JP6589295B2

JP6589295B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP6589295B2
Application number: JP2015038367A
Authority: JP
Inventors: 平呉; 幸夫福田
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2015-02-27
Filing date: 2015-02-27
Publication date: 2019-10-16
Anticipated expiration: 2035-02-27
Also published as: JP2016163392A

Description

この発明は、無停電電源装置のように半導体素子で構成された電力変換器、電源の開閉および保護を行うブレーカ、電路の選択開閉を行うコンタクタ、電圧の変換を行うトランスなどの各種電気機器を1つのキュービクル内に収めて構成した電力変換装置に関し、特に電力変換装置内の電気機器を空気により強制冷却するようにした空気冷却構造に関する。

無停電電源装置を構成する一般的な電力変換装置は、図５に示すような回路構成を有する。

すなわち、電力変換装置１は、半導体スイッチ素子２１ａ，２１ｂで構成された電力変換器２を備え、その入力端を、電源スイッチとなるブレーカ６およびリアクトル３を介して交流入力端子Ｒ，Ｓ，Ｔに接続し、出力端を、トランス４および出力スイッチとなるコンタクタ７ａを介して交流出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗに接続する。そして電力変換器２の直流中間端子を接続スイッチとなるコンタクタ７ｂを介して、バッテリ８の接続された直流端子P,Nに接続している。これらの各種電気機器を、すべてキュービクル状の盤本体１０に収容して電力変換装置１を構成する。

このような電力変換装置１は、従来から特許文献１および２に示されるように、電力変換器２およびトランス４やその他の電気機器を空気により強制冷却するための空気冷却構造を備える。

特許文献１に示された従来の電力変換装置は、図６に示すように、電力変換器２とトランス４を冷却するため、これらの電気機器を、前面を開閉扉１７により閉じられたキュービクルで構成した盤本体１０内を隔壁１１により区画形成した前室１２と後室１３に各別に収容する。前、後室１２、１３の上部に各別に冷却ファン１４ａ，１４ｂを設けている。前室１２には、電力変換器２の他に、発熱の低い、ブレーカ６、コンタクタ７、プリント板で構成される制御装置５等が収容される。また、後室１３には、トランス４の他に、発熱の高いリアクトル３が収容される。冷却ファン１４ａ，１４ｂは、それぞれ、外部の空気を、盤本体１０の前面扉１７の下方の吸気口１５から各区画室内に冷却空気として吸い込み、これを、矢印で示すように、上方へ貫流させて盤本体１０の天井壁に設けた排気口１６ａ、１６ｂから排出する。これにより、前室１２に収容した電力変換器２および後室１３内に収容した高発熱体であるトランス４およびリアクトル３が各別に冷却される。

この結果、電力変換器２を、高発熱体であるトランス４およびリアクトル３の発生する熱の影響を受けることなしに、効果的に冷却することができる。

また、特許文献２に示された従来の電力変換装置は、図７に示すように構成されている。すなわち、この従来例においては、２つの冷却ファン１４ａ，１４ｂが盤本体１０の中間部に設けられており、これらの冷却ファンにより、盤本体１０のトランス４およびリアクトル３の収められた区画室１３に、盤本体の前面扉１７の下方の吸気口１５から外部の空気を冷却空気として吸引して、トランス４、リアクトル３を冷却する。そして、冷却ファン１４ａから排出される冷却空気を電力変換器２の半導体スイッチ素子２１の取付けられた冷却フィン２３を収容した風洞１８に貫流させて盤本体１０の天井壁に設けた排気口１６から排出することにより、冷却フィン２３を介して電力変換器２を冷却する。そして、冷却ファン１４ｂから排出される冷却空気のほとんどは盤本体１の天井壁に設けた排気口１６から排気されるが、一部が、風洞１８内に分流されて、電力変換器２の冷却を助ける。

特開平０９−２１３５３２号公報特開２００６‐０８７２６９号公報

特許文献１の従来装置は、電力変換器への冷却空気は、盤本体の前室に外部から直接吸引するので、前室に収容された電力変換器以外の制御装置やブレーカ、コンタクタなどにも直接冷却空気が当たり、冷却空気に含まれる塵埃が制御装置やブレーカおよびコンタクタに付着堆積し、制御装置の制御プリント板の絶縁低下やブレーカおよびコンタクタの接点の動作不良が生じる不都合がある。

また特許文献２の従来装置は、トランスおよびリアクトルの冷却空気の排気の一部が電力変換器の冷却風洞に送られるため、発熱量の大きいトランスの場合は、トランスの冷却空気の排気温度の上昇により電力変換器の冷却不足が生じる不都合がある。

この発明は、このような従来装置における不都合を解消するため、電力変換器とリアクトルおよびトランスとの冷却が各別に行われ、かつ制御装置やブレーカおよびコンタクタに冷却空気に含まれる塵埃の付着することのない電力変換装置の空気冷却構造を得ることを課題とするものである。

前記の課題を解決するため、この発明は、前記盤本体内を垂直の隔壁により前室と後室とに区画して、前記前室内に電力変換器、ブレーカ、コンタクタおよび制御装置を収容し、前記後室内にトランスおよびリアクトルを収容するとともに、前記前室内に、前記電力変換器の少なくとも半導体素子を冷却する冷却フィンを包む風洞を設け、前記盤本体の前面扉の下部に外部から前記前室へ通じる吸気口を設け、前記隔壁の下部に前記前室から後室へ通じる通気口を設け、前記盤本体の天井壁に前記後室および前記風洞から外部へ通じる排気口を設け、かつ前記風洞に吸引された冷却空気を前記排気口から排出する電力変換器用冷却ファンと、前記後室に吸引された冷却空気を前記排出口から排出するトランス用冷却ファンとを前記盤本体の天井部に並設したことを特徴とするものである。

この発明においては、前記風洞の下端を前記ブレーカ、コンタクタおよび制御装置の設置位置より下方の位置まで延長するのがよく、また、前記前面扉の吸気口は、前記風洞の下端より下に設けるのがよい。

さらに、前記隔壁の通気口部分に前記後室から前室への冷却空気の逆流を抑制する逆流抑制手段を設けることができる。

前記隔壁の通気口は、前記トランスおよびリアクトルの支持位置より下方に設けるのがよい。

この発明によれば、前室に収容された電力変換器と、後室に収容された高発熱体であるトランスおよびリアクトルとを各別に冷却空気を通して冷却するので、電力変換器をトランスおよびリアクトルの冷却に影響されることなく良好に冷却することができる。

また、前室内に吸引された冷却空気は、電力変換器へ冷却空気を導く風洞を通して流れ、この前室内に収容されたブレーカ、コンタクタおよび制御装置には流れないので、ブレーカ、コンタクタおよび制御装置に冷却空気に含まれる塵埃が付着することがなく、制御装置の絶縁性能の低下およびブレーカおよびコンタクタの接点の接触不良の発生を抑制することができる。

この発明の実施例の電力変換装置の外観を示す斜視構成図であり、（ａ）は、前面扉を閉じた状態の構成図、（ｂ）は、前面扉を開いた状態の構成図である。この発明の実施例の電力変換装置の外周壁を外して内部構成を示す斜視図であり、（ａ）は、正面側から見た斜視図、（ｂ）は、背面側から見た斜視図である。この発明の実施例の電力変換装置の内部構成を示す縦断面図である。この発明に使用する電力変換器の構成を示すもので、（ａ）は、左側面側から見た斜視図、（ｂ）は、正面側から見た縦断面図である。無停電電源装置を構成する電力変換装置の一般的な回路構成を示すブロック構成図である。電力変換装置の従来例を示す縦断面図である。電力変換装置の他の従来例を示す縦断面図である。

この発明の実施の形態を図に示す実施例について説明する。

図１ないし図４にこの発明の実施例を示す。

この発明による電力変換装置１の外観は、図１（ａ）および（ｂ）に示すように構成されている。

電力変換装置１は、前面を開閉扉１７により閉じたキュービクル状の盤本体１０を備える。この盤本体１０の前面扉１７の下部に、外部から盤内に通じる吸気口１５が設けられ、盤本体１０の天井壁に盤内から外部へ通じる排気口１６ａおよび１６ｂが設けられている。
このような盤本体１０内には、図２（ａ）および（ｂ）並びに図３に明示するように垂直な隔壁１１が設けられ、これにより、この中が前後に２つに区画され、前室１２と後室１３が形成される。

前室１２は、前面扉１７に設けた吸気口１５により外部と通じている。この前室１２内には、半導体素子で構成された電力変換器２と、この電力変換器２と電源との開閉を行う保護機能付きのブレーカ６と、電力変換器２の電路の選択接続を行うコンタクタ７、および電力変換器２等を制御する制御装置５が収容される。

隔壁１１の下端部には通気口１１ａが設けられており、これにより後室１３は前室１２と連通される。このように前室１２と連通した後室１３内には、高発熱体となるリアクトル３およびトランス４が収容される。

隔壁１１の通気口１１ａは、前面扉１７の吸気口１５の設けられた位置より下方の位置に設けるのがよく、さらに後室１３に収容されたトランス４およびリアクトル３の支持位置より下方の位置に設けるのがよい。

後室１３の上方には、前面扉１７の吸気口１５、前室１２および隔壁１１の通気口１１ａを通して外部空気を冷却空気として吸込み、後室１３内を上方へ貫流させて、天井壁の排気口１６ｂから排気することにより、リアクトル３およびトランス４を空気流により強制冷却するトランス用冷却ファン１４ｂが設けられている。

そして、前室１２には、電力変換器２の半導体素子２１を冷却するための冷却体２２に付設された冷却フィン２３を収容する通風路２４（図５参照）へ冷却空気を導く風洞１８を設けている。電力変換器２の通風路２４の上端と盤本体１０の天井壁の排気口１６ａとの間に電力変換器用冷却ファン１４ａを設ける。この冷却ファン１４ａは、吸気口１５から前室１２に吸い込んだ冷却空気を、さらに風洞１８を介して電力変換器２の通風路２４へ貫流させて、排気口１６ａから排出する過程で、冷却フィン２３を介して電力変換器２を構成する半導体素子２１を空気流により強制冷却する。

前室１２内には、前面扉１７の吸気口１５より外部から冷却空気が吸い込まれるが、この中に電力変換器２の冷却フィン２３へ冷却空気を導く風洞を設けることにより、前室１２内に冷却空気の貫流されない領域が形成される。ブレーカ６は、この前室１２内の冷却空気の貫流されない領域に置かれた風洞１８の前壁上に取付けられ、同様に冷却空気の貫流されない領域にある隔壁１１の前面には、コンタクタ７および制御装置５が取付けられている。コンタクタ７は、ブレーカ６と同じ高さの位置に取付けられる。

前室１２の上方はこの中に収容した電力変換器２や上壁１９によって閉塞されているが、後室１３の上方は冷却ファン１４ｂを介して天井壁の排気口１６ｂから外部へ通じている。

電力変換器２は、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、ユニットケース２０内に収められる半導体素子２１、冷却体２２、冷却フィン２３により構成されている。ユニットケース２０には上下に貫通した通風路２４が設けられている。この通風路２４内には、半導体素子２１を支持した冷却体２２に間隔をおいて突出形成された複数の冷却フィン２３が収容される。

このように構成した電力変換装置１において、運転に伴い冷却ファン１４ａおよび１４ｂを駆動すると、図３に示すように、盤本体１０の前面扉１７の吸気口１５から外部空気が冷却空気として矢印Ａで示されるように盤内に吸引される。

この盤内に吸引された冷却空気は、盤本体１０の前室１２においては、矢印Ｂ，Ｃ、Ｄで示すように風洞１８の下端の入口から風洞１８内に吸い込まれ、この風洞１８内を上昇して電力変換器２の通風路２４に導かれる。そして、冷却空気が通風路２４を冷却フィン２３と接触しながら貫流し、冷却ファン１４ａを通して、排気口１６ａから外部へ排気される。前室１２内の冷却空気は風洞１８内を貫流して電力変換器２の冷却フィンと接触して流れることにより冷却体２２に介して半導体素子２１を冷却することができる。

また、盤本体１０の後室１３内には、冷却ファン１４ｂの作動により、隔壁１１の下部の通風口１１ａを通して前室１２から冷却空気が吸い込まれ、矢印Ｅで示すようにリアクトル３およびトランス４の下からこれらに沿って上方へ貫流し、冷却ファン１４ｂを通して排気口１６ｂから外部へ排気されるようになる。このように後室１３内をリアクトル３およびトランス４と接触しながら強制貫流される冷却空気により、リアクトル３およびトランス４を良好に冷却することができる。

これにより、電力変換器２と、リアクトル３およびトランス４とに各別に冷却空気を強制貫流させて冷却することができるので、高発熱体であるリアクトル３およびトランス４の熱の影響を受けないで電力変換器２を良好に冷却することができる。

前室１２の上部が閉塞されているので、このように冷却空気を強制貫流させて電力変換器２、リアクトル３およびトランス４を冷却する際、前室１２内に吸い込まれた冷却空気は、風洞１８を通してだけ流れる。一方、ブレーカ６、コンタクタ７および制御装置５は、前室１２内の冷却空気の貫流されない領域に置かれた風洞１８の前面壁部分および隔壁１１の前面部分に取付けられているので、これらの機器の表面への冷却空気に含まれる塵埃の付着堆積を抑制することができる。

このため、長期間運転しても、接点を備えるブレーカやコンタクタの接触不良の発生や、制御装置の絶縁不良の発生を低減することができる。

前室１２において、風洞１８の冷却空気の入口となる下端を前室１２内に収めたブレーカ６およびコンタクタ７の設置位置より下方の位置まで延長することにより、ブレーカ６やコンタクタ７の設置領域が、冷却空気の貫流されない領域に置くことができるので、これらの機器への粉塵の付着堆積をより抑制することができる。この効果は、前面扉１７に設けた吸気口１５を風洞１８の下端の位置より下方の位置に設けることにより、さらに高めることができる。

また、隔壁１１の通気口１１ａに、図３に示すように、冷却空気の後室１３から前室１２への逆流を抑制する逆流抑止片１１ｂを設けることにより、後室１３内のリアクトル３およびトランス４で加熱された冷却空気の逆流を抑制することができるので、前室１２に収容した電力変換器２の冷却効果を高く維持することができる。

さらに、隔壁１１に設けた通気口１１ａを、後室１３に収めたリアクトル３およびトランス４の支持位置よりも下方の位置に設けることにより、この通気口１１ａか後室１３に吸い込まれた冷却空気を、リアクトル３およびトランス４の下端から上方へ接触して貫流させることができるので、リアクトル３およびトランス４の冷却効果をより高めることができる。

１：電力変換装置
１０：盤本体
１１：隔壁
１２：前室
１３：後室
１４ａ，１４ｂ：冷却ファン
１５：吸気口
１６ａ、１６ｂ：排気口
１７：前面扉
１８：風洞
１９：上壁
２：電力変換器
２０：ユニットケース
２１：半導体素子
２２：冷却体
２３：冷却フィン
２４：通風路
３：リアクトル
４：トランス
５：制御装置
６：ブレーカ
７：コンタクタ
８：バッテリ

Claims

盤本体内を垂直の隔壁により前室と後室とに区画して、前記前室内に電力変換器、ブレーカ、コンタクタおよび制御装置を収容し、前記後室内にトランスおよびリアクトルを収容するとともに、
前記前室内に、前記電力変換器の少なくとも半導体素子を冷却する冷却フィンが収容された通風路へ冷却空気を導く風洞と、冷却空気の貫流されない領域とを設け、
前記冷却空気の貫流されない領域に、前記ブレーカ、コンタクタおよび制御装置を設け、
前記盤本体の前面扉の下部に外部から前記前室へ通じる吸気口を設け、前記隔壁の下部に前記前室から前記後室へ通じる通気口を設け、前記盤本体の天井壁に前記後室および前記風洞から外部へ通じる排気口を設け、
かつ前記風洞に吸引された冷却空気を前記排気口から排出する電力変換器用冷却ファンと、前記後室に吸引された冷却空気を前記排気口から排出するトランス用冷却ファンとを前記盤本体の天井部に並設したことを特徴とする電力変換装置。
前記通気口が、前記風洞の下端より下方に設けられたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記風洞の下端を、前記ブレーカ、コンタクタおよび制御装置の設置位置より下方の位置まで延長したことを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
前記前面扉の吸気口は、前記風洞の下端より下方の位置に設けることを特徴とする請求項１ないし３の何れか１項に記載の電力変換装置。
前記隔壁の通気口部分に前記後室から前室への冷却空気の逆流を抑制する逆流抑制手段を設けたことを特徴とする請求項１ないし４の何れか１項に記載の電力変換装置。
前記隔壁の通気口は、前記トランスおよびリアクトルの支持位置より下方の位置に設けることを特徴とする請求項１ないし５の何れか１項に記載の電力変換装置。
前記冷却空気の貫流されない領域は、上部が閉塞されていることを特徴とする請求項１ないし６の何れか１項に記載の電力変換装置。