JP6827477B2 - 電動機動力システム及び電気車 - Google Patents
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Description
本発明は、主電動機を駆動するための動力システムに関する。
蓄電池電車用動力システムとして、例えば、主変圧器の２次巻線に接続されて主電動機に駆動電力を供給する主変換回路と、主変圧器の３次巻線に接続されて補機に電力を供給する補機用変換回路を備えたものが提案されている（特許文献１参照）。また、主変圧器の３次巻線を廃止した蓄電池電車用動力システムとして、主変圧器の２次巻線に接続されて主電動機に駆動電力を供給する主変換回路であって、コンバータとインバータを含む主変換回路の直流ステージに、補機に電力を供給する静止型インバータを接続するとともに、双方向チョッパを介してバッテリを接続したものが提案されている（特許文献２参照）。
上記特許文献では、主変換回路に属する半導体素子等を冷却器で冷却することについて記載されていない。
本発明の目的は、交流電力を直流電力に変換するコンバータと、当該コンバータからの直流電力を三相交流電力に変換するインバータを冷却器で有効に冷却することに関する。
本発明は、コンバータとインバータを冷却する冷却器を備えた動力システムにおいて、コンバータに属する素子群が、インバータに属する素子群を間にして、複数のブロックに分かれて配置されていることに関する。また好ましくは、コンバータとインバータを結ぶ直流回路に蓄電池が接続されていることに関する。
本発明によれば、コンバータとインバータの温度の偏りを小さくして、冷却器で有効に冷却することができる。例えば、インバータが停止したときに、冷却器を最大限活用して蓄電池充電中のコンバータを冷却できる。
実施例では、交流電力を直流電力に変換する１以上のコンバータ及び当該コンバータの出力による直流電力を三相交流電力に変換して主電動機に出力する１以上のインバータを有し、コンバータとインバータとを結ぶ直流回路に蓄電池が接続される主変換装置と、コンバータとインバータを冷却する冷却器と、を備え、コンバータに属する素子群が、インバータに属する素子群を間にして、複数のブロックに分かれて配置されている電動機動力システムを開示する。
また、実施例では、インバータによる電力変換動作が停止したときに、コンバータが蓄電池を充電する電動機動力システムを開示する。
また、実施例では、交流電力を直流電力に変換する１以上のコンバータ及びコンバータの出力による直流電力を三相交流電力に変換して主電動機に出力する１以上のインバータを有する主変換装置と、コンバータとインバータを冷却する冷却器と、主変換装置の動作を制御する制御手段と、を備え、コンバータに属する素子群が、インバータに属する素子群を間にして、複数のブロックに分かれて配置され、各主電動機を駆動する場合、コンバータによる電力変換動作とインバータによる電力変換動作をそれぞれ実行する電動機動力システムを開示する。
また、実施例では、交流電力を直流電力に変換する１以上のコンバータ及びコンバータの出力による直流電力を三相交流電力に変換して主電動機に出力する１以上のインバータを有する主変換装置と、コンバータとインバータを冷却する冷却器と、主変換装置の動作を制御する制御手段と、を備え、コンバータに属する素子群が、インバータに属する素子群を間にして、複数のブロックに分かれて配置され、各主電動機の駆動を停止する場合、コンバータによる電力変換動作を実行し、インバータによる電力変換動作を停止する電動機動力システムを開示する。
また、実施例では、主変換装置の動作を制御する制御手段を備える電動機動力システムを開示する。
また、実施例では、コンバータとインバータが、同一基板上に配置されていることを開示する。
以下、上記及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酌して説明する。なお、図面は専ら発明の理解のために用いるものであり、権利範囲を限縮するものではない。
（実施例）
図１は、本実施例にかかる蓄電池電車用動力システムの要部構成図である。図１において、蓄電池電車用動力システム１０は、主変圧器１２と、主変換装置１４を備えている。主変圧器１２は、１次巻線１６と、複数の２次巻線１８、２０を有し、１次巻線１６の一端は、真空遮断器（ＶＣＢ）２２と、パンタグラフ２４を介して架線（ＡＣ２０ｋＶ、６０Ｈｚ）２６に接続され、１次巻線１６の他端は、車輪の接地ブラシ２８を介して接地される。各２次巻線１８、２０は主変換装置１４に接続される。
図１は、本実施例にかかる蓄電池電車用動力システムの要部構成図である。図１において、蓄電池電車用動力システム１０は、主変圧器１２と、主変換装置１４を備えている。主変圧器１２は、１次巻線１６と、複数の２次巻線１８、２０を有し、１次巻線１６の一端は、真空遮断器（ＶＣＢ）２２と、パンタグラフ２４を介して架線（ＡＣ２０ｋＶ、６０Ｈｚ）２６に接続され、１次巻線１６の他端は、車輪の接地ブラシ２８を介して接地される。各２次巻線１８、２０は主変換装置１４に接続される。
主変換装置１４は、複数の接触子３０、３２、３４、３６と、抵抗３８、４０と、コンバータ４２、４４と、抵抗４６、４８、５０、５２と、コンデンサ５４、５６、５８、６０と、インバータ６２、６４を備えて構成される。この際、接触子３０、３２と抵抗３８は、充電回路として構成され、接触子３４、３６と抵抗４０は、充電回路として構成される。なお、接触子３０、３２、３４、３６は、コンバータ４２、４４、インバータ６２、６４を制御するためのコントローラ（図示せず）によって、その開閉が制御される。また、コントローラは、制御手段として、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、メモリ、入出力インタフェース等の情報処理資源を備えたコンピュータ装置で構成される。
コンバータ４２は、ダイオード６６、６８、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）７０、７２、７４、７６、ダイオード７８、８０、８２、８４、８６、８８、ＩＧＢＴ９０、９２、９４、９６、ダイオード９８、１００、１０２、１０４を備え、２次巻線１８からの交流電力を直流電力に変換する電力変換器として構成される。インバータ６２は、ＩＧＢＴ１０６、１０８、ダイオード１１０、１１２、ＩＧＢＴ１１４、１１６、ダイオード１１８、１２０、ＩＧＢＴ１２２、１２４、ダイオード１２６、１２８を備え、コンバータ４２の出力による直流電力を三相交流電力に変換する電力変換器として構成される。この際、コンバータ４２と、抵抗４６、４８と、コンデンサ５４、５６と、インバータ６２により、パワーユニット１３０の回路が構成される。なお、パワーユニット１３０には、冷却器（図示せず）が含まれる。また、抵抗４６、４８は、パワーユニット１３０の回路を構成するが、パワーユニット１３０の筐体外に配置される。なお、ＩＧＢＴの代わりに、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）を用いてもよい。
コンバータ４４は、ダイオード１３２、１３４、ＩＧＢＴ１３６、１３８、１４０、１４２、ダイオード１４４、１４６、１４８、１５０、１５２、１５４、ＩＧＢＴ１５６、１５８、１６０、１６２、ダイオード１６４、１６６、１６８、１７０を備え、２次巻線２０からの交流電力を直流電力に変換する電力変換器として構成される。インバータ６４は、ＩＧＢＴ１７２、１７４、ダイオード１７６、１７８、ＩＧＢＴ１８０、１８２、ダイオード１８４、１８６、ＩＧＢＴ１８８、１９０、ダイオード１９２、１９４を備え、コンバータ４４の出力による直流電力を三相交流電力に変換する電力変換器として構成される。この際、コンバータ４４と、抵抗５０、５２と、コンデンサ５８、６０と、インバータ６４により、パワーユニット１９６の回路が構成される。なお、パワーユニット１９６には、冷却器（図示せず）が含まれる。また、コンバータ４２とコンバータ４４の接地側とインバータ６２、６４の接地側は、抵抗１９８とグランドスイッチ（ＧＳ）２００を介して接地ブラシ２８に接続される。
インバータ６２の出力側（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）には、車輪を回転するための複数の主電動機（三相誘導電動機）２５０、２５２が接続され、インバータ６４の出力側（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）には、車輪を回転するための複数の主電動機（三相誘導電動機）２５４、２５６が接続される。
図２は、本実施例にかかる主変換装置の斜視図である。図２において、主変換装置１４の本体筐体２０２には、パワーユニット１３０、１９６に属する要素として、冷却器２０４、２０６が左右に分かれて配置され、冷却器２０４と本体筐体２０２との間にパワーユニット１３０（図示せず）に属する半導体素子等が配置され、冷却器２０６と本体筐体２０２との間にパワーユニット１９６（図示せず）に属する半導体素子等が配置される。冷却器２０４、２０６は、例えば、ヒートパイプで構成され、各パワーユニット１３０、１９６に属する半導体素子等をヒートパイプによって冷却することができる。また、冷却器２０４、２０６には、複数の通風口２０４ａ、２０６ａが形成されているので、主変換装置１４が搭載された車両が走行する際の走行風によっても各パワーユニット１３０、１９６に属する半導体素子等を冷却することができる。
図３は、本実施例にかかるパワーユニットと冷却器の斜視図である。図３において、冷却器２０４の背面側には、パワーユニット１３０（図示せず）を固定するためのパネル２０８が配置されている。パネル２０８には、パワーユニット１３０に属する半導体素子等が配置されると共に、パワーユニット１３０に属するコンデンサ５４、５６が固定される。
図４は、本実施例にかかるパワーユニットに属する素子配置の概略図である。図４において、素子を実装するためパネル２０８には、パワーユニット１３０に属する素子を配置するための領域として、Ｕ相用コンバータ配置領域２１０と、インバータ配置領域２１２と、Ｖ相用コンバータ配置領域２１４が設定されている。なお、パワーユニット１９６に属する素子を配置するための領域も同様に設定されている。
Ｕ相用コンバータ配置領域２１０には、ダイオード６６、６８、ＩＧＢＴ７０、７２、７４、７６、ダイオード７８、８０、８２、８４が配置され、インバータ配置領域２１２には、ＩＧＢＴ１０６、１０８、ダイオード１１０、１１２、ＩＧＢＴ１１４、１１６、ダイオード１１８、１２０、ＩＧＢＴ１２２、１２４、ダイオード１２６、１２８が配置され、Ｖ相用コンバータ配置領域２１４には、ダイオード８６、８８、ＩＧＢＴ９０、９２、９４、９６、ダイオード９８、１００、１０２、１０４が配置される。即ち、コンバータ４２に属する素子群が、インバータ６２に属する素子群を間にして、複数のブロック（領域）に分かれて配置され、コンバータ４２に属する素子群とインバータ６２に属する素子群が同一基板上に配置される。
この際、インバータ配置領域２１２を中心に、その両側にＵ相用コンバータ配置領域２１０とＶ相用コンバータ配置領域２１４が設定されているので、冷却器２０４をコンバータ４２とインバータ６２で共用することができるとともに、インバータ６２の停止中には、冷却器２０４の冷却エネルギーをコンバータ４２全体で利用することができる。このため、インバータ６２が停止される停車中に、コンバータ４２全体が冷却器２０４によって冷却されるので、コンバータ４２に接続される蓄電池を急速充電することが可能になる。また、パネル２０８には、パワーユニット１３０に属する素子が一体となって配置されているので、コンバータ４２とインバータ６２とを結ぶ主変換装置箱内の筐体配線（導体バー）が不要となる。
図５は、本実施例にかかる蓄電池電車用動力システムの全体構成図である。本実施例は、主変換装置１４の他に、断流器箱３００と、断路器４００と、主回路蓄電池５００及び補助電源装置６００を配置したものであり、主変換装置１４と主変圧器１２の構成は、図１に示すとおりである。なお、コンバータ４２、４４の出力側には、コンデンサ２２０、２２４が接続されている。
断流器箱３００は、複数の抵抗３０２、３０４と、複数の接触子３０６、３０８、３１０、３１２、３１４を有し、入力側（各抵抗３０２、３０４の一端側）が、各コンバータ４２、４４と各インバータ６２、６４とを結ぶ直流回路（直流ステージ）に接続され、出力側（接触子３１４の一端側）が、断路器４００を介して主回路蓄電池５００に接続されている。断路器４００は、スイッチ４０２と、スイッチ４０４から構成され、スイッチ４０２の一端側が接触子３１４に接続され、他端側が主回路蓄電池５００の高電位側に接続され、スイッチ４０４の一端側がコンバータ４４の低電位側に接続され、他端側が主回路蓄電池５００の低電位側に接続されている。
主回路蓄電池５００は、複数の接触子５０２、５０４、５０６、５０８、５１０、５１２と、複数の蓄電池５１４、５１６、５１８から構成される。補助電源装置６００は、補機（空調装置、照明装置）に電力を供給するための補助電源装置として構成され、例えば、入力された直流電圧を半導体素子でスイッチングし、スイッチングされた電圧をコンデンサ等で平滑化して交流電圧として出力する静止形インバータで構成される。
ここで、架線走行（力行）時には、インバータ消費電力と補機消費電力を架線２６から主変圧器１２を介して主変換装置１４に取り込み、各インバータ６２、６４により各主電動機２５０、２５２、２５４、２５６を駆動し、各コンバータ４２、４４の出力電力を、補助電源装置６００を介して補機に供給する。この際、コントローラにより、各インバータ６２、６４と各コンバータ４２、４４の電力変換動作が実行され、各コンバータ４２、４４の出力電力で主回路蓄電池５００を充電することができる。
架線走行（回生）時には、各主電動機２５０、２５２、２５４、２５６からの回生電力（回生エネルギー）を、各インバータ６２、６４を介して主変換装置１４に取り込み、取り込んだ回生電力で主回路蓄電池５００を充電すると共に、取り込んだ回生電力を、補助電源装置６００を介して補機に供給する。なお、充電完了後、回生電力は架線に回生される。
架線走行（惰行・停車）時には、補機消費電力と蓄電池充電電力を架線２６から主変圧器１２を介して主変換装置１４に取り込み、各コンバータ４２、４４の出力電力で主回路蓄電池５００を充電し、各コンバータ４２、４４の出力電力を、補助電源装置６００を介して補機に供給する。充電完了後、各コンバータ４２、４４の運転は停止され、主回路蓄電池５００から補助電源装置６００を介して補機に給電される。
蓄電池走行（力行）時には、各コンバータ４２、４４の運転が停止され、主回路蓄電池５００からの電力を主変換装置１４に取り込み、各インバータ６２、６４により各主電動機２５０〜２５６を駆動し、主回路蓄電池５００からの電力を、補助電源装置６００を介して補機に供給する。この際、コントローラにより、各インバータ６２、６４の電力変換動作が実行され、各コンバータ４２、４４の電力変換動作が停止される。
蓄電池走行（回生）時には、各コンバータ４２、４４の運転が停止され、各主電動機２５０〜２５６からの回生電力（回生エネルギー）を、各インバータ６２、６４を介して主変換装置１４に取り込み、取り込んだ回生電力で主回路蓄電池５００を充電すると共に、取り込んだ回生電力を、補助電源装置６００を介して補機に供給する。
蓄電池走行（惰行・停車）時には、各コンバータ４２、４４、各インバータ６２、６４の運転が停止され、主回路蓄電池５００からの電力を、補助電源装置６００を介して補機に供給する。
本実施例によれば、冷却器を有効に利用して主変換装置を冷却することができる。具体的には、冷却器２０４、２０６をコンバータ４２、４４とインバータ６２、６４で共用することができるとともに、インバータ６２、６４の停止中には、冷却器２０４、２０６の冷却エネルギーをコンバータ４２、４４全体で利用することができ、結果として、冷却器２０４、２０６の小型軽量化を図ることができる。また、インバータ６２、６４が停止される停車中に、コンバータ４２、４４全体が冷却器２０４、２０６によって冷却されるので、コンバータ４２、４４に接続される主回路蓄電池５００を急速充電することが可能になる。また、パネル２０８には、パワーユニット１３０（１９６）に属する素子が一体となって配置されているので、コンバータ４２、４４とインバータ６２、６４とを結ぶ主変換装置箱内の配線（導体バー）が不要となる。
また、インバータ配置領域２１２を中心に、その両側にＵ相用コンバータ配置領域２１０とＶ相用コンバータ配置領域２１４が設定されているので、低速域（冷却性能が低い）で高発熱、高速域（冷却性能が高い）で低発熱のインバータ６２、６４に属する素子等が、低速域で低発熱、高速域で高発熱のコンバータ４２、４４に属する素子等の間に挟まれ、パワーユニット１３０、１９６に属する半導体素子などの素子或いは冷却器素子面温度の平準化を図ることができる。
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、コンバータとインバータの１組がそれぞれ１台の主変換装置１４を構成することができる。また、パワーユニット１３０、１９６を一体化し、一体化されたパワーユニットを１台の冷却器で冷却することもできる。この際、パワーユニット内のコンバータに属する素子群を、インバータに属する素子群を間にして、複数のブロックに分けて配置することができる。さらに、冷却器２０４、２０６として、ヒートパイプの代わりに、水冷式のものを用いることができる。また、冷却器２０４、２０６に冷却フィン（アルミ平板フィン）をレール方向に沿って配置することもできる。この場合、自冷（冷却風の風向き＝重力方向）と走行風冷（冷却風の風向き＝レール方向）を両立させるために、冷却フィンの面の法線方向が概ね枕木方向に向くように、冷却フィンを設置する必要がある（例えば、ヒートパイプ式冷却器）。また、インバータ・コンバータの間のエリアの温度を平準化させるに際しては、例えば、レール方向に沿ってヒートパイプの全部もしくは一部をヒートブロックに埋めることで、装置の小型・軽量化が図れると共に、部品点数の削減が図れる。上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。また、蓄電池電車以外でも、主電動機２５０〜２５６を駆動するシステムであって、冷却器を含むパワーユニットを動力源とする電動機動力システム等に本発明を適用することができる。さらに、コンバータを架線以外の交流電源で駆動することもできる。
１０ 蓄電池電車用動力システム、１２ 主変圧器、１４ 主変換装置、４２、４４ コンバータ、６２、６４ インバータ、１３０、１９６ パワーユニット、２０４、２０６ 冷却器、２５０、２５２、２５４、２５６ 主電動機
Claims (3)
- 交流電力を直流電力に変換する１以上のコンバータ及び前記コンバータの出力による直流電力を三相交流電力に変換して１以上の主電動機に出力する１以上のインバータを有し、前記コンバータと前記インバータとを結ぶ直流回路に蓄電池が接続される主変換装置と、
前記コンバータと前記インバータを冷却する１以上の冷却器と、
前記主変換装置の動作を制御する制御手段と、を備え、
前記コンバータに属する素子群が、前記インバータに属する素子群を間にして、その両側に分かれて配置され、
前記制御手段が、前記各主電動機の駆動を停止する場合、前記コンバータによる電力変換動作を実行し、前記インバータによる電力変換動作を停止し、
前記インバータによる電力変換動作が停止したときに、前記コンバータが前記蓄電池を充電することを特徴とする電動機動力システム。 - 請求項１に記載の電動機動力システムにおいて、
前記コンバータと前記インバータが、同一基板上に配置されていることを特徴とする電動機動力システム。 - 請求項１又は２に記載の電動機動力システムを備えた電気車。
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