JP2012005242A

JP2012005242A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2012005242A
Application number: JP2010138088A
Authority: JP
Inventors: Kenji Kamiya; 賢司上谷
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2010-06-17
Filing date: 2010-06-17
Publication date: 2012-01-05
Anticipated expiration: 2030-06-17
Also published as: JP5474674B2

Abstract

【課題】入・出力端子間に短絡事象が生じた場合でも、爆発的な外部放出エネルギに対して人的安全性を確保し、物的被害を最小限とすることができる電力変換装置を提供する。
【解決手段】金属製エンクロージャ２内に、入力端子１０５、変圧器１０６、電力変換ユニット１０７、出力端子１０８、制御部１０９を第１乃至第５仕切壁３ａ，・・・，３ｅで区画して収納し、前面の扉１１０の吸気口１１１と、エンクロージャ２の天井１１２の排気ファン１１３との間に風冷経路を形成して変圧器１０６、電力変換ユニット１０７を強制風冷するもので、電力変換ユニット１０７を風冷して排気ファン１１３に至る風冷経路中間部に、所定の大きさの空気インピーダンスを有すると共に、電力変換ユニット１０７部分の空気インピーダンス下流の該風冷経路と出力端子１０８収納部分とを仕切る第３仕切壁３ｃに、所定加圧力で仕切壁より先に破壊する放圧機構が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換部に強制風冷を行う排気ファンを設けた電力変換装置に関する。

現在、無停電電源装置や変換装置、ドライブ装置などの電力変換装置は、電力変換ユニットを高速スイッチング素子を用いた回路構成とするのが一般的で、高速スイッチング素子の高耐圧・大電流化、あるいは高速スイッチング素子の多重化によって装置の高電圧・大電流化が加速されている。一方、市場要求として電力変換装置の設置面積を縮小するための装置の小型化と価格低減の要求が強くなっている。さらに、例えばＩＥＣやＪＩＳによる感電防止の規格化や、保護のためのＩＰグレード適用など、製品安全思想の定着によって装置の安全性について各種規格化と共に要求レベルが高いものとなっている。

そして、従来の電力変換装置は、例えば図６乃至図８に示すように構成されている。すなわち、電力変換装置１０１は、その金属製のエンクロージャ１０２の内部が、３つの第１乃至第３仕切壁１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃで仕切られることにより、４つの第１乃至第４収納部１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃ，１０４ｄを横方向に並べて設けたものとなっている。４つの収納部１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃ，１０４ｄのうち、一方端の変圧器盤である第１収納部１０４ａには入力部の入力端子１０５、変圧器１０６が収納され、隣接する変換器盤の第２収納部１０４ｂには電力変換ユニット１０７が収納されている。さらに隣接する出力端子部である第３収納部１０４ｃには出力部の出力端子１０８が収納され、隣接する他方端の制御盤である第４収納部１０４ｄには制御部１０９が収納されている。

また、エンクロージャ１０２の各収納部１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃ，１０４ｄの前面には、保守点検を行うために扉１１０がヒンジにより開閉可能に設けられている。そして第１収納部１０４ａと第２収納部１０４ｂの扉１１０の下部には吸気口１１１が設けられている。さらに、エンクロージャ１０２の第１収納部１０４ａと第２収納部１０４ｂの天井１１２には、排気ファン１１３が設けられ、また第２収納部１０４ｂには、電力変換ユニット１０７の後側部分と上側部分を仕切るようにして第４仕切壁１０３ｄが設けられることにより、エンクロージャ１０２の後面と天井１１２に沿って排気ダクト１１４が形成されている。

これにより、排気ファン１１３を運転することで、外部空気を吸気口１１１からエンクロージャ１０２内に取り込み、第１収納部１０４ａでは内部を流通させた後に、また第２収納部１０４ｂでは内部を流通させて排気ダクト１１４に流出させた後に排気ファン１１３により外部に排出するようになっている。

一方、エンクロージャ１０２の各収納部１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃ，１０４ｄ内に収納された入力端子１０５、変圧器１０６、電力変換ユニット１０７、出力端子１０８、制御部１０９は、例えば入力端子１０５に外部から、エンクロージャ１０２の底面部を貫通するよう設けられた入力ケーブル１１５を介し入力された交流の電力変換を行い、所要の交流として出力端子１０８から同様にエンクロージャ１０２の底面部を貫通するよう設けられた出力ケーブル１１６を介し出力するよう内部回路電線１１７により、対応する相互が接続されている。なお、１０６ａは変圧器１０６の１次端子、１０６ｂは変圧器１０６の２次端子であり、また、１１８はエンクロージャ１０２底部に設けられた接地端子で、両ケーブル１１５，１１６のケーブルシース１１９が接続されている。

こうした構成を有する電力変換装置１０１で、例えば大きな電力を扱う大型のドライブ装置などでは、万一電路内で短絡事象が発生した場合に大きな短絡エネルギが生じる。このため、電路の保護や短絡を防止するための絶縁構造等において、さまざまな処置がとられてきている。例えば、図示しないが適切な遮断器やヒューズを設けて短絡エネルギを低減したり、入力端子１０５等の端子間隔を十分に確保して短絡の可能性を低減したり、入出力ケーブル１１５，１１７にＣＶケーブルを用いて接地層を接地端子１１８で接地したりするなどの処置がとられている。

また電力変換装置１０１が、例えばモータ駆動用の大容量インバータの場合、出力端においてはモータの慣性エネルギの形で電力が蓄えられるために出力短絡時のエネルギが大きくなる。一方で端子部分は発熱量が大きくないため、一般には人的保護や水滴や埃などに対する機械的な保護の必要から密閉されたエンクロージャ１０２に収納される。こうした装置で、万一、出力端子１０８間に短絡事象が生じた場合、空気のイオン化に伴う絶縁破壊の拡大とアークによってエネルギが放出され、密閉度の高いエンクロージャ１０２では機械的な強度が高いことから内部圧力が上昇し、強度限界を超えたときに爆発的に外部にエネルギが放出されることになって、人的・物的被害が予想される。同様に、入力端子１０５間に短絡事象が生じた場合でも同様の被害が予想される。

このような状況から見ると、上述の電力変換装置１０１において、出力端子１０８で短絡事象が生じた場合、短絡エネルギは出力端子１０８が収納された第３収納部１０４ｃの壁面等の全面に圧力をおよぼし、機械的強度限界まで内部圧力が高まった後、第３収納部１０４ｃで最も強度の弱い場所を破壊して内部圧力が爆発的に外部に放出されることになる。例えば最も強度の弱い場所の１つとして、エンクロージャ１０２の前面に開閉可能に設けられる扉１１０があり、扉１１０はヒンジやリンク棒などの固定機構で固定される一方で、保守性を高めるために面積が大きいので、他の構造部分よりも固定機構への応力集中が大きく、固定機構が破壊すると、扉１１０が設けられた前面の保守面方向に集中して爆発的なエネルギが放出され人的被害の虞が出てくる。

さらに、第３収納部１０４ｃと電力変換ユニット１０７が収納された第２収納部１０４ｂとの間には、コスト低減や質量軽減のために外装のエンクロージャ１０２等よりも薄く形成されている場合が多い防火隔壁の第２仕切壁１０３ｂがあり、この第２仕切壁１０３ｂが破壊した場合には、爆発的なエネルギは電力変換ユニット１０７に向かって放出されることになり、電力変換ユニット１０７を損傷する等の物的損傷と、他へ被害がおよぶ等して多大なコスト負担に至る被害が生じる虞がある。

上記のような状況に鑑みて本発明はなされたもので、その目的とするところは、常時の運転や保守・点検に影響を及ぼすことなく、万一、出力端子間や入力端子間など入出力部に短絡事象が生じた場合でも、短絡事象により外部に放出される爆発的なエネルギに対しての人的安全性を向上したものとすることができると共に、電力変換ユニット等に対する物的被害を最小限のものとすることができる電力変換装置を提供することにある。

本発明の電力変換装置は、前面に扉を設けた金属製エンクロージャ内に、入力端子、変圧器、電力変換ユニット、出力端子、制御部を仕切壁により区画してそれぞれ収納し、前記扉に設けた吸気口と前記金属製エンクロージャの天井に設けた排気ファンとの間に風冷経路を形成して前記変圧器及び前記電力変換ユニットを強制風冷する電力変換装置であって、前記変圧器を風冷して前記排気ファンに至る前記風冷経路中間部及び前記電力変換ユニットを風冷して前記排気ファンに至る前記風冷経路中間部に、それぞれ所定の大きさの空気インピーダンスを有すると共に、前記変圧器部分の前記空気インピーダンス下流の該風冷経路と前記入力端子の収納部とを仕切る仕切壁、又は前記電力変換ユニット部分の前記空気インピーダンス下流の該風冷経路と前記出力端子の収納部とを仕切る仕切壁のいずれか一方の仕切壁に、所定の加圧力で前記仕切壁より先に破壊する放圧機構が設けられていることを特徴とするものである。

さらに、前記放圧機構は、前記仕切壁に形成した放圧開口と、該放圧開口を閉塞する放圧板とでなると共に、該放圧板が合成樹脂製であることを特徴とするものであり、
さらに、前記放圧機構は、前記仕切壁に形成した放圧開口と、該放圧開口を閉塞する放圧板とでなると共に、前記仕切壁への該放圧板の固定ねじが合成樹脂製であることを特徴とするものであり、
さらに、前記電力変換ユニットの前記空気インピーダンス下流の前記風冷経路は、前記電力変換ユニットの収納部後側の前記金属製エンクロージャの後面部から天井部にかけて設けられた排気ダクトであり、かつ該排気ダクト内に臨むように前記放圧機構が、前記出力端子収納部の前記仕切壁に設けられていることを特徴とするものであり、
さらに、前記制御部の収納部は、前記出力端子の収納部の前方側に設けられ、両者間に設けられた仕切壁が気密に仕切る防爆隔壁であることを特徴とするものである。

本発明によれば、常時の運転や保守・点検に影響を及ぼすことがなく、入出力部で短絡事象が生じた場合における人的安全性を向上したものとすることができ、また物的被害を最小限のものとすることができる等の効果を有する。

本発明の一実施形態を示す縦断面図である。図１におけるＡ−Ａ矢視方向の断面図である。図１におけるＢ−Ｂ矢視方向の断面図である。図１におけるＣ−Ｃ矢視方向の断面図である。図１におけるＤ−Ｄ矢視方向の断面図である。従来技術を示す縦断面図である。図６におけるＥ−Ｅ矢視方向の断面図である。図６におけるＦ−Ｆ矢視方向の断面図である。

以下本発明の一実施形態を、図１乃至図５を参照して説明する。

なお、従来と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、従来と異なる本実施形態の構成について説明する。

図１乃至図５に示すように、電力変換装置１は、金属製で直方体形状をなすエンクロージャ２の内部が第１乃至第４仕切壁３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄによって仕切られており、これによって形成された第１乃至第５収納部４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅに、入力端子１０５、変圧器１０６、電力変換ユニット１０７、出力端子１０８、制御部１０９が、それぞれ収納されている。

そして、エンクロージャ２の一方端部分の入力端子盤の第１収納部４ａには入力部である入力端子１０５が収納され、これに隣接する変圧器盤の第２収納部４ｂには変圧器１０６が収納されており、さらに隣接する変換器盤の第３収納部４ｃには、高速スイッチング素子を用いた回路構成の相毎の単位変換ユニットでなる電力変換ユニット１０７が収納されている。

またエンクロージャ２の他方端部分には、第３収納部４ｃに隣接して第４収納部４ｄと第５収納部４ｅとが設けられていて、後方側の出力端子盤の第４収納部４ｄに出力部である出力端子１０８が収納され、第４収納部４ｄの前方側に設けられた制御盤の第５収納部４ｅに制御部１０９が収納されている。なお、第４収納部４ｄと第５収納部４ｅの間に設けられた第４仕切壁３ｄは、両者を気密に仕切る十分な耐力を有する防爆隔壁となっている。

エンクロージャ２の前面側部分に配設された第１収納部４ａ、第２収納部４ｂ、第３収納部４ｃ、第５収納部４ｅの前面には、保守・点検を行うための扉１１０が不図示のヒンジ、ロック機構を備えて開閉可能に設けられている。そして変圧器１０６を収納する第２収納部４ｂと、電力変換ユニット１０７を収納する第３収納部４ｃの扉１１０の下部には吸気口１１１が設けられている。

さらに、エンクロージャ２の第２収納部４ｂと第３収納部４ｃの天井１１２には、排気ファン１１３が設けられており、これによって両収納部４ｂ、４ｃ内に吸気口１１１から排気ファン１１３に至る変圧器１０６及び電力変換ユニット１０７を取り込んだ外部空気により風冷する風冷経路が形成される。

すなわち、第３収納部４ｃには、その電力変換ユニット１０７の後側部分と上側部分を仕切るようにして第５仕切壁３ｅが設けられることによって、エンクロージャ２の後面と天井１１２に沿って、排気ファン１１３に連通する排気ダクト１１４が形成され、また第５仕切壁３ｅには、電力変換ユニット１０７の後部分が連結されていて、電力変換ユニット１０７に設けられた冷却フィン５の複数の空気流路が、排気ダクト１１４に連通するようにして風冷経路が形成されている。また、第２収納部４ｂには、収納された変圧器１０６の本体上端部分との間に、所定の小間隙６を形成して第２収納部４ｂ内を上下に仕切るようにバッフルボード７が水平に設けられ、所定寸法の小間隙６を介して第２収納部４ｂの下側空間と上側空間が連通するようにして風冷経路が形成されている。

また、第２収納部４ｂには、第１仕切壁３ａのバッフルボード７より上方部分に、放圧機構を構成する第１放圧開口８が第１収納部４ａと第２収納部４ｂを連通するように形成されていると共に、第１放圧開口８には、同じく放圧機構を構成するエンクロージャ２の外装や第１仕切壁３ａ等より機械的強度の低い板、例えば合成樹脂製の第１放圧板９を、第２収納部４ｂ側の面に固定手段としてねじ１０を用いて取り付けることによって閉塞されている。

一方、第３収納部４ｃに設けられた排気ダクト１１４のダクト壁を構成する第３仕切壁３ｃにも、放圧機構を構成する第２放圧開口１０が排気ダクト１１４と第４収納部４ｄを連通するように形成されていると共に、第２放圧開口１１は、同じく放圧機構を構成するエンクロージャ２の外装や第３仕切壁３ｃ、第４仕切壁３ｄ等より機械的強度の低い板、例えば合成樹脂製の第２放圧板１２を、排気ダクト１１４側の面に固定手段としてねじ１０を用いて取り付けることによって閉塞されている。

なお、放圧機構が、入、出力端子１０５，１０８が収納された第１収納部４ａ、第４収納部４ｄの各壁面等に内部圧力が加わった際の最弱部分となるように、第１、第２放圧板９，１２を合成樹脂製としたがこれに限るものではなく、合成樹脂製のものでない場合は、それを固定する固定手段を機械的強度が低く、破断し易いねじ等の固定手段、例えば合成樹脂製のねじで固定するようにしてもよい。

また、エンクロージャ２の各収納部４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ内に収納された入力端子１０５、変圧器１０６、電力変換ユニット１０７、出力端子１０８、制御部１０９は、例えば入力端子１０５に入力された交流の電力変換を行い、所要の交流として出力端子１０８から出力するように対応する相互が接続されている。

そして、上述のように構成された電力変換装置１では、常時は排気ファン１１３を運転することで、外部空気が吸気口１１１からエンクロージャ２内に取り込まれると、第２収納部４ｂでは、空気は、図中に実線矢印で示すように、バッフルボード７で仕切られた第２収納部４ｂ内部の下側空間内を変圧器１０６本体の風冷を行いながら上方へ向かって流通する。さらに空気は、変圧器１０６の本体上端部分とバッフルボード７との間の空気通流時の負荷となる空気インピーダンスを形成する小間隙６のみを通流し、第２収納部４ｂ内部の上側空間内に流れ込み、上側空間内を流通した後、天井１１２の排気ファン１１３を通り、外部に排出される。

また、第２収納部４ｂでは、空気は、第２収納部４ｂの前面側から後面側に向かって電力変換ユニット１０７を風冷しながら流通する。そして、電力変換ユニット１０７に設けられ、空気インピーダンスとなっている冷却フィン５の複数の空気流路のみを空気は通流し、排気ダクト１１４内に流れ込み、排気ダクト１１４内を上方へと流通した後、天井１１２の排気ファン１１３を通り、外部に排出される。

また、上述のように構成された電力変換装置１では、例えば第１収納部４ａに収納された入力端子１０５で、端子間の短絡事象が発生すると、それにより空気のイオン化が起こり、絶縁破壊とその拡大が進み、アークが生じてエネルギが放出される。これに伴い第１収納部４ａの内部圧力が上昇する。そして第１収納部４ａの各壁面に対する加圧力が増大し、第１仕切壁３ａに設けた最弱部分である放圧機構の破壊強度に達すると第１放圧板９が破壊され、内部圧力が第２収納部４ｂの上側空間内に放出される。

そして、第２収納部４ｂに放出された内部圧力は、変圧器１０６の本体上端部分とバッフルボード７との間の小間隙６が空気インピーダンスとなっているので、第２収納部４ｂの下側空間方向には向かわず通流抵抗の小さい天井１１２の排気ファン１１３から外部へと放圧される。

また、例えば第４収納部４ｄに収納された出力端子１０８で、端子間の短絡事象が発生すると、同様に空気のイオン化が起こり、絶縁破壊の拡大が進み、アークが生じてエネルギが放出され、第４収納部４ｄの内部圧力が上昇する。そして第４収納部４ｄの各壁面に対する加圧力が増大し、最弱部分である放圧機構の破壊強度に達すると第２放圧板１２が破壊され、内部圧力が排気ダクト１１４内に放出される。

そして、排気ダクト１１４内に放出された内部圧力は、第５仕切壁３ｅに連結された電力変換ユニット１０７に設けられた複数の空気流路を有する冷却フィン５が空気インピーダンスとなって、通流抵抗の小さい天井１１２の排気ファン１１３から外部へと放圧される。なお、放圧機構として第１放圧板９や第２放圧板１２の固定手段のねじを合成樹脂製としたものでは、第１収納部４ａや第４収納部４ｄの各壁面に対する加圧力が合成樹脂製のねじの破断強度に達すると、ねじが破断して第１放圧板９や第２放圧板１２が外れ、放圧開口８，１１が開口する。

以上の通り、エンクロージャ２を一般な人的保護や水滴や埃などに対する機械的な保護のために密閉度の高いものとしていても、万一、入力端子１０５部分や出力端子１０８部分で短絡事象が発生し場合には、爆発的なエネルギ放出とならずに放圧することができ、第１収納部４ａ、第２収納部４ｂ、第３収納部４ｃの保守・点検面である前面の扉１１０が破壊されて人的・物的被害が発生するといった虞がなくなる。なお、制御部１０９が収納された第５収納部４ｅと出力端子１０８が収納された第４収納部４ｄとの間の第４仕切壁３ｄが、防爆隔壁で十分な耐力を有するものであるから、出力端子１０８部分で短絡事象が発生し場合でも、隣接する第５収納部４ｅにはその影響が及ばず、制御部１０９が損傷することもない。

１…電力変換装置、２…エンクロージャ、３ａ…第１仕切壁、３ｂ…第２仕切壁、３ｂ…第３仕切壁、３ｄ…第４仕切壁、３ｅ…第５仕切壁、４ａ…第１収納部、４ｂ…第２収納部、４ｃ…第３収納部、４ｄ…第４収納部、４ｅ…第５収納部、５…冷却フィン、６…小間隙、７…バッフルボード、８…第１放圧開口、９…第１放圧板、１０…ねじ、１１…第２放圧開口、１２…第２放圧板、１０５…入力端子、１０６…変圧器、１０６ａ…１次端子、１０６ｂ…２次端子、１０７…電力変換ユニット、１０８…出力端子、１０９…制御部、１１０…扉、１１１…吸気口、１１２…天井、１１３…排気ファン、１１４…排気ダクト、１１５…入力ケーブル、１１６…出力ケーブル、１１７…内部回路電線、１１８…接地端子、１１９…ケーブルシース

Claims

前面に扉を設けた金属製エンクロージャ内に、入力端子、変圧器、電力変換ユニット、出力端子、制御部を仕切壁により区画してそれぞれ収納し、前記扉に設けた吸気口と前記金属製エンクロージャの天井に設けた排気ファンとの間に風冷経路を形成して前記変圧器及び前記電力変換ユニットを強制風冷する電力変換装置であって、
前記変圧器を風冷して前記排気ファンに至る前記風冷経路中間部及び前記電力変換ユニットを風冷して前記排気ファンに至る前記風冷経路中間部に、それぞれ所定の大きさの空気インピーダンスを有すると共に、前記変圧器部分の前記空気インピーダンス下流の該風冷経路と前記入力端子の収納部とを仕切る仕切壁、又は前記電力変換ユニット部分の前記空気インピーダンス下流の該風冷経路と前記出力端子の収納部とを仕切る仕切壁のいずれか一方の仕切壁に、所定の加圧力で前記仕切壁より先に破壊する放圧機構が設けられていることを特徴とする電力変換装置。
前記放圧機構は、前記仕切壁に形成した放圧開口と、該放圧開口を閉塞する放圧板とでなると共に、該放圧板が合成樹脂製であることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
前記放圧機構は、前記仕切壁に形成した放圧開口と、該放圧開口を閉塞する放圧板とでなると共に、前記仕切壁への該放圧板の固定ねじが合成樹脂製であることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
前記電力変換ユニットの前記空気インピーダンス下流の前記風冷経路は、前記電力変換ユニットの収納部後側の前記金属製エンクロージャの後面部から天井部にかけて設けられた排気ダクトであり、かつ該排気ダクト内に臨むように前記放圧機構が、前記出力端子収納部の前記仕切壁に設けられていることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
前記制御部の収納部は、前記出力端子の収納部の前方側に設けられ、両者間に設けられた仕切壁が気密に仕切る防爆隔壁であることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。