JP2017077063A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】メンテナンス作業時の利便性と重量バランスを両立させることができる電力変換装置を提供することである。
【解決手段】電力変換装置１は、筐体１００と、制御装置１２０と、電力変換部１１４と、検出装置１３２とを持つ。筐体は、鉄道車両の底面に取り付けられる。制御装置は、筐体における鉄道車両の進行方向に直交する方向に関する第１の側に取り付けられる。電力変換部は、筐体における鉄道車両の進行方向に直交する方向に関する中間部に取り付けられ、制御装置の制御に基づいて電力を鉄道車両の走行用モータに供給する電力に変換して出力する。検出装置は、筐体における鉄道車両の進行方向に直交する方向に関する第１の側と反対側の第２の側に取り付けられ、電力変換部における電力の状態を検出する。電力変換装置は、電力変換部および検出装置が、筐体の第２の側に設けられた取り出し口から取り出し可能である。
【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。

鉄道車両では、走行用モータに供給する電力を制御する電力変換装置が、乗客を乗せる車体の床下に取り付けられる場合がある。このような電力変換装置では、鉄道車両の走行方向と直交する方向における重量バランスを考慮して設置する必要があるが、従来の技術では、メンテナンス作業時の利便性と重量バランスを両立させることができない場合があった。

特開２０１５−１１６０８２号公報

本発明が解決しようとする課題は、メンテナンス作業時の利便性と重量バランスを両立させることができる電力変換装置を提供することである。

実施形態の電力変換装置は、筐体と、制御装置と、電力変換部と、検出装置とを持つ。前記筐体は、鉄道車両の底面に取り付けられる。前記制御装置は、前記筐体における前記鉄道車両の進行方向に直交する方向に関する第１の側に取り付けられる。前記電力変換部は、前記筐体における前記鉄道車両の進行方向に直交する方向に関する中間部に取り付けられ、前記制御装置の制御に基づいて外部から供給された電力を前記鉄道車両の走行用モータに供給する電力に変換して出力する。前記検出装置は、前記筐体における前記鉄道車両の進行方向に直交する方向に関する前記第１の側と反対側の第２の側に取り付けられ、前記電力変換部における電力の状態を検出する。実施形態の電力変換装置は、前記電力変換部および前記検出装置が、前記筐体の前記第２の側に設けられた取り出し口から取り出し可能である。

実施形態の電力変換装置１が搭載される鉄道車両２を側面から見た模式図。 実施形態の電力変換装置１が搭載される鉄道車両２を正面から見た模式図。 実施形態の電力変換装置１の内部の概略を示す構成図。 実施形態の電力変換装置１の回路構成図。 実施形態の電力変換装置１において、筐体１００からＡＣ／ＤＣ変換装置１１２およびＤＣ／ＡＣ変換装置１１４を取り出す作業の様子を示す図。

以下、実施形態の電力変換装置を、図面を参照して説明する。

図１は、実施形態の電力変換装置１が搭載される鉄道車両２を側面から見た模式図である。図２は、実施形態の電力変換装置１が搭載される鉄道車両２を正面から見た模式図である。電力変換装置１は、図１に示すように、鉄道車両２における底部２ａ側に配置される。また、電力変換装置１は、図２に示すように、鉄道車両２の進行方向（Ｙ方向）と直交するＸ方向に延在するように配置される。電力変換装置１は、集電装置３から供給された架線電力が供給される。電力変換装置１は、架線電力を三相交流に変換して、走行用モータ４に供給する。これにより電力変換装置１は、走行用モータ４にトルクを発生させ、鉄道車両をＹ方向に走行させる。

図３は、実施形態の電力変換装置１の内部の概略を示す構成図である。電力変換装置１は、箱型の筐体１００を備える。筐体１００は、ボルトなどによって鉄道車両２の底部２ａに取り付けられる。筐体１００は、電力変換部（１１２および１１４）が収容される第１収容部１００Ａと、制御装置１２０および接触器１２２が収容される第２収容部１００Ｂと、検出装置１３２および電源ユニット１３４が収容される第３収容部１００Ｃとを備える。

第１収容部１００Ａ、第２収容部１００Ｂ、および第３収容部１００Ｃは、筐体１００における鉄道車両２の進行方向に直交する方向（Ｘ方向）に並べて、鉄道車両２に設置される。これにより、制御装置１２０および接触器１２２と、電力変換装置（１１２および１１４）と、検出装置検出装置１３２および電源ユニット１３４とは、筐体１００における鉄道車両の進行方向に直交する方向、上記の順で並べられる。すなわち、制御装置１２０は、筐体１００における鉄道車両２の進行方向に直交する方向に関する第１の側（＋Ｘ方向側）に取り付けられる。電力変換装置（１１２および１１４）は、筐体１００における鉄道車両２の進行方向に直交する方向に関する中間部に取り付けられる。検出装置１３２は、筐体１００における鉄道車両２の進行方向に直交する方向に関する第１の側の反対側の第２の側（−Ｘ方向側）に取り付けられる。なお、第１収容部１００Ａと第２収容部１００Ｂと第３収容部１００Ｃとは、互いの収容部を区分する仕切り板が設けられていないが、必要に応じて仕切り板を設けてもよい。

筐体１００内において、制御装置１２０と電力変換装置（１１２および１１４）と検出装置１２０とは、電力線１ａおよび信号線１ｂにより接続される。電力線１ａおよび信号線１ｂは、筐体１００の天井部（１００ｃ）に設けられたガイド（不図示）により支持されて、他の装置と接続される。また、筐体１００の天井部付近には抵抗部（Ｒ１）が設置される。抵抗部（Ｒ１）は、電力線１ａを介して電力変換装置（１１２および１１４）に接続される。

なお、第１収容部１００Ａ、第２収容部１００Ｂ、および第３収容部１００Ｃには、鉄道車両２の底部２ａにボルト留めされる取り付け部（不図示）が形成される。筐体１００は、鉄道車両２が走行する場合において、底面１００ｆが鉄道車両２の底部２ａと対向し、取り付け部と鉄道車両２の底部２ａとがボルトにより固定される。

筐体１００の第２の側面１００ｅには、＋Ｚ方向側（上方側）に設けられたヒンジ機構により開閉可能に支持されるカウルカバー１００Ｅが設けられる。カウルカバー１００Ｅは、検出装置１３２、電源ユニット１３４、ＡＣ／ＤＣ変換装置１１２およびＤＣ／ＡＣ変換装置１１４を筐体１００から取り出す場合に、開操作または取り外し操作される。これにより、第２の側面１００ｅは、電力変換部（１１２および１１４）の取り出し口１００Ｄとして開口状態にされる。なお、筐体１００の第１の側にも、開閉可能に支持されるカウルカバー設けられてもよい。第１の側のカウルカバーは、例えば制御装置１２０および制御用ファン１２２のメンテナンス作業を実施する場合に、開操作または取り外し操作される。

第１収容部１００Ａには、例えば、主として、ＡＣ／ＤＣ変換装置１１２と、ＤＣ／ＡＣ変換装置１１４と、過電圧抑制用抵抗Ｒ１とが収容される。ＡＣ／ＤＣ変換装置１１２およびＤＣ／ＡＣ変換装置１１４は、第１収容部１００Ａの底面１００ｆに載置される。なお、ＡＣ／ＤＣ変換装置１１２およびＤＣ／ＡＣ変換装置１１４は、下方に放熱用フィンを備え、底面１００ｆに形成された孔部から放熱用フィンを突出させる。ＡＣ／ＤＣ変換装置１１２およびＤＣ／ＡＣ変換装置１１４は、鉄道車両２の進行方向と直交する方向に長辺を有する箱体を有し、鉄道車両２の進行方向（Ｙ方向）において並べて配置される。

ＡＣ／ＤＣ変換装置１１２とＤＣ／ＡＣ変換装置１１４は、第１収容部１００Ａに、取り外しが容易な状態で収容される。「取り外し容易な状態で収容される」とは、筐体１００が鉄道車両２の底部２ａにボルト等により固定的に取り付けられた状態で、ＡＣ／ＤＣ変換装置１１２およびＤＣ／ＡＣ変換装置１１４を筐体１００から取り外して、取り外したＡＣ／ＤＣ変換装置１１２およびＤＣ／ＡＣ変換装置１１４を取り出し口１００Ｄから取り外すことができる状態である。ＡＣ／ＤＣ変換装置１１２とＤＣ／ＡＣ変換装置１１４は、後述するように昇降台車２００に載置されて取り出し口１００Ｄから取り出されてもよく、予め筐体１００内に設けられたレールによりスライドして取り出し口１００Ｄから取り出されてもよい。

ＡＣ／ＤＣ変換装置１１２は、第１収容部１００Ａに収容された状態で、電力線１ａおよび信号線１ｂを介して第２収容部１００Ｂおよび第３収容部１００Ｃと接続される。ＡＣ／ＤＣ変換装置１１２は、信号線１ｂを介してゲート基板（不図示）に接続される。ゲート基板は、例えば、図３に示すように第１収容部１００Ａに形成された作業窓１１２ｅによりメンテナンス実施者により交換等が実施される。さらに、ＡＣ／ＤＣ変換装置１１２は、第１収容部１００Ａに収容された状態で、ＤＣ／ＡＣ変換装置１１４と電力線１ａ（中間リンク）を介して接続される。

ＤＣ／ＡＣ変換装置１１４は、第１収容部１００Ａに収容された状態で、電力線１ａおよび信号線１ｂを介して第２収容部１００Ｂおよび第３収容部１００Ｃと接続される。ＤＣ／ＡＣ変換装置１１４は、信号線１ｂを介してゲート基板に接続される。ゲート基板は、筐体１００に形成された作業窓によりメンテナンス実施者により交換等が行われる。第１収容部１００Ａには、走行用モータ４に接続される出力コネクタ（不図示）が設けられ、ＤＣ／ＡＣ変換装置１１４により出力された交流電力を電力ケーブルに供給する。

第２収容部１００Ｂには、例えば、主として、制御装置１２０と、接触器１２２とが収容される。

制御装置１２０は、第２収容部１００Ｂに設置された状態において、信号線１ｂを介して第１収容部１００Ａおよび第３収容部１００Ｃと接続される。制御装置１２０には、鉄道車両２の運転操作に対応した操作信号が供給され、操作信号に基づく制御信号を、信号線１ｂを介して第１収容部１００Ａに出力する。

接触器１２２は、第２収容部１００Ｂに取り付けられる。接触器１２２は、第２収容部１００Ｂに設置された状態において、電力線１ａを介して第１収容部１００Ａと接続される。さらに、接触器１２２は、信号線１ｂを介して制御装置１２０と接続される。接触器１２２は、集電装置３から電力が供給され、電力線１ａを介して電力を第１収容部１００Ａに供給する。

第３収容部１００Ｃには、例えば、主として、検出装置１３２と、電源ユニット１３４とが収容される。検出装置１３２は第３収容部１００Ｃにおける下方側に載置され、電源ユニット１３４は検出装置１３２の上方側に配置される。検出装置１３２は、信号線１ｂを介して第２収容部１００Ｂと接続され、電力線１ａを介して第１収容部１００Ａと接続される。また、電源ユニット１３４は、ＡＣ／ＤＣ変換装置１１２およびＤＣ／ＡＣ変換装置１１４におけるスイッチング素子を開閉動作させる駆動電圧を供給する。

検出装置１３２および電源ユニット１３４は、第３収容部１００Ｃに、取り外し容易な状態で収容される。「取り外し容易な状態で収容される」とは、筐体１００が鉄道車両の底部２ａに固定的に取り付けられた状態で、検出装置１３２および電源ユニット１３４がメンテナンス実施者により取り外されることをいう。また、検出装置１３２および電源ユニット１３４は、制御装置１２０よりも取り外しが容易な状態で収容される。「取り外しが容易」とは、制御装置１２０よりも接続を解除するボルトが少ないことを意味してもよいし、制御装置１２０よりも接続される配線が少ないために検出装置１３２および電源ユニット１３４の取り外しの手間が少ないことを意味してもよい。また、検出装置１３２および電源ユニット１３４は、制御装置１２０よりも重量が軽いので、取扱易く、取り外しが容易となっている。

検出装置１３２および電源ユニット１３４は、第１収容部１００ＡからＡＣ／ＤＣ変換装置１１２およびＤＣ／ＡＣ変換装置１１４を取り外す場合に、第３収容部１００Ｃから取り外される。検出装置１３２および電源ユニット１３４が取り外された場合、筐体１００の取り出し口１００ＤからＡＣ／ＤＣ変換装置１１２およびＤＣ／ＡＣ変換装置１１４が視認可能となる。なお、検出装置１３２および電源ユニット１３４が取り外された場合、ＡＣ／ＤＣ変換装置１１２およびＤＣ／ＡＣ変換装置１１４の下方に配置された放熱用フィン１１２ｄおよび１１４ｄも視認可能となる。

図４は、実施形態の電力変換装置１の回路構成図である。電力変換装置１は、変圧器ＴＲＳと、第２収容部１００Ｂに収容された制御装置１２０および接触器１２２と、第１収容部１００Ａに収容されたＡＣ／ＤＣ変換装置１１２、ＤＣ／ＡＣ変換装置１１４、過電圧抑制用抵抗Ｒ１と、第３収容部１００Ｃに収容された検出装置１３２および電源ユニット１３４とを備える。なお、制御装置１２０には、例えば、運転手が操作するマスターコントローラから操作状態に基づくノッチ指令が送信される。

変圧器ＴＲＳは、集電装置３により供給された交流電力を変圧して、接触器１２２に供給する。接触器１２２は、制御装置１２０により送信された制御信号に応じて変圧器ＴＲＳから供給された交流電力を第１収容部１００ＡのＡＣ／ＤＣ変換装置１１２に供給する。

ＡＣ／ＤＣ変換装置１１２およびＤＣ／ＡＣ変換装置１１４には、フィルタコンデンサＣと、過電圧抑制用抵抗Ｒ１とが並列して接続される。ＡＣ／ＤＣ変換装置１１２には、接触器１２２を介して交流電力が供給される。ＡＣ／ＤＣ変換装置１１２は、制御装置１２０の制御に従ってスイッチング素子を動作させて架線電力を所定電圧の直流電力に変換し、ＤＣ／ＡＣ変換装置１１４に供給する。ＤＣ／ＡＣ変換装置１１４は、走行用モータ４における各相の電力を生成するスイッチング素子を備える。ＤＣ／ＡＣ変換装置１１４は、スイッチング素子が任意に導通（オン）・阻止（オフ）動作されることによって、直流電圧を任意の電圧と任意の周波数の３相交流電圧に変換する。各スイッチング素子は、例えば逆並列に接続されたダイオードを内蔵したＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）である。

フィルタコンデンサＣは、ＡＣ／ＤＣ変換装置１１２の出力端とＤＣ／ＡＣ変換装置１１４の入力端との間に並列に接続される。フィルタコンデンサＣは、ＡＣ／ＤＣ変換装置１１２からＤＣ／ＡＣ変換装置１１４に供給される直流電力のリプル変動を抑制する。

ＤＣ／ＤＣ変換装置１１２およびＤＣ／ＡＣ変換装置１１４には、過電圧抑制用抵抗Ｒ１が接続されている。過電圧抑制用抵抗Ｒ１には、スイッチＳＷが直列して接続される。過電圧抑制用抵抗Ｒ１およびスイッチＳＷは、フィルタコンデンサＣに並列して接続される。スイッチＳＷは、制御装置１２０から制御信号が入力された場合に導通し、過電圧抑制用抵抗Ｒ１を介して、過電圧を抑制させ、ＤＣ／ＤＣ変換装置１１２およびＤＣ／ＡＣ変換装置１１４を保護する。

制御装置１２０は、電力変換装置１における各部を統括的に制御する。制御装置１２０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などのプロセッサが記憶部（不図示）に記憶されているプログラムを実行することによって機能する。また、制御装置１２０は、ＬＳＩ（Large Scale Integration）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等のハードウェアを有していてもよい。制御装置１２０は、接触器１２２を導通させ、ＡＣ／ＤＣ変換装置１１２およびＤＣ／ＡＣ変換装置１１４のゲート基板にＰＷＭ指令を供給する。これにより、電源ユニット１３４からＤＣ／ＤＣ変換装置１１２およびＤＣ／ＡＣ変換装置１１４に供給されるゲート電圧はＰＷＭ指令に基づきスイッチング素子のゲートをオンオフさせ、走行用モータ４に交流電力を供給させる。また、制御装置１２０は、検出装置１３２により過電圧または地絡等の異常が検出された場合に、例えば電力変換装置１の動作を停止させる。

過電圧抑制用抵抗Ｒ１は、ＡＣ／ＤＣ変換装置１１２およびＤＣ／ＡＣ変換装置１１４に並列して接続してもよい。過電圧抑制用抵抗Ｒ１は、スイッチＳＷが直列に接続され、スイッチＳＷが導通することで電流が流れ、過電圧を抑制する。電圧検出部は、例えば検出装置１３２に設けられ、ＡＣ／ＤＣ変換装置１１２およびＤＣ／ＡＣ変換装置１１４間の電圧を検出する。検出装置１３２は、電圧検出部により検出される電圧を閾値と比較することで、過電圧を検出する。また、検出装置１３２は、電力変換装置１における電力線１ａの地絡などの異常を検出してもよい。

以下、実施形態の電力変換装置１において、ＡＣ／ＤＣ変換装置１１２とＤＣ／ＡＣ変換装置１１４を取り外す工程について説明する。図５は、実施形態の電力変換装置１において、筐体１００からＡＣ／ＤＣ変換装置１１２およびＤＣ／ＡＣ変換装置１１４を取り出す作業の様子を示す図である。図５の上図は、筐体１００から検出装置１３２および電源ユニット１３４を取り外す様子を示す図であり、図５の下図は、ＤＣ／ＤＣ変換装置１１２およびＤＣ／ＡＣ変換装置１１４を筐体１００から取り出す様子を示す図である。

（１）まず、第３収容部１００Ｃのカウルカバー１００Ｅが開操作され、第３収容部１００Ｃから検出装置１３２および電源ユニット１３４が取り出される。これにより取り出し口１００ＤからＡＣ／ＤＣ変換装置１１２およびＤＣ／ＡＣ変換装置１１４が視認可能となる。
（２）次に、ＡＣ／ＤＣ変換装置１１２とＤＣ／ＡＣ変換装置１１４とを接続する中間リンクを取り外し、ＡＣ／ＤＣ変換装置１１２およびＤＣ／ＡＣ変換装置１１４から電力線１ａおよび信号線１ｂを取り外す。これにより、ＡＣ／ＤＣ変換装置１１２とＤＣ／ＡＣ変換装置１１４とをそれぞれ別個に取り出し可能にする。
（３）次に、図５の下図に示すように、昇降台車２００のローラ２００ｂをＡＣ／ＤＣ変換装置１１２およびＤＣ／ＡＣ変換装置１１４の下方に配置し、ＡＣ／ＤＣ変換装置１１２およびＤＣ／ＡＣ変換装置１１４を底面１００ｆから上方に持ち上げる。このとき、ＡＣ／ＤＣ変換装置１１２およびＤＣ／ＡＣ変換装置１１４は、放熱用フィン１１２ｄおよび１１４ｄが、筐体１００の下方における孔部から鉄道車両の底部２ａ側に持ち上げられる。
（４）次に、図５の下図に示すように、ＡＣ／ＤＣ変換装置１１２およびＤＣ／ＡＣ変換装置１１４が持ち上げられた状態において、ＤＣ／ＤＣ変換装置１１２およびＤＣ／ＡＣ変換装置１１４は、昇降台車２００の支持台２００ａに載せられた状態で取り外し方向に移動させることで、ＡＣ／ＤＣ変換装置１１２およびＤＣ／ＡＣ変換装置１１４が取り出される。

以上説明した実施形態の電力変換装置１は、鉄道車両２の進行方向に直交する方向に関する第１の側から第２の側に、制御装置、電力変換装置、および検出装置をこの順に並べて配置し、電力変換装置および検出装置を第２の側の取り出し口１００Ｄから取り出すように構成したので、電力変換装置を容易に取り出すことができ、メンテナンス作業時の利便性を向上させることができる。また、実施形態の電力変換装置１によれば、制御装置、電力変換装置、および検出装置をこの順に並べたので、電力変換装置を鉄道車両２の進行方向に直交する方向の中間に配置させることで、電力変換装置１の重量バランスを向上させることができる。この結果、実施形態の電力変換装置１によれば、メンテナンス作業時の利便性と重量バランスを両立させることができる。

また、実施形態の電力変換装置１によれば、鉄道車両２の進行方向に直交する方向に関する第１の側に制御装置１２０を筐体１００に取り付けたので、電力変換装置にメンテナンス作業を実施する際に制御装置を取り外す必要が無く、メンテナンス作業時の利便性を向上させることができる。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、鉄道車両２の底面に取り付けられる筐体１００と、筐体１００における鉄道車両２の進行方向に直交する方向に関する第１の側に取り付けられる制御装置（１２０）と、筐体１００における鉄道車両２の進行方向に直交する方向に関する中間部に取り付けられた電力変換部（１１２および１１４）と、筐体１００における鉄道車両２の進行方向に直交する方向に関する第１の側と反対側の第２の側に取り付けられた検出装置（１３４）とを持ち、電力変換装置および検出装置が、筐体１００の第２の側に設けられた取り出し口１００Ｄから取り出し可能であるので、メンテナンス作業時の利便性と重量バランスを両立させることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…電力変換装置、２…鉄道車両、４…走行用モータ、１００…筐体、１００Ａ…第１収容部、１００Ｂ…第２収容部、１００Ｃ…第３収容部、１００Ｄ…取り出し口、１００ｆ…底面、１１２…ＡＣ／ＤＣ変換装置、１１２ｄ…放熱用フィン、１１４…ＤＣ／ＡＣ変換装置、１２０…制御装置、１２２…接触器、１３２…検出装置、１３４…電源ユニット、２００…昇降台車

Claims (2)

1. 鉄道車両の底面に取り付けられる筐体と、
   前記筐体における前記鉄道車両の進行方向に直交する方向に関する第１の側に取り付けられる制御装置と、
   前記筐体における前記鉄道車両の進行方向に直交する方向に関する中間部に取り付けられ、前記制御装置の制御に基づいて外部から供給された電力を前記鉄道車両の走行用モータに供給する電力に変換して出力する電力変換部と、
   前記筐体における前記鉄道車両の進行方向に直交する方向に関する前記第１の側と反対側の第２の側に取り付けられ、前記電力変換部における電力の状態を検出する検出装置とを備え、
   前記電力変換部および前記検出装置は、前記筐体の前記第２の側に設けられた取り出し口から取り出し可能である、
   電力変換装置。
2. 前記電力変換部は、前記鉄道車両の底部側に放熱用のフィンを備え、
   前記筐体は、前記放熱用のフィンを底部側に突出させる孔部が設けられ、
   前記電力変換部は、前記放熱用のフィンが前記孔部から前記鉄道車両の底面側に持ち上げられた状態で前記筐体から取り出される、
   請求項１に記載の電力変換装置。

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