JP2022054164A - Main circuit system for railroad vehicle - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、鉄道車両用主回路システムに関する。 The present disclosure relates to a main circuit system for railway vehicles.
架線から交流電流を集電して走行する鉄道車両では、電力変換装置(つまりコンバータ及びインバータ)によって交流電力を電力変換して電動機に供給する。このような電力変換装置及び電動機を含む主回路システムにおいて、電動機の構造を4極から6極に変えることで、小型化を図ることができる。 In a railroad vehicle that collects AC current from an overhead wire and travels, AC power is converted into electric power by a power conversion device (that is, a converter and an inverter) and supplied to an electric motor. In the main circuit system including such a power conversion device and an electric motor, the structure of the electric motor can be changed from 4 poles to 6 poles to reduce the size.
また、主回路システムの小型化を目的として、鉄道車両の走行風を放熱体に当てることによって電力変換装置を冷却し、冷却装置(つまりブロア)を省略する方法が公知である(特許文献1参照)。 Further, for the purpose of downsizing the main circuit system, there is known a method of cooling a power conversion device by applying a traveling wind of a railroad vehicle to a radiator and omitting a cooling device (that is, a blower) (see Patent Document 1). ).
上述のように電動機を6極とすると、電力変換装置において発熱量が増加すると共に、発熱箇所の偏りが大きくなる。このような発熱箇所の偏りの発生を抑えるために、放熱体の面積を大きくすると、上述した小型化の目的が達成できない。 As described above, when the motor has 6 poles, the amount of heat generated in the power conversion device increases and the bias of the heat generation points increases. If the area of the radiator is increased in order to suppress the occurrence of such bias in the heat generating portion, the above-mentioned object of miniaturization cannot be achieved.
本開示の一局面は、発熱箇所の偏りの発生を抑制しつつ小型化が可能な鉄道車両用主回路システムを提供することを目的としている。 One aspect of the present disclosure is to provide a main circuit system for railway vehicles that can be miniaturized while suppressing the occurrence of bias in heat generation points.
本開示の一態様は、単相交流電力を変換して直流電力を出力するように構成されたコンバータと、コンバータが出力した直流電力を変換して三相交流電力を出力するように構成されたインバータと、インバータが出力した三相交流電力により駆動するように構成された6極の電動機と、車両床下に配置されると共に、走行風によってコンバータ及びインバータを冷却するように構成された放熱体と、を備える鉄道車両用主回路システムである。コンバータ及びインバータは、電動機の駆動時におけるコンバータの各相の最大エネルギー損失とインバータの各相の最大エネルギー損失とが等しくなるように構成される。 One aspect of the present disclosure is configured to convert a single-phase AC power and output DC power, and to convert the DC power output by the converter to output three-phase AC power. An inverter, a 6-pole electric power configured to be driven by the three-phase AC power output by the inverter, and a radiator configured to cool the converter and the inverter by running wind while being placed under the vehicle floor. , Is a main circuit system for railway vehicles. The converter and the inverter are configured so that the maximum energy loss of each phase of the converter and the maximum energy loss of each phase of the inverter when the motor is driven are equal to each other.
このような構成によれば、コンバータの各相の最大エネルギー損失とインバータの各相の最大エネルギー損失とが等しくされることで、電力変換装置における発熱箇所の偏りが小さくなる。そのため、6極の電動機と放熱体とによる小型化を図りつつ、電力変換装置における発熱箇所の偏りの発生を抑制できる。 According to such a configuration, the maximum energy loss of each phase of the converter and the maximum energy loss of each phase of the inverter are made equal to each other, so that the bias of the heat generating portion in the power conversion device is reduced. Therefore, it is possible to suppress the occurrence of bias in the heat generating portion in the power conversion device while reducing the size by using the 6-pole motor and the radiator.
本開示の一態様は、コンバータ及びインバータは、それぞれ、SiC素子を含んでもよい。このような構成によれば、鉄道車両用主回路システムの小型化及び軽量化を促進できる。 In one aspect of the present disclosure, the converter and the inverter may each include a SiC element. With such a configuration, it is possible to promote miniaturization and weight reduction of the main circuit system for railway vehicles.
本開示の一態様は、コンバータ及びインバータの少なくとも一方におけるコンデンサの電荷を放電するように構成された抵抗器をさらに備えてもよい。抵抗器は、放熱体に取り付けられてもよい。このような構成によれば、放熱体によって抵抗器が冷却されるため、抵抗器の冷却装置が不要となる。その結果、主回路システムの小型化を促進できる。 One aspect of the present disclosure may further comprise a resistor configured to discharge the charge of the capacitor in at least one of the converter and the inverter. The resistor may be attached to the radiator. According to such a configuration, the resistor is cooled by the radiator, so that the resistor cooling device becomes unnecessary. As a result, the miniaturization of the main circuit system can be promoted.
以下、本開示が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
[1.第1実施形態]
[1-1.構成]
図1に示す鉄道車両用主回路システム1(以下、単に「主回路システム1」ともいう。)は、架線から供給される電力によって鉄道車両10を走行させる。鉄道車両10は、例えば、180km/h以上の高速で走行する。
Hereinafter, embodiments to which the present disclosure has been applied will be described with reference to the drawings.
[1. First Embodiment]
[1-1. Constitution]
The railway vehicle main circuit system 1 (hereinafter, also simply referred to as “
図2及び図3に示すように、主回路システム1は、電力変換装置2と、電動機3と、抵抗器4A,4B,4C,4Dと、外部電源5と、放熱体6とを備える。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
<電力変換装置>
電力変換装置2は、鉄道車両10の床下において、鉄道車両10の走行方向(つまりレールR1,R2の延伸方向)における中央部分に配置されている。鉄道車両10は、コンバータ2Aと、インバータ2Bと、接続部材2Cとを有する。
<Power converter>
The
(コンバータ)
コンバータ2Aは、パンタグラフを介して架線から入力される単相交流電力を変換して直流電力を出力するように構成されている。
(converter)
The
本実施形態のコンバータ2Aは、パワー半導体素子として、SiC素子(つまりシリコンカーバイトで構成された半導体層)を含んでいる。具体的には、コンバータ2Aのパワー半導体素子は全てSiC素子である。
The
図3に示すように、コンバータ2Aは、U相回路と、V相回路とを有する。U相回路及びV相回路は、それぞれ、上アーム(つまり高電位側アーム)と、下アーム(つまり低電位側アーム)とを有する。
As shown in FIG. 3, the
U相回路及びV相回路それぞれの上アームは、2つのパワー半導体素子を有する。上アームの2つのパワー半導体素子の間には、中間電位端子2Fが接続されている。上アームと中間電位端子2Fとの間には、上アームへ向かう方向を順方向とするダイオードが配置されている。
The upper arms of each of the U-phase circuit and the V-phase circuit have two power semiconductor elements. An intermediate
U相回路及びV相回路それぞれの下アームは、2つのパワー半導体素子を有する。下アームの2つのパワー半導体素子の間には、中間電位端子2Fが接続されている。下アームと中間電位端子2Fとの間には、中間電位端子2Fへ向かう方向を順方向とするダイオードが配置されている。
The lower arms of each of the U-phase circuit and the V-phase circuit have two power semiconductor elements. An intermediate
U相回路及びV相回路それぞれの高電位側は、コンデンサを介して中間電位端子2Fに接続されている。U相回路及びV相回路それぞれの低電位側も、コンデンサを介して中間電位端子2Fに接続されている。
The high potential side of each of the U-phase circuit and the V-phase circuit is connected to the intermediate
コンバータ2AのU相回路は、上アームと下アームとの間において、交流端子2Dを介して外部電源5に電気的に接続されている。コンバータ2AのV相回路も、上アームと下アームとの間において、交流端子2Eを介して外部電源5に電気的に接続されている。
The U-phase circuit of the
外部電源5は、架線から入力される単相交流電圧を降圧する主変圧器を含む交流電源である。コンバータ2Aには、U相回路及びV相回路に接続された外部電源5を介して単相交流電圧が入力される。
The
(インバータ)
インバータ2Bは、コンバータ2Aが出力した直流電力を変換して三相交流電力を出力するように構成されている。本実施形態のインバータ2Bは、パワー半導体素子として、SiC素子を含んでいる。具体的には、インバータ2Bのパワー半導体素子は全てSiC素子である。
(Inverter)
The
インバータ2Bは、U相回路と、V相回路と、W相回路とを有する。U相回路、V相回路及びW相回路は、それぞれ、上アーム(つまり高電位側アーム)と、下アーム(つまり低電位側アーム)とを有する。
The
U相回路、V相回路及びW相回路それぞれの上アームは、2つのパワー半導体素子を有する。上アームの2つのパワー半導体素子の間には、中間電位端子2Gが接続されている。上アームと中間電位端子2Gとの間には、上アームへ向かう方向を順方向とするダイオードが配置されている。 The upper arms of each of the U-phase circuit, the V-phase circuit, and the W-phase circuit have two power semiconductor elements. An intermediate potential terminal 2G is connected between the two power semiconductor elements of the upper arm. A diode having a forward direction toward the upper arm is arranged between the upper arm and the intermediate potential terminal 2G.
U相回路、V相回路及びW相回路それぞれの下アームは、2つのパワー半導体素子を有する。下アームの2つのパワー半導体素子の間には、中間電位端子2Gが接続されている。下アームと中間電位端子2Gとの間には、中間電位端子2Gへ向かう方向を順方向とするダイオードが配置されている。 The lower arms of each of the U-phase circuit, the V-phase circuit, and the W-phase circuit have two power semiconductor elements. An intermediate potential terminal 2G is connected between the two power semiconductor elements of the lower arm. A diode having a forward direction toward the intermediate potential terminal 2G is arranged between the lower arm and the intermediate potential terminal 2G.
U相回路、V相回路及びW相回路それぞれの高電位側は、コンデンサを介して中間電位端子2Gに接続されている。U相回路、V相回路及びW相回路それぞれの低電位側も、コンデンサを介して中間電位端子2Gに接続されている。 The high potential side of each of the U-phase circuit, the V-phase circuit, and the W-phase circuit is connected to the intermediate potential terminal 2G via a capacitor. The low potential side of each of the U-phase circuit, the V-phase circuit, and the W-phase circuit is also connected to the intermediate potential terminal 2G via a capacitor.
インバータ2BのU相回路、V相回路、及びW相回路は、それぞれ、上アームと下アームとの間において、交流端子2H,2I,2Jを介して電動機3に電気的に接続されている。
The U-phase circuit, V-phase circuit, and W-phase circuit of the
(接続部材)
接続部材2Cは、コンバータ2Aとインバータ2Bとを電気的に接続している。接続部材2Cは、第1部21と、第2部22と、第3部23とを有する。
(Connecting member)
The connecting
第1部21は、コンバータ2Aの高電位側とインバータ2Bの高電位側とを接続している。第2部22は、コンバータ2Aの中間電位端子2Fとインバータ2Bの中間電位端子2Gとを接続している。第3部23は、コンバータ2Aの低電位側とインバータ2Bの低電位側とを接続している。
The
<電動機>
電動機3は、鉄道車両10の走行動力源であり、鉄道車両10の車輪(図示省略)を回転させる。電動機3は、インバータ2Bが出力した三相交流電力により駆動するように構成された誘導電動機であり、極数は6である。
<Motor>
The
図4に示すように、電動機3は、6つの固定子31A-31Fと、固定子31A-31Fの内側に配置された回転子32とを有する。6つの固定子31A-31Fは、電動機3の周方向(つまり回転方向)において互いに異なる極が隣接するように配置されている。
As shown in FIG. 4, the
6極の電動機は、例えば4極の電動機に比べて、固定子の径方向における幅を小さくすることができる。そのため、電動機3によって主回路システム1の小型化及び軽量化を図ることができる。
The 6-pole motor can have a smaller radial width of the stator than, for example, a 4-pole motor. Therefore, the
<抵抗器>
図3に示す第1抵抗器4A及び第2抵抗器4Bは、常時、コンバータ2A及びインバータ2Bにおけるコンデンサの電荷を放電するように構成されている。
<Resistor>
The
第1抵抗器4Aは、接続部材2Cの第1部21と第2部22とを接続する回路に配置されている。つまり、第1抵抗器4Aは、コンバータ2A及びインバータ2Bの複数の上アームと並列に接続されている。
The
第2抵抗器4Bは、接続部材2Cの第3部23と第2部22とを接続する回路に配置されている。つまり、第2抵抗器4Bは、コンバータ2A及びインバータ2Bの複数の下アームと並列に接続されている。
The
第1抵抗器4A及び第2抵抗器4Bは、後述する放熱体6に取り付けられている。第1抵抗器4A及び第2抵抗器4Bは、放熱体6との熱交換によって、放電によって発生する熱を放出する。
The
第3抵抗器4C及び第4抵抗器4Dは、電力変換装置2において異常が発生した時に、コンバータ2A及びインバータ2Bにおけるコンデンサの電荷を放電するように構成されている。
The
第3抵抗器4Cは、スイッチング素子と共に、接続部材2Cの第1部21と第2部22とを接続する回路に接続されている。第4抵抗器4Dは、スイッチング素子と共に接続部材2Cの第3部23と第2部22とを接続する回路に接続されている。
The
<放熱体>
図1に示す放熱体6は、鉄道車両10の床下に配置されると共に、走行風Wによってコンバータ2A及びインバータ2Bを冷却するように構成されている。放熱体6は、鉄道車両10の下方に露出している。
<Heat radiator>
The
放熱体6は、第1放熱部6Aと、第2放熱部6Bとを有する。第1放熱部6A及び第2放熱部6Bは、それぞれ、鉄道車両10の床面を構成する底壁から下方に突出する複数のフィンを有する。複数のフィンは、厚み方向が鉄道車両10の走行方向と直交する向きとなるように、互いに離れて配置されている。
The
第1放熱部6Aは、コンバータ2Aの少なくとも一部(具体的にはパワー半導体素子)と接触しており、主にコンバータ2Aを冷却する。第2放熱部6Bは、インバータ2Bの少なくとも一部(具体的にはパワー半導体素子)と接触しており、主にインバータ2Bを冷却する。また、第1放熱部6A及び第2放熱部6Bの少なくとも一方は、第1抵抗器4A又は第2抵抗器4Bと接触している。
The first
放熱体6は、コンバータ2A、インバータ2B、第1抵抗器4A及び第2抵抗器4Bが発生させる熱を複数のフィンを介して走行風Wに伝達する。つまり、放熱体6は、主回路システム1と大気との熱交換を行う。
The
<エネルギー損失>
図5Aは、4極の電動機における回転速度と出力電圧V1及び出力電流I1との関係と、6極の電動機における回転速度と出力電圧V2及び出力電流I2との関係とを示す一例である。また、図5Bは、電動機におけるトルク特性の一例である。
<Energy loss>
FIG. 5A is an example showing the relationship between the rotation speed and the output voltage V1 and the output current I1 in the 4-pole motor and the relationship between the rotation speed and the output voltage V2 and the output current I2 in the 6-pole motor. Further, FIG. 5B is an example of torque characteristics in an electric motor.
図5Aに示すように、4極の電動機に比べて、6極の電動機は低速域における出力電流が大きい。そのため、6極の電動機を用いた場合は、電力変換装置2におけるエネルギー損失が大きくなる。
As shown in FIG. 5A, the 6-pole motor has a larger output current in the low speed range than the 4-pole motor. Therefore, when a 6-pole motor is used, the energy loss in the
そのため、図6Aに示すコンバータ2Aにおけるパワー半導体素子の損失がインバータ2Bよりも大きくなる設計、又は図6Bに示すコンバータ2Aにおけるパワー半導体素子の損失がインバータ2Bよりも大きくなる設計の場合、放熱体6の走行風を利用した冷却では、コンバータ2Aとインバータ2Bとの温度差が大きくなり、発熱箇所の偏りが発生する。なお、図6A、図6B及び図6Cの各相における黒四角の数は、エネルギー損失の大きさを模式的に表している。
Therefore, in the case of a design in which the loss of the power semiconductor element in the
これに対し、図6Cに示すように、コンバータ2A及びインバータ2Bが、電動機3の駆動時におけるコンバータ2Aの各相(つまり、U相及びV相)の最大エネルギー損失とインバータ2Bの各相(つまり、U相、V相及びW相)の最大エネルギー損失とが等しくなるように構成されることで、放熱体6の面積を抑制しつつ、発熱箇所の偏りの発生を抑制できる。
On the other hand, as shown in FIG. 6C, the
本実施形態では、コンバータ2Aの各相においてパワー半導体素子及びダイオードが放熱体6の第1放熱部6Aと接触する面積と、インバータ2Bの各相においてパワー半導体素子及びダイオードが放熱体6の第2放熱部6Bと接触する面積とは等しい。
In the present embodiment, the area where the power semiconductor element and the diode come into contact with the first
[1-2.効果]
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
(1a)コンバータ2Aの各相の最大エネルギー損失とインバータ2Bの各相の最大エネルギー損失とが等しくされることで、電力変換装置2における発熱箇所の偏りが小さくなる。そのため、6極の電動機3と放熱体6とによる小型化を図りつつ、電力変換装置2における発熱箇所の偏りの発生を抑制できる。
[1-2. effect]
According to the embodiment described in detail above, the following effects can be obtained.
(1a) By making the maximum energy loss of each phase of the
(1b)コンバータ2A及びインバータ2BがそれぞれSiC素子を含むことで、主回路システム1の小型化及び軽量化を促進できる。
(1b) Since the
(1c)放熱体6によって第1抵抗器4A及び第2抵抗器4Bが冷却されるため、第1抵抗器4A及び第2抵抗器4Bの冷却装置が不要となる。その結果、主回路システム1の小型化を促進できる。
(1c) Since the
[2.他の実施形態]
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。
[2. Other embodiments]
Although the embodiments of the present disclosure have been described above, it is needless to say that the present disclosure is not limited to the above-described embodiments and can take various forms.
(2a)上記実施形態の鉄道車両用主回路システム1において、コンバータ2A及びインバータ2Bは、必ずしもSiC素子を含まなくてもよい。コンバータ2A及びインバータ2Bは、例えばSi素子で構成されてもよい。
(2a) In the
(2b)上記実施形態の鉄道車両用主回路システム1において、第1抵抗器4A及び第2抵抗器4Bは、必ずしも放熱体6に取り付けられなくてもよい。
(2c)上記実施形態の鉄道車両用主回路システム1において、電力変換装置2(つまりコンバータ2A、インバータ2B及び接続部材2C)の回路構成は一例である。
(2b) In the
(2c) In the
(2d)上記実施形態における1つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を1つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。 (2d) The functions of one component in the above embodiment may be dispersed as a plurality of components, or the functions of the plurality of components may be integrated into one component. Further, a part of the configuration of the above embodiment may be omitted. Further, at least a part of the configuration of the above embodiment may be added or substituted with respect to the other configurations of the above embodiment. It should be noted that all aspects included in the technical idea specified from the wording described in the claims are embodiments of the present disclosure.
1…鉄道車両用主回路システム、2…電力変換装置、2A…コンバータ、
2B…インバータ、2C…接続部材、2D,2E…交流端子、
2F,2G…中間電位端子、2H,2I,2J…交流端子、3…電動機、
4A…第1抵抗器、4B…第2抵抗器、4C…第3抵抗器、4D…第4抵抗器、
5…外部電源、6…放熱体、6A…第1放熱部、6B…第2放熱部、10…鉄道車両、
21…第1部、22…第2部、23…第3部、31A-31F…固定子、
32…回転子。
1 ... Main circuit system for railway vehicles, 2 ... Power converter, 2A ... Converter,
2B ... Inverter, 2C ... Connection member, 2D, 2E ... AC terminal,
2F, 2G ... Intermediate potential terminal, 2H, 2I, 2J ... AC terminal, 3 ... Motor,
4A ... 1st resistor, 4B ... 2nd resistor, 4C ... 3rd resistor, 4D ... 4th resistor,
5 ... External power supply, 6 ... Heat dissipation body, 6A ... First heat dissipation part, 6B ... Second heat dissipation part, 10 ... Railway vehicle,
21 ...
32 ... Rotor.
Claims (3)
前記コンバータが出力した直流電力を変換して三相交流電力を出力するように構成されたインバータと、
前記インバータが出力した三相交流電力により駆動するように構成された6極の電動機と、
車両床下に配置されると共に、走行風によって前記コンバータ及び前記インバータを冷却するように構成された放熱体と、
を備え、
前記コンバータ及び前記インバータは、前記電動機の駆動時における前記コンバータの各相の最大エネルギー損失と前記インバータの各相の最大エネルギー損失とが等しくなるように構成される、鉄道車両用主回路システム。 A converter configured to convert single-phase AC power and output DC power,
An inverter configured to convert the DC power output by the converter and output three-phase AC power.
A 6-pole motor configured to be driven by the three-phase AC power output by the inverter, and
A radiator that is placed under the floor of the vehicle and is configured to cool the converter and the inverter by the running wind.
Equipped with
The converter and the inverter are main circuit systems for railway vehicles configured so that the maximum energy loss of each phase of the converter and the maximum energy loss of each phase of the inverter when the electric motor is driven are equal to each other.
前記コンバータ及び前記インバータは、それぞれ、SiC素子を含む、鉄道車両用主回路システム。 The main circuit system for a railway vehicle according to claim 1.
The converter and the inverter are main circuit systems for railway vehicles, each including a SiC element.
前記コンバータ及び前記インバータの少なくとも一方におけるコンデンサの電荷を放電するように構成された抵抗器をさらに備え、
前記抵抗器は、前記放熱体に取り付けられる、鉄道車両用主回路システム。 The main circuit system for a railway vehicle according to claim 1 or 2.
Further comprising a resistor configured to discharge the charge of the capacitor in at least one of the converter and the inverter.
The resistor is a main circuit system for a railway vehicle attached to the radiator.
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