JP6511412B2

JP6511412B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP6511412B2
Application number: JP2016067039A
Authority: JP
Inventors: 陽介安田; 優片桐; 健太郎前; 西村　欣剛; 欣剛西村; 崇弘山内
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2016-03-30
Filing date: 2016-03-30
Publication date: 2019-05-15
Anticipated expiration: 2036-03-30
Also published as: EP3229570A1; JP2017184413A; EP3229570B1; CN107294355B; CN107294355A

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。

鉄道車両などの電動車両には、駆動用の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には、電流のスイッチングを行って直流／交流の変換を行う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損失が発生し、この熱損失により半導体素子が高温になると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となるように冷却する必要がある。半導体素子の冷却方法として、液冷方式が用いられることがある。液冷方式を採用した電力変換装置の構成として、特表２００５−５１６５７０号に示す構成が知られている。

特表２００５−５１６５７０号には、電力変換装置の冷却手段や電子機器回路などを高密度実装する手段が記載されている。

特表２００５−５１６５７０号

鉄道車両では、自動車等の用途と比較して大容量の電力変換回路が必要となるため、組立性やメンテナンス性を考慮すると、電力変換回路を複数のパワーユニットで構成し、筐体へのパワーユニットの組付や、メンテナンスのための取外しを、パワーユニットごとに個別に行えることが望ましい。また、鉄道車両では、電力変換装置は主に車両の床下の限られた設置スペースに搭載されるため、装置の小型化が望まれる。

本発明は上述した課題を解決するためのものであり、パワーユニットの筐体への組付や取外しのしやすい小型な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、筐体と、前記筐体内に搭載され電力変換回路を備えた複数のパワーユニットと、前記筐体内に搭載され前記複数のパワーユニットを液体冷媒により冷却する冷却装置とを備えた電力変換装置であって、前記複数のパワーユニットは、ユニット単位で前記筐体から着脱可能に構成され、前記筐体は、前記パワーユニットを前記筐体に装着する際にパワーユニットを押し込む機構を備え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、前記パワーユニットが前記押し込み機構により押し込まれることにより、前記筐体側に設置した冷媒配管コネクタと、前記パワーユニット側に設置した冷媒配管コネクタとが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、前記パワーユニットが前記押し込み機構により押し込まれることにより、前記筐体側に設置した電気コネクタと、前記パワーユニット側に設置した電気コネクタとが接続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、前記パワーユニットを押し込む機構が、前記パワーユニットに力を加える保持部材と、前記筐体側に設けたヒンジと、前記筐体側に設けたネジ穴と、固定用ボルトで構成され、前記保持部材を前記ヒンジにより回転させて前記保持部材を前記パワーユニットに押し当て、前記固定用ボルトを締めていくことで前記パワーユニットが押し込まれていき、前記固定用ボルトにより前記保持部材と前記筐体を締結することにより、前記パワーユニット側に設置した冷媒配管コネクタと筐体側に設置した冷媒配管コネクタの接続を保持す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、前記固定用ボルトにより前記保持部材と前記筐体を締結することにより、前記パワーユニット側に設置した電気コネクタと前記筐体側に設置した電気コネクタの接続を保持す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、前記押し込み機構が、電力変換装置の側面に設置され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、前記冷媒配管コネクタが、電力変換装置の中央部に設置されることを特徴とする。

第８の発明における電力変換装置は、前記電気コネクタが、電力変換装置の中央部に設置されることを特徴とする。

第９の発明における電力変換装置は、前記パワーユニットへの電力入出力を行う複数の配線と、前記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、電力変換装置の中央部に設けた空間に、前記複数の配線と前記複数の配管が集約されていることを特徴とする。

第１０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。

本発明によれば、筐体への組付や取外しのしやすい小型な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である。図１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に搭載されるパワーユニットを示す。図２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に搭載されるパワーユニットが筐体に組み付けられる前の状態を示す。図２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に搭載されるパワーユニットが筐体に組み付けられた状態を示す。本発明の実施例２に関わる電力変換装置に搭載されるパワーユニットが筐体に組み付けられた状態を示す本発明の実施例２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。本発明の実施例に関わる電力変換装置が鉄道車両に搭載された場合の構成図を示す。

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。電力変換装置は、筐体１００、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５０１、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５０２、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５０３、地絡発生時に電流を遮断する接触器５０４、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５０５、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５０６、モータ出力端子５０７、補助電源出力端子５０８、入力端子５０９で構成されている。これらの機器は筐体１００の側面側または端部側に設置されており、図１に示す筐体１００の中央部の点線で囲まれた部分には中央部空間４００が設けられている。パワーユニット２００には筐体側冷媒配管コネクタ１２２を介して冷媒配管４０１が取り付けられており、冷媒配管４０１は中央部空間４００を通って、冷却装置３００に設けられた冷却装置側冷媒配管コネクタ３０１に接続され、液体冷媒を循環させる流路を構成する。図１では、冷却装置３００から５台のパワーユニット２００に冷媒を供給するための５本分の冷媒配管４０１を図示しているが、実際には５台のパワーユニット２００から冷却装置３００へ液体冷媒を戻すための冷媒配管も５本設置されるため、冷媒配管４０１は合計１０本設置されており、各冷媒配管コネクタ３０１、１２２も１０個ずつ設置される。また、５台のパワーユニット２００は各々が個別に筐体１００から着脱可能に構成されている。

パワーユニット２００の構成について説明する。図２は図１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に搭載される１台分のパワーユニット２００を示す。パワーユニット２００は、電流のスイッチングを行う半導体素子２０１、内部に液体冷媒流路を備え半導体素子を冷却する冷却板２０２、主回路電圧を平滑化するフィルタコンデンサ２０３、主回路電流を流すバスバー２０４、半導体素子２０１にスイッチングのための信号を出力するゲートドライバ２０５、冷却板２０２とフィルタコンデンサ２０３とゲートドライバ２０５を保持するフレーム２０６、フレーム２０６の下面に設置されるスライド板２０７で構成される。半導体素子２０１は冷却板２０２の両面に複数取り付けられる。フィルタコンデンサ２０３は冷却板２０２の両側に１台ずつ設置され、バスバー２０４により半導体素子２０１と電気的に接続される。ゲートドライバ２０５は制御配線により半導体素子２０１と電気的に接続されるが、図面では制御配線を省略している。

パワーユニット２００が筐体１００に装着される状態について説明する。図３は図２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に搭載される１台分のパワーユニット２００が筐体１００に組み付けられる前の状態を示す。また、図４はパワーユニット２００が筐体１００に組み付けられた状態を示す。図３および図４ではフィルタコンデンサ２０３、バスバー２０４、ゲートドライバ２０５、フレーム２０６、スライド板２０７を省略している。

筐体１００の側面側（図２の左側）には、パワーユニット２００を筐体１００の中央側へ押し込むための押し込み機構１１０が設置される。押し込み機構１１０は、保持部材１１１、ヒンジ１１２、Ｌ字鋼１１３、固定用ボルト１１４で構成される。保持部材１１１は、中央部分が凸になっており、筐体上部に設置されたヒンジ１１２を中心に回転するようになっている。また、Ｌ字鋼１１３は筐体１００の下部側に設置され、保持部材１１１と固定用ボルト１１４を締結するためのネジ穴が設けられている。

冷却板２０２には、パワーユニット側冷媒配管コネクタ１２１が、筐体１００の中央部空間４００の方を向くように２つ設置され、パワーユニット側冷媒配管コネクタ１２１の一方から冷媒が流入し、他方から冷媒が流出するように冷媒経路が構成される。また、筐体１００の中央側には、筐体側冷媒配管コネクタ１２２が、筐体側固定板１２３に保持される状態で２つ設置される。パワーユニット側冷媒配管コネクタ１２１と筐体側冷媒配管コネクタ１２２は対になっており、圧縮力を加えることで両者の接続が保持される機構を持つ。筐体側冷媒配管コネクタ１２２がパワーユニット側冷媒配管コネクタ１２１と接続される箇所と筐体側固定板１２３を挟んだ逆側は中央部空間４００に面しており、冷媒配管４０１が接続される。

図３に示すように保持部材１１１の中央の凸になっている部分を冷却板２０２に押し当て、Ｌ字鋼１１３に固定用ボルト１１４を締めつけて、保持部材１１１を筐体１００の中央側に押すことで、パワーユニット２００は筐体１００の中央側へ押し込まれていく。図４に示すように、固定用ボルト１１４をＬ字鋼１１３に完全に締結することにより、パワーユニット側冷媒配管コネクタ１２１と筐体側冷媒配管コネクタ１２２は接続される。なお、図２に示すパワーユニット２００のフレーム２０６の下部に設けたスライド板２０７が、図３および図４に示す筐体１００の下部に設けたレール１２４の上を滑ることで、パワーユニット側冷媒配管コネクタ１２１と筐体側冷媒配管コネクタ１２２が接続されるようにパワーユニット２００がガイドされながら筐体１００の中央側へ押し込まれる。

次に、図１〜４で示した電力変換装置を鉄道車両に搭載した場合の構成図を図７に示す。電力変換装置は鉄道車両の車体６００の床下に搭載されており、車両側面にパワーユニット２００が配置されて、車両側面側から各パワーユニット２００が着脱可能となっている。また、パワーユニット２００の中央側に設けられた中央部空間４００に冷媒配管４０１が設けられる。

実施例１の効果について説明する。パワーユニット２００を筐体に組み付ける際には、パワーユニット２００は電力変換装置の側面側から筐体１００に組み付けできることが望ましい。一方で、電力変換装置の電力変換容量が大きい場合、冷却性能を確保するために、冷媒の流量を大きくする必要があり、冷媒配管４０１内の圧力損失を低減するために冷媒配管４０１の内径を大きくする必要がある。仮にパワーユニット側冷媒配管コネクタ１２１と筐体側冷媒配管コネクタ１２２が電力変換装置の側面側にある場合、冷媒配管４０１を冷却装置３００から電力変換装置の側面側まで伸ばす必要があるため、冷媒配管４０１の内径が大きくなるとパワーユニット２００を筐体１００に組み付ける作業を阻害する要因となる。本発明のように、パワーユニット側冷媒配管コネクタ１２１と筐体側冷媒配管コネクタ１２２を電力変換装置の中央側に配置することで、パワーユニット２００の筐体１００への組付や取外しがしやすくなる。

また、実施例１では、電力変換装置内に５台のパワーユニット２００が設置されており、各々が個別に着脱できる構成としている。このような構成とすることで、パワーユニット２００を着脱する単位の重量が小さくなるため、パワーユニット２００の筐体１００への組付や取外し作業がしやすくなる。

また、実施例１では、電力変換装置の側面側に、パワーユニット２００を押し込んでその状態を保持するための押し込み機構１１０が設置される。このような構成とすることで、パワーユニット２００を押し込む作業および取り外す作業を電力変換装置の側面側から行うことができるため、パワーユニット２００の筐体１００への組付や取外しがしやすくなる。

さらに、パワーユニット側冷媒配管コネクタ１２１と筐体側冷媒配管コネクタ１２２を接続する際には、振動する環境においても冷媒漏れを防ぐためにある程度大きな圧縮力が必要となる。押し込み機構１１０を構成する保持部材１１１は筐体上部のヒンジ１１２を支点として回転し、筐体下部の固定用ボルト１１４を力点とし、保持部材１１１の中央部の凸になっている部分を作用点としてパワーユニット２００を押し込む。このような構成とすることで、力点である固定用ボルト１１４を締めるだけで、梃子の原理により小さい軸力でパワーユニット２００を簡単に押し込むことができるため、パワーユニット２００の筐体１００への組付作業がしやすくなる。

また、複数のパワーユニット２００で電力変換装置を構成する場合、冷媒配管４０１の数が多くなるため、広い設置スペースが必要となる。実施例１のように、筐体１００に中央部空間４００を設け、冷媒配管４０１を中央部空間４００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、鉄道車両の床下に設置した電力変換装置のパワーユニットをメンテナンスする際には、パワーユニットを電力変換装置の側面側から取り外し、組付できる構成が望ましい。実施例１の構成とすることで、鉄道車両の床下への設置に適した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、保持部材１１１をヒンジ１１２から取り外し可能な構成としても良い。取り外し可能な構成とすることで、図３に示す状態までパワーユニット２００を筐体１００に挿入する際、あるいは図３に示す状態からパワーユニット２００を筐体１００外部へ取り外す際に作業を阻害することがなくなるため、パワーユニット２００の筐体１００への組付や取外しがしやすくなる。

図５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パワーユニットが筐体に装着された状態を示す図である。図５では、ゲートドライバ２０５、フレーム２０６、スライド板２０７を省略している。実施例２では、冷却板２０２の装置中央側にパワーユニット側固定板１３１が設置され、パワーユニット側固定板１３１に保持される状態でパワーユニット側電気コネクタ１３２が設置される。フィルタコンデンサ２０３はバスバー２０４を介してパワーユニット側電気コネクタ１３２に電気的に接続される。また、筐体１００の中央側には、筐体側電気コネクタ１３３が、筐体側固定板１２３に保持される状態で設置される。パワーユニット側電気コネクタ１３２と筐体側電気コネクタ１３３は対になっており、押し込み機構１１０によりパワーユニット２００が筐体１００に押し込まれることで、パワーユニット側電気コネクタ１３２と筐体側電気コネクタ１３３は接続される。筐体側電気コネクタ１３３がパワーユニット側電気コネクタ１３２と接続される箇所と逆側は中央部空間４００に面しており、直流電線４１２が接続される。

実施例２のように、押し込み機構１１０によりパワーユニット２００を筐体１００に押し込むことで、冷媒コネクタだけでなく電気コネクタも高い圧縮力で押しつけて接続されるような構成とすることができるため、振動する環境においても電気接続が遮断されることを防止でき、パワーユニット２００の筐体１００への組付や取外しがしやすくなる。

なお、図５では、パワーユニット２００と直流電線４１２を接続した状態を例に図示しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、後述の単相交流電線４１１や三相交流電線４１３の接続についても適用することができる。

また、図６は、本発明の実施例２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４１１は単相交流電線を、点線４１２は直流電線を、長破線４１３は三相交流電線を示す。単相交流電線４１１は、入力端子５０９から接触器５０４を介してパワーユニット２００に接続される。パワーユニット２００はそれぞれ２組ずつ直流電線４１２により接続される。パワーユニット２００の出力である三相交流電線４１３は、モータ出力コア５０５を介してモータ出力端子５０７に接続される。これらの単相交流電線４１１、直流電線４１２、三相交流電線４１３は中央部空間４００に集約されて設置される。

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２００で電力変換装置を構成する場合、電線の径が大きくなり、本数が多くなる。実施例２のように、電力変換装置１００の中央部空間４００に単相交流電線４１１、直流電線４１２、三相交流電線４１３を集約することで、電力変換装置を小型化することができる。

１００筐体
１１０押し込み機構
１１１保持部材
１１２ヒンジ
１１３Ｌ字鋼
１１４固定用ボルト
１２１パワーユニット側冷媒配管コネクタ
１２２筐体側冷媒配管コネクタ
１２３筐体側固定板
１２４レール
１３１パワーユニット側固定板
１３２パワーユニット側電気コネクタ
１３３筐体側電気コネクタ
２００パワーユニット
２０１半導体素子
２０２冷却板
２０３フィルタコンデンサ
２０４バスバー
２０５ゲートドライバ
２０６フレーム
２０７スライド板
３００冷却装置
３０１冷却装置側冷媒配管コネクタ
４００中央部空間
４０１冷媒配管
４１１単相交流電線
４１２直流電線
４１３三相交流電線
５０１制御装置
５０２リアクトル
５０３交流コンデンサ
５０４接触器
５０５モータ出力コア
５０６補助電源出力コア
５０７モータ出力端子
５０８補助電源出力端子
５０９入力端子
６００車体
７００レール

Claims

筐体と、前記筐体内に搭載され電力変換回路を備えた複数のパワーユニットと、前記筐体内に搭載され前記複数のパワーユニットを液体冷媒により冷却する冷却装置とを備え、鉄道車両に搭載される電力変換装置であって、
前記複数のパワーユニットは、ユニット単位で前記筐体から着脱可能に構成され、
前記筐体は、前記パワーユニットに力を加える保持部材と、前記筐体側に設けたヒンジと、前記筐体側に設けたネジ穴と、固定用ボルトで構成された、前記パワーユニットを前記筐体に装着する際にパワーユニットを押し込む機構を備え、
前記保持部材を前記ヒンジにより回転させて前記保持部材を前記パワーユニットに押し当て、前記固定用ボルトを締めていくことで、前記パワーユニットが前記押し込み機構により押し込まれていき、前記筐体側に設置した冷媒配管コネクタと、前記パワーユニット側に設置した冷媒配管コネクタとが接続され、前記固定用ボルトにより前記保持部材と前記筐体を締結することにより、当該冷媒配管コネクタの接続を保持することを特徴とする、電力変換装置。
請求項１に記載の電力変換装置であって、
前記パワーユニットが前記押し込み機構により押し込まれることにより、前記筐体側に設置した電気コネクタと、前記パワーユニット側に設置した電気コネクタとが接続されることを特徴とする、電力変換装置。
請求項１又は請求項２に記載の電力変換装置であって、
前記固定用ボルトにより前記保持部材と前記筐体を締結することにより、前記パワーユニット側に設置した電気コネクタと前記筐体側に設置した電気コネクタの接続を保持することを特徴とする、電力変換装置。
請求項１乃至請求項３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。