JP5470832B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、筐体内に複数のユニットを上下に多段に収納した電力変換装置に係り、特に、複数の電解コンデンサを搭載した電力変換ユニットの構造に関する。

プラントの計測設備やコンピュータなどに安定した電源供給を行う電力変換装置として無停電電源装置が知られている。無停電電源装置は、通常、筐体内に複数の制御部品がユニット化された状態で収納されている。
例えば特許文献１の装置は、筐体内に、制御部品を機能別に搭載した複数のユニットが上下に多段に収納されている。

この特許文献１の装置は、各ユニットの後部（背面）に、電源側及び負荷側とユニットを接続する配線や各ユニット間を接続する配線が設けられている。また、各ユニットは、筐体内からそれぞれ引出し自在に収納されており、各ユニットの保守・点検作業を行なう場合には、各ユニットを筐体の前面に引き出して行なうようにしている。
また、例えば特許文献２には、ユニット化されたインバータ部が記載されており、ケース内に、複数個の電解コンデンサ（電圧平滑用コンデンサ）、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート形バイポーラトランジスタ）などのパワー半導体素子モジュール、ヒートシンク、冷却ファン等が搭載されている。
特開平６−８６５６７号公報 特開２００４−１８０４２４号公報

ところで、インバータ部に搭載されている電解コンデンサは消耗部品であり、定期的に交換作業が行なわれるようになっている。
しかし、従来のユニット化されたインバータ部は、他の構成部品（パワー半導体素子モジュール、ヒートシンク、冷却ファン）の全てを分解した後に交換すべき電解コンデンサを取り外しているので、交換作業に多くの手間と時間を費やしているのが現状である。

そこで、本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、電力変換ユニットに搭載した複数の電解コンデンサの交換作業の効率化を図ることができる電力変換装置を提供することを目的としている。

本発明に係る電力変換装置は、筐体内に、電力変換を行う複数のユニットが多段に収納され、これら複数のユニットは、前記筐体の前面に設けた前記開口部に向けて引出し自在とされている電力変換装置において、電力変換を行う前記複数のユニットのうちの少なくとも一つが、電圧を平滑する複数の電解コンデンサを搭載した電力変換ユニットであって、当該電力変換ユニットは、前記複数の電解コンデンサを保持してユニットケース内に着脱自在に固定されているコンデンサ保持体を備え、前記ユニットケースは、前面に設けたケース開口に向けて互いに平行に奥行き方向に延在する一対の案内レールを備え、前記コンデンサ保持体の縁部には、前記一対の案内レール上にそれぞれ当接し、前記ケース開口に向けてスライド自在な一対のスライド板が設けられているようにした。

この発明によると、電力変換ユニットに搭載されている複数の電解コンデンサを交換する際には、ユニットケースとコンデンサ保持体とを別体とすることで、コンデンサ保持体と共に複数の電解コンデンサを交換することができる。
また、この発明によると、複数の電解コンデンサを保持したコンデンサ保持体を、ユニットケースに設けた一対の案内レールに沿って前面側にスライド移動させることができるので、電解コンデンサ交換作業の省力化が図られる。
また、本発明に係る電力変換装置は、前記コンデンサ保持体が、前記ユニットケースの前面側に配置されているとともに、少なくとも当該コンデンサ保持体より前面側に搭載されている冷却ファンを取り外すとともに、前記コンデンサの配線を取り外すことのみで前記ユニットケースから離脱可能とされているようにしてもよい。

この発明によると、筐体から電力変換ユニット全体を引き出さず、電解コンデンサの配線を取り外すことができる位置まで電力変換ユニットの前面側のみを筐体から引出すことで、コンデンサ保持体と共に複数の電解コンデンサを交換することができるので、さらに複数の電解コンデンサの交換が容易となる。

本発明に係る電力変換装置によると、電力変換ユニットに搭載されている複数の電解コンデンサを交換する際には、ユニットケースとコンデンサ保持体とを別体とすることで、コンデンサ保持体と共に複数の電解コンデンサを交換することができるので、電解コンデンサの交換作業の効率化を図ることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態（以下、実施形態という。）を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は本発明に係る無停電電源装置を前面側及び背面側から示した斜視図、図２は無停電電源装置の前面カバーを外し、前面扉を開けて筐体内部を示した図、図３は無停電電源装置内の結線図、図４は筐体に複数のユニットが多段に配置されている状態を示す側面から見た模式図、図５は第１リアクトルユニットを示す斜視図、図６は第１リアクトルユニットの平面図、図７は第１リアクトルユニット及び第１電力変換ユニットの電気的な接続構造を示す図、図８は第１電力変換ユニットを示す斜視図、図９は第１変換ユニットを正面から示した図、図１０は第１電力変換ユニットに搭載されている半導体素子及び電解コンデンサを示す平面図、図１１は図１０の状態から素子接続導体板及びコンデンサ接続導体板を配置した状態を示す平面図、図１２は保持プレートの形状を示す斜視図、図１３は保持プレートに保持されている電解コンデンサを示す図、図１４は第１電力変換ユニットを構成する冷却ファン、ヒューズ、銅バーの一部を取り外した状態を示す平面図、図１５は第１電力変換ユニットから冷却ファンを取り外した状態を示す正面図、図１６は電解コンデンサを保持している保持プレートをケースの前面開口側に引き出している状態を示す図である。

（無停電電源装置の構成）
図１（ａ）、（ｂ）に示すように、本発明に係る無停電電源装置は、筐体２０の前面開ロ部を前面カバー２１及び開閉扉２２が覆い、筐体２０の側面開ロ部を側面カバー２３が覆い、筐体２０の背面開口部を背面カバー２４が覆い、筐体２０の上部開ロ部を天面カバー２５が覆っている。

前面カバー２１及び開閉扉２２の最下部から上部側の領域には、空気を筐体２０内部に吸い込む吸気スリット２６が形成されている。背面カバー２４にも、筐体２０内部の空気を外部に排出する排気スリット２７が形成されている。また、天面カバー２５にも、筐体２０内部の空気を外部に排出する排気スリット２８が形成されているとともに、主回路線及び信号線等の外線引込スペースが形成されている。

図２に示すように、筐体２０には、内部を左右の空間に仕切る隔壁２９が配置されており、左右の空間に２組の無停電電源部ＵＰＳ１，ＵＰＳ２が収納されている。２組の無停電電源部ＵＰＳ１，ＵＰＳ２は、同一構造のユニットで筐体２０内に収納されているので、一方の無停電電源部ＵＰＳ１のみの説明を行なう。なお、図示しないが、２組の無停電電源部ＵＰＳ１，ＵＰＳ２は、商用電源と接続する入力端子及び負荷と接続する出力端子が並列に接続されている。また、本実施形態では、一例として２組の無停電電源部ＵＰＳ１，ＵＰＳ２を並列に接続する場合を示しているが、２組以上の無停電電源部をＮ組並列接続することも可能である。

無停電電源部ＵＰＳ１は、ターミナルユニット３０、ＭＣ（マグネットコンタクタ）ユニット３１、第１リアクトルユニット３２、第１電力変換ユニット３３、第２リアクトルユニット３４及び第２電力変換ユニット３５からなる複数のユニットが筐体２０内の上下方向に多段に配置されている。
第１リアクトルユニット３２は、図３に示すように、３相分の交流リアクトル３２ａ，及び直流リアクトル３２ｂ，３２ｃを備えた装置であり、商用電源から入力した交流電流の高周波成分を抑制する装置である。

第１電力変換ユニット３３は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート形バイポーラトランジスタ）などのパワー半導体素子、パワー半導体素子冷却体、電解コンデンサ等を備えた装置であり、商用電源から第１リアクトルユニット３２を介して入力した商用電力を交流から直流に変換するコンバータ装置である。
第２電力変換ユニット３５も、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート形バイポーラトランジスタ）などのパワー半導体素子、パワー半導体素子冷却体、電解コンデンサ等を備えた装置であり、第１電力変換ユニット３３から入力した直流の電力、或いは本装置に並設された蓄電池３６（図３参照）から入力した直流の電力を交流に変換するインバータ装置である。

第２リアクトルユニット３４は、図３に示すように、３相分の交流リアクトル３４ａ，Ｎ相分の交流リアクトル３４ｂ，３４ｃを備えた装置であり、第２電力変換ユニット３５から出力された交流電流の高周波成分を抑制する装置である。
ＭＣユニット３１は、図３に示すように、複数の電磁接触器３８ａ〜３８ｄ、複数のリアクトル４１ａ〜４１ｃ、主制御部、保護用ヒューズ、制御信号用インターフェース回路等を備えた装置であり、電磁接触器３８ａ〜３８ｄのＯＮ・ＯＦＦ制御により、負荷に安定した交流電力を供給する装置である。
また、ターミナルユニット３０は、交流入力Ａ相、Ｂ相、Ｃ相、直送入力Ａｃ相、Ｂｃ相及びＣｃ相、中性相Ｎの商用電源側端子と、蓄電池３６接続用の＋相端子及び−相端子と、交流出力ａ相端子、ｂ相端子、ｃ相端子と、中性相Ｎ端子を備えている。

図４に示すように、筐体２０の側面カバー２３及び隔壁２９には、前面カバー２１側（或いは開閉扉２２側）及び背面カバー２４側に延在する支持案内レール３７ａ〜３７ｆが設けられている。上部に配置した支持案内レール３７ａ，３７ｂは、ターミナルユニット３０及びＭＣユニット３１を下側から支持している。また、上下方向の中央部及び下部に配置されている支持案内レール３７ｃ〜３７ｆは、第１リアクトルユニット３２、第１電力変換ユニット３３、第２リアクトルユニット３４及び第２電力変換ユニット３５を下側から支持している。そして、各ユニットと筐体２０の枠体（不図示）とを固定するビス等の固定手段（不図示）を取り外すことで、ターミナルユニット３０、ＭＣユニット３１、第１リアクトルユニット３２、第１電力変換ユニット３３、第２リアクトルユニット３４及び第２電力変換ユニット３５は、支持案内レール３７ａ〜３７ｆ上を摺動して前面側に引き出し可能とされている。

また、図４に示すように、第１リアクトルユニット３２、第１電力変換ユニット３３、第２リアクトルユニット３４及び第２電力変換ユニット３５の前面側にはファンユニット４３〜４６が配置されている。これらファンユニット４３〜４６は、前面カバー２１、開閉扉２２の吸気スリット２６から冷風を取り込んで各ユニット内に通過させるようになっている。そして、各ユニット内を通過した空気は、背面カバー２４の排気スリット２７から外部に排出されるようになっている。

（第１リアクトルユニットの構造）
図５に示すように、第１リアクトルユニット３２は、トレイ形状のケース３２ｄの前面側にファンユニット４３が装着され、ケース３２ｄ上に、交流リアクトル３２ａ１，３２ａ２，３２ａ３，及び直流リアクトル３２ｂ、３２ｃが設置されている。ここで、交流リアクトル３２ａ１，３２ａ２，３２ａ３は、図３で示した交流リアクトル３２ａを具体的に示し、三相四線式商用電源の三相（Ａ，Ｂ，Ｃ）の入力端子にそれぞれ接続するものである。

図６に示すように、ケース３２ｄのファンユニット４３に近接する位置には、上下方向に貫通する複数の配線通過穴６６〜６９が形成されている。これら配線通過穴６６〜６９に、交流リアクトル３２ａ１，３２ａ２，３２ａ３，及び直流リアクトル３２ｂの出力側のリアクトル配線７０〜７３を上部から通過させることで、各リアクトル配線７０〜７３の出力端子７４がケース３２ｄの下方に突出している（図７参照）。

（第１電力変換ユニットの構造）
図７から図９に示すように、第１電力変換ユニット３３は、上部及び前面が開口した箱形状のケース３３ｄの前面側にファンユニット４４が装着されているとともに、ケース３３ｄの背面側に複数の半導体素子３３ａ、ファンユニット４４に隣接して収納された各半導体素子３３ａを制御するゲートドライブユニットを搭載したプリント基板３３ｂ、ヒューズ３３ｅ、入力側銅バー５６〜５９、半導体素子３３ａ及び入力側銅バー５６〜５９を電気的に接続する接続銅バー３３ｆ及びヒューズ３３ｅを備えている。

また、第１電力変換ユニット３３は、図１０に示すように、冷却ブロック（冷却フィン）６５上に複数の半導体素子３３ａが搭載され、冷却ブロック６５より前面側に、複数の電解コンデンサ６３を保持する保持プレート７６が搭載されているとともに、図１１に示すように、複数の半導体素子３３ａは、それらの上部に配置した素子接続導体板６４ａにより接続されているとともに、保持プレート７６に保持されている複数の電解コンデンサ６３は、それらの上部に配置したコンデンサ接続導体板６４ｂにより接続されている。

入力側銅バー５６〜５９は、図７に示すように、半導体素子３３ａと接続銅バー３３ｆを介して電気的に接続され、碍子６０上に配置されている固定部６１と、この固定部６１に対して直角に折曲された入力端子６２とを備えており、入力端子６２には端子固定用ねじ５５が挿通するねじ穴６２ａ（図９参照）が形成されている。
ここで、図１０に示すように、ケース３３ｄの一対の側板上縁には、ケース３３ｄの前面開口に向けて延在する一対のプレート案内片３３ｄ１，３３ｄ２が形成されており、複数の電解コンデンサ６３を保持している保持プレート７６は、一対のプレート案内片３３ｄ１，３３ｄ２上に固定されている。

保持プレート７６は、図１２に示すように、一対のプレート案内片３３ｄ１，３３ｄ２に上部から当接し、固定ねじ７７（図１０参照）を介して着脱自在にプレート案内片３３ｄ１，３３ｄ２に固定される一対のスライド片７６ａ，７６ｂと、これら一対のスライド片７６ａ，７６ｂの間の下方位置に一体に形成されたコンデンサ保持部７６ｃと、一対のスライド片７６ａ，７６ｂに挟まれたコンデンサ保持部７６ｃの一方の縁部から立ち上っている立上がり部７６ｄと、立上がり部７６ｄの上端からコンデンサ保持部７６ｃに対して離間する方向に平行に延在する平行部７６ｅと、この平行部７６ｅの縁部から下がって形成された把手部７６ｆとを備えている。コンデンサ保持部７６ｃには、各電解コンデンサ６３の胴部を挿通する挿通穴７６ｃ１が形成されている。

この保持プレート７６の立上がり部７６ｄ、平行部７６ｅ及び把手部７６ｆは、図１５に示すように、プリント基板３３ｂを搭載している門形状の板金部材からなり、ケース３３ｄの一対の側板上縁に固定されている基板支持部材７９の内部に収納されている。
また、図１３に示すように、電解コンデンサ６３の胴部には固定バンド７８が装着されており、挿通穴７６ｃ１に電解コンデンサ６３の胴部を挿通し、固定バンド７８の固定片７８ａをコンデンサ保持部７６ｃに下面から固定ねじ（不図示）で固定することにより、複数の電解コンデンサ６３がコンデンサ保持部７６ｃ上に配置されている。

上記構成の第１リアクトルユニット３２及び第１電力変換ユニット３３の電気的な接続構造は、図７に示すように、第１リアクトルユニット３２のケース３２ｄから下方に突出しているリアクトル配線７０〜７３の出力端子７４を、第１電力変換ユニット３３の入力側銅バー５６〜５９の入力端子６２に対応させる。そして、リアクトル配線７２の出力端子７４のねじ穴と入力側銅バー５８の入力端子６２のねじ穴６２ａとを対応し、図示しないが他のリアクトル配線７０、７１、７３の出力端子７４のねじ穴と入力側銅バー５６、５７、５９の入力端子６２のねじ穴６２ａもそれぞれ対応させる。そして、それらのねじ穴に挿入した端子固定用ねじ（不図示）をナット（不図示）に螺合することにより、交流リアクトル３２ａ１，３２ａ２，３２ａ３，及び直流リアクトル３２ｂのリアクトル配線７０〜７３及び入力側銅バー５６〜５９の入力端子６２が電気的に接続される。

（第１電力変換ユニットの電解コンデンサの交換手順）
次に、第１電力変換ユニット３３に収納されている複数の電解コンデンサ６３の交換手順について、図１４から図１６を参照して説明する。
先ず、筐体２０の支持案内レール３７ｄ上を摺動させながら、第１電力変換ユニット３３を筐体２０の前面側に引き出す。ここで、第１電力変換ユニット３３は、電解コンデンサ６３の配線（入力側銅バー５６〜５９）を取り外すことができる位置まで筐体２０から引き出す。

次いで、図１４に示すように、ケース３２ｄの前面に装着しているファンユニット４４を取り外し、接続銅バー３３ｆの電解コンデンサ６３側の接続のみを取り外すとともに、ヒューズ３３ｅ及び入力側銅バー５６〜５９を取り外す。このとき、素子接続導体板６４ａ、コンデンサ接続導体板６４ｂ及び接続銅バー３３ｆの半導体素子３３ａ側の接続は取り外さない。

ここで、ケース３２ｄの前面からファンユニット４４を取り外すことで、図１５に示すように、第１電力変換ユニット３３の前面開口に、プリント基板３３ｂを搭載した門形状の基板支持部材７９内に収納されている保持プレート７６の把手部７６ｆが位置する。
次いで、ケース３２ｄのプレート案内片３３ｄ１，３３ｄ２と、保持プレート７６の一対のスライド片７６ａ，７６ｂとを固定している固定ねじ７７（図１４参照）を取り外す。

そして、図１６に示すように、保持プレート７６の把手部７６ｆを掴んで、一対のスライド片７６ａ，７６ｂを、一対のプレート案内片３３ｄ１，３３ｄ２上でスライド移動させてケース３３ｄの前面開口に向けて移動させていく。これにより、交換すべき複数の電解コンデンサ６３を保持した保持プレート７６は、門形状の基板支持部材７９を通過しながらケース３３ｄの前面開口に取り出される。

そして、コンデンサ接続導体板６４ｂを取り外し、新たな複数の電解コンデンサ６３を保持した保持プレート７６を、逆の手順でケース３３ｄ内に装着し、交換のために取り外した他の部品を元の位置に取付けることで、第１電力変換ユニット３３の電解コンデンサ６３の交換作業が完了する。

（本実施形態の作用効果）
次に、本実施形態の作用効果について述べる。
第１電力変換ユニット３３の電解コンデンサ６３を交換する際には、ケース３３ｄと保持プレート７６とを別体とすることで、保持プレート７６と共に全ての電解コンデンサ６３を交換することができる。
また、把手部７６ｆを掴んで保持プレート７６をケース３３ｄの前面開口に引き出すと、保持プレート７６のスライド片７６ａ，７６ｂがケース３３ｄの一対のプレート案内片３３ｄ１，３３ｄ２が上をスライド移動していくので、重量物である複数の電解コンデンサ６３を保持プレート７６とともにケース３３ｄから容易に取り出すことができる。また、新たな複数の電解コンデンサ６３を保持した保持プレート７６をケース３３ｄに搭載する際にも、保持プレート７６のスライド片７６ａ，７６ｂをケース３３ｄの一対のプレート案内片３３ｄ１，３３ｄ２上に載せて奥行き方向にスライド移動させるだけで、容易に複数の電解コンデンサ６３を搭載することができる。このように、本実施形態は、複数の電解コンデンサ６３の交換作業の省力化を図ることができる。

また、保持プレート７６に保持された複数の電解コンデンサ６３は、ケース３３ｄの前面側に搭載されており、ケース３３ｄに搭載されている全ての部品をケース３３ｄから取り外さなくても、少なくともファンユニット４４を取り外すとともに、電解コンデンサ６３の配線を取り外すことのみで交換作業が可能であり、交換作業の効率化を図ることができる。

また、本実施形態の第２電力変換ユニット３５も、上述した第１電力変換ユニット３３と同一構造とすることで、上述した効果を奏することができる。

無停電電源装置を前面側及び背面側から示した斜視図である。 無停電電源装置の前面カバーを外し、前面扉を開けて筐体内部を示した図である。 無停電電源部の結線図である。 筐体に複数のユニットが多段に配置されている状態を示す図である。 第１リアクトルユニットを示す斜視図である。 第１リアクトルユニットを示す平面図である。 第１リアクトルユニット及び第１電力変換ユニットの電気的な接続構造を示す図である。 第１電力変換ユニットを示す斜視図である。 第１変換ユニットを正面から示した図である。 第１電力変換ユニットに搭載されている半導体素子及び電解コンデンサを示す平面図である。 図１０の状態から素子接続導体板及びコンデンサ接続導体板を配置した状態を示す平面図である。 保持プレートの形状を示す斜視図である。 保持プレートに保持されている電解コンデンサを示す図である。 第１電力変換ユニットを構成する冷却ファン、ヒューズ、銅バーの一部を取り外した状態を示す平面図である。 第１電力変換ユニットから冷却ファンを取り外した状態を示す正面図である。 電解コンデンサを保持している保持プレートをケースの前面開口側に引き出している状態を示す図である。

符号の説明

２０…筐体、２１…前面カバー、２２…開閉扉、２３…側面カバー、２４…背面カバー、２５…天面カバー、２６…吸気スリット、２７…排気スリット、２８…排気スリット、２９…隔壁、３０…ターミナルユニット、３１…ＭＣユニット、３２…第１リアクトルユニット、３２ａ…交流リアクトル、３２ａ１，３２ａ２，３２ａ３…交流リアクトル、３２ｂ，３２ｃ…直流リアクトル、３２ｄ…ケース、３３…第１電力変換ユニット（電力変換ユニット）、３３ａ…半導体素子、３３ｂ…プリント基板、３３ｄ…ケース（ユニットケース）、３３ｄ１，３３ｄ２…プレート案内片（案内レール）、３３ｅ…ヒューズ、３３ｆ…接続銅バー（コンデンサの配線）、３４…第２リアクトルユニット、３４ｂ，３４ｃ…交流リアクトル、３５…第２電力変換ユニット（電力変換ユニット）、３６…蓄電池、３７ａ〜３７ｆ…支持案内レール、３８ａ〜３８ｄ…電磁接触器、４３〜４６…ファンユニット（冷却ファン）、４１ａ〜４１ｃ…リアクトル、５６〜５９…入力側銅バー、６０…碍子、６１…固定部、６２…入力端子、６２ａ…ねじ穴、６３…電解コンデンサ、６４ａ…素子接続導体板、６４ｂ…コンデンサ接続導体板、６５…冷却ブロック、６６〜６９…配線通過穴、７０〜７３…リアクトル配線、７４…出力端子、７６…保持プレート（コンデンサ保持体）、７６ａ，７６ｂ…スライド片（スライド板）、７６ｃ…コンデンサ保持部、７６ｃ１…挿通穴、７６ｄ…立上がり部、７６ｅ…平行部、７６ｆ…把手部、７８…固定バンド、７８ａ…固定片、７９…基板支持部材、ＵＰＳ１，ＵＰＳ２…無停電電源部

Claims (2)

1. 筐体内に、電力変換を行う複数のユニットが多段に収納され、これら複数のユニットは、前記筐体の前面に設けた前記開口部に向けて引出し自在とされている電力変換装置において、
   電力変換を行う前記複数のユニットのうちの少なくとも一つが、電圧を平滑する複数の電解コンデンサを搭載した電力変換ユニットであって、当該電力変換ユニットは、前記複数の電解コンデンサを保持してユニットケース内に着脱自在に固定されているコンデンサ保持体を備え、
   前記ユニットケースは、前面に設けたケース開口に向けて互いに平行に奥行き方向に延在する一対の案内レールを備え、前記コンデンサ保持体の縁部には、前記一対の案内レール上にそれぞれ当接し、前記ケース開口に向けてスライド自在な一対のスライド板が設けられていることを特徴とする電力変換装置。
2. 前記コンデンサ保持体は、前記ユニットケースの前面側に配置されているとともに、少なくとも当該コンデンサ保持体より前面側に搭載されている冷却ファンを取り外すとともに、前記コンデンサの配線を取り外すことのみで前記ユニットケースから離脱可能とさ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。

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