器部60连接驱动电车的电动机90。另外，优选使用感应电动机或同步电动机作为电动机90。
另外，图1中，变压器6的一次绕组的一端通过集电装置2与架空线1连接，另一端通过车轮3与地电位即轨道4连接。从架空线1提供的功率(一般为交流20KV至25KV)通过集电装置2输入到变压器6的一次绕组，并且在变压器6的二次绕组产生的交流电输入到整流器部20。
整流器部20包括：桥式连接开关元件的整流器主电路22、以及用于冷却该桥式连接的开关元件的整流器用冷却器30而构成。从整流器主电路22的3个输出端引出连接导体P、C、N，与后述的逆变器部60连接。整流器主电路22通过对桥式连接的各开关元件进行PWM控制，将从架空线1提供的交流电压转换为期望的直流电压并输出。作为构成整流器主电路22的开关元件，优选例如内置有反并联二极管的IGBT元件。另外，整流器主电路22的详细结构和控制方法有各种已知例，此处省略详细的说明。另外，在图1的例子中，将整流器主电路22表示作为3电平整流器电路，但也可以是除此以外的例如2电平整流器电路(已知)等，该结构也包含在本发明的要点内。
在整流器主电路22的输出端，设置有供给逆变器部60的直流电源即滤波电容器24P、24N。具体而言，在连接导体P、C间连接滤波电容器24P，在连接导体C、N间连接滤波电容器24N。
逆变器部60包括：桥式连接开关元件的逆变器主电路62、以及用于冷却该桥式连接的开关元件的逆变器用冷却器50而构成。在逆变器主电路62的3个输入端，如上所述连接有连接导体P、C、N，直流电源即滤波电容器64P、64N分别设置在连接导体P、C间及连接导体C、N间。另外，在逆变器主电路62的3个输出端连接电动机90。逆变器主电路62通过对桥式连接的各开关元件进行PWM控制，将输入的直流电压转换为期望的交流电压并输出。作为构成逆变器主电路62的开关元件，优选例如内置有反并联二极管的IGBT元件。另外，逆变器主电路62的详细结构和控制方法有各种已知例，此处省略详细的说明。另外，在图1的例子中，将逆变器主电路62表示作为3电平逆变器
Figure GPA00001066711300051
Figure GPA00001066711300052
电路，但也可以是除此以外的例如2电平逆变器电路(已知)等，该结构也包含在本发明的要点内。
图2是表示图1所示的功率转换装置装载至车身的装载状态的一个例子的图。如图2所示，功率转换装置100与其他电气设备11一起配置在电车的车身9的底板下。另外，在功率转换装置100中，在箱体80的内部容纳有整流器部20、逆变器部60、磁芯70等。
整流器用冷却器30具有翅片底座32及翅片34，配置在整流器部20的底面侧，使得翅片34能与外部气体接触。同样，逆变器用冷却器50具有翅片底座52及翅片54，配置在逆变器部60的底面侧，使得翅片54能与外部气体接触。根据这样配置的功率转换装置100，由于电车的行驶，在与行进方向相反的方向产生的行驶风W流过翅片34、54，从开关元件产生的热量通过翅片34、54，散发在大气中。
另外，在上述例中，示出了为了使得整流器用冷却器30及逆变器用冷却器50的各翅片与外部气体接触而配置在箱体80的外部的实施方式，但不限于此。例如，为了防止翅片损伤，也可以将各冷却器配置在箱体80的内部。即使是这样的配置构成，但通过例如用网状的结构物覆盖箱体80中的各冷却器面向行驶风W的部分，也可以实现图2这样的自然气冷方式的冷却器。另外，在采用使用送风机等强制气冷方式、或水冷方式时，可以使用网状的结构物等，而将整流器部20及逆变器部60容纳在箱体80内。
图3是将由于在功率转换装置的各连接导体与箱体之间产生的寄生电容而产生的谐振电流的路径表示在图1所对应的电路图上的图。该谐振电流也如上述问题项中说明的那样，是由于在整流器部20及逆变器部60的各直流母线与箱体80之间产生的寄生电容、与和功率转换装置100连接的变压器6或电动机90的电感分量，在整流器部20及逆变器部60的内部形成谐振电路，从而产生流向变压器6侧或者电动机90侧的电流。
图3中，在整流器部20中，在包含连接导体P、C、N的各直流母线与箱体80之间，形成有图示的寄生电容82至84，在逆变器部60中，在包含连接导体P、C、N的各直流母线与箱体80之间，形成有图示的寄生电容86至88。另外，这些各寄生电容是将在整流器主电路22及逆变器主电路62的各部分产生的寄生电容分量汇集进行表示的。
另一方面，若存在如上所述的寄生电容分量，则在变压器6及电动机90的各电感分量与这些寄生电容分量之间会引起谐振(串联谐振)，某一特定频带(例如1至2MHz频带)的阻抗变小，而仅有该频带的电流被放大。其结果是，在箱体80的内部会流有：通过寄生电容82、86的谐振电流91；通过寄生电容83、87的谐振电流92；以及通过寄生电容84、88的谐振电流93等。
因此，在本实施方式中，配置具有期望的电感分量的磁芯70，使得将整流器部20与逆变器部60相连的连接导体P、C、N贯穿其内部。通过配置这样的磁芯70，可以将谐振电流变得最大的频率(以下称作“谐振频率”)移至不会给例如车上信号设备、地面信号设备等带来影响的频带。另外，由于通过插入磁芯70，可以增大谐振成为问题的频带的阻抗，因此可以减小该频带的谐振电流，可以将谐振电流引起的噪声的大小降低至不会产生问题的等级。
另外，作为磁芯70的材质，例如可以使用铁氧体、非晶态的原材料。由于这些材质本身具有在低频带下阻抗低的特性，因此几乎不会给电源频带的功率输送带来影响。
另外，磁芯70的尺寸(外周的长度、内周的长度、厚度、长宽比等)，可以根据整流器部20、逆变器部60的容量、各连接导体的大小、配置等，使用合适的尺寸。并且，关于磁芯70的电感值，只要根据谐振频率与寄生电容的大小选择合适的即可。
另外，如上所述的寄生电容分量的产生原因是，包含连接导体P、C、N的各直流母线与箱体80相接近配置，且为了使箱体80与地电位同电位而接地。因此，即使在没有冷却器时，也会存在寄生电容。因此，上述对策对于没有冷却器的结构的情况下也能有效起作用。但是，在具有冷却器的结构的情况下，由于受到散热用的翅片的面积的影响，与没有冷却器时相比，由于寄生电容分量变大，因此优选方案是根据各自的情况适当选择。
图4是表示与磁芯的配置相关的不同于图1的其他实施方式的图。在图1的实施方式中，磁芯设置在整流器部20与逆变器部60之间，但也可以配置在整流器部20及逆变器部60的各自的内部。例如在整流器部20中，如图示的磁芯70a、70c那样，可以配置在滤波电容器24P、24N的输出侧(连接导体侧)或者输入侧(整流器主电路侧)中的任意一个位置；另外，在逆变器部60中，如图示磁芯70b、70d样，可以配置在滤波电容器64P、64N的输入侧(连接导体侧)或者输出侧(逆变器主电路侧)中的任意一个位置。另外，即使是这样的结构，但由于是在流有谐振电流的环路路径内配置磁芯的结构，因此也可以实现本申请的目的，即降低寄生电容引起的谐振电流，将谐振频率移至期望的频带。
另外，关于本实施方式所涉及的磁芯，是以降低由于在功率转换装置的内部形成的谐振电路而流动的谐振电流为目的而设置的，但由于能抑制谐振电流导致的电位变动，因此还具有对流出到变压器侧或者电动机侧的共模电流降低的效果。
如以上说明那样，根据本实施方式的电车用功率转换装置，由于将用于抑制流过整流器部与逆变器部之间的谐振电流的磁芯，配置在容纳整流器部及逆变器部、且其一部分接地的箱体的内部，因此可以有效降低整流器及逆变器的各直流母线与箱体之间的寄生电容引起的谐振电流。
另外，在本实施方式中，使用磁芯作为用于抑制流过整流器部与逆变器部之间的谐振电流的元素，但例如也可以使用电抗器、共模扼流圈等元素即具有电感分量的阻抗元素，来代替磁芯。重要的是只要能将谐振频率移至不会给例如车上信号设备、地面信号设备等带来影响的频带，则使用哪种阻抗元素都可以。
工业上的实用性
如上所述，本发明所涉及的电车用功率转换装置，作为可以有效降低在整流器及逆变器的各直流母线、与容纳整流器和逆变器等的箱体之间的寄生电容引起产生的谐振电流的发明是有用的。

Claims (4)

1.一种电车用功率转换装置，其特征在于，包括：
将交流功率转换为直流功率的整流器部；
将所述直流功率转换为期望的交流功率并提供给驱动电车的电动机的逆变器部；
容纳所述整流器部及所述逆变器部以使其一部分接地的箱体；以及
配置在所述箱体的内部、具有用于抑制流过所述整流器部与所述逆变器部之间的谐振电流的电感分量的阻抗元素。
2.如权利要求1所述的电车用功率转换装置，其特征在于，
所述阻抗元素配置在所述整流器部与所述逆变器部之间，以使其贯穿将该整流器部与该逆变器部连接的连接导体。
3.如权利要求1所述的电车用功率转换装置，其特征在于，
所述阻抗元素至少配置在构成所述整流器部内的该整流器部的主电路的输出侧、或者构成所述逆变器部内的该逆变器部的主电路的输入侧。
4.如权利要求1至3中任一项所述的电车用功率转换装置，其特征在于，
所述阻抗元素是磁芯。
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