交流型電車の鉄道車両には、駆動用モータに電力を供給し、速度に応じて駆動力やブレーキ力を制御する電力変換装置が備えられており、一般的に車両の床下に実装されている。
電力変換装置には、コンバータやフィルタコンデンサ、インバータ等が搭載されており、駆動用モータへの電力供給により発熱するため、冷却装置が設けられている。
冷却装置には、冷却用送風機(ブロア)によるブロア強制風冷方式、水冷ユニットによる水冷方式、車両の走行に伴って発生する走行風を利用する走行風冷却方式など様々なタイプの冷却方式があるが、床下機器スペースの都合などから小型化の要求も強く、環境負荷低減や省エネ化の観点から近年では走行風冷却方式が主流である。
本技術分野の背景技術として、特許文献1のような技術がある。特許文献1には、走行風を利用して冷却を行う鉄道車両用電力変換装置において、コンバータおよびインバータの冷却体を熱的に一体化した共通の冷却体とすることで、冷却体全体の小型化と電力変換装置の軽量化を図る技術が開示されている。
また、特許文献2には、発熱量が略同じになるようにコンバータ装置及びインバータ装置のスイッチング素子ユニットを組み合わせて二組の発熱体とし、冷媒を強制的に循環させる冷媒循環路の分岐路にそれぞれ熱的に結合させることで小型化を図る電気車用電力変換装置が開示されている。
また、特許文献3には、走行風を利用してスイッチング素子の冷却を行う電力変換装置において、複数のスイッチング素子を複数個並列接続する場合の効果的な配置構成および冷却器のフィンの効果的な構造により、小型化、軽量化を図る技術が開示されている。
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明を省略する。
図1Aおよび図1Bを用いて、実施例1の電力変換装置について説明する。図1Aは本実施例の電力変換装置の平面図であり、図1Bは図1AにおけるX−X’方向矢視図である。なお、電力変換装置2は鉄道車両(図示せず)の車体1の床下スペースに設置されており、図1Aの上下方向は車体1の進行方向を示し、左右方向は車体1の側面側(側面方向)を示している。また、図1Bの上下方向は車体1の上下方向を示し、左右方向は車体1の側面側(側面方向)を示している。
車体1の床下に設置された電力変換装置2は、主要な構成として、車体1の一方の側面側に寄せて配置されたパワーユニット3aと反対(他方)の側面側に寄せて配置されたパワーユニット3bを有している。パワーユニット3aには、放熱部5aを有する冷却用ベースプレート4aが搭載され、放熱部5aが設けられている面とは反対側の面に第1の電力変換素子群6aと第2の電力変換素子群7aが設置されている。
第1の電力変換素子群6aは交流電力を直流電力に変換するコンバータであり、第2の電力変換素子群7aは直流電力を交流電力に変換するインバータである。また、放熱部5aは、例えば図1A,図1Bに示すように、冷却用ベースプレート4aの一方の面に複数のフィンを設け、各フィン同士を金属板などの熱伝導材で連結することで補強するフィン構造となっている。
車体1の反対側(他方の側面側)に配置されるパワーユニット3bには、放熱部5bを有する冷却用ベースプレート4bが搭載され、放熱部5bが設けられている面とは反対側の面に第1の電力変換素子群6bと第2の電力変換素子群7bが設置されている。
第1の電力変換素子群6bは交流電力を直流電力に変換するコンバータであり、第2の電力変換素子群7bは直流電力を交流電力に変換するインバータである。また、放熱部5bは、例えば図1A,図1Bに示すように、冷却用ベースプレート4bの一方の面に複数のフィンを設け、各フィン同士を金属板などの熱伝導材で連結することで補強するフィン構造となっている。なお、放熱部5a,5bは車体1の側面側方向に突出して設置されている。なお、図1A,図1Bの放熱部5a,5bのフィン構造は、あくまでも例示であって、必ずしもこの構造に限定されるものではない。
従来の電力変換装置では、特許文献1のように共通化又は熱的に一体化した冷却体上にコンバータおよびインバータを搭載し、それらの機器の搭載面とは反対側の面に冷却フィンを設ける構造や、特許文献3のようにコンバータとインバータをそれぞれ別個のフィンベース(冷却器)に搭載する構造となっている。
一方、本実施例の電力変換装置2では、図1A,図1Bに示すように、従来は1つのコンバータとしてまとめて配置されていた第1の電力変換素子群を二つの電力変換素子群6a,6bに分割し、それぞれ別個の冷却用ベースプレート4a,4b上に配置している。同様に、従来は1つのインバータとしてまとめて配置されていた第2の電力変換素子群を二つの電力変換素子群7a,7bに分割し、それぞれ別個の冷却用ベースプレート4a,4b上に配置している。
このように、コンバータを構成する電力変換素子群の一部(6a)とインバータを構成する電力変換素子群の一部(7a)を、車体1の一方の側面側に寄せて配置された冷却体(冷却用ベースプレート4a)上に設置し、コンバータを構成する電力変換素子群の残り(6b)とコンバータを構成する電力変換素子群の残り(7b)を車体1のもう一方(他方)の側面側に寄せて配置された冷却体(冷却用ベースプレート4b)に設置することで、従来のようにまとめて設置した場合に比べて、鉄道車両の進行方向側の電力変換装置の大きさを小型化することができる。
また、1つの冷却体(冷却用ベースプレート)上にコンバータの一部とインバータの一部をまとめて搭載することにより、コンバータとインバータの動作するタイミングが異なる場合、それぞれの機器からの発熱のタイミングも異なるため、冷却体(冷却用ベースプレート)上の発熱がより均一化されやすくなり、冷却効率を向上することができる。
また、特許文献3のようにコンバータをまとめて1つのフィンベース(冷却器)に搭載した場合、コンバータの発熱を1つのフィンベース(冷却器)で冷却する必要があるため、フィンベース(冷却器)への熱負荷が大きくなるが、本実施例のように、コンバータを少なくとも2つ以上に分割して、それぞれ異なる冷却体(冷却用ベースプレート)上に設けた場合、1つの冷却体(冷却用ベースプレート)への熱負荷を軽減することができるため、冷却体(冷却用ベースプレート)自体の小型化が可能となる。
また、放熱部5a,5bを車体1の側面側方向に突出して設置しているため、鉄道車両(車体1)の走行時の走行風を冷却フィンに効果的に受けることができ、放熱部5a,5bによる放熱効率を向上することができる。
図2Aおよび図2Bを用いて、実施例2の電力変換装置について説明する。図2Aは本実施例の電力変換装置の平面図であり、図2Bは図2AにおけるX−X’方向矢視図である。電力変換装置2は鉄道車両(図示せず)の車体1の床下スペースに設置されており、図2Aの上下方向は車体1の進行方向を示し、左右方向は車体1の側面側(側面方向)を示している。また、図2Bの上下方向は車体1の上下方向を示し、左右方向は車体1の側面側(側面方向)を示している。
本実施例の電力変換装置2は、主要な構成として、車体1の一方の側面側に寄せて配置されたパワーユニット3aと反対(他方)の側面側に寄せて配置されたパワーユニット3bを有している。なお、本実施例の電力変換装置2は、基本的な構成は実施例1の電力変換装置2と共通しているため、異なる部分について説明する。
本実施例の電力変換装置2を構成するパワーユニット3aの放熱部5a、パワーユニット3bの放熱部5bは、実施例1の放熱部5a,5bが車体1の側面側方向に突出して設置されているのに対し、それぞれ車体1の床下側(底面側)に突出して設置されている。放熱部5a,5bは、冷却用ベースプレート4a,4b各々の一方の面に複数のフィンを設けたフィン構造となっている。
なお、本実施例の放熱部5a,5bは、車体1の床下側(底面側)に突出して配置しているため、車体1の床下(底面)と地面とのスペースを考慮して、1枚あたりのフィンの長さを短く設けており、その分の冷却効率を補うためフィン数を多く設けている。
パワーユニットの放熱部5a,5bを車体1の床下側(底面側)に突出して設置することで、鉄道車両走行時の空気抵抗を低減することができるため、本実施例の電力変換装置2の構造は、新幹線などの高速鉄道に有利である。
なお、本実施例の電力変換装置2においても、コンバータを構成する電力変換素子群の一部(6a)とインバータを構成する電力変換素子群の一部(7a)を、車体1の一方の側面側に寄せて配置された冷却体(冷却用ベースプレート4a)上に設置し、コンバータを構成する電力変換素子群の残り(6b)とコンバータを構成する電力変換素子群の残り(7b)を車体1のもう一方(他方)の側面側に寄せて配置された冷却体(冷却用ベースプレート4b)に設置することで、従来のようにまとめて設置した場合に比べて、鉄道車両の進行方向側の電力変換装置の大きさを小型化することができる。
また、1つの冷却体(冷却用ベースプレート)上にコンバータの一部とインバータの一部をまとめて搭載することにより、コンバータとインバータの動作するタイミングが異なる場合、それぞれの機器からの発熱のタイミングも異なるため、冷却体(冷却用ベースプレート)上の発熱がより均一化されやすくなり、冷却効率を向上することができる。
図3を用いて、実施例3の電力変換装置について説明する。図3は、実施例1或いは実施例2で説明した電力変換装置の回路構成の一実施形態を示す回路図である。
鉄道車両(図示せず)の車体1の床下に設けられた電力変換装置2に対し、単相交流架線10から主変圧器11を介して、単相交流電力が給電(供給)される。電力変換装置2に給電された単相交流電力は、電力変換装置2のパワーユニット3a,3bのコンバータ6a,6bに各々入力され、単相交流電力から直流電力へ変換される。
直流電力に変換された電力は、パワーユニット3aにおいてインバータ7aに入力され、パワーユニット3bにおいてインバータ7bに入力される。インバータ7a,7bに入力された直流電力は、それぞれのインバータにおいて、三相交流電力に変換される。
インバータ7a,7bには、図3に示すように、三相の交流電動機9a,9bが電気的に接続されており、三相のうちの二相(例えば、U相およびV相)はパワーユニット3aのインバータ7aに接続している。また、三相のうちの残りの一相(例えば、W相)はパワーユニット3bのインバータ7bに接続している。
なお、パワーユニット3a,3bには、フィルタコンデンサ8a,8bがそれぞれ設けられており、各々の回路のノイズフィルタとして機能する。
実施例1或いは実施例2で説明したように、従来はそれぞれ1つの機器として設置されていたコンバータおよびインバータを、図3のように、コンバータ6a,6b、インバータ7a,7bに分割し、一方のコンバータ6aとインバータ7aを車体1の一方の側面側に寄せて配置し、もう一方(他方)のコンバータ6bとインバータ7bを車体1の反対側の側面側に寄せて配置することで、鉄道車両の進行方向側の電力変換装置の大きさを小型化しつつ、電力変換装置の冷却効率を向上することができる。
図4Aから図4Dを用いて、実施例4の電力変換装置について説明する。図4Aは、実施例1或いは実施例2で説明した電力変換装置の回路構成の一実施形態を示す回路図であり、図4Bから図4Dは図4Aのチョッパ回路12の例を示している。
図4Aの電力変換装置2は、基本的な構成は図3の電力変換装置と共通しているが、パワーユニット3bのインバータ7bにチョッパ回路12が設けられている点において、図3の電力変換装置とは異なる。
チョッパ回路12は、抵抗器やリアクトル、蓄電池などの直流負荷への電力供給を制御するスイッチング素子である。チョッパ回路は、一般的に電力変換装置の外部に設けられるが、本実施例の電力変換装置では電力変換装置2内にインバータ7bの一部として内蔵されている。
チョッパ回路12と直流負荷13の接続例を図4Bおよび図4Cに示す。直流負荷13は、例えば、回生ブレーキとなる抵抗器や蓄電池、直流電流の平滑化のためのリアクトルなどであり、一般的に電力変換装置の外部に設けられる。
図4Dは、チョッパ回路12に、直流負荷13、スナバ抵抗Rs、スナバコンデンサCsを接続した例である。
本実施例においても、従来それぞれ1つの機器として設置されていたコンバータおよびインバータを、図4Aのように、コンバータ6a,6b、インバータ7a,7bに分割し、一方のコンバータ6aとインバータ7aを車体1の一方の側面側に寄せて配置し、もう一方(他方)のコンバータ6bとインバータ7bを車体1の反対側の側面側に寄せて配置することで、鉄道車両の進行方向側の電力変換装置の大きさを小型化しつつ、電力変換装置の冷却効率を向上することができる。
また、従来は電力変換装置の外部に設けていたチョッパ回路を電力変換装置内に内蔵することで、車体1の床下スペース効率を向上することができる。
図5を用いて、実施例5の電力変換装置について説明する。図5は、実施例1或いは実施例2で説明した電力変換装置の回路構成の一実施形態を示す回路図である。
図5の電力変換装置2は、基本的な構成は図3の電力変換装置と共通しているが、パワーユニット3a,パワーユニット3bの各々に、三相の交流電動機9a,9b、三相の交流電動機9c,9dがそれぞれ電気的に接続されている点において、図3の電力変換装置とは異なる。
また、パワーユニット3aのインバータ7a、パワーユニット3bのインバータ7bがそれぞれ三相回路で構成されている点においても図3の電力変換装置とは異なっている。
本実施例においても、従来1つの機器として設置されていたコンバータを、図5のように、コンバータ6a,6bに分割し、一方のコンバータ6aとインバータ7aを車体1の一方の側面側に寄せて配置し、もう一方(他方)のコンバータ6bとインバータ7bを車体1の反対側の側面側に寄せて配置することで、鉄道車両の進行方向側の電力変換装置の大きさを小型化しつつ、電力変換装置の冷却効率を向上することができる。
また、分割して設けられたインバータ7a,7bに各々接続される交流電動機9a,9bと9c,9dをそれぞれ三相回路で構成することで、よりきめ細かい高精度なモータ制御が可能となる。
図6を用いて、実施例6の電力変換装置について説明する。図6は、実施例1或いは実施例2で説明した電力変換装置の回路構成の一実施形態を示す回路図である。
図6の電力変換装置2は、基本的な構成は図3の電力変換装置と共通しているが、パワーユニット3aのコンバータ6a、パワーユニット3bのコンバータ6bがそれぞれ二相回路で構成されている点において、図3の電力変換装置とは異なる。
本実施例においても、従来1つの機器として設置されていたインバータを、図6のように、インバータ7a,7bに分割し、一方のインバータ7aとコンバータ6aを車体1の一方の側面側に寄せて配置し、もう一方(他方)のインバータ7bとコンバータ6bを車体1の反対側の側面側に寄せて配置することで、鉄道車両の進行方向側の電力変換装置の大きさを小型化しつつ、電力変換装置の冷却効率を向上することができる。
また、単相交流架線10からの単相交流電力が入力されるコンバータ6a.6bをそれぞれ二相回路で構成することにより、供給電力の電力密度を高めることができ、電力変換装置2へより多くの電力を供給したい場合に有利である。
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、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。