JP4243308B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
(1)電力変換回路を構成する複数のスイッチング素子を冷却器上にどのように配置すればよいか
(2)スイッチング素子を複数個並列接続することが必要な大容量の電力変換回路を構成する場合、並列接続する素子を冷却器上に如何に配置すれば最適であるか
(3)外気と接する冷却器のフィンの高さや間隔を如何にすればよいか
などといった観点が重要なポイントとなる。
2 集電装置
3 車輪
4 レール
6 変圧器
9 車体
10 接触器
11 電気機器
20,20a,20b コンバータ部
30,30P,30N コンデンサ
40A フィンベース(コンバータ部)
40B フィンベース(インバータ部)
42A フィン(コンバータ部)
42B フィン(インバータ部)
45 IGBTチップ
46 ヒートパイプ
50A コンバータ用冷却器
50B インバータ用冷却器
UD1A,UD2A,UD1B,UD2B ダイオード
UPC,VPC,UNC,VNC,UPI,VPI,WPI,UNI,VNI,WNI,UPCA,UPCB,UNCA,UNCB,VPCA,VPCB,VNCA,VNCB,UPC1,UPC2,UNC3,UNC4,VPC1,VPC2,VNC3,VNC4,UPC1A,UPC2A,UNC3A,UNC4A,UPC1B,UPC2B,UNC3B,UNC4B,VPC1A,VPC2A,VNC3A,VNC4A,VPC1B,VPC2B,VNC3B,VNC4B スイッチング素子
60 インバータ部
80 電動機
100 電力変換装置
図1は、本発明の実施の形態1における電力変換装置の構成例を示す図である。同図に示す電力変換装置100は、電力変換回路を構成するコンバータ部20、コンデンサ30およびインバータ部60と、接触器10と、を備えて構成される。また、電力変換装置100の入力端に配置される接触器10には、変圧器6が接続され、電力変換装置100の出力端に配置されるインバータ部60には、電気車を駆動する電動機80が接続されている。なお、電動機80としては、誘導電動機や同期電動機が好適である。
図11は、本発明の実施の形態2におけるコンバータ部の回路構成の一例を示す図である。同図に示すコンバータ部20aは、図1に示した実施の形態1のコンバータ部20の回路構成と比べて、各アームのスイッチング素子が並列接続されている点が異なる。
図13は、本発明の実施の形態3におけるコンバータ部20の回路構成の一例を示す図である。同図に示すコンバータ部20bは、図1に示した実施の形態1のコンバータ部20の回路構成と比べて、所謂3レベル回路の構成となっている点が異なる。
図15は、本発明の実施の形態4におけるフィンベースの内部構造の一部を示す図であり、図16は、図15のA−A線に沿う矢視断面図である。これらの各図に示されるフィンベース40では、スイッチング素子直下の内部に、進行方向に沿って配設される、複数本のヒートパイプ46が挿入されている。ヒートパイプ46は、公知の手段であり、直径10mm程度の銅を主原料とし、内部にウイックと呼ばれる毛細加工を施した中空パイプに少量の水等の動作液を封入し、真空で封じたものである。
図17は、本発明の実施の形態5におけるコンバータ部20のフィンベース40Aへのスイッチング素子配置とヒートパイプの配置の一例を示す図である。図14と同様に各相レグ(=正側アームと負側アーム)を構成するスイッチング素子群がフィンベース40上で進行方向に沿って縦列に配置されている。U相レグの片側で説明すると、進行方向に沿って、正側アームのスイッチング素子UPC1A,UPC2A、負側アームのスイッチング素子UNC3A,UNC4Aがこの順に配置されている。なお、図14で省略していたダイオードUD1A、UD2Aは、図17に示すとおり、正側アームのスイッチング素子UPC2Aと負側アームのスイッチング素子UNC3Aの間に配置される。これらの損失は、表1のとおり全体の10%程度と小さい。この他のレグの構成についても同様である。
Claims (16)
- 交流電化区間で運転される電気車に適用される電力変換装置であって、
交流を直流に変換するコンバータ部と、
前記コンバータ部の出力に接続され、直流を変換して前記電気車を駆動する電動機に電力を供給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それぞれ具備される複数のスイッチング素子を冷却する冷却器を有し、
前記冷却器は、
前記スイッチング素子取り付け面となるフィンベースと、
その反対面に前記電気車の走行による走行風により冷却されるように配置されたフィンを有し、
前記コンバータ部用の前記冷却器に具備された前記スイッチング素子と、前記インバータ部用の前記冷却器に具備された前記スイッチング素子は、それぞれの発熱量と前記電気車の車速との関係が互いに異なるものであって、
前記コンバータ部用の前記スイッチング素子の発熱量は、前記電気車の車速が最高速の30〜50%以上の速度域で最大となることより、前記コンバータ部用の前記フィンのフィンピッチは、前記電気車の車速が30%以上の速度域において前記冷却器の冷却性能が最大となる値に設定され、
前記インバータ部用の前記スイッチング素子の発熱量は、前記電気車の車速が最高速の30〜50%以下の速度域で最大となることより、前記インバータ部用の前記フィンのフィンピッチは、前記電気車の車速が50%以下の速度域において前記冷却器の冷却性能が最大となる値に設定され、
前記コンバータ部用の前記フィンのフィンピッチは前記インバータ部用の前記フィンのフィンピッチよりも狭いこと、
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が、前記スイッチング素子で構成された正側アームおよび負側アームからなるレグを複数組有する単相、あるいは多相のブリッジ回路である場合、前記各相のレグを構成する各スイッチング素子を前記フィンベース上に、電気車の進行方向に順次並べて配置したことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
- 前記コンバータ部および前記インバータ部が、前記スイッチング素子で構成された正側アームおよび負側アームからなるレグを複数組有する単相、あるいは多相のブリッジ回路である場合、各相の前記レグは、前記フィンベース上に、電気車の進行方向に対して直角方向に順次並べて配置したことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
- 前記正側アームおよび負側アームのそれぞれが、複数個のスイッチング素子を並列接続して構成される場合に、該並列接続されて構成される同種アームの組を、前記フィンベース上に電気車の進行方向に対して直角方向に順次並べて配置したことを特徴とする請求項2に記載の電力変換装置。
- 前記正側アームおよび負側アームのそれぞれが、複数個のスイッチング素子を並列接続して構成される場合に、並列接続された前記スイッチング素子は、前記フィンベースの電気車進行方向前縁から等距離になるように配置したことを特徴とする請求項2に記載の電力変換装置。
- 前記スイッチング素子が長方形状である場合、前記スイッチング素子の長辺が電気車の進行方向に対して直角方向に向かい、短辺が電気車の進行方向に向かうように前記フィンベース上に並べて配置したことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
- 前記コンバータ部用の前記冷却器と前記インバータ部用の前記冷却器とが、それぞれ別体として構成されることを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
- 前記フィンの厚みが2mm〜4mmの範囲である場合、
前記コンバータ部用の前記フィンベースに取り付けられた複数の前記フィンのフィンピッチが6.5mm〜11.5mmの間の値に設定され、
前記インバータ部用の前記フィンベースに取り付けられた複数の前記フィンのフィンピッチが8.5mm〜15.5mmの間の値に設定され
ていること特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記フィンの厚みが3mmである場合、
前記コンバータ部用の前記フィンベースに取り付けられた複数の前記フィンのフィンピッチが8mm〜10mmの間に設定され、
前記インバータ部用の前記フィンベースに取り付けられた複数の前記フィンのフィンピッチが10mm〜14mmの間に設定され
ていることを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。 - 直列に接続される第1〜第4のスイッチング素子が前記レグとして構成され、
正側アームを成す前記第1のスイッチング素子の一端が直流電源の正側に接続され、負側アームを成す前記第4のスイッチング素子の一端が直流電源の正側に接続されており、
前記第1のスイッチング素子とともに正側アームを成す前記第2のスイッチング素子の一端と前記第1のスイッチング素子の他端とが接続される接続点にカソードが接続され、アノードが前記直流電源の中点に接続される第1のダイオードと、
前記第4のスイッチング素子とともに負側アームを成す前記第3のスイッチング素子の一端と前記第4のスイッチング素子の他端とが接続される接続点にアノードが接続され、カソードが前記直流電源の中点に接続される第2のダイオードと、が具備され、
前記第2のスイッチング素子の他端と前記第3のスイッチング素子の他端との接続点を外部に取り出せるようにした3レベル回路が構成される場合に、
前記レグを構成する各スイッチング素子を前記フィンベース上に電気車の進行方向に順次並べて配置したことを特徴とする請求項2に記載の電力変換装置。 - 前記第1〜第4のスイッチング素子によって構成される前記レグを複数組有する単相あるいは多相のブリッジ回路である場合に、各相の前記レグは、前記フィンベース上に電気車の進行方向に対して直角方向に順次並べて配置したことを特徴とする請求項10に記載の電力変換装置。
- 直列に接続される第1〜第4のスイッチング素子が前記レグとして構成され、
正側アームを成す前記第1のスイッチング素子の一端が直流電源の正側に接続され、負側アームを成す前記第4のスイッチング素子の一端が直流電源の正側に接続されており、
前記第1のスイッチング素子とともに正側アームを成す前記第2のスイッチング素子の一端と前記第1のスイッチング素子の他端とが接続される接続点にカソードが接続され、アノードが前記直流電源の中点に接続される第1のダイオードと、
前記第4のスイッチング素子とともに負側アームを成す前記第3のスイッチング素子の一端と前記第4のスイッチング素子の他端とが接続される接続点にアノードが接続され、カソードが前記直流電源の中点に接続される第2のダイオードと、が具備され、
前記第2のスイッチング素子の他端と前記第3のスイッチング素子の他端との接続点を外部に取り出せるようにした3レベル回路が構成される場合に、
前記レグを構成する各スイッチング素子を、前記第1,第2のスイッチング素子、前記第3,第4のスイッチング素子の順に、前記フィンベース上に電気車の進行方向に順次並べて配置したことを特徴とする請求項2に記載の電力変換装置。 - 前記フィンベースの内部に、前記スイッチング素子の直下を通過し且つ電気車の進行方向にヒートパイプを複数埋め込んだ構成としたことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
- 前記フィンベースの内部に、前記正側アームの前記スイッチング素子と前記負側アームの前記スイッチング素子の直下を共に通過し且つ電気車の進行方向にヒートパイプを複数埋め込んだ構成としたことを特徴とする請求項2に記載の電力変換装置。
- 前記フィンベースの内部にヒートパイプを埋め込んだ構成であって、前記ヒートパイプは、前記フィンベース上に搭載される前記コンバータ部および前記インバータ部を構成する複数の前記スイッチング素子のうち、損失の大きな前記スイッチング素子の直下付近と損失の小さな前記スイッチング素子の直下付近にそれぞれ一端と他端を配置したことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
- 直列に接続される第1〜第4のスイッチング素子が前記レグとして構成され、
正側アームを成す前記第1のスイッチング素子の一端が直流電源の正側に接続され、負側アームを成す前記第4のスイッチング素子の一端が直流電源の正側に接続されており、
前記第1のスイッチング素子とともに正側アームを成す前記第2のスイッチング素子の一端と前記第1のスイッチング素子の他端とが接続される接続点にカソードが接続され、アノードが前記直流電源の中点に接続される第1のダイオードと、
前記第4のスイッチング素子とともに負側アームを成す前記第3のスイッチング素子の一端と前記第4のスイッチング素子の他端とが接続される接続点にアノードが接続され、カソードが前記直流電源の中点に接続される第2のダイオードと、が具備され、
前記第2のスイッチング素子の他端と前記第3のスイッチング素子の他端との接続点を外部に取り出せるようにした3レベル回路が構成される場合であり、
さらに、前記レグを構成する各スイッチング素子が前記第1、第2、第3、第4のスイッチング素子の順に前記フィンベース上に電気車の進行方向に順次並べて配置された場合に、
前記ヒートパイプは前記第1、第2のスイッチング素子直下を通過し且つ前記ヒートパイプの一端が前記第1のスイッチング素子の直下を外れた部分まで延長して配置され、他端が前記第2のスイッチング素子の直下を外れて前記第1のダイオードの直下付近まで延長して配置されたものと、前記第3、第4のスイッチング素子直下を通過し且つ前記ヒートパイプの一端が前記第3のスイッチング素子の直下を外れた部分まで延長して配置され、他端が前記第4のスイッチング素子の直下を外れ前記第2のダイオードの直下付近まで延長して配置されたもの、との少なくとも2本に分割して前記フィンベース内部に埋め込んだことを特徴とする請求項14に記載の電力変換装置。
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