JP2016010306A - 電力変換装置および車両用制御装置 - Google Patents
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Abstract
Description
を駆動するための電力を得ており、この電動機を駆動するための電力は、同じく鉄道車両
の床下に設置された電力変換装置によって行われる。
電力との間で変換処理を行うが、このスイッチング動作に伴って熱が発生することから、
この熱を放出するための仕組みが備わっている。例えば、半導体スイッチング素子で発生
した熱を、受熱板を介して放熱フィンへと伝導させ、そして放熱フィンから空中へ熱を放
出することで冷却している。
クト中に空気の流れを起こすことで冷却する方法、または鉄道車両が走行するときに発生
する走行風を冷却フィンに当てることで冷却する方法が一般的となっている。
の仕組みを備えているが、近年、電力変換装置その他の装置の小型化が進んでいることか
ら、熱の影響に配慮した各種機器の配置やより放熱効率の良い仕組みが求められている。
車両用制御装置を提供することを目的とする。
複数の半導体スイッチング素子を有し、交流電力を直流電力に変換するコンバータ部と、
前記コンバータ部に対して鉄道車両の進行方向に並べて配置されるとともに、第2の受熱
板、およびこの第2の受熱板に取り付けられた複数の半導体スイッチング素子を有し、前
記コンバータ部から出力された直流電力を交流電力に変換するインバータ部と、前記第1
の受熱板の半導体スイッチング素子が取り付けられた面と反対側の面に取り付けられた複
数の第1の放熱フィンと、 前記第2の受熱板の半導体スイッチング素子が取り付けられ
た面と反対側の面に取り付けられた複数の第2の放熱フィンと、を備え、互いに対向する
前記第1の放熱フィンと前記第2の放熱フィンは、それぞれの凹部が一直線上に位置する
ように前記第1の受熱板と前記第2の受熱板に取り付けられる。
以下、添付した図面を参照して第1の実施形態に係る車両用制御装置について説明する
。
制御装置100は、架線13からパンタグラフ12を介して受けた交流電力を利用して、
電動機11を駆動するための三相交流電力を発生させることを主な機能を有しおり、車両
用制御装置100が備える各機器を制御する制御部10、パンタグラフ12を介して1次
コイルで受けた交流電力の降圧を行う変圧器20、変圧器20の2次コイルから供給され
た交流電力を直流電力に変換するコンバータ30、そしてコンバータから供給された直流
電力を3相の交流電力に変換するインバータ40を有している。
、接触器72と接触器74が設けられており、さらに直列接続された接触器71と充電抵
抗61が接触器72に対して並列接続され、そして直列接続された接触器73と充電抵抗
62が接触器74に対して並列接続されている。
して中性点配線Cがあり、正極側配線Pと中性点配線Cとの間には分圧コンデンサ81が
、そして中性点配線Cと負極側配線Nとの間には分圧コンデンサ81と直列接続された分
圧コンデンサ82がそれぞれ設けられている。また、中性点配線Cには地絡電流を検出す
るための電流検出器90が接続されている。
電力に変換するためのU相の半導体素子群31とV相の半導体素子群32、そして、イン
バータ40には、コンバータ30から供給された直流電力を3相の交流電力に変換するた
めのU相の案導体素子群41、V相の半導体素子群42、そしてW相の半導体素子群43
が備わっている。
される場合、図2に例示するように、コンバータ30を含むコンバータ部201、インバ
ータ40を含むインバータ部202、コンバータ30とインバータ40へのゲート指令を
生成するとともに接触器71〜74及び遮断器50の開閉を制御する制御部10を含むコ
ントロール部203、そして、接触器71〜74および電流検出器90を含むスイッチ・
センサ部204に分けられ、1つの筺体200に収納されている。なお、図2には2つの
矢印Xと矢印Yが示されているが、矢印Xは鉄道車両が進行する方向、そして矢印Yは鉄
道車両の側面方向をそれぞれ表わしている。
ッチ・センサ部204は、配線や熱体制などの特性によって比較的近傍に設置される機器
をグループ化したもので、ユニット化されることを示すものではない。また、少なくとも
、コンバータ部201とインバータ部202、および以下に説明する放熱フィンとで電力
変換装置が構成されるものとする。
2とを鉄道車両の進行方向であるX方向に並べるとともに、鉄道車両の側面方向であるY
方向では、鉄道車両の片方の側面に寄せて配置している。なお、コンバータ部201とイ
ンバータ部202を鉄道車両の片方の側面に寄せて配置することで、鉄道車両の車体側面
に設けた開口部からコンバータ部201とインバータ部202の出し入れが可能となるだ
けでなく、さらに鉄道車両の同じ車体側面での作業ができることから、検査などの作業効
率が大幅に改善される。
導体素子群31〜32および41〜43を備えているが、これらの半導体素子群31〜3
2および41〜43は、コンバータ部201とインバータ部202それぞれの地面に対向
する側に設けられた受熱板に取り付けられ、半導体素子群31〜32および41〜43で
発生した熱が受熱板に伝導するようになっている。
る面には、図3に示すように矢印aが示す方向から見た断面が櫛形となるように成形され
た放熱フィン300が複数個取り付けられる。そして、上記受熱板に伝導した熱は、更に
放熱フィン300へ伝導した後、鉄道車両が走行するときに発生する風を利用して空中に
放出され、よって半導体素子群31〜32および41〜43の冷却が行われる。
配置について図4を用いて説明する。
2、及びコンバータ部201とインバータ部202それぞれの受熱板に取り付けられた4
台ずつの放熱フィン300を示しており、矢印Xは上述したと同様で鉄道車両の進行方向
を表している。なお、各放熱フィン300で、ハッチングされている部分は、図3で例示
した断面が櫛形である冷却フィン300の凸部を示し、一方、ハッチングしていない部分
は冷却フィン300の凹部を表している。
して筺体200内に設置されており、これに伴って受熱板に取り付けられた放熱フィン3
00同士も密集して取り付けられることになる。
する2つの放熱フィン300を、それぞれ放熱フィン300Cと放熱フィン300Iとす
る。放熱フィン300Cと放熱フィン300Iそれぞれの1つの凸部に着目すると、図4
の破線400が示すように、一直線上で結ばれる位置に配置されている。
インバータ部202との配置、及びコンバータ部201とインバータ部202それぞれに
取り付けられた複数の放熱フィン300の取り付け位置について述べたが、ここで、この
ような配置を採ることの利点について説明する。
る方向で並べて配置していた。
異なっていることから、鉄道車両の側面方向Yでは発生する熱量がアンバランスとなる。
このため、従来のようにコンバータ部201とインバータ部202を配置すると、走行風
が当たる面が、コンバータ部201とインバータ部202とで分けられてしまうため、コ
ンバータ部201とインバータ部202とも、十分に走行風を活用し難いことになる。
ンバータ部202を並べて配置すると、コンバータ部201、インバータ部202ともに
走行風が当たる面をより広くすることができるため、冷却効率を向上させることが可能と
なる。
り付けられた冷却フィン300の凹部と凸部それぞれが一直線上に位置するように配置す
ることにより、コンバータ部201とインバータ部202の一方に取り付けられた放熱フ
ィン300の凹部の中を流れてきた走行風が、そのまま他方の放熱フィン300の凹部に
流れ込み易くしたため、同じく、冷却効率を向上させることが可能となる。
次に、第1の実施形態の変形例1について図5を用いて説明する。
3、およびスイッチ・センサ部204の配置を変えた点が異なっている。すなわち、コン
バータ部201を鉄道車両の側面方向Yの一方の側面側に寄せて配置し、インバータ部2
02を他方の側面側に寄せて配置している。そして、コンバータ部201とインバータ部
202をこのように配置した結果、コントロール部203とスイッチ・センサ部204も
互いに鉄道車両の側面方向Yの反対側となる側面側に寄せて配置されている。
いて、互いに異なる側面側に寄せて配置した場合でも、図2で示した配置と同様に走行風
が当たる面を広く取ることが可能となる。一方、図5に示すようにコンバータ部201と
インバータ部202とを鉄道車両の側面方向Yにおいて、互いに異なる側面側に寄せて配
置とした場合、コンバータ部201に取り付けられた複数の放熱フィン300の全てが、
インバータ部202に取り付けられた放熱フィン300に対向しないことが考えられるが
、この場合は、対向する放熱フィン300同士で、凹部、凸部それぞれが一直線上に位置
するように配置することで、第1の実施形態で説明したのと同様、冷却効率を向上させる
ことができる。
の側面方向Yの反対側となる側面側に寄せて配置されている。一般的に、コントロール部
203は熱に対して弱い傾向がある一方で、スイッチ・センサ部204に含まれる接触器
71〜74は熱源となり易いことから、このように互いに話した位置に配置することで、
コントロール部203への熱による影響を低減することも可能となる。
続いて、第1の実施形態の変形例2について図6および図7を用いて説明する。
り、矢印aから見た場合に、手前側にくる櫛型の面の高さZ1に比べ奥側となる櫛形の面
の高さZ2が短くなっている。そして、このような冷却フィン301がコンバータ部20
1とインバータ部202に取り付けられるとき、図7に示すように、冷却フィン301の
高さZ2を有する面同士が対向するように配置している。
02との間に空間が生まれ、鉄道車両が走行する子で発生する走行風がコンバータ部20
1とインバータ部202との間に空間に巻き込まれることになり、よって、鉄道車両が進
行方向の下流側となるコンバータ部201またはインバータ部202の冷却フィン301
により走行風が当たり易くなり、冷却効率を向上させることができる。
同様に、対向する放熱フィン301同士で、凹部、凸部それぞれが一直線上に位置するよ
うに配置することが好ましい。
以下、図8を用いて第2の実施形態について説明する。なお、第2の実施形態では、コ
ンバータ30の構成する半導体スイッチング素子701〜704とクランプダイオード7
05〜706の配置に特徴を持たせたものであり、コンバータ部201、インバータ部2
02、コントロール部203、およびスイッチ・センサ部204の配置、並びに冷却フィ
ン300および冷却フィン301に関する配置、構成は第1の実施形態およびその変形例
1と2をそのまま利用することができる。
素子701〜706の配置およびラミネート導体710の配置を示しており、半導体スイ
ッチング素子(Q1)701、半導体スイッチング素子(Q2)702、半導体スイッチ
ング素子(Q3)703、および半導体スイッチング素子(Q4)704がラミネート導
体710によってU字状に接続されており、更に、クランプダイオード(cd)705と
クランプダイオード(cd)706が、それぞれ半導体スイッチング素子(Q1)701
と半導体スイッチング素子(Q2)702との間、半導体スイッチング素子(Q3)70
3と半導体スイッチング素子(Q4)704との間に接続され、さらに、クランプダイオ
ード(cd)705とクランプダイオード(cd)706とは別のラミネート導体711
で接続されている。
導体スイッチング素子(Q3)703、および半導体スイッチング素子(Q4)704は
、この順番で直列接続されており、半導体スイッチング素子(Q1)701と半導体スイ
ッチング素子(Q2)702は図1の正極側配線Pと中性点配線Cとの間、半導体スイッ
チング素子(Q3)703と半導体スイッチング素子(Q4)704は中性点配線Cと負
極側配線Nとの間に、それぞれ配置される。また、クランプダイオード(cd)705と
クランプダイオード(cd)706とは直列接続されるとともに、半導体スイッチング素
子(Q2)702と半導体スイッチング素子(Q3)703に対して並列接続されている
。
ング素子(Q2)702が、そして半導体スイッチング素子(Q1)701と半導体スイ
ッチング素子(Q2)702が、それぞれ鉄道車両の進行方向Xの方向に並んで配置され
ている。これは、鉄道車両の力行時は、中性点配線C側の半導体スイッチング素子(Q2
)702と半導体スイッチング素子(Q3)703の損失が大きく、これに伴って発生す
る熱量が大きい。そこで、この2つの半導体スイッチング素子を鉄道車両の進行方向Xに
対して直行する方向に並べて配置することにより、4つの半導体スイッチング素子(Q1
〜Q4)701〜704で発生した熱がほぼ均等に冷却フィン300(又は301)に伝
導することが可能となり、バランス良く放熱することが可能となる。
体素子も同様の配列である。
ンバータ30と同じ構成とする。鉄道車両の力行時に損失が大きくなるのがコンバータ3
0と逆で、正極側配線Pに近い半導体スイッチング素子Q1(701)と負極側配線Nに
近い半導体スイッチング素子Q4(704)となるが、4つの半導体スイッチング素子(
Q1〜Q4)701〜704で発生した熱をほぼ均等に冷却フィン300(又は301)
に伝導させるという効果に違いは無い。
61,62…充電抵抗、71,72,73,74…接触器、81,82…分圧コンデンサ
、90…電流検出器、100…車両用制御装置、201…コンバータ部、202…インバ
ータ部、203…コントロール部、204…スイッチ・センサ部、300,301…放熱
フィン
Claims (4)
- 第1の受熱板、およびこの第1の受熱板に取り付けられた複数の半導体スイッチング素
子を有し、交流電力を直流電力に変換するコンバータ部と、
前記コンバータ部に対して鉄道車両の進行方向に並べて配置されるとともに、第2の受
熱板、およびこの第2の受熱板に取り付けられた複数の半導体スイッチング素子を有し、
前記コンバータ部から出力された直流電力を交流電力に変換するインバータ部と、
前記第1の受熱板の半導体スイッチング素子が取り付けられた面と反対側の面に取り付
けられた複数の第1の放熱フィンと、
前記第2の受熱板の半導体スイッチング素子が取り付けられた面と反対側の面に取り付
けられた複数の第2の放熱フィンと、を備え、
互いに対向する前記第1の放熱フィンと前記第2の放熱フィンは、それぞれの凹部が一
直線上に位置するように前記第1の受熱板と前記第2の受熱板に取り付けられる
ことを特徴とする電力変換装置。 - 前記コンバータ部および前記インバータ部は、互いに直列接続された4つの半導体スイ
ッチング素子で構成された複数の電力変換相を有し、少なくとも中性点配線を挟んで隣接
する2つの半導体スイッチング素子は、前記鉄道車両の進行方向に直行する方向に並べて
配置されたことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。 - 第1の受熱板、およびこの第1の受熱板に取り付けられた複数の半導体スイッチング素
子を有し、架線からパンタグラフおよび遮断器を介して供給された交流電力を直流電力に
変換するコンバータ部と、
前記コンバータ部に対して鉄道車両の進行方向に並べて配置されるとともに、第2の受
熱板、およびこの第2の受熱板に取り付けられた複数の半導体スイッチング素子を有し、
前記コンバータ部から出力された直流電力を電動機を駆動するための三相交流電力に変換
するインバータ部と、
前記コンバータ部および前記インバータ部に対してゲート指令を出力する制御部と、
前記第1の受熱板の半導体スイッチング素子が取り付けられた面と反対側の面に取り付
けられた複数の第1の放熱フィンと、
前記第2の受熱板の半導体スイッチング素子が取り付けられた面と反対側の面に取り付
けられた複数の第2の放熱フィンと、を備え、
互いに対向する前記第1の放熱フィンと前記第2の放熱フィンは、それぞれの凹部が一
直線上に位置するように前記第1の受熱板と前記第2の受熱板に取り付けられる
ことを特徴とする車両用制御装置。 - 前記コンバータ部および前記インバータ部は、互いに直列接続された4つの半導体スイ
ッチング素子で構成された複数の電力変換相を有し、少なくとも中性点配線を挟んで隣接
する2つの半導体スイッチング素子は、前記鉄道車両の進行方向に直行する方向に並べて
配置されたことを特徴とする請求項3に記載の車両用制御装置。
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