(57)【要約】【課題】  コンバータ装置及びインバータ装置を備える場合でも小型化を図ることのできる電気車用電力変換装置を提供する。【解決手段】  スイッチング素子が単相ブリッジ接続され、単相交流を直流に変換するコンバータ装置（３）と、スイッチング素子が３相ブリッジ接続され、コンバータ装置によって変換された直流をそれぞれ３相交流に変換する第１及び第２のインバータ装置（５ａ，５ｂ）と、冷媒を循環させる配管経路の途中の区間が２つに分岐され、一方の分岐部（１２）がコンバータ装置のＵ相スイッチング素子ユニット（３ａ）及び第１のインバータ装置（５ａ）に熱的に結合され、他方の分岐部（１３）がコンバータ装置のＶ相スイッチング素子ユニット（３ｂ）及び第２のインバータ装置（５ｂ）に熱的に結合された冷媒循環路（１１）と、冷媒循環路の主経路に設けられた冷媒循環用のポンプ（１４）と、冷媒循環路の主経路に設けられた熱交換器（１５）とを備える。【選択図】  図２
2005117819.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチング素子が単相ブリッジ接続され、単相交流を直流に変換するコンバータ装置と、
スイッチング素子が３相ブリッジ接続され、前記コンバータ装置によって変換された直流をそれぞれ３相交流に変換する第１及び第２のインバータ装置と、
冷媒を循環させる配管経路の途中の区間が２つに分岐され、一方の分岐部が前記コンバータ装置のＵ相スイッチング素子ユニット及び前記第１のインバータ装置に熱的に結合され、他方の分岐部が前記コンバータ装置のＶ相スイッチング素子ユニット及び前記第２のインバータ装置に熱的に結合された冷媒循環路と、
前記冷媒循環路の主経路に設けられた冷媒循環用のポンプと、
前記冷媒循環路の主経路に設けられた熱交換器と、
を備えた電気車用電力変換装置。
【請求項２】
前記第１及び第２のコンバータ装置は互いに等しい容量を有し、前記分岐部は略等しい冷却性能を備えた、請求項１に記載の電気車用電力変換装置。
【請求項３】
車両の床下に、風洞のスペースを残すように懸架され、その一部が気密部を形成するように区画された筐体を備え、前記コンバータ装置及びインバータ装置が前記筐体の気密部に収納され、前記ポンプが前記非気密部に収納された、請求項１又は２に記載の電気車用電力変換装置。
【請求項４】
前記熱交換器は前記筐体から離隔して走行風によって自然冷却される部位に設置された、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電気車用電力変換装置。
【請求項５】
前記コンバータ装置及びインバータ装置が収納された気密部のうち、温度が最も高くなると予測される部位に設置された温度センサと、この温度センサの検出値が所定値を超えないように前記ポンプの流量を制御する流量制御部と、を備えた請求項３又は４に記載の電気車用電力変換装置。
【請求項６】
前記インバータによって駆動される主電動機の電流を検出する電流センサを備え、前記流量制御部は前記電流センサの検出電流に応じて予め定められた冷媒が供給されるように前記ポンプの流量を制御する、請求項６に記載の電気車用電力変換装置。
【請求項７】
電気車の走行、停止を検出する手段を備え、前記流量制御部は電気車の走行中と停止中とで流量を変更する請求項５又は６に記載の電気車用電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両、とりわけ電気車に用いられる電力変換装置に係り、特に、この電力変換装置の冷却に関する。
【背景技術】
【０００２】
交流き電区間を走行する電気車には、コンバータ装置とインバータ装置を備えた電力変換装置が用いられる。図５はこの種の電力変換装置の構成を示す回路図である。同図において、パンタグラフ１から集電された交流は、主変圧器２によって降圧され、Ｕ相スイッチング素子ユニット３ａ及びＶ相スイッチング素子ユニット３ｂでなるコンバータ装置３の交流側に入力される。このコンバータ装置３の直流側から出力された直流は、並列接続されたフィルタコンデンサ４ａ，４ｂを介して、インバータ装置５ａ及びインバータ装置５ｂの直流側に入力される。インバータ装置５ａ，５ｂは入力された直流をそれぞれ正、負、中性の３つのレベルを有するパルスを出力することによりＰＷＭ変調された可変電圧可変周波数の３相交流を出力する。この３相交流によって電気車駆動用の誘導式主電動機６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄの回転が制御され、電気車が力行する。一方、誘導式主電動機６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄが発電機として動作する回生時には、上記力行時とは反対にエネルギーがパンタグラフ１に回生される。
【０００３】
上述したコンバータ装置３やインバータ装置５ａ，５ｂは、それぞれ、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipollar Transistor）やＧＴＯ（Gate Turn Off thyristor）等のモジュール型自己消弧型スイッチング素子がブリッジ接続された構成になっている。これらのスイッチング素子は冷却系にとってみれば全てが発熱体であり、これらが密に実装されると、熱的に厳しいものとなる。一方、レイアウトもメンテナンスを考慮すると、重要な要素であり、冷却にとって必ずしも都合の良いものとはなり得ない。
【０００４】
これらの要請に応じるものとして、電力変換装置を構成するモジュール型半導体スイッチング素子を取り付けた受熱板に冷却液を通し、これを空気−液熱交換器との間で循環して冷却する循環液冷方式を採用すると共に、使用する冷媒としては、例えば水や、低温下での凍結を抑制するエチレングリコールの成分を含んだ水溶液を用いるものが開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
一方、直流き電区間を走行する電気車は、交流き電区間を走行する場合に用いられる変圧器やコンバータ装置が不要である。しかし、ＩＧＢＴやＧＴＯで構成されるインバータ装置が大型化する傾向があるので、装置の構成を工夫し、電気車用インバータ装置を全体として小型化することが要望される。
【０００６】
この小型化を可能にするため、及び、電気車の床下などのように、狭い場所に設けられてもメンテナンス性を向上させるために、ブリッジ接続されたスイッチング素子のモジュールを１相分毎に分割して伝熱性を有する同一の受熱板を一面に取付けると共に、この受熱板の他面に、ヒートパイプの一端を熱的に結合し、その他端に放熱部を形成し、作動流体として水を用いた冷却器を接続するインバータ装置が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。
【特許文献１】特開平９−２１９９０４号公報
【特許文献２】特開平１１−８９８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した２つの電力変換装置のうち、交流き電区間を走行する電気車の電力変換装置、すなわち、コンバータ装置及びインバータ装置を有する電力変換装置は、その１相分（Ｓ相、Ｔ相、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の冷却対象素子がそれぞれ両面に取り付けられた受熱板が、軌道方向に４枚配置され、これらが単一の筐体に一体的に収納されているため、電気車の床下の限られたスペースに艤装するには装置が大型化してしまうという問題があった。
【０００８】
一方、直流き電区間を走行するインバータ装置のみでなる電力変換装置は、半導体スイッチモジュールを１相分毎に分割して同一の受熱板の一面に取り付け、その他面に冷却器を熱的に接続したことにより、冷却器の熱負荷量を平均化することができ、これによって、冷却器の小型化と装置全体の小型化ができる。しかし、交流き電区間を走行する電気車のようにコンバータ装置を備えた電力変換装置には適用し難いという問題があった。
【０００９】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、コンバータ装置及びインバータ装置を備える場合でも小型化を図ることのできる電気車用電力変換装置を提供することにある。
【００１０】
本発明の他の目的は、信頼性を向上させると共に、経済性においても有利な電気車用電力変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１に係る発明は、
スイッチング素子が単相ブリッジ接続され、単相交流を直流に変換するコンバータ装置と、
スイッチング素子が３相ブリッジ接続され、コンバータ装置によって変換された直流をそれぞれ３相交流に変換する第１及び第２のインバータ装置と、
冷媒を循環させる配管経路の途中の区間が２つに分岐され、一方の分岐部がコンバータ装置のＵ相スイッチング素子ユニット及び第１のインバータ装置に熱的に結合され、他方の分岐部がコンバータ装置のＶ相スイッチング素子ユニット及び第２のインバータ装置に熱的に結合された冷媒循環路と、
冷媒循環路の主経路に設けられた冷媒循環用のポンプと、
冷媒循環路の主経路に設けられた熱交換器と、
を備えた電気車用電力変換装置である。
【００１２】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の電気車用電力変換装置において、第１及び第２のコンバータ装置は互いに等しい容量を有し、分岐部は略等しい冷却性能を備えている。
【００１３】
請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の電気車用電力変換装置において、車両の床下に、風洞のスペースを残すように懸架され、その一部が気密部を形成するように区画された筐体を備え、コンバータ装置及びインバータ装置が筐体の気密部に収納され、ポンプが非気密部に収納されている。
【００１４】
請求項４に係る発明は、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電気車用電力変換装置において、熱交換器は筐体から離隔して走行風によって自然冷却される部位に設置されている。
【００１５】
請求項５に係る発明は、請求項３又は４に記載の電気車用電力変換装置において、コンバータ装置及びインバータ装置が収納された気密部のうち、温度が最も高くなると予測される部位に設置された温度センサと、この温度センサの検出値が所定値を超えないようにポンプの流量を制御する流量制御部と、を備えている。
【００１６】
請求項６に係る発明は、請求項６に記載の電気車用電力変換装置において、インバータによって駆動される主電動機の電流を検出する電流センサを備え、流量制御部は電流センサの検出電流に応じて予め定められた冷媒が供給されるようにポンプの流量を制御する。
【００１７】
請求項７に係る発明は、請求項５又は６に記載の電気車用電力変換装置において、電気車の走行、停止を検出する手段を備え、流量制御部は電気車の走行中と停止中とで流量を変更する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、冷媒を循環させる配管経路の途中の区間が２つに分岐された冷媒循環路によって冷媒を強制的に循環させると共に、一方の分岐部がコンバータ装置のＵ相スイッチング素子ユニット及び第１のインバータ装置に熱的に結合され、他方の分岐部がコンバータ装置のＶ相スイッチング素子ユニット及び第２のインバータ装置に熱的に結合されているので、コンバータ装置及びインバータ装置を備える場合でも小型化を図ることのできる電気車用電力変換装置が提供される。
【発明の実施の形態】
【００１９】
以下、本発明を図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。図１は本発明を適用する電力変換装置の主回路の構成を示す回路図であり、図中、従来装置を示した図５と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。この場合、コンバータ装置３を構成するＵ相スイッチング素子ユニット３ａとＶ相スイッチング素子ユニット３ｂとは回路構成が同じになっている。また、インバータ装置５ａ，５ｂも回路構成は互いに同じになっている。そこで、本実施形態はＵ相スイッチング素子ユニット３ａ及びインバータ装置５ａを１つの被冷却単位とし、Ｖ相スイッチング素子ユニット３ｂ及びインバータ装置５ｂをもう１つの被冷却単位とすることにより、両者の冷却構造を同じにすると共に、これらを強制循環水冷方式として装置の小型化を図るものである。
【００２０】
図２は本発明に係る電力変換装置の一実施形態の概略構成を示すブロック図である。同図において、Ｕ相スイッチング素子ユニット３ａ及びインバータ装置５ａが１つの被冷却単位となり、さらに、Ｖ相スイッチング素子ユニット３ｂ及びインバータ装置５ｂがもう１つの被冷却単位となって、これらがパワーユニット部７として後述する筐体に一纏めに収納される。パワーユニット部７を冷却するために冷媒循環路１１が設けられている。冷媒循環路１１は配管経路の途中の区間が分岐部１２，１３になっており、このうち、分岐部１２がＵ相スイッチング素子ユニット３ａ及びインバータ装置５ａに熱伝達可能に結合され、分岐部１３がＶ相スイッチング素子ユニット３ｂ及びインバータ装置５ｂに熱伝達可能に結合されている。また、冷媒循環路１１の主経路に冷媒として、例えば、エチレングリコールの成分を含んだ水溶液を循環させるポンプ１４が設けられ、さらに、パワーユニット部７が収納された筐体の外側に導出された主経路に、冷却フィンによって走行風とで熱交換を図る熱交換器１５が設けられている。
【００２１】
ポンプ１４としては能力制御可変なものが用いられ、その回転速度を制御するための流量制御部２０を備えている。流量制御部２０は、冷媒循環路１１の主経路に設けられた流量センサ２１、パワーユニット部７が収納された筐体内で、温度が最も高くなると予測される部位に設置された温度センサ２２及び誘導式主電動機６ａの電流を検出するＣＴ２３の各出力信号に基づいてポンプ１４の回転速度を制御するように構成されている。
【００２２】
図３は上述した電力変換装置が装着された電気車の底部の構成を説明するために、特に、本実施形態に関連する要素の取付状態を示した底面図である。ここで、電気車３０は、走行方向の一端部に台車３１を備え、その他端部に台車３２を備えており、中間部に電力変換装置８が装着され、この電力変換装置８から離隔した位置に熱交換器１５と主変圧器２とが装着されている。図４（ａ）は本実施形態に関連する要素の取付状態を示した電気車の一部の側面図であり、電力変換装置８は電気車３０の底部に風洞９のスペースを残すように懸架された筐体内に装着され、その側方に熱交換器１５及び主変圧器２が装着されている。図４（ｂ）は電力変換装置８を構成する要素の装着状態を示すための断面図である。電力変換装置８は、パワーユニット収納部８１及び気密部８２に区画された筐体８０を備え、パワーユニット収納部８１に前述したパワーユニット部７が収納され、気密部８２にポンプ１４及び流量センサ２１が収納されている。なお、パワーユニット収納部８１にはプロアや抵抗器等が収納され、気密部８２には充電ユニット、過電圧抑制サイリスタユニット等が収納されるが、これらは本発明に直接的に関係しないので図示を省略している。
【００２３】
上記のように構成された本実施形態の動作について、特に、従来装置と構成を異にする部分を中心にして以下に説明する。被冷却単位となる一組の発熱体として、コンバータ装置３を構成するＵ相スイッチング素子ユニット３ａとインバータ装置５ａとが分岐部１２に熱的に結合され、もう一組の発熱体として、コンバータ装置３を構成するＶ相スイッチング素子ユニット３ｂとインバータ装置５ｂとが分岐部１３に熱的に結合されている。これらの発熱体の電力容量は互いに等しく、原理的に等しい電流が流れるため、両者の発熱量も略等しくなる。これに対応して分岐部１２及び１３の配管の直径、結合部分の全長、曲げ形状を同じにして、略等しい冷却性能を持たせている。従って、ポンプ１４によって冷媒循環路１１にエチレングリコールの成分を含んだ水溶液を循環させると、分岐部１２及び１３において、二組のスイッチング素子の発熱が水溶液に吸収され、次いで、熱交換器１５において、走行風との熱交換が行われて放熱が行われ、コンバータ装置３及びインバータ装置５ａ，５ｂを構成するスイッチング素子が冷却され、これらのスイッチング素子の抵抗値は略等しく保たれる。
【００２４】
ここで、流量制御部２０は次のａ〜ｃ項の制御を実行する。
【００２５】
ａ．パワーユニット部７が収納された非気密部のうち、温度が最も高くなると予測される部位に設置された温度センサ２２の検出値が所定の閾値を超えない範囲ではポンプの流量を定常の値に保持する。そして、温度センサ２２の検出値が閾値を越えようとする毎に、流量センサ２１によって検出される流量が所定値だけ増加するようにポンプ１４の速度を高める。反対に、温度センサ２２の検出値が閾値以下に降下する毎に流量センサ２１によって検出される流量が所定値だけ減少するようにポンプ１４の速度を低下させる動作を繰り返す。
【００２６】
ｂ．誘導式主電動機６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄの電流を検出するために設けたＣＴ２３の検出値に応じて、上記ａ項の閾値を連続的又は段階的に変更する。これによって、ＣＴ２３の検出電流に応じて予め定められた冷媒が供給されるようにポンプ１４の流量が制御される。
【００２７】
ｃ．上記ａ項及びｂ項の制御は主に電気車の走行中の制御であるが、電気車の停止時にはコンバータ装置３及びインバータ装置５ａ，５ｂの電流は実質的にゼロとなることから、上述したポンプ流量の定常値及び閾値を変更して運転する必要がある。そこで、流量制御部２０はＣＴ２３の電流検出信号に基づき、電気車が走行中か停止中かを判定し、停止中には定常値及び閾値を変更して運転する。
【００２８】
上記の制御を実行することによって、発熱体であるスイッチング素子の温度を予め設定した値に抑えることができる。
【００２９】
かくして、本実施形態によれば、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（又は被冷却単位）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構成により、装置の小型化が図られる。また、パワーユニット部７が収納される部位の温度、電動機の電流及び運転、停止の状態に応じてスイッチング素子の温度が閾値を越えないような制御が行われるため、信頼性が向上されると共に、経済性においても有利となる。
【００３０】
また、上記の実施形態によれば、主変圧器２と、熱交換器１５と、電力変換装置８とが互いに離隔配置されているため、熱交換器１５に対する主変圧器２からの放熱の影響が避けられ、熱交換器１５の冷却効率が高められるという効果もある。
【００３１】
さらに、上記の実施形態によれば、１台のコンバータ装置と２台のインバータ装置を一組とする冷却方式であるため、台車及び個別方式に有効である。
【００３２】
なお、上記実施形態ではパワーユニット部７が収納される部位の温度、電動機の電流及び運転、停止の状態に応じて冷媒の定常流量及び流量増減の閾値を変更したが、パワーユニット部７が収納される部位の温度のみによって流量制御しても、あるいは、パワーユニット部７が収納される部位の温度及び電動機の電流に応じて流量制御しても上述したものに準じた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明を適用する電力変換装置の主回路の構成を示す回路図。
【図２】本発明に係る車両用電力変換装置の一実施形態の概略構成を示すブロック図。
【図３】図２に示した電力変換装置が装着された電気車の底面図。
【図４】図２に示した実施形態に関連する要素の取付状態を示した電気車の側面図及びその断面図。
【図５】従来の電気車用電力変換装置の構成を示す回路図。
【符号の説明】
【００３４】
２  主変圧器
３  コンバータ装置
３ａ  Ｕ相スイッチング素子ユニット
３ｂ  Ｖ相スイッチング素子ユニット
５ａ，５ｂ  インバータ装置
６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ  誘導式主電動機
７  パワーユニット部
８  電力変換装置
１１  冷媒循環路
１２，１３  分岐部
１４  ポンプ
１５  熱交換器
２０  流量制御部
２１  流量センサ
２２  温度センサ
２３  ＣＴ
３０  電気車
３１，３２  台車
【図１】
2005117819.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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