JP4469578B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は電力変換装置に係り、特に１台の冷却装置から同一構成の複数台の変換ユニットに並列に配管接続された水冷系統を有する電力変換装置に関する。

従来、負荷転流型インバータや直流送電用変換器など、同一構成の変換ユニットを複数台備えた電力変換装置においては、コンバータあるいはインバータの主回路に使用されるサイリスタ素子等のパワーデバイスを冷却するため、１台の冷却装置から各変換ユニットのヒートシンク部分に水冷用の配管を直列または並列に接続する水冷系統が採用されていた。

配管を直列に接続すれば、流量が一定となり、流量管理を行う必要がないというメリットはあるが、変換ユニット内を冷却水が通過する度に冷却水の温度が上昇するため、必要流量が、最後に冷却水が供給される変換ユニットの冷却水温度で決まってしまい、全体の冷却容量が不当に大きくなるという問題があった。

一方、配管を並列に接続すれば、上記の冷却水温度が上昇していくという問題はなくなるが、各変換ユニットの流量を一定にするために変換ユニット毎に流量計を設け、同じく変換ユニット毎に設けられた流量バルブを調整し、各ユニットの流量バランスをとり、前記流量計で確認する必要があった。また、配管等の腐食の問題を緩和するため、冷却水に純水を用いている場合、この各々の変換ユニット毎に設けられた流量計は高価なステンレス製とする必要があった。更に、これらの流量計は、各変換ユニットの流量トラブルを監視するために、流量低下を検出する接点を有しているが、この検出回路の誤検出が問題となる場合もあった。

このように、各分岐配管毎に流量計を設けることは合理的ではないので、冷却装置から各ユニットまでの配管の流体抵抗を計算により求め、この計算結果に基づいて各変換ユニットの配管の入口に、全ての配管の流量が計算上同一となるような設定可変の流体抵抗を挿入する冷却系が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平１１−８９２１３号公報（第３−５頁、図１）

特許文献１に示されているように、机上の計算によって各変換ユニットの冷却水の入側の配管部分に必要な流体抵抗を挿入する場合、各々の変換ユニットの流量は、計算に頼ったものとなり、例えば、変換ユニット内で軽度の水漏れなどがあった場合、この水漏れが発見できず、大きな問題となることも想定される。また、装置の標準化を考慮すると、各変換ユニットは、その発熱量と水冷配管を標準化し、全てが同一となるようにすることが合理的である。従って、外部接続配管の流体抵抗に比べ、上記変換ユニット用水冷配管の流体抵抗の大きさが支配的であれば、特許文献１に示されているような流体抵抗器を設けなくても、流量バランスが取れる冷却系も十分に考えられる。

本発明は上記に鑑みて為されたもので、個別に流量計を設けることなく、しかも流量バランスを簡単に確認できる冷却系を備えた電力変換装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の電力変換装置は、筐体と、この筐体に収納された複数台の変換ユニットと、この変換ユニットに冷却水を供給する冷却装置と、この冷却装置から冷却水を供給し、前記複数台の変換ユニットの冷却水の入側で並列に接続された給水配管と、前記複数台の変換ユニットの冷却水の出側で並列に接続され、前記冷却装置の冷却水の入側に戻る排水配管と、前記冷却装置の冷却水の入側または出側に設けられた流量計と、前記複数台の変換ユニットの夫々の冷却水の入側及び出側に設けられた圧力計とを備え、前記複数台の変換ユニットのうち少なくとも１台は、冷却水の入側及び出側が夫々並列に分岐配管で接続された複数台の分割ユニットから構成され、前記分割ユニットの冷却水の入側及び出側の少なくとも１箇所にワンタッチカプラを設け、このワンタッチカプラの流体抵抗を、前記分岐配管の分岐部から最も遠い分割ユニットまでの配管の流体抵抗以上となるようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、同一構成の変換ユニットを複数台並列に１台の冷却装置からの冷却水で冷却する電力変換装置において、トータルの冷却水流量を１台の冷却装置側の流量計で管理し、並列構成の変換ユニットへ供給される流量については、各々の変換ユニットの冷却水の入側及び出側の圧力計の示す圧力の差が等しくなっていることで各変換ユニットの流量バランスを容易に確保及び確認ができるので、個別に流量計を設けることなく、しかも流量バランスを簡単に確認できる冷却系を備えた電力変換装置を提供することができる。また、本来組立て、保守に必要なワンタッチカプラに流体抵抗機能を持たせるだけで、分割ユニットの流量バランスをとることが可能となる。

複数台の変換ユニットを単一の冷却装置で並列に水冷する電力変換装置において、各変換ユニットの冷却水の入側と出側に圧力計を設け、全体の流量管理は冷却装置の出側または入側に設けた１台の流量計で行うように構成する。

以下に、本発明による電力変換装置の第１の実施例を図１及び図２を参照して説明する。図１は本発明の電力変換装置の冷却系統図である。

図１において、筐体１ａ、１ｂ及び１ｃには電力変換装置の変換ユニット２ａ、２ｂ及び２ｃが夫々収納されている。これらの変換ユニット２ａ、２ｂ及び２ｃは冷却装置３から流量計４を介して冷却水が流入するように給水配管５が並列接続されており、夫々の冷却水の流入部分には流量調節弁６ａ、６ｂ及び６ｃ、並びに圧力計７ａ、７ｂ及び７ｃが設けられている。変換ユニット２ａ、２ｂ及び２ｃから流出する冷却水は、並列に接続された排水配管１０を通り冷却装置３に循環する構成となっている。また、変換ユニット２ａ、２ｂ及び２ｃの冷却水の流出部には夫々流量計８ａ、８ｂ及び８ｃ、並びに圧力計９ａ、９ｂ及び９ｃが設けられている。

図２は、本発明に係る電力変換装置の回路構成図である。交流入力をコンバータ主回路２０で直流に変換し、電流平滑用の直流リアクトル３０を介してインバータ主回路２１で再び交流出力に変換する。コンバータ主回路２０及びインバータ主回路２１は夫々サイリスタ素子２００を複数個用い、これらをブリッジ接続して構成している。これらのサイリスタ素子２００は図１に示したように、複数の変換ユニット２ａ、２ｂ及び２ｃを構成し、例えば変換ユニット２ａ、２ｂ及び２ｃでコンバータ主回路２０が構成されている。

図２において複数個のサイリスタ素子２００は、制御回路により制御されているが、図示を省略している。また、図２に示した回路構成は、直流部に直流リアクトル３０を設けた電流型変換器の例を示したが、直流部にコンデンサを設けた電圧型変換器としても良い。

以上図１及び図２に示したように、本発明に係る電力変換装置の水冷系統は、系統全体の流量を１台の冷却装置３の冷却水の出側に設けられた流量計４で管理し、並列に配管されている複数台の水冷の変換ユニット２ａ、２ｂ及び２ｃの流量管理は、冷却水の入側と出側に圧力計７ａ、７ｂ及び７ｃ（入側）、９ａ、９ｂ及び９ｃ（出側）を取り付けて行う構成としている。尚、流量計４は冷却装置３の冷却水の入側に設けても良い。

上記の構成において、変換ユニット２ａ、２ｂ及び２ｃの流体抵抗が同等であれば、その圧力損失も等しくなるので、変換ユニット２ａ、２ｂ及び２ｃの流量バランスがとれているとみなせ、その確認手段として流量計ではなく、圧力計７ａ、７ｂ及び７ｃ（入側）並びに９ａ、９ｂ及び９ｃ（出側）を用いることが可能となる。即ち、各筐体内の配管構成が同等で、必要流量も同等であれば、自ずと筐体内の圧力損失は等しくなるため、トータルの冷却水流量を１台の冷却装置３の冷却水の出側または入側に設けられた流量計４で管理し、並列構成の変換ユニット２ａ、２ｂ及び２ｃへ供給される流量については、各変換ユニットの冷却水入側の圧力計７ａ、７ｂ及び７ｃと冷却水出側の圧力計９ａ、９ｂ及び９ｃの夫々の圧力差が等しければ、各変換ユニット２ａ、２ｂ及び２ｃには等しい流量が供給されているものとみなすことができる。

また、配管の流体抵抗にアンバランスがある場合には、各変換ユニットの流量を流量調節バルブ６ａ、６ｂ及び６ｃ、及び流量調節バルブ８ａ、８ｂ及び８ｃで調節し、流量を略等しくしたうえで、上述の圧力差を確認しながら運転することも可能である。この場合、入側の流量調節バルブ６ａ、６ｂ及び６ｃと出側の流量調節バルブ８ａ、８ｂ及び８ｃの両方を設けることは必ずしも必要ではなく、入側または出側のどちらか片方でも良い。

以上説明したように、本発明の電力変換装置によれば、複数台の変換ユニットの各々の冷却水の入側及び出側に圧力計を設けているので、個別に流量計を設けることなく、しかも流量バランスを簡単に確認できる冷却系を備えた電力変換装置を提供することができる。

以下に、本発明の第２の実施例を図３及び図４を参照して説明する。

図３は本発明の第２の実施例に係る電力変換装置の筐体内の冷却系統図である。この第２の実施例の各部について、図１の第１の実施例の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この第２の実施例が第１の実施例と異なる点は、図１の変換ユニット２ａを複数台の分岐ユニット２ａ１、２ａ２及び２ａ３で並列構成し、給水配管及び排水配管を各分割ユニットに分岐配管するようにした点、また、各分割ユニット２ａ１、２ａ２及び２ａ３の夫々の冷却水の入側及び出側にワンタッチカプラ１１１、１１２及び１１３を設けた点である。

ワンタッチカプラ１１１、１１２及び１１３は、夫々分岐ユニット２ａ１、２ａ２及び２ａ３の着脱用に設けるものであるが、本実施例では、これらのワンタッチカプラ１１１、１１２及び１１３の流体抵抗を積極的に利用する。以下その考え方について説明する。

図４は、分割ユニット２ａ１の内部を詳細に示した水冷系統図である。図４に示されているように、分割ユニット２ａ１は、複数個のサイリスタ素子２００のヒートシンクを並列に冷却するような内部配管となっている。このため、分割ユニット２ａ１の流体抵抗は比較的小さい。この分割ユニット２ａ１の流体抵抗が小さいと、他の分割ユニットとの僅かな流体抵抗のバラツキで、他の分割ユニットとの間に流量アンバランスが生じる。この結果、流体抵抗が僅かに他より大きい分割ユニットの流量が減少し、当該分割ユニットの冷却が困難となる恐れがある。

このため、ワンタッチカプラ１１１にはある程度の流体抵抗を持つものを使用する。ワンタッチカプラ１１１の流体抵抗は以下のようにして決定する。

図３の水冷系統において、各分割ユニットに対する給水管の流体抵抗のバラツキを考えると、最も冷却装置側に近く配置された分割ユニット２ａ３への流体抵抗が最も小さい。次に、中間に配置された分割ユニット２ｂ３は、分割ユニット２ａ３の流体抵抗に分岐配管Ｌ分の流体抵抗Ｒを加算した値となっている。更に、分岐ユニット２ａ１への給水配管の流体抵抗は、分割ユニット２ａ３の流体抵抗に分岐配管Ｌの２倍の流体抵抗２Ｒを加えた値となる。従って、図３で給水配管５から分割ユニット２ａ３へ分流するポイントを分岐部Ｂとすれば、分岐部Ｂから最も遠い分割ユニット２ａ１までの給水配管分即ち流体抵抗２Ｒのバラツキがあることになる。ここで、分岐ユニット２ａ１、２ａ２及び２ａ３の各々の流体抵抗が上記流体抵抗Ｒに比べて小さい場合は、個々の分割ユニットの流体抵抗のバラツキにより各分割ユニットの流量は影響を受けやすいが、分割ユニットの流体抵抗が上記流体抵抗Ｒに比べて大きければ、流量バランスに与える影響が小さくなるのは明らかである。従って、各ワンタッチカプラ１１１の流体抵抗を上記流体抵抗Ｒより、全体の流体抵抗が極端に大きくならない程度に適当量大きくしておけば、個々の分割ユニット用に流量調節弁を挿入することなく、各々の分割ユニットの流量バランスを保つことが可能となる。

以上説明したように本発明によれば、本来組立て、保守に必要なワンタッチカプラに流体抵抗機能を持たせるだけで、分割ユニットの流量バランスをとることが可能となる。

本発明の電力変換装置の水冷配管系統図。 本発明の電力変換装置の回路構成図。 本発明の他の実施例に係る電力変換装置の水冷配管系統図。 本発明の他の実施例に係る電力変換装置の分割ユニット内の配管構成図。

符号の説明

１ａ、１ｂ、１ｃ 筐体
２ａ、２ｂ、２ｃ 変換ユニット
２ａ１、２ａ２、２ａ３ 分割ユニット
３ 冷却装置
４ 流量計
５ 給水配管
６ａ、６ｂ、６ｃ 流量調節バルブ
７ａ、７ｂ、７ｃ 圧力計
８ａ、８ｂ、８ｃ 流量調節バルブ
９ａ、９ｂ、９ｃ 圧力計
１０ 排水配管
２０ コンバータ主回路
２１ インバータ主回路
３０ 直流リアクトル
１１１、１１２、１１３ ワンタッチカプラ
２００ サイリスタ素子

Claims (2)

1. 筐体と、
   この筐体に収納された複数台の変換ユニットと、
   この変換ユニットに冷却水を供給する冷却装置と、
   この冷却装置から冷却水を供給し、前記複数台の変換ユニットの冷却水の入側で並列に接続された給水配管と、
   前記複数台の変換ユニットの冷却水の出側で並列に接続され、前記冷却装置の冷却水の入側に戻る排水配管と、
   前記冷却装置の冷却水の入側または出側に設けられた流量計と、
   前記複数台の変換ユニットの夫々の冷却水の入側及び出側に設けられた圧力計とを備え、
   前記複数台の変換ユニットのうち少なくとも１台は、冷却水の入側及び出側が夫々並列に分岐配管で接続された複数台の分割ユニットから構成され、
   前記分割ユニットの冷却水の入側及び出側の少なくとも１箇所にワンタッチカプラを設け、このワンタッチカプラの流体抵抗を、前記分岐配管の分岐部から最も遠い分割ユニットまでの配管の流体抵抗以上となるようにしたことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記複数台の変換ユニットの夫々の冷却水の入側及び出側の少なくとも１箇所に流量調整バルブを取り付けた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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