JP2009096318A - 高速鉄道車両用電力変換装置 - Google Patents

高速鉄道車両用電力変換装置 Download PDF

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Abstract

【課題】装置全体の軽量化及び信頼性向上が図れる高速車両用電力変換装置を得る。
【解決手段】コンバータを構成する主回路を一体化したコンバータユニット14とし、インバータを構成する主回路を一体化したインバータユニット15とし、コンバータユニット14の直流正端子14P及び直流負端子14N並びに中性点端子14Cと、インバータユニット15の直流正端子15P及び直流負端子15N並びに中性点端子15Cをそれぞれ互いの端子中心位置を合わせ、且つそれぞれの端子の電接面が同一面で導体接続室の底部にとなるように配置し、互いの端子を中継接続導体により接続し、各接続部をネジに取り外し可能に締結した高速車両用電力変換装置。
【選択図】図19

Description

本発明は、例えば180Km/h以上で走行する高速鉄道車両に用いられる高速鉄道車両用電力変換装置に関する。
図21は、特許文献1に示されている、従来の走行風を利用した冷却方式の高速車両用電力変換装置の車体への艤装配置図(車体下面からの装置斜視図)を示しており、図22は、正面図(図21のA−A断面図)を示しており、図23は、上面図(図22のB−B断面図)を示しており、図25は、正面図(図23のC−C断面図)を示しており、図26は、側面図(図23のD−D断面図)を示している。
図21に示すように、走行風1を利用した冷却方式の高速車両用電力変換装置2は冷却器3の放熱部4を装置本体の中央底面部に装置本体の外周面より外部に突出して取り付け、冷却器3を取り付けた装置本体の中央底面部を車両底面6より上方に凹ませ、冷却器3が配置されていない装置本体のレール方向底面部7をレール方向8に対して装置本体の両端部9が車両底面6と同一位置となる様に下方に傾斜させ、新幹線等の高速鉄道車体10の床下に設置されている。
次に、図24に一般的な高速車両用電力変換装置の主回路構成13の回路図を示す。コンバータ11は、交流電源22からの交流電力を直流電力に変換するもので、2相のレグ11U、11Vで構成され、その各レグは複数の半導体パワーデバイスとダイオードからなっている。インバータ12は、コンバータ11により変換された直流電力を3相交流電力に変換して例えば高速鉄道車両駆動用の誘導電動機23に供給するもので、3相のレグ12U、12V、12Wで構成され、その各レグは複数の半導体パワーデバイスとダイオードからなっている。このように、従来の主回路構成13の分割は、コンバータ11は各レグ毎で2ユニットの相構成、インバータ12は各レグ毎で3ユニットの相単位構成となっている。
これらユニットの機器配置構成は、図23に示すとおり装置中央部にコンバータユニットのレグ11U、11Vを枕木方向16に配置し、またインバータユニットのレグ12U、12V、12Wはコンバータユニットのレグ11U、11Vのレール方向8に隣接し、かつ枕木方向16に配列され、図22、図27に示すとおりコンバータユニットとインバータユニットがレール方向8に互いに対向する配置となっている。コンバータユニットと、インバータユニットは概略図23のように、具体的には図20に示すように、各レグから導出された端子11UP、11UC、11UN、11VP、11VC、11VN、12UP、12UC、12UN、12VP、12VC、12VN、12WP、12WC、12WN間の直流回路を接続導体171、172、173にて接続している。
特開2003−48533
しかしながら、コンバータユニットとインバータユニットに流れる直流電流は電流値が大きく、接続導体171、172、173の発熱を抑えるため導体断面積を大きくする必要があり、また図22に示すように枕木方向16に配列したコンバータユニットとインバータユニット間を、接続導体171、172、173で接続するため導体長が枕木方向16に長くなり、導体質量増加に伴い装置全体の質量増加につながっていた。
また、図22、図25、26、27、28、29に示すとおり、装置の底面開放部全体に放熱部4を配置しているため、レール18上でコンバータユニット及びインバータユニットを取り外す場合には、一旦下に下ろしてから車側19方向に引き出す必要があるが、ユニット高さ寸法20が車両底面6〜レール18上部までの距離例えば200mmより大きいため、装置筐体の開放部と密閉部を仕切る装置車側部分のパッキン20を取り付けるためのパッキンガイドフレーム21を取り外す必要がありこのパッキンガイドフレーム21の取り付け境界部の水密性の信頼性及び、筐体強度の信頼性に問題があった。
上述のように、従来の高速車両用電力変換装置の機器配置構成では、コンバータユニットとインバータユニット間を接続する直流回路を構成する導体の導体長が長くなり、またユニット交換時には、筐体の車側のパッキンガイドフレームを取り外す必要があることから装置の質量増及び、筐体の水密性及び強度に対し信頼性の低下といった問題点があった。
この発明は、このような従来の問題点を改善するためになされたもので、装置全体の軽量化及び信頼性向上が図れる高速車両用電力変換装置を提供することを目的とする。
前記目的を達成するため、請求項1に対応する発明は、レール上を走行する高速鉄道車体であって、前記高速鉄道車体の床下側に形成されている筐体内に設置され、交流電力を直流電力に変換するコンバータ及び前記コンバータの直流電力を三相交流電力に変換するインバータからなる電力変換装置本体と、前記電力変換装置本体に一体に形成され、前記電力変換装置本体を冷却するものであって、複数の放熱フィンを並設してなる放熱部を備え、前記放熱フィンの配列方向を前記レール方向と一致するように配置した冷却器とを具備し、前記冷却器を取り付けた前記電力変換装置本体の両車側底面部を高速鉄道車体の底面より上方に凹ませ、前記冷却器が配置されていない電力変換装置本体の両車側底面部を前記レール方向に対して前記電力変換装置本体の両端部が車両底面と同一位置となる様に下方に傾斜させ前記電力変換装置本体の前記レール方向における中央部の枕木方向における中央部分に機器室を設け、前記高速鉄道車体の走行時に発生する走行風を利用して前記冷却器を冷却する走行風冷却方式の高速鉄道車両用電力変換装置において、前記コンバータはU相及びV相の回路で構成し、これらの回路を前記筐体内に収納すると共に前記放熱部のうちの前記コンバータに対応する複数の放熱フィンを一体で構成し、かつこれの直流端子を枕木方向の機器室側に導出し、前記電力変換装置本体の前記筐体内の枕木方向中央部分にある導体接続室を境に、前記電力変換装置の主回路端子台が配置されていない車側側に配置するコンバータユニットとし、前記インバータはU相及びV相並びにW相の回路で構成し、これらの回路を前記筐体内に収納すると共に前記放熱部のうちの前記インバータに対応する複数の放熱フィンを一体で構成し、かつこれの直流端子を前記コンバータユニットの端子の導出方向と同一方向の機器室側に導出し、前記電力変換装置本体の筐体内にある導体接続室を境に、前記電力変換装置の主回路端子台が配置されている車側側に配置するインバータユニットとし、前記コンバータユニットと前記インバータユニットのそれぞれの端子の同電位端子同士を互いの端子中心位置を合わせ、且つそれぞれの端子の電接面が同一面で導体接続室の底部にとなるように配置し、互いの端子を中継接続導体により接続し、各接続部をネジに取り外し可能に締結し、前記導体接続室の底部に底カバーを取り外し可能に配置したことを特徴とする高速鉄道車両用電力変換装置である。
本発明によれば、装置全体の軽量化及び信頼性向上が図れる高速車両用電力変換装置を提供できる。
以下、本発明に係る高速鉄道車両用電力変換装置の実施形態について、図面を参照して説明する。
(第1の実施の形態)
(構成)
本発明の第1の実施形態を図1〜5、図19に示す。
U相及びV相の回路を一つのユニット内に一体で構成したコンバータユニット14と、U相及びV相並びにW相を一つのユニット内に一体で構成したインバータユニット15とを、装置本体のレール方向8の中央部の枕木方向16の中央部分にある導体接続室(機器室)を境に、装置主回路の端子台が配置されている車側側にインバータユニット15を配置し、他方にコンバータユニット14を配置し且つ、装置本体のレール方向8の中心位置と、コンバータユニット14のレール方向8の中心位置及びインバータユニット15のレール方向中心位置とを合わせ、装置本体のレール方向中央部の枕木方向中央部分にある機器室内でコンバータユニットの直流正端子14P、直流負端子14N、中性点端子14Cと、インバータユニット15の直流正端子15P、直流負端子15N、中性点端子15Cを互いに向かい合わせコンバータユニット14にそれぞれ有する直流端子14P、14C、14Nとインバータユニット15にそれぞれ有する直流端子15P、15C、15Nの同電位端子同士を互いの端子中心位置を合わせ且つそれぞれの端子の電接面が同一面となるように配置し、互いの端子を中継導体17P、17C、17Nにより接続し、接続部をネジ(図示しないが図19の×の印部)により締結し導体接続室(機器室)底部に底カバー5を配置し組み立てられている。
なを、本発明の前提は、レール18上を走行する高速鉄道車体10であって、高速鉄道車体10の床下側に形成されている筐体30内に設置され、交流電力を直流電力に変換するコンバータ及びコンバータの直流電力を三相交流電力に変換するインバータからなる電力変換装置本体2と、電力変換装置本体2に一体に形成され、電力変換装置本体2を冷却するものであって、複数の放熱フィンを並設してなる放熱部4を備え、放熱フィンの配列方向をレール方向8と一致するように配置した冷却器3とを具備し、冷却器3を取り付けた電力変換装置本体2の両車側底面部を高速鉄道車体10の底面より上方に凹ませ、冷却器3が配置されていない電力変換装置本体2の両車側底面部をレール方向8に対して電力変換装置本体2の両端部が車両底面と同一位置となる様に下方に傾斜させ電力変換装置本体2のレール方向における中央部の枕木方向における中央部分に導体接続室(機器室)を設け、高速鉄道車体10の走行時に発生する走行風を利用して冷却器3を冷却する走行風冷却方式の高速鉄道車両用電力変換装置である。
(作用)
このように構成された本実施形態の形態において、コンバータユニット14とインバータユニット15のそれぞれのユニット構成を一体化することにより、直流導体を接続するユニットの直流端子数が減少し、また互いに同電位端子である直流端子を導体中心位置を合わせ向かい合わせて配置することにより、図20に示す従来の中継接続導体171、172、173に対して、図19に示す中継接続導体17P、17C、17Nの長さをかなり短くすることができる。また、装置中央部にある導体接続室(機器室)の底部の底カバー5を開け、中継接続導体17P、17C、17Nとの接続部のネジを取外すことにより、パワーユニットの取外しにおいての主回路線の切り離しを行う。
(効果)
従来の高速車両用電力変換装置の構成と比較し、この実施形態の高速車両用電力変換装置の機器構成によれば、最も重い直流導体である、中継接続導体17P、17C、17Nを最短とすることが可能となるため、中継接続導体17P、17C、17Nが軽くなり、装置全体の軽量化が図れる高速車両用電力変換装置を提供できる。
(第2の実施の形態)
(構成)
本発明の第2の実施形態を図6〜10に示す。
本実施形態は第1の実施形態に記載の高速車両用電力変換装置において、電力変換装置本体の筐体の両車側底面部にパッキンガイドフレーム21を取り付け、前記パッキンガイドフレーム21にパッキン20を取り付け、筐体30の天井下面とコンバータユニット14及びインバータユニット15の上面間の距離Xを、コンバータユニット14及びインバータユニット15の底面部とユニットベース40の底面部間の距離Yよりも大きくしているので、コンバータユニット14及びインバータユニット15をパワーユニット取付面から例えば136mmより上側に持ち上げ装置本体の両車側の装置中央部にあるコンバータユニット14及びインバータユニット15をそれぞれの横引出し間口からパワーユニット(コンバータユニット14及びインバータユニット15の総称)を車側に引き出せるように取付・組み立てられている。
(作用)
このように構成された本実施形態に構成によれば、パワーユニット取り外す場合は、パワーユニットをパワーユニット取付面より上に持ち上げ、車側側に引き出す。
(効果)
従来の高速車両用電力変換装置の構成と比較し、筐体30の側面のパッキンガイドフレーム21、及びパッキンガイドフレーム21に取り付けられるパッキン20を取り外さないでパワーユニットを取外すことが可能となるため、水密性を確保する上での装置の信頼性を向上させることができる。
(第3の実施の形態)
(構成)
本発明の第3の実施形態を図11〜15に示す。
本実施形態では、第1の実施形態において、図11、図12、図13に示すように冷却器3の放熱フィン(冷却フィン)の両車側部分に例えば10mm厚みのアルミ製フィンガード41を取付、アルミ製フィンガード41の先端部とフィン先端部を複数本の板状のアルミ板42で連結し、金属板両端部を溶接で固定する。
また、図11、図14、図15に示すように各放熱フィンの自由端側に形成した設けた貫通穴にアルミ棒43を、各放熱フィン自由端が軸方向に移動可能に遊挿させ、アルミ棒43の両端部をアルミ製フィンガード部41に溶接で固定した状態で組み立てられている。
(作用)
このように構成された本実施形態によれば、開放部に配置された放熱フィンに飛石等が衝突してもフィン先端部が曲がったり、放熱フィン間が広がり飛石等が挟まる様な破損状態から予防する。また、アルミ棒43を放熱フィンの自由端に遊挿させることにより、万が一放熱フィン取り付け部分が破損し落下する状態になったとしても、放熱フィンにアルミ棒43が貫通していることから、フィン落下の予防策となり、装置の信頼性を向上させることができる。
(第4の実施の形態)
(構成)
本発明の第4の実施形態を図16〜18に示す。
本実施形態は、第1の実施形態において、車体10とレール18との間であって車体10の底面に固定され、垂直方向断面が台形状であってかつ水平方向断面が矩形状の筐体30を備えている。電力変換装置本体2の筐体30のレール方向両側面には、ふさぎ板取付金具46が取り付けられ、ふさぎ板取付金具46を介してふさぎ板45が接続される。筐体30の内部は、コンバータユニット室31と、インバータユニット室32と、第1乃至第4の電気品収納室33、34、35、36並びに導体接続室37に仕切られ、平面的に見てレール18間の中心線上に導体接続室37を形成し、導体接続室37の枕木方向の両側にコンバータユニット室31とインバータユニット室32をそれぞれ形成し、コンバータユニット室31の走行方向の両側に第1及び第2の電気品収納室33、34をそれぞれ形成し、インバータユニット室32の走行方向の両側に第3及び第4の電気品収納室35、36をそれぞれ形成し、コンバータユニット室31及びインバータユニット室32の外側底面の放熱フィンを有する面が、前記レール方向及び枕木方向において水平面であって、第1及び第2の電気品収納室33、34の外側底面は前記枕木方向の端部がふさぎ板取付金具46の底面の高さと同じでコンバータユニット室31に当接する部分に近づくに従ってレール18との距離が徐々に離れるような傾斜面を有し、第3及び第4の電気品収納室35、36の外側底面は枕木方向16の端部がふさぎ板取付金具46の底面の高さと同じでインバータユニット室32に当接する部分に近づくに従ってレール18との距離が徐々に離れるような傾斜面を有したものである。
具体的には、本実施形態では、第1の実施形態において、装置本体のレール方向両側板面の車両底面から上に、例えば高さ12mmの切欠きを設け組み立てられている
(作用)
従来の電力変換装置では、装置底面から上方の12mmのところにふさぎ板底面部分があることから、ふさぎ板下面を流れる走行風がこの12mmの部分にぶつかり、装置底面に配置している冷却器へ走行風を導入する傾斜面(スロープ)への取込風量が低下するため、本実施形態では、この12mmの部分を切り欠き、スロープ入口の位置とふさぎ板底面位置を合わせ、スロープ入口での風速低下をなくす。
(効果)
従来の高速車両用電力変換装置の構成と比較し、この実施形態の高速車両用電力変換装置の機器構成によれば、風の取込風量の低下がなくなるので、冷却性能の低下を招くことがなくなるため、装置全体の信頼性が向上した高速車両用電力変換装置とすることができる。
本発明の第1の実施形態を説明するための車体下面方向から見た装置斜視図。 図1の本発明のE−E矢視断面図。 本発明の実施形態の主回構成の回路図。 図1の本発明のF−F矢視断面図。 図4のG−G矢視断面図。 本発明の第2の実施形態を説明するための図1の本発明のE−E矢視断面図。 本発明の第2の実施形態を説明するための図1の本発明のE−E矢視断面図。 本発明の第2の実施形態を説明するための図1の本発明のE−E矢視断面図。 本発明の第2の実施形態を説明するための図1の本発明のE−E矢視断面図。 本発明の第2の実施形態を説明するための図1の本発明のE−E矢視断面図。 本発明の第3の実施形態を説明するための図1の本発明のE−E矢視断面図。 図11のフィン端部の拡大正面図。 図12のフィン端部の側面図。 図11のフィン端部の拡大正面図。 図14のフィン端部の側面図。 本発明の第4の実施形態を説明するための図2のF−F矢視断面図。 図16のH矢視図。 図16のJ−J矢視断面図。 本発明の実施形態の作用効果を説明するための図。 従来装置の課題を説明するための図。 従来の例を説明するための車体下面方向から見た装置斜視図。 図21のA−A矢視断面図。 図22のB−B矢視断面図。 従来の例の主回構成を示す回路図。 図23のC−C矢視断面図。 図23のD−D矢視断面図。 図23のC−C矢視断面図であって、コンバータユニットの取外し可能な構成を説明するための図。 図23のC−C矢視断面図であって、コンバータユニットの取外し可能な構成を説明するための図。 図23のC−C矢視断面図であって、コンバータユニットの取外し可能な構成を説明するための図。
符号の説明
1…走行風、2…高速車両用電力変換装置本体、3…冷却器、4…放熱器、5…底カバー、6…車両底面、7…レール方向底面部、8…レール方向、9…両端部、10…高速鉄道車体、10…車体、11…コンバータ、11UP、11UC…端子、12…インバータ、13…主回路構成、14…コンバータユニット、14P…直流正端子、14N…直流負端子、14C…中性点端子、15…インバータユニット、15P…直流正端子、15N…直流負端子、15C…中性点端子、16…枕木方向、17P、17N、17C…中継接続導体、18…レール、19…車側、20…パッキン、21…パッキンガイドフレーム、22…交流電源、23…誘導電動機、30…筐体、31…コンバータユニット室、32…インバータユニット室、33…第1の電気品収納室、34…第2の電気品収納室、35…第3の電気品収納室、36…第4の電気品収納室、37…導体接続室、41…アルミ製フィンガード、41…アルミ製フィンガード部、42…アルミ板、43…アルミ棒、45…ふさぎ板、46…ふさぎ板取付金具、171、172中継接続導体。

Claims (5)

  1. レール上を走行する高速鉄道車体であって、前記高速鉄道車体の床下側に形成されている筐体内に設置され、交流電力を直流電力に変換するコンバータ及び前記コンバータの直流電力を三相交流電力に変換するインバータからなる電力変換装置本体と、
    前記電力変換装置本体に一体に形成され、前記電力変換装置本体を冷却するものであって、複数の放熱フィンを並設してなる放熱部を備え、前記放熱フィンの配列方向を前記レール方向と一致するように配置した冷却器とを具備し、
    前記冷却器を取り付けた前記電力変換装置本体の両車側底面部を高速鉄道車体の底面より上方に凹ませ、前記冷却器が配置されていない電力変換装置本体の両車側底面部を前記レール方向に対して前記電力変換装置本体の両端部が車両底面と同一位置となる様に下方に傾斜させ前記電力変換装置本体の前記レール方向における中央部の枕木方向における中央部分に機器室を設け、前記高速鉄道車体の走行時に発生する走行風を利用して前記冷却器を冷却する走行風冷却方式の高速鉄道車両用電力変換装置において、
    前記コンバータはU相及びV相の回路で構成し、これらの回路を前記筐体内に収納すると共に前記放熱部のうちの前記コンバータに対応する複数の放熱フィンを一体で構成し、かつこれの直流端子を枕木方向の機器室側に導出し、前記電力変換装置本体の前記筐体内の枕木方向中央部分にある導体接続室を境に、前記電力変換装置の主回路端子台が配置されていない車側側に配置するコンバータユニットとし、
    前記インバータはU相及びV相並びにW相の回路で構成し、これらの回路を前記筐体内に収納すると共に前記放熱部のうちの前記インバータに対応する複数の放熱フィンを一体で構成し、かつこれの直流端子を前記コンバータユニットの端子の導出方向と同一方向の機器室側に導出し、前記電力変換装置本体の筐体内にある導体接続室を境に、前記電力変換装置の主回路端子台が配置されている車側側に配置するインバータユニットとし、
    前記コンバータユニットと前記インバータユニットのそれぞれの端子の同電位端子同士を互いの端子中心位置を合わせ、且つそれぞれの端子の電接面が同一面で導体接続室の底部にとなるように配置し、互いの端子を中継接続導体により接続し、各接続部をネジに取り外し可能に締結し、前記導体接続室の底部に底カバーを取り外し可能に配置したことを特徴とする高速鉄道車両用電力変換装置。
  2. 請求項1の高速鉄道車両用電力変換装置において、
    前記筐体であって、前記レール方向と直交する枕木方向の両車側側に形成されている機器引出し間口を閉塞するカウルカバーを取り外し可能に取り付け、
    前記電力変換装置本体の筐体の両車側底面部にパッキンガイドフレームを取り付け、前記パッキンガイドフレームにパッキンを取り付け、前記パッキンにより前記カウルカバーを前記筐体に取り付けた状態で前記筐体内の水密性を確保するように構成し、
    前記筐体の天井下面と前記コンバータユニット及び前記インバータユニットの上面間の距離を、前記コンバータユニット及び前記インバータユニットの底面部と前記ユニットベースの底面部間の距離よりも大きくすることにより、前記コンバータユニット、前記インバータユニットの少なくとも一方を前記筐体の機器引出し間口から前記枕木方向に引き出す際に、前記カウルカバーを前記機器引出し間口から取外した状態で、かつ前記パッキンガイドフレームを前記電力変換装置本体の筐体に取り付けたままの状態で前記筐体の天井下面と前記パッキンガイドフレームの上端面の間に前記コンバータユニット、前記インバータユニットの少なくとも一方を前記機器室内の上方に移動した上で前記機器引出し間口から引き出し可能に構成したことを特徴とする高速鉄道車両用電力変換装置。
  3. 請求項1の高速鉄道車両用電力変換装置において、
    前記冷却器の放熱フィンの両車側部分に所定厚みのアルミ製フィンガードをそれぞれ取付け、前記アルミ製フィンガード先端部と前記放熱フィン先端部を複数本のアルミ板で連結し、前記アルミ板両端部を溶接で固定したことを特徴とする高速鉄道車両用電力変換装置。
  4. 請求項1の高速鉄道車両用電力変換装置において、
    前記冷却器の放熱フィンの両車側部分に所定厚みのアルミ製フィンガードをそれぞれ取付け、前記各放熱フィンの自由端側の所望の位置にそれぞれ肉厚方向の貫通穴を形成し、前記各貫通穴にアルミ棒を遊挿させ、前記アルミ棒の両端部を前記アルミ製フィンガード部に溶接で固定したことを特徴とする高速鉄道車両用電力変換装置。
  5. 請求項1の高速鉄道車両用電力変換装置において、
    前記電力変換装置本体の前記筐体のレール方向両端とふさぎ板取付金具を介して接続されたふさぎ板とを有し、
    前記冷却器が配置されていない電力変換装置本体の両車側底面部を前記レール方向に対して前記電力変換装置本体の両端部が車両底面ではなく、前記ふさぎ板取付金具の底面部と同じ高さになる様に下方に傾斜させたことを特徴とする高速鉄道車両用電力変換装置。
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