JP6470220B2 - 電力変換装置 - Google Patents

電力変換装置 Download PDF

Info

Publication number
JP6470220B2
JP6470220B2 JP2016067033A JP2016067033A JP6470220B2 JP 6470220 B2 JP6470220 B2 JP 6470220B2 JP 2016067033 A JP2016067033 A JP 2016067033A JP 2016067033 A JP2016067033 A JP 2016067033A JP 6470220 B2 JP6470220 B2 JP 6470220B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
power
power conversion
conversion device
pipe
cooling device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2016067033A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2017184412A (ja
Inventor
陽介 安田
陽介 安田
優 片桐
優 片桐
健太郎 前
健太郎 前
西村 欣剛
欣剛 西村
崇弘 山内
崇弘 山内
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=57890670&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=JP6470220(B2) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Ltd
Priority to JP2016067033A priority Critical patent/JP6470220B2/ja
Priority to CN201610842691.9A priority patent/CN107294356B/zh
Priority to EP17152507.4A priority patent/EP3228490B1/en
Publication of JP2017184412A publication Critical patent/JP2017184412A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6470220B2 publication Critical patent/JP6470220B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L1/00Supplying electric power to auxiliary equipment of vehicles
    • B60L1/003Supplying electric power to auxiliary equipment of vehicles to auxiliary motors, e.g. for pumps, compressors
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00Details of apparatus for conversion
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L3/00Electric devices on electrically-propelled vehicles for safety purposes; Monitoring operating variables, e.g. speed, deceleration or energy consumption
    • B60L3/0023Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train
    • B60L3/003Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train relating to inverters
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L50/00Electric propulsion with power supplied within the vehicle
    • B60L50/50Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells
    • B60L50/51Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells characterised by AC-motors
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05KPRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/2089Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for power electronics, e.g. for inverters for controlling motor
    • H05K7/20909Forced ventilation, e.g. on heat dissipaters coupled to components
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05KPRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/2089Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for power electronics, e.g. for inverters for controlling motor
    • H05K7/20927Liquid coolant without phase change
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2200/00Type of vehicles
    • B60L2200/26Rail vehicles
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2210/00Converter types
    • B60L2210/30AC to DC converters
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2210/00Converter types
    • B60L2210/40DC to AC converters
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2240/00Control parameters of input or output; Target parameters
    • B60L2240/10Vehicle control parameters
    • B60L2240/36Temperature of vehicle components or parts
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2240/00Control parameters of input or output; Target parameters
    • B60L2240/40Drive Train control parameters
    • B60L2240/52Drive Train control parameters related to converters
    • B60L2240/525Temperature of converter or components thereof
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2240/00Control parameters of input or output; Target parameters
    • B60L2240/60Navigation input
    • B60L2240/66Ambient conditions
    • B60L2240/662Temperature
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/72Electric energy management in electromobility
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/10Technologies relating to charging of electric vehicles
    • Y02T90/16Information or communication technologies improving the operation of electric vehicles

Description

本発明は、特に、電力変換を行う半導体素子を液冷方式で冷却するシステムを備えた電力変換装置に関する。
鉄道車両の床下には、車両駆動用の電動機への供給電力を制御する車両駆動用制御装置や、空調等の車上電気設備への供給電力を制御する補助電源装置などの電力変換装置が設置される。これらの電力変換装置には、電流のスイッチングを行って直流/交流を変換するための半導体素子が設置される。
半導体素子においては、通電時およびスイッチング時に熱が発生し、この熱により半導体素子が高温になると、変換効率の低下や素子破壊が懸念されるため、半導体素子を所定の温度範囲になるように冷却する必要がある。電力変換装置は主に搭載スペースの限られた車両床下等に搭載されるため、小型な装置構成で複数の半導体素子を効率良く冷却する必要がある。特に、高速車両など大容量の電力変換が要求される場合には、液冷方式が用いられる。液冷方式の構成として、特許第4479305号に示す構成が知られている。
特許第4479305号に記載の電力変換装置は、第1の半導体電子部品と、前記第1の半導体電子部品とは分離された第2の半導体電子部品とを有し、前記第1の半導体電子部品を冷却するために、前記第1の半導体電子部品に設けられた第1のヒートシンクと、前記第2の半導体電子部品を冷却するために、前記第2の半導体電子部品に設けられた第2のヒートシンクを備えている。前記第1のヒートシンクと前記第2のヒートシンクは、共通の放熱器、送風機、および循環ポンプによって液体冷媒が供給、循環する液冷ヒートシンクである。第1のヒートシンクと第2のヒートシンクとに流れる液体冷媒の流量を調整する手段として、前記半導体電子部品の発生熱損失を運転状態から計算し、前記液体冷媒の流量を調整する制御装置と、この制御装置の制御により、前記液体冷媒の流量を調整する流量調整弁とを備えている。このような構成とすることで、第1の半導体電子部品と第2の半導体電子部品のそれぞれの発生熱損失に応じて液体冷媒の流量を調整できるため、システムの冷却効率が向上し、ラジエータや循環ポンプを小型化することができる。
特許第4479305号
電力変換装置の電力変換容量が大きくなると、冷却性能を確保するためにヒートシンクに供給する液体冷媒の流量を多くする必要があり、圧力損失の低減のために液体冷媒の配管径を大きくする必要がある。また、電力変換容量が大きくなると、電流増大に伴って電線径も大きくする必要がある。さらに、複数の電力変換回路で装置を構成する場合、配管や電線の本数が多くなる。そのため、電力変換装置をさらに小型化するには、放熱器や循環ポンプだけでなく、配管や電線の配置に関しても考慮して設計する必要がある。
また、前記半導体電子回路部品は、過電流などにより故障した際には交換する必要があり、さらに、循環ポンプなどは定期的なメンテナンスが必要である。このことから、装置交換やメンテナンスのしやすさも考慮して構成部品を配置する必要がある。
本発明は上述した課題を解決するためのものであり、小型でメンテナンスのしやすい電力変換装置を提供することを目的とする。
前記の課題を解決する第1の発明における電力変換装置は、電力変換回路を備えた複数のパワーユニットと、前記複数のパワーユニットへの電力入出力を行う複数の電線と、前記複数のパワーユニットに液体冷媒を供給する冷却装置と、前記複数のパワーユニットと前記冷却装置を接続する複数の配管を備えた電力変換装置であって、電力変換装置の中央部に、前記複数の電線と、前記複数の配管を集約する空間を設け、前記複数のパワーユニットに前記複数の電線を接続する主回路端子と、前記複数のパワーユニットに前記複数の配管を接続する複数のパワーユニット側配管コネクタと、前記冷却装置に前記複数の配管を接続する複数の冷却装置側配管コネクタを、前記空間に接する位置に設置することを特徴とする。
第2の発明における電力変換装置は、前記複数の冷却装置側配管コネクタは前記冷却装置の底面側に設置され、前記複数の配管は、前記複数のパワーユニット側配管コネクタから、前記空間の下部を通って前記複数の冷却装置側配管コネクタに接続され、前記複数の電線は、前記複数のパワーユニットの主回路端子から、前記空間の上部を通って、電力変換装置の入力と出力に接続されることを特徴とする。
第3の発明における電力変換装置は、前記冷却装置は、液体冷媒を冷却する放熱器と、放熱器に冷却風を供給する送風機と、液体冷媒を循環させるポンプと、前記複数のパワーユニットに液体冷媒を分配して供給する分配管と、前記複数のパワーユニットから液体冷媒を受け取る集約管で構成され、前記分配管と、前記集約管には前記複数の冷却装置側配管コネクタが設置されて、前記冷却装置の底面側に設置され、前記送風機は、前記放熱器の風下側に設置され、冷却風は電力変換装置の側面側から前記放熱器に供給され、前記放熱器と前記分配管と前記集約管の間の空間を通過して、電力変換装置の底面側から排気されることを特徴とする。
第4の発明における電力変換装置は、前記分配管と前記集約管に設置される前記複数の冷却装置側配管コネクタは、千鳥状に配置されることを特徴とする。
第5の発明における電力変換装置は、前記冷却装置に液体冷媒を注入あるいは排出するためのバルブが、電力変換装置の側面側あるいは底面側の少なくとも1箇所に設置されることを特徴とする。
第6の発明における電力変換装置は、前記複数のパワーユニットは、電力変換装置から各々が個別に着脱可能に構成されていることを特徴とする。
第7の発明における電力変換装置は、鉄道車両の床下に設置されることを特徴とする。
前記のように、電力変換装置の電力変換容量が大きく、さらに複数の電力変換回路で装置を構成する場合、配管や電線の径が大きくなり、これらの本数が多くなる。第1の発明によれば、必要な設置スペースの大きい配管や電線を、装置中央の空間に集約することで、電力変換装置を小型化することができる。
また、電力変換装置のメンテナンスを行う際には、電力変換装置の底面側から作業することが想定される。第2の発明によれば、冷却装置の底面側に配管コネクタを設置し、配管が筐体内の空間の下部を通って配管コネクタに接続される構造とすることで、冷却装置から配管を着脱する作業、および筐体から冷却装置を着脱する作業が容易になるため、メンテナンス性を向上することができる。
また、電力変換装置内で冷却風が通過するスペースを極力削減するために、冷却風は底面側から排気されることが望ましい。第3の発明によれば、冷却装置内の空間を有効に使用することで、電力変換装置を小型化することができる。
第4の発明によれば、冷却装置の底面側から配管を着脱する作業が容易となり、メンテナンス性を向上することができる。
第5の発明によれば、液体冷媒を注入、あるいは排出する作業を、冷却装置の側面側あるいは底面側から容易に行うことができるようになるため、メンテナンス性を向上することができる。
第6の発明によれば、パワーユニットを個別に着脱可能であるため、メンテナンス性を向上することができる。
第1から第6の発明は、鉄道車両の床下に設置する電力変換装置に適した構造である。よって、第7の発明によれば、小型でメンテナンスのしやすい電力変換装置を提供することができる。
本発明の実施例1に関わる電力変換装置の機器配置を表す平面図。 本発明の実施例1に関わる電力変換装置に搭載される冷却装置の構成と、パワーユニットに液体冷媒を供給する配管を表す平面図。 本発明の実施例1に関わる電力変換装置に搭載される冷却装置の構成と、パワーユニットから冷却装置に液体冷媒を戻す配管を表す平面図。 本発明の実施例1に関わる電力変換装置のモータ駆動用主回路電線の構成を表す平面図。 本発明の実施例1に関わる電力変換装置の補助電源用主回路電線の構成を表す平面図。 図2および図3のA矢視図であり、本発明の実施例1に関わる電力変換装置の配管経路を表す。 図4および図5のB矢視図であり、本発明の実施例1に関わる電力変換装置の電線経路を表す。 図2および図3のC矢視図であり、本発明の実施例1に関わる電力変換装置に搭載される冷却装置の配管コネクタの位置を表す。 本発明の実施例2に関わる電力変換装置に搭載される冷却装置の構成を表す平面図。 鉄道車両の進行方向の断面図。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施例について説明する。
図1は、本発明の実施例1に関わる電力変換装置の機器配置を表す平面図である。電力変換装置100は、電力変換回路を備えた5台のパワーユニット200、パワーユニット200に液体冷媒を供給する冷却装置300、パワーユニット200の電力変換を制御する制御装置510、パワーユニットから出力される三相交流の電流を平滑化する交流リアクトル520、パワーユニットから出力される三相交流の電圧を平滑化する交流コンデンサ530、地絡発生時に電流を遮断する接触器540、モータ出力の三相交流のノイズを除去するモータ出力コア551、補助電源出力の三相交流のノイズを除去する補助電源出力コア552、モータ出力端子560、補助電源出力端子570、入力端子580で構成されている。これらの機器は電力変換装置100の側面側または端部側に設置されており、図1に示す電力変換装置100の中央部の点線で囲まれた部分には空間400が設けられている。
パワーユニット200の配管コネクタと主回路端子について、第1パワーユニット210を例に説明する。第1パワーユニット210には、冷却装置300から液体冷媒が供給される入口側配管コネクタ214と、液体冷媒を冷却装置300に戻す出口側配管コネクタ215と、主回路端子216が、空間400に接する位置に設置されている。その他のパワーユニット220、230、240、250に関しても同様の構成である。
また、冷却装置300には、パワーユニット200に液体冷媒を供給する分配管側配管コネクタ351と、パワーユニット200から液体冷媒を受け取る集約管側配管コネクタ361がそれぞれ5箇所設置されている。
冷却装置および液体冷媒を流す配管の構成について説明する。図2は、本発明の実施例1に関わる電力変換装置に搭載される冷却装置の構成と、パワーユニットに液体冷媒を供給する配管を表す平面図である。また、図3は、パワーユニットから冷却装置に液体冷媒を戻す配管を表す平面図である。冷却装置300は、液体冷媒を冷却する放熱器310、放熱器310に冷却風を供給する送風機320、液体冷媒を循環するポンプ330、液体冷媒の温度上昇による膨張を吸収する膨張タンク340、複数のパワーユニット200に液体冷媒を供給する分配管350、複数のパワーユニット200から液体冷媒を受け取る集約管360、液体冷媒の注入および排出を行うバルブ370と、これらをつなぐ冷却装置内配管380で構成される。液体冷媒はポンプ330から分配管350に供給される。分配管350では分配管側配管コネクタ351が5台設置されており、液体冷媒は分配管側配管コネクタ351を介して5本の入口側配管411に分配される。入口側配管411を通過した液体冷媒は入口側配管コネクタ214から各パワーユニット200に供給される。パワーユニット200で熱を受け取った液体冷媒は、出口側配管コネクタ215から出口側配管412に供給され、集約管側配管コネクタ361を介して集約管360に供給される。液体冷媒は集約管360から放熱器310に供給され、送風機320により供給される冷却風と熱交換して冷却され、ポンプ330に戻る。
次に冷却装置300内の機器配置について説明する。放熱器310は電力変換装置100の側面側に配置される。放熱器310の背面には送風機320が2台設置される。電力変換装置100の中央側には、分配管350、集約管360が配置される。放熱器310の横には、バルブ370が電力変換装置100の側面側を向く方向に設置される。分配管350、集約管360の横にはポンプ330が設置され、ポンプの給水側には膨張タンク340が設置される。
次にパワーユニット200の構成について、第1パワーユニット210を例に説明する。第1パワーユニット210は、スイッチングにより電力の変換を行う複数の半導体素子211、内部に液体冷媒の流路を備える冷却板212、主回路電圧を平滑化するフィルタコンデンサ213で構成される。半導体素子211は冷却板212の両面に実装され、フィルタコンデンサ213は半導体素子211の外側にそれぞれ設置される。つまり、冷却板212を中心として両側面に半導体素子211、フィルタコンデンサ213が設けられる。冷却板212には、入口側配管コネクタ214と、出口側配管コネクタ215が接続され、冷却板212の内部に設けられた流路と連通させることで液体冷媒の流路が構成される。また、半導体素子211と、フィルタコンデンサ213と、主回路端子216を電気的に接続することで第1パワーユニット210の主回路が構成される。その他のパワーユニット220、230、240、250に関しても同様の構成である。
まず、モータ駆動用の主回路電線の構成について説明する。図4は、本発明の実施例1に関わる電力変換装置のモータ駆動用主回路電線の構成を表す平面図である。図中の破線421は単相交流電線を、点線422は直流電線を、長破線423は三相交流電線を示す。単相交流電線421は、入力端子580から接触器540を介して第2パワーユニット220および第4パワーユニット240の主回路端子226、246に接続される。第2パワーユニット220および第4パワーユニット240は、単相交流を直流に変換するコンバータ回路であり、直流電線422に直流電力を出力する。第2パワーユニット220および第4パワーユニット240の主回路端子226、246は、直流電線422を介して第1パワーユニット210および第3パワーユニット230の主回路端子216、236に接続される。第1パワーユニット210および第3パワーユニット230は直流を三相交流に変換するインバータ回路であり、三相交流電線423に三相交流電力を出力する。第1パワーユニット210および第3パワーユニット230の主回路端子216、236は、三相交流電線423およびモータ出力コア551を介してモータ出力端子560に接続される。
次に、補助電源用の主回路電線の構成について説明する。図5は、本発明の実施例1に関わる電力変換装置の補助電源用の主回路電線の構成を表す平面図である。補助電源用の主回路では、コンバータ回路を構成する第2パワーユニット220及び第4パワーユニット240の主回路端子226、246が、直流電線422を介して第5パワーユニット250の主回路端子256に接続され、補助電源回路を構成する第5パワーユニット250において直流が補機供給用の三相交流に変換される。第5パワーユニット250から出力された三相交流は、三相交流電線423を介してリアクトル520および交流コンデンサ530に供給され、補助電源出力コア552を介して補助電源出力端子570に接続される。
次に、配管経路と配管コネクタの位置について、第1パワーユニット210を例に説明する。図6は、図2および図3のA矢視図であり、本発明の実施例1に関わる電力変換装置の配管経路を表す。入口側配管411、出口側配管412が設置される空間400は、内壁413により分割された密閉部414と開放部415で構成される。送風機320のモータ322は台座323の上に設置され、分配管350および集約管360は台座323の下の開放部415に配置される。第1パワーユニット210の入口側配管コネクタ214に接続された入口側配管411と、出口側配管コネクタ215に接続された出口側配管412は、密閉部414の下部に集められ、内壁413に設けられた貫通穴を介して、分配管側配管コネクタ351および集約側配管コネクタ361と接続される。入口側配管411、出口側配管412と内壁413に設けられた貫通穴との隙間は、パテなどにより埋められ、密閉部414は外気に対し密閉される。その他のパワーユニット220、230、240、250に接続される配管についても同様の構成である。
次に電線経路について、第1パワーユニット210を例に説明する。図7は、図4および図5のB矢視図であり、本発明の実施例1に関わる電力変換装置の電線経路を表す。第1パワーユニット210の主回路端子216に接続された三相交流電線423は、密閉部414内の上部に設けられた電線設置空間416に集められ、電線設置空間416を通過してモータ出力コア551、モータ出力端子560に接続されることで、図4に示すモータ駆動用主回路が構成される。その他のパワーユニット220、230、240、250に接続される電線についても同様の構成である。
次に冷却装置300内の冷却風の流れについて説明する。図6に示すように、冷却風390は電力変換装置100の側面から吸気され、放熱器310を通過して液体冷媒と熱交換する。送風機320の羽根車ケーシング321は、放熱器310と、分配管350、集約管360の間の空間に設置されており、放熱器310を通過した冷却風は羽根車ケーシング321を通過して、電力変換装置100の底面側から排気される。
冷却装置300の配管コネクタの位置について説明する。図8は、図2および図3のC矢視図であり、本発明の実施例1に関わる電力変換装置に搭載される冷却装置の配管コネクタの位置を表す。実施例1では分配管350は集約管360の下に配置されており、分配管350上に設置される5個の配管コネクタ351と、集約管360上に設置される5個の配管コネクタ361は互いに千鳥状に配置される。
次に、パワーユニットの着脱について、第1パワーユニット210を例に説明する。第1パワーユニット210を電力変換装置100から取り外す際には、入口側配管コネクタ214、出口側配管コネクタ215を第1パワーユニット210から取り外し、主回路端子216から直流電線422及び三相交流電線423を取り外し、さらに、図示していないが制御装置510に接続される制御配線を第1パワーユニット210から取り外すことで、第1パワーユニット210を電力変換装置100から個別に取り外すことができる。また、取り付ける際には、入口側配管コネクタ214、出口側配管コネクタ215を第1パワーユニット210に接続し、主回路端子216に直流電線422、三相交流電線423を接続し、さらに、制御配線を制御装置510に接続することで、第1パワーユニット210を電力変換装置100へ個別に取り付けることができる。このように、第1パワーユニット210は電力変換装置100から個別に着脱可能であり、その他のパワーユニット220、230、240、250についても同様に個別に着脱可能である。
図10は、鉄道車両の進行方向の断面図を示している。電力変換装置100は、鉄道車両600の床下に搭載されており、冷却装置300は鉄道車両の側面から吸気を行い、鉄道車両の底面へ排気を行う。また、各パワーユニットは、冷却装置300とは逆側の鉄道車両の側面から着脱可能に配置される。
ここで、実施例1の効果について説明する。電力変換装置の電力変換容量が大きく、さらに複数のパワーユニットで電力変換装置を構成する場合、配管や電線の径が大きくなり、これらの本数が多くなる。実施例1のように、電力変換装置100の中央部に空間400を設け、設置スペースの大きい配管411、412や電線421、422、423を空間400に集約することで、配管及び電線の接続作業のためのスペースを共通化でき、電力変換装置100を小型化することができる。
また、冷却装置300のメンテナンスを行う際には、電力変換装置100の底面側から作業することが想定される。冷却装置300の底面側に分配配管コネクタ351〜355と集約配管コネクタ361〜365を設置し、入口側及び出口側配管411、412が空間400の下部を通って配管コネクタに接続される構造とすることで、冷却装置300から配管411、412を着脱する作業、および電力変換装置100から冷却装置300を着脱する作業が容易になるため、メンテナンス性を向上することができる。さらに、配管コネクタ351、361を千鳥状に配置することで、冷却装置300の底面側から配管411、412を着脱する作業が容易となり、メンテナンス性を更に向上することができる。
また、電力変換装置100では、防水性を考慮し、モータ出力端子310、補助電源出力端子570、入力端子580は電力変換装置100の上部に設置することが望ましい。そのため、実施例1のように、電線421、423を空間400の上部の電線設置空間416に集めることで、電線経路を最短で構成することができるため、電線の抵抗およびインダクタンスを低減できると共に、電線分の重量を削減できる。
また、電力変換装置内で冷却風が通過するスペースを極力削減するために、冷却風は底面側から排気されることが望ましい。実施例1のように、放熱器310を電力変換装置100の側面側に配置し、その背面に送風機320を配置し、放熱器310と分配管350、集約管360の間の空間に送風機320の羽根車ケーシング321を設置して底面に排気する構成とすることで、冷却装置300内の空間を有効に使用することができ、電力変換装置100を小型化することができる。
また、冷却装置300のバルブ370を、電力変換装置100の側面側を向く方向に設置することで、液体冷媒を注入、あるいは排出する作業を、電力変換装置100の側面側から容易に行うことができるようになるため、メンテナンス性を向上することができる。
また、複数のパワーユニット200を個別に着脱できる構成とすることで、メンテナンス性を向上することができる。
また、実施例1は、鉄道車両の床下に設置するのに適した構造であり、鉄道車両の床下に設置することで、小型でメンテナンスのしやすい電力変換装置を提供することができる。
なお、実施例1は、電力変換装置100の中にパワーユニット200が5台搭載されることを想定しているが、パワーユニット200の台数は5台に限定されるものではない。また、主回路電線の構成に関しても、図4、図5の構成に限定されるものではない。また、図6および図7では半導体素子211が冷却板212の片面に4台設置されることを想定しているが、半導体素子211の台数はこれに限定されるものではない。また、分配管350および集約管360は上下逆になっても良い。
さらに、放熱器の風上側には、必要に応じてエアフィルタを設置しても良い。また、送風機は防振ゴムなどにより、放熱器や台座から振動絶縁されることが望ましい。
図9は、本発明の実施例2に関わる電力変換装置に搭載される冷却装置の構成を表す平面図である。実施例1では、放熱器310とポンプ330の間に、バルブ370と膨張タンク340を設置していたが、実施例2のように、集約管360と放熱器310の間に、リザーブタンク341を設置し、リザーブタンク上部にバルブ370を設置する構成としても良い。実施例1では、バルブから外付けポンプを使って液体冷媒の注入を行うことを想定しているが、実施例2のような構成では、リザーブタンクに液体冷媒を注ぐことで流路内に液体冷媒を注入することができる。ただし、液体冷媒を注入する際の流路内の気抜きを考慮すると、実施例2のリザーブタンク341は液体冷媒流路の最高点に設置される必要がある。
100 電力変換装置
200 パワーユニット
210 第1パワーユニット
211 半導体素子
212 冷却板
213 フィルタコンデンサ
214 入口側配管コネクタ
215 出口側配管コネクタ
220 第2パワーユニット
230 第3パワーユニット
240 第4パワーユニット
250 第5パワーユニット
216、226、236、246、256 主回路端子
300 冷却装置
310 放熱器
320 送風機
321 羽根車ケーシング
322 モータ
323 台座
330 ポンプ
340 膨張タンク
341 リザーブタンク
350 分配管
351 分配管側配管コネクタ
360 集約管
361 集約管側配管コネクタ
400 空間
411 入口側配管
412 出口側配管
413 内壁
414 密閉部
415 開放部
421 単相交流電線
422 直流電線
423 三相交流電線
510 制御装置
520 リアクトル
530 交流コンデンサ
540 接触器
551 モータ出力コア
552 補助電源出力コア
560 モータ出力端子
570 補助電源出力端子
580 入力端子
600 車体
700 レール

Claims (7)

  1. 電力変換回路を備えた複数のパワーユニットと、前記複数のパワーユニットへの電力入出力を行う複数の電線と、前記複数のパワーユニットに液体冷媒を供給する冷却装置と、前記複数のパワーユニットと前記冷却装置を接続する複数の配管を備えた電力変換装置であって、
    電力変換装置の中央部に、前記複数の電線と、前記複数の配管を集約する空間を設け、
    前記複数のパワーユニットに前記複数の電線を接続する主回路端子と、前記複数のパワーユニットに前記複数の配管を接続する複数のパワーユニット側配管コネクタと、前記冷却装置に前記複数の配管を接続する複数の冷却装置側配管コネクタを、前記空間に接する位置に設置することを特徴とする、電力変換装置。
  2. 請求項1に記載の電力変換装置であって、
    前記複数の冷却装置側配管コネクタは前記冷却装置の底面側に設置され、
    前記複数の配管は、前記複数のパワーユニット側配管コネクタから、前記空間の下部を通って前記複数の冷却装置側配管コネクタに接続され、
    前記複数の電線は、前記複数のパワーユニットの主回路端子から、前記空間の上部を通って、電力変換装置の入力と出力に接続されることを特徴とする、電力変換装置。
  3. 請求項2に記載の電力変換装置であって、
    前記冷却装置は、液体冷媒を冷却する放熱器と、放熱器に冷却風を供給する送風機と、液体冷媒を循環させるポンプと、前記複数のパワーユニットに液体冷媒を分配して供給する分配管と、前記複数のパワーユニットから液体冷媒を受け取る集約管で構成され、
    前記分配管と、前記集約管には前記複数の冷却装置側配管コネクタが設置されて、前記冷却装置の底面側に設置され、
    前記送風機は、前記放熱器の風下側に設置され、
    冷却風は電力変換装置の側面側から前記放熱器に供給され、前記放熱器と前記分配管と前記集約管の間の空間を通過して、電力変換装置の底面側から排気されることを特徴とする、電力変換装置。
  4. 請求項3に記載の電力変換装置であって、
    前記分配管と前記集約管に設置される前記複数の冷却装置側配管コネクタは、千鳥状に配置されることを特徴とする、電力変換装置。
  5. 請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の電力変換装置であって、
    前記冷却装置に液体冷媒を注入あるいは排出するためのバルブが、電力変換装置の側面側あるいは底面側の少なくとも1箇所に設置されることを特徴とする、電力変換装置。
  6. 請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の電力変換装置であって、
    前記複数のパワーユニットは、電力変換装置から各々が着脱可能に構成されていることを特徴とする、電力変換装置。
  7. 請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の電力変換装置であって、
    鉄道車両の床下に設置されることを特徴とする、電力変換装置。
JP2016067033A 2016-03-30 2016-03-30 電力変換装置 Active JP6470220B2 (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016067033A JP6470220B2 (ja) 2016-03-30 2016-03-30 電力変換装置
CN201610842691.9A CN107294356B (zh) 2016-03-30 2016-09-22 电力变换装置
EP17152507.4A EP3228490B1 (en) 2016-03-30 2017-01-20 Power conversion device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016067033A JP6470220B2 (ja) 2016-03-30 2016-03-30 電力変換装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2017184412A JP2017184412A (ja) 2017-10-05
JP6470220B2 true JP6470220B2 (ja) 2019-02-13

Family

ID=57890670

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2016067033A Active JP6470220B2 (ja) 2016-03-30 2016-03-30 電力変換装置

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP3228490B1 (ja)
JP (1) JP6470220B2 (ja)
CN (1) CN107294356B (ja)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102018129835A1 (de) 2018-11-26 2020-05-28 Beckhoff Automation Gmbh Steuerungssystem, Kopplermodul und Verfahren zur Montage eines Steuerungssystems
WO2020166472A1 (ja) 2019-02-13 2020-08-20 株式会社日立製作所 鉄道車両用の駆動装置、鉄道車両及びその製造方法
CN113677169A (zh) * 2021-09-10 2021-11-19 新风光电子科技股份有限公司 一种分离式相变散热的逆变装置

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62299474A (ja) 1986-06-20 1987-12-26 株式会社日立製作所 鉄道車両の床下艤装構造
DE19524115C2 (de) 1995-07-03 2000-03-23 Abb Patent Gmbh Stromrichtergerät mit unterteilten Funktionsräumen
JP3504052B2 (ja) 1996-02-14 2004-03-08 株式会社日立製作所 電気車用電力変換装置
JP2004328838A (ja) * 2003-04-22 2004-11-18 Fuji Electric Systems Co Ltd 冷却装置および電気鉄道車両用補助電源装置
JP4479305B2 (ja) * 2004-03-30 2010-06-09 三菱電機株式会社 電力変換装置
JPWO2007138645A1 (ja) * 2006-05-25 2009-10-01 三菱電機株式会社 車両用補助電源装置
JP4434181B2 (ja) 2006-07-21 2010-03-17 株式会社日立製作所 電力変換装置
JP4657329B2 (ja) * 2008-07-29 2011-03-23 日立オートモティブシステムズ株式会社 電力変換装置および電動車両
KR101320167B1 (ko) 2009-06-12 2013-10-23 미쓰비시덴키 가부시키가이샤 차량용 전력 변환 장치
CN201590748U (zh) * 2009-11-27 2010-09-22 艾默生网络能源有限公司 一种变流器及其主功率结构
CN102163907B (zh) * 2011-01-28 2014-03-12 中国电力科学研究院 一种基于全控器件的电压源换流器基本功能单元
DE102011082516B4 (de) * 2011-09-12 2019-09-05 Siemens Mobility GmbH Schienenfahrzeugsverband
CN102437714A (zh) * 2011-12-29 2012-05-02 徐州中矿大传动与自动化有限公司 一种三电平变频器水冷散热结构
JP2013216216A (ja) * 2012-04-10 2013-10-24 Ntn Corp インバータ装置の冷却構造
JP2014117121A (ja) * 2012-12-12 2014-06-26 Toshiba Corp 冷却装置及び冷却方法並びに鉄道車両

Also Published As

Publication number Publication date
CN107294356A (zh) 2017-10-24
CN107294356B (zh) 2019-12-31
EP3228490B1 (en) 2019-12-18
JP2017184412A (ja) 2017-10-05
EP3228490A1 (en) 2017-10-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100272807B1 (ko) 전기차용전력변환장치
JP5702988B2 (ja) 半導体パワーモジュール及びそれが搭載される電力変換装置並びに半導体パワーモジュール搭載用水路形成体の製造方法
EP1863156A1 (en) Power converter cooling structure
JP6470220B2 (ja) 電力変換装置
CN101673980B (zh) 用于电机的组件
CN201557042U (zh) 相功率模块装置和变流器
EP3493388B1 (en) Power conversion device
JP6812317B2 (ja) 電力変換装置および電力変換装置を搭載した車両
JP2013512579A (ja) 冷却装置
CN104767398A (zh) 一种高集成变流装置
JP4466558B2 (ja) 電力変換装置
KR100888390B1 (ko) 플라즈마 아크 발생 시스템 및 플라즈마 아크 발생 시스템의 냉각 방법
CN101728937B (zh) 电力转换装置
KR101282780B1 (ko) 독립 다상 인버터의 냉각장치
JP2007159254A (ja) 電力変換装置
WO2018143053A1 (ja) 電力変換装置
JP2013235920A (ja) 電力変換装置
CN210075867U (zh) 液冷变频器系统
EP3462592B1 (en) Inverter module, inverter and inverter cooling system
JP6526517B2 (ja) インバータ装置
JP5345137B2 (ja) モータ駆動のために統合された水電流接続
CN212412580U (zh) 一种电气工程控制柜
JP2017184413A (ja) 電力変換装置
JP6620247B2 (ja) 車両用電力変換装置
JP2009022107A (ja) 液冷式電力変換装置

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20180214

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20181205

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20181218

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20190117

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6470220

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150