CN1121009A

CN1121009A - 用于交流电车的电力变换装置

Info

Publication number: CN1121009A
Application number: CN95107290A
Authority: CN
Inventors: 安藤武; 堀江哲; 斉藤秀治; 高久敏彦; 高崎利夫
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Mito Engineering Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Mito Engineering Co Ltd
Priority date: 1994-07-20
Filing date: 1995-07-20
Publication date: 1996-04-24
Anticipated expiration: 2015-07-20
Also published as: CN1036512C; KR960004060A; ZA955748B; JP3314256B2; AU679857B2; EP0693820A1; JPH0833336A; AU2485695A

Abstract

为了在共用PWM变换器和PWM逆变器的情况下减小PWM变换器/逆变器电车上的电力变换装置的尺寸大小，通过将至少一个PWM变换器的一相部分和至少一个PWM逆变器的一相部分组合构造一个主电路单元，而每一主电路单元都有一个在变换器和逆变器间共用的冷却装置。

Description

用于交流电车的电力变换装置

本发明涉及一种采用脉宽调制(PWM)变换器和PWM逆变器的由交流电源驱动供电车用的电力变换装置，特别是涉及电力变换装置的冷却。

在先前用于由交流电源驱动的电车的电力变换装置中，具有一用来驱动感应电动机的逆变器，它是两组单相变换器将交流电转换为直流电和将直流电转换为三相交流电，两相部分上的变换器构成一个单元，逆变器的两相部分也构成一个单元，而余下一相上的逆变器与过电压保护电路结合构成一个单元。在已经公布的日本专利申请No.4-71303(1992)中公开了一项技术，在该项技术中，这些单元合为一体以达到相互共用单元和标准化的目的

上述的电力变换装置由开关元件构成，而这些开关元件需要冷却。虽然上面的常规技术描述了各单元的共用，但是它没有考虑如何减小冷却装置的尺寸。

本发明的目的是在共用各单元的同时减小冷却装置的尺寸，并且还要减小包括各单元在内的电力变换装置的总尺寸。

本发明的目的可以通过提供如下一种电力变换装置来实现，这种电力变换装置带有一个将交流电转换为直流电的变换器并由多个与对应一相部分串联连接的自灭弧元件组成的半导体构成，它还带有一个将直流电转换为交流电的逆变器并由多个与对应一相部分串联连接的自灭弧元件组成的半导体构成，其中所述的变换器和所述的逆变器都至少有一个所述一相部分安装在同一冷却装置上。

当通过控制PWM(脉宽调制)变换器和PWM逆变器使电车由停止状态变为最高速度状态时，通常，PWM变换器在高速区域的损耗最大，此时变换电力的数量最大，而PWM逆变器则在低速区域的损耗最大，此时自灭弧元件的开关频率较高。如上所述，两种损耗最大情形下对应的速度是不同的。如果用于一相部分的PWM变换器和用于一相部分的PWM逆变器安装在某一冷却装置上，那么冷却装置的冷却容量就可以是PWM变换器与PWM逆变器损耗之和的最大值，小于PWM变换器损耗最大值与PWM逆变器损耗最大值之和。因此，与电力变换器在PWM变换器和PWM逆变器之间共用的情形相比，冷却容量可以做得较小，也就是说，冷却装置的冷却容量单独由PWM转换器或PWM反相器确定。

图1是表示按照本发明一个实施例结构的电路原理图；

图2是表示电车速度与半导体损耗之间关系的曲线图；

图3是表示电车速度与缓冲器损耗之间关系的曲线图；

图4是表示按照本发明另一个实施例结构的电路原理图；

图5是表示将变换器和逆变器的两个相部分合为一体的主电路单元的实施例的结构图；

图6是表示将变换器和逆变器的四个相部分合为一体的主电路单元的实施例的结构图；

图7是表示将四个相部分合为一体的主电路单元的透视图；

图8是表示将四个相部分合为一体的主电路单元的透视图；

图9是表示电力变换装置中包含用于一个相部分的缓冲器电路的电路原理图。

以下借助于图1描述解决本发明关键之处的一个实施例。在图1中，标号1表示电车顶导电弓架(也即交流电源)，标号2a、2b为变压器，标号5为感应电机，标号6为直流电路中的电容，标号7a、7b为用于一个相部分的电力变换装置的各个半导体元件组，其详细电路在图9中表示，标号8为过电压保护电路，以及标号9和10为主电路单元。PWM变换器由半导体元件组7a、7b、7c、7d组成而PWM逆变器由半导体元件组7e、7f、7g组成。在图1中，由于PWM变换器具有4相半导体元件组7a、7b、7c、7d，而PWM逆变器具有3相半导体元件组7e、7f、7g，所以PWM变换器的4相中有3相(在图1中为半导体元件组7a、7b、7c，当然也可以有其它的组合)与PWM逆变器7e、7f、7g的相组合以构成主电路单元9a、9b、9c。而余下的PWM变换器半导体元件组7d的这一相与过电压保护电路8组合构成主电路单元10。

缓冲器电路分别与电力变换装置各相部分的半导体元件组7a、7b、7c、7d、7e、7f、7g连接以吸收浪涌电压，这种包含缓冲器电路的半导体元件组示于图9。标号11a、11b表示诸如控制极关断开关(GTO)之类的自灭弧元件，标号12a、12b为反向并联二极管，标号13a、13b为缓冲器二极管，标号14为缓冲器电容，以及标号15为缓冲器电阻。在与图1所示的一个相部分对应的半导体元件组中，当自灭弧元件11闭合而允许电流通过时，将在元件11a、11b、12a、12b、13a、13b上产生半导体损耗而在电容15a、15b上产生缓冲器损耗。这些损耗转换为热量从而使电力变换装置温度升高。为了将温度控制在某一值之下，需要采用冷却装置使电力变换装置将热量散发出去。

图2和图3表示的是从电车开动启动至达到最高速度期间PWM变换器/逆变器的半导体损耗和缓冲器损耗的计算结果实例。

图2表示在电力变换装置的一个相部分内电车速度与半导体损耗之间的关系。三条线段中，虚线表示PWM变换器的一个相部分的损耗，实线表示PWM逆度器的一个相部分的损耗，而粗实线表示PWM变换器的一个相部分上与PWM逆变器的一个相部分上的损耗之和。在图2中，PWM逆变器的一个相部分的损耗在速度小于A点的区域非连续变化的原因如下。在PWM反逆变中，随着电车速度加快，逆变器频率也相应升高，而且与此同时自灭弧元件的开关频率也随逆变器频率的积分时间同步升高。但由于GTO开关频率的限制，所以当高出某个开关频率时，该频率换档并下降。当电车速度超过A点时PWM逆变器的输出电压恒定，而开关频率变为与逆变器频率相等的单脉冲模式。在A点PWM变换器的损耗最大，为5.5千瓦，另一方面，在B点PWM逆变器的损耗最大，为3.2千瓦，而在C点总损耗最大，为7.6千瓦。

如果采用同时使用PWM变换器和PWM逆变器的设计，那么冷却装置要根据PWM转换器的最大损耗为5.5千瓦的情形来设计，所以两个相部分的冷却容量要达到11千瓦。如果将PWM变换器的一个相部分和PWM逆变器的一个相部分安装在同一冷却装置上，那么冷却容量为7.6千瓦，只是11千瓦的69％。同样，图3表示的是电车速度与电力变换装置的一个相部分的缓冲器损耗之间的关系。三条线段中，实线表示PWM逆变器的一个相部分的损耗，虚线表示PWM变换器的一个相部分的损耗，而粗实线表示PWM变换器的一个相部分上与PWM逆变器的一个相部分上的损耗之和。在A点PWM变换器的损耗最大，为16千瓦。另一方面，在D点PWM逆变器的损耗最大，为13千瓦。而且在D点总损耗也最大，为25.5千瓦。如果采用同时使用PWM变换器和PWM逆变器的设计，那么冷却装置要根据PWM变换器的最大损耗为16千瓦的情形来设计，所以两个相部分的冷却容量要达到32千瓦。如果将PWM变换器的一个相部分和PWM逆变器的一个相部分安装在同一冷却装置上，那么冷却容量为25.5千瓦，只是32千瓦的80％。因此可以降低冷却装置的冷却容量并减小电力变换装置的体积。虽然还留下来PWM变换器的一个相部分，但是通过将余下的PWM变换器的一个相部分与除了PWM变换器和PWM逆变器之外的诸如图10所示的过电压保护电路组合就能够完全利用冷却容量。

图4表示按照本发明的另一个实施例。与图1的实施例的不同之处在于，在与电力变换装置对应的每一个相部分的半导体元件组7a′、7b′、7c′、7d′、7e′、7f′、7g′中采用的是以诸如绝缘栅双极晶体管(IGBT)之类作自灭弧元件的3电平变换器/逆变器。因此在直流电路中构成直流中性点的电容就分为两只电容6a和6b。3电平变换器/逆变器的一个相部分的构造如下，4个由自灭弧元件和与之反相并联的二极管组成的半导体元件以串联方式连接，两端分别与直流电路中的电容器6a和6b连接，上半部分的两个半导体元件之间的结点和下半部分的两个半导体元件之间的结点通过两只二极管相连，两只二极管之间的结点连至直流电路的中点。虽然在图4中没有画出，但是缓冲器电路按照与图1相同的方式连接到半导体元件组上。

因此，主电路的构造要比图1电力变换装置中的更为复杂，从而要求与逆变器共用变换器。每一主电路单元9′和10′由安装在一个冷却装置上的4相构成。PWM变换器两相的半导体元件组7a′和7b′与PWM逆变器两相的半导体元件组7e′和7f′布置在主电路单元9′中，而PWM变换器两相的半导体组7c′和7d′和PWM逆变器一相的半导体元件组7g′以及过电压保护电路8设于主电路单元10′中。在这种与图1相同的情形中，与将变换器和逆变器分别安装在不同的冷却设备上的情形相比，可以减少冷却设备的必要冷却容易。

图5表示的是使用诸如IGBT作自灭弧元件的3电平变换器/逆变器中的主电路单元的构造，其中两个相部分合二为一。在图5中，标号16a、16b、16c、16d、16e、16f、16g、16h为由IGBT(混合型)和与之反向并联的二极管组成的半导体元件，标号由17a、17b、17c、17d为二极管，标号18和19为冷却半导体元件和二极管的冷却设备。标号18为一块与半导体元件16和二极管17接触的冷却板，产生的热量通过平板传送至散热片19。通过例如沿图中箭头所示的方向吹送空气使热量从散热片19上散发出去。当然，在改变散热片方向的同时沿侧向吹送空气也可以达到相同的目的。IGBT3电平变换器/逆变器的一个相部分的电路由与半导体元件组7a′至7d′的一个相部分对应的半导体元件16a至16d、17a、17b构成，而IGBT3电平变换器/逆变器的另一个相部分的电路由与半导体元件组7e′至7g′的一个相部分的半导体元件16e至16h、17c、17d构成。因此，电路的两个相部分安装在同一冷却装置上。其中，电路的一个相部分用作变换器，另一个用作逆变器。由此可以充分利用冷却装置的冷却能力，因而可共用单元和使单元标准化，缩小冷却用散热片19和电力变换装置的尺寸。

而且，如果半导体元件组的四个相部分7a′、7b′、7c′、7d′以图4所示方式安装在同一冷却装置上，那么就可以在散热片19的两侧提供两块冷却平板18a和18b，并将两个相部分放于一侧而另外两个相部分放于另一侧。图7就是该实施例的透视图。标号16a—16l表示由IGBT及其与之反向并联的二极管组成的半导体元件，标号17a—17f为二极管，标号18a、18b和19为冷却半导体元件和二极管用的冷却装置。标号18a、18b为与半导体元件16a—161和二极管17a、17b接触的冷却板，用于将它们所产生的热量传输至散热片19。通过例如沿图中箭头所示方向吹送空气使热量从散热片19上散发出去。当然，在改变散热片方向的同时沿侧向吹送空气也可以达到同样的目的。在图7中，IGBT3电平变换器/逆变器的一个相部分的电路由标号为16a—16d、17a、17b的元件构成，而IGBT3电平变换器/逆变器的另一个相部分的电路由标号16i—16l、17c、17d的元件构成。因此，电路两个相部分安装在同一冷却板18a上。同样，在冷却板18b上安装有两个相部分的电路，它们由半导体元件16e—16h、二极管17e、17f、半导体元件16m—16p的二极管17g、17h组成。即，电力变换装置的4个相部分构成主电路单元。与将两个相部分安装在一个冷却装置上的两组两相集成主电路相比，由于共用冷却装置和主电路单元外罩的装配部分，如图7所示将四个相区放于一个冷却装置上的四相集成主电路可以造得更小。而且，在将主电路单元装入容纳主电路单元的壳体内时，安装四相集成主电路单元的装配工作量和装配时间都有所减小，因此，与两相集成主电路单元相比，由于在壳体内安装一个主电路单元要比安装两个主电路单元简单，因而也降低了制造成本。而且，如果以电力变换装置的两相部分为一组，两组分别安装在冷却装置侧面18a、18b以及19上，那么通过将各组在冷却装置18a、18b、19上对称放置可以共用这些部分。其中，损耗大的电路与损耗小的电路放在一个侧面上，而在另一侧面上，其背面电路损耗小的位置上放置损耗大的电路，背面电路损耗大的位置上放置损耗小的电路。这样，通过平衡可以进一步改善冷却装置的冷却能力。

图8表示集成了电力变换装置的三个相部分和过电压保护电路的主电路单元构造，作为一个例子它包括IGBT3电平控制。电力变换装置的三个相部分与图7所示由半导体元件16e—16p和二极管17c—17h组成的电路相同，而余下的一个相部分为一个由半导体元件20a、20d、电阻20b、20c组成的过电压保护电路。虽然在图8中电阻器20b、20c位于冷却平板18a上，但是也可以将电阻放于主电路单元之外并相互连接。电力变换装置的一个相部分(例如逆变器)和过电压保护电路装于冷却板18a上，而电力变换装置的两个相部分(一个相部分为变换器而另一个相部分为逆变器)装于冷却平1 8b上。图8所示主电路单元与图7所示主电路单元的不同之处在于用过电压保护电路替换了图7的主电路单元电力变换装置四个的相部分中的一个，而电力变换装置的其它三个相部分以及冷却装置与图7中的相同。因此它们间的部件可以共用。

如果采用交流电源驱动电车，在图7主电路单元电力变换装置的四个部分中，两个用作变换器，另外两个用作逆变器，在图8主电路单元电力变换装置的三个相部分中，两个用作变换器，余下一个用作逆变器。因此，冷却装置的尺寸可以做得较小而这些装置也可以共用。

由于两侧的冷却能力是相同的，通过将变换器的两个相部分置于冷却板18a上而把逆变器的两个相部分置放于冷却板18b上，或者通过将变换器的一个相部分和逆变器的一个相部分分别置于冷却板的两侧，也可以获得与上面相同的效果。

就缓冲器损耗而言，两相部分或四相部分的缓冲器电阻可以置于流经散热片以冷却变换器和逆变器的缓冲器及半导体元件的冷却空气流的下游，这样将器件一起冷却，可使所要求的冷却能力较小。

正如以上所述，按照本发明，电力变换装置的各部分可以共用，用于PWM变换器/逆变器电车的电力变换装置可以降低冷却能力要求。因此，可以缩小电车上用的电力变换装置的尺寸。

Claims

1.一种电力变换装置，带有将交流电转换为直流电的变换器，其中有一个相部分有多个串联的自灭弧元件；还带有将直流电转换为交流电的逆变器，其中在一个相部分上有多个串联的自灭弧元件；所述电力变换装置的特征在于，

所述的变换器和所述的逆变器都至少有一个相部分安装在同一冷却装置上。

2.一种如权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于，所述电力变换装置安装在电车上并控制驱动电车的感应电动机。

3.一种如权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于，所述的变换器为单相两电平变换器，该变换器具有在一个相部分上有两个串联连接的所述自灭弧元件的结构。

4.一种如权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于，所述的变换器为单相三电平变换器，具有在一个相部分上有四个串联连接的所述自灭弧元件的结构。

5.一种如权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于，所述的变换器为三相两电平变换器，它具有在一个相部分上有两个串联连接的所述自灭弧元件的结构。

6.一种如权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于，所述的变换器为三相三电平变换器，它具有在一个相部分上有四个串联连接的所述自灭弧元件的结构。

7.一种含有若干电路的电力变换装置，这种电路包含多个串联连接的自灭弧元件，其两端与直流电路中的电容相连，并有与交流电路相连的节点，其特征在于，带有与交流电源相连的交流节点的所述串联电路与带有与电动机相连的交流节点的所述串联电路安装在同一冷却装置上。

8.一种如权利要求7所述的电力变换装置，其特征在于，带有若干串联连接自灭弧元件并带有与交流电源相连的交流节点的所述电路与带有多个串联连接自灭弧元件并带有与电机相连的交流节点的所述电路安装在所述冷却装置的一侧表面，而另外带有多个串连接自灭弧元件并带有与交流电源相连的交流节点的所述电路与带有多个串联连接自灭弧元件并带有与电动机相连的交流节点的所述电路安装在所述冷却装置的另一侧表面。

9.一种电力变换装置，其中的电路结构为，两个自灭弧元件串联连接以形成公用节点作交流节点，电路两端与直流电路中的电容器并联连接以形成一个相部分的电路，一个相部分的多个电路并联连接，一个相部分的电路包含将所述交流节点连于交流电源的电路和将所述交流节点连于电动机的电路，其特征在于，将所述交流节点与交流电源相连的所述电路与将所述交流节点与电机相连的所述电路安装在同一冷却装置上。

10.一种电力变换装置，其特征在于具有如下的电路结构，用于一个相部分的多个电路并联连接；通过将第一到第四个自灭弧元件串联连接构成这种一个相部分的电路，电路两端与直流电路中的电容两端相连，构成所述第二和第三自灭弧元件的公用节点作交流节点，通过串联连接的第一和第二二极管将所述第一和第二自灭弧元件的公用节点与所述第三和第四自灭弧元件的公用节点相连，而所述第一和第二二极管的公用节点与直流电路的中性点也相互连接；将所述交流节点与交流电源相连的所述电路和将所述交流节点与电动机相连的所述电路安装在同一冷却装置上。