JP6620247B2 - 車両用電力変換装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電力変換を行う半導体素子を冷却するシステムを備えた車両用電力変換装置に関する。
鉄道車両の床下には、駆動用電動機に供給する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供給する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は、半導体素子を用いて電流のスイッチングを行っている。
交流き電区間を走行する鉄道車両では、変圧器を介して単相交流架線から交流電力を受電し、コンバータにより直流電力に変換した後、インバータにより三相交流電力に変換して交流電動機の駆動、および蛍光灯や空調の電源供給する方式が広く用いられている。
コンバータやインバータは、パルス幅変調（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ、ＰＷＭ）に基づいて複数の半導体素子をスイッチングして出力電圧を所望の値に制御する変換器である。
通常、コンバータは、交流側に流れる変圧器の二次電流を、架線に電力を供給する電力系統と同程度の品質とすることが要求されるため、架線に流れる高調波電流を低減させて二次電流を正弦波状とする必要がある。よって、スイッチング周波数は高く設定することが望ましいが、スイッチング周波数を高くすると、スイッチング動作に伴う損失が増加し、その損失分を冷却する冷却装置の性能を向上させなければならない。冷却装置を大型化すれば性能を向上できるが、小型化が特に要求される車両用電力変換装置において大型化は好ましくない。
鉄道車両では冗長性を持たせるため、編成に電力変換装置を複数台搭載していることが一般的であり、編成の電力変換装置複数台が健全状態であれば、位相差運転することにより架線に流れる高調波電流を低減させることが可能である。よって、車両用電力変換装置では、冷却装置の大型化を避けるため、低い周波数を設定し位相差運転を実施することにより、架線に流れる高調波電流を低減させることが一般的である。
なお、特開２００８−６７４８２には、複数の変換器のいずれかの変換器が故障してしまい、残りの健全な変換器を運転させる場合は、変換器故障検出センサおよび運転制御装置にて故障した変換器を停止させ、運転制御装置にて最適なスイッチング周波数を演算、および半導体の冷却媒体に使用する冷却水を貯蔵しているプールや大型タンクから冷却水の量を増加させて冷却能力を向上させているシステムが開示されている。また、変換器を冷却する冷却系統は、１次系冷却水が熱交換器と変換器の変換素子との間を循環しており、１次系冷却水がもつ熱は熱交換器により熱交換され、熱交換器により熱交換された２次系冷却水は、プールを介して熱交換器と冷却器との間を循環し、２次系冷却水がもつ熱は冷却器の冷却ファンにより大気中に熱放出される構造となっている。
特開２００８−６７４８２
本願発明者が、車両用電力変換装置を大型化することなく故障時の運行継続を担保することについて鋭意検討した結果、次の知見を得るに至った。
従来の複数の変換器で構成され車両用電力変換装置は、定常時は複数の変換器において位相差運転を行い、電源系統側への高調波による影響を低減させて運転することが可能であるが、複数の変換器のいずれかが故障し位相差運転ができなくなる場合、動作可能である変換器から発生する高調波による電源系統側への影響が問題となる。このため、電源系統側への影響を低減できるスイッチング周波数で運転した場合のスイッチング損失を冷却可能な大型な冷却装置が必要となり装置が大型になる。
特開２００８−６７４８２は、変電設備等に利用することを前提としている方式であるため、冷却媒体を貯蔵するプールや大型タンクが必要であり、小型軽量化が要求される車両用電力変換装置への採用は困難である。また、変換器を冷却する冷却系統が１次系、２次系冷却水に分かれており、１次系、２次系冷却水の熱伝達に熱交換器を使用しているため熱交換器、配管系部品など部品点数が多く、この点も、小型軽量化が要求される車両用電力変換装置への採用は困難である。
また、運転制御装置にて故障した変換器を停止させ、残りの健全な変換器を運転させる場合、そのつど運転制御装置で最適なスイッチング周波数を演算していては、演算処理に時間がかかるため、直ちに復旧しなければならない鉄道システムに使用するには、不向きである。また、演算処理を失敗する可能性もあり信頼性も低い。
本発明の目的は、複数の変換器のいずれかの変換器が故障してしまい、残りの動作可能である変換器で運転を継続させる際、搭載する冷却装置を大型化、および部品点数を増加させることなく、動作可能である変換器から発生する高調波ノイズを最小限に抑え電源系統側への悪影響を無くし、かつ動作可能である変換器のみで運行を継続できるようにすることに関する。
本発明は、受電した交流電力を直流電力に変換するコンバータと、直流電力を電動機に供給する交流電力に変換するインバータと、を含む電力変換器を複数備えて、位相差運転する車両用電力変換装置において、電力変換器の冷却装置を共通化し、ある電力変換器が検出した場合、故障した電力変換器を開放し、健全な電力変換器のスイッチング周波数を上昇させることに関する。
本発明によれば、故障した電力変換器の元々の放熱量の分だけ、冷却装置の冷却能力に余裕が生まれ、スイッチング周波数を高くすることが可能となり、電源系統側への高調波による影響を低減させて運転できる。
実施例１にかかる車両用電力変換装置の機器配置を表す平面図 実施例１にかかる車両用電力変換装置に搭載される冷却装置の構成と、変換器に液体冷媒を供給する配管を表す平面図 実施例１にかかる車両用電力変換装置に搭載される冷却装置の構成と、変換器から冷却装置に液体冷媒を戻す配管を表す平面図 図２および図３のＡ矢視図 図２および図３のＣ矢視図 実施例２にかかる車両用電力変換装置の機器配置を表す平面図 実施例２にかかる車両用電力変換装置に搭載される放熱器冷却板一体型変換器の構成を表す斜視図 実施例２にかかる車両用電力変換装置に搭載される放熱器冷却板一体型変換器の構成を表す平面図
実施例では、受電した交流電力を直流電力に変換する第１のコンバータと、当該直流電力を電動機に供給する交流電力に変換する第１のインバータと、を含む第１の電力変換器と、受電した交流電力を直流電力に変換する第２のコンバータと、当該直流電力を電動機に供給する交流電力に変換する第２のインバータと、を含む第２の電力変換器と、第１の電力変換器および第２の電力変換器を共に冷却する冷却装置と、第１の電力変換器および第２の電力変換器を位相差運転する変換機制御装置と、を備えた車両用電力変換装置であって、第１の電力変換器および第２の電力変換器の回路接続を開放するスイッチと、第１の電力変換器および第２の電力変換器の故障を検出するセンサと、を備え、センサが電力変換器の故障を検出した場合、故障が検出された電力変換器の回路接続を開放し、健全な電力変換器のスイッチング周波数を上昇させるものを開示する。
また、実施例では、電力変換器が故障した場合の運転制御方式が予め設定されていることを開示する。
また、実施例では、冷却装置が、第１のコンバータ、第１のインバータ、第２のコンバータおよび第２のインバータを共に冷却することを開示する。
また、実施例では、故障が、電力変換器が位相差運転のできない状態であること、または、インバータまたはコンバータが電力変換できない状態であることを開示する。
また、実施例では、複数の変換器で構成され、複数の変換器で共有している冷却装置を搭載した車両用電力変換装置であって、複数の変換器のいずれかの変換器の故障を検出する変換器故障検出センサと、故障が検出された変換器の回路接続を開放させる単位スイッチと、故障が検出された変換器の回路接続を開放させるとともに、残りの動作可能である変換器を運転継続させたときに、動作可能である変換器から発生する高調波による電源系統側への影響を低減できるスイッチング周波数に上昇させて、動作可能である変換器で運転を継続する変換器制御装置と、を備え、複数の変換器は、健全時において電源系統への高調波による影響を低減させるよう、変換器制御装置によって位相差運転しており、複数の変換器のいずれかが故障し位相差運転ができなくなる状況において、動作可能である変換器から発生する高調波による電源系統側への影響を低減できるスイッチング周波数に上昇させて、動作可能である変換器で運転を継続させ、電源系統側への高調波による影響を低減させて運転できるものを開示する。
また、実施例では、複数の変換器のいずれかが故障した場合、スイッチング周波数を上昇させて動作可能である変換器で運転を継続させ、出力電流の高調波を低減させて運転できることを開示する。
また、実施例では、変換器制御装置に、複数の変換器のいずれかが故障した場合の運転制御方式が設定されていることを開示する。
また、実施例では、故障した場合とは、電力変換動作ができない状態であることを開示する。
また、実施例では、予め冷却器を共通化することにより、故障した変換器の元々の放熱量の分だけ、冷却装置を大型化することなく冷却能力を確保でき、スイッチング周波数を高くすることが可能となり、故に、電源系統側への高調波による影響を低減させて運転できるため、車両用電力変換装置を小型化することができることを開示する。
また、実施例では、複数の変換器のうち、いずれかの変換器が故障してしまい、残りの動作可能である変換器で運転を継続させる場合、スイッチング周波数を高くすることができ、出力電流波形の高調波を低減できるため、負荷の高効率運転、および負荷からの騒音低減が可能となることを開示する。
また、実施例では、複数の変換器のうち、いずれかの変換器が故障してしまい、残りの動作可能である変換器で運転を継続させる場合、故障時の運転制御方式が設定されており、演算処理を必要としないため、復旧までの時間が早く、且つ信頼性が高いシステムにすることができることを開示する。
以下、上記およびその他の本発明の新規な特徴と効果について図面を参照して説明する。なお、図面は専ら発明の理解のために用いるもので、権利範囲を限縮するものではない。
本実施例では、液体冷媒冷却式の車両用電力変換装置構造について説明する。図１は、本実施例にかかる車両用電力変換装置の機器配置を表す平面図である。車両用電力変換装置１００は、変換器２００、変換器２００に液体冷媒を供給する冷却装置３００、変換器２００の電力変換を制御する変換器制御装置５１０、変換器の故障を検知する変換器故障検出センサ５１１、５１２、変換器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、変換器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、回路を開放する単位スイッチ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、および入力端子５８０で構成されている。これらの機器は、車両用電力変換装置１００の側面側または端部側に設置されている。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。
変換器２００の配管コネクタと主回路端子について、第１変換器２１０を例に説明する。第１変換器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。その他の変換器２２０、２３０、２４０、２５０に関しても同様の構成となっている。
また、冷却装置３００には、変換器２００に液体冷媒を供給する分配管側配管コネクタ３５１と、変換器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、本実施例にかかる電力変換装置に搭載される冷却装置の構成と、変換器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、本実施例にかかる車両用電力変換装置に搭載される冷却装置の構成と、変換器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。また、図４は、図２および図３のＡ矢視図であり、本実施例にかかる車両用電力変換装置の配管経路を表す。また、図５は、図２および図３のＣ矢視図であり、本実施例にかかる車両用電力変換装置に搭載される冷却器の配管コネクタの位置を表す。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、複数の変換器２００に液体冷媒を供給する分配管３５０、複数の変換器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、および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に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から変換器２００に供給される。変換器２００において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。
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ている。放熱器３１０の背面には送風機３２０が２台設置されている。電力変換装置１００の中央側には、分配管３５０および集約管３６０が配置されている。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ている。分配管３５０および集約管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が設置されている。
変換器２００の構成について、第１変換器２１０を例に説明する。第１変換器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で構成されている。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ている。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内の流路と連通させることにより液体冷媒の流路が構成されている。また、半導体素子２１１、フィルタコンデンサ２１３および主回路端子２１６を電気的に接続することにより第１変換器２１０の主回路が構成されている。その他の変換器２２０、２３０、２４０、２５０に関しても同様の構成となっている。
本実施例の効果について説明する。鉄道車両では冗長性を持たせるため、編成に電力変換装置を複数台搭載し、編成の電力変換装置複数台が健全状態であれば、位相差運転することにより架線に流れる高調波電流を低減させることが一般的である。しかし、複数の変換器のうち、いずれかの変換器が故障してしまい、位相差運転ができなくなり、残りの動作可能である変換器で運転を継続させる場合、冷却装置の冷却能力が不足するため、スイッチング周波数を高くできないことから、架線に流れる高調波電流の低減が困難になる。本実施例のように、変換器２００の冷却に冷却装置３００を共有する構造とすることにより、複数の変換器２００のうち、いずれかの変換器が故障し、位相差運転ができなり、残りの、動作可能である変換器で運転を継続させる場合においても、スイッチング周波数を高くすることができ、冷却装置３００を大型化することなく冷却能力を確保できるため、車両用電力変換装置１００を小型化することができる。これにより架線に流れる高調波電流の低減が可能となる。
ここで、故障後のスイッチング周波数は、次のように表わすことができる。
Figure 0006620247
fsw’は故障後のスイッチング周波数、fswは故障前のスイッチング周波数、
Twは液温、Taは外気温度、Tjは変換器内最大温度、
Rwaは放熱器側（液温と外気温度の間の熱抵抗）、
Rjwは変換器側（変換器内最大温度と液温の間の熱抵抗）、
Pswはスイッチング損失、Pcdは導通損失、
αは変換器総数、βは故障した変換器の台数である。
また、式（１）は以下に示す式（２）〜（６）から導出可能である。
Figure 0006620247
たとえば、第１変換器２１０を１群コンバータ、第２変換器２２０を１群インバータ、第３変換器２３０を２群コンバータ、第４変換器２４０を２群インバータ、および第５変換器２５０を１群２群兼用補助電源インバータとする。１群側の変換器２１０や変換器２２０が故障した場合、変換器故障検出センサ５１１で故障を検知して変換器制御装置５１０が１群側の変換器を停止し、単位スイッチ５４０で１群側の回路を開放する。その後、動作可能である２群側の変換器２３０および変換器２４０が動き出すが、１群側が停止しているため位相差運転ができない状態である。しかし、冷却装置３００には、１群側の変換器２１０および変換器２２０を冷却していた冷却能力の余裕分が生まれるため、この冷却能力の余裕分を利用し、動作可能である２群側の変換器２３０および変換器２４０のスイッチング周波数を高くすることができる。
また、１群側の変換器２１０や変換器２２０が故障した場合、残りの動作可能である２群側の変換器２３０および変換器２４０で運転を継続させる場合において、スイッチング周波数を高くすることができるため、冷却装置を大型化することなく、出力電流波形の高調波を低減可能であることから、負荷の高効率運転、および負荷からの騒音低減が可能となる。冷却能力の余裕分の許容範囲で、変換器２５０のスイッチング周波数を高くすることも可能であるため、交流リアクトル５２０からの騒音低減も期待できる。
また、１群側の変換器２１０や変換器２２０が故障した場合、残りの動作可能である２群側の変換器２３０および変換器２４０を運転継続させる場合において、変換器制御装置５１０に１群側の変換器２１０や変換器２２０が故障した場合の運転方式を設定しておけば、演算処理を必要としないため、復旧までの時間が早く、且つ信頼性が高いシステムにすることができる。
本実施例では、強制風冷却方式の車両用電力変換装置構造について説明する。以下、実施例１との相違点を中心に説明する。
図６は、本実施例にかかる車両用電力変換装置の機器配置を表す平面図である。車両用電力変換装置１００は、放熱器冷却板一体型変換器６００、放熱器冷却板一体型変換器６００の電力変換を制御する変換器制御装置５１０、変換器の故障を検知する変換器故障検出センサ５１１、５１２、変換器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、変換器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、回路を開放する単位スイッチ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、および入力端子５８０で構成されている。これらの機器は、車両用電力変換装置１００の側面側または端部側に設置されている。
放熱器冷却板一体型変換器６００の構成について、第１放熱器冷却板一体型変換器６１０を例に説明する。図７は、本実施例にかかる車両用電力変換装置に搭載される放熱器冷却板一体型変換器の構成を表す斜視図である。また、図８は、本実施例にかかる車両用電力変換装置に搭載される放熱器冷却板一体型変換器の構成を表す平面図である。放熱器冷却板一体型変換器６１０は、１群側変換回路６１１および２群側変換回路６１２、放熱器６１６、ならびに送風機６１７により構成されている。本構造の場合、実施例1で説明した冷却装置３００の体積に該当する部位は、放熱器６１６および送風機６１７となる。１群側変換回路６１１および２群側変換回路６１２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６１３、半導体素子６１３から発生する熱を受ける冷却板６１４、および主回路電圧を平滑化するフィルタコンデンサ６１５で構成される。半導体素子６１３は冷却板６１４の片面に実装され、フィルタコンデンサ６１５は半導体素子６１３の外側に設置される。１群側変換回路６１１、２群側変換回路６１２、および放熱器６１６は熱抵抗が低くなるよう、冷却板６１４との接触面においてろう付け等で接合され、放熱器６１６を共有する構造となっている。半導体素子６１３から発生する熱は、冷却板６１４から放熱器６１６へ伝わり、送風機６１７によって発生する冷却風により熱交換され、熱は冷却風とともに装置下面方向に排気される。
たとえば、１群側変換回路６１１を１群コンバータ、２群側変換回路６１２を２群コンバータとする。１群側変換回路６１１が故障した場合、変換器故障検出センサ５１１により故障が検知され、変換器制御装置５１０が１群側変換回路６１１を停止し、単位スイッチ５４０により１群側変換回路を開放する。その後、動作可能である２群側変換回路６１２が動き出すが、１群側が停止しているため位相差運転ができない状態である。しかし、放熱器６１６には、１群側変換回路６１１を冷却していた冷却能力の余裕分が生まれるため、この冷却能力の余裕分を利用し、動作可能である２群側変換回路６１２のスイッチング周波数を高くすることができる。このため放熱器６１４を大型化することなく冷却能力を確保できる。
なお、送風機６１７は、実装構造に応じて放熱器冷却板一体型変換器６００とは別に設けてもよい。
１００ 電力変換装置
２００ 変換器
２１０ 第１変換器
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変換器
２３０ 第３変換器
２４０ 第４変換器
２５０ 第５変換器
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
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 変換器制御装置
５１１ 第１変換器故障検出センサ
５１２ 第２変換器故障検出センサ
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 放熱器冷却板一体型変換器
６１０ 第１放熱器冷却板一体型変換器
６１１ １群変換回路
６１２ ２群変換回路
６１３ 半導体素子
６１４ 冷却板
６１５ フィルタコンデンサ
６１６ 放熱器
６１７ 送風機
６２０ 第２放熱器冷却板一体型変換器
６３０ 第３放熱器冷却板一体型変換器
６４０ 第４放熱器冷却板一体型変換器
６５０ 第５放熱器冷却板一体型変換器

Claims (5)

  1. 受電した交流電力を直流電力に変換する第１のコンバータと、当該直流電力を電動機に供給する交流電力に変換する第１のインバータと、を含む第１の電力変換器と、
    受電した交流電力を直流電力に変換する第２のコンバータと、当該直流電力を電動機に供給する交流電力に変換する第２のインバータと、を含む第２の電力変換器と、
    第１の電力変換器および第２の電力変換器を共に冷却する冷却装置と、
    第１の電力変換器および第２の電力変換器を位相差運転する変換機制御装置と、を備えた車両用電力変換装置であって、
    第１の電力変換器および第２の電力変換器の回路接続を開放するスイッチと、
    第１の電力変換器および第２の電力変換器の故障を検出するセンサと、を備え、
    センサが電力変換器の故障を検出した場合、故障が検出された電力変換器の回路接続を開放し、故障した電力変換器の元々の放熱量に相当する冷却装置の冷却能力の余裕の範囲内で健全な電力変換器のスイッチング周波数を上昇させることを特徴とする車両用電力変換装置。
  2. 請求項１記載の車両用電力変換装置であって、
    電力変換器が故障した場合の運転制御方式が予め設定されていることを特徴する車両用電力変換装置。
  3. 請求項１または２記載の車両用電力変換装置であって、
    冷却装置が、第１のコンバータ、第１のインバータ、第２のコンバータおよび第２のインバータを共に冷却することを特徴とする車両用電力変換装置。
  4. 請求項１〜３のいずれかに記載の車両用電力変換装置であって、
    故障が、電力変換器が位相差運転のできない状態であることを特徴とする車両用電力変換装置。
  5. 請求項１〜３のいずれかに記載の車両用電力変換装置であって、
    故障が、インバータまたはコンバータが電力変換できない状態であることを特徴とする車両用電力変換装置。
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