JP6568422B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換回路を格納する筺体を備える電力変換装置に関する。

近年、導入が進められている、太陽光発電や風力発電等の自然エネルギー電源では、直流を交流に変換するパワーコンディショナーや周波数が変動するのを防止する周波数変換装置が使用される。また、インターネットや携帯電話のデータを管理するデータセンタでは、無停電電源が使用されている。このように、電力変換装置の利用分野は、従来の電動機駆動も含めて、拡大している。

自然エネルギー電源の導入やインターネットや携帯電話の普及は多数の国や地域で進められており、電力変換装置の需要は、急速かつグローバルに増大している。需要の増大に伴い、コスト低減が要求されており、このため、電力変換装置の小型化が進められている。

しかし、小型化に伴い、電力変換装置の筐体に近接配置される配線導体に流れる電流によって発生する磁束によって、筺体表面に渦電流が発生し、筺体材料の電気抵抗によってジュール損失が発生するため、筐体が高温になるという問題が生じる。

これに対し、渦電流による発熱を抑制する従来技術として、特許文献１および特許文献２に記載の技術が知られている。

特許文献１に記載の技術では、母線導体を収納するフレームに、母線導体の軸方向に延びるスリットを設け、このスリットを非磁性体により塞ぐ。このスリットは磁気抵抗が大きいので、フレームを周回する磁束が減少し、フレームに発生する渦電流が減り、フレームの発熱が抑えられる。

特許文献２に記載の技術では、高周波トランスを囲む非磁性金属板にスリットを設け、渦電流の発生を防止して、非磁性金属板の温度上昇を防止する。

特開平５−３００６３０号公報（図１） 特開平１１−３４５７２４号公報（図９）

上記従来技術では、磁束を発生する配線導体や電気機器とスリットとの配置関係が、渦電流の大きさや分布に影響する。このため、筐体が大きな、大電力用の電力変換装置では、スリットを設けても筐体の温度上昇を十分に低減できなかったり、筐体が局所的に高温になったりするという問題がある。

そこで、本発明は、渦電流による筐体の温度上昇を確実に抑制することができる電力変換装置を提供する。

上記課題を解決するために、本発明による電力変換装置は、金属板から構成される筺体と、筐体内に収納される電力変換回路と、筐体内において配置されると共に電力変換回路に接続され、主電流である交流電流が流れる複数の配線導体と、を備えるものであって、複数の配線導体は、複数の配線導体の長手方向が筐体の一面に平行となるように、筐体の一面に隣接し、筐体の一面における複数の配線導体に対向する位置に、複数の配線導体の長手方向に沿って複数のスリットが設けられ、複数のスリットの幅は、前記複数の配線導体の幅よりも広い。

本発明によれば、筐体において複数の配線導体の長手方向に沿って設けられる複数のスリットにより、複数の配線導体と筐体との間の相互インダクタンスが低減されるので、配線導体に流れる交流電流によって発生する磁束により筺体に生じる渦電流を低減できる。これにより、渦電流による筐体の温度上昇を確実に抑制することができる。

上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

渦電流発生を説明するための模式図である。 筐体に渦電流が発生する時の等価回路を示す。 実施例１である電力変換装置の内部構造斜視図である。 実施例１において配線と対向する筺体の平面図を示す。 電力変換ユニットを構成する電力変換回路の一例を示す。 スリット幅と配線幅との比と、相互インダクタンスとの関係を示す。 実施例２である電力変換装置の内部構造斜視図である。 実施例２において、配線導体が並置される方向から見た筺体の側面図を示す。 実施例３である電力変換装置の概略構成を示す外観斜視図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。各図において、参照番号が同一のものは同一の構成要件あるいは類似の機能を備えた構成要件を示している。

まず、電力変換装置の筺体の表面温度が上昇するメカニズムを説明する。

図１ａは渦電流発生を説明するための模式図である。筐体１に隣接する配線導体２に交流電流ｉ（例えば、ＡＣ５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚ）が流れると、磁束φが発生し、この磁束により筺体１の表面に渦電流が発生する。

図１ｂは、筐体１に渦電流が発生した時の等価回路を示す。配線導体２と筺体１は、等価的に空芯トランス５で表される。配線導体２に交流電流ｉが流れるとき、筺体１の表面には、式（１）で表わされる電圧Ｖ_ｅが発生する。

Ｖ_ｅ＝Ｍ×（ｄｉ／ｄｔ） … （１）
ここで、Ｍは空芯トランス５の相互インダクタンス、ｄｉ／ｄｔは電流の時間変化率である。

さらに、渦電流経路の電気抵抗７をＲ_ｓとすると、渦電流によって発生するジュール損失Ｊは式（２）で表わされる。

Ｊ＝Ｖ_ｅ ^２／Ｒ_ｓ＝（Ｍ×ｄｉ／ｄｔ）^２／Ｒ_ｓ … （２）
筺体１の温度上昇はジュール損失Ｊに比例するので、式（２）によれば、筺体１の温度上昇は、空芯トランス５の相互インダクタンス（Ｍ）の２乗に比例し、渦電流経路の電気抵抗（Ｒ_ｓ）に反比例する。なお、ｄｉ／ｄｔは電力変換装置の回路特性に依存する。従って、筐体１および配線導体２の構成によって温度上昇を抑制するには、配線導体２と筺体１の間の相互インダクタンス（Ｍ）を低減するか、あるいは筐体１における渦電流経路の電気抵抗（Ｒ_ｓ）を増大する。

次に、上記渦電流の発生メカニズムを考慮した、本発明の実施例について説明する。

図２ａおよび図２ｂは本発明の実施例１である電力変換装置の概略構成を示す。図２ａは内部構造斜視図であり、図２ｂは配線と対向する筺体の平面図を示す。

本実施例１においては、３相交流電力を扱う電力変換ユニット２０が筐体１内に収納される。電力変換ユニット２０には、筐体１内において、Ｕ相用配線導体２ａ、Ｖ相用配線導体２ｂおよびＷ相用配線導体２ｃが接続される。従って、配線導体２ａ，２ｂ，２ｃには、電力変換ユニット２０の出力電流、すなわち主電流である３相交流電流が流れる。筐体１は、金属板材料としては、比較的安価な鋼板によって構成される。電力変換ユニット２０は、大電力（例えば、数ＭＶＡ以上）を扱う。また、電力変換ユニット２０の出力電流の周波数は、比較的低周波数（例えば、最大で、数１０〜数１００Ｈｚ程度）である。なお、電力変換ユニット２０を構成する電力変換回路の一例を図３に示す。

図３の電力変換回路は、半導体スイッチング素子１０１〜１０６（図３では絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ））をオン・オフ制御することにより、直流電力を三相交流電力に変換したり、三相交流電力を直流電力に変換したりする。本電力変換回路は、半導体スイッチング素子１０１とダイオード２０１とが逆並列に接続される上アームと、半導体スイッチング素子１０２とダイオード２０２とが逆並列に接続される下アームと、を備える。上アームと下アームとの直列接続回路の両端は直流端子Ｐ，Ｎ（Ｐ：高電位側，Ｎ：低電位側）に接続され、上アームと下アームとの接続点はＵ相の交流端子Ｕに接続される。また、半導体スイッチング素子１０３とダイオード２０３からなる上アームと、半導体スイッチング素子１０４とダイオード２０４からなる下アームとの直列接続回路の両端および接続点が、それぞれ直流端子Ｐ，ＮおよびＶ相の交流端子Ｖに接続される。さらに、半導体スイッチング素子１０５とダイオード２０５からなる上アームと、半導体スイッチング素子１０６とダイオード２０６からなる下アームとの直列接続回路の両端および接続点が、それぞれ直流端子Ｐ，ＮおよびＷ相の交流端子Ｗに接続される。すなわち、本電力変換回路は、上アームと下アームとの直列接続回路を、交流の相数に応じて３個備える。なお、一つのアームについて、半導体スイッチング素子を１個、ダイオードを１個、図示しているが、電力容量に応じて、複数個の半導体スイッチング素子が並列接続されると共に、複数個のダイオードが並列に接続される。また、一つのアーム、例えば、半導体スイッチング素子１０１とダイオード２０１からなるＵ相の上アームは、パワー半導体モジュールＰＭによって構成される。

図２ａ，２ｂに示す配線導体２ａ，２ｂおよび２ｃは、それぞれ図３における交流端子Ｕ，ＶおよびＷに接続される。

これら配線導体２ａ，２ｂ，２ｃは、流す電流を大きくするために、銅材などの金属導体からなる平板状のバスバーから構成される。配線導体２ａ，２ｂ，２ｃは、筐体１内において、長手方向が筐体１の一面に平行となるように、筐体１の一面に隣接する。さらに、本実施例１において、配線導体２ａ，２ｂ，２ｃは、筐体１の高さ方向に沿うように配置されるとともに、平板形状の厚さ方向の面が筐体１の一面に対向かつ隣接するように配置される。また、筐体１内において、配線導体２ａ，２ｂ，２ｃは、平板形状の平面部が互いに平行に対向する様に、実質等間隔に並設配置される。また、配線導体２ａ，２ｂ，２ｃの上端部は、筐体１内の上部に位置する電力変換ユニット２０に接続するために、実質同じ高さに位置する。また、配線導体２ａ，２ｂ，２ｃの下端部は、直角方向に曲げて延ばして他の回路部分に接続するために、配線導体２ａ，２ｂ，２ｃの順に位置が低くなる。このような配線導体２ａ，２ｂ，２ｃの配置において、配線導体２ａ，２ｂ，２ｃの高さ方向の平板平面部は、互いにオーバーラップしている。従って、後述する渦電流低減手段と相俟って、筐体１内における配線導体２ａ，２ｂ，２ｃの設置空間を低減することができ、筐体１の大きさ、すなわち電力変換装置の大きさを低減できる。

本実施例１においては、さらに、図２ａが示すように、筐体１の一面において、配線導体２ａ，２ｂ，２ｃの平板形状の厚さ方向の面が対向する位置に、筐体１の一面における開口部となる細長いスリット１０が設けられる。配線導体２ａ，２ｂ，２ｃに対向する各スリット１０の長さは、配線導体２ａ，２ｂ，２ｃの高さ方向すなわち長手方向の長さに略等しく、少なくとも電力変換ユニット２０との接続部を除く部分の長さに等しい寸法を有する。また、図２ｂが示すように、筐体１の一面の外観において、配線２ａ，２ｂ，２ｃの厚さ方向の幅（図４のＷに相当）はスリット１０の長手方向に垂直な方向の幅（図４のＷｓに相当）よりも小さい。従って、配線２ａ，２ｂ，２ｃの高さ方向の略全体がスリット１０内に位置している。

このようなスリット１０により、配線導体２ａ，２ｂ，２ｃに流れる三相交流電流によって発生し、配線導体が対向する筺体１の１面と鎖交する磁束が、低減する。このため、配線導体２ａ，２ｂ，２ｃと筺体１との間の相互インダクタンスＭが低減される。従って、前述した配線導体の筐体内における配置構成により、筐体１内の狭い空間に配線導体が配置され、筺体１と配線２の間隔が低減されても、渦電流による筺体１表面の温度上昇を抑制することができる。さらに、スリット１０により配線導体２ａ，２ｂ，２ｃと筺体１との間の相互インダクタンスＭが低減されるので、本実施例１のように、筐体１を磁性体である鋼板により構成しても、筺体１表面の渦電流を低減することができる。

なお、本発明者の検討によれば、本実施例１のように、配線導体が筐体内において長手方向が筐体の高さ方向に沿うように配置される場合、配線導体に流れる交流電流により筺体表面に発生する渦電流により発生する熱が空気により筐体の上方へ運ばれるため、配線導体２の上端近傍の温度が高くなる。この様な現象を考慮して、本実施例１では、配線導体２ａ，２ｂ，２ｃの高さ方向およびその他の方向の内、高さ方向のみに沿うようにスリット１０を設けている。これにより、筐体１にスリット１０を形成するための作業工数が低減されるので、電力変換装置の製造コストが抑えられる。また、より有効に相互インダクタンスを低減するためには、図２ｂに示すように、そして後述するように、スリット１０の幅を配線導体の厚さ方向の幅よりも広くするが、本実施例においては、配線導体２ａ，２ｂ，２ｃの平板形状の厚さ方向の面が対向する筐体１の一面において、細長いスリット１０が設けられるので、スリット１０による開口面積の増加が抑えられる。これにより、開口部から筐体内への塵埃の侵入を抑制できる。

図４は、本発明者の検討に基づく、スリット幅Ｗｓと配線導体の厚さ方向の幅すなわち配線幅Ｗとの比（Ｗｓ／Ｗ）と、配線導体２と筐体１の間の相互インダクタンスとの関係を示す。なお、相互インダクタンスの値は、配線幅Ｗ＝０の時の相互インダクタンスを１とした時の相対値である。

相互インダクタンスの低減効果は、（Ｗｓ／Ｗ）が１以下の範囲、すなわちスリット幅Ｗｓが配線幅Ｗ以下では、図４では明確に示せないほど極わずかであるが、（Ｗｓ／Ｗ）が１より大きな範囲、すなわちスリット幅Ｗｓが配線幅Ｗより大であると、相互インダクタンスは大幅に低減する。これは、本発明者の検討によれば、配線導体に流れる電流によって発生する磁束の内、筐体と鎖交する主たる磁束が、配線導体の周囲すなわち配線導体の幅の範囲外の空間において発生する磁束であるためである。すなわち、配線導体と隣接対向する筐体の一面において、配線導体の幅Ｗの範囲内から範囲外にわたって開口部を設ければ、すなわち配線幅Ｗよりも広い幅Ｗｓ（＞Ｗ）のスリットを設ければ、鎖交する磁束を確実に低減できる。従って、本実施例１において、渦電流による筐体の温度上昇を抑制するためには、図２ｂに示すように、スリット幅Ｗｓを配線幅Ｗより大きくすることが好ましい。

図５ａおよび図５ｂは本発明の実施例２である電力変換装置の概略構成を示す。図５ａは内部構造斜視図であり、図５ｂは配線導体２ａ，２ｂ，２ｃが並置される方向から見た筺体１の側面図を示す。以下、実施例１と異なる点について説明する。

本実施例２においては、配線導体２ａ，２ｂ，２ｃに対向する各スリット１０が、高さ方向に沿って複数個に分割され、分割された各スリットにひさし１１が設けられる。ひさし１１を設けることで、外部から筐体内への塵埃等の異物の侵入を防止できる。

図５ａに示すように、分割されたスリット間には、筐体の一部１ａが介在する。図５ｂに示すように、この筐体の一部１ａの外側表面に、ひさし１１を構成する薄板材の一端が固定され、薄板材は筐体外側に向って、すなわち配線導体から離れる方向に向かって折り曲げられて傾斜が付けられている。このため、ひさし１１が筐体と同様に鋼板材料で構成されている場合でも、ひさし１１に渦電流はほとんど流れず、スリット１０の効果は損なわれない。

なお、ひさし１１の材質は、金属や樹脂など任意のもので良い。また、スリットを形成する際に、スリット１０を形成する部分の筐体面を打ち抜かずに加工して、スリット１０とひさし１１を同時に形成し、筐体面とひさしを一体に構成しても良い。

図６は本発明の実施例３である電力変換装置の概略構成を示す。本図６は、スリット１０が設けられる筐体面を外側から見た、外観斜視図である。以下、実施例１と異なる点について説明する。

本実施例３においては、スリット１０が設けられる筐体１の一面の外側において、スリット１０を塞ぐように、アルミニウムやステンレス鋼からなる、非磁性金属（例えば、アルミニウムやステンレス鋼）からなる薄い平板状のカバー１２が設けられている。

配線導体２ａ，２ｂ，２ｃに流れる３相交流電流よって発生する磁束はカバー１２とも鎖交するが、非磁性金属は筐体１を構成する鋼板材料よりも透磁率が低いため、本実施例３のカバー１２には、渦電流はほとんど発生しない。このため、筐体１表面の温度上昇が抑制される。さらに、筐体面の開口部となるスリット１０がカバー１２によって塞がれるので、外部から筐体内への塵埃等の異物の侵入を防止できる。

なお、カバー１２の形状は、平板状に限らず、箔体状やシート状であっても良い。本実施例のように平板状（厚さ１〜数ｍｍ程度）のカバーを筐体面に設ければ、スリット１０が設けられる筐体面の強度を向上できる。また、箔体状やシート状のカバー１２にすれば、スリット１０が設けられる筐体面を平坦化することができると共に、カバー１２を取り付けても電力変換装置の重量が増大しない。

なお、本発明は前述した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前述した実施例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、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置き換えをすることが可能である。

例えば、筐体の材料は鋼板に限らず、他の金属材料でも良い。例えば、非磁性金属であっても、電流の周波数が高くなれば、無視できない大きさの渦電流が発生し得るので、筐体面のスリットにより渦電流の発生を抑制することができる。

また、図６においてスリット１０を覆うカバー１２は、メッシュ状や格子状の部材を用いても良い。

さらに、電力変換装置が扱う交流電力の相数は、３相に限らず、複数個でも良い。この場合、配線導体の個数は、交流の相数に等しい複数個となる。

さらに、電力変換回路として、図３に示したものに限らず、３レベル以上の多レベルインバータ回路や、直列多重インバータ回路などを適用できる。また、半導体スイッチング素子として、ＩＧＢＴに限らず、ゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯサイリスタ）などを適用できる。

１，１ａ 筺体
２，２ａ，２ｂ，２ｃ 配線導体
５ 空芯トランス
７ 抵抗
１０ スリット
１１ ひさし
１２ カバー
２０ 電力変換ユニット
１０１，１０２，１０３，１０４，１０５，１０６ 半導体スイッチング素子
２０１，２０２，２０３，２０４，２０５，２０６ ダイオード

Claims (11)

1. 金属板から構成される筺体と、
   前記筐体内に収納される電力変換回路と、
   前記筐体内において配置されると共に前記電力変換回路に接続され、主電流である交流電流が流れる複数の配線導体と、
   を備える電力変換装置において、
   前記複数の配線導体は、前記複数の配線導体の長手方向が前記筐体の一面に平行となるように、前記一面に隣接し、
   前記筐体の前記一面における前記複数の配線導体に対向する位置に、前記複数の配線導体の長手方向に沿って複数のスリットが設けられ、
   前記複数のスリットの幅は、前記複数の配線導体の幅よりも広いことを特徴する電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置において、前記複数の配線導体の長手方向が前記筐体の高さ方向であることを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項２に記載の電力変換装置において、前記複数のスリットは前記筐体の前記高さ方向のみに沿って設けられることを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１に記載の電力変換装置において、前記複数のスリットの長さは、前記複数の配線導体の長手方向の長さに等しいことを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項１に記載の電力変換装置において、前記複数のスリットに、複数のひさしが設けられることを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項５に記載の電力変換装置において、前記複数のひさしは、前記筐体の外側に向って傾斜していることを特徴とする電力変換装置。
7. 請求項１に記載の電力変換装置において、前記複数のスリットが非磁性体で塞がれていることを特徴とする電力変換装置。
8. 請求項１に記載の電力変換装置において、前記金属板が鋼板であることを特徴とする電力変換装置。
9. 請求項１に記載の電力変換装置において、前記電力変換回路は半導体スイッチング素子のオン・オフ制御により電力変換を行い、前記複数の配線導体は前記電力変換回路の交流端子に接続されることを特徴とする電力変換装置。
10. 請求項１に記載の電力変換装置において、前記複数の配線導体は平板形状を有し、前記平板形状の厚さ方向の面が前記筐体の前記一面と対向し、前記厚さ方向が前記複数の配線導体の幅の方向であることを特徴とする電力変換装置。
11. 請求項１０に記載の電力変換装置において、前記複数の配線導体は、前記平板形状の平面部が対向するように並置されることを特徴とする電力変換装置。

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