JP2004087711A - Forced air-cooled power conversion apparatus - Google Patents

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JP2004087711A
JP2004087711A JP2002245530A JP2002245530A JP2004087711A JP 2004087711 A JP2004087711 A JP 2004087711A JP 2002245530 A JP2002245530 A JP 2002245530A JP 2002245530 A JP2002245530 A JP 2002245530A JP 2004087711 A JP2004087711 A JP 2004087711A
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Takashi Hashimoto
橋本 隆
Yuji Ide
井手 勇治
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a forced air-cooled power conversion apparatus which improves the cooling efficiency by housing a plurality of groups of independent power converter circuits in a single apparatus housing, and incorporating a suitable margin without waste in a plurality of semiconductor element cooling units which improves an apparatus performance and which can realize reduction in size. <P>SOLUTION: Semiconductor element cooling units 7, 8 are constituted of one group of independently operable inverter circuits 5 and converter circuits 4, and arrangements and dispositions of different groups of semiconductor element cooling units 7, 8 are devised in a cooling air tunnel 10. Even if a certain group is disconnected from a system due to a fault, cooling air is effectively supplied to the rest of the cooling units as continuously operating group for effectively cooling without waste of the cooling air. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、強制風冷式電力変換装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
電力変換装置は半導体素子のスイッチング動作により電力変換を行うが、そのスイッチング損失による発熱を放散させるために、電力変換装置を構成する半導体素子およびその周辺回路の電気部品を冷却器に取り付けて半導体素子冷却ユニットを構成し、この半導体素子冷却ユニットを装置内に収納している。
【0003】
半導体素子冷却ユニットは半導体素子から発生する熱損失を効率良く外気へ放出し、半導体素子温度を許容温度以下に冷却するもので、冷却器の受熱部分に半導体素子を取り付け、冷却器の放熱部分を装置の外部とか装置内に設けられた開放室部分(外気と通ずる部分)に置き、装置外へ熱放散する。
【0004】
半導体素子冷却ユニットの放熱部分の熱伝達率を向上させるためには、放熱部分を通過する冷却風の流速を速めることが有効である。そのために、一般に電動送風機で強制通風される冷却風洞を装置内に設け、そこに半導体素子冷却ユニットの放熱部を収納することが多い。
【0005】
半導体素子冷却ユニットは、ユニットの取り扱い性を考慮して大形化しすぎぬよう、電力変換回路の相毎にユニットにまとめたり、あるいは変換回路毎にユニットにまとめたりするのが一般的である。例えば、交流電源を直流に変換するコンバータ回路とそれを再び交流に変換するインバータ回路とが対になった電力変換回路では、コンバータ回路を構成する部品群をひとつのユニットに、インバータ回路を構成する部品群を別のひとつのユニットにまとめ、それぞれで半導体素子冷却ユニットを構成することが多い。このコンバータ回路、インバータ回路より成る電力変換回路が複数群ある場合は、さらに多くの半導体素子冷却ユニットが装置内に収納されることになる。
【0006】
図13の回路図は、従来の交流架線鉄道車両用の交流電動機駆動システムを示している。パンタグラフ1より集電された交流電源は主変圧器2の1次巻線に給電され、主変圧器2で変圧された交流はその2次巻線から電力変換回路3に入力される。この電力変換回路3はコンバータ回路4とインバータ回路5から構成されている。電力変換回路3に入力された交流は、この電力変換回路3内のコンバータ回路4により直流に変換され、それが再びインバータ回路5により所望電圧、電流の交流に変換される。インバータ回路5からの交流は鉄道車両駆動用の交流電動機6を駆動する。
【0007】
図14は、この従来の電力変換回路を含む電力変換装置の正面図である。尚、図14では、内部の機器配置を示すため、正面カバーを取り外した状態を示している。図15は、図14におけるA−A線断面図である。
【0008】
半導体素子冷却ユニットとしてはコンバータ回路4を構成する部品群を集約したコンバータユニット7、インバータ回路5を構成する部品群を集約したインバータユニット8とがあり、電動送風機9により強制通風される冷却風洞10内に半導体素子から発生する熱損失を排出することになる。冷却風洞10は装置筐体11内を上下に貫通するよう構成されている。この冷却風洞10の上下端面は外気取り入れ、排出のために開口されており、冷却風洞10内の上部に設けられた電動送風機9により外気が下方より吸い込まれ、上方へ排出される。装置筐体11内のこの冷却風洞10部分以外のエリアは密閉室となっている。装置筐体11内の密閉室には、他の電気部品収納エリア12がある。
【0009】
コンバータユニット7、インバータユニット8の半導体素子冷却ユニットは、その前面側(装置収納時手前側)に半導体素子及びその周辺回路の電気部品群13が実装され、その背面側に冷却器の放熱部14が設けられている。この放熱部14は冷却風洞10内に収納され、強制通風により冷却されることになる。
【0010】
コンバータユニット7とインバータユニット8の配置に関しては、装置筐体11、その中に構成される冷却風洞10、コンバータユニット7、インバータユニット8のそれぞれの大きさ等にもよるが、冷却風洞10が比較的単純に構成できるよう冷却風の流れに対して直列に並べて配置する場合が多い。装置筐体11内にさらに多くの半導体素子冷却ユニットが収納される場合は、冷却風洞10内の冷却風の流れに対して直列に並べたうえに、並列にも並べた配置とすることが多い。
【0011】
これまではコンバータ回路4とインバータ回路5とが対になった1組の電力変換回路3を有する電力変換装置について述べてきたが、複数群の電力変換回路より成る電力変換装置が存在する。これについても概略説明する。
【0012】
図16は図13と同様、交流架線鉄道車両用の交流電動機駆動システムの回路図であるが、コンバータ回路4とインバータ回路5とが対になった電力変換回路3が2群で構成されたシステムである。
【0013】
このような複数群の電力変換回路3より成る電力変換装置では、電力変換回路のそれぞれが独立して運転可能としておくことで、万が一の故障の際に故障の発生した群だけをシステムより切り離し、残りの健全な群だけで運転を継続することができ、冗長性の高い電力変換装置が実現できる。
【0014】
一方の群のコンバータ回路4を「コンバータ1」、インバータ回路を「インバータ1」、もう一方の群のコンバータ回路4を「コンバータ2」、インバータ回路を「インバータ2」と呼び、以下説明を続けるが、つまり、「コンバータ1」または「インバータ1」が故障した際は、この群をシステムより切り離し、残りの「コンバータ2」、「インバータ2」側を継続運転することで、鉄道車両システムとして冗長度が高いシステムといえる。
【0015】
本システムを実現する電力変換装置は、図14、図15に示したのと同様の電力変換装置が2セット必要になるが、単一の装置筐体に2セットをまとめる、モータ制御容量に見合った定格の部品を見直して小形化をはかる等の工夫はこれまでもなされており、複数群の電力変換回路になって部品点数が増えることを補ってきた。
【0016】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように電動送風機等により強制通風される冷却風洞内に半導体素子冷却ユニットの放熱部を配置した強制風冷式電力変換装置では、冷却風洞内の冷却風の流れに対して直列に並べた半導体素子冷却ユニットの放熱部に吸い込まれる冷却風温度が異なってくる問題がある。
【0017】
図14、図15に示した電力変換装置で説明すれば、電動送風機9により冷却風洞10内が強制通風されることにより、風上側(入風側)に配置されているインバータユニット8ではその放熱部14に対して外気温度にほぼ等しい温度の空気が送り込まれるが、風下側(排風側)に配置されたコンバータユニット7の放熱部14に対しては、インバータユニット8の放熱部14を通過した冷却風が通風することになるので、インバータユニット8からの排熱により通風の空気温度は外気温度よりも上昇している。そのため、風下側に配置されるコンバータユニット7側の放熱部では冷却条件が厳しくなる。
【0018】
つまり、放熱部14の置かれる冷却風洞10は電動送風機9により下方から上方へ強制通風されており、この強制通風されている空気が放熱部14を通過することで熱交換が行われる。冷却風洞10へ吸い込まれる空気はほぼ外気温度と等しく、風上側に配置された放熱部14ではこのほぼ外気温度と等しい空気温度と放熱部14との温度差により熱が通風空気側へ排出される。風上側の放熱部14を通過した空気は風上側で排出された熱損失により温度上昇し、次に風下側に置かれた放熱部14へ向かう。
【0019】
風下側の放熱部14でも同様に、放熱部14とそれへの通風の空気温度との温度差により熱が空気側へ排出されるが、こちらでは入側の空気温度が上昇している分、冷却は不利となる。例えば、もし風上側の放熱部14と同じ熱損失を排出するとなると入側空気温度が上昇している分だけ風下側の放熱部14では余計に温度上昇することになる。その結果、風下側の半導体素子温度は風上側のそれよりも高い温度となるのが避けられない。
【0020】
それぞれの半導体素子冷却ユニットの発生熱損失の違いに適した上下配置を工夫し、冷却器自体の大きさを上下の放熱部で変えることで半導体素子の温度上昇値が極端に相違しないようにする等の配慮をすることはあるが、通常、上述のように風下側に配置される半導体素子冷却ユニット側での温度上昇の方が高くなるので、風上側では温度上昇許容値に対して充分な余裕があり、風下側では余裕が少ないのが一般的である。
【0021】
さらに、複数群の電力変換回路より成る電力変換装置では、1群が故障によりシステムより切り離された場合に、残りの運転継続する群では通常の全群が健全に運転される場合よりも電流値を上げる等が必要となり、発生熱損失も大きくなる。冷却能力の設計においては、このような場合を想定して冷却能力を設定しているため、通常運転時には温度上昇許容値に対して充分すぎる余裕を有することになる。
【0022】
以上のように、従来の強制風冷式電力変換装置では、冷却風洞内に冷却風の流れに沿って直列に配置される2個の半導体素子冷却ユニット間の温度上昇の違い、全群の健全運転時と片群だけでの運転時とで生ずる温度上昇の違いがあり、半導体素子の温度上昇許容値に対して全てが同等の余裕となっていないことが、半導体素子冷却ユニットの小形化、装置全体の小形化を阻害する要因となっていた。
【0023】
本発明は、このような従来の技術的課題に鑑みてなされたもので、複数群の独立した電力変換回路を単一の装置筐体内に収納し、複数個の半導体素子冷却ユニットのそれぞれで無駄のない適正な余裕をもたせるようにして、冷却効率を改善し、装置性能を向上させ、小形化が実現できる強制風冷式電力変換装置を提供することを目的とする。
【0024】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明は、電動送風機等により強制通風される冷却風洞内に半導体素子冷却ユニットの放熱部を配置した強制風冷式電力変換装置であって、複数群の独立して運転可能な電力変換回路を単一の装置筐体内に収納し、前記電力変換回路の各々1群分を複数個の前記半導体素子冷却ユニットで構成し、前記冷却風洞内に前記複数個の半導体素子冷却ユニットをそれらの放熱部が冷却風の流れに対し複数列に並ぶように配置し、前記冷却風洞内で冷却風の流れに沿って直列に配置される前記複数個の半導体素子冷却ユニットには、少なくとも2群の前記電力変換回路それぞれを構成する半導体素子冷却ユニットを含めたことを特徴とするものである。
【0025】
請求項2の発明は、電動送風機等により強制通風される冷却風洞内に半導体素子冷却ユニットの放熱部を配置した強制風冷式電力変換装置であって、交流電源を直流に変換するコンバータ回路と変換された直流を再び交流に変換するインバータ回路とが対になった電力変換回路の複数群を、単一の装置筐体内に収納し、独立して運転可能である1群分のコンバータ回路毎またはそれを分割した相毎に前記半導体素子冷却ユニットを構成し、独立して運転可能である1群分のインバータ回路毎またはそれを分割した相毎に前記半導体素子冷却ユニットを構成し、異なる群に属する前記コンバータ回路側の半導体素子冷却ユニットとインバータ回路側の半導体素子冷却ユニットとを前記冷却風洞内の冷却風の流れに沿って直列に配置したことを特徴とするものである。
【0026】
請求項3の発明は、電動送風機等により強制通風される冷却風洞内に半導体素子冷却ユニットの放熱部を配置した強制風冷式電力変換装置であって、交流電源を直流に変換するコンバータ回路と変換された直流を再び交流に変換するインバータ回路とが対になった電力変換回路の複数群を、単一の装置筐体内に収納し、独立して運転可能である1群分のコンバータ回路毎またはそれを分割した相毎に前記半導体素子冷却ユニットを構成し、独立して運転可能である1群分のインバータ回路毎またはそれを分割した相毎に前記半導体素子冷却ユニットを構成し、異なる群のコンバータ回路を構成する半導体素子冷却ユニット同士を前記冷却風洞内の冷却風の流れに沿って直列に配置し、かつ異なる群のインバータ回路を構成する半導体素子冷却ユニット同士を前記冷却風の流れに沿って直列に配置したことを特徴とするものである。
【0027】
請求項4の発明は、電動送風機等により強制通風される冷却風洞内に半導体素子冷却ユニットの放熱部を配置した強制風冷式電力変換装置であって、直流電源を交流に変換する複数群のインバータ回路を単一の装置筐体内に収納し、独立して運転可能な各群のインバータ回路を構成する相毎に前記半導体素子冷却ユニットを構成し、異なる群のインバータ回路に属する前記半導体素子冷却ユニットを冷却風の流れに沿って直列に配置したことを特徴とするものである。
【0028】
請求項1〜4の発明の強制風冷式電力変換装置では、独立して運転可能な1群のインバータ回路、コンバータ回路あるいはそれらを分割した相毎に半導体素子冷却ユニットを構成し、異なる群の半導体素子冷却ユニットの冷却風洞内での配列、配置を工夫することにより、万が一の故障によりある群がシステムから切り離された場合でも、残りの継続運転する群の半導体素子冷却ユニットに対して冷却風を効果的に当て、冷却風を無駄にせずに有効に利用する。
【0029】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。
【0030】
(第1の実施の形態)
(構成)本発明の第1の実施の形態の強制風冷式電力変換装置を図1〜図4を用いて説明する。図1は第1の実施の形態の強制風冷式電力変換装置が適用された交流架線鉄道車両用の交流電動機駆動システムの回路構成を示している。図2は第1の実施の形態の電力変換装置の正面図である(ただし、内部の機器配置を示すため、正面カバーを取り外した状態を示している)。図3は図2におけるB−B線断面図で、側方から見た冷却風洞部分を示している。図4は図3におけるC−C線断面図で、装置背面の冷却風洞内部の断面を示しており、半導体素子冷却ユニットの放熱部が冷却風洞内に収納されている様子を示している。
【0031】
図1に示すように、本実施の形態の電力変換装置3は、図16に示した従来装置と同様、コンバータ回路4とインバータ回路5とが対になった電力変換回路の2群で構成されているが、それらが単一の装置筐体内に収納されている。その他の回路構成は、従来例と共通である。
【0032】
本実施の形態の電力変換装置3では、各群において、パンタグラフ1より集電された交流電源は主変圧器2の1次巻線に給電され、この主変圧器2で変圧される。主変圧器2で変圧され、2次巻線から出力される交流はコンバータ回路4により直流に変換され、それが再びインバータ回路5により交流に変換され、鉄道車両駆動用の交流電動機6に供給され、この交流電動機6を駆動する。
【0033】
コンバータ回路4とインバータ回路5の組で1群を構成する2群の電力変換回路は、それぞれが独立して運転可能であり、万が一の故障の際には、故障の発生した群だけをシステムより切り離し、残りの群で運転を継続することができる。
【0034】
以下の説明では、一方の群のコンバータ回路4を「コンバータ1」、インバータ回路を「インバータ1」、もう一方の群のコンバータ回路4を「コンバータ2」、インバータ回路を「インバータ2」と呼び区別する。
【0035】
次に図2〜図4を用いて、第1の実施の形態を示す電力変換装置の機械的な構成を説明する。装置筐体11内には冷却風洞10が設けられており、この冷却風洞10は電動送風機9により強制通風される。
【0036】
冷却風洞10は装置筐体11内を上下に貫通するよう構成されており、この冷却風洞10の上下端面は外気取り入れ、排出のために開口されており、冷却風洞10内の上部に設けられた電動送風機9により外気が下方開口より取り入れられ、上方開口から排出される。装置筐体11内における冷却風洞10の部分以外のエリアは密閉室となっている。装置筐体11内のこの密閉室は、半導体素子冷却ユニット以外の他の電気部品収納エリア12にしてある。
【0037】
半導体素子冷却ユニットとしては、コンバータ回路4を構成する部品群を集約したコンバータユニット7、インバータ回路5を構成する部品群を集約したインバータユニット8とがあるが、2群の電力変換回路としてそれぞれのユニットが各2個、計4個収納されることになる。
【0038】
これら半導体素子冷却ユニットは、ユニットの前面側(装置収納時手前側)に半導体素子及びその周辺回路の電気部品群13が実装され、ユニットの背面側に冷却器の放熱部14が構成されていて、この放熱部14が冷却風洞10内に収納される。
【0039】
半導体素子冷却ユニット4個(コンバータユニット7が2個、インバータユニット8が2個)の配置は、冷却風洞10内の冷却風の流れに対し直列に2個並べ、それがまた並列に2組並ぶ構成としてある。そして、直列に並べた2個の組合せは、一方では風下側に「コンバータ1」を風上側には「インバータ2」を並べた組合せとし、もう一方では逆に、風下側に「コンバータ2」を風上側には「インバータ1」を並べた組合せとしており、それぞれ他群のユニット同士が直列に並んだ構成としてある。
【0040】
(作用)上記の構成の強制風冷式電力変換装置では、その運転時に半導体素子より熱損失が発生するが、この熱損失は半導体素子冷却ユニット7,8それぞれの放熱部14から外気へ熱放散することで、半導体素子の冷却を行う。放熱部14の置かれている冷却風洞10は、電動送風機9により下方から上方へ強制通風されており、この強制通風されている空気が各放熱部14を通過することで熱交換する。冷却風洞10へ入風される空気はほぼ外気温度と等しく、風上側に配置された放熱部14ではこの外気温度とほぼ等しい入風空気温度と放熱部14との温度差により熱が空気側へ放熱される。風上側の放熱部14を通過した空気は、風上側の放熱部14から受けた熱により温度上昇した状態で風下側に置かれた放熱部14へ向かう。
【0041】
風下側の放熱部14でも同様に、放熱部14とそれへの入風空気温度との温度差により熱が空気側へ放熱されるが、こちらでは入風空気温度が上昇している分、冷却は不利となっている。
【0042】
ここで、2群の電力変換回路のうち1群がシステムより切り離された場合の作用について述べる。いま、「コンバータ1」、「インバータ1」の1群側をシステムより切り離したとすると、残りの「コンバータ2」、「インバータ2」のみが運転されるので、当然、半導体素子より発生する熱損失、半導体素子の冷却も「コンバータ2」、「インバータ2」のみを考えればよい。冷却風洞10内の放熱部14が風下側にある「コンバータ2」の場合、その風上側にある「インバータ1」から熱損失が発生していないので、「コンバータ2」の放熱部14へはほぼ外気温度と等しい空気が入風されることになる。一方、「インバータ2」では入風温度の条件は変わらないが、この「インバータ2」の放熱部14を通過した空気の温度上昇が、次に直列に配置されている「コンバータ1」側に影響を与えることはない。
【0043】
以上の強制風冷機能により、冷却風の流れに対して直列に並べた半導体素子冷却ユニットが異なる群の組み合わせとなっているので、片群のみでの運転時に、直列に2列に並んで配置した双方に流れる冷却風は何れも残って運転される群側の半導体素子冷却ユニットに有効に送風されることになる。
【0044】
2群とも健全に運転されているときに比べ、片群のみの運転時には、直列に並んだ相手側のユニットは運転されていないことになるので、冷却が楽になる。つまり「コンバータ2」では半導体素子の温度上昇が小さくなり、さらにこの「コンバータ2」での熱損失を増大させることが可能になる。「インバータ2」でもその風下側に置かれた半導体素子冷却ユニットの放熱部14への入風温度上昇を考える必要がなくなるので、こちらもさらに熱損失を増大させることを許容できる。
【0045】
片群をシステムより切り離して残りの群で運転継続する際は、運転継続する群の負荷が大きくなり、全群健全運転時よりも電流を増やす等必要になってくるが、その際の半導体素子からの熱損失増大にも放熱部での冷却で対応可能となり、システム性能が向上する。また、放熱部を片群運転時を考慮して徒に大きくする必要がなくなるので、半導体素子冷却ユニットの放熱部を小形化することで電力変換装置全体の小形、軽量化が可能となる。
【0046】
(第2の実施の形態)
本発明の第2の実施の形態の強制風冷式電力変換装置について、図5〜図7を用いて説明する。図5は第2の実施の形態の電力変換装置の正面図である(ただし、正面カバーを取り外した状態を示している)。図6は図5におけるD−D線断面図で、側方から見た冷却風洞部分を示す。図7は図6におけるE−E線断面図で、装置背面の冷却風洞内部の断面を示しており、半導体素子冷却ユニットの放熱部が冷却風洞内に収納されている様子を示している。
【0047】
この第2の実施の形態の適用されるシステム回路の構成は、図1に示した第1の実施の形態と同じであり、2群の電力変換回路を備えている。ただし、第2の実施の形態の場合、第1の実施の形態に対して4個の半導体素子冷却ユニットの配置が異なる。
【0048】
以下の説明では、第1の実施の形態と同様、第1の群の電力変換回路に属するコンバータ回路4、インバータ回路5をそれぞれ「コンバータ1」、「インバータ1」とし、第2群の電力変換回路に属するコンバータ回路4、インバータ回路5をそれぞれ「コンバータ2」、「インバータ2」とする。
【0049】
本実施の形態では、第1の実施の形態と同様に、異なる群の半導体素子冷却ユニットを2個、冷却風の流れに対して直列に並べて配置するが、「コンバータ1」と「コンバータ2」とを2個直列に並べ、「インバータ1」と「インバータ2」をも2個直列に並べ、これら2組を並列に並べた構成にしている。
【0050】
この構成において、「コンバータ1」、「インバータ1」の1群側をシステムより切り離した際は、残りの「コンバータ2」、「インバータ2」のみが運転されるので、当然、半導体素子より発生する熱損失、半導体素子の冷却も「コンバータ2」、「インバータ2」のみを考えればよい。したがって、「コンバータ2」では、その風上側にある「コンバータ1」から熱損失が発生していないので、「コンバータ2」の放熱部14へはほぼ外気温度と等しい空気が入風されることになる。「インバータ2」でも同様に、その風上側にある「インバータ1」から熱損失が発生していないので、「インバータ2」の放熱部14へはほぼ外気温度と等しい空気が入風されることになる。
【0051】
他方、「コンバータ2」「インバータ2」の2群側をシステムより切り離した際は、「コンバータ1」、「インバータ1」のみの運転となり、それらの風下側に配置されている半導体素子冷却ユニットの放熱部14への入風温度上昇を考慮する必要がない。
【0052】
以上により、第2の実施の形態の電力変換装置においても、第1の実施の形態と同様の効果が得られる。加えて、第2の実施の形態の場合、同じ群のコンバータ回路とインバータ回路を並列に横に並べて配置しているので、これら回路間を接続する電気的接続が比較的容易になるメリットもある。
【0053】
(第3の実施の形態)
本発明の第3の実施の形態の強制風冷式電力変換装置について、図8及び図9を用いて説明する。図8は第3の実施の形態の電力変換装置の平面図である。図9は図8におけるF−F線断面図であり、冷却風洞部分を示している。
【0054】
第1、第2の実施の形態の強制風冷式電力変換装置は、鉄道車両の床上に設置される電力変換装置だったが、この第3の実施の形態の強制風冷式電力変換装置は、鉄道車両の床下に設置される電力変換装置である。
【0055】
本実施の形態の適用されるシステム回路は、図1に示した第1の実施の形態と同じであり、2群の電力変換回路で構成される。ただし、装置筐体11aは、鉄道車両の車体15の床下に設置されており、この装置筐体11a内に電動送風機9により強制通風される冷却風洞10aがあり、4個の半導体素子冷却ユニットそれぞれがそれらの放熱部14をこの冷却風洞10aに収納した形で実装されている。装置筐体11aにおける冷却風洞10a以外の密閉部分には、半導体素子冷却ユニットの電気部品群13が収容してあり、また他の電気部品収納エリア12a,12bがある。
【0056】
4個の半導体素子冷却ユニットは第1の実施の形態と同様、コンバータユニット7とインバータユニット8が2個ずつである。以下の説明では、前出の実施の形態と同様に、コンバータ回路4、インバータ回路5について、第1群側を「コンバータ1」、「インバータ1」と呼び、第2群側を「コンバータ2」、「インバータ2」と呼ぶ。
【0057】
冷却風洞10a内で冷却風の流れに対し、2個直列に並べたものを、2組並列に並べた構成としているが、これも第1の実施の形態と同様、直列に並べた2個の半導体素子冷却ユニットは異なる群の組み合わせにしている。つまり、「コンバータ1」と「インバータ2」を2個直列に配置し、もう片方には「コンバータ2」と「インバータ1」を2個直列に配置している。
【0058】
鉄道車両15の床下設置の装置であり、装置筐体11a内に設置された冷却風洞10a内を水平方向に冷却風が流れるが、半導体素子冷却ユニットそれぞれの放熱部14に対する冷却風の流れは第1の実施の形態で説明したと同じ関係にあり、同じ効果が得られる。
【0059】
本発明は、この第3の本実施の形態で示したように、鉄道車両の床上設置の盤形の装置に適用されるだけでなく、床下設置の装置にもそのまま適用できる。
【0060】
(第4の実施の形態)
次に、本発明の第4の実施の形態の強制風冷式電力変換装置を、図10及び図11を用いて説明する。図10は第4の実施の形態が適用される直流架線鉄道車両用の交流電動機駆動システムの回路図である。図11は、本実施の形態の電力変換装置の正面図である(ただし、内部の機器配置を示すため、正面カバーを取り外した状態を示している)。
【0061】
図10に示すように、本実施の形態の電力変換装置3aは、パンタグラフ1から取り込む直流電源を交流電源に変換するインバータ回路5が2群で構成されており、それを1個の装置筐体に収納したことを特徴としている。
【0062】
本実施の形態の電力変換装置3aの適用される交流電動機駆動システムでは、パンタグラフ1より集電した直流電源が各インバータ回路5により交流に変換され、鉄道車両駆動用の各交流電動機6に供給され、この交流により各交流電動機6が駆動される。
【0063】
各インバータ回路5は3相インバータである。以下の説明では、第1群のインバータ回路5のU相を「U1」、V相を「V1」、W相を「W1」、同様に第2群の各相を「U2」、「V2」、「W2」と呼ぶ。
【0064】
これら2群のインバータ回路5で構成される電力変換回路は、それぞれが独立して運転可能であり、万が一の故障の際には、故障の発生した群だけをシステムより切り離し、残りの群で運転を継続することができる。
【0065】
次に、図11を用いて、このような回路構成の電力変換装置3aの強制風冷動作について説明する。装置筐体11内には冷却風洞10が設けられており、電動送風機9によりこの冷却風洞10内が強制通風される。
【0066】
半導体素子冷却ユニットはインバータ回路5のU,V,W相それぞれを相毎にまとめた構成としており、1群分のインバータ回路5で3個、それが2群で計6個の相単位ユニット16が単一の装置筐体11内に収納されている。
【0067】
これら相単位ユニット16の配置は、冷却風の流れに対し直列に3個並べ、それがまた並列に2組並ぶ構成にしてある。直列に上下に並べた3個の組合せは、インバータ回路5の一方の群の相単位ユニット16のみが並ぶのでなく、図11に示すように「U1」、「V2」、「W1」と「U2」、「V1」、「W2」といった組合せで、V相の相単位ユニット16がそれぞれ他方の群側と場所を交替させた組合せにしてある。
【0068】
このような相単位ユニット16の配置構成にすれば、第1群が故障によりシステムより切り離された際には、運転継続する第2群のインバータ回路5を構成する3個の相単位ユニット16は冷却風の流れに対して並列に分散した配置となり、冷却風を有効に利用することができる。この結果、第1、第2の実施の形態について説明した効果と同様の効果が得られる。
【0069】
なお、本実施の形態において、図11に示した配置の他にも、U相の相単位ユニットを他群のユニット群のものと場所を交替させた組合せ、あるいはW相の相単位ユニットを他群のユニット群のものと場所を交替させた組合せにすることも可能であり、同様の効果が得られる。
【0070】
次に、本発明の第5の実施の形態について、図12を用いて説明する。第5の実施の形態の強制風冷式電力変換装置は、回路構成は第4の実施の形態と同様、図10に示したものであるが、各群のインバータ回路5を構成する相単位ユニット16の配置が第4の実施の形態と異なる。
【0071】
すなわち、図12に示すように、冷却風の流れの方向に3個を直列に、かつそれを2組並列に並べた半導体素子冷却ユニット群のうち、下方側に第1群のインバータ回路5を構成する「U1」、「V1」、「W1」の3個の相単位ユニット16を2列にまたがって配置し、上方側に第2群のインバータ回路5を構成する「U2」、「V2」、「W2」の3個の相単位ユニット16をこれもまた2列にまたがって配置している。この第5の実施の形態の配置構成にしても、第4の実施の形態の配置構成と同様の効果が得られる。
【0072】
このように冷却風の流れに直列に並んだ複数個の半導体素子冷却ユニットが異なる電力変換回路を構成するユニットの組合せとなることで、何れも同じ効果が得られる。
【0073】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、複数群の独立して運転可能な電力変換回路のうち、ある1群が万が一の故障によりシステムから切り離された場合でも、残りの継続運転する群の半導体素子冷却ユニットに対して冷却風が必ず当たり、無駄にならずに有効に冷却することができ、温度上昇の低減が可能である。
【0074】
また、電流増加により通常運転時よりも熱損失が増えても、外気温度とほぼ同じ温度の冷却風が必ず継続運転中の群の半導体素子冷却ユニットに当たることにより、当該ユニットに対する冷却能力が増大することで対応可能であり、全群の健全運転時とある群を開放した運転時とで各半導体素子の温度上昇の違いを少なくでき、半導体素子の温度上昇許容値に対して全群の健全運転時に徒に余裕を持たせた設計をせずとも済み、バランスの良い冷却が実現できる。さらに、この結果として、適正な冷却マージンを持たせた設計ができるので、半導体素子冷却ユニットの小形化ひいては装置の小形化が可能となり、電動送風機の小形軽量化、冷却風洞の構成の簡素化等も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態の強制風冷式電力変換装置を適用した交流架線鉄道車両用の交流電動機駆動システムの回路図。
【図2】上記第1の実施の形態の強制風冷式電力変換装置の正面図。
【図3】図2におけるB−B線断面図。
【図4】図3におけるC−C線断面図。
【図5】本発明の第2の実施の形態の強制風冷式電力変換装置の正面図。
【図6】図5におけるD−D線断面図。
【図7】図6におけるE−E線断面図。
【図8】本発明の第3の実施の形態の強制風冷式電力変換装置の平面図。
【図9】図8におけるF−F線断面図。
【図10】本発明の第4の実施の形態の強制風冷式電力変換装置を適用した直流架線鉄道車両用の交流電動機駆動システムの回路図。
【図11】上記第4の実施の形態の強制風冷式電力変換装置の正面図。
【図12】本発明の第5の実施の形態の強制風冷式電力変換装置の正面図。
【図13】従来例の電力変換装置を適用した交流架線鉄道車両用の交流電動機駆動システムの回路図。
【図14】従来例の強制風冷式電力変換装置の正面図。
【図15】図14におけるA−A線断面図。
【図16】他の従来例の強制風冷式電力変換装置を適用した交流架線鉄道車両用の交流電動機駆動システムの回路図。
【符号の説明】
1 パンタグラフ
2 主変圧器
3,3a 電力変換装置
4 コンバータ回路
5 インバータ回路
6 交流電動機
7 (半導体素子冷却ユニットとしての)コンバータユニット
8 (半導体素子冷却ユニットとしての)インバータユニット
9 電動送風機
10,10a 冷却風洞
11,11a 装置筐体
14 放熱部
16 (半導体素子冷却ユニットとしての)相単位ユニット
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a forced air-cooled power converter.
[0002]
[Prior art]
The power conversion device performs power conversion by switching operation of the semiconductor element, and in order to dissipate heat generated by the switching loss, the semiconductor element constituting the power conversion device and electric components of peripheral circuits thereof are attached to a cooler so that the semiconductor element is cooled. A cooling unit is configured, and the semiconductor element cooling unit is housed in the apparatus.
[0003]
The semiconductor element cooling unit efficiently discharges the heat loss generated from the semiconductor element to the outside air and cools the semiconductor element temperature below the allowable temperature.A semiconductor element is attached to the heat receiving part of the cooler, and the heat radiation part of the cooler is cooled. The heat is dissipated outside the device by placing it in the open chamber (portion that communicates with the outside air) provided outside or inside the device.
[0004]
In order to improve the heat transfer coefficient of the heat radiating portion of the semiconductor element cooling unit, it is effective to increase the flow velocity of the cooling air passing through the heat radiating portion. For this purpose, a cooling wind tunnel is generally provided in the apparatus, in which the electric blower forcibly ventilates the air, and the radiator of the semiconductor element cooling unit is housed therein.
[0005]
Generally, the semiconductor element cooling units are grouped into units for each phase of the power conversion circuit, or grouped into units for each conversion circuit so as not to become too large in consideration of the handling of the unit. For example, in a power conversion circuit in which a converter circuit for converting an AC power supply to DC and an inverter circuit for converting the AC power to AC again are paired, a group of components constituting the converter circuit is configured as one unit to configure the inverter circuit. In many cases, the component group is combined into another unit, and each of them constitutes a semiconductor element cooling unit. When there are a plurality of groups of power conversion circuits including the converter circuits and the inverter circuits, more semiconductor element cooling units are housed in the apparatus.
[0006]
The circuit diagram of FIG. 13 shows a conventional AC motor drive system for an AC overhead line railway vehicle. The AC power collected from the pantograph 1 is supplied to the primary winding of the main transformer 2, and the AC transformed by the main transformer 2 is input to the power conversion circuit 3 from the secondary winding. The power conversion circuit 3 includes a converter circuit 4 and an inverter circuit 5. The alternating current input to the power conversion circuit 3 is converted to direct current by the converter circuit 4 in the power conversion circuit 3, and is converted again to the desired voltage and current by the inverter circuit 5. The AC from the inverter circuit 5 drives an AC motor 6 for driving a railway vehicle.
[0007]
FIG. 14 is a front view of a power conversion device including the conventional power conversion circuit. FIG. 14 shows a state in which the front cover is removed to show the internal device arrangement. FIG. 15 is a sectional view taken along line AA in FIG.
[0008]
As the semiconductor element cooling unit, there are a converter unit 7 in which a group of components constituting the converter circuit 4 is integrated, and an inverter unit 8 in which a group of components constituting the inverter circuit 5 are integrated, and a cooling wind tunnel 10 forcedly ventilated by an electric blower 9. The heat loss generated from the semiconductor element is discharged inside. The cooling wind tunnel 10 is configured to penetrate vertically through the inside of the device housing 11. The upper and lower end surfaces of the cooling wind tunnel 10 are opened for taking in and discharging outside air, and the outside air is sucked in from below and discharged upward by an electric blower 9 provided in an upper portion of the cooling wind tunnel 10. The area other than the cooling wind tunnel 10 in the device housing 11 is a closed chamber. There is another electrical component storage area 12 in the closed chamber in the device housing 11.
[0009]
The semiconductor element cooling unit of the converter unit 7 and the inverter unit 8 has a semiconductor element and an electric component group 13 of its peripheral circuit mounted on the front side (the front side when the device is stored), and has a radiator 14 of a cooler on the rear side. Is provided. The radiator 14 is accommodated in the cooling wind tunnel 10 and is cooled by forced ventilation.
[0010]
The arrangement of the converter unit 7 and the inverter unit 8 depends on the size of the device housing 11, the cooling wind tunnel 10 formed therein, the converter unit 7 and the inverter unit 8, and the like. In many cases, they are arranged in series with respect to the flow of the cooling air so that they can be simply configured. When a larger number of semiconductor element cooling units are accommodated in the device housing 11, the cooling units are often arranged in series with respect to the flow of cooling air in the cooling wind tunnel 10 and also arranged in parallel. .
[0011]
So far, the power converter having one set of power converters 3 in which the converter circuit 4 and the inverter circuit 5 are paired has been described. However, there is a power converter including a plurality of groups of power converters. This will also be described briefly.
[0012]
FIG. 16 is a circuit diagram of an AC motor driving system for an AC overhead line railway vehicle, similar to FIG. 13, but a system in which a power conversion circuit 3 in which a converter circuit 4 and an inverter circuit 5 are paired is configured in two groups. It is.
[0013]
In such a power conversion device including a plurality of groups of power conversion circuits 3, by allowing each of the power conversion circuits to be independently operable, in the event of a failure, only the group in which a failure has occurred is separated from the system. The operation can be continued with only the remaining healthy groups, and a highly redundant power converter can be realized.
[0014]
The converter circuit 4 of one group is called “converter 1”, the inverter circuit is called “inverter 1”, the converter circuit 4 of the other group is called “converter 2”, and the inverter circuit is called “inverter 2”. That is, when the "converter 1" or the "inverter 1" fails, this group is disconnected from the system, and the remaining "converter 2" and "inverter 2" sides are continuously operated, so that the redundancy as a railway vehicle system is obtained. Is a high system.
[0015]
A power converter that realizes this system requires two sets of power converters similar to those shown in FIGS. 14 and 15, but two sets are combined in a single device housing, which is appropriate for the motor control capacity. Innovative measures such as reviewing the rated components and reducing the size have been made so far, and have been used as a plurality of groups of power conversion circuits to compensate for the increase in the number of components.
[0016]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in the forced air cooling type power converter in which the heat radiating portion of the semiconductor element cooling unit is arranged in the cooling air tunnel forcibly ventilated by the electric blower or the like, the cooling air flow is arranged in series with the flow of the cooling air in the cooling air tunnel. There is a problem that the temperature of the cooling air sucked into the heat radiating portion of the semiconductor element cooling unit varies.
[0017]
In the power converter shown in FIGS. 14 and 15, when the inside of the cooling wind tunnel 10 is forcibly ventilated by the electric blower 9, the heat is dissipated in the inverter unit 8 arranged on the windward side (the inlet side). Air having a temperature substantially equal to the outside air temperature is sent to the section 14, but passes through the heat radiating section 14 of the inverter unit 8 with respect to the heat radiating section 14 of the converter unit 7 arranged on the leeward side (the exhaust side). Since the cooling air that has passed through is passed, the temperature of the ventilation air is higher than the outside air temperature due to the exhaust heat from the inverter unit 8. Therefore, cooling conditions become severe in the heat radiating portion on the converter unit 7 side arranged on the leeward side.
[0018]
That is, the cooling wind tunnel 10 in which the heat radiating portion 14 is placed is forcibly ventilated from below to above by the electric blower 9, and heat exchange is performed by passing the forced air through the heat radiating portion 14. The air sucked into the cooling wind tunnel 10 is substantially equal to the outside air temperature, and heat is discharged to the ventilation air side by the heat dissipating portion 14 arranged on the windward side due to the temperature difference between the air temperature substantially equal to the outside air temperature and the heat dissipating portion 14. . The temperature of the air passing through the radiator 14 on the leeward side increases due to the heat loss discharged on the leeward side, and then goes to the radiator 14 located on the leeward side.
[0019]
Similarly, heat is discharged to the air side by the temperature difference between the heat radiation part 14 and the air temperature of the ventilation to the heat radiation part 14 on the leeward side. Cooling is disadvantageous. For example, if the same heat loss as that of the radiator 14 on the leeward side is discharged, the temperature of the radiator 14 on the leeward side will increase unnecessarily by the rise in the air temperature on the inlet side. As a result, it is inevitable that the temperature of the semiconductor element on the leeward side becomes higher than that on the leeward side.
[0020]
The top and bottom arrangement suitable for the difference in heat loss generated by each semiconductor element cooling unit is devised, and the size of the cooler itself is changed between the upper and lower heat radiating parts so that the temperature rise value of the semiconductor element does not extremely differ Although considerations such as are taken into account, the temperature rise on the side of the semiconductor element cooling unit arranged on the leeward side as described above is generally higher, so that the temperature rise allowable value on the windward side is not sufficient. Generally, there is a margin and there is little margin on the leeward side.
[0021]
Furthermore, in a power conversion device including a plurality of groups of power conversion circuits, when one group is disconnected from the system due to a failure, the current value of the remaining group is smaller than that of the normal group in which all the groups operate normally. , Etc., and the generated heat loss increases. In the design of the cooling capacity, the cooling capacity is set in consideration of such a case, so that there is a sufficient margin for the allowable temperature rise during the normal operation.
[0022]
As described above, in the conventional forced air cooling type power converter, the difference in temperature rise between the two semiconductor element cooling units arranged in series in the cooling air channel along the flow of the cooling air, There is a difference in the temperature rise that occurs between the operation and the operation of only one group, and not all of them have the same margin for the temperature rise allowable value of the semiconductor element. This is a factor that hinders miniaturization of the entire device.
[0023]
The present invention has been made in view of such a conventional technical problem, and a plurality of groups of independent power conversion circuits are housed in a single device housing, and each of the plurality of semiconductor element cooling units is wasted. It is an object of the present invention to provide a forced-air-cooling type power converter capable of improving cooling efficiency, improving device performance, and realizing downsizing by providing a proper margin without any problem.
[0024]
[Means for Solving the Problems]
The invention according to claim 1 is a forced air cooling type power converter in which a heat radiating portion of a semiconductor element cooling unit is disposed in a cooling wind tunnel forcibly ventilated by an electric blower or the like, wherein a plurality of groups of independently operable power are provided. The conversion circuit is housed in a single device housing, each group of the power conversion circuit is constituted by a plurality of the semiconductor element cooling units, and the plurality of the semiconductor element cooling units are arranged in the cooling wind tunnel. Are arranged in a plurality of rows with respect to the flow of the cooling air, and the plurality of semiconductor element cooling units arranged in series in the cooling air channel along the flow of the cooling air have at least two groups. And a semiconductor element cooling unit constituting each of the power conversion circuits.
[0025]
The invention according to claim 2 is a forced air cooling type power converter in which a heat radiating portion of a semiconductor element cooling unit is disposed in a cooling wind tunnel forcibly ventilated by an electric blower or the like, and a converter circuit for converting an AC power supply to a DC. A plurality of groups of power conversion circuits, which are paired with inverter circuits for converting converted DC to AC again, are housed in a single device housing, and each group of converter circuits can be operated independently. Alternatively, the semiconductor element cooling unit is configured for each divided phase, and the semiconductor element cooling unit is configured for each of a group of inverter circuits that can be operated independently or for each divided phase, and Wherein the semiconductor element cooling unit on the converter circuit side and the semiconductor element cooling unit on the inverter circuit side are arranged in series along the flow of cooling air in the cooling wind tunnel. It is an.
[0026]
The invention according to claim 3 is a forced air cooling type power converter in which a heat radiating portion of a semiconductor element cooling unit is disposed in a cooling wind tunnel forcibly ventilated by an electric blower or the like, and a converter circuit for converting an AC power supply to a DC. A plurality of groups of power conversion circuits, which are paired with inverter circuits for converting converted DC to AC again, are housed in a single device housing, and each group of converter circuits can be operated independently. Alternatively, the semiconductor element cooling unit is configured for each divided phase, and the semiconductor element cooling unit is configured for each of a group of inverter circuits that can be operated independently or for each divided phase, and The semiconductor element cooling units constituting the converter circuits are arranged in series along the flow of the cooling air in the cooling wind tunnel, and the semiconductor element cooling units constituting different groups of inverter circuits are arranged. It is characterized in that arranged in series along a knit together with the flow of the cooling air.
[0027]
The invention according to claim 4 is a forced air cooling type power converter in which a heat radiating portion of a semiconductor element cooling unit is arranged in a cooling wind tunnel forcibly ventilated by an electric blower or the like, wherein a plurality of groups for converting DC power to AC are provided. An inverter circuit is housed in a single device housing, and the semiconductor element cooling unit is configured for each phase constituting each group of inverter circuits that can operate independently, and the semiconductor element cooling unit belonging to a different group of inverter circuits is provided. The units are arranged in series along the flow of cooling air.
[0028]
In the forced air-cooling type power converter according to the first to fourth aspects of the present invention, a semiconductor element cooling unit is configured for each of a group of independently operable inverter circuits, converter circuits, or phases obtained by dividing the groups. By arranging the arrangement and arrangement of the semiconductor element cooling units in the cooling air tunnel, even if one group is disconnected from the system due to a failure, the cooling air is supplied to the remaining semiconductor element cooling units in the continuously operating group. And effectively use the cooling air without wasting it.
[0029]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0030]
(First Embodiment)
(Structure) A forced air cooling type power converter according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 shows a circuit configuration of an AC motor drive system for an AC overhead line railway vehicle to which the forced air cooling type power converter according to the first embodiment is applied. FIG. 2 is a front view of the power conversion device according to the first embodiment (however, a state in which a front cover is removed to show an internal device arrangement). FIG. 3 is a sectional view taken along the line BB in FIG. 2 and shows a cooling wind tunnel portion viewed from the side. FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the line CC in FIG. 3, showing a cross section inside the cooling wind tunnel at the back of the device, and showing a state in which the heat radiating portion of the semiconductor element cooling unit is housed in the cooling wind tunnel.
[0031]
As shown in FIG. 1, the power conversion device 3 of the present embodiment is composed of two groups of power conversion circuits in which a converter circuit 4 and an inverter circuit 5 are paired, similarly to the conventional device shown in FIG. However, they are housed in a single device housing. Other circuit configurations are common to the conventional example.
[0032]
In the power converter 3 of the present embodiment, in each group, the AC power collected from the pantograph 1 is supplied to the primary winding of the main transformer 2 and is transformed by the main transformer 2. The AC that is transformed by the main transformer 2 and output from the secondary winding is converted to DC by the converter circuit 4, which is again converted to AC by the inverter circuit 5, and supplied to the AC motor 6 for driving the railway vehicle. The AC motor 6 is driven.
[0033]
The two groups of power conversion circuits, which constitute one group by the set of the converter circuit 4 and the inverter circuit 5, can operate independently, and in the event of a failure, only the group in which the failure has occurred is transmitted from the system. Disconnect and continue operation with the remaining group.
[0034]
In the following description, one group of converter circuits 4 is called "converter 1", the inverter circuit is called "inverter 1", the other group of converter circuits 4 is called "converter 2", and the inverter circuit is called "inverter 2". I do.
[0035]
Next, a mechanical configuration of the power converter according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. A cooling wind tunnel 10 is provided in the device housing 11, and the cooling wind tunnel 10 is forcibly ventilated by the electric blower 9.
[0036]
The cooling wind tunnel 10 is configured to penetrate vertically through the inside of the device housing 11, and the upper and lower end surfaces of the cooling wind tunnel 10 are opened for taking in and discharging outside air, and are provided at the upper part in the cooling wind tunnel 10. Outside air is taken in from the lower opening by the electric blower 9 and is discharged from the upper opening. The area other than the cooling wind tunnel 10 in the device housing 11 is a closed chamber. This closed chamber in the device housing 11 is an electric component storage area 12 other than the semiconductor element cooling unit.
[0037]
As the semiconductor element cooling unit, there are a converter unit 7 in which a group of components constituting the converter circuit 4 is aggregated and an inverter unit 8 in which a group of components constituting the inverter circuit 5 are aggregated. Two units are accommodated each, for a total of four units.
[0038]
In these semiconductor element cooling units, a semiconductor element and an electric component group 13 of peripheral circuits are mounted on the front side of the unit (on the front side when the device is stored), and a radiator 14 of a cooler is formed on the back side of the unit. The heat radiating portion 14 is housed in the cooling wind tunnel 10.
[0039]
The arrangement of four semiconductor element cooling units (two converter units 7 and two inverter units 8) is arranged in series with respect to the flow of cooling air in the cooling wind tunnel 10, and two sets are arranged in parallel again. There is a configuration. Then, the two combinations arranged in series are, on the one hand, a combination in which “converter 1” is arranged on the leeward side and “inverter 2” is arranged on the leeward side, and conversely, the “converter 2” is arranged on the leeward side. On the windward side, "inverter 1" is arranged in a combination, and the units of the other groups are arranged in series.
[0040]
(Operation) In the forced air cooling type power converter having the above-described configuration, heat loss is generated from the semiconductor element during operation, and the heat loss is dissipated to the outside air from the radiator 14 of each of the semiconductor element cooling units 7 and 8. Thereby, the semiconductor element is cooled. The cooling wind tunnel 10 in which the heat radiating portions 14 are placed is forcibly ventilated from below to above by the electric blower 9, and the forcedly ventilated air passes through each of the heat radiating portions 14 to exchange heat. The air flowing into the cooling wind tunnel 10 is substantially equal to the outside air temperature, and the heat is radiated to the air side in the heat radiating portion 14 arranged on the windward side due to the temperature difference between the incoming air temperature and the heat radiating portion 14 substantially equal to the outside air temperature. Heat is dissipated. The air that has passed through the radiator 14 on the leeward side moves toward the radiator 14 placed on the leeward side in a state where the temperature is increased by the heat received from the radiator 14 on the leeward side.
[0041]
Similarly, heat is radiated to the air side by the temperature difference between the heat radiating portion 14 and the temperature of the incoming air to the radiating portion 14 on the leeward side. Is disadvantaged.
[0042]
Here, the operation when one of the two groups of power conversion circuits is separated from the system will be described. Now, assuming that the first group of the "converter 1" and the "inverter 1" is separated from the system, only the remaining "converter 2" and the "inverter 2" are operated. As for the cooling of the semiconductor element, only the “converter 2” and the “inverter 2” may be considered. When the heat radiating portion 14 in the cooling wind tunnel 10 is the “converter 2” located on the leeward side, no heat loss occurs from the “inverter 1” located on the leeward side. Air equal to the outside air temperature will be blown in. On the other hand, the condition of the incoming air temperature is not changed in the “inverter 2”, but the rise in the temperature of the air passing through the heat radiating portion 14 of the “inverter 2” affects the “converter 1” which is arranged next in series. Will not give.
[0043]
Due to the above forced air cooling function, the semiconductor element cooling units arranged in series with respect to the flow of cooling air are in a combination of different groups. Therefore, when operating only one group, the semiconductor element cooling units are arranged in two rows in series. The cooling air flowing to both sides remains and is effectively sent to the group-side semiconductor element cooling unit that is operated.
[0044]
Compared to when both groups are operating normally, when only one group is operated, the units on the other side arranged in series are not operated, so that cooling becomes easier. That is, in the "converter 2", the temperature rise of the semiconductor element is reduced, and the heat loss in the "converter 2" can be further increased. In the “inverter 2” as well, it is not necessary to consider an increase in the temperature of the incoming air to the heat radiating portion 14 of the semiconductor element cooling unit placed on the leeward side of the “inverter 2”.
[0045]
When one group is separated from the system and operation is continued with the remaining group, the load on the group that continues operation increases, and it becomes necessary to increase the current, etc. compared to when all the groups are in healthy operation. It is possible to cope with an increase in heat loss due to cooling by the heat radiating portion, and the system performance is improved. In addition, since it is not necessary to increase the size of the heat radiating portion in consideration of the single-group operation, it is possible to reduce the size of the heat radiating portion of the semiconductor element cooling unit, thereby reducing the size and weight of the entire power converter.
[0046]
(Second embodiment)
A forced air-cooled power converter according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 5 is a front view of the power converter according to the second embodiment (however, a state where a front cover is removed) is shown. FIG. 6 is a sectional view taken along line DD in FIG. 5 and shows a cooling wind tunnel portion viewed from the side. FIG. 7 is a cross-sectional view taken along the line EE in FIG. 6, showing a cross section of the inside of the cooling wind tunnel on the back surface of the device, and shows a state where the heat radiating portion of the semiconductor element cooling unit is housed in the cooling wind tunnel.
[0047]
The configuration of a system circuit to which the second embodiment is applied is the same as that of the first embodiment shown in FIG. 1, and includes two groups of power conversion circuits. However, in the case of the second embodiment, the arrangement of the four semiconductor element cooling units differs from that of the first embodiment.
[0048]
In the following description, similarly to the first embodiment, the converter circuit 4 and the inverter circuit 5 belonging to the first group of power conversion circuits are referred to as “converter 1” and “inverter 1,” respectively, and the second group of power conversion circuits The converter circuit 4 and the inverter circuit 5 belonging to the circuit are referred to as “converter 2” and “inverter 2”, respectively.
[0049]
In the present embodiment, as in the first embodiment, two semiconductor element cooling units of different groups are arranged in series with respect to the flow of cooling air, but “converter 1” and “converter 2” Are arranged in series, two “inverter 1” and “inverter 2” are also arranged in series, and these two sets are arranged in parallel.
[0050]
In this configuration, when the first group of the "converter 1" and the "inverter 1" is disconnected from the system, only the remaining "converter 2" and the "inverter 2" are operated. Heat loss and cooling of the semiconductor element may be considered only for "converter 2" and "inverter 2". Therefore, in the “converter 2”, since heat loss does not occur from the “converter 1” located on the windward side, air almost equal to the outside air temperature enters the radiator 14 of the “converter 2”. Become. Similarly, in the “inverter 2”, no heat loss is generated from the “inverter 1” on the windward side, so that air having substantially the same outside air temperature enters the radiator 14 of the “inverter 2”. Become.
[0051]
On the other hand, when the second group of the “converter 2” and the “inverter 2” is disconnected from the system, only the “converter 1” and the “inverter 1” are operated, and the cooling of the semiconductor element cooling units arranged on the leeward side thereof is performed. There is no need to consider the rise in the temperature of air entering the heat radiating section 14.
[0052]
As described above, the same effects as those of the first embodiment can be obtained also in the power conversion device of the second embodiment. In addition, in the case of the second embodiment, since the converter circuits and the inverter circuits of the same group are arranged side by side in parallel, there is an advantage that the electrical connection between these circuits is relatively easy. .
[0053]
(Third embodiment)
A forced air-cooled power converter according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 8 is a plan view of a power converter according to the third embodiment. FIG. 9 is a sectional view taken along the line FF in FIG. 8 and shows a cooling wind tunnel portion.
[0054]
Although the forced air-cooled power converters of the first and second embodiments are power converters installed on the floor of a railway vehicle, the forced air-cooled power converters of the third embodiment are , A power conversion device installed under the floor of a railway vehicle.
[0055]
The system circuit to which this embodiment is applied is the same as that of the first embodiment shown in FIG. 1, and is composed of two groups of power conversion circuits. However, the device housing 11a is installed under the floor of the body 15 of the railway vehicle, and inside the device housing 11a, there is a cooling wind tunnel 10a that is forcibly ventilated by the electric blower 9, and each of the four semiconductor element cooling units is provided. Are mounted in such a manner that the heat radiating portions 14 are housed in the cooling wind tunnel 10a. In the closed part other than the cooling wind tunnel 10a in the device housing 11a, the electric component group 13 of the semiconductor element cooling unit is accommodated, and there are other electric component storage areas 12a, 12b.
[0056]
As in the first embodiment, the four semiconductor element cooling units each include two converter units 7 and two inverter units 8. In the following description, the first group side of the converter circuit 4 and the inverter circuit 5 is referred to as “converter 1” and “inverter 1”, and the second group side is referred to as “converter 2”, as in the previous embodiment. , "Inverter 2".
[0057]
In the cooling wind tunnel 10a, two sets are arranged in series with respect to the flow of the cooling air, and two sets are arranged in parallel. This is also the same as in the first embodiment. The semiconductor element cooling units are combined in different groups. That is, two “converter 1” and “inverter 2” are arranged in series, and two “converter 2” and “inverter 1” are arranged in series on the other side.
[0058]
This is a device installed under the floor of a railway vehicle 15, and a cooling air flows horizontally in a cooling air tunnel 10 a installed in the device housing 11 a. The relationship is the same as that described in the first embodiment, and the same effect can be obtained.
[0059]
As shown in the third embodiment, the present invention can be applied not only to a plate-shaped device installed on the floor of a railway vehicle but also to a device installed under the floor.
[0060]
(Fourth embodiment)
Next, a forced air-cooled power converter according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 10 is a circuit diagram of an AC motor drive system for a DC overhead line railway vehicle to which the fourth embodiment is applied. FIG. 11 is a front view of the power conversion device according to the present embodiment (however, a state where a front cover is removed is shown to show the internal device arrangement).
[0061]
As shown in FIG. 10, the power conversion device 3a of the present embodiment includes two groups of inverter circuits 5 for converting a DC power supply taken from the pantograph 1 into an AC power supply, and the inverter circuit 5 is connected to one device housing. It is characterized by being stored in.
[0062]
In the AC motor drive system to which the power converter 3a according to the present embodiment is applied, DC power collected from the pantograph 1 is converted into AC by each inverter circuit 5 and supplied to each AC motor 6 for driving a railway vehicle. Each AC motor 6 is driven by this AC.
[0063]
Each inverter circuit 5 is a three-phase inverter. In the following description, the U phase of the first group of inverter circuits 5 is “U1”, the V phase is “V1”, the W phase is “W1”, and similarly, the phases of the second group are “U2” and “V2”. , "W2".
[0064]
Each of the power conversion circuits composed of these two groups of inverter circuits 5 can be operated independently. In the event of a failure, only the group in which the failure occurred is separated from the system, and the remaining groups are operated. Can be continued.
[0065]
Next, the forced air cooling operation of the power converter 3a having such a circuit configuration will be described with reference to FIG. A cooling wind tunnel 10 is provided in the device housing 11, and the inside of the cooling wind tunnel 10 is forcibly ventilated by the electric blower 9.
[0066]
The semiconductor element cooling unit has a configuration in which the U, V, and W phases of the inverter circuit 5 are grouped for each phase, and three inverter circuits 5 for one group and six phase unit units 16 for two groups are provided. Are housed in a single device housing 11.
[0067]
The arrangement of these phase unit units 16 is such that three units are arranged in series with respect to the flow of the cooling air, and two sets are arranged in parallel. In the three combinations arranged vertically in series, not only the phase unit units 16 of one group of the inverter circuit 5 are arranged but also “U1”, “V2”, “W1” and “U2” as shown in FIG. , "V1", "W2", the combination of the V-phase unit units 16 is alternated with the other group.
[0068]
With such an arrangement configuration of the phase unit units 16, when the first group is disconnected from the system due to a failure, the three phase unit units 16 constituting the second group of inverter circuits 5 that continue to operate are The arrangement is distributed in parallel with the flow of the cooling air, and the cooling air can be used effectively. As a result, the same effects as those described in the first and second embodiments can be obtained.
[0069]
In the present embodiment, in addition to the arrangement shown in FIG. 11, a combination in which the U-phase unit is replaced with that of another unit group, or the W-phase unit is replaced by another unit It is also possible to use a combination in which the locations of the units of the group are replaced with those of the units, and the same effect can be obtained.
[0070]
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The forced air cooling type power converter according to the fifth embodiment has a circuit configuration similar to that of the fourth embodiment shown in FIG. 10, but a phase unit constituting each group of inverter circuits 5. The arrangement of 16 is different from that of the fourth embodiment.
[0071]
That is, as shown in FIG. 12, a first group of inverter circuits 5 is provided on the lower side of a semiconductor element cooling unit group in which three units are arranged in series in the direction of the flow of the cooling air, and two units are arranged in parallel. "U2", "V2", which constitutes the second group of inverter circuits 5 by arranging three phase unit units 16 of "U1", "V1", and "W1" over two rows and constituting the second group of inverter circuits 5 on the upper side , “W2” are also arranged in two rows. Even in the arrangement of the fifth embodiment, the same effects as those of the arrangement of the fourth embodiment can be obtained.
[0072]
As described above, the same effect can be obtained by combining a plurality of semiconductor element cooling units arranged in series in the flow of the cooling air with units constituting different power conversion circuits.
[0073]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, even if one of a plurality of groups of independently operable power conversion circuits is disconnected from the system due to a failure, the remaining group of semiconductor elements that are continuously operated The cooling air always hits the cooling unit, so that the cooling can be effectively performed without wasting and the temperature rise can be reduced.
[0074]
Further, even if the heat loss is increased as compared with the normal operation due to the increase in current, the cooling air having substantially the same temperature as the outside air always hits the semiconductor element cooling units in the continuously operating group, thereby increasing the cooling capacity for the unit. It is possible to reduce the difference in the temperature rise of each semiconductor element between the normal operation of all groups and the operation of opening a certain group. Sometimes it is not necessary to have a design with extra space, and a well-balanced cooling can be realized. Furthermore, as a result, it is possible to design with an appropriate cooling margin, so that the semiconductor element cooling unit can be downsized and the device can be downsized. Is also possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram of an AC motor drive system for an AC overhead line railway vehicle to which a forced air cooling type power converter according to a first embodiment of the present invention is applied.
FIG. 2 is a front view of the forced air-cooled power converter according to the first embodiment.
FIG. 3 is a sectional view taken along line BB in FIG. 2;
FIG. 4 is a sectional view taken along line CC in FIG. 3;
FIG. 5 is a front view of a forced air-cooled power converter according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a sectional view taken along line DD in FIG. 5;
FIG. 7 is a sectional view taken along line EE in FIG. 6;
FIG. 8 is a plan view of a forced air-cooled power converter according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a sectional view taken along line FF in FIG. 8;
FIG. 10 is a circuit diagram of an AC motor drive system for a DC overhead line railway vehicle to which a forced air cooling type power converter according to a fourth embodiment of the present invention is applied.
FIG. 11 is a front view of a forced air-cooled power converter according to the fourth embodiment.
FIG. 12 is a front view of a forced air-cooled power converter according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a circuit diagram of an AC motor drive system for an AC overhead line railway vehicle to which a conventional power converter is applied.
FIG. 14 is a front view of a conventional forced air cooling type power converter.
FIG. 15 is a sectional view taken along line AA in FIG. 14;
FIG. 16 is a circuit diagram of an AC motor drive system for an AC overhead line railway vehicle to which another conventional forced air cooling type power converter is applied.
[Explanation of symbols]
1 Pantograph
2 Main transformer
3,3a power converter
4 Converter circuit
5 Inverter circuit
6 AC motor
7 Converter unit (as semiconductor element cooling unit)
8 Inverter unit (as semiconductor element cooling unit)
9 Electric blower
10,10a cooling wind tunnel
11, 11a Device housing
14 Heat radiating part
16 Phase unit unit (as semiconductor element cooling unit)

Claims (4)

電動送風機等により強制通風される冷却風洞内に半導体素子冷却ユニットの放熱部を配置した強制風冷式電力変換装置であって、
複数群の独立して運転可能な電力変換回路を単一の装置筐体内に収納し、
前記電力変換回路の各々1群分を複数個の前記半導体素子冷却ユニットで構成し、
前記冷却風洞内に前記複数個の半導体素子冷却ユニットをそれらの放熱部が冷却風の流れに対し複数列に並ぶように配置し、
前記冷却風洞内で冷却風の流れに沿って直列に配置される前記複数個の半導体素子冷却ユニットには、少なくとも2群の前記電力変換回路それぞれを構成する半導体素子冷却ユニットを含めたことを特徴とする強制風冷式電力変換装置。
A forced air-cooled power converter in which a heat radiating portion of a semiconductor element cooling unit is arranged in a cooling wind tunnel forcibly ventilated by an electric blower or the like,
A plurality of groups of independently operable power conversion circuits are housed in a single device housing,
Each group of the power conversion circuit is composed of a plurality of the semiconductor element cooling units,
Arranging the plurality of semiconductor element cooling units in the cooling wind tunnel such that their heat radiating portions are arranged in a plurality of rows with respect to the flow of the cooling air,
The plurality of semiconductor element cooling units arranged in series along the flow of the cooling air in the cooling wind tunnel include semiconductor element cooling units constituting at least two groups of the power conversion circuits. Forced air-cooled power converter.
電動送風機等により強制通風される冷却風洞内に半導体素子冷却ユニットの放熱部を配置した強制風冷式電力変換装置であって、
交流電源を直流に変換するコンバータ回路と変換された直流を再び交流に変換するインバータ回路とが対になった電力変換回路の複数群を、単一の装置筐体内に収納し、
独立して運転可能である1群分のコンバータ回路毎またはそれを分割した相毎に前記半導体素子冷却ユニットを構成し、
独立して運転可能である1群分のインバータ回路毎またはそれを分割した相毎に前記半導体素子冷却ユニットを構成し、
異なる群に属する前記コンバータ回路側の半導体素子冷却ユニットとインバータ回路側の半導体素子冷却ユニットとを前記冷却風洞内の冷却風の流れに沿って直列に配置したことを特徴とする強制風冷式電力変換装置。
A forced air-cooled power converter in which a heat radiating portion of a semiconductor element cooling unit is arranged in a cooling wind tunnel forcibly ventilated by an electric blower or the like,
A plurality of groups of power conversion circuits in which a converter circuit for converting an AC power supply to DC and an inverter circuit for converting converted DC to AC again are housed in a single device housing,
The semiconductor element cooling unit is configured for each of a group of converter circuits that can be operated independently or for each of the divided phases,
The semiconductor element cooling unit is configured for each of a group of inverter circuits that can be operated independently or for each divided phase thereof,
A forced air cooling type power supply, wherein the semiconductor element cooling unit on the converter circuit side and the semiconductor element cooling unit on the inverter circuit side belonging to different groups are arranged in series along the flow of cooling air in the cooling wind tunnel. Conversion device.
電動送風機等により強制通風される冷却風洞内に半導体素子冷却ユニットの放熱部を配置した強制風冷式電力変換装置であって、
交流電源を直流に変換するコンバータ回路と変換された直流を再び交流に変換するインバータ回路とが対になった電力変換回路の複数群を、単一の装置筐体内に収納し、
独立して運転可能である1群分のコンバータ回路毎またはそれを分割した相毎に前記半導体素子冷却ユニットを構成し、
独立して運転可能である1群分のインバータ回路毎またはそれを分割した相毎に前記半導体素子冷却ユニットを構成し、
異なる群のコンバータ回路を構成する半導体素子冷却ユニット同士を前記冷却風洞内の冷却風の流れに沿って直列に配置し、かつ異なる群のインバータ回路を構成する半導体素子冷却ユニット同士を前記冷却風の流れに沿って直列に配置したことを特徴とする強制風冷式電力変換装置。
A forced air-cooled power converter in which a heat radiating portion of a semiconductor element cooling unit is arranged in a cooling wind tunnel forcibly ventilated by an electric blower or the like,
A plurality of groups of power conversion circuits in which a converter circuit for converting an AC power supply to DC and an inverter circuit for converting converted DC to AC again are housed in a single device housing,
The semiconductor element cooling unit is configured for each of a group of converter circuits that can be operated independently or for each of the divided phases,
The semiconductor element cooling unit is configured for each of a group of inverter circuits that can be operated independently or for each divided phase thereof,
The semiconductor element cooling units constituting different groups of converter circuits are arranged in series along the flow of the cooling air in the cooling wind tunnel, and the semiconductor element cooling units constituting different groups of inverter circuits are separated from each other by the cooling air. A forced air-cooled power converter, which is arranged in series along the flow.
電動送風機等により強制通風される冷却風洞内に半導体素子冷却ユニットの放熱部を配置した強制風冷式電力変換装置であって、
直流電源を交流に変換する複数群のインバータ回路を単一の装置筐体内に収納し、
独立して運転可能な各群のインバータ回路を構成する相毎に前記半導体素子冷却ユニットを構成し、
異なる群のインバータ回路に属する前記半導体素子冷却ユニットを冷却風の流れに沿って直列に配置したことを特徴とする強制風冷式電力変換装置。
A forced air-cooled power converter in which a heat radiating portion of a semiconductor element cooling unit is arranged in a cooling wind tunnel forcibly ventilated by an electric blower or the like,
A plurality of groups of inverter circuits for converting DC power to AC are housed in a single device housing,
Configuring the semiconductor element cooling unit for each phase constituting an inverter circuit of each group operable independently,
A forced-air-cooled power converter, wherein the semiconductor element cooling units belonging to different groups of inverter circuits are arranged in series along a flow of cooling air.
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