Устройство преобразования электроэнергии
Для устройства преобразования электроэнергии, в котором переключающие элементы охлаждаются посредством использования воздушных потоков, вызываемых движением транспортного средства, предложены преимущественная позиционная компоновка для параллельного соединения множества наборов, каждый из которых состоит из множества переключающих элементов, и преимущественная конструкция радиаторных пластин, включенных в охлаждающее устройство. Охлаждающее устройство (50А) включает в себя основание (40А) радиаторных пластин, служащее, по меньшей мере, в качестве плоскости крепления переключающих элементов, и множество радиаторных пластин (42А), расположенных на противоположной плоскости. Радиаторные пластины (42А) расположены так, что находятся в контакте с наружным воздухом для рассеяния тепла. В случае, если схема преобразования электроэнергии является однофазной или многофазной мостовой схемой, включающей в себя множество наборов ветвей, каждая из которых состоит из плеча положительной стороны (UPC, VPC) и плеча отрицательной стороны (UNC, VNC), то наборы переключающих элементов (UPC) и (UNC); (VPC) и (VNC), образующие ветви, соответствующие фазам, расположены в ряд на основании (40А) радиаторных пластин в направлении движения железнодорожного вагона с электрическим приводом. Технический результат - обеспечение компактности и улучшение массогабаритных показателей. 15 з.п. ф-лы, 17 ил., 1 табл.
Область техники
Настоящее изобретение относится к устройству преобразования электроэнергии, используемому для железнодорожных вагонов с электрическим приводом.
Предшествующий уровень техники
Устройство преобразования электроэнергии, подлежащее установке на железнодорожном вагоне с электрическим приводом, включает в себя схему преобразователя и схему инвертора, которые преобразовывают электроэнергию, заставляя переключающий элемент, сконфигурированный с помощью IGBT (биполярного транзистора с изолированным затвором), IPM (интеллектуального силового блока) или подобного устройства, выполнять переключение.
Переключающие элементы, используемые в этих схемах преобразования электроэнергии, имеют потери теплопроводности, вызываемые протеканием электрического тока, а также потерями при переключении, вызываемыми действиями переключения. Таким образом, чтобы гарантировать стабильную работу переключающих элементов, тепло, производимое этими потерями, следует рассеивать в воздух так, чтобы температура переключающих элементов могла поддерживаться более низкой, чем заранее определенный уровень.
В общей конфигурации общепринятого устройства преобразования электроэнергии для железнодорожного вагона с электрическим приводом переключающие элементы размещены на охлаждающем устройстве, а охлаждающее устройство охлаждается посредством принудительного воздушного охлаждения с использованием вентилятора так, чтобы тепло, генерируемое переключающими элементами, могло рассеиваться. Однако, когда используется такой способ принудительного воздушного охлаждения, необходимо устанавливать охлаждающий вентилятор и устройство управления, и это приводит к проблеме, заключающейся в том, что устройство становится громоздким.
Между тем с целью уменьшения габаритов и массы устройства был предложен способ, с помощью которого переключающие элементы охлаждаются с использованием воздушных потоков, вызываемых передвижением железнодорожного вагона с электрическим приводом. Способ, раскрытый в Японской выложенной патентной заявке № 2000-92819 (ссылка 1), имеет выгодные характеристики, при которых конструкция является относительно простой, эксплуатационные расходы низкими, а нагрузка на окружающую среду снижена, потому что отсутствуют помехи, вызываемые охлаждающим вентилятором.
Однако при сравнении способа, которым переключающие элементы охлаждаются посредством использования воздушных потоков, вызываемых передвижением железнодорожного вагона с электрическим приводом, со способом принудительного воздушного охлаждения, использующим вентилятор, где постоянно имеется в наличии некоторая величина воздушных потоков, способ охлаждения воздушным потоком от движения имеет неприемлемую характеристику, при которой имеющаяся в наличии величина воздушного потока изменяется в зависимости от скорости железнодорожного вагона с электрическим приводом, которая не является постоянной. Кроме того, важно учитывать, что расположение следует сделать таким образом, чтобы ограниченная величина вызываемых передвижением воздушных потоков, которые находятся в зонах, окружающих железнодорожный вагон с электрическим приводом, могла эффективно использоваться в процессе охлаждения переключающего элемента. Таким образом, если охлаждающее устройство не расположено так, чтобы воздушные потоки, вызываемые передвижением, использовались максимально, охлаждающее устройство необходимо увеличить, что приведет к увеличению веса.
В частности, важными факторами являются следующие аспекты:
(1) как множество переключающих элементов, включенных в схему преобразования электроэнергии, должны быть размещены на охлаждающем устройстве?
(2) в случае, если сконструирована схема преобразования электроэнергии большой емкости, в которой необходимо подсоединять множество переключающих элементов параллельно, как соединенные параллельно элементы могут быть оптимально размещены на охлаждающем устройстве? и
(3) какие высоты для радиаторных пластин, находящихся в контакте с наружным воздухом, и интервалы между радиаторными пластинами в охлаждающем устройстве являются хорошими?
Однако в ссылке 1 ни один из аспектов (1)-(3) не учитывается. Таким образом, трудно сделать устройство преобразования электроэнергии еще более компактным и более легким.
Краткое изложение существа изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание устройства преобразования электроэнергии, в котором процесс охлаждения осуществляется с использованием воздушных потоков, вызываемых передвижением транспортного средства, которое может быть более компактным и более легким, имеющего выгодное позиционное расположение для соединения, параллельного, множества наборов, каждый из которых состоит из множества переключающих элементов, и выгодную конструкцию радиаторных пластин в охлаждающем устройстве.
Для решения поставленной задачи устройство преобразования электроэнергии в соответствии с настоящим изобретением установлено на железнодорожном вагоне с электрическим приводом, причем устройство преобразования электроэнергии включает в себя охлаждающее устройство для охлаждения множества переключающих элементов, которые составляют схему преобразования электроэнергии. Охлаждающее устройство включает в себя основание радиаторных пластин, которое служит по меньшей мере в качестве плоскости крепления переключающих элементов, и множество радиаторных пластин, которые расположены на противоположной плоскости относительно плоскости крепления переключающих элементов, причем радиаторные пластины подвергаются воздействию наружного воздуха для рассеяния тепла. В случае если схема преобразования электроэнергии является однофазной мостовой схемой или многофазной мостовой схемой, включающей в себя множество наборов ветвей, где каждая образована с плечом положительной стороны и плечом отрицательной стороны, причем каждая включает в себя переключающие элементы, каждый из переключающих элементов, который составляет ветвь каждой из фаз, расположен в ряд на основании радиаторных пластин в направлении движения железнодорожного вагона с электрическим приводом.
Эффект изобретения
В устройстве преобразования электроэнергии в соответствии с аспектом настоящего изобретения охлаждающее устройство конфигурировано так, что включает в себя основание радиаторных пластин, которое служит, по меньшей мере, в качестве плоскости крепления переключающих элементов, и радиаторные пластины, которые расположены на противоположной плоскости относительно плоскости крепления переключающих элементов. Радиаторные пластины расположены так, что находятся в контакте с наружным воздухом для рассеяния тепла. Наборы переключающих элементов, которые образуют ветви, соответствующие фазам, расположены в ряд на основании радиаторных пластин в направлении движения железнодорожного вагона с электрическим приводом. С таким позиционным расположением можно достигнуть выгодных результатов, при которых возможно эффективно охлаждать переключающие элементы и обеспечивать устройство преобразования электроэнергии, которое может быть еще более компактным и более легким.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем варианты воплощения настоящего изобретения будут описаны более подробно с использованием сопровождающих чертежей, на которых:
Фиг.1 - электрическая схема устройства преобразования электроэнергии в соответствии с первым вариантом воплощения настоящего изобретения;
Фиг.2 - общий вид устройства преобразования электроэнергии, установленного на железнодорожном вагоне с электрическим приводом в соответствии с первым вариантом воплощения настоящего изобретения;
Фиг.3 - схема взаимного расположения между охлаждающим устройством преобразователя и переключающими элементами в соответствии с первым вариантом воплощения настоящего изобретения;
Фиг.4 - диаграммы характеристик скорости воздушного потока, протекающего через радиаторные пластины, в соответствии с первым вариантом воплощения настоящего изобретения;
Фиг.5 - пример позиционного расположения переключающих элементов, расположенных на основании радиаторных пластин, в соответствии с первым вариантом воплощения настоящего изобретения;
Фиг.6 - схема внутренней конфигурации переключающего элемента;
Фиг.7 (а, b) - диаграммы, поясняющие примеры потерь, вызываемых в блоке преобразователя и блоке инвертора, относительно скорости железнодорожного вагона с электрическим приводом в соответствии с первым вариантом воплощения настоящего изобретения;
Фиг.8 - схема охлаждающего устройства преобразователя в соответствии с первым вариантом воплощения настоящего изобретения;
Фиг.9 - схема охлаждающего устройства инвертора в соответствии с первым вариантом воплощения настоящего изобретения;
Фиг.10 - диаграммы уровней эффективности охлаждения охлаждающего устройства преобразователя (или охлаждающего устройства инвертора) в соответствии с первым вариантом воплощения настоящего изобретения;
Фиг.11 - электрическая схема блока преобразователя в соответствии со вторым вариантом воплощения настоящего изобретения;
Фиг.12 - пример позиционного расположения переключающих элементов, расположенных на основании радиаторных пластин, в соответствии со вторым вариантом воплощения настоящего изобретения;
Фиг.13 - электрическая схема блока преобразователя в соответствии с третьим вариантом воплощения настоящего изобретения;
Фиг.14 - пример позиционного расположения переключающих элементов, расположенных на основании радиаторных пластин, в соответствии с третьим вариантом воплощения настоящего изобретения;
Фиг.15 - схема части внутренней конструкции основания радиаторных пластин в соответствии с четвертым вариантом воплощения настоящего изобретения;
Фиг.16 - вид в разрезе по линии A-A на фиг.15;
Фиг.17 - пример позиционного расположения переключающих элементов и пример позиционного расположения тепловых труб относительно основания радиаторных пластин для блока преобразователя в соответствии с пятым вариантом воплощения настоящего изобретения.
Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения
Ниже подробно поясняются примерные воплощения устройства преобразования электроэнергии в соответствии с настоящим изобретением со ссылкой на прилагаемые чертежи. Настоящее изобретение не ограничено описанными ниже примерными вариантами воплощения.
Первый вариант воплощения
На Фиг.1 схематически показано устройство преобразования электроэнергии в соответствии с первым вариантом воплощения настоящего изобретения. Устройство 100 преобразования электроэнергии включает в себя блок 20 преобразователя, конденсатор 30 и блок 60 инвертора, которые образуют схему преобразования электроэнергии, а также контактор 10. Трансформатор 6 подсоединен к контактору 10, который предусмотрен на входном конце устройства 100 преобразования электроэнергии. Электродвигатель 80, который приводит в движение железнодорожный вагон с электрическим приводом, подсоединен к блоку 60 инвертора, который предусмотрен на выходном конце устройства 100 преобразования электроэнергии. В качестве электродвигателя 80 может использоваться асинхронный двигатель или синхронный двигатель.
Один конец первичной обмотки трансформатора 6 подсоединен к воздушной линии 1 электропитания через пантограф 2, тогда как другой конец подсоединен к рельсу 4, который является электрическим потенциалом Земли, через колесо 3. Электрическая мощность (обычно 20 КВ-25 КВ переменного тока), подводимая от воздушной линии 1 электропитания, подается на первичную обмотку трансформатора 6 через пантограф 2. Также электрическая мощность, генерируемая во вторичной обмотке трансформатора 6, подается в блок 20 преобразователя через контактор 10.
Между вторичной обмоткой трансформатора 6 и блоком 20 преобразователя предусмотрен контактор 10, который отключает и подключает схему электропитания. В примере, изображенном на фиг.1, показана конфигурация, в которой обе из двух входных линий переменного тока включаются и выключаются. Однако приемлемой является и другая компоновка, в которой контактор предусмотрен для одной из входных линий переменного тока.
Блок 20 преобразователя включает в себя части схемы (в дальнейшем упоминаемые как "ветви"), каждая из которых получена посредством подсоединения, последовательно, плеча положительной стороны, состоящего из переключающих элементов UPC и VPC (например, UPC для U-фазы) и плеча отрицательной стороны, состоящего из переключающих элементов UNC и VNC (например, UNC для U-фазы). Другими словами, в блоке 20 преобразователя сконструирована однофазная мостовая схема, имеющая два набора ветвей (соответствующих U-фазе и V-фазе соответственно). В качестве каждого из переключающих элементов UPC, VPC, UNC и VNC может использоваться элемент IGBT или элемент IPM, включающий в себя встроенный встречно-параллельный диод. Также является приемлемой другая компоновка, в которой многофазная мостовая схема сконструирована посредством использования большего количества ветвей. Такая компоновка также расценивается как включенная в сущность настоящего изобретения.
Выполняя управление широтно-импульсной модуляцией (PWM) на переключающих элементах UPC, VPC, UNC и VNC, блок 20 преобразователя преобразовывает напряжение переменного тока, которое подается в него, в требуемое напряжение постоянного тока и выводит напряжение постоянного тока. Различные широко известные примеры детализированных конфигураций блока 20 преобразователя и способов управления для них являются доступными. Таким образом, их подробное пояснение будет опущено. В примере фиг.1 блок 20 преобразователя показывается в виде двухуровневой схемы преобразователя. Однако приемлемой является и другая компоновка, в которой блок 20 преобразователя сконфигурирован, например, в виде трехуровневой схемы преобразователя (широко известной). Этот пример конфигурации поясняется ниже.
Конденсатор 30, который служит в качестве источника электроэнергии постоянного тока, подсоединен, параллельно, к выходному концу блока 20 преобразователя. Также блок 60 инвертора, который принимает напряжение постоянного тока от конденсатора 30 в качестве входного сигнала, преобразует напряжение постоянного тока в напряжение переменного тока, имеющее произвольный уровень напряжения и произвольную частоту, а выходы напряжения переменного тока подсоединены к выходному концу блока 20 преобразователя.
Блок 60 инвертора включает в себя ветви, каждая из которых получена при подсоединении, последовательно, плеча положительной стороны, состоящего из переключающих элементов UPI, VPI и WPI (например, UPI для U-фазы), и плеча отрицательной стороны, состоящего из переключающих элементов UNI, VNI и WNI (например, UNI для U-фазы). Другими словами, в блоке 60 инвертора сконструирована трехфазная мостовая схема, имеющая три набора ветвей (соответствующих U-фазе, V-фазе и W-фазе соответственно). В качестве каждого из переключающих элементов UPI, VPI, WPI, UNI, VNI и WNI может использоваться элемент IGBT или элемент IPM, включающий в себя встроенный встречно-параллельный диод.
Выполняя управление PWM на переключающих элементах UPI, VPI, WPI, UNI, VNI и WNI, блок 60 инвертора преобразовывает напряжение постоянного тока, которое подается на его вход, в требуемое напряжение переменного тока и выводит напряжение переменного тока. Различные широко известные примеры детализированных конфигураций блока 60 инвертора и способов управления для них являются доступными. Таким образом, их подробное пояснение будет опущено. Также в показанном на фиг.1 примере блок 60 инвертора показан в виде двухуровневой схемы преобразователя. Однако приемлемой является и другая компоновка, в которой блок 60 инвертора сконфигурирован в виде, например, трехуровневой схемы инвертора (широко известной). Этот пример конфигурации будет поясняться ниже. Также в показанном на фиг.1 примере изображена конфигурация, в которой количество ветвей равно трем (то есть соответствует трем фазам). Однако настоящее изобретение этим количеством ветвей не ограничено.
На фиг.1 показан пример, в котором устройство преобразования электроэнергии применяется для железнодорожного вагона с электрическим приводом, имеющего подводимую мощность переменного тока, в виде примерного варианта воплощения устройства преобразования электроэнергии в соответствии с первым вариантом воплощения. Однако точно так же возможно применять устройство преобразования электроэнергии для железнодорожного вагона с электрическим приводом, имеющего подводимую мощность постоянного тока, который часто используется для поездов метрополитена, пригородных поездов или подобных транспортных средств. В случае если устройство преобразования электроэнергии применяется для железнодорожного вагона с электрическим приводом, имеющего подводимую мощность постоянного тока, можно использовать конфигурацию, подобную показанной на фиг.1, за исключением того, что трансформатор 6 и блок 20 преобразователя могут быть опущены. Таким образом, само собой разумеется, что допустимо применять первый вариант воплощения для такого железнодорожного вагона с электрическим приводом, имеющего подводимую мощность постоянного тока.
На фиг.2 показан пример установки устройства преобразования электроэнергии на железнодорожном вагоне с электрическим приводом в соответствии с первым вариантом воплощения настоящего изобретения. Устройство 100 преобразования электроэнергии расположено под полом кузова 9 вагона железнодорожного вагона с электрическим приводом вместе с другими электрическими устройствами 11. На нижней поверхности устройства 100 преобразования электроэнергии расположено охлаждающее устройство 50A преобразователя, включающее в себя основание 40A радиаторных пластин и множество радиаторных пластин 42A, а также охлаждающее устройство 50B инвертора, включающее в себя основание 40B радиаторных пластин и множество радиаторных пластин 42B. Радиаторные пластины 42A и радиаторные пластины 42B находятся в контакте с наружным воздухом. Когда устройство 100 преобразования электроэнергии расположено таким образом, воздушные потоки W (в дальнейшем называемые "воздушные потоки движения"), вызываемые передвижением железнодорожного вагона с электрическим приводом, проходящие в направлении, противоположном направлению движения железнодорожного вагона с электрическим приводом, текут через радиаторные пластины 42A и 42B так, что тепло, генерируемое переключающими элементами, рассеивается в воздух через радиаторные пластины 42A и 42B.
На фиг.3 показан пример взаимного расположения между охлаждающим устройством 50A преобразователя и переключающими элементами UPC, UNC, VPC и VNC в соответствии с первым вариантом воплощения настоящего изобретения. В следующих секциях основание 40A радиаторных пластин и радиаторные пластины 42A, включенные в охлаждающее устройство 50A преобразователя, и основание 40B радиаторных пластин и радиаторные пластины 42B, включенные в охлаждающее устройство 50B инвертора, будут просто упоминаться как основание 40 радиаторных пластин и радиаторные пластины 42, если их не требуется конкретно отличать друг от друга.
Как показано на фиг.3, переключающие элементы UPC, VPC, UNC и VNC расположены на плоскости основания 40 радиаторных пластин. Как объясняется ниже, каждый из переключающих элементов имеет прямоугольную форму и размещен так, что направление длинной стороны является перпендикулярным направлению движения железнодорожного вагона с электрическим приводом. Радиаторные пластины 42 закреплены на основании 40 радиаторных пластин с использованием воска или подобного материала. Радиаторные пластины 42 размещены с ориентацией в таких направлениях, что воздушные потоки, вызываемые передвижением железнодорожного вагона с электрическим приводом, могут проходить через радиаторные пластины 42. В качестве материала, из которого сделаны радиаторные пластины 42 и основание 40 радиаторных пластин, может использоваться алюминий.
На фиг.4 показаны диаграммы характеристик скорости воздушного потока, протекающего через радиаторные пластины 42, в соответствии с первым вариантом воплощения настоящего изобретения. На фиг.4 показано течение воздушного потока W движения, которое наблюдается, когда основание 40 радиаторных пластин и радиаторные пластины 42 видны со стороны вагона, как показано на фиг.2, и скорость воздушного потока, протекающего через радиаторные пластины 42.
Как показано на фиг.4, при проведении имитационных экспериментов наблюдаются следующие характеристики: воздушный поток W движения, который втекает в радиаторные пластины 42 от предыдущей секции (левая часть чертежа) благодаря передвижению железнодорожного вагона с электрическим приводом, вытекает наружу к внешней стороне радиаторных пластин 42 (то есть в направлении от основания 40 радиаторных пластин), когда воздушный поток движется вперед к следующей секции (то есть к правой стороне чертежа); и скорость воздушного потока находится на своем максимуме в предыдущей секции и становится более низкой, когда воздушный поток движется вперед к следующей секции.
Причины таких характеристик можно объяснять следующим образом: в то время как воздушный поток W движения течет через радиаторные пластины 42, воздушный поток W движения рассеивается по направлению к более низкой стороне радиаторных пластин 42, потому что более низкая часть радиаторных пластин 42 не ограничена каналом или подобным приспособлением и скорость воздушного потока постепенно становится более низкой из-за трения с поверхностями радиаторных пластин 42. Соответственно, предпочтительно располагать протяженности основания 40 радиаторных пластин и радиаторных пластин 42 в направлении движения настолько короткими, насколько это возможно.
На фиг.5 показан пример позиционного расположения переключающих элементов, размещенных на основании 40 радиаторных пластин в соответствии с первым вариантом воплощения настоящего изобретения. Фиг.6 является схематическим изображением внутренней конфигурации переключающего элемента.
Вообще говоря, переключающий элемент, сконфигурированный с помощью модуля IGBT или модуля IPM, имеет прямоугольную форму и сконфигурирован так, что включает в себя множество наборов, каждый из которых образован из большого количества микросхем IGBT, которые соединены параллельно. В результате, как показано на фиг.6, в типичном позиционном расположении микросхем 45 IGBT количество элементов, расположенных в направлении длинной стороны, оказывается больше, чем количество элементов, расположенных в направлении короткой стороны.
Когда используются переключающие элементы, сконфигурированные так, как описано выше, размер радиаторных пластин 42 в направлении движения можно снижать до минимума, размещая каждый из переключающих элементов (например, UPC) так, чтобы его длинные стороны продолжались в направлении, перпендикулярном направлению движения, как показано на фиг.5. В результате можно поддерживать понижение скорости воздушных потоков W движения минимальным в позициях переключающих элементов на стороне выхода воздушного потока. Следовательно, можно поддерживать повышение температур переключающих элементов на стороне выхода воздушного потока минимальным.
Кроме того, как показано на фиг.5, ветви, соответствующие различным фазам, расположены в ряд в том же самом направлении, что и направление движения железнодорожного вагона с электрическим приводом. Другими словами, переключающий элемент (например, UPC) в плече положительной стороны и переключающий элемент (например, UNC) в плече отрицательной стороны, которые образуют одну ветвь, расположены в ряд в том же самом направлении, что и направление движения железнодорожного вагона с электрическим приводом.
В таком позиционном расположении количество переключающих элементов, через которые проходят воздушные потоки W движения между втеканием из предыдущей секции радиаторных пластин 42 и вытеканием в следующую секцию, всегда составляет два и снижено до минимума независимо от количества фаз в мостовой схеме в блоке 20 преобразователя или блоке 60 инвертора. Таким образом достигнут выгодный эффект, при котором возможно улучшить ситуации, когда температуры воздушных потоков W движения поднимаются из-за тепла, генерируемого переключающими элементами, размещенными на стороне входа воздушного потока, и в результате этого подъема температур температуры других переключающих элементов, размещенных на стороне выхода воздушного потока, также поднимаются.
Далее будут объясняться характеристики потерь в блоке 20 преобразователя и блоке 60 инвертора относительно скорости железнодорожного вагона с электрическим приводом со ссылкой на фиг.7а, b. Фиг.7 включает в себя диаграммы для объяснения примеров потерь, вызываемых в блоке 20 преобразователя и блоке 60 инвертора, относительно скорости железнодорожного вагона с электрическим приводом в соответствии с первым вариантом воплощения настоящего изобретения. На фиг.7 показаны характеристики, соответствующие обычно используемому железнодорожному вагону с электрическим приводом, имеющему подводимую мощность переменного тока.
Сначала будут объясняться характеристики потерь блока 20 преобразователя. Как показано на фиг.7(a), потери в блоке 20 преобразователя имеют характеристики, при которых потери увеличиваются при увеличении скорости и достигают максимального уровня, когда скорость становится равной приблизительно 30-50% от самой высокой скорости, и потери по существу остаются на максимальном уровне до тех пор, пока скорость не достигает самой высокой скорости. Эти характеристики выводят из характеристик контроля по крутящему моменту железнодорожного вагона с электрическим приводом.
Чтобы пояснить это дополнительно с использованием примера, в котором железнодорожный вагон с электрическим приводом выполняет операцию управления мощностью, контроль по постоянному крутящему моменту выполняется на электродвигателе 80 с момента времени, когда железнодорожный вагон с электрическим приводом начинает движение, до момента времени, когда скорость становится равной приблизительно 30-50% от самой высокой скорости. В результате требуемая электрическая мощность увеличивается пропорционально скорости. Следовательно, в случае если напряжение источника электроэнергии является постоянным, электрический ток в блоке 20 преобразователя увеличивается по существу пропорционально скорости. Таким образом, потери, вызываемые в блоке 20 преобразователя, имеют характеристику, при которой потери увеличиваются по существу пропорционально скорости.
Напротив, в диапазоне, где скорость движения железнодорожного вагона с электрическим приводом равна или выше приблизительно 30-50% от самой высокой скорости, контроль по постоянной мощности выполняется на электродвигателе 80. В результате требуемая электрическая мощность является по существу постоянной независимо от скорости. Следовательно, в случае где напряжение источника питания постоянное, электрический ток в блоке 20 преобразователя является по существу постоянным независимо от скорости движения. Таким образом, потери, вызываемые в блоке 20 преобразователя, имеют характеристику, при которой потери по существу постоянные независимо от скорости движения.
Далее поясняются характеристики потерь в блоке 60 инвертора. Как показано на фиг.7(b), потери в блоке 60 инвертора имеют характеристики, при которых чем ниже скорость, тем больше потери, и потери являются относительно большими до тех пор, пока скорость не становится равной приблизительно 30-50% от самой высокой скорости. Однако в диапазоне скоростей после этого потери сильно снижаются и остаются на этом уровне до тех пор, пока скорость не становится самой высокой скоростью. Эти характеристики выводят главным образом из характеристик электрического тока в электродвигателе и характеристик частоты переключений блока 60 инвертора.
Подобно пояснению работы блока 20 преобразователя, чтобы дать дополнительное объяснение с использованием примера, в котором железнодорожный вагон с электрическим приводом выполняет операцию управления мощностью, контроль по постоянному крутящему моменту выполняется в электродвигателе 80 при максимальном крутящем моменте с того времени, когда железнодорожный вагон с электрическим приводом начинает движение, до момента времени, когда скорость становится равной приблизительно 30-50% от самой высокой скорости. В результате электрический ток в электродвигателе находится на максимальном уровне. Кроме того, поскольку выполняется асинхронное управление PWM, чтобы поддерживать частоту переключений переключающих элементов равной приблизительно 1000 Гц, следствием этого является и большая величина потерь теплопроводности, и большая величина потерь на переключения. Следовательно, потери в блоке 60 инвертора находятся на максимальном уровне.
Напротив, в диапазоне, где скорость железнодорожного вагона с электрическим приводом равна или выше приблизительно 30-50% от самой высокой скорости, переключающие элементы в блоке 60 инвертора находятся в режиме PWM, который также называется синхронным одноимпульсным режимом. Этот режим реализован с помощью широко известной методики. Что касается количества раз, когда выполняется действие переключения, то переключающие элементы выполняют действие переключения только один раз за полупериод выходного напряжения блока 60 инвертора при его нахождении в синхронном одноимпульсном режиме. В результате потери на переключения в значительной степени уменьшаются. Кроме того, когда переключающие элементы находятся в синхронном одноимпульсном режиме, частота выходного сигнала блока 60 инвертора увеличивается при увеличении скорости железнодорожного вагона с электрическим приводом. Таким образом, потери на переключения имеют тенденцию постепенно увеличиваться; однако, поскольку значение потерь на переключения не является настолько большим, потери, вызываемые в блоке 60 инвертора, имеют характеристику, при которой потери по существу постоянные независимо от скорости железнодорожного вагона с электрическим приводом.
На фиг.8 показан пример охлаждающего устройства 50A преобразователя в соответствии с первым вариантом воплощения настоящего изобретения. Фиг.8 является видом спереди, если смотреть на конфигурацию охлаждающего устройства 50A преобразователя от направления движения железнодорожного вагона с электрическим приводом. Толщина основания 40A радиаторных пластин (в дальнейшем упоминаемая как "толщина основания радиаторных пластин") обозначена как Т1, тогда как высота каждой из радиаторных пластин 42A (в дальнейшем упоминаемая как "высота радиаторных пластин") обозначена символом H, а индивидуальные интервалы между радиаторными пластинами 42A (в дальнейшем упоминаемые как "расстояние между радиаторными пластинами") обозначены как LC, а толщина каждой из радиаторных пластин 42A (в дальнейшем упоминаемая как "толщина радиаторных пластин") обозначена как T2.
На фиг.9 показан пример охлаждающего устройства 50B инвертора в соответствии с первым вариантом воплощения настоящего изобретения. Фиг.9 является видом спереди, получаемым, если смотреть на конфигурацию охлаждающего устройства 50B инвертора от направления движения железнодорожного вагона с электрическим приводом. На фиг.9 толщина основания радиаторных пластин для основания 40B радиаторных пластин обозначена как Т1, тогда как высота радиаторных пластин для каждой из радиаторных пластин 42B обозначена как H, а расстояние между радиаторными пластинами 42B обозначено как LI, а толщина радиаторных пластин для каждой из радиаторных пластин 42B обозначена как T2. Другими словами, основная разница между конфигурациями охлаждающего устройства 50A преобразователя и охлаждающего устройства 50B инвертора заключается в разнице в расстояниях между радиаторными пластинами.
На фиг.10 показаны диаграммы, поясняющие примеры уровней эффективности охлаждения охлаждающего устройства 50A преобразователя (или охлаждающего устройства 50B инвертора) в соответствии с первым вариантом воплощения настоящего изобретения. На фиг.10 горизонтальная ось представляет расстояние между радиаторными пластинами (то есть индивидуальные интервалы между радиаторными пластинами 42A [или радиаторными пластинами 42B]), тогда как вертикальная ось представляет значения, полученные из эксперимента, связанного с показателем эффективности охлаждения (то есть значение, показывающее подъем температуры радиаторных пластин, когда к ним применяются данные потери).
На фиг.10 кривая, соединяющая черные точки, показывает характеристику эффективности охлаждения, полученную при скорости, составляющей 20 км/ч, тогда как кривая, соединяющая белые точки, показывает характеристику эффективности охлаждения, полученную при скорости 45 км/ч, а кривая, соединяющая черные треугольники, показывает характеристику эффективности охлаждения, полученную при скорости 70 км/ч.
Данные, показанные на фиг.10, соответствуют примеру, в котором параметры радиаторных пластин 42 сконфигурированы так, что высота H радиаторных пластин составляет 150 мм, тогда как толщина T2 радиаторных пластин составляет 3 мм, а толщина Т1 основания радиаторных пластин охлаждающего устройства составляет 20 мм. Высота H радиаторных пластин ограничена размером зазора под полом железнодорожного вагона с электрическим приводом и обычно устанавливается на значение в диапазоне 100 мм - 200 мм. Чтобы поддерживать теплоемкость, которая способна допускать временное увеличение потерь переключающего элемента, вызываемое перегрузкой, для толщины Т1 основания радиаторных пластин обычно выбирают значение между 20 мм и 40 мм. Поскольку радиаторные пластины 42 открыты под железнодорожным вагоном с электрическим приводом и поскольку имеется возможность того, что снег может ударять в радиаторные пластины 42, или камни на железнодорожном пути могут ударять в радиаторные пластины 42, когда глыба снега падает с нижней части железнодорожного вагона с электрическим приводом и заставляет взлетать камни, для толщины T2 радиаторных пластин обычно выбирают значение между 2 мм и 4 мм, чтобы препятствовать возникновению повреждений радиаторных пластин 42.
Из описанных выше параметров высота H радиаторных пластин и толщина Т1 основания радиаторных пластин едва влияют на характеристики, показанные на фиг.10. Таким образом, показанные на фиг.10 данные являются пригодными даже в случае, если высота H радиаторных пластин установлена на значение в пределах диапазона 100 мм - 200 мм, а толщина Т1 основания радиаторных пластин установлена на значение в пределах диапазона 20 мм - 40 мм.
В этой ситуации, когда толщина T2 радиаторных пластин варьируется, показанные на фиг.10 характеристики также слегка изменяются. Что касается характеристик, связанных с величинами изменений, когда толщина T2 радиаторных пластин установлена на 3 мм в качестве опорного значения, если толщину T2 радиаторных пластин увеличивают на 1 мм, оптимальное расстояние увеличивается приблизительно на 1,5 мм, тогда как если толщину T2 радиаторных пластин уменьшают на 1 мм, оптимальное расстояние уменьшается приблизительно на 1,5 мм.
Причину для этих изменений можно объяснить следующим образом: когда толщина T2 радиаторных пластин увеличивается (или уменьшается) при том, что расстояние между радиаторными пластинами является фиксированным, в то время как интервалы между радиаторными пластинами становятся меньше (или больше) в соответствии с увеличением (или уменьшением) толщины T2 радиаторных пластин, сопротивление, которое оказывается, когда воздушные потоки W движения протекают через радиаторные пластины, увеличивается (или уменьшается), так что скорость воздушного потока становится ниже (или становится выше). В результате оптимальное значение расстояния между радиаторными пластинами увеличивается (или уменьшается).
Возвращаясь к пояснению эффективности охлаждения, показанной на фиг.10, отметим, как должно быть понятно из фиг.10, что если расстояние между радиаторными пластинами является одним и тем же, то чем выше скорость, тем выше уровень эффективности охлаждения. Также должно быть понятно, что если скорость является одинаковой, уровень эффективности охлаждения ухудшается, когда расстояние между радиаторными пластинами становится слишком маленьким или слишком большим. Соответственно, должно быть понятно, что существует оптимальное расстояние между радиаторными пластинами, соответствующее каждой из различных скоростей.
Причину того, почему существует оптимальное расстояние между радиаторными пластинами, соответствующее каждой из различных скоростей, можно объяснить следующим образом. Когда расстояние между радиаторными пластинами установлено на меньшее значение для такой же скорости, в одно и то же время происходят следующие два явления: (i) количество радиаторных пластин 42, предусмотренных на основании 40 радиаторных пластин, становится больше, и площадь тепловыделяющей поверхности становится больше, способствуя повышению эффективности охлаждения; и (ii) сопротивление, которое оказывается, когда воздушные потоки W движения протекают через радиаторные пластины, увеличивается, а скорость воздушных потоков, протекающих через радиаторные пластины, уменьшается, способствуя ухудшению эффективности охлаждения. Наоборот, когда расстояние между радиаторными пластинами установлено на большую величину, в одно и то же время происходят следующие два явления: (i) количество радиаторных пластин 42, предусмотренных на основании 40 радиаторных пластин, становится меньше, и площадь тепловыделяющей поверхности становится меньше, способствуя ухудшению эффективности охлаждения; и (ii) сопротивление, которое оказывается при протекании воздушных потоков W движения через радиаторные пластины, уменьшается, и уменьшенная величина скорости воздушных потоков, протекающих через радиаторные пластины, становится меньше, способствуя повышению эффективности охлаждения. Другими словами, точка равновесия между двумя факторами является точкой, в которой для этой скорости эффективность охлаждения находится на максимальном уровне.
Когда применяют способ принудительного воздушного охлаждения (то есть общепринятый способ) с использованием вентилятора, чтобы получать постоянную величину воздушных потоков независимо от скорости, даже если расстояние между радиаторными пластинами установлено на меньшую величину, чтобы увеличить площадь тепловыделяющей поверхности, можно поддерживать уровень эффективности охлаждения с помощью увеличения скорости воздушного потока. Таким образом предполагается, что нет никаких строгих ограничений в отношении расстояния между радиаторными пластинами или подобной характеристики.
Напротив, когда применяют способ охлаждения, который использует воздушные потоки, вызываемые движением железнодорожного вагона с электрическим приводом, поскольку скорость воздушного потока W движения изменяется в зависимости от скорости, важным фактором является то, как определено расстояние между радиаторными пластинами.
На фиг.7 обозначено, что потери в блоке 20 преобразователя находятся на максимальном уровне в диапазоне, где скорость является высокой, тогда как потери в блоке 60 инвертора находятся на максимальном уровне в диапазоне, где скорость является низкой. Когда эти характеристики принимаются во внимание, предпочтительно устанавливать расстояние между радиаторными пластинами 42A для блока 20 преобразователя на маленькую величину так, чтобы эффективность охлаждения стала выше в диапазоне, где скорость высокая, тогда как является предпочтительным устанавливать расстояние между радиаторными пластинами 42B для блока 60 инвертора на маленькую величину, чтобы эффективность охлаждения стала выше в диапазоне, где скорость низкая. Другими словами, предпочтительно выбирать взаимно отличающиеся оптимальные расстояния между радиаторными пластинами для блока 20 преобразователя и для блока 60 инвертора.
Второй вариант воплощения
На фиг.11 показана электрическая схема блока преобразователя в соответствии со вторым вариантом воплощения настоящего изобретения. Блок 20 преобразователя, показанный на фиг.11, имеет конфигурацию схемы, отличающуюся от конфигурации блока 20 преобразователя по первому варианту воплощения, показанной на фиг.1, в которой переключающие элементы, включенные в каждое из плеч, соединены параллельно.
На фиг.11, в плече положительной стороны U-фазы, переключающие элементы UPCA и UPCB соединены параллельно, тогда как в плече отрицательной стороны U-фазы переключающие элементы UNCA и UNCB соединены параллельно. В плече положительной стороны V-фазы переключающие элементы VPCA и VPCB соединены параллельно, тогда как в плече отрицательной стороны V-фазы переключающие элементы VNCA и VNCB соединены параллельно.
Далее будет объясняться пример позиционного расположения переключающих элементов, который является подходящим для ситуации, в которой переключающие элементы соединены параллельно. На фиг.12 показан пример позиционного расположения переключающих элементов, расположенных на основании 40 радиаторных пластин, в соответствии со вторым вариантом воплощения настоящего изобретения. Как показано на фиг.12, в дополнение к способу позиционирования, описанному в первом варианте воплощения, переключающие элементы, которые соединены параллельно в каждом из плеч, расположены в ряд в направлении, которое является перпендикулярным направлению движения.
С таким позиционным расположением возможно получить такое расположение, при котором элементы в паре (например, переключающие элементы UPCA и UPCB в плече положительной стороны U-фазы), которые соединены параллельно в каком-либо из плеч, имеют температуры, по существу равные друг другу, потому что элементы в паре размещены так, что находятся на равном расстоянии от переднего края радиаторных пластин, предусмотренных на стороне входа воздушного потока. Вообще говоря, падение напряжения прямого направления для каждого из переключающих элементов изменяется в зависимости от температуры. Таким образом, в любой из пар, когда температуры переключающих элементов, которые соединены параллельно, отличаются друг от друга, падения напряжения прямого направления переключающих элементов в паре отличаются друг от друга. В результате возникает проблема, при которой коэффициент распределения электрического тока между переключающими элементами в паре ухудшается так, что электрический ток, например, концентрируется в одном из переключающих элементов.
Напротив, в соответствии со вторым вариантом воплощения переключающие элементы, которые соединены параллельно, размещены так, что находятся на равном расстоянии от переднего края радиаторных пластин, предусмотренных на стороне входа воздушного потока. В результате можно по существу выравнивать температуры элементов, соединенных параллельно в каждой из пар, и реализовывать превосходное распределение электрического тока.
Кроме того, можно снижать до минимума размер радиаторных пластин 42 в направлении движения. В результате возможно поддерживать уменьшение скорости воздушных потоков W движения на минимальном уровне в позициях переключающих элементов, размещенных на стороне выхода воздушного потока. Следовательно, можно поддерживать увеличение температур переключающих элементов, размещенных на стороне выхода воздушного потока, на минимальном уровне.
Кроме того, возможно снижать до минимума количество переключающих элементов, через которые проходят воздушные потоки W движения между втеканием из предыдущей секции радиаторных пластин 42 и вытеканием в следующую секцию, таким образом, чтобы количество переключающих элементов было таким же, как в примере, где переключающие элементы не соединены параллельно. При этом достигается выгодный эффект, при котором можно облегчать обстоятельства, когда температуры воздушных потоков W движения повышаются из-за тепла, генерируемого переключающими элементами, размещенными на стороне входа воздушного потока, и в результате этого подъема температур температуры других переключающих элементов, размещенных на стороне выхода воздушного потока, также поднимаются.
Кроме того, количество переключающих элементов, через которые проходят воздушные потоки W движения между втеканием из предыдущей секции радиаторных пластин 42 и вытеканием в следующую секцию, всегда составляет два и снижено до минимума независимо от количества фаз в мостовой схеме в блоке 20 преобразователя или блоке 60 инвертора. Таким образом достигнут выгодный эффект, при котором возможно облегчать обстоятельства, когда температуры воздушных потоков W движения поднимаются из-за тепла, генерируемого переключающими элементами, размещенными на стороне входа воздушного потока, и в результате этого подъема температур температуры других переключающих элементов, размещенных на стороне выхода воздушного потока, также поднимаются.
Третий вариант воплощения
На фиг.13 показана электрическая схема блока 20b преобразователя в соответствии с третьим вариантом воплощения настоящего изобретения. Блок 20b преобразователя, показанный на фиг.13, имеет конфигурацию схемы, отличающуюся от конфигурации блока 20 преобразователя в соответствии с первым вариантом воплощения, показанной на фиг.1, тем, что блок 20b преобразователя сконфигурирован в виде так называемой трехуровневой схемы.
На фиг.13, на положительной стороне U-фазы, переключающие элементы UPC1A и UPC1B, которые соединены параллельно, и переключающие элементы UPC2A и UPC2B, которые соединены параллельно, подключены последовательно. Кроме того, к точке соединения этого подключения подсоединена катодная сторона диодов UD1A и UD1B, которые соединены параллельно. Помимо этого, анодная сторона диодов UD1A и UD1B подсоединена к средней точке (то есть к точке соединения) между конденсаторами 30P и 30N. Точно так же в плече отрицательной стороны U-фазы переключающие элементы UNC3A и UNC3B, которые соединены параллельно, и переключающие элементы UNC4A и UNC4B, которые соединены параллельно, подключены последовательно. Помимо этого, к точке соединения этого подключения подсоединена анодная сторона диодов UD2A и UD2B, которые соединены параллельно. Кроме того, катодная сторона диодов UD2A и UD2B подсоединена к средней точке (то есть к точке соединения) между конденсаторами 30P и 30N. Конфигурации плеча положительной стороны V-фазы и плеча отрицательной стороны V-фазы являются такими же, как конфигурации плеча положительной стороны U-фазы и плеча отрицательной стороны U-фазы соответственно. Таким образом, подробное пояснение конфигураций этих соединений будет опущено.
Относительные потери для каждой из фаз в переключающих элементах и диодных элементах в случае, где блок 20b преобразователя должен выполнять действие переключения с частотой переключений, составляющей приблизительно 1 кГц, показаны в таблице ниже. В таблице потери, соответствующие одной фазе, выражены как 100%, при этом в качестве примера используется U-фаза.
| Относительные потери элементов | |||||
| UPC1 | UPC2 | UD1 | UD2 | UNC3 | UNC4 |
| 13% | 32% | 5% | 5% | 32% | 13% |
Что касается таблицы, то должно быть понятно, что переключающие элементы UPC2 и UNC3 имеют более высокие относительные потери, чем другие элементы.
Далее поясняется пример позиционного расположения переключающих элементов, являющегося подходящим для ситуации, в которой переключающие элементы соединены параллельно. На фиг.14 показан пример позиционного расположения переключающих элементов, расположенных на основании 40 радиаторных пластин, в соответствии с третьим вариантом воплощения настоящего изобретения. Как показано на фиг.14, группа переключающих элементов, которые образуют каждую из ветвей (то есть плечо положительной стороны и плечо отрицательной стороны), соответствующих фазам, расположены в продольном направлении в ряд на основании 40 радиаторных пластин в направлении движения.
Это поясняется более конкретно на примере использования ветвей U-фазы. Переключающие элементы UPC1A и UPC2A, включенные в плечо положительной стороны, и переключающие элементы UNC3A и UNC4A, включенные в плечо отрицательной стороны, расположены в ряд в установленном порядке в направлении движения. Кроме того, размещенные рядом с ветвью U-фазы переключающие элементы UPC1B и UPC2B, включенные в плечо положительной стороны, и переключающие элементы UNC3B и UNC4B, включенные в плечо отрицательной стороны, которые, соответственно, подсоединены параллельно к этим переключающим элементам в направлении, перпендикулярном направлению движения, расположены в ряд в установленном порядке. Что касается диодов UD1A, UD2A, UD1B и UD2B, поскольку их относительные потери составляют всего лишь приблизительно 10% от общих потерь, как показано в таблице 1, эти диоды не принимаются во внимание. Точно так же переключающие элементы в других фазах также расположены в ряд в направлении, перпендикулярном направлению движения.
Рассмотрим случай, в котором позиционное расположение переключающих элементов такое, как показано на фиг.14, в то время как направление движения и ориентационное направление радиаторных пластин являются перпендикулярными направлению движения, показанному на фиг.14. В такой ситуации воздушные потоки W движения будут проходить через четыре элемента, имеющие большие потери (например, через переключающие элементы UPC2A, UPC2B, VPC2A и VPC2B). В результате температуры переключающих элементов, которые размещены на стороне выхода воздушного потока, могут подниматься из-за тепла, генерируемого переключающими элементами, которые размещены на стороне входа воздушного потока.
Напротив, когда переключающие элементы размещены так, как описано выше, размер радиаторных пластин 42 в направлении движения возможно снижать до минимума. В результате можно поддерживать снижение скорости воздушных потоков W движения на минимальном уровне в позициях переключающих элементов, размещенных на стороне выхода воздушного потока. Следовательно, можно поддерживать повышение температур переключающих элементов, размещенных на стороне выхода воздушного потока, на минимальном уровне.
Кроме того, можно снижать до минимума количество переключающих элементов, через которые проходят воздушные потоки W движения между втеканием из предыдущей секции радиаторных пластин 42 и вытеканием в следующую секцию, и снижать до минимума суммарные потери (UPC1A+UPC2A+UNC3A+UNC4A в U-фазе). Таким образом, достигается выгодный эффект, при котором возможно облегчать обстоятельства, когда температуры воздушных потоков W движения повышаются из-за тепла, генерируемого переключающими элементами, размещенными на стороне входа воздушного потока, и в результате этого повышения температур температуры других переключающих элементов, размещенных на стороне выхода воздушного потока, также повышаются. В описании третьего варианта воплощения в качестве примера поясняется блок 20 преобразователя; однако такую же конфигурацию можно применять к блоку 60 инвертора.
Четвертый вариант воплощения
На фиг.15 показана часть внутренней конструкции основания радиаторных пластин в соответствии с четвертым вариантом воплощения настоящего изобретения. На фиг.16 показан разрез по линии A-A на фиг.15. В основание 40 радиаторных пластин, показанное на фиг.15 и 16, включено множество тепловых труб 46, которые размещены непосредственно под переключающими элементами, в то время как они расположены таким образом, что продолжаются в направлении движения. Тепловые трубы 46 являются широко известным средством. Каждая из тепловых труб 46 изготовлена с использованием полой трубы, имеющей диаметр, равный приблизительно 10 мм, главным ингредиентом которой является медь и которая имеет капиллярный процесс, называемый "фитилем", применяемый для ее внутренней части, помещения рабочей текучей среды, такой как небольшое количество воды, в полую трубу и уплотнения полой трубы в вакуумной среде.
С расположением, описанным выше, например, вода в теплораспределяющих трубах испаряется благодаря теплу, генерируемому переключающими элементами, размещенными на стороне выхода воздушного потока, и поглощает тепло поблизости от труб. Кроме того, пар перемещается к стороне входа воздушного потока, где температура более низкая, конденсирует, рассеивая тепло, снова становится водой и перемещается к стороне выхода воздушного потока. Благодаря повторению этого цикла можно переносить тепло со стороны, имеющей более высокую температуру, к стороне, имеющей более низкую температуру. В результате можно сделать температуры на стороне входа воздушного потока и стороне выхода воздушного потока от основания 40 радиаторных пластин однородными. Следовательно, возможно дополнительно улучшить эффективность охлаждения для переключающих элементов, размещенных на стороне выхода воздушного потока.
Пятый вариант воплощения
На фиг.17 показан пример расположения переключающих элементов и пример расположения тепловых труб относительно основания 40A радиаторных пластин для блока 20 преобразователя в соответствии с пятым вариантом воплощения настоящего изобретения. Подобно примеру, показанному на фиг.14, группа переключающих элементов, которая образует каждую из ветвей (то есть плечо положительной стороны и плечо отрицательной стороны), соответствующих фазам, расположена в продольном направлении в ряд на основании 40 радиаторных пластин в направлении движения. Далее дается более конкретное объяснение с использованием в качестве примера ветвей U-фазы на одной стороне. Переключающие элементы UPC1A и UPC2A, включенные в плечо положительной стороны, и переключающие элементы UNC3A и UNC4A, включенные в плечо отрицательной стороны, расположены в ряд в установленном порядке в направлении движения. Диоды UD1A и UD2A, которые на фиг.14 опущены, размещены между переключающим элементом UPC2A, включенным в плечо положительной стороны, и переключающим элементом UNC3A, включенным в плечо отрицательной стороны, как показано на фиг.17. Потери этих диодов составляют всего лишь приблизительно 10% от суммарной величины, как показано в таблице. Другие ветви тоже сконфигурированы таким же образом.
Далее поясняется позиционное расположение тепловых труб 46A и 46B. Имеются тепловые трубы 46A и тепловые трубы 46B; однако в качестве примера будет объясняться ветвь U-фазы на одной стороне. Там смонтировано основание 40 радиаторных пластин: тепловая труба 46A расположена так, что проходит непосредственно под переключающими элементами UPC1A и UPC2A, включенными в плечо положительной стороны, так что ее один конец проходит до области, которая не находится непосредственно под переключающим элементом UPC1A, тогда как ее другой конец проходит до области, которая не находится непосредственно под переключающим элементом UPC2A; а тепловая труба 46B расположена так, что проходит непосредственно под переключающими элементами UNC3A и UNC4A, включенными в плечо отрицательной стороны, таким образом, что ее один конец проходит до области, которая не находится непосредственно под переключающим элементом UNC3A, тогда как ее другой конец проходит до области, которая не находится непосредственно под переключающим элементом UNC4A. Тепловая труба 46A и тепловая труба 46B находятся на расстоянии друг от друга.
Ниже поясняются эксплуатационные характеристики, которые достигаются в описанной выше конфигурации. Поскольку потери переключающих элементов UPC1A и UPC2A, включенных в плечо положительной стороны, большие, температуры таких областей основания 40 радиаторных пластин, которые размещены непосредственно под этими переключающими элементами, становятся высокими. Напротив, потери диода UD1A маленькие, так что область (температура области) основания 40 радиаторных пластин, которая размещена непосредственно под этим диодом, низкая. Другими словами, есть разница в температуре между областями, которые размещены непосредственно под переключающими элементами UPC1A и UPC2A, включенными в плечо положительной стороны, и областью, которая размещена непосредственно под диодом UD1A. В этих обстоятельствах часть тепла, генерируемого переключающими элементами UPC1A и UPC2A, включенными в плечо положительной стороны, переносится к области основания 40 радиаторных пластин, которая размещена около диода UD1A, благодаря функционированию тепловой трубы 46A. Точно так же часть тепла, генерируемого переключающими элементами UNC3A и UNC4A, включенными в плечо отрицательной стороны, переносится к области основания 40 радиаторных пластин, которая размещена около диода UD2A, благодаря функционированию тепловой трубы 46B.
В результате описанных выше эксплуатационных характеристик тепло, генерируемое переключающими элементами UPC1A, UPC2A, UNC3A и UNC4A, может рассеиваться не только с некоторых из радиаторных пластин 42 в областях, которые размещены около этих переключающих элементов, но также и с других радиаторных пластин 42 в областях, которые расположены около диодов UD1A и UD2A. Таким образом возможно эффективно охлаждать переключающие элементы UPC1A, UPC2A, UNC3A и UNC4A, которые имеют большие потери. Другими словами, некоторые из радиаторных пластин 42, размещенных около диодов UD1A и UD2A, которые имеют меньшие потери и имеют некоторый запас в отношении эффективности охлаждения, практически используются в процессе охлаждения переключающих элементов UPC1A, UPC2A, UNC3A и UNC4A, которые имеют большие потери. В результате можно улучшить эффективность охлаждения для переключающих элементов UPC1A, UPC2A, UNC3A и UNC4A без необходимости делать размер радиаторных пластин больше.
В этой конфигурации возможно иметь электрический ток большей величины, протекающий в переключающие элементы UPC1A, UPC2A, UNC3A и UNC4A. В результате, даже если размер радиаторных пластин является таким же, возможно увеличивать мощность электроэнергии, которая может быть преобразована. Эксплуатационные характеристики, достигаемые в других ветвях, являются такими же, как описанные выше.
Важный аспект пятого варианта воплощения находится в конфигурации, фокус которого заключается в разных уровнях потерь переключающих элементов (которые обозначают в настоящем примере полупроводниковые элементы, включающие в себя диоды), которые образуют схему преобразования электроэнергии таким образом, что тепло, генерируемое элементами, имеющими большие потери, переносится к областям около элементов, имеющих меньшие потери, и таким образом, что некоторые из радиаторных пластин, которые размещены около элементов, имеющих меньшие потери и имеющих некоторый запас в отношении эффективности охлаждения, практически используются в процессе охлаждения элементов, имеющих большие потери. В описании пятого варианта воплощения конфигурация, которая является подходящей для однофазной трехуровневой схемы преобразователя, объясняется в качестве примера; однако, само собой разумеется, что эту конфигурацию можно применять и к другим схемам, таким как трехфазная схема инвертора. Кроме того, само собой разумеется, что тепловые трубы при необходимости могут быть разделены на меньшие участки в соответствии с конфигурацией схемы и позиционным расположением элементов.
Конфигурации, раскрытые в описанных выше примерных вариантах воплощения, формируют только пример содержимого настоящего изобретения. Эти конфигурации можно комбинировать с другими широко известными методами. Само собой разумеется, к этим конфигурациям можно применять модификации, например, опуская их часть, не отступая при этом от сути настоящего изобретения.
Кроме того, в настоящем описании сущность настоящего изобретения объясняется главным образом через применения к железнодорожным вагонам с электрическим приводом. Однако подходящее использование настоящего изобретения не ограничено железнодорожными вагона с электрическими приводами. Само собой разумеется, настоящее изобретение возможно применять к другим связанным областям, таким как электрические автомобили.
Промышленная применимость
Как объяснялось выше, устройство преобразования электроэнергии в соответствии с аспектом настоящего изобретения полезно как изобретение, которое может реализовывать устройство преобразования электроэнергии, в котором переключающие элементы охлаждаются с использованием воздушных потоков, вызываемых передвижением транспортного средства, и которое может быть еще более компактным и более легким.
Пояснения букв или цифр
1 - воздушная линия электропитания
2 - пантограф
3 - колесо
4 - рельс
6 - трансформатор
9 - кузов вагона
10 - контактор
11 - электрические устройства
20, 20a, 20b - блок преобразователя
30, 30P, 30N - конденсатор
40A - основание радиаторных пластин (для блока преобразователя)
40B - основание радиаторных пластин (для блока инвертора)
42A - радиаторные пластины (для блока преобразователя)
42B - радиаторные пластины (для блока инвертора)
45 - микросхема IGBT
46 - тепловая труба
50A - охлаждающее устройство преобразователя
50B - охлаждающее устройство инвертора
UD1A, UD2A, UD1B, UD2B - диод
UPC, VPC, UNC, VNC, UPI, VPI, WPI, UNI, VNI, WNI, UPCA, UPCB, UNCA, UNCB, VPCA, VPCB, VNCA, VNCB, UPC1, UPC2, UNC3, UNC4, VPC1, VPC2, VNC3, VNC4, UPC1A, UPC2A, UNC3A, UNC4A, UPC1B, UPC2B, UNC3B, UNC4B, VPC1A, VPC2A, VNC3A, VNC4A, VPC1B, VPC2B, VNC3B, VNC4B - переключающий элемент
60 - блок инвертора
80 - электродвигатель
100 - устройство преобразования электроэнергии
1. Устройство (100) преобразования электроэнергии для применения на железнодорожном вагоне с электрическим приводом, приводимом в действие на железнодорожном участке, электрифицированном переменным током, содержащее блок (20, 20а, 20b) преобразователя для преобразования переменного тока в постоянный ток, блок (60) инвертора, подсоединенный к выходной стороне блока (20, 20а, 20b) преобразователя через источник питания постоянного тока и предназначенный для преобразования постоянного тока от источника питания постоянного тока в переменный ток, чтобы снабжать электроэнергией электродвигатель, приводящий в движение железнодорожный вагон с электрическим приводом, и охлаждающее устройство (50А, 50В) для охлаждения множества переключающих элементов, включенных в каждый из блока (20, 20а, 20b) преобразователя и блока (60) инвертора, при этом
охлаждающее устройство (50А, 50В) включает в себя основание (40А, 40В) радиаторных пластин, которое служит в качестве плоскости крепления переключающих элементов, на которой установлены переключающие элементы, и множество радиаторных пластин (42А, 42В), расположенных на плоскости, противоположной плоскости крепления переключающих элементов, таким образом, что радиаторные пластины (42А, 42В) охлаждаются воздушным потоком, вызываемым движением железнодорожного вагона с электрическим приводом, и
переключающие элементы блока (20, 20а, 20b) преобразователя и переключающие элементы блока (60) инвертора имеют различные соотношения между величиной тепловыделения и скоростью железнодорожного вагона с электрическим приводом, так что величина тепловыделения переключающих элементов блока (20, 20а, 20b) преобразователя увеличивается до максимума, когда скорость железнодорожного вагона с электрическим приводом находится в диапазоне скоростей, которые равны или выше, чем 30%-50% от максимальной скорости, при этом первое расстояние между радиаторными пластинами для радиаторных пластин (42А) для блока (20, 20а, 20b) преобразователя имеет величину, при которой эффективность охлаждения охлаждающего устройства (50А) увеличивается до максимума, когда скорость железнодорожного вагона с электрическим приводом находится в диапазоне скоростей, которые равны или выше, чем 30%, величина тепловыделения переключающих элементов блока (60) инвертора увеличивается до максимума, когда скорость железнодорожного вагона с электрическим приводом находится в диапазоне скоростей, которые равны или ниже, чем 30%-50% от максимальной скорости, при этом второе расстояние между радиаторными пластинами для радиаторных пластин (42В) для блока (60) инвертора имеет величину, при которой эффективность охлаждения охлаждающего устройства (50В) увеличивается до максимума, когда скорость железнодорожного вагона с электрическим приводом находится в диапазоне скоростей, который равен или ниже, чем 50%, и
первое расстояние между радиаторными пластинами меньше, чем второе расстояние между радиаторными пластинами.
2. Устройство (100) преобразования электроэнергии по п.1, в котором
каждый из блока (20, 20а, 20b) преобразователя и блока (60) инвертора является любой одной из однофазной мостовой схемы и многофазной мостовой схемы, включающей в себя множество наборов ветвей, каждая из которых образована плечом положительной стороны и плечом отрицательной стороны, и каждая из которых включает в себя переключающие элементы, и
переключающие элементы, которые составляют каждую из ветвей различных фаз, расположены в ряд на основании (40А, 40В) радиаторных пластин в направлении движения железнодорожного вагона с электрическим приводом.
3. Устройство (100) преобразования электроэнергии по п.1, в котором каждый из блока (20, 20а, 20b) преобразователя и блока (60) инвертора являются любой одной из однофазной мостовой схемы и многофазной мостовой схемы, включающей в себя множество наборов ветвей, каждая из которых образована плечом положительной стороны и плечом отрицательной стороны, каждое из которых включает в себя переключающие элементы, и
ветви различных фаз расположены в ряд на основании (40А, 40В) радиаторных пластин в направлении, перпендикулярном направлению движения железнодорожного вагона с электрическим приводом.
4. Устройство (100) преобразования электроэнергии по п.2, в котором переключающие элементы соединены параллельно в каждом из плеча положительной стороны и плеча отрицательной стороны, и каждый из наборов плеч одного и того же типа, образованных с параллельно соединенными переключающими элементами, расположен в ряд на основании (40А, 40В) радиаторных пластин в направлении, перпендикулярном направлению движения железнодорожного вагона с электрическим приводом.
5. Устройство (100) преобразования электроэнергии по п.2, в котором
переключающие элементы соединены параллельно в каждом из плеча положительной стороны и плеча отрицательной стороны, и переключающие элементы, которые соединены параллельно, расположены на одинаковых расстояниях от передней кромки основания (40А, 40В) радиаторных пластин в направлении движения железнодорожного вагона с электрическим приводом.
6. Устройство (100) преобразования электроэнергии по п.1, в котором каждый из переключающих элементов имеет прямоугольную форму, имеющую длинную сторону и короткую сторону, и переключающие элементы расположены в ряд на основании (40А, 40В) радиаторных пластин так, что длинные стороны расположены в направлении, перпендикулярном направлению движения железнодорожного вагона с электрическим приводом.
7. Устройство (100) преобразования электроэнергии по п.1, в котором
охлаждающее устройство (50А, 50В) включает в себя
первое охлаждающее устройство (50А) для блока (20, 20а, 20b) преобразователя, и
второе охлаждающее устройство (50В) для блока (60) инвертора, и
первое охлаждающее устройство (50А) и второе охлаждающее устройство (50В) предусмотрены отдельно.
8. Устройство (100) преобразования электроэнергии по п.1, в котором толщина каждой из радиаторных пластин (42А, 42В) находится в
диапазоне от 2 до 4 мм,
первое расстояние между радиаторными пластинами для радиаторных пластин (42А), предусмотренных на основании (40А) радиаторных пластин для блока (20, 20а, 20b) преобразователя, имеет величину в диапазоне от 6,5 до 11,5 мм, и
второе расстояние между радиаторными пластинами для радиаторных пластин (42В), предусмотренных на основании (40В) радиаторных пластин для блока (60) инвертора, имеет величину в диапазоне от 8,5 до 15,5 мм.
9. Устройство (100) преобразования электроэнергии по п.1, в котором
толщина каждой из радиаторных пластин (42А, 42В) находится в диапазоне от 2 до 4 мм,
первое расстояние между радиаторными пластинами для радиаторных пластин (42А), предусмотренных на основании (40А) радиаторных пластин для блока (20, 20а, 20b) преобразователя, имеет величину в диапазоне от 8 до 10 мм, и
второе расстояние между радиаторными пластинами для радиаторных пластин (42В), предусмотренных на основании (40 В) радиаторных пластин для блока (60) инвертора, имеет величину в диапазоне от 10 до 14 мм.
10. Устройство (100) преобразования электроэнергии по п.2, в котором каждая из ветвей блока (20b) преобразователя включает в себя первый переключающий элемент, второй переключающий элемент, третий переключающий элемент и четвертый переключающий элемент, соединенные последовательно, причем первый переключающий элемент и второй переключающий элемент образуют плечо положительной стороны, третий переключающий элемент и четвертый переключающий элемент образуют плечо отрицательной стороны,
источник питания постоянного тока включает в себя первый источник питания постоянного тока и второй источник питания постоянного тока, соединенные последовательно,
первый конец первого переключающего элемента подсоединен к положительной стороне первого источника питания постоянного тока, а первый конец четвертого переключающего элемента подсоединен к отрицательной стороне второго источника питания постоянного тока,
причем блок (20b) преобразователя дополнительно включает в себя
первый диод, катод которого подсоединен к точке соединения между первым переключающим элементом и вторым переключающим элементом, а анод подсоединен к средней точке между первым источником питания постоянного тока и вторым источником питания постоянного тока, и
второй диод, анод которого подсоединен к точке соединения между третьим переключающим элементом и четвертым переключающим элементом, а катод подсоединен к средней точке между первым источником питания постоянного тока и вторым источником питания постоянного тока,
при этом образована трехуровневая схема, в которой точка соединения между вторым переключающим элементом и третьим переключающим элементом сконфигурирована так, что выведена наружу, и
первый переключающий элемент, второй переключающий элемент, третий переключающий элемент и четвертый переключающий элемент расположены в ряд на основании (40А) радиаторных пластин в направлении движения железнодорожного вагона с электрическим приводом.
11. Устройство (100) преобразования электроэнергии по п.10, в котором схема преобразования электроэнергии является любой одной из однофазной мостовой схемы и многофазной мостовой схемы, включающей в себя наборы ветвей, каждая из которых образована первым переключающим элементом, вторым переключающим элементом, третьим переключающим элементом и четвертым переключающим элементом, и ветви различных фаз расположены в ряд на основании (40А) радиаторных пластин в направлении, перпендикулярном направлению движения железнодорожного вагона с электрическим приводом.
12. Устройство (100) преобразования электроэнергии по п.2, в котором каждая из ветвей блока (20b) преобразователя включает в себя первый переключающий элемент, второй переключающий элемент, третий переключающий элемент и четвертый переключающий элемент, соединенные последовательно, причем первый переключающий элемент и второй переключающий элемент образуют плечо положительной стороны, третий переключающий элемент и четвертый переключающий элемент образуют плечо отрицательной стороны,
источник питания постоянного тока включает в себя первый источник питания постоянного тока и второй источник питания постоянного тока, соединенные последовательно,
первый конец первого переключающего элемента подсоединен к положительной стороне первого источника питания постоянного тока, а первый конец четвертого переключающего элемента подсоединен к отрицательной стороне второго источника питания постоянного тока,
причем блок (20b) преобразователя дополнительно включает в себя
первый диод, катод которого подсоединен к точке соединения между первым переключающим элементом и вторым переключающим элементом, а анод подсоединен к средней точке между первым источником питания постоянного тока и вторым источником питания постоянного тока, и
второй диод, анод которого подсоединен к точке соединения между третьим переключающим элементом и четвертым переключающим элементом, а катод подсоединен к средней точке между первым источником питания постоянного тока и вторым источником питания постоянного тока,
при этом образована трехуровневая схема, в которой точка соединения между вторым переключающим элементом и третьим переключающим элементом сконфигурирована так, что выведена наружу, и
первый переключающий элемент, второй переключающий элемент, третий переключающий элемент и четвертый переключающий элемент расположены по порядку в ряд на основании (40А) радиаторных пластин в направлении движения железнодорожного вагона с электрическим приводом.
13. Устройство (100) преобразования электроэнергии по п.1, в котором
основание (40А, 40В) радиаторных пластин включает в себя множество встроенных тепловых труб (46),
тепловые трубы (46) расположены непосредственно под переключающими элементами, проходя в направлении движения железнодорожного вагона с электрическим приводом.
14. Устройство (100) преобразования электроэнергии по п.2, в котором основание (40А, 40В) радиаторных пластин включает в себя множество встроенных тепловых труб (46), и
тепловые трубы (46) проходят непосредственно под переключающими элементами, включенными в плечо положительной стороны, и переключающими элементами, включенными в плечо отрицательной стороны, проходя в направлении движения железнодорожного вагона с электрическим приводом.
15. Устройство (100) преобразования электроэнергии по п.1, в котором тепловая труба (46) встроена в основание (40А, 40В) радиаторных пластин, причем
тепловая труба (46) расположена так, что первый конец размещен около области непосредственно под переключающим элементом, имеющим большие потери среди переключающих элементов, включенных в блок (20, 20а, 20b) преобразователя и блок (60) инвертора, а второй конец размещен около области непосредственно под переключающим элементом, имеющим меньшие потери среди переключающих элементов.
16. Устройство (100) преобразования электроэнергии по п.14, в котором каждая из ветвей блока (20b) преобразователя включает в себя первый переключающий элемент, второй переключающий элемент, третий переключающий элемент и четвертый переключающий элемент, соединенные последовательно, причем первый переключающий элемент и второй переключающий элемент образуют плечо положительной стороны, третий переключающий элемент и четвертый переключающий элемент образуют плечо отрицательной стороны,
источник питания постоянного тока включает в себя первый источник питания постоянного тока и второй источник питания постоянного тока, соединенные последовательно,
первый конец первого переключающего элемента подсоединен к положительной стороне первого источника питания постоянного тока, а первый конец четвертого переключающего элемента подсоединен к отрицательной стороне второго источника питания постоянного тока,
причем блок (20b) преобразователя дополнительно включает в себя
первый диод, катод которого подсоединен к точке соединения
между первым переключающим элементом и вторым переключающим элементом, а анод подсоединен к средней точке между первым источником питания постоянного тока и вторым источником питания постоянного тока, и
второй диод, анод которого подсоединен к точке соединения между третьим переключающим элементом и четвертым переключающим элементом, а катод подсоединен к средней точке между первым источником питания постоянного тока и вторым источником питания постоянного тока,
при этом образована трехуровневая схема, в которой точка соединения между вторым переключающим элементом и третьим переключающим элементом сконфигурирована так, что выведена наружу, и
первый переключающий элемент, второй переключающий элемент, третий переключающий элемент и четвертый переключающий элемент расположены по порядку в ряд на основании (40А) радиаторных пластин в направлении движения железнодорожного вагона с электрическим приводом, и
тепловые трубы (46) встроены в основание (40А) радиаторных пластин, причем
тепловые трубы (46) включают в себя
первую тепловую трубу (46А), которая проходит непосредственно под первым переключающим элементом и вторым переключающим элементом так, что первый конец первой тепловой трубы (46А) проходит до области за пределами области под первым переключающим элементом, а второй конец первой тепловой трубы (46А) проходит до области за пределами области под вторым
переключающим элементом и около области непосредственно под первым диодом, и
вторую тепловую трубу (46В), которая проходит непосредственно под третьим переключающим элементом и четвертым переключающим элементом так, что первый конец второй тепловой трубы (46В) проходит до области за пределами области под третьим переключающим элементом, а второй конец второй тепловой трубы (46В) проходит до области за пределами области под четвертым переключающим элементом и около области непосредственно под вторым диодом.
