JP2008086078A

JP2008086078A - 電気車制御装置

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Publication number: JP2008086078A
Application number: JP2006260817A
Authority: JP
Inventors: Yosuke Nakazawa; 洋介中沢; Ikuo Yasuoka; 育雄安岡; Shinichi Toda; 伸一戸田; Masaki Miyairi; 正樹宮入
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2006-09-26
Filing date: 2006-09-26
Publication date: 2008-04-10
Anticipated expiration: 2026-09-26
Also published as: JP5058545B2

Abstract

【課題】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。
【解決手段】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、このチョッパモジュールと接続されたリアクトルと、このリアクトルと接続され、前記チョッパモジュールによる電圧変換後の電力を受け取り、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、このインバータ回路と接続され、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を備えたことを特徴とする電気車制御装置。
【選択図】図１

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、このチョッパモジュールと接続されたリアクトルと、この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、このインバータ回路と接続され、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。

（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２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。

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

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、
このチョッパモジュールと接続されたリアクトルと、
この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、
このインバータ回路と接続され、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を備えたことを特徴とする電気車制御装置。
前記請求項１記載の電気車制御装置において、
前記インバータ回路１群に対して、１台の前記永久磁石式同期電動機が接続されることを特徴とする電気車制御装置。
前記請求項１記載の電気車制御装置において、
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特徴とする電気車制御装置。
前記請求項１記載の電気車制御装置において、
前記チョッパモジュールにより電圧変換された電力は、４群のインバータ回路と接続され、
前記チョッパモジュールと前記４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特徴とする電気車制御装置。
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２台のチョッパモジュールと、
前記チョッパモジュールに接続され、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複数群のインバータ回路と、
この複数群のインバータ回路各々に１台づつ接続され、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複数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。
前記請求項５記載の電気車制御装置において、
前記２台のチョッパモジュールは、同一の冷却器に収納され、
前記複数群のインバータ回路は、前記チョッパーモジュールの収納される冷却器とは異なる冷却器に収納されることを特徴とする電気車制御装置。
前記請求項５記載の電気車制御装置において、
前記２台のチョッパモジュールと、前記複数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特徴とする電気車制御装置。