JP2011229372A - 電気車制御装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】永久磁石同期電動機2a,2b,2c,2dを駆動するための電力を供給するVVVF主回路インバータ21a,21b,21c,21dが4台で1つとしてユニット化され、その4台のVVVF主回路インバータが永久磁石同期電動機への電力供給動作のために、VVVF主回路インバータから発生する熱を外気へと放散するための冷却機構がVVVFインバータ4台で共有される4in1インバータユニットとして構成されている。また、永久磁石同期電動機が駆動可能なように電力を変換する半導体素子2つを1つのユニットとする2in1半導体素子デバイスパッケージを前記4in1インバータユニット内に収納することで、インバータを個別制御と装置全体の小型化を可能とした。
【選択図】図1
Description
図9は、従来の台車制御を取り入れた永久磁石同期電動機の回路ブロック構成図である。架線電力は、集電装置100、高速遮断器101、充電抵抗用短絡スイッチ102と充電抵抗器103から成る充電抵抗回路、第1の開放用接触器104、第1のフィルタリアクトル、第1の過電圧抑制抵抗器107と第1の過電圧抑制抵抗器スイッチ108から成る過電圧回路と、第1の直流電圧検出器109a、第1のインバータ用フィルタコンデンサ110aを介して、2in1インバータユニット120を構成するVVVFインバータ111aへ流れる。VVVFインバータ111aでは、直流の架線電流が交流へと変換される。変換された交流電流は、3相線に接続される電流センサ112a、電動機開放用接触器113a、電動機端子間電圧検出器114aを介して永久磁石同期電動機115aに駆動力として供給される。VVVFインバータ111aと同様に構成されるVVVFインバータ111bが直列に接続され、1つの放熱器23bを共有する2in1インバータユニット120aは、2in1インバータユニット120aと同様の構成の2in1インバータユニット120bが並列に2つ接続されている。また、2in1インバータユニット120bは、2in1インバータユニット120aと集電装置100からの接続も同様である。また、接地として車輪116が、2in1インバータユニット120aと2in1インバータユニット120bにそれぞれ接続されている。
ゲート制御装置130は、2in1インバータユニット120aのVVVFインバータ111a、111bのゲートと過電圧抑制制御用素子107をスイッチングするゲート信号とを1台で制御する。このためVVVFインバータ111a、111bのそれぞれのフィルタコンデンサ電圧検出器109a、109bによる出力電流CTU1、CTW1、CTU2、CTW2、電動機端子間電圧検出器114a、114bによる電動機端子間電圧PT3、PT4すべて1台のゲート制御装置130へ入力される。2in1インバータユニット120a、120bはそれぞれの出力に永久磁石同期電動機115a、115bが1台ごとに接続され、制御単位は個別制御方式となっているが、開放用接触器104、フィルタリアクトル105は各VVVFインバータ120a、120bそれぞれに1台ごとに設け、開放単位は電動機2台分のインバータ111a、111bの組、あるいはインバータ111c、111dの組み単位になる。
このような台車制御と同等の外形とコストのシステム構成で、個別制御が可能な永久磁石同期電動機が提供されている。
本発明の第1の実施形態について図を参照して説明する。図1は、本発明の第1の実施形態の回路構成図である。図2は、本発明の第1の実施形態の半導体素子デバイスパッケージの等価回路図である。図3は、本発明の第1の実施形態の半導体素子デバイスパッケージの電圧出力と温度上昇図である。図4は、本発明の第1の実施形態の外観図である。
本実施形態の電気車制御装置の回路構成は、図1に示すように、第1の4in1インバータユニット1の直流側は、集電装置4、高速遮断器5、充電抵抗用短絡接触器6、充電抵抗器7、開放接触器8、フィルタリアクトル9、過電圧抑制抵抗器10、過電圧抑制用スイッチング素子11、車輪12、フィルタリアクトル14で構成され、交流側は永久磁石同期電動機2(2a、2b、2c、2d)、モータ開放接触器3(3a、3b、3c、3d)、電流センサ34(34a、34b、34c、34d)で構成される。
図2は、半導体素子デバイスパッケージの等価回路図である。図3は半導体素子デバイスパッケージ内の半導体素子のスイッチング状態と、そのスイッチングによる半導体素子デバイスパッケージの温度状態を示す図である。
本実施形態の電気車制御装置の作用について説明する。架線直流電力は、集電装置4を介して電気車制御装装置に供給される。集電装置4を通って供給された直流電力は、通常、投入されている高速遮断器5、充電抵抗器7、投入されている開放用接触器8、フィルタリアクトル9を通って、フィルタコンデンサ14に供給される。フィルタコンデンサ14及び並列に接続された各インバータのフィルタコンデンサ(13a、13b、13c、13d)に直流電流が流れ、十分な電荷が蓄積されると、充電低効用短絡接触器6が投入され、架線からの直流電力は、高速遮断器5、充電抵抗用短絡接触器6、開放用接触器7、フィルタリアクトル9を通って、第1の4in1インバータユニット1に供給される。
インバータ用フィルタコンデンサ13に十分に充電され、第1の4in1インバータユニット1に架線直流電力が供給されると、VVVFインバータ21a、21b、21c、21dのU相半導体素子デバイスパッケージ22a、V相半導体素子デバイスパッケージ22b、W相半導体素子デバイスパッケージ22cに収納されている半導体素子に直流電力が送られることになる。送られた直流電力は、半導体素子のスイッチングによって交流電力に変換される。変換された交流電力は、4つの永久磁石同期電動機2に供給され、永久磁石同期電動機2の駆動が開始される。本実施形態において、例えば、第1の4in1インバータユニット1に1500Vの架線電圧が印加される場合、VVVFインバータ21a、VVVFインバータ21b、VVVFインバータ21c及び、VVVFインバータ21dにも同様の1500Vの電圧が印加される。1500Vの電圧がVVVFインバータ21a、VVVFインバータ21b、VVVFインバータ21c、VVVFインバータ21dのそれぞれに印加されると、その電圧に見合う電流が永久磁石同期電動機2に流れ、永久磁石同期電動機2は駆動される。
このような構成の電気車制御装置は、U相半導体素子デバイスパッケージ22a、V相半導体素子デバイスパッケージ22b、W相半導体素子デバイスパッケージ22cをそれぞれ4つずつ収納する第1の4in1インバータユニット1の発熱量も装置全体で均一化されるため、共有される放熱器23bより効率的に冷却することが可能である。また、従来のように個別に半導体素子を放熱器23bに設置していた場合、24個の半導体素子の設置スペースを必要としていたが、デバイスパッケージから発生する熱量が均一になるように2つの半導体そしを収納することで冷却器23の使用効率が向上し、小スペースでの設置が可能となり、12個の半導体素子デバイスパッケージ22を放熱器23bに取り付けた4in1インバータユニットを構成することが可能となった。
本発明の第2の実施形態について図を参照して説明する。図5は、本発明の第2の実施形態の回路構成図である。図1乃至4と同一の構成をとるものについては、同符号を付して説明を省略する。
本実施形態の電気車制御装置の回路構成と第1の実施形態の回路構成は、第1の4in1インバータユニット1内のVVVFインバータ21a、21b、21c、21dとは異なる接続状態で、直流電圧センサ32a、32b、32c、32dが追加されている第2の4in1インバータユニット30を用いる点で異なっている。以下にその点について説明する。
本実施形態の電気車制御装置の作用について説明する。本実施形態のおいて、例えば、第2の4in1インバータユニット30に1500Vの架線電圧が印加される場合、インバータ直列回路33a、33bにも同様の1500Vの電圧が印加される。インバータ直列回路33a、33b内では1500Vの架線電圧が2分圧されて、750Vの電圧がVVVFインバータ21a、VVVFインバータ21b、VVVFインバータ21c、VVVFインバータ21dのそれぞれに印加され、その電圧に見合う電流が永久磁石同期電動機2に流れ、永久磁石同期電動機2は駆動される。
このような構成の電気車制御装置は、第1の実施形態の効果に加えて、VVVFインバータ21が印加される架線電圧を2分圧する。そのため、第1の実施形態よりも低い電圧で半導体素子のスイッチングを行うため、電力変換損失として発生する熱を低減することが可能となる。熱の発生が低減されることで冷却機講の小型化と装置駆動時の省エネを図ることが可能となる。
本発明の第3の実施形態について図を参照して説明する。図6は、本発明の第3の実施形態の回路構成図である。尚、図1乃至4と同一の構成をとるものについては、同符号を付して説明を省略する。
本実施形態の電気車制御装置の回路構成と第1の実施形態の回路構成は、第1の4in1インバータユニット1内のVVVFインバータ21a、21b、21c、21dとは異なる接続状態で、直流電圧センサ40a、40b及び、フィルタコンデンサ41a、41bが追加されている第3の4in1インバータユニット42を用いる点で異なっている。以下にその点について説明する。
次に本実施形態の作用について説明する。本実施形態において、例えば、第3の4in1インバータユニット42に1500Vの架線電圧が印加される場合、インバータ並列回路43a、43bには分圧された750Vの電圧が印加される。インバータ並列回路43a、43bに750Vの電圧が印加されると、750Vの電圧がVVVFインバータ21a、VVVFインバータ21b、VVVFインバータ21c、VVVFインバータ21dのそれぞれに印加され、その電圧に見合う電流が永久磁石同期電動機2に流れ、永久磁石同期電動機2は駆動される。
本実施形態は、第1の実施形態と同様の作用を得ることが可能である。また、VVVFインバータ21が印加される架線電圧を2分圧する。そのため、第1の実施形態よりも低い電圧で半導体素子のスイッチングを行うため、電力変換損失として発生する熱を低減することが可能となる。熱の発生が低減されることで冷却機講の小型化と装置駆動時の省エネを図ることが可能となる。
本発明の第4の実施形態について図を参照して説明する。図7は、本発明の第4の実施形態の3レベル電力変換装置のU相回路図である。図8は、本発明の第4の実施形態の電力変換装置の外観図である。尚、図1乃至4と同一の構成をとるものについては、同符号を付して説明を省略する。
本実施形態は第1の実施形態の半導体素子デバイスパッケージ22を3レベルの電力変換装置である第4のインバータユニット適用したものである。以下、その点について説明する。図7に示すように、本実施形態の3レベル電力変換装置のU相回路は、第一素子65a、第二素子65b、第三素子65c、第四素子65d及び第一クランプダイオード69a、第二クランプダイオード69bから構成される。
U相回路66では、半導体素子が電力変換のためのスイッチングを行った場合、第二素子65b及び第三素子65cのインダクタンスが最も大きくなる。つまり、第二素子65b及び第三素子65cからの発熱量が最も大きくなる。次に、第一素子65a及び第四素子56dからの発熱量が大きくなる。第一クランプダイオード69a及び第二クランプダイオード69bからの発熱量は最も少ない。V相回路67及びW相回路68も同様である。そのため、第一素子64aと第三素子65cを組み合わせて収納した第1の半導体素子デバイスパッケージ66a、67a、68aと、第二素子65bと第四素子65dを組み合わせて収納した第2の半導体素子デバイスパッケージ66b、67b、68bから発生する発熱量が同等なる。また、第一クランプダイオード69a、第二クランプダイオード69bを組み合わせて収納した第3の半導体素子デバイスパッケージ66c、67c、68cは、第1の半導体素子デバイスパッケージ66a、67a、68aと第2の半導体素子デバイスパッケージ66b、67b、68bから発生する発熱量よりも低くなる。
このような構成の電気車制御装置は、発熱量の多い第1の半導体素子デバイスパッケージ66a、67a、68aと第2の半導体素子デバイスパッケージ66b、67b、68bの間に、発熱量の少ない第3の半導体素子デバイスパッケージ66c、67c68cを挟むようにして配置することで、受熱板23aへ伝わる熱が受熱板23a全体で均一化されやすく、冷却機講23で効率よく冷却することが可能となる。そのため半導体素子の数が多い3レベル電力変換装置のおいても従来よりも小型化が可能となる。
1a VVVFインバータ
1b 2in1半導体素子デバイスパッケージ
2 永久磁石同期電動機
2a 永久磁石同期電動機
2b 永久磁石同期電動機
2c 永久磁石同期電動機
2d 永久磁石同期電動機
3 モータ開放接触機
3a モータ開放接触器
3b モータ開放接触器
3c モータ開放接触器
3d モータ開放接触器
4 集電装置
5 高速遮断器
6 充電抵抗用短絡接触器
7 充電抵抗器
8 開放接触器
9 フィルタリアクトル
10 過電圧抑制抵抗器
11 過電圧抑制用スイッチング素子
12 車輪
13 各インバータ用フィルタコンデンサ
13a インバータ用フィルタコンデンサ
13b インバータ用フィルタコンデンサ
13d インバータ用フィルタコンデンサ
14 フィルタコンデンサ
15 直流電圧センサ
16 2in1VVVFインバータユニット
17 4in1VVVFインバータユニット
18 4in1VVVFインバータユニット
19 過電圧抑制用直流回路
21 VVVFインバータ
21a VVVFインバータ
21b VVVFインバータ
21c VVVFインバータ
22 半導体素子デバイスパッケージ
22a U相半導体素子デバイスパッケージ
22b V相半導体素子デバイスパッケージ
22c W相半導体素子デバイスパッケージ
23 冷却機講
23a 受熱板23a
23b 放熱器
24a 正側素子
24b 負側素子
30 第2の4in1インバータユニット
32 直流電圧センサ
32a 直流電圧センサ
32b 直流電圧センサ
32c 直流電圧センサ
32d 直流電圧センサ
33a インバータ直列回路
33b インバータ直列回路
40 直流電圧センサ
40a 直流電圧センサ
40a 直流電圧センサ
41 フィルタコンデンサ
41a フィルタコンデンサ
41b フィルタコンデンサ
42 第3の4in1インバータユニット
43a インバータ並列回路
43b インバータ並列回路
60 第4のインバータユニット
61 ゲート制御付き4in1インバータユニット
62 ゲート制御部
63 システムインターフェイス
64 車両端末
65 半導体素子
65a 第一素子
65b 第二素子
65c 第三素子
65d 第四素子
66 U相回路
66a 第一のU相半導体素子デバイスパッケージ
66b 第二のU相半導体素子デバイスパッケージ
66c 第三のU相半導体素子デバイスパッケージ
67 V相回路
67a 第一のV相半導体素子デバイスパッケージ
67b 第二のV相半導体素子デバイスパッケージ
67c 第三のV相半導体素子デバイスパッケージ
68 W相回路
68a 第一のW相半導体素子デバイスパッケージ
68b 第二のW相半導体素子デバイスパッケージ
68c 第三のW相半導体素子デバイスパッケージ
69 ダイオード
69a 第一クランプダイオード
69b 第二クランプダイオード
100 集電装置
101 高速遮断器
102 充電抵抗用短絡スイッチ
103 充電抵抗器
104 第1の開放用接触器
105 第1のフィルタリアクトル
106 第1のフィルタコンデンサ
107 第1の過電圧抑制抵抗器
108 第1の過電圧抑制抵抗器スイッチ
109a 第1の直流電圧検出器
110a 第1のインバータ用フィルタコンデンサ
111 VVVFインバータ
112 電流センサ
113 電動機開放接触器
114 電動機端子間電圧検出器
115 永久磁石同期電動機
116 車輪
120 2in1VVVFインバータユニット
Claims (10)
- 電動機が駆動するための電力を供給するU相回路、V相回路、W相回路から成るインバータと、
複数台の前記インバータを、前記インバータの電力変換行為から発生する熱を外気へと放散するための冷却機講に設置し、前記冷却機講が前記インバータ複数台で共有されるインバータユニットと、
前記インバータユニットは前記インバータで構成され、
前記インバータの一部を構成し、前記電動機が駆動可能なように電力を変換するU相のON/OFFのスイッチング動作を行う2つの半導体素子を一つのデバイスパッケージに収納したU相半導体素子デバイスパッケージと、
前記インバータの一部を構成し、前記U相半導体素子デバイスパッケージと接続され、前記電動機が駆動可能なように電力を変換するV相のON/OFFのスイッチング動作を行う2つの半導体素子を1つのデバイスパッケージに収納したV相半導体素子デバイスパッケージと、
前記インバータの一部を構成し、前記U相及びV相半導体素子デバイスパッケージと接続され、前記電動機が駆動可能なように電力を変換するW相のON/OFFのスイッチング動作を行う2つの半導体素子を一つのデバイスパッケージに収納したW相半導体素子デバイスパッケージと、
から成ることを特徴とする電気車制御装置。 - 前記U相半導体素子デバイスパッケージは、U相の上アームとV相の下アームの半導体素子で構成され、
前記V相半導体素子デバイスパッケージは、V相の上アームとV相の下アームの半導体素子で構成され、
前記W相半導体素子デバイスパッケージは、W相の上アームとW相の下アームの半導体素子で構成されることを特徴とする請求項1記載の電気車制御装置。 - 前記U相半導体素子デバイスパッケージ、前記V相半導体素子デバイスパッケージ、前記W相半導体素子デバイスパッケージにおいて、4つの前記U相半導体素子デバイスパッケージと、4つの前記V相半導体素子デバイスパッケージと、4つの前記V相半導体素子デバイスパッケージが共通する冷却機講に設置されていることを特徴とする請求項1及び2記載の電気車制御装置。
- 前記インバータユニットにおいて、架線から供給される架線電力を整流するフィルタリアクトルと、前記架線電力が前記インバータユニットの故障となる容量で供給された際に前記架線電力を放電する過電圧抑制用直流回路を共有したことを特徴とする請求項1乃至3記載の電気車制御装置。
- 架線から電力の供給を受ける複数の前記インバータユニットにおいて、
前記インバータユニットの架線側で前記インバータユニットと架線とを接続するプラス側導体と、
前記インバータユニットの架線側で前記インバータユニットと接地とを接続するマイナス側導体と、
前記複数のインバータユニットは、前記プラス側導体、前記マイナス側導体、および架線からの電流を充電するために片側端子が前記プラス側導体に接続され、他片側端子が前記マイナス側導体に接続されるフィルタコンデンサを共有することを特徴とする請求項1乃至4記載の電気車制御装置。 - 前記インバータユニットの制御単位は前記インバータごとに制御され、前記インバータ2台を並列に接続したインバータ並列回路と、前記インバータ2台を並列接続した別のインバータ並列回路とを直列に接続することで、前記インバータに印加する電圧は、前記インバータユニットに印加する電圧の1/2とすることで、前記インバータユニットからの発熱量を低減させることを特徴とした請求項1乃至5記載の電気車制御装置。
- 前記インバータユニットの制御単位は前記インバータごとに制御され、前記インバータ2台を直列接続したインバータ直列回路と、前記インバータ2台を直列接続した別のインバータ直列回路を直列接続することで、前記インバータに印加する電圧は、前記インバータユニットに印加する電圧の1/2とすることで、前記インバータユニットからの発熱量を低減させることを特徴とする請求項1乃至6記載の電気車制御装置。
- 前記インバータユニットが複数台(N)のインバータで構成されるとき、前記インバータユニットの制御単位は前記インバータごとに制御され、前記インバータ、複数台のうち、半数台(N/2)の前記インバータを並列に接続した並列インバータ回路と、前記インバータ複数台の残りの半数台(N−N/2)の前記インバータを並列接続した別の並列インバータ回路とを、直列に接続することを特徴とした請求項1乃至5記載の電気車制御装置。
- 前記インバータの前記U相回路、前記V相回路、前記W相回路において、
前記U相回路はU相第一素子、U相第二素子、U相第三素子、U相第四素子が直列接続された直列回路と、直列に接続されたU相第一ダイオード、U相第二ダイオードが前記直列回路に並列に接続され、前記U相第一素子及び前記U相第三素子が第1のU相第一半導体素子デバイスパッケージに収納され、前記U相第二素子及び前記U相第四素子が第2のU相第二半導体素子デバイスパッケージに収納され、前記U相第一ダイオード及び前記U相第二ダイオードが第3のU相第三半導体素子デバイスパッケージに収納され、V相はV相第一素子、V相第二素子、V相第三素子、V相第四素子で直列接続された直列回路と、直列に接続されたV相第一ダイオード、V相第二ダイオードが前記直列回路に並列に接続され、前記V相第一素子及び前記V相第三素子が第1のV相第一半導体素子デバイスパッケージに収納され、前記V相第二素子及び前記V相第四素子が第2のV相第二半導体素子デバイスパッケージに収納され、前記V相第一ダイオード及び前記V相第二ダイオードが第3のV相第三半導体素子デバイスパッケージに収納され、W相はW相第一素子、W相第二素子、W相第三素子、W相第四素子で直列接続された直列回路と、直列に接続されたW相第一ダイオード、W相第二ダイオードが前記直列回路に並列に接続され、前記W相第一素子及び前記W相第三素子がW相第一半導体素子デバイスパッケージに収納され、前記W相第二素子及び前記W相第四素子がW相第二半導体素子デバイスパッケージに収納され、前記W相第一ダイオード及び前記W相第二ダイオードがW相第三半導体素子デバイスパッケージに収納されたことを特徴とする請求項1乃至5記載の電気車制御装置。 - 前記第一のU相半導体素子デバイスパッケージ、前記第二のU相半導体素子デバイスパッケージ、前記第三のU相半導体素子デバイスパッケージ、前記第一のV相半導体素子デバイスパッケージ、前記第二のV相半導体素子デバイスパッケージ、前記第三のV相半導体素子デバイスパッケージ、前記第一のW相半導体素子デバイスパッケージ、前記第二のW相半導体素子デバイスパッケージ、前記第三のW相半導体素子デバイスパッケージを共有する冷却機講に設置する場合、前記U相第三半導体素子デバイスパッケージと、前記V相半導体素子デバイスパッケージと、前記W相半導体素子デバイスパッケージ間の距離が最も遠くなるように配置したことを特徴とする請求項9記載の電気車制御装置。
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