JP2004087711A

JP2004087711A - 強制風冷式電力変換装置

Info

Publication number: JP2004087711A
Application number: JP2002245530A
Authority: JP
Inventors: Takashi Hashimoto; 橋本　隆; Yuji Ide; 井手　勇治
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-08-26
Filing date: 2002-08-26
Publication date: 2004-03-18

Abstract

【課題】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。
【解決手段】独立して運転可能な１群のインバータ回路５、コンバータ回路４毎に半導体素子冷却ユニット７，８を構成し、異なる群の半導体素子冷却ユニット７，８の冷却風洞１０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有効に当て、冷却風を無駄にせずに効果的に冷却できる構成にする。
【選択図】　　　図２

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

Claims

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。
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。
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。
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。