JP5058545B2 - 電気車制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電気車制御装置に関する。
従来の電気車制御装置において、パンタグラフ介して供給された架線電力は、VVVFインバータにより直流電力から交流電力に変換され、このインバータにより変換された交流電力によりインバータと接続された誘導電動機を駆動していた。
従来の電気車制御装置の構成について、図を参照し詳細に説明する。図12は、従来の電気車制御装置の構成図である。図13(a)は従来の電気車制御装置において、電力変換装置7Aを鉄道車両の床下に装着した状態を示す斜視図であり、図13(b)は車両の進行方向から見た側面図であり、図14(a)は車両の底面に取り付けられる方向から見た電力変換装置7Aの平面図であり、図14(b)はその底面図である。
従来の電気車制御装置は、パンタグラフ1と、接触器2とリアクトル3と4群のインバータ回路4から構成される電力変換装置7aと、各群のインバータ回路と接続された誘導電動機6から構成されていた。
このように構成された電気車制御装置の中で、大部分を占める電力変換装置7Aについて説明する。電力変換装置7aは半導体素子(例えば、IGBTにスナバー用のダイオードを並列接続したものを総称する)8を冷却する4個の冷却器9を備える。そして、1個の冷却器9にはVVVFインバータ回路の1群分の半導体素子8がまとめて収納され、フィルタコンデンサ5が一つの箱体に収納されている。
なお、1群のVVVFインバータ回路はU,V,Wの3相インバータ回路であるが、場合によっては、4群のVVVFインバータ回路の各1相分を1個の冷却器9にまとめて取り付け、これを3個並べて構成することもある。これは、各群のVVVFインバータ回路を構成する各1相分の半導体素子8を集約配置すれば、その周辺部品の配置、電気的な接続が容易になり、電力変換装置7Aが機能的に区分されて機能毎のユニット構成が可能になることから、冷却器9もこのような1群毎の変換回路でまとめられた形となる。
図12〜図14に示した冷却器9には、半導体素子8が取り付けられる受熱部と外気へ熱放散を行う放熱部とからなる冷却器が装着されるが、受熱部は電力変換装置7Aの密閉室部分に置かれ、放熱部は外気と通ずる開放室部分に置かれる。放熱部の置かれる開放室部分は電力変換装置7aの筐体より若干突出させて外気へ熱放散しやすくなっており、さらに、車両走行時に装置の外表面を相対的に流れる走行風を受けやすい構成になっている。
このように構成された電気車制御装置は、パンタグラフを介して供給された架線電力を変換する電力変換装置7Aの運転時に半導体素子8から発生する損失熱を、電力変換装置7aの冷却器9内に装着される冷却器により外気へ放散するので、半導体素子8の許容温度以下での使用が可能であった。
特開2002−262583号公報
しかしながら、上述した従来の電気車制御装置は、電力変換装置の外形寸法が大きく、更なる小型化・軽量化が求められていた。そこで、上述した従来の電気車制御装置を、更に小形・軽量化するために、2群のインバータ回路を同一の冷却器に搭載し、小形・軽量化するという方式が考え、上述した従来の電気車制御装置に比べ、システムを小型化・軽量化することが出来た(特許文献1参照)。
しかしながら、特許文献1に記載のある電気車制御装置に対しても、更なる小形・軽量化が求められている。
そこで、本発明は、従来の電気車制御装置よりも小形、軽量化することの出来る電気車制御装置を提供することを目的とする。
上記課題は、パンタグラフと、遮断器を介して接続され、電圧を変換するチョッパモジュールと、前記チョッパモジュールと接続されたリアクトルと、前記リアクトルと接続され、前記チョッパモジュールにより電圧変換された電力を受け取り、所定の電圧、所定の周波数の交流電力に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路と接続され、前記インバータ回路により変換された交流電力により駆動する永久磁石式同期電動機と、前記チョッパモジュール1つに対して、2群の前記インバータ回路と接続され、
前記チョッパモジュール1つと前記2群のインバータ回路は、同一の冷却器に収納されることを備えたことにより達成することが出来る。
本発明によれば、従来の電気車制御装置よりも、小形、軽量化することの出来る電気車制御装置を提供することを目的とする。
(第1の実施の形態)
本発明に基づく第1の実施の形態の電気車制御装置について、図を参照し詳細に説明する。図1は、本発明に基づく第1の実施の形態の電気車制御装置の構成図である。
本発明に基づく第1の実施の形態の電気車制御装置は、パンタグラフ11と、パンタグラフ11と接続された遮断器12と、遮断器12と接続された接触器13と、遮断器12と接続され、接触器13と並列に設けられた充電抵抗14と、接触器13と接続された接触器15と、接触器15と接続されたリアクトル16と、リアクトル16と接続され直流電圧を変換可能なチョッパモジュール18と、チョッパモジュール18の直流電力入力端子間に設けられたコンデンサ17と、チョッパモジュール18の出力側に設けられ電流を平滑するリアクトルと、リアクトル19と接続された第1群のインバータ回路20aと、リアクトル19と接続された第2群のインバータ回路20bと、第1群及び第2群のインバータ回路20a及びインバータ回路20bの直流電力入力端子間に設けられたコンデンサ21a及びコンデンサ21bと、インバータ回路20aの交流出力側と接触器を介して接続された永久磁石式同期電動機22aと、インバータ回路20bの交流出力側と接触器を介して接続された永久磁石式同期電動機22bとから構成されている。
このように構成された電気車制御装置において、パンタグラフ1により給電された約1500Vの架線電力は、接触器12、接触器13、15、リアクトル16を介して、チョッパモジュール18に供給される。チョッパモジュール18は、1500Vの架線電力を、750V〜850Vの電圧に変換し出力する。チョッパモジュール18により、変圧された電力は、リアクトル19により平滑化され、インバータ20a及びインバータ20bへ供給される。インバータ20a及びインバータ20bは、供給された直流電力を交流電力に変換し永久磁石式同期電動機22a及び22bに供給する。
このように構成された電気車制御装置において、チョッパモジュール18と、インバータ回路20aと、インバータ回路20bは、同一の冷却器9に収納される。図2及び図3を参照し、電力変換装置内での配置について説明する。図2は、第1の実施の形態の電力変換装置の冷却器の構成図である。図3は、図2のA矢視図である。尚、図2の受熱部31aに関して、図で上側を表面とし、図で下側の面を裏面と定義する。
インバータ回路20aのU相の半導体素子20auは受熱部31aの表面に取り付けられ、インバータ回路20bのU相の半導体素子20buは受熱部31aの裏面に取り付けられる。冷却液を封入したヒートパイプ33a一端は、受熱部31aに埋め込まれ、ヒートパイプ33aの他端側(冷却器9側)には、複数の放熱フィン34aが取り付けられる。
インバータ回路20aのv相の半導体素子20avは受熱部31bの表面に取り付けられ、インバータ回路20bのv相の半導体素子20bvは受熱部31bの裏面に取り付けられる。冷却液を封入したヒートパイプ33b一端は、受熱部31bに埋め込まれ、ヒートパイプ33bの他端側(冷却器9側)には、複数の放熱フィン34bが取り付けられる。
インバータ回路20aのw相の半導体素子20awは受熱部31cの表面に取り付けられ、インバータ回路20bのw相の半導体素子20bwは受熱部31cの裏面に取り付けられる。冷却液を封入したヒートパイプ33c一端は、受熱部31cに埋め込まれ、ヒートパイプ33cの他端側(冷却器9側)には、複数の放熱フィン34cが取り付けられる。
チョッパモジュール18は、インバータ回路20bのW相半導体素子が破損した場合でも、被害を受けないように受熱部31dの裏面に取り付けられる。冷却液を封入したヒートパイプ33d一端は、受熱部31dに埋め込まれ、ヒートパイプ33dの他端側(冷却器9側)には、複数の放熱フィン34dが取り付けられる。
このように構成された電気車制御装置において、チョッパモジュール18は電気車が低速で走行しているときには損失が少なく、電気車が高速の場合に損失が高くなる。それに対してインバータ回路20a及びインバータ回路20bは電気車が低速の場合は損失が高いが、電気車が高速の場合は損失が低くなる。チョッパモジュール18とインバータ回路20a及び20bは、損失のピークが異なるので、チョッパモジュールとインバータ回路を別々の冷却器に入れる場合よりも、冷却器の大きさを小さくすることが出来、小形・軽量化が可能となる。
このように構成された電気車制御装置は、チョッパモジュール18aにより架線電圧を降圧することにより、例えば750V等の低耐圧の半導体素子により電力変換装置を構成可能としているので損失が下がり、従来の電気車制御装置の電力変換装置のように1500Vの高耐圧素子を使用しなくてもよい。
本実施の形態の電気車制御装置は、チョッパモジュールを追加し、750V等の低耐圧素子により、インバータ回路を構成可能しているので、従来1500Vの高耐圧素子を用いたインバータ回路を用いた電力変換装置よりも、冷却器の小型化が可能となる。チョッパモジュール18を追加した事により、チョッパモジュール18での損失は発生するが、インバータ回路18a及びインバータ回路18bでの損失が下がるので、電気車制御装置(システム全体)として見れば、損失を下げることができ、小形・軽量化をすることが出来る。
また、本実施の形態の電気車制御装置から、チョッパモジュールを失くせば、そのまま750V〜800V架線の鉄道車両のシステムとすることが出来るので、装置を共通化できるというメリットもある。
(第2の実施の形態)
本発明に基づく第2の実施の形態の電気車制御装置について、図を参照し詳細に説明する。図4は、本発明に基づく第2の実施の形態の電気車制御装置の構成図である。図5は、第2の実施の形態の電力変換装置の配置に関する構成図である。図6は、電力変換装置の外観図である。尚、図1乃至図3に記載したものと同一の構成を取るものについては、同符号を付して説明を省略する。
本発明に基づく第2の実施の形態の電気車制御装置は、図4に示すように、接触器13に、接触器15及びリアクトル16を介して、2組のチョッパモジュール18a及び18bが接続されている、チョッパモジュール18aには、リアクトル19を介してインバータ回路20a及びインバータ回路20bが接続され、チョッパモジュール18bに対しては、リアクトル19を介してインバータ回路20cが接続されている。
本実施の形態の電気車制御装置では、チョッパモジュール18a、チョッパモジュール18aと接続されるインバータ回路18a及びインバータ回路18bをひとつの冷却器9aに入れ、チョッパモジュール18b及びインバータ回路18c及びインバータ回路18dを異なる冷却器19bに入れたことを特徴とする。
このように構成された電気車制御装置は、第1の実施の形態の電気車制御装置と同様に、チョッパモジュール18は電気車が低速で走行しているときには損失が少なく、電気車が高速の場合に損失が高くなる。それに対してインバータ回路20a及びインバータ回路20bは電気車が低速の場合は損失が高いが、電気車が高速の場合は損失が低くなる。チョッパモジュール18とインバータ回路20a及び20bは、損失のピークが異なるので、チョッパモジュールとインバータ回路を別々の冷却器に入れる場合よりも、冷却器の大きさを小さくすることが出来、小形・軽量化が可能となる。
また、このように構成された電気車制御装置においても、チョッパモジュール18aにより架線電圧を降圧することにより、例えば750V等の低耐圧の半導体素子により電力変換装置を構成可能としているので損失が下がり、従来の電気車制御装置の電力変換装置のように1500Vの高耐圧素子を使用しなくてもよい。
また、本実施の形態の電気車制御装置においても、チョッパモジュールを追加し、750V等の低耐圧素子により、インバータ回路を構成可能しているので、従来1500Vの高耐圧素子を用いたインバータ回路を用いた電力変換装置よりも、冷却器の小型化が可能となる。チョッパモジュール18を追加した事により、チョッパモジュール18での損失は発生するが、インバータ回路18a及びインバータ回路18bでの損失が下がるので、電気車制御装置(システム全体)として見れば、損失を下げることができ、小形・軽量化をすることが出来る。
また、本実施の形態の電気車制御装置も同様に、チョッパモジュールを失くせば、そのまま750V〜800V架線の鉄道車両のシステムとすることが出来るので、装置を共通化できるというメリットもある。
(第3の実施の形態)
本発明に基づく第3の実施の形態の電気車制御装置について、図を参照し詳細に説明する。図7は、本発明に基づく第2の実施の形態の電気車制御装置における電力変換装置の外観図である。尚、図1乃至図6に記載したものと同一の構成を取るものについては、同符号を付して説明を省略する。
本発明に基づく第3の実施の形態の電気車制御装置は、図4に記載のシステムにおいて、インバータ回路20a及び20bを冷却器9cに設け、2個のチョッパモジュール18a及び18bをひとつの冷却器9dに設け、インバータ回路20c及び20dを冷却器9f
に設けた点で、第2の実施の形態の電気車制御装置と異なる。
本実施の形態の電気車制御装置では、従来の電気車制御装置よりも小形・軽量化できることに加えて、チョッパモジュール18が設けられた冷却器9dが、インバータ回路用の冷却器9cと9fの間に設けられており、チョッパモジュール18とインバータ回路20
とは発熱のピークが異なるので、冷却器9dによる、冷却器9cや冷却器9eに対する熱あおりが起きにくい。また、チョッパモジュール18を搭載した冷却器9dが、真中に設置されているので、チョッパモジュールは電気車の進行方向により冷却性能が左右されることがなく、常にほぼ一定の冷却性能を確保することが出来る。
尚、図4に記載の電気車制御装置の回路構成の変形例としては、図8や図9に記載のものが考えられる。
図8に記載の電気車制御装置は、接触器15とリアクトル16を共通化した点で図4に記載の電気車制御装置とは異なる。図8に記載の構成とすることで更なる小形・軽量化が可能となる。
図9に記載の電気車制御装置は、チョッパモジュール18a及び18bの出力側を接続し、そこから4台のインバータ回路に接続している点で図8に記載の電気車制御装置と異なる。このように構成することで、インバータ回路のコンデンサ21を小さくすることが出来るので、図8に記載の電気車制御装置よりも更に小形・軽量化することが出来る。
このように構成された電気車制御装置は、第1の実施の形態の電気車制御装置と同様に、チョッパモジュール18は電気車が低速で走行しているときには損失が少なく、電気車が高速の場合に損失が高くなる。それに対してインバータ回路20a及びインバータ回路20bは電気車が低速の場合は損失が高いが、電気車が高速の場合は損失が低くなる。チョッパモジュール18とインバータ回路20a及び20bは、損失のピークが異なるので、チョッパモジュールとインバータ回路を別々の冷却器に入れる場合よりも、冷却器の大きさを小さくすることが出来、小形・軽量化が可能となる。
また、このように構成された電気車制御装置においても、チョッパモジュール18aにより架線電圧を降圧することにより、例えば750V等の低耐圧の半導体素子により電力変換装置を構成可能としているので損失が下がり、従来の電気車制御装置の電力変換装置のように1500Vの高耐圧素子を使用しなくてもよい。
また、本実施の形態の電気車制御装置においても、チョッパモジュールを追加し、750V等の低耐圧素子により、インバータ回路を構成可能しているので、従来1500Vの高耐圧素子を用いたインバータ回路を用いた電力変換装置よりも、冷却器の小型化が可能となる。チョッパモジュール18を追加した事により、チョッパモジュール18での損失は発生するが、インバータ回路18a及びインバータ回路18bでの損失が下がるので、電気車制御装置(システム全体)として見れば、損失を下げることができ、小形・軽量化をすることが出来る。
また、本実施の形態の電気車制御装置も同様に、チョッパモジュールを失くせば、そのまま750V〜800V架線の鉄道車両のシステムとすることが出来るので、装置を共通化できるというメリットもある。
(第4の実施の形態)
本発明に基づく第4の実施の形態の電気車制御装置について、図を参照し詳細に説明する。図10は、本発明に基づく第4の実施の形態の電気車制御装置における電力変換装置の外観図である。尚、図1乃至図9に記載したものと同一の構成を取るものについては、同符号を付して説明を省略する。
本発明に基づく第4の実施の形態の電気車制御装置は、1台のチョッパモジュール18に4台(群)のインバータ回路を接続し、これらを同一の冷却器に入れたことを特徴としている。
本実施の形態の電気車制御装置において、4群のインバータ回路のU相の半導体素子は、受熱部31aに取り付けられ、V層の半導体素子は受熱部31b、W相の半導体素子は31c、チョッパモジュール18aおよび18bは受熱部31dに取り付けられる。
このように構成された電気車制御装置は、4群のインバータとつのチョッパモジュールを同一の冷却器に収納する構成としているので、第2の実施の形態の電気車制御装置に比べて小形・軽量化することが出来る。
このように構成された電気車制御装置は、第1の実施の形態の電気車制御装置と同様に、チョッパモジュール18は電気車が低速で走行しているときには損失が少なく、電気車が高速の場合に損失が高くなる。それに対してインバータ回路20a及びインバータ回路20bは電気車が低速の場合は損失が高いが、電気車が高速の場合は損失が低くなる。チョッパモジュール18とインバータ回路20a及び20bは、損失のピークが異なるので、チョッパモジュールとインバータ回路を別々の冷却器に入れる場合よりも、冷却器の大きさを小さくすることが出来、小形・軽量化が可能となる。
また、このように構成された電気車制御装置においても、チョッパモジュール18aにより架線電圧を降圧することにより、例えば750V等の低耐圧の半導体素子により電力変換装置を構成可能としているので損失が下がり、従来の電気車制御装置の電力変換装置のように1500Vの高耐圧素子を使用しなくてもよい。
また、本実施の形態の電気車制御装置においても、チョッパモジュールを追加し、750V等の低耐圧素子により、インバータ回路を構成可能しているので、従来1500Vの高耐圧素子を用いたインバータ回路を用いた電力変換装置よりも、冷却器の小型化が可能となる。チョッパモジュール18を追加した事により、チョッパモジュール18での損失は発生するが、インバータ回路18a及びインバータ回路18bでの損失が下がるので、電気車制御装置(システム全体)として見れば、損失を下げることができ、小形・軽量化をすることが出来る。
また、本実施の形態の電気車制御装置も同様に、チョッパモジュールを失くせば、そのまま750V〜800V架線の鉄道車両のシステムとすることが出来るので、装置を共通化できるというメリットもある。
尚、第1乃至第4の実施の形態の電気車制御装置において、インバータ回路が接続される受熱ブロックには、同じ相の半導体素子が取り付けられているので、1群の半導体素子が壊れ、残りのインバータ回路で電気車を駆動するため、残りのインバータ回路の半導体素子毎の損失が多くなっても、冷却全体の冷却能力を超えることはないので、装置の信頼性の確保も出来る。
尚、第1乃至第4の実施の形態の電気車制御装置では、直流架線に対するシステム構成について説明しているが、交流架線であっても同様の構成が可能であるので、本発明は交流でも直流でも適用が可能である。
本発明に基づく第1の実施の形態の電気車制御装置の構成図である。 第1の実施の形態の電力変換装置の冷却器の構成図である。 図2のA矢視図である。 本発明に基づく第2の実施の形態の電気車制御装置の構成図である。 第2の実施の形態の電力変換装置の配置に関する構成図である。 電力変換装置の外観図である。 本発明に基づく第2の実施の形態の電気車制御装置における電力変換装置の外観図である。 本発明に基づく第2の実施の形態の電気車制御装置の変形例の構成図である。 本発明に基づく第2の実施の形態の電気車制御装置の変形例の構成図である。 本発明に基づく第4の実施の形態の電気車制御装置における電力変換装置の外観図である。 本発明に基づく第4の実施の形態の電力変換装置の配置に関する構成図である。 従来の電気車制御装置の構成図である。 (a)は従来の電気車制御装置において、電力変換装置7Aを鉄道車両の床下に装着した状態を示す斜視図である。
(b)は車両の進行方向から見た側面図である。
(a)は車両の底面に取り付けられる方向から見た電力変換装置7Aの平面図である。
(b)はその底面図である。
符号の説明
11 パンタグラフ
12 遮断器
13 接触器
14 抵抗
15 接触器
16 リアクトル
17 コンデンサ
18 チョッパーモジュール
19 リアクトル
20 インバータ回路
21 コンデンサ
22 永久磁石式同期電動機

Claims (3)

  1. パンタグラフと、遮断器を介して接続され、電圧を変換するチョッパモジュールと、
    前記チョッパモジュールと接続されたリアクトルと、
    前記リアクトルと接続され、前記チョッパモジュールにより電圧変換された電力を受け取り、所定の電圧、所定の周波数の交流電力に変換するインバータ回路と、
    前記インバータ回路と接続され、前記インバータ回路により変換された交流電力により駆動する永久磁石式同期電動機と
    前記チョッパモジュール1つに対して、2群の前記インバータ回路と接続され、
    前記チョッパモジュール1つと前記2群のインバータ回路は、同一の冷却器に収納されることを備えたことを特徴とする電気車制御装置。
  2. 前記請求項1記載の電気車制御装置において、
    前記2群のインバータ回路が接続されている前記チョッパモジュールは、さらに2群のインバータ回路が接続され、同一の冷却器に収納されることを特徴とする電気車制御装置。
  3. 前記請求項1乃至2の電気車制御装置において、
    前記インバータ回路各々に1台ずつ接続される永久磁石式同期電動機とを備えたことを特徴とする電気車制御装置。
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