JP6518186B2 - 電力変換器用筐体および筐体付の電力変換器 - Google Patents

Description

本発明は、とくに大容量電力変換器を収納するのに好適な電力変換器用筐体およびその電力変換器用筐体に収納された筐体付の電力変換器に関する。

特許文献１には、閉鎖母線を収納するフレームの構造の例が開示されている。従来から閉鎖母線を収納するフレーム（筐体）では、母線通電時にフレームが渦電流により発熱するという問題があった。特許文献１には、フレーム全体をアルミニウム、ステンレスなどの非磁性材で構成すること、あるいは、フレームの母線に平行な方向にスリットを設け、そのスリットを非磁性体で塞ぐことで渦電流による熱の発生を低減することが示されている。

また、特許文献２には、鉄鋼材で構成された盤フレーム近傍に大電流ブスバーが敷設される配電盤において、盤フレームに沿わせて高透磁率、高抵抗な電磁鋼板製の磁気シールド部材を敷設する例が記載されている。このような盤フレームでは、磁気シールド部材により渦電流が抑制されるので、渦電流による熱の発生を低減させることができる。

特開平５−３００６３０号公報 特開２００９−１７１７６１号公報

従来の一般的な大容量電力変換器用筐体では、その筺体の材料として、通常、非磁性のステンレス鋼材や鉄鋼材が用いられている。しかしながら、ステンレス鋼材や鉄鋼材は、高周波成分を多く含む電流が鎖交した場合、後記にて説明するように、渦電流による発熱の抑制効果が低下する。そのため、そのような大容量電力変換器用筐体では、大容量電力変換器の主回路を筐体から離して配置するなどの対策が必要となる。その結果、筺体のサイズが大型化することになってしまう。

また、大容量電力変換器用筐体では、重量物である大容量電力変換器を収納するため、筺体の梁や支柱にスリットを入れることなどは、筐体の機械的強度や耐衝撃性の観点から許容できるものではない。また、磁気シールド部材を敷設することも、筺体の大型化や高コスト化につながる。

以上の従来技術の課題に鑑み、本発明の目的は、サイズを大型化することなく、また、機械的強度や耐衝撃性を損なうこともなく渦電流発熱を抑制することが可能な電力変換器用筐体およびその電力変換器用筐体に収納された筐体付の電力変換器を提供することにある。

本発明に係る電力変換器用筐体は、複数の梁がそれぞれ多角形状に配置、連結されて構成される基礎枠および天井枠と、前記基礎枠の上部に設けられ、前記基礎枠と前記天井枠とを互いに連結するとともに、前記天井枠を支持する複数の支柱と、前記基礎枠と前記天井枠の間の位置に設けられ、前記支柱によって支持される棚と、を少なくとも備えてなり、電力変換器を収納するように構成された電力変換器用筐体であって、前記棚には、前記電力変換器の半導体スイッチングユニットが載置され、前記半導体スイッチングユニットには、配線部材で構成される交流電力主回路と前記配線部材とは別の配線部材で構成される直流電力主回路とが接続されるように構成されており、前記電力変換器用筐体は、前記基礎枠と前記天井枠を構成する前記梁のほかに、前記天井枠と前記棚との間に前記直流電力主回路の配線部材を支持する第２の梁をさらに備え、前記棚には、前記交流電力主回路の配線部材が配置され、前記第２の梁は、前記直流電力主回路の配線部材を支持し、前記電力変換器の直流電力主回路を支持する前記第２の梁は、非磁性で低抵抗率の部材で構成され、前記電力変換器の交流電力主回路が配置される前記棚は、機械的強度の大きい非磁性の部材で構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、サイズを大型化することなく、また、機械的強度や耐衝撃性を損なうこともなく渦電流発熱を抑制することが可能な電力変換器用筐体およびその電力変換器用筐体に収納された筐体付の電力変換器を提供する。

本発明の実施形態に係る電力変換器の回路構成の例を示した図。 本発明の実施形態に係る電力変換器用筐体の正面外観図の例を示した図。 本発明の実施形態に係る電力変換器用筐体の躯体構造の例を示した図。 鉄鋼材、ステンレス鋼材および銅材の渦電流加熱の周波数特性の例を示した図。 本発明の実施形態に係る電力変換器用筐体における主回路銅条の概略配置の例を示した図。 本発明の実施形態に係る電力変換器用筐体における主回路銅条の概略配置とともに半導体スイッチングユニットの配置の例を示した図。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る電力変換器１の回路構成の例を示した図である。ここで、電力変換器１は、交流電力を直流電力に変換したり、直流電力を交流電力に変換したりする装置である。図１の電力変換器１の回路構成は、従来の一般的な電力変換器と同様のものであるが、本実施形態では、電力変換器１は、とくに大電力を変換するものであるとする。

なお、図１における交流電力を直流電力に変換する電力変換器１ｃは、コンバータと呼ばれ、直流電力を交流電力に変換する電力変換器１ｉは、インバータと呼ばれる。さらに、コンバータである電力変換器１ｃとインバータである電力変換器１ｉとを、両方併せ持つ装置もしばしば電力変換器と呼ばれる。本実施形態において電力変換器１は、そのいずれであってもよいが、図１以下の説明では、電力変換器１は、コンバータである電力変換器１ｃかまたはインバータである電力変換器１ｉかのいずれかであるとする。

図１に示すように、電力変換器１ｃ，１ｉは、３つの半導体スイッチング回路１０，１１，１２により構成される。これら３つの半導体スイッチング回路１０，１１，１２は、いずれも、正側直流配線７ｐと負側直流配線７ｎとに接続されるとともに、それぞれ、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相またはＲ相、Ｓ相、Ｔ相の交流配線６ｃ，６ｉを介して交流電源２またはモータ３に接続されている。

半導体スイッチング回路１０，１１，１２は、いずれも、正側直流配線７ｐと負側直流配線７ｎとの間に２つのスイッチング素子４ｐ，４ｎが直列に接続されて構成される。なお、図１では、スイッチング素子４ｐ，４ｎとしてＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）が用いられるものとしているが、ＩＧＢＴ以外のスイッチング素子でもよい。なお、スイッチング素子４ｐ，４ｎがＩＧＢＴの場合、そのエミッタ−コレクタ間に逆方向のダイオード５ｐ，５ｎが接続される。

また、半導体スイッチング回路１０，１１，１２を構成する上下２つのスイッチング素子４ｐ，４ｎが相互に接続される部分には、さらに交流電源２またはモータ３からのＵ相、Ｖ相、Ｗ相またはＲ相、Ｓ相、Ｔ相の交流配線６ｃ，６ｉが接続されている。また、これらのスイッチング素子４ｐ，４ｎ（ＩＧＢＴ）をスイッチングする制御信号（ＩＧＢＴのゲート入力信号）は、図示しない制御装置から供給される。

以上のような電力変換器１（１ｃ，１ｉ）において、交流電源２やモータ３に接続される交流配線６ｃ，６ｉは、しばしば交流電力主回路６と呼ばれ、正側直流配線７ｐおよび負側直流配線７ｎは、直流電力主回路７と呼ばれる。このとき、交流電力主回路６を流れる電流の周波数は、主として交流電源２の周波数やモータ３の回転数などに連動して定まる。そのため、その電流の周波数成分は、低周波成分が支配的になる。一方、直流電力主回路７を流れる電流は、スイッチング素子４ｐ，４ｎをスイッチングする矩形状の制御信号で制御される。そのため、直流電力主回路７を流れる電流の周波数成分は、高周波成分が支配的になる。

図２は、本発明の実施形態に係る電力変換器用筐体８１，８２の正面外観図の例を示した図である。図２に示すように、電力変換器用筐体８１，８２は、いずれも例えば観音両開きの扉を有する箱型形状の筐体である。そして、その内部には、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相またはＲ相、Ｓ相、Ｔ相の交流配線６ｃ，６ｉがそれぞれ接続された半導体スイッチングユニット９０〜９５が収納されている。ここで、半導体スイッチングユニット９０〜９５は、図１でいう半導体スイッチング回路１０，１１，１２ごとに、それぞれのスイッチング素子４やダイオード５が基板などに実装され、１つの略長方形状のユニットにパッケージされたものをいう。

つまり、電力変換器１ｃ（コンバータ）用の電力変換器用筐体８１には、Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相の交流配線６ｃが接続された半導体スイッチングユニット９０，９１，９２が収納される。また、電力変換器１ｉ（インバータ）用の電力変換器用筐体８２には、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の交流配線６ｉが接続された半導体スイッチングユニット９３，９４，９５が収納される。

図２の例では、半導体スイッチングユニット９０〜９５は、電力変換器用筐体８１，８２の内部の上部に配置されるものとしている。すなわち、大電流が流れ、発熱量が大きい半導体スイッチングユニット９０〜９５を電力変換器用筐体８１，８２の内部の上部に配置することにより、その熱を電力変換器用筐体８１，８２の上部（天井）から効率よく放散させることができる。さらに、電力変換器用筐体８１，８２の外側の上部には、ファンなどの排熱装置が設けられ、また、正面の観音両開き扉には、通風口などが設けられている。

なお、電力変換器用筐体８１，８２の内部の下部には、各半導体スイッチング回路１０，１１，１２を制御する制御回路などが配置される。

半導体スイッチングユニット９０〜９５が以上のように配置された場合、図１でいう正側直流配線７ｐおよび負側直流配線７ｎは、これら半導体スイッチングユニット９０〜９５の後方（紙面の奥側）の太い破線Ｐ，Ｎで示される位置に配置される。また、Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相の交流配線６ｃおよびＵ相、Ｖ相、Ｗ相の交流配線６ｉは、それぞれ対応する半導体スイッチングユニット９０〜９５の傍の正面側から後方側（紙面に垂直）の方向に配置される。なお、これら直流電力主回路７、交流電力主回路６の配置については、別途、図５、図６を用いて詳しく説明する。

図３は、本発明の実施形態に係る電力変換器用筐体８１の躯体構造の例を示した図である。なお、電力変換器用筐体８１、８２は、いずれも、同じ躯体構造であるので、ここでは、その片方（電力変換器用筐体８１）の躯体構造のみを示している。

図３に示すように、電力変換器用筐体８１の基本となる躯体は、四角形状に配置、連結された４本の梁２１〜２４からなる基礎枠と、同様に四角形状に配置、連結された４本の梁２６〜２９からなる天井枠と、基礎枠の４隅と天井枠の４隅とをそれぞれ上下に連結する４本の支柱３１と、により構成される。この場合、４本の支柱３１は、基礎枠（梁２１〜２４）の４隅の上部に、基礎枠の面に略垂直に設けられ、天井枠を支持する。なお、梁２１〜２４、梁２６〜２９および支柱３１としては、例えば、断面形状がＬ字形状の山形鋼などが用いられる。

ここで、基礎枠の４本の梁２１〜２４と４本の支柱３１とは、基礎枠の４隅で、それぞれコーナー部材４０によって強固に連結される。同様に、天井枠の４本の梁２６〜２９と４本の支柱３１とは、天井枠の４隅で、それぞれコーナー部材４５によって強固に連結される。なお、コーナー部材４０（４５）は、互いに直交する３つの平面部を有しており、これら３つの平面部が交わる部分には切り欠き部が形成されている。そして、これら３つ平面部が２つの梁および１つの支柱のそれぞれの側面と接し、例えばリベットや溶接などにより互いに強固に連結される。これにより、電力変換器用筐体８１の機械的強度および耐衝撃性が確保される。

また、基礎枠（梁２１〜２４）と天井枠（梁２６〜２９）との中間の高さ位置には、半導体スイッチングユニット９０〜９２を載置する棚４３が設けられる。このとき、前面側の２つの支柱３１と後方側の２つの支柱３１との間の位置に補助の支柱３５，３８が設けられ、棚４３は、前面側の２つの支柱３１とこの２つの補助の支柱３５，３８とによって支持される。さらに、補助の支柱３５，３８は、それぞれ、基礎枠の梁２１，２３および天井枠の梁２６，２８に連結されるとともに、補助の梁２５，３０で相互に連結される。

また、棚４３は、例えば、前面側の２つの支柱３１と２つの補助の支柱３５，３８とを、基礎枠と天井枠との中間の高さ位置で略水平に連結するように設けられた２つの補助の梁４３ａと、その２つの補助の梁４３ａとの間に渡された棚板４３ｂとによって構成される。ここで、好ましくは、機械的強度を損なわない範囲で、棚板４３ｂに通風口が設けられているものとする。さらに、棚板４３ｂの上に重量物である半導体スイッチングユニット９０〜９２が載置されることを考慮し、２つの補助の梁４３ａの中間の位置には、当該２つの補助の梁４３ａをそれぞれその中間の位置で支持するための補助の支柱３６，３７が設けられている。

また、補助の支柱３５，３８との間には、棚４３と天井枠（梁２６〜２９）との中間の高さ位置で補助の支柱３５，３８を略水平に連結する梁４１，４２が設けられている。ここで、梁４１は、支柱３５および支柱３８からそれぞれ後方側に突き出た片持ち形の梁であり、梁４２は、これら２つの片持ち形の梁４１の端部同士を連結する梁である。この梁４１，４２は、直流電力主回路７の配線部材（図５の主回路銅条５６）を支持するために設けられたものである。

図４は、鉄鋼材、ステンレス鋼材および銅材の渦電流加熱の周波数特性の例を示した図である。図４のグラフは、横軸が渦電流の原因となる電流の周波数を表し、縦軸は、渦電流加熱による被加熱材の温度上昇値を表している。なお、本実施形態では、渦電流の原因となる電流とは、交流電力主回路６または直流電力主回路７を流れる電流を指す。

図４に示すように、渦電流加熱による被加熱材の温度上昇値は、電流の周波数が低い場合には、鉄鋼材、ステンレス鋼材および銅材のいずれについても大きな差はない。しかしながら、銅材の場合、温度上昇値は、周波数が高くなってもそれほど増大しないのに対し、鉄鋼材およびステンレス鋼材の場合、温度上昇値が周波数の増大とともに顕著に増大する。そして、その増大の程度は、鉄鋼材のほうがステンレス鋼材よりも大きい。

図５は、本発明の実施形態に係る電力変換器用筐体８１における主回路銅条５１，５４，５６の概略配置の例を示した図である。また、図６は、主回路銅条５１，５４，５６の概略配置とともに半導体スイッチングユニット９０〜９２の配置の例を示した図である。なお、電力変換器用筐体８１，８２における主回路銅条５１，５４，５６の配置は、いずれも、同様の配置であるので、ここでは、電力変換器用筐体８１における配置について説明する。

電力変換器１の主たる構成要素である半導体スイッチングユニット９０〜９２は、図６に示すように、棚４３の上に載置され、固定される。そして、これらの半導体スイッチングユニット９０，９１，９２の側方に交流電力主回路６、すなわち、Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相の交流配線６ｃの配線部材に相当する３本の主回路銅条５４が配置される。また、直流電力主回路７、すなわち、正側直流配線７ｐおよび負側直流配線７ｎの配線部材に対応する２本の主回路銅条５６が、半導体スイッチングユニット９０〜９２の後方に配置される。なお、銅条とは、大電流用の所定の厚みを有する長板状またはテープ状の導体材（配線部材）を指す。

前記したように、交流電力主回路６を流れる電流は、低周波成分が支配的であり、直流電力主回路７を流れる電流は、高周波成分が支配的であるという特徴がある。また、本実施形態では、図５および図６に示すように、重量物である半導体スイッチングユニット９０〜９２が棚４３の上に載置される。そして、交流電力主回路６を構成する主回路銅条５４は、棚４３の上面に絶縁材を介して略平行に配置される。

すなわち、交流電力主回路６の主回路銅条５４は、棚４３の近傍に配置されるので、棚４３には、主回路銅条５４を流れる電流により渦電流が発生する。しかしながら、主回路銅条５４を流れる電流は、低周波成分が支配的であるので、本実施形態では、棚４３を機械的強度が大きいステンレス鋼材で構成するものとする。

なお、図５および図６に示すように、３本の主回路銅条５４は、それぞれ、半導体スイッチングユニット９０，９１，９２の後方に引き出され、その下方に設けられた別の３本の主回路銅条５１に接続されている（図５では、主回路銅条５４，５１を相互につなぐ銅条の図示を省略）。そして、これらの主回路銅条５１は、３相の交流電力ケーブルなどを介して交流電源２やモータ３などに接続される。

一方、直流電力主回路７の主回路銅条５６は、梁４１，４２に支持され、梁４１，４２の近傍に配置されている。そのため、梁４１，４２には、直流電力主回路７を流れる電流より渦電流が発生する。直流電力主回路７を流れる電流は、高周波成分が支配的であるため、本実施形態では、梁４１，４２を銅材で構成するものとする。

また、本実施形態では、主回路銅条５６を支持する梁４１，４２は、前記したように、支柱３５および支柱３８からそれぞれ後方側に突き出た梁４１とその梁４１の端部を連結する梁４２とにより構成される。すなわち、主回路銅条５６は、棚４３や支柱３５，３８から離れた位置に配置される。従って、本実施形態では、棚４３や支柱３５，３８がステンレス鋼材や鉄鋼材で構成されたとしても、それらに発生する渦電流を小さくすることができる。

以上のように、本実施形態では、電力変換器用筐体８１を構成する梁、支柱、棚のうち、直流電力主回路７の近傍に位置する梁、支柱、棚については、銅材で構成する。また、交流電力主回路６の近傍に位置し、かつ、重量物を支持ずる強度部材として用いられる梁、支柱、棚については、非磁性で機械的強度が大きいステンレス鋼材で構成する。また、これら以外の梁、支柱、棚、コーナー部材などについては、機械的強度が大きい鉄鋼材で構成する。

以上、本実施形態に係る電力変換器用筐体８１では、鉄鋼材、ステンレス鋼材、銅材をその特性に合わせて利用することにより、電力変換器用筐体８１内で発生する渦電流発熱を抑制することができ、かつ、必要な機械的強度や耐衝撃性を確保することができる。さらに、従来に比べれば、直流電力主回路７や交流電力主回路６を、電力変換器用筐体８１を構成する梁、支柱、棚に接近させて配置することが可能になるので、電力変換器用筐体８１の小型化も可能となる。

なお、以上に説明した電力変換器用筐体８１，８２の躯体の基本構造は、四角形状に配置、連結された４本の梁からなる基礎枠と、同様の形状に配置、連結された４本の梁からなる天井枠と、両者をそれぞれ上下に連結する４本の支柱３１と、により構成されるとしているが、基礎枠および天井枠の形状は、四角形状に限定されるものではない。基礎枠および天井枠がそれぞれ６本や８本の梁からなり、その形状が６角形や８角形などの多角形であってもよい。

また、以上に説明した実施形態では、電力変換の回路構成を２レベル（ｐ，ｎ）としたが、３レベルでもよい。ただし、この場合には、直流主回路７は、正側直流配線７ｐおよび負側直流配線７ｎに中性点直流配線が追加されたものとなる。

また、以上に説明した実施形態では、電力変換の対象の交流は、３相交流であるとしたが、単相交流であってもよい。ただし、その場合には、電力変換器用筐体８１（８２）には、３つではなく、２つの半導体スイッチングユニット９０，９１（９３，９４）が収納される。

本発明は、以上に説明した実施形態に限定されるものでなく、さらに様々な変形例が含まれる。前記の実施形態は、本発明を分かりやすく説明するために、詳細に説明したものであり、必ずしも説明したすべての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成の一部で置き換えることが可能であり、さらに、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成の一部または全部を加えることも可能である。

１ 電力変換器
１ｃ 電力変換器（コンバータ）
１ｉ 電力変換器（インバータ）
２ 交流電源
３ モータ
４，４ｐ，４ｎ スイッチング素子（ＩＧＢＴ）
５，５ｐ，５ｎ ダイオード
６ 交流電力主回路
６ｃ，６ｉ 交流配線
７ 直流電力主回路
７ｐ 正側直流配線
７ｎ 負側直流配線
１０，１１，１２ 半導体スイッチング回路
２１〜２４ 梁（基礎枠）
２６〜２９ 梁（天井枠）
２５，３０ 梁
３１ 支柱
３５〜３８ 支柱
４１，４２ 梁（第２の梁）
４３ 棚
４３ａ 梁
４３ｂ 棚板
４０，４５ コーナー部材
５１，５４，５６ 主回路銅条
８１，８２ 電力変換器用筐体
９０〜９５ 半導体スイッチングユニット

Claims (4)

1. 複数の梁がそれぞれ多角形状に配置、連結されて構成される基礎枠および天井枠と、
   前記基礎枠の上部に設けられ、前記基礎枠と前記天井枠とを互いに連結するとともに、前記天井枠を支持する複数の支柱と、
   前記基礎枠と前記天井枠の間の位置に設けられ、前記支柱によって支持される棚と、
   を少なくとも備えてなり、電力変換器を収納するように構成された電力変換器用筐体であって、
   前記棚には、前記電力変換器の半導体スイッチングユニットが載置され、
   前記半導体スイッチングユニットには、配線部材で構成される交流電力主回路と前記配線部材とは別の配線部材で構成される直流電力主回路とが接続されるように構成されており、
   前記電力変換器用筐体は、
   前記基礎枠と前記天井枠を構成する前記梁のほかに、前記天井枠と前記棚との間に前記直流電力主回路の配線部材を支持する第２の梁をさらに備え、
   前記棚には、前記交流電力主回路の配線部材が配置され、
   前記第２の梁は、前記直流電力主回路の配線部材を支持し、
   前記電力変換器の直流電力主回路を支持する前記第２の梁は、非磁性で低抵抗率の部材で構成され、前記電力変換器の交流電力主回路が配置される前記棚は、機械的強度の大きい非磁性の部材で構成されていること
   を特徴とする電力変換器用筐体。
2. 前記非磁性で低抵抗率の部材は、銅材であり、前記機械的強度の大きい非磁性の部材は、ステンレス鋼材であること
   を特徴とする請求項１に記載の電力変換器用筐体。
3. 前記基礎枠の４隅と前記天井枠の４隅をそれぞれ上下に連結する前記支柱のほかに、前記棚を保持する一対の補助の支柱を備え、
   前記第２の梁は、前記一対の補助の支柱に架け渡されていること
   を特徴とする請求項２に記載の電力変換器用筐体。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の電力変換器用筐体に前記電力変換器が収納されて構成されていることを特徴とする筐体付の電力変換器。

Images