(57)【要約】【課題】スイッチングユニットの取り外し作業や交換作業が容易にでき、かつ、そのための余分なスペースを必要としない鉄道車両用の電力変換装置を得る。【解決手段】車両の床下に設けた箱体５に取り付けられて、交流電力を直流電力へあるいは直流電力を交流電力へ変換する電力変換装置において、平滑コンデンサ１は乾式タイプであって、電極端子６を下向きにして箱体５内に配置し、箱体５に外部から着脱可能に取り付けられたスイッチングユニット１３のスイッチング素子２，３と電極端子６とをブスバー１１により箱体５内の下面近傍で接続して構成し、接続部の着脱作業を箱体５の底面開口部５ｂから行えるようにした。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄道車両の床下に設けた箱体に取り付けられて使用される鉄道車両用の電力変換装置において、
上記箱体の内部に固定される乾式タイプの複数の平滑コンデンサと、
２個以上のスイッチング素子を直列に接続して上記平滑コンデンサのそれぞれに並列に接続される複数の直列回路、上記スイッチング素子を冷却する冷却器、上記直列回路と上記平滑コンデンサとを接続するブスバーを有するスイッチングユニットとを備え、
上記スイッチングユニットは、上記箱体の側面の開口から内部に挿入されて上記冷却器側が上記箱体の外部に露出するように上記箱体に取り付けられ、上記ブスバーと上記平滑コンデンサの電極端子とが上記箱体内の下面近傍で接続されて、上記接続された箇所の着脱作業を上記箱体の底面の開口から行えるようにしたことを特徴とする鉄道車両用の電力変換装置。
【請求項２】
鉄道車両の床下に設けた箱体に取り付けられて使用される鉄道車両用の電力変換装置において、
上記箱体の内部に固定される乾式タイプの平滑コンデンサと、
２個以上のスイッチング素子を直列に接続したものを複数個並列に接続して上記平滑コンデンサに並列に接続されるスイッチング回路、上記スイッチング素子を冷却する冷却器、上記スイッチング回路と上記平滑コンデンサとを接続するブスバーを有するスイッチングユニットとを備え、
上記スイッチングユニットは、上記箱体の側面の開口から内部に挿入されて上記冷却器側が上記箱体の外部に露出するように上記箱体に取り付けられ、上記ブスバーと上記平滑コンデンサの電極端子とが上記箱体内の下面近傍で接続されて、上記接続された箇所の着脱作業を上記箱体の底面の開口から行えるようにしたことを特徴とする鉄道車両用の電力変換装置。
【請求項３】
上記平滑コンデンサは、上記電極端子を上記箱体の底面側に向けて下向きに配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の鉄道車両用の電力変換装置。
【請求項４】
上記平滑コンデンサは、上記電極端子を上記箱体の上記スイッチングユニット取付側の側面に向けて横向きに配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の鉄道車両用の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、鉄道車両の床下に設置され例えば車両駆動用電力を供給する電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の鉄道車両用の電力変換装置は、直流電圧を平滑する平滑コンデンサと、３相インバータを構成する３相ブリッジ接続された半導体素子とを備えた回路によって、鉄道架線から直流端子に入力される直流電力を半導体素子のスイッチングにより交流電力に変換し、この交流電力を交流端子から出力して例えば車両駆動用の電動機に供給するようになっている。具体的な構成としては、例えば、半導体のスイッチングによって直流から交流へあるいは交流から直流へ変換する回路を有するスイッチング素子部と、このスイッチング素子部の発熱部に結合されてそれを冷却する放熱部とでスタックを形成し、車両の床下に取り付けられた箱体にスタックを着脱自在に支持し、発熱部を箱体内側の密閉部に収容し放熱部を車側の開放部に保持するように構成されている（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２３５１１２号公報（第２頁、図１１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のような電力変換装置において、通常、平滑コンデンサには内部に絶縁用のオイルが充填されたオイル絶縁型のコンデンサが用いられていた。このため、平滑コンデンサのブッシングを横向や下向けに配置した場合、ブッシングと平滑コンデンサのケースとの接合部分からオイル漏れが心配されるので、特に高い信頼性を要求される鉄道車両用の電力変換装置では、平滑コンデンサのブッシング部を上に向けて設置されるのが一般的であった。上部のブッシングとスイッチングユニットとは接続導体で接続されている。このような構成の電力変換装置では、メンテナンスや修理の際にスイッチングユニットの取り外しあるいは交換の必要が生じたとき、平滑コンデンサとスイッチングユニットとを、ブッシングと接続導体の接続箇所で着脱するが、ブッシングが上部にあるため狭く困難な箇所での作業となっていた。そこで、上記の特許文献１に示す技術では、スタックと接続導体とにワンタッチコネクタを備えて、箱体のサイドからスタック全体を着脱できるよう構成されている。このような構成では、スタックの着脱は容易となるが、高精度に加工されたコネクタが必要となるため、製造コストが嵩んでコストアップにつながり、また、接続導体とコネクタ接合部分を収納するためのスペースが必要なため装置の小型化が困難であるという問題点があった。
【０００５】
この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、スイッチングユニットの取り外し作業や交換作業が容易にでき、かつ、そのための余分なスペースを必要としない鉄道車両用の電力変換装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係わる鉄道車両用の電力変換装装置は、鉄道車両の床下に設けた箱体に取り付けられて使用される鉄道車両用の電力変換装置において、箱体の内部に固定される乾式タイプの複数の平滑コンデンサと、２個以上のスイッチング素子を直列に接続して平滑コンデンサのそれぞれに並列に接続される複数の直列回路，スイッチング素子を冷却する冷却器，直列回路と平滑コンデンサとを接続するブスバーを有するスイッチングユニットとを備え、スイッチングユニットは、箱体の側面の開口から内部に挿入されて冷却器側が箱体の外部に露出するように箱体に取り付けられ、ブスバーと平滑コンデンサの電極端子とが箱体内の下面近傍で接続されて、接続された箇所の着脱作業を箱体の底面の開口から行えるようにしたものである。
【０００７】
また、上記のスイッチングユニットに替えて、２個以上のスイッチング素子を直列に接続したものを複数個並列に接続して平滑コンデンサに並列に接続されるスイッチング回路、スイッチング素子を冷却する冷却器、スイッチング回路と平滑コンデンサとを接続するブスバーを有するスイッチングユニットとし、上記と同様に、スイッチングユニットは、箱体の側面の開口から内部に挿入されて冷却器側が箱体の外部に露出するように箱体に取り付けられ、ブスバーと平滑コンデンサの電極端子とが箱体内の下面近傍で接続されて、接続された箇所の着脱作業を箱体の底面の開口から行えるようにしたものである。
【発明の効果】
【０００８】
この発明の鉄道車両用の電力変換装装置によれば、車両の床下に設けられている箱体の側面に取り付けられたスイッチングユニットのブスバーと、箱体内に設置した平滑コンデンサの電極端子とが、箱体内の下面近傍で接続されて、この接続箇所の着脱作業を箱体の底面の開口から行えるようにしたので、スイッチングユニットの取り外し作業や交換作業が容易になる。また、着脱のための余分な作業スペースを必要としないため、装置の小型化が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１は実施の形態１による鉄道車両用の電力変換装置の回路図であり、図２はこの電力変換装置を鉄道車両の床下に配置した状態を示す側面図で（ａ）は全体図、（ｂ）は（Ａ）のｂ部拡大図である。また、図３は電力変換装置の構成を示す側面図であり、図４は図３の矢印方向間ら見た斜視図である。
【００１０】
まず回路構成を図１によって説明する。図のように、電力変換装置は、正極と負極の電極を有する平滑コンデンサ１Ａに、例えばＩＧＢＴからなる２個のスイッチング素子２Ａ，３Ａを直列接続した直列回路を並列に接続してＵ相の回路を形成し、同様に、平滑コンデンサ１Ｂとスイッチング素子２Ｂ，３ＢでＶ相の回路を、平滑コンデンサ１Ｃとスイッチング素子２Ｃ，３ＣでＷ相の回路を形成し、これら３相分を並列に接続して電力変換回路を構成している。各相は直流電源の正極（Ｐ）と負極（Ｎ）に接続され、直列接続された二つのスイッチング素子の接続点が交流出力の端子Ｕ，Ｖ，Ｗとなっている。１３Ａ〜１３Ｃは、上記のスイッチング素子の直列回路に後述の冷却器、ブスバー等を組み合わせて構成されるスイッチングユニットである。なお、以下の説明で、平滑コンデンサやスイッチング素子等を３相分一括して説明する場合は、符号のアルファベットの添え字を省き、例えば１Ａ〜１Ｃを単に１と簡略に表記する。
【００１１】
このような電力変換回路の正極（Ｐ）と負極（Ｎ）に、鉄道架線からの直流電力が入力されると、スイッチング素子のスイッチングにより直流電力が交流電力に変換され、この交流電力が交流端子Ｕ，Ｖ，Ｗから出力して、例えば車両駆動用の誘導電動機に供給される。また回生制動の場合は、逆に誘導電動機からの交流電力を直流電力に変換して架線側に返還する。
【００１２】
装置の構成は、図２の側面図に示すように、車両の車体４の床下に設けられた箱体５内に、例えば、絶縁樹脂モールド型のような乾式タイプの平滑コンデンサ１が、正極と負極の電極端子６を箱体５の底面側に向けて下向きに配置され固定されている。平滑コンデンサ１に乾式タイプのものを使用することにより、絶縁用にオイルを使用していないためオイル漏れの心配がなく、電極端子６を下に向けても問題ない。箱体５の車輪側側面に、スイッチング素子２及び３，冷却器７，ブスバー１１を有するスイッチングユニット１３が取り付けられている。
【００１３】
図３及び図４で更に詳細に説明する。図３の側面図において、スイッチング素子２及び３に一体に組み合わされて設けられた冷却器７は、スイッチング素子２，３に大電流が流れたときに高温に発熱するのを放熱するためのものである。この冷却器７は冷却プレート８と放熱部９とで構成されており、冷却プレート８はその周囲に取付部１０を有している。また、スイッチング素子２及び３に一端側を接続したブスバー１１は、Ｌ字状に曲げられて他端側を平滑コンデンサ１の電極端子６とボルト１２によって接続されている。この接続箇所は、平滑コンデンサ１を下向きに配置することにより、箱体５の下面近傍に位置するように構成している。このような構成の接続により、配線長さを必要最小限の長さとして、配線インダクタンスを小さくすることができる。
図４に示すように、スイッチングユニットと平滑コンデンサが並列接続されて形成された１相分の並列回路が３相分、箱体側面に沿う方向に並べて配置され、これらが並列接続されて３相の電力変換装置が構成されている。
【００１４】
次に、スイッチングユニット１３の着脱作業について説明する。図２（ｂ）に示すように、スイッチングユニット１３の取り付けは、箱体５の側面に設けられた側面開口部５ａの外側からスイッチングユニット１３を挿入し、冷却器７側を上記箱体の外部に露出させた状態で、取付部１０を箱体５に固定する。そして、ブスバー１１と平滑コンデンサ１の電極端子６とをボルト１２により固定する。
電力変換装置の点検補修時又は交換時等で、スイッチングユニット１３を取り外す必要が生じた場合は、箱体５の底面開口部５ｂから平滑コンデンサ１とブスバー１１との接続箇所のボルト１２を取り外し、また、スイッチングユニット１３と箱体５との取付部１０も取り外すことにより、図２の太矢印で示すように、スイッチングユニット１３を箱体５の外に取り外すことができる。
【００１５】
以上までの説明では平滑コンデンサ１を下向きに配置した場合であったが、同じ回路構成の電力変換装置で平滑コンデンサ１の配置方向のみを変更した別の形態について説明する。図５は平滑コンデンサ１を横向きに配置して箱体に取り付けた場合の電力変換装置の側面図であり、図６はその斜視図である。図２及び図４と同一部分は同一符号で示し詳細な説明は省略する。
【００１６】
図５のように、平滑コンデンサ１は、箱体５の下部側に、電極端子６を箱体５のスイッチングユニット１３取付側の側面に向けて、横向きに配置している。そして、スイッチング素子２，３に接続したブスバー１４と、電極端子６とは、接続長さをできるだけ短くして、箱体５の下面近傍でボルト１２によって接続されている。これを、図６のように３相分を箱体側面に沿う方向に並べて配置し並列接続することで電力変換装置が構成されている。
この様な構成においても、平滑コンデンサ１の電極端子６を下方に向けて配置した図２〜図４と同様に、スイッチングユニット１３を取り外す必要が生じた場合は、図５の太矢印で示すように、箱体の底面開口部５ｂから平滑コンデンサ１とブスバー１４との接続箇所のボルト１２を取り外すことにより、容易に取り外すことができる。
【００１７】
以上のように、本実施の形態の発明によれば、車両下部の箱体内部に、電極端子を下向き又は横向きにして配置され固定された乾式タイプの複数の平滑コンデンサと、それぞれの平滑コンデンサに接続されるスイッチング素子の直列回路，冷却器，ブスバーを有するスイッチングユニットとを備え、箱体の側面に取り付けられたスイッチングユニットのブスバーと、各平滑コンデンサの電極端子とを、箱体内の下面近傍で接続し、その接続箇所の着脱作業を箱体の底面の開口から行えるようにしたので、スイッチングユニットの箱体外への取り外し作業や交換作業を容易に行うことができる。また、着脱のための余分な作業スペースを必要としないため、装置の小型化が可能となる。更に、スイッチング素子と平滑コンデンサの接続長さを短くできるので、配線インダクタンスを低減できる。
【００１８】
実施の形態２．
図７は実施の形態２による電力変換装置の回路図であり、図８は電力変換装置の斜視図、図９は別の例を示す電力変換装置の斜視図である。なお、図１〜図６と同等部分は同一符号で示し詳細な説明は省略する。
先ず図７によって電力変換装置の回路構成を説明する。図のように、例えばＩＧＢＴからなる２個のスイッチング素子２Ａ，３Ａを直列に接続して直列回路を形成し、同様に形成した直列回路を３相分並列に接続してスイッチング回路を形成する。このスイッチング回路と、正極と負極の電極端子を有する平滑コンデンサ１５とを、直流端子Ｐ，Ｎに対し並列に接続して電力変換回路を構成している。１９は上記スイッチング回路に後述の冷却器，ブスバー等を組み合わせて構成するスイッチングユニットを示す。なお、以下の説明で、スイッチング素子等を３相分一括して説明する場合は、符号のアルファベットの添え字を省き表記する。
【００１９】
装置の構成は、図８の斜視図に示すように、例えば、絶縁樹脂モールド型のような乾式タイプの平滑コンデンサ１５を、正極と負極の電極端子１６を箱体５の底面側に向けて下向きに配置する。直列接続した２個のスイッチング素子２，３には素子の使用時の発熱を放熱するための冷却プレート８と放熱部９からなる放熱器７が組み合わされており、冷却プレート８には３相分一括して箱体に取り付けるための取付部１７が設けられている。スイッチング素子２，３と平滑コンデンサ１５の電極端子１６とはＬ字状に曲げられたブスバー１８によって、配線インダクタンスを小さくするために必要最小限の長さで接続されている。スイッチング素子２，３とブスバー１８及び冷却器７でスイッチングユニット１９を構成する。
なお、冷却器７は３相のスイッチング素子に個別に設けたものを示しているが、３相一括の冷却器としても良い。
【００２０】
このように構成した電力変換装置は、車体４の床下に設けた箱体５に取り付けられて使用されるが、その状態の側面図は実施の形態１で説明した図２と同等である。平滑コンデンサ１５の電極端子１６とブスバー１８との接続箇所は、箱体５内の下面近傍に位置させている。電力変換装置の点検補修時又は交換時等で、スイッチングユニット１９を取り外す必要が生じた場合は、箱体５の底面開口部５ｂから平滑コンデンサ１５の電極端子１６とブスバー１８との接続箇所のボルトを取り外すことにより、図２の場合と同様に、スイッチングユニット１９を取り外すことができる。
【００２１】
次に、同じ回路構成の電力変換装置で平滑コンデンサ１５の配置のみを変更した別の形態について説明する。図９は平滑コンデンサ１５を横向きに配置した場合の電力変換装置の構成を示す斜視図である。図８と同等部分は同一符号で示し詳細な説明は省略する。図８と異なるのは、平滑コンデンサ１５の電極端子１６を、スイッチングユニット１９取付側の箱体５の側面に向けて、横向きに配置した点である。スイッチングユニット１９を構成するスイッチング素子２，３と平滑コンデンサ１５の電極端子１６とは、ブスバー２０により箱体５内の下面近傍で接続されている。なお、この状態の側面図は実施の形態１の図５と同等である。
このように構成された電力変換装置においてもスイッチングユニット１９の箱体５からの着脱は、図８の場合と同様に行うことができる。
【００２２】
以上のように、本実施の形態の発明によれば、車両下部の箱体内部に、電極端子を下向き又は横向きにして配置され固定された乾式タイプの平滑コンデンサと、それに接続されるスイッチング回路を有するスイッチングユニットとを備え、箱体の側面に取り付けられたスイッチングユニットのブスバーと、平滑コンデンサの電極端子とを、箱体内の下面近傍で接続し、その接続箇所の着脱作業を箱体の底面の開口から行えるようにしたので、スイッチングユニットの箱体外への取り外し作業や交換作業を容易に行うことができる。また、着脱のための余分な作業スペースを必要としないため、装置の小型化が可能となる。更に、スイッチング素子と平滑コンデンサの接続長さを短くできるので、配線インダクタンスを低減できる。
【００２３】
なお、上記の実施の形態１及び２では、直流電力を３相交流電力に変換する電力変換装置の場合について説明したが、単相あるいは３相の交流電力を直流電力に変換する電力変換装置や、直流電力を単相交流電力に変換する電力変換装置にも同様に適用できる。
また、上記実施の形態では、２レベル式インバータの場合を説明したが、それ以外の例えば３レベル方式の電力変換装置でも良い。
また、スイッチング素子としてＩＧＢＴを用いたが、ＧＴＯやトランジスタなど、他のスイッチング素子でも良い。
また、スイッチング素子を冷却する冷却器として自冷のヒートシンク式のもので説明したが、冷却器は、自冷式のもの以外に、強制風冷式や水冷式など他の冷却方式でも良い。
更にまた、平滑コンデンサは絶縁樹脂モールド型以外にも、例えば、平滑コンデンサのケースが金属であり、内部の絶縁材料が樹脂で構成されたものや、絶縁材料およびケースの両者に樹脂を適用したもの等、乾式タイプの平滑コンデンサであれば全く同様の効果を有することはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
平滑コンデンサとスイッチング素子を有し、車両の床下に設置されて使用される電力変換装置に広く適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】この発明の実施の形態１による電力変換装置の回路図である。
【図２】この発明の実施の形態１による電力変換装置を鉄道車両の床下に配置した状態を示す側面図である。
【図３】この発明の実施の形態１による電力変換装置の構成図である。
【図４】図３の矢印方向から見た斜視図である。
【図５】実施の形態１による電力変換装置の別の形態を示す配置側面図である。
【図６】図５の電力変換装置の斜視図である。
【図７】この発明の実施の形態２による電力変換装置の回路図である。
【図８】この発明の実施の形態２による電力変換装置の斜視図である。
【図９】実施の形態２による電力変換装置の別の形態を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００２６】
１，１Ａ〜１Ｃ，１５  平滑コンデンサ
２，２Ａ〜２Ｃ，３，３Ａ〜３Ｃ  スイッチング素子
４  車体
５  箱体
５ａ  側面開口部
５ｂ  底面開口部
６，１６  電極端子
７  冷却器
１３，１３Ａ〜１３Ｃ，１９  スイッチングユニット
１１，１１Ａ〜１１Ｃ，１４，１４Ａ〜１４Ｃ，１８，２０  ブスバー。
【図１】
2006254656.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2006254656.tif 000008
【図７】
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【図８】
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【図９】
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